CN116711037A - 超导电磁铁装置和超导电磁铁装置的冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超导电磁铁装置及其冷却方法，能够抑制用于冷却超导线圈的冷却片的涡电流产生的发热，有效地冷却超导线圈。具备：超导线圈，产生磁场；冷却机构，冷却所述超导线圈；辐射屏蔽件，在内部收容所述超导线圈，防止来自外部的热侵入；以及用于真空隔热的真空容器，收容所述辐射屏蔽件，所述冷却机构具备：周向冷却部，具有沿所述超导线圈的周向相互隔开间隔排列的多个长条状的周向冷却片；以及轴向冷却部，具有沿所述超导线圈的轴向相互隔开间隔排列的多个长条状的轴向冷却片。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及超导电磁铁装置和超导电磁铁装置的冷却方法。
背景技术
现有的具有鞍型线圈的传导冷却型超导电磁铁装置等具有产生磁场的超导线圈、冷却超导线圈的冷却机构、防止来自外部的热侵入的辐射屏蔽件、以及用于真空隔热的真空容器。并且，作为配置在超导线圈外周等上、构成用于冷却超导线圈的冷却机构的冷却片，施工有在沿着超导线圈的轴上的方向上宽度宽的纯铝片。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-153733号公报
发明内容
发明要解决的课题
在上述传导冷却型超导线圈中，在流过脉冲电流时，有时由于线圈的交链磁通而在纯铝片上产生涡电流而发热。而且，存在由于该涡电流引起的发热而需要根据该发热量增加冷冻机台数，或者由发热部位引起产生失超这样的课题。
本发明是应对这样的现有的情况而完成的，其目的在于提供一种超导电磁铁装置和超导电磁铁装置的冷却方法，该超导电磁铁装置和超导电磁铁装置的冷却方法能够抑制用于冷却超导线圈的冷却片的涡电流引起的发热，并有效地冷却超导线圈。
用于解决课题的手段
实施方式的超导电磁铁装置的特征在于，具备：超导线圈，产生磁场；冷却机构，用于冷却所述超导线圈；辐射屏蔽件，在内部收容所述超导线圈并防止来自外部的热侵入；以及用于真空隔热的真空容器，收容所述辐射屏蔽件，所述冷却机构具备：周向冷却部，具有沿所述超导线圈的周向相互隔开间隔地排列的多个长条状(日文：短冊状)的周向冷却片；以及轴向冷却部，具有沿所述超导线圈的轴向相互隔开间隔地排列的多个长条状的轴向冷却片。
发明效果
根据本发明的实施方式，可以提供一种超导电磁铁装置和超导电磁铁装置的冷却方法，该超导电磁铁装置和超导电磁铁装置的冷却方法能够抑制用于冷却超导线圈的冷却片的涡电流引起的发热，并有效地冷却超导线圈。
附图说明
图1是示意性地表示第一实施方式的超导电磁铁装置的结构的图。
图2是用于说明鞍型超导线圈的超导线的卷绕形状的图。
图3是示意性地表示超导线圈的轴向形状的例子的图。
图4是示意性地表示超导线圈的周向形状的例子的图。
图5是示意性地表示超导线圈的周向形状的例子的图。
图6是示意性地表示第一实施方式的超导线圈的周向的冷却片的结构的图。
图7是示意性地表示第一实施方式的超导线圈的周向的冷却片的结构的图。
图8是示意性地表示第一实施方式的超导线圈的轴向的冷却片的结构的图。
图9是示意性地表示第一实施方式的周向及轴向的冷却片的结构的例子的图。
图10是示意地表示周向和轴向的冷却片的结构的其他例子的图。
图11是示意性地表示第一实施方式的冷却片的概略结构的立体图。
图12是示意性地表示冷却片的树枝状的连接状态的样子的图。
图13是示意性地表示弯曲形状的超导线圈的周向的冷却片的结构的图。
图14是示意性地表示第二实施方式的超导线圈的结构的图。
图15是示意性地表示第二实施方式的超导线圈的主要部分的结构的图。
图16是示意性地表示第三实施方式的超导线圈的结构的图。
图17是示意性地表示第三实施方式的超导线圈的结构的图。
图18是示意性地表示第三实施方式的变形例的超导线圈的结构的图。
图19是示意性地表示第三实施方式的变形例的超导线圈的结构的图。
图20是示意性地表示第三实施方式的变形例的超导线圈的结构的图。
图21是示意性地表示第四实施方式的变形例的超导线圈的结构的图。
图22是示意性地表示第四实施方式的变形例的超导线圈的结构的图。
图23是示意性地表示第四实施方式的变形例的超导线圈的结构的图。
图24是示意性地表示第四实施方式的变形例的超导线圈的结构的图。
图25是示意性地表示第四实施方式的变形例的超导线圈的结构的图。
图26是示意性地表示第四实施方式的变形例的超导线圈的结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(第一实施方式)
如图1所示，具有鞍型超导线圈的传导冷却型超导电磁铁装置100具备：超导线圈101，产生磁场；冷却机构102，冷却超导线圈101；辐射屏蔽件103，在内部收容超导线圈101，防止来自外部的热侵入；以及用于真空隔热的真空容器104，收容辐射屏蔽件103。在运转时，使脉冲电流流过超导线圈101而使用。
本实施方式的超导线圈101被称为鞍型线圈，因此，其超导线的卷绕形状如图2所示，为鞍型。但是，由于除了超导线以外还设置绝缘片等，其整体外形为大致圆筒状。作为超导线圈101，除了沿轴向的形状为直线状之外，例如如图3所示，也可以使用沿轴向的形状为弯曲的形状等任何形状的超导线圈。另外，作为本实施方式中使用的超导线圈101，例如，如图4所示，可以使用周向形状为圆形的超导线圈，如图5所示，可以使用周向形状为椭圆形的超导线圈等任何形状的超导线圈。
在超导线圈101上设置有由构成冷却机构102的纯铝片构成的冷却片。该冷却片构成图1所示的冷却机构102的一部分，与设置在真空容器104外侧的冷冻机连接，传递来自冷冻机的冷热，冷却超导线圈101。如图6所示，在超导线圈101的外周侧，沿超导线圈101的周向，多个长条状的周向冷却片110配置为相互设有周向冷却片间间隙(间隔)111。
此外，周向冷却片110并不遍及超导线圈101的全周配置，而是如图7所示，配置为在没有设置线圈的极的部分被分割，设有周向冷却片分割间隙(间隔)112。在图7所示的例子中，是2极的线圈，图7中的上侧和下侧的部分是没有配置线圈的极的部分，在该极的部分设有周向冷却片分割间隙112，设置周向冷却片110。即，周向冷却片110成为沿周向由周向冷却片分割间隙112分割成两个的结构，并且成为沿周向由周向冷却片间间隙111分割成多个的结构。
如图8所示，在上述周向冷却片110的外周上，沿着超导线圈101的轴向多个长条状的轴向冷却片120配置为相互设有轴向冷却片间间隙(间隔)121。另外，轴向冷却片120配置为在超导线圈101的轴向中间部设有轴向冷却片分割间隙(间隔)122。即，轴向冷却片120成为沿轴向由轴向冷却片分割间隙122分割成两个的结构，并且成为沿周向由轴向冷却片间间隙121分割成多个的结构，各轴向冷却片120成为不电连接的结构。
如图9所示，在周向冷却片110和轴向冷却片120之间配置绝缘密封，例如胶带(Kapton tape)130，通过该胶带130使周向冷却片110和轴向冷却片120电绝缘。另外，周向冷却片110通过树脂制的粘接剂等粘贴在线圈侧，在其外周经过胶带130通过树脂制的粘接剂等粘贴轴向冷却片120。
另外，图9表示了周向冷却片110和轴向冷却片120设置在线圈的外周侧的情况，但如图10所示，也可以将周向冷却片110和轴向冷却片120设置在线圈的绕线框侧，即线圈的内周侧。
在这种情况下，最好配置成轴向冷却片120位于绕线框侧，周向冷却片110位于线圈侧。即，优选配置成周向冷却片110位于靠近线圈的位置侧。由此，在发生失超时，可以通过周向冷却片110将由失超产生的热迅速高效地传递给整个线圈。另外，在图9、图10中，表示了将胶带130设置在轴向冷却片120侧的结构的例子，但也可以将胶带130设置在周向冷却片110侧。
在图11中，通过立体图示意性地表示周向冷却片110和轴向冷却片120的结构。另外，在图11中，为了容易理解，周向冷却片110的数量以及轴向冷却片120的数量比实际的数量少地示出。各轴向冷却片120与上述冷冻机连接。
另外，在本实施方式中，关于在多个轴向冷却片120中的配置在规定的轴向位置上的任意一个在本实施方式中由于在轴向上被分割成两个而从合计2根(在周向上也被分割成两个的情况下，包括轴向而合计4根)而言，成为在中间不夹着胶带130而粘接在周向冷却片110上的结构。通过采用这样的结构，可以使周向冷却片110和轴向冷却片120之间的热传导性良好。此时，成为将轴向冷却片120作为一根茎、将周向冷却片110作为枝的树枝状的结构。图12示意性地表示这样的轴向冷却片120和周向冷却片110的树枝状的连接状态的样子。
如上所述，在本实施方式的超导线圈101中，通过由上述结构的周向冷却片110和轴向冷却片120构成冷却机构，能够减少线圈的交链磁通贯穿的面积、以及涡电流的产生截面积。
即，冷却片在轴向和周向上被分割，另外，为了切断冷却片的长度方向的涡电流路径，对于轴向冷却片120，在线圈轴向中心部设置轴向冷却片分割间隙122，对于周向冷却片110，在线圈的极部设置周向冷却片分割间隙112。另外，周向冷却片110和轴向冷却片120通过胶带130等绝缘，防止在它们之间形成电路径。另外，作为使得与周向冷却片110交叉的轴向冷却片120的任一条(由于设置轴向冷却片分割间隙122而进行分割，所以共计2根)不通过胶带130而直接接触(轴向冷却片120为一根茎，周向冷却片110为枝的树枝状)的结构，提高了冷却效果。
通过上述冷却结构，与现有技术相比，能够大幅度地降低涡电流的产生截面积，能够降低因涡电流产生的发热而产生失超的可能性。另外，可以整体且大致均匀地冷却线圈，另一方面，通过上述树枝状结构，在线圈失超时，可以将由失超产生的热有效地传递到线圈整体。由此，可获得冷冻机台数减少、线圈负荷减少的效果。
另外，在本实施方式中，以鞍型线圈为例，但只要是流过脉冲型直流或交流的超导线圈，其形状都没有关系。例如，可以是跑道型、螺线管等+弯曲型、直线型等中的任何一种。而且，超导线材可以使用NbTi、Nb3Sn、高温超导线材(Y系等)等。另外，关于磁场产生区域的截面形状，本实施方式以圆形为例，但也可以是椭圆形或方形。冷却片使用高纯度的铝片，但只要是在极低温区域热传导率高的材料，也可以是其他金属。另外，图13表示在弯曲形状的超导线圈上粘贴周向冷却片的状态的例子。
冷却片的施工部位既可以是线圈外周面也可以是线圈内周面，在层叠多个线圈的情况下，也可以是层叠之间。另外，既可以是这些部位中的任意一处也可以是多个部位。另外，关于分割轴向、周向的冷却片的间隙位置，在本实施方式中，轴向设置在线圈轴向的中心部，周向设置在线圈极部，但关于轴向，只要在线圈上也可以在中心部以外设置间隙，关于周向，只要没有绕一周也可以在极部以外的位置设置间隙。
在本实施方式中，冷却片之间的绝缘方法是在轴向冷却片120上施工作为绝缘片的胶带130，但也可以不在轴向冷却片120上施工，而在周向冷却片110上施工胶带130，也可以在双方上施工。另外，冷却片之间的绝缘可以是用绝缘树脂粘贴密封片的绝缘，也可以直接涂布绝缘树脂进行绝缘。
(第二实施方式)
接着，对第二实施方式进行说明。基本结构与第一实施方式相同，对与第一实施方式对应的部分赋予相同的符号，省略重复的说明。图14表示第二实施方式的超导线圈101a的结构，如图14所示，关于第二实施方式的超导线圈101a，以磁场产生区域的截面形状为椭圆形的情况为例进行说明。
在该线圈的外周侧，如图14所示，沿着线圈的周向配置有由长条状的冷却片(在第二实施方式中为纯铝片)构成的周向冷却片110。周向冷却片110与第一实施方式相同，成为沿周向由周向冷却片分割间隙112分割成两个的结构，并且成为沿周向由周向冷却片间间隙111(图14中未图示)分割成多个的结构。
另外，如图14所示，在周向冷却片110的外侧，同样沿轴向配置有由长条状的冷却片(在第二实施方式中为纯铝片)构成的轴向冷却片120。轴向冷却片120与第一实施方式相同，成为沿着轴向由轴向冷却片分割间隙122(图14中未图示)分割成两个的结构，并且成为沿轴向由轴向冷却片间间隙121分割成多个的结构。
即，在第二实施方式中，与第一实施方式相同，冷却片由长条状的多个周向冷却片110和轴向冷却片120构成。而且，特别是在线圈发热量多的部分，如图15所示，在这些长条状的多个周向冷却片110和轴向冷却片120上，沿着其长度方向设置有多个狭缝113、狭缝123。
如上所述，在第二实施方式中，冷却超导线圈的冷却片与第一实施方式相同，按照减少线圈的交链磁通贯穿的面积、涡电流的产生截面积的方式，在轴向和周向上被分割。另外，为了切断冷却片的长度方向的涡电流路径，对于轴向冷却片120，在线圈轴向中心部设置轴向冷却片分割间隙122，对于周向冷却片110，在线圈的极部设置周向冷却片分割间隙112。进而，在第二实施方式中，除此之外，在线圈的发热量多的范围内设置多个狭缝113、狭缝123。
作为狭缝113、狭缝123的施工方法，在本实施方式中使用激光切割，但不限于此，也可以是线切割切断，也可以是手动切割。
另外，在本实施方式中，以鞍型线圈为例，但只要是流过脉冲型直流或交流的超导线圈，其形状都没有关系。例如，可以是跑道型、螺线管等+弯曲型、直线型等中的任何一种。另外，关于磁场产生区域的截面形状，本实施方式以椭圆形为例，但也可以是圆形或方形。冷却片使用高纯度的铝片，但只要是在极低温区域热传导率高的材料，也可以是其他金属，例如高纯度的铜、铟。
冷却片的施工部位既可以是线圈外周面也可以是线圈内周面，在层叠多个线圈的情况下，也可以是层叠之间。另外，既可以是这些部位中的任意一处也可以是多个部位。另外，关于分割轴向、周向的冷却片的间隙位置，在本实施方式中，轴向设置在线圈轴向的中心部，周向设置在线圈极部，但关于轴向，只要在线圈上也可以在中心部以外设置间隙，关于周向，只要没有绕一周也可以在极部以外的位置设置间隙。其它方面也与第一实施方式相同。
(第三实施方式)
接着，对第三实施方式进行说明。基本结构与第一实施方式相同，对与第一实施方式对应的部分赋予相同的符号，省略重复的说明。图16和17表示了第三实施方式的超导线圈101b的结构，如图16和17所示，将以所谓的扁平线圈(日文：パンケーキコイル)的情况为例描述第三实施方式的超导线圈101b。扁平线圈例如是卷绕带状线材而构成的。
在该线圈的外周侧，沿线圈的周向配置有由长条状的冷却片(在第三实施方式中为纯铝片)构成的周向冷却片110。周向冷却片110成为沿周向至少具有一个周向冷却片分割间隙112的结构，并且成为沿周向由周向冷却片间间隙111分割成多个的结构。
另外，在周向冷却片110的外侧，同样沿轴向配置有由长条状的冷却片(在第三实施方式中为纯铝片)构成的轴向冷却片120。轴向冷却片120沿轴向由轴向冷却片间间隙121分割成多个。另外，在图16中，虽然省略了一部分轴向冷却片120的图示，但轴向冷却片120遍及全周设置。如图17所示，轴向冷却片120也设置在超导线圈101b的轴向端部的两面上。轴向冷却片120与冷却机构连接。
即，在第三实施方式中，与第一实施方式相同，冷却片由长条状的多个周向冷却片110和轴向冷却片120构成。
如上所述，在第三实施方式中，冷却超导线圈的冷却片与第一实施方式相同，按照减小线圈的交链磁通贯穿的面积、涡电流的产生截面积的方式，在轴向和周向上被分割。这样，本发明也可以适用于扁平线圈。
图18、19、20是表示第三实施方式的变形例的结构的图。图18表示层叠多个煎饼线圈时的结构的例子。图19表示将轴向冷却片120也设置在扁平线圈的内侧部分的结构例。图20表示除了轴向冷却片120之外，还在扁平线圈的内侧部分设置周向冷却片110的结构例。
(第四实施方式)
接着，对第四实施方式进行说明。基本结构与第一实施方式相同，对与第一实施方式对应的部分赋予相同的符号，省略重复的说明。图21和22表示了第四实施方式的超导线圈101c的结构，如图21和22所示，将以所谓的螺线管线圈的情况为例描述第四实施方式的超导线圈101c。
在该线圈的外周侧，沿线圈的周向配置有由长条状的冷却片(在第四实施方式中为纯铝片)构成的周向冷却片110。周向冷却片110成为沿周向至少具有一个周向冷却片分割间隙112的结构，并且成为沿周向由周向冷却片间间隙111分割成多个的结构。
另外，在周向冷却片110的内侧，同样沿轴向配置有由长条状的冷却片(在第四实施方式中为纯铝片)构成的轴向冷却片120。轴向冷却片120成为沿轴向由轴向冷却片间间隙121分割成多个的结构。轴向冷却片120与冷却机构连接。周向冷却片110和轴向冷却片120可以设置在超导线圈101c的内周侧，也可以设置在外周侧和内周侧两者上。
即，在第四实施方式中，与第一实施方式相同，冷却片由长条状的多个周向冷却片110和轴向冷却片120构成。
如上所述，在第四实施方式中，与第一实施方式相同，按照减少线圈的交链磁通贯穿的面积、涡电流的产生截面积的方式，冷却超导线圈的冷却片被分割成轴向和周向。另外，对于周向冷却片110设有周向冷却片分割间隙112。这样，本发明也可以适用于螺线管线圈。
图23、24、25、26是表示第四实施方式的变形例的结构的图。图23表示将螺线管线圈配置为内侧和外侧的双重的结构例。在这种情况下，也可以3层以上等更多重地配置螺线管线圈。图24表示层叠多个螺线管线圈时的结构例。图25表示将周向冷却片110和轴向冷却片120也设置在螺线管线圈的内侧部分的结构例。图26表示将轴向冷却片120设置在螺线管线圈的轴向端部的两侧面的结构例。
以上，说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子提出的，并不打算限定发明的范围。这些新的实施方式可以以其他各种方式实施，在不脱离发明要旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围和要旨中，并且包含在权利要求书记载的发明及其均等的范围内。
附图标记说明
100……超导电磁铁装置，101、101a、101b、101c……超导线圈，102……冷却机构，103…辐射屏蔽件，104…真空容器，110…周向冷却片，111…周向冷却片间间隙，112……周向冷却片分割间隙，113……狭缝，120…轴向冷却片，121……轴向冷却片间间隙，122……轴向冷却片分割间隙，123……狭缝，130…胶带。
Claims (11)
1.一种超导电磁铁装置，其特征在于，具备：
超导线圈，产生磁场；
冷却机构，冷却所述超导线圈；
辐射屏蔽件，在内部收容所述超导线圈，防止来自外部的热侵入；以及
用于真空隔热的真空容器，收容所述辐射屏蔽件，
所述冷却机构具备：
周向冷却部，具有沿所述超导线圈的周向相互隔开间隔排列的多个长条状的周向冷却片；以及
轴向冷却部，具有沿所述超导线圈的轴向相互隔开间隔排列的多个长条状的轴向冷却片。
2.如权利要求1所述的超导电磁铁装置，其特征在于，
所述周向冷却片在所述超导线圈的周向上被分割为多个。
3.如权利要求2所述的超导电磁铁装置，其特征在于，
所述周向冷却片在所述超导线圈的极的部分被分割。
4.如权利要求1～3中任一项所述的超导电磁铁装置，其特征在于，
所述轴向冷却片在所述超导线圈的轴向上被分割为多个。
5.如权利要求4所述的超导电磁铁装置，其特征在于，
所述轴向冷却片在所述超导线圈的轴向中央部被分割。
6.如权利要求1～5中任一项所述的超导电磁铁装置，其特征在于，
所述周向冷却部以及所述轴向冷却部配置于所述超导线圈的外周侧或内周侧。
7.如权利要求1～6中任一项所述的超导电磁铁装置，其特征在于，
所述周向冷却部配置在比所述轴向冷却部靠近所述超导线圈的位置。
8.如权利要求1～7中任一项所述的超导电磁铁装置，其特征在于，
在所述周向冷却片与所述轴向冷却片之间配置有绝缘片。
9.如权利要求8所述的超导电磁铁装置，其特征在于，
在沿规定的轴向位置配置的1个或多个所述轴向冷却片与所述周向冷却片之间没有配置所述绝缘片。
10.如权利要求1～9中任一项所述的超导电磁铁装置，其特征在于，
在所述周向冷却部的所述长条状的冷却片和所述轴向冷却部的所述长条状的冷却片中的至少一方上，部分地设置有狭缝。
11.一种超导电磁铁装置的冷却方法，其特征在于，具备：
超导线圈，产生磁场；
冷却机构，冷却所述超导线圈；
辐射屏蔽件，在内部收容所述超导线圈，防止来自外部的热侵入；以及
用于真空隔热的真空容器，收容所述辐射屏蔽件，
所述冷却机构具备:
周向冷却部，具有沿所述超导线圈的周向相互隔开间隔排列的多个长条状的周向冷却片；以及
轴向冷却部，具有沿所述超导线圈的轴向相互隔开间隔排列的多个长条状的轴向冷却片，
通过所述冷却机构，冷却所述超导线圈。
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