超导电磁铁的制作方法

1.本发明涉及一种超导电磁铁。


背景技术：

2.作为公开了超导电磁铁的结构的在先文献，有日本特开平5-55032号公报(专利文献1)。专利文献1所记载的超导电磁铁具备内侧容器、外侧容器、排气通路、安全阀、内压保持阀和开闭阀。内侧容器容纳超导线圈和制冷剂。外侧容器将内侧容器保持在内部。排气通路分支为第一分支管、第二分支管以及第三分支管。安全阀设置于第一分支管。只要超导电磁铁维持正常的超导状态，安全阀就不会打开。内压保持阀由弹簧式止回阀构成，设置于第二分支管。内压保持阀在超导电磁铁发生失超时打开而放出制冷剂气体。开闭阀设于第三分支管。开闭阀在注入制冷剂时以外始终关闭。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开平5-55032号公报


技术实现要素：

6.本发明要解决的问题
7.在超导电磁铁发生失超时，在短时间内产生大量的制冷剂气体。在像专利文献1所记载的超导电磁铁那样利用一个弹簧式止回阀放出制冷剂气体的情况下，由于相对于制冷剂气体的产生速度，弹簧式止回阀的打开动作的速度慢，因此，内侧容器内的压力瞬间达到峰值压力。在达到峰值压力后，在内侧容器内产生交替重复压力降低与压力上升的变动压力，所述压力降低因弹簧式止回阀打开而产生，所述压力上升因伴随压力降低而弹簧式止回阀进行关闭动作而产生。由于需要将这些峰值压力和变动压力的最大压力维持在内侧容器的允许压力以下，因此，无法提高弹簧式止回阀开始打开动作时的弹簧的作用力即设定压力。
8.弹簧式止回阀通过使内侧容器内的压力大于弹簧式止回阀中的弹簧的作用力和外部气压的总和来进行打开动作。即，弹簧式止回阀的设定压力是弹簧式止回阀关闭时的弹簧的作用力。高地的外部气压低于平地的外部气压。因此，在超导电磁铁的空运时或高地运输时，当内侧容器内的压力大于弹簧式止回阀的设定压力和高地的外部气压之和时，弹簧式止回阀进行打开动作。其结果是，超导电磁铁的空运时或高地运输时的制冷剂的蒸发量增加。在弹簧式止回阀的设定压力低的情况下，制冷剂的蒸发量进一步增加。
9.本发明是鉴于上述问题点而做出的，其目的在于提供一种超导电磁铁，该超导电磁铁能够降低内侧容器内的最大压力，并且能够降低空运时或高地运输时的制冷剂的蒸发量。
10.用于解决课题的手段
11.本发明的超导电磁铁具有内侧容器、外侧容器、排气管路、第一弹簧式止回阀、第
二弹簧式止回阀及第三弹簧式止回阀。内侧容器容纳超导线圈和冷却超导线圈的液态的制冷剂。外侧容器在与内侧容器之间绝热的状态下将内侧容器保持在内部。排气管路将在内侧容器内蒸发的制冷剂气体排出到外侧容器的外侧。第一弹簧式止回阀、第二弹簧式止回阀及第三弹簧式止回阀分别设置于排气管路。排气管路包括彼此并联连接的第一分流管路和直径比第一分流管路大的第二分流管路。第二分流管路的一部分至少分支为第一分支管路和第二分支管路。第一弹簧式止回阀设置于第一分流管路，当第一分流管路内的第一弹簧式止回阀的上游侧与下游侧的压力差达到比大气压高的第一设定压力以上时，进行打开动作。第二弹簧式止回阀设于第一分支管路，当第一分支管路内的第二弹簧式止回阀的上游侧与下游侧的压力差达到比第一设定压力高的第二设定压力以上时，进行打开动作。第三弹簧式止回阀设置于第二分支管路，当第二分支管路内的第三弹簧式止回阀的上游侧与下游侧的压力差达到比第一设定压力高的第三设定压力以上时，进行打开动作。第二分支管路的直径、长度和内部容积中的至少一个与第一分支管路不同。
12.本发明的效果
13.根据本发明，通过将第二分流管路的一部分分支成第一分支管路和第二分支管路，能够减少流入到第一分支管路和第二分支管路的每一个中的制冷剂气体的流量的与经过时间相对的增加量，因此能够降低内侧容器内的峰值压力。另外，设有第三弹簧式止回阀的第二分支管路的直径、长度及内部容积中的至少一个与设有第二弹簧式止回阀的第一分支管路不同，由此，可以使第二弹簧式止回阀和第三弹簧式止回阀的动作时刻不同。其结果是，能够抑制变动压力的产生。由此，能够降低内侧容器内的最大压力，并且能够提高第二弹簧式止回阀及第三弹簧式止回阀各自的设定压力，降低空运时或高地运输时的制冷剂的蒸发量。
附图说明
14.图1是表示本发明的实施方式1的超导电磁铁的结构的局部剖视图。
15.图2是表示比较例的超导电磁铁的排气管路的结构的局部剖视图。
16.图3是表示比较例的超导电磁铁中从发生失超时开始的内侧容器内的压力的推移的图表。
17.图4是表示比较例的超导电磁铁的平地运输时以及空运时或高地运输时的第二弹簧式止回阀开始打开动作的压力的图表。
18.图5是表示在本发明的实施方式1的超导电磁铁中从发生失超时开始的内侧容器内的压力的推移的图表。
19.图6是表示本发明的实施方式2的超导电磁铁的排气管路的结构的局部剖视图。
20.图7是表示本发明的实施方式3的超导电磁铁的排气管路的结构的局部剖视图。
21.图8是表示本发明的实施方式4的超导电磁铁的排气管路的结构的局部剖视图。
22.图9是表示本发明的实施方式5的超导电磁铁的排气管路的结构的局部剖视图。
具体实施方式
23.以下，参照附图对本发明的各实施方式的超导电磁铁进行说明。在以下的实施方式的说明中，对图中的相同或相当部分标注相同的附图标记，不重复其说明。
24.实施方式1
25.图1是表示本发明的实施方式1的超导电磁铁的结构的局部剖视图。如图1所示，本发明的实施方式1的超导电磁铁100具备内侧容器130、外侧容器140、排气管路170、第一弹簧式止回阀191、第二弹簧式止回阀192及第三弹簧式止回阀193。在本实施方式中，超导电磁铁100还具备破裂盘190。
26.内侧容器130容纳超导线圈110和冷却超导线圈110的液态的制冷剂120。在本实施方式中，制冷剂120是氦，但制冷剂120不限于氦，也可以是氮。
27.外侧容器140在与内侧容器130之间绝热的状态下将内侧容器130保持在内部。外侧容器140与内侧容器130之间维持真空状态。在外侧容器140与内侧容器130之间，以覆盖内侧容器130的外侧的方式设有辐射屏蔽件150。在辐射屏蔽件150与外侧容器140之间设置有超绝缘体160。
28.排气管路170将在内侧容器130中蒸发的制冷剂气体121排出到外侧容器140的外侧。具体来说，排气管路170的一端连接于覆盖连接口的盖部，用于将超导线圈110与外部电源连接的连接线位于该连接口的内部。盖部设置在外侧容器140的外周面上。排气管路170的另一端向外部开放。
29.排气管路170包括相互并联连接的第一分流管路171和直径比第一分流管路171大的第二分流管路172。排气管路170还包括第三分流管路173。第三分流管路173与第一分流管路171和第二分流管路172并联连接，直径比第一分流管路171大。第一分流管路171的直径例如为15mm以下。
30.第二分流管路172的一部分至少分支为第一分支管路181和第二分支管路182。在本实施方式中，第二分流管路172的一部分分支为第一分支管路181和第二分支管路182。
31.第二分支管路182的直径、长度和内部容积中的至少一个与第一分支管路181不同。在本实施方式中，与第一分支管路181相比，第二分支管路182的直径大、长度长且内部容积大。第二分流管路172的剩余部分的直径与第一分支管路181的直径相同。
32.第一分支管路181的直径例如为20mm以上且40mm以下。第二分支管路182的直径相对于第一分支管路181的直径例如为1.5倍。第二分支管路182的长度相对于第一分支管路181的长度例如为1.2倍以上。
33.第一弹簧式止回阀191、第二弹簧式止回阀192及第三弹簧式止回阀193分别设置于排气管路170。
34.第一弹簧式止回阀191设置于第一分流管路171，当第一分流管路171内的第一弹簧式止回阀191的上游侧与下游侧的压力差达到比大气压pa高的第一设定压力p1以上时，进行打开动作。第一设定压力p1例如高于大气压pa，且为大气压pa的1.1倍以下。
35.第二弹簧式止回阀192设置于第一分支管路181，当第一分支管路181内的第二弹簧式止回阀192的上游侧与下游侧的压力差达到比第一设定压力p1高的第二设定压力p2以上时，进行打开动作。第二设定压力p2例如为大气压pa的1.25倍以上。
36.第三弹簧式止回阀193设置于第二分支管路182，当第二分支管路182内的第三弹簧式止回阀193的上游侧与下游侧的压力差达到比第一设定压力p1高的第三设定压力p3以上时，进行打开动作。在本实施方式中，第二设定压力p2与第三设定压力p3相同。
37.破裂盘190设置于第三分流管路173，当第三分流管路173内的破裂盘190的上游侧
与下游侧的压力差超过阈值ps时，破裂盘190破裂而打开第三分流管路173，由此，防止内侧容器130内的压力的异常上升。阈值ps大于第二设定压力p2和第三设定压力p3中的每一个。
38.超导电磁铁100的冷冻机停止的运输时的内侧容器130内的压力小于第二设定压力p2，第一弹簧式止回阀191、第二弹簧式止回阀192及第三弹簧式止回阀193中仅第一弹簧式止回阀191处于打开状态，破裂盘190未破裂，因此，第一分流管路171作为运输时的制冷剂气体121的排气路径起作用。
39.超导电磁铁100发生失超时的内侧容器130内的压力分别高于第二设定压力p2及第三设定压力p3且为阈值ps以下，第一弹簧式止回阀191、第二弹簧式止回阀192及第三弹簧式止回阀193全部为打开状态，破裂盘190未破裂。由于第一分流管路171的直径小于第二分流管路172的直径，因此，制冷剂气体121主要流入第二分流管路172。因此，第二分流管路172作为发生失超时的制冷剂气体121的排气路径起作用。
40.在此，为了说明本发明的实施方式1的超导电磁铁100的排气管路170的作用效果，参照附图说明比较例的超导电磁铁的排气管路。比较例的超导电磁铁与本发明的实施方式1的超导电磁铁100仅排气管路的结构不同。
41.图2是表示比较例的超导电磁铁的排气管路的结构的局部剖视图。如图2所示，比较例的超导电磁铁900的排气管路970包括相互并联连接的第一分流管路171和直径比第一分流管路171大的第二分流管路972。排气管路970还包括第三分流管路173。第三分流管路173与第一分流管路171和第二分流管路972并联连接，直径比第一分流管路171大。第一分流管路171的直径例如为15mm以下。第二分流管路972和第三分流管路173各自的直径例如为20mm以上且40mm以下。
42.在第一分流管路171设置有第一弹簧式止回阀191，在第二分流管路972设置有第二弹簧式止回阀192，在第三分流管路173设置有破裂盘190。
43.超导电磁铁900的超导状态能够通过保持超导线圈110的通电电流量、超导线圈110的冷却温度以及超导线圈110的产生磁场的平衡来维持。超导电磁铁900的失超是由于电的原因及热的原因等而超导状态消失，超导线圈110转变为常导的现象。在超导电磁铁900发生失超时，超导线圈110的电阻急剧产生而超导线圈110发热。
44.在mri(磁共振成像；magnetic resonance imaging)用的超导电磁铁900中，在从发生失超时起小于5秒的短时间内，超导线圈110发热而产生3mj左右的热能。该热能作为液态的制冷剂120的蒸发的潜热和制冷剂气体121的温度上升的显热被热输送。由于内侧容器130内的压力因产生的制冷剂气体121而在短时间内上升，因此需要抑制排气管路970的流体阻力的增加，并将制冷剂气体121排出到外部。另一方面，在超导电磁铁900的正常运转时，为了将超导线圈110维持在低温状态，需要抑制外部空气以及热量向内侧容器130内流入。
45.在比较例的超导电磁铁900中，第二分流管路972作为发生失超时的制冷剂气体121的排气路径起作用。因此，在第二分流管路972中，为了降低包括第二弹簧式止回阀192中的压力损失在内的流体阻力以及抑制来自第二分流管路972的热流入，缩短第二分流管路972的长度并减小直径，并且减薄第二分流管路972的厚度，确保了制冷剂气体121的流路面积。
46.图3是表示在比较例的超导电磁铁中从发生失超时开始的内侧容器内的压力的推
移的图表。在图3中，纵轴表示内侧容器130内的压力，横轴表示从发生失超时起的经过时间。
47.如图3所示，在比较例的超导电磁铁900中，由于第二弹簧式止回阀192的打开动作的速度比刚发生失超后的制冷剂气体121的产生速度慢，因此，内侧容器130内的压力达到比第二弹簧式止回阀192开始打开动作的第二设定压力a高30％～50％的峰值压力b。
48.达到峰值压力b后，在内侧容器130内，产生交替反复压力降低和压力上升的变动压力c，所述压力降低由第二弹簧式止回阀192打开引起，所述压力上升由伴随压力降低而第二弹簧式止回阀192进行关闭动作而引起。由于需要将这些峰值压力b及变动压力c的最大压力维持在内侧容器130的允许压力以下，所以不能提高第二弹簧式止回阀192开始打开动作时的弹簧的作用力即第二设定压力a。
49.第二弹簧式止回阀192通过内侧容器130内的压力比第二弹簧式止回阀192中的弹簧的作用力与外部气压的合计大而进行打开动作。即，第二弹簧式止回阀192的第二设定压力a是第二弹簧式止回阀192关闭时的弹簧的作用力。高地的外部气压低于平地的外部气压。
50.图4是表示比较例的超导电磁铁的平地运输时以及空运时或高地运输时的第二弹簧式止回阀开始打开动作的压力的图表。在图4中，纵轴表示内侧容器130内的压力，横轴表示超导电磁铁的平地运输时以及空运时或高地运输时。
51.在冷冻机停止的超导电磁铁900的运输时，如图4所示，在平地运输时，在内侧容器130内的压力大于第二弹簧式止回阀192的第二设定压力a与平地的外部气压d的合计f时，第二弹簧式止回阀192进行打开动作。另一方面，在空运时或高地运输时，在内侧容器130内的压力大于第二弹簧式止回阀192的第二设定压力a与高地的外部气压d’的合计g时，第二弹簧式止回阀192进行打开动作。因此，第二弹簧式止回阀192在低的压力下进行打开动作，其量为外部气压d与外部气压d’的压力差e，因此，超导电磁铁900的空运时或高地运输时的制冷剂120的蒸发量与平地运输时相比增加。在第二弹簧式止回阀192的第二设定压力a低的情况下，制冷剂120的蒸发量进一步增加。
52.图5是表示在本发明的实施方式1的超导电磁铁中从发生失超时开始的内侧容器内的压力的推移的图表。在图5中，纵轴表示内侧容器130内的压力，横轴表示从发生失超时开始的经过时间。
53.在本发明的实施方式1的超导电磁铁100中，通过第二分流管路172的一部分分支成第一分支管路181和第二分支管路182，能够减少流入到第一分支管路181及第二分支管路182的每一个中的制冷剂气体121的流量的与经过时间相对的增加量。因此，如图5所示，与峰值压力b相比，能够降低内侧容器130内的峰值压力b’。
54.另外，设有第三弹簧式止回阀193的第二分支管路182的直径、长度及内部容积中的至少一个与设有第二弹簧式止回阀192的第一分支管路181不同，由此，能够使第二弹簧式止回阀192和第三弹簧式止回阀193的动作时刻不同。结果，可以抑制变动压力c的产生。
55.由此，能够降低内侧容器130内的最大压力，并且能够将第二弹簧式止回阀192的第二设定压力p2及第三弹簧式止回阀193的第三设定压力p3分别提高到比比较例的第二设定压力a高的设定压力a’，从而能够减少空运时或高地运输时的制冷剂120的蒸发量。
56.在本发明的实施方式1的超导电磁铁100中，第一设定压力p1为大气压的1.1倍以
下，第二设定压力p2为大气压的1.25倍以上。由此，能够使第一分流管路171作为运输时的制冷剂气体121的排气路径起作用，同时使第二分流管路172作为发生失超时的制冷剂气体121的排气路径有效地起作用。
57.在本发明的实施方式1的超导电磁铁100中，第三设定压力p3与第二设定压力p2相同。由此，作为第三弹簧式止回阀193，可以使用与第二弹簧式止回阀192相同规格的弹簧式止回阀，超导电磁铁100的制造变得容易。
58.实施方式2
59.以下，对本发明的实施方式2的超导电磁铁进行说明。本发明的实施方式2的超导电磁铁与本发明的实施方式1的超导电磁铁100仅第三弹簧式止回阀的结构不同，因此，对于与本发明的实施方式1的超导电磁铁100相同的结构不重复说明。
60.图6是表示本发明的实施方式2的超导电磁铁的排气管路的结构的局部剖视图。如图6所示，在本发明的实施方式2的超导电磁铁200中，在第二分支管路182设置有第三弹簧式止回阀293。
61.当第二分支管路182内的第三弹簧式止回阀293的上游侧与下游侧的压力差达到比第一设定压力p1高的第三设定压力p3以上时，第三弹簧式止回阀293进行打开动作。在本实施方式中，第三设定压力p3比第二设定压力p2高。例如，第三设定压力p3是第二设定压力p2的1.1倍。
62.在本发明的实施方式2的超导电磁铁200中，使第二弹簧式止回阀192和第三弹簧式止回阀193的动作时刻大不相同，能够有效地抑制变动压力c的产生。另外，由于能够使第三设定压力p3比实施方式1的超导电磁铁100高，因此能够降低内侧容器130内的最大压力，并且能够进一步降低空运时或高地运输时的制冷剂120的蒸发量。
63.实施方式3
64.以下，对本发明的实施方式3的超导电磁铁进行说明。本发明的实施方式3的超导电磁铁与本发明的实施方式1的超导电磁铁100的不同点仅在于还具备第三分支管路及第四弹簧式止回阀，因此，对于与本发明的实施方式1的超导电磁铁100相同的结构不重复说明。
65.图7是表示本发明的实施方式3的超导电磁铁的排气管路的结构的局部剖视图。如图7所示，在本发明的实施方式3的超导电磁铁300中，排气管路370包括相互并联连接的第一分流管路171及直径比第一分流管路171大的第二分流管路372。排气管路370还包括第三分流管路173。第二分流管路372的一部分分支成第一分支管路181、第二分支管路182和第三分支管路383。
66.第三分支管路383的直径、长度和内部容积中的至少一个与第一分支管路181不同。在本实施方式中，第三分支管路383与第一分支管路181相比，直径大、长度长且内部容积大。第三分支管路383的直径相对于第一分支管路181的直径例如为1.5倍。第三分支管路383的长度相对于第一分支管路181的长度例如为1.2倍以上。
67.本发明的实施方式3的超导电磁铁300还具备设置于第三分支管路383的第四弹簧式止回阀394。当第三分支管路383内的第四弹簧式止回阀394的上游侧与下游侧的压力差达到与第二设定压力p2相同的第四设定压力p4以上时，第四弹簧式止回阀394进行打开动作。
68.此外，本发明的实施方式3的超导电磁铁300的第二分流管路372的一部分分支成3条，但也可以分支成4条以上。在第二分流管路372的一部分分支成4条以上的情况下，各分支管路的直径、长度和内部容积中的至少一个与第一分支管路181不同，在各分支管路设置有在达到与第二设定压力p2相同的设定压力以上时进行打开动作的弹簧式止回阀。
69.在本发明的实施方式3的超导电磁铁300中，通过第二分流管路372的一部分分支成第一分支管路181、第二分支管路182和第三分支管路383，可以减少流入到第一分支管路181、第二分支管路182及第三分支管路383的每一个中的制冷剂气体121的流量的与经过时间相对的增加量。因此，与实施方式1的超导电磁铁100的峰值压力b’相比，能够降低内侧容器130内的峰值压力。
70.在本发明的实施方式3的超导电磁铁300中，使第二弹簧式止回阀192、第三弹簧式止回阀193和第四弹簧式止回阀394的动作时刻相互不同，能够有效地抑制变动压力c的产生。
71.由此，能够降低内侧容器130内的最大压力，并且能够使第二弹簧式止回阀192的第二设定压力p2、第三弹簧式止回阀193的第三设定压力p3及第四弹簧式止回阀394的第四设定压力p4分别比实施方式1的超导电磁铁100的第二设定压力p2及第三设定压力p3高，能够降低空运时或高地运输时的制冷剂120的蒸发量。
72.实施方式4
73.以下，对本发明的实施方式4的超导电磁铁进行说明。本发明的实施方式4的超导电磁铁与本发明的实施方式3的超导电磁铁300仅第四弹簧式止回阀的结构不同，因此，对于与本发明的实施方式3的超导电磁铁300相同的结构不重复说明。
74.图8是表示本发明的实施方式4的超导电磁铁的排气管路的结构的局部剖视图。如图8所示，在本发明的实施方式4的超导电磁铁400中，在第三分支管路383设置有第四弹簧式止回阀494。
75.当第三分支管路383内的第四弹簧式止回阀494的上游侧与下游侧的压力差达到比第二设定压力p2高的第四设定压力p4以上时，第四弹簧式止回阀494进行打开动作。例如，第四设定压力p4是第二设定压力p2的1.1倍。
76.在本发明的实施方式4的超导电磁铁400中，使第二弹簧式止回阀192和第三弹簧式止回阀193及第四弹簧式止回阀494的动作时刻大不相同，能够有效地抑制变动压力c的产生。另外，由于能够使第三设定压力p3及第四设定压力p4分别比实施方式3的超导电磁铁300高，因此，能够降低内侧容器130内的最大压力，并且能够进一步降低空运时或高地运输时的制冷剂120的蒸发量。
77.实施方式5
78.以下，对本发明的实施方式5的超导电磁铁进行说明。本发明的实施方式5的超导电磁铁与本发明的实施方式1的超导电磁铁100的不同点仅在于还具备节流部，因此，对于与本发明的实施方式1的超导电磁铁100相同的结构不重复说明。
79.图9是表示本发明的实施方式5的超导电磁铁的排气管路的结构的局部剖视图。如图9所示，在本发明的实施方式5的超导电磁铁500中，在第二分支管路182的第三弹簧式止回阀293的下游侧设置有节流部590。节流部590部分地减小第二分支管路182内的制冷剂气体121的流路面积。节流部590例如是节流孔或球阀。
80.在本发明的实施方式5的超导电磁铁500中，通过节流部590增大第二分支管路182内的流体阻力，降低第三弹簧式止回阀293的开闭动作的脉动，由此，能够有效地抑制变动压力c的产生。另外，由于能够使第三设定压力p3比实施方式1的超导电磁铁100高，因此能够降低内侧容器130内的最大压力，并且能够进一步降低空运时或高地运输时的制冷剂120的蒸发量。
81.在上述实施方式的说明中，也可以将能够组合的结构相互组合。
82.另外，本次公开的上述实施方式在所有方面都是例示，不是限定性解释的依据。因此，本发明的技术范围并不仅通过上述实施方式来解释。另外，包括与权利要求书等同的意思以及范围内的所有变更。
83.附图标记说明
84.100、200、300、400、500、900超导电磁铁、110超导线圈、120制冷剂、121制冷剂气体、130内侧容器、140外侧容器、150辐射屏蔽件、160超绝缘体、170、370、970排气管路、171第一分流管路、172、372、972第二分流管路、173第三分流管路、181第一分支管路、182第二分支管路、190破裂盘、191、192、193、293、394、494止回阀、383第三分支管路、590节流部、b峰值压力、c变动压力、d外部气压、e压力差、p1第一设定压力、p2第二设定压力、p3第三设定压力、p4第四设定压力、pa大气压、ps阈值。