JP5539022B2 - 伝導冷却超電導マグネット装置 - Google Patents

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Description

本発明は、伝導冷却超電導マグネット装置に関する。
初期冷却時間を短縮するために、冷凍機とは別に、冷却材を流す配管を設けた伝導冷却超電導マグネット装置を開示した先行文献として、特許文献1および2がある。
特許文献1に記載の超電導コイル装置においては、両端部が真空容器外へ引出されているとともに、中間部が超電導コイルに熱接触している冷却配管を備えている。冷却配管は、熱的に非接触な状態で輻射シールドを貫通する第1のシールド貫通部と、熱接触した状態で輻射シールドを貫通する第2のシールド貫通部とを有している。
特許文献2に記載の超電導マグネットにおいては、輻射シールド内に配設された冷媒容器と真空容器の外部に配設された冷媒供給系および冷媒排出系とそれぞれ連通する冷媒供給間および冷媒排出管とを具備している。冷媒容器と超電導コイルとは、直接または熱伝導部材を介して熱的に接続されている。
特開平11−340028号公報 特開2000−182821号公報
上記のように、冷却材を流す配管を超電導コイルに接触させることにより、冷凍機による冷却と配管内を流される冷却材による冷却とにより、超電導コイルを短時間で冷却することが可能になる。
伝導冷却超電導マグネット装置においては、外部と接している真空容器を貫通または真空容器に接触しつつ、輻射シールドを貫通または輻射シールドに接触している配設部材が存在する。これらの配設部材は、真空容器から輻射シールドへ外部の熱を伝導するため、輻射シールド内の冷却を妨げる要因となっていた。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、初期冷却時間の短縮を図ることができる、伝導冷却超電導マグネット装置を提供することを目的とする。
本発明に基づく伝導冷却超電導マグネット装置は、真空容器と超電導コイルと輻射シールドと冷凍機と配設部材と冷却配管とを備えている。超電導コイルは、真空容器内に収容されている。輻射シールドは、真空容器内において超電導コイルの周囲を囲むように、真空容器と所定の間隔を置いて配置されている。冷凍機は、超電導コイルおよび輻射シールドを伝導で冷却している。配設部材は、真空容器と輻射シールドとの間に少なくとも一部が介在して、真空容器から輻射シールドへ熱が伝導している。冷却配管は、両端部が真空容器外へ引出され、中間部が超電導コイル、輻射シールドおよび配設部材と接触している。伝導冷却超電導マグネット装置は、冷却配管に流された冷却材に配設部材の熱を放出させることにより、輻射シールドに伝導する熱を低減させている。
本発明によれば、伝導冷却超電導マグネット装置の初期冷却時間の短縮を図ることができる。
本発明の実施形態1に係る伝導冷却超電導マグネット装置の構成を示す断面図である。 輻射シールド内の超電導コイル周辺を示す斜視図である。 電源に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。 図3のリードと冷却配管とを矢印IV方向から見た断面図である。 外部表示装置に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。 図5のリードと冷却配管とを矢印VI方向から見た断面図である。 電圧計に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。 図7のリードと冷却配管とを矢印VIII方向から見た断面図である。 真空容器と輻射シールドとがSIを挟んで接触した状態を示す一部断面図である。 本発明の実施形態2に係る真空容器と輻射シールドとSIとの構成を示す一部断面図である。
以下、本発明に基づいた実施形態1における伝導冷却超電導マグネット装置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に係る伝導冷却超電導マグネット装置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に係る伝導冷却超電導マグネット装置100においては、外部との熱伝導を抑制するために内部を真空にされた真空容器120を備えている。
真空容器120内には、超電導線が巻線された超電導コイル10が収容されている。超電導コイル10は、コイル巻枠20により周囲を巻装されている。超電導コイル10は、一端が真空容器120の内壁に取付けられ、他端がコイル巻枠20の側端部に連結された荷重支持体180により吊り下げられている。荷重支持体180としては、GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)からなる板状部材を用いた。真空容器120内において超電導コイル10の周囲を囲むように、真空容器120と所定の間隔を置いて輻射シールド110が配置されている。輻射シールド110も、荷重支持体180に接続されて支持されている。
外部から超電導コイル10へ輻射熱が伝わるの抑制するために、輻射シールド110を覆うように輻射シールド110の外側面上に、多層構造の断熱材であるSI(スーパーインシュレーション)150を配置している。本実施形態においては、真空容器120の内壁とSI150とは直接接触しないように間に隙間が設けられている。
超電導コイル10および輻射シールド110を伝導で冷却する冷凍機130が、真空容器120および輻射シールド110を貫通するように配置されている。冷凍機130としては、GM(ギフォード・マクマホン式)冷凍機を用いた。冷凍機130は、1段ステージと2段ステージとを備えている。冷凍機130の1段ステージは、輻射シールド110と接触している。冷凍機130の2段ステージは、熱伝導部材140を介して超電導コイル10に接続されている。
初期冷却終了後の通常運転時には、冷凍機130の2段ステージにより、超電導コイル10は所定の温度(たとえば4.2K)に維持される。また、冷凍機130の1段ステージにより輻射シールド110は、超電導コイル10よりも高い温度(たとえば80K)に維持される。
超電導コイル10は、真空容器120の外側に配置された電源190と、真空容器120外に引出されたリード191,192により接続されている。リード191およびリード192は、導電材料が電気絶縁性を有する材料で被覆されて形成されている。
本実施形態においては、輻射シールド110内の超電導コイル10の近傍に、輻射シールド110内の温度を確認するための温度計測部である温度計210を配置した。温度計210は、真空容器120の外側に配置された、温度計210の計測結果を表示する外部表示装置200と、真空容器120外に引き出されたリード201により接続されている。リード201の真空容器120からの引出し位置に、コネクタ121が設けられている。
また、本実施形態においては、超電導コイル10がクエンチしていないか確認するために超電導コイル10の印加電圧を検出する電圧計測部である電圧計220が、真空容器120の外側に配置されている。超電導コイル10は、電圧計220と、真空容器120外に引出されたリード221により接続されている。リード221の真空容器120からの引出し位置に、コネクタ122が設けられている。
輻射シールド110内に外部の熱が伝導することを抑制するためには、真空容器120と輻射シールド110との間が接続されていないことが好ましい。しかし、本実施形態の伝導冷却超電導マグネット装置100においては、上述の通り、荷重支持体180、リード191,192,201,221の一部が、真空容器120と輻射シールド110との間に介在して、真空容器120と輻射シールド110とを間接的に接続している。
真空容器120と輻射シールド110とが間接的に接続されている場合、真空容器120から外部の熱が、真空容器120と輻射シールド110との間の介在部材を通じて輻射シールド110に伝導する。
言い換えると、本実施形態においては、荷重支持体180、リード191,192,201,221は、真空容器120と輻射シールド110との間に少なくとも一部が介在して、真空容器120から輻射シールド110へ熱が伝導する配設部材となる。配設部材としては、種々の部材が含まれ、上記の部材は一例に過ぎない。
伝導冷却超電導マグネット装置100は、真空容器120の外に両端部が引出され、中間部が超電導コイル10、輻射シールド110および上記の配設部材に接触している冷却配管160を備えている。
具体的には、図中の矢印で示す方向に冷却材170として、たとえば、液体ヘリウムを流すための流入口と、冷却材170の出口となる流出口とが、真空容器120の外側に配置されている。冷却材170としては、液体窒素を用いていもよい。冷却材170として液体ヘリウムを用いた場合には、冷却配管160を用いた冷却により4.2Kまで冷却することが可能となる。冷却材170として液体窒素を用いた場合には、冷却配管160を用いた冷却により77Kまで冷却することが可能になる。
冷却配管160は、真空容器120および輻射シールド110を貫通して、超電導コイル10の側端部に中間部が接触するように配置されている。本実施形態においては、超電導コイル10の外周側のコイルに沿って、冷却配管160が配置されている。
また、冷却配管160は、荷重支持体180と輻射シールド110との接触位置を通過するように配置されている。さらに、冷却配管160の一部は、超電導コイル10の側端部に接触する側とは分岐して、熱伝導部材140と接触するように配置されている。
超電導コイル10を室温から所定の温度まで冷却する初期冷却を行なう場合には、冷凍機130を稼動させるとともに、液体ヘリウムを冷却材170として冷却配管160に流入させる。冷却材170は、超電導コイル10と接触している部分の冷却配管160内を流動している間に、超電導コイル10の熱を吸収する。
また、冷却材170は、輻射シールド110と接触している部分の冷却配管160内を流動している間に、輻射シールド110の熱を吸収する。このように、冷凍機130、および、冷却配管160に流された冷却材170により超電導コイル10および輻射シールド110を冷却することにより、冷凍機130のみで冷却する場合に比べて、伝導冷却超電導マグネット装置100の初期冷却に要する時間を短縮することができる。
本発明においては、さらに、冷却材170が、上記の配設部材と接触している部分の冷却配管160内を流動している間に、上記の配設部材の熱を吸収する。冷却配管160に流された冷却材170に配設部材の熱を放出させることにより、輻射シールド110に伝導する熱を低減させている。
本実施形態においては、冷却材170が、荷重支持体180と輻射シールド110との接触位置を通過している部分の冷却配管160内を流動している間に、真空容器120から荷重支持体180を介して輻射シールド110に伝導する熱を吸収する。
図2は、輻射シールド内の超電導コイル周辺を示す斜視図である。図2に示すように、超電導コイル10は、側端部近傍以外の外周をコイル巻枠20により覆われて支持されている。コイル巻枠20と荷重支持体180との接続位置240に、冷却配管160の一部が接触するように配置されている。本実施形態においては、超電導コイル10の両側の側端部に、冷却配管160が接触するように配置されている。
その結果、冷却材170が、荷重支持体180とコイル巻枠20との接続位置240と接触している部分の冷却配管160内を流動している間に、荷重支持体180からコイル巻枠20に伝導する熱を吸収する。
図3は、電源に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。図4は、図3のリードと冷却配管とを矢印IV方向から見た断面図である。図1においては簡易的に示していたが、図3に示すように、電源190に接続されたリード191およびリード192は、それぞれ冷却配管160に巻き付けられている。
図3に示すように、冷却配管160は、リード191およびリード192と輻射シールド110との接触位置を通過するように配置されている。リード191およびリード192は、それぞれ絶縁被覆されているが、互いに接触することにより短絡しないようにするために、図4に示すように、冷却配管160を挟んで反対側に位置するように配置されている。
その結果、冷却材170が、リード191およびリード192と輻射シールド110との接触位置を通過している部分の冷却配管160内を流動している間に、真空容器120からリード191またはリード192を介して輻射シールド110に伝導する熱を吸収する。
図5は、外部表示装置に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。図6は、図5のリードと冷却配管とを矢印VI方向から見た断面図である。図1においては簡易的に示していたが、図5,6に示すように、外部表示装置200に接続されたリード201は、冷却配管160に巻き付けられている。
その結果、冷却材170が、リード201が巻き付けられている部分の冷却配管160内を流動している間に、真空容器120からリード201を介して輻射シールド110に伝導する熱を吸収する。
図7は、電圧計に接続されたリードと冷却配管の配置関係を示す一部断面図である。図8は、図7のリードと冷却配管とを矢印VIII方向から見た断面図である。図1においては簡易的に示していたが、図7,8に示すように、電圧計220に接続されたリード221は、冷却配管160に巻き付けられている。
その結果、冷却材170が、リード221が巻き付けられている部分の冷却配管160内を流動している間に、真空容器120からリード221を介して輻射シールド110に伝導する熱を吸収する。
上記のように冷却配管160を配置して、冷却配管160内において冷却材170を流動させることにより、配設部材の熱を冷却材170に吸収させて、真空容器120から輻射シールド110へ配設部材を介して熱が伝導することを低減することができる。よって、超電導コイル10および輻射シールド110をさらに短時間で冷却することができるようになるため、伝導冷却超電導マグネット装置100の初期冷却に要する時間を短縮することができる。
以下、本発明に基づいた実施形態2における伝導冷却超電導マグネット装置について図を参照して説明する。
実施形態2
図9は、真空容器と輻射シールドとがSIを挟んで接触した状態を示す一部断面図である。伝導冷却超電導マグネット装置の設置スペースに限りがある場合、図9に示すように、真空容器120と、輻射シールド110上に配置されたSI150との間に隙間を確保できない場合がある。この場合、真空容器120からSI150を介して輻射シールド110に外部の熱が伝導する。よって、この場合のSI150は、実施形態1において説明した配設部材に該当する。
図10は、本発明の実施形態2に係る真空容器と輻射シールドとSIとの構成を示す一部断面図である。図10に示すように、本発明の実施形態2に係る伝導冷却超電導マグネット装置では、真空容器120とSI150とが接触している部分において、輻射シールド110とSI150との間に冷却配管150を配置している。冷却配管160を配置するためのスペースを確保するために、SI150の積層枚数を少なくしてもよい。
このようにすることにより、冷却配管150内を流される冷却材170は、SI150に接触している部分の冷却配管160内を流動している間に、真空容器120からSI150を介して輻射シールド110に伝導する熱を吸収する。
その結果、超電導コイル10および輻射シールド110をさらに短時間で冷却することができるようになるため、伝導冷却超電導マグネット装置100の初期冷却に要する時間を短縮することができる。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。
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。
10 超電導コイル、20 コイル巻枠、100 伝導冷却超電導マグネット装置、110 輻射シールド、120 真空容器、121,122 コネクタ、130 冷凍機、140 熱伝導部材、150,160 冷却配管、170 冷却材、180 荷重支持体、190 電源、191,192,201,221 リード、200 外部表示装置、210 温度計、220 電圧計、240 接続位置。

Claims (1)

  1. 真空容器と、
    前記真空容器内に収容された超電導コイルと、
    前記真空容器内において前記超電導コイルの周囲を囲むように、前記真空容器と所定の間隔を置いて配置された輻射シールドと、
    前記超電導コイルおよび前記輻射シールドを伝導で冷却する冷凍機と、
    前記真空容器と前記輻射シールドとの間に少なくとも一部が介在して、前記真空容器から前記輻射シールドへ熱が伝導する配設部材と、
    両端部が前記真空容器外へ引出され、中間部が前記超電導コイル、前記輻射シールドおよび前記配設部材と接触している冷却配管と
    を備え、
    前記冷却配管に流された冷却材に前記配設部材の熱を放出させることにより、前記輻射シールドに伝導する熱を低減させ
    前記配設部材は、前記輻射シールドを覆うように前記輻射シールドの外側面上に配置されて前記真空容器と接触している断熱材を含む、伝導冷却超電導マグネット装置。
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