JP7019042B2 - 超電導マグネット - Google Patents

Description

本発明は、超電導マグネットに関する。

超電導マグネットの構成を開示した先行文献として、特許第５８６８５６２号（特許文献１）がある。特許文献１に記載された超電導マグネットは、超電導コイルと、冷媒容器と、輻射シールドと、真空容器と、冷凍機と、第１排気管と、第１放圧弁とを備える。冷凍機は、真空容器から冷媒容器まで繋がるように設けられたシリンダに挿入されている。冷凍機の第１冷凍ステージは、輻射シールドと間接的に接触している。冷凍機の第２冷凍ステージは、冷媒容器の内部の上部に位置して、気化したヘリウムガスを再液化している。

特許第５８６８５６２号

一般的な超電導マグネットにおいては、冷媒容器に接続された配管の熱伝導および輻射シールドからの輻射により冷媒容器に侵入した熱を冷媒容器の外へ排熱するために、超電導マグネットの稼働時には、冷凍機を連続で運転するため、消費電力が大きくなる。

冷凍機の消費電力を低減する方法の一つとして、冷凍機の運転と停止とを繰り返す間欠運転を行なう方法がある。冷凍機を間欠運転する場合、冷凍機の停止時において冷媒容器内の圧力上昇に要する時間が長いほど、また、冷凍機の運転再開時において冷媒容器内の圧力低下に要する時間が短いほど、冷凍機の作動時間を短くすることができる。

冷凍機の停止時の冷媒容器内の圧力上昇に要する時間を長くするためには、冷媒容器への熱侵入量を低減する必要がある。冷凍機の運転再開時の冷媒容器内の圧力低下に要する時間を短くするためには、冷媒容器内の冷却効率を向上する必要がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、冷媒容器内への熱侵入量を低減するとともに、冷媒容器内の冷却効率を向上させることにより、冷凍機の消費電力を低減できる、超電導マグネットを提供することを目的とする。

本発明に基づく超電導マグネットは、超電導コイルと、冷媒容器と、輻射シールドと、第１配管と、第２配管と、冷凍機と、接続配管とを備えている。冷媒容器は、超電導コイルを冷却するための冷媒および超電導コイルを収容している。輻射シールドは、冷媒容器と、冷媒容器を収容する真空容器との間に配置され、冷媒容器の周りを囲んでいる。第１配管は、真空容器の外側から冷媒容器に接続されている。第２配管は、真空容器の外側から冷媒容器に接続されている。冷凍機は、第２配管の末端を封じるように固定され、かつ、第２配管との間に冷媒の流路を構成するように第２配管に挿入されている。接続配管は、真空容器の内側において、第１配管の内部と第２配管の内部とを連通させている。接続配管は、第１配管に接続する第１接続部と、第２配管に接続する第２接続部とを含んでいる。第２接続部は、真空容器と輻射シールドとの間に位置している。

本発明によれば、第１配管の内部と第２配管の内部とを接続配管によって連通させていることにより、密度差によって冷媒が自然に循環する循環流を発生させることができる。この循環流が、冷凍機と第２配管との間に構成された流路を通過する際に冷媒が冷却されることにより、冷媒容器内の冷却効率を向上することができる。また、第１配管および第２配管の各々を冷媒が通流するため、第１配管および第２配管の各々を通じた熱伝導による冷媒容器内への熱侵入を抑制することができる。ひいては、超電導マグネットにおける冷凍機の消費電力を低減できる。

本発明の実施の形態１に係る超電導マグネットを示す正面図である。 図１の超電導マグネットを矢印ＩＩ方向から見た側面図である。 図１の超電導マグネットをＩＩＩ－ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 図３のＩＶ部を拡大して、気化した冷媒の循環流を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。 図５の超電導マグネットのＶＩ－ＶＩ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態２の変形例に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。 図８のＩＸ部を拡大して、気化した冷媒の循環流を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。 図１１のＸＩＩ部を拡大して、気化した冷媒の循環流を示す図である。

以下、本発明の各実施の形態に係る超電導マグネットについて図面を参照して説明する。以下の実施の形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。以下の実施の形態においては、円筒型の超電導マグネットについて説明するが、必ずしも円筒型の超電導マグネットに限定されるものではなく、開放型の超電導マグネットにも本発明を適用できる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る超電導マグネットを示す正面図である。図２は、図１の超電導マグネットを矢印ＩＩ方向から見た側面図である。図３は、図１の超電導マグネットをＩＩＩ－ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。なお、図３においては超電導マグネットの上側の断面のみ図示している。また、図１から図３においては、簡単のため、各構成を簡略化して示している。

図１～図３に示すように、本実施の形態１に係る超電導マグネット１００は、超電導コイル１１０と、冷媒容器１２０と、真空容器１３０と、輻射シールド１４０と、第１配管１５０と、第１放圧弁１５１と、第２配管１６０と、冷凍機１６５と、第３配管１５５と、第２放圧弁１５６と、接続配管１７０とを備えている。ただし、超電導マグネット１００は、第３配管１５５と第２放圧弁１５６とを必ずしも備えなくてよい。超電導マグネット１００が第３配管１５５と第２放圧弁１５６とを備えていない場合、後述する電極として、真空容器１３０の外側から挿入される電極棒などが用いられてもよい。

冷媒容器１２０は、超電導コイル１１０を冷却するための冷媒および超電導コイル１１０を収容している。本実施の形態において、冷媒容器１２０は、超電導コイル１１０を液状の冷媒１０に浸漬した状態で収容している。液状の冷媒１０は、本実施の形態においては、液体ヘリウムであるが、液体窒素などでもよい。冷媒容器１２０内の超電導コイル１１０および液状の冷媒１０以外の部分は、気化した冷媒１０Ｇで満たされている。液状の冷媒１０が液体ヘリウムである場合、冷媒容器１２０は、超電導コイル１１０を５Ｋ以下の極低温に維持するための低温容器として機能する。

冷媒容器１２０には、冷媒容器１２０の内部と外部とを連通させる２つの開口部が設けられており、一方の開口部に第１配管１５０が接続されており、他方の開口部に第２配管１６０が接続されている。冷媒容器１２０は、たとえばステンレス鋼で構成されている。

真空容器１３０は、冷媒容器１２０を収容している。真空容器１３０は、冷媒容器１２０の外形と略相似形の中空円筒状の形状を有している。真空容器１３０には、冷媒容器１２０の２つの開口部に対応する位置に、２つの開口部が設けられている。真空容器１３０の内部は、冷媒容器１２０の断熱性を向上させるため、高真空状態まで減圧されている。より具体的には、真空容器１３０の内側から冷媒容器１２０の外側までの部分が、高真空状態まで減圧されている。真空容器１３０は、たとえばステンレス鋼で構成されている。

輻射シールド１４０は、冷媒容器１２０と真空容器１３０との間に配置され、冷媒容器１２０の周りを囲んでいる。輻射シールド１４０は、冷媒容器１２０と略相似形の中空円筒状の形状を有している。輻射シールド１４０には、冷媒容器１２０の２つの開口部に対応する位置に、２つの開口部が設けられている。輻射シールド１４０は、真空容器１３０から冷媒容器１２０への熱輻射を低減するために設置される。輻射シールド１４０は、光の反射率および熱伝導率の大きい材料で構成されていることが好ましく、たとえばアルミニウムで構成されている。

第１配管１５０は、真空容器１３０の外側から冷媒容器１２０に接続されている。第１配管１５０は、真空容器１３０の外側から冷媒容器１２０に向けて冷媒容器１２０の径方向に延在している。第１配管１５０は気化した冷媒１０Ｇの流路となる。第１配管１５０の外周面上において、輻射シールド１４０に対応する位置に、第１サーマルアンカ１４１が配置されている。第１サーマルアンカ１４１は、熱伝導率の大きい銅またはアルミニウム等の材料で構成されたブロック状の部材である。第１サーマルアンカ１４１は、図示しない可撓導体を介して輻射シールド１４０の一方の開口部に接続されている。第１配管１５０は、冷凍機１６５の第１冷凍ステージによって間接的に冷却されているが、詳細については後述する。

第１配管１５０の真空容器１３０側の端部は、真空容器１３０の外側に位置している。第１配管１５０の冷媒容器１２０側の端部は、本実施の形態において、冷媒容器１２０内に位置している。第１配管１５０の冷媒容器１２０側の外周面が、冷媒容器１２０に設けられた一方の開口部と接続されている。第１配管１５０と冷媒容器１２０とは、溶接などにより互いに接続されている。第１配管１５０と冷媒容器１２０とが、フランジを介して互いに接続されていてもよい。なお、第１配管１５０の冷媒容器１２０側の端部が、冷媒容器１２０に設けられた開口部に接続されていてもよい。第１配管１５０は、たとえばステンレス鋼で構成されている。

本実施の形態において、第１放圧弁１５１は、真空容器１３０の外側において、第１配管１５０に接続されている。第１放圧弁１５１は、冷媒容器１２０内の内部圧力の過上昇を防ぐ機能を有する。すなわち、冷媒容器１２０の圧力が過上昇した場合に、第１放圧弁１５１が開くことにより、冷媒容器１２０内の気化した冷媒１０Ｇが大気へと放出される。

第２配管１６０は、真空容器１３０の外側から冷媒容器１２０に接続されている。第２配管１６０は、真空容器１３０の外側から冷媒容器１２０に向けて冷媒容器１２０の径方向に延在している。本実施の形態において、第２配管１６０は、第２配管１６０の延在方向における中央部において第２サーマルアンカ１４２を有している。第２配管１６０においては、第２サーマルアンカ１４２より冷媒容器１２０側および真空容器１３０側の各々が、冷凍機１６５の外径に応じて、互いに異なる外径を有している。

第２配管１６０の真空容器１３０側の端部は真空容器１３０の外側に位置している。第２配管１６０の真空容器１３０側の端部に、冷凍機１６５のフランジが固定されている。

一方、第２配管１６０の冷媒容器１２０側の端部は、本実施の形態においては、冷媒容器１２０に設けられた開口部に接続されている。第２配管１６０と冷媒容器１２０とは、溶接などにより互いに接続されている。第２配管１６０と冷媒容器１２０とが、フランジを介して互いに接続されていてもよい。なお、第２配管１６０の冷媒容器１２０側の端部が、冷媒容器１２０内に位置していてもよい。この場合、第２配管１６０の冷媒容器１２０側の外周面が、冷媒容器１２０に設けられた他方の開口部と接続されている。

磁気イメージング装置に用いられる超電導マグネット１００は、病院の診察室などの室温環境に設置されるため、真空容器１３０から輻射シールド１４０へ熱が常に侵入し、さらに、輻射シールド１４０から冷媒容器１２０へ熱が常に侵入する。冷媒容器１２０への熱侵入により、冷媒容器１２０の内部で気化した冷媒１０Ｇが発生し続けると、気化した冷媒１０Ｇの物質量が増大することにより、冷媒容器１２０の内部圧力が上昇する。冷媒容器１２０の内部圧力が高くなりすぎると、冷媒容器１２０が破損すること、または、液状の冷媒１０の温度が上昇して超電導コイル１１０を超電導状態に維持できなくなることがある。そこで、冷媒容器１２０内へ侵入した熱を冷媒容器１２０の外へ排出するために、超電導マグネット１００に冷凍機１６５が設置されている。

冷凍機１６５は、第２配管１６０の末端を封じるように固定され、かつ、第２配管１６０との間に気化した冷媒１０Ｇの流路を構成するように第２配管１６０に挿入されている。第２配管１６０の末端とは、第２配管１６０の真空容器１３０側の端部である。第２配管１６０と冷凍機１６５との間に構成される気化した冷媒１０Ｇの流路については、後述する。

本実施の形態において、冷凍機１６５は、第１冷凍ステージ１６６と、第２冷凍ステージ１６７とを含んでいる。冷凍機１６５としては、このような２段の冷凍ステージを有するギフォード・マクマホン型冷凍機またはパルスチューブ冷凍機が用いられる。冷凍機１６５の冷却能力は、各々の冷凍ステージの温度により変化する。第１冷凍ステージ１６６は、冷凍機１６５の長手方向の中央部に設けられており、第２冷凍ステージ１６７は、冷凍機１６５の長手方向の先端部に設けられている。

液状の冷媒１０として液体ヘリウムを用いる場合、冷凍機１６５の第１冷凍ステージ１６６の温度は、たとえば３０Ｋ以上６０Ｋ以下であり、第１冷凍ステージ１６６の冷却能力は、たとえば２０Ｗ以上７０Ｗ以下であり、第２冷凍ステージ１６７の温度は、たとえば４Ｋであり、第２冷凍ステージ１６７の冷却能力は、たとえば１Ｗである。

第１冷凍ステージ１６６は、第２配管１６０の内部において、真空容器１３０と輻射シールド１４０との間の領域に位置している。なお、第２配管１６０の内部において、真空容器１３０と輻射シールド１４０との間の領域とは、第２配管１６０の内部において、第２配管１６０の延在方向における真空容器１３０と輻射シールド１４０との間の領域を意味する。

本実施の形態においては、第１冷凍ステージ１６６は、第２配管１６０の内部において、後述する第２接続部と輻射シールド１４０との間の領域に位置している。なお、第２配管１６０の内部において、第２接続部と輻射シールド１４０との間の領域とは、第２配管１６０の内部において、第２配管１６０の延在方向における第２接続部と輻射シールド１４０との間の領域を意味する。

第２冷凍ステージ１６７は、第２配管１６０の内部における輻射シールド１４０と冷媒容器１２０との間の領域、および、冷媒容器１２０の内部における上方の領域の、少なくとも一方に位置している。

すなわち、第２冷凍ステージ１６７は、第２配管１６０の内部における輻射シールド１４０と冷媒容器１２０との間の領域に位置していてもよいし、冷媒容器１２０の内部における上方の領域に位置していてもよいし、第２配管１６０の内部における輻射シールド１４０と冷媒容器１２０との間の領域、および、冷媒容器１２０の内部における上方の領域の、各々に亘って位置していてもよい。

第２サーマルアンカ１４２は、熱電導率の大きい銅またはアルミニウムなどの材料で構成されたブロック状の部材である。第２サーマルアンカ１４２は、図示しない可撓導体を介して輻射シールドの他方の開口部に接続されている。

第１冷凍ステージ１６６は、第２サーマルアンカ１４２に直接的に接触しており、第２サーマルアンカ１４２を介して間接的に輻射シールド１４０を冷却している。輻射シールド１４０は、第１サーマルアンカ１４１に間接的に接触しているため、輻射シールド１４０を冷却することにより、第１サーマルアンカ１４１を通じた熱伝導によって第１配管１５０を冷却することができる。第２冷凍ステージ１６７は、冷媒容器１２０の内部の気化した冷媒１０Ｇを冷却している。

ここで、第２配管１６０と冷凍機１６５との間に構成される気化した冷媒１０Ｇの流路について説明する。第２サーマルアンカ１４２または第１冷凍ステージ１６６には、第２配管１６０の内部に気化した冷媒１０Ｇが流れるように、図示しない冷媒流路が設けられている。冷媒流路は、第２サーマルアンカ１４２および第１冷凍ステージ１６６の両方に設けられていてもよい。

冷媒流路の構造は、たとえば、第２サーマルアンカ１４２と第１冷凍ステージ１６６との接触部において、第２サーマルアンカ１４２および第１冷凍ステージ１６６の少なくとも一方に溝が形成されている構造であってもよい。

第２配管１６０内の気化した冷媒１０Ｇの温度は、冷凍機１６５によって冷却されることにより、冷媒容器１２０側に向かうほど小さくなる。第２配管１６０内の気化した冷媒１０Ｇの密度は、冷媒容器１２０側に向かうほど高くなる。

本実施の形態において、第３配管１５５は、真空容器１３０の外側から冷媒容器１２０に向けて延在している。第３配管１５５の少なくとも一部は、第１配管１５０の内部において第１配管１５０と離間しつつ第１配管１５０に沿って延在している。

第１配管１５０と第３配管１５５とは互いに電気的に絶縁されている。具体的には、第３配管１５５は第１配管１５０を貫通するように配置されており、第３配管１５５は、この貫通箇所において絶縁部１５７を介して第１配管１５０に固定されている。第３配管１５５の真空容器１３０側の端部は、真空容器１３０および第１配管１５０の外側に位置している。第３配管１５５の冷媒容器１２０側の端部は、第１配管１５０の内部、および、冷媒容器１２０の内部の少なくとも一方に位置している。本実施の形態において、第３配管１５５の冷媒容器１２０側の端部は、第１配管１５０の冷媒容器１２０側の端部と、第１配管１５０の延在方向において略同一の位置となるように配置されている。

第３配管１５５は、気化した冷媒１０Ｇの補助流路を構成している。第３配管１５５は、たとえばステンレス鋼で構成されている。第３配管１５５は、第１配管１５０とともに、超電導コイル１１０に電流を流すための電極としても使用される。第１配管１５０および第３配管１５５の各々は、電流リード１８０で超電導コイル１１０と接続されている。

本実施の形態において、第２放圧弁１５６は、第３配管１５５において、真空容器１３０より外側の末端に接続されている。第３配管１５５の末端とは、第３配管１５５の真空容器１３０側の端部である。第１配管１５０に接続された第１放圧弁１５１と同様に、第２放圧弁１５６は、冷媒容器１２０の内部圧力の過上昇を防ぐ機能を有する。

接続配管１７０は、真空容器１３０の内側において、第１配管１５０の内部と第２配管１６０の内部とを連通させている。接続配管１７０は、たとえば、ステンレスまたはアルミニウムなどの材料で構成されている。本実施の形態において、接続配管１７０は、フレキシブル管である。

接続配管１７０は、第１配管１５０に接続する第１接続部１７１と、第２配管１６０に接続する第２接続部１７２とを含んでいる。第２接続部１７２は、真空容器１３０と輻射シールド１４０との間に位置している。また、本実施の形態においては、第１接続部１７１も、真空容器１３０と輻射シールド１４０との間に位置している。

接続配管１７０は、第１接続部１７１において、第１配管１５０内の気化した冷媒１０Ｇが漏洩しないように、溶接などにより第１配管１５０に接続されている。接続配管１７０は、第１接続部１７１において、フランジを介して第１配管１５０に接続されていてもよい。

接続配管１７０は、第２接続部１７２において、第２配管１６０内の気化した冷媒１０Ｇが漏洩しないように、溶接などにより第２配管１６０に接続されている。接続配管１７０は、第２接続部１７２において、フランジを介して第２配管１６０に接続されていてもよい。

本実施の形態においては、接続配管１７０の全体、すなわち、第１配管１５０と接続している第１接続部１７１から、第２配管１６０と接続している第２接続部１７２まで、真空容器１３０の内部の真空雰囲気中に配置されている。

ここで、本実施の形態に係る超電導マグネット１００において、冷媒容器１２０内で気化した冷媒１０Ｇが自然に循環するような循環流が発生するメカニズムについて図４を参照して説明する。図４は、図３のＩＶ部を拡大して、気化した冷媒の循環流を示す図である。

まず、第１配管１５０の内部の冷媒１０Ｇは、真空容器１３０の外部から第１配管１５０を伝わって侵入した熱によって加熱され、温度が上昇する。温度が上昇した冷媒１０Ｇは、比重が減少して上昇する。その結果、図４に示すように、第１配管１５０の内部において、冷媒１０Ｇが上昇する流れが発生する。

第１配管１５０の内部を上昇した冷媒１０Ｇは、接続配管１７０に流入する。第１配管１５０から接続配管１７０を通って第２配管１６０に向かって流れる際に、冷媒１０Ｇは、真空容器１３０からの輻射熱の影響により、温度が少し上昇する。

接続配管１７０を流れた冷媒１０Ｇは、第２配管１６０の内部において、真空容器１３０と輻射シールド１４０との間の領域に流入する。第２配管１６０の内部において、真空容器１３０と輻射シールド１４０との間の領域には、第１冷凍ステージ１６６も位置している。このため、接続配管１７０から第２配管１６０に流入した冷媒１０Ｇは、第１冷凍ステージ１６６に沿って流動する際に冷却される。冷却された冷媒１０Ｇは、比重が増加して下降するため、第１冷凍ステージ１６６と第２配管１６０との間の冷媒流路を通過して冷媒容器１２０側に流れ、第２冷凍ステージ１６７へ向かう。

第２冷凍ステージ１６７に沿って流動する際、冷媒１０Ｇは、第２冷凍ステージ１６７によってさらに冷却され、比重が増加して下降する。このように、第２配管１６０の内部において、冷媒容器１２０に向かう冷媒１０Ｇの流れが発生する。

第２配管１６０の内部において、冷媒容器１２０に向かう冷媒１０Ｇの流れが発生することにより、第２配管１６０の内部における真空容器１３０と輻射シールド１４０との間の領域の内圧が低下するため、接続配管１７０内の冷媒１０Ｇが第２配管１６０の内部に引き込まれる流れが発生する。また、冷媒容器１２０の内部において、第２配管１６０側から第１配管１５０に向かう、冷媒１０Ｇの流れが発生する。

このように、本実施の形態においては、冷媒容器１２０、第１配管１５０、接続配管１７０、第２配管１６０、冷媒容器１２０の順に冷媒１０Ｇが循環する循環流が自然発生する。この冷媒１０Ｇの循環流が生じることにより、第１配管１５０および第３配管１５５の各々は、冷媒１０Ｇの顕熱により冷却される。これにより、第１配管１５０および第３配管１５５の各々を通じた熱伝導による冷媒容器１２０内への熱侵入を抑制することができる。

また、この循環流により、冷媒１０Ｇを、第１冷凍ステージ１６６および第２冷凍ステージ１６７の各々を通過させることができる。第１冷凍ステージ１６６の冷却性能は、第２冷凍ステージ１６７の冷却性能より大きいため、本実施の形態に係る超電導マグネット１００においては、第２冷凍ステージ１６７のみで冷媒を冷却する従来の超電導マグネットと比較して、第２冷凍ステージ１６７の熱負荷を低減でき、冷凍機１６５の冷却効率を向上することができる。その結果、冷媒容器１２０内の冷却効率を向上することができる。

さらに、接続配管１７０が真空容器１３０の内側に位置しているため、真空容器１３０の外側から接続配管１７０内への熱侵入が少ないため、冷媒容器１２０内の冷却効率を効果的に向上することができる。

上記のように、本実施の形態に係る超電導マグネット１００は、真空容器１３０の内側において、第１配管１５０と第２配管１６０の内部とを連通させる接続配管１７０を備え、冷凍機１６５が、第２配管１６０との間に冷媒１０Ｇの流路を構成するように第２配管１６０に挿入されているとともに、接続配管１７０と第２配管１６０とを接続する第２接続部１７２が、真空容器１３０と輻射シールド１４０との間に位置している。

これにより、冷媒容器１２０内で気化した冷媒１０Ｇが密度差によって自然に循環する循環流を発生させることができる。この循環流によって、第２配管１６０内の冷凍機１６５と第２配管１６０との間に構成された流路中にて冷媒１０Ｇを冷却することができるため、冷媒容器１２０内の冷却効率を向上することができる。

また、第１配管１５０および第２配管１６０の各々を気化した冷媒１０Ｇが通流するため、第１配管１５０および第２配管１６０の各々を通じた熱伝導による冷媒容器１２０内への熱侵入を抑制することができる。ひいては、超電導マグネット１００における冷凍機１６５の消費電力を低減できる。

さらに、本実施の形態においては、第１冷凍ステージ１６６が、第２配管１６０の内部において、真空容器１３０と輻射シールド１４０との間の領域に位置しており、かつ、第２冷凍ステージ１６７が、第２配管１６０の内部における輻射シールド１４０と冷媒容器１２０との間の領域、および、冷媒容器１２０の内部における上方の領域の、少なくとも一方に位置している。

これにより、冷媒１０Ｇを、第１冷凍ステージ１６６および第２冷凍ステージ１６７の各々に通過させることができるため、第２冷凍ステージ１６７の熱負荷を低減させて冷凍機１６５の冷却効率を向上させることができる。ひいては、冷媒容器１２０内の冷却効率を向上させることができる。

さらに、本実施の形態においては、第１冷凍ステージ１６６が、第２配管１６０の内部において、第２接続部１７２と輻射シールド１４０との間の領域に位置していることにより、循環流が第１冷凍ステージ１６６を直接通過するようにして、第１冷凍ステージ１６６にて冷媒１０Ｇを効果的に冷却することができる。

さらに、本実施の形態に係る超電導マグネット１００は、真空容器１３０の外側から冷媒容器１２０に向けて延在し、少なくとも一部が第１配管１５０の内部において第１配管１５０と離間しつつ第１配管１５０に沿って延在する第３配管１５５をさらに備えている。冷媒１０Ｇの圧力が高まったときには、第１配管１５０および第３配管１５５の各々の末端を開放することにより、冷媒容器１２０の内部圧力の過上昇を防ぐことができる。

なお、第１冷凍ステージ１６６は、第２配管１６０の内部において、真空容器１３０と輻射シールド１４０との間の領域に位置していればよく、必ずしも、第２配管１６０の内部において、第２接続部１７２と輻射シールド１４０との間の領域に位置していなくてもよい。すなわち、第１冷凍ステージ１６６は、第２配管１６０の内部において、真空容器１３０と第２接続部１７２との間の領域に位置していてもよい。この場合にも、第２配管１６０の内部において、真空容器１３０と輻射シールド１４０との間の領域に流入した冷媒１０Ｇを、第１冷凍ステージ１６６によって冷却することができる。なお、第２配管１６０の内部において、真空容器１３０と第２接続部１７２との間の領域とは、第２配管１６０の内部において、第２配管１６０の延在方向における真空容器１３０と第２接続部１７２との間の領域を意味する。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２に係る超電導マグネットについて説明する。本発明の実施の形態２に係る超電導マグネットは、第１配管の構成のみが本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット１００と異なるため、本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット１００と同様である構成については説明を繰り返さない。

図５は、本発明の実施の形態２に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図６は、図５の超電導マグネットのＶＩ－ＶＩ線矢印方向から見た断面図である。なお、図５においては超電導マグネットの上側の断面のみ図示している。また、図５においては、簡単のため、各構成を簡略化して示している。

本発明の実施の形態２に係る超電導マグネットは、図５および図６に示すように、第１接続部１７１より冷媒容器１２０側において、第１配管１５０の内面に設けられた放熱部２５９をさらに備えている。

放熱部２５９は、たとえば、熱伝導率の大きい銅またはアルミニウムなどの材料で構成されている。また、図６に示すように、本実施の形態に係る超電導マグネットは、複数の放熱部２５９を備えており、複数の放熱部２５９の各々は、第１配管１５０の周方向に互いに間隔をおいて配置されている。複数の放熱部２５９の各々は、第３配管１５５に対して間隔をあけて位置している。

第１配管１５０内の気化した冷媒１０Ｇが、循環流により、放熱部２５９と第３配管１５５との隙間、および、放熱部２５９同士の隙間を流れる際に、第１配管１５０が放熱部２５９を介して冷媒１０Ｇと熱交換する。その結果、第１配管１５０は、冷媒１０Ｇと直接的に熱交換をするとともに、放熱部２５９を介して冷媒１０Ｇと間接的に熱交換することにより、冷却される。第１配管１５０を冷却した冷媒１０Ｇが、第１冷凍ステージ１６６にて冷却されることにより、顕熱輸送される。

なお、放熱部２５９と第３配管１５５との間隔は、特に限定されるものではないが、超電導マグネットの組立時の工作性を阻害せず、また、第１配管１５０と第３配管１５５との絶縁距離が確保できる程度の間隔が必要である。

本実施の形態においては、放熱部２５９の形状は、第１配管１５０の延在方向に沿って延びるフィン形状であるが、これに限られない。

図７は、本発明の実施の形態２の変形例に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図７においては、図６と同一の断面視にて図示している。

図７に示すように、本発明の実施の形態２の変形例に係る超電導マグネットにおいては、放熱部２５９は、第３配管１５５の外面に設けられている。なお、放熱部２５９は、第１配管１５０の内面、および、第３配管１５５の外面の、各々に設けられていてもよい。この場合、第１配管１５０の内面に設けられた放熱部２５９同士の間に、第３配管１５５の外面に設けられた放熱部２５９が配置される。

本変形例においては、第１配管１５０内の気化した冷媒１０Ｇが、循環流により、放熱部２５９と第１配管１５０との隙間、および、放熱部２５９同士の隙間を流れる際に、第３配管１５５が放熱部２５９を介して冷媒１０Ｇと熱交換する。その結果、第３配管１５５は、冷媒１０Ｇと直接的に熱交換をするとともに、放熱部２５９を介して冷媒１０Ｇと間接的に熱交換することにより、冷却される。第３配管１５５を冷却した冷媒１０Ｇが、第１冷凍ステージ１６６にて冷却されることにより、顕熱輸送される。

上記のように、第１接続部１７１より冷媒容器１２０側において、第１配管１５０の内面および第３配管１５５の外面のうち少なくとも一方に、放熱部２５９が設けられていることにより、第１配管１５０内を流れる気化した冷媒１０Ｇとの熱交換面積を増加させて、第１配管１５０および第３配管１５５の少なくとも一方の温度を低くすることができる。すなわち、第１配管１５０および第３配管１５５の少なくとも一方から冷媒容器１２０内への熱侵入量を低減することができ、ひいては、冷媒容器１２０内の冷却効率を向上することができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３に係る超電導マグネットについて説明する。本発明の実施の形態３に係る超電導マグネットは、接続配管および輻射シールドの各々の構成が超電導マグネット１００と異なるため、本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット１００と同様である構成については説明を繰り返さない。

図８は、本発明の実施の形態３に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図９は、図８のＩＸ部を拡大して、気化した冷媒の循環流を示す図である。なお、図８においては超電導マグネットの上側の断面のみ図示している。また、図８および図９においては、簡単のため、各構成を簡略化して示している。

本発明の実施の形態３に係る超電導マグネットにおいては、図８および図９に示すように、接続配管３７０の外周面が、輻射シールド３４０に間接的に接触している。具体的には、接続配管３７０の外周面が、熱伝導部３７５を介して、輻射シールド１４０に間接的に接触している。

本実施の形態において、接続配管３７０の第１接続部３７１は、輻射シールド１４０と冷媒容器１２０との間に位置している。接続配管３７０の第２接続部１７２は、本発明の実施の形態１と同様に、真空容器１３０と輻射シールド３４０との間に位置している。輻射シールド３４０には、一方の開口部と他方の開口部との間の位置に、貫通孔３４３が設けられている。

接続配管３７０は、輻射シールド１４０と冷媒容器１２０との間に位置する第１接続部３７１から、貫通孔３４３を通過して、真空容器１３０と輻射シールド３４０との間に位置する第２接続部１７２まで、設けられている。

熱伝導部３７５は、熱伝導率が比較的大きい材料で構成されていることが好ましい。熱伝導部３７５は、たとえば、銅で構成されている。熱伝導部３７５は、可撓性を有する撓み導体で構成されていることが好ましい。

なお、熱伝導部３７５は必ずしも設けられていなくてもよく、接続配管３７０の外周面が、輻射シールド３４０に直接的に接触していてもよい。この場合、接続配管３７０の外周面が、輻射シールド３４０に設けられた貫通孔３４３の縁部と接触する。

図９に示すように、本実施の形態に係る超電導マグネットは、本発明の実施の形態１に係る超電導マグネットと同様に、第２配管１６０内における気化した冷媒１０Ｇの密度差を駆動力とする、冷媒１０Ｇの循環流が自然発生する。すなわち、冷媒容器１２０、第１配管１５０、接続配管３７０、第２配管１６０、冷媒容器１２０の順に冷媒１０Ｇが循環する循環流が自然発生する。冷媒１０Ｇは、この循環流により、冷媒容器１２０内に侵入した熱を、気化した冷媒１０Ｇの顕熱を利用して冷凍機１６５の第１冷凍ステージ１６６に輸送することができる。ひいては、冷媒容器１４０内の冷却効率を向上させることができる。

さらに、本実施の形態に係る超電導マグネットは、接続配管３７０の外周面が、輻射シールド３４０に直接的または間接的に接触しているため、接続配管３７０内を流れる気化した冷媒１０Ｇと輻射シールド３４０との間で、接続配管３７０を介した熱交換が行なわれる。この熱交換により、輻射シールド３４０の温度を低くすることができるため、輻射シールド３４０から冷媒容器１２０への輻射による熱侵入を低減することができる。これにより、冷媒容器１２０内を冷却するために必要となる熱量を低減でき、ひいては、冷媒容器１２０の冷却効率をさらに向上させることができる。

実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４に係る超電導マグネットについて説明する。本発明の実施の形態４に係る超電導マグネットは、第１配管の構成のみが本発明の実施の形態３に係る超電導マグネットと異なるため、本発明の実施の形態３に係る超電導マグネットと同様である構成については説明を繰り返さない。

図１０は、本発明の実施の形態４に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。なお、図１０においては超電導マグネットの上側の断面のみ図示している。また、図１０においては、簡単のため、各構成を簡略化して示している。

本発明の実施の形態４に係る超電導マグネットは、図１０に示すように、第１接続部３７１より冷媒容器１２０側において、第１配管１５０の内面に設けられた放熱部４５９をさらに備えている。

放熱部４５９は、たとえば、熱伝導率の大きい銅またはアルミニウムなどの材料で構成されている。また、本実施の形態に係る超電導マグネットは、本発明の実施の形態２に係る超電導マグネットと同様に、複数の放熱部４５９を備えており、複数の放熱部４５９の各々は、第１配管１５０の周方向に互いに間隔をおいて配置されている。複数の放熱部４５９の各々は、第３配管１５５に対して間隔をあけて位置している。

第１配管１５０内の気化した冷媒１０Ｇが、循環流により、放熱部４５９と第３配管１５５との隙間、および、放熱部４５９同士の隙間を流れる際に、第１配管１５０が放熱部４５９を介して冷媒１０Ｇと熱交換する。その結果、第１配管１５０は、冷媒１０Ｇと直接的に熱交換をするとともに、放熱部４５９を介して冷媒１０Ｇと間接的に熱交換することにより、冷却される。第１配管１５０を冷却した冷媒１０Ｇが、第１冷凍ステージ１６６にて冷却されることにより、顕熱輸送される。

なお、放熱部４５９と第３配管１５５との間隔は、特に限定されるものではないが、超電導マグネットの組立時の工作性を阻害せず、また、第１配管１５０と第３配管１５５との絶縁距離が確保できる程度の間隔が必要である。

本実施の形態においては、放熱部４５９の形状は、第１配管１５０の延在方向に沿って延びるフィン形状であるが、これに限られない。また、本発明の実施の形態２の変形例と同様に、放熱部４５９は、第３配管１５５の外面に設けられていてもよい。

上記のように、第１接続部３７１より冷媒容器１２０側において、第１配管１５０の内面および第３配管１５５の外面のうち少なくとも一方に、放熱部４５９が設けられていることにより、第１配管１５０内を流れる気化した冷媒１０Ｇとの熱交換面積を増加させて、第１配管１５０および第３配管１５５の少なくとも一方の温度を低くすることができる。すなわち、第１配管１５０および第３配管１５５の少なくとも一方から冷媒容器１２０内への熱侵入量を低減することができ、ひいては、冷媒容器１２０内の冷却効率を向上することができる。

実施の形態５．
以下、本発明の実施の形態５に係る超電導マグネットについて説明する。本発明の実施の形態５に係る超電導マグネットは、第３配管の構成のみが本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット１００と異なるため、本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット１００と同様である構成については説明を繰り返さない。

図１１は、本発明の実施の形態５に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図１２は、図１１のＸＩＩ部を拡大して、気化した冷媒の循環流を示す図である。図１１および図１２においては、簡単のため、各構成を簡略化して示している。

図１１に示すように、本発明の実施の形態５に係る超電導マグネット５００においては、第３配管５５５が、第３配管５５５の内部と外部とを接続する孔部５５８を有している。

図１２に示すように、本実施の形態においては、冷媒容器１２０の内部で気化することにより発生した冷媒１０Ｇが、循環流により、第１配管１５０と第３配管５５５との間を流れるとともに、第３配管５５５の内部にも流れる。その結果、第３配管５５５は、外部側および内部側の各々において冷媒１０Ｇと直接的に熱交換することにより、冷却される。

第３配管５５５の内部を流れることにより第３配管５５５を内部側から冷却した冷媒１０Ｇは、第３配管５５５の内部から、孔部５５８を通過して、第３配管５５５の外部へ流れる。この冷媒１０Ｇは、第１配管１５０と第３配管５５５との間を流れる冷媒１０Ｇと合流しつつ、接続配管１７０へと流れる。このようにして、第１配管１５０を冷却し、かつ、第３配管５５５を外部側および内部側の両方から冷却した冷媒１０Ｇは、接続配管１７０を流れたのち、冷凍機１６５の第１冷凍ステージ１６６にて冷却されることにより、顕熱輸送される。

本実施の形態においては、孔部５５８の少なくとも一部が、接続配管１７０の第１接続部１７１と対向する位置に配置されている。なお、第３配管５５５の内部を流れた冷媒１０Ｇが、孔部５５８を通って接続配管１７０へ流入するように配置されていれば、孔部５５８が配置される位置は、当該位置に限定されない。孔部５５８は、第１接続部１７１と対向する位置より上方に配置されていてもよいし、第１接続部１７１と対向する位置より下方に配置されていてもよい。孔部５５８は、必ずしも、第１接続部１７１と対向していなくてもよい。

また、本実施の形態においては、第３配管５５５に、１つの孔部５５８が設けられているが、複数の孔部５５８が設けられていてもよい。複数の孔部５５８は、第３配管５５５の延在方向に沿って配置されていてもよいし、第３配管５５５の周方向に沿って配置されていてもよい。また、孔部５５８の大きさおよび形状の各々は、第３配管５５５の強度が保たれるものであれば、特に制限されない。

上記のように、孔部５５８が第３配管５５５に設けられることで、循環流により、第３配管５５５の内部にも気化した冷媒１０Ｇが流れる。これにより、冷媒１０Ｇと第１配管１５０との伝熱面積の大きさを維持しつつ、冷媒１０Ｇと第３配管５５５との伝熱面積を増加させて、第３配管５５５の温度を低くすることができる。すなわち、第１配管１５０および第３配管５５５の各々から冷媒容器１２０内への熱侵入量を低減することができ、ひいては、冷媒容器１２０内の冷却効率を向上させることができる。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１０，１０Ｇ 冷媒、１００ 超電導マグネット、１１０ 超電導コイル、１２０ 冷媒容器、１３０ 真空容器、１４０，３４０ 輻射シールド、１４１ 第１サーマルアンカ、１４２ 第２サーマルアンカ、１５０ 第１配管、１５１ 第１放圧弁、１５５，５５５ 第３配管、１５６ 第２放圧弁、１５７ 絶縁部、１６０ 第２配管、１６５ 冷凍機、１６６ 第１冷凍ステージ、１６７ 第２冷凍ステージ、１７０，３７０ 接続配管、１７１，３７１ 第１接続部、１７２ 第２接続部、１８０ 電流リード、２５９，４５９ 放熱部、３４３ 貫通孔、３７５ 熱伝導部、５５８ 孔部。

Claims (7)

1. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルを冷却するための冷媒および前記超電導コイルを収容する冷媒容器と、
   前記冷媒容器と、該冷媒容器を収容する真空容器との間に配置され、前記冷媒容器の周りを囲む輻射シールドと、
   前記真空容器の外側から前記冷媒容器に接続された第１配管と、
   前記真空容器の外側から前記冷媒容器に接続された第２配管と、
   前記第２配管の末端を封じるように固定され、かつ、前記第２配管との間に前記冷媒の流路を構成するように前記第２配管に挿入された冷凍機と、
   前記真空容器の内側において、前記第１配管の内部と前記第２配管の内部とを連通させる接続配管とを備え、
   前記接続配管は、前記第１配管に接続する第１接続部と、前記第２配管に接続する第２接続部とを含み、
   前記第２接続部は、前記真空容器と前記輻射シールドとの間に位置している、超電導マグネット。
2. 前記冷凍機は、第１冷凍ステージと、第２冷凍ステージとを含み、
   前記第１冷凍ステージは、前記第２配管の内部において、前記真空容器と前記輻射シールドとの間の領域に位置し、
   前記第２冷凍ステージは、前記第２配管の内部における前記輻射シールドと前記冷媒容器との間の領域、および、前記冷媒容器の内部における上方の領域の、少なくとも一方に位置する、請求項１に記載の超電導マグネット。
3. 前記第１冷凍ステージは、前記第２配管の内部において、前記第２接続部と前記輻射シールドとの間の領域に位置している、請求項２に記載の超電導マグネット。
4. 前記真空容器の外側から前記冷媒容器に向けて延在し、少なくとも一部が前記第１配管の内部において前記第１配管と離間しつつ前記第１配管に沿って延在する第３配管をさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
5. 前記第１接続部より冷媒容器側において、前記第１配管の内面および前記第３配管の外面のうち少なくとも一方に設けられた放熱部をさらに備える、請求項４に記載の超電導マグネット。
6. 前記第３配管は、前記第３配管の内部と外部とを接続する孔部を有し、
   前記第３配管の内部と前記接続配管の内部とは、前記孔部を通じて互いに連通している、請求項４または請求項５に記載の超電導マグネット。
7. 前記接続配管の外周面が、前記輻射シールドに直接的または間接的に接触している、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超電導マグネット。

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