JP2564338B2 - 超電導コイルの冷却方法、及び超電導装置 - Google Patents

超電導コイルの冷却方法、及び超電導装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導コイルの冷却方法、及び超電導装置に
係り、特に、速い励消磁、又はその繰り返しで運転する
パルスマグネツトを使用する場合に好適な超電導コイル
の冷却方法、及び超電導装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、超電導機器における冷却方式については、種々
の解説があるが、昭和55年６月、社団法人電気学会の
「電気学会技術報告（II部）第93号」の第61頁以降に
は、液体ヘリウム浸漬冷却法と強制冷却法（前記文献で
は超臨界ヘリウムによる強制冷却を例に挙げている）に
ついて解説されている。
特に、液体ヘリウムの浸漬冷却方式は最も一般的な方
法であり、これは超電導コイルを液体ヘリウムを浸した
ヘリウム槽の中に収納し、液体ヘリウムの沸騰熱伝達特
性を利用して、超電導コイルを冷却するものである。こ
の液体ヘリウムの浸漬冷却方式は、定常状態（貯液，通
電状態）に於いて液体ヘリウムの流れは積極的に作られ
ておらず、すなわち、自然対流のみが存在しているため
超電導コイルの熱侵入により蒸発する液体ヘリウムの相
当量を、適宜、あるいは連続に補給する必要がある。
一方、浸漬冷却方式の他に、液体ヘリウムの強制冷却
方式がある。この液体ヘリウムの強制冷却方式は、前記
浸漬冷却方式と異なり、超電導コイルを形成する超電導
導体内、或いは外に液体ヘリウムを強制的に流し、強制
対流熱伝達特性を利用して超電導コイルを冷却するもの
である。強制冷却方式は、浸漬冷却方式による沸騰熱伝
達に比べ大きな冷却能力を有するため、開発が進められ
ているが、まだ、浸漬冷却ほど一般的では無い。本方式
の場合は、超電導コイルの初期冷却から貯液，さらに通
電状態に至る迄、常に液体ヘリウムの流れが強制的に形
成されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
超電導コイルの安定性を確保するため、その冷却は最
も重要な課題の１つであるが、特に、速い励消磁、また
はその繰り返しで運転するパルスマグネツトの場合は，
超電導導体、周囲の構造体等の発生する交流損失によ
り、コイル自体の発熱、さらにこれに伴うヘリウムガス
の泡の発生が常に存在するため、とりわけ冷却の問題は
重要である。
この観点から、超電導パルスマグネツトに対しては、
上述した従来の冷却方式には、次の様な問題があり、改
善が必要と考えられていた。すなわち、まず、浸漬冷却
方式では、液体ヘリウムが停留していることから冷却特
性は安定している一方、発生するヘリウムガスの泡の移
動，排出が困難となり易く運転条件によつては、泡の停
留により超電導導体表面での沸騰熱伝達特性の劣化従つ
て超電導コイルの安定性の低下をひき起こす問題があ
る。
また、強制冷却方式では、強制対流熱伝達による冷却
性能の向上，ヘリウムガスの泡の移動等の利点がある一
方で、その流れに伴う不確定性、すなわち、並列チヤネ
ルに対する流れの分布の変化，滞留等の問題が発生する
可能性があり、常時、コイルの安定性を保つ上で、その
信頼性に問題がある。更に、連続的な強制フローは、液
体ヘリウムに圧力が負荷され、部分的にガス化して、液
体ヘリウムのクオリテイを損ういわゆるフラツシユロス
があり、コイルの冷却特性上好ましくない。
本発明は上述の点に鑑み成されたもので、その目的と
するところは、超電導パルスマグネツトを使用するもの
であつても、その電流変化時の交流損失によるヘリウム
ガスの泡の影響をなくし、パルス励磁に対して安定なコ
イルとすることのできる超電導コイルの冷却方法、及び
超電導装置を提供するにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記の目的を達成するためには、浸漬冷却方式の欠点
である交流損失によるヘリウムガスの泡の停留をいかに
して回避するかが重要で、この問題に関しては、液体ヘ
リウムの強制的な流れを作ることにより、ヘリウムガス
の泡を速やかに移動，排出することで解決できる。すな
わち、電流の変化が無く交流損失の無い状態では、確実
な冷却条件である浸漬冷却としコイルの安定化を確実に
保つ。この時、液体ヘリウムに強制的な流れは無く、自
然対流による流れのみである。一方、電流変化時の交流
損失発生時は、その前後を含め、適宜、液体ヘリウムの
流れを強制的に作り、交流損失によるヘリウムガスを速
やかに排出する様にする。
〔作用〕
本発明では、電流変化時、及びその前後にヘリウム容
器中の液体ヘリウムの流れを作るので、電流変化の前に
ヘリウムの流れを作つておくことは次に続く電流変化時
のヘリウムガスの泡の移動を速やかに行うための状態が
作られ、電流変化時、及び電流変化後のヘリウムの流れ
は発生し続けるか、或いは発生したヘリウムガスの泡を
速やかに排出させるものであるため、上記目的は達成さ
れる。
〔実施例〕
以下、図示した実施例に基づいて、本発明を詳細に説
明する。
第１図に本発明の一実施例を示す。該図において１は
超電導コイルで、この超電導コイル１は液体ヘリウムが
満たされているヘリウム容器２中に浸たされている。上
記ヘリウム容器２はヘリウム溜３と連通されており、通
常ヘリウム溜３の途中まで液体ヘリウムが満されてい
る。そして、これらで超電導マグネツト８を構成してい
る。９は超電導マグネツト８を冷却するための冷凍機、
10はストレツジデユワーで、これらはバルブ4,5、及び
6,7を途中に備えている配管を介してヘリウム容器2,ヘ
リウム溜３に接続されている。11は超電導コイル１を励
磁するための電源で、リード線（点線で図示）を介して
超電導コイル１を通電する。
次に、本実施例における作用を説明する。超電導コイ
ル１の初期冷却から液体ヘリウム貯液に至る迄は、冷凍
機９の運転ではバルブ４を開けてバルブ５を閉じておく
が、貯液が完了した段階では逆にバルブ５を開け、バル
ブ４を閉じた状態、すなわち液体ヘリウムの補給モード
としておく。これはいわゆる浸漬冷却である。この後、
パルス運転でも通常このままのモードで運転するが、本
実施例ではこの際、前記の如く、電流変化時、及びその
前後の特定時期にバルブ４を開にする（バルブ５は開の
ままか或いは閉とする）ことで、ヘリウム容器２の中
で、液体ヘリウムの流れを強制的に起こし、超電導コイ
ル１等で発生した交流損失によるヘリウムガスの泡を、
ヘリウム溜３側に速やかに排出することができる。これ
により、超電導コイル１のパルス励磁に対して安定なコ
イルを得ることができる。
また、冷凍機９によらず、ストレツジデユワー10から
の液体ヘリウムの送液運転のモードでもバルブ６、及び
７をそれぞれバルブ４、及び５に対応させれば前記と同
様である。
ここでバルブの開閉に関し一例について説明したが、
バルブの組合せについては前記の機能が達成されれば、
どの様なものでも良くこの限りではない。
次に、第２図を用いて初期冷却時，貯液時又は非通電
時，電流変化時，電流一定時におけるバルブの開閉，液
体ヘリウムの流れについて詳細に説明する。尚、図にお
いて太いラインはヘリウムの流れを示し、黒く塗りつぶ
したバルブは閉の状態を、黒く塗りつぶしていないバル
ブは開の状態を示す。
第２図（ａ）は初期冷却時を示し、この場合にはバル
ブ４を開、バルブ5,6,7を閉とし、冷凍機９からヘリウ
ム容器２へヘリウムを供給し、ヘリウム溜３から蒸発し
たヘリウムガスを冷凍機９へ回収している。第２図
（ｂ）は貯液時、又は非通電時を示し、この場合にはバ
ルブ５を開、バルブ4,6,7を閉とし、冷凍機９からヘリ
ウム溜３へヘリウムを補給すると共に、ヘリウム溜３か
ら蒸発したヘリウムガスを冷凍機９へ回収している。第
２図（ｃ）は電流変化時を示し、この場合には上述の実
施例で説明した通りである。即ち、バルブ４を開、バル
ブ5,6,7を閉とし、冷凍機９からヘリウム容器２へヘリ
ウムを供給してヘリウム容器２中の液体ヘリウムに強制
的に流れを生じさせて交流損失により発生したヘリウム
ガスの泡を速やかに移動、排出させ、ヘリウム溜３から
蒸発したヘリウムガスを冷凍機９へ回収している。第２
図（ｄ）は電流一定時を示すが、この場合は、第２図
（ｂ）に示す貯液時、又は非通電時の場合と全く同様な
動作をする。
尚、上記の例ではバルブの開閉による例を示したが、
電流変化時、及びその前後に液体ヘリウムの流れを強制
的に引き起こすことができるものであれば何でも良くこ
の限りでは無い。
例えば、他の実施例として第３図について説明する。
本図の例では、超電導コイル１を収納しているヘリウム
容器２の中もしくはこの系統に液体ヘリウムの流れを作
り出すかくはん装置12を入れることにより、前記の目的
を達成している。定常時は、ヘリウム溜３側での液体ヘ
リウムの補給運転で、電流変化時及びその前後について
或る特性の時期にかくはん装置12を動作させて液体ヘリ
ウムの流れを作るようにしている。
ここで、かくはん装置12は液体ヘリウムの流れを作る
ものであれば何でも良く、例えば、液体ヘリウムポンプ
の様なものでも良い。
〔発明の効果〕
以上説明した本発明の超電導コイルの冷却方法、及び
超電導装置によれば、電流の変化がなく交流損失のない
状態では確実な冷却条件である浸漬冷却としてコイルの
安定化を確実に保ち、電流変化時の交流損失発生時はそ
の前後を含め、適宜、液体ヘリウムの流れを強制的に作
り、交流損失によるヘリウムガスの泡を速やかに排出す
るようにしたものであるから、パルス励磁に対して安定
なコイルとすることができ、此種超電導装置には非常に
有効である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の超電導装置の一実施例を示す系統図、
第２図は第１図に示した実施例における具体的運転手順
を示し、第２図（ａ）は初期冷却時、第２図（ｂ）は貯
液時、又は非通電時、第２図（ｃ）は電流変化時、第２
図（ｄ）は電流一定時をそれぞれ示す系統図、第３図は
本発明の他の実施例を示す概略構成図である。 １……超電導コイル、２……ヘリウム容器、３……ヘリ
ウム溜、4,5,6,7……バルブ、８……超電導マグネツ
ト、９……冷凍機、10……ストレツジデユワー、11……
電源。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ヘリウム容器中の液体ヘリウムに浸され、
    パルス励磁される超電導コイルを冷却する冷却方法にお
    いて、 前記超電導コイルの電流変化時、及びその前後に、前記
    ヘリウム容器中の液体ヘリウムに流れを生じさせて交流
    損失により発生するヘリウムガスの気泡を移動し排出す
    ることを特徴とする超電導コイルの冷却方法。
  2. 【請求項２】ヘリウム容器中の液体ヘリウムに浸され、
    パルス励磁される超電導コイルを冷却する冷却方法にお
    いて、 前記超電導コイルの電流変化時、及びその前後に、前記
    ヘリウム容器中に供給する冷凍機からの液体ヘリウム
    で、前記ヘリウム容器中の液体ヘリウムに流れを強制的
    に生じさせて交流損失により発生するヘリウムガスの気
    泡を移動し排出することを特徴とする超電導コイルの冷
    却方法。
  3. 【請求項３】ヘリウム容器中の液体ヘリウムに浸され、
    パルス励磁される超電導コイルを冷却する冷却方法にお
    いて、 前記超電導コイルの電流変化時、及びその前後に、前記
    ヘリウム容器中の液体ヘリウムを攪拌して該液体ヘリウ
    ムに流れを強制的に生じさせて交流損失により発生する
    ヘリウムガスの気泡を移動し排出することを特徴とする
    超電導コイルの冷却方法。
  4. 【請求項４】パルス励磁されるヘリウム容器中の超電導
    コイルを冷却するための液体ヘリウムの供給と、前記ヘ
    リウム容器と連通されているヘリウム溜への前記液体ヘ
    リウムの蒸発に伴う減少分の液体ヘリウムの補給とを冷
    却系で行い、前記超電導コイルの初期冷却時には前記冷
    却系からヘリウム容器に液体ヘリウムを供給し、かつ、
    超電導コイルの電流一定時、及び超電導コイルの非通電
    時、又は液体ヘリウムの貯液時には前記冷却系からヘリ
    ウム溜に液体ヘリウムを供給すると共に、前記超電導コ
    イルの初期冷却時とは別に、該超電導コイルの電流変化
    時、及びその前後に前記冷却系から前記ヘリウム容器に
    液体ヘリウムを供給し、該ヘリウム容器中の液体ヘリウ
    ムに強制的に流れを生じさせて交流損失により発生する
    ヘリウムガスの気泡を移動し排出することを特徴とする
    超電導コイルの冷却方法。
  5. 【請求項５】液体ヘリウムに浸されてパルス励磁される
    超電導コイルを収納するヘリウム容器と、該ヘリウム容
    器に連通され、前記液体ヘリウムの蒸発に伴う減少分が
    補給されるヘリウム溜と、該ヘリウム溜と前記ヘリウム
    容器に液体ヘリウムを供給する冷却源と、該冷却源とヘ
    リウム容器、及びヘリウム溜を接続し、その途中に所望
    に応じて開閉されるバルブを有する配管系と、前記ヘリ
    ウム容器中の液体ヘリウムに、前記超電導コイルの電流
    変化時、及びその前後に強制的に流れを生じさせて交流
    損失により発生するヘリウムガスの気泡を移動し排出す
    る手段とを備えていることを特徴とする超電導装置。
  6. 【請求項６】液体ヘリウムに浸されてパルス励磁される
    超電導コイルを収納するヘリウム容器と、該ヘリウム容
    器に連通され、前記液体ヘリウムの蒸発に伴う減少分が
    補給されるヘリウム溜と、該ヘリウム溜と前記ヘリウム
    容器に液体ヘリウムを供給する冷却源と、該冷却源とヘ
    リウム容器、及びヘリウム溜を接続し、その途中に所望
    に応じて開閉されるバルブを有する配管系と、前記ヘリ
    ウム容器中に前記超電導コイルの電流変化時、及びその
    前後に液体ヘリウムに強制的に流れを生じさせて交流損
    失により発生するヘリウムガスの気泡を移動し排出する
    攪拌装置とを備えていることを特徴とする超電導装置。
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