JP2016131231A - Permanent current switch and superconducting device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a permanent current switch capable of suppressing increase in the load of refrigeration means when turning the switch OFF, while cooling a superconducting wire effectively when turning the switch ON.SOLUTION: In a permanent current switch (1) including a reel (12), a superconducting wire (25), a first heater (21), a housing (30), an operation medium (50), and a second heater (42), the housing (30) has a bottom wall (32), and a support wall (34) for supporting the reel (12) at a position where an interruption space is formed between a lower end (18) of the reel and the bottom wall (32). The amount of the operation medium (50) is set sufficiently so that the operation medium (50) accumulates in the interruption space in the state of liquid phase, when the temperature thereof goes below the condensation temperature, and a solid layer having a shape for filling the interruption space is formed so as to thermally connect the lower end (18) of the reel and the bottom wall (32), when the temperature of the operation medium (50) goes below the solidification temperature.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、超電導による永久電流が流れる閉回路を形成する永久電流スイッチ、及びその永久電流スイッチを備える超電導装置に関する。   The present invention relates to a permanent current switch that forms a closed circuit through which a permanent current caused by superconducting flows, and a superconducting device including the permanent current switch.

一般に、MRI(磁気共鳴画像)装置やNMR(核磁気共鳴)装置など、静磁場を発生させる必要がある装置では、超電導磁石(超電導マグネット)を永久電流モードで運転することで静磁場を発生させる。永久電流モードとは、永久電流によって超電導磁石を励磁することを意味する。永久電流モードで超電導磁石を運転するには、超電導線で構成され、超電導磁石が組み込まれた閉回路に永久電流を流す必要がある。   In general, in an apparatus that needs to generate a static magnetic field, such as an MRI (magnetic resonance imaging) apparatus or an NMR (nuclear magnetic resonance) apparatus, a superconducting magnet (superconducting magnet) is operated in a permanent current mode to generate a static magnetic field. . The permanent current mode means exciting the superconducting magnet with a permanent current. In order to operate a superconducting magnet in the permanent current mode, it is necessary to pass a permanent current through a closed circuit composed of a superconducting wire and incorporating the superconducting magnet.

超電導磁石が組み込まれた閉回路に永久電流を流すには、まず、閉回路を切断し、当該閉回路の一部を構成する超電導磁石に対して外部の電源から電流を供給する。そして、超電導磁石に流れる電流値が定格に達した後に再び閉回路を接続することにより、超電導磁石に供給された電流を超電導線で構成された閉回路に閉じ込める。この閉じ込められた電流が、永久電流として閉回路を流れる。前記閉回路の切断及び接続の切り替えは、閉回路において超電導磁石に接続された永久電流スイッチによって行われる。この永久電流スイッチは、超電導磁石を含む閉回路を構成するのに必要な部材である。永久電流スイッチとしては、熱式、磁気式、機械式などの方式が知られているが、作製が比較的容易であることから、熱式の永久電流スイッチが採用されることが多い。特に、MRI装置やNMR装置のように、超電導磁石が発生させる磁場の均一度が装置の性能を律速するような場合、磁気式ではなく熱式が多用される。   In order to pass a permanent current through a closed circuit in which a superconducting magnet is incorporated, first, the closed circuit is disconnected, and a current is supplied from an external power source to the superconducting magnet constituting a part of the closed circuit. Then, the current supplied to the superconducting magnet is confined in the closed circuit constituted by the superconducting wire by connecting the closed circuit again after the value of the current flowing through the superconducting magnet reaches the rating. This confined current flows through the closed circuit as a permanent current. The closing of the closed circuit and the switching of the connection are performed by a permanent current switch connected to the superconducting magnet in the closed circuit. This permanent current switch is a member necessary for constituting a closed circuit including a superconducting magnet. As the permanent current switch, methods such as a thermal type, a magnetic type, and a mechanical type are known. However, since the production is relatively easy, a thermal type permanent current switch is often adopted. In particular, when the uniformity of the magnetic field generated by the superconducting magnet determines the performance of the apparatus, such as an MRI apparatus or NMR apparatus, the thermal type is used frequently instead of the magnetic type.

具体的に、熱式の永久電流スイッチは、超電導線とこの超電導線を加熱可能なヒータとを備え、当該ヒータへの通電を制御することにより、超電導線を、超電導状態(スイッチON状態)と常電導状態(スイッチOFF状態)との間で切り換える。例えば、ヒータへの通電を停止することにより超電導線を超電導状態(スイッチON状態)にすれば、超電導磁石が組み込まれた閉回路が形成されるので、外部の電源から供給された電流が閉回路を流れ続けることによって超電導磁石が永久電流モードで励磁される。逆に、ヒータへの通電を行うことにより超電導線を常電導状態(スイッチOFF状態)にすれば、閉回路が切断されるので、永久電流モードは解消される。   Specifically, the thermal permanent current switch includes a superconducting wire and a heater capable of heating the superconducting wire, and by controlling energization to the heater, the superconducting wire is switched to a superconducting state (switch ON state). Switch between normal conducting state (switch off state). For example, if the superconducting wire is brought into a superconducting state (switch ON state) by stopping energization to the heater, a closed circuit incorporating a superconducting magnet is formed, so that a current supplied from an external power source is closed circuit By continuing to flow, the superconducting magnet is excited in the permanent current mode. On the contrary, if the superconducting wire is brought into a normal conducting state (switch OFF state) by energizing the heater, the closed circuit is disconnected, so that the permanent current mode is canceled.

このような永久電流スイッチとして、例えば、特許文献1に示すものが知られている。この永久電流スイッチは、巻枠と、巻枠に巻回された超電導線と、超電導線の周囲に巻回され当該超電導線を加熱するヒータ線と、を備えている。超電導線は、当該超電導線とともに閉回路を形成する超電導コイルに接続されている。この超電導コイル及び巻枠は、冷凍手段(冷凍機及び冷却板)によって伝導冷却される。この永久電流スイッチにおいて、ヒータ線への通電が遮断されると、超電導線は、巻枠を介して冷凍手段によって冷却され、超電導状態(スイッチON状態)となる。一方、ヒータ線への通電が行われると、超電導線が加熱され、当該超電導線が常電導状態(スイッチOFF状態)となる。このとき、ヒータ線で生じた熱が巻枠を介して冷凍手段に伝わることにより、冷凍手段の負荷が大きくなることが懸念される。このため、特許文献1に記載の永久電流スイッチでは、巻枠と超電導線との間に断熱材が巻回されている。これにより、超電導線の周囲に巻回されたヒータ線の熱が巻枠を介して冷凍手段に伝わることに起因する冷凍手段の負荷の増大が抑制されている。   As such a permanent current switch, for example, the one shown in Patent Document 1 is known. The permanent current switch includes a winding frame, a superconducting wire wound around the winding frame, and a heater wire that is wound around the superconducting wire and heats the superconducting wire. The superconducting wire is connected to a superconducting coil that forms a closed circuit together with the superconducting wire. The superconducting coil and the winding frame are conductively cooled by refrigeration means (a refrigerator and a cooling plate). In the permanent current switch, when the energization to the heater wire is cut off, the superconducting wire is cooled by the refrigeration means via the winding frame, and enters a superconducting state (switch ON state). On the other hand, when the heater wire is energized, the superconducting wire is heated and the superconducting wire enters a normal conducting state (switch OFF state). At this time, there is a concern that the heat generated by the heater wire is transmitted to the refrigeration means via the winding frame, and the load on the refrigeration means is increased. For this reason, in the permanent current switch described in Patent Document 1, a heat insulating material is wound between the winding frame and the superconducting wire. Thereby, the increase in the load of the freezing means resulting from the heat of the heater wire wound around the superconducting wire being transmitted to the freezing means via the winding frame is suppressed.

特開平10−189324号公報JP-A-10-189324

特許文献1に記載の永久電流スイッチでは、巻枠と超電導線との間に断熱材が設けられているので、スイッチOFF状態にする際の冷凍手段の負荷の増大は抑制されるものの、前記断熱材は、スイッチON状態にする際における超電導線から巻枠及び冷凍手段への熱伝導、すなわち、超電導線の冷却を阻害する。このため、スイッチOFF状態からスイッチON状態とするまでに要する時間が長くなる。   In the permanent current switch described in Patent Document 1, since a heat insulating material is provided between the winding frame and the superconducting wire, an increase in the load of the refrigeration unit when the switch is turned off is suppressed, but the heat insulation is performed. The material inhibits heat conduction from the superconducting wire to the winding frame and the refrigeration means when the switch is turned on, that is, cooling of the superconducting wire. For this reason, the time required from the switch OFF state to the switch ON state becomes longer.

本発明の目的は、スイッチOFF状態にするときの冷凍手段の負荷の増大を抑制可能で、かつ、スイッチON状態にするときの超電導線の有効な冷却が可能な永久電流スイッチを提供することである。   An object of the present invention is to provide a permanent current switch that can suppress an increase in the load of the refrigeration means when the switch is turned off and can effectively cool the superconducting wire when the switch is turned on. is there.

前記課題を解決する手段として、本発明は、超電導コイルとともに永久電流が流れる閉回路を構成しかつ当該閉回路を断続可能な永久電流スイッチであって、巻枠と、前記巻枠に巻回されており、前記超電導コイルと接続可能な超電導線と、前記超電導線の温度が当該超電導線が超電導状態から常電導状態となる臨界温度以上となるように当該超電導線を加熱可能な第1ヒータと、前記巻枠、前記超電導線及び前記第1ヒータを密封状態で収容可能な形状を有するとともに、前記超電導線の温度が前記臨界温度以下となるように当該超電導線を冷却するための冷凍手段に接続される筐体と、前記筐体内に封入されており、前記超電導線の臨界温度よりも高い凝固温度を有する動作媒体と、前記動作媒体の温度が前記凝固温度以上となるように当該動作媒体を加熱可能な第2ヒータと、を備え、前記筐体は、前記冷凍手段に対して熱的に接続される底壁と、前記底壁に接続されており当該底壁とともに前記巻枠、前記超電導線及び前記第1ヒータを密封状態で収容する形状を有するとともに、前記巻枠の下端部と前記底壁との熱的な接続を遮断可能な遮断空間が当該巻枠の下端部と当該底壁との間に形成される位置に前記巻枠を支持する支持壁と、を有し、前記動作媒体の量は、当該動作媒体の温度が凝縮温度以下になったときに当該動作媒体が液相の状態で前記遮断空間に溜まり、かつ、当該動作媒体の温度が前記凝固温度以下になったときに前記巻枠の下端部と前記底壁とを熱的に接続するように前記遮断空間を満たす形状を有する固体層を形成するのに十分な量に設定されている、永久電流スイッチを提供する。   As means for solving the above-mentioned problems, the present invention is a permanent current switch that constitutes a closed circuit through which a permanent current flows together with a superconducting coil and is capable of interrupting the closed circuit, and is wound around the winding frame and the winding frame. A superconducting wire connectable to the superconducting coil; and a first heater capable of heating the superconducting wire so that the temperature of the superconducting wire is equal to or higher than a critical temperature at which the superconducting wire changes from a superconducting state to a normal conducting state. And a refrigeration means for cooling the superconducting wire so that the reel, the superconducting wire, and the first heater can be accommodated in a sealed state, and the temperature of the superconducting wire is equal to or lower than the critical temperature. A housing to be connected, a working medium enclosed in the housing, having a solidification temperature higher than a critical temperature of the superconducting wire, and a temperature of the working medium equal to or higher than the solidification temperature A second heater capable of heating the working medium, wherein the casing is thermally connected to the refrigeration means, and the winding is connected to the bottom wall together with the bottom wall. A cut-off space having a shape that accommodates the frame, the superconducting wire, and the first heater in a sealed state and capable of blocking a thermal connection between the lower end portion of the winding frame and the bottom wall is a lower end portion of the winding frame. And a support wall that supports the reel at a position formed between the bottom wall and the bottom wall, and the amount of the working medium is determined when the temperature of the working medium is equal to or lower than the condensation temperature. The medium is accumulated in the shut-off space in a liquid phase state, and the lower end of the reel and the bottom wall are thermally connected when the temperature of the working medium becomes equal to or lower than the solidification temperature. It is set to an amount sufficient to form a solid layer having a shape that fills the blocking space. , To provide a permanent current switch.

本発明では、第1ヒータに通電することにより超電導線が超電導状態(スイッチON状態)から常電導状態(スイッチOFF状態)となり、またこのとき、第1ヒータで生じる熱が巻枠を介して遮断空間を満たしている固体層(固相の動作媒体)に伝わるとともに第2ヒータへの通電により当該第2ヒータで生じる熱が固体層に伝わることによって固体層が気化するので、巻枠の下端部と底壁との間に遮断空間が形成される(巻枠の下端部と底壁との熱的な接続が遮断される)。よって、超電導線を超電導状態から常電導状態にするときに、第1ヒータの熱が巻枠の下端部及び底壁を通じて冷凍手段へ伝わることに起因する当該冷凍手段の負荷の増大が抑制される。一方、第1ヒータへの通電及び第2ヒータへの通電を停止することにより、超電導線が超電導状態に至る前(超電導線の温度が臨界温度に至る前)に、動作媒体の温度がその凝縮温度に達して当該動作媒体が遮断空間に液相の状態で溜まり、その後、液相の動作媒体が底壁を介して冷凍手段で冷却されることによって動作媒体の温度が凝固温度に達して当該動作媒体が遮断空間を満たす形状の固体層を形成するので、巻枠の下端部と底壁とが熱的に接続される(固体層を介して巻枠の下端部と底壁との熱伝導が可能となる)。よって、超電導線を常電導状態から超電導状態にするときに、超電導線の熱が巻枠の下端部、固体層及び底壁を通じて冷凍手段へ効果的に伝わるので、換言すれば、超電導線が冷凍手段によって効果的に冷却されるので、超電導線が早期に超電導状態に至る。つまり、本発明では、超電導線を超電導状態から常電導状態にするときは、遮断空間により巻枠の下端部と底壁との熱的な接続が遮断されるので、第1ヒータから冷凍手段への熱伝導が抑制され、逆に、超電導線を常電導状態から超電導状態にするときは、固体層が遮断空間を満たすことによって巻枠の下端部と底壁とが熱的に接続されるので、超電導線から冷凍手段への熱伝導(超電導線の冷却)が促進される。   In the present invention, when the first heater is energized, the superconducting wire is changed from the superconducting state (switch ON state) to the normal conducting state (switch OFF state), and at this time, the heat generated in the first heater is cut off via the reel. Since the solid layer is vaporized by being transmitted to the solid layer (solid phase working medium) filling the space and heat generated in the second heater by conduction to the second heater, the lower end of the reel A blocking space is formed between the bottom wall and the bottom wall (thermal connection between the lower end of the reel and the bottom wall is blocked). Therefore, when the superconducting wire is changed from the superconducting state to the normal conducting state, an increase in the load of the refrigeration unit due to the heat of the first heater being transmitted to the refrigeration unit through the lower end portion and the bottom wall of the winding frame is suppressed. . On the other hand, by stopping energization of the first heater and energization of the second heater, the temperature of the working medium is condensed before the superconducting wire reaches the superconducting state (before the temperature of the superconducting wire reaches the critical temperature). When the temperature reaches the temperature, the working medium accumulates in a liquid state in the shut-off space, and then the liquid-phase working medium is cooled by the refrigeration means through the bottom wall, so that the temperature of the working medium reaches the solidification temperature. Since the working medium forms a solid layer that fills the blocking space, the lower end of the reel and the bottom wall are thermally connected (the heat conduction between the lower end and the bottom wall of the reel through the solid layer). Is possible). Therefore, when the superconducting wire is changed from the normal conducting state to the superconducting state, the heat of the superconducting wire is effectively transmitted to the refrigeration means through the lower end portion, the solid layer and the bottom wall of the winding frame. Since it is cooled effectively by the means, the superconducting wire reaches the superconducting state at an early stage. That is, in the present invention, when the superconducting wire is changed from the superconducting state to the normal conducting state, the thermal connection between the lower end portion of the winding frame and the bottom wall is cut off by the cut-off space. On the contrary, when the superconducting wire is changed from the normal conducting state to the superconducting state, the lower end portion and the bottom wall of the reel are thermally connected by the solid layer filling the blocking space. The heat conduction from the superconducting wire to the refrigeration means (cooling of the superconducting wire) is promoted.

具体的に、前記支持壁の熱伝導率は、前記固体層の熱伝導率よりも低く設定されていることが好ましい。   Specifically, the thermal conductivity of the support wall is preferably set lower than the thermal conductivity of the solid layer.

このようにすれば、超電導線を常電導状態にするときの冷凍手段の負荷の増大(冷凍手段への入熱)を抑制しながら超電導線を超電導状態にするときに当該超電導線を有効に冷却することが、より確実に達成される。具体的に、超電導線を常電導状態にするときは、遮断空間が形成されるので、第1ヒータで生じた熱は、巻枠、支持壁及び底壁を通じて冷凍手段に伝わる一方、超電導線を超電導状態にするときは、遮断空間が固体層で満たされるので、超電導線の熱は、巻枠、固体層及び底壁を通じて冷凍手段に伝わる。本発明では、支持壁の熱伝導率が固体層のそれよりも低く設定されているため、超電導線を常電導状態にするときの第1ヒータから冷凍手段への熱伝導が有効に抑制され、かつ、超電導線を超電導状態にするときの超電導線から冷凍手段への熱伝導(超電導線の冷却)が効果的に行われる。   In this way, the superconducting wire is effectively cooled when the superconducting wire is brought into the superconducting state while suppressing the increase in the load of the refrigeration means (heat input to the refrigeration means) when the superconducting wire is brought into the normal conducting state. Is more reliably achieved. Specifically, when the superconducting wire is brought into a normal conducting state, a cut-off space is formed, so that the heat generated by the first heater is transferred to the refrigeration means through the winding frame, the support wall and the bottom wall, while the superconducting wire is When the superconducting state is established, since the blocking space is filled with the solid layer, the heat of the superconducting wire is transmitted to the refrigeration means through the winding frame, the solid layer and the bottom wall. In the present invention, since the thermal conductivity of the support wall is set lower than that of the solid layer, the heat conduction from the first heater to the refrigeration means when the superconducting wire is in the normal conducting state is effectively suppressed, In addition, heat conduction from the superconducting wire to the refrigeration means when the superconducting wire is brought into a superconducting state (cooling of the superconducting wire) is effectively performed.

この場合において、前記支持壁は、当該支持壁と前記底壁との接触部分の面積を当該接触部分により取り囲まれる面積よりも小さくする形状を有することが好ましい。   In this case, it is preferable that the support wall has a shape that makes an area of a contact portion between the support wall and the bottom wall smaller than an area surrounded by the contact portion.

このようにすれば、上記効果をより高めることができる。具体的に、支持壁と底壁との接触部分の面積が当該接触部分により取り囲まれる面積(動作媒体と底壁との接触面積)よりも小さいため、超電導線を常電導状態にするときの支持壁から底壁への入熱量を小さくしながら、超電導線を超電導状態にするときの固体層から底壁への入熱量を大きく確保することができる。よって、超電導線を超電導状態にするときの固体層を通じた超電導線の有効な冷却を確保しながら、超電導線を常電導状態にするときの冷凍手段の負荷の増大を一層低減することができる。   In this way, the above effect can be further enhanced. Specifically, since the area of the contact portion between the support wall and the bottom wall is smaller than the area surrounded by the contact portion (the contact area between the working medium and the bottom wall), the support when placing the superconducting wire in the normal conduction state While reducing the amount of heat input from the wall to the bottom wall, it is possible to ensure a large amount of heat input from the solid layer to the bottom wall when the superconducting wire is brought into a superconducting state. Therefore, while ensuring effective cooling of the superconducting wire through the solid layer when the superconducting wire is brought into the superconducting state, an increase in the load of the refrigeration means when the superconducting wire is brought into the normal conducting state can be further reduced.

また、本発明において、前記支持壁は、前記巻枠の下端部が当該支持壁から離間し、かつ、前記巻枠の上端部が当該支持壁に接触した状態で前記巻枠を支持していることが好ましい。   In the present invention, the support wall supports the reel in a state where a lower end of the reel is separated from the support wall and an upper end of the reel is in contact with the support wall. It is preferable.

このようにすれば、巻枠の下端部が支持壁に接触している場合に比べて、超電導線を常電導状態にするときの第1ヒータから冷凍手段への熱伝導が抑制される。具体的に、巻枠の下端部が支持壁から離間し、かつ、巻枠の上端部が支持壁と接触しているため、第1ヒータで発生した熱は、巻枠の上端部及び支持壁を介して底壁に伝わる。つまり、巻枠の下端部が支持壁に接触している場合に比べ、第1ヒータで発生した熱が支持壁を伝わる距離(熱の伝達経路)が長くなるので、第1ヒータから冷凍手段への熱伝導が抑制される。   In this way, heat conduction from the first heater to the refrigeration means when the superconducting wire is brought into the normal conducting state is suppressed as compared with the case where the lower end portion of the reel is in contact with the support wall. Specifically, since the lower end of the reel is separated from the support wall and the upper end of the reel is in contact with the support wall, the heat generated by the first heater is generated by the upper end of the reel and the support wall. It is transmitted to the bottom wall through. That is, compared to the case where the lower end of the reel is in contact with the support wall, the distance (heat transfer path) through which the heat generated by the first heater is transmitted through the support wall becomes longer. Heat conduction is suppressed.

また、本発明において、前記動作媒体を吸着及び解放することが可能な吸着体と、前記吸着体を加熱する第3ヒータと、をさらに備え、前記吸着体は、当該吸着体の温度が低くなるにしたがって前記動作媒体の吸着量が増大する性質を有する材料により形成されていることが好ましい。   The present invention further includes an adsorbent capable of adsorbing and releasing the working medium and a third heater for heating the adsorbent, and the adsorbent has a lower temperature of the adsorbent. Accordingly, it is preferable that the working medium is formed of a material having a property of increasing the amount of adsorption of the working medium.

このようにすれば、超電導線を超電導状態にするときに固体層で遮断空間を有効に満たしながら、超電導線を常電導状態にするときにより確実に遮断空間を形成することができる。具体的に、超電導線を常電導状態にするときに吸着体の温度を低下させることにより、第1ヒータ及び第2ヒータへの通電時に気化することによって遮断空間から退避した動作媒体が吸着体に吸着されるので、遮断空間の形成がより確実となる。一方、超電導線を超電導状態にするときは、第3ヒータへ通電することによって吸着体の温度を上昇させることにより、吸着体から解放された動作媒体が遮断空間を満たすので、有効に固体層が形成される。   In this way, it is possible to more reliably form the cut-off space when the superconducting wire is brought into the normal conduction state while effectively filling the cut-off space with the solid layer when the superconducting wire is put into the superconducting state. Specifically, by lowering the temperature of the adsorbent when the superconducting wire is placed in the normal conducting state, the working medium retreated from the shut-off space by vaporizing when the first heater and the second heater are energized becomes the adsorbent. Since it is adsorbed, the formation of the blocking space becomes more reliable. On the other hand, when the superconducting wire is brought into the superconducting state, the operating medium released from the adsorbent fills the blocking space by increasing the temperature of the adsorbent by energizing the third heater, so that the solid layer is effectively formed. It is formed.

この場合において、前記筐体の外側に配置され、前記吸着体を収容する吸着体容器と、前記遮断空間と前記吸着体容器内とを連通する連通管と、をさらに備え、前記第3ヒータは、前記吸着体容器に巻回されていることが好ましい。   In this case, the third heater is further provided with an adsorbent container that is disposed outside the housing and accommodates the adsorbent, and a communication pipe that communicates the blocking space and the inside of the adsorbent container. The coil is preferably wound around the adsorbent container.

このようにすれば、超電導線を超電導状態にするときに第3ヒータで生じる熱が筐体に伝わることが抑制されるので、吸着体容器内から連通管を通じて筐体内に流入した動作媒体が固体層を形成するのに要する時間が短縮される。   In this way, since the heat generated by the third heater is suppressed from being transmitted to the casing when the superconducting wire is brought into the superconducting state, the working medium that has flowed into the casing from the adsorbent container through the communication pipe is solid. The time required to form the layer is reduced.

さらにこの場合において、前記連通管を通じて前記吸着体から前記筐体内に流入する動作媒体を冷却する冷却部をさらに備えることが好ましい。   Furthermore, in this case, it is preferable to further include a cooling unit that cools the working medium flowing into the housing from the adsorbent through the communication pipe.

このようにすれば、連通管を通じて吸着体から筐体内に流入する動作媒体が冷却されるので、遮断空間での固体層の形成に要する時間が短縮される。   In this way, the working medium flowing from the adsorbent into the housing through the communication pipe is cooled, so that the time required for forming the solid layer in the blocking space is shortened.

また、本発明は、前記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及び前記超電導コイルを収容する収容容器と、前記冷凍手段と、を備える超電導装置であって、前記冷凍手段は、前記収容容器内において前記底壁及び前記超電導コイルを支持する冷却部材と、前記冷却部材及び前記収容容器を冷却する冷凍機と、を有し、前記冷凍機は、前記収容容器を冷却する第1冷却ステージと、前記冷却板を冷却可能な第2冷却ステージと、を有し、前記第1冷却ステージは、前記第2冷却ステージの冷凍能力よりも大きな冷凍能力を有し、前記筐体の底壁は、前記冷却部材に接続されており、前記吸着体容器は、前記収容容器に接続されている、超電導装置を提供する。   Further, the present invention is a superconducting device comprising the permanent current switch, the superconducting coil, a storage container for housing the permanent current switch and the superconducting coil, and the refrigeration means, wherein the refrigeration means comprises: A cooling member that supports the bottom wall and the superconducting coil in the storage container; and a refrigerator that cools the cooling member and the storage container. The refrigerator cools the storage container. A cooling stage; and a second cooling stage capable of cooling the cooling plate, wherein the first cooling stage has a refrigerating capacity larger than that of the second cooling stage, and the bottom of the casing The wall is connected to the cooling member, and the adsorbent container is provided with the superconducting device connected to the containing container.

本超電導装置では、吸着体容器が収容容器に接続されており、この収容容器は、相対的に冷凍能力の大きな第1冷却ステージで冷却されるので、吸着体の有効な冷却が可能となる。よって、超電導線を常電導状態とするときに筐体内で気化した動作媒体を効果的に吸着することができる。   In the present superconducting device, the adsorbent container is connected to the receiving container, and the receiving container is cooled by the first cooling stage having a relatively large refrigerating capacity, so that the adsorbent can be effectively cooled. Therefore, the working medium vaporized in the housing when the superconducting wire is brought into the normal conducting state can be effectively adsorbed.

この場合において、前記底壁と前記冷却部材との間に設けられた熱抵抗部材をさらに備え、前記熱抵抗部材の熱伝導率は、前記底壁の熱伝導率よりも低く設定されていることが好ましい。   In this case, a thermal resistance member provided between the bottom wall and the cooling member is further provided, and the thermal conductivity of the thermal resistance member is set lower than the thermal conductivity of the bottom wall. Is preferred.

このようにすれば、超電導線を常電導状態にするときに第1ヒータで発生した熱が、支持壁及び底壁を通じて冷却部材に伝わることが抑制されるので、超電導線を常電導状態にするときの冷凍機の負荷の増大(冷凍機への入熱)が抑制される。   If it does in this way, since it will be suppressed that the heat | fever generate | occur | produced with the 1st heater at the time of making a superconducting wire into a normal conduction state is transmitted to a cooling member through a support wall and a bottom wall, a superconducting wire is made into a normal conduction state. The increase in the load of the refrigerator at that time (heat input to the refrigerator) is suppressed.

また、本発明において、前記吸着体容器と収容容器との間に設けられた他の熱抵抗部材をさらに備え、前記他の熱抵抗部材の熱伝導率は、前記吸着体容器の熱伝導率よりも低く設定されていることが好ましい。   Moreover, in this invention, it further comprises the other heat resistance member provided between the said adsorption body container and the storage container, The heat conductivity of the said other heat resistance member is from the heat conductivity of the said adsorption body container. Is preferably set to be low.

このようにすれば、第3ヒータの通電時に収容容器を介して第1冷却ステージにより吸着体容器が冷却されることが抑制されるため、吸着体がより早期に昇温される。   If it does in this way, since it will be suppressed that an adsorbent container is cooled by the 1st cooling stage via an accommodation container at the time of energization of the 3rd heater, an adsorbent will be heated up earlier.

また、前記動作媒体は、パラ水素、ネオン及び窒素のいずれかであることが好ましい。   The working medium is preferably any one of parahydrogen, neon, and nitrogen.

以上のように、本発明によれば、スイッチOFF状態にするときの冷凍手段の負荷の増大を抑制可能で、かつ、スイッチON状態にするときの超電導線の有効な冷却が可能な永久電流スイッチを提供することができる。   As described above, according to the present invention, a permanent current switch that can suppress an increase in the load of the refrigeration means when the switch is turned off and can effectively cool the superconducting wire when the switch is turned on. Can be provided.

本発明の一実施形態の超電導装置の構成の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of a structure of the superconducting apparatus of one Embodiment of this invention. 永久電流スイッチの断面図である。It is sectional drawing of a permanent current switch. 種々の物質における温度と熱伝導率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature and thermal conductivity in various substances. 吸着体の平衡圧力と吸着量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the equilibrium pressure of an adsorbent, and adsorption amount. 連通管の流入側の圧力とコンダクタンスとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the pressure of the inflow side of a communicating pipe, and conductance.

本発明の一実施形態の超電導装置10について、図1〜図5を参照しながら説明する。この超電導装置10は、MRI(磁気共鳴画像)装置やNMR(核磁気共鳴)装置等に用いられる装置であり、静磁場を発生させるものである。   A superconducting device 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The superconducting device 10 is a device used for an MRI (magnetic resonance imaging) device, an NMR (nuclear magnetic resonance) device, or the like, and generates a static magnetic field.

図1に示されるように、本超電導装置10は、永久電流スイッチ1と、超電導コイル3と、収容容器2と、真空容器4と、冷凍手段5と、を備えている。   As shown in FIG. 1, the superconducting device 10 includes a permanent current switch 1, a superconducting coil 3, a container 2, a vacuum container 4, and a refrigeration unit 5.

永久電流スイッチ1は、超電導コイル3とともに閉回路(永久電流が流れる回路)を構成する。永久電流スイッチ1は、前記閉回路の断続の切り替えを行う。この永久電流スイッチ1の詳細については後述する。   The permanent current switch 1 and the superconducting coil 3 constitute a closed circuit (a circuit through which a permanent current flows). The permanent current switch 1 performs switching of the closed circuit intermittently. Details of the permanent current switch 1 will be described later.

超電導コイル3は、超電導体(超電導物質)からなる線材を巻回して得られるコイルである。超電導コイル3は、超電導体からなる線材を介して永久電流スイッチ1に接続されており、これにより前記閉回路が形成される。超電導コイル3は、当該超電導コイル3に電流を供給する外部の電源部(図示略)に接続可能に構成されている。超電導コイル3の温度が超電導転移温度(臨界温度)以下の状態であるときに当該超電導コイル3に電流が供給されると、その電流は、いわゆる永久電流として電気抵抗がほぼゼロ0となった超電導コイル3を流れ続ける。超電導コイル3は、この永久電流が引き起こす電磁誘導によって磁場を発生させる。   The superconducting coil 3 is a coil obtained by winding a wire made of a superconductor (superconducting substance). The superconducting coil 3 is connected to the permanent current switch 1 via a wire made of a superconductor, thereby forming the closed circuit. The superconducting coil 3 is configured to be connectable to an external power supply (not shown) that supplies current to the superconducting coil 3. When a current is supplied to the superconducting coil 3 when the temperature of the superconducting coil 3 is equal to or lower than the superconducting transition temperature (critical temperature), the current is a superconducting current whose electric resistance is almost zero as a so-called permanent current. Continue to flow through the coil 3. The superconducting coil 3 generates a magnetic field by electromagnetic induction caused by this permanent current.

収容容器2は、永久電流スイッチ1及び超電導コイル3を収容する。本実施形態では、収容容器2は、アルミニウム等の熱伝導性の高い材料により形成されている。   The container 2 houses the permanent current switch 1 and the superconducting coil 3. In the present embodiment, the storage container 2 is formed of a material having high thermal conductivity such as aluminum.

真空容器4は、収容容器2を収容する容器であり、収容容器2よりも一回り大きな形状を有する。真空容器4は、大気圧下において当該真空容器4内を真空状態とすることが可能な強度を有する。本実施形態では、真空容器4は、ステンレス鋼により形成されている。この真空容器4内は、真空状態に維持される。これにより、収容容器2の大気との接触、すなわち、収容容器2外の大気の熱が収容容器2内に進入することが回避される。   The vacuum container 4 is a container that stores the storage container 2, and has a shape that is slightly larger than the storage container 2. The vacuum container 4 has such a strength that the inside of the vacuum container 4 can be evacuated under atmospheric pressure. In the present embodiment, the vacuum vessel 4 is made of stainless steel. The inside of the vacuum vessel 4 is maintained in a vacuum state. Thereby, the contact of the storage container 2 with the atmosphere, that is, the heat of the atmosphere outside the storage container 2 entering the storage container 2 is avoided.

冷凍手段5は、収容容器2及び超電導コイル3を冷却する手段である。本実施形態では、冷凍手段5は、冷凍機6と、可撓性熱伝導部材7と、冷却部材8と、を有する。   The refrigeration means 5 is means for cooling the container 2 and the superconducting coil 3. In the present embodiment, the refrigeration unit 5 includes a refrigerator 6, a flexible heat conducting member 7, and a cooling member 8.

本実施形態では、冷凍機6として、GM(ギフォード・マクマホン)冷凍機などの極低温冷凍機が用いられている。この冷凍機6は、ロータリーバルブ等を含む駆動部60と、駆動部60に接続された第1冷却ステージ61と、第1冷却ステージ61に接続された第2冷却ステージ62と、を有する。   In the present embodiment, a cryogenic refrigerator such as a GM (Gifford McMahon) refrigerator is used as the refrigerator 6. The refrigerator 6 includes a driving unit 60 including a rotary valve, a first cooling stage 61 connected to the driving unit 60, and a second cooling stage 62 connected to the first cooling stage 61.

駆動部60は、真空容器4に接続されている。具体的に、駆動部60は、真空容器4を貫通する状態で当該真空容器4に保持されている。   The drive unit 60 is connected to the vacuum vessel 4. Specifically, the drive unit 60 is held by the vacuum vessel 4 in a state of penetrating the vacuum vessel 4.

第1冷却ステージ61は、収容容器2に接続されており、当該収容容器2を冷却する。第1冷却ステージ61は、収容容器2の温度が40K程度となるまで当該収容容器2を冷却可能な冷凍能力を有している。   The first cooling stage 61 is connected to the container 2 and cools the container 2. The first cooling stage 61 has a refrigerating capacity capable of cooling the receiving container 2 until the temperature of the receiving container 2 reaches about 40K.

第2冷却ステージ62は、収容容器2内に配置されている。第2冷却ステージ62は、可撓性熱伝導部材7を介して冷却部材8に接続されており、当該冷却部材8を冷却する。可撓性熱伝導部材7は、銅等の熱伝導率の高い材料により形成されている。第2冷却ステージ62は、冷却部材8の温度が4K程度となるまで当該冷却部材8を冷却可能な冷凍能力を有している。本実施形態では、第1冷却ステージ61は、第2冷却ステージ62の冷凍能力よりも大きな冷却能力を有している。   The second cooling stage 62 is disposed in the storage container 2. The second cooling stage 62 is connected to the cooling member 8 via the flexible heat conducting member 7 and cools the cooling member 8. The flexible heat conducting member 7 is made of a material having high heat conductivity such as copper. The second cooling stage 62 has a refrigerating capacity capable of cooling the cooling member 8 until the temperature of the cooling member 8 reaches about 4K. In the present embodiment, the first cooling stage 61 has a cooling capacity larger than that of the second cooling stage 62.

冷却部材8は、銅等の熱伝導率の高い材料により形成されている。本実施形態では、冷却部材8は平板状に形成されている。冷却部材8の一方(図1の下方)の面には超電導コイル3が接続されている。このため、超電導コイル3は、冷却部材8及び可撓性熱伝導部材7を介して第2冷却ステージ62により冷却される。このため、冷凍機6の駆動により、超電導コイル3の温度は、超電導転移温度以下(例えば4K)となる。   The cooling member 8 is made of a material having high thermal conductivity such as copper. In the present embodiment, the cooling member 8 is formed in a flat plate shape. The superconducting coil 3 is connected to one surface of the cooling member 8 (downward in FIG. 1). For this reason, the superconducting coil 3 is cooled by the second cooling stage 62 via the cooling member 8 and the flexible heat conducting member 7. For this reason, by driving the refrigerator 6, the temperature of the superconducting coil 3 becomes equal to or lower than the superconducting transition temperature (for example, 4K).

ここで、永久電流スイッチ1の詳細を説明する。図1及び図2に示されるように、永久電流スイッチ1は、本体部1Aと、吸着槽1Bと、連通管1Cと、を有する。本体部1Aは、冷却部材8に接続されている。吸着槽1Bは、収容容器2に接続されている。連通管1Cは、本体部1Aと吸着槽1Bとを連通している。   Here, details of the permanent current switch 1 will be described. As shown in FIGS. 1 and 2, the permanent current switch 1 includes a main body 1 </ b> A, an adsorption tank 1 </ b> B, and a communication pipe 1 </ b> C. The main body 1 </ b> A is connected to the cooling member 8. The adsorption tank 1B is connected to the container 2. The communication pipe 1C communicates the main body 1A and the adsorption tank 1B.

図2に示されるように、本体部1Aは、巻枠12と、第1ヒータ21と、超電導線25と、筐体30と、第2ヒータ42と、動作媒体50と、を有する。   As shown in FIG. 2, the main body 1 </ b> A includes a winding frame 12, a first heater 21, a superconducting wire 25, a housing 30, a second heater 42, and a working medium 50.

巻枠12は、円筒状の胴部14と、胴部14の上端に接続された上部フランジ16と、胴部14の下端に接続された下部フランジ18と、を有する。本実施形態では、巻枠12は、銅により形成されている。また、胴部14の外径は、15mmに設定されている。   The reel 12 includes a cylindrical body portion 14, an upper flange 16 connected to the upper end of the body portion 14, and a lower flange 18 connected to the lower end of the body portion 14. In the present embodiment, the winding frame 12 is made of copper. Moreover, the outer diameter of the trunk | drum 14 is set to 15 mm.

上部フランジ16は、胴部14の上端から胴部14の径方向の外向きに突出する形状を有する。本実施形態では、上部フランジ16は、円筒状の外周面を有する。   The upper flange 16 has a shape that protrudes outward in the radial direction of the body 14 from the upper end of the body 14. In the present embodiment, the upper flange 16 has a cylindrical outer peripheral surface.

下部フランジ18は、胴部14の下端から胴部14の径方向の外向きに突出する形状を有する。本実施形態では、下部フランジ18は、円筒状の外周面を有する。下部フランジ18の外径は、上部フランジ16のそれよりも小さく設定されている。   The lower flange 18 has a shape that protrudes outward in the radial direction of the body 14 from the lower end of the body 14. In the present embodiment, the lower flange 18 has a cylindrical outer peripheral surface. The outer diameter of the lower flange 18 is set smaller than that of the upper flange 16.

第1ヒータ21は、コンスタンタン線など、通電により発熱する導電性の線材により形成されている。第1ヒータ21は、胴部14に対して無誘電巻でコイル状に巻回されている。第1ヒータ21は、外部の電源に接続されている。第1ヒータ21は、超電導線25の温度が臨界温度(超電導線25が超電導状態から常電導状態となる温度)以上となるように当該超電導線25を加熱可能な長さを有している。本実施形態では、第1ヒータ21は、その両端抵抗が100Ωに相当する長さに設定されている。   The first heater 21 is formed of a conductive wire material that generates heat when energized, such as a constantan wire. The first heater 21 is wound around the body portion 14 in a coil shape with a non-dielectric winding. The first heater 21 is connected to an external power source. The first heater 21 has such a length that the superconducting wire 25 can be heated so that the temperature of the superconducting wire 25 becomes equal to or higher than a critical temperature (the temperature at which the superconducting wire 25 changes from the superconducting state to the normal conducting state). In the present embodiment, the first heater 21 has a resistance corresponding to both ends of 100Ω.

超電導線25は、CuNi/NbTiなどの超電導体の線材により形成されている。超電導線25は、胴部14に巻き付けられた第1ヒータ21の上に重なるように無誘導巻でコイル状に巻き付けられる。ただし、超電導線25が胴部14に巻き付けられ、この超電導線25に重なるように第1ヒータ21が巻き付けられてもよい。超電導線25は、超電導体の線材を介して超電導コイル3に接続されている。この超電導線25は、臨界温度(9K程度)以下において電気抵抗がほぼゼロ0(超電導状態)となる。本実施形態では、超電導線25は、室温時の両端抵抗が100Ωとなる長さに設定されている。   The superconducting wire 25 is formed of a superconductor wire such as CuNi / NbTi. The superconducting wire 25 is wound in a coil shape by non-inductive winding so as to overlap the first heater 21 wound around the body portion 14. However, the first heater 21 may be wound around the body portion 14 so that the superconducting wire 25 is wound around the superconducting wire 25. The superconducting wire 25 is connected to the superconducting coil 3 through a superconductor wire. The superconducting wire 25 has an electric resistance of almost zero (superconducting state) at a critical temperature (about 9K) or lower. In the present embodiment, the superconducting wire 25 is set to such a length that the resistance at both ends at room temperature is 100Ω.

筐体30は、巻枠12、超電導線25及び第1ヒータ21を密封状態で収容可能な形状を有する。筐体30は、底壁32と、巻枠12を支持する支持壁34と、を有する。   The housing 30 has a shape that can accommodate the winding frame 12, the superconducting wire 25, and the first heater 21 in a sealed state. The housing 30 includes a bottom wall 32 and a support wall 34 that supports the winding frame 12.

底壁32は、冷却部材8に接続されている。本実施形態では、底壁32は、冷却部材8の上面に熱抵抗部材Ri1を介して接続されている。底壁32は、円板状に形成されている。底壁32は、銅により形成されている。熱抵抗部材Ri1の熱伝導率は、底壁32の熱伝導率よりも低く設定されている。   The bottom wall 32 is connected to the cooling member 8. In the present embodiment, the bottom wall 32 is connected to the upper surface of the cooling member 8 via a thermal resistance member Ri1. The bottom wall 32 is formed in a disk shape. The bottom wall 32 is made of copper. The thermal conductivity of the thermal resistance member Ri <b> 1 is set lower than the thermal conductivity of the bottom wall 32.

支持壁34は、底壁32の上面に接続されており、当該底壁32とともに巻枠12、超電導線25及び第1ヒータ21を密封状態で収容する形状を有する。支持壁34は、巻枠12の下部フランジ18と底壁32との熱的な接続を遮断可能な遮断空間が当該下部フランジ18と当該底壁32との間に形成される位置に巻枠12を支持する。具体的に、支持壁34は、円筒状の側壁35と、側壁35の上側の開口を閉塞する上壁36と、を有する。支持壁34は、銅よりも熱伝導性の低い材料(本実施形態ではステンレス)により形成されている。   The support wall 34 is connected to the upper surface of the bottom wall 32, and has a shape that accommodates the winding frame 12, the superconducting wire 25, and the first heater 21 together with the bottom wall 32 in a sealed state. The support wall 34 is positioned at a position where a blocking space capable of blocking the thermal connection between the lower flange 18 and the bottom wall 32 of the winding frame 12 is formed between the lower flange 18 and the bottom wall 32. Support. Specifically, the support wall 34 includes a cylindrical side wall 35 and an upper wall 36 that closes an opening on the upper side of the side wall 35. The support wall 34 is formed of a material having lower thermal conductivity than copper (in this embodiment, stainless steel).

側壁35は、当該側壁35の下端部と底壁32の上面との接触部分の面積を当該接触部分により取り囲まれる面積よりも小さくする形状を有する。本実施形態では、側壁35の外径は、底壁32のそれと同じに設定されている。側壁35の内径は、上部フランジ16の外径と同じに設定されており、上部フランジ16の外周面が側壁35の内周面に接続されている。また、上部フランジ16の上面は上壁36の下面に接続されている。下部フランジ18の外径は上部フランジ16のそれよりも小さいため、支持壁34は、上部フランジ16の外周面が側壁35の内周面に接触するとともに上部フランジ16の上面が上壁36の下面と接触し、かつ、下部フランジ18の外周面が側壁35の内周面から離間するとともに下部フランジ18の下面が底壁32の上面から上方に離間した状態で巻枠12を支持している。   The side wall 35 has a shape that makes the area of the contact portion between the lower end portion of the side wall 35 and the upper surface of the bottom wall 32 smaller than the area surrounded by the contact portion. In the present embodiment, the outer diameter of the side wall 35 is set to be the same as that of the bottom wall 32. The inner diameter of the side wall 35 is set to be the same as the outer diameter of the upper flange 16, and the outer peripheral surface of the upper flange 16 is connected to the inner peripheral surface of the side wall 35. Further, the upper surface of the upper flange 16 is connected to the lower surface of the upper wall 36. Since the outer diameter of the lower flange 18 is smaller than that of the upper flange 16, the support wall 34 has the outer peripheral surface of the upper flange 16 in contact with the inner peripheral surface of the side wall 35 and the upper surface of the upper flange 16 is the lower surface of the upper wall 36. And the outer peripheral surface of the lower flange 18 is separated from the inner peripheral surface of the side wall 35, and the lower surface of the lower flange 18 is supported upwardly from the upper surface of the bottom wall 32.

第2ヒータ42は、第1ヒータ21と同様に、コンスタンタン線など、通電により発熱する導電性の線材により形成されている。第2ヒータ42は、底壁32に設けられている。第2ヒータ42は、前記遮断空間に存在する液相又は固相の動作媒体50の温度が当該動作媒体50の凝縮温度以上となるように当該動作媒体50を加熱可能な長さを有している。   Similar to the first heater 21, the second heater 42 is formed of a conductive wire material that generates heat when energized, such as a constantan wire. The second heater 42 is provided on the bottom wall 32. The second heater 42 has a length capable of heating the working medium 50 such that the temperature of the liquid or solid working medium 50 existing in the shut-off space is equal to or higher than the condensation temperature of the working medium 50. Yes.

動作媒体50は、超電導線25の臨界温度(9K程度)よりも高い凝固温度を有する媒体である。動作媒体50は、その温度が凝固温度以下の状態(固相の状態)において高い熱伝導率を示す。本実施形態では、動作媒体50として、パラ水素が用いられている。ただし、動作媒体50として、ネオン又は窒素が用いられてもよい。動作媒体50は、筐体30内に封入されている。   The working medium 50 is a medium having a solidification temperature higher than the critical temperature (about 9 K) of the superconducting wire 25. The working medium 50 exhibits high thermal conductivity in a state where the temperature is equal to or lower than the solidification temperature (solid state). In the present embodiment, parahydrogen is used as the working medium 50. However, neon or nitrogen may be used as the operating medium 50. The operating medium 50 is enclosed in the housing 30.

ここで、図3を参照しながら、動作媒体50の物性について説明する。図3は、種々の物質の極低温における温度と熱伝導率との関係を示している。なお、図3では、本実施形態の動作媒体50であるパラ水素の物性については、他の物質によりも太い線で示されている。このパラ水素の熱伝導率は、超電導コイル3の臨界温度(パラ水素の凝固温度よりも低い温度)よりも低い4K付近において極大値を示し、その値は同じ温度における銅の熱伝導率とほぼ同じの大きさである。この値(固相の動作媒体50の熱伝導率)は、支持壁34の熱伝導率よりも大きい。   Here, the physical properties of the working medium 50 will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows the relationship between the temperature and the thermal conductivity of various substances at very low temperatures. In FIG. 3, the physical properties of para-hydrogen, which is the working medium 50 of the present embodiment, are indicated by thick lines compared to other substances. The thermal conductivity of this parahydrogen shows a maximum value in the vicinity of 4K, which is lower than the critical temperature of the superconducting coil 3 (a temperature lower than the solidification temperature of parahydrogen), which is almost equal to the thermal conductivity of copper at the same temperature. It is the same size. This value (the thermal conductivity of the solid-phase working medium 50) is larger than the thermal conductivity of the support wall 34.

動作媒体50は、気相の状態で前記遮断空間(下部フランジ18と底壁32との間に形成される空間)からその大部分が退避している一方、液相の状態で前記遮断空間に溜まり、かつ、固相の状態で前記遮断空間を満たす。具体的に、動作媒体50の量は、当該動作媒体50の温度が凝縮温度以下になったときに当該動作媒体50が液相の状態で前記遮断空間に溜まり、かつ、当該動作媒体50の温度が前記凝固温度以下になったときに下部フランジ18と底壁32とを熱的に接続するように前記遮断空間を満たす形状を有する固体層を形成するのに十分な量に設定されている。すなわち、動作媒体50の温度がその凝固温度(本実施形態では6K程度)以下となったとき、超電導線25は、固相の動作媒体50を介して第2冷却ステージ62と強固に熱的に接続された状態となる。一方、動作媒体50の温度がその気化温度以上となったとき、下部フランジ18と底壁32との間に遮断空間が形成されるため、下部フランジ18と底壁32との熱的な接続が遮断される。   Most of the working medium 50 is retracted from the shut-off space (a space formed between the lower flange 18 and the bottom wall 32) in a gas phase state, while the working medium 50 enters the shut-off space in a liquid phase state. The blocking space is filled in a solid phase state. Specifically, the amount of the working medium 50 is such that when the temperature of the working medium 50 becomes equal to or lower than the condensation temperature, the working medium 50 accumulates in the shut-off space in a liquid state and the temperature of the working medium 50 Is set to an amount sufficient to form a solid layer having a shape that fills the blocking space so as to thermally connect the lower flange 18 and the bottom wall 32 when the temperature becomes equal to or lower than the solidification temperature. That is, when the temperature of the working medium 50 becomes equal to or lower than its solidification temperature (about 6K in the present embodiment), the superconducting wire 25 is firmly and thermally connected to the second cooling stage 62 via the solid-phase working medium 50. Connected. On the other hand, when the temperature of the working medium 50 becomes equal to or higher than the vaporization temperature, a shut-off space is formed between the lower flange 18 and the bottom wall 32, so that the lower flange 18 and the bottom wall 32 are thermally connected. Blocked.

図2に示されるように、吸着槽1Bは、吸着体71と、吸着体容器72と、第3ヒータ73と、を有する。   As shown in FIG. 2, the adsorption tank 1 </ b> B includes an adsorbent 71, an adsorbent container 72, and a third heater 73.

吸着体71は、動作媒体50を吸着及び解放することが可能な材料により形成されている。さらに、この材料は、その温度が低くなるにしたがって次第に吸着能力(この材料単位質量当たりに吸着することが可能な動作媒体50の質量)が増大する性質を有している。具体的に、このような材料としては、数Åサイズの非常に微細な孔を有する多孔性材料(ゼオライト等)が好適である。この多孔性材料は、その孔の中に孔のサイズ以下の分子を吸着させることができる。   The adsorbent 71 is made of a material that can adsorb and release the working medium 50. Furthermore, this material has a property that the adsorption capacity (the mass of the working medium 50 that can be adsorbed per unit mass of the material) gradually increases as the temperature decreases. Specifically, as such a material, a porous material (zeolite or the like) having very fine pores having a size of several inches is suitable. This porous material can adsorb molecules smaller than the size of the pores in the pores.

図4は、吸着体71の等温吸着線図の例を示している。図4において、横軸は、吸着体71と気相の動作媒体50とが接触した状態において、吸着速度と脱離速度とが平衡に達した際(平衡状態)の動作媒体50の圧力(平衡圧力)を示し、縦軸は、平衡状態において吸着体71の単位重量当たりに吸着された気相の動作媒体50の質量を示している。図4に示されるように、平衡圧力が等しい場合、吸着体71が吸着可能な気相の動作媒体50の量は、温度が低いほど上昇する。なお、図4は、平衡状態における気相の動作媒体50の圧力と吸着体71による動作媒体50の吸着量との関係を示したものであり、動作媒体50の吸着中または解放中の状態を示したものではない。   FIG. 4 shows an example of an isothermal adsorption diagram of the adsorbent 71. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the pressure (equilibrium) of the working medium 50 when the adsorption speed and the desorption speed reach equilibrium (equilibrium state) in a state where the adsorbent 71 and the gas-phase working medium 50 are in contact with each other. The vertical axis represents the mass of the gas phase working medium 50 adsorbed per unit weight of the adsorbent 71 in the equilibrium state. As shown in FIG. 4, when the equilibrium pressure is equal, the amount of the gas-phase working medium 50 that can be adsorbed by the adsorbent 71 increases as the temperature decreases. FIG. 4 shows the relationship between the pressure of the gas-phase working medium 50 in the equilibrium state and the amount of adsorption of the working medium 50 by the adsorbent 71. The state in which the working medium 50 is being adsorbed or released is shown. Not shown.

吸着体容器72は、筐体30の外側に配置されており、吸着体71を収容する形状を有する。具体的に、吸着体容器72は、吸着体71を側方から取り囲む円筒状の胴部を有する。吸着体容器72は、銅により形成されている。図2に示されるように、吸着体容器72は、収容容器2の内面に熱的に接続されている。このため、冷凍機6の駆動時には、吸着体容器72は、収容容器2を介して第1冷却ステージ61により40K程度まで冷却される。本実施形態では、吸着体容器72は、熱抵抗部材Ri2を介して収容容器2の内面に接続されている。熱抵抗部材Ri2の熱伝導率は、吸着体容器72の熱伝導率よりも低く設定されている。   The adsorbent container 72 is disposed outside the housing 30 and has a shape for accommodating the adsorbent 71. Specifically, the adsorbent container 72 has a cylindrical body that surrounds the adsorbent 71 from the side. The adsorbent container 72 is made of copper. As shown in FIG. 2, the adsorbent container 72 is thermally connected to the inner surface of the storage container 2. For this reason, when the refrigerator 6 is driven, the adsorbent container 72 is cooled to about 40 K by the first cooling stage 61 via the storage container 2. In the present embodiment, the adsorbent container 72 is connected to the inner surface of the storage container 2 via the heat resistance member Ri2. The thermal conductivity of the thermal resistance member Ri2 is set to be lower than the thermal conductivity of the adsorbent container 72.

第3ヒータ73は、第1ヒータ21及び第2ヒータ42と同様に、コンスタンタン線など、通電により発熱する導電性の線材により形成されている。第3ヒータ73は、吸着体容器72の前記胴部の周囲に巻回されている。第3ヒータ73は、吸着体71の温度が当該吸着体71の吸着能力を著しく低下させる温度(100K程度)以上となるように当該吸着体71を加熱可能な長さを有している。   Similar to the first heater 21 and the second heater 42, the third heater 73 is formed of a conductive wire material that generates heat when energized, such as a constantan wire. The third heater 73 is wound around the trunk portion of the adsorbent container 72. The third heater 73 has a length capable of heating the adsorbent 71 such that the temperature of the adsorbent 71 is equal to or higher than a temperature (about 100 K) that significantly reduces the adsorption capability of the adsorbent 71.

連通管1Cは、筐体30内と吸着体容器72内とを連通している。具体的に、連通管1Cの一端は、支持壁34の上壁36の略中央に接続されており、連通管1Cの他端は、吸着体容器72の下部の略中央に接続されている。これにより、巻枠12の内側に形成された空間及び連通管1Cを介して前記遮断空間と吸着体71とが連通する。つまり、動作媒体50の前記遮断空間と吸着体71との間の移動が可能となる。連通管1Cは、ステンレスにより形成されている。   The communication pipe 1 </ b> C communicates the inside of the housing 30 and the adsorbent container 72. Specifically, one end of the communication pipe 1 </ b> C is connected to the approximate center of the upper wall 36 of the support wall 34, and the other end of the communication pipe 1 </ b> C is connected to the approximate center of the lower part of the adsorbent container 72. As a result, the blocking space and the adsorbent 71 communicate with each other through the space formed inside the winding frame 12 and the communication pipe 1C. That is, the movement of the working medium 50 between the blocking space and the adsorbent 71 is possible. The communication pipe 1C is made of stainless steel.

本実施形態では、巻枠12の内側に形成された空間に冷却部55が配置されている。冷却部55は、連通管1Cを通じて吸着体71から筐体30内に流入する気相の動作媒体50を冷却する(凝縮させる)。冷却部55は、多孔質状でかつ銅等の熱伝導性の高い材料により形成されている。冷却部55は、胴部14及び上部フランジ16の内径と同じ外径を有する円柱状に形成されている。冷却部55は、その外周面が巻枠12に接し、かつ、その上面が上壁36の下面に接する状態で巻枠12内に保持されている。   In the present embodiment, the cooling unit 55 is disposed in a space formed inside the winding frame 12. The cooling unit 55 cools (condenses) the vapor-phase working medium 50 flowing from the adsorbent 71 into the housing 30 through the communication pipe 1C. The cooling unit 55 is made of a porous material having high thermal conductivity such as copper. The cooling part 55 is formed in a cylindrical shape having the same outer diameter as the inner diameters of the body part 14 and the upper flange 16. The cooling unit 55 is held in the winding frame 12 with an outer peripheral surface thereof in contact with the winding frame 12 and an upper surface thereof in contact with a lower surface of the upper wall 36.

ここで、連通管1Cのコンダクタンス(内部を流体が通過する際の流れやすさ)について説明する。   Here, the conductance of the communication pipe 1C (ease of flow when fluid passes through the inside) will be described.

一般に円形断面を有する直線状の流路のコンダクタンスは、当該流路を通過する流体の圧力と流路の内径との関係により、粘性流領域と分子流領域との2つに分けられる。各領域におけるコンダクタンスは、式(1)及び式(2)で表される。   In general, the conductance of a linear flow path having a circular cross section is divided into a viscous flow area and a molecular flow area, depending on the relationship between the pressure of the fluid passing through the flow path and the inner diameter of the flow path. The conductance in each region is expressed by Equation (1) and Equation (2).

Figure 2016131231
Figure 2016131231

Figure 2016131231
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ここで、aは流路の内径、Lは流路の長さ、(pバー)は流路内の気相の流体の平均圧力、ηは流体の粘性、Tは気相の流体の絶対温度、Rは気体定数、Mは気相の流体の分子量である。また、(vバー) は、気相の流体分子の平均流速であり、分子量及び温度から決められる。   Here, a is the inner diameter of the flow path, L is the length of the flow path, (p bar) is the average pressure of the gas phase fluid in the flow path, η is the viscosity of the fluid, and T is the absolute temperature of the gas phase fluid , R is the gas constant, and M is the molecular weight of the gas phase fluid. Further, (v bar) is an average flow velocity of gas phase fluid molecules, and is determined from the molecular weight and temperature.

式(1)は、粘性流領域における算出式であり、式(2)は、分子流領域における算出式である。実際、この2つの領域間には中間的な領域が存在するが、ここでは簡単のため説明を省略する。両式から、粘性流領域におけるコンダクタンスが平均圧力に比例しているのに対し、分子流領域におけるコンダクタンスが流路の内径と温度のみで決まるという特徴を有することが分かる。   Expression (1) is a calculation expression in the viscous flow region, and Expression (2) is a calculation expression in the molecular flow region. Actually, there is an intermediate area between the two areas, but the description is omitted here for simplicity. From both equations, it can be seen that the conductance in the viscous flow region is proportional to the average pressure, whereas the conductance in the molecular flow region is characterized only by the inner diameter and temperature of the flow path.

粘性流領域と分子流領域との境界は、概ね下記式(3)の基準圧力pで決定される。気相の流体の圧力が基準圧力pよりも大きい場合は式(1)が適用される一方、気相の流体の圧力が基準圧力pよりも小さい場合は式(2)が適用される。 The boundary between the viscous flow region and the molecular flow region is generally determined by the reference pressure p c of the formula (3). While the case where the pressure of the fluid in the vapor phase is larger than the reference pressure p c is applied has the formula (1), if the pressure of the fluid in the vapor phase is less than the reference pressure p c is applied the formula (2) .

Figure 2016131231
Figure 2016131231

なお、現実の連通管1Cには、長手方向に沿って圧力分布及び温度分布が存在するため、上記式(1)〜式(3)を適用することにより単純に流路のコンダクタンスを算出するのは困難であり、温度分布を考慮した積分計算が必要となる。   Since the actual communication pipe 1C has pressure distribution and temperature distribution along the longitudinal direction, the conductance of the flow path is simply calculated by applying the above formulas (1) to (3). Is difficult and requires an integral calculation considering the temperature distribution.

図5は、連通管1Cの内径が1mmであり、連通管1Cの長さが0.3mである場合におけるコンダクタンスの計算結果の例を示す。図5には、ケース(1)及びケース(2)の2つの例が示されている。ケース(1)は、吸着槽1Bから本体部1Aへ気相の動作媒体50が流入する場合に相当する。ケース(2)は、本体部1Aから吸着槽1Bへ気相の動作媒体50が流入する場合に相当する。ケース(1)では、連通管1Cの入口温度は100K、入口圧力は2.1×10(以下、「×10」を「en」と表記する。)Pa、出口温度は14K、出口圧力は6.94e3Paに設定されている。ケース(2)では、連通管1Cの入口温度は14K、入口圧力は6.94e3Pa、出口温度は40K、出口圧力は3.1e−3Paに設定されている。 FIG. 5 shows an example of a conductance calculation result when the inner diameter of the communication pipe 1C is 1 mm and the length of the communication pipe 1C is 0.3 m. FIG. 5 shows two examples of case (1) and case (2). Case (1) corresponds to the case where the gas phase working medium 50 flows from the adsorption tank 1B to the main body 1A. The case (2) corresponds to the case where the gas phase working medium 50 flows from the main body 1A to the adsorption tank 1B. In the case (1), the inlet temperature of the communication pipe 1C is 100K, the inlet pressure is 2.1 × 10 4 (hereinafter, “× 10 n ” is expressed as “en”) Pa, the outlet temperature is 14K, and the outlet pressure. Is set to 6.94e3Pa. In the case (2), the inlet temperature of the communication pipe 1C is set to 14K, the inlet pressure is set to 6.94e3Pa, the outlet temperature is set to 40K, and the outlet pressure is set to 3.1e-3Pa.

ここで、図5を参照しながら、連通管1Cにおける気相の動作媒体50の入口圧力(Inlet Pressure)とコンダクタンス(Total Flow Conductance)との関係について、例を挙げて説明する。   Here, the relationship between the inlet pressure (Inlet Pressure) of the gas phase working medium 50 and the conductance (Total Flow Conductance) in the communication pipe 1C will be described with reference to FIG.

例えば、ケース(1)において、入口圧力である吸着槽1Bの内圧が2.1e4Pa(吸着体71に動作媒体50が吸着された状態における吸着体容器72の内圧)であり、出口圧力である筐体30の内圧が4.16e−5Pa(本体部1Aの温度が4.2Kであるときの動作媒体50の飽和蒸気圧)である場合、図5から、コンダクタンスは5.3e−3m/secとなる。なお、出口圧力が図5の設定と異なっているが、入口圧力に対し非常に小さな差であり、影響は無視可能である。一方、例えば、入口圧力が1e−2Pa程度であれば、気相の動作媒体50は分子流領域にあり、そのコンダクタンスは6.6e−6m/sec程度となる。 For example, in case (1), the internal pressure of the adsorption tank 1B, which is the inlet pressure, is 2.1e4 Pa (the internal pressure of the adsorbent container 72 when the operating medium 50 is adsorbed to the adsorbent 71), and the housing is the outlet pressure. When the internal pressure of the body 30 is 4.16e-5 Pa (saturated vapor pressure of the working medium 50 when the temperature of the main body 1A is 4.2K), the conductance is 5.3e-3m 3 / sec from FIG. It becomes. Although the outlet pressure is different from the setting of FIG. 5, it is a very small difference with respect to the inlet pressure, and the influence can be ignored. On the other hand, for example, if the inlet pressure is about 1e-2 Pa, the gas phase working medium 50 is in the molecular flow region, and its conductance is about 6.6e-6 m 3 / sec.

以上に試算したように、上記2例のコンダクタンスの差は3桁となる。ただし、気相の動作媒体50の質量移動速度は、入口圧力とコンダクタンスとの積であるから、標準状態(273.15K)において、先の例(入口圧力が2.1e4Paの場合)の質量移動速度は1.1e2Pa・m/secとなり、後の例(入口圧力が1e−2Paの場合)の質量移動速度は6.6e−8Pa・m/secとなる。つまり、上記例における質量移動速度の差は、9桁となる。換言すれば、入口圧力が低くなるにしたがってコンダクタンス及び質量移動速度は急激に低下する。この入口圧力と質量移動速度との関係は、永久電流スイッチ1の動作と密接に関係する。 As estimated above, the difference in conductance between the above two examples is three digits. However, since the mass transfer rate of the gas phase working medium 50 is the product of the inlet pressure and the conductance, the mass transfer of the previous example (when the inlet pressure is 2.1e4 Pa) in the standard state (273.15K). The speed is 1.1e2 Pa · m 3 / sec, and the mass transfer speed in the later example (when the inlet pressure is 1e-2 Pa) is 6.6e-8 Pa · m 3 / sec. That is, the difference in mass movement speed in the above example is 9 digits. In other words, the conductance and the mass transfer rate rapidly decrease as the inlet pressure decreases. The relationship between the inlet pressure and the mass transfer speed is closely related to the operation of the permanent current switch 1.

次に、永久電流スイッチ1の動作を説明する。以下、超電導コイル3の温度が室温の状態から、冷凍機6を駆動したときの動作(初期予冷)、永久電流スイッチ1をスイッチON状態からスイッチOFF状態に切り替えるスイッチOFF操作、永久電流スイッチ1をスイッチOFF状態からスイッチON状態に切り替えるスイッチON操作、の順に説明する。   Next, the operation of the permanent current switch 1 will be described. Hereinafter, when the temperature of the superconducting coil 3 is room temperature, the operation when the refrigerator 6 is driven (initial precooling), the switch OFF operation for switching the permanent current switch 1 from the switch ON state to the switch OFF state, and the permanent current switch 1 The switch ON operation for switching from the switch OFF state to the switch ON state will be described in this order.

<初期予冷>
まず、本体部1A、吸着槽1B及び連通管1C内に気相の動作媒体50が導入され、封止される。
<Initial precooling>
First, a gas phase working medium 50 is introduced into the main body 1A, the adsorption tank 1B, and the communication pipe 1C and sealed.

次に、冷凍機6が駆動される。そうすると、第1冷却ステージ61により収容容器2が冷却され、第2冷却ステージ62により可撓性熱伝導部材7及び冷却部材8が冷却される。このとき、収容容器2を介した吸着槽1Bの冷却が進むにしたがって、筐体30内の気相の動作媒体50は連通管1Cを通じて吸着体容器72内に流入し続け、吸着体71による動作媒体50の吸着量が増加する。そして、第1冷却ステージ61の温度が最低到達温度(40K程度)に達するとき、気相の動作媒体50の略全量が吸着体71に吸着された状態となっている。なお、吸着体71の動作媒体50の吸着量は、本体部1A及び吸着槽1Bのそれぞれの内表面の面積及び温度により定まる。   Next, the refrigerator 6 is driven. Then, the container 2 is cooled by the first cooling stage 61, and the flexible heat conducting member 7 and the cooling member 8 are cooled by the second cooling stage 62. At this time, as cooling of the adsorption tank 1B through the storage container 2 proceeds, the gas-phase working medium 50 in the housing 30 continues to flow into the adsorbent container 72 through the communication pipe 1C, and the operation by the adsorbent 71 is performed. The adsorption amount of the medium 50 increases. When the temperature of the first cooling stage 61 reaches the lowest temperature (about 40K), substantially the entire amount of the gas-phase working medium 50 is adsorbed on the adsorbent 71. The amount of adsorption of the working medium 50 of the adsorbent 71 is determined by the area and temperature of the inner surface of each of the main body 1A and the adsorption tank 1B.

その後、第2冷却ステージ62の冷却に伴って超電導コイル3の温度が臨界温度(9K程度)に達した時点で第3ヒータ73が通電される。これにより、吸着体容器72及び吸着体71の温度が上昇し、吸着体71の吸着能力が低下し始める。例えば、吸着体容器72及び吸着体71の温度が100K程度となるまでこれらが加熱されることにより、吸着体71の吸着能力が著しく低下する。その結果、吸着体71に吸着されていた動作媒体50の大部分が吸着体71から解放される(気体となって放出される)。なお、第3ヒータ73への通電は、吸着体容器72に取り付けられた温度センサT3の検出値に基づいて制御される。   Thereafter, the third heater 73 is energized when the temperature of the superconducting coil 3 reaches a critical temperature (about 9K) as the second cooling stage 62 is cooled. Thereby, the temperature of the adsorbent container 72 and the adsorbent 71 rises, and the adsorbing capacity of the adsorbent 71 starts to decrease. For example, the adsorption capacity of the adsorbent 71 is significantly reduced by heating the adsorbent container 72 and the adsorbent 71 until the temperature reaches about 100K. As a result, most of the working medium 50 adsorbed on the adsorbent 71 is released from the adsorbent 71 (released as gas). The energization of the third heater 73 is controlled based on the detection value of the temperature sensor T3 attached to the adsorbent container 72.

ここで、本実施形態では、吸着体容器72と収容容器2との間に熱抵抗部材Ri2が介在しているため、第3ヒータ73の通電時に、収容容器2を介して第1冷却ステージ61により吸着体容器72及び吸着体71が冷却されることが抑制される。よって、吸着体71が速やかに昇温する。また、第3ヒータ73が発生する熱に起因して第1冷却ステージ61の熱負荷が急激に上昇することが抑制される。さらに、第3ヒータ73は、筐体30の外に配置されているので、当該第3ヒータ73から筐体30への熱伝導が抑制される。   Here, in this embodiment, since the heat resistance member Ri2 is interposed between the adsorbent container 72 and the storage container 2, the first cooling stage 61 is interposed via the storage container 2 when the third heater 73 is energized. This suppresses cooling of the adsorbent container 72 and the adsorbent 71. Therefore, the temperature of the adsorbent 71 rises quickly. In addition, a rapid increase in the thermal load of the first cooling stage 61 due to the heat generated by the third heater 73 is suppressed. Furthermore, since the third heater 73 is disposed outside the housing 30, heat conduction from the third heater 73 to the housing 30 is suppressed.

そして、吸着槽1Bから放出された気相の動作媒体50は、連通管1Cを通じて本体部1Aの筐体30内に流入する。   The gas phase working medium 50 released from the adsorption tank 1B flows into the housing 30 of the main body 1A through the communication pipe 1C.

一方、本体部1Aにおいては、第1ヒータ21及び第2ヒータ42の通電により、巻枠12の温度及び底壁32の温度が動作媒体50の三重点の温度よりもわずかに高い温度(本実施形態では14K付近)に維持される。この状態で気相の動作媒体50が連通管1Cを通じて筐体30内に流入すると、気相の動作媒体50は、冷却部55で冷却されることによって凝縮する。つまり、冷却部55は、動作媒体50の冷却時間を短縮させる。このようにして液相となった動作媒体50は、巻枠12の内側の空間を流下し、前記遮断空間に溜まる。なお、第1ヒータ21への通電は、上壁36に取り付けられた温度センサT1の検出値に基づいて制御される。ただし、温度センサT1は、下部フランジ18に取り付けられてもよい。また、第2ヒータ42への通電は、底壁32に取り付けられた温度センサT2の検出値に基づいて制御される。   On the other hand, in the main body 1A, due to energization of the first heater 21 and the second heater 42, the temperature of the reel 12 and the temperature of the bottom wall 32 are slightly higher than the temperature of the triple point of the operating medium 50 (this embodiment). In the form, it is maintained at around 14K). When the gas phase working medium 50 flows into the housing 30 through the communication pipe 1C in this state, the gas phase working medium 50 is condensed by being cooled by the cooling unit 55. That is, the cooling unit 55 shortens the cooling time of the working medium 50. The working medium 50 that has become a liquid phase in this manner flows down the space inside the winding frame 12 and accumulates in the blocking space. The energization of the first heater 21 is controlled based on the detection value of the temperature sensor T1 attached to the upper wall 36. However, the temperature sensor T1 may be attached to the lower flange 18. The energization of the second heater 42 is controlled based on the detection value of the temperature sensor T2 attached to the bottom wall 32.

その後、前記遮断空間が液相の動作媒体50で満たされた時点、換言すれば、液相の動作媒体50が底壁32の上面の全域及び下部フランジ18の下面の全域と接触した時点で、第1ヒータ21及び第2ヒータ42への通電が停止される。そうすると、液相の動作媒体50の温度は、当該液相の動作媒体50が底壁32及び冷却部材8を介して第2冷却ステージ62により冷却されることによって凝固温度(約14K)以下まで下がる。これにより、動作媒体50は凝固して前記遮断空間を満たす形状を有する固体層(固相の動作媒体50)を形成する。固相の動作媒体50は、上述のように非常に高い熱伝導率を有するので、下部フランジ18と底壁32とが当該固体層を介して熱的に接続される(固体層を介して下部フランジ18と底壁32との熱伝導が可能になる)。このため、超電導線25は、巻枠12、固体層(固相の動作媒体50)及び底壁32を介して第2冷却ステージ62により有効に冷却され、その温度が第2冷却ステージ62の最低到達温度(4.2K程度)に達する。これにより、超電導線25は、超電導状態となる。つまり、永久電流スイッチ1がスイッチON状態となる。なお、このとき、筐体30内では、動作媒体50の略全量が固体層を形成しているため、筐体30の内圧は、4.16e−5Pa程度となる。   Thereafter, when the blocking space is filled with the liquid-phase working medium 50, in other words, when the liquid-phase working medium 50 contacts the entire upper surface of the bottom wall 32 and the entire lower surface of the lower flange 18. Energization to the first heater 21 and the second heater 42 is stopped. Then, the temperature of the liquid-phase working medium 50 is lowered to the solidification temperature (about 14K) or less by the liquid-phase working medium 50 being cooled by the second cooling stage 62 through the bottom wall 32 and the cooling member 8. . As a result, the working medium 50 is solidified to form a solid layer (solid phase working medium 50) having a shape that fills the blocking space. Since the solid-phase working medium 50 has a very high thermal conductivity as described above, the lower flange 18 and the bottom wall 32 are thermally connected via the solid layer (the lower part via the solid layer). Heat conduction between the flange 18 and the bottom wall 32 is possible). Therefore, the superconducting wire 25 is effectively cooled by the second cooling stage 62 through the winding frame 12, the solid layer (solid phase working medium 50), and the bottom wall 32, and the temperature is the lowest of the second cooling stage 62. It reaches the ultimate temperature (about 4.2K). Thereby, the superconducting wire 25 is in a superconducting state. That is, the permanent current switch 1 is switched on. At this time, since substantially the entire amount of the working medium 50 forms a solid layer in the casing 30, the internal pressure of the casing 30 is about 4.16e-5 Pa.

一方、第1ヒータ21及び第2ヒータ42への通電の停止時に第3ヒータ73への通電も停止される。このため、吸着槽1Bの温度は、第3ヒータ73への通電が行われていた時の温度(100K程度)から第1冷却ステージ61の最低到達温度(40K程度)となる。これにより、吸着体71の温度が低下するため、吸着体71の吸着能力が上昇する。そして、吸着体71に吸着されている動作媒体50の質量が減少しているため、このときの平衡圧力は、第3ヒータ73への通電が行われていた時のそれよりも低下しており、例えば3.97e−5Pa程度となる。この圧力は、筐体30の内圧(4.16e−5Pa程度)よりも低いが、上述のように、入口圧力(筐体30の内圧)の低下に起因して連通管1Cのコンダクタンスが著しく低下しているため、実質的に本体部1Aから吸着槽1Bへの動作媒体50の流入(逆流)は無視可能である。つまり、吸着槽1Bから本体部1Aに流入した動作媒体50は、本体部1Aに固定される。   On the other hand, the power supply to the third heater 73 is also stopped when the power supply to the first heater 21 and the second heater 42 is stopped. For this reason, the temperature of the adsorption tank 1B changes from the temperature (about 100K) when the third heater 73 is energized to the lowest temperature reached (about 40K) of the first cooling stage 61. Thereby, since the temperature of the adsorbing body 71 is lowered, the adsorbing capacity of the adsorbing body 71 is increased. Since the mass of the working medium 50 adsorbed on the adsorbent 71 is decreasing, the equilibrium pressure at this time is lower than that when the third heater 73 is energized. For example, it becomes about 3.97e-5Pa. This pressure is lower than the internal pressure of the casing 30 (about 4.16e-5 Pa), but as described above, the conductance of the communication pipe 1C is significantly reduced due to the decrease in the inlet pressure (internal pressure of the casing 30). Therefore, the inflow (backflow) of the working medium 50 from the main body 1A to the adsorption tank 1B is substantially negligible. That is, the working medium 50 that has flowed into the main body 1A from the adsorption tank 1B is fixed to the main body 1A.

<スイッチOFF操作>
上記初期予冷が完了した状態では、前記遮断空間が固体層(固相の動作媒体50)により満たされている。この状態において第1ヒータ21が通電される。そうすると、超電導線25の温度が上昇し始め、当該温度は臨界温度以上となる。これにより、超電導線25は、超電導状態(スイッチON状態)から常電導状態(スイッチOFF状態)となる。すなわち、超電導コイル3及び超電導線25により形成される閉回路が遮断される。
<Switch OFF operation>
In the state where the initial pre-cooling is completed, the blocking space is filled with a solid layer (solid phase working medium 50). In this state, the first heater 21 is energized. If it does so, the temperature of the superconducting wire 25 will begin to rise and the said temperature will become more than critical temperature. Thereby, the superconducting wire 25 changes from the superconducting state (switch ON state) to the normal conducting state (switch OFF state). That is, the closed circuit formed by the superconducting coil 3 and the superconducting wire 25 is interrupted.

一方、第1ヒータ21への通電と同時に第2ヒータ42への通電も行われ、底壁32の温度が動作媒体50の三重点の温度よりもわずかに高い温度(本実施形態では14K付近)に維持される。これにより、固相の動作媒体50は、溶解した後に蒸発する。そして、気相の動作媒体50は、冷却部55及び連通管1Cを通じて吸着槽1Bに流入する。このときの連通管1Cのコンダクタンスは、14K(入口側である筐体30内の温度)における動作媒体50の飽和蒸気圧が6.94e3Paであるため、図5から3.0e−3m/secとなる。例えば、本体部1Aから吸着槽1Bへ移動する動作媒体50の質量が7.78e−6kgであれば、その移動は0.42秒で完了する。 On the other hand, the second heater 42 is energized simultaneously with the energization of the first heater 21, and the temperature of the bottom wall 32 is slightly higher than the temperature of the triple point of the working medium 50 (in this embodiment, around 14 K). Maintained. As a result, the solid-phase working medium 50 evaporates after being dissolved. The gas-phase working medium 50 flows into the adsorption tank 1B through the cooling unit 55 and the communication pipe 1C. The conductance of the communication pipe 1C at this time is 3.0e-3m 3 / sec from FIG. 5 because the saturated vapor pressure of the working medium 50 at 14K (temperature in the housing 30 on the inlet side) is 6.94e3Pa. It becomes. For example, if the mass of the working medium 50 moving from the main body 1A to the adsorption tank 1B is 7.78e-6 kg, the movement is completed in 0.42 seconds.

そして、連通管1Cを経由して吸着槽1Bに流入した気相の動作媒体50は、吸着体71に吸着される。このとき、吸着体容器72内の圧力は、吸着体71の温度と吸着体71による動作媒体50の吸着量とで定まる平衡圧力となる。例えば、吸着体71の質量が5.13e−6kgであり、最終的な吸着量が1.2e−5kgである場合、平衡圧力は、3.13e−3Paである。この値は、本体部1Aの筐体30の内圧よりも低いため、第2ヒータ42への通電中、本体部1Aから吸着槽1Bへの動作媒体50の移動は問題なく継続される。   The vapor-phase working medium 50 that has flowed into the adsorption tank 1B via the communication pipe 1C is adsorbed by the adsorbent 71. At this time, the pressure in the adsorbent container 72 is an equilibrium pressure determined by the temperature of the adsorbent 71 and the amount of adsorption of the working medium 50 by the adsorbent 71. For example, when the mass of the adsorbent 71 is 5.13e-6 kg and the final adsorption amount is 1.2e-5 kg, the equilibrium pressure is 3.13e-3 Pa. Since this value is lower than the internal pressure of the housing 30 of the main body 1A, the movement of the working medium 50 from the main body 1A to the adsorption tank 1B is continued without any problem while the second heater 42 is energized.

続いて、本体部1Aから吸着槽1Bへの動作媒体50の移動が完了した時点(筐体30内に動作媒体50がほとんど残っていない状態に達した時点)で第2ヒータ42への通電が停止される。そうすると、底壁32の温度は、速やかに第2冷却ステージ62の温度(4.2K程度)に達する。底壁32の温度が4.2K程度に低下することにより、筐体30の内圧は、4.2Kにおける動作媒体50の飽和蒸気圧である4.16e−5Pa程度まで低下する。この値は、吸着体容器72内の平衡圧3.13e−3Paよりも低い。つまり本体部1Aから吸着槽1Bに流入した動作媒体50が逆流しそうに思われるが、上述のように筐体30の内圧および吸着体容器72の内圧の低下に起因して連通管1Cのコンダクタンスが著しく低下しているため、実質的に吸着槽1Bから本体部1Aへの動作媒体50の流入(逆流)は無視可能である。つまり、本体部1Aから吸着槽1Bに流入した動作媒体50は、吸着槽1Bに固定される。   Subsequently, the second heater 42 is energized when the movement of the working medium 50 from the main body 1A to the adsorption tank 1B is completed (when the working medium 50 is hardly left in the housing 30). Stopped. Then, the temperature of the bottom wall 32 quickly reaches the temperature of the second cooling stage 62 (about 4.2K). When the temperature of the bottom wall 32 is lowered to about 4.2K, the internal pressure of the housing 30 is lowered to about 4.16e-5 Pa which is the saturated vapor pressure of the working medium 50 at 4.2K. This value is lower than the equilibrium pressure of 3.13e-3 Pa in the adsorbent vessel 72. That is, the working medium 50 that has flowed into the adsorption tank 1B from the main body 1A seems to flow backward, but the conductance of the communication pipe 1C is reduced due to the decrease in the internal pressure of the housing 30 and the internal pressure of the adsorbent container 72 as described above. Since it is remarkably lowered, the inflow (reverse flow) of the working medium 50 from the adsorption tank 1B to the main body 1A is substantially negligible. That is, the working medium 50 that has flowed into the adsorption tank 1B from the main body 1A is fixed to the adsorption tank 1B.

そして気相の動作媒体50が吸着体71に吸着されるとき、吸着体71において吸着熱が放出されるが、吸着体容器72は、収容容器2を介して第1冷却ステージ61に熱的に接続されているため、前記吸着熱は速やかに取り除かれ、吸着槽1Bの温度は略一定に保たれる。   When the gas-phase working medium 50 is adsorbed on the adsorbent 71, the adsorption heat is released in the adsorbent 71. The adsorbent container 72 is thermally transferred to the first cooling stage 61 via the storage container 2. Since it is connected, the heat of adsorption is quickly removed, and the temperature of the adsorption tank 1B is kept substantially constant.

本体部1Aから吸着槽1Bへの動作媒体50の移動が完了した後も、第1ヒータ21への通電は継続され、超電導線25の温度は、臨界温度以上に維持される。これにより、スイッチOFF操作が完了する。この状態を維持しながら超電導コイル3への通電を行うことにより、安定して励磁操作を行うことができる。   Even after the movement of the working medium 50 from the main body 1A to the adsorption tank 1B is completed, energization to the first heater 21 is continued, and the temperature of the superconducting wire 25 is maintained at a critical temperature or higher. Thereby, the switch OFF operation is completed. By energizing the superconducting coil 3 while maintaining this state, the excitation operation can be performed stably.

ここで、スイッチOFF状態では、遮断空間により下部フランジ18と底壁32との熱的な接続は遮断されているものの、第1ヒータ21への通電は継続されるため、第1ヒータ21で生じた熱は、巻枠12、支持壁34及び底壁32を介して冷却部材8及び第2冷却ステージ62に流れ続ける。ただし、本実施形態では、下部フランジ18が支持壁34から離間しているので、換言すれば、支持壁34は、下部フランジ18が側壁35から離間し、かつ、上部フランジ16が側壁35及び上壁36に接触した状態で巻枠12を支持しているので、下部フランジ18が側壁35に接触している場合に比べ、第1ヒータ21から冷却部材8への熱伝導が抑制される。具体的に、第1ヒータ21で発生した熱は、胴部14、上部フランジ16、側壁35及び底壁32を介して冷却部材8に伝わる。つまり、下部フランジ18が側壁35に接触している場合に比べ、第1ヒータ21で発生した熱が支持壁34を伝わる距離(熱の伝達経路)が長くなるので、第1ヒータ21から冷却部材8を介した第2冷却ステージ62への熱伝導が抑制される。さらに、底壁32と冷却部材8との間に熱抵抗部材Ri1が介在しているため、第1ヒータ21への通電時における第1ヒータ21から第2冷却ステージ62への熱伝導(第2冷却ステージ62の熱負荷の増大)が一層抑制される。例えば、側壁35の高さH1が0.1mであり、側壁35の肉厚t1が1mmであり、熱抵抗部材Ri1の熱抵抗が100K/Wである場合、第1ヒータ21から第2冷却ステージ62へ流れ込む定常熱流は、9mWとなる。   Here, in the switch OFF state, although the thermal connection between the lower flange 18 and the bottom wall 32 is cut off by the shut-off space, the first heater 21 is energized, and thus is generated in the first heater 21. The heat continues to flow to the cooling member 8 and the second cooling stage 62 via the winding frame 12, the support wall 34 and the bottom wall 32. However, in this embodiment, since the lower flange 18 is separated from the support wall 34, in other words, the support wall 34 is separated from the side wall 35 and the upper flange 16 is separated from the side wall 35 and the upper wall. Since the winding frame 12 is supported in contact with the wall 36, heat conduction from the first heater 21 to the cooling member 8 is suppressed as compared with the case where the lower flange 18 is in contact with the side wall 35. Specifically, the heat generated by the first heater 21 is transmitted to the cooling member 8 through the trunk portion 14, the upper flange 16, the side wall 35, and the bottom wall 32. That is, compared to the case where the lower flange 18 is in contact with the side wall 35, the distance (heat transfer path) through which the heat generated in the first heater 21 is transmitted through the support wall 34 becomes longer. Heat conduction to the second cooling stage 62 via 8 is suppressed. Furthermore, since the thermal resistance member Ri1 is interposed between the bottom wall 32 and the cooling member 8, heat conduction from the first heater 21 to the second cooling stage 62 (second) when the first heater 21 is energized. The increase in the thermal load of the cooling stage 62 is further suppressed. For example, when the height H1 of the side wall 35 is 0.1 m, the thickness t1 of the side wall 35 is 1 mm, and the thermal resistance of the thermal resistance member Ri1 is 100 K / W, the first heater 21 to the second cooling stage. The steady heat flow flowing into 62 is 9 mW.

<スイッチON操作>
スイッチOFF状態では、遮断空間が形成され、動作媒体50が吸着体71に吸着されており、また、第1ヒータ21への通電が維持された状態となっている。この状態において、第3ヒータ73が通電される。この通電は、吸着体71が動作媒体50のほぼ全量を放出するまで行われる。吸着槽1Bから放出された気相の動作媒体50は、連通管1Cを通じて本体部1Aに流入する。このとき、第2ヒータ42が通電され、底壁32の温度が動作媒体50の三重点の温度よりもわずかに高い温度(14K付近)に維持される。これ以降の操作ないし動作媒体50の挙動は、前記初期予冷のそれと同様である。
<Switch ON operation>
In the switch-off state, a blocking space is formed, the working medium 50 is adsorbed by the adsorbent 71, and energization to the first heater 21 is maintained. In this state, the third heater 73 is energized. This energization is performed until the adsorbent 71 releases almost the entire amount of the working medium 50. The gas phase working medium 50 released from the adsorption tank 1B flows into the main body 1A through the communication pipe 1C. At this time, the second heater 42 is energized, and the temperature of the bottom wall 32 is maintained at a temperature slightly higher than the triple point temperature of the working medium 50 (around 14K). The subsequent operation or behavior of the working medium 50 is the same as that of the initial precooling.

以上のように、本実施形態の永久電流スイッチ1では、第1ヒータ21に通電することにより超電導線25が超電導状態(スイッチON状態)から常電導状態(スイッチOFF状態)となり、またこのとき、第1ヒータ21で生じる熱が巻枠12を介して遮断空間を満たしている固体層(固相の動作媒体50)に伝わるとともに第2ヒータ42への通電により当該第2ヒータ42で生じる熱が固体層に伝わることによって固体層が気化するので、下部フランジ18と底壁32との間に遮断空間が形成される(下部フランジ18と底壁32との熱的な接続が遮断される)。よって、超電導線25を超電導状態から常電導状態にするときに、第1ヒータ21の熱が下部フランジ18及び底壁32を通じて第2冷却ステージ62へ伝わることに起因する冷凍機6の負荷の増大が抑制される。一方、第1ヒータ21への通電及び第2ヒータ42への通電を停止することにより、超電導線25が超電導状態に至る前(超電導線25の温度が臨界温度に至る前)に、動作媒体50の温度がその凝縮温度に達して当該動作媒体50が遮断空間に液相の状態で溜まり、その後、液相の動作媒体が底壁32を介して第2冷却ステージ62で冷却されることによって動作媒体50の温度が凝固温度に達して当該動作媒体50が遮断空間を満たす形状の固体層を形成するので、下部フランジ18と底壁32とが熱的に接続される(固体層を介して下部フランジ18と底壁32との熱伝導が可能となる)。よって、超電導線25を常電導状態から超電導状態にするときに、超電導線25の熱が下部フランジ18、固体層及び底壁32を通じて第2冷却ステージ62へ効果的に伝わるので、換言すれば、超電導線25が第2冷却ステージ62によって効果的に冷却されるので、超電導線25が早期に超電導状態に至る。つまり、本実施形態では、超電導線25を超電導状態から常電導状態にするときは、遮断空間により下部フランジ18と底壁32との熱的な接続が遮断されるので、第1ヒータ21から冷凍機6への熱伝導が抑制され、逆に、超電導線25を常電導状態から超電導状態にするときは、固体層が遮断空間を満たすことによって下部フランジ18と底壁32とが熱的に接続されるので、超電導線25から冷凍機6への熱伝導(超電導線25の冷却)が促進される。   As described above, in the permanent current switch 1 of the present embodiment, the superconducting wire 25 changes from the superconducting state (switch ON state) to the normal conducting state (switch OFF state) by energizing the first heater 21, and at this time, The heat generated in the first heater 21 is transmitted to the solid layer (solid phase working medium 50) filling the blocking space via the winding frame 12, and the heat generated in the second heater 42 by energization of the second heater 42. Since the solid layer is vaporized by being transmitted to the solid layer, a blocking space is formed between the lower flange 18 and the bottom wall 32 (the thermal connection between the lower flange 18 and the bottom wall 32 is blocked). Therefore, when the superconducting wire 25 is changed from the superconducting state to the normal conducting state, the load of the refrigerator 6 is increased due to the heat of the first heater 21 being transmitted to the second cooling stage 62 through the lower flange 18 and the bottom wall 32. Is suppressed. On the other hand, by stopping the energization of the first heater 21 and the energization of the second heater 42, the working medium 50 before the superconducting wire 25 reaches the superconducting state (before the temperature of the superconducting wire 25 reaches the critical temperature). The operating medium 50 reaches its condensing temperature and the working medium 50 accumulates in the liquid phase in the shut-off space, and then the liquid working medium is cooled by the second cooling stage 62 through the bottom wall 32. Since the temperature of the medium 50 reaches the solidification temperature and the working medium 50 forms a solid layer that fills the blocking space, the lower flange 18 and the bottom wall 32 are thermally connected (the lower part through the solid layer). Heat conduction between the flange 18 and the bottom wall 32 is possible). Therefore, when the superconducting wire 25 is changed from the normal conducting state to the superconducting state, the heat of the superconducting wire 25 is effectively transmitted to the second cooling stage 62 through the lower flange 18, the solid layer and the bottom wall 32, in other words, Since the superconducting wire 25 is effectively cooled by the second cooling stage 62, the superconducting wire 25 quickly reaches the superconducting state. That is, in this embodiment, when the superconducting wire 25 is changed from the superconducting state to the normal conducting state, the thermal connection between the lower flange 18 and the bottom wall 32 is cut off by the cut-off space. When heat conduction to the machine 6 is suppressed and, conversely, when the superconducting wire 25 is changed from the normal conducting state to the superconducting state, the lower flange 18 and the bottom wall 32 are thermally connected by the solid layer filling the blocking space. Thus, heat conduction from the superconducting wire 25 to the refrigerator 6 (cooling of the superconducting wire 25) is promoted.

また、本実施形態では、支持壁34の熱伝導率は、固体層(固相の動作媒体50)のそれよりも低く設定されているため、超電導線25を常電導状態にするときの冷凍機6の負荷の増大(冷凍機6への入熱)を抑制しながら超電導線25を超電導状態にするときに当該超電導線25を有効に冷却することが、より確実に達成される。具体的に、超電導線25を常電導状態にするときは、遮断空間が形成されるので、第1ヒータ21で生じた熱は、巻枠12、支持壁34及び底壁32を通じて冷凍機6に伝わる一方、超電導線25を超電導状態にするときは、遮断空間が固体層で満たされるので、超電導線25の熱は、巻枠12、固体層及び底壁32を通じて冷凍機6に伝わる。本実施形態では、支持壁34の熱伝導率が固体層のそれよりも低く設定されているため、超電導線25を常電導状態にするときの第1ヒータ21から冷凍機6への熱伝導が有効に抑制され、かつ、超電導線25を超電導状態にするときの超電導線25から冷凍機6への熱伝導(超電導線25の冷却)が効果的に行われる。   In the present embodiment, since the thermal conductivity of the support wall 34 is set lower than that of the solid layer (solid phase working medium 50), the refrigerator when the superconducting wire 25 is brought into the normal conducting state. When the superconducting wire 25 is brought into a superconducting state while suppressing an increase in the load of 6 (heat input to the refrigerator 6), the superconducting wire 25 is effectively cooled more reliably. Specifically, when the superconducting wire 25 is brought into the normal conducting state, a cut-off space is formed, so that the heat generated by the first heater 21 is transferred to the refrigerator 6 through the winding frame 12, the support wall 34 and the bottom wall 32. On the other hand, when the superconducting wire 25 is brought into the superconducting state, since the blocking space is filled with the solid layer, the heat of the superconducting wire 25 is transmitted to the refrigerator 6 through the winding frame 12, the solid layer and the bottom wall 32. In this embodiment, since the thermal conductivity of the support wall 34 is set lower than that of the solid layer, the heat conduction from the first heater 21 to the refrigerator 6 when the superconducting wire 25 is in the normal conducting state is performed. The heat conduction (cooling of the superconducting wire 25) from the superconducting wire 25 to the refrigerator 6 when the superconducting wire 25 is brought into the superconducting state is effectively suppressed.

さらに、側壁35は、当該側壁35と底壁32との接触部分の面積を当該接触部分により取り囲まれる面積よりも小さくする形状を有している。このため、上記効果がより高まる。具体的に、側壁35と底壁32との接触部分の面積が当該接触部分により取り囲まれる面積(動作媒体50と底壁32との接触面積)よりも小さいため、超電導線25を常電導状態にするときの側壁35から底壁32への入熱量を小さくしながら、超電導線25を超電導状態にするときの固体層から底壁32への入熱量を大きく確保することができる。よって、超電導線25を超電導状態にするときの固体層を通じた超電導線25の有効な冷却を確保しながら、超電導線25を常電導状態にするときの冷凍機6の負荷の増大を一層低減することができる。   Further, the side wall 35 has a shape that makes the area of the contact portion between the side wall 35 and the bottom wall 32 smaller than the area surrounded by the contact portion. For this reason, the said effect increases more. Specifically, since the area of the contact portion between the side wall 35 and the bottom wall 32 is smaller than the area surrounded by the contact portion (the contact area between the working medium 50 and the bottom wall 32), the superconducting wire 25 is brought into a normal conducting state. While the amount of heat input from the side wall 35 to the bottom wall 32 is reduced, a large amount of heat input from the solid layer to the bottom wall 32 when the superconducting wire 25 is brought into a superconducting state can be secured. Therefore, while ensuring effective cooling of the superconducting wire 25 through the solid layer when the superconducting wire 25 is brought into the superconducting state, an increase in the load on the refrigerator 6 when the superconducting wire 25 is brought into the normal conducting state is further reduced. be able to.

また、本超電導装置10では、吸着体容器72が収容容器2に接続されており、この収容容器2は、相対的に大きな冷凍能力を有する第1冷却ステージ61で冷却されるので、吸着体71の有効な冷却が可能となる。よって、超電導線25を常電導状態とするときに筐体30内で気化した動作媒体50が吸着体71に効果的に吸着される。   In the superconducting device 10, the adsorbent container 72 is connected to the storage container 2, and the storage container 2 is cooled by the first cooling stage 61 having a relatively large refrigerating capacity. It is possible to effectively cool. Therefore, the working medium 50 vaporized in the housing 30 when the superconducting wire 25 is in the normal conducting state is effectively adsorbed by the adsorbent 71.

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.

例えば、吸着槽1B及び連通管1Cは、省略されてもよい。ただし、吸着槽1B及び連通管1Cを備えることにより、超電導線25を超電導状態にするときに固体層で遮断空間を有効に満たしながら、超電導線25を常電導状態にするときにより確実に遮断空間を形成することができる。具体的に、超電導線25を常電導状態にするときに吸着体71の温度を低下させることにより、筐体30内において気化することによって遮断空間から退避した動作媒体50が連通管1Cを通じて吸着体容器72内の吸着体71に吸着されるので、遮断空間の形成がより確実となる。一方、超電導線25を超電導状態にするときは、第3ヒータ73へ通電することによって吸着体71の温度を上昇させることにより、吸着体71から解放された気相の動作媒体50が連通管1Cを通じて筐体30内に流入して遮断空間を満たすので、有効に固体層が形成される。   For example, the adsorption tank 1B and the communication pipe 1C may be omitted. However, by providing the adsorption tank 1B and the communication pipe 1C, when the superconducting wire 25 is brought into the superconducting state, the shielding space is more effectively filled with the solid layer while the superconducting wire 25 is put into the normal conducting state more effectively. Can be formed. Specifically, when the superconducting wire 25 is placed in the normal conducting state, the temperature of the adsorbent 71 is lowered, so that the working medium 50 retreated from the shut-off space by being vaporized in the housing 30 passes through the communication pipe 1C. Since it is adsorbed by the adsorbent 71 in the container 72, the formation of the blocking space becomes more reliable. On the other hand, when the superconducting wire 25 is brought into the superconducting state, the temperature of the adsorbent 71 is increased by energizing the third heater 73, so that the vapor-phase working medium 50 released from the adsorbent 71 is connected to the communication pipe 1C. Since it flows into the housing | casing 30 through and fills the interruption | blocking space, a solid layer is formed effectively.

また、連通管1Cと支持壁34との接続箇所は、上壁36の略中央部に限られない。連通管1Cは、側壁35に接続されてもよい。この場合、巻枠12の胴部14は、円柱状に形成されてもよい。   Further, the connection location between the communication pipe 1 </ b> C and the support wall 34 is not limited to the substantially central portion of the upper wall 36. The communication pipe 1 </ b> C may be connected to the side wall 35. In this case, the body 14 of the winding frame 12 may be formed in a columnar shape.

1 永久電流スイッチ
2 収容容器
3 超電導コイル
4 真空容器
5 冷凍手段
6 冷凍機
8 冷却部材
10 超電導装置
12 巻枠
14 胴部
16 上部フランジ
18 下部フランジ
21 第1ヒータ
25 超電導線
30 筐体
32 底壁
34 支持壁
42 第2ヒータ
50 動作媒体
55 冷却部
61 第1冷却ステージ
62 第2冷却ステージ
71 吸着体
72 吸着体容器
73 第3ヒータ
1A 本体部
1B 吸着槽
1C 連通管
Ri1 熱抵抗部材
R12 熱抵抗部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Permanent current switch 2 Containment container 3 Superconducting coil 4 Vacuum container 5 Refrigeration means 6 Refrigerator 8 Cooling member 10 Superconducting device 12 Winding frame 14 Body part 16 Upper flange 18 Lower flange 21 1st heater 25 Superconducting wire 30 Case 32 Bottom wall 34 Support Wall 42 Second Heater 50 Operating Medium 55 Cooling Unit 61 First Cooling Stage 62 Second Cooling Stage 71 Adsorbent 72 Adsorbent Container 73 Third Heater 1A Main Body 1B Adsorption Tank 1C Communication Pipe Ri1 Thermal Resistance Member R12 Thermal Resistance Element

Claims (12)

超電導コイルとともに永久電流が流れる閉回路を構成しかつ当該閉回路を断続可能な永久電流スイッチであって、
巻枠と、
前記巻枠に巻回されており、前記超電導コイルと接続可能な超電導線と、
前記超電導線の温度が当該超電導線が超電導状態から常電導状態となる臨界温度以上となるように当該超電導線を加熱可能な第1ヒータと、
前記巻枠、前記超電導線及び前記第1ヒータを密封状態で収容可能な形状を有するとともに、前記超電導線の温度が前記臨界温度以下となるように当該超電導線を冷却するための冷凍手段に接続される筐体と、
前記筐体内に封入されており、前記超電導線の臨界温度よりも高い凝固温度を有する動作媒体と、
前記動作媒体の温度が前記凝固温度以上となるように当該動作媒体を加熱可能な第2ヒータと、を備え、
前記筐体は、前記冷凍手段に対して熱的に接続される底壁と、前記底壁に接続されており当該底壁とともに前記巻枠、前記超電導線及び前記第1ヒータを密封状態で収容する形状を有するとともに、前記巻枠の下端部と前記底壁との熱的な接続を遮断可能な遮断空間が当該巻枠の下端部と当該底壁との間に形成される位置に前記巻枠を支持する支持壁と、を有し、
前記動作媒体の量は、当該動作媒体が液相の状態で前記遮断空間に溜まり、かつ、当該動作媒体の温度が前記凝固温度以下になったときに前記巻枠の下端部と前記底壁とを熱的に接続するように前記遮断空間を満たす形状を有する固体層を形成するのに十分な量に設定されている、永久電流スイッチ。
A permanent current switch that constitutes a closed circuit through which a permanent current flows together with a superconducting coil, and that can interrupt the closed circuit,
A reel,
A superconducting wire wound around the winding frame and connectable to the superconducting coil;
A first heater capable of heating the superconducting wire so that the temperature of the superconducting wire is equal to or higher than a critical temperature at which the superconducting wire changes from a superconducting state to a normal conducting state;
The reel, the superconducting wire, and the first heater have a shape that can be accommodated in a sealed state, and are connected to refrigeration means for cooling the superconducting wire so that the temperature of the superconducting wire is equal to or lower than the critical temperature. A housing to be
A working medium enclosed in the housing and having a solidification temperature higher than a critical temperature of the superconducting wire;
A second heater capable of heating the working medium so that the temperature of the working medium is equal to or higher than the solidification temperature;
The housing includes a bottom wall that is thermally connected to the refrigeration means, and is connected to the bottom wall and accommodates the winding frame, the superconducting wire, and the first heater together with the bottom wall in a sealed state. And a winding space is formed between the lower end portion of the winding frame and the bottom wall so that a shut-off space capable of blocking the thermal connection between the lower end portion of the winding frame and the bottom wall is formed. A support wall for supporting the frame,
The amount of the working medium is such that when the working medium accumulates in the shut-off space in a liquid phase and the temperature of the working medium becomes equal to or lower than the solidification temperature, the lower end of the reel and the bottom wall A permanent current switch set to an amount sufficient to form a solid layer having a shape that fills the blocking space so as to be thermally connected.
請求項1に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記支持壁の熱伝導率は、前記固体層の熱伝導率よりも低く設定されている、永久電流スイッチ。
The permanent current switch according to claim 1,
The permanent current switch, wherein the thermal conductivity of the support wall is set lower than the thermal conductivity of the solid layer.
請求項2に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記支持壁は、当該支持壁と前記底壁との接触部分の面積を当該接触部分により取り囲まれる面積よりも小さくする形状を有する、永久電流スイッチ。
The permanent current switch according to claim 2, wherein
The said support wall is a permanent current switch which has a shape which makes the area of the contact part of the said support wall and the said bottom wall smaller than the area surrounded by the said contact part.
請求項2又は3に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記支持壁は、前記巻枠の下端部が当該支持壁から離間し、かつ、前記巻枠の上端部が当該支持壁に接触した状態で前記巻枠を支持している、永久電流スイッチ。
The permanent current switch according to claim 2 or 3,
The said support wall is a permanent current switch which is supporting the said reel in the state in which the lower end part of the said reel was spaced apart from the said support wall, and the upper end part of the said reel contacted the said support wall.
請求項1ないし4のいずれかに記載の永久電流スイッチにおいて、
前記動作媒体を吸着及び解放することが可能な吸着体と、
前記吸着体を加熱する第3ヒータと、をさらに備え、
前記吸着体は、当該吸着体の温度が低くなるにしたがって前記動作媒体の吸着量が増大する性質を有する材料により形成されている、永久電流スイッチ。
The permanent current switch according to any one of claims 1 to 4,
An adsorbent capable of adsorbing and releasing the working medium;
A third heater for heating the adsorbent,
The adsorbent is a permanent current switch formed of a material having a property that the amount of adsorption of the working medium increases as the temperature of the adsorbent decreases.
請求項5に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記筐体の外側に配置され、前記吸着体を収容する吸着体容器と、
前記遮断空間と前記吸着体容器内とを連通する連通管と、をさらに備え、
前記第3ヒータは、前記吸着体容器に巻回されている、永久電流スイッチ。
The permanent current switch according to claim 5,
An adsorbent container disposed outside the housing and containing the adsorbent;
A communication pipe that communicates between the blocking space and the adsorbent container; and
The third heater is a permanent current switch wound around the adsorbent container.
請求項6に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記連通管を通じて前記吸着体から前記筐体内に流入する動作媒体を冷却する冷却部をさらに備える、永久電流スイッチ。
The permanent current switch according to claim 6.
The permanent current switch further comprising a cooling unit that cools the working medium flowing into the casing from the adsorbent through the communication pipe.
請求項6又は7に記載の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及び前記超電導コイルを収容する収容容器と、
前記冷凍手段と、
を備える超電導装置であって、
前記冷凍手段は、前記収容容器内において前記底壁及び前記超電導コイルを支持する冷却部材と、前記冷却部材及び前記収容容器を冷却する冷凍機と、を有し、
前記冷凍機は、前記収容容器を冷却する第1冷却ステージと、前記冷却板を冷却可能な第2冷却ステージと、を有し、
前記第1冷却ステージは、前記第2冷却ステージの冷凍能力よりも大きな冷凍能力を有し、
前記筐体の底壁は、前記冷却部材に接続されており、
前記吸着体容器は、前記収容容器に接続されている、超電導装置。
A permanent current switch according to claim 6 or 7,
The superconducting coil;
A container for housing the permanent current switch and the superconducting coil;
The refrigeration means;
A superconducting device comprising:
The refrigeration means includes a cooling member that supports the bottom wall and the superconducting coil in the storage container, and a refrigerator that cools the cooling member and the storage container.
The refrigerator has a first cooling stage that cools the storage container, and a second cooling stage that can cool the cooling plate,
The first cooling stage has a refrigerating capacity larger than that of the second cooling stage,
A bottom wall of the housing is connected to the cooling member;
The adsorbent container is a superconducting device connected to the storage container.
請求項8に記載の超電導装置において、
前記底壁と前記冷却部材との間に設けられた熱抵抗部材をさらに備え、
前記熱抵抗部材の熱伝導率は、前記底壁の熱伝導率よりも低く設定されている、超電導装置。
The superconducting device according to claim 8, wherein
A heat resistance member provided between the bottom wall and the cooling member;
The superconducting device, wherein the thermal resistance of the thermal resistance member is set lower than the thermal conductivity of the bottom wall.
請求項8又は9に記載の超電導装置において、
前記吸着体容器と収容容器との間に設けられた他の熱抵抗部材をさらに備え、
前記他の熱抵抗部材の熱伝導率は、前記吸着体容器の熱伝導率よりも低く設定されている、超電導装置。
The superconducting device according to claim 8 or 9,
Further comprising another heat resistance member provided between the adsorbent container and the storage container,
The superconducting device, wherein the thermal conductivity of the other thermal resistance member is set lower than the thermal conductivity of the adsorbent container.
請求項1ないし7のいずれかに記載の永久電流スイッチにおいて、
前記動作媒体は、パラ水素、ネオン及び窒素のいずれかである、永久電流スイッチ。
The permanent current switch according to any one of claims 1 to 7,
The working medium is a permanent current switch which is any one of parahydrogen, neon and nitrogen.
請求項8ないし10のいずれかに記載の超電導装置において、
前記動作媒体は、パラ水素、ネオン及び窒素のいずれかである、超電導装置。
The superconducting device according to any one of claims 8 to 10,
The superconducting device, wherein the working medium is any one of parahydrogen, neon, and nitrogen.
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