JP6854988B1 - 超電導電磁石装置 - Google Patents

Abstract

巻枠(４)は、上下方向と交差する軸方向に延在して円筒状の外形を有し、外周面において周方向に延在する複数の環状溝部(４ａ)が軸方向に互いに間隔をあけて形成されており、該複数の環状溝部(４ａ)の各々の内部に超電導コイル(１)が巻回されて収容されている。蓋部(７)は、複数の環状溝部(４ａ)の各々を覆うように巻枠(４)に取り付けられ、複数の環状溝部(４ａ)とともに超電導コイル(１)を冷却する冷媒(３)の複数の環状流路(８)を構成する。連通路(１７)は、軸方向と平行に延在し、複数の環状流路(８)のうちの互いに隣り合う環状流路(８)同士を連通させる。

Description

本開示は、超電導電磁石装置に関する。

超電導電磁石装置の構成を開示した先行文献として、特開２０１３−１１８２２８号公報（特許文献１）がある。特許文献１に記載された超電導電磁石装置は、冷媒循環流路と、冷凍機と、超電導コイルと、保護抵抗とを含む。

特開２０１３−１１８２２８号公報

特許文献１に記載された超電導電磁石装置においては、超電導コイルの励磁時および消磁時における超電導コイルの温度上昇によるクエンチの発生を抑制するために冷媒を多量に必要とする。

本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであって、冷媒の使用量を削減しつつ超電導コイルの励磁時および消磁時における超電導コイルのクエンチの発生を抑制することができる超電導電磁石装置を提供することを目的とする。

本開示に基づく超電導電磁石装置は、超電導コイルと、巻枠と、蓋部と、冷媒循環流路と、冷凍機と、連通路とを備える。巻枠は、上下方向と交差する軸方向に延在して円筒状の外形を有する。巻枠は、外周面において周方向に延在する複数の環状溝部が上記軸方向に互いに間隔をあけて形成されている。複数の環状溝部の各々の内部に超電導コイルが巻回されて収容されている。蓋部は、複数の環状溝部の各々を覆うように巻枠に取り付けられている。蓋部は、複数の環状溝部とともに超電導コイルを冷却する冷媒の複数の環状流路を構成する。冷媒循環流路は、冷媒を循環させるために設けられている。冷媒循環流路は、複数の環状流路と接続されている。冷凍機は、冷媒循環流路における冷媒を冷却する。連通路は、上記軸方向と平行に延在し、複数の環状流路のうちの互いに隣り合う環状流路同士を連通させる。

本開示によれば、巻枠に形成された複数の環状溝部と、巻枠に取り付けられた蓋部とで、超電導コイルを冷却する冷媒の複数の環状流路を構成し、隣り合う環状流路同士が連通路によって互いに連通していることにより、冷媒の使用量を削減しつつ超電導コイルの励磁時および消磁時における超電導コイルのクエンチの発生を抑制することができる。

実施の形態１に係る超電導電磁石装置の構成を示す正面図である。 図１の超電導電磁石装置をＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た部分断面図である。 図２の超電導電磁石装置をＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 実施の形態１の第１変形例に係る超電導電磁石装置における連通路の配置を示す断面図である。 実施の形態１の第２変形例に係る超電導電磁石装置における連通路の配置を示す断面図である。 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。

以下、各実施の形態に係る超電導電磁石装置について図面を参照して説明する。以下の実施の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。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る超電導電磁石装置の構成を示す正面図である。図２は、図１の超電導電磁石装置をＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た部分断面図である。図１においては、後述する熱シールド５および真空容器６は図示していない。

図１および図２に示すように、超電導電磁石装置１００は、超電導コイル１と、巻枠４と、蓋部７と、冷媒循環流路１１と、冷凍機１６と、連通路１７とを備えている。

超電導コイル１は、表面に絶縁部材２が被覆されることにより絶縁されている。超電導コイル１は、絶縁部材２を介して冷媒３と接触することによって、臨界温度以下に冷却される。本実施の形態においては、冷媒３は、ヘリウムである。

巻枠４は、上下方向と交差する軸方向に延在して円筒状の外形を有し、上記軸方向の両端にフランジを有する。巻枠４においては、フランジ同士の間の外周面において周方向に延在する複数の環状溝部４ａが上記軸方向に互いに間隔をあけて形成されている。複数の環状溝部４ａの各々の内部に、絶縁部材２に覆われた超電導コイル１が巻回されて収容されている。

図２に示すように、本実施の形態に係る超電導電磁石装置１００は、熱シールド５と、真空容器６とをさらに備えている。熱シールド５は巻枠４の外側を巻枠４に隙間をあけて覆っている。真空容器６は、熱シールド５の外側に設けられている。真空容器６の内部は、真空状態に維持されている。超電導電磁石装置１００は、真空容器６の内部において、真空断熱構造を有している。

蓋部７は、複数の環状溝部４ａの各々を覆うように巻枠４に取り付けられている。蓋部７は、たとえば溶接により巻枠４に取り付けられる。蓋部７は、巻枠４の外周面における、上記軸方向において互いに隣り合う環状溝部４ａ同士の間の領域も覆っている。蓋部７は、複数の環状溝部４ａの全体を外側から覆う略円筒状の板材によって形成される。

蓋部７は、複数の環状溝部４ａとともに超電導コイル１を冷却する冷媒３の複数の環状流路８を構成する。複数の環状流路８の各々の内部を、液相の冷媒３が流れる。すなわち、複数の環状流路８と蓋部７とに挟まれた内部空間が、冷媒３が巻枠４の周方向に通流する複数の環状流路８となる。

巻枠４の周方向から見た複数の環状流路８の各々の断面積は、運転時の冷却性能および運転開始時の初期冷却性能を満たすのに必要な量の冷媒３が通流可能となるように設定されている。また、冷媒３の量を低減するために、図２のように蓋部７と環状溝部４ａに設置された超電導コイル１との距離が、環状溝部４ａの深さよりも小さくなるようにするとよい。

図１に示すように、冷媒循環流路１１は、冷媒配管１２と、上部タンク１３と、上部ヘッダ１４と、下部ヘッダ１５とを含む。図１に示すように、冷媒配管１２は、巻枠４の外周面に間隔をあけて沿うように延在している。冷媒配管１２の内部は、液相の冷媒３で満たされている。冷媒配管１２の上端は、上部タンク１３と接続されている。冷媒配管１２の下端は、下部ヘッダ１５と接続されている。

上部ヘッダ１４は、上部タンク１３と接続されているとともに、分岐して複数の環状流路８の各々の上側の部分と接続されている。下部ヘッダ１５は、冷媒配管１２と接続されているとともに、分岐して複数の環状流路８の各々の下側の部分と接続されている。このように、冷媒循環流路１１においては、上部タンク１３、冷媒配管１２、下部ヘッダ１５、複数の環状流路８および上部ヘッダ１４を通じて冷媒３が循環可能に形成されている。

冷凍機１６は、冷媒循環流路１１における冷媒３を冷却する。具体的には、冷凍機１６の先端の冷凍ステージが、上部タンク１３の上部に接続されている。

図２に示すように、連通路１７は、巻枠４の軸方向と平行に延在し、複数の環状流路８のうちの互いに隣り合う環状流路８同士を連通させている。

図３は、図２の超電導電磁石装置をＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図２および図３に示すように、本実施の形態においては、連通路１７は、巻枠４と蓋部７との間の隙間で構成されている。具体的には、蓋部７の内面における環状流路８同士の間に位置する巻枠４の外周面と対向する部分の一部が、巻枠４の外周面から離間しており、環状流路８同士の間に位置する巻枠４の外周面と蓋部７の内面との間に隙間が形成されている。この隙間が、連通路１７となっている。

なお、連通路１７は、巻枠４と蓋部７との間の隙間で構成される場合に限られず、巻枠４に形成された貫通孔で構成されていてもよいし、巻枠４の外周面上において巻枠４の周方向に互いに間隔をあけて配置された樹脂製または金属製のスペーサを設置することにより確保された円環状の蓋部と巻枠４の外周面との間の隙間で構成されていてもよい。また、軸方向に延在する貫通孔のかわりに軸方向に延在する溝を巻枠４の外周面に設けて連通路１７としてもよい。

本実施の形態においては、図３に示すように、連通路１７は、巻枠４の下側の位置において、巻枠４の左側の位置と右側の位置とに１箇所ずつ設けられている。巻枠４の軸方向から見た連通路１７の断面積は、後述するように連通路１７を通じて液相の冷媒３を補充することができればよく、複数の環状流路８の各々の断面積よりも小さくするとよい。たとえば、連通路１７の断面積は、巻枠４の周方向から見た複数の環状流路８の各々の断面積の２０分の１以上１０分の１以下である。このように小さな断面積の連通路１７を設置することにより、各環状流路８への液相の冷媒３の補充ができるだけでなく、冷媒３の量を削減することができる。

本実施の形態に係る超電導電磁石装置１００は、図１に示す保護抵抗１０と、電流リード９とをさらに備えている。保護抵抗１０は、冷媒配管１２の内部に配置されている。保護抵抗１０は、クエンチが発生したときの超電導コイル１の性能低下または焼損を防止する機能を有している。保護抵抗１０は、超電導コイル１と電気的に並列に接続されている。超電導コイル１の励磁時および消磁時には、保護抵抗１０は通電されて過渡的に発熱する。本実施の形態における保護抵抗１０の横断面形状は、矩形であるが、保護抵抗１０の横断面形状は矩形に限定されず、環状もしくは円形でもよい。

電流リード９は、上部タンク１３および冷媒配管１２を通じて超電導コイル１と接続されている。超電導コイル１において、一の環状流路８の内部に位置する部分と、一の環状流路８に隣り合う他の環状流路８の内部に位置する部分とは、上部タンク１３の内部または環状流路８の内部において互いに連結されている。

ここで通常運転時の超電導電磁石装置１００における冷媒３の流れについて説明する。冷媒３の液面は、上部タンク１３内に位置している。すなわち、上部タンク１３の内部の下部が冷媒３で満たされている。通常運転時の超電導電磁石装置１００における超電導コイル１の主な発熱要因は、真空容器６および熱シールド５を通じた外部からの入熱である。

複数の環状流路８の各々の内部に位置する冷媒３は、外部からの入熱によって密度が低下する。そのため、複数の環状流路８の各々の内部において、冷媒３の上方への流れが発生する。図１中の矢印で示すように、冷媒３は、複数の環状流路８の各々において、巻枠４の周方向において互いに反対向きに分かれて流れる。

複数の環状流路８の各々の内部を上昇するように流れた冷媒３は、上部ヘッダ１４を径て合流して上部タンク１３内に流入する。上部タンク１３内の冷媒は、冷凍機１６によって冷却されて密度が高くなる。その結果、上部タンク１３から下部ヘッダ１５に冷媒３が流入する。下部ヘッダ１５にて分岐された冷媒３は、複数の環状流路８の各々に流入する。このように、冷媒３の密度差によって、冷媒３が冷媒循環流路１１を循環する。

次に、超電導コイル１の励磁時および消磁時の超電導電磁石装置１００における超電導コイル１の過渡的な発熱現象について説明する。超電導コイル１の励磁時および消磁時の超電導電磁石装置１００においては、保護抵抗１０が通電されて過渡的に発熱し、この熱的要因およびひずみなどの影響によって超電導コイル１の一部が発熱する場合がある。この場合、超電導コイル１の発熱部を収容している環状流路８の内部の冷媒３が気化することで液相の冷媒３が減少する。減少量に相当する液相の冷媒３は、下部ヘッダ１５を通じて補充されるが、液相の冷媒３の補充に要する時間が長い場合、超電導コイル１の発熱部の温度がさらに上昇してクエンチが発生する可能性がある。

そこで、本実施の形態に係る超電導電磁石装置１００においては、互いに隣り合う環状流路８同士を連通路１７で連通させていることにより、下部ヘッダ１５を通じて超電導コイル１の発熱部を収容している環状流路８に液相の冷媒３を補充するとともに、超電導コイル１の発熱部を収容している環状流路８に隣り合う環状流路８から連通路１７を通じて、超電導コイル１の発熱部を収容している環状流路８に液相の冷媒３を補充することができる。そのため、下部ヘッダ１５を通じた液相の冷媒３の補充のみを行なう場合に比較して、補充に要する時間を短くすることができる。ひいては、超電導コイル１の発熱部を早期に冷却して超電導コイル１のクエンチの発生を抑制することができる。

なお、連通路１７の配置は、図３に示す位置に限られない。ここで、本実施の形態の変形例に係る超電導電磁石装置における連通路１７の配置について説明する。

図４は、実施の形態１の第１変形例に係る超電導電磁石装置における連通路の配置を示す断面図である。図４においては、図３と同一方向から断面視して示している。図４に示すように、第１変形例に係る超電導電磁石装置においては、連通路１７は、巻枠４の周方向に等間隔に設けられている。第１変形例においては、連通路１７は、等間隔に４箇所配置されているが、連通路１７の設置箇所は４箇所に限定されず、複数であればよい。

図５は、実施の形態１の第２変形例に係る超電導電磁石装置における連通路の配置を示す断面図である。図５においては、図３と同一方向から断面視して示している。図５に示すように、第２変形例に係る超電導電磁石装置においては、連通路１７は、巻枠の上側半分より下側半分に多く配置されている。第２変形例においては、連通路１７は６箇所配置されているが、連通路１７の設置箇所は６箇所に限定されず、１箇所以上であればよい。

実施の形態１に係る超電導電磁石装置１００においては、巻枠４に形成された複数の環状溝部４ａと、巻枠４に取り付けられた蓋部７とで、超電導コイル１を冷却する冷媒３の複数の環状流路８を構成し、隣り合う環状流路８同士が連通路１７によって互いに連通していることにより、超電導コイル１の発熱部を複数の環状流路８の内部の冷媒３を利用して早期に冷却することができるため、冷媒３の使用量を削減しつつ超電導コイル１の励磁時および消磁時における超電導コイル１のクエンチの発生を抑制することができる。また、環状流路８の内部において、超電導コイル１が絶縁部材２を介して冷媒３と接しているため、超電導コイル１と冷媒３との間の熱抵抗を低減して超電導コイル１を効果的に冷却することができる。

実施の形態１に係る超電導電磁石装置１００においては、連通路１７が巻枠４と蓋部７との隙間で構成されていることにより、隙間の大きさを蓋部７の形状により調整できるため、巻枠４の形状を変更することなく連通路１７を流れる冷媒の量を任意に設定することができる。

実施の形態１の第１変形例に係る超電導電磁石装置においては、連通路１７を巻枠４の周方向に等間隔に配置することにより、超電導コイル１の発熱部の近くに位置する連通路１７を通じて超電導コイル１の発熱部を収容している環状流路８に液相の冷媒３を補充することができる。その結果、超電導コイル１の発熱部を早期に冷却して超電導コイル１のクエンチの発生を抑制することができる。

実施の形態１の第２変形例に係る超電導電磁石装置においては、連通路１７を巻枠４の上側半分より下側半分に多く配置することにより、冷媒３の液圧が比較的高い、巻枠４の下側半分に位置する連通路１７を通じて超電導コイル１の発熱部を収容している環状流路８に液相の冷媒３を補充することができる。その結果、超電導コイル１の発熱部を早期に冷却して超電導コイル１のクエンチの発生を抑制することができる。

実施の形態２．
以下、実施の形態２に係る超電導電磁石装置について説明する。実施の形態２に係る超電導電磁石装置は、連通路の構成のみ実施の形態１と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

図６は、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。図６に示すように、蓋部７は、環状溝部４ａ同士の間において巻枠４の外周面と接しつつ複数の環状溝部４ａの各々を覆うように巻枠４に取り付けられている。

巻枠４は、環状溝部４ａ同士の間において、超電導コイル１および絶縁部材２よりも外周側に位置し、かつ、巻枠４の軸方向と平行に貫通している貫通孔が形成されている。すなわち、巻枠４の外径は、超電導コイル１および絶縁部材２の外径よりも大きくされている。本実施の形態においては、連通路１７ａは、巻枠４に形成された上記貫通孔で構成されている。貫通孔は、巻枠４に蓋部７を取り付ける前に設けられている。

実施の形態２に係る超電導電磁石装置においては、巻枠４に形成された複数の環状溝部４ａと、巻枠４に取り付けられた蓋部７とで、超電導コイル１を冷却する冷媒３の複数の環状流路８を構成する。さらに、隣り合う環状流路８同士が巻枠４に形成された連通路１７ａによって互いに連通していることにより、冷媒３の使用量を削減しつつ超電導コイル１の励磁時および消磁時における超電導コイル１のクエンチの発生を抑制することができる。

実施の形態２に係る超電導電磁石装置においては、巻枠４に形成された貫通孔によって連通路１７ａを構成していることにより、蓋部７の形状を簡易にすることができる。

なお、今回開示した上記実施の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、本開示の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではない。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。上述した実施の形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

１ 超電導コイル、２ 絶縁部材、３ 冷媒、４ 巻枠、４ａ 環状溝部、５ 熱シールド、６ 容器、７ 蓋部、８ 環状流路、９ 電流リード、１０ 保護抵抗、１１ 冷媒循環流路、１２ 冷媒配管、１３ 上部タンク、１４ 上部ヘッダ、１５ 下部ヘッダ、１６ 冷凍機、１７，１７ａ 連通路、１００ 超電導電磁石装置。

Claims (5)

1. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルを被覆する絶縁部材と、
   上下方向と交差する軸方向に延在して円筒状の外形を有し、外周面において周方向に延在する複数の環状溝部が前記軸方向に互いに間隔をあけて形成されており、該複数の環状溝部の各々の内部に前記超電導コイルが巻回されて収容されている巻枠と、
   前記複数の環状溝部の各々を覆うように前記巻枠に取り付けられ、前記複数の環状溝部とともに前記超電導コイルを冷却する冷媒の複数の環状流路を構成する蓋部と、
   前記複数の環状流路と接続され、前記冷媒を循環させるための冷媒循環流路と、
   前記冷媒循環流路における前記冷媒を冷却する冷凍機と、
   前記軸方向と平行に延在し、前記複数の環状流路のうちの互いに隣り合う環状流路同士を連通させる連通路とを備え、
   前記連通路は、前記超電導コイルおよび前記絶縁部材よりも外周側に位置する、超電導電磁石装置。
2. 前記連通路は、前記巻枠と前記蓋部との間の隙間で構成されている、請求項１に記載の超電導電磁石装置。
3. 前記連通路は、前記巻枠に形成された貫通孔で構成されている、請求項１に記載の超電導電磁石装置。
4. 前記連通路は、前記周方向に等間隔に設けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。
5. 前記連通路は、前記巻枠の上側半分より下側半分に多く配置されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置。

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