JP2001023814A - 冷凍機冷却式超電導マグネット装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超電導コイル６の温度を室温まで昇温さ
せることなく、冷凍機３および電流リード（超電導電流
リード８）のメンテナンスを容易に実施可能とし、信頼
性およびメンテナンス性を向上させることができる冷凍
機冷却式超電導マグネット装置を提供すること。 【解決手段】 冷凍機３および電流リード８を、超電導
コイル６とは分離可能として収容することに着目し、冷
凍機３および電流リード８を真空容器２１から熱シール
ド板２２にわたって収容可能なユニット容器２３と、冷
凍機３の高温側冷却ステージ９と熱シールド板２２とを
接離可能に熱接触させる高温側接離部材４１と、冷凍機
３の低温側冷却ステージ１０と超電導コイル６とを接離
可能に熱接触させる低温側接離部材４３と、電流リード
８と超電導コイル６とを接離可能に電気接触させる電流
供給接離部材４７と、を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超電導マグネット装
置にかかるもので、とくに超電導コイルが真空中におい
てＧＭ冷凍機などの冷凍機により直接冷却される冷凍機
冷却式超電導マグネット装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の冷凍機冷却式超電導マグネット装
置１について、図２にもとづき概説する。図２は、冷凍
機冷却式超電導マグネット装置１の断面図であって、冷
凍機冷却式超電導マグネット装置１は、基盤２と、ＧＭ
冷凍機３（冷凍機）と、真空容器４と、熱シールド板５
と、超電導コイル６と、銅製電流リード７（電流リー
ド）と、超電導電流リード８（電流リード）と、を有す
る。

【０００３】ＧＭ冷凍機３は、熱シールド板５に熱接触
してこれを温度４０〜５０Ｋレベルに冷却可能な高温側
冷却ステージ９と、超電導コイル６に熱接触してこれを
温度４Ｋレベルに冷却可能な低温側冷却ステージ１０
と、を有する。

【０００４】真空容器４は、熱シールド板５および銅製
電流リード７をその内部に収容し、熱シールド板５は、
超電導コイル６および超電導電流リード８をその内部に
収容する。

【０００５】銅製電流リード７は、真空容器４に設けた
接続端子１１からＧＭ冷凍機３の高温側冷却ステージ９
まで電流を供給し、高温側冷却ステージ９から超電導コ
イル６までは超電導電流リード８により電流を供給す
る。超電導電流リード８は、たとえば酸化物セラミック
ス超電導体などからこれを構成する。

【０００６】こうした構成の冷凍機冷却式超電導マグネ
ット装置１において、ＧＭ冷凍機３は、そのピストン駆
動用のモーターおよびギア、さらにバルブなどの部品を
定期的に点検、交換するメンテナンスを行う必要があ
る。このＧＭ冷凍機３のメンテナンス時には、ＧＭ冷凍
機３の運転を停止し、超電導コイル６の温度を室温近く
まで約３日間程度かけて昇温した上で、ＧＭ冷凍機３を
取り外して保守点検作業を実施し、終了後に約６０時間
かけて再度冷却するという手間がかかる。また超電導電
流リード８は、硬くもろい材質であるため、運送時の衝
撃や地震などの外的撹乱により破損する可能性がある。
この超電導電流リード８を交換するためにも、ＧＭ冷凍
機３のメンテナンス時と同様に、ＧＭ冷凍機３の温度を
室温まで上昇させたのちに作業をしなければならず、冷
凍機冷却式超電導マグネット装置１全体の運転停止時間
が長く、結局、メンテナンスないし部品交換に約一週間
程度かかることは否めず、経済効率が非常に悪くなると
いう問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
諸問題にかんがみなされたもので、冷凍機と一体の電流
リードをユニットとしてメンテナンスすることができる
冷凍機冷却式超電導マグネット装置を提供することを課
題とする。

【０００８】また本発明は、信頼性の向上とともに、メ
ンテナンス性を向上させることができる冷凍機冷却式超
電導マグネット装置を提供することを課題とする。

【０００９】また本発明は、超電導コイルの温度を室温
まで昇温させることなく、冷凍機および電流リードのメ
ンテナンスを容易に実施可能とすることができる冷凍機
冷却式超電導マグネット装置を提供することを課題とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、冷凍
機および電流リード部分と、超電導コイル部分とを分離
可能とし、それぞれの容器に収容すること、冷凍機およ
び電流リードのメンテナンス時に超電導コイルとは切り
離してこれを処理可能とすることに着目したもので、真
空容器と、この真空容器の内側に設けた熱シールド板
と、この熱シールド板の内側に設けた超電導コイルと、
上記熱シールド板を冷却可能な高温側冷却ステージ、お
よび上記超電導コイルを冷却可能な低温側冷却ステージ
を有する冷凍機と、上記超電導コイルに電流を供給する
電流リードと、を有する冷凍機冷却式超電導マグネット
装置であって、上記冷凍機および電流リードを上記真空
容器から上記熱シールド板にわたって収容可能なユニッ
ト容器と、このユニット容器内に設けるとともに、上記
高温側冷却ステージと上記熱シールド板とを接離可能に
熱接触させる高温側接離部材と、このユニット容器内に
設けるとともに、上記低温側冷却ステージと上記超電導
コイルとを接離可能に熱接触させる低温側接離部材と、
このユニット容器内に設けるとともに、上記電流リード
と上記超電導コイルとを接離可能に電気接触させる電流
供給接離部材と、を有することを特徴とする冷凍機冷却
式超電導マグネット装置である。

【００１１】上記ユニット容器を覆う容器フランジを設
けるとともに、この容器フランジは、上記ユニット容器
内に延びる軸方向筒部材を有し、この軸方向筒部材と上
記ユニット容器との間にシール部材を設けることができ
る。

【００１２】上記ユニット容器を真空排気可能な真空排
気弁を設けることができる。

【００１３】上記高温側接離部材、上記低温側接離部
材、および上記電流供給接離部材は、それぞれ弾性を有
するような、たとえばバネ形状ないし弾性材料などの材
質によりこれを構成することができる。

【００１４】本発明による冷凍機冷却式超電導マグネッ
ト装置においては、冷凍機および超電導電流リードなど
の電流リードをユニット容器に収容して真空容器および
熱シールド板とは熱的および電気的に独立ないし分離可
能とし、冷凍機および電流リードのメンテナンス時に、
これらを真空容器つまり超電導コイル部分から熱的およ
び電気的に分離した状態で取り出すことを可能としたの
で、超電導コイルの昇温操作が不要となり、保守点検作
業あるいは部品交換作業のために超電導コイルを昇温さ
らに再度の冷却を行うことが不必要となって、作業能率
を著しく向上させることができる。さらに、高温側冷却
ステージと熱シールド板とを接離可能に熱接触させる高
温側接離部材と、低温側冷却ステージと超電導コイルと
を接離可能に熱接触させる低温側接離部材と、電流リー
ドと超電導コイルとを接離可能に電気接触させる電流供
給接離部材と、を設けてあるので、冷凍機および電流リ
ードをユニットとして真空容器から取り外す際に、冷凍
機および電流リードと、超電導コイルおよび真空容器や
熱シール板との熱的接触および電気的接触を簡単に解除
可能であるとともに、再度組み付ける際にも当該熱的接
触および電気的接触を確実に実現することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】つぎに本発明の実施の形態による
冷凍機冷却式超電導マグネット装置２０を図１にもとづ
き説明する。ただし、図２と同様の部分には同一符号を
付し、その詳述はこれを省略する。図１は、冷凍機冷却
式超電導マグネット装置２０の断面図であって、冷凍機
冷却式超電導マグネット装置２０は、前記真空容器４に
相当する真空容器２１と、前記熱シールド板５に相当す
る熱シールド板２２と、この真空容器２１および熱シー
ルド板２２にまたがってかつこれらとは独立した収容空
間を有する冷凍機３および超電導電流リード８用のユニ
ット容器２３と、を有する。すなわち、真空容器２１内
の第１の真空断熱空間２４と、熱シールド板２２内の第
２の真空断熱空間２５と、ユニット容器２３内の第３の
真空断熱空間２６と、を形成可能としてある。

【００１６】ユニット容器２３は、真空容器２１と同様
に、ステンレス鋼やＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチ
ック）などの低熱伝導材料で構成してあり、ＧＭ冷凍機
３の取出し方向に沿った軸方向壁面部２７と、室温側フ
ランジ２８と、銅などの良熱伝導体で構成した低温側底
面部２９と、を有する。室温側フランジ２８には、第３
の真空断熱空間２６方向に向かって延びる軸方向筒部材
３０を設ける。

【００１７】ユニット容器２３は、軸方向壁面部２７に
おいて、真空容器２１との間に取付け用固定部３１を介
して真空容器２１にこれを固定するとともに、熱シール
ド板２２との間に、銅などの良熱伝導体で構成した高温
側固定部３２を介してこれを固定してある。

【００１８】ユニット容器２３の室温側フランジ２８に
は、前記ＧＭ冷凍機３を取り付けるとともに、室温部電
流導入端子３３および真空排気弁３４を取り付ける。な
お、軸方向筒部材３０と取付け用固定部３１との間にＯ
リングなどによるシール部材３５を設けて、第３の真空
断熱空間２６のシールを可能とする。したがって、軸方
向筒部材３０が軸方向に移動しても、真空シールが破れ
ることがないようになっている。このシール部材３５に
おける真空シール部には、真空シールを保った状態で、
高温側冷却ステージ９、低温側冷却ステージ１０、銅製
電流リード７および超電導電流リード８がユニット容器
２３側の内部の各接離部に接触しないだけの移動許容範
囲が必要である。

【００１９】かくして、室温側フランジ２８およびその
軸方向筒部材３０、ＧＭ冷凍機３、室温部電流導入端子
３３、真空排気弁３４、銅製電流リード７および超電導
電流リード８、高温側冷却ステージ９およびその高温側
フランジ３６、低温側冷却ステージ１０およびその低温
側フランジ３７を冷凍機・電流リードユニット３８と
し、ユニット容器２３に対して脱着可能としてある。室
温側フランジ２８の周囲において取付け用固定部３１と
の間に複数本の取付けボルト３９を設けることにより、
この冷凍機・電流リードユニット３８の脱着を行う。

【００２０】高温側フランジ３６と、熱シールド板２２
の内部フランジ４０との間に高温側接離部材４１を介在
させる。高温側接離部材４１は、その一端を内部フラン
ジ４０に固定し、他端を高温側フランジ３６の図中下側
から接離可能に熱接触させるもので、適度の弾性ないし
バネ性を有する銅その他の熱伝導性の良好な材料からこ
れを構成する。低温側フランジ３７と、ユニット容器２
３の低温側底面部２９に臨んだ伝熱部材４２との間に低
温側接離部材４３を介在させる。低温側接離部材４３
は、高温側接離部材４１と同様に、その一端を伝熱部材
４２に固定し、他端を低温側フランジ３７の図中下側か
ら接離可能に熱接触させるもので、適度の弾性ないしバ
ネ性を有する銅その他の熱伝導性の良好な材料からこれ
を構成する。すなわち高温側接離部材４１は、高温側冷
却ステージ９と熱シールド板２２とを接離可能に熱接触
させ、低温側接離部材４３は、伝熱部材４２を介して低
温側冷却ステージ１０と超電導コイル６とを接離可能に
熱接触させる。

【００２１】超電導電流リード８は、セラミックなどに
よる高温側絶縁材４４を介して高温側フランジ３６にこ
れを支持し、その低温端部４５と、ユニット容器２３の
低温側底面部２９に臨んだ低温側電流導入端子４６との
間に板バネ状電極として電流供給接離部材４７を介在さ
せる。電流供給接離部材４７は、その一端を低温側電流
導入端子４６に固定し、他端を低温端部４５の図中下側
から接離可能に電気的に接触させるもので、適度の弾性
ないしバネ性を有する銅その他の電気伝導性の良好な材
料からこれを構成する。なお、低温端部４５と低温側フ
ランジ３７との間には、セラミックなどによる第１の低
温側絶縁材４８を設け、低温側底面部２９と低温側電流
導入端子４６との間には同じくセラミックなどによる第
２の低温側絶縁材４９を設ける。低温側電流導入端子４
６は、超電導コイル６電流端子５０を介して超電導コイ
ル６にこれを接続する。すなわち電流供給接離部材４７
は、超電導電流リード８（その低温端部４５）と超電導
コイル６とを電気的に接離可能である。

【００２２】なお、高温側接離部材４１、低温側接離部
材４３、および電流供給接離部材４７において、それぞ
れを板バネ状にしてこれに弾性を付与することはもちろ
ん、コイルバネ（図示せず）を設けて接触付勢力ないし
面圧を増すようにしてもよい。ただし、これらの板バネ
やコイルバネは、熱流や電流に対する十分な断面積を有
するものである必要がある。また、それぞれの接触面部
にインジウムなど比較的柔らかい金属材を介在させるこ
とにより、固体間の伝熱および通電を改善することもで
きる。

【００２３】こうした構成の冷凍機冷却式超電導マグネ
ット装置２０において、極低温に冷却された超電導コイ
ル６本体を昇温することなく、ＧＭ冷凍機３および超電
導電流リード８を冷凍機冷却式超電導マグネット装置２
０（真空容器２１、熱シールド板２２）から取り外すこ
とができる。まず、ＧＭ冷凍機３および超電導電流リー
ド８を冷凍機・電流リードユニット３８として取り外す
際には、ユニット容器２３の第３の真空断熱空間２６に
ヘリウムガスを導入してから、取付けボルト３９を外し
て室温側フランジ２８ごと取り外す。

【００２４】高温側冷却ステージ９の高温側フランジ３
６が高温側接離部材４１と熱接触し、低温側冷却ステー
ジ１０の低温側フランジ３７が低温側接離部材４３と熱
接触し、超電導電流リード８の低温端部４５が電流供給
接離部材４７と電気接触しているだけであるので、冷凍
機・電流リードユニット３８の取出し方向（図中軸上方
向）への移動によりユニット容器２３内の他の部分に一
切触れることなく、ＧＭ冷凍機３および超電導電流リー
ド８を取り出すことができる。

【００２５】ＧＭ冷凍機３および超電導電流リード８を
ユニット容器２３から取り外したのち、ユニット容器２
３内にヘリウムガスを充填したまま、蓋（図示せず）を
かぶせ、大気の流入を防いだ状態あるいは真空排気した
状態で、ＧＭ冷凍機３あるいは超電導電流リード８の定
期検査、保守、修理や交換などを行う。

【００２６】これらの作業が終了したのち、真空保持し
た場合はヘリウムガスを導入し大気の流入を防ぎなが
ら、冷凍機・電流リードユニット３８をユニット容器２
３に取り付ける。このときに、ＧＭ冷凍機３の高温側冷
却ステージ９および低温側冷却ステージ１０、さらに超
電導電流リード８の先端部（低温端部４５）がそれぞれ
の対向する接触部（高温側接離部材４１、低温側接離部
材４３および電流供給接離部材４７）に触れる直前の位
置で、冷凍機・電流リードユニット３８の移動を一旦停
止して固定し、ユニット容器２３内の真空排気を行いＧ
Ｍ冷凍機３を起動する。ＧＭ冷凍機３が所定の低温度、
あるいはメンテナンス中にわずかながらも昇温された超
電導コイル６本体の温度に等しくなったときに、高温側
冷却ステージ９、低温側冷却ステージ１０および低温端
部４５がそれぞれの接触部に接続されるように所定の面
圧で冷凍機・電流リードユニット３８を押し込み、室温
側フランジ２８を取付け用固定部３１に固定する。

【００２７】かくして、高温側冷却ステージ９および低
温側冷却ステージ１０は、高温側接離部材４１および低
温側接離部材４３をそれぞれ介して熱シールド板２２お
よび超電導コイル６との熱的接触を実現し、超電導電流
リード８は、電流供給接離部材４７を介して超電導コイ
ル６との電気的接触を実現して、冷凍機冷却式超電導マ
グネット装置２０としての運転が可能となる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、冷凍機お
よび電流リードを収容するユニット容器を真空容器およ
び熱シールド板とは別に設けて冷凍機・電流リードユニ
ットとして脱着ないし接離可能としたので、超電導コイ
ルを昇温させる（したがって、再度冷却させる）ことな
く、作業時間を省略することができ、メンテナンス性の
向上に寄与するとともに、定期点検を必要時に確実に行
うことができ信頼性の向上にもつながる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による冷凍機冷却式超電導
マグネット装置２０の断面図である。

【図２】従来の冷凍機冷却式超電導マグネット装置１の
断面図である。

【符号の説明】

１ 冷凍機冷却式超電導マグネット装置（図２） ２ 基盤 ３ ＧＭ冷凍機（冷凍機） ４ 真空容器 ５ 熱シールド板 ６ 超電導コイル ７ 銅製電流リード（電流リード） ８ 超電導電流リード（電流リード） ９ ＧＭ冷凍機３の高温側冷却ステージ １０ ＧＭ冷凍機３の低温側冷却ステージ １１ 接続端子 ２０ 冷凍機冷却式超電導マグネット装置（実施の形
態、図１） ２１ 真空容器 ２２ 熱シールド板 ２３ 冷凍機３および超電導電流リード８用のユニット
容器 ２４ 真空容器２１内の第１の真空断熱空間 ２５ 熱シールド板２２内の第２の真空断熱空間 ２６ ユニット容器２３の第３の真空断熱空間 ２７ ユニット容器２３の軸方向壁面部 ２８ ユニット容器２３の室温側フランジ ２９ ユニット容器２３の低温側底面部 ３０ 軸方向筒部材 ３１ 取付け用固定部 ３２ 高温側固定部 ３３ 室温部電流導入端子 ３４ 真空排気弁 ３５ Ｏリングなどによるシール部材 ３６ 高温側フランジ ３７ 低温側フランジ ３８ 冷凍機・電流リードユニット ３９ 取付けボルト ４０ 内部フランジ ４１ 高温側接離部材 ４２ 伝熱部材 ４３ 低温側接離部材 ４４ 高温側絶縁材 ４５ 超電導電流リード８の低温端部 ４６ 低温側電流導入端子 ４７ 電流供給接離部材 ４８ セラミックなどによる第１の低温側絶縁材 ４９ セラミックなどによる第２の低温側絶縁材 ５０ 超電導コイル６の電流端子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器と、 この真空容器の内側に設けた熱シールド板と、 この熱シールド板の内側に設けた超電導コイルと、 前記熱シールド板を冷却可能な高温側冷却ステージ、お
   よび前記超電導コイルを冷却可能な低温側冷却ステージ
   を有する冷凍機と、 前記超電導コイルに電流を供給する電流リードと、を有
   する冷凍機冷却式超電導マグネット装置であって、 前記冷凍機および電流リードを前記真空容器から前記熱
   シールド板にわたって収容可能なユニット容器と、 このユニット容器内に設けるとともに、前記高温側冷却
   ステージと前記熱シールド板とを接離可能に熱接触させ
   る高温側接離部材と、 このユニット容器内に設けるとともに、前記低温側冷却
   ステージと前記超電導コイルとを接離可能に熱接触させ
   る低温側接離部材と、 このユニット容器内に設けるとともに、前記電流リード
   と前記超電導コイルとを接離可能に電気接触させる電流
   供給接離部材と、 を有することを特徴とする冷凍機冷却式超電導マグネッ
   ト装置。
2. 【請求項２】 前記ユニット容器を覆う容器フランジ
   を設けるとともに、 この容器フランジは、前記ユニット容器内に延びる軸方
   向筒部材を有し、 この軸方向筒部材と前記ユニット容器との間にシール部
   材を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷凍機冷却
   式超電導マグネット装置。
3. 【請求項３】 前記ユニット容器を真空排気可能な真
   空排気弁を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷凍
   機冷却式超電導マグネット装置。
4. 【請求項４】 前記高温側接離部材、前記低温側接離
   部材、および前記電流供給接離部材は、 それぞれ弾性を有するような形状ないし材質によりこれ
   を構成することを特徴とする請求項１記載の冷凍機冷却
   式超電導マグネット装置。