JPH0330403A - 超電導マグネット装置 - 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） 本発明は極低温流体を強制的に循環することによりコイ
ルを冷却する超電導マグネット装置に関する。

（従来の技術） 超臨界ヘリウムのような高圧の極低温流体を強制的に循
環して冷却する超電導マグネット装置には、ホロー型や
、ケーブルインコンジット型の超電導導体が用いられて
いる。これらの導体は冷却流路が導体内に包含されてお
り冷媒循環の為のポンプ動力を過大にしないため圧力損
失とのかねあいから導体の水力直径、−流路の長さ及び
冷媒流量は制限されている。この為、これらの導体で構
成された超電導マグネット装置は、複数の流路から構成
され流量が等分配されるように各流路とも同一長さで同
一圧力損失になるように構成されている。

第２図は従来の超電導マグネット装置を示したもので、
超電導マグネット■のコイル部は高磁界側コイル■と低
磁界側コイル（３）から構成される。

冷媒循環装置に）は熱交換槽（Ｓａ　）内の冷媒を、超
電導マグネット（ト）の高磁界側コイル■から低磁界コ
イル■に冷媒を供給し、循環する。このため、冷媒の温
度は高磁界側コイル■から低磁界側コイル（３）にゆく
にしたがって上昇する。

導体の温度マージン（分流開始温度と冷媒温度との差）
は、一般に次式で与えられる。

ΔＴ＝Ｔｃｓ−Ｔｂ 二二でΔＴは温度マージン、Ｔｃｓは分流開始温度、Ｔ
ｂは冷媒温度、工。２、Ｔｅａはそれぞれ導体の定格電
流、臨界電流、Ｔｏ。、Ｂｏ。はそれぞれ臨界温度、臨
界磁界である。またＢは、発生磁界である。

（１０１）式から、たとえば線材として〜ｂｘｓｎのよ
うな臨界温度、臨界磁界の高い材料を選定して、コイル
を構成した場合、分流開始温度は、第３図の破線で示す
曲線（Ｔｉｎ）ようになる、　この場合、温度マージン
は、低磁界側になるほど高くなる。また（１０１）式か
られかるように温度マージンΔＴは、冷媒温度が低いほ
ど高くなる。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来の強制冷却型の超電導マグネット装置
では同一水力直径、同一流路長からなる複数の流路から
構成され高磁界側から低磁界側まで同一流量が流わでい
る。この為、核融合炉用マグネットのように定常侵入熱
のみならずＡＣロスや核発熱によって熱負荷が増加した
場合、冷媒の温度は上昇し導体の有する温度マージンは
、高磁界側で低くなり超電導安定性が低下する。

一方、低磁界側では導体の臨界温度が高くなる為、温度
マージンは増加し流量は高磁界側の量よりも少なくて良
い。この結果、高磁界側および低磁界側を同一水力特性
を有する流路とするような従来のマグネットにおいては
、冷媒流量を増すことによってのみ冷媒の除熱能力を向
上させ冷媒の温度上昇をおさえて温度マージンをあげる
ことが可能であった。しかしながら、流量の増加は低温
ポンプ循環方式においてはポンプロスの増大を。

また常温圧縮機においては圧縮機動力の増大をまぬくこ
とになる。

特に熱負荷として大きな核発熱が発生する場合、マグネ
ット最内周の内側直線部、すなわち中性子遮蔽の薄い高
磁界部で最も温度マージンが低くなる。

本発明の目的は、熱負荷の大きい高磁界側コイルに、低
い温度の冷媒を大流量供給し、高い温度マージンと高い
超電導安定性を有するとともに低磁界側コイルで過大の
温度マージンを有しない経済的な超電導マグネット装置
を提供することにある。

〔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の超電導マグネット装
置においては、高磁界側と低磁界側のコイルの冷却系に
個別の循環装置を備え、高磁界側コイルには低磁界側コ
イルよりも低い温度の冷媒を供給させた構成とする。

（作用） 上記のように構成された超電導マグネット装置は、高磁
界側コイルと低磁界側コイルを個別に冷却しているので
、冷媒の温度、流量を任意にかえることができるため、
熱負荷の大きい高磁界側で高い温度マージン及び高い超
電導安定性を有するとともに、低磁界側で過大の温度マ
ージンを有しない経済的な冷却状態を提供できる。

（実施例） 実施ｆｓｌ 以下、本発明の第１の実施例について第１図を参照して
説明する。尚、従来例の第２図にも、同一部分には同一
符号を付しておくので、従来例の理解の参考にされたい
。超電導マグネット（１）のコイルは、高磁界側コイル
（２）と低磁界側コイル■から構成される。各コイル■
、■は、それぞれ第１の熱交換槽■、第２の熱交換槽■
内に設置された冷媒循環装置（６）によって、冷媒であ
る超臨界ヘリウムが供給、循環される。高磁界側の冷媒
循環ライン■に設置された第１の熱交換槽■には、その
気相部分を排出して減圧するための減圧装置■がバルブ
（１３）を介して備えである。

一方、低磁界側の冷媒循環ライン０には、第２の熱交換
槽０のみで減圧装置（ハ）は備えていない。

高磁界側の冷媒循環ライン■のコイル■からの出口ライ
ン（２ａ）および低磁界側の冷媒循環ライン０のコイル
■への入口ライン（３ａ）には１両ラインを流れる超臨
界ヘリウムの温度を調整するための熱交換器（１０）が
設けである。又、各熱交換槽■、■には各々初期冷凍用
供給ライン（１１）、及び戻りライン（１２）が接続さ
れている。また各ラインの要所、要所には、バルブク１
３）およびバイバスラ・イン（１４）が設けである。

次に上記実施例１の作用を説明する。

第３図の実線で示す曲線Ｔｉｎのように高磁界側で高い
温度マージンを得るためには、冷媒温度を下げて低くし
てやればよい、このため減圧装置Ｉ■を用いて第１の熱
交換槽内の気相の蒸気圧を下げて温度を低くする。一方
低磁界側でも、冷媒供給温度は低くしたほうが好ましい
。このため、この実施例１のように熱交換器（１０）を
高磁界側出口ライン（２ａ）と低磁界側の入口ライン（
３ａ）の冷媒循環ラインの間に配置することによって、
熱負荷が小さい場合は、高磁界側の戻り冷媒温度が十分
低いままであることを利用して低磁界側の冷媒供給温度
を下げることができる。戻り冷媒温度が高い場合は、熱
交換しないようにバイパスライン（１４）に流す。

更に、本実施例１では、各々個別の冷媒循環装置にして
いるため、冷媒流量を任意に変化させることができる。

この結果、高磁界側は大流量にして温度上昇を防ぎ、低
磁界側は流量を絞って減量運転することも可能である。

この場合は低磁界側での温度マージンが低くなり、経済
的な冷却方法を選定することできる。

実施例２ 次に第２の実施例について、第４図を参照して説明する
。第１の実施例にて第１図では超電導マグネット■の断
面を片半分だけ示したが、第２の実施例においては第４
図のように両断面を示し、冷媒回路はＮｂ５Ｓｎの高磁
界側のコイル（２１）とＮｂＴｉの高磁界側コイル（２
３）とを並列にし、Ｎｂ５Ｓｎの低磁界側コイル（２２
）とＮ１）Ｔｉの低磁界側コイル（２４）とを並列にし
たことが実施例１の第１図と異なるだけで、他は実施例
１は同様であるので、図示と説明を省略する。

この実施例２では５　高磁界側コイルをＮｂ５Ｓｎ超電
導導超電導酸し、低磁界側コイルをＮｂＴｉ超電導導体
で構成し、ＮｂａＳｎ超電導導体の領域を更にＮｂ５Ｓ
０の高磁界側コイル（２１）とＮｈａＳｎの低磁界側コ
イル（２２）に区分する。また、ＮｂＴｉ超電導導体の
領域を更にＮｂＴｉの高磁界側コイル（２３）とＮｂＴ
ｉの低磁界側コイル（２４）とに区分する。　そして、
Ｎｂ５Ｓｎの高磁界側コイル（２１）とＮｂＴｉの高磁
界側コイル（２３）には、ＮｂａＳｎの低磁界側コイル
（２２）とＮｂＴｉの低磁界側コイル（２４）に供給す
るヘリウム温度より低い温度（超流動温度である２、１
に以下も含めて４．２に以下）のヘリウム冷媒を供給す
る。

このように構成すると−Ｎｂ：ｉＳｎの低磁界側コイル
（２２）はＮｂＴｉの高磁界側コイル（２３）より磁界
が高いから、この超電導マグネット■は磁界の変化が滑
らかになる。そして、同じ種類の超電導導体を用いた領
域では、温度の低いヘリウム冷媒が供給される方の高磁
界側の超電導特性が良くなる。

従って、Ｎｂ１Ｓｎ領域、ＮｂＴｉ領域ともに、それぞ
れ同じ種類の導体を用いて高磁界側の超電導導体の温度
を低くすることにより高磁界側のコイル（２１）、　（
２３）を小さくできるため、コイルをコンパクトにでき
る。

実施例３ 次に第３の実施例について第５図を参照して説明する。

第１の実施例では高磁界側コイル■と低磁界側コイル■
とを同心状に配置したが、第３の実施例は同軸状に配置
したものである。他は実施例１と同様である。

このようにすればコイルの配置が変っただけで、作用効
果は実施例１と同様である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、超電導コイル内の
高磁界を経験する内部冷却形超電導導体の冷媒温度を、
低磁界を経験する内部冷却形超電導導体の冷媒温度より
低くすることにより、高い温度マージンと、高い超電導
安定性を有すると共に、コンパクトで経済的な超電導マ
グネット装置を提供することができる。従って、この超
電導マグネット装置を核融合装置の部品であるトカマク
型のトロイダルコイル、ポロイダルコイル、あるいはヘ
リカル型のヘリカルコイル、ミラー型のイン・ヤンコイ
ルなどの大形装置に適用することにより、コイルがコン
パクトになり、装置全体もコンパクトになる効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す管系図、第２図は
従来例を示す管系図、第３図は第１の実施例と従来例と
の温度マージンを比較して示す曲線図、第４図は第２の
実施例のコイル配置を示す断面図、第５図は第３の実施
例のコイル配置を示す断面図である。 １・・・超電導マグネット、２・・・高磁界側コイル、
３・・・低磁界側コイル、　４・・・冷媒循環装置。 ２１・・・Ｎｂ３Ｓｎの高磁界側コイル、２２・・・Ｎ
ｂ５Ｓｎの低磁界側コイル、２３・・・Ｊ）Ｔｉの高磁
界側コイル、２４・・・ＮｂＴｉの低磁界側コイル。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高磁界を経験する高磁界側コイルと、低磁界を経
   験する低磁界側コイルとの超電導導体製のコイルを組合
   せ、これらのコイルに強制的に冷媒を循環して冷却する
   冷却流路を有する強制冷却形の超電導マグネット装置に
   おいて、前記コイルの冷却系は個別の冷却装置を備え、
   高磁界側コイルには低磁界側コイルよりも低い温度の冷
   媒を供給したことを特徴とする超電導マグネット装置。
2. （２）超電導導体の材料をＮｂ＿３ＳｎおよびＮｂＴｉ
   とし、Ｎｂ＿３ＳｎのコイルをＮｂＴｉのコイルより同
   心にて内側に配置し、両者をそれぞれ高界磁側コイルと
   低磁界コイルに区分し、高磁界側コイルには低磁界側コ
   イルより低い温度のヘリウム冷媒を供給したことを特徴
   とする請求項（１）記載の超電導マグネット装置。