JPH10335137A - Cooling method and conducting method for superconductor - Google Patents
Cooling method and conducting method for superconductorInfo
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- JPH10335137A JPH10335137A JP19411997A JP19411997A JPH10335137A JP H10335137 A JPH10335137 A JP H10335137A JP 19411997 A JP19411997 A JP 19411997A JP 19411997 A JP19411997 A JP 19411997A JP H10335137 A JPH10335137 A JP H10335137A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、超電導体の冷却方
法および通電方法に関し、特に、酸化物超電導体等のよ
り高い温度において超電導状態を示すことができる材料
を用いた装置、機器、素子等を高い臨界電流密度が得ら
れる温度まで簡便にかつ速やかに冷却することができる
方法およびその方法を用いた通電方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of cooling and energizing a superconductor, and more particularly to an apparatus, an apparatus, an element, etc. using a material capable of exhibiting a superconducting state at a higher temperature, such as an oxide superconductor. And a method for easily and quickly cooling the temperature to a temperature at which a high critical current density can be obtained, and an energizing method using the method.
【０００２】[0002]
【従来の技術】超電導体について、超電導状態を生成さ
せかつそれを安定に保つためには、超電導体を臨界温度
以下の温度で冷却することが必要である。その冷却方法
には、液体ヘリウム等の冷却剤により超電導体を冷却す
る方式、および直接極低温冷凍機で冷却する方式等があ
る。一般に、超電導マグネット等の冷却剤による冷却
は、液体ヘリウム中に直接超電導コイル等の被冷却体が
設けられる浸漬冷却方法と、真空容器中に設置された被
冷却体が循環ヘリウム等によって熱交換器を介して冷却
される強制循環冷却法とに大別することができる。冷凍
機を用いる方法では、必要とされる冷凍容量の規模によ
って形式の異なる種々の冷凍機が用いられる。ｋＷレベ
ルの冷凍能力が必要な場合、タービン型の膨張器を備え
た冷凍機が用いられる一方、酸化物超電導体のようなよ
り高い冷凍温度で超電導状態が得られる材料を冷却する
場合、ＳｏｌｖａｙやＧ−Ｍサイクルによる２段膨張式
冷凍機等を用いることができる。2. Description of the Related Art In order to generate a superconducting state and keep it stable, it is necessary to cool the superconductor at a temperature lower than a critical temperature. The cooling method includes a method of cooling the superconductor with a coolant such as liquid helium and a method of directly cooling with a cryogenic refrigerator. Generally, cooling with a coolant such as a superconducting magnet is performed by a immersion cooling method in which a cooled object such as a superconducting coil is directly provided in liquid helium, or a heat exchanger using a circulating helium or the like to cool the cooled object installed in a vacuum vessel. And a forced circulation cooling method in which cooling is performed through In the method using a refrigerator, various types of refrigerators having different types are used depending on the required refrigerating capacity. When a kW-level refrigeration capacity is required, a refrigerator equipped with a turbine-type expander is used. On the other hand, when a material capable of obtaining a superconducting state at a higher refrigeration temperature, such as an oxide superconductor, is cooled, Solvay or the like is used. For example, a two-stage expansion refrigerator using a GM cycle can be used.
【０００３】特開昭６０−２８２１１号公報は、液体ヘ
リウムによって超電導磁石を冷却する方式の装置におい
て、液体ヘリウムへの熱侵入を抑制するため、液体ヘリ
ウムを収容する内側の層とそれを取囲む外側の層との間
にシールド体を設け、該シールド体を冷凍機によって冷
却するとともに、超電導磁石に接続されるパワーリード
を冷凍機によって冷却することを開示している。特開昭
６０−２５２０２号公報は、超電導コイルを直接冷凍機
によって冷却する方式の超電導電磁石装置を開示する。
この装置において、真空容器の内部に収容された超電導
コイルは輻射シールドによって取囲まれ、輻射シールド
および超電導コイルが冷凍機によって熱伝導により直接
冷却される。特開平４−２５８１０３号公報も、冷凍機
によって直接超電導コイルを冷却する装置を開示する。
図２４に示すように、この装置では、蓄冷式冷凍機９３
の冷却ステージ９４に、超電導コイル９１が固着され
る。また冷凍機９３の他の冷却ステージ９５に、超電導
コイル９１を包囲する熱シールド８３が固着される。超
電導コイル９１および熱シールド８３は、真空容器９２
内に収容される。冷却ステージ９４を介して超電導コイ
ル９１を冷却するに際し、熱シールド８３が他の冷却ス
テージ９５によって冷却され、常温からの熱輻射が抑制
される。超電導コイル９１内に、磁場を印加すべきサン
プル９６が挿入され、電流リード９９を介してコイル９
１に電力が供給される。Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-28211 discloses an apparatus for cooling a superconducting magnet with liquid helium, in order to suppress heat intrusion into liquid helium, and to surround an inner layer containing liquid helium. It discloses that a shield body is provided between the outer layer and the shield body, the shield body is cooled by a refrigerator, and the power lead connected to the superconducting magnet is cooled by the refrigerator. JP-A-60-25202 discloses a superconducting electromagnet apparatus in which a superconducting coil is directly cooled by a refrigerator.
In this device, the superconducting coil housed inside the vacuum vessel is surrounded by a radiation shield, and the radiation shield and the superconducting coil are directly cooled by heat conduction by a refrigerator. JP-A-4-258103 also discloses an apparatus for directly cooling a superconducting coil by a refrigerator.
As shown in FIG. 24, in this device, a regenerative refrigerator 93
A superconducting coil 91 is fixed to the cooling stage 94. A heat shield 83 surrounding superconducting coil 91 is fixed to another cooling stage 95 of refrigerator 93. The superconducting coil 91 and the heat shield 83 are
Housed within. When cooling the superconducting coil 91 via the cooling stage 94, the heat shield 83 is cooled by the other cooling stage 95, and heat radiation from room temperature is suppressed. A sample 96 to which a magnetic field is to be applied is inserted into the superconducting coil 91, and the coil 9 is inserted through a current lead 99.
1 is supplied with power.
【０００４】特開昭６４−２８９０５号公報は、超電導
コイルを固体の冷媒で覆って冷却する方法を開示する。
図２５は、その冷却方式を用いた超電導マグネットを示
している。イットリウム系酸化物超電導体などの高温超
電導体を用いた超電導コイル１０３は、ステンレスなど
の金属からなるコイル容器１０２内に収容される。コイ
ル容器１０２内には、液体窒素が固化された固体冷媒１
０５が入っている。コイル容器１０２の外面には、銅、
アルミなどの均熱板１０８が取付けられ、その一部に小
型冷凍機１０６が取付けられている。このように固体冷
媒１０５で超電導コイル１０３を覆うには、たとえば次
のようなプロセスが行なわれる。JP-A-64-28905 discloses a method of cooling a superconducting coil by covering it with a solid refrigerant.
FIG. 25 shows a superconducting magnet using the cooling method. A superconducting coil 103 using a high-temperature superconductor such as an yttrium-based oxide superconductor is accommodated in a coil container 102 made of metal such as stainless steel. In the coil container 102, a solid refrigerant 1 in which liquid nitrogen is solidified
05 is included. On the outer surface of the coil container 102, copper,
A heat equalizing plate 108 made of aluminum or the like is attached, and a small refrigerator 106 is attached to a part thereof. In order to cover superconducting coil 103 with solid refrigerant 105 as described above, for example, the following process is performed.
【０００５】コイル容器１０２に液体窒素を注入し、液
体窒素を小型冷凍機１０６によって冷却する。均熱板１
０８によって、コイル容器１０２は小型冷凍機１０６に
より冷却される。小型冷凍機１０６で液体窒素を冷却し
た状態で、真空排気装置１０７によりコイル容器１０２
内を排気すれば、液体窒素は固体窒素に転換される。そ
して、総侵入熱量よりも大きな冷凍能力を有する冷凍機
１０６により冷却を行なえば、超電導コイル１０２のま
わりの固体窒素は保持される。[0005] Liquid nitrogen is injected into the coil container 102, and the liquid nitrogen is cooled by a small refrigerator 106. Soaking plate 1
08, the coil container 102 is cooled by the small refrigerator 106. While the liquid nitrogen is cooled by the small refrigerator 106, the coil container 102 is
If the inside is evacuated, liquid nitrogen is converted to solid nitrogen. Then, if cooling is performed by the refrigerator 106 having a refrigerating capacity greater than the total amount of invading heat, the solid nitrogen around the superconducting coil 102 is retained.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】酸化物超電導体等のよ
り高い臨界温度を有する超電導体を従来の方法によって
冷却する場合、たとえば次のような問題点があった。液
体ヘリウムによって酸化物超電導体を冷却する場合、そ
の低い冷却温度のために高い臨界電流密度を得ることが
できる。しかしながら、液体ヘリウムは高価な冷媒であ
る。また、液体ヘリウムを用いるシステムは、複雑な断
熱構造を必要とする。液体ヘリウムの代わりにより安価
な液体窒素を用いることができる。しかしながら、酸化
物超電導体を液体窒素で冷却する場合、冷却温度が高く
なるため、得られる臨界電流密度がかなり低下する。一
般的に低温になればなるほど、臨界電流密度を決定する
磁束のピン止めポテンシャルが深くなり、発熱の原因と
なる超電導体内部での磁束の運動が抑制されるため、高
い臨界電流密度が得られるようになる。ピン止め点は、
たとえば超電導コイルを形成する線材の加工履歴により
決まり、格子欠陥、微小不純物等がピン止め点になる。
したがって、高い臨界電流密度を得るためには、より低
い冷却温度が望ましい。When a superconductor having a higher critical temperature, such as an oxide superconductor, is cooled by a conventional method, there are the following problems, for example. When the oxide superconductor is cooled by liquid helium, a high critical current density can be obtained due to its low cooling temperature. However, liquid helium is an expensive refrigerant. Further, a system using liquid helium requires a complicated heat insulating structure. Inexpensive liquid nitrogen can be used instead of liquid helium. However, when cooling the oxide superconductor with liquid nitrogen, the resulting critical current density is considerably reduced due to the high cooling temperature. In general, the lower the temperature, the deeper the pinning potential of the magnetic flux that determines the critical current density, and the higher the critical current density, because the movement of the magnetic flux inside the superconductor that causes heat generation is suppressed. Become like The pinning point is
For example, it is determined by the processing history of the wire forming the superconducting coil, and lattice defects, minute impurities, and the like become pinning points.
Therefore, a lower cooling temperature is desirable to obtain a high critical current density.
【０００７】冷凍機によって冷却する方式では、たとえ
ば４．２Ｋおよび２０Ｋの２段階の冷却温度を得ること
ができ、比較的高い臨界電流密度を得ることができる。
しかしながら、冷凍機で冷却を行なう場合、超電導状態
を得るまでの初期冷却に長い時間がかかる。また、超電
導コイルのような構造物は、電気絶縁材等が含まれてお
り、熱伝導率もそれほど高くない。したがって、絶縁材
を含む構造物を冷凍機によって冷却する場合、より長い
時間がかかる。コイル内部で発生した熱の冷却ステージ
を介する放散は、コイルに用いられる電気絶縁材等によ
り制限されるため、冷凍機によって超電導体を直接冷却
する従来の方式では、クエンチを起こさないために、相
対的に低い電流が超電導体に流される。In the cooling method using a refrigerator, for example, two-stage cooling temperatures of 4.2K and 20K can be obtained, and a relatively high critical current density can be obtained.
However, when cooling with a refrigerator, it takes a long time for initial cooling until a superconducting state is obtained. In addition, a structure such as a superconducting coil includes an electric insulating material and the like, and does not have a very high thermal conductivity. Therefore, it takes a longer time to cool the structure including the insulating material by the refrigerator. Dissipation of the heat generated inside the coil through the cooling stage is limited by the electrical insulation material used for the coil, and the conventional method of directly cooling the superconductor by the refrigerator does not cause quench, so An extremely low current flows through the superconductor.
【０００８】特開昭６４−２８９０５号公報に開示され
る技術では、超電導コイルが固化された冷媒によって固
定される。固体冷媒は、コイルの電磁力、その他外力に
対する支持部材として機能することができる。また、超
電導コイルがクエンチしたときの発熱を、固体冷媒の融
解によって吸収することもできる。しかしながら、同公
報に開示された技術では、超電導コイルを固体冷媒その
ものによって冷却するため、その冷却温度には限界があ
る。たとえば固体窒素を用いる場合、固体窒素の温度約
６３Ｋ以下の温度において超電導コイルを冷却すること
は困難である。In the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-28905, the superconducting coil is fixed by a solidified refrigerant. The solid refrigerant can function as a support member for the electromagnetic force of the coil and other external forces. Further, heat generated when the superconducting coil is quenched can be absorbed by melting of the solid refrigerant. However, in the technology disclosed in the publication, the superconducting coil is cooled by the solid refrigerant itself, so that the cooling temperature has a limit. For example, when using solid nitrogen, it is difficult to cool the superconducting coil at a temperature of about 63K or less of the temperature of solid nitrogen.
【０００９】本発明の目的は、より安価なシステムにお
いて、より低い温度まで超電導体を容易にかつ速やかに
冷却することができる方法を提供することである。It is an object of the present invention to provide a method that allows easy and quick cooling of superconductors to lower temperatures in a less expensive system.
【００１０】本発明のさらなる目的は、酸化物超電導体
等のより高い臨界温度を有する超電導体について、より
安価なシステムにおいて、より高い臨界電流密度を安定
して得られる温度まで容易に冷却することができる方法
を提供することである。It is a further object of the present invention to facilitate cooling of superconductors having higher critical temperatures, such as oxide superconductors, to a temperature at which a higher critical current density can be stably obtained in a less expensive system. It is to provide a method that can do.
【００１１】本発明のさらなる目的は、より高い電流を
クエンチなしに安定して超電導体に流すことのできる新
規な冷却方式を提供することである。It is a further object of the present invention to provide a novel cooling method which can stably flow a higher current through a superconductor without quench.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明は、超電導体につ
いて超電導状態を生成させかつ維持するための冷却方法
であって、冷凍機の冷却ステージに超電導体を取付ける
工程と、冷却ステージ上の超電導体を冷却剤に接触させ
ることにより、超電導体を冷却する工程と、超電導体を
冷却剤に接触させた状態で冷凍機により超電導体をさら
に冷却する工程とを備える。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a cooling method for generating and maintaining a superconducting state of a superconductor, comprising the steps of: attaching a superconductor to a cooling stage of a refrigerator; The method includes a step of cooling the superconductor by bringing the body into contact with the coolant, and a step of further cooling the superconductor by a refrigerator with the superconductor in contact with the coolant.
【００１３】本発明において、冷凍機により超電導体を
さらに冷却する工程は、冷却剤を固化させる工程を備え
ることができる。この場合、超電導体は、固化された冷
却剤に覆われた状態で冷凍機によりさらに冷却すること
ができる。In the present invention, the step of further cooling the superconductor by the refrigerator can include a step of solidifying the coolant. In this case, the superconductor can be further cooled by the refrigerator while being covered with the solidified coolant.
【００１４】また本発明において、冷却ステージまたは
その近傍にヒータを設けることができる。冷却剤に接触
する超電導体の温度は、このヒータにより調節すること
ができる。Further, in the present invention, a heater can be provided at or near the cooling stage. The temperature of the superconductor in contact with the coolant can be adjusted by this heater.
【００１５】本発明において、冷凍機は複数の冷却ステ
ージを有する多段式冷凍機とすることができる。この場
合、複数の冷却ステージのうち、到達温度の低い冷却ス
テージに超電導体を取付けることが好ましい。さらに、
到達温度の低い冷却ステージに取付けられた超電導体を
冷却剤に接触させる一方で、超電導体の取付けられた冷
却ステージよりも到達温度の高い冷却ステージを冷却剤
に接触させないことが好ましい。このように到達温度の
高い冷却ステージを冷却剤に接触させないことで、温度
の高い冷却ステージから冷却剤への熱侵入を防ぎ、到達
温度の低い冷却ステージによって効率的に超電導体の冷
却を行なうことができる。In the present invention, the refrigerator can be a multi-stage refrigerator having a plurality of cooling stages. In this case, it is preferable to attach the superconductor to a cooling stage having a lower temperature among the plurality of cooling stages. further,
It is preferable that the superconductor mounted on the cooling stage having a lower ultimate temperature be brought into contact with the coolant, while the cooling stage having a higher ultimate temperature than the cooling stage having the superconductor mounted thereon is not brought into contact with the coolant. By preventing the cooling stage having a high temperature from coming into contact with the coolant in this way, heat can be prevented from entering the coolant from the high temperature cooling stage, and the superconductor is efficiently cooled by the cooling stage having a low temperature. Can be.
【００１６】複数の冷却ステージを有する多段式冷凍機
を用いる場合、到達温度の高い冷却ステージを断熱容器
の冷却に用いることができる。この場合、複数の冷却ス
テージ、超電導体および冷却剤を断熱容器内に収容す
る。冷却剤に接触させていない到達温度の高い冷却ステ
ージを、断熱容器の内壁を構成する材料よりも高い熱伝
導率を有する熱伝導部材を介して、断熱容器の内壁に接
続する。そして、冷却剤と接触しない断熱容器の内壁部
分を、該熱伝導部材を介して到達温度の高い冷却ステー
ジにより冷却する。これにより、冷却剤と接触していな
い比較的温度の高い断熱容器の内壁部分を冷却して、断
熱容器から冷却剤への熱侵入を抑制することができる。
断熱容器としては、ステンレス鋼またはガラス繊維強化
プラスチック（ＧＦＲＰ）などの繊維強化プラスチック
（ＦＲＰ）からなるものを好ましく用いることができ
る。また断熱容器は、内部に真空断熱層を有するものが
好ましい。一方、到達温度の高い冷却ステージと断熱容
器の内壁とを接続する熱伝導部材は、良熱伝導性の材料
から構成される。When a multi-stage refrigerator having a plurality of cooling stages is used, a cooling stage having a high ultimate temperature can be used for cooling the heat insulating container. In this case, a plurality of cooling stages, a superconductor and a coolant are accommodated in a heat insulating container. A cooling stage having a high ultimate temperature, which is not brought into contact with the coolant, is connected to the inner wall of the heat insulating container via a heat conductive member having a higher thermal conductivity than the material forming the inner wall of the heat insulating container. Then, the inner wall portion of the heat insulating container that does not come into contact with the coolant is cooled by the cooling stage having a high ultimate temperature via the heat conducting member. Accordingly, it is possible to cool the inner wall portion of the heat-insulating container that is not in contact with the coolant and has a relatively high temperature, thereby suppressing heat intrusion from the heat-insulating container to the coolant.
As the heat insulating container, a container made of fiber reinforced plastic (FRP) such as stainless steel or glass fiber reinforced plastic (GFRP) can be preferably used. The heat insulating container preferably has a vacuum heat insulating layer inside. On the other hand, the heat conduction member that connects the cooling stage having a high ultimate temperature and the inner wall of the heat insulating container is made of a material having good heat conductivity.
【００１７】本発明により、たとえば超電導マグネット
を構成する超電導コイルを冷却することができる。たと
えば、酸化物超電導線からなるコイルを冷却するため、
本発明は適用される。コイルが、パンケーキコイルを複
数積重ねてなるものである場合、積重ねられた複数のパ
ンケーキコイルの間に、コイルの内部にまで冷却剤を導
くための溝が形成されたスペーサを挿入することが好ま
しい。このように溝が形成されたスペーサを用いること
で、冷却剤によるコイルの冷却をより効率的に行なうこ
とができる。According to the present invention, for example, a superconducting coil constituting a superconducting magnet can be cooled. For example, to cool a coil consisting of an oxide superconducting wire,
The present invention applies. When the coil is formed by stacking a plurality of pancake coils, it is possible to insert a spacer having a groove for guiding a coolant to the inside of the coil between the stacked pancake coils. preferable. By using the spacer in which the groove is formed as described above, the coil can be more efficiently cooled by the coolant.
【００１８】本発明において、冷却剤には液体窒素を好
ましく用いることができる。また、本発明は特に酸化物
超電導体の冷却に適用することができる。In the present invention, liquid nitrogen can be preferably used as the coolant. Further, the present invention is particularly applicable to cooling of an oxide superconductor.
【００１９】本発明の冷却方法によれば、冷却剤を固化
させた後、超電導体においてクエンチを発生させずかつ
発生した電気抵抗が安定して維持できる範囲内におい
て、固化された冷却剤に覆われた超電導体に、その臨界
電流値以上の電流を流すことができる。このように臨界
電流値以上の電流を流す方法は、たとえば、超電導コイ
ルに短時間でより高い磁場を発生させたい場合や限られ
た時間内において超電導コイルに高い磁場を発生させた
状態で連続運転したい場合に特に有用である。固化され
た冷却剤は、高い比熱（たとえば金属よりも一桁以上高
い比熱）を有し、容易にその温度が上昇しないため、ヒ
ートシンクとして利用できる。固化された冷却剤に覆わ
れた超電導体においてジュール発熱、交流損失による発
熱が生じても、固化された冷却剤に熱が吸収され、超電
導体の温度は安定して維持され得る。このため、臨界電
流値以上の通電を行なって超電導体に発熱が起こって
も、クエンチを起こさずに発生した抵抗値を低いレベル
に保って通電を行なうことが可能になる。According to the cooling method of the present invention, after the coolant is solidified, the solidified coolant is covered with the superconductor so that quenching does not occur and the generated electric resistance can be stably maintained. A current equal to or greater than the critical current value can be passed through the superconductor. Such a method of passing a current equal to or greater than the critical current value is performed, for example, in a case where a higher magnetic field is required to be generated in a superconducting coil in a short time or in a state where a high magnetic field is generated in a superconducting coil within a limited time. Especially useful if you want to. The solidified coolant has a high specific heat (for example, a specific heat that is one order of magnitude higher than that of metal), and its temperature does not easily rise, so that it can be used as a heat sink. Even if the superconductor covered with the solidified coolant generates heat due to Joule heat or AC loss, the heat is absorbed by the solidified coolant and the temperature of the superconductor can be stably maintained. Therefore, even if heat is generated in the superconductor due to energization exceeding the critical current value, it is possible to energize without generating quench while maintaining the generated resistance at a low level.
【００２０】[0020]
【発明の実施の形態】本発明は、超電導マグネットの超
電導コイル等、超電導線を用いた種々の超電導装置およ
び超電導機器、ならびに、バルク状、薄膜状の超電導体
を用いた素子等を冷却するために用いることができる。
本発明において、これらの機器や素子等を構成する超電
導体が冷凍機の冷却ステージに取付けられる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention is intended to cool various superconducting devices and superconducting devices using superconducting wires, such as superconducting coils of superconducting magnets, as well as devices using bulk and thin film superconductors. Can be used.
In the present invention, superconductors constituting these devices and elements are mounted on a cooling stage of a refrigerator.
【００２１】本発明は、特に、酸化物超電導体等のより
高い臨界温度を有する超電導体の冷却に適用することが
できる。たとえば酸化物超電導体には、Ｙ1 Ｂａ2 Ｃｕ
3 Ｏ 7-Y （０≦Ｙ＜１）等のイットリウム系酸化物超電
導体、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ1 Ｃｕ2 Ｏ8-X 、Ｂｉ2 Ｓｒ2
Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10-X、（Ｂｉ，Ｐｂ）2 Ｓｒ2 Ｃａ1Ｃ
ｕ2 Ｏ8-X 、（Ｂｉ，Ｐｂ）2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ
10-X（０≦Ｘ＜１）等のビスマス系酸化物超電導体、Ｔ
ｌ2 Ｓｒ2 Ｃａ1 Ｃｕ2 Ｏ8-Z 、Ｔｌ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃ
ｕ3 Ｏ10-Z（０≦Ｚ＜１）等のタリウム系酸化物超電導
体などがある。[0021] The present invention is particularly applicable to the use of an oxide superconductor or the like.
Applicable for cooling superconductors with high critical temperature
it can. For example, for oxide superconductors, Y1BaTwoCu
ThreeO 7-YYttrium oxide supercharge such as (0 ≦ Y <1)
Conductor, BiTwoSrTwoCa1CuTwoO8-X, BiTwoSrTwo
CaTwoCuThreeO10-X, (Bi, Pb)TwoSrTwoCa1C
uTwoO8-X, (Bi, Pb)TwoSrTwoCaTwoCuThreeO
10-XBismuth-based oxide superconductor such as (0 ≦ X <1), T
lTwoSrTwoCa1CuTwoO8-Z, TlTwoSrTwoCaTwoC
uThreeO10-ZThallium oxide superconductivity such as (0 ≦ Z <1)
There is a body.
【００２２】以下、本発明の具体例について説明する。
図１は、本発明に従って冷却を行なう装置の一具体例を
示している。この装置において、冷凍機１の冷却ステー
ジ１ａには、たとえば酸化物超電導線が巻かれた高温超
電導コイル２が取付けられている。超電導コイル２が取
付けられた冷凍機１の冷却ステージは真空容器４内に収
容される。真空容器４は、真空によって断熱を行なう１
層の断熱壁を備えることができる。また、真空容器４に
は、磁場利用空間６を与える深いくぼみが形成されてい
る。冷凍機１の冷却ステージは、真空容器４内において
支持されている。超電導コイル２には、電力供給のため
の電流リード５が接続される。このように冷却ステージ
を収容する真空容器４には、液体窒素等の冷却剤３が充
填される。液体の冷却剤３は、超電導コイルを収容する
真空容器４内に注入することができる。この装置におい
て、冷却ステージ１ａに取付けられた超電導コイル２
は、液体の冷却剤３に浸漬され、冷却剤の温度（たとえ
ば液体窒素の場合、約７７Ｋ）まで冷却される。Hereinafter, specific examples of the present invention will be described.
FIG. 1 shows one embodiment of an apparatus for performing cooling according to the present invention. In this apparatus, a high-temperature superconducting coil 2 around which an oxide superconducting wire is wound is attached to a cooling stage 1a of a refrigerator 1, for example. The cooling stage of the refrigerator 1 to which the superconducting coil 2 is attached is housed in a vacuum vessel 4. The vacuum container 4 is used for heat insulation 1 by vacuum.
Layer insulation walls can be provided. Further, the vacuum container 4 is formed with a deep depression that provides a magnetic field utilization space 6. The cooling stage of the refrigerator 1 is supported inside the vacuum vessel 4. A current lead 5 for supplying power is connected to the superconducting coil 2. The vacuum container 4 containing the cooling stage is filled with the coolant 3 such as liquid nitrogen. The liquid coolant 3 can be injected into a vacuum container 4 containing a superconducting coil. In this apparatus, the superconducting coil 2 attached to the cooling stage 1a
Is immersed in a liquid coolant 3 and cooled to the coolant temperature (for example, about 77K in the case of liquid nitrogen).
【００２３】次に、冷凍機１の運転を始めて、冷却ステ
ージ１ａ上の被冷却物を熱伝導により冷却する。超電導
コイル２が冷却剤の固体−液体共存温度（たとえば液体
窒素の場合６３．１Ｋ）になるまで冷凍機１によって冷
却されると、該温度において超電導コイル２の周囲およ
び内部に固化された冷却剤（たとえば固体窒素）が生成
されるようになる。そして、超電導コイル２は、固化さ
れた冷却剤によって覆われる。このような状態を図２に
示す。冷却ステージ１ａに取付けられた超電導コイル２
は、固化された冷却剤（たとえば固体窒素）３′によっ
て覆われている。この固化された冷却剤の壁は、外の液
体の冷却剤３に対して、被冷却物の熱的障壁として作用
することができる。すなわち、液体の冷却剤３から超電
導コイル２への熱伝導は、固化された冷却剤３′によっ
て阻害され得る。このため、超電導コイル２の温度は、
冷凍機１の冷却によってさらに低下していく。本発明に
よれば、被冷却物を液体の冷却剤によって速やかに冷却
した後、冷凍機の冷却によって固化された冷却剤の温度
（たとえば固体窒素の場合６３．１Ｋ）よりも低い温度
にまで速やかに冷却することができる。固化された冷却
剤が増加するに従い、超電導コイル２の冷却が促進され
る。このようにして、従来より、より速やかに超電導コ
イル２が高い臨界電流密度を有することができる低温が
得られる。Next, the operation of the refrigerator 1 is started, and the object to be cooled on the cooling stage 1a is cooled by heat conduction. When the superconducting coil 2 is cooled by the refrigerator 1 until the solid-liquid coexistence temperature of the coolant (for example, 63.1K in the case of liquid nitrogen), the coolant solidified around and inside the superconducting coil 2 at the temperature. (Eg, solid nitrogen) is produced. Then, superconducting coil 2 is covered with the solidified coolant. FIG. 2 shows such a state. Superconducting coil 2 attached to cooling stage 1a
Is covered by a solidified coolant (for example, solid nitrogen) 3 '. This solidified coolant wall can act as a thermal barrier for the object to be cooled against the outside liquid coolant 3. That is, heat conduction from the liquid coolant 3 to the superconducting coil 2 can be hindered by the solidified coolant 3 ′. For this reason, the temperature of the superconducting coil 2 is
The temperature is further reduced by cooling the refrigerator 1. According to the present invention, the object to be cooled is quickly cooled by the liquid coolant, and then quickly cooled to a temperature lower than the temperature of the coolant solidified by cooling the refrigerator (for example, 63.1K in the case of solid nitrogen). Can be cooled. As the solidified coolant increases, cooling of superconducting coil 2 is promoted. In this manner, a low temperature at which the superconducting coil 2 can have a higher critical current density can be obtained more quickly than before.
【００２４】以上述べてきたように、本発明では、最初
に被冷却物を冷却剤によって一気に冷却するため、真空
によって断熱した状態で冷却を行なう従来の冷凍機冷却
に比べて、冷却時間が顕著に短縮される。また、冷却剤
による冷却効果のため、冷却ステージに取付けられた被
冷却物を収容するための容器の断熱構造は、従来の冷凍
機の断熱構造に比べてより簡単なものでよい。断熱容器
の構造が簡単になれば、たとえば超電導コイルをよりコ
ンパクトな容器において冷却することができ、超電導コ
イルと常温空間との距離をより短くすることができる。
この場合、より高い磁場を有効に利用することができ
る。As described above, in the present invention, the object to be cooled is firstly cooled by the coolant at once, so that the cooling time is remarkable as compared with the conventional refrigerator cooling in which cooling is performed insulated by vacuum. Is shortened to In addition, due to the cooling effect of the coolant, the heat insulation structure of the container for accommodating the object to be cooled attached to the cooling stage may be simpler than the heat insulation structure of a conventional refrigerator. If the structure of the heat insulating container is simplified, for example, the superconducting coil can be cooled in a more compact container, and the distance between the superconducting coil and the room temperature space can be shortened.
In this case, a higher magnetic field can be used effectively.
【００２５】また本発明によれば、飽和蒸気圧温度が液
体ヘリウムよりも高い冷却剤を用いて、より速やかに冷
却を行なうことができる。用いられる冷却剤として、液
体窒素の他に、水素、ネオン、アルゴン、天然ガス、ア
ンモニア等を挙げることができる。たとえば、大気圧下
の飽和蒸気圧温度が１５Ｋ〜１００Ｋである冷却剤を好
ましく用いることができる。また、冷却剤は、超電導体
の臨界温度以下の温度において大気圧下または減圧下で
固化するものが好ましい。たとえば冷却剤として液体窒
素を用いる場合、本願発明では、液体ヘリウムを使用す
る場合に比べてより冷却コストが安価になる。一方、本
発明では、冷却剤による冷却の後、冷凍機による冷却を
さらに行なうため、液体窒素のみによって冷却を行なう
従来の方法に比べ、より低い温度が得られる。酸化物超
電導体等の高い臨界温度を有する超電導体について、よ
り低い温度での冷却を行なえば、より高い臨界電流密度
が得られる。なお、液体窒素のみによる冷却では、通
常、減圧を行なっても６３．１Ｋの３重点までである
が、本発明のように冷凍機をさらに用いれば、減圧を行
なわずに６３．１Ｋの３重点以下の温度を得ることがで
きる。Further, according to the present invention, cooling can be performed more quickly by using a coolant having a higher saturated vapor pressure temperature than liquid helium. Examples of the coolant used include hydrogen, neon, argon, natural gas, ammonia, and the like, in addition to liquid nitrogen. For example, a coolant having a saturated vapor pressure under atmospheric pressure of 15K to 100K can be preferably used. Further, the coolant is preferably one that solidifies under atmospheric pressure or reduced pressure at a temperature equal to or lower than the critical temperature of the superconductor. For example, when liquid nitrogen is used as the coolant, in the present invention, the cooling cost is lower than when liquid helium is used. On the other hand, in the present invention, since cooling is further performed by the refrigerator after cooling by the coolant, a lower temperature can be obtained as compared with the conventional method of cooling only by liquid nitrogen. When a superconductor having a high critical temperature such as an oxide superconductor is cooled at a lower temperature, a higher critical current density can be obtained. In the cooling using only liquid nitrogen, the triple point of 63.1K is usually obtained even if the pressure is reduced, but if the refrigerator is further used as in the present invention, the triple point of 63.1K is not used. The following temperatures can be obtained:
【００２６】冷凍機によってさらに冷却を行ない、被冷
却物の周囲にある冷却剤を固化させると、上述したよう
に固化された冷却剤は熱的障壁として作用し得る。たと
えば固体窒素の熱伝導率は約０．１４Ｗ／ｍ・Ｋであ
り、従来の冷凍機において得られる真空断熱とそれほど
変わらない断熱効果を得ることができる。さらに、固化
された冷却剤の熱容量のために、超電導コイル等の被冷
却物が発熱しても熱は固体から液体への変換に消費さ
れ、被冷却物の温度はその周囲が真空である場合に比べ
て上昇しにくい。さらに、超電導体がコイルを形成する
場合、超電導体を覆う固化された冷却剤は、高い電磁応
力に対する補強材として超電導コイルを保護する。これ
らのメカニズムにより、超電導コイルの電磁的な安定性
は向上する。When the cooling is further performed by the refrigerator to solidify the coolant around the object to be cooled, the solidified coolant can act as a thermal barrier as described above. For example, the thermal conductivity of solid nitrogen is about 0.14 W / m · K, and a heat insulating effect not so different from vacuum heat insulating obtained in a conventional refrigerator can be obtained. Furthermore, due to the heat capacity of the solidified coolant, even when the object to be cooled, such as a superconducting coil, generates heat, the heat is consumed for conversion from solid to liquid, and the temperature of the object to be cooled is when the surroundings are vacuum. It is hard to rise compared to. Furthermore, when the superconductor forms a coil, the solidified coolant covering the superconductor protects the superconducting coil as a reinforcement against high electromagnetic stress. By these mechanisms, the electromagnetic stability of the superconducting coil is improved.
【００２７】冷却剤として液体窒素を用いる場合、大気
圧下において冷凍機の冷却により固体窒素を生成させる
ことができる。上述したように、固体窒素は熱障壁とし
て働き、被冷却物の温度をさらに冷凍機の冷却によって
下げることができる。この場合、用いられる液体の冷却
剤のすべてを固化させる必要はない。熱障壁層として十
分に作用する厚みの固化物を被冷却物の周囲に形成させ
れば、冷凍機による冷却を速やかにかつ効果的に行なう
ことができる。冷却剤を適当な厚みで固化することによ
り、冷凍機による冷却時間は短縮され、冷凍機の負荷も
小さくて済む。When liquid nitrogen is used as a coolant, solid nitrogen can be generated by cooling a refrigerator under atmospheric pressure. As described above, solid nitrogen acts as a thermal barrier, and the temperature of the object to be cooled can be further reduced by cooling the refrigerator. In this case, it is not necessary to solidify all of the liquid coolant used. If a solidified material having a thickness sufficiently acting as a thermal barrier layer is formed around the object to be cooled, cooling by the refrigerator can be performed quickly and effectively. By solidifying the coolant to an appropriate thickness, the cooling time of the refrigerator can be reduced, and the load on the refrigerator can be reduced.
【００２８】本発明では、冷凍機の冷却ステージまたは
その近傍にヒータを設けてもよい。ヒータを設けた装置
の具体例を図３に示す。図に示す装置では、冷却ステー
ジ１ａ上にヒータ７が設けられている。その他の機構
は、図２に示す装置と同様である。この場合、冷凍機１
によって超電導コイル２を所定の温度まで冷却した状態
で、ヒータ７に電流を流して加熱を行なうことにより、
超電導コイル２の温度を制御することができる。ヒータ
７の温度を上げていけば、超電導コイル２の温度も上昇
させることができる。一方、ヒータによる加熱をやめれ
ば、超電導コイル２の温度は元の冷却温度に戻る。ヒー
タに流す電流の量によって、超電導コイル２の温度を調
節することが可能である。冷却剤として液体窒素を用
い、４．２Ｋまで冷却を行なうことができる冷凍機を用
いる場合、ヒータによる制御により、被冷却物の温度を
４．２Ｋ〜７７Ｋの間の任意の温度に保持することが可
能になる。一般に超電導体の温度を高くすればその臨界
電流密度は低下する。しかしながら、超電導体の温度を
適当な範囲において高くすれば、その比熱が増加するた
め、通電したときの安定性が増加するようになる。した
がって、ヒータによる温度調節を行なえば、最適な運転
温度を容易に得ることができる。In the present invention, a heater may be provided at or near the cooling stage of the refrigerator. FIG. 3 shows a specific example of an apparatus provided with a heater. In the apparatus shown in the figure, a heater 7 is provided on a cooling stage 1a. Other mechanisms are the same as those of the device shown in FIG. In this case, the refrigerator 1
In the state where the superconducting coil 2 is cooled down to a predetermined temperature, a current is applied to the heater 7 to perform heating.
The temperature of superconducting coil 2 can be controlled. If the temperature of the heater 7 is increased, the temperature of the superconducting coil 2 can also be increased. On the other hand, when the heating by the heater is stopped, the temperature of the superconducting coil 2 returns to the original cooling temperature. The temperature of superconducting coil 2 can be adjusted by the amount of current flowing through the heater. When using a refrigerator capable of performing cooling down to 4.2K using liquid nitrogen as a coolant, the temperature of the object to be cooled is maintained at an arbitrary temperature between 4.2K to 77K by controlling with a heater. Becomes possible. Generally, as the temperature of the superconductor increases, the critical current density decreases. However, if the temperature of the superconductor is raised in an appropriate range, the specific heat increases, so that the stability at the time of energization increases. Therefore, if the temperature is adjusted by the heater, the optimum operating temperature can be easily obtained.
【００２９】以上に示す具体例では、冷凍機の冷却ステ
ージに高温超電導コイルを取付けた例を示したが、本発
明の冷却方法は超電導コイルの冷却に限定されるもので
はない。超電導コイルの代わりに、たとえばバルク状超
電導体または薄膜状超電導体を用いた素子等を冷却ステ
ージに取付けて冷却を行なうことができる。図４は、バ
ルク状超電導体を冷却する場合を示している。冷凍機１
１の冷却ステージ１１ａには、たとえばイットリウム系
酸化物超電導体であるＹＢＣＯバルク１２が取付けられ
る。冷却ステージ１１ａに取付けられたＹＢＣＯバルク
１２は、真空容器１４内に収容され、液体窒素等の冷却
剤１３に浸漬される。冷却剤１３によって冷却されたＹ
ＢＣＯバルク１２を、冷凍機１１によりさらに冷却して
いくと、その周囲に固化された冷却剤１３′が生成す
る。適当な厚みの固化された冷却剤１３′に覆われた状
態でＹＢＣＯバルク１２を冷凍機１１によってさらに冷
却していくと、速やかに所望する低温が得られる。In the specific example described above, an example was shown in which a high-temperature superconducting coil was attached to a cooling stage of a refrigerator. However, the cooling method of the present invention is not limited to cooling a superconducting coil. Instead of the superconducting coil, for example, an element using a bulk superconductor or a thin film superconductor may be mounted on the cooling stage to perform cooling. FIG. 4 shows a case where the bulk superconductor is cooled. Refrigerator 1
The YBCO bulk 12 which is, for example, an yttrium-based oxide superconductor is attached to one cooling stage 11a. The YBCO bulk 12 attached to the cooling stage 11a is housed in a vacuum vessel 14 and immersed in a coolant 13 such as liquid nitrogen. Y cooled by the coolant 13
When the BCO bulk 12 is further cooled by the refrigerator 11, a solidified coolant 13 'is generated around the BCO bulk 12. When the YBCO bulk 12 is further cooled by the refrigerator 11 while being covered with the solidified coolant 13 'having an appropriate thickness, a desired low temperature can be obtained quickly.
【００３０】本発明において、冷凍機には、必要とされ
る冷凍容量の規模によって種々の冷凍機を用いることが
できる。たとえば、蓄冷式冷凍サイクルを利用したもの
で、一般にクライオクーラと呼ばれる冷凍機を好ましく
用いることができる。酸化物超電導体等の高い臨界温度
を有する超電導体を冷却する場合、ＳｏｌｖａｙやＧ−
Ｍサイクルによる２段膨張式冷凍機が好ましく用いられ
る。酸化物超電導体を冷却する場合、これらの形式の１
０Ｋ程度まで冷却できる市販の冷凍機を使用することが
できる。In the present invention, various types of refrigerators can be used depending on the required refrigerating capacity. For example, a refrigerator using a regenerative refrigeration cycle, and a refrigerator generally called a cryocooler can be preferably used. When cooling a superconductor having a high critical temperature such as an oxide superconductor, Solvay or G-
An M-cycle two-stage expansion refrigerator is preferably used. When cooling oxide superconductors, one of these types
A commercially available refrigerator that can be cooled to about 0K can be used.
【００３１】さらに本発明者らは、複数の冷却ステージ
を有する多段式冷凍機を用いる場合、冷却剤の表面を、
到達温度の高い冷却ステージと到達温度の低い冷却ステ
ージとの間に配置させることが好ましいことを明らかに
した。すなわち、到達温度の高い冷却ステージを冷却剤
と接触させず、超電導体および必要に応じてそれを直接
冷却する到達温度の低い冷却ステージを冷却剤に接触さ
せることがより効率的な冷却を行なうために好ましかっ
た。図５および図６は、その一具体例を示している。図
に示す冷凍機３１は、到達温度の高い第１冷却ステージ
３１ｂおよび到達温度の低い第２冷却ステージ３１ａを
有する２段膨張式冷凍機である。冷却ステージ３１ａに
は、たとえば酸化物超電導線が巻かれた高温超電導コイ
ル３２が取付けられている。コイル３２が取付けられた
冷凍機３１の２つの冷却ステージは真空容器３４内に収
容される。内部に真空断熱層を有する真空容器３４は、
たとえばステンレス鋼またはガラス繊維強化プラスチッ
ク（ＧＦＲＰ）等のＦＲＰから構成することができる。
真空容器をＧＦＲＰ等の熱伝導性の低い材料から構成す
れば、常温からの熱侵入をより効果的に抑制することが
できる。真空容器３４には、磁場利用空間３６を与える
深い凹みが形成されている。超電導コイル３２には、電
力供給のための電流リード３５が接続される。２つの冷
却ステージを収容する真空容器３４には、液体窒素等の
冷却剤３３がまず充填される。液体の冷却剤３３を真空
容器３４内に充填する場合、その液面３３ａが第１冷却
ステージ３１ｂと第２冷却ステージ３１ａとの間にくる
ように調整する。液面の調整は、たとえば液面計（図示
せず）等により制御することができる。したがって、第
１冷却ステージ３１ｂを冷却剤３３と接触させずに、第
２冷却ステージ３１ａおよび超電導コイル３２を冷却剤
３３に浸漬させる。この状態で、超電導コイル３２を冷
却剤の温度まで冷却する。また、真空ポンプ（図示せ
ず）により、真空容器３４内を排気し、減圧下で冷却剤
の温度を下げていってもよい。このような減圧による冷
却は、冷却剤が固化するまで行なうことができる。Further, the present inventors, when using a multi-stage refrigerator having a plurality of cooling stages, the surface of the coolant,
It has been clarified that it is preferable to dispose the cooling stage between the cooling stage having a high temperature and the cooling stage having a low temperature. That is, it is more efficient to contact the superconductor and the cooling stage with a lower ultimate temperature that directly cools the superconductor and, if necessary, the coolant without bringing the cooling stage with the higher ultimate temperature into contact with the coolant. I liked it. 5 and 6 show a specific example thereof. The refrigerator 31 shown in the figure is a two-stage expansion refrigerator having a first cooling stage 31b having a high reached temperature and a second cooling stage 31a having a low reached temperature. For example, a high-temperature superconducting coil 32 around which an oxide superconducting wire is wound is attached to the cooling stage 31a. The two cooling stages of the refrigerator 31 to which the coils 32 are attached are housed in a vacuum container 34. The vacuum container 34 having a vacuum heat insulating layer inside,
For example, it can be composed of FRP such as stainless steel or glass fiber reinforced plastic (GFRP).
If the vacuum container is made of a material having low thermal conductivity such as GFRP, heat penetration from room temperature can be more effectively suppressed. The vacuum container 34 has a deep dent that provides a magnetic field utilization space 36. A current lead 35 for supplying power is connected to the superconducting coil 32. A vacuum vessel 34 containing two cooling stages is first filled with a coolant 33 such as liquid nitrogen. When filling the vacuum container 34 with the liquid coolant 33, the liquid level 33a is adjusted so as to be between the first cooling stage 31b and the second cooling stage 31a. The adjustment of the liquid level can be controlled by, for example, a liquid level gauge (not shown). Therefore, the second cooling stage 31 a and the superconducting coil 32 are immersed in the coolant 33 without bringing the first cooling stage 31 b into contact with the coolant 33. In this state, superconducting coil 32 is cooled to the temperature of the coolant. Further, the inside of the vacuum vessel 34 may be evacuated by a vacuum pump (not shown) to lower the temperature of the coolant under reduced pressure. Such cooling under reduced pressure can be performed until the coolant solidifies.
【００３２】冷却剤３３による冷却に続いて、冷凍機３
１の運転を始めて、第２冷却ステージ３１ａ上の超電導
コイル３２を熱伝導により冷却する。冷凍機３１による
冷却によって、図６に示すように、超電導コイル３２お
よび第２冷却ステージ３１ａは固化された冷却剤（たと
えば固体窒素）３３′によって覆われる。固化された冷
却剤３３′の表面は、第１冷却ステージ３１ｂと第２冷
却ステージ３１ａとの間にくる。冷却剤表面の位置をこ
のように調整することで、到達温度の高い第１冷却ステ
ージ３１ｂから冷却剤３３′を介して到達温度の低い第
２冷却ステージ３１ａへ熱が侵入するのを防ぐことがで
きる。たとえば、２段膨張式冷凍機において、第１冷却
ステージの到達温度を約４０Ｋとし、第２冷却ステージ
の到達温度を約２０Ｋとすることができるが、このよう
な場合、冷却剤表面の位置を第１冷却ステージと第２冷
却ステージとの間に持ってくることが、約２０Ｋの温度
の第２冷却ステージにより超電導体を効果的に冷却する
上で重要になってくる。Following the cooling by the coolant 33, the refrigerator 3
In operation 1, the superconducting coil 32 on the second cooling stage 31a is cooled by heat conduction. By the cooling by the refrigerator 31, the superconducting coil 32 and the second cooling stage 31a are covered with a solidified coolant (for example, solid nitrogen) 33 'as shown in FIG. The surface of the solidified coolant 33 'is located between the first cooling stage 31b and the second cooling stage 31a. By adjusting the position of the coolant surface in this way, it is possible to prevent heat from entering the second cooling stage 31a having a lower reached temperature from the first cooling stage 31b having a higher reached temperature via the coolant 33 '. it can. For example, in a two-stage expansion refrigerator, the ultimate temperature of the first cooling stage can be set to about 40K and the ultimate temperature of the second cooling stage can be set to about 20K. Bringing between the first cooling stage and the second cooling stage is important for effectively cooling the superconductor by the second cooling stage having a temperature of about 20K.
【００３３】本発明の冷却方法において、冷却剤および
超電導体を直接冷却する冷却ステージへの熱侵入をでき
るだけくい止めることが望ましい。本発明者は、さらに
冷却剤および被冷却物への熱侵入を効果的にくい止める
手段を見出した。たとえば図７に示すように、複数の冷
却ステージを有する多段式冷凍機を用いる場合、到達温
度の高い冷却ステージによって、冷却剤および被冷却物
を収容する容器において比較的温度の高い部分を冷却す
ることが、より効率的な冷却に寄与し得ることを見出し
た。たとえば図７に示すように、２段膨張式冷凍機４１
の到達温度の高い第１冷却ステージ４１ｂを、熱伝導部
材４７を介して断熱容器４４の内壁と接続させることが
好ましい。熱伝導部材４７は、断熱容器４４の内壁を構
成する材料よりも高い熱伝導率を有する材料から構成さ
れる。熱伝導部材４７は、たとえば銅、アルミニウム、
銀、金などの良熱伝導性の材料から形成することが好ま
しい。熱伝導部材４７は、ねじ止め等によって第１冷却
ステージ４１ｂに接合させることができる一方、圧着、
溶接等により断熱容器４４の内壁に接触させることがで
きる。熱伝導部材４７の形状は特に限定されるものでは
ないが、円板状の平板、波板、金網等を用いることがで
きる。また熱伝導部材４７は、気化した冷却剤を透過さ
せるための貫通孔を有してもよい。この場合も、断熱容
器４４として真空断熱層を内部に有する真空容器を用い
ることができ、その材質はたとえばステンレス鋼、ＧＦ
ＲＰ等のＦＲＰ等とすることができる。図に示すよう
に、冷却剤４３の表面は第１冷却ステージ４１ｂと第２
冷却ステージ４１ａとの間に配置される。断熱容器４４
において、冷却剤４３と接触していない上部は、常温か
らの熱侵入により相対的に高い温度にされる。断熱容器
４４の内壁において冷却剤４３と接触しない部分を、熱
伝導部材４７を介して第１冷却ステージ４１ｂと接続す
れば、その部分の熱は良熱伝導性の材料からなる熱伝導
部材４７を介して優先的に冷却ステージ４１ｂに流れ、
容器４４の内壁を介する冷却剤４３への熱侵入が抑制さ
れる。このような構造において、到達温度の高い冷却ス
テージも、冷却剤への熱侵入を抑制し、効果的な冷却に
寄与することができる。In the cooling method of the present invention, it is desirable to minimize heat intrusion into the cooling stage for directly cooling the coolant and the superconductor. The present inventor has further found a means for effectively preventing heat intrusion into the coolant and the object to be cooled. For example, as shown in FIG. 7, when a multi-stage refrigerator having a plurality of cooling stages is used, a relatively high-temperature portion in a container for storing a coolant and an object to be cooled is cooled by a cooling stage having a high ultimate temperature. Can contribute to more efficient cooling. For example, as shown in FIG.
It is preferable to connect the first cooling stage 41 b having a higher temperature to the inner wall of the heat insulating container 44 via the heat conducting member 47. The heat conductive member 47 is made of a material having a higher thermal conductivity than the material forming the inner wall of the heat insulating container 44. The heat conduction member 47 is made of, for example, copper, aluminum,
It is preferably formed from a material having good heat conductivity such as silver or gold. The heat conducting member 47 can be joined to the first cooling stage 41b by screwing or the like.
The inner wall of the heat insulating container 44 can be brought into contact by welding or the like. The shape of the heat conducting member 47 is not particularly limited, but a disc-shaped flat plate, corrugated plate, wire mesh, or the like can be used. Further, the heat conducting member 47 may have a through-hole for transmitting the vaporized coolant. Also in this case, a vacuum container having a vacuum heat insulating layer therein can be used as the heat insulating container 44, and the material thereof is, for example, stainless steel or GF.
An FRP such as an RP can be used. As shown in the figure, the surface of the coolant 43 is in contact with the first cooling stage 41b and the second cooling stage 41b.
It is arranged between the cooling stage 41a. Insulated container 44
In the above, the upper portion not in contact with the coolant 43 is set to a relatively high temperature due to heat penetration from room temperature. If a portion of the inner wall of the heat insulating container 44 that is not in contact with the coolant 43 is connected to the first cooling stage 41b via the heat conducting member 47, the heat of that portion is transferred to the heat conducting member 47 made of a material having good heat conductivity. Preferentially flows to the cooling stage 41b via
Heat intrusion into the coolant 43 through the inner wall of the container 44 is suppressed. In such a structure, a cooling stage having a high ultimate temperature can also suppress heat penetration into the coolant and contribute to effective cooling.
【００３４】さらに熱侵入を抑制するため、冷却ステー
ジおよび被冷却物を収容する断熱容器のための蓋を、真
空断熱層や他の断熱材を有する断熱構造としたり、断熱
容器において冷却ステージおよび被冷却物を収容する空
間内に、輻射を阻止するための部材や断熱部材をさらに
設けてもよい。断熱材としてたとえば発泡ウレタン等の
断熱樹脂を用いることができ、熱遮蔽体としてステンレ
ス鋼からなる波板等を用いることができる。In order to further suppress heat intrusion, a lid for a cooling stage and a heat insulating container for accommodating an object to be cooled has a heat insulating structure having a vacuum heat insulating layer or other heat insulating material, or a cooling stage and a heat insulating material for the heat insulating container. A member for preventing radiation or a heat insulating member may be further provided in the space for housing the cooling material. For example, a heat insulating resin such as urethane foam can be used as the heat insulating material, and a corrugated sheet made of stainless steel can be used as the heat shield.
【００３５】さらに超電導コイルを冷却する場合、図８
に示すようなスペーサ３８をコイルとコイルの間に挟む
ことが好ましい。スペーサ３８は、放射状に形成された
複数の溝３８ａをその表面および裏面に有している。溝
３８ａは、その中に冷却剤が容易に侵入することのでき
る大きさを有している。たとえば図９に示すように、複
数の溝３８ａを有するスペーサ３８は、ダブルパンケー
キコイル３９ａと３９ｂとの間に挿入される。パンケー
キコイルを積重ねた超電導コイルにおいて、コイルとコ
イルの間にこのようなスペーサ３８を介在させることに
よって、溝３８ａを介してコイルの内部にまで冷却剤を
導くことができる。冷却剤は、液体および固体のいずれ
の状態においても溝３８ａを介してコイルの内部に存在
し得る。このような構造のスペーサを用いることによ
り、コイルをより効率よく冷却することができる。また
さらにコイル内部にまで冷却剤を導くため、たとえば図
１０に示すような複数の溝が形成された巻枠をコイルに
用いてもよい。When the superconducting coil is further cooled, FIG.
It is preferable to sandwich a spacer 38 as shown in FIG. The spacer 38 has a plurality of radially formed grooves 38a on its front and back surfaces. The groove 38a has a size such that the coolant can easily enter therein. For example, as shown in FIG. 9, a spacer 38 having a plurality of grooves 38a is inserted between double pancake coils 39a and 39b. In the superconducting coil in which the pancake coils are stacked, the coolant can be guided to the inside of the coil via the groove 38a by interposing such a spacer 38 between the coils. The coolant may be present inside the coil via the groove 38a in either a liquid or solid state. By using the spacer having such a structure, the coil can be cooled more efficiently. Further, in order to guide the coolant to the inside of the coil, for example, a winding frame having a plurality of grooves as shown in FIG. 10 may be used for the coil.
【００３６】後述する実施例においてより具体的に示す
ように、本発明者は、固化された冷却剤（たとえば固体
窒素）で超電導体（たとえば超電導コイル）を覆った状
態において、超電導体に臨界電流値以上の電流を流して
も、所定の範囲内であればクエンチを生じさせずに安定
して電流を流せることを見出した。これは、固化された
冷却剤が高い比熱を有するため、ヒートシンクとして機
能することができ、ジュール発熱や交流損失等による発
熱によって超電導体が発熱しても、超電導体を覆う固化
された冷却剤のために温度が容易に上昇しないためであ
ると考えられた。同様の原理により、外部から侵入する
熱も固化された冷却剤によって効果的に吸収される。固
化された冷却剤によって超電導体を覆うことは、冷却剤
を用いずに冷凍機のみによって超電導体を冷却する場合
に比べて、超電導体の温度制御をより容易にするととも
に、そのヒートシンクとしての作用によりより大きな電
流によって超電導体を作動させることを可能にする。As will be shown more specifically in the embodiments described later, the present inventor has found that when a superconductor (eg, a superconducting coil) is covered with a solidified coolant (eg, solid nitrogen), a critical current is applied to the superconductor. It has been found that even when a current equal to or more than the value is supplied, the current can be stably supplied without causing quench within a predetermined range. This is because the solidified coolant has a high specific heat, so it can function as a heat sink, and even if the superconductor generates heat due to heat generated by Joule heat or AC loss, the solidified coolant covering the superconductor is Therefore, it was considered that the temperature did not easily rise. According to the same principle, heat entering from the outside is effectively absorbed by the solidified coolant. Covering the superconductor with the solidified coolant makes it easier to control the temperature of the superconductor and also acts as a heat sink compared to cooling the superconductor only with a refrigerator without using a coolant. Allows the superconductor to be activated by a higher current.
【００３７】[0037]
実施例１ ビスマス系酸化物超電導体が銀シースで覆われた酸化物
超電導線材を用いてダブルパンケーキ型の超電導コイル
を作製した。用いられた線材の幅は３．５ｍｍ、厚みは
０．２４ｍｍであった。３ｍ長の線材を３枚重ねたもの
を高さ７．５ｍｍ、外径６０ｍｍφの銅リングに巻きつ
けて、図１１に示すようなパンケーキ型超電導コイルを
得た。図１１に示すコイルでは、銅リング２０の周囲
に、超電導線材からなるパンケーキコイル２２ａおよび
２２ｂが２層形成されている。なお、コイルの電気絶縁
材として、厚み１５μｍのポリイミドテープを用いた。
ポリイミドテープは、線材を３枚重ねたものとともに巻
かれている。Example 1 A double pancake type superconducting coil was manufactured using an oxide superconducting wire in which a bismuth-based oxide superconductor was covered with a silver sheath. The used wire had a width of 3.5 mm and a thickness of 0.24 mm. A three-meter-long wire rod having a length of 3 m was wound around a copper ring having a height of 7.5 mm and an outer diameter of 60 mm to obtain a pancake-type superconducting coil as shown in FIG. In the coil shown in FIG. 11, two layers of pancake coils 22a and 22b made of a superconducting wire are formed around the copper ring 20. In addition, a polyimide tape having a thickness of 15 μm was used as an electrical insulating material of the coil.
The polyimide tape is wound together with three wires stacked.
【００３８】作製したダブルパンケーキ型超電導コイル
を、ＧＭ冷凍機の第２冷却ステージに取付けた。用いら
れたＧＭ冷凍機の能力は、第１冷却ステージにおいて８
０Ｋ、３０Ｗであり、第２冷却ステージにおいて２０
Ｋ、４Ｗであった。超電導コイルは、図１２に示すよう
に冷却ステージに固定した。超電導コイル２２を、２枚
の銅板２８および２８′で挟み、銅製の第２冷却ステー
ジ２１ａにねじ２９ａ、２９ｂ、２９ｃおよび２９ｄに
よって固定した。超電導コイル２２は、銅板を介して第
２冷却ステージ２１ａにより全体的に冷却される。The prepared double pancake type superconducting coil was mounted on the second cooling stage of a GM refrigerator. The capacity of the GM refrigerator used was 8 in the first cooling stage.
0K, 30W and 20 in the second cooling stage.
K, 4W. The superconducting coil was fixed to a cooling stage as shown in FIG. The superconducting coil 22 was sandwiched between two copper plates 28 and 28 ', and was fixed to a copper second cooling stage 21a with screws 29a, 29b, 29c and 29d. Superconducting coil 22 is entirely cooled by second cooling stage 21a via a copper plate.
【００３９】冷凍機の第１冷却ステージと第２冷却ステ
ージとの間にヒータ線を巻きつけ、さらに超電導コイル
に電力を供給できるよう電流リードを接続した後、図１
３に示すように液体窒素の入った容器に冷凍機の第１冷
却ステージおよび第２冷却ステージを挿入し、支持し
た。図に示すように、冷凍機２１の２つの冷却ステージ
２１ａおよび２１ｂは、液体窒素２３中に浸漬されてい
る。また２つの冷却ステージの間にはヒータ線２７が巻
かれ、通電することによって冷却ステージを加熱できる
ようになっている。超電導コイル２２には、電流リード
２５ａおよび２５ｂから電力が供給される。液体窒素２
３を収容する容器２４には、簡単な構造の真空容器を用
いることができた。液体窒素への浸漬により、超電導コ
イル２２は液体窒素温度約７７Ｋまで速やかに冷却され
た。After wrapping a heater wire between the first cooling stage and the second cooling stage of the refrigerator and connecting a current lead so as to supply power to the superconducting coil, FIG.
As shown in FIG. 3, the first cooling stage and the second cooling stage of the refrigerator were inserted into and supported by a container containing liquid nitrogen. As shown, the two cooling stages 21 a and 21 b of the refrigerator 21 are immersed in liquid nitrogen 23. A heater wire 27 is wound between the two cooling stages so that the cooling stage can be heated by energizing. Power is supplied to superconducting coil 22 from current leads 25a and 25b. Liquid nitrogen 2
A vacuum container having a simple structure was able to be used as the container 24 for accommodating 3. By immersion in liquid nitrogen, superconducting coil 22 was quickly cooled to a liquid nitrogen temperature of about 77K.
【００４０】次に、冷凍機２１の運転を開始し、超電導
コイル２２を第２冷却ステージ２１ａにより冷却した。
大気圧下において液体窒素の温度が６３．２Ｋになる
と、固体窒素が超電導コイル２２の周囲に生成し始め
た。超電導コイルが固体窒素で覆われた状態を図１４に
示す。図に示すように、超電導コイル２２の周囲には、
液体窒素２３の一部が固化して固体窒素２３′が形成さ
れている。コイル２２の温度は冷凍機２１の冷却によっ
て２０Ｋまで低下した。このとき、液体窒素２３の温度
は約６４Ｋであった。２０Ｋの温度において超電導コイ
ル２２に通電を行なったところ、その臨界電流は１３０
Ａに達した。Next, the operation of the refrigerator 21 was started, and the superconducting coil 22 was cooled by the second cooling stage 21a.
When the temperature of liquid nitrogen reached 63.2 K under atmospheric pressure, solid nitrogen began to be generated around superconducting coil 22. FIG. 14 shows a state in which the superconducting coil is covered with solid nitrogen. As shown in the figure, around the superconducting coil 22,
Part of the liquid nitrogen 23 is solidified to form solid nitrogen 23 '. The temperature of the coil 22 was reduced to 20K by cooling the refrigerator 21. At this time, the temperature of the liquid nitrogen 23 was about 64K. When the superconducting coil 22 was energized at a temperature of 20K, its critical current was 130
A has been reached.
【００４１】冷凍機による冷却を行なった状態で、ヒー
タにより第２冷却ステージの温度を変えて超電導コイル
の臨界電流値を調べた。第２冷却ステージの温度を２０
Ｋから７７．３Ｋまで変化させたときの超電導コイルの
臨界電流値の変化を図１５に示す。また、このときの温
度分布を図１５に示す。温度分布は、図に示す超電導コ
イル２２、第２冷却ステージ２１ａ、容器２４の下部、
第１冷却ステージ２１ｂおよび容器２４の上部にそれぞ
れ熱電対を設けて測定した。また、図１５に示すコイル
温度は、超電導コイル２２に設けた熱電対によって測定
されたものである。超電導コイルの臨界電流値は、コイ
ルの両端に電圧端子をとり、コイルの抵抗が１０-13 Ω
・ｍとなったときの電流で規定した。図１６に示すよう
に、第１冷却ステージの温度と容器上部の温度はそれぞ
れ６４Ｋ、５０Ｋでほぼ一定であった。一方、ヒータを
０〜３０Ｗの間で加熱することにより、コイルの温度を
２０Ｋ〜６４Ｋの範囲で調節することができた。図１５
に示すように、コイル温度が液体窒素温度（７７．３
Ｋ）である場合、臨界電流値は１３．５Ａであったのに
対し、コイル温度が２０Ｋまで低下すると、臨界電流値
は１３０Ａまで上昇した。このように、本発明によれ
ば、速やかに超電導コイルを冷却できるとともに、臨界
電流値を約１０倍増加させることができた。また図１６
に示すように、コイル温度および第２冷却ステージの温
度は、ほぼ同じ割合でヒータによって変化させることが
できた。これは、冷凍機によって得られる最低温度から
液体窒素温度までの間で、ヒータを用いる制御によって
任意の温度を得ることができることを意味する。While cooling by the refrigerator, the critical current value of the superconducting coil was examined by changing the temperature of the second cooling stage by the heater. Set the temperature of the second cooling stage to 20
FIG. 15 shows a change in the critical current value of the superconducting coil when the temperature is changed from K to 77.3K. FIG. 15 shows the temperature distribution at this time. The temperature distribution includes the superconducting coil 22, the second cooling stage 21a, the lower part of the container 24,
The measurement was performed by providing a thermocouple on each of the first cooling stage 21b and the container 24. The coil temperature shown in FIG. 15 is measured by a thermocouple provided on superconducting coil 22. The critical current value of the superconducting coil is determined by taking voltage terminals at both ends of the coil and making the coil have a resistance of 10 -13 Ω.
・ Specified by the current when m was reached. As shown in FIG. 16, the temperature of the first cooling stage and the temperature of the upper part of the vessel were almost constant at 64K and 50K, respectively. On the other hand, by heating the heater between 0 and 30 W, the temperature of the coil could be adjusted in the range of 20K to 64K. FIG.
As shown in the figure, the coil temperature is the liquid nitrogen temperature (77.3).
In the case of K), the critical current value was 13.5 A, but when the coil temperature was decreased to 20 K, the critical current value increased to 130 A. As described above, according to the present invention, the superconducting coil can be rapidly cooled, and the critical current value can be increased by about 10 times. FIG.
As shown in the graph, the coil temperature and the temperature of the second cooling stage could be changed by the heater at almost the same rate. This means that an arbitrary temperature can be obtained from the minimum temperature obtained by the refrigerator to the temperature of liquid nitrogen by control using a heater.
【００４２】実施例２ ビスマス系酸化物超電導体が銀シースで覆われた酸化物
超電導線材を用いてダブルパンケーキ型の超電導コイル
を作製した。用いられた線材の幅は３．５ｍｍ、厚みは
０．２４ｍｍであった。５０ｍ長線材の１枚ものを高さ
７．５ｍｍ、外径４０ｍｍφの銅リングに巻きつけて、
パンケーキ型超電導コイルを得た。コイルの電気絶縁材
として、厚み１５μｍのポリイミドテープを用いた。Example 2 A double pancake type superconducting coil was manufactured using an oxide superconducting wire in which a bismuth-based oxide superconductor was covered with a silver sheath. The used wire had a width of 3.5 mm and a thickness of 0.24 mm. Wrap one of the 50m long wires around a copper ring with a height of 7.5mm and an outer diameter of 40mmφ,
A pancake type superconducting coil was obtained. A 15 μm-thick polyimide tape was used as an electrical insulating material for the coil.
【００４３】このようにして得られたパンケーキコイル
を、図８に示すような形状を有し厚みが１ｍｍのスペー
サを介して１２個積重ねて、試験用の超電導コイルを得
た。Twelve pancake coils thus obtained were stacked via a spacer having a shape as shown in FIG. 8 and having a thickness of 1 mm to obtain a superconducting coil for testing.
【００４４】得られた超電導コイルを、図１７に示すよ
うな装置に装着した。２段膨張式冷凍機であるＧＭ冷凍
機を用い、そこにおいて、第１冷却ステージの到達温度
は４０Ｋ、１０Ｗであり、第２冷却ステージの到達温度
は２０Ｋ、４Ｗであった。図に示すように、超電導コイ
ル５２を、第２冷却ステージ５１ａに固定した。超電導
コイル５２を、２枚の銅板で挟み、銅製の第２冷却ステ
ージ５１ａに、ねじによって固定した。なお、銅板と第
２冷却ステージとの間には、インジウムシートを挟み込
んだ。冷凍機の第２冷却ステージ５１ａ近傍にヒータ線
５７を巻きつけ、さらに超電導コイルに電力を供給でき
るよう電流リード５５を超電導コイル５２に接続した。
冷凍機５１の第１冷却ステージ５１ｂ、第２冷却ステー
ジ５１ａ、およびそれに固定された超電導コイル５２
を、真空容器５４内に入れ、容器５４の開口を蓋６０に
よって閉じた。真空容器５４は、磁場利用空間５６を形
成するための深い凹みを有する外壁５４ａおよび内壁５
４ｂからなる。外壁５４ａと内壁５４ｂとの間には、バ
ルブを有する配管５８からの排気によって、真空断熱層
が形成された。真空容器５４の外壁５４ａおよび内壁５
４ｂは、ステンレス製またはＧＦＲＰ製とした。また、
真空容器５４の開口を蓋６０によって密閉する前に、発
泡ポリウレタンからなる断熱材５９を第１冷却ステージ
５１ｂの上方に設けた。断熱材５９は、蓋６０を介する
熱の侵入を主に防ぐためのものである。さらに蓋６０に
は、真空容器５４内の圧力が異常なレベルまで上昇する
のを防ぐため、減圧弁６１を設けた。真空容器５４にお
いて排気により真空断熱層を形成した後、蓋６０に設け
られた導入口（図示せず）から液体窒素を容器５４内に
導入した。液体窒素の液面が第１冷却ステージ５１ｂと
第２冷却ステージ５１ａとの間にくるよう、所定量の液
体窒素を導入した。次いで、蓋６０を密閉状態にし、液
体窒素により超電導コイル５２を約７７Ｋまで速やかに
冷却した。The obtained superconducting coil was mounted on an apparatus as shown in FIG. A GM refrigerator, which is a two-stage expansion refrigerator, was used, in which the ultimate temperature of the first cooling stage was 40K and 10W, and the ultimate temperature of the second cooling stage was 20K and 4W. As shown in the figure, the superconducting coil 52 was fixed to the second cooling stage 51a. The superconducting coil 52 was sandwiched between two copper plates, and was fixed to the copper second cooling stage 51a with screws. Note that an indium sheet was interposed between the copper plate and the second cooling stage. A heater wire 57 was wound around the second cooling stage 51a of the refrigerator, and a current lead 55 was connected to the superconducting coil 52 so that power could be supplied to the superconducting coil.
First cooling stage 51b, second cooling stage 51a of refrigerator 51, and superconducting coil 52 fixed thereto
Was placed in a vacuum container 54, and the opening of the container 54 was closed by a lid 60. The vacuum vessel 54 has an outer wall 54a and an inner wall 5 having a deep dent for forming a magnetic field utilization space 56.
4b. A vacuum heat insulating layer was formed between the outer wall 54a and the inner wall 54b by evacuation from a pipe 58 having a valve. Outer wall 54a and inner wall 5 of vacuum vessel 54
4b was made of stainless steel or GFRP. Also,
Before closing the opening of the vacuum vessel 54 with the lid 60, a heat insulating material 59 made of foamed polyurethane was provided above the first cooling stage 51b. The heat insulating material 59 is mainly for preventing heat from entering through the lid 60. Further, the lid 60 is provided with a pressure reducing valve 61 to prevent the pressure in the vacuum vessel 54 from rising to an abnormal level. After forming a vacuum heat insulating layer by evacuation in the vacuum container 54, liquid nitrogen was introduced into the container 54 from an inlet (not shown) provided in the lid 60. A predetermined amount of liquid nitrogen was introduced such that the liquid level of the liquid nitrogen was between the first cooling stage 51b and the second cooling stage 51a. Next, the lid 60 was closed, and the superconducting coil 52 was quickly cooled to about 77K with liquid nitrogen.
【００４５】次に、冷凍機５１の運転を開始し、超電導
コイル５２を第２冷却ステージ５１ａを介する熱伝導に
より冷却した。大気圧下において液体窒素の温度が６
３．２Ｋになると、固体窒素が超電導コイル５２の周囲
に生成し始め、間もなく超電導コイルが液体窒素の全体
的または部分的固化によって生成した固体窒素５３によ
って覆われた。次いで、冷凍機５１の冷却によって速や
かに２０Ｋまで超電導コイル５２を冷却した。Next, the operation of the refrigerator 51 was started, and the superconducting coil 52 was cooled by heat conduction through the second cooling stage 51a. Liquid nitrogen temperature of 6 at atmospheric pressure
At 3.2K, solid nitrogen began to form around the superconducting coil 52, and soon the superconducting coil was covered by solid nitrogen 53 generated by the total or partial solidification of liquid nitrogen. Next, the superconducting coil 52 was quickly cooled to 20K by cooling the refrigerator 51.
【００４６】冷凍機による冷却を行なった状態で、ヒー
タ５７により第２冷却ステージ５１ａの温度を変えて、
超電導コイルの臨界電流値を調べた。超電導コイルの臨
界電流値は常法に従い、コイルの両端に電圧端子を取
り、コイルの抵抗が１０-13 Ω・ｍとなったときの電流
で規定した。次いで、ヒータ５７により第２冷却ステー
ジ５１ａの温度を変えて、超電導コイルに臨界電流値以
上の電流を流していった。その結果、臨界電流値の１．
２倍程度高い電流を１時間連続して流しても、コイルに
クエンチが起こらないことがわかった。さらに臨界電流
値よりも１．５倍程度高い電流を５分間流しても、コイ
ルにクエンチが生じないことがわかった。すなわち、こ
れらの電流値で所定時間コイルを運転しても、発生した
電気抵抗が一定のレベルに保たれたまま、安定して通電
できることがわかった。これは、コイルの一部が常電導
状態になったとしても、固体窒素による冷却によって、
コイル抵抗がそれほど上昇しないためであると考えられ
た。得られた結果を図１８に示す。図１８において、黒
丸は、コイルに臨界電流値を流した際に発生する磁場の
強さを示している。白丸は、臨界電流値以上の電流で１
時間連続運転が可能であった場合のコイル発生磁場を示
している。黒四角は、さらに電流値を上げて５分間で到
達できたコイルの磁場を示している。得られた結果か
ら、固体窒素で超電導コイルを覆い、冷却ステージによ
ってコイルを冷却する本発明の方法は、短時間で高い磁
場を発生させる場合、たとえばパルス磁場を発生させる
場合に有用であり、またコイルのクエンチを抑制し、コ
イルの安定性をより高めるために有用であることがわか
った。In a state where cooling by the refrigerator is performed, the temperature of the second cooling stage 51a is changed by the heater 57,
The critical current value of the superconducting coil was investigated. The critical current value of the superconducting coil was determined in accordance with a conventional method by taking voltage terminals at both ends of the coil and determining the current when the resistance of the coil reached 10 −13 Ω · m. Next, the temperature of the second cooling stage 51a was changed by the heater 57, and a current higher than the critical current value was passed through the superconducting coil. As a result, the critical current value of 1.
It was found that no quench occurred in the coil even when a current approximately twice as high was continuously supplied for one hour. Further, it was found that even when a current about 1.5 times higher than the critical current value was passed for 5 minutes, no quench occurred in the coil. That is, it was found that even when the coil was operated at these current values for a predetermined time, the current could be stably supplied while the generated electric resistance was kept at a constant level. This is because even if a part of the coil is in normal conduction, cooling by solid nitrogen
It was considered that the coil resistance did not increase so much. FIG. 18 shows the obtained result. In FIG. 18, black circles indicate the strength of the magnetic field generated when a critical current value is passed through the coil. Open circles indicate 1 at currents above the critical current value.
It shows the magnetic field generated by the coil when continuous operation over time is possible. The black square indicates the magnetic field of the coil which can be reached in 5 minutes by further increasing the current value. From the obtained results, the method of the present invention in which the superconducting coil is covered with solid nitrogen and the coil is cooled by the cooling stage is useful when a high magnetic field is generated in a short time, for example, when a pulsed magnetic field is generated, and It has been found that it is useful for suppressing the quench of the coil and further improving the stability of the coil.
【００４７】さらに図１９に示すような装置を組立て
た。図に示す装置は、図１７に示す装置において、第１
冷却ステージ５１ｂと真空容器５４の内壁５４ｂとの間
に熱伝導部材６２を設けたものである。熱伝導部材６２
は、貫通孔を多数有する銅製の円板であり、その中心部
分は第１冷却ステージ５１ｂにねじ止めされている。真
空容器５４の内壁５４ｂがステンレス鋼からなる場合、
熱伝導部材６２の外周は内壁５４ｂに溶接された。内壁
５４ｂがＧＦＲＰからなる場合、熱伝導部材６２の外周
は内壁５４ｂに圧着された。この装置において、内壁５
４ｂの上部を、熱伝導部材６２を介して冷却ステージ５
１ｂにより効果的に冷却することができ、内壁５４ｂか
ら固体窒素または液体窒素と固体窒素の２相からなる冷
媒５３への熱の侵入を低減させることができた。このこ
とは、第２冷却ステージ５１ａにより超電導コイル５２
を所定の温度まで冷却するのにかかる時間が短縮された
ことによって明らかになった。Further, an apparatus as shown in FIG. 19 was assembled. The device shown in the figure is the same as the device shown in FIG.
A heat conduction member 62 is provided between the cooling stage 51b and the inner wall 54b of the vacuum vessel 54. Heat conduction member 62
Is a copper disk having a large number of through-holes, and a central portion thereof is screwed to the first cooling stage 51b. When the inner wall 54b of the vacuum vessel 54 is made of stainless steel,
The outer periphery of the heat conducting member 62 was welded to the inner wall 54b. When the inner wall 54b was made of GFRP, the outer periphery of the heat conducting member 62 was pressed against the inner wall 54b. In this device, the inner wall 5
4b is connected to the cooling stage 5 via the heat conducting member 62.
1b, it was possible to effectively cool, and the intrusion of heat from the inner wall 54b into the refrigerant 53 composed of solid nitrogen or two phases of liquid nitrogen and solid nitrogen could be reduced. This means that the superconducting coils 52
Was reduced by reducing the time it took to cool to a predetermined temperature.
【００４８】図１９に示す装置を、パルス動作特性につ
いて試験した。パルス励磁のための条件は、次のとおり
であった。The device shown in FIG. 19 was tested for pulse operating characteristics. The conditions for pulse excitation were as follows.
【００４９】 初期温度 容器底部 ２３Ｋ コイル下部 ２３Ｋ コイル上部 ２３Ｋ 第２ステージ温度 ２３Ｋ 第１ステージ温度 ４１Ｋ 通電電流 ３０Ａ 発生磁場 １．０Ｔ コイル発生電圧 ２．０ｍＶ 繰り返し数 １５０ 図２０は、発生したパルス磁場の１サイクルパターンを
示している。１５０サイクルのパルス動作の結果を図２
１に示す。図２１は、１５０サイクルにおいて温度が１
Ｋ程度しか上昇しておらず、安定した動作がなされたこ
とを明らかにしている。コイルの交流損失は、約２．５
Ｗであると見積られた。冷凍機のヒートマップより固体
窒素が生成しない場合のコイルの温度は約７Ｋ上昇する
ものと推定されたため、この試験の場合、固体窒素の比
熱により温度上昇が抑制されたと考えられた。Initial temperature Container bottom 23K Coil lower 23K Coil upper 23K Second stage temperature 23K First stage temperature 41K Conducting current 30A Generated magnetic field 1.0T Coil generated voltage 2.0mV Repetition number 150 FIG. 1 shows a one-cycle pattern. Fig. 2 shows the result of 150 cycles of pulse operation.
It is shown in FIG. FIG. 21 shows that the temperature was 1 at 150 cycles.
It rises only by about K, which indicates that stable operation has been performed. The AC loss of the coil is about 2.5
W was estimated. From the heat map of the refrigerator, it was estimated that the temperature of the coil when solid nitrogen was not generated increased by about 7 K. Therefore, in this test, it was considered that the specific heat of solid nitrogen suppressed the temperature rise.
【００５０】さらに、図１９に示す装置において固体窒
素を生成させた後、冷凍機の運転を停止した。その状態
で、コイルの動作特性について装置を試験した。冷凍機
による冷却を停止した後の励磁条件は次のとおりであっ
た。Further, after the solid nitrogen was generated in the apparatus shown in FIG. 19, the operation of the refrigerator was stopped. The device was then tested for operating characteristics of the coil. Excitation conditions after stopping the cooling by the refrigerator were as follows.
【００５１】 初期温度 容器底部 ２０Ｋ コイル下部 ２０Ｋ コイル上部 ２０Ｋ 第２ステージ温度 ２０Ｋ 第１ステージ温度 ４１Ｋ 通電電流 ２１Ａ 発生磁場 ０．７Ｔ コイル発生電圧 １．２ｍＶ 励磁時間 ８時間 その結果、冷凍機を停止した状態でコイルに２１Ａの通
電を行ない、０．７Ｔの磁場で連続に８時間安定して通
電できることを確認した。図２２に、励磁時間と各冷却
ステージの温度との関係を示す。Initial temperature Container bottom 20K Coil lower 20K Coil upper 20K Second stage temperature 20K First stage temperature 41K Conducting current 21A Generated magnetic field 0.7T Coil generated voltage 1.2mV Excitation time 8 hours As a result, the refrigerator was stopped. In this state, a current of 21 A was applied to the coil, and it was confirmed that current could be continuously supplied stably with a magnetic field of 0.7 T for 8 hours. FIG. 22 shows the relationship between the excitation time and the temperature of each cooling stage.
【００５２】なお、熱伝導部材は、たとえば図２３に示
すような構造によっても取付けることができる。貫通孔
を有する熱伝導部材７２は、外壁６４ａとともに真空容
器６４を構成する内壁上部６４ｂに接合され、さらに内
壁下部６４ｃにシール材７３を介してボルト等で接合さ
れる。このような構造は、冷却剤に接触する内壁６４ｃ
への熱の侵入をさらに低減できるものである。The heat conducting member can be attached by a structure as shown in FIG. 23, for example. The heat conductive member 72 having a through hole is joined to the inner wall upper portion 64b constituting the vacuum vessel 64 together with the outer wall 64a, and further joined to the inner wall lower portion 64c via a sealing material 73 with bolts or the like. Such a structure can be applied to the inner wall 64c that contacts the coolant.
It is possible to further reduce the intrusion of heat into the device.
【００５３】なお、図１７および図１９に示す装置にお
いて、熱の侵入をさらにくい止めるための種々の手段を
講じてもよい。たとえば、真空容器を密閉する蓋を、真
空断熱層やその他の断熱材を備える構造としてもよい
し、第１冷却ステージと蓋との間にさらに熱の輻射を阻
害するための熱遮蔽部材を設けてもよい。また、より速
やかに超電導体の冷却を行なうため、真空容器に液体窒
素を充填した後、蓋をした容器内を真空ポンプで吸引
し、減圧状態にして液体窒素が固化するまで過冷却状態
を調製してもよい。真空ポンプによる吸引は液体窒素の
量を減少させるため、予め減少量を見込んで液体窒素を
充填する必要がある。In the apparatus shown in FIGS. 17 and 19, various measures may be taken to prevent heat from penetrating. For example, the lid that seals the vacuum container may have a structure including a vacuum heat insulating layer or other heat insulating material, or a heat shielding member for further inhibiting heat radiation between the first cooling stage and the lid. You may. In order to cool the superconductor more quickly, fill the vacuum container with liquid nitrogen, then suck the inside of the covered container with a vacuum pump, reduce the pressure, and prepare a supercooled state until the liquid nitrogen solidifies. May be. Since the suction by the vacuum pump reduces the amount of liquid nitrogen, it is necessary to fill liquid nitrogen in anticipation of the reduced amount in advance.
【００５４】[0054]
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、冷却剤と冷凍機の併用により、簡単なシステムにお
いてより速やかに超電導体を冷却することができる。特
に、超電導体を収容する容器の断熱構造は、簡単なもの
で済む。また本発明によれば、高価な液体ヘリウムの代
わりに液体窒素等の安価な冷却剤を用いてより低い温度
まで冷却を行なうことができる。本発明によれば、従来
の冷凍機による冷却時間が短縮され、より速やかに冷凍
機の冷却能力を引出すことができる。また、本発明によ
れば、冷凍機を所定の能力で運転した状態で、ヒータに
より超電導体および冷却ステージの温度を簡単に調節す
ることができる。本発明は、特に酸化物超電導体等のよ
り高い臨界温度を有する超電導体をより簡単なシステム
において低コストで冷却する方法を提供するものであ
る。As described above, according to the present invention, the superconductor can be cooled more quickly with a simple system by using both the coolant and the refrigerator. In particular, the heat insulating structure of the container for housing the superconductor is simple. Further, according to the present invention, it is possible to perform cooling to a lower temperature by using an inexpensive coolant such as liquid nitrogen instead of expensive liquid helium. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the cooling time by the conventional refrigerator is shortened, and the cooling capacity of a refrigerator can be drawn out more quickly. Further, according to the present invention, the temperature of the superconductor and the temperature of the cooling stage can be easily adjusted by the heater while the refrigerator is operated at a predetermined capacity. The present invention provides a method for cooling superconductors having higher critical temperatures, such as oxide superconductors, in a simpler system and at lower cost.
【００５５】さらに本発明によれば、超電導体のクエン
チを抑制して、より安定な運転をもたらすことができ
る。このクエンチを抑制する効果により、臨界電流値以
上の電流を超電導体に流して超電導マグネット等の装
置、機器、素子等を操作することも可能になる。Further, according to the present invention, quench of the superconductor can be suppressed, and more stable operation can be provided. By the effect of suppressing the quench, it becomes possible to operate a device, device, element, or the like such as a superconducting magnet by flowing a current equal to or more than the critical current value to the superconductor.
【図１】本発明の冷却方法を実施するための装置の一具
体例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a specific example of an apparatus for performing a cooling method of the present invention.
【図２】図１に示す装置において冷却剤の一部が固化し
た状態を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic view showing a state where a part of a coolant is solidified in the apparatus shown in FIG.
【図３】本発明の冷却方法を実施するための装置のもう
１つの具体例を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic view showing another specific example of an apparatus for performing the cooling method of the present invention.
【図４】本発明の冷却方法を実施するための装置の他の
具体例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing another specific example of an apparatus for performing the cooling method of the present invention.
【図５】本発明の冷却方法を実施するための改良された
装置の一具体例を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a specific example of an improved apparatus for performing the cooling method of the present invention.
【図６】図５に示す装置において冷却剤が固化した状態
を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a state where a coolant has solidified in the apparatus shown in FIG. 5;
【図７】本発明の冷却方法を実施するための改良された
装置の他の具体例を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic view showing another embodiment of the improved apparatus for carrying out the cooling method of the present invention.
【図８】本発明に用いられる超電導コイルのためのスペ
ーサを示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing a spacer for a superconducting coil used in the present invention.
【図９】パンケーキコイルの間にスペーサが挿入される
ようすを示す側面図である。FIG. 9 is a side view showing that a spacer is inserted between pancake coils.
【図１０】本発明において用いられるコイルのための巻
枠の一具体例を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing a specific example of a bobbin for a coil used in the present invention.
【図１１】実施例において冷却のために用いられた超電
導コイルを示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing a superconducting coil used for cooling in the example.
【図１２】実施例において超電導コイルが冷凍機の冷却
ステージに取付けられたようすを示す模式図である。FIG. 12 is a schematic view showing a state in which a superconducting coil is mounted on a cooling stage of a refrigerator in the embodiment.
【図１３】実施例において超電導コイルを冷却するため
の装置を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing an apparatus for cooling a superconducting coil in an embodiment.
【図１４】図１３に示す装置において液体窒素の一部が
固化した状態を示す模式図である。FIG. 14 is a schematic view showing a state where a part of liquid nitrogen is solidified in the apparatus shown in FIG.
【図１５】実施例において得られるコイルの冷却温度と
臨界電流値との関係を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing a relationship between a cooling temperature of a coil and a critical current value obtained in an example.
【図１６】実施例に用いられた装置において各部分の温
度を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing the temperature of each part in the device used in the example.
【図１７】実施例において超電導コイルを冷却するため
に用いられた他の装置を示す模式図である。FIG. 17 is a schematic view showing another device used for cooling the superconducting coil in the embodiment.
【図１８】実施例において臨界電流値以上の電流をコイ
ルに流すことができたときの、コイル温度とコイル発生
磁場との関係を示す図である。FIG. 18 is a diagram illustrating a relationship between a coil temperature and a magnetic field generated by a coil when a current equal to or more than a critical current value can be supplied to the coil in the example.
【図１９】実施例に用いられた装置の他の具体例を示す
模式図である。FIG. 19 is a schematic view showing another specific example of the device used in the example.
【図２０】図１９に示す装置で発生されたパルス磁場の
１サイクルパターンを示す図である。20 is a diagram showing one cycle pattern of a pulse magnetic field generated by the device shown in FIG.
【図２１】図１９に示す装置で発生されたパルス磁場の
１５０サイクルにおけるコイル温度を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing a coil temperature in 150 cycles of a pulse magnetic field generated by the device shown in FIG. 19;
【図２２】図１９に示す装置で冷凍機の運転を停止した
後における励磁時間と冷却ステージ温度との関係を示す
図である。FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the excitation time and the cooling stage temperature after the operation of the refrigerator in the apparatus shown in FIG. 19 is stopped.
【図２３】熱伝導部材を取付けるための他の構造を示す
模式図である。FIG. 23 is a schematic view showing another structure for attaching a heat conducting member.
【図２４】従来の冷凍機による冷却方式を示す模式図で
ある。FIG. 24 is a schematic view showing a cooling method using a conventional refrigerator.
【図２５】従来の超電導マグネットを示す概略断面図で
ある。FIG. 25 is a schematic sectional view showing a conventional superconducting magnet.
１、１１、２１ 冷凍機 １ａ 冷却ステージ ２ 高温超電導コイル ３ 液体の冷却剤 ３′ 固化された冷却剤 ４ 真空容器 ５ 電流リード DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 11, 21 Refrigerator 1a Cooling stage 2 High temperature superconducting coil 3 Liquid coolant 3 'Solidified coolant 4 Vacuum container 5 Current lead
Claims (12)
かつ維持するための冷却方法であって、 冷凍機の冷却ステージに前記超電導体を取付ける工程
と、 前記冷却ステージ上の前記超電導体を冷却剤に接触させ
ることにより、前記超電導体を冷却する工程と、 前記超電導体を前記冷却剤に接触させた状態で、前記冷
凍機により前記超電導体をさらに冷却する工程とを備え
る、超電導体の冷却方法。1. A cooling method for generating and maintaining a superconducting state of a superconductor, comprising: attaching the superconductor to a cooling stage of a refrigerator; and applying the superconductor on the cooling stage to a coolant. A method of cooling a superconductor, comprising: a step of cooling the superconductor by contacting the same; and a step of further cooling the superconductor by the refrigerator while the superconductor is in contact with the coolant.
冷却する工程は、前記冷却剤を固化させる工程を備え、
前記超電導体は、固化された前記冷却剤に覆われた状態
で、前記冷凍機によりさらに冷却されることを特徴とす
る、請求項１に記載の冷却方法。2. The step of further cooling the superconductor by the refrigerator comprises a step of solidifying the coolant.
The cooling method according to claim 1, wherein the superconductor is further cooled by the refrigerator while being covered with the solidified coolant.
られたヒータにより、前記冷却剤に接触する前記超電導
体の温度を調節する工程をさらに備えることを特徴とす
る、請求項１または２に記載の冷却方法。3. The method according to claim 1, further comprising the step of adjusting the temperature of the superconductor in contact with the coolant by a heater provided at or near the cooling stage. Cooling method.
する多段式冷凍機であり、 前記複数の冷却ステージのうち、到達温度の低い冷却ス
テージに前記超電導体を取付け、かつ前記到達温度の低
い冷却ステージに取付けられた前記超電導体を前記冷却
剤に接触させる一方、前記超電導体の取付けられた前記
冷却ステージよりも到達温度の高い冷却ステージを前記
冷却剤に接触させないことを特徴とする、請求項１〜３
のいずれか１項に記載の冷却方法。4. The refrigerator according to claim 1, wherein the refrigerator is a multi-stage refrigerator having a plurality of cooling stages, wherein the superconductor is mounted on a cooling stage having a lower temperature among the plurality of cooling stages, and The superconductor attached to a cooling stage is brought into contact with the coolant, while a cooling stage having a higher temperature than the cooling stage attached to the superconductor is not brought into contact with the coolant. Items 1-3
The cooling method according to any one of the above items.
および前記冷却剤を断熱容器内に収容し、 前記冷却剤に接触させていない前記到達温度の高い冷却
ステージを、前記断熱容器の内壁を構成する材料よりも
高い熱伝導率を有する熱伝導部材を介して、前記断熱容
器の内壁に接続し、 前記冷却剤と接触しない前記断熱容器の内壁部分を、前
記熱伝導部材を介して前記到達温度の高い冷却ステージ
により冷却することを特徴とする、請求項４に記載の冷
却方法。5. The cooling stage having a high ultimate temperature, in which the plurality of cooling stages, the superconductor and the coolant are accommodated in a heat insulating container, and which is not brought into contact with the coolant, constitutes an inner wall of the heat insulating container. Connected to the inner wall of the heat insulating container through a heat conductive member having a higher thermal conductivity than the material to be heated, and the inner wall portion of the heat insulating container that does not come into contact with the coolant is heated through the heat conductive member to reach the attained temperature. The cooling method according to claim 4, wherein cooling is performed by a cooling stage having a high temperature.
維強化プラスチックからなり、かつ内部に真空断熱層を
有するものであることを特徴とする、請求項５に記載の
冷却方法。6. The cooling method according to claim 5, wherein the heat insulating container is made of stainless steel or fiber reinforced plastic, and has a vacuum heat insulating layer inside.
るコイルであることを特徴とする、請求項１〜６のいず
れか１項に記載の冷却方法。7. The cooling method according to claim 1, wherein the superconductor is a coil made of an oxide superconducting wire.
積重ねてなるものであり、 前記積重ねられた複数のパンケーキコイルの間には、前
記コイルの内部にまで前記冷却剤を導くための溝が形成
されたスペーサが挿入されていることを特徴とする、請
求項７に記載の冷却方法。8. The coil is formed by stacking a plurality of pancake coils, and between the stacked plurality of pancake coils, a groove for guiding the coolant to the inside of the coil is provided. The cooling method according to claim 7, wherein the formed spacer is inserted.
とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷却方
法。9. The cooling method according to claim 1, wherein the coolant is liquid nitrogen.
ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載
の冷却方法。10. The cooling method according to claim 1, wherein the superconductor is an oxide superconductor.
の冷却方法において、前記冷却剤を固化させた後、前記
超電導体においてクエンチを発生させずかつ発生した電
気抵抗が安定して維持できる範囲内において、前記固化
された冷却剤に覆われた超電導体に、その臨界電流値以
上の電流を流すことを特徴とする、超電導体の通電方
法。11. The cooling method according to claim 1, wherein after the coolant is solidified, no quench occurs in the superconductor and the generated electrical resistance is stably maintained. A method for energizing a superconductor, characterized in that a current equal to or greater than a critical current value is passed through a superconductor covered with the solidified coolant within a possible range.
ことを特徴とする、請求項１１に記載の通電方法。12. The method according to claim 11, wherein the superconductor is a superconducting coil.
Priority Applications (1)
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| JP19411997A JPH10335137A (en) | 1996-07-19 | 1997-07-18 | Cooling method and conducting method for superconductor |
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| JP9-80189 | 1997-03-31 | ||
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| JP8018997 | 1997-03-31 | ||
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH10335137A true JPH10335137A (en) | 1998-12-18 |
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ID=27303238
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| JP (1) | JPH10335137A (en) |
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