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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-23
(45)【発行日】2024-05-02
(54)【発明の名称】超電導コイル装置
(51)【国際特許分類】
H01F 6/06 20060101AFI20240424BHJP
H01F 6/04 20060101ALI20240424BHJP
H10N 60/81 20230101ALI20240424BHJP
【ＦＩ】
H01F6/06 130
H01F6/06 110
H01F6/06 510
H01F6/04
H10N60/81 ZAA
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2019205014
(22)【出願日】2019-11-12
(65)【公開番号】P2021077811
(43)【公開日】2021-05-20
【審査請求日】2022-09-14
(73)【特許権者】
【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】平山 貴士
【審査官】久保田 昌晴
(56)【参考文献】
【文献】特公平０１－０３５４８２（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特開２００９－２４３８２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－２１９８１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０３－１７４７０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】実公昭６０－００５５３５（ＪＰ，Ｙ２）
【文献】実開昭５６－０４６２１３（ＪＰ，Ｕ）
【文献】実開平０２－１１８９０６（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開平０５－３１５１３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１５８１１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１７６９９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－２８８５６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０００８１８７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｆ ６／００－６／０６
Ｈ１０Ｎ ６０／８０－６０／８１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
超電導コイルと、前記超電導コイルの外周面に隣接して配置されたケース外周枠と、前記超電導コイルの上端面に隣接して配置され、前記ケース外周枠と気密に接合されたケース上板と、前記超電導コイルの下端面に隣接して配置され、前記ケース外周枠と気密に接合されたケース下板と、を備え、前記超電導コイルを補強するように前記超電導コイルを囲んで配置され、前記超電導コイルとともに冷却ガスを気密に収容するコイル補強ケースと、
前記コイル補強ケースの外表面に装着された伝熱プレートと、を備え、
前記コイル補強ケースは、前記コイル補強ケースの外にある極低温冷凍機と前記伝熱プレートを介して熱的に結合され、前記超電導コイルは、前記極低温冷凍機によって前記コイル補強ケースと前記冷却ガスを介して冷却されることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項2】
前記超電導コイルに接続され、前記コイル補強ケースに収容された超電導電流リードと、前記超電導電流リードに接続された金属電流リードと、をさらに備え、前記金属電流リードは、前記冷却ガスを封止するように前記コイル補強ケースに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
【請求項3】
前記超電導コイルは、超電導線材を巻回して形成され、超電導線材間には含浸材を有しないことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル装置。
【請求項4】
前記超電導コイルは、超電導線材を巻回して形成され、超電導線材間の隙間を前記冷却ガスが満たしていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【請求項5】
前記伝熱プレートは、可撓性をもつ伝熱部材を介して前記極低温冷凍機と熱的に結合されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超電導コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超電導コイル装置に関する。
【背景技術】
【0002】
超電導コイルは使用時に、超電導を発現する極低温に冷却されるが、これには大きく２つの冷却方式がある。１つは、超電導コイルを液体ヘリウムなど極低温の冷媒に浸して冷却するものであり、浸漬冷却とも称される。もう１つの方式では、液体冷媒は使用されない。超電導コイルは、たとえばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの極低温冷凍機で直接冷却される。これは、伝導冷却とも称される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００９－２４３８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
超電導コイルは超電導線材を巻回して形成される。そのため、伝導冷却の場合、超電導コイル内部での径方向の熱伝導は、巻回された超電導線材間の接触熱抵抗に依存しうる。これは、とくに、超電導コイルの製造において樹脂材料の含浸をしない場合、顕著である。しかし、超電導線材間の接触熱抵抗を超電導コイル全体で一様となるように管理することは、製造上容易でない。もし、超電導コイル内部で熱伝導に局所的な不均一があったとすると、これは超電導コイルの熱的な不安定性につながりうる。熱的な不安定性は、さらに、超電導を消失させる熱暴走につながりうるので、望ましくない。
【0005】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、超電導コイルの熱的安定性を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のある態様によると、超電導コイル装置は、超電導コイルと、超電導コイルを補強するように超電導コイルを囲んで配置され、超電導コイルとともに冷却ガスを気密に収容するコイル補強ケースと、を備える。
【0007】
本発明のある態様によると、超電導コイル装置は、超電導コイルと、超電導コイルとともに冷却ガスを気密に収容するコイルケースと、超電導コイルに接続され、コイルケースに収容された超電導電流リードと、超電導電流リードに接続され、冷却ガスを封止するようにコイルケースに取り付けられた金属電流リードと、を備える。
【0008】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、超電導コイルの熱的安定性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
【0012】
図１は、実施の形態に係る超電導コイル装置１０を概略的に示す図である。超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２を備え、超電導コイル１２を超電導転移温度以下の極低温に冷却した状態で超電導コイル１２に通電することにより強力な磁場を発生するように構成される。超電導コイル装置１０は、例えばＮＭＲシステム、ＭＲＩシステム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）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。
【0013】
超電導コイル１２は、一例として、高温超電導コイルである。
【0014】
超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２を補強するように超電導コイル１２を囲んで配置されるコイル補強ケース１４を備える。コイル補強ケース１４は、超電導コイル１２とともに冷却ガス１６を気密に収容する。超電導コイル１２には、励磁中、自身に流れる大電流とそれにより発生する高磁場との相互作用によって、超電導コイル１２を径方向に膨らませる強力な電磁力が働く。コイル補強ケース１４は、この電磁力に抗して超電導コイル１２を補強するために要求される機械的強度を提供するとともに、収容する冷却ガス１６の圧力に耐えるように、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。
【0015】
冷却ガス１６は、コイル補強ケース１４から超電導コイル１２への伝熱経路の一部となる。冷却ガス１６は、コイル補強ケース１４に高圧で封入される。冷却ガス１６の封入圧力は、室温（例えば３００Ｋ）で、例えば約７．５ＭＰａ～約３０ＭＰａ（または例えば約１０ＭＰａ～約２０ＭＰａ）であってもよい。すなわち、冷却ガス１６の封入圧力は、極低温（例えば２０Ｋ）で、例えば約０．５ＭＰａ～約２ＭＰａ（または例えば約０．６７ＭＰａ～約１．３３ＭＰａ）であってもよい。冷却ガス１６は、こうした使用環境で気体状態をとる物質、例えばヘリウムガスが使用される。
【0016】
コイル補強ケース１４には、冷却ガス１６をケース内に供給するためのガス供給口１８が設けられていてもよい。ただし、ガス供給口１８は、冷却ガス１６をコイル補強ケース１４に供給するときには開かれるが、ガス供給が完了すれば閉鎖され、冷却ガス１６がケース外に漏れないように封じられる。
【0017】
超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２に電源（図示せず）を接続するための電流リード部２０をさらに備える。電流リード部２０は、例えば無酸素銅などの純銅に代表される導電性に優れる金属材料で形成される金属電流リードを有してもよく、または、超電導線材（例えば高温超電導線材）で形成される超電導電流リードを有してもよい。電流リード部２０は、コイル補強ケース１４に設けられた気密フィードスルーを通じてケース外からケース内へと導入され、超電導コイル１２に接続される。
【0018】
また、超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２とコイル補強ケース１４の間に介在する軟質材層２２をさらに備えてもよい。軟質材層２２は、超電導コイル１２とコイル補強ケース１４との間に挟み込まれることによって両者の間に存在しうる間隙を埋め、それにより、超電導コイル１２とコイル補強ケース１４の熱接触を良好にするために設けられる。軟質材層２２は、例えば、フッ素樹脂（例えばＰＴＦＥ）シートなどの樹脂材料または極低温での使用に適するその他の軟質材料で形成されてもよい。一例として、図１では、軟質材層２２は、超電導コイル１２の下面とコイル補強ケース１４の底面の間に設けられているが、これとともに、またはこれに代えて、超電導コイル１２の側面及び／または上面に設けられてもよい。
【0019】
図２は、図１に示される超電導コイル装置１０の極低温冷却を概略的に示す図である。超電導コイル装置１０は、使用時に、クライオスタットなどの真空容器３０の中に設置される。コイル補強ケース１４の周囲は真空とされる。
【0020】
真空容器３０には、極低温冷凍機３２が設置される。極低温冷凍機３２は、真空容器３０の中に配置される一段冷却ステージ３２ａおよび二段冷却ステージ３２ｂを備える。極低温冷凍機３２は、作動ガス（たとえばヘリウムガス）の圧縮機（図示せず）と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備え、圧縮機と膨張機により極低温冷凍機３２の冷凍サイクルが構成され、それにより一段冷却ステージ３２ａおよび二段冷却ステージ３２ｂがそれぞれ所望の極低温に冷却される。一段冷却ステージ３２ａは、例えば５０Ｋ～８０Ｋに冷却され、二段冷却ステージ３２ｂは、例えば１０Ｋ～２０Ｋに冷却される。一段冷却ステージ３２ａおよび二段冷却ステージ３２ｂは、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。
【0021】
極低温冷凍機３２は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。極低温冷凍機３２は、単段式のＧＭ冷凍機またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。
【0022】
また、真空容器３０には、一段冷却ステージ３２ａと熱的に結合され一段冷却ステージ３２ａの冷却温度に冷却される熱シールド３４が設けられてもよい。熱シールド３４は、それよりも低温に冷却される超電導コイル装置１０、極低温冷凍機３２の二段冷却ステージ３２ｂ、またはその他の低温部を囲むように配置され、外部からの輻射熱からこれら低温部を熱的に保護することができる。熱シールド３４は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。
【0023】
熱シールド３４は、一段伝熱部材３６ａを介して一段冷却ステージ３２ａと熱的に結合されてもよい。一段伝熱部材３６ａは、可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよく、熱シールド３４と同様に高熱伝導材料で形成されてもよい。あるいは、熱シールド３４は、一段冷却ステージ３２ａに直接取り付けられ、または剛性の伝熱部材を介して取り付けられてもよい。
【0024】
コイル補強ケース１４は、コイル補強ケース１４の外にある極低温冷凍機３２と熱的に結合され、超電導コイル１２は、極低温冷凍機３２によってコイル補強ケース１４と冷却ガス１６を介して冷却される。超電導コイル装置１０は、伝導冷却式として構成される。
【0025】
コイル補強ケース１４は、二段冷却ステージ３２ｂと熱的に結合され二段冷却ステージ３２ｂの冷却温度に冷却される。コイル補強ケース１４は、二段伝熱部材３６ｂを介して二段冷却ステージ３２ｂと熱的に結合されてもよい。二段伝熱部材３６ｂは、一段伝熱部材３６ａと同様に、可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよく、銅などの高熱伝導材料で形成されてもよい。あるいは、コイル補強ケース１４は、二段冷却ステージ３２ｂに直接取り付けられ、または剛性の伝熱部材を介して取り付けられてもよい。
【0026】
コイル補強ケース１４の外表面には、伝熱プレート３８が装着されてもよい。二段伝熱部材３６ｂの一端が二段冷却ステージ３２ｂに取り付けられ、二段伝熱部材３６ｂの他端が伝熱プレート３８に取り付けられ、それにより、コイル補強ケース１４は、二段伝熱部材３６ｂと伝熱プレート３８を介して二段冷却ステージ３２ｂと熱的に結合されてもよい。伝熱プレート３８は、コイル補強ケース１４と面接触しているので、二段伝熱部材３６ｂがコイル補強ケース１４上の一点で接続される場合に比べて、二段冷却ステージ３２ｂとコイル補強ケース１４との熱伝導を良好にすることができる。伝熱プレート３８は、例えば銅などの金属材料またはその他の高熱伝導材料で形成される。
【0027】
一例として、伝熱プレート３８は、コイル補強ケース１４の上側の外表面に設けられているが、これとともに、またはこれに代えて、コイル補強ケース１４の側面及び／または下面に設けられてもよい。
【0028】
電流リード部２０は、真空容器３０に設けられる真空フィードスルーを通じて真空容器３０の中から外へと取り出され、真空容器３０の外にある電源（図示せず）に超電導コイル１２を接続する。
【0029】
このようにして、超電導コイル１２は、極低温冷凍機３２の二段冷却ステージ３２ｂによって、二段伝熱部材３６ｂ、伝熱プレート３８、コイル補強ケース１４、冷却ガス１６を介して、二段冷却ステージ３２ｂの冷却温度に冷却される。電流リード部２０を通じて超電導コイル１２に通電することにより、超電導コイル装置１０は、強力な磁場を発生することができる。
【0030】
図３は、図１に示される超電導コイル１２の例示的な構成を概略的に示す図である。超電導コイル１２は、ＲＥＢＣＯ線材とも称されるテープ状の高温超電導線材４０をコイル径方向４２に積層させるように巻回して形成されるシングルパンケーキコイルである。
【0031】
高温超電導線材４０は、基板４０ａ上に中間層４０ｂを介して超電導層４０ｃが形成され、その超電導層４０ｃ上に第１安定化層４０ｄが形成されるとともに、それらの外周部に第２安定化層４０ｅが被覆されて構成されている。
【0032】
基板４０ａは、ニッケル合金（ハステロイ）、銀、銀合金等の金属により、例えば厚さ１００μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。なお、ハステロイは、ニッケルを主成分とし、クロム、モリブデン等を含む合金で、耐熱性、機械的強度等が良好である。中間層４０ｂは、ガドリニウム・ジルコニウム酸化物（Ｇｄ・Ｚｒ酸化物）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）、バリウム・ジルコニウム酸化物（Ｂａ・Ｚｒ酸化物）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）等の化合物により、例えば厚さ５００ｎｍ、幅１０ｍｍに形成されている。
【0033】
超電導層４０ｃは、希土類系酸化物超電導体のＣＶＤ法（化学蒸着法）により、例えば厚さ約１μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。希土類元素としては、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等が挙げられる。希土類系酸化物としては、ＲＥ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｏ等が挙げられる。但し、ＲＥは希土類元素を表す。この超電導層４０ｃとして具体的には、イットリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）、ランタン・バリウム・銅酸化物（Ｌａ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）等が挙げられる。
【0034】
第１安定化層４０ｄは、銀等の金属のスパッタリング等により、例えば厚さ約１５μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。第２安定化層４０ｅは、銅等の金属のメッキ等により、例えば厚さ約５０μｍに形成されている。
【0035】
ところで、従来、ＮｂＴｉに代表される低温超電導線材で形成される低温超電導コイルでは、コイルを製造する際に、エポキシ樹脂など樹脂材料による含浸処理がよく用いられている。コイル状に巻回された線材間に含浸した樹脂材料が硬化し、線材どうしを強く固定することができるので、コイルの機械的強度が高まる。含浸樹脂は、コイル励磁中にコイル内部に発生する強力な電磁力によって生じうるコイルの変形を抑制することに役立つ。また、含浸樹脂は、線材どうしを熱的に結合する伝熱経路をコイル内部に一様に形成し、コイルの熱的安定性を向上することにも役立つ。
【0036】
しかしながら、高温超電導線材４０で形成される超電導コイル１２には、こうした含浸処理は適さない。高温超電導線材４０の層間の剥離強度に比べて、樹脂材料による線材どうしの接着が強固となりすぎる傾向にある。超電導コイル１２の使用時に生じうる内部応力は、強度に劣る高温超電導線材４０の内部に集中し、含浸樹脂部に比べて強度に劣る高温超電導線材４０の層間に剥離を発生させ高温超電導線材４０が破壊されうるからである。
【0037】
そこで、超電導コイル１２には製造工程において含浸処理が行われない。したがって、超電導コイル１２は、積層される高温超電導線材４０間に含浸材を有しない。超電導コイル１２のように、絶縁処理を施していない超電導線材で形成される超電導コイルは、無絶縁（No-Insulation；ＮＩ）超電導コイルとも称されうる。励磁中に何らかの原因で局所的に常電導部が発生しても、電流は隣接する線材に迂回することができ、安定的な励磁が可能になるという利点がある。また高電流密度化が可能である。
【0038】
その反面、無絶縁コイルである超電導コイル１２では、コイル径方向４２の熱伝導は、巻回された高温超電導線材４０間の接触熱抵抗に強く依存することになる。高温超電導線材４０間の接触熱抵抗をコイル全体で一様となるように管理することは、製造上必ずしも容易でない。もし、コイル内で熱伝導に局所的な不均一があったとすると、これはコイルの熱的な不安定性につながりうるので、望ましくない。
【0039】
これに対し、実施の形態に係る超電導コイル装置１０によると、図１に示されるように、コイル補強ケース１４に冷却ガス１６が充填され、超電導コイル１２は冷却ガス１６とともにコイル補強ケース１４に収容される。冷却ガス１６は、超電導コイル１２を形成する高温超電導線材４０間のわずかな隙間４４（図３参照）にも浸透し、隙間４４を満たす。こうして、冷却ガス１６は、高温超電導線材４０間に伝熱経路を形成する。これにより、超電導コイル１２の内部の熱伝導は促進され、超電導コイル１２の熱的安定性は向上される。
【0040】
図４は、図１に示されるコイル補強ケース１４の例示的な構成を超電導コイル１２とともに概略的に示す図である。図４には、超電導コイル１２の中心軸を含む平面による超電導コイル装置１０の断面を概略的に示す。超電導コイル１２は、図３に示されるように、高温超電導線材４０を巻回して円環状に形成される。
【0041】
コイル補強ケース１４は、超電導コイル１２の外周面に隣接して配置されたケース外周枠１４ａと、超電導コイル１２の上端面に隣接して配置されたケース上板１４ｂと、超電導コイル１２の下端面に隣接して配置されたケース下板１４ｃと、を備える。ケース外周枠１４ａが超電導コイル１２の外周面を支持し、ケース上板１４ｂが超電導コイル１２の上端面を支持し、ケース下板１４ｃが超電導コイル１２の下端面を支持する。
【0042】
超電導コイル１２が円環状の形状を有する場合、コイル補強ケース１４は、超電導コイル１２をちょうど収める円筒形の箱であってもよい。よって、ケース外周枠１４ａは、超電導コイル１２の外周面に沿ってコイルの周方向に延びる円環状のフレームであってもよい。ケース上板１４ｂとケース下板１４ｃはそれぞれ、超電導コイル１２の上端面と下端面に沿って延びる円形のディスク状のプレートであってもよい。
【0043】
また、ケース上板１４ｂは、ケース外周枠１４ａと気密に接合され、ケース下板１４ｃは、ケース外周枠１４ａと気密に接合される。ケース上板１４ｂの外周部がケース外周枠１４ａの上端部に接合され、ケース下板１４ｃの外周部がケース外周枠１４ａの下端部に接合される。接合方法は、種々ありうるが、例えば、溶接により接合されてもよく、あるいは、接合される２つの部材間にメタルＯリングなど金属製のシール部材を挟み込むようにして、ボルトなど接合部品で機械的に接合されてもよい。
【0044】
また、図４には、超電導コイル１２の励磁中にコイルに径方向に働く電磁力５０を太い矢印で示すとともに、この電磁力５０に抗してコイル補強ケース１４のケース上板１４ｂとケース下板１４ｃに働く機械的な内部応力５２を細い矢印で示す。このように、コイル補強ケース１４が超電導コイル１２を補強し、超電導コイル１２とコイル補強ケース１４を含む構造体が全体で強力な電磁力５０に対する機械的な支持を提供することができる。
【0045】
コイル補強ケース１４は、電磁力５０だけでなく、内部に封入している冷却ガス１６の圧力にも耐えるように設計されなければならない。超電導コイル１２の励磁中は極低温に冷却されるため、このときの冷却ガス１６の圧力は上述のように、比較的低い（例えば１ＭＰａ程度）。一方、超電導コイル装置１０にメンテナンスを施すときには、超電導コイル装置１０は室温に昇温される。温度に比例して冷却ガス１６の圧力も上昇するので、室温では極低温に比べて、コイル補強ケース１４内の冷却ガス１６の圧力は、はるかに高くなる。例えば、２０Ｋから３００Ｋへと昇温すれば、温度は１５倍に増すから、圧力も１５倍に高まる（例えば１５ＭＰａ程度にも増加する）。しかし、室温では、超電導コイル１２は動作しないから、電磁力５０はコイル補強ケース１４に働かない。
【0046】
結局、本発明者の試算によれば、コイル補強ケース１４が電磁力５０と極低温での冷却ガス１６の圧力に耐える設計を有するとき、たいていの場合、室温で上昇した冷却ガス１６の圧力にも耐えられる。室温でのかなり高い冷却ガス１６の圧力を考慮して、コイル補強ケース１４の肉厚を過剰に大きくする必要はない。したがって、超電導コイル１２の補強構造の提供と冷却ガス１６の気密性の確保という２つの役割をコイル補強ケース１４にもたせる設計は、現実的に可能である。
【0047】
以上説明したように、実施の形態に係る超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２とともに冷却ガス１６を気密に収容するとともに、超電導コイル１２を補強するように超電導コイル１２を囲んで配置されるコイル補強ケース１４を備える。このようにして、超電導コイル装置１０に充填される冷却ガス１６が、超電導コイル１２の内部の熱伝導の均一化を促進することができる。よって、超電導コイル１２ひいては超電導コイル装置１０の熱的安定性が向上される。また、補強と気密性を１つのコイル補強ケース１４で実現できるので、部品点数が削減され、製造コストが低減される。超電導コイル１２を補強するフレーム構造とこれを包囲する圧力容器というような二重の構造は必要ない。
【0048】
図５は、コイル補強ケース１４の変形例を概略的に示す図である。コイル補強ケース１４は、ケース外周枠１４ａ、ケース上板１４ｂ、ケース下板１４ｃに加えて、ケース内周枠１４ｄを備えてもよい。ケース内周枠１４ｄは、超電導コイル１２の内周面に隣接して配置され、ケース上板１４ｂおよびケース下板１４ｃと気密に接合される。ケース内周枠１４ｄが設けられているので、コイル補強ケース１４は、超電導コイル１２をより強固に補強することができる。
【0049】
この場合、コイル補強ケース１４は、超電導コイル１２と同様に中心に開口部をもつドーナツ形状であってもよい。ケース上板１４ｂ、ケース下板１４ｃは、ドーナツ形状のプレートであってもよい。
【0050】
なお、ケース内周枠１４ｄは、図４に示される円筒形状または箱形のコイル補強ケース１４に適用されてもよく、すなわちコイル補強ケース１４の内部に設置されてもよい。
【0051】
図６は、実施の形態に係り、図１に示される超電導コイル装置１０に適用されうる電流リード部２０を概略的に示す図である。電流リード部２０は、超電導電流リード６０と、金属電流リード６２とを備える。超電導電流リード６０は、超電導コイル１２に接続され、金属電流リード６２は、超電導電流リード６０に接続されている。すなわち、金属電流リード６２は、超電導電流リード６０を介して超電導コイル１２に接続されている。
【0052】
超電導電流リード６０は、例えばＲＥＢＣＯ線材であってもよく、または、銅酸化物超伝導体またはその他の高温超伝導材料で形成されうる。あるいは、超電導電流リード６０は、ＮｂＴｉに代表される低温超電導材料で形成されてもよい。金属電流リード６２は、例えば無酸素銅などの純銅に代表される導電性に優れる金属材料で形成される。
【0053】
超電導電流リード６０は、コイル補強ケース１４に収容される一方、金属電流リード６２は、冷却ガス１６を封止するようにコイル補強ケース１４に取り付けられている。金属電流リード６２の一部を形成する気密封止部６４が、超電導電流リード６０と金属電流リード６２の境界に形成され、この気密封止部６４がコイル補強ケース１４に気密に接合される。金属電流リード６２が気密フィードスルー構造をコイル補強ケース１４に形成する。コイル補強ケース１４は、超電導コイル１２を補強するように超電導コイル１２を囲んで配置されるケース本体６６と、超電導電流リード６０を囲むようにしてケース本体６６から気密封止部６４へと延びる筒部６８とを備えてもよい。筒部６８が気密封止部６４に気密に接合される。
【0054】
コイル補強ケース１４は、上述のように、極低温冷凍機の二段冷却ステージと熱的に結合され、二段冷却ステージの冷却温度に冷却されうる。また、気密封止部６４は、極低温冷凍機の一段冷却ステージと熱的に結合され、一段冷却ステージの冷却温度に冷却されうる。
【0055】
この実施の形態のように、超電導電流リード６０をコイル補強ケース１４に収容すれば、超電導電流リード６０の気密フィードスルー構造をコイル補強ケース１４に設ける必要が無い。この構成は、超電導コイル装置１０に電流リード部２０を実装しやすいので、有利である。
【0056】
また、金属電流リード６２は高温部（室温部）へと接続されるので低温部（超電導電流リード６０、超電導コイル１２）への侵入熱の経路となる。金属電流リード６２がコイル補強ケース１４の中に配置される場合には、金属電流リード６２からコイル補強ケース１４内の冷却ガス１６への熱伝達により冷却ガス１６に対流が起こり、熱の侵入が増えるかもしれない。しかし、図６に示されるように、気密封止部６４が超電導電流リード６０と金属電流リード６２の境界に形成され、金属電流リード６２はコイル補強ケース１４の外にあるので、金属電流リード６２からコイル補強ケース１４内への入熱を低減できる。
【0057】
なお、金属電流リード６２の少なくとも一部が気密封止部６４からコイル補強ケース１４内へと延び、超電導電流リード６０と金属電流リード６２の境界がコイル補強ケース１４の中に配置されてもよい。
【0058】
図７（ａ）および図７（ｂ）は、図６の実施の形態の変形例を概略的に示す図である。図６の実施の形態と同様に、電流リード部２０は、超電導電流リード６０と、金属電流リード６２とを備える。金属電流リード６２の一部を形成する気密封止部６４が、超電導電流リード６０と金属電流リード６２の境界に形成される。
【0059】
図７（ａ）に示されるように、超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２とともに冷却ガス１６を気密に収容するコイルケース７０と、超電導コイル１２を補強するように超電導コイル１２を囲んで配置されるコイル補強構造７２と、を備えてもよい。気密封止部６４は、コイルケース７０に気密に接合される。コイル補強構造７２は、コイルケース７０の中に配置される。コイル補強構造７２は、上述の実施の形態と同様に、超電導コイル１２の励磁中にコイルに径方向に働く電磁力による超電導コイル１２の変形を抑制するように構成される外周枠、上板、および下板を備えてもよい。ただし、コイル補強構造７２は、気密性をもつ必要はない。このように、超電導コイル装置１０は、コイルケース７０とコイル補強構造７２を別個の構成要素として備えてもよい。
【0060】
また、図７（ｂ）に示されるように、超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２とともに冷却ガス１６を気密に収容するコイルケース７０を備えるが、超電導コイル１２にコイル補強構造が設けられていなくてもよい。
【0061】
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。
【0062】
上述の実施の形態では、超電導コイル１２が高温超電導線材４０から形成されるシングルパンケーキコイルである場合を例として説明しているが、実施の形態に係る超電導コイル装置１０に適用されうる超電導コイル１２は、そうした特定の形状および材質を有するものには限定されない。例えば、超電導コイル１２は、ダブルパンケーキコイルまたはその他の多層のパンケーキコイルであってもよい。超電導コイル１２は、線材をソレノイド状に巻回して形成される超電導コイルであってもよい。超電導コイル１２は、低温超電導線材から形成される低温超電導コイルであってもよい。コイル補強ケース１４は、こうした様々な超電導コイル１２に適合するように設計されてもよい。
【0063】
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】
【0064】
１０ 超電導コイル装置、 １２ 超電導コイル、 １４ コイル補強ケース、 １４ａ ケース外周枠、 １４ｂ ケース上板、 １４ｃ ケース下板、 １６ 冷却ガス、 ３２ 極低温冷凍機、 ６０ 超電導電流リード、 ６２ 金属電流リード。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】