JPS6028211A

JPS6028211A - 超電導磁石装置

Info

Publication number: JPS6028211A
Application number: JP58136604A
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: 1983-07-26
Filing date: 1983-07-26
Publication date: 1985-02-13
Also published as: JPH0582045B2

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】し発明の技術分野］本発明は小型冷凍機と超伝導磁石を組合せて成る超電導
磁石装置に関Ｊる。

［発明の技術的背景とその問題点コ第１図は、従来の超電導磁石装置の構成を示すものであ
る。図において、超電導磁石１は冷却媒体例えば極低温
の（例えば４．２Ｋ）液体ヘリウム２で満された内４ｉ
　３に収納されＣいる。この超電導磁石１を超電導状態
に保１．５シ【いる保冷容器４は内槽３と外槽５からな
り、内槽３と外槽５との間には輻射シールド板６が設り
られ、さらにこの輻射シールド板６には液体窒素７が流
れるシールド管８が設（プられてシールド効果を高めて
いる。

また、超電導状態に保持された上記超電導磁石１はパワ
ーリード１０を介して、外部に設置された超電導磁石用
電源９と接続され、これにより、励磁電流を供給して所
要の磁場が被磁場印加機器１６に印加される。この際、
パワーリード１０．低温配管１１、液体ヘリウム移送管
１２、外１５、輻射シールド板６、内槽３を介して、熱
伝導、輻射により極低温のく例えば４Ｌ　２Ｋ＞液体ヘ
リウム２に外部（例えば３００Ｋ＞より熱が侵入する。

そして、この侵入熱により液体ヘリウム２は蒸発しガス
ヘリウム１３が発生する。このガスヘリウム１３は、パ
ワーリード１０が通っている外筒１４の内部を流れ、パ
ワーリード１０を冷却（ガス冷却）して低温配管１１に
入る。パワーリード１０よりの熱侵入量は、このガス冷
却により低減される。ガスヘリウム１３はヘリウム液化
機１５に入り、極低温（例えば４．：２Ｋ）の液体ヘリ
ウム２に変換される。この液体ヘリウム２は、液体ヘリ
ウム移送管１２を介して内槽３に入る。このＪｚうに、
侵入熱により蒸発したヘリウムはパワーリード１０を冷
Ｕ］　Ｌ、た後に、ヘリウム液化機１５にＪｚり液化さ
れ内槽３へと戻る循環をくり返しながら超電導磁石１を
超電導状態に保持している。

ところで、このように構成された超電導磁石装置は大型
の超電導磁石には適するが、例えば単結晶引上装置等に
使用づる比較的小型の超電導磁石（例えば励磁電流３０
０〜５００Ａ程度、極低温に於けるヘリウム蒸発ｍ１〜
２４／ｈ程度）には適さない。これは、従来型のヘリウ
ム液化機１５は大型超電導磁石用に開発されており、小
さな冷凍能力（例えばヘリウム蒸発量１〜２　ｔ７ｈ程
度）に適したものがないためである。従って通常のヘリ
ウム液化機１５゛を小型超電導磁石に適用すると、超電
導磁石１部に対してヘリウム液化機１５部の大きさある
いは占有面積が過大となり、さらに価格面から見ても超
電導磁石１に比べてヘリウム液化機１５価格が過大とな
り、超電導磁石装置は非常に高価なものとなってしまう
。一方、この小型超電導磁石容量に見合う従来型の小型
冷凍機を用いて、超電導磁石装置をコンパクト、低価格
にする場合は、従来型の小型冷凍機の冷凍能力は、保冷
容器４、内槽３、シールド６．８、外槽５を介しての輻
射熱分を供給し、さらにパワーリード１０の蒸発ガス冷
却ｍをも供給する程はない。

そこで、通常は超電導磁石に永久電流スイッチを取付け
、パワーリードを着脱式とし、超電導磁石が励磁された
後は、パワーリードをはずし、パワーリード部よりの熱
侵入をし一１５断して永久電流モードにて運転を行なっ
ている。このようにすれば、外部よりの熱侵入は輻射熱
および各種低温配管からの熱伝導のみとなり、従来型の
小型冷凍機の冷凍能ツノのみでも十分に超電導磁石を超
電導状態に保っておくことが可能である。

しかしながら、この方式では一度永久電流モードになる
と励磁電流は常に一定となり、電流値を変化させること
が出来ない。例えば、単結晶引上装置に使用する小型超
電導磁石装置を考えると、単結晶引上中に磁場強度を変
化あるいは制御することにより、単結晶中の不純物温度
を制御するという要シーがある。そのため、磁場強度ず
なわら励磁電流値を制御する必要がある。この様に、一
般に超電導磁石装置を用いる機器においては、その印加
磁場強度すなわち励磁電流地−を可変あるいは制御する
という要請が多い。

［発明の目的］本発明は上記のような事情を考虞して成されたもので、
その目的は小型冷凍機と小型超電導磁石を組合せて励磁
電流値を制６１１す“ることが可能なコンバク１−で低
価格の超電導磁石装置を提供することにある。

［発明の概要］上記目的を達成するために本発明では、冷却媒体が満た
された内槽と外槽からなる保冷容器と、この保冷容器の
内槽内に収容された超電導磁石と、この超電８磁石に超
電導磁石用電源より励磁電流を供給するパワーリードと
、前記保冷容器の内槽と外槽との間に設けられたシール
ド体と、前記保冷容器に直接取付けられ前記パワーリー
ドを複数段階の冷却ステージからの熱伝導により直接冷
ＩＪＩす゛る第１の小型冷凍機と、ｍ記保冷容器内槽内
の蒸発した冷媒媒体を当該層内に設けられた再凝縮器に
より液化し前記シールド体を冷却ステージからの熱伝導
により直接冷却する第２の小型冷凍機とを具備して成る
ことを特徴とづる。

［発明の実施例］以下、本発明を第２図に示す一実施例について説明する
。第２図は、本発明による超電導磁石装置の構成例を示
すもので、第１図と同一部分には同一符号を付して示す
。図において、超電導磁石１は液体ヘリウム２が満たさ
れた内槽３に収納されている。第１および第２の小型冷
凍（幾２０および３０は、保冷容器４に直接取付けられ
ている。

この第１の小型冷凍ＩＮ　２０は、当該冷凍機内を循環
している冷凍媒体（例えばヘリウム）２１を圧縮する圧
縮機ユニット２２と、これにより圧縮され冷凍媒体２１
を断熱膨張させて冷凍する膨張態２３と、この膨張機２
３により冷却された冷凍媒体２１により輻射シールド温
度例えば８０Ｋまで冷却された第１の冷凍ステージ２４
と、冷凍媒体２１によりヘリウム液化温度例えば４．２
Ｋまで冷却されたヘリウム再凝縮器２５とから成ってい
る。ここで第１の冷凍ステージ２４は、保冷容器４の外
槽５と内槽３との間に設【ノられた輻射シールド板６に
直接接続され、またヘリウム再凝縮器２５は内槽３内の
液体ヘリウム２の液面真上の位置に設けられている。

また第２の小型冷凍機３０は、当該冷凍機内を循環して
いる冷凍媒体３１を圧縮づ°る圧縮ユニツ［−３２と、
これより出た圧縮冷凍媒体３１を膨張させて冷却する膨
張機３３と、この膨張機３３により冷却された冷凍媒体
３１にＪζり例えば８０Ｋまで冷却された第２の冷凍ス
テージ３４と、冷凍媒体３１により例えば２０Ｋまで冷
却された第３の冷凍ステージ３５とから成っている。

一方、超電導磁石１に励磁電流を供給するパワーリード
１０は、液体ヘリウム２にり内槽３および輻射シールド
６を貫通し、所要の導体長さおよび導体断面積を取った
後に第３の冷凍ステージ３５に接続され、さらに所要の
導体長さおよび導体断面積を取った後に第２の冷凍ステ
ージ３４に接続され、最後に所要の導体長さおよび導体
断面積を取った後に、外槽５を貫通して超電導磁石用電
源９に接続される。

ここで、パワーリード１０と各冷凍ステージ３４．３５
との接続箇所は、電気的に絶縁されている。また、内槽
３を貫通するヘリウム再凝縮器２５およびパワーリード
１０の貫通部分は機密構造とし、内槽３内の液体ヘリウ
ム２の蒸発ガスが外部へ漏れない構造になっている。さ
らに、パワーリード１０の導体断面積は外槽４〜第２の
冷凍ステージ３４間、第２の冷凍ステージ３４〜第３の
冷凍ステージ３５間、第３の冷凍ステージ３５〜超電導
磁石１間にて順次この順番にその導体面積を小さくして
いる。

次に、上記のように構成した超電導磁石装置の作用につ
いて説明する。まず、被磁場印加機器１６（例えば単結
晶引上装置）に磁場を印加するために、パワーリード１
０を介して超電導磁石用電源９により超伝導磁石１を励
磁すると、パワーリード１０の電気抵抗によるジュール
熱、液体ヘリウム温度（例えば４．２に）と大気温度（
例えば３００に）との温度差によるパワーリード１０を
介しての熱伝導による侵入熱、および外槽５、輻射シー
ルド板６、内槽３を通しての輻射による侵入熱により液
体ヘリウム２は蒸発を始める。パワーリード１０から発
生するジュール熱および熱伝導による侵入熱は、第２の
冷凍機３０の第２および第３の冷凍ステージ３４および
３５により除去される。

一般にパワーリードよりの侵入熱は、パワーリード断面
積を大にすればジュール熱は小さくなるが、熱伝導によ
る侵入熱は大きくなる。逆に、パワーリード断面積を小
にすればジュール熱は大きくなり、熱伝導による侵入熱
は小さくなる。そこで、熱侵入を最小にするパワーリー
ドの最適断面積が存在する。この最適断面積は、励磁電
流値、第２．第３の冷凍ステージ３４．３５の温度・冷
凍能力およびパワーリードの導体長さによって決まる。

従って、第２の小型冷凍ｆｉｌ　３０の第２、第３の冷
凍ステージ３４．３５の冷凍能ノコに見合うように、液
体ヘリウム３（例えば４．２に）〜第３の冷凍ステージ
３５（例えば２０に）間、第３の冷凍ステージ３５〜第
２の冷凍ステージ３４（例えば８０に）間および第３の
冷凍ステージ３５〜外槽５（例えば３００に）間のパワ
ーリード１０の導体長さおよび断面積を適切に選ぶこと
により、液体ヘリウム２へのパワーリード１０よりの侵
入熱を最小とすることが出来る。

この最適条件は、例えば一般に良く知られた次式によっ
てめることが出来る。つまり、においで、のとき、熱侵入量は最小値Ｑ　ｍｉｎとなる。ここで、Ｑ：熱侵入ＭＩ：電流地 λ：熱伝導率 α：定数（ρ＝αＴ１ρ：パワーリード抵抗率、Ｔ：温
度）に：熱伝導率 τ：τ−■・ｆα／にＴＣ：低温部温度ａ：パワーリード断面積ｔ：パワーリード長さこのようにして、パワーリード１０よりの熱侵入を小さ
く出来、さらにパワーリード１０をガス冷却しないで済
むため蒸発ヘリウム量が大幅に低減する。このため、輻
射熱あるいは各種低温配管からの熱伝導による侵入熱に
よって蒸発した密閉内槽３内のヘリウムガスは、すべて
従来形の小型冷凍機の冷凍能力のみで再液化することが
出来る。

すなわち、蒸発した液体ヘリウム２は内相３内に設置さ
れたヘリウム再凝縮機２５によって潜熱をうばわれ、再
凝縮し、液滴となって密閉構造の内槽３内の液体ヘリウ
ム２として戻される。また輻り＝Ｊシールド板６は、第
１の小型冷凍機２ｏの第１の冷凍ステージ２４（例えば
８ｏに）に直接接続されており、この第１の冷凍ステー
ジ２４がらの熱伝導により直接冷却される。これにより
、コンパクトで構成の簡単なシールドが得られる。

上述したように、本超電導磁石装置とすれば次のような
効果が得られるものである。

（ａ　）　パワーリード１０を直接に従来形の小型冷凍
機により冷却し、保冷容器４の内槽３を密閉形とするこ
とが出来るので、通常のガス冷却方式に伴なう蒸発ヘリ
ウムの増大を回避することが出来、ヘリウム蒸発ｍが低
減されるので従来形の小型冷凍機により、内槽３内の蒸
発ヘリウムを侵入熱による蒸発分だけ再凝縮することが
出来る。

（ｂ）　パワーリード１０を直接冷１１　しているので
、超伝導磁石装首運転中でも超伝導状態を破壊づること
なく、任意にその磁場強度すなわち励磁電流値を変化さ
せることができる。これにより、例えば単結晶引上装置
用の超伝導磁石装置に本装置を適用した場合には、Ｉｌ
場強度制御により単結晶中の不純物濃度を制御すること
が可能となる。

（Ｃ）　小型冷凍機２０の冷凍ステージ２４により直接
に輻射シールド６を熱伝導により冷却しているので、装
置がコンパクトとなる。

（ｄ　）　小型超電導磁石１の大きさ容量に適合する従
来形の小型冷凍機２０．３０を直接に保冷容器４に取付
ける構造としているので、コンパクトで低価格の装置と
することが出来る。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第３図は、本発明による超伝導磁石装置の他の構成例を
示すもので、第２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。本実施例は、パワーリード１０を冷
却する第２の小型冷凍機３０の第２の冷凍ステージ３４
の温度を、第１の小型冷凍機２０の第１の冷凍ステージ
２４の温度と同一にし、輻射シールド板６を各冷凍ステ
ージ３４および２４に直接取りイ（］（プる構成とした
ものである。かかる構成とすることにより、輻射シール
ドの冷凍能力が高まりシールド効果が改善されると共に
、液体ヘリウム２〜第２の冷凍ステージ３４間のパワー
リード１０が輻射シールドにより当該温度（例えば８０
に）にてシールドされ、パワ−リード１０からの熱侵入
量がより一層低減される。

第４図も、本発明による超伝導磁石装置の（１１１成例
を示すもので、第２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。本実施例は、保冷容器４に順次低
温となる（例えば８０に、２０に。

４．２に）３つの冷凍ステージ１０４，１０５゜１０６
を有する小型冷凍機１００によりパワーリード１０の冷
却おＪ：び内装３内の蒸発ヘリウムの再凝縮を同時に行
なう構成としたものであり、かかる構成により一層コン
バク１〜な超伝導磁石装置を得ることができる。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、小型冷凍機と小型
超伝導磁石を組合せて冷磁電流値を制御づることか可能
なコンバク１〜で低価格の超電導磁石装置が提供できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超電導磁石装置を示す構成図、第２図は
本発明の一実施例を示す構成図、第３図および第４図は
本発明の他の実施例を示す構成図である。１・・・超電導磁石、２・・・液体ヘリウム、３・・・
内槽、４・・・保冷容器、５・・・外槽、６・・・輻射
シールド板、７・・・液体窒素、８・・・シールド管、
９・・・超電導磁石用電源、１０・・・パワーリード、
１１・・・低温配管、１２・・・液体ヘリウム移送管、
１３・・・ガスヘリウム、１４・・・外筒、１５・・・
ヘリウム液化は、１６・・・被磁場印加機器、２０．３
０，１００・・・小型冷凍機、２１．３１，１０１・・
・冷凍媒体、２２，３２，１０２・・・圧縮機ユニット
、２３．３３．１０３・・・膨張機、２４，３４，３５
，１０４，１０５，１０６・・・冷凍ステージ、２５・
・・ヘリウム再凝縮器。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　冷却媒体が満たされた内槽と外槽からなる保冷
容器と、この保冷容器の内槽内に収容された超電導磁石
と、この超電導磁石に超電導磁石用電源より励磁電流を
供給するパワーリードと、前記保冷容器の内槽と外槽と
の間に設けられたシールド体と、前記保冷容器に直接取
付けられ前記パワーリードを複数段階の冷却ステージか
らの熱伝導により直接冷却する第１の小形冷凍機と、前
記保冷容器内槽内の蒸発した冷媒媒体を当該槽内に設け
られた再凝縮器により液化し前記シールド体を冷却ステ
ージからの熱伝導により直接冷却する第２の小形冷凍機
とを具備して成ることを特徴とする超電導磁石装置。（ａパワーリードは各冷凍ステージ間にてその導体断面
積および導体長さを侵入熱量が最小になるように設定し
たことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の超
電導磁石装置。