超電導磁石装置
【課題】支持構造が簡略で信頼性が高く低コスト化を実現する超電導磁石装置を提供すること。
【解決手段】超電導磁石装置は、真空容器３に収納した超電導コイル１を冷凍機８により伝導冷却するものであり、冷凍機２の冷却ステージ８１と超電導コイル１とを熱的に接続する熱伝導材８２Ａと、超電導コイル１の周囲に設けられる輻射遮蔽層４と、超電導コイル１をその表面全体あるいはその表面の一部分に接触して支持するコイル支持体９とを具備することを特徴とする。
【解決手段】超電導磁石装置は、真空容器３に収納した超電導コイル１を冷凍機８により伝導冷却するものであり、冷凍機２の冷却ステージ８１と超電導コイル１とを熱的に接続する熱伝導材８２Ａと、超電導コイル１の周囲に設けられる輻射遮蔽層４と、超電導コイル１をその表面全体あるいはその表面の一部分に接触して支持するコイル支持体９とを具備することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超電導コイルを極低温冷凍機により伝導冷却する方式の高温超電導磁石装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高温超電導テープ線材は、その特性の向上、長尺化、および量産化が飛躍的に進んでおり、各種機器への応用が期待されている。例えばシリコン単結晶引上げ用マグネットや磁気浮上式鉄道などの機器に、高温超電導テープ線材を用いた超電導コイルを適用するメリットは大きいと予想される。また、超電導コイルを超電導状態に保つための冷却手段としては、液体ヘリウム等の極低温の冷媒に浸漬するのではなく、真空容器に収納して極低温冷凍機により伝導冷却する方式が採られ始めている。
【０００３】
金属系超電導コイルを使用する場合のみならず、臨界温度が比較的高い酸化物超電導コイルを使用する場合にも、真空容器側からの輻射を遮蔽するためにシールド板を設ける。シールド板と超電導コイルとの間隙は、特許文献１，２，３に示されるように真空空間である。超電導コイルへの熱負荷を減らすためには、シールド板を貫通させて断面積の小さい繊細な構造のコイル支持部材を使って超電導コイルを固定し、シールド板の位置で熱アンカーをとらなければなければならないため、機械強度は弱く、また、コイル支持部材は繊細な構造であるために製作に時間や費用がかかる。
【０００４】
また、高温超電導コイルを冷凍機で伝導冷却する装置が特許文献４に開示されている。この装置において室温からの輻射や電流リードからの熱侵入を低減するためには、シールド板を設け、二段冷凍機を用いてシールド板を一段部で冷やす必要がある。超電導コイルには高温超電導線材を使用しているものの、やはり上述したような問題は回避できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７５６５５１号公報
【特許文献２】特許第４０９５７４２号公報
【特許文献３】特許第３４８６８６８号公報
【特許文献４】特許第３０８２３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、超電導コイルを冷凍機により伝導冷却する方式の超電導磁石装置では、一般に到達温度が４Ｋ程度以下となる二段冷凍機を使うが、この二段冷凍機では熱負荷の変化により冷凍能力が大きく影響されて長期運転時の信頼性に問題があるとともに、極低温部の熱負荷低減の必要性から繊細な支持構造が用いられて、機械強度が弱く、製作においても時間や費用がかかる。また、到達温度は２０Ｋ程度であるが数倍の効率が得られ冷凍能力の高い単段冷凍機により超電導コイルを冷却しようとすると、電流リードや支持材からの熱伝導、輻射など、超電導コイルへの熱負荷が増加し、巻線内部で温度差が生じてしまう。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、支持構造が簡略で信頼性が高く、低コスト化を実現する超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様による超電導磁石装置は、真空容器に収納した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おいて、前記冷凍機の冷却ステージと前記超電導コイルとを熱的に接続する熱伝導材と、前記超電導コイルの周囲に設けられる輻射遮蔽層と、前記超電導コイルをその表面全体あるいはその表面の一部分に接触して支持するコイル支持体とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、支持構造が簡略で信頼性が高く、低コスト化を実現する超電導磁石装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図。
【図６】図２乃至図５に示した超電導磁石装置中の、超電導コイル、高熱伝導材、コイル支持体、および輻射遮蔽層における熱伝導を、電気伝導のアナロジーで示した等価回路のモデルを示す模式図。
【図７】図６のモデルにおいて各種の条件を設定した場合の各部の温度分布を示すグラフ。
【図８】図６のモデルにおいて別の条件を設定した場合の各部の温度分布を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。
【００１３】
第１の実施形態に係る超電導磁石装置は、真空容器に収納した超電導コイルを冷凍機により伝導冷却する方式を採用した高温超電導マグネットであり、主な構成要素として、超電導コイル１、二段冷凍機２、真空容器３、輻射遮蔽層４、支持部材５、電流導入端子７、およびコイル支持体９を有する。上記超電導コイル１は、高熱伝導材１１を備えている。また、冷凍機２は、二段冷凍機一段部２１、一段部用伝熱部材２２Ａ，２２Ｂ、二段冷凍機二段部２３、および二段部用伝熱部材２４Ａ，２４Ｂを備えている。電流導入端子７は、フィーダ（電流リード）７１、酸化物超電導電流リード７２、およびフィーダ（電流リード）７３を備えている。
【００１４】
なお、超電導コイル１は、円筒形状を成しており、これを中心軸に沿って切ると中心軸を挟んで２つの分離したコイル断面部分が見られるが、図１では図面が複雑になることを避けるため、片方のコイル断面部分のみを図示している（後述する図２乃至図５についても同様）。
【００１５】
この超電導磁石装置においては、特に、コイル支持体９により、該コイル支持体９を含めて超電導コイル１と高熱伝導材１１と輻射遮蔽層４とが一体となるよう結合されている。この結合は、樹脂による接着、含浸、圧接、蒸着、ネジ止め、凹凸はめ込みのうちの少なくともいずれか１つを用いて実現されている。これにより、結合を強固なものとし、組み立てが簡易で機械的に安定したものとすることができる。
【００１６】
超電導コイル１は、例えばテープ形状の金属基板上に中間層を介して超電導層および良導電性安定化金属層を形成させた高温超電導テープ線材を巻回してなる高温超電導コイルである。この超電導コイル１は、二段冷凍機二段部２３にて生成される極低温により高熱伝導材１１を通じて冷却される。高熱伝導材１１は、超電導コイル１に取り付けられており、超電導コイル１と二段部用伝熱部材２４Ａ，２４Ｂとの間の高熱伝導を担うものである。この高熱伝導材１１は、例えば純度の高い金属や窒化アルミニウムなどの熱伝導率の高い部材で構成される。
【００１７】
二段冷凍機２は、二段の冷却ステージを通じて極低温の寒冷を生成する冷凍機であり、例えば４Ｋ程度以下の低い到達温度を実現可能な二段４Ｋ−ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機である。二段冷凍機一段部２１は、最終段に至る途中で生成される寒冷により、一段部用伝熱部材２２Ａ，２２Ｂを通じて、フィーダ７１および輻射遮蔽層４を伝導冷却するものである。一段部用伝熱部材２２Ａ，２２Ｂは、フィーダ７１（および酸化物超電導電流リード７２）と二段冷凍機一段部２１との間の熱伝導、および、輻射遮蔽層４と二段冷凍機一段部２１との間の熱伝導を担うものある。二段冷凍機二段部２３は、最終段として生成される寒冷により、二段部用伝熱部材２４Ａ，２４Ｂを通じて、フィーダ７３（および酸化物超電導電流リード７２）、および、超電導コイル１を伝導冷却するものである。二段部用伝熱部材２４Ａ，２４Ｂは、フィーダ７３（および酸化物超電導電流リード７２）と二段冷凍機二段部２３との間の熱伝導、および、超電導コイル１（および高熱伝導材１１）と二段冷凍機二段部２３との間の熱伝導を担うものである。特に、超電導コイル１（および高熱伝導材１１）と二段冷凍機二段部２３との間にある二段部用伝熱部材２４Ａを、２４Ｂと比べて伝熱経路の断面積を大きく、あるいは経路を短く、あるいは純度の高い金属材料で構成することにより、超電導コイル１と二段冷凍機二段部２３との間の冷却経路の熱抵抗が小さくなるようにしている。
【００１８】
真空容器３は、内部が真空の状態に保たれ、当該超電導磁石装置を構成する各種の要素を収容する容器である。
【００１９】
輻射遮蔽層４は、超電導コイル１を取り囲むコイル支持体９を包み込むように設けられる層であり、真空容器３側からの室温の輻射を遮蔽する。この輻射遮蔽層４は、例えば、アルミニウムあるいはアルミニウムと繊維強化プラスチックとを厚さ方向に複合してなる材料から構成され、前記アルミニウムの純度は９９％以上であることが望ましい。これにより、輻射遮蔽の性能を向上させることが可能となる。この輻射遮蔽層４の外側には、ＭＬＩ（多層断熱材）を施工しても良い。
【００２０】
支持部材５は、一端が真空容器３の一部に取り付けられると共に他端が輻射遮蔽層４（もしくはコイル支持体９）の一部に取り付けられ、超電導コイル１、高熱伝導材１１、コイル支持体９、および輻射遮蔽層４が一体化したものを支持する部材である。
【００２１】
電流導入端子７は、電流導入用の端子である。フィーダ７１，７３は、端子から導入される電流を酸化物超電導電流リード７２を介して超電導コイル１へ供給する電流リードである。酸化物超電導電流リード７２は、特に熱侵入低減に有効な電流リードである。
【００２２】
コイル支持体９は、超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間に設けられ、一定以上の大きな熱抵抗を有する断熱層としての機能だけでなく、超電導コイル１を機械的に支持する機能をも兼ね備えている。このコイル支持体９は、例えば、樹脂あるいは繊維強化プラスチックからなる材料を含んで構成されていることが望ましい。図１の例では、超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間の空いた空間全体に、コイル支持体９が充填されている。すなわち、本実施形態のコイル支持体９は、超電導コイル１をその表面全体に接触して支持している。これにより、超電導コイル１の支持を強固なものとしている。
【００２３】
なお、超電導コイル１と高熱伝導材１１とコイル支持体９と輻射遮蔽層４とは、樹脂等により接着するか、あるいはネジ止めにより結合されていても良い。また、輻射遮蔽層４は、板材であってもよいし、あるいは板材ではなくコイル支持体９に蒸着されたものであってもよい。これにより、超電導コイル１の支持を更に強固なものとし、振動などの外力に対する強度を増強させることができる。
【００２４】
このような構成において、超電導磁石装置の運転中は、超電導コイル１の交流損失や微小な抵抗（フラックスフロー抵抗）による熱が生じると共に、フィーダ７１，７３や酸化物超電導電流リード７２からも熱が生じ、また、真空容器３側からの室温の輻射なども発生する。このとき、輻射遮蔽層４は、真空容器３側からの室温の輻射を遮蔽し、また、コイル支持体９は、真空容器３側の室温部と超電導コイル１との間の熱伝導を妨げる。この結果、輻射遮蔽層４と超電導コイル１との間で大きな温度勾配が生じる。
【００２５】
輻射遮蔽層４で受けた熱は、一段部用伝熱部材２２Ａを通じて二段冷凍機一段部２１へ伝わる。また、フィーダ７１（および酸化物超電導電流リード７２）の熱も一段部用伝熱部材２２Ｂを通じて二段冷凍機一段部２１へ伝わる。一方、超電導コイル１から発生した熱は、高熱伝導材１１および二段部用伝熱部材２４Ａを通じて二段冷凍機二段部２３へ伝わる。このときの超電導コイル１と二段冷凍機二段部２３との間の冷却経路の熱抵抗は小さい。また、フィーダ７３（および酸化物超電導電流リード７２）の熱も、二段部用伝熱部材２４Ｂを通じて二段冷凍機二段部２３へ伝わる。
【００２６】
従来であれば超電導コイル１とこの超電導コイル１を取り囲む輻射シールドとの間の空間を真空とし、超電導コイル１を支持する手段として、熱侵入を低減するために断面積の小さい繊細な構造のコイル支持部材を超電導コイル１と真空容器３とに取り付ける構成としていたが、この第１の実施形態では、そのような構成とはせず、代わりにコイル支持体９を設けることにより支持構造を簡略化するとともに超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間の大きな温度勾配を生じさせて熱伝導を抑制し、また、二段部用伝熱部材２４Ａの伝熱経路の断面積を大きくあるいは経路を短く構成するなどして超電導コイル１と二段冷凍機二段部２３との間の冷却経路のみ熱抵抗が小さくなるようにすることにより、超電導コイル１への熱負荷を低減し、巻線内部の温度差を低減させることができるほか、コイル支持体９を設けることにより従来のコイル支持部材よりも機械強度が増大するため、超電導コイル１を安定して支持することができ、また、従来のような繊細な構造のコイル支持部材を省くことができるため、部品コストの削減や、作業に係る工数の削減を図ることができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、図２を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、この第２の実施形態においては、図１に示した第１の実施形態の構成と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２８】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。前述の第１の実施形態に係る超電導磁石装置は二段冷凍機２を備えたものであったが、この第２の実施形態に係る超電導磁石装置は代わりに単段冷凍機８を備えている。これに伴い、前述の酸化物超電導電流リード７２は不要となる。単段冷凍機８は、冷却ステージ８１および伝熱部材８２Ａ，８２Ｂを備えている。
【００２９】
単段冷凍機８は、単段の冷却ステージにて極低温の寒冷を生成する冷凍機であり、例えば４０Ｋ〜５０Ｋ程度の到達温度を実現可能なＧＭ冷凍機もしくはパルスチューブ型冷凍機である。冷却ステージ８１は、本冷凍機に備えられる唯一の冷却ステージであり、生成される寒冷により、伝熱部材８２Ａ，８２Ｂを通じて、フィーダ７１、輻射遮蔽層４、および超電導コイル１のすべてを伝導冷却する。伝熱部材８２Ａ，８２Ｂは、フィーダ７１と冷却ステージ８１との間の熱伝導、輻射遮蔽層４と冷却ステージ８１との間の熱伝導、および、超電導コイル１（および高熱伝導材１１）と冷却ステージ８１との間の熱伝導を担うものである。すなわち、超電導コイル１と高熱伝導材１１とコイル支持体９と輻射遮蔽層４とが、すべて同一の冷却ステージ８１に熱的に接続された構成となっている。
【００３０】
また、冷却ステージ８１と超電導コイル１とを熱的に接続する第一の冷却経路（伝熱部材８２Ａを通る経路）の熱抵抗は、冷却ステージ８１と輻射遮蔽層４とを熱的に接続する第二の冷却経路（伝熱部材８２Ｂを通る経路）の熱抵抗よりも小さい。
【００３１】
このような構成において、超電導磁石装置の運転中は、超電導コイル１の交流損失や微小な抵抗（フラックスフロー抵抗）による熱が生じると共に、フィーダ７１からも熱が生じ、また、真空容器３側からの室温の輻射が超電導コイル１側へ与えられる。このとき、輻射遮蔽層４は、真空容器３側からの室温の輻射を遮蔽し、また、コイル支持体９は、真空容器３側の室温部と超電導コイル１との間の熱伝導を妨げる。この結果、輻射遮蔽層４と超電導コイル１との間で大きな温度勾配が生じる。
【００３２】
輻射遮蔽層４で受けた熱は、伝熱部材８２Ｂを通じて冷却ステージ８１へ伝わる。また、フィーダ７１の熱も伝熱部材８２Ｂを通じて冷却ステージ８１へ伝わる。また、超電導コイル１から発生した熱も高熱伝導材１１および伝熱部材８２Ａを通じて冷却ステージ８１へ伝わる。なお、輻射遮蔽層４の外側には、ＭＬＩ（多層断熱材）を施工しても良い。
【００３３】
この第２の実施形態によれば、前述の第１の実施形態と同様の効果が得られるほか、一段ＧＭ冷凍機もしくは一段パルスチューブ型冷凍機を使用していることから、温度４０Ｋ〜５０Ｋレベルで数十Ｗの冷凍能力を発揮させることができ、超電導コイルを効果的に冷却することができる。加えて、熱侵入低減には有効であるが高価で機械的に脆い酸化物超電導リード７２を使用せずとも実現できるため、初期コストを低減しつつ装置の信頼性を向上させることができる。
【００３４】
（第３の実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、この第３の実施形態においては、図２に示した第２の実施形態の構成と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３５】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。前述の第２の実施形態に係る超電導磁石装置では、コイル支持体９が、超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間の空いた空間全体に充填される構成であったが、この第３の実施形態に係る超電導磁石装置ではコイル支持体９が超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間の一部のみに設けられる。本実施形態のコイル支持体９は、超電導コイル１をその表面の一部分で接触して支持しており、その支持部が超電導コイル１の負荷率の最も高い部分を避けて接触している。
【００３６】
超電導コイル１にはその経験磁場に応じて温度マージン（常電導転移までの温度的余裕）の分布が生じる。すなわち、高い経験磁場により臨界電流値の下がった部分は温度マージンが小さく（負荷率が高く）、磁場が比較的低いために臨界電流値の高い部分は、同じ運転電流値に対して温度マージンが大きい。この温度マージンの高い部分でコイル支持体９が接していれば、室温の輻射や支持部材の熱伝導などによる熱が超電導コイル１に伝わったとしても超電導コイル１の運転電流値を律する負荷率最大部には影響することがなく、超電導磁石装置の安定した運転が可能となる。
【００３７】
また、本実施形態のコイル支持体９は、材料として例えばＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）、ベークライトなどの繊維強化プラスチック、あるいは樹脂を使用し、また、ハニカム構造などの中空部を有する中空構造体を構成していてもよい。これにより、超電導コイル１との高い熱抵抗を保ちつつ、機械的な支持の強度を維持することが可能となる。
【００３８】
また、高熱伝導材１１および輻射遮蔽層４に純度の高い金属材料を使用してもよい。この場合、外部磁場の変動に対して渦電流が生じるが、高熱伝導材１１および輻射遮蔽層４に、磁束が鎖交する面に大きな電流のループを遮るようにスリットを設けることにより、渦電流による発熱を低減させることが可能となる。また、この輻射遮蔽層４の外側には、ＭＬＩ（多層断熱材）を施工しても良い。
【００３９】
この第３の実施形態によれば、前述の第２の実施形態と同様の効果が得られるほか、コイル支持体を構成する材料の使用量を低減し、装置の重量を軽減することが可能となる。また、超電導コイル１の温度マージンの高い部分でコイル支持体９が接する構成とすることにより、超電導コイル１の運転電流値を律する負荷率最大部に影響を与えずに、超電導磁石装置を安定して運転することが可能となる。また、コイル支持体９を中空構造体とすることにより、超電導コイル１との高い熱抵抗を保ちつつ、機械的な支持の強度を維持することが可能となる。また、高熱伝導材１１および輻射遮蔽層４において純度の高い金属材料を使用した場合、磁束が鎖交する面に大きな電流のループを遮るようにスリットを設けることにより、渦電流による発熱を低減させることが可能となる。
【００４０】
（第４の実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、この第４の実施形態においては、前述の各図に示した各実施形態の構成と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第２および第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４１】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。前述の第２および第３の実施形態に係る超電導磁石装置では、超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間にコイル支持体９のみが設けられる構成であったが、この第４の実施形態に係る超電導磁石装置では、あらかじめ超電導コイル１が容器９１にコイル支持体９を介して収納され、容器９１と輻射遮蔽層４との間の空間全体にコイル支持体９が充填される。超電導コイル１は、当該超電導コイル１と容器９１との間に部分的に設けられたコイル支持体９により支持される。容器９１は、例えば、図示のようにアルミニウムなどの金属、あるいは樹脂からなる材料を用いて構成される。
【００４２】
この第４の実施形態によれば、前述の第２および第３の実施形態と同様の効果が得られるほか、コイル支持体を構成する材料の使用量を低減しつつ、容器９１外側のコイル支持体９によって超電導コイル１と輻射遮蔽層４とを隔離させることができ、さらに、重要部品である超電導コイル１へ外力を直接与えずに、容器９１の外側にコイル支持体９を施工することが可能になる。なお、図４では容器９１の外側に輻射遮蔽層４が１枚のみ設けられているが、この外側にさらにコイル支持体９を介して輻射遮蔽層４を設けても良い。輻射遮蔽層４の外側には、ＭＬＩ（多層断熱材）を施工しても良い。
【００４３】
（第５の実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第５の実施形態について説明する。なお、この第５の実施形態においては、前述の各図に示した各実施形態の構成と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第４の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４４】
図５は、本発明の第５の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。前述の第４の実施形態に係る超電導磁石装置では、超電導コイル１と容器９１との間にコイル支持体９が部分的に設けられ、容器９１と輻射遮蔽層４との間の空間全体にコイル支持体９が充填される構成であったが、この第５の実施形態に係る超電導磁石装置では、超電導コイル１と容器９１との間の空間全体にコイル支持体９が充填され、容器９１と輻射遮蔽層４との間にコイル支持体９が部分的に設けられる。
【００４５】
この第５の実施形態によれば、前述の第２および第３の実施形態と同様の効果が得られるほか、コイル支持体を構成する材料の使用量を低減しつつ、容器９１内側のコイル支持体９によって超電導コイル１と輻射遮蔽層４とを隔離させることができ、さらに、あらかじめ容器９１に超電導コイル１を収納して樹脂などでモールドしてこの部分で温度勾配を生じさせ、超電導コイル１を入れた容器９１を部分的に支持して施工を簡略化し全体を軽量化することが可能になる。なお、図５では輻射遮蔽層４を１枚のみ設けられているが、さらにコイル支持体９を介して複数枚の輻射遮蔽層４を設けても良い。輻射遮蔽層４の外側には、ＭＬＩ（多層断熱材）を施工しても良い。
【００４６】
（第６の実施形態）
次に、図６〜図８を参照して、本発明の第６の実施形態について説明する。この第６の実施形態では、熱伝導を電気伝導のアナロジーで表した等価回路のモデルを用いて超電導磁石装置の好適な設計を行う手法について説明する。
【００４７】
図６は、図２乃至図５に示した超電導磁石装置中の、超電導コイル１、高熱伝導材１１、コイル支持体９、および輻射遮蔽層４における熱伝導を、電気伝導のアナロジーで示した等価回路のモデルを示す模式図である。なお、図６においては、前述した図に示した実施形態の構成と共通する要素には同一の符号を付している。
【００４８】
図６中に示される超電導コイル１の上側の矢印は、超電導コイル１の交流損失や微小な抵抗（フラックスフロー抵抗）による発熱を示し、輻射遮蔽層４の下側の矢印は、真空容器３側からの室温の輻射による熱負荷を示している。また、図６の右側には、支持部材５からの熱がコイル支持体９に入る様子が示されている。そして図６の中央には、これらの熱により超電導コイル１、高熱伝導材１１、コイル支持体９、および輻射遮蔽層４の中のあらゆる場所に生じる熱抵抗が複数の抵抗器の形で表現されている。さらに図６中の左側には、高熱伝導材１１から伝熱部材８２を通じて冷却ステージ８１へ熱が伝導する様子が示されている。
【００４９】
図６のモデルにおける高熱伝導材１１の断面、コイル支持体９の断面、および輻射遮蔽層４の厚さのそれぞれの寸法の比率をパラメータとした二通りの設計例（例１，例２）を表１に示す。
【表１】
【００５０】
表１においては、３種類のパラメータとして、高熱伝導材１１の断面比、コイル支持体９の断面比、および輻射遮蔽層４の厚さ比が示されている。その下に、これら３つのパラメータを定めたときの各部の熱抵抗の値（等価回路における抵抗に相当）、すなわち、超電導コイル１、高熱伝導材１１、コイル支持体９、輻射遮蔽層４、およびコイル支持体９（厚さ方向）の各熱抵抗の値が示されている。さらにその下に、超電導コイル１の温度最大値および超電導コイル１内部の温度差が示されている。
【００５１】
ここで、表１に示される例１，例２の条件で、図６の等価回路に基づく所定のモデル式から、超電導コイル１、コイル支持体９、輻射遮蔽層４の温度分布を計算した結果を図７，図８のグラフにそれぞれ示す。
【００５２】
例１と例２とでは各部の熱負荷の合計はほぼ同じであるが、表１に示されるように条件を切り換え、図６の等価回路の各部の抵抗値を変えることで、図７や図８のグラフに示されるように超電導コイル１、コイル支持体９、輻射遮蔽層４についての異なる温度分布を確認することができるため、好適な設計条件を見出すことができる。
【００５３】
また、表１に示されるように、コイル支持体９が高熱伝導材の１００倍以上の熱抵抗を有するように熱伝導率、断面積、経路長さを設定することによって、超電導コイル１を効果的に冷却して温度ピーク値を下げ、十分な温度マージンを確保することができ、巻線量を増やすことなく、また安定性を損なわずに効果的に超電導磁石装置に磁場を発生させることが可能となる。
【００５４】
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１…超電導コイル、１１…高熱伝導材、２…二段冷凍機、２１…二段冷凍機一段部、２２Ａ，２２Ｂ…二段冷凍機一段部への伝熱部材、２３…二段冷凍機二段部、２４Ａ，２４Ｂ…二段冷凍機二段部への伝熱部材、３…真空容器、４…輻射遮蔽層、５…支持部材、７…電流導入端子、７１…フィーダ、７２…酸化物超電導電流リード、８…単段冷凍機、８１…単段冷凍機冷却ステージ、８２Ａ，８２Ｂ…伝熱部材、９…コイル支持体、９１…容器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超電導コイルを極低温冷凍機により伝導冷却する方式の高温超電導磁石装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高温超電導テープ線材は、その特性の向上、長尺化、および量産化が飛躍的に進んでおり、各種機器への応用が期待されている。例えばシリコン単結晶引上げ用マグネットや磁気浮上式鉄道などの機器に、高温超電導テープ線材を用いた超電導コイルを適用するメリットは大きいと予想される。また、超電導コイルを超電導状態に保つための冷却手段としては、液体ヘリウム等の極低温の冷媒に浸漬するのではなく、真空容器に収納して極低温冷凍機により伝導冷却する方式が採られ始めている。
【０００３】
金属系超電導コイルを使用する場合のみならず、臨界温度が比較的高い酸化物超電導コイルを使用する場合にも、真空容器側からの輻射を遮蔽するためにシールド板を設ける。シールド板と超電導コイルとの間隙は、特許文献１，２，３に示されるように真空空間である。超電導コイルへの熱負荷を減らすためには、シールド板を貫通させて断面積の小さい繊細な構造のコイル支持部材を使って超電導コイルを固定し、シールド板の位置で熱アンカーをとらなければなければならないため、機械強度は弱く、また、コイル支持部材は繊細な構造であるために製作に時間や費用がかかる。
【０００４】
また、高温超電導コイルを冷凍機で伝導冷却する装置が特許文献４に開示されている。この装置において室温からの輻射や電流リードからの熱侵入を低減するためには、シールド板を設け、二段冷凍機を用いてシールド板を一段部で冷やす必要がある。超電導コイルには高温超電導線材を使用しているものの、やはり上述したような問題は回避できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７５６５５１号公報
【特許文献２】特許第４０９５７４２号公報
【特許文献３】特許第３４８６８６８号公報
【特許文献４】特許第３０８２３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、超電導コイルを冷凍機により伝導冷却する方式の超電導磁石装置では、一般に到達温度が４Ｋ程度以下となる二段冷凍機を使うが、この二段冷凍機では熱負荷の変化により冷凍能力が大きく影響されて長期運転時の信頼性に問題があるとともに、極低温部の熱負荷低減の必要性から繊細な支持構造が用いられて、機械強度が弱く、製作においても時間や費用がかかる。また、到達温度は２０Ｋ程度であるが数倍の効率が得られ冷凍能力の高い単段冷凍機により超電導コイルを冷却しようとすると、電流リードや支持材からの熱伝導、輻射など、超電導コイルへの熱負荷が増加し、巻線内部で温度差が生じてしまう。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、支持構造が簡略で信頼性が高く、低コスト化を実現する超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様による超電導磁石装置は、真空容器に収納した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おいて、前記冷凍機の冷却ステージと前記超電導コイルとを熱的に接続する熱伝導材と、前記超電導コイルの周囲に設けられる輻射遮蔽層と、前記超電導コイルをその表面全体あるいはその表面の一部分に接触して支持するコイル支持体とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、支持構造が簡略で信頼性が高く、低コスト化を実現する超電導磁石装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図。
【図６】図２乃至図５に示した超電導磁石装置中の、超電導コイル、高熱伝導材、コイル支持体、および輻射遮蔽層における熱伝導を、電気伝導のアナロジーで示した等価回路のモデルを示す模式図。
【図７】図６のモデルにおいて各種の条件を設定した場合の各部の温度分布を示すグラフ。
【図８】図６のモデルにおいて別の条件を設定した場合の各部の温度分布を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。
【００１３】
第１の実施形態に係る超電導磁石装置は、真空容器に収納した超電導コイルを冷凍機により伝導冷却する方式を採用した高温超電導マグネットであり、主な構成要素として、超電導コイル１、二段冷凍機２、真空容器３、輻射遮蔽層４、支持部材５、電流導入端子７、およびコイル支持体９を有する。上記超電導コイル１は、高熱伝導材１１を備えている。また、冷凍機２は、二段冷凍機一段部２１、一段部用伝熱部材２２Ａ，２２Ｂ、二段冷凍機二段部２３、および二段部用伝熱部材２４Ａ，２４Ｂを備えている。電流導入端子７は、フィーダ（電流リード）７１、酸化物超電導電流リード７２、およびフィーダ（電流リード）７３を備えている。
【００１４】
なお、超電導コイル１は、円筒形状を成しており、これを中心軸に沿って切ると中心軸を挟んで２つの分離したコイル断面部分が見られるが、図１では図面が複雑になることを避けるため、片方のコイル断面部分のみを図示している（後述する図２乃至図５についても同様）。
【００１５】
この超電導磁石装置においては、特に、コイル支持体９により、該コイル支持体９を含めて超電導コイル１と高熱伝導材１１と輻射遮蔽層４とが一体となるよう結合されている。この結合は、樹脂による接着、含浸、圧接、蒸着、ネジ止め、凹凸はめ込みのうちの少なくともいずれか１つを用いて実現されている。これにより、結合を強固なものとし、組み立てが簡易で機械的に安定したものとすることができる。
【００１６】
超電導コイル１は、例えばテープ形状の金属基板上に中間層を介して超電導層および良導電性安定化金属層を形成させた高温超電導テープ線材を巻回してなる高温超電導コイルである。この超電導コイル１は、二段冷凍機二段部２３にて生成される極低温により高熱伝導材１１を通じて冷却される。高熱伝導材１１は、超電導コイル１に取り付けられており、超電導コイル１と二段部用伝熱部材２４Ａ，２４Ｂとの間の高熱伝導を担うものである。この高熱伝導材１１は、例えば純度の高い金属や窒化アルミニウムなどの熱伝導率の高い部材で構成される。
【００１７】
二段冷凍機２は、二段の冷却ステージを通じて極低温の寒冷を生成する冷凍機であり、例えば４Ｋ程度以下の低い到達温度を実現可能な二段４Ｋ−ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機である。二段冷凍機一段部２１は、最終段に至る途中で生成される寒冷により、一段部用伝熱部材２２Ａ，２２Ｂを通じて、フィーダ７１および輻射遮蔽層４を伝導冷却するものである。一段部用伝熱部材２２Ａ，２２Ｂは、フィーダ７１（および酸化物超電導電流リード７２）と二段冷凍機一段部２１との間の熱伝導、および、輻射遮蔽層４と二段冷凍機一段部２１との間の熱伝導を担うものある。二段冷凍機二段部２３は、最終段として生成される寒冷により、二段部用伝熱部材２４Ａ，２４Ｂを通じて、フィーダ７３（および酸化物超電導電流リード７２）、および、超電導コイル１を伝導冷却するものである。二段部用伝熱部材２４Ａ，２４Ｂは、フィーダ７３（および酸化物超電導電流リード７２）と二段冷凍機二段部２３との間の熱伝導、および、超電導コイル１（および高熱伝導材１１）と二段冷凍機二段部２３との間の熱伝導を担うものである。特に、超電導コイル１（および高熱伝導材１１）と二段冷凍機二段部２３との間にある二段部用伝熱部材２４Ａを、２４Ｂと比べて伝熱経路の断面積を大きく、あるいは経路を短く、あるいは純度の高い金属材料で構成することにより、超電導コイル１と二段冷凍機二段部２３との間の冷却経路の熱抵抗が小さくなるようにしている。
【００１８】
真空容器３は、内部が真空の状態に保たれ、当該超電導磁石装置を構成する各種の要素を収容する容器である。
【００１９】
輻射遮蔽層４は、超電導コイル１を取り囲むコイル支持体９を包み込むように設けられる層であり、真空容器３側からの室温の輻射を遮蔽する。この輻射遮蔽層４は、例えば、アルミニウムあるいはアルミニウムと繊維強化プラスチックとを厚さ方向に複合してなる材料から構成され、前記アルミニウムの純度は９９％以上であることが望ましい。これにより、輻射遮蔽の性能を向上させることが可能となる。この輻射遮蔽層４の外側には、ＭＬＩ（多層断熱材）を施工しても良い。
【００２０】
支持部材５は、一端が真空容器３の一部に取り付けられると共に他端が輻射遮蔽層４（もしくはコイル支持体９）の一部に取り付けられ、超電導コイル１、高熱伝導材１１、コイル支持体９、および輻射遮蔽層４が一体化したものを支持する部材である。
【００２１】
電流導入端子７は、電流導入用の端子である。フィーダ７１，７３は、端子から導入される電流を酸化物超電導電流リード７２を介して超電導コイル１へ供給する電流リードである。酸化物超電導電流リード７２は、特に熱侵入低減に有効な電流リードである。
【００２２】
コイル支持体９は、超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間に設けられ、一定以上の大きな熱抵抗を有する断熱層としての機能だけでなく、超電導コイル１を機械的に支持する機能をも兼ね備えている。このコイル支持体９は、例えば、樹脂あるいは繊維強化プラスチックからなる材料を含んで構成されていることが望ましい。図１の例では、超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間の空いた空間全体に、コイル支持体９が充填されている。すなわち、本実施形態のコイル支持体９は、超電導コイル１をその表面全体に接触して支持している。これにより、超電導コイル１の支持を強固なものとしている。
【００２３】
なお、超電導コイル１と高熱伝導材１１とコイル支持体９と輻射遮蔽層４とは、樹脂等により接着するか、あるいはネジ止めにより結合されていても良い。また、輻射遮蔽層４は、板材であってもよいし、あるいは板材ではなくコイル支持体９に蒸着されたものであってもよい。これにより、超電導コイル１の支持を更に強固なものとし、振動などの外力に対する強度を増強させることができる。
【００２４】
このような構成において、超電導磁石装置の運転中は、超電導コイル１の交流損失や微小な抵抗（フラックスフロー抵抗）による熱が生じると共に、フィーダ７１，７３や酸化物超電導電流リード７２からも熱が生じ、また、真空容器３側からの室温の輻射なども発生する。このとき、輻射遮蔽層４は、真空容器３側からの室温の輻射を遮蔽し、また、コイル支持体９は、真空容器３側の室温部と超電導コイル１との間の熱伝導を妨げる。この結果、輻射遮蔽層４と超電導コイル１との間で大きな温度勾配が生じる。
【００２５】
輻射遮蔽層４で受けた熱は、一段部用伝熱部材２２Ａを通じて二段冷凍機一段部２１へ伝わる。また、フィーダ７１（および酸化物超電導電流リード７２）の熱も一段部用伝熱部材２２Ｂを通じて二段冷凍機一段部２１へ伝わる。一方、超電導コイル１から発生した熱は、高熱伝導材１１および二段部用伝熱部材２４Ａを通じて二段冷凍機二段部２３へ伝わる。このときの超電導コイル１と二段冷凍機二段部２３との間の冷却経路の熱抵抗は小さい。また、フィーダ７３（および酸化物超電導電流リード７２）の熱も、二段部用伝熱部材２４Ｂを通じて二段冷凍機二段部２３へ伝わる。
【００２６】
従来であれば超電導コイル１とこの超電導コイル１を取り囲む輻射シールドとの間の空間を真空とし、超電導コイル１を支持する手段として、熱侵入を低減するために断面積の小さい繊細な構造のコイル支持部材を超電導コイル１と真空容器３とに取り付ける構成としていたが、この第１の実施形態では、そのような構成とはせず、代わりにコイル支持体９を設けることにより支持構造を簡略化するとともに超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間の大きな温度勾配を生じさせて熱伝導を抑制し、また、二段部用伝熱部材２４Ａの伝熱経路の断面積を大きくあるいは経路を短く構成するなどして超電導コイル１と二段冷凍機二段部２３との間の冷却経路のみ熱抵抗が小さくなるようにすることにより、超電導コイル１への熱負荷を低減し、巻線内部の温度差を低減させることができるほか、コイル支持体９を設けることにより従来のコイル支持部材よりも機械強度が増大するため、超電導コイル１を安定して支持することができ、また、従来のような繊細な構造のコイル支持部材を省くことができるため、部品コストの削減や、作業に係る工数の削減を図ることができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、図２を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、この第２の実施形態においては、図１に示した第１の実施形態の構成と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２８】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。前述の第１の実施形態に係る超電導磁石装置は二段冷凍機２を備えたものであったが、この第２の実施形態に係る超電導磁石装置は代わりに単段冷凍機８を備えている。これに伴い、前述の酸化物超電導電流リード７２は不要となる。単段冷凍機８は、冷却ステージ８１および伝熱部材８２Ａ，８２Ｂを備えている。
【００２９】
単段冷凍機８は、単段の冷却ステージにて極低温の寒冷を生成する冷凍機であり、例えば４０Ｋ〜５０Ｋ程度の到達温度を実現可能なＧＭ冷凍機もしくはパルスチューブ型冷凍機である。冷却ステージ８１は、本冷凍機に備えられる唯一の冷却ステージであり、生成される寒冷により、伝熱部材８２Ａ，８２Ｂを通じて、フィーダ７１、輻射遮蔽層４、および超電導コイル１のすべてを伝導冷却する。伝熱部材８２Ａ，８２Ｂは、フィーダ７１と冷却ステージ８１との間の熱伝導、輻射遮蔽層４と冷却ステージ８１との間の熱伝導、および、超電導コイル１（および高熱伝導材１１）と冷却ステージ８１との間の熱伝導を担うものである。すなわち、超電導コイル１と高熱伝導材１１とコイル支持体９と輻射遮蔽層４とが、すべて同一の冷却ステージ８１に熱的に接続された構成となっている。
【００３０】
また、冷却ステージ８１と超電導コイル１とを熱的に接続する第一の冷却経路（伝熱部材８２Ａを通る経路）の熱抵抗は、冷却ステージ８１と輻射遮蔽層４とを熱的に接続する第二の冷却経路（伝熱部材８２Ｂを通る経路）の熱抵抗よりも小さい。
【００３１】
このような構成において、超電導磁石装置の運転中は、超電導コイル１の交流損失や微小な抵抗（フラックスフロー抵抗）による熱が生じると共に、フィーダ７１からも熱が生じ、また、真空容器３側からの室温の輻射が超電導コイル１側へ与えられる。このとき、輻射遮蔽層４は、真空容器３側からの室温の輻射を遮蔽し、また、コイル支持体９は、真空容器３側の室温部と超電導コイル１との間の熱伝導を妨げる。この結果、輻射遮蔽層４と超電導コイル１との間で大きな温度勾配が生じる。
【００３２】
輻射遮蔽層４で受けた熱は、伝熱部材８２Ｂを通じて冷却ステージ８１へ伝わる。また、フィーダ７１の熱も伝熱部材８２Ｂを通じて冷却ステージ８１へ伝わる。また、超電導コイル１から発生した熱も高熱伝導材１１および伝熱部材８２Ａを通じて冷却ステージ８１へ伝わる。なお、輻射遮蔽層４の外側には、ＭＬＩ（多層断熱材）を施工しても良い。
【００３３】
この第２の実施形態によれば、前述の第１の実施形態と同様の効果が得られるほか、一段ＧＭ冷凍機もしくは一段パルスチューブ型冷凍機を使用していることから、温度４０Ｋ〜５０Ｋレベルで数十Ｗの冷凍能力を発揮させることができ、超電導コイルを効果的に冷却することができる。加えて、熱侵入低減には有効であるが高価で機械的に脆い酸化物超電導リード７２を使用せずとも実現できるため、初期コストを低減しつつ装置の信頼性を向上させることができる。
【００３４】
（第３の実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、この第３の実施形態においては、図２に示した第２の実施形態の構成と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３５】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。前述の第２の実施形態に係る超電導磁石装置では、コイル支持体９が、超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間の空いた空間全体に充填される構成であったが、この第３の実施形態に係る超電導磁石装置ではコイル支持体９が超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間の一部のみに設けられる。本実施形態のコイル支持体９は、超電導コイル１をその表面の一部分で接触して支持しており、その支持部が超電導コイル１の負荷率の最も高い部分を避けて接触している。
【００３６】
超電導コイル１にはその経験磁場に応じて温度マージン（常電導転移までの温度的余裕）の分布が生じる。すなわち、高い経験磁場により臨界電流値の下がった部分は温度マージンが小さく（負荷率が高く）、磁場が比較的低いために臨界電流値の高い部分は、同じ運転電流値に対して温度マージンが大きい。この温度マージンの高い部分でコイル支持体９が接していれば、室温の輻射や支持部材の熱伝導などによる熱が超電導コイル１に伝わったとしても超電導コイル１の運転電流値を律する負荷率最大部には影響することがなく、超電導磁石装置の安定した運転が可能となる。
【００３７】
また、本実施形態のコイル支持体９は、材料として例えばＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）、ベークライトなどの繊維強化プラスチック、あるいは樹脂を使用し、また、ハニカム構造などの中空部を有する中空構造体を構成していてもよい。これにより、超電導コイル１との高い熱抵抗を保ちつつ、機械的な支持の強度を維持することが可能となる。
【００３８】
また、高熱伝導材１１および輻射遮蔽層４に純度の高い金属材料を使用してもよい。この場合、外部磁場の変動に対して渦電流が生じるが、高熱伝導材１１および輻射遮蔽層４に、磁束が鎖交する面に大きな電流のループを遮るようにスリットを設けることにより、渦電流による発熱を低減させることが可能となる。また、この輻射遮蔽層４の外側には、ＭＬＩ（多層断熱材）を施工しても良い。
【００３９】
この第３の実施形態によれば、前述の第２の実施形態と同様の効果が得られるほか、コイル支持体を構成する材料の使用量を低減し、装置の重量を軽減することが可能となる。また、超電導コイル１の温度マージンの高い部分でコイル支持体９が接する構成とすることにより、超電導コイル１の運転電流値を律する負荷率最大部に影響を与えずに、超電導磁石装置を安定して運転することが可能となる。また、コイル支持体９を中空構造体とすることにより、超電導コイル１との高い熱抵抗を保ちつつ、機械的な支持の強度を維持することが可能となる。また、高熱伝導材１１および輻射遮蔽層４において純度の高い金属材料を使用した場合、磁束が鎖交する面に大きな電流のループを遮るようにスリットを設けることにより、渦電流による発熱を低減させることが可能となる。
【００４０】
（第４の実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、この第４の実施形態においては、前述の各図に示した各実施形態の構成と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第２および第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４１】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。前述の第２および第３の実施形態に係る超電導磁石装置では、超電導コイル１と輻射遮蔽層４との間にコイル支持体９のみが設けられる構成であったが、この第４の実施形態に係る超電導磁石装置では、あらかじめ超電導コイル１が容器９１にコイル支持体９を介して収納され、容器９１と輻射遮蔽層４との間の空間全体にコイル支持体９が充填される。超電導コイル１は、当該超電導コイル１と容器９１との間に部分的に設けられたコイル支持体９により支持される。容器９１は、例えば、図示のようにアルミニウムなどの金属、あるいは樹脂からなる材料を用いて構成される。
【００４２】
この第４の実施形態によれば、前述の第２および第３の実施形態と同様の効果が得られるほか、コイル支持体を構成する材料の使用量を低減しつつ、容器９１外側のコイル支持体９によって超電導コイル１と輻射遮蔽層４とを隔離させることができ、さらに、重要部品である超電導コイル１へ外力を直接与えずに、容器９１の外側にコイル支持体９を施工することが可能になる。なお、図４では容器９１の外側に輻射遮蔽層４が１枚のみ設けられているが、この外側にさらにコイル支持体９を介して輻射遮蔽層４を設けても良い。輻射遮蔽層４の外側には、ＭＬＩ（多層断熱材）を施工しても良い。
【００４３】
（第５の実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第５の実施形態について説明する。なお、この第５の実施形態においては、前述の各図に示した各実施形態の構成と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第４の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４４】
図５は、本発明の第５の実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。前述の第４の実施形態に係る超電導磁石装置では、超電導コイル１と容器９１との間にコイル支持体９が部分的に設けられ、容器９１と輻射遮蔽層４との間の空間全体にコイル支持体９が充填される構成であったが、この第５の実施形態に係る超電導磁石装置では、超電導コイル１と容器９１との間の空間全体にコイル支持体９が充填され、容器９１と輻射遮蔽層４との間にコイル支持体９が部分的に設けられる。
【００４５】
この第５の実施形態によれば、前述の第２および第３の実施形態と同様の効果が得られるほか、コイル支持体を構成する材料の使用量を低減しつつ、容器９１内側のコイル支持体９によって超電導コイル１と輻射遮蔽層４とを隔離させることができ、さらに、あらかじめ容器９１に超電導コイル１を収納して樹脂などでモールドしてこの部分で温度勾配を生じさせ、超電導コイル１を入れた容器９１を部分的に支持して施工を簡略化し全体を軽量化することが可能になる。なお、図５では輻射遮蔽層４を１枚のみ設けられているが、さらにコイル支持体９を介して複数枚の輻射遮蔽層４を設けても良い。輻射遮蔽層４の外側には、ＭＬＩ（多層断熱材）を施工しても良い。
【００４６】
（第６の実施形態）
次に、図６〜図８を参照して、本発明の第６の実施形態について説明する。この第６の実施形態では、熱伝導を電気伝導のアナロジーで表した等価回路のモデルを用いて超電導磁石装置の好適な設計を行う手法について説明する。
【００４７】
図６は、図２乃至図５に示した超電導磁石装置中の、超電導コイル１、高熱伝導材１１、コイル支持体９、および輻射遮蔽層４における熱伝導を、電気伝導のアナロジーで示した等価回路のモデルを示す模式図である。なお、図６においては、前述した図に示した実施形態の構成と共通する要素には同一の符号を付している。
【００４８】
図６中に示される超電導コイル１の上側の矢印は、超電導コイル１の交流損失や微小な抵抗（フラックスフロー抵抗）による発熱を示し、輻射遮蔽層４の下側の矢印は、真空容器３側からの室温の輻射による熱負荷を示している。また、図６の右側には、支持部材５からの熱がコイル支持体９に入る様子が示されている。そして図６の中央には、これらの熱により超電導コイル１、高熱伝導材１１、コイル支持体９、および輻射遮蔽層４の中のあらゆる場所に生じる熱抵抗が複数の抵抗器の形で表現されている。さらに図６中の左側には、高熱伝導材１１から伝熱部材８２を通じて冷却ステージ８１へ熱が伝導する様子が示されている。
【００４９】
図６のモデルにおける高熱伝導材１１の断面、コイル支持体９の断面、および輻射遮蔽層４の厚さのそれぞれの寸法の比率をパラメータとした二通りの設計例（例１，例２）を表１に示す。
【表１】
【００５０】
表１においては、３種類のパラメータとして、高熱伝導材１１の断面比、コイル支持体９の断面比、および輻射遮蔽層４の厚さ比が示されている。その下に、これら３つのパラメータを定めたときの各部の熱抵抗の値（等価回路における抵抗に相当）、すなわち、超電導コイル１、高熱伝導材１１、コイル支持体９、輻射遮蔽層４、およびコイル支持体９（厚さ方向）の各熱抵抗の値が示されている。さらにその下に、超電導コイル１の温度最大値および超電導コイル１内部の温度差が示されている。
【００５１】
ここで、表１に示される例１，例２の条件で、図６の等価回路に基づく所定のモデル式から、超電導コイル１、コイル支持体９、輻射遮蔽層４の温度分布を計算した結果を図７，図８のグラフにそれぞれ示す。
【００５２】
例１と例２とでは各部の熱負荷の合計はほぼ同じであるが、表１に示されるように条件を切り換え、図６の等価回路の各部の抵抗値を変えることで、図７や図８のグラフに示されるように超電導コイル１、コイル支持体９、輻射遮蔽層４についての異なる温度分布を確認することができるため、好適な設計条件を見出すことができる。
【００５３】
また、表１に示されるように、コイル支持体９が高熱伝導材の１００倍以上の熱抵抗を有するように熱伝導率、断面積、経路長さを設定することによって、超電導コイル１を効果的に冷却して温度ピーク値を下げ、十分な温度マージンを確保することができ、巻線量を増やすことなく、また安定性を損なわずに効果的に超電導磁石装置に磁場を発生させることが可能となる。
【００５４】
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１…超電導コイル、１１…高熱伝導材、２…二段冷凍機、２１…二段冷凍機一段部、２２Ａ，２２Ｂ…二段冷凍機一段部への伝熱部材、２３…二段冷凍機二段部、２４Ａ，２４Ｂ…二段冷凍機二段部への伝熱部材、３…真空容器、４…輻射遮蔽層、５…支持部材、７…電流導入端子、７１…フィーダ、７２…酸化物超電導電流リード、８…単段冷凍機、８１…単段冷凍機冷却ステージ、８２Ａ，８２Ｂ…伝熱部材、９…コイル支持体、９１…容器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器に収納した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おいて、
前記冷凍機の冷却ステージと前記超電導コイルとを熱的に接続する熱伝導材と、
前記超電導コイルの周囲に設けられる輻射遮蔽層と、
前記超電導コイルをその表面全体あるいはその表面の一部分に接触して支持するコイル支持体と
を具備することを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
前記コイル支持体が前記超電導コイルと前記輻射遮蔽層との間隙に設けられ、該コイル支持体を含めて前記超電導コイルと前記熱伝導材と前記輻射遮蔽層とが一体となるよう結合され、
前記超電導コイルと前記輻射遮蔽層とが前記コイル支持体によって隔離さ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。
【請求項３】
前記結合が、樹脂による接着、含浸、圧接、蒸着、ネジ止め、凹凸はめ込みのうちの少なくともいずれか１つを用いて実現されていることを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
前記超電導コイルと前記熱伝導材と前記コイル支持体と前記輻射遮蔽層とが、すべて前記冷凍機の同一の冷却ステージに熱的に接続され、
前記冷凍機の冷却ステージと前記超電導コイルとを熱的に接続する第一の冷却経路と、前記冷凍機の冷却ステージと前記輻射遮蔽層とを熱的に接続する第二の冷却経路と、が分離されており、前記第一の冷却経路の熱抵抗は前記第二の冷却経路の熱抵抗よりも小さいことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項５】
前記冷凍機は、冷凍ステージが一段で構成されるＧＭ冷凍機もしくはパルスチューブ型冷凍機であることを特徴とする請求項４に記載の超電導磁石装置。
【請求項６】
前記コイル支持体は、前記超電導コイルをその表面の一部分で接触して支持しており、その支持部が前記超電導コイルの負荷率の最も高い部分を避けて接触していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項７】
前記コイル支持体は、中空部を有する中空構造体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項８】
前記熱伝導材および前記輻射遮蔽層は、外部磁場の変動に対して生じる渦電流のループを遮るように設けられたスリットを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項９】
前記輻射遮蔽層は、アルミニウムあるいはアルミニウムと繊維強化プラスチックとを厚さ方向に複合してなる材料からなり、前記アルミニウムの純度が９９％以上であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項１０】
前記超電導コイルは、テープ形状の金属基板上に中間層を介して超電導層および良導電性安定化金属層を形成させた高温超電導テープ線材を巻回してなるものであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項１】
真空容器に収納した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おいて、
前記冷凍機の冷却ステージと前記超電導コイルとを熱的に接続する熱伝導材と、
前記超電導コイルの周囲に設けられる輻射遮蔽層と、
前記超電導コイルをその表面全体あるいはその表面の一部分に接触して支持するコイル支持体と
を具備することを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
前記コイル支持体が前記超電導コイルと前記輻射遮蔽層との間隙に設けられ、該コイル支持体を含めて前記超電導コイルと前記熱伝導材と前記輻射遮蔽層とが一体となるよう結合され、
前記超電導コイルと前記輻射遮蔽層とが前記コイル支持体によって隔離さ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。
【請求項３】
前記結合が、樹脂による接着、含浸、圧接、蒸着、ネジ止め、凹凸はめ込みのうちの少なくともいずれか１つを用いて実現されていることを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
前記超電導コイルと前記熱伝導材と前記コイル支持体と前記輻射遮蔽層とが、すべて前記冷凍機の同一の冷却ステージに熱的に接続され、
前記冷凍機の冷却ステージと前記超電導コイルとを熱的に接続する第一の冷却経路と、前記冷凍機の冷却ステージと前記輻射遮蔽層とを熱的に接続する第二の冷却経路と、が分離されており、前記第一の冷却経路の熱抵抗は前記第二の冷却経路の熱抵抗よりも小さいことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項５】
前記冷凍機は、冷凍ステージが一段で構成されるＧＭ冷凍機もしくはパルスチューブ型冷凍機であることを特徴とする請求項４に記載の超電導磁石装置。
【請求項６】
前記コイル支持体は、前記超電導コイルをその表面の一部分で接触して支持しており、その支持部が前記超電導コイルの負荷率の最も高い部分を避けて接触していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項７】
前記コイル支持体は、中空部を有する中空構造体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項８】
前記熱伝導材および前記輻射遮蔽層は、外部磁場の変動に対して生じる渦電流のループを遮るように設けられたスリットを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項９】
前記輻射遮蔽層は、アルミニウムあるいはアルミニウムと繊維強化プラスチックとを厚さ方向に複合してなる材料からなり、前記アルミニウムの純度が９９％以上であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項１０】
前記超電導コイルは、テープ形状の金属基板上に中間層を介して超電導層および良導電性安定化金属層を形成させた高温超電導テープ線材を巻回してなるものであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２３７０２（Ｐ２０１１−２３７０２Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７６０４５（Ｐ２０１０−７６０４５）
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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