JP2024089359A - 電流導入ラインおよび超伝導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超伝導磁石装置の電流導入ラインへの結露を簡易な構成で抑制する。【解決手段】真空容器１４内の超伝導コイル１２に電流を導入するための電流導入ライン２０が提供される。電流導入ライン２０は、真空フィードスルー２４と、真空容器１４内に配置され、超伝導コイル１２に電気接続されるブスバー２８と、真空容器１４に熱的に結合されるとともに真空容器１４から電気絶縁されるように真空容器１４に固定され、真空フィードスルー２４をブスバー２８に電気接続する剛性導体２６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電流導入ラインおよび超伝導磁石装置に関する。

一般に、超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、これを極低温に冷却した状態で収容する真空容器とを備える。外部から超伝導コイルに給電するために、コイル用電極が真空容器の外側に設けられている。コイル用電極は、超伝導コイルからの熱伝導により冷却される。そのため、コイル用電極には、真空容器周囲の空気中の水分が付着しまたは凍結しうる。従来、このような結露を防ぐために、加熱された空気をコイル用電極に送風し、コイル用電極を加熱することが知られている。

特開２００９－２８３６７８号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、超伝導磁石装置の電流導入ラインへの結露を簡易な構成で抑制することにある。

本発明のある態様によると、真空容器内の超伝導コイルに電流を導入するための電流導入ラインが提供される。電流導入ラインは、真空フィードスルーと、真空容器内に配置され、超伝導コイルに電気接続されるブスバーと、真空容器に熱的に結合されるとともに真空容器から電気絶縁されるように真空容器に固定され、真空フィードスルーをブスバーに電気接続する剛性導体と、を備える。

本発明のある態様によると、超伝導磁石装置は、真空容器と、真空容器内に配置される超伝導コイルと、超伝導コイルに電流を導入するための電流導入ラインと、を備える。電流導入ラインは、真空フィードスルーと、真空容器内に配置され、超伝導コイルに電気接続されるブスバーと、真空容器に熱的に結合されるとともに真空容器から電気絶縁されるように真空容器に固定され、真空フィードスルーをブスバーに電気接続する剛性導体と、を備える電流導入ラインと、を備える。

本発明によれば、超伝導磁石装置の電流導入ラインへの結露を簡易な構成で抑制することができる。

実施の形態に係る超伝導磁石装置を概略的に示す図である。 実施の形態に係る電流導入ラインを概略的に示す斜視図である。 実施の形態に係る電流導入ラインの他の例を概略的に示す側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０を概略的に示す図である。超伝導磁石装置１０は、例えば単結晶引き上げ装置、ＮＭＲ(Nuclear Magnetic Resonance)システム、ＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)システム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。

超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２と、真空容器１４と、熱シールド１６と、電流導入ライン２０とを備える。

超伝導コイル１２は、真空容器１４内に配置され、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で通電されることにより強力な磁場を発生するように構成されている。超伝導コイル１２は、公知の超伝導コイル（たとえば、いわゆる低温超伝導コイル）であってもよい。

超伝導コイル１２は、真空容器１４の外に配置された外部電源１８に電流導入ライン２０によって接続される。外部電源１８から電流導入ライン２０を通じて超伝導コイル１２に励磁電流が供給される。

また、超伝導コイル１２は、真空容器１４に設置された例えば二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機またはその他の形式の極低温冷凍機１５と熱的に結合され、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で使用される。この実施形態では、超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸漬する浸漬冷却式ではなく、極低温冷凍機１５によって直接冷却する、いわゆる伝導冷却式として構成される。なお、超伝導磁石装置１０は、浸漬冷却式であってもよい。

真空容器１４は、超伝導コイル１２を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境を提供する断熱真空容器であり、クライオスタットとも呼ばれる。通例、真空容器１４は、円柱状の形状、または中心部に中空部を有する円筒状の形状を有する。よって、真空容器１４は、概ね平坦な円形状または円環状の天板１４ａおよび底板１４ｂと、これらを接続する円筒状の側壁（円筒状外周壁、または同軸配置された円筒状の外周壁および内周壁）とを有する。極低温冷凍機１５は真空容器１４の天板１４ａに設置されてもよい。真空容器１４は、周囲圧力（たとえば大気圧）に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。

熱シールド１６は、真空容器１４内で超伝導コイル１２を囲むように配置される。熱シールド１６は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。熱シールド１６は、超伝導コイル１２を冷却する二段式の極低温冷凍機１５の一段冷却ステージによって、またはこの二段式冷凍機とは別の単段式極低温冷凍機によって、冷却されてもよい。超伝導磁石装置１０の運転中、熱シールド１６は、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～５０Ｋに冷却され、超伝導コイル１２は、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～２０Ｋ（例えば約４Ｋ）に冷却される。熱シールド１６は、その内側に配置され熱シールド１６よりも低温に冷却される超伝導コイル１２などの低温部を、真空容器１４からの輻射熱から熱的に保護することができる。

超伝導コイル１２に電流を導入するための電流導入ライン２０は、外部配線２２と、真空フィードスルー２４と、剛性導体２６と、ブスバー２８と、電流リード部３０とを備え、外部電源１８から超伝導コイル１２への電流経路を形成する。簡単のため、図１には、１本の電流導入ライン２０のみが示されている。しかしながら、一般には、超伝導磁石装置１０に複数本の電流導入ライン２０が設けられてもよく、例えば、正極側の電流導入ライン２０と負極側の電流導入ライン２０が１本ずつ設けられてもよい。

真空容器１４の外に配置された外部配線２２は、真空容器１４の壁部に設けられた真空フィードスルー２４に外部電源１８を接続する。外部配線２２は、適宜の給電ケーブルであってもよい。

真空フィードスルー２４は、真空容器１４内に電流を導入するための気密端子であり、外部配線２２を真空容器１４内の内部配線（すなわち、剛性導体２６、ブスバー２８および電流リード部３０）に接続する。電流導入ライン２０は、真空フィードスルー２４により真空容器１４の気密性を保ちながら真空容器１４の壁部を貫通することができる。真空フィードスルー２４は、真空容器１４の周囲環境（例えば室温大気圧環境）に露出されているため、周囲温度（例えば室温）にある。

この実施の形態では、図示されるように、真空フィードスルー２４は、真空容器１４の底板１４ｂに設置され、電流導入ライン２０は、真空容器１４の下側で外周部に配置されている。この配置は、作業性の観点から有利である。超伝導磁石装置１０の利用分野によるが、真空容器１４はしばしば、作業者に比べてかなり大型となる（例えば直径数ｍ以上に及ぶ）。真空フィードスルー２４が真空容器１４の外周部に設けられていれば、作業者が超伝導磁石装置１０の周囲から電流導入ライン２０にアクセスすることが容易になる。なお、真空フィードスルー２４は、真空容器１４の上面に設置され、電流導入ライン２０は、真空容器１４の上側で外周部に配置されてもよい。あるいは、真空フィードスルー２４および電流導入ライン２０は、真空容器１４のその他の部位に設けられてもよい。

剛性導体２６およびブスバー２８は、真空容器１４内で熱シールド１６の外側に配置され、真空フィードスルー２４を電流リード部３０に接続する。真空フィードスルー２４、剛性導体２６、およびブスバー２８は、導電材料、例えば無酸素銅などの純銅に代表される導電性に優れる金属材料で形成され、超伝導コイル１２への電流経路となる。

詳細は後述するが、剛性導体２６は、真空容器１４に熱的に結合されるとともに真空容器１４から電気絶縁されるように真空容器１４に固定され、真空フィードスルー２４をブスバー２８に電気接続する。ブスバー２８は、電流リード部３０を通じて超伝導コイル１２に電気接続される。

ブスバー２８は、熱シールド１６から電気絶縁された状態で熱シールド１６と熱的に結合されてもよい。ブスバー２８の剛性導体２６とは反対側の端部は、熱シールド１６に固定され、または適宜の伝熱部材を介して熱シールド１６に接続されて、熱シールド１６と同様に第１冷却温度に冷却されてもよい。よって、電流導入ライン２０は、真空フィードスルー２４から剛性導体２６、ブスバー２８へと徐々に温度が低下する温度分布を有しうる。

剛性導体２６およびブスバー２８は、断熱層１７の外側に配置されうる。断熱層１７は、は、真空容器１４から発せられる輻射熱から熱シールド１６を保護するために、真空容器１４と熱シールド１６の間に設けられてもよい。断熱層１７は、例えば多層断熱材(multilayer insulation(MLI))であってもよく、熱シールド１６を囲むように配置されてもよい。

この実施の形態では、ブスバー２８は、剛性導体２６とは別体の剛性導体である。ただし、ある実施の形態では、剛性導体２６とブスバー２８が一体の導体部材として構成されてもよい。

電流リード部３０は、熱シールド１６の内側に配置され、ブスバー２８を超伝導コイル１２に接続する。電流リード部３０は、真空容器１４内でブスバー２８とは異なる方向に延びていてもよい。図示の例では、電流リード部３０は、ブスバー２８の端部から超伝導コイル１２へと縦方向（鉛直方向）に延在してもよい。電流リード部３０は、ブスバー２８、超伝導コイル１２それぞれに接続される両端の端子部と、これら端子部を接続する超伝導電流リードとを備えてもよい。超伝導電流リードは、例えば円柱状など棒状の形状を有してもよく、銅酸化物超伝導体またはその他の高温超伝導材料で形成されてもよい。あるいは、超伝導電流リードは、ＮｂＴｉに代表される低温超伝導材料で形成されてもよい。

図２は、実施の形態に係る電流導入ライン２０を概略的に示す斜視図である。電流導入ライン２０は、上述のように、互いに電気接続された真空フィードスルー２４、剛性導体２６、およびブスバー２８を備える。

真空フィードスルー２４は、フィードスルー導体２４ａとフィードスルー絶縁材２４ｂを備える。フィードスルー導体２４ａは、真空容器１４の外に露出された一端で外部配線２２に接続され、真空容器１４内の他端で剛性導体２６に接続されている。こうして、外部配線２２からフィードスルー導体２４ａを通じた剛性導体２６への電流経路が形成される。

フィードスルー導体２４ａは真空容器１４（この例では底板１４ｂ）の開口部に挿通されている。この開口部は真空容器１４の気密性を保つようにフィードスルー絶縁材２４ｂで充填されており、フィードスルー導体２４ａは、フィードスルー絶縁材２４ｂにより真空容器１４から電気絶縁された状態で真空容器１４に設置されている。フィードスルー絶縁材２４ｂは、例えば合成樹脂材料など適宜の電気絶縁材料であってもよい。

剛性導体２６は、第１端部２６ａ、導体板２６ｂ、変形可能部２６ｃ、および第２端部２６ｄを備える。

この実施の形態では、剛性導体２６は、導電材料（例えば銅）で形成された一枚の板からなり、これを折り曲げることによって、第１端部２６ａ、導体板２６ｂ、変形可能部２６ｃ、および第２端部２６ｄが形成されている。導体板２６ｂは、後述のように真空容器１４の固定面に固定される平坦な板状部分であり、例えば矩形状の外形を有する。導体板２６ｂは、他の形状の外形を有してもよい。

第１端部２６ａは、導体板２６ｂの外周の一部から延び、真空容器１４の固定面に対して立ち上がるように折り曲げられ、この立ち上がり部分から真空容器１４の固定面に沿った方向にフィードスルー導体２４ａに向けてさらに折り曲げられている。同様にして、
第２端部２６ｄは、第１端部２６ａとは反対側で導体板２６ｂの外周の一部から延び、真空容器１４の固定面に対して立ち上がるように折り曲げられ、この立ち上がり部分から真空容器１４の固定面に沿った方向にブスバー２８に向けてさらに折り曲げられている。第２端部２６ｄの立ち上がり部分は、後述のように、変形可能部２６ｃとして働く。

なお、第１端部２６ａ、導体板２６ｂ、変形可能部２６ｃ、および第２端部２６ｄは、個々の部片として用意され、例えば締結、はんだ付け、ろう付けなど適宜の接合方法により互いに接合され、剛性導体２６へと一体化されてもよい。

剛性導体２６は、第１端部２６ａで真空フィードスルー２４に固定され、第２端部２６ｄでブスバー２８に固定されている。第１端部２６ａは、例えばボルトなどの締結部材３２によりフィードスルー導体２４ａに固定され、導体板２６ｂは、締結部材３２によりブスバー２８に固定されている。なお、第１端部２６ａおよび第２端部２６ｄはそれぞれ、真空フィードスルー２４およびブスバー２８へとはんだ付けやろう付けなど適宜の接合方法により接合されてもよい。このようにして、真空フィードスルー２４から剛性導体２６を通じたブスバー２８への電流経路が形成される。

導体板２６ｂは、電気絶縁層３４を真空容器１４と導体板２６ｂとの間に挟み込むようにして真空容器１４に固定されている。電気絶縁層３４は、例えばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などの合成樹脂材料、またはその他適宜の電気絶縁材料で形成されたシートまたはプレートであってもよい。電気絶縁層３４の片面が真空容器１４の固定面に接触し、電気絶縁層３４の反対側の面が導体板２６ｂの主表面に接触するようにして、電気絶縁層３４は、真空容器１４と導体板２６ｂに挟み込まれている。よって、導体板２６ｂ、すなわち剛性導体２６は、真空容器１４とは接触せず、真空容器１４から電気絶縁された状態にある。

図示されるように、導体板２６ｂは、例えばボルトなどの締結部材３２により真空容器１４に固定されてもよい。この場合、締結部材３２を通じた導体板２６ｂと真空容器１４の導通を防ぎ、導体板２６ｂと真空容器１４との電気絶縁を確保するために、締結部材３２は、例えばエンジニアリングプラスチックなどの合成樹脂材料、またはその他適宜の電気絶縁材料で形成されていてもよい。また、金属製の締結部材３２が使用される場合には、電気絶縁材料のワッシャーが締結部材３２の頭部と導体板２６ｂとの間に挟み込まれてもよい。このようにして、導体板２６ｂ、すなわち剛性導体２６は、真空容器１４から電気絶縁された状態で真空容器１４に固定されている。

あるいは、導体板２６ｂは、例えば接着など適宜の接合方法により電気絶縁層３４に接合されてもよい。同様に、電気絶縁層３４は、適宜の接合方法により真空容器１４に接合されてもよい。

導体板２６ｂは、電気絶縁層３４を介して真空容器１４に熱的に結合される。したがって、真空容器１４から電気絶縁層３４を介して導体板２６ｂへと熱が流入しうる。より良好な熱接続のためには、電気絶縁層３４の厚さはなるべく薄いことが望まれる。しかしながら、導体板２６ｂと真空容器１４の電気絶縁を確保するうえでは、電気絶縁層３４は比較的厚いほうがよい。そこで、電気絶縁層３４の厚さは、例えば１ｍｍから１０ｍｍの範囲から選択されてもよい。なお、電気絶縁層３４が厚板である場合には、真空容器１４の固定面に接触する電気絶縁層３４（および導体板２６ｂ）の面積を広くすることにより、真空容器１４から導体板２６ｂへの入熱を増加することもできる。

剛性導体２６が上述のように真空容器１４に直接固定されるのに対して、ブスバー２８は、剛性導体２６が固定される真空容器１４の固定面から間隔をあけて配置され、剛性導体２６を介して真空容器１４に固定される。ブスバー２８は、真空容器１４に接触していない。

ブスバー２８は、図示されるように、真空容器１４の固定面（例えば底板１４ｂ）に沿って延びていてもよく、真空容器１４が天板１４ａを上方に向け底板１４ｂを下方に向けて配置される場合、真空容器１４内で横方向（水平方向）に延在してもよい。なお、真空容器１４内での超伝導コイル１２と熱シールド１６など内部機器の配置によっては、ブスバー２８は、真空容器１４内で他の方向、例えば縦方向（鉛直方向）に延在してもよい。ブスバー２８は、一例として、帯状または矩形状の断面形状をもつ薄板または棒材であってもよい。

ブスバー２８は上述のように、熱シールド１６など低温部からの熱伝導により冷却されうる。これに対して、導体板２６ｂは、ブスバー２８に接続されているが、真空容器１４との熱的結合による周囲環境からの入熱によって、ブスバー２８ほどには冷却されない。真空容器１４は周囲温度（例えば室温）を有するので、導体板２６ｂは、周囲温度またはそれに近い温度に保たれうる。

真空フィードスルー２４は周囲環境にさらされているから、真空容器１４と同様に、周囲温度にある。導体板２６ｂと真空容器１４との熱的結合は、導体板２６ｂを真空フィードスルー２４と同程度の温度に保ち、これらの温度差を、熱シールド１６など低温部と剛性導体２６との温度差に比べて小さくすることができる。剛性導体２６によって、低温部からの熱伝導によるブスバー２８の温度低下の影響を真空フィードスルー２４に及びにくくすることができる。

したがって、実施の形態によると、真空容器１４と熱的に結合された剛性導体２６を電流導入ライン２０に設けることにより、真空フィードスルー２４の温度低下を抑制し、周囲環境から真空フィードスルー２４への結露を防止または軽減することができる。ヒーターの設置や加熱空気の送風などを用いた既存の結露対策に比べて、超伝導磁石装置１０の電流導入ライン２０への結露を簡易な構成で抑制することができる。

また、剛性導体２６には、導体板２６ｂをブスバー２８に電気接続するようにブスバー２８に取り付けられる変形可能部２６ｃが設けられている。変形可能部２６ｃは、上述のように、真空容器１４の固定面に対して導体板２６ｂから立ち上がるように折り曲げられている。そのため、ブスバー２８および第２端部２６ｄがブスバー２８の延在方向（例えば図において左右方向）に変位するとき、変形可能部２６ｃは、導体板２６ｂに対してたわむことができる。

熱シールド１６などの低温部、およびブスバー２８は、冷却によって熱収縮しうる。これにより、ブスバー２８は、図２において矢印３６で模式的に示すように、低温部に向けて引っ張られうる。このとき、変形可能部２６ｃは矢印３８で模式的に示すように、ブスバー２８のこのような変形に応じてたわみうる。熱収縮によるブスバー２８の変位が変形可能部２６ｃによって吸収される。剛性導体２６は導体板２６ｂで真空容器１４に固定されているから、こうした熱収縮の影響は、真空フィードスルー２４に及びにくくなる。真空フィードスルー２４の例えばフィードスルー絶縁材２４ｂに過剰な熱応力が発生すること、ひいては真空フィードスルー２４及び／または真空容器１４に不測の変形や破損が生じることを防ぐことが可能になる。

なお、変形可能部２６ｃは、折曲部には限られない。変形可能部２６ｃは、ブスバー２８の変位に伴って変形しうる、剛性導体２６に形成されたその他の構造を有してもよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、剛性導体２６が真空容器１４の壁面に直接固定される場合を例として説明しているが、剛性導体２６は、以下に例示するように、真空容器１４内で他の部位に固定されてもよい。

図３は、実施の形態に係る電流導入ライン２０の他の例を概略的に示す側面図である。上述の実施の形態と同様に、図３の実施の形態においても、電流導入ライン２０は、真空フィードスルー２４、剛性導体２６、およびブスバー２８を備える。剛性導体２６は、真空フィードスルー２４をブスバー２８に電気接続する。

ただし、剛性導体２６は、電気絶縁層３４を支持部材４０と剛性導体２６との間に挟み込むようにして支持部材４０に固定され、電気絶縁層３４を介して支持部材４０に熱的に結合されている。支持部材４０は、例えばステンレス鋼などの金属材料で形成され、板状またはその他の形状を有してもよい。支持部材４０は、例えば、真空容器１４内で真空容器１４の壁面に固定された台座４２に固定されてもよい。この台座４２には、超伝導コイル１２を支持する支持体４４が取り付けられてもよい。このようにして、剛性導体２６は、支持部材４０を介して真空容器１４に熱的に結合されてもよい。

また、上述の実施の形態では、剛性導体２６が導電材料で形成された板部材である場合を例として説明している。しかし、剛性導体２６は、そうしたプレートには限られず、例えば、導体のロッドまたはブロックであってもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 超伝導磁石装置、 １２ 超伝導コイル、 １４ 真空容器、 ２０ 電流導入ライン、 ２４ 真空フィードスルー、 ２６ 剛性導体、 ２６ｂ 導体板、 ２６ｃ 変形可能部、 ２８ ブスバー、 ３４ 電気絶縁層。

Claims (4)

1. 真空容器内の超伝導コイルに電流を導入するための電流導入ラインであって、
   真空フィードスルーと、
   前記真空容器内に配置され、前記超伝導コイルに電気接続されるブスバーと、
   前記真空容器に熱的に結合されるとともに前記真空容器から電気絶縁されるように前記真空容器に固定され、前記真空フィードスルーを前記ブスバーに電気接続する剛性導体と、を備えることを特徴とする電流導入ライン。
2. 前記剛性導体は、導体板を備え、
   前記導体板は、電気絶縁層を前記真空容器と前記導体板との間に挟み込むようにして前記真空容器に固定され、前記電気絶縁層を介して前記真空容器に熱的に結合されることを特徴とする請求項１に記載の電流導入ライン。
3. 前記剛性導体は、前記剛性導体を前記ブスバーに電気接続するように前記ブスバーに取り付けられる変形可能部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電流導入ライン。
4. 真空容器と、
   前記真空容器内に配置される超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルに電流を導入するための電流導入ラインであって、
   真空フィードスルーと、
   前記真空容器内に配置され、前記超伝導コイルに電気接続されるブスバーと、
   前記真空容器に熱的に結合されるとともに前記真空容器から電気絶縁されるように前記真空容器に固定され、前記真空フィードスルーを前記ブスバーに電気接続する剛性導体と、を備える電流導入ラインと、を備えることを特徴とする超伝導磁石装置。

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