JP5769902B1 - 超電導マグネット - Google Patents

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Abstract

超電導コイル(１４０)と、冷媒容器(１３０)と、輻射シールド(１２０)と、真空容器(１１０)と、冷凍機(１７０)と、電流リード(１４１)と、真空容器(１１０)および輻射シールド(１２０)を貫通して冷媒容器(１３０)の内部に通じて気化した冷媒(１６１)の流路を構成しつつ、冷凍機(１７０)が挿入されて固定される取付口(１８２)を有する第１配管(１８０)と、真空容器(１１０)および輻射シールド(１２０)を貫通して冷媒容器(１３０)の内部に通じて気化した冷媒(１６１)の流路を構成しつつ、電流リード(１４１)が内部を通って引き出される引き出し口(１８３)を有する第２配管(１８１)と、第１配管(１８０)の取付口(１８２)より下流側、および第２配管(１８１)の引き出し口(１８３)より下流側の少なくとも一方に接続され、一定の流量比率にて気化した冷媒(１６１)を第１配管(１８０)および第２配管(１８１)の各々に通流させる流量比率維持機構(１９０)とを備える。

Description

本発明は、超電導マグネットに関し、特に、取り外しを行なわない固定方式の冷凍機および固定方式の電流リードを有する超電導マグネットに関する。
極低温冷媒として液体ヘリウムを使用する超電導マグネットにおいて、輻射シールドの冷却を均一化して極低温冷媒槽への熱侵入量の増加の抑制を図った極低温装置を開示した先行文献として、特開平８−１５９６３３号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された極低温装置においては、輻射シールド冷却管が複数の並列流路輻射シールド冷却管で構成され、複数の並列流路輻射シールド冷却管の各々の出口付近に、流路の内部を流れる冷媒の温度変化に従って夫々開度が変化する流量制御弁が設けられている。
ヘリウムガスの顕熱を利用してヘリウム貯留槽を冷却する多重循環式液体ヘリウム再凝縮装置を開示した先行文献として、特開２０００−１０５０７２号公報(特許文献２)がある。ヘリウムガスの顕熱を利用して輻射シールドを冷却する超電導磁気シールドを開示した先行文献として、実開平３−８８３６６号公報(特許文献３)がある。
特許文献２に記載された多重循環式液体ヘリウム再凝縮装置においては、流量調整弁の開度を調整しながらヘリウムガスの大部分を小型冷凍機の第１熱交換器によって約４０Ｋまで冷却し、冷却したヘリウムガスは流路を通って液体ヘリウム貯留槽内に供給される。残りのヘリウムガスは小型冷凍機の第１熱交換器および第２熱交換器を経て液化され、液体ヘリウムは流路を通って液体ヘリウム貯留槽内に供給される。
特許文献３に記載された超電導磁気シールドにおいては、液体ヘリウム容器の外側に、液体ヘリウム容器を囲むように伝熱板が配置され、伝熱板の外周面に接触してヘリウムガスが通る配管が配設されている。
特開平８−１５９６３３号公報 特開２０００−１０５０７２号公報 実開平３−８８３６６号公報
特許文献１に記載された超電導マグネットにおいては、停電時または輸送時などの電力が供給されないときに、流量制御弁が機能しないため、冷媒容器への熱侵入を抑制することが難しい。特許文献２に記載された多重循環式液体ヘリウム再凝縮装置においては、停電時または輸送時などの電力が供給されないときに、流量調整弁が機能しないため、冷媒容器への熱侵入を抑制することが難しい。特許文献３に記載された超電導磁気シールドにおいては、ヘリウムガスの流量を調整することについて考慮されていない。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、電力供給が停止した状態においても、ヘリウムガスの複数の流路における流量比率を維持可能であることにより冷媒容器への熱侵入を抑制できる、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、超電導コイルを液状の冷媒に浸漬した状態で収容する冷媒容器と、冷媒容器の周りを囲む輻射シールドと、超電導コイル、冷媒容器および輻射シールドを収容する真空容器と、輻射シールドおよび冷媒容器の内部を冷却する冷凍機と、超電導コイルに電気的に接続された電流リードと、真空容器および輻射シールドを貫通して冷媒容器の内部に通じて気化した冷媒の流路を構成しつつ、冷凍機が挿入されて固定される取付口を有する第１配管と、真空容器および輻射シールドを貫通して冷媒容器の内部に通じて気化した冷媒の他の流路を構成しつつ、電流リードが内部を通って引き出される、引き出し口を有する第２配管と、第１配管の取付口より下流側、および第２配管の引き出し口より下流側の少なくとも一方に接続され、一定の流量比率にて気化した冷媒を第１配管および第２配管の各々に通流させる流量比率維持機構とを備える。
本発明によれば、電力供給が停止した状態においても、ヘリウムガスの複数の流路における流量比率を維持可能であることにより冷媒容器への熱侵入を抑制できる。
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。 本発明の実施形態１に係る超電導マグネットにおける流量比率維持機構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における流量比率維持機構の構成を示す断面図である。
以下、本発明の各実施形態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。
なお、以下の実施形態においては、中空円筒型の超電導マグネットについて説明するが、必ずしも中空円筒型の超電導マグネットに限定されるものではなく、開放型の超電導マグネットにも本発明を適用できる。
(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１においては、超電導マグネットの上側部分の断面のみを示している。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においては、最も外側に、中空円筒状の真空容器１１０が配置されている。真空容器１１０は、真空容器１１０の内側と外側とを真空断熱するために、たとえば、ステンレスまたはアルミニウムなどの非磁性材料から構成されている。
真空容器１１０の内部は、図示しない減圧装置により真空になるように減圧されている。真空容器１１０の内部には、真空容器１１０と略相似形の中空円筒状の輻射シールド１２０が配置されている。
輻射シールド１２０は、たとえば、アルミニウムなどの光の反射率の高い非磁性材料から構成されている。輻射シールド１２０の外側を覆うように、多層断熱材１５０(スーパーインシュレーション)が配置されている。多層断熱材１５０は、輻射シールド１２０の表面に貼り付けられていてもよい。
輻射シールド１２０の内部には、輻射シールド１２０と略相似形の中空円筒状の冷媒容器１３０が配置されている。輻射シールド１２０は、冷媒容器１３０の周りを囲んで、冷媒容器１３０と真空容器１１０との間を断熱する機能を有している。冷媒容器１３０は、ステンレスまたはアルミニウムなどの非磁性材料から構成されている。
冷媒容器１３０の内部には、超電導コイル１４０が収容されている。超電導コイル１４０は、ステンレスまたはアルミニウムなどの非磁性材料から構成された巻枠１３２に巻き回されている。巻枠１３２は、図示しない支持部に支持されて、冷媒容器１３０内にて冷媒容器１３０と間隔を置いた状態で固定されている。なお、超電導コイル１４０は、冷媒容器１３０の底部に巻き回されていてもよい。この場合には、巻枠１３２は設けられない。
冷媒容器１３０の内部には、液状の冷媒である液体ヘリウム１６０が充填されている。超電導コイル１４０は、液体ヘリウム１６０中に浸漬されて冷却されている。超電導コイル１４０は、たとえば、銅からなるマトリクスの中心部にニオブチタン合金を埋め込んで形成された超電導線が巻き回されて構成されている。
このように、真空容器１１０は、超電導コイル１４０、冷媒容器１３０および輻射シールド１２０を収容している。真空容器１１０は、たとえばガラスエポキシからなる複数の支持棒１３１の一端と接続されている。複数の支持棒１３１の各々は、輻射シールド１２０および冷媒容器１３０と接続されている。すなわち、輻射シールド１２０および冷媒容器１３０の各々は、複数の支持棒１３１によって真空容器１１０に対して固定されている。
本実施形態においては、冷媒として液体ヘリウム１６０を用いたが、冷媒の種類は、液体ヘリウムに限られず、超電導コイル１４０を超電導状態にすることができる冷媒であればよく、たとえば、液体窒素でもよい。
超電導マグネット１００は、輻射シールド１２０および冷媒容器１３０の内部を冷却する冷凍機１７０を備えている。冷凍機１７０としては、２段の冷凍ステージを有するギフォード・マクマホン型冷凍機またはパルスチューブ冷凍機を用いることができる。
冷凍機１７０の第１冷凍ステージ１７１は、伝熱板１２１を間に挟んで輻射シールド１２０と間接的に接続されている。伝熱板１２１は、たとえば銅からなり、後述する第１配管１８０の周壁の一部を貫通している。冷凍機１７０の第２冷凍ステージ１７２は、冷媒容器１３０の内部において上方に位置して、気化したヘリウムガス１６１を再液化する。
冷凍機１７０は、後述する第１配管１８０の取付口１８２に挿入されて固定されている。冷凍機１７０は、取付口１８２に挿入された状態において、第１配管１８０の取付口１８２の上面と冷凍機１７０のフランジの下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。本実施形態に係る冷凍機１７０は、取り外しを行なわない固定方式の冷凍機である。
超電導マグネット１００は、超電導コイル１４０に電気的に接続された電流リード１４１を備えている。電流リード１４１は、後述する第２配管１８１の内部を通って引き出し口１８３から外部に引き出されている。電流リード１４１は、引き出し口１８３から気密に引き出されている。外部に引き出された電流リード１４１の先端は、電力を供給する図示しない電源に接続されている。本実施形態に係る電流リード１４１は、取り外しを行なわない固定方式の電流リードである。電流リード１４１の材料は、りん脱酸銅を主成分とする。ただし、電流リード１４１の材料の主成分は、りん脱酸銅に限られず、黄銅または電気銅などでもよい。
超電導マグネット１００は、真空容器１１０および輻射シールド１２０を貫通して冷媒容器１３０の内部に通じて気化したヘリウムガス１６１の流路を構成しつつ、冷凍機１７０が挿入されて固定される取付口１８２を有する第１配管１８０を備えている。第１配管１８０は、カーボン繊維強化樹脂(ＣＦＲＰ：carbon fiber reinforced plastic)から構成されている。ただし、第１配管１８０の材料は、ＣＦＲＰに限られず、熱伝導率の小さい材料であればよい。
冷凍機１７０が挿入されている部分において、第１配管１８０の内周面と、冷凍機１７０の外周面との間には、ヘリウムガス１６１の流路となる連続した隙間が形成されている。
超電導マグネット１００は、真空容器１１０および輻射シールド１２０を貫通して冷媒容器１３０の内部に通じて気化したヘリウムガス１６１の他の流路を構成しつつ、電流リード１４１が内部を通って引き出される、引き出し口１８３を有する第２配管１８１を備えている。第２配管１８１は、ＣＦＲＰから構成されている。ただし、第２配管１８１の材料は、ＣＦＲＰに限られず、熱伝導率の小さい材料であればよい。
超電導マグネット１００は、第１配管１８０の取付口１８２より下流側、および第２配管１８１の引き出し口１８３より下流側の各々に接続され、一定の流量比率にてヘリウムガス１６１を第１配管１８０および第２配管１８１の各々に通流させる流量比率維持機構１９０を備えている。
図２は、本発明の実施形態１に係る超電導マグネットにおける流量比率維持機構の構成を示す断面図である。図２においては、後述する放出弁１９３が開いた状態を示している。
図２に示すように、本実施形態に係る超電導マグネット１００における流量比率維持機構１９０は、第１配管１８０および第２配管１８１の各々に設けられた手動バルブから構成されている。具体的には、流量比率維持機構１９０は、第１配管１８０に設けられた第１手動バルブ１９１および第２配管１８１に設けられた第２手動バルブ１９２から構成されている。
第１手動バルブ１９１および第２手動バルブ１９２の各々の開度を調整することにより、第１配管１８０を通流するヘリウムガス１６１ａと、第２配管１８１を通流するヘリウムガス１６１ｂとの、流量比率を一定に維持することができる。
流量比率維持機構１９０の下流側に、ヘリウムガス１６１を放出する放出弁１９３が設けられている。本実施形態においては、１つの放出弁１９３から第１配管１８０および第２配管１８１の各々を通流したヘリウムガス１６１を一緒に放出するが、これに限られず、第１配管１８０および第２配管１８１の各々を通流したヘリウムガス１６１を別々に放出するために、２つの放出弁１９３が設けられていてもよい。
本実施形態においては、超電導マグネット１００は、輻射シールド１２０内に配置され、第１配管１８０の温度を測定する第１温度計１８４と、輻射シールド１２０内に配置され、第２配管１８１の温度を測定する第２温度計１８５とをさらに備えている。第１温度計１８４および第２温度計１８５としては、極低温領域での測定精度が良好な白金測温抵抗体を用いたが、これに限られず、熱電対などでもよい。ただし、超電導マグネット１００は、必ずしも第１温度計１８４および第２温度計１８５を備えていなくてもよい。
以下、超電導マグネット１００の動作について説明する。
超電導マグネット１００において真空容器１１０の外側は、室温である３００Ｋ程度の温度になっている。第１配管１８０および第２配管１８１の各々の下端部は、超電導コイル１４０と略同一の４Ｋ程度まで冷却されている。第１配管１８０および第２配管１８１の各々は、真空容器１１０の外側から冷媒容器１３０まで繋がっているため、冷媒容器１３０への熱侵入の経路となる。
第１配管１８０および第２配管１８１の各々を通じて冷媒容器１３０に熱が侵入した場合、液体ヘリウム１６０が気化してヘリウムガス１６１が発生する。冷凍機１７０が稼働しているときは、冷凍機１７０の第２冷凍ステージ１７２によって、ヘリウムガス１６１は再液化される。
停電時または超電導マグネット１００の輸送時などの電力が供給されていないときは、冷凍機１７０が稼働していないため、ヘリウムガス１６１は再液化されず、液体ヘリウム１６０の気化に伴ってヘリウムガス１６１の圧力が徐々に増加する。ヘリウムガス１６１の圧力が閾値を超えると、放出弁１９３が開いてヘリウムガス１６１が外部に放出される。
ヘリウムガス１６１は、第１配管１８０および第２配管１８１の各々を通流して、放出弁１９３から放出される。第１配管１８０および第２配管１８１におけるヘリウムガス１６１の流量比率は、第１手動バルブ１９１および第２手動バルブ１９２の互いの開度の比によって決まる。
たとえば、第１手動バルブ１９１の開度を第２手動バルブ１９２の開度の２倍にした場合、第１配管１８０を通流するヘリウムガス１６１の流量は、第２配管１８１を通流するヘリウムガス１６１の流量の略２倍になる。
ヘリウムガス１６１は、第１配管１８０および第２配管１８１の各々を通流する間に、顕熱によって第１配管１８０および第２配管１８１の各々を冷却する。ヘリウムガス１６１の流量が大きいほど、顕熱による冷却作用が大きくなる。よって、第１配管１８０および第２配管１８１におけるヘリウムガス１６１の流量比率によって、第１配管１８０および第２配管１８１の冷却比率が決まる。
上記のように、第１配管１８０および第２配管１８１の各々は、冷媒容器１３０への熱侵入の経路となる。第１配管１８０および第２配管１８１の各々からの冷媒容器１３０への熱侵入量は、第１配管１８０および第２配管１８１の各々の材料、形状および寸法などから予測することができる。
冷凍機１７０を取り付けられる第１配管１８０は、電流リード１４１が引き出される第２配管１８１より直径が大きく、真空容器１１０の外側に位置する体積も大きい。そのため、第１配管１８０を通過して冷媒容器１３０に侵入する熱の量は、第２配管１８１を通過して冷媒容器１３０に侵入する熱の量より多い。
よって、第１手動バルブ１９１の開度を第２手動バルブ１９２の開度より大きくすることにより、熱侵入量の多い第１配管１８０に、第２配管１８１より多くのヘリウムガス１６１を流すことができる。第１配管１８０および第２配管１８１における熱侵入量の比率に対応して、第１配管１８０および第２配管１８１におけるヘリウムガス１６１の流量比率を決定することにより、ヘリウムガス１６１の顕熱を効果的に利用して、第１配管１８０および第２配管１８１の各々を冷却することができる。
その結果、第１配管１８０および第２配管１８１の各々を通じて冷媒容器１３０に侵入する熱の量を効果的に低減することができる。なお、第１手動バルブ１９１および第２手動バルブ１９２の各々は、電力を必要としない。これにより、停電時または超電導マグネット１００の輸送時などの電力が供給されていないときにおいても、第１配管１８０および第２配管１８１におけるヘリウムガス１６１の流量比率を維持して、冷媒容器１３０への熱侵入を抑制することができる。ひいては、液体ヘリウム１６０の気化を抑制することができる。
なお、本実施形態に係る超電導マグネット１００においては、第１配管１８０および第２配管１８１の各々に手動バルブを設けたが、熱侵入量の少ない第２配管１８１のみに手動バルブを設けてもよい。すなわち、流量比率維持機構１９０は、少なくとも熱侵入量の少ない方の配管に接続されていればよい。
上記のように、本実施形態に係る超電導マグネット１００は、第１温度計１８４および第２温度計１８５を備えている。そのため、第１温度計１８４および第２温度計１８５の各々の測定値から、第１温度計１８４および第２温度計１８５の各々を通じた熱侵入量の比率を確認し、その結果に基づいて第１配管１８０および第２配管１８１におけるヘリウムガス１６１の流量比率を決定してもよい。
すなわち、第１温度計１８４および第２温度計１８５の測定値の比較結果に基づいて、第１手動バルブ１９１の開度を第２手動バルブ１９２の開度を調整してもよい。これにより、第１配管１８０および第２配管１８１におけるヘリウムガス１６１の流量比率を現状に合わせて決定することができるため、冷媒容器１３０への熱侵入をより抑制することができる。
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説明する。本実施形態に係る超電導マグネットは、流量比率維持機構の構成のみ実施形態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における流量比率維持機構の構成を示す断面図である。図３においては、放出弁１９３が開いた状態を示している。
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における流量比率維持機構１９０ａは、第１配管１８０および第２配管１８１の各々に設けられたオリフィスから構成されている。具体的には、流量比率維持機構１９０ａは、第１配管１８０に設けられた第１オリフィス１９１ａおよび第２配管１８１に設けられた第２オリフィス１９２ａから構成されている。
第１オリフィス１９１ａの絞り直径ｄ1および第２オリフィス１９２ａの絞り直径ｄ2を規定することにより、第１配管１８０を通流するヘリウムガス１６１ａと、第２配管１８１を通流するヘリウムガス１６１ｂとの、流量比率を一定に維持することができる。
第１配管１８０および第２配管１８１におけるヘリウムガス１６１の流量比率は、第１オリフィス１９１ａおよび第２オリフィス１９２ａの互いの絞り直径の比によって決まる。
たとえば、第１オリフィス１９１ａの絞り直径ｄ1を第２オリフィス１９２ａの絞り直径ｄ2の２倍にした場合、第１配管１８０を通流するヘリウムガス１６１の流量は、第２配管１８１を通流するヘリウムガス１６１の流量の略２倍になる。
第１オリフィス１９１ａおよび第２オリフィス１９２ａの各々は、電力を必要としない。これにより、停電時または超電導マグネットの輸送時などの電力が供給されていないときにおいても、第１配管１８０および第２配管１８１におけるヘリウムガス１６１の流量比率を維持して、冷媒容器１３０への熱侵入を抑制することができる。ひいては、液体ヘリウム１６０の気化を抑制することができる。
なお、本実施形態に係る超電導マグネットにおいては、第１配管１８０および第２配管１８１の各々にオリフィスを設けたが、熱侵入量の少ない第２配管１８１のみにオリフィスを設けてもよい。すなわち、流量比率維持機構１９０ａは、少なくとも熱侵入量の少ない方の配管に接続されていればよい。
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 超電導マグネット、１１０ 真空容器、１２０ 輻射シールド、１２１ 伝熱板、１３０ 冷媒容器、１３１ 支持棒、１３２ 巻枠、１４０ 超電導コイル、１４１ 電流リード、１５０ 多層断熱材、１６０ 液体ヘリウム、１６１，１６１ａ，１６１ｂ ヘリウムガス、１７０ 冷凍機、１７１ 第１冷凍ステージ、１７２ 第２冷凍ステージ、１８０ 第１配管、１８１ 第２配管、１８２ 取付口、１８３ 引き出し口、１８４ 第１温度計、１８５ 第２温度計、１９０，１９０ａ 流量比率維持機構、１９１ 第１手動バルブ、１９１ａ 第１オリフィス、１９２ 第２手動バルブ、１９２ａ 第２オリフィス、１９３ 放出弁、ｄ1，ｄ2 絞り直径。

Claims (4)

  1. 超電導コイルと、
    前記超電導コイルを液状の冷媒に浸漬した状態で収容する冷媒容器と、
    前記冷媒容器の周りを囲む輻射シールドと、
    前記超電導コイル、前記冷媒容器および前記輻射シールドを収容する真空容器と、
    前記輻射シールドおよび前記冷媒容器の内部を冷却する冷凍機と、
    前記超電導コイルに電気的に接続された電流リードと、
    前記真空容器および前記輻射シールドを貫通して前記冷媒容器の内部に通じて気化した冷媒の流路を構成しつつ、前記冷凍機が挿入されて固定される取付口を有する第１配管と、
    前記真空容器および前記輻射シールドを貫通して前記冷媒容器の内部に通じて気化した冷媒の他の流路を構成しつつ、前記電流リードが内部を通って引き出される、引き出し口を有する第２配管と、
    前記第１配管の前記取付口より下流側、および前記第２配管の前記引き出し口より下流側の各々に接続され、前記第１配管および前記第２配管における熱侵入量の比率に対応した一定の流量比率にて前記気化した冷媒を前記第１配管および前記第２配管の各々に通流させる流量比率維持機構と、
    前記流量比率維持機構の下流側に設けられ、前記第１配管および前記第２配管の各々を通流した気化した冷媒を一緒に放出する１つの放出弁とを備える、超電導マグネット。
  2. 前記流量比率維持機構は、前記第１配管および前記第２配管の各々に設けられた手動バルブから構成されている、請求項１に記載の超電導マグネット。
  3. 前記輻射シールド内に配置され、前記第１配管の温度を測定する第１温度計と、
    前記輻射シールド内に配置され、前記第２配管の温度を測定する第２温度計とをさらに備える、請求項２に記載の超電導マグネット。
  4. 前記流量比率維持機構は、前記第１配管および前記第２配管の各々に設けられたオリフィスから構成されている、請求項１に記載の超電導マグネット。
JP2015510224A 2014-09-03 2014-09-03 超電導マグネット Active JP5769902B1 (ja)

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