JP7512120B2 - 極低温冷却システム及び超電導磁石装置 - Google Patents
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Description
図1は、一実施形態に係る極低温冷却システムが適用された超電導磁石装置を示す構成図である。この図1に示す極低温冷却システム10が適用された超電導磁石装置11は、冷却源としての極低温冷凍機1により被冷却物としての超電導コイル2及び電流リード4を、伝熱部材としての伝熱板3を介して伝導冷却方式で冷却するものであり、極低温冷凍機1、超電導コイル2、電流リード4、伝熱板3、真空容器5、シールド板6及び冷却ステージ7を有して構成される。
0.7<(Sa2/Qa)/(Sc2/Qc)<1.5
に設定されている。このうち、(Sa2/Qa)/(Sc2/Qc)=1、即ち(Sa2/Qa)=Sc2/Qc)の場合は、熱量の合流前後で伝熱板3全体の合計重量mを微小変化させたときの伝熱板3全体の両端(図2の一端α、他端β)の温度差ΔT0の変化量(dT/dm)が一定になる場合であり、この場合に伝熱板3全体の合計重量mが最小になり、従って、伝熱板3全体の使用物量が最小になる。
ここでは、一例として、伝熱板3aの伝熱量Qaと電流リード4からの伝熱量QbとがQa=Qb=1Wの場合を考える。この場合、伝熱板3cの伝熱量Qcは、Qc=Qa+Qb=2Wになる。また、伝熱板3cの断面積Scは、伝熱板3aの断面積Saを基準とした比で表す。更に、伝熱板3aと伝熱板3cの長さが単位長さであるとすると、伝熱板3cの体積は伝熱板3cの断面積と同一の値になり、伝熱板3aの体積を基準とした比で表される。また伝熱板3aの熱抵抗は1K/Wとする。これらの限定は議論の一般性を損なわないものである。
R=ΔT/Q …(1)
で表される。また、伝熱板の伝熱量Qは、伝熱板の断面積をSとし、長さをLとし、熱伝導率をλとしたとき、
Q=(S/L)・λ・ΔT …(2)
で表せる。式(1)及び式(2)から
R=L/(S・λ)∝1/S …(3)
ΔT=Q/(S・λ/L)=Q・R …(4)
で表せる。
ΔTa+ΔTc=2
Qa=(λ/L)・Sa・ΔTa
Qc=(λ/L)Sc・ΔTc
Sa=Sc
ここで、体積の合計は、伝熱板3aと伝熱板3cの体積の合計であり、ケース1の合計体積を基準にした場合には「1」で表記される。
ΔTa+ΔTc=2
Qa=(λ/L)・Sa・ΔTa
Qc=(λ/L)・Sc・ΔTc
(Sc/Sa)=√2
上述のケース3の場合(Sc/Sa=√2)が、伝熱板3全体の合計体積(即ち合計重量m)を最小化し得る理由を、以下に論理的に考察する。
被冷却物である超電導コイル2及び電流リード4から極低温冷凍機1へ向かって合流して流れる熱量の合流前の伝熱板3の断面積をSa、伝熱量をQaとし、熱量の合流後の伝熱板3の断面積をSc、伝熱量をQcとしたとき、伝熱板3の断面積の2乗と伝熱量の比における熱量の合流前後の比率(Sa2/Qa)/(Sc2/Qc)が、0.7<Sa2/Qa)/(Sc2/Qc)<1.5に設定されている。
Claims (7)
- 冷却源と、第1被冷却物と、第2被冷却物と、前記第1被冷却物と熱的に接続する第1伝熱部材と、前記第2被冷却物及び前記第1伝熱部材を熱的に接続する合流部と、前記冷却源及び前記合流部を熱的に接続する第2伝熱部材とを有し、
前記第1被冷却物及び前記第2被冷却物から前記冷却源へ向って、前記合流部及び前記第2伝熱部材を介して、前記第1被冷却物の熱量及び前記第2被冷却物の熱量が合流して流れて、前記第1被冷却物及び前記第2被冷却物を伝導冷却方式で冷却する極低温冷却システムであって、
熱量の合流前の前記第1伝熱部材の断面積をSa、伝熱量をQaとし、熱量の合流後の前記第2伝熱部材の断面積をSc、伝熱量をQcとしたとき、前記第1伝熱部材、前記第2伝熱部材の断面積の2乗と伝熱量の比における熱量の合流前後の比率(Sa2/Qa)/(Sc2/Qc)が、
0.7<(Sa2/Qa)/(Sc2/Qc)<1.5
に設定されて構成されたことを特徴とする極低温冷却システム。 - 熱量の合流後の前記第2伝熱部材の単位断面積当たりの伝熱量(Qc/Sc)が、熱量の合流前の前記第1伝熱部材の単位断面積当たりの伝熱量(Qa/Sa)よりも大きく設定されたことを特徴とする請求項1に記載の極低温冷却システム。
- 熱量の合流後の前記第2伝熱部材の断面積が、熱量の合流前の前記第1伝熱部材の断面積よりも大きく設定されたことを特徴とする請求項1または2に記載の極低温冷却システム。
- 前記冷却源が、極低温冷凍機、液体ヘリウムまたは液体窒素であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の極低温冷却システム。
- 前記第1伝熱部材及び前記第2伝熱部材が、高純度アルミニウムと高純度銅の少なくとも一方にて構成されたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の極低温冷却システム。
- 前記第1被冷却物、前記第2被冷却物が、超電導コイル、超電導素子または電流リードであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の極低温冷却システム。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の極低温冷却システムにおける被冷却物が、超電導コイルを含んで構成されたことを特徴とする超電導磁石装置。
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