JP4435468B2

JP4435468B2 - Superconducting magnet device

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Publication number: JP4435468B2
Application number: JP2002285468A
Authority: JP
Inventors: 作太郎山口
Original assignee: YYL KK
Current assignee: YYL KK
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP2004127964A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導マグネット装置に関し、特に、ヘリウム・フリー・マグネットの超伝導装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヘリウム・フリー・マグネット（Helium Free Magnet）構造について説明する。液体ヘリウム（Liquid Helium）を用いない超伝導マグネットは、「ヘリウム・フリー・マグネット（HFM）」と呼ばれている。図３は、従来のヘリウム・フリー・マグネット（HFM）（伝導冷却高磁界超伝導マグネット）の構成を模式的に示す図である。
【０００３】
図３を参照すると、従来のヘリウム・フリー・マグネット（HFM）は、ＧＭ（ギフォード・マクマフォン式）冷凍機３０によって超伝導マグネット１１が伝導冷却されて、低温に保持されているシステムであり、全体は、クライオスタット１０の中にある。このシステムは高温超伝導体（HTS）１３が開発されたことによって実用化されている。ヘリウム・フリー・マグネット（HFM）は、高温超伝導体（HTS）１３の低熱伝導率の特徴を利用している。超伝導マグネット１１を収容するクライオスタット１０と、ＧＭ冷凍機３０と、電源４０と、ヘリウム圧縮機５０と、を備え、クライオスタット１０内において、超伝導マグネット１１の超伝導素線１２が高温超伝導体１３を介して銅リード１４の一端に接続され、銅リード１４の他端はターミナル（電源端子）２０に接続されている。ターミナル２０は、クライオスタット１０の上面（壁）等に設けられた貫通孔に気密に配設されており、常温側で電源４０の＋端子と−端子にそれぞれ接続されている。
【０００４】
ＧＭ冷凍機３０は、通常２段式のシステムが利用されている。その理由は、単段では、到達温度が４０Ｋ程度で超伝導マグネット１１にとって温度が高すぎるからである。このため、１段目３１に、高温超伝導体（HTS）１３の高温端を熱的に接続し（電気的には絶縁されている）、２段目３２に、高温超伝導体（HTS）１３の低温端を接続すると同時に、超伝導マグネット１１に当接して、超伝導マグネット１１を低温に保持する。
【０００５】
超伝導マグネット１１からの熱、及び、高温超伝導体（HTS）１３の両端部からの熱は、２段構成のＧＭ冷凍機３０において、２段目３２、１段目３１で、矢線で示す熱流として、ＧＭ冷凍機３０側に吸熱される。
【０００６】
なお、この種の小型冷凍機として、
1)２段式小型GM冷凍機、
2)コンプレッサー入力3相―AC200V―50/60hz, 5.9/7.1kW、
3)水冷型コンプレッサー、
運転時の水量6〜8 リットル/min、
4）コンプレッサー外形寸法700mm × 532mm × 523mm（長さ×幅×高さ）、
5）コンプレッサー重量125kg、
等の仕様の製品が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３に示した装置では、非通電時、電源ターミナル２０から熱が低温側に銅リード１４を伝わって侵入し、冷却効率が低下する。
【０００８】
したがって、本発明は、電源ターミナルから熱が低温側に銅リードを伝わって侵入することを抑止・低減し、冷却効率を向上する装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の１つのアスペクト（側面）に従う装置は、超伝導マグネットを収容するクライオスタットと、前記超伝導マグネットを伝導冷却する冷凍機と、前記クライオスタットの壁を貫通して気密に設けられており、端子の両端が、常温側と前記クライオスタット内の低温側とにそれぞれ位置し、熱電変換素子が配設されているターミナルと、を備え、前記クライオスタット内において、前記超伝導マグネットを構成する超伝導素線は、高温超伝導体を介して、銅リードの一端に接続され、前記冷凍機の１段目は、前記高温超伝導体の高温側に熱的に接続され、前記冷凍機の２段目は、前記高温超伝導体の低温側及び前記超伝導マグネットに熱的に接続されて、冷却を行うものである。前記ターミナルは、常温側の第１の電極と、低温側の第２の電極と、常温側の第３の電極と、低温側の第４の電極と、を有し、前記第１の電極と前記第２の電極とが第１導電型の第１の熱電変換素子を介して接続され、前記第１の電極と前記第２の電極がともに棒状部材よりなり、前記第１の電極と前記第２の電極のそれぞれの長手方向の少なくとも一部を収容するハウジングを備え、前記第１の電極と前記第２の電極は、前記ハウジング内で支持部材を介して支持されており、前記第１の電極と前記第２の電極の端部同士がそれぞれ前記第１の熱電変換素子を介して接続され、前記ターミナルの前記第２の電極は前記銅リードの他端に接続され、前記クライオスタット外部の常温側の前記ターミナルの前記第１の電極は、前記クライオスタット外部に設けられている電源に接続される。前記第３の電極と前記第４の電極とが第２導電型の第２の熱電変換素子を介して接続され、前記第３の電極と前記第４の電極がともに棒状部材よりなり、前記第３の電極と前記第４の電極のそれぞれの長手方向の少なくとも一部を収容するハウジングを備え、前記第３の電極と前記第４の電極は、前記ハウジング内で支持部材を介して支持されており、前記第３の電極と前記第４の電極の端部同士がそれぞれ前記第２の熱電変換素子を介して接続され、前記ターミナルの前記第４の電極は電流リターン側の銅リードに接続され、前記クライオスタット外部の常温側の前記ターミナルの前記第３の電極は、前記クライオスタット外部に設けられている前記電源に接続される。
【００１０】
本発明の他のアスペクト（側面）に従う装置は、超伝導マグネットを収容するクライオスタットと、前記超伝導マグネットを伝導冷却する冷凍機と、前記クライオスタットの壁を貫通して気密に設けられており、端子の両端が、常温側と前記クライオスタット内の低温側とにそれぞれ位置し、熱電変換素子が配設されており、さらに、常温側に熱を排出する熱交換器を備えたターミナルと、を備え、前記クライオスタット内において、前記超伝導マグネットを構成する超伝導素線は、高温超伝導体を介して、銅リードの一端に接続され、前記銅リードの他端は、前記ターミナルの前記熱電変換素子に接続され、前記冷凍機の１段目は、前記高温超伝導体の高温側に熱的に接続され、前記冷凍機の２段目は、前記高温超伝導体の低温側及び前記超伝導マグネットに熱的に接続されて、冷却を行うものであり、前記クライオスタット外部の常温側の前記ターミナルは、前記クライオスタット外部に設けられている電源に接続されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態においては、超伝導マグネット１１を収容するクライオスタット１０と、ＧＭ（ギフォード・マクマフォン式）冷凍機３０と、電源４０と、ヘリウム圧縮機５０と、を備え、クライオスタット１０内において、超伝導マグネット１１の超伝導素線１２が高温超伝導体１３を介して銅リード１４の一端に接続され、銅リード１４の他端は、低温側からの吸熱を行うペルチェ素子として機能する熱電変換素子１５を介してターミナル２０Ａに接続されている。常温側で、ターミナル２０Ａは、電源４０の＋端子、−端子（不図示）に接続されている。
【００１２】
ターミナル２０Ａは、クライオスタット１０の上面（壁）を貫通して気密に設けられており、熱電変換素子１５は、例えばターミナル２０Ａのクライオスタット１０内にまで延在して取り付けられている。
【００１３】
ＧＭ冷凍機３０の１段目３１は、高温超伝導体１３の高温側に熱的に接続され、ＧＭ冷凍機３０の２段目３２は、高温超伝導体１３の低温側に熱的に接続されている。
【００１４】
このように、本実施の形態においては、ヘリウム・フリー・マグネット構造を備え、電源ターミナル２０Ａ側から、熱が低温側に、銅リード１４を伝わって入ることを低減するために、熱電変換素子１５を取り付けている。ターミナル２０Ａは、第１、第２の電極端子を有し、常温側の第１の電極端子は、電源４０の＋端子（不図示）に接続され、電源４０より電流を導入し、第１の電極端子からの電流を第２の電極端子より、銅リード１４に供給し、第３、第４の電極端子を有し、第４の電極端子が電流リターン側の銅リード１４に接続され、リターン電流を第３の電極端子から電源４０の−端子（不図示）に返し、第１及び第２の電極端子、第３及び第４の電極端子間に、熱電変換素子１５が接続される構成とされる。
【００１５】
本発明の一実施例として、電源ターミナル２０Ａの構成の一例について、図４を参照して説明しておく。なお、図４には、二芯の構成が示されているが、単芯の構成にも適用できることは勿論である。熱電半導体としては、Ｐ型とＮ型の２種の半導体が用いられる。単芯の構成において、電流導入端子の場合、Ｎ型の熱電半導体、電流を電源側に出力する端子の場合、Ｐ型の熱電半導体が用いられる。
【００１６】
図４において、１Ａ、１ＢはＮ型、Ｐ型熱電半導体であり、２は本体（ハウジング）、３Ａ、３Ｂは電流導入端子の常温側の電極、５Ａ、５Ｂは電流導入端子の低温側の電極である。６は支持部材（サポート）、７は絶縁体（電気的に絶縁、熱伝導体）、８はボルト、９は、電流導入端子取りつけ用のフランジであり、１００は、フランジ９をクライオスタット等（不図示）へ取りつけるためのボルト用の穴である。フランジ９は、空冷フィン又は水冷パイプ等の冷却手段を備え、放熱効果の増大を図るようにしてもよい。電極５Ａ、５Ｂに、銅リード１４（図１参照）を接続し、電極３Ａ、３Ｂは電源４０の＋（高位側電源）端子と−（低位側電源）端子にそれぞれ接続する。電流が常温側から低温側に導入される場合、電極３Ａには、Ｎ型熱電半導体１Ａを接続する。また低温側から常温側に電流が流れる場合、電極３Ｂには、Ｐ型熱電半導体１Ｂを接続する。かかる構成とすることで、低温側への熱侵入を低減する。
【００１７】
二つの熱電半導体１Ａ、１Ｂは、二芯の電極のそれぞれに設けられ、導電型（極性）が相違している。熱電半導体１Ａ、１Ｂは、電極３Ａと５Ａの間、電極３Ｂと５Ｂの間に配設されている。熱電半導体１Ａ、１Ｂの両端は電気的なコンタクト部材１０１Ａ、１０２Ａと１０１Ｂ、１０２Ｂが設けられている。
【００１８】
熱電半導体１Ａ、１Ｂは、熱絶縁を行うものであり、電極低温側が、他の常温部分に接触しないような構成とされる。
【００１９】
ターミナルにおいて、常温側と、低温側と向き合う表面に、例えばアルミニウムをコーティングすることで、熱輻射を低減する構成としてもよい。アルミニウム板（熱輻射板）をハウジング２内の常温側と低温側の間に設け、電極（３Ａ、３Ｂ、５Ａ、５Ｂ）と電気的に絶縁させて設けてもよい。
【００２０】
また熱電半導体１Ａ、１Ｂは、電極３Ａ、３Ｂ、電極５Ａ、５Ｂに半田付け等で接続するため、接続部分に応力が加わって接続不良とならないように支持される。図１に示す例では、ハウジング２、フランジ９に対して支持ボルト６で固定されるサポート８に設けられた穴に、電極５Ａ、５Ｂが挿通されて支持されている。支持ボルト６としては例えばステンレス、サポート８は、ガラス材等、いずれも、熱伝導率が低く、且つ電気的絶縁部材が用いられる。
【００２１】
常温側に露出する電極３Ｂは、熱電半導体１Ｂによって低温側から熱が運びこまれるため、好ましくは、熱放散を考慮した構造とする。例えば棒状の電極３には、その外周を覆って、電極３Ａ、３Ｂよりも大きな径の電極４Ａ、４Ｂが取り付けられており、熱容量を大きくしている。そして、電極４Ａ、４Ｂは、電極３Ａ、３Ｂより電極４Ａ、４Ｂに伝達された熱をハウジング２に伝え、さらにフランジ９に容易に伝達する構成とされる。
【００２２】
常温側電極（３Ａ、３Ｂ）と低温側電極（５Ａ、５Ｂ）は電気的に絶縁されるため、互いに電気的絶縁物を介して接合され、本体（ハウジング）２（後述するようにアルミよりなる）との間にも、電気的絶縁層７が介在している。この電気的絶縁層７は、ベリリア、窒化アルミニウム等の熱伝導率の良好なセラミック材よりなり、できるだけ薄く設けられている。
【００２３】
フランジ９は、通常はステンレス製とされるが、この実施例では、熱放散を考慮して、熱伝導率の良好なアルミニウムよりなる。あるいは、電気的な絶縁を図る構成として上で、フランジ９は銅で構成してもよい。
【００２４】
上記のような構成により、電流の向きと、熱電半導体との組み合わせにより、熱を常温側に放散させ（冷却作用）、低温側への熱進入を抑制する電源ターミナル（current terminal）を実現できた。
【００２５】
なお、図４は、熱電変換素子１５を備えたターミナル構成の一例を示したものであり、熱電変換素子１５を備えたものであれば、図４の構成に限定されるものではないことは勿論である。なお、熱電半導体等の熱電変換素子１５を備えたターミナルについては、例えば特願２００２−０１０６２８号（本願出願時未公開）に詳述されている。
【００２６】
かかる本発明の構成には、２つの作用効果がある。
【００２７】
その一つは、熱電変換素子１５は、熱伝導率が低いために、熱抵抗が上昇し、非通電時の熱侵入が低減される。
【００２８】
他の一つは、通電によって、熱電変換素子１５のペルチェ効果により、熱を低温側から高温側に汲み上げることによって、更に、熱侵入を低減する。
【００２９】
図２は、本発明の第２の実施の形態の構成を示す図である。この第２の実施の形態においては、ペルチェ素子を備えたヘリウム・フリー・マグネット構造に、ジュール・トムソン弁（ＪＴ弁）を利用した冷却器（ＪＴクーラー）２１をターミナル２０Ｂに備えたものであり、ターミナル２０Ｂにも、ターミナル２０Ｂのクライオスタット１０内に熱電変換素子１５を備えることによって、常温側のターミナルには熱が輸送されてくる。ＪＴ弁を備えた冷却器（熱交換器）２１では、圧縮した気体（ガス）を細い開口より、広い空間に噴出す構成とされ、気体の堆積の変化によって内部エネルギーが変化するため、気体の温度が変化するというジュール・トムソン効果を利用し、冷却が行われる。
【００３０】
放熱量を下記の表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
熱電変換素子を具備しない場合、放熱量は、0.53mW/Aとなるが、熱電変換素子１５の組み込み方で、65mW/Aから約200mW/Aまでとなる。
【００３３】
熱を除去するために、ＪＴ弁を利用したＪＴ冷却器２１を、ターミナル２０Ｂに組み込んで冷却する。このための圧縮ヘリウムガスは、ヘリウム圧縮機５０から供給される。
【００３４】
また、ターミナル２０Ｂを冷却することで、外部から熱がターミナル２０Ｂに入ることを防ぐために、断熱層２２をターミナル２０Ｂに設ける。
【００３５】
ＪＴ冷却器２１の他にも、例えば通常の水冷却器をターミナル２０Ａ（図１参照）に取り付け、水を、ターミナル２０Ａとの間で循環させることによって、ペルチェ素子１５で発生した熱を取り除く構成としてもよい。
【００３６】
超伝導マグネットによって発生する磁場方向を反転させるために、通電方向を逆にする必要がある。この場合、例えば、図１、図２の熱電変換素子１５（ペルチェ素子）に逆方向に電流を流すと、熱が低温側に輸送されることになり、低温系への熱侵入を増大させる。そこで、本発明の別の実施の形態においては、図１、図２の熱電変換素子１５の低温側に切替えスイッチ（不図示）を配置して、極性を変更自在とする構成としてもよい。例えば金属でｐ型半導体とｎ型半導体をπ型に接合したサーモジュールにおいて、ｎ電極（ｎ型半導体）からｐ電極（ｐ型半導体）へ電流を流すと、共通接合部で吸熱となり、逆方向に電流を流すと、共通接合部で発熱となる。このため、超伝導マグネット１１を構成するコイル（超伝導素線）１２の一端に接続する第１の銅リードと、コイル（超伝導素線）１２の他端に接続する第２の銅リードと、電源４０の＋端子（不図示）側に電気的に接続される第１の熱電変換素子と、電源４０の−端子（不図示）側に電気的に接続される第２の熱電変換素子との間に、切替スイッチを備え、この切替スイッチは、第１の通電方向では、第１の熱電変換素子と第１の銅リード、第２の熱電変換素子と第２の銅リードを接続し、第２の通電方向では、第１の熱電変換素子と第２の銅リード、第２の熱電変換素子と第１の銅リードを接続するように、切替えを行う構成とされる。かかる構成により、超伝導マグネットでの磁場方向の反転のために通電方向を変えた（超伝導コイルの電流の流れる向きが逆転する）場合にも、電源４０より電流を導入する電極は、常に、ｎ電極とされ、ｎ電極からｐ電極へ電流を流すように設定され、逆方向の通電においても、低温側からの吸熱が行われる。
【００３７】
本発明の第２の実施の形態においては、熱電変換素子１５（ペルチェ素子）により低温側からくみ出された熱を処理するために、ＪＴ冷却器２１等の冷却手段によってターミナル（電極）２０Ｂを冷却している。ターミナル（電極）２０Ｂには、電源ケーブル（銅ケーブル）が接続されている。このため、冷却手段によるターミナル２０Ｂの冷却によって温度が下がると、電源ケーブルも冷却することになる。したがって、銅ケーブルと、ターミナル２０Ａ、２０Ｂとを、電気的には接続し、熱的に絶縁することが好ましい。そこで、本実施の形態において、ターミナル２０Ｂと、電源ケーブルの間に、電気的には接続し、熱的に絶縁するための、熱電材料（不図示）が介挿される構成とされる。
【００３８】
以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は、上記実施例の構成にのみ限定されるものでなく、特許請求の範囲の各請求項の発明の範囲内で、当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ターミナルに熱電変換素子を備え、電源ターミナルからの銅リードへの熱侵入を非通電時の熱侵入を低減するとともに、通電によって、熱電変換素子のペルチェ効果により、熱を低温側から高温側に組み上げることによって、更に熱侵入を低減することができ、冷却効率を向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の構成を示す図である。
【図３】従来のヘリウム・フリー・マグネットの構成の一例を示す図である。
【図４】熱電変換素子を備えたターミナルの構成の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ熱電半導体
２本体（ハウジング）
３Ａ、３Ｂ電極（常温側電極）
４Ａ、４Ｂ電極
５Ａ、５Ｂ電極（低温側電極）
６支持ボルト
７絶縁物
８電気絶縁サポート
９フランジ
１０クライオスタット
１１超伝導マグネット
１２超伝導素線
１３ＨＴＳ
１４銅リード
１５熱電変換素子
２０、２０Ａ、２０Ｂターミナル
２１冷却器
２２断熱層
３０冷凍機
３１１段目
３２２段目
４０電源
５０圧縮機
１００取り付け穴
１０１、１０２コンタクト部材
１０５絶縁部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a superconducting magnet device, and more particularly to a helium-free magnet superconducting device.
[0002]
[Prior art]
A conventional helium free magnet structure will be described. Superconducting magnets that do not use liquid helium are called “helium-free magnets (HFM)”. FIG. 3 is a diagram schematically showing a configuration of a conventional helium-free magnet (HFM) (conduction-cooled high-field superconducting magnet).
[0003]
Referring to FIG. 3, the conventional helium-free magnet (HFM) is a system in which the superconducting magnet 11 is conductively cooled by a GM (Gifford McMaphon type) refrigerator 30 and kept at a low temperature. Is in the cryostat 10. This system has been put into practical use due to the development of the high-temperature superconductor (HTS) 13. The helium free magnet (HFM) takes advantage of the low thermal conductivity characteristics of the high temperature superconductor (HTS) 13. A cryostat 10 that accommodates the superconducting magnet 11, a GM refrigerator 30, a power source 40, and a helium compressor 50 are provided. In the cryostat 10, the superconducting strand 12 of the superconducting magnet 11 is a high-temperature superconductor. The other end of the copper lead 14 is connected to a terminal (power supply terminal) 20. The terminal 20 is airtightly disposed in a through-hole provided in the upper surface (wall) of the cryostat 10 and is connected to the + terminal and the − terminal of the power supply 40 on the normal temperature side.
[0004]
The GM refrigerator 30 normally uses a two-stage system. The reason is that, in a single stage, the ultimate temperature is about 40K and the temperature is too high for the superconducting magnet 11. Therefore, the high temperature end of the high temperature superconductor (HTS) 13 is thermally connected to the first stage 31 (electrically insulated), and the high temperature superconductor (HTS) is connected to the second stage 32. At the same time as connecting the low temperature end of 13, the superconducting magnet 11 is held at a low temperature by contacting the superconducting magnet 11.
[0005]
The heat from the superconducting magnet 11 and the heat from both ends of the high-temperature superconductor (HTS) 13 are indicated by arrows in the second stage 32 and the first stage 31 in the two-stage GM refrigerator 30. As the heat flow shown, heat is absorbed by the GM refrigerator 30 side.
[0006]
As this kind of small refrigerator,
1) 2-stage small GM refrigerator,
2) Compressor input 3-phase-AC200V-50 / 60hz, 5.9 / 7.1kW,
3) Water-cooled compressor,
6-8 liters / min of water during operation,
4) Compressor external dimensions 700mm x 532mm x 523mm (length x width x height),
5) Compressor weight 125kg,
Products with specifications such as are known.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the apparatus shown in FIG. 3, when power is not supplied, heat enters from the power terminal 20 to the low temperature side through the copper lead 14 and cooling efficiency is lowered.
[0008]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide an apparatus that suppresses / reduces heat from entering a copper lead to a low temperature side from a power supply terminal and improves cooling efficiency.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An apparatus according to one aspect of the present invention that achieves the above object includes a cryostat that houses a superconducting magnet, a refrigerator that conducts and cools the superconducting magnet, and a wall that penetrates the cryostat. And both ends of the terminal are positioned at a normal temperature side and a low temperature side in the cryostat, respectively, and a terminal in which a thermoelectric conversion element is disposed, and the superconducting magnet is configured in the cryostat A superconducting element wire connected to one end of a copper lead via a high-temperature superconductor, and a first stage of the refrigerator is thermally connected to a high temperature side of the high-temperature superconductor, second stage is thermally connected to the low temperature side and the superconducting magnet of the high-temperature superconductor, Ru der to perform cooling. The terminal includes a first electrode on a normal temperature side, a second electrode on a low temperature side, a third electrode on a normal temperature side, and a fourth electrode on a low temperature side, and the first electrode The second electrode is connected via a first thermoelectric conversion element of a first conductivity type, and both the first electrode and the second electrode are made of rod-shaped members, and the first electrode and the first electrode A housing that accommodates at least a part of each of the two electrodes in the longitudinal direction, wherein the first electrode and the second electrode are supported in the housing via a support member, and the first electrode The ends of the electrode and the second electrode are connected to each other via the first thermoelectric conversion element, the second electrode of the terminal is connected to the other end of the copper lead, and the room temperature outside the cryostat the side of the terminal first electrode, said cryostat It is connected to a power source provided on the bets outside. The third electrode and the fourth electrode are connected via a second thermoelectric conversion element of the second conductivity type, and both the third electrode and the fourth electrode are made of rod-shaped members, 3 and the fourth electrode, and a housing that accommodates at least a part of the longitudinal direction of each of the fourth electrode and the fourth electrode. The third electrode and the fourth electrode are supported in the housing via a support member. The ends of the third electrode and the fourth electrode are connected to each other via the second thermoelectric conversion element, and the fourth electrode of the terminal is connected to a copper lead on the current return side. The third electrode of the terminal on the room temperature side outside the cryostat is connected to the power source provided outside the cryostat.
[0010]
A device according to another aspect (side surface) of the present invention includes a cryostat that accommodates a superconducting magnet, a refrigerator that conducts and cools the superconducting magnet, and a wall that penetrates the cryostat and is airtightly provided. The both ends of each are located on the normal temperature side and the low temperature side in the cryostat, thermoelectric conversion elements are arranged, and further, a terminal equipped with a heat exchanger that discharges heat to the normal temperature side, In the cryostat, a superconducting wire constituting the superconducting magnet is connected to one end of a copper lead via a high-temperature superconductor, and the other end of the copper lead is connected to the thermoelectric conversion element of the terminal. Connected, the first stage of the refrigerator is thermally connected to the high temperature side of the high temperature superconductor, and the second stage of the refrigerator is connected to the low temperature side of the high temperature superconductor and the Is thermally connected to the superconducting magnet, which performs cooling, the cryostat outer cold side of the terminal is connected to a power source provided in the cryostat externally.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the first exemplary embodiment of the present invention. In the first embodiment of the present invention, a cryostat 10 that accommodates the superconducting magnet 11, a GM (Gifford-McMaphon type) refrigerator 30, a power supply 40, and a helium compressor 50 are provided. Inside, the superconducting strand 12 of the superconducting magnet 11 is connected to one end of the copper lead 14 via the high temperature superconductor 13, and the other end of the copper lead 14 functions as a Peltier element that absorbs heat from the low temperature side. It is connected to the terminal 20A through the thermoelectric conversion element 15 that performs. On the normal temperature side, the terminal 20A is connected to a positive terminal and a negative terminal (not shown) of the power supply 40.
[0012]
The terminal 20A is airtightly provided through the upper surface (wall) of the cryostat 10, and the thermoelectric conversion element 15 is extended and attached to the cryostat 10 of the terminal 20A, for example.
[0013]
The first stage 31 of the GM refrigerator 30 is thermally connected to the high temperature side of the high temperature superconductor 13, and the second stage 32 of the GM refrigerator 30 is thermally connected to the low temperature side of the high temperature superconductor 13. Has been.
[0014]
Thus, in the present embodiment, the thermoelectric conversion element 15 is provided with a helium-free magnet structure, and in order to reduce heat from entering the copper lead 14 from the power supply terminal 20A side to the low temperature side. Is attached. The terminal 20A has first and second electrode terminals, and the first electrode terminal on the normal temperature side is connected to the + terminal (not shown) of the power source 40, and current is introduced from the power source 40 to The current from the electrode terminal is supplied to the copper lead 14 from the second electrode terminal, and has third and fourth electrode terminals. The fourth electrode terminal is connected to the copper lead 14 on the current return side, and the return Current is returned from the third electrode terminal to the negative terminal (not shown) of the power supply 40, and the thermoelectric conversion element 15 is connected between the first and second electrode terminals and the third and fourth electrode terminals. Is done.
[0015]
As an embodiment of the present invention, an example of the configuration of the power supply terminal 20A will be described with reference to FIG. Although FIG. 4 shows a two-core configuration, it is of course applicable to a single-core configuration. As the thermoelectric semiconductor, two types of semiconductors, P-type and N-type, are used. In a single-core configuration, an N-type thermoelectric semiconductor is used in the case of a current introduction terminal, and a P-type thermoelectric semiconductor is used in the case of a terminal that outputs current to the power supply side.
[0016]
In FIG. 4, 1A and 1B are N-type and P-type thermoelectric semiconductors, 2 is a main body (housing), 3A and 3B are electrodes on the normal temperature side of the current introduction terminal, and 5A and 5B are electrodes on the low temperature side of the current introduction terminal. It is. 6 is a support member (support), 7 is an insulator (electrically insulating, heat conductor), 8 is a bolt, 9 is a flange for attaching a current introduction terminal, 100 is a flange 9 for cryostat etc. It is a hole for a bolt for attaching to the figure. The flange 9 may be provided with cooling means such as air-cooled fins or water-cooled pipes to increase the heat dissipation effect. The copper lead 14 (see FIG. 1) is connected to the electrodes 5A and 5B, and the electrodes 3A and 3B are connected to the + (higher power supply) terminal and the − (lower power supply) terminal of the power supply 40, respectively. When the current is introduced from the normal temperature side to the low temperature side, the N-type thermoelectric semiconductor 1A is connected to the electrode 3A. When current flows from the low temperature side to the normal temperature side, the P-type thermoelectric semiconductor 1B is connected to the electrode 3B. By adopting such a configuration, heat intrusion to the low temperature side is reduced.
[0017]
The two thermoelectric semiconductors 1A and 1B are provided on each of the two-core electrodes and have different conductivity types (polarities). The thermoelectric semiconductors 1A and 1B are disposed between the

electrodes

3A and 5A and between the electrodes 3B and 5B.

Electrical contact members

101A, 102A and 101B, 102B are provided at both ends of the thermoelectric semiconductors 1A, 1B.
[0018]
The thermoelectric semiconductors 1A and 1B perform thermal insulation, and are configured such that the low temperature side of the electrode does not come into contact with other normal temperature portions.
[0019]
In the terminal, for example, aluminum may be coated on the surface facing the normal temperature side and the low temperature side to reduce heat radiation. An aluminum plate (thermal radiation plate) may be provided between the room temperature side and the low temperature side in the housing 2 and electrically insulated from the electrodes (3A, 3B, 5A, 5B).
[0020]
In addition, since the thermoelectric semiconductors 1A and 1B are connected to the electrodes 3A and 3B and the electrodes 5A and 5B by soldering or the like, the thermoelectric semiconductors 1A and 1B are supported so that stress is not applied to the connection portion and connection failure does not occur. In the example shown in FIG. 1, electrodes 5 </ b> A and 5 </ b> B are inserted and supported in holes provided in a support 8 that is fixed to the housing 2 and the flange 9 with support bolts 6. As the support bolt 6, for example, stainless steel and the support 8 are made of a glass material or the like, both of which have low thermal conductivity and an electrically insulating member is used.
[0021]
The electrode 3B exposed to the normal temperature side preferably has a structure in consideration of heat dissipation since heat is carried from the low temperature side by the thermoelectric semiconductor 1B. For example, the rod-like electrode 3 is provided with electrodes 4A and 4B having a diameter larger than that of the electrodes 3A and 3B so as to cover the outer periphery thereof, thereby increasing the heat capacity. The electrodes 4A and 4B are configured to transmit the heat transmitted from the electrodes 3A and 3B to the electrodes 4A and 4B to the housing 2 and further to the flange 9 easily.
[0022]
Since the normal temperature side electrodes (3A, 3B) and the low temperature side electrodes (5A, 5B) are electrically insulated, they are joined to each other via an electrical insulator, and are made of a main body (housing) 2 (made of aluminum as will be described later). ) Is also interposed between them. The electrical insulating layer 7 is made of a ceramic material having a good thermal conductivity such as beryllia or aluminum nitride and is provided as thin as possible.
[0023]
The flange 9 is usually made of stainless steel, but in this embodiment, it is made of aluminum having good thermal conductivity in consideration of heat dissipation. Alternatively, the flange 9 may be made of copper in order to achieve electrical insulation.
[0024]
With the above configuration, a power terminal (current terminal) that can dissipate heat to the normal temperature side (cooling action) and suppress heat entry to the low temperature side can be realized by combining the direction of current and the thermoelectric semiconductor. .
[0025]
FIG. 4 shows an example of a terminal configuration provided with the thermoelectric conversion element 15, and as long as the thermoelectric conversion element 15 is provided, the configuration is not limited to that shown in FIG. 4. It is. The terminal including the thermoelectric conversion element 15 such as a thermoelectric semiconductor is described in detail in, for example, Japanese Patent Application No. 2002-010628 (not disclosed at the time of application).
[0026]
Such a configuration of the present invention has two effects.
[0027]
For one, since the thermoelectric conversion element 15 has low thermal conductivity, the thermal resistance increases, and the heat intrusion during non-energization is reduced.
[0028]
The other is to further reduce heat intrusion by pumping heat from the low temperature side to the high temperature side by energization, due to the Peltier effect of the thermoelectric conversion element 15.
[0029]
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the second exemplary embodiment of the present invention. In the second embodiment, the terminal 20B is provided with a cooler (JT cooler) 21 using a Joule-Thomson valve (JT valve) in a helium-free magnet structure having a Peltier element. The terminal 20B also includes the thermoelectric conversion element 15 in the cryostat 10 of the terminal 20B, whereby heat is transported to the room temperature side terminal. The cooler (heat exchanger) 21 equipped with a JT valve is configured to eject compressed gas (gas) into a wide space from a narrow opening, and the internal energy changes due to changes in gas deposition. Cooling is performed using the Joule-Thompson effect that the temperature changes.
[0030]
The amount of heat release is shown in Table 1 below.
[0031]
[Table 1]

[0032]
When the thermoelectric conversion element is not provided, the heat dissipation amount is 0.53 mW / A. However, when the thermoelectric conversion element 15 is incorporated, the heat dissipation amount is from 65 mW / A to about 200 mW / A.
[0033]
In order to remove heat, a JT cooler 21 using a JT valve is incorporated into the terminal 20B and cooled. The compressed helium gas for this purpose is supplied from the helium compressor 50.
[0034]
Moreover, in order to prevent the heat | fever from entering the terminal 20B from the outside by cooling the terminal 20B, the heat insulation layer 22 is provided in the terminal 20B.
[0035]
In addition to the JT cooler 21, for example, a normal water cooler is attached to the terminal 20A (see FIG. 1), and water is circulated to and from the terminal 20A to remove heat generated in the Peltier element 15. It is good.
[0036]
In order to reverse the direction of the magnetic field generated by the superconducting magnet, it is necessary to reverse the energization direction. In this case, for example, when an electric current is passed through the thermoelectric conversion element 15 (Peltier element) in FIGS. 1 and 2 in the opposite direction, heat is transported to the low temperature side, and heat penetration into the low temperature system is increased. Therefore, in another embodiment of the present invention, a changeover switch (not shown) may be arranged on the low temperature side of the thermoelectric conversion element 15 in FIGS. 1 and 2 so that the polarity can be changed. For example, when a current is passed from an n-electrode (n-type semiconductor) to a p-electrode (p-type semiconductor) in a cir module in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are joined in a π-type with a metal, heat is absorbed at the common junction and reverse When a current is passed through the common junction, heat is generated at the common junction. Therefore, a first copper lead connected to one end of a coil (superconducting strand) 12 constituting the superconducting magnet 11, and a second copper lead connected to the other end of the coil (superconducting strand) 12 A first thermoelectric conversion element electrically connected to the + terminal (not shown) side of the power supply 40, and a second thermoelectric conversion element electrically connected to the − terminal (not shown) side of the power supply 40 In the first energization direction, the changeover switch connects the first thermoelectric conversion element and the first copper lead, the second thermoelectric conversion element and the second copper lead, In the second energization direction, the first thermoelectric conversion element and the second copper lead, and the second thermoelectric conversion element and the first copper lead are connected to be switched. With this configuration, even when the energization direction is changed due to the reversal of the magnetic field direction in the superconducting magnet (the direction of current flow in the superconducting coil is reversed), the electrode for introducing current from the power supply 40 is always The n-electrode is set so that a current flows from the n-electrode to the p-electrode, and heat absorption from the low-temperature side is performed even in reverse energization.
[0037]
In the second embodiment of the present invention, in order to process the heat drawn from the low temperature side by the thermoelectric conversion element 15 (Peltier element), the terminal (electrode) 20B is connected by cooling means such as the JT cooler 21 or the like. It is cooling. A power cable (copper cable) is connected to the terminal (electrode) 20B. For this reason, if a temperature falls by cooling of the terminal 20B by a cooling means, a power cable will also be cooled. Therefore, it is preferable that the copper cable and the terminals 20A and 20B are electrically connected and thermally insulated. Therefore, in the present embodiment, a thermoelectric material (not shown) for electrical connection and thermal insulation is interposed between the terminal 20B and the power cable.
[0038]
The present invention has been described with reference to the above-described embodiments. However, the present invention is not limited to the configurations of the above-described embodiments, and those skilled in the art within the scope of the invention of each claim of the claims. It goes without saying that various modifications and corrections that can be achieved are included.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the terminal is provided with the thermoelectric conversion element, and the heat intrusion from the power supply terminal to the copper lead is reduced when the current is not energized, and the Peltier of the thermoelectric conversion element is energized by the energization. By assembling heat from the low temperature side to the high temperature side, heat penetration can be further reduced and cooling efficiency is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a first exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a second exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of a conventional helium-free magnet.
4A and 4B are diagrams illustrating an example of a configuration of a terminal including a thermoelectric conversion element, where FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a cross-sectional view.
[Explanation of symbols]
1A, 1B Thermoelectric semiconductor 2 Body (housing)
3A, 3B electrode (room temperature side electrode)
4A, 4B electrode 5A, 5B electrode (low temperature side electrode)
6 Support Bolt 7 Insulator 8 Electrical Insulation Support 9 Flange 10 Cryostat 11 Superconducting Magnet 12 Superconducting Wire 13 HTS
14 Copper lead 15 Thermoelectric conversion element 20, 20A, 20B Terminal 21 Cooler 22 Heat insulation layer 30 Refrigerator 31 First stage 32 Second stage 40 Power supply 50 Compressor 100 Mounting hole 101, 102 Contact member 105 Insulating member

Claims

A cryostat containing a superconducting magnet;
A refrigerator for conducting and cooling the superconducting magnet;
The cryostat wall is provided in an airtight manner, and both ends of the terminal are located at a normal temperature side and a low temperature side in the cryostat, respectively, and a terminal provided with a thermoelectric conversion element;
With
In the cryostat, a superconducting wire constituting the superconducting magnet is connected to one end of a copper lead via a high-temperature superconductor,
The first stage of the refrigerator is thermally connected to the high temperature side of the high temperature superconductor, and the second stage of the refrigerator is thermally connected to the low temperature side of the high temperature superconductor and the superconducting magnet. Connected to cool down,
The terminal is
A first electrode on a room temperature side, a second electrode on a low temperature side,
A third electrode on the room temperature side, a fourth electrode on the low temperature side,
Have
The first electrode and the second electrode are connected via a first thermoelectric conversion element of a first conductivity type,
The first electrode and the second electrode are both made of rod-shaped members,
A housing that accommodates at least part of the longitudinal direction of each of the first electrode and the second electrode;
The first electrode and the second electrode are supported in the housing via a support member,
The ends of the first electrode and the second electrode are connected to each other via the first thermoelectric conversion element,
The second electrode of the terminal is connected to the other end of the copper lead ;
The first electrode of the terminal on the room temperature side outside the cryostat is connected to a power source provided outside the cryostat,
The third electrode and the fourth electrode are connected via a second thermoelectric conversion element of the second conductivity type,
Both the third electrode and the fourth electrode are made of rod-shaped members,
A housing for accommodating at least a part of each of the third electrode and the fourth electrode in the longitudinal direction;
The third electrode and the fourth electrode are supported in the housing via a support member,
The ends of the third electrode and the fourth electrode are connected to each other via the second thermoelectric conversion element ,
The fourth electrode of the terminal is connected to a copper lead on the current return side;
The superconducting magnet apparatus according to claim 1, wherein the third electrode of the terminal on the room temperature side outside the cryostat is connected to the power source provided outside the cryostat .

The terminal is equipped with a heat exchanger for discharging heat to the room temperature side, a superconducting magnet apparatus according to claim 1, wherein a.

The first electrode is connected to the power source, introduces current from the power source, and supplies current introduced from the first electrode to the copper lead from the second electrode;
3. The super structure according to claim 1, wherein the fourth electrode is configured to return the current received from the copper lead on the current return side to the power source from the third electrode. 4. Conductive magnet device.

The third electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the third electrode is configured to have greater heat dissipation characteristics than the fourth electrode, and transmits heat to the housing on a room temperature side. A superconducting magnet device according to the item .

The third electrode is a part of the longitudinal direction, and is connected to an electrode having a larger diameter than the third electrode in order to increase heat capacity in the housing.
Larger electrode of the diameter, the housing of the room temperature side, heat through the member of conduction to and electrically insulating material is connected, it in any one of claims 1 to 4, characterized in The superconducting magnet device described.

Said housing includes a superconducting magnet apparatus according to any one of claims 1 to 5 flange for mounting is provided, it is characterized.

The superconducting magnet device according to claim 6 , wherein the flange includes a cooling unit .

8. The superconducting magnet apparatus according to claim 7, wherein the cooling means comprises air-cooled fins or water-cooled pipes .

The superconducting magnet device according to claim 8 , wherein the member constituting the flange is made of aluminum or copper .