JP6546115B2

JP6546115B2 - 超電導マグネット装置

Info

Publication number: JP6546115B2
Application number: JP2016068759A
Authority: JP
Inventors: 温子糸木
Original assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Current assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: JP2017183527A; US20170287607A1; US10002697B2

Description

本発明は、超電導マグネット装置に関するものである。

従来、超電導コイルを超電導状態で使用することによって高い磁場を生じさせる超電導マグネット装置が知られている。一般に、超電導マグネット装置は、超電導コイルと、超電導コイルを収容する真空容器と、真空容器に装着された電極部材と、超電導コイルと電極部材とを接続する導電部材（銅線等）と、真空容器に装着されており超電導コイルを冷却するための冷凍ユニットと、を備えている。このような超電導マグネット装置では、冷凍機によって超電導コイルが極低温に冷却される一方、電極部材は、真空容器に装着されているため、常温（３００Ｋ程度）下に置かれる。ここで、電極部材は、銅線等の導電部材を介して超電導コイルに接続されているので、冷凍機からの冷熱が導電部材を介して電極部材に伝達し、これにより電極部材に霜が付着する場合がある。この課題に対応する技術が特許文献１に開示されている。

特許文献１では、電極ピンへの霜の付着を抑制するために、超電導コイルと電極ピンとを接続する銅線の一部が真空容器の内面に押し当てられている。このため、冷凍機からの冷熱が銅線を介して電極ピンに至る途中で真空容器へ伝達する。これにより、前記冷熱が真空容器から放熱されるので、電極ピンの冷え過ぎに起因する当該電極ピンへの霜の付着が抑制される。

特開２００９−２７７９５１号公報

特許文献１に記載の超電導マグネット装置では、真空容器からの冷熱の放熱量がより多く確保されることが望ましい。また、真空容器がステンレスからなる場合、真空容器のうち銅線が押し当てられた部位の外面に前記部位に対応する形状に霜が付着することが懸念される。

本発明の目的は、電極部材及び真空容器の双方への霜の付着を抑制可能な超電導マグネット装置を提供することである。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、超電導マグネット装置であって、超電導コイルと、前記超電導コイルを収容する輻射シールドと、前記超電導コイルと前記輻射シールドとを冷却する冷凍ユニットと、前記輻射シールドを収容する真空容器と、前記真空容器に設けられた電極部材と、前記電極部材と前記超電導コイルとを接続する導電部材と、を備え、前記真空容器は、前記超電導コイルを収容する容器本体と、前記容器本体に接続されており前記冷凍ユニットを包囲する包囲部と、を有し、前記導電部材は、筒状の外周面を有しており前記包囲部の内面に対して絶縁部材を介して熱的に接触可能な接触部を有し、前記包囲部は、当該包囲部の径方向について少なくとも前記接触部と重なる部位の表面を含む放熱部を有し、前記放熱部の熱伝導率は、ステンレスの熱伝導率よりも高い、超電導マグネット装置を提供する。

本超伝導マグネット装置では、導電部材から真空容器の包囲部への冷熱の入熱量が確保され、しかも、その冷熱は、放熱部から有効に放散されるので、電極部材及び真空容器の双方への霜の付着が抑制される。具体的に、接触部は、筒状の外周面を有していることにより包囲部の内面に対して熱的に面接触又はそれに近い状態で接触するので、接触部から包囲部への冷熱の入熱量が確保される。換言すれば、導電部材から電極部材への冷熱の入熱量が低減される。よって、電極部材への霜の付着が抑制される。なお、包囲部と接触部との電気的な接触は、絶縁部材により遮断される。そして、放熱部の熱伝導率がステンレスの熱伝導率よりも高いので、冷凍ユニットから超電導コイル及び接触部を介して包囲部に伝達された冷熱は、放熱部から有効に放散される。よって、包囲部への霜の付着も抑制される。

この場合において、前記接触部が前記絶縁部材を介して前記包囲部の内面に密着するように当該接触部を前記包囲部に押し付ける押付部をさらに有することが好ましい。

このようにすれば、接触部の包囲部の内面への接触圧力がより高まるので、つまり、接触部と包囲部との熱的接触がより強固になるので、接触部から包囲部への冷熱の入熱量がより確実に確保される。

さらにこの場合において、前記接触部は、前記包囲部の内面に沿うように当該包囲部の周方向に沿って延びる形状を有する接触部本体と、前記接触部本体の一方側の端部に接続された第１対向部と、前記接触部本体の他方側の端部に接続されており、前記周方向について前記第１対向部と対向する第２対向部と、を有し、前記押付部は、前記第１対向部と前記第２対向部とが前記周方向に互いに離間するように前記第１対向部に対して前記第２対向部を付勢することによって前記接触部本体を前記包囲部に押し付け、前記押付部の熱伝導率は、前記接触部の熱伝導率よりも低いことが好ましい。

この態様では、押付部が各対向部を付勢することにより接触部本体が外向きに広がるように変形しようとするので、接触部本体が直接包囲部に向けて押し付けられる場合に比べて接触部本体と包囲部との強固な熱的接触状態が簡単に構築される。また、押付部の熱伝導率が接触部のそれよりも低いので、超電導コイルから電極部材に向かって伝達する冷熱は、押付部ではなく主に接触部本体を経由する。よって、接触部から包囲部への冷熱の入熱量が効果的に確保される。

また、前記超電導マグネット装置において、前記包囲部は、筒状に形成されているとともに前記容器本体に接続されておりかつステンレスからなる筒部をさらに有し、前記放熱部は、アルミニウムからなり、前記筒部のうち当該筒部の径方向について少なくとも前記接触部と重なる部位の外面を被覆する形状を有することが好ましい。

このようにすれば、接触部を介してステンレスからなる筒部に進入した冷熱が、ステンレスの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有するアルミニウムからなる放熱部を介して有効に放散される。

以上のように、本発明によれば、電極部材及び真空容器の双方への霜の付着を抑制可能な超電導マグネット装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の超電導マグネット装置の概略を示す断面図である。図１に示す接触部の近傍の拡大図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線での断面図である。押付部の近傍の拡大図である。押付部の近傍の斜視図である。包囲部の側面図である。

本発明の一実施形態の超電導マグネット装置について、図１〜図６を参照しながら説明する。

図１に示されるように、超電導マグネット装置は、超電導コイル１０と、ヘリウム槽１４と、輻射シールド２０と、真空容器３０と、電極部材４０と、導電部材５０と、冷凍ユニット８０と、を備えている。

超電導コイル１０は、超電導体（超電導物質）からなる線材を巻枠に巻回することにより得られるコイルである。

ヘリウム槽１４は、超電導コイル１０と液体ヘリウム１２とを収容する。ヘリウム槽１４は、ステンレスからなる。このヘリウム槽１４には、冷凍ユニット８０の一部を包囲する筒部１５が接続されている。ヘリウム槽１４で液体ヘリウム１２が蒸発することにより生じたヘリウムガスは、筒部１５内の冷凍ユニット８０で冷却されることにより凝縮する。これにより生じた液体ヘリウム１２は、ヘリウム槽１４に滴下する。

輻射シールド２０は、ヘリウム槽１４及び筒部１５を被覆する形状を有している。輻射シールド２０は、アルミニウムからなる。輻射シールド２０は、当該輻射シールド２０外からヘリウム槽１４への熱の侵入を抑制する。輻射シールド２０は、ヘリウム槽１４を収容する胴部２２と、胴部２２に接続されており筒部１５を取り囲む円筒部２４と、を有する。

真空容器３０は、輻射シールド２０を被覆する形状を有している。真空容器３０内は真空に保たれる。これにより真空容器３０内への熱の侵入が抑制される。真空容器３０は、容器本体３２と、包囲部３４と、上壁３５と、を有する。

容器本体３２は、超電導コイル１０、ヘリウム槽１４及び輻射シールド２０の胴部２２を収容する。具体的に、容器本体３２は、円筒状の内周壁及び円筒状の外周壁を有しており、これら内周壁及び外周壁間の空間に超電導コイル１０、ヘリウム槽１４及び輻射シールド２０の胴部２２を収容している。図１に示されるように、超電導コイル１０、ヘリウム槽１４、輻射シールド２０の胴部２２及び容器本体３２は、それぞれ、その中心軸が水平となる姿勢で配置されている。容器本体３２は、ステンレスからなる。

包囲部３４は、容器本体３２に接続されており冷凍ユニット８０の一部を包囲する。本実施形態では、包囲部３４は、円筒状に形成されている。この包囲部３４の詳細については後述する。

上壁３５は、包囲部３４の上端部に接続されている。上壁３５には、電極部材４０及び冷凍ユニット８０が接続されている。

冷凍ユニット８０は、真空容器３０（本実施形態では上壁３５）に対して着脱自在に接続可能である。冷凍ユニット８０は、第１冷却ステージ８１と、第２冷却ステージ８２と、を有する。

第１冷却ステージ８１は、輻射シールド２０に接続される。第２冷却ステージ８２は、ヘリウム槽１４から上方に延びる筒部１５内に配置される。冷凍ユニット８０の駆動部８３が駆動されると、第１冷却ステージ８１の温度は、３０Ｋ〜６０Ｋとなり、第２冷却ステージ８２の温度は、４Ｋ程度となる。本実施形態では、駆動部８３が駆動されると、輻射シールド２０は、当該輻射シールド２０の温度が約４０Ｋ〜９０Ｋとなるまで冷却され、また、ヘリウム槽１４内の液体ヘリウム１２の気化により生じたヘリウムガスは、第２冷却ステージ８２に冷却されることによって凝縮する。

本実施形態では、容器本体３２には、別の包囲部３４Ａが接続されており、この別の包囲部３４Ａに取り付けられた上壁に別の冷凍ユニット８０Ａが取り付けられている。なお、この冷凍ユニット８０Ａの構造は、前記冷凍ユニット８０のそれとほぼ同じであるので、説明を省略する。

導電部材５０は、超電導コイル１０と電極部材４０とを接続する。具体的に、導電部材５０は、超電導コイル１０と輻射シールド２０とを接続する低温側導体５２と、輻射シールド２０と電極部材４０とを接続する高温側導体６０と、を有する。

低温側導体５２は、酸化物リード５４を含む。酸化物リード５４は、外部から超電導コイル１０への熱の侵入を抑制しつつ電極部材４０から超電導コイル１０に電気を通すことが可能な導体である。酸化物リード５４は、第１冷却ステージ８１と同じ温度レベルの部材に接続される。本実施形態では、酸化物リード５４は、第１冷却ステージ８１に固定されたプレートに接続されている。酸化物リード５４は、銅線５６を介して超電導コイル１０と接続されている。

高温側導体６０は、包囲部３４の内面に接触する接触部６２を含んでいる。接触部６２は、筒状の外周面を有しており、絶縁部材（図示略）を介して包囲部３４の内面に熱的に接触している。本実施形態では、接触部６２として銅ブスバーが用いられている。接触部６２の一端は、銅線７２を介して電極部材４０に接続されており、接触部６２の他端は、銅線７２を介して酸化物リード５４に接続されている。具体的に、接触部６２は、電極部材４０のプラス極と酸化物リード５４との間に設けられたプラス側接触部と、電極部材４０のマイナス極と酸化物リード５４との間に設けられたマイナス側接触部と、を有している。これらプラス側接触部及びマイナス側接触部は、互いに同じ構造を有している。このため、以下では、一方の接触部について説明する。図４及び図５に示されるように、接触部６２は、接触部本体６４と、第１対向部６６と、第２対向部６８と、を有する。

接触部本体６４は、包囲部３４の内面に沿うように当該包囲部３４の周方向に沿って延びる形状を有している。つまり、本実施形態では、接触部本体６４は、円筒状の外周面を有している。接触部本体６４は、前記絶縁部材を介して包囲部３４の内周面に熱的に接触している。

第１対向部６６は、接触部本体６４の一方側の端部に接続されている。第１対向部６６は、接触部本体６４の一方側の端部から当該接触部本体６４の径方向の内側に向かって延びる形状を有している。第１対向部６６と接触部本体６４との角部には、銅線７２を取り付けるための第１取付台７０が固定（溶接）されている。図２及び図３に示されるように、第１取付台７０に接続された銅線７２は、酸化物リード５４に接続されている。

第２対向部６８は、接触部本体６４の他方側の端部に接続されている。第２対向部６８は、接触部本体６４の周方向について第１対向部６６と対向する。第２対向部６８は、接触部本体６４の他方側の端部から当該接触部本体６４の径方向の内側に向かって延びる形状を有している。第２対向部６８と接触部本体６４との角部には、銅線７２を取り付けるための第２取付台７１が固定（溶接）されている。図２及び図３に示されるように、第２取付台７１に接続された銅線７２は、電極部材４０に接続されている。

本実施形態の超電導マグネット装置は、押付部９０をさらに備えている。押付部９０は、接触部本体６４の外面が前記絶縁部材を介して包囲部３４の内面に密着するように当該接触部本体６４を包囲部３４に押し付ける。具体的に、押付部９０は、第１対向部６６と第２対向部６８とが前記周方向に互いに離間するように（接触部本体６４の径が拡大するように）第１対向部６６に対して第２対向部６８を付勢することによって接触部本体６４を包囲部３４に押し付ける。押付部９０の熱伝導率は、接触部６２の熱伝導率よりも低い。このため、超電導コイル１０から電極部材４０に向かう冷熱は、押付部９０ではなく主に接触部６２を経由する。本実施形態では、押付部９０は樹脂からなる。

押付部９０は、ボルト９２と、ナット９４と、を有している。第１対向部６６には、ボルト９２の軸部の挿通を許容する貫通孔が形成されており、第１取付台７０には、前記軸部を受け入れることが可能な凹部が形成されている。図４及び図５に示されるように、ナット９４は、ボルト９２の軸部が前記貫通孔内及び前記凹部内に位置するとともにボルト９２の頭部が第２対向部６８に当接している状態で前記軸部に取り付けられている。ナット９４は、ボルト９２の頭部が第２対向部６８を押圧した状態における第１対向部６６に対するボルト９２の頭部の位置を固定する（ボルト９２が緩まないようにロックする）。このため、ナット９４に対してボルト９２が回転されることにより、第１対向部６６及び第２対向部６８間の距離が変更される。例えば、第１対向部６６及び第２対向部６８間の距離が大きくなるようにボルト９２を回転させるにしたがって、接触部本体６４の包囲部３４に対する接触圧力が次第に大きくなる（接触部本体６４と包囲部３４との熱的接触がより強固になる）。

ここで、包囲部３４について説明する。包囲部３４は、筒部３６と、放熱部３８と、を有している。

筒部３６は、当該筒部３６の中心軸が容器本体３２の中心軸と直交する姿勢で容器本体３２に接続されている。筒部３６は、ステンレスからなる。本実施形態では、筒部３６には、連結筒３７ａ及び蓋部３７ｂが接続されている。連結筒３７ａは、筒部３６の側部に接続されている。蓋部３７ｂは、連結筒３７ａに対して着脱自在に接続可能である。

放熱部３８は、筒部３６に固定されている。放熱部３８の熱伝導率は、筒部３６の熱伝導率（ステンレスの熱伝導率）よりも高い。本実施形態では、放熱部３８は、アルミニウムからなる。放熱部３８は、筒部３６のうち筒部３６の径方向について少なくとも接触部６２と重なる部位の表面を被覆する。本実施形態では、図２及び図６に示されるように、放熱部３８は、筒部３６の外周面の半分以上の領域を被覆する形状（連結筒３７ａを回避しながら筒部３６の周方向に連続的につながる形状）を有している。放熱部３８の面積は、筒部３６のうち接触部６２と重なる部位の表面積の１０倍以上に設定されることが好ましい。放熱部３８は、当該放熱部３８の内周面が筒部３６の外周面に密着するようにバンド３９により筒部３６に固定されている。

以上に説明したように、本実施形態の超電導マグネット装置では、当該装置の運転中における導電部材５０から真空容器３０の包囲部３４への冷熱の入熱量が確保され、しかも、その冷熱は、放熱部３８から有効に放散されるので、電極部材４０及び真空容器３０の双方への霜の付着が抑制される。具体的に、接触部６２は、筒状の外周面を有していることにより包囲部３４の内面に対して熱的に面接触又はそれに近い状態で接触するので、接触部６２から包囲部３４への冷熱の入熱量が確保される。換言すれば、導電部材５０から電極部材４０への冷熱の入熱量が低減される。よって、電極部材４０への霜の付着が抑制される。なお、包囲部３４と接触部６２との電気的な接触は、絶縁部材により遮断される。そして、放熱部３８の熱伝導率がステンレスの熱伝導率よりも高いので、冷凍ユニット８０から超電導コイル１０及び接触部６２を介して包囲部３４に伝達された冷熱は、放熱部３８から有効に放散される。よって、包囲部３４への霜の付着も抑制される。

また、超電導マグネット装置は、接触部６２を包囲部３４の内面に押し付ける押付部９０を有している。このため、接触部６２の包囲部３４の内面への接触圧力がより高まるので、つまり、接触部６２と包囲部３４との熱的接触がより強固になるので、接触部６２から包囲部３４への冷熱の入熱量がより確実に確保される。

より具体的には、押付部９０は、第１対向部６６に対して第２対向部６８を付勢することによって接触部本体６４を包囲部３４の内面に押し付ける。この態様では、押付部９０が各対向部６６，６８を付勢することにより接触部本体６４が外向きに広がるように変形しようとするので、接触部本体６４が直接包囲部３４に向けて押し付けられる場合に比べて接触部本体６４と包囲部３４との強固な熱的接触状態が簡単に構築される。

また、押付部９０の熱伝導率は、接触部６２の熱伝導率よりも低いので、超電導コイル１０から電極部材４０に向かって伝達する冷熱は、押付部９０ではなく主に接触部本体６４を経由する。よって、接触部６２から包囲部３４への冷熱の入熱量が効果的に確保される。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、液体ヘリウム１２及びヘリウム槽１４は省略されてもよい。この場合、超電導コイル１０は、冷凍ユニット８０の第２冷却ステージ８２に接続されたプレートを介して冷凍ユニット８０に冷却される。

また、筒部３６は、アルミニウムにより構成されてもよい。この場合、筒部３６及び放熱部３８は一体的に形成されることが好ましい。

また、筒部３６は、円筒状に限られない。筒部３６は、多角筒状に形成されてもよい。この場合、接触部本体６４は、筒部３６の内周面に沿う形状に形成される。

また、押付部９０は、第１対向部６６と第２対向部６８とが筒部３６の周方向に互いに離間するように第１対向部６６に対して第２対向部６８を付勢するものであれば、ボルト９２及びナット９４に限られない。例えば、押付部９０として、第１対向部６６に対して第２対向部６８を付勢可能でかつ接触部６２の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する弾性部材が採用されてもよい。ただし、上記実施形態のように押付部９０としてボルト９２及びナット９４を採用することにより、接触部本体６４の包囲部３４への押付力の調整が容易になる。

１０超電導コイル
１４ヘリウム槽
２０輻射シールド
３０真空容器
３２容器本体
３４包囲部
３６筒部
３８放熱部
４０電極部材
５０導電部材
５２低温側導体
５４酸化物リード
５６銅線
６０高温側導体
６２接触部
６４接触部本体
６６第１対向部
６８第２対向部
７２銅線
８０冷凍ユニット
８１第１冷却ステージ
８２第２冷却ステージ
９０押付部
９２ボルト
９４ナット

Claims

超電導マグネット装置であって、
超電導コイルと、
前記超電導コイルを収容する輻射シールドと、
前記超電導コイルと前記輻射シールドとを冷却する冷凍ユニットと、
前記輻射シールドを収容する真空容器と、
前記真空容器に設けられた電極部材と、
前記電極部材と前記超電導コイルとを接続する導電部材と、を備え、
前記真空容器は、
前記超電導コイルを収容する容器本体と、
前記容器本体に接続されており前記冷凍ユニットを包囲する包囲部と、を有し、
前記導電部材は、筒状の外周面を有しており前記包囲部の内面に対して絶縁部材を介して熱的に接触可能な接触部を有し、
前記包囲部は、当該包囲部の径方向について少なくとも前記接触部と重なる部位の表面を含む放熱部を有し、
前記放熱部の熱伝導率は、ステンレスの熱伝導率よりも高い、超電導マグネット装置。
請求項１に記載の超電導マグネット装置において、
前記接触部が前記絶縁部材を介して前記包囲部の内面に密着するように当該接触部を前記包囲部に押し付ける押付部をさらに有する、超電導マグネット装置。
請求項２に記載の超電導マグネット装置において、
前記接触部は、
前記包囲部の内面に沿うように当該包囲部の周方向に沿って延びる形状を有する接触部本体と、
前記接触部本体の一方側の端部に接続された第１対向部と、
前記接触部本体の他方側の端部に接続されており、前記周方向について前記第１対向部と対向する第２対向部と、を有し、
前記押付部は、前記第１対向部と前記第２対向部とが前記周方向に互いに離間するように前記第１対向部に対して前記第２対向部を付勢することによって前記接触部本体を前記包囲部に押し付け、
前記押付部の熱伝導率は、前記接触部の熱伝導率よりも低い、超電導マグネット装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、
前記包囲部は、筒状に形成されているとともに前記容器本体に接続されておりかつステンレスからなる筒部をさらに有し、
前記放熱部は、アルミニウムからなり、前記筒部のうち当該筒部の径方向について少なくとも前記接触部と重なる部位の外面を被覆する形状を有する、超電導マグネット装置。