JP5220244B1

JP5220244B1 - 超電導マグネット

Info

Publication number: JP5220244B1
Application number: JP2012544998A
Authority: JP
Inventors: 達也井上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: US20140274724A1; CN104040650A; CN104040650B; WO2013114523A1; US9431160B2; JPWO2013114523A1

Abstract

超電導マグネットは、超電導コイル(１１０)と、超電導コイル(１１０)を収納して内部に液体ヘリウム(１５０)を貯留するヘリウム槽(１２０)と、ヘリウム槽(１２０)の周囲を囲む輻射シールド(１３０)と、輻射シールド(１３０)を収納する真空容器(１４０)と、ヘリウム槽(１２０)に接続され、気化したヘリウムを排気する排気部(１９０)と、外部電源(１７０)と超電導コイル(１１０)とを電気的に接続し、真空容器(１４０)に対して着脱可能なリード(１７１)と、リード(１７１)と超電導コイル(１１０)とを接続するコネクタ(１６０)と、一端側がコネクタ(１６０)および排気部(１９０)の少なくとも一方に接触し、かつ、他端側が真空容器(１４０)の外側に位置し、真空容器(１４０)に対して着脱可能な熱伝導部材(１８０，２８０，３８０)とを備える。

Description

本発明は、超電導マグネットに関する。

電源供給リードと接続される接続用端子に付着した氷を除去する氷除去器具を開示した先行文献として、実開昭６３−８９２１２号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された超電導マグネットの氷除去器具においては、氷除去器具を接続用配管から挿入し、高熱容量の氷融解部を接続用端子に嵌着することにより氷を溶かしている。

実開昭６３−８９２１２号公報

リードを真空容器から着脱する際、真空容器内のヘリウム槽に空気などが浸入する。ヘリウム槽内に浸入した空気は、ヘリウム槽内の液体ヘリウムにより冷却されて凝固する。リードと接続端子との接続部において凝固が発生すると、リードを真空容器から引き抜くことができなくなる。無理にリードを引き抜いた場合には、リードが破損する。この場合、氷除去器具を用いて凝固物を除去することができない。

また、ヘリウム槽に接続された排気部において凝固が発生すると、気化したヘリウムを排出できなくなり、超電導コイルを安定して冷却することができなくなる。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、空気などの凝固物を除去できる超電導マグネットを提供することを目的とする。

本発明に基づく超電導マグネットは、超電導コイルと、超電導コイルを収納して内部に液体ヘリウムを貯留するヘリウム槽と、ヘリウム槽の周囲を囲む輻射シールドと、輻射シールドを収納する真空容器と、ヘリウム槽に接続され、気化したヘリウムを排気する排気部とを備える。また、超電導マグネットは、外部電源と超電導コイルとを電気的に接続し、真空容器に対して着脱可能なリードと、リードと超電導コイルとを接続するコネクタとを備える。さらに、超電導マグネットは、一端側がコネクタおよび排気部の少なくとも一方に接触し、かつ、他端側が真空容器の外側に位置し、真空容器に対して着脱可能な熱伝導部材を備える。

本発明によれば、空気などの凝固物を除去できる。

本発明の実施形態１に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。同実施形態に係る超電導マグネットのコネクタの構成を示す断面図である。本発明の実施形態２に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。本発明の実施形態３に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態１に係る超電導マグネットについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図２は、本実施形態に係る超電導マグネットのコネクタの構成を示す断面図である。

図１に示すように、本発明の実施形態１に係る超電導マグネット１００は、超電導線を巻き回して形成された超電導コイル１１０と、超電導コイル１１０を収納して内部に液体ヘリウム１５０を貯留するヘリウム槽１２０と、ヘリウム槽１２０の周囲を囲む輻射シールド１３０と、輻射シールド１３０を収納する真空容器１４０とを備えている。輻射シールド１３０は、図示しない支持部材によりヘリウム槽１２０への熱伝導が少なくなるように支持されている。

ヘリウム槽１２０の軸部に超電導コイル１１０が巻き付けられている。ヘリウム槽１２０の内部に貯留された液体ヘリウム１５０により超電導コイル１１０が冷却される。

ヘリウム槽１２０には、気化したヘリウムを排気する排気部である排気管１９０が接続されている。排気管１９０には、ヘリウム槽１２０内の圧力が所定の圧力以上となった場合に開くように設定されたバルブ１９１が取り付けられている。

超電導マグネット１００は、図示しない冷凍機を備えている。冷凍機の第１段目の冷却部は、輻射シールド１３０に接している。冷凍機の先端部である第２段目の冷却部は、ヘリウム槽１２０内において気化したヘリウムと接しており、気化したヘリウムを冷却して再液化する。

超電導マグネット１００には、超電導コイル１１０に電流を流すための外部電源１７０が接続される。超電導マグネット１００は、外部電源１７０と超電導コイル１１０とを電気的に接続して真空容器１４０に対して着脱可能なリード１７１と、リード１７１と超電導コイル１１０とを接続するコネクタ１６０とを備えている。

図２に示すように、コネクタ１６０は、リード１７１と超電導コイル１１０とを電気的に接続する接続端子１６１と、接続端子１６１を保持して熱伝導性を有する本体部１６３と、接続端子１６１と本体部１６３との間に介在する電気絶縁部１６２とを含む。

具体的には、銅などの金属からなる直方体状の本体部１６３を２本の接続端子１６１が貫通している。接続端子１６１と本体部１６３との間に、ＧＦＲＰ(Glass fiber reinforced plastics)などの電気絶縁性を有する電気絶縁部１６２が配置されている。電気絶縁部１６２により、接続端子１６１と本体部１６３との間、および、接続されたリード１７１と本体部１６３との間の電気絶縁が確保される。ただし、コネクタ１６０の形状および各構成の材料は上記に限られず、適宜設定される。

図１に示すように、超電導マグネット１００は、一端側がコネクタ１６０に接触し、かつ、他端側が真空容器１４０の外側に位置し、真空容器１４０に対して着脱可能な熱伝導部材１８０を備えている。

本実施形態においては、熱伝導部材１８０は、ヘリウム槽１２０内においてコネクタ１６０の本体部１６３の下面と接触するように固定配置されたＬ字状の第１熱伝導部材１８１と、第１熱伝導部材１８１の上端面と接触する下端面を有する棒状の第２熱伝導部材１８２とから構成されている。

なお、第１熱伝導部材１８１は、接続端子１６１とは非接触の状態で固定されている。第２熱伝導部材１８２は、真空容器１４０に対して着脱可能に支持されている。第１熱伝導部材１８１および第２熱伝導部材１８２は、銅から形成されている。より具体的には、第１熱伝導部材１８１および第２熱伝導部材１８２は、脱燐酸銅から形成されている。

熱伝導部材１８０の構成および材料は上記に限られず、熱伝導性を有する材料で一体に形成されていてもよい。たとえば、棒状の熱伝導部材の一端をコネクタ１６０の本体部１６３の側面に接触させ、他端を真空容器１４０の外側に位置するように配置してもよい。

ただし、本実施形態のように、２本の接続端子１６１が並ぶ方向において、第１熱伝導部材１８１を本体部１６３の全長にわたって接触させた方が、本体部１６３をより均一に加熱することができる。

以下、本実施形態に係る超電導マグネット１００の動作について説明する。
まず、リード１７１および第２熱伝導部材１８２を装着していない状態で、冷凍機を用いて液体ヘリウム１５０を４．２Ｋ程度まで冷却する。この時、窒素または酸素などを含む空気が凝固する可能性がある。リード１７１と接続される接続端子１６１の上端付近で凝固が発生した場合、そのままではリード１７１を装着することができない。

そこで、真空容器１４０に第２熱伝導部材１８２を装着して、第２熱伝導部材１８２の下端面を第１熱伝導部材１８１の上端面に接触させる。第２熱伝導部材１８２の上端部は真空容器１４０の外側に位置しているため、第２熱伝導部材１８２の上端部は真空容器１４０の外側の外気から熱を吸収する。

第２熱伝導部材１８２の上端部で吸収された熱は、第２熱伝導部材１８２の下端面から第１熱伝導部材１８１に伝導される。第１熱伝導部材１８１に伝導された熱は、コネクタ１６０の本体部１６３に伝導される。本体部１６３に伝導された熱により、接続端子１６１の上端付近に生じた凝固物を融解させて除去することができる。窒素または酸素などの凝固温度は外気温に比較してかなり低いため、外気を熱源として熱伝導部材１８０を介してコネクタ１６０を加熱することにより、確実に凝固物を除去することができる。

凝固物を除去した後、真空容器１４０にリード１７１を装着する。その後、第２熱伝導部材１８２を取り外す。この状態で、外部電源１７０を作動させることにより、リード１７１およびコネクタ１６０を通じて超電導コイル１１０に電流を流す。

超電導マグネット１００の磁場強度が定格磁場まで上昇して外部電源１７０からの電流供給が不要となってリード１７１を引き抜く際には、リード１７１と接続端子１６１との接続部１７１ａにおいて凝固が発生している可能性があるため、まず、真空容器１４０に第２熱伝導部材１８２を装着する。

上述したように、熱伝導部材１８０により本体部１６３を加熱して、接続部１７１ａに生じた凝固物を融解させて除去する。その後、リード１７１を引き抜くことにより、リード１７１に負荷がかかることを防止できる。最後に、第２熱伝導部材１８２を真空容器１４０から取り外す。

上記の方法でリード１７１を着脱することにより、接続端子１６１および接続部１７１ａに生じた凝固物によってリード１７１が着脱不能となることを防止できる。

以下、本発明の実施形態２に係る超電導マグネットについて図面を参照して説明する。なお、本実施形態に係る超電導マグネット２００は、排気部と接触した熱伝導部材２８０がさらに設けられている点のみ実施形態１に係る超電導マグネット１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態２)
図３は、本発明の実施形態２に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図３に示すように、本発明の実施形態２に係る超電導マグネット２００は、一端側が排気管１９０に接触し、かつ、他端側が真空容器１４０の外側に位置し、真空容器１４０に対して着脱可能な熱伝導部材２８０を備えている。

本実施形態においては、棒状の熱伝導部材２８０の一端を排気管１９０の口１９０ａの外周の一部に接触させ、他端を真空容器１４０の外側に位置するように配置している。

熱伝導部材２８０は、真空容器１４０に対して着脱可能に支持されている。熱伝導部材２８０は、銅から形成されている。より具体的には、熱伝導部材２８０は、脱燐酸銅から形成されている。ただし、熱伝導部材２８０の材料はこれに限られず、熱伝導性を有する材料であればよい。

以下、本実施形態に係る超電導マグネット２００において、排気部に生じた凝固物を除去する動作について説明する。

ヘリウム槽１２０には、ヘリウム槽１２０内の圧力を測定する図示しない圧力センサーが取り付けられている。ヘリウム槽１２０に接続された排気管１９０の口１９０ａにおいて凝固が発生すると、気化したヘリウムを排出できなくなり、ヘリウム槽１２０内の圧力が高くなる。

ヘリウム槽１２０内の圧力が所定の圧力以上となった場合、排気管１９０の口１９０ａが凝固物によって閉塞していると判断して、熱伝導部材２８０を真空容器１４０に装着する。熱伝導部材２８０の上端部は真空容器１４０の外側に位置しているため、熱伝導部材２８０の上端部は真空容器１４０の外側の外気から熱を吸収する。

熱伝導部材２８０の上端部で吸収された熱は、熱伝導部材２８０の下端部から排気管１９０に伝導される。排気管１９０に伝導された熱により、排気管１９０の口１９０ａの近傍に生じた凝固物を融解させて除去することができる。

凝固物を除去することにより排気管１９０から排気されてヘリウム槽１２０内の圧力が低下したことを確認した後、熱伝導部材２８０を取り外す。

上記の方法で排気部に生じた凝固物を除去することにより、超電導コイル１１０を安定して冷却することができる。その結果、超電導マグネット２００を安定して動作させることができる。

以下、本発明の実施形態３に係る超電導マグネットについて図面を参照して説明する。なお、本実施形態に係る超電導マグネット３００は、コネクタおよび排気部の両方と接触した熱伝導部材３８０が設けられている点のみ実施形態１に係る超電導マグネット１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態３)
図４は、本発明の実施形態３に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図４に示すように、本発明の実施形態３に係る超電導マグネット３００は、一端側である真空容器１４０内においてコネクタ１６０の本体部１６３および排気管１９０に接触し、かつ、他端側が真空容器１４０の外側に位置し、真空容器１４０に対して着脱可能な熱伝導部材３８０を備えている。

本実施形態においては、熱伝導部材３８０は、ヘリウム槽１２０内においてコネクタ１６０の本体部１６３の下面と接触するように固定配置されたＬ字状の第１熱伝導部材３８１と、第１熱伝導部材３８１の上端面と接触する下端面を有する棒状の第２熱伝導部材３８２とから構成されている。

なお、第１熱伝導部材３８１は、接続端子１６１とは非接触の状態で固定されている。第２熱伝導部材３８２は、真空容器１４０に対して着脱可能に支持されている。第１熱伝導部材３８１および第２熱伝導部材３８２は、銅から形成されている。より具体的には、第１熱伝導部材３８１および第２熱伝導部材３８２は、脱燐酸銅から形成されている。

熱伝導部材３８０の構成および材料は上記に限られず、熱伝導性を有する材料で一体に形成されていてもよい。たとえば、棒状の熱伝導部材の一端をコネクタ１６０の本体部１６３の側面、および、排気管１９０の口１９０ａの外周の一部に接触させ、他端を真空容器１４０の外側に位置するように配置してもよい。

この構成により、熱伝導部材３８０により本体部１６３を加熱して、接続部１７１ａに生じた凝固物を融解させて除去するとともに、排気管１９０の口１９０ａの近傍に生じた凝固物を融解させて除去することができる。

その結果、接続端子１６１および接続部１７１ａに生じた凝固物によってリード１７１が着脱不能となることを防止するとともに、超電導コイル１１０を安定して冷却することができる。

また、本実施形態に係る超電導マグネット３００は、第２熱伝導部材３８２の他端側を加熱する加熱部３７０をさらに備えている。加熱部３７０としては、抵抗加熱ヒータまたは温風ヒータなど種々のヒータを用いることができる。加熱部３７０により第２熱伝導部材３８２を加熱することにより、凝固物を融解させるために必要な時間を短縮することができる。ただし、超電導マグネット３００は、必ずしも加熱部３７０を備えなくてもよい。

なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１００，２００，３００超電導マグネット、１１０超電導コイル、１２０ヘリウム槽、１３０輻射シールド、１４０真空容器、１５０液体ヘリウム、１６０コネクタ、１６１接続端子、１６２電気絶縁部、１６３本体部、１７０外部電源、１７１リード、１７１ａ接続部、１８０，２８０，３８０熱伝導部材、１８１，３８１第１熱伝導部材、１８２，３８２第２熱伝導部材、１９０排気管、１９０ａ口、１９１バルブ、３７０加熱部。

Claims

超電導コイルと、
前記超電導コイルを収納して内部に液体ヘリウムを貯留するヘリウム槽と、
前記ヘリウム槽の周囲を囲む輻射シールドと、
前記輻射シールドを収納する真空容器と、
前記ヘリウム槽に接続され、気化したヘリウムを排気する排気部と、
外部電源と前記超電導コイルとを電気的に接続し、前記真空容器に対して着脱可能なリードと、
前記リードと前記超電導コイルとを接続するコネクタと、
一端側が前記コネクタおよび前記排気部に接触し、かつ、他端側が前記真空容器の外側に位置し、前記真空容器に対して着脱可能な熱伝導部材と
を備え、
前記コネクタは、前記リードと前記超電導コイルとを電気的に接続する２本の接続端子と、前記２本の接続端子を保持して熱伝導性を有する本体部と、前記２本の接続端子と前記本体部との間に介在する電気絶縁部とを含み、
前記熱伝導部材は、前記２本の接続端子が並ぶ方向において、前記本体部の全長にわたって接触している、超電導マグネット。
超電導コイルと、
前記超電導コイルを収納して内部に液体ヘリウムを貯留するヘリウム槽と、
前記ヘリウム槽の周囲を囲む輻射シールドと、
前記輻射シールドを収納する真空容器と、
前記ヘリウム槽に接続され、気化したヘリウムを排気する排気部と、
外部電源と前記超電導コイルとを電気的に接続し、前記真空容器に対して着脱可能なリードと、
前記リードと前記超電導コイルとを接続するコネクタと、
一端側が前記コネクタおよび前記排気部に接触し、かつ、他端側が前記真空容器の外側に位置し、前記真空容器に対して着脱可能な熱伝導部材と
を備える、超電導マグネット。
前記熱伝導部材の他端側を加熱する加熱部をさらに備える、請求項２に記載の超電導マグネット。
前記コネクタは、前記リードと前記超電導コイルとを電気的に接続する接続端子と、前記接続端子を保持して熱伝導性を有する本体部と、前記接続端子と前記本体部との間に介在する電気絶縁部とを含む、請求項２または３に記載の超電導マグネット。
前記熱伝導部材が銅を含む、請求項１または２に記載の超電導マグネット。