JP2013065659A - Conduction cooling type superconductive magnet device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二段式冷凍機を具備してなる伝導冷却型超電導マグネット装置に関する。 The present invention relates to a conduction cooling superconducting magnet apparatus including a two-stage refrigerator.
液体ヘリウムを用いずに冷凍機で超電導マグネットを冷却し運転できる伝導冷却型超電導マグネット装置が実用化されている。この伝導冷却型超電導マグネット装置は、例えば特許文献1に記載されている。 A conduction-cooled superconducting magnet device that can cool and operate a superconducting magnet with a refrigerator without using liquid helium has been put into practical use. This conduction cooling type superconducting magnet device is described in, for example, Patent Document 1.
特許文献1に記載されているように、伝導冷却型超電導マグネット装置では、超電導マグネットへの電流供給経路に酸化物超電導電流リードを挿むことによって、外部からの熱侵入を遮断し、通電に伴う自己発熱も避けることが可能となっている。 As described in Patent Document 1, in a conduction-cooled superconducting magnet device, an oxide superconducting current lead is inserted into a current supply path to the superconducting magnet to block heat intrusion from the outside and accompany energization. It is possible to avoid self-heating.
伝導冷却型超電導マグネット装置において、冷却運転中の冷凍機が停止すると、装置内の各部の温度上昇が始まり、酸化物超電導電流リードはやがて超電導状態でなくなり高抵抗状態に遷移する。高抵抗状態に遷移した酸化物超電導電流リードに電源から電流が供給され続けると、酸化物超電導電流リードは発熱して焼損してしまう。 In the conduction-cooling superconducting magnet device, when the refrigerator during the cooling operation stops, the temperature of each part in the device starts to rise, and the oxide superconducting current lead eventually ceases to be in the superconducting state and transitions to the high resistance state. If current continues to be supplied from the power source to the oxide superconducting current lead that has transitioned to the high resistance state, the oxide superconducting current lead generates heat and burns out.
また、超電導マグネット(本体コイル)がクエンチしたにもかかわらず電源遮断が遅れ、酸化物超電導電流リードに電源から電流が供給され続けると、酸化物超電導電流リードが高抵抗状態に遷移して発熱・焼損してしまう。 In addition, even if the superconducting magnet (main body coil) is quenched, if the power supply is delayed, and the current continues to be supplied from the power source to the oxide superconducting current lead, the oxide superconducting current lead changes to a high resistance state and generates heat. It will burn out.
また、システムシーケンスの不備で電源の遮断ミスが発生すると、酸化物超電導電流リードは確実に焼損してしまう。 In addition, if a power supply interruption error occurs due to an incomplete system sequence, the oxide superconducting current lead is surely burned out.
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、電源、冷凍機などに不良が発生したとしても、酸化物超電導電流リードを自立的に保護できる構造を備えた伝導冷却型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 conductive cooling provided with a structure capable of autonomously protecting an oxide superconducting current lead even if a failure occurs in a power supply, a refrigerator, or the like. Type superconducting magnet device.
本発明は、超電導マグネットと、前記超電導マグネットを収容する冷却容器と、前記冷却容器を収容する真空容器と、前記真空容器に取り付けられた二段式冷凍機と、前記冷却容器の内部であって、前記二段式冷凍機の第1冷却ステージと当該第1冷却ステージよりも温度が低くなる前記二段式冷凍機の第2冷却ステージとの間に配置された、前記超電導マグネットに電流を導入するための酸化物超電導電流リードと、を備える伝導冷却型超電導マグネット装置において、前記酸化物超電導電流リードを保護するためのダイオードが当該酸化物超電導電流リードに並列に接続されていることを特徴とする。 The present invention includes a superconducting magnet, a cooling container containing the superconducting magnet, a vacuum container containing the cooling container, a two-stage refrigerator attached to the vacuum container, and the inside of the cooling container. Introducing an electric current into the superconducting magnet disposed between the first cooling stage of the two-stage refrigerator and the second cooling stage of the two-stage refrigerator whose temperature is lower than that of the first cooling stage. A conductive cooling type superconducting magnet device comprising: an oxide superconducting current lead; and a diode for protecting the oxide superconducting current lead connected in parallel to the oxide superconducting current lead. To do.
本発明の伝導冷却型超電導マグネット装置によれば、電源、冷凍機などに不良が発生したとしても、当該装置を構成する酸化物超電導電流リードは自立的に保護される。 According to the conduction cooling type superconducting magnet apparatus of the present invention, even if a failure occurs in a power supply, a refrigerator, etc., the oxide superconducting current lead constituting the apparatus is independently protected.
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, embodiments 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伝導冷却型超電導マグネット装置1(以下、「超電導マグネット装置1」と呼ぶ)を示す一部断面図である。図1に示すように、超電導マグネット装置1は、超電導マグネット19と、超電導マグネット19を収容する輻射シールド4(冷却容器)と、超電導マグネット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 view showing a conduction-cooling superconducting magnet device 1 (hereinafter referred to as “superconducting magnet device 1”) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the superconducting magnet device 1 includes a
(超電導マグネット)
超電導マグネット19は、巻枠9と、巻枠9に超電導線材が螺旋状に巻回されてなる超電導コイル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。超電導コイル2を構成する超電導線材は、ニオブ・スズ(Nb3Sn)超電導線材、ニオブ・チタン(NbTi)超電導線材などである。
(Superconducting magnet)
The
(真空容器)
真空容器5は、その内部を高真空に保持され、超電導マグネット19や輻射シールド4への熱侵入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。また、真空容器5の外面は常温(300K程度)にさらされる。
(Vacuum container)
The
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、これら電極ピン8には、超電導コイル2を励磁するための励磁電源50(図2参照)が接続される。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 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(二段式冷凍機)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(第1冷却ステージ)が設けられ、第2シリンダ11bの下端部には第1冷却端部12aよりも温度が低くなる第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)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とされている。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16(伝熱プレート)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16は、超電導マグネット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および超電導マグネット19をそれぞれ約40Kおよび約4Kに冷却するものである。なお、熱的に接続されるとは、熱は伝導するが電気は絶縁状態(電気は流れない状態)で接続されることをいう。
(refrigerator)
The
(電流リード)
電極ピン8と超電導コイル2とは、筒状または平板状の酸化物超電導電流リード7(以下、「酸化物電流リード7」と呼ぶ)を介して導線10、14、15、6で結線されている。導線10、14、15は、電極ピン8と酸化物電流リード7とを接続する高温側の電流リード線であって、輻射シールド4の外部に導線10が配置され、輻射シールド4の内部に導線14、15が配置されている。導線6は、酸化物電流リード7と超電導コイル2とを接続する低温側の電流リード線であって、通常、超電導コイル2を構成している超電導線の延長である。また、導線10、15は、銅線であり、導線14は、高温超電導材料(酸化物超電導材料)からなるHTS線である。導線14(HTS線)の金属部分の断面積と導線15の金属部分の断面積との和は、導線10の金属部分の断面積よりも小さい。
(Current lead)
The
酸化物電流リード7は、超電導マグネット19への熱侵入を抑制しつつ超電導マグネット19に電流を導入するための電流リード体であって、Bi系(ビスマス系)、Y系(イットリウム系)といった高温超電導材料(酸化物超電導材料)からなる。励磁電源50から一方の酸化物電流リード7を介して超電導マグネット19へ電流が流れ、超電導マグネット19から他方の酸化物電流リード7を介して励磁電源50へ電流が戻る。酸化物電流リード7は、輻射シールド4の内部であって、冷凍機3の第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)と第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)との間に配置されている。
The oxide
高温側の電流リード線である導線10、14、15は、プレート4bを介して第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)に熱的に接続されている。電極ピン8とプレート4bとの間は導線10のみとされ、プレート4bと酸化物電流リード7との間は、導線14、15の2本とされている。また、導線14(HTS線)は、導線15(銅線)に沿わされている。また、低温側の電流リード線である導線6(超電導コイル2を構成している超電導線の延長)は、伝熱部材16を介して第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)に熱的に接続されている。
The conducting
ここで、酸化物電流リード7に接続する高温側の導線10、14、15のうち、導線10の端部分は、その部分自体が渦巻き状に巻かれた(まるめられた)状態で、プレート4bの上に電気絶縁状態で載置されている。すなわち、導線10の一部は、巻かれた状態でプレート4bを介して冷凍機3の第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)に熱的に接続されている。なお、必ずしも、導線10の一部が巻かれた状態で第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)に熱的に接続されている必要はなく、電極ピン8とプレート4bとの間を導線10で単に接続してもよい。なお、導線10とプレート4bとは電気絶縁状態で接続される。
Here, of the high-
変形例として、輻射シールド4内に配置されている導線14、15の端部分(酸化物電流リード7とは反対側)を渦巻き状に巻いて(まるめて)プレート4bの仮面に固定してもよい。なお、導線14、15とプレート4bとは電気絶縁状態で固定される。
As a modification, the end portions (on the side opposite to the oxide current lead 7) of the
また、酸化物電流リード7には、当該酸化物電流リード7を焼損などから保護するためのダイオード13が酸化物電流リード7に並列に接続されている。ダイオード13は、その通電電圧が0.2V以下の低電圧に設定されているものが好ましい。なお、通電電圧の下限は、例えば、0.02V(20mV)程度である。
Further, a
また、酸化物電流リード7およびダイオード13は、冷凍機3の第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)よりも第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)に熱的に近い位置に配置されている。具体的には、ダイオード13が並列に接続された酸化物電流リード7の低温側端部が、伝熱部材16に接触させられることで、酸化物電流リード7およびダイオード13は、伝熱部材16を介して第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)に熱的に接続されている。酸化物電流リード7の高温側端部と輻射シールド4のプレート4bとの間は、一定距離、離間させられている。
Further, the oxide
本実施形態では、酸化物電流リード7の高温側端部および低温側端部にダイオード13の両端部を接続することで、酸化物電流リード7にダイオード13を並列に接続しているが、ダイオード13の一方の端部を導線14、15に直接接続するとともに、他方の端部を導線6に直接接続することで、酸化物電流リード7にダイオード13を並列に接続してもよい。このように接続すれば、ダイオード13のみを、冷凍機3の第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)よりも第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)に熱的に近い位置に配置することができる。このようにして、冷凍機3の第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)よりも第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)に熱的に近い位置にダイオード13のみを配置し、それ自体で熱侵入防止機能を有する酸化物電流リード7を、例えば、第1冷却端部12aと第2冷却端部12bとの間の中間位置などに配置してもよい。
In this embodiment, the
なお、第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)よりも第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)に「熱的に近い」位置に配置されるとは、第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)からの熱伝達効率よりも第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)からの熱伝達効率のほうが高い状態に配置されることをいう。例えば、ダイオード13が、第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)よりも第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)に「熱的に近い」位置に配置されるとは、第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)からの熱伝達効率よりも第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)からの熱伝達効率のほうが高い状態にダイオード13が配置されることをいう。
It should be noted that the arrangement of the
本実施形態では、ダイオード13は、酸化物電流リード7の低温側端部・伝熱部材16を介して第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)に熱的に接続されているとともに、ダイオード13と第2冷却ステージとの間の距離が、ダイオード13と第1冷却ステージとの間の距離よりも短くされている。ダイオード13が、第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)よりも第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)に「熱的に近い」位置に配置されるとは、ダイオード13が、第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)よりも第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)に距離が近いことだけをもって決まるものではない。
In the present embodiment, the
図2に、酸化物電流リード7まわりの電気回路図を示している。図2では、3つの超電導コイル2a〜2cとしているが、3つの超電導コイル2a〜2cとする必要は必ずしもない。超電導コイル2a〜2cに対して、それぞれ、ダイオード17が並列に接続されているとともに、酸化物電流リード7にもダイオード13が並列に接続されている、という状態を図2の電気回路図で示している。
FIG. 2 shows an electrical circuit diagram around the oxide
(作用・効果)
電源(励磁電源50)、冷凍機3などに不良が発生し、超電導マグネット装置1内の各部の温度が上昇して、酸化物電流リード7の超電導状態が消失したとする。このとき、保護素子であるダイオード13が酸化物電流リード7に並列に接続されているため、温度上昇で酸化物電流リード7が高抵抗状態に遷移すると、酸化物電流リード7に流れていた電流がダイオード13にバイパスして流れることにより、酸化物電流リード7の焼損が防止される。すなわち、電源、冷凍機などに不良が発生したとしても、酸化物電流リード7は自立的に保護される。
(Action / Effect)
It is assumed that a failure occurs in the power source (excitation power source 50), the
ここで、ダイオード13の通電電圧が0.2V以下の低電圧に設定されていれば、より確実に、酸化物電流リード7の焼損は防止される。
Here, if the energization voltage of the
なお、保護素子であるダイオード13が、冷凍機3の第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)よりも第2冷却端部12b(第2冷却ステージ)に熱的に近い位置に配置されていることで、ダイオード13を酸化物電流リード7に並列に接続したとしても、ダイオード両端間の温度差が小さくなり、ダイオード13を介しての超電導コイル2への熱侵入を抑制することができ、超電導マグネット19の運転不調・クエンチなどを抑制できる。
In addition, the
さらに、本実施形態では、導線10の一部が、巻かれた状態でプレート4bを介して第1冷却端部12a(第1冷却ステージ)に熱的に接続されている。導線10の一部が第1冷却ステージに熱的に接続されていることで、導線10は第1冷却ステージにより冷却される。また、第1冷却ステージに熱的に接続されている部分が巻かれているので、プレート4bを介した第1冷却ステージとの熱的接触面積が大きくなり導線10はより冷却される。その結果、超電導コイル2への熱侵入をより抑制することができている。
Furthermore, in this embodiment, a part of the
(変形例)
図3は、図1に示した超電導マグネット装置1の変形例を示す一部断面図である。図1に示した超電導マグネット装置1と、図3に示す超電導マグネット装置101との相違点は、超電導マグネット装置101においては、プレート4bと酸化物電流リード7との間の導線が、1個の酸化物電流リード7に対して、1本の導線14(HTS線)とされていることである。
(Modification)
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a modification of the superconducting magnet device 1 shown in FIG. The superconducting magnet device 1 shown in FIG. 1 is different from the
導線14がBi系(ビスマス系)の高温超電導材料(酸化物超電導材料)で製作されている場合には、例えば、本変形例のように、1個の酸化物電流リード7に対して、1本の導線14(HTS線)で接続することが可能である。これは、Bi系の場合は銀被覆の内部に高温超電導材料を包み込む構造となっているため、銀被覆が内部の超電導状態消失時の電流バイパスとなりうるためである。一方、Y系を導線14に用いる場合には、構造上バイパス機能を備えていないため、15の銅線を添わせることが必要である(図1参照)。尚、通常は酸化物超電導体が通電電流のほぼ全てを担うため、14と15の金属部分の断面積の和は、通常の銅線だけの導線に比較して大幅に小さくすることができる。(10%以下)。従って、導線14(HTS線)と導線15経由での熱侵入を抑制することができる。すなわち、酸化物電流リード7に接続する高温側の導線のうちの少なくとも一部の導線が、酸化物超電導材料で形成されることで(HTS線とされることで)、超電導コイル2への熱侵入をさらに抑制することができる。
When 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. .
1:伝導冷却型超電導マグネット装置
2:超電導コイル
3:冷凍機(二段式冷凍機)
4:輻射シールド(冷却容器)
5:真空容器
7:酸化物超電導電流リード
12a:第1冷却端部(第1冷却ステージ)
12b:第2冷却端部(第2冷却ステージ)
13:ダイオード
19:超電導マグネット
1: Conduction-cooled superconducting magnet device 2: Superconducting coil 3: Refrigerator (two-stage refrigerator)
4: Radiation shield (cooling container)
5: Vacuum container 7: Oxide superconducting
12b: second cooling end (second cooling stage)
13: Diode 19: Superconducting magnet
Claims (5)
前記超電導マグネットを収容する冷却容器と、
前記冷却容器を収容する真空容器と、
前記真空容器に取り付けられた二段式冷凍機と、
前記冷却容器の内部であって、前記二段式冷凍機の第1冷却ステージと当該第1冷却ステージよりも温度が低くなる前記二段式冷凍機の第2冷却ステージとの間に配置された、前記超電導マグネットに電流を導入するための酸化物超電導電流リードと、
を備える伝導冷却型超電導マグネット装置において、
前記酸化物超電導電流リードを保護するためのダイオードが当該酸化物超電導電流リードに並列に接続されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。 A superconducting magnet,
A cooling container containing the superconducting magnet;
A vacuum vessel that houses the cooling vessel;
A two-stage refrigerator attached to the vacuum vessel;
The cooling vessel is disposed between the first cooling stage of the two-stage refrigerator and the second cooling stage of the two-stage refrigerator having a temperature lower than that of the first cooling stage. An oxide superconducting current lead for introducing current into the superconducting magnet;
In a conduction cooling type superconducting magnet device comprising:
A conduction cooled superconducting magnet device, wherein a diode for protecting the oxide superconducting current lead is connected in parallel to the oxide superconducting current lead.
前記ダイオードが、前記第1冷却ステージよりも前記第2冷却ステージに熱的に近い位置に配置されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。 In the conduction cooling type superconducting magnet device according to claim 1,
The conduction-cooling superconducting magnet apparatus, wherein the diode is disposed at a position that is closer to the second cooling stage than the first cooling stage.
前記酸化物超電導電流リードに接続する高温側の導線の一部が、巻かれた状態で前記第1冷却ステージに熱的に接続されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。 In the conduction cooling type superconducting magnet apparatus according to claim 1 or 2,
A conduction cooling type superconducting magnet apparatus, wherein a part of a high temperature side conductor connected to the oxide superconducting current lead is thermally connected to the first cooling stage in a wound state.
前記酸化物超電導電流リードに接続する高温側の導線のうちの少なくとも一部の導線が酸化物超電導材料で形成されていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。 In the conduction cooling type superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 3,
A conduction cooled superconducting magnet device, wherein at least a part of the high-temperature-side conducting wire connected to the oxide superconducting current lead is made of an oxide superconducting material.
前記ダイオードは、通電電圧が0.2V以下とされていることを特徴とする、伝導冷却型超電導マグネット装置。 In the conduction cooling type superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 4,
The diode is a conduction-cooling superconducting magnet device, wherein an energization voltage is 0.2 V or less.
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