JP2009277951A - Superconductive magnet device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導コイルを備えたマグネット装置に関する。 The present invention relates to a magnet device provided with a superconducting coil.
超電導マグネット装置は、超電導コイルを極低温に冷却して、電気抵抗がゼロの超電導状態で超電導コイルを使用する。超電導コイルを超電導状態で使用するため、ジュール発熱がなく、常電導マグネット装置に比して高磁場を少ない電力で発生させることができる。超電導マグネット装置としては、例えば特許文献1に開示されたようなものがある。特許文献1に開示された超電導マグネット装置は、真空容器内に超電導マグネットを配置し、真空容器に装着された冷凍機によって超電導マグネットを極低温に冷却する構成のマグネット装置である。 The superconducting magnet device cools the superconducting coil to a cryogenic temperature and uses the superconducting coil in a superconducting state with zero electric resistance. Since the superconducting coil is used in a superconducting state, there is no Joule heat generation, and a high magnetic field can be generated with less power than a normal conducting magnet device. An example of a superconducting magnet device is disclosed in Patent Document 1. The superconducting magnet device disclosed in Patent Document 1 is a magnet device having a configuration in which a superconducting magnet is disposed in a vacuum vessel and the superconducting magnet is cooled to a cryogenic temperature by a refrigerator mounted on the vacuum vessel.
このような超電導マグネット装置の真空容器には、超電導コイルを励磁するための励磁電源などが接続される電極ピンがその外面に取り付けられる。ここに、電極ピンは常温(300K程度)にさらされるが、この電極ピンと超電導コイルとを結ぶリード線(導線)は極低温に冷える。そのため、リード線に接続する電極ピン自体も冷やされて電極ピンに水滴が付いたり霜が付いたりする場合がある。水滴の付着は電極ピンの錆の原因となり、電極ピンに霜が付着すると短絡などの問題が生じる。 The vacuum container of such a superconducting magnet device is attached to the outer surface thereof with electrode pins to which an excitation power source for exciting the superconducting coil is connected. Here, the electrode pin is exposed to room temperature (about 300K), but the lead wire (conductive wire) connecting the electrode pin and the superconducting coil is cooled to a very low temperature. For this reason, the electrode pin itself connected to the lead wire may be cooled, and the electrode pin may have water droplets or frost. The adhesion of water droplets causes rust of the electrode pins, and if frost adheres to the electrode pins, problems such as a short circuit occur.
超電導マグネット装置に関する技術において、水滴・霜の付着対策に関する技術としては、例えば特許文献2に開示されたようなものがある。特許文献2に開示された技術は、超電導コイルおよび液体窒素などの冷媒を収容する内側容器と、外側容器との間に微小空間を設け、この微小空間に常温程度以上の乾いた空気または窒素ガスを流すものである。この構成により、外側容器の表面は常温近傍の温度に保持され、外側容器の表面に水滴・霜は付着することがない、と特許文献2において称されている。
In the technology related to the superconducting magnet device, as a technology related to measures against adhesion of water droplets and frost, there is one disclosed in
しかしながら、内側容器と外側容器との間に微小空間を設け、この微小空間に常温程度以上のガスを流す、という特許文献2に開示された技術では、超電導コイルの冷却が妨げられることが懸念される。また、超電導マグネット装置における前記した電極ピンには、低温に冷やされるリード線が直接接続されるため、電極ピンの冷えすぎを十分に抑えることは難しい。
However, in the technique disclosed in
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、超電導コイルの冷却を妨げることなく真空容器に取り付けられた電極の冷えすぎを抑え、その結果、電極への水滴・霜の付着を防止することができる超電導マグネット装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to suppress overcooling of the electrode attached to the vacuum vessel without hindering cooling of the superconducting coil, and as a result, water droplets / frost on the electrode. It is an object to provide a superconducting magnet device that can prevent the adhesion of a magnetic field.
上記目的を達成するために本発明は、超電導コイルと、前記超電導コイルを収容する真空容器と、前記真空容器に取り付けられた電極と、前記真空容器内に配線され、前記電極と前記超電導コイルとの間を結ぶ導線と、を備え、前記導線の一部が、前記真空容器の内面に対して熱的に接続されていることを特徴とする超電導マグネット装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a superconducting coil, a vacuum container that accommodates the superconducting coil, an electrode attached to the vacuum container, wiring in the vacuum container, the electrode and the superconducting coil, A superconducting magnet device, wherein a part of the conducting wire is thermally connected to the inner surface of the vacuum vessel.
この構成によると、電極と超電導コイルとの間を結ぶ導線の一部が、真空容器の内面に対して熱的に接続されているので、外部からの侵入熱を少なく抑えることができ、特許文献2に開示された従来技術のように超電導コイルの冷却を妨げることはない。また、真空容器の内面と導線との熱的接続部から導線の冷熱が真空容器へ熱伝導しそして大気へ放熱していく。これらにより、超電導コイルの冷却を妨げることなく電極の冷えすぎを抑え、電極への水滴・霜の付着を防止することができる。 According to this configuration, a part of the conductive wire connecting the electrode and the superconducting coil is thermally connected to the inner surface of the vacuum vessel, so that intrusion heat from the outside can be suppressed to a low level. The cooling of the superconducting coil is not hindered as in the prior art disclosed in FIG. Further, the cold heat of the conducting wire is conducted from the thermal connection portion between the inner surface of the vacuum vessel and the conducting wire to the vacuum vessel and radiated to the atmosphere. Accordingly, it is possible to prevent the electrode from being overcooled without hindering the cooling of the superconducting coil, and to prevent water droplets and frost from adhering to the electrode.
また本発明において、前記超電導コイルを収容するとともに前記真空容器内に入れられた冷却容器を備え、前記導線は、前記冷却容器に対して熱的に接続され、前記電極と前記真空容器の内面に対する前記導線の第1熱的接続部との間の当該導線の長さは、当該第1熱的接続部と前記冷却容器に対する当該導線の第2熱的接続部との間の当該導線の長さよりも短いことが好ましい。 Further, in the present invention, a cooling container that contains the superconducting coil and is placed in the vacuum container is provided, and the conductive wire is thermally connected to the cooling container, and is connected to the electrode and the inner surface of the vacuum container. The length of the conducting wire between the conducting wire and the first thermal connection portion is greater than the length of the conducting wire between the first thermal connecting portion and the second thermal connecting portion of the conducting wire with respect to the cooling vessel. Is also preferably short.
この構成によると、真空容器の内面に対する導線の熱的接続位置は、導線の経路上、超電導コイルから遠く電極に近い位置となる。これにより、上記熱的接続位置から超電導コイルへの導線を介した侵入熱をより抑えることができ、より超電導コイルの冷却が妨げられることを防止できる。 According to this configuration, the thermal connection position of the conductor with respect to the inner surface of the vacuum vessel is a position far from the superconducting coil and closer to the electrode on the path of the conductor. Thereby, it is possible to further suppress the intrusion heat from the thermal connection position to the superconducting coil through the conducting wire, and to prevent the cooling of the superconducting coil from being hindered.
さらに本発明において、前記第1熱的接続部においては、電気絶縁テープが直接巻かれた前記導線が、前記真空容器の内面に対して当該電気絶縁テープを介して熱的に接続されていることが好ましい。この構成によると、導線の有する冷熱の真空容器への熱伝導効率が向上する。すなわち、導線に接続された電極の冷えすぎをより抑えることができる。 Furthermore, in the present invention, in the first thermal connection portion, the conductive wire directly wound with the electrical insulating tape is thermally connected to the inner surface of the vacuum vessel via the electrical insulating tape. Is preferred. According to this configuration, the efficiency of heat conduction to the cold vacuum vessel of the conducting wire is improved. That is, it is possible to further suppress the cooling of the electrode connected to the conductive wire.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(超電導マグネット装置の構成)
図1は、本発明の一実施形態に係る超電導マグネット装置1を示す一部断面模式図である。図1に示すように、本実施形態の超電導マグネット装置1は、超電導コイル19と、超電導コイル19を収容する輻射シールド4(冷却容器)と、超電導コイル19が収容された輻射シールド4を収容する真空容器5と、真空容器5の上部に取り付けられた冷凍機3とを備えている。
(Configuration of superconducting magnet device)
FIG. 1 is a partial cross-sectional schematic view showing a superconducting magnet apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the superconducting magnet device 1 of the present embodiment accommodates a
(超電導コイル)
超電導コイル19は、巻枠9と、巻枠9に螺旋状に巻回されてなる超電導線材2とを有している。巻枠9は非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などからなる。超電導線材2は、例えばニオブ・チタン(NbTi)合金系の極細多芯線を銅母材に埋め込んだものである。
(Superconducting coil)
The
(真空容器)
真空容器5は、その内部を高真空に保持され、超電導コイル19や輻射シールド4への侵入熱を抑制する容器である。真空容器5は、その上部を密閉するエンドプレート5aを有している。真空容器5(エンドプレート5a)の材質としては、アルミニウム材、ステンレス材が挙げられる。エンドプレート5aは厚板である。また真空容器5(エンドプレート5a)の外面は常温(300K程度)にさらされる。
(Vacuum container)
The
(電極)
真空容器5のエンドプレート5aには銅材で形成された電極ピン8(電極)が取り付けられている。電極ピン8は、陽極ピンと陰極ピンとからなり、この電極ピン8には、超電導線材2を励磁するための励磁電源(不図示)が接続される。また、電極ピン8の一部は、外部に突出し、大気(外気)にさらされている。
(electrode)
Electrode pins 8 (electrodes) made of a copper material are attached to the
(輻射シールド)
輻射シールド4は、シールド本体4aと、シールド本体4aの上部開口に取り付けられたプレート4bとを有している。輻射シールド4(プレート4b)の材質としては、アルミニウム材、銅材が挙げられる。
(Radiation shield)
The
(冷凍機)
冷凍機3は、二段蓄冷式冷凍機であり、駆動部12と、駆動部12の下に配置されたシリンダ11を有している。シリンダ11は、上部の第1シリンダ11aと、下部の第2シリンダ11bとを有している。第1シリンダ11aの下端部には第1冷却端部12aが設けられ、第2シリンダ11bの下端部には第2冷却端部12bが設けられている。第1冷却端部12aおよび第2冷却端部12bは、いずれもフランジ状の形態を有している。第1冷却端部12aは、輻射シールド4のプレート4bに対してボルトなどの固定手段により取り付けられ、第2冷却端部12bは、伝熱部材14に対してボルトなどの固定手段により取り付けられている。この伝熱部材14は、超電導コイル19の外周に熱的に接続されている。駆動部12にはヘリウムガスが供給され、供給されたヘリウムガスは、第1シリンダ11aの下部および第2シリンダ11bの下部に噴出する。冷凍機3は、第1冷却端部12aおよび第2冷却端部12bを介して、輻射シールド4および超電導コイル19をそれぞれ約40Kおよび約4Kに冷却するものである。
(refrigerator)
The
(導線)
電極ピン8と超電導線材2とは、円筒状の酸化物電流リード7を介して銅線6(導線)で結線されている。銅線6は熱伝導性の高いリード線であり、一方、酸化物電流リード7は熱を伝えにくい機能を有している。銅線6および酸化物電流リード7は真空容器5内に配線されている。ここで、図2は、図1に示す超電導マグネット装置1の電極ピン8周辺の詳細図である。図2(a)は図1のA部拡大図であり、図2(b)は図2(a)のB−B´矢視部詳細図である。また図3は、図2のC部拡大図である。図3中の矢印は、冷熱の移動を示している。
(Conductor)
The
図1〜図3に示すように、銅線6の一部が、真空容器5のエンドプレート5aの内面(真空側の面)に対して熱的に接続されている。この熱的接続部を第1熱的接続部15として図1〜図3に示している。ここで、銅線6にはガラスチューブ17が被せられ、さらにその外側に電気絶縁テープであるガラステープ18(その厚みはガラスチューブ17よりも薄い)が巻かれて絶縁施工が施されている。しかしながら、第1熱的接続部15の銅線6には、ガラスチューブ17が被せられず、ガラスチューブ17よりも薄いガラステープ18のみが直接巻き付けられている。また、銅線6が浮かないように、その両端はサドル10でエンドプレート5aに押さえつけられている。サドル10は、円弧状板部と、その両側に延在する平板部とからなり、エンドプレート5aの内面に対してボルトなどの固定手段により取り付けられる。サドル10の材質はステンレスである。また、銅線6をエンドプレート5aに密着(接触)させるため、銅線6は粘土11で覆われてエンドプレート5aに密着させられている。銅線6に巻き付ける電気絶縁テープとしては、ガラステープ18のほかにマイラーシート、テフロン(登録商標)製テープなどが挙げられる。なお、電気絶縁テープは薄いテープであることが好ましい。
As shown in FIGS. 1 to 3, a part of the
また、第1熱的接続部15よりも超電導線材2(または酸化物電流リード7)に近い側の銅線6の一部が、輻射シールド4のプレート4bに対して熱的に接続されている。この熱的接続部を第2熱的接続部16として図1および図2に示している。この第2熱的接続部16においては、図2に示したように断面L字状の接続用部材13がボルトによりプレート4bに取り付けられている。そして、電極ピン8側の銅線6および超電導線材2側の銅線6が、それぞれ圧着端子20aおよび圧着端子20bを介してボルトにより接続用部材13に取り付けられている。なお、必ずしも圧着端子20a・20bを用いる必要はない。そして、第2熱的接続部16は、プレート4bを介して、冷凍機3により約40Kレベルに冷やされる。第2熱的接続部16が冷やされることで、電極ピン8側から超電導線材2への銅線6を伝導により伝わる侵入熱が抑えられる。
Further, a part of the
また、第1熱的接続部15は、電極ピン8と第2熱的接続部16との間に位置し、電極ピン8と第1熱的接続部15との間の銅線6の長さL1が、第1熱的接続部15と第2熱的接続部16との間の銅線6の長さL2よりも短くなるように設けられている。すなわち、第1熱的接続部15は、真空容器5のエンドプレート5aに取り付けられた電極ピン8の近くに設けられている。
The first
(銅線を介した熱伝導に関して)
第2熱的接続部16で銅線6が冷やされ、その冷熱は銅線6を伝わって第1熱的接続部15に到達する。そして、本実施形態によると図3に冷熱の流れを矢印で示したように、銅線6の有する冷熱は、エンドプレート5aの内面に対する銅線6の熱的接触部である第1熱的接続部15からエンドプレート5a内を熱伝導しそして大気へ放熱していく。なお、電極ピン8と第2熱的接続部16との間を結ぶ銅線6の一部のみがエンドプレート5aの内面に対して熱的に接続されているので、外部からの侵入熱を少なく抑えることができ、超電導線材2の冷却を大きく妨げることはない。したがって、超電導線材2の冷却を妨げることなく電極ピン8の冷えすぎを抑え、当該電極ピン8への水滴・霜の付着を防止することができる。また、本実施形態によると、温度調整用のヒータなどの新たな部品は必要でないのでコスト面でも有利である。
(Regarding heat conduction through copper wire)
The
また、第1熱的接続部15は、銅線6の経路上、超電導線材2から遠く電極ピン8に近い位置とされているため、エンドプレート5aから超電導線材2への第1熱的接続部15を介した侵入熱をより抑えることができ、より超電導線材2の冷却が妨げられることを防止できる。さらに、第1熱的接続部15においては、エンドプレート5aに対してガラスチューブ17よりも薄いガラステープ18のみを介して銅線6が熱的に接続されているため、銅線6の有する冷熱のエンドプレート5aへの熱伝導効率が向上する。これにより、銅線6に接続された電極ピン8の冷えすぎをより抑えることができる。
Moreover, since the 1st
(真空容器のエンドプレートの変形例)
次に、真空容器5のエンドプレート5aの変形例について説明する。図4は、エンドプレート5aの変形例を示すための模式図である。図4(a)は、図2のC部拡大を示した図3に相当する本変形例に係る図であり、図4(b)は、図4(a)のD矢視図である。なお、図4において、図3に示した部材と同様の部材には同一の符号を付している。
(Variation of end plate of vacuum vessel)
Next, a modification of the
銅線6の一部が熱的に接続される第1熱的接続部15部分のエンドプレート5aの内面(真空側の面)は、平らに形成されているが、図4に示すように、本変形例に係るエンドプレート51aの内面(真空側の面)には、銅線6の配線方向に沿う断面円弧状の凹部20(溝部)が2つ設けられている。銅線6を断面円弧状の凹部20に沿わせてエンドプレート5a内面に熱的接続させることにより、銅線6の配線(固定)がおこないやすくなる。また、第1熱的接続部15のエンドプレート51aの表面積を大きくすることにもなるので銅線6からの冷熱がエンドプレート51aに広がりやすくなる。さらに、凹部20によりエンドプレート51aに対する銅線6の密着性も向上する。
The inner surface (vacuum side surface) of the
なお、第1熱的接続部15部分のエンドプレート51aの内面に形成するのは、必ずしも断面円弧状の凹部20である必要はない。例えば、細かな凹凸であってもよい。エンドプレート51aの内面に細かな凹凸を形成することで、エンドプレート5aの表面積を大きくすることができ、熱が広がりやすくなる。
In addition, what is formed in the inner surface of the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made as long as they are described in the claims. .
例えば、上記実施形態では、冷凍機3で超電導線材2を冷却し運転する無冷媒型の超電導マグネット装置1を示したが、液体ヘリウムを収容した形態の超電導マグネット装置に対しても本発明を適用することができる。
For example, in the above-described embodiment, the refrigerant-free superconducting magnet device 1 in which the
1:超電導マグネット装置
2:超電導線材
3:冷凍機
4:輻射シールド(冷却容器)
5:真空容器
6:銅線(導線)
8:電極ピン(電極)
15:第1熱的接続部
16:第2熱的接続部
19:超電導コイル
1: Superconducting magnet device 2: Superconducting wire 3: Refrigerator 4: Radiation shield (cooling container)
5: Vacuum container 6: Copper wire (conductor)
8: Electrode pin (electrode)
15: 1st thermal connection part 16: 2nd thermal connection part 19: Superconducting coil
Claims (3)
前記超電導コイルを収容する真空容器と、
前記真空容器に取り付けられた電極と、
前記真空容器内に配線され、前記電極と前記超電導コイルとの間を結ぶ導線と、を備え、
前記導線の一部が、前記真空容器の内面に対して熱的に接続されていることを特徴とする、超電導マグネット装置。 A superconducting coil;
A vacuum vessel containing the superconducting coil;
An electrode attached to the vacuum vessel;
A wire that is wired in the vacuum vessel and connects between the electrode and the superconducting coil; and
A part of the conducting wire is thermally connected to the inner surface of the vacuum vessel.
前記超電導コイルを収容するとともに前記真空容器内に入れられた冷却容器を備え、
前記導線は、前記冷却容器に対して熱的に接続され、
前記電極と前記真空容器の内面に対する前記導線の第1熱的接続部との間の当該導線の長さは、当該第1熱的接続部と前記冷却容器に対する当該導線の第2熱的接続部との間の当該導線の長さよりも短いことを特徴とする、超電導マグネット装置。 In the superconducting magnet device according to claim 1,
A cooling vessel that contains the superconducting coil and is placed in the vacuum vessel;
The conducting wire is thermally connected to the cooling vessel;
The length of the conducting wire between the electrode and the first thermal connecting portion of the conducting wire with respect to the inner surface of the vacuum vessel is the second thermal connecting portion of the conducting wire with respect to the first thermal connecting portion and the cooling vessel. A superconducting magnet device, characterized in that it is shorter than the length of the conducting wire between.
前記第1熱的接続部においては、電気絶縁テープが直接巻かれた前記導線が、前記真空容器の内面に対して当該電気絶縁テープを介して熱的に接続されていることを特徴とする、超電導マグネット装置。
In the superconducting magnet device according to claim 2,
In the first thermal connection portion, the conductive wire directly wound with an electric insulating tape is thermally connected to the inner surface of the vacuum vessel via the electric insulating tape, Superconducting magnet device.
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