JPH0713923B2 - 超電導マグネツト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超電導コイルの冷却構造に工夫を凝らした
超電導マグネツトに関する。

「従来の技術〕 従来の超電導マグネツトは、超電導コイルとこれをTc
（コイル用の超電導線材が超電導状態になるための臨界
温度）に冷却する低温容器とを組合わせて構成されてお
り、コイルの冷却は、真空断熱層を介して２重に構成さ
れた低温容器内の液体ヘリウム中に直接浸漬する方法で
行なわれていた。

〔発明が解決するための問題点〕

コイルを液体ヘリウムで直線冷却する上記従来の超電導
マグネツトには、下記の欠点が見られる。

（１）液体ヘリウムの供給と蒸発ガスの排気のためのポ
ートを低温容器に設ける必要があり、しかも、そのポー
トは、これを伝つた外部熱の侵入量を低減するために長
尺にする必要があることから、マグネツトがコンパクト
性に欠けたものになる。

（２）正常運転時の液体ヘリウムの蒸発量を減らすた
め、低温容器の内外層間の断熱層を大きくして断熱性能
を向上させる必要があり、このことも、マグネツトの小
型化を規制する原因となる。

（３）マグネツトのクエンチ時に、コイルに生じた熱で
液体ヘリウムが大量に蒸発するため、内槽を耐圧設計に
し、また、蒸発ガス排気口の口径を充分に確保し、さら
に、安全弁を設置すると云つたことが要求され、これ等
のためにマグネツト設計の自由度が奪われ、また、マグ
ネツトは一層大重量、大サイズになり、かつ、附属品の
増加のためにコストも高まる。

（４）液体ヘリウムを消費するため、ランニングコスト
が高くつき、また、定期的補給の煩わしさが伴う。

この発明は、上述の諸問題を無くすことを目的としてい
る。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上述の問題点を無くすため、超電導マグネ
ツトを、内部が真空雰囲気の保冷容器と、その中に収納
した超電導コイルと、保冷容器内で超電導コイルを囲う
１乃至複数の熱シールド層と、複数段階の温度の冷却ス
テージを有し、最低温の冷却ステージの温度はコイルを
構成した超電導線材のTc（臨界温度）に設定される冷凍
機と、この冷凍機の冷却ステージと熱シールド層間を往
復し、最終的に最低温の冷却ステージから超電導コイル
に至つてそこから始端に戻るように各冷却ステージと熱
シールド層及び超電導コイルに巻きつけた冷媒ガスの循
環路と、上記超電導コイルに外部から電力を供給するた
めのパワーリードとを具備する構成となし、上記循環路
内の冷媒ガスのみを利用して超電導コイルを臨界温度に
冷却するようにしたのである。

〔作用〕

超電導コイルを真空雰囲気下に保持し、循環路内のヘリ
ウムガスによつて間接的に冷却するようにしたので、直
接の冷却に付随する上述の問題を全て無くし得る。即
ち、間接冷却のポート、内槽の耐圧設計、安全弁が不要
であり、また、コイルが真空雰囲気下にあること、ポー
トを介しての熱侵入が無くなること、コイルが内側にあ
るもの程低温に冷却される熱シールド層に囲まれている
ことにより外部との間の断熱性能が向上するので断熱層
が薄くてよく、このために、マグネットの小型、軽量化
が計れ、また、設計の自由度が増し、コストは低下す
る。

また、間接冷却のための冷媒ガスを循環させているの
で、液体ヘリウムの消費によるランニングコストの上昇
と、液体ヘリウム供給の煩わしさもなくなる。

〔実施例〕

添付図にこの発明の実施例を示す。

第１図に示すように、例示の超電導マグネツトは、保冷
容器が外槽１のみで構成されており、この外槽の内部
に、熱シールド層２とそれに囲まれる超電導コイル３が
設けられている。４は外槽１と熱シールド層２との間、
熱シールド層２とコイル３との間及びコイル中心部に設
けられた真空空間、５は熱シールド層２とコイル３に巻
きつけた冷媒ガス（ヘリウム等）の循環路である。

上記循環路５は、冷凍機６の冷却ステージにも巻かれ
る。即ち、図の場合、保冷容器の外部に設けた圧縮機７
を出て外槽１内に引込まれた後、先ず、外槽内に臨む冷
凍機の高温側冷却ステージ6aに巻かれる。次に、熱シー
ルド層２の外周に巻かれ、その後、熱シールド層２内に
引込まれて層２内に臨む低温側冷却ステージ6bに巻かれ
る。そして、ここからコイル３に導かれてコイル外周に
巻かれ、その後、熱シールド層２、外槽１から順に引出
されて圧縮機７に戻る。

8a,8bは、必要に応じて設ける熱交換器で、戻りガスの
残留冷熱を行きのガスに移す働きをする。

９は、コイル３に外部から電力を供給するためのパワー
リードであり、マグネツトの励磁時に、別途液体窒素等
で冷却し得る構造にしておくのが望ましい。リードの内
部や外周に冷媒液の収納部を設け、その中に液体窒素を
流し入れる方法やリード外周に液体窒素の循環路を巻く
等の方法で給電時のジユール損を充分に冷却すれば、リ
ードの熱がコイルに流れない。

以上の如く構成された例示の超電導マグネツトは、圧縮
機７を出た冷媒ガスが供給端5a部より循環路５に流れ、
次に、第１の熱交換器8aの部分で戻りの低温ガスから冷
熱を吸収した後、冷凍機の冷却ステージ6aに対する巻付
け部で更に冷却され、ここから熱シールド層２への巻付
け部5aに至つて層２を冷却する。

また、この後、熱交換器8bで再び戻りガスと熱交換さ
れ、更に、冷凍機の低温側冷却ステージ6bへの巻付け部
で最終温度に冷却され、その後、コイル３への巻付け部
5cを流れる間にコイル３をTcに冷却する。そして、冷却
を終えたガスは熱交換器8b,8aを経て循環路５の終端部5
dより圧縮機７に戻り、再圧縮されて上と同じ径路を辿
る。

なお、熱シールド層２は、断熱性能をより向上させるた
め、過剰とならない範囲で設置層数を増加させてよい。
その層２を複数層となす場合には、冷凍機６の冷却ステ
ージ数も層２の増加数に応じて増加させ、内側になるに
従つて順次低温にする熱シールド層の各々を適温に冷却
し得るようにしておく。

また、保冷容器を内槽の存在する２重容器とし、内部が
真空雰囲気の上記内槽を熱シールド層の内側に配置して
その中にコイル３を収納することも断熱性能の向上のた
めには、有効なことと云える。

さらに、循環ガスによる間接冷却では、例えば、ガスが
ヘリウムである場合、コイルを液体ヘリウム温度（4.2
°ｋ）まで冷却し難い面があるので、コイル３は、ヘリ
ウムガスによるTcへの冷却が充分に可能なもの即ち、Tc
が10°ｋ〜30°ｋ程度の超電導線から成るものを使用す
るのが望ましい。

〔効果〕 以上述べたように、この発明の超電導マグネツトは、液
体ヘリウムによる直接の冷却が不要であるので、容器の
ポート、内槽の耐圧設計、安全弁等が不要になると共
に、断熱性の向上により断熱層も薄くて済むようにな
り、そのために、小型、軽量化と製造並びにコストの低
減が計れ、かつ設計の自由度が増し、また、液体ヘリウ
ムの定期供給、液体窒素での予冷と云つた煩わしい作業
も必要とせず、さらに、それ等の作業が不要なため、自
動運転の実施も容易になると云つた優れた効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の超電導マグネツトの一例を示す断面
図、第２図はそのマグネツトにおける冷媒ガスの循環径
路を示す線図である。 １…外槽、２…熱シールド層、３…超電導コイル、４…
真空空間、５…冷媒ガスの循環路、5b…熱シールド層へ
の巻付け部、5c……コイルへの巻付け部、６…冷凍機、
6a,6b…冷却ステージ、７…圧縮機、8a,8b…熱交換器、
９…パワーリード

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部が真空雰囲気の保冷容器と、その中に
   収納した超電導コイルと、保冷容器内で超電導コイルを
   囲う１乃至複数の熱シールド層と、複数段階の温度の冷
   却ステージを有し、最低温の冷却ステージの温度はコイ
   ルを構成した超電導線材のTc（臨界温度）に設定される
   冷凍機と、この冷凍機の冷却ステージと熱シールド層間
   を往復し、最終的に最低温の冷却ステージから超電導コ
   イルに至つてそこから始端に戻るように各冷却ステージ
   と熱シールド層及び超電導コイルに巻きつけた冷媒ガス
   の循環路と、上記超電導コイルに外部から電力を供給す
   るためのパワーリードとを具備し、上記循環路内の冷媒
   ガスのみを利用して超電導コイルを臨界温度に冷却する
   ように構成された超電導マグネツト。
2. 【請求項２】上記パワーリードが、液体窒素等による冷
   却手段を別途具備していることを特徴とする特許請求の
   範囲第（１）項記載の超電導マグネツト。
3. 【請求項３】上記循環路が、ヘリウムガスの往路と復路
   との間に戻りガスの冷熱を行きのガスに移す熱交換器を
   保冷容器内に具備していることを特徴とする特許請求の
   範囲第（１）項又は第（２）項記載の超電導マグネツ
   ト。
4. 【請求項４】上記保冷容器が、熱シールド層の内側で超
   電導コイルを囲う真空雰囲気の内槽を具備していること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項乃至第３項のい
   ずれかに記載の超電導マグネツト。
5. 【請求項５】上記超電導コイルのTcが10°ｋ〜30°ｋで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項乃至第
   （４）項のいずれかに記載の超電導マグネツト。