JPWO2019073573A1 - Superconducting electromagnet device - Google Patents
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Abstract
冷却機構を複雑化させることなく、冷媒容器(6)への熱流入が発生しにくい構成とすることが可能な超伝導電磁石装置を提供する。本発明に係る超伝導電磁石装置は、超電導コイル(60)と、冷媒容器(6)と、冷媒容器(6)を収納する真空容器(4)と、冷媒容器(6)の内部で気化した冷媒(30)を真空容器(4)の外部へ排気するための排気配管(7)と、排気配管(7)と離れた位置から真空容器(4)の内部に挿入されて冷媒を冷却する冷凍機(9)と、冷凍機接続配管(10)とを備え、排気配管(7)および冷凍機接続配管(10)のいずれか一方の配管は、開口部(6a)を介して冷媒容器(6)と連結され、他方の配管は、この他方の配管の端部が一方の配管の途中に設けられた貫通口(17)から一方の配管の内部へ挿入されて一方の配管の内部に突出する配管突出し部(19)を有するものである。Provided is a superconducting electromagnet device that can be configured so that heat does not easily flow into a refrigerant container (6) without complicating a cooling mechanism. The superconducting electromagnet device according to the present invention includes a superconducting coil (60), a refrigerant container (6), a vacuum container (4) for storing the refrigerant container (6), and a refrigerant vaporized inside the refrigerant container (6). An exhaust pipe (7) for exhausting (30) to the outside of the vacuum vessel (4), and a refrigerator inserted into the vacuum vessel (4) from a position distant from the exhaust pipe (7) to cool the refrigerant (9) and a refrigerator connection pipe (10), and one of the exhaust pipe (7) and the refrigerator connection pipe (10) is connected to the refrigerant container (6) through the opening (6a). The other pipe is connected to a pipe whose end is inserted into the inside of one pipe from a through hole (17) provided in the middle of the one pipe and protrudes into the inside of one pipe. It has a protrusion (19).
Description
本発明は、超電導電磁石装置に関し、特に冷媒に浸漬されて冷却される超電導コイルを備える超電導電磁石装置に関する。 The present invention relates to a superconducting electromagnet device, and more particularly to a superconducting electromagnet device including a superconducting coil that is cooled by being immersed in a coolant.
超電導電磁石装置は、液化ヘリウム等の液化した冷媒を用いて超電導コイルを冷却することで、超電導コイルの電気抵抗を0としている。このような構成により、超電導コイルの通電時に、超電導コイル上に大電流を流して強力な磁場を発生させることができる。 In the superconducting electromagnet apparatus, the electric resistance of the superconducting coil is reduced to zero by cooling the superconducting coil using a liquefied refrigerant such as liquefied helium. With such a configuration, when the superconducting coil is energized, a large current can be caused to flow on the superconducting coil to generate a strong magnetic field.
超電導コイルを液化ヘリウム温度に維持するための一般的な構成として、超電導電磁石装置は、超電導コイルと、超電導コイルを収容する冷媒容器と、冷媒容器を収容し内部が高真空状態である真空容器と、冷媒容器内に流入した熱を冷媒容器外部へ排出する冷凍機と、冷凍機と冷媒容器とに接続された冷凍機接続配管と、冷媒容器と真空容器とに接続された排気配管を備えている。 As a general configuration for maintaining the superconducting coil at the liquefied helium temperature, the superconducting electromagnet device includes a superconducting coil, a refrigerant container containing the superconducting coil, and a vacuum container containing the refrigerant container and having a high vacuum inside. A refrigerator that discharges heat flowing into the refrigerant container to the outside of the refrigerant container, a refrigerator connection pipe connected to the refrigerator and the refrigerant container, and an exhaust pipe connected to the refrigerant container and the vacuum container. I have.
超電導電磁石装置においては、一般的に冷媒容器内へ流入する熱量をできる限り抑制することが望ましい。これは冷媒容器内に流入する熱量が増加すると、クエンチが発生して真空容器や冷媒容器等の容器を破損させる場合があるためである。なお、クエンチは冷媒容器内で液化ヘリウムの蒸発により生じるヘリウムガスが増大し、冷媒容器内の圧力および温度が大幅に上昇する現象である。 In a superconducting electromagnet device, it is generally desirable to suppress the amount of heat flowing into the refrigerant container as much as possible. This is because, if the amount of heat flowing into the refrigerant container increases, quench may occur and damage containers such as a vacuum container and a refrigerant container. Note that quench is a phenomenon in which helium gas generated by evaporation of liquefied helium in a refrigerant container increases, and the pressure and temperature in the refrigerant container significantly increase.
上述した一般的な超電導電磁石装置にあっては、排気配管および冷凍機接続配管(以下、「両配管」と呼ぶ場合あり。)は共に冷媒容器に連結されており、この両配管は冷媒容器内へ熱が流入する経路(以下、「熱流入経路」と呼ぶ場合あり。)となっている。 In the general superconducting electromagnet apparatus described above, the exhaust pipe and the refrigerator connection pipe (hereinafter sometimes referred to as “both pipes”) are both connected to the refrigerant container, and both the pipes are inside the refrigerant container. This is a path through which heat flows (hereinafter, may be referred to as a “heat inflow path”).
そこで、両配管を介して冷媒容器内へ流入する熱を低減する技術として、例えば特許文献1では、両配管が接続された接続ボックスを設け、この接続ボックスを冷媒容器の開口部に接続させる構成としている。このような構成では、冷媒容器内への直接の熱流入経路を接続ボックスに限定することにより、冷媒容器内への熱流入量の低減が可能である。
Therefore, as a technique for reducing the heat flowing into the refrigerant container through both the pipes, for example, in
特許文献1に記載の発明においては、接続ボックスへ両配管からの熱が流入する。したがって、接続ボックスから冷媒容器へ熱が流入してしまう。そこで特許文献1では、このような熱流入を抑制するため、接続ボックスに液化した冷媒を貯留し、この液化した冷媒によって接続ボックスを冷却していた。このように特許文献1の超電導電磁石装置にあっては、冷媒容器への熱流入が発生しにくい構造とするには、冷媒容器に加えて接続ボックスにも液化した冷媒を貯留する必要がある等、超電導電磁石装置の冷却機構が複雑になるという問題があった。
In the invention described in
本発明は上述のような事情を鑑みてなされたものであって、超電導電磁石装置の冷却機構を複雑化させることなく、冷媒容器への熱流入が発生しにくい超伝導電磁石装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a superconducting electromagnet device in which heat does not easily flow into a refrigerant container without complicating the cooling mechanism of the superconducting electromagnet device. Aim.
本発明に係る超電導電磁石装置は、超電導コイルと、超電導コイルを液状の冷媒に浸漬した状態で収納すると共に、開口部が設けられた冷媒容器と、冷媒容器を収納する真空容器と、冷媒容器の内部で気化した冷媒を真空容器の外部へ排気するための排気配管と、排気配管と離れた位置から真空容器の内部に挿入されて、冷媒を冷却する冷凍機と、冷媒容器の内部の冷媒を冷凍機に流通させる冷凍機接続配管とを備え、排気配管および冷凍機接続配管のいずれか一方の配管は開口部を介して冷媒容器と連結され、他方の配管は、該他方の配管の端部が一方の配管の途中に設けられた貫通口から一方の配管の内部へ挿入されて一方の配管の内部に突出する配管突出し部を有するものである。 The superconducting electromagnet device according to the present invention is a superconducting coil, a superconducting coil is housed in a state where the superconducting coil is immersed in a liquid refrigerant, a refrigerant container provided with an opening, a vacuum container storing the refrigerant container, and a refrigerant container. An exhaust pipe for exhausting the refrigerant vaporized inside to the outside of the vacuum vessel, a refrigerator inserted into the vacuum vessel from a position away from the exhaust pipe to cool the refrigerant, and a refrigerant inside the refrigerant vessel. A refrigerator connection pipe for flowing through the refrigerator, and one of the exhaust pipe and the refrigerator connection pipe is connected to the refrigerant container through an opening, and the other pipe is an end of the other pipe. Has a pipe projecting portion that is inserted into the inside of one of the pipes through a through hole provided in the middle of the one of the pipes and projects into the inside of the one of the pipes.
本発明に係る超電導電磁石装置にあっては、超電導電磁石装置の冷却機構を複雑化させることなく、冷媒容器への熱流入が発生しにくい構成とすることができる。 In the superconducting electromagnet apparatus according to the present invention, it is possible to adopt a configuration in which heat does not easily flow into the refrigerant container without complicating the cooling mechanism of the superconducting electromagnet apparatus.
実施の形態1.
図1〜3を用いて本発明の実施の形態1の超電導電磁石装置の構成を説明する。図1は本発明の実施の形態1に係る超電導電磁石装置の斜視図である。図2は本発明の実施の形態1に係る超電導電磁石装置の正面図および側面図である。図2(A)は超電導電磁石装置の正面図を示し、図2(B)は側面図を示す。図3は本発明の実施の形態1に係る超電導電磁石装置の図2(A)に示す断面位置X1−X2における断面図である。なお図1および図2では、排気配管7および冷凍機接続配管10については、これらの構成の一部のみを図示しており、逆止弁13(図3)の図示を省略している。
The configuration of the superconducting electromagnet device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view of a superconducting electromagnet device according to
図1〜図3に示す超電導電磁石装置においては、最も外側に、中空円筒形状の真空容器4が配置される。真空容器4は、真空容器4の内側と外側を真空断熱するために、例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム等の非磁性体から構成される。真空容器4の内部は、真空になるように図示しない減圧装置により減圧されている。
In the superconducting electromagnet device shown in FIGS. 1 to 3, a hollow
図3に示す通り、真空容器4の内部には例えば中空円筒形状の熱遮蔽板5が配置されている。熱遮蔽板5は、例えば、アルミニウム等の光の反射率の高い非磁性体から構成されている。熱遮蔽板5の表面には、図示しない多層断熱材(スーパインシュレーション)が貼り付けられていてもよい。
As shown in FIG. 3, for example, a
熱遮蔽板5の内部には、例えば中空円筒形状の冷媒容器6が配置されている。熱遮蔽板5は、冷媒容器6の周りを囲んで、真空容器4から冷媒容器6内への輻射熱の流入を抑制する機能を有している。
Inside the
冷媒容器6は、超電導コイル60を6K(液化ヘリウム温度)以下の温度に維持するための低温容器として機能するものである。冷媒容器6は超電導コイル60を液化ヘリウム(液状の冷媒)20で浸漬した状態で収納する。冷媒容器6には、開口部6aが設けられる。なお、開口部6aは図3では一点鎖線で囲まれた領域に対応する。詳細は後述するが、この開口部6aを介して排気配管7および冷凍機接続配管10が冷媒容器6の内部と接続(連通)する。冷媒容器6の内部には液化ヘリウム20に加えてヘリウムガス(気化した冷媒)30が収容されている。
The
超電導コイル60は、巻枠としても機能する冷媒容器6の底部に巻回されている。冷媒容器6の内部には、液状の冷媒である液化ヘリウム20が充填されている。超電導コイル60は、例えば、銅からなるマトリクスの中心部にニオブチタン合金を埋め込んで形成された超電導線が巻き回されて構成されている。
図1〜図3に示すとおり、超電導電磁石装置は、排気配管7と、冷媒容器6の内部を冷却する冷凍機9と、冷凍機9に接続された冷凍機接続配管10とをさらに備える。
As shown in FIGS. 1 to 3, the superconducting electromagnet device further includes an
真空容器4の上部の一部に開口部が設けられ、この開口部から冷凍機9の一部である冷却ヘッド9a,9bが真空容器4の内部に挿入されている。冷凍機9において冷却ヘッド9a,9b以外の残りの部分は、真空容器4の外部に設けられ、真空容器4の外表面に固定される。冷却ヘッド9bは熱遮蔽板5の開口部からその内部まで挿入されている。
An opening is provided in a part of the upper part of the
冷凍機接続配管10は冷媒容器6の内部のヘリウムガス30を冷却ヘッド9a,9bに導き、冷却ヘッド9a,9bで冷却されて生成された液化ヘリウム20を冷媒容器6に戻す管である。すなわち、液化ヘリウム20又はヘリウムガス30(冷媒)を冷媒容器6と冷凍機9との間で流通させるための管である。
The
冷却ヘッド9a,9bは冷凍機接続配管10の内部に挿入されている。冷却ヘッド9a,9bは、図中下方に向かい突出した部分であり、冷凍機接続配管10はそれら冷却ヘッド9a,9bを下側から包み込むよう構成されている。冷却ヘッド9a,9bによって液化した液化ヘリウム20が冷媒容器6の内部に流れ落ちやすいように、冷凍機接続配管10は冷媒容器6側に下る形状とされている。また、冷凍機9の冷却ヘッド9a,9bが真空容器4に設置される位置は、排気配管7が真空容器4に挿入される位置と異なる。すなわち、冷凍機9は排気配管7と離れた位置から真空容器4の内部に挿入される。
The cooling heads 9a and 9b are inserted inside the
排気配管7は例えばステンレス鋼により構成され、冷媒容器6内部へ液化ヘリウム20を注液するための、又は冷媒容器6内部で発生したヘリウムガス30を真空容器4の外部へ排気するための管路である。
The
排気配管7の内部には予備排気配管8が設けられる。予備排気配管8は排気配管7の予備の排気路であって、排気配管7が閉塞した場合等の排気配管7が機能しない場合に用いられる。
A
冷凍機接続配管10は、冷媒容器6の開口部6aを介して冷媒容器6に連結される。また、冷凍機接続配管10は冷媒容器6と冷凍機9(冷却ヘッド)との間でヘリウムガス30を流通させる流路である。冷凍機接続配管10は、管路の一端部に第1曲り部(曲がり部)16aを有し、管路の他端部に第2曲り部(曲がり部)16bを有する。冷凍機接続配管10は、第1曲り部16aにおいて冷凍機9と接続し、第2曲り部16bにおいて開口部6aを介して冷媒容器6と連結される。以下の実施の形態において、「接続」とは、2つの構成が直接的(物理的)に接続される場合に加えて別の構成要素により間接的に接続される場合を含むものとする。一方で「連結」とは、2つの構成が間接的に接続されるのではなく直接的(物理的)に接続されていることを言う。
The
超電導電磁石装置において、超電導コイル60を通電するため構成として、第1のリード14aおよび第2のリード14bが設けられる。第1のリード14aにより、超電導コイル60と排気配管7とが電気的に接続される。第2のリード14bにより、超電導コイル60と予備排気配管8とが電気的に接続される。排気配管7と予備排気配管8とは、超電導コイル60を通電するための電極としても用いられる。なお、排気配管7と予備排気配管8との間は電気的に絶縁されている。
In the superconducting electromagnet apparatus, a
ここで、排気配管7および冷凍機接続配管10が冷媒容器6に連結される部分の構造(連結構造部)を説明する。本実施の形態では、一方の配管としての冷凍機接続配管10に対して他方の配管としての排気配管7が連結される。さらに冷凍機接続配管10の内部には排気配管7の配管突出し部19が形成されている。より詳細には、一方の配管の途中の部分で、他方の配管の端(配管突出し部19)が一方の配管の内部に差し込まれた構造となっている。一方の配管の内部で配管突出し部19は一方の配管と同方向に延びるようにされ、従って他方の配管(排気配管7)と一方の配管(冷凍機接続配管10)とは部分的に二重管の構造を有している。
Here, the structure (connection structure) of the portion where the
排気配管7および冷凍機接続配管10は、冷媒容器6の開口部6aを介して、冷媒容器6内部と接続(連通)される。冷凍機接続配管10と排気配管7とが、冷凍機接続配管10の貫通口17において例えば溶接で連結されることにより、連結箇所18が形成されている。排気配管7は、冷媒容器6側の端部に配管突出し部19を有する。この配管突出し部19は連結箇所18から冷媒容器6側へ向かい突出する配管部分である。配管突出し部19には、連結構造部の内部にて開口端が設けられている。配管突出し部19の冷媒容器6側の端部が、冷媒容器6の開口部6aを介して冷媒容器6の内部へ挿入されている。
The
冷凍機接続配管10には、排気配管7に合わせて形成された貫通口17が設けられる。この貫通口17は図3では破線矢印で囲まれた領域に対応する。排気配管7は冷凍機接続配管10の第2曲り部16bに設けられた貫通口17にて冷凍機接続配管10に挿入され、さらには、開口部6aにて冷媒容器6の内部へ挿入される。なお、排気配管7は、冷凍機接続配管10との連結箇所18では、冷凍機接続配管10内部へ挿入可能となるように断面形状が設定されている。図中では排気配管7は、冷凍機接続配管10の内径よりも小さい外径となるように形成されている。
The
なお、排気配管7と冷凍機接続配管10との連結方法として、溶接による連結を例示したが、上述の例に限定されず、フランジを用いて排気配管7と冷凍機接続配管10とを連結してもよく、O−リング等の封止部材を接続部に設けた構成であってもよい。真空容器4内部へのヘリウムガス30の漏洩を抑制することができれば、両配管の連結方法はいずれであってもよい。
In addition, as a method of connecting the
予備排気配管8は、排気配管7の内径よりも小さな外径を有し、排気配管7の内部に配置される。排気配管7において真空容器4の外側に位置する端部には逆止弁13が設置される。逆止弁13は、冷媒容器6の内部圧力が予め規定された値を超えると、弁が開くように設定されている。逆止弁13が開状態となることで、冷媒容器6の内部のヘリウムガス30は、排気配管7又は予備排気配管8を通り、超電導電磁石装置の外側へ排出される。
The
冷凍機9は超電導電磁石装置の稼動時は連続運転されており、ヘリウムガス30を冷却することにより、冷媒容器6内部を冷却する。冷凍機9は冷凍機接続配管10の一端に挿入されることにより、冷凍機接続配管10に接続される。冷凍機9は、冷凍機接続配管10を介して冷媒容器6の内部と接続(連通)される。冷凍機9には、2つの冷却ヘッドすなわち一段目冷却ヘッド9aおよび二段目冷却ヘッド9bを有するギフォード・マクマフォン型冷凍機が用いられる。なお、冷凍機9としてパルスチューブ冷凍機を用いてもよい。
The refrigerator 9 is continuously operated when the superconducting electromagnet device is operating, and cools the inside of the
冷凍機9の一段目冷却ヘッド9aは、サーマルアンカ15a、熱遮蔽板5、およびサーマルアンカ15bを介して、排気配管7を間接的に冷却する。熱遮蔽板5とサーマルアンカ15aは、熱伝導率の高い材質で構成された可とう導体(図示省略)により互いに接続されている。
The first-
冷凍機9の二段目冷却ヘッド9bは、熱遮蔽板5と冷媒容器6との間の空間に配置されると共に、冷凍機接続配管10の内部に配置される。この二段目冷却ヘッド9bが冷媒容器6の内部のヘリウムガス30を冷却することにより、ヘリウムガス30が液化されて液化ヘリウム20となる。
The second-
冷凍機接続配管10において、第1曲り部16aと第2曲り部16bとの間の配管部分には、水平方向に対して傾斜して配置された傾斜部が形成される。この傾斜部は、開口部6aに近づくにつれて冷媒容器6の底面に高さ方向で近づくように形成される。このような傾斜部を有することにより、二段目冷却ヘッド9bで液化された液化ヘリウム20を冷媒容器6へ還流させやすくなる。
In the
冷凍機接続配管10の冷媒容器6側の一端は、開口部6aを介して冷媒容器6に連結され、冷媒容器6内部に開口する。冷凍機接続配管10は、サーマルアンカ15aを境に異なる外径又は断面積を有する。具体的には、冷凍機接続配管10において、冷凍機9の一段目冷却ヘッド9aを収納する配管部分と比較して、二段目冷却ヘッド9bを収納する配管部分は、その管径が小さく形成される。これにより、上記の2つの配管部分が同じ管径となるように冷凍機接続配管10を形成した場合に比べて、冷凍機接続配管10の断面積を低減できるため、冷凍機接続配管10を介して流入する熱を低減できる。図中、冷凍機接続配管10は、熱遮蔽板5から冷媒容器6の間に位置する配管部分において、その管径が開口部6aの口径と同じか、又は口径よりも大きくなるように形成される。
One end of the
上述の構成により、超電導電磁石装置では、1つの開口部6aを介して排気配管7および冷凍機接続配管10を冷媒容器6の内部と接続させることができる。この結果、溶接箇所が、連結箇所18と開口部6aの2箇所となり、超伝導電磁石装置の加工工数、すなわち、切削工数と溶接工数を削減することが可能となる。
With the configuration described above, in the superconducting electromagnet device, the
なお、本実施の形態では図3の断面位置を図2により説明したが、以下の実施の形態2〜6においても図2は共通であるため、以下の各実施の形態における超伝導電磁石装置の断面位置を説明する際には、図2を用いることとする。 In this embodiment, the cross-sectional position of FIG. 3 has been described with reference to FIG. 2. However, FIG. 2 is common to the following Embodiments 2 to 6, so that the superconducting electromagnet device in each of the following embodiments is described. FIG. 2 will be used when describing the cross-sectional position.
図4は、本発明の実施の形態1に係るヘリウムガス30と排気配管7との間で行われる熱交換を説明する説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating heat exchange performed between the
図4において、冷媒容器6の開口部6aから出るヘリウムガス30は、冷凍機接続配管10の冷媒容器6側の端部を直接冷却すると共に、排気配管7の冷媒容器6側の端部に設けられた配管突出し部19を直接冷却することができる。
In FIG. 4,
したがって、両配管を接続ボックス等の別の構成を介して冷媒容器に接続させる構成に比べて、両配管における冷媒容器6側の端部を低い温度に維持して、両配管の端部と冷媒容器6との間の温度差を小さくすることができる。よって、接続ボックス等に冷媒を貯留する必要がないため冷却機構を複雑にすることなく、両配管から冷媒容器6へ流入する熱量を低減させることができる。
Therefore, compared to a configuration in which the two pipes are connected to the refrigerant container via another configuration such as a connection box, the ends of the two pipes on the side of the
冷媒容器6の内部への主な熱流入経路としては、熱遮蔽板5から冷媒容器6への熱輻射によるものと、排気配管7や冷凍機接続配管10からの熱伝導によるものがある。超電導電磁石装置は室温環境に設置されるため、真空容器4から熱遮蔽板5、および熱遮蔽板5から冷媒容器6へと絶えず熱流入が発生するが、一般的にクエンチを防止するために冷媒容器の内部へ流入する熱をできるだけ低減した構成とすることが望ましい。本実施の形態に係る超伝導電磁石装置においては、上述のような構成により、排気配管7および冷凍機接続配管10からの熱流入をできるだけ低減した構造とすることができる。
The main heat inflow path into the
ここで、ヘリウムガス30の流れをより詳細に説明する。冷凍機接続配管10の内部では冷媒容器6の内部から二段目冷却ヘッド9bに向かうヘリウムガス30の流れ(例えば、点線矢印でG1にて図示)が生じる。このヘリウムガス30の流れは、冷媒容器6と二段目冷却ヘッド9bの温度差により生じる。ヘリウムガス30が二段目冷却ヘッド9bへ向かう流路の途中に配管突出し部19が設けられているので、排気配管7の配管突出し部19の外側表面をヘリウムガス30が流れ、ヘリウムガス30により配管突出し部19が冷却される。
Here, the flow of the
なお、排気配管7の配管突出し部19は、冷媒容器6に連結された冷凍機接続配管10に対し、高い温度となっている。したがって、配管突出し部19の長さが図3よりも短く形成されることで配管突出し部19の端部がG1のような流れと離れて位置する場合等により上記ヘリウムガス30の流路に配管突き出し19が設けられていない場合でも、排気配管7の壁面および冷凍機接続配管10の壁面の間における温度差により、点線矢印G2にて図示した自然対流が発生する。この自然対流によって排気配管7の配管突出し部19がヘリウムガス30で冷却される。
Note that the
本実施の形態では配管突出し部19の冷媒容器6側の端部を冷媒容器6の開口部6aの内部に挿入した構成を説明したが、配管突出し部19の長さや形状に関係なく、排気配管7の配管突出し部19が冷凍機接続配管10の内部に突出していれば、ヘリウムガス30による冷却を効率良く行うことができる。また図4のように、冷凍機接続配管10の端部も冷媒容器6の開口部6aの内部に挿入した構成とすると、冷凍機9で冷却された液化ヘリウム20の冷媒容器6内への環流が、排気配管7の外側を流れるヘリウムガス30によって妨げられにくい。よって、冷媒容器6の冷却の効率が向上する。
In this embodiment, the configuration in which the end of the
以上の構成により、本実施の形態の超電導電磁石装置にあっては、超電導電磁石装置の冷却機構を複雑化させることなく冷媒容器内への熱が流入しにくい構成とすることができる。 With the configuration described above, the superconducting electromagnet device of the present embodiment can be configured such that heat does not easily flow into the refrigerant container without complicating the cooling mechanism of the superconducting electromagnet device.
実施の形態2.
図5は本発明の実施の形態2に係る超電導電磁石装置を示す要部断面図である。本実施の形態では、排気配管7の配管突出し部19に伝熱フィン11を設ける点が実施の形態1の超電導電磁石装置と異なる。なお、本実施の形態では、上述の実施の形態とは異なる構成のみ説明を行うこととし、同じまたは対応する構成については説明を繰り返さない。Embodiment 2 FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part showing a superconducting electromagnet device according to Embodiment 2 of the present invention. The present embodiment is different from the superconducting electromagnet apparatus of the first embodiment in that the
伝熱フィン11は、排気配管7において配管突出し部19の外周面に設置される。この伝熱フィン11は、例えば板材を複数枚配列した櫛型フィンであり、ヘリウムガス30との熱交換面積を増大させることができる。伝熱フィン11は、アルミニウムや銅等の熱伝導率の大きい材質で構成される。
The
図6は、本発明の実施の形態2に係る超電導電磁石装置の図5に示す断面位置A1−A2における断面図である。図6に示すとおり伝熱フィン11は、排気配管7の配管突出し部19における外周面に配置される。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the superconducting electromagnet device according to Embodiment 2 of the present invention at a cross-sectional position A1-A2 shown in FIG. As shown in FIG. 6, the
本実施の形態では、伝熱フィン11は櫛型フィン形状としているが、任意に形状を変更してもよい。図7は伝熱フィン11の別の設置例を示す断面図である。図7に示すとおり、排気配管7の配管突出し部19において、その外周面に加えて内周面に伝熱フィン11を設置してもよい。なお、伝熱フィン11を配管突出し部19の内周面にのみ設けた構成であってもよい。
In the present embodiment, the
なお、伝熱フィン11と冷媒容器6の内壁面との間隔は、超電導電磁石装置の製作時に、その工作性を阻害しない間隔であって、かつ、排気配管7と予備排気配管8との間の絶縁が破壊されない程度の間隔であればよい。
The distance between the
排気配管7の配管突出し部19に伝熱フィン11を設けることで、冷凍機接続配管10と排気配管7の内部を流れるヘリウムガス30との熱交換面積を増大させることができ、冷媒容器6内への熱流入をさらに抑制できる。
By providing the
図6および図7では、伝熱フィン11は配管突出し部19の外周面に、周方向にて等間隔に配置されているが、伝熱フィン11の配置方法および配置する伝熱フィン11の個数は上述の例に限定されず、適宜設定してもよい。
6 and 7, the
以上の構成により、本実施の形態の超電導電磁石装置にあっては、配管突出し部19に伝熱フィン11が設けられているので、排気配管7の温度をさらに低減させることで冷媒容器6内への熱流入をさらに抑制することができるという効果を、実施の形態1の効果に加えて奏する。
With the above configuration, in the superconducting electromagnet device of the present embodiment, since the
実施の形態3.
図8は本発明の実施の形態3に係る超電導電磁石装置の図2(A)に示す断面位置X1−X2における断面図である。本実施の形態では、3つの配管から構成された冷凍機接続配管10Aを備える点が上述の実施の形態の超電導電磁石装置と異なる。なお、本実施の形態では、実施の形態1とは異なる構成のみ説明を行うこととし、同じまたは対応する構成については説明を繰り返さない。Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of the superconducting electromagnet device according to Embodiment 3 of the present invention at a cross-sectional position X1-X2 shown in FIG. This embodiment is different from the superconducting electromagnet device of the above-described embodiment in that a
冷凍機接続配管10Aは、冷凍機設置管101a、容器接続管101b、および連結管101cの3つの要素で構成される。
The
冷凍機設置管101aは例えば円筒形に形成される。冷凍機設置管101aにおいて、冷媒容器6側の端部すなわち円筒形の軸方向における一方の端部は、閉口端であって、他方の端部は開口端である。冷凍機設置管101aは、開口端で冷凍機9と接続される。冷凍機設置管101aにおいて、開口端よりも閉口端に近い側の側周面には、開放部1010aが設けられている。この開放部1010aを介して冷凍機設置管101aが連結管101cに接続される。また、冷凍機設置管101aがサーマルアンカ15aを介して熱遮蔽板5に接続される。
The
容器接続管101bは、開口部6aを覆うように冷媒容器6に連結された円筒形の管である。容器接続管101bにおいて、冷媒容器6側の端部すなわち円筒形の軸方向における一方の端部が開口端であり、円筒形の軸方向における他方の端部が閉口端である。
The
容器接続管101bは、開口端が開口部6aを通して冷媒容器6の内部に挿入されている。容器接続管101bの閉口端には、貫通口17が設けられる。この貫通口17を介して、排気配管7が冷凍機接続配管10Aの内部へ挿入される。
The
容器接続管101bにおいて開口端よりも閉口端に近い側の側周面には、開放部1010bが形成される。この開放部1010bを介して容器接続管101bが連結管101cに接続される。
An
連結管101cは、冷凍機設置管101aの開放部1010aと容器接続管101bの開放部1010bとを連通する。連結管101cを蛇腹形状とすることで、冷凍機接続配管10Aにおいて冷媒容器6内部へ至るまでの距離を長くすることができる。これによって、冷凍機接続配管10Aの伝導熱抵抗を大きくすることができ、冷凍機接続配管10Aを介して冷媒容器6内へ流入する熱量を低減することができる。
The
なお、本実施の形態では、冷凍機接続配管10Aにおいて、連結管101cが蛇腹形状を有する構成であったが、連結管101c以外の配管部分が蛇腹形状を有していてもよく、すなわち、冷凍機接続配管10Aのいずれかの部分が蛇腹形状を有していればよい。
In the present embodiment, in the
図8では、連結管101cを冷媒容器6の底面に対して平行に配置する場合を例示した。しかし、連結管101cは、実施の形態1の冷凍機接続配管10のように、冷媒容器6の底部に対して傾斜する傾斜部で構成されていてもよい。
FIG. 8 illustrates a case where the connecting
なお、本実施の形態では、冷凍機接続配管10Aが3つの構成要素からなる例を説明するが、冷凍機接続配管10Aが2つの構成要素から構成されていてもよく、さらに、4つ以上の構成要素から構成されていてもよい。すなわち、冷凍機接続配管10Aが複数の構成要素から構成されていればよい。
In the present embodiment, an example in which the
以上の構成により、本実施の形態の超電導電磁石装置にあっては、冷凍機接続配管10Aを複数の要素に分割して製作できるため、実施の形態1と比べ、冷凍機接続配管10Aの曲げ加工が不要であり、冷凍機接続配管10Aの工作性を向上することができる。
With the configuration described above, in the superconducting electromagnet device of the present embodiment, the
また、冷凍機接続配管10Aの一部を蛇腹形状とすることで、冷媒容器6へ流入する熱量を低減することができるという効果を、実施の形態1の効果に加えて奏する。
In addition, the effect that the amount of heat flowing into the
実施の形態4.
図9は本発明の実施の形態4に係る超電導電磁石装置の図2(A)に示す断面位置X1−X2における断面図である。本実施の形態では、一方の配管としての排気配管7Bに対して他方の配管としての冷凍機接続配管10Bが連結されると共に、排気配管7Bの内部に冷凍機接続配管10Bの配管突出し部19bが設けられた構成であり、当該構成が上述の実施の形態の超電導電磁石装置と異なる。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the superconducting electromagnet device according to
なお、本実施の形態では、上述の実施の形態とは異なる構成のみ説明を行うこととし、同じまたは対応する構成については説明を繰り返さない。 In the present embodiment, only the configuration different from the above-described embodiment will be described, and the description of the same or corresponding configuration will not be repeated.
排気配管7Bは、熱遮蔽板5から冷媒容器6の間の空間内に、第1折曲部21aおよび第2折曲部21bを有する。排気配管7Bの第1折曲部21aは、真空容器4の外側から冷媒容器6の開口部6bに向かう排気配管7Bの管路の途中に形成されている。
The
排気配管7Bの第2折曲部21bは排気配管7Bの冷媒容器6側の端部に設けられる。排気配管7Bは第2折曲部21bにおいて開口部6bを介して冷媒容器6と連結される。排気配管7Bにおいて、第2折曲部21bには貫通口17bが設けられる。冷凍機接続配管10Bと排気配管7Bとがこの貫通口17bにおいて例えば溶接で連結されることにより、連結箇所18bが形成されている。
The second
冷凍機接続配管10Bは、連結箇所18bから排気配管7Bの内部へ向かい突出する配管突出し部19bを有する。さらに、この配管突出し部19bは、冷媒容器6の開口部6bに向かい突出する。配管突出し部19bには開口端が設けられる。すなわち、配管突出し部19bは冷媒容器6側の端部が開口している。配管突出し部19bの冷媒容器6側の端部は、冷媒容器6の開口部6bを介して冷媒容器6の内部へ挿入される。冷凍機接続配管10Bと排気配管7Bは、貫通口17bの位置で、絶縁接手等により電気的に絶縁して連結される。
The
予備排気配管8bは、排気配管7Bの内径よりも小さな外径を有し、排気配管7Bの内部に配置される。予備排気配管8bの冷媒容器6側の端部は、排気配管7Bの第1折曲部21aで開口するように構成される。
The
図10は、本発明の実施の形態4に係るヘリウムガス30と排気配管7Bとの間で行われる熱交換を説明する説明図である。図10において、排気配管7Bと冷凍機接続配管10Bとが連結されることで構成された連結構造部の内部において、ヘリウムガス30の流れ(破線矢印G3で図示)が生じる。
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating heat exchange performed between
なお、冷媒容器6に連結された排気配管7Bに対し、冷凍機接続配管10Bの配管突出し部19bが高い温度となっている。よって、排気配管7Bの壁面と冷凍機接続配管10Bの壁面とには、温度差が生じている。この温度差によって、この上述したヘリウムガス30の流れ(G3)が自然対流として発生している。これにより、冷凍機接続配管10Bの外側を流れるヘリウムガス30と排気配管7Bとの間で、ヘリウムガス30の自然対流による熱交換が行われる。なおこの熱交換によって冷凍機接続配管10Bが冷却される。
Note that the
したがって、接続ボックス等の別の構成を介して冷媒容器へ接続させた場合と比較して、冷凍機接続配管10Bの温度をより低く保持することができ、結果として冷凍機接続配管10Bと冷媒容器6との温度差を小さくできるため、排気配管7Bおよび冷凍機接続配管10Bを介して冷媒容器6へ流入する熱量を低減することが可能である。
Therefore, the temperature of the
以上の構成により、本実施の形態の超電導電磁石装置にあっては、配管突出し部19bが設けられているので、実施の形態1の効果と同様な効果を奏する。
With the above configuration, in the superconducting electromagnet device of the present embodiment, since the
実施の形態5.
図11は本発明の実施の形態5に係る超電導電磁石装置の図2(A)に示す断面位置X1−X2における断面図である。図12は、本実施の形態に係る超電導電磁石装置の図11に示す断面位置B1−B2における断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view of a superconducting electromagnet device according to
本実施の形態では、伝熱フィン11が冷凍機接続配管10Bの配管突出し部19bに設けられる点が実施の形態4の超電導電磁石装置と異なる。なお、本実施の形態では、上述の実施の形態とは異なる構成のみ説明を行うこととし、同じまたは対応する構成については説明を繰り返さない。
The present embodiment is different from the superconducting electromagnet apparatus of the fourth embodiment in that the
図11および図12に示すとおり、冷凍機接続配管10Bにおいて、配管突出し部19bの外周面に伝熱フィン11が配置される。なお、伝熱フィン11が配管突出し部19bの内周面に配置されていてもよい。
As shown in FIGS. 11 and 12, in the
冷凍機接続配管10Bの配管突出し部19bに伝熱フィン11を設けることで、冷凍機接続配管10Bと排気配管7Bの内部を流れるヘリウムガス30との熱交換面積を増大させることができ、冷媒容器6内への熱流入をさらに抑制できる。
By providing the
図12では、伝熱フィン11は配管突出し部19bの外周面に、周方向にて等間隔に配置されているが、伝熱フィン11の配置方法および配置する伝熱フィン11の個数は図12の例に限定されず、適宜設定してもよい。
In FIG. 12, the
以上の構成により、本実施の形態の超電導電磁石装置にあっては、伝熱フィン11が設けられているため、以下のような効果を実施の形態4の効果に加えて奏する。すなわち、ヘリウムガス30と冷凍機接続配管10Bとの間の熱交換面積が増大することで冷凍機接続配管10Bの温度をより低い温度に維持できるため、冷媒容器6への熱流入量を低減することができる。
With the above configuration, in the superconducting electromagnet device of the present embodiment, since the
実施の形態6.
図13は本発明の実施の形態6に係る超電導電磁石装置の図2(A)に示す断面位置X1−X2における断面図である。本実施の形態では、排気配管7Cが複数の構成要素から構成されている点が上述の実施の形態4および5の超電導電磁石装置と異なる。なお、本実施の形態では、上述の実施の形態とは異なる構成のみ説明を行うこととし、同じまたは対応する構成については説明を繰り返さない。
FIG. 13 is a cross-sectional view of the superconducting electromagnet device according to
本実施の形態に係る排気配管7Cは、外部突出管70a、容器結合管70b、および結合連結管70cの3つの要素で構成される。
The exhaust pipe 7C according to the present embodiment includes three elements: an outer protruding
排気配管7Cの外部突出管70aは、熱遮蔽板5に設けられたサーマルアンカ15aと接続される。排気配管7Cの外部突出管70aは、その一端部が真空容器4の外部に突出するよう配置される。この外部突出管70aの他端部は閉口端であり、この閉口端の側面には開放部700aが設けられる。この開放部700aを介して外部突出管70aが結合連結管70cに連結される。
The external
排気配管7Cの容器結合管70bは例えば円筒形状に形成されている。この容器結合管70bは、円筒形状の軸方向の一端が開口端であって、この軸方向の他端が閉口端である。容器結合管70bの開口端は、開口部6bを通して冷媒容器6の内部へと挿入される。容器結合管70bの閉口端には、冷凍機接続配管10Bとの連結箇所18bが設けられる。容器結合管70bは開口部6bの口径に対応した大きさの外径を有する。
The
また、容器結合管70bの開口端よりも閉口端に近い側の側周面には、開放部700bが形成されている。この開放部700bを介して容器結合管70bが結合連結管70cに連結される。
An opening 700b is formed on a side peripheral surface closer to the closed end than the open end of the
排気配管7Cの結合連結管70cは、外部突出管70aの開放部700aと容器結合管70bの開放部700bとの間を連通する。結合連結管70cは、蛇腹形状の管により構成される。このような構成により、排気配管7Cにおいて、冷媒容器6の内部に至るまでの距離を長くなり、排気配管7Cの伝導熱抵抗が大きくなる。これによって、排気配管7Cを介して熱伝導で冷媒容器6へ流入する熱量が低減する。
The
図13では、結合連結管70cを冷媒容器6の底面に対して平行に配置した構成を例示している。しかし結合連結管70cを冷媒容器6の底面に対して傾斜する傾斜部で構成してもよい。
FIG. 13 illustrates a configuration in which the
なお、本実施の形態では、排気配管7Cが3つの構成要素からなる例を説明したが、排気配管7Cが2つの構成要素から構成されていてもよく、さらに、4つ以上の構成要素から構成されていてもよい。すなわち、排気配管7Cが複数の構成要素から構成されていればよい。 In the present embodiment, an example has been described in which the exhaust pipe 7C includes three components. However, the exhaust pipe 7C may include two components, and further includes four or more components. It may be. That is, the exhaust pipe 7C may be composed of a plurality of components.
上記のような構成を有する超電導電磁石装置では、排気配管7Cを複数の要素に分割して製作する。したがって、実施の形態4および5に係る排気配管7Bと比べて、排気配管7Cの製作時にて曲げ加工を減らすことができ、排気配管7Cの工作性を向上させることができる。
In the superconducting electromagnet apparatus having the above configuration, the exhaust pipe 7C is manufactured by being divided into a plurality of elements. Therefore, as compared with the
また、結合連結管70cを蛇腹形状とすることで、熱伝導により冷媒容器6へと流入する熱量を低減することができる。
In addition, since the
本発明は、以上のように説明し且つ記述した特定の詳細内容及び代表的な実施の形態に限定されるものではない。当業者によって容易に導きだすことができるさらなる変形例および効果も本発明に含まれる。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。 The present invention is not limited to the specific details and representative embodiments described and described above. Further modifications and effects which can be easily derived by those skilled in the art are also included in the present invention. Accordingly, various modifications may be made without departing from the spirit or scope of the general inventive concept as defined by the appended claims and equivalents thereof.
4 真空容器
6 冷媒容器
7,7B,7C 排気配管
9 冷凍機
10,10A,10B 冷凍機接続配管
11 伝熱フィン
17,17b 貫通口
16a 第1曲り部(曲がり部)
16b 第2曲り部(曲がり部)
19,19b 配管突出し部
21a 第1折曲部(曲がり部)
21b 第2折曲部(曲がり部)
60 超電導コイル
16b 2nd bend (bend)
19,
21b Second bent part (bent part)
60 superconducting coil
Claims (8)
前記超電導コイルを液状の冷媒に浸漬した状態で収納すると共に、開口部が設けられた冷媒容器と、
前記冷媒容器を収納する真空容器と、
前記冷媒容器の内部で気化した前記冷媒を前記真空容器の外部へ排気する排気配管と、
前記排気配管と離れた位置から前記真空容器の内部に挿入されて、前記冷媒を冷却する冷凍機と、
前記冷媒容器の内部の前記冷媒を前記冷凍機に流通させる冷凍機接続配管と
を備え、
前記排気配管および前記冷凍機接続配管のいずれか一方の配管は、前記開口部を介して前記冷媒容器と連結され、
他方の配管は、該他方の配管の端部が前記一方の配管の途中に設けられた貫通口から前記一方の配管の内部へ挿入されて前記一方の配管の内部に突出する、配管突出し部を有する
超電導電磁石装置。A superconducting coil,
Along with storing the superconducting coil in a state of being immersed in a liquid refrigerant, a refrigerant container provided with an opening,
A vacuum container containing the refrigerant container,
An exhaust pipe for exhausting the refrigerant vaporized inside the refrigerant container to the outside of the vacuum container,
A refrigerator that is inserted into the vacuum vessel from a position away from the exhaust pipe and cools the refrigerant,
A refrigerator connection pipe for flowing the refrigerant inside the refrigerant container to the refrigerator.
One of the exhaust pipe and the refrigerator connection pipe is connected to the refrigerant container through the opening,
The other pipe has a pipe protruding portion in which an end of the other pipe is inserted into the inside of the one pipe from a through hole provided in the middle of the one pipe and projects into the inside of the one pipe. Having a superconducting electromagnet device.
請求項1に記載の超電導電磁石装置。The superconducting electromagnet device according to claim 1, wherein the pipe projecting portion projects toward the opening of the refrigerant container.
請求項1又は請求項2に記載の超電導電磁石装置。The superconducting electromagnet device according to claim 1 or 2, wherein an end of the pipe protrusion is inserted into the refrigerant container through the opening.
前記配管突出し部の少なくとも一部が、前記気化した前記冷媒が前記開口部から前記冷凍機へ向かう流路内に位置する
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の超電導電磁石装置。The other pipe is the exhaust pipe,
The superconducting electromagnet device according to any one of claims 1 to 3, wherein at least a part of the pipe protrusion is located in a flow path in which the vaporized refrigerant flows from the opening to the refrigerator.
前記冷凍機接続配管は、前記開口部を通して前記冷媒容器内へと挿入される
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の超電導電磁石装置。The one pipe is the refrigerator connection pipe,
The superconducting electromagnet device according to any one of claims 1 to 4, wherein the refrigerator connection pipe is inserted into the refrigerant container through the opening.
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の超電導電磁石装置。The superconducting electromagnet device according to any one of claims 1 to 5, wherein at least one of the exhaust pipe and the refrigerator connection pipe has a bent portion.
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