JP5481681B2 - Superconducting electromagnet - Google Patents
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Description
本発明は、超伝導電磁石に関し、特に、極低温冷凍機を備えた超伝導電磁石に関する。 The present invention relates to a superconducting electromagnet, and more particularly to a superconducting electromagnet equipped with a cryogenic refrigerator.
超電導電磁石は、強力な磁場を発生させる装置であり、超電導コイルを極低温に冷却し、電気抵抗が無い状態において電流が流れる超電導状態にして使用されている。超伝導電磁石を開示した先行文献として、特許文献1から3がある。特許文献1から3に記載された超電導電磁石においては、超電導コイルを冷却するために液体ヘリウムが使用されている。
A superconducting electromagnet is a device that generates a strong magnetic field, and is used in a superconducting state in which a superconducting coil is cooled to a very low temperature and current flows in a state where there is no electrical resistance.
また、近年では液体ヘリウムを凝縮可能な絶対温度4K(ケルビン)での冷凍発生を可能とした超電導電磁石を開示した先行文献として、特許文献4がある。特許文献4に記載された超伝導電磁石においては、4K冷凍機を搭載して液体ヘリウムの蒸発を抑制している。
In recent years, there is
図6は、従来の超伝導電磁石の構成を示す模式図である。図6に示すように、超伝導コイル2が極低温冷媒槽3に収納されている。また、超伝導コイル2を冷却する液体ヘリウム1が極低温冷媒槽3に貯液されている。超伝導コイル2は、液体ヘリウム1に浸漬されている。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional superconducting electromagnet. As shown in FIG. 6, the
極低温冷媒槽3の周囲に輻射熱を低減させる熱シールド4が配置されている。熱シールド4の周囲に真空断熱槽5が配置されている。真空断熱槽5の内部は、高真空に保たれている。
A
超伝導電磁石には第1配管7が設けられ、第1配管7の一端は極低温冷媒槽3内で蒸発するヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端は真空断熱槽5に取付けられている。第1配管7を用いて、液体ヘリウムの注液、ヘリウムガスの排気、および、超伝導コイル2を励磁するためのリードの取付が行なわれる。
The superconducting electromagnet is provided with a
超伝導電磁石には冷凍機取付シリンダ9が設けられ、冷凍機取付シリンダ9の一端は極低温冷媒槽3内で蒸発するヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端は真空断熱槽5に取付けられている。冷凍機取付シリンダ9内に、冷凍機8が挿入固定されている。冷凍機8は、熱シールド4および極低温冷媒槽3を冷却している。
The superconducting electromagnet is provided with a
第1配管7には、液体ヘリウム1が蒸発したヘリウムガスを排気させるための逆止弁10と、超電導コイル2がクエンチ(超電導破壊)した場合に大量に蒸発するヘリウムガスを排気させるための破裂弁6が並列に取り付けられている。破裂弁6は、逆止弁10よりも高い動作圧力で動作するように設定されている。
The
上記の構成を有する超電導電磁石においては、輸送時など冷凍機を停止している際に、冷凍機からの熱侵入により液体ヘリウムの蒸発が増加する問題がある。また、上述の先行文献に記載された超伝導電磁石においても、液体ヘリウムの蒸発を抑制するうえで、さらに改良の余地がある。 The superconducting electromagnet having the above configuration has a problem that the evaporation of liquid helium increases due to heat intrusion from the refrigerator when the refrigerator is stopped during transportation. Further, the superconducting electromagnet described in the above-mentioned prior art also has room for further improvement in suppressing the evaporation of liquid helium.
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、冷凍機が停止している際の極低温冷媒の蒸発を抑制することができる、超伝導電磁石を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a superconducting electromagnet that can suppress the evaporation of the cryogenic refrigerant when the refrigerator is stopped.
本発明に基づく超伝導電磁石は、超伝導コイルと極低温冷媒槽と熱シールドと真空断熱槽と冷凍機取付シリンダと冷凍機と第1配管と断熱材と第2配管とを備えている。極低温冷媒槽は、超伝導コイルを収納し、超伝導コイルを冷却する極低温冷媒を貯液している。熱シールドは、極低温冷媒槽を包囲して輻射熱を低減している。真空断熱槽は、熱シールドを包囲している。冷凍機取付シリンダは、一端が極低温冷媒槽内で蒸発する極低温冷媒ガスの雰囲気中に臨み、他端が真空断熱槽に取付けられている。冷凍機は、冷凍機取付シリンダ内に挿入され、熱シールドおよび極低温冷媒槽を冷却している。第1配管は、一端が極低温冷媒槽内で蒸発する極低温冷媒ガスの雰囲気中に臨み、他端が真空断熱槽に取付けられ、極低温冷媒を注液および極低温冷媒ガスを排気するために用いられる。断熱材は、冷凍機の取り外し時に冷凍機取付シリンダにおける冷凍機の挿入部内に隙間嵌めに配接されている。第2配管は、冷凍機取付シリンダと断熱材との隙間に連通して、極低温冷媒ガスを排気するように配接されている。 A superconducting electromagnet according to the present invention includes a superconducting coil, a cryogenic refrigerant tank, a heat shield, a vacuum heat insulating tank, a refrigerator mounting cylinder, a refrigerator, a first pipe, a heat insulating material, and a second pipe. The cryogenic refrigerant tank stores a superconducting coil and stores a cryogenic refrigerant for cooling the superconducting coil. The heat shield surrounds the cryogenic refrigerant tank to reduce radiant heat. The vacuum insulation tank surrounds the heat shield. One end of the refrigerator mounting cylinder faces the atmosphere of the cryogenic refrigerant gas that evaporates in the cryogenic refrigerant tank, and the other end is attached to the vacuum heat insulating tank. The refrigerator is inserted into the refrigerator mounting cylinder and cools the heat shield and the cryogenic refrigerant tank. The first pipe has one end facing the atmosphere of the cryogenic refrigerant gas that evaporates in the cryogenic refrigerant tank, and the other end is attached to the vacuum heat insulating tank to inject the cryogenic refrigerant and exhaust the cryogenic refrigerant gas. Used for. The heat insulating material is arranged in a gap fit in the insertion portion of the refrigerator in the refrigerator mounting cylinder when the refrigerator is removed. The second pipe communicates with the gap between the refrigerator mounting cylinder and the heat insulating material and is arranged to exhaust the cryogenic refrigerant gas.
本発明によれば、蒸発した極低温冷媒ガスの顕熱を利用して極低温冷媒槽への熱浸入を妨げることにより、極低温冷媒ガスの蒸発を抑制することができる。 According to the present invention, evaporation of the cryogenic refrigerant gas can be suppressed by preventing sensible heat of the evaporated cryogenic refrigerant gas from entering the cryogenic refrigerant tank.
以下、本発明に基づいた実施形態1における超伝導電磁石について図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に係る超伝導電磁石における冷凍機の取付時の状態を示す模式図である。図1に示すように、超伝導コイル2が極低温冷媒槽3に収納されている。また、超伝導コイル2を冷却する極低温冷媒である液体ヘリウム1が極低温冷媒槽3に貯液されている。極低温冷媒槽3の材料として、ステンレスを用いた。
Hereinafter, the superconducting electromagnet in
FIG. 1 is a schematic diagram showing a state when the refrigerator is attached to the superconducting electromagnet according to
超伝導コイル2は、液体ヘリウム1に浸漬されている。超伝導コイル2は、NbTiを主材料として形成されている。本実施形態においては、極低温冷媒として液体ヘリウム1を用いたが、超伝導コイル2を超伝導状態にすることができる冷媒であればよく、冷媒の種類は液体ヘリウムに限られず、たとえば、液体窒素でもよい。
極低温冷媒槽3を包囲して輻射熱を低減させる熱シールド4が配置されている。熱シールド4の材料としてはAlを用いたが、熱伝導率の大きな材料であればよく、Cuまたはこれらの合金を用いてもよい。熱シールド4は、極低温冷媒槽3と後述する第1配管7と冷凍機取付シリンダ9と熱的に接続されている。
A
熱シールド4を包囲する真空断熱槽5が配置されている。真空断熱槽5の内部は、高真空に保たれている。真空断熱槽5の材料としてGFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)を用いたが、熱伝導率が小さな材料であればよく、材料はこれに限られない。
A vacuum
超伝導電磁石には第1配管7が設けられ、第1配管7の一端は極低温冷媒槽3内で蒸発するヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端は真空断熱槽5に取付けられている。具体的には、極低温冷媒槽3の上部に第1配管7の一端が取り付けられている。また、真空断熱槽5の上部に第1配管7の他端が取付けられている。第1配管7の材料として、ステンレスを用いた。
The superconducting electromagnet is provided with a
第1配管7を用いて、液体ヘリウムの注液、ヘリウムガスの排気、および、超伝導コイル2を励磁するためのリードの取付が行なわれる。第1配管7の他端には、超電導コイル2がクエンチした場合に大量に蒸発するヘリウムガスを排気させるための破裂弁6が取り付けられている。本実施形態においては、破裂弁6を第1配管7に取付けたが、後述する冷凍機取付シリンダ9の他端に取付けてもよい。
Using the
超伝導電磁石には冷凍機取付シリンダ9が設けられ、冷凍機取付シリンダ9の一端は極低温冷媒槽3内で蒸発するヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端は真空断熱槽5に取付けられている。具体的には、極低温冷媒槽3の上部に冷凍機取付シリンダ9の一端が取り付けられている。また、真空断熱槽5の上部に冷凍機取付シリンダ9の他端が取付けられている。冷凍機取付シリンダ9の材料としては、カーボン繊維強化樹脂(CFRP)を用いた。
The superconducting electromagnet is provided with a
冷凍機取付シリンダ9内に、冷凍機8が挿入されている。具体的には、冷凍機取付シリンダ9の他端に、冷凍機8の外形に対応した冷凍機8の挿入部15が形成されている。冷凍機8は、挿入部15に挿入された状態において、冷凍機取付シリンダ9の内側面と冷凍機8の外側面との間に隙間ができないように、図示しないOリングなどにより封止されている。冷凍機8は、熱シールド4および極低温冷媒槽3を冷却している。
A
図2は、本実施形態に係る超伝導電磁石における冷凍機の取外し時の状態を示す模式図である。図2に示すように、本実施形態においては、超伝導電磁石の輸送時など冷凍機の停止時には、冷凍機8を冷凍機取付シリンダ9の挿入部15から取外している。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a state when the refrigerator is removed from the superconducting electromagnet according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the
冷凍機8を取外した後の挿入部15には、断熱材11が挿入される。断熱材11の外形は、冷凍機8の挿入部15に挿入される部分の外形と略同じ形状を有している。ただし、断熱材11の外形は、冷凍機8の外形に比較して僅かに小さくなるように形成されている。本実施形態においては、断熱材11の材料としてCFRPを用いたが、熱伝導率の小さな材料であればよく、材料はこれに限られない。
The
断熱材11を挿入部15に挿入した状態において、断熱材11と冷凍機取付シリンダ9との間に隙間が形成されている。言い換えると、断熱材11は、冷凍機取付シリンダ9における冷凍機8の挿入部15内に隙間嵌めにされる。
In a state where the
冷凍機取付シリンダ9の他端に、第2配管16が接続されている。第2配管16は、冷凍機取付シリンダ9と断熱材11との隙間に連通している。第2配管16には、液体ヘリウム1が蒸発したヘリウムガスを排気させるための逆止弁10が取付けられている。第2配管の材料としては、ステンレスを用いた。逆止弁10は、破裂弁6よりも低い動作圧力で動作するように設定されている。
A
上記の構成にすることにより、冷凍機8の取外し時に蒸発したヘリウムガスは、冷凍機取付シリンダ9の挿入部15と断熱材11との隙間を通過して、第2配管16から排気される。そのため、ヘリウムガスの顕熱により冷凍機取付シリンダ9を冷却して、極低温冷媒槽3内への熱浸入を抑制することができる。その結果、液体ヘリウム1の蒸発を抑制することができる。
With the above configuration, the helium gas evaporated when the
本実施形態の超伝導電磁石においては、冷凍機8の取外し時に蒸発したヘリウムガスの顕熱を利用することにより、その後に蒸発する液体ヘリウムの量を低減することができる。よって、冷凍機8が停止している間の液体ヘリウムの蒸発を抑制することができる。
In the superconducting electromagnet of the present embodiment, the amount of liquid helium evaporated thereafter can be reduced by utilizing the sensible heat of the helium gas evaporated when the
また、第2配管16に設けた逆止弁10によって、外部の空気が冷凍機取付シリンダ9の挿入部15に流入して凍結することによる挿入部15と断熱材11との隙間の閉塞を防止することができる。仮に、挿入部15と断熱材11との隙間が閉塞した場合、第1配管7に破裂弁6が取り付けられているため、蒸発したヘリウムガスの排気が可能にされており、安全性が確保されている。
Further, the
以下、本発明に基づいた実施形態2における超伝導電磁石について図を参照して説明する。
実施形態2
図3は、本発明の実施形態2に係る超伝導電磁石における冷凍機の取外し時の状態を示す模式図である。図3に示すように、本発明の実施形態2に係る超伝導電磁石においては、第2配管16が、第1配管7の他端と接続されている。具体的には、第2配管16の一部が、真空断熱槽5に取付けられた第1配管7の端部と接続されている。また、第2配管16に逆止弁10および破裂弁6が取付けられている。他の構成については、実施形態1と同様であるため説明を繰返さない。
Hereinafter, the superconducting electromagnet in
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state when the refrigerator is removed from the superconducting electromagnet according to
上記の構成により、冷凍機8を取外し時に蒸発したヘリウムガスは、挿入部15と断熱材11との隙間、および、第1配管7を通過して第2配管16から排気される。そのため、ヘリウムガスの顕熱により冷凍機取付シリンダ9および第1配管7を冷却して、極低温冷媒槽3内への熱浸入を抑制することができる。その結果、冷凍機8が停止している間の液体ヘリウム1の蒸発を抑制することができる。
With the above configuration, the helium gas evaporated when the
以下、本発明に基づいた実施形態3における超伝導電磁石について図を参照して説明する。
実施形態3
図4は、本発明の実施形態3に係る超伝導電磁石における冷凍機の取外し時の状態を示す模式図である。図5は、図4に示すV部の拡大図である。図4,5に示すように、本発明の実施形態3に係る超伝導電磁石においては、断熱材12の挿入部15との嵌合部にらせん状の溝部13が形成されている。
Hereinafter, the superconducting electromagnet in
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state when the refrigerator is removed from the superconducting electromagnet according to
断熱材12の外側面と挿入部15における冷凍機取付シリンダ9の内側面とは接触している。そのため、ヘリウムガスは、冷凍機取付シリンダ9と断熱材12との隙間14を溝部13に沿って通過して、第2配管16から排気される。このように、溝部13によって、ヘリウムガスの流路が形成されている。その他の構成については、実施形態1と同様であるため説明を繰返さない。なお、実施形態2と同様に、第2配管16が、第1配管7の他端に接続されていてもよい。
The outer surface of the
上記の構成により、断熱材12と冷凍機取付シリンダ9との熱接触を確保しつつ、排気されるヘリウムガスの流路を長くすることができるため、ヘリウムガスの顕熱により効率よく断熱材12および冷凍機取付シリンダ9を冷却することができる。よって、極低温冷媒槽3内への熱浸入を抑制することができる。その結果、冷凍機8が停止している間の液体ヘリウム1の蒸発を抑制することができる。なお、溝部13の形状はらせん状に限られず、ヘリウムガスの流路を確保しつつ、流路を長くすることができるものであればよい。
With the above-described configuration, it is possible to lengthen the flow path of the exhausted helium gas while ensuring the thermal contact between the
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、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許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。 In addition, the said embodiment disclosed this time is an illustration in all the points, Comprising: It does not become a basis of limited interpretation. Therefore, the technical scope of the present invention is not interpreted only by the above-described embodiments, but is defined based on the description of the scope of claims. Further, all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims are included.
1 液体ヘリウム、2 超電導コイル、3 超低温冷媒槽、4 熱シールド、5 真空断熱槽、6 破裂弁、7 第1配管、8 冷凍機、9 冷凍機取付シリンダ、10 逆止弁、11,12 断熱材、13 溝部、14 隙間、15 挿入部、16 第2配管。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記超伝導コイルを収納し、前記超伝導コイルを冷却する液体ヘリウムを貯液する極低温冷媒槽と、
前記極低温冷媒槽を包囲して輻射熱を低減させる熱シールドと、
前記熱シールドを包囲する真空断熱槽と、
一端が前記極低温冷媒槽内で蒸発したヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端が前記真空断熱槽に取付けられた冷凍機取付シリンダと、
前記冷凍機取付シリンダ内に挿入され、前記熱シールドおよび前記極低温冷媒槽を冷却する冷凍機と、
一端が前記極低温冷媒槽内で蒸発したヘリウムガスの雰囲気中に臨み、他端が前記真空断熱槽に取付けられ、液体ヘリウムを注液およびヘリウムガスを排気するための第1配管と
を備え、
前記冷凍機の取外し時に前記冷凍機取付シリンダにおける前記冷凍機の挿入部内に隙間嵌めにされる断熱材が配接され、
前記冷凍機取付シリンダと前記断熱材との隙間に連通して、ヘリウムガスを排気する第2配管が配接されている、超伝導電磁石。 A superconducting coil;
A cryogenic refrigerant tank that houses the superconducting coil and stores liquid helium that cools the superconducting coil;
A heat shield that surrounds the cryogenic refrigerant bath to reduce radiant heat;
A vacuum insulation tank surrounding the heat shield;
A refrigerator mounting cylinder having one end facing the atmosphere of helium gas evaporated in the cryogenic refrigerant tank and the other end attached to the vacuum heat insulating tank,
A refrigerator that is inserted into the refrigerator mounting cylinder and cools the heat shield and the cryogenic refrigerant tank;
One end faces the atmosphere of helium gas evaporated in the cryogen vessel, and the other end is attached to the vacuum thermal insulation vessel, and a first piping for exhausting the liquid helium injected and helium gas,
A heat insulating material fitted into a gap in the insertion portion of the refrigerator in the refrigerator mounting cylinder when the refrigerator is removed is arranged,
A superconducting electromagnet in which a second pipe for exhausting helium gas is disposed in communication with a gap between the refrigerator mounting cylinder and the heat insulating material.
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