JP2003178914A - 超電導マグネット装置 - Google Patents
超電導マグネット装置Info
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- JP2003178914A JP2003178914A JP2002245505A JP2002245505A JP2003178914A JP 2003178914 A JP2003178914 A JP 2003178914A JP 2002245505 A JP2002245505 A JP 2002245505A JP 2002245505 A JP2002245505 A JP 2002245505A JP 2003178914 A JP2003178914 A JP 2003178914A
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- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 超電導マグネット装置において、励磁、消磁
時の発熱を低減し、しかもマグネット装置本体以外の被
冷却物の温度上昇をも防止できるようにする。 【解決手段】 超電導コイル５３を冷凍機５５により冷
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、冷凍機５５の第２段冷却ステージ５５−２と超
電導コイル５３との間に介在する巻枠５７を熱伝達を抑
制する熱伝達抑制部材とし、所定電流変化速度の励磁、
消磁中の発熱によって超電導コイル５３の温度がその動
作臨界温度の直下の値となるように、前記熱伝達抑制部
材の熱抵抗を定めるようにした。
時の発熱を低減し、しかもマグネット装置本体以外の被
冷却物の温度上昇をも防止できるようにする。 【解決手段】 超電導コイル５３を冷凍機５５により冷
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、冷凍機５５の第２段冷却ステージ５５−２と超
電導コイル５３との間に介在する巻枠５７を熱伝達を抑
制する熱伝達抑制部材とし、所定電流変化速度の励磁、
消磁中の発熱によって超電導コイル５３の温度がその動
作臨界温度の直下の値となるように、前記熱伝達抑制部
材の熱抵抗を定めるようにした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は超電導マグネット装
置の改良に関する。
置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】超電導マグネット装置のいくつかの例に
ついて説明する。図３は、液体ヘリウム冷却型超電導マ
グネット装置を示している。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）（以下、真空容
器と呼ぶ）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を介して真空容器２１外の電源に接続さ
れる。真空容器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容器
２１外と連通する室温空間２７が形成され、室温空間２
７内で超電導コイル２４の発生する強磁場を利用する。
ついて説明する。図３は、液体ヘリウム冷却型超電導マ
グネット装置を示している。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）（以下、真空容
器と呼ぶ）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を介して真空容器２１外の電源に接続さ
れる。真空容器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容器
２１外と連通する室温空間２７が形成され、室温空間２
７内で超電導コイル２４の発生する強磁場を利用する。
【０００３】超電導マグネット装置を運転するために
は、真空容器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。
は、真空容器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。
【０００４】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。
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。
【０００５】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）。
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）。
【０００６】図４は冷凍機冷却型超電導マグネット装置
の第１の例を示している。図４において、この冷凍機冷
却型超電導マグネット装置は、へルムホルツタイプの超
電導コイル３０を真空断熱容器（クライオスタット）
（以下、真空容器と呼ぶ）３１内において２段式ＧＭ冷
凍機３２からの固体熱伝導のみで冷却するタイプのマグ
ネット装置である。
の第１の例を示している。図４において、この冷凍機冷
却型超電導マグネット装置は、へルムホルツタイプの超
電導コイル３０を真空断熱容器（クライオスタット）
（以下、真空容器と呼ぶ）３１内において２段式ＧＭ冷
凍機３２からの固体熱伝導のみで冷却するタイプのマグ
ネット装置である。
【０００７】真空容器３１内に設置されるヘルムホルツ
タイプの超電導コイル３０は、上下２段に間隔を空けて
一体的に形成された巻枠３３の上巻枠３３−１に上コイ
ル３０−１が、下巻枠３３−２に下コイル３０−２がそ
れぞれ巻回されており、これら上コイル３０−１と下コ
イル３０−２は以下に述べる如く直列に接続されてい
る。即ち、３４−１は下コイル３０−２の巻始め電極、
３４−２は下コイル３０−２の巻終り電極、３５−１は
上コイル３０−１の巻始め電極、３５−２は上コイル３
０−１の巻終り電極であり、下コイル３０−２の巻終り
電極３４−２と上コイル３０−１の巻始め電極３５−１
とはブスバー（上下接続リード）３６−１で接続されて
いる。
タイプの超電導コイル３０は、上下２段に間隔を空けて
一体的に形成された巻枠３３の上巻枠３３−１に上コイ
ル３０−１が、下巻枠３３−２に下コイル３０−２がそ
れぞれ巻回されており、これら上コイル３０−１と下コ
イル３０−２は以下に述べる如く直列に接続されてい
る。即ち、３４−１は下コイル３０−２の巻始め電極、
３４−２は下コイル３０−２の巻終り電極、３５−１は
上コイル３０−１の巻始め電極、３５−２は上コイル３
０−１の巻終り電極であり、下コイル３０−２の巻終り
電極３４−２と上コイル３０−１の巻始め電極３５−１
とはブスバー（上下接続リード）３６−１で接続されて
いる。
【０００８】上記の超電導コイル３０は、図示していな
い支柱に連結されている第２熱負荷フランジ３７上に下
巻枠３３−２が載置固定されており、第２熱負荷フラン
ジ３７は、ＧＭ冷凍機３２の第２段冷却ステージ３２−
２に伝熱体３８で連結されている。したがって、下コイ
ル３０−２は第２熱負荷フランジ３７上に載置されてい
る下巻枠３３−２からの伝熱で冷却され、上コイル３０
−１は下巻枠３３−２を介して下コイル３０−１と一体
的に連結されている上巻枠３３−１からの伝熱で冷却さ
れる。上コイル３０−１の巻終り電極３５−２及び下コ
イル３０−２の巻始め電極３４−１は酸化物超電導電流
リード３９を介してそれぞれ外部電源（図示せず）に接
続されている。
い支柱に連結されている第２熱負荷フランジ３７上に下
巻枠３３−２が載置固定されており、第２熱負荷フラン
ジ３７は、ＧＭ冷凍機３２の第２段冷却ステージ３２−
２に伝熱体３８で連結されている。したがって、下コイ
ル３０−２は第２熱負荷フランジ３７上に載置されてい
る下巻枠３３−２からの伝熱で冷却され、上コイル３０
−１は下巻枠３３−２を介して下コイル３０−１と一体
的に連結されている上巻枠３３−１からの伝熱で冷却さ
れる。上コイル３０−１の巻終り電極３５−２及び下コ
イル３０−２の巻始め電極３４−１は酸化物超電導電流
リード３９を介してそれぞれ外部電源（図示せず）に接
続されている。
【０００９】３９−１は酸化物超電導電流リード３９の
低温側電極で、第２熱負荷フランジ３７に電気的には絶
縁されているが、伝熱可能に接続されており、ブスバー
３６−２を介して上コイル３０−１の巻終り電極３５−
２に接続されている。３９−２は高温側電極で、第１熱
負荷フランジ４０に銅網線４１、銅製電流リード４２、
絶縁板４３を介して電気的には絶縁されているが伝熱可
能に接続されている。４４はＧＭ冷凍機３２の第１段冷
却ステージ３２−１と第１段熱負荷フランジ４０との伝
熱体である。４５は真空シール電流導入端子である。
低温側電極で、第２熱負荷フランジ３７に電気的には絶
縁されているが、伝熱可能に接続されており、ブスバー
３６−２を介して上コイル３０−１の巻終り電極３５−
２に接続されている。３９−２は高温側電極で、第１熱
負荷フランジ４０に銅網線４１、銅製電流リード４２、
絶縁板４３を介して電気的には絶縁されているが伝熱可
能に接続されている。４４はＧＭ冷凍機３２の第１段冷
却ステージ３２−１と第１段熱負荷フランジ４０との伝
熱体である。４５は真空シール電流導入端子である。
【００１０】なお、図示していないが下コイル３０−２
の巻始め電極３４−１にも上記酸化物超電導電流リード
３９を介して上記接続手段と同様な手段で外部電源に接
続されている。真空容器３１内にはまた、熱シールド板
４６を通してその中心軸部に真空容器３１外と連通する
室温空間４７が形成され、室温空間４７内で超電導コイ
ル３０の発生する強磁場を利用する。４８は真空容器３
１の主フランジ、４９は架台である。
の巻始め電極３４−１にも上記酸化物超電導電流リード
３９を介して上記接続手段と同様な手段で外部電源に接
続されている。真空容器３１内にはまた、熱シールド板
４６を通してその中心軸部に真空容器３１外と連通する
室温空間４７が形成され、室温空間４７内で超電導コイ
ル３０の発生する強磁場を利用する。４８は真空容器３
１の主フランジ、４９は架台である。
【００１１】図５を参照して、冷凍機冷却型超電導マグ
ネット装置の第２の例について説明する。この超電導マ
グネット装置は、基台５０と、真空断熱容器（クライオ
スタット）（以下、真空容器と呼ぶ）５１と、筒状の熱
シールド板５２と、超電導コイル５３と、正負極一対の
高温超電導電流リード５４と、冷凍機５５と、外部電源
５６とを有する。
ネット装置の第２の例について説明する。この超電導マ
グネット装置は、基台５０と、真空断熱容器（クライオ
スタット）（以下、真空容器と呼ぶ）５１と、筒状の熱
シールド板５２と、超電導コイル５３と、正負極一対の
高温超電導電流リード５４と、冷凍機５５と、外部電源
５６とを有する。
【００１２】真空容器５１は、真空としたその内部に熱
シールド板５２と、超電導コイル５３と、高温超電導電
流リード５４と、冷凍機５５の第１段冷却ステージ５５
−１及び第２段冷却ステージ５５−２とを収容してい
る。
シールド板５２と、超電導コイル５３と、高温超電導電
流リード５４と、冷凍機５５の第１段冷却ステージ５５
−１及び第２段冷却ステージ５５−２とを収容してい
る。
【００１３】熱シールド板５２は、冷凍機５５の第１段
冷却ステージ５５−１に接触固定すると共に、その内部
の超電導コイル５３及び高温超電導電流リード５４への
熱侵入を防止している。
冷却ステージ５５−１に接触固定すると共に、その内部
の超電導コイル５３及び高温超電導電流リード５４への
熱侵入を防止している。
【００１４】超電導コイル５３は、巻枠５７に超電導線
材を巻いたもので、その外周に外周冷却用銅ブロック５
８を締め付けてある。巻枠５７及び外周冷却用銅ブロッ
ク５８を冷凍機５５の第２段冷却ステージ５５−２に接
触固定することにより、超電導線材を効率的に極低温ま
で冷却可能としている。
材を巻いたもので、その外周に外周冷却用銅ブロック５
８を締め付けてある。巻枠５７及び外周冷却用銅ブロッ
ク５８を冷凍機５５の第２段冷却ステージ５５−２に接
触固定することにより、超電導線材を効率的に極低温ま
で冷却可能としている。
【００１５】高温超電導電流リード５４は、その正負極
一対を設けてあり、高温側電極５４−１と、リード本体
である電流リードバルク５４−２と、低温側電極５４−
３とを有する。電流リードバルク５４−２は、ビスマス
系、イットリウム系、タリウム系等の酸化物高温超電導
体材料により構成することができる。
一対を設けてあり、高温側電極５４−１と、リード本体
である電流リードバルク５４−２と、低温側電極５４−
３とを有する。電流リードバルク５４−２は、ビスマス
系、イットリウム系、タリウム系等の酸化物高温超電導
体材料により構成することができる。
【００１６】高温超電導電流リード５４は、銅製のワイ
ヤなどからなる常電導電流リード５９及び常温端子６０
を介して外部電源５６に接続してあり、その高温側端部
（高温側電極５４−２）を冷凍機５５の第１段冷却ステ
ージ５５−１に、低温側端部（低温側電極５４−３）を
第２段冷却ステージ５５−２にそれぞれ電気的に絶縁さ
れかつ熱的に接続可能に取り付けてある。
ヤなどからなる常電導電流リード５９及び常温端子６０
を介して外部電源５６に接続してあり、その高温側端部
（高温側電極５４−２）を冷凍機５５の第１段冷却ステ
ージ５５−１に、低温側端部（低温側電極５４−３）を
第２段冷却ステージ５５−２にそれぞれ電気的に絶縁さ
れかつ熱的に接続可能に取り付けてある。
【００１７】冷凍機５５は、ＧＭ冷凍機などの冷凍機で
あって、第１段冷却ステージ５５−１は温度４０Ｋから
７７Ｋ付近まで冷却可能であり、第２段冷却ステージ５
５−２は極低温４〜１０Ｋまで冷却可能としてある。
あって、第１段冷却ステージ５５−１は温度４０Ｋから
７７Ｋ付近まで冷却可能であり、第２段冷却ステージ５
５−２は極低温４〜１０Ｋまで冷却可能としてある。
【００１８】図４、図５のような冷凍機冷却型超電導マ
グネット装置は、超電導コイル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、冷凍機に接続
されている圧縮機ユニット（図示せず）の起動スイッチ
を投入するだけで冷却することができるため、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、真空容器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。
グネット装置は、超電導コイル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、冷凍機に接続
されている圧縮機ユニット（図示せず）の起動スイッチ
を投入するだけで冷却することができるため、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、真空容器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。
【００１９】上記のように、ＧＭ冷凍機などの機械式冷
凍機によってＮｂＴｉ、Ｎｂ3 Ｓｎなどの超電導線材に
よる超電導コイルを固体熱伝導で約４Ｋ程度にまで冷却
するタイプの超電導マグネット装置においては、超電導
コイルは冷凍機の冷却ステージと熱的に強固に接続され
ている。つまり、冷却ステージに取り付けられた銅製の
熱負荷フランジに超電導コイルの巻枠をボルト締結し、
この巻枠を介して超電導コイルを冷却するようにしてい
る。この場合に、巻枠の材料としてはクロム銅等の熱伝
導の良好な金属を用いることが多い。
凍機によってＮｂＴｉ、Ｎｂ3 Ｓｎなどの超電導線材に
よる超電導コイルを固体熱伝導で約４Ｋ程度にまで冷却
するタイプの超電導マグネット装置においては、超電導
コイルは冷凍機の冷却ステージと熱的に強固に接続され
ている。つまり、冷却ステージに取り付けられた銅製の
熱負荷フランジに超電導コイルの巻枠をボルト締結し、
この巻枠を介して超電導コイルを冷却するようにしてい
る。この場合に、巻枠の材料としてはクロム銅等の熱伝
導の良好な金属を用いることが多い。
【００２０】また、図５で説明したように、超電導コイ
ルの巻線最外周の更に外側に冷却促進部材として銅など
の板（外周冷却用銅ブロック５８）を密着させて巻き付
け、その冷却促進部材の一部を熱負荷フランジもしくは
冷凍機の冷却ステージに熱的に接続することによって、
超電導コイルを外周側からも冷却することも行われてい
る。
ルの巻線最外周の更に外側に冷却促進部材として銅など
の板（外周冷却用銅ブロック５８）を密着させて巻き付
け、その冷却促進部材の一部を熱負荷フランジもしくは
冷凍機の冷却ステージに熱的に接続することによって、
超電導コイルを外周側からも冷却することも行われてい
る。
【００２１】また、図４で説明したように、超電導コイ
ルの巻き始めや巻き終わり、さらには中間の接続電極部
（例えばブスバー３６−１）などを熱負荷フランジに接
続し、電極を介して超電導線の長手方向の熱伝導により
超電導コイルを冷却することも行われている。
ルの巻き始めや巻き終わり、さらには中間の接続電極部
（例えばブスバー３６−１）などを熱負荷フランジに接
続し、電極を介して超電導線の長手方向の熱伝導により
超電導コイルを冷却することも行われている。
【００２２】上記の様に超電導コイルを極低温冷凍機の
冷却ステージに熱的に強固に接続して効率良く冷却する
ことは、超電導コイルの運転温度を低くすることがで
き、運転電流密度を大きくすることが可能で、小型で高
効率の超電導マグネットシステムを提供することを可能
としてきた。
冷却ステージに熱的に強固に接続して効率良く冷却する
ことは、超電導コイルの運転温度を低くすることがで
き、運転電流密度を大きくすることが可能で、小型で高
効率の超電導マグネットシステムを提供することを可能
としてきた。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＧＭ冷
凍機などの機械式冷凍機においては連続運転を継続する
状態において、冷媒用のバルブやディスプレーサなどの
可動部品に摩耗等の劣化が発生する。このため、その性
能を長期にわたって維持するには一定時間毎に定期メン
テナンスを実施する必要がある。このメンテナンス間隔
は、例えば積算運転時間で１０，０００時間毎や、単純
に１年毎等となっている。
凍機などの機械式冷凍機においては連続運転を継続する
状態において、冷媒用のバルブやディスプレーサなどの
可動部品に摩耗等の劣化が発生する。このため、その性
能を長期にわたって維持するには一定時間毎に定期メン
テナンスを実施する必要がある。このメンテナンス間隔
は、例えば積算運転時間で１０，０００時間毎や、単純
に１年毎等となっている。
【００２４】しかしながら、このメンテナンスサイクル
の期間中において冷却性能は常に最良の状態を保持する
わけではなく、徐々に劣化の度合いを進めることは容易
に想像できる。従って、この見地に立って冷凍機冷却型
の超電導マグネット装置の設計を検討する場合は、定期
メンテナンス間隔における冷却能力低下を考慮し、設計
に余裕を持って運転温度を決定することになる。このこ
とは、超電導コイルの運転電流密度を低く抑えることに
なり、超電導コイルの容積が大きくなることを意昧す
る。
の期間中において冷却性能は常に最良の状態を保持する
わけではなく、徐々に劣化の度合いを進めることは容易
に想像できる。従って、この見地に立って冷凍機冷却型
の超電導マグネット装置の設計を検討する場合は、定期
メンテナンス間隔における冷却能力低下を考慮し、設計
に余裕を持って運転温度を決定することになる。このこ
とは、超電導コイルの運転電流密度を低く抑えることに
なり、超電導コイルの容積が大きくなることを意昧す
る。
【００２５】その結果として、運用初期の状態では、冷
凍機の性能劣化が無く、超電導コイルの冷却温度が設計
温度より必要以上に低い場合、つまり臨界電流密度が必
要以上に高い場合が起こりうる。また、超電導マグネッ
ト装置は磁場を励起（励磁）する間、ならびに磁場を消
失（消磁）させる間において、超電導線材の磁気的ヒス
テリシス（履歴）効果によって発熱を引き起こすことが
知られている。このヒステリシス損失（交流損による発
熱）の大きさは、Ｖsc・Ｊc ・Ｂmax （但し、Ｖscは超
電導体の体積、Ｊc は臨界電流密度、Ｂmax は最大経験
磁場である）に比例することが知られており、超電導線
材の経験磁界とその臨界電流密度に比例する。即ち、超
電導線の温度が低く、臨界電流密度が大きいときにはよ
り多くの発熱が生じることになる。よって、先の冷凍機
冷却型の超電導マグネット装置では交流損による発熱が
大きく、冷凍機の冷却ステージの温度を上昇させてしま
うことがある。
凍機の性能劣化が無く、超電導コイルの冷却温度が設計
温度より必要以上に低い場合、つまり臨界電流密度が必
要以上に高い場合が起こりうる。また、超電導マグネッ
ト装置は磁場を励起（励磁）する間、ならびに磁場を消
失（消磁）させる間において、超電導線材の磁気的ヒス
テリシス（履歴）効果によって発熱を引き起こすことが
知られている。このヒステリシス損失（交流損による発
熱）の大きさは、Ｖsc・Ｊc ・Ｂmax （但し、Ｖscは超
電導体の体積、Ｊc は臨界電流密度、Ｂmax は最大経験
磁場である）に比例することが知られており、超電導線
材の経験磁界とその臨界電流密度に比例する。即ち、超
電導線の温度が低く、臨界電流密度が大きいときにはよ
り多くの発熱が生じることになる。よって、先の冷凍機
冷却型の超電導マグネット装置では交流損による発熱が
大きく、冷凍機の冷却ステージの温度を上昇させてしま
うことがある。
【００２６】一方、超電導コイルを冷却する極低温冷凍
機によって同時に物性測定試料や超電導デバイスなどを
冷却するマグネットシステムを構成する場合がある。こ
のような場合にはマグネットの励磁、消磁によって冷凍
機の冷却ステージの温度が一時的に大きく変動すること
は好ましくなく、温度上昇が物性測定試料や超電導デバ
イスの冷却温度を越えるような時には、励消磁速度や励
磁の間隔を調節するなどの措置や、場合によっては冷凍
機そのものをより大型で能力の高いものに交換する必要
がある。
機によって同時に物性測定試料や超電導デバイスなどを
冷却するマグネットシステムを構成する場合がある。こ
のような場合にはマグネットの励磁、消磁によって冷凍
機の冷却ステージの温度が一時的に大きく変動すること
は好ましくなく、温度上昇が物性測定試料や超電導デバ
イスの冷却温度を越えるような時には、励消磁速度や励
磁の間隔を調節するなどの措置や、場合によっては冷凍
機そのものをより大型で能力の高いものに交換する必要
がある。
【００２７】以上のような点に鑑み、本発明の課題は、
超電導マグネット装置において、励磁、消磁時の発熱を
低減し、しかもマグネット装置本体以外の被冷却物の温
度上昇をも防止できるようにすることにある。
超電導マグネット装置において、励磁、消磁時の発熱を
低減し、しかもマグネット装置本体以外の被冷却物の温
度上昇をも防止できるようにすることにある。
【００２８】本発明は特に、冷凍機冷却型超電導マグネ
ット装置において、励磁、消磁時の発熱を低減し、超電
導コイルを冷却する極低温冷凍機、ならびにこの極低温
冷凍機によって同時に冷却されるマグネット装置本体以
外の被冷却物の温度上昇を防止できるようにすることに
ある。
ット装置において、励磁、消磁時の発熱を低減し、超電
導コイルを冷却する極低温冷凍機、ならびにこの極低温
冷凍機によって同時に冷却されるマグネット装置本体以
外の被冷却物の温度上昇を防止できるようにすることに
ある。
【００２９】一方で、本発明の課題は、冷凍機冷却型超
電導マグネット装置において、超電導コイルのコイル運
転温度Ｔｍと超電導コイルのコイル臨界温度Ｔｃとの関
係に着目することにより、経済的で超電導安定性に優れ
た超電導マグネット装置を実現することにある。
電導マグネット装置において、超電導コイルのコイル運
転温度Ｔｍと超電導コイルのコイル臨界温度Ｔｃとの関
係に着目することにより、経済的で超電導安定性に優れ
た超電導マグネット装置を実現することにある。
【００３０】
【課題を達成するための手段】本発明は、超電導コイル
を極低温の冷却源により冷却するようにした超電導マグ
ネット装置において、前記冷却源と前記超電導コイルと
の間に熱伝達を抑制する熱伝達抑制部材を介在させ、所
定電流変化速度の励磁、消磁中の発熱によって前記超電
導コイルの温度がその動作臨界温度の直下の値となるよ
うに、前記熱伝達抑制部材の熱抵抗を定めるようにした
ことを特徴とする。
を極低温の冷却源により冷却するようにした超電導マグ
ネット装置において、前記冷却源と前記超電導コイルと
の間に熱伝達を抑制する熱伝達抑制部材を介在させ、所
定電流変化速度の励磁、消磁中の発熱によって前記超電
導コイルの温度がその動作臨界温度の直下の値となるよ
うに、前記熱伝達抑制部材の熱抵抗を定めるようにした
ことを特徴とする。
【００３１】なお、超電導マグネット装置が冷凍機を前
記冷却源とする冷凍機冷却型である場合、前記超電導コ
イルを巻回する巻枠を前記熱伝達抑制部材とする。
記冷却源とする冷凍機冷却型である場合、前記超電導コ
イルを巻回する巻枠を前記熱伝達抑制部材とする。
【００３２】そして、前記巻枠の材質をＧＦＲＰ（ガラ
ス繊維強化樹脂）とし、前記超電導コイルを冷凍機の冷
却ステージから断熱した状態で取付け、前記超電導コイ
ルの電流供給線とそれに並列に付随する伝熱部材を前記
超電導コイルの外部で前記冷凍機の冷却ステージに熱的
に接続することによって、前記熱抵抗を実現する。
ス繊維強化樹脂）とし、前記超電導コイルを冷凍機の冷
却ステージから断熱した状態で取付け、前記超電導コイ
ルの電流供給線とそれに並列に付随する伝熱部材を前記
超電導コイルの外部で前記冷凍機の冷却ステージに熱的
に接続することによって、前記熱抵抗を実現する。
【００３３】超電導マグネット装置が冷凍機を前記冷却
源とする冷凍機冷却型である場合にはまた、前記超電導
コイルを巻回する巻枠の材質を熱伝導率の良い金属と
し、該巻枠と前記冷凍機の冷却ステージとの間に、前記
熱抵抗から超電導コイルの給電線による熱伝導を差し引
いた熱抵抗を有する熱伝達抑制部材を介在させるように
しても良い。
源とする冷凍機冷却型である場合にはまた、前記超電導
コイルを巻回する巻枠の材質を熱伝導率の良い金属と
し、該巻枠と前記冷凍機の冷却ステージとの間に、前記
熱抵抗から超電導コイルの給電線による熱伝導を差し引
いた熱抵抗を有する熱伝達抑制部材を介在させるように
しても良い。
【００３４】超電導マグネット装置がヘリウム冷却型で
ある場合、前記超電導コイルをＧＦＲＰ（ガラス繊維強
化樹脂）による容器に収めたうえで液体ヘリウム中に浸
漬させることで該液体ヘリウムから前記超電導コイルへ
の熱伝達を抑制する。
ある場合、前記超電導コイルをＧＦＲＰ（ガラス繊維強
化樹脂）による容器に収めたうえで液体ヘリウム中に浸
漬させることで該液体ヘリウムから前記超電導コイルへ
の熱伝達を抑制する。
【００３５】本発明は、超電導コイルを冷凍機により冷
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、前記超電導コイルのコイル運転温度をＴｍ、前
記超電導コイルのコイル臨界温度をＴｃとするとき、Ｔ
ｍ／Ｔｃは０．６以上０．９５以下であることを特徴と
する。
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、前記超電導コイルのコイル運転温度をＴｍ、前
記超電導コイルのコイル臨界温度をＴｃとするとき、Ｔ
ｍ／Ｔｃは０．６以上０．９５以下であることを特徴と
する。
【００３６】第１の例としては、前記超電導コイルはＮ
ｂＴｉなどの合金系の超電導材料を使用して形成され、
前記冷凍機はＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄冷材とする。
ｂＴｉなどの合金系の超電導材料を使用して形成され、
前記冷凍機はＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄冷材とする。
【００３７】第２の例としては、前記超電導コイルはＮ
ｂ３ＳｎなどのＡｌ５型化合物系の超電導材料を使用し
て形成され、前記冷凍機はＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄
冷材とする。
ｂ３ＳｎなどのＡｌ５型化合物系の超電導材料を使用し
て形成され、前記冷凍機はＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄
冷材とする。
【００３８】第３の例としては、前記超電導コイルはＢ
ｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３ＯＸやＢｉ ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ
２ＯＹやＹＢａ２Ｃｕ３ＯＺなどの銅酸化物系の超電導
材料を使用して形成され、前記冷凍機はＰｂを最低温度
部の蓄冷材とする。
ｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３ＯＸやＢｉ ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ
２ＯＹやＹＢａ２Ｃｕ３ＯＺなどの銅酸化物系の超電導
材料を使用して形成され、前記冷凍機はＰｂを最低温度
部の蓄冷材とする。
【００３９】第４の例としては、前記超電導コイルはＮ
ｂＴｉなどの合金系の超電導材料とＮｂ３ＳｎなどのＡ
ｌ５型化合物系の超電導材料とＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ
３Ｏ ＸやＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２ＯＹやＹＢａ２Ｃｕ
３ＯＺなどの銅酸化物系の超電導材料の３系の超電導材
料のうちの少なくとも２系の超電導材料を使用して形成
され、前記冷凍機はＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄冷材と
する。
ｂＴｉなどの合金系の超電導材料とＮｂ３ＳｎなどのＡ
ｌ５型化合物系の超電導材料とＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ
３Ｏ ＸやＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２ＯＹやＹＢａ２Ｃｕ
３ＯＺなどの銅酸化物系の超電導材料の３系の超電導材
料のうちの少なくとも２系の超電導材料を使用して形成
され、前記冷凍機はＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄冷材と
する。
【００４０】
【発明の実施の形態】本発明の特徴は、冷凍機冷却型超
電導マグネット装置の場合について言えば、超電導コイ
ルと冷凍機の冷却ステージとの熱接触を意図的に不十分
なものとして、励磁、消磁中の超電導コイルの温度を冷
凍機の冷却ステージより高い状態にするようにした点に
ある。
電導マグネット装置の場合について言えば、超電導コイ
ルと冷凍機の冷却ステージとの熱接触を意図的に不十分
なものとして、励磁、消磁中の超電導コイルの温度を冷
凍機の冷却ステージより高い状態にするようにした点に
ある。
【００４１】これを図４あるいは図５に示した冷凍機冷
却型超電導マグネット装置に適用して言えば、具体的に
は、超電導コイルの巻枠（図４の３３、図５の５７）を
ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化樹脂）製の熱伝達抑制部材と
して超電導コイルを極低温冷凍機の冷却ステージから断
熱する構造とする。そして、ＮｂＴｉやＮｂ3 Ｓｎとい
った超電導線材が銅などの安定化材に埋め込まれた形の
超電導線及びその超電導線と並列に付加された銅ブスバ
ー（例えば図４の巻始め電極３４−１、図５の巻始め、
巻終わり電極６２）とによって構成される給電線を超電
導コイルの外部で極低温冷凍機の冷却ステージに熱アン
カーを設けることによって、超電導コイルを冷却する構
造とする。特に、熱アンカー部から超電導コイル入り口
もしくは出口までの給電線の長さと断面積を最適化する
ことによって、励磁、消磁中の超電導コイルの温度を臨
界温度の近く（臨界温度の直下）までに上昇させ、ヒス
テリシス損失を最小に抑えることが可能となる。
却型超電導マグネット装置に適用して言えば、具体的に
は、超電導コイルの巻枠（図４の３３、図５の５７）を
ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化樹脂）製の熱伝達抑制部材と
して超電導コイルを極低温冷凍機の冷却ステージから断
熱する構造とする。そして、ＮｂＴｉやＮｂ3 Ｓｎとい
った超電導線材が銅などの安定化材に埋め込まれた形の
超電導線及びその超電導線と並列に付加された銅ブスバ
ー（例えば図４の巻始め電極３４−１、図５の巻始め、
巻終わり電極６２）とによって構成される給電線を超電
導コイルの外部で極低温冷凍機の冷却ステージに熱アン
カーを設けることによって、超電導コイルを冷却する構
造とする。特に、熱アンカー部から超電導コイル入り口
もしくは出口までの給電線の長さと断面積を最適化する
ことによって、励磁、消磁中の超電導コイルの温度を臨
界温度の近く（臨界温度の直下）までに上昇させ、ヒス
テリシス損失を最小に抑えることが可能となる。
【００４２】一方、超電導コイルの巻枠として通常の
銅、ステンレスなどの熱伝導率の良い金属製のものを使
用した場合でも、冷凍機の冷却ステージと巻枠との間に
熱抵抗を有するＧＦＲＰなどの部材を熱伝達抑制部材と
して介在させることによって所定の熱抵抗を実現するこ
とができる。これは、例えば図４における伝熱体３８に
代えてＧＦＲＰなどの熱伝達抑制部材を設けることで実
現できる。但し、このような構成にする場合は給電線を
通しての熱伝導を考慮し、所定の伝熱量からこの給電線
を通しての伝熱量を差し引いた伝熱量が上記熱伝達抑制
部材を流れることとしてその伝熱設計を行う必要があ
る。
銅、ステンレスなどの熱伝導率の良い金属製のものを使
用した場合でも、冷凍機の冷却ステージと巻枠との間に
熱抵抗を有するＧＦＲＰなどの部材を熱伝達抑制部材と
して介在させることによって所定の熱抵抗を実現するこ
とができる。これは、例えば図４における伝熱体３８に
代えてＧＦＲＰなどの熱伝達抑制部材を設けることで実
現できる。但し、このような構成にする場合は給電線を
通しての熱伝導を考慮し、所定の伝熱量からこの給電線
を通しての伝熱量を差し引いた伝熱量が上記熱伝達抑制
部材を流れることとしてその伝熱設計を行う必要があ
る。
【００４３】図１、図２を参照して更に説明する。図１
において、冷凍機の冷却ステージと超電導コイルとの間
の熱伝導を熱伝達係数として表記して、熱伝導を良好と
なるようにした場合の従来型のものとして熱伝達係数が
１０のもの（図１中最上段）と、本発明により熱伝導を
抑えた設計として熱伝達係数を０．０２としたもの（図
１中最下段）とを比較する。冷凍機の能力は３Ｋ／０
Ｗ、４Ｋ／１Ｗとし、その後１Ｋ上昇する毎に１Ｗ増え
るものと仮定する。
において、冷凍機の冷却ステージと超電導コイルとの間
の熱伝導を熱伝達係数として表記して、熱伝導を良好と
なるようにした場合の従来型のものとして熱伝達係数が
１０のもの（図１中最上段）と、本発明により熱伝導を
抑えた設計として熱伝達係数を０．０２としたもの（図
１中最下段）とを比較する。冷凍機の能力は３Ｋ／０
Ｗ、４Ｋ／１Ｗとし、その後１Ｋ上昇する毎に１Ｗ増え
るものと仮定する。
【００４４】図１における冷凍機温度Ｔr 、マグネット
温度Ｔm 、臨界電流Ｉc 、交流損発熱量Ｑacはそれぞ
れ、図１に示された式で算出される。
温度Ｔm 、臨界電流Ｉc 、交流損発熱量Ｑacはそれぞ
れ、図１に示された式で算出される。
【００４５】超電導線の臨界電流の温度依存性（磁場は
２Ｔで一定と仮定）を図２（ａ）のように仮定する。更
に、前に述べたように、交流損失ＱはＶsc・Ｊc ・Ｂ
max に比例することから、交流損失は臨界電流に比例す
るものとしてその比例常数は０．０２と仮定する。図２
（ａ）は図２（ｂ）の値をプロットした図である。
２Ｔで一定と仮定）を図２（ａ）のように仮定する。更
に、前に述べたように、交流損失ＱはＶsc・Ｊc ・Ｂ
max に比例することから、交流損失は臨界電流に比例す
るものとしてその比例常数は０．０２と仮定する。図２
（ａ）は図２（ｂ）の値をプロットした図である。
【００４６】冷凍機への熱負荷が無いとした場合、従来
型のものではマグネット温度３．９０Ｋ、冷凍機温度
３．８２Ｋとなるのに対して、本発明による熱伝達係数
０．０２のものでは同じ条件でマグネット温度８．７３
Ｋ、冷凍機温度３．１１Ｋとなる。一方、マグネット温
度に関しては、従来型のものは３．９０、４．７６、
５．６２とばらつきがあるのに対し、本発明では８．７
３、８．８３、８．９２とほぼ一定となっている。
型のものではマグネット温度３．９０Ｋ、冷凍機温度
３．８２Ｋとなるのに対して、本発明による熱伝達係数
０．０２のものでは同じ条件でマグネット温度８．７３
Ｋ、冷凍機温度３．１１Ｋとなる。一方、マグネット温
度に関しては、従来型のものは３．９０、４．７６、
５．６２とばらつきがあるのに対し、本発明では８．７
３、８．８３、８．９２とほぼ一定となっている。
【００４７】本形態のように、励磁、消磁中の発熱によ
り超電導コイルの温度を初期冷却温度よりやや上昇せし
めることによって、超電導コイルを動作臨界温度直下
（動作臨界温度以下でしかもそれに近い値）の温度とし
て臨界電流密度を低くすることができるので、ヒステリ
シス損失による発熱量を低減することができる。超電導
コイル内に蓄積された熱は励磁、消磁のサイクルが終了
した後に徐々に冷凍機の冷却ステージに伝わり冷却され
る。よって、冷却ステージの温度上昇は励磁、消磁のサ
イクルより長い時間にわたることになるが、上昇幅は非
常に小さく抑えられることになる。
り超電導コイルの温度を初期冷却温度よりやや上昇せし
めることによって、超電導コイルを動作臨界温度直下
（動作臨界温度以下でしかもそれに近い値）の温度とし
て臨界電流密度を低くすることができるので、ヒステリ
シス損失による発熱量を低減することができる。超電導
コイル内に蓄積された熱は励磁、消磁のサイクルが終了
した後に徐々に冷凍機の冷却ステージに伝わり冷却され
る。よって、冷却ステージの温度上昇は励磁、消磁のサ
イクルより長い時間にわたることになるが、上昇幅は非
常に小さく抑えられることになる。
【００４８】以上、本発明の実施の形態を冷凍機冷却型
超電導マグネット装置に適用した場合について説明した
が、本発明はこれに限らず、図３で説明したような液体
ヘリウム冷却型の超電導マグネット装置に適用した場合
でも効果がある。即ち、図３で言えば、超電導コイル２
４をＧＦＲＰによる容器に収めたうえで液体ヘリウム２
５に浸漬するようにして液体ヘリウムからの熱伝達を抑
える構造とすることにより、超電導コイル２４の運転温
度を液体ヘリウム温度よりやや高く設定することがで
き、その結果として交流損失を低減でき、液体ヘリウム
の蒸発量を減少させることが可能である。また、液体ヘ
リウム溜めに接した熱アンカーからの固体熱伝導で冷却
される超電導マグネット装置においても本発明の有効性
は同様である。
超電導マグネット装置に適用した場合について説明した
が、本発明はこれに限らず、図３で説明したような液体
ヘリウム冷却型の超電導マグネット装置に適用した場合
でも効果がある。即ち、図３で言えば、超電導コイル２
４をＧＦＲＰによる容器に収めたうえで液体ヘリウム２
５に浸漬するようにして液体ヘリウムからの熱伝達を抑
える構造とすることにより、超電導コイル２４の運転温
度を液体ヘリウム温度よりやや高く設定することがで
き、その結果として交流損失を低減でき、液体ヘリウム
の蒸発量を減少させることが可能である。また、液体ヘ
リウム溜めに接した熱アンカーからの固体熱伝導で冷却
される超電導マグネット装置においても本発明の有効性
は同様である。
【００４９】更に、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏなどの
臨界温度が液体窒素温度以上である、いわゆる高温超電
導材製の超電導マグネット装置においても本発明の効果
は有効である。特に、高温超電導マグネットの外側にＮ
ｂ3 ＳｎやＮｂＴｉなどのいわゆる低温超電導のマグネ
ットをバックアップ磁場発生用として組み合わせて使用
する場合には、本発明を高温超電導マグネットのみに適
用し、低温超電導マグネットと冷凍機をより低い温度レ
ベルに設定したままで、高温超電導マグネットを前者の
温度より高い最適の温度において運転することが可能と
なる。
臨界温度が液体窒素温度以上である、いわゆる高温超電
導材製の超電導マグネット装置においても本発明の効果
は有効である。特に、高温超電導マグネットの外側にＮ
ｂ3 ＳｎやＮｂＴｉなどのいわゆる低温超電導のマグネ
ットをバックアップ磁場発生用として組み合わせて使用
する場合には、本発明を高温超電導マグネットのみに適
用し、低温超電導マグネットと冷凍機をより低い温度レ
ベルに設定したままで、高温超電導マグネットを前者の
温度より高い最適の温度において運転することが可能と
なる。
【００５０】（コイル運転温度Ｔｍとコイル臨界温度Ｔ
ｃとの関係）ここで、図４や図５のように、超電導コイ
ル３０・５３を冷凍機３２・５５により冷却するように
した冷凍機冷却型超電導マグネット装置において、超電
導コイルのコイル運転温度Ｔｍ（図１におけるマグネッ
ト温度Ｔｍに相当）と超電導コイル３０・５３のコイル
臨界温度Ｔｃとの関係に着目する。
ｃとの関係）ここで、図４や図５のように、超電導コイ
ル３０・５３を冷凍機３２・５５により冷却するように
した冷凍機冷却型超電導マグネット装置において、超電
導コイルのコイル運転温度Ｔｍ（図１におけるマグネッ
ト温度Ｔｍに相当）と超電導コイル３０・５３のコイル
臨界温度Ｔｃとの関係に着目する。
【００５１】冷凍機冷却型超電導マグネット装置におい
て、Ｔｍ／Ｔｃは０．６以上０．９５以下であることが
望ましい。０．６未満だと、過剰品質になり冷凍能力・
冷凍機・運転コストがかさんでしまうためであり、０．
９５超過だと、冷却できずクエンチしてしまうためであ
る。このように、Ｔｍ／Ｔｃを０．６以上０．９以下に
することにより、経済的で超電導安定性に優れた超電導
マグネット装置を実現することができる。
て、Ｔｍ／Ｔｃは０．６以上０．９５以下であることが
望ましい。０．６未満だと、過剰品質になり冷凍能力・
冷凍機・運転コストがかさんでしまうためであり、０．
９５超過だと、冷却できずクエンチしてしまうためであ
る。このように、Ｔｍ／Ｔｃを０．６以上０．９以下に
することにより、経済的で超電導安定性に優れた超電導
マグネット装置を実現することができる。
【００５２】さらに、Ｔｍ／Ｔｃを０．６直上にすれ
ば、ＧＭ冷凍機のように運転時間の積算によって冷却能
力が変化する冷凍機を使用した場合において、冷凍機の
メンテナンス時期近くになってコイル運転温度Ｔｍが上
昇した場合にも、Ｔｍ／Ｔｃを０．９５以下に維持する
ことができる。このように、Ｔｍ／Ｔｃを０．６直上に
することにより、信頼性の高い超電導マグネット装置を
実現することができる。
ば、ＧＭ冷凍機のように運転時間の積算によって冷却能
力が変化する冷凍機を使用した場合において、冷凍機の
メンテナンス時期近くになってコイル運転温度Ｔｍが上
昇した場合にも、Ｔｍ／Ｔｃを０．９５以下に維持する
ことができる。このように、Ｔｍ／Ｔｃを０．６直上に
することにより、信頼性の高い超電導マグネット装置を
実現することができる。
【００５３】以下、具体例について説明する。
【００５４】超電導コイル３０・５３をＮｂＴｉなどの
臨界温度が１０Ｋ以下の合金系の超電導材料を使用して
形成する（ＮｂＴｉコイル）とき、冷凍機３２・５５は
ＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄冷材とする蓄冷式冷凍機と
することが考えられる。図６のように、ＨｏＣｕ２の比
熱の温度特性は１０Ｋ以下においてピークを持ち４Ｋ近
傍においても十分な蓄冷性能を持つので、ＨｏＣｕ２を
最低温度部の蓄冷材として４Ｋで冷却可能な「４Ｋ冷凍
機」が市販されている。そこで、ＮｂＴｉコイルのコイ
ル臨界温度Ｔｃを４．２Ｋ以上６．７Ｋ以下に設定し
て、４Ｋ冷凍機を使用してコイル運転温度Ｔｍを４Ｋと
することにより、Ｔｍ／Ｔｃを０．６以上０．９５以下
にすることができる。
臨界温度が１０Ｋ以下の合金系の超電導材料を使用して
形成する（ＮｂＴｉコイル）とき、冷凍機３２・５５は
ＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄冷材とする蓄冷式冷凍機と
することが考えられる。図６のように、ＨｏＣｕ２の比
熱の温度特性は１０Ｋ以下においてピークを持ち４Ｋ近
傍においても十分な蓄冷性能を持つので、ＨｏＣｕ２を
最低温度部の蓄冷材として４Ｋで冷却可能な「４Ｋ冷凍
機」が市販されている。そこで、ＮｂＴｉコイルのコイ
ル臨界温度Ｔｃを４．２Ｋ以上６．７Ｋ以下に設定し
て、４Ｋ冷凍機を使用してコイル運転温度Ｔｍを４Ｋと
することにより、Ｔｍ／Ｔｃを０．６以上０．９５以下
にすることができる。
【００５５】超電導コイル３０・５３をＮｂ３Ｓｎなど
の臨界温度が１０Ｋ以上２４Ｋ以下のＡｌ５型化合物系
の超電導材料を使用して形成する（Ｎｂ３Ｓｎコイル）
とき、冷凍機３２・５５はＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄
冷材とする蓄冷式冷凍機とすることが考えられる。そし
て、Ｎｂ３Ｓｎコイルのコイル臨界温度Ｔｃを６．３Ｋ
以上１０Ｋ以下に設定して、４Ｋ冷凍機を使用してコイ
ル運転温度Ｔｍを６Ｋとすることにより、Ｔｍ／Ｔｃを
０．６以上０．９５以下にすることができる。ここで、
コイル運転温度Ｔｍを６Ｋとする場合には４Ｋとする場
合と比較して熱負荷量を大きくとることが可能であり、
例えば、４Ｋで１Ｗの冷却能力を持つ４Ｋ冷凍機は６Ｋ
で４Ｗの冷却能力を発揮する。そのため、冷凍能力の低
い４Ｋ冷凍機を使用したり、４Ｋ冷凍機の使用台数を減
らしたりして、より経済的にすることが可能である。
の臨界温度が１０Ｋ以上２４Ｋ以下のＡｌ５型化合物系
の超電導材料を使用して形成する（Ｎｂ３Ｓｎコイル）
とき、冷凍機３２・５５はＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄
冷材とする蓄冷式冷凍機とすることが考えられる。そし
て、Ｎｂ３Ｓｎコイルのコイル臨界温度Ｔｃを６．３Ｋ
以上１０Ｋ以下に設定して、４Ｋ冷凍機を使用してコイ
ル運転温度Ｔｍを６Ｋとすることにより、Ｔｍ／Ｔｃを
０．６以上０．９５以下にすることができる。ここで、
コイル運転温度Ｔｍを６Ｋとする場合には４Ｋとする場
合と比較して熱負荷量を大きくとることが可能であり、
例えば、４Ｋで１Ｗの冷却能力を持つ４Ｋ冷凍機は６Ｋ
で４Ｗの冷却能力を発揮する。そのため、冷凍能力の低
い４Ｋ冷凍機を使用したり、４Ｋ冷凍機の使用台数を減
らしたりして、より経済的にすることが可能である。
【００５６】超電導コイル３０・５３をＢｉ２Ｓｒ２Ｃ
ａ２Ｃｕ３ＯＸやＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ １Ｃｕ２ＯＹやＹＢ
ａ２Ｃｕ３ＯＺなどの臨界温度が７０Ｋ以上の銅酸化物
系の超電導材料を使用して形成する（高臨界温度コイ
ル）とき、冷凍機３２・５５はＰｂを最低温度部の蓄冷
材とする蓄冷式冷凍機とすることが考えられる。ここ
で、ＨｏＣｕ２より以前からＰｂは蓄冷材として使用さ
れており、Ｐｂを最低温度部の蓄冷材として２０Ｋで冷
却可能な「２０Ｋ冷凍機」が市販されている。そこで、
高臨界温度コイルのコイル臨界温度Ｔｃを２１Ｋ以上３
３Ｋ以下に設定して、２０Ｋ冷凍機を使用してコイル運
転温度Ｔｍを２０Ｋとすることにより、Ｔｍ／Ｔｃを
０．６以上０．９５以下にすることができる。なお、２
０Ｋ冷凍機は４Ｋ冷凍機より安価なので、より経済的で
あるという利点がある。
ａ２Ｃｕ３ＯＸやＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ １Ｃｕ２ＯＹやＹＢ
ａ２Ｃｕ３ＯＺなどの臨界温度が７０Ｋ以上の銅酸化物
系の超電導材料を使用して形成する（高臨界温度コイ
ル）とき、冷凍機３２・５５はＰｂを最低温度部の蓄冷
材とする蓄冷式冷凍機とすることが考えられる。ここ
で、ＨｏＣｕ２より以前からＰｂは蓄冷材として使用さ
れており、Ｐｂを最低温度部の蓄冷材として２０Ｋで冷
却可能な「２０Ｋ冷凍機」が市販されている。そこで、
高臨界温度コイルのコイル臨界温度Ｔｃを２１Ｋ以上３
３Ｋ以下に設定して、２０Ｋ冷凍機を使用してコイル運
転温度Ｔｍを２０Ｋとすることにより、Ｔｍ／Ｔｃを
０．６以上０．９５以下にすることができる。なお、２
０Ｋ冷凍機は４Ｋ冷凍機より安価なので、より経済的で
あるという利点がある。
【００５７】超電導コイル３０・５３を上述した合金系
の超電導材料と上述したＡｌ５型化合物系の超電導材料
と上述した銅酸化物系の超電導材料の３系の超電導材料
のうちの少なくとも２系の超電導材料を使用して形成す
る（ハイブリッド方式コイル）とき、冷凍機３２・５５
はＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄冷材とする蓄冷式冷凍機
とすることが考えられる。例えば、３系の超電導材料に
係るハイブリッド方式コイルにおいては、ハイブリッド
方式コイルのコイル臨界温度Ｔｃを４．２Ｋ以上６．７
Ｋ以下に設定して、４Ｋ冷凍機を使用してコイル運転温
度Ｔｍを４Ｋとすることにより、Ｔｍ／Ｔｃを０．６以
上０．９５以下にすることができる。この場合、高臨界
温度コイルはＮｂＴｉコイルとＮｂ３Ｓｎコイルのバッ
クアップ磁場のもとで１５Ｔ以上の強磁場を発生するた
めの手段として有効である。
の超電導材料と上述したＡｌ５型化合物系の超電導材料
と上述した銅酸化物系の超電導材料の３系の超電導材料
のうちの少なくとも２系の超電導材料を使用して形成す
る（ハイブリッド方式コイル）とき、冷凍機３２・５５
はＨｏＣｕ２を最低温度部の蓄冷材とする蓄冷式冷凍機
とすることが考えられる。例えば、３系の超電導材料に
係るハイブリッド方式コイルにおいては、ハイブリッド
方式コイルのコイル臨界温度Ｔｃを４．２Ｋ以上６．７
Ｋ以下に設定して、４Ｋ冷凍機を使用してコイル運転温
度Ｔｍを４Ｋとすることにより、Ｔｍ／Ｔｃを０．６以
上０．９５以下にすることができる。この場合、高臨界
温度コイルはＮｂＴｉコイルとＮｂ３Ｓｎコイルのバッ
クアップ磁場のもとで１５Ｔ以上の強磁場を発生するた
めの手段として有効である。
【００５８】
【発明の効果】本発明によれば、冷凍機冷却型超電導マ
グネット装置について言えば、その励磁、消磁時の発熱
を低減し、超電導コイルを冷却する極低温冷凍機、なら
びにこの極低温冷凍機によって同時に冷却されるマグネ
ット装置本体以外の被冷却物の温度上昇を防止できる。
またヘリウム冷却型超電導マグネット装置の場合も、同
様に交流損による発熱を低減し、マグネット装置本体以
外の被冷却物の温度上昇を防止できる。
グネット装置について言えば、その励磁、消磁時の発熱
を低減し、超電導コイルを冷却する極低温冷凍機、なら
びにこの極低温冷凍機によって同時に冷却されるマグネ
ット装置本体以外の被冷却物の温度上昇を防止できる。
またヘリウム冷却型超電導マグネット装置の場合も、同
様に交流損による発熱を低減し、マグネット装置本体以
外の被冷却物の温度上昇を防止できる。
【００５９】一方で、本発明によれば、冷凍機冷却型超
電導マグネット装置において、超電導コイルのコイル運
転温度Ｔｍと超電導コイルのコイル臨界温度Ｔｃとの関
係に着目することにより、経済的で超電導安定性に優れ
た超電導マグネット装置を実現することができる。
電導マグネット装置において、超電導コイルのコイル運
転温度Ｔｍと超電導コイルのコイル臨界温度Ｔｃとの関
係に着目することにより、経済的で超電導安定性に優れ
た超電導マグネット装置を実現することができる。
【図１】冷凍機冷却型超電導マグネット装置における交
流損に起因した冷凍機温度、マグネット温度について本
発明の効果を説明するために、本発明と従来の場合との
値をシミュレーションした結果を示した図である。
流損に起因した冷凍機温度、マグネット温度について本
発明の効果を説明するために、本発明と従来の場合との
値をシミュレーションした結果を示した図である。
【図２】図１のシミュレーションに際して使用した、Ｎ
ｂＴｉによる超電導線材の臨界電流と、その温度と、冷
凍機の能力との関係を示した特性図である。
ｂＴｉによる超電導線材の臨界電流と、その温度と、冷
凍機の能力との関係を示した特性図である。
【図３】ヘリウム冷却型超電導マグネット装置の例を示
した図である。
した図である。
【図４】冷凍機冷却型超電導マグネット装置の第１の例
を示した図である。
を示した図である。
【図５】冷凍機冷却型超電導マグネット装置の第２の例
を示した図である。
を示した図である。
【図６】ＨｏＣｕ２とＮｄＩｎＣｕ２の比熱の温度特性
を表すグラフである。
を表すグラフである。
２１、３１、５１ 真空断熱容器
２３ 液体ヘリウム容器
２４、３０、５３ 超電導コイル
２５ 液体ヘリウム
２６ ガス冷却型電流リード
２７、４７ 室温空間
３２ ＧＭ冷凍機
３３、５７ 巻枠
３６−１、３６−２ ブスバー
３７ 第２熱負荷フランジ
３９ 酸化物超電導電流リード
４０ 第１熱負荷フランジ
４２ 銅製電流リード
４６、５２ 熱シールド板
５４ 高温超電導電流リード
５５ 冷凍機
５５−１ 第１段冷却ステージ
５５−２ 第２段冷却ステージ
５８ 外周冷却用銅ブロック
５９ 常電導電流リード
Claims (13)
- 【請求項１】 超電導コイルを極低温の冷却源により冷
却するようにした超電導マグネット装置において、前記
冷却源と前記超電導コイルとの間に熱伝達を抑制する熱
伝達抑制部材を介在させ、所定電流変化速度の励磁、消
磁中の発熱によって前記超電導コイルの温度がその動作
臨界温度の直下の値となるように、前記熱伝達抑制部材
の熱抵抗を定めるようにしたことを特徴とする超電導マ
グネット装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の超電導マグネット装置に
おいて、該超電導マグネット装置は冷凍機を前記冷却源
とする冷凍機冷却型であり、前記超電導コイルを巻回す
る巻枠を前記熱伝達抑制部材とすることを特徴とする超
電導マグネット装置。 - 【請求項３】 請求項２記載の超電導マグネット装置に
おいて、前記巻枠の材質をＧＦＲＰ（ガラス繊維強化樹
脂）とし、前記超電導コイルを冷凍機の冷却ステージか
ら断熱した状態で取付け、前記超電導コイルの電流供給
線とそれに並列に付随する伝熱部材を前記超電導コイル
の外部で前記冷凍機の冷却ステージに熱的に接続するこ
とによって、前記熱抵抗を実現することを特徴とする超
電導マグネット装置。 - 【請求項４】 請求項１記載の超電導マグネット装置に
おいて、該超電導マグネット装置は冷凍機を前記冷却源
とする冷凍機冷却型であり、前記超電導コイルを巻回す
る巻枠の材質を熱伝導率の良い金属とし、該巻枠と前記
冷凍機の冷却ステージとの間に、前記熱抵抗から超電導
コイルの給電線による熱伝導を差し引いた熱抵抗を有す
る熱伝達抑制部材を介在させることを特徴とする超電導
マグネット装置。 - 【請求項５】 請求項１記載の超電導マグネット装置に
おいて、該超電導マグネット装置はヘリウム冷却型であ
り、前記超電導コイルをＧＦＲＰ（ガラス繊維強化樹
脂）による容器に収めたうえで液体ヘリウム中に浸漬さ
せることで該液体ヘリウムから前記超電導コイルへの熱
伝達を抑制することを特徴とする超電導マグネット装
置。 - 【請求項６】 超電導コイルを冷凍機により冷却するよ
うにした冷凍機冷却型超電導マグネット装置において、
前記超電導コイルのコイル運転温度をＴｍ、前記超電導
コイルのコイル臨界温度をＴｃとするとき、Ｔｍ／Ｔｃ
は０．６以上０．９５以下であることを特徴とする超電
導マグネット装置。 - 【請求項７】 請求項６記載の超電導マグネット装置に
おいて、前記超電導コイルは合金系の超電導材料を使用
して形成され、前記冷凍機はＨｏＣｕ２を最低温度部の
蓄冷材とすることを特徴とする超電導マグネット装置。 - 【請求項８】 請求項６記載の超電導マグネット装置に
おいて、前記超電導コイルはＡｌ５型化合物系の超電導
材料を使用して形成され、前記冷凍機はＨｏＣｕ２を最
低温度部の蓄冷材とすることを特徴とする超電導マグネ
ット装置。 - 【請求項９】 請求項６記載の超電導マグネット装置に
おいて、前記超電導コイルは銅酸化物系の超電導材料を
使用して形成され、前記冷凍機はＰｂを最低温度部の蓄
冷材とすることを特徴とする超電導マグネット装置。 - 【請求項１０】 請求項６記載の超電導マグネット装置
において、前記超電導コイルは合金系の超電導材料とＡ
ｌ５型化合物系の超電導材料と銅酸化物系の超電導材料
の３系の超電導材料のうちの少なくとも２系の超電導材
料を使用して形成され、前記冷凍機はＨｏＣｕ２を最低
温度部の蓄冷材とすることを特徴とする超電導マグネッ
ト装置。 - 【請求項１１】 請求項７又は１０記載の超電導マグネ
ット装置において、前記合金系の超電導材料はＮｂＴｉ
であることを特徴とする超電導マグネット装置。 - 【請求項１２】 請求項８又は１０記載の超電導マグネ
ット装置において、前記Ａｌ５型化合物系の超電導材料
はＮｂ３Ｓｎであることを特徴とする超電導マグネット
装置。 - 【請求項１３】 請求項９又は１０記載の超電導マグネ
ット装置において、前記銅酸化物系の超電導材料はＢｉ
２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３ＯＸとＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２
ＯＹとＹＢａ２Ｃｕ３ＯＺのうちのいずれかであること
を特徴とする超電導マグネット装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002245505A JP2003178914A (ja) | 2001-09-11 | 2002-08-26 | 超電導マグネット装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001274395 | 2001-09-11 | ||
| JP2001-274395 | 2001-09-11 | ||
| JP2002245505A JP2003178914A (ja) | 2001-09-11 | 2002-08-26 | 超電導マグネット装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003178914A true JP2003178914A (ja) | 2003-06-27 |
Family
ID=26621963
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002245505A Pending JP2003178914A (ja) | 2001-09-11 | 2002-08-26 | 超電導マグネット装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003178914A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130090241A1 (en) * | 2011-10-11 | 2013-04-11 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Superconductive electromagnet apparatus |
| WO2013055121A1 (en) * | 2011-10-11 | 2013-04-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Superconductive electromagnet apparatus |
| CN112327110A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-02-05 | 中国科学院电工研究所 | 一种基于制冷机传导冷却的宽温区液体介质环境试验装置 |
-
2002
- 2002-08-26 JP JP2002245505A patent/JP2003178914A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130090241A1 (en) * | 2011-10-11 | 2013-04-11 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Superconductive electromagnet apparatus |
| WO2013055121A1 (en) * | 2011-10-11 | 2013-04-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Superconductive electromagnet apparatus |
| WO2013055119A1 (en) * | 2011-10-11 | 2013-04-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Superconductive electromagnet apparatus |
| KR101356642B1 (ko) | 2011-10-11 | 2014-02-03 | 삼성전자주식회사 | 초전도 전자석 장치 |
| KR101356641B1 (ko) | 2011-10-11 | 2014-02-03 | 삼성전자주식회사 | 초전도 전자석 장치 |
| US8971976B2 (en) | 2011-10-11 | 2015-03-03 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Superconductive electromagnet apparatus |
| US9105385B2 (en) | 2011-10-11 | 2015-08-11 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Superconductive electromagnet apparatus |
| CN112327110A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-02-05 | 中国科学院电工研究所 | 一种基于制冷机传导冷却的宽温区液体介质环境试验装置 |
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