JPH09106906A - 伝導冷却式超電導磁石 - Google Patents

伝導冷却式超電導磁石

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JPH09106906A
JPH09106906A JP26514695A JP26514695A JPH09106906A JP H09106906 A JPH09106906 A JP H09106906A JP 26514695 A JP26514695 A JP 26514695A JP 26514695 A JP26514695 A JP 26514695A JP H09106906 A JPH09106906 A JP H09106906A
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JP
Japan
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superconducting magnet
refrigerator
cooling
current supply
superconducting
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JP26514695A
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English (en)
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Hisashi Isokami
尚志 磯上
Norihide Saho
典英 佐保
Takeo Nemoto
武夫 根本
Minoru Morita
穣 森田
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.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、冷却安定性が高く、通電電流
の大きな電流供給リード構造を持った伝導冷却式超電導
磁石を提供することにある。 【解決手段】予冷用の寒冷発生機に膨張機(1)を使用
し、膨張機の第1及び第2ステージ(4)、さらに、超
電導磁石(24)を冷却する冷却配管(16c)直後の
配管により、電流供給リードを冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超電導磁石に係
り、特に、冷凍機と熱的に接触することにより冷却され
る超電導磁石に関する。
【0002】
【従来の技術】超電導磁石を使用した核磁気共鳴診断装
置、熱物性測定装置、電子加速器、放射光発生装置等で
は、磁石を超電導状態に保つために、冷凍装置を装着し
て磁石温度を極低温に保つ必要がある。
【0003】一般にこれらの被冷却装置を冷却するには
極低温の液体ヘリウムを使用するが、そのためには、冷
媒である液体ヘリウムを溜めておく液体ヘリウムタンク
を内装しなければならず、さらに液体ヘリウムはわずか
な熱で蒸発し、かつ、高価であり、取り扱いに専門技術
を要求するため、最近では、冷凍装置を超電導磁石に熱
的に接触させて伝導的に超電導磁石を冷却する構造を持
った伝導冷却式超電導磁石も発表されている。
【0004】この伝導冷却式超電導磁石の構造が、例え
ば特開平6-132567号公報に記載されている。超電導磁石
には、磁石に電流を供給するための電流供給リードを備
えるが、この電流供給リードでのジュール発熱および伝
導伝熱によって、磁石端子付近の温度が高くなり、超電
導状態が破壊する(クエンチ現象)危険性がある。この
ため、液体ヘリウムを利用した超電導磁石では、蒸発し
たヘリウムガスによって電流供給リードの冷却を行う
が、伝導冷却式磁石の場合は、ヘリウムガスを利用する
ことができない。そこで、上記従来技術では、超電導磁
石を冷却するための2段のギフォードマクマホン型冷凍
機の各冷却ステージで電流供給リードを冷却し、さらに
ジュール発熱による電流供給リードからの侵入熱を抑え
るために冷凍機の第1ステージ以降の電流供給リードを
高温超電導材料で形成している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記示
した従来技術では、冷凍機の第1ステージ温度は約50〜
70K程度と比較的高く、そのために高温超電導で構成し
た電流供給リードの臨界電流値が低いために、超電導磁
石に流すことができる電流値が小さくなってしまう。さ
らに、高温超電導材は効果である上、脆いという欠点を
持つ。
【0006】
【課題を解決するための手段】寒冷を発生する冷凍機
と、この冷凍機に熱的に接触することによって冷却され
る超電導磁石とを備えた伝導冷却式超電導磁石におい
て、前記冷凍機は、予冷用の寒冷発生回路、循環する冷
媒の流路となる配管、配管を内蔵した一連の熱交換器、
冷媒ガスを圧縮する圧縮手段及び冷媒ガスを膨張させる
膨張手段を含むものであり、前記冷凍機のうち前記超電
導磁石との接触部より下流側に存在する冷媒流路となる
配管と超電導磁石への電流供給リードとを熱的に接触さ
せることにより達成される。
【0007】特に、予冷用の冷凍機とジュールトムソン
回路を組み合わせた冷凍装置とし、超電導磁石は冷凍機
配管からの伝導により冷却し、電流供給リードは、予冷
用冷凍機の各冷却ステージ及び冷却配管の超電導磁石よ
り下流側で冷却を行う。本冷却構造により、予冷用ステ
ージ間の電流供給リードは銅で構成することができ、臨
界電流が高くなり、大電流を流すことが可能となる。ま
た、ある程度の電流値までは電流供給リードすべてを銅
で構成することが可能なため、安価で信頼性の高い電流
供給リード構造となる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図1に
より説明する。予冷用の寒冷発生回路に配置した寒冷発
生機1は、例えば、ギフォード・マクマホン膨張機(G
M膨張機)で構成される。ヘリウム圧縮機ユニット2の
高圧ガスは寒冷発生機1中に流入して内部で断熱膨張
し、第1ステージ3、第2ステージ4でそれぞれ温度約
50K、10Kの寒冷を発生する。膨張後のガスは、再
び、圧縮機ユニット2に戻る。
【0009】一方、予冷用の寒冷発生回路と隔離したJ
・T回路の圧縮機ユニット5で約1.6MPaに加圧された
高圧のヘリウムガスは、高圧配管16aを通り第1熱交
換器6、第2熱交換器7、第1吸着器8、第3熱交換器
9、第4熱交換器10、第2吸着器11、第5熱交換器
12、第3吸着器13に入る。第3吸着器13出口後の
高圧流路内には第1JT弁14が存在し、ここで圧力約
0.8MPaまで膨張する。その後第6熱交換器15に入り、
温度約5Kの超臨界ヘリウムとなって冷却部配管16c
に流れ込む。
【0010】被冷却体である超電導磁石24は、冷凍機
の冷却配管16cに熱的に接続され、冷却配管中に極低
温のヘリウムガスが流れることによって冷却される。
【0011】冷却部配管16cを流れて、外部からの熱
侵入による熱負荷を受けて若干温度上昇したヘリウムガ
スは、電流供給リード30とも熱的に接触しており、電
流供給リード30からの熱負荷を受けて、さらに若干温
度上昇する。その後、低圧配管16b内に流入し、第2
JT弁17で圧力約0.12MPaまで膨張して一部が液化
し、第6熱交換器15に入る。その後、第4吸着器1
8、第5熱交換器12、第5吸着器19、第3熱交換器
9、第6吸着器20、第1熱交換器6、第7吸着器21
を通り、ほぼ常温となって、低圧配管16bより圧縮機
ユニット5に戻る。
【0012】クライオスッタト22内は真空断熱され、
極低温部は液体窒素槽あるいは、寒冷発生回路の第1ス
テージ3によって冷却された熱シールド板23によっ
て、外部からの輻射熱を遮蔽している。各吸着器ではヘ
リウムガス中の不純物を除去する。
【0013】超電導磁石24は、NbTiやNb3Snといった
超電導材で構成される。超電導磁石24に電流を供給す
るには、外部電源に接続した電流供給リード30を用い
る。電流供給リード30は、予冷用寒冷発生回路の第1
ステージ3、第2ステージ4、冷却配管16cで冷却さ
れる。冷却構造は、例えば、冷却部位及び電流供給リー
ドの被冷却部位のそれぞれを銅等の高熱伝導率部材で構
成し、それぞれを接着剤のついたカプトン等の絶縁膜を
挟んで接触させ、さらにFRP等の絶縁材で構成された
ネジ等によって固定することにより、構成することがで
きる。冷却部位及び被冷却部位の接触面積を大きくする
ことにより、両者の温度差を小さくすることができる。
冷却配管16cの内、電流供給リードを冷却する冷却部
は、超電導磁石24を冷却する冷却部の下流側に位置す
るため、電流供給リードからの熱負荷の変動が直接超電
導磁石24を冷却する冷却部に影響を与えず、このため
に安定して超電導磁石24を冷却することが可能であ
る。
【0014】電流供給リード30の内、常温の電源端子
から予冷用寒冷発生回路の第1ステージ3までの間(第
1区間と称す)は、銅製であり、ここで発生したジュー
ル熱と常温からの伝導伝熱は、第1ステージ3に流れ込
む。銅製の電流供給リードは、長さと断面積の比を最適
値にしておけば侵入熱を最小限に抑えることができる。
例えば、電流100Aを流す場合、第1ステージに侵入す
る熱負荷は10W程度である。通常市販されているギフ
ォードマクマホン冷凍機の第1ステージは、温度約50
Kで約40W程度の冷凍能力を持つため、十分冷却可能
である。
【0015】電流供給リード30の内、予冷用寒冷発生
回路の第1ステージ3から第2ステージ4までの間(第
2区間と称す)も銅で構成する。第1ステージ同様、第
1ステージから第2ステージ4へ伝導伝熱及び発生した
ジュール熱が流れ込む。電流100Aを流す場合、第2ス
テージへの侵入熱量は2W程度である。ギフォードマク
マホン冷凍機の第2ステージ冷凍量は約10Kで約10
Wであるため、十分冷却可能である。電流供給リード3
0の内、予冷用寒冷発生回路の第2ステージ4から冷却
配管16cによる冷却部までの間(第3区間と称す)を
高温超電導材で構成する。本区間では、ジュール発熱が
起きないため、伝導伝熱分だけが冷却配管に侵入する。
ただし、この区間の電流供給リードを銅で構成した場合
でも、通電電流100A程度では侵入熱は1W未満であ
り、冷却配管16cでの冷却可能熱負荷が約5Wである
ことを考慮すれば、十分システムとして成立する。
【0016】残りの電流供給リード、すなわち冷却配管
16cによる冷却部から磁石24の端子まではNbTiやNb
3Sn等の超電導材で構成する。この区間でもジュール発
熱は起こらない。特に、第3区間の電流供給リードとこ
の超電導製電流供給リードとの接続部を冷却配管16c
と熱接触させて十分冷却を行えば、クエンチの危険性が
小さくなる。この区間の電流供給リードを銅で構成して
もそれほど侵入熱は超電導磁石24に入らないが、耐ク
エンチ信頼性を考えればNb3Sn等の比較的臨界温度の高
い超電導材で構成する方が望ましい。また、高温超電導
材で構成した場合でも効果は同様である。
【0017】従来技術では、寒冷発生回路の第2ステー
ジ4がそのまま超電導磁石24を冷却していたため、第
2ステージ4の温度を約5Kにしなければならなかっ
た。このときの第2ステージにおける冷凍能力は約1W
であるため、第2区間の電流供給リードを銅で構成する
ことは不可能であり、ジュール発熱をしない超電導材で
構成せざるをえなかった。しかし、第2区間の電流供給
リードの最高温度は約60Kであるため、高温超電導材
で構成した電流供給リードの臨界電流値は小さく、流せ
る電流値が限られていた。本実施例では、電流値によっ
ては高温超電導材を使用しなくても良いために安価な構
造で済み、たとえ第3区間の電流供給リードを高温超電
導材で構成した場合でも、第3区間の最高温度は約15
Kであるために臨界電流値が高く、大きな電流を流すこ
とができる。
【0018】本実施例では、第2JT弁を被冷却体24
を冷却するための冷却配管16cの下流側に設置した
が、上流側に設置した場合でも効果は同様である。さら
にJT弁が1つの場合、すなわち第2JT弁17及び第
6熱交換器15が存在しない場合でも、本発明による効
果は同様である。
【0019】また、実施例では、寒冷発生機に2段のG
Mサイクルの膨張機を適用した例で説明したが、3段の
GMサイクル、ソルベイサイクル、スターリングサイク
ル、ビルマイヤサイクル、タービン式、クロード式膨張
機を適用した冷凍サイクルやブレイトンサイクルでも同
等な効果がある。
【0020】さらに、この超電導磁石24は、空洞部
に、凝集剤により湖水中のアオコ等と鉄粉とを凝集体と
する処理を施した水を流し、湖沼中のアオコ等を取り除
く磁気分離フィルタとして利用される。
【0021】
【発明の効果】本発明の冷却構造を用いれば、信頼性の
高い電流供給リード構造で、通電電流が大きく、冷却安
定性の高い伝導冷却式超電導磁石装置を提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である冷凍装置の構成を説明
する図。
【符号の説明】
1…予冷用寒冷発生機、2…圧縮機ユニット、5…圧縮
機ユニット、6…熱交換器、7…熱交換器、9…熱交換
器、10…熱交換器、12…熱交換器、15…熱交換
器、14…J・T弁、17…J・T弁、16c…冷却配
管、22…真空容器、23…熱シールド板、24…超電
導コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森田 穣 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】寒冷を発生する冷凍機と、この冷凍機に熱
    的に接触することによって冷却される超電導磁石とを備
    えた伝導冷却式超電導磁石において、前記冷凍機は、予
    冷用の寒冷発生回路、循環する冷媒の流路となる配管、
    配管を内蔵した一連の熱交換器、冷媒ガスを圧縮する圧
    縮手段及び冷媒ガスを膨張させる膨張手段を含むもので
    あり、前記冷凍機のうち前記超電導磁石との接触部より
    下流側に存在する冷媒流路となる配管と超電導磁石への
    電流供給リードとを熱的に接触させた伝導冷却式超電導
    磁石。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記電流供給リードの
    うち、前記冷凍機により冷却される冷却部から超電導磁
    石までの区間を、超電導磁石を構成している超電導材よ
    りも臨界温度の高い超電導材で構成した伝導冷却式超電
    導磁石。
JP26514695A 1995-10-13 1995-10-13 伝導冷却式超電導磁石 Pending JPH09106906A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002324707A (ja) * 2001-04-26 2002-11-08 Kyushu Electric Power Co Inc 超電導磁石
JP2016140399A (ja) * 2015-01-30 2016-08-08 株式会社日立製作所 超電導磁石ならびに磁気共鳴撮像装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002324707A (ja) * 2001-04-26 2002-11-08 Kyushu Electric Power Co Inc 超電導磁石
JP2016140399A (ja) * 2015-01-30 2016-08-08 株式会社日立製作所 超電導磁石ならびに磁気共鳴撮像装置

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