WO2024135035A1 - 電流導入ラインおよび超伝導磁石装置 - Google Patents

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WO2024135035A1
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vacuum
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conductor
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Inventor
健太 出村
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住友重機械工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a current introduction line and a superconducting magnet device.
  • a superconducting magnet device comprises a superconducting coil and a vacuum vessel that houses the superconducting coil in a cryogenically cooled state.
  • Coil electrodes are provided on the outside of the vacuum vessel to supply power to the superconducting coil from the outside.
  • the coil electrodes are cooled by thermal conduction from the superconducting coil.
  • moisture in the air surrounding the vacuum vessel may adhere to or freeze on the coil electrodes.
  • One exemplary objective of one embodiment of the present invention is to suppress condensation on the current supply lines of a superconducting magnet device using a simple configuration.
  • a current introduction line for introducing a current to a superconducting coil in a vacuum vessel.
  • the current introduction line includes a vacuum feedthrough, a bus bar disposed in the vacuum vessel and electrically connected to the superconducting coil, and a rigid conductor fixed to the vacuum vessel so as to be thermally coupled to the vacuum vessel and electrically insulated from the vacuum vessel, and electrically connecting the vacuum feedthrough to the bus bar.
  • a superconducting magnet device includes a vacuum vessel, a superconducting coil disposed within the vacuum vessel, and a current introduction line for introducing a current to the superconducting coil.
  • the current introduction line includes a vacuum feedthrough, a bus bar disposed within the vacuum vessel and electrically connected to the superconducting coil, and a rigid conductor fixed to the vacuum vessel so as to be thermally coupled to the vacuum vessel and electrically insulated from the vacuum vessel, electrically connecting the vacuum feedthrough to the bus bar.
  • the present invention makes it possible to suppress condensation on the current supply lines of a superconducting magnet device with a simple configuration.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic diagram of a superconducting magnet device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a current introducing line according to an embodiment of the present invention;
  • FIG. 11 is a side view illustrating another example of a current introducing line according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a superconducting magnet device 10 according to an embodiment.
  • the superconducting magnet device 10 is mounted in high magnetic field equipment as a magnetic field source for, for example, a single crystal pulling device, an NMR (Nuclear Magnetic Resonance) system, an MRI (Magnetic Resonance Imaging) system, an accelerator such as a cyclotron, a high energy physics system such as a nuclear fusion system, or other high magnetic field equipment (not shown), and can generate the high magnetic field required for the equipment.
  • a magnetic field equipment for example, a single crystal pulling device, an NMR (Nuclear Magnetic Resonance) system, an MRI (Magnetic Resonance Imaging) system, an accelerator such as a cyclotron, a high energy physics system such as a nuclear fusion system, or other high magnetic field equipment (not shown), and can generate the high magnetic field required for the equipment.
  • NMR Nuclear Magnetic Resonance
  • MRI Magnetic Resonance Imaging
  • an accelerator such
  • the superconducting magnet device 10 comprises a superconducting coil 12, a vacuum vessel 14, a heat shield 16, and a current introduction line 20.
  • the superconducting coil 12 is placed in a vacuum vessel 14 and configured to generate a strong magnetic field when current is passed through it while it is cooled to an extremely low temperature below the superconducting transition temperature.
  • the superconducting coil 12 may be a known superconducting coil (for example, a so-called low-temperature superconducting coil).
  • the superconducting coil 12 is connected to an external power source 18 arranged outside the vacuum vessel 14 by a current introduction line 20.
  • An excitation current is supplied from the external power source 18 to the superconducting coil 12 through the current introduction line 20.
  • the superconducting coil 12 is thermally coupled to, for example, a two-stage Gifford-McMahon (GM) refrigerator or other type of cryogenic refrigerator 15 installed in the vacuum vessel 14, and is used in a state cooled to a cryogenic temperature below the superconducting transition temperature.
  • GM Gifford-McMahon
  • the superconducting magnet device 10 is configured as a so-called conduction-cooled type in which the superconducting coil 12 is directly cooled by the cryogenic refrigerator 15, rather than an immersion-cooled type in which the superconducting coil 12 is immersed in a cryogenic liquid refrigerant such as liquid helium.
  • the superconducting magnet device 10 may also be an immersion-cooled type.
  • the vacuum vessel 14 is an insulated vacuum vessel that provides an extremely low temperature vacuum environment suitable for bringing the superconducting coil 12 into a superconducting state, and is also called a cryostat.
  • the vacuum vessel 14 has a cylindrical shape, or a cylindrical shape with a hollow space in the center.
  • the vacuum vessel 14 has a generally flat circular or annular top plate 14a and bottom plate 14b, and a cylindrical side wall (cylindrical outer wall, or cylindrical outer and inner walls arranged coaxially) connecting them.
  • the cryogenic refrigerator 15 may be installed on the top plate 14a of the vacuum vessel 14.
  • the vacuum vessel 14 is formed of a metallic material, such as stainless steel, or other suitable high-strength material, so as to withstand the ambient pressure (e.g., atmospheric pressure).
  • the heat shield 16 is disposed within the vacuum vessel 14 so as to surround the superconducting coil 12.
  • the heat shield 16 is formed of, for example, a metallic material such as copper or other material having a high thermal conductivity.
  • the heat shield 16 may be cooled by one cooling stage of the two-stage cryogenic refrigerator 15 that cools the superconducting coil 12, or by a single-stage cryogenic refrigerator separate from the two-stage refrigerator.
  • the heat shield 16 is cooled to a first cooling temperature, for example, 30K to 50K, and the superconducting coil 12 is cooled to a second cooling temperature, for example, 3K to 20K (for example, about 4K), which is lower than the first cooling temperature.
  • the heat shield 16 can thermally protect low-temperature parts such as the superconducting coil 12, which are disposed inside the heat shield 16 and are cooled to a lower temperature than the heat shield 16, from radiant heat from the vacuum vessel 14.
  • the current introduction line 20 for introducing current to the superconducting coil 12 includes an external wiring 22, a vacuum feedthrough 24, a rigid conductor 26, a bus bar 28, and a current lead portion 30, and forms a current path from the external power supply 18 to the superconducting coil 12.
  • an external wiring 22 for simplicity, only one current introduction line 20 is shown in FIG. 1.
  • multiple current introduction lines 20 may be provided in the superconducting magnet device 10, and for example, one current introduction line 20 on the positive side and one current introduction line 20 on the negative side may be provided.
  • External wiring 22 disposed outside the vacuum vessel 14 connects the external power source 18 to a vacuum feedthrough 24 provided in the wall of the vacuum vessel 14.
  • the external wiring 22 may be a suitable power supply cable.
  • the vacuum feedthrough 24 is an airtight terminal for introducing current into the vacuum vessel 14, and connects the external wiring 22 to the internal wiring (i.e., the rigid conductor 26, the bus bar 28, and the current lead portion 30) inside the vacuum vessel 14.
  • the vacuum feedthrough 24 allows the current introduction line 20 to penetrate the wall of the vacuum vessel 14 while maintaining the airtightness of the vacuum vessel 14.
  • the vacuum feedthrough 24 is exposed to the ambient environment of the vacuum vessel 14 (e.g., room temperature and atmospheric pressure environment), and is therefore at ambient temperature (e.g., room temperature).
  • the vacuum feedthrough 24 is installed on the bottom plate 14b of the vacuum vessel 14, and the current introduction line 20 is arranged on the outer periphery below the vacuum vessel 14.
  • This arrangement is advantageous from the viewpoint of workability.
  • the vacuum vessel 14 is often considerably larger than an operator (for example, several meters in diameter or more). If the vacuum feedthrough 24 is provided on the outer periphery of the vacuum vessel 14, it becomes easier for an operator to access the current introduction line 20 from around the superconducting magnet device 10.
  • the vacuum feedthrough 24 may be installed on the upper surface of the vacuum vessel 14, and the current introduction line 20 may be arranged on the outer periphery above the vacuum vessel 14. Alternatively, the vacuum feedthrough 24 and the current introduction line 20 may be provided in other parts of the vacuum vessel 14.
  • the rigid conductor 26 and bus bar 28 are disposed outside the thermal shield 16 within the vacuum vessel 14, and connect the vacuum feedthrough 24 to the current lead portion 30.
  • the vacuum feedthrough 24, rigid conductor 26, and bus bar 28 are formed from a conductive material, for example a metal material with excellent conductivity, such as pure copper, such as oxygen-free copper, and form a current path to the superconducting coil 12.
  • the rigid conductor 26 is fixed to the vacuum vessel 14 so as to be thermally coupled to the vacuum vessel 14 and electrically insulated from the vacuum vessel 14, and electrically connects the vacuum feedthrough 24 to the bus bar 28.
  • the bus bar 28 is electrically connected to the superconducting coil 12 through the current lead portion 30.
  • the bus bar 28 may be thermally coupled to the heat shield 16 while being electrically insulated from the heat shield 16.
  • the end of the bus bar 28 opposite the rigid conductor 26 may be fixed to the heat shield 16 or connected to the heat shield 16 via an appropriate heat transfer member and cooled to the first cooling temperature in the same manner as the heat shield 16.
  • the current introduction line 20 may have a temperature distribution in which the temperature gradually decreases from the vacuum feedthrough 24 to the rigid conductor 26 to the bus bar 28.
  • the rigid conductors 26 and the bus bars 28 may be disposed outside the insulation layer 17.
  • the insulation layer 17 may be provided between the vacuum vessel 14 and the heat shield 16 to protect the heat shield 16 from radiant heat emitted from the vacuum vessel 14.
  • the insulation layer 17 may be, for example, a multilayer insulation (MLI), and may be disposed to surround the heat shield 16.
  • MMI multilayer insulation
  • the bus bar 28 is a rigid conductor separate from the rigid conductor 26.
  • the rigid conductor 26 and the bus bar 28 may be configured as an integrated conductor member.
  • the current lead portion 30 is disposed inside the thermal shield 16 and connects the bus bar 28 to the superconducting coil 12.
  • the current lead portion 30 may extend in a direction different from that of the bus bar 28 within the vacuum vessel 14. In the illustrated example, the current lead portion 30 may extend vertically from the end of the bus bar 28 to the superconducting coil 12.
  • the current lead portion 30 may include terminal portions at both ends connected to the bus bar 28 and the superconducting coil 12, respectively, and a superconducting current lead connecting these terminal portions.
  • the superconducting current lead may have a rod-like shape, such as a cylindrical shape, and may be formed of a copper oxide superconductor or other high-temperature superconducting material. Alternatively, the superconducting current lead may be formed of a low-temperature superconducting material, such as NbTi.
  • FIG. 2 is a perspective view that shows a schematic of a current introduction line 20 according to an embodiment.
  • the current introduction line 20 includes a vacuum feedthrough 24, a rigid conductor 26, and a bus bar 28 that are electrically connected to each other.
  • the vacuum feedthrough 24 comprises a feedthrough conductor 24a and a feedthrough insulator 24b.
  • the feedthrough conductor 24a is connected to the external wiring 22 at one end exposed outside the vacuum vessel 14, and is connected to the rigid conductor 26 at the other end inside the vacuum vessel 14. Thus, a current path is formed from the external wiring 22 to the rigid conductor 26 through the feedthrough conductor 24a.
  • the feed-through conductor 24a is inserted into an opening in the vacuum vessel 14 (bottom plate 14b in this example). This opening is filled with feed-through insulation material 24b to maintain the airtightness of the vacuum vessel 14, and the feed-through conductor 24a is installed in the vacuum vessel 14 while being electrically insulated from the vacuum vessel 14 by the feed-through insulation material 24b.
  • the feed-through insulation material 24b may be an appropriate electrically insulating material, such as a synthetic resin material.
  • the rigid conductor 26 has a first end 26a, a conductor plate 26b, a deformable portion 26c, and a second end 26d.
  • the rigid conductor 26 consists of a plate made of a conductive material (e.g., copper), which is bent to form a first end 26a, a conductive plate 26b, a deformable portion 26c, and a second end 26d.
  • the conductive plate 26b is a flat plate-like portion that is fixed to the fixed surface of the vacuum vessel 14 as described below, and has, for example, a rectangular outer shape.
  • the conductive plate 26b may have an outer shape of other shapes.
  • the first end 26a extends from a portion of the outer periphery of the conductor plate 26b, is bent so as to rise toward the fixing surface of the vacuum vessel 14, and is further bent from this rising portion toward the feed-through conductor 24a in a direction along the fixing surface of the vacuum vessel 14.
  • the second end 26d extends from a part of the outer periphery of the conductor plate 26b on the opposite side to the first end 26a, is bent so as to rise toward the fixing surface of the vacuum vessel 14, and is further bent from this rising portion toward the bus bar 28 in a direction along the fixing surface of the vacuum vessel 14.
  • the rising portion of the second end 26d functions as a deformable portion 26c, as described below.
  • first end 26a, the conductor plate 26b, the deformable portion 26c, and the second end 26d may be prepared as individual pieces and joined together by an appropriate joining method, such as fastening, soldering, brazing, etc., to form an integrated rigid conductor 26.
  • the rigid conductor 26 is fixed to the vacuum feedthrough 24 at the first end 26a and to the busbar 28 at the second end 26d.
  • the first end 26a is fixed to the feedthrough conductor 24a by a fastening member 32 such as a bolt, and the conductor plate 26b is fixed to the busbar 28 by the fastening member 32.
  • the first end 26a and the second end 26d may be joined to the vacuum feedthrough 24 and the busbar 28, respectively, by an appropriate joining method such as soldering or brazing. In this way, a current path is formed from the vacuum feedthrough 24 to the busbar 28 through the rigid conductor 26.
  • the conductor plate 26b is fixed to the vacuum vessel 14 such that the electrical insulation layer 34 is sandwiched between the vacuum vessel 14 and the conductor plate 26b.
  • the electrical insulation layer 34 may be a sheet or plate formed of a synthetic resin material such as glass fiber reinforced plastic (GFRP) or other suitable electrical insulation material.
  • GFRP glass fiber reinforced plastic
  • the electrical insulation layer 34 is sandwiched between the vacuum vessel 14 and the conductor plate 26b such that one side of the electrical insulation layer 34 contacts the fixed surface of the vacuum vessel 14 and the opposite side of the electrical insulation layer 34 contacts the main surface of the conductor plate 26b. Therefore, the conductor plate 26b, i.e., the rigid conductor 26, does not contact the vacuum vessel 14 and is electrically insulated from the vacuum vessel 14.
  • the conductor plate 26b may be fixed to the vacuum vessel 14 by a fastening member 32 such as a bolt.
  • the fastening member 32 may be formed of a synthetic resin material such as engineering plastic, or other suitable electrically insulating material.
  • a washer made of an electrically insulating material may be sandwiched between the head of the fastening member 32 and the conductor plate 26b. In this way, the conductor plate 26b, i.e., the rigid conductor 26, is fixed to the vacuum vessel 14 while being electrically insulated from the vacuum vessel 14.
  • the conductive plate 26b may be joined to the electrical insulation layer 34 by a suitable joining method, such as adhesive.
  • the electrical insulation layer 34 may be joined to the vacuum vessel 14 by a suitable joining method.
  • the conductive plate 26b is thermally coupled to the vacuum vessel 14 via the electrical insulation layer 34. Therefore, heat can flow from the vacuum vessel 14 to the conductive plate 26b via the electrical insulation layer 34.
  • the thickness of the electrical insulation layer 34 is as thin as possible.
  • the electrical insulation layer 34 may be selected, for example, from the range of 1 mm to 10 mm. Note that when the electrical insulation layer 34 is a thick plate, the area of the electrical insulation layer 34 (and the conductive plate 26b) that contacts the fixing surface of the vacuum vessel 14 can be increased to increase the heat input from the vacuum vessel 14 to the conductive plate 26b.
  • the bus bar 28 is disposed at a distance from the fixing surface of the vacuum vessel 14 to which the rigid conductor 26 is fixed, and is fixed to the vacuum vessel 14 via the rigid conductor 26.
  • the bus bar 28 does not contact the vacuum vessel 14.
  • the bus bar 28 may extend along the fixed surface (e.g., bottom plate 14b) of the vacuum vessel 14 as shown in the figure, or may extend laterally (horizontally) within the vacuum vessel 14 when the vacuum vessel 14 is arranged with the top plate 14a facing upward and the bottom plate 14b facing downward.
  • the bus bar 28 may extend in another direction within the vacuum vessel 14, for example, vertically (vertically).
  • the bus bar 28 may be a thin plate or rod having a strip-shaped or rectangular cross-sectional shape.
  • the bus bar 28 can be cooled by thermal conduction from low-temperature parts such as the heat shield 16.
  • the conductor plate 26b is connected to the bus bar 28, it is not cooled as much as the bus bar 28 due to heat input from the surrounding environment caused by thermal coupling with the vacuum vessel 14. Since the vacuum vessel 14 has an ambient temperature (e.g., room temperature), the conductor plate 26b can be kept at or near the ambient temperature.
  • the vacuum feedthrough 24 is exposed to the surrounding environment and is therefore at the ambient temperature, just like the vacuum vessel 14.
  • the thermal coupling between the conductor plate 26b and the vacuum vessel 14 keeps the conductor plate 26b at approximately the same temperature as the vacuum feedthrough 24, making the temperature difference between them smaller than the temperature difference between low-temperature parts such as the heat shield 16 and the rigid conductor 26.
  • the rigid conductor 26 makes it possible to prevent the vacuum feedthrough 24 from being affected by the temperature drop in the bus bar 28 due to heat conduction from the low-temperature parts.
  • the current introduction line 20 by providing the current introduction line 20 with a rigid conductor 26 thermally coupled to the vacuum vessel 14, it is possible to suppress a temperature drop in the vacuum feedthrough 24 and prevent or reduce condensation from the surrounding environment onto the vacuum feedthrough 24. Compared to existing condensation countermeasures that use the installation of a heater or the blowing of heated air, it is possible to suppress condensation on the current introduction line 20 of the superconducting magnet device 10 with a simple configuration.
  • the rigid conductor 26 is also provided with a deformable portion 26c that is attached to the bus bar 28 so as to electrically connect the conductor plate 26b to the bus bar 28.
  • the deformable portion 26c is bent so as to rise from the conductor plate 26b relative to the fixed surface of the vacuum vessel 14. Therefore, when the bus bar 28 and the second end 26d are displaced in the extension direction of the bus bar 28 (for example, the left-right direction in the figure), the deformable portion 26c can bend relative to the conductor plate 26b.
  • the low-temperature parts such as the heat shield 16 and the bus bar 28 may thermally shrink due to cooling.
  • the bus bar 28 may be pulled toward the low-temperature parts as shown diagrammatically by the arrow 36 in FIG. 2.
  • the deformable part 26c may bend in response to such deformation of the bus bar 28 as shown diagrammatically by the arrow 38.
  • the displacement of the bus bar 28 due to thermal contraction is absorbed by the deformable part 26c. Since the rigid conductor 26 is fixed to the vacuum vessel 14 by the conductor plate 26b, the effect of such thermal contraction is unlikely to extend to the vacuum feedthrough 24. It is possible to prevent the generation of excessive thermal stress in, for example, the feedthrough insulation material 24b of the vacuum feedthrough 24, and thus the occurrence of unexpected deformation or damage to the vacuum feedthrough 24 and/or the vacuum vessel 14.
  • the deformable portion 26c is not limited to a bent portion.
  • the deformable portion 26c may have other structures formed on the rigid conductor 26 that can deform in response to the displacement of the bus bar 28.
  • the rigid conductor 26 is fixed directly to the wall of the vacuum vessel 14, but the rigid conductor 26 may be fixed to other locations within the vacuum vessel 14, as exemplified below.
  • FIG. 3 is a side view that shows a schematic diagram of another example of the current introduction line 20 according to the embodiment.
  • the current introduction line 20 includes a vacuum feedthrough 24, a rigid conductor 26, and a bus bar 28.
  • the rigid conductor 26 electrically connects the vacuum feedthrough 24 to the bus bar 28.
  • the rigid conductor 26 is fixed to the support member 40 with the electrical insulation layer 34 sandwiched between the support member 40 and the rigid conductor 26, and is thermally coupled to the support member 40 via the electrical insulation layer 34.
  • the support member 40 may be formed of a metal material such as stainless steel, and may have a plate shape or other shape.
  • the support member 40 may be fixed, for example, to a base 42 fixed to the wall of the vacuum vessel 14 within the vacuum vessel 14.
  • a support 44 that supports the superconducting coil 12 may be attached to this base 42. In this way, the rigid conductor 26 may be thermally coupled to the vacuum vessel 14 via the support member 40.
  • the rigid conductor 26 is described as a plate member made of a conductive material.
  • the rigid conductor 26 is not limited to such a plate, and may be, for example, a conductive rod or block.
  • the present invention can be used in the fields of current introduction lines and superconducting magnet devices.

Abstract

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。

Description

電流導入ラインおよび超伝導磁石装置
　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。
　本発明は、電流導入ラインおよび超伝導磁石装置の分野における利用が可能である。
　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。
PCT/JP2023/036219 2022-12-21 2023-10-04 電流導入ラインおよび超伝導磁石装置 WO2024135035A1 (ja)

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