JPH07142234A - 極低温超電導コイル冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】外部からのヒートリークおよび電流リードより
の熱侵入による冷媒の温度上昇を防止し、超電導コイル
を外側より予冷却する配管により、冷却する強制冷却超
電導コイル装置を提供する。 【構成】真空容器内に強制冷却超電導導体で構成された
超電導コイルと、該超電導コイルを冷却するための冷媒
を供給する配管と、該超電導コイルに電流を供給する電
流リードが、配設された超電導コイル装置において、該
真空容器内に上記電流リード、および超電導コイルを冷
却するための配管を冷却する冷媒貯槽および、該超電導
コイルに接して超電導コイルを予冷却する配管を設け、
外部液体ヘリウム供給装置より該冷媒貯槽および超電導
コイルに接して予冷却する配管に、冷媒を供給できるよ
うにしたことを特徴とする極低温超電導コイル冷却装
置。 【効果】熱侵入による冷媒の温度上昇を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属性コンジット内部に
超電導線が埋め込まれ、該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、特に該超電導コイ
ルの冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】本冷却装置に関連する技術としては、特
開昭59−222976号，特開昭62−020303号が知られてい
る。

【０００３】従来の強制冷却の一例を図３及び図４を参
照して説明する。図３は強制冷却超電導導体の断面図で
あり、超電導導体１はステンレス製の角形パイプ（コン
ジット）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。図
４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及び向流型熱交換
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内部に導かれ、液
体窒素槽６で約８０Ｋに冷却され、熱交換器群８で戻り
ガスと熱交換器して液体ヘリウム槽７に入り、そこで５
Ｋ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１４ａと
合流して超電導コイル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に貯まる。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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、冷媒
発生装置収納容器９と超電導コイルが収納された真空容
器１１の間の距離が長いため、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１４ａ，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ていた。又冷媒が狭隘な
コンジット内の間隙を流れるため、流れ抵抗が著しく大
きくなり、特に常温から冷却する初期冷却時において
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という問題があった。本発明の目
的は上記の点に鑑みなされたもので、外部からのヒート
リークおよび電流リードよりの熱侵入による冷媒の温度
上昇を防止し、コイルを外側より予冷却する配管によ
り、冷却する強制冷却超電導コイル装置を提供するにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、真空容器内
に電流リード及び、超電導コイルに冷媒を供給する配管
を貫通させた冷媒貯槽、及び超電導コイルに接して超電
導コイルを予冷却する冷媒配管を設け、さらに両者に分
岐して供給できる冷媒配管を設け、冷媒を供給して冷却
することにより達成される。

【０００６】

【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、強制冷却超電導
導体内の超臨界圧ヘリウムの流れを流れ易くし、常温か
らの冷却時間を短縮できる。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、冷媒貯槽を設け、該
貯槽内に電流リード及び冷却配管を貫通させ、この部分
で侵入熱を除去する。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、調節すること
により効果的に冷却することができる。

【０００７】

【実施例】以下本発明の一実施例を図１により説明す
る。本装置は、冷媒発生装置１７、該装置で発生する超
臨界圧ヘリウム１８を、強制冷却超電導コイル１０に移
送する配管１９ａ、上記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、該電流リー
ド及び冷媒供給配管１９ａが貫通している液体ヘリウム
貯槽２０、さらに上記超電導コイル１０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。液体
ヘリウム貯槽２０及び予冷却配管２７等への液体ヘリウ
ムの供給は、外部液体ヘリウムデュワー２１から配管２
３によって導かれ、真空容器内で分岐し、流量はそれぞ
れの配管にある弁２５，２６で調節される。一方液体ヘ
リウム貯槽２０及びコイル予冷却後の蒸発ガスは、弁２
９を介してヘリウム回収装置３０に接続されている。

【０００８】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１
９ａ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部から冷却し、
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。超電導コイルの温度が２０Ｋ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を開いて液体ヘリウム貯槽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、液体ヘリウ
ム貯槽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。

【０００９】一辺が７mm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１００mmのボビンに巻回した超
電導コイルを製作し、該コイルに超臨界圧ヘリウムを循
環させるとともに、外部液体ヘリウムデュワー２１から
液体ヘリウムを、液体ヘリウム貯槽２０及び超電導コイ
ル１０に接する配管２７に流し冷却を行った。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、上記同一条件で約
１／１０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５
ａｔｍ，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ともに冷媒温度
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１０は、励磁電流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３ｇ／ｓの流
量をながしている状態で、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。

【００１０】次に本発明の別の実施例を図２により説明
する。図２は要部のみを示すもので、図示されない部分
は図１と同様である。この実施例では、液体ヘリウム貯
槽２０に入る配管の上流側に２ケの自動弁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
サー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。また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
ー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
いときは、自動弁３４が開、３１は閉、低いときはその
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で
きた。

【００１１】本発明を実施例について説明したが、本発
明はこれら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
られることは言うまでもない。

【００１２】

【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ると
ともに、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
液面センサー及び、センサー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】

【図１】本発明の一実施例を示す模式図である。

【図２】本発明の別の実施例を示す模式図である。

【図３】本発明に使用される典型的な強制冷却超電導導
体の断面図である。

【図４】従来の強制冷却方式の例を示す系統図である。

【符号の説明】

１…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、９…熱交換器群を
収納する容器、１０…強制冷却超電導コイル、１１…真
空容器、１２ａ…（往）ヘリウム移送管、１２ｂ…
（復）ヘリウム移送管、１３…ターミナルボックス、１
４ａ，１４ｂ…電流リード、１５…励磁電源、１６…ジ
ュールトムソン弁、１７…冷媒発生装置、１８…超臨界
圧ヘリウム、１９ａ…冷媒供給配管、１９ｂ…冷媒戻り
配管、２０…液体ヘリウム貯槽、２１…液体ヘリウムデ
ュワー、２２…液体ヘリウム出口弁、２３…液体ヘリウ
ム配管、２４ａ，２４ｂ…電気絶縁物、２５…超電導コ
イル予冷却用弁、２６…液体ヘリウム貯槽への弁、２７
…超電導コイル予冷却用配管、２８…蒸発ヘリウム回収
用配管、２９…蒸発ヘリウム回収用弁、３０…ヘリウム
ガス回収装置、３１…貯槽用自動弁、３２…貯槽液面検
知自動弁、３３…液面センサ、３４…予冷却用自動弁、
３５…温度センサー。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空容器内に強制冷却超電導導体で構成さ
   れた超電導コイルと、該超電導コイルを冷却するための
   冷媒を供給する配管と、該超電導コイルに電流を供給す
   る電流リードが、配設された超電導コイル装置であっ
   て、該真空容器内に上記電流リード、および超電導コイ
   ルを冷却するための配管を冷却する冷媒貯槽および、該
   超電導コイルに接して超電導コイルを予冷却する配管を
   設け、外部液体ヘリウム供給装置より該冷媒貯槽および
   超電導コイルに接して予冷却する配管に、冷媒を供給で
   きるようにしたことを特徴とする極低温超電導コイル冷
   却装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の該外部液体ヘリウム供給
   装置より液体ヘリウムを供給する配管を、該冷媒貯槽へ
   の配管と、該超電導コイルに接して該超電導コイルを予
   冷却する配管に分岐し、該冷媒貯槽への配管、および該
   超電導コイルに接して該超電導コイルを予冷却する配管
   に、流量調節弁を設けることを特徴とする極低温超電導
   コイル冷却装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の該冷媒貯槽への配管に複
   数の弁を設け、貯槽に近い弁は、該冷媒貯槽内に設置し
   た液面センサにより液面を検知して開閉し、貯槽に遠い
   弁および、本配管と分岐して該超電導コイルを外部より
   予冷却する配管に設置した弁は、該超電導コイルに設置
   した温度センサの温度を検知して開閉することを特徴と
   する極低温超電導コイル冷却装置。