JP2002208511A

JP2002208511A - 冷凍機冷却型超電導マグネット装置

Info

Publication number: JP2002208511A
Application number: JP2001004475A
Authority: JP
Inventors: Junji Sakuraba; 順二櫻庭
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2002-07-26

Abstract

(57)【要約】【課題】ヘリウムフリーの超電導マグネット装置の取
り扱いの容易さの利点を生かしつつ、予期せぬ突発的な
停電に対してもクエンチを発生させること無く、強磁場
発生を継続する、もしくは安全に消磁することの出来る
冷凍機冷却型超電導マグネット装置を提供する。【解決手段】超電導コイル３３に熱的に結合するよう
に液体ヘリウムを貯液するためのポッド１１を、突発的
な停電による冷凍機３４停止時の補助冷却装置として配
置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導コイルを冷
凍機の冷凍ステージで冷却するようにした冷凍機冷却型
超電導マグネット装置に関し、特に、停電等により冷凍
機が停止した際に、クエンチの発生を防止する機能を有
する冷凍機冷却型超電導マグネット装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導マグネット装置は、一般の鉄心入
り常電導コイルでは発生不可能な２Ｔ以上の強磁場を容
易に発生できるため、物性測定、磁場による流動制御、
磁気配向、着磁など多くの分野への適用が図られてき
た。

【０００３】従来、超電導マグネットを使用するために
は、液体へリウムによる冷却が不可欠であった。液体へ
リウムは、高価で、その取り扱いに熟練を要するため
に、広範囲な超電導マグネットの応用にとって阻害要因
となっていた。

【０００４】図２を参照して、液体ヘリウム冷却型超電
導マグネット装置について説明する。この超電導マグネ
ット装置は、真空断熱容器（クライオスタット）２１内
に筒状の熱シールド体２２を配置し、熱シールド体２２
内には上側を開口とした液体ヘリウム容器２３を配置す
る。熱シールド体２２は液体窒素あるいは冷凍機により
冷却される。液体ヘリウム容器２３内には超電導コイル
２４を配置し、液体ヘリウム２５に浸漬するようにされ
る。超電導コイル２４は、ガス冷却型電流リード２６を
介して真空断熱容器２１外の電源に接続される。真空断
熱容器２１内にはまた、熱シールド体２２及び液体ヘリ
ウム容器２３を通してその中心軸部に真空断熱容器２１
外と連通する室温空間２７が形成され、室温空間２７内
で超電導コイル２４の発生する強磁場を利用する。

【０００５】超電導マグネット装置を運転するために
は、真空断熱容器２１とは別に設置された液体へリウム
供給容器２８から液体へリウム移送管２９を用いて、液
体ヘリウムを液体ヘリウム容器２３へ供給する必要があ
る。この供給作業は熟練を要し、かつ定期的に補給を繰
り返す必要がある。超電導コイル２４は、液体へリウム
２５に常時浸漬されている状態のため、停電の有無に関
わらず超電導コイル２４は超電導臨界温度以下に保持す
ることが可能である。

【０００６】しかしながら、初期冷却時、貯液、定期的
において、液体ヘリウム供給容器２８からの大量の液体
ヘリウムの移送作業が必要で、取り扱いが煩雑であると
いう欠点がある。また、液体ヘリウムは高価な液体であ
るため、超電導マグネット装置の運転に要するコストが
大きい事も欠点である。

【０００７】そこで、酸化物高温超電導電流リードを用
い、信頼性の高い小型冷凍機のみによって冷却する冷凍
機冷却型超電導マグネット（通常、へリウムフリー超電
導マグネットと呼ばれる）装置が提案されている（特許
第２５５１８７５号、特許第２７５６５５１号など）。

【０００８】図３を参照して、冷凍機冷却型超電導マグ
ネット装置について説明する。この冷凍機冷却型超電導
マグネット装置は、真空断熱容器（クライオスタット）
３１内に熱輻射シールド容器３２を配置し、その内部に
超電導コイル３３が配置される。熱輻射シールド容器３
２内には冷凍機３４の冷凍ステージが導入される。つま
り、冷凍機３４の第１段冷凍ステージ３４−１が熱輻射
シールド容器３２の底部に熱的に結合され、第２段冷凍
ステージ３４−２が超電導コイル３３の巻枠あるいは伝
熱部材等に熱的に結合される。超電導コイル３３と電源
との接続は、熱輻射シールド容器３２内では高温超電導
電流リード３５が使用され、熱輻射シールド容器３２外
では銅電流リード３６が使用される。冷凍機３４は、圧
縮機ユニット３７とガス配管３８で接続され、冷却運転
することによって、冷凍機３４の第２段冷凍ステージ３
４−２と熱的に結合した超電導コイル３３を冷却する構
造である。

【０００９】真空断熱容器３１内にはまた、熱輻射シー
ルド容器３２を通してその中心軸部に真空断熱容器３１
外と連通する室温空間３９が形成され、室温空間３９内
で超電導コイル３３の発生する強磁場を利用する。

【００１０】この冷凍機冷却型超電導マグネット装置
は、超電導コイル３３を液体ヘリウムに浸漬させるとい
うようなことを全く必要とせず、圧縮機ユニット３７の
起動スイッチを投入するだけで冷却することが出来るた
め、磁気科学研究用の磁場発生装置、磁場下熱処理装
置、磁場下単結晶製造装置、着磁装置など各所の産業用
途への普及が行われている。また、真空断熱容器３１に
液体ヘリウムを溜めていないために、超電導マグネット
を任意の方向に回転させることも可能で、強磁場利用の
自由度の高い超電導マグネット装置である。

【００１１】この冷凍機冷却型超電導マグネット装置は
また、取り扱いが容易、長時間運転が容易、保守性が高
い、安全性が高いなどの利点を持つ。しかし、停電時に
は冷却出来なくなる欠点を持つ。つまり、超電導マグネ
ット装置を運転して強磁場を発生している時に停電する
と、圧縮機ユニット３７は勿論、冷凍機３４が停止して
超電導マグネットの温度が上昇し、超電導状態を維持す
る温度（臨界温度）以上となるとクエンチ（超電導状態
から急激に常電導状態に移行し、強磁場を発生していた
磁気エネルギーが急激に熱化する現象）を発生してしま
う。

【００１２】冷凍機冷却型超電導マグネット装置は、ク
エンチが発生しても危険の無いマグネット装置ではある
が、磁気エネルギーが熱に変わり超電導マグネットの温
度を上昇させてしまうため、再度冷却するには長時間を
要する。このため、短時間の停電であっても、超電導マ
グネット装置の運転開始には長時間を要することにな
る。あらかじめ計画された停電に対しては、停電に至る
前に超電導マグネット装置を消磁場停止させ、停電終了
後に、再度運転を開始することによって比較的短時間で
の運転開始が可能である。

【００１３】しかし、予期しない突発的な停電が発生し
た場合、上述のように超電導マグネットにクエンチが発
生することは、長時間の磁場を利用出来ない時間が生
じ、問題である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、へリウ
ムフリーの超電導マグネット装置を各種の磁場応用装置
に適用して使用する場合、突発的な停電の都度、クエン
チが発生することは、超電導マグネット装置の運転停止
期間を大幅に長くしてしまうことになり、問題である。
このような問題に対し、突発的な停電が発生してもクエ
ンチに至らないへリウムフリーの超電導マグネット装置
を提供することは、ヘリウムフリーの超電導マグネット
装置の欠点を解消することとなり、磁気科学研究の進
展、強磁場利用の産業の発展に大きく奇与できる。

【００１５】そこで、本発明の課題は、ヘリウムフリー
の超電導マグネット装置の取り扱いの容易さの利点を生
かしつつ、予期せぬ突発的な停電に対してもクエンチを
発生させること無く、強磁場発生を継続する、もしくは
安全に消磁することの出来る冷凍機冷却型超電導マグネ
ット装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、超電導コイル
を冷凍機の冷凍ステージで冷却するようにした冷凍機冷
却型超電導マグネット装置において、前記超電導コイル
に熱的に結合するように冷媒を貯液するための容器を、
前記冷凍機停止時の補助冷却装置として配置したことを
特徴とする。

【００１７】本冷凍機冷却型超電導マグネット装置にお
いては、前記冷媒として液体ヘリウム、液体水素、液体
ネオン、液体窒素等を、前記超電導コイルの冷却温度に
応じて使用する。

【００１８】本冷凍機冷却型超電導マグネット装置にお
いてはまた、前記冷媒の充填は、前記冷凍機による前記
超電導コイルの冷却後に行われ、前記冷媒を前記容器へ
充填する手段として、液体状の冷媒を貯溜する供給容器
と前記容器と前記供給容器とを接続する配管とを備え
る。

【００１９】本冷凍機冷却型超電導マグネット装置にお
いては更に、前記冷媒を前記容器へ充填する手段とし
て、ガス状の冷媒を充填したガスボンベと前記容器と前
記ガスボンベとを接続する配管とを備え、前記冷凍機に
よる前記超電導コイルの冷却前にガス状の冷媒を前記容
器に充填し、前記冷凍機による前記超電導コイルの冷却
作用により前記容器内のガス状の冷媒を液化させるよう
にしても良い。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を説明する前
に、原理について説明する。一般に、予期せぬ突発的な
停電は３０分以内程度で復帰すると考えられる。３０分
程度まで冷凍機が停止しても超電導臨界温度以下に超電
導マグネットを保冷可能な超電導マグネット断熱構造で
あれば補助的な冷却手段は不要であると考えられる。し
かし、コストを無視して極めて断熱特性の優れた断熱構
造を採用したとしても、冷凍機に封入された冷凍用冷媒
が、冷凍機停止に伴なって熱対流による入熱作用を生じ
て熱源に変わり、超電導マグネットの温度を臨界温度以
下に保持することは困難である。

【００２１】そこで、冷凍機の冷凍ステージに直結され
た超電導コイルに液体ヘリウム等の寒剤を封入した容器
（ポッド）を熱接触させて設置する。そして、停電発生
により冷凍機が停止した後の超電導コイルへの入熱をポ
ッドに伝熱し、ポッド内の液体へリウムの蒸発潜熱で入
熱分を吸収することによって、超電導コイルの温度上昇
を抑えることが可能となる。

【００２２】一般に、超電導コイルへの侵入熱量は、数
Ｗ程度以下であるため、３０分程度の停電、冷凍機停止
に伴う入熱量を吸収するために必要な液体へリウムの量
は、数リットル程度で十分である。

【００２３】図２で述べた液体ヘリウム冷却型超電導マ
グネット装置では、常温から超電導温度までの初期冷却
と超電導コイルを常時冷却するための冷却のために、数
百リットルもの液体へリウムを注入、定期的な補給を必
要とする。

【００２４】しかし、本発明の停電時の補助冷却用ポッ
ドでは、冷凍機による初期冷却が完了した時に、数リッ
トル注入するだけで良く、且つ定期的な補給の必要はな
い。また、寒剤として液体ヘリウムを使用する場合、液
体ヘリウムを直接ポッドに注入する方法ではなく、へリ
ウムガスをこのポッドに供給して、超電導コイルを冷却
している冷凍機で液化する方法も可能である。

【００２５】ポッド内に収容された液体へリウムは、超
電導コイルを冷却する冷凍機が運転されている状態で
は、蒸発によって消滅することはないので定期的な補給
は必要ない。突発的な停電時（年間に多くて数回程度）
のみ消費されるので、この時だけ補給しておけば良い。

【００２６】従って、液体へリウム冷却型超電導マグネ
ット装置のように、液体へリウムを常時扱う必要が無
く、ヘリウムフリーの超電導マグネット装置の取り扱い
の容易さを損なうこと無く、その欠点である突発的な停
電に対しても、クエンチを発生させない超電導マグネッ
ト装置となる。

【００２７】図１を参照して、本発明の実施の形態につ
いて説明する。図１において、本形態による冷凍機冷却
型超電導マグネット装置は、図３で説明したような冷凍
機冷却型超電導マグネット装置に適用され得る。従っ
て、図３と同じ部分には同一番号を付して説明は省略す
る。

【００２８】本形態では、超電導コイル３３に熱的に接
触させて液体ヘリウムを貯蔵する保冷容器（以下、ポッ
ドと呼ぶ）１１を設置する。このポッド１１には、液体
ヘリウム又はガスヘリウムを供給する供給管１２が付属
する。このポッド１１は熱的に超電導コイル３３と結合
する場所ならばいずれに設置しても構わないし、ポッド
１１に結合した伝熱部材を介して超電導コイル３３と結
合しても良い。ポッド１１への液体ヘリウム又はガスヘ
リウムの供給管１２は、真空断熱容器（クライオスタッ
ト）３１の外部に開口部があれば良く、その経路は任意
である。開口部には、ガスヘリウム供給装置あるいは液
体へリウム供給装置及び開閉弁に加えて、真空排気装
置、安全弁などを取り付ける場合もある。

【００２９】ポッド１１に貯蔵する液体へリウムの容量
は、対象とするへリウムフリーの超電導マグネット装置
に応じて、想定される停電時間、超電導コイル３３への
侵入熱量毎に異なる。一般的には、数リットル程度の少
量で十分である。ポッド１１の形状は、所定の液体へリ
ウム容量が貯蔵できる条件であれば任意である。ポッド
１１の設置形態は、超電導コイル３３の周囲に設置する
場合、超電導コイル３３の中に包含させる場合、超電導
コイル３３を構成する巻枠に包含させる場合、超電導コ
イル３３を設置する冷却部材（伝熱部材）に設置する場
合、冷凍機の冷凍ステージに設置する場合、真空断熱容
器３１の中で熱輻射シールド容器３２内の空いたスペー
スに設置して伝熱部材を用いて超電導コイル３３と結合
する場合等、任意に選定できる。

【００３０】尚、ここでは、超電導コイル３３を液体ヘ
リウムと同等温度域まで冷却する超電導マグネット装置
の場合を記載したが、高温超電導マグネット装置のよう
に、液体へリウムより高い温度で運転可能な超電導マグ
ネット装置の場合は、その冷却温度に応じて、寒剤を選
択することが出来る。例えば、液体水素、液体ネオン、
液体窒素など、超電導コイルの冷却温度に対応し得る寒
剤であればその種類は問わない。

【００３１】ポッド１１に貯蔵する寒剤が液体ヘリウム
の場合について説明する。ポッド１１に、液体へリウム
を貯蔵する方法は、下記の例がある。

【００３２】（例１）圧縮機ユニット３７及び冷凍機３
４を起動して超電導コイル３３を室温から所定温度（液
体へリウム温度と同等の温度）まで冷却する。その後、
図示しない液体へリウム供給容器から液体へリウムの供
給管１２を介して、ポッド１１ヘ所定量を注液する。

【００３３】（例２）供給管１２にガスヘリウムボンベ
を接続し、ポッド１１内にへリウムガスが充満する状態
としておく。超電導マグネットを冷却する冷凍機３４を
起動すると、超電導コイル３３が冷却されると同時に、
熱的に接続されたポッド１１内のヘリウムガスも冷却さ
れて、温度が降下して行く。超電導コイル３３が液体ヘ
リウム温度近くまで冷却された時点で、ポッド１１内の
へリウムガスは液化し、液体へリウムとなる。その後ガ
スヘリウムボンベを取り外す。

【００３４】次に、ポッド１１に液体へリウムが充填さ
れた状態で、停電が発生した場合の作用を説明する。停
電が発生すると冷凍機３４が停止し、超電導コイル３３
への入熱があるために温度が上昇することになる。しか
し、その入熱はポッド１１内の液体ヘリウムに伝達し、
液体ヘリウムがガス化する際の蒸発潜熱として奪われ、
液体ヘリウム温度が維持される。すなわち、超電導コイ
ル３３は、ポッド１１内の液体ヘリウムが完全にガス化
するまで入熱があっても温度上昇しない。ガス化したヘ
リウムガスは、所定圧まで上昇すると供給管１２に設け
られた安全弁を通して放出される。上記の間に停電から
復帰し、冷凍機３４が再度運転されれば、超電導コイル
３３を所定温度に維持できることになる。

【００３５】上記の作用は、突発的な停電による冷凍機
３４の停止時のみならず、何らかの事情で冷凍機３４を
短時間だけ停止させる場合でも同様であり、運転再開ま
での時間を短縮することができる。

【００３６】本発明によるへリウムフリーの超電導マグ
ネット装置は、磁気科学研究用磁場発生装置、物性測定
装置、流動制御装置（シリコン単結晶引き上げ装置な
ど）、磁場下熱処理装置、磁気配向装置、着磁装置など
に適用する超電導マグネットとして、突発的な短時間の
停電に対してもクエンチすること無く、強磁場を連続発
生させる、もしくは安全に消磁させることが可能とな
る。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればヘ
リウムフリーの超電導マグネット装置の取り扱いの容易
さの利点を生かしつつ、予期せぬ突発的な停電に対して
もクエンチを発生させること無く、強磁場発生を継続す
る、もしくは安全に消磁することの出来る冷凍機冷却型
超電導マグネット装置を提供することができる。

【００３８】

【発明の効果】

【００３９】

【図１】本発明の実施の形態による冷凍機冷却型超電導
マグネット装置を示した図である。

【００４０】

【図２】従来の液体ヘリウム冷却型超電導マグネット装
置を示した図である。

【００４１】

【図３】従来の冷凍機冷却型超電導マグネット装置を示
した図である。

【００４２】

【符号の説明】

１１ポッド１２供給管２１、３１真空断熱容器２２熱シールド体２３液体ヘリウム容器２４、３３超電導コイル２５液体ヘリウム２７、３９室温空間２８液体ヘリウム供給容器３２熱輻射シールド容器３４冷凍機３７圧縮機ユニット

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【手続補正書】

【提出日】平成１３年１月２４日（２００１．１．２
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】冷凍機冷却型超電導マグネット装置

【特許請求の範囲】