JP6208077B2 - 超伝導電磁石 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導電磁石に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の超伝導電磁石が知られている。この超伝導電磁石では、クライオスタットにコイルが収納されており、コイルに電流を導入するブスバーがクライオスタット内部で引き回されている。

特開2001-110627号公報

この種の超伝導電磁石においてクライオスタットの小型化を望む場合に、上記のブスバーの構造では小型化に対応しにくい。すなわち、ブスバーを短くするとブスバーを介した外部からの熱の流入が大きくなり、冷却効率が低下してしまう。また、コイルが熱収縮したとき、短いブスバーでは熱収縮分による歪みを十分に吸収することが難しい。このような問題に鑑み、本発明は、クライオスタットの小型化を容易にする構造の超伝導電磁石を提供することを目的とする。

本発明の超伝導電磁石は、コイルと、コイルを収容し冷却するクライオスタットと、クライオスタットの外部から供給される電流をコイルへ送る導電部を有しコイルに電力を供給する電力供給部と、を備え、導電部は、外部からコイルまで繋がる電流経路上であってクライオスタット内に位置する第１の部位と第１の部位よりもコイル側に位置する第２の部位とを、当該第１の部位と当該第２の部位との直線距離よりも長い経路で接続すると共に、第１の部位と第２の部位との相対変位が発生したときに、弾性的な変形によって当該相対変位を許容する迂遠導電部を有することを特徴とする。

この超伝導電磁石では、導電部の第１の部位と第２の部位とが、迂遠導電部を介して直線距離よりも長い経路で接続されている。よって、導電部を介して外部から侵入する熱の伝熱距離を長く確保しながら、導電部全体を小型化することができる。また、第１の部位と第２の部位との相対変位が、迂遠導電部の弾性的な変形によって許容されるので、コイルの熱収縮にも対応することができる。

具体的には、迂遠導電部は、板厚方向に直交し且つ第１の部位と第２の部位とを結ぶ直線に直交する方向から見て、複数のＵ字状の屈曲部で往復するように曲がりくねった屈曲板形状をなすこととしてもよい。

また、導電部は、迂遠導電部よりもコイル側に位置し、クライオスタットの低熱源からの熱伝導により冷却される被冷却部と、被冷却部よりもコイル側に位置し、電流経路上の第３の部位と第３の部位よりもコイル側に位置する第４の部位とを接続し、コイルの熱収縮方向に第３の部位と第４の部位の相対変位が発生したときに、変形によって相対変位を許容する可撓性導電部と、を更に有することとしてもよい。

この構成によれば、被冷却部が冷却されることにより、外部から迂遠導電部を介してコイル側に侵入する熱を被冷却部で除去することができ、冷却効率を更に向上することができる。また、コイルの熱収縮に起因する第３の部位と第４の部位との相対変位が、可撓性導電部の変形によって許容されるので、コイルの熱収縮にも対応することができる。具体的には、低熱源は、コイルを包囲する熱シールドであり、被冷却部は、熱シールドに対して電気絶縁材を介して接触することとしてもよい。

本発明によれば、クライオスタットの小型化を容易にする構造の超伝導電磁石を提供することができる。

本発明の実施形態に係る超伝導電磁石を採用したマグネット装置を示す斜視図である。 超伝導電磁石のクライオスタットを示す斜視図である。 図２におけるIII-III断面図である。 超伝導電磁石の電流導入部を示す斜視図である。 超伝導電磁石の電流導入部を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による超伝導電磁石の一実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以降の説明においては、各図に示す状態の超伝導電磁石１の姿勢を基準として「上」「下」の語を用いる。ただし、超伝導電磁石１の姿勢は図に示すものに限定されず、適宜変更してもよい。図１は、本実施形態に係る超伝導電磁石１を採用したマグネット装置１００を示す斜視図である。図２は、超伝導電磁石１のクライオスタット３を示す斜視図である。図３は、図２におけるIII-III断面図である。図４は、超伝導電磁石１のコイル１０とその支持構造を示す斜視図であり、クライオスタット３から真空容器３ａと熱シールド１３とを取り除いた状態を示す。

図１〜図４に示されるように、マグネット装置１００は、上下一対の超伝導電磁石１を対向配置すると共に、超伝導電磁石１を支持台１０１で支持することによって構成されている。超伝導電磁石１は、内部にコイル１０を収容する真空容器３ａを有するクライオスタット３と、クライオスタット３の外側に設けられるヨーク４と、を備えている。上側の超伝導電磁石１のクライオスタット３と下側の超伝導電磁石１のクライオスタット３とは、互いに上下を逆転した状態で対向し、支柱６を介して互いに離間するように連結されている。マグネット装置１００は、一対のクライオスタット３の間を通過する荷電粒子線Ｂの軌道を切り替える偏向磁石として機能する。例えば、マグネット装置１００は、加速器から出射された荷電粒子線Ｂの軌道を、軌道Ｔ１と軌道Ｔ２との間で切り替えることができる。荷電粒子線Ｂを出射する加速器として、リングサイクロトロン、ＡＶＦサイクロトロン、シンクロトロン、ベータトロン等の円形加速器や、ライナック等の線形加速器などが挙げられる。

超伝導電磁石１は、鉛直中心軸Ａ周りの環状をなし磁束を発生させるコイル１０と、コイル１０の荷重を支持する荷重支持部７と、コイル１０を冷却する冷凍機８と、コイル１０に電流を導入する電流導入部９と、を備えている。コイル１０は、超伝導線材を巻回した構成のコイル本体を有しており、超伝導線材として高温超伝導線材を用いてよい。高温超伝導線材として、例えばＢｉ２２２３、Ｂｉ２２１２、Ｙ１２３、ＭｇＢ２、酸化物超伝導体等を用いてよい。なお、超伝導線材として低温超伝導線材を用いてもよい。このような超伝導線材が用いられるコイル１０を約２０Ｋまで効率よく冷却するため、超伝導電磁石１は、クライオスタット３の真空容器３ａの内部において、コイル１０を包囲する熱シールド１３を備えている。熱シールド１３には、冷凍機（低熱源）８の低温ヘッドが接触しており、熱シールド１３は約５０Ｋに冷却されている。

続いて、図４及び図５を参照しながら、電流導入部（電力供給部）９について更に詳細に説明する。ここでは、図４及び図５に示されるように、鉛直方向にＺ軸を取ったＸＹＺ直交座標系を設定し、各部位の位置関係の説明に用いる場合がある。電流導入部９は、真空容器３ａの一部をなす容器円筒部３ｂと、熱シールド１３の一部をなすシールド円筒部１３ｂとを有している。容器円筒部３ｂはクライオスタット３の上面側に鉛直に立設されている。容器円筒部３ｂの上面には、電流を導入するための正極側と負極側との２つの入力端子３１，３１が、真空容器３ａの外部に露出するように設けられている。容器円筒部３ｂの直ぐ内側には、電気的絶縁を図るため、例えば薄肉のＧＦＲＰ製の円筒が設けられてもよい。シールド円筒部１３ｂは熱シールド１３の上面側に鉛直に立設され、容器円筒部３ｂの内側において容器円筒部３ｂの途中の高さの位置まで延びている。シールド円筒部１３ｂの上面には、Ｙ方向に延びる細長い開口１４が形成されている。シールド円筒部１３ｂの内側には、電気的絶縁を図るため、超耐寒性の絶縁テープ等が施されてもよい。

電流導入部９は、機体の外部から供給される電流をコイル１０に送るための一対の正極側導電部２０Ａ及び負極側導電部２０Ｂを備えている。正極側導電部２０Ａと負極側導電部２０Ｂとは、容器円筒部３ｂ内で隣接して並設され、両者の間に絶縁部材（図示せず）を挟むことで互いに電気的に絶縁されている。図にも示される通り、正極側導電部２０Ａと負極側導電部２０Ｂとの構成は鉛直面に対して互いに対称であるので、以下においては正極側導電部２０Ａの構成を説明し、その説明に重複する負極側導電部２０Ｂについての説明を省略する。

正極側導電部２０Ａは、入力端子３１と、コイル１０への電流の入口であるコイル電極３２との間を繋ぐように容器円筒部３ｂ内部に延在しており、その途中でシールド円筒部１３ｂの開口１４を通過している。なお、開口１４の寸法が調整されることで、正極側導電部２０Ａが開口１４の縁部に接触しないようになっている。正極側導電部２０Ａは、上記入力端子３１からコイル電極３２までの電流経路を構成する複数の導電部材が連なって構成されている。電流経路を構成する導電部材には、入力端子３１側から順に連結されたブスバー２１、屈曲部２２、上部導電体ブロック２３、線材電流リード２４、下部導電体ブロック２６及び銅編線２７が含まれている。これらの導電部材は例えば銅からなり、高い導電性と高い伝熱性を有している。但し、後述するように、線材電流リード２４は超伝導材料からなるものであってもよい。

ブスバー２１は屈曲された細長い板状をなし、ブスバー２１の上端は入力端子３１に接続されている。ブスバー２１の下端は、電気絶縁材３３及びＬ字状の銅製のブラケット３４を介してシールド円筒部１３ｂの上面に物理的に接続されている。ブスバー２１と入力端子３１の接続部を電流経路上の第１部位Ｐ１、ブスバー２１とシールド円筒部１３ｂ上面との接続部を電流経路上の第２部位Ｐ２とすれば、ブスバー２１は、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２との直線距離よりも長い電流経路で当該第１部位Ｐ１と当該第２部位Ｐ２とを接続する迂遠導電部２１ａを有している。具体的には、迂遠導電部２１ａは、板厚方向に直交し、かつ第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを結ぶ直線に直交する方向から見て（Ｙ方向から見て）、複数のＵ字状の屈曲部で左右交互に往復するように曲がりくねった屈曲板形状をなしている。

この迂遠導電部２１ａの屈曲形状により、入力端子３１及びブスバー２１を通じて常温の外部から侵入する熱の伝熱距離が長くなり、入力端子３１側からの熱の侵入を抑えることができる。また、上記の屈曲形状により、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２との相対変位が発生したときに、ブスバー２１が弾性的に変形することによって当該相対変位が許容され、正極側導電部２０Ａに発生する歪みが抑制される。また、上記の屈曲形状により、ブスバー２１を小さい上下幅に収めることができ、このようなブスバー２１は電流導入部９の上下寸法の小型化に寄与する。

上述したように、第２部位Ｐ２において、ブスバー２１の下端は電気絶縁材３３及びブラケット３４を介してシールド円筒部１３ｂの上面に接続されている。前述の通り、熱シールド１３は、冷凍機（低熱源）８により約５０Ｋに冷却されているので、シールド円筒部１３ｂ及びブスバー２１の下端（被冷却部）も、冷凍機８からの熱伝導によって同等の温度に冷却される。一方、電気絶縁材３３の介在により、ブスバー２１と熱シールド１３との電気的絶縁は確保される。電気絶縁材３３として、例えば、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）シート等を用いることができる。正極側導電部２０Ａにおいては、熱シールド１３の外側の領域である第１部位Ｐ１から第２部位Ｐ２までが常温〜約５０Ｋの温度であり、熱シールド１３の内側の領域である第２部位Ｐ２からコイル１０までが約５０Ｋ〜約２０Ｋの温度となる。

第２部位Ｐ２から更に下に延びた屈曲部２２はＹ方向から見てＵ字状に屈曲しており、屈曲部２２の下端が上部導電体ブロック２３に接続されている。上部導電体ブロック２３と下部導電体ブロック２６とは、ステンレス製の鉛直支柱２９で連結されている。その鉛直支柱２９に平行して線材電流リード２４が延在しており、当該線材電流リード２４によって上部導電体ブロック２３と下部導電体ブロック２６とが電気的に接続されている。線材電流リード２４はＹ方向に厚みを持つ板状をなし、例えば、ビスマス系等の超伝導材料からなる。超伝導材料を採用することにより、通電による発熱が抑えられ、その結果、正極側導電部２０Ａ及び負極側導電部２０Ｂを介した外部からの熱侵入が抑えられる。また、磁界発生時のローレンツ力が発生しているとき、コイル１０の熱収縮によるクエンチが発生しているときにも、電流値を低下させない。また、板状の線材電流リード２４を採用することにより、省エネルギー、性能アップ、低コスト化、及び製造工期の短縮が図られる。

下部導電体ブロック（第３の部位）２６とコイル電極（第４の部位）３２とは、可撓性を有する銅編線（可撓性導電部）２７によって物理的に接続され、電気的に接続されている。従って、コイル１０の熱収縮によって下部導電体ブロック２６とコイル電極３２との間にコイル１０の熱収縮方向の相対変位が発生したときにも、銅編線２７の変形によって上記相対変位が許容され、正極側導電部２０Ａに発生する歪みが抑制される。コイル電極３２は、コイル１０の本体の外側面からＸ方向に張り出しており、コイル１０の超伝導線材に電気的に接続されている。

以上のような電流導入部９において、入力端子３１，３１に外部の電源が接続されることで、正極側導電部２０Ａ及び負極側導電部２０Ｂを通じてコイル１０に電流が供給され、コイル１０が磁界を発生する。

続いて、以上説明した超伝導電磁石１による作用効果について説明する。

超伝導電磁石１では、正極側導電部２０Ａ及び負極側導電部２０Ｂにおいて、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とが、ブスバー２１を介して直線距離よりも長い経路で接続されている。よって、正極側導電部２０Ａ及び負極側導電部２０Ｂを介して外部から（入力端子３１側から）侵入する熱の伝熱距離を長く確保しながらも、ブスバー２１の上下幅を抑えることができ、電流導入部９を小型化することができる。また、コイル１０の熱収縮に起因して第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２との相対変位が生じた場合にも、ブスバー２１の変形によって上記相対変位が許容されるので、コイル１０の熱収縮にも対応することができる。よって、超伝導電磁石１によれば、電流導入部９の小型化（特にＺ方向寸法の小型化）が容易になり、その結果、クライオスタット３の小型化が容易になる。

また、正極側導電部２０Ａ及び負極側導電部２０Ｂは、第２部位Ｐ２において、シールド円筒部１３ｂに接続され冷却されている。この構成により、外部からブスバー２１を介してコイル１０側に侵入する熱を第２部位Ｐ２で除去することができ、冷却効率を更に向上することができる。一方、電気絶縁材３３の介在により、ブスバー２１と熱シールド１３との電気的絶縁は確保される。

また、正極側導電部２０Ａ及び負極側導電部２０Ｂに銅編線２７を採用することにより、コイル１０の熱収縮に起因する下部導電体ブロック２６とコイル電極３２との相対変位が、銅編線２７の変形によって許容されるので、正極側導電部２０Ａ及び負極側導電部２０Ｂの下部に発生する歪みを低減することができ、コイル１０の熱収縮に対応することができる。

以上、本発明の一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るものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。

１…超伝導電磁石、３…クライオスタット、９…電流導入部（電力供給部）、１０…コイル、１３…熱シールド、２０Ａ…正極側導電部、２０Ｂ…負極側導電部、２１ａ…迂遠導電部、２６…下部導電体ブロック（第３の部位）、３２…コイル電極（第４の部位）、３３…電気絶縁材、Ｐ１…第１部位，Ｐ２…第２部位（被冷却部）。

Claims (3)

1. コイルと、
   前記コイルを包囲する熱シールドと、
   前記コイルと前記熱シールドとを収容する真空容器を有し冷凍機によって前記コイルを冷却するクライオスタットと、
   前記クライオスタットの前記真空容器の外部から供給される電流を前記熱シールドの開口を通過させて前記コイルへ送る導電部を有し前記コイルに電力を供給する電力供給部と、を備え、
   前記導電部は、
   外部から前記コイルまで繋がる電流経路上であって前記導電部と前記真空容器との接続部位である第１の部位と前記導電部と前記熱シールドとの接続部位である第２の部位とを、当該第１の部位と当該第２の部位との直線距離よりも長い経路で接続すると共に、前記第１の部位と前記第２の部位との相対変位が発生したときに、弾性的な変形によって当該相対変位を許容する迂遠導電部と、
   前記第２の部位で接続された前記熱シールドを介した前記冷凍機からの熱伝導により冷却される被冷却部と、
   前記被冷却部よりも前記コイル側に位置し、前記電流経路上の第３の部位と前記第３の部位よりも前記コイル側に位置する第４の部位とを接続し、前記コイルの熱収縮方向に前記第３の部位と前記第４の部位の相対変位が発生したときに、変形によって前記相対変位を許容する可撓性導電部と、
   を有することを特徴とする超伝導電磁石。
2. 前記迂遠導電部は、
   板厚方向に直交し且つ前記第１の部位と前記第２の部位とを結ぶ直線に直交する方向から見て、複数のＵ字状の屈曲部で往復するように曲がりくねった屈曲板形状をなすことを特徴とする請求項１に記載の超伝導電磁石。
3. 前記被冷却部は、前記熱シールドに対して電気絶縁材を介して接触することを特徴とする請求項２に記載の超伝導電磁石。

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