JPH11288809A - 超電導マグネット装置 - Google Patents

超電導マグネット装置

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JPH11288809A
JPH11288809A JP10193298A JP10193298A JPH11288809A JP H11288809 A JPH11288809 A JP H11288809A JP 10193298 A JP10193298 A JP 10193298A JP 10193298 A JP10193298 A JP 10193298A JP H11288809 A JPH11288809 A JP H11288809A
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superconducting
container
refrigerant
superconducting coil
magnet device
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Koji Ito
孝治 伊藤
Michitaka Ono
通隆 小野
Toru Kuriyama
透 栗山
Yasuji Morii
保次 森井
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Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超電導コイルを冷媒に浸漬することなく、冷
却能力に優れ取り扱い易く経済的で信頼性が向上する超
電導マグネット装置を提供することである。 【解決手段】 冷凍機７で冷却された冷媒を輻射シール
ド２内に設けられた極低温冷媒容器１３に貯蔵し、この
極低温冷媒容器１３と直接または熱伝導部材１２を介し
て熱的に接続された超電導コイル１を冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、シンクロ
トロン放射光装置用の超電導マグネット装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超電導マグネット装置の超電導コイルの
冷却には、超電導コイルを冷媒中に浸漬して冷媒の蒸発
潜熱で冷却する浸漬冷却と、冷凍機直接冷却とが一般に
用いられる。
【０００３】図８は、浸漬冷却を採用した超電導マグネ
ット装置の一例であり、シンクロトロン放射光装置用の
超電導マグネット装置を示している。図８に示す超電導
マグネット装置は１対の超電導コイル１で構成されてい
る。超電導コイル１の周囲には輻射シールド２が配置さ
れ、さらに輻射シールド２を包囲するように高温側輻射
シールド３および真空容器４が配設されている。
【０００４】超電導コイル１はコイル容器１８に収納さ
れ、冷媒である液体ヘリウム５を貯液したヘリウム容器
６とコイル容器１８とが配管６ａで連通するように構成
されている。そして、超電導コイル１を液体ヘリウム５
中に浸漬して約４．２Ｋの温度に保持する。ヘリウム容
器６にはヘリウム液化用の冷凍機７が搭載されており、
液体ヘリウム５の蒸発ヘリウムを再液化する。
【０００５】また、シールド冷却用冷凍機７は、低温側
ステージ８ａで輻射シールド２を冷却し、高温側ステー
ジ８ｂで高温側輻射シールド３を冷却して、それぞれ２
０Ｋ、約８０Ｋの温度に保持される。そして、ビームチ
ャンバ９はビームチャンバ輻射シールド１０さらにビー
ムチャンバ高温側輻射シールド１１で包囲されている。
【０００６】通常運転時においては、超電導コイル１は
電気抵抗がゼロで発熱することはないが、外部から対流
・伝導・輻射による侵入熱があると、この侵入熱を液体
ヘリウム５の蒸発によって除熱し、蒸発ヘリウムをヘリ
ウム液化用の冷凍機７で再液化する。
【０００７】一方、図９は冷凍機直接冷却の超導マグネ
ット一例であり、図９において、超電導コイル１は断熱
支持材２６で支持されて、輻射シールド２によって包囲
され、さらに輻射シールド２は真空容器４に包囲されて
いる。そして、冷凍機７の低温側ステージ７ａは熱伝導
部材１２を介して超電導コイル１に熱的に接続され、高
温側ステージ７ｂは輻射シールド２に熱的に接続され、
それぞれ約４．２Ｋ、８０Ｋの温度に冷却される。この
様に、冷凍機直接冷却の超導マグネット装置は液体ヘリ
ウム５を使用しないので、取り扱いに優れ比較的小型の
超電導マグネット装置に適している。また、４．２Ｋの
温度を保持する冷凍機７の能力は現状では約１Ｗ程度で
あるので、大型の超電導マグネット装置には適用できな
い要因になっている。
【０００８】この超電導マグネット装置では、超電導コ
イル１は、冷凍機７の低温側ステージ７ａで熱伝導部材
１２を介して熱伝導により約４．２Ｋに冷却され、電気
抵抗がゼロ、いわゆる超電導状態になる。この状態で外
部の図示しない電源から励磁用電流を超電導コイル１に
供給し、所用の磁場を発生させる。
【０００９】通常運転時には、超電導コイル１は電気抵
抗がゼロであるため、電流を流してもそれ自身がジュー
ル熱で発熱することがないが、外部から対流・伝導・輻
射による超電導コイル１への熱侵入があると、前記した
ように１台の冷凍機７の冷却能力に限度がある。このこ
とから、冷凍機直接冷却の超電導マグネット装置の場合
には、この熱侵入をできるだけ低減することが望まれ
る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示すような浸漬冷却を採用した従来の超電導マグネット
で装置は、超電導コイル１が液体ヘリウム５に浸漬さ
れ、液体ヘリウム５の蒸発潜熱によって冷却されるの
で、冷却特性に優れている反面、液体ヘリウム５の取り
扱い性に難がある。
【００１１】すなわち、運転に先立って超電導コイル１
の収納されたコイル容器１８に液体ヘリウム５を貯液す
る必要があるが、これは、取り扱いの資格を有する熟練
作業者に頼らざるを得ない。また、超電導コイル１が外
乱によってクエンチ(超電導から常電導に転移する状態)
した場合には、非常に大きなジュール発熱を生じ、貯液
された液体ヘリウム５が瞬時に蒸発する。この蒸発ヘリ
ウムガスは一般に外部のガスバッグに一時貯留するか、
大気に放出させる。このように、クエンチした場合、再
度液体ヘリウム５をヘリウム容器６に注液する必要があ
る。
【００１２】したがって、使用する液体ヘリウム５の量
はできるだけ少なくするべきであるが、浸漬冷却の場
合、その使用量は超電導コイル１の大きさに依存するコ
イル容器１８の大きさによって決定されることが多く、
必ずしも最適貯液量になっていなかった。よって、取り
扱い性に難があるのみならず、省資源化の面からも問題
であった。
【００１３】一方、図９に示すような冷凍機直接冷凍を
採用した超電導マグネット装置では、液体ヘリウムを使
用しないので、注液等の作業もなく取り扱い性に優れて
いるが、その反面、冷却能力は搭載される冷凍機７の能
力によって決定される。一般に超電導コイル１は一定電
流を供給している際には発熱がゼロであるが、立ち上
げ、立ち下げ等励消磁時には大きな交流損失による発熱
を生じる。立ち上げ、立ち下げが非常に遅く長時間(数
十分から１時間)の場合には、冷凍機での冷却が可能で
あるが、短時間(数十分以内)で励消磁時を行う必要のあ
る超電導マグネット装置では、交流損失が侵入熱の１０
倍以上にもなることがある。
【００１４】したがって、冷凍機７の台数を増加する
か、能力の大きな冷凍機７を搭載して交流損失による発
熱を除去する必要があるが、交流損失は短時間の励消磁
時のみであり、長時間の定常運転を考えると極めて不経
済である。また、大型の超電導コイル１や１台の冷凍機
７で複数個の超電導コイル１を冷却する場合、冷凍機７
と超電導コイル１とは熱伝導部材１２を介して熱的に接
続するので、超電導コイル１の各部あるいは各超電導コ
イル１間に温度差を生じクエンチ要因になる等の問題が
あった。
【００１５】そこで、本発明は、上記のような従来の問
題を解決するためになされたもので、超電導コイルを冷
媒に浸漬することなく、冷却能力に優れ、取り扱い易く
経済的で信頼性が向上する超電導マグネット装置を提供
することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明に係る超電導マグネット装置は、磁
場を発生する超電導コイルと、この超電導コイルを包囲
する輻射シールドと、輻射シールドを包囲する真空容器
と、超電導コイルを冷却するための冷凍機とを備えた超
電導マグネット装置において、輻射シールド内に設けら
れ冷凍機で冷却された冷媒を貯蔵し超電導コイルと熱的
に直接または熱伝導部材を介して接続された極低温冷媒
容器を備えたことを特徴とする。
【００１７】請求項１の発明に係る超電導マグネット装
置では、冷凍機で冷却された冷媒を輻射シールド内に設
けられた極低温冷媒容器に貯蔵し、この極低温冷媒容器
と直接または熱伝導部材を介して熱的に接続された超電
導コイルを冷却する。
【００１８】請求項２の発明に係る超電導マグネット装
置は、磁場を発生する超電導コイルと、この超電導コイ
ルを包囲する輻射シールドと、輻射シールドを包囲する
真空容器と、超電導コイルを冷却するための冷凍機とを
備えた超電導マグネット装置において、輻射シールド内
に設けられ冷凍機で冷却された冷媒を貯蔵する極低温冷
媒容器と、超電導コイルと熱的に接触するように設けら
れ極低温冷媒容器に貯液された冷媒を循環させるための
冷却管とを備えたことを特徴とする。
【００１９】請求項２の発明に係る超電導マグネット装
置では、冷凍機で冷却された冷媒を輻射シールド内に設
けられた極低温冷媒容器に貯蔵し、極低温冷媒容器に貯
液された冷媒を、超電導コイルと熱的に接触するように
設けられた冷却管に循環させる。
【００２０】請求項３の発明に係る超電導マグネット装
置は、磁場を発生する複数の超電導コイルと、これら複
数個の超電導コイルを一体で包囲する輻射シールドと、
輻射シールドを包囲する真空容器と、超電導コイルを冷
却するための冷凍機とを備えた超電導マグネット装置に
おいて、複数個の超電導コイルを熱的に接続するコモン
冷却板と、輻射シールド内に設けられ冷凍機で冷却され
た冷媒を貯蔵しコモン冷却板と熱的に熱伝導部材を介し
て接続された極低温冷媒容器とを備えたことを特徴とす
る。
【００２１】請求項３の発明に係る超電導マグネット装
置では、複数個の超電導コイルをコモン冷却板で熱的に
接続し、冷凍機で冷却された冷媒を輻射シールド内に設
けられた極低温冷媒容器に貯蔵する。そして、コモン冷
却板と熱的に接続された熱伝導部材を介して超電導コイ
ルを冷却する。
【００２２】請求項４の発明に係る超電導マグネット装
置は、磁場を発生する複数の超電導コイルと、これら複
数個の超電導コイルを一体で包囲する輻射シールドと、
輻射シールドを包囲する真空容器と、超電導コイルを冷
却するための冷凍機とを備えた超電導マグネット装置に
おいて、複数個の超電導コイルを熱的に接続するコモン
冷却板と、輻射シールド内に設けられ冷凍機で冷却され
た冷媒を貯蔵する極低温冷媒容器と、コモン冷却板と熱
的に接触するように設けられ極低温冷媒容器に貯液され
た冷媒を循環させるための冷却管とを備えたことを特徴
とする。
【００２３】請求項４の発明に係る超電導マグネット装
置では、複数個の超電導コイルをコモン冷却板で熱的に
接続し、冷凍機で冷却された冷媒を輻射シールド内に設
けられた極低温冷媒容器に貯蔵する。そして、コモン冷
却板と熱的に接触するように設けられた冷却管により極
低温冷媒容器に貯液された冷媒を循環させ、超電導コイ
ルを冷却する。
【００２４】請求項５の発明に係る超電導マグネット装
置は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超
電導マグネット装置において、冷凍機は、極低温冷媒容
器内の冷媒を液化することを特徴とする。
【００２５】請求項５の発明に係る超電導マグネット装
置では、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の
超電導マグネット装置の作用に加え、冷凍機により極低
温冷媒容器内の冷媒を液化する。
【００２６】請求項６の発明に係る超電導マグネット装
置は、請求項１または請求項３に記載の超電導マグネッ
ト装置において、極低温冷媒容器は、冷媒を貯液するス
テンレス管で形成された容器と、容器を保持する良熱伝
導材料で形成されたブロックとを備えたことを特徴とす
る。
【００２７】請求項６の発明に係る超電導マグネット装
置では、請求項１または請求項３に記載の超電導マグネ
ット装置の作用に加え、極低温冷媒容器のステンレス管
で形成された容器に冷媒を貯液し、その容器は良熱伝導
材料で形成されたブロックで支持される。
【００２８】請求項７の発明に係る超電導マグネット装
置は、請求項１または請求項３に記載の超電導マグネッ
ト装置において、熱伝導部材は、ヒートパイプで構成し
たことを特徴とする。
【００２９】請求項７の発明に係る超電導マグネット装
置では、請求項１または請求項３に記載の超電導マグネ
ット装置の作用に加え、熱伝導部材としてのヒートパイ
プにより冷媒と超電導コイルとの熱交換を行う。
【００３０】請求項８の発明に係る超電導マグネット装
置は、請求項１または請求項２に記載の超電導マグネッ
ト装置において、超電導コイルと極低温冷媒容器との少
なくともいずれかに予冷管を具備したことを特徴とす
る。
【００３１】請求項８の発明に係る超電導マグネット装
置では、請求項１または請求項２に記載の超電導マグネ
ット装置の作用に加え、超電導コイルまたは極低温冷媒
容器に設けられた予冷管に冷媒を供給して予冷する。
【００３２】請求項９の発明に係る超電導マグネット装
置は、請求項３または請求項４に記載の超電導マグネッ
ト装置において、コモン冷却板と極低温冷媒容器の少な
くともいずれかに予冷管を具備したことを特徴とする。
【００３３】請求項９の発明に係る超電導マグネット装
置では、請求項３または請求項４に記載の超電導マグネ
ット装置の作用に加え、コモン冷却板または極低温冷媒
容器に設けられた予冷管に冷媒を供給して予冷する。
【００３４】請求項１０の発明に係る超電導マグネット
装置は、請求項５に記載の超電導マグネット装置におい
て、真空容器に設けられ冷媒のガスを貯めるための貯槽
部と、この貯槽部と極低温冷媒容器とを連通するための
連通管とを備えたことを特徴とする。
【００３５】請求項１０の発明に係る超電導マグネット
装置では、請求項５に記載の超電導マグネット装置の作
用に加え、クエンチなどで極低温冷媒容器で冷媒が気化
した場合には連通管を介して、真空容器に設けられた貯
槽部に冷媒のガスを貯める。
【００３６】請求項１１の発明に係る超電導マグネット
装置は、請求項１０に記載の超電導マグネット装置にお
いて、貯槽部は、真空容器の少なくとも一部に二重容器
部で形成されたことを特徴とする。
【００３７】請求項１１の発明に係る超電導マグネット
装置では、請求項１０に記載の超電導マグネット装置の
作用に加え、貯槽部は、真空容器の一部に形成された二
重容器部の貯槽部に冷媒のガスを貯める。
【００３８】請求項１２の発明に係る超電導マグネット
装置は、磁場を発生する超電導コイルと、この超電導コ
イルを包囲する輻射シールドと、輻射シールドを包囲す
る真空容器と、超電導コイルを冷却するための冷凍機を
備えた超電導マグネット装置において、超電導コイルと
熱的に直接または間接的に接触するように付設され冷凍
機からの液化冷媒を循環させるための極低温冷媒配管を
備えたことを特徴とする。
【００３９】請求項１２の発明に係る超電導マグネット
装置では、冷凍機で冷却された冷媒を、超電導コイルと
熱的に直接または間接的に接触するように付設された極
低温冷媒配管に循環させ超電導コイルを冷却する。
【００４０】請求項１３の発明に係る超電導マグネット
装置は、請求項１２に記載の超電導マグネット装置にお
いて、極低温冷媒配管よりも口径の大きい冷媒溜めを極
低温冷媒配管の一部に設けたことを特徴とする。
【００４１】請求項１３の発明に係る超電導マグネット
装置では、請求項１２に記載の超電導マグネット装置の
作用に加え、冷凍機で冷却された冷媒を、極低温冷媒配
管よりも口径の大きい冷媒溜めに保持しつつ、極低温冷
媒配管に循環させ超電導コイルを冷却する。
【００４２】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る超電導マグネ
ット装置の実施形態を図面を参照して説明する。図１は
本発明の第１の実施の形態に係わる超電導マグネット装
置の説明図である。
【００４３】図１において、超電導コイル１は、輻射シ
ールド２によって包囲され、さらに輻射シールド２は真
空容器４に包囲されている。超電導コイル１の上部には
極低温冷媒容器１３が配設され、超電導コイル１とは熱
的に接続されている。極低温冷媒容器１３は、ステンレ
ス管で形成され冷媒を貯液する容器１３ａと、良熱伝導
材料で形成され容器１３ａを保持するブロック１３ｂと
で構成される。
【００４４】冷凍機７の低温側ステージ７ａは極低温冷
媒容器１３の容器１３ａ内に挿入され、高温側ステージ
７ｂは輻射シールド２に熱的に接続されている。また、
真空容器４には冷媒のガスを貯める貯槽部１４が設けら
れ、極低温冷媒容器１３と貯槽部１４とは連通管１５で
連通している。極低温冷媒容器１３内には冷凍機７の低
温側ステージ７ａで凝縮された液体ヘリウム５等の冷媒
が溜まっている。
【００４５】電流リード１６は図示しない外部電源から
超電導コイル１に電流を給電するものである。また、超
電導コイル１および極低温冷媒容器１３には予冷管１７
が付設されており、真空容器４の外部に配置された図示
しない供給系に接続され、予冷冷媒が供給されるように
なっている。
【００４６】次に、このように構成された第１の実施の
形態に係わる超電導マグネット装置の運転に際しては、
真空容器４内を図示しない真空ポンプで高真空まで排気
し、冷凍機７で輻射シールド２を所定の温度まで冷却す
る。超電導コイル１が小型の場合には冷凍機７のみで超
電導コイル１を所定の温度(例えば４．２Ｋ)まで冷却で
きるが、例えば１トンクラスの超電導コイル１では１週
間程度も予冷時間がかかる。
【００４７】そこで、その様な大型超電導コイル１に対
しては、冷却管１７に予冷冷媒を供給して予冷する。例
えば、予冷管１７に液体窒素を流して８０Ｋまで冷却す
ることにより、予冷時間を１/３程度まで短縮する。一
般に超電導コイル１を構成する銅やステンレス鋼等は高
温時程比熱が大きいので８０Ｋまで予冷すると効果が大
である。そして、その８０Ｋまでの予冷から４．２Ｋま
では冷凍機７で冷却する。また、極低温冷媒容器１３内
に液体ヘリウム５を供給管で外部から供給することによ
り、８０Ｋから４Ｋまで短時間(１時間程度)で予冷でき
る。予冷の完了後、冷凍機７の運転継続で貯槽部１４に
貯えられた冷媒ガスは、極低温冷媒容器１３内の低温側
ステージ７ａで凝縮し液化される。
【００４８】ここで、超電導コイル１を励消磁する際に
は交流損失を生じ、この交流損失と侵入熱を合わせた熱
負荷が冷凍機７の冷却能力を上回る。この際には、極低
温冷媒容器１３に貯液された液体ヘリウムが蒸発し、そ
の時の蒸発潜熱で冷凍機７で不足の冷却能力を補う。こ
の時蒸発した冷媒ガスは貯槽部１４に一時貯留されるこ
とになる。そして、定常運転状態では、超電導コイル１
は電気抵抗がゼロであるため、電流を流してもジュール
発熱はなく侵入熱のみである。この時は冷凍機７の冷却
能力が侵入熱を上回るので、極低温冷媒容器１３内で蒸
発冷媒ガスを再液化する。
【００４９】この第１の実施の形態では極低温冷媒容器
１３を設け、その極低温冷媒容器１３内の冷却に、熱負
荷が冷凍機７の冷却能力を上回った場合に必要な最小量
の冷媒を貯液し、超電導コイル１を伝導冷却するので、
超電導コイル１を液体ヘリウムに浸漬しなくとも効率良
く冷却可能である。これにより、超電導コイル１を収納
するコイル容器１８も不要となる。
【００５０】また、励消磁時等の非定常発熱に対して
は、貯液された冷媒の蒸発潜熱で除熱でき、かつ、その
時の蒸発冷媒ガスは貯槽部１４に一時貯留され、定常運
転時に再液化されるので外部から冷媒を注液する必要が
なく、取り扱いが容易である。
【００５１】ここで、冷凍機７の低温側ステージ７ａで
極低温冷媒容器１３に液体ヘリウムを凝縮させる代わり
に、外部から蒸発分の液体ヘリウムを極低温冷媒容器１
３に充填するようにしても良い。また、貯槽部１４は真
空容器４とは一体ものにしても良く、さらに、冷媒が液
体ヘリウム５として説明したが、高温超電導マグネット
装置等の場合には冷媒が液体窒素を用いても良い。ま
た、予冷管１７を超電導コイル１および極低温冷媒容器
１３に付設したが、いずれか一方に付設するようにして
も良い。さらに、低温側ステージ７ａを極低温冷媒容器
１３内に挿入するようにしているが、直接または間接的
に熱的に接続する態様であれば挿入しなくても良い。
【００５２】次に、本発明の第２の実施の形態を説明す
る。図２は本発明の第２の実施の形態に係わる超電導マ
グネット装置の説明図である。この第２の実施の形態
は、図１に示した第１の実施の形態に対し、極低温冷媒
容器１３と超電導コイル１とを熱伝導部材１２を介して
熱的に接続したものである。その他の構成は、図１に示
した第１の実施の形態と同一であるので、同一要素には
同一符号を付しその説明は省略する。
【００５３】図２において、極低温冷媒容器１３を直接
超電導コイル１に接続することなく、極低温冷媒容器１
３と超電導コイル１とを熱伝導部材１２を介して熱的に
接続している。熱伝導部材１２としては銅あるいはアル
ミニウム等の薄板を多数枚重ねて可撓性を持たせたもの
を用いる。
【００５４】このような熱伝導部材１２を用いることに
より、超電導コイル１全体を均一に冷却できる。すなわ
ち、極低温冷媒容器１３と超電導コイル１とを直接熱的
に接触させる構造では、接触部から離れた場所の方が温
度が高くなるが、第２の実施の形態のように、適切な伝
導面積を有する熱伝導部材１２を複数本用いた場合に
は、熱伝導部材１２を取り付けて除熱する場所の自由度
が大きくなるので、結果的に超電導コイル１の各部の温
度差を極力小さくできる。したがって、超電導コイル１
の運転温度を一様に低く抑えることができ、クエンチを
生じることなく安定に運転できる。
【００５５】さらに、熱伝導部材１２は可撓性を有し、
固有振動数が極めて小さいので、冷凍機７からの振動を
吸収する。したがって、超電導コイル１の微小振動によ
る発熱を回避できる。一般に侵入熱は１Ｗ以下と非常に
小さい熱負荷であるので、微小振動等の外乱等による熱
負荷を抑制する効果は大である。
【００５６】図３は、本発明の第２の実施の形態におけ
る熱伝導部材としてヒートパイプを用いた場合の超電導
マグネット装置の説明図である。図３に示すように、熱
伝導部材１２として、ヘリウム等を密封した細管型ヒー
トパイプ３０を用いる。
【００５７】ヒートパイプ３０の熱伝達は伝導冷却に比
して格段に大きいので、ヒートパイプ３０の極低温冷媒
容器１３側と超電導コイル１側との温度差はゼロに近く
できる。したがって、超電導コイル１の温度上昇を約
０.２Ｋと極めて小さくできるので、超電導コイル１を
安定に運転できる。
【００５８】ここで、ヒートパイプ３０に密封する冷媒
はヘリウムとしたが、ヘリウムに限らず、使用温度によ
って適宜選択する。低温で使用できる冷媒としては水
素、ネオン、窒素、フッ素等がある。
【００５９】次に、本発明の第３の実施の形態を説明す
る。図４は本発明の第３の実施の形態に係わる超電導マ
グネット装置の説明図である。この第３の実施の形態
は、図２および図３に示した第２の実施の形態に対し、
熱伝導部材１２（ヒートパイプ３０）に代えて、超電導
コイル１に熱的に接触するように冷却管１９を付設し、
極低温冷媒容器１３に貯液された液体ヘリウムを循環さ
せるようにしたものである。
【００６０】すなわち、極低温冷媒容器１３と超電導コ
イル１とを熱伝導部材１２を介して熱的に接続した第２
の実施の形態に対し、第３の実施の形態では、その熱伝
導部材１２（ヒートパイプ３０）に代えて、極低温冷媒
容器１３に貯液された液体ヘリウムを循環させる冷却管
１９を超電導コイル１に熱的に接触するように付設し、
超電導コイル１を冷却するようにしたものである。
【００６１】超電導コイル１への侵入熱や交流損失によ
る発熱は、冷却管１９の管壁を介して液体ヘリウム５に
伝熱する。この際、液体ヘリウム５が蒸発し、蒸発潜熱
で発熱を吸収する。蒸発したヘリウム５は極低温冷媒容
器１３に戻り、再液化して冷却管１９内を貫流して超電
導コイル１を冷却する。
【００６２】この第３の実施の形態では、超電導コイル
１は冷却管１９内を貫流する液体ヘリウム５の蒸発潜熱
で冷却されるので、冷却管１９に温度差は生ぜず、冷却
管１９の温度は常に液体ヘリウム温度の４．２Ｋに保持
される。したがって、熱伝導部材１２を用いた伝導冷却
に比して、超電導コイル１の温度上昇を極めて小さくで
き、超電導コイル１を安定に運転できる。
【００６３】なお、冷却管１９の超電導コイル１への付
設は、超電導コイル１の軸方向両端部に屈曲部を有する
蛇管状にする。これは、電磁力による超電導コイル１の
変形に対して、冷却管１９の屈曲部を自由にし直線部の
みを接着等で熱的に接触させることにより、変形に追従
できるようにするためである。
【００６４】次に、本発明の第４の実施の形態を説明す
る。図５は本発明の第４の実施の形態に係わる超電導マ
グネット装置の説明図であり、図６は図５のＡ−Ａ線で
の断面図である。この第４の実施の形態に係わる超電導
マグネット装置は、シンクロトロン放射光装置用のウイ
グラー超電導マグネット装置を示している。
【００６５】図５において、超電導コイル１は複数個設
けられている。すなわち、ビームチャンバ９を挟んで上
下に対峙する１対の超電導コイル１がビームチャンバ９
の長手方向に複数対並設されている。超電導コイル１は
コイル枠２０に収納され超電導コイルユニット２１を構
成し、各超電導コイルユニット２１は連結部材２５で長
手方向に連結一体化され、さらに両側面にはコモン冷却
板２３が取り付けられている。
【００６６】また、図６に示すように、この上下の超電
導コイルユニット２１は間隔片２２を介して結合され、
コイル枠２０には予冷管１７が設けられている。これら
で超電導コイルアセンブリ２４を形成している。すなわ
ち、超電導コイルアセンブリ２４は、超電導コイル１と
コイル枠２０からなる超電導コイルユニット２１と、コ
イル枠２０に設けられた予冷管１７と、間隔片２２と、
コモン冷却板２３と、連結部材２５とから構成されてい
る。そして、この超電導コイルアセンブリ２４の上部に
は、極低温冷媒容器１３が配設されている。この極低温
冷媒容器１３は液体ヘリウム５が溜まるステンレス管製
の容器１３ａに、良熱伝導材料からなるブロック１３ｂ
を接合して構成されており、高強度で良熱伝導が得られ
る。
【００６７】また、超電導コイルアセンブリ２４周囲に
は輻射シールド２が配置され、さらに輻射シールド２を
包囲するように高温側輻射シールド３および真空容器４
が配設されている。極低温冷媒容器１３と冷却板２３と
は熱伝導部材１２で熱的に接続され、さらに、コイル枠
２０に収納された超電導コイル１とコモン冷却板２３と
も熱伝導部材１２で熱的に接続されている。
【００６８】図５に示すように、極低温冷媒容器１３に
はヘリウムを液化するための液化冷凍機７が搭載され、
液化された液体ヘリウム５によって、極低温冷媒容器１
３は常に４．２Ｋ以下の温度に保持される。冷凍機７の
低温側ステージ７ａは熱伝導部材１２を介して超電導コ
イル１に熱的に接続され、高温側ステージ７ｂは輻射シ
ールド２に熱的に接続され、それぞれ約４．２Ｋ、８０
Ｋの温度に冷却される。
【００６９】さらに、超電導コイルアセンブリ２４は高
温側輻射シールド１１から断熱支持材２６で吊り下げら
れ、所定の位置に組み立てられる。また、真空容器４の
外周の一部は二重容器で構成され、二重容器の環状空間
部はガスヘリウムの貯槽部１４になっている。この貯槽
部１４と極低温冷媒容器１３とは連通管１５で連通して
いる。
【００７０】また、図６に示すように、シールド冷却用
冷凍機７の低温側ステージ８ａは輻射シールド２を、高
温側ステージ８ｂは高温側輻射シールド３を冷却し、そ
れぞれ約８０Ｋ、２０Ｋの温度に保持される。
【００７１】このような超電導マグネット装置の運転に
際しては、基本的には前述した第１の実施の形態と同様
であるが、これら作用に加えて、この第４の実施の形態
では、複数個の超電導コイル１がコモン冷却板２３で熱
的に一体化され、各超電導コイル１と極低温冷媒容器１
３との間の熱抵抗がほぼ同値になるので、各超電導コイ
ル１を均一に冷却できる。
【００７２】また、１台の冷凍機７から複数個の超電導
コイル１を一体に冷却するので、熱伝導部材１２を各々
の超電導コイル１に引き回す必要がなく構造が簡素にな
る。特に、複数個の超電導コイル１からなる長尺の超電
導マグネット装置であっても、極低温冷媒容器１３の長
さを超電導コイルアセンブリ２４の長さと同等にするこ
とにより、各超電導コイル１を均一に冷却できる利点が
ある。
【００７３】また、初期冷却時に予冷管１７に例えば液
体窒素を流してコモン冷却板２３を介して超電導コイル
１を予冷できる。一般に超電導コイル１を構成する銅や
ステンレス鋼等は高温時程比熱が大きく、除熱能力が大
でかつ安価な液体窒素で３００Ｋから８０Ｋまで予冷す
ることにより、予冷時間を大幅に短縮できる。
【００７４】真空容器４の一部に貯槽部１４を設けたの
で、外部に別置きのガス貯槽部１４が不要で、かつ、こ
のガス貯槽部１４と超電導マグネット装置とを連通する
配管類の敷設スペースも不要でコンパクトに配置でき
る。さらに、真空容器４の円筒部を２重容器に構成して
貯槽部１４を形成したことにより、真空容器４の板厚を
薄くでき、かつ、真空容器４の外径寸法の増大を最小に
して内容量の大きい貯槽部１４を形成できるので、重量
や製造コストを低減することができる。
【００７５】なお、第４の実施の形態では予冷管１７を
コイル枠２０に設けたが、極低温冷媒容器１３を構成す
るブロック１３ｂに付設しても良いし、コモン冷却板２
３に付設しても良い。また、第３の実施の形態と同様
に、熱伝導部材１２に代えて、極低温冷媒容器１３に貯
液された液体ヘリウムを循環させる冷却管１９をコモン
冷却板２３に熱的に接触するように付設してもよい。
【００７６】次に、本発明の第５の実施の形態を説明す
る。図７は本発明の第５の実施の形態に係わる超電導マ
グネット装置の説明図である。この第５の実施の形態
は、冷凍機７で冷却された冷媒を、超電導コイル１と熱
的に直接または間接的に接触するように付設された極低
温冷媒配管２７に循環させ超電導コイル１を冷却するよ
うにしたものである。
【００７７】図７において、超電導マグネット装置は、
超電導コイル１が輻射シールド２によって包囲され、さ
らに輻射シールド２は真空容器４に包囲されている。冷
凍液化機２８は、冷凍機７およびコンプレッサー２９と
から構成されており、冷凍液化機２８に接続された極低
温冷媒配管２７は、超電導コイル１に熱的に接触するよ
うに付設されている。
【００７８】このような超電導マグネット装置の運転に
際しては、真空容器４内を図示しない真空ポンプで高真
空まで排気し、冷凍液化機２８で輻射シールド２および
超電導コイル１を所定の温度まで冷却する。予冷完了
後、冷凍液化機２８の運転継続で極低温冷媒配管２７に
は液体ヘリウム５が液化されて溜まる。
【００７９】ここで、超電導コイル１の励消磁時の際に
は交流損失による発熱を生じると、この交流損失と侵入
熱とを合わせた熱負荷が冷凍液化機２８の冷却能力を上
回る。この際には、極低温冷媒配管２７に貯液された液
体ヘリウム５が蒸発し、その時の蒸発潜熱で冷凍液化機
２８で不足の冷却能力を補うことになる。この時、蒸発
した冷媒ガスは冷凍液化機２８を構成するコンプレッサ
ー２９に一時貯留される。
【００８０】そして、定常運転状態では、超電導コイル
１は電気抵抗がゼロであるため、電流を流してもジュー
ル発熱はなく侵入熱のみである。この時は冷凍液化機２
８の冷却能力が侵入熱を上回るので、蒸発冷媒ガスは再
液化されて冷媒配管２７内に溜まる。
【００８１】この第５の実施の形態では、冷媒配管２７
内に冷却に必要な最少量の冷媒を貯液し、超電導コイル
１を冷却するので、超電導コイル１を液体ヘリウムに浸
漬しなくとも効率良く冷却可能である。また、超電導コ
イル１を収納するコイル容器１８も不要である。また、
励消磁時等の非定常発熱に対しては、貯液された冷媒の
蒸発潜熱で除熱でき、かつ、その時の蒸発冷媒ガスは冷
凍液化機２８で再液化されるので外部から冷媒を注液す
る必要がなく、取り扱いが容易である。
【００８２】さらに、超電導コイル１は極低温冷媒配管
２７内を貫流する液体ヘリウムの熱伝達および蒸発潜熱
で冷却されるので、熱伝導部材１２を用いた伝導冷却に
比して、超電導コイル１の温度上昇を極めて小さくでき
る。したがって、超電導コイル１を安定に運転できる。
また、極低温冷媒配管２７を超電導コイル１に付設する
だけで、他の熱伝導部材１２が不要になるので構造が簡
素化される。
【００８３】また、図７に示すように極低温冷媒配管２
７の一部に、極低温冷媒配管２７よりも相当口径の大き
い(単位長さ当たりの体積が大きい)冷媒溜め２７ａを設
けることにより、極低温冷媒配管２７内に貯液される冷
媒量を多くできる。したがって、励消磁時等の非定常発
熱に対しても超電導コイル１を安定に運転できる。さら
に、極低温冷媒配管２７を超電導コイル１に直接付設せ
ず、超電導コイル１と熱的に接触する冷却部材に極低温
冷媒配管２７を付設し、間接的に超電導コイル１を冷却
してもよい。
【００８４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超電導コイルを冷媒に浸漬することなく効率よく冷却で
きる。また、励消磁頻度が多い場合や励消磁時間が短い
時等の交流損失による発熱が大きい場合でも、超電導コ
イルの温度上昇を極めて小さく抑制して安定に運転でき
る。したがって、取り扱いが容易で、冷却能力に優れた
信頼性の高い超電導マグネット装置を提供できる。
【００８５】すなわち、請求項１の発明によれば、極低
温冷媒容器に冷却に必要な最少量の冷媒を貯液し、超電
導コイルを熱伝導部材を介して伝導冷却するので、液体
ヘリウムに浸漬しなくとも効率良く冷却可能で、超電導
コイルを収納するヘリウム容器も不要である。また、励
消磁時等の非定常発熱に対しては、貯液された冷媒の蒸
発潜熱で除熱できる。
【００８６】請求項２の発明によれば、超電導コイルは
冷却管内を貫流する液体ヘリウムの熱伝達で冷却される
ので、熱伝導部材を用いた伝導冷却に比して、超電導コ
イルの温度上昇を極めて小さくできる。したがって、超
電導コイルを安定に運転できる。
【００８７】請求項３の発明によれば、複数個の超電導
コイルがコモン冷却板で熱的に一体化され、各超電導コ
イルと極低温冷媒容器間の熱伝導部材の熱抵抗がほぼ同
値になるので、各超電導コイルを均一に冷却できる。ま
た、構造が簡素になる。
【００８８】請求項４の発明によれば、コモン冷却板は
冷却管内を貫流する液体ヘリウムの熱伝達で冷却される
ので、熱伝導部材を用いた伝導冷却に比して、超電導コ
イルの温度上昇を極めて小さくできる。したがって、超
電導コイルを安定に運転できる。
【００８９】請求項５の発明によれば、請求項１乃至請
求項４に記載の発明の効果に加えて、外部から冷媒を注
液する必要がなく、必要量の冷媒のガスを用意すること
により、冷凍機で液化できる。また、運転中には蒸発ガ
スを液化するので、取り扱いが用意である。
【００９０】請求項６の発明によれば、請求項１または
請求項３記載の発明の効果に加えて、熱伝導に優れ、高
強度の極低温冷媒容器を得ることができる。特に、冷媒
容器を円管にすることにより、耐圧力性が向上させるこ
とができる。
【００９１】請求項７の発明によれば、請求項１または
請求項３記載の発明の効果に加えて、熱伝達の大きい例
えばヘリウム等の冷媒を密封した細管型ヒートパイプを
用いることにより、銅板やアルミニウム板の熱伝導部材
を用いた伝導冷却に比して、超電導コイルの温度上昇を
極めて小さくできる。したがって、超電導コイルを安定
に運転できる。
【００９２】請求項８の発明によれば、初期冷却時に予
冷管に例えば液体窒素を流して超電導コイルを予冷でき
る。一般に超電導コイルを構成する銅やステンレス鋼等
は高温時程比熱が大きく、液体窒素で３００Ｋから８０
Ｋまで予冷することにより、予冷時間を大幅に短縮でき
る。
【００９３】請求項９の発明によれば、初期冷却時に予
冷管に例えば液体窒素を流してコモン冷却板を介して超
電導コイルを予冷できる。一般に超電導コイルを構成す
る銅やステンレス鋼等は高温時程比熱が大きく、除熱能
力が大でかつ安価な液体窒素で３００Ｋから８０Ｋまで
予冷することにより、予冷時間を大幅に短縮できる。
【００９４】請求項１０の発明によれば、請求項５に記
載の発明の効果に加えて、外部にガス貯槽部が不要で、
かつ、このガス貯槽部と超電導マグネットとを連通する
配管類の敷設スペースも不要でコンパクトに配置でき
る。
【００９５】請求項１１の発明によれば、請求項１０に
記載の発明の効果に加えて、重量や製造コストを低減す
ることができる。また、真空容器の円筒部を２重容器に
構成した方が板厚を薄くでき、かつ、真空容器の外径寸
法の増大を最少限にして内容量の大きい貯槽部を形成で
きる。
【００９６】請求項１２の発明によれば、超電導コイル
は冷媒配管内を貫流する液体ヘリウムの熱伝達で冷却さ
れるので、熱伝導部材を用いた伝導冷却に比して、超電
導コイルの温度上昇を極めて小さくできる。したがっ
て、超電導コイルを安定に運転できる。また、極低温冷
媒配管を超電導コイルに付設するだけで、他の熱伝導部
材が不要になるので構造が簡素化される。
【００９７】請求項１３の発明によれば、請求項１２に
記載の発明の効果に加えて、冷媒配管内に貯液される冷
媒量を多くできるので、励消磁時等の非定常発熱に対し
ても超電導コイルを安定に運転できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる超電導マグ
ネット装置の説明図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係わる超電導マグ
ネット装置の説明図。
【図３】本発明の第２の実施の形態における熱伝導部材
としてヒートパイプを用いた場合の超電導マグネット装
置の説明図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係わる超電導マグ
ネット装置の説明図。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係わる超電導マグ
ネット装置の説明図。
【図６】図５のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係わる超電導マグ
ネット装置の説明図。
【図８】従来の浸漬冷却を採用した超電導マグネット装
置の説明図。
【図９】従来の冷凍機直接冷却を採用した超電導マグネ
ット装置の説明図。
【符号の説明】
１ 超電導コイル ２ 輻射シールド ３ 高温側輻射シールド ４ 真空容器 ５ 液体ヘリウム ６ ヘリウム容器 ７ 冷凍機 ８ シールド冷却用冷凍機 ７ａ、８ａ 低温側ステージ ７ｂ、８ｂ 高温側ステージ ９ ビームチャンバ １０ ビームチャンバ輻射シールド １１ ビームチャンバ高温側輻射シールド １２ 熱伝導部材 １３ 極低温冷媒容器 １３ａ 容器 １３ｂ ブロック １４ 貯槽部 １５ 連通管 １６ 電流リード １７ 予冷管 １８ コイル容器 １９ 冷却管 ２０ コイル枠 ２１ 超電導コイルユニット ２２ 間隔片 ２３ コモン冷却板 ２４ 超電導アセンブリ ２５ 連結部材 ２６ 断熱支持材 ２７ 極低温冷媒配管 ２７ａ 冷媒溜め ２８ 冷凍液化機 ２９ コンプレッサー ３０ ヒートパイプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森井 保次 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 磁場を発生する超電導コイルと、この超
    電導コイルを包囲する輻射シールドと、輻射シールドを
    包囲する真空容器と、前記超電導コイルを冷却するため
    の冷凍機とを備えた超電導マグネット装置において、前
    記輻射シールド内に設けられ前記冷凍機で冷却された冷
    媒を貯蔵し前記超電導コイルと熱的に直接または熱伝導
    部材を介して接続された極低温冷媒容器を備えたことを
    特徴とする超電導マグネット装置。
  2. 【請求項２】 磁場を発生する超電導コイルと、この超
    電導コイルを包囲する輻射シールドと、輻射シールドを
    包囲する真空容器と、前記超電導コイルを冷却するため
    の冷凍機とを備えた超電導マグネット装置において、前
    記輻射シールド内に設けられ前記冷凍機で冷却された冷
    媒を貯蔵する極低温冷媒容器と、前記超電導コイルと熱
    的に接触するように設けられ前記極低温冷媒容器に貯液
    された冷媒を循環させるための冷却管とを備えたことを
    特徴とする超電導マグネット装置。
  3. 【請求項３】 磁場を発生する複数の超電導コイルと、
    これら複数個の超電導コイルを一体で包囲する輻射シー
    ルドと、輻射シールドを包囲する真空容器と、前記超電
    導コイルを冷却するための冷凍機とを備えた超電導マグ
    ネット装置において、前記複数個の超電導コイルを熱的
    に接続するコモン冷却板と、前記輻射シールド内に設け
    られ前記冷凍機で冷却された冷媒を貯蔵し前記コモン冷
    却板と熱的に熱伝導部材を介して接続された極低温冷媒
    容器とを備えたことを特徴とする超電導マグネット装
    置。
  4. 【請求項４】 磁場を発生する複数の超電導コイルと、
    これら複数個の超電導コイルを一体で包囲する輻射シー
    ルドと、輻射シールドを包囲する真空容器と、前記超電
    導コイルを冷却するための冷凍機とを備えた超電導マグ
    ネット装置において、前記複数個の超電導コイルを熱的
    に接続するコモン冷却板と、前記輻射シールド内に設け
    られ前記冷凍機で冷却された冷媒を貯蔵する極低温冷媒
    容器と、前記コモン冷却板と熱的に接触するように設け
    られ前記極低温冷媒容器に貯液された冷媒を循環させる
    ための冷却管とを備えたことを特徴とする超電導マグネ
    ット装置。
  5. 【請求項５】 前記冷凍機は、前記極低温冷媒容器内の
    冷媒を液化することを特徴とする請求項１乃至請求項４
    のいずれか１項に記載の超電導マグネット装置。
  6. 【請求項６】 前記極低温冷媒容器は、前記冷媒を貯液
    するステンレス管で形成された容器と、前記容器を保持
    する良熱伝導材料で形成されたブロックとを備えたこと
    を特徴とする請求項１または請求項３に記載の超電導マ
    グネット装置。
  7. 【請求項７】 前記熱伝導部材は、ヒートパイプで構成
    したことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の
    超電導マグネット装置。
  8. 【請求項８】 超電導コイルと極低温冷媒容器との少な
    くともいずれかに予冷管を具備したことを特徴とする請
    求項１または請求項２に記載の超電導マグネット装置。
  9. 【請求項９】 前記コモン冷却板と前記極低温冷媒容器
    の少なくともいずれかに予冷管を具備したことを特徴と
    する請求項３または請求項４に記載の超電導マグネット
    装置。
  10. 【請求項１０】 前記真空容器に設けられ前記冷媒のガ
    スを貯めるための貯槽部と、前記貯槽部と前記極低温冷
    媒容器とを連通するための連通管とを備えたことを特徴
    とする請求項５に記載の超電導マグネット装置。
  11. 【請求項１１】 前記貯槽部は、前記真空容器の少なく
    とも一部に二重容器部で形成されたことを特徴とする請
    求項１０に記載の超電導マグネット装置。
  12. 【請求項１２】 磁場を発生する超電導コイルと、この
    超電導コイルを包囲する輻射シールドと、輻射シールド
    を包囲する真空容器と、前記超電導コイルを冷却するた
    めの冷凍機を備えた超電導マグネット装置において、前
    記超電導コイルと熱的に直接または間接的に接触するよ
    うに付設され冷凍機からの液化冷媒を循環させるための
    極低温冷媒配管を備えたことを特徴とする超電導マグネ
    ット装置。
  13. 【請求項１３】 前記極低温冷媒配管よりも口径の大き
    い冷媒溜めを前記極低温冷媒配管の一部に設けたことを
    特徴とする請求項１２に記載の超電導マグネット装置。
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