JP7242580B2 - superconducting electromagnet - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、熱伝導方式で冷却する超電導電磁石に関する。 Embodiments of the present invention relate to conductively cooled superconducting electromagnets.
永久電流を循環させて誘導磁場を発生させる超電導電磁石の冷却は、液体ヘリウム浸漬方式が従来主流であった。近年、極低温冷凍機が供給する冷熱で超電導電磁石を直接冷却する熱伝導方式が検討されている。これら二つの方式のいずれであっても、超電導電磁石の起動時に、永久電流スイッチ(PCS)が使用される。すなわち、永久電流スイッチをOFF設定にし、電源から励磁電流を供給して主コイルに誘導磁場を発生させる(ドリブンモード)。しかる後に、永久電流スイッチをON設定に切り替え、さらに励磁電流の供給を徐々に減らして、永久電流モード(PCモード)に移行させる。 Conventionally, liquid helium immersion has been the mainstream method for cooling superconducting electromagnets that generate an induced magnetic field by circulating a persistent current. In recent years, a heat conduction method for directly cooling a superconducting electromagnet with cold heat supplied by a cryogenic refrigerator has been studied. In either of these two schemes, a persistent current switch (PCS) is used when starting the superconducting electromagnet. That is, the persistent current switch is set to OFF, and an excitation current is supplied from the power source to generate an induced magnetic field in the main coil (driven mode). After that, the persistent current switch is switched to the ON setting, and the supply of the excitation current is gradually reduced to shift to the persistent current mode (PC mode).
永久電流スイッチは、超電導線材の無誘導巻コイルとヒータ線とを備えている。そして、冷却状態の無誘導巻コイルを加熱/除熱することで常電導状態/超電導状態を切り替え、永久電流スイッチのOFF/ON設定がなされる。 The persistent current switch includes a non-inductive coil of superconducting wire and a heater wire. Then, by heating/removing the heat from the non-inductive winding coil in the cooled state, the normal conducting state/superconducting state is switched, and the persistent current switch is set to OFF/ON.
冷却が液体ヘリウム浸漬方式の場合、永久電流スイッチのOFF設定時の発熱は、無誘導巻コイルを昇温させる以外は、冷媒である液体ヘリウム中に散逸されてしまう。このため、永久電流スイッチのOFF設定時の発熱が主コイルに影響を及ぼすことについて、検討する必要性は特になかった。 In the case of cooling by the liquid helium immersion method, the heat generated when the persistent current switch is turned off is dissipated into liquid helium, which is a coolant, except for raising the temperature of the non-inductive winding coil. Therefore, there was no particular need to consider the influence of the heat generated when the persistent current switch is turned off on the main coil.
しかし冷却が熱伝導方式の場合、永久電流スイッチのOFF設定時の発熱の一部は、主コイルに到達してしまう。この到達熱により主コイルの温度が上昇し、超電導の臨界点を超えて常伝導転移(クエンチ)に至ることが懸念される。 However, in the case of cooling by heat conduction, part of the heat generated when the persistent current switch is turned off reaches the main coil. There is concern that the temperature of the main coil will rise due to this reaching heat, and that the critical point of superconductivity will be exceeded, leading to a normal conduction transition (quench).
また主コイルの超電導線材のマトリクスに純銅が用いられているのに対し、永久電流スイッチの超電導線材にはマトリクスに高抵抗の合金(CuNi)が用いられている。このCuNiマトリクスを持つ線材は、銅マトリクスを持つ超電導線材と比べて安定性が低く、磁気的不安定性によってクエンチが生じ易い。このため熱伝導方式で冷却する超電導電磁石では、永久電流スイッチ及びその周辺にクエンチ発生のリスクを抱えているといえる。 Further, while pure copper is used for the matrix of the superconducting wire of the main coil, a high-resistance alloy (CuNi) is used for the matrix of the superconducting wire of the persistent current switch. A wire having a CuNi matrix is less stable than a superconducting wire having a copper matrix, and is likely to be quenched due to magnetic instability. For this reason, it can be said that the superconducting electromagnet cooled by the heat conduction method has the risk of quenching in the persistent current switch and its surroundings.
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、熱伝導方式で冷却するに際し、クエンチ発生のリスクを低減する超電導電磁石を提供することを目的とする。 The embodiments of the present invention have been made in consideration of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a superconducting electromagnet that reduces the risk of quenching when cooled by heat conduction.
実施形態に係る超電導電磁石において、第1超電導線材が巻回し誘導磁場を生成する主コイルと、無誘導巻の第2超電導線材及びこの第2超電導線材を超電導状態から常電導状態に切り替える発熱部を含む永久電流スイッチと、前記主コイルから第1引出線として引き出される一対の前記第1超電導線材及び前記永久電流スイッチから第2引出線として引き出される一対の前記第2超電導線材を並列接続する接続部材と、前記主コイル及び前記接続部材を支持するとともに極低温冷凍機から供給される冷熱を伝達する第1伝熱部材と、前記第1伝熱部材から前記永久電流スイッチに前記冷熱を伝達するとともに前記第2引出線を支持する第2伝熱部材と、を備え、前記第2伝熱部材は、前記第2引出線に接触する中間部材と、前記中間部材とは分離してその両端に位置する端部材と、前記中間部材及び前記端部材の連結面と前記第2引出線及び前記端部材の接触面とに配置される電気絶縁材と、を有するか、もしくは前記第2伝熱部材には、前記第2引出線の外周片側面の反転形状を有する溝が刻設されているか、もしくは前記第2伝熱部材は、ワイヤ形状を持つ前記第2伝熱部材が前記第2引出線と線状に外接し合うかする。 In the superconducting electromagnet according to the embodiment, a main coil around which a first superconducting wire is wound to generate an induced magnetic field, a second superconducting wire of non-inductive winding, and a heat generating portion for switching the second superconducting wire from a superconducting state to a normal conducting state. a connecting member for connecting in parallel a pair of said first superconducting wires drawn out as first lead wires from said main coil and a pair of said second superconducting wires drawn out as second lead wires from said persistent current switch in parallel. a first heat transfer member that supports the main coil and the connecting member and transfers cold heat supplied from the cryogenic refrigerator; and a first heat transfer member that transfers the cold heat to the persistent current switch. and a second heat transfer member that supports the second lead wire, wherein the second heat transfer member is an intermediate member that contacts the second lead wire and is separated from the intermediate member and positioned at both ends thereof. and an electrical insulating material disposed on the connection surface of the intermediate member and the end member and the contact surface of the second lead line and the end member, or the second heat transfer member a groove having a reversed shape of one side surface of the outer periphery of the second lead wire is engraved, or the second heat transfer member has a wire shape, and the second heat transfer member is the second lead wire Circumscribe each other linearly.
本発明の実施形態により、熱伝導方式で冷却するに際し、クエンチ発生のリスクを低減する超電導電磁石が提供される。 Embodiments of the present invention provide a superconducting electromagnet that reduces the risk of quenching when cooled in a thermal conduction fashion.
(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図1は実施形態に係る超電導電磁石10の縦断面図である。図2は図1のA記号で示される超電導電磁石10の部分拡大図である。
(First embodiment)
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a
このように超電導電磁石10は、第1超電導線材11が巻回し誘導磁場を生成する主コイル15と、無誘導巻の第2超電導線材12及びこの第2超電導線材12を超電導状態から常電導状態に切り替える発熱部16を含む永久電流スイッチ17と、主コイル15から第1引出線11aとして引き出される一対の第1超電導線材11及び永久電流スイッチ17から第2引出線12aとして引き出される一対の第2超電導線材12を並列接続する接続部材18と、主コイル15及び接続部材18を支持するとともに極低温冷凍機30から供給される冷熱を伝達する第1伝熱部材21と、第1伝熱部材21から永久電流スイッチ17に冷熱を伝達するとともに第2引出線12aを支持する第2伝熱部材22と、を備えている。
Thus, the
上述した主コイル15、永久電流スイッチ17、第1伝熱部材21及び第2伝熱部材22は、超電導転移の臨界温度Tc以下に保たれる必要があるため、断熱真空容器28に収容されている。この断熱真空容器20は、超電導電磁石10が設置される環境(室温:約300K)からの熱侵入の影響を低減するためさらに輻射シールド29を構成に持つ。なお輻射シールド29、第1伝熱部材21及び永久電流スイッチ17の重量は、図示されない支持部材により断熱真空容器28から支持されている。
The above-described
実施形態において極低温冷凍機30としてGM冷凍機30が例示されている。GM冷凍機30の第1冷凍ステージ31と輻射シールド29とが接続され、第2冷凍ステージ32と第1伝熱部材21とが接続されている。コンプレッサ(図示略)からGM冷凍機30に封入される作動ガス(Heガス等)の断熱圧縮の効果により、輻射シールド29は40K程度に冷却され第1伝熱部材21は4K程度に冷却される。
A GM
なお採用される極低温冷凍機30は、上述したGM冷凍機に限定されるものではない。パルスチューブ冷凍機、クロード冷凍機、スターリング冷凍機など、極低温を生成するものであれば適宜採用される。
The adopted
図3は実施形態に係る超電導電磁石10の回路図である。このように超電導電磁石10には、並列接続する永久電流スイッチ17及び主コイル15に、励磁電源35が接続されている。このように回路が形成されることにより、ドリブンモードにおいて励磁電源35及び主コイル15が閉回路を形成し、永久電流モード(PCモード)において主コイル15及び永久電流スイッチ17が閉回路を形成する。
FIG. 3 is a circuit diagram of the
主コイル15は、第1超電導線材11が一方向に巻回して構成され、電流が流れることで誘導磁場を生成する。永久電流スイッチ17には、第2超電導線材12がそれぞれ逆方向に巻回された二つのコイルが直列に接続され、電流が流れても誘導磁場を生成しない無誘導巻コイルが配置されている。そして永久電流スイッチ17の発熱部16は、無誘導巻コイルに近接配置される電気抵抗体37と、この電気抵抗体37に供給する電力を制御して発熱させ超電導状態の無誘導巻コイルを常電導状態に変化させる電力制御器36と、を有している。
The
主コイル15から引き出される一対の第1引出線11a(第1超電導線材11)の終端は、接続部材18に接続されている。また永久電流スイッチ17から引き出される一対の第2引出線12a(第2超電導線材12)の終端も、接続部材18に接続されている。このように主コイル15と永久電流スイッチ17は並列に接続し閉回路を形成する。
Terminal ends of a pair of
図4(A)は主コイル15及び第1引出線11aを形成する第1超電導線材11の断面を示す概念図である。図4(B)は永久電流スイッチ17及び第2引出線12aを形成する第2超電導線材12の断面を示す概念図である。
FIG. 4A is a conceptual diagram showing a cross section of the first
このように第1超電導線材11及び第2超電導線材12は、設定温度によって超電導状態と常電導状態とが切り替わる超電導体41と、設定温度によらず常電導状態を示すマトリクス体42(42a,42b)とから構成されている。なお、マトリクス体42と超電導体41とは、断面視において海島状に形成されているが、このような構造に限定されるものではなく例えば層状に形成される場合もある。
In this way, the first
図5は、第1超電導線材11及び第2超電導線材12を構成する超電導体41及びマトリクス体42(42a,42b)の温度に対する電気抵抗値の変化を示すグラフである。超電導体41は、臨界温度Tcよりも低温では、電気抵抗値がゼロとなり、永久電流を流すことができる。一方で、超電導体41は、臨界温度Tcを超えると急激に電気抵抗値が上昇し、さらに温度上昇とともに電気抵抗値は上昇する。なお実施形態において、広く実用化されているNbTi合金が超電導体41として例示されているが、これに限定されることは無い。
FIG. 5 is a graph showing changes in electrical resistance with respect to temperature of the
第1超電導線材11のマトリクス体42aは電気抵抗値の小さい無酸素胴で構成され、第2超電導線材12のマトリクス体42bは無酸素胴よりも電気抵抗値の大きい銅合金で構成されている。このように第2超電導線材12のマトリクス体42bの電気抵抗値を大きくする理由は、後述するように、永久電流スイッチ17がOFF設定される(電気抵抗体37が発熱する)ドリブンモードにおいて、十分大きな電気抵抗値を有する必要があるためである。
The
図6は、超電導状態の三つの臨界点(臨界電流Ic,臨界温度Tc,臨界磁場Hc)を説明するグラフである。これら臨界点をいずれか一つでも超過してしまうと、超電導線材11,12は、超電導状態から常電導状態に転移(クエンチ)して、焼損する場合がある。またこのグラフから解るように、超電導線材11,12の温度が臨界温度Tcよりも低温であっても、設定温度がT1からT2に上昇すると臨界電流I1からI2に低下してしまう。このため永久電流スイッチ17をOFF設定するときの電気抵抗体37の発熱が、主コイル15に極力伝達されないようにする必要がある。
FIG. 6 is a graph explaining the three critical points (critical current Ic, critical temperature Tc, critical magnetic field Hc) of the superconducting state. If even one of these critical points is exceeded, the
図7のグラフに基づいて(適宜、図3参照)、超電導電磁石10の励磁工程を説明する。まず主コイル15及び永久電流スイッチ17を共に超電導状態を示す温度T1まで冷却する。次に図7(A)に示すように、発熱部16の制御を有効にして電気抵抗体37を発熱させ、図7(B)に示すように、永久電流スイッチ17のコイルが常電導状態を示す温度T3まで昇温させる。時点t1から開始した昇温過程において、コイル温度が臨界温度Tcを超えた時点t2で、永久電流スイッチ17はOFF設定となり、励磁電源35と主コイル15を含む閉回路が形成される。なお、この閉回路を形成する電気抵抗体37の発熱は、主コイル15の望まない昇温に寄与しないよう、第1伝熱部材21への熱伝達が後述する構成により抑制されている。
The excitation process of the
図7(C)に示すように、永久電流スイッチ17がOFF設定となった時点t2において励磁電源35を起動し、励磁電流値A1が正の傾きを有するように、主コイル15の閉回路に電流を流す。そして、この励磁電流値A1が定格値に到達したところで、主コイル15の閉回路に流す電流を一定にし、ドリブンモードが達成される。
As shown in FIG. 7(C), the
ドリブンモードに到達した後、図7(A)に示すように時点t3において、発熱部16の制御を無効にする。すると図7(B)に示すように永久電流スイッチ17の温度は降下する。時点t3から開始した降温過程において、コイル温度が臨界温度Tcを下回った時点t4で、永久電流スイッチ17はON設定となる。なおこの降温過程において永久電流スイッチ17から第1伝熱部材21への熱伝達が速やかであることが、時点t3と時点t4との時間差を短縮し、永久電流スイッチ17のON設定を早期に達成でき好ましい。この要請事項は、上述した主コイル15の昇温抑制の要請とトレードオフの関係にあるが、バランスを考慮した設計がなされている。
After reaching the driven mode, the control of the
永久電流スイッチ17がON設定に回復した時点t4において、主コイル15及び永久電流スイッチ17の閉回路が形成される。すると、図7(C)に示すように、励磁電流値A1が負の傾きを有するように、励磁電源35が制御される。この過程においてレンツの法則に基づき、図7(D)に示すように、主コイル15を貫通する誘導磁場を変化させないよう主コイル15及び永久電流スイッチ17の閉回路に永久電流が誘導される。この永久電流の電流値A2は、励磁電流値A1の減少に反比例して増加し、励磁電流値A1が0になった時点t5において一定値となる。この時点t5において、起電力無しで主コイル15に定常電流が流れ続ける永久電流モードが達成される。
At time t4 when persistent
図1に戻って説明を続ける。第1伝熱部材21は、機械剛性が高く、磁化せず、熱伝導率が大きい、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミ合金等の材質で構成される。そして第1伝熱部材21は、断熱真空容器28の内側から支持部材(図示略)で支持され、当接する極低温冷凍機30から冷熱の供給を受ける。この極低温冷凍機30から供給された冷熱は、第1伝熱部材21を伝達して支持される主コイル15、第1引出線11a及び接続部材18に供給される。さらに極低温冷凍機30から供給された冷熱は、第1伝熱部材21を経由して、第2伝熱部材22に伝達され、永久電流スイッチ17に供給される。
Returning to FIG. 1, the description continues. The first
第2伝熱部材22は、基端が第1伝熱部材21に固定され、先端で永久電流スイッチ17を支持している。さらに第2伝熱部材22は、接続部材18から永久電流スイッチ17の無誘導コイルに連続する第2引出線12aの渡り区間を形成している。このように第2伝熱部材22は、第1伝熱部材21から永久電流スイッチ17に冷熱を伝達するとともに第2引出線12aを支持している。
The second
なお永久電流スイッチ17の重量は、第2伝熱部材22に全て負担される場合もあるし、重量の一部が、断熱真空容器28又は第1伝熱部材21から直接伸びる支持部材(図示略)により支持される場合もある。また永久電流スイッチ17に供給される冷熱も、第2伝熱部材22を経由する以外に、第1伝熱部材21から伸びるその他の伝熱部材(図示略)により伝達される場合もある。
In some cases, the weight of the persistent
第2引出線12a(第2超電導線材12)のマトリクス体42bである銅合金は、第1引出線11a(第1超電導線材11)のマトリクス体42aである無酸素銅(純銅)よりも、熱伝導率が1桁以上小さい。このため第1伝熱部材21と永久電流スイッチ17との間の熱伝達は、第2引出線12aを経由するものは無視できるほど小さく、ほとんど全てが第2伝熱部材22を経由する。
The copper alloy, which is the
この第2引出線12aは、第2伝熱部材22に接触していることにより、極低温冷凍機30からの冷熱の供給を受ける。第2引出線12aと第2伝熱部材22とは、治具で押さえる等の機械的手段や接着材やろう材等による固着により、両者の熱接触を良好にしている。
The
また第2引出線12aと第2伝熱部材22とは、電気絶縁材24を介在させて互いを接触させてもよい。シート状の電気絶縁材24が介在することで、電気的には絶縁しつつコンダクタンスの小さい熱接触をとることができる。電気絶縁材24としては、例えば、ポリイミドなどの薄いシートや、その他に繊維強化プラスチック、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、アルミナ、ポリアミド(ナイロン)、ポリエチレン、塩化ビニル、フッ素樹脂あるいはそれらを成分として含む材料等が挙げられる。
Further, the
第2伝熱部材22は、第2引出線12aに沿う途中経路に、両端部25,27と対比して断面が縮小する絞り部26が設けられている。つまり、第1伝熱部材21に熱接触する伝熱部分25及び永久電流スイッチ17に熱接触する伝熱部分27と比べて、この絞り部26は、長手方向と直交する断面積が縮小した狭隘部分となっている。なお図示において上下方向の寸法が絞られている態様を示しているが、奥行方向の寸法が絞られる態様も有りえる
The second
このような絞り部26の設計寸法を調整することで、第1伝熱部材21に熱伝導してしまう永久電流スイッチ17のOFF設定時の発熱の一部を、律速することができる。換言すると、第1伝熱部材21から永久電流スイッチ17への冷熱の良好な熱伝導を妨げずに、その逆方向の熱伝導を抑制する機器設計を容易化する。
By adjusting the design dimensions of the
つまり、実際の機器設計において、第2伝熱部材22は複雑に曲がった形状をとることが避けられず、断面積一定として電熱計算をするのに困難を伴う。しかし、上述のような絞り部26を備えることにより、電熱計算を容易化する。なお、本発明は、絞り部26を持たずに断面積が一定である第2伝熱部材22の適用を排除するわけではない。
That is, in actual equipment design, it is inevitable that the second
図8(A)(B)(C)(D)は第2伝熱部材22における第2引出線12aの支持機構の実施形態を示す断面図である。このような支持機構が採用されることで、第2引出線12aと第2伝熱部材22との熱接触性能が向上し、第2引出線12aの冷却が促進される。これにより第2引出線12aに機械擾乱や侵入した磁束の分布の変化など何らかの不安定性要因が生じた場合であっても、これら要因により発生じた熱を、速やかに放出できる。
8A, 8B, 8C, and 8D are sectional views showing an embodiment of a support mechanism for the
図8(A)では、第2伝熱部材22の表面に、第2引出線12aがエポキシ樹脂のような固定材46で固着されている。さらに第2引出線12aと第2伝熱部材22との間に絶縁層47を介在させてもよい。また、固定材46は、押さえ治具等の機械的な部品であっても良い。
In FIG. 8A, the
図8(B)では、第2伝熱部材22の表面に、第2引出線12aの外周片側面の反転形状を有する溝48が、刻設されている。そしてこの溝48に第2引出線12aが係合して配置されている。
In FIG. 8B, the surface of the second
図8(C)では、第2引出線12aの外周全体を覆うように第2伝熱部材22が設けられている。この場合、第2伝熱部材22は、分割構造を有し、それぞれの分割体の表面には第2引出線12aに対向する外周面の反転形状を有する溝が設けられている。そして、これら分割体が第2引出線12aを挟み込むように構成される。これにより、第2引出線12aは、外周全面にわたり第2伝熱部材22との熱接触性能が向上し、冷却がさらに促進される。
In FIG. 8C, the second
図8(D)では、第2伝熱部材22が、第2引出線12aと同様のワイヤ形状を持つ。そして、互いにワイヤ形状を持つ第2伝熱部材22及び第2引出線12aが線状に外接し合っている。両者が外接する線状の熱接触は、はんだ付け、ろう付け、樹脂による固着等で良好性が担保される。なお図示される第2伝熱部材22は、丸断面を有するものが例示されているが矩形断面を有している場合もあり、この第2伝熱部材22の断面形状に特に限定はない。
In FIG. 8D, the second
なお、上述した図8(A)~(D)において、第2引出線12aと第2伝熱部材22との間の絶縁性が他の手段により保たれている場合、絶縁層47を省略してもよい。また図示される第2引出線12aは、丸断面を有するものが例示されているが、この第2引出線12aの断面形状に特に限定はない。
Note that in FIGS. 8A to 8D described above, if the insulation between the
ところで、永久電流スイッチ17の内部で無誘導巻コイルとして巻回されている第2超電導線材12の長さは、第2引出線12aの長さと対比して桁違いに大きい。しかし、無誘導巻コイルとして巻回されている第2超電導線材12は、クエンチの兆候が現れても隣接線材に熱を容易に逃がすことができるため、第2引出線12aと対比して熱的に安定しているといえる。
By the way, the length of the
図9、図10及び図11(A)は第2伝熱部材22の他の実施形態を示す側断面図である。図11(B)は図11(A)のB-B断面図である。なお、図9~図11において図2と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
9, 10 and 11A are side sectional views showing other embodiments of the second
図9における第2伝熱部材22は、第2引出線12aに沿って熱伝導率の異なる二種類以上の部材25,38,27から構成されている。具体的には、部材25,27には無酸素銅、部材38には無酸素銅よりも熱伝導率の低い材料を使用して構成される。そのような材料としては、体積抵抗率2×10-4Ωm以上の銅あるいは銅合金が挙げられる。図9のように構成される第2伝熱部材22で得られる効果は、図2のように構成される第2伝熱部材22と同様の効果が得られる。また、図9で示す第2伝熱部材22に、図2で示す第2伝熱部材22の構成要素を追加してもよい。
The second
図10における第2伝熱部材22は、第2引出線12aに接触する中間部材39と、この中間部材39とは分離してその両端に位置する端部材25,27と、中間部材39及び端部材25,27の連結面と第2引出線12a及び端部材25,27の接触面とに配置される電気絶縁材24と、を有する。
The second
このように構成されることにより第2引出線12aから中間部材39に熱を効率的に逃がすことができ、かつ第2引出線12aを流れる電流をショートさせることも防止できる。なお第2引出線12aと中間部材39の熱接触は、樹脂などで固着させる方法でも良いし、はんだ付け,ろう付けなどでも良い。図10のように構成される第2伝熱部材22で得られる効果は、図2又は図9のように構成される第2伝熱部材22と同様の効果が得られる。また、図10で示す第2伝熱部材22に、図2又は図9で示す第2伝熱部材22の構成要素を追加してもよい。
With this configuration, heat can be efficiently released from the
図11では、第2伝熱部材22と第2引出線12aを挟み込むように配置される当接部材23を備えている。なお第2引出線12aと当接部材23との接触面には、電気絶縁を施す必要はない。このように構成されることにより第2引出線12aから当接部材23に熱を効率的に逃がすことができる。また、図11で示す第2伝熱部材22に、図2、図9又は図10で示す第2伝熱部材22の構成要素を追加してもよい。
In FIG. 11, a
次に本実施形態の効果を確認した実施例について説明する。図12は比較例に係る超電導電磁石の部分拡大図である。比較例に係る超電導電磁石(図12)は、実施形態における第2伝熱部材22に対応するものを設けていない。さらに、比較例における永久電流スイッチ17の冷却は、第1伝熱部材21を延長して接触させ、冷熱を直接供給することにより実現している。
Next, an example for confirming the effect of the present embodiment will be described. FIG. 12 is a partially enlarged view of a superconducting electromagnet according to a comparative example. A superconducting electromagnet according to a comparative example (FIG. 12) does not have a component corresponding to the second
図13は比較例に係る超電導電磁石の回路図である。なお本実証実験は、主コイル15(図12)を省略した状態で行っている。このように表される回路図で、電流値Aが100A/minの速度で増加するように励磁電源35を制御する。そして、回路図(図13)で示した、Vp,V1,V2,V5,V6,V3,V4,Vn接点で規定される区間の電位差を計測することで、当該区間におけるクエンチ発生の徴候を検出する。
FIG. 13 is a circuit diagram of a superconducting electromagnet according to a comparative example. This demonstration experiment was conducted without the main coil 15 (FIG. 12). In the circuit diagram expressed in this way, the
永久電流スイッチ17に巻回される第2超電導線材12及び第2引出線12aは、NbTiの超電導体41及びCu-10%Niのマトリクス体42bで構成されている。そして第1引出線11aは、NbTiの超電導体41及びCuのマトリクス体42aで構成されている。そして、いずれも直径が0.9mm、マトリクス体/超電導体の比が1.3のものを使用した。
The
図14は比較例に係る超電導電磁石のクエンチ電流値Iqを示すグラフである。図13の破線部で示す領域において、温度を4.2K,5K,6K,7K,8Kと変化させ、さらに外部磁場を1.2T,2.0T,3.0Tと変化させた。そして、Vp,V1,V2,V5,V6,V3,V4,Vn接点で規定されるいずれかの区間で電位差の立ち上がりを検出した時点をクエンチの徴候としてとらえる。そして、この検出時点の電流値Aをクエンチ電流値Iqとして当該区間の属性情報とともにグラフにプロットする。そして励磁電源35の出力を0に戻し、温度及び/又は外部磁場を条件変更し、再び100A/minの速度で電流値Aを再び増加させて、上述の試験を繰り返した。
FIG. 14 is a graph showing the quench current value Iq of the superconducting electromagnet according to the comparative example. In the region indicated by the broken line in FIG. 13, the temperature was changed to 4.2K, 5K, 6K, 7K and 8K, and the external magnetic field was changed to 1.2T, 2.0T and 3.0T. A sign of quench is taken at the time when a rise in the potential difference is detected in any section defined by the contacts Vp , V1 , V2 , V5 , V6 , V3 , V4 and Vn . Then, the current value A at the time of detection is plotted on a graph as the quench current value I q together with the attribute information of the section. Then, the output of the
第1引出線11a及び第2引出線12aのフィラメント断面積から期待される臨界電流値は、例えば温度4.2K、磁場1.2T中で、約1,100A前後と見積もられる。この値に対して、比較例では、いずれの条件においてもクエンチ電流値Iqが300A~400A前後と期待値の4割程度と低い結果になった。
The critical current value expected from the filament cross-sectional area of the
次に、上述の試験を図11の実施形態に対して行った。そうしたところ電流値を600Aまで上げてもクエンチの徴候が検出されないことを確認した。これより、実施形態において、クエンチ発生のリスクが低減することが実証された。 The tests described above were then performed on the embodiment of FIG. It was then confirmed that no sign of quenching was detected even when the current value was increased to 600A. This demonstrated that the embodiment reduces the risk of quenching.
図15(a)(b)(c)は第2伝熱部材22と第2引出線12との熱接触性能の効果を確認する実験サンプルの部分断面図である。それぞれの実験サンプルは、第2伝熱部材22に見立てたステンレス製の円筒ホルダ51に、第2超電導線材12を巻回して作製されている。そして実験サンプル(a)(b)(c)を、極低温冷凍機30(図1)の先端に取り付けて、真空容器内で伝導冷却し、外部磁場中で通電し、クエンチ電流値Iqを測定した。
15A, 15B, and 15C are partial cross-sectional views of experimental samples for confirming the effect of thermal contact performance between the second
それぞれの実験サンプル(a)(b)(c)に巻回される第2超電導線材12は、NbTiの超電導体41及びCu-30%Niのマトリクス体42bで構成されている。そして、いずれも直径が0.5mm、マトリクス体/超電導体の比が1.24のものを使用した。
The
実験サンプル(a)は、ステンレス製の円筒ホルダ51に、第2超電導線材12を巻き付け、エポキシ樹脂52で固定したものである。実験サンプル(b)は、ステンレス製の円筒ホルダ51に第2超電導線材12を巻き付け、はんだ53で固定したものである。実験サンプル(b)は、第2超電導線材12を、断面積約1.5mm2の無酸素銅54にはんだ53で固定し、ステンレス製の円筒ホルダ51に巻き付けたものである。このように作製された実験サンプル(a)(b)(c)は、この順番で、第2超電導線材12の熱接触性能が優れている。
Experimental sample (a) is obtained by winding a
図16は、図15の実験サンプル(a)(b)(c)の各種設定温度におけるクエンチ電流値Iqを示すグラフである。外部磁場は1.2テスラに設定されている。図16より、クエンチ電流値Iqの温度依存傾向がいずれの実験サンプル(a)(b)(c)においても同様に観測される。さらに熱接触性能が優れる実験サンプル(a)(b)(c)の順番で、検出されるクエンチ電流値Iqが上昇することも観測される。また同一の温度・磁場条件下で検出されるクエンチ電流値Iqのバラツキが1~2A程度で再現性が良好であることから、クエンチの要因に機械的な擾乱は含まれないといえる。これより、第2引出線12aの冷却性能を向上させた実施形態において、クエンチ発生のリスクが低減することが実証された。
FIG. 16 is a graph showing the quench current values Iq at various set temperatures for the experimental samples (a), (b), and (c) of FIG. The external magnetic field is set at 1.2 Tesla. From FIG. 16, the temperature dependent tendency of the quench current value Iq is similarly observed in any of the experimental samples (a), (b) and (c). Furthermore, it is also observed that the detected quench current value Iq increases in the order of the experimental samples (a), (b) and (c) having excellent thermal contact performance. Further, the dispersion of the quench current value Iq detected under the same temperature and magnetic field conditions is about 1 to 2 A, and the reproducibility is good. This demonstrated that the risk of quenching was reduced in the embodiment in which the cooling performance of the
以上述べた少なくともひとつの実施形態の超電導電磁石によれば、極低温冷凍機30から冷熱を伝達する第2伝熱部材22で永久電流スイッチ17の第2引出線12aを支持することにより、クエンチ発生のリスクを低減する超電導電磁石を提供することが可能となる。
According to the superconducting electromagnet of at least one embodiment described above, quenching occurs by supporting the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 While several embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, as well as the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
10…超電導電磁石、11…第1超電導線材、11a…第1引出線、12…第2超電導線材、12a…第2引出線、15…主コイル、16…発熱部、17…永久電流スイッチ、18…接続部材、20…断熱真空容器、21…第1伝熱部材、22…第2伝熱部材、23…当接部材、24…電気絶縁材、26…絞り部、28…断熱真空容器、29…輻射シールド、30…極低温冷凍機(GM冷凍機)、31…第1冷凍ステージ、32…第2冷凍ステージ、35…励磁電源、36…電力制御器、37…電気抵抗体、38…部材、39…中間部材、41…超電導体、42(42a,42b)…マトリクス体、46…固定材、47…絶縁層、48…溝、51…円筒ホルダ、52…エポキシ樹脂、54…無酸素銅。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
無誘導巻の第2超電導線材及びこの第2超電導線材を超電導状態から常電導状態に切り替える発熱部を含む永久電流スイッチと、
前記主コイルから第1引出線として引き出される一対の前記第1超電導線材及び前記永久電流スイッチから第2引出線として引き出される一対の前記第2超電導線材を並列接続する接続部材と、
前記主コイル及び前記接続部材を支持するとともに極低温冷凍機から供給される冷熱を伝達する第1伝熱部材と、
前記第1伝熱部材から前記永久電流スイッチに前記冷熱を伝達するとともに前記第2引出線を支持する第2伝熱部材と、を備え、
前記第2伝熱部材は、前記第2引出線に接触する中間部材と、前記中間部材とは分離してその両端に位置する端部材と、前記中間部材及び前記端部材の連結面と前記第2引出線及び前記端部材の接触面とに配置される電気絶縁材と、を有する超電導電磁石。 a main coil around which the first superconducting wire is wound to generate an induced magnetic field;
a persistent current switch including a second superconducting wire with non-inductive windings and a heating portion for switching the second superconducting wire from a superconducting state to a normal conducting state;
a connection member that connects in parallel a pair of the first superconducting wires drawn out from the main coil as first lead wires and a pair of the second superconducting wires drawn out from the persistent current switch as second lead wires;
a first heat transfer member that supports the main coil and the connection member and transfers cold heat supplied from a cryogenic refrigerator;
a second heat transfer member that transfers the cold heat from the first heat transfer member to the persistent current switch and supports the second lead wire ;
The second heat transfer member includes an intermediate member that contacts the second lead wire, end members that are separated from the intermediate member and positioned at both ends thereof, a connection surface between the intermediate member and the end member, and the second heat transfer member. 2 electrical insulation disposed on the lead wires and the contact surfaces of the end members .
無誘導巻の第2超電導線材及びこの第2超電導線材を超電導状態から常電導状態に切り替える発熱部を含む永久電流スイッチと、
前記主コイルから第1引出線として引き出される一対の前記第1超電導線材及び前記永久電流スイッチから第2引出線として引き出される一対の前記第2超電導線材を並列接続する接続部材と、
前記主コイル及び前記接続部材を支持するとともに極低温冷凍機から供給される冷熱を伝達する第1伝熱部材と、
前記第1伝熱部材から前記永久電流スイッチに前記冷熱を伝達するとともに前記第2引出線を支持する第2伝熱部材と、を備え、
前記第2伝熱部材には、前記第2引出線の外周片側面の反転形状を有する溝が刻設されている超電導電磁石。 a main coil around which the first superconducting wire is wound to generate an induced magnetic field;
a persistent current switch including a second superconducting wire with non-inductive windings and a heating portion for switching the second superconducting wire from a superconducting state to a normal conducting state;
a connection member that connects in parallel a pair of the first superconducting wires drawn out from the main coil as first lead wires and a pair of the second superconducting wires drawn out from the persistent current switch as second lead wires;
a first heat transfer member that supports the main coil and the connection member and transfers cold heat supplied from a cryogenic refrigerator;
a second heat transfer member that transfers the cold heat from the first heat transfer member to the persistent current switch and supports the second lead wire ;
A superconducting electromagnet in which the second heat transfer member is provided with a groove having a reverse shape of one side surface of the outer periphery of the second lead wire .
無誘導巻の第2超電導線材及びこの第2超電導線材を超電導状態から常電導状態に切り替える発熱部を含む永久電流スイッチと、
前記主コイルから第1引出線として引き出される一対の前記第1超電導線材及び前記永久電流スイッチから第2引出線として引き出される一対の前記第2超電導線材を並列接続する接続部材と、
前記主コイル及び前記接続部材を支持するとともに極低温冷凍機から供給される冷熱を伝達する第1伝熱部材と、
前記第1伝熱部材から前記永久電流スイッチに前記冷熱を伝達するとともに前記第2引出線を支持する第2伝熱部材と、を備え、
前記第2伝熱部材は、ワイヤ形状を持つ前記第2伝熱部材が前記第2引出線と線状に外接し合う超電導電磁石。 a main coil around which the first superconducting wire is wound to generate an induced magnetic field;
a persistent current switch including a second superconducting wire with non-inductive windings and a heating portion for switching the second superconducting wire from a superconducting state to a normal conducting state;
a connection member that connects in parallel a pair of the first superconducting wires drawn out from the main coil as first lead wires and a pair of the second superconducting wires drawn out from the persistent current switch as second lead wires;
a first heat transfer member that supports the main coil and the connection member and transfers cold heat supplied from a cryogenic refrigerator;
a second heat transfer member that transfers the cold heat from the first heat transfer member to the persistent current switch and supports the second lead wire ;
The second heat transfer member is a superconducting electromagnet in which the wire-shaped second heat transfer member linearly circumscribes the second lead wire .
前記第2伝熱部材は、前記第2引出線に沿う途中経路に断面が縮小する絞り部が設けられている超電導電磁石。 In the superconducting electromagnet according to claim 1 or claim 2 ,
A superconducting electromagnet in which the second heat transfer member is provided with a constricted portion having a reduced cross section along the route along the second lead wire.
前記第2伝熱部材は、前記第2引出線に沿って熱伝導率の異なる二種類以上の部材から構成される超電導電磁石。 In the superconducting electromagnet according to any one of claims 1, 2 and 4 ,
The second heat transfer member is a superconducting electromagnet composed of two or more members having different thermal conductivities along the second lead wire.
前記第2伝熱部材と前記第2引出線を挟み込むように配置される当接部材を備える超電導電磁石。 In the superconducting electromagnet according to any one of claims 1, 2, 4 and 5 ,
A superconducting electromagnet comprising a contact member arranged to sandwich the second heat transfer member and the second lead wire.
前記第2引出線のマトリクス体は、前記第1引出線のマトリクス体よりも熱伝導率の小さい材質で構成される超電導電磁石。
In the superconducting electromagnet according to any one of claims 1 to 6 ,
A superconducting electromagnet in which the matrix body of the second lead wires is made of a material having a lower thermal conductivity than the matrix body of the first lead wires.
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