JPS60245285A

JPS60245285A - 超電導磁石装置

Info

Publication number: JPS60245285A
Application number: JP59102024A
Authority: JP
Inventors: Kinya Matsutani; 松谷　欣也; Katsutoki Sasaki; 佐々木　克時
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-05-21
Filing date: 1984-05-21
Publication date: 1985-12-05
Also published as: JPH0560274B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は超電導磁石と冷媒冷凍機とを組合わせたもので
あって、例えば単結晶育成装置、核磁気共鳴装置に使用
される超電導電磁石装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景〕

従来この種の超電導電磁石装置の一例として第１図のよ
うに構成されたものがある。

すなわち、外槽Ｉ内に輻射シールド板２が配置され、こ
の内側に内槽３が配置され、これらにより保冷容器りが
構成されている。上記内槽３内には後述する冷媒冷凍機
により極低温例えば４．２Ｋに冷却される液体ヘリウム
５が封入され、超電導コイル６が図示しない超電導コイ
ル支持材により上記内槽３内に支持さ−れている。

この超電導コイル６はパワーリード７の一端部と電気的
に接続され、このパワーリード７の他端部が上記保冷容
器土の外部の常温空間に一端部が位置するように設けら
れ、上記パワーリード７の一端部は外部電源８と電気的
に接続され、これにより超電導コイル６が励磁可能にな
っている。上記内槽３には、この内槽３内で生ずる異常
ヘリウムガス圧を上記外槽Ｉ外部に放圧でき−るように
放圧配管９の一端部が連結され、この放圧配管９の他端
部が外部空間に位置するとともに、放圧配管の他端部に
は機械式放圧装置１０およびラブチャーデスク式放圧装
置１１が連結されている。

上記機械式′放圧装置１０は所定圧をこえたとき弁体が
開放状態となり、所定圧未満のとき弁体が閉路状態とな
る構成のものである。又上記ラブチャーデスク式放圧装
置１１は異常圧となったとき容器開口部を閉塞している
部材が破裂するような構成のものである。

上記冷媒冷凍機として例えばヘリウム冷凍機（以下冷凍
機と称す）７２が用いられ、これは以下のように構成さ
れている。上記外槽Ｉの外部上壁面には冷凍機ヘッドＩ
３が設けられ、この冷凍機ヘッドＩ３の冷媒流入配管１
４および冷媒戻り配管Ｉ５にはヘリウムを圧縮する圧縮
機１６が接続され、圧縮機Ｉ６にはこれを駆動するため
の電動機１７が直結されている。上記冷凍機ヘッド１３
には、上記外槽！内でありて、輻射シールド板２の外側
に配設され、上記Ａ／クワ−−ド７および輻射シールド
板２を冷却するための第１段冷却器１８が設けられ、こ
の第１段冷却器１８には輻射シールド板２内であって上
記パワーリード７を冷却するための第１段冷却器Ｉ９が
設けられている。上記第１段冷却器１８および第２段冷
却器１９はいずれも、上記冷凍機へ、ドＸ３内忙有する
ピストン駆動機構（図示せず）により駆動されるヘリウ
ムを圧縮膨張するピストン（図示せず）と、このピスト
ンの圧縮膨張作用により冷却されるヘリウムを蓄冷する
蓄冷材（図示せず）と、機械的支持および熱伝導をかね
た部材例えばフランジ１８Ａ。

Ｚ９Ａとからなっている。この第１段冷却器１８のフラ
ンジ１８には上記輻射シールド板２に機械的および伝熱
的に接続され、また第１段冷却器１８のフランジ１８に
とパワーリード７の第１段ヒートステーション２０との
間は熱伝導の良好な伝熱部材２Ｉにより機械的および伝
熱できるように接続されており、さらに第２段冷却器１
９のフランジ１９にとパワーリード７の第２段ヒートス
テーション２２との間も同様に伝熱部材２８１／Ｃより
接続されている。

上記内槽３内には、この内部の液体ヘリウム５が蒸発に
より生ずるヘリウムガスを再凝縮するためにヘリウム再
凝縮器（以下再凝縮器と称す）２４が設けられ、この再
凝縮器２４の入口側、出口側にはＪ−Ｔ流入配管２５お
よびＪ−Ｔ戻り配管２６の一端部が接続されている。こ
のＪ−Ｔ流入配管２５およびＪ−Ｔ戻り配管２６の他端
部は、上記冷凍機ヘッド１３の入口側および出口側に接
続されている冷媒流入配管１４および冷媒戻り配管１５
と接続され、上記Ｊ−Ｔ流入配管２５およびＪ−Ｔ戻り
配管２６の途中には第１段熱交換器２７の流入側、第２
段熱交換器２８の流入側、第３段熱交換器２９の流入側
が直列に接続されている。

そして、第１段熱交換器２７と第２段熱交換器２８が接
続されている上記Ｊ−Ｔ流入配管２５の途中に上記第１
段冷却器１８のフランジ１８ｋが貫通固着されている。

また、上記第２段熱交換器２８と上記第３段熱交換器２
９が接続されているＪ−Ｔ流入配管２５の途中には上記
第２段冷却器１９のフランジＺ９Ａが貫通固着されてい
る。上記第３段熱交換器２９′と上記再凝縮器２４が接
続されているＪ−Ｔ流入配管２５の途中にＪ−Ｔ弁３０
が設けられている。

上記Ｊ−Ｔ戻り配管２６には、上記第１．第２および第
３段熱交換器２７．２８．２！ｐの流出側が直列に接続
されている。このように冷凍機１２が構成されている。

次に以上のように構成された従来の超電導磁石装置の動
作について説明する。

常温空間（例えば３００Ｋ）Ｋ、やワーリード７の一端
部が位置し、この他端部は、外槽Ｉおよび輻射シールド
板２を介して内槽３内部に位置しているので、パワーリ
ード７の作用すなわち熱伝導、熱輻射により常温空間よ
りの熱が内槽３内に侵入し、極低温（例えば４．２Ｋ）
状態にある液体ヘリウム５は蒸発してゆく。

この液体ヘリウム５の蒸発を最小限に押えるために、外
槽Ｉ内に輻射シールド板２が配設され、この輻射シール
ド板２は、第１段冷却器１８により７０〜１００ＫＫ冷
却されるようになっている。外部の常温空間よりの侵入
熱のうち、最も多いのは、パワーリード７より伝わる侵
入熱である。この侵入熱を低減するために、パワーリー
ド７は、７０〜１００Ｋに冷却された眸−トステーショ
ン２０および１０〜２０ＫＫ冷却されたヒートステーシ
ョン２２により強制的に冷却されている。

通常、この様な侵入熱低減により内槽３内での液体ヘリ
ウム５Ｖｃ蒸発量は１〜２１　／　ｈと小さな値となる
。この蒸発したヘリウムガスは４２Ｋに冷却されている
再凝縮器２４により凝縮（液化）され液体ヘリウムとな
って内槽３に戻る。

このようにして、液体ヘリウムな再注液せずに超電導磁
石装置を連続運転することが出来る。

〔背景技術の問題点〕

ところが、上記のように構成された従来の超電導磁石装
置では以下に述べる欠点があった。

パワーリード７を介しての侵入熱量は０式に示すように
外部電源８よりの励磁電流値に比例する。

Ｑ、＝Ｉ−−Ｇ工（ＴＨ−Ｔｃ　）　・・・・・・■こ
こで　Ｑｐ　：／＃ワーリード７からの侵入熱量Ｉ：励
磁電流値 α：定数（ｐ：パワーリード抵抗率。

Ｔ：温度とした時ｙｐ＝αＴなる定数）Ｋ：パワーリード７の熱伝導率Ｔｈ：高温部温度Ｔｃ：低温部温度例えば、Ｔｈをヒートステーション２２の温度１０に〜
２０Ｋにとり、Ｔｃを液体ヘリウム５の温度４．２Ｋに
とればＱ、は液体ヘリウムへの侵入熱量となり、この熱
に相当１−た気化熱分の液体ヘリウムが蒸発する。超電
導コイル６によって発生する磁場を可変させたいという
要請がある場合（例えば単結晶育成装置、核磁気共鳴装
置に使用する場合）磁場強度に比例して励磁電流値Ｉを
変えるので０式によれば侵入熱量Ｑ、はこれに応じて変
化することＫなる。従って、液体ヘリウム蒸発量も変動
することＫなる。

ここで、冷凍機１２の冷凍動作を考えてみる。

圧縮機１６内のヘリウムガスは、電動機１７にて駆動圧
縮され、冷媒流入配管１４．冷凍機ヘッド１３．第１段
冷却器１Ｂ、第２段冷却器１９、冷媒戻り配管１５を通
って再び圧縮機１６へと戻る循環ループ内を流動してい
る。この際、冷凍機ヘッド１３内にてヘリウムガスは断
熱膨張し、この時の熱の授受忙より第１段冷却器１８は
１００に〜７０Ｋに、第２段冷却器１９はＩＯＫ〜２０
Ｋに冷却される。一方、圧縮機１６より吐出されたヘリ
ウムガスは、一部が冷媒流入配管Ｉ４より分岐しＪ−Ｔ
流入配管２５へ流入する。このヘリウムガスは、第１段
熱交換器２７．第１段冷却器１８．第２段熱交換器２８
．第２段冷却器１９．第３段熱交換器２９を通って、反
転温度以下の（例えば２０に以下）極低温ヘリウムガス
となる。このヘリウムガスはＪ−Ｔ弁３０を通過する際
に１いわゆるジュール・トムソン効果により極低温（例
えば４．２　Ｋ　）の気・液２相流となり再凝縮器２４
へと流入する。このため内槽３内にて蒸発しているヘリ
ウムガスは、この再凝縮器２４により再び液化され、液
体ヘリウムになって内槽３内へ戻る。再凝縮器２４を流
出したヘリウムガスは、第３段熱交換器２９．第２段熱
交換器２８゜第１段熱交換器２１．Ｊ−Ｔ戻り配管２６
を通って、圧縮機１６へと戻る。

第２図（ｂ）はこの冷凍機、しノーの再凝縮器２４の冷
凍能力曲線を示す。横軸は再凝縮器２４のヘリウムガス
の温度Ｔ（６）、縦軸はその冷凍能力Ｐ−（Ｗａ　ｔ　
ｔ　）を示し、ｆは電動機１７の運転周波数（５０Ｈｚ
）を示している。第２図（、）は、励磁電流値■に対す
る液体ヘリウムへの侵入熱量Ｑを示す。

ここで、Ｑ　−Ｑ６　＋　Ｑｐとなり、Ｑ、は上記０式
にて示される／臂ワーリード７よりの侵入熱量、Ｑ。

は超電導コイル支持材（図示せず）、輻射シールド板２
を介して侵入する熱量であり励磁電流値には存在せずほ
ぼ一定値である。超電導コイル６への励磁電流値がその
最低値ｌｍ１ｎである時、液体ヘリウム５への侵入熱量
はＱ□となる。このＱＩＫて蒸発したヘリウムをすべて
再凝縮するためにはｐ、　”　Ｑｌなる再凝縮器２４の
冷凍能力が必要であり、第２図（ｂ）より、この場合は
ｂｌなる冷凍能力曲線上の点にて冷凍機は動作すること
になる。この時の冷媒温度およびこれと平衡状態にある
液体ヘリウム５の温度はＴ１となる。

次に１励磁電流を上げてその最大値Ｉｍａｘにて超電導
コイル６を運転する時は、液体ヘリウム５への侵入熱量
はＱ！となる。この場合はＰ８−Ｑ、となる第２図（ｂ
）のｂ２なる冷凍能力曲線上の点にてヘリウム冷凍機１
２は動作することになる。こ０時の液体ヘリウム５の温
度はＴ、となる。超電導コイル６の運転をやめ、励磁電
流を零にした時は、Ｑ（１＝’ｌ’。となり、冷凍能力
曲線上のｂｏなる点にて冷凍機１２−は動作し、液体ヘ
リウム５の温度はＴｏとなる。但し、電動機１７の運転
周波数ｆ１は一定となっている。

ここで、超電導コイル６の運転温度を考えてみる。この
場合超電導コイル６として例えば、Ｎｂｔｉ超電導線を
巻回したものを用い、運転温度４．２に近傍で設計され
るのが通例である。設計許容温度マージンはせいぜいプ
ラスＩＫ程度である。これ以上温度を上げると超電導コ
イル６はいわゆるクエンチすなわち常電導転移を生じや
すくなり超電導コイル６の損傷をまねくことになる。

第２図（ｂ）の場合、Ｔ１を設計運転温度（例えば４．
２Ｋ）にすると、Ｔ２はＴ１＝Ｔ、＋１（例えば５、２
　Ｋ　）となり、ＴｏはＴｏ（Ｔ１となる。液体へリウ
ム５は４．２Ｋにてほぼ大気圧なので、Ｔｏなる温度状
態では、液体ヘリウムは負圧の状態となっている。すな
わち、内槽３内および再凝縮器２４と、この付近のＪ−
Ｔ流入配管２５゜Ｊ−Ｔ戻り配管２６．Ｊ−Ｔ弁３０は
負圧現象となっている。

この様な状況下では、大気中の水分、窒素分。

酸素分等の不純物が内槽３の溶接部、再凝縮器２４の溶
接部、シールド部、Ｊ−Ｔ弁３００大気とのシール部等
を介して、ｐｐｍオーダの微少量ずつＪ−Ｔ配管系統（
Ｊ−Ｔ流入配管２５゜Ｊ−Ｔ戻り配管２６の総称）に混
入してくる。

Ｊ−Ｔ配管系統に混入した不純物は４．２に以下の温度
で固化してゆくので、長時間に渡ってこの運転状態が続
くと、特に冷媒流入配管１４゜冷媒戻り配管Ｚ５に比べ
て配管口径の細いＪ−Ｔ配管系統は不純物による目づま
りを生じＪ−Ｔ配管系統が閉塞に至り、もはや冷凍機１
２はその性能を発揮出来なくなるという欠点がある。

上記のような負圧現象を発生させないためには、Ｔｏ＞
４．２にとし無励磁状態でもＪ−Ｔ配管系統および内槽
３が大気圧以上になる様にすれば良いが、この場合は、
Ｔ！＜５．２にあるいは、Ｔ、−Ｔ、Ｊ＃ＩＫとなる運
転温度制約条件があるのでＴｏ＜４．２にの時に比べて
ｌｍ１ｎとＩｍａｘを広い範囲に取れなくなる。すなわ
ち、磁場可変領域が狭くなり、例えば単結晶育成装置、
核磁気共鳴装置には使用できないことがある。更に、第
２図（ｂ）に示す各運転状態ｂ０．ｂ１．ｂ３に冷凍機
Ｌ１が状態窒化する場合、励磁電流値の変化による侵入
熱量の変化に対してＰ＝Ｑとなる冷凍機Ｌノの冷凍能力
の追随性が悪い。すなわち、冷凍能力変化の時定数例え
ば、数時間程度と大きい。このため、励磁電流値を変化
させている時は、励磁電流値変化の時定数は冷凍機１２
の冷凍能力変化の時定数より充分に小さいので、侵入熱
量と冷凍能力が常にバランスしていない状態で超電導磁
石装置を運転することになる。例えば、励磁電流値を上
げた場合、外部よりの侵入熱量は励磁電流値に見合って
すぐに増大するが、再凝縮器２４ＦＣ於ける冷凍能力は
、はとんど前の状態と変わらない。このため、液体ヘリ
ウムの蒸発量が急増し密閉状態の内槽圧力は急激に増大
する。内槽圧力が設計圧力以上忙なると保冷容器ｆに設
けられた機械式放圧装置１０より蒸発ヘリウムガスが放
出する。冷凍能力追随性が悪いので、最悪の場合、侵入
熱量と冷凍能力がバランスして機械式放圧装置１０の動
作が停止する前に内槽３内に貯液されている液体ヘリウ
ム５がすべて蒸発して大気へ放出してしまう。あるいは
、内槽圧力上昇が急激すぎてラゾチャーディスク式放圧
装置Ｘ１が動作して液体ヘリウム５がすべて大気へ放出
してしまう場合もある。この様な場合、Ｊ−Ｔ弁３０の
開度なマニュアルで変えてバランス点を探すという方式
があるが、この調整そのものが難しく経験を積んだ運転
者にして初めて可能である。いわんや素人では、はとん
ど不可能である。そのため、上記したような冷凍機付超
電導磁石装置は運転操作が難しく、長期信頼運転に次げ
るという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記の従来技術のもつ欠点を除去するために
行ったもので、超電導コイルの励磁電流値変化薄倖う侵
入熱量変化に対応して冷媒冷凍機の冷凍能力を制御でき
、不純物混入の危険性がな（、超電導コイルの運転電流
を広範囲に選ぶことができ、液体ヘリウム温度あるいは
圧力を常に一定値に制御でき操作性に勝れ、長期信頼運
転可能な超電導磁石装置を提供することを目的としてい
る。

〔発明の概要〕

本発明は上記目的を達成するために、第１番目の発明で
は冷媒冷凍機の圧縮機駆動用電動機の回転数を制御する
回転数制御手段を具備し、第２番目の発明では冷媒冷凍
機の圧縮機の冷媒吐出流量を制御する冷媒流量制御手段
を具備５し、第３番目の発明では冷媒冷凍機のＪ−Ｔ配
管系統に冷媒の圧力を制御する冷媒圧力制御手段を具備
したものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明について図面を参照して説明する。はじめ
に第３図により本発明の第１の実施例について説明する
が、第１図と同一部分には同一符号を付してその説明を
省略する。圧縮機Ｉ６を駆動するための電動機１７を回
転数制御するために次のように構成されている。電動機
Ｉ７にはインバータ可変速制御装置３１が電気的に接続
されている。このインバータ可変速制御装置３１には後
述する中央、制御装置３２からの周波数設定信号ａが出
力されるようになっている。

中央制御装置３２には、電動機Ｚ７の回転数計３３で計
測され、これが電気信号に変換された制御信号すが入力
されるよう忙なっている。

再凝縮器２４の温度が温度計測器３４により計測され、
この計測値が変換器３５により電気制御信号Ｃに変換さ
れて上記中央制御装置３２に入力されるようになってい
る。また、上記内槽３の圧力すなわち、放圧配管９の圧
力が圧力計測器３６で計測され、この計測値は変換器３
７により電気制御信号ｄに変換されて、上記中央制御装
置３２に入力されるようになっている。

また、上記外部電源８の励磁電流値Ｉは変換器４０に制
御信号ｅに変換されて上記中央制御装置３２に入力され
るようになっている。そして、上記放圧配管９には上記
機械式放圧装置１０を設けず、この代りに電磁弁、電動
弁等の自動弁３９が設けられ、この自動弁３９に上記中
央制御装置３２からの開・閉信号ｆが出力されるように
なっている。

上記中央制御装置３２には、上記電動機Ｚ７の回転数に
基づく制御信号ｂ１再凝縮器２４の温度に基づく制御信
号Ｃ１放圧配管９の圧力に基づく制御信号ｄおよび超電
導コイル６の励磁電流に基づく信号ｅが入力され、第２
図に示す内容の励磁電流信号によって外部からの侵入熱
量Ｑをめ、これに対応して制御すべき周波数設定信号ａ
を上記インバータ可変速制御装置３Ｚに出力し、また中
央制御装置３２は第４図。

第５図、第６図に示す制御により自動弁３９に対して開
・閉信号が与えられる。

次に、このように構成された本発明の超電導磁石装置の
作用を説明する。電動機１７の周波数ｆと冷凍機、１２
の冷凍能力Ｐとの間には次のような関係が成立する。

Ｐ＝Ｋ・ｆ　・・・・・・■ ここでに：比例定数第２図（ｂ）Ｉｃ示すように、周波数ｆを変えると図示
のような冷凍能力曲線が得られる。但し、図中ｆ０なる
曲線はＴ１にてＰ。なる冷凍能力となる様に周波数を選
んだ場合であり、同様にｆ。

はＴ１にてＰ１＋’２はＴ１にてＰ、となる様に周波数
を選定している。ここでｆ、　（ｆ、　（ｆ、でありｆ
ｌは従来の電動機１７の回転数制御をしない時の周波数
である。まず、超電導コイル６への励磁電流値が零の時
を考える。第２図（ｂ）に於いて従来装置ではｂｏなる
位置にて冷凍機１２は運転されているが、本発明装置で
はインバータ可変速制御装置３１より周波数をｆ。なる
値に変化させ、冷凍機運転状態をｂ４なる位置にする。

この時、上記中央制御装置３２は第４図にて示すフロー
チャートに従った制御を行う。すなわち、励磁電流零に
相当する周波数ｆ０に設定し、回転数計３３とインバー
タ可変速制御装置゛３１により周波数ｆを一定値ｆ。Ｋ
保持させｆ＝ｆ。のときは微調変動分Δｆを加算、減算
してｆ＝ｆ、にさせる。再凝縮器２４の温度およびこれ
と平衡になっているこれをＰｒｌとする。ラブチャーデ
ィスク式放圧装置ＺＩが破れつする内槽圧力より低い設
計許容内槽圧力をＰｒｏとする。

ここで、Ｐｒｏ　）　Ｐｒｌである。

以下項番の手順で運転制御が行われる。

（１）　内槽３内圧力Ｐｒと設計許容内槽圧力Ｐｒ。

を比較する。Ｐｒ　）　Ｐｒｏ、であれば自動弁３９を
開にしてＰｒ＝Ｐｒｌなるまで放圧する。この開動作数
Ｎをカウントする。この動作が頻繁になりある一定時間
内で−Ｎｏより大となったら制御不能ということで冷凍
機２ｇの運転を停止させる。Ｐｒ（２）　ＰｒとＰｒｌ
を比較する。Ｐｒ　＝　Ｐｒｌならこの状態を保持する
。そしてＰｒ（Ｐｒｌの時は、周波数を微調変動分Δｆ
０減少させ冷凍能力を低下させ蒸発ヘリウム量を増大さ
せ、内槽３の圧力を上昇させる。Ｐｒ）Ｐｒ１０時は、
周波数を微調変動分Δｆ０増大させ冷凍能力を上げヘリ
ウムガス再凝縮量を増大させ、内槽圧力を低下させる。

これらの動作の後、再びＰｒとＰｒｌを比較する。

この（１）（２）の手順をくり返して、第２図の特性曲
線上ｂ４なる位置を制御する。

次に、超電導コイル６を励磁して１ｍｌｎ（１（Ｉｍａ
ｘなる値にて通電保持する時を考える。以下、■＝例え
ばＩ　ｒｒ＋ａｘにて説明する。第２図（ｂ）に於いて
、従来装置ではす、なる位置にて冷凍機五ヱは運転され
ているが本発明装置では周波数をｆ。

なる値に変化させて冷凍機１２の運転状態をす。

なる位置にする。この時、中央制御装置３２は第６図に
示すフローチャートに従った制御を行う。以下法の（３
）　、　（４）の手順で運転制御が行われる。

（３）　所要の励磁電流値Ｉ　ｒｒ＋ａｘに対応した周
波数ｆ２を設定するにあたり、第５図に示すよう延岡波
数を変化させる。すなわち、冷凍能力変化の追随を良く
するために、ｆ＝ｆ、＋ΔＦオ（ΔＦ２　ニオ−パーシュート分）な
る周波数でΔＴ２なる間、周波数をオーバーシュートさ
せるΔＦ２とΔＴ２の値は、使用する冷凍機の冷凍能力
変化追随性より最適値を設定する。オーバーシュートの
後に周波数をｆ、に固定し、Ｉ＝Ｏの時と同様に周波数
一定制御を行う。

（４）Ｉ＝Ｏの場合と同様ＶｃＰｒ　＝　Ｐｒｌとなる
様に周波数制御を行う。

この（３）　＋　（４）の手順をくり返して、第２図（
ｂ）の特性曲線上す、なる位置を制御する。

次に、超電導コイル６を減磁してｌｍ１ｎ（Ｉ（Ｉ　ｍ
ａｘなる値にて通電保持する時を考える。この場合は、
上記の励磁の場合とほぼ同様な制御を行う。但し、周波
数の変化の仏法が第５図のｆ、→ｆ、→ΔＦ０→ｆ１の
ようになり、第６図に於いて、ｆ、およびΔＦ、なる周
波数がｆ８およびΔＦ、となる。

以上述べた実施例によれば、冷凍機’１２の圧縮機１６
を駆動する電動機１７の回転数を制御できるようにした
ので、外部電源８により超電導コイル６に与えられる励
磁電流値変化に伴う侵入熱量変動に対応して冷凍機１２
の冷凍能力制御でき、しかもこの制御応答性が良好で、
また侵入熱量変動に対する冷凍能力の追随性が良く、超
電導コイル６に与える励磁電流を広範囲に選べる。さら
にＪ−Ｔ配管系統の負圧現象が回避されるので、Ｊ−Ｔ
３０弁近くの配管系統に不純物の混入がなくなり、冷凍
機１２の能力低下がなくなり、操作性がきわめて良好で
ある。

また回転数制御で冷凍機１２の能力を制御するようにし
たので、後述するように経時的冷凍能力劣化を補償でき
、冷凍機１２を長期間にわたって運転することができる
。さらにインバ−タ可変速制御装置３Ｚで電動機Ｉ７を
制御したので、電動機Ｉ７で消費する電力が必要最小限
ですむ。従って、総合的に長期間信頼性の高い運転が可
能となる。

次に以上述べた実施例の超電導磁石装置を長期間継続運
転すると冷凍機１２の冷凍能力が経時劣化するので、こ
れを補償する方法について説明する。はじめに第７図お
よび第８図によりその一例を説明する。冷凍機１２の冷
凍能力Ｐは一般に第７図に示すような経時劣化となり、
時間関数ｐ　（ｔ）となる。ここで、ｐｏは初期の冷凍
能力を示し、Ｐｆは冷凍機のメンテナンス時期に達した
時の冷凍能力を示している。超電導磁石装置を設計する
際は、Ｐｆ〉εＰ２となる様にしなければならない。こ
こで、εは安全率、Ｐ２は第２図（ｂ）の冷凍能力であ
る。

第８図に於いて、励磁電流値Ｉが設定されると侵入熱量
Ｑが確定し、それに対応した冷凍能力を出す周波数ｆが
決定される。ただし、この周波数ｆは冷凍能力経時劣化
がない時の値である。運転開始時よりの経時ｔ１がわか
っているので、冷凍能力の劣化率η（ｔｌ）は、第７図
よりめられる都表がわかる。この低下分を補償する周波
数増加率Ｋ（ｔｌ）がη（ｔｌ）・ｆなる周波数にて冷
凍機１２を運転し、冷凍能力経時劣化を補償する。これ
を具体的に行うには、予め第７図の特性を中央制御装置
３２に記憶させておき、Ｐｆとなる時間の前において、
第３図の温度計測器３４又は圧力計測器３６の計測１値
ζ目標値との偏差が生じたとき、この偏差を補償するよ
うに中央制御装置３２からインバータ可変速制御装置３
Ｉに周波数設定信号＆を出力させるようにすればよい。

次に第９図により冷凍機１２の冷凍能力経時劣化を補償
する他の方法について説明する。すなわち、超電導コイ
ル６の励磁電流値Ｉが設定されると、これに対応した周
波数ｆが決まる。

この周波数ｆで運転した際、冷凍能力劣化により内槽３
内圧力ＰｒがＰｒｌより低い場合は、周波数をΔｆ上昇
させてず＋Δｆなる周波数にて運転する。ＰｒがＰｒｌ
に等しくなるまで周波数を増やして冷凍能力経時劣化を
補償する。この補償方法は第６図のフローチャートに含
まれている。

これを具体的に行うには第３図の温度計測器３４又は圧
力計測器３６の計測値を一定時間ごとに中央制御装置３
２に入力し、この内部でその計測値と設定値とを比較し
、偏差が生じたりきこの偏差分を補償するように中央制
御装置３２からインバータ可変速制御装置３１に、周波
数設定信号ａを出力させるようにすればよい。

次に本発明の第２の実施例について第１０図を参照して
説明する。第３図で示した第１の実施例と同一部分には
同一符号を付してその説明を省略する。第３図の第１の
実施例では、インバータ可変速制御装置３１により電動
機１７の回転数を制御する構成としたが、ここではこの
構成の代りに冷媒主流量を制御可能な構成としたもので
ある。すなわち、圧縮機１６吐出側の媒体流入配管Ｚ４
には、主流量調節弁４６および主流量計測器４７が直列
に設けられている。

上記主流量調節弁４６と圧縮機１６の流入側との間にバ
イパス配管４５が接続され、このバイパス配管４６には
バイパス流量調節弁４９とバイパス流量計測器５０が直
列に設けられている。

上記主流量計測器４７およびパイノＪ？ス流景計測器５
０により計測された流量は変換器４８．５１により電気
制御信号ｇ＋ｈに変換されて中央制御装置３２に入力さ
れるようになっている。

この中央制御装置３２には上記電気制御信号ｇｙ）ｌ以
外に、第３図と同様に再凝縮器２４の温度に基づく制御
信号ｃ１放圧配管９の圧力に基づく制御信号ｄおよび超
電導コイル６の励磁電流に基づく信号ｅが入力され、内
部で所定の演算処理が行われて、上記主流量調節弁４６
およびバイパス流量調節弁４９に対して弁開度指令が与
えられるとともに、自動弁３９に対して開閉信号が与え
られる。

このように構成された本発明の第２の実施例においても
上記した第１の実施例と同様な効果が得られるばかりで
なく、媒体流入配管１４の圧縮機１６吐出側およびバイ
パス配管４５にそれぞれ主流量調節弁４６、バイパス流
量調節弁４９を設けているので、冷凍機具の制御範囲が
広くとれる。

次に本発明の第３の実施例について第１１図を参照して
説明するが、第３図と同一部分には同一符号を付してそ
の説明を省略する。第３図の実施例ではインバータ可変
速制御装置３１ＶＣより電動機Ｉ７の回転数を制御する
構成としたが、ここではこの構成の代りにＪ−Ｔ配管系
統に媒体の圧力を制御可能な構成としたものである。す
なわち、Ｊ−Ｔ流入配管２５とＪ−Ｔ戻り配管２６を、
媒体流入配管Ｉ４と媒体戻り配管１６とは接続せず、そ
れに圧縮機５２の吐出側と流入側を接続し、圧縮機５２
の吐出側と流入側との間に圧力調節弁５４を設ける。圧
縮機５２にはこれを駆動するための電動機５３が直結さ
れている。またＪ−Ｔ戻り配管２６の圧縮機５２の流入
側に圧力計測器５５を設け、この圧力計測器５５により
計測された計測値を変換器５６により電気制御信号ＫＫ
変換して中央制置３２には、第３図と同様に再凝縮器２
４の温度忙基づく制御信号Ｃ１放圧配管９の圧力に基づ
く制御信号ｄおよび超電導コイル６の励磁電流に基づく
制御信号ｅが入力される。そして中央制御装置３２の内
部において所定の演算処理が行われて、上記圧力調節弁
５４に対して弁開度信号が出力され、さらに自動弁３９
に対して開閉信号が与えられる。

このように構成された本発明の第３の実施例においても
上記した第１の実施例と同様な効果が得られるばかりで
なく、Ｊ−Ｔ流入配管２５とＪ−Ｔ戻り配管２６の間に
圧力調節弁６４が設けられているので、Ｊ−Ｔ戻り配管
２６内の媒体圧力が一定値より下がることはなく、つま
り負圧となることはなく信頼性が高いという利点がある
。

なお、上記した第３図の実施例では圧縮機１６を駆動す
る電動機１２を、インバータ可変速制御装置３１で回転
数制御を行うようにしたが、これに限らずギヤー等の変
速機により電動機Ｉ７の回転数制御を行ってもよい。さ
らに上記した実施例では冷媒冷凍機としてギホードマク
マホーン式あるいはソルベ一式を念頭においたが、逆ス
ターリング方式の冷媒冷凍機であっても同様な作用効果
が得られる。

〔発明の効果〕

以上述べた本発明によれば、超電導コイルの励磁電流値
変化に伴う侵入熱量変化に対応して冷媒冷凍機の冷却能
力を制御でき、不純物混入の危険性がな（、超電導コイ
ルの運転電流を広範囲に選ぶことができ、液体ヘリウム
温度あるいは圧力を常に一定値に制御でき、操作性に優
れ、長期信頼運転が可能な超電導磁石装置を提供できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図には従来の超電導磁石装置の一例を示す概略構成
図、第２図（＆）　ｅ　（ｂ）は超電導コイルの励磁電
流に対する侵入熱量およびヘリウム冷凍機の冷凍能力を
示す特性曲線図、第３図は本発明の超電導磁石装置の第
１の実施例を示す概略構成図、第４図は励磁電流が零の
ときの超電導磁石装置の運転制御方法を示すフローチャ
ート、第５図は冷凍能力変化時の電動機の周波数変化を
示す図、第６図は励磁電流を変化させた時の超電導磁石
装置の運転制御方法を示すフローチャート、第７図は冷
凍能力経時劣化を示す図、第８図および第９図は冷凍能
力経時劣化の補償方法を示すフロー図、第１０図および
第１１図は本発明の超電導磁石装置の第２および第３の
実施例を示す概略構成図である。！・・・外槽、２・・・輻射シールド板、３・・・内槽
、４・・・保冷容器、５・・・液体ヘリウム、６・・・
超電導コイル、７・・・ノやワーリード、８・・・外部
電源、９・・・放圧配管、１０・・・機械式放圧装置、
４１１・・・ラグチャーデスク式放圧装置、１２・・・
ヘリウム冷凍機、１３・・・冷凍機ヘッド、１４・・・
冷媒流入配管、１５・・・冷媒戻り配管、１６・・・圧
縮機、１７・・・電動機、１８・・・第１段冷却器、１
９・・・第２段冷却器、２０・・・第１段ステーション
、２１・・・伝熱部材、２２・・・第２段ステーション
、２３・・・伝熱部材、２４・・・再凝縮器、２５・・
・Ｊ−Ｔ流入配管、２６・・・Ｊ−Ｔ戻り配管、２７・
・・第１段熱交換器、２８・・・第２段熱交換器、２９
・・・第３段熱交換器、３０・・・Ｊ−Ｔ弁、３１・・
・インバータ可変速制御装置、３２・・・中央制御装置
、３５゜３７．４０・・・変換器、３４・・・温度計測
器、３６・・・圧力計測器、３９・・・自動弁、４５・
・・パイ／ぐス配管、４６・・・主流量調節弁、４７・
・・主流量計測器、４Ｂ、５１．５６・・・変換器、４
９・・・バイｉｊス流量調節弁、５０・・・パイノ４ス
流量計測器、５２・・・圧縮機、５３・・・電動機、５
４・・・圧力調節弁、５５・・・圧力計測器。出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図第２図（ａ）　（ｂ）第３図第４図第５図第６図第７図 ′８図　５ＩＮ９図第１０図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）液体ヘリウムを封入するとともに超電導コイルを
収納する内槽と、との内槽を収納する外槽と、この外槽
と上記内槽との間に配設された輻射シールド板からなり
、上記超電導コイルを極低温忙保持する保冷容器と、こ
の保冷容器外部に配設された外部電源と上記超電導コイ
ルを電気的に接続するパワーリードと、上記内槽内の液
体ヘリウムの蒸発ガスを再凝縮させる再凝縮器と、この
再凝縮器の冷媒流入側および冷媒戻り側にその一端が接
続され、その他端が上記保冷容器外部に位置するように
設けられたＪ−Ｔ配管系統と、上記パワーリード、輻射
シールド板およびＪ−Ｔ配管系統を冷却する複数の冷却
器と、このパワーリード、輻射シールド板、Ｊ−Ｔ配管
系統に冷媒を供給可能忙殺けられた配管系統と、上記保
冷容器外部に配置され、上記冷媒を圧縮する圧縮機およ
びこの圧縮機を駆動させる電動機とからなる冷媒冷凍機
と、この冷媒冷凍機の電動機の回転数を制御する回転数
制御手段とを具備し、前記冷媒冷凍機の冷凍能力を保冷
容器外部からの熱侵入熱量に対して制御゛可能にしたこ
とを特徴とする超電導磁石装置。
（２）液体ヘリウムを封入するとともに超電導コイルを
収納する内槽と、との内槽を収納する外槽と、この外槽
と上記内槽との間に配設された輻射シールド板からなり
、上記超電導コイルを極低温に保持する保冷容器と、こ
の保冷容器外部に配設された外部電源と上記超電導コイ
ルを電気的に接続するノｆワーリードと、上記内槽内の
液体ヘリウムの蒸発ガスを再凝縮させる再凝縮器と、こ
の再凝縮器の冷媒流入側および冷媒戻り側にその一端が
接続され、その他端が上記保冷容器外部に位置するよう
に設けられたＪ−Ｔ配管系統と、上記パワーリード、輻
射シールド板およびＪ−Ｔ配管系統を冷却する複数の冷
却器と、この／ぐワーリード、輻射シールド板、Ｊ−Ｔ
配管系統に冷媒を供給可能に設けられた配管系統と、上
記保冷容器外部に配置され、上記冷媒を圧縮する圧縮機
およびこの圧縮機を駆動させる電動機とからなる冷媒冷
凍機と、この冷媒冷凍機の圧縮機の冷媒の吐出流量を制
御する冷媒流量制御手段とを具備し、前記冷媒冷凍機の
冷凍能力を保冷容器外部からの熱侵入熱量に対して制御
可能にしたことを特徴とする超電導磁石装置。
（３）液体ヘリウムを封入するとともに超電導コイルを
収納する内槽と、こ−の内槽を収納する外槽と、この外
槽と上記内槽との間に配設された輻射シールド板からな
り、上記超電導コイルを極低温に保持する保冷容器と、
この保冷容器外部に配設された外部電源と上記超電導コ
イルを電気的に接続するパワーリードと、上記内槽内の
液体ヘリウムの蒸発ガスを再凝縮させる再凝縮器と、こ
の再凝縮器の冷媒流入側および冷媒戻り側にその一端が
接続され、その他端が上記保冷容器外部に位置するよう
に設けられたＪ−Ｔ配管系統と、上記パワーリード、輻
射シールＰ板およびＪ−Ｔ配管系統を冷却する複数の冷
却器と、このパワーリード、輻射シールド板、Ｊ−Ｔ配
管系統に冷媒を供給可能に設けられた配管系統と、上記
保冷容器外部に配置され、上記冷媒を圧縮する圧縮機お
よびこの圧縮機を駆動させる電動機とからなる冷媒冷凍
機と、この冷媒冷凍機め圧縮機と接続される上記Ｊ−Ｔ
配管系統に、上記冷媒の圧力を制御する冷媒圧力制御手
段とを具備し、前記冷媒冷凍機の冷凍能力を保冷容器外
部からの熱侵入熱量に対して制御可能にしたことを特徴
とする超電導磁石装置。
（４）回転数制御手段、冷媒流量制御手段、冷媒圧力制
御手段に、内槽に有する放圧部の自動弁の開閉制御する
機能を付加させた特許請求の範囲第（１）　？　（２）
　？　（３）項のいずれか一つに記載の超電導磁石装置
。
（５）回転数制御手段、冷媒流量制御手段、冷媒圧力制
御手段に冷媒冷凍機の冷凍能力経時劣化を補償する機能
を付加させた特許請求の範囲第（１）　＋　（２）　ｌ
　（３）項のいずれか一つに記載の超電導磁石装置。