JP2006324325A - Super-conducting magnet apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、超電導磁石装置、特に加速器用、核融合用、産業用などの超電導装置において、断熱真空容器に収納された超電導コイルに外部電源からの励磁電流を通電する電流リードの構成、冷却を含む超電導磁石装置に関するものである。 This invention relates to a superconducting magnet device, particularly a superconducting device for an accelerator, nuclear fusion, industrial use, etc. The present invention relates to a superconducting magnet device.
超電導装置の超電導コイルは、液体ヘリウム等の極低温冷媒により冷却されるか、小型冷凍機による伝導で冷却されることにより超電導状態を保持するので、幅射シールドや多層断熱層を備えた真空断熱容器中に収納されている。この超電導コイルを励磁するためには、真空断熱容器に電流リードを組み込み、外部電源と接続して励磁電流を通電する。 The superconducting coil of the superconducting device is cooled by a cryogenic refrigerant such as liquid helium or cooled by conduction with a small refrigerator, so that the superconducting state is maintained. It is stored in a container. In order to excite the superconducting coil, a current lead is incorporated into the vacuum heat insulating container and connected to an external power source to energize the exciting current.
このとき、常温部と極低温部とを連結することになるので、この電流リードを介して極低温部へ侵入する熱が多いと、高価な液体ヘリウムを大量に消費することになり、大型の超電導磁石装置では専用の大型ヘリウム冷凍機が必要となる。 At this time, since the normal temperature part and the cryogenic part are connected, if a large amount of heat enters the cryogenic part via this current lead, a large amount of expensive liquid helium will be consumed, and a large The superconducting magnet device requires a dedicated large helium refrigerator.
従って、電流リードは自身による熱侵入により気化した低温のへリウムガスを利用して自己冷却され、常温側からの伝導による熱侵入、及び通電に伴うジュール発熱が極低温部へ侵入するのを極力抑制するように配慮して構成されている。 Therefore, the current lead is self-cooled using the low-temperature helium gas vaporized by the heat intrusion by itself, and the heat intrusion due to conduction from the room temperature side and the Joule heat generation due to energization are suppressed as much as possible. It is configured with consideration given to
電流リードの導体には、一般に、銅あるいは銅合金等の良電導体の金属が使用されてきたが、高温超電導体が発見されると共に、その極めて高い臨界温度(超電導状態を保持できる上限の温度)を有効に活用すれば液体窒素温度状態でも超電導状態を保持できるため、低温部分におけるジュール発熱がゼロとなること、高温超電導体の熱伝導率が銅の1/100と小さく、熱侵入量を抑制できることが期待され、高温超電導体を用いた電流リードの開発が行われている。(例えば特許文献1参照)。 In general, good conductor metals such as copper or copper alloys have been used as conductors for current leads, but high-temperature superconductors have been discovered and their extremely high critical temperature (the upper limit temperature that can maintain the superconducting state). ) Effectively, the superconducting state can be maintained even in the liquid nitrogen temperature state, resulting in zero Joule heat generation in the low-temperature part, and the thermal conductivity of the high-temperature superconductor is 1/100 that of copper, reducing the amount of heat penetration. Expected to be able to suppress, the development of current leads using high-temperature superconductors has been carried out. (For example, refer to Patent Document 1).
図7は、特許文献1に示された従来の電流リードを適用した超電導装置の例を示す断面構成図である。図7において、超電導コイル1は図示しない液体ヘリウム容器に収容され、輻射シールド6が施されて断熱真空容器4内に収容されている。
FIG. 7 is a cross-sectional configuration diagram illustrating an example of a superconducting device to which the conventional current lead disclosed in
超電導コイル1は、金属系超電導導体からなる低温側電流リード27、高温超電導導体からなる中間リード9a、常温側電流リード10を介して、図示しない外部電源に接続されている。小型冷凍機12aの高温ステージ28aは、高温側電流リード10と中間電流リード9aの接続部及び幅射シールド6を冷却し、低温側ステージ28bは超電導コイル1及び低温側電流リード27の低温端を冷却している。
The
上記の構成によれば、高温超電導導体の採用により、熱侵入が低減されるが、電流リードが太くなる大電流の装置においては、液体ヘリウム容器への熱侵入を十分小さく出来ず、また高温超電導導体の使用温度が高いため、通電容量が制限されるという問題点があった。 According to the above configuration, the heat intrusion is reduced by using the high temperature superconducting conductor. However, in a high current apparatus in which the current lead is thick, the heat intrusion into the liquid helium container cannot be made sufficiently small. Since the operating temperature of the conductor is high, there is a problem that the current carrying capacity is limited.
このため、大電流装置では小型冷凍機で冷却をまかなうことが出来ず、大型のヘリウム冷凍機が必要となり、システムの簡略化が困難であった。またヘリウムを注液する方式の超電導磁石装置においても液体ヘリウムの消費量が多く、運転に必要な液体ヘリウム費用の削減が出来ないという問題点があった。 For this reason, the large current device cannot be cooled by a small refrigerator, and a large helium refrigerator is required, which makes it difficult to simplify the system. In addition, the superconducting magnet apparatus using the helium injection method has a problem that the consumption of liquid helium is large and the liquid helium cost required for operation cannot be reduced.
この発明は、上記のような問題点を解消し、比較的電流の大きい数キロアンペアレベルあるいはそれ以上の超電導磁石装置においても、液体ヘリウムの消費量を極小化して注液量を少なくするか、小型4K冷凍機で液体ヘリウムを消費しない装置を実現して、大型のへリウム冷凍機を不要とする超電導磁石装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above problems, and even in a superconducting magnet device having a relatively large current of several kiloamperes or higher, the consumption of liquid helium is minimized to reduce the amount of liquid injection, An object of the present invention is to provide a superconducting magnet device that does not require a large-sized helium refrigerator by realizing a device that does not consume liquid helium with a small 4K refrigerator.
また、電流リード部の構造を簡略化して、この装置に適した製造方法を提供すると共に、運転保守を容易にする手段をも提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide a manufacturing method suitable for this apparatus by simplifying the structure of the current lead portion, and also provide means for facilitating operation and maintenance.
この発明に係る超電導磁石装置は、真空断熱容器に収納され、液体ヘリウムに浸漬された超電導コイルまたは液体へリウムを使用しない伝導冷却式の超電導コイルを有する超電導磁石装置において、上記超電導コイルに外部電源からの電流を導く電流リードを、銅導体または銅合金導体からなる常温側電流リードと、高温超電導体からなる中間電流リードと、高温超電導体からなる低温側電流リードとを直列に接続して構成すると共に、上記中間電流リード及び低温側電流リードは、断熱真空領域中に配置され、上記電流リードの内部に冷却ガスまたは液体を通すことなく、上記中間電流リードと低温側電流リードとの接続部を小型冷凍機で冷却するようにしたものである。 The superconducting magnet device according to the present invention is a superconducting magnet device that is housed in a vacuum heat insulating container and is immersed in liquid helium or a conduction-cooled superconducting coil that does not use liquid helium. The current lead that conducts the current from the normal temperature side current lead made of copper conductor or copper alloy conductor, the intermediate current lead made of high temperature superconductor, and the low temperature side current lead made of high temperature superconductor are connected in series In addition, the intermediate current lead and the low temperature side current lead are disposed in the adiabatic vacuum region, and the connecting portion between the intermediate current lead and the low temperature side current lead is passed through the current lead without passing cooling gas or liquid. Is cooled with a small refrigerator.
この発明によれば、液体ヘリウムの消費量を極小化して注液量を少なくするか、小型4K冷凍機で液体ヘリウムを消費しない装置を実現することができ、大型のヘリウム冷凍機を不要とすることができる。また、電流リード部の構造が簡略化され、運転保守が容易となるものである。 According to this invention, the amount of liquid helium can be minimized to reduce the amount of liquid injection, or a device that does not consume liquid helium can be realized with a small 4K refrigerator, eliminating the need for a large helium refrigerator. be able to. Further, the structure of the current lead part is simplified, and the operation and maintenance becomes easy.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図にもとづいて説明する。図1は、実施の形態1による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。この図に示すように、超電導コイル1は液体ヘリウム容器2に収納され、室温からの熱侵入を減らすため、幅射シールド6で覆われ断熱真空容器4に収容されている。
液体ヘリウム容器2にはヘリウム槽5が結合され、液体ヘリウム液注管16を介して液体ヘリウム3が注入されるようになっている他、ヘリウムガス排気管17を介してヘリウムガス3Gが排出されるように構成されている。
A
超電導コイル1に接続された超電導線コイルリード7には、高温超電導体で構成された低温側電流リード8及び中間電流リード9aと銅導体または銅合金導体で構成された常温側電流リード10を直列に接続して構成された電流リードが接続されている。ヘリウム槽5には、またフィードスルー13が設けられており、このフィードスルー13を通して、超電導線コイルリード7が断熱真空領域15に取り出されている。
A superconducting
低温側電流リード8は一端がこの超電導線コイルリード7と接続されている。また、低温側電流リード8と中間電流リード9aの接続部付近は小型冷凍機12で冷却され、液体窒素温度よりかなり低い温度(例えば10K)まで冷却される。図1では、中間端子11が図示されていない電気絶縁を介して、小型冷凍機12の低温側ステージに熱的に接触している状態を例示している。
One end of the low temperature side
常温側電流リード10はフィードスルー13から大気側に取り出され、大気側に設けられた液体窒素ジャケット19中の液体窒素18とその蒸発ガスで冷却されるようになっている。20は液体窒素ジャケット19に設けられた液体窒素注液管、14は常温側電流リード10に設けられた常温側端子を示す。
The room temperature side
次に、実施の形態1の動作について説明する。常温側電流リード10と超電導線コイルリード7の間を低温側電流リード8と中間電流リード9aで接続し、8と9aの間を繋ぐ中間端子11を小型冷凍機12によって冷却している。
Next, the operation of the first embodiment will be described. The room temperature side
中間電流リード9aは高温超電導体で構成されているが、使用される温度範囲が低温側電流リード8より高いため、低温側電流リード8より通電容量の大きいものが必要である。
中間電流リード9aからの侵入熱は、小型冷凍機12で冷却される。小型冷凍機12の冷却能力は液体ヘリウム容器2の温度(4.5K程度)で動作した場合より、温度が高い中間端子11の部分に取り付けて動作した場合の方が、冷却能力が大きくなり、効率的に熱を除去出来るようになる。
The intermediate
Intrusion heat from the intermediate
以上のように、実施の形態1によれば、低温側電流リード8の高温端(中間端子11側)の温度が下がり、液体ヘリウム容器2への熱侵入が大幅に低下すると共に、低温側電流リード8全体の温度が下がるため、高温超電導体の性能を更に引き出すことが出来、通電容量を大きくすることが出来る。つまり、電流値が数キロアンペアまたはそれ以上となっても、低熱侵入を実現することが出来る。
As described above, according to the first embodiment, the temperature at the high temperature end (on the
また、実施の形態1では高温超電導体からなる低温側電流リード8を断熱真空中に配置しているので、万一損傷した場合でも、断熱真空容器4のアクセスポート(図示せず)を空け、交換などの作業を容易に行うことができる。
In the first embodiment, since the low-temperature side
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2を図にもとづいて説明する。図2は、実施の形態2による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。この図において、図1と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図1と異なる点は、図1における中間電流リード9aを銅導体で構成した中間電流リード9bとした点である。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the superconducting magnet device according to the second embodiment. In this figure, the same or corresponding parts as in FIG. The difference from FIG. 1 is that the intermediate
実施の形態2において、ヘリウム槽5の低温側への熱侵入量Qc2を最小にするためには、中間電流リード9b(以下リード9bという)の長さLとリード9bの断面積の比を最適化する必要がある。以下その理由を説明する。
リード9bの熱伝導方程式は、
In the second embodiment, in order to minimize the heat penetration amount Qc2 to the low temperature side of the
The heat conduction equation of the
と書ける。ここで,xはリード9bの長さ方向の位置、Tは位置xにおけるリード9bの温度、λ(T)は温度Tにおけるリード9bの熱伝導率、ρ(T)は温度Tにおけるリード9bの電気抵抗率、Iはリード9bに流れる電流、Sはリード9bの断面積である。λ、ρを一定として(1)式を(2),(3)の境界条件で解くと、
低温側への熱侵入量Qc2を最小にするためにはリード9bの長さLと面積Sを
Can be written. Here, x is the position of the
In order to minimize the amount of heat penetration Qc2 to the low temperature side, the length L and area S of the
とする必要があることが判る。実際、リード9bを銅(通常は電気銅)とした場合、目的とする温度領域(20から80ケルビン(K))で、λ=1000W/Km、ρ=6×10−10Ωmであることから、 L=1.41×107S/Iとすればよいことが判る。
It is necessary to do. In fact, when the
リード9bを銅(電気銅)とした場合、高温超電導体で構成する場合より大幅にコストダウンできる。液体へリウム容器2への熱侵入は、主として低温側リードによって決まるため、リード9bを銅とした場合でも熱侵入量をほとんど変化させずにすむ。
When the
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3について説明する。実施の形態3は、図2におけるリード9bを燐脱酸銅または銅合金で構成したものである。図示は省略する。
実施の形態3において、ヘリウム槽5の低温側への熱侵入量Qc2を最小にするためには、リード9bの長さLとリード9bの断面積の比を最適化する必要がある。以下その理由を説明する。リード9bの熱伝導方程式は、
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the
In the third embodiment, in order to minimize the heat penetration amount Qc2 to the low temperature side of the
と書ける。ここで、xはリード9bの長さ方向の位置、Tは位置xにおけるリード9bの温度、λ(T)は温度Tにおけるリード9bの熱伝導率、ρ(T)は温度Tにおけるリード9bの電気抵抗率、Iはリード9bに流れる電流、Sはリード9bの断面積である。λ、ρを一定として(5)式を(6),(7)の境界条件で解くと、
低温側への熱侵入量Qc2を最小にするためにはリード9bの長さLと面積Sを
Can be written. Here, x is the position in the length direction of the
In order to minimize the amount of heat penetration Qc2 to the low temperature side, the length L and area S of the
とする必要があることが判る。燐脱酸銅とした場合、λ=96W/Km、ρ=3.7×10-10Ωmであることから、L=1.76×106S/Iとすればよい。 It is necessary to do. In the case of phosphorous deoxidized copper, since λ = 96 W / Km and ρ = 3.7 × 10 −10 Ωm, L = 1.76 × 10 6 S / I may be set.
今、装置の電流値として4000Aを考えるとき、リード9bの実用的な断面積400mm2に対して銅の場合は1.4mもの長さになるのに対して、燐脱酸銅の場合は0.18mが最適長さになる。銅の場合に比較してコンパクトで扱いやすくなるのは明白である。
なお、最適なL/Sを採用した場合の熱侵入量Qc2は
Now, when considering the 4000A as a current value of the device, whereas if the copper becomes the length of even 1.4m against practical cross-sectional area 400 mm 2 of the
The amount of heat penetration Qc2 when the optimum L / S is used is
と書ける。リード9bを高温超電導体、銅導体、銅合金導体のいずれで構成するかは、通電電流、冷凍機の能力、製造コストなどを考慮して、それぞれの超電導磁石装置で選択し、性能と製造コストのバランスが取れた装置とすることが出来る。
Can be written. Whether the
実施の形態4.
次に、この発明の実施の形態4を図にもとづいて説明する。図3は、実施の形態4による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。実施の形態1〜3においては、液体ヘリウム容器2内への侵入熱を液体ヘリウムの気化熱で吸収し、発生したヘリウムガスを放出する形として消費するヘリウム量を大きく削減したものであるが、実施の形態4は、幅射シールドを二重にし、小型冷凍機を追加することによって、液体ヘリウムの消費をさらに抑えるようにした再凝縮型の超伝導磁石装置とするものである。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the superconducting magnet device according to the fourth embodiment. In the first to third embodiments, the amount of helium consumed as a form in which the heat of vaporization of liquid helium is absorbed by the heat of vaporization of liquid helium and the generated helium gas is released is greatly reduced. In the fourth embodiment, a recondensing type superconducting magnet device is constructed in which the range shield is doubled and a small refrigerator is added to further reduce the consumption of liquid helium.
図3において、21は実施の形態4で追加した低温側の幅射シールド、12b、12cは追加した小型冷凍機を示す。その他の構成は図1と同一であるため同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
In FIG. 3,
小型冷凍機の必要台数は装置の大きさにより決まり、小型装置では12bの1台の追加でもよい。幅射シールド21は小型冷凍機の高温側ステージで冷却されており、温度は35K程度に設定される。輻射シールド6は図示されていない液体窒素、配管に流れる液体窒素で冷却されるようになっている。
The required number of small refrigerators is determined by the size of the apparatus, and in the small apparatus, one additional 12b may be added. The
なお、図3では液体へリウム3に浸漬された超電導コイル1について説明しているが、液体ヘリウム3を使用しない伝導冷却型の超電導コイル1を採用した装置でも同様の構造を適用することが可能である。
以上のように輻射シールドを6、21で示すように、二重に形成し、小型冷凍機を追加することで、液体へリウム3の消費をさらに抑えた再凝縮型の超電導磁石装置とすることができる。
3 illustrates the
As described above, the radiation shield is doubled as shown by 6 and 21, and a refrigerating superconducting magnet device that further suppresses the consumption of
実施の形態5.
次に、この発明の実施の形態5を図にもとづいて説明する。図4は、実施の形態5による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。実施の形態4では、常温側電流リード10を液体窒素ジャケット19に溜められた液体窒素18で冷却していたが、実施の形態5では、図4に示すように、常温側電流リード10の大部分を断熱真空領域15に置き、液体窒素配管22から、伝熱体23を介して冷却するようにしている。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the superconducting magnet device according to the fifth embodiment. In the fourth embodiment, the room temperature side
液体窒素配管22は常温側電流リード10を冷却した後、輻射シールド6の冷却を行う。伝熱体23と常温側電流リード10は電気的に絶縁されている。
このように、真空中からの取り出しを常温で行うことにより、常温用フィードスルー24を採用することができ、またフィードスルー周りの霜、氷結の問題を避けることが出来る。
The
Thus, by taking out from the vacuum at room temperature, the
実施の形態6.
次に、この発明の実施の形態6を図にもとづいて説明する。図5は、実施の形態6による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。この図において、図4と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図4と異なる点は、小型冷凍機12の高温側ステージにサーマルアンカ25を追加して、リード9aの中間部を冷却することによって、より効率的な装置を実現するようにしたものである。サーマルアンカ25は例えば銅の編組線などで構成する。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the superconducting magnet device according to the sixth embodiment. In this figure, the same or corresponding parts as in FIG. The difference from FIG. 4 is that a
このように構成することにより、侵入熱を冷凍機能力の高い温度領域で除去することができ、中間端子11の温度を下げることが出来る。これは低温側電流リード8の通電容量の増加、ヘリウム容器2内への熱侵入の低下に繋がり、より大電流の装置においてもヘリウムを消費しない超電導磁石装置の実現が可能となる。
By comprising in this way, intrusion heat can be removed in the temperature range with high freezing function power, and the temperature of the
実施の形態7.
次に、この発明の実施の形態7を図にもとづいて説明する。図6は、実施の形態7による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。実施の形態5及び6では、常温側電流リード10を液体窒素配管22から伝熱体23を介して冷却していたが、実施の形態7では、図6に示すように常温側電流リード10の大部分を大気側に置き、大気側で液体窒素配管22及び伝熱体23からの熱伝導で冷却するようにしたものである。
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the superconducting magnet device according to the seventh embodiment. In the fifth and sixth embodiments, the room temperature side
冷却部全体は結露防止材26で覆い、結露及び氷結を防止するようにしている。
常温側電流リード10の冷却部分を大気側に置くことにより、冷却性能の調整、当該部分の保守などが容易となるものである。
The entire cooling unit is covered with a dew
By placing the cooling portion of the room temperature side
1 超電導コイル、 2 液体ヘリウム容器、 3 液体ヘリウム、
4 断熱真空容器、 5 ヘリウム槽、 7 超電導線コイルリード、
8 低温側電流リード、
9a、9b 中間電流リード、 10 常温側電流リード、 11 中間端子、
12、12b、12c 小型冷凍機、 19 液体窒素ジャケット、
21 低温側輻射シールド、 22 液体窒素配管、 23 伝熱体、
24 常温用フィードスルー、 25 サーマルアンカ、 26 結露防止材。
1 superconducting coil, 2 liquid helium container, 3 liquid helium,
4 Insulated vacuum vessel, 5 Helium tank, 7 Superconducting wire coil lead,
8 Low temperature side current lead,
9a, 9b Intermediate current lead, 10 Room temperature side current lead, 11 Intermediate terminal,
12, 12b, 12c small refrigerator, 19 liquid nitrogen jacket,
21 Low-temperature radiation shield, 22 Liquid nitrogen piping, 23 Heat transfer element,
24 Room temperature feedthrough, 25 Thermal anchor, 26 Anti-condensation material.
Claims (7)
The superconducting magnet device according to claim 4 or 6, wherein the room temperature side current lead is cooled from a liquid nitrogen pipe and a heat transfer body provided on the atmosphere side.
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