JP2004047713A - 超伝導マグネット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数台の冷凍機を備える冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置において、冷凍機を運転するためのエネルギコストを抑制すること。
【解決手段】超伝導マグネットと、前記超伝導マグネットを冷却する複数台の冷凍機とを備える超伝導マグネット装置であって、前記複数台の冷凍機の全部を運転する稼動モードと、前記複数台の冷凍機の一部を運転して一部を停止する待機モードとを有することを特徴とする超伝導マグネット装置。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導マグネット装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置は、液体ヘリウムを使用することなく超伝導マグネットを冷却することにより、磁界を発生することが可能である。そのため、冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置は、単結晶引き上げ装置など、様々な研究用途や産業用途に使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置では、超伝導マグネットを常温から励磁可能な極低温まで冷却するためには、通常、数日から十数日ほどの長い時間がかかる。そのため、当該超伝導マグネット装置を長期間使用しない時でも、冷凍機を運転して極低温を維持しておくことが多い。これにより、冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置では、液体ヘリウムのコストこそ必要とならないものの、冷凍機を運転するための電力等のエネルギのコストが必要となってしまう。
【０００４】
特に、超伝導マグネットが大型な場合には、通常、複数台の冷凍機が必要となるため、エネルギコストの問題はさらに深刻になる。超伝導マグネットが大型な場合には、エネルギコストがランニングコストを増大させる大きな要因となる。
【０００５】
したがって、本発明は、複数台の冷凍機を備える冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置において、冷凍機を運転するためのエネルギコストを抑制することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、超伝導マグネットと、前記超伝導マグネットを冷却する複数台の冷凍機とを備える超伝導マグネット装置であって、前記複数台の冷凍機のうちの全部を運転する稼動モードと、前記複数台の冷凍機のうちの一部を運転して一部を停止する待機モードとを有する。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、複数台の冷凍機のうちの全部を運転する稼動モードと、複数台の冷凍機のうちの一部を運転して一部を停止する待機モードとを有することにより、複数台の冷凍機を備える冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置において、冷凍機を運転するためのエネルギコストを抑制することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る超伝導マグネット装置の例について説明する。
【０００９】
図１は、本発明に係る冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置１１の例を表す。図１の超伝導マグネット装置１１は、超伝導マグネット１２、冷凍機１３、荷重支持体１４、伝熱フランジ１５、酸化物超伝導電流リード１６、熱シールド板１７、磁気シールド板１８、真空容器１９を備える。
【００１０】
超伝導マグネット１２は、超伝導部材をコイル状にした「超伝導コイル」である。超伝導部材としては、金属系や酸化物系などの材料を使用する。超伝導部材を巻き付ける巻き枠は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率が大きい材料を使用して形成する。また、ステンレスやＦＲＰなどの熱伝導率が小さい材料に、銅やアルミニウムなどの熱伝導率が大きい材料を貼り付けて形成してもよい。また、ステンレスやＦＲＰなどの熱伝導率が小さい材料のみを使用して形成してもよい。
【００１１】
冷凍機１３は、超伝導マグネット１２を冷却する。冷凍機１３としては、ＧＭ冷凍機やパルス管冷凍機などを使用する。２段式ＧＭ冷凍機を使用する場合は、例えば、１段冷却部により熱シールド板１７を冷却し、２段冷却部により超伝導マグネット１２を冷却する。また、熱シールド板１７を冷却するための専用冷凍機を使用してもよい。
【００１２】
荷重支持体１４は、超伝導マグネット１２からの荷重を支持する。荷重支持体１４は、ＧＦＲＰ（ガラス強化繊維）、ＣＦＲＰ（カーボン強化繊維）、アルミナＦＲＰ、ステンレスなどの強度が大きく熱伝導率が小さい材料を使用して形成する。荷重支持体１４の構造としては、例えば、パイプ状の構造にする。そして、超伝導マグネット１２からの荷重を、真空容器１９を支点とする複数本のパイプにより支持する。これらのパイプは、超伝導マグネット１２への侵入熱を減らすために、その中間部において熱シールド板１７とアンカーをとる。
【００１３】
伝熱フランジ１５は、超伝導マグネット１２における巻き枠と冷凍機１３とを接触させる。なお、別の伝熱部材をさらに介して両者を接触させてもよい。
【００１４】
酸化物超伝導電流リード１６は、ビスマス系やイットリウム系などの、超伝導マグネット１２への侵入熱を少量に抑えつつ、超伝導マグネット１２に電流を供給できる材料を使用して形成する。
【００１５】
熱シールド板１７は、超伝導マグネット１２への侵入熱を減らすために、超伝導マグネット１２の周囲を囲み輻射熱を低減する。冷凍機１３として、２段式ＧＭ冷凍機を使用する場合は、熱シールド板１７を１段冷却部に接合することができる。また、輻射熱の低減効果を高めるために、多層断熱材（スーパーインシュレーション）を併用してもよい。熱シールド板１７は、銅やアルミニウムなどの伝熱特性の優れた材料を使用して形成する。また、強度が必要な場合は、熱シールド板１７は、ステンレスなどの強度部材と、銅やアルミニウムなどの伝熱部材とを併用して形成してもよい。さらに、超伝導マグネット１２のクエンチや急激な磁界変動による渦電流を防止するために、熱シールド板１７に部分的に切りかきを入れてもよい。
【００１６】
磁気シールド板１８は、周辺部への漏洩磁界を低減する。必要に応じて、真空容器１９の外側（上下面もしくは外周面、またはその両方）に設置する。磁気シールド板１８は、強磁性体などを使用して形成する。
【００１７】
真空容器１９は、超伝導マグネット装置１１の内部を断熱真空に保つための容器であり、荷重支持体１４が荷重を支持するための支点にもなる。真空容器１９は、溶接構造でもフランジ構造でもよいが、フランジ構造であれば分解が容易であるという利点がある。
【００１８】
さて、図１の超伝導マグネット装置１１は、超伝導マグネット１２を冷却する複数台の冷凍機１３を備える。図１中には、超伝導マグネット１２を冷却する冷凍機１３として、冷凍機１３Ａと冷凍機１３Ｂの２台が記載されている。なお、冷凍機１３の台数は、２台以上であれば何台でもよい。
【００１９】
そして、図１の超伝導マグネット装置１１は、実際に当該装置を使用するためのモードである「稼動モード」と、実際に当該装置を使用するときのために当該装置を待機させておくためのモードである「待機モード」とを有する。稼動モードでは、複数台の冷凍機１３のうちの全部を運転して、待機モードでは、複数台の冷凍機１３のうちの一部を運転して一部を停止する。例えば、稼動モードでは冷凍機１３Ａも冷凍機１３Ｂも運転して、待機モードでは冷凍機１３Ａは運転して冷凍機１３Ｂは停止する。
【００２０】
稼動モードでは、超伝導マグネット１２を励磁可能な温度に維持することができる。したがって、超伝導マグネット装置１１を稼動モードにすることにより、実際に当該装置を使用することができる。
【００２１】
待機モードでは、複数台の冷凍機１３のうちの一部を停止することにより、稼動モードに比べて冷却能力が低下するため、必ずしも超伝導マグネット１２を励磁可能な温度に維持することができない。しかし、待機モードでは、複数台の冷凍機１３のうちの一部は運転するため、ある程度の低温が維持される。これにより、超伝導マグネット装置１１を待機モードから稼動モードにして、超伝導マグネット１２を励磁可能な温度まで冷却するためには、超伝導マグネット装置１１を起動直後に稼動モードにして、超伝導マグネット１２を常温から励磁可能な温度まで冷却するのに比べて、かかる時間が短くてすむ。したがって、超伝導マグネット装置１１を待機モードにして、実際に当該装置を使用するときのために当該装置を待機させておけば、時間の節約になる。
【００２２】
特に、冷凍機１３としてＧＭ冷凍機を使用すれば、１台の冷凍機１３により２０Ｋ以下の温度を維持することが可能である。２０Ｋ以下の温度領域においては物質の比熱が非常に小さいため、超伝導マグネット１２を２０Ｋ程度の温度から励磁可能な温度まで冷却するためには、かかる時間が非常に短くてすむ。したがって、時間の節約が特に効果的になる。参考として、図２に、図１のような超伝導マグネット装置１１を稼動モードにして、超伝導マグネット１２を励磁可能な温度まで冷却したときの、冷却時間と超伝導マグネット１２の温度との関係を表す。
【００２３】
さらに、待機モードでは、複数体の冷凍機１３のうちの一部を停止するため、稼動モードに比べて、単位時間あたりにかかる平均エネルギが少ない。これにより、超伝導マグネット装置１１を長期間使用しない時、超伝導マグネット装置１１を待機モードにして、実際に当該装置を使用するときのために当該装置を待機させておくためには、超伝導マグネット装置１１を稼動モードにして、実際に当該装置を使用するときのために当該装置を待機させておくのに比べて、単位時間あたりにかかる平均エネルギが少なくてすむ。したがって、超伝導マグネット装置１１を待機モードにして、実際に当該装置を使用するときのために当該装置を待機させておけば、エネルギの節約になる。
【００２４】
なお、冷凍機１３をある一定期間使用したら、通常、当該冷凍機１３の定期保守が必要となる。ここで、待機モードでは、複数体の冷凍機１３のうちの一部を停止するため、待機時には待機モードを利用するようにし続ければ、待機時には稼動モードを利用するようにし続ける場合に比べて、冷凍機１３の定期保守の平均サイクルを長くすることも可能である。
【００２５】
さて、待機モードにおいて、何台の冷凍機１３を運転すれば、超伝導マグネット１２の温度を何度に維持することができるかは、超伝導マグネット１２への侵入熱の量や各冷凍機１３の冷却能力によって決定される。
【００２６】
ここで、図１の超伝導マグネット装置１１は、冷凍機１３としては４台の２段式ＧＭ冷凍機を備え、超伝導マグネット１２の冷却質量が１０００ｋｇ、超伝導マグネット１２への侵入熱が４Ｗ、熱シールド板１７への侵入熱が１００Ｗ、各２段式ＧＭ冷凍機の冷却能力が４．２Ｋ／１Ｗおよび４０Ｋ／３７Ｗであるとする。
【００２７】
このとき、超伝導マグネット装置１１を稼動モードにして、超伝導マグネット１２を常温から４Ｋまで冷却するためには、約７日間の時間がかかる。また、計算によると、１台、２台、３台、４台の冷凍機１３を運転するとき、超伝導マグネット１２の温度は、それぞれ１１．０Ｋ、６．４Ｋ、５．０Ｋ、４．１Ｋに維持される。
【００２８】
したがって、この場合、４台の冷凍機１３のうち１台の冷凍機１３しか運転しなくても、超伝導マグネット１２を２０Ｋ以下の温度に維持することができる。
【００２９】
最後に、当業者にとって自明に近い事項ではあるが、図１の超伝導マグネット装置１１のモードを設定する手法について説明する。図１の超伝導マグネット装置１１のモードをユーザからの入力に応じて自動的に設定するために、例えば、モード設定のためのユーザインタフェース部を当該装置に設ける。ユーザインタフェース部を備える装置の例としては、装置を起動する起動ボタンとして、稼動モードで装置を起動する「稼動モード起動ボタン」と、待機モードで装置を起動する「待機モード起動ボタン」とを備える装置がある。また、装置を起動する起動ボタンとは別に、稼動モードと待機モードとを切り替える「モード切り替えレバー」を備える装置がある。また、装置のモードを設定するための「液晶パネル」を備える装置がある。一方、図１の超伝導マグネット装置１１のモードをユーザからの入力に応じて自動的に設定するために、例えば、モード設定のための周辺機器を当該装置に接続できるようにする。周辺装置の例としては、モード設定用のドライバをインストールした「パーソナル・コンピュータ」がある。なお、モード設定のための装置の制御は、機械的な制御を実行するための制御機構や、マイコン制御のための制御チップなどを、制御部として装置に設け、当該制御部により実行することができる。
【００３０】
以上、本発明に係る超伝導マグネット装置について説明した。本発明に係る超伝導マグネット装置の用途としては、例えば、ＭＣＺ、ＭＲＩ、加速器といった用途が考えられる。なお、本発明に係る超伝導マグネット装置においては、その冷凍機によって超伝導マグネットを冷却したが、他の冷却装置に転用すべく、その冷凍機によって超伝導マグネット以外の物体を冷却することも考えられる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、複数台の冷凍機を備える冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置において、冷凍機を運転するためのエネルギコストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超伝導マグネット装置の例を表す。
【図２】図１のような超伝導マグネット装置を稼動モードにして、超伝導マグネットを励磁可能な温度まで冷却したときの、冷却時間と超伝導マグネットの温度との関係を表す。
【符号の説明】
１１　超伝導マグネット装置
１２　超伝導マグネット
１３　冷凍機
１４　荷重支持体
１５　伝熱フランジ
１６　酸化物超伝導電流リード
１７　熱シールド板
１８　磁気シールド板
１９　真空容器

Claims (1)

1. 超伝導マグネットと、前記超伝導マグネットを冷却する複数台の冷凍機とを備える超伝導マグネット装置であって、
   前記複数台の冷凍機のうちの全部を運転する稼動モードと、前記複数台の冷凍機のうちの一部を運転して一部を停止する待機モードとを有することを特徴とする超伝導マグネット装置。

Images