JP5708255B2 - Superconducting coil and superconducting magnet - Google Patents
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Description
本発明は、超電導コイルおよび超電導マグネットに関する。 The present invention relates to a superconducting coil and a superconducting magnet.
特開平11−186025号公報によれば、積層された第1および第2のパンケーキコイルと、第1のパンケーキコイルおよび第2のパンケーキコイルの間に介在するように設けられた冷却板とを有する超電導コイルが開示されている。冷却板は熱伝導バーを介して冷却ヘッドに接続されている。 According to Japanese Patent Laid-Open No. 11-186025, stacked first and second pancake coils and a cooling plate provided so as to be interposed between the first pancake coils and the second pancake coils A superconducting coil is disclosed. The cooling plate is connected to the cooling head via a heat conducting bar.
冷却ヘッドによりコイル部を効率よく冷却するためには、冷却ヘッドと冷却板との間の熱抵抗を小さくする必要がある。しかしながらそのための検討がこれまで十分にはなされておらず、コイル部の冷却効率は十分には高くなかった。 In order to efficiently cool the coil portion by the cooling head, it is necessary to reduce the thermal resistance between the cooling head and the cooling plate. However, sufficient studies have not been made so far, and the cooling efficiency of the coil portion has not been sufficiently high.
そこで、本発明の目的は、コイル部の冷却効率を高めることができる、超電導コイルおよび超電導マグネットを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a superconducting coil and a superconducting magnet that can increase the cooling efficiency of the coil portion.
本発明の超電導コイルは、コイル部と、冷却ヘッドと、伝熱部とを有する。コイル部は、超電導線が巻き回されることによって形成されている。冷却ヘッドは冷却可能な端部を有する。冷却ヘッドの端部は端面および端面を取り囲む側面を有する。伝熱部はコイル部および冷却ヘッドを互いにつないでいる。伝熱部は第1の伝熱板および固定具を有する。第1の伝熱板はコイル部に第1の位置で取り付けられている。固定具は、第1の伝熱板を把持しており、かつ冷却ヘッドに取り付けられている。固定具は冷却ヘッドの側面と接触している。 The superconducting coil of the present invention has a coil part, a cooling head, and a heat transfer part. The coil portion is formed by winding a superconducting wire. The cooling head has a coolable end. The end of the cooling head has an end surface and a side surface surrounding the end surface. The heat transfer part connects the coil part and the cooling head to each other. The heat transfer section has a first heat transfer plate and a fixture. The first heat transfer plate is attached to the coil portion at the first position. The fixture holds the first heat transfer plate and is attached to the cooling head. The fixture is in contact with the side of the cooling head.
本発明によれば、固定具が冷却ヘッドの側面と接触していることで、冷却ヘッドの端部をより有効に利用し得る。これにより冷却効率を高めることができる。 According to the present invention, since the fixture is in contact with the side surface of the cooling head, the end of the cooling head can be used more effectively. Thereby, cooling efficiency can be improved.
好ましくは伝熱部は第2の伝熱板を有する。第2の伝熱板はコイル部に、第1の位置から離れた第2の位置で取り付けられている。固定具は、第1の伝熱板および第2の伝熱板を共に把持している。 Preferably, the heat transfer section has a second heat transfer plate. The second heat transfer plate is attached to the coil portion at a second position away from the first position. The fixture holds both the first heat transfer plate and the second heat transfer plate.
これにより、第1および第2の伝熱板の各々の冷却ヘッドへの接続を、熱抵抗を抑えつつ簡単な構造によるものとすることができる。 Thereby, the connection of each of the first and second heat transfer plates to the cooling head can be made with a simple structure while suppressing thermal resistance.
好ましくは第1の伝熱板は第2の伝熱板よりも厚い。
これにより、第2の伝熱板に比して第1の伝熱板の熱抵抗を小さくすることができる。よってコイル部のうち第1の伝熱板が取り付けられた部分に生じる熱を、冷却ヘッドによってより効率よく除去することができる。
Preferably, the first heat transfer plate is thicker than the second heat transfer plate.
Thereby, the thermal resistance of the first heat transfer plate can be made smaller than that of the second heat transfer plate. Therefore, the heat which arises in the part to which the 1st heat exchanger plate was attached among coil parts can be removed more efficiently with a cooling head.
コイル部は磁束が通過する端部を有してもよく、この場合、上記第1の位置は上記第2の位置に比してコイル部の端部に近いことが好ましい。 The coil portion may have an end portion through which the magnetic flux passes. In this case, the first position is preferably closer to the end portion of the coil portion than the second position.
これにより、垂直磁場に起因した発熱が多くなりやすいコイル部の端部から、熱抵抗の小さい第1の伝熱板によって効率よく熱を除去することができる。 As a result, heat can be efficiently removed from the end of the coil portion that is likely to generate more heat due to the vertical magnetic field by the first heat transfer plate having low thermal resistance.
好ましくは第1の伝熱板は、複数の単層板が積層させることによって形成されている。
これにより第1の伝熱板の可撓性が大きくなるので、第1の伝熱板を介して冷却ヘッドがコイル部から受ける荷重を小さくすることができる。よって、コイル部からの荷重が加わることによる冷却ヘッドの故障を防止することができる。
Preferably, the first heat transfer plate is formed by laminating a plurality of single-layer plates.
As a result, the flexibility of the first heat transfer plate is increased, so that the load that the cooling head receives from the coil portion via the first heat transfer plate can be reduced. Therefore, failure of the cooling head due to application of a load from the coil portion can be prevented.
本発明の超電導マグネットは、上記の超電導コイルと、断熱容器とを有する。断熱容器は超電導コイルを収めている。 The superconducting magnet of the present invention includes the superconducting coil and a heat insulating container. The insulated container contains the superconducting coil.
本発明の超電導マグネットによれば、冷却ヘッドの故障を防止しつつ冷却効率を高めることができる。 According to the superconducting magnet of the present invention, the cooling efficiency can be increased while preventing a failure of the cooling head.
上述したように、本発明によれば、コイル部の冷却効率を高めることができる。 As described above, according to the present invention, the cooling efficiency of the coil portion can be increased.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図1を参照して、本実施の形態の超電導マグネット100は、超電導コイル91と、断熱容器111と、冷却装置121と、ホース122と、コンプレッサ123と、ケーブル131と、電源132とを有する。断熱容器111は超電導コイル91を収めている。本実施の形態においては、磁場が印加される試料(図示せず)を収めるための磁場印加領域SCが断熱容器111内に設けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Referring to FIG. 1,
図2および図3を参照して、超電導コイル91は、コイル部10と、冷却ヘッド20と、伝熱部30と、芯部81とを有する。伝熱部30は伝熱板群31および固定具32を有する。伝熱板群31は伝熱板31a〜31eから構成されている。
Referring to FIGS. 2 and 3,
コイル部10は、超電導線14(図6)が巻き回されることによって形成されており、磁束MFを発生させるためのものである。またコイル部10は、磁束MFが通過する端部(図2における上端または下端)を有する。またコイル部10は、ダブルパンケーキコイル11a〜11mを有する。ダブルパンケーキコイル11a〜11mは、この順に並ぶように積層されている。軸方向Aa(図2)は積層方向に対応しており、径方向Arは積層方向に垂直な方向に対応している。
The
冷却ヘッド20は、コイル部10を冷却するためのものであり、冷却可能な端部21と、端部21および冷却装置121(図1)とをつなぐ接続部22とを有する。
The
伝熱板群31の各々はコイル部10に取り付けられている。固定具32は冷却ヘッド20の端部21に取り付けられている。固定具32は伝熱板群31を把持している。伝熱板群31のうち固定具32に把持されている部分において、伝熱板31a〜伝熱板31eは互いに直接積層されている。このような構造によって、伝熱部30はコイル部10および冷却ヘッド20を互いにつないでいる。
Each of the heat
コイル部10と冷却ヘッド20との間の相対位置は、様々な要因によって変動し得る。この要因は、たとえば、熱膨張収縮の差異、冷却ヘッド20を駆動するためのコンプレッサ123(図1)による振動、コイル部10とコイル部10によって磁界が印加される試料との磁気的相互作用などである。この変動に起因してコイル部10から冷却ヘッド20へ荷重が加わり得る。冷却ヘッド20が耐え得る荷重は、たとえば100(N)程度までである。
The relative position between the
コイル部10と、伝熱板群31のコイル部10に取り付けられた部分とは、伝導板とパンケーキコイルとが交互に積層された構成を有している。伝熱板31aは、コイル部10の両端において、ダブルパンケーキコイル11aおよび11mの各々の位置に取り付けられている。伝熱板31bは、ダブルパンケーキコイル11aおよび11bの間と、ダブルパンケーキコイル11mおよび11lの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板31cは、ダブルパンケーキコイル11bおよび11cの間と、ダブルパンケーキコイル11lおよび11kの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板31dは、ダブルパンケーキコイル11cおよび11dの間と、ダブルパンケーキコイル11kおよび11jの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板31eは、ダブルパンケーキコイル11eおよび11fの間と、ダブルパンケーキコイル11jおよび11iの間と、ダブルパンケーキコイル11fおよび11gの間との各々の位置に取り付けられている。
The
言い換えると、伝熱板31a〜31eはこの順に、コイル部10のより端部に近い位置に取り付けられている。また伝熱板31a〜31eのそれぞれは、コイル部10における互いに離れた位置に取り付けられている。
In other words, the
伝熱板31a〜31eの材料は、熱伝導率および可撓性が大きい材料が好ましく、たとえばアルミニウム(Al)または銅(Cu)である。Al(またはCu)の純度は99.9%以上が好ましい。
The material of the
伝熱板31a〜31eは、固定具32まで延びることができるように、折曲部FDを有してもよい。
The
固定具32は、部材32aおよび32bと、ねじ34aおよび34bとを有する。ねじ34aは、部材32aおよび32bの間の隙間を調整することができるように設けられている。部材32aおよび32bの間の隙間に伝熱板群31が挟まれており、かつねじ34aが締め付けられていることによって、伝熱板群31が固定具32に把持されている。すなわち伝熱板31a〜31eが共に固定具32に把持されている。ねじ34bは、部材32aおよび32bの各々が冷却ヘッド20の端部21の側面SDを締め付けることができるように設けられている。これにより固定具32は冷却ヘッド20の端部21に取り付けられている。
The
図4および図5を参照して、ダブルパンケーキコイル11aは、互いに積層されたパンケーキコイル12aおよび12bを有する。パンケーキコイル12aにおける超電導線14の巻き回し方向Waと、パンケーキコイル12bにおける超電導線14の巻き回し方向Wbとは互いに逆である。パンケーキコイル12aの内周側に位置する超電導線14の端部ECiと、パンケーキコイル12bの内周側に位置する超電導線の端部ECiとは、互いに電気的に接続されている。これにより、パンケーキコイル12aの外周側に位置する超電導線14の端部ECoと、パンケーキコイル12bの外周側に位置する超電導線14の端部ECoとの間で、パンケーキコイル12aおよび12bは互いに直列に接続されている。
4 and 5,
ダブルパンケーキコイル11b〜11mの各々もダブルパンケーキコイル11aと同様の構成を有する。ダブルパンケーキコイル11a〜11mのうち互いに隣り合うものの各々の端部ECoは互いに電気的に接続されている。これにより、ダブルパンケーキコイル11a〜11mは互いに直列に接続されている。
Each of the double pancake coils 11b to 11m has the same configuration as that of the
図6を参照して、超電導線14は、厚さ方向Atにおける寸法である厚さDtと、軸方向Aaにおける寸法である幅Dwとを有し、延在方向Aeに沿って延在している。幅Dwは厚さDtよりも大きく、よって超電導線14は幅Dwを有する帯状面SFを有する。超電導線14は、帯状面SFに垂直な磁場(垂直磁場)が印加されるほど交流損失が増大するような特性を有する。
Referring to FIG. 6,
たとえば、厚さDtは0.2mm程度、幅Dwは4mm程度である。またたとえば超電導線14は、延在方向に延びるBi系超電導体と、この超電導体を被覆するシースとを有する。シースは、たとえば銀や銀合金よりなっている。
For example, the thickness Dt is about 0.2 mm and the width Dw is about 4 mm. For example, the
図7を参照して、冷却ヘッド20の端部21は端面BMおよび端面BMを取り囲む側面SDを有する。冷却ヘッド20は、たとえば円筒形状を有する。
Referring to FIG. 7, the
図8を参照して、伝熱板31aは、厚さT31aを有する積層板であってもよく、好ましくは、同一の厚さを有する単層板11が積層されることによって形成されている。あるいは伝熱板31aは、厚さT31を有する単層板であってもよい。伝熱板31b〜31d(図2)の各々も同様である。伝熱板31a〜31dの各々の厚さは、好ましくは、コイル部10の端部(図2における上端または下端)に近いほど大きい。伝熱板31a〜31dの厚さは、たとえば、各積層板を構成する単層板11の数によって調整することができる。この場合、伝熱板31a〜31dの各々の積層数は、コイル部10の端部に近いほど大きい。
Referring to FIG. 8,
各単層板11の厚さは、十分な可撓性を確保するために、好ましくは1mm以下であり、より好ましくは0.5mm以下である。
The thickness of each single-
図9を参照して、伝熱板31eは、好ましくは、上記厚さT31aよりも小さい厚さT31eを有する。好ましくは伝熱板31eは、図9に示すように、単独の単層板11によって構成されている。
Referring to FIG. 9, the
図10を参照して、上述した伝熱板31a(図3)の代わりに、渦損抑制のための絶縁部41および42が挿入された伝熱板31aVが用いられてもよい。絶縁部41は、コイル部10の径方向に沿って伝熱板31aVに形成されたスリットに挿入されている。絶縁部42は、コイル部10の周方向に沿って伝熱板31aVに形成されたスリットに挿入されている。絶縁部41および42の材料は、たとえばガラス繊維強化プラスチック(GFRP)である。
Referring to FIG. 10, a
本実施の形態によれば、固定具32が冷却ヘッド20の側面SDと接触していることで、冷却ヘッド20の端部21をより有効に利用し得る。これにより冷却効率を高めることができる。
According to the present embodiment, since the
また固定具32は、冷却ヘッド20に取り付けられており、かつ伝熱板31a〜31eを共に把持している。これにより、伝熱板31a〜31eの冷却ヘッド20への接続を、熱抵抗を抑えつつ簡単な構造によるものとすることができる。
The
好ましくは伝熱板群31は、第1および第2の伝熱板を有し、第1の伝熱板は第2の伝熱板よりも厚い。たとえば伝熱板31aが第1の伝熱板であるとすれば、伝熱板31b〜31eの各々が第2の伝熱板に対応する。あるいは伝熱板31bが第1の伝熱板であるとすれば、伝熱板31c〜31eの各々が第2の伝熱板に対応する。これにより第2の伝熱板に比して第1の伝熱板の熱抵抗を小さくすることができる。よって、コイル部10のうち第1の伝熱板が取り付けられた部分に生じる熱を、冷却ヘッドによってより効率よく除去することができる。
Preferably, heat
好ましくはコイル部10の端部に近い位置には、厚さが厚いことによって熱抵抗が小さくされた第1の伝熱板が取り付けられている。これにより、垂直磁場に起因した発熱が多くなりやすいコイル部10の端部から、熱抵抗の小さい第1の伝熱板によって効率よく熱を除去することができる。
Preferably, a first heat transfer plate whose thermal resistance is reduced by being thick is attached to a position near the end of the
好ましくは第1の伝熱板は、複数の単層板が積層させることによって形成されている。これにより第1の伝熱板の可撓性が大きくなるので、第1の伝熱板を介して冷却ヘッドがコイル部から受ける荷重を小さくすることができる。よって、コイル部からの荷重が加わることによる冷却ヘッドの故障を防止することができる。 Preferably, the first heat transfer plate is formed by laminating a plurality of single-layer plates. As a result, the flexibility of the first heat transfer plate is increased, so that the load that the cooling head receives from the coil portion via the first heat transfer plate can be reduced. Therefore, failure of the cooling head due to application of a load from the coil portion can be prevented.
コイル部10を構成するダブルパンケーキコイル11a〜11mの各々において発生する熱量をシミュレーションした。またダブルパンケーキコイル11a〜11mの各々と、冷却ヘッド20に取り付けられた固定具32との間の温度差をシミュレーションした。この温度差が大きいダブルパンケーキコイルは、より高温となる。なおダブルパンケーキコイル11a〜11mの温度は、伝熱板群31が引き出されている側(図2におけるコイル部10右側面)における値を用いた。
The amount of heat generated in each of the
伝熱板群31(図2)は、厚さ0.5mmのAl板を用いて準備した。伝熱板31a〜31dとしては、Al板を積層することによって形成された積層板を用いた。伝熱板31aから31dのそれぞれの積層数は、7、5、3および2とされた。伝熱板31eとしては、Al板の単層板を用いた。Al板の材料としては純度99.999%のAlを用いた。コイル部10および固定具32の間において、伝熱板31a〜31eの各々の幅(図10における縦方向の寸法)は50mm、長さ(図10における横方向の寸法)は200mmとされた。
The heat transfer plate group 31 (FIG. 2) was prepared using an Al plate having a thickness of 0.5 mm. As the
シミュレーションの結果を以下に示す。 The simulation results are shown below.
ダブルパンケーキコイル11a〜11mは、コイル部10の端部により近いほど(表1において最も上の行または最も下の行に近いほど)熱量が大きくなった。この理由は、図2の磁束MFの向きから分かるように、コイル部10の端部に近いほど垂直磁場が大きくなることに起因すると考えられる。
As the
ダブルパンケーキコイル11a〜11eの各々の温度差はおおよそ10(K)程度であり、大きな差異はなかった。つまり、ダブルパンケーキコイル11a〜11eの各々の熱量が大きく異なるにもかかわらず、ダブルパンケーキコイル11a〜11eの間の温度差を抑制することができた。
The temperature difference between each of the
また上記の伝熱板群31と、固定具32との各々の熱抵抗のシミュレーションも行った。固定具32(図2)のうち伝熱板群31を把持する部分において、部材32aおよび32bの各々は、厚さ42mmおよび長さ50mmの寸法を有するものとした。また固定具32の材料は銅とした。この結果、伝熱板群31の熱抵抗は0.055(K/W)であり、固定具32の熱抵抗は0.005(K/W)であった。すなわち固定具32による熱抵抗は十分に小さくすることができた。
Moreover, simulation of each thermal resistance of said heat-
コイル部10と冷却ヘッド20との間の距離が1mm変動した場合に冷却ヘッド20に加わる荷重をシミュレーションした。本シミュレーションは伝熱板群31において積層板が用いられることの影響を調べることを目的に行われたので、各シミュレーション条件において伝熱板31a〜31eの各々は同様の構成を有するものとされた。
A load applied to the cooling
また本シミュレーションは伝熱板群31として、上述したAl板を用いた場合に加えて、Cu板を用いた場合についても行われた。積層数の条件は3つとされた。第1の条件は積層数が6であり、厚さ0.5mmの単層板を6つ有する積層板に対応する。第2の条件は積層数が3であり、厚さ1.0mmの単層板を3つ有する積層板に対応する。第3の条件は積層数が1であり、厚さ3.0mmの単層板に対応する。結果を以下に示す。
In addition to the case where the Al plate described above was used as the heat
この結果から、各伝熱板の全体厚さを確保しつつ(この場合、厚さ3mmを維持しつつ)、積層数を増やすことによって、冷却ヘッド20に加わる荷重を小さくすることができることがわかった。
From this result, it is understood that the load applied to the cooling
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is shown not by the above-described embodiment but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
10 コイル部、11a〜11m ダブルパンケーキコイル、11 単層板、12a,12b パンケーキコイル、14 超電導線、20 冷却ヘッド、21 端部、22 接続部、30 伝熱部、31 伝熱板群、31a〜31e,31aV 伝熱板、32 固定具、32a,32b 部材、41,42 絶縁部、81 芯部、91 超電導コイル、100 超電導マグネット、111 断熱容器、121 冷却装置、123 コンプレッサ、132 電源、BM 端面、FD 折曲部、SC 磁場印加領域、SD 側面、SF 帯状面。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
冷却可能な端部を有する柱状の冷却ヘッドとを備え、
前記冷却ヘッドの前記端部は端面および前記端面を取り囲む側面を有し、さらに
前記コイル部および前記冷却ヘッドを互いにつなぐ伝熱部を備え、
前記伝熱部は、前記コイル部に第1の位置で取り付けられた第1の伝熱板と、前記冷却ヘッドに取り付けられかつ前記第1の伝熱板を把持する固定具とを含み、前記固定具は貫通部を有し、前記固定具の前記貫通部は前記柱状の冷却ヘッドの前記側面と接触している、超電導コイル。 A coil portion formed by winding a superconducting wire;
A columnar cooling head having a coolable end,
The end portion of the cooling head has an end surface and a side surface surrounding the end surface, and further includes a heat transfer portion that connects the coil portion and the cooling head to each other,
Said heat transfer unit comprises a first and a heat transfer plate which is mounted in the first position to the coil portion, and a fixture for gripping said mounted on the cooling head and the first heat transfer plate, wherein fixture has a through portion, the through portion of the fixture is in contact with the side surface of the columnar cooling head, the superconducting coil.
前記固定具は、前記第1の伝熱板および前記第2の伝熱板を共に把持する、請求項1に記載の超電導コイル。 The heat transfer part includes a second heat transfer plate attached to the coil part at a second position away from the first position,
The superconducting coil according to claim 1, wherein the fixture holds both the first heat transfer plate and the second heat transfer plate.
前記超電導コイルが収められる断熱容器とを備える、超電導マグネット。 The superconducting coil according to any one of claims 1 to 5 ,
A superconducting magnet comprising a heat insulating container in which the superconducting coil is housed.
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