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GEBIET
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Hierin beschriebene Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf eine Hochtemperatursupraleiter-Magnetvorrichtung eines Systems leitenden Kühlens einer Hochtemperatursupraleiterspule durch ein Tieftemperaturkühlaggregat.
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HINTERGRUND
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In vergangenen Jahren wurden Hochtemperatursupraleiter-Bandmaterialien, die in ihrer Eigenschaft dramatisch verbessert und verlängert wurden, in einem signifikant größeren Maßstab produziert. Daher wurde die Anwendung der Materialien auf verschiedene Typen von Vorrichtungen erwartet. Zum Beispiel können große Vorteile beim Anwenden einer Supraleiterspule unter Verwendung eines Hochtemperatursupraleiter-Bandmaterials auf eine Vorrichtung erwartet werden, zum Beispiel einen Magnet für einen Siliziumeinkristall, der ein magnetisch getragenes Fahrzeug zieht. Ferner wird begonnen, als Kühlmittel zum Halten einer Supraleiterspule in dem supraleitenden Zustand ein System zum Lagern der Supraleiterspule in einem Vakuumbehälter und leitenden Kühlen der Supraleiterspule durch ein Tieftemperaturkühlaggregat anzunehmen, anstatt ein System des Eintauchens der Supraleiterspule in ein Tieftemperaturkühlmittel, wie zum Beispiel flüssiges Helium.
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In einem Fall des Benutzens einer Oxidsupraleiterspule, die eine relativ hohe kritische Temperatur aufweist, sowie in einem Fall des Benutzens einer Metall-basierten Supraleiterspule wird eine Abschirmplatte verwendet, um Strahlung von einem Vakuumbehälter zu blockieren. Wie in den japanischen Patenten
JP 2756551 B2 ,
JP 4095742 B2 und
JP 3486868 B2 offenbart wird, ist ein Raum zwischen einer Abschirmplatte und einer Supraleiterspule ein Vakuum. Um eine thermische Belastung auf die Supraleiterspule zu reduzieren, muss die Supraleiterspule durch ein Spulenhalteelement fixiert sein, das eine filigrane Struktur aufweist, die einen kleinen Querschnittsbereich aufweist und die durch die Abschirmplatte hindurch geführt wird. Zusätzlich muss ein thermischer Anker an der Position der Abschirmplatte vorgesehen werden. Daher kann die mechanische Stabilität der Magnetvorrichtung niedrig sein. Darüber hinaus ist die Produktion des Elements zeitaufwändig und teuer, da das Spulenhalteelement eine filigrane Struktur aufweist.
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Das japanische Patent
JP 3082397 B2 offenbart eine Vorrichtung, die eine Hochtemperatursupraleiterspule durch ein Tieftemperaturkühlaggregat leitend kühlt. In dieser Vorrichtung ist es nötig, um thermische Strahlung von einer Raumtemperatur oder einen Eintritt von Wärme von einer Stromleitung zu reduzieren, dass eine Abschirmplatte und ein zweistufiges Tieftemperaturkühlaggregat vorgesehen sind, und die Abschirmplatte in der ersten Stufe des Tieftemperaturkühlaggregats zu kühlen. Obwohl die Supraleiterspule ein Hochtemperatursupraleitermaterial verwendet, kann das oben beschriebene Problem nicht vermieden werden.
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Die Supraleitermagnetvorrichtung des Systems leitender Kühlung der Supraleiterspule durch das Tieftemperaturkühlaggregat, die oben beschrieben wurde, verwendet im Allgemeinen ein zweistufiges Tieftemperaturkühlaggregat, das eine Temperatur von etwa 4 K oder weniger erreicht. Das zweistufige Tieftemperaturkühlaggregat weist jedoch ein Problem mit der Zuverlässigkeit beim Langzeitbetrieb auf, da die Kühlkapazität durch eine Veränderung der thermischen Last beträchtlich beeinflusst wird. Darüber hinaus ist die mechanische Stabilität der Vorrichtung niedrig, da die filigrane Haltestruktur verwendet wird, um die thermische Last in einem Tieftemperaturabschnitt zu reduzieren, und es werden viel Zeit und Ausgaben benötigt, um die Vorrichtung herzustellen. Alternativ kann ein einstufiges Tieftemperaturkühlaggregat verwendet werden, um die Supraleiterspule zu kühlen. Das einstufige Tieftemperaturkühlaggregat erreicht nur eine Temperatur von etwa 20 K, aber hat eine höhere Kühlkapazität und erreicht eine mehrfach höhere Effizienz als bei dem zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregat. In dem Fall des Benutzens eines einstufigen Tieftemperaturkühlaggregats kann jedoch die thermische Last auf die Supraleiterspule durch die thermische Leitung oder Strahlung vergrößert werden. Als ein Ergebnis kann die Temperaturvariation innerhalb der Spule auftreten.
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Unter diesen Umständen gibt es einen Bedarf zum Bereitstellen einer Supraleitermagnetvorrichtung mit einer einfachen Haltestruktur, die eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und Kostenreduktion realisiert.
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KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
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1 ist eine schematische längsseitige Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Ausgestaltung einer Supraleitermagnetvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, die als solche nicht erfindungsgemäß ist, aber ein erläuterndes Beispiel darstellt, zeigt;
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2 ist eine schematische längsseitige Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Ausgestaltung einer Supraleitermagnetvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
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3 ist eine schematische längsseitige Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Ausgestaltung einer Supraleitermagnetvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
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4 ist eine schematische längsseitige Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Ausgestaltung einer Supraleitermagnetvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt;
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5 ist eine schematische längsseitige Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Ausgestaltung einer Supraleitermagnetvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt;
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6 ist eine schematische Ansicht, die ein Modell eines Ersatzschaltbilds zeigt, das durch Analogie Wärmeleitung in einer Supraleiterspule, einem Hochtemperatur-Leiterelement, einem Spulenhaltekörper und einer Strahlungsblockierschicht in der Supraleitermagnetvorrichtung repräsentiert, die in 2 bis 5 gezeigt sind;
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7 ist ein Graph, der Temperaturverteilungen in Teilen in dem Modell, das in 6 gezeigt ist, unter verschiedenen eingestellten Bedingungen zeigt; und
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8 ist ein Graph, der Temperaturverteilungen in den Teilen in dem Modell, das in 6 gezeigt ist, unter anderen eingestellten Bedingungen zeigt.
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DETAILBESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten mit Bezug auf die Figuren beschrieben werden. Im Allgemeinen wird gemäß einer Ausführungsform eine Supraleitermagnetvorrichtung bereitgestellt, die leitend eine Supraleiterspule, die in einem Vakuumbehälter enthalten ist, mit einem Tieftemperaturkühlaggregat kühlt. Die Supraleitermagnetvorrichtung enthält einen Wärmeleiter, der eine Kühlstufe des Tieftemperaturaggregats mit der Supraleiterspule thermisch verbindet, eine Strahlungsblockierschicht, die um die Supraleiterspule vorgesehen ist, und einen Spulenhaltekörper, der die Supraleiterspule durch teilweisen oder vollständigen Kontakt mit einer Oberfläche der Supraleiterspule hält.
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(Erste Ausführungsform)
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Eine erste Ausführungsform ist als solche nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung, wird jedoch mit Bezug auf 1 als erläuterndes Beispiel beschrieben werden. 1 ist eine schematische längsseitige Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Ausgestaltung einer Supraleitermagnetvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
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Die Supraleitermagnetvorrichtung der ersten Ausführungsform ist ein Hochtemperatursupraleitermagnet, der ein System leitenden Kühlens einer Supraleiterspule, die in einem Vakuumbehälter enthalten ist, durch ein Tieftemperaturkühlaggregat annimmt. Hauptkomponenten der Supraleitermagnetvorrichtung sind eine Supraleiterspule 1, ein zweistufiges Tieftemperaturkühlaggregat 2, ein Vakuumbehälter 3, eine Strahlungsblockierschicht 4, ein Halteelement 5, ein Stromeinführanschluss 7 und ein Spulenhaltekörper 9. Die Supraleiterspule 1 ist mit einem Hochwärmeleitungselement 11 versehen. Das Tieftemperaturkühlaggregat 2 enthält eine erste Stufe 21 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats, Wärmetransferelemente 22A und 22B der ersten Stufe, eine zweite Stufe 23 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats und Wärmetransferelemente 24A und 24B der zweiten Stufe. Der Stromeinführanschluss 7 enthält eine Speisung (Stromleitung) 71, eine Oxidsupraleitungsstromleitung 72 und eine Speisung (Stromleitung) 73.
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Die Supraleiterspule 1 ist zylindrisch. In einer Querschnittsansicht, die entlang einer Mittellinie genommen wurde, werden zwei separate Spulenabschnitte an den entsprechenden Seiten der Mittelachse gezeigt. Um jedoch die Komplexität der Zeichnung zu vermeiden, ist nur der Spulenteil einer Seite in 1 gezeigt (auch in 2 bis 5, die später zu beschreiben sind).
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Bei der Supraleitermagnetvorrichtung sind die Supraleiterspule 1, das Hochwärmeleiterelement 11 und die Strahlungsblockierschicht 4 integral durch den Spulenhaltekörper 9 als eine einzige Einheit, die den Spulenhaltekörper 9 enthält, verbunden. Diese integrale Verbindung wird durch Kleben durch Harz (Kunststoff), Imprägnierung, Pressschweißen, Bedampfung, Schrauben und/oder konkav-konvexes Fügen erzielt. Als eine Folge kann die Verbindung fest sein und die Anordnung kann leicht und mechanisch stabil sein.
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Die Supraleiterspule 1 ist eine Hochtemperatursupraleiterspule, die durch Wickeln eines Hochtemperatursupraleiterbandmaterials gebildet wird. Das Hochtemperatursupraleiterbandmaterial ist zum Beispiel aus einem bandförmigen Metallsubstrat, einer Zwischenschicht, die darauf gebildet ist, und einer Supraleiterschicht und einer gut-Leitungs-Stabilisierungsmetallschicht gebildet, die auf der Zwischenschicht gebildet werden. Die Supraleiterspule 1 wird durch das Hochwärmeleitungselement 11 mit der Tieftemperaturkühle gekühlt, die durch die zweite Stufe 23 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats erzeugt wird. Das Hochwärmeleitungselement 11 ist an der Supraleiterspule 1 angebracht und führt eine Hochwärmeleitung zwischen der Supraleiterspule 1 und den Wärmetransferelementen 24A und 24B durch. Das Hochwärmeleitungselement 11 ist aus einem Element hergestellt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, zum Beispiel hochveredeltes Metall oder Aluminiumnitrid.
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Das zweistufige Tieftemperaturkühlaggregat 2 erzeugt Tieftemperaturkühle durch die zwei Kühlstufen. Es kann zum Beispiel ein zweistufiges 4 K-GM (Gifford-McMahon) Tieftemperaturkühlaggregat sein, das eine tiefe Temperatur von etwa 4 K oder tiefer erreichen kann. Die erste Stufe 21 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats kühlt die Speisung 71 und die Strahlungsblockierschicht 4 leitend durch die Wärmetransferelemente 22A und 22B der ersten Stufe mit der in einem Prozess bis zu einer Endstufe erzeugten Kühle. Die Wärmetransferelemente 22A und 22B der ersten Stufe führen eine Wärmeleitung zwischen der Speisung 71 (und der Oxidsupraleitungsstromleitung 72) und der ersten Stufe 21 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats und zwischen der Strahlungsblockierschicht 4 und der ersten Stufe 21 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats durch. Die zweite Stufe 23 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats kühlt die Speisung 73 (und die Oxidsupraleitungsstromleitung 72) und die Leitungsspule 1 leitend durch die Wärmetransferelemente 24A und 24B der zweiten Stufe mit der darin als der Endstufe erzeugten Kühle. Die Wärmetransferelemente 24A und 24B der zweiten Stufe führen eine thermische Leitung zwischen der Speisung 73 (und der Oxidsupraleitungsstromleitung 72) und der zweiten Stufe 23 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats und zwischen der Supraleiterspule 1 (und dem Hochwärmeleitungselement 11) und der zweiten Stufe 23 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats durch. Das Wärmetransferelement 24 der zweiten Stufe, das zwischen der Supraleiterspule 1 (und dem Hochwärmeleitungselement 11) und der zweiten Stufe 23 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats angeordnet ist, weist einen Wärmetransferpfad einer größeren Querschnittsfläche oder einer kürzeren Länge auf oder ist aus einem reineren Metallmaterial, verglichen mit dem zweiten Wärmetransferelement 24B, gebildet, so dass der Wärmewiderstand des Kühlpfades zwischen der Supraleiterspule 1 und der zweiten Stufe 23 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats niedrig sein kann.
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Der Vakuumbehälter 3 enthält eine Vielzahl von Komponenten der Supraleitermagnetvorrichtung und das Innere davon wird unter Vakuum gehalten.
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Die Strahlungsblockierschicht 4 ist eine Schicht, die vorgesehen ist, um den Spulenhaltekörper 9 abzudecken, der die supraleitende Spule 1 umgibt. Die Strahlungsblockierschicht 4 blockiert Strahlung einer Raumtemperatur von dem Vakuumbehälter 3. Die Strahlungsblockierschicht 4 ist zum Beispiel aus Aluminium oder einem Verbundmaterial, das durch Kombinieren von Aluminium und einem faserverstärkten Kunststoff in der Dickenrichtung gebildet wird, hergestellt. Die Reinheit des für die Strahlungsblockierschicht 4 verwendeten Aluminiums ist bevorzugt mindestens 99%. Als ein Ergebnis kann die Eigenschaft für das Strahlungblockieren verbessert werden. Ein MLI (Mehrschichtisolationsmaterial) kann außerhalb der Strahlungsblockierschicht 4 vorgesehen sein.
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Das Halteelement 5 ist ein Element, das die Supraleiterspule 1, das Hochwärmeleitungselement 11, den Spulenhaltekörper 9 und die Strahlungsblockierschicht 4 hält, die integral verbunden sind. Ein Ende des Halteelements 5 ist an einem Teil des Vakuumbehälters 3 angebracht und das andere Ende davon ist an der Strahlungsblockierschicht 4 (oder dem Spulenhaltekörper 9) angebracht.
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Der Stromeinleitungsanschluss 7 ist ein Anschluss zum Einleiten eines Stroms. Die Speisungen 71 und 73 sind Stromleitungen, die den durch den Anschluss eingeleiteten Strom über die Oxidsupraleiterstromleitung 72 zu der Supraleiterspule 1 zuführen. Die Oxidsupraleiterstromleitung 72 ist eine Stromleitung, die besonders effektiv ist, den Eintritt von Wärme zu reduzieren.
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Der Spulenhaltekörper 9 ist zwischen der Supraleiterspule 1 und der Strahlungsblockierschicht 4 vorgesehen. Der Spulenhaltekörper 9 funktioniert sowohl als wärmeisolierende Schicht mit einem thermischen Widerstand eines bestimmten Niveaus oder mehr, als auch als mechanische Halterung für die Supraleiterspule 1. Der Spulenhaltekörper 9 enthält bevorzugt beispielsweise ein Material, das aus Harz oder faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein Raum zwischen der Supraleiterspule 1 und der Strahlungsblockierschicht 4 vollständig mit dem Spulenhaltekörper 9 gefüllt. Mit anderen Worten hält der Spulenhaltekörper 9 in dieser Ausführungsform die Supraleiterspule 1 durch Kontakt mit der gesamten Oberfläche davon. Als ein Ergebnis wird die Supraleiterspule 1 fest gehalten.
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Die Supraleiterspule 1, das Hochwärmeleitungselement 11, der Spulenhaltekörper 9 und die Strahlungsblockierschicht 4 können durch Klebstoff gebunden oder durch Schrauben verbunden sein. Die Strahlungsblockierplatte 4 kann ein Plattenelement sein oder kann alternativ ein Material sein, das auf den Spulenhaltekörper 9 aufgedampft ist. Wegen der Strahlungsblockierschicht 4 kann die Supraleiterspule 1 fester gehalten und gegen eine äußere Kraft, wie zum Beispiel Vibrationen, verstärkt sein.
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Wenn die Supraleitermagnetvorrichtung mit der oben beschriebenen Ausgestaltung betrieben wird, wird wegen eines AC-Verlusts oder eines sehr kleinen Widerstands (Flussfließwiderstand) der Supraleiterspule 1 Wärme erzeugt. Wärme wird auch von den Speisungen 71 und 73 und der Oxidsupraleiterstromleitung 72 erzeugt. Ferner entsteht Strahlung einer Raumtemperatur von den Seiten des Vakuumbehälters 3. Zu einem solchen Zeitpunkt blockiert die Strahlungsblockierschicht 4 die Strahlung der Raumtemperatur von der Seite des Vakuumbehälters 3 und der Spulenhaltekörper 9 verhindert Wärmeleitung zwischen einem Raumtemperaturabschnitt an der Seite des Vakuumbehälters 3 und der Supraleiterspule 1. Folglich entsteht ein großer Temperaturgradient zwischen der Strahlungsblockierschicht 4 und der Supraleiterspule 1.
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Die Wärme, welche die Strahlungsblockierschicht 4 empfängt, wird durch das Wärmetransferelement 22A der ersten Stufe zu der ersten Stufe 21 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats übertragen. Die Wärme von der Speisung 71 (und der Oxidsupraleiterstromleitung 72) wird durch das Wärmetransferelement 22B der ersten Stufe auch zu der ersten Stufe 21 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats übertragen. Auf der anderen Seite wird die Wärme, die von der Supraleiterspule 1 erzeugt wird, durch das Hochwärmeleitungselement 11 und das Wärmetransferelement 24A der zweiten Stufe zu der zweiten Stufe 23 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats übertragen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Wärmewiderstand in dem Kühlpfad zwischen der Supraleiterspule 1 und der zweiten Stufe des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats niedrig. Ferner wird auch die Wärme von der Speisung 73 (und der Oxidsupraleiterstromleitung 72) durch das Wärmetransferelement 24B der zweiten Stufe zu der zweiten Stufe 23 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats übertragen.
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Bei der herkömmlichen Technik ist der Raum zwischen der Supraleiterspule 1 und der Strahlungsabschirmung, die die Supraleiterspule 1 umgibt, ein Vakuum und ein filigranes Spulenhaltelement mit einer kleinen Querschnittsfläche, um den Eintritt von Wärme zu reduzieren, ist an der Supraleiterspule 1 und dem Vakuumbehälter 3 angebracht, um die Supraleiterspule 1 zu halten. Die erste Ausführungsform weist eine solche Ausgestaltung nicht auf. Stattdessen ist der Spulenhaltekörper 9 vorgesehen, um die Haltestruktur zu vereinfachen und die Wärmeleitung durch Erzeugen eines großen Temperaturgradienten zwischen der Supraleiterspule 1 und der Strahlungsblockierschicht 4 zu unterdrücken. Darüber hinaus wird der Wärmewiderstand nur von dem Kühlpfad zwischen der Supraleiterspule 1 und der zweiten Stufe 23 des zweistufigen Tieftemperaturkühlaggregats durch die Ausgestaltung des Wärmetransferelements 24A der zweiten Stufe, das einen Wärmetransferpfad einer größeren Querschnittsfläche oder einer kürzeren Länge im Vergleich mit dem zweiten Wärmetransferelement 24B aufweist, reduziert. Damit kann die thermische Last auf die Supraleiterspule 1 reduziert werden und die Temperaturvariation innerhalb der Spule kann reduziert werden. Da die Spule durch den Spulenhaltekörper 9 mit höherer mechanischer Stabilität im Vergleich mit dem herkömmlichen Spulenhaltekörper gehalten wird, kann zusätzlich die Supraleiterspule 1 stabil gehalten werden. Darüber hinaus können die Komponentenkosten und die Zahl der Schritte des Herstellungsprozesses reduziert werden, da das herkömmliche Spulenhalteelement einer filigranen Struktur nicht benötigt wird.
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(Zweite Ausführungsform)
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Eine zweite Ausführungsform wird nun mit Bezug auf 2 beschrieben werden. In der Beschreibung der zweiten Ausführungsform werden die Komponenten, welche dieselben wie jene der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, sind, mit denselben Bezugszeichen wie jenen, die für die erste Ausführungsform verwendet wurden, identifiziert und Beschreibungen davon werden ausgelassen. Im Folgenden werden hauptsächlich Teile beschrieben, die von jenen der ersten Ausführungsform abweichen.
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2 ist eine schematische längsseitige Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Ausgestaltung einer Supraleitermagnetvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Während die Supraleitermagnetvorrichtung der ersten Ausführungsform das zweistufige Tieftemperaturkühlaggregat 2 enthält, enthält die Supraleitermagnetvorrichtung der zweiten Ausführungsform ein einstufiges Tieftemperaturkühlaggregat 8. Folglich benötigt die zweite Ausführungsform nicht die Oxidsupraleiterstromleitung 72, die oben beschrieben wurde. Das einstufige Tieftemperaturkühlaggregat 8 enthält eine Kühlstufe 81 und Wärmetransferelemente 82A und 82B.
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Das einstufige Tieftemperaturkühlaggregat 8 erzeugt eine Tieftemperaturkühle durch die einzige Kühlstufe. Zum Beispiel kann sie ein GM-Tieftemperaturkühlaggregat oder ein Pulsröhrentyp-Tieftemperaturkühlaggregat sein, das eine Temperatur von etwa 40 K–50 K erreicht. Die Kühlstufe 81 ist die einzige Kühlstufe des Tieftemperaturkühlaggregats dieser Ausführungsform. Die Kühlstufe 81 kühlte alles der Speisung 71, der Strahlungsblockierschicht 4 und der Supraleiterspule 1 durch die Wärmetransferelemente 82A und 82B mit der erzeugten Kühle. Die Wärmetransferelemente 82A und 82B führen eine Wärmeleitung zwischen der Speisung 71 und der Kühlstufe 81, zwischen der Strahlungsblockierschicht 4 und der Kühlstufe 81 und zwischen der Supraleiterspule 1 (und dem Hochwärmeleitungselement 11) und der Kühlstufe 81 durch. Daher sind alle der Supraleiterspule 1, des Hochwärmeleitungselements 11, des Spulenhaltekörpers 9 und der Strahlungsblockierschicht 4 thermisch mit der einzelnen Kühlstufe 81 verbunden.
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Der Wärmewiderstand des ersten Kühlpfades (ein Pfad, der durch das Wärmetransferelement 82A hindurch führt), der die Kühlstufe 81 und die Supraleiterspule 1 thermisch verbindet, ist niedriger als der des zweiten Kühlpfades (ein Pfad, der durch das Wärmetransferelement 82B hindurch führt), der die Kühlstufe 81 und die Strahlungsblockierschicht 4 thermisch verbindet.
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Wenn die Supraleitermagnetvorrichtung mit der oben beschriebenen Ausgestaltung betrieben wird, wird wegen eines AC-Verlusts oder sehr kleinen Widerstands (Flussfließwiderstand) der Supraleiterspule 1 Wärme erzeugt. Wärme wird auch von der Speisung 71 erzeugt. Ferner wird Strahlung einer Raumtemperatur von der Seite des Vakuumbehälters 3 auf die Seite der Supraleiterspule aufgebracht. Zu einem solchen Zeitpunkt blockiert die Strahlungsblockierschicht 4 die Strahlung der Raumtemperatur von der Seite des Vakuumbehälters 3 und der Spulenhaltekörper 9 verhindert eine Wärmeleitung zwischen einem Raumtemperaturabschnitt an der Seite des Vakuumbehälters 3 und der Supraleiterspule 1. Folglich entsteht ein großer Temperaturgradient zwischen der Strahlungsblockierschicht 4 und der Supraleiterspule 1.
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Die Wärme, welche die Strahlungsblockierschicht 4 empfängt, wird durch das Wärmetransferelement 82B zu der Kühlstufe 81 übertragen. Die Wärme von der Speisung 71 wird auch durch das Wärmetransferelement 82B zu der Kühlstufe 81 übertragen.
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Ferner wird auch die Wärme, die von der Supraleiterspule 1 erzeugt wird, durch das Hochwärmeleitungselement 11 und das Wärmetransferelement 82A zu der Kühlstufe 81 übertragen. Ein MLI (Mehrschichtisolationsmaterial) kann außerhalb der Strahlungsblockierschicht 4 vorgesehen sein.
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Die zweite Ausführungsform produziert denselben Effekt wie den, der durch die erste Ausführungsform erhalten wird. Zusätzlich können Kühlkapazitäten von zig Watt bei dem Temperaturniveau von 40 K ausgeführt werden und die Supraleiterspule kann effizient gekühlt werden, da das einstufige GM Tieftemperaturkühlaggregat oder das einstufige Pulsröhrentyp-Tieftemperaturkühlaggregat verwendet wird. Ferner kann die Suprealeitermagnetvorrichtung ohne das Benutzen der Oxidsupraleiterstromleitung 72 erhalten werden, die zum Reduzieren des Eintritts von Wärme effektiv, aber teuer und mechanisch brüchig ist. Daher können die Anfangskosten reduziert werden, während die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert werden kann.
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(Dritte Ausführungsform)
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Eine dritte Ausführungsform wird nun mit Bezug auf 3 beschrieben werden. In der Beschreibung der dritten Ausführungsform werden die Komponenten, welche dieselben wie jene der zweiten Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, sind, mit denselben Bezugszeichen wie jene identifiziert, die für die zweite Ausführungsform benutzt wurden, und Beschreibungen davon werden ausgelassen. Im Folgenden werden hauptsächlich Teile beschrieben, die von jenen der zweiten Ausführungsform abweichen.
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3 ist eine schematische längsseitige Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Ausgestaltung einer Supraleitermagnetvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. In der Supraleitermagnetvorrichtung der zweiten Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, ist der Raum zwischen der Supraleiterspule 1 und der Strahlungsblockierschicht 4 vollständig mit dem Spulenhaltekörper 9 gefüllt. Im Gegensatz dazu ist der Spulenhaltekörper 9 bei der Supraleitermagnetvorrichtung der dritten Ausführungsform nur in einem Teil des Raums zwischen der Supraleiterspule 1 und der Strahlungsblockierschicht 4 vorgesehen. Der Spulenhaltekörper 9 der dritten Ausführungsform hält die Supraleiterspule 1 durch teilweisen Kontakt mit der Oberfläche davon. Besonders hält der Spulenhaltekörper 9 die Supraleiterspule 1 in einer Kontaktfläche dazwischen, die den Teil ausschließt, wo der Lastfaktor am höchsten ist.
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In der Supraleiterspule 1 entsteht eine Verteilung eines Temperaturbereichs (ein Temperaturbereich für den Übergang zu dem normalen Leitungszustand) in Abhängigkeit eines empirischen Magnetfelds der Spule. Genauer weist ein Teil, in dem der kritische Stromwert durch ein hohes empirisches Magnetfeld reduziert wird, einen kleinen Temperaturbereich auf (der Lastfaktor ist hoch). Andererseits weist ein Teil, in dem der kritische Stromwert wegen eines relativ niedrigen Magnetfelds hoch ist, einen größeren Temperaturbereich relativ zu demselben Betriebsstromwert auf. Wenn der Spulenhaltekörper 9 in Kontakt mit dem Teil der Supraleiterspule 1 des großen Temperaturbereichs ist, wird die Wärme, selbst wenn die Wärme durch die Strahlung der Raumtemperatur oder Wärmeleitung des Haltelements zu der Supraleiterspule 1 übertragen wird, nicht denjenigen Abschnitt beeinflussen, wo der Lastfaktor maximal ist, was den Betriebsstromwert der Supraleiterspule 1 bestimmt. Als eine Folge kann der Betrieb der Supraleitermagnetvorrichtung stabil sein.
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Der Spulenhaltekörper 9 dieser Ausführungsform kann zum Beispiel aus GFRP (Glasfaser-verstärkter Kunststoff), CFRP (Kohlefaser-verstärkter Kunststoff), faserverstärktem Kunststoff, wie zum Beispiel Bakelit oder einem Harz sein. Ferner kann er aus einer Hohlstruktur, wie zum Beispiel einer Wabenstruktur, die hohle Abschnitte aufweist, hergestellt sein. Mit dieser Ausgestaltung kann die mechanische Stabilität der Halterung beibehalten werden, während der hohe Wärmewiderstand gegenüber der Supraleiterspule 1 beibehalten werden kann.
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Das Hochwärmeleitungselement 11 und die Strahlungsblockierschicht 4 können aus hochreinen Metallmaterialien hergestellt sein. In diesem Fall kann, obwohl ein Wirbelstrom durch den Wechsel des externen Magnetfelds erzeugt wird, Wärme wegen des Wirbelstroms durch Bereitstellen des Hochwärmeleitungselements 11 und der Strahlungsblockierschicht 4 mit Schlitzen, die quer zu einer Starkstromschleife auf der Oberfläche verlaufen, wo sich Magnetflüsse verbinden, reduziert werden. Ferner kann ein MLI (Mehrschichtisolationsmaterial) außerhalb der Strahlungsblockierschicht 4 vorgesehen sein.
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Die dritte Ausführungsform erzeugt denselben Effekt wie den durch die zweite Ausführungsform erhaltenen. Zusätzlich kann die Materialmenge zum Bilden des Spulenhaltekörpers reduziert werden, wodurch das Gewicht der Vorrichtung reduziert werden kann. Ferner beeinflusst die Wärme nicht den Abschnitt, wo der Lastfaktor maximal ist, was den Betriebsstromwert der Supraleiterspule 1 bestimmt, da der Spulenhaltekörper 9 in Kontakt mit dem Teil der Supraleiterspule 1 mit dem großen Temperaturbereich ist. Damit kann die Supraleitermagnetvorrichtung stabil betrieben werden. Darüber hinaus kann die mechanische Stabilität der Halterung erhalten werden, da der Spulenhaltekörper 9 eine Hohlstruktur aufweist, während der hohe Wärmewiderstand gegenüber der Supraleiterspule 1 gehalten werden kann. Wenn hochreine Metallmaterialien für das Hochwärmeleitungselement 11 und die Strahlungsblockierschicht 4 verwendet werden, kann Wärme wegen des Wirbelstroms durch Ausbilden von Schlitzen reduziert werden, die quer über eine Starkstromschleife in der Oberfläche gehen, wo Magnetflüsse sich verbinden.
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(Vierte Ausführungsform)
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Eine vierte Ausführungsform wird nun mit Bezug auf 4 beschrieben werden. In der Beschreibung der vierten Ausführungsform werden die Komponenten, welche dieselben wie jene der ersten bis dritten Ausführungsform sind, die in 1 bis 3 gezeigt wurden, mit denselben Bezugszeichen wie jenen, die für jene Ausführungsformen benutzt wurden, identifiziert und Beschreibungen davon werden ausgelassen. Im Folgenden werden hauptsächlich Teile beschrieben, die von jenen der zweiten und dritten Ausführungsform abweichen.
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4 ist eine schematische längsseitige Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Ausgestaltung einer Supraleitermagnetvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform zeigt. In den Supraleitermagnetvorrichtungen der zweiten und dritten Ausführungsform wurde nur der Spulenhaltekörper 9 zwischen der Supraleiterspule 1 und der Strahlungsblockierschicht 4 vorgesehen. Bei der Supraleitermagnetvorrichtung der vierten Ausführungsform wird die Supraleiterspule 1 vorher über einen Spulenhaltekörper 9 in einem Behälter 91 gelagert und ein Raum zwischen dem Behälter 91 und der Strahlungsblockierschicht 4 wird vollständig mit dem Spulenhaltekörper 9 gefüllt. Die Supraleiterspule 1 wird durch den Spulenhaltekörper 9 gehalten, der in Teilen des Raums zwischen der Supraleiterspule 1 und dem Behälter 91 vorgesehen ist. Der Behälter 91 ist aus einem Metall, wie zum Beispiel Aluminium oder Harz gemacht, wie in 4 gezeigt ist.
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Die vierte Ausführungsform produziert denselben Effekt wie den, der durch die zweite und dritte Ausführungsform erhalten wird. Zusätzlich kann die Materialmenge zum Bilden des Spulenhaltekörpers reduziert werden, während die Supraleiterspule 1 von der Strahlungsblockierschicht 4 durch den Spulenhaltekörper 9 außerhalb des Behälters 91 separiert sein kann. Darüber hinaus kann der Spulenhaltekörper 9 um den Behälter 91 gelegt werden, ohne eine äußere Kraft direkt auf die Supraleiterspule auszuüben, die ein wichtiges Teil ist. Obwohl 4 nur die Strahlungsblockierschicht 4 außerhalb des Behälters 91 zeigt, kann eine weitere Strahlungsblockierschicht 4 ferner außerhalb der erstgenannten Strahlungsblockierschicht 4 mit einem dazwischen eingesetzten Spulenhaltekörper 9 vorgesehen sein. Ein MLI (Mehrschichtisolationsmaterial) kann auch außerhalb der Strahlungsblockierschicht 4 vorgesehen sein.
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(Fünfte Ausführungsform)
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Eine fünfte Ausführungsform wird nun mit Bezug auf 5 beschrieben werden. Bei der Beschreibung der fünften Ausführungsform werden die Komponenten, welche dieselben wie jene der ersten bis vierten Ausführungsform sind, die in 1 bis 4 gezeigt wurden, mit denselben Bezugszeichen, wie jenen, die für jene Ausführungsformen benutzt wurden, identifiziert und Beschreibungen davon werden ausgelassen. Im Folgenden werden hauptsächlich Teile beschrieben, die von denen der vierten Ausführungsform abweichen.
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5 ist eine schematische längsseitige Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Ausgestaltung einer Supraleitermagnetvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform zeigt. In der Supraleitermagnetvorrichtung der vierten Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, ist der Raum zwischen der Supraleiterspule 1 und dem Behälter 91 teilweise mit dem Spulenhaltekörper 9 versehen, und der Raum zwischen dem Behälter 91 und der Strahlungsblockierschicht 4 ist vollständig mit dem Spulenhaltekörper 9 gefüllt. Bei der Supraleitermagnetvorrichtung der fünften Ausführungsform ist der Raum zwischen der Supraleiterspule 1 und dem Behälter 91 vollständig mit dem Spulenhaltekörper 9 gefüllt, während der Raum zwischen dem Behälter 91 und der Strahlungsblockierschicht 4 teilweise mit dem Spulenhaltekörper 9 gefüllt ist.
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Die fünfte Ausführungsform produziert denselben Effekt wie denjenigen, der durch die zweite und dritte Ausführungsform erhalten wird. Zusätzlich kann die Materialmenge zum Bilden des Spulenhaltekörpers reduziert werden, während die Supraleiterspule 1 von der Strahlungsblockierschicht 4 durch den Spulenhaltekörper innerhalb des Behälters 91 getrennt sein kann. Ferner ist die Supraleiterspule 1 in dem Behälter 91 vorher enthalten und mit Harz geformt, so dass eine Temperatur in diesem Abschnitt auftritt. Da der Behälter 91, der die Supraleiterspule 1 enthält, teilweise durch den Spulenhaltekörper 9 gehalten wird, kann der Herstellungsprozess vereinfacht und die Vorrichtung als Ganzes leichter gemacht werden. Obwohl 5 nur eine Strahlungsblockierschicht 4 zeigt, kann eine Mehrzahl von Strahlungsblockierschichten 4 mit dem Spulenhaltekörper 9 dazwischen eingefügt vorgesehen sein. Ein MLI (Mehrschichtisolationsmaterial) kann auch außerhalb der Strahlungsblockierschicht 4 vorgesehen sein.
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(Sechste Ausführungsform)
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Eine sechste Ausführungsform wird mit Bezug auf 6 bis 8 beschrieben werden. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren zum geeigneten Gestalten einer Supraleitermagnetvorrichtung unter Verwendung eines Modells eines Ersatzschaltbilds, das Wärmeleitung durch Analogie mit elektrischer Leitung repräsentiert.
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6 ist eine schematische Ansicht, die ein Modell eines Ersatzschaltbilds zeigt, das durch Analogie mit elektrischer Leitung Wärmeleitung in der Supraleitungsspule 1, dem Hochwärmeleitungselement 11, dem Spulenhaltekörper 9 und der Strahlungsblockierschicht 4 in der Supraleitermagnetvorrichtung, die in 2 bis 5 gezeigt ist, repräsentiert. In 6 werden die Komponenten, welche dieselben wie jene der ersten bis fünften Ausführungsform sind, durch dieselben Bezugszeichen wie jene in 2 bis 5 identifiziert.
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In 6 repräsentieren Pfeile oberhalb der Supraleiterspule 1 Wärme, die durch einen AC Verlust oder sehr kleinen Widerstand (Flussfließwiderstand) der Supraleiterspule 1 erzeugt wird. Pfeile unter der Strahlungsblockierschicht 4 repräsentieren eine thermische Last wegen Strahlung einer Raumtemperatur von dem Vakuumbehälter 3. Ein rechter Abschnitt von 6 zeigt, dass Wärme von dem Halteelement 5 in den Spulenhaltekörper 9 eintritt. Ein zentraler Abschnitt von 6 zeigt mit einer Mehrzahl von Widerständen Wärmewiderstand, der in jedem Teil der Supraleiterspule 1, dem Hochwärmeleitungselement 11, dem Spulenhaltekörper 9 und der Strahlungsblockierschicht 4 auftritt. Ein linker Abschnitt von 6 zeigt, dass die Wärme von dem Hochwärmeleitungselement 11 durch das Wärmetransferelement 82 zu der Kühlstufe 81 übertragen wird.
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Tabelle I zeigt zwei Gestaltungsbeispiele (Beispiele 1 und 2), die als Parameter ein Querschnittsflächenverhältnis des Hochwärmeleitungselements
11, ein Querschnittsverhältnis des Spulenhaltekörpers
9 und ein Dickenverhältnis der Strahlungsblockierschicht
4 in dem in
6 gezeigten Modell verwendet. Tabelle 1
| | Beispiel 1 | Beispiel 2 |
| Querschnittsflächenverhältnis des Hochwärmeleitungselements | 1 | 2 |
| Querschnittsflächenverhältnis des Spulenhaltekörpers | 1 | 4 |
| Dickenverhältnis der Strahlungsblockierschicht | 1 | 2,5 |
| Wärmewiederstände | | |
| Spule | 190 K/W | 190 K/W |
| Hochwärmeleitungselement | 0,618 K/W | 0,309 K/W |
| Spulenhaltekörper | 2065 K/W | 516 K/W |
| Strahlungsblockierschicht | 8,05 K/W | 3,22 K/W |
| Spulenhaltekörper (in Dickenrichtung) | 0,0346 K/W | 0,138 K/W |
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| Maximaltemperatur der Supraleiterspule | 37,5 K | 33,6 K |
| Temperaturvariation innerhalb der Supraleiterspule | 7,5 K | 3,6 K |
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Tabelle 1 zeigt das Querschnittsflächenverhältnis des Hochwärmeleitungselements 11, das Querschnittsflächenverhältnis des Spulenhaltekörpers 9 und das Dickenverhältnis der Strahlungsblockierschicht 4 als drei Parameter. Unter diesen Parametern ist ein Wert der Wärmewiderstände (entsprechend den Widerständen in dem Ersatzschaltbild) in den entsprechenden Teilen in Bezug auf die drei Parameter von jedem Beispiel angezeigt; das heißt, die Werte der Wärmewiderstände der Supraleiterspule 1, des Hochwärmeleitungselements 11, des Spulenhaltekörpers 9, der Strahlungsblockierschicht 4 und des Spulenhaltekörpers (in der Dickenrichtung) werden angezeigt. Unter den Werten der Widerstände werden die maximale Temperatur der Supraleiterspule 1 und die Temperaturvariation innerhalb der Supraleiterspule 1 angezeigt.
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7 und 8 zeigen Ergebnisse von Temperaturverteilungen der Supraleiterspule 1, des Spulenhaltekörpers 9, der Strahlungsblockierschicht 4, berechnet aus einer vorbestimmten Modellformel auf der Grundlage des Ersatzschaltbilds, das in 6 gezeigt ist. 7 und 8 entsprechen jeweils Beispielen 1 und 2, die in Tabelle 1 gezeigt sind.
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In Beispielen 1 und 2 sind die Summen der thermischen Lasten aller Teile im Wesentlichen gleich. Die Widerstände der entsprechenden Teile des Ersatzschaltbilds, das in 6 gezeigt ist, können durch Verändern der Zustände, wie in Tabelle 1 gezeigt ist, verändert werden. Als ein Ergebnis können verschiedene Temperaturverteilungen in der Supraleiterspule 1, dem Spulenhaltekörper 9 und der Strahlungsblockierschicht 4 wahrgenommen werden, wie in den Graphen von 7 und 8 gezeigt ist. Damit können geeignete Gestaltungsbedingungen herausgefunden werden.
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Wie ferner in Tabelle 1 angezeigt ist, können die Wärmeleitung, die Querschnittsfläche und die Pfadlänge so eingestellt werden, dass der Spulenhaltekörper 9 einen Wärmewiderstand aufweist, der mindestens 100 Mal mehr als der des Hochwärmeleitungselements ist. Folglich kann die Supraleiterspule 1 effizient gekühlt werden, um den Temperaturspitzenwert zu senken, so dass ein ausreichender Temperaturbereich sichergestellt werden kann. Als eine Folge kann ein Magnetfeld effizient in der Supraleitermagnetvorrichtung erzeugt werden, ohne die Anzahl von Wicklungsschleifen zu erhöhen oder die Stabilität zu beeinträchtigen.
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Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen wird eine Supraleitermagnetvorrichtung bereitgestellt, die einfach in der Haltestruktur, hoch zuverlässig und niedrig in den Kosten ist.
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Während bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, wurden diese Ausführungsformen nur als Beispiele präsentiert und sind nicht dazu gedacht, den Schutzbereich der Erfindungen zu begrenzen.
