JPH11219814A

JPH11219814A - 超電導マグネットおよびその予冷方法

Info

Publication number: JPH11219814A
Application number: JP10017481A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Wada; 司和田; Koji Ito; 孝治伊藤; Masanori Shin; 政憲新
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 1999-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】超電導マグネットに関し、初期冷却に要する時
間の短縮を図ること、冷媒を補給し続けなくとも十分な
冷却が行えるようにすること、コイルと冷却部とが非接
触でも大きい冷却効果が得られること、および熱負荷の
余裕が大きく高熱等を受けても超電導状態の破壊を防止
できるようにすること等を目的とする。【解決手段】環状に形成された超電導コイル２２と、超
電導コイル２２を包囲する熱シールド２３と、熱シール
ド２３を包囲する真空容器２５と、真空容器２５に取着
され、超電導コイル２２および熱シールド２３を冷却す
る冷凍機２４とを備えた超電導マグネット２１におい
て、超電導コイル２２に初期冷却用として、冷凍機２４
よりも冷凍能力が高い予冷装置２８を直接または間接に
付設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍機冷却型の超
電導マグネット、およびこの超電導マグネットの予冷方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の超電導マグネットとし
て、例えば図９に示すように、超電導コイルを冷凍機で
直接的に冷却する冷凍機直接冷却型の超電導マグネット
が知られている（特開平６−１３２５６７号等）。この
図９に示した超電導マグネットは、真空容器（クライオ
スタット）１と、この真空容器１の内部に収納された熱
シールド板２と、このシールド板２で包囲された超電導
コイル３と、この超電導コイル３に励磁電流を供給する
ための正負極一対の高温超電導電流リード４と、コイル
冷却用の第１段冷却ステージ５Ａおよび第２段冷却ステ
ージ５Ｂを有する冷凍機５とから成る構成とされてい
る。

【０００３】超電導コイル３は、コイル巻枠６に超電導
線材７を巻付けたもので、その外周に冷却促進部材とし
て外周冷却用銅ブロック８を締め付けてある。この外周
冷却用銅ブロック８およびコイル巻枠６を蓄冷式冷凍機
５の第２段冷却ステージ５Ｂに接触固定することによ
り、超電導線材７を極低温まで冷却するようになってい
る。

【０００４】但し、この技術では、熱容量の大きい超電
導コイル３を冷凍機５だけで冷却する構成であるため、
初めに室温から極低温まで冷却する（初期冷却）ときに
は、非常に長い時間を要するものであった。

【０００５】また、これに関連して、超低温冷却を行う
技術として、例えば図１０に示す冷却材分配方式のもの
も知られている（特開平６−２０９０５９号等）。この
技術は、液体冷媒を用いた冷却方法および装置について
のものであり、被冷却物９の被冷却面１０を繊維マット
１１等の液相冷却材分散手段に接触させ、この繊維マツ
１１等に冷却材分配系１１ａから液相冷却材を供給し、
その冷却材を繊維マット１１等の多孔性を利用して分散
させることで被冷却物９を効率よく冷却するようにして
いる。

【０００６】しかし、この技術では、液体冷媒が繊維マ
ット１１等に十分に接触・保持されている間は十分に冷
却できるが、一旦、液体冷媒が気化してしまうと液体冷
媒の補給が困難であり、液体冷媒を補給し続けなければ
ならないものであった。

【０００７】さらに、図１１に示すように、気体冷媒を
用いた冷却技術も知られている（特開平５−２９２２２
号等）。この技術では、載置台１２とこの載置台１２上
に保持された被処理物１３との間隙に、ガス導入管１４
を介して伝熱媒体としての気体冷媒を導入するようにし
ている。

【０００８】ところが、この技術は載置台１２と被処理
物１３との間隙が小さい場合には有効であるが、間隙が
大きい場合には効果が小さいものであった。

【０００９】さらにまた、図示しないが、特開平７−９
０２４９号等では、高熱伝導性充填剤として、充填剤基
材となるグラファイト粉中に吸着している空気を、ヘリ
ウムあるいは水素などの高熱伝導性のガスに置換する技
術が開示されている。

【００１０】しかし、この技術による高熱伝導性充填剤
を使用しても大きな熱侵入や急激な発熱に対しては必ず
しも十分な効果が得られず、局部的に温度上昇して、超
電導状態が壊れる場合がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の技術においては、種々の課題がある。即ち、図９に示
した技術では熱容量の大きい超電導コイル３を冷凍機５
だけで冷却するため、初めに室温から極低温まで冷却す
る（初期冷却）ときに非常に長い時間を要した。超電導
コイル３が冷却されて超電導となっている状態では、冷
凍機５の第２段冷却ステージ５Ｂへの熱侵入量（熱負
荷）は、一般的に１Ｗ以下と小さく十分に冷凍機で冷却
できる状態である。しかし、１Ｗ程度の冷却能力で超電
導コイル３を冷却すると、初期予冷に数日から数週間を
要する。そこで、初期冷却に要する時間を短くする手段
が望まれている。

【００１２】また、図１０に示した技術では、液体冷媒
が繊維マット１１等に十分に接触・保持されている間は
十分に冷却できるが、一旦、液体冷媒が気化してしまう
と液体冷媒の補給が困難であり、また、液体冷媒を補給
し続けなければならないという課題があった。そこで、
液体冷媒を補給し続けなくとも冷却が可能な手段が望ま
れている。

【００１３】さらに、図１１に示した技術では、載置台
１２と被処理物１３との間隙が小さい場合には有効で
も、間隙が大きい場合には効果が小さいという課題があ
った。そこで、間隙の大きい場合でも冷却の効果が大き
くなる手段が望まれている。

【００１４】さらにまた、特開平７−９０２４９号等で
開示された技術では、高熱伝導性充填剤を使用しても大
きな熱侵入や急激な発熱には効果が小さく、局部的に温
度上昇してしまい、超電導状態が壊れてしまうという課
題があった。そこで、大きな熱侵入や急激な発熱でも超
電導状態が壊れないような手段が望まれている。

【００１５】本発明はこのような事情のもとになされた
ものであり、超電導マグネットに関し、初期冷却に要す
る時間の短縮を図ること、冷媒を補給し続けなくとも十
分な冷却が行えるようにすること、コイルと冷却部とが
非接触でも大きい冷却効果が得られること、および熱負
荷の余裕が大きく高熱等を受けても超電導状態の破壊を
防止できるようにすること等を目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、環状に形成された超電導コ
イルと、この超電導コイルを包囲する輻射シールドと、
この輻射シールドを包囲する真空容器と、この真空容器
に取着され、前記超電導コイルおよび輻射シールドを冷
却する定常運転用の冷凍機とを備えた超電導マグネット
において、前記超電導コイルを直接または間接に初期冷
却する手段として、前記冷凍機よりも冷凍能力が高い予
冷装置を設けたことを特徴とする超電導マグネットを提
供する。

【００１７】請求項２の発明では、請求項１記載の超電
導マグネットにおいて、予冷装置は、着脱可能な冷凍機
または超電導コイルの周方向側に沿って設けたコイル状
の予冷管であり、この予冷管の内部には予冷用冷媒とし
て液体窒素または液体ヘリウムが供給されるものである
ことを特徴とする超電導マグネットを提供する。

【００１８】以上の発明によれば、超電導コイルに予冷
装置を設けたことにより、予冷装置の冷却能力を冷凍機
による冷却能力よりも十分高いものにすることで、初期
冷却に要する時間の短縮が図れる。

【００１９】請求項３の発明では、環状に形成された超
電導コイルと、この超電導コイルを包囲する輻射シール
ドと、この輻射シールドを包囲する真空容器と、この真
空容器に取着され、前記超電導コイルおよび輻射シール
ドを冷却する冷凍機とを備えた超電導マグネットにおい
て、前記超電導コイルをコイル容器内に収納し、このコ
イル容器内にヘリウムガスを充填したことを特徴とする
超電導マグネットを提供する。

【００２０】請求項４の発明では、請求項３記載の超電
導マグネットにおいて、ヘリウムガスは超臨界ヘリウム
であることを特徴とする超電導マグネットを提供する。

【００２１】以上の発明によれば、コイル容器内にヘリ
ウムガスまたは超臨界ヘリウムガスを充填することによ
り、固体伝導のみによるものに比して、熱伝導率を大き
くすることができる。

【００２２】請求項５の発明では、請求項３または４記
載の超電導マグネットにおいて、コイル容器の重力方向
上部に、このコイル容器を冷却する冷却部を設けたこと
を特徴とする超電導マグネットを提供する。

【００２３】請求項６の発明では、請求項５記載の超電
導マグネットにおいて、コイル容器の冷却部をコイル容
器上部の一部分に設けたことを特徴とする超電導マグネ
ットを提供する。

【００２４】請求項７の発明では、請求項３から６まで
のいずれかに記載の超電導マグネットにおいて、超電導
コイルは、このコイルを巻付ける巻枠とともに、または
その巻枠を巻線後に外した状態で、コイル容器に収納し
たことを特徴とする超電導マグネットを提供する。

【００２５】請求項８の発明では、請求項７記載の超電
導マグネットであって、超電導コイルを巻枠とともにコ
イル容器に収納したものにおいて、前記巻枠の周壁に孔
またはスリットを穿設したことを特徴とする超電導マグ
ネットを提供する。

【００２６】請求項９の発明では、請求項８記載の超電
導マグネットにおいて、巻枠に穿設した孔の径またはス
リットの長手方向寸法が、前記巻枠の板厚よりも大きい
ことを特徴とする超電導マグネットを提供する。

【００２７】以上の構成によれば、冷却媒体となるヘリ
ウムガスが流れ易くなり、しかも、超電導コイルとの接
触面積が増えるので、超電導コイルとコイル容器間の熱
伝達率が向上し、冷凍機の冷却で十分に冷却されるよう
になるためコイル容器に液体ヘリウムを注入する必要が
なくなる。

【００２８】請求項１０の発明では、請求項３から９ま
でのいずれかに記載の超電導マグネットであって、超電
導コイルを巻枠とともにコイル容器に収納したものにお
いて、前記巻枠に冷媒整流用の整流リブを設けたことを
特徴とする超電導マグネットを提供する。

【００２９】請求項１１の発明では、請求項１０記載の
超電導マグネットにおいて、整流リブは巻枠に螺旋状に
設けられていることを特徴とする超電導マグネットを提
供する。

【００３０】請求項１２の発明では、請求項３から１１
までのいずれかに記載の超電導マグネットであって、超
電導コイルを巻枠とともにコイル容器に収納したものに
おいて、前記巻枠と前記コイル容器との隙間寸法が、前
記巻枠の板厚寸法よりも大きいことを特徴とする超電導
マグネットを提供する。

【００３１】請求項１３の発明では、請求項３から１２
までのいずれかに記載の超電導マグネットであって、超
電導コイルを巻枠とともにコイル容器に収納したものに
おいて、前記巻枠と前記コイル容器との隙間またはリブ
間に、乱流促進機構を設けたことを特徴とする超電導マ
グネットを提供する。

【００３２】請求項１４の発明では、請求項３から１３
までのいずれかに記載の超電導マグネットにおいて、超
電導コイルを軸方向に沿って複数に分割した構造とした
ことを特徴とする超電導マグネットを提供する。

【００３３】以上の構成によれば冷凍機の冷却部とヘリ
ウムガス、あるいは、ヘリウムガスと超電導コイルとの
間の熱伝達率をさらに向上することができる。

【００３４】請求項１５の発明では、環状に形成された
超電導コイルと、この超電導コイルを包囲する輻射シー
ルドと、この輻射シールドを包囲する真空容器と、この
真空容器に取着され、前記超電導コイルおよび輻射シー
ルドを冷却する冷凍機とを備えた超電導マグネットにお
いて、前記超電導コイルに蓄冷材からなる熱容量増加手
段を付設したことを特徴とする超電導マグネットを提供
する。

【００３５】このような構成によれば、超電導コイルが
急激に温度上昇することがなくなり、大きな熱侵入や急
激な発熱に対しても超電導状態の破壊を防止することが
できる。

【００３６】請求項１６の発明では、請求項１５記載の
超電導マグネットにおいて、熱容量増加手段は、超電導
コイルに取着した蓄冷材パックであることを特徴とする
超電導マグネットを提供する。

【００３７】請求項１７の発明では、請求項１６記載の
超電導マグネットにおいて、蓄冷材パックは、超電導コ
イルの外周面または内周面に同軸的に取着した環状のも
の、または前記外周面または内周面に周方向に沿って間
隔的に接合した短冊状のものであることを特徴とする超
電導マグネットを提供する。

【００３８】請求項１８の発明では、請求項１５記載の
超電導マグネットにおいて、熱容量増加手段は、超電導
コイルに取着した蓄冷材テープであることを特徴とする
超電導マグネットを提供する。

【００３９】請求項１９の発明では、請求項１５記載の
超電導マグネットにおいて、熱容量増加手段は、超電導
コイルの巻線を構成する超電導線の間に介在させたシー
ト状または紐状の蓄冷材であることを特徴とする超電導
マグネットを提供する。

【００４０】請求項２０の発明では、請求項１９記載の
超電導マグネットにおいて、蓄冷材はＥｒ₃Ｎｉ、Ｅｒ
Ｎ₂、Ｅｒ_0.4Ｄｙ₂、ＥｒＮｉ、Ｅｒ_0.2Ｄｙ_0.8Ｎ
ｉ₂、ＤｙＮｉ₂、ＰｂまたはＧｄ_0.5Ｅｒ_0.5Ｒｈで
あることを特徴とする超電導マグネットを提供する。

【００４１】請求項２１の発明では、請求項１５記載の
超電導マグネットにおいて、熱容量増加手段は、超電導
コイルをコイル容器内に収納し、これらコイル容器と超
電導コイルとの空隙に蓄冷材を充填した構成であること
を特徴とする超電導マグネットを提供する。

【００４２】以上の構成によれば、蓄冷材の種類や形状
に合わせて、超電導コイルに蓄冷材を容易に取着できる
ようになる。

【００４３】請求項２２の発明では、請求項２記載の超
電導マグネットの冷却に際し、定常運転用の冷凍機によ
る冷却運転の途中で、予冷用の冷凍機を装着し、または
予冷管に液体窒素もしくは液体ヘリウムを供給して超電
導コイルを冷却することを特徴とする超電導マグネット
の予冷方法を提供する。

【００４４】請求項２３の発明では、環状に形成された
超電導コイルと、この超電導コイルを包囲する輻射シー
ルドと、この輻射シールドを包囲する真空容器と、この
真空容器に取着され、前記超電導コイルおよび輻射シー
ルドを冷却する冷凍機とを備え、前記超電導コイルをコ
イル容器に収納した超電導マグネットの予冷方法であっ
て、前記冷凍機での冷却途中に、前記コイル容器に液体
窒素または液体ヘリウムを供給して超電導コイルを冷却
することを特徴とする超電導マグネットの予冷方法を提
供する。

【００４５】請求項２４の発明では、請求項２２または
２３記載の超電導マグネットの予冷方法において、液体
窒素または液体ヘリウムの供給は、超電導マグネットと
着脱自在な供給装置から循環供給することを特徴とする
超電導マグネットの予冷方法を提供する。

【００４６】以上の方法によれば、初期冷却に要する時
間が短くなるばかりでなく、必要に応じて、冷却能力を
増加させたり、また、逆に、あまり冷却能力を必要とし
ない場合には余分な機器・装置を外すことができる。

【００４７】請求項２５の発明では、環状に形成された
超電導コイルと、この超電導コイルを包囲する輻射シー
ルドと、この輻射シールドを包囲する真空容器と、この
真空容器に取着され、前記超電導コイルおよび輻射シー
ルドを冷却する冷凍機とを備えた超電導マグネットにお
いて、前記超電導コイルの巻線を構成する超電導線の間
に高熱伝導率材製の冷却促進用シートを介在させたこと
を特徴とする超電導マグネットを提供する。

【００４８】請求項２６の発明では、請求項２５記載の
超電導マグネットにおいて、冷却促進用シートは、アル
ミニウム、インジウム、鉛またはこれらの合金によって
構成したことを特徴とする超電導マグネットを提供す
る。

【００４９】請求項２７の発明では、請求項２５または
２６記載の超電導マグネットにおいて、冷却促進用シー
トの形状を短冊形としたことを特徴とする超電導マグネ
ットを提供する。

【００５０】以上の構成によれば、コイル内部の熱伝導
が良くなり、初期冷却に要する時間が短くなる。また、
熱侵入に対してコイル内部の温度差が小さくなり、コイ
ルの一部が局部的に温度上昇し、超電導状態が壊れるこ
とが少なくなる。

【００５１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図１〜図８を参照して説明する。

【００５２】図１は、各種物性試験用として適用される
超電導マグネットの要部を概略的に示す斜視図である。

【００５３】この図１に示す超電導マグネット２１は、
環状の超電導コイル２２と、この超電導コイル２２を包
囲する輻射シールドとしての熱シールド２３と、これら
の超電導コイル２２と熱シールド２３とを冷却するため
の定常運転用の冷凍機２４と、これらを断熱保持する真
空容器（クライオスタット）２５とを備えた構成として
いる。

【００５４】冷凍機２４は第１段ステージ２４ａおよび
第２段ステージ２４ｂを有し、第１段ステージ２４ａで
は約４０Ｋまでの冷却が行われ、第２段ステージ２４ｂ
では４Ｋ以下の冷却が行われる。第１段スーテジ２４ａ
は熱伝導体２６を介して熱シールド２３に接続され、ま
た第２段ステージ２４ｂは伝熱導体２７を介して超電導
コイル２２に接続されている。これにより、超電導コイ
ル２２は約４Ｋまで伝導冷却され、熱シールド２３は約
４０Ｋにまで冷却される。

【００５５】超電導コイル２２の外周部には、冷凍機２
４と別に、冷媒としての液体ヘリウムまたは液体窒素を
流すことができる予冷装置としての予冷管２８がコイル
状に巻かれて熱的に強固に接合されている。この予冷管
２８の真空容器２５からの引出し端部２８ａが、図示し
ない着脱可能な冷媒供給源に接続されている。

【００５６】超電導マグネット２１の使用時には、超電
導コイル２２に図示しない電源から励磁用電流を供給す
る一方、冷凍機２４の駆動により超電導コイル２２の冷
却を行う。この場合、冷凍機２４の運転途中で予冷管２
８に液体窒素および液体ヘリウムを冷却状態に応じて順
に供給することで予冷を行う。

【００５７】即ち、この場合には、まず予冷管２８に液
体窒素を流すことにより超電導コイル１４を室温から約
１００Ｋまで冷却し、次に予冷管２８に液体ヘリウムを
流す。

【００５８】このように、予冷管２８を使用して超電導
コイル２２を予冷した場合には、冷凍機２４のみで超電
導コイル２２を室温から４Ｋまで冷却するのに１０日間
要したものが、１５時間程度で４Ｋまで冷却できるよう
になり、初期冷却に要する時間の短縮が図れる。

【００５９】図２は、超電導コイル２２を拡大して示す
部分断面図である。

【００６０】この図２に示すように、本実施形態では超
電導コイル２２を構成する超電導線２９を密閉環状のコ
イル容器３０内に収納している。そして、超電導線２９
の周囲とコイル容器３０との間には、間隙３１，３２，
３３，３４を開け、かつコイル容器３０内にヘリウムガ
ス３５を充填している。このヘリウムガス３５として
は、超臨界ヘリウムを適用することが望ましい。

【００６１】また、コイル容器３０の重力方向上部の一
部、例えば図２に斜線部３０ａで示した内周側部分を、
図示しない冷凍機によって冷却される冷却部としてい
る。

【００６２】このように、超電導線２９とコイル容器３
０との間に充分な隙間３１，３２，３３，３４を開けた
状態でコイル容器３０内にヘリウムガス３５を充填し、
そのコイル容器３０の冷却部である上部内周側部分３０
ａを強制的に冷却することにより、コイル容器３０の上
部内周側部分３０ａで冷却されたヘリウムガス３５は、
超電導線２９の内周側の隙間３１を下り、超電導線２９
の下方の隙間３２、同外周側の隙間３３および上側の隙
間３４を通り、再び冷却部へ戻るという対流が起こり、
これによって超電導線２９が冷却される。即ち、ヘリウ
ムガス３５の対流により、超電導線２９とヘリウムガス
３５との熱伝導率が大きくなり、高性能の冷却機能が得
られる。

【００６３】この場合、隙間形成手段としては、超電導
線２９をコイル状に巻付けるための巻枠を、巻線後に取
外した状態で、コイル容器３０に収納すること等の手段
が適用できる。これにより、超電導線２９の内周側に隙
間３１を容易に形成することができる。

【００６４】これに対し、上記の巻枠を取外すことな
く、超電導線２９とともにコイル容器３０に収納する場
合には、ヘリウムガス３５と超電導線２９との接触を促
進するための工夫を要する。

【００６５】図３は、このような工夫を施した巻枠の構
成例を示す斜視図である。

【００６６】この図３に示すように、巻枠３６は軸方向
両端にフランジを有する円筒状のものであり、この巻枠
３６は外周側に超電導線２９を巻装した状態で、前記の
コイル容器３０に収納される。本実施形態では、この巻
枠３６の周壁に多数の孔３７を穿設している。これらの
孔３７は、図示の如く円形孔とし、または図示しないが
巻枠３６の軸方向に長い長孔またはスリットとしてもよ
い。この図３の構成では、例えば巻枠３６をできるだけ
薄くすることにより、円形の孔３７の径ｄを巻枠３６の
板厚ｔよりも十分大きくすることが実現できる。

【００６７】このような構成によれば、巻枠３６を取外
すことなく超電導線２９とともにコイル容器３０に収納
しても、巻枠３６の内周側とコイル容器３０との間に隙
間を形成しておくことにより、孔３７を介してヘリウム
ガス３５が超電導線２９に接触し、前記同様の冷却効果
を奏することができる。

【００６８】なお、円形の孔３７の径ｄ、または図示し
ない長孔またはスリットの長さが巻枠３６の厚さｔより
も小さいと、巻枠３６の表面に沿って流れるヘリウムガ
スが十分に超電導線２９の表面に接触せず、孔３７等の
効果が十分に生きないので、前記の如く、ｄをｔよりも
大きくするものである。

【００６９】また、図３の例では、巻枠３６の内周面に
ヘリウムガス３５の流れを整流するための整流リブ３８
を設けている。この整流リブ３８は、例えば螺旋状をな
している。このような整流リブ３８を設けることによ
り、各リブ間の流量がバランスして冷却効果の均一化が
図られる。なお、流量アンバランスが生じた場合には、
流量の多い部分は乱流となり易いために、流れの抵抗が
増し、自然にアンバランスが解消されるよう作用する。
また、乱流は熱伝達率を大きくする方向に作用するた
め、超電導コイル２２全体としての冷却能力が損われる
ことはない。

【００７０】なお、図３の例では、整流リブ３８の螺旋
角度が十分に得られないように見えるが、一つのリブ構
成で巻枠３６を最低一周以上巻回する角度で付設すれ
ば、リブ間の流量アンバランスが生じたままであって
も、そのリブ間で流動するヘリウムガスによる冷却だけ
で、超電導コイル２２の全長に亘って十分な冷却効果が
得られる。

【００７１】なお、超電導コイル２２は、その構造上、
円周方向には超電導線２９による巻線の熱伝導で十分に
冷却されるが、軸方向では熱伝達が非常に悪い構造とな
っているので、超電導コイル２２の全長に亘ってヘリウ
ムガスが十分に流れるようにして、冷却効果を向上させ
ることが望ましい。

【００７２】また、本実施形態では、巻枠３６とコイル
容器３０との隙間を、その巻枠３６の板厚よりも大きく
して、ヘリウムガス３５の流量が十分にとれるようにす
ることが望ましい。そして、この状態で、巻枠３６とコ
イル容器３０との隙間やリブ間に、乱流促進機構を設け
れば、巻枠３６や超電導線２９とヘリウムガス３５との
熱伝達ひいては超電導コイル２２の冷却性が良くなり、
信頼性の向上が図れる。

【００７３】このように、ヘリウムガスで超電導線２９
を冷却する構成によれば、非含浸コイルのようなコイル
巻線間での熱伝導が小さく、コイルの一部を冷却しても
全体が冷えにくい構造の超電導コイルであっても、良好
な冷却効果が得られるようになる。特に、初期冷却の際
にその効果が大きく、短時間での冷却が可能となる。

【００７４】また、このようにして、超電導線２９とコ
イル容器３０との間の熱伝達率を向上する構成によれ
ば、冷凍機２４によって十分にコイル冷却が行われるの
で、液体ヘリウムをコイル容器３０に注入する等の必要
もなくなる。

【００７５】なお、図示しないが、コイル状に巻かれた
超電導線２９を複数のエレメントとして軸方向に分割し
た構成とすれば、ヘリウムガス３５と超電導線２９との
接触面積が増加し、冷却効果はさらに大きくなる。

【００７６】また、ヘリウムガス３５は、４Ｋ程度では
比熱が大きいため、蓄冷材としての機能も発揮する。即
ち、冷却時間のうち、殆どが室温から１００Ｋ付近まで
の冷却に要する時間であり、この温度範囲ではヘリウム
ガスの熱容量が桁違いに小さく、一方、ヘリウムガスは
４Ｋ付近では逆に桁違いに大きな比熱を有するため、初
期冷却時には冷却の負荷とならずに熱伝導率を向上させ
る効果を発揮し、しかも低温では蓄冷材としての効果を
示すものである。

【００７７】次に、超電導線２９による巻線の内部にお
ける蓄冷機能を向上させる熱容量増加手段について説明
する。

【００７８】即ち、超電導コイル２２への通電電流を増
加または減少させるときにはＡＣロスが生じ、超電導コ
イルが発熱する。このため、ある程度以上に速い速度で
通電電流を増減させると、超電導コイル２２の超電導状
態が壊れる可能性がある。そこで、超電導状態を破壊す
ることなく、超電導コイル２２の通電電流を速い速度で
増減できるようにすることが望ましく、これが達成でき
れば、超電導コイル２２の使用範囲が拡がり、運転費用
も低減できるようになる。

【００７９】図４（Ａ）は、超電導コイル２２の一部を
示す図であり、図４（Ｂ）は同図（Ａ）で示したコイル
中の超電導線２９部分を抽出して示す図である。

【００８０】この図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、本
実施形態では、超電導線２９をコイル状に巻く工程の途
中で、コイル層間に例えばＥｒ₃Ｎｉ（エルビニウムニ
ッケル）によって構成されたシート状の蓄冷材３９を巻
込み、これにより、コイル層間の熱容量を増加させたも
のである。

【００８１】層間に何らの蓄冷材をも介在させない超電
導コイルの場合、通電速度の限度が１０Ａ／ｓであるの
に対し、ほぼ同一構成のコイル層間に蓄冷材３９を介在
させた本実施形態のものでは、約３倍程度速く通電電流
を増減することができることが認められた。

【００８２】したがって、本実施形態によれば、同一通
電電流の増減速度で使用した場合、超電導線２９の超電
導状態が壊れる虞がほぼ皆無と言えるまでに減少するた
め、超電導マグネットとしての信頼性を大幅に向上する
ことができる。

【００８３】なお、図４（Ａ）の例では、蓄冷材３９を
シート状としたが、同図（Ｃ）に示すように、紐状とし
てもよく、また図示しないが、テープ状としてもよい。
さらに、層間ではなく、超電導線２９の周囲に巻付けた
構成としてもよい。

【００８４】さらにまた、蓄冷材３９の材質としては、
前記Ｅｒ₃Ｎｉのほか、ＥｒＮｉ₂，Ｅｒ_0.4Ｄｙ_0.6
Ｎｉ₂，ＥｒＮｉ，Ｅｒ_0.2Ｄｙ_0.8Ｎｉ₂，ＤｙＮｉ
₂，Ｐｂ，Ｇｄ_0.5Ｅｒ_0.5Ｒｈ等を適用してもよく、
これらによっても前記同様の効果が得られる。

【００８５】また、超電導コイル２２に付設する熱容量
増加手段は、そのコイル外周側に配置することも可能で
ある。

【００８６】即ち、図５および図６に示すように、熱容
量増加手段は、超電導コイル２２の外周部に取着した蓄
冷材パック４０とすることも可能である。この蓄冷材パ
ック４０は、図５に示した構成では、超電導コイル２２
の外周面に同軸的に被着した環状のものとしている。ま
た図６に示した構成では超電導コイル２２の外周面に周
方向に沿って間隔的に接合した短冊状のものとしてい
る。

【００８７】このような構成によっても、熱容量の増加
によって前記同様の効果が奏される。これら図５および
図６の例では、さらに施工が容易である等の利点が得ら
れる。

【００８８】なお、図５および図６の例では蓄冷材パッ
ク４０を超電導コイル２２の外周側に貼り付けた構成と
したが、内周側に貼り付けることも可能である。

【００８９】なお、図５に示した蓄冷材パック４０は、
超電導線２９と同一方向に貼り付けるため、その蓄冷材
パック４０間に隙間がある場合には、その隙間に位置す
る超電導線２９に対する蓄冷効果は低いが、図６に示し
た短冊形の蓄冷材パック４０の場合には、超電導線２９
の軸方向に沿って貼り付けることができるため、蓄冷材
パック４０間に隙間があったも大きい蓄冷効果を維持す
ることができる。

【００９０】なお、蓄冷材パック４０の材質について
も、前記同様に、Ｅｒ₃Ｎｉ、ＥｒＮ₂、Ｅｒ_0.4Ｄｙ
₂、ＥｒＮｉ、Ｅｒ_0.2Ｄｙ_0.8Ｎｉ₂、ＤｙＮｉ₂、
ＰｂまたはＧｄ_0.5Ｅｒ_0.5Ｒｈ等を適用することがで
きる。

【００９１】図７は本発明の他の実施形態を示す要部斜
視図である。

【００９２】この図７に示した実施形態の超電導マグネ
ット２１も、環状に形成された超電導コイル２２と、こ
の超電導コイル２２を包囲する熱シールド２３と、この
熱シールド２３を包囲する真空容器２５と、この真空容
器２５に取着され、超電導コイル２２および熱シールド
２３を冷却する定常運転用の冷凍機２４とを備えた構成
とされている点では前記一実施形態と同様である。

【００９３】但し、この実施形態の超電導マグネット２
１においては、超電導コイル２２を予冷するための予冷
装置として別の冷凍機４１を設けている。

【００９４】この予冷用冷凍機４１は、定常運転用の冷
凍機２４よりも大容量のもので、真空容器２５に着脱可
能に付設されている。この予冷用冷凍機４１の第２段ス
テージ４１ａに直接、銅製の熱伝導板４２が取付けら
れ、この熱伝導板４２が、超電導コイル２２に取付けた
熱伝導板４３と接触する構造になっている。

【００９５】そして、この予冷用冷凍機４１は、超電導
コイル２２の初期冷却の時にのみ装着されて稼動し、４
０〜５０Ｋ程度まで冷却したところで取外し、または熱
的に切断できるようになっている。

【００９６】このような図７に示した実施形態によれ
ば、予冷用冷凍機４１を着脱して予冷できるようにした
ことにより、設置場所が狭い場所での利用に好適であ
る。また、使用目的や都合により、予冷後に連続で冷却
したまま維持する超電導マグネットの場合には、容量の
小さい冷凍機が１台あればよいので、この実施形態を適
用することにより、占有面積を縮小できるとともに、取
扱も容易になり、電気料金などの維持費も安価で済むも
のとすることができる。逆に、頻繁に冷却・昇温を繰返
す使用方法や、初期冷却の時間を短縮する使用方法を採
用する場合には、予冷用の大容量の冷凍機４１を付設す
ることで、各運転時における、より迅速な冷却を実現す
ることができる。

【００９７】図８（Ａ），（Ｂ）は本発明のさらに他の
実施形態を示すもので、（Ａ）は超電導コイルの部分断
面図であり、同図（Ｂ）はその要部拡大図である。

【００９８】この実施形態では、超電導コイル２２の巻
線を構成する超電導線２９の間に高熱伝導率材製の冷却
促進用シート４４を介在させてある。この冷却促進用シ
ートは、例えばアルミニウム、インジウム、鉛またはこ
れらの合金によって構成されている。そして、冷却促進
用シート４４は、超電導線２９をコイル状に巻く工程の
途中で層間に巻込むことにより構成される。

【００９９】このような構成によれば、アルミニウム等
は熱伝導率が大きいので、これらで構成される冷却促進
用シート４４により冷凍機への伝熱量を多くすることが
でき、超電導コイルの外乱による熱の除去が図れるとと
もに、冷却速度性能の向上が図れる。

【０１００】なお、冷却促進用シートの形状は、短冊形
であってもよい。

【０１０１】また、図２に示したコイル容器３０内に
は、液体窒素または運転初期に液体ヘリウムを供給し
て、予冷用として機能させることができる。

【０１０２】

【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によれ
ば、予冷管、あるいは大容量の冷凍機の付設等の手段に
より、超電導コイルを予熱することで、初期冷却に要す
る時間を短縮することができるとともに、超電導コイル
の熱伝導性能を向上させることにより、または熱容量の
大きな蓄冷材を付設すること等により、熱負荷の余裕を
多くすることができ、これにより大きな熱侵入や急激な
発熱に対しても超電導状態を破壊することなく維持でき
る等の優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すもので、予冷管を付
設した直冷式超電導マグネットの概略構成を示す斜視
図。

【図２】前記実施形態において、ヘリウムガス封入式の
超電導コイルを示す断面図。

【図３】前記実施形態において、超電導コイルの巻枠を
示す拡大図。

【図４】（Ａ）は前記実施形態における超電導コイルの
一部を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）の拡大図、（Ｃ）は
（Ｂ）の変形例を示す拡大図。

【図５】前記実施形態において、蓄冷材パックを示す斜
視図。

【図６】図５の変形例を示す斜視図。

【図７】本発明の他の実施形態を示す斜視図。

【図８】（Ａ）は本発明のさらに他の実施形態による超
電導コイルの一部を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）の拡大
図。

【図９】従来例を示す図。

【図１０】他の従来例を示す図。

【図１１】さらに他の従来例を示す図。

【符号の説明】

２１超電導マグネット２２超電導コイル２３熱シールド２４冷凍機２４ａ第１段ステージ２４ｂ第２段ステージ２５真空容器（クライオスタット）２６熱伝導体２７伝熱導体２８予冷管２９超電導線３０コイル容器３０ａ斜線部（上部内周側部分）３１，３２，３３，３４間隙３５ヘリウムガス３６巻枠３７孔３８整流リブ３９蓄冷材４０蓄冷材パック４１冷凍機４１ａ第２段ステージ４２，４３熱伝導板４４冷却促進用シート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】環状に形成された超電導コイルと、この
超電導コイルを包囲する輻射シールドと、この輻射シー
ルドを包囲する真空容器と、この真空容器に取着され、
前記超電導コイルおよび輻射シールドを冷却する定常運
転用の冷凍機とを備えた超電導マグネットにおいて、前
記超電導コイルを直接または間接に初期冷却する手段と
して、前記冷凍機よりも冷凍能力が高い予冷装置を設け
たことを特徴とする超電導マグネット。
【請求項２】請求項１記載の超電導マグネットにおい
て、予冷装置は、着脱可能な冷凍機または超電導コイル
の周方向側に沿って設けたコイル状の予冷管であり、こ
の予冷管の内部には予冷用冷媒として液体窒素または液
体ヘリウムが供給されるものであることを特徴とする超
電導マグネット。
【請求項３】環状に形成された超電導コイルと、この
超電導コイルを包囲する輻射シールドと、この輻射シー
ルドを包囲する真空容器と、この真空容器に取着され、
前記超電導コイルおよび輻射シールドを冷却する冷凍機
とを備えた超電導マグネットにおいて、前記超電導コイ
ルをコイル容器内に収納し、このコイル容器内にヘリウ
ムガスを充填したことを特徴とする超電導マグネット。
【請求項４】請求項３記載の超電導マグネットにおい
て、ヘリウムガスは超臨界ヘリウムであることを特徴と
する超電導マグネット。
【請求項５】請求項３または４記載の超電導マグネッ
トにおいて、コイル容器の重力方向上部に、このコイル
容器を冷却する冷却部を設けたことを特徴とする超電導
マグネット。
【請求項６】請求項５記載の超電導マグネットにおい
て、コイル容器の冷却部をコイル容器上部の一部分に設
けたことを特徴とする超電導マグネット。
【請求項７】請求項３から６までのいずれかに記載の
超電導マグネットにおいて、超電導コイルは、このコイ
ルを巻付ける巻枠とともに、またはその巻枠を巻線後に
外した状態で、コイル容器に収納したことを特徴とする
超電導マグネット。
【請求項８】請求項７記載の超電導マグネットであっ
て、超電導コイルを巻枠とともにコイル容器に収納した
ものにおいて、前記巻枠の周壁に孔またはスリットを穿
設したことを特徴とする超電導マグネット。
【請求項９】請求項８記載の超電導マグネットにおい
て、巻枠に穿設した孔の径またはスリットの長手方向寸
法が、前記巻枠の板厚よりも大きいことを特徴とする超
電導マグネット。
【請求項１０】請求項３から９までのいずれかに記載
の超電導マグネットであって、超電導コイルを巻枠とと
もにコイル容器に収納したものにおいて、前記巻枠に冷
媒整流用の整流リブを設けたことを特徴とする超電導マ
グネット。
【請求項１１】請求項１０記載の超電導マグネットに
おいて、整流リブは巻枠に螺旋状に設けられていること
を特徴とする超電導マグネット。
【請求項１２】請求項３から１１までのいずれかに記
載の超電導マグネットであって、超電導コイルを巻枠と
ともにコイル容器に収納したものにおいて、前記巻枠と
前記コイル容器との隙間寸法が、前記巻枠の板厚寸法よ
りも大きいことを特徴とする超電導マグネット。
【請求項１３】請求項３から１２までのいずれかに記
載の超電導マグネットであって、超電導コイルを巻枠と
ともにコイル容器に収納したものにおいて、前記巻枠と
前記コイル容器との隙間またはリブ間に、乱流促進機構
を設けたことを特徴とする超電導マグネット。
【請求項１４】請求項３から１３までのいずれかに記
載の超電導マグネットにおいて、超電導コイルを軸方向
に沿って複数に分割した構造としたことを特徴とする超
電導マグネット。
【請求項１５】環状に形成された超電導コイルと、こ
の超電導コイルを包囲する輻射シールドと、この輻射シ
ールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取着さ
れ、前記超電導コイルおよび輻射シールドを冷却する冷
凍機とを備えた超電導マグネットにおいて、前記超電導
コイルに蓄冷材からなる熱容量増加手段を付設したこと
を特徴とする超電導マグネット。
【請求項１６】請求項１５記載の超電導マグネットに
おいて、熱容量増加手段は、超電導コイルに取着した蓄
冷材パックであることを特徴とする超電導マグネット。
【請求項１７】請求項１６記載の超電導マグネットに
おいて、蓄冷材パックは、超電導コイルの外周面または
内周面に同軸的に取着した環状のもの、または前記外周
面または内周面に周方向に沿って間隔的に接合した短冊
状のものであることを特徴とする超電導マグネット。
【請求項１８】請求項１５記載の超電導マグネットに
おいて、熱容量増加手段は、超電導コイルに取着した蓄
冷材テープであることを特徴とする超電導マグネット。
【請求項１９】請求項１５記載の超電導マグネットに
おいて、熱容量増加手段は、超電導コイルの巻線を構成
する超電導線の間に介在させたシート状または紐状の蓄
冷材であることを特徴とする超電導マグネット。
【請求項２０】請求項１９記載の超電導マグネットに
おいて、蓄冷材はＥｒ₃Ｎｉ、ＥｒＮ₂、Ｅｒ_0.4Ｄｙ
₂、ＥｒＮｉ、Ｅｒ_0.2Ｄｙ_0.8Ｎｉ₂、ＤｙＮｉ₂、
ＰｂまたはＧｄ_0.5Ｅｒ_0.5Ｒｈであることを特徴とす
る超電導マグネット。
【請求項２１】請求項１５記載の超電導マグネットに
おいて、熱容量増加手段は、超電導コイルをコイル容器
内に収納し、これらコイル容器と超電導コイルとの空隙
に蓄冷材を充填した構成であることを特徴とする超電導
マグネット。
【請求項２２】請求項２記載の超電導マグネットの冷
却に際し、定常運転用の冷凍機による冷却運転の途中
で、予冷用の冷凍機を装着し、または予冷管に液体窒素
もしくは液体ヘリウムを供給して超電導コイルを冷却す
ることを特徴とする超電導マグネットの予冷方法。
【請求項２３】環状に形成された超電導コイルと、こ
の超電導コイルを包囲する輻射シールドと、この輻射シ
ールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取着さ
れ、前記超電導コイルおよび輻射シールドを冷却する冷
凍機とを備え、前記超電導コイルをコイル容器に収納し
た超電導マグネットの予冷方法であって、前記冷凍機で
の冷却途中に、前記コイル容器に液体窒素または液体ヘ
リウムを供給して超電導コイルを冷却することを特徴と
する超電導マグネットの予冷方法。
【請求項２４】請求項２２または２３記載の超電導マ
グネットの予冷方法において、液体窒素または液体ヘリ
ウムの供給は、超電導マグネットと着脱自在な供給装置
から循環供給することを特徴とする超電導マグネットの
予冷方法。
【請求項２５】環状に形成された超電導コイルと、こ
の超電導コイルを包囲する輻射シールドと、この輻射シ
ールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取着さ
れ、前記超電導コイルおよび輻射シールドを冷却する冷
凍機とを備えた超電導マグネットにおいて、前記超電導
コイルの巻線を構成する超電導線の間に高熱伝導率材製
の冷却促進用シートを介在させたことを特徴とする超電
導マグネット。
【請求項２６】請求項２５記載の超電導マグネットに
おいて、冷却促進用シートは、アルミニウム、インジウ
ム、鉛またはこれらの合金によって構成したことを特徴
とする超電導マグネット。
【請求項２７】請求項２５または２６記載の超電導マ
グネットにおいて、冷却促進用シートの形状を短冊形と
したことを特徴とする超電導マグネット。