JPH0950910A

JPH0950910A - 超電導コイル冷却装置

Info

Publication number: JPH0950910A
Application number: JP7203663A
Authority: JP
Inventors: Kengo Okura; 健吾大倉; Kenichi Sato; 謙一佐藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-08-09
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 1997-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】高い磁場においても安定して超電導コイルを
運転することができる超電導コイル冷却装置を提供す
る。【解決手段】低温環境を維持するための容器１６、１
８と、容器１６、１８に取付けられ、該容器内を冷却す
る冷凍機１０と、容器１６、１８内において冷凍機１０
に連結される超電導コイル１４とを備える、超電導コイ
ル冷却装置１。超電導コイル１４は、冷凍機１０の冷却
ステージ１０ｂに、銅からなる振動吸収部材１５を介し
て連結される。さらに、冷凍機１０と容器１８との間
に、振動吸収部材１５ａ、１５ｂが介在させられる。超
電導コイル１４は、たとえばビスマス系酸化物超電導線
から形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導コイル冷却
装置に関し、特に、高温超電導コイルを冷凍機により冷
却するためのシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導マグネットの冷却方式として、超
電導マグネットを構成するコイルを液体ヘリウム等の冷
媒中に浸漬する方式のものと、超電導コイルを市販のＧ
Ｍ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）冷却機で直接冷
却する方式のものの２種類がある。

【０００３】後者の方式では、たとえば図６に示すよう
に、ＧＭ冷凍機２０の第２ステージ２０ｂに、超電導コ
イル２４を巻付けた銅製のコイルボビン２２が銅製のフ
ランジ２３を介して取付けられる。超電導コイル２４は
第２ステージ２０ｂにおいて、運転温度、たとえば２０
Ｋまで冷却される。また超電導コイル２４は、たとえば
銅製の熱シールド容器２６内に収容される。熱シールド
容器２６は、ＧＭ冷凍機２０の第１ステージ２０ａ上に
設けられ、熱シールド容器２６は、コイルへの熱浸入を
防ぐため第１ステージ２０ａによってたとえば７０Ｋま
で冷却される。

【０００４】さらに、熱シールド容器２６は、断熱のた
め真空容器２８内に収容される。そして、ＧＭ冷凍機２
０は、真空容器２８に取付けられ、固定される。このよ
うな冷却システムは、熱シールド容器２６および真空容
器２８等により構成されるクライオスタット、ならびに
それに取付けられる冷凍機２０から基本的に構成され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】冷凍機２０の第１ステ
ージ２０ａおよび第２ステージ２０ｂの内部では、通常
加圧ヘリウムガスを断熱膨張、断熱圧縮するべく、ピス
トン（ディスプレーサ）が低周期（たとえば０．３秒／
回）で往復運転されている。図６に示すような従来の装
置では、このピストンによる振動がＣｕフランジ２３を
介して超電導コイル２４に伝播する。この振動のため、
コイルによる磁場分布について時間的変動が生じ、これ
により渦電流がコイルの超電導線に周期的に流れるよう
になる。渦電流による発熱のため、コイルの温度は上昇
し、コイルは常電導状態に転移するようになる。ここの
ような現象のため、従来の装置では低磁場においてしか
コイルを運転できないという問題が存在した。

【０００６】本発明の目的は、このような問題を解決
し、高い磁場においても、安定して超電導コイルの運転
が可能な超電導コイル冷却装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に従う超電導コイ
ル冷却装置は、低温環境を維持するための容器と、容器
に取付けられ容器内を冷却する冷凍機と、容器内におい
て冷凍機に連結される超電導コイルとを備える、超電導
コイル冷却装置において、超電導コイルが冷凍機の冷却
ステージに良熱伝導性金属からなる振動吸収部材を介し
て連結され、さらに冷凍機と容器との連結部分に、振動
吸収部材が介在することを特徴とする。

【０００８】本発明に従う超電導コイル冷却装置は、い
わゆる高温超電導体を用いた超電導線から形成される超
電導コイルの冷却に適している。本発明において超電導
コイルは、たとえばビスマス系酸化物超電導線から形成
されることがより好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明をより具体的に説明
していく。図１に、本発明に従う装置の一具体例を示
す。

【００１０】超電導コイル冷却装置１において、架台２
上には、真空容器１８が設けられる。真空容器１８内に
は、たとえば銅製の熱シールド容器１６が設けられてい
る。熱シールド容器１６は、真空容器１８のフランジ部
１８ａに固定された支持棒１３ａおよび１３ｂによっ
て、真空容器１８内に支持される。

【００１１】熱シールド容器１６内には、超電導コイル
１４が収容される。超電導コイル１４は、銅製のコイル
ボビン１２の周囲に設けられ、ボビン１２に形成された
フランジ１７を介してコイル支持棒１１ａおよび１１ｂ
により支持される。コイル支持棒１１ａおよび１１ｂ
は、真空容器のフランジ１８ａにたとえばボルト（図示
省略）により固定される。

【００１２】真空容器１８のフランジ部１８ａには、さ
らにＧＭ冷凍機１０が振動吸収部材５ａおよび５ｂを介
して取付けられている。振動吸収部材５ａおよび５ｂ
は、冷凍機１０で発生する振動を真空容器１８に伝播さ
せないためのものである。このような振動吸収部材は、
振動を吸収するため、種々の形状および材質のもので構
成することができるが、たとえば、図２（ａ）に示すよ
うな蛇腹管等のフレキシブル管や図２（ｂ）に示すよう
なコイル体とすることができる。また、振動吸収部材は
図２（ｃ）に示す様なフレキシブル管３５とブロック状
の防振ゴム４５との組合せ構造とすることができる。こ
の部材にフレキシビリティを持たせることで、冷凍機か
らの振動は吸収される。振動吸収部材の材質は、たとえ
ば、ステンレス鋼、アルミニウム、繊維強化プラスチッ
ク（ＦＲＰ）などとすることができるが、これらに限定
されるものではない。なお、冷凍機と真空容器との連結
は、熱伝導率の低い材質のもので行なうことがより好ま
しい。フレキシブル管等の振動吸収部材は、ＧＭ冷凍機
の自重のみを支持すればよく、それほど大きな荷重に耐
える必要がないため、肉厚の薄いものを使用することが
できる。また、たとえばステンレス鋼やアルミニウム等
の金属でフレキシブル管等の振動吸収部材を形成する場
合、その一端を真空容器に結合するフランジ部に溶接
し、他端を冷凍機に結合するフランジ部に溶接して、真
空容器と冷凍機とを該部材により連結することができ
る。一方、溶接によらず、ろう付けやピン止めなどの他
の手段よって振動吸収部材を所定の位置に固定してもよ
い。

【００１３】冷却装置において、熱シールド容器１６
は、ＧＭ冷凍機１０の第１ステージ１０ａによって冷却
される。一方、超電導コイル１４は、ＧＭ冷凍機１０の
第２ステージ１０ｂによって直接的に冷却される。この
ような冷却方式において、本発明に従う装置では、ＧＭ
冷凍機１０の冷却ステージ（第２ステージ１０ｂ）と、
超電導コイル１４とは、良熱伝導性金属からなる振動吸
収部材１５により連結される。振動吸収部材１５の材質
は、冷却ステージによって超電導コイルを直接的に冷却
するため、熱伝導性の金属であり、たとえば、銅または
それとほぼ同じ熱伝導率を有する金属がより好ましい。
振動を吸収するため、該部材は、種々の形状とすること
ができるが、たとえば、細い銅線を編んだ編組線、薄い
銅板を多数枚積み重ねたもの等とすることができる。該
部材にフレキシビリティを持たせることで、冷却ステー
ジからの振動は吸収される。

【００１４】良熱伝導性金属からなる振動吸収部材は、
たとえば図３に示すように、その一端を超電導コイルの
ボビンと結合する銅製フランジ１７に、他端を冷却ステ
ージの一部を構成する銅製フランジ７に、それぞれ溶接
またはろう付けすることにより、取付けることができ
る。振動吸収部材を構成する銅の熱伝導率は高く、超電
導コイルは、十分に第２ステージによって冷却される。
さらに、編組線等の振動を吸収する構造とすることで、
第２ステージから超電導コイルへの振動の伝播は阻止さ
れる。

【００１５】以上に示した冷却装置において、真空容器
および熱シールド容器は、本発明において低温環境を維
持するための容器であり、これらはクライオスタットを
構成する。なお、本発明において、クライオスタットを
構成する低温環境を維持するための容器は、図１に示し
た構造のものに限定されるものではなく、種々の構造と
することができる。また、図１に示す装置では、超電導
コイルを支持棒により固定しているが、その他の構造、
たとえば熱シールド容器の天井から吊下げるような構造
により固定してもよい。

【００１６】以上に示した装置において、真空容器１８
内は、断熱のため真空とされ、ＧＭ冷凍機１０により超
電導コイル１４は冷却される。熱シールド容器１６は、
ＧＭ冷凍機１０の第１ステージ１０ａにより冷却され、
超電導コイル１４は、第２ステージ１０ｂにより振動吸
収部材１５を介して直接冷却される。所定の温度に冷却
された超電導コイル１４には、電源（図示せず）から電
流が流され、所定磁場下での運転が行なわれる。このよ
うな装置において、冷凍機およびその冷却ステージを、
真空容器等のクライオスタットを構成する低温環境を維
持するための容器および超電導コイルに、固定すること
なくフレキシビリティを持たせて連結することにより、
冷凍機の振動はクライオスタットへ伝わらない構造とな
り、コイルへの振動の伝播は阻止される。これにより、
従来問題となっていた振動による渦電流の発生は阻止さ
れ、コイルの発熱も抑制されるようになる。このため、
より高い磁場下においても、超電導コイルを安定して運
転できるようになる。

【００１７】本発明は、液体窒素温度で超電導状態を示
すことのできるいわゆる高温超電導体を用いた超電導コ
イルの冷却に適している。いわゆる高温超電導体とし
て、イットリウム系酸化物超電導体、ビスマス系酸化物
超電導体、タリウム系酸化物超電導体等の酸化物超電導
体（セラミックス超電導体）を用いることができる。特
に、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏ_8-X、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃ
ａ₂Ｃｕ₃Ｏ_10-X、（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ
₂Ｏ_8-X、（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_10-X
（０≦Ｘ≦１）等のビスマス系酸化物超電導体は、高い
臨界温度、高い臨界電流密度等を示す線材を比較的容易
に得ることができるため、より好ましい。本発明におい
て、酸化物超電導線には、銀または銀合金の安定化材中
に酸化物超電導体からなるフィラメントが埋込まれた構
造を有するテープ状酸化物超電導多芯線または単芯線を
用いることができる。酸化物超電導体としては、上述し
たもの、特にビスマス系酸化物超電導体が用いられる。
このようなテープ状超電導線は、一般に、酸化物超電導
体の原料粉末の焼成および粉砕、粉末の安定化材シース
への充填、塑性加工ならびに焼結のプロセスを経て製造
することができる。

【００１８】

【実施例】図１に示す装置および図６に示す従来の装置
を用いて、実験を行なった結果を以下に示す。

【００１９】両方の冷却装置において、超電導コイルお
よび冷凍機には、以下に示す仕様ののものを用いた。

【００２０】［超電導コイルの仕様］コイルを構成する超電導線：銀シースビスマス系酸化物
超電導線コイル形状：パンケーキ型２ａ₁（コイル内径）＝４０ｍｍ２ａ₂（コイル外径）＝１５０ｍｍ２ｈ（高さ）＝７０ｍｍＢ₀（コイル自己中心磁場）＝２ＴＩ（電流容量）＝１６６Ａコイル運転温度＝１５Ｋ［冷凍機の仕様］冷凍機機種：ＧＭ冷凍機第１ステージ：３５Ｗ，８０Ｋの冷却能力第２ステージ：４Ｗ，２０Ｋの冷却能力図１に示す装置において、超電導コイルと第２ステージ
とを連結する振動吸収部材には、銅の細線を編んだ編組
線を用いた。編組線は、溶接によって、コイルボビンに
結合する銅製のフランジおよび第２ステージを構成する
銅製のフランジにそれぞれ取付けられた。ＧＭ冷凍機と
真空容器とを連結する振動吸収部材には、ステンレス鋼
製の蛇腹管を用いた。蛇腹管も同様に溶接により取付け
た。

【００２１】一方、従来の装置では、超電導コイルと第
２ステージ、冷凍機と真空容器を、それぞれ振動吸収部
材を用いることなくそのまま連結し固定した。

【００２２】図１に示す本発明の装置において、超電導
コイルの磁場２Ｔにおいて運転した時のコイル両端の電
圧変動を図４に示す。図に示すとおり、コイル両端の電
圧は、ほとんど変動がなく、電源のノイズレベルの変動
が見られたにすぎなかった。このため、コイルの温度も
１０Ｋまで低下し、発熱を抑制することができた。３Ｔ
まで磁場を上昇させても、コイルは１２Ｋの温度で安定
して運転することができた。

【００２３】一方、図６に示す従来の装置においてコイ
ルを１５Ｋの温度で２Ｔの磁場下において運転した。運
転中のコイル両端の電圧変動を図５に示す。冷凍機のピ
ストンの周波数は約２．５Ｈｚであり、コイル電圧の変
動も同様の周期となっている。３Ｔまで磁場を上昇させ
ると、徐々にコイルの電圧が上昇し、クエンチが見られ
た。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従う装置
では、冷凍機の振動によるコイルの発熱が抑制されるた
め、コイルをより安定して運転することができる。さら
に本発明の装置では、コイルの温度をより低下させるこ
とができるので、超電導線の臨界電流密度をより上昇さ
せることができ、より大きな電流を流すことが可能とな
る。このように本発明の装置は高い磁場を発生するのに
有効に働くので、冷凍機冷却方式において使用する高温
超電導コイルを運転するためのシステムに利用すると効
果的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う超電導コイル冷却装置の一具体例
を示す模式図である。

【図２】本発明に従う装置の一具体例において、低温環
境を維持するための容器と冷凍機とを連結する振動吸収
部材の構造を示す模式図である。

【図３】本発明に従う装置の一具体例において、低温環
境を維持するための容器と冷凍機の冷却ステージとを連
結する振動吸収部材の構造を示す模式図である。

【図４】本発明に従う装置の一具体例を運転したとき見
られるコイル両端の電圧の時間的変動を示す図である。

【図５】従来の装置を運転したとき見られるコイル両端
の電圧変動を示す図である。

【図６】従来の装置の一具体例を示す模式図である。

【符号の説明】

１超電導コイル冷却装置５ａ、５ｂ、１５振動吸収部材１０、２０ＧＭ冷凍機１２、２２コイルボビン１４、２４超電導コイル１６、２６熱シールド容器１８、２８真空容器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低温環境を維持するための容器と、前記容器に取付けられ、前記容器内を冷却する冷凍機
と、前記容器内において前記冷凍機に連結される超電導コイ
ルとを備える、超電導コイル冷却装置において、前記超電導コイルは、前記冷凍機の冷却ステージに、良
熱伝導性金属からなる振動吸収部材を介して連結され、
さらに前記冷凍機と前記容器との連結部分に、振動吸収
部材が介在することを特徴とする、超電導コイル冷却装
置。
【請求項２】前記超電導コイルが、ビスマス系酸化物
超電導線から形成されることを特徴とする、請求項１記
載の超電導コイル冷却装置。