超导磁铁装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种超导磁铁装置，对于较大的发热能够高效率地进行冷却。实施方式的超导磁铁装置具备：配置于真空容器中的第一超导线圈以及位于上述第一超导线圈的外侧的第二超导线圈；第一冷却部，对第一超导线圈进行冷却；以及第二冷却部(20)，与上述第一冷却部(10)相独立地被控制，通过与上述第一冷却部(10)不同的冷却方式对第二超导线圈(12)进行冷却。
【专利说明】超导磁铁装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及产生高磁场的超导磁铁装置。
【背景技术】
[0002]利用在冷却至超低温时电阻成为零的性质，超导线圈(coil)能够不产生焦耳(joule)热地增大电流密度，适合于产生高磁场。由这种超导线圈构成的超导磁铁装置作为高磁场产生装置在物理性能的研究领域被广泛利用。
[0003]此处，超导线圈需要冷却至4K左右的超低温，作为制冷剂而使用液氦(helium)
坐寸ο
[0004]该液氦难以进行直接处理且在资源上也不丰富，因此近年来使用超低温制冷机对超导线圈进行冷却的方法正得到普及。
[0005]随着该超低温制冷机的普及，特别是高温超导体的实用化急速发展。
[0006]例如，通过将高温超导线圈与低温超导线圈组合，而开发出使用了小型制冷机的高磁场产生装置(例如非专利文献I)。
[0007]非专利文献1:TE1N KOUGAKU (J.Cry0.Soc.Jpn.) Vol.41 N0.7P322-327
[0008]上述超导磁铁装置，在稳定时只要对因热侵入和连接部发热而产生的I?2W左右的热量进行冷却就足够了，但在励磁时或者去磁时由于与磁场变化相伴随的磁滞(hysteresis)损耗而产生数倍于稳定时的发热。
[0009]因此，为了推进超导磁铁装置的进一步实用化，制冷机被要求较大的制冷能力，以便应对该励磁或去磁时的发热。
[0010]低温超导线圈通过超细多芯线等低损耗导体的开发而实现了磁滞损耗的降低，但高温超导线圈的磁滞损耗较大。
[0011]另一方面，为了实现高磁场化而存在使高温超导线圈大型化的需求，存在必须实现制冷能力的大幅度增强的课题。
【发明内容】
[0012]本发明是考虑到这种情况而进行的，其目的在于提供一种超导磁铁装置，对于较大的发热能够高效率地进行冷却。
[0013]本发明的超导磁铁装置的特征在于，具备:配置于真空容器中的第一超导线圈以及位于上述第一超导线圈的外侧的第二超导线圈；第一冷却部，对上述第一超导线圈进行冷却；以及第二冷却部，与上述第一冷却部相独立地被控制，通过与上述第一冷却部不同的冷却方式对上述第二超导线圈进行冷却。
[0014]根据实施方式的超导磁铁装置，能够产生高磁场，对于较大的发热能够高效率地进行冷却。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是表示本发明的超导磁铁装置的第一实施方式的框(block)图。
[0016]图2是表示本发明的超导磁铁装置的第二实施方式的框图。
【具体实施方式】
[0017](第一实施方式)
[0018]以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。
[0019]如图1所示，第一实施方式的超导磁铁装置30具备:第一超导线圈11，为圆筒形状，配置于真空容器31中；第二超导线圈12，为圆筒形状，包围在该第一超导线圈11的外侦牝且与第一超导线圈11同轴地配置；第一冷却部10，对第一超导线圈11进行冷却；以及第二冷却部12，与该第一冷却部10相区别而独立地被控制，对第二超导线圈12进行冷却。
[0020]在各实施方式中，第一超导线圈11是高温超导线圈11。
[0021]在该高温超导线圈11的单侧端面(在图1中为上部端面)连接有第一冷却台(stage) 14，该第一冷却台14与第一冷却部10进行热交换。
[0022]在各实施方式中，第二超导线圈12是低温超导线圈12。
[0023]在该低温超导线圈12的单侧端面(在图1中为下部端面)连接有第二冷却台(stage) 15，该第二冷却台15与第二冷却部20进行热交换。
[0024]如此，由于圆筒形状的第一超导线圈11与设置于包围在该第一超导线圈11的外侧的位置的圆筒形状的第二超导线圈12同轴地配置，因此由第一超导线圈11产生的磁场与由第二超导线圈12产生的磁场重叠，而在磁场空间13中产生高强度的磁场。
[0025]此外，该第一超导线圈11以及第二超导线圈12以相互不接触的方式支承于真空容器31中，因此分别通过第一冷却部10以及第二冷却部20独立地进行温度控制。
[0026]另外，在图1的实施方式中，在内侧配置高温超导线圈而在外侧配置低温超导线圈，但也可以在内侧配置低温超导线圈而在外侧配置高温超导线圈。此外，第一超导线圈11以及第二超导线圈12均为高温超导线圈的情况、以及均为低温超导线圈的情况，都包含于应用范围。
[0027]此处，在狭义上，高温超导线圈是指使用了超导出现的临界温度为大约25K以上的YBa2Cu307、Bi2Sr2Ca2Cu301(l、MgB2等超导材料的线圈，低温超导线圈是指使用了临界温度为大约25K以下的NbT1、Nb3Sn等超导材料的线圈。
[0028]此外，在广义上，高温超导线圈是指超导出现的临界温度比低温超导线圈更高温的线圈。
[0029]此外，在图1的实施方式中，配置有两个超导线圈，并对于一个超导线圈连接有一个冷却部，但并不限定于此，也有时配置三个以上的超导线圈，此外，也可以为，一个冷却部与两个以上的超导线圈连接，进行两个以上的超导线圈的冷却。
[0030]此外，表示了圆筒形状的第一超导线圈11以及第二超导线圈12同轴地配置的例子，但也可以根据需要将四个线圈或者六个线圈以每两个对置的方式配置在水平面上。
[0031]第一冷却部10构成为，将吉福德-麦克马洪(Gifford McMahon)制冷机(GM制冷机)32a与气体循环传热回路40组合。
[0032]由吉福德-麦克马洪制冷机32a冷却的低温的气体，在被输送至第一超导线圈11的冷却台14而进行了热交换之后，在气体(gas)循环传热回路40中循环而被输送至两级的热交换器42。
[0033]气体循环传热回路40由气体循环压缩机41a、两级的热交换器42以及将它们与第一冷却台14连接的第一配管43构成。
[0034]并且，在气体循环传热回路40上连接有流量调节阀44、缓冲罐(buffer tank) 45a以及流量计46。
[0035]如下式(I)所示，通过气体循环传热回路40传递的传热量Q，由第一超导线圈11的冷却台14的入口温度IY与出口温度Th之间的温度差以及气体流量m来决定。
[0036]Q = mC (Th-Tl)......(I)
[0037]在该传热量Q确定的情况下，当气体流量m较少时，冷却台14的入口出口温度差(Th-Tl)变大，出口温度Th变高，由此第一超导线圈11的温度变高。
[0038]另一方面，当气体流量m过多时，由于两级的热交换器42的损耗而进入GM制冷机32a的热量增加，因此该GM制冷机32a的温度变高，结果第一超导线圈11的温度变高。
[0039]因而，为了维持第一超导线圈11的冷却性能，气体循环传热回路40被控制为始终成为最佳流量。
[0040]该最佳流量根据线圈温度而变化。
[0041]因此，在将第一超导线圈11从室温预冷至超低温的情况等、线圈温度较大地变化的情况下，与线圈温度相匹配地来控制气体流量m。
[0042]通过温度计(省略图示)来测定线圈温度，并根据该测定温度对流量调节阀44进行调节。
[0043]另外，在实施方式中，以在第一超导线圈11内的磁场空间13中产生高强度的磁场为前提。GM制冷机32a有可能受到磁场的影响而运转产生故障，因此优选与第一超导线圈11和第二超导线圈12离开足够的距离。
[0044]因此，气体循环传热回路40中、被保持为低温的配管43的长度变长，示出低温的配管内容积也变大。
[0045]此处，当气体温度变低时，配管内的气体压力降低，在极端的情况下气体循环压缩机41a的安全装置会工作。
[0046]因此，通过以室温气氛设置足够容量的缓冲罐45a，由此能够抑制配管43内的气体压力的过度降低。
[0047]另外,在实施方式中，例不了第一冷却部10为将GM制冷机32a与气体循环传热回路40组合的构成，但在能够缩短超导线圈11、12与GM制冷机32a之间的距离的情况下，还能够代替气体循环传热回路40而组合金属传热板(省略图示)来构成第一冷却部10。
[0048]此外，也可以代替GM制冷机32a而采用脉冲管(Pulse tube)制冷机、斯特林(Sterling)制冷机这种蓄冷式制冷机。
[0049]第二制冷部20采用将GM制冷机32b与焦耳_汤姆逊(Joule Thompson)制冷机(JT制冷机)21组合的GM/JT制冷机(32b,21)。
[0050]该第二冷却部20与第一冷却部10相区别而独立地被控制，由GM/JT制冷机(32b、21)冷却的低温的制冷剂，在被输送至第二超导线圈12的第二冷却台15而进行了热交换之后，再次被输送至第二冷却部20。
[0051]在GM/JT制冷机(32b、21)中，将GM制冷机32b用于预冷，在JT制冷机21侧将排气压力降低至大气压即0.1MPa左右，由此使作为制冷剂的氦液化。
[0052]一般情况下，GM/JT制冷机(32b、21)在4K等级(level)的冷却中的制冷效率比GM制冷机优异，但比此更高温区域的制冷效率比GM制冷机差。
[0053]另外，在第二冷却部20的GM/JT制冷机(32b、21)中，也可以代替GM制冷机32b而采用脉冲管制冷机、斯特林制冷机这种蓄冷式制冷机。
[0054]GM制冷机32b有可能受到磁场的影响而运转产生故障，因此优选与超导线圈11、12离开足够的距离。
[0055]因此，第二冷却部20的回路中、被保持为低温的第二配管22的长度变长，示出低温的配管内容积也变大。
[0056]此处，当气体温度变低时，配管内的气体压力降低，在极端的情况下气体循环压缩机41b的安全装置会工作。
[0057]因此，通过以室温气氛设置足够容量的缓冲罐45b，由此能够抑制配管22内的压力的过度降低。
[0058]在如以上那样构成的第一实施方式中，在励磁时从高温超导线圈11产生较大的发热(例如low左右)的情况下，GM制冷机32a的温度上升，线圈温度也上升。
[0059]此处，第一冷却部10的GM制冷机32a为，当冷却温度上升时制冷能力急剧地增力口，因此即使在4K下对IW的制冷机施加1W的热负荷，也在1K左右取得平衡。
[0060]该高温超导线圈11即使在1K左右也能够充分地维持超导性，因此不会损害高磁场产生装置的性能。
[0061]另一方面，第二冷却部20的GM/JT制冷机(32b、21)为，当热负荷超过4K的制冷能力时失去平衡而温度急剧地上升，因此为了在4K下获得1W的制冷能力而需要三台JT制冷机21。
[0062]与此相对，通过GM/JT制冷机(32b、21)冷却的低温超导线圈15由于与励磁时或者去磁时的磁场变化相伴随的磁滞损耗而引起的发热较少。
[0063]并且，第二冷却部20的GM/JT制冷机(32b、21)与高温超导线圈11的第一冷却部10相独立，由于高温超导线圈11的温度上升而引起的热侵入量足够小，而被超过制冷能力的热负荷影响的危险性也较小。
[0064]如此，根据实施方式的构成，即使在励磁或去磁时由高温超导线圈11产生较大的发热，也无需大幅度地增加制冷机台数，而能够将冷却维持在规定温度以下。
[0065](第二实施方式)
[0066]接着，参照图2对本发明的第二实施方式进行说明。另外，在图2中具有与图1共通的构成或者功能的部分由相同的符号表示，并省略重复的说明。另外，在图2中省略图1的第二冷却部20的记载而图示。
[0067]在该第二实施方式中，是在高温超导线圈(第一超导线圈11)的两端连接冷却台14a、14b的构成，是从高温超导线圈11的两端进行冷却的构造。
[0068]使从气体循环传热回路40延伸的配管43a、43b贯通这些冷却台14a、14b，以便能够进行热交换。
[0069]并且，这些配管43a、43b被设置为在与成为冷却对象的超导线圈11之间多次往复，以便制冷剂在通过制冷台14a、14b紧前经由GM制冷机32a。
[0070]如第二实施方式那样，在高温超导线圈11的两端设置有冷却台14a、14b，由此通过各台14a、14b将传热量平分，各台14a、14b的入口-出口温度差成为第一实施方式的情况下的1/2。
[0071]已知高温超导线圈11的磁滞损耗集中在线圈的两端部分。在第二实施方式中，能够集中地冷却发热最多的部位，因此还能够减小温度分布，能够实现有效的冷却。
[0072]此外，在第二实施方式中，相对于一个冷却台14a(14b)仅使配管43a(43b)往复一次，但也可以是将配管设置为往复多次的构成。
[0073]根据以上所述的至少一个实施方式的超导磁铁装置，通过被独立地控制的至少两个冷却部对配置于真空容器的多个超导线圈进行冷却，由此对于较大的发热能够高效率地进行冷却。
[0074]对本发明的几个实施方式进行了说明，这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图对发明的范围进行限定。这些实施方式能够以其他各种方式加以实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更、组合。这些实施方式、其变形包含于发明的范围、主旨，并且包含于专利请求的范围所记载的发明和与其等同的范围。
【权利要求】
1.一种超导磁铁装置，其特征在于，具备: 配置于真空容器中的第一超导线圈以及位于上述第一超导线圈的外侧的第二超导线圈； 第一冷却部，对上述第一超导线圈进行冷却；以及 第二冷却部，与上述第一冷却部相独立地被控制，通过与上述第一冷却部不同的冷却方式对上述第二超导线圈进行冷却。
2.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于， 上述第一超导线圈以及上述第二超导线圈中的某一方是高温超导线圈、另一方是低温超导线圈。
3.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于， 上述第一冷却部以及上述第二冷却部中的至少一方是将蓄冷式制冷机与焦耳-汤姆逊制冷机组合而成的。
4.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于， 上述第一冷却部以及上述第二冷却部中的至少一方为蓄冷式制冷机。
5.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于， 上述第一冷却部以及上述第二冷却部中的至少一方是将蓄冷式制冷机与气体循环传热回路组合而成的。
6.如权利要求5所述的超导磁铁装置，其特征在于， 还具备测定部，该测定部进行上述第一超导线圈或者上述第二超导线圈的温度测定， 根据由上述测定部测定的温度测定值对上述气体循环传热回路的气体流量进行控制。
7.如权利要求5所述的超导磁铁装置，其特征在于， 上述气体循环传热回路具有缓冲罐。
8.如权利要求5所述的超导磁铁装置，其特征在于， 使从上述气体循环传热回路延伸的配管在上述蓄冷式制冷机与成为冷却对象的超导线圈之间往复多次。
9.如权利要求3所述的超导磁铁装置，其特征在于， 在上述焦耳-汤姆逊制冷机的回路上设置缓冲罐。
10.如权利要求1至9中任一项所述的超导磁铁装置，其特征在于， 上述高温超导线圈从两端进行冷却。
11.如权利要求3至5中任一项所述的超导磁铁装置，其特征在于， 上述蓄冷式制冷机为吉福德-麦克马洪制冷机。
【文档编号】H01F6/06GK104252942SQ201410299707
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2013年6月28日
【发明者】高桥政彦, 户坂泰造, 宫崎宽史, 岩井贞宪 申请人:株式会社东芝