JP2014086457A - 超電導磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】内枠が無い場合であっても、超電導コイルの冷却効率の低下を防止することができる超電導磁石を提供する。
【解決手段】超電導磁石１は、冷凍機６に接続された超電導磁石１であって、空芯コイルである超電導コイル８，９と、超電導コイル８，９の中心軸線Ｃ方向における一端および他端に配置されて、少なくとも１つが冷凍機６に接続される上フランジ１０ａ、中間枠体１０ｂ、下フランジ１０ｃと、高熱伝導粉末が混合されて、超電導コイル８，９の内周８ｂ，９ｂに塗布された接着剤２０，２１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却手段に接続された超電導磁石に関する。

従来、このような分野の技術として、たとえば特許文献１が知られている。特許文献１に記載された超電導磁石は、円筒状の真空容器を備えており、真空容器の中央部には、上下方向に貫通する空間が形成されている。真空容器内には、その空間に高磁場を発生させるための超電導コイルが配置されている。超電導コイルが巻かれる巻枠は、円筒状の内枠と、内枠の両端に形成された一対のフランジとから構成されている。超電導コイルの上方には、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機と一体化された冷却手段が設けられている。この冷却手段のコールドヘッドが、冷却ステージを介して上部のフランジに接続されている。冷却手段によって超電導コイルが冷却されることで、高磁場を発生させることができる。

特許文献１に記載の超電導磁石は、シリコン単結晶引き上げ装置に適用され、いわゆるＭＣＺ（磁場印加チョクラルスキー）法における高磁場源として用いられる。ＭＣＺ法によるシリコン単結晶引き上げ装置として、たとえば特許文献２に記載の装置が知られている。この装置は、単結晶シリコン原料を収容するるつぼを備えており、るつぼの側方に、高磁場源としての磁石が設けられている。特許文献２に記載された磁石は、内枠を有しない空芯コイルからなる。

特開２００４−３１９７７７号公報 特開昭６３−２９７２９２号公報

ところで、超電導磁石を用いる場合、何らかの理由によって超電導状態が急に破壊するおそれがある。この超電導状態の破壊は、クエンチと呼ばれる。クエンチは、超電導コイルの中でも内枠の付近で生じる傾向にある。そこで、内枠を無くして空芯コイルを採用することにより、クエンチの要因を低減することができる。

ところが、本発明者らは、内枠が無くなることによって超電導コイルの冷却温度が不安定になるという問題を見出している。すなわち、内枠は超電導コイルへの冷却経路としての機能を有するため、空芯コイルを採用することによって、冷却経路をも消失してしまうこととなる。このように、内枠が無くなることにより、超電導コイルの冷却効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、内枠が無い場合であっても、超電導コイルの冷却効率の低下を防止することができる超電導磁石を提供することを目的とする。

本発明の超電導磁石は、冷却手段に接続された超電導磁石であって、空芯コイルである超電導コイルと、超電導コイルの中心軸線方向における一端および他端に配置されて、少なくとも一方が冷却手段に接続される第１の枠体および第２の枠体と、熱伝導性材料が混合されて、超電導コイルの内周に塗布された接着剤と、を備える。

この超電導磁石によれば、第１の枠体および第２の枠体の少なくとも一方に冷却手段が接続される。超電導コイルは空芯コイルであるため、超電導コイルの内周側に内枠は存在しない。ここで、超電導コイルの内周に塗布された接着剤には、熱伝導性材料が混合されている。よって、接着剤に含まれる熱伝導性材料が熱媒体となって、冷却手段によって超電導コイルを冷却可能になる。すなわち、接着剤に含まれる熱伝導性材料によって、冷却経路が形成される。従って、内枠が無い場合であっても、超電導コイルの冷却効率の低下を防止することができる。

また、上記の超電導磁石において、熱伝導性材料は非磁性材料である。この構成によれば、熱伝導性材料は超電導コイルによる影響を受けにくく、熱伝導性材料の熱伝導性が効果的に発揮される。

また、上記の超電導磁石は、超電導コイルの内周側に配置されて、第１の枠体と第２の枠体とを繋ぐバンドを備える。この構成によれば、バンドによって第１の枠体と第２の枠体とが繋がれるため、バンドが伝熱に寄与する。すなわち、バンドによって冷却経路が形成される。よって、熱伝導性材料が混合された接着剤とバンドとの協働により、冷却効率の低下を一層抑えることができる。

また、上記の超電導磁石において、バンドと接着剤とは接触している。この構成によれば、接着剤はバンドおよび超電導コイルの双方に接触するため、接着剤を介して、バンドと超電導コイルとの間で熱交換を行うことができる。よって、冷却効率を高めることができる。

本発明によれば、内枠が無い場合であっても、超電導コイルの冷却効率の低下を防止することができる。

本発明に係る超電導磁石の一実施形態を示す概略断面図である。 図１の超電導磁石を示す斜視図である。 （ａ）は、図２のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線に沿う断面図であり、（ｂ）は、図２のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下の説明では、本発明に係る超電導磁石がサイクロトロンに適用される場合について説明する。

図１に示されるように、サイクロトロンＡは、イオン源（図示せず）から供給される荷電粒子を加速して荷電粒子線（荷電粒子ビーム）を出力する円形加速器である。荷電粒子としては、たとえば陽子、重粒子（重イオン）などが挙げられる。サイクロトロンＡは、超電導磁石１を有している。

サイクロトロンＡは、円環状の真空容器３と、真空容器３内に配置されて２個の超電導コイル８，９を有する超電導コイル体２と、超電導コイル８，９の空芯部８ａ，９ａにそれぞれ配置された上ポール（上磁極）４および下ポール（下磁極）５と、超電導コイル８，９を冷却するための冷凍機（冷却手段）６と、ヨーク７と、を備えている。ヨーク７は、中空の円盤型ブロックであり、その内部に真空容器３、上ポール４、および下ポール５が配置されている。

超電導磁石１は、超電導コイル体２と、上ポール４および下ポール５と、を備えている。超電導磁石１は、冷凍機６により冷却され超電導状態とされた超電導コイル８，９に電流を流すことにより、強力な磁場を発生させるものである。超電導コイル体２は、中心軸線Ｃを中心として配置された円環状の超電導コイル８，９と、中心軸線Ｃ方向における超電導コイル８の上端に配置された円環板状の上フランジ１０ａと、超電導コイル８と超電導コイル９との間に介在する円環状の中間枠体１０ｂと、中心軸線Ｃ方向における超電導コイル９の下端に配置された円環板状の下フランジ１０ｃとを備えている。図２に示されるように、中間枠体１０ｂは、その上端に位置するフランジ部１０ｄと、その下端に位置するフランジ部１０ｆと、フランジ部１０ｄとフランジ部１０ｆとを連結する円筒部１０ｅとを有している。上フランジ１０ａ、中間枠体１０ｂ、および下フランジ１０ｃは、金属製であり、たとえば鉄製、ステンレス製、または銅製とすることができる。

図１および図２に示されるように、超電導コイル８および超電導コイル９は、空芯コイルであり、内枠（または内巻枠）を有しない。超電導コイル８および超電導コイル９は、中心軸線Ｃ方向に並んで配置されている。超電導コイル８および超電導コイル９は、線材を巻回する際に内枠を挿入し、線材をエポキシ樹脂などの接着剤によって固着し、その後内枠を抜き取ることにより形成される。超電導コイル８は、上フランジ１０ａおよび中間枠体１０ｂのフランジ部１０ｄに対して固定されている。超電導コイル９は、中間枠体１０ｂのフランジ部１０ｆおよび下フランジ１０ｃに対して固定されている。

上フランジ１０ａは、超電導コイル８の第１の枠体に相当し、フランジ部１０ｄは、超電導コイル８の第２の枠体に相当する。フランジ部１０ｆは、超電導コイル９の第１の枠体に相当し、下フランジ１０ｃは、超電導コイル９の第２の枠体に相当する。上フランジ１０ａ、中間枠体１０ｂ、および下フランジ１０ｃは、超電導コイル８，９を支持する支持部材である。

下フランジ１０ｃには冷凍機６の一部が接続されており（接続部分は不図示）、超電導コイル８，９が約４．２Ｋの極低温に冷却される。冷凍機６としては、例えば小型のＧＭ冷凍機を採用することができる。冷却手段としての冷凍機６は、上フランジ１０ａに接続されてもよく、上フランジ１０ａおよび下フランジ１０ｃの両方に接続されてもよい。冷凍機６は、上フランジ１０ａ、中間枠体１０ｂ、下フランジ１０ｃの少なくとも１つに接続されてもよい。

なお、本実施形態では、中心軸線Ｃが上下方向に延在する姿勢（横置きの姿勢）でサイクロトロンＡが配置された場合について説明するが、サイクロトロンＡは、たとえば中心軸線Ｃが水平方向に延在する姿勢（縦置きの姿勢）で配置することも可能である。すなわち、説明中における「上下左右」は、部材の配置方向などを限定するものではなく、「上下」と「左右」を置き換えることも可能である。たとえば、上ポール４および下ポール５は、縦置き姿勢のサイクロトロンの場合、左ポールや右ポールとして表現することができる。

このサイクロトロンＡでは、真空容器３の内部を真空状態にした上で、冷凍機６により冷却されて超電導状態とされた超電導コイル８，９に電流を流すことにより、強力な磁場を形成する。上ポール４および下ポール５の間の空間Ｇには、図示しない一対のディー電極（加速電極）が配置されており、イオン源から供給された荷電粒子は、上ポール４、下ポール５、およびディー電極の働きにより加速され、荷電粒子線として出力される。

超電導コイル体２は、引張型の支持部材１１，１２によって支持されている。支持部材１１は、真空容器３の内面と上フランジ１０ａとの間に設けられている。支持部材１２は、真空容器３の内面と下フランジ１０ｃとの間に設けられている。支持部材１１および支持部材１２は、上下一対として超電導コイル体２を挟むように配置されており、互いに反対方向へ超電導コイル体２を引っ張ることで超電導コイル体２の位置を保持している。なお、支持部材１１および支持部材１２の数、配置、構造等は特に限定されず、サイクロトロンＡの大きさその他の設計事項に応じて適切に選択される。

なお、真空容器３のうち、支持部材１１，１２が固定される面の裏側（すなわち中心軸線Ｃ方向における外面側）には、ヨーク７の一部を構成するブロック体７ａが配置されている。ブロック体７ａは、真空容器３の外側を抑えるように配置されており、真空容器３のうち支持部材１１，１２が固定される部分を補強している。

次に、超電導磁石１における超電導コイル体２の構成についてより詳細に説明する。図１〜図３に示されるように、超電導コイル８の内周８ｂには、その略全面にわたって接着剤２０が塗布されている。超電導コイル９の内周９ｂには、その略全面にわたって接着剤２１が塗布されている。接着剤２０，２１は、超電導コイル８，９が膨張または収縮した場合であっても、超電導コイル８，９に対する密着性を保つ。接着剤２０，２１は、たとえば極低温用のエポキシ樹脂系接着剤である。接着剤２０，２１は、エポキシ樹脂系接着剤に限られず、他の接着剤であってもよい。たとえば、接着剤２０，２１は、フェノール樹脂系接着剤、アクリル樹脂系接着剤、ウレタン樹脂系接着剤などであってもよい。接着剤２０，２１の材料は、限定されない。接着剤２０，２１は、超電導コイル８，９の線材を固着させる接着剤と同じであってもよく、線材を固着させる接着剤と異なっていてもよい。

さらに、接着剤２０，２１には、熱伝導性材料としての高熱伝導粉末が混合されている。言い換えれば、接着剤２０，２１により形成された接着層Ｌは、高熱伝導粉末を含んでいる。熱伝導性材料とは、接着剤の熱伝導率よりも熱伝導率が高い物である。高熱伝導粉末は、冷凍機６と超電導コイル８，９との間における熱交換の媒体として機能する。接着剤２０，２１は、熱媒体としての高熱伝導粉末を保持する機能を有する。高熱伝導粉末としては、たとえば、窒化アルミニウム粉末を用いることができる。高熱伝導粉末は、非磁性材料である。高熱伝導粉末としては、接着剤２０，２１に対して高い親和性を有するものが適している。また、高熱伝導粉末としては、電気絶縁性材料が適している。

高熱伝導粉末の熱伝導率は、特に限定されないが、たとえば１０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上である。高熱伝導粉末の熱伝導率は、２００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上であることが望ましい。高熱伝導粉末の熱伝導率は、鉄、ステンレス、または銅などの金属と同等またはそれ以上であることが好ましい。高熱伝導粉末の平均粒径は、特に限定されないが、たとえば０．１〜１０μｍである。高熱伝導粉末として窒化アルミニウム粉末を用いる場合、その平均粒径は、たとえば１〜３μｍである。

接着剤２０，２１と高熱伝導粉末との配合比は、たとえば、重量比で接着剤：高熱伝導粉末＝５０〜２０：５０〜８０である。言い換えれば、接着層Ｌにおける高熱伝導粉末の重量比率は５０〜８０％である。高熱伝導粉末の配合比が高ければ高い熱伝導率を得ることができるものの、接着剤が少量過ぎると、十分な接着強度が得られなくなってしまう。この観点から、高熱伝導粉末の適切な配合比を求めている。上記の比率内であれば、接着を好適にしつつ熱伝導性を良くすることができる。

接着剤２０，２１を塗布する際には、高熱伝導粉末が予め混合される。高熱伝導粉末が混合された高接着剤２０，２１は、線材が接着剤により固着されて、超電導コイル８，９が形成された後に、内周８ｂ，９ｂに塗布される。接着剤２０，２１の塗布厚（接着層Ｌの層厚）は、特に限定されないが、たとえば０．３〜０．５ｍｍである。

図３（ａ）に示されるように、接着剤２０は、超電導コイル８の内周８ｂの全面に塗布される。接着剤２０は、上フランジ１０ａとフランジ部１０ｄとに接触している。接着剤２０には、高熱伝導粉末が均一に混合されている。すなわち、接着層Ｌには、高熱伝導粉末が均等に分散している。接着剤２０は、接着剤２０により形成される接着層Ｌの表面は、上フランジ１０ａの内周面１６およびフランジ部１０ｄの内周面１７と略面一である。

なお、接着層Ｌは、内周面１６，１７から中心軸線Ｃ側（図示右側）に多少突出していてもよいし、内周面１６，１７よりも径方向外側（図示左側）に窪んでいてもよい。超電導コイル８の内周８ｂは、内周面１６，１７に略面一とされてもよいし、内周面１６，１７よりも径方向外側に窪んでいてもよい。超電導コイル９に対して設けられる接着剤２１の構成は、上述した超電導コイル８の構成と同じである。

接着剤２０，２１（接着層Ｌ）は、冷凍機６と超電導コイル８，９との間における冷却経路を形成している。

図２および図３（ｂ）に示されるように、超電導コイル体２には、上フランジ１０ａとフランジ部１０ｄとを繋ぐ複数本の金属製のバンド２２が設けられている。超電導コイル体２には、フランジ部１０ｆと下フランジ１０ｃとを繋ぐ複数本の金属製のバンド２３が設けられている。バンド２２およびバンド２３は、中心軸線Ｃ方向に延びる細長の薄板状をなす。バンド２２およびバンド２３は、周方向において等間隔に配置されている。バンド２２は、接着剤２０（接着層Ｌ）の表面に接触している。バンド２３は、接着剤２１（接着層Ｌ）の表面に接触している。なお、バンド２２，２３は、接着剤２０，２１に面状に接触する場合に限られず、部分的に（たとえば線状または点状に）接触していてもよい。バンド２２，２３は、接着剤２０，２１から離間していてもよい。

バンド２２の上端部２２ａは、上フランジ１０ａの内周側に固定されている。バンド２２の下端部２２ｂは、フランジ部１０ｄの内周側に固定されている。バンド２３の上端部２３ａは、フランジ部１０ｆの内周側に固定されている。バンド２３の下端部２３ｂは、下フランジ１０ｃの内周側に固定されている。

バンド２２，２３は、上フランジ１０ａ、超電導コイル８、中間枠体１０ｂ、超電導コイル９、下フランジ１０ｃを有してなる超電導コイル体２を一体的に拘束する機能を有する。すなわち、バンド２２，２３は、超電導コイル体２の内周側を機械的に拘束している。なお、上フランジ１０ａ、中間枠体１０ｂ、下フランジ１０ｃの外周縁（たとえば図３（ａ），（ｂ）に示される上フランジ１０ａの外縁部１８およびフランジ部１０ｄの外縁部１９）を互いにボルト等（図示せず）によって連結することもできる。

バンド２２，２３は、上記したように機械的な拘束部材として機能すると同時に、冷凍機６と超電導コイル８，９との間における冷却経路を形成している。バンド２２，２３の熱伝導率は、接着剤２０，２１の熱伝導率よりも高い。バンド２２，２３は、接着剤２０，２１による伝熱機能を補助する。なお、バンド２２，２３を省略することもできる。

以上説明したサイクロトロンＡの超電導磁石１によれば、超電導コイル体２の下フランジ１０ｃに冷凍機６が接続される。超電導コイル８，９は空芯コイルであるため、内枠は存在しないが、超電導コイル８，９の内周８ｂ，９ｂに塗布された接着剤２０，２１には、高熱伝導粉末が混合されている。よって、接着剤２０，２１に含まれる高熱伝導粉末が熱媒体となって、冷凍機６によって超電導コイル８，９を冷却可能になる。すなわち、接着剤２０，２１に含まれる高熱伝導粉末によって、冷却経路が形成される。従って、内枠が無い場合であっても、超電導コイル８，９の冷却効率の低下を防止することができる。

従来、内枠がない超電導磁石では、冷却経路が失われることにより、確保したい冷却温度が不安定であった。超電導磁石１によれば、安定した冷却温度を得ることができる。さらには、内枠が無いため、クエンチの発生も抑制されている。

高熱伝導粉末は非磁性材料であるため、高熱伝導粉末は超電導コイル８，９による影響を受けにくく、高熱伝導粉末の熱伝導性が効果的に発揮される。

バンド２２によって上フランジ１０ａとフランジ部１０ｄとが繋がれ、バンド２３によってフランジ部１０ｆと下フランジ１０ｃとが繋がれるため、バンド２２，２３が伝熱に寄与する。すなわち、バンド２２，２３によって冷却経路が形成される。よって、高熱伝導粉末が混合された接着剤２０，２１とバンド２２，２３との協働により、冷却効率の低下を一層抑えることができる。また、バンド２２，２３によって、上フランジ１０ａ、中間枠体１０ｂ、下フランジ１０ｃの拘束効果が奏される。

接着剤２０はバンド２２および超電導コイル８の双方に接触し、接着剤２１はバンド２３および超電導コイル９の双方に接触するため、接着剤２０，２１を介して、バンド２２，２３と超電導コイル８，９との間で熱交換を行うことができる。よって、冷却効率を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、高熱伝導粉末は、窒化アルミニウム粉末に限られない。高熱伝導粉末として、窒化ホウ素粉末を採用することもできる。また、高熱伝導粉末は、銅などの金属からなる粉末であってもよい。高熱伝導粉末は非磁性材料に限られず、磁性を有していてもよい。

熱伝導性材料は、粉末に限られず、所定の粒径を有する粒状であってもよい。熱伝導性材料は、ペレット状であってもよい。熱伝導性材料は、球形であってもよく、繊維状であってもよい。熱伝導性材料は、非磁性の高熱伝導粉末に限られない。熱伝導性材料は、磁性を有してもよい。

超電導磁石１の超電導コイル体２は、２個の超電導コイル８，９を有する場合に限られず、１個または３個以上の超電導コイルを有してもよい。

また、本発明に係る超電導磁石は、サイクロトロンに限られず、ＭＣＺ法によるシリコン単結晶引き上げ装置に適用することもできる。超電導磁石は、高磁場が求められる装置であれば、どのような装置にでも適用可能である。

１…超電導磁石、２…超電導コイル体、６…冷凍機（冷却手段）、８，９…超電導コイル、８ａ，９ａ…空芯部、８ｂ…内周、１０ａ…上フランジ（第１の枠体）、１０ｃ…下フランジ（第２の枠体）、１０ｆ…フランジ部（第１の枠体）、１０ｄ…フランジ部（第２の枠体）、２０，２１…接着剤、２２，２３…バンド、Ａ…サイクロトロン、Ｃ…中心軸線。

Claims (4)

1. 冷却手段に接続された超電導磁石であって、
   空芯コイルである超電導コイルと、
   前記超電導コイルの中心軸線方向における一端および他端に配置されて、少なくとも一方が前記冷却手段に接続される第１の枠体および第２の枠体と、
   熱伝導性材料が混合されて、前記超電導コイルの内周に塗布された接着剤と、
   を備える、超電導磁石。
2. 前記熱伝導性材料は非磁性材料である、請求項１記載の超電導磁石。
3. 前記超電導コイルの内周側に配置されて、前記第１の枠体と前記第２の枠体とを繋ぐバンドを備える、請求項１または２記載の超電導磁石。
4. 前記バンドと前記接着剤とは接触している、請求項３記載の超電導磁石。

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