特許 7617765 超伝導マグネット装置

(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】2025-01-09

(45)【発行日】2025-01-20

(54)【発明の名称】超伝導マグネット装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/06 20060101AFI20250110BHJP

   H10N 60/81 20230101ALI20250110BHJP

【ＦＩ】

H01F6/06 500

H10N60/81

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021025479

(22)【出願日】2021-02-19

(65)【公開番号】P2022127372

(43)【公開日】2022-08-31

【審査請求日】2024-01-17

(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】江原 悠太

(72)【発明者】

【氏名】三上 行雄

(72)【発明者】

【氏名】高橋 伸明

【審査官】小林 大介

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－３３９８７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２３９９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１７０２６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－１７８５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２８３６７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０２－０１７８０８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０６－３３３７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１９２９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２７７９５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ６／００－ ６／０６

Ｈ１０Ｎ ６０／８０－６０／８２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超伝導コイルと、
前記超伝導コイルを収容する真空容器と、
前記超伝導コイルに接続され、前記真空容器に設置された電流リードと、
前記真空容器の外に配置され、前記電流リードに接続された給電ケーブル（ただし、超伝導ケーブルを除く）と、
前記電流リードから離れて配置され、前記給電ケーブルを介して前記電流リードを加熱する加熱器と、を備えることを特徴とする超伝導マグネット装置。

【請求項2】

前記加熱器は、前記給電ケーブルに装着された加熱素子を有することを特徴とする請求項１に記載の超伝導マグネット装置。

【請求項3】

前記超伝導コイルは、立入制限区域に設置され、
前記加熱器は、前記立入制限区域の外に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導マグネット装置。

【請求項4】

前記加熱器は、前記給電ケーブルの温度を測定する温度センサを有し、前記温度センサによる前記給電ケーブルの測定温度に基づいて、前記測定温度が前記給電ケーブルの使用温度上限値以下となるように前記加熱器の出力を制御す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伝導マグネット装置。

【請求項5】

前記加熱器は、前記超伝導コイルの通電状態に応じて前記加熱器の出力を制御す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伝導マグネット装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超伝導マグネット装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、超伝導マグネット装置は、超伝導コイルと、これを極低温に冷却した状態で収容する真空容器とを備える。外部から超伝導コイルに給電するために、コイル用電極が真空容器の外側に設けられている。コイル用電極は、超伝導コイルからの熱伝導により冷却される。そのため、コイル用電極には、真空容器周囲の空気中の水分が凍結しうる。従来、これを防ぐために、コイル用電極に取り付けられたヒーターを動作させ、コイル用電極を直接加熱することが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１７／１７０２６５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明者は、上記の超伝導マグネット装置を検討し、以下の課題を認識した。コイル用電極に取り付けられたヒーターは、超伝導マグネット装置が発生させる強力な磁場に起因した漏洩磁場により、故障リスクが高まる。加えて、超伝導マグネット装置が加速器に搭載されている場合には、超伝導マグネット装置の近傍で放射線の線量が高くなるため、ヒーターの故障リスクはさらに高まる。

【0005】

ヒーターが故障した場合にはヒーターの修理や交換など保守作業を要するが、漏洩磁場や放射線により作業者のアクセスが阻まれ、超伝導マグネット装置を運用しながら保守作業を行うことは困難である。保守作業のために超電導マグネット装置を停止することは、すなわち超伝導マグネット装置のダウンタイムとなるから、望ましくない。

【0006】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、超伝導マグネット装置における凍結防止用加熱器の故障リスクを低減することにある。

【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、超伝導マグネット装置は、超伝導コイルと、超伝導コイルを収容する真空容器と、超伝導コイルに接続され、真空容器に設置された電流リードと、真空容器の外に配置され、電流リードに接続された給電ケーブルと、電流リードから離れて配置され、給電ケーブルを介して電流リードを加熱する加熱器と、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、超伝導マグネット装置における凍結防止用加熱器の故障リスクを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係る超伝導マグネット装置を示す模式図である。

【図2】他の実施の形態に係る超伝導マグネット装置を示す模式図である。

【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は、実施の形態に係る超伝導マグネット装置１０を示す模式図である。超伝導マグネット装置１０は、超伝導コイル１２を備え、たとえばサイクロトロンなどの加速器、またはその他の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。

【0012】

超伝導コイル１２は、たとえば二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機またはその他の形式の極低温冷凍機（図示せず）と熱的に結合され、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で使用される。この実施形態では、超伝導マグネット装置１０は、超伝導コイル１２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸漬するのではなく、極低温冷凍機によって直接冷却する、いわゆる伝導冷却式として構成される。なお、超伝導コイル１２は、極低温液体冷媒に浸漬する浸漬冷却式により冷却されてもよい。

【0013】

また、超伝導マグネット装置１０は、超伝導コイル１２を収容する真空容器１４と、超伝導コイル１２に接続され、真空容器１４に設置された電流リード１６と、真空容器１４の外に配置され、電流リード１６に接続された給電ケーブル１８と、電流リード１６から離れて配置され、給電ケーブル１８を介して電流リード１６を加熱する加熱器２０と、を備える。

【0014】

真空容器１４は、その内部空間に、超伝導コイル１２を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境を提供する。真空容器１４は、例えばクライオスタットである。一例として、超伝導コイル１２は、円環状の形状を有し、真空容器１４は、超伝導コイル１２を囲むドーナツ状の形状を有する。真空容器１４は、周囲圧力（たとえば大気圧）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】

電流リード１６は、給電ケーブル１８を介して超伝導コイル１２を電源装置２２に接続する。電流リード１６は、少なくとも正極側と負極側で一対に設けられる。電流リード１６の周囲環境側（室温側）の端部には、真空容器１４の壁部を貫通して真空容器１４内へと電流を導入するための気密端子１６ａが設けられている。図示される例においては、気密端子１６ａは、真空容器１４の上面に設置されているが、この配置には限定されない。電流リード１６の反対側（低温側）の端部は、超伝導コイル１２に接続される。

【0016】

給電ケーブル１８は、第１端部１８ａと、第２端部１８ｂと、第１端部１８ａと第２端部１８ｂをつなぐコード部１８ｃとを有する。第１端部１８ａは、例えばコネクタ接続、またはその他適宜の接続方法により、気密端子１６ａに接続される。第２端部１８ｂは、適宜の接続方法により、電源装置２２に接続される。

【0017】

給電ケーブル１８には、コード部１８ｃのシースを形成する合成樹脂材料の耐熱温度など、給電ケーブル１８の物理的性質に基づく使用温度上限値が定められている。したがって、給電ケーブル１８は、この使用温度上限値を超えない使用環境で使用することが推奨される。

【0018】

加熱器２０は、給電ケーブル１８に装着された加熱素子２０ａと、給電ケーブル１８の温度を測定する温度センサ２０ｂと、温度センサ２０ｂによる給電ケーブル１８の測定温度に基づいて、測定温度が給電ケーブル１８の使用温度上限値以下となるように加熱器２０の出力を制御するコントローラ２０ｃと、を備える。

【0019】

加熱素子２０ａは、例えばラバーヒーターなど接触式の加熱素子であり、給電ケーブル１８のコード部１８ｃに取り付けられている。加熱素子２０ａは、コード部１８ｃのシースに巻き付けるようにしてコード部１８ｃに取り付けられてもよい。したがって、加熱素子２０ａは、給電ケーブル１８上で気密端子１６ａから離れて配置され、気密端子１６ａには取り付けられていない。

【0020】

交換を容易にするために、加熱素子２０ａは、給電ケーブル１８に取り外し可能に装着されてもよい。

【0021】

温度センサ２０ｂは、汎用の温度センサであり、加熱素子２０ａによる給電ケーブル１８の被加熱部位の温度を測定するように給電ケーブル１８に取り付けられている。温度センサ２０ｂは、加熱素子２０ａとコード部１８ｃとの間に、あるいは加熱素子２０ａに隣接または近接して、コード部１８ｃに取り付けられている。

【0022】

コントローラ２０ｃは、温度センサ２０ｂが出力する温度信号を受信するように温度センサ２０ｂと電気的に接続されている。この温度信号は、加熱素子２０ａによる給電ケーブル１８の被加熱部位の測定温度を示す。また、コントローラ２０ｃは、加熱素子２０ａを制御する制御信号を加熱素子２０ａに送信するように加熱素子２０ａと電気的に接続されている。この制御信号に応じて加熱素子２０ａの出力が制御される。コントローラ２０ｃは、例えばＰＩＤ制御など公知の制御方法により、給電ケーブル１８の測定温度に基づいて、測定温度が給電ケーブル１８の使用温度上限値以下となるように加熱器２０の出力を制御する。

【0023】

なお、コントローラ２０ｃは、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

【0024】

この実施の形態では、真空容器１４、すなわち超伝導コイル１２は、立入制限区域２４に設置される。電源装置２２は、立入制限区域２４の外に設置され、給電ケーブル１８は、立入制限区域２４内の気密端子１６ａから立入制限区域２４の外へと引き出されている。加熱器２０は、立入制限区域２４の外に配置され、加熱素子２０ａは、立入制限区域２４の外で、上述のように給電ケーブル１８に装着されている。

【0025】

立入制限区域２４は、基準を超える磁場及び／または放射線量が発生しうる区域として超伝導コイル１２の周囲に事前に設定され、この区域への人の立ち入りは少なくとも超伝導コイル１２の運転中は制限される。立入制限区域２４は、放射線管理区域であってもよい。

【0026】

超伝導マグネット装置１０の運転中、電源装置２２から給電ケーブル１８および電流リード１６を通じて超伝導コイル１２に励磁電流が供給される。それにより、超伝導マグネット装置１０は、強力な磁場を発生することができる。このとき超伝導コイル１２は極低温に冷却されているため、電流リード１６を通じた熱伝導により、気密端子１６ａも冷却されうる。気密端子１６ａは真空容器１４の周囲環境に露出されているので、周囲の空気中の水分が気密端子１６ａに結露したり着霜したりするおそれがある。場合によっては、水分が気密端子１６ａに凍結しうる。

【0027】

しかしながら、実施の形態によると、加熱器２０が給電ケーブル１８を介して真空容器１４を加熱する。給電ケーブル１８が加熱素子２０ａから気密端子１６ａへの伝熱経路として利用され、加熱素子２０ａが発する熱は、給電ケーブル１８、とくにケーブル内の導線を介して気密端子１６ａに伝わる。こうして気密端子１６ａの温度低下が抑制され、気密端子１６ａへの結露や着霜、さらには凍結を防止または軽減することができる。

【0028】

加熱器２０は、電流リード１６、つまり超伝導コイル１２から離れて配置される。超伝導コイル１２から距離をとることにより、超伝導コイル１２が発生しうる漏洩磁場や放射線の影響の低い場所（例えば、立入制限区域２４の外）に加熱器２０を配置することができる。よって、加熱器２０を電流リード１６に直接取り付ける場合に比べて、漏洩磁場や放射線による加熱器２０の故障リスクを低減することができる。

【0029】

また、加熱器２０が立入制限区域２４の外に配置される場合、超伝導マグネット装置１０の運転中であっても作業者が加熱器２０にアクセスすることができ、点検など保守作業を行うことができる。仮に加熱器２０が故障したとしても対処することが容易である。

【0030】

上述の実施の形態では、加熱器２０は、温度センサ２０ｂとコントローラ２０ｃを用いて加熱素子２０ａを温調制御する形式を有するが、これに限られない。加熱素子２０ａは、一定の出力で給電ケーブル１８を加熱してもよい。この場合、加熱器２０は、温度センサ２０ｂとコントローラ２０ｃを有しなくてもよい。

【0031】

図２は、他の実施の形態に係る超伝導マグネット装置１０を示す模式図である。上述の実施の形態と同様に、超伝導マグネット装置１０は、超伝導コイル１２と、超伝導コイル１２を収容する真空容器１４と、超伝導コイル１２に接続され、真空容器１４に設置された電流リード１６と、真空容器１４の外に配置され、電流リード１６に接続された給電ケーブル１８と、電流リード１６から離れて配置され、給電ケーブル１８を介して電流リード１６を加熱する加熱器２０と、を備える。加熱器２０は、立入制限区域２４の外に配置される。

【0032】

この実施の形態では、加熱器２０は、超伝導コイル１２の通電状態に応じて加熱器２０の出力を制御する。そこで、コントローラ２０ｃは、電源装置２２から超伝導コイル１２の通電状態を示す信号を受信するように電源装置２２と電気的に接続されている。この信号に基づいて、コントローラ２０ｃは、超伝導コイル１２のオンオフ、または超伝導コイル１２に供給される電流の大きさなど、超伝導コイル１２の通電状態を把握する。

【0033】

例えば、コントローラ２０ｃは、超伝導コイル１２がオフであるとき加熱素子２０ａをオンとし、超伝導コイル１２がオンであるとき加熱素子２０ａをオフとしてもよい。超伝導コイル１２がオンであるときには、給電ケーブル１８および電流リード１６に電流が流れることによりジュール熱が発生し、これにより気密端子１６ａを加熱することができる。この加熱を利用して気密端子１６ａの凍結を防ぐことができると期待される場合には、加熱素子２０ａはオフとされてもよい。

【0034】

同様に、コントローラ２０ｃは、超伝導コイル１２に供給される電流の大きさがしきい値より小さいとき（例えば、超伝導コイル１２がアイドル運転のとき）、加熱素子２０ａをオンとしてもよい。コントローラ２０ｃは、超伝導コイル１２に供給される電流の大きさがしきい値以上のとき（例えば、超伝導コイル１２が通常運転のとき）、加熱素子２０ａをオフとしてもよい。しきい値は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

【0035】

加熱素子２０ａをオンとすることに代えて、加熱素子２０ａは、その最高出力、またはある高い第１出力で動作してもよい。また、加熱素子２０ａをオフとすることに代えて、加熱素子２０ａは、最高出力または第２出力より低い第２出力で動作してもよい。

【0036】

このようにしても、気密端子１６ａの温度低下が抑制され、気密端子１６ａへの結露や着霜、さらには凍結を防止または軽減することができる。また、超伝導コイル１２からの漏洩磁場や放射線による加熱器２０の故障リスクを低減することができる。

【0037】

なお、超伝導コイル１２の通電状態に基づく加熱器２０の制御は、測定温度に基づく加熱器２０の制御と併用されてもよい。例えば、コントローラ２０ｃは、超伝導コイル１２の通電状態に基づいて加熱器２０がオンとされている間、温度センサ２０ｂによる給電ケーブル１８の測定温度に基づいて、測定温度が給電ケーブル１８の使用温度上限値以下となるように加熱器２０の出力を制御してもよい。

【0038】

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。

【0039】

立入制限区域２４が設定されない場合には、加熱器２０は、効率的な加熱のために、気密端子１６ａの近傍に設けられてもよい。例えば、加熱素子２０ａは、給電ケーブル１８の第１端部１８ａに装着されてもよい。また、立入制限区域２４が設定される場合であっても、より効率的に加熱するために、立入制限区域２４内に加熱器２０が配置されてもよい。

【0040】

加熱器２０は、例えば赤外線ヒーター、サーキュレーターなど、非接触式の加熱素子を有してもよく、給電ケーブル１８はこうした非接触式の加熱素子により加熱されてもよい。

【0041】

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】

【0042】

１０ 超伝導マグネット装置、 １２ 超伝導コイル、 １４ 真空容器、 １６ 電流リード、 １６ａ 気密端子、 １８ 給電ケーブル、 ２０ 加熱器、 ２０ａ 加熱素子、 ２０ｂ 温度センサ、 ２４ 立入制限区域。

【図1】

【図2】