特開 2025-47650 超伝導磁石装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025047650

(43)【公開日】2025-04-03

(54)【発明の名称】超伝導磁石装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/06 20060101AFI20250326BHJP

   H01F 6/04 20060101ALI20250326BHJP

   H10N 60/81 20230101ALI20250326BHJP

【ＦＩ】

H01F6/06 130

H01F6/06 110

H01F6/04

H10N60/81

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023156267

(22)【出願日】2023-09-21

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】橋本 篤

(72)【発明者】

【氏名】吉田 潤

【テーマコード（参考）】

4M114

【Ｆターム（参考）】

4M114BB10

4M114CC03

4M114DA17

4M114DA18

(57)【要約】

【課題】鞍型超伝導コイルのための改善された支持構造を有する超伝導磁石装置を提供する。
【解決手段】超伝導磁石装置１０は、ボア１８を囲むようにボア１８の径方向外側に配置された内周壁１２ａと、内周壁１２ａを囲むように内周壁１２ａの径方向外側に配置された外周壁１２ｂとを備え、内周壁１２ａと外周壁１２ｂとの間に定まる内部空間１４に真空環境を提供するクライオスタット１２と、ボア１８を挟んで対向する一対の鞍型超伝導コイル２０であって、それぞれが真空環境にさらされるように内部空間１４に配置された一対の鞍型超伝導コイル２０と、内部空間１４において一対の鞍型超伝導コイル２０の径方向外側に配置され、一対の鞍型超伝導コイル２０を支持する支持フレーム３０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボアを囲むように前記ボアの径方向外側に配置された内周壁と、前記内周壁を囲むように前記内周壁の径方向外側に配置された外周壁とを備え、前記内周壁と前記外周壁との間に定まる内部空間に真空環境を提供するクライオスタットと、
前記ボアを挟んで対向する一対の鞍型超伝導コイルであって、それぞれが前記真空環境にさらされるように前記内部空間に配置された一対の鞍型超伝導コイルと、
前記内部空間において前記一対の鞍型超伝導コイルの径方向外側に配置され、前記一対の鞍型超伝導コイルを支持する支持フレームと、を備えることを特徴とする超伝導磁石装置。

【請求項2】

前記一対の鞍型超伝導コイルは、前記内部空間において、前記ボアの径の１．０５倍から１．３２倍の範囲内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。

【請求項3】

前記一対の鞍型超伝導コイルは、前記ボアに向かって凹に湾曲しており、
前記支持フレームは、前記鞍型超伝導コイルの湾曲に基づく湾曲形状を有する一対のコイルマウントと、前記一対のコイルマウントを連結する一対の直線状の連結ビームとを備えることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。

【請求項4】

前記一対の直線状の連結ビームは、前記一対のコイルマウントに比べて鉛直方向の寸法が小さいことを特徴とする請求項３に記載の超伝導磁石装置。

【請求項5】

前記一対の直線状の連結ビームは、前記内部空間において、前記ボアの径の１．０５倍から１．３２倍の範囲内に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の超伝導磁石装置。

【請求項6】

前記支持フレームを水平方向に支持する水平荷重支持体をさらに備え、
前記支持フレームは、前記支持フレームの外周面から径方向内側に向かって形成された凹部を有し、前記凹部で前記水平荷重支持体に支持されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超伝導磁石装置。

【請求項7】

前記支持フレームを鉛直方向に支持する鉛直荷重支持体をさらに備え、
前記支持フレームは、前記支持フレームの外周面から径方向外側に向かって形成されたリブを備え、前記リブで前記鉛直荷重支持体に支持されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超伝導磁石装置。

【請求項8】

前記鞍型超伝導コイルを径方向外側に向かって前記支持フレームへと押し付けるように前記支持フレームに取り付けられた第１サポートをさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超伝導磁石装置。

【請求項9】

各鞍型超伝導コイルは、径方向外側を向く第１コイル端面と、径方向内側を向く第２コイル端面と、前記第１コイル端面と前記第２コイル端面をつなぐ２つのコイル側面とを備え、
前記２つのコイル側面で前記鞍型超伝導コイルを挟み込むように前記支持フレームに取り付けられた第２サポートをさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超伝導磁石装置。

【請求項10】

前記クライオスタットは、前記一対の鞍型超伝導コイルを冷却する一対の極低温冷凍機を備え、
前記一対の極低温冷凍機の一方が、前記クライオスタットの周方向に前記一対の鞍型超伝導コイルの間であって前記ボアに対して片側で前記クライオスタットに設置され、
前記一対の極低温冷凍機の他方が、前記クライオスタットの周方向に前記一対の鞍型超伝導コイルの間であって前記ボアに対して反対側で前記クライオスタットに設置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超伝導磁石装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超伝導磁石装置に関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導磁石装置は、ＭＣＺ(Magnetic field applied Czochralski)法による単結晶引き上げ装置の磁場発生源として利用されている。単結晶引き上げ装置は一般に、単結晶引き上げ炉と、これを囲むように配置され、複数の超伝導コイルを収容したクライオスタットとを備える。超伝導コイルには典型的に、鞍型コイルまたは丸形コイルが用いられる。超伝導コイルが発生させる強力な磁場によって、引き上げ炉内の融液中の熱対流を抑制することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－２８１４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

超伝導コイルとして鞍型コイルを用いた単結晶引き上げ装置のある既存の設計では、鞍型コイルの製造のために使用されたコイルの巻芯がそのまま鞍型コイルの支持構造として利用される。鞍型コイルは巻芯とともにクライオスタットに収められる。鞍型コイルは巻芯の外側に巻き付けられている一方で、超伝導コイルによって磁場を印加すべき単結晶引き上げ炉はクライオスタットの内側、すなわち巻芯の内側に配置される。つまり、巻芯が磁場の印加場所と鞍型超伝導コイルとの間に置かれている。このような構成では、鞍型超伝導コイルは、巻芯が占めるスペースの分だけ、磁場印加場所から遠くに配置されることになる。ビオサバールの法則によれば、コイルが発生する磁場は距離の－３乗に比例する。そのため、コイルが磁場印加場所から離れると、その距離がわずかであっても、磁場を同じ大きさで発生させるために必要となるコイルの起磁力は顕著に増加されうる。これは、必要な超伝導線材の増加をもたらし、ひいては、望ましくないことに、超伝導磁石装置の製造コストの増加をもたらしうる。

【0005】

また、単結晶引き上げ装置では、漏洩磁場を低減するために、クライオスタットの外周を取り囲むように磁気シールドが設置されていることが多い。超伝導コイルには、磁場発生時に、相応の強力な電磁力が、磁気シールドに向かう方向、すなわち径方向外向きに働くことになる。この電磁力は、上述のように鞍型超伝導コイルの支持構造として巻芯を用いる構成では、超伝導コイルを巻芯から引き離すように働く。これを避けるべく、超伝導コイルを巻芯に押し付けるために、構造部材の追加や支持構造の強化が必要となり得る。これに起因する重量増加や大型化もやはり、超伝導磁石装置の製造コストの増加をもたらしうる。

【0006】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、鞍型超伝導コイルのための改善された支持構造を有する超伝導磁石装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のある態様によると、超伝導磁石装置は、ボアを囲むようにボアの径方向外側に配置された内周壁と、内周壁を囲むように内周壁の径方向外側に配置された外周壁とを備え、内周壁と外周壁との間に定まる内部空間に真空環境を提供するクライオスタットと、ボアを挟んで対向する一対の鞍型超伝導コイルであって、それぞれが真空環境にさらされるように内部空間に配置された一対の鞍型超伝導コイルと、内部空間において一対の鞍型超伝導コイルの径方向外側に配置され、一対の鞍型超伝導コイルを支持する支持フレームと、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、鞍型超伝導コイルのための改善された支持構造を有する超伝導磁石装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係り、超伝導磁石装置を搭載した単結晶引き上げ装置を模式的に示す断面図である。

【図2】実施の形態に係り、超伝導磁石装置を搭載した単結晶引き上げ装置を模式的に示す断面図である。

【図3】実施の形態に係り、超伝導磁石装置の外観を模式的に示す斜視図である。

【図4】実施の形態に係り、超伝導磁石装置における超伝導コイル配置を模式的に示す斜視図である。

【図5】実施の形態に係り、超伝導磁石装置を模式的に示す断面図である。

【図6】実施の形態に係り、径方向内側から見た鞍型超伝導コイルおよび支持フレームの展開図の一部を示す模式図である。

【図7】実施の形態に係り、径方向外側から見た支持フレームを模式的に示す正面図である。

【図8】実施の形態に係り、超伝導磁石装置における超伝導コイル配置の他の例を模式的に示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0011】

図１および図２は、実施の形態に係り、超伝導磁石装置１０を搭載した単結晶引き上げ装置１００を模式的に示す断面図である。図３は、実施の形態に係り、超伝導磁石装置１０の外観を模式的に示す斜視図である。図４は、実施の形態に係り、超伝導磁石装置１０における超伝導コイル配置を模式的に示す斜視図である。図５は、実施の形態に係り、超伝導磁石装置１０を模式的に示す断面図である。図１には、図２のＢ－Ｂ断面が示され、図２には、図１のＡ－Ａ断面が示される。また、図５には、図３のＣ－Ｃ断面が示される。

【0012】

単結晶引き上げ装置１００は、単結晶引き上げ炉１０２と、超伝導磁石装置１０とを備える。単結晶引き上げ装置１００は、例えば、ＨＭＣＺ（Horizontal-MCZ；横磁場型のＭＣＺ）法によるシリコン単結晶引き上げ装置である。

【0013】

単結晶引き上げ炉１０２は、図１に示されるように、坩堝１０４と、単結晶引き上げ機構１０６と、ヒーター１０８とを備える。

【0014】

坩堝１０４は、溶融材料（例えば溶融シリコン）を蓄える容器であり、例えば石英で形成される。

【0015】

単結晶引き上げ機構１０６は、坩堝１０４内の溶融材料から単結晶１１０を単結晶引き上げ軸１１２に沿って上方に引き上げる駆動装置であり、単結晶引き上げ炉１０２の上方かつ外側に配置される引き上げ駆動源を備える。単結晶引き上げ軸１１２は鉛直方向（つまり水平面に垂直な方向）に延びる軸線である。単結晶引き上げ機構１０６は、単結晶１１０を単結晶引き上げ軸１１２まわりに回転させながら単結晶１１０を引き上げるように構成される。

【0016】

ヒーター１０８は、単結晶引き上げ炉１０２内で坩堝１０４の周囲に配置され、坩堝１０４を加熱する。ヒーター１０８による加熱によって、坩堝１０４内の溶融材料は溶融状態に保持される。

【0017】

超伝導磁石装置１０は、クライオスタット１２と、一対の鞍型超伝導コイル２０と、熱シールド２４と、磁気シールド２６と、支持フレーム３０とを備える。超伝導磁石装置１０は、単結晶引き上げ装置１００の磁場発生源として用いられる。

【0018】

クライオスタット１２は、クライオスタット１２を取りまく周囲環境１６から隔離される内部空間１４を有し、この内部空間１４に鞍型超伝導コイル２０、熱シールド２４、および支持フレーム３０が配置される。内部空間１４は、円筒状の空間である。クライオスタット１２は断熱真空容器であり、超伝導磁石装置１０の動作中、クライオスタット１２の内部空間１４には鞍型超伝導コイル２０を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境が提供される。

【0019】

クライオスタット１２は、ボア１８を内側に定め、ボア１８を通る中心軸、すなわち単結晶引き上げ軸１１２に沿って延びる円筒状の形状を有する。超伝導磁石装置１０が単結晶引き上げ装置１００に搭載されたとき、ボア１８には単結晶引き上げ炉１０２が配置される。ボア１８は、クライオスタット１２を取りまく周囲環境１６の一部であり（すなわちクライオスタット１２の外にあり）、クライオスタット１２に囲まれた例えば円柱状の空間である。

【0020】

クライオスタット１２は、ボア１８を囲むようにボア１８の径方向外側に配置された内周壁１２ａと、内周壁１２ａを囲むように内周壁１２ａの径方向外側に配置された外周壁１２ｂとを備える。内周壁１２ａと外周壁１２ｂはともに円筒形状を有し、これらの間に鞍型超伝導コイル２０、熱シールド２４、および支持フレーム３０が配置される。内周壁１２ａと外周壁１２ｂは、単結晶引き上げ軸１１２を中心として同軸に配置されている。また、クライオスタット１２は、内周壁１２ａと外周壁１２ｂをこれらの上下それぞれで接続する天板１２ｃおよび底板１２ｄを備える。天板１２ｃと底板１２ｄは円環状の形状を有し、概ね平坦な表面を有する。クライオスタット１２の内部空間１４は、径方向には内周壁１２ａと外周壁１２ｂとの間に定まり、鉛直方向（単結晶引き上げ軸１１２の方向）には天板１２ｃと底板１２ｄとの間に定まる。

【0021】

クライオスタット１２の少なくとも内周壁１２ａは、鞍型超伝導コイル２０がボア１８に磁場を発生させるのを妨げないように、非磁性材料（例えばステンレス鋼などの非磁性金属材料）で形成されている。クライオスタット１２の他の部位、すなわち外周壁１２ｂ、天板１２ｃおよび底板１２ｄも内周壁１２ａと同じ材料で形成されてもよい。

【0022】

一対の鞍型超伝導コイル２０は、ボア１８を挟んで対向し、単結晶引き上げ軸１１２に関して対称に配置されている。鞍型超伝導コイル２０はそれぞれ、ボア１８に向かって凹に湾曲しており、例えば、クライオスタット１２の円筒形状に沿って円弧状に湾曲している。これら２つの鞍型超伝導コイル２０は、同じ形状および同じサイズを有する。

【0023】

２つの鞍型超伝導コイル２０のうち一方が径方向内向き、つまり単結晶引き上げ軸１１２に向かう方向に磁場を発生させ、他方の鞍型超伝導コイル２０が径方向外向き、つまり単結晶引き上げ軸１１２から離れる方向に磁場を発生させる。これらの磁場の重ね合わせにより、一対の鞍型超伝導コイル２０は、合成磁場２２を発生させる。合成磁場２２は、単結晶引き上げ軸１１２上で、単結晶引き上げ軸１１２に直交する。

【0024】

以下では説明の便宜上、図２および図３に示されるように、単結晶引き上げ軸１１２に垂直なＸＹ座標平面を考える。この座標平面の原点は単結晶引き上げ軸１１２上にあり、Ｘ軸は、単結晶引き上げ軸１１２上での合成磁場２２の方向に延び、Ｙ軸は、単結晶引き上げ軸１１２とＸ軸に垂直である。単結晶引き上げ軸１１２をＺ軸とみなすこともできる。

【0025】

熱シールド２４は、鞍型超伝導コイル２０および支持フレーム３０を囲むようにクライオスタット１２の内部空間１４に配置されている。熱シールド２４は、周囲環境１６から鞍型超伝導コイル２０への輻射熱の侵入を抑制するために設けられている。

【0026】

鞍型超伝導コイル２０が発生させる磁場が外部に漏洩するのを抑制するために、磁気シールド２６は、クライオスタット１２の外周壁１２ｂ、天板１２ｃおよび底板１２ｄを覆っている。磁気シールド２６は、例えば鉄などの磁性材料で形成され、クライオスタット１２の外周壁１２ｂ、天板１２ｃおよび底板１２ｄに隣接して配置される。鞍型超伝導コイル２０がボア１８に磁場を発生させるのを妨げないように、磁気シールド２６は、クライオスタット１２の内周壁１２ａは覆っていない。

【0027】

クライオスタット１２には、一対の鞍型超伝導コイル２０、熱シールド２４、および支持フレーム３０を冷却する一対の極低温冷凍機２８が設置されている。図２および図３には、クライオスタット１２での極低温冷凍機２８の例示的な配置が示されている。

【0028】

極低温冷凍機２８は、例えば、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であり、第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージとを備える。極低温冷凍機２８は、第１冷却ステージと第２冷却ステージがクライオスタット１２の内部空間１４に配置されるようにして、クライオスタット１２に設置される。極低温冷凍機２８の第１冷却ステージによって熱シールド２４が第１冷却温度に冷却され、第２冷却ステージによって鞍型超伝導コイル２０と支持フレーム３０が第２冷却温度に冷却される。第１冷却温度は、例えば３０Ｋ～８０Ｋの範囲にあってもよく、第２冷却温度は、例えば３Ｋ～２０Ｋの範囲にあってもよい。

【0029】

一対の鞍型超伝導コイル２０、熱シールド２４、および支持フレーム３０は、それぞれが真空環境にさらされるように内部空間１４に配置されている。クライオスタット１２のこれらの内部構成要素は、極低温冷凍機２８によって、いわゆる伝導冷却により冷却される。熱シールド２４は、第１伝熱部材を介して極低温冷凍機２８の第１冷却ステージに熱的に結合され、第１冷却ステージによって直接冷却される。鞍型超伝導コイル２０は、第２伝熱部材を介して極低温冷凍機２８の第２冷却ステージに熱的に結合され、第２冷却ステージによって直接冷却される。

【0030】

よって、この実施の形態では、クライオスタット１２は、液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に鞍型超伝導コイル２０を浸漬して冷却する浸漬冷却を用いていない。クライオスタット１２には、鞍型超伝導コイル２０を極低温液体冷媒とともに収容する液体冷媒槽は設けられていない。支持フレーム３０は、クライオスタット１２の内部空間１４において鞍型超伝導コイル２０に隣接するにすぎず、鞍型超伝導コイル２０を囲む閉鎖区画を形成するものではない。

【0031】

一対の極低温冷凍機２８のうち一方は、クライオスタット１２の周方向において一対の鞍型超伝導コイル２０の間であってボア１８に対して片側でクライオスタット１２に設置されている。他方の極低温冷凍機２８は、クライオスタット１２の周方向に一対の鞍型超伝導コイル２０の間であってボア１８に対して反対側でクライオスタット１２に設置されている。例えば、図示されるように、一対の極低温冷凍機２８は、Ｙ軸上に配置されてもよい。一対の極低温冷凍機２８は、単結晶引き上げ軸１１２を挟んで一方が＋Ｙ側に、他方が－Ｙ側に配置されてもよい。極低温冷凍機２８は、一例として、クライオスタット１２の天板１２ｃに設置される。図３に示されるように、極低温冷凍機２８の一部分が、天板１２ｃに隣接する磁気シールド２６の上板から上方に突出している。

【0032】

極低温冷凍機２８のこのような対称的な配置により、各極低温冷凍機２８から鞍型超伝導コイル２０への伝熱距離を等しくすることができる。それにより、一対の鞍型超伝導コイル２０を均等に冷却することができる。

【0033】

また、鞍型超伝導コイル２０が発生させる強い磁場は、極低温冷凍機２８の挙動に影響し、場合によっては、冷凍能力の低下をもたらしうる。磁場は、ＸＹ平面上において、Ｘ軸上で最も強く、Ｙ軸上で最も弱くなる。したがって、上述の極低温冷凍機２８の設置位置は、磁場の低い場所が選ばれている。よって、極低温冷凍機２８への磁場による悪影響を低減することができる。

【0034】

なお、このような有利な効果を奏するうえで、２つの極低温冷凍機２８が厳密にＹ軸上に配置されることは必須でない。図２に示されるように、極低温冷凍機２８は、鞍型超伝導コイル２０の周方向端部から周方向に角度Δθだけ離れた角度位置に配置されてもよい。角度Δθは、例えば、少なくとも４度であってもよい。このように、極低温冷凍機２８を鞍型超伝導コイル２０から周方向に離して配置することにより、極低温冷凍機２８への磁場による悪影響を低減することができる。

【0035】

支持フレーム３０は、クライオスタット１２の内部空間１４において一対の鞍型超伝導コイル２０の径方向外側に配置され、一対の鞍型超伝導コイル２０を支持する。支持フレーム３０は、ボア１８を囲むようにリング状に形成されている。支持フレーム３０は、超伝導磁石装置１０の動作中に鞍型超伝導コイル２０に働く電磁力に抗して、鞍型超伝導コイル２０どうしの相対位置を保持するように鞍型超伝導コイル２０を剛に連結する構造体であり、剛性フレームと呼ぶこともできる。支持フレーム３０は、必要な剛性を実現するために、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。

【0036】

支持フレーム３０は、鞍型超伝導コイル２０の湾曲に基づく湾曲形状を有する一対のコイルマウント３２と、一対のコイルマウント３２を連結する一対の直線状の連結ビーム３４とを備える。

【0037】

コイルマウント３２は、鞍型超伝導コイル２０が設置される支持フレーム３０の部位である。コイルマウント３２は、鞍型超伝導コイル２０に沿って湾曲し、鞍型超伝導コイル２０の径方向外側に隣接し、鞍型超伝導コイル２０を支持する。このように、コイルマウント３２を鞍型超伝導コイル２０に合わせた湾曲形状とすることで、超伝導磁石装置１０の動作中に鞍型超伝導コイル２０に電磁力が働くとき、コイルマウント３２がこの電磁力を効果的に支持し、鞍型超伝導コイル２０に生じうる変形を抑制できる。

【0038】

一方の連結ビーム３４がコイルマウント３２の一方の端部どうしを連結し、他方の連結ビーム３４がコイルマウント３２の他方の端部どうしを連結する。連結ビーム３４は、鞍型超伝導コイル２０が設置される部位ではないため、コイルマウント３２のように鞍型超伝導コイル２０に沿った湾曲形状をもつ必要はない。連結ビーム３４を平面的な形状とすることにより、湾曲形状に比べて製作が容易となる。これは、支持フレーム３０の製造コストの低減につながりうる。

【0039】

一対の直線状の連結ビーム３４は、図３に示されるように、一対のコイルマウント３２に比べて鉛直方向（すなわち、単結晶引き上げ軸１１２の方向）の寸法が小さくてもよい。これにより、連結ビーム３４とコイルマウント３２の鉛直方向の寸法をそろえた場合に比べて、連結ビーム３４ひいては支持フレーム３０を軽量化することができる。また、コイルマウント３２に比べて連結ビーム３４の高さが低くなっていることを利用して、連結ビーム３４の上方に極低温冷凍機２８の配置スペースを確保することもできる。

【0040】

なお、代替例として、連結ビーム３４も、コイルマウント３２と同様に、クライオスタット１２の円筒形状に沿って円弧状に湾曲していてもよい。支持フレーム３０は、コイルマウント３２と連結ビーム３４から円環状に形成されていてもよい。また、コイルマウント３２と連結ビーム３４は別の部材として用意され、これらが連結されて支持フレーム３０が形成されてもよい。あるいは、支持フレーム３０は、コイルマウント３２と連結ビーム３４が一体化された単一の構造体として形成されてもよい。

【0041】

図３および図５に示されるように、超伝導磁石装置１０には、支持フレーム３０を水平方向に支持する複数の水平荷重支持体３６が設けられている。水平荷重支持体３６は、超伝導磁石装置１０の動作中に鞍型超伝導コイル２０に働く径方向外向きの電磁力を支えるものである。

【0042】

水平荷重支持体３６は、クライオスタット１２の径方向に延在する棒状の形状を有し、その一端で磁気シールド２６に支持され、他端で支持フレーム３０のコイルマウント３２に支持される。水平荷重支持体３６は、磁気シールド２６から、クライオスタット１２の外周壁１２ｂと熱シールド２４を貫通してコイルマウント３２へと延びている。鞍型超伝導コイル２０に働く径方向外向きの電磁力は、水平荷重支持体３６を用いて、磁気シールド２６を支点として支持される。

【0043】

水平荷重支持体３６の少なくとも一部、例えば水平荷重支持体３６の端部は、ステンレス鋼などの金属材料で形成されてもよい。また、水平荷重支持体３６を通じた磁気シールド２６から鞍型超伝導コイル２０への入熱を抑制するために、水平荷重支持体３６の少なくとも一部、例えば水平荷重支持体３６の両端を接続する棒状体は、繊維強化プラスチックなどの断熱材料で形成されてもよい。

【0044】

支持フレーム３０には、支持フレーム３０の外周面から径方向内側に向かって形成された凹部３８が形成されている。この凹部３８は、水平荷重支持体３６の支持フレーム３０側の端部を受け入れるために支持フレーム３０のコイルマウント３２に設けられている。支持フレーム３０は、凹部３８で水平荷重支持体３６に支持されている。また、凹部３８は、鞍型超伝導コイル２０の内側スペースへと径方向に突出する凸部３９としてコイルマウント３２に形成されている。

【0045】

このようにすれば、水平荷重支持体３６の一部が支持フレーム３０の凹部３８に収容されるから、水平荷重支持体３６と支持フレーム３０の合計の径方向寸法を小さくすることができる。これは、超伝導磁石装置１０の小型化につながりうる。それとともに、水平荷重支持体３６の径方向長さを長くとることができる。これにより、磁気シールド２６と支持フレーム３０との間の水平荷重支持体３６による断熱距離を確保することができ、鞍型超伝導コイル２０への熱負荷を低減することができる。

【0046】

１つの鞍型超伝導コイル２０について、２つの水平荷重支持体３６が配置される。鞍型超伝導コイル２０に電磁力が働くときコイルのコーナー部（すなわち、クライオスタット１２の周方向におけるコイルの端部）においてコイルに曲げ応力が生じやすい。この曲げ応力によるコイルの曲げ変形を効果的に抑制するために、水平荷重支持体３６は、鞍型超伝導コイル２０のコーナー部の近傍に配置されてもよい。よって、水平荷重支持体３６を受け入れる凹部３８は、支持フレーム３０のコイルマウント３２の周方向端部に形成されてもよい。なお、必要とされる場合には、各鞍型超伝導コイル２０について、追加の（つまり第３の）水平荷重支持体３６が配置されてもよい。

【0047】

図６は、実施の形態に係り、径方向内側から見た鞍型超伝導コイル２０および支持フレーム３０の展開図の一部を示す模式図である。図５および図６に示されるように、支持フレーム３０には、鞍型超伝導コイル２０を支持フレーム３０に固定するために、第１サポート４０と第２サポート４２が取り付けられている。

【0048】

第１サポート４０は、鞍型超伝導コイル２０の径方向内側に配置されたプレートであり、支持フレーム３０のコイルマウント３２に取り付けられることで、鞍型超伝導コイル２０を径方向外側に向かって支持フレーム３０へと押し付ける。各鞍型超伝導コイル２０は、径方向外側を向く第１コイル端面２０ａと、径方向内側を向く第２コイル端面２０ｂとを有しており、第１コイル端面２０ａでコイルマウント３２と接触し、第２コイル端面２０ｂで第１サポート４０と接触している。第１サポート４０は、これら２つのコイル端面で鞍型超伝導コイル２０を挟み込むように支持フレーム３０に取り付けられている。第１サポート４０は、第２サポート４２を介して支持フレーム３０に取り付けられてもよいし、支持フレーム３０に直接取り付けられてもよい。

【0049】

このように、第１サポート４０によって鞍型超伝導コイル２０を支持フレーム３０に押し当てることにより、クライオスタット１２の径方向における鞍型超伝導コイル２０の変位を抑制し、支持フレーム３０上での鞍型超伝導コイル２０の径方向位置を保持することができる。

【0050】

また、各鞍型超伝導コイル２０は、第１コイル端面２０ａと第２コイル端面２０ｂをつなぐ２つのコイル側面、すなわち、コイル外周側の第１コイル側面２０ｃおよびコイル内周側の第２コイル側面２０ｄを有する。第２サポート４２は、これら２つのコイル側面で鞍型超伝導コイル２０を挟み込むように支持フレーム３０に取り付けられている。

【0051】

第２サポート４２は、第１部材４２ａと第２部材４２ｂを含み、第１部材４２ａが第１コイル側面２０ｃに接触し、第２部材４２ｂが第２コイル側面２０ｄに接触する。第１部材４２ａは、第１コイル側面２０ｃの一部分を覆う壁にあたり、第２部材４２ｂは、第２コイル側面２０ｄの一部分を覆う壁にあたる。第１部材４２ａと第２部材４２ｂはそれぞれ、支持フレーム３０に取り付けられている。第１部材４２ａと第２部材４２ｂで鞍型超伝導コイル２０を挟み込むために、第１部材４２ａと第２部材４２ｂのうち一方、例えば第２部材４２ｂは、例えばレベリングブロック、スクリュージャッキ、板バネなどの押付具を備える。

【0052】

このように、第２サポート４２によって鞍型超伝導コイル２０を挟み込むことにより、鞍型超伝導コイル２０に電磁力が働くときに生じうる鞍型超伝導コイル２０の曲げを抑制することができる。

【0053】

第１サポート４０と第２サポート４２の両方を設けることにより、支持フレーム３０に対する鞍型超伝導コイル２０の変位および変形が効果的に抑制される。これは、鞍型超伝導コイル２０でのクエンチの発生を抑制することに役立つ。

【0054】

これらのコイルサポートは、図６に示されるように、鞍型超伝導コイル２０の上下部分だけでなく、コーナー部にも設けられている。このようにして、第１サポート４０と第２サポート４２が鞍型超伝導コイル２０に沿って複数箇所に設けられることで、鞍型超伝導コイル２０の全周にわたる支持フレーム３０への強固な固定が可能になる。

【0055】

第１サポート４０と第２サポート４２は、鞍型超伝導コイル２０の全集に沿って連続して設けられることに代えて、複数箇所に離散的に設けられている。このような分割構造を採用したことにより、第１サポート４０および第２サポート４２の製作が容易になる。

【0056】

図７は、実施の形態に係り、径方向外側から見た支持フレーム３０を模式的に示す正面図である。超伝導磁石装置１０には、支持フレーム３０を鉛直方向に支持する複数の鉛直荷重支持体４４が設けられている。鉛直荷重支持体４４により、鞍型超伝導コイル２０などクライオスタット１２の内部構成要素に働く自重を支えることができる。複数の鉛直荷重支持体４４は、クライオスタット１２の周方向に等角度間隔に配置されていてもよい。例えば、６個の鉛直荷重支持体４４が６０度ごとに配置されていてもよい。なお、図７には、支持フレーム３０とともに極低温冷凍機２８が示されている。

【0057】

鉛直荷重支持体４４は、鉛直方向に延在する棒状の形状を有し、その一端でクライオスタット１２の底面に支持され、他端で支持フレーム３０のコイルマウント３２に支持される。鉛直荷重支持体４４の少なくとも一部、例えば鉛直荷重支持体４４の端部は、ステンレス鋼などの金属材料で形成されてもよい。また、鉛直荷重支持体４４を通じたクライオスタット１２から鞍型超伝導コイル２０への入熱を抑制するために、鉛直荷重支持体４４の少なくとも一部、例えば鉛直荷重支持体４４の両端を接続する棒状体は、繊維強化プラスチックなどの断熱材料で形成されてもよい。

【0058】

図７に示されるように、支持フレーム３０は、支持フレーム３０の外周面から径方向外側に向かって形成されたリブ４６を備え、リブ４６で鉛直荷重支持体４４に支持されている。リブ４６は、支持フレーム３０のコイルマウント３２の外周面上で周方向に延びている。このように、水平方向に延びるリブ４６に鉛直荷重支持体４４を連結することにより、リブ４６がいわば緩衝材として働き、支持フレーム３０に衝撃荷重（例えば、鞍型超伝導コイル２０の電磁力、超伝導磁石装置１０の輸送中に発生しうる衝撃など）による鉛直荷重支持体４４への直接的な負荷を軽減することができる。

【0059】

なお、クライオスタット１２には、図示は省略するが、鞍型超伝導コイル２０に接続される電流導入端子、クライオスタット１２の真空排気のための真空排気ポート、クライオスタット１２内の計測機器に接続される計測用ポートなど、その他の構成要素が設けられてもよい。電流導入端子、真空排気ポート、計測用ポートのうち少なくとも１つがクライオスタット１２の上面または下面に設置されてもよい。

【0060】

ところで、本書の冒頭で述べたように、鞍型超伝導コイルを用いた単結晶引き上げ装置の既存設計では、鞍型超伝導コイルの支持構造が鞍型超伝導コイルの径方向内側に取り付けられていることが多い。この場合、支持構造が占めるスペースの分だけ、鞍型超伝導コイルは、磁場を印加すべき単結晶引き上げ炉から径方向に離れて配置されることになる。コイルが発生する磁場は距離の－３乗に比例するから、単結晶引き上げ炉から鞍型超伝導コイルが離れるにつれて、必要なコイルの起磁力が顕著に増大しうる。つまり、磁場発生効率が低くなりがちである。これは、コイルに必要な超伝導線材の増加をもたらし、ひいては、望ましくないことに、超伝導磁石装置の製造コストの増加をもたらしうる。

【0061】

これに対して、実施の形態によると、鞍型超伝導コイル２０がその径方向外側で支持フレーム３０に支持されるから、鞍型超伝導コイル２０をボア１８に近接して配置することができる。したがって、磁場発生効率を向上させ、超伝導線材の使用量を低減し、さらには、超伝導磁石装置１０の製造コストを低減することができる。

【0062】

また、超伝導磁石装置１０の動作中、鞍型超伝導コイル２０が発生させる強い磁場に応じて、鞍型超伝導コイル２０には、磁気シールド２６に向かう方向、つまり径方向外向きに相応の強力な電磁力が働く。鞍型超伝導コイル２０は、磁気シールド２６に向かって強く引っ張られることになる。

【0063】

上述の既存設計では、鞍型超伝導コイルの支持構造がその径方向内側に設けられているから、コイルに働く径方向外向きの力は、コイルを支持構造から引き離すように働くことになる。コイルが支持構造から分離されるのを避けるために、構造部材の追加や支持構造の強化が必要となり得る。これに起因する重量増加や大型化は、装置の製造コストの増加をもたらしうるから、望ましくない。

【0064】

これに対して、実施の形態によると、鞍型超伝導コイル２０に働く径方向外向きの力は、鞍型超伝導コイル２０を支持フレーム３０に押し付けるように働くことになる。したがって、既存技術とは逆に、支持フレーム３０は、比較的簡素な構成で、鞍型超伝導コイル２０を効果的に支持することができる。その結果、超伝導磁石装置１０の軽量化を図ることもできる。

【0065】

典型的に、単結晶引き上げ装置１００に搭載されるクライオスタット１２は、その外径が内径（つまりボア１８の径）のおよそ１．５倍とされている。このような径方向寸法をもつクライオスタット１２に適合させるうえで、好ましくは、一対の鞍型超伝導コイル２０は、クライオスタット１２の内部空間１４において、ボア１８の径の１．０５倍から１．３２倍の範囲内に配置されていてもよい。言い換えれば、鞍型超伝導コイル２０の内径の下限値が、クライオスタット１２のボア１８の径の１．０５倍に定められてもよい。また、鞍型超伝導コイル２０の外径の上限値が、クライオスタット１２のボア１８の径の１．３２倍に定められてもよい。

【0066】

内部空間１４において鞍型超伝導コイル２０の径方向内側には熱シールド２４が配置されている。鞍型超伝導コイル２０を熱シールド２４よりも低温に冷却するうえで、鞍型超伝導コイル２０と熱シールド２４との物理的接触は、確実に避けることが望まれる。このような観点から、上述の１．０５倍という下限値は定められている。

【0067】

内部空間１４において支持フレーム３０の径方向外側にも熱シールド２４が配置されている。支持フレーム３０は鞍型超伝導コイル２０とともに、熱シールド２４よりも低温に冷却される。支持フレーム３０と熱シールド２４との物理的接触は、確実に避けることが望まれる。また、所望の剛性をもたせるために、支持フレーム３０には径方向にある程度のサイズが必要となる。このような観点から、上述の１．３２倍という上限値は定められている。

【0068】

同様に、一対の直線状の連結ビーム３４は、クライオスタット１２の内部空間１４において、ボア１８の径の１．０５倍から１．３２倍の範囲内に配置されていてもよい。このように、連結ビーム３４と熱シールド２４との物理的接触を避け、これらの間の断熱を確実にすることを考慮して、連結ビーム３４の径方向内側寸法の下限値がボア１８の径の１．０５倍に、連結ビーム３４の径方向外側寸法の上限値がボア１８の径の１．３２倍に定められてもよい。

【0069】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

【0070】

図８は、実施の形態に係り、超伝導磁石装置１０における超伝導コイル配置の他の例を模式的に示す斜視図である。図示されるように、超伝導磁石装置１０には、一対の鞍型超伝導コイル２０に加えて、超伝導磁石装置１０における磁場分布の調整の補助のために、追加の超伝導コイル５０を備えてもよい。追加の超伝導コイル５０は、鞍型超伝導コイル２０よりも小型のコイルであってもよく、鞍型超伝導コイル２０の内側に配置されてもよい。追加の超伝導コイル５０は、円形コイルであってもよいし、あるいは、鞍型コイルであってもよい。鞍型超伝導コイル２０と追加の超伝導コイル５０の両方が、上述の支持フレーム３０に支持されていてもよい。

【0071】

実施の形態に係る超伝導磁石装置１０が搭載された単結晶引き上げ装置は、シリコン以外の半導体材料またはその他の材料の単結晶を生成するための単結晶引き上げ装置であってもよい。

【0072】

適用可能であれば、超伝導磁石装置１０は、単結晶引き上げ装置以外の装置に搭載されてもよい。超伝導磁石装置１０は、高磁場利用機器の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。

【0073】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0074】

１０ 超伝導磁石装置、 １２ クライオスタット、 １２ａ 内周壁、 １２ｂ 外周壁、 １４ 内部空間、 １８ ボア、 ２０ 鞍型超伝導コイル、 ２０ａ 第１コイル端面、 ２０ｂ 第２コイル端面、 ２８ 極低温冷凍機、 ３０ 支持フレーム、 ３２ コイルマウント、 ３４ 連結ビーム、 ３６ 水平荷重支持体、 ３８ 凹部、 ４０ 第１サポート、 ４２ 第２サポート、 ４４ 鉛直荷重支持体、 ４６ リブ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】