JP2006116042A

JP2006116042A - 超電導磁石システムでの冷却装置

Info

Publication number: JP2006116042A
Application number: JP2004306414A
Authority: JP
Inventors: Bungo Kondou; 文五近藤; Tsutomu Oi; 勉多井
Original assignee: Iwatani Industrial Gases Corp
Current assignee: Iwatani Industrial Gases Corp
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】液体ヘリウムに変わる新しい超電導物質の冷却手段を提供する。
【解決手段】真空断熱容器(１)内に配置した冷却冷媒ガス槽(２)に貯留されている冷却冷媒ガスに超電導磁石(６)を浸漬し、冷却冷媒ガス槽(２)の外周に真空断熱層(７)を介して熱シールド手段(３)を設けてなり、熱シールド手段(３)として熱遮蔽板(４)や冷却冷媒ガスよりも沸点の高い液化ガスを使用する超電導磁石の冷却装置である。冷却冷媒ガス槽(２)に貯蔵する冷却冷媒ガスとして液体水素を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、核磁気共鳴装置(ＮＭＲ)等の、超電導磁石により一様な磁界を印加して、磁界下での物理的、化学的性質等を計測する理化学機器の冷却装置に関し、特に、超電導磁石の冷却源として液化ガスを使用しているものでの超電導磁石の冷却装置に関する。

従来、核磁気共鳴装置(ＮＭＲ)等、超電導磁石の冷却源として液化ガスを使用している理化学機器では、検出能力を向上させるために、冷却冷媒としての液体ヘリウムを貯蔵している液体ヘリウム槽中に超電導磁石を浸漬配置し、この液体ヘリウム槽に侵入する外部からの熱を抑制するために、液体ヘリウム槽の外周に液体窒素貯蔵槽を配置した構成のものが知られている(特許文献１)。
特開平１０−２４６５４７号公報

ところが、液体ヘリウムは、沸点温度は低いが、高価であるうえ、沸騰時の蒸発潜熱は１リットルあたり液体水素の１／１２と小さいという問題がある。また近年、種々の超電導材料が開発され、臨界温度が液体窒素の沸点温度よりも高い酸化物超電導体も多く見られるようになってきた。このような高温超電導材料を液体ヘリウムで冷却することは、経済的だけでなく技術的にも無駄なことである。

そこで、液体ヘリウムに変わる新しい超電導物質の冷却手段の開発が求められている。

本発明はこのような点に着目してなされたもので、請求項１に記載した発明は冷却冷媒ガス槽に貯蔵する冷却冷媒ガスとして液体水素を使用することを特徴としている。また、請求項２に記載した発明は、冷却冷媒ガス槽を輻射シールド板で囲って外部からの熱侵入を抑制するようにしたことを特徴としている。更に、請求項３に記載した発明は、冷却冷媒ガス槽を沸点が液体水素よりも高い液化ガスの貯留槽で囲って外部からの熱侵入を抑制するようにしたことを特徴としている。

請求項４に記載した発明は、冷却冷媒ガス槽を収容している真空断熱容器に多段蓄冷型極低温冷凍機をそのコールドエンド部分を突入する状態で配置し、コールドエンドの先端出力部に再液化容器を熱的に接続し、この再液化容器内と冷却冷媒ガス槽内とを連通接続するとともに、コールドエンドの中間出力部を冷却冷媒ガス槽の外周に形成されている熱シールド手段に熱的に接続させ、冷却冷媒ガス槽を気密構造に構成したことを特徴としている。

更に、請求項５に記載した発明は、冷却冷媒ガス槽の外周に位置する真空断熱層に水素センサーを位置させ、この水素センサーでの水素成分の検出に基づき、冷却冷媒ガス槽に連通する状態に配置してあるニューマチック式圧力開放弁を開弁作動させるようにしたことを特徴としている。

本発明では、超電導磁石を冷却する冷媒ガスとして液体水素を使用していることから、臨界温度が液体水素の沸点温度である２０Ｋよりも高い超電導物質の冷却に使用することができる。しかも、この液体水素は液体ヘリウムに比して、沸点温度が高いことから、蒸発しにくくエネルギー効率を高く維持することができるうえ、蒸発潜熱が大きくかつ熱伝導が良好であることから、超電導磁石を安定化させることができ、装置全体として小型化、あるいは、長時間の連続使用が可能になる。また、液体水素は液体ヘリウムに比して価格が低廉であることから、経済的に運転することができる。

請求項４に記載した発明では、冷却冷媒ガス槽を収容している真空断熱容器に多段蓄冷型極低温冷凍機をそのコールドエンド部分を突入する状態で配置し、コールドエンドの先端出力部に再液化容器を熱的に接続し、この再液化容器内と冷却冷媒ガス槽内とを連通接続するとともに、コールドエンドの中間出力部を冷却冷媒ガス槽の外周に形成されている熱シールド手段に熱的に接続させ、冷却冷媒ガス槽を気密構造に構成しているので、冷却冷媒ガス槽内で気化した水素ガスは、再液化容器内に流入し、この再液化容器内で極低温冷凍機からの寒冷エネルギーを受けて再液化することになるから、冷却冷媒ガスである液体水素は消費されることがなくなる。また、冷却冷媒ガス槽を取り囲む状態で配設されている熱シールド手段も、極低温冷凍機からの寒冷エネルギーを受けることになるから、外部からの熱侵入を大幅に抑制することができる。

請求項５に記載した発明では、冷却冷媒ガス槽の外周に位置する真空断熱層に水素センサーを位置させ、この水素センサーでの水素成分の検出に基づき、冷却冷媒ガス槽に連通する状態に配置してあるニューマチック式圧力開放弁を開弁作動させるようにしているので、万が一水素ガスが真空層に漏洩した場合と、水素の漏洩を水素センサーが検知することに基づき、ニューマチック式圧力開放弁が開弁作動して冷却冷媒ガス槽内の圧力を開放するようにしていることから、水素漏洩に起因する不都合を抑止することができる。

図は本発明を適用した一実施形態を示し、図１は超電導磁石(ＳＣＭ)−ＮＭＲ装置の概略構成図である。
このＳＣＭ−ＮＭＲ装置は、真空断熱容器(１)内に、冷却冷媒ガスである液体水素の貯蔵槽(２)を配置し、液体水素貯蔵槽(２)を取り囲む状態で熱シールド手段(３)としての熱遮蔽板(４)を配置し、この熱遮蔽板(４)の外周面に積層断熱材(５)を配置し、液体水素貯蔵槽(２)に貯留させた液体水素中に酸化物系の高温超電導材料で形成した超電導磁石(６)が浸漬してある。そして、この液体水素貯蔵槽(２)は封じ切った構成(気密構造)となっている。なお、熱遮蔽板(３)の内側に形成される空間部分(７)は真空になっている。

また、真空断熱容器(１)にはヘリウムガスを作動ガスとした極低温冷凍機(８)のコールドヘッド(９)が装着してある。このコールドへッド(９)は多段蓄冷型に形成してあり、複数の出力部(10)(11)からなるコールドエンド(12)が真空断熱容器(１)と熱遮蔽板(４)との間の真空空間(13)に突入配置してある。なお、この極低温冷凍機(８)は防爆構造に構成してある。また、この極低温冷凍機は高圧ガスと低圧ガスとの切換えをニューマチック駆動式に構成したものが好ましい。

コールドエンド(12)の先端側に位置している低温出力部(10)には再液化容器(14)が熱的に接続してあり、この再液化容器(14)の内部と液体水素貯蔵槽(２)内の上部とが連通管(15)で連通接続してあり、液体水素貯蔵槽(２)で気化した気化水素ガスを再液化容器(14)に導入し、極低温冷凍機の出力によって再液化して、液体水素貯蔵槽(２)に返送するようになっている。このため、前記連通管(15)は再液化容器(14)から液体水素貯蔵槽(２)に向かう下り傾斜に形成してあり、気液の入れ替わりが行いやすくなるようにしてある。なお、液体水素貯蔵槽(２)は、その内圧が高くても１ＭPa程度の圧力となるように設定してある。

さらに、コールドエンド(12)の中間に位置している第２の出力部(11)は熱伝導体(16)を介して熱遮蔽板(４)に熱的に接続してある。このため、熱遮蔽板(４)の温度は、液体水素貯蔵槽(２)の温度と外気温度との中間温度となり、外部から侵入する熱が液体水素貯蔵槽(２)に伝達されないように確実に熱遮蔽することができる。

また、液体水素貯蔵槽(２)の外周に位置している真空断熱層(７)内に水素センサー(17)が配置してあり、この水素センサー(17)が真空断熱層(７)で水素成分を検出すると、その水素検出に基づき、液体水素貯蔵槽(２)から連出した連出路(18)に装着したニューマチック式圧力開放弁(19)を開弁作動させるようにしてある。そして、この連出路(18)は図示を省略したスタックに連通接続してある。

同じ組成の超電導材料でも、冷却温度が相違すると、臨界電流密度も臨界磁界も変動するが、液体水素の沸点温度で冷却した場合には、液体ヘリウムの沸点温度で冷却した場合に匹敵する臨界電流密度も臨界磁界を得られる。

図２は本発明の別の実施形態を示し、この実施形態では、熱シールド手段(３)として、液体水素貯蔵槽(２)の外周に位置している真空断熱層(７)内に液体水素貯蔵槽(２)を取り囲む状態で液体窒素貯蔵槽(20)を配置し、この液体窒素貯蔵槽(20)を極低温冷凍機(８)のコールドエンド(12)における中間出力部(10)に熱的に接続したものであり、他の構成は、前記の実施形態と同様に構成してある。

したがって、この液化窒素貯蔵槽(20)に貯蔵されている液体窒素が液体水素貯蔵槽(２)に外部熱が侵入することを抑制する冷媒シールドガスとして作用することになる。そして、この冷媒シールドガスとして使用する液化ガスとしては、液体窒素のほかに、冷却冷媒ガスとしての液体水素の沸点温度よりも高い沸点温度を有し、不活性ガスである液体アルゴンを使用するようにしてもよい。

上記の実施形態としては、冷却冷媒として液化ガスを使用するものとして、ＳＣＭ−ＮＭＲを例に説明したが、他の高温超電導磁石を使用する機器類の冷却システムに使用することができる。

本発明を適用したＳＣＭ−ＮＭＲ装置の一実施形態を示す概略構成図である。別の実施形態を示す概略構成図である。

符号の説明

１…真空断熱容器、２…冷却冷媒ガス槽、３…熱シールド手段、４…熱遮蔽板、６…超電導磁石、７…真空断熱層、８…多段蓄冷型極低温冷凍機、10…コールドエンドの先端出力部、11…コールドエンドの中間出力部、12…コールドエンド、14…再液化容器、17…水素センサー、19…ニューマチック式圧力開放弁、20…液化ガス貯留槽。

Claims

真空断熱容器(１)内に配置した冷却冷媒ガス槽(２)に貯留されている冷却冷媒ガスに超電導磁石(６)を浸漬し、冷却冷媒ガス槽(２)の外周に真空断熱層(７)を介して熱シールド手段(３)を設けてなる超電導磁石の冷却装置において、
冷却冷媒ガス槽(２)に貯蔵する冷却冷媒ガスとして液体水素を使用することを特徴とする超電導磁石システムでの冷却装置。
熱シールド手段(３)が熱遮蔽板(４)である請求項１に記載した超電導磁石システムでの冷却装置。
熱シールド手段(３)が冷却冷媒ガス槽(２)を取り囲む状態に配置した沸点が液体水素よりも高い液化ガスの貯留槽(20)である請求項１に記載した超電導磁石システムでの冷却装置。
コールドエンド(12)部分が真空断熱容器(１)内に突入する状態で多段蓄冷型極低温冷凍機(８)を配置し、このコールドエンド(12)の先端出力部(10)に再液化容器(14)を熱的に接続し、この再液化容器(14)の内部と冷却冷媒ガス槽(２)の内部とを連通接続するとともに、コールドエンド(12)の中間出力部(11)を熱シールド手段(３)に熱的に接続し、冷却冷媒ガス槽(２)を気密構造に構成した請求項１又は２に記載した超電導磁石システムでの冷却装置。
冷却冷媒ガス槽(２)の外周に位置する真空断熱層(７)に水素センサー(17)を配置し、水素センサー(17)が水素成分を検知することに基づき開弁作動するニューマチック式圧力開放弁(19)を冷却冷媒ガス槽(２)内に連通する状態で配置した請求項１から４のいずれか１項に記載した超電導磁石システムでの冷却装置。