JP2011253873A

JP2011253873A - 超伝導電磁石

Info

Publication number: JP2011253873A
Application number: JP2010125623A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Nakagawa; 修一中川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: JP5481681B2

Abstract

【課題】冷凍機が停止している際の極低温冷媒の蒸発を抑制することができる。
【解決手段】極低温冷媒槽３は、超伝導コイル２を収納し、超伝導コイル２を冷却する液体ヘリウム１を貯液している。熱シールド４は、極低温冷媒槽３を包囲して輻射熱を低減している。真空断熱槽５は、熱シールド４を包囲している。冷凍機取付シリンダ９は、一端が極低温冷媒槽３内で蒸発するヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端が真空断熱槽５に取付けられている。第１配管７は、一端が極低温冷媒槽３内で蒸発するヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端が真空断熱槽５に取付けられている。断熱材１１は、冷凍機の取り外し時に冷凍機取付シリンダ９における冷凍機の挿入部１５内に隙間嵌めに配接されている。第２配管１６は、冷凍機取付シリンダ９と断熱材１１との隙間に連通して、ヘリウムガスを排気するように配接されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、超伝導電磁石に関し、特に、極低温冷凍機を備えた超伝導電磁石に関する。

超電導電磁石は、強力な磁場を発生させる装置であり、超電導コイルを極低温に冷却し、電気抵抗が無い状態において電流が流れる超電導状態にして使用されている。超伝導電磁石を開示した先行文献として、特許文献１から３がある。特許文献１から３に記載された超電導電磁石においては、超電導コイルを冷却するために液体ヘリウムが使用されている。

また、近年では液体ヘリウムを凝縮可能な絶対温度４Ｋ（ケルビン）での冷凍発生を可能とした超電導電磁石を開示した先行文献として、特許文献４がある。特許文献４に記載された超伝導電磁石においては、４Ｋ冷凍機を搭載して液体ヘリウムの蒸発を抑制している。

特開昭６２−１８５３８４号公報特開平９−３１２２１０号公報特開平６−６９０２９号公報特開平１１−１６２７２６号公報

図６は、従来の超伝導電磁石の構成を示す模式図である。図６に示すように、超伝導コイル２が極低温冷媒槽３に収納されている。また、超伝導コイル２を冷却する液体ヘリウム１が極低温冷媒槽３に貯液されている。超伝導コイル２は、液体ヘリウム１に浸漬されている。

極低温冷媒槽３の周囲に輻射熱を低減させる熱シールド４が配置されている。熱シールド４の周囲に真空断熱槽５が配置されている。真空断熱槽５の内部は、高真空に保たれている。

超伝導電磁石には第１配管７が設けられ、第１配管７の一端は極低温冷媒槽３内で蒸発するヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端は真空断熱槽５に取付けられている。第１配管７を用いて、液体ヘリウムの注液、ヘリウムガスの排気、および、超伝導コイル２を励磁するためのリードの取付が行なわれる。

超伝導電磁石には冷凍機取付シリンダ９が設けられ、冷凍機取付シリンダ９の一端は極低温冷媒槽３内で蒸発するヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端は真空断熱槽５に取付けられている。冷凍機取付シリンダ９内に、冷凍機８が挿入固定されている。冷凍機８は、熱シールド４および極低温冷媒槽３を冷却している。

第１配管７には、液体ヘリウム１が蒸発したヘリウムガスを排気させるための逆止弁１０と、超電導コイル２がクエンチ（超電導破壊）した場合に大量に蒸発するヘリウムガスを排気させるための破裂弁６が並列に取り付けられている。破裂弁６は、逆止弁１０よりも高い動作圧力で動作するように設定されている。

上記の構成を有する超電導電磁石においては、輸送時など冷凍機を停止している際に、冷凍機からの熱侵入により液体ヘリウムの蒸発が増加する問題がある。また、上述の先行文献に記載された超伝導電磁石においても、液体ヘリウムの蒸発を抑制するうえで、さらに改良の余地がある。

本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、冷凍機が停止している際の極低温冷媒の蒸発を抑制することができる、超伝導電磁石を提供することを目的とする。

本発明に基づく超伝導電磁石は、超伝導コイルと極低温冷媒槽と熱シールドと真空断熱槽と冷凍機取付シリンダと冷凍機と第１配管と断熱材と第２配管とを備えている。極低温冷媒槽は、超伝導コイルを収納し、超伝導コイルを冷却する極低温冷媒を貯液している。熱シールドは、極低温冷媒槽を包囲して輻射熱を低減している。真空断熱槽は、熱シールドを包囲している。冷凍機取付シリンダは、一端が極低温冷媒槽内で蒸発する極低温冷媒ガスの雰囲気中に臨み、他端が真空断熱槽に取付けられている。冷凍機は、冷凍機取付シリンダ内に挿入され、熱シールドおよび極低温冷媒槽を冷却している。第１配管は、一端が極低温冷媒槽内で蒸発する極低温冷媒ガスの雰囲気中に臨み、他端が真空断熱槽に取付けられ、極低温冷媒を注液および極低温冷媒ガスを排気するために用いられる。断熱材は、冷凍機の取り外し時に冷凍機取付シリンダにおける冷凍機の挿入部内に隙間嵌めに配接されている。第２配管は、冷凍機取付シリンダと断熱材との隙間に連通して、極低温冷媒ガスを排気するように配接されている。

本発明によれば、蒸発した極低温冷媒ガスの顕熱を利用して極低温冷媒槽への熱浸入を妨げることにより、極低温冷媒ガスの蒸発を抑制することができる。

本発明の実施形態１に係る超伝導電磁石における冷凍機の取付時の状態を示す模式図である。同実施形態に係る超伝導電磁石における冷凍機の取外し時の状態を示す模式図である。本発明の実施形態２に係る超伝導電磁石における冷凍機の取外し時の状態を示す模式図である。本発明の実施形態３に係る超伝導電磁石における冷凍機の取外し時の状態を示す模式図である。図４に示すＶ部の拡大図である。従来の超伝導電磁石の構成を示す模式図である。

以下、本発明に基づいた実施形態１における超伝導電磁石について図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰返さない。
実施形態１
図１は、本発明の実施形態１に係る超伝導電磁石における冷凍機の取付時の状態を示す模式図である。図１に示すように、超伝導コイル２が極低温冷媒槽３に収納されている。また、超伝導コイル２を冷却する極低温冷媒である液体ヘリウム１が極低温冷媒槽３に貯液されている。極低温冷媒槽３の材料として、ステンレスを用いた。

超伝導コイル２は、液体ヘリウム１に浸漬されている。超伝導コイル２は、ＮｂＴｉを主材料として形成されている。本実施形態においては、極低温冷媒として液体ヘリウム１を用いたが、超伝導コイル２を超伝導状態にすることができる冷媒であればよく、冷媒の種類は液体ヘリウムに限られず、たとえば、液体窒素でもよい。

極低温冷媒槽３を包囲して輻射熱を低減させる熱シールド４が配置されている。熱シールド４の材料としてはＡｌを用いたが、熱伝導率の大きな材料であればよく、Ｃｕまたはこれらの合金を用いてもよい。熱シールド４は、極低温冷媒槽３と後述する第１配管７と冷凍機取付シリンダ９と熱的に接続されている。

熱シールド４を包囲する真空断熱槽５が配置されている。真空断熱槽５の内部は、高真空に保たれている。真空断熱槽５の材料としてＧＦＲＰ(Glass Fiber Reinforced Plastics)を用いたが、熱伝導率が小さな材料であればよく、材料はこれに限られない。

超伝導電磁石には第１配管７が設けられ、第１配管７の一端は極低温冷媒槽３内で蒸発するヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端は真空断熱槽５に取付けられている。具体的には、極低温冷媒槽３の上部に第１配管７の一端が取り付けられている。また、真空断熱槽５の上部に第１配管７の他端が取付けられている。第１配管７の材料として、ステンレスを用いた。

第１配管７を用いて、液体ヘリウムの注液、ヘリウムガスの排気、および、超伝導コイル２を励磁するためのリードの取付が行なわれる。第１配管７の他端には、超電導コイル２がクエンチした場合に大量に蒸発するヘリウムガスを排気させるための破裂弁６が取り付けられている。本実施形態においては、破裂弁６を第１配管７に取付けたが、後述する冷凍機取付シリンダ９の他端に取付けてもよい。

超伝導電磁石には冷凍機取付シリンダ９が設けられ、冷凍機取付シリンダ９の一端は極低温冷媒槽３内で蒸発するヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端は真空断熱槽５に取付けられている。具体的には、極低温冷媒槽３の上部に冷凍機取付シリンダ９の一端が取り付けられている。また、真空断熱槽５の上部に冷凍機取付シリンダ９の他端が取付けられている。冷凍機取付シリンダ９の材料としては、カーボン繊維強化樹脂(ＣＦＲＰ)を用いた。

冷凍機取付シリンダ９内に、冷凍機８が挿入されている。具体的には、冷凍機取付シリンダ９の他端に、冷凍機８の外形に対応した冷凍機８の挿入部１５が形成されている。冷凍機８は、挿入部１５に挿入された状態において、冷凍機取付シリンダ９の内側面と冷凍機８の外側面との間に隙間ができないように、図示しないＯリングなどにより封止されている。冷凍機８は、熱シールド４および極低温冷媒槽３を冷却している。

図２は、本実施形態に係る超伝導電磁石における冷凍機の取外し時の状態を示す模式図である。図２に示すように、本実施形態においては、超伝導電磁石の輸送時など冷凍機の停止時には、冷凍機８を冷凍機取付シリンダ９の挿入部１５から取外している。

冷凍機８を取外した後の挿入部１５には、断熱材１１が挿入される。断熱材１１の外形は、冷凍機８の挿入部１５に挿入される部分の外形と略同じ形状を有している。ただし、断熱材１１の外形は、冷凍機８の外形に比較して僅かに小さくなるように形成されている。本実施形態においては、断熱材１１の材料としてＣＦＲＰを用いたが、熱伝導率の小さな材料であればよく、材料はこれに限られない。

断熱材１１を挿入部１５に挿入した状態において、断熱材１１と冷凍機取付シリンダ９との間に隙間が形成されている。言い換えると、断熱材１１は、冷凍機取付シリンダ９における冷凍機８の挿入部１５内に隙間嵌めにされる。

冷凍機取付シリンダ９の他端に、第２配管１６が接続されている。第２配管１６は、冷凍機取付シリンダ９と断熱材１１との隙間に連通している。第２配管１６には、液体ヘリウム１が蒸発したヘリウムガスを排気させるための逆止弁１０が取付けられている。第２配管の材料としては、ステンレスを用いた。逆止弁１０は、破裂弁６よりも低い動作圧力で動作するように設定されている。

上記の構成にすることにより、冷凍機８の取外し時に蒸発したヘリウムガスは、冷凍機取付シリンダ９の挿入部１５と断熱材１１との隙間を通過して、第２配管１６から排気される。そのため、ヘリウムガスの顕熱により冷凍機取付シリンダ９を冷却して、極低温冷媒槽３内への熱浸入を抑制することができる。その結果、液体ヘリウム１の蒸発を抑制することができる。

本実施形態の超伝導電磁石においては、冷凍機８の取外し時に蒸発したヘリウムガスの顕熱を利用することにより、その後に蒸発する液体ヘリウムの量を低減することができる。よって、冷凍機８が停止している間の液体ヘリウムの蒸発を抑制することができる。

また、第２配管１６に設けた逆止弁１０によって、外部の空気が冷凍機取付シリンダ９の挿入部１５に流入して凍結することによる挿入部１５と断熱材１１との隙間の閉塞を防止することができる。仮に、挿入部１５と断熱材１１との隙間が閉塞した場合、第１配管７に破裂弁６が取り付けられているため、蒸発したヘリウムガスの排気が可能にされており、安全性が確保されている。

以下、本発明に基づいた実施形態２における超伝導電磁石について図を参照して説明する。
実施形態２
図３は、本発明の実施形態２に係る超伝導電磁石における冷凍機の取外し時の状態を示す模式図である。図３に示すように、本発明の実施形態２に係る超伝導電磁石においては、第２配管１６が、第１配管７の他端と接続されている。具体的には、第２配管１６の一部が、真空断熱槽５に取付けられた第１配管７の端部と接続されている。また、第２配管１６に逆止弁１０および破裂弁６が取付けられている。他の構成については、実施形態１と同様であるため説明を繰返さない。

上記の構成により、冷凍機８を取外し時に蒸発したヘリウムガスは、挿入部１５と断熱材１１との隙間、および、第１配管７を通過して第２配管１６から排気される。そのため、ヘリウムガスの顕熱により冷凍機取付シリンダ９および第１配管７を冷却して、極低温冷媒槽３内への熱浸入を抑制することができる。その結果、冷凍機８が停止している間の液体ヘリウム１の蒸発を抑制することができる。

以下、本発明に基づいた実施形態３における超伝導電磁石について図を参照して説明する。
実施形態３
図４は、本発明の実施形態３に係る超伝導電磁石における冷凍機の取外し時の状態を示す模式図である。図５は、図４に示すＶ部の拡大図である。図４，５に示すように、本発明の実施形態３に係る超伝導電磁石においては、断熱材１２の挿入部１５との嵌合部にらせん状の溝部１３が形成されている。

断熱材１２の外側面と挿入部１５における冷凍機取付シリンダ９の内側面とは接触している。そのため、ヘリウムガスは、冷凍機取付シリンダ９と断熱材１２との隙間１４を溝部１３に沿って通過して、第２配管１６から排気される。このように、溝部１３によって、ヘリウムガスの流路が形成されている。その他の構成については、実施形態１と同様であるため説明を繰返さない。なお、実施形態２と同様に、第２配管１６が、第１配管７の他端に接続されていてもよい。

上記の構成により、断熱材１２と冷凍機取付シリンダ９との熱接触を確保しつつ、排気されるヘリウムガスの流路を長くすることができるため、ヘリウムガスの顕熱により効率よく断熱材１２および冷凍機取付シリンダ９を冷却することができる。よって、極低温冷媒槽３内への熱浸入を抑制することができる。その結果、冷凍機８が停止している間の液体ヘリウム１の蒸発を抑制することができる。なお、溝部１３の形状はらせん状に限られず、ヘリウムガスの流路を確保しつつ、流路を長くすることができるものであればよい。

なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１液体ヘリウム、２超電導コイル、３超低温冷媒槽、４熱シールド、５真空断熱槽、６破裂弁、７第１配管、８冷凍機、９冷凍機取付シリンダ、１０逆止弁、１１，１２断熱材、１３溝部、１４隙間、１５挿入部、１６第２配管。

Claims

超伝導コイルと、
前記超伝導コイルを収納し、前記超伝導コイルを冷却する極低温冷媒を貯液する極低温冷媒槽と、
前記極低温冷媒槽を包囲して輻射熱を低減させる熱シールドと、
前記熱シールドを包囲する真空断熱槽と、
一端が前記極低温冷媒槽内で蒸発する極低温冷媒ガスの雰囲気中に臨み、他端が前記真空断熱槽に取付けられた冷凍機取付シリンダと、
前記冷凍機取付シリンダ内に挿入され、前記熱シールドおよび前記極低温冷媒槽を冷却する冷凍機と、
一端が前記極低温冷媒槽内で蒸発する極低温冷媒ガスの雰囲気中に臨み、他端が前記真空断熱槽に取付けられ、極低温冷媒を注液および極低温冷媒ガスを排気するための第１配管と
を備え、
前記冷凍機の取外し時に前記冷凍機取付シリンダにおける前記冷凍機の挿入部内に隙間嵌めにされる断熱材が配接され、
前記冷凍機取付シリンダと前記断熱材との隙間に連通して、極低温冷媒ガスを排気する第２配管が配接されている、超伝導電磁石。
前記第２配管は前記第１配管の前記他端と接続されている、請求項１に記載の超伝導電磁石。
前記断熱材の前記挿入部との嵌合部にらせん状の溝部が形成されている、請求項１または２に記載の超伝導電磁石。