JP2016018902A - 超電導電磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を大型化せずとも固体冷媒の熱容量を利用可能な冷媒容器を備えた超電導電磁石装置を提供する。
【解決手段】冷媒容器５は金属管１６を渦巻き状に巻いたコイル形状をしており、冷媒容器と超電導コイル４とが熱的に接触した構造をとる。また、冷媒容器は冷凍機から超電導コイルへの熱伝導経路の途中へ配置された構造となっている。
【効果】冷媒容器内の固体冷媒の厚さを制限し、かつ、固体冷媒と冷媒容器との熱接触面を広く確保することが可能であり、所定時間内に固体窒素の熱を伝播させその熱容量を温度上昇抑制に利用することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、超電導電磁石装置に関する。

超電導電磁石装置は、超電導コイルと、それに並列に設置された永久電流スイッチから構成され、上記の永久電流スイッチを開にした状態で励磁電源から超電導コイルに電流供給し、その後、永久電流スイッチを閉にした状態で励磁電源からの供給電流を減少させゼロにすることで、超電導コイルおよび永久電流スイッチからなる超電導状態の閉回路に電流がほとんど減衰することなく流れ続ける永久電流運転となる。これにより超電導電磁石装置は、長期に渡って磁場を保持することが可能である。

従来の超電導電磁石装置には、上記の超電導コイルや永久電流スイッチに代表される構成素子を超電導状態に保持するため、液体ヘリウムや液体窒素に代表される冷媒に浸漬させて使用する浸漬冷却方式や、冷凍機と構成素子とを熱伝導性の良い金属で熱的に接続して冷却する伝導冷却方式が多く採用されている。これらの冷却方式のうち浸漬冷却方式においても、ＭＲＩ装置やＮＭＲ装置のように数カ月から1年の長期に渡って運転する装置には、装置への熱侵入で気化した冷媒を再凝縮するための冷凍機が設けられている。

上記のように冷凍機が備えられた超電導磁石では、電力供給さえあれば長期に渡って超電導状態を保持可能であるが、停電等で冷凍機が止まった際には、超電導コイルや永久電流スイッチの温度が上昇し常電導転移して磁場を保持できなくなる恐れがある。特に伝導冷却方式では、浸漬冷却方式において利用される液体ヘリウム等の冷媒の熱容量が期待できないため、冷凍機停止後すぐに温度上昇してしまう。

そこで、銅やアルミといった金属と比較して、60Ｋ以下の極低温領域で比熱が高く、密度が小さい冷媒を固体の状態で装置内に保持し、その熱容量を用いて停電時の温度上昇を抑制する方法が提案されている。 このような用途に用いられる冷媒の代表例として窒素がある。(例えば特許文献１、２、３)。窒素は、1気圧下では77Ｋで液化し、64Ｋ以下で固化する。

特開２００７−３２１０５０号公報 特開２００２−２０８５１２号公報 特開２０１１−０８２２２９号公報

上記のように固体冷媒を用いて停電時の温度上昇を抑制する方法として、複数ある超電導素子ごとに熱接触した冷媒容器を設けておく方法が考えられる。

しかし、窒素に代表される固体冷媒の熱伝導率はステンレス鋼並みに低く熱拡散時間が長いため、容器と固体冷媒との伝熱面から離れた位置にある固体冷媒に熱を伝播させ、伝熱面から離れている個体冷媒の熱容量を所定時間内に利用することが難しいといった課題があった。また、冷媒が固化する際に体積が減少し容器と固体冷媒との間に空隙が生じるため、固体冷媒が重力に従って落下し接触する面でしか熱接触を期待できないため、高さが低く底面積が広い冷媒容器を設けて、冷媒容器内の固体窒素の厚さを制限し、かつ、冷媒容器と超電導素子との熱接触面を確保することが有効と考えられる。ただし、この方法を採用するには装置の断熱容器内に新たに底面積の広い冷媒容器を配置する空間を確保する必要があり、装置の大型化を避けられない課題があった。

以上の点より、本発明の課題は、装置を大型化せずとも固体冷媒の熱容量を効率的に利用可能な冷媒容器を備えた超電導電磁石装置を提供することにある。

本発明は、固体冷媒を内包する冷媒容器を備えた超電導磁石装置において、冷媒容器は金属管を渦巻き状に巻いた形状をしており、冷媒容器と超電導コイルとが熱的に接触した構造をとる。また、冷媒容器は冷凍機から超電導コイルへの熱伝導経路の途中へ配置された構造となっている。

このような超電導電磁石装置を用いることで、冷媒容器内の固体冷媒の厚さを制限し、かつ、固体冷媒と冷媒容器との熱接触面を広く確保することが可能であり、固体窒素の熱容量を所定時間内に利用可能となる。

第１の実施形態に係る装置構成を示した図である。 第1の実施形態に係る回路構成を模式的に示した図である。 第1の実施形態に係る冷媒容器の断面構造を模式的に示した図である。 第２の実施形態に係る装置構成を示した図である。 第２の実施形態に係る冷媒容器の断面構造を模式的に示した図である。 第３の実施形態に係る冷媒容器の断面構造を模式的に示した図である。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
（第1の実施形態）
以下、本発明を適用してなる第1の実施形態について、図１並び図２、図３を参照して説明する。図１は第1の実施形態である超電導電磁石装置１の断面を模式的に示す。

超電導電磁石装置１は、真空容器２、真空容器２に内包された輻射シールド３、輻射シールド３に内包される空間に配置された複数の超電導コイル４を有する。また、輻射シールド３は複数の冷媒容器５を内包する構造を有し、冷媒６がこれらの冷媒容器３に貯留され、超電導コイル４は冷媒６が貯留された冷媒容器５と接触している。

超電導磁石装置１は、超電導コイル４に電流を供給するために、パワーリードと呼ばれる外部電源から電流を導く導線を備える。本実施例では、外部電源と接続され、真空容器２および輻射シールド３を貫通する常電導パワーリード７、輻射シールド３で内包された空間内に配置され、超電導コイル４や永久電流スイッチ９などの超電導素子と常伝導パワーリード７とを接続する超電導パワーリード８が用いられる。永久電流スイッチ９は、超電導コイル４に永久電流を生じさせるための機構である。

図１に示す冷凍機１２は、超電導コイル４の超電導状態を維持することで超電導磁石装置１を安定的に稼働させる役割を持つ。具体的には、冷凍機１２の第２ステージ１２bが各冷媒容器５と熱伝導パス11を介して接続されており、冷凍機１２の第１ステージ１２aが輻射シールド３と接触している。各冷媒容器５は、永久電流スイッチ９、各超電導コイル４および超電導パワーリード８の低温端８ｂと接触しているため、これらの部材は冷媒容器５を介して第２ステージ１２ｂにより冷却される。

常伝導パワーリード７は輻射シールド３と接触しているため、輻射シールド３を介して第1ステージ１２ａの冷却を受ける。また、超電導パワーリード８の高温端８ａは、輻射シールド３と接触する常伝導パワーリード７と接続されることによって、冷凍機１２の第１ステージ１２ａの冷却を受ける。

本実施形態の超電導コイル４の中心軸21は鉛直方向を向いており、真空容器２および輻射シールド３を貫いた開口部24が存在する。すなわち、超電導コイル４は、鉛直方向に所定の間隔をもって対向して配置されており、超電導磁石装置１は対向して配置された超電導コイル４の間に開口部24を有している。複数ある冷媒容器5は、連結配管32にてそれぞれ直列に連結されており、冷媒導入配管30から冷媒６が供給され、冷媒排出配管31から冷媒６を排出可能な構造となっている。なお、本実施形態では冷媒導入配管30および冷媒排出配管31をステンレス鋼に代表される熱伝導率が低い部材で構成して熱侵入量を制限している。

なお、図１は超電導コイル４が鉛直方向に対向して配置されている例を示したが、これに限ることなく、超電導コイル4の中心軸21が水平方向を向いていてもよい。この場合は、超電導コイル４が水平方向に所定の間隔をもって対向して配置されており、超電導磁石装置１は対向して配置された超電導コイル４の間に開口部24を有している。
図２に超電導電磁石装置１の回路構成を模式的に示す。複数ある保護抵抗10が複数ある超電導コイル４とそれぞれ並列に接続されている。励磁電源13、電流遮断器14は真空容器２の外部に設置される。
本実施例の超電導磁石装置１は、次のような機序により永久電流運転モードに移行する。なお、永久電流運転モードに移行する前に、超電導コイル４並びに永久電流スイッチ９は臨界温度以下に保たれることで超電導状態となっている。

まず、永久電流スイッチ９が「開」の状態で励磁電源13から超電導コイル４に電流が供給される。その後、永久電流スイッチ９が「閉」にされた状態で励磁電源13の供給電流をゼロとし、かつ電流遮断器14が「開」とされると、超電導コイル４および永久電流スイッチ９からなる超電導状態の閉回路では、励磁電源13から供給された電流がほとんど減衰することなく流れ続ける。この状態を永久電流運転モードと呼ぶ。

永久電流運転モードに移行することにより、超電導電磁石装置１は、長期に渡って磁場を保持することが可能である。なお、永久電流スイッチ９は、図示しないヒータ等で加熱されることによって常電導転移して「開」状態となり、ヒータ等による加熱を停止すると冷媒容器３との接触面から吸熱が生じて超電導状態に遷移し「閉」状態となる。

このように永久電流スイッチ９の開閉制御はヒータ等によって実行されるが、本実施例の超電導磁石装置１は、連結配管32をステンレス鋼に代表される熱伝導率が低い部材で構成し熱流束を制限している。したがって、ヒータ等により永久電流スイッチ９の開閉制御をヒータ等の熱によって実行したとしても、連結配管32および冷媒容器5を介して超電導コイル4が加熱されて常電導転移することはなく、超電導コイル４を臨界温度以下に効率的に留めておくことができる。

次に本実施形態の超電導磁石装置１が備える冷媒容器３について説明する。

図３に示すように冷媒容器5は、金属管16を中心軸21に対して内周側から外周側に向かって、中心軸21方向の位置を変えることなく、換言すれば中心軸方向は同位置を保ったまま渦巻き状に巻くことによって形成される形状、いわゆるシングルパンケーキコイル形状をとなるように製作されている。

なお、ここでいう渦巻とは、基本的に二次元平面上において、渦を巻くように旋回しながら中心点から離れる、または遠方点から該中心点向かって中心点へ近づくような曲線を指し、三次元的な垂直成分、本実施例であれば超電導コイル４の中心軸方向にも旋回中に変位し続けるような螺旋状の曲線とは異なるものとする。

また、冷媒容器5は冷凍機１２から超電導コイル４への熱伝導経路、すなわち第２ステージ１２ｂおよびこれに接続された熱伝導パス１１から構成される熱伝導経路と超電導コイル４とを連絡する位置に配置される。

具体的な配置関係の一例を図３に示す。冷媒容器５は上下方向から伝熱板17にて固定される。また、冷媒容器５は熱伝導パス１１および伝熱板１７aを介して冷凍機５と熱的に接触するとともに、伝熱板１７bを介して超電導コイル４と熱的に接触する構造をとる。

金属管16がいわゆるシングルパンケーキコイル形状の構造を取ることで、複数の冷媒容器５に封入された固体冷媒６は厚さ（体積）を制限され、重力に従い落下し金属管１６の内壁との熱接触面を広く確保可能なことから、所定時間内に固体冷媒６に熱が伝播し温度上昇抑制のための熱容量を利用可能となる。

また、本実施例の超電導磁石装置１が備える冷媒容器５は、金属管１６を渦巻状に巻くことで形成されるシングルパンケーキコイル形状を有するため、金属管１６の側壁が巻き数の2倍存在する。これら金属管１６の側壁は、金属管１６の上面を介して伝熱板１７aと接触し、金属管１６の底面および伝熱板１７ｂを介して超電導コイル４と接触していることから、伝熱板１７aと伝熱板１７ｂとの間の熱伝導を連絡する経路としての役割をもつ。

ここで仮に冷媒容器５が、図３に示すような径方向において複数の分離された空間を有するものではなく、単一の空間しか有さない冷媒容器であれば、上下面を連絡する側壁は一つしか存在しないため、そのような冷媒容器と比較すると、図３に示すような冷媒容器５は多くの熱伝導経路を有すことにより、高い冷却性能を実現できる。

すなわち、本実施例の超電導磁石装置１が有する冷媒容器５は、シングルパンケーキコイル形状を取ることによって、個体冷媒６を蓄積するタンクとしての役割と、効率的な熱伝導経路としての役割を併せ持つことが可能となっている。

また、冷媒容器５は超電導コイル４を周方向に渡って冷却するための冷却パス構造を兼ねており、新たに冷媒容器を設ける空間を装置内に確保する必要が無くなる。したがって本実施形態の超電導電磁石装置１は、固体冷媒６の熱容量を有効に利用可能な冷媒容器５を持ちつつ、冷媒容器５を設けたことによる自身の大型化を避けることが可能となっている。

なお、冷媒容器５を構成する金属管16は、銅などの熱伝導率が高い金属構造体の内部に空隙を設けた上で伸鋼加工することで得られるホローコンダクタを用いる。ホローコンダクタを利用することによって、金属管１６から接合部を減少させることができ、真空リークや、冷媒漏れが生じる可能性を低減し、その結果、超電導磁石装置１の信頼性向上に寄与することが可能となる。

（第２の実施形態）
図４、５に第２の実施形態に係る超電導電磁石装置１の断面と冷媒容器５の断面を示す。第２の実施形態は、図１に示す第１の実施形態と比較して、複数ある冷媒容器5が連結配管32にて並列に連結された構造となっている。

また、冷媒容器５は、金属管16を外周側から内周側に向かって渦巻き状に巻いた後、内周側で装置の中心軸方向に金属管１６をその高さ方向の幅について一つ分ずらし、内周側から外周側に向かって渦巻き状に巻いた、いわゆるダブルパンケーキコイルとなっている。

超電導コイル4と冷媒容器5とはコイルボビン４０にて保持され、熱伝導パス11は冷媒容器５と直接に熱接触し、超電導コイル４は冷媒容器５と直接に熱接触する構造となっている。

このような構造は、第１の実施形態と同様の効果を得るだけでなく、冷媒容器５への冷媒導入口35並びに冷媒排出口36を外周面側に配置させて、コイルボビン40が有るような場合でも干渉せずに冷媒を冷媒容器５に導入することを可能とする。

なぜなら、シングルパンケーキコイル形状であれば、金属管１６の全般にわたって個体冷媒６を蓄積するために、冷媒導入口３５を金属管１６の一端に形成し、冷媒排出口３６を他端に形成すると、いずれか一方は渦巻状に形成されたシングルパンケーキコイルの中心軸近傍に位置することとなる。そうすると、本実施例のようにコイルボビン４０によって冷媒容器５を保持するためには、冷媒導入口３５もしくは冷媒排出口３６のいずれか片方を通すためにコイルボビン４０に加工を施す必要がある。

その点において、ダブルパンケーキコイル形状の冷媒容器５であれば、金属管１６の両端は冷媒容器５の外周面に位置することとなるため、複雑な加工等を施すことなく、コイルボビン４０を利用することが可能となる。

また、金属管16をコイルボビン40で固定することで伝熱板17を省略することが可能となる。なお、本構造ではダブルパンケーキコイル形状の冷媒容器５の下段部分は固体冷媒６にて満たされる。

そうすると、一部の冷媒容器５のみ温度上昇し冷媒が気化し、他の個体冷媒６は温度上昇せず固体状態を保っていると、冷媒容器５中を気化した冷媒が通過することができなくなることが考えられる。そこで、本実施例のように複数ある冷媒容器５を並列接続し、他の冷媒容器５を経由せずとも気化した冷媒が排出される構造としておくと、気化した冷媒が自由に冷媒容器５の上段に移動することができるため、冷媒容器５の一カ所に圧力が集中し破損等を引き起こす可能を低減することができる。

（第３の実施形態）
図６に第３の実施形態に係る冷媒容器５の断面を示す。第３の実施形態は、図１に示す第１の実施形態と比較して、冷媒容器５を互いに巻方向が異なる金属管16aと16ｂの２段重ねとし、連結管32aにて連結した構造となっている。また、超電導コイル4と冷媒容器5をコイルボビン４０にて保持し、伝熱板17を省略して熱伝導パス11は冷媒容器５と直接に熱接触し、超電導コイル４は冷媒容器５と直接に熱接触する構造となっている。

このような構造をとることで、第１および第２の実施形態と同様の効果を得ることできるだけでなく、超電導コイル４の励消磁時の磁場変化によって冷媒容器５に発生する誘導電圧の極性が金属管16aと16ｂとで逆となるため誘導電流を抑制することが可能となり、誘導電流によって発生するジュール発熱を抑制することが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜その構成を変更することができる。

上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 超電導電磁石装置
２ 真空容器
３ 輻射シールド
４、4a、4b 超電導コイル
５、5a,5b,5c,5d 冷媒容器
６ 冷媒
７ 常電導パワーリード
８ 超電導パワーリード
8a 超電導パワーリード高温端
8b 超電導パワーリード低温端
９ 永久電流スイッチ
10、10a、10b 保護抵抗
11 熱伝導パス
12 冷凍機
13 直流電源
14 電流遮断器
16 金属管
17、17a、17ｂ 冷却銅板
21 超電導電磁石装置の中心軸
24 開口部
30 冷媒導入配管
31 冷媒排出配管
32 連結配管
35 冷媒導入口
36 冷媒排出口
40 コイルボビン

Claims (9)

1. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルと接続された永久電流スイッチと、
   前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとのそれぞれに熱的に接触した複数の冷媒容器と、
   前記複数の冷媒容器を冷却する冷凍機と、
   を備え、
   前記冷媒容器は、前記超電導コイルの中心軸周りに渦巻状に巻かれた金属管から形成され、該中心軸方向において前記冷媒容器と熱的な接触面を有する
   超電導磁石装置。
2. 請求項１に記載の超電導磁石装置において、
   前記冷媒容器は、
   前記渦巻状に巻かれた金属管が該渦巻の前記中心軸方向に二層積層される構造であって、
   前記二層を構成する金属管は互いに逆方向に巻かれており、かつ、少なくとも一カ所で連結すること
   を特徴とする超電導磁石装置。
3. 請求項１に記載の超電導電磁石装置において、
   前記冷媒容器は、
   前記渦巻状に巻かれた金属管が該渦巻の前記中心軸方向に二層積層される構造であって、
   前記二層を構成する金属管は、前記渦巻の最内周において前記中心軸方向に転位するように形成された単一の金属管である
   ことを特徴とする超電導電磁石装置。
4. 請求項１または２に記載の超電導電磁石装置において、
   前記冷媒容器は、複数備えられ、互いに直列に連結されたことを特徴とする超電導電磁石装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置において、
   前記冷媒容器は、複数備えられ、互いに並列に連結されたことを特徴とする超電導電磁石装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか1項に記載の超電導電磁石装置において、
   前記金属管は、ホローコンダクタであることを特徴とする超電導磁石装置。
7. 請求項1から請求項６のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置において、
   前記超電導コイルの中心軸方向は鉛直方向であって、
   前記超電導コイルを内包する真空容器および輻射シールドが備えられ、
   前記超電導コイルは、鉛直方向に所定の間隔をもって対向して配置されたことを特徴とする超電導電磁石装置。
8. 請求項1から請求項６のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置において、
   前記超電導コイルの中心軸方向は水平方向であって、
   前記超電導コイルを内包する真空容器および輻射シールドが備えられ、
   前記超電導コイルは、水平方向に所定の間隔をもって対向して配置されたことを特徴する超電導磁石装置。
9. 超電導素子と、
   前記超電導素子と熱的に接触する冷媒容器と、
   前記冷媒容器と熱的に接続する冷凍機と、
   を備える超電導応用機器であって、
   前記冷媒容器は、パンケーキコイル形状に巻き回された金属管から構成され、かつ、前記パンケーキコイル形状の中心軸方向において前記超電導素子と熱的に接触する
   ことを特徴とする超電導応用機器。