JP3147630B2 - 超電導コイル装置 - Google Patents
超電導コイル装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導コイルを応用し
た超電導コイル装置に関するものである。
た超電導コイル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】超電導コイルは、液体ヘリウムによって
冷却されている。その液体ヘリウムは、侵入熱によって
蒸発すること、また、液体ヘリウムの単価が高いことか
ら蒸発量をできるだけ少なくする方策を採っている。そ
の一つは、液体ヘリウムおよび超電導コイルを収納する
ヘリウム容器を真空容器に入れて断熱している。他に、
室温の真空容器からの輻射熱を遮蔽するため液体窒素温
度に冷やされたシールド板をヘリウム容器と真空容器の
中間に設置している。
冷却されている。その液体ヘリウムは、侵入熱によって
蒸発すること、また、液体ヘリウムの単価が高いことか
ら蒸発量をできるだけ少なくする方策を採っている。そ
の一つは、液体ヘリウムおよび超電導コイルを収納する
ヘリウム容器を真空容器に入れて断熱している。他に、
室温の真空容器からの輻射熱を遮蔽するため液体窒素温
度に冷やされたシールド板をヘリウム容器と真空容器の
中間に設置している。
【０００３】このシールド板は、特開昭５５−４８９８
５号公報に記載の超電導磁石装置や特開平２−２８８２
０８号公報に記載の超電導コイル装置に見られるよう
に、液体窒素の冷却パイプが固着されているだけであっ
た。従来の液体窒素で冷却されているシールド板は、輻
射熱等の熱負荷一定で、冷却パイプ内の液体窒素流量が
少ないときは、冷却パイプ内がガス相となるので冷却パ
イプの出入口の圧力損失は、大ききくなる。このため、
液体窒素は、ますます減少するので、シ−ルド板温度が
上昇し、液体ヘリウム消費量の増大がみられた。逆に、
冷却パイプ内の液体窒素流量が多いときは、圧力損失
は、小さくなる。問題は、液体窒素を多量に流したと
き、圧力損失が小さくなるので、冷却パイプの出口から
液体窒素が無駄に流れ出てしまう欠点があった。
５号公報に記載の超電導磁石装置や特開平２−２８８２
０８号公報に記載の超電導コイル装置に見られるよう
に、液体窒素の冷却パイプが固着されているだけであっ
た。従来の液体窒素で冷却されているシールド板は、輻
射熱等の熱負荷一定で、冷却パイプ内の液体窒素流量が
少ないときは、冷却パイプ内がガス相となるので冷却パ
イプの出入口の圧力損失は、大ききくなる。このため、
液体窒素は、ますます減少するので、シ−ルド板温度が
上昇し、液体ヘリウム消費量の増大がみられた。逆に、
冷却パイプ内の液体窒素流量が多いときは、圧力損失
は、小さくなる。問題は、液体窒素を多量に流したと
き、圧力損失が小さくなるので、冷却パイプの出口から
液体窒素が無駄に流れ出てしまう欠点があった。
【０００４】また、液体窒素及び液体窒素容器は、超電
導コイル装置の容積が大きくなるばかりでなく、重量も
重くなる欠点をもっている。
導コイル装置の容積が大きくなるばかりでなく、重量も
重くなる欠点をもっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】冷却パイプ内の圧力損
失は、パイプ内の液の状態によって大きく異なる。パイ
プ内が液相とガス相では、その大きさが約１０００倍も
違う。このため、液渇れ状態では、液体窒素容器に圧力
をかけても、液はスムーズに流れない。また、パイプの
温度が、液温から上昇するほど圧力損失は、大きくな
る。このため、流量制御が難しくなっている。
失は、パイプ内の液の状態によって大きく異なる。パイ
プ内が液相とガス相では、その大きさが約１０００倍も
違う。このため、液渇れ状態では、液体窒素容器に圧力
をかけても、液はスムーズに流れない。また、パイプの
温度が、液温から上昇するほど圧力損失は、大きくな
る。このため、流量制御が難しくなっている。
【０００６】本発明の第１の目的は、冷却パイプ出口か
ら液が吹きこぼれずに、しかも、シールド板に設置され
たパイプ内が常に液相になるような流量制御を助ける機
構を備えた超電導コイル装置を提供することにある。
ら液が吹きこぼれずに、しかも、シールド板に設置され
たパイプ内が常に液相になるような流量制御を助ける機
構を備えた超電導コイル装置を提供することにある。
【０００７】本発明の第２の目的は、液体窒素容器を無
くして重量軽減とコンパクト化を図った超電導コイル装
置を提供することにある。
くして重量軽減とコンパクト化を図った超電導コイル装
置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の超電導コイル装置は、超電導コイルと液体ヘ
リウムを内蔵する液体ヘリウム容器と、その外側を包囲
するシールド板、該シ−ルド板の外側に巻き付けられた
多層断熱材、及び該多層断熱材の外側に形成された常温
の真空容器で構成され、シールド冷却パイプがシールド
板と熱的に接続されたものであって、該シールド冷却パ
イプの一端が液体窒素容器に連通し、他端が真空容器の
外部に突出するように構成された超電導コイル装置にお
いて、前記真空容器内の前記シールド冷却パイプの出口
部に該シールド冷却パイプと熱交換させるための凝縮器
を設けたものである。
に本発明の超電導コイル装置は、超電導コイルと液体ヘ
リウムを内蔵する液体ヘリウム容器と、その外側を包囲
するシールド板、該シ−ルド板の外側に巻き付けられた
多層断熱材、及び該多層断熱材の外側に形成された常温
の真空容器で構成され、シールド冷却パイプがシールド
板と熱的に接続されたものであって、該シールド冷却パ
イプの一端が液体窒素容器に連通し、他端が真空容器の
外部に突出するように構成された超電導コイル装置にお
いて、前記真空容器内の前記シールド冷却パイプの出口
部に該シールド冷却パイプと熱交換させるための凝縮器
を設けたものである。
【０００９】又、前記凝縮器に冷凍器の冷却部を熱的に
接続したものである。
接続したものである。
【００１０】又、前記真空容器内の前記シールド冷却パ
イプの出口部に該シールド冷却パイプと熱的に接続した
冷凍器の冷却部を設置したものである。
イプの出口部に該シールド冷却パイプと熱的に接続した
冷凍器の冷却部を設置したものである。
【００１１】又、前記真空容器内のシールド冷却パイプ
の出口部が２方向に分配されるように構成され、一方の
分配されたシールド冷却パイプが真空容器の外部に突出
され、他方の分配されたシールド冷却パイプが前記真空
容器の部材で構成された冷凍部容器と熱的に接続され、
前記冷凍部容器内に冷凍機の冷却部が挿入されているも
のである。
の出口部が２方向に分配されるように構成され、一方の
分配されたシールド冷却パイプが真空容器の外部に突出
され、他方の分配されたシールド冷却パイプが前記真空
容器の部材で構成された冷凍部容器と熱的に接続され、
前記冷凍部容器内に冷凍機の冷却部が挿入されているも
のである。
【００１２】又、前記真空容器内のシールド冷却パイプ
の出口部が、真空容器の部材で構成された冷凍部容器と
熱的に接続され、かつ前記冷凍部容器内に冷凍機の冷却
部が挿入されるように構成するとともに、前記冷凍部容
器とシールド板の間のシールド冷却パイプにヒータを設
けたものである。
の出口部が、真空容器の部材で構成された冷凍部容器と
熱的に接続され、かつ前記冷凍部容器内に冷凍機の冷却
部が挿入されるように構成するとともに、前記冷凍部容
器とシールド板の間のシールド冷却パイプにヒータを設
けたものである。
【００１３】又、超電導コイルと液体ヘリウムを内蔵す
る液体ヘリウム容器と、該液体ヘリウム容器の外側を包
囲するシールド板が２個以上収納された真空容器で構成
された超電導コイル装置において、前記シ−ルド板が互
いに隣接されるものであって、該シールド板の間に、伝
導部材を熱的に接続するとともに、該伝導部材と熱的に
接続された冷凍機の冷却部を設けたものである。
る液体ヘリウム容器と、該液体ヘリウム容器の外側を包
囲するシールド板が２個以上収納された真空容器で構成
された超電導コイル装置において、前記シ−ルド板が互
いに隣接されるものであって、該シールド板の間に、伝
導部材を熱的に接続するとともに、該伝導部材と熱的に
接続された冷凍機の冷却部を設けたものである。
【００１４】又、前記伝導部材に変えて熱サイホンを設
けたものである。
けたものである。
【００１５】
【作用】上記のように構成しているので、低温の凝縮器
は、出口部のシールド冷却パイプ内の高温窒素ガスを低
温にし、逆に低温窒素ガスを高温にするので、出口部の
シールド冷却パイプ部の温度は、一定に保たれる。この
ため、液体窒素の流量制御が従来より容易となる。ま
た、凝縮器に熱的に接触されたシールド冷却パイプ内の
液は、凝縮器と熱交換するのでガス化する。このため、
無駄に液体窒素を消費することはない。さらに、凝縮器
に冷凍器を取り付けることで、シールド冷却パイプの出
口をバルブで閉じることができるので液体窒素は、ほと
んど消費することがない。
は、出口部のシールド冷却パイプ内の高温窒素ガスを低
温にし、逆に低温窒素ガスを高温にするので、出口部の
シールド冷却パイプ部の温度は、一定に保たれる。この
ため、液体窒素の流量制御が従来より容易となる。ま
た、凝縮器に熱的に接触されたシールド冷却パイプ内の
液は、凝縮器と熱交換するのでガス化する。このため、
無駄に液体窒素を消費することはない。さらに、凝縮器
に冷凍器を取り付けることで、シールド冷却パイプの出
口をバルブで閉じることができるので液体窒素は、ほと
んど消費することがない。
【００１６】分離された複数のシールド板は、複数のシ
ールド板と熱伝導部材または熱サイホンと熱的に接続す
ることで均一な温度になる。また、この熱伝導部材また
は熱サイホンを１台の冷凍機で冷却することで、複数の
シールド板は冷却することができる。
ールド板と熱伝導部材または熱サイホンと熱的に接続す
ることで均一な温度になる。また、この熱伝導部材また
は熱サイホンを１台の冷凍機で冷却することで、複数の
シールド板は冷却することができる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。図１は、超電導コイル装置の縦断面図である。
る。図１は、超電導コイル装置の縦断面図である。
【００１８】図１に示すように、１は、超電導コイルで
あり、この超電導コイルの超電導線材料は、ニオブチタ
ン（ＮｂＴｉ）またはニオブサンスズ（Ｎｂ3Ｓｕ）と
銅の複合材である。２は、超電導コイルを冷却する液体
ヘリウム、３は、超電導コイル１を収納する超電導コイ
ル容器、４は、液体ヘリウム２を超電導コイル容器３に
供給するための液体ヘリウム容器であり、５は、液体窒
素で、６の液体窒素容器に収納されている。７は窒素ガ
スボンベ、８はバルブ、９は配管、１１は、圧力計であ
る。窒素ガスボンベ７からのガスは、配管９、バルブ８
を介して圧力計１１と液体窒素容器に連通している。圧
力制御器１０は、圧力計１１と連動し、バルブ８を開閉
できるようになっている。１２は、シールド板で、液体
窒素が通るシールド冷却パイプ１３が熱的に接続されて
いる。１４は、凝縮器、１５は、冷凍器であり、この冷
凍器１５は、小型ヘリウム冷凍器である。１６は、圧縮
機で冷凍器１５を運転するためのものである。１７は、
逆止弁である。１８は、真空容器、１９は、シールド板
１２に超電導コイル容器３を固定する断熱支持体であ
る。
あり、この超電導コイルの超電導線材料は、ニオブチタ
ン（ＮｂＴｉ）またはニオブサンスズ（Ｎｂ3Ｓｕ）と
銅の複合材である。２は、超電導コイルを冷却する液体
ヘリウム、３は、超電導コイル１を収納する超電導コイ
ル容器、４は、液体ヘリウム２を超電導コイル容器３に
供給するための液体ヘリウム容器であり、５は、液体窒
素で、６の液体窒素容器に収納されている。７は窒素ガ
スボンベ、８はバルブ、９は配管、１１は、圧力計であ
る。窒素ガスボンベ７からのガスは、配管９、バルブ８
を介して圧力計１１と液体窒素容器に連通している。圧
力制御器１０は、圧力計１１と連動し、バルブ８を開閉
できるようになっている。１２は、シールド板で、液体
窒素が通るシールド冷却パイプ１３が熱的に接続されて
いる。１４は、凝縮器、１５は、冷凍器であり、この冷
凍器１５は、小型ヘリウム冷凍器である。１６は、圧縮
機で冷凍器１５を運転するためのものである。１７は、
逆止弁である。１８は、真空容器、１９は、シールド板
１２に超電導コイル容器３を固定する断熱支持体であ
る。
【００１９】以上のように構成された超電導コイル装置
の動作について説明する。超電導コイル１は、超電導状
態を得るため液体ヘリウム２で冷却する必要があり、こ
のため、液体ヘリウム２は、液体ヘリウム容器４から超
電導コイル１を収納し超電導コイル容器３に供給されて
いる。液体ヘリウムは、単位体積あたりの値段が高いた
め、この装置にとって、液体ヘリウムへの侵入熱量を少
なくし、蒸発量を低減することが重要な課題の１つとな
っている。そこで、超電導コイル容器３周りは、真空に
断熱されている。また、シールド板１２を超電導コイル
容器３周りに設置して、室温の真空容器１８からの輻射
熱を遮蔽している。液体窒素５は液体ヘリウムに比べて
単価は安いが、シールド板１２の温度を長時間にわたり
液体窒素温度に維持する必要があり、これも蒸発量の少
ない方が望ましい。このため、室温からの輻射熱を軽減
するために、シールド板の外周に積層断熱材（図示せ
ず）を施している。
の動作について説明する。超電導コイル１は、超電導状
態を得るため液体ヘリウム２で冷却する必要があり、こ
のため、液体ヘリウム２は、液体ヘリウム容器４から超
電導コイル１を収納し超電導コイル容器３に供給されて
いる。液体ヘリウムは、単位体積あたりの値段が高いた
め、この装置にとって、液体ヘリウムへの侵入熱量を少
なくし、蒸発量を低減することが重要な課題の１つとな
っている。そこで、超電導コイル容器３周りは、真空に
断熱されている。また、シールド板１２を超電導コイル
容器３周りに設置して、室温の真空容器１８からの輻射
熱を遮蔽している。液体窒素５は液体ヘリウムに比べて
単価は安いが、シールド板１２の温度を長時間にわたり
液体窒素温度に維持する必要があり、これも蒸発量の少
ない方が望ましい。このため、室温からの輻射熱を軽減
するために、シールド板の外周に積層断熱材（図示せ
ず）を施している。
【００２０】シールド板１２への熱負荷が大きい場合、
またはシールド冷却パイプの圧力損失が大きく、液体窒
素容器６内の圧力が大気圧で、液体窒素５を循環させる
ことができない場合、液体窒素容器６の圧力を上げる手
法を採る。例えば、液体窒素容器６の圧力を１．５気圧
に設定するときは、圧力計１１の信号を圧力制御器に入
力することでバルブ８の開閉を調整して設定圧力を維持
することができる。
またはシールド冷却パイプの圧力損失が大きく、液体窒
素容器６内の圧力が大気圧で、液体窒素５を循環させる
ことができない場合、液体窒素容器６の圧力を上げる手
法を採る。例えば、液体窒素容器６の圧力を１．５気圧
に設定するときは、圧力計１１の信号を圧力制御器に入
力することでバルブ８の開閉を調整して設定圧力を維持
することができる。
【００２１】また、この圧力設定値は、液体窒素５がシ
ールド冷却パイプ１３の出口直前ａまで液相でその後
は、ガス相になるようにするのが理想的である。しかし
ながら、出口直前では、液とガスの２成分が混合した混
相流になっている。このため、シールド冷却パイプ１３
の出口に接続されたシールド板１２を液体窒素温度まで
冷却するには、液体窒素容器６を理想的な圧力以上に加
圧する必要がある。このとき、従来はシールド冷却パイ
プ１３出口からは、ガスだけではなく液までも噴出する
問題があった。
ールド冷却パイプ１３の出口直前ａまで液相でその後
は、ガス相になるようにするのが理想的である。しかし
ながら、出口直前では、液とガスの２成分が混合した混
相流になっている。このため、シールド冷却パイプ１３
の出口に接続されたシールド板１２を液体窒素温度まで
冷却するには、液体窒素容器６を理想的な圧力以上に加
圧する必要がある。このとき、従来はシールド冷却パイ
プ１３出口からは、ガスだけではなく液までも噴出する
問題があった。
【００２２】本実施例では、この問題を解決し、液体窒
素の消費量を低減するために次のようの構成している。
すなわち、シールド冷却パイプ１３の出口から液が噴出
させないために、シールド冷却パイプ１３の出口近傍に
凝縮器１４を設けている。凝縮器１４の内部には、窒素
ガスを封入している。この封入圧力は、１．５気圧（ａ
ｔｍ）から２気圧（ａｔｍ）で、このときの飽和温度
は、約８１Ｋから８４Ｋである。凝縮器１４の内部にあ
るシールド冷却パイプ１３内の流体温度は、８０Ｋ以下
であるため、凝縮器１４の窒素ガスは凝縮器１４の内部
のシールド冷却パイプ１３の外周表面で凝縮、液化され
る。この液は、シールド板を冷却する沸騰液として有効
に利用される。このとき、シールド冷却パイプ１３出口
からは、凝縮器１４で熱交換されているので液が噴出す
ることはなくなる。もし、シールド冷却パイプ１３の出
口近傍の窒素温度が９０Ｋ以上であれば、凝縮器１４の
封入圧力は、２気圧（ａｔｍ）以上となる。この場合、
逆止弁１７の設定圧力を２気圧（ａｔｍ）に調整すれ
ば、から封入ガスを放出することができるので、逆止弁
１７凝縮器の破損を回避することができる。凝縮器１４
に液が溜まっており、急に凝縮器１４のシールド冷却パ
イプ１３内に暖かいガスが流れてきた場合には、逆に、
冷却シールドパイプ１３内で凝縮、液化がおこるので、
シールド冷却パイプ１３の出口の温度は、一定に保たれ
る。シールド冷却パイプ１３の圧力損失は、温度依存性
が強い。シールド冷却パイプ１３の温度が凝縮器１４に
よって一定に抑制できるので、液体窒素の流量制御も凝
縮器１４がないときより容易になる。
素の消費量を低減するために次のようの構成している。
すなわち、シールド冷却パイプ１３の出口から液が噴出
させないために、シールド冷却パイプ１３の出口近傍に
凝縮器１４を設けている。凝縮器１４の内部には、窒素
ガスを封入している。この封入圧力は、１．５気圧（ａ
ｔｍ）から２気圧（ａｔｍ）で、このときの飽和温度
は、約８１Ｋから８４Ｋである。凝縮器１４の内部にあ
るシールド冷却パイプ１３内の流体温度は、８０Ｋ以下
であるため、凝縮器１４の窒素ガスは凝縮器１４の内部
のシールド冷却パイプ１３の外周表面で凝縮、液化され
る。この液は、シールド板を冷却する沸騰液として有効
に利用される。このとき、シールド冷却パイプ１３出口
からは、凝縮器１４で熱交換されているので液が噴出す
ることはなくなる。もし、シールド冷却パイプ１３の出
口近傍の窒素温度が９０Ｋ以上であれば、凝縮器１４の
封入圧力は、２気圧（ａｔｍ）以上となる。この場合、
逆止弁１７の設定圧力を２気圧（ａｔｍ）に調整すれ
ば、から封入ガスを放出することができるので、逆止弁
１７凝縮器の破損を回避することができる。凝縮器１４
に液が溜まっており、急に凝縮器１４のシールド冷却パ
イプ１３内に暖かいガスが流れてきた場合には、逆に、
冷却シールドパイプ１３内で凝縮、液化がおこるので、
シールド冷却パイプ１３の出口の温度は、一定に保たれ
る。シールド冷却パイプ１３の圧力損失は、温度依存性
が強い。シールド冷却パイプ１３の温度が凝縮器１４に
よって一定に抑制できるので、液体窒素の流量制御も凝
縮器１４がないときより容易になる。
【００２３】冷凍器１５は、取り付けなければ本実施例
の効果が必然的に失われるものではなく、冷凍器１５
は、凝縮器１４の液温を低下させるためのものである。
また、冷凍器１５を作動させると凝縮器１４の内部の圧
力が液体窒素の飽和温度７７．４Ｋ以下になる。このと
き、シールド冷却パイプ出口から大気が入らないよう
に、図１に示すバルブ２０を締切る。それと同時にバル
ブ８も閉め切る。このようにすれば、シールド板１２で
蒸発した窒素ガスは凝縮器で液化される。したがって、
冷凍器１５を運転すれば、無駄に液体窒素を消費するこ
とはなくなる。冷凍器１５、凝縮器１４とシールド冷却
パイプ１３を取りつけた効果は、図１に示すようにシー
ルド板１２が分離され、しかも分離されたそれぞれのシ
ールド板１２を冷却し、かつシールド板を冷却する液体
窒素の消費量をなくす場合に生じる。シールド板１２が
１つの場合、例えば磁気共鳴装置の超電導磁石のように
冷凍器を直接シールドに取り付けることで、液体窒素無
しで、シールド板を冷却できる。しかし、シールド板１
２が２個ある場合、冷凍器は２台とシールド板の数に対
応するだけの冷凍器の台数が必要になる。このように、
シールド板が２個以上になった場合でも１この冷凍器で
賄うことができるので、安くできる効果が得られる。
の効果が必然的に失われるものではなく、冷凍器１５
は、凝縮器１４の液温を低下させるためのものである。
また、冷凍器１５を作動させると凝縮器１４の内部の圧
力が液体窒素の飽和温度７７．４Ｋ以下になる。このと
き、シールド冷却パイプ出口から大気が入らないよう
に、図１に示すバルブ２０を締切る。それと同時にバル
ブ８も閉め切る。このようにすれば、シールド板１２で
蒸発した窒素ガスは凝縮器で液化される。したがって、
冷凍器１５を運転すれば、無駄に液体窒素を消費するこ
とはなくなる。冷凍器１５、凝縮器１４とシールド冷却
パイプ１３を取りつけた効果は、図１に示すようにシー
ルド板１２が分離され、しかも分離されたそれぞれのシ
ールド板１２を冷却し、かつシールド板を冷却する液体
窒素の消費量をなくす場合に生じる。シールド板１２が
１つの場合、例えば磁気共鳴装置の超電導磁石のように
冷凍器を直接シールドに取り付けることで、液体窒素無
しで、シールド板を冷却できる。しかし、シールド板１
２が２個ある場合、冷凍器は２台とシールド板の数に対
応するだけの冷凍器の台数が必要になる。このように、
シールド板が２個以上になった場合でも１この冷凍器で
賄うことができるので、安くできる効果が得られる。
【００２４】本発明の他の実施例を図２から図５により
説明する。図２は、超電導コイル装置の縦断面図であ
る。図２で、図１と同一番号は、同じものを表してい
る。本実施例では、図１に示す凝縮器１４を除き、その
代わりに、冷凍器１５の冷却部１５ａにシールド冷却パ
イプ１３の外壁を熱的に直接接続したものである。バル
ブ８とバルブ２０を締切、圧力計１１の指示が１気圧
（ａｔｍ）以上のときは、バルブ２０を開ける。もし、
冷凍器１５の能力がシールド板１２の侵入熱量を上ま
り、圧力計１１の指示が１気圧（ａｔｍ）以下になるよ
うであれば、バルブ２０を閉め切ったままにする。この
ようにすることで、分離された２つのシールド板１２を
冷却することができる。
説明する。図２は、超電導コイル装置の縦断面図であ
る。図２で、図１と同一番号は、同じものを表してい
る。本実施例では、図１に示す凝縮器１４を除き、その
代わりに、冷凍器１５の冷却部１５ａにシールド冷却パ
イプ１３の外壁を熱的に直接接続したものである。バル
ブ８とバルブ２０を締切、圧力計１１の指示が１気圧
（ａｔｍ）以上のときは、バルブ２０を開ける。もし、
冷凍器１５の能力がシールド板１２の侵入熱量を上ま
り、圧力計１１の指示が１気圧（ａｔｍ）以下になるよ
うであれば、バルブ２０を閉め切ったままにする。この
ようにすることで、分離された２つのシールド板１２を
冷却することができる。
【００２５】図３は、図２の応用例を示した縦断面図で
あり、超電導コイルの一部、冷凍器１５の部分だけ示し
ている。図３で図２と同一番号は、同じものを示してい
る。２１は、冷凍器１５の冷却部１５ａを収納する冷凍
部容器である。この冷凍部容器２１は、真空容器１８の
働きも兼ねるため、気密にできている。冷凍器１５を冷
凍部容器２１に差し込んだ後、冷凍器１５の冷却部１５
ａと冷凍部容器２１との隙間に高熱伝導のガスを配管１
２から注入する。この高熱伝導ガスとして、約５Ｋ以上
の温度で常にガス状態のヘリウムが適当である。このガ
スは、冷凍部容器２１の熱を効率よく冷却部１５ａに伝
達する働きがある。冷凍器１５の冷却部１５ａを挿入さ
れた冷凍部容器２１の内部のガスが漏れないように、Ｏ
リング２３が気密にしている。そして、バルブ２２は閉
じられている。冷凍器１５を運転する場合には、バルブ
２４は閉じバルブ２５は開く。この状態では、機能は、
図２に示すものとほとんど同じである。
あり、超電導コイルの一部、冷凍器１５の部分だけ示し
ている。図３で図２と同一番号は、同じものを示してい
る。２１は、冷凍器１５の冷却部１５ａを収納する冷凍
部容器である。この冷凍部容器２１は、真空容器１８の
働きも兼ねるため、気密にできている。冷凍器１５を冷
凍部容器２１に差し込んだ後、冷凍器１５の冷却部１５
ａと冷凍部容器２１との隙間に高熱伝導のガスを配管１
２から注入する。この高熱伝導ガスとして、約５Ｋ以上
の温度で常にガス状態のヘリウムが適当である。このガ
スは、冷凍部容器２１の熱を効率よく冷却部１５ａに伝
達する働きがある。冷凍器１５の冷却部１５ａを挿入さ
れた冷凍部容器２１の内部のガスが漏れないように、Ｏ
リング２３が気密にしている。そして、バルブ２２は閉
じられている。冷凍器１５を運転する場合には、バルブ
２４は閉じバルブ２５は開く。この状態では、機能は、
図２に示すものとほとんど同じである。
【００２６】しかしながら、冷凍器１５は、年一回定期
点検を必要とする。この点検時に、冷却部１５ａ内の摩
耗した部品を新しくすることで冷凍器１５の性能を維持
している。図３に示すものは、この冷凍器１５のメンテ
ナンスを容易にする機構である。このことを図４を用い
て説明する。図４は、冷凍器１５を取り付ける前の状態
を示している。熱伝達効率を良くするため、冷却部１５
ａと冷凍部容器２１との隙間をできるだけ狭くしてい
る。このため、冷凍部容器２１の内側は、氷結する恐れ
があり、氷結した場合、この隙間が１０から５０ミクロ
ンと狭いため、冷凍器１５の冷却部１５ａを冷凍部容器
２１に入れることが不可能となる。
点検を必要とする。この点検時に、冷却部１５ａ内の摩
耗した部品を新しくすることで冷凍器１５の性能を維持
している。図３に示すものは、この冷凍器１５のメンテ
ナンスを容易にする機構である。このことを図４を用い
て説明する。図４は、冷凍器１５を取り付ける前の状態
を示している。熱伝達効率を良くするため、冷却部１５
ａと冷凍部容器２１との隙間をできるだけ狭くしてい
る。このため、冷凍部容器２１の内側は、氷結する恐れ
があり、氷結した場合、この隙間が１０から５０ミクロ
ンと狭いため、冷凍器１５の冷却部１５ａを冷凍部容器
２１に入れることが不可能となる。
【００２７】また、冷凍部容器２１が低温であれば、冷
凍部容器２１は、室温時に比べ縮んでいるので冷却部１
５ａを冷凍部容器２１に入れるのが困難になる。そこ
で、バルブ２５を閉めバルブ２４を開ければ、蒸発した
窒素ガスを冷凍部容器２１に取り付けられたシールド冷
却パイプ１３に流さずにバイパス配管２７から大気中に
放出できる。このように操作することにより、冷凍部容
器２１は、真空容器１８からの伝導熱で容易に室温まで
昇温でき、このシールド板１２の温度を低温にした状態
で、冷凍部容器２１に冷却部１５ａを容易に着脱ができ
る。
凍部容器２１は、室温時に比べ縮んでいるので冷却部１
５ａを冷凍部容器２１に入れるのが困難になる。そこ
で、バルブ２５を閉めバルブ２４を開ければ、蒸発した
窒素ガスを冷凍部容器２１に取り付けられたシールド冷
却パイプ１３に流さずにバイパス配管２７から大気中に
放出できる。このように操作することにより、冷凍部容
器２１は、真空容器１８からの伝導熱で容易に室温まで
昇温でき、このシールド板１２の温度を低温にした状態
で、冷凍部容器２１に冷却部１５ａを容易に着脱ができ
る。
【００２８】図５に示すものは、図３に示すものの応用
例である。バイパス配管２７がない場合、冷凍部容器２
１を室温まで上げるには、冷凍部容器２１にヒータ２８
を設置することが考えられる。図５に示すものは、ヒー
タ２８によって蒸発したガスが室温まで昇温されるの
で、冷凍部容器に巻き付けられたシールド冷却パイプ間
だけで圧力損失が増え、図２に示す液体窒素５の液温の
上昇を招いてしまう恐れもあるが、交換する冷凍器１５
を準備しおけば短時間に冷凍器は交換できるので図３に
示すものと図４に示すもののバイパス配管２７とバルブ
２４、２５が不要となる。逆に、絶縁端子３０とヒータ
用電源が必要となる。図５に示した実施例のメリット
は、図４に示すバルブ２５のＯリング２６がなくなるた
め、真空劣化の危険性がなくなる点にある。
例である。バイパス配管２７がない場合、冷凍部容器２
１を室温まで上げるには、冷凍部容器２１にヒータ２８
を設置することが考えられる。図５に示すものは、ヒー
タ２８によって蒸発したガスが室温まで昇温されるの
で、冷凍部容器に巻き付けられたシールド冷却パイプ間
だけで圧力損失が増え、図２に示す液体窒素５の液温の
上昇を招いてしまう恐れもあるが、交換する冷凍器１５
を準備しおけば短時間に冷凍器は交換できるので図３に
示すものと図４に示すもののバイパス配管２７とバルブ
２４、２５が不要となる。逆に、絶縁端子３０とヒータ
用電源が必要となる。図５に示した実施例のメリット
は、図４に示すバルブ２５のＯリング２６がなくなるた
め、真空劣化の危険性がなくなる点にある。
【００２９】本発明の他の実施例を図６から図８により
説明する。図６に示した番号で図１から図５まで表した
番号と同一のものは、同じものを表している。図１及び
図２には、超電導コイルが２個である場合を示してき
た。図６に示すものは、超電導コイルが多数、真空容器
に収納されている例として超電導コイルが４個の場合を
示している。また、これまで述べてきた実施例は、シー
ルド板を冷却するために、液体窒素容器およびシールド
冷却パイプ等の部品が必要になっていた。図６に示すも
のでは、これらの部品をなくし簡素化している。３１は
銅、アルミニュウム等の高熱伝導特性を有する伝導部材
である。３ａ、３ｂ、３ｃそして３ｄは、超電導コイル
容器である。１２ａ、１２ｂ、１２ｃそして１２ｄは、
シールド板である。超電導コイル３ａとシールド板１２
ａが対応するように、超電導コイル３ｂ、３ｃ、３ｄと
シールド板１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを対応させて配置し
ている。又、超電導コイル容器３ａを包み込んだシール
ド板１２ａと超電導コイル３ｂを包み込んだシールド板
１２ｂとの間に伝導部材３１を設けている。同様に、シ
ールド板１２ｃとシールド板１２ｄとの間に伝導部材３
１を設けており、それぞれの冷凍機１５の冷却部１５ａ
とそれぞれの伝導部材３１は熱的に接続されている。
説明する。図６に示した番号で図１から図５まで表した
番号と同一のものは、同じものを表している。図１及び
図２には、超電導コイルが２個である場合を示してき
た。図６に示すものは、超電導コイルが多数、真空容器
に収納されている例として超電導コイルが４個の場合を
示している。また、これまで述べてきた実施例は、シー
ルド板を冷却するために、液体窒素容器およびシールド
冷却パイプ等の部品が必要になっていた。図６に示すも
のでは、これらの部品をなくし簡素化している。３１は
銅、アルミニュウム等の高熱伝導特性を有する伝導部材
である。３ａ、３ｂ、３ｃそして３ｄは、超電導コイル
容器である。１２ａ、１２ｂ、１２ｃそして１２ｄは、
シールド板である。超電導コイル３ａとシールド板１２
ａが対応するように、超電導コイル３ｂ、３ｃ、３ｄと
シールド板１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを対応させて配置し
ている。又、超電導コイル容器３ａを包み込んだシール
ド板１２ａと超電導コイル３ｂを包み込んだシールド板
１２ｂとの間に伝導部材３１を設けている。同様に、シ
ールド板１２ｃとシールド板１２ｄとの間に伝導部材３
１を設けており、それぞれの冷凍機１５の冷却部１５ａ
とそれぞれの伝導部材３１は熱的に接続されている。
【００３０】また、伝導部材３１は、シールド板１２
ａ、１２ｂ、１２ｃそして１２ｄの冷却、昇温時の熱歪
を緩和するため、伝導部材の一部を柔軟性のある物にし
ても良い。柔軟性部材の例として、銅またはアルミニウ
ムの細い線材を束ねた物である。図６に示すようにすれ
ば、分離された２個のシールド板を１個の冷凍機で冷却
できる利点がある。図６に示すものでは、１個の冷凍機
で２個のシールド板を冷却できるようにしているが、１
個だけで３個以上のシールド板も冷却できる。
ａ、１２ｂ、１２ｃそして１２ｄの冷却、昇温時の熱歪
を緩和するため、伝導部材の一部を柔軟性のある物にし
ても良い。柔軟性部材の例として、銅またはアルミニウ
ムの細い線材を束ねた物である。図６に示すようにすれ
ば、分離された２個のシールド板を１個の冷凍機で冷却
できる利点がある。図６に示すものでは、１個の冷凍機
で２個のシールド板を冷却できるようにしているが、１
個だけで３個以上のシールド板も冷却できる。
【００３１】図７に示すものは、一個の冷凍機で例えば
加速器などのように４個のシールド板を冷却している例
を示している。シールド板１２ａ、１２ｂ、１２ｃと１
２ｄを１つの伝導部材３１で熱的に接続し、さらに、冷
凍機の冷却部１５ａを伝導部材３１に熱的に接続してい
る。冷凍機効率を便宜上ここでは、温度を一定とし、冷
凍能力（Ｗ）を冷凍機稼働するためにようする電力
（Ｗ）で割ったものと定義すると、冷凍能力が高いほど
冷凍効率は上がる。したがって、同じ温度、同じ侵入熱
量では、２台より１台の冷凍機で賄った方が消費電力は
少なくてすむ利点がある。
加速器などのように４個のシールド板を冷却している例
を示している。シールド板１２ａ、１２ｂ、１２ｃと１
２ｄを１つの伝導部材３１で熱的に接続し、さらに、冷
凍機の冷却部１５ａを伝導部材３１に熱的に接続してい
る。冷凍機効率を便宜上ここでは、温度を一定とし、冷
凍能力（Ｗ）を冷凍機稼働するためにようする電力
（Ｗ）で割ったものと定義すると、冷凍能力が高いほど
冷凍効率は上がる。したがって、同じ温度、同じ侵入熱
量では、２台より１台の冷凍機で賄った方が消費電力は
少なくてすむ利点がある。
【００３２】図８は、図７の応用例を示した縦断面図で
ある。１５ｂは、冷凍機を稼動するモータで、３２は、
磁気シールドである。図８に示すものでは、冷凍機１５
の位置が隣接した２個の超電導コイルの中間にあるた
め、比較的超電導コイルから発する磁界が冷凍機に及ぼ
す影響は比較的少ない。しかしながら、一般に市販され
いる冷凍機では、０．０２テスラ以上の磁界が冷凍機の
モータ１５ｂにさらされれば、モータの回転数が減少す
る等の影響がでる。磁気シールド３２は、冷凍機１５周
囲の磁界の影響をなくすために設けたものである。磁気
シールド３２の材質は、フェライトである。従って、磁
気シールドを超電導コイルに設置することは、超電導コ
イルの重量が大きくなるので、できるだけ避けたほうが
よい。冷凍機の数だけ磁気シールドの数も増えるので、
冷凍機の数を少なくすることは、重量軽減の効果も得ら
れる。
ある。１５ｂは、冷凍機を稼動するモータで、３２は、
磁気シールドである。図８に示すものでは、冷凍機１５
の位置が隣接した２個の超電導コイルの中間にあるた
め、比較的超電導コイルから発する磁界が冷凍機に及ぼ
す影響は比較的少ない。しかしながら、一般に市販され
いる冷凍機では、０．０２テスラ以上の磁界が冷凍機の
モータ１５ｂにさらされれば、モータの回転数が減少す
る等の影響がでる。磁気シールド３２は、冷凍機１５周
囲の磁界の影響をなくすために設けたものである。磁気
シールド３２の材質は、フェライトである。従って、磁
気シールドを超電導コイルに設置することは、超電導コ
イルの重量が大きくなるので、できるだけ避けたほうが
よい。冷凍機の数だけ磁気シールドの数も増えるので、
冷凍機の数を少なくすることは、重量軽減の効果も得ら
れる。
【００３３】本発明の他の実施例を図９により説明す
る。図９に示す番号で、図１から図８に示した番号と同
一の物は同じ物を表す。３３は、熱サイホンで、３４は
逆止弁である。熱サイホンの内部の流体は、液体窒素で
ある。熱サイホン３３は、シールド板１２と冷凍機の冷
却部１５ａとに熱的に接続されている。熱サイホン３３
は、シールド板１２から熱を受け、内部の液体窒素は蒸
発する。蒸発した窒素ガスは、液体窒素温度に冷却され
た伝導部材３１によって液化され液体窒素となる。この
ように、液とガスが循環することで、理想的には永久的
にシールド板１２は冷却される。逆止弁３４は、冷凍機
が停止した場合、熱サイホン３３のガスを大気中に放出
することで、熱サイホン３４の内圧の上昇を抑える物で
ある。
る。図９に示す番号で、図１から図８に示した番号と同
一の物は同じ物を表す。３３は、熱サイホンで、３４は
逆止弁である。熱サイホンの内部の流体は、液体窒素で
ある。熱サイホン３３は、シールド板１２と冷凍機の冷
却部１５ａとに熱的に接続されている。熱サイホン３３
は、シールド板１２から熱を受け、内部の液体窒素は蒸
発する。蒸発した窒素ガスは、液体窒素温度に冷却され
た伝導部材３１によって液化され液体窒素となる。この
ように、液とガスが循環することで、理想的には永久的
にシールド板１２は冷却される。逆止弁３４は、冷凍機
が停止した場合、熱サイホン３３のガスを大気中に放出
することで、熱サイホン３４の内圧の上昇を抑える物で
ある。
【００３４】図１０に示すように、冷凍機と熱サイホン
３３を組み合すことによって、液体窒素および液体窒素
容器が不要となるので、重量軽減とコンパクト化が図ら
れる。また、液体窒素を無駄に大気中に放出することは
なくなる。
３３を組み合すことによって、液体窒素および液体窒素
容器が不要となるので、重量軽減とコンパクト化が図ら
れる。また、液体窒素を無駄に大気中に放出することは
なくなる。
【００３５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、シ
ールド板を冷却する液体窒素を無駄に大気中に放出する
ことはなくなる効果がある。
ールド板を冷却する液体窒素を無駄に大気中に放出する
ことはなくなる効果がある。
【００３６】また、超電導コイル装置の軽量化とコンパ
クト化が図れる効果がある。
クト化が図れる効果がある。
【図１】本発明の一実施例である超電導コイル実験装置
の縦断面図である。
の縦断面図である。
【図２】本特許の他の実施例である超電導コイル実験装
置の縦断面図である。
置の縦断面図である。
【図３】図２の応用例を示した超電導コイル実験装置の
縦断面図である。
縦断面図である。
【図４】図３の冷凍器のメンテナンスを容易にする機構
を説明するための図で縦断面図である。
を説明するための図で縦断面図である。
【図５】図３の応用例を示した縦断面図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す縦断面図である。
【図７】図６の応用例を示した縦断面図である。
【図８】図７の応用例を示した縦断面図である。
【図９】本発明の他の実施例を示す縦断面図である。
【図１０】図９に示す実施例の変形例を示す縦断面図で
ある。
ある。
６…液体窒素容器、１２…シールド板、１２a…シール
ド冷却パイプ、１４…凝縮器、１５…冷凍器、３３…熱
サイホン。
ド冷却パイプ、１４…凝縮器、１５…冷凍器、３３…熱
サイホン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 滝沢 照広 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01F 6/04 ZAA
Claims (7)
- 【請求項１】超電導コイルと液体ヘリウムを内蔵する液
体ヘリウム容器と、その外側を包囲するシールド板、該
シ−ルド板の外側に巻き付けられた多層断熱材、及び該
多層断熱材の外側に形成された常温の真空容器で構成さ
れ、シールド冷却パイプがシールド板と熱的に接続され
たものであって、該シールド冷却パイプの一端が液体窒
素容器に連通し、他端が真空容器の外部に突出するよう
に構成された超電導コイル装置において、前記真空容器
内の前記シールド冷却パイプの出口部に該シールド冷却
パイプと熱交換させるための凝縮器を設けたことを特徴
とする超電導コイル装置。 - 【請求項２】前記凝縮器に冷凍器の冷却部を熱的に接続
した請求項１項に記載の超電導コイル装置。 - 【請求項３】超電導コイルと液体ヘリウムを内蔵する液
体ヘリウム容器と、その外側を包囲するシールド板、該
シ−ルド板の外側に巻き付けられた多層断熱材、及び該
多層断熱材の外側に形成された常温の真空容器で構成さ
れ、シールド冷却パイプがシールド板と熱的に接続され
たものであって、該シールド冷却パイプの一端が液体窒
素容器に連通し、他端が真空容器の外部に突出するよう
に構成された超電導コイル装置において、前記真空容器
内の前記シールド冷却パイプの出口部に該シールド冷却
パイプと熱的に接続した冷凍器の冷却部を設置したこと
を特徴とする超電導コイル装置。 - 【請求項４】超電導コイルと液体ヘリウムを内蔵する液
体ヘリウム容器と、その外側を包囲するシールド板、該
シ−ルド板の外側に巻き付けられた多層断熱材、及び該
多層断熱材の外側に形成された常温の真空容器で構成さ
れ、シールド冷却パイプがシールド板と熱的に接続され
たものであって、該シールド冷却パイプの一端が液体窒
素容器に連通し、他端が真空容器の外部に突出するよう
に構成された超電導コイル装置において、前記真空容器
内のシールド冷却パイプの出口部が２方向に分配される
ように構成され、一方の分配されたシールド冷却パイプ
が真空容器の外部に突出され、他方の分配されたシール
ド冷却パイプが前記真空容器の部材で構成された冷凍部
容器と熱的に接続され、前記冷凍部容器内に冷凍機の冷
却部が挿入されていることを特徴とする超電導コイル装
置。 - 【請求項５】超電導コイルと液体ヘリウムを内蔵する液
体ヘリウム容器と、その外側を包囲するシールド板、該
シ−ルド板の外側に巻き付けられた多層断熱材、及び該
多層断熱材の外側に形成された常温の真空容器で構成さ
れ、シールド冷却パイプがシールド板と熱的に接続され
たものであって、該シールド冷却パイプの一端が液体窒
素容器に連通し、他端が真空容器の外部に突出するよう
に構成された超電導コイル装置において、前記真空容器
内のシールド冷却パイプの出口部が、真空容器の部材で
構成された冷凍部容器と熱的に接続され、かつ前記冷凍
部容器内に冷凍機の冷却部が挿入されるように構成する
とともに、前記冷凍部容器とシールド板の間のシールド
冷却パイプにヒータを設けたことを特徴とする超電導コ
イル装置。 - 【請求項６】超電導コイルと液体ヘリウムを内蔵する液
体ヘリウム容器と、該液体ヘリウム容器の外側を包囲す
るシールド板が２個以上収納された真空容器で構成され
た超電導コイル装置において、前記シ−ルド板が互いに
隣接されるものであって、該シールド板の間に、伝導部
材を熱的に接続するとともに、該伝導部材と熱的に接続
された冷凍機の冷却部を設けたことを特徴とする超電導
コイル装置。 - 【請求項７】前記伝導部材に変えて熱サイホンを設けた
請求項６項に記載の超電導コイル装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31770993A JP3147630B2 (ja) | 1993-12-17 | 1993-12-17 | 超電導コイル装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31770993A JP3147630B2 (ja) | 1993-12-17 | 1993-12-17 | 超電導コイル装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07176424A JPH07176424A (ja) | 1995-07-14 |
| JP3147630B2 true JP3147630B2 (ja) | 2001-03-19 |
Family
ID=18091164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31770993A Expired - Fee Related JP3147630B2 (ja) | 1993-12-17 | 1993-12-17 | 超電導コイル装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3147630B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4796393B2 (ja) * | 2006-01-17 | 2011-10-19 | 株式会社日立製作所 | 超電導電磁石 |
| WO2019176557A1 (ja) * | 2018-03-12 | 2019-09-19 | 三菱電機株式会社 | 超電導コイル装置 |
| CN112768172B (zh) * | 2020-12-29 | 2023-07-28 | 上海联影医疗科技股份有限公司 | 一种物体冷却装置 |
-
1993
- 1993-12-17 JP JP31770993A patent/JP3147630B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07176424A (ja) | 1995-07-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |