JP2000232017A - 間接冷却型マルチポール電磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 間接冷却のマルチポール電磁石を小型化する
と共に、電源を含む総コストを下げる。 【解決手段】 マルチポール電磁石を、リング状のヨー
ク２２、及び、該ヨーク２２から中心に向かって植立さ
れた複数のポール２４からなるコア２０と、前記ポール
２４に巻回されたコイル３０と、該コイル３０に巻回さ
れたコア２０を両面から挟むことにより、コイル３０を
間接的に冷却する冷却板４０を用いて構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、間接冷却型マルチ
ポール電磁石に係り、特に、シンクロトロンやリナック
等の加速器のドリフトチューブに使われるビーム収束用
の四重極（Ｑ）電磁石に用いるのに好適な、小型で、電
源を含む総コストを下げることが可能な、間接冷却型マ
ルチポール電磁石に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子や陽子等の荷電粒子（以下粒子と称
する）を光速又はそれに近い速度まで加速させる加速器
においては、ドリフトチューブを用いて、ビームを収束
している。このドリフトチューブに使われるビーム収束
用のＱ電磁石は、高周波の損失を少なくするために、小
型化と、強い磁場強度を要求される。Ｑ電磁石の外径を
小さくし、且つ、大きな磁場強度を得るには、小さい容
積のコイルで、巻数と電流の積（アンペアターン）を大
きくする必要がある。一方、コイルの容積を小さくする
ほど、単位体積当たりの発熱量が大きくなるので、コイ
ルを効率良く冷却する工夫が必要になる。

【０００３】発熱量を除去するため、従来は、図１（分
解斜視図）、図２（上面図）及び図３（図２のIII−III
線に沿う縦断面図）に示す如く、中空の電線（いわゆる
ホロコンダクタ）１２をポール１０に巻回して作り、該
ホロコンダクタ１２の中空孔１２ｈに冷却水を通す、い
わゆる直接冷却方式や、励磁をパルス動作で行う方法が
行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前者のホロコン方式
は、熱の除去効率が極めて良く、中実のエナメル線の数
倍以上の電流密度で運転が可能であるが、ホロコンダク
タ１２のサイズがエナメル線より大きくなるため、曲げ
曲率は、ホロコンダクタ１２のサイズ（例えば縦横５ｍ
ｍ）の３倍（例えば１５ｍｍ）必要となり、コイル両端
の出っ張りが大きくなる結果、コイルを少ない容積に納
めることが難しい。又、曲げ曲率を小さくしすぎると、
ホロコンダクタがひしゃげ、曲げ部分のサイズが大きく
なり、少ない容積に収めることが難しくなる。

【０００５】一方、図１及び図２に示した如く、ポール
１４の四隅１０Ｃに大きい曲率（例えばＲ１５）のＲ面
取りを行えば、コイルの出っ張りを無くすことができる
が、ポール１０の四隅に例えばＲ１５の加工が必要とな
る。又、磁場分布を良くするためには、四隅の曲率はで
きるだけ小さくしたいが、この四隅のＲ面取りによって
磁場分布が悪くなる。更に、エナメル線に比べ、ホロコ
ンダクタは銅の占める占積率が小さいので、コイルの電
力損失が大きくなる等の問題点を有していた。

【０００６】一方、後者の励磁をパルス動作で行う方法
によれば、平均発熱量が小さくなり、発熱の問題を解決
できるだけでなく、極めて高いピーク電流をコイルに流
すことができ、高い磁場勾配を達成できるが、パルス電
源のコストが高くつくだけでなく、コアを積層にしなけ
ればならず、製作が複雑になる等の問題点を有してい
た。

【０００７】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、間接冷却型マルチポール電磁石を小
型化すると共に、電源を含む総コストを下げることを課
題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、間接冷却型マ
ルチポール電磁石を、リング状のヨーク、及び、該ヨー
クから中心に向かって植立された複数のポールからなる
コアと、前記ポールに巻回されたコイルと、該コイルが
巻回されたコアを両面から挟むことにより、コイルを間
接的に冷却するための冷却板とを用いて構成することに
より、前記課題を解決したものである。

【０００９】又、前記冷却板に、冷却媒体を流すための
冷却管を配設したものである。

【００１０】更に、前記ポールとコイル間に挿入される
コイル内側冷却板や、前記ポール間に挿入されるコイル
外側冷却板を配設したものである。

【００１１】又、前記コイルと冷却板の間にインジウム
シートを挿入すると共に、隙間をカーボンパウダで埋め
るようにしたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明に係
るＱ電磁石の実施形態を詳細に説明する。

【００１３】本実施形態は、図４（正面から見た縦断面
図）、図５（側面から見た横断面図）、図６（コイル部
の横断面図）及び図７（分解斜視図）に示す如く、リン
グ状の一体型ヨーク２２、及び、該ヨーク２２から中心
に向かって植立された、例えば４個のポール２４からな
るコア２０と、前記ポール２４に巻回されたコイル３０
と、該コイル３０が巻回されたコア２０を両面（図５及
び図６の左右面）から挟むことにより、コイル３０を間
接的に冷却するための、例えば銅製の２枚の冷却板４０
とから主に構成されている。

【００１４】前記４個のポール２４は、図８に詳細に示
す如く、ヨーク２２に嵌め込んでから、そのボルト穴２
２ｈを通したボルト２６により、ヨーク２２に固定され
ている。コア径Ｄ（図４参照）の精度は、ヨーク２２の
リング内周、及び、ポール２４の輪郭加工精度を上げる
ことによって、達成できる。

【００１５】前記コイル３０の線材３２としては、例え
ば直径１．１ｍｍのアイメック線（日立電線ＡＩＷ）を
使用することができる。このアイメック線は、耐熱温度
が２２０℃、皮膜はポリアミドイミドで、機械的に強
く、巻線時に剥がれ難いという特徴を有する。

【００１６】このコイル線材３２は、前記ポール２４に
直巻きされる。ポール２４の四隅２４Ｃは、コイルの曲
げ曲率分のＲ面取りが施されている。四隅の曲率は、磁
場分布に影響を与えないように、できるだけ小さく（実
施例ではＲ４）されている。巻数は、例えば１００ター
ンで、コイルの厚さは約７ｍｍである。コイルの消費電
力は、１コイル当たり、約３６０Ｗである。

【００１７】コイル３０を間接的に冷却するための前記
冷却板４０には、図７に示す如く、冷却水の通る銅製の
冷却管４４が、例えば蝋付けで接着されている。この冷
却管４４は、例えば継ぎ目の無い一筆書き状とされ、水
漏れの恐れを無くすようにされている。この冷却管４４
は、左右の冷却板４０にそれぞれ設けられている。該冷
却板４０は、図５に示した如く、ヨーク２２と、ボルト
４２で固定され、ヨーク２２及びポール２４の冷却も行
う。接触熱伝達による温度勾配をできるだけ少なくする
ために、ヨークの当たり面には、銅めっきを施すことが
できる。左右の冷却板４０は、又、図９に示す如く、ボ
ルト４６で連結され、ポール２４に密着させてポール先
端を冷却するようにされている。

【００１８】本実施形態においては、コイル３０及びコ
ア２０を両側から挟む冷却板４０だけでなく、図８に示
す如く、ポール２４とコイル３０の間に挿入される、例
えば銅製のコイル内側冷却板５０、及び、図１０に示す
如く、前記ポール２４間に挿入される、左右に分割され
た略三角形状の、例えば銅製のコイル外側冷却板（三角
冷却板と称する）５２を設けて、コイル３０のまわりを
冷却板４０、５０、５２で取り囲むようにしている。前
記コイル内側冷却板５０の隅部５０Ｃも、ポール２４の
隅部２４Ｃと同様にＲ面取りされている。

【００１９】従って、コイル３０は、内側からはコイル
内側冷却板５０によって冷却され、外側からは、三角冷
却板５２及び冷却板４０によって冷却される。

【００２０】図において、５４は、三角冷却板５２と冷
却板４０を固定して、三角冷却板５２を冷やすためのボ
ルト、５６は、三角冷却板５２をコイル３０の側面に押
し当てて密着させるための、ヨーク２２と螺合する押し
ボルトである。

【００２１】コイルと冷却板の隙間は、従来は、エポキ
シでモールドするが、この方法では、コイルと冷却板を
一体でモールドするので、隙間を完全に埋めることはで
きるものの、エポキシは熱伝導率が悪いため、コイルの
発熱量が大きいと、エポキシ前後で温度差が大きくなり
過ぎて、使用することができない。

【００２２】そこで、本実施形態では、図７及び図１０
に示した如く、コイル３０と冷却板４０、５０、５２の
間にインジウムシート６０を挟むようにしている。イン
ジウムは熱伝導率が良く、且つ、柔らかいので、コイル
にインジウムを押し当てると、図１１に示す如く、コイ
ル表面の形にインジウムシート６０が馴染むので、接触
面積を大きくすることができ、冷却効率を上げられる。
しかしながら、インジウムシートだけでは、完全に隙間
を満たすことができない。そこで、図１０に示した如
く、カーボンパウダ６２に接着剤を混ぜ、隙間を埋める
構造として、温度上昇の問題を解決している。

【００２３】図１０において、４０ｈは、冷却板４０の
外側からカーボンパウダ６２を入れるための穴であり、
インジウムシート６０の密着状態の確認にも利用され
る。

【００２４】又、別の方法として、粉体塗装と同じよう
な方法で、カーボンパウダを帯電させ、電気的なクーロ
ン力でコイルに直接吹き付けることも考えられる。この
場合、コイルとカーボンパウダは、電気的な力で密着す
るので、熱的な接触を良くすることができる。

【００２５】前記コイル３０の内部の、コイル線材３４
と線材３４の間に、図１２に示す如く、熱伝導性が良
く、耐熱温度が２００℃あるエポキシ系接着剤（例えば
アレムコボンド）を充填し、密着性を高めている。即
ち、アレムコボンドを塗りながら、コイルの巻線を行う
ことにより、コイル線材からの発熱を、効率良くポール
２４や冷却板４０に伝えることができる。

【００２６】このようにして、コイル３０は、図９（コ
イル部）、図１３（三角冷却板の正面図）、図１４（同
側面図）に波印で各部の熱の流れＨを示す如く、ポール
２４側と冷却板４０側の両面から冷却される。従って、
コイル３０の温度上昇を低く抑えられる。

【００２７】

【実施例】線材径１．１ｍｍのコイル巻線を１００ター
ン巻いたコイルは、少ない容積で巻数と電流の積（アン
ペアターン）が大きく、電流２９．５Ａの高い電流密度
であったが、インジウムシートとカーボンパウダを使う
ことによって、コイルの温度上昇を約９０°に抑えるこ
とができた。この電流値では、ケーブルが細く、コイル
から電源までの引き回しも容易である。

【００２８】なお、前記実施形態においては、本発明
が、ポール数が４個のＱ電磁石に適用されていたが、本
発明の適用対象はこれに限定されず、ポール数が２以上
のマルチポール電磁石に同様に適用できることは明らか
である。

【００２９】又、本発明は、ドリフトチューブに使われ
るビーム収束用のＱ電磁石だけでなく、一般のＱ電磁石
にも適用できる。例えば、シンクロトロン出射部におい
て、セプタム電磁石のすぐ下流では、出射軌道と中心軌
道の間隔は狭く、ここに、外径の大きいＱ電磁石を置く
ことは困難であるが、本発明によりＱ電磁石を小型化す
ることによって、そこに置くことにができ、ビームを細
く絞ることができる。小さい容積のコイルで、巻数と電
流の積（アンペアターン）を大きくすることは、このよ
うな狭い場所に高い磁場勾配を持った電磁石を置けるの
で、非常に有効である。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、マルチポール電磁石を
小型化することができ、例えばドリフトチューブに使わ
れるビーム収束用のＱ電磁石の高周波の損失を少なくす
ることができる。又、パルス電源を用いる必要がなく、
直流励磁、低電流、低電力損失であるため、コストが安
く、電源を含む総コストを安く抑えることができる。更
に、コイルは、中実の例えばエナメル線を用いた単純な
構造であるため、量産にも適する等の優れた効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のホロコン線を用いたコイルの構成を示す
分解斜視図

【図２】同じく上面図

【図３】図２のIII−III線に沿う縦断面図

【図４】本発明に係るＱ電磁石の実施形態の全体構成を
示す、正面から見た縦断面図

【図５】同じく側面から見た横断面図

【図６】同じくコイル部の横断面図

【図７】同じく全体構成を示す分解斜視図

【図８】同じくポールとコイルの詳細を示す分解斜視図

【図９】図８のIX−IX線に沿う縦断面図

【図１０】前記実施形態における三角冷却板の取付状態
を示す分解斜視図

【図１１】同じくインジウムシートの変形状態を示す、
図９のXI部拡大断面図

【図１２】同じくコイルの巻回状態を示す、図９のXII
部拡大断面図

【図１３】前記実施形態における三角冷却板の熱の流れ
を示す横断面図

【図１４】図１３のXIV−XIV線に沿う縦断面図

【符号の説明】

２０…コア ２２…ヨーク ２４…ポール ３０…コイル ４０…冷却板 ４４…冷却管 ５０…コイル内側冷却板 ５２…コイル外側冷却板（三角冷却板） ６０…インジウムシート ６２…カーボンパウダ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リング状のヨーク、及び、該ヨークから中
   心に向かって植立された複数のポールからなるコアと、 前記ポールに巻回されたコイルと、 該コイルが巻回されたコアを両面から挟むことにより、
   コイルを間接的に冷却するための冷却板と、 を備えたことを特徴とする間接冷却型マルチポール電磁
   石。
2. 【請求項２】請求項１において、前記冷却板に、冷却媒
   体を流すための冷却管が配設されていることを特徴とす
   る間接冷却型マルチポール電磁石。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、更に、前記ポー
   ルとコイル間に挿入されるコイル内側冷却板や、前記ポ
   ール間に挿入されるコイル外側冷却板が配設されている
   ことを特徴とする間接冷却型マルチポール電磁石。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記
   コイルと冷却板の間にインジウムシートが挿入されると
   共に、隙間がカーボンパウダで埋められていることを特
   徴とする間接冷却型マルチポール電磁石。