JP2013207018A - 超電導コイル冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイル冷却システムにおいて、何らかの不具合で極低温冷凍機が停止した場合に一定時間だけでも超電導コイルの温度を運転可能温度以下に保持する。
【解決手段】超電導コイル冷却システムは、真空容器７に収納した超電導コイル１を極低温冷凍機２により伝導冷却するものであり、極低温冷凍機２は、輻射遮蔽層用伝熱部材５から輻射遮蔽層４および樹脂層３を介して超電導コイル１を冷却することにより、超電導コイル１の温度を運転可能温度以下に保持する。一方、何らかの不具合で極低温冷凍機２が停止した場合、超電導コイル１と極低温冷凍機２とを熱的に直接接続する伝熱経路を設けていないため、直ちに極低温冷凍機２から超電導コイル１に高熱が侵入しない。これにより、一定時間だけでも超電導コイル１の温度を運転可能温度以下に保持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空容器に収納した超電導コイルを極低温冷凍機により伝導冷却する超電導コイル冷却システムに関する。

一般に、超電導コイルは極低温に冷却する必要があり、液体ヘリウムなどの寒剤や極低温冷凍機で冷却されている。そのため、冷却コストが高く、適用機器が限定される要因の一つになっている。

近年、従来の金属系超電導材よりも高い温度で超電導になる高温超電導材が注目されている。高温超電導材では冷却温度が高いため、冷却コストが安くなるメリットがある。この高温超電導材を用いた高温超電導コイルでは冷却温度が２０〜４０Ｋ程度で利用されるが、この温度域で適当な寒剤が無いため、伝導冷却が主流である。

伝導冷却では液体ヘリウム容器等が不要であるため、冷却系の構成が簡素化できるというメリットがある。また、構成の簡素化により低コストになるというメリットもある。特に、第二世代のＲＥ系超電導コイルでは冷却温度が３０Ｋ以上でも実用的な利用が可能である。そのため、超電導コイル冷却システムにおいて、極低温冷凍機として２段冷凍機を用いた構成から１段冷凍機を用いた構成にすることで、さらに簡素化が可能となる（例えば特許文献１参照）。

図５は、従来の超電導コイル冷却システムとして、特許文献１に記載された超電導コイル冷却システムの構成を示す立面図である。

従来の超電導コイル冷却システムは、超電導コイル１と、極低温冷凍機２と、超電導コイル１と極低温冷凍機２とを熱的に接続するコイル用伝熱部材１０９と、超電導コイル１の周囲を覆う樹脂層３と、樹脂層３の周囲を覆う輻射遮蔽層４と、これらを収容する真空容器７と、真空容器７内で輻射遮蔽層４を支持する支持部材６と、電流を供給するための電流導入端子８Ａと、超電導コイル１と電流導入端子８Ａとを電気的に接続する電流リード８Ｂとを具備している。

極低温冷凍機２は電流リード８Ｂを冷却する。さらに、極低温冷凍機２は、コイル用伝熱部材１０９を介して超電導コイル１を冷却することにより、超電導コイル１と極低温冷凍機２との温度差を小さくする。

特開２０１１−２３７０２号公報

従来の超電導コイル冷却システムでは、超電導コイル１と極低温冷凍機２とがコイル用伝熱部材１０９により熱的に接続されているため、何らかの不具合で極低温冷凍機２が停止した場合に超電導コイル１の温度が上昇し、超電導コイル１がクエンチする問題があった。ここで、極低温冷凍機２が停止した場合には超電導コイル１が冷却されない上に、極低温冷凍機２からの大きな熱侵入が付加され、コイル温度が急激に上昇し、超電導コイル１が短時間でクエンチする。超電導コイル１がクエンチした場合、超電導コイル１の温度が大幅に上昇し、再冷却に時間がかかる上に、最悪の場合には超電導コイル１が焼損する可能性もある。

ところで、極低温冷凍機２が停止しても一定時間の余裕があれば、超電導コイル１の通電電流を下げることにより、超電導コイル１のクエンチを回避できる。そのため、超電導コイル１の温度上昇を遅くし、極低温冷凍機２の停止後も一定時間だけでも超電導コイル１の温度を運転可能温度以下に保持できる機構が望まれる。

また、一定時間の余裕があれば、これを利用して超電導コイル１の運用を続けることで、メリットがある場合もある。

極低温冷凍機２の停止後も超電導コイル１の温度を運転可能温度以下に保持する方法としては、超電導コイル１の熱容量を増やすことが考えられる。しかし、この場合には、超電導コイル１の初期冷却時間が長くなる問題や、超電導コイル１が重くなるといった問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、何らかの不具合で極低温冷凍機が停止した場合に一定時間だけでも超電導コイルの温度を運転可能温度以下に保持することにある。

本発明に係る超電導コイル冷却システムは、真空容器に収納した超電導コイルを冷凍機により伝導冷却する超電導コイル冷却システムにおいて、前記超電導コイルの周囲を覆う樹脂層と、前記樹脂層の周囲を覆う輻射遮蔽層と、前記輻射遮蔽層と前記冷凍機とを熱的に接続する輻射遮蔽層用伝熱手段と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、何らかの不具合で極低温冷凍機が停止した場合に一定時間だけでも超電導コイルの温度を運転可能温度以下に保持することができる。

本発明の第１実施形態に係る超電導コイル冷却システムの構成を示す立面図である。 本発明の第２実施形態に係る超電導コイル冷却システムの構成を示す立面図である。 本発明の第３実施形態に係る超電導コイル冷却システムの構成を示す立面図である。 図１〜図３の樹脂層３の構成を示す傾視図である。 従来の超電導コイル冷却システムの構成を示す立面図である。

以下、本発明に係る超電導コイル冷却システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る超電導コイル冷却システムの構成を示す立面図である。

第１実施形態に係る超電導コイル冷却システムは、超電導コイル１と、極低温冷凍機２と、樹脂層３と、輻射遮蔽層４と、輻射遮蔽層用伝熱部材５と、支持部材６と、真空容器７と、電流導入端子８Ａと、電流リード８Ｂとを具備している。

真空容器７は、内部が真空の状態に保たれ、超電導コイル１、極低温冷凍機２、樹脂層３、輻射遮蔽層４、輻射遮蔽層用伝熱部材５、支持部材６および電流リード８Ｂを収容する容器である。電流導入端子８Ａは真空容器７外に設けられている。

超電導コイル１の形状は円筒形状であり、図１に示した超電導コイル１は、その断面部分を示している。

電流リード８Ｂは、その一端が超電導コイル１に接続され、その他端が電流導入端子８Ａに接続されている。これにより、電流リード８Ｂは、超電導コイル１と電流導入端子８Ａとを電気的に接続する。電流導入端子８Ａから電流が導入され、その電流は電流リード８Ｂを介して超電導コイル１に供給される。

樹脂層３は、超電導コイル１の周囲を覆うように設けられている。樹脂層３は、超電導コイル１を機械的に支持する機能と、一定以上の大きな熱抵抗を有する断熱材としての機能とを兼ね備えている。樹脂層３としては、樹脂または繊維強化プラスチック（たとえばエポキシ樹脂）を含む材料により構成されていることが望ましい。

輻射遮蔽層４は、樹脂層３の周囲を覆うように設けられている。輻射遮蔽層４は、真空容器７内における超電導コイル１への輻射を遮蔽する。輻射遮蔽層４としては、アルミニウム、または、アルミニウムと繊維強化プラスチックとを厚さ方向に複合した材料により構成され、そのアルミニウム材料が高純度（純度が９９％以上）のものであることが望ましい。

支持部材６は、その一端が真空容器７に取り付けられ、その他端が輻射遮蔽層４に取り付けられる。これにより、支持部材６は、真空容器７内で輻射遮蔽層４を支持する。

輻射遮蔽層用伝熱部材５は、その一端が輻射遮蔽層４に接続され、その他端が極低温冷凍機２に接続されている。これにより、輻射遮蔽層用伝熱部材５は、輻射遮蔽層４と極低温冷凍機２とを熱的に接続する。輻射遮蔽層用伝熱部材５としては、アルミニウム材料が熱伝導の方向に対して直交する方向に積層された伝熱部材であり、そのアルミニウム材料が高純度（純度が９９％以上）のものであることが望ましい。

極低温冷凍機２は、極低温の寒冷を生成する冷凍機である。極低温冷凍機２は電流リード８Ｂを直接冷却する。さらに、極低温冷凍機２は、輻射遮蔽層用伝熱部材５から輻射遮蔽層４および樹脂層３を介して超電導コイル１を冷却する。

第１実施形態に係る超電導コイル冷却システムの作用について説明する。

まず、極低温冷凍機２が動作している場合について説明する。

真空容器７内から超電導コイル１への輻射熱侵入、および、支持部材６から超電導コイル１への熱伝導については、輻射遮蔽層４により遮断される。また、電流リード８Ｂから超電導コイル１への熱侵入については、極低温冷凍機２が電流リード８Ｂを直接冷却することにより遮断される。

このように、超電導コイル１の熱負荷は超電導コイル１自身の微小な発熱のみである。このため、極低温冷凍機２が輻射遮蔽層用伝熱部材５から輻射遮蔽層４および樹脂層３を介して超電導コイル１を冷却することにより、超電導コイル１の温度を運転可能温度以下に保持することができる。

次に、何らかの不具合で極低温冷凍機２が停止した場合について説明する。

極低温冷凍機２が停止した場合、極低温冷凍機２から輻射遮蔽層４に対して高熱が侵入することにより、輻射遮蔽層４の温度が上昇する。このとき、輻射遮蔽層４と超電導コイル１との間には樹脂層３が設けられているため、直ちに超電導コイル１に高熱が侵入しない。しかし、輻射遮蔽層４の温度がある程度上昇したとき、極低温冷凍機２から輻射遮蔽層４および樹脂層３を介して超電導コイル１に高熱が侵入する。

ここで、従来の超電導コイル冷却システムでは、超電導コイル１と極低温冷凍機２とを熱的に接続する伝熱経路（図５のコイル用伝熱部材１０９参照）があるため、極低温冷凍機２が停止した場合に直ちに極低温冷凍機２から超電導コイル１に高熱が侵入する。

一方、第１実施形態に係る超電導コイル冷却システムでは、超電導コイル１と極低温冷凍機２とを直接接続する伝熱経路を設けていないため、極低温冷凍機２が停止した場合に直ちに極低温冷凍機２から超電導コイル１に高熱が侵入しない。これにより、一定時間だけでも超電導コイル１の温度を運転可能温度以下に保持することができる。

その一定時間としては、熱負荷、各伝熱経路の熱抵抗、各部の熱容量により、たとえば１時間程度に設定してもよい。これは、超電導コイル１の電流を下げるのに十分な時間であり、運用メリットも大きい。

以上の説明により、第１実施形態に係る超電導コイル冷却システムによれば、何らかの不具合で極低温冷凍機２が停止した場合に一定時間だけでも超電導コイル１の温度を運転可能温度以下に保持することができる。

なお、第１実施形態に係る超電導コイル冷却システムでは、輻射遮蔽層４と極低温冷凍機２とを熱的に接続する輻射遮蔽層用伝熱部材５として、アルミニウム材料が積層された伝熱部材を用いているが、冷却ガス循環系の伝熱部材、具体的には、極低温冷凍機２の冷却ガスをヒートパイプなどで輻射遮蔽層４に循環させる方式でも良い。

［第２実施形態］
第２実施形態に係る超電導コイル冷却システムについて、第１実施形態からの変更点のみ説明する。図１と同一部分には同一符号を付し、特に記載していない部分は第１実施形態と同様である。

図２は、本発明の第２実施形態に係る超電導コイル冷却システムの構成を示す立面図である。

第２実施形態に係る超電導コイル冷却システムは、第１実施形態の構成に対して、コイル用伝熱部材９をさらに具備している。

コイル用伝熱部材９は、その一端が超電導コイル１に接続され、その他端が極低温冷凍機２に接続されている。これにより、コイル用伝熱部材９は、超電導コイル１と極低温冷凍機２とを熱的に接続する。ここで、コイル用伝熱部材９の熱抵抗は輻射遮蔽層用伝熱部材５の熱抵抗より大きい。

第２実施形態に係る超電導コイル冷却システムの作用について説明する。

第１実施形態に係る超電導コイル冷却システムでは、樹脂層３と超電導コイル１との間の貼り付け構成に割れが発生した場合、超電導コイル１の冷却が充分にできなくなる可能性がある。この場合、超電導コイル１の温度が上昇してクエンチする可能性がある。

そこで、第２実施形態に係る超電導コイル冷却システムでは、超電導コイル１と極低温冷凍機２とを熱的に接続するコイル用伝熱部材９を設け、そのコイル用伝熱部材９の断面積を輻射遮蔽層用伝熱部材５の断面積よりも小さくしている。すなわち、コイル用伝熱部材９の熱抵抗を輻射遮蔽層用伝熱部材５の熱抵抗より大きくしている。

これにより、極低温冷凍機２が停止した後の超電導コイル１への熱侵入については、コイル用伝熱部材９の熱抵抗を輻射遮蔽層用伝熱部材５の熱抵抗と同じにした場合に比べて、格段に少ない。

また、樹脂層３と超電導コイル１の間の貼り付け構成に割れが発生しても、超電導コイル１への最低限の伝熱経路は確保されるため、ただちに超電導コイル１がクエンチする温度まで上昇しない。

［第３実施形態］
第３実施形態に係る超電導コイル冷却システムについて、第１実施形態からの変更点のみ説明する。図１と同一部分には同一符号を付し、特に記載していない部分は第１実施形態と同様である。

図３は、本発明の第３実施形態に係る超電導コイル冷却システムの構成を示す立面図である。

第３実施形態に係る超電導コイル冷却システムは、第１実施形態の構成に対して、熱スイッチ１０をさらに具備している。

熱スイッチ１０は、第１接点部１０Ａと、第２接点部１０Ｂと、操作部材１０Ｃとを備えている。操作部材１０Ｃは、その一端が第１接点部１０Ａに接続され、その他端が真空容器７外に設けられている。操作部材１０Ｃの少なくとも他端部分は、第１接点部１０Ａと熱的に接続されない部分であり、作業者により操作される。

本実施形態において、輻射遮蔽層用伝熱部材５は、第１輻射遮蔽層用伝熱部材５Ａと第２輻射遮蔽層用伝熱部材５Ｂとに分離される。

第１輻射遮蔽層用伝熱部材５Ａは、その一端が第１接点部１０Ａに接続され、その他端が極低温冷凍機２に接続されている。これにより、第１輻射遮蔽層用伝熱部材５Ａは、第１接点部１０Ａと極低温冷凍機２とを熱的に接続する。

第２輻射遮蔽層用伝熱部材５Ｂは、その一端が輻射遮蔽層４に接続され、その他端が第２接点部１０Ｂに接続されている。これにより、第２輻射遮蔽層用伝熱部材５Ｂは、輻射遮蔽層４と第２接点部１０Ｂとを熱的に接続する。

作業者の操作により熱スイッチ１０をオンにする場合、すなわち、熱スイッチ１０の第１接点部１０Ａと第２接点部１０Ｂとを互いに接触させる場合、熱スイッチ１０は、第１接点部１０Ａから第１輻射遮蔽層用伝熱部材５Ａを介して極低温冷凍機２と、第２接点部１０Ｂから第２輻射遮蔽層用伝熱部材５Ｂを介して輻射遮蔽層４とを熱的に接続する。

第３実施形態に係る超電導コイル冷却システムの作用について説明する。

第３実施形態に係る超電導コイル冷却システムでは、極低温冷凍機２の停止時に熱スイッチ１０をオフにすることで、すなわち、熱スイッチ１０の第１接点部１０Ａと第２接点部１０Ｂとを接触させない状態にすることで、極低温冷凍機２から超電導コイル１への熱侵入を遮断でき、超電導コイル１の温度上昇をさらに遅らせることができる。

なお、第３実施形態に係る超電導コイル冷却システムでは、その応用例として、第２実施形態の構成に対して熱スイッチ１０をさらに具備しても、上述と同様の効果が得られる。

この場合、輻射遮蔽層用伝熱部材５およびコイル用伝熱部材９に対してそれぞれ熱スイッチ１０として第１および第２熱スイッチ（図示しない）が取り付けられる。輻射遮蔽層用伝熱部材５に第１熱スイッチが取り付けられる場合については、輻射遮蔽層用伝熱部材５に熱スイッチ１０が取り付けられる場合についての説明と同様である。コイル用伝熱部材９に第２熱スイッチが取り付けられる場合、コイル用伝熱部材９は、第１コイル用伝熱部材（図示しない）と第２コイル用伝熱部材（図示しない）とに分離される。

第１コイル用伝熱部材は、その一端が第２熱スイッチの第１接点部１０Ａに接続され、その他端が極低温冷凍機２に接続されていることにより、第２熱スイッチの第１接点部１０Ａと極低温冷凍機２とを熱的に接続する。第２コイル用伝熱部材は、その一端が超電導コイル１に接続され、その他端が第２熱スイッチの第２接点部１０Ｂに接続されていることにより、超電導コイル１と第２熱スイッチの第２接点部１０Ｂとを熱的に接続する。

作業者の操作により第２熱スイッチをオンにする場合、すなわち、第２熱スイッチの第１接点部１０Ａと第２接点部１０Ｂとを互いに接触させる場合、第２熱スイッチは、第２熱スイッチの第１接点部１０Ａから第１コイル用伝熱部材を介して極低温冷凍機２と、第２熱スイッチの第２接点部１０Ｂから第２コイル用伝熱部材を介して超電導コイル１とを熱的に接続する。

第３実施形態に係る超電導コイル冷却システムの応用例では、極低温冷凍機２の停止時に第１および第２熱スイッチをオフにすることで、すなわち、第１および第２熱スイッチの第１接点部１０Ａと第２接点部１０Ｂとを接触させない状態にすることで、極低温冷凍機２から超電導コイル１への熱侵入を遮断でき、超電導コイル１の温度上昇をさらに遅らせることができる。

［第４実施形態］
第４実施形態に係る超電導コイル冷却システムについて、第１〜第３実施形態からの変更点のみ説明する。特に記載していない部分は第１〜第３実施形態と同様である。

図４は、図１〜図３の樹脂層３の構成を示す傾視図である。

樹脂層３は中空構造である。具体的には、断熱層３は、アラミド繊維のハニカム部材１１に端板１２を貼り付けてパネル構成にしている。アラミド繊維は強度が強く、また両面に板を貼り付けることで、強度が更に強くなる。

第４実施形態に係る超電導コイル冷却システムでは、断熱層３に対して荷重をほぼ均一に与えることができるので、超電導コイル１に局所的な応力がかからないという効果がある。

［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、また各実施形態の特徴を組み合わせることができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ … 超電導コイル
２ … 極低温冷凍機
３ … 樹脂層
４ … 輻射遮蔽層
５ … 輻射遮蔽層用伝熱部材
５Ａ … 第１輻射遮蔽層用伝熱部材
５Ｂ … 第２輻射遮蔽層用伝熱部材
６ … 支持部材
７ … 真空容器
８Ａ … 電流導入端子
８Ｂ … 電流リード
９ … コイル用伝熱部材
１０ … 熱スイッチ
１０Ａ … 第１接点部
１０Ｂ … 第２接点部
１０Ｃ … 操作部材
１１ … ハニカム部材
１２ … 端板
１０９ … コイル用伝熱部材

Claims (8)

1. 真空容器に収納した超電導コイルを冷凍機により伝導冷却する超電導コイル冷却システムにおいて、
   前記超電導コイルの周囲を覆う樹脂層と、
   前記樹脂層の周囲を覆う輻射遮蔽層と、
   前記輻射遮蔽層と前記冷凍機とを熱的に接続する輻射遮蔽層用伝熱手段と、
   を具備することを特徴とする超電導コイル冷却システム。
2. 前記超電導コイルと前記冷凍機とを熱的に接続するコイル用伝熱手段をさらに具備し、
   前記コイル用伝熱手段の熱抵抗は前記輻射遮蔽層用伝熱手段の熱抵抗より大きいことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル冷却システム。
3. 前記輻射遮蔽層用伝熱手段は、
   前記輻射遮蔽層と前記冷凍機とを熱的に接続可能な輻射遮蔽層用伝熱部材と、
   オフ時に前記輻射遮蔽層用伝熱部材を分離する熱スイッチと、
   を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導コイル冷却システム。
4. 前記コイル用伝熱手段は、
   前記超電導コイルと前記冷凍機とを熱的に接続可能なコイル用伝熱部材と、
   オフ時に前記コイル用伝熱部材を分離する熱スイッチと、
   を具備することを特徴とする請求項２に記載の超電導コイル冷却システム。
5. 前記樹脂層は中空構造であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の超電導コイル冷却システム。
6. 前記樹脂層はハニカム部材を備えていることを特徴とする請求項５に記載の超電導コイル冷却システム。
7. 前記輻射遮蔽層用伝熱手段は、アルミニウム材料が熱伝導の方向に対して直交する方向に積層された伝熱部材であることを特徴とする請求項３に記載の超電導コイル冷却システム。
8. 前記輻射遮蔽層用伝熱手段は前記冷凍機の冷却ガスを前記輻射遮蔽層に循環させる方式であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の超電導コイル冷却システム。

Images