JP2004087706A - Refrigerator cooling superconducting magnet apparatus - Google Patents

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JP2004087706A JP2002245504A JP2002245504A JP2004087706A JP 2004087706 A JP2004087706 A JP 2004087706A JP 2002245504 A JP2002245504 A JP 2002245504A JP 2002245504 A JP2002245504 A JP 2002245504A JP 2004087706 A JP2004087706 A JP 2004087706A
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superconducting
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Mikio Miyaoka
宮岡 幹夫
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To maintain driving of a refrigerator even in a power interruption in a refrigerator cooling superconducting magnet apparatus having the refrigerator for cooling a superconducting coil on the power supplied from a power source. <P>SOLUTION: The refrigerator cooling superconducting magnet apparatus includes the superconducting coil 18 which is energized by the power supplied from the power source 30, and a GM refrigerator 13 for cooling the coil 18 by the power supplied from the power source 30. When the power supply from the power source 30 is stopped, an electric connection of the refrigerator 13 to the power source 30 is disconnected, and a changeover switch 32 for electrically connecting the refrigerator 13 to the coil 18 is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍機冷却型超電導磁石装置に係り、特に電源装置から供給される電力により超電導コイルを冷却する冷凍機を有した冷凍機冷却型超電導磁石装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図1は従来の一例である冷凍機冷却型超電導磁石装置100(以下、超電導磁石装置という)を示している。この超電導磁石装置100は、例えばシリコン単結晶を磁界印加式チョクラルスキー法(MCZ法)を用いて成長させる際に用いられるものである。
【0003】
図1に示されるように、超電導磁石装置100は、大略すると真空容器本体111,熱シールド板116,ギフォード・マクマホン式冷凍機113(以下、GM冷凍機という),超電導コイル118,励磁用電源装置131,切り換えスイッチ132,及び冷凍機コンプレッサ141等により構成されている。
【0004】
熱シールド板116は真空容器本体111に内設されており、この真空容器本体111の上部にはGM冷凍機113が配設されている。GM冷凍機113は、冷媒を圧縮する冷凍機コンプレッサ141に冷媒配管142,143を介して接続されている。冷凍機コンプレッサ141で高圧に圧縮された冷媒(例えば、ヘリウムガス)は、冷媒配管142を介してGM冷凍機113に供給される。
【0005】
この高圧冷媒は、GM冷凍機113内で膨張され、これによりGM冷凍機113に内設された蓄冷材は冷却される。また、膨張することにより低圧となった冷媒は、冷媒配管143を介して冷凍機コンプレッサ141に戻され、再び高圧化される。上記のGM冷凍機113及び冷凍機コンプレッサ141は、いずれもモータを駆動源としており、電源130から供給される電力により駆動する構成とされている。
【0006】
上記のGM冷凍機113は、超電導コイル118と熱的に接続された冷却ステージ115と接続されている。よって超電導コイル118は冷却ステージ115を介してGM冷凍機113により臨界温度以下に冷却され、これにより超電導コイル118は超電導状態を実現する。
【0007】
真空容器本体111は、その中央に環状の空間を形成しており、この超電導コイル118はこの環状空間を囲繞するように配設されている。よって、超電導コイル118が励磁すると、真空容器本体121に形成された環状空間には磁場が発生し、よってこの環状空間は常温磁場空間123として機能する。
【0008】
超電導コイル118は、リード121,切り換えスイッチ132,及び励磁用電源装置131を介して電源130に接続されている。リード121は、真空容器本体111の外部の熱が超電導コイル118に伝達しないよう構成されている。また、励磁用電源装置131は、常温磁場空間123に発生する磁界が所定の強さとなるよう超電導コイル118に供給する電流を制御する。
【0009】
切り換えスイッチ132は、停電対策用のリレースイッチである。この切り換えスイッチ132は、励磁用電源装置31を介して電源130に接続された一対の端子133と、リード121を介して超電導コイル118に接続された一対の端子134と、間に抵抗136が配設された一対の端子135とを有した構成とされている。
【0010】
図1は、停電が発生してない状態(以下、通常状態という)を示している。この通常状態では、図示されるように端子133と端子134とが接続されており、端子135(即ち、抵抗136)は接続されない状態となっている。よって、電源130は励磁用電源装置131及び切り換えスイッチ132を介して超電導コイル118と接続され、超電導コイル118は電源130から供給される電流により励磁する。
【0011】
一方、通常状態では、電源130はGM冷凍機113及び冷凍機コンプレッサ141にも電力を供給する。従って、GM冷凍機113は、電源130から供給される電力により冷媒を膨張させて寒冷を発生させ蓄冷材を冷却する。また、冷凍機コンプレッサ141は、電源130から供給される電力により冷媒の高圧化処理を実施する。
【0012】
図2は、上記した超電導磁石装置100の停電した状態(以下、停電状態という)を示している。停電が発生すると、リレースイッチである切り換えスイッチ132は、端子の切り換えを行なう。具体的には、停電が発生することにより、切り換えスイッチ132は、端子133と端子134との接続を切ると共に、端子134と端子135を接続する。
【0013】
電源130から超電導コイル118に電力の供給が行なわれている通常状態では、超電導コイル118は常温強磁場空間123に磁場を形成すると共に電力を貯蔵する処理を行なっている。停電が発生した場合、この超電導コイル118に貯蔵された電力を消費する必要があり、よって切り換えスイッチ132は超電導コイル118と抵抗136を接続するよう切り換え処理を行なう。これにより、超電導コイル118に貯蔵された電力は、抵抗136が発熱することにより消費される。
【0014】
仮に、この抵抗136を設けていないとすると、停電によりGM冷凍機113及び冷凍機コンプレッサ141が停止し、これにより超電導コイル118の温度が上昇して超電導状態から常伝導状態になった場合、超電導コイル118に大きな電圧が発生し、励磁用電源装置131を破損するおそれがある。しかしながら、上記のように抵抗136を設けておくことにより、励磁用電源装置131の破損を防止することができる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超電導磁石装置100を用いて上記の磁界印加式チョクラルスキー法(MCZ法)を用いてシリコン単結晶を製造しようとした場合、1本のシリコン単結晶のインゴットを作製するのに数日の時間を要する。また、シリコン単結晶は半導体素子を作製する基板となるものであり、よって一定の品質を持ったインゴットを作製することが要求されている。
【0016】
しかしながら、シリコン単結晶の製造中に停電が発生し、超電導磁石装置100による磁界印加が停止してしまった場合には、シリコン単結晶中に磁場が印加されない領域が発生し、均一なシリコン単結晶を製造できなくなるという問題点がある。
【0017】
また、発生する停電の時間は、平均すると2〜3分程度であるのに対し、この時間内で超電導コイル118の温度が上昇して常電導状態となった場合には、これを再び超電導状態まで冷却するのに数時間から1日を要してしまい、時間的なロスが発生してしまう。
【0018】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、停電状態であっても冷凍機の駆動を維持できるようにすることにより停電状態におけるクエンチの発生を抑制する冷凍機冷却型超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【0020】
請求項1記載の発明は、
電源から供給される電力により励磁する超電導コイルと、
前記電源から供給される電力により前記超電導コイルを冷却する冷凍機とを有する冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記電源からの電力供給が停止した際、前記冷凍機と前記電源との電気的接続を切断すると共に、前記冷凍機と前記超電導コイルとを電気的に接続する切り換え手段を設けたことを特徴とするものである。
【0021】
また、請求項2記載の発明は、
請求項1記載の冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記切り換え手段は、
前記電源からの電力の供給の有無により、前記冷凍機と前記電源とが電気的に接続される第1の接続状態と、前記超電導コイルと前記冷凍機とが電気的に接続される第2の接続状態を自動的に切り換えるリレースイッチであることを特徴とするものである。
【0022】
また、請求項3記載の発明は、
請求項1または2記載の冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記超電導コイルは、磁界印加式チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造工程中に、溶融多結晶シリコンの溶融坩堝に対して磁界印加を行なう構成とされていることを特徴とするものである。
【0023】
また、請求項4記載の発明は、
電源から供給される電力により励磁する超電導コイルと、
前記電源から供給される電力により前記超電導コイルを冷却する冷凍機とを有する冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記電源から供給される電力を貯蔵する電力貯蔵用フライホイールと、
前記電源からの電力供給が停止した際、前記冷凍機と前記電源との電気的接続を切断すると共に、前記冷凍機と前記電力貯蔵用フライホイールとを電気的に接続する切り換え手段とを設けたことを特徴とするものである。
【0024】
また、請求項5記載の発明は、
請求項4記載の冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記切り換え手段は、
前記電源からの電力の供給の有無により、前記冷凍機と前記電源とが電気的に接続される第1の接続状態と、前記冷凍機と前記電力貯蔵用フライホイールとが電気的に接続される第2の接続状態を自動的に切り換えるリレースイッチであることを特徴とするものである。
【0025】
また、請求項6記載の発明は、
請求項4または5記載の冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記超電導コイルは、磁界印加式チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造工程中に、溶融多結晶シリコンの溶融坩堝に対して磁界印加を行なう構成とされていることを特徴とするものである。
【0026】
上記した各発明は、次のように作用する。
【0027】
請求項1記載の発明によれば、電源が停電した際、切り換え手段により冷凍機と電源との電気的接続は切断され、冷凍機と超電導コイルとが電気的に接続される。超電導コイルは、冷凍機冷却型超電導磁石装置の通常運転時(停電していない状態をいう)において、電力を貯蔵する特性(SMES:Superconducting Magnetic Energy Storage)を有している。
【0028】
このため、電源が停電しても、SMESにより電力を貯蔵した超電導コイルが電源となって冷凍機に対して電力を供給する。よって、停電後も超電導コイルは冷却されて超電導状態を維持でき、超電導コイルが発生する磁力に変動が発生することを防止できる。
【0029】
また、請求項2または5記載の発明によれば、第1の接続状態と第2の接続状態を切り換える切り換え手段として、電源からの電力の供給の有無により自動的に切り換えるリレースイッチを用いたことにより、電源からの電力停止を検出する検出手段を設けることなく切り換え処理を行なうことができ、よって切り換え手段の構成の簡単化を図ることができる。、
また、請求項3または6記載の発明によれば、停電の有無に拘わらず冷凍機は駆動を維持し、よって超電導コイルに対する冷却は維持されるため、溶融多結晶シリコンの溶融坩堝に印加する磁界を一定に保つことができ、よって停電が発生しても高品質のシリコン単結晶を製造することができる。
【0030】
また、請求項4記載の発明によれば、電源から供給される電力を貯蔵する電力貯蔵用フライホイールが設けられているため、通常運転時(停電していない状態をいう)において、電力貯蔵用フライホイールは電力を貯蔵する。
【0031】
一方、電源が停電した際、切り換え手段により冷凍機と電源との電気的接続は切断され、冷凍機と電力貯蔵用フライホイールとが電気的に接続されるため、電源が停電しても電力を貯蔵した電力貯蔵用フライホイールが電源となって冷凍機に対して電力を供給する。よって、停電後も超電導コイルは冷却されて超電導状態を維持でき、超電導コイルが発生する磁力に変動が発生することを防止できる。
【0032】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【0033】
図3及び図4は、本発明の第1実施例である冷凍機冷却型超電導磁石装置10A(以下、超電導磁石装置という)を示している。図3は通常状態(停電していない状態)の超電導磁石装置10Aを示しており、図4は停電状態の超電導磁石装置10Aを示している。この超電導磁石装置10Aは、例えばシリコン単結晶を磁界印加式チョクラルスキー法(MCZ法)を用いて成長させる際に用いられるものである。
【0034】
超電導磁石装置10Aは、大略すると真空容器本体11,熱シールド板16,ギフォード・マクマホン式冷凍機13(以下、GM冷凍機という),超電導コイル18,励磁用電源装置31,切り換えスイッチ32,インバータ36,第2の切り換えスイッチ37,及び冷凍機コンプレッサ41等により構成されている。
【0035】
熱シールド板16は真空容器本体11に内設されており、この真空容器本体111の上部にはGM冷凍機13が配設されている。GM冷凍機13は、冷媒を圧縮する冷凍機コンプレッサ41に冷媒配管42,43を介して接続されている。冷凍機コンプレッサ41で高圧に圧縮された冷媒(例えば、ヘリウムガス)は、冷媒配管42を介してGM冷凍機13に供給される。
【0036】
この高圧冷媒は、GM冷凍機13内で膨張され、これによりGM冷凍機13に内設された蓄冷材は冷却される。また、膨張することにより低圧となった冷媒は、冷媒配管43を介して冷凍機コンプレッサ41に戻され、再び高圧化される。上記のGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41は、いずれもモータを駆動源としており、電源30から供給される電力により駆動する構成とされている。
【0037】
このGM冷凍機13は、1段目冷却シリンダ14Aと2段目冷却シリンダ14Bを有している。1段目冷却シリンダ14Aは天板16Aに熱的に接続され、2段目冷却シリンダ14Bは冷却ステージ15と熱的に接続されている。
【0038】
よって、GM冷凍機13が熱シールド板16を冷却することにより外部の熱が熱シールド板16内に侵入するのを防止し、かつ超電導コイル18は冷却ステージ15を介してGM冷凍機13(2段目冷却シリンダ14B)により臨界温度以下に冷却される。これにより超電導コイル18は、超電導状態を実現する。
【0039】
真空容器本体11は、その中央に環状の空間を形成している。そして超電導コイル18は、この環状空間を囲繞するように配設されている。よって、超電導コイル18が励磁すると、真空容器本体21に形成された環状空間には磁場が発生し、よってこの環状空間は常温磁場空間23として機能する。MCZ法によるシリコン単結晶を製造する装置は、この常温磁場空間23内に配設され、超電導コイル18が発生する磁場内でシリコン単結晶のインゴッドが製造される。
【0040】
超電導コイル18は、リード21,切り換えスイッチ32,及び励磁用電源装置31を介して電源30に接続されている。リード21は、真空容器本体11の外部の熱が超電導コイル18に伝達しないよう構成されている。また、励磁用電源装置31は、常温磁場空間23に発生する磁界が所定の強さとなるよう超電導コイル18に供給する電流を制御する。
【0041】
切り換えスイッチ32は、停電対策用のリレースイッチである。この切り換えスイッチ32は、励磁用電源装置31を介して電源30に接続された一対の端子33と、リード21を介して超電導コイル18に接続された一対の端子34と、インバータ36に接続された一対の端子35とを有した構成とされている。
【0042】
また、第2の切り換えスイッチ37も第1の切り換えスイッチ32と同様に停電対策用のリレースイッチであり、電源30に接続された一対の端子38と、GM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41に接続された一対の端子39と、インバータ36に接続された一対の端子40とを有した構成とされている。尚、インバータ36は、入力された直流と交流に変換する処理を行なうものである。
【0043】
図3は、停電が発生してない状態(以下、通常状態という)を示している。この通常状態では、第1の切り換えスイッチ32は端子33と端子34とを接続しており、端子35を開放した状態となっている。よって、電源30は、励磁用電源装置31及び切り換えスイッチ32を介して超電導コイル18に接続される。これにより、超電導コイル18は電源30から供給される電流により励磁する。
【0044】
また、第2の切り換えスイッチ37は、端子38と端子39とを接続しており、端子40を開放した状態となっている。よって、電源30は、第2の切り換えスイッチ37を介してGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41に接続される。これにより、GM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41は電源30から供給される電力により駆動し、GM冷凍機13は冷媒を膨張させて寒冷を発生させ蓄冷材を冷却し、また冷凍機コンプレッサ41は冷媒の高圧化処理を実施する。よって、超電導コイル18はGM冷凍機13により冷却され、超電導状態とされる。
【0045】
図4は、停電した状態(以下、停電状態という)における超電導磁石装置10Aを示している。停電が発生すると、リレースイッチである第1の切り換えスイッチ32及び第2の切り換えスイッチ37は、端子の切り換えを行なう。
【0046】
具体的には、停電が発生すると、第1の切り換えスイッチ32は、端子33と端子34との接続を切ると共に、端子34と端子35とを接続する。また、第2の切り換えスイッチ37は、端子38と端子40との接続を切ると共に、端子40と端子39とを接続する。
【0047】
本実施例では、上記の端子切り換え処理を行なう各切り換えスイッチ32,37として、コイルを用いた電磁リレースイッチを用いている。この電磁リレースイッチは、内部に電源30から電流供給される励磁コイルと、この励磁コイルにより変位すると共に各端子の接続切り換えを行なう接続片を有している。
【0048】
今、第1の切り換えスイッチ32を例に挙げて説明すると、通常時は電源130から電流供給されるため、励磁コイルは励磁して接続片を磁力により吸引する。これにより、接続片は端子33と端子34が接続する。これに対し、停電が発生すると、電源30から電流供給が停止されるため、励磁コイルは消磁され、これにより接続片は変位して端子34と端子35が接続する。
【0049】
このように、本実施例では電源30からの電流の供給の有無により自動的に切り換えるリレースイッチを用いたことにより、特に電源30からの電力停止を検出する検出手段を設けることなく、簡単な構成で上記した各端子端子33〜35,38〜40の切り換え処理を行なうことが可能となる。
【0050】
上記のように各切り換えスイッチ32,37が切替わることにより、超電導コイル18は第1の切り換えスイッチ32,インバータ36,第2の切り換えスイッチ37を介してGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41に電気的に接続された状態となる。
【0051】
ところで、上記したように電源30から超電導コイル18に電力の供給が行なわれている通常状態では、超電導コイル18は常温強磁場空間23に磁場を形成すると共に電力を貯蔵する処理を行なっている。即ち、超電導コイル18は超電導電力貯蔵装置(SMES)として機能するため、この超電導コイル18を電源として用いることが可能となる。
【0052】
そこで本実施例では、停電状態において超電導コイル18をGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41と電気的に接続する構成とした。これにより、電源30が停電しても、電力を貯蔵した超電導コイル18が電源となって、超電導コイル18からGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41に電力が供給される。この際、超電導コイル18から供給される電力は直流であるため、インバータ36で交流に変換された上で、GM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41に供給される。
【0053】
従って、停電の有無に拘わらずGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41は駆動を維持し、よって超電導コイル18に対する冷却は維持されクエンチの発生が抑制される。このため、超電導磁石装置10AをMCZ法によるシリコン単結晶の製造装置に適用した場合、停電が発生しても超電導コイル18が発生する磁力を一定に保つことができるため、高品質のシリコン単結晶を製造することができる。
【0054】
次に、本発明の第2実施例について説明する。
図5及び図6は、本発明の第2実施例である超電導磁石装置10Bを示している。尚、図5及び図6において、第1実施例の説明で用いた図3及び図4に示した構成と同一構成については、同一符号を付してその説明を省略する。
【0055】
前記した第1実施例に係る超電導磁石装置10Aでは、超電導コイル18の有する超電導電力貯蔵装置(SMES)の機能を利用し、停電状態において超電導コイル18を電源としてGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41を駆動してクエンチが発生することを防止する構成とした。これに対して本実施例では、超電導コイル18に代えて電力貯蔵用フライホイール50を用いたことを特徴とするものである。以下、超電導磁石装置10Bの詳細について説明する。
【0056】
本実施例においても、二つの第1の切り換えスイッチ52,57を有している。この各切り換えスイッチ52,57は、第1実施例の各切り換えスイッチ32,37と同様に停電の発生の有無により自動的に切り換え処理を行なう電磁リレースイッチにより構成されている。
【0057】
第1の切り換えスイッチ52は、励磁用電源装置31を介して電源30に接続された一対の端子53と、リード21を介して超電導コイル18に接続された一対の端子54と、間に抵抗56が配設された一対の端子55とを有した構成とされている。一方、第2の切り換えスイッチ57は、電源30に接続された一対の端子58と、GM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41に接続された一対の端子59と、インバータ36を介して電力貯蔵用フライホイール50に接続された一対の端子60とを有した構成とされている。
【0058】
ここで、電力貯蔵用フライホイール50は、電気的エネルギーをはずみ車効果を利用した機械エネルギーとして貯蔵する装置である。この電力貯蔵用フライホイール50は、エネルギーを蓄えるフライホイールと、このフライホイールを支持する軸受と、電気エネルギーと機械エネルギーとの間でエネルギー変換処理を行なう電力発電機等により構成されている。
【0059】
停電が発生してない通常状態においては、電力貯蔵用フライホイール50は電源30から供給される電気力(電気エネルギー)をフライホイールの回転という機械エネルギーに変換して貯蔵する。また、フライホイールに蓄えられた機械エネルギーは、電力発電機を介して電力(電気エネルギー)に変換として出力させることが可能である。従って、電力貯蔵用フライホイール50を電源として、GM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41を駆動することが可能となる。
【0060】
図5は、停電が発生してない通常状態の超電導磁石装置10Bを示している。この通常状態では、第1の切り換えスイッチ53は端子53と端子54とを接続し、端子55を開放した状態となっている。よって、電源30は、励磁用電源装置31及び切り換えスイッチ52を介して超電導コイル18に接続される。これにより、超電導コイル18は電源30から供給される電流により励磁する。
【0061】
また、第2の切り換えスイッチ57は、端子58と端子59とを接続しており、端子60を開放した状態となっている。よって、電源30は、第2の切り換えスイッチ57を介してGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41に接続される。
【0062】
これにより、GM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41は電源30から供給される電力により駆動し、GM冷凍機13は冷媒を膨張させて寒冷を発生させ蓄冷材を冷却し、また冷凍機コンプレッサ41は冷媒の高圧化処理を実施する。よって、超電導コイル18はGM冷凍機13により冷却され、超電導状態とされる。
【0063】
図6は、停電した停電状態における超電導磁石装置10Bを示している。停電が発生すると、リレースイッチである第1の切り換えスイッチ52及び第2の切り換えスイッチ57は、端子の切り換えを行なう。
【0064】
具体的には、停電が発生すると、第1の切り換えスイッチ57は、端子53と端子54との接続を切ると共に、端子54と端子55とを接続する。これにより、超電導コイル18は抵抗56と接続された状態となる。これにより、超電導コイル18に貯蔵された電力は抵抗56が発熱することにより消費され、よって停電時に励磁用電源装置31が破損することを防止できる。
【0065】
一方、第2の切り換えスイッチ57は、端子58と端子60との接続を切ると共に、端子60と端子59とを接続する。このように接続することにより、電源30に代わり、電力貯蔵用フライホイール50がGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41に電気的に接続された状態となる。
【0066】
ところで、上記したように電源30から電力貯蔵用フライホイール50に電力の供給が行なわれている通常状態では、電力貯蔵用フライホイール50は電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、フライホイールの回転としてエネルギーの貯蔵を行なっている。即ち、電力貯蔵用フライホイール50は、電源として用いることができる。
【0067】
そこで本実施例では、停電状態において電力貯蔵用フライホイール50をGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41と電気的に接続する構成とした。これにより、電源30が停電しても、エネルギーを貯蔵した電力貯蔵用フライホイール50が電源となって、電力貯蔵用フライホイール50からGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41に電力が供給される。この際、電力貯蔵用フライホイール50から供給される電力は直流であるため、インバータ36で交流に変換された上で、GM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41に供給される。
【0068】
従って本実施例に係る超電導磁石装置10Bにおいても、停電の有無に拘わらずGM冷凍機13及び冷凍機コンプレッサ41は駆動を維持し、よって超電導コイル18に対する冷却は維持されクエンチの発生が抑制される。このため、超電導磁石装置10BをMCZ法によるシリコン単結晶の製造装置に適用した場合、停電が発生しても超電導コイル18が発生する磁力を一定に保つことができるため、高品質のシリコン単結晶を製造することができる。
【0069】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
【0070】
請求項1記載の発明によれば、電源が停電しても、電力を貯蔵した超電導コイルが電源となって冷凍機に対して電力を供給するため、停電後も超電導コイルは冷凍機により冷却されて超電導状態を維持し、よって超電導コイルが発生する磁力の安定化を図ることができる。
【0071】
また、請求項2または5記載の発明によれば、電源からの電力停止を検出する検出手段を設けることなく切り換え処理を行なうことができるため、切り換え手段の構成の簡単化を図ることができる。、
また、請求項3または6記載の発明によれば、溶融多結晶シリコンの溶融坩堝に印加する磁界を一定に保つことができめため、停電が発生しても高品質のシリコン単結晶を製造することができる。
【0072】
また、請求項4記載の発明によれば、電源が停電しても電力を貯蔵した電力貯蔵用フライホイールが電源となって冷凍機に対して電力を供給するため、停電後も超電導コイルは冷却されて超電導状態を維持でき、よって超電導コイルが発生する磁力に変動が発生することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の一例である超電導磁石装置の通常時における状態を示す図である。
【図2】従来の一例である超電導磁石装置の停電時における状態を示す図である。
【図3】本発明の第1実施例である超電導磁石装置の通常時における状態を示す図である。
【図4】本発明の第1実施例である超電導磁石装置の停電時における状態を示す図である。
【図5】本発明の第2実施例である超電導磁石装置の通常時における状態を示す図である。
【図6】本発明の第2実施例である超電導磁石装置の停電時における状態を示す図である。
【符号の説明】
10A,10B 超電導磁石装置
11 真空容器本体
13 GM冷凍機
15 冷却ステージ
16 熱シールド板
18 超電導コイル
21 リード
22 中空円筒
23 常温強磁場空間
30 電源
31 励磁用電源装置
32 第1の切り換えスイッチ
36 インバータ
37 第2の切り換えスイッチ
41 冷凍機コンプレッサ
50 電力貯蔵用フライホイール
52 第1の切り換えスイッチ
56 抵抗
57 第2の切り換えスイッチ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a refrigerator-cooled superconducting magnet device, and more particularly to a refrigerator-cooled superconducting magnet device having a refrigerator that cools a superconducting coil with electric power supplied from a power supply device.
[0002]
[Prior art]
FIG. 1 shows a refrigerator-cooled superconducting magnet device 100 (hereinafter, referred to as a superconducting magnet device) which is an example of the related art. The superconducting magnet device 100 is used, for example, when growing a silicon single crystal by using a magnetic field applying Czochralski method (MCZ method).
[0003]
As shown in FIG. 1, the superconducting magnet device 100 generally includes a vacuum vessel main body 111, a heat shield plate 116, a Gifford McMahon type refrigerator 113 (hereinafter referred to as a GM refrigerator), a superconducting coil 118, and a power supply device for excitation. 131, a changeover switch 132, a refrigerator compressor 141, and the like.
[0004]
The heat shield plate 116 is provided inside the vacuum vessel main body 111, and a GM refrigerator 113 is disposed above the vacuum vessel main body 111. The GM refrigerator 113 is connected to a refrigerator compressor 141 that compresses a refrigerant via refrigerant pipes 142 and 143. The refrigerant (for example, helium gas) compressed to a high pressure by the refrigerator compressor 141 is supplied to the GM refrigerator 113 via the refrigerant pipe 142.
[0005]
This high-pressure refrigerant is expanded in the GM refrigerator 113, whereby the cold storage material provided in the GM refrigerator 113 is cooled. Further, the refrigerant which has been reduced in pressure by the expansion is returned to the refrigerator compressor 141 via the refrigerant pipe 143, and is again increased in pressure. Each of the GM refrigerator 113 and the refrigerator compressor 141 uses a motor as a drive source, and is configured to be driven by electric power supplied from a power supply 130.
[0006]
The GM refrigerator 113 is connected to a cooling stage 115 that is thermally connected to the superconducting coil 118. Therefore, superconducting coil 118 is cooled to below the critical temperature by GM refrigerator 113 via cooling stage 115, whereby superconducting coil 118 realizes a superconducting state.
[0007]
The vacuum vessel main body 111 forms an annular space in the center thereof, and the superconducting coil 118 is disposed so as to surround the annular space. Therefore, when the superconducting coil 118 is excited, a magnetic field is generated in the annular space formed in the vacuum vessel main body 121, and this annular space functions as a room-temperature magnetic field space 123.
[0008]
The superconducting coil 118 is connected to a power supply 130 via a lead 121, a changeover switch 132, and an excitation power supply 131. The lead 121 is configured so that heat outside the vacuum vessel main body 111 is not transmitted to the superconducting coil 118. Further, the excitation power supply device 131 controls the current supplied to the superconducting coil 118 so that the magnetic field generated in the room-temperature magnetic field space 123 has a predetermined strength.
[0009]
The changeover switch 132 is a relay switch for power failure countermeasures. The changeover switch 132 has a resistor 136 disposed between a pair of terminals 133 connected to the power supply 130 via the excitation power supply device 31 and a pair of terminals 134 connected to the superconducting coil 118 via the leads 121. And a pair of terminals 135 provided.
[0010]
FIG. 1 shows a state in which a power failure has not occurred (hereinafter, referred to as a normal state). In this normal state, the terminals 133 and 134 are connected as shown, and the terminal 135 (that is, the resistor 136) is not connected. Therefore, the power supply 130 is connected to the superconducting coil 118 via the excitation power supply device 131 and the changeover switch 132, and the superconducting coil 118 is excited by the current supplied from the power supply 130.
[0011]
On the other hand, in the normal state, the power supply 130 also supplies power to the GM refrigerator 113 and the refrigerator compressor 141. Accordingly, the GM refrigerator 113 expands the refrigerant by the electric power supplied from the power supply 130 to generate cold and cool the cold storage material. In addition, the refrigerator compressor 141 performs a process of increasing the pressure of the refrigerant using electric power supplied from the power supply 130.
[0012]
FIG. 2 shows a state in which the above-described superconducting magnet device 100 has lost power (hereinafter, referred to as a power failure state). When a power failure occurs, the changeover switch 132, which is a relay switch, switches terminals. More specifically, when a power failure occurs, the changeover switch 132 disconnects the terminal 133 and the terminal 134 and connects the terminal 134 to the terminal 135.
[0013]
In a normal state in which power is supplied from the power supply 130 to the superconducting coil 118, the superconducting coil 118 performs a process of forming a magnetic field in the room-temperature strong magnetic field space 123 and storing power. When a power failure occurs, it is necessary to consume the power stored in the superconducting coil 118. Therefore, the changeover switch 132 performs a switching process to connect the superconducting coil 118 and the resistor 136. As a result, the electric power stored in superconducting coil 118 is consumed when resistor 136 generates heat.
[0014]
Assuming that the resistor 136 is not provided, the GM refrigerator 113 and the refrigerator compressor 141 stop due to a power failure, and the temperature of the superconducting coil 118 rises to change from the superconducting state to the normal conducting state. There is a possibility that a large voltage is generated in the coil 118 and the excitation power supply 131 is damaged. However, by providing the resistor 136 as described above, the excitation power supply device 131 can be prevented from being damaged.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when an attempt is made to produce a silicon single crystal using the above-mentioned magnetic field applying Czochralski method (MCZ method) using the superconducting magnet device 100, it takes several days to produce one silicon single crystal ingot. It takes time. In addition, a silicon single crystal is a substrate on which a semiconductor element is manufactured, and therefore, it is required to manufacture an ingot having a certain quality.
[0016]
However, if a power failure occurs during the production of a silicon single crystal and the application of a magnetic field by the superconducting magnet device 100 stops, a region where no magnetic field is applied occurs in the silicon single crystal, and a uniform silicon single crystal Cannot be manufactured.
[0017]
On the other hand, the time of the power failure occurring is about 2 to 3 minutes on average, but if the temperature of the superconducting coil 118 rises within this time and becomes the normal conduction state, it is returned to the superconducting state. It takes several hours to one day to cool down, resulting in a time loss.
[0018]
The present invention has been made in view of the above problems, and a refrigerator-cooled superconducting magnet device that suppresses the occurrence of a quench in a power failure state by enabling the refrigerator to be driven even in a power failure state. The purpose is to provide.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is characterized by taking the following means.
[0020]
The invention according to claim 1 is
A superconducting coil that is excited by electric power supplied from a power supply,
And a refrigerator that cools the superconducting coil with electric power supplied from the power supply.
When the power supply from the power supply is stopped, an electrical connection between the refrigerator and the power supply is cut off, and switching means for electrically connecting the refrigerator and the superconducting coil is provided. Is what you do.
[0021]
The invention according to claim 2 is
The refrigerator-cooled superconducting magnet device according to claim 1,
The switching means includes:
A first connection state in which the refrigerator and the power supply are electrically connected depending on whether power is supplied from the power supply, and a second connection state in which the superconducting coil and the refrigerator are electrically connected. It is a relay switch for automatically switching a connection state.
[0022]
The invention according to claim 3 is:
The refrigerator-cooled superconducting magnet device according to claim 1 or 2,
The superconducting coil is characterized in that a magnetic field is applied to a molten crucible of molten polycrystalline silicon during a manufacturing process of a silicon single crystal by a magnetic field applying Czochralski method.
[0023]
The invention according to claim 4 is
A superconducting coil that is excited by electric power supplied from a power supply,
And a refrigerator that cools the superconducting coil with electric power supplied from the power supply.
A power storage flywheel for storing power supplied from the power source,
When the power supply from the power supply is stopped, disconnection of the electrical connection between the refrigerator and the power supply is provided, and switching means for electrically connecting the refrigerator and the power storage flywheel are provided. It is characterized by the following.
[0024]
The invention according to claim 5 is
The refrigerator-cooled superconducting magnet device according to claim 4,
The switching means includes:
A first connection state in which the refrigerator and the power supply are electrically connected, and the refrigerator and the power storage flywheel are electrically connected depending on whether power is supplied from the power supply. It is a relay switch for automatically switching the second connection state.
[0025]
The invention according to claim 6 is:
The refrigerator-cooled superconducting magnet device according to claim 4 or 5,
The superconducting coil is characterized in that a magnetic field is applied to a molten crucible of molten polycrystalline silicon during a manufacturing process of a silicon single crystal by a magnetic field applying Czochralski method.
[0026]
Each of the above-described inventions operates as follows.
[0027]
According to the first aspect of the present invention, when the power supply is interrupted, the switching unit disconnects the electric connection between the refrigerator and the power supply, and the refrigerator and the superconducting coil are electrically connected. The superconducting coil has a characteristic of storing electric power (SMES: Superconducting Magnetic Energy Storage) during normal operation of the refrigerator-cooled superconducting magnet device (meaning that no power failure occurs).
[0028]
For this reason, even if the power supply fails, the superconducting coil storing the power by the SMES serves as the power supply to supply the refrigerator with the power. Therefore, even after a power failure, the superconducting coil can be cooled to maintain the superconducting state, and the magnetic force generated by the superconducting coil can be prevented from fluctuating.
[0029]
According to the second or fifth aspect of the present invention, as the switching means for switching between the first connection state and the second connection state, a relay switch that automatically switches according to whether power is supplied from a power supply is used. Accordingly, the switching process can be performed without providing a detection unit for detecting the stop of the power from the power supply, and the configuration of the switching unit can be simplified. ,
According to the third or sixth aspect of the present invention, the refrigerator maintains the drive regardless of the presence or absence of a power failure, and thus the cooling of the superconducting coil is maintained. Can be kept constant, so that a high-quality silicon single crystal can be manufactured even if a power failure occurs.
[0030]
According to the fourth aspect of the present invention, since the power storage flywheel for storing the power supplied from the power supply is provided, the power storage flywheel is used during the normal operation (meaning no power failure). Flywheels store power.
[0031]
On the other hand, when the power supply fails, the switching unit disconnects the electrical connection between the refrigerator and the power supply, and the refrigerator and the power storage flywheel are electrically connected. The stored power storage flywheel serves as a power source to supply power to the refrigerator. Therefore, even after a power failure, the superconducting coil can be cooled to maintain the superconducting state, and the magnetic force generated by the superconducting coil can be prevented from fluctuating.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0033]
3 and 4 show a refrigerator-cooled superconducting magnet device 10A (hereinafter, referred to as a superconducting magnet device) according to a first embodiment of the present invention. FIG. 3 shows the superconducting magnet device 10A in a normal state (a state without a power failure), and FIG. 4 shows the superconducting magnet device 10A in a power failure state. The superconducting magnet device 10A is used, for example, when growing a silicon single crystal by using a magnetic field applying Czochralski method (MCZ method).
[0034]
The superconducting magnet device 10A generally includes a vacuum vessel main body 11, a heat shield plate 16, a Gifford-McMahon type refrigerator 13 (hereinafter, referred to as a GM refrigerator), a superconducting coil 18, an excitation power supply 31, a changeover switch 32, and an inverter 36. , A second changeover switch 37, a refrigerator compressor 41, and the like.
[0035]
The heat shield plate 16 is provided inside the vacuum vessel main body 11, and a GM refrigerator 13 is disposed above the vacuum vessel main body 111. The GM refrigerator 13 is connected via refrigerant pipes 42 and 43 to a refrigerator compressor 41 that compresses the refrigerant. The refrigerant (for example, helium gas) compressed to a high pressure by the refrigerator compressor 41 is supplied to the GM refrigerator 13 via the refrigerant pipe 42.
[0036]
The high-pressure refrigerant is expanded in the GM refrigerator 13, whereby the cold storage material provided in the GM refrigerator 13 is cooled. Further, the refrigerant which has been reduced in pressure by the expansion is returned to the refrigerator compressor 41 via the refrigerant pipe 43, and is again increased in pressure. Each of the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 uses a motor as a drive source, and is configured to be driven by electric power supplied from a power supply 30.
[0037]
The GM refrigerator 13 has a first-stage cooling cylinder 14A and a second-stage cooling cylinder 14B. The first-stage cooling cylinder 14A is thermally connected to the top plate 16A, and the second-stage cooling cylinder 14B is thermally connected to the cooling stage 15.
[0038]
Therefore, the GM refrigerator 13 cools the heat shield plate 16 to prevent external heat from entering the heat shield plate 16, and the superconducting coil 18 causes the GM refrigerator 13 (2) to pass through the cooling stage 15. It is cooled below the critical temperature by the stage cooling cylinder 14B). Thereby, superconducting coil 18 realizes a superconducting state.
[0039]
The vacuum vessel main body 11 forms an annular space in the center. The superconducting coil 18 is provided so as to surround this annular space. Therefore, when the superconducting coil 18 is excited, a magnetic field is generated in the annular space formed in the vacuum vessel main body 21, and this annular space functions as a room-temperature magnetic field space 23. An apparatus for producing a silicon single crystal by the MCZ method is disposed in the room temperature magnetic field space 23, and produces a silicon single crystal ingot in a magnetic field generated by the superconducting coil 18.
[0040]
The superconducting coil 18 is connected to a power supply 30 via a lead 21, a changeover switch 32, and an excitation power supply device 31. The lead 21 is configured so that heat outside the vacuum vessel main body 11 is not transmitted to the superconducting coil 18. The excitation power supply device 31 controls the current supplied to the superconducting coil 18 so that the magnetic field generated in the room-temperature magnetic field space 23 has a predetermined strength.
[0041]
The changeover switch 32 is a relay switch for power failure countermeasures. The changeover switch 32 is connected to a pair of terminals 33 connected to the power supply 30 via the excitation power supply 31, a pair of terminals 34 connected to the superconducting coil 18 via the leads 21, and to an inverter 36. It has a configuration having a pair of terminals 35.
[0042]
Similarly to the first changeover switch 32, the second changeover switch 37 is also a relay switch for power failure countermeasures, and is connected to a pair of terminals 38 connected to the power supply 30, the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41. A pair of terminals 39 and a pair of terminals 40 connected to the inverter 36 are provided. The inverter 36 performs a process of converting the input into DC and AC.
[0043]
FIG. 3 shows a state in which no power failure has occurred (hereinafter, referred to as a normal state). In this normal state, the first change-over switch 32 connects the terminals 33 and 34, and the terminal 35 is open. Therefore, the power supply 30 is connected to the superconducting coil 18 via the excitation power supply device 31 and the changeover switch 32. Thereby, superconducting coil 18 is excited by the current supplied from power supply 30.
[0044]
The second changeover switch 37 connects the terminal 38 to the terminal 39 and the terminal 40 is open. Therefore, the power supply 30 is connected to the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 via the second changeover switch 37. Thereby, the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 are driven by the electric power supplied from the power supply 30, the GM refrigerator 13 expands the refrigerant to generate cold, and cools the regenerator material. The refrigerant is subjected to high pressure. Therefore, superconducting coil 18 is cooled by GM refrigerator 13 and is brought into a superconducting state.
[0045]
FIG. 4 shows the superconducting magnet device 10A in a power outage state (hereinafter, referred to as a power outage state). When a power failure occurs, the first changeover switch 32 and the second changeover switch 37, which are relay switches, switch terminals.
[0046]
Specifically, when a power failure occurs, the first change-over switch 32 disconnects the terminals 33 and 34 and connects the terminals 34 and 35. The second changeover switch 37 disconnects the terminal 38 from the terminal 40 and connects the terminal 40 to the terminal 39.
[0047]
In this embodiment, an electromagnetic relay switch using a coil is used as each of the changeover switches 32 and 37 for performing the above-described terminal changeover process. The electromagnetic relay switch has an excitation coil internally supplied with a current from a power supply 30 and a connection piece that is displaced by the excitation coil and switches connection of each terminal.
[0048]
Now, the first changeover switch 32 will be described as an example. Since the current is normally supplied from the power supply 130, the excitation coil is excited to attract the connection piece by magnetic force. Thereby, the connection piece connects the terminal 33 and the terminal 34. On the other hand, when a power failure occurs, the current supply from the power supply 30 is stopped, so that the excitation coil is demagnetized, whereby the connection piece is displaced and the terminal 34 and the terminal 35 are connected.
[0049]
As described above, in the present embodiment, the relay switch that automatically switches according to the presence or absence of the supply of the current from the power supply 30 is used. Thus, it is possible to perform the switching processing of the terminal terminals 33 to 35 and 38 to 40 described above.
[0050]
When the changeover switches 32 and 37 are switched as described above, the superconducting coil 18 is electrically connected to the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 via the first changeover switch 32, the inverter 36, and the second changeover switch 37. It will be in the state of being connected.
[0051]
In the normal state in which power is supplied from the power supply 30 to the superconducting coil 18 as described above, the superconducting coil 18 performs a process of forming a magnetic field in the room-temperature strong magnetic field space 23 and storing power. That is, since the superconducting coil 18 functions as a superconducting power storage device (SMES), the superconducting coil 18 can be used as a power supply.
[0052]
Therefore, in the present embodiment, the superconducting coil 18 is electrically connected to the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 in the power failure state. As a result, even if the power supply 30 loses power, the superconducting coil 18 storing the electric power serves as a power supply, and power is supplied from the superconducting coil 18 to the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41. At this time, since the electric power supplied from the superconducting coil 18 is DC, it is converted into AC by the inverter 36 and then supplied to the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41.
[0053]
Accordingly, the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 maintain the drive regardless of the presence or absence of the power outage, so that the cooling of the superconducting coil 18 is maintained and the occurrence of quench is suppressed. For this reason, when the superconducting magnet device 10A is applied to an apparatus for manufacturing a silicon single crystal by the MCZ method, the magnetic force generated by the superconducting coil 18 can be kept constant even if a power failure occurs. Can be manufactured.
[0054]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIGS. 5 and 6 show a superconducting magnet device 10B according to a second embodiment of the present invention. In FIGS. 5 and 6, the same components as those shown in FIGS. 3 and 4 used in the description of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0055]
In the superconducting magnet device 10A according to the first embodiment described above, the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 use the superconducting coil 18 as a power source in a power outage state by utilizing the function of the superconducting power storage device (SMES) of the superconducting coil 18. To prevent quench from occurring. On the other hand, the present embodiment is characterized in that a power storage flywheel 50 is used instead of the superconducting coil 18. Hereinafter, the superconducting magnet device 10B will be described in detail.
[0056]
This embodiment also has two first changeover switches 52 and 57. Each of the changeover switches 52 and 57 is constituted by an electromagnetic relay switch that automatically performs a switching process according to the presence or absence of a power failure similarly to the changeover switches 32 and 37 of the first embodiment.
[0057]
The first changeover switch 52 includes a resistor 56 connected between a pair of terminals 53 connected to the power supply 30 via the excitation power supply device 31 and a pair of terminals 54 connected to the superconducting coil 18 via the lead 21. And a pair of terminals 55 provided therein. On the other hand, the second changeover switch 57 includes a pair of terminals 58 connected to the power supply 30, a pair of terminals 59 connected to the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41, and a power storage fly through the inverter 36. It has a configuration having a pair of terminals 60 connected to the wheel 50.
[0058]
Here, the power storage flywheel 50 is a device that stores electrical energy as mechanical energy utilizing the flywheel effect. The power storage flywheel 50 includes a flywheel that stores energy, a bearing that supports the flywheel, a power generator that performs energy conversion processing between electric energy and mechanical energy, and the like.
[0059]
In a normal state in which no power failure occurs, the power storage flywheel 50 converts the electric force (electric energy) supplied from the power supply 30 into mechanical energy of rotation of the flywheel and stores the mechanical energy. The mechanical energy stored in the flywheel can be converted into electric power (electrical energy) and output through a power generator. Therefore, the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 can be driven using the power storage flywheel 50 as a power supply.
[0060]
FIG. 5 shows the superconducting magnet device 10B in a normal state where no power failure has occurred. In this normal state, the first changeover switch 53 connects the terminal 53 and the terminal 54 and opens the terminal 55. Therefore, the power supply 30 is connected to the superconducting coil 18 via the excitation power supply device 31 and the changeover switch 52. Thereby, superconducting coil 18 is excited by the current supplied from power supply 30.
[0061]
In addition, the second changeover switch 57 connects the terminal 58 and the terminal 59, and the terminal 60 is open. Therefore, the power supply 30 is connected to the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 via the second changeover switch 57.
[0062]
Thereby, the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 are driven by the electric power supplied from the power supply 30, the GM refrigerator 13 expands the refrigerant to generate cold, and cools the regenerator material. The refrigerant is subjected to high pressure. Therefore, superconducting coil 18 is cooled by GM refrigerator 13 and is brought into a superconducting state.
[0063]
FIG. 6 shows the superconducting magnet device 10B in a power outage state in which a power outage has occurred. When a power failure occurs, the first changeover switch 52 and the second changeover switch 57, which are relay switches, switch terminals.
[0064]
Specifically, when a power failure occurs, the first changeover switch 57 disconnects the terminal 53 from the terminal 54 and connects the terminal 54 to the terminal 55. Thus, superconducting coil 18 is connected to resistor 56. As a result, the power stored in the superconducting coil 18 is consumed by the heat generated by the resistor 56, and therefore, it is possible to prevent the excitation power supply device 31 from being damaged during a power failure.
[0065]
On the other hand, the second changeover switch 57 disconnects the terminal 58 and the terminal 60 and connects the terminal 60 to the terminal 59. By making such a connection, the power storage flywheel 50 is electrically connected to the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 instead of the power supply 30.
[0066]
By the way, in the normal state where power is supplied from the power supply 30 to the power storage flywheel 50 as described above, the power storage flywheel 50 converts electric energy into mechanical energy, Is stored. That is, the power storage flywheel 50 can be used as a power supply.
[0067]
Therefore, in the present embodiment, the power storage flywheel 50 is electrically connected to the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 in the power failure state. As a result, even if the power supply 30 loses power, the power storage flywheel 50 that stores energy serves as a power supply, and power is supplied from the power storage flywheel 50 to the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41. At this time, since the power supplied from the power storage flywheel 50 is DC, the power is converted to AC by the inverter 36 and then supplied to the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41.
[0068]
Therefore, also in the superconducting magnet device 10B according to the present embodiment, the GM refrigerator 13 and the refrigerator compressor 41 maintain the drive regardless of the presence or absence of the power failure, so that the cooling of the superconducting coil 18 is maintained and the occurrence of quench is suppressed. . For this reason, when the superconducting magnet device 10B is applied to an apparatus for manufacturing a silicon single crystal by the MCZ method, the magnetic force generated by the superconducting coil 18 can be kept constant even if a power failure occurs. Can be manufactured.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following various effects can be realized.
[0070]
According to the first aspect of the present invention, even if the power supply fails, the superconducting coil storing the power serves as a power supply to supply power to the refrigerator. Therefore, even after the power failure, the superconducting coil is cooled by the refrigerator. Thus, the superconducting state can be maintained, so that the magnetic force generated by the superconducting coil can be stabilized.
[0071]
Further, according to the second or fifth aspect of the present invention, the switching process can be performed without providing a detection unit for detecting a power stop from the power supply, so that the configuration of the switching unit can be simplified. ,
According to the third or sixth aspect of the present invention, since the magnetic field applied to the molten polycrystalline silicon melting crucible can be kept constant, a high-quality silicon single crystal can be manufactured even if a power failure occurs. be able to.
[0072]
According to the fourth aspect of the present invention, the power storage flywheel, which stores the power even when the power supply fails, serves as a power supply to supply power to the refrigerator. As a result, the superconducting state can be maintained, thereby preventing the magnetic force generated by the superconducting coil from fluctuating.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a state of a conventional superconducting magnet device in a normal state.
FIG. 2 is a diagram showing a state of a conventional superconducting magnet device at the time of a power failure.
FIG. 3 is a diagram showing a normal state of the superconducting magnet device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a state of the superconducting magnet device according to the first embodiment of the present invention at the time of a power failure.
FIG. 5 is a diagram showing a state of a superconducting magnet device according to a second embodiment of the present invention in a normal state.
FIG. 6 is a diagram illustrating a state of a superconducting magnet device according to a second embodiment of the present invention at the time of a power failure.
[Explanation of symbols]
10A, 10B superconducting magnet device
11 Vacuum container body
13 GM refrigerator
15 Cooling stage
16 Heat shield plate
18 Superconducting coil
21 Lead
22 hollow cylinder
23 Room temperature strong magnetic field space
30 power supply
31 Excitation power supply
32 1st changeover switch
36 Inverter
37 Second changeover switch
41 Refrigerator compressor
50 Flywheel for power storage
52 first changeover switch
56 Resistance
57 Second changeover switch

Claims (6)

電源から供給される電力により励磁する超電導コイルと、
前記電源から供給される電力により前記超電導コイルを冷却する冷凍機とを有する冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記電源からの電力供給が停止した際、前記冷凍機と前記電源との電気的接続を切断すると共に、前記冷凍機と前記超電導コイルとを電気的に接続する切り換え手段を設けたことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装置。
A superconducting coil that is excited by electric power supplied from a power supply,
And a refrigerator that cools the superconducting coil with electric power supplied from the power supply.
When the power supply from the power supply is stopped, an electrical connection between the refrigerator and the power supply is cut off, and switching means for electrically connecting the refrigerator and the superconducting coil is provided. Chiller cooled superconducting magnet device.
請求項1記載の冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記切り換え手段は、
前記電源からの電力の供給の有無により、前記冷凍機と前記電源とが電気的に接続される第1の接続状態と、前記超電導コイルと前記冷凍機とが電気的に接続される第2の接続状態を自動的に切り換えるリレースイッチであることを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装置。
The refrigerator-cooled superconducting magnet device according to claim 1,
The switching means includes:
A first connection state in which the refrigerator and the power supply are electrically connected depending on whether power is supplied from the power supply, and a second connection state in which the superconducting coil and the refrigerator are electrically connected. A refrigerator-cooled superconducting magnet device, which is a relay switch that automatically switches a connection state.
請求項1または2記載の冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記超電導コイルは、磁界印加式チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造工程中に、溶融多結晶シリコンの溶融坩堝に対して磁界印加を行なう構成とされていることを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装置。
The refrigerator-cooled superconducting magnet device according to claim 1 or 2,
The refrigerator is characterized in that the superconducting coil is configured to apply a magnetic field to a molten crucible of molten polycrystalline silicon during a manufacturing process of a silicon single crystal by a magnetic field applying Czochralski method. Superconducting magnet device.
電源から供給される電力により励磁する超電導コイルと、
前記電源から供給される電力により前記超電導コイルを冷却する冷凍機とを有する冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記電源から供給される電力を貯蔵する電力貯蔵用フライホイールと、
前記電源からの電力供給が停止した際、前記冷凍機と前記電源との電気的接続を切断すると共に、前記冷凍機と前記電力貯蔵用フライホイールとを電気的に接続する切り換え手段とを設けたことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装置。
A superconducting coil that is excited by electric power supplied from a power supply,
And a refrigerator that cools the superconducting coil with electric power supplied from the power supply.
A power storage flywheel for storing power supplied from the power source,
When the power supply from the power supply is stopped, disconnection of the electrical connection between the refrigerator and the power supply is provided, and switching means for electrically connecting the refrigerator and the power storage flywheel are provided. A superconducting magnet device cooled by a refrigerator.
請求項4記載の冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記切り換え手段は、
前記電源からの電力の供給の有無により、前記冷凍機と前記電源とが電気的に接続される第1の接続状態と、前記冷凍機と前記電力貯蔵用フライホイールとが電気的に接続される第2の接続状態を自動的に切り換えるリレースイッチであることを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装置。
The refrigerator-cooled superconducting magnet device according to claim 4,
The switching means includes:
A first connection state in which the refrigerator and the power supply are electrically connected, and the refrigerator and the power storage flywheel are electrically connected depending on whether power is supplied from the power supply. A refrigerator-cooled superconducting magnet device, which is a relay switch that automatically switches a second connection state.
請求項4または5記載の冷凍機冷却型超電導磁石装置において、
前記超電導コイルは、磁界印加式チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造工程中に、溶融多結晶シリコンの溶融坩堝に対して磁界印加を行なう構成とされていることを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装置。
The refrigerator-cooled superconducting magnet device according to claim 4 or 5,
The refrigerator is characterized in that the superconducting coil is configured to apply a magnetic field to a molten crucible of molten polycrystalline silicon during a manufacturing process of a silicon single crystal by a magnetic field applying Czochralski method. Superconducting magnet device.
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