JP2015176990A - Superconducting coil device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導コイル装置に関する。 The present invention relates to a superconducting coil device.
伝導冷却型の超電導コイル装置は、液体ヘリウムなどを使用した浸漬冷却型の超電導コイル装置に比べて、取り扱いが容易であり、運転温度を適切に設定できるなどもメリットがある。しかしながら、冷凍機が停止した場合には、支持材や冷凍機を介して室温部から超電導コイルへ熱が侵入し、コイル温度が上昇し、すぐにクエンチしてしまう問題が生じる。 The conduction cooling type superconducting coil device is easier to handle than the immersion cooling type superconducting coil device using liquid helium or the like, and has an advantage that the operating temperature can be set appropriately. However, when the refrigerator is stopped, there is a problem that heat enters the superconducting coil from the room temperature portion through the support material or the refrigerator, the coil temperature rises, and it is immediately quenched.
そこで、超電導コイルの外周部を樹脂層で覆い、その周りを固体断熱部で覆うことにより冷凍機が停止した場合に超電導コイルの温度上昇を抑制する方法が、例えば、特開2013−207018号公報(特許文献1)等に記載されている。 Therefore, a method for suppressing the temperature rise of the superconducting coil when the refrigerator is stopped by covering the outer periphery of the superconducting coil with a resin layer and covering the periphery with a solid heat insulating part is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-207018. (Patent Document 1) and the like.
特許文献1等に記載される方法では、超電導コイルの外周部を樹脂層で覆い、その周りを固体断熱部で覆うために、超電導コイルと固体断熱部とを接着する必要が生じる。 In the method described in Patent Document 1 and the like, it is necessary to bond the superconducting coil and the solid heat insulating portion in order to cover the outer peripheral portion of the superconducting coil with the resin layer and cover the periphery with the solid heat insulating portion.
しかしながら、超電導コイルと固体断熱部を接着すると、冷却時に局所的に大きな熱応力が発生し、超電導線材の許容応力を超えてしまうことがある。局所的に発生した熱応力が超電導線材の許容応力を超えてしまった場合、超電導コイルの超電導特性は低下してしまうという課題がある。 However, if the superconducting coil and the solid heat insulating part are bonded, a large thermal stress is locally generated during cooling, which may exceed the allowable stress of the superconducting wire. When the locally generated thermal stress exceeds the allowable stress of the superconducting wire, there is a problem that the superconducting characteristics of the superconducting coil are deteriorated.
一方、この課題を考慮して、超電導コイルと固体断熱部との接着力を弱めておくことが考えられる。しかしながら、超電導コイルと固体断熱部の接着力を弱めてしまうと、超電導コイルと固体断熱部との伝熱パスが確保されず、超電導コイルが十分に冷却されない課題がある。 On the other hand, considering this problem, it is conceivable to weaken the adhesive force between the superconducting coil and the solid heat insulating portion. However, if the adhesive force between the superconducting coil and the solid heat insulating part is weakened, a heat transfer path between the superconducting coil and the solid heat insulating part is not secured, and there is a problem that the superconducting coil is not sufficiently cooled.
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、超電導コイルの超電導特性低下を防止しつつ超電導コイルを十分冷却可能な超電導コイル装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a superconducting coil device capable of sufficiently cooling a superconducting coil while preventing a deterioration in superconducting characteristics of the superconducting coil.
本発明の実施形態に係る超電導コイル装置は、上述した課題を解決するため、真空容器に収納した超電導コイルを冷凍機からの冷熱を伝導させることで冷却する超電導コイル装置であり、前記超電導コイルと熱的に直接接続されるコイル冷却板と、前記超電導コイルの周囲を覆うとともに前記コイル冷却板と熱的に直接接続される固体断熱部と、前記固体断熱部の周囲を覆うコイルケースと、前記冷凍機と前記コイルケースとを熱的に接続する伝熱板と、前記超電導コイルと電気的に接続される電流導入端子とを具備し、前記超電導コイルと前記固体断熱部とは、物理的には非接着であり、熱的には前記超電導コイルおよび前記固体断熱部のそれぞれと直接接続される前記コイル冷却板を介して間接接続されることを特徴とする。 A superconducting coil device according to an embodiment of the present invention is a superconducting coil device that cools a superconducting coil accommodated in a vacuum vessel by conducting cold heat from a refrigerator in order to solve the above-described problems, and the superconducting coil A coil cooling plate that is thermally connected directly, a solid heat insulating part that covers the periphery of the superconducting coil and that is thermally connected directly to the coil cooling plate, a coil case that covers the periphery of the solid heat insulating part, and A heat transfer plate that thermally connects the refrigerator and the coil case; and a current introduction terminal that is electrically connected to the superconducting coil, wherein the superconducting coil and the solid heat insulating portion are physically Is non-adherent and thermally connected indirectly via the coil cooling plate directly connected to each of the superconducting coil and the solid heat insulating part.
本発明によれば、超電導コイルの超電導特性低下を防止しつつ超電導コイルを十分冷却することができる。 According to the present invention, it is possible to sufficiently cool the superconducting coil while preventing deterioration of the superconducting characteristics of the superconducting coil.
以下、本発明の実施形態に係る超電導コイル装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明においては、上、下、左、右等の方向を示す言葉は、図示した状態または通常の使用状態を基準とする。 Hereinafter, a superconducting coil device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, words indicating directions such as up, down, left, and right are based on the illustrated state or the normal use state.
[第1の実施形態]
図1は本発明の第1の実施形態に係る超電導コイル装置の一例である超電導コイル装置10Aを概略的に示す構成図である。図2は超電導コイル装置10Aにおける超電導コイル21およびその周辺(超電導コイルユニット20A)の拡大部分断面図である。なお、図2では、超電導コイルユニット20Aの軸対称性を考慮して片側半分(左半分)の縦断面を図示し、残り半分(右半分)の図示を省略している。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a
超電導コイル装置10A(図1)は、例えば、二段等の複数段の冷却ステージを有する多段式冷凍機11aと超電導コイルユニット20(より詳細には図2に示されるコイルケース25)とを熱的に接続する伝熱板12と、超電導コイルユニット20A(より詳細には図2に示される超電導コイル21)と電気的に接続される電流導入端子13と、超電導コイルユニット20A(超電導コイル21、コイル冷却板22、離形部23、固体断熱部24、およびコイルケース25)とを具備する。
The
超電導コイル装置10Aにおいて、伝熱板12は、例えば、銅(Cu)、真鍮、アルミニウム(Al)、金(Au)、銀(Ag)などの熱伝導が良好な材料で構成され、多段式冷凍機11aの低温端と接続される。また、電流導入端子13は、高温超電導体等の電気伝導率が良好な材料で構成された超電導フィーダ14と超電導コイル21に取り付けられる口出し電極15と電気的に接続される。
In the
超電導コイルユニット20A(より詳細には図2に示されるコイルケース25)は、支持部材16を介して真空容器17内で支持される。なお、支持部材16は、多段式冷凍機11aの冷却ステージやコイルケース25により熱アンカーがとられている。また、支持部材16は、全体が真空容器17内に組み込まれる。
Superconducting coil unit 20 </ b> A (more specifically,
超電導コイルユニット20Aは、例えば、超電導コイル21と、コイル冷却板22と、離形部23と、固体断熱部24と、コイルケース25とを備えるユニットであり、超電導コイル21に、コイル冷却板22、離形部23、固体断熱部24を追設し、コイルケース25に収容して構成される。
The
コイル冷却板22は、超電導コイル21と超電導コイル21との間に取り付けられ、超電導コイル21と熱的に直接接続される。コイル冷却板22は、例えば、一般的にヒートシンク材として活用される高熱伝導体で構成される。高熱伝導体の一例としては、例えば、アルミニウム、銅、金、銀等の金属、または絶縁体であるが比較的熱伝導率が高い窒化アルミニウム等である。
The
離形部23は、エポキシ系の樹脂との接着力を弱める処理が施された構成部分である。例えば、超電導コイルユニット20Aにおいて、離形部23は超電導コイル21とコイル冷却板22との間に設けられる。
The
離形部23は、エポキシ系の樹脂との接着力を弱める処理として、例えば、フッ素樹脂テープ、テフロン(登録商標)樹脂等のポリテトラフルオロエチレン系樹脂、ポリイミドアミド系樹脂、パラフィン、グリース、およびシリコンオイルから選択される少なくとも一種を離形材として、接着および塗布の何れか一方を行うことによって形成される。
The
固体断熱部24は、主に断熱材としての機能を有しており、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂や繊維強化プラスチック(FRP:Fiber Reinforced Plastics)を含む熱抵抗が比較的大きな(熱伝導率が低い)材料で構成される。固体断熱部24は、超電導コイル21の少なくとも一部(外周全体または一部)を覆っているが、超電導コイル21とは物理的に接しておらず、コイル冷却板22が物理的に接している。
The solid
従って、熱的には、固体断熱部24はコイル冷却板22と直接接続されるが、超電導コイル21とは直接接続されない。固体断熱部24と超電導コイル21とは、固体断熱部24および超電導コイル21のそれぞれが物理的に接するコイル冷却板22を介して接続(間接接続)される。
Therefore, although the solid
コイルケース25は、真空容器17内における超電導コイル21への輻射を遮蔽する機能を有し、例えば、アルミニウム、ステンレス、アルミニウムとステンレスとの複合材、またはアルミニウム等と繊維強化プラスチックとを厚さ方向に複合した材料等の熱抵抗が比較的小さな(熱伝導率が高い)材料で構成される。
The
コイルケース25は、固体断熱部24の周囲を覆う。すなわち、コイルケース25は、固体断熱部24で周囲を覆われた超電導コイル21の周囲を覆う。コイルケース25は、固体断熱部24と熱的に直接接続されている。
The
このように、超電導コイル装置10Aでは、超電導コイル21と固体断熱部24とを物理的に接続させずに(非接着の状態で)構成される。その一方で、固体断熱部24がコイル冷却板22を取り付けた超電導コイル21の周囲を覆っており、超電導コイル21と固体断熱部24は、熱的には、直接接続されず、コイル冷却板22を介して間接的に接続される。
As described above, the
上述した構成を有する超電導コイル装置10Aでは、超電導コイル21と固体断熱部24とがコイル冷却板22を介して熱的に間接接続されるため、超電導コイル21と固体断熱部24との間の接着力を弱めたとしても、従来では超電導コイル21と固体断熱部24との間の接着力を弱めた場合に確保されなくなる、超電導コイル21と固体断熱部24との伝熱パスを確保することができる。従って、超電導コイル21と固体断熱部24との間の接着力を弱めたとしても、超電導コイル21を十分に冷却することができる。
In the superconducting coil device 10 </ b> A having the above-described configuration, the
また、超電導コイル21の外周面を離形処理する等して離形部23を設けることによって、超電導コイル装置10Aでは、超電導コイル21と固体断熱部24との間の接着力を弱めることができるので、冷却時の超電導コイル21の熱応力の増加を抑制できる。従って、超電導コイル21の超電導特性が低下することを防止することができ、超電導コイル装置10Aの安定性をより向上させることができる。
Further, by providing the
なお、上述した超電導コイル装置10Aは、図1に示される例に限定されず、省略、追加、置き換え等の種々の変形を行うことができる。
The
図3は、本発明の第1の実施形態に係る超電導コイル装置の一例である超電導コイル装置10Aの変形例を概略的に示す構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram schematically showing a modification of the
例えば、図1に示される超電導コイル装置10Aは、超電導コイル21の冷却に多段式冷凍機11aが用いられている例であるが、図3に示される超電導コイル装置10Aのように、多段式冷凍機11aの代わりに冷却ステージが1段である単段式冷凍機11bを用いることができる。
For example, the
超電導コイル21の冷却に単段式冷凍機11bを用いた場合、30ケルビン(30K)近傍での冷凍能力が多段式冷凍機11aに比べて高いため、超電導コイル21を効率良く冷却できる利点がある。また、単段式冷凍機11bは、多段式冷凍機11aに比べて構造が簡素なため、超電導コイル装置10Aの装置全体としても構造を簡素化することができる利点がある。
When the single-
[第2の実施形態]
図4は、本発明の第2の実施形態に係る超電導コイル装置の一例である超電導コイル装置10Bにおける超電導コイル21およびその周辺(超電導コイルユニット20B)の構成を説明する説明図であり、図4(A)がIV(A)−IV(A)断面図、図4(B)が超電導コイルユニット20Bの拡大縦断面図である。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the
超電導コイル装置10Bは、超電導コイル装置10Aに対して、超電導コイルユニット20Aの代わりに超電導コイルユニット20Bを具備する点で相違するが、その他の点では実質的に相違しない。そこで、超電導コイル装置10Aと実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
The
超電導コイルユニット20Bは、超電導コイルユニット20Aに対して、超電導コイル21を収容する補強用ケース27をさらに備える。補強用ケース27は、例えば、繊維強化プラスチック(FRP)のような絶縁物、またはステンレス、アルミニウム等の金属で構成される。超電導コイルユニット20Bでは、補強用ケース27内に収容した超電導コイル21の周囲を固体断熱部24が覆っている、すなわち、超電導コイル21が補強用ケース27を介して固体断熱部24に周囲を覆われている。
The
また、補強用ケース27は、超電導コイル21に取り付けられるコイル冷却板22を補強用ケース27の外部に引き出した状態で超電導コイル21を収容可能に構成される。従って、超電導コイルユニット20Bでは、超電導コイル21が補強用ケース27内に収容される際に、超電導コイル21に取り付けられるコイル冷却板22は補強用ケース27の外部に引き出されている。
The reinforcing
このように、超電導コイルユニット20Bでは、超電導コイル21に取り付けられるコイル冷却板22を補強用ケース27の外部に引き出した状態で超電導コイル21を収容できるため、超電導コイルユニット20Aと同様に、固体断熱部24を超電導コイル21と物理的に接触させずにコイル冷却板22を物理的に接触させることができる。故に、超電導コイル装置10Bにおいても、超電導コイル装置10Aと同様の効果を奏する。
Thus, in the
なお、補強用ケース27の内部(内面)は、樹脂で含浸することによって、さらに強度を増すことができる。なお、超電導コイル21の外周面は、離形処理されているため、補強用ケース27の内部を樹脂で含浸しても超電導コイル21が補強用ケース27の内面と接着されるのを防ぐことができる。
In addition, the inside (inner surface) of the reinforcing
また、補強用ケース27に、高純度(純度が99%以上)のアルミニウム、銅、金、銀等の熱伝導率が補強用ケース27の熱伝導率よりも高い材料で構成される均熱板29を取り付けることにより、超電導コイル21を効率良く冷却することができる。
Further, the soaking plate made of a material having a higher thermal conductivity than that of the reinforcing
このように構成される超電導コイル装置10Bでは、超電導コイル装置10Aと同様に、超電導コイル21と固体断熱部24とがコイル冷却板22を介して熱的に間接接続されるため、超電導コイル21と固体断熱部24との間の接着力を弱めたとしても、超電導コイル21と固体断熱部24との伝熱パスを確保することができる。従って、超電導コイル21と固体断熱部24との間の接着力を弱めたとしても、超電導コイル21を十分に冷却することができる。
In the
また、離形部23を設けることによって、超電導コイル装置10Bでは、超電導コイル21と固体断熱部24との間の接着力を弱めることができるので、冷却時の超電導コイル21の熱応力の増加を抑制できる。従って、超電導コイル21の超電導特性が低下することを防止することができ、超電導コイル装置10Bの安定性をより向上させることができる。
Further, by providing the
さらに、超電導コイル装置10Bでは、超電導コイル装置10Aに対して補強用ケース27をさらに備えて構成されるので、超電導コイル21を確実に保持することができ、超電導コイル21(超電導コイルユニット20B)の機械的強度をさらに向上させることができる。
Furthermore, since the
また、超電導コイル装置10Bでは、超電導コイル21の外周面が離形処理されているため、補強用ケース27の内部を樹脂で含浸しても、超電導コイル21が補強用ケース27の内面と接着されるのを防ぐことができ、熱応力の増加を防止できる。
Further, in the
さらに、超電導コイル装置10Bでは、超電導コイル21を収容する補強用ケース27が寸法精度を確保しやすいため、その周囲を覆う固体断熱部24を精度良く配置することができる。
Furthermore, in the
なお、上述した超電導コイル装置10Bは、補強用ケース27の外表面に均熱板29が取り付けられる例(図4)であるが、均熱板29の取り付け位置は補強用ケース27の表面であればどこでも良い。また、均熱板29は必ずしも補強用ケース27に取り付けられている必要はなく省略することもできる。さらに、均熱板29の形状や個数も図4に例示される形状や個数に限定されるものではない。例えば、周方向全周にわたる1個の円環で均熱板29を構成することもできる。
The
以上、超電導コイル装置10A,10Bによれば、超電導コイル21と固体断熱部24とがコイル冷却板22を介して熱的に間接接続されるため、超電導コイル21と固体断熱部24との間の接着力を弱めたとしても、超電導コイル21と固体断熱部24との間の伝熱パスを確保することができる。従って、超電導コイル21と固体断熱部24との間の接着力を弱めたとしても、超電導コイル21を十分に冷却することができる。
As described above, according to the superconducting coil devices 10 </ b> A and 10 </ b> B, the
また、超電導コイル装置10A,10Bによれば、離形部23を設けることによって、超電導コイル21と固体断熱部24との間の接着力を弱めることができるので、冷却時の超電導コイル21の熱応力の増加を抑制できる。従って、超電導コイル21の超電導特性が低下することを防止することができ、超電導コイル装置10A,10Bの安定性をより向上させることができる。
Further, according to the
さらに、超電導コイル装置10A,10Bによれば、単段式冷凍機11bを用いることで、超電導コイル21を効率良く冷却できるとともに、装置の全体構造を簡素化することができる。
Furthermore, according to the
一方、超電導コイル装置10Bによれば、超電導コイル装置10Aに対して補強用ケース27をさらに備えて構成されるので、超電導コイル21を確実に保持することができ、超電導コイル21(超電導コイルユニット20B)の機械的強度をさらに向上させることができる。
On the other hand, according to the
また、超電導コイル装置10Bによれば、補強用ケース27の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する均熱板29が補強用ケース27に取り付けられているので、超電導コイル21の温度の局所的な上昇(偏り)を防止し、温度を均一化することができる。従って、超電導コイル装置10Bでは、局所的な熱応力発生が防止され、超電導コイル21の超電導特性の低下が防止されるので、超電導コイル装置10Bの安定性をさらに向上させることができる。
Further, according to the
なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することが可能である。本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更を行うことができる。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。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be implemented in various forms other than the above-described examples in the implementation stage. The present invention can be variously omitted, added, replaced, and changed without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10A,10B 超電導コイル装置
11a 多段式冷凍機
11b 単段式冷凍機
12 伝熱板
13 電流導入端子
14 超電導フィーダ
15 口出し電極
16 支持部材
17 真空容器
20A,20B 超電導コイルユニット
21 超電導コイル
22 コイル冷却板
23 離形部
24 固体断熱部
25 コイルケース
27 補強用ケース
29 均熱板
10A, 10B
Claims (6)
前記超電導コイルと熱的に直接接続されるコイル冷却板と、
前記超電導コイルの周囲を覆うとともに前記コイル冷却板と熱的に直接接続される固体断熱部と、
前記固体断熱部の周囲を覆うコイルケースと、
前記冷凍機と前記コイルケースとを熱的に接続する伝熱板と、
前記超電導コイルと電気的に接続される電流導入端子とを具備し、
前記超電導コイルと前記固体断熱部とは、物理的には非接着であり、熱的には前記超電導コイルおよび前記固体断熱部のそれぞれと直接接続される前記コイル冷却板を介して間接接続されることを特徴とする超電導コイル装置。 A superconducting coil device that cools a superconducting coil stored in a vacuum vessel by conducting cold heat from a refrigerator,
A coil cooling plate thermally directly connected to the superconducting coil;
A solid heat insulating portion covering the periphery of the superconducting coil and thermally directly connected to the coil cooling plate;
A coil case covering the periphery of the solid heat insulating part;
A heat transfer plate that thermally connects the refrigerator and the coil case;
A current introduction terminal electrically connected to the superconducting coil;
The superconducting coil and the solid heat insulating part are physically non-bonded and thermally connected indirectly via the coil cooling plate that is directly connected to each of the superconducting coil and the solid heat insulating part. A superconducting coil device characterized by that.
前記補強用ケースに収容される前記超電導コイルは、前記補強用ケースを介して前記固体断熱部に周囲を覆われることを特徴とする請求項1から4記載の何れか1項に記載の超電導コイル装置。 A reinforcing case configured to accommodate the superconducting coil in a state where the coil cooling plate is pulled out of the reinforcing case;
The superconducting coil according to any one of claims 1 to 4, wherein the superconducting coil accommodated in the reinforcing case is covered with the solid heat insulating portion via the reinforcing case. apparatus.
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