JP2004111581A

JP2004111581A - 超電導マグネット装置

Info

Publication number: JP2004111581A
Application number: JP2002270876A
Authority: JP
Inventors: Koichi Osemochi; 大勢持　光一; Yasumi Otani; 大谷　安見; Shiyunji Nomura; 野村　俊自; Koji Ito; 伊藤　孝治
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】超電導マグネット装置では、超電導コイルに電流を供給する電流供給部からの発熱、及び熱伝導による熱侵入があり、電流供給部の許容電流密度を低下させ、超電導コイルの臨界電流値を低下させるため、高性能で、安定した通電が行えない。
【解決手段】超電導コイル１を運転状態まで冷却する第１の冷却手段６とは別に、超電導コイル１に電流を供給する電流供給部８に生じる熱を除去する第２の冷却手段１０を設ける。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機冷却型の超電導マグネット装置に係り、特に電流供給部の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導マグネット装置の超電導コイルの冷却方式には、超電導コイルを冷媒中に浸漬して冷媒の蒸発潜熱で冷却する浸漬冷却型と、冷凍機により冷却する冷凍機冷却型とが一般に用いられている。近年、冷凍機の冷却能力の向上や冷却温度の低温化、超電導臨界温度の高温化等の進歩が著しく、冷凍機冷却型の超電導コイルが大型超電導マグネット装置にも適用されるようになってきた。
【０００３】
したがって、これまでの発生磁場を利用する用途のみならず、超電導マグネット装置を利用した超電導エネルギー貯蔵（ＳＭＥＳ）装置やリニア鉄道等大型超電導マグネット装置への冷凍機冷却型の超電導マグネット装置の適用が検討されている。
また一方、超電導エネルギー貯蔵に使用される超電導マグネット装置等では大電流化が要望されている。
【０００４】
図７は従来の冷凍機冷却型の超電導マグネット装置の一例である。図７において、超電導コイル１は、輻射シールド２や真空容器３で構成された断熱容器４の中に収納され、断熱支持材５で真空容器３内に支持されている。６は真空容器３に取着された冷凍機で、輻射シールド２内に位置する低温側ステージ６ａは熱伝導部材７を介して超電導コイル１に熱的に接続され、輻射シールド２外に位置する高温側ステージ６ｂは輻射シールド２に熱的に接続されている。
８は図示しない励磁電源から超電導コイル１に励磁電流を供給する電流供給部である。
【０００５】
この電流供給部８は真空容器３に気密に取着された高温電流リード９と、一端が前記高温電流リード９の真空容器３の内部に延設する一端と接続し、他端が軸封シールド２内に延設し、給電時の熱侵入が最小になるように最適化された高温導体９ａと、この高温導体９ａの軸封シールド２内に延設する一端と接続し、他端が超電導コイル１の口出しリード１ａと接続する酸化物電流リード１１とから構成されている。
前記高温導体９ａは、輻射シールド２に電気的に絶縁された状態て接続した除熱装置１０により冷却されるようになっている。
【０００６】
一般に、超電導コイルも、ＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎに代表される約５Ｋ付近で運転される低温超電導コイルと、ビスマス（Ｂｉ）系線材やイットリウム（Ｙ）系線材に代表される約２０Ｋ付近で運転される高温超電導コイルとに大別される。超電導マグネット装置として考えた場合、基本構成は同一であっても高温超電導コイルの方がクエンチ現象が起きにくく、冷凍機の冷却能力も大きく取れるなどの理由から冷凍機冷却型の超電導マグネット装置に適していると言える。
【０００７】
このように構成された冷凍機冷却型の超電導マグネット装置では、超電導コイル１は、冷凍機６によって熱伝導部材７を介して熱伝導で超電導コイル１に応じた運転温度まで冷却され、電気抵抗がゼロ、いわゆる超電導状態になる。この状態で外部の図示しない励磁電源から電流供給部８を経由して超電導コイル１を励磁し、必要な磁場を発生する。
【０００８】
超電導コイル１は電気抵抗がゼロであるため、電流を流してもそれ自身がジュール発熱で温度上昇することはないが、外部から対流、伝導、輻射等によって熱が侵入する可能性がある。熱侵入は超電導コイル１のみならず、輻射シールド２にもある。したがって、電流供給部８からの熱伝導およびジュール発熱による熱侵入が問題になる。従来このような高温電流リード９からの熱伝導およびジュール発熱による熱侵入は除熱装置１０、輻射シールド２を介して冷凍機６の高温ステージ６ｂで冷却除熱される。
【０００９】
一方、酸化物電流リード１１は、酸化物超電導材で形成されているため発熱はなく、熱伝導率が極めて小さいので、除熱装置１０から超電導コイル１への熱侵入は無視できる程度である。しかし、超電導コイル１と輻射シールド２は冷凍機６で冷却されるが、その能力には限度があり、冷凍機冷却型の超電導マグネット装置では、できるだけこの侵入熱を低減して冷凍機６の負荷を軽減する必要がある。また、冷凍機６の冷却能力は現状では、４．２Ｋで約３Ｗ、２０Ｋで３０Ｗ程度であり、冷凍機冷却型の超電導マグネット装置はヘリウムなどの冷媒を必要としないので、取り扱い性に優れているが、その反面冷却能力は搭載される冷凍機６の能力で左右されるという問題がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように冷凍機冷却型の超電導マグネット装置では、超電導コイル１の冷却が冷凍機の冷却能力で左右されるために、電流値が大きく、熱負荷の大きい超電導マグネット装置に適用するには、大電流化に伴う電流供給部８からの侵入熱の増大による臨界電流値の低下や、漏洩磁場領域の拡大等の問題がある。
【００１１】
すなわち、電流供給部８を形成する高温電流リード９は、高温導体９ａがジュール発熱と伝導熱による除熱装置１０への熱侵入が最小になるように材料や断面積および長さを最適設計した場合でも、電流に比例して大きくなりその値は約電流値×１／１０ワットである。電流値が１０００アンペアの場合は約１００ワットにもなる。したがって、この熱侵入を防ぐには高温ステージ６ｂの冷却能力が１００ワット以上を有する冷凍機６を必要とするか、あるいは複数台の使用を選択する必要がある。
【００１２】
一般に極低温の冷凍機の冷凍効率は低く大きな低温冷凍機を選択するのは運転コストや、装置小型化の点から得策ではない。特に冷凍機の開発現状を考慮すると、大電流超電導マグネット装置の実現も不可能になる等の問題がある。
【００１３】
さらに、高温電流リード９の侵入熱の除熱に関する問題に止まらず、酸化物電流リード１１にも問題が生じる。前述したように酸化物電流リード１１は熱伝導率も小さく、ジュール発熱もほとんどないことから、超電導コイル１への侵入熱は無視できるものの、第１の問題は酸化物電流リード１１の温度特性に起因するもので、図８に一例を示すように、酸化物超電導材の臨界電流密度は温度依存性があり、一般に約７０Ｋから低温では急激に臨界電流密度が増大する。
【００１４】
本例ではほぼ液体窒素の温度７７Ｋ時と比較すると５０Ｋでは約２．５倍にもなっている。見方をかえれば、従来は侵入熱も小さく冷凍機６への熱負荷も少なかったために、酸化物電流リード１１の反超電導コイル側の高温端の温度も約５０Ｋ程度に抑えられていた。しかし、侵入熱の増大でこの部分の温度が高くなり、臨界電流密度が低くなる。この解決策として断面積を大きくして、電流密度を下げて使用することも考えられるが、熱伝導率は小さいもののゼロではなく、断面積を大きくするのは超電導コイル１への侵入熱の増大のみならず、コストも増加する。
【００１５】
第２の問題は、酸化物電流リード１１の外部磁界依存性で、一例は同様に図８に示すように、外部磁界（Ｔ）が強くなるにしたっがて臨界電流密度Ｉｃが低下する。したがって、超電導コイル１が大型化して、酸化物電流リード１１の設置される位置の漏洩磁界が強くなるとこの問題が顕在化する。
図８において、Ｙ軸の臨界電流は７７Ｋ時の臨界電流密度Ｉｃ（７７Ｋ）と温度Ｔにおける臨界電流密度Ｉｃ（Ｔ）との比である。
【００１６】
そこで、本発明は、上記のような従来の問題を解決するためになされたもので、励磁電流が大きい等、発熱などによる熱負荷が大きい冷凍機冷却型の超電導マグネット装置でも、電流供給部の許容電流密度を低下させることなく、臨界電流値の低下を抑止し、安定した通電が行える超電導マグネット装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、超電導コイルを運転状態まで冷却する第１の冷却手段と、前記超電導コイルを収納する断熱容器と、前記超電導コイルに電流を供給する電流供給部と、前記電流供給部に生じる熱を除去する第２の冷却手段とを有することを特徴とする。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超電導マグネット装置において、前記第２の冷却手段は冷媒を有し、前記電流供給部は電流リードを有し、前記冷媒によって前記電流リードを冷却してなることを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の超電導マグネット装置において、前記電流リードは、前記冷媒により冷却される冷媒温度電流リードと、前記冷媒温度電流リードの一端と電源とを接続する高温電流リードと、前記冷媒温度電流リードの他端と前記超電導コイルとを接続する酸化物電流リードとを有することを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の超電導マグネット装置において、前記冷媒温度電流リードと前記酸化物電流リードとの間に介装され、かつ前記断熱容器と電気的に絶縁した状態で接続された低温電流リードを有することを特徴とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の超電導マグネット装置において、前記冷媒温度電流リードと前記酸化物電流リードとの間に介装され、かつ第３の冷却手段に接続し冷却される低温電流リードを有することを特徴とする。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の超電導マグネット装置において、前記電流供給部は、電流リードを有し、電流リードは一端が電源と接続する高温電流リードと、一端が前記高温電流リードの他端と接続され、かつ断熱容器と電気的に絶縁した状態で第３の冷却手段に接続し、冷却される高温導体と、この高温導体の他端と超電導コイルとを接続する酸化物電流リードとを有することを特徴とする。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、請求項３乃至６のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、前記酸化物電流リードの通電断面積を、超電導コイル側よりも温度の高い高温電流リード側を大きくしたことを特徴とする。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、請求項３乃至７のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、前記酸化物電流リードの周囲に、少なくとも酸化物電流リードを形成する酸化物超電導材料の結晶軸方向と平行で、電流方向と直交する外部磁場をシールドする磁気シールドを備えたことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超電導マグネット装置の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る超電導マグネット装置の断面図である。図１において、超電導コイル１は、輻射シールド２や真空容器３で構成された断熱容器４の中に収納され、断熱支持材５で真空容器３内に支持されている。６は真空容器３に取着された冷凍機（第１の冷却手段）で、輻射シールド２内に位置する低温側ステージ６ａは、熱伝導部材７を介して超電導コイル１に熱的に接続され、輻射シールド２外に位置する高温側ステージ６ｂは輻射シールド２に熱的に接続されている。
【００２６】
８は電流供給部である。本発明による電流供給部８は、真空容器３に気密に取着された高温電流リード９と、一端が前記高温電流リード９の真空容器３の内部に延設する一端と接続し、他端が軸封シールド２内に延設し、第２の冷却源を具備した除熱装置（第２の冷却手段）１０と、この除熱装置１０の軸封シールド２の内部に延設する一端と接続し、他端が超電導コイル１の口出しリード１ａと接続する酸化物電流リード１１とから構成されている。
【００２７】
また、除熱装置（第２の冷却手段）１０は冷媒１２を用いた熱交換器１５を備えている。この熱交換器１５は、前記冷媒１２を収容する冷媒容器１３と、冷媒容器１３を気密に貫通し、一端を高温電流リード９に、他端を軸封シールド２内で酸化物電流リード１１と接続する冷媒温度電流リード１４とからなる。
【００２８】
さらにまた、前記冷媒容器１３には、真空容器３の外部に延設する冷媒供給管及び真空容器３の外部に設けられたポンプ、あるいは真空排気装置等の減圧機構１７が接続されている。
【００２９】
なお、冷媒１２としては液体窒素が一般的であるが、低温寒剤であるヘリウム、窒素、水素、ネオン等の液体または気体で、超電導コイル１の運転温度、侵入熱量によって適宜選択される。さらに、除熱装置１０は真空容器３内ではなく、真空容器３外に配設してもよい。
【００３０】
次に、このように構成された第１の実施の形態の作用を説明する。超電導コイル１および輻射シールド２は冷凍機６で所定の運転温度まで冷却されることによって超電導状態になる。この状態になると、輻射シールド２からの輻射、断熱支持材５および電流供給部８からの熱伝導による侵入熱を考慮する必要が生じる。
【００３１】
次に、高温電流リード９に接続された図示しない電源より電流が供給され、超電導コイル１に通電すると、電流供給部８の各部にジュール発熱が生じる。電流値が大きい超電導マグネットにおいては、これが大きな侵入熱源となる。一般に３００Ｋ近傍で、導電材の導電率および熱伝導率は、温度が高い程高いために、特に高温電流リード９からの侵入熱が大きい。この高温電流リード９からのジュール発熱と熱伝導による侵入熱は除熱装置１０で除熱冷却される。すなわち、高温電流リード９および冷媒温度電流リード１４の熱は冷媒１２の蒸発潜熱で除熱冷却され、冷媒温度電流リード１４と接続される酸化物電流リード１１の高温端側の温度はほぼ冷媒１２の沸点と同一温度に冷却される。
【００３２】
本実施の形態によれば、除熱装置１０が備える冷媒１２の蒸発潜熱で高温電流リード９からの侵入熱を除熱するので、輻射シールド２や冷凍機６への熱負荷を低減できる。そして、酸化物電流リード１１の高温端側の温度上昇を抑制することによって、臨界電流値の低下を抑止して安定した通電が可能となる。
【００３３】
ここで、冷媒容器１３内を減圧機構１７で減圧して、冷媒１２の沸点を低下させることによって、酸化物電流リード１１の高温端側の温度をさらに低温にできるので、酸化物電流リード１１の臨界電流値がさらに向上する。
【００３４】
次に本発明の第２の実施の形態について、図２を参照して説明する。なお、以下の各実施の形態において、同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。第１の実施の形態との相違点は、冷媒温度電流リード１４と酸化物電流リード１１との間に低温電流リード１８を介装した点にある。さらに、低温電流リード１８の酸化物電流リード１１との接続点近傍を、輻射シールド２に対して電気的に絶縁した状態で接続している。
ここで、低温電流リード１８はジュール発熱と熱伝導による輻射シールド２への侵入熱の和が最少になるように、材料や寸法が最適化されている。
【００３５】
次に、このように構成された第２の実施の形態の作用を説明する。本実施の形態では、最適化された低温電流リード１８も除熱機能を発揮するため、除熱装置４の除熱機能と相まって、冷媒温度電流リード１４から超電導コイル１への熱侵入を軽減すると共に、酸化物電流リード１１の高温端側の温度を冷媒温度よりも低い輻射シールド２の温度に保持できる。したがって、第１の実施の形態よりも酸化物電流リード１１の臨界電流値が向上して、安定した通電が可能となる。
【００３６】
次に本発明の第３の実施の形態について、図３を参照して説明する。第２の実施の形態との相違点は、低温電流リード１８と酸化物電流リード１１との接続点近傍を、輻射シールド２ではなく、冷凍機（第３の冷却手段）１９に接続した点にある。冷凍機１９は冷媒温度電流リード１４の温度よりも低温度に冷却された冷却板２０を有し、この冷却板２０に低温電流リード１８が電気的に絶縁された状態で接続されている。
【００３７】
次にこのように構成された第３の実施の形態の作用を説明する。本実施の形態では、第２の実施の形態の作用に加え、酸化物電流リード１１の高温端側の温度を除熱装置として作用する冷凍機１９で冷却された冷却板２０の温度まで冷却できる。したがって、第１の冷却手段である冷凍機６の冷却能力や輻射シールド２の温度に関係なく、酸化物電流リード１１の高温端側の温度上昇を抑止できるので、酸化物電流リード１１の臨界電流値が向上して、安定した通電が可能となる。
【００３８】
次に本発明の第４の実施の形態について図４を参照して説明する。本実施の形態においては、真空容器３内において、高温導体９ａの一端を高温電流リード９に接続し、他端を酸化物電流リード１１を介して超電導コイル１の口出しリード１ａに接続している。そして、高温導体９ａと酸化物電流リード１１との接続点近傍を冷凍機（第３の冷却手段）１９の冷却板２０に電気的に絶縁された状態で接続している。
【００３９】
次にこのように構成された第４の実施の形態の作用を説明する。本実施の形態では、酸化物電流リード１１の高温端側の温度を除熱装置として作用する冷凍機１９で冷却された冷却板２０の温度まで冷却できる。したがって第１の冷却手段である冷凍機６の冷却能力や輻射シールド２の温度に関係なく、酸化物電流リード１１の高温側の温度上昇を抑止できるので酸化物電流リード１１の臨界電流値が向上し、安定した通電が可能となる。
【００４０】
なお、第３、４の実施の形態においては、冷凍機１９は冷媒に比して取り扱いが容易で、冷却板２０を所定の温度まで容易に冷却することができる。もちろん冷凍機に代えて、冷却板２０を冷媒１２で直接的あるいは間接的に冷却してもよい。
【００４１】
次に本発明の第５の実施の形態について、図５を参照して説明する。図５は酸化物電流リード１１の一例を示す斜視図で、酸化物超電導部材１１ａの両端にそれぞれ銅製の端子１１ｂ、１１ｃが固着されている。酸化物超電導部材１１ａの通電断面積は、高温端側（端子１１ｂ側）の方が超電導コイル側に接続される低温端側（端子１１ｃ側）よりも大きくなるように形成されている。理想的には、臨界電流の温度依存性を考慮した断面積に最適化するのが望ましい。
本実施の形態によれば、酸化物電流リード１１の侵入熱を過大にすることなく、高温端側の電流密度を低温端側よりも低くして、安定した通電ができる。
【００４２】
なお、本実施例では酸化物電流リード１１の断面形状が４角形であるが、丸棒、円筒など、その形状は本実施例に限定されない。また、バルク材のみならず、酸化物超電導材の集束体でもよく、高温端側の断面積を大きくすればよい。
【００４３】
次に本発明の第６の実施の形態について、図６を参照して説明する。酸化物電流リード１１の周囲に、少なくとも酸化物電流リード１１を形成する酸化物超電導材料、例えば酸化ビスマス、酸化イットリウムなどの材料の結晶軸方向Ｃと平行で、かつ電流Ｉ方向と直交する外部磁場Ｂをシールドする磁気シールド２１を備えている。
本実施の形態によれば、外部磁場Ｂによる酸化物電流リード１１の臨界電流密度の低下を抑止できるので、安定した通電が可能となる。
【００４４】
ここで、磁気シールド２１をビスマス系やイットリウム系などの超電導材で形成する。このようにすると、外部磁界Ｂをマイスナー効果で確実に遮蔽できる。また、超電導のため渦電流損失による発熱もなく、熱負荷にならない。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、熱負荷が大きい冷凍機冷却型の超電導マグネット装置でも、電流供給部の許容電流密度を低下させることなく、臨界電流値の低下を抑止し、高性能で、安定した通電が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる超電導マグネット装置の断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係わる超電導マグネット装置の断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係わる超電導マグネット装置の断面図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係わる超電導マグネット装置の断面図。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係わる超電導マグネット装置の酸化物電流リードの斜視図。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係わる超電導マグネット装置の酸化物電流リード廻り部を示す斜視図。
【図７】従来の冷凍機冷却型の超電導マグネット装置の断面図。
【図８】酸化物電流リードの温度−外部磁界依存性の一例を示す特性図。
【符号の説明】
１…超電導コイル、２…輻射シールド、３…真空容器、４…断熱容器、５…断熱支持材、６…冷凍機（第１の冷却手段）、７…熱伝導部材、８…電流供給部、９…高温電流リード、９ａ…高温導体、１０…除熱装置（第２の冷却手段）、１１…酸化物電流リード、１２…冷媒、１３…冷媒容器、１４…冷媒温度電流リード、１５…熱交換器、１６…冷媒供給管、１７…減圧機構、１８…低温電流リード、１９…冷凍機（第３の冷却手段）、２０…冷却板、２１…磁気シールド。

Claims

超電導コイルを運転状態まで冷却する第１の冷却手段と、前記超電導コイルを収納する断熱容器と、前記超電導コイルに電流を供給する電流供給部と、前記電流供給部に生じる熱を除去する第２の冷却手段とを有することを特徴とする超電導マグネット装置。
前記第２の冷却手段は冷媒を有し、前記電流供給部は電流リードを有し、前記冷媒によって前記電流リードを冷却してなることを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット装置。
前記電流リードは、前記冷媒により冷却される冷媒温度電流リードと、前記冷媒温度電流リードの一端と電源とを接続する高温電流リードと、前記冷媒温度電流リードの他端と前記超電導コイルとを接続する酸化物電流リードとを有することを特徴とする請求項２記載の超電導マグネット装置。
前記冷媒温度電流リードと前記酸化物電流リードとの間に介装され、かつ前記断熱容器と電気的に絶縁した状態で接続された低温電流リードを有することを特徴とする請求項３記載の超電導マグネット装置。
前記冷媒温度電流リードと前記酸化物電流リードとの間に介装され、かつ第３の冷却手段に接続し冷却される低温電流リードを有することを特徴とする請求項３記載の超電導マグネット装置。
前記電流供給部は、電流リードを有し、電流リードは一端が電源と接続する高温電流リードと、一端が前記高温電流リードの他端と接続され、かつ断熱容器と電気的に絶縁した状態で第３の冷却手段に接続し、冷却される高温導体と、この高温導体の他端と超電導コイルとを接続する酸化物電流リードとを有することを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット装置。
前記酸化物電流リードの通電断面積を、超電導コイル側よりも温度の高い高温電流リード側を大きくしたことを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の超電導マグネット装置。
前記酸化物電流リードの周囲に、少なくとも酸化物電流リードを形成する酸化物超電導材料の結晶軸方向と平行で、電流方向と直交する外部磁場をシールドする磁気シールドを備えたことを特徴とする請求項３乃至７のいずれかに記載の超電導マグネット装置。