JP2637238B2 - 超電導マグネット装置 - Google Patents
超電導マグネット装置Info
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- JP2637238B2 JP2637238B2 JP1166110A JP16611089A JP2637238B2 JP 2637238 B2 JP2637238 B2 JP 2637238B2 JP 1166110 A JP1166110 A JP 1166110A JP 16611089 A JP16611089 A JP 16611089A JP 2637238 B2 JP2637238 B2 JP 2637238B2
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
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- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は極低温流体を強制的に循環することによりコ
イルを冷却する超電導マグネット装置に関する。
イルを冷却する超電導マグネット装置に関する。
（従来の技術） 超臨界ヘリウムのような高圧の極低温流体を強制的に
循環して冷却する超電導マグネット装置には、ホロー型
や、ケーブルインコンジット型の超電導導体が用いられ
ている。これらの導体は冷却流路が導体内に包含されて
おり冷媒循環の為のポンプ動力を過大にしないため圧力
損失とのかねあいから導体の水力直径、一流路の長さ及
び冷媒流量は制限されている。この為、これらの導体で
構成された超電導マグネット装置は、複数の流路から構
成され流量が等分配されるように各流路とも同一長さで
同一圧力損失になるように構成されている。
循環して冷却する超電導マグネット装置には、ホロー型
や、ケーブルインコンジット型の超電導導体が用いられ
ている。これらの導体は冷却流路が導体内に包含されて
おり冷媒循環の為のポンプ動力を過大にしないため圧力
損失とのかねあいから導体の水力直径、一流路の長さ及
び冷媒流量は制限されている。この為、これらの導体で
構成された超電導マグネット装置は、複数の流路から構
成され流量が等分配されるように各流路とも同一長さで
同一圧力損失になるように構成されている。
第２図は従来の超電導マグネット装置を示したもの
で、超電導マグネット（１）のコイル部は高磁界側コイ
ル（２）と低磁界側コイル（３）から構成される。冷媒
循環装置（４）は熱交換槽（50）内の冷媒を、超電導マ
グネット（１）の高磁界側コイル（２）から低磁界コイ
ル（３）に冷媒を供給し、循環する。このため、冷媒の
温度は高磁界側コイル（２）から低磁界側コイル（３）
にゆくにしたがって上昇する。
で、超電導マグネット（１）のコイル部は高磁界側コイ
ル（２）と低磁界側コイル（３）から構成される。冷媒
循環装置（４）は熱交換槽（50）内の冷媒を、超電導マ
グネット（１）の高磁界側コイル（２）から低磁界コイ
ル（３）に冷媒を供給し、循環する。このため、冷媒の
温度は高磁界側コイル（２）から低磁界側コイル（３）
にゆくにしたがって上昇する。
導体の温度マージン（分流開始温度と冷媒温度との
差）は、一般に次式で与えられる。
差）は、一般に次式で与えられる。
ここでΔＴは温度マージン、Tcsは分流開始温度、Tb
は冷媒温度、Top、Icはそれぞれ導体の定格電流、臨界
電流、Tco、Bcoはそれぞれ臨界温度、臨界磁界である。
またＢは、発生磁界である。（101）式から、たとえば
線材としてNb3Snのような臨界温度、臨界磁界の高い材
料を選定して、コイルを構成した場合、分流開始温度
は、第３図の破線で示す曲線（Tin）のようになる。こ
の場合、温度マージンは、低磁界側になるほど高くな
る。また（101）式からわかるように温度マージンΔＴ
は、冷媒温度が低いほど高くなる。
は冷媒温度、Top、Icはそれぞれ導体の定格電流、臨界
電流、Tco、Bcoはそれぞれ臨界温度、臨界磁界である。
またＢは、発生磁界である。（101）式から、たとえば
線材としてNb3Snのような臨界温度、臨界磁界の高い材
料を選定して、コイルを構成した場合、分流開始温度
は、第３図の破線で示す曲線（Tin）のようになる。こ
の場合、温度マージンは、低磁界側になるほど高くな
る。また（101）式からわかるように温度マージンΔＴ
は、冷媒温度が低いほど高くなる。
（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来の強制冷却型の超電導マグネット装
置では同一水力直径、同一流路長からなる複数の流路か
ら構成され高磁界側から低磁界側まで同一流量が流れて
いる。この為、核融合炉用マグネットのように定常侵入
熱のみならずACロスや核発熱によって熱負荷が増加した
場合、冷媒の温度は上昇し導体の有する温度マージン
は、高磁界側で低くなり超電導安定性が低下する。
置では同一水力直径、同一流路長からなる複数の流路か
ら構成され高磁界側から低磁界側まで同一流量が流れて
いる。この為、核融合炉用マグネットのように定常侵入
熱のみならずACロスや核発熱によって熱負荷が増加した
場合、冷媒の温度は上昇し導体の有する温度マージン
は、高磁界側で低くなり超電導安定性が低下する。
一方、低磁界側では導体の臨界温度が高くなる為、温
度マージンは増加し流量は高磁界側の量よりも少なくて
良い。この結果、高磁界側および低磁界側を同一水力特
性を有する流路とするような従来のマグネットにおいて
は、冷媒流量を増すことによってのみ冷媒の除熱能力を
向上させ冷媒の温度上昇をおさえて温度マージンをあげ
ることが可能であった。しかしながら、流量の増加は低
温ポンプ循環方式においてはポンプロスの増大を、また
常温圧縮機においては圧縮機動力の増大をまねくことに
なる。
度マージンは増加し流量は高磁界側の量よりも少なくて
良い。この結果、高磁界側および低磁界側を同一水力特
性を有する流路とするような従来のマグネットにおいて
は、冷媒流量を増すことによってのみ冷媒の除熱能力を
向上させ冷媒の温度上昇をおさえて温度マージンをあげ
ることが可能であった。しかしながら、流量の増加は低
温ポンプ循環方式においてはポンプロスの増大を、また
常温圧縮機においては圧縮機動力の増大をまねくことに
なる。
特に熱負荷として大きな核発熱が発生する場合、マグ
ネット最内周の内側直線部、すなわち中性子遮蔽の薄い
高磁界部で最も温度マージンが低くなる。
ネット最内周の内側直線部、すなわち中性子遮蔽の薄い
高磁界部で最も温度マージンが低くなる。
本発明の目的は、熱負荷の大きい高磁界側コイルに、
低い温度の冷媒を大流量供給し、高い温度マージンと高
い超電導安定性を有するとともに低磁界側コイルで過大
の温度マージンを有しない経済的な超電導マグネット装
置を提供することにある。
低い温度の冷媒を大流量供給し、高い温度マージンと高
い超電導安定性を有するとともに低磁界側コイルで過大
の温度マージンを有しない経済的な超電導マグネット装
置を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明の超電導マグネット
装置においては、高磁界側コイルの冷却系と低磁界側コ
イルの冷却系とをそれぞれ別の冷却系とし、各々の冷却
系には個別の冷却装置を備えるとともに、高磁界側コイ
ルの冷却装置には減圧装置を配し、高磁界側コイルには
低磁界側コイルよりも低い温度の冷媒を供給させた構成
とする。
装置においては、高磁界側コイルの冷却系と低磁界側コ
イルの冷却系とをそれぞれ別の冷却系とし、各々の冷却
系には個別の冷却装置を備えるとともに、高磁界側コイ
ルの冷却装置には減圧装置を配し、高磁界側コイルには
低磁界側コイルよりも低い温度の冷媒を供給させた構成
とする。
（作用） 上記のように構成された超電導マグネット装置は、高
磁界側コイルと低磁界側コイルを個別に冷却しているの
で、冷媒の温度、流量を任意にかえることができるた
め、熱負荷の大きい高磁界側で高い温度マージン及び高
い超電導安定性を有するとともに、低磁界側で過大の温
度マージンを有しない経済的な冷却状態を提供できる。
磁界側コイルと低磁界側コイルを個別に冷却しているの
で、冷媒の温度、流量を任意にかえることができるた
め、熱負荷の大きい高磁界側で高い温度マージン及び高
い超電導安定性を有するとともに、低磁界側で過大の温
度マージンを有しない経済的な冷却状態を提供できる。
（実施例） 実施例１ 以下、本発明の第１の実施例について第１図を参照し
て説明する。尚、従来例の第２図にも、同一部分には同
一符号を付しておくので、従来例の理解の参考にされた
い。超電導マグネット（１）のコイルは、高磁界側コイ
ル（２）と低磁界側コイル（３）から構成される。各コ
イル（２），（３）は、それぞれ第１の熱交換槽
（５）、第２の熱交換槽（６）内に配置された冷媒循環
装置（４）によって、冷媒である超臨界ヘリウムが供
給、循環される。高磁界側の冷媒循環ライン（７）に設
置された第１の熱交換槽（５）には、その気相部分を排
出して減圧するための減圧装置（８）がバルブ（13）を
介して備えてある。
て説明する。尚、従来例の第２図にも、同一部分には同
一符号を付しておくので、従来例の理解の参考にされた
い。超電導マグネット（１）のコイルは、高磁界側コイ
ル（２）と低磁界側コイル（３）から構成される。各コ
イル（２），（３）は、それぞれ第１の熱交換槽
（５）、第２の熱交換槽（６）内に配置された冷媒循環
装置（４）によって、冷媒である超臨界ヘリウムが供
給、循環される。高磁界側の冷媒循環ライン（７）に設
置された第１の熱交換槽（５）には、その気相部分を排
出して減圧するための減圧装置（８）がバルブ（13）を
介して備えてある。
一方、低磁界側の冷媒循環ライン（９）には、第２の
熱交換槽（６）のみで減圧装置（８）は備えていない。
高磁界側の冷媒循環ライン（７）のコイル（２）からの
出口ライン（2a）および低磁界側の冷媒循環ライン
（９）のコイル（３）への入口ライン（3a）には、両ラ
インを流れる超臨界ヘリウムの温度を調整するための熱
交換器（10）が設けてある。又、各熱交換槽（５），
（６）には各々初期冷凍用供給ライン（11）、及び戻り
ライン（12）が接続されている。また各ラインの要所、
要所には、バルブ（13）およびバイパスライン（14）が
設けてある。
熱交換槽（６）のみで減圧装置（８）は備えていない。
高磁界側の冷媒循環ライン（７）のコイル（２）からの
出口ライン（2a）および低磁界側の冷媒循環ライン
（９）のコイル（３）への入口ライン（3a）には、両ラ
インを流れる超臨界ヘリウムの温度を調整するための熱
交換器（10）が設けてある。又、各熱交換槽（５），
（６）には各々初期冷凍用供給ライン（11）、及び戻り
ライン（12）が接続されている。また各ラインの要所、
要所には、バルブ（13）およびバイパスライン（14）が
設けてある。
次に上記実施例１の作用を説明する。
第３図の実線で示す曲線Tinのように高磁界側で高い
温度マージンを得るためには、冷媒温度を下げて低くし
てやればよい。このため減圧装置（８）を用いて第１の
熱交換槽内の気相の蒸気圧を下げて温度を低くする。一
方低磁界側でも、冷媒供給温度は低くしたほうが好まし
い。このため、この実施例１のように熱交換器（10）を
高磁界側出口ライン（2a）と低磁界側の入口ライン（3
a）の冷媒循環ラインの間に配置することによって、熱
負荷が小さい場合は、高磁界側の戻り冷媒温度が十分低
いままであることを利用して低磁界側の冷媒供給温度を
下げることができる。戻り冷媒温度が高い場合は、熱交
換しないようにバイパスライン（14）に流す。
温度マージンを得るためには、冷媒温度を下げて低くし
てやればよい。このため減圧装置（８）を用いて第１の
熱交換槽内の気相の蒸気圧を下げて温度を低くする。一
方低磁界側でも、冷媒供給温度は低くしたほうが好まし
い。このため、この実施例１のように熱交換器（10）を
高磁界側出口ライン（2a）と低磁界側の入口ライン（3
a）の冷媒循環ラインの間に配置することによって、熱
負荷が小さい場合は、高磁界側の戻り冷媒温度が十分低
いままであることを利用して低磁界側の冷媒供給温度を
下げることができる。戻り冷媒温度が高い場合は、熱交
換しないようにバイパスライン（14）に流す。
更に、本実施例１では、各々個別の冷媒循環装置にし
ているため、冷媒流量を任意に変化させることができ
る。この結果、高磁界側は大流量にして温度上昇を防
ぎ、低磁界側は流量を絞って減量運転することも可能で
ある。この場合は低磁界側での温度マージンが低くな
り、経済的な冷却方法を選定することができる。
ているため、冷媒流量を任意に変化させることができ
る。この結果、高磁界側は大流量にして温度上昇を防
ぎ、低磁界側は流量を絞って減量運転することも可能で
ある。この場合は低磁界側での温度マージンが低くな
り、経済的な冷却方法を選定することができる。
実施例２ 次に第２の実施例について、第４図を参照して説明す
る。第１の実施例にて第１図では超電導マグネット
（１）の断面を片半分だけ示したが、第２の実施例にお
いては第４図のように両断面を示し、冷媒回路はNb3Sn
の高磁界側のコイル（21）とNbTiの高磁界側コイル（2
3）とを並列にし、Nb3Snの低磁界側コイル（22）とNbTi
の低磁界側コイル（24）とを並列にしたことが実施例１
の第１図と異なるだけで、他は実施例１は同様であるの
で、図示と説明を省略する。
る。第１の実施例にて第１図では超電導マグネット
（１）の断面を片半分だけ示したが、第２の実施例にお
いては第４図のように両断面を示し、冷媒回路はNb3Sn
の高磁界側のコイル（21）とNbTiの高磁界側コイル（2
3）とを並列にし、Nb3Snの低磁界側コイル（22）とNbTi
の低磁界側コイル（24）とを並列にしたことが実施例１
の第１図と異なるだけで、他は実施例１は同様であるの
で、図示と説明を省略する。
この実施例２では、高磁界側コイルをNb3Sn超電導導
体で構成し、低磁界側コイルをNbTi超電導導体で構成
し、Nb3Sn超電導導体の領域を更にNb3Snの高磁界側コイ
ル（21）とNb3Snの低磁界側コイル（22）に区分する。
また、NbTi超電導導体の領域を更にNbTiの高磁界側コイ
ル（23）とNbTiの低磁界側コイル（24）とに区分する。
そして、Nb3Snの高磁界側コイル（21）とNbTiの高磁界
側コイル（23）には、Nb3Snの低磁界側コイル（22）とN
bTiの低磁界側コイル（24）に供給するヘリウム温度よ
り低い温度（超流動温度である2.1K以下も含めて4.2K以
下）のヘリウム冷媒を供給する。
体で構成し、低磁界側コイルをNbTi超電導導体で構成
し、Nb3Sn超電導導体の領域を更にNb3Snの高磁界側コイ
ル（21）とNb3Snの低磁界側コイル（22）に区分する。
また、NbTi超電導導体の領域を更にNbTiの高磁界側コイ
ル（23）とNbTiの低磁界側コイル（24）とに区分する。
そして、Nb3Snの高磁界側コイル（21）とNbTiの高磁界
側コイル（23）には、Nb3Snの低磁界側コイル（22）とN
bTiの低磁界側コイル（24）に供給するヘリウム温度よ
り低い温度（超流動温度である2.1K以下も含めて4.2K以
下）のヘリウム冷媒を供給する。
このように構成すると、Nb3Snの低磁界側コイル（2
2）はNbTiの高磁界側コイル（23）より磁界が高いか
ら、この超電導マグネット（１）は磁界の変化が滑らか
になる。そして、同じ種類の超電導導体を用いた領域で
は、温度の低いヘリウム冷媒が供給される方の高磁界側
の超電導特性が良くなる。
2）はNbTiの高磁界側コイル（23）より磁界が高いか
ら、この超電導マグネット（１）は磁界の変化が滑らか
になる。そして、同じ種類の超電導導体を用いた領域で
は、温度の低いヘリウム冷媒が供給される方の高磁界側
の超電導特性が良くなる。
従って、Nb3Sn領域、NbTi領域ともに、それぞれ同じ
種類の導体を用いて高磁界側の超電導導体の温度を低く
することにより高磁界側のコイル（21），（23）を小さ
くできるため、コイルをコンパクトにできる。
種類の導体を用いて高磁界側の超電導導体の温度を低く
することにより高磁界側のコイル（21），（23）を小さ
くできるため、コイルをコンパクトにできる。
実施例３ 次に第３の実施例について第５図を参照して説明す
る。第１の実施例では高磁界側コイル（２）と低磁界側
コイル（３）とを同心状に配置したが、第３の実施例は
同軸状に配置したものである。他は実施例１と同様であ
る。
る。第１の実施例では高磁界側コイル（２）と低磁界側
コイル（３）とを同心状に配置したが、第３の実施例は
同軸状に配置したものである。他は実施例１と同様であ
る。
このようにすればコイルの配置が変っただけで、作用
効果は実施例１と同様である。
効果は実施例１と同様である。
以上説明したように本発明によれば、超電導コイル内
の高磁界を経験する内部冷却形超電導導体の冷媒温度
を、低磁界を経験する内部冷却形超電導導体の冷媒温度
より低くすることにより、高い温度マージンと、高い超
電導安定性を有すると共に、コンパクトで経済的な超電
導マグネット装置を提供することができる。従って、こ
の超電導マグネット装置を核融合装置の部品であるトカ
マク型のトロイダルコイル、ポロイダルコイル、あるい
はヘリカル型のヘリカルコイル、ミラー型のイン・ヤン
コイルなどの大形装置に適用することにより、コイルが
コンパクトになり、装置全体もコンパクトになる効果が
ある。
の高磁界を経験する内部冷却形超電導導体の冷媒温度
を、低磁界を経験する内部冷却形超電導導体の冷媒温度
より低くすることにより、高い温度マージンと、高い超
電導安定性を有すると共に、コンパクトで経済的な超電
導マグネット装置を提供することができる。従って、こ
の超電導マグネット装置を核融合装置の部品であるトカ
マク型のトロイダルコイル、ポロイダルコイル、あるい
はヘリカル型のヘリカルコイル、ミラー型のイン・ヤン
コイルなどの大形装置に適用することにより、コイルが
コンパクトになり、装置全体もコンパクトになる効果が
ある。
第１図は本発明の第１の実施例を示す管系図、第２図は
従来例を示す管系図、第３図は第１の実施例と従来例と
の温度マージンを比較して示す曲線図、第４図は第２の
実施例のコイル配置を示す断面図、第５図は第３の実施
例のコイル配置を示す断面図である。 １……超電導マグネット、２……高磁界側コイル、 ３……低磁界側コイル、４……冷媒循環装置、 21……Nb3Snの高磁界側コイル、 22……Nb3Snの低磁界側コイル、 23……NbTiの高磁界側コイル、 24……NbTiの低磁界側コイル。
従来例を示す管系図、第３図は第１の実施例と従来例と
の温度マージンを比較して示す曲線図、第４図は第２の
実施例のコイル配置を示す断面図、第５図は第３の実施
例のコイル配置を示す断面図である。 １……超電導マグネット、２……高磁界側コイル、 ３……低磁界側コイル、４……冷媒循環装置、 21……Nb3Snの高磁界側コイル、 22……Nb3Snの低磁界側コイル、 23……NbTiの高磁界側コイル、 24……NbTiの低磁界側コイル。
Claims (2)
- 【請求項１】高磁界を経験する高磁界側コイルと、低磁
界を経験する低磁界側コイルからなる超電導導体製のコ
イルを組合せ、これらのコイルに強制的に冷媒を循環し
て冷却する冷却流路を有する強制冷却形の超電導マグネ
ット装置において、前記高磁界側コイルの冷却系と前記
低磁界側コイルの冷却系とをそれぞれ別の冷却系とし、
各々の冷却系には個別の冷却装置を備えるとともに、高
磁界側コイルの冷却装置には減圧装置を配し、高磁界側
コイルには低磁界側コイルよりも低い温度の冷媒を供給
したことを特徴とする超電導マグネット装置。 - 【請求項２】超電導導体の材料をNb3SnおよびNbTiと
し、Nb3SnのコイルをNbTiのコイルより同心にて内側に
配置し、前記内側に配置されたNb3Snのコイルをさらに
内側コイルと内側コイルに再区分するとともに、この内
側に配置されたコイルを内側の高磁界側コイル、外側に
配置されたコイルを内側の低磁界側コイルとする一方、
前記外側に配置されたNbTiのコイルをさらに内側コイル
と外側コイルに再区分するとともに、この内側に配置さ
れたコイルを外側の高磁界側コイル、外側に配置された
コイルを外側の低磁界側コイルとし、この両者のそれぞ
れの高磁界側コイルには低磁界側コイルより低い温度の
ヘリウム媒体を供給したことを特徴とする請求項（１）
記載の超電導マグネット装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1166110A JP2637238B2 (ja) | 1989-06-28 | 1989-06-28 | 超電導マグネット装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1166110A JP2637238B2 (ja) | 1989-06-28 | 1989-06-28 | 超電導マグネット装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0330403A JPH0330403A (ja) | 1991-02-08 |
| JP2637238B2 true JP2637238B2 (ja) | 1997-08-06 |
Family
ID=15825209
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1166110A Expired - Fee Related JP2637238B2 (ja) | 1989-06-28 | 1989-06-28 | 超電導マグネット装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2637238B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4547731B2 (ja) * | 1999-07-01 | 2010-09-22 | 株式会社Ｉｈｉ | ヘリウム循環冷却装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5629309A (en) * | 1979-08-17 | 1981-03-24 | Toshiba Corp | Superconductive magnet device |
| JPS5871606A (ja) * | 1981-10-26 | 1983-04-28 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 超電導マグネツト |
-
1989
- 1989-06-28 JP JP1166110A patent/JP2637238B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0330403A (ja) | 1991-02-08 |
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