特許 7593883 超電導電磁石構造

(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】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】超電導電磁石構造

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/06 20060101AFI20241126BHJP

   H01F 6/04 20060101ALI20241126BHJP

【ＦＩ】

H01F6/06 110

H01F6/04

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021092147

(22)【出願日】2021-06-01

(65)【公開番号】P2022184355

(43)【公開日】2022-12-13

【審査請求日】2024-01-17

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000279

【氏名又は名称】弁理士法人ウィルフォート国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 洋之

(72)【発明者】

【氏名】和久田 毅

【審査官】小林 大介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－０２７２６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０９５２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０１２１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１８０８９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ６／００－ ６／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

リング形状の超電導コイルと前記超電導コイルを囲む側板とを含む超電導電磁石を前記超電導電磁石の軸方向に複数積層してなる超電導電磁石構造であって、
積層方向において、第１超電導電磁石と、前記第１超電導電磁石に隣接し、前記第１超電導電磁石と同芯でない２つの第２超電導電磁石と、２つの前記第２超電導電磁石に隣接し、前記第１超電導電磁石とほぼ同芯である第３超電導電磁石とを含み、
前記第１超電導電磁石の前記第２超電導電磁石側の前記側板は、前記第２超電導電磁石の前記第１超電導電磁石側の前記側板として共用される共用側板であり、
前記第３超電導電磁石の前記第２超電導電磁石側の前記側板は、前記第２超電導電磁石の前記第３超電導電磁石側の前記側板として共用される共用側板である、
ことを特徴とする超電導電磁石構造。

【請求項2】

前記第１超電導電磁石及び前記第３超電導電磁石の前記超電導コイルと前記共用側板との間に、当該超電導コイルを冷却するための冷却板が挟み込まれる、
ことを特徴とする請求項１に記載の超電導電磁石構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超電導電磁石構造に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超電導体を用いた電磁石である超電導電磁石が種々の目的で用いられている。例えば、特許文献１には、超電導コイルを備える超電導電磁石装置であって、超電導コイルが常伝導状態に転移したとき（クエンチ化したとき）に、超電導コイルの劣化を防ぐための保護抵抗が設けられた超電導電磁石装置が開示されている。また、特許文献２には、粒子線治療システムに組み込まれ、患者に照射される荷電粒子を加速させるために用いられる超電導コイルが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－１７８４８５号公報

【文献】特開２０１９－１０６３８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、種々の超電導電磁石装置において、リング形状の超電導電磁石が用いられる場合がある。ここでは、リング形状の超電導電磁石は、超電導体から構成されるリング形状の超電導コイルと、当該超電導コイルを囲む側板とを含んで構成されるものであるとする。詳しくは、複数のリング形状の超電導電磁石が軸方向に積層された超電導電磁石構造が用いられる場合がある。特に、超電導電磁石装置の構造上の理由（例えば当該超電導電磁石構造が荷電粒子を加速させる場合における荷電粒子の通過経路との関係など）、あるいは、複数のリング形状の超電導電磁石の役割の違いなどに起因して、複数のリング形状の超電導電磁石が、非同芯に軸方向に積層された超電導電磁石構造が用いられる場合がある。

【0005】

図４は、従来における、複数のリング形状の超電導電磁石が、非同芯に軸方向に積層された超電導電磁石構造の一例を示す平面図であり、図５は、図４のＺ－Ｚ方向から見た断面図である。図４において紙面の垂直方向、図５においては紙面の上下方向に、複数のリング形状の超電導電磁石ＳＥが非同芯に積層されている。図４及び図５の例では、超電導電磁石ＳＥの積層方向は鉛直方向であるとする。具体的には、超電導電磁石ＳＥａの下に、超電導電磁石ＳＥａとは非同芯に、超電導電磁石ＳＥｂ，ＳＥｃが水平方向に並べられて配置され、超電導電磁石ＳＥｂ，ＳＥｃの下に、超電導電磁石ＳＥａと同芯に（すなわち超電導電磁石ＳＥｂ，ＳＥｃとは非同芯に）超電導電磁石ＳＥｄが配置されている。上述の通り、各超電導電磁石ＳＥは、リング状の超電導コイルＳＣと、超電導コイルＳＣを囲む側板Ｃを含んで構成されている。

【0006】

図４及び図５に示された超電導電磁石構造は、積層方向の中程にあるターゲット位置Ｔに磁場を発生させるものである。ちなみに、超電導電磁石ＳＥａ及びＳＥｄが、荷電粒子のターゲット位置Ｔに磁場を発生させるものであり、積層方向においてそれらの中間にある超電導電磁石ＳＥｂ及びＳＥｃは、ターゲット位置Ｔに磁場を発生させつつ磁場の漏れを抑制する機能を発揮するものである。なお、図５の超電導コイルＳＣの断面内に示された記号は、超電導コイルＳＣを流れる電流の向きを示している。

【0007】

図４及び図５に示すような超電導電磁石構造において、各超電導電磁石ＳＥは側板Ｃを含んでいる。したがって、各超電導電磁石ＳＥは、側板Ｃを含めて積層されることになる。そうすると、超電導電磁石構造の積層方向の中程にあるターゲット位置Ｔと、ターゲット位置Ｔに磁場を発生させるための超電導コイルＳＣ（図５の例では、超電導コイルＳＣａ及びＳＣｄ）との間の距離が長くなってしまう。

【0008】

図５の例では、例えば、ターゲット位置Ｔと、超電導コイルＳＣａとの間には、超電導電磁石ＳＥａの側板Ｃａの下側部分と超電導電磁石ＳＥｂ及びＳＥｃの側板Ｃｂ及びＣｃの上側部分が挟み込まれることになる。これらの側板Ｃが、ターゲット位置Ｔと超電導コイルＳＣａとの間の距離を大きくする要因となっている。同様に、ターゲット位置Ｔと、超電導コイルＳＣｄとの間には、超電導電磁石ＳＥｄの側板Ｃｄの上側部分と超電導電磁石ＳＥｂ及びＳＥｃの側板Ｃｂ及びＣｃの下側部分が挟み込まれることになる。これらの側板Ｃが、ターゲット位置Ｔと超電導コイルＳＣｄとの間の距離を大きくする要因となっている。

【0009】

ターゲット位置Ｔと、ターゲット位置Ｔに磁場を発生させるための超電導コイルＳＣとの間の距離が大きくなると、ターゲット位置Ｔに所定の強さの磁場を発生させるために必要な起磁力が大きくなってしまうという問題が生じる。なお、起磁力とは、超電導コイルＳＣに流す電流値と超電導コイルＳＣの巻き数との積で表されるパラメータである。起磁力が大きくなれば、ターゲット位置に所定の強さの磁場を発生させるために、超電導コイルＳＣにより多くの電流を流さなければならない、あるいは、超電導コイルＳＣの巻き数を増やさなければならないという不都合が生じる。

【0010】

本発明の目的は、リング形状の複数の超電導電磁石が、非同芯に軸方向に積層された超電導電磁石構造において、積層方向の中程にあるターゲット位置に所定の強さの磁場を発生させるための起磁力を低減することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、リング形状の超電導コイルと前記超電導コイルを囲む側板とを含む超電導電磁石を前記超電導電磁石の軸方向に複数積層してなる超電導電磁石構造であって、積層方向において隣接する互いに同芯でない第１超電導電磁石及び第２超電導電磁石を含み、前記第１超電導電磁石の前記第２超電導電磁石側の前記側板は、前記第２超電導電磁石の前記第１超電導電磁石側の前記側板として共用される共用側板である、ことを特徴とする超電導電磁石構造である。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、リング形状の複数の超電導電磁石が、非同芯に軸方向に積層された超電導電磁石構造において、積層方向の中程にあるターゲット位置に所定の強さの磁場を発生させるための起磁力を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本実施形態に係る超電導電磁石構造の平面図である。

【図2】図１のＡ－Ａ方向から見た断面図である。

【図3】冷却板を示す図である。

【図4】従来の超電導電磁石構造を示す平面図である。

【図5】図４のＺ－Ｚ方向から見た断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、本実施形態に係る超電導電磁石構造１０の平面図であり、図２は、図１のＡ－Ａ方向から見た断面図である。図１及び２（並びに後述する図３）においては、互いに直交する水平方向の２方向をＸ軸及びＹ軸とし、鉛直方向をＺ軸としている。図１に示すように、超電導電磁石構造１０は、リング形状の複数の超電導電磁石１２を含んで構成されている。各超電導電磁石１２は、超伝導体で形成されているリング形状の超電導コイル１４、及び、超電導コイル１４を囲む側板１６を含んで構成されている。超電導コイル１４は、例えばニオブチタンで形成される。また、側板１６は、例えばステンレスやアルミニウムで形成される。側板１６は、超電導コイル１４の電磁力を保持する機能などを発揮するものである。

【0015】

具体的には、側板１６は、超電導コイル１４の軸方向（本実施形態ではＺ軸方向）の両側面において、軸方向に垂直に設けられる。また、側板１６は、超電導コイル１４の径方向（本実施形態では水平方向）の両側面において、径方向に垂直に設けられる。

【0016】

図２に示すように、超電導電磁石構造１０は、複数の超電導電磁石１２が、その軸方向に複数積層されて構成されている。本実施形態では、複数の超電導電磁石１２は、軸方向がＺ軸（すなわち鉛直方向）となるように配置されるので、超電導電磁石構造１０は、Ｚ軸（すなわち鉛直方向）に複数の超電導電磁石１２が積層された構造となっている。なお、複数の超電導電磁石１２の積層方向は鉛直方向に限るものではない。

【0017】

特に、超電導電磁石構造１０は、互いに非同芯に積層された複数の超電導電磁石１２を含んで構成されている。例えば、図１及び図２の例では、超電導電磁石１２Ａの下に、超電導電磁石１２Ａとは非同芯に、超電導電磁石１２Ｂ，１２Ｃが水平方向に並べられて配置され、超電導電磁石１２Ｂ，１２Ｃの下に、超電導電磁石１２Ａとほぼ同芯に（すなわち超電導電磁石１２Ｂ，１２Ｃとは非同芯に）超電導電磁石１２Ｄが配置されている。

【0018】

超電導電磁石構造１０は、積層方向の中程にあるターゲット位置に磁場を発生させるものである。これに限られるものではないが、本実施形態に係る超電導電磁石構造１０は、患者に荷電粒子を照射してがん治療などを行う粒子線治療装置に組み込まれるものである。詳しくは、超電導電磁石構造１０は、患者の周囲において回転運動を行うガントリ内に組み込まれ、荷電粒子の進行方向を変えるために荷電粒子に対して磁場を加える偏向磁石として用いられる。

【0019】

図２には、荷電粒子の通過領域Ｐが示されており、荷電粒子は通過領域ＰをＹ軸方向に進む。したがって、超電導電磁石構造１０は、通過領域Ｐをターゲット位置として、通過領域Ｐに磁場を発生させるものである。ちなみに、超電導電磁石１２Ａ及び１２Ｄが、荷電粒子の通過領域Ｐに磁場を発生させるものであり、それらの中間にある超電導電磁石１２Ｂ及び１２Ｃは、通過領域Ｐに磁場を発生させつつ磁場の漏れを抑制する機能を発揮するものである。なお、図２の超電導コイル１４の断面内に示された記号は、超電導コイル１４を流れる電流の向きを示している。なお、超電導電磁石構造１０は、Ｙ軸方向に複数並べられて設けられ、通過する荷電粒子に対して連続的に磁場を加えるようにしてもよい。

【0020】

上述のように、各超電導電磁石１２は、超電導コイル１４と側板１６とを含んで構成されているが、超電導電磁石構造１０においては、積層方向に隣接する、互いに同芯でない２つの超電導電磁石１２間において、側板１６が共用されている。

【0021】

例えば、第１超電導電磁石としての超電導電磁石１２Ａと、第２超電導電磁石としての超電導電磁石１２Ｂとの間において、超電導電磁石１２Ａの下側（つまり超電導電磁石１２Ｂ側）の下側側板１６Ａａは、超電導電磁石１２Ｂの上側（つまり超電導電磁石１２Ａ側）の上側側板１６Ｂａとして共用される共用側板となっている。なお、上側側板及び下側側板における「上」あるいは「下」とは、超電導電磁石１２の積層方向（又は超電導電磁石１２の軸方向）における上下を意味する。

【0022】

また、例えば、第１超電導電磁石としての超電導電磁石１２Ａと、第２超電導電磁石としての超電導電磁石１２Ｃとの間において、超電導電磁石１２Ａの下側（つまり超電導電磁石１２Ｃ側）の下側側板１６Ａａは、超電導電磁石１２Ｃの上側（つまり超電導電磁石１２Ａ側）の上側側板１６Ｃａとして共用される共用側板となっている。

【0023】

また、例えば、第１超電導電磁石としての超電導電磁石１２Ｄと、第２超電導電磁石としての超電導電磁石１２Ｂとの間において、超電導電磁石１２Ｄの上側（つまり超電導電磁石１２Ｂ側）の上側側板１６Ｄａは、超電導電磁石１２Ｂの下側（つまり超電導電磁石１２Ｄ側）の下側側板１６Ｂｂとして共用される共用側板となっている。

【0024】

また、例えば、第１超電導電磁石としての超電導電磁石１２Ｄと、第２超電導電磁石としての超電導電磁石１２Ｃとの間において、超電導電磁石１２Ｄの上側（つまり超電導電磁石１２Ｃ側）の上側側板１６Ｄａは、超電導電磁石１２Ｃの下側（つまり超電導電磁石１２Ｄ側）の下側側板１６Ｃｂとして共用される共用側板となっている。

【0025】

なお、上記のような共用側板を有する超電導電磁石構造１０の製造方法は以下の通りである。まず、取り外し可能な側板１６付きの各超電導電磁石１２を製造する。その上で、各超電導電磁石１２を積層させる際に、共用側板を用いる部分の側板１６（例えば超電導電磁石１２Ｂの上側側板）を取り外して積層させる。これにより、図２に示すような共用側板を有する超電導電磁石構造１０が形成される。

【0026】

上述のように共用側板を用いることで、超電導電磁石構造１０の厚さ（積層方向の長さ）を低減することができる。これにより、通過領域Ｐに磁場を発生させる超電導コイル１４Ａと、通過領域Ｐとの間の距離を低減することができる。具体的には、図５に示した従来の構造（側板１６を共用しない構造）に比して、側板１６（１枚分）の厚さだけ超電導コイル１４Ａと通過領域Ｐとの間の距離（より詳しくは積層方向の距離）を低減することができる。同様に、共用側板を用いることで、通過領域Ｐに磁場を発生させる超電導コイル１４Ｄと、通過領域Ｐとの間の距離を低減することができる。具体的には、図５に示した従来の構造（側板１６を共用しない構造）に比して、側板１６（１枚分）の厚さだけ超電導コイル１４Ｄと通過領域Ｐとの間の距離を低減することができる。

【0027】

超電導コイル１４Ａ又は１４Ｄと、通過領域Ｐとの間の距離を低減することで、通過領域Ｐに所定の強さの磁場を発生させるための起磁力を低減することができる。例えば、通過領域Ｐに所定の強さの磁場を発生させるために、超電導コイル１４Ａ又は１４Ｄに流す電流を少なくすることができ、あるいは、超電導コイル１４Ａ又は１４Ｄの巻き数を低減することができる。超電導コイル１４Ａ又は１４Ｄの巻き数を低減することで、超電導電磁石構造１０のコンパクト化が実現される。

【0028】

図３は、冷却板２０を示す図である。冷却板２０は、不図示の冷凍機に接続され、伝導冷却方式により超電導コイル１４を冷却するためのものである。冷却板２０は板状であり（図４にはその断面のみが示されている）、超電導コイル１４を囲むように、超電導コイル１４と側板１６との間に設けられる。

【0029】

共用側板としての下側側板１６Ａａ（又は上側側板１６Ｃａ）を共用する超電導電磁石１２Ａ及び１２Ｃに着目する。超電導電磁石１２Ａが有する超電導コイル１４Ａの下側（すなわち超電導電磁石１２Ｃ側）には、下側冷却板２０Ａａが配置される。すなわち、下側冷却板２０Ａａは、超電導コイル１４Ａと共用側板である下側側板１６Ａａとの間に挟み込まれる。共用側板のさらに下側には、超電導電磁石１２Ｃの超電導コイル１４Ｃが配置される。すなわち、下側冷却板２０Ａａは、共用側板と共に超電導コイル１４Ａと１４Ｃとの間に挟み込まれることになる。

【0030】

超電導コイル１４Ａ及び１４Ｃに電流を流すと、超電導コイル１４Ａ及び１４Ｃに電磁力が作用し、お互いに引き寄せられる方向に力が加わる。ここで、超電導コイル１４Ａと１４Ｃとの間において共用側板が用いられているから、超電導コイル１４Ａと１４Ｃとの間の距離が低減されている。具体的には、図５に示した従来の構造（側板１６を共用しない構造）に比して、側板１６（１枚分）の厚さだけ超電導コイル１４Ａと１６Ｃとの間の距離が低減されている。これにより、超電導コイル１４Ａ及び１４Ｃに作用する電磁力は、側板１６を共用しない場合に比して、より強い力となっている。したがって、側板１６を共用しない場合に比して、超電導コイル１４Ａと下側冷却板２０Ａａは、超電導コイル１４Ａに作用する電磁力により、超電導コイル１４Ａに強く密着することになる。これにより、従来よりも超電導コイル１４Ａを効率的に冷却することが可能となっている。

【0031】

超電導電磁石１２Ｃの超電導コイル１４Ｃと、共用側板である上側側板１６Ｃａとの間に挟み込まれた上側冷却板２０Ｃａについても同様である。すなわち、側板１６を共用しない場合に比して、超電導コイル１４Ｃと上側冷却板２０Ｃａは、超電導コイル１４Ｃに作用する電磁力により、超電導コイル１４Ｃに強く密着し、従来よりも超電導コイル１４Ｃを効率的に冷却することが可能となっている。

【0032】

また、下側側板１６Ａａ（又は上側側板１６Ｃａ）以外の、その他の共用側板と超電導コイル１４との間に挟み込まれた各冷却板２０についても同様に、対応する超電導コイル１４と強く密着することができ、それにより冷却効率が向上している。

【0033】

以上、本発明に係る実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0034】

１０ 超電導電磁石構造、１２ 超電導電磁石、１４ 超電導コイル、１６ 側板、２０ 冷却板。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】