CN115151983A - 超导电磁铁装置 - Google Patents
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Abstract
超导电磁铁装置具备超导线圈(2)、制冷剂容器(3)、制冷机(8)、热交换器(11)以及冷却筒(13)。制冷剂容器(3)收纳对超导线圈(2)进行冷却的制冷剂。制冷机(8)具有制冷台。热交换器(11)配置在制冷剂容器(3)的内部，并且与制冷台连接，对气化后的制冷剂进行冷却。冷却筒(13)具有底部(14)和从该底部(14)的外缘竖立设置的周壁部(15)，在制冷剂容器(3)的内部包围热交换器(11)。冷却筒(13)在周壁部(15)具有使气化后的制冷剂流通的开口(16)，并且将由热交换器(11)再冷凝后的液状的制冷剂贮存在底部(14)上。
Description
技术领域
本公开涉及一种超导电磁铁装置。
背景技术
作为公开了超导磁铁的结构的在先文献，有日本特开2013-53824号(专利文献1)。专利文献1所记载的超导磁铁包括超导线圈、真空容器、制冷机以及热交换器。热交换器具有液体制冷剂的排除机构。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-53824号
发明内容
发明要解决的课题
在超导电磁铁装置中，液状的制冷剂由于从外部侵入到制冷剂容器的热而气化，从而产生制冷剂气体。为了防止由制冷剂气体引起的制冷剂容器内的压力上升，在超导电磁铁装置工作时，通过使制冷机连续运转而使制冷剂气体再冷凝。为了在减少制冷机的消耗电力的同时确保用于冷却超导线圈所需的量的液体制冷剂，要求增大每单位时间的制冷剂的再冷凝量。
本公开是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够增大每单位时间的制冷剂的再冷凝量的超导电磁铁装置。
用于解决课题的手段
基于本公开的超导电磁铁装置具备超导线圈、制冷剂容器、制冷机、热交换器以及冷却筒。制冷剂容器收纳对超导线圈进行冷却的制冷剂。制冷机具有制冷台。热交换器配置在制冷剂容器的内部，并且与制冷台连接，对气化后的制冷剂进行冷却。冷却筒具有底部和从该底部的外缘竖立设置的周壁部，在制冷剂容器的内部包围热交换器。冷却筒在周壁部具有使气化后的制冷剂流通的开口，并且将由热交换器再冷凝后的液状的制冷剂贮存在底部上。
发明的效果
根据本公开，能够利用贮存在冷却筒的底部的液状的制冷剂的潜热来降低冷却筒的温度。通过冷却筒的温度降低，能够冷却位于冷却筒的周围的制冷剂气体。低温的制冷剂气体通过冷却筒的开口而供给到热交换器。由此，能够提高热交换器中的冷凝传热系数，增大每单位时间的制冷剂的再冷凝量。
附图说明
图1是表示实施方式1的超导电磁铁装置的主视图。
图2是从箭头II方向观察图1的超导电磁铁装置的侧视图。
图3是从III-III线箭头方向观察图1的超导电磁铁装置的剖视图。
图4是表示实施方式1的超导电磁铁装置所具备的冷却筒的立体图。
图5是将实施方式1的超导电磁铁装置所具备的冷却筒放大并表示制冷剂的流动的剖视图。
图6是表示实施方式2的超导电磁铁装置的结构的剖视图。
图7是表示实施方式2的超导电磁铁装置所具备的冷却筒的立体图。
图8是从VIII-VIII线箭头方向观察图7的冷却筒的剖视图。
图9是将实施方式2的超导电磁铁装置所具备的冷却筒放大并表示制冷剂的流动的剖视图。
图10是表示实施方式3的超导电磁铁装置的结构的剖视图。
图11是将实施方式3的超导电磁铁装置所具备的冷却筒放大并表示制冷剂的流动的剖视图。
图12是表示实施方式4的超导电磁铁装置的结构的剖视图。
图13是从XIII-XIII线箭头方向观察图12的设置于热交换器的翅片的剖视图。
图14是表示实施方式4的超导电磁铁装置所具备的冷却筒的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图对各实施方式的超导电磁铁装置进行说明。在以下的实施方式的说明中，对图中的相同或相当部分标注相同的附图标记，不重复其说明。在以下的实施方式中，对圆筒型的超导电磁铁装置进行说明，但不一定限定于圆筒型的超导电磁铁装置。
实施方式1
图1是表示实施方式1的超导电磁铁装置的主视图。图2是从箭头II方向观察图1的超导电磁铁装置的侧视图。图3是从III-III线箭头方向观察图1的超导电磁铁装置的剖视图。
如图1至图3所示，超导电磁铁装置100具备超导线圈2、制冷剂容器3、制冷机8、热交换器11以及冷却筒13。超导电磁铁装置100还具备辐射屏蔽件4、真空容器5、制冷机收纳管6以及热锚7。
超导线圈2通过与液状的制冷剂1直接或间接地接触，由液状的制冷剂1的显热或潜热冷却到临界温度以下。如图3所示，在本实施方式中，超导线圈2浸渍在液状的制冷剂1中，与液状的制冷剂1直接接触而被冷却，但超导线圈2例如也可以通过与连接于制冷剂容器3的加入有液状的制冷剂1的配管接触，与液状的制冷剂1间接接触而被冷却。
制冷剂容器3收纳对超导线圈2进行冷却的制冷剂1。作为制冷剂1，使用具有比超导线圈2成为超导状态的临界温度低的沸点的材料，例如为氦、氢或氮等。制冷剂容器3例如由不锈钢等非磁性体的金属构成。
辐射屏蔽件4与制冷剂容器3隔开间隔地配置，并包围制冷剂容器3的周围。辐射屏蔽件4减少从真空容器5向制冷剂容器3的热辐射。辐射屏蔽件4优选由光的反射率及导热系数大的材料构成，例如由铝构成。
真空容器5收纳制冷剂容器3和辐射屏蔽件4。真空容器5的内部为了提高制冷剂容器3的隔热性而减压为高真空。更具体而言，从真空容器5的内侧到制冷剂容器3的外侧的空间为高真空。真空容器5例如由不锈钢构成。
制冷机收纳管6从真空容器5的外侧与制冷剂容器3连接。制冷机收纳管6与制冷剂容器3连通。在制冷机收纳管6的长度方向的中央部配置有热锚7。热锚7是由导热系数大的铜或铝等材料构成的块状构件，经由未图示的挠性导体等与辐射屏蔽件4连接。
制冷机8插入到制冷机收纳管6中。制冷机8具有第1制冷台9和第2制冷台10。作为制冷机8，使用具有这种2级的制冷台的吉福德-麦克马洪(Gifford McMahon)型制冷机或脉冲管制冷机。第1制冷台9对热锚7进行冷却。
制冷机8的冷却能力根据第1制冷台9和第2制冷台10各自的温度而变化。在使用氦作为制冷剂1的情况下，制冷机8的第1制冷台9的温度例如为30K以上且60K以下，第1制冷台的冷却能力例如为20W以上且70W以下。第2制冷台10的温度例如为4K，第2制冷台10的冷却能力例如为1W。
热交换器11配置在制冷剂容器3的内部，并且与第2制冷台10连接，对制冷剂气体1G进行冷却。在热交换器11设置有扩大热交换面积的翅片12。在制冷剂容器3的内部，热交换器11配置于制冷剂气体1G存在的空间。
翅片12朝向后述的冷却筒13的底部延伸。此外，在本实施方式中，翅片12具有梳形的形状，但只要是能够增大热交换面积的形状即可，不限定于梳形的形状。翅片12例如也可以具有销形的形状。位于热交换器11的周围的制冷剂气体1G在热交换器11的表面再冷凝而成为液状的制冷剂1。
图4是表示实施方式1的超导电磁铁装置所具备的冷却筒的立体图。在图4中，后述的冷却筒13的盖部未图示。如图4所示，冷却筒13具有底部14和从底部14的外缘竖立设置的周壁部15。冷却筒13在制冷剂容器3的内部以包围热交换器11的方式配置。冷却筒13在周壁部15具有使气化后的制冷剂气体1G流通的开口16，并且将由热交换器11再冷凝后的液状的制冷剂1贮存在底部14上。在本实施方式中，冷却筒13具有有底圆筒状的形状，但也可以具有有底方筒状的形状。
冷却筒13与第2制冷台10连接。在本实施方式中，如图3及图5所示，冷却筒13具有从周壁部15的上端向内侧延伸的盖部15t。冷却筒13的盖部15t与第2制冷台10连接。在盖部15t设置有能够插入第2制冷台10和热交换器11的孔部，在将第2制冷台10和热交换器11从孔部插入之后，使冷却筒13在周向上旋转，从而如图3及图5所示，盖部15t成为与第2制冷台10连接的状态。此外，冷却筒13也可以与热交换器11连接来代替与第2制冷台10连接。冷却筒13例如由铜或铝等导热系数高的材料构成。
在本实施方式中，开口16具有狭缝状的形状，但只要是制冷剂1能够流通的形状即可，也可以是圆孔状或网状等。优选开口16的至少一部分位于比热交换器11的下端低的位置，但开口16的位置并不一定限定于上述的位置。
图5是将实施方式1的超导电磁铁装置所具备的冷却筒放大并表示制冷剂的流动的剖视图。超导电磁铁装置100由于设置在室温环境中，因此，热从真空容器5侵入辐射屏蔽件4，进而热从辐射屏蔽件4侵入制冷剂容器3。由于侵入到制冷剂容器3的热，使制冷剂容器3的内部的液状的制冷剂1气化，产生制冷剂气体1G。如图3及图5所示，制冷剂气体1G由于浮力而积存在制冷剂容器3的上部。若在制冷剂容器3的内部持续产生制冷剂气体1G，则制冷剂容器3的内压上升，因此，通过与制冷机8的第2制冷台10连接的热交换器11将制冷剂气体1G冷却并使其再冷凝，从而将制冷剂容器3的内压保持为恒定。
冷却筒13由贮存在底部14的液状的制冷剂1的潜热和第2制冷台10冷却到制冷剂1的沸点附近的温度。制冷剂气体1G的温度在液状的制冷剂1与制冷剂气体1G的气液界面附近为制冷剂1的沸点附近的温度。例如，在制冷剂1为氦的情况下，制冷剂气体1G的温度在气液界面附近约为4.2K，但越是朝向制冷剂容器3的上部，制冷剂气体1G的密度越小，制冷剂气体1G的温度变得比制冷剂1的沸点高。结果，位于制冷剂容器3的上部的冷却筒13的温度比存在于冷却筒13的周围的制冷剂气体1G低，因此，能够通过冷却筒13将制冷剂气体1G冷却。
由冷却筒13冷却的制冷剂气体1G如虚线箭头F1所示，在设置于冷却筒13的开口16流通并向热交换器11流动，通过由热交换器11冷却而再冷凝，成为液状的制冷剂1。液状的制冷剂1在热交换器11和翅片12的表面流下，贮存在设置于冷却筒13的底部14上。
在实施方式1中，当底部14上的制冷剂1的贮存量增大而制冷剂1的液面到达开口16时，如实线箭头F2所示，液状的制冷剂1从开口16排出，向制冷剂容器3的下部流动。
通常，在单一成分气体的空间中，在存在温度比该气体的沸点低的传热面的情况下，该气体在传热面的表面冷凝，并在传热面的表面生成液膜。此时，传热面周围的冷凝热阻为将使该气体的温度降低到沸点时的对流热阻和冷凝后的液膜的液膜热阻相加而得到的热阻。冷凝热阻越小，每单位时间的再冷凝量越大。
存在于传热面的周围的该气体与传热面的温度差越小，对流热阻越低。在传热面上生成的液膜的厚度越薄，另外，制冷剂的潜热越小，液膜热阻越低。在超导电磁铁装置100中使用的沸点为极低温度的制冷剂1由于潜热小，因此液膜热阻小。因此，冷凝热阻中的对流热阻的影响变大。
在本实施方式的超导电磁铁装置100中，通过在制冷剂容器3的内部具备包围热交换器11的冷却筒13，能够通过贮存在冷却筒13的底部14的液状的制冷剂1的潜热来降低冷却筒13的温度。通过冷却筒13的温度降低，能够冷却位于冷却筒13的周围的制冷剂气体1G。低温的制冷剂气体1G通过冷却筒13的开口16而供给到热交换器11。结果，位于热交换器11的周围的制冷剂气体1G的温度与热交换器11的温度之差变小，能够减少对流热阻和冷凝热阻。由此，能够提高热交换器11中的冷凝传热系数，增大每单位时间的制冷剂1的再冷凝量。
在本实施方式的超导电磁铁装置100中，冷却筒13与第2制冷台10和热交换器11中的任一方连接。由此，能够与贮存在底部14的液状的制冷剂1一起通过第2制冷台10或热交换器11有效地对冷却筒13进行冷却。
实施方式2
以下，对实施方式2的超导电磁铁装置进行说明。实施方式2的超导电磁铁装置仅在冷却筒的结构上与实施方式1不同，因此，对于其他结构不重复说明。
图6是表示实施方式2的超导电磁铁装置的结构的剖视图。在图6中，以与图3相同的剖面进行图示。如图6所示，在实施方式2中，配置在热交换器11的周围的冷却筒13A配置在制冷剂容器3的内部，与制冷剂容器3连接。
图7是表示实施方式2的超导电磁铁装置所具备的冷却筒的立体图。图8是从VIII-VIII线箭头方向观察图7的冷却筒的剖视图。在图7中，后述的冷却筒13A的凸缘部未图示。
如图7及图8所示，冷却筒13A具有底部14和从底部14的外缘竖立设置的周壁部15。冷却筒13A在制冷剂容器3的内部以包围热交换器11的方式配置。冷却筒13A在周壁部15具有使气化后的制冷剂气体1G流通的开口16，并且将由热交换器11再冷凝后的液状的制冷剂1贮存在底部14上。
在底部14设置有贯通底部14的排液管16A。排液管16A在不与翅片12干涉的范围内向冷却筒13A的内侧突出。排液管16A的上端17的位置比开口16的下端低。在本实施方式中，排液管16A的横截面形状为圆形，但只要是制冷剂1能够在排液管16A中流通的形状即可，也可以是矩形等多边形。
冷却筒13A与制冷剂容器3连接。如图8及图9所示，冷却筒13A具有从周壁部15的上端向外侧延伸的凸缘部15f。冷却筒13A的凸缘部15f的上表面与制冷剂容器3的内表面连接。
图9是将实施方式2的超导电磁铁装置所具备的冷却筒放大并表示制冷剂的流动的剖视图。如图9所示，在实施方式2中，当底部14上的制冷剂1的贮存量增大而制冷剂1的液面到达排液管16A的上端17时，如实线箭头F2所示，液状的制冷剂1从排液管16A排出，向制冷剂容器3的下部流动。
在本实施方式的超导电磁铁装置中，通过在制冷剂容器3的内部具备包围热交换器11的冷却筒13A，也能够提高热交换器11中的冷凝传热系数，增大每单位时间的制冷剂1的再冷凝量。
在本实施方式的超导电磁铁装置中，冷却筒13A与制冷剂容器3连接。由此，能够削减与第2制冷台10连接的结构，因此，与实施方式1的超导电磁铁装置100相比，能够使制冷机8的连接结构变得容易。
实施方式3
以下，对实施方式3的超导电磁铁装置进行说明。此外，实施方式3的超导电磁铁装置主要在制冷机、制冷机收纳管以及冷却筒的结构上与实施方式2不同，因此，对于与实施方式2的超导电磁铁装置相同的结构不重复说明。
图10是表示实施方式3的超导电磁铁装置的结构的剖视图。在图10中，以与图6相同的剖面进行图示。如图10所示，在实施方式3中，制冷机8插入到真空容器5的内部。第1制冷台9位于辐射屏蔽件4的外侧。第1制冷台9和辐射屏蔽件4经由未图示的挠性导体及热锚7等相互连接。
图11是将实施方式3的超导电磁铁装置所具备的冷却筒放大并表示制冷剂的流动的剖视图。如图11所示，在实施方式3中，热交换器11从设置于制冷剂容器3的插入口19插入到制冷剂容器3的内部。热交换器11与插入口19之间通过铟或O型环等密封材料20进行密封，使得制冷剂气体1G不从制冷剂容器3流出。
在实施方式3中，第2制冷台10位于制冷剂容器3的外侧。热交换器11和第2制冷台10通过连接导体18相互连接。连接导体18优选具有挠性。连接导体18由铜等导热系数大的材料构成。
在实施方式3中，只要是热交换器11和第2制冷台10通过连接导体18连接，且设置于热交换器11的翅片12配置在制冷剂容器3的内部即可，并不限定于上述的配置结构。
冷却筒13B与制冷剂容器3连接。在冷却筒13B未设置排液管16A。如图11所示，在实施方式3中，当底部14上的制冷剂1的贮存量增大而制冷剂1的液面到达开口16时，如实线箭头F2所示，液状的制冷剂1从开口16排出，向制冷剂容器3的下部流动。
在本实施方式的超导电磁铁装置中，通过在制冷剂容器3的内部具备包围热交换器11的冷却筒13B，也能够提高热交换器11中的冷凝传热系数，增大每单位时间的制冷剂1的再冷凝量。
在本实施方式的超导电磁铁装置中，第2制冷台10位于制冷剂容器3的外侧，热交换器11和第2制冷台10通过连接导体18相互连接，从而不需要设置制冷机收纳管6，因此，能够使制冷剂容器3、辐射屏蔽件4以及真空容器5的连接结构变得容易。
实施方式4
以下，对实施方式4的超导电磁铁装置进行说明。此外，实施方式4的超导电磁铁装置仅在冷却筒及热交换器的结构上与实施方式1不同，因此，对于其他结构不重复说明。
图12是表示实施方式4的超导电磁铁装置的结构的剖视图。在图12中，以与图3相同的剖面进行图示。如图12所示，在实施方式4中，配置在热交换器11的周围的冷却筒13C配置在制冷剂容器3的内部，并与第2制冷台10连接。在热交换器11设置有扩大热交换面积的翅片12。
图13是从XIII-XIII线箭头方向观察图12的设置于热交换器的翅片的剖视图。如图13所示，在翅片12的表面设置有多个槽22。多个槽22分别在翅片12的表面朝向冷却筒13C的底部14延伸。在本实施方式中，多个槽22各自的横截面形状为三角形，但也可以为半圆形或矩形。多个槽22各自的延伸方向也可以不一定是朝向底部14的方向。
图14是表示实施方式4的超导电磁铁装置所具备的冷却筒的立体图。如图14所示，在冷却筒13C中，在周壁部15的外周面设置有用于增大与制冷剂气体1G的热交换面积的翅片21。在本实施方式中，在周壁部15的周向上在开口16彼此之间，设置有朝向冷却筒13C的底部14延伸的翅片21。翅片21具有平板状的形状，但也可以是波形等能够增大与制冷剂气体1G的热交换面积的形状。另外，也可以在翅片21设置引导制冷剂气体1G在开口16流通的突起。
在本实施方式的超导电磁铁装置中，由热交换器11再冷凝后的制冷剂1由于表面张力而集中在设置于翅片12的槽22。由此，在翅片12的槽22以外的部位，再冷凝后的制冷剂1的液膜变薄，能够减少液膜热阻。由此，能够减少热交换器11中的冷凝热阻，能够增大制冷剂气体1G的每单位时间的再冷凝量。
另外，通过在冷却筒13C的周壁部15的外周面设置有翅片21，能够增大存在于热交换器11的周围的制冷剂气体1G与冷却筒13C之间的热交换面积。结果，能够减少热交换器11中的对流热阻。由此，也能够减少热交换器11中的冷凝热阻，能够增大制冷剂气体1G的每单位时间的再冷凝量。
此外，本次公开的上述实施方式在所有方面都是例示，不是限定性解释的依据。因此，本公开的技术范围不仅由上述实施方式来解释。另外，包括与权利要求书等同的意思及范围内的所有变更。在上述的实施方式的说明中，也可以将能够组合的结构相互组合。
附图标记说明
1制冷剂；1G制冷剂气体；2超导线圈；3制冷剂容器；4辐射屏蔽件；5真空容器；6制冷机收纳管；7热锚；8制冷机；9第1制冷台；10第2制冷台；11热交换器；12、21翅片；13、13A、13B、13C冷却筒；14底部；15周壁部；15f凸缘部；15t盖部；16开口；16A排液管；17上端；18连接导体；19插入口；20密封材料；22槽；100超导电磁铁装置。
Claims (6)
1.一种超导电磁铁装置，其中，具备：
超导线圈；
制冷剂容器，其收纳对所述超导线圈进行冷却的制冷剂；
制冷机，其具有制冷台；
热交换器，其配置在所述制冷剂容器的内部，并且与所述制冷台连接，对气化后的所述制冷剂进行冷却；以及
冷却筒，其具有底部和从该底部的外缘竖立设置的周壁部，在所述制冷剂容器的内部包围所述热交换器，
所述冷却筒在所述周壁部具有使气化后的所述制冷剂流通的开口，并且将由所述热交换器再冷凝后的液状的所述制冷剂贮存在所述底部上。
2.根据权利要求1所述的超导电磁铁装置，其中，
所述冷却筒与所述制冷台和所述热交换器中的任一方连接。
3.根据权利要求1所述的超导电磁铁装置，其中，
所述冷却筒与所述制冷剂容器连接。
4.根据权利要求3所述的超导电磁铁装置，其中，
所述制冷台位于所述制冷剂容器的外侧，
所述热交换器和所述制冷台通过连接导体相互连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超导电磁铁装置，其中，
所述热交换器具有朝向所述底部延伸的翅片，
在所述翅片的表面设置有多个槽。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的超导电磁铁装置，其中，
所述冷却筒具有设置于所述周壁部的外周面的翅片。
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