JP6362788B2 - 超電導電磁石装置 - Google Patents

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Description

本発明は、超電導電磁石装置に関し、特に液体ヘリウムで超電導コイルを冷却するMRI用超電導電磁石装置に関する。
超電導磁石装置は、電極を介して超電導コイルに電力を流して強力な磁力を発生させる装置であるが、超電導コイルの電気抵抗をゼロにするために、超電導コイルを液体ヘリウム温度まで冷却する必要がある。超電導コイルを液体ヘリウム温度まで冷却して強力な磁力を発生させるため、従来の超電導電磁石装置は、例えば図15に示すように、超電導コイル1、通電時に超電導コイル1へ電流を流す電極8、及びこの超電導コイル1を冷却する液体ヘリウム2を収納するSUS製のクライオスタット3を備える(例えば特許文献1)。
冷却に使用された液体ヘリウムが気化した場合、液体時と比較して体積が著しく増加する。そのため従来の超電導磁石装置では、例えば図15に示すように、気化して気体となったヘリウムガスを外部へと排出するためのヘリウムガス排気管3aをクライオスタット3が備えている(例えば特許文献1)。
クライオスタット3の外部の温度は、クライオスタット3の内部の温度よりも高い。この外部の熱がクライオスタット3の内部に伝わった場合、液体ヘリウムの気化による体積の増加及び内部温度の上昇を引き起こす虜がある。外部の熱によって内部の温度が上昇することを防止するため、従来の超電導磁石装置では、例えば図15に示すように、クライオスタット3を収納する真空容器4と、この真空容器4の外部から内部へ向かって浸入する熱を吸収する高熱伝導率のアルミニウム製の熱シールド5と、この熱シールド5に吸収された熱をヘリウムガス排気管3aの内部を通過する気体ヘリウム6に伝える銅製の伝熱部材7とを備える(例えば特許文献1)。このように構成してある超電導電磁石装置では、例えば図16及び図17に示すように、伝熱部材7がヘリウムガス排気管3aと接続してあり、ヘリウムガス排気管3aの管内における気体ヘリウムの通過方向と交差しており、ヘリウムガス排気管3aの管内に突出している。気体ヘリウム6は、伝熱部材7とヘリウムガス排気管3aとの間の下方から上方に通過する。ヘリウムガス排気管3a内を通過の際に気体ヘリウム6が伝熱部材7と接触した場合、外部から浸入して熱シールド5によって吸収されてきた熱が伝熱部材7を介して気体ヘリウム6へと伝わり、熱が伝えられた気体ヘリウム6は自然対流によって外部へと輸送される(例えば特許文献1)。
特開2007−194258号公報
ヘリウムは高価である。そのため、液体ヘリウム2が気化した気体ヘリウム6を大量に排出することは、超電導電磁石装置の維持コスト増大を招く虞がある。例えば、超電導電磁石装置の輸送時には、通常運転時とは異なり、冷凍機を停止することになる。冷凍機が停止した場合、外部から侵入した熱によってヘリウムガス排気管3a内の液体ヘリウム2が蒸発する可能性が増大し、超電導電磁石装置の維持コスト増大を招く可能性がある。
気体ヘリウム6の排出量を減少させるためには、ヘリウムガス排気管3aにおける気体ヘリウム6の通過路を小さくする対応が考えられる。しかしながら、何らかの原因によって超電導コイル1の温度が上昇した場合、液体ヘリウム2が蒸発気化してリウムガス排気管3内の圧力が急激に上昇し得る。そのためヘリウムガス排気管3aにおける気体ヘリウム6の通過路を小さくする構造を使用した場合、気体ヘリウム6の排出が気体ヘリウム6の発生に追いつかず、内圧が上昇して超電導電磁石装置に破損を引き起こすクエンチが生じる虞がある。
本発明は係る状況に鑑みてなされたものであり、気体ヘリウムの排出量を減少させて装置維持コスト増大を抑制するだけでなく、万が一クエンチが発生した場合においてもヘリウムガス排気管内の圧力上昇を抑制して装置破損を回避し得る超電導電磁石装置を提供することを目的とする。
本発明に係る超電導電磁石装置は、電極を介して超電導コイルに電流を流して磁力を発生させる。また超電導電磁石装置は、超電導コイルと超電導コイルを冷却するヘリウムとを内部に収納する真空容器と、真空容器の外部から内部へと伝わる熱を吸収するように構成してある熱シールドと、ヘリウムが所定の通過方向に通過して外部へ排出される排気管と、排気管の管内を通過するヘリウムに対し、熱シールドに吸収された熱を伝達する伝熱部材と、ヘリウムが所定の通過方向に通過することを防止するために、管内の少なくとも一部を被覆可能である対流防止材とを備える。電極は、所定の通過方向に沿って前記管内に配置してある。伝熱部材は、所定の通過方向と交差する交差方向に沿って排気管に接続してある。伝熱部材の一部は、管内に突出してある。対流防止材の一部は、管内に固定してある。対流防止材は、伝熱部材から所定の通過方向に沿って離隔してあり、管内の圧力が所定値を超えない場合に前記管内の少なくとも一部を被覆し、管内の圧力が所定値を超えた場合に前記管内の少なくとも一部を被覆しない。
本発明に係る超電導電磁石装置は、一部が固定されている対流防止材を排気管の通路に配置する。通常は対流防止材で排気管の通路を被覆して排気管の通路を小さくすることで、伝熱部材にヘリウムを集中させるが、クエンチ等の圧力が上昇した場合には対流防止材が排気管の通路を被覆しないように構成する。そのため、気体ヘリウムの排出量を減少させて装置維持コスト増大を抑制するだけでなく、万が一クエンチが発生した場合においても排気管にヘリウムガスが集中することによって排気管内の圧力上昇を抑制して装置破損を回避し得る。
本発明の実施の形態1に係る超電導電磁石装置を示す模式図である。 本発明の実施の形態1に係る超電導電磁石装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る超電導電磁石装置の伝熱部材近傍の断面図である。 本発明の実施の形態1に係る超電導電磁石装置のA−A’断面基準の上面図である。 本発明の実施の形態1に係る超電導電磁石装置のB−B’断面図である。 本発明の実施の形態1に係る超電導電磁石装置のクエンチ時の断面図である。 本発明の実施の形態2に係る超電導電磁石装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態2に係る超電導電磁石装置のC−C’断面基準の上面図である。 本発明の実施の形態2に係る超電導電磁石装置のD−D’断面図である。 本発明の実施の形態2に係る超電導電磁石装置のクエンチ時の断面図である。 本発明の実施の形態3に係る超電導電磁石装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態3に係る超電導電磁石装置のE−E’断面基準の上面図である。 本発明の実施の形態3に係る超電導電磁石装置のF−F’断面図である。 本発明の実施の形態3に係る超電導電磁石装置のクエンチ時の断面図である。 本発明の実施の形態4に係る超電導電磁石装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態4に係る超電導電磁石装置のG−G’断面基準の上面図である。 本発明の実施の形態4に係る超電導電磁石装置のH−H’断面図である。 本発明の実施の形態4に係る超電導電磁石装置のクエンチ時の断面図である。 本発明の実施の形態5に係る超電導電磁石装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態5に係る超電導電磁石装置のI−I’断面基準の上面図である。 本発明の実施の形態5に係る超電導電磁石装置のJ−J’断面図である。 本発明の実施の形態5に係る超電導電磁石装置のクエンチ時の断面図である。 従来技術の超電導電磁石装置を示す断面図である。 従来技術の超電導電磁石装置の伝熱部材近傍の断面図である。 従来技術の超電導電磁石装置のK−K’断面図である。
以下、添付図面を参照して、本願が開示する超電導電磁石装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
実施の形態1
本発明の実施の形態1に係る超電導電磁石装置を図1から図6を用いて説明する。図1は超電導電磁石装置の模式図である。図2及び図3は、超電導電磁石装置の鉛直方向断面図である。図4は、図3中のA−A’断面を鉛直方向の上方から下方へ向けて見た上面図である。図5は、図3中のB−B’断面を鉛直方向の上方から下方へ向けて見た上面図である。図6は、クエンチが発生した場合の鉛直方向断面図である。これらの図は、図15〜16に示す従来の超電導電磁石の構造に加え、本発明の実施の形態1において特徴的な構成要素の一つである後述のヘリウムガス排気管3a、伝熱部材7、及び対流防止材9とそれらの周囲の構造とを示している。
超電導電磁石装置は、図2に示すように、超電導コイル1と、超電導コイル1及びこの超電導コイル1を冷却する液体ヘリウム2を収納したSUS製のクライオスタット3と、このSUS製のクライオスタット3が備えるヘリウムガス排気管3aを覆う真空容器4と、この真空容器4内に外部から浸入した熱を伝える高熱伝導率のアルミニウム製の熱シールド5と、この熱シールド5に伝わった熱をクライオスタット3内部の気体ヘリウム6に熱を伝える銅製の伝熱部材7と、超電導コイル1への通電時に電流を流す電極8とを備える。鉛直方向に延びるヘリウムガス排気管3aの内部には、軸中心が同一となるように配置された鉛直方向に延びる電極8が、気体ヘリウム6の通過する所定の通過方向に沿って設けてある。つまり電極8は、ヘリウムガス排気管3aの管内の中心付近に設けてある。
真空容器4は、超電導コイル1と液体ヘリウム2と液体ヘリウム2が蒸発気化した気体ヘリウム6とを収納しており、超電導コイル1を6K以下に維持するための冷却容器と機能する。出荷時には、真空容器4内の超電導コイル1が液体ヘリウム2で満たされている。
熱シールド5は、真空容器4内に埋設してあり、液体ヘリウム2を貯蔵する真空容器4全体を覆う。熱シールド5はアルミニウム製であり、真空容器4の外部から侵入した熱に依存する真空容器4の放射熱を吸収し、伝熱部材7に伝える。
気体ヘリウム6はヘリウムガス排気管3aの内部空間を所定の通過方向に流通することになる。伝熱部材7は、気体ヘリウム6の通過方向と交差する交差方向に沿って配置してあり、伝熱部材7の一部がヘリウムガス排気管3aの内部空間に突出している。伝熱部材7は、熱伝導率が高い高伝導性材料、例えば銅で構成された金属板であり、鉛直方向に延びるヘリウムガス排気管3aに対して水平方向に交差するように配置してある。また、熱シールド5と伝熱部材7とが接続してある。そのため、伝熱部材7の突出領域に気体ヘリウム6が接触した場合、熱シールド5が吸収して伝熱部材7に伝わった外部からの浸入熱が気体ヘリウム6に対して熱交換され、熱交換された気体ヘリウム6が外部へと排出される。つまり、熱シールド5は伝熱部材7によって冷却される。
超電導電磁石装置は、室内環境に設置してある。超電導コイル1の超電導状態を維持し続けるためには、真空容器4の外部から浸入した熱を効率よく排出する必要がある。そのため超電導電磁石装置は、上記のような構成を用い、アルミニウム製の熱シールド5に外部から侵入した熱が吸収され、熱シールド5に吸収された熱が伝熱部材7へと伝わり、熱が伝わった伝熱部材7に気化した気体ヘリウム6を接触させ、接触によって熱を受け取った気体ヘリウム6をヘリウムガス排気管3aから外部へと誘導して排出させるようにしてある。つまり超電導電磁石装置は、気体ヘリウム6を冷媒として使用した冷凍機としての機能を有し、外部からの浸入熱が内部の液体ヘリウム2側に伝わることを抑制し、真空容器4内にある超電導コイル1の冷却状態を維持することができる。図3の矢印は、上記のような構成によってもたらされる熱の経路を示す。
液体ヘリウム2が気化してヘリウムガス排気管3aを通過した気体ヘリウム6は、超電導電磁石装置の内圧を調整するために、気体ヘリウム6の排出口となる圧力弁がクライオスタット3に設けてあり、超電導電磁石装置の外部に対する気体ヘリウム6の排出量を調整することができる。
ヘリウムガス排気管3aを軸方向、つまり鉛直方向から見た場合、図5に示してあるように、伝熱部材7はヘリウムガス排気管3aの内側に向かって突出しており、ヘリウムガス排気管3a内にある電極8近傍の内壁部分に伝熱部材7の一部が達している。図5では、扇状のヘリウム風路10が貫通する一例を示しているが、形状は任意に変更することができる。また、電極8近傍の内壁部分に達している伝熱部材7の一部によってヘリウムガス排気管3aを保持するようにしてもよい。
伝熱部材7がヘリウムガス排気管3aの内側に突出している部分の上方(ガス排出下流側)、及び下方(ガス排出上流側)には、対流防止材9が配置してある。対流防止材9は、樹脂で構成された厚さ1mm程度のシートであり、超電導現象の応用製品等において極低温用途に対し使用されている材料である。図3に示す一例では、伝熱部材7に対して30mm程度上側でヘリウムガス排気管3aの内周側壁面に固定された対流防止材9と、伝熱部材7に対して30mm程度下側でヘリウムガス排気管3aの内周側壁面に固定された対流防止材9とが取り付けてある。対流防止材9は、弾性を有しており、気体ヘリウム6の風圧により変形可能である。本実施の形態1では伝熱部材7の鉛直方向上下両側に対流防止材9を配置する一例を示しているが、どちらか一方に配置する構成としても良い。
図4に示すように、対流防止材9は、ヘリウムガス排気管3a内にある伝熱部材7の全体を被覆するように設置してある。伝熱部材7のヘリウム風路10は、図5に示すように、図17で示した従来のヘリウム風路10と同一の構造としている。
対流防止材9はヘリウムガス排気管3aの内周側壁面に固定されているが、その反対側にあるヘリウムガス排気管3aの外周側壁面との間には少し隙間が空いていてもよい。通常時、わずかに蒸発するヘリウムガスは対流防止材9が設置された部分では外周側壁面付近を通過する(図3)。一方、伝熱部材7が外周側壁面から突出しておりヘリウム風路10が対流防止材9で被覆されているため、対流防止材9で被覆されていない場合と比較し、伝熱部材7に接触衝突して流れる気体ヘリウム6の量が増加し、気体ヘリウム6の流れが伝熱部材7の突出部に集中するようになる。上下の対流防止材9が存在することによって、下方の対流防止材9を回避して上方に流れた気体ヘリウム6が伝熱部材7の下面に接触衝突し、下面に接触衝突した気体ヘリウム6が伝熱部材7の電極2側にある側面を経てヘリウム風路10に向かい、ヘリウム風路10内を通過した後、再び伝熱部材7の上面と接触しながら上方の対流防止材9を回避して外部へ排出される。つまり、直線的に鉛直下方から上方へと気体ヘリウム6が通過することが抑制されるため、気体ヘリウムの排出量を減少させることができる。また、気体ヘリウム6が伝熱部材7と接触する機会が増加することになり、熱交換効率は向上することになる。なお、対流防止材9が伝熱部材7の上方又は下方の一方だけにある場合も、直線的に鉛直下方から上方へと気体ヘリウム6が通過することが抑制されるため、気体ヘリウム6の排出量を減少させることができる。また、対流防止材9が伝熱部材7の上方にある場合は、気体ヘリウム6と伝熱部材7の上面との接触機会を増加させることができ、対流防止材9が伝熱部材7の下方にある場合は、気体ヘリウム6と伝熱部材7の下面との接触衝突機会を増加させることができるため、対流防止材9が伝熱部材7の上方又は下方の一方だけにある場合であっても熱交換効率が向上することになる。
上記のような構造を有する超電導電磁石装置では、伝熱部材7の上下に対流防止材9を設置することによって、外部から浸入した熱を気体ヘリウム6に伝える伝熱部材7に向けて気体ヘリウム6を集中させることができると共に、気体ヘリウム6が伝熱部材7の表面に接触する風路の長さを長くしつつ、温度境界層の厚みを低減することが可能となり、熱交換量を増加させることができる。その結果、熱シールド5を介した真空容器4の温度を従来の真空容器4の温度よりも低く保持できることができ、液体ヘリウム2の消費量を低減することが可能となる。
伝熱部材7を回避してヘリウムガス排気管3aを通過した気体ヘリウム6は、圧力弁を介して通過してクライオスタット3の外部、つまり超電導電磁石装置の外部に排出される。気体ヘリウム6は自然対流によって排出されるため、1m/s未満で穏やかに流れている。
対流防止材9によってヘリウムガス排気管3a内のヘリウム風路10が小さくなっているため、何らかの原因によってクエンチが発生して急激に大量の気体ヘリウム6が蒸発した場合、超電導電磁石装置の内圧が上昇して破損を引き起こす虞がある。しかしながら、対流防止材9は電極8の近傍にあるヘリウムガス排気管3aの内周側壁面で固定されているため、図6に示すように、上昇した内圧によって対流防止材9が鉛直方向上向きに持ち上がることになり、従来程度の風路幅を確保することができる。したがって、万が一クエンチが発生した場合においてもヘリウムガス排気管3a内の圧力上昇を抑制し、超電導電磁石装置の破損を回避することができる。
伝熱部材7と対流防止材9との間隔は特に限定されるものではないが、クエンチが発生した場合の持ち上がりを阻害しない程度の間隔が必要である。また、対流防止材9の変形を考慮した適度な間隔を設定すると良い。
実施の形態2
本発明の実施の形態2に係る超電導電磁石装置を図7から図10を用いて説明する。図7は鉛直方向断面図、図8は図7中のC−C’断面基準の上面図、図9は図7中のD−D’断面、図10はクエンチ時の鉛直方向断面図をそれぞれ示している。これらの図は図15や図16、図17に示す従来の超電導電磁石の構造に加え、本発明の実施の形態2において特徴的な構成要素の一つである後述のヘリウムガス排気管3a、伝熱部材7、及び対流防止材9とそれらの周囲の構造とを示している。実施の形態1と同様の構成については説明を省略する。
超電導電磁石装置は、超電導コイル1、液体ヘリウム2、ヘリウムガス排気管3a、真空容器4、熱シールド5、伝熱部材7、電極8と、対流防止材9とを主要な構成要素として備える。
真空容器4は、超電導コイル1を6K以下に維持するための冷却容器となっており、出荷時には真空容器4内の超電導コイル1が液体ヘリウム2で満たされている。
対流防止材9は、樹脂で構成された厚さ1mm程度のシートであり、超超電導現象の応用製品等において、極低温用途だけでなく人工衛星といった特殊用途で使用されている材料である。図7に示すように、伝熱部材7に対して30mm程度上側でヘリウムガス排気管3aの内周側壁面に固定された対流防止材9と、伝熱部材7に対して30mm程度下側でヘリウムガス排気管3aの内周側壁面に固定された対流防止材9とが取り付けてある。
図8に示すように、対流防止材9は、ヘリウムガス排気管3a内にある伝熱部材7の内周側を被覆するように設置している。つまり対流防止材9は、電極8と伝熱部材7との間にあるヘリウムガス排気管3aの管内の少なくとも一部を被覆可能とするように配置してある。伝熱部材7はヒートシンクであり、伝熱部材7の表面は、図9に示すように櫛形状となっており、従来に比べて放熱面積が大幅に増加している。このヒートシンクは、切り起こしによるフィン部分を有し、フィン部分のみはんだ付け接着あるいは銅の削り出し加工によって製作するものである。
上記のような構造を有する超電導電磁石装置では、図7に示すように、外部から浸入した熱を気体ヘリウム6に伝える伝熱部材7の上下に対流防止材9を設置することによって、気体ヘリウム6を伝熱部材7のヒートシンク領域11に集中させて熱交換量を増加させることができる。その結果、実施の形態2に係る超電導電磁石装置では、超電導コイル1の温度を従来の超電導磁石装置よりも低く保持できることができ、液体ヘリウム2の消費量を低減することが可能となる。
伝熱部材を回避してヘリウムガス排気管3aを通過した気体ヘリウム6は、圧力弁を介して通過してクライオスタット3の外部、つまり超電導電磁石装置の外部に排出される。また気体ヘリウム6は、液体の蒸発がエネルギー源であり自然対流によって排出されるため、気体ヘリウム6は1m/s未満で穏やかに流れている。
対流防止材9によってヘリウムガス排気管3a内のヘリウム風路10が小さくなっているため、何らかの原因によってクエンチが発生して急激に大量の気体ヘリウム6が蒸発した場合、超電導電磁石装置の内圧が上昇して破損を引き起こす虞がある。しかしながら、対流防止材9は電極8の近傍にあるヘリウムガス排気管3aの内周側壁面で固定されているため、図10に示すように、上昇した内圧によって対流防止材9が鉛直方向上向きに持ち上がることになり、従来程度の風路幅を確保することができる。したがって、万が一クエンチが発生した場合においてもヘリウムガス排気管3a内の圧力上昇を抑制し、超電導電磁石装置の破損を回避することができる。
実施の形態3
本発明の実施の形態3を図11から図14を用いて説明する。図11は鉛直方向断面図、図12は図11中のE−E’断面基準の上面図、図13は図11中のF−F’断面、図14はクエンチ時の鉛直方向断面図をそれぞれ示している。これらの図は、図15や図16、図17に示す従来の超電導電磁石装置の構造に加え、本発明の実施の形態3において特徴的な構成要素の一つであるヘリウムガス排気管3a、伝熱部材7、及び対流防止材9とそれらの周囲の構造とを示している。
超電導電磁石装置は、超電導コイル1、液体ヘリウム2、ヘリウムガス排気管3a、真空容器4、熱シールド5、伝熱部材7、電極8といった従来の構造に加え、対流防止材9を主要構成要素として備える。
真空容器4は、超電導コイル1を6K以下に維持するための冷却容器となっており、出荷時には真空容器4内の超電導コイル1が液体ヘリウム2で満たされている。
対流防止材9は、樹脂で構成された厚さ1mm程度のシートであり、超超電導現象の応用製品等において、極低温用途だけでなく人工衛星といった特殊用途で使用されている材料である。図11に示すように、伝熱部材7に対して30mm程度上側でヘリウムガス排気管3aの内周側壁面に固定された対流防止材9と、伝熱部材7に対して30mm程度下側でヘリウムガス排気管3aの内周側壁面に固定された対流防止材9とが取り付けてある。
図12に示すように、対流防止材9は、ヘリウムガス排気管3a内にある伝熱部材7の内周側を被覆するように設置している。図13に示すように、伝熱部材7は表面に複数の開口部を有する構造となっており、開口部がない伝熱部材7と比較して放熱面積が大幅に増加する構造となっている。これらの開口部は、銅の削り出し加工によって製作するものである。
上記のような構造を有する超電導電磁石装置では、図11に示すように、外部から浸入した熱を気体ヘリウム6に伝える伝熱部材7の上下に対流防止材9を設置することによって、気体ヘリウム6を伝熱部材7の熱交換領域12に集中させて熱交換量を増加させることができる。その結果、実施の形態3に係る超電導電磁石装置では、超電導コイル1の温度を従来の超電導電磁石装置より低く保持できることができ、液体ヘリウム2の消費量を低減することが可能となる。
伝熱部材7を回避してヘリウムガス排気管3aを通過した気体ヘリウム6は、圧力弁を介して通過してクライオスタット3の外部、つまり超電導電磁石装置の外部に排出される。気体ヘリウム6は、液体の蒸発がエネルギー源である自然対流によって排出されるため、1m/s未満で穏やかに流れている。
対流防止材9によってヘリウムガス排気管3a内のヘリウム風路10が小さくなっているため、何らかの原因によってクエンチが発生して急激に大量の気体ヘリウム6が蒸発した場合、超電導電磁石装置の内圧が上昇して破損を引き起こす虞がある。しかしながら、対流防止材9は電極8の近傍にあるヘリウムガス排気管3aの内周側壁面で固定されているため、図14に示すように、上昇した内圧によって対流防止材9が鉛直方向上向きに持ち上がることになり、従来程度の風路幅を確保することができる。したがって、万が一クエンチが発生した場合においてもヘリウムガス排気管3a内の圧力上昇を抑制し、超電導電磁石装置の破損を回避することができる。
実施の形態4
本発明の実施の形態4に係る超電導電磁石装置を図15から図18を用いて説明する。図15は鉛直方向断面図、図16は図15中のG−G’断面基準の上面図、図17は図15中のH−H’断面、図18はクエンチ時の鉛直方向断面図をそれぞれ示している。これらの図は図23や図24、図25に示す従来の超電導電磁石の構造に加え、本発明の実施の形態4において特徴的な構成要素の一つである後述のヘリウムガス排気管3a、伝熱部材7、及び対流防止材9とそれらの周囲の構造とを示している。実施の形態1と同様の構成については説明を省略する。
実施の形態4に係る超電導電磁石装置は、超電導コイル1、液体ヘリウム2、ヘリウムガス排気管3a、真空容器4、熱シールド5、伝熱部材7、電極8と、対流防止材9とを主要な構成要素として備える。
真空容器4は、超電導コイル1を6K以下に維持するための冷却容器となっており、出荷時には真空容器4内の超電導コイル1が液体ヘリウム2で満たされている。
対流防止材9は、樹脂で構成された厚さ1mm程度のシートであり、超超電導現象の応用製品等において、極低温用途だけでなく人工衛星といった特殊用途で使用されている材料である。図15に示すように、伝熱部材7に対して上側端面でヘリウムガス排気管3aの内周側壁面に固定された対流防止材9と、伝熱部材7に対して下側端面でヘリウムガス排気管3aの内周側壁面に固定された対流防止材9とが取り付けてある。
図16に示すように、対流防止材9は、ヘリウムガス排気管3a内にある伝熱部材7の内周側を被覆するように設置している。つまり対流防止材9は、電極8と伝熱部材7との間にあるヘリウムガス排気管3aの管内の少なくとも一部を被覆可能とするように配置してある。伝熱部材7はヒートシンクであり、伝熱部材7の表面は、17に示すように櫛形状となっており、従来に比べて放熱面積が大幅に増加している。このヒートシンクは、切り起こしによるフィン部分を有し、フィン部分のみはんだ付け接着あるいは銅の削り出し加工によって製作するものである。
上記のような構造を有する超電導電磁石装置では、図15に示すように、外部から浸入した熱を気体ヘリウム6に伝える伝熱部材7の上下に対流防止材9を設置することによって、気体ヘリウム6を伝熱部材7のヒートシンク領域11に集中させて熱交換量を増加させることができる。その結果、実施の形態4に係る超電導電磁石装置では、超電導コイル1の温度を従来の超電導磁石装置よりも低く保持できることができ、液体ヘリウム2の消費量を低減することが可能となる。
伝熱部材を回避してヘリウムガス排気管3aを通過した気体ヘリウム6は、圧力弁を介し通過してクライオスタット3の外部、つまり超電導電磁石装置の外部に排出される。また気体ヘリウム6は、エネルギー源として液体の蒸発力を用いた自然対流によって排出されるため、気体ヘリウム6は1m/s未満で穏やかに流れている。
対流防止材9によってヘリウムガス排気管3a内のヘリウム風路10が小さくなっているため、何らかの原因によってクエンチが発生して急激に大量の気体ヘリウム6が蒸発した場合、超電導電磁石装置の内圧が上昇して破損を引き起こす虞がある。しかしながら、対流防止材9は電極8の近傍にあるヘリウムガス排気管3aの内周側壁面で固定されているため、図18に示すように、上昇した内圧によって対流防止材9が鉛直方向上向きに持ち上がることになり、従来程度の風路幅を確保することができる。したがって、万が一クエンチが発生した場合においてもヘリウムガス排気管3a内の圧力上昇を抑制し、超電導電磁石装置の破損を回避することができる。
実施の形態5
本発明の実施の形態5に係る超電導電磁石装置を図19から図22を用いて説明する。図19は鉛直方向断面図、図20は図19中のI−I’断面基準の上面図、図21は図19中のJ−J’断面、図18はクエンチ時の鉛直方向断面図をそれぞれ示している。これらの図は図19や図20、図21に示す従来の超電導電磁石の構造に加え、本発明の実施の形態5において特徴的な構成要素の一つである後述のヘリウムガス排気管3、伝熱部材7、及び対流防止材9とそれらの周囲の構造とを示している。実施の形態1と同様の構成については説明を省略する。
実施の形態5に係る超電導電磁石装置は、超電導コイル1、液体ヘリウム2、ヘリウムガス排気管3a、真空容器4、熱シールド5、伝熱部材7、電極8と、対流防止材9とを主要な構成要素として備える。
真空容器4は、超電導コイル1を6K以下に維持するための冷却容器となっており、出荷時には真空容器4内の超電導コイル1が液体ヘリウム2で満たされている。
対流防止材9は、樹脂で構成された厚さ1mm程度のシートであり、超超電導現象の応用製品等において、極低温用途だけでなく人工衛星といった特殊用途で使用されている材料である。図19に示すように、伝熱部材7の上側端面で伝熱部材7の内周側壁面に固定された対流防止材9と、伝熱部材7の下側端面で伝熱部材7の内周側壁面に固定された対流防止材9とが取り付けてある。
図20に示すように、対流防止材9は、ヘリウムガス排気管3a内にある伝熱部材7の内周側を被覆するように設置している。つまり対流防止材9は、電極8と伝熱部材7との間にあるヘリウムガス排気管3aの管内の少なくとも一部を被覆可能とするように配置してある。伝熱部材7はヒートシンクであり、伝熱部材7の表面は、17に示すように櫛形状となっており、従来に比べて放熱面積が大幅に増加している。このヒートシンクは、切り起こしによるフィン部分を有し、フィン部分のみはんだ付け接着あるいは銅の削り出し加工によって製作するものである。
上記のような構造を有する超電導電磁石装置では、図19に示すように、外部から浸入した熱を気体ヘリウム6に伝える伝熱部材7の上下に対流防止材9を設置することによって、気体ヘリウム6を伝熱部材7のヒートシンク領域11に集中させて熱交換量を増加させることができる。その結果、実施の形態5に係る超電導電磁石装置では、超電導コイル1の温度を従来の超電導磁石装置よりも低く保持できることができ、液体ヘリウム2の消費量を低減することが可能となる。
伝熱部材を回避してヘリウムガス排気管3aを通過した気体ヘリウム6は、圧力弁を介して通過してクライオスタット3の外部、つまり超電導電磁石装置の外部に排出される。また気体ヘリウム6は、液体の蒸発がエネルギー源であり自然対流によって排出されるため、気体ヘリウム6は1m/s未満で穏やかに流れている。
対流防止材9によってヘリウムガス排気管3a内のヘリウム風路10が小さくなっているため、何らかの原因によってクエンチが発生して急激に大量の気体ヘリウム6が蒸発した場合、超電導電磁石装置の内圧が上昇して破損を引き起こす虞がある。しかしながら、対流防止材9は電極8の近傍にあるヘリウムガス排気管3aの内周側壁面で固定されているため、図22に示すように、上昇した内圧によって対流防止材9が鉛直方向上向きに持ち上がることになり、従来程度の風路幅を確保することができる。したがって、万が一クエンチが発生した場合においてもヘリウムガス排気管3a内の圧力上昇を抑制し、超電導電磁石装置の破損を回避することができる。
本発明は、以上のように説明し且つ記述した特定の詳細内容及び代表的な実施の形態に限定されるものではない。当業者によって容易に導き出すことができる更なる変形例及び効果も本発明に含まれる。したがって、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
1 コイル、2 液体ヘリウム、3 クラリオスタット、3a ヘリウムガス排気管、4 真空容器、5 熱シールド、6 気体ヘリウム、7 伝熱部材、8 電極、9 対流防止材、10 ヘリウム風路、11 ヒートシンク領域、12 熱交換領域、A1 ヘリウムの流れ、A2 熱の流れ

Claims (5)

  1. 超電導コイルに電流を流して磁力を発生させる超電導電磁石装置であって
    前記超電導コイルと前記超電導コイルを冷却するヘリウムとを内部に収納する真空容器と、
    前記内部から前記真空容器の外部へと前記ヘリウムが排出される排気管と、
    前記排気管の管内に部分的に取り付けられり、前記管内の一部を塞ぐ対流防止材と
    前記真空容器の外部から前記内部へと伝わる熱を吸収する熱シールドと、
    前記管内に突出しており、前記熱シールドに吸収された熱を前記管内を通過する前記ヘリウムに伝達する伝熱部材とを備え、
    前記対流防止材は、前記管内の圧力変化に基づいて前記管内の前記一部を空け、
    前記超電導電磁石装置は、前記超電導コイルに前記電流を流す電極を前記管内に備え、
    前記電極は、前記管内の中央にあり、
    前記伝熱部材は、前記排気管の外周側から前記中央に向けて突出しており、
    前記対流防止材が塞ぐ前記管内の前記一部は、前記電極と前記伝熱部材との間に位置する、超電導磁石装置。
  2. 前記伝熱部材は、フィンを有する櫛形状のヒートシンクを備える請求項1に記載の超電導電磁石装置。
  3. 前記伝熱部材は、前記管内を通過する前記ヘリウムと熱交換する熱交換領域に複数の開口部を備える請求項1または2に記載の超電導電磁石装置。
  4. 前記対流防止材は、弾性を有する請求項1〜のいずれか1項に記載の超電導電磁石装置。
  5. 前記対流防止材が前記管内の前記一部を塞いだ場合、前記ヘリウムは前記伝熱部材へと誘導され、
    前記対流防止材が前記管内の前記一部を空けた場合、前記ヘリウムは前記外部へと誘導される請求項1〜のいずれか1項に記載の超電導電磁石装置。
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