JPH02288207A - 強制冷却超電導コイル装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はコンジットの内部に超電導線が埋込まれ、コン
ジット内部に冷媒を流す強制冷却方式の超電導コイルに
係り、特に、超電導コイルの冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

超電導コイルを冷却する方法には大きくわけてコイルを
直接冷媒中に浸漬して冷却する浸漬冷却法と金属製コン
ジットの内部に超電導線が挿入された超電導導体を巻回
してコイルをつくり、コンジットの内部の超電導線との
間隙に冷媒を強制的に循環して冷却する強制冷却方式が
ある。浸漬冷却の場合には冷媒中にコイルが浸漬されて
いるため、コイルの一部分が常電導状態になっても１周
囲の冷媒によって冷却され１通電電流を下げると超電導
特性が回復し、安定性は大きいが、超電導コイル及び冷
媒を収納するクライオスタンドが必要である。又、超電
導コイルの電気絶縁は超電導線の外表面に接触しており
、特に、大型超電導コイルでは間欠的な絶縁スペーサで
裸の超電導導体間を接触させており高耐電圧のものが得
られない欠点がある。これに対して強制冷却コイルの場
合には、超電導導体自身が冷媒流路となるため、冷媒を
貯めるクライオスタットは不要で、周囲には単に真空容
器があれば良く、又、絶縁も導体表面全面にわたって容
易にすることができるので絶縁材の選定によって耐電圧
を高めることが可能であり、冷媒がコンジット内部の超
電導線の周囲を強制的に流れるため、冷却特性が向上す
るなどの利点がある。そのため、核融合炉用ボロイダル
コイルのような大型で複雑な形状をもち、しかも、交流
損失や高電圧を発生する超電導コイルに最適であり、各
方面から注目され開発がなされている。

従来の強制冷却の一例を第３図及び第４図を参照して説
明する。第３図は強制冷却超電導導体の断面図であり、
超電導導体１はステンレス環の角形パイプ（コンジッ１
〜）２の内側の冷媒通路４内にこの通路にそって超電導
線３を配したもので、冷媒通路４にヘリウムを流して超
電導線３が超電導状態を呈するまで冷却する。

第４図はこのような超電導導体１を用いた強制冷却コイ
ルの一般的な冷却装置を示す。主な構成機器は循環圧縮
機５．液体窒素槽６．液体ヘリウム槽７、及び、自流型
熱交換器８等を収納する収納容器９．超電導コイル１０
を収納する真空容器１１、及び、それを結ぶ冷媒移送管
１２ａ、１２ｂから成っており、次のような方法で冷却
が行なわれる。すなわち、冷媒となるヘリウムガスは循
環圧縮機５により圧縮されて熱交換器収納容器９の内部
に導かれ、液体窒素槽６で約８０’Ｋに冷却され熱交換
器群８で戻りガスと熱交換して液体ヘリウム槽７に入り
、そこで５Ｋに冷却されて超臨界圧ヘリウムとなり、ヘ
リウム移送管１２ａを介して真空容器１１に入り、ター
ミナルボックス１３で励磁電源１５からくる電流リード
線１４と合流し、超電導コイル１０を冷却し、戻りガス
は戻りヘリウム移送管１２ｂを介して、再び、熱交換器
収納容器９に入って、ジュールトムソン弁１６でＪ−Ｔ
膨張して液体となり液体ヘリウム槽７に貯る。ここで蒸
発したガス、及び、液化しなかったガスは入ってくるガ
スと熱交換しながら戻り配管を介して循環圧縮機５に戻
り、これをくり返しながら冷却する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、冷媒発生装置の収納容器９と超電導コ
イルが収納された真空容器１１の距雛が長いため、ヒー
トリークにより冷媒温度が上昇すること、電流リード１
４ａ、１４ｂからの熱侵入による熱損失が大きく、ター
ミナルボックス１３で合流する冷媒温度を上昇させる。

又、従来の装置で超電導コイルを冷却する場合、冷媒が
狭隘なコンジット内の間隙を流れるため、流れ抵抗が著
しく高くなることで、特に、常温から冷却する初期冷却
時には圧力損失が大きく冷媒をほとんど流すことができ
ず冷却に長時間を要する欠点があった。

このような欠点を補う方法として真空容器内に冷媒貯槽
を設け、外部からの熱の侵入を軽減する方法として特開
昭５９−１１７２８１号公報が開示されているが、この
方法では、電流リード、及び、コイル本体冷却用の冷媒
は冷却することができるが、常温からの予冷却ができな
いため、コイル本体冷却に長時間を要する問題は解決さ
れなかった。

本発明の目的は、電流リード及び、超′に導コイル本体
冷却用配管を冷却し、外部からの熱の侵入による冷媒の
温度上昇を防ぐと共に、超電導コイルに接して予冷却す
る配管をも冷却し、初期冷却における冷却時間を短縮す
る強制冷却超電導装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、電流リード、及び、超電導コイル本体を冷
却するために真空容器内に設置した冷媒ｎ槽、及び、超
電導コイル本体に接し、超電導コイルを予冷却する配管
の両者に外部冷媒貯槽よす分岐して供給することにより
達成される。

〔作用〕

強制冷却コイル用超電導導体の圧力損失が大きいため冷
媒の流れが悪く、予冷時間が長くなる問題を解決するた
め、超電導コイルに接して冷媒配管を設置し、コイルを
外部から冷却することにより超電導導体内の超臨界圧ヘ
リウムの流れを流れやすくシ、常温からの冷却時間を短
縮することができる。

又、電流リード、及び、冷却配管からの侵入熱を軽減す
るためには、電流リード、及び、冷却配管を冷却する冷
媒貯槽に外部より効率よく冷媒を供給する配管を設ける
ことにより達成できる。又、この操作は、上記冷媒貯槽
に入る上流側、及び、コイルに接して予冷却する配管の
超電導コイル上流側にそれぞれ流量調節弁を設けて調節
することにより、効果的に冷却することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。本装
置は、冷媒発生装置１７で発生する超臨界圧ヘリウム１
８を強制冷却超電導コイル１０に移送する配管１９ａ、
超電導コイルに電流を供給する電源１５、及び、電流リ
ード１４ａ、１４ｂ、電流リード及び冷媒配管１９ａ、
が貫通している冷媒貯槽２０、さらに、超電導コイル１
０に接して外部より冷却する予冷却用配管２７等からな
っている。

冷媒貯槽２０及び予冷却配管２７への液体ヘリウムの供
給は外部液体ヘリウムデユワ−２１から配管２３によっ
て導びかれ、真空容器内で分岐し、流量はそれぞれの配
管にある流量調節用弁２５゜２６で調節される。

一方、冷媒貯槽２０．及び、コイル予冷却後の蒸発ガス
は弁２９を介してヘリウム回収装［３０に接続されてい
る。

次に、本実施例の動作について説明する。冷媒発生装置
１７から供給されたヘリウムガスは配管１９ａを通じタ
ーミナルボックス１３に入り、その後、超電導コイルを
冷却した後、戻り配管１９ｂを通って冷媒発生装置１７
に戻り、これをくり返す。しかし、常温からの初期冷却
にはコイル内の圧力損失等により長時間を要するため、
約２０Ｋまでは冷媒貯槽への弁２６を閉じ、予冷却用弁
２５を開いてコイル導体を外側から冷却し、超電導コイ
ル内の超臨界圧ヘリウムを流れやすくして冷却を進める
。

超電導コイル温度が２０に以下になったら、マグネット
予冷却用弁２５を閉じ、冷媒貯槽への弁２６を開いて貯
槽２０に液体ヘリウムを貯め、電流リードよりの侵入熱
、及び、超臨界圧ヘリウムの外部からのヒートリークに
よる温度上昇をおさえる。

コイル温度が超電導状態になったら、励磁電源１５より
通電し励磁を行う。励磁中電流リードの温度上昇は、貯
槽２０内の液体ヘリウム、及び、ガスヘリウムによって
おさえる。

一辺が７ｍの角形ステンレスコンジットの中に超電導線
をボイド率５０％で挿入した長さ３４ｍの超電導導体を
内直径１００ｎｒｎのボビン状に巻回した超電導コイル
を製作し、コイルに超臨界圧へリウムを循環させると共
に、外部液体ヘリウムデユワ２１から液体ヘリウムを、
内部貯槽２０．及び、超電導コイル１０に接する配管２
７に流して冷却を行った。

その結果、本発明の方法では超電導コイル導体内を流れ
るヘリウムガスの流量は、従来の超電導コイルに接する
配管２７がない場合に比べ、約２０倍多く流すことがで
き、超電導状態になるまでの冷却時間は上記と同一の条
件で約１０％に短縮することができた。

又、超電導コイルが超電導性を示す温度になってから超
電導コイルに、圧力５ａｔｍ　、質量流量３ｇ／ｓの超
臨界圧ヘリウムを流しておき、内部液体ヘリウム貯槽に
液体ヘリウムを貯めた状態と、貯めていない状態につい
て、直流安定化電源１５より励磁した。その結果、液体
ヘリウムを貯めていない場合には電流リードの温度が上
昇すると共に、冷媒温度も上昇し、コイルに流れる冷媒
の質量を５ｇ／ｓまで増加させても超電導コイル１゜は
、励［電流１１０Ａで常電導転移してしまう。

それに対し、液体ヘリウムを貯めた状態で励磁した場合
には、超電導コイルに３　ｇ　／　ｓの流量を流してい
る状態で、２００Ａまで励磁しても電流リードの温度上
昇もなく常電導転移は起こさず安定に励磁することがで
きた。

本発明の他の実施例を第２図により説明する。

第２図は要部のみを示すもので、図示されない部分は第
１図と同様である。この実施例では、冷媒貯槽２０に入
る配管の上流側に二ヶの自動弁３１゜３２を設け、貯槽
に近い弁３２は、貯槽内に設置した液面センサ３３によ
り液面を検知して開閉するもので、本実施例では槽の有
効高さの９０％で閉じ、７０％で開くようにした。

又、貯槽から遠い自動弁３１は、本配管と分岐して超電
導コイルを外部より冷却する配管に設置した自動弁３４
と共に、超電導コイルに設置した温度センサ３５の温度
を検知して開閉するもので、この実施例では、超電導コ
イルの温度を２０Ｋに設定し、それより高い時は自動弁
３４が開、３１は閉、低い時はその逆になるようにした
。

その結果、予冷却の間、及び、励磁中、弁の操作をする
必要がなく、安定にかつ経済的に運転することができた
。

なお、本発明はこれらの実施例に制限されることなく、
検知器の設定など各種変形が本発明の範囲を逸脱するこ
となく考えられることは云うまでもない。

〔発明の効果〕 本発明によれば、超電導コイルに接して、外部より冷却
できる予冷却用配管を設けているので、特に、常温から
の冷却時間を著しく短縮することができ、液体ヘリウム
貯槽により冷媒供給配管。

及び、電流リードを冷却できるので、冷媒の温度上昇を
なくすと共に電流リードからの侵入熱及び励磁に伴う発
熱を軽減することができる。

又、本発明によれば、予冷却用の冷媒の供給を、液面セ
ンサ及び温度センサと連動させて自動化できるので安定
に、かつ、経済的に運転が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す超電導コイル装置の
系統図、第２図は本発明の他の実施例を示す系統図、第
３図は本発明に使用される典型的な強制冷却超電導導体
の断面図、第４図は従来の強制冷却方式の例を示す系統
図である。 １・・・強制冷却超電導導体、２・・・金属性コンジッ
ト。 ３・・・超電導線、４・・・冷媒流路、５・・・循環圧
縮機、６・・・液体窒素槽、７・・・液体ヘリウム槽、
８・・・熱交換器。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．真空容器内に強制冷却超電導導体で巻回された超電
   導コイルと、前記超電導コイルの本体を冷却するための
   冷媒を供給する配管及び前記超電導コイルに電流を供給
   する電流リードを冷却する冷媒貯槽を配設した超電導コ
   イル装置において、 前記超電導コイル本体と接して予冷却する配管を設け、
   前記配管から前記冷媒貯槽に前記冷媒を供給する配管を
   分岐し、それぞれの配管に流量調節弁を設けることを特
   徴とする強制冷却型超電導コイル装置。
2. ２．請求項１に記載の強制冷却型超電導コイル装置にお
   いて、 分岐後、前記冷媒貯槽に入る配管上に二ケの弁を設け、
   そのうち前記冷媒貯槽に近い弁は前記冷媒貯槽内の液面
   を検知して開閉し、前記冷媒貯槽に遠い弁および前記超
   電導コイル本体に接して前記超電導コイルを予冷却する
   配管に設置した弁は前記超電導コイル本体の温度を検知
   して開閉することを特徴とする強制冷却超電導コイル装
   置。