(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に収容された超電導コイルに冷凍機より冷熱を伝導して該超電導コイルを冷却する伝導冷却型超電導磁石システムにおいて、
前記超電導コイルを励磁するマグネット電源と、前記冷凍機に圧縮された冷媒ガスを供給するコンプレッサと、このコンプレッサの動作周波数を可変するインバータと、前記超電導コイルの温度を検出する温度センサーと、この温度センサーにより検出された温度検出信号に基づいて前記インバータの出力周波数を制御する機能と前記マグネット電源の出力を制御する機能とを有する制御手段とを備え、
前記超電導コイルの温度に応じて前記コンプレッサの動作周波数及び前記マグネット電源の出力を制御することにより、前記超電導コイルの温度が予め設定された温度よりも高い場合にはさらに高い周波数を前記コンプレッサに出力して前記冷凍機の冷凍能力を大きくすることにより前記超電導コイルの温度を低下させ、かつ、磁場の励磁・消磁のスピードを超電導コイルがクエンチしない範囲内で調整可能とすることを特徴とする伝導冷却型超電導磁石システム。
【請求項２】
請求項１記載の伝導冷却型超電導磁石システムにおいて、前記制御手段は予め規定された前記冷凍機の冷凍能力と前記コンプレッサの動作周波数の関係に基づいて求められた周波数を出力することを特徴とする伝導冷却型超電導磁石システム。
【請求項３】
請求項１記載の伝導冷却型超電導磁石システムにおいて、前記温度センサーは前記超電導コイルの異なる複数箇所にそれぞれ設けられることを特徴とする伝導冷却型超電導磁石システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機より得られる冷熱を超電導コイルに伝導して冷却する超電導電磁石システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の超電導電磁石システムとしては、図５に示すような構成のものがある。この超電導電磁石システムは、図５に示すように真空容器１内に超電導磁石を構成するための超電導コイル２を収容され、この超電導コイル２はコンプレッサ３により圧縮されたＨｅガスがＨｅガスホース４を通して供給されるギフォードマクマホンタイプの冷凍機５より第２段冷却ステージ５ｂ、第１段冷却ステージ５ａを介して冷熱が伝導され、超電導状態に冷却される。
【０００３】
即ち、超電導コイル２は、熱的に低温端である冷凍機５の第１段冷却ステージ５ａに電気的に絶縁された熱伝導の良い材料からなる熱接続部６ａにより熱的に接続され、この第１段冷却ステージ５ａは高温端である第２段冷却ステージ６ｂに接続されている。
【０００４】
また、超電導コイル２は、金属の電気抵抗の小さい材料、例えば銅からなる電流リード７，８ａ，８ｂ及び高温超電導リード９を介して、さらに室温部の電源ケーブル１０を通してマグネット電源１１に電気的に接続されている。
【０００５】
この場合、真空容器１内の電流リード類は、熱的に冷凍機５の低温端である第１段冷却ステージ５ａ及び高温端である第２段冷却ステージ５ｂとそれぞれ電気的に絶縁された熱伝導の良い材料からなる熱接続部１２ｂ，１２ａと熱的に接続されている。
【０００６】
このような構成の従来装置において、超電導コイル２を冷凍機５の第１段冷却ステージ５ａに直接接触させて、極低温に冷却して超電導状態にしたり、特開平６−１３２５６８号公報に見られるように、超電導コイル２の外面に液体窒素を導入して、この超電導コイル２との間で熱交換可能とすることにより、冷却速度を上げて超電導状態としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来装置のように超電導コイルを冷凍機の冷却ステージに直接接触させる方式の場合、超電導コイルを常温から極低温までに冷却するまでに長時間を要するという問題がある。
【０００８】
例えば冷却ステージとして第１段冷却ステージ５ａとこの第１段冷却ステージ５ａより温度の低い第２段冷却ステージ５ｂを設けた冷凍機５を用いた場合に、熱負荷の小さい第１段冷却ステージ５ａの温度が先行して下がり、所定の温度  （５０Ｋ〜７７Ｋ）に達する。一方、熱容量の大きな超電導コイル２及び超電導コイル２と熱的に接続されている第２段冷却ステージ５ｂが熱伝導により冷却されるので、所定の超電導状態となる温度に到達するのに長時間を要している。
【０００９】
また、特開平６−１３２５６８号公報に見られる方式では、液体窒素用の配管等が必要となるため、コスト高となり、且つ液体窒素を使用しているため、冷媒を使用しない超電導電磁石としての簡便さのメリットを損なうことになる。
【００１０】
一方、超電導コイルに電流を流し、超電導マグネットとして機能させる際に、励磁速度を早くすると、渦電流等による発熱を生じ、超電導コイルの温度が上昇してしまい、超電導状態が常電導状態に転移するクエンチが生じるという問題がある。従って、磁場励磁の速度は遅くするのが通常の使用方法になっており、効率を落としている。
【００１１】
この温度上昇の影響を防ぐために冷凍機の冷却能力を高くすることが図られているが、冷凍能力を高めるためには冷凍機のコンプレッサの消費電力を大きくしなければならず、ランニングコストを高くするという問題がある。
【００１２】
本発明は上記のような問題点を解消するためなされたもので、最小の電力で安定した超電導磁石を実現でき、コンプレッサの消費電力を調整して省エネ効果を得ることができる伝導冷却型超電導磁石システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により伝導冷却型超電導磁石システムを構成するものである。
【００１５】
請求項１に対応する発明は、真空容器内に収容された超電導コイルに冷凍機より冷熱を伝導して該超電導コイルを冷却する伝導冷却型超電導磁石システムにおいて、前記超電導コイルを励磁するマグネット電源と、前記冷凍機に圧縮された冷媒ガスを供給するコンプレッサと、このコンプレッサの動作周波数を可変するインバータと、前記超電導コイルの温度を検出する温度センサーと、この温度センサーにより検出された温度検出信号に基づいて前記インバータの出力周波数を制御する機能と前記マグネット電源の出力を制御する機能とを有する制御手段とを備え、前記超電導コイルの温度に応じて前記コンプレッサの動作周波数及び前記マグネット電源の出力を制御することにより、前記超電導コイルの温度が予め設定された温度よりも高い場合にはさらに高い周波数をコンプレッサに出力して前記冷凍機の冷凍能力を大きくすることにより前記超電導コイルの温度を低下させ、かつ、磁場の励磁・消磁のスピードを超電導コイルがクエンチしない範囲内で調整可能とするものである。
【００１６】
上記請求項１に対応する発明の伝導冷却型超電導磁石システムにあっては、温度センサーにより検出された超電導コイルの温度をモニタして制御手段により超電導コイルの温度監視をすることにより冷凍機の運転休止時でも超電導マグネットを安心して使用することができる。また、超電導コイルへの熱侵入に応じて冷凍機の冷凍能力を調整できるため、超電導コイルを長時間安定に維持できる。さらに、冷凍機の冷凍能力を可変とするインバータとマグネット電源の出力を制御する機能を有するため、磁場の励磁・消磁のスピードを超電導コイルがクエンチしない範囲内で自由に調整が可能となる。
【００１７】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の伝導冷却型超電導磁石システムにおいて、前記制御手段は予め規定された前記冷凍機の冷凍能力と前記コンプレッサの動作周波数の関係に基づいて求められた周波数を出力するようにしたものである。
【００１８】
上記請求項２に対応する発明の伝導冷却型超電導磁石システムにあっては、温度センサーにより検出された超電導コイルの温度をモニタして制御手段により超電導コイルの温度監視をすることにより冷凍機の運転休止時でも超電導マグネットを安心して使用することができる。また、超電導コイルへの熱侵入に応じて冷凍機の冷凍能力を調整できるため、超電導コイルを長時間安定に維持できる。さらに、コンプレッサの消費電力を削減するための運転モードを自由に設定制御することが可能となる。
【００２１】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の伝導冷却型超電導磁石システムにおいて、前記温度センサーは前記超電導コイルの異なる複数箇所にそれぞれ設けられるものである。
【００２２】
上記請求項３に対応する発明の伝導冷却型超電導磁石システムにあっては、請求項１に対応する発明の作用効果に加えて、超電導コイルの温度分布が把握できるため、超電導コイルの温度上昇を精度良く測定することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明による超電導磁石システムの第１の実施の形態の構成を示すもので、図５と同一部品には同一符号を付して説明する。
【００２４】
図１において、真空容器１内に超電導磁石を構成するための超電導コイル２が収容され、この超電導コイル２はコンプレッサ３により圧縮されたＨｅガスがＨｅガスホース４を通して供給されるギフォードマクマホンタイプの冷凍機５より第２段冷却ステージ５ｂ、第１段冷却ステージ５ａを介して冷熱が伝導され、超電導状態に冷却されるものである。
【００２５】
超電導コイル２は、熱的に低温端である冷凍機５の第１段冷却ステージ５ａに電気的に絶縁された熱伝導の良い材料からなる熱接続部６により熱的に接続され、この第１段冷却ステージ５ａは高温端である第２段冷却ステージ５ｂに接続されている。
【００２６】
また、超電導コイル２は、金属の電気抵抗の小さい材料、例えば銅からなる電流リード７，８ａ，８ｂ及び高温超電導リード９を介して、さらに室温部の電源ケーブル１０を通してマグネット電源１１に電気的に接続されている。
【００２７】
この場合、真空容器１内の電流リード類は、熱的に冷凍機５の低温端である第１段冷却ステージ５ａ及び高温端である第２段冷却ステージ５ｂとそれぞれ電気的に絶縁された熱伝導の良い材料からなる熱接続部６ａ，６ｂと熱的に接続されている。
【００２８】
超電導コイル２にはコイルの温度を計測するための温度センサー１２（例えばカーボン抵抗体や熱伝対）が電気的に絶縁された，熱伝導の良いスペーサ等を介して取付けられている。この温度センサー１２は計測用ケーブル１３を介してコントローラ１４に接続される。この計測用ケーブル１３は図には示していないが、フィールドスルーを介して真空容器１内から気密に外部へ導出される。
【００２９】
このコントローラ１４は、制御ケーブル１５を介してインバータ１６に接続されると共に、制御ケーブル１８を介してマグネット電源１１に接続される。
インバータ１６は冷凍機５のコンプレッサ１３に接続され、コンプレッサ１３の動作周期を替えることにより冷凍機５の冷凍能力を可変できるようになっている。
【００３０】
また、コントローラ１４は予め規定された冷凍機５の冷凍能力とコンプレッサ３の動作周波数の関係に基づいて求められた周波数を出力する機能と、超電導コイル２を励磁するマグネット電源１１の出力を制御する機能とを有している。
【００３１】
ここで、図２に冷凍機５に圧縮されたＨｅガスを供給するコンプレッサ３と消費電力の関係を示し、図３にコンプレッサ３の動作周期と冷凍機５の冷凍能力の関係を示す。
【００３２】
この図２及び図３から明らかなように、コンプレッサ３の動作周波数を高くすると、消費電力が増加し、図３に示すように冷凍機５の冷凍能力が高くなることが分かる。
【００３３】
次に上記のように構成された超電導磁石システムの作用について説明する。
いま、超電導コイル２への熱侵入量が増加すると、超電導コイル２の温度が上昇する。このときの超電導コイル２の温度は温度センサー１２により検出され、その検出信号はコントローラ１４に入力される。
【００３４】
ここで、超電導コイル２の温度検出信号が予め設定された温度よりも高い場合には、コントローラ１４による制御によりインバータ１６はさらに高い周波数をコンプレッサ３に出力する。これにより、コンプレッサ３も動作周波数が高くなり、冷凍機５の冷凍能力が大きくなるので、第１段冷却ステージ５ａにより超電導コイル２の温度が低下する。
【００３５】
このようなサイクルは超電導コイル２の温度が所定の温度になるまで続けられ、一定温度に安定した時点でコンプレッサ３の動作周波数は最適な運転周波数に維持される。
【００３６】
一方、マグネット電源１１の動作により超電導コイル２に電流が流れると、常温部からの熱の侵入が大きくなると共に、時間的に変化する電流による交流ロスが発生し、超電導コイル５が発熱する。これらの熱により超電導コイル２の温度が上昇する。このときの超電導コイル２の温度が温度センサー１２により検出され、その検出信号がコントローラ１４に入力される。すると、コントローラ１４は温度センサー１２からの検出信号に基づいてマグネット電源１１の出力が制御される。従って、超電導コイル２の温度は所定の温度以下になるように通電制御される。このときインバータ１６によりコンプレッサ３の動作周波数も同時に制御されることは前述と同様である。
【００３７】
次にコンプレッサ３の消費電力を少なくするための運転モードについて説明する。
いま、冷凍機５の最大冷凍能力でコンプレッサ３を動作させると、超電導コイル２の温度が不必要な温度まで低下してしまう。本来、超電導コイル２は予めその線材の超電導転移温度Ｔｃ以下に規定した温度になっていれば良い。
【００３８】
従って、冷凍機５の冷凍能力を落として所定の温度域に超電導コイル２を保つことは、コンプレッサ３の消費電力を節減できることになる。
そこで、超電導コイル２の温度を温度センサ１２により検出し、コントローラ１４によりインバータ１６を制御することで、インバータ１６の出力周波数を必要最小限に抑えることができる。
【００３９】
このように第１の実施の形態では、温度センサー１２により検出された超電導コイル２の温度をモニタしてコントローラ１４により超電導コイル２の温度監視をすることにより、冷凍機５の運転休止時でも超電導マグネットを安心して使用することができる。また、超電導コイル２への熱侵入に応じて冷凍機５の冷凍能力を調整できるため、超電導コイル２を長時間安定に維持できる。さらに、コントローラ１４によりコンプレッサ３の消費電力を削減するための運転モードを自由に設定制御することが可能となる。
【００４０】
さらに、コントローラ１４は冷凍機５の冷凍能力を可変とするインバータ１６とマグネット電源１１の出力を制御する機能を有するため、磁場の励磁・消磁のスピードを超電導コイルがクエンチしない範囲内で自由に調整が可能となる。
【００４１】
図４は本発明による超電導磁石システムの第２の実施の形態の構成を示すもので、図１と同一部品には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４２】
第２の実施の形態では、図４に示すように超電導コイル２の温度を複数個、ここでは２個の温度センサー１２ａ，１２ｂにより検出し、その検出信号をコントローラ１４へそれぞれ入力し、何ずれかの検出信号が予め規定されている超電導コイル２の温度を超えると、前述した第１の実施の形態と同様にインバータ１６を介してコンプレッサ３の動作周波数を制御すると共に、マグネット電源１１の励磁スピードを制御するようにしたものである。
【００４３】
このような構成とすれば、超電導コイル２の温度分布が把握できるため、超電導コイル２の温度上昇を精度良く測定することができる。
なお、第１及び第２の実施の形態で説明した構成は、本発明の一例であり、他の構成の超電導磁石システムに対しても同様に適用することができる。さらに、本発明は低温超電導マグネットの特徴を最大限に生かしたものであるが、高温超電導マグネットに対しても十分適用実施可能であることは言うまでもない。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、冷凍機の冷凍能力を可変するようにしているので、最小の電力で安定した超電導磁石を実現でき、コンプレッサの消費電力を調整できるので、省エネ効果を与えることができる超電導磁石システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超電導磁石システムの第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】同実施の形態において、コンプレッサの動作周波数と消費電力の関係を示す図。
【図３】同実施の形態において、コンプレッサの動作周波数と冷凍機冷凍能力の関係を示す図。
【図４】本発明による超電導磁石システムの第１の実施の形態を示す構成図。
【図５】従来の超電導磁石システムの一例を示す構成図。
【符号の説明】
１……真空容器
２……超電導コイル
３……コンプレッサ
５……冷凍機
５ａ……第１段冷却ステージ
５ｂ……第２段冷却ステージ
６，６ａ，６ｂ……熱接続部
７，８ａ，８ｂ……電流リード
９……高温超電導リード
１０……電源ケーブル
１１……マグネット電源
１２，１２ａ，１２ｂ……温度センサー
１４……コントローラ
１６……インバータ。
【図１】
0003930153.tif 000002
【図２】
0003930153.tif 000003
【図３】
0003930153.tif 000004
【図４】
0003930153.tif 000005
【図５】
0003930153.tif 000006