JPH06302869A - Superconducting magnet cooling system - Google Patents

Superconducting magnet cooling system

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Publication number
JPH06302869A
JPH06302869A JP5113750A JP11375093A JPH06302869A JP H06302869 A JPH06302869 A JP H06302869A JP 5113750 A JP5113750 A JP 5113750A JP 11375093 A JP11375093 A JP 11375093A JP H06302869 A JPH06302869 A JP H06302869A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cooling
coil
cold head
helium gas
superconducting magnet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP5113750A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kengo Okura
健吾 大倉
Kenichi Sato
謙一 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP5113750A priority Critical patent/JPH06302869A/en
Publication of JPH06302869A publication Critical patent/JPH06302869A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25DREFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006Thermal coupling structure or interface

Abstract

PURPOSE:To improve coil cooling efficiency in a superconducting magnet cooling system which cools multistage thermal stage due to thermal contact with a cold head. CONSTITUTION:A helium gas lead-in pipe 11 is thermally connected near a first cold head 5 and gas cooled here is used for cooling a coil 3. A coil cooling efficiency can be increased by jointly using the cooling due to contact with the cold head 6 and the cooling due to convection of helium gas.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、冷凍機で超電導コイル
を冷却する方式の冷却システムに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cooling system for cooling a superconducting coil in a refrigerator.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
超電導コイルの冷却技術としては、 液体ヘリウム、液体窒素などの冷媒の中に超電導コイ
ルを浸漬して冷却する 冷凍機のコールドヘッドを超電導コイルに接触させ、
固体熱伝導で冷却する の2通りがあるが、このうちに関するものとして、図
3に示すような低温容器を用いるものがある。
2. Description of the Related Art Conventionally, the problems to be solved by the invention
The cooling technology for superconducting coils is to immerse and cool the superconducting coil in a refrigerant such as liquid helium or liquid nitrogen.
There are two types of cooling by solid heat conduction, and one related to this is the one using a cryogenic container as shown in FIG.

【0003】これは、真空容器1中に熱シールド2と超
電導コイル3を具え、これらに冷凍機4のコールドヘッ
ド5,6を熱接続して異なる温度レベルに冷却するもの
で、コイル3は熱シールド2により真空中(10-6Torr
程度)に設置される。
This comprises a heat shield 2 and a superconducting coil 3 in a vacuum container 1, and the cold heads 5 and 6 of a refrigerator 4 are thermally connected to these to cool them to different temperature levels. In vacuum with shield 2 (10 -6 Torr
Installed).

【0004】ここで、コイル3は第二(最終段)コール
ドヘッド6との接触により、最終的には4.2K〜20
Kの極低温に冷却されるが、この第二コールドヘッド6
による冷却は第一コールドヘッド6の到達温度(例えば
40K)以下で冷却能力を発揮する。
Here, the coil 3 comes into contact with the second (final stage) cold head 6 to finally reach 4.2K to 20K.
It is cooled to the extremely low temperature of K, but this second cold head 6
The cooling by means exhibits the cooling ability at the temperature reached by the first cold head 6 (for example, 40 K) or less.

【0005】一方、室温から40Kまでの冷却は第一コ
ールドヘッド5により行われるが、コイルが接触してい
るのは第二コールドヘッド6だけであるため、第一コー
ルドヘッド5による冷却能力をコイルの冷却に有効利用
できないといった課題があった。
On the other hand, cooling from room temperature to 40K is performed by the first cold head 5, but the coil is in contact with only the second cold head 6, so the cooling capacity of the first cold head 5 is reduced. There was a problem that it could not be effectively used for cooling.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解消
するため、最終段コールドヘッド以外の冷却能力をコイ
ルの冷却にも利用して冷却効率を高めるもので、最終段
コールドヘッド以外のコールドヘッド近傍にヘリウムガ
スの導入機構を設け、ここで冷却されたヘリウムガスを
コイルの冷却に用いることを特徴とする。その場合、ヘ
リウムガスの冷却効率をより高めるため、最終段コール
ドヘッド以外のコールドヘッド近傍に冷却フィンを設け
ることが好ましい。
In order to solve the above problems, the present invention utilizes cooling capacity other than that of the final stage cold head to cool the coil as well to enhance cooling efficiency. A helium gas introduction mechanism is provided near the head, and the helium gas cooled here is used for cooling the coil. In that case, in order to further enhance the cooling efficiency of the helium gas, it is preferable to provide cooling fins near the cold head other than the final stage cold head.

【0007】[0007]

【実施例】以下、図に基づいて本発明の実施例を説明す
る。図1に示すように、本発明システムは真空容器1中
に銅製熱シールド2と、これで囲まれる超電導コイル3
が収納され、これらを冷却する冷凍機4を備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the system of the present invention comprises a vacuum container 1, a copper heat shield 2 and a superconducting coil 3 surrounded by the heat shield 2.
And a refrigerator 4 for cooling them.

【0008】冷凍機4は熱シールド2及びコイル3を異
なる温度レベルに冷却するもので、第一及び第二(最終
段)のコールドヘッド5,6で熱シールド2及びコイル
3に熱接続されると共に、コンプレッサ7に接続されて
いる。
The refrigerator 4 cools the heat shield 2 and the coil 3 to different temperature levels, and is thermally connected to the heat shield 2 and the coil 3 by the first and second (final stage) cold heads 5 and 6. In addition, it is connected to the compressor 7.

【0009】又、熱シールド2は、蓋体フランジ部のO
リング8で内部を気密して所定の真空状態に保持できる
よう構成され、外周を断熱材(スーパーインシュレーシ
ョン)9で取り囲まれて真空容器1に収納されている。
Further, the heat shield 2 is O of the flange portion of the lid.
A ring 8 is configured to be airtight to maintain a predetermined vacuum state, and an outer periphery thereof is surrounded by a heat insulating material (super insulation) 9 and housed in a vacuum container 1.

【0010】そして、真空容器外部のガス圧コントロー
ラ10を介して熱シールド2内にヘリウムガス導入管11を
導入し、ガス出口12を第一コールドヘッド5の下部に配
置した。第一コールドヘッド付近の拡大図を図2に示
す。
Then, a helium gas introducing pipe 11 was introduced into the heat shield 2 through a gas pressure controller 10 outside the vacuum container, and a gas outlet 12 was arranged below the first cold head 5. An enlarged view of the vicinity of the first cold head is shown in FIG.

【0011】同図に示すように、コールドヘッドの支持
管外周には冷却フィン13が螺旋状に設けられ、導入管11
はこの冷却フィン13に沿って前記支持管に巻回されてい
る。冷却フィン13を設けることで接触面積を大きくし、
導入管11及び導入されたヘリウムガスと第一コールドヘ
ッド5とを効率的に熱接続した。
As shown in the figure, cooling fins 13 are spirally provided on the outer circumference of the support pipe of the cold head, and the introduction pipe 11 is provided.
Is wound around the support tube along the cooling fins 13. Increasing the contact area by providing the cooling fins 13,
The introduction pipe 11 and the introduced helium gas were efficiently thermally connected to the first cold head 5.

【0012】上記のようなシステムにおいて、コイルの
冷却は次のように行う。 先ずコイル3を室温から冷却する前に熱シールド2の
外側をよく真空引きする。 冷凍機4を作動させて冷却を始め、バルブaを開いて
熱シールド内にヘリウムガスを導入する。このとき、ガ
ス圧は冷却にしたがって低下しないよう、ガス圧コント
ローラ10により自動調整される。 ここで、ヘリウムガスの導入管11は冷却フィン13によ
り第一コールドヘッド5と熱接続され、ヘリウムガスを
効率的に冷却する。コイルは主に第二コールドヘッド6
との接触により冷却されるが、冷却されたヘリウムガス
は下降してコイル3の表面を隈無く被うため、より効率
的にコイルを冷却することができる。コールドヘッドは
コイルの一端面にしか接触していないため、ヘリウムガ
スによる冷却の併用は、大型コイルの場合、特に効果的
である。 又、コイル3を冷却し、暖められたヘリウムガスは上
昇して再び冷却フィン13により冷却され、対流すること
でコイルの冷却に作用する。 コイルが第一コールドヘッドの到達温度近くまで冷却
された段階で、バルブaを閉じてガス圧コントロールを
止め、次にバルブbを開けて熱シールド内を真空引きす
る。 熱シールド内の真空引きによりコイルは断熱真空状態
に置かれるため、第二コールドヘッドの冷却効果が十分
機能し、冷凍機の最低冷却温度にまでコイルを冷却す
る。
In the system as described above, cooling of the coil is performed as follows. First, before cooling the coil 3 from room temperature, the outside of the heat shield 2 is evacuated well. The refrigerator 4 is operated to start cooling, the valve a is opened, and helium gas is introduced into the heat shield. At this time, the gas pressure is automatically adjusted by the gas pressure controller 10 so that the gas pressure does not decrease with cooling. Here, the helium gas introduction pipe 11 is thermally connected to the first cold head 5 by the cooling fins 13 to efficiently cool the helium gas. The coil is mainly the second cold head 6
However, the cooled helium gas descends and covers the entire surface of the coil 3, so that the coil can be cooled more efficiently. Since the cold head is in contact with only one end surface of the coil, the combined use of cooling with helium gas is particularly effective in the case of a large coil. Further, the coil 3 is cooled, and the warmed helium gas rises and is cooled again by the cooling fins 13, and convection acts on the coil. When the coil is cooled to near the temperature reached by the first cold head, the valve a is closed to stop the gas pressure control, and then the valve b is opened to evacuate the inside of the heat shield. Since the coil is placed in an adiabatic vacuum state due to the vacuum drawing in the heat shield, the cooling effect of the second cold head sufficiently functions to cool the coil to the minimum cooling temperature of the refrigerator.

【0013】[0013]

【試験例】実際に上記システムを用いて超電導コイルの
冷却を行い、第二コールドヘッドの到達温度にまでコイ
ルを冷却するのにかかる時間を測定した。又、比較のた
め図3に示したシステムについても同様の試験を行い冷
却時間を測定した。試験条件は次の通りである。
[Test Example] The superconducting coil was actually cooled using the above system, and the time required to cool the coil to the temperature reached by the second cold head was measured. For comparison, the system shown in FIG. 3 was also subjected to the same test to measure the cooling time. The test conditions are as follows.

【0014】(1) コイル構造 外 径:100mm 内 径:40mm 高 さ:60mm 構 成:ダブルパ
ンケーキ×12枚 ターン数:200 (2) 導 体 材 質:Bi系銀シース線 寸 法:2.7mm角×0.24mm 銀 比:4
(1) Coil structure Outer diameter: 100 mm Inner diameter: 40 mm Height: 60 mm Composition: Double pancake x 12 sheets Number of turns: 200 (2) Conductor material: Bi-based silver sheath wire Dimensions: 2 0.7mm square x 0.24mm silver ratio: 4

【0015】(3) 冷凍機 方 式:ギフォード マクマホンタイプ 到達温度:第一コールドヘッド 80K,35W 第二コールドヘッド 20K, 4W 入 力:2kW 冷却フィン形状:20mmh×1mm厚×20枚 (4) ヘリウムガス圧:0.1気圧(3) Refrigerator type: Gifford McMahon type Achievement temperature: 1st cold head 80K, 35W 2nd cold head 20K, 4W Input: 2kW Cooling fin shape: 20mmh x 1mm thick x 20 sheets (4) Helium Gas pressure: 0.1 atmosphere

【0016】その結果、従来のシステムによる冷却時間
が15時間であったのに対し、実施例システムは5時間
と短時間で冷却ができ、本発明の有効性が確認された。
As a result, the cooling time of the conventional system was 15 hours, whereas the cooling of the system of the embodiment was as short as 5 hours, confirming the effectiveness of the present invention.

【0017】[0017]

【発明の効果】以上説明したように、ヘリウムガスを導
入機構を設け、最終段コールドヘッド以外のコールドヘ
ッドで冷却されたヘリウムガスもコイルの冷却に用いる
ことで、効率的にコイルの冷却が行える。特に、コイル
が大型の場合でもヘリウムガスがコイル表面を隈無くカ
バーするため、小型の冷凍機でも効率よく冷却ができ
る。従って、MRI,リニアーモータ,DCモータ,イ
ンダクションモータ,高エネルギー物理マグネット,S
ORリングマグネット等への応用が期待できる。
As described above, the mechanism for introducing helium gas is provided, and the helium gas cooled by the cold head other than the final cold head is also used for cooling the coil, whereby the coil can be efficiently cooled. . In particular, even when the coil is large, the helium gas covers the surface of the coil thoroughly, so that even a small refrigerator can be efficiently cooled. Therefore, MRI, linear motor, DC motor, induction motor, high energy physical magnet, S
It can be expected to be applied to OR ring magnets.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明システムの構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a system of the present invention.

【図2】図1のシステムにおける第一コールドヘッド近
傍の拡大図である。
FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of a first cold head in the system of FIG.

【図3】従来の極低温容器を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic view showing a conventional cryogenic container.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 真空容器 2 熱シールド 3 コイル 4 冷凍機 5 第一コールドヘッド 6 第二コールドヘッド 7 コンプレッサ 8 Oリング 9 断熱材 10 ガス圧コントローラ 11 導入管 12 ガス出口 13 冷却フィン 14 電流リード a,b バルブ 1 Vacuum Container 2 Heat Shield 3 Coil 4 Refrigerator 5 First Cold Head 6 Second Cold Head 7 Compressor 8 O-ring 9 Heat Insulation Material 10 Gas Pressure Controller 11 Introducing Pipe 12 Gas Outlet 13 Cooling Fin 14 Current Lead a, b Valve

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数のコールドヘッドを熱シールド及び
超電導コイルに接触させ、多段階の温度レベルに冷却す
るシステムであって、最終段のコールドヘッド以外のコ
ールドヘッド近傍に、ヘリウムガスの導入機構を熱接続
して設けたことを特徴とする超電導マグネット冷却シス
テム。
1. A system in which a plurality of cold heads are brought into contact with a heat shield and a superconducting coil to cool to multiple temperature levels, and a helium gas introduction mechanism is provided near the cold heads other than the final cold head. A superconducting magnet cooling system characterized by being thermally connected.
【請求項2】 最終段のコールドヘッド以外のコールド
ヘッド近傍に、冷却フィンを熱接続して設けたことを特
徴とする請求項1記載の超電導マグネット冷却システ
ム。
2. The superconducting magnet cooling system according to claim 1, wherein cooling fins are thermally connected to and provided in the vicinity of the cold head other than the cold head at the final stage.
JP5113750A 1993-04-16 1993-04-16 Superconducting magnet cooling system Pending JPH06302869A (en)

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JP5113750A JPH06302869A (en) 1993-04-16 1993-04-16 Superconducting magnet cooling system

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JP5113750A JPH06302869A (en) 1993-04-16 1993-04-16 Superconducting magnet cooling system

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JPH06302869A true JPH06302869A (en) 1994-10-28

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JP (1) JPH06302869A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11162726A (en) * 1997-11-28 1999-06-18 Mitsubishi Electric Corp Superconducting magnet device
US6081179A (en) * 1997-05-08 2000-06-27 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Superconducting coil
DE19914778B4 (en) * 1998-03-31 2012-02-23 Kabushiki Kaisha Toshiba Superconducting magnet device
US9130447B2 (en) 2010-11-08 2015-09-08 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Rotor core and superconducting rotating machine with the rotor core

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