超導(dǎo)磁體的冷卻方法及超導(dǎo)磁體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超導(dǎo)磁體的冷卻方法及超導(dǎo)磁體。
【背景技術(shù)】
[0002]作為公開了即使停電也難以引起超導(dǎo)線圈的失超(quench)的傳導(dǎo)冷卻式超導(dǎo)磁體裝置的結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有文獻(xiàn)，具有日本專利特開2009-32758號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)I)。
[0003]專利文獻(xiàn)I記載的傳導(dǎo)冷卻式超導(dǎo)磁體裝置包括:極低溫用冷凍機(jī)、裝有制冷劑的容器、浸漬在該制冷劑中的超導(dǎo)線圈、以及與上述容器和極低溫用冷凍機(jī)雙方熱接觸，來進(jìn)行兩者間的熱傳導(dǎo)的導(dǎo)熱單元。
[0004]在傳導(dǎo)冷卻式超導(dǎo)磁體裝置中，在極低溫用冷凍機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，經(jīng)由導(dǎo)熱單元來進(jìn)行容器和極低溫用冷凍器之間的熱傳導(dǎo)，以對(duì)容器進(jìn)行冷卻。在極低溫用冷凍機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，通過設(shè)置于導(dǎo)熱單元的切斷單元來切斷容器和極低溫用冷凍機(jī)之間的熱傳導(dǎo)，使熱量從外界經(jīng)由導(dǎo)熱單元流入容器，從而防止制冷劑的蒸發(fā)。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開2009 - 32758號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0006]專利文獻(xiàn)I中，記載了與超導(dǎo)線圈和冷凍機(jī)雙方熱接觸來進(jìn)行兩者的熱傳導(dǎo)的導(dǎo)熱單元、以及設(shè)置于導(dǎo)熱單元的切斷單元，使得能切斷超導(dǎo)線圈和冷凍機(jī)之間的熱傳導(dǎo)，但并未記載它們的具體結(jié)構(gòu)。
[0007]此外，假設(shè)在氦槽內(nèi)配置有由可動(dòng)構(gòu)件構(gòu)成的導(dǎo)熱開關(guān)的情況下，導(dǎo)熱開關(guān)可能被凍結(jié)而無法動(dòng)作，從而無法穩(wěn)定地切斷超導(dǎo)線圈和冷凍機(jī)之間的熱傳導(dǎo)。
[0008]本發(fā)明是鑒于上述問題點(diǎn)而完成的，其目的在于提供一種在冷凍機(jī)停止時(shí)，能穩(wěn)定地抑制通過冷凍機(jī)的熱侵入的超導(dǎo)磁體的冷卻方法及超導(dǎo)磁體。
解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)手段
[0009]基于本發(fā)明的超導(dǎo)磁體的冷卻方法中，該超導(dǎo)磁體包括:氦槽，該氦槽內(nèi)部?jī)?chǔ)存有液體氦；超導(dǎo)線圈，該超導(dǎo)線圈浸漬到收納于氦槽內(nèi)的液體氦中；真空容器，該真空容器收納有氦槽；冷凍機(jī)，該冷凍機(jī)自由裝卸地固定于真空容器，且冷凍機(jī)的前端部位于氦槽內(nèi)；以及導(dǎo)熱構(gòu)件，該導(dǎo)熱構(gòu)件位于氦槽內(nèi)，與超導(dǎo)線圈相接觸并熱連接，且具有能與冷凍機(jī)的前端部相接觸的接觸部。超導(dǎo)磁體的冷卻方法包括如下工序:通過使冷凍機(jī)的前端部與導(dǎo)熱構(gòu)件的接觸部相接觸，從而通過導(dǎo)熱構(gòu)件將冷凍機(jī)與超導(dǎo)線圈熱連接，將超導(dǎo)線圈冷卻至極低溫的工序；在上述冷卻工序后，使冷凍機(jī)的前端部與導(dǎo)熱構(gòu)件的接觸部成為非接觸狀態(tài)的工序；以及在上述非接觸工序后，將液體氦注入到氦槽內(nèi)的工序。
發(fā)明效果
[0010]根據(jù)本發(fā)明，在冷凍機(jī)停止時(shí)，能穩(wěn)定地抑制通過冷凍機(jī)的熱侵入。
【附圖說明】
[0011]圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的超導(dǎo)磁體中將超導(dǎo)線圈冷卻至極低溫時(shí)的狀態(tài)的剖視圖。
圖2是放大顯示圖1的狀態(tài)的冷凍機(jī)的剖視圖。
圖3是表示同一實(shí)施方式所涉及的超導(dǎo)磁體中，結(jié)束冷凍機(jī)所進(jìn)行的超導(dǎo)線圈的冷卻并注入了液體氦后的狀態(tài)的剖視圖。
圖4是放大顯示圖3的狀態(tài)的冷凍機(jī)的剖視圖。
圖5是表示同一實(shí)施方式所涉及的超導(dǎo)磁體的冷卻方法的流程圖。
圖6是放大表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的超導(dǎo)磁體中將超導(dǎo)線圈冷卻至極低溫時(shí)的狀態(tài)的冷凍機(jī)的剖視圖。
圖7是放大表示同一實(shí)施方式所涉及的超導(dǎo)磁體中，結(jié)束冷凍機(jī)所進(jìn)行的超導(dǎo)線圈的冷卻并注入了液體氦后的狀態(tài)的冷凍機(jī)的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面，參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的超導(dǎo)磁體的冷卻方法及超導(dǎo)磁體進(jìn)行說明。在以下實(shí)施方式的說明中，對(duì)圖中相同或者相當(dāng)?shù)牟糠謽?biāo)注相同標(biāo)號(hào)，且不重復(fù)其說明。
[0013](實(shí)施方式I)
圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的超導(dǎo)磁體中將超導(dǎo)線圈冷卻至極低溫時(shí)的狀態(tài)的剖視圖。圖2是放大顯示圖1的狀態(tài)的冷凍機(jī)的剖視圖。另外，圖1中，未圖示出伸展構(gòu)件。圖2中，圖示出了伸展前的伸展構(gòu)件。
[0014]圖3是表示本實(shí)施方式所涉及的超導(dǎo)磁體中，結(jié)束冷凍機(jī)所進(jìn)行的超導(dǎo)線圈的冷卻并注入了液體氦后的狀態(tài)的剖視圖。圖4是放大顯示圖3的狀態(tài)的冷凍機(jī)的剖視圖。
[0015]如圖1至圖4所示，本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的超導(dǎo)磁體100包括:內(nèi)部?jī)?chǔ)存有液體氦130的氦槽120 ;浸漬在收納于氦槽120內(nèi)的液體氦130中的超導(dǎo)線圈110 ;以及收納氦槽120的真空容器150。本實(shí)施方式中，氦槽120和真空容器150之間配置有熱屏蔽體140。
[0016]此外，超導(dǎo)磁體100包括:筒狀部160，該筒狀部160從真空容器150跨越設(shè)置到氦槽120，使得真空容器150的外部與氦槽120的內(nèi)部連通；冷凍機(jī)，該冷凍機(jī)插入到筒狀部160內(nèi)，并自由裝卸地固定于真空容器150，其前端部位于氦槽120內(nèi)；以及導(dǎo)熱構(gòu)件180，該導(dǎo)熱構(gòu)件180位于氦槽120內(nèi)，與超導(dǎo)線圈110相接觸并熱連接。導(dǎo)熱構(gòu)件180具有接觸部182，該接觸部182位于筒狀部160的下方，并能與冷凍機(jī)的前端部相接觸。
[0017]以下，對(duì)超導(dǎo)磁體100的各結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。
超導(dǎo)線圈I1由超導(dǎo)線構(gòu)成，該超導(dǎo)線由鈮鈦合金形成，并在氦槽120的內(nèi)部底面上卷繞成螺旋狀。然而，超導(dǎo)線的材料并不限于鈮鈦合金，例如也可以是鈮錫合金。超導(dǎo)磁體100具有多個(gè)超導(dǎo)線圈110。通過從未圖示的外部電源向超導(dǎo)線圈110流過電流，從而在磁場(chǎng)發(fā)生區(qū)域產(chǎn)生箭頭10所示方向的磁場(chǎng)。
[0018]側(cè)視時(shí)氦槽120具有大致圓環(huán)狀的外形，由不銹鋼形成。但是氦槽120的材料并不限于不銹鋼，只要是剛性較高的材料即可。
[0019]如上所述，氦槽120具有作為超導(dǎo)線圈110的線軸(spool)的功能。較大的電磁力作用于超導(dǎo)線圈110。因此，氦槽120需要具有較高的剛性，以對(duì)抗作用于超導(dǎo)線圈110的電磁力，并將超導(dǎo)線圈110固定于規(guī)定位置。
[0020]并且，氦槽120的上部連接有用于向氦槽120內(nèi)提供氦的配管161。配管161的末端位于真空容器150的外側(cè)。配管161的末端設(shè)有用于打開、關(guān)閉配管161的閥162。
[0021]側(cè)視時(shí)，熱屏蔽體140具有大致圓環(huán)狀的外形，剖視時(shí)熱屏蔽體140包圍氦槽120的周圍。熱屏蔽體140抑制熱量從外部通過熱輻射而侵入氦槽120內(nèi)。熱屏蔽體140由鋁形成，但熱屏蔽體140的材料并不限于此，熱傳導(dǎo)率較高的材料即可。
[0022]真空容器150收納有超導(dǎo)線圈110、氦槽120及熱屏蔽體140。真空容器150使真空容器150的內(nèi)部與外部真空絕熱。側(cè)視時(shí)，真空容器150具有大致圓環(huán)狀的外形。
[0023]通過上述氦槽120、熱屏蔽體140及真空容器150構(gòu)成抑制熱侵入超導(dǎo)線圈110的結(jié)構(gòu)體即低溫恒溫器。本實(shí)施方式所涉及的低溫恒溫器中，當(dāng)?shù)蜏睾銣仄鞯膬?nèi)部溫度為4K時(shí)，侵入低溫丨旦溫器內(nèi)的熱侵入量為0.6W。
[0024]如上所述，低溫恒溫器設(shè)有用于安裝冷凍機(jī)的筒狀部。筒狀部160的上端與真空容器150的開口端相連，筒狀部160的下端與氦槽120的開口端相連
[0025]本實(shí)施方式所涉及的超導(dǎo)磁體100具有導(dǎo)熱構(gòu)件180，該導(dǎo)熱構(gòu)件180在筒狀部160下端的正下方具有接觸部182。導(dǎo)熱構(gòu)件180包含分別與多個(gè)超導(dǎo)線圈110相接觸，且熱連接的多個(gè)連接部181。然而，導(dǎo)熱構(gòu)件180和各超導(dǎo)線圈110經(jīng)由絕緣紙相接，且電絕緣。導(dǎo)熱構(gòu)件180由銅形成。但是導(dǎo)熱構(gòu)件180的材料并不限于銅，只要是熱傳導(dǎo)率較高的材料即可。
[0026]本實(shí)施方式中，導(dǎo)熱構(gòu)件180的接觸部182具有能與冷凍機(jī)的前端部相嵌合的形狀。具體而言，接觸部182具有形狀比冷凍機(jī)的前端部的外形稍大的凹部。但是接觸部182的形狀并不限于上述形狀，能與冷凍機(jī)的前端部相接觸即可。
[0027]本實(shí)施方式所涉及的冷凍機(jī)包含冷凍機(jī)主體170、安裝于冷凍機(jī)主體170的前端的延伸構(gòu)件。冷凍機(jī)主體170是吉福德-麥克馬洪(GM)冷凍機(jī)。冷凍機(jī)主體170的冷凍能力在溫度為4K時(shí)為1W，相對(duì)于侵入低溫恒溫器的熱侵入量(0.6W)具有充分的冷凍能力。然而，冷凍機(jī)的種類并不限于GM冷凍機(jī)，也可以是例如脈管冷凍機(jī)等其他冷凍機(jī)。
[0028]冷凍機(jī)主體170具有兩段冷卻平臺(tái)。第一段的冷卻平臺(tái)171與熱屏蔽體140相接觸。第二段的冷卻平臺(tái)172與延伸構(gòu)件相連接。第二段的冷卻平臺(tái)172及延伸構(gòu)件分別具有圓柱狀的外形，該圓柱狀具有大致相同的直徑。延伸構(gòu)件由銅形成，但延伸構(gòu)件的材料并不限于此，只要是熱傳導(dǎo)率較高的材料即可。
[0029]本實(shí)施方式中，選擇性地使用長(zhǎng)度互不相同的兩個(gè)延伸構(gòu)件。具體而言，在將超導(dǎo)線圈110冷卻至極低溫時(shí)，使用圖2所示的尺寸較長(zhǎng)的延伸構(gòu)件190，在冷凍機(jī)所進(jìn)行的超導(dǎo)線圈110的冷卻結(jié)束后，使用圖4所示的尺寸較短的延伸構(gòu)件192。
[0030]尺寸較長(zhǎng)的延伸構(gòu)件190的長(zhǎng)度LI比尺寸較短的延伸構(gòu)件192的長(zhǎng)度L2要長(zhǎng)。尺寸較長(zhǎng)的延伸構(gòu)件190內(nèi)置于加熱器191，尺寸較短的延伸構(gòu)件192內(nèi)置于加熱器193。
[0031]如圖2、圖4所示，在將冷凍機(jī)安裝于筒狀部160內(nèi)的狀態(tài)下，冷凍機(jī)主體170的前端位于氦槽120內(nèi)，與導(dǎo)熱構(gòu)件180的接觸部182間隔開。
[0032]如圖2所示，冷凍機(jī)主體170的前端安裝有尺寸較長(zhǎng)的延伸構(gòu)件190，由此構(gòu)成的長(zhǎng)尺寸冷凍機(jī)具有其前端部與導(dǎo)熱構(gòu)件180的接觸部182相接觸的長(zhǎng)度。
[0033]如圖4所示，冷凍機(jī)主體170的前端安裝有尺寸較短的延伸構(gòu)件192，由此構(gòu)成的短尺寸冷凍機(jī)具有其前端部與導(dǎo)熱構(gòu)件180的接觸部182成為非接觸的長(zhǎng)度。
[0034]本實(shí)施方式中，冷凍機(jī)具有安裝于冷凍機(jī)前端部的表面的伸展構(gòu)件199。伸展構(gòu)件199是在導(dǎo)熱構(gòu)件180的接觸部182與冷凍機(jī)的前端部相嵌合時(shí)伸展，從而填埋接觸部182和前端部之間的構(gòu)件。
[0035]本實(shí)施方式中，伸展構(gòu)件199是由銦構(gòu)成的引線。具體而言，銦的引線卷繞于成為冷凍機(jī)的前端部的延伸構(gòu)件190的端部。
[0036]然而，伸展構(gòu)件199的材料并不限于銦，只要是鉛等伸展性及熱傳導(dǎo)性較大的材料即可。伸展構(gòu)件199的形狀并不限于引線，也可以是片材。
[0037]以下，對(duì)具有上述結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)磁體100的冷卻方法進(jìn)行說明。超導(dǎo)磁體100的冷卻中，具有將超導(dǎo)線圈110從常溫冷卻至約4K的極低溫的初始冷卻、和在初始冷卻后為了將超導(dǎo)線圈110的溫度維持在極低溫而對(duì)超導(dǎo)線圈110進(jìn)行冷卻的恒定冷卻這兩個(gè)冷卻狀
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[0038]圖5是表示本實(shí)施方式所涉及的超導(dǎo)磁體的冷卻方法的流程圖。如圖1、圖2、圖5所示，本實(shí)施方式所涉及的超導(dǎo)磁體100的冷卻方法中，在初始冷卻中，通過使冷凍機(jī)的前端部與導(dǎo)熱構(gòu)件180的接觸部182相接觸，從而通過導(dǎo)熱構(gòu)件180將冷凍機(jī)和超導(dǎo)線圈110熱連接，并將超導(dǎo)線圈110冷卻至極低溫(S100)。
[0039]具體而言，如圖1、圖2所示，初始冷卻中，將上述長(zhǎng)尺寸冷凍機(jī)插入至筒狀部160并固定于真空容器150。長(zhǎng)尺寸冷凍機(jī)和真空容器150之間設(shè)有真空用密封件168。利用真空用密封件168來防止空氣從外部流入氦槽120內(nèi)。
[0040]在長(zhǎng)尺寸冷凍機(jī)的前端部與導(dǎo)熱構(gòu)件