超電導マグネット装置
【課題】冷却室を小型化し、超電導マグネット装置を小型化することが可能な超電導マグネット装置を提供する。
【解決手段】メインコイル５が巻回された円筒形状のメインフォーマ１３と、シールドコイル６が巻回され、メインフォーマの径方向外側を覆うようにメインフォーマ１３と同芯に設けられた円筒形状のシールドフォーマ１５と、シールドフォーマ１５を覆うようにメインフォーマ１３と同芯に設けられた円筒形状の外筒１８と、メインフォーマ１３と外筒１８との夫々の軸方向両端部を封止することにより冷却室２を形成していると共に、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５と外筒との夫々の軸方向両端部に当接する環状の位置決め機構を同芯に備えた一対のエンドプレート１４ａ・１４ｂとを有している
【解決手段】メインコイル５が巻回された円筒形状のメインフォーマ１３と、シールドコイル６が巻回され、メインフォーマの径方向外側を覆うようにメインフォーマ１３と同芯に設けられた円筒形状のシールドフォーマ１５と、シールドフォーマ１５を覆うようにメインフォーマ１３と同芯に設けられた円筒形状の外筒１８と、メインフォーマ１３と外筒１８との夫々の軸方向両端部を封止することにより冷却室２を形成していると共に、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５と外筒との夫々の軸方向両端部に当接する環状の位置決め機構を同芯に備えた一対のエンドプレート１４ａ・１４ｂとを有している
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却媒体が収容される冷却室を有する超電導マグネット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、超電導マグネット装置は、超電導マグネットが、主に磁場空間に磁場を生成するメインフォーマに巻回されたメインコイルと、メインコイルが発生する磁場が装置外へ漏洩することを抑制するシールドフォーマに巻回されたシールドコイルから成る。このような超電導マグネットは、冷却媒体が収容される冷却室に設けられて冷却される。
【０００３】
このような超電導マグネット装置として、例えば、特許文献１のようなものが知られている。特許文献１には、メインフォーマ及びシールドフォーマに夫々巻回され軸方向が実質的に水平となるように同心状に配置されたメインコイル及びシールドコイルと、これらの巻枠を支持する支持部材とが冷却室に配置された超電導マグネット装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０５３２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、冷却室内で超電導マグネットを効率良く冷却するため、冷却室の外側には真空室等の断熱構造が設けられることが一般的である。この断熱構造の大きさは冷却室の大きさを基準に設計されるため、冷却室の小型化によって断熱構造を含む超電導マグネット装置を小型化することに期待が寄せられている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のようなメインコイル及びシールドコイルを夫々巻回するメインフォーマ及びシールドフォーマとこれらの巻枠を支持する支持構造とを冷却室に設ける構造では、冷却室の小型化に限界が生じていた。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、冷却室を小型化し、超電導マグネット装置を小型化することが可能な超電導マグネット装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、冷却媒体が収容される冷却室を有する超電導マグネット装置であって、メインコイルが巻回された円筒形状のメインフォーマと、シールドコイルが巻回され、前記メインフォーマの径方向外側を覆うように前記メインフォーマと同芯に設けられた円筒形状のシールドフォーマと、前記シールドフォーマを覆うように前記メインフォーマと同芯に設けられた円筒形状の外筒と、前記メインフォーマと前記外筒との夫々の軸方向両端部を封止することにより前記冷却室を形成していると共に、前記メインフォーマと前記シールドフォーマと前記外筒との夫々の軸方向両端部に当接する環状の位置決め機構を同芯に備えた一対のエンドプレートとを有していることを特徴とする
【０００９】
上記構成によれば、冷却媒体が収容される冷却室は、メインフォーマと外筒との隙間を一対のエンドプレートが夫々の軸方向両端部を封止することにより形成されている。これにより、メインコイルを巻回するためのメインフォーマが冷却室の径方向内側の壁面を兼ねている。従って、メインフォーマとは別に冷却室の径方向内側の壁面構造を設ける必要がなく、また、メインフォーマの支持構造が不要である。また、冷却室を封止するエンドプレートがメインフォーマ、シールドフォーマ、及び、外筒の夫々の軸方向両端部に当接して位置決めしている。従って、メインフォーマ、シールドフォーマ、及び、外筒を軸方向に支持する構造が不要である。この結果、冷却室を小型化し、超電導マグネット装置を小型化することが可能である。また、一対のエンドプレートは、円環状の位置決め機構を同芯に備え、各位置決め機構にメインフォーマとシールドフォーマと外筒とが当接される。これにより、メインフォーマとシールドフォーマと外筒との配設について容易に位置決めし、同芯とすることができる。
【００１０】
また、本発明の超電導マグネット装置は、前記封止が溶接加工によって行われてもよい。
【００１１】
上記構成によれば、冷却室が溶接加工により封止されるため、ネジ止め構造等が不要である。これにより、省スペース化することができ、超電導マグネット装置を小型化することが可能である。
【００１２】
また、本発明の超電導マグネット装置は、前記エンドプレートの少なくとも一方は、前記シールドフォーマの軸方向両端部と当接する当接面の一部に突出する凸部が形成され、前記シールドフォーマは、前記凸部に嵌合する凹部が形成されていてもよい。
【００１３】
上記構成によれば、シールドフォーマは、エンドプレートの少なくとも何れか一方に形成された凸部に凹部が嵌合された状態で支持される。これにより、シールドフォーマが冷却室に対して周方向に回転することを防止することができる。
【００１４】
また、本発明の超電導マグネット装置は、前記メインフォーマと、前記シールドフォーマと、前記エンドプレートと、前記外筒とがステンレス鋼であってもよい。
【００１５】
上記構成によれば、冷却室を構成するメインフォーマ、シールドフォーマ、エンドプレート、及び、外筒、がステンレス鋼で形成されている。これにより、これらの部材の熱収縮率を同じとし、冷却等による熱収縮によって各部材間の位置関係にずれが発生することを防止することができる。その結果、メインコイル及びシールドコイルの位置ずれの発生を軽減することができる。
【００１６】
また、本発明の超電導マグネット装置は、前記メインフォーマと前記シールドフォーマとの間の断面形状に沿って配設された前記超電導マグネットの制御回路基板をさらに有していてもよい。
【００１７】
一般的に、シールドコイルは、メインコイルの径方向外側に発生する磁場を打ち消すために設けられ、メインフォーマとシールドフォーマとの間に空間を設ける必要がある。上記構成によれば、メインフォーマとシールドフォーマとの間の空間の断面形状に沿って、超電導マグネットの制御回路基板が設けられている。これにより、省スペース化して冷却室の大きさをさらに縮小することができ、超電導マグネット装置を小型化することができる。
【００１８】
また、本発明の超電導マグネット装置は、前記外筒は、前記シールドフォーマに設けられた冷却媒体及び電流リードを外部から導入するための導入部材が遊挿状態で挿通される挿通口を有していてもよい。
【００１９】
上記構成によれば、導入部材を挿通口に遊挿させることができる。これにより、冷却室の径方向について、導入部材分の長さを軽減させ冷却室の大きさをさらに縮小することができ、超電導マグネット装置を小型化することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、冷却室を小型化することにより、超電導マグネット装置を小型化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】超電導マグネット装置の全体を示す概略図である。
【図２】冷却容器の断面を示す模式図である。
【図３】冷却容器の部分断面を示す模式図である。
【図４】シールドフォーマ及びエンドプレートの図３におけるＩＶ−ＩＶ線の部分断面を示す模式図である。
【図５】冷却容器の図２におけるＶ−Ｖ線断面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
（超電導マグネット装置）
図１は、本発明の一実施形態に係る超電導マグネット装置１の全体を示す概略図である。図１に示すように、本実施形態の超電導マグネット装置１は、ハウジング１ａと、導入部１ｂと、排気部１ｃとを有している。
【００２４】
ハウジング１ａは、外形が貫通孔１ｄを有した円筒形状に形成されている。貫通孔１ｄは、ハウジング１ａにおいて同芯に形成されている。即ち、ハウジング１ａと貫通孔１ｄとは共通の中心軸Ｚ（図１の二点鎖線）を有している。本実施形態では、超電導マグネット装置１は、ハウジング１ａ下面を支持する支持機構（図示せず）を介して、中心軸Ｚが水平方向と平行となるように設置される。ハウジング１ａは、中空にされ、該中空空間が真空にされた真空室３を形成している。ハウジング１ａの真空室３には、冷却媒体（図示せず）を収容する冷却室２を形成する冷却容器１２と、ハウジング１ａから冷却容器１２への熱浸入を軽減する遮へい板４とが配設される。このように、冷却容器１２は、ハウジング１ａが形成する真空室３に配設されることで、冷却容器１２の断熱性が向上され、冷却容器１２内における超電導マグネットの冷却効率が向上されている。
【００２５】
導入部１ｂと排気部１ｃとは、外形が円柱形状を有し、ハウジング１ａから鉛直上方向に突出するように並列して形成されている。即ち、導入部１ｂと排気部１ｃとは、ハウジング１ａの上面においてハウジング１ａの軸方向に対向するように形成されている。
【００２６】
導入部１ｂは、内部に冷却室２と連通する連通機構を有しており、冷却媒体及び超電導マグネットへ電流を供給するための電流リード等を冷却室２に導入することを可能としている。排気部１ｃは、ハウジング１ａ内の真空室３と連通する連通機構と、該連通機構を介して真空室３を真空排気すると共に真空室３の真空状態を維持する真空排気装置とを有している（図示せず）。
【００２７】
尚、以降、特記しない場合、ハウジング１ａの中心軸Ｚが水平方向と平行、且つ、導入部１ｂ及び排気部１ｃの軸方向が鉛直方向と平行に設置された超電導マグネット装置１について説明する。尚、このような設置態様に限定されず、例えば、超電導マグネット装置１は、中心軸Ｚが水平方向に対して傾きを有して設置されるものであってもよい。
【００２８】
（遮へい板４）
ハウジング１ａ内に配設される遮へい板４は、同芯の二重管構造を有し、二重管構造が形成する隙間が軸方向に封止された略円筒形状を有している。遮へい板４は、貫通孔１ｄの径方向外側のハウジング１ａ内部に、中心軸Ｚと同芯に設置される。遮へい板４は、二重管構造の隙間に冷却容器１２全体を覆うように冷却容器１２を収容する。これにより、遮へい板４は、ハウジング１ａの外部から冷却容器１２へ侵入する熱を軽減し、冷却容器１２内における超電導マグネットの冷却効率を向上させる。
【００２９】
（冷却容器１２）
冷却容器１２は、冷却媒体が収容される冷却室２を形成する。冷却容器１２は、同芯の二重管構造を有し、二重管構造が形成する隙間が軸方向に封止された略円筒形状を有している。冷却容器１２は、遮へい板４の内径から径方向外側の真空室３に、中心軸Ｚと同芯に設置される。冷却容器１２に収容される冷却媒体には、冷却容器１２と同芯に巻回される超電導マグネット（メインコイル５、及び、シールドコイル６）の少なくとも一部が浸漬され、冷却される。本実施形態では、冷却媒体に液体ヘリウムを用いる。
【００３０】
図２に示すように、超電導マグネット装置１は、冷却容器１２がメインフォーマ１３と、外筒１８と、一対のエンドプレート１４ａ・１４ｂとを有している。また、冷却容器１２内には、シールドフォーマ１５と、超電導マグネットの制御回路を有するサービスプレート７、及び、冷却媒体及び超電導マグネットへ電流を供給するための電流リード（図示せず）を外部から冷却容器１２内へ導入するためのコーン１７とが設けられている。このような冷却容器１２及び冷却容器１２内の各構成について具体的に説明する。
【００３１】
（メインフォーマ１３）
メインフォーマ１３は、円筒形状を有し、径方向内側の磁場空間に磁場を生成するメインコイル５が巻回されるようになっている。具体的に、メインフォーマ１３は、円筒部１３ａと、フランジ部１３ｂ・１３ｃと、メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅとを有している。円筒部１３ａは、円筒形状を有している。円筒部１３ａは、二重管構造を有する冷却容器１２の内径側の壁面を構成する。換言すれば、円筒部１３ａは、冷却容器１２に軸方向に貫通する貫通孔を形成する。
【００３２】
フランジ部１３ｂ・１３ｃは、円筒部１３ａの軸方向両端部の径方向外側に張出した円環状に形成されている。フランジ部１３ｂ・１３ｃは、軸方向に薄肉に形成されている。フランジ部１３ｂ・１３ｃは、エンドプレート１４ａ・１４ｂに接合される。これにより、フランジ部１３ｂ・１３ｃは、エンドプレート１４ａ・１４ｂとで冷却容器１２の軸方向端面を形成する。換言すれば、メインフォーマ１３は、フランジ部１３ｂ・１３ｃが、軸方向両端部に径方向外側に張出し、少なくとも真空室３の真空圧に対して座屈しない程度に軸方向に薄肉化され、冷却室２の軸方向両端面の少なくとも一部を形成する。
【００３３】
尚、「真空圧に対して座屈しない程度」とは、メインフォーマ１３、外筒１８、及び、エンドプレート１４ａ・１４ｂによって冷却容器１２が形成され、冷却室２が大気圧にされた冷却容器１２がハウジング１ａに収容されて真空圧が外部から付加された状態において、冷却容器１２のメインフォーマ１３が真空圧に対して座屈しない強度に形成されていることを意味する。また、真空室３の真空圧は、中真空又は高真空の圧力範囲にされるものであるが、これに限定されず、特定の用途の要件に応じて、低真空又は高真空以上であってもよい。
【００３４】
メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅは、円筒部１３ａの軸方向中央に対向して配設される。メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅは、径方向外側に張出した円環状に形成されている。フランジ部１３ｂ・１３ｃ、及び、メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅは、円筒部１３ａと同芯に形成されている。
【００３５】
このように、メインフォーマ１３は、円筒形状であることに限定されず、一部に円筒形状部を有していればよい。
【００３６】
メインコイル５は、円筒部１３ａの径方向外側であって、軸方向に対向するフランジ部１３ｂ及びメインコイル支持部１３ｄの間と、軸方向に対向するメインコイル支持部１３ｄ及びメインコイル支持部１３ｅの間と、軸方向に対向するメインコイル支持部１３ｅ及びフランジ部１３ｃの間との夫々に、円筒部１３ａの周方向に巻回される。即ち、メインコイル５は、円筒部１３ａ、フランジ部１３ｂ・１３ｃ、及び、メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅによって位置決めされる。
【００３７】
（シールドフォーマ１５）
シールドフォーマ１５は、円筒形状を有し、メインコイル５が発生する磁場が超電導マグネット装置１の径方向外側へ漏洩することを抑制するシールドコイル６が巻回されるようになっている。シールドフォーマ１５は、メインフォーマ１３の径方向外側を覆うようにメインフォーマ１３と同芯に設けられている。具体的に、シールドフォーマ１５は、円筒部１５ａと、フランジ部１５ｂ・１５ｃと、シールドコイル支持部１５ｄ・１５ｅとを有している。円筒部１５ａは、円筒形状を有し、メインフォーマ１３の径方向外側を覆うように配設される。即ち、円筒部１５ａは、メインフォーマ１３のフランジ部１３ｂ・１３ｃ、及び、メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅの外径よりも大きい径を有していると共に、これらの径方向外側に配設される。円筒部１５ａは、メインフォーマ１３よりも軸方向に短く形成されている。
【００３８】
フランジ部１５ｂ・１５ｃは、円筒部１５ａの軸方向両端部の径方向外側に張出した円環状に形成されている。シールドコイル支持部１５ｄ・１５ｅは、円筒部１５ａの軸方向中央に対向して、径方向外側に張出した円環状に形成されている。フランジ部１５ｂ・１５ｃ、及び、シールドコイル支持部１５ｄ・１５ｅは、円筒部１５ａと同芯に形成されている。
【００３９】
このように、シールドフォーマ１５は、円筒形状であることに限定されず、一部に円筒形状部を有していればよい。
【００４０】
シールドコイル６は、円筒部１５ａの径方向外側であって、軸方向に対向するフランジ部１５ｂ及びシールドコイル支持部１５ｄの間と、軸方向に対向するシールドコイル支持部１５ｅ及びフランジ部１５ｃの間との夫々に、円筒部１５ａの周方向に巻回される。即ち、シールドコイル６は、円筒部１５ａ、フランジ部１５ｂ・１５ｃ、及び、シールドコイル支持部１５ｄ・１５ｅによって位置決めされる。
【００４１】
円筒部１５ａの軸方向へ隣り合うフランジ部１５ｂ及びシールドコイル支持部１５ｄの頭頂部には、コーン１７を支持するための板状のコーン支持台１９が軸方向に設置されている。コーン１７は、円筒形状を有し、軸方向が鉛直方向となるようにコーン支持台１９の上部に配設される。
【００４２】
（外筒１８）
外筒１８は、円筒形状を有している。外筒１８は、シールドフォーマ１５を覆うようにメインフォーマ１３と同芯に設けられている。具体的に、外筒１８は、シールドフォーマ１５のフランジ部１５ｂ・１５ｃ、及び、シールドコイル支持部１５ｄ・１５ｅの外径よりも大きい径を有していると共に、これらの径方向外側に配設される。外筒１８は、シールドフォーマ１５よりも軸方向に長く形成されている。また、外筒１８は、メインフォーマ１３よりも軸方向に短く形成されている。外筒１８は、二重管構造を有する冷却容器１２の外径側の壁面を構成する。
【００４３】
また、外筒１８には、コーン１７が遊挿状態で挿通される挿通口１８ａが上部に形成されている。換言すれば、外筒１８は、シールドフォーマ１５に設けられた冷却媒体及び電流リードを外部から導入するためのコーン１７が遊挿状態で挿通される挿通口１８ａを有している。挿通口１８ａは、導入部１ｂに連通される。
【００４４】
このように、コーン１７を挿通口１８ａに遊挿させることができる。これにより、冷却室２の径方向について、コーン１７分の長さを軽減させ冷却室２の大きさをさらに縮小することができ、超電導マグネット装置１を小型化することができる。
【００４５】
（エンドプレート１４ａ・１４ｂ）
エンドプレート１４ａ・１４ｂは、メインフォーマ１３と外筒１８との夫々の軸方向両端部を液密状態で封止することにより冷却室２を形成している。具体的に、エンドプレート１４ａ・１４ｂは、内径と外径とが同芯の円環形状に形成されている。エンドプレート１４ａ・１４ｂは、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５とを挟持するように、軸方向に対向して配置される。メインフォーマ１３は、シールドフォーマ１５よりも軸方向に長いため、エンドプレート１４ａ・１４ｂは、軸方向に屈曲して形成されている。即ち、エンドプレート１４ａ・１４ｂは、メインフォーマ１３が当接される径方向内側部分が、シールドフォーマ１５が当接される径方向外側部分よりも、軸方向真空室３に突出するように屈曲されている。
【００４６】
エンドプレート１４ａ・１４ｂは、内径側の端部がメインフォーマ１３のフランジ部１３ｂ・１３ｃの外径側の端部と溶接により接合され、接合箇所を液密状態で封止するようになっている。また、エンドプレート１４ａ・１４ｂは、外径側の端部が外筒１８の軸方向端部と溶接により接合され、接合箇所を液密状態で封止するようになっている。これにより、メインフォーマ１３と外筒１８とエンドプレート１４ａ・１４ｂとで冷却室２を形成し、冷却媒体を収容可能にしている。
【００４７】
このように、冷却媒体が収容される冷却室２は、メインフォーマ１３と外筒１８との隙間を一対のエンドプレート１４ａ・１４ｂが夫々の軸方向両端部を液密状態に封止することにより形成されている。これにより、メインコイル５を巻回するためのメインフォーマ１３が冷却室２の径方向内側の壁面を兼ねている。従って、メインフォーマ１３とは別に冷却室２の径方向内側の壁面構造を設ける必要がなく、また、メインフォーマ１３を径方向に支持する構造が不要である。また、冷却室２を封止するエンドプレート１４ａ・１４ｂがメインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、及び、外筒１８に当接して位置決めしている。従って、メインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、及び、外筒１８を軸方向に支持する構造が不要である。この結果、冷却室２を小型化し、超電導マグネット装置１を小型化することが可能である。
【００４８】
また、一対のエンドプレート１４ａ・１４ｂは、円環状の位置決め機構を同芯に備え、各位置決め機構にメインフォーマ１３とシールドフォーマ１５と外筒１８とが当接される。これにより、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５と外筒１８との配設について容易に位置決めし、同芯とすることができる。
【００４９】
尚、メインフォーマ１３と、シールドフォーマ１５と、エンドプレート１４ａ・１４ｂと、外筒１８とはステンレス鋼で形成されている。本実施形態では、ステンレス鋼として、ＪＩＳに規定されるＳＵＳ３０４Ｌを用いる。また、溶接時の溶加材としては、ＳＵＳ３０８Ｌを用いる。これにより、これらの部材の熱収縮率を同じとし、冷却等による熱収縮によって各部材間の位置関係にずれが発生することを防止することができる。その結果、メインコイル５及びシールドコイル６の位置ずれの発生を軽減することができる。
【００５０】
このように、冷却室２が溶接加工により液密状態で封止されている。従って、封止するためのネジ止め構造等が不要となっている。これにより、省スペース化することができ、超電導マグネット装置１を小型化することが可能である。
【００５１】
また、上述のように、メインフォーマ１３の一対のフランジ部１３ｂ・１３ｃは、メインフォーマ１３が真空圧に対して座屈しない程度に薄肉化されている。これにより、フランジ部１３ｂ・１３ｃは、伝熱断面積が小さくなり、フランジ部の径方向外側端部からの熱に対するフランジ部の熱伝導率を小さくすることができる。この結果、メインフォーマ１３をエンドプレート１４ａ・１４ｂで封止する際の溶接によってメインコイル５へ伝達される熱を軽減することができる。
【００５２】
（位置決め機構）
ここで、エンドプレート１４ａ・１４ｂが有する位置決め機構について説明する。図３は、メインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、及び、外筒１８と、エンドプレート１４ｂとの当接箇所を示す部分断面を示す模式図である。尚、エンドプレート１４ａについては、エンドプレート１４ｂと同様であるため説明を省略する。
【００５３】
エンドプレート１４ａ・１４ｂは、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５と外筒１８との夫々の軸方向両端部に当接する環状の位置決め機構を同芯に備えている。メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５と外筒１８とを位置決めする位置決め機構の夫々について具体的に説明する。
【００５４】
先ず、メインフォーマ１３の位置決めについて説明する。図３に示すように、メインフォーマ１３の軸方向両端部がエンドプレート１４ｂの内径側端部に当接することにより、位置決めが行われるようになっている。具体的に、エンドプレート１４ｂは、切欠端部１４１を有している。切欠端部１４１は、円環形状のエンドプレート１４ｂの内径側の端部であり、冷却室２側にエンドプレート１４ｂと同芯の円環状の切欠を有している。フランジ部１３ｃの外径側の端部は、切欠端部１４１の切欠に嵌合状態で当接するようになっている。これにより、メインフォーマ１３とエンドプレート１４ｂとが同芯に固定されるようになっている。さらに、一対のエンドプレート１４ａ・１４ｂによって、メインフォーマ１３が挟持されるように接合されることにより、エンドプレート１４ａ・１４ｂとメインフォーマ１３との軸方向の位置関係が固定されるようになっている。
【００５５】
次に、外筒１８の位置決めについて説明する。図３に示すように、外筒１８の軸方向両端部にエンドプレート１４ｂの外周面１４２が当接することにより、位置決めが行われるようになっている。外周面１４２は、エンドプレート１４ｂの径方向外側の端面であり、径が外筒１８の内径に略一致して形成される。従って、エンドプレート１４ｂが外筒１８に嵌合され、外周面１４２が外筒１８の径方向内側の端面に当接するようになっている。これにより、エンドプレート１４ｂと外筒１８とが同芯とされる。
【００５６】
次に、シールドフォーマ１５の位置決めについて説明する。図３に示すように、シールドフォーマ１５の軸方向両端部に、エンドプレート１４ｂの軸方向冷却室２側の端面が当接することにより、位置決めが行われるようになっている。具体的に、エンドプレート１４ｂは、屈曲面１４３を有している。屈曲面１４３は、エンドプレート１４ｂの軸方向冷却室２側端面であり、軸方向に屈曲されている。フランジ部１５ｃは、軸方向の真空室３側の端面が、径方向外側の領域において突出して円環形状を形成する当接面１５１を有している。屈曲面１４３は、この当接面１５１に嵌合するように形成されている。従って、屈曲面１４３は、当接面１５１に嵌合状態で当接するようになっている。これにより、エンドプレート１４ｂとシールドフォーマ１５とが同芯とされる。
【００５７】
このように、エンドプレート１４ａ・１４ｂには、切欠端部１４１、外周面１４２、及び、屈曲面１４３が円環状に同芯に形成されている。これらが、位置決め機構として夫々メインフォーマ１３、外筒１８、及び、シールドフォーマ１５に当接することにより、位置関係を同芯に位置決めすることができるようになっている。
【００５８】
また、図３及び図４に示すように、エンドプレート１４ａ・１４ｂの少なくとも一方（本実施形態では、エンドプレート１４ｂのみ）は、シールドフォーマ１５の軸方向両端部と当接する屈曲面１４３の一部に突出する凸部１４４が形成され、シールドフォーマ１５は、凸部１４４に嵌合する凹部１５２が形成されている。具体的に、エンドプレート１４ｂは、シールドフォーマ１５と当接する屈曲面１４３において、軸方向冷却室２側に突出し、径方向に延在する凸部１４４を有している。また、シールドフォーマ１５は、屈曲面１４３に当接する当接面１５１において、凸部１４４に嵌合する凹部１５２を有している。
【００５９】
このように、シールドフォーマ１５は、エンドプレート１４ｂに形成された凸部１４４に凹部１５２が嵌合された状態で支持される。これにより、シールドフォーマ１５は、冷却室２に対する周方向への回転が、凸部１４４によって防止される。
【００６０】
（サービスプレート７）
次に、サービスプレート７について説明する。サービスプレート７は、超電導マグネットの制御回路を有する制御回路基板である。この制御回路は、メインコイル５及びシールドコイル６の保護回路等を有している。図５に示すように、サービスプレート７は、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５との間の断面形状に沿って配設されている。
【００６１】
具体的に、サービスプレート７は、メインフォーマ１３のメインコイル支持部１３ｄ・１３ｅに径方向に配設されたロッドを介して下面が支持されている。そして、サービスプレート７は、該支持箇所が上面からナットで螺合されることによりメインフォーマ１３に固定されている。図５に示すように、サービスプレート７は、径方向の断面が、冷却容器１２の軸を中心とした円軌跡に沿った形状に形成されると共に、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５との間に配置されている。
【００６２】
シールドコイル６は、メインコイル５の径方向外側に発生する磁場を打ち消すために設けられ、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５との間に空間を設ける必要がある。このように、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５との間に必要な空間の断面形状に沿って、超電導マグネットの制御回路基板であるサービスプレート７が設けられている。この結果、省スペース化して冷却室２の大きさをさらに縮小することができ、超電導マグネット装置１を小型化することができる。
【００６３】
（組み立て）
次に、超電導マグネット装置１における冷却容器１２の組み立て方法について説明する。先ず、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５との夫々に対して、図２に示すように超電導マグネットが巻回される。具体的には、メインコイル５がメインフォーマ１３のフランジ部１３ｂ及びメインコイル支持部１３ｄの間と、メインコイル支持部１３ｄ及びメインコイル支持部１３ｅの間と、メインコイル支持部１３ｅ及びフランジ部１３ｃの間との夫々に、周方向に巻回される。また、シールドコイル６がシールドフォーマ１５のフランジ部１５ｂ及びシールドコイル支持部１５ｄの間と、シールドコイル支持部１５ｅ及びフランジ部１５ｃの間との夫々に、周方向に巻回される。
【００６４】
次に、メインフォーマ１３にサービスプレート７が固定され、シールドフォーマ１５にコーン１７を設けたコーン支持台１９が固定される。そして、メインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、及び、外筒１８が、エンドプレート１４ｂの位置決め機構に当接されて位置決めされる（図３参照）。これにより、メインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、及び、外筒１８が、互いに同芯となる。このとき、シールドフォーマ１５は、エンドプレート１４ｂの凸部１４４（図３及び図４参照）によって周方向の位置決めがなされる。尚、メインコイル５を構成する線材の両端部は、シールドフォーマ１５に径方向に貫通された貫通孔（図示せず）を介して、シールドフォーマ１５の径方向外側に挿通される。そして、メインコイル５、及び、シールドコイル６は、線材の両端部がサービスプレート７に結線される。
【００６５】
そして、メインフォーマ１３及び外筒１８とエンドプレート１４ｂとの仮溶接が行われた後、エンドプレート１４ａがメインフォーマ１３、シールドフォーマ１５及び外筒１８に当接されて、メインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、外筒１８及びエンドプレート１４ａ・１４ｂの全体の位置決めが行われる。そして最終的にメインフォーマ１３及び外筒１８とエンドプレート１４ａ・１４ｂとの溶接が行われる。
【００６６】
このように、メインフォーマ１３、及び、シールドフォーマ１５を支持するエンドプレート１４ａ・１４ｂが冷却容器１２の外壁を兼ねているため、冷却容器１２を構成する部材が減少される。これにより、組み立ての工数が軽減されコストを軽減することができる。
【００６７】
（動作）
このように組み立てられた冷却容器１２が組み込まれた超電導マグネット装置１の動作について説明する。超電導マグネット装置１の超電導マグネットは、冷却容器１２の冷却室２に収容された液体ヘリウムにより冷却され、励磁されることによる温度上昇が防止される。上述のように、メインフォーマ１３、外筒１８、及び、エンドプレート１４ａが、冷却室２の壁面を兼ねているため、冷却室をこれらとは別の構成により形成する場合と比較して小型化されている。従って、同じ液体ヘリウムの量であっても冷却室２内の液体ヘリウムの超電導マグネットに対する液面高さを上昇させることができる。これにより、このような冷却室２は、超電導マグネットが液体ヘリウムに接触する表面積を増加させるため、超電導マグネットを効率良く冷却することができる。
【００６８】
一方、超電導マグネットに対する液面高さが定められている場合、冷却室２が小型化されているため、使用する液体ヘリウムが減少される。これにより、コストを軽減することができる。
【００６９】
（変形例）
以上、本発明の実施例を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
【００７０】
例えば、本実施形態において、サービスプレート７は、断面が円軌跡に沿った形状に形成されているものであるが、これに限定されない。例えば、サービスプレートの断面が、メインフォーマとシールドフォーマとの間の断面形状に沿って屈曲する形状に形成されているものであってもよい。
【００７１】
また、エンドプレート１４ｂに形成されたシールドフォーマ１５の周方向への回転を規制する凸部１４４は、エンドプレート１４ｂの軸方向に突出して径方向に延在するものであるが、これに限定されない。例えば、シールドフォーマ１５の周方向への回転を規制するエンドプレート１４ｂの構造は、径方向に突出するものであってもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１ 超電導マグネット装置
１ａ ハウジング
１ｂ 導入部
１ｃ 排気部
１ｄ 貫通孔
２ 冷却室
３ 真空室
４ 遮へい板
５ メインコイル
６ シールドコイル
７ サービスプレート
１２ 冷却容器
１３ メインフォーマ
１３ａ 円筒部
１３ｂ・１３ｃ フランジ部
１３ｄ・１３ｅ メインコイル支持部
１４ａ・１４ｂ エンドプレート
１５ シールドフォーマ
１５ａ 円筒部
１５ｂ・１５ｃ フランジ部
１５ｄ・１５ｅ シールドコイル支持部
１７ コーン
１８ 外筒
１８ａ 挿通口
１９ コーン支持台
１４１ 切欠端部（位置決め機構）
１４２ 外周面（位置決め機構）
１４３ 屈曲面（位置決め機構）
１４４ 凸部
１５１ 当接面
１５２ 凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却媒体が収容される冷却室を有する超電導マグネット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、超電導マグネット装置は、超電導マグネットが、主に磁場空間に磁場を生成するメインフォーマに巻回されたメインコイルと、メインコイルが発生する磁場が装置外へ漏洩することを抑制するシールドフォーマに巻回されたシールドコイルから成る。このような超電導マグネットは、冷却媒体が収容される冷却室に設けられて冷却される。
【０００３】
このような超電導マグネット装置として、例えば、特許文献１のようなものが知られている。特許文献１には、メインフォーマ及びシールドフォーマに夫々巻回され軸方向が実質的に水平となるように同心状に配置されたメインコイル及びシールドコイルと、これらの巻枠を支持する支持部材とが冷却室に配置された超電導マグネット装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０５３２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、冷却室内で超電導マグネットを効率良く冷却するため、冷却室の外側には真空室等の断熱構造が設けられることが一般的である。この断熱構造の大きさは冷却室の大きさを基準に設計されるため、冷却室の小型化によって断熱構造を含む超電導マグネット装置を小型化することに期待が寄せられている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のようなメインコイル及びシールドコイルを夫々巻回するメインフォーマ及びシールドフォーマとこれらの巻枠を支持する支持構造とを冷却室に設ける構造では、冷却室の小型化に限界が生じていた。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、冷却室を小型化し、超電導マグネット装置を小型化することが可能な超電導マグネット装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、冷却媒体が収容される冷却室を有する超電導マグネット装置であって、メインコイルが巻回された円筒形状のメインフォーマと、シールドコイルが巻回され、前記メインフォーマの径方向外側を覆うように前記メインフォーマと同芯に設けられた円筒形状のシールドフォーマと、前記シールドフォーマを覆うように前記メインフォーマと同芯に設けられた円筒形状の外筒と、前記メインフォーマと前記外筒との夫々の軸方向両端部を封止することにより前記冷却室を形成していると共に、前記メインフォーマと前記シールドフォーマと前記外筒との夫々の軸方向両端部に当接する環状の位置決め機構を同芯に備えた一対のエンドプレートとを有していることを特徴とする
【０００９】
上記構成によれば、冷却媒体が収容される冷却室は、メインフォーマと外筒との隙間を一対のエンドプレートが夫々の軸方向両端部を封止することにより形成されている。これにより、メインコイルを巻回するためのメインフォーマが冷却室の径方向内側の壁面を兼ねている。従って、メインフォーマとは別に冷却室の径方向内側の壁面構造を設ける必要がなく、また、メインフォーマの支持構造が不要である。また、冷却室を封止するエンドプレートがメインフォーマ、シールドフォーマ、及び、外筒の夫々の軸方向両端部に当接して位置決めしている。従って、メインフォーマ、シールドフォーマ、及び、外筒を軸方向に支持する構造が不要である。この結果、冷却室を小型化し、超電導マグネット装置を小型化することが可能である。また、一対のエンドプレートは、円環状の位置決め機構を同芯に備え、各位置決め機構にメインフォーマとシールドフォーマと外筒とが当接される。これにより、メインフォーマとシールドフォーマと外筒との配設について容易に位置決めし、同芯とすることができる。
【００１０】
また、本発明の超電導マグネット装置は、前記封止が溶接加工によって行われてもよい。
【００１１】
上記構成によれば、冷却室が溶接加工により封止されるため、ネジ止め構造等が不要である。これにより、省スペース化することができ、超電導マグネット装置を小型化することが可能である。
【００１２】
また、本発明の超電導マグネット装置は、前記エンドプレートの少なくとも一方は、前記シールドフォーマの軸方向両端部と当接する当接面の一部に突出する凸部が形成され、前記シールドフォーマは、前記凸部に嵌合する凹部が形成されていてもよい。
【００１３】
上記構成によれば、シールドフォーマは、エンドプレートの少なくとも何れか一方に形成された凸部に凹部が嵌合された状態で支持される。これにより、シールドフォーマが冷却室に対して周方向に回転することを防止することができる。
【００１４】
また、本発明の超電導マグネット装置は、前記メインフォーマと、前記シールドフォーマと、前記エンドプレートと、前記外筒とがステンレス鋼であってもよい。
【００１５】
上記構成によれば、冷却室を構成するメインフォーマ、シールドフォーマ、エンドプレート、及び、外筒、がステンレス鋼で形成されている。これにより、これらの部材の熱収縮率を同じとし、冷却等による熱収縮によって各部材間の位置関係にずれが発生することを防止することができる。その結果、メインコイル及びシールドコイルの位置ずれの発生を軽減することができる。
【００１６】
また、本発明の超電導マグネット装置は、前記メインフォーマと前記シールドフォーマとの間の断面形状に沿って配設された前記超電導マグネットの制御回路基板をさらに有していてもよい。
【００１７】
一般的に、シールドコイルは、メインコイルの径方向外側に発生する磁場を打ち消すために設けられ、メインフォーマとシールドフォーマとの間に空間を設ける必要がある。上記構成によれば、メインフォーマとシールドフォーマとの間の空間の断面形状に沿って、超電導マグネットの制御回路基板が設けられている。これにより、省スペース化して冷却室の大きさをさらに縮小することができ、超電導マグネット装置を小型化することができる。
【００１８】
また、本発明の超電導マグネット装置は、前記外筒は、前記シールドフォーマに設けられた冷却媒体及び電流リードを外部から導入するための導入部材が遊挿状態で挿通される挿通口を有していてもよい。
【００１９】
上記構成によれば、導入部材を挿通口に遊挿させることができる。これにより、冷却室の径方向について、導入部材分の長さを軽減させ冷却室の大きさをさらに縮小することができ、超電導マグネット装置を小型化することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、冷却室を小型化することにより、超電導マグネット装置を小型化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】超電導マグネット装置の全体を示す概略図である。
【図２】冷却容器の断面を示す模式図である。
【図３】冷却容器の部分断面を示す模式図である。
【図４】シールドフォーマ及びエンドプレートの図３におけるＩＶ−ＩＶ線の部分断面を示す模式図である。
【図５】冷却容器の図２におけるＶ−Ｖ線断面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
（超電導マグネット装置）
図１は、本発明の一実施形態に係る超電導マグネット装置１の全体を示す概略図である。図１に示すように、本実施形態の超電導マグネット装置１は、ハウジング１ａと、導入部１ｂと、排気部１ｃとを有している。
【００２４】
ハウジング１ａは、外形が貫通孔１ｄを有した円筒形状に形成されている。貫通孔１ｄは、ハウジング１ａにおいて同芯に形成されている。即ち、ハウジング１ａと貫通孔１ｄとは共通の中心軸Ｚ（図１の二点鎖線）を有している。本実施形態では、超電導マグネット装置１は、ハウジング１ａ下面を支持する支持機構（図示せず）を介して、中心軸Ｚが水平方向と平行となるように設置される。ハウジング１ａは、中空にされ、該中空空間が真空にされた真空室３を形成している。ハウジング１ａの真空室３には、冷却媒体（図示せず）を収容する冷却室２を形成する冷却容器１２と、ハウジング１ａから冷却容器１２への熱浸入を軽減する遮へい板４とが配設される。このように、冷却容器１２は、ハウジング１ａが形成する真空室３に配設されることで、冷却容器１２の断熱性が向上され、冷却容器１２内における超電導マグネットの冷却効率が向上されている。
【００２５】
導入部１ｂと排気部１ｃとは、外形が円柱形状を有し、ハウジング１ａから鉛直上方向に突出するように並列して形成されている。即ち、導入部１ｂと排気部１ｃとは、ハウジング１ａの上面においてハウジング１ａの軸方向に対向するように形成されている。
【００２６】
導入部１ｂは、内部に冷却室２と連通する連通機構を有しており、冷却媒体及び超電導マグネットへ電流を供給するための電流リード等を冷却室２に導入することを可能としている。排気部１ｃは、ハウジング１ａ内の真空室３と連通する連通機構と、該連通機構を介して真空室３を真空排気すると共に真空室３の真空状態を維持する真空排気装置とを有している（図示せず）。
【００２７】
尚、以降、特記しない場合、ハウジング１ａの中心軸Ｚが水平方向と平行、且つ、導入部１ｂ及び排気部１ｃの軸方向が鉛直方向と平行に設置された超電導マグネット装置１について説明する。尚、このような設置態様に限定されず、例えば、超電導マグネット装置１は、中心軸Ｚが水平方向に対して傾きを有して設置されるものであってもよい。
【００２８】
（遮へい板４）
ハウジング１ａ内に配設される遮へい板４は、同芯の二重管構造を有し、二重管構造が形成する隙間が軸方向に封止された略円筒形状を有している。遮へい板４は、貫通孔１ｄの径方向外側のハウジング１ａ内部に、中心軸Ｚと同芯に設置される。遮へい板４は、二重管構造の隙間に冷却容器１２全体を覆うように冷却容器１２を収容する。これにより、遮へい板４は、ハウジング１ａの外部から冷却容器１２へ侵入する熱を軽減し、冷却容器１２内における超電導マグネットの冷却効率を向上させる。
【００２９】
（冷却容器１２）
冷却容器１２は、冷却媒体が収容される冷却室２を形成する。冷却容器１２は、同芯の二重管構造を有し、二重管構造が形成する隙間が軸方向に封止された略円筒形状を有している。冷却容器１２は、遮へい板４の内径から径方向外側の真空室３に、中心軸Ｚと同芯に設置される。冷却容器１２に収容される冷却媒体には、冷却容器１２と同芯に巻回される超電導マグネット（メインコイル５、及び、シールドコイル６）の少なくとも一部が浸漬され、冷却される。本実施形態では、冷却媒体に液体ヘリウムを用いる。
【００３０】
図２に示すように、超電導マグネット装置１は、冷却容器１２がメインフォーマ１３と、外筒１８と、一対のエンドプレート１４ａ・１４ｂとを有している。また、冷却容器１２内には、シールドフォーマ１５と、超電導マグネットの制御回路を有するサービスプレート７、及び、冷却媒体及び超電導マグネットへ電流を供給するための電流リード（図示せず）を外部から冷却容器１２内へ導入するためのコーン１７とが設けられている。このような冷却容器１２及び冷却容器１２内の各構成について具体的に説明する。
【００３１】
（メインフォーマ１３）
メインフォーマ１３は、円筒形状を有し、径方向内側の磁場空間に磁場を生成するメインコイル５が巻回されるようになっている。具体的に、メインフォーマ１３は、円筒部１３ａと、フランジ部１３ｂ・１３ｃと、メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅとを有している。円筒部１３ａは、円筒形状を有している。円筒部１３ａは、二重管構造を有する冷却容器１２の内径側の壁面を構成する。換言すれば、円筒部１３ａは、冷却容器１２に軸方向に貫通する貫通孔を形成する。
【００３２】
フランジ部１３ｂ・１３ｃは、円筒部１３ａの軸方向両端部の径方向外側に張出した円環状に形成されている。フランジ部１３ｂ・１３ｃは、軸方向に薄肉に形成されている。フランジ部１３ｂ・１３ｃは、エンドプレート１４ａ・１４ｂに接合される。これにより、フランジ部１３ｂ・１３ｃは、エンドプレート１４ａ・１４ｂとで冷却容器１２の軸方向端面を形成する。換言すれば、メインフォーマ１３は、フランジ部１３ｂ・１３ｃが、軸方向両端部に径方向外側に張出し、少なくとも真空室３の真空圧に対して座屈しない程度に軸方向に薄肉化され、冷却室２の軸方向両端面の少なくとも一部を形成する。
【００３３】
尚、「真空圧に対して座屈しない程度」とは、メインフォーマ１３、外筒１８、及び、エンドプレート１４ａ・１４ｂによって冷却容器１２が形成され、冷却室２が大気圧にされた冷却容器１２がハウジング１ａに収容されて真空圧が外部から付加された状態において、冷却容器１２のメインフォーマ１３が真空圧に対して座屈しない強度に形成されていることを意味する。また、真空室３の真空圧は、中真空又は高真空の圧力範囲にされるものであるが、これに限定されず、特定の用途の要件に応じて、低真空又は高真空以上であってもよい。
【００３４】
メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅは、円筒部１３ａの軸方向中央に対向して配設される。メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅは、径方向外側に張出した円環状に形成されている。フランジ部１３ｂ・１３ｃ、及び、メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅは、円筒部１３ａと同芯に形成されている。
【００３５】
このように、メインフォーマ１３は、円筒形状であることに限定されず、一部に円筒形状部を有していればよい。
【００３６】
メインコイル５は、円筒部１３ａの径方向外側であって、軸方向に対向するフランジ部１３ｂ及びメインコイル支持部１３ｄの間と、軸方向に対向するメインコイル支持部１３ｄ及びメインコイル支持部１３ｅの間と、軸方向に対向するメインコイル支持部１３ｅ及びフランジ部１３ｃの間との夫々に、円筒部１３ａの周方向に巻回される。即ち、メインコイル５は、円筒部１３ａ、フランジ部１３ｂ・１３ｃ、及び、メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅによって位置決めされる。
【００３７】
（シールドフォーマ１５）
シールドフォーマ１５は、円筒形状を有し、メインコイル５が発生する磁場が超電導マグネット装置１の径方向外側へ漏洩することを抑制するシールドコイル６が巻回されるようになっている。シールドフォーマ１５は、メインフォーマ１３の径方向外側を覆うようにメインフォーマ１３と同芯に設けられている。具体的に、シールドフォーマ１５は、円筒部１５ａと、フランジ部１５ｂ・１５ｃと、シールドコイル支持部１５ｄ・１５ｅとを有している。円筒部１５ａは、円筒形状を有し、メインフォーマ１３の径方向外側を覆うように配設される。即ち、円筒部１５ａは、メインフォーマ１３のフランジ部１３ｂ・１３ｃ、及び、メインコイル支持部１３ｄ・１３ｅの外径よりも大きい径を有していると共に、これらの径方向外側に配設される。円筒部１５ａは、メインフォーマ１３よりも軸方向に短く形成されている。
【００３８】
フランジ部１５ｂ・１５ｃは、円筒部１５ａの軸方向両端部の径方向外側に張出した円環状に形成されている。シールドコイル支持部１５ｄ・１５ｅは、円筒部１５ａの軸方向中央に対向して、径方向外側に張出した円環状に形成されている。フランジ部１５ｂ・１５ｃ、及び、シールドコイル支持部１５ｄ・１５ｅは、円筒部１５ａと同芯に形成されている。
【００３９】
このように、シールドフォーマ１５は、円筒形状であることに限定されず、一部に円筒形状部を有していればよい。
【００４０】
シールドコイル６は、円筒部１５ａの径方向外側であって、軸方向に対向するフランジ部１５ｂ及びシールドコイル支持部１５ｄの間と、軸方向に対向するシールドコイル支持部１５ｅ及びフランジ部１５ｃの間との夫々に、円筒部１５ａの周方向に巻回される。即ち、シールドコイル６は、円筒部１５ａ、フランジ部１５ｂ・１５ｃ、及び、シールドコイル支持部１５ｄ・１５ｅによって位置決めされる。
【００４１】
円筒部１５ａの軸方向へ隣り合うフランジ部１５ｂ及びシールドコイル支持部１５ｄの頭頂部には、コーン１７を支持するための板状のコーン支持台１９が軸方向に設置されている。コーン１７は、円筒形状を有し、軸方向が鉛直方向となるようにコーン支持台１９の上部に配設される。
【００４２】
（外筒１８）
外筒１８は、円筒形状を有している。外筒１８は、シールドフォーマ１５を覆うようにメインフォーマ１３と同芯に設けられている。具体的に、外筒１８は、シールドフォーマ１５のフランジ部１５ｂ・１５ｃ、及び、シールドコイル支持部１５ｄ・１５ｅの外径よりも大きい径を有していると共に、これらの径方向外側に配設される。外筒１８は、シールドフォーマ１５よりも軸方向に長く形成されている。また、外筒１８は、メインフォーマ１３よりも軸方向に短く形成されている。外筒１８は、二重管構造を有する冷却容器１２の外径側の壁面を構成する。
【００４３】
また、外筒１８には、コーン１７が遊挿状態で挿通される挿通口１８ａが上部に形成されている。換言すれば、外筒１８は、シールドフォーマ１５に設けられた冷却媒体及び電流リードを外部から導入するためのコーン１７が遊挿状態で挿通される挿通口１８ａを有している。挿通口１８ａは、導入部１ｂに連通される。
【００４４】
このように、コーン１７を挿通口１８ａに遊挿させることができる。これにより、冷却室２の径方向について、コーン１７分の長さを軽減させ冷却室２の大きさをさらに縮小することができ、超電導マグネット装置１を小型化することができる。
【００４５】
（エンドプレート１４ａ・１４ｂ）
エンドプレート１４ａ・１４ｂは、メインフォーマ１３と外筒１８との夫々の軸方向両端部を液密状態で封止することにより冷却室２を形成している。具体的に、エンドプレート１４ａ・１４ｂは、内径と外径とが同芯の円環形状に形成されている。エンドプレート１４ａ・１４ｂは、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５とを挟持するように、軸方向に対向して配置される。メインフォーマ１３は、シールドフォーマ１５よりも軸方向に長いため、エンドプレート１４ａ・１４ｂは、軸方向に屈曲して形成されている。即ち、エンドプレート１４ａ・１４ｂは、メインフォーマ１３が当接される径方向内側部分が、シールドフォーマ１５が当接される径方向外側部分よりも、軸方向真空室３に突出するように屈曲されている。
【００４６】
エンドプレート１４ａ・１４ｂは、内径側の端部がメインフォーマ１３のフランジ部１３ｂ・１３ｃの外径側の端部と溶接により接合され、接合箇所を液密状態で封止するようになっている。また、エンドプレート１４ａ・１４ｂは、外径側の端部が外筒１８の軸方向端部と溶接により接合され、接合箇所を液密状態で封止するようになっている。これにより、メインフォーマ１３と外筒１８とエンドプレート１４ａ・１４ｂとで冷却室２を形成し、冷却媒体を収容可能にしている。
【００４７】
このように、冷却媒体が収容される冷却室２は、メインフォーマ１３と外筒１８との隙間を一対のエンドプレート１４ａ・１４ｂが夫々の軸方向両端部を液密状態に封止することにより形成されている。これにより、メインコイル５を巻回するためのメインフォーマ１３が冷却室２の径方向内側の壁面を兼ねている。従って、メインフォーマ１３とは別に冷却室２の径方向内側の壁面構造を設ける必要がなく、また、メインフォーマ１３を径方向に支持する構造が不要である。また、冷却室２を封止するエンドプレート１４ａ・１４ｂがメインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、及び、外筒１８に当接して位置決めしている。従って、メインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、及び、外筒１８を軸方向に支持する構造が不要である。この結果、冷却室２を小型化し、超電導マグネット装置１を小型化することが可能である。
【００４８】
また、一対のエンドプレート１４ａ・１４ｂは、円環状の位置決め機構を同芯に備え、各位置決め機構にメインフォーマ１３とシールドフォーマ１５と外筒１８とが当接される。これにより、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５と外筒１８との配設について容易に位置決めし、同芯とすることができる。
【００４９】
尚、メインフォーマ１３と、シールドフォーマ１５と、エンドプレート１４ａ・１４ｂと、外筒１８とはステンレス鋼で形成されている。本実施形態では、ステンレス鋼として、ＪＩＳに規定されるＳＵＳ３０４Ｌを用いる。また、溶接時の溶加材としては、ＳＵＳ３０８Ｌを用いる。これにより、これらの部材の熱収縮率を同じとし、冷却等による熱収縮によって各部材間の位置関係にずれが発生することを防止することができる。その結果、メインコイル５及びシールドコイル６の位置ずれの発生を軽減することができる。
【００５０】
このように、冷却室２が溶接加工により液密状態で封止されている。従って、封止するためのネジ止め構造等が不要となっている。これにより、省スペース化することができ、超電導マグネット装置１を小型化することが可能である。
【００５１】
また、上述のように、メインフォーマ１３の一対のフランジ部１３ｂ・１３ｃは、メインフォーマ１３が真空圧に対して座屈しない程度に薄肉化されている。これにより、フランジ部１３ｂ・１３ｃは、伝熱断面積が小さくなり、フランジ部の径方向外側端部からの熱に対するフランジ部の熱伝導率を小さくすることができる。この結果、メインフォーマ１３をエンドプレート１４ａ・１４ｂで封止する際の溶接によってメインコイル５へ伝達される熱を軽減することができる。
【００５２】
（位置決め機構）
ここで、エンドプレート１４ａ・１４ｂが有する位置決め機構について説明する。図３は、メインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、及び、外筒１８と、エンドプレート１４ｂとの当接箇所を示す部分断面を示す模式図である。尚、エンドプレート１４ａについては、エンドプレート１４ｂと同様であるため説明を省略する。
【００５３】
エンドプレート１４ａ・１４ｂは、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５と外筒１８との夫々の軸方向両端部に当接する環状の位置決め機構を同芯に備えている。メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５と外筒１８とを位置決めする位置決め機構の夫々について具体的に説明する。
【００５４】
先ず、メインフォーマ１３の位置決めについて説明する。図３に示すように、メインフォーマ１３の軸方向両端部がエンドプレート１４ｂの内径側端部に当接することにより、位置決めが行われるようになっている。具体的に、エンドプレート１４ｂは、切欠端部１４１を有している。切欠端部１４１は、円環形状のエンドプレート１４ｂの内径側の端部であり、冷却室２側にエンドプレート１４ｂと同芯の円環状の切欠を有している。フランジ部１３ｃの外径側の端部は、切欠端部１４１の切欠に嵌合状態で当接するようになっている。これにより、メインフォーマ１３とエンドプレート１４ｂとが同芯に固定されるようになっている。さらに、一対のエンドプレート１４ａ・１４ｂによって、メインフォーマ１３が挟持されるように接合されることにより、エンドプレート１４ａ・１４ｂとメインフォーマ１３との軸方向の位置関係が固定されるようになっている。
【００５５】
次に、外筒１８の位置決めについて説明する。図３に示すように、外筒１８の軸方向両端部にエンドプレート１４ｂの外周面１４２が当接することにより、位置決めが行われるようになっている。外周面１４２は、エンドプレート１４ｂの径方向外側の端面であり、径が外筒１８の内径に略一致して形成される。従って、エンドプレート１４ｂが外筒１８に嵌合され、外周面１４２が外筒１８の径方向内側の端面に当接するようになっている。これにより、エンドプレート１４ｂと外筒１８とが同芯とされる。
【００５６】
次に、シールドフォーマ１５の位置決めについて説明する。図３に示すように、シールドフォーマ１５の軸方向両端部に、エンドプレート１４ｂの軸方向冷却室２側の端面が当接することにより、位置決めが行われるようになっている。具体的に、エンドプレート１４ｂは、屈曲面１４３を有している。屈曲面１４３は、エンドプレート１４ｂの軸方向冷却室２側端面であり、軸方向に屈曲されている。フランジ部１５ｃは、軸方向の真空室３側の端面が、径方向外側の領域において突出して円環形状を形成する当接面１５１を有している。屈曲面１４３は、この当接面１５１に嵌合するように形成されている。従って、屈曲面１４３は、当接面１５１に嵌合状態で当接するようになっている。これにより、エンドプレート１４ｂとシールドフォーマ１５とが同芯とされる。
【００５７】
このように、エンドプレート１４ａ・１４ｂには、切欠端部１４１、外周面１４２、及び、屈曲面１４３が円環状に同芯に形成されている。これらが、位置決め機構として夫々メインフォーマ１３、外筒１８、及び、シールドフォーマ１５に当接することにより、位置関係を同芯に位置決めすることができるようになっている。
【００５８】
また、図３及び図４に示すように、エンドプレート１４ａ・１４ｂの少なくとも一方（本実施形態では、エンドプレート１４ｂのみ）は、シールドフォーマ１５の軸方向両端部と当接する屈曲面１４３の一部に突出する凸部１４４が形成され、シールドフォーマ１５は、凸部１４４に嵌合する凹部１５２が形成されている。具体的に、エンドプレート１４ｂは、シールドフォーマ１５と当接する屈曲面１４３において、軸方向冷却室２側に突出し、径方向に延在する凸部１４４を有している。また、シールドフォーマ１５は、屈曲面１４３に当接する当接面１５１において、凸部１４４に嵌合する凹部１５２を有している。
【００５９】
このように、シールドフォーマ１５は、エンドプレート１４ｂに形成された凸部１４４に凹部１５２が嵌合された状態で支持される。これにより、シールドフォーマ１５は、冷却室２に対する周方向への回転が、凸部１４４によって防止される。
【００６０】
（サービスプレート７）
次に、サービスプレート７について説明する。サービスプレート７は、超電導マグネットの制御回路を有する制御回路基板である。この制御回路は、メインコイル５及びシールドコイル６の保護回路等を有している。図５に示すように、サービスプレート７は、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５との間の断面形状に沿って配設されている。
【００６１】
具体的に、サービスプレート７は、メインフォーマ１３のメインコイル支持部１３ｄ・１３ｅに径方向に配設されたロッドを介して下面が支持されている。そして、サービスプレート７は、該支持箇所が上面からナットで螺合されることによりメインフォーマ１３に固定されている。図５に示すように、サービスプレート７は、径方向の断面が、冷却容器１２の軸を中心とした円軌跡に沿った形状に形成されると共に、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５との間に配置されている。
【００６２】
シールドコイル６は、メインコイル５の径方向外側に発生する磁場を打ち消すために設けられ、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５との間に空間を設ける必要がある。このように、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５との間に必要な空間の断面形状に沿って、超電導マグネットの制御回路基板であるサービスプレート７が設けられている。この結果、省スペース化して冷却室２の大きさをさらに縮小することができ、超電導マグネット装置１を小型化することができる。
【００６３】
（組み立て）
次に、超電導マグネット装置１における冷却容器１２の組み立て方法について説明する。先ず、メインフォーマ１３とシールドフォーマ１５との夫々に対して、図２に示すように超電導マグネットが巻回される。具体的には、メインコイル５がメインフォーマ１３のフランジ部１３ｂ及びメインコイル支持部１３ｄの間と、メインコイル支持部１３ｄ及びメインコイル支持部１３ｅの間と、メインコイル支持部１３ｅ及びフランジ部１３ｃの間との夫々に、周方向に巻回される。また、シールドコイル６がシールドフォーマ１５のフランジ部１５ｂ及びシールドコイル支持部１５ｄの間と、シールドコイル支持部１５ｅ及びフランジ部１５ｃの間との夫々に、周方向に巻回される。
【００６４】
次に、メインフォーマ１３にサービスプレート７が固定され、シールドフォーマ１５にコーン１７を設けたコーン支持台１９が固定される。そして、メインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、及び、外筒１８が、エンドプレート１４ｂの位置決め機構に当接されて位置決めされる（図３参照）。これにより、メインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、及び、外筒１８が、互いに同芯となる。このとき、シールドフォーマ１５は、エンドプレート１４ｂの凸部１４４（図３及び図４参照）によって周方向の位置決めがなされる。尚、メインコイル５を構成する線材の両端部は、シールドフォーマ１５に径方向に貫通された貫通孔（図示せず）を介して、シールドフォーマ１５の径方向外側に挿通される。そして、メインコイル５、及び、シールドコイル６は、線材の両端部がサービスプレート７に結線される。
【００６５】
そして、メインフォーマ１３及び外筒１８とエンドプレート１４ｂとの仮溶接が行われた後、エンドプレート１４ａがメインフォーマ１３、シールドフォーマ１５及び外筒１８に当接されて、メインフォーマ１３、シールドフォーマ１５、外筒１８及びエンドプレート１４ａ・１４ｂの全体の位置決めが行われる。そして最終的にメインフォーマ１３及び外筒１８とエンドプレート１４ａ・１４ｂとの溶接が行われる。
【００６６】
このように、メインフォーマ１３、及び、シールドフォーマ１５を支持するエンドプレート１４ａ・１４ｂが冷却容器１２の外壁を兼ねているため、冷却容器１２を構成する部材が減少される。これにより、組み立ての工数が軽減されコストを軽減することができる。
【００６７】
（動作）
このように組み立てられた冷却容器１２が組み込まれた超電導マグネット装置１の動作について説明する。超電導マグネット装置１の超電導マグネットは、冷却容器１２の冷却室２に収容された液体ヘリウムにより冷却され、励磁されることによる温度上昇が防止される。上述のように、メインフォーマ１３、外筒１８、及び、エンドプレート１４ａが、冷却室２の壁面を兼ねているため、冷却室をこれらとは別の構成により形成する場合と比較して小型化されている。従って、同じ液体ヘリウムの量であっても冷却室２内の液体ヘリウムの超電導マグネットに対する液面高さを上昇させることができる。これにより、このような冷却室２は、超電導マグネットが液体ヘリウムに接触する表面積を増加させるため、超電導マグネットを効率良く冷却することができる。
【００６８】
一方、超電導マグネットに対する液面高さが定められている場合、冷却室２が小型化されているため、使用する液体ヘリウムが減少される。これにより、コストを軽減することができる。
【００６９】
（変形例）
以上、本発明の実施例を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
【００７０】
例えば、本実施形態において、サービスプレート７は、断面が円軌跡に沿った形状に形成されているものであるが、これに限定されない。例えば、サービスプレートの断面が、メインフォーマとシールドフォーマとの間の断面形状に沿って屈曲する形状に形成されているものであってもよい。
【００７１】
また、エンドプレート１４ｂに形成されたシールドフォーマ１５の周方向への回転を規制する凸部１４４は、エンドプレート１４ｂの軸方向に突出して径方向に延在するものであるが、これに限定されない。例えば、シールドフォーマ１５の周方向への回転を規制するエンドプレート１４ｂの構造は、径方向に突出するものであってもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１ 超電導マグネット装置
１ａ ハウジング
１ｂ 導入部
１ｃ 排気部
１ｄ 貫通孔
２ 冷却室
３ 真空室
４ 遮へい板
５ メインコイル
６ シールドコイル
７ サービスプレート
１２ 冷却容器
１３ メインフォーマ
１３ａ 円筒部
１３ｂ・１３ｃ フランジ部
１３ｄ・１３ｅ メインコイル支持部
１４ａ・１４ｂ エンドプレート
１５ シールドフォーマ
１５ａ 円筒部
１５ｂ・１５ｃ フランジ部
１５ｄ・１５ｅ シールドコイル支持部
１７ コーン
１８ 外筒
１８ａ 挿通口
１９ コーン支持台
１４１ 切欠端部（位置決め機構）
１４２ 外周面（位置決め機構）
１４３ 屈曲面（位置決め機構）
１４４ 凸部
１５１ 当接面
１５２ 凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却媒体が収容される冷却室を有する超電導マグネット装置であって、
メインコイルが巻回された円筒形状のメインフォーマと、
シールドコイルが巻回され、前記メインフォーマの径方向外側を覆うように前記メインフォーマと同芯に設けられた円筒形状のシールドフォーマと、
前記シールドフォーマを覆うように前記メインフォーマと同芯に設けられた円筒形状の外筒と、
前記メインフォーマと前記外筒との夫々の軸方向両端部を封止することにより前記冷却室を形成していると共に、前記メインフォーマと前記シールドフォーマと前記外筒との夫々の軸方向両端部に当接する環状の位置決め機構を同芯に備えた一対のエンドプレートと
を有していることを特徴とする超電導マグネット装置。
【請求項２】
前記封止が溶接加工によって行われることを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット装置。
【請求項３】
前記エンドプレートの少なくとも一方は、前記シールドフォーマの軸方向両端部と当接する当接面の一部に突出する凸部が形成され、
前記シールドフォーマは、前記凸部に嵌合する凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置。
【請求項４】
前記メインフォーマと、前記シールドフォーマと、前記エンドプレートと、前記外筒とがステンレスであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の超電導マグネット装置。
【請求項５】
前記メインフォーマと前記シールドフォーマとの間の断面形状に沿って配設された前記超電導マグネットの制御回路基板をさらに有していることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の超電導マグネット装置。
【請求項６】
前記外筒は、前記シールドフォーマに設けられた冷却媒体及び電流リードを外部から導入するための導入部材が遊挿状態で挿通される挿通口を有していることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の超電導マグネット装置。
【請求項１】
冷却媒体が収容される冷却室を有する超電導マグネット装置であって、
メインコイルが巻回された円筒形状のメインフォーマと、
シールドコイルが巻回され、前記メインフォーマの径方向外側を覆うように前記メインフォーマと同芯に設けられた円筒形状のシールドフォーマと、
前記シールドフォーマを覆うように前記メインフォーマと同芯に設けられた円筒形状の外筒と、
前記メインフォーマと前記外筒との夫々の軸方向両端部を封止することにより前記冷却室を形成していると共に、前記メインフォーマと前記シールドフォーマと前記外筒との夫々の軸方向両端部に当接する環状の位置決め機構を同芯に備えた一対のエンドプレートと
を有していることを特徴とする超電導マグネット装置。
【請求項２】
前記封止が溶接加工によって行われることを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット装置。
【請求項３】
前記エンドプレートの少なくとも一方は、前記シールドフォーマの軸方向両端部と当接する当接面の一部に突出する凸部が形成され、
前記シールドフォーマは、前記凸部に嵌合する凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置。
【請求項４】
前記メインフォーマと、前記シールドフォーマと、前記エンドプレートと、前記外筒とがステンレスであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の超電導マグネット装置。
【請求項５】
前記メインフォーマと前記シールドフォーマとの間の断面形状に沿って配設された前記超電導マグネットの制御回路基板をさらに有していることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の超電導マグネット装置。
【請求項６】
前記外筒は、前記シールドフォーマに設けられた冷却媒体及び電流リードを外部から導入するための導入部材が遊挿状態で挿通される挿通口を有していることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の超電導マグネット装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２２８４６５（Ｐ２０１１−２２８４６５Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９６６５７（Ｐ２０１０−９６６５７）
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（５０２１４７４６５）ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 (56)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（５０２１４７４６５）ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 (56)
【Ｆターム（参考）】
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