JP2007329320A - 超電導電磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体ヘリウム貯蔵容器に接続された冷凍機が停電や故障により停止した場合においても、冷凍機から液体ヘリウム貯蔵容器に伝熱される熱量を抑え、液体ヘリウムの蒸発を抑制し、経済的な効果を有する超電導電磁石を得る。
【解決手段】 超電導コイルを液体ヘリウムに浸漬させた状態で内部に保持する液体ヘリウム貯蔵容器と、液体ヘリウム貯蔵容器に接続され、液体ヘリウムを液体状態に維持する冷凍機と、端部に排気口を有し、液体ヘリウム貯蔵容器の内部に発生したヘリウムガスを排気口から排気する流路を形成し、流路内を流れるヘリウムガスの顕熱により流路に設置された冷凍機を冷却するように、液体ヘリウム貯蔵容器から延在した第一の排気配管と、第一の排気配管に設けられ、液体ヘリウム貯蔵容器から排気口に向かう方向のみに流路を形成する第一の逆止弁とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導電磁石に関し、特に液体ヘリウムを液体状態に維持する冷凍機が故障等により停止した際の液体ヘリウム貯蔵容器の内部の温度上昇を抑制し、延いては、ヘリウムガスの発生を抑制する冷却構造に関する。

従来の超電導電磁石は、超電導コイルを液体ヘリウムに浸漬させた状態で内部に保持する液体ヘリウム貯蔵容器と、液体ヘリウム貯蔵容器に接続され、液体ヘリウム貯蔵容器内の温度を低温（ヘリウムが液化する略４Ｋ）に維持する為の冷凍機と、液体ヘリウム貯蔵容器に接続され、液体ヘリウム貯蔵容器に液体ヘリウムを注液する為の注液口を有したサービスポートと、液体ヘリウム貯蔵容器に接続され、液体ヘリウム貯蔵容器の内部に発生したヘリウムガスを排気する排気配管を備えていた。
（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）

特開平８−６９９１１号公報 特開平１１−１６２７２６号公報 特開２００２−１５８１１０号公報

特許文献１〜特許文献３に係る超電導電磁石は、冷凍機が正常に動作している場合には液体ヘリウムの蒸発を抑えることができ、その結果、注液口から注液（補充）する液体ヘリウム量を低減することができる。しかしながら、冷凍機が停電や故障により停止した場合、冷凍機は寒冷状態を維持できなくなり、常温状態となる為、冷凍機から液体ヘリウム貯蔵容器に熱電導がなされ、液体ヘリウム貯蔵容器の内部の温度上昇を引き起こす。その為、液体ヘリウムが多量に蒸発し、液体ヘリウムの補充量が増大してしまうという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決する為になされたもので、液体ヘリウム貯蔵容器に接続された冷凍機が停電や故障により停止した場合においても、冷凍機から液体ヘリウム貯蔵容器に伝熱される熱量を抑え、液体ヘリウムの蒸発を抑制する効果を有する超電導電磁石を得るものである。

本発明に係る超電導電磁石は、超電導コイルを液体ヘリウムに浸漬させた状態で内部に保持する液体ヘリウム貯蔵容器と、液体ヘリウム貯蔵容器に接続され、液体ヘリウムを液体状態に維持する冷凍機と、端部に排気口を有し、液体ヘリウム貯蔵容器の内部に発生したヘリウムガスを排気口から排気する流路を形成し、流路内を流れるヘリウムガスの顕熱により流路に設置された冷凍機を冷却するように、液体ヘリウム貯蔵容器から延在した第一の排気配管と、第一の排気配管に設けられ、液体ヘリウム貯蔵容器から排気口に向かう方向のみに流路を形成する第一の逆止弁とを具備するものである。

本発明に係る超電導電磁石は、液体ヘリウム貯蔵容器の内部に発生したヘリウムガスの顕熱により、冷凍機を冷却するように構成したことにより、冷凍機が停電や故障により停止した場合においても、液体ヘリウムの蒸発を抑制する効果がある。

実施の形態１．
図１は、本発明を実施する為の実施の形態１における超電導電磁石の模式図である。図１において、１は真空容器、２は熱シールド、３は超電導コイル４を液体ヘリウム５に浸漬させた状態で内部に保持する液体ヘリウム貯蔵容器である。真空容器１及び熱シールド２は、従来の超電導電磁石と同様に、外部から液体ヘリウム貯蔵容器３に伝熱される輻射熱を抑制する機能を有している。尚、本実施の形態１においては、熱シールド２は一層構造であるが、二層構造、或いは、多層構造にしても良い。６は液体ヘリウム貯蔵容器３に接続された中空形状のサービスポートであり、端部に液体ヘリウム５の注液口７を備えている。

９は破裂弁である。超電導コイル４がクエンチ（超電導破壊）した場合、超電導コイル４に流れていた電流は、電気抵抗の発生する箇所にてジュール熱が発生し、液体ヘリウム貯蔵容器３内の液体ヘリウム５を大量に蒸発させる。破裂弁９は、液体ヘリウム貯蔵容器３に大量のヘリウムガスが急激に発生し内圧が急上昇した場合に、破裂して内圧を開放するものである。

１０は円柱状の冷凍機であり、１０ａは冷凍機１０が挿入接続される筒状（２段式）の冷凍機取付ポートであり、液体ヘリウム貯蔵容器３に接続されている。尚、冷凍機１０はメンテナンス等の為、着脱可能としていることが望ましく、本実施の形態１においては、冷凍機取付ポート１０ａに対し、着脱（挿抜）可能としている。具体的には、冷凍機１０と冷凍機取付ポート１０ａにおいて、冷凍機１０の外径（図１における１０１、１０２）を冷凍機取付ポート１０ａの内径（図１における１０１ａ、１０２ａ）より小さく設定することにより、冷凍機取付ポート１０ａに対し、冷凍機１０が着脱（挿抜）できるように工夫あれている。尚、本実施の形態１においては、冷凍機１０及び冷凍機取付ポート１０ａの断面形状は、円形としているが、これに限らず、例えば、角形としても良い。

１１は第一の排気配管であり、端部に排気口１３を有し、液体ヘリウム貯蔵容器３の内部に発生したヘリウムガスを排気口１３から排気する流路を形成し、流路内を流れるヘリウムガスの顕熱により流路の途中に設置された冷凍機１０を冷却するように、液体ヘリウム貯蔵容器３から延在している。具体的には、第一の排気配管１１は、液体ヘリウム貯蔵容器３から延在し、冷凍機取付ポート１０ａ及び冷凍機１０に接触してなる流路を一部に形成し、液体ヘリウム貯蔵容器３からサービスポート６を介し延在している第二の排気配管８と合流した後、排気口１３へと延在している。

ここで、上述の「冷凍機取付ポート１０ａ及び冷凍機１０に接触してなる流路」について、詳細に説明する。冷凍機１０と冷凍機取付ポート１０ａにおいて、冷凍機１０の外径１０１、１０２は、冷凍機取付ポート１０ａの内径１０１ａ、１０２ａより各々小さく設定されている為、冷凍機１０の周囲に隙間Ａ、隙間Ｂが形成される。そして、隙間Ａ、隙間Ｂは、第一の排気配管１１が一部に有する「冷凍機取付ポート１０ａ及び冷凍機１０に接触してなる流路」を形成する。尚、隙間Ａ、隙間Ｂからなる流路は、冷凍機１０の全周に渡り形成されている為、ヘリウムガスの顕熱により、冷凍機１０の全周面の冷却が可能となる。また、冷凍機１０は、熱シールド２と対向する面（底面）１０ｂを有し、面１０ｂと対向する熱シールド２側の面とは所定の隙間Ｃが設けられ、冷凍機１０は冷凍機取付ポート１０ａに挿入接続されている。従って、隙間Ａからなる流路と隙間Ｂからなる流路は、隙間Ｃを介し連通している。即ち、第一の排気配管１１にて形成される流路の一部は、隙間Ａ、隙間Ｂ、隙間Ｃからなる流路にて形成されている。尚、第一の排気配管１１は、隙間Ａからなる流路の所定の位置から排気口１３に向かうように、更に延在している。

尚、本実施の形態１においては、第一の排気配管１１は冷凍機取付ポート１０ａ及び冷凍機１０に接触してなる流路を一部に形成した構成としているが、これに限られるものではない。例えば、冷凍機１０は、面１０ｂとその対向面（天面）を貫通してなる筒状の流路を形成し、液体ヘリウム貯蔵容器３から当該冷凍機１０内の流路を通り、排気口１３に向かうように延在させた構成でも良い。即ち、第一の排気配管１１は内部を流れるヘリウムガスの顕熱が冷凍機１０に伝熱されるように延在しておれば良い。但し、冷凍機１０をを貫通してなる流路を形成した場合、隙間Ａ、隙間Ｂ、隙間Ｃから形成される流路と比較して、直線的に流路を形成することができる為、ヘリウムガスの流れ性を良くすることができる。

１２は第一の排気配管１１に設けられ、液体ヘリウム貯蔵容器３から排気口１３に向かう方向のみに流路を形成する第一の逆止弁である。

以下、本実施の形態１における超電導電磁石の動作について説明する。図１において、注液口７から注液された液体ヘリウム５は、冷凍機１０により略４Ｋに冷却され、液体状態を維持している。従って、液体ヘリウム５に浸漬されている超電導コイル４は、電気抵抗がゼロに近い状態となっている。ここで、冷凍機１０が停電や故障等により機能停止した場合、冷凍機１０は寒冷状態を維持できなくなる。従って、液体ヘリウム５は略４Ｋに維持できなくなり、液体ヘリウム貯蔵容器３の内部にはヘリウムガスが発生する。当該ヘリウムガスは、液体ヘリウム貯蔵容器３から延在してなる第一の排気配管１１を流れ、排気口１３より排気される。この時、第一の排気配管が形成する流路の一部は、上述の通り、隙間Ａ、隙間Ｂ、隙間Ｃからなる為、当該ヘリウムガスは冷凍機１０の外周壁面に接するように流れる。従って、当該ヘリウムガスの顕熱により、冷凍機１０を冷却できる。為、冷凍機１０から液体ヘリウム貯蔵容器３に伝熱される熱量も抑制される。

以上の通り、本実施の形態１においては、冷凍機１０が停電や故障等により機能停止した場合においても、第一の排気配管１１を流れるヘリウムガスの顕熱により、冷凍機１０を冷却し、冷凍機１０から液体ヘリウム貯蔵容器３に伝熱される熱量を抑制することにより、液体ヘリウムの蒸発を低減できる為、延いては、液体ヘリウムガスの補充量を低減できるという効果を得ることができる。

また、逆止弁１２により、排気口１３から液体ヘリウム貯蔵容器３に向かう気流は遮断される為、例えば、液体ヘリウム貯蔵容器３の内部に空気が侵入し、凍結閉塞してしまう不具合に対する抑止効果を得ることができる。

実施の形態２．
図２は、本発明を実施する為の実施の形態２における超電導電磁石の模式図である。図２において、実施の形態１（図１）と同一の構成要素には同一符号を付しており、説明を省略する。実施の形態１との相違点は、サービスポート６から延在している第二の排気配管８において、破裂弁９よりサービスポート６側にて分岐し、排気口１３に延在する第三の排気配管８ａを備えた点である。尚、第三の排気配管８ａは、サービスポート６から排気口１３に向かう方向のみに流路を形成する第二の逆止弁１４を有す。

本実施の形態２においては、第一の逆止弁１２の動作圧は、第二の逆止弁１４の動作圧より低く設計されている。

以下、本実施の形態２における超電導電磁石の動作について説明する。図２において、冷凍機１０が停電や故障等により機能停止した場合、冷凍機１０は寒冷状態を維持できなくなる。従って、液体ヘリウム５は略４Ｋに維持できなくなり、液体ヘリウム貯蔵容器３の内部にはヘリウムガスが発生する。本実施の形態２においては、上述の通り、第一の逆止弁１２の動作圧が第二の逆止弁１４の動作圧より低く設計されている為、当該ヘリウムガスは、第三の排気配管８ａに対し優先して、第一の排気配管１１から排気され、実施の形態１と同様に、当該ヘリウムガスの顕熱により、冷凍機１０を冷却できる。。

しかしながら、逆止弁は一般に一方向のみに流路を形成する機能を有しているが、完全に逆方向への流れを遮断することは困難であり、外気（例えば、空気）が液体ヘリウム貯蔵容器３の内部に流れ込むことがある。この場合、第一の排気配管１１が凍結閉塞してしまう不具合が発生するが、本実施の形態２においては、サービスポート６、第三の排気配管８ａを介し、排気口１３より当該ヘリウムガスを排気することが可能な為、超電導電磁石の排気配管系の安全性向上が図れる。

実施の形態３．
図３は、本発明を実施する為の実施の形態３における超電導電磁石の模式図である。図３において、実施の形態２（図２）と同一の構成要素には同一符号を付しており、説明を省略する。実施の形態２との相違点は、第一の排気配管１１の途中経路、即ち、第一の逆止弁１２と排気口１３との間に絞り弁１５を設けた点である。尚、本実施の形態３においては、絞り弁１５を第一の逆止弁１２の設置位置より排気口１３側に設けているが、これに限らず、第一の逆止弁１２の設置位置より冷凍機１０側に設けても良い。即ち、絞り弁１５は、第一の排気配管１１を流れるヘリウムガスの流量を制御できれば足り、その設置位置は制約されるものではない。

以下、本実施の形態３における超電導電磁石の動作について、説明する。図３において、冷凍機１０が停電や故障等により機能停止した場合、冷凍機１０は寒冷状態を維持できなくなる。従って、液体ヘリウム５は略４Ｋに維持できなくなり、液体ヘリウム貯蔵容器３の内部にはヘリウムガスが発生する。本実施の形態３においては、実施の形態２と同様に、第一の逆止弁１２の動作圧が第二の逆止弁１４の動作圧より低く設計されている為、当該ヘリウムガスは、第三の排気配管８ａに対し優先して、第一の排気配管１１から排気され、実施の形態２と同様に、当該ヘリウムガスの顕熱により、冷凍機１０を冷却できる。

ところで、液体ヘリウム貯蔵容器３の内部に発生したヘリウムガスが多量で、第一の排気配管１１の内部を多量のヘリウムガスが流れた場合、当該ヘリウムガスの顕熱により、冷凍機１０は過剰に冷却されてしまい、その結果、冷凍機１０のモーター部が凍結し、復帰に時間を要するという不具合が発生するが、本実施の形態３においては、絞り弁１５により、第一の排気配管１１の内部を流れるヘリウムガスの流量を制御できる為、当該ヘリウムガスによる冷凍機１０の冷却を適度に行えるように調整できるという効果を得ることができる。尚、絞り弁１５により流量を制御（減少）された余分なヘリウムガスは、サービスポート６、第三の排気配管８ａを介し、排気口１３より排気される。

尚、破裂弁９は、上述の通り、超電導コイル４がクエンチし、液体ヘリウム５が大量に蒸発した際、液体ヘリウム貯蔵容器３の大量のヘリウムガスを開放させる機能を有するものである。破裂弁９が破裂した場合、新しい破裂弁に交換するまでは復旧せず、それまでは、当該部位（破裂弁９の配置位置）からの外気（例えば、空気）が液体ヘリウム貯蔵容器３の内部に流れ込むことは止められない。従って、液体ヘリウム貯蔵容器３からサービスポート６を介し、経路途中に破裂弁９を備え、排気口１３まで延在している第二の排気配管８は緊急時（クエンチ発生時）の排気配管であり、通常使用時は排気配管としての機能を有していない。

実施の形態４．
図４は、本発明を実施する為の実施の形態４における超電導電磁石の冷凍機１０と液体ヘリウム貯蔵容器３の接続部を示す拡大模式図である。図５は、図４に示す冷凍機１０の面１０ｂを示す拡大模式図である。図４及び図５において、実施の形態１（図１）と同一の構成要素には同一符号を付しており、説明を省略する。実施の形態１との相違点は、図４に示す通り、冷凍機１０と熱シールド２との熱電導を良くする為、冷凍機１０の面１０ｂと熱シールド２の面１０ｂと対向する面の間に熱良導部材１６を介在させた点である。

熱良導部材１６は、低温での熱電導率及び、冷凍機１０の面１０ｂと熱シールド２の面１０ｂと対向する面の間におけるつぶれ性能（弾力性）を確保する為、イリジウムなどの金属からなるリング状の部材である。また、熱良導部材１６は、第一の排気配管１１が形成する流路の一部である隙間Ｃに配置されている。従って、第一の排気配管１１が形成する流路の一部である隙間Ｃは熱良導部材１６により流路が遮断、或いは流れ性が極度に低下してしまう。しかしながら、本実施の形態４では、図５に示す通り、冷凍機１０の面１０ｂ、即ち、熱シールド２と対向する面１０ｂにおいて、冷凍機１０の側面（外径１０１である面）から、リング状の熱良導体１６を横切り、内方向に向かう溝１７（バイパス流路）を設けることにより、ヘリウムガスの流路を確保している。尚、溝１７の数は限定されるものではない。

即ち、本実施の形態４においては、熱良導部材１６を冷凍機１０と熱シールド２との間に介在させることにより、冷凍機１０による液体ヘリウム貯蔵容器３の冷凍効率向上を図りながらも、冷凍機１０の面１０ｂに溝１７（バイパス流路）を設けることにより、ヘリウムガスの流路も確保することができる。従って、冷凍機１０が停電や故障等により機能停止した場合、実施の形態１と同様に、ヘリウムガスの顕熱により、冷凍機１０を冷却できる。

尚、本実施の形態４においては、溝１７を冷凍機の面１０ｂに設けたが、これに限られるものではない。即ち、熱シールド２側の面に設けた構成、或いは、双方に設けた構成でも良い。また、本実施の形態４においては、熱シールド２を設けた構成としたが、熱シールド２を設けない構成でも成り立つ。即ち、冷凍機１０と液体ヘリウム貯蔵容器３の間に熱良導部材１６を介在させ、冷凍機１０と液体ヘリウム貯蔵容器３の互いに対向する面のどちらか一方、或いは双方に溝を設けた構成でも良い。

以上の通り、実施の形態１〜実施の形態４においては、冷凍機１０が停電や故障等により機能停止した場合、冷凍機１０は寒冷状態を維持できなくなり、液体ヘリウム貯蔵容器３の内部にはヘリウムガスが発生した場合においても、第一の排気配管１１より当該ヘリウムガスを排気させることができる。従って、当該へリムガスの顕熱により、冷凍機１０を冷却できる。為、液体ヘリウム貯蔵容器３の内部に発生するヘリウムガスの量を低減でき、延いては、液体ヘリウムの補充量を低減でき、経済的な超電導電磁石を得ることができる。

本発明を実施する為の実施の形態１における超電導電磁石の模式図である。 本発明を実施する為の実施の形態２における超電導電磁石の模式図である。 本発明を実施する為の実施の形態３における超電導電磁石の模式図である。 本発明を実施する為の実施の形態４における超電導電磁石の冷凍機１０と液体ヘリウム貯蔵容器３の接続部を示す拡大模式図である。 図４に示す冷凍機１０の面１０ｂを示す拡大模式図である。

符号の説明

２ 熱シールド
３ 液体ヘリウム貯蔵容器
４ 超電導コイル
５ 液体ヘリウム
６ サービスポート
７ 注液口
８ 第二の排気配管
１０ 冷凍機
１０ｂ 面
１１ 第一の排気配管
１２ 第一の逆止弁
１３ 排気口
１４ 第二の逆止弁
１５ 絞り弁
１６ 熱良導部材
１７ 溝（バイパス流路）

Claims (7)

1. 超電導コイルを液体ヘリウムに浸漬させた状態で内部に保持する液体ヘリウム貯蔵容器と、前記液体ヘリウム貯蔵容器に接続され、前記液体ヘリウムを液体状態に維持する冷凍機と、
   端部に排気口を有し、前記液体ヘリウム貯蔵容器の内部に発生したヘリウムガスを前記排気口から排気する流路を形成し、前記流路内を流れるヘリウムガスの顕熱により前記流路に設置された前記冷凍機を冷却するように、前記液体ヘリウム貯蔵容器から延在した第一の排気配管と、
   前記第一の排気配管に設けられ、前記液体ヘリウム貯蔵容器から前記排気口に向かう方向のみに前記流路を形成する第一の逆止弁
   とを具備したことを特徴とする超電導電磁石。
2. 第一の排気配管の一部に冷凍機が接触して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導電磁石。
3. 第一の排気配管は冷凍機の内部を貫通していることを特徴とする請求項１に記載の超電導電磁石。
4. 液体ヘリウム貯蔵容器に接続され、前記液体ヘリウム貯蔵容器に液体ヘリウムを注液するための注液口を有したサービスポートと、
   端部に排気口を有し、前記液体ヘリウム貯蔵容器の内部に発生したヘリウムガスを前記排気口から排気する流路を形成し、前記サービスポートから延在した第二の排気配管と、
   前記第二の排気配管に設けられ、前記液体ヘリウム貯蔵容器から前記排気口に向かう方向のみに前記流路を形成し、かつ、第一の逆止弁より高い動作圧に設定された第二の逆止弁とを具備したことを特徴とする請求項１に記載の超電導電磁石。
5. 第一の排気配管はヘリウムガスの流量を調整するための絞り弁を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の超電導電磁石。
6. 冷凍機は液体ヘリウム貯蔵容器に対向する面を有し、
   第一の排気配管にて形成される流路の一部は、前記面の上において、前記冷凍機と前記液体ヘリウム貯蔵容器との間に介在され、
   前記面の上において、前記冷凍機と前記液体ヘリウム貯蔵容器との間に狭持され、かつ、前記流路の一部を遮断するように備えられたリング状の熱良導部材と、
   前記リング状の熱良導部材により遮断された前記流路の一部において、ヘリウムガスのバイパス流路を、前記面における前記冷凍機或いは前記液体ヘリウム貯蔵容器の少なくとも一方に備えたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４、請求項５のいずれかに記載の超電導電磁石。
7. 液体ヘリウム貯蔵容器の周囲に配置され、前記液体ヘリウム貯蔵容器に伝達される輻射熱を低減する熱シールドを備え、
   冷凍機は前記熱シールドに対向する面を有し、
   第一の排気配管にて形成される流路の一部は、前記面の上において、前記冷凍機と前記熱シールドとの間に介在され、
   前記面の上において、前記冷凍機と前記熱シールドとの間に狭持され、かつ、前記流路の一部を遮断するように備えられたリング状の熱良導部材と、
   前記リング状の熱良導部材により遮断された前記流路の一部において、ヘリウムガスのバイパス流路を、前記面における前記冷凍機或いは前記熱シールドの少なくとも一方に備えたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４、請求項５のいずれかに記載の超電導電磁石。

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