JPH0423476A - 超電導磁石システム - 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、超電導磁石システムに係り、特に、超電導磁
石を励磁または消磁するときに用いられる電流リードか
らの侵入熱を減少させる構造に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の超電導磁石システムにおいては、例えば電気学会
通信教育会著「超電導工学、０（電気学会発行）の第１
７０頁に記載のように、電流リードの侵入熱を減少させ
るために、蒸発したヘリウムガスの顕熱で電流リードを
冷却する方式を採用していた。また、電流リードの導体
を冷却するガス配管は、超電導磁石を収納したヘリウム
容器からの蒸発ガスを利用するようになっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

」二足従来技術は、比較的高磁界を発生する超電導磁石
の励磁において、超電導磁石を収納した液体ヘリウムの
圧力上昇に伴い、その温度が上昇す一 ることに対する配慮を欠いていた。

超電導磁石の超電導線材は、一般に、臨界電流密度が高
くしかも比較的磁界が高い場合、液体ヘリウムの温度を
上昇させると、超電導線が超電導状態から常電導状態に
突然転移する現象すなわちクエンチを生じ、超電導磁石
が損傷してしまうという問題があった・ このクエンチの引き金となる一因は、電流リードの冷却
ガス配管の圧力損失である。この圧力損失は、冷却ガス
配管の断面積が小さいほど、また冷却ガスの流量を増加
させるほど、大きくなり、液体ヘリウム容器内の圧力が
上がる。

液体ヘリウムの物性から、圧力と飽和温度とはおよそ比
例関係にあるので、飽和温度が上昇する。

それにより、超電導線材は、その臨界温度を越えてしま
い、クエンチに至る。

本発明の目的は、励磁または消磁中にクエンチを引き起
こすことがなく、また侵入熱が少ない電流リードを備え
た超電導、磁石システムを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、超電導コイルと
、超電導コイルを液体ヘリウム内に収納する液体ヘリウ
ム容器と、液体ヘリウム容器を外界から熱的に遮断する
熱的シールドを含む真空容器と、超電導コイルを励磁ま
たは消磁するための電流リードとを備えた超電導磁石シ
ステムにおいて、前記電流リード全長に互って熱的に接
続された流路を有し両端部が真空容器外部に開口する冷
却配管と、この冷却配管に冷却材を供給する冷却材容器
とを設けた超電導磁石システムを提案するものである。

冷却配管は、具体的には、電流リードの導体に螺旋状に
巻き付けて実現する。

電流リードは、非通電時の冷却配管による冷却がないと
きに、液体ヘリウム容器からのヘリウムガスにより電流
リード自体を冷却するための管状流路を内部に形成して
もよい。

いずれの場合も、冷却配管は、８０にシールドよりも下
部の電流リードの導体に巻き付けられた液体ヘリウム使
用冷却配管と、８０にシールドよりも上部の電流リード
の導体に巻き付けられた液体窒素使用冷却配管とに分離
できる。

前記冷却配管は、電流リードに巻き付けるのではなく、
電流リードそのものを中空に形成し、冷却配管と兼用す
ることも可能である。

〔作用〕

超電導磁石を励磁するときに、超電導磁石を収納した液
体ヘリウムとは別の冷却材容器から、超電導磁石の電流
リードに取り付けられた冷却配管に、ヘリウムを流すと
、通電中に発生する電流リード導体でのジュール発熱を
奪うことができるので、電流リードが焼損する恐れがな
い。

また、電流リードから超電導磁石を収納した液体ヘリウ
ム容器への侵入熱を少なくするため、電流リードの導体
を電気抵抗が高いステンレス鋼にしたり、導体断面積を
小さくしたり、導体の長さを長くした場合であっても、
外部に別設した冷却材容器の内圧を上昇させ、電流リー
ドの冷却配管に液体ヘリウムを供給すれば、電流リード
の導体を支障なく効果的に冷却できる。すなわち、冷却
配管は、超電導磁石を収納した液体ヘリウム容器とは連
通していないので、液体ヘリウム容器の内圧が」二昇す
ることはない。

したがって、液体ヘリウムの液温の上昇も避けられ、ク
エンチをまねくことなく、超電導磁石を励磁できる。ま
た、超電導磁石を収納した液体ヘリウム容器への侵入熱
を低く抑えることが可能である。

〔実施例〕

次に、第１図〜第４図を参照して、本発明の詳細な説明
する。

第１図は、本発明による電流リードを備え、超電導コイ
ルを液体ヘリウムで冷却し、蒸発したヘリウムガスを小
型ヘリウム冷凍機の凝縮器で再液化する方式を採用した
超電導磁石システムの一実施例の構成を示す一部縦断面
図である。

図において、１は超電導コイル、２は液体ヘリウム、３
は小型ヘリウム冷凍機、４は凝縮器である。この方式は
、超電導磁石の液体ヘリウム容器５に液体ヘリウム２を
最初に注入するだけでよく冷凍機３を運転している間は
液体ヘリウム２を補給する必要の無いクローズドクサイ
クルである。

６は中間シールドであり、７は８０にシールドであるー
。これらは、それぞれ冷凍機３により冷却され、液体ヘ
リウム容器５に入射しようとする輻射熱を遮蔽している
。シールド６．７は、アルミまたは銅からなり、表面の
赤外線反射率を高くしである。８は真空容器９からの輻
射熱を防ぐ積層断熱材である。積層断熱材８は、アルミ
蒸着したポリエステルフィルムを２０〜５０枚積層した
ものである。１０は液体ヘリウム注入管であり、その注
入口は、冷凍機３が運転状態にあるときは、栓１０ａで
ふさがれている。１１はヘリウムガス吐出管であり、そ
の先は２方向すなわち逆止弁１２とバルブ１３とに分岐
している。逆止弁１２は、液体ヘリウム容器５の内圧が
大気よりも低くなった場合には閉じて大気からの空気の
混入を避け、逆に高くなった場合は開いてヘリウムガス
を大気中に放出する。その動作に至る内外圧力差は任意
一 に設定できる。

１４は超電導コイル１を励磁するための電源であり、本
発明の対象である電流リード１５を介して、超電導コイ
ル１に通電する。１６は液体ヘリウムデユワ−であり、
その内部の液体ヘリウム１７は、断熱配管となっている
トランスファーチューブ１８により、電流リード１５に
取り付けた冷却配管１９に流すことが可能である。冷却
配管１９と電流リード１５の導体とは電気伝導体ででき
ているので、冷却配管１９が２つに分岐している部分１
９ａは、電気絶縁性の高いアルミナセラミクス等で形成
しである。冷却配管工９の他方の端部には、逆止弁１２
と同様に作用する逆止弁３０を取り付けである。

超伝導コイル１は、Ｎ　ｂ　Ｔ　ｊ線材を多数巻き付け
た例えば９Ｔ（テスラ）磁界発生用超電導コイルである
。この場合、臨界電流密度は、およそ５Ｘ　１０’　（
Ａ／ｍ２）となる。ところが、超電導コイルの温度が４
Ｋから４．５Ｋに上昇すると、その臨界電流密度は、２
　Ｘ　］、　Ｏ″（Ａ／ｍ２）に低下してしまう。した
がって、比較的高磁界用超電導磁石は、液体ヘリウム２
の温度に対して敏感であるといえる。

液体ヘリウム２の温度は、圧力に比例して高くなる。例
えば、圧力が０．１ＭＰａ　（１，ａ　ｔｍ）のときの
飽和温度は４．２にであるが、圧力が０．１２ＭＰａ　
（１，２ａｔｍ）になると、飽和温度が４．４Ｋに上昇
する。超電導コイル１の許容温度は４．５にであるから
、温度余裕度がほとんど無い状態で超電導コイル１を励
磁することになる。

この圧力上昇を引き起こす原因は、液体ヘリウム容器５
への侵入熱である。特に、励磁・消磁用の電流リード１
５からの侵入熱の割合が大きい。

この侵入熱により蒸発したヘリウムガスを有効に利用す
るため、従来は、電流リード１５にそのヘリウムガスを
流していた。

しかし、冷却効率を高めようと電流リード１５内の冷却
流路を狭めて流速を高くすると、電流リード１５内で圧
力損失が生じ、液体ヘリウム容器５の圧力を上昇させて
しまう。そこで、液体ヘリウム容器５の内圧の上昇を低
く抑えるか、液体ヘリウム容器５の内圧に干渉が生じな
いようにする工夫が必要である。

ところで、液体ヘリウム２は、侵入熱により蒸発してし
まうので、冷凍機３を使い再液化運転を実行している。

この冷凍機３の効率は低温になるほど悪くなってしまう
から、侵入熱を小さくする必要がある。

また、冷凍機３の熱負荷（侵入熱）が大きいと運転する
電力が大きくなるので、侵入熱に見合った冷凍機３を組
み込まなければならないが、例えば可搬型医療用超電導
磁石の場合は、冷凍機３の熱負荷余裕をあまり大きくす
ることは全体の大きさおよび重量の増加をまねき、実際
的ではない。

この意味でも、電流リード１５からの侵入熱を小さくす
る必要がある。

電流リード１５の接続方式には、使用していないとき、
超電導コイル１から外してしまう着脱方式がある。しか
し、可搬型医療用超電導磁石では、ａ０診療場所から次
の診療場所への移動時の超電導磁石からの漏れ磁界の影
響を無くすることす０着磁のたび）こ電流リードを取り
付ける作業を無くすること Ｃ０電流リード入口からの空気の混入を避けること 等の理由から、超電導磁石に電流リード１５を常に取り
付けたままで用いている。

そこで、電流リード１５からの侵入熱を小さくするため
に、熱電導率が低く断面積が小さく長さが長い導体を用
いる。しかし、断面積が小さく長さが長いと、電流リー
ド１５のジュール発熱量が大きくなる。また、一般の金
属では、熱伝導率と電気抵抗率との関係がヴイーデマン
・フランツの法則に従い、熱電導率が電気抵抗率に反比
例するので、侵入熱を小さくすればするほど、ジュール
発熱が大きくなってしまう。

そこで、本実施例では、外部に別設した液体ヘリウムデ
ユワ−１６からの液体ヘリウムを電流リード１５に取り
付けた冷却配管１９に強制的に注入し、電流リード１５
のジュール発熱分を冷却する。

純金属の電気抵抗率ρは、ρ＝αＴ（α：定数。

Ｔ：温度）の関係があるので、冷却すればジュール発熱
量は小さくなる。または、電流リードの材質として電気
抵抗率の大きなステンレス鋼等を使用すれば、液体ヘリ
ウムの流量を多くして電流リード１５の温度勾配を小さ
くできるので、電流リード１５からの侵入熱量が小さく
なる。

さらに、冷却する液体ヘリウム１７の流量を多く流して
も、冷却配管１９と液体ヘリウム容器５とは連通してい
ないので、液体ヘリウム容器５の圧力は一定に保持され
たままであり、超電導コイル１がクエンチを起こすこと
はない。

超電導コイル１を励磁した後は、電流リード１５からト
ランスファチューブ１８を取り外し、電流リード１５の
冷却配管１９の室温側を密閉すればよい。このときの電
流リード１５からの侵入熱は、前述のように小さくなる
。

本発明の他の実施例を第２図に示す。本実施例において
、第１図と同じ符号は同じ機能を果たす部分である。電
流リード１５は、電気絶縁体からなるフランジ２０によ
り１つにまとめ、着脱できるようになっている。外部か
ら冷却材を供給するための第１図冷却配管１９は、本実
施例では、電流リード１５の内部に管状の流路２１とし
て形成したので、冷却配管１９を電流リード１５に巻き
付ける必要がなく、簡素な構造となっている。

従来の着脱構造で特に問題とされてきた電流リード１５
の電極２２周辺に形成される固体空気等の固形物につい
ては、液体ヘリウムの代わりに室温のヘリウムガスを流
した状態で電流リード１５のフランジ取り付は目２３に
差し込み、電流り−ド１５先端のプラグ２４を上記固形
物に接触させて溶かすことが可能である。また、固形物
を溶かすために、室温のヘリウムガスを直接吹き付けて
も、液体ヘリウム２を蒸発させる不都合が生じない。

本発明の別の実施例を第３図に示す。第３図は、正負２
本ある本実施例の電流リードのうちの１本のみの主要部
分だけを示している。本実施例の電流リード１５は固定
型であり、取り外しできない。

電流リード１５の導体１５ａは管状であり、その内部に
超電導コイル１を冷却する液体ヘリウム２の蒸発ガスを
流しである。

通常、超電導コイル１が永久電流状態のときは、その蒸
発ガスで電流リード１５を冷却し、電流リード１５から
の侵入熱を小さくしている。電流リード１５の導体１５
ａは電気伝導体であるので、真空容器９．８０にシール
ド７、中間シールド６とは、電気絶縁体２５を介して固
定されている。

また、電流リード１５の外周の螺旋状に取り付けられた
冷却配管１９はステンレス綱からなり、図示はしていな
いが、電流リード１５との短絡を避ける目的で、要所に
電気絶縁体を介在させである。

本実施例においては、電流リード１５に通電している間
は、外部から液体ヘリウムを冷却配管工９に流し、電流
リード１５を強制的に冷却するが、電流リード」５に通
電しないときは、電流リード１５の導体１５ａのジュー
ル発熱はないので、侵入熱が冷却機の許容熱負荷を多少
越えたとき、液体ヘリウム２の蒸発ガスを電流リード１
５の導体１５ａの内管に流して冷却するようにしである
。

本発明の更に他の実施例を第４図に示す。本実施例が第
３図実施例と異なる点は、中間シールド６が無いことと
、液体ヘリウムを外部から流す第１の冷却配管が８０に
シールド７よりも下部の電流リード１５の位置で巻き終
わっていること、８０にシールド７よりも上部の電流リ
ード１５に窒素用パイプ２６を螺旋状に巻き付けである
ことである。

本実施例は、窒素温度以上の電流リードからの通電時の
ジュール熱を外部からの液体窒素で冷却することを意図
している。液体窒素は液体ヘリウムの約十分の−の価格
であるので、８０に以上の温度の電流リード１５の導体
１５ａは液体窒素で冷却した方が維持費が安くなる利点
がある。

なお、超電導体がイツトリウム・バリウム・銅酸化物の
ような高温超電導体の場合は、冷却材をすべて液体窒素
にできることはいうまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電流リードを冷却する配管を超電導磁
石以外の外部冷却材容器と連結し、超電導磁石を収納し
た液体ヘリウム容器とは隔絶することができ、電流リー
ドに取り付けた配管に液体ヘリウムあるいは液体窒素ま
たはそれらのガス等の冷却材を多量に流しても、超電導
磁石を収納している液体ヘリウム容器の圧力を高くする
ことがない。したがって、比較的高磁界を発生する超電
導磁石の励磁・消磁の際にクエンチを生ずる恐れがなく
なり、運転が容易になる。

また、電流リードを着脱方式にした場合、電流リードの
コネクタの電極が凍結しても、電流リードの配管に室温
のヘリウム等のガスを流しながら電流リードを超電導磁
石に装着できるので、着脱が容易な電流リードが得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電流リードを備え超電導コイルを
液体ヘリウムで冷却し蒸発したヘリウムガスを小型ヘリ
ウム冷凍機の凝縮器で再液化する方式を採用した超電導
磁石システムの一実施例の構成を示す一部縦断面図、第
２図は本発明の他の実施例を示す一部縦断面図、第３図
は本発明の別の実施例を示す一部縦断面図、第４図は本
発明のさらに他の実施例を示す一部縦断面図である。 １・・・超電導コイル、２・・・液体ヘリウム、３・・
・小型ヘリウム冷凍機、４・・凝縮器、５・・・液体ヘ
リウム容器、６・・・中間シールド、７・・・８０にシ
ールド、８・・・積層断熱材、９・・・真空容器、１０
・・・ヘリウム注入管、１１・・・栓、１２・・・逆止
弁、１３・・・バルブ、１４・・・電源、１５・・・電
流リード、１６・・・液体ヘリウムデユワ− １７・・・液体ヘリウム、 １８・・・トランスファーチューブ、 １９・・・冷却配管、２０・・フランジ、２１・・・流
路、２２・・・電極、２３・・・フランジ取り付は口、
２４・・・プラグ、２５・・電気絶縁材、２６・・・窒
素用パイプ、３０・・逆止弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超電導コイルと、前記超電導コイルを液体ヘリウム
   内に収納する液体ヘリウム容器と、前記液体ヘリウム容
   器を外界から熱的に遮断する熱的シールドを含む真空容
   器と、前記超電導コイルを励磁または消磁するための電
   流リードとを備えた超電導磁石システムにおいて、 前記電流リード全長に亙って熱的に接続された流路を有
   し両端部が前記真空容器外部に開口する冷却配管と、 当該冷却配管に冷却材を供給する冷却材容器とを設けた
   ことを特徴とする超電導磁石システム。 ２、請求項１に記載の超電導磁石システムにおいて、 前記冷却配管が、前記電流リードの導体に螺旋状に巻き
   付けられた冷却配管からなることを特徴とする超電導磁
   石システム。 ３、請求項１または２に記載の超電導磁石システムにお
   いて、 前記電流リードが、非通電時の前記冷却配管による冷却
   がないときに、前記液体ヘリウム容器からのヘリウムガ
   スにより電流リード自体を冷却するための管状流路を内
   部に有することを特徴とする超電導磁石システム。 ４、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の超電導磁
   石システムにおいて、 前記冷却配管が、８０Ｋシールドよりも下部の前記電流
   リードの導体に巻き付けられた液体ヘリウム使用冷却配
   管と、８０Ｋシールドよりも上部の前記電流リードの導
   体に巻き付けられた液体窒素使用冷却配管とからなるこ
   とを特徴とする超電導磁石システム。 ５、請求項１に記載の超電導磁石システムにおいて、 前記冷却配管が、中空に形成した前記電流リードの導体
   であることを特徴とする超電導磁石システム。