JP3930210B2

JP3930210B2 - 超電導磁石

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Publication number: JP3930210B2
Application number: JP32130999A
Authority: JP
Inventors: 泰造戸坂; 孝治伊藤; 守嶋田; 努来栖; 隆博土橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: JP2001143922A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体ヘリウム浸漬冷却型超電導磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導コイルを液体ヘリウム中に浸漬して冷却するようにした超電導磁石としては、侵入熱等により蒸発した液体ヘリウムを大気に開放するタイプと冷凍機により再凝縮するタイプがある。
【０００３】
図１５は、再凝縮タイプを採用した超電導磁石の一例を示すものである。
【０００４】
図１５に示す超電導磁石は、ヘリウム容器４内の液体ヘリウム２中に浸漬させて超電導コイル１が収められ、またこのヘリウム容器４を包囲するように輻射シールド５を設け、ヘリウム容器４に入る輻射熱を低減している。そして、これらヘリウム容器４、輻射シールド５を包囲するように真空容器６が配置されている。
【０００５】
この真空容器６には、冷凍機３が装備され、この冷凍機３の１段部を輻射シールド５に熱的に接触させ、２段部をヘリウム容器４に熱的に接触させて冷熱を与えている。
【０００６】
なお、図中８はヘリウム容器４内の液体ヘリウムの液面を計測する液面計測手段である。
【０００７】
このような超電導磁石において、輻射シールド５は、冷凍機３の１段部によって５０Ｋ程度に冷却される。また、超電導コイル１は、液体ヘリウム２により冷却され、約４Ｋに保持されている。
【０００８】
さらに、ヘリウム容器４の支持材からの熱伝導、輻射熱などの侵入熱で液体ヘリウム２は蒸発し、そのガスヘリウム７を再凝縮させて液体ヘリウム２に戻すには、ガスヘリウム７が凝縮する温度（約４Ｋ）より低い温度の部分に接触させる必要がある。この接触部を以下ではヘリウム凝縮面と呼ぶ。
【０００９】
このため、従来では、図示するように冷凍機３とヘリウム容器４とを直接熱的に接続し、ヘリウム容器４の内面が、ヘリウム凝縮面となるように冷熱を与えてヘリウムガスを再凝縮している。
【００１０】
一方、図１６は、従来の超電導磁石と保護回路の一例を示すものである。
【００１１】
超電導コイル１は、その両端部に酸化物超電導電流リード９が接続され、クライオスタット内部に収められている。酸化物超電導電流リード９は、クライオスタットの外部へ導出され、超電導コイル１を励磁するための励磁電源１０に遮断器１１を介して接続され、これら励磁電源１０及び遮断器１１は、制御装置１２に接続されている。
【００１２】
また、保護回路としては、超電導コイル１と並列にクライオスタットの内部に設置されたダイオード１３と放電抵抗１４の直列回路を接続している。
【００１３】
このような超電導磁石の保護回路において、超電導コイル１のクエンチが検出されると、制御装置１２からの信号で遮断器１１は回路を切り離し、励磁電源１０から流れていた電流は保護回路に転流する。保護回路の中に酸化物超電導電流リード９が組み込まれていないのは、酸化物超電導電流リード９がクエンチとなる可能性があり、その場合継続的に通電ができないため、保護回路の構成要素として適さないためである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような構造の超電導磁石において、冷凍機３の能力は図１４に示すように温度に対して強い依存性があり、温度が下がると冷却能力が急激に悪化するという傾向がある。
【００１５】
しかるに、従来のヘリウム容器４は、オーステナイト系ステンレス鋼のような熱伝導率の低い材質が用いられているため、このヘリウム容器４に冷凍機３を熱的に接触させ、ヘリウム容器４の内面を凝縮面とする場合、そこに大きな温度差ΔＴが生じてしまう。図１４からわかるように、温度差ΔＴに対して冷凍機３の能力はその分だけ落ちてしまうので、冷凍機３の能力を生かしきれていないという欠点があった。
【００１６】
また、図１５において、冷凍機３とヘリウム容器４の位置関係は、熱収縮率の差により、装置組立時と冷却完了時では相対的にずれが生じ、また冷凍機３とヘリウム容器４とは熱的に接触させているため、これらの位置関係にずれが生じないように固定するとその固定部分に大きな荷重がかかり、冷凍機３の性能劣化や、構造破壊の原因になってしまう。
【００１７】
さらに、図１５において、ヘリウム容器４の内部圧力は、侵入熱の量と、冷凍機３の冷却能力のバランスにより決まるが、それが大気圧以下になると、ヘリウム容器４の中に大気が吸い込まれて氷結し、配管づまりの原因になる。
【００１８】
また、図１５において、超電導コイル１を励磁する際、液体ヘリウム２の液量が少ないとクエンチする可能性があるので、液面高さの把握は重要となる。従って、通常は液面を測定する液面計測手段８が設けられているが、この液面計測手段８の熱負荷は、冷凍機３の能力と匹敵するくらい大きいので、1分計測、1時間休止というような間欠運転をして熱負荷を減らしている。
【００１９】
しかし、この運転方法は、通常の液面の場合はほとんど変化しないので十分であるが、励消磁時など一時的に大きな発熱がある場合には、急激に液面が変化する場合があり、液面測定の測定間隔中、すなわち液面測定を行っていないときに励消磁運転をすると液面高さをモニターできないことになる。
【００２０】
一方、図１６に示す超電導磁石の保護回路においては、クライオスタットの中で保護回路の構成要素としてダイオード１３のような半導体素子を使用するのは、信頼性の点で好ましいことではなく、ダイオード９に何らかの故障が発生した場合には、クライオスタットを分解、交換の必要があった。
【００２１】
また、超電導コイル１がクライオスタットの内部に配置された超電導磁石では、超電導コイル１に通電するための電流導入端子がクライオスタット外表面に設置される。しかしながら、電流導入端子は、内部からの伝導冷却で冷却されるため、外表面に水滴がつき、対地絶縁性能が悪化する。励磁電圧が数ボルト程度と低い場合には、そのまま通電することもできるが、励磁電圧が高くなると漏電の危険性がでてくる。
【００２２】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、冷凍機の能力を有効に利用でき、また冷凍機とヘリウム容器の冷却による位置ずれを吸収することができる超電導磁石を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により超電導磁石及びその保護回路を構成するものである。
【００２５】
請求項１に対応する発明は、液体ヘリウムが貯液されたヘリウム容器と、このヘリウム容器内の液体ヘリウム中に浸漬させて配設された超電導コイルと、前記ヘリウム容器を包囲するように設けられた輻射シールドと、これらヘリウム容器および輻射シールドを包囲し、且つ内部が真空に保持された真空容器と、前記真空容器側に設けられ、前記輻射シールドおよび前記ヘリウム容器内で蒸発したガスヘリウムをそれぞれ冷却する冷凍機とを備えた超電導磁石において、前記ヘリウム容器の上面部に適宜大きさの開口部を設け、この開口部に高熱伝導率材料からなる凝縮棒を前記ヘリウム容器内のガスヘリウム雰囲気中に突出させて固定し、この凝縮棒と前記冷凍機の冷熱伝導部とを熱的に接続し、さらに、前記ヘリウム容器の前記開口部より先端部が液体ヘリウムの液面近傍に達するように対流防止部材を挿入し、この対流防止部材に包囲されるように前記凝縮棒を配設したものである。
【００２６】
上記請求項１に対応する発明の超電導磁石によれば、冷凍機に熱的に接触させた熱伝導率の高い凝縮棒により、液体ヘリウムの凝縮温度以下に冷やされた十分な面積の凝縮面が得られるので、再凝縮効率を高めることができる。さらに、凝縮棒の外周に対流防止部材を設置することにより、液体温度に近いガスだけが凝縮棒の近くに集まるので、効率良く再凝縮できる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４９】
図１は本発明による超電導磁石の第１の実施の形態を示す断面図であり、図１５と同一部品には同一符号を付して説明する。
【００５０】
図１において、４は内部に液体ヘリウム２が貯液され、且つ上面部に開けられた適宜大きさの開口部に筒体４ａが取付けられたヘリウム容器で、このヘリウム容器４内には超電導コイル１が液体ヘリウム中に浸漬させて収納されている。
【００５１】
また、５はヘリウム容器４を包囲するように設けられた輻射シールド、６は内部にヘリウム容器を包囲した輻射シールド５を配置した真空容器である。
【００５２】
一方、３は真空容器６の上面部に装備された冷凍機で、この冷凍機３は１段部及び２段部の冷熱伝導体を有している。そして、１段部の冷熱伝導体を輻射シールド５に熱的に接触させ、２段部の冷熱伝導体をヘリウム容器４側の筒体４ａに先端部をヘリウム容器４内に臨ませて挿入された凝縮棒１５に熱的に接触させている。この凝縮棒１５はガスヘリウム７が凝縮する温度（約４Ｋ）より低い温度に保たれるため、この部分にガスヘリウム７を熱的に接触させて冷熱を与えている。
【００５３】
この場合、冷凍機３の１段部の冷熱伝導体により輻射シールド５は、５０Ｋ程度に冷却保持されている。また、凝縮棒１５は、冷凍機３とほとんど温度差ができないように無酸素銅などの高熱伝導率材料から作製されている。
【００５４】
上記構成の第１の実施の形態によれば、ヘリウム容器４内のヘリウムガス７とその接触部が液体ヘリウム２の凝縮温度以下に保たれ、十分な面積の凝縮面がヘリウム容器４の中で得られるので、侵入熱により蒸発したガスヘリウム７は効率よく再凝縮される。
【００５５】
図２は本発明による超電導磁石の第２の実施の形態を示す断面図で、図１と同一部品には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００５６】
第２の実施の形態では、図２に示すようにヘリウム容器４の上面部に開けられた適宜大きさの開口部周縁と冷凍機３の２段部と熱的に接触する凝縮棒１５の頭部との間に、冷凍機３とヘリウム容器４との熱収縮率の差により生じる位置関係のずれによる変位が吸収可能なベローズのような弾性体１６を介在させて、凝縮棒１５をヘリウム容器４に固定するものである。
【００５７】
上記構成の第２の実施の形態によれば、熱収縮の差により生じる冷凍機３とヘリウム容器４の位置ずれを弾性体１６で吸収することができるので、冷凍機３の性能劣化や構造破壊を惹起することがない。
【００５８】
図３は本発明による超電導磁石の第３の実施の形態を示す断面図で、図１と同一部品には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００５９】
第３の実施の形態では、図３に示すように冷凍機３の２段部とヘリウム容器４側の筒体４ａに挿入保持された凝縮棒１５の頭部との間に、可撓体１７を介在させて熱的な接触を得るようにしたものである。この可撓体１７は高熱伝導率材料である無酸素銅の平網線や薄板を重ねたものなどが望ましい。
【００６０】
上記構成の第３の実施の形態としても、第２の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００６１】
図４は本発明による超電導磁石の第４の実施の形態を示す断面図で、図１と同一部品には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００６２】
第４の実施の形態では、図４に示すようにヘリウム容器４の上面部に開けられた適宜大きさの開口部に筒状の対流防止部材１８の一端が液体ヘリウム２の液面近傍に達するように挿入して取付け、この対流防止部材１８に先端部をヘリウム容器４内に臨ませて挿入保持された凝縮棒１５に冷凍機３の２段部の冷熱伝導体と熱的に接触させるようにしたものである。
【００６３】
上記構成の超電導磁石において、ガスヘリウム７の温度は、凝縮温度すなわち液体温度に近いほど液体ヘリウム２に再凝縮しやすい。一方、ガスヘリウム７中では、侵入熱の分布によって形成されるガス温度分布が原因となって対流が発生し、凝縮棒１５の近傍に暖かいガスが流れてくる可能性がある。
【００６４】
第４の実施の形態によれば、対流防止部材１８により、液体温度に近い液面近くのヘリウムガス７だけが凝縮棒１５の近くに集まるので、効率よく再凝縮することができる。
【００６５】
図５は本発明による超電導磁石の第５の実施の形態を示す断面図で、図１と同一部品には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００６６】
第５の実施の形態では、図５に示すようにヘリウム容器４の内部にヒータ１９を液体ヘリウム中に没入させて設けると共に、ヘリウム容器４内部のヘリウムガス７の雰囲気中にガス圧力を測定する圧力計測手段２０を設け、ヒータ１９を真空容器６の外部に導出されたリード線を介してヒータ電源２１に接続し、圧力計測手段２０の測定部を真空容器６の外部に導出してヒータ電源２１と共に圧力制御器２２にそれぞれ接続するものである。
【００６７】
この場合、圧力制御器２２は圧力計測手段２０により測定された圧力が、予め設定された圧力以下になったときに、ヒータ電源を働かせ、別途予め設定された圧力になるまでヒータ１９を加熱させるようになっている。
【００６８】
上記構成の第５の実施の形態によれば、ヒータ１９を加熱して液体ヘリウムを蒸発させ、ヘリウム容器４が大気圧以下にならないように調整するので、大気を吸い込むことはなくなり、長期運転可能な超電導磁石となし得る。
【００６９】
図６は本発明による超電導磁石の第６の実施の形態を示す断面図で、図１と同一部品には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００７０】
第６の実施の形態では、図６に示すようにヘリウム容器４の内部にヘリウム液面を測定する液面計測手段８を設け、その液面計測信号を真空容器６の外部の液面計２３に入力し、また超電導コイル１の両端を真空容器６の外部の励磁電源２４に接続すると共に、その励磁電圧を測定する電圧計２５を設け、これら液面計２３、励磁電源２４及び電圧計２５を制御装置２６に接続する構成とするものである。
【００７１】
ここで、上記制御装置２６は、予め設定された時間間隔で液面計２３を通して液面計測手段８に液面を計測させるとともに、電圧計２５に励磁電圧が感知されると、それに応じて随時液面計測手段８を運転させる。また、液面計測手段８により計測された液面がある設定値以下になれば、励磁電源２４にインターロック信号を送ることもできる。
【００７２】
上記構成の第６の実施の形態によれば、液面計測手段８を間欠運転させることによりヘリウム容器４内での熱負荷を最小限に抑えつつ、励磁を自動的に感知して随時液面を計測することが可能となり、液体ヘリウム２の不足によるクエンチの発生を抑制できる。
【００７３】
図７は本発明による超電導磁石の第７の形態を示す回路図で、図１６と同一部品には同一符号を付して説明する。
【００７４】
第７の実施の形態において、超電導コイル１は、その両端部に酸化物超電導電流リード９が接続され、クライオスタット内部に収められている。酸化物超電導電流リード９は、クライオスタットの外部へ導出され、超電導コイル１を励磁するための励磁電源１０に遮断器１１を介して接続されている。
【００７５】
そして、これら励磁電源１０および遮断器１１は制御装置１２に接続されている。
【００７６】
また、保護回路としては、超電導コイル１の両端と酸化物超電導電流リード９との間に補助リード２７の一端を接続し、その他端をクライオスタットの外部へ導出し、その導出端子間に放電抵抗１４が接続され、保護回路を形成している。
【００７７】
このような超電導磁石の保護回路において、クエンチが検出されると、制御装置１２からの信号で遮断器は励磁回路を切り離し、励磁電源１０から流れていた電流は保護回路に転流する。正常な励磁の場合は、励磁電源１０から供給される電流のうち、保護回路には、励磁電圧（Ｖ）と放電抵抗１４（Ｒ）に相応したＩ＝Ｖ／Ｒの分流があり、放電抵抗１４で発熱するが、この放電抵抗１４はクライオスタットの外部にあるので、特に問題はない。
【００７８】
本実施の形態によれば、超電導コイル１の両端に補助リード２７を接続することにより、放電抵抗１４をクライオスタット外部に設置できるため、従来のようにダイオードのような半導体素子をクライオスタット内部に設置する必要がなく、信頼性の高い保護回路となし得る。
【００７９】
図８は本発明による超電導磁石の第８の形態を示す回路図で、図７と同一部品には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００８０】
第８の形態では、図８に示すようにクライオスタットの外部に導出された補助リード２７の導出端子間に放電抵抗１４と直列に電流制御部２８を接続して、保護回路を形成し、制御装置１２により電流制御部２８を制御可能な構成とするものである。
【００８１】
この場合、上記電流制御部２８は、制御装置１２からの信号により電流を制御する素子または回路で、例えばサイリスタのような一方向電流制御素子から構成されている。
【００８２】
上記構成の超電導磁石の保護回路において、超電導コイル１の通電中にクエンチが検出されると、制御装置１２からの信号により電流制御部２８は短絡される。その後、制御装置１２からの信号により遮断器１は励磁回路を切り離し、励磁電源１０から超電導コイル１に流れていた電流は保護回路に転流し、第７の実施の形態と同様に放電抵抗１４の発熱によりエネルギーが消費される。
【００８３】
上記第８の実施の形態によれば、電流制御部２８を設けたことで、正常な励磁中においては、保護回路に分流しないので、励磁電源１０を流れる電流と、実際に超電導コイル１に流れる電流が常に一致し、応答性の速い超電導磁石となし得る。
【００８４】
図９は本発明による超電導磁石の第９の形態を示す回路図で、図８と同一部品には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００８５】
第９の実施の形態では、放電抵抗１４と直列に接続された電流制御部２８として、ダイオードなどの一方向電流制御素子や、図１０に示すようにある設定電圧以上になるとサイリスタ１９に点弧信号が自動的に入るように設計された自己点弧型の回路により構成して制御装置１２による制御を不要にしたものである。
【００８６】
上記構成の第９の実施の形態によれば、制御装置１２での信号処理の失敗などによる誤動作などがなく、安全性の高い保護回路となし得る。
【００８７】
上記では、制御装置１２からの信号により制御を受けない図１０に示すような回路構成の電流制御部２８を使用したが、第９の実施の形態において、電流制御部２８として、図１１に示すように制御装置１２からの信号により電流を制御するサイリスタ２９のような電流制御素子と、ある設定電圧以上になると短絡する電流制御回路とを並列接続した回路構成のものを使用してもよい。
【００８８】
上記構成の超電導磁石の保護回路において、通常は第８の実施の形態と同様にクエンチが検出されると、電流制御部２８は短絡されるが、仮にこの制御が失敗したとしても、電流制御部２８の両端に発生する電圧により、自己点弧型の電流制御回路が短絡されるので、保護回路としての機能が失われることがない。
【００８９】
このような構成の電流制御部２８を用いれば、電流制御を制御装置１２の信号で行う緻密な制御と、自己点弧型の電流制御回路のような受動的に行う制御との二重化を図ることにより、安全性を兼ね備えた保護回路となし得る。
【００９０】
また、図１１に示す回路構成の電流制御部をお互いに逆向きにして並列に接続した図１２に示すような回路構成の電流制御部２８を用いてもよい。
【００９１】
このような構成の電流制御部を用いれば、正逆の両励磁方向に対応できる超電導磁石の保護回路となし得る。
【００９２】
図１３は本発明による超電導磁石の第１０の実施の形態における電流導入端子部の構成を示す断面図である。
【００９３】
第１０の実施の形態では、図１３に示すようにクライオスタットの内側と外側を貫通させてクライオスタットの内部の超電導コイルに電流を導入する電流導入端子３０を設け、クライオスタットの外側、すなわち電流導入端子３０の大気側を感電防止用のカバー３１で包囲すると共に、このカバー３１に送風手段３２を設ける構成とするものである。
【００９４】
このカバー３１には、排気出口３３が設けられており、通風路を形成しているので、効率良く電流導入端子３０に送風することができる。また、電流導入端子３０は、クライオスタット内部からの伝熱で冷却され、露点以下の温度になる可能性が有るが、送風手段３２により大気温度近くで保持されるので、水滴がつくことはない。
【００９５】
上記構成の第１０の実施の形態によれば、電流導入端子３０に水滴がつくことを防止することで、対地絶縁が良好である。
【００９６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明による超電導磁石によれば、高熱伝導率材料からなる凝縮棒をヘリウム容器内のガスヘリウム雰囲気中に突出させて固定し、この凝縮棒と冷凍機の冷熱伝導部とを熱的に接続して、冷凍機の能力を有効に利用できると共に、安全且つ信頼性の向上を図ることができ、また冷凍機とヘリウム容器の冷却による位置ずれを吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超電導磁石の第１の実施の形態を示す断面図。
【図２】本発明による超電導磁石の第２の実施の形態を示す断面図。
【図３】本発明による超電導磁石の第３の実施の形態を示す断面図。
【図４】本発明による超電導磁石の第４の実施の形態を示す断面図。
【図５】本発明による超電導磁石の第５の実施の形態を示す断面図。
【図６】本発明による超電導磁石の第６の実施の形態を示す断面図。
【図７】本発明による超電導磁石の第７の実施の形態を示す回路図。
【図８】本発明による超電導磁石の第８の実施の形態を示す回路図。
【図９】本発明による超電導磁石の第９の実施の形態を示す回路図。
【図１０】同実施の形態における電流制御部の構成例を示す回路図。
【図１１】同実施の形態における電流制御部の他の構成例を示す回路図。
【図１２】同実施の形態における電流制御部のさらに異なる構成例を示す回路図。
【図１３】本発明による超電導磁石の第１０の実施の形態における電流導入端子部の構成を示す断面図。
【図１４】再凝縮タイプを採用した超電導磁石に使用される冷凍機の冷却特性の説明図。
【図１５】従来の再凝縮タイプを採用した超電導磁石の一例を示す断面図。
【図１６】従来の保護回路を備えた超電導磁石の一例を示す回路図。
【符号の説明】
１……超電導コイル
２……液体ヘリウム
３……冷凍機
４……ヘリウム容器
５……輻射シールド
６……真空容器
７……ガスヘリウム
８……液面計測手段
９……酸化物超電導電流リード
１０……励磁電源
１１……遮断器
１２……制御装置
１３……ダイオード
１４……放電抵抗
１５……凝縮棒
１６……弾性体
１７……可撓体
１８……対流防止部材
１９……ヒータ
２０……圧力計測手段
２１……ヒータ電源
２２……圧力制御器
２３……液面計
２４……励磁電源
２５……電圧計
２６……制御装置
２７……補助リード
２８……電流制御部
２９……サイリスタ
３０……電流導入端子
３１……カバー
３２……送風手段

Claims

液体ヘリウムが貯液されたヘリウム容器と、このヘリウム容器内の液体ヘリウム中に浸漬させて配設された超電導コイルと、前記ヘリウム容器を包囲するように設けられた輻射シールドと、これらヘリウム容器および輻射シールドを包囲し、且つ内部が真空に保持された真空容器と、前記真空容器側に設けられ、前記輻射シールドおよび前記ヘリウム容器内で蒸発したガスヘリウムをそれぞれ冷却する冷凍機とを備えた超電導磁石において、
前記ヘリウム容器の上面部に適宜大きさの開口部を設け、この開口部に高熱伝導率材料からなる凝縮棒を前記ヘリウム容器内のガスヘリウム雰囲気中に突出させて固定し、この凝縮棒と前記冷凍機の冷熱伝導部とを熱的に接続し、
さらに、前記ヘリウム容器の前記開口部より先端部が液体ヘリウムの液面近傍に達するように対流防止部材を挿入し、この対流防止部材に包囲されるように前記凝縮棒を配設したことを特徴とする超電導磁石。