JPH09306722A

JPH09306722A - 超電導磁石装置

Info

Publication number: JPH09306722A
Application number: JP8121822A
Authority: JP
Inventors: Chiyandorateiraka Roohana; ローハナ・チャンドラティラカ; Yasumi Otani; 安見大谷; Masahiko Takahashi; 政彦高橋; Hideki Nakagome; 秀樹中込; Masami Urata; 昌身浦田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-05-16
Filing date: 1996-05-16
Publication date: 1997-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】極低温冷凍機と超電導コイルとの間の距離が離
れていても両者間に大きな温度差を生じさせることな
く、極低温冷凍機で超電導コイルを良好に冷却でき、シ
ステム効率を向上できるとともに、運転開始時における
予冷時間の短縮化も図れる超電導磁石装置を提供する。【解決手段】超電導コイル３１と、極低温冷凍機３２
と、この極低温冷凍機３２の冷却ステージ３４に放熱部
３８を熱的に接続するとともに超電導コイル３１に吸熱
部４０を熱的に接続して設けられたループ型細管ヒート
パイプ３５と、このループ型細管ヒートパイプ３５内に
外部から冷媒を強制的に通流させる冷媒強制通流手段
（４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９，
５０）とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導磁石装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、超電導コイルを使用する
には何らかの手段で超電導コイルを構成している超電導
線を臨界温度以下に冷却する必要がある。この冷却手段
としては、一般に超電導コイルを液体ヘリウムや液体窒
素等の極低温液体中に浸漬して冷却する方式が採用され
ている。しかし、このような浸漬冷却方式では扱い難い
液体ヘリウムや液体窒素を直接取扱う必要があるので運
転コストの上昇を免れ得ない。

【０００３】そこで最近では、極低温冷凍機の冷却ステ
ージと超電導コイルとを熱的に接続して超電導コイルを
冷却する冷凍機直結冷却方式も考えられている。しか
し、電力用の超電導コイルでは、大電流を流すこと、商
用周波数の交流を使用することなどから、直流用の超電
導コイルに比べて大量の熱が発生する。また、電力用の
超電導コイルでは、大型化や耐電圧の問題などから、極
低温冷凍機と超電導コイルとの間の距離を十分に離す必
要が生じている。このため、大量の熱を長距離に亙って
運ぶ必要性が生じ、これは極低温冷凍機と超電導コイル
との間に大きな温度差がつくことになり、システムの効
率を著しく低下させる。

【０００４】そこで、従来の電力用超電導磁石装置で
は、図９に示すように、超電導コイル１と極低温冷凍機
２の冷却ステージとを金属製の熱伝導部材３を介して熱
的に接続する方式を採用している。なお、図９中、４は
低温部分を外気から断熱するための真空容器を示してい
る。

【０００５】しかしながら、このように構成された超電
導磁石装置にあっては、熱伝導部材３の材質、形状によ
って超電導コイル１から極低温冷凍機２への熱輸送量が
決まる。このため、発熱量の大きい超電導コイルを冷却
する場合には、熱伝導部材３をより熱伝導性の良い材質
に変えるか、あるいは熱伝導断面積のより大きい熱伝導
部材に変える必要がある。

【０００６】しかし、熱伝導性の良い部材は、一般的に
渦電流が発生しやすく、その結果、熱損失の増大につな
がる。また、熱伝導断面積を大きくすると、必然的に装
置の大型化を招くことになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、電力用超
電導磁石装置では、超電導コイルと該コイルを冷却する
ための極低温冷凍機との間の距離を十分にとる必要があ
り、このことが原因して極低温冷凍機と超電導コイルと
の間に大きな温度差が生じ、システム効率が低いという
問題があった。

【０００８】そこで本発明は、極低温冷凍機と超電導コ
イルとの間の距離が離れていても両者間に大きな温度差
を生じさせることなく、極低温冷凍機で超電導コイルを
良好に冷却でき、システム効率を向上できるとともに、
運転開始時における予冷時間の短縮化も図れる超電導磁
石装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る超電導磁石装置は、超電導コイルと、
極低温冷凍機と、この極低温冷凍機の冷却ステージに放
熱部を熱的に接続するとともに前記超電導コイルに吸熱
部を熱的に接続して設けられたループ型細管ヒートパイ
プと、このループ型細管ヒートパイプ内に外部から冷媒
を強制的に通流させる冷媒強制通流手段とを備えてい
る。

【００１０】なお、前記ループ型細管ヒートパイプは、
前記超電導コイルを構成する超電導線とともにコイルの
内部または外部あるいは両方に巻かれていることがより
好ましい。

【００１１】また、前記ループ型細管ヒートパイプは、
前記超電導コイルに接続されるパワーリードにも熱的に
接続されていることが好ましい。また、前記ループ型細
管ヒートパイプは、前記超電導コイルに接続されるパワ
ーリードを兼ねていることが一層好ましい。

【００１２】本発明装置で用いているループ型細管ヒー
トパイプは、たとえば細い銅管などで形成されたループ
型細管の中に作動流体を収容したものとなっている。実
際にヒートパイプとして用いるときには、ループ型細管
の一部を吸熱部として被冷却物に熱的に接続し、またル
ープ型細管の他の一部を放熱部として冷却源に熱的に接
続する。

【００１３】吸熱部から侵入した熱によって、吸熱領域
に存在している作動流体が加熱されると、この作動流体
内で気泡が発生する。このとき、この気泡が周辺の液体
を押し退ける。この押し退ける力は吸熱部を境にしてル
ープの両側方向に働くが、構成の微妙なアンバランス等
によって、一方向への力が強くなる。この結果、液体の
一方向への流れ成分が増してループ内を作動流体が循環
移動する。この循環する作動流体が吸熱部と放熱部との
間の熱交換に寄与して熱輸送が行われる。特に、吸熱部
で蒸発したガスが放熱部で凝縮することによる蒸発潜熱
を利用できるので、超電導コイルと極低温冷凍機との間
の距離が離れていても多量の熱を運ぶことができる。こ
のため、同じ断面積の銅材を熱伝導素子として用いた場
合の10〜100 倍以上の熱を伝えることができる。また、
ループ型細管ヒートパイプは、格別な流体駆動源を必要
としないので簡便性に富んでいること、全体を柔軟構造
にすることができるので設置自由度に富んでいることな
どの優れた面を備えている。

【００１４】このように、ループ型細管ヒートパイプは
優れた特性を持っているが、反面、動作温度域が極めて
狭いという問題を有している。このため、運転開始時の
ように超電導コイルを臨界温度まで下げなければならな
いとき、つまり予冷時には極低温冷凍機を運転開始して
も、細いループ型細管および封入されているガスの伝導
による冷却効果しか得られず、超電導コイルの予冷に長
時間を要する問題がある。

【００１５】しかし、本発明装置のようにループ型細管
ヒートパイプ内に外部から冷媒を強制的に通流させる冷
媒強制通流手段を設けていると、この手段によって供給
された低温の冷媒で超電導コイルを冷却することができ
るので、電力用超電導磁石装置のように熱容量の大きき
超電導コイルを用いる場合でも予冷時間を大幅に短縮す
ることができる。

【００１６】なお、超電導コイルを構成する超電導線と
ともにコイルの内部または外部あるいは両方にループ型
細管ヒートパイプを巻き込むことによって、超電導コイ
ル内部の温度差を小さくできる。

【００１７】また、超電導コイルに接続されるパワーリ
ードにもループ型細管ヒートパイプを熱的に接続するこ
とによって、パワーリードから侵入する熱を吸収するこ
とができる。

【００１８】さらに、ループ型細管ヒートパイプに、超
電導コイルに接続されるパワーリードを兼ねさせること
によって、パワーリードの冷却を十分に行わせることが
できる。電力用のように大電流を流す超電導磁石装置で
は、パワーリードでの発熱が大きな問題となるが、上記
のようにループ型細管ヒートパイプでパワーリードを兼
用させることによって、設計の容易化を図ることができ
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。図１には本発明の一実施形態に係
る超電導磁石装置が示されている。図中、３０は断熱容
器としての真空容器を示している。この真空容器３０内
には臨界温度が20K 程度の超電導線で形成された超電導
コイル３１が配置されている。真空容器３０内には極低
温冷凍機３２の冷却ステージも位置している。

【００２０】極低温冷凍機３２は蓄冷器を備えた、たと
えばギフォード・マクマホン冷凍機によって構成されて
いる。この極低温冷凍機３２は、50K 程度に冷却される
第１段冷却ステージ３３と、この第１段冷却ステージ３
３より低い、たとえば4 K 程度に冷却される第２段冷却
ステージ３４とを備えている。

【００２１】第２段冷却ステージ３４と超電導コイル３
１とはループ型細管ヒートパイプ３５によって熱的に接
続されている。ループ型細管ヒートパイプ３５は、細い
銅チューブを多数回巻回して形成された無端のループ型
細管３６を備えており、このループ型細管３６内に作動
流体としてのヘリウムを収容したものとなっている。そ
して、ループ型細管３６に設定された放熱部３８は銅ブ
ロックなどで形成された熱伝導部材３９を介して第２段
冷却ステージ３４に熱的に接続されており、またループ
型細管３６に設定された吸熱部４０は銅ブロックなどで
形成された熱伝導部材４１を介して超電導コイル３１に
熱的に接続されている。

【００２２】一方、ループ型細管ヒートパイプ３５には
予冷機構（冷媒強制通流機構）３７が接続されている。
この予冷機構３７は次のように構成されている。すなわ
ち、ループ型細管３６の図中Ａ部に冷媒案内管４２の一
端部を連通させ、この冷媒案内管４２の他端側を熱交換
器４３，４４，４５，４６を介して真空容器３０の外に
導き、この導かれた端部をバルブ４７を介してコンプレ
ッサ４８の吐出口に接続している。また、ループ型細管
３６の上述した冷媒案内管４２が連通しているＡ部から
ループ型細管３６に沿って両側にほぼ等しい距離だけ離
れた図中Ｂ部に冷媒案内管４９の一端部を連通させ、こ
の冷媒案内管４９の他端側を熱交換器４４，４６を介し
て真空容器３０の外に導き、この導かれた端部をバルブ
５０を介してコンプレッサ４８の吸込口に接続してい
る。ここで、熱交換器４４，４６は対向流型に形成され
ている。そして、予冷機構３７のループ内には冷媒とし
てのヘリウムガスが封入されている。

【００２３】次に、上記のように構成された超電導磁石
装置の冷却運転例を説明する。まず、極低温冷凍機３２
を運転開始させる。次に、バルブ４７，５０を開放し、
コンプレッサ４８を運転開始させる。コンプレッサ４８
から吐出した高圧のヘリウムガスは、熱交換器４６を通
った後に熱交換器４５を通る間に第２１段冷却ステー
ジ３３によって冷却され、続いて熱交換器４４を通った
後に熱交換器４３を通る間に第１段冷却ステージ３４に
よって十分低温に冷却される。このようにして冷やし込
まれたヘリウムガスは、Ａ部においてループ型細管３６
内に流れ込む。ループ型細管３６内に流れ込んだヘリウ
ムガスは、Ａ部を境にして２つの流路に別れてループ型
細管３６内を流れ、この間にループ型細管３６および超
電導コイル３１から吸熱する。そして、Ｂ部に至り、こ
のＢ部から冷媒案内管４９へと流れ、この冷媒案内管４
９を介してコンプレッサ４８の吸込口へと流れる。この
ように流れる途中において、熱交換器４４，４６を通る
間に残っている寒冷を冷媒案内管４２内を流れているヘ
リウムガスに与える。

【００２４】このように予冷機構３７から冷し込まれた
ヘリウムガスをループ型細管３６に強制的に通流する
と、超電導コイル３１およびループ型細管３６は急速に
冷却される。そして、ついにはループ型細管３６内のヘ
リウムガスが第２段冷却ステージ３４の温度レベルまで
冷却される。超電導コイル３１がある定められた温度ま
で冷却された時点で、バルブ４７，５０を閉じ、コンプ
レッサ４８の運転を停止する。この時点では、ループ型
細管３６内のヘリウムガスは十分に低温に冷却されてい
るので、以後、ループ型細管３６内に収容されているヘ
リウムガスによる熱輸送作用によって超電導コイル３１
が4 K レベルまで冷却される。すなわち、以後はループ
型細管ヒートパイプ３５の特徴を最大限に発揮させて超
電導コイル３１を効率良く冷却することができる。

【００２５】このように、ループ型細管３６の２箇所に
冷媒案内管４２，４９を連通させて設け、これらの冷媒
案内管４２，４９を通してループ型細管３６内に冷媒を
強制的に通流させる予冷機構３７を設けているので、熱
容量の大きい超電導コイルであっても短時間に予冷を完
了することができる。すなわち、ループ型細管ヒートパ
イプ３５が有している予冷に長時間を要するという欠点
を予冷機構３７を設けることによって解消することがで
きる。

【００２６】なお、この例では、冷媒案内管４２がルー
プ型細管３６に連通するＡ部からループ型細管３６に沿
って両側にほぼ等しい距離だけ離れたＢ部に冷媒案内管
４９を連通させているので、Ａ部からＢ部に至る２つの
流路の長さをほぼ等しくでき、２つの流路にバランスよ
く冷媒を流すことができる。この結果、ループ型細管３
６内を一様に冷却することができ、予冷に必要な時間を
一層短縮できる。

【００２７】また、この例ではループ型細管３６に出し
入れする冷媒の供給方式として、コンプレッサ４８の吐
出口と吸込口とを冷媒案内管４２，４９に接続して閉ル
ープを構成し、この閉ループ内で冷媒を循環させるとと
もに、コンプレッサ４８の吐出口からループ型細管３６
に至る経路の途中に極低温冷凍機３２の第１段冷却ステ
ージ３３および第２段冷却ステージ３４と冷媒とで熱交
換させる熱交換器４５，４３を設けて冷媒を冷やし込む
構成を採用し、さらに冷媒案内管４２，４９の途中に供
給冷媒と戻り冷媒とを熱交換させる対向流型の熱交換器
４４，４６を設けているので、余剰の寒冷を熱交換器４
４，４６で回収することができる。この結果、極低温冷
凍機３２を予冷冷却源として用いたときに問題となるシ
ステム全体の効率低下を抑制できる。

【００２８】なお、この例ではコンプレッサ４８を用い
て予冷用冷媒に循環力を与えているが、図中破線で示す
ように、バルブ４７をたとえば高圧のヘリウムガスボン
ベ５１に接続し、バルブ５０を大気解放口に接続するこ
とによって、コンプレッサを使用せずに上記と同様の予
冷動作を行わせるように構成してもよい。また、この例
では、２段の極低温冷凍機を使用しているが、超電導コ
イルを形成している超電導線の臨界温度によっては、１
段の冷凍機あるいは３段以上の冷凍機を使用してもよ
い。また、予冷用の冷媒ガスをループ型細管３６に出し
入れする冷媒案内管を３本以上設けてもよい。

【００２９】図２(a) には本発明の別の実施形態に係る
超電導磁石装置における要部だけが示されている。被冷
却物である超電導コイル３１の周辺以外の部分は予冷機
構を含めて図１に示した構成とほぼ同じであるため、こ
こでは省略されている。

【００３０】この例では、被冷却物としての超電導コイ
ル３１にループ型細管ヒートパイプ３５ａを構成してい
るループ型細管３６ａ，３６ｂの吸熱部４０ａ，４０ｂ
が熱的に接続されている。

【００３１】ループ型細管３６ａ，３６ｂは、電気絶縁
性を備えかつ熱伝導性の良好な材料で形成されており、
図２(b) に示すように、それぞれの吸熱部４０ａ，４０
ｂが超電導コイル３１を形成している超電導線５５の巻
層間に位置するように巻かれ、吸熱部４０ａ，４０ｂが
超電導線５５に直接接触している。

【００３２】このように構成することによって、超電導
線５５の発熱をループ型細管３６ａ，３６ｂで直接的に
吸収することができる。すなわち、超電導線５５とルー
プ型細管３６ａ，３６ｂとの間の熱抵抗を小さくできる
ので、超電導コイル３１を良好に冷却できる。

【００３３】なお、吸熱部４０ａ，４０ｂの巻込み形態
は、図２(b) に示す形態に限らず、図２(c) に示すよう
に、超電導線５５とたとえば吸熱部４０ａとが軸方向に
交互に位置するように巻き込んでもよい。また、吸熱部
４０ａ，４０ｂを超電導コイルの外周に巻付けてもよ
い。

【００３４】図３には本発明のさらに別の実施形態に係
る超電導磁石装置が示されている。この図では図１と同
一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重
複する部分の詳しい説明は省略する。

【００３５】この例では、超電導コイル３１と極低温冷
凍機３２とがそれぞれ別の真空容器３０ａ，３０ｂ内に
置かれている。超電導コイル３１にはパワーリード５６
ａ，５６ｂの一端側が接続されており、これらパワーリ
ード５６ａ，５６ｂの他端側は真空容器３０ａの上壁に
取付けられたブッシング５７ａ，５７ｂを介して外部に
導き出されている。

【００３６】真空容器３０ａの側壁と真空容器３０ｂの
側壁とには、それぞれ連絡口５８，５９が形成されてお
り、これら連絡口５８，５９は真空容器３０ｂ側から真
空容器３０ａ側に極低温冷凍機３２の振動が伝わるのを
抑制するフレキシブルな接続管、たとえばベローズ構成
の接続管６０を介して気密に接続されている。

【００３７】そして、この接続管６０内を通して極低温
冷凍機３２の第２段冷却ステージ３４とパワーリード５
６ａ，５６ｂおよび超電導コイル３１とがループ型細管
ヒートパイプ３５を介して熱的に接続されている。

【００３８】すなわち、ループ型細管ヒートパイプ３５
のループ型細管３６に設定された放熱部３８は銅ブロッ
クなどで形成された熱伝導部材６１，６２を介して第２
段冷却ステージ３４に熱的に接続されており、ループ型
細管３６に設定された吸熱部４０は窒化アルミニウムな
どで形成された電気絶縁性を有する熱伝導部材６３，６
４を介してパワーリード５６ａ，５６ｂおよび超電導コ
イル３１に接続されている。なお、この例においても図
示しない予冷機構がループ型細管ヒートパイプ３５に接
続されている。

【００３９】このような構成であると、熱輸送特性を低
下させることなく、極低温冷凍機３２と超電導コイル３
１との間の距離を大きくとることが可能となり、極低温
冷凍機３２が発生する振動や電磁気的ノイズを超電導コ
イル３１ヘ伝え難くすることができる。また、電気絶縁
性を悪化させることなくパワーリード５６ａ，５６ｂを
冷却できる。

【００４０】図４(a) には本発明のさらに別の実施形態
に係る超電導磁石装置が示されている。この図では図３
と同一機能部分が同一符号で示してある。したがって、
重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００４１】この例では、ループ型細管ヒートパイプを
パワーリードの一部に兼用させている。すなわち、図４
(b) に示すように２組のループ型細管ヒートパイプ６５
ａ，６５ｂを用いている。

【００４２】ループ型細管ヒートパイプ６５ａのループ
型細管３６に設定された放熱部３８は銅ブロックなどで
形成された熱伝導部材６７に熱的に接続されており、こ
の熱伝導部材６７は窒化アルミニウムなどで形成された
電気絶縁性を有する熱伝導部材６８に熱的に接続されて
いる。同様に、ループ型細管ヒートパイプ６５ｂのルー
プ型細管３６に設定された放熱部３８は銅ブロックなど
で形成された熱伝導部材６９に熱的に接続されており、
この熱伝導部材６９は熱伝導部材６８に熱的に接続され
ている。そして、熱伝導部材６８が極低温冷凍機３２の
第２段冷却ステージ３４に熱的に接続されている。

【００４３】一方、ループ型細管ヒートパイプ６５ａの
ループ型細管３６に設定された吸熱部４０は銅ブロック
などで形成された熱伝導部材７０に熱的に接続されてお
り、この熱伝導部材７０は窒化アルミニウムなどで形成
された電気絶縁性を有する熱伝導部材７１に熱的に接続
されている。同様に、ループ型細管ヒートパイプ６５ｂ
のループ型細管３６に設定された吸熱部４０は銅ブロッ
クなどで形成された熱伝導部材７２に熱的に接続されて
おり、この熱伝導部材７２は熱伝導部材７１に熱的に接
続されている。そして、熱伝導部材７１が超電導コイル
３１に熱的に接続されている。

【００４４】熱伝導部材６７，６９は端子を兼ねてお
り、真空容器３０ｂの上壁に取付けられたブッシン５７
ａ，５７ｂを介して外部から導かれたパワーリード５６
ａ，５６ｂに電気的に接続されている。

【００４５】同様に、熱伝導部材７０，７２も端子を兼
ねており、超電導コイル３１から延びたパワーリード要
素７３ａ，７３ｂに電気的に接続されている。なお、こ
の例においても図示しない予冷機構がループ型細管ヒー
トパイプ６５ａ，６５ｂに接続されている。また、各ル
ープ型細管ヒートパイプ６５ａ，６５ｂは、実際には図
４(c) に示すように作動流体の往路と復路とが熱絶縁さ
れる関係に可撓性のチューブ７４に納められている。

【００４６】このような構成であると、パワーリード５
６ａ，５６ｂの外部への引き出しに必要なブッシング５
７ａ，５７ｂを極低温冷凍機３２の側に配置することが
可能となり、コイル側をコンパクトにすることができ
る。また、パワーリード５６ａ，５６ｂを介して侵入す
る熱を確実に吸収することができる。

【００４７】ここで、ループ型細管３６（３６ａ，３６
ｂ）に良好な熱輸送能力を発揮させる条件について説明
する。すなわち、封入された作動流体の表面張力をσ、
作動流体の液状態下における密度をρ_l 、作動流体のガ
ス状態下における密度をρ_v、重力加速度をｇ、ラプラ
ス定数ＬをＬ＝［σ／｛（ρ_l −ρ_v ）ｇ｝］^0.5 とし
たとき、ループ型細管３６の内径ｄが、Ｌ＜ｄ＜３Ｌ …(1) の条件を満たしていることが必要である。

【００４８】このような条件を満たすことによって良好
な熱輸送能力を発揮させることができる。以下に、この
ことを詳しく説明する。

【００４９】ラプラス定数Ｌは、液体の中で、熱負荷に
よって伝熱面から離脱する気泡の直径であり、各種のガ
スにおいて上述の式によりほぼ定式化されている。ルー
プ型細管の内径がＬ以下であると、気泡と内壁との間に
液体が存在せず、気泡が管内を移動するときに内壁との
間に表面張力による抵抗が発生し、細管内の流体を駆動
する力が減り、この結果として熱輸送量が急減する。

【００５０】逆に、ループ型細管の内径ｄが３Ｌ以上で
あると、全体の液量に対して気泡の移動により押し退け
られる液体の量の割合が小さくなり、同様に細管内の流
体を駆動する力が減る。

【００５１】したがって、ループ型細管の内径ｄをＬ＜
ｄ＜３Ｌにすることによってループ型細管内の液体を駆
動するループ駆動力が最適化され、熱輸送量を大幅に増
加させることができる。

【００５２】図５には作動流体として窒素（Ｎ₂ ）を用
いた場合のループ型細管の内径ｄと熱輸送量との関係を
調べた実験結果が示されている。この図から判るよう
に、内径ｄがラプラス定数Ｌから３Ｌの間において熱輸
送が確認され、特に２Ｌにあたる内径２(mm)のときに最
大の熱輸送量が得られている。

【００５３】(1) 式の関係は、作動流体として窒素を用
いた場合に限らず、作動流体として水、アルゴン、酸
素、ネオン、水素、へリウムやこれらの混合物を用いた
場合にも適用できる。

【００５４】これらの作動流体のうち、特に超電導材料
を対象とする低温工学において重要な意味を持つヘリウ
ム、水素、ネオン、窒素の温度とラプラス定数との関係
を図６に示す。また、図７には横軸に温度を、縦軸に作
動流体の液状態下における密度ρ_l と作動流体のガス状
態下における密度ρ_v との比を示す。

【００５５】なお、上述した各例に組込まれるループ型
細管３６（３６ａ，３６ｂ）では、吸熱部４０および放
熱部３８の伝熱面積をこのループ型細管ヒートパイプが
作動する最小面積よりも大きくすることが必要である。

【００５６】図８には伝熱面での熱流束に対するコンダ
クタンスの変化を調べた結果が示されている。所定の熱
量を運ぶ場合、伝熱面積を減らすと、単位伝熱面積当り
の熱流束が増大する。図８から判るように熱流束が約９
（kW/m² ) 以上になると、伝熱面での作動流体の沸騰状
況が核沸騰から膜沸騰に転移し、コンダクタンスが急減
し、熱輸送が困難となる。このことから、伝熱面積には
ループ型細管ヒートパイプが作動するための最小面積が
存在することが判る。したがって、吸熱部４０および放
熱部３８の伝熱面積をループ型細管ヒートパイプが作動
し得る最小面積よりも大きくすることが必要である。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱容量の大きい超電導コイルを組込んだ場合でも予冷時
間を大幅に短縮でき、しかもシステム効率を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る超電導磁石装置の模
式的構成図

【図２】(a) は本発明の別の実施形態に係る超電導磁石
装置における要部の概略構成図で、(b) は(a) における
破線部分を取出し拡大した断面図で、(c) は変形例を説
明するための図

【図３】本発明のさらに別の実施形態に係る超電導磁石
装置の模式的構成図

【図４】(a) は本発明のさらに異なる実施形態に係る超
電導磁石装置の模式的構成図で、(b) は組込まれたルー
プ型細管ヒートパイプを取出して示す図で、(c) は同ル
ープ型細管ヒートパイプの断面形状を示す図

【図５】作動流体として窒素を用いたときのループ型細
管の内径と熱輸送量との関係を示す図

【図６】各種作動流体の温度とラプラス定数との関係を
示す図

【図７】各種作動流体の温度と密度比（液状態下の密度
／ガス状態下の密度）との関係を示す図

【図８】伝熱面での熱流速とコンダクタンスとの関係を
示す図

【図９】熱輸送素子を組込んだ従来の超電導磁石装置の
模式的構成図

【符号の説明】

３０，３０ａ，３０ｂ…真空容器３１…超電導コイル３２…極低温冷凍機３４…第２段冷却ステージ３５，３５ａ，６５ａ，６５ｂ…ループ型細管ヒートパ
イプ３６，３６ａ，３６ｂ…ループ型細管３７…予冷機構３８…放熱部４０、４０ａ，４０ｂ…吸熱部４２，４９…冷媒案内管４３，４５…熱交換器４４，４６…対向流型の熱交換器４７，５０…バルブ４８…コンプレッサ５５…超電導線５６ａ，５６ｂ…パワーリード５７，５７ｂ…ブッシング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中込秀樹神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者浦田昌身東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導コイルと、極低温冷凍機と、この極低温冷凍機の冷却ステージに放熱部を熱的に接続
するとともに前記超電導コイルに吸熱部を熱的に接続し
て設けられたループ型細管ヒートパイプと、このループ型細管ヒートパイプ内に外部から冷媒を強制
的に通流させる冷媒強制通流手段とを具備してなること
を特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】前記ループ型細管ヒートパイプは、前記超
電導コイルを構成する超電導線とともにコイルの内部ま
たは外部あるいは両方に巻かれていることを特徴とする
請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項３】前記ループ型細管ヒートパイプは、前記超
電導コイルに接続されるパワーリードにも熱的に接続さ
れていることを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石
装置。
【請求項４】前記ループ型細管ヒートパイプは、前記超
電導コイルに接続されるパワーリードを兼ねていること
を特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。