JP2002043117A - 伝導冷却式超伝導磁石装置 - Google Patents
伝導冷却式超伝導磁石装置Info
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- JP2002043117A JP2002043117A JP2000225541A JP2000225541A JP2002043117A JP 2002043117 A JP2002043117 A JP 2002043117A JP 2000225541 A JP2000225541 A JP 2000225541A JP 2000225541 A JP2000225541 A JP 2000225541A JP 2002043117 A JP2002043117 A JP 2002043117A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小型ＧＭ冷凍機の設置台数を大幅に増やすこ
となく大型の超伝導磁石装置でも冷却性を向上させるこ
とができるようにする。 【解決手段】 超伝導コイル１２の冷却手段として１台
以上のＧＭ冷凍機２０を用い、該ＧＭ冷凍機のコールド
ヘッド２２を超伝導コイルに接触させて冷却を行う伝導
冷却式超伝導磁石装置において、該伝導冷却式超伝導磁
石装置から離間した位置に置かれ、ＪＴ弁付きＧＭ冷凍
機３０を補助冷却手段として１台以上備える。ＪＴ弁付
きＧＭ冷凍機からの冷媒を冷媒配管３１を通して超伝導
コイルの近傍に配置した冷却チャンネルに導いて超伝導
コイルの冷却を行う。
となく大型の超伝導磁石装置でも冷却性を向上させるこ
とができるようにする。 【解決手段】 超伝導コイル１２の冷却手段として１台
以上のＧＭ冷凍機２０を用い、該ＧＭ冷凍機のコールド
ヘッド２２を超伝導コイルに接触させて冷却を行う伝導
冷却式超伝導磁石装置において、該伝導冷却式超伝導磁
石装置から離間した位置に置かれ、ＪＴ弁付きＧＭ冷凍
機３０を補助冷却手段として１台以上備える。ＪＴ弁付
きＧＭ冷凍機からの冷媒を冷媒配管３１を通して超伝導
コイルの近傍に配置した冷却チャンネルに導いて超伝導
コイルの冷却を行う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は伝導冷却式超伝導磁
石装置に関し、特に直径が１ｍ以上の大きさを持つ大型
の伝導冷却式超伝導磁石装置に関する。
石装置に関し、特に直径が１ｍ以上の大きさを持つ大型
の伝導冷却式超伝導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図７を参照して、超伝導磁石装置の使用
例としてサイクロトロンについて簡単に説明する。図７
において、このサイクロトロンは、主な構成要素として
ディー電極６０、ビーム引出し系としてのデフレクタ６
１及び磁気チャンネル６２、ビーム出口６３の先に配置
されたビーム輸送系６４を備えている。６５はビーム電
流センサとして使用されるプローブである。
例としてサイクロトロンについて簡単に説明する。図７
において、このサイクロトロンは、主な構成要素として
ディー電極６０、ビーム引出し系としてのデフレクタ６
１及び磁気チャンネル６２、ビーム出口６３の先に配置
されたビーム輸送系６４を備えている。６５はビーム電
流センサとして使用されるプローブである。
【０００３】このサイクロトロンでは、サイクロトロン
中心のイオン源（図示せず）から発生されて図中破線で
示す経路で加速された最外周に近いビーム６６は、デフ
レクタ６１や磁気チャンネル６２を通過する間に、静電
場強度や磁場強度に応じた力を受けてビーム引出し軌道
が決定される。ビーム調整時には、デフレクタ６１の電
圧値や磁気チャンネル６２の電流値をオペレータが微調
整してビーム引出し軌道をビーム出口６３に向ける。
中心のイオン源（図示せず）から発生されて図中破線で
示す経路で加速された最外周に近いビーム６６は、デフ
レクタ６１や磁気チャンネル６２を通過する間に、静電
場強度や磁場強度に応じた力を受けてビーム引出し軌道
が決定される。ビーム調整時には、デフレクタ６１の電
圧値や磁気チャンネル６２の電流値をオペレータが微調
整してビーム引出し軌道をビーム出口６３に向ける。
【０００４】ところで、大型の超伝導磁石装置の冷却シ
ステムの場合には、これまで超伝導コイルの熱負荷に応
じた大型のＨｅ（ヘリウム）液化機や冷凍機が使用され
ている。このような冷却システムでは大半が高圧ガス
（１ＭＰａ以上）保安法の適用を受けるため、製作前に
製造許可を受けたり、製造後も設置施設内で保安のため
の管理組織を構成して保安検査を常時実施しなければな
らないことが義務づけられている。
ステムの場合には、これまで超伝導コイルの熱負荷に応
じた大型のＨｅ（ヘリウム）液化機や冷凍機が使用され
ている。このような冷却システムでは大半が高圧ガス
（１ＭＰａ以上）保安法の適用を受けるため、製作前に
製造許可を受けたり、製造後も設置施設内で保安のため
の管理組織を構成して保安検査を常時実施しなければな
らないことが義務づけられている。
【０００５】一方、小型ＧＭ冷凍機による伝導冷却方式
の冷却システムでは上記のような煩わしさは無い。その
ため、現在、伝導冷却方式の超伝導磁石装置の製作・開
発が多く見られる。
の冷却システムでは上記のような煩わしさは無い。その
ため、現在、伝導冷却方式の超伝導磁石装置の製作・開
発が多く見られる。
【０００６】従来の伝導冷却方式では、図８に部分的に
示すように、筒状の巻枠７０に超伝導コイル７１を巻回
して成る超伝導磁石装置に対し、巻枠７０の上側あるい
は下側を介して小型ＧＭ冷凍機からの伝熱冷却作用によ
り超伝導コイル７１を冷却するようにしている。
示すように、筒状の巻枠７０に超伝導コイル７１を巻回
して成る超伝導磁石装置に対し、巻枠７０の上側あるい
は下側を介して小型ＧＭ冷凍機からの伝熱冷却作用によ
り超伝導コイル７１を冷却するようにしている。
【０００７】特に、超伝導コイルの断面積が大きくなる
と、何らかの要因で超伝導コイル芯部あるいは内部の温
度が転移温度まで上昇した場合には伝熱による冷却が間
に合わず、超伝導現象の消失、いわゆるクエンチが発生
する。また、リターンヨークを持つ大型の超伝導磁石装
置の場合には小型ＧＭ冷凍機を使用する場合、小型ＧＭ
冷凍機のコールドヘッドと超伝導コイルとの間の距離を
長くせざるを得ず、冷却効率の低下することが避けられ
ない。これは、小型ＧＭ冷凍機の機械的駆動部分が強磁
場に弱いためである。
と、何らかの要因で超伝導コイル芯部あるいは内部の温
度が転移温度まで上昇した場合には伝熱による冷却が間
に合わず、超伝導現象の消失、いわゆるクエンチが発生
する。また、リターンヨークを持つ大型の超伝導磁石装
置の場合には小型ＧＭ冷凍機を使用する場合、小型ＧＭ
冷凍機のコールドヘッドと超伝導コイルとの間の距離を
長くせざるを得ず、冷却効率の低下することが避けられ
ない。これは、小型ＧＭ冷凍機の機械的駆動部分が強磁
場に弱いためである。
【０００８】以下に、伝導冷却式超伝導磁石装置に適用
される冷却システムの要点を列挙する。
される冷却システムの要点を列挙する。
【０００９】Ａ．伝導冷却式超伝導磁石装置は、これま
で小型・中型のものに用いられている。
で小型・中型のものに用いられている。
【００１０】Ｂ．伝導冷却式超伝導磁石装置は、小型Ｇ
Ｍ冷凍機のコールドヘッドが熱伝導体（たいていは銅）
を介して超伝導コイル表面に接することで冷却される。
Ｍ冷凍機のコールドヘッドが熱伝導体（たいていは銅）
を介して超伝導コイル表面に接することで冷却される。
【００１１】Ｃ．小型ＧＭ冷凍機のモータ部が強磁場に
弱いため、小型ＧＭ冷凍機を強磁場を発生する超伝導磁
石装置そのものに近づけて設置することができない。
弱いため、小型ＧＭ冷凍機を強磁場を発生する超伝導磁
石装置そのものに近づけて設置することができない。
【００１２】Ｄ．伝導冷却に用いられている小型ＧＭ冷
凍機は、高圧ガス保安法の申請範囲内（許可対象外）に
て規格・最適化されている。
凍機は、高圧ガス保安法の申請範囲内（許可対象外）に
て規格・最適化されている。
【００１３】Ｅ．大型の超伝導磁石装置に小型ＧＭ冷凍
機を用いる場合、小型ＧＭ冷凍機のコールドヘッドと超
伝導コイルとの間の距離が長くなるため、冷却効率が低
下する。
機を用いる場合、小型ＧＭ冷凍機のコールドヘッドと超
伝導コイルとの間の距離が長くなるため、冷却効率が低
下する。
【００１４】Ｆ．伝導冷却式超伝導磁石装置は、励／消
磁時に伴う交流損失（電流の掃引速度に依存）による発
熱と小型ＧＭ冷凍機の冷却能力との兼ね合いから高速励
／消磁が困難である。
磁時に伴う交流損失（電流の掃引速度に依存）による発
熱と小型ＧＭ冷凍機の冷却能力との兼ね合いから高速励
／消磁が困難である。
【００１５】Ｇ．大型の超伝導磁石装置、特にサイクロ
トロンのような加速器に用いられる超伝導磁石装置に
は、リターンヨーク（以下、ヨークと呼ぶ）として鉄を
使うのが普通である。このヨークに、コールドヘッドを
通すために穴を開けると磁束の漏れが発生し、その数が
多くなると必要な場所で必要な磁場が得られない。従っ
て、大型の伝導冷却式超伝導磁石装置に多くの小型ＧＭ
冷凍機を設置することは好ましくない。
トロンのような加速器に用いられる超伝導磁石装置に
は、リターンヨーク（以下、ヨークと呼ぶ）として鉄を
使うのが普通である。このヨークに、コールドヘッドを
通すために穴を開けると磁束の漏れが発生し、その数が
多くなると必要な場所で必要な磁場が得られない。従っ
て、大型の伝導冷却式超伝導磁石装置に多くの小型ＧＭ
冷凍機を設置することは好ましくない。
【００１６】Ｈ．超伝導磁石装置の大型化に伴い超伝導
コイルの断面積が大きくなる。超伝導コイルの芯部まで
伝導冷却により冷却するのは、設置できる小型ＧＭ冷凍
機の数の制約から困難である。
コイルの断面積が大きくなる。超伝導コイルの芯部まで
伝導冷却により冷却するのは、設置できる小型ＧＭ冷凍
機の数の制約から困難である。
【００１７】Ｉ．従来の液体Ｈｅを用いた浸漬冷却方式
の超伝導磁石装置は、線材の周りに液体Ｈｅが接するた
めの冷却パイプ（隙間）が設けられている。従って、超
伝導コイルの冷却性が良い。一方、伝導冷却式では、文
字通り伝熱による冷却を目的としているので、線材間の
隙間をエポキシ材等で埋めて線材同士の熱接触を向上さ
せる。
の超伝導磁石装置は、線材の周りに液体Ｈｅが接するた
めの冷却パイプ（隙間）が設けられている。従って、超
伝導コイルの冷却性が良い。一方、伝導冷却式では、文
字通り伝熱による冷却を目的としているので、線材間の
隙間をエポキシ材等で埋めて線材同士の熱接触を向上さ
せる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】以上のような点を考慮
して、本発明の主たる課題は、小型ＧＭ冷凍機の設置台
数を大幅に増やすことなく大型の超伝導磁石装置でも冷
却性を向上させることができるようにすることにある。
して、本発明の主たる課題は、小型ＧＭ冷凍機の設置台
数を大幅に増やすことなく大型の超伝導磁石装置でも冷
却性を向上させることができるようにすることにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明は、超伝導コイル
の冷却手段として１台以上のＧＭ冷凍機を用い、該ＧＭ
冷凍機のコールドヘッドにより前記超伝導コイルの冷却
を行う伝導冷却式超伝導磁石装置において、該伝導冷却
式超伝導磁石装置から離間した位置に置かれ、ＪＴ弁付
きＧＭ冷凍機を補助冷却手段としてｎ（ｎは１以上の整
数）台備え、該ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機からの冷媒を冷媒
配管を通して前記超伝導コイルの近傍に配置した冷却チ
ャンネルに導いて前記超伝導コイルの冷却を行うように
したことを特徴とする。
の冷却手段として１台以上のＧＭ冷凍機を用い、該ＧＭ
冷凍機のコールドヘッドにより前記超伝導コイルの冷却
を行う伝導冷却式超伝導磁石装置において、該伝導冷却
式超伝導磁石装置から離間した位置に置かれ、ＪＴ弁付
きＧＭ冷凍機を補助冷却手段としてｎ（ｎは１以上の整
数）台備え、該ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機からの冷媒を冷媒
配管を通して前記超伝導コイルの近傍に配置した冷却チ
ャンネルに導いて前記超伝導コイルの冷却を行うように
したことを特徴とする。
【００２０】なお、前記冷却チャンネルは、前記ＪＴ弁
付きＧＭ冷凍機からの冷媒が流入する流入口と冷媒を前
記ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機に戻すために冷媒が流出する流
出口とを持つ冷却パイプと、該冷却パイプと前記超伝導
コイルとの間を熱的に結ぶ板とを含む。
付きＧＭ冷凍機からの冷媒が流入する流入口と冷媒を前
記ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機に戻すために冷媒が流出する流
出口とを持つ冷却パイプと、該冷却パイプと前記超伝導
コイルとの間を熱的に結ぶ板とを含む。
【００２１】特に、前記超伝導コイルがその中心軸方向
に関してギャップを介して複層に分けられている場合、
前記冷却チャンネルは前記冷却パイプと前記板とを複数
組有して、前記複層のそれぞれの層間のスペースに前記
板の一部が挿入され、複数の前記冷却パイプの流入口は
共通の冷媒分配管に接続され、複数の前記冷却パイプの
流出口は共通の冷媒集合管に接続される。
に関してギャップを介して複層に分けられている場合、
前記冷却チャンネルは前記冷却パイプと前記板とを複数
組有して、前記複層のそれぞれの層間のスペースに前記
板の一部が挿入され、複数の前記冷却パイプの流入口は
共通の冷媒分配管に接続され、複数の前記冷却パイプの
流出口は共通の冷媒集合管に接続される。
【００２２】前記超伝導コイルは筒状の巻枠に巻回され
ており、該巻枠はコイル巻回部側を外側に向けて設けら
れており、前記巻枠の下側あるいは上側を前記ＧＭ冷凍
機のコールドヘッドで伝熱材を介して冷却するようにさ
れ、前記冷却チャンネルは前記コイルの外側にあって、
前記冷却パイプ及び前記板の形状がそれぞれ、前記ＪＴ
弁付きＧＭ冷凍機の設置台数ｎに応じて前記超伝導コイ
ルの外周領域をｎ分割した環状あるいは円弧形状を持つ
ことを特徴とする。
ており、該巻枠はコイル巻回部側を外側に向けて設けら
れており、前記巻枠の下側あるいは上側を前記ＧＭ冷凍
機のコールドヘッドで伝熱材を介して冷却するようにさ
れ、前記冷却チャンネルは前記コイルの外側にあって、
前記冷却パイプ及び前記板の形状がそれぞれ、前記ＪＴ
弁付きＧＭ冷凍機の設置台数ｎに応じて前記超伝導コイ
ルの外周領域をｎ分割した環状あるいは円弧形状を持つ
ことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】図１は、本発明を図７で説明した
サイクロトロンと同じ動作原理のサイクロトロンに適用
した実施の形態を示している。以下では、サイクロトロ
ンに関する説明は省略し、本発明の要旨である伝導冷却
式超伝導磁石装置（以下、超伝導磁石装置と呼ぶ）につ
いて説明する。
サイクロトロンと同じ動作原理のサイクロトロンに適用
した実施の形態を示している。以下では、サイクロトロ
ンに関する説明は省略し、本発明の要旨である伝導冷却
式超伝導磁石装置（以下、超伝導磁石装置と呼ぶ）につ
いて説明する。
【００２４】この超伝導磁石装置は、筒状の巻枠１１に
超伝導コイル１２が巻回されており、巻枠１１はそのコ
イル巻回部側を外側に向けて設けられている。ここで
は、超伝導コイル１２は直径２０００ｍｍ程度のサイズ
を有し、巻枠１１に上下一対巻回されている。巻枠１１
の内側には上ポール（上磁極）１３と下ポール（下磁
極）１４とを間隔をおいて配置してそれらの間にビーム
軌道用の空間を形成している。超伝導コイル１２の外側
は鉄系の材料によるリターンヨーク１５で包囲されてい
る。
超伝導コイル１２が巻回されており、巻枠１１はそのコ
イル巻回部側を外側に向けて設けられている。ここで
は、超伝導コイル１２は直径２０００ｍｍ程度のサイズ
を有し、巻枠１１に上下一対巻回されている。巻枠１１
の内側には上ポール（上磁極）１３と下ポール（下磁
極）１４とを間隔をおいて配置してそれらの間にビーム
軌道用の空間を形成している。超伝導コイル１２の外側
は鉄系の材料によるリターンヨーク１５で包囲されてい
る。
【００２５】この超伝導磁石装置は、上から見た場合の
形状が略円形である。そして、ここでは、超伝導コイル
１２を冷却する冷却手段として、図２に示されるよう
に、上下に４台ずつ、合計８台の小型ＧＭ冷凍機２０を
用いる。小型ＧＭ冷凍機２０のコールドヘッド２２を伝
熱材２１を介して超伝導コイル１２の巻枠１１に間接的
に接触させて冷却を行うようにしている。このために、
リターンヨーク１５には穴１５−１が設けられている。
なお、小型ＧＭ冷凍機２０はＨｅ（ヘリウム）により冷
却を行うものであり、Ｈｅガスの圧縮機ユニットは別に
離れた位置に設置される。小型ＧＭ冷凍機２０は、その
冷凍能力が第１段ステージで４０Ｗ、５０Ｋ、第２段ス
テージで１Ｗ、４Ｋ程度の能力を持つ４ＫＧＭ冷凍機と
呼ばれるもので良い。
形状が略円形である。そして、ここでは、超伝導コイル
１２を冷却する冷却手段として、図２に示されるよう
に、上下に４台ずつ、合計８台の小型ＧＭ冷凍機２０を
用いる。小型ＧＭ冷凍機２０のコールドヘッド２２を伝
熱材２１を介して超伝導コイル１２の巻枠１１に間接的
に接触させて冷却を行うようにしている。このために、
リターンヨーク１５には穴１５−１が設けられている。
なお、小型ＧＭ冷凍機２０はＨｅ（ヘリウム）により冷
却を行うものであり、Ｈｅガスの圧縮機ユニットは別に
離れた位置に設置される。小型ＧＭ冷凍機２０は、その
冷凍能力が第１段ステージで４０Ｗ、５０Ｋ、第２段ス
テージで１Ｗ、４Ｋ程度の能力を持つ４ＫＧＭ冷凍機と
呼ばれるもので良い。
【００２６】この種の超伝導磁石装置においてはまた、
巻枠１１、超伝導コイル１２を含む構造物の重量を支持
するためにリターンヨーク１５に設けられた穴１５−２
を通して４つの縦荷重支持１６（図２ｂ参照）が設けら
れる。このため、超伝導磁石装置の下側においては、そ
の中心軸に関して４５度の角度間隔をおいて４つの縦荷
重支持１６と４台の小型ＧＭ冷凍機２０とを交互に配置
するようにしている。従って、図１においては、超伝導
磁石装置内部の右側に配置されている小型ＧＭ冷凍機２
０の位置には、縦荷重支持１６が配置されることになる
が、ここでは便宜上、小型ＧＭ冷凍機２０を図示してい
る。
巻枠１１、超伝導コイル１２を含む構造物の重量を支持
するためにリターンヨーク１５に設けられた穴１５−２
を通して４つの縦荷重支持１６（図２ｂ参照）が設けら
れる。このため、超伝導磁石装置の下側においては、そ
の中心軸に関して４５度の角度間隔をおいて４つの縦荷
重支持１６と４台の小型ＧＭ冷凍機２０とを交互に配置
するようにしている。従って、図１においては、超伝導
磁石装置内部の右側に配置されている小型ＧＭ冷凍機２
０の位置には、縦荷重支持１６が配置されることになる
が、ここでは便宜上、小型ＧＭ冷凍機２０を図示してい
る。
【００２７】超伝導磁石装置には更に、巻枠１１、超伝
導コイル１２を含む構造物を横方向に関して支持するた
めにリターンヨーク１５に設けられた穴１５−３を通し
て４つの横荷重支持１７が９０度の角度間隔をおいて設
けられる。従って、図１においては、超伝導磁石装置内
部の右側にも横荷重支持１７が配置されることになる
が、ここでは便宜上、後述するＪＴ弁付き小型ＧＭ冷凍
機３０を図示している。
導コイル１２を含む構造物を横方向に関して支持するた
めにリターンヨーク１５に設けられた穴１５−３を通し
て４つの横荷重支持１７が９０度の角度間隔をおいて設
けられる。従って、図１においては、超伝導磁石装置内
部の右側にも横荷重支持１７が配置されることになる
が、ここでは便宜上、後述するＪＴ弁付き小型ＧＭ冷凍
機３０を図示している。
【００２８】なお、巻枠１１、超伝導コイル１２を含む
構造物を収容している空間は真空状態が維持され、更に
構造物の周囲には熱シールド板が設置される。
構造物を収容している空間は真空状態が維持され、更に
構造物の周囲には熱シールド板が設置される。
【００２９】以上のような伝導冷却式の超伝導磁石装置
の原理は周知であり、本発明では、このような超伝導磁
石装置に補助冷却手段としてＪＴ弁付き小型ＧＭ冷凍機
３０にて新しい観点の冷却チャンネルを冷却することを
特徴とする。ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０は、超伝導磁石
装置から離間した位置に置かれ、ここでは１８０度の角
度間隔をおいて２台備えられる。そして、ＪＴ弁付きＧ
Ｍ冷凍機３０からの冷媒を冷媒配管３１を通して超伝導
コイル１２の近傍に配置した冷却チャンネル（図示せ
ず）に導いて超伝導コイル１２の冷却を行うようにして
いる。
の原理は周知であり、本発明では、このような超伝導磁
石装置に補助冷却手段としてＪＴ弁付き小型ＧＭ冷凍機
３０にて新しい観点の冷却チャンネルを冷却することを
特徴とする。ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０は、超伝導磁石
装置から離間した位置に置かれ、ここでは１８０度の角
度間隔をおいて２台備えられる。そして、ＪＴ弁付きＧ
Ｍ冷凍機３０からの冷媒を冷媒配管３１を通して超伝導
コイル１２の近傍に配置した冷却チャンネル（図示せ
ず）に導いて超伝導コイル１２の冷却を行うようにして
いる。
【００３０】なお、縦荷重支持１６、横荷重支持１７、
小型ＧＭ冷凍機２０、Ｔ弁付きＧＭ冷凍機３０の冷媒配
管３１等の本超伝導磁石装置への導入部には、上記の巻
枠１１、超伝導コイル１２を含む構造物を収容している
空間の真空状態を維持するために気密シールが施されて
いることは言うまでも無い。
小型ＧＭ冷凍機２０、Ｔ弁付きＧＭ冷凍機３０の冷媒配
管３１等の本超伝導磁石装置への導入部には、上記の巻
枠１１、超伝導コイル１２を含む構造物を収容している
空間の真空状態を維持するために気密シールが施されて
いることは言うまでも無い。
【００３１】ここで、図３を参照して、ＪＴ弁付きＧＭ
冷凍機３０について説明する。ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３
０は、圧縮機ユニット４０と共に極低温冷却装置を構成
するものである。ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０と圧縮機ユ
ニット４０はフレキシブルホース４１、４２、４３で接
続されている。また、ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０と後述
する冷却チャンネルは冷媒配管３１で接続されている。
冷媒配管３１は、高圧側供給配管３１−１を包囲するよ
うに低圧側戻り配管３１−２を組合わせ、これを更に配
管３１−３内に収容した３重管である。
冷凍機３０について説明する。ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３
０は、圧縮機ユニット４０と共に極低温冷却装置を構成
するものである。ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０と圧縮機ユ
ニット４０はフレキシブルホース４１、４２、４３で接
続されている。また、ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０と後述
する冷却チャンネルは冷媒配管３１で接続されている。
冷媒配管３１は、高圧側供給配管３１−１を包囲するよ
うに低圧側戻り配管３１−２を組合わせ、これを更に配
管３１−３内に収容した３重管である。
【００３２】圧縮機ユニット４０は第１段圧縮機本体４
４と第２段圧縮機本体４５、油分離器４６と吸着器４７
で構成されている。
４と第２段圧縮機本体４５、油分離器４６と吸着器４７
で構成されている。
【００３３】ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０は予冷用ＧＭ冷
凍機３２、第１段熱交換器３３と第２段熱交換器３４、
輻射シールド板３５、真空容器３６、及びＪＴ弁３７で
構成されている。予冷用ＧＭ冷凍機３２の第１段負荷フ
ランジ３２−１と第２段負荷フランジ３２−２、第１段
熱交換器３３と第２段熱交換器３４、及び輻射シールド
板３５は真空容器３６内に収容されている。更に、輻射
シールド板３５は第１段負荷フランジ３２−１と接続さ
れており、内部に第２段熱交換器３４と第２段負荷フラ
ンジ３２−２を配置している。
凍機３２、第１段熱交換器３３と第２段熱交換器３４、
輻射シールド板３５、真空容器３６、及びＪＴ弁３７で
構成されている。予冷用ＧＭ冷凍機３２の第１段負荷フ
ランジ３２−１と第２段負荷フランジ３２−２、第１段
熱交換器３３と第２段熱交換器３４、及び輻射シールド
板３５は真空容器３６内に収容されている。更に、輻射
シールド板３５は第１段負荷フランジ３２−１と接続さ
れており、内部に第２段熱交換器３４と第２段負荷フラ
ンジ３２−２を配置している。
【００３４】この極低温冷却装置の作用について説明す
る。圧縮機ユニット４０内の第１段圧縮機本体４４と第
２段圧縮機本体４５とで圧縮されたヘリウムガス（ＧＨ
ｅ）は約２０ｋｇ／ｃｍ2 となり、油分離器４６、吸着
器４７を通ってクリーンなガスとなり、フレキシブルホ
ース４１を経て、ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０の予冷用Ｇ
Ｍ冷凍機３２と第１段熱交換器３３へと流れる。予冷用
ＧＭ冷凍機３２へ流入したＧＨｅは低温を発生させ、第
１段負荷フランジ３２−１と第２段負荷フランジ３２−
２を冷却して、フレキシブルホース４２を経て圧縮機ユ
ニット４０内に吸入される。
る。圧縮機ユニット４０内の第１段圧縮機本体４４と第
２段圧縮機本体４５とで圧縮されたヘリウムガス（ＧＨ
ｅ）は約２０ｋｇ／ｃｍ2 となり、油分離器４６、吸着
器４７を通ってクリーンなガスとなり、フレキシブルホ
ース４１を経て、ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０の予冷用Ｇ
Ｍ冷凍機３２と第１段熱交換器３３へと流れる。予冷用
ＧＭ冷凍機３２へ流入したＧＨｅは低温を発生させ、第
１段負荷フランジ３２−１と第２段負荷フランジ３２−
２を冷却して、フレキシブルホース４２を経て圧縮機ユ
ニット４０内に吸入される。
【００３５】一方、第１段熱交換器３３へ流入したＧＨ
ｅは第１段熱交換器３３を通って、第１段負荷フランジ
３２−１で冷却され、第２段熱交換器３４を通り、更に
第２段負荷フランジ３２−２で冷却され、ＪＴ弁３７を
出た後膨脹して冷媒配管３１内の高圧側供給配管３１−
１を経て冷却チャンネルに至る。冷却チャンネルからの
低圧のＧＨｅは、低圧側戻り配管３１−２、第２段熱交
換器３４、第１段熱交換器３３を通って高圧のＧＨｅと
熱交換し、フレキシブルホース４３を経て圧縮機ユニッ
ト４０内の第１段圧縮機本体４４に吸入される。ここで
使用されるＪＴ弁付き小型ＧＭ冷凍機３０の冷凍能力
も、前に述べた小型ＧＭ冷凍機２０と同じで良い。
ｅは第１段熱交換器３３を通って、第１段負荷フランジ
３２−１で冷却され、第２段熱交換器３４を通り、更に
第２段負荷フランジ３２−２で冷却され、ＪＴ弁３７を
出た後膨脹して冷媒配管３１内の高圧側供給配管３１−
１を経て冷却チャンネルに至る。冷却チャンネルからの
低圧のＧＨｅは、低圧側戻り配管３１−２、第２段熱交
換器３４、第１段熱交換器３３を通って高圧のＧＨｅと
熱交換し、フレキシブルホース４３を経て圧縮機ユニッ
ト４０内の第１段圧縮機本体４４に吸入される。ここで
使用されるＪＴ弁付き小型ＧＭ冷凍機３０の冷凍能力
も、前に述べた小型ＧＭ冷凍機２０と同じで良い。
【００３６】以上の説明で明らかなように、このＪＴ弁
付き小型ＧＭ冷凍機３０は、そこから離間した箇所の冷
却を行うことができる点に特徴がある。この種の小型Ｇ
Ｍ冷凍機の原理は、例えば特開平１１−６３６９７に開
示されている。
付き小型ＧＭ冷凍機３０は、そこから離間した箇所の冷
却を行うことができる点に特徴がある。この種の小型Ｇ
Ｍ冷凍機の原理は、例えば特開平１１−６３６９７に開
示されている。
【００３７】次に、図４、図５をも参照して、ＪＴ弁付
き小型ＧＭ冷凍機３０に接続される冷却チャンネルにつ
いて説明する。冷却チャンネル５０は、ＪＴ弁付きＧＭ
冷凍機３０からの極低温のＧＨｅが流入する流入口と、
低圧のＧＨｅをＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０に戻すために
ＧＨｅが流出する流出口とを持つ冷却パイプ５１と、冷
却パイプ５１と超伝導コイル１２との間を熱的に結ぶ板
５２とを含む。冷却パイプ５１は銅管等で作製すること
ができる。
き小型ＧＭ冷凍機３０に接続される冷却チャンネルにつ
いて説明する。冷却チャンネル５０は、ＪＴ弁付きＧＭ
冷凍機３０からの極低温のＧＨｅが流入する流入口と、
低圧のＧＨｅをＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０に戻すために
ＧＨｅが流出する流出口とを持つ冷却パイプ５１と、冷
却パイプ５１と超伝導コイル１２との間を熱的に結ぶ板
５２とを含む。冷却パイプ５１は銅管等で作製すること
ができる。
【００３８】一方、超伝導コイル１２は、通常、その中
心軸方向（上下方向）に関してギャップを介して複層に
分けられている。これを利用して、冷却チャンネル５０
を複数（ここでは４つ）の冷却パイプ５１と板５２とで
構成し、前記複層のそれぞれの層間のスペースに板５２
の一部を挿入するようにしている。このために、複数の
冷却パイプ５１の流入口は共通の冷媒分配管５３に接続
し、複数の冷却パイプ５１の流出口は共通の冷媒集合管
５４に接続している。冷媒分配管５３は高圧側供給配管
３１−１に接続され、冷媒集合管５４は低圧側戻り配管
３１−２に接続される。
心軸方向（上下方向）に関してギャップを介して複層に
分けられている。これを利用して、冷却チャンネル５０
を複数（ここでは４つ）の冷却パイプ５１と板５２とで
構成し、前記複層のそれぞれの層間のスペースに板５２
の一部を挿入するようにしている。このために、複数の
冷却パイプ５１の流入口は共通の冷媒分配管５３に接続
し、複数の冷却パイプ５１の流出口は共通の冷媒集合管
５４に接続している。冷媒分配管５３は高圧側供給配管
３１−１に接続され、冷媒集合管５４は低圧側戻り配管
３１−２に接続される。
【００３９】前に述べたように、巻枠１１の下側あるい
は上側には小型ＧＭ冷凍機２０のコールドヘッド２２が
伝熱材２１を介して間接的に接しており、冷却チャンネ
ル５０は超伝導コイル１２の外側に設けられる。そし
て、冷却パイプ５１及び板５２の形状は、例えば図示の
如くそれぞれ、ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０の設置台数ｎ
に応じて超伝導コイル１２の外周領域をｎ分割した円弧
形状を持つようにされる。
は上側には小型ＧＭ冷凍機２０のコールドヘッド２２が
伝熱材２１を介して間接的に接しており、冷却チャンネ
ル５０は超伝導コイル１２の外側に設けられる。そし
て、冷却パイプ５１及び板５２の形状は、例えば図示の
如くそれぞれ、ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０の設置台数ｎ
に応じて超伝導コイル１２の外周領域をｎ分割した円弧
形状を持つようにされる。
【００４０】本形態では、ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０が
２台設けられるので、図４に示されるように、冷却チャ
ンネル５０も超伝導コイル１２の直径方向に関して対向
する位置に２つ設けられる。この場合、厳密に言えば、
冷却パイプ５１の形状は、流入したＧＨｅが円周方向に
９０度進んでから１８０度戻り、更に流入口側に９０度
進むという略半円弧状を形成している。一方、板５２
は、１／４円弧状板５２−１、５２−２の２枚で略半円
弧状を形成している。
２台設けられるので、図４に示されるように、冷却チャ
ンネル５０も超伝導コイル１２の直径方向に関して対向
する位置に２つ設けられる。この場合、厳密に言えば、
冷却パイプ５１の形状は、流入したＧＨｅが円周方向に
９０度進んでから１８０度戻り、更に流入口側に９０度
進むという略半円弧状を形成している。一方、板５２
は、１／４円弧状板５２−１、５２−２の２枚で略半円
弧状を形成している。
【００４１】なお、ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機３０が１台の
場合には、冷却パイプ５１、板５２は共に環状に形成す
ることで実現でき、３台の場合であれば、例えば冷却パ
イプ５１、板５２は共に１／３円弧状に形成することで
実現できる。勿論、図４、図５に示した冷却パイプ５
１、板５２の形状、構造および上述の形状はあくまでも
一例であり、様々な形態が考えられる。いずれにして
も、冷却チャンネル５０は、図１に示されるような上下
の超伝導コイル１２のそれぞれに設けられる。
場合には、冷却パイプ５１、板５２は共に環状に形成す
ることで実現でき、３台の場合であれば、例えば冷却パ
イプ５１、板５２は共に１／３円弧状に形成することで
実現できる。勿論、図４、図５に示した冷却パイプ５
１、板５２の形状、構造および上述の形状はあくまでも
一例であり、様々な形態が考えられる。いずれにして
も、冷却チャンネル５０は、図１に示されるような上下
の超伝導コイル１２のそれぞれに設けられる。
【００４２】図６は、超伝導コイル１２と冷却パイプ５
１及び板５２との関係を概略的に示した図であり、冷却
パイプ５１から板５２を介した伝熱作用により超伝導コ
イル１２がその芯部まで冷却されることを示している。
１及び板５２との関係を概略的に示した図であり、冷却
パイプ５１から板５２を介した伝熱作用により超伝導コ
イル１２がその芯部まで冷却されることを示している。
【００４３】一般に、超伝導磁石装置の冷却は超伝導コ
イルそのもの（例えば、４Ｋ程度まで冷却）と、超伝導
コイルの周囲にある熱シールド板（２０Ｋ，４０Ｋ，ま
たは８０Ｋ程度までの冷却）の冷却が対象になる。
イルそのもの（例えば、４Ｋ程度まで冷却）と、超伝導
コイルの周囲にある熱シールド板（２０Ｋ，４０Ｋ，ま
たは８０Ｋ程度までの冷却）の冷却が対象になる。
【００４４】本冷却方式では、超伝導コイル１２の冷却
に、複数の独立した小型ＧＭ冷凍機２０と補助冷却用と
してＪＴ弁付き小型ＧＭ冷凍機３０を用いたハイブリッ
ド冷却としている点に特徴を有する。ＪＴ弁付き小型Ｇ
Ｍ冷凍機を用いることには以下の利点がある。
に、複数の独立した小型ＧＭ冷凍機２０と補助冷却用と
してＪＴ弁付き小型ＧＭ冷凍機３０を用いたハイブリッ
ド冷却としている点に特徴を有する。ＪＴ弁付き小型Ｇ
Ｍ冷凍機を用いることには以下の利点がある。
【００４５】冷却されたガスを用いるため、超伝導コ
イルから離れた位置（磁場の弱い場所）にＪＴ弁付き小
型ＧＭ冷凍機３０を設置できる。
イルから離れた位置（磁場の弱い場所）にＪＴ弁付き小
型ＧＭ冷凍機３０を設置できる。
【００４６】冷却チャンネル５０内を実際に流れるガ
スは気・液混合の二相流なので冷却効率が小型ＧＭ冷凍
機２０単独の伝導冷却よりはるかに高い。
スは気・液混合の二相流なので冷却効率が小型ＧＭ冷凍
機２０単独の伝導冷却よりはるかに高い。
【００４７】超伝導コイル１２の外周からだけでな
く、超伝導コイル１２の内部に設けられた板５２を介し
て超伝導コイル１２の内部をも強制冷却するので、超伝
導コイルの外周部より超伝導コイルを冷却する図８の冷
却方式に比べて、超伝導コイル芯部の冷却が速い。
く、超伝導コイル１２の内部に設けられた板５２を介し
て超伝導コイル１２の内部をも強制冷却するので、超伝
導コイルの外周部より超伝導コイルを冷却する図８の冷
却方式に比べて、超伝導コイル芯部の冷却が速い。
【００４８】コイルの励消磁に伴う交流損失によるコ
イルの発熱を除去できる。
イルの発熱を除去できる。
【００４９】従って、ある程度の高速励磁（通電電流
の増減速度）が可能である。
の増減速度）が可能である。
【００５０】なお、本発明は、図示したようなサイクロ
トロンに限らず、伝導冷却式超伝導磁石装置全般におよ
び、例えばＭＲＩ用の伝導冷却式超伝導磁石装置として
も利用できる。また、小型ＧＭ冷凍機２０、ＪＴ弁付き
ＧＭ冷凍機３０の設置台数も超伝導磁石装置の大きさに
応じて任意に設定される。
トロンに限らず、伝導冷却式超伝導磁石装置全般におよ
び、例えばＭＲＩ用の伝導冷却式超伝導磁石装置として
も利用できる。また、小型ＧＭ冷凍機２０、ＪＴ弁付き
ＧＭ冷凍機３０の設置台数も超伝導磁石装置の大きさに
応じて任意に設定される。
【００５１】
【発明の効果】本発明による伝導冷却式超伝導磁石装置
は、高圧ガス保安法の対象外である小型ＧＭ冷凍機を使
用するので、高圧ガス保安法に対処する煩わしさから解
放されるだけでなく、大型の超伝導磁石装置であっても
小型ＧＭ冷凍機の台数をそれほど増やすこと無く冷却性
能を向上させることができ、操作性も改善される。従っ
て、本発明は、直径が１ｍ以上の大きさを持つような大
型の伝導冷却式超伝導磁石装置に適している。
は、高圧ガス保安法の対象外である小型ＧＭ冷凍機を使
用するので、高圧ガス保安法に対処する煩わしさから解
放されるだけでなく、大型の超伝導磁石装置であっても
小型ＧＭ冷凍機の台数をそれほど増やすこと無く冷却性
能を向上させることができ、操作性も改善される。従っ
て、本発明は、直径が１ｍ以上の大きさを持つような大
型の伝導冷却式超伝導磁石装置に適している。
【図１】本発明による伝導冷却式超伝導磁石装置の実施
の形態を示す縦断面図である。
の形態を示す縦断面図である。
【図２】図１に示される小型ＧＭ冷凍機と縦荷重支持の
位置関係を示した図で、図２（ａ）は上側から見た場合
の配置関係を示し、図２（ｂ）は下側から見た場合の配
置関係を示している。
位置関係を示した図で、図２（ａ）は上側から見た場合
の配置関係を示し、図２（ｂ）は下側から見た場合の配
置関係を示している。
【図３】本発明に使用されるＪＴ弁付き小型ＧＭ冷凍機
の概略を説明するための構成図である。
の概略を説明するための構成図である。
【図４】本発明に使用される冷却チャンネルの平面図で
ある。
ある。
【図５】本発明に使用される冷却チャンネルの側面図で
ある。
ある。
【図６】本発明における冷却チャンネルと超伝導コイル
との関係を説明するための概略図である。
との関係を説明するための概略図である。
【図７】本発明による伝導冷却式超伝導磁石装置の適用
が考えられるサイクロトロンの概略を説明するための図
である。
が考えられるサイクロトロンの概略を説明するための図
である。
【図８】従来の超伝導コイルの伝導冷却を説明するため
の部分図である。
の部分図である。
１１ 巻枠 １２ 超伝導コイル １３ 上ポール １４ 下ポール １５ リターンヨーク １６ 縦荷重支持 １７ 横荷重支持 ２０ 小型ＧＭ冷凍機 ２２ コールドヘッド ３０ ＪＴ弁付き小型ＧＭ冷凍機 ４０ 圧縮機ユニット ５０ 冷却チャンネル ５１ 冷却パイプ ５２ 板 ５３ 冷媒分配管 ５４ 冷媒集合管
Claims (4)
- 【請求項１】 超伝導コイルの冷却手段として１台以上
のＧＭ冷凍機を用い、該ＧＭ冷凍機のコールドヘッドに
より前記超伝導コイルの冷却を行う伝導冷却式超伝導磁
石装置において、 該伝導冷却式超伝導磁石装置から離間した位置に置か
れ、ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機を補助冷却手段としてｎ（ｎ
は１以上の整数）台備え、 該ＪＴ弁付きＧＭ冷凍機からの冷媒を冷媒配管を通して
前記超伝導コイルの近傍に配置した冷却チャンネルに導
いて前記超伝導コイルの冷却を行うようにしたことを特
徴とする伝導冷却式超伝導磁石装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の伝導冷却式超伝導磁石装
置において、前記冷却チャンネルは、前記ＪＴ弁付きＧ
Ｍ冷凍機からの冷媒が流入する流入口と冷媒を前記ＪＴ
弁付きＧＭ冷凍機に戻すために冷媒が流出する流出口と
を持つ冷却パイプと、該冷却パイプと前記超伝導コイル
との間を熱的に結ぶ板とを含むことを特徴とする伝導冷
却式超伝導磁石装置。 - 【請求項３】 請求項２記載の伝導冷却式超伝導磁石装
置において、前記超伝導コイルはその中心軸方向に関し
てギャップを介して複層に分けられており、前記冷却チ
ャンネルは前記冷却パイプと前記板とを複数組有して、
前記複層のそれぞれの層間のスペースに前記板の一部が
挿入されており、複数の前記冷却パイプの流入口は共通
の冷媒分配管に接続され、複数の前記冷却パイプの流出
口は共通の冷媒集合管に接続されていることを特徴とす
る伝導冷却式超伝導磁石装置。 - 【請求項４】 請求項３記載の伝導冷却式超伝導磁石装
置において、前記超伝導コイルは筒状の巻枠に巻回され
ており、該巻枠はコイル巻回部側を外側に向けて設けら
れており、前記巻枠の下側あるいは上側を前記ＧＭ冷凍
機のコールドヘッドで伝熱材を介して冷却するようにさ
れ、前記冷却チャンネルは前記コイルの外側にあって、
前記冷却パイプ及び前記板の形状がそれぞれ、前記ＪＴ
弁付きＧＭ冷凍機の設置台数ｎに応じて前記超伝導コイ
ルの外周領域をｎ分割した環状あるいは円弧形状を持つ
ことを特徴とする伝導冷却式超伝導磁石装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000225541A JP2002043117A (ja) | 2000-07-26 | 2000-07-26 | 伝導冷却式超伝導磁石装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000225541A JP2002043117A (ja) | 2000-07-26 | 2000-07-26 | 伝導冷却式超伝導磁石装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002043117A true JP2002043117A (ja) | 2002-02-08 |
Family
ID=18719296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000225541A Withdrawn JP2002043117A (ja) | 2000-07-26 | 2000-07-26 | 伝導冷却式超伝導磁石装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002043117A (ja) |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2004349276A (ja) * | 2003-04-25 | 2004-12-09 | Japan Science & Technology Agency | 超電導永久磁石装置 |
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-
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- 2000-07-26 JP JP2000225541A patent/JP2002043117A/ja not_active Withdrawn
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