特許 6980924 超電導マグネット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6980924

(24)【登録日】2021年11月19日

(45)【発行日】2021年12月15日

(54)【発明の名称】超電導マグネット

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/04 20060101AFI20211202BHJP

【ＦＩ】

   H01F6/04

【請求項の数】5

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2020-539107(P2020-539107)

(86)(22)【出願日】2020年2月5日

(86)【国際出願番号】JP2020004336

【審査請求日】2020年7月15日

【審判番号】不服2021-802(P2021-802/J1)

【審判請求日】2021年1月20日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「高温超電導実用化促進技術開発／高磁場マグネットシステム開発／高温超電導高安定磁場マグネットシステム技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100122437

【弁理士】

【氏名又は名称】大宅 一宏

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100188514

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 隆裕

(72)【発明者】

【氏名】三浦 英明

(72)【発明者】

【氏名】横山 彰一

(72)【発明者】

【氏名】野村 航大

【合議体】

【審判長】 酒井 朋広

【審判官】 井上 信一

【審判官】 畑中 博幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−１８２８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−２９４５０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01F 6/04

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超電導コイルと、
前記超電導コイルを囲む輻射シールドと、
前記輻射シールドを囲む真空容器と、
一端が前記超電導コイルの外周面に接続され、他端が前記輻射シールドの内周面に接続された、炭素繊維を含む複数の炭素繊維構造体を有する熱スイッチと
を備え、
前記炭素繊維構造体は、互いに交差する２軸に沿って配置された一対の前記炭素繊維を含み、
前記２軸のそれぞれは、前記超電導コイルの周方向または軸方向について視た場合に、前記超電導コイルの径方向に延びた直線に対して傾斜しており、
前記炭素繊維構造体の一端に前記超電導コイルと接続する第１連結具が設置され、他端に前記輻射シールドと接続する第２連結具が設置され、
前記第１連結具および前記第２連結具は、複数の前記炭素繊維構造体のそれぞれを前記炭素繊維構造体の厚さ方向について挟んでおり、
前記超電導コイルの冷却が開始された時から前記超電導コイルの温度が第１設定温度になる時までの時間である第１冷却時間では、前記炭素繊維構造体を通じて前記超電導コイルが除熱され、
前記超電導コイルの温度が前記第１設定温度以下である場合の前記炭素繊維構造体の熱伝導率は、前記超電導コイルの温度が前記第１設定温度よりも高い場合の前記炭素繊維構造体の熱伝導率よりも小さい超電導マグネット。

【請求項2】

前記径方向に延びた直線に対する前記２軸のそれぞれの傾斜角度は、４５度である請求項１に記載の超電導マグネット。

【請求項3】

前記炭素繊維は、前記炭素繊維構造体の側面において折り返されている請求項１または請求項２に記載の超電導マグネット。

【請求項4】

超電導コイルと、
前記超電導コイルを囲む輻射シールドと、
前記輻射シールドを囲む真空容器と、
一端が前記超電導コイルの外周面に接続され、他端が前記輻射シールドの内周面に接続された、炭素繊維を含む炭素繊維構造体を有する熱スイッチと
を備え、
前記炭素繊維構造体は、互いに交差する２軸に沿って配置された一対の前記炭素繊維を含み、
前記２軸のそれぞれは、前記超電導コイルの周方向または軸方向について視た場合に、前記超電導コイルの径方向に延びた直線に対して傾斜しており、
前記炭素繊維は、前記炭素繊維構造体の側面において折り返されている超電導マグネット。

【請求項5】

前記超電導コイルに接続された低温ステージおよび前記輻射シールドに接続された高温ステージを有する二段冷凍機をさらに備えた請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の超電導マグネット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、超電導コイルを備えた超電導マグネットに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超電導コイルと、超電導コイルを囲む輻射シールドと、輻射シールドを囲む真空容器と、超電導コイルおよび輻射シールドを冷却する二段冷凍機と、超電導コイルと輻射シールドとの間に設けられた熱スイッチとを備えた超電導マグネットが知られている。二段冷凍機の駆動が開始された場合に、熱スイッチが超電導コイルと輻射シールドとに接続されて、超電導コイルおよび輻射シールドが冷却される。超電導コイルおよび輻射シールドの温度が第１設定温度になった場合に、熱スイッチが超電導コイルから離れる。この場合に、超電導コイルは、超電導コイルの温度が第２設定温度になるまで、二段冷凍機による除熱によって冷却される。以上によって、二段冷凍機の駆動が開始された時から超電導コイルの温度が第２設定温度になるまでの時間である初期冷却時間が短縮される（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４０６８２６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、熱スイッチは、超電導コイルに接触する位置と超電導コイルから離れる位置との間で移動する。これにより、超電導マグネットの構造が複雑となるという課題があった。

【0005】

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、超電導マグネットの構造を簡素化することができる超電導マグネットを提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明に係る超電導マグネットは、超電導コイルと、超電導コイルを囲む輻射シールドと、輻射シールドを囲む真空容器と、一端が超電導コイルの外周面に接続され、他端が輻射シールドの内周面に接続された、炭素繊維を含む複数の炭素繊維構造体を有する熱スイッチとを備え、炭素繊維構造体は、互いに交差する２軸に沿って配置された一対の炭素繊維を含み、２軸のそれぞれは、超電導コイルの周方向または軸方向について視た場合に、超電導コイルの径方向に延びた直線に対して傾斜しており、炭素繊維構造体の一端に超電導コイルと接続する第１連結具が設置され、他端に輻射シールドと接続する第２連結具が設置され、第１連結具および第２連結具は、複数の炭素繊維構造体のそれぞれを炭素繊維構造体の厚さ方向について挟んでおり、超電導コイルの冷却が開始された時から超電導コイルの温度が第１設定温度になる時までの時間である第１冷却時間では、炭素繊維構造体を通じて超電導コイルが除熱され、超電導コイルの温度が第１設定温度以下である場合の炭素繊維構造体の熱伝導率は、超電導コイルの温度が第１設定温度よりも高い場合の炭素繊維構造体の熱伝導率よりも小さい。
この発明に係る超電導マグネットは、超電導コイルと、超電導コイルを囲む輻射シールドと、輻射シールドを囲む真空容器と、一端が超電導コイルの外周面に接続され、他端が輻射シールドの内周面に接続された、炭素繊維を含む炭素繊維構造体を有する熱スイッチとを備え、炭素繊維構造体は、互いに交差する２軸に沿って配置された一対の炭素繊維を含み、２軸のそれぞれは、超電導コイルの周方向または軸方向について視た場合に、超電導コイルの径方向に延びた直線に対して傾斜しており、炭素繊維は、炭素繊維構造体の側面において折り返されている。

【発明の効果】

【0007】

この発明に係る超電導マグネットによれば、超電導マグネットの構造を簡素化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係る超電導マグネットを示す断面図である。

【図2】図１の炭素繊維構造体の温度と熱伝導率との関係を示すグラフである。

【図3】実施の形態２に係る超電導マグネットにおける炭素繊維構造体を示す断面図である。

【図4】実施の形態３に係る超電導マグネットにおける炭素繊維構造体を示す斜視図である。

【図5】実施の形態４に係る超電導マグネットの要部を示す断面図である。

【図6】図５の熱スイッチを示す断面図である。

【図7】図６の熱スイッチを示す平面図である。

【図8】実施の形態５に係る超電導マグネットの要部を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る超電導マグネットを示す断面図である。超電導マグネットは、円筒形状の超電導コイル１と、超電導コイル１を囲む輻射シールド２と、輻射シールド２を囲む真空容器３とを備えている。また、超電導マグネットは、超電導コイル１、輻射シールド２および真空容器３に渡って設けられた二段冷凍機４と、超電導コイル１と輻射シールド２とに接続された熱スイッチ５とを備えている。

【0010】

この例で、軸方向とは、超電導コイル１の中心軸線に沿った方向であり、径方向とは、超電導コイル１の中心軸線を中心とした径方向であり、周方向とは、超電導コイル１の中心軸線を中心とした周方向である。

【0011】

超電導コイル１は、超電導線が周方向に巻かれることによって形成されている。超電導線には、熱伝導部材が含まれている。熱伝導部材としては、銅、アルミニウムなどが挙げられる。超電導コイル１は、超電導コイル１の温度が１０Ｋ以下になるまで冷却される。超電導コイル１は、図示しない断熱支持部材を介して、輻射シールド２に支持されている。超電導コイル１を支持する断熱支持部材は、超電導コイル１の熱伝導率よりも熱伝導率が小さい材料から構成されている。超電導コイル１を支持する断熱支持部材を構成する材料としては、ガラスファイバ強化プラスチック（ＧＦＲＰ；Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）、セラミックなどが挙げられる。

【0012】

輻射シールド２は、輻射シールド２の内部空間の形状が円筒形状となるように形成されている。輻射シールド２の内部空間には、超電導コイル１が配置されている。輻射シールド２は、輻射シールド２の温度が約５０Ｋになるまで冷却される。輻射シールド２は、図示しない断熱支持部材を介して、真空容器３に支持されている。輻射シールド２を支持する断熱支持部材は、輻射シールド２の熱伝導率よりも熱伝導率が小さい材料から構成されている。輻射シールド２を支持する断熱支持部材を構成する材料としては、ガラスファイバ強化プラスチック、セラミックなどが挙げられる。

【0013】

真空容器３は、真空容器３の内部空間の形状が円筒形状となるように形成されている。真空容器３の内部空間には、超電導コイル１および輻射シールド２が配置されている。

【0014】

二段冷凍機４は、低温ステージ４１と、高温ステージ４２と、冷凍機本体４３とを有している。低温ステージ４１は、超電導コイル１に接続されている。低温ステージ４１は、超電導コイル１の外周面であって、軸方向について中央部分に接続されている。高温ステージ４２は、輻射シールド２に接続されている。高温ステージ４２は、輻射シールド２の外周面であって、軸方向について中央部分に接続されている。冷凍機本体４３は、ギフォード・マクマホン冷凍機、パルスチューブ冷凍機などから構成されている。冷凍機本体４３が駆動することによって、低温ステージ４１および高温ステージ４２が冷却される。冷凍機本体４３は、真空容器３に設けられている。

【0015】

冷凍機本体４３が駆動することによって、低温ステージ４１は、低温ステージ４１の温度が１０Ｋ以下になるまで冷却され、高温ステージ４２は、高温ステージ４２の温度が約５０Ｋになるまで冷却される。

【0016】

熱スイッチ５の一端部は、超電導コイル１に接続されている。熱スイッチ５の他端部は、輻射シールド２に接続されている。熱スイッチ５は、複数の炭素繊維を含む炭素繊維構造体５１を有している。この例では、熱スイッチ５は、炭素繊維構造体５１のみから構成されている。炭素繊維構造体５１は、カーボンファイバ強化プラスチック（ＣＦＲＰ；Ｃａｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）から構成されている。炭素繊維構造体５１の形状は、板形状となっている。熱スイッチ５は、径方向に延びるように配置されている。

【0017】

次に、超電導マグネットの動作について説明する。冷凍機本体４３の駆動が開始されることによって、低温ステージ４１および高温ステージ４２が冷却される。低温ステージ４１が冷却されることによって、超電導コイル１が冷却される。高温ステージ４２が冷却されることによって、輻射シールド２が冷却される。

【0018】

冷凍機本体４３の駆動が開始された時から超電導コイル１の温度が約１０Ｋになる時までの時間を初期冷却時間とする。冷凍機本体４３の駆動が開始された時から超電導コイル１の温度が第１設定温度である約５０Ｋになる時までの時間を第１冷却時間とする。超電導コイル１の温度が約５０Ｋになった時から超電導コイル１の温度が第２設定温度である約１０Ｋになる時までの時間を第２冷却時間とする。

【0019】

超電導コイル１の温度が変化することによって、炭素繊維の熱伝導率が変化する。具体的には、超電導コイル１の温度が室温である約２９３Ｋから約５０Ｋに変化するにつれて、炭素繊維の熱伝導率が小さくなる。超電導コイル１の温度が約５０Ｋよりも高い場合には、超電導コイル１と輻射シールド２とは、熱スイッチを介して、熱的に短絡される。したがって、この場合には、超電導コイル１の温度および輻射シールド２の温度は、互いに一致する。その結果、超電導コイル１の冷却が開始され、超電導コイル１の温度が約２９３Ｋから約５０Ｋになるまでは、超電導コイル１および輻射シールド２は、同時に互いに同じ温度に冷却される。

【0020】

超電導コイル１の温度が約５０Ｋである場合には、炭素繊維の熱伝導率は、約０．４Ｗ／ｍＫとなる。超電導コイル１の温度が約５０Ｋである場合の炭素繊維の熱伝導率は、超電導コイル１の温度が約２９３Ｋである場合の炭素繊維の熱伝導率と比較して、約１／１０倍の値となる。したがって、超電導コイル１の温度が約５０Ｋ以下である場合には、熱スイッチ５は、断熱材として機能する。

【0021】

超電導コイル１の温度が約５０Ｋと約１０Ｋとの間である場合には、超電導コイル１は、低温ステージ４１によって冷却される。

【0022】

超電導コイル１の温度が約１０Ｋになった後には、超電導マグネットの運転は、定常運転となる。超電導マグネットの運転が定常運転である場合には、輻射シールド２から熱スイッチ５を介して超電導コイル１に伝達される単位時間当たりの熱量は、数ｍＷ程度であり、一方、低温ステージ４１による超電導コイル１の冷凍能力は、数Ｗ程度である。したがって、超電導コイル１の温度は上昇しない。

【0023】

次に、炭素繊維構造体５１に含まれた炭素繊維の配向について説明する。図２は、図１の炭素繊維構造体５１における温度と熱伝導率との関係を示すグラフである。炭素繊維構造体５１に含まれる一対の炭素繊維は、互いに交差する２軸に沿って配置されている。この例では、炭素繊維構造体５１に含まれる一対の炭素繊維は、互いに直交している。図２では、周方向について視た場合に、２軸のそれぞれが超電導コイル１の径方向に延びた直線に対して４５度傾斜している炭素繊維構造体５１がＡとして示されている。また、図２では、周方向について視た場合に、２軸のそれぞれと超電導コイル１の径方向に延びた直線との間の角度が０度、９０度である炭素繊維構造体５１がＢとして示されている。

【0024】

実施の形態１に係る超電導マグネットにおける炭素繊維構造体５１では、周方向について視た場合に、径方向に延びた直線に対する２軸のそれぞれの傾斜角度が４５度となっている。一方、比較例の超電導マグネットにおける炭素繊維構造体５１では、周方向について視た場合に、２軸のそれぞれと超電導コイル１の径方向に延びた直線との間の角度が０度、９０度である。

【0025】

比較例の超電導マグネットにおける炭素繊維構造体５１では、温度が約２９３Ｋである場合の炭素繊維構造体５１の熱伝導率は、温度が２０Ｋである場合の炭素繊維構造体５１の熱伝導率の８０倍となっている。一方、実施の形態１に係る超電導マグネットにおける炭素繊維構造体５１では、温度が約２９３Ｋである場合の炭素繊維構造体５１の熱伝導率は、温度が２０Ｋである場合の炭素繊維構造体５１の熱伝導率の１３０倍となっている。

【0026】

実施の形態１に係る超電導マグネットにおける炭素繊維構造体５１は、比較例の超電導マグネットにおける炭素繊維構造体５１と比較して、温度が約５０Ｋ以上である場合の熱伝導率が高い。したがって、実施の形態１に係る超電導マグネットは、比較例の超電導マグネットと比較して、超電導コイル１の温度が約２９３Ｋから約５０Ｋになるまでの超電導コイル１の冷却時間が短い。

【0027】

超電導コイル１の温度が５０Ｋ以下である場合には、超電導コイル１を構成する銅の比熱は、銅の温度が低くなるにつれて小さくなる。具体的には、温度が５０Ｋである場合の銅の比熱は、温度が約２９３Ｋである場合の銅の比熱と比較して、約１／４倍の値となり、温度が２０Ｋである場合の銅の比熱は、温度が約２９３Ｋである場合の銅の比熱と比較して、約１／５０倍の値となる。したがって、超電導コイル１の初期冷却時間を短縮するためには、第１冷却時間を短縮することが重要である。

【0028】

炭素繊維構造体５１における熱流束と同一方向の辺の長さをａとし、炭素繊維構造体５１における熱流束に対する垂直方向の辺の長さをｂとする。長さａに対する長さｂの割合が大きくなるにつれて、炭素繊維構造体５１において、超電導コイル１に接続される領域および輻射シールド２に接続される領域のそれぞれが大きくなる。したがって、長さａに対する長さｂの割合を大きくすることによって、第１冷却時間が短縮される。

【0029】

熱スイッチ５は、超電導コイル１の温度が約２９３Ｋから約５０Ｋになるまでの間では、超電導コイル１と輻射シールド２とを互いに熱的に短絡させ、超電導コイル１の温度が約５０Ｋ以下では、超電導コイル１と輻射シールド２との間を互いに断熱する。

【0030】

以上説明したように、実施の形態１に係る超電導マグネットでは、炭素繊維構造体５１を有する熱スイッチ５が超電導コイル１と輻射シールド２とに接続されている。これにより、熱スイッチ５は、超電導コイル１に接触する位置と超電導コイル１から離れる位置との間で移動する必要がない。したがって、超電導マグネットの構造を簡素化することができる。また、炭素繊維構造体５１を有する熱スイッチ５が超電導コイル１と輻射シールド２とに接続されている。これにより、超電導コイル１の初期冷却時間を短縮することができる。

【0031】

また、実施の形態１に係る超電導マグネットでは、炭素繊維構造体５１を構成する一対の炭素繊維のそれぞれは、互いに交差する２軸に沿って配置されており、２軸のそれぞれは、超電導コイル１の径方向に延びた直線に対して傾斜している。これにより、第１冷却時間を短縮して、超電導コイル１の初期冷却時間をより短縮することができる。

【0032】

また、実施の形態１に係る超電導マグネットでは、炭素繊維構造体５１に含まれる一対の炭素繊維において、周方向に視た場合に、径方向に延びた直線に対する２軸のそれぞれの傾斜角度は、４５度となっている。これにより、第１冷却時間を短縮して、超電導コイル１の初期冷却時間をより短縮することができる。

【0033】

また、実施の形態１に係る超電導マグネットでは、熱スイッチ５は、超電導コイル１および輻射シールド２に接続されている。これにより、熱スイッチ５は、超電導コイル１の温度に対応して、超電導コイル１と輻射シールド２とを互いに熱的に短絡させ、または、超電導コイル１と輻射シールド２との間を互いに断熱することができる。

【0034】

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る超電導マグネットにおける炭素繊維構造体を示す断面図である。炭素繊維構造体５１を構成する一対の炭素繊維のそれぞれは、互いに交差する２軸に沿って配置されている。２軸のうちの一方の軸に沿って配置された炭素繊維を第１炭素繊維５１１とし、他方の軸に沿って配置された炭素繊維を第２炭素繊維５１２とする。図３では、第１炭素繊維５１１が実線で示されており、第２炭素繊維５１２が破線で示されている。図３では、周方向に対して垂直な面に沿って切った場合の炭素繊維構造体５１の断面が示されている。

【0035】

第１炭素繊維５１１および第２炭素繊維５１２のそれぞれは、炭素繊維構造体５１の側面において折り返されている。この例では、軸方向についての炭素繊維構造体５１の側面において、第１炭素繊維５１１および第２炭素繊維５１２のそれぞれが折り返されている。したがって、第１炭素繊維５１１および第２炭素繊維５１２のそれぞれは、超電導コイル１と輻射シールド２とに渡って連続して配置されている。第１炭素繊維５１１および第２炭素繊維５１２のそれぞれは、超電導コイル１および輻射シールド２の両方に接続されている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

【0036】

実施の形態１に記載したように、長さａに対する長さｂの割合が大きくなるにつれて、炭素繊維構造体５１において、超電導コイル１に接続される領域および輻射シールド２に接続される領域のそれぞれが大きくなる。言い換えれば、炭素繊維構造体５１のアスペクト比が大きくなることによって、炭素繊維構造体５１において、超電導コイル１に接続される領域および輻射シールド２に接続される領域のそれぞれが大きくなる。これにより、炭素繊維構造体５１において、超電導コイル１および輻射シールド２の両方に接続される炭素繊維の数が増える。

【0037】

実施の形態２に係る超電導マグネットでは、軸方向についての炭素繊維構造体５１の側面において、第１炭素繊維５１１および第２炭素繊維５１２のそれぞれが折り返されている。これにより、炭素繊維構造体５１のアスペクト比を大きくすることができない場合であっても、超電導コイル１および輻射シールド２の両方に接続される第１炭素繊維５１１および第２炭素繊維５１２の数が増える。この例では、炭素繊維構造体５１に含まれるすべての炭素繊維が超電導コイル１および輻射シールド２の両方に接続されている。

【0038】

以上説明したように、実施の形態２に係る超電導マグネットでは、炭素繊維は、炭素繊維構造体５１の側面において折り返されている。これにより、炭素繊維構造体５１において、超電導コイル１および輻射シールド２の両方に接続されている炭素繊維の割合を大きくすることができる。その結果、第１冷却時間を短縮して、超電導コイル１の初期冷却時間をより短縮することができる。

【0039】

実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る超電導マグネットにおける炭素繊維構造体を示す斜視図である。炭素繊維構造体５１を構成する一対の炭素繊維のそれぞれは、互いに交差するように配置されている。一対の炭素繊維のうちの一方を第１炭素繊維５１１とし、他方の炭素繊維を第２炭素繊維５１２とする。図４では、第１炭素繊維５１１が実線で示されており、第２炭素繊維５１２が破線で示されている。

【0040】

第１炭素繊維５１１および第２炭素繊維５１２のそれぞれは、径方向に延びた直線を螺旋中心線とした螺旋状に配置されている。第１炭素繊維５１１および第２炭素繊維５１２の螺旋中心線は、熱流束の方向を向いている。炭素繊維構造体５１の形状は、円筒形状となっている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

【0041】

第１炭素繊維５１１および第２炭素繊維５１２のそれぞれは、熱流束の方向を向いた中心軸線を有する円筒面上に配置されている。第１炭素繊維５１１および第２炭素繊維５１２のそれぞれは、超電導コイル１と輻射シールド２とに渡って連続して配置されている。炭素繊維構造体５１において、すべての第１炭素繊維５１１およびすべての第２炭素繊維５１２が超電導コイル１および輻射シールド２の両方に接続されている。言い換えれば、炭素繊維構造体５１に含まれるすべての炭素繊維が超電導コイル１および輻射シールド２の両方に接続されている。

【0042】

以上説明したように、実施の形態３に係る超電導マグネットでは、炭素繊維は、径方向に延びた直線を螺旋中心線とした螺旋状に配置されている。これにより、実施の形態２と同様に、炭素繊維構造体５１における超電導コイル１および輻射シールド２の両方に接続されている炭素繊維の割合を大きくすることができる。その結果、第１冷却時間を短縮して、超電導コイル１の初期冷却時間をより短縮することができる。

【0043】

また、実施の形態３に係る超電導マグネットでは、炭素繊維は、径方向に延びた直線を螺旋中心線とした螺旋状に配置されている。これにより、炭素繊維が熱流束の方向に延びた場合の超電導マグネットを比較して、炭素繊維の長さを大きくすることができる。したがって、超電導マグネットの定常運転時において、熱スイッチ５による超電導コイル１と輻射シールド２との間の断熱性能を向上させることができる。その結果、超電導マグネットの定常運転時において、熱スイッチ５を介して輻射シールド２から超電導コイル１への熱の伝達量を低減させることができ、超電導コイル１を効率的に冷却することができる。

【0044】

実施の形態４．
図５は、実施の形態４に係る超電導マグネットの要部を示す断面図である。図５では、超電導マグネットにおける上側半分のみが示されている。低温ステージ４１は、超電導コイル１の外周面であって、軸方向について端部側の部分に接続されている。高温ステージ４２は、輻射シールド２の外周面であって、軸方向について端部側の部分に接続されている。熱スイッチ５は、輻射シールド２の内周面であって、軸方向について中央側の部分に接続されている。また、熱スイッチ５は、超電導コイル１の外周面であって、軸方向について中央側の部分に接続されている。熱スイッチ５は、炭素繊維構造体５１と、第１連結具５２と、第２連結具５３とを有している。

【0045】

図６は、図５の熱スイッチ５を示す断面図である。図７は、図６の熱スイッチ５を示す平面図である。図６では、軸方向に対して垂直な面に沿って切った場合の熱スイッチ５の断面が示されている。熱スイッチ５は、複数の炭素繊維構造体５１を有している。第１連結具５２は、超電導コイル１と複数の炭素繊維構造体５１とに接続されている。第１連結具５２は、熱伝導率が比較的高い金属から構成されている。第１連結具５２を構成する金属としては、銅、アルミニウムなどが挙げられる。

【0046】

第２連結具５３は、輻射シールド２と複数の炭素繊維構造体５１とに接続されている。第２連結具５３は、熱伝導率が比較的高い金属から構成されている。第２連結具５３を構成する金属としては、銅、アルミニウムなどが挙げられる。

【0047】

第１連結具５２と炭素繊維構造体５１との間の接触熱抵抗を小さくするためには、第１連結具５２と炭素繊維構造体５１との間の接触面積を大きくする必要がある。第１連結具５２は、複数の炭素繊維構造体５１のそれぞれを炭素繊維構造体５１の厚さ方向について挟んでいる。第１連結具５２と炭素繊維構造体５１との間の接続の方法は、接着剤を用いる方法、ボルトを用いる方法などが挙げられる。

【0048】

第２連結具５３と炭素繊維構造体５１との間の接触熱抵抗を小さくするためには、第２連結具５３と炭素繊維構造体５１との間の接触面積を大きくする必要がある。第２連結具５３は、複数の炭素繊維構造体５１のそれぞれを炭素繊維構造体５１の厚さ方向について挟んでいる。第２連結具５３と炭素繊維構造体５１との間の接続の方法は、接着剤を用いる方法、ボルトを用いる方法などが挙げられる。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態３までと同様である。

【0049】

以上説明したように、実施の形態４に係る超電導マグネットでは、第１連結具５２が超電導コイル１と炭素繊維構造体５１とに接続され、第２連結具５３が輻射シールド２と炭素繊維構造体５１とに接続されている。これにより、熱スイッチ５と超電導コイル１との間の接触熱抵抗および熱スイッチ５と輻射シールド２との間の接触熱抵抗を小さくすることができる。

【0050】

実施の形態５．
図８は、実施の形態５に係る超電導マグネットの要部を示す断面図である。図８では、超電導マグネットにおける上側半分のみが示されている。実施の形態１から実施の形態４では、熱スイッチ５が超電導コイル１および輻射シールド２のそれぞれに接続されている。一方、実施の形態５では、熱スイッチ５が低温ステージ４１および高温ステージ４２のそれぞれに接続されている。低温ステージ４１および高温ステージ４２を介して、熱スイッチ５は、超電導コイル１の温度に対応して、超電導コイル１と輻射シールド２とを互いに熱的に短絡させ、または、超電導コイル１と輻射シールド２との間を互いに断熱する。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態４までと同様である。

【0051】

以上説明したように、実施の形態５に係る超電導マグネットでは、熱スイッチ５が低温ステージ４１および高温ステージ４２のそれぞれに接続されている。これにより、実施の形態１と同様に、超電導コイル１の初期冷却時間を短縮することができ、また、超電導マグネットの構造を簡素化することができる。

【0052】

なお、各実施の形態では、炭素繊維構造体５１に含まれる一対の炭素繊維において、周方向に視た場合に、径方向に延びた直線に対する２軸のそれぞれの傾斜角度は、４５度となっている構成について説明した。炭素繊維構造体５１に含まれる一対の炭素繊維において、周方向に視た場合に、径方向に延びた直線に対する２軸のそれぞれの傾斜角度は、４５度以外の角度であってもよい。

【0053】

また、各実施の形態では、炭素繊維構造体５１に含まれる一対の炭素繊維において、周方向に視た場合に、径方向に延びた直線に対して２軸のそれぞれが傾斜する構成について説明した。炭素繊維構造体５１に含まれる一対の炭素繊維において、軸方向に視た場合に、径方向に延びた直線に対して２軸のそれぞれが傾斜する構成であってもよい。

【符号の説明】

【0054】

１ 超電導コイル、２ 輻射シールド、３ 真空容器、４ 二段冷凍機、５ 熱スイッチ、４１ 低温ステージ、４２ 高温ステージ、４３ 冷凍機本体、５１ 炭素繊維構造体、５２ 第１連結具、５３ 第２連結具、５１１ 第１炭素繊維、５１２ 第２炭素繊維。

【要約】

超電導マグネットの構造を簡素化することができる超電導マグネットを得る。この超電導マグネットは、超電導コイルと、超電導コイルを囲む輻射シールドと、輻射シールドを囲む真空容器と、超電導コイルと輻射シールドとに接続され、炭素繊維を含む炭素繊維構造体を有する熱スイッチとを備え、炭素繊維構造体は、互いに直交する２軸に沿って配置された一対の炭素繊維を含み、２軸のそれぞれは、超電導コイルの周方向について視た場合に、超電導コイルの径方向に延びた直線に対して傾斜している。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】