JP6173955B2 - 超電導磁石装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超電導コイルを冷凍機により伝導冷却する超電導磁石装置に関する。

伝導冷却型の超電導磁石装置は、冷凍機からの熱伝導で超電導コイルを冷却する装置である。このタイプの超電導磁石装置は、液体ヘリウムを必要としないため、浸漬冷却型の超電導磁石装置に比べて、取り扱いが容易であり、運転温度を適切に設定することができる等のメリットがある。

しかしながら、伝導冷却型の超電導磁石装置は、冷凍機が何らかの原因で停止した場合、超電導コイルを支持する支持部材及び上記冷凍機を介して室温部から超電導コイルへ熱が侵入することで、超電導コイルの温度が上昇し、直ちに超伝導状態が消失（クエンチ）してしまう問題が生じる。

そこで、従来では、超電導コイルの外周部を合成樹脂等の固体断熱層で覆い、その周囲を輻射による熱侵入を遮蔽するためにコイルケースで覆うことにより、冷凍機が停止した場合でも、超電導コイルの温度上昇を抑制する方法がある（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２０１３−１０２１８３号公報 特開２０１３−２０７０１８号公報

しかしながら、上述した従来の伝導冷却型の超電導磁石装置は、冷却時あるいは冷凍機が停止して温度上昇する際、支持部材及び冷凍機に対する熱的な接続部分に接近した部分と離間した部分とで上記コイルケースに温度分布が生じるため、上記超電導コイルに温度差が発生する。その結果、超電導コイル内部で局所的に過大な熱応力が発生して、超電導コイルの超電導特性が低下してしまい、安定して通電することができなくなるという課題があった。

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、超電導コイルに発生する温度差を低減させ、超電導コイルの超電導特性を低下させることなく、安定して通電可能な超電導磁石装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る超電導磁石装置は、真空容器と、前記真空容器内に収納した超電導コイルと、前記超電導コイルを伝導冷却する冷凍機と、前記真空容器内で前記超電導コイルの周囲を覆う固体断熱層と、前記真空容器内で前記固体断熱層の周囲を覆うコイルケースと、前記コイルケースの表面の少なくとも一部にこのコイルケースの温度を均等化させるように熱的に接続され、かつ前記コイルケースよりも熱伝導率の高いケース用均熱部材と、前記真空容器内で前記コイルケース、前記ケース用均熱部材のいずれかと前記冷凍機とを熱的に接続する伝熱板と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、超電導コイルに発生する温度差を低減させ、超電導コイルの超電導特性を低下させることなく、安定して通電可能になる。

本発明に係る超電導磁石装置の第１実施形態を示す縦断面図である。 本発明に係る超電導磁石装置の第２実施形態を示す縦断面図である。 本発明に係る超電導磁石装置の第３実施形態を示す縦断面図である。 本発明に係る超電導磁石装置の第４実施形態の超電導コイルを示す拡大断面図である。 本発明に係る超電導磁石装置の第５実施形態を示す縦断面図である。

以下に、本発明に係る超電導磁石装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
（構 成）
図１は本発明に係る超電導磁石装置の第１実施形態を示す縦断面図である。

本実施形態の超電導磁石装置は、真空容器内に収納した超電導コイルを冷凍機により伝導冷却する伝導冷却型の超電導磁石装置である。この超電導磁石装置は、主な構成要素として、図１に示すように超電導コイル１、固体断熱層２、コイルケース３、ケース用均熱部材としての均熱部材４、冷凍機５、伝熱板６、真空容器１０、及び支持部材１１を備える。

固体断熱層２は、超電導コイル１の外周全体又は一部を覆うように設けられている。これにより、固体断熱層２と超電導コイル１は、熱的に接続される。超電導コイル１及び固体断熱層２は、コイルケース３に組み込まれている。そのため、固体断熱層２とコイルケース３は熱的に接続される。

固体断熱層２の材質としては、例えば合成樹脂、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の絶縁性材料が用いられる。コイルケース３の材質としては、例えば、ＦＲＰ等の絶縁性材料、アルミニウム合金又はステンレス鋼等のように低温下でも高い機械強度を有する金属材料が用いられる。

コイルケース３の表面の少なくとも一部には、高純度（純度が９９％以上）アルミニウム等のようにコイルケース３よりも熱伝導率の高い均熱部材４が取り付けられている。そのため、均熱部材４とコイルケース３は、熱的に接続される。均熱部材４は、板状に形成され、コイルケース３の上下両面にねじ等の固定部材、熱伝導率の高い接着剤等により固定されている。均熱部材４は、コイルケース３に伝熱板６を固定するため、一部が切り欠いて形成されている。

伝熱板６は、その一端が冷凍機５の冷却端に、他端がコイルケース３に、それぞれねじ等の固定部材により熱的に接続されている。伝熱板６は、銅、真鍮、アルミニウム、金、銀等の金属で形成されている。

このようにして超電導コイル１、固体断熱層２、コイルケース３、及び均熱部材４が一体化される。これらは、例えば２本の支持部材１１を介して真空容器１０の上面部に支持されている。これにより、一体化された超電導コイル１、固体断熱層２、コイルケース３、及び均熱部材４は、真空容器１０内に収納され、この真空容器１０によって室温部と隔てられている。

冷凍機５は、例えば２段冷凍機である。その他に、超電導コイル１として２段冷凍機の到達温度よりも高い運転温度が設定可能な高温超電導コイルを使用する場合、冷凍機５として３０Ｋ近傍での冷凍能力が上記２段冷凍機に比べて高い単段冷凍機、あるいはパルスチューブ冷凍機等を用いることができる。

真空容器１０の外側には、２つの電流導入端子７，７が設けられている。これら２つの電流導入端子７，７のそれぞれに常電導電流リードとしての電流リード８，８の一端が接続され、電流リード８，８の他端が超電導コイル１に接続されている。電流リード８，８は、銅、真鍮、アルミニウム、金、銀等の常電導金属で構成されている。これにより、電流リード８，８は、超電導コイル１と２つの電流導入端子７，７とを電気的に接続することで通電可能になっている。

したがって、２つの電流導入端子７，７から電流が導入され、その電流は電流リード８，８を介して超電導コイル１に供給される。なお、電流リード８，８は、図１に示すように冷凍機５の冷却端と熱アンカー２０を介して熱的に接続することにより冷却可能に構成されている。

（作 用）
次に、本実施形態に係る超電導磁石装置の作用について説明する。

まず、冷凍機５が動作している場合について説明する。

真空容器１０内から超電導コイル１への輻射熱侵入、及び支持部材１１から超電導コイル１への熱伝導については、コイルケース３により遮断される。また、電流リード８，８から超電導コイル１への熱侵入については、冷凍機５が熱アンカー２０を介して電流リード８，８を冷却することにより遮断される。

このように超電導コイル１の熱負荷は、超電導コイル１自体の微小な発熱のみである。このため、冷凍機５が伝熱板６からコイルケース３及び固体断熱層２を介して超電導コイル１を冷却することにより、超電導コイル１の温度を運転可能温度以下に保持することができる。

次に、何らかの不具合で冷凍機５が停止した場合について説明する。

冷凍機５が停止した場合、冷凍機５からコイルケース３に対して高熱が侵入することにより、コイルケース３の温度が上昇する。このとき、コイルケース３と超電導コイル１との間には固体断熱層２が設けられているため、直ちに超電導コイル１に高熱が侵入しない。しかし、コイルケース３の温度がある程度上昇したとき、冷凍機５からコイルケース３及び固体断熱層２を介して超電導コイル１に高熱が侵入する。

ここで、本実施形態では、超電導コイル１と冷凍機５とを直接接続する伝熱経路を設けていないため、冷凍機５が停止した場合に直ちに冷凍機５から超電導コイル１に高熱が侵入しない。これにより、一定時間だけでも超電導コイル１の温度を運転可能温度以下に保持することができる。

また、上記のように冷凍機５が停止して温度上昇する際あるいは冷却時、コイルケース３における２本の支持部材１１及び伝熱板６の熱的な接続部分に接近した部分と離間した部分とでコイルケース３に温度分布が生じる。

しかし、本実施形態では、冷凍機５が停止して温度上昇する際あるいは冷却時、コイルケース３の外表面の少なくとも一部には、コイルケース３よりも熱伝導率の高い均熱部材４が設けられているため、コイルケース３全体としての温度を均等化させるように作用する。これにより、コイルケース３に生じる温度分布を低減させることができる。

（効 果）
このように本実施形態によれば、コイルケース３の外表面に均熱部材４を設けたことにより、冷凍機５が停止して温度上昇する際あるいは冷却時、超電導コイル１に生じる温度差が低減されて、超電導コイル１内部で局所的に過大な熱応力が発生することがなくなる。その結果、超電導コイル１の超電導特性が低下するのを未然に防止することができ、安定して通電可能な超電導磁石装置を得ることができる。

（第２実施形態）
図２は本発明に係る超電導磁石装置の第２実施形態を示す縦断面図である。なお、前記第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して重複する説明は省略し、異なる構成及び作用のみを説明する。その他の実施形態も同様とする。

前記第１実施形態では、伝熱板６の他端がコイルケース３に熱的に接続されていたが、本実施形態は、図２に示すように伝熱板６がケース用均熱部材としての均熱部材４ａに熱的に接続された構成となっている。

したがって、本実施形態では、冷却時、伝熱板６がコイルケース３を介さずに均熱部材４ａを直接冷却することができる。

このように本実施形態によれば、伝熱板６はコイルケース３を介さずに均熱部材４ａを直接冷却することができるため、前記第１実施形態の超電導磁石装置よりも、コイルケース３に対する均熱効果が向上し、コイルケース３に生じる温度分布をより低減させることができる。その結果、一段と安定して通電可能な超電導磁石装置を得ることができる。

（第３実施形態）
図３は本発明に係る超電導磁石装置の第３実施形態を示す縦断面図である。

前記第１実施形態では、コイルケース３の外表面に均熱部材４を設けていたが、本実施形態は、図３に示すようにケース用均熱部材としての均熱部材４ｂがコイルケース３の内表面に設けられた構成となっている。すなわち、均熱部材４ｂは、コイルケース３と固体断熱層２との間に設けられている。これにより、均熱部材４ｂは、コイルケース３だけでなく、固体断熱層２にも熱的に接続されている。

したがって、本実施形態において、均熱部材４ｂは、コイルケース３だけでなく、固体断熱層２にも熱的に接続されているため、均熱部材４ｂは、コイルケース３を介さずに固体断熱層２を直接冷却することができる。伝熱板６の他端は、コイルケース３に熱的に接続されている。

このように本実施形態によれば、均熱部材４ｂは、コイルケース３を介さずに固体断熱層２を直接冷却することができるため、コイルケース３に生じる温度分布を低減することができるだけでなく、固体断熱層２に対する均熱効果も得られる。その結果、前記第１実施形態の超電導磁石装置よりも、超電導コイル１に生じる温度差が低減され、より安定して通電可能な超電導磁石装置を得ることができる。

なお、本実施形態では、伝熱板６の他端をコイルケース３に熱的に接続するようにしたが、これに限らず、コイルケース３の一部を切り欠いて伝熱板６の他端を均熱部材（ケース用均熱部材）４ｂに直接熱的に接続するようにしてもよい。このように構成することで、コイルケース３に生じる温度分布を一段と低減させ、固体断熱層２に対する均熱効果もより向上させることができる。

また、本実施形態は、均熱部材４ｂをコイルケース３の内表面に設けた構成について説明したが、これに限らず均熱部材４ｂをコイルケース３の内表面及び外表面の双方に設けるようにしてもよい。

（第４実施形態）
図４は本発明に係る超電導磁石装置の第４実施形態の超電導コイルを示す拡大断面図である。

本実施形態では、図４に示すように超電導コイル１の外表面に超電導コイル１よりも熱伝導率の高いコイル用均熱部材９が設けられている。このコイル用均熱部材９は、超電導コイル１と熱的に接続された構成となっている。

したがって、本実施形態では、超電導コイル１の外表面にコイル用均熱部材９を設けたことにより、超電導コイル１に生じる温度差をさらに低減することができる。

このように本実施形態によれば、コイル用均熱部材９を設けたことにより、超電導コイル１に生じる温度差をさらに低減することができるため、前記第３実施形態の超電導磁石装置よりも、さらに安定して通電可能な超電導磁石装置を得ることができる。

なお、本実施形態では、超電導コイル１の上下両面にコイル用均熱部材９を設けた例について説明したが、これに限らず超電導コイル１の少なくとも一部にコイル用均熱部材９を設けるようにしてもよい。

（第５実施形態）
図５は本発明に係る超電導磁石装置の第５実施形態を示す縦断面図である。

本実施形態では、図３に示す第３実施形態の構成に加えて、電流導入端子７と超電導コイル１とを電気的に接続する電流リード８，８の途中にそれぞれ超電導電流リード１２，１２を設けた構成となっている。超電導電流リード１２，１２は、真鍮、アルミニウム、金、銀のような導電性金属からなる電流リード８，８に比べて小さい断面積で大きな電流を通電可能である。超電導電流リード１２，１２は、熱伝導率が低い高温超電導電流リードが用いられている。

なお、図５には示していないが、超電導電流リード１２，１２は、断面積が電流リード８，８に比べて小さいため、超電導電流リード１２，１２を保護カバーで覆うことが望ましい。

したがって、本実施形態では、超電導電流リード１２，１２は、真鍮、アルミニウム、金、銀のような導電性金属からなる電流リード８，８に比べて熱伝導率が低く、かつ小さい断面積で高い電流を通電可能なため、リードの断面積を小さくすることができ、低温部への熱侵入を低減させることができる。

このように構成された本実施形態では、電流リード８，８の途中に超電導電流リード１２，１２を設けることで、超電導コイル１への熱侵入を低減することができる。

このように本実施形態によれば、電流リード８，８の途中に超電導電流リード１２，１２を設けることで、超電導コイル１への熱侵入が低減されるため、超電導コイル１の電流リード８，８との接続部近傍で生じる温度差を低減させることができ、前記第４実施形態の超電導磁石装置よりも、さらに一段と安定して通電可能な超電導磁石装置を得ることができる。

（その他の実施形態）
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

なお、本実施形態では、前記第１実施形態に、第２〜第５実施形態をそれぞれ組み合わせた構成としてもよい。

１…超電導コイル、２…固体断熱層、３…コイルケース、４，４ａ，４ｂ…均熱部材（ケース用均熱部材）、５…冷凍機、６…伝熱板、７…電流導入端子、８…電流リード（常電導電流リード）、９…コイル用均熱部材、１０…真空容器、１１…支持部材、１２…超電導電流リード、２０…熱アンカー

Claims (6)

1. 真空容器と、
   前記真空容器内に収納した超電導コイルと、
   前記超電導コイルを伝導冷却する冷凍機と、
   前記真空容器内で前記超電導コイルの周囲を覆う固体断熱層と、
   前記真空容器内で前記固体断熱層の周囲を覆うコイルケースと、
   前記コイルケースの表面の少なくとも一部にこのコイルケースの温度を均等化させるように熱的に接続され、かつ前記コイルケースよりも熱伝導率の高いケース用均熱部材と、
   前記真空容器内で前記コイルケース、前記ケース用均熱部材のいずれかと前記冷凍機とを熱的に接続する伝熱板と、
   を備えることを特徴とする超電導磁石装置。
2. 前記ケース用均熱部材は、前記コイルケースの外表面及び内表面の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
3. 前記超電導コイルの表面の少なくとも一部に設けられ、かつ前記超電導コイルよりも熱伝導率の高いコイル用均熱部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導磁石装置。
4. 前記コイル用均熱部材は、前記固体断熱層と熱的に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の超電導磁石装置。
5. 前記冷凍機として、単段冷凍機を使用したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
6. 前記真空容器に設けられて電流を導入する電流導入端子と、
   前記電流導入端子と前記超電導コイルとを電気的に接続する常電導電流リードと、
   前記常電導電流リードの途中に設けられ、前記常電導電流リードと比べて熱伝導率が低い超電導電流リードと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。

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