JPH02260404A - 超電導装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、超電導装置に係り、特に定常運転時にはクラ
イオスタットの内側と外側とを完全に遮断して使用され
るタイプの超電導装置に関する。

（従来の技術） 超電導装置、たとえば永久電流モードで運転される超電
導磁石装置は、定常運転時にクライオスタットの内側と
外側とを完全に遮断して使用するようにしたものが多い
。すなわち、このタイプの超電導磁石装置は、通常、ク
ライオスタット内に超電導コイルと、永久電流スイッチ
と、これらを冷却するための液体ヘリウムと、液体ヘリ
ウムの蒸発によって生成されたヘリウムガスを凝縮させ
る熱交換器とを配置している。そして、タライオスタッ
トのいわゆる壁内に、超電導コイルと室温雰囲気に置か
れた励減磁用電源とを電気的に接続するだめのパワーリ
ードを配置し、このパワーリードをガス冷却系と、中間
位置冷却系とで冷却するようにしている。ガス冷却系は
、パワーリードに通電しているときに蒸発によって生成
されたヘリウムガスの一部をパワーリードに接触させな
がらクライオスタット外へと導いて冷却する。また、中
間位置冷却系は、パワーリードの中途位置を冷却し、パ
ワーリードを介してクライオスタット内へ侵入する熱量
を抑制する。すなわち、この超電導磁石装置では、超電
導コイルの励磁開始時のようにパワーリードにジュール
熱が発生するときには主としてガス冷却系でパワーリー
ドを冷却し、また永久電流モードに切り換えた後は中間
位置冷却系でパワーリードを介して外部から侵入しよう
とする熱を奪うようにしている。なお、永久電流モード
に切り換えた後は、ガス冷却系のガス出口を閉じ、蒸発
によって生成されたヘリウムガスをクライオスタット内
に閉じ込め、このヘリウムガスを熱交換器で凝縮させる
ようにしている。

ところで、上記のように構成された超電導磁石装置にあ
って、中間位置冷却系は、通常、パワーリードの中途位
置に四弗化エチレン等の電気絶縁物を介して冷却管を接
触させ、この冷却管内に液体ヘリウムより沸点の高い冷
媒である液体窒素を常に通流させる構成となっている。

しかしながら、上記のように構成された超電導磁石装置
にあっては次のような問題があった。すなわち、クライ
オスタット内に収容されている液体ヘリウムの沸点は４
．２にであり、中間位置冷却系の冷却管に通流している
液体窒素の沸点は７７にである。パワーリードに通電し
ているとき、ガス冷却系を動作させると、このガス冷却
系にはヘリウムガスが流れるが、このヘリウムガスの温
度は７７によりはるかに低い。このため、中間位置冷却
系の冷却管は７７により低温となる。この結果、冷却管
内の液体窒素が凍り、冷却管を破損させる虞があった。

そこで、このような不具合を解消するために、ガス冷却
系を動作させているときには、中間位置冷却系に液体窒
素を通流させないようにすることが考えられる。しかし
、この方式を採用するには、中間位置冷却系に液体窒素
を通流させても良いかどうかを判定するために温度検出
系を設ける必要があり、装置全体の複雑化を免れ得ない
ことになる。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、従来の装置にあっては、中間位置冷却系を
破損させる虞が往々にしてあった。

そこで本発明は、構成の複雑化を招くことなく、中間位
置冷却系の保護を図れ、パワーリードを常に安定に冷却
できる超電導装置を提供することを目的とし、ている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明では、パワーリード
をガス冷却系と中間位置冷却系とて冷却するようにした
超電導装置において、下端側がパワーリードの中途位置
に熱的に接続されるとともに上端側が冷媒液の通路に熱
的に接続され、内部に上記下端側が一定温度以下のとき
凝固して上記下端側と上記上端側とを熱的に遮断する作
動流体を封入してなる熱スイッチを含む中間位置冷却系
を設けたものとなっている。熱スイッチとしては、上記
特性の作動流体が封入されてなるヒー　ドパイブあるい
は上記特性の作動流体が封入されて前記下端側と前記上
端側とをガス伝導で熱的に接続するようにしたものが用
いられている。

（作　用） 今、パワーリードに通電するとき、ガス冷却系には７７
に以下のヘリウムガスが流れ、また中間位置冷却系の冷
媒液通路には沸点が７７にの液体窒素が常に流れている
ものとする。そして、熱スイッチとして、ヒートパイプ
式のものを用い、この熱スイツチ内には作動流体として
窒素ガスが所定量封入されているものとする。この場合
、上記条件からして熱スイッチの上端側は常に７７Ｋに
保持されている。このため、熱スイツチ内に封入されて
いる窒素ガスは、熱スイッチの上端側内面に接触すると
凝縮する。この凝縮によって形成された液滴は、熱スイ
ッチの下端側内面に向けて落下する。

定常運転時、ガス冷却系にはヘリウムガスは流れていな
い。熱スイッチの下端側がパワーリードを介しての入熱
により７７Ｋを越えようとすると、下端側内面に接触し
ている液体窒素が蒸発する。

蒸発によって生成された窒素ガスは対流によって上端側
へと流れ上端側内面に接触する。上端側内面は７７Ｋに
保持されているので、これに接触した窒素ガスは再び凝
縮する。そして、凝縮によって生成された液滴は落下し
、再び下端側内面に接触する。したがって、熱スイッチ
は良く知られているヒートパイプと全く同じ原理で熱を
輸送する。

このため、熱スイッチの下端側はほぼ７７Ｋに保持され
る。この温度保持作用によってパワーリードを介して外
部から侵入しようとする熱量が抑制される。

一方、パワーリードに通電するときにはガス冷却系にヘ
リウムガスが流れるように切り換えられる。ガス冷却系
に流れるヘリウムガスが７７によりはるかに低い温度の
場合には、熱スイッチの下端側も７７により低い温度と
なる。このため、熱スイツチ内に封入されている窒素は
凝固状態となる。

このように封入窒素が凝固すると、熱スイツチ内は真空
状態となり、下端側と上端側とは断熱状態となる。した
がって、ガス冷却系に７７によりはるかに低温のヘリウ
ムガスが流れても、中間位置冷却系の冷媒液通路は７７
に以下になることはなく、液体窒素が凍ることもない。

そして、ガス冷却系のヘリウムガスの流れが止まり、こ
れに伴って熱スイッチの下端側が温度上昇すると、熱ス
イツチ内の凝縮窒素が解けて液化し、再び下端側を７７
Ｋに保持する動作が開始される。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係る超電導装置、ここに
は超電導磁石装置の概略構成が示されている。

同図において、１はクライオスタットを示している。こ
のクライオスタット１は、内槽２と、外槽３と、内外槽
間に形成された真空断熱ＮＺ４とで構成されている。内
槽２内には超電導コイル５と、図示しない永久電流スイ
ッチと、これらを冷却するための液体ヘリウム６と、上
部空間に漂うヘリウムガスを凝縮させる熱交換器７とが
収容されている。なお、熱交換器７は、図示しない冷凍
機に接続されている。

内槽２の土壁には連絡口８が形成されており、この連絡
口８には絶縁継手９を介してガス案内管１０の一端が気
密に接続されている。このガス案内管１０の他端側は、
真空断熱層４内を上方に向は適宜屈折しながら延び、そ
の他端が絶縁継手１１を介し、さらに外槽３の土壁を気
密に貫通して外部に導かれている。そして、外部に突出
している部分は、バルブ１２を介して図示しないヘリウ
ムガス回収系に接続されている。

超電導コイル５の両端には、それぞれパワーリード１３
の一端側が接続されている。なお、図では１本のパワー
リードのみを示している。これらパワーリード１３の他
端側は、ガス案内管１０内を導かれ、ガス案内管１０の
外部に突出している部分に絶縁状態で固定された端子１
４に接続されている。他の１本のパワーリードについて
も同様に配置されている。

真空断熱層４内には、ガス案内管１０の壁を介してパワ
ーリード１３の中途位置に熱的に接続される関係に中間
位置冷却系２１が設置されている。

この中間位置冷却系２１は、下端部がガス案内管１０の
中途位置およびパワーリード１３の中途位置に熱的に接
続された熱スイッチ２２と、この熱スイッチ２２の上端
部に熱的に接続される関係に配置された冷却管２３とで
構成されている。そして、冷却管２３の両端は外槽３の
上壁を絶縁状態で、かつ気密に貫通して図示しない液体
窒素供給源に接続されている。

熱スイッチ２２は、第２図に示すように、熱伝導率の低
い材料で形成された筒体３１の両端を熱伝導率の高い材
料で形成された下部端板３２および上部端板３３で閉塞
するとともに各端板の内面に円錐状に形成された下部伝
熱ブロック３４および−Ｌ部伝熱ブロック３５を取り付
け、さらに内部に窒素ガスを１．　Ｏａ　ｔ　ｔｘ程度
封入したものとなっている。上記構成から判るように、
熱スイッチ２２はヒートパイプ構成となっている。

この超電導磁石装置では、永久電流モードで運転するに
先立って超電導コイル５を励磁するときには、端子１４
が外部電源に接続される。このとき、バルブ１２を開き
、蒸発して生成された低温のヘリウムガスをガス案内管
１０内に通流させ、これによってパワーリード１３で発
生したジュール発熱を外部へ排出する。そして、永久電
流モードに切り換えた後は、バルブ１２を閉じ、中間位
置冷却系２１による冷却でパワーリード〕３を通【７の
熱侵入を抑制する。バルブ１２が閉じられると、蒸発に
よって生成されたヘリウムガスは、内部に閉じ込められ
る。このヘリウムガスは熱交換器７によって再液化され
る。このような運転方法が採られている。

このような構成であると、定常運転時は勿論のことパワ
ーリードに通電するときもパワーリード１３を安定に冷
却することができる。すなわち、中間位置冷却系２１の
冷却管２３には沸点が７７にの液体窒素が常に流れてい
る。したがって、熱スイッチ２２の上部端板３３は常に
７７Ｋに保持されている。このため、熱スイッチ２２内
に封入されている窒素ガスは、上部伝熱ブロック３５に
接触すると凝縮する。この凝縮によって形成された液層
は、下部伝熱ブロック３４側に向けて落下する。

定常運転時、ガス案内管１０内にはヘリウムガスは流れ
ていない。ただし、比較的高温のヘリウムガスは滞留し
ている。パワーリード１３を介して外部から侵入した熱
で熱スイッチ２２の下部端板３２の温度が７７Ｋを越え
ようとすると、下部伝熱ブロック３４に接触している液
体窒素が蒸発する。蒸発によって生成された窒素ガスは
対流によって上方へと流れ上部伝熱ブロック３５に接触
する。このため、上部伝熱ブロック３５に接触した窒素
ガスは再び凝縮する。そして、凝縮によって生成された
液滴が落下し、再び下部伝熱ブロック３４に接触する。

したがって、熱スイッチ２２は、ヒートパイプと全く同
じ原理で下部端板３２から上部端板３５へと熱を輸送す
る。このため、下部端板３２はほぼ７７Ｋに保持され、
これに熱的に接触しているパワーリード１３の中途部分
もほぼ７７Ｋに保持されることになる。この結果、パワ
ーリード１３を介して外部から侵入しようとする熱量が
抑制される。

一方、パワーリード１３に通電するためにバルブ１２を
開くと、ガス案内管１０内に７７によりはるかに低温の
ヘリウムガスが通流する。ガス案内管１０内に流れるヘ
リウムガスが７７によりはるかに低い温度の場合には、
熱スイッチ２２の下部端板３２も７７により低い温度と
なる。このため、熱スイツチ２２内に封入されている窒
素は凝固状態となる。このように封入窒素が凝固すると
、熱スイツチ２２内は真空状態となり、下部端板３２と
上部端板３３とは断熱状態となる。したがって、ガス案
内管１０内に７７によりはるかに低温のヘリウムガスが
流れても、中間位置冷却系２１の冷却管２３は７７に以
下になることはない。このため、冷却管２３内を通流し
ている液体窒素が凍ることはなく、冷却管２３が破損す
ることもない。そして、永久電流モードに切り換えた後
に、バルブ１２を閉じると、ガス案内管１０のヘリウム
ガスの流れが止まり、これに伴って熱スイッチ２２の下
部端板３２も温度上昇する。この温度が７７に近くまで
上昇すると、熱スイツチ２２内の凝固窒素が解けて液化
し、再び下部端板３２を７７Ｋに保持する動作が開始さ
れる。したがって、パワーリード１３を常に安定して冷
却できることになる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

すなわち、上述した実施例では、ヒートパイプ式の熱ス
イッチを用いているが、第３図に示すように、ガス伝導
式の熱スイッチ２２ａを用いてもよい。この熱スイッチ
２２ａは下部端板３２の内面と上部端板３３の内面とに
互いに僅かの間隙を設けて噛合する関係に複数枚の伝熱
板４１．４２を突設するとともに内部に窒素ガスを封入
したものとなっている。このように構成された熱スイッ
チ２２ａでは、伝熱板４１．４２間に存在する窒素ガス
が熱輸送媒体として作用する。

そして、下部端板３２が一定以下の温度になると封入さ
れている窒素ガスが凝縮する。したがって、第２図に示
した熱スイッチとまったく同じ機能を発揮させることが
できる。また、上述した実施例は、本発明を超電導磁石
装置に適用した例であるが、他の超電導装置にも適用で
きることは勿論である。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、構成の複雑化を招
くことなく、中間位置冷却系を確実に保護でき、長期に
亘ってパワーリードを良好に冷却できる機能を備えた超
電導装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る超電導装置の概略構成
図、第２図は同装置に組み込まれた熱スイッチの縦断面
図、第３図は熱スイッチの変形例の縦断面図である。 １・・・クライオスタット、５・・・超電導コイル、６
・・・液体ヘリウム、７・・・熱交換器、１０・・・ガ
ス案内管、１２・・・バルブ、１３・・・パワーリード
、２１・・・中間位置冷却系、２２．２２ａ・・・熱ス
イッチ、２３・・・冷却管。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図 第１図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）クライオスタットと、このクライオスタット内に
   収容された超電導機器と、前記クライオスタット内に収
   容されて前記超電導機器を冷却する第１の冷媒液と、前
   記クライオスタット内に熱交換器を位置させて前記第１
   の冷媒液の蒸発によって生成された冷媒ガスを凝縮させ
   る冷凍機と、前記超電導機器と室温雰囲気に置かれた機
   器とを電気的に接続するためのパワーリードと、このパ
   ワーリードに通電しているとき前記冷媒ガスの一部を上
   記パワーリードに接触させながら通流させて上記パワー
   リードを冷却するガス冷却系と、下端側が前記パワーリ
   ードの中途位置に熱的に接続されるとともに上端側が前
   記第１の冷媒液より沸点の高い第２の冷媒液の通路に熱
   的に接続され、内部に上記下端側が一定温度以下のとき
   凝固して上記下端側と上記上端側とを熱的に遮断する作
   動流体を封入してなる熱スイッチを含む中間位置冷却系
   とを具備してなることを特徴とする超電導装置。
2. （２）前記熱スイッチは、前記特性の作動流体が封入さ
   れてなるヒートパイプである請求項１に記載の超電導装
   置。
3. （３）前記熱スイッチは、前記特性の作動流体が封入さ
   れて前記下端側と前記上端側とをガス伝導で熱的に接続
   するものである請求項１に記載の超電導装置。