JP5770404B1 - 寒剤容器を有する超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの超電導巻線（２０）と、少なくとも１つの超電導巻線（２０）を収納する外側真空室（ＯＶＣ）（１０）と、少なくとも１つの超電導巻線（２０）とＯＶＣ（１０）との間に設置される少なくとも１つの熱放射シールド（１２）と、少なくとも１つの熱放射シールド（１２）内にかつＯＶＣ（１０）内に位置決めされる寒剤容器（２２）であって、少なくとも１つの超電導巻線（２０）が寒剤容器（２２）の外側に位置決めされる、寒剤容器（２２）と、寒剤容器（２２）を液体寒剤温度まで冷却するように動作可能であり、少なくとも１つの熱放射シールド（１２）のそれぞれを液体寒剤温度とＯＶＣの温度との間の中間温度まで冷却するように構成される少なくとも１つの冷凍機（２６）とを備える超電導磁石装置。寒剤容器（２２）の外面の実質的部分は、少なくとも１つの超電導巻線の平均表面放射率よりも少なくとも０．１だけ大きい熱放射率を液体寒剤温度で有する。

Description

本願発明は超電導磁石に関する。

超電導磁石を冷却するための従来の構成は、ヘリウムなどの液体寒剤の浴で部分的に満たされた寒剤容器を含む。超電導磁石の巻線は、寒剤の沸点くらいの温度でそれらを保持するために、液体寒剤に部分的に浸漬される。

そのような構成は、寒剤容器内に準等温環境を提供する。周囲の熱は、寒剤容器と、寒剤容器を包み込む外側真空室（ＯＶＣ）と、磁石、寒剤容器およびＯＶＣを必要とされる相対位置に保有するように構成される機械的支持物とを備えるクライオスタットによって巻線に達するのを防止される。１つまたは複数の熱放射シールドは典型的には、寒剤容器とＯＶＣとの間の空間に提供される。

ＯＶＣ内の真空は、対流損失を最小化し、機械的支持物を通じての熱伝導は、適切な材料選択および寸法によって最小化される。依然として残るような熱伝導は、シールドおよび／または寒剤容器に熱的に連結される極低温冷凍機などの能動的冷却器によって阻止されることもある。

慎重な設計を通じて、「低温質量」すなわち液体寒剤およびそれと接触しているあらゆるものに達する熱流入は、１Ｗ未満に低減されることもある。たとえそうであっても、この熱流入が超電導巻線に達しないということを確実にするように気を付けなければならない。ヘリウムなどの液体寒剤での部分的浸漬は、対流冷却および極低温冷凍機による寒剤蒸気の再凝縮と一緒に、熱流入が超電導巻線に達しないということを通常確実にする。

寒剤容器の外面は、アルミニウム箔などの低放射率コーティングで被覆されることもあり、それは、寒剤容器に達する熱放射を反射することになり、熱流入を超電導巻線から遠ざけることに貢献する。

従来の設計理念は、寒剤容器の表面積を最小化すること、および入射熱放射を反射するために高反射性、低熱放射率の表面コーティングを提供することによることを含み、寒剤容器を入射放射熱から断熱することであった。

本明細書で使用されるように、用語「熱放射」および同様の用語は、約８から１４マイクロメートルの熱赤外波長範囲での電磁放射を指すために使用される。用語「熱放射率」および同様の用語は、熱放射の放射率を指すために使用される。

ごく最近では、液体寒剤の浴を含有する寒剤容器を必要としない超電導磁石冷却構成が、考案されている。局所コイル冷却解決策が、代わりに提供される。例えば、時には冷却ループとも呼ばれるパイプ冷却システムは、超電導巻線と熱的接触するパイプおよびマニホルドシステムを通って小さい寒剤リザーバから循環するヘリウムなどの比較的少量の液体寒剤を含むこともある。

図１は、局所コイル冷却解決策を用いる従来の超電導磁石冷却構成を通る横断面を示す。中空円筒状ＯＶＣ１０が提供されて、超電導磁石巻線２０を収納する。熱放射シールド１２は、ＯＶＣ内に提供され、超断熱として周知の多層アルミめっきポリエステルシート（ＲＴＭ）などの固体断熱材１４が、ＯＶＣ内面と熱放射シールドの外面との間に提供されることもある。

局所コイル冷却解決策は典型的には、例示されるように、アクセスタレット２４を設けられた寒剤容器２２および寒剤容器２２の内部にさらされる再凝縮器（目に見えない）に熱バス２８によって熱的に連結される外部冷凍機２６を備える。代替構成では、冷凍機は、寒剤容器に直接接続されることもある。寒剤容器２２は、冷却された、好ましくは液体の寒剤をマニホルド３２にチューブ３０を通って提供する。マニホルドは、磁石の超電導巻線と熱的接触して構成される冷却ループに冷却された寒剤を分配し、その冷却ループは、文書で十分に裏付けられた従来の熱対流方法に従って動作する。

熱放射シールド１２の内面または他の表面によって放出される放射熱から磁石巻線２０をさらにシールドするための試みが、行われることもある。例えば、磁石巻線は、低放射率材料のテープに包まれることもある。しかしながら、そのような試みは、完全に成功しているとは認められていない。ある量の熱は常に、テープの巻回間に、またはさもなければ、テープによってシールドされた構造へとその道を作ることが分かっている。

熱放射シールドの内部に達するすべての熱は、巻線それ自体に突き当たり、巻線それ自体によって吸収されることもある。そのようなシステムで使用される小さい寒剤リザーバはそれ自体、低熱放射率コーティングで被覆されることもあるが、しかしこれは、従来の寒剤浴構成の寒剤容器に適用されるそのようなコーティングと異なり、超電導巻線への熱放射の入射を低減しないことになる。

本発明はそれに応じて、超電導巻線それ自体に突き当たる熱放射の入射が低減される、改善された超電導磁石冷却構成を提供することを目標とする。

本発明のこれらのかつ他の目的、特徴および利点は、添付の図面と併せて、限定されない例の目的でのみ提示されるある実施形態の次の説明の考察からより明らかになるであろう。

従来の超電導磁石装置の横断面を示す図である。 本発明のそれぞれの実施形態による超電導磁石装置の対応する横断面を示す図である。 本発明のそれぞれの実施形態による超電導磁石装置の対応する横断面を示す図である。 本発明のそれぞれの実施形態による超電導磁石装置の対応する横断面を示す図である。 本発明のそれぞれの実施形態による超電導磁石装置の対応する横断面を示す図である。 本発明のそれぞれの実施形態による超電導磁石装置の対応する横断面を示す図である。

本発明によると、局所コイル冷却構成内に、すなわち超電導巻線が寒剤容器内に設置されないところに提供される寒剤容器は、寒剤容器による熱放射の吸収を最大化する目的で、その外面の実質的部分にわたり高熱放射率表面を有する。

本発明の構造によると、外側真空室（ＯＶＣ）、機械的支持物および１つまたは複数の熱放射シールドは、従来と同じように提供されることになる。ＯＶＣおよびその真空は、対流による超電導巻線への熱流入を防止することになる。機械的支持物の材料および寸法は、対流による超電導巻線への熱流入を最小化することになり、熱放射シールドは、放射による超電導巻線への熱流入を低減することになる。

しかしながら、熱放射シールドの内側によって放出されるどんな熱放射も、超電導巻線に突き当たり、超電導巻線によって吸収されることもある。本発明の一実施形態例によると、超電導巻線と一緒に熱放射シールド内に存在する寒剤容器は、高放射率表面処理を施される。そのような表面処理は、寒剤容器に突き当たるどんな熱放射も、寒剤容器によって吸収され、それ自体その後に冷凍機２６によって再凝縮される寒剤の沸騰によってシステムから除去され、超電導巻線２０で反射されないことになるということを確実にする。

寒剤容器によって阻止されかつ吸収される熱放射シールド内の熱放射の割合を最大化することによって、超電導巻線によって吸収される割合は、低減される。

寒剤容器に吸収された熱は次いで、使用される寒剤を冷却するために提供される構成、典型的には寒剤容器に熱的にかつ機械的に連結２８される再凝縮冷凍機２６によって除去される。熱放射シールド１２の内面は好ましくは、熱放射シールド内の容積に放射される熱エネルギーを最小化するために、低放射率表面を有する。

本発明のさらなる展開では、寒剤容器は、寒剤容器によって吸収される熱放射の割合を改善するために、最大化された表面積を有して設計されてもよい。これは、例えば高縦横比の幾何学的形状によって、波形の表面によって、またはその表面へのフィンの提供などのより極端な手段によって達成されてもよい。もちろん、これらの手法は、適切な場合には組み合わされてもよい。

ある実施形態では、超電導コイルに見通せるようにさらされる寒剤容器の表面は、低熱放射率材料で処理されてもよく、一方そのようにさらされない表面は、高熱放射率材料で処理されてもよい。これは、高放射率表面が、受け取った放射に起因して温まり、超電導コイルに向かって熱を再放射する場合に起こることもある問題を回避することができる。

適切な表面処理、コーティングまたは材料は、寒剤容器を構築するために使用される材料、組立技術および表面コーティングの必要とされる機械的弾力性に応じて決定されてもよい。放射率を増加させるための多くの従来の表面処理が、当業者によって理解されるように、使用されてもよい。用いられてもよい表面処理例は、ワイヤーブラシ仕上げ、つや消し黒色塗料などの塗料、陽極酸化、カーボンブラック（すす）での被覆によるものなどの、表面の簡単な機械的粗面化を含んでもよい。塗料の適用は、最も簡単な方法である可能性が最も高いが、しかし問題が、ＯＶＣ内の真空空間での揮発性有機化合物の存在に起因して生じることもある。そのような揮発性化合物は、蒸発して、超電導巻線への対流熱伝達を可能にすることもあり得る。

図２は、本発明の一実施形態による超電導磁石冷却構成を通る横断面を例示する。この特定の実施形態は、寒剤容器２２の外面の少なくとも実質的部分が、黒色塗料、カーボンブラックまたは黒色陽極酸化アルミニウムなどの、高熱放射率の表面を有するように処理されることを除いて、図１の構造に対応する。これは、本発明の最も簡単な実施形態を表し、その場合寒剤容器は、超電導巻線の表面の平均熱放射率よりも高い熱放射率を有するように処理されたその外面の少なくとも一部を有する。

図３は、本発明の別の実施形態による超電導磁石冷却構成を通る横断面を例示する。この実施形態によると、図１および図２で示されるなどの、従来の基本的に円筒状の、または「弾丸型の」寒剤容器は、大幅に増加した表面積の寒剤容器３４に置き換えられる。図示されるように、それは基本的に、半径方向横断面が弓形であり、部分的円筒である。そのような寒剤容器を提供することによって、超電導磁石巻線２０のある部分は、寒剤容器の存在によって入射熱放射から直接遮られる。さらに、寒剤容器の増加した表面積は、熱シールド１２の内部に入る熱放射のより大きい割合が、寒剤容器の表面によって阻止されることになるということを意味する。寒剤容器３４の外面の少なくとも実質的部分は、高放射率表面を有するように処理される。

図４は、図３の実施形態のさらなる展開例を示し、その場合寒剤容器の表面積は、増加される。図示される例は、寒剤容器と熱的接触して提供され、高熱放射率を提供するように処理されたそれらの表面の少なくとも一部を有する熱伝導性フィン３６を使用する。

別法として、または加えて、他の適切な構成が、寒剤容器の有効表面積を増加させるために提供されてもよい。例えば、寒剤容器３４の表面の少なくとも一部は、波形であってもよい。

本発明は、熱放射シールド内の超電導巻線の表面の平均熱放射率よりも大きい熱放射率を提供するように処理されたその表面の少なくとも一部を有するように寒剤容器を準備することによって動作する。このようにして、熱放射は、そのような加熱が熱的不安定性およびクエンチ（quench）を引き起こすこともある超電導巻線２０によって吸収されるよりもむしろ、寒剤容器によって吸収され、寒剤容器を冷却するために提供される極低温冷凍機２６によって効果的に除去される確率が高くなる。

通常、寒剤容器は、低熱放射率処理で被覆されることになり、そのことは、入射熱放射が、遠くに反射されて、おそらくは超電導巻線によって吸収されることになるということを意味することになる。本発明によると、入射熱放射は、寒剤容器によって優先的に吸収され、超電導巻線２０によって吸収される熱放射の量を低減する。

例えばアルミニウム箔のコーティングを適用する、寒剤容器の従来の表面処理は、典型的には０．１未満の熱放射率を提供する。本発明によると、寒剤容器の表面積の実質的部分は、超電導巻線の平均熱放射率よりも少なくとも０．１だけ大きい表面熱放射率を有する表面処理を有することになる。その実質的部分の熱放射率は、好ましくは少なくとも０．５、より好ましくは少なくとも０．８、さらにより好ましくは少なくとも０．９の熱放射率を有する。好ましくは、実質的部分は、寒剤容器の全表面積の少なくとも３０％であり、より好ましくは少なくとも５０％である。

本発明によると、熱放射は、超電導巻線２０よりもむしろ寒剤容器によって優先的に吸収されてもよい。これは、液体寒剤の温度で熱負荷の増加をもたらすこともある。これは、超電導巻線への熱負荷を最小化するために正当化されると考えられてもよい。

高熱放射率表面処理、材料およびコーティングのある例が、上記の説明で提供されたが、多くの他のことも、可能である。熱放射率の材料特性は、化学組成および表面組織などの原子レベルの特性によって決定される。

従来のアルミニウム熱放射シールドは、約０．１の熱放射率を有することがある。約４Ｋの温度での清浄な純アルミニウムは、約０．０１の熱放射率を有する。アルミニウム被覆寒剤容器の熱放射率は同様である。寒剤容器の表面のかなりの部分の表面放射率（０と１との間の程度での）が、超電導巻線の平均熱放射率よりも少なくとも０．１だけ大きいならば、本発明は、熱放射の吸収が著しく増加するという点で大幅な改善を提供すると思われる。

本発明の寒剤容器のための適切な材料、処理またはコーティングのさらなる例は、以下のものを含む。変色した銅、ブラシをかけたステンレス鋼、酸素を豊富に含む環境での加熱によって形成される変色したステンレス鋼、ブラシをかけた、サンドブラストしたまたはグリットブラストしたステンレス鋼、炭布、綿布、微細ステンレス鋼ウール、硬質黒色陽極酸化アルミニウム、ステンレス鋼またはアルミニウム表面にフレーム溶射またはプラズマ溶射したアルミナ。これらの処理のいくつかは、関連する材料を運ぶ粘着テープで対応する表面を被覆することによって適用されてもよい。

図５〜図６で例示されるなどの、本発明のさらなる実施形態では、冷却面が、寒剤容器の代わりに、または寒剤容器に加えて提供されてもよい。いくつかの超電導磁石システムでは、寒剤容器はまったく提供されない。その代わりに、バスバーと呼ばれることもある固体熱導体２８、４０が、冷凍機２６を超電導巻線２０に連結する。典型的には、２段冷凍機が、用いられ、１つのバスバー４２または編組または同様のものが、第１の冷却段を熱放射シールド１２に連結し、別のバスバーが、第２の冷却段を超電導巻線２０に連結する。

冷却面４４は、超電導巻線２０とともに、熱放射シールドの容積内に置かれてもよい。冷却面は、高放射率表面を有し、それによって熱放射容器について上で述べられたそれと同様に熱放射シールド内に存在することもある熱放射を吸収するように、その表面の少なくとも一部にわたって処理されるべきである。

図５で例示されるように、冷却面４４は、図２を参照して論じられた寒剤容器と同様の寸法の円筒という形を取ってもよい。別法として、図６で示されるように、冷却面４６は、図４で示される寒剤容器と同様の、平面または弓形などの任意の便利な形状であってもよい。冷却面は、アルミニウムまたは銅などの、極低温度で良好な熱伝導率を有する材料でなければならない。一実施形態では、冷却面は、超電導磁石の巻線２０間で軸方向に設置される１つまたは複数のフープという形を取ってもよい。そのような位置では、冷却面は、熱放射シールド内の熱放射を吸収することもあるが、しかしそれらの位置は、それらが超電導巻線２０に熱をかなり放射するのを防止することになる。

そのような冷却面を有するどんな構成でも、少なくとも１つの超電導巻線の平均表面放射率よりも少なくとも０．１だけ大きい熱放射率を動作温度で有する冷却面は、超電導巻線の表面積の少なくとも２０％、好ましくは超電導巻線の表面積の少なくとも５０％の面積を有する。

１０ 外側真空室、ＯＶＣ
１２ 熱放射シールド
１４ 固体断熱材
２０ 超電導巻線
２２ 寒剤容器
２４ アクセスタレット
２６ 冷凍機
２８ 熱バス、熱的および機械的連結、固体熱導体
３０ チューブ
３２ マニホルド
３４ 寒剤容器
３６ 熱伝導性フィン
４０ 固体熱導体
４２ バスバー
４４ 冷却面
４６ 冷却面

Claims (18)

1. − 少なくとも１つの超電導巻線（２０）と、
   − 前記少なくとも１つの超電導巻線（２０）を収納する外側真空室（ＯＶＣ）（１０）と、
   − 前記少なくとも１つの超電導巻線（２０）と前記ＯＶＣ（１０）との間に設置される少なくとも１つの熱放射シールド（１２）と、
   − 前記少なくとも１つの熱放射シールド（１２）内にかつ前記ＯＶＣ（１０）内に位置決めされる寒剤容器（２２）であって、前記少なくとも１つの超電導巻線（２０）が、前記寒剤容器（２２）の外側に位置決めされる、寒剤容器（２２）と、
   − 前記寒剤容器（２２）を液体寒剤温度まで冷却するように動作可能であり、前記少なくとも１つの熱放射シールド（１２）のそれぞれを前記液体寒剤温度と前記ＯＶＣの温度との間の中間温度まで冷却するように構成される少なくとも１つの冷凍機（２６）と、
   を備える超電導磁石装置において、
   前記寒剤容器（２２）の外面の少なくとも一部が、前記少なくとも１つの超電導巻線の平均表面放射率よりも少なくとも０．１だけ大きい熱放射率を前記液体寒剤温度で有することを特徴とする超電導磁石装置。
2. 前記寒剤容器（２２）の外面の前記少なくとも一部は、前記寒剤容器（２２）の前記外面の少なくとも３０％を含む、請求項１に記載の超電導磁石装置。
3. 前記寒剤容器（２２）の外面の前記少なくとも一部は、前記寒剤容器（２２）の前記外面の少なくとも５０％を含む、請求項２に記載の超電導磁石装置。
4. 前記液体寒剤温度での前記寒剤容器（２２）の外面の前記少なくとも一部の前記熱放射率は、少なくとも０．５である、請求項１から３のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
5. 前記液体寒剤温度での前記寒剤容器（２２）の外面の前記少なくとも一部の前記熱放射率は、少なくとも０．８である、請求項４に記載の超電導磁石装置。
6. 前記液体寒剤温度での前記寒剤容器（２２）の外面の前記少なくとも一部の前記熱放射率は、少なくとも０．９である、請求項５に記載の超電導磁石装置。
7. 前記寒剤容器の表面は、波形である、請求項１から６のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
8. 前記寒剤容器の表面は、高熱放射率を提供するように処理されたそれらの表面の少なくとも一部を有する熱伝導性フィンを設けられる、請求項１から７のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
9. 前記超電導巻線に見通せるようにさらされる前記寒剤容器の表面は、前記液体寒剤温度で比較的低熱放射率表面を有し、一方そのようにさらされない表面は、前記少なくとも１つの超電導巻線の平均表面放射率よりも少なくとも０．１だけ大きい、より高い熱放射率を前記液体寒剤温度で有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
10. − 少なくとも１つの超電導巻線（２０）と、
    − 前記少なくとも１つの超電導巻線（２０）を収納する外側真空室（ＯＶＣ）（１０）と、
    − 前記少なくとも１つの超電導巻線（２０）と前記ＯＶＣ（１０）との間に設置される少なくとも１つの熱放射シールド（１２）と、
    − 前記少なくとも１つの熱放射シールド（１２）内にかつ前記ＯＶＣ（１０）内に位置決めされる冷却面（４４）と、
    − 前記冷却面（４４）を冷却し、前記少なくとも１つの超電導巻線を超電導が可能である温度まで冷却し、前記少なくとも１つの熱放射シールド（１２）のそれぞれを前記超電導巻線の温度と前記ＯＶＣの温度との間の中間温度まで冷却するように動作可能である少なくとも１つの冷凍機（２６）と、
    を備える超電導磁石装置において、
    前記冷却面の少なくとも一部が、前記少なくとも１つの超電導巻線の平均表面放射率よりも少なくとも０．１だけ大きい熱放射率を液体寒剤温度で有することを特徴とする超電導磁石装置。
11. 前記冷却面の前記少なくとも一部は、前記超電導巻線の表面積の少なくとも２０％の表面積を有する、請求項１０に記載の超電導磁石装置。
12. 前記冷却面の前記少なくとも一部は、前記超電導巻線の前記表面積の少なくとも５０％の表面積を有する、請求項１１に記載の超電導磁石装置。
13. 前記冷却面の前記少なくとも一部の前記熱放射率は、少なくとも０．５である、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
14. 前記冷却面の前記少なくとも一部の前記熱放射率は、少なくとも０．８である、請求項１３に記載の超電導磁石装置。
15. 前記冷却面の前記少なくとも一部の前記熱放射率は、少なくとも０．９である、請求項１４に記載の超電導磁石装置。
16. 前記冷却面の表面は、波形である、請求項１０から１５のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
17. 前記冷却面は、高熱放射率を提供するように処理されたそれらの表面の少なくとも一部を有する熱伝導性フィンを設けられる、請求項１０から１６のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
18. 前記超電導巻線に見通せるようにさらされる前記冷却面の各部は、比較的低熱放射率を有し、一方そのようにさらされない表面は、前記少なくとも１つの超電導巻線の平均表面放射率よりも少なくとも０．１だけ大きい、より高い熱放射率を有する、請求項１０から１７のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。

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