(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
請求項1に記載された前記超電導コイル巻線部が複数配置された超電導磁石であって、 前記超電導コイル巻線部の各々の電磁力が働く方向に前記弾性体を具備する超電導磁石。
超電導磁石であって冷凍機と接続された熱良導体と超電導コイル巻線部とが接触され、前記熱良導体と前記巻線部の冷却時における収縮量よりも十分に大きい収縮量を変位として与えることが可能な弾性体を持ち、前記弾性体が前記コイル巻線部の同一半径方向に対して、前記コイル巻線部の内周側と外周側との双方に少なくとも一つ以上配置されることを特徴とする伝導冷却型超電導磁石。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例1】
【0013】
本実施例では、伝導冷却型の超電導磁石100の例を説明する。
図1は、本実施例の超電導磁石100の構成図の例である。以下、本実施の超電導磁石100の主な構成を説明する。
【0014】
超電導磁石100は、断熱真空容器18と、断熱真空容器18内に設置した超電導コイル101および冷凍機17と、超電導コイル101と冷凍機17とを接続した伝熱部材21とを構成に含む。なお、超電導コイル101は配線16を介して励磁電源14に接続される。また、超電導コイル101の通電中に温度上昇や超電導臨界電流密度を超えた電流が流れた場合、もしくは磁性体の吸着などの緊急減磁が必要な場合にはスイッチ20が開き、励磁電源14を超電導コイル101から切り離し、超電導コイル101に蓄積された磁気エネルギーを消費する保護回路13が励磁電源14と並列に接続されている。
【0015】
冷凍機17は、例えばGM(ギフォード・マクマホン)冷凍機やGM-JT(ギフォード・マクマホン-ジュール・トムソン)冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機などの公知の冷凍機を利用することができる。伝熱部材21は、例えば温度4Kから77Kの超電導コイル使用温度において熱伝導率が100W/Km以上のアルミニウム板、銅板などの金属板やそれらの可とう性導体、もしくはサファイア板やシリコンカーバイド板などの電気絶縁板を利用することができる。
【0016】
励磁電源14は、例えば直流電源、交流電源を利用することができる。保護回路13は、例えば0.1Ωから数Ωの抵抗およびダイオードを利用することができる。
【0017】
次に、超電導コイル101の構成を説明する。
【0018】
巻き枠19に巻かれた超電導コイル巻線部10は、軸方向表面において接触した絶縁材22を介して熱良導体12と接触する。したがって、本実施例の超電導磁石100は、L字形の巻き枠19の底辺部と熱良導体12との間に超電導コイル巻線部10が配置され、かつ超電導コイル巻線部10と熱良導体12とが熱的に接触している構造となる。熱良導体12は、冷凍機17に接続された伝熱部材21(冷凍機17の冷却ステージ)と接続される。
【0019】
なお、ここでいう超電導コイル巻線部10の軸方向とは、超電導線材を環状に巻きコイルを形成する際の中心軸のことをいう。また、熱良導体12から超電導コイル巻線部10に面圧を印加するために、弾性体である板ばね11が熱良導体12の表面に設置される。板バネ11は巻き枠19と締結具であるボルト15によって締結される。ボルト15は半径方向に少なくとも二つ以上締結し、なおかつボルト15は超電導コイル巻線部10の中心径の位置に対して半径方向内側と半径方向外側の位置に締結する。
【0020】
本実施例においては、ボルト15および板ばね11とからなる機構が面圧印加機構であり、熱良導体12とボルト15の頭部との間に板ばね11をたわませて配置し、ボルト15の尾部を巻き枠19の底部に締結している。板ばね11が発生させる反発力は、ボルト15を介して巻き枠19を熱良導体に向けて引き上げ、巻き枠19に設置された超電導コイルの超電導コイル巻線部10を熱良導体12に対して押し当てる力として機能する。
【0021】
なお、巻き枠19は、
図1に示すように、2つのL字形を中心軸に関して線対称となるように配置したような断面形状を呈する。
【0022】
超電導コイル巻線部10はニオブ系超電導線材や二ホウ化マグネシウム超電導線材、ビスマス系銅酸化物超電導線材、希土類系超電導線材などの超電導線材と、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂などの絶縁材から構成される。巻線方法はソレノイド巻き、パンケーキ巻きのどちらでもよい。巻き枠19は例えば、ステンレスやアルミ合金、繊維強化プラスチック(FRP)などが用いられる。
【0023】
熱良導体12は温度4Kから77Kの超電導コイル使用温度における熱伝導率が100W/Km以上の金属もしくはセラミクスが好ましい。例えば、アルミニウム板や銅板、窒化アルミニウムなどの板、もしくはそれらの金属からなる可とう性導体を利用することができる。
【0024】
板ばね11は例えば、ばね鋼などの公知の板ばね材を利用できる。
【0025】
図2は、本実施例において板ばね11を周方向に複数配置した場合の例を示す。周方向に8個の板ばね11を記載しているが、所定の面圧を印加することができれば周方向にいくつあってもよい。
【0026】
冷却部材12と超電導コイル巻線部10との間は接触熱伝達となるため、0.1MPa以上数MPa以下とすることが好ましい。なお、数十MPa以上の面圧を印加すると、超電導線材に生じる歪によって、超電導線材の臨界電流が90%以下に低下する可能性がある。したがって、冷却部材12と超電導コイル巻線部10との間の面圧は、0.1Mpa以上かつ10Mpa以下となるよう板ばね11を調整する。
【0027】
次に、冷却時の超電導コイル101の形状変化を説明する。
【0028】
以下のコイルを例として説明する。
【0029】
軸長100mmの超電導コイル巻線部10がビスマス系超電導線材と絶縁材、熱良導体12が10mm厚の銅板、絶縁材22が1mm厚、巻き枠19がアルミ合金製とする。
【0030】
室温から20Kまで冷却すると、超電導コイル巻線部10と熱良導体12、絶縁材22は収縮し、それらの収縮量はそれぞれの線膨張係数と室温から20Kまでの温度差の積によって計算できる。それらの合計の熱収縮量は0.45mm程度となる。一方、アルミ合金製の巻き枠19の熱収縮量は同じく線膨張係数と室温から20Kまでの温度差の積によって0.46mm程度となる。つまり、0.01mm程度の熱収縮差が生じる。
【0031】
そのため、室温において板ばね11のたわみδを1mm以上にしておくことで冷却時においても99%以上の面圧を保つことが可能である。また、室温時においてたわみδを持たせるためには巻き枠19の軸方向長を超電導コイル巻線部10と熱良導体12と絶縁材22の軸方向長合計よりもδ以上短くしておく必要がある。このたわみδと上記の面圧を満たすために、板ばね11を複数積層させてもよい。
【0032】
図3は、本実施例において熱良導体12を金属で構成した場合に、周方向に2箇所の絶縁材23を入れて周方向の渦電流路を切断した構成を示す。冷却後、超電導コイル101に電流を供給した際に磁場が発生し、その発生磁場によって誘起される渦電流によって温度上昇が生じる。絶縁材23を入れることにより、渦電流密度を低減させることができる。なお、セラミクスなどの絶縁板で熱良導体12が構成される場合には絶縁材23は必ずしも必要ではない。また、図示していないが、板ばね11によって超電導コイル巻線部10に面圧を印加できれば、熱良導体12は超電導コイル10の表面に少なくとも一部が接していればよい。
【0033】
以上説明したように、本実施例の超電導磁石100は、中心軸について2つのL字形を対向させたような断面形状有する巻き枠19と、巻き枠19にはめ込むように載せられた超電導コイルと、超電導コイル巻線部10を載せた巻き枠19を熱良導体12に向かい押し上げる方向に圧力を印加するボルト15および板ばね11からなる面圧印加機構とを有する。
【0034】
面圧印加機構が上記のように超電導コイル巻線部10を載せた巻き枠19を熱良導体12に向かい押し上げる方向に圧力を印加する仕組みは次のようになる。
【0035】
まず、面圧印加機構に含まれる弾性体(本実施例であれば板ばね11)にたわみを持たせる。弾性体は締結具(本実施例であればボルト15)の頭部を鉛直方向上側に引き上げるような方向の力を生ずる。締結具は尾部が巻き枠19の底辺部に締結されているため、巻き枠19に対してその力がはたらく。超電導コイル巻線部10は巻き枠19の底辺部と熱良導体12との間に配置されているため、巻き枠19に作用する力は超電導コイル巻線部10を熱良導体12に向けて押し付けるような力となり、超電導コイル巻線部10と熱良導体12との間に面圧が印加され維持されることになる。
なお、弾性体に持たせるべきたわみは、超電導コイルを常温から極低温まで冷却した際における巻き枠19の熱収縮量と、該条件における熱良導体12および超電導コイル巻線部10の熱収縮量との差分の100倍以上とするとより好適である。そうすることによって、超電導コイル巻線部10や熱良導体12の熱収縮量と巻き枠19の熱収縮量とが一致せずとも、超電導コイル巻線部10と熱良導体12との間の面圧を一定に保つことが可能となり、安定した冷却機能を実現し、結果的に従来よりも安定的に稼働する超電導磁石100を提供することができる。
【実施例2】
【0036】
本実施例では、面圧の径方向の均一性だけでなく周方向の均一性も向上できる超電導コイル200の例を説明する。
図4は、実施例2における超電導コイル200を示す構成図の例である。
【0037】
図4の超電導コイル200のうち、既に説明した
図1に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【0038】
超電導コイル200では、熱良導体12から超電導コイル巻線部10に対して面圧を印加するための機構としてボルト15にばね25と押し板24を持つ構成である。したがって、本実施例における面圧印加機構は、ボルト15、ばね25および押し板24とから構成されている。
【0039】
図5は、本実施例において周方向に連続した押し板24を示す構成図の例である。
押し板24は熱良導体12と同程度以上の剛性を持たせることで、面圧の周方向均一性を向上させることができる。押し板24は例えばアルミ合金板やステンレス板などの金属板、もしくはセラミクス板やFRP板などの絶縁材を使用することができる。ただし、超電導コイル200を通電中の渦電流発熱を低減する観点から押し板24は絶縁材によって構成されることが好ましい。
【0040】
ボルト15は六角ボルトやスタッドボルトとナットの組み合わせを利用できる。ばね25は実施例1で述べたたわみδと面圧を満たすことができる皿ばねやコイルばねを使用することができる。
【0041】
面圧印加機構が有する弾性体として皿バネを使用したときの例を以下に示す。
【0042】
面積0.1m
2の巻線上面に対して、ステンレス製の重荷用皿ばね(呼び20)を同心円状に12箇所、同半径方向に2箇所合計24箇所設置し0.2MPa以上の面圧をδ>1mmで印加するためには皿ばねを2並列9直列として配置することで可能である。
【0043】
本実施例の超電導磁石100は、周方向に連続している押し板24を構成にもつ面圧印加機構を有することによって、実施例1と比較して径方向だけでなく周方向に関しても面圧を一定にすることができるため、更に冷却機能の安定性を向上させることができる。
【実施例3】
【0044】
本実施例では、巻き枠を使用せずにコイル位置が支持される超電導コイル300の例を説明する。
図6は、実施例3における超電導コイル300を示す構成図の例である。
【0045】
図6の超電導コイル300のうち、既に説明した
図1または
図4に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【0046】
本実施例では超電導コイル巻線部10の位置が巻線部支持部材31によって径方向に支持されている。また、超電導コイル巻線部10は軸方向上下面の押し板24、32によって挟まれており、ばね25の復元力によって面圧が印加されている。
【0047】
超電導コイル巻線部10に通電すると、フープ力によって径方向外側に力をうける。したがって、通電中に径方向内側の巻き枠でコイル位置を支持するためにはフープ力以上の張力で巻線を実施するか、または超電導コイル巻線部10よりも冷却時に熱収縮量が小さい巻き枠を使用する必要がある。一方で、ビスマス系超電導線材や二ホウ化マグネシウム線材、ニオブ三スズ超電導線材などは許容歪が0.2-0.3%程度と小さい。本実施例では、超電導コイル巻線部10の径方向位置を巻線部支持部材31によって制限しているため、通電中の超電導コイル巻線部10の変形を抑制しの歪を緩和することができる。そのため許容歪が小さい線材を利用したコイル製造が容易となる。また、ボルト15に、巻線部支持部材31の位置を決定する役割とばね25が生ずる力を熱良導体12に対する超電導コイル巻線部10の押圧とする面圧印加の役割という二つの役割を担わせることができる。
【0048】
なお、本実施例では、巻線部支持部材31の上に超電導コイル巻線部10を配置したが、先に説明した実施例1および実施例2においては、巻き枠19のL字状断面における底辺部が超電導コイル巻線部10の巻線部支持具として機能している。
【実施例4】
【0049】
本実施例では、冷凍機だけでなく、断熱真空容器内に収納した冷媒を使って冷却する超電導磁石400の例を説明する。
図7は、実施例4における超電導コイル400を示す構成図の例である。
【0050】
図7の超電導磁石400のうち、既に説明した
図1または
図4に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【0051】
本実施例では断熱真空容器内の超電導コイル200が配置されている空間とは異なる空間に冷媒41が収納されている。超電導コイル200の体積が大きくなるにつれて冷却時間が増加するが、冷媒41を使用することによってその時間を低減することが可能となる。
【0052】
冷媒41は、例えば、液体窒素、液体ヘリウム、液体水素、液体ネオンなどが利用できる。
次に、超電導磁石400の冷却方法を示す。
【0053】
室温から冷却する際に、断熱真空容器18に取り付けられた冷媒流入配管42から冷媒を充填する。充填する際、常に冷媒流出配管43は開放しておく。冷媒41を充填後、冷媒流入配管42を閉じ、冷媒流出配管43に安全弁をとりつけ、加圧配管44により冷媒41を一部が管となっている伝熱部材21を通して伝熱させる。同時に冷凍機17によって伝熱部材21と熱良導体12を介して超電導コイル巻線部10を冷却する。
【実施例5】
【0054】
本実施例では、複数の超電導コイルを断熱真空容器内に配置した際の超電導磁石500の例を説明する。
図8は、実施例5における超電導磁石500を示す構成図の例である。
【0055】
図8の超電導磁石500のうち、既に説明した
図1または
図4に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【0056】
本実施例では、二つの超電導コイル501、502が配線16を通して直列に接続されており、対向して配置されている。また、ばね25の位置はもう一方のコイル側に配置されている。
【0057】
超電導磁石500に通電を実施し、超電導コイル501、502がヘルムホルツコイルとして動作したとき、双方のコイルは互いに引き合う。引き合う力Fは電流値とコイル間の距離によって規定される。熱良導体12と絶縁材22との接触面積をSとすると、熱良導体12から超電導コイル巻線部10に印加される面圧F/Sがばね25によって室温時に印加した面圧に追加される。したがって接触面圧が増加し、接触熱抵抗が小さくなる。
【0058】
また、図示していないが、超電導コイル501、502がカスプコイルとして動作する場合には双方のコイルに斥力が生じる。そのため、斥力の働く側にばね25を設置することが好ましい。
【0059】
磁性体が超電導コイル近くに配置されているときも同様、コイルの軸方向に働く力の方向にばね25を配置することが好ましい。