JP2011035216A - Ｒｅ系超電導コイル伝導冷却方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却装置の小型化を図るとともに、冷却効率を向上させることができるＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法及びその装置を提供する。
【解決手段】 ＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法において、ＲＥ系線材で作成される複数個のパンケーキコイルを積層した超電導コイル４を収納したクライオスタット７に１つのパルス管冷凍機１を配置し、このパルス管冷凍機１に接続されるコールドヘッド２によって前記超電導コイル４を伝導冷却する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法及びその装置に係り、特に、パルス管冷凍機によるＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法及びその装置に関するものである。

従来、超電導コイルの冷却は、容器内に冷媒を封入した大がかりな冷却装置を配置して行うようにしている。例えば、高温超電導コイルは、従来の液体ヘリウム温度（４Ｋ）で冷却されてきた超電導コイルに比べてその臨界温度が高いが、液体水素温度（２０Ｋ）、液体窒素温度（７７Ｋ）で冷却されている。また、ビスマス系線材を用いた超電導コイルの場合、熱伝導の良い銀でシースされているため、単に一部を冷却すれば全体が冷却される（下記特許文献１，２参照）。

また、パルス管冷凍機自体のバルブ制御装置については、下記の特許文献３に開示されている。

特許第３３０５５０９号公報 特許第４２３６４０４号公報 特開２００８−２２４１４２号公報

しかしながら、従来の冷却装置を利用した超電導コイルの冷却方法では、冷却装置が大型化するため配置に難があるとともに、冷却効率が低いといった問題があった。特に、ＲＥ系線材を利用した超電導コイルの場合、線材の構造上その冷却効率がさらに低下してしまう。
本発明は、上記状況に鑑みて、冷却装置の小型化を図るとともに冷却効率を向上させることができるＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法において、ＲＥ系線材で作製される複数個のパンケーキコイルを積層した超電導コイルを収納したクライオスタットに１つのパルス管冷凍機を配置し、このパルス管冷凍機に接続されるコールドヘッドによって記超電導コイルを伝導冷却することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法において、前記パルス管冷凍機の本体を、前記超電導コイルを収納した前記クライオスタットの上下方向荷重支持材として併用することを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法において、前記超電導コイルにアルミニウムブロックを埋め込み、このアルミニウムブロックに密着するようにしてアルミニウムプレートで前記超電導コイルを挟み込むことにより、外部から変動磁場のかかる浮上式鉄道の車載超電導磁石として使用する場合にダンピング効果を持たせるようにしたことを特徴とする。

〔４〕ＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、パルス管冷凍機のコールドヘッドと、前記パルス管冷凍機のコールドヘッドに密着させた伝熱アルミニウムプレート又は金属リボン線と、この伝熱アルミニウムプレート又は金属リボン線が密着されるアルミニウムブロックが埋め込まれ、このアルミニウムブロックと密着させたアルミニウムプレートで挟み込まれた超電導コイルとを備え、前記伝熱アルミニウムプレート又は金属リボン線と前記アルミニウムプレートを接続するように配置したことを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記パルス管冷凍機のコールドヘッドをクライオスタットの中央に配置し、接続された前記超電導コイルに、常温部からの伝導による熱負荷をパルス管部分で効率的に吸収できるように配置したことを特徴とする。
〔６〕上記〔４〕又は〔５〕記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記超電導コイルを構成するＲＥ系線材の外周部には銅又はステンレス層が固着されており、前記ＲＥ系線材で作製したパンケーキコイルを複数個積層した前記超電導コイルの最外周部に、熱伝導率が高く柔らかい金属を介して複数個の前記アルミニウムブロックを密着させて樹脂含浸することを特徴とする。

〔７〕上記〔４〕又は〔５〕記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記超電導コイルの上面及び下面に、この超電導コイルと同形状面の前記アルミニウムプレートを、熱伝導率が高く柔らかい金属を介して前記アルミニウムブロックに密着させて固定することを特徴とする。
〔８〕上記〔６〕又は〔７〕記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記熱伝導率が高く柔らかい金属がインジウムであることを特徴とする。

〔９〕上記〔４〕又は〔５〕記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記パルス管冷凍機のＸ方向冷端熱交換部に密着固定させた前記伝熱アルミニウムプレートを、前記超電導コイルの上面及び下面に取り付けられた前記アルミニウムプレートを上下から挟み込むように接続することを特徴とする。
〔１０〕上記〔４〕又は〔５〕記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、熱伝導率の大きい前記金属リボン線を、前記パルス管冷凍機のＹ方向冷端熱交換部に密着固定すると共に、前記超電導コイルの上面及び下面に取り付けられた前記アルミニウムプレートに接続することを特徴とする。

〔１１〕上記〔４〕又は〔５〕記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記金属リボン線がリン脱酸銅からなることを特徴とする。

本発明によれば、ＲＥ系超電導コイルの伝導冷却において、冷却装置の小型化とともに冷却効率の向上を図ることができる。

本発明の実施例を示すＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置の要部斜視図である。 本発明の実施例を示すＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置の正面模式図である。 図２のＡ−Ａ′線断面図である。 図２のＢ−Ｂ′線断面図である。

本発明のＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法は、ＲＥ系線材で作製される複数個のパンケーキコイルを積層した超電導コイルを収納したクライオスタットに１つのパルス管冷凍機を配置し、このパルス管冷凍機に接続されるコールドヘッドによって前記超電導コイルを伝導冷却する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示すＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置の要部斜視図、図２は本発明の実施例を示すＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置の正面模式図、図３は図２のＡ−Ａ′線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ′線断面図である。
これらの図において、１はパルス管冷凍機、１Ａはクライオスタット（後述）の上面に密着するパルス管冷凍機１の上部鍔部、１Ｂはクライオスタットの下面に密着するパルス管冷凍機１の下端、２はパルス管冷凍機１に接続されるコールドヘッド、３Ａは伝熱アルミニウムプレート、３Ｂは金属リボン線、４はレーストラック状のパンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル、５はアルミニウムブロック、６Ａ，６Ｂはパンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４に埋め込まれたアルミニウムブロック５に密着させたアルミニウムプレート、７はパルス管冷凍機１によるパンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置のクライオスタット（極低温を保持する容器）、７Ａはそのクライオスタット７の上面、７Ｂはそのクライオスタット７の下面である。なお、図１及び図２において、Ｘ方向はパンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４の長軸方向、Ｙ方向はパンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４の短軸方向、Ｚ方向はパンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４の厚み方向を示している。

ＲＥ系線材〔希土類元素（ＲＥ：Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ）系線材〕は、保護、固定、安定のため、コイル状にしたものの最外周部には銅あるいはステンレス層（図示なし）が固着される。したがって、このＲＥ系線材で作製したパンケーキコイルを複数個積層してパンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４を構成した場合、樹脂含浸前の超電導コイル全体の外周は銅あるいはステンレス層となる。この超電導コイル４の外周部に、インジウム等の熱伝導率が高く柔らかい金属を介してアルミニウムブロック５を密着させ、この状態でＲＥ系超電導コイルを樹脂含浸する。

このパンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４の上面４Ａ及び下面４Ｂ（超電導コイル４の表／裏）には、その超電導コイル４と同形状面で、渦電流損防止のため１箇所にスリット８が入っているアルミニウムプレート６Ａ，６Ｂを、インジウム等を介してアルミニウムブロック５に密着させ固定する。
伝熱アルミニウムプレート３Ａはパンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４のＸ方向に延びており、この伝熱アルミニウムプレート３Ａを、パルス管冷凍機１のＸ方向冷端熱交換部に密着固定するとともに、パンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４の上面４Ａ及び下面４Ｂに取り付けられたアルミニウムプレート６Ａ，６Ｂを上下から挟み込むように密着固定する。また、金属リボン線３Ｂは熱伝導率の大きい材料（例えば、リン脱酸銅）からなり、パンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４の側面４Ｃに沿ってＸ方向に延びるとともに、パルス管冷凍機１のＹ方向冷端熱交換部に密着固定させる。さらに、超電導コイル４の上面４Ａ及び下面４Ｂに取り付けたアルミニウムプレート６Ａ，６Ｂにも接続させる。

このように構成することで、パルス管冷凍機１のコールドヘッド２に密着させた伝熱アルミニウムプレート３Ａ及び金属リボン線３Ｂを、パンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４に埋め込まれたアルミニウムブロック５に密着させたアルミニウムプレート６Ａ，６Ｂと接続することにより、パルス管冷凍機１によりパンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４を伝導冷却することができる。

この時、励磁されたパンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル４に外部から変動磁場がかかった場合、超電導コイル４の上面４Ａ及び下面４Ｂに固定されたアルミニウムプレート６Ａ，６Ｂによるダンピング効果が期待できる。
また、パルス管冷凍機１の上部鍔部１Ａ及び下端１Ｂをクライオスタット７の上面７Ａ及び下面７Ｂに接続させることにより、クライオスタット７の上下方向荷重支持材とすることができる。

また、パルス管冷凍機のコールドヘッドをクライオスタットの中央に配置し、接続された超電導コイルに、常温部からの伝導による熱負荷をパルス管部分で効率的に吸収できるように配置した。
以上のように構成したので、コンパクトな冷却装置でもって、ＲＥ系超電導コイルの伝導冷却を効率的に実施することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法及びその装置は、超電導コイルを効率的に冷却するためのツールとして利用可能である。

１ パルス管冷凍機
１Ａ パルス管冷凍機の上部鍔部
１Ｂ パルス管冷凍機の下端
２ コールドヘッド
３Ａ 伝熱アルミニウムプレート
３Ｂ 金属リボン線
４ パンケーキ積層ＲＥ系超電導コイル
４Ａ 超電導コイルの上面
４Ｂ 超電導コイルの下面
４Ｃ 超電導コイルの側面
５ アルミニウムブロック
６Ａ，６Ｂ アルミニウムプレート
７ クライオスタット
７Ａ クライオスタットの上面
７Ｂ クライオスタットの下面
８ スリット

Claims (11)

1. ＲＥ系線材で作成される複数個のパンケーキコイルを積層した超電導コイルを収納したクライオスタットに１つのパルス管冷凍機を配置し、該パルス管冷凍機に接続されるコールドヘッドによって前記超電導コイルを伝導冷却することを特徴とするＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法。
2. 請求項１記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法において、前記パルス管冷凍機の本体を、前記超電導コイルを収納した前記クライオスタットの上下方向荷重支持材として併用することを特徴とするＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法。
3. 請求項１記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法において、前記超電導コイルにアルミニウムブロックを埋め込み、このアルミニウムブロックに密着するようにしてアルミニウムプレートで前記超電導コイルを挟み込むことにより、外部から変動磁場のかかる浮上式鉄道の車載超電導磁石として使用する場合にダンピング効果を持たせるようにしたことを特徴とするＲＥ系超電導コイル伝導冷却方法。
4. （ａ）パルス管冷凍機のコールドヘッドと、
   （ｂ）前記パルス管冷凍機のコールドヘッドに密着させた伝熱アルミニウムプレート又は金属リボン線と、
   （ｃ）該伝熱アルミニウムプレート又は金属リボン線が密着されるアルミニウムブロックが埋め込まれ、該アルミニウムブロックと密着させたアルミニウムプレートで挟み込まれた超電導コイルとを備え、
   （ｄ）前記伝熱アルミニウムプレート又は金属リボン線と前記アルミニウムプレートを接続するように配置したことを特徴とするＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置。
5. 請求項４記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記パルス管冷凍機のコールドヘッドをクライオスタットの中央に配置し、その両側の前記超電導コイルに、常温部からの伝導による熱負荷をパルス管部分で効率的に吸収できるように配置したことを特徴とするＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置。
6. 請求項４又は５記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記超電導コイルを構成するＲＥ系線材の外周部には銅又はステンレス層が固着されており、前記ＲＥ系線材で作製したパンケーキコイルを複数個積層した前記超電導コイルの最外周部に、熱伝導率が高く柔らかい金属を介して複数個の前記アルミニウムブロックを密着させて樹脂含浸することを特徴とするＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置。
7. 請求項４又は５記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記超電導コイルの上面及び下面に、該超電導コイルと同形状面の前記アルミニウムプレートを、熱伝導率が高く柔らかい金属を介して前記アルミニウムブロックに密着させて固定することを特徴とするＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置。
8. 請求項６又は７記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記熱伝導率が高く柔らかい金属がインジウムであることを特徴とするＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置。
9. 請求項４又は５記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記パルス管冷凍機のＸ方向冷端熱交換部に密着固定させた前記伝熱アルミニウムプレートを、前記超電導コイルの上面及び下面に取り付けられた前記アルミニウムプレートを上下から挟み込むように接続することを特徴とするＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置。
10. 請求項４又は５記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、熱伝導率の大きい前記金属リボン線を、前記パルス管冷凍機のＹ方向冷端熱交換部に密着固定すると共に、前記超電導コイルの上面及び下面に取り付けられた前記アルミニウムプレートに接続することを特徴とするＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置。
11. 請求項４又は５記載のＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置において、前記金属リボン線がリン脱酸銅からなることを特徴とするＲＥ系超電導コイル伝導冷却装置。