JP2001068328A

JP2001068328A - 超電導電磁石装置

Info

Publication number: JP2001068328A
Application number: JP24155999A
Authority: JP
Inventors: Tsuneaki Minato; 恒明湊
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】電流リードを直接冷却する構造ではないため
に、電流リードの容量変化によって各構成部の熱負荷の
合計が大きく変化してしまうために、熱負荷に対して十
分に余裕のある冷却能力を有した冷凍機を使用しない
と、通電電流の大きな超電導コイルを使用することがで
きない。【解決手段】超電導コイルを収納する真空容器と、こ
の真空容器内に設けられ、超電導コイルを冷却する超電
導コイル側冷凍機と、超電導コイルと電気的に接続され
て、真空容器外の電源を該超電導コイルに給電する電流
リードと、この電流リードを介して伝わる熱を除去する
電流リード側冷凍機とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、冷凍機の冷却部
を介して超電導コイルを伝導冷却する超電導電磁石装置
に係り、特に超電導コイルの冷却構造の改良に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】超電導電磁石装置は、超電導コイルを真
空容器内に配置し、一般的に液体ヘリウムを用いて所定
の温度（１０Ｋ〜４Ｋ）に冷却し、超電導状態として高
磁場を発生させ、この高磁場を各種の材料試験などに使
用している。ところで、上述した液体ヘリウムは非常に
高価で、且つ揮発性を有していることから、コスト面を
考慮すると蒸発・漏出防止に多大の注意を払う必要があ
り、維持管理が大変であった。これに対して液体ヘリウ
ムに代わる冷却手段としてＧＭ（ギフォード・マクマフ
ォン）式冷凍機を用いた超電導電磁石装置が開発されて
いる。

【０００３】図７は特開平７−１４２２４２号公報に開
示された従来の超電導電磁石装置の構成を示す縦断面図
（これを従来例１とする）である。図において、１００
は真空容器、１０１は熱シールドであって、銅やアルミ
ニウムの板あるいはこれらの層をもつ複合構成の板を組
み合わせて構成されており、この熱シールド１０１が超
電導コイル１０５，１０６を常温から熱遮断する。１０
２は真空容器１００の内壁と超電導コイル１０５との間
に環状に設けた空間、１０３は熱シールド１０１を真空
容器１００内に吊り下げ固定する支持部材で、１０４は
環状空間、１０５，１０６は超電導コイルである。１０
７，１０８は吸熱部材であって、超電導コイル１０５，
１０６はこれら吸熱部材１０７，１０８を介して熱伝導
部材１０９，１１０に熱的に接続されている。

【０００４】１２１は超電導コイル１０５を熱シールド
１０１に吊り下げ固定する支持部材であり、断熱材で作
製されている。１２２はＧＭ式冷凍機で、５０Ｋ程度の
到達温度領域である第１冷却ステージ１２３と４Ｋ以下
の到達温度領域である第２冷却ステージ１２４とを有す
る。また、第１冷却ステージ１２３は上記のように到達
温度領域は第２冷却ステージ１２４より高温であるが、
その到達温度領域に達するまでの冷却能力は第２冷却ス
テージ１２４より高い。１２５は熱シールド１０１の上
壁に設けた孔で、ＧＭ式冷凍機１２２の第２冷却ステー
ジ１２４が貫通する。１２６は真空容器１００の上壁に
設けた装着孔で、ＧＭ式冷凍機１２２はこの装着孔１２
６から真空容器１００に挿入され、孔１２５を第２冷却
ステージ１２４が貫通する形で装着される。

【０００５】１２７，１２８は熱伝導部材であって、熱
伝導部材１２７はＧＭ式冷凍機１２２の第１冷却ステー
ジ１２３と熱シールド１０１とを熱的に接続し、熱伝導
部材１２８はＧＭ式冷凍機１２２の第２冷却ステージ１
２４と熱伝導部材１１０とを熱的に接続している。この
熱伝導部材１１０は超電導コイル１０５と熱的に接続さ
れているので、第２冷却ステージ１２４の冷熱は熱伝導
部材１２８を介して超電導コイル１０５に伝達される。

【０００６】１３４は真空容器１００の上壁を気密に貫
通するブッシングで、このブッシング１３４を介して電
流リード１３５が外部から超電導コイル１０５，１０６
に電気的に接続されている。１３６は電流リード１３５
を熱シールド１０１に熱的に接続する固定部材で、熱伝
導率が高く電気絶縁性の部材から作製される。１３７は
電流リード１３５のうち真空容器１００外から固定部材
１３６までの部分であり、この部分は周囲を電気的に絶
縁被覆した銅線で形成した電流リードである。１３８は
電流リード１３５のうち固定部材１３６から超電導コイ
ル１０５，１０６までの部分であり、この部分は周囲を
電気的に絶縁被覆した酸化物超電導線で形成した電流リ
ードである。この酸化物超電導線は超電導転移温度が７
７Ｋ程度のものが使用されている。

【０００７】次に動作について説明する。本願発明は超
電導コイルの冷却構造の改良に関するものであるので、
ここでは超電導コイル１０５，１０６の冷却動作につい
て説明する。超電導コイル１０５，１０６は、そのコイ
ルの超電導線材によって冷却温度が異なる。例えば、ニ
オブチタン（Ｎｂ・Ｔｉ）合金などの金属系の超電導線
材を使用したコイルはおよそ５Ｋ程度、ニオブ３スズ
（Ｎｂ₃ Ｓｎ）などの化合物系の超電導線材を使用した
コイルはおよそ１０Ｋ以下程度に冷却することで、超電
導転移温度に達し、超電導性能が発現する。このような
常温から極低温までの冷却は、冷凍機１２２にかかる負
荷が大きく、冷凍機１２２の負担を軽減するために真空
容器１００内の各構成部材の熱負荷を最適化する必要が
ある。

【０００８】ここで、ＧＭ式冷凍機１２２による超電導
コイル１０５，１０６の冷却動作について説明する。超
電導コイル１０５，１０６を冷却するＧＭ式冷凍機１２
２は、第１冷却ステージ１２３は到達温度領域が５０Ｋ
程度で２０〜５０Ｗ程度の冷却能力を有しており、第２
冷却ステージ１２４は到達温度領域が４Ｋ程度でこの温
度領域において０．１〜１．０Ｗ程度の冷却能力を有し
ている。先ず、ＧＭ式冷凍機１２２を作動させると、第
１冷却ステージ１２３及び第２冷却ステージ１２４の冷
却が始まる。この時、第１冷却ステージ１２３の冷却能
力が第２冷却ステージ１２４のそれより高いことを利用
して、熱伝導部材１２７を介して熱シールド１０１を冷
却する。これにより、超電導コイル１０５，１０６が４
Ｋ程度まで冷却されるより速く、熱シールド１０１が第
１冷却ステージ１２３の到達温度領域である５０Ｋ程度
まで冷却される。超電導コイル１０５，１０６はこれら
を被覆する熱シールド１０１が５０Ｋ程度に冷却される
ことにより常温から熱遮断され、超電導コイル１０５，
１０６を冷却するのにかかる熱負荷が軽減される。この
後は第２冷却ステージ１２４によって超電導コイル１０
５，１０６が超電導転移温度である４Ｋ程度まで徐々に
冷却される。

【０００９】この後、超電導コイル１０５，１０６に通
電して超電導電磁石を作動させる場合に電流リード１３
５に使用されている部材の抵抗によって発熱が起こるた
め、これによる熱負荷を考慮する必要がある。表１は上
記の構成の超電導電磁石装置に対して、電流リード１３
５を標準径とし通電電流を１００Ａとして、冷凍機１２
２の冷却ステージ１２３，１２４の到達温度をそれぞれ
５０Ｋ、４Ｋとしたときにおける上記超電導電磁石装置
の各構成部の理論的な熱負荷の値を算出したものであ
る。表１において極低温冷凍機とあるのは冷凍機１２２
を示し、第１ステージ及び第２ステージはそれぞれ第１
冷却ステージ１２３、第２冷却ステージ１２４を示す。
これら熱負荷の値は以下のように算出している。

【表１】

【００１０】（１）電流リードの熱負荷電流リード１３５の熱負荷の原因は主に真空容器１００
外からの熱の伝達によるところが大きい。そこで、電流
リードの場合は熱伝導による熱負荷のみを考慮する。電
流リード１３５は真空容器１００内壁を介して真空容器
１００内に挿入され、固定部材１３６を介して熱シール
ド１０１と熱交換し、このあと超電導コイル１０５，１
０６に接続されるので、真空容器１００外部（室温）、
熱シールド、及び超電導コイルから熱が侵入すると仮定
して熱負荷を算出する。電流リードの熱負荷をＰｒと
し、各熱源の温度が室温Ｔｒ：３００Ｋ、熱シールドの
温度Ｔｓ：５０Ｋ、及び超電導コイルの温度Ｔｃ：４Ｋ
とする。熱伝導のみ考慮するので、熱伝導による熱負荷
をＰｃｏとすると、Ｐｒ＝Ｐｃｏ（１）となる。ここで、熱伝導による熱負荷Ｐｃｏは、各熱源
間の温度差をΔＴとすると、Ｐｃｏ＝κｒ・ΔＴ・Ａｒ（２）となる。但し、κｒは電流リードの熱伝導率、Ａｒは電
流リードの断面積である。真空容器１００外部（室温）から熱シールドの熱伝導による熱負荷Ｐｃｏ１Ｐｃｏ１＝κｒ１・（Ｔｒ−Ｔｓ）・Ａｒ（３）但し、κｒ１は銅線からなる電流リードの熱伝導率とする。熱シールドから超電導コイルの熱伝導による熱負荷Ｐｃｏ２Ｐｃｏ２＝κｒ２・（Ｔｓ−Ｔｃ）・Ａｒ（４）但し、κｒ２は酸化物超電導線材からなる電流リードの
熱伝導率とする。冷凍機１２２の第１冷却ステージ１２
３は熱シールド１０１を、第２冷却ステージ１２４は超
電導コイル１０５，１０６を冷却するので、真空容器１
００の内壁から固定部材１３６までの電流リード１３７
の熱負荷が上記（３）式によって表される。また、固定
部材１３６から超電導コイル１０５，１０６までの電流
リード１３８の熱負荷が上記（４）式で表される。これ
ら計算式に上記パラメータの値を代入して求めたものが
表１における電流リード欄の値であり、第１冷却ステー
ジ１２３は１０Ｗ、第２冷却ステージ１２４は０．３Ｗ
の熱負荷がかかると見積もられる。

【００１１】（２）熱シールドの熱負荷熱シールド１０１の熱負荷の原因は主に熱シールド１０
１を支持する部材からの熱の伝達と、真空容器１００の
内壁からの熱輻射によるところが大きい。そこで、熱シ
ールドの場合は熱伝導による熱負荷と熱輻射による熱負
荷の両方を考慮する。熱シールドの熱負荷をＰｓとし、
各熱源の温度が室温Ｔｒ：３００Ｋ、熱シールドの温度
Ｔｓ：５０Ｋとする。熱伝導による熱負荷をＰ’ｃｏ、
熱輻射による熱負荷をＰ’ｅｍとすると、Ｐｓ＝Ｐ’ｃｏ＋Ｐ’ｅｍ（５）となる。ここで、熱伝導による熱負荷Ｐ’ｃｏは、各熱
源間の温度差をΔＴとすると、Ｐ’ｃｏ＝κｓ・ΔＴ・Ａｓ（６）となる。但し、κｓは熱シールド１０１を支持する部材
の熱伝導率、Ａｓは熱シールド１０１を支持する部材の
断面積である。真空容器１００（室温）から熱シールド
への熱伝導による熱負荷Ｐ’ｃｏＰ’ｃｏ＝κｓ・（Ｔｒ−Ｔｓ）・Ａｓ（７）真空容器１００（室温）から熱シールドへの熱輻射によ
る熱負荷Ｐ’ｅｍは、ステファンボルツマンの法則から
下記のように表される。Ｐ’ｅｍ＝ε・σ・（Ｔｒ⁴ −Ｔｓ⁴ ）（８） εは超電導電磁石の組立状況を含めた実効的な熱輻射
率、σはステファンボルツマン定数（５．６７×１０^-8
Ｗ／ｍ² ・Ｋ⁴ ）である。冷凍機１２２の第１冷却ステ
ージ１２３のみが熱シールド１０１を冷却するので、
（５），（７），（８）式に上記パラメータの値を代入
して求めたものが表１における熱シールド欄の値であ
り、２０Ｗの熱負荷がかかると見積もられる。

【００１２】（３）超電導コイルの熱負荷超電導コイルの熱負荷の原因は主に超電導コイルを支持
する部材からの熱の伝達と、熱シールドからの熱輻射に
よるところが大きい。そこで、超電導コイルの場合は熱
伝導による熱負荷と熱輻射による熱負荷の両方を考慮す
る。超電導コイルの熱負荷をＰｃとし、各熱源の温度が
熱シールドの温度Ｔｓ：５０Ｋ、及び超電導コイルの温
度Ｔｃ：４Ｋとする。熱伝導による熱負荷をＰ”ｃｏ、
熱輻射による熱負荷をＰ”ｅｍとすると、Ｐｃ＝Ｐ”ｃｏ＋Ｐ”ｅｍ（９）となる。ここで、熱伝導による熱負荷Ｐ’ｃｏは、各熱
源間の温度差をΔＴとすると、Ｐ”ｃｏ＝κｃ・ΔＴ・Ａｃ（１０）となる。但し、κｃは超電導コイルを支持する部材の熱
伝導率、Ａｃは超電導コイルを支持する部材の断面積で
ある。真空容器１００（室温）から熱シールドへの熱伝
導による熱負荷Ｐ”ｃｏＰ”ｃｏ＝κｃ・（Ｔｓ−Ｔｃ）・Ａｃ（１１）真空容器１００（室温）から熱シールドへの熱輻射によ
る熱負荷Ｐ”ｅｍＰ”ｅｍ＝ε’・σ・（Ｔｓ⁴ −Ｔｃ⁴ ）（１２） ε’は超電導電磁石の組立状況を含めた実効的な熱輻射
率、σはステファンボルツマン定数（５．６７×１０^-8
Ｗ／ｍ² ・Ｋ⁴ ）である。ＧＭ式冷凍機１２２の第２冷
却ステージ１２４のみが超電導コイル１０５，１０６を
冷却するので、（９），（１１），（１２）式に上記パ
ラメータの値を代入して求めたものが表１における超電
導コイル欄の値であり、０．１Ｗの熱負荷がかかると見
積もられる。

【００１３】（４）断熱支持およびその他の熱負荷断熱
支持とは熱シールドなどの支持部材であり、その他は上
記以外の考え得る構成要素の熱負荷を熱伝導による熱負
荷と熱輻射による熱負荷の両方を考慮して算出してい
る。これらは第１及び第２冷却ステージ１２３，１２４
によって冷却されることを考慮して、表１のように見積
もられる。

【００１４】表１に示すようにＧＭ式冷凍機１２２の第
１冷却ステージ１２３にかかる熱負荷の合計は３６Ｗと
なり、第２冷却ステージ１２４にかかる熱負荷の合計は
０．５５Ｗであるので、第１冷却ステージ１２３及び第
２冷却ステージ１２４の冷却能力がそれぞれ２０〜５０
Ｗ程度、０．１〜１．０Ｗ程度であることを考慮する
と、適当な冷凍機を選択すれば十分に１台の冷凍機で冷
却可能であることがわかる。

【００１５】図８は特開平７−１４２２４２号公報に開
示された超電導電磁石装置の他の構成を示す縦断面図
（これを従来例２とする）である。図のように２台のＧ
Ｍ式冷凍機１２２によって超電導コイル１０５を冷却す
ることで、より大きな超電導コイルを備えた電磁石装置
に適用できるようにしている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来の超電導電磁石装
置は以上のように構成されているので、従来例１のよう
に１台の冷凍機によって冷却する場合にあまり大きい通
電電流（数百Ａを超えるようなもの）の超電導コイルを
使用することができないという課題があった。

【００１７】従来は上記課題に対して、従来例１の構成
で冷凍機の冷却能力を上げるか、従来例２のように冷凍
機を複数台備えることによって対処していたが、これら
の対策では冷却能力の高い高価な冷凍機や、極低温まで
冷却可能な高価な冷凍機を複数台設置したにもかかわら
ず、劇的に冷却効果（動作温度までの冷却時間の短縮や
該温度の安定性）を向上するものではなかった。そこ
で、本願発明者は熱負荷の発生原因を日々検討した結
果、電流リードの熱負荷の変化が冷却効果に大きく影響
を与えることを見出した。

【００１８】電流リードに大きな電流を通電すると電流
リード自体の抵抗による発熱を抑えるため、一般的に断
面積の大きな電流リードが使用される。また、従来例１
で示したように超電導コイルへの熱侵入を抑えるために
一端が超電導コイルに直接つながった電流リード１３８
は高温超電導部材で作製したが、他端が熱シールド１０
１と熱交換するために、その断面積を大きくして放熱を
促進させる必要があった。これらをふまえて、本願発明
者は電流リードの断面積の増加による熱負荷変化を検討
した。

【００１９】表２は上述した従来例１の電流リードの断
面積及び通電電流を３倍とした場合の熱負荷を示してい
る。表２において電流リードの熱負荷は、電流リードの
断面積を３倍としたので表１の値と比較して３倍大きく
見積もられていることがわかる。これにより、ＧＭ式冷
凍機１２２の第１冷却ステージ１２３及び第２冷却ステ
ージ１２４にかかる熱負荷の合計がそれぞれ６６Ｗ，
１．１５Ｗとなり、上述した第１冷却ステージ１２３及
び第２冷却ステージ１２４の冷却能力である２０〜５０
Ｗ，０．１〜１．０Ｗより十分大きな値を示してしま
う。このように電流リードに通電する電流を大きくする
とその断面積を否応がなく大きくしなければならなかっ
たことが、従来の超電導電磁石装置における超電導コイ
ルの冷却効果の向上を抑制する大きな要因となっている
ことが判明した。

【表２】

【００２０】上記の検討結果から考慮すると従来例１の
超電導電磁石装置における冷却構造では、電流リードを
直接冷却する構造ではないために、電流リードの容量変
化によって各構成部の熱負荷の合計が大きく変化してし
まうために、熱負荷に対して十分に余裕のある冷却能力
を有した冷凍機を使用しないと、通電電流の大きな超電
導コイルを使用することができず、また、複数の超電導
コイルを有する装置に適用することもできなかった。

【００２１】さらに、従来例１では、高温超電導部材で
作製した電流リード１３８が熱シールド１０１と熱交換
するために熱シールド１０１の温度を上記高温超電導部
材の超電導転移温度以下に保持しておかねばならず、こ
れに対応した冷却能力を有した冷凍機を選択しなければ
ならないという制限があった。

【００２２】さらに、従来例２のようなＧＭ式冷凍機１
２２を複数台使用する構成では、冷凍機は熱シールドの
冷却や超電導コイルの直接冷却を行う構成であったの
で、電流リードの熱負荷に対して冷凍機の冷却能力を最
適に配分したものでなく、高価な冷凍機を複数備えてい
るにもかかわらず、冷却効率が悪いという課題があっ
た。

【００２３】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、既存の冷凍機の冷却能力を電流リ
ードの熱負荷に対して最適に配分し、冷却効率を格段に
向上させることによって安価で高性能の超電導電磁石装
置を得ることを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】この発明に係る超電導電
磁石装置は、超電導コイルを収納する真空容器と、この
真空容器内に設けられ、超電導コイルを冷却する超電導
コイル側冷凍機と、超電導コイルと電気的に接続され
て、真空容器外の電源を該超電導コイルに給電する電流
リードと、この電流リードを介して伝わる熱を除去する
電流リード側冷凍機とを備えるものである。

【００２５】この発明に係る超電導電磁石装置は、超電
導コイルを収納する真空容器と、この真空容器内に設け
られ、超電導コイルを冷却する超電導コイル側冷凍機
と、超電導コイルと電気的に接続されて、真空容器外の
電源を該超電導コイルに給電する電流リードと、この電
流リードを介して伝わる熱を除去する電流リード側冷凍
機と、真空容器内で超電導コイルを被覆し、超電導コイ
ル側冷凍機及び電流リード側冷凍機により冷却され、超
電導コイルを常温側から熱遮断する熱シールドとを備え
るものである。

【００２６】この発明に係る超電導電磁石装置は、超電
導コイルを収納する真空容器と、この真空容器内に設け
られ、超電導コイルを冷却する超電導コイル側冷凍機
と、超電導コイルと電気的に接続されて、真空容器外の
電源を該超電導コイルに給電する電流リードと、この電
流リードを介して伝わる熱を除去する電流リード側冷凍
機と、真空容器内で超電導コイルを二重に被覆し、超電
導コイル側冷凍機及び電流リード側冷凍機により冷却さ
れ、超電導コイルを常温側から熱遮断する熱シールドと
を備えるものである。

【００２７】この発明に係る超電導電磁石装置は、超電
導コイルを収納する真空容器と、この真空容器内に設け
られ、超電導コイルを冷却する超電導コイル側冷凍機
と、超電導コイルと電気的に接続されて、真空容器外の
電源を該超電導コイルに給電する電流リードと、この電
流リードを介して伝わる熱を除去する電流リード側冷凍
機と、真空容器内で超電導コイルを被覆する外側熱シー
ルドと、この外側熱シールドと超電導コイルとの間に設
けられ、該超電導コイルを部分的に被覆する部分熱シー
ルドとから構成され、超電導コイル側冷凍機及び電流リ
ード側冷凍機により冷却され、超電導コイルを常温側か
ら熱遮断する熱シールドとを備えるものである。

【００２８】この発明に係る超電導電磁石装置は、到達
温度領域が低温側の冷却部と、冷却能力が低温側の冷却
部より高く、到達温度領域が高温側の冷却部とを電流リ
ード側冷凍機が有し、電流リードは、超電導コイルに接
続するまでに高温側の冷却部と熱交換する高温側熱交換
部と、低温側の冷却部と熱交換する低温側熱交換部とを
有し、これら両熱交換部にて冷却されるものである。

【００２９】この発明に係る超電導電磁石装置は、到達
温度領域が高温超電導部材の超電導転移温度である冷却
部を電流リード側冷凍機が有し、電流リードは、超電導
コイル近傍の部分を高温超電導部材で作成され、超電導
コイルに接続するまでに冷却部と熱交換する熱交換部を
有し、該熱交換部にて冷却されるものである。

【００３０】この発明に係る超電導電磁石装置は、到達
温度領域が低温側の冷却部と、冷却能力が低温側の冷却
部より高く、到達温度領域が高温側の冷却部とを電流リ
ード側冷凍機が有し、電流リードは超電導コイルに接続
するまでに高温側の冷却部と熱交換する高温側熱交換部
と、低温側の冷却部と熱交換する低温側熱交換部とを有
し、これら両熱交換部にて冷却され、熱シールドは、高
温側の冷却部と熱交換する熱シールド側熱交換部を有す
るものである。

【００３１】この発明に係る超電導電磁石装置は、到達
温度領域が低温側の冷却部と、冷却能力が低温側の冷却
部より高く、到達温度領域が高温側の冷却部とを電流リ
ード側冷凍機が有し、電流リードは、超電導コイルに接
続するまでに高温側の冷却部と熱交換する高温側熱交換
部と、低温側の冷却部と熱交換する低温側熱交換部とを
有し、これら両熱交換部にて冷却され、熱シールドは、
真空容器の内壁側の熱シールド、若しくは超電導コイル
側の熱シールドと冷却部の少なくとも一方とが熱交換を
行う熱シールド側熱交換部を有し、該熱交換部にて冷却
されるものである。

【００３２】この発明に係る超電導電磁石装置は、到達
温度領域が低温側の冷却部と、冷却能力が低温側の冷却
部より高く、到達温度領域が高温側の冷却部とを電流リ
ード側冷凍機が有し、電流リードは、超電導コイルに接
続するまでに高温側の冷却部と熱交換する高温側熱交換
部と、低温側の冷却部と熱交換する低温側熱交換部とを
有し、これら両熱交換部にて冷却され、熱シールドは、
外側熱シールド、若しくは部分熱シールドと冷却部の少
なくとも一方とが熱交換を行う熱シールド側熱交換部を
有し、該熱交換部にて冷却されるものである。

【００３３】この発明に係る超電導電磁石装置は、電流
リード側冷凍機の冷却部と熱シールドの一部とを接続す
る熱伝導部材とからなる熱シールド側熱交換部を備える
ものである。

【００３４】この発明に係る超電導電磁石装置は、電流
リード側冷凍機の冷却部と熱シールドの一部とを接続す
る熱伝導部材と、電流リード側冷凍機の冷却部と熱シー
ルドとを直接接続した接続部とからなる熱シールド側熱
交換部を備えるものである。

【００３５】この発明に係る超電導電磁石装置は、熱伝
導部材は、可撓性を有するものである。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１による超
電導電磁石装置の構成を模式的に示す縦断面図である。
図において、１は超電導コイル４などの超電導電磁石装
置の構成部を収納する真空容器で、この真空容器１は中
央部に空所１９を設けたドーナツ形状を有している。３
は真空容器１内に設けられ、支持部材２によって吊設さ
れた熱シールドであり、超電導コイル４を常温側から熱
遮断している。また、熱シールド３内には、支持部材５
で吊設された超電導コイル４が内蔵されている。６は超
電導コイル４を冷却する到達温度領域（４Ｋ以下）が低
温側の冷却部（Ｆ−２）と、上記到達温度領域が高温側
（５０Ｋ程度）であり、該到達温度領域までは冷却能力
が上記低温側の冷却部（Ｆ−２）より高い高温側の冷却
部（Ｆ−１）とを有した冷凍機（超電導コイル側冷凍
機）であり、図示の例ではＧＭ式冷凍機を用いている。
このＧＭ式冷凍機６における高温側の冷却部（Ｆ−１）
は常温からその到達温度領域までは、低温側の冷却部
（Ｆ−２）のそれと比較して４倍程度冷却能力が高いこ
とが知られている。７，８は熱伝導部材であって、熱伝
導部材７は冷却部Ｆ−１と熱シールド３とを熱的に接続
し、熱伝導部材８は冷却部Ｆ−２と超電導コイル４とを
熱的に接続する。

【００３７】９は真空容器１の上壁を気密に貫通するブ
ッシングで、このブッシング９を介して電流リード１０
が外部から超電導コイル４に電気的に接続されている。
１１はブッシング９から後述する可撓性接続部材１３ま
での電流リードであり、電気伝導性の良い銅などからな
る。１２は可撓性接続部材１３から超電導コイル４まで
の電流リードで、超電導コイル４への熱侵入量を抑える
ために高温超電導部材で作製されている。１３は電流リ
ード１１と電流リード１２とを接続する可撓性接続部材
であり、電気伝導性の高い銅線などを束ねた構造をして
いる。この可撓性接続部材１３は超電導コイル４の冷却
時に電流リード１１，１２間に生じる熱応力を吸収する
役目を果たしている。電流リード１０はこれら電流リー
ド１１、電流リード１２及び電流リード１３から構成さ
れている。

【００３８】１４は到達温度領域が低温側の冷却部１７
と、上記到達温度領域が高温側であり、該到達温度領域
までは冷却能力が上記低温側の冷却部１７より高い高温
側の冷却部１８とを有した冷凍機（電流リード側冷凍
機）であり、図示の例ではＧＭ式冷凍機を用いている。
このＧＭ式冷凍機１４は上記ＧＭ式冷凍機６のように高
価な極低温のＧＭ式冷凍機を用いなくとも良く、この実
施の形態１では高温側の冷却部１７が到達温度領域８０
Ｋ程度、冷却能力が６０〜８０Ｗ程度であり、低温側の
冷却部１８が到達温度領域２０Ｋ程度、冷却能力が６〜
８Ｗ程度であるＧＭ式冷凍機６と比較して安価に購入で
きる冷凍機を使用している。１５，１６は電流リードを
ＧＭ式冷凍機１４の冷却部１７，１８にそれぞれ固定す
る固定部であり、電気絶縁性が必要であるため、ポリイ
ミド樹脂などからなる有機絶縁シートの両面に接触面積
を確保するためにシリコングリースなどの熱接触材料を
塗布したものを介して電気絶縁性部材から作製したボル
トで締結した構造を有する。これら固定部１５，１６が
それぞれ高温側熱交換部、低温側熱交換部を構成する。
１９は空所であり、この空所１９内が高磁場空間として
利用される。

【００３９】次に動作について説明する。先ず、本願発
明の特徴を簡単に述べると、前述した課題を解決するた
めに電流リード１０の冷却専用のＧＭ式冷凍機１４を設
けている。このように電流リードのような体積が他の構
成部と比較して小さく、熱輻射の寄与も無視できる程度
に少ない構成部に対して専用の冷凍機を設けることは、
従来では到底考えられないことであった。しかしなが
ら、前述したように本願発明者の検討結果から電流リー
ドの熱負荷が全体の冷却効率に大きく影響を与えること
が判明したため、上記のような大胆な構成が発想される
に至っている。それでは超電導コイル４の冷却動作につ
いて説明する。

【００４０】ＧＭ式冷凍機６，１４を同時に作動させ、
冷却動作を開始する。ＧＭ式冷凍機６は超電導コイル４
の冷却専用とし、冷却部Ｆ−１で熱シールド３を冷却
し、冷却部Ｆ−２で超電導コイル４を冷却する。前述し
たように冷却部Ｆ−１はその到達温度領域である５０Ｋ
程度まで冷却する間は冷却能力が冷却部Ｆ−２のそれよ
り高いので、超電導コイル４が４Ｋ程度まで冷却される
より速く、熱シールド３が５０Ｋ程度まで冷却される。
冷却された熱シールド３によって常温から熱遮断された
超電導コイル４は冷却部Ｆ−２によって徐々に冷却さ
れ、冷却部Ｆ−２の到達温度領域である４Ｋ以下に冷却
される。

【００４１】一方、ＧＭ式冷凍機１４は電流リード１０
の冷却専用の冷凍機であり、このＧＭ式冷凍機１４によ
って電流リード１０が主に冷却される。ＧＭ式冷凍機１
４の冷却部１７の冷却能力はその到達温度領域に達する
までは冷却部１８のそれより高いので、先ず、電流リー
ド１０は冷却部１７を主な冷熱源として固定部１５を介
して８０Ｋ程度まで冷却される。次に電流リード１０が
８０Ｋ程度に達すると、冷却部１８を主な冷熱源として
固定部１６を介して２０Ｋ程度の高温超電導部材の超電
導転移温度以下まで冷却される。このように電流リード
１０の冷却はＧＭ式冷凍機１４のような冷却能力の異な
る冷却部１７，１８を有する冷凍機によって大きな熱負
荷がかからないように段階的に無理なく行われる。これ
により、電流リード１０からの熱伝導による熱侵入をほ
ぼ完全に抑えることができる。

【００４２】ここで、この実施の形態１による超電導電
磁石装置の電流リード１０を、表２と同様に断面積を標
準径の３倍とし、通電電流を３００Ａとした場合におけ
る各構成部の理論的な熱負荷を算出した結果を表３に示
す。表３において、極低温冷凍機とあるのはＧＭ式冷凍
機６を示し、その下段に第１ステージ、第２ステージと
あるのはそれぞれＧＭ式冷凍機６の冷却部Ｆ−１、冷却
部Ｆ−２を示している。さらに、表３において、冷凍機
とあるのはＧＭ式冷凍機１４を示し、その下段に第１ス
テージ、第２ステージとあるのはそれぞれＧＭ式冷凍機
１４の冷却部１７、冷却部１８を示している。

【００４３】実施の形態１による超電導電流装置では、
従来例１のように熱シールド３と電流リード１０とが接
続されておらず、また、ＧＭ式冷凍機１４によって電流
リード１０が冷却されるので、表３においてＧＭ式冷凍
機６の冷却部Ｆ−１にかかる電流リード１０の熱負荷は
考慮されない。なお、これらの熱負荷は上記従来の技術
にて説明したものと同様にして算出したので重複する説
明を省略する。

【００４４】表３に示すように、電流リード１０を冷却
する専用のＧＭ式冷凍機１４は冷却部１７及び冷却部１
８においてそれぞれ３０Ｗ、３Ｗの電流リード１０によ
る熱負荷がかかる。前述したようにＧＭ式冷凍機１４は
冷却部１７及び冷却部１８の冷却能力がそれぞれ６０〜
８０Ｗ，６〜８Ｗであるので、十分に電流リード１０の
熱負荷に対応することができる。これにより、ＧＭ式冷
凍機６の冷却部Ｆ−１にかかる電流リード１０の熱負荷
が除かれ、ＧＭ式冷凍機６にかかる熱負荷の合計が冷却
部Ｆ−１にて２６Ｗ、冷却部Ｆ−２にて０．６５Ｗとな
り、従来と比較して格段に熱負荷が軽減され、冷却能力
に余裕を持って超電導コイル４を冷却することができ
る。

【表３】

【００４５】なお、上記実施の形態１ではＧＭ式冷凍機
１４としてＧＭ式冷凍機６とは別の冷却部の到達温度領
域が高温で安価なものを使用したが、ＧＭ式冷凍機６と
同一のものを使用しても良い。これにより、電流リード
１０の冷却を超電導コイル４と同温度程度まで行うこと
ができ、電流リード１０からの熱伝導による熱侵入を完
全に抑えることができる。

【００４６】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、超電導コイル４を収納する真空容器１と、この真空
容器１内に設けられ、超電導コイル４を冷却する超電導
コイル側冷凍機であるＧＭ式冷凍機６と、超電導コイル
４と電気的に接続されて、真空容器１外の電源を該超電
導コイル４に給電する電流リード１０と、この電流リー
ド１０を介して伝わる熱を除去する電流リード側冷凍機
であるＧＭ式冷凍機１４とを備えたので、超電導コイル
側冷凍機であるＧＭ式冷凍機６にかかる電流リード１０
の熱負荷を軽減し、ＧＭ式冷凍機６の冷却能力のほとん
どを超電導コイル４の冷却に当てることができることか
ら、超電導電磁石装置の超電導コイル４の冷却効率を向
上させることができる。これにより、大電流を通電する
超電導コイルを使用する装置や複数の超電導コイルを提
供することができる。

【００４７】また、この実施の形態１によれば、電流リ
ード側冷凍機であるＧＭ式冷凍機１４は、到達温度領域
が低温側の冷却部１８と、到達温度領域が高温側であ
り、冷却能力が低温側の冷却部より高い高温側の冷却部
１７とを有し、電流リード１０は、超電導コイル４に接
続するまでに高温側の冷却部１７と熱交換する高温側熱
交換部である固定部１５と、低温側の冷却部１８と熱交
換する低温側熱交換部である固定部１６とを有し、これ
ら両熱交換部にて冷却されるので、電流リード１０の冷
却を段階的に無理なく行うことができる。これにより、
電流リード１０からの熱伝導による熱侵入をほぼ完全に
抑えることができる。

【００４８】実施の形態２．上記実施の形態１では複数
の冷却部を持つＧＭ式冷凍機を電流リード冷却専用の冷
凍機として使用したが、この実施の形態２は電流リード
冷却専用の冷凍機として高温超電導部材で作製した電流
リードの超電導転移温度以下の到達温度領域を有する冷
却部を１つ有した冷凍機を用いるようにしたものであ
る。

【００４９】図２はこの発明の実施の形態２による超電
導電磁石装置の構成を示す縦断面図である。図におい
て、１４ａは高温超電導部材で作製した電流リード１２
の超電導転移温度以下の到達温度領域を有する冷却部１
７ａを１つ有した冷凍機（電流リード側冷凍機）であ
る。なお、図１と同一の構成要素は同一符号を付して重
複する説明を省略する。

【００５０】次に動作について説明する。ＧＭ式冷凍機
６による超電導コイル４の冷却動作は上記実施の形態１
と同様であるので重複する説明を省略する。冷凍機１４
ａによる電流リード１０の冷却では、上記実施の形態１
の２段冷却部をもつＧＭ式冷凍機１４と異なり、室温か
ら高温超電導部材の超電導転移温度である７７Ｋ程度ま
で冷却するので冷却に大きな熱負荷がかかる。この一
方、到達温度領域が極低温までゆかない冷却部１７ａの
みを有する冷凍機１４ａは安価に購入することができ、
また、その構造も複雑でないので設計も容易である。

【００５１】なお、上記実施の形態２における冷凍機１
４ａは高温超電導部材の超電導転移温度である７７Ｋ程
度まで冷却することができれば良く、真空容器１の排気
系に使用する一般的な液体窒素（７７Ｋ）トラップを冷
熱源として併用しても良い。これにより、より安価な構
成で冷却効率を向上させることができる。

【００５２】以上のように、この実施の形態２によれ
ば、電流リード側冷凍機である冷凍機１４ａは、到達温
度領域が高温超電導部材の超電導転移温度である冷却部
１７ａを有し、電流リード１０は、超電導コイル４近傍
の部分である電流リード１２を高温超電導部材で作成
し、超電導コイル４に接続するまでに冷却部１７ａと熱
交換する熱交換部１５を有し、該熱交換部１５にて冷却
されるので、実施の形態１と比較して安価な構成で冷凍
機の冷却能力を装置の各構成部の熱負荷に最適に配分す
ることができる。これにより、大電流を通電する超電導
コイルを使用する装置や複数の超電導コイルを有する装
置を提供することができる。

【００５３】実施の形態３．上記実施の形態では電流リ
ードの冷却専用冷凍機は電流リードのみを冷却するもの
であったが、この実施の形態３では上記冷凍機の冷却部
の冷却能力に余裕がある場合にこの冷却部と熱シールド
の一部とを熱伝導部材によって熱的に接続して、熱シー
ルドの冷却も同時に行うようにしたものである。

【００５４】図３はこの発明の実施の形態３による超電
導電磁石装置の構成を示す縦断面図である。図におい
て、２０はＧＭ式冷凍機１４の冷却部１７と熱シールド
３の一部とを熱的に接続する熱伝導部材（熱シールド側
熱交換部）であり、伝熱板を複数重ねるか伝熱線を束ね
て作製して可撓性を持たせている。なお、図１と同一の
構成要素は同一符号を付して重複する説明を省略する。

【００５５】次に動作について説明する。ＧＭ式冷凍機
６による超電導コイル４の冷却動作及びＧＭ式冷凍機１
４による電流リードの冷却動作は上記実施の形態１と同
様であるので重複する説明を省略する。上記実施の形態
と異なる点として熱シールド３の冷却動作について説明
する。ＧＭ式冷凍機６，１４を作動させると、熱シール
ド３はＧＭ式冷凍機６，１４によって冷却される。ＧＭ
式冷凍機１４による冷却では冷却部１７を冷熱源として
熱伝導部材２０を介して冷熱が熱シールド３に伝達され
る。このとき、冷却部１７と熱シールド３との温度差に
よる熱応力は熱伝導部材２０の可撓性によって吸収さ
れ、接続部に応力が集中することがない。

【００５６】以上のように、この実施の形態３によれ
ば、超電導コイル４を収納する真空容器１と、この真空
容器１内に設けられ、超電導コイル４を冷却する超電導
コイル側冷凍機であるＧＭ式冷凍機６と、超電導コイル
４と電気的に接続されて、真空容器１外の電源を該超電
導コイル４に給電する電流リード１０と、この電流リー
ド１０を介して伝わる熱を除去する電流リード側冷凍機
であるＧＭ式冷凍機１４と、真空容器１内で超電導コイ
ル４を被覆し、ＧＭ式冷凍機６及びＧＭ式冷凍機１４に
より冷却され、超電導コイル４を常温側から熱遮断する
熱シールド３とを備え、ＧＭ式冷凍機１４は到達温度領
域が低温側の冷却部１８と、到達温度領域が高温側であ
り、冷却能力が低温側の冷却部より高い高温側の冷却部
１７とを有し、電流リード１０は超電導コイル４に接続
するまでに高温側の冷却部１７と熱交換する高温側熱交
換部である固定部１５と、低温側の冷却部１８と熱交換
する低温側熱交換部である固定部１６とを有し、これら
両熱交換部１５，１６にて冷却され、熱シールド３は、
その一部と高温側の冷却部１７とを熱的に接続する熱シ
ールド側熱交換部として熱伝導部材２０を有するので、
上記実施の形態１，２と比較してより速く超電導コイル
４の冷却を行うことができ、冷却時間を短縮化すること
ができる。また、冷熱源の増加により上記実施の形態
１，２と比較してより大面積の熱シールドを冷却するこ
とができることから、大型の超電導コイルを有した装置
を構成することもできる。ＧＭ式冷凍機１４の冷却能力
を電流リード１０のみでなく熱シールド３の熱負荷に配
分することにより、冷却効果を最適化した超電導電磁石
装置を提供することができる。

【００５７】実施の形態４．上記実施の形態３では熱伝
導部材を介して電流リードの冷却専用の冷凍機を熱シー
ルドの一部と接続して熱シールドの冷却も行うものであ
ったが、この実施の形態４は上記熱伝導部材による接続
の他に熱シールドと上記冷凍機の冷却部とを直接接続す
るものである。

【００５８】図４はこの発明の実施の形態４による超電
導電磁石装置の構成を示す縦断面図である。図におい
て、３ａはＧＭ式冷凍機１４の冷却部１７に直接接続し
た接続部（熱シールド側熱交換部）であり、両部材を単
にボルトで締結するか、熱抵抗を極小にするために接続
面間にインジウムなどの柔らかい金属を介装してボルト
で締結した接続構造を有している。なお、図１と同一の
構成要素は同一符号を付して重複する説明を省略する。

【００５９】次に動作について説明する。ＧＭ式冷凍機
６による超電導コイル４の冷却動作及びＧＭ式冷凍機１
４による電流リードの冷却動作は上記実施の形態１と同
様であるので重複する説明を省略する。上記実施の形態
と異なる点として熱シールド３の冷却動作について説明
する。ＧＭ式冷凍機６，１４を作動させると、熱シール
ド３は冷凍機６，１４によって冷却される。特にＧＭ式
冷凍機１４においては上記実施の形態３と比較してより
大面積の接触面積を有する接続部３ａを介して冷却部１
７を冷熱源として冷熱が熱シールド３に伝達される。

【００６０】以上のように、この実施の形態４によれ
ば、電流リード側冷凍機であるＧＭ式冷凍機１４は到達
温度領域が低温側の冷却部１８と、到達温度領域が高温
側であり、冷却能力が低温側の冷却部より高い高温側の
冷却部１７とを有し、電流リード１０は超電導コイル４
に接続するまでに高温側の冷却部１７と熱交換する高温
側熱交換部である固定部１５と、低温側の冷却部１８と
熱交換する低温側熱交換部である固定部１６とを有し、
これら両熱交換部１５，１６にて冷却され、熱シールド
３はその一部と高温側の冷却部１７とを熱的に接続する
熱伝導部材２０と、高温側の冷却部１７と熱シールド３
とを直接接続する接続部３ａとからなる熱シールド側熱
交換部を有するので、上記実施の形態３と比較してより
速く熱シールド３の冷却を行うことができ、冷却時間を
短縮化することができる。また、ＧＭ式冷凍機１４の冷
却能力を電流リード１０のみでなく熱シールド３の熱負
荷に対して配分することにより、冷却効果を最適化した
超電導電磁石装置を提供することができる。さらに、熱
シールド３と冷却部１７との接触面積の増加による冷却
効率の向上によって上記実施の形態３と比較してより大
面積の熱シールドを冷却することができることから、大
型の超電導コイルを有した装置を構成することもでき
る。

【００６１】実施の形態５．この実施の形態５では超電
導コイルを被覆する熱シールドを部分的に二重構造と
し、熱遮断効果を向上させたものである。

【００６２】図５はこの発明の実施の形態５による超電
導電磁石装置の構成を示す縦断面図である。図におい
て、３Ａは真空容器１の内壁側の熱シールド（外側熱シ
ールド）であり、３Ｂは熱シールド３Ａと超電導コイル
４との間に介装され、超電導コイル４を部分的に被覆す
る熱シールド（部分熱シールド）である。図示の例で
は、熱シールド３Ｂは超電導コイル４を外側から覆うだ
けで超電導コイル４の空所１９側からは被覆していな
い。この熱シールド３Ｂによる超電導コイル４の被覆の
度合いは、ＧＭ式冷凍機１４の冷却能力に合わせて設計
され、後述する、完全に二重構造を有した熱シールドと
比較して安価に作成することができる。２０ａは熱シー
ルド３Ｂと冷却部１８とを熱的に接続する可撓性を有し
た熱伝導部材（熱シールド側熱交換部）であり、その構
造は上記実施の形態３で示した熱伝導部材２０と同様で
ある。なお、図１と同一の構成要素は同一符号を付して
重複する説明を省略する。

【００６３】次に動作について説明する。ＧＭ式冷凍機
６による超電導コイル４の冷却動作及びＧＭ式冷凍機１
４による電流リードの冷却動作は上記実施の形態１と同
様であるので重複する説明を省略する。上記実施の形態
と異なる点として熱シールド３Ａ，３Ｂの冷却動作につ
いて説明する。ＧＭ式冷凍機６，１４を作動させると、
熱シールド３ＡはＧＭ式冷凍機６の冷却部Ｆ−１によっ
て冷却され、熱シールド３ＢはＧＭ式冷凍機１４の低温
側の冷却部１８を冷熱源として熱伝導部材２０ａを介し
て冷熱が伝達されて冷却される。超電導コイル側の熱シ
ールド３Ｂを冷却する冷却部１８は冷却能力が低いた
め、外側の熱シールド３Ａを冷却能力の高い冷却部Ｆ−
１によって冷却することで熱遮断を行い、上記熱シール
ド３Ｂの冷却が促進されるように構成している。これに
より、真空容器１の内壁から超電導コイル４に至るまで
の各構成部間の温度差による熱負荷がＧＭ式冷凍機６，
１４の冷却能力を超えない程度に最適化された理想的な
温度勾配が形成され、その冷却状態が安定化する。

【００６４】なお、上記実施の形態では、ＧＭ式冷凍機
１４は熱シールド３Ａの冷却を行わなかったが、ＧＭ式
冷凍機１４の冷却能力に余裕があれば上記実施の形態
３，４のように熱シールドとの熱交換部を形成してＧＭ
式冷凍機６と同時に冷却を行うようにしても良い。これ
により、熱シールド３Ａの冷却が速まるのでより冷却時
間の短縮をすることができる。

【００６５】以上のように、この実施の形態５によれ
ば、超電導コイル４を収納する真空容器１と、この真空
容器１内に設けられ、超電導コイル４を冷却する超電導
コイル側冷凍機であるＧＭ式冷凍機６と、超電導コイル
４と電気的に接続されて、真空容器１外の電源を該超電
導コイル４に給電する電流リード１０と、この電流リー
ド１０を介して伝わる熱を除去する電流リード側冷凍機
であるＧＭ式冷凍機１４と、真空容器１内で超電導コイ
ル４を被覆する外側熱シールドである熱シールド３Ａ
と、この熱シールド３Ａと超電導コイル４との間に設け
られ、該超電導コイル４を部分的に被覆する部分熱シー
ルドである熱シールド３Ｂとから構成され、ＧＭ式冷凍
機６及びＧＭ式冷凍機１４により冷却され、超電導コイ
ル４を常温側から熱遮断する熱シールド３とを備え、Ｇ
Ｍ式冷凍機１４は到達温度領域が低温側の冷却部１８
と、到達温度領域が高温側であり、冷却能力が低温側の
冷却部１８より高い高温側の冷却部１７とを有し、電流
リード１０は、超電導コイルに接続するまでに高温側の
冷却部１７と熱交換する高温側熱交換部である固定部１
５と、低温側の冷却部１８と熱交換する低温側熱交換部
である固定部１６とを有し、これら両熱交換部１５，１
６にて冷却され、熱シールドは超電導コイル４側の熱シ
ールド３Ｂと冷却部１８とが熱交換を行う熱シールド側
熱交換部である熱伝導部材２０ａを有し、この熱伝導部
材２０ａにて冷却されるので、超電導コイル４を部分的
に被覆する熱シールド３Ｂの分だけ、超電導コイル４と
常温との熱遮断効果が向上し、上記実施の形態１から実
施の形態４と比較してより速く超電導コイル４の冷却を
行うことができ、冷却時間を短縮化することができる。
また、ＧＭ式冷凍機１４によってＧＭ式冷凍機６の冷却
対象から電流リード１０を分離し、且つ、ＧＭ式冷凍機
６の冷却能力を熱シールド３Ａの熱負荷に配分し、ＧＭ
式冷凍機１４の冷却能力を電流リード１０のみでなく熱
シールド３Ｂの熱負荷に配分することにより、真空容器
１の内壁から超電導コイル４に至るまでの各構成部間の
温度差による熱負荷がＧＭ式冷凍機６，１４の冷却能力
を超えない程度に最適化された理想的な温度勾配を形成
することができる。これにより、冷却効率が向上され、
且つ、冷却状態が安定化した超電導電磁石装置を提供す
ることができる。

【００６６】実施の形態６．上記実施の形態５では冷凍
機の冷却能力に合わせて超電導コイルを被覆する熱シー
ルドを部分的に二重としたものであったが、この実施の
形態６は超電導コイルを被覆する熱シールドを完全に二
重構造とし、電流リードの冷却専用冷凍機の冷却部で各
熱シールドを冷却するようにしたものである。

【００６７】図６はこの発明の実施の形態６による超電
導電磁石装置の構成を示す縦断面図である。図におい
て、３Ｃは真空容器１の内壁側の熱シールドであり、３
Ｄは超電導コイル４側の熱シールドである。これら熱シ
ールド３Ｃ，３Ｄは上記実施の形態５と異なり、超電導
コイル４の空所１９側からも完全に被覆している。な
お、図５と同一の構成要素は同一符号を付して重複する
説明を省略する。

【００６８】次に動作について説明する。ＧＭ式冷凍機
６による超電導コイル４の冷却動作及びＧＭ式冷凍機１
４による電流リードの冷却動作は上記実施の形態１と同
様であるので重複する説明を省略する。上記実施の形態
と異なる点として二重構造を有した熱シールド３Ｃ，３
Ｄの冷却動作について説明する。ＧＭ式冷凍機６，１４
を作動させると、熱シールド３ＣはＧＭ式冷凍機６の冷
却部Ｆ−１によって冷却され、熱シールド３ＤはＧＭ式
冷凍機１４の低温側の冷却部１８を冷熱源として熱伝導
部材２０ａを介して冷熱が伝達されて冷却される。超電
導コイル側の熱シールド３Ｄを冷却する冷却部１８は冷
却能力が低いため、外側の熱シールド３Ｃを冷却能力の
高い冷却部Ｆ−１によって冷却することで熱遮断を行
い、上記熱シールド３Ｄの冷却が促進されるように構成
している。これにより、真空容器１の内壁から超電導コ
イル４に至るまでの各構成部間の温度差による熱負荷が
ＧＭ式冷凍機６，１４の冷却能力を超えない程度に最適
化された理想的な温度勾配が形成され、その冷却状態が
安定化する。

【００６９】なお、上記実施の形態では、ＧＭ式冷凍機
１４は熱シールド３Ｃの冷却を行わなかったが、ＧＭ式
冷凍機１４の冷却能力に余裕があれば上記実施の形態
３，４のように熱シールドとの熱交換部を形成してＧＭ
式冷凍機６と同時に冷却を行うようにしても良い。これ
により、熱シールド３Ｃの冷却が速まるのでより冷却時
間の短縮をすることができる。

【００７０】以上のように、この実施の形態６によれ
ば、超電導コイル４を収納する真空容器１と、この真空
容器１内に設けられ、超電導コイル４を冷却する超電導
コイル側冷凍機であるＧＭ式冷凍機６と、超電導コイル
４と電気的に接続されて、真空容器１外の電源を該超電
導コイル４に給電する電流リード１０と、この電流リー
ド１０を介して伝わる熱を除去する電流リード側冷凍機
であるＧＭ式冷凍機１４と、真空容器１内で超電導コイ
ル４を二重に被覆し、ＧＭ式冷凍機６及びＧＭ式冷凍機
１４により冷却され、超電導コイル４を常温側から熱遮
断する熱シールド３Ｃ，３Ｄとを備え、ＧＭ式冷凍機１
４は到達温度領域が低温側の冷却部１８と、到達温度領
域が高温側であり、冷却能力が低温側の冷却部１８より
高い高温側の冷却部１７とを有し、電流リード１０は、
超電導コイルに接続するまでに高温側の冷却部１７と熱
交換する高温側熱交換部である固定部１５と、低温側の
冷却部１８と熱交換する低温側熱交換部である固定部１
６とを有し、これら両熱交換部１５，１６にて冷却さ
れ、熱シールドは超電導コイル４側の熱シールド３Ｄと
冷却部１８とが熱交換を行う熱シールド側熱交換部であ
る熱伝導部材２０ａを有し、この熱伝導部材２０ａにて
冷却されるので、二重構造の熱シールド３Ｃ，３Ｄによ
って超電導コイル４と常温との熱遮断効果が向上し、上
記実施の形態５と比較してより速く超電導コイル４の冷
却を行うことができ、冷却時間を短縮化することができ
る。また、ＧＭ式冷凍機１４によってＧＭ式冷凍機６の
冷却対象から電流リード１０を分離し、且つ、ＧＭ式冷
凍機６の冷却能力を熱シールド３Ｃの熱負荷に配分し、
ＧＭ式冷凍機１４の冷却能力を電流リード１０のみでな
く熱シールド３Ｄの熱負荷に配分することにより、真空
容器１の内壁から超電導コイル４に至るまでの各構成部
間の温度差による熱負荷がＧＭ式冷凍機６，１４の冷却
能力を超えない程度に最適化された理想的な温度勾配を
形成することができる。これにより、冷却効果が向上さ
れ、且つ、冷却状態が安定化した超電導電磁石装置を提
供することができる。

【００７１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、超電
導コイルを収納する真空容器と、この真空容器内に設け
られ、超電導コイルを冷却する超電導コイル側冷凍機
と、超電導コイルと電気的に接続されて、真空容器外の
電源を該超電導コイルに給電する電流リードと、この電
流リードを介して伝わる熱を除去する電流リード側冷凍
機とを備えるので、超電導コイル側冷凍機にかかる電流
リードの熱負荷を軽減し、超電導コイル側冷凍機の冷却
能力のほとんどを超電導コイルの冷却に当てることがで
きることから、超電導電磁石装置の超電導コイルの冷却
効率を格段に向上させることができる。これにより、大
電流を通電する超電導コイルを使用する装置や複数の超
電導コイルを有する装置を提供することができる効果が
ある。

【００７２】この発明によれば、超電導コイルを収納す
る真空容器と、この真空容器内に設けられ、超電導コイ
ルを冷却する超電導コイル側冷凍機と、超電導コイルと
電気的に接続されて、真空容器外の電源を該超電導コイ
ルに給電する電流リードと、この電流リードを介して伝
わる熱を除去する電流リード側冷凍機と、真空容器内で
超電導コイルを被覆し、超電導コイル側冷凍機及び電流
リード側冷凍機により冷却され、超電導コイルを常温側
から熱遮断する熱シールドとを備えるので、電流リード
側冷凍機の冷却能力を電流リードのみでなく熱シールド
の熱負荷に対して配分することにより、超電導電磁石装
置の超電導コイルの冷却効率を格段に向上させることが
できる。これにより、大電流を通電する超電導コイルを
使用する装置や複数の超電導コイルを有する装置を提供
することができる効果がある。

【００７３】この発明によれば、超電導コイルを収納す
る真空容器と、この真空容器内に設けられ、超電導コイ
ルを冷却する超電導コイル側冷凍機と、超電導コイルと
電気的に接続されて、真空容器外の電源を該超電導コイ
ルに給電する電流リードと、この電流リードを介して伝
わる熱を除去する電流リード側冷凍機と、真空容器内で
超電導コイルを二重に被覆し、超電導コイル側冷凍機及
び電流リード側冷凍機により冷却され、超電導コイルを
常温側から熱遮断する熱シールドとを備えるので、二重
構造の熱シールドによって超電導コイルと常温との熱遮
断効果が向上し、より速く超電導コイルの冷却を行うこ
とができ、冷却時間を短縮化することができる効果があ
る。また、超電導電磁石装置の超電導コイルの冷却効率
が格段に向上することから、大電流を通電する超電導コ
イルを使用する装置や複数の超電導コイルを有する装置
を提供することができる効果がある。

【００７４】この発明によれば、超電導コイルを収納す
る真空容器と、この真空容器内に設けられ、超電導コイ
ルを冷却する超電導コイル側冷凍機と、超電導コイルと
電気的に接続されて、真空容器外の電源を該超電導コイ
ルに給電する電流リードと、この電流リードを介して伝
わる熱を除去する電流リード側冷凍機と、真空容器内で
超電導コイルを被覆する外側熱シールドと、この外側熱
シールドと超電導コイルとの間に設けられ、該超電導コ
イルを部分的に被覆する部分熱シールドとから構成さ
れ、超電導コイル側冷凍機及び電流リード側冷凍機によ
り冷却され、超電導コイルを常温側から熱遮断する熱シ
ールドとを備えるので、超電導コイルを部分的に被覆す
る熱シールドの分だけ、超電導コイルと常温との熱遮断
効果が向上し、より速く超電導コイルの冷却を行うこと
ができ、冷却時間を短縮化することができる効果があ
る。

【００７５】この発明によれば、電流リード側冷凍機
は、到達温度領域が低温側の冷却部と、冷却能力が低温
側の冷却部より高く、到達温度領域が高温側の冷却部と
を有し、電流リードは、超電導コイルに接続するまでに
高温側の冷却部と熱交換する高温側熱交換部と、低温側
の冷却部と熱交換する低温側熱交換部とを有し、これら
両熱交換部にて冷却されるので、電流リードの冷却を段
階的に無理なく行うことができる。これにより、電流リ
ードからの熱伝導による熱侵入をほぼ完全に抑えること
ができる効果がある。

【００７６】この発明によれば、電流リード側冷凍機
は、到達温度領域が高温超電導部材の超電導転移温度で
ある冷却部を有し、電流リードは、超電導コイル近傍の
部分を高温超電導部材で作成され、超電導コイルに接続
するまでに冷却部と熱交換する熱交換部を有し、該熱交
換部にて冷却されるので、安価な構成で冷凍機の冷却能
力を装置の各構成部の熱負荷に最適に配分することがで
きる効果がある。

【００７７】この発明によれば、電流リード側冷凍機
は、到達温度領域が低温側の冷却部と、冷却能力が低温
側の冷却部より高く、到達温度領域が高温側の冷却部と
を有し、電流リードは超電導コイルに接続するまでに高
温側の冷却部と熱交換する高温側熱交換部と、低温側の
冷却部と熱交換する低温側熱交換部とを有し、これら両
熱交換部にて冷却され、熱シールドは、高温側の冷却部
と熱交換する熱シールド側熱交換部を有するので、電流
リード側冷凍機の冷却能力を電流リードのみでなく熱シ
ールドの熱負荷に配分することにより、冷却効率を格段
に向上させた超電導電磁石装置を提供することができる
効果がある。

【００７８】この発明によれば、電流リード側冷凍機は
到達温度領域が低温側の冷却部と、冷却能力が低温側の
冷却部より高く、到達温度領域が高温側の冷却部とを有
し、電流リードは、超電導コイルに接続するまでに高温
側の冷却部と熱交換する高温側熱交換部と、低温側の冷
却部と熱交換する低温側熱交換部とを有し、これら両熱
交換部にて冷却され、熱シールドは、真空容器の内壁側
の熱シールド、若しくは超電導コイル側の熱シールドと
冷却部の少なくとも一方とが熱交換を行う熱シールド側
熱交換部を有し、該熱交換部にて冷却されるので、超電
導コイル側冷凍機の冷却能力を熱シールドの熱負荷に配
分し、電流リード側冷凍機の冷却能力を電流リードのみ
でなく熱シールドの熱負荷に配分することにより、真空
容器の内壁から超電導コイルに至るまでの各構成部間の
温度差による熱負荷が超電導コイル側冷凍機及び電流リ
ード側冷凍機の冷却能力を超えない程度に最適化された
理想的な温度勾配を形成することができる。これによ
り、冷却効率が格段に向上され、且つ、冷却状態が安定
化した超電導電磁石装置を提供することができる効果が
ある。

【００７９】この発明によれば、電流リード側冷凍機
は、到達温度領域が低温側の冷却部と、冷却能力が低温
側の冷却部より高く、到達温度領域が高温側の冷却部と
を有し、電流リードは、超電導コイルに接続するまでに
高温側の冷却部と熱交換する高温側熱交換部と、低温側
の冷却部と熱交換する低温側熱交換部とを有し、これら
両熱交換部にて冷却され、熱シールドは、外側熱シール
ド、若しくは部分熱シールドと冷却部の少なくとも一方
とが熱交換を行う熱シールド側熱交換部を有し、該熱交
換部にて冷却されるので、電流リード側冷凍機によって
超電導コイル側冷凍機の冷却対象から電流リードを分離
し、且つ、超電導コイル側冷凍機の冷却能力を外側熱シ
ールドの熱負荷に配分し、電流リード側冷凍機の冷却能
力を電流リードのみでなく部分熱シールドの熱負荷に配
分することにより、真空容器の内壁から超電導コイルに
至るまでの各構成部間の温度差による熱負荷が超電導コ
イル側冷凍機及び電流リード側冷凍機の冷却能力を超え
ない程度に最適化された理想的な温度勾配を形成するこ
とができる。これにより、冷却効率が格段に向上され、
且つ、冷却状態が安定化した超電導電磁石装置を提供す
ることができる効果がある。

【００８０】この発明によれば、熱シールド側熱交換部
は電流リード側冷凍機の冷却部と熱シールドの一部とを
接続する熱伝導部材とするので、より速く熱シールドの
冷却を行うことができ、冷却時間を短縮化することがで
きる。また、冷熱源の増加によって、より大面積の熱シ
ールドを冷却することができることから、大型の超電導
コイルを有した装置を構成することができる効果があ
る。

【００８１】この発明によれば、熱シールド側熱交換部
は電流リード側冷凍機の冷却部と熱シールドの一部とを
接続する熱伝導部材と、電流リード側冷凍機の冷却部と
熱シールドとを直接接続した接続部とからなるので、熱
シールドと冷却部との接触面積の増加による冷却効率の
向上によって上記段落００８０の構成と比較してより大
面積の熱シールドを冷却することができることから、大
型の超電導コイルを有した装置を構成することができる
効果がある。また、上記段落００８０の構成と比較して
より速く熱シールドの冷却を行うことができ、冷却時間
を短縮化することができる効果がある。

【００８２】この発明によれば、熱伝導部材は可撓性を
有するので、冷凍機の冷却部と熱シールドとの温度差に
よる熱応力を吸収し、冷凍機の冷却部と熱シールドとの
接続部分に応力が集中することを防止する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１による超電導電磁石
装置の構成を示す縦断面図である。

【図２】この発明の実施の形態２による超電導電磁石
装置の構成を示す縦断面図である。

【図３】この発明の実施の形態３による超電導電磁石
装置の構成を示す縦断面図である。

【図４】この発明の実施の形態４による超電導電磁石
装置の構成を示す縦断面図である。

【図５】この発明の実施の形態５による超電導電磁石
装置の構成を示す縦断面図である。

【図６】この発明の実施の形態６による超電導電磁石
装置の構成を示す縦断面図である。

【図７】特開平７−１４２２４２号公報に開示された
従来の超電導電磁石装置の構成を示す縦断面図である。

【図８】特開平７−１４２２４２号公報に開示された
他の超電導電磁石装置の構成を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１真空容器、２支持部材、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，
３Ｄ熱シールド（熱シールド、外側熱シールド、部分
熱シールド）、３ａ接続部（熱シールド側熱交換
部）、４超電導コイル、５支持部材、６冷凍機
（超電導コイル側冷凍機）、７熱伝導部材、８熱伝
導部材、９ブッシング、１０，１１，１２電流リー
ド、１３可撓性接続部材、１４，１４ａ冷凍機（電
流リード側冷凍機）、１５固定部（高温側熱交換
部）、１６固定部（低温側熱交換部）、１７，１７ａ
冷却部（高温側の冷却部）、１８冷却部（低温側の
冷却部）、１９空所、２０，２０ａ熱伝導部材（熱
シールド側熱交換部）、Ｆ−１冷却部（高温側の冷却
部）、Ｆ−２冷却部（低温側の冷却部）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導コイルを収納する真空容器と、こ
の真空容器内に設けられ、上記超電導コイルを冷却する
超電導コイル側冷凍機と、上記超電導コイルと電気的に接続されて、上記真空容器
外の電源を該超電導コイルに給電する電流リードと、この電流リードを介して伝わる熱を除去する電流リード
側冷凍機とを備えた超電導電磁石装置。
【請求項２】超電導コイルを収納する真空容器と、この真空容器内に設けられ、上記超電導コイルを冷却す
る超電導コイル側冷凍機と、上記超電導コイルと電気的に接続されて、上記真空容器
外の電源を該超電導コイルに給電する電流リードと、この電流リードを介して伝わる熱を除去する電流リード
側冷凍機と、上記真空容器内で上記超電導コイルを被覆し、上記超電
導コイル側冷凍機及び上記電流リード側冷凍機により冷
却されて、上記超電導コイルを常温側から熱遮断する熱
シールドとを備えた超電導電磁石装置。
【請求項３】超電導コイルを収納する真空容器と、この真空容器内に設けられ、上記超電導コイルを冷却す
る超電導コイル側冷凍機と、上記超電導コイルと電気的に接続されて、上記真空容器
外の電源を該超電導コイルに給電する電流リードと、この電流リードを介して伝わる熱を除去する電流リード
側冷凍機と、上記真空容器内で上記超電導コイルを二重に被覆し、上
記超電導コイル側冷凍機及び上記電流リード側冷凍機に
より冷却されて、上記超電導コイルを常温側から熱遮断
する熱シールドとを備えた超電導電磁石装置。
【請求項４】超電導コイルを収納する真空容器と、この真空容器内に設けられ、上記超電導コイルを冷却す
る超電導コイル側冷凍機と、上記超電導コイルと電気的に接続されて、上記真空容器
外の電源を該超電導コイルに給電する電流リードと、この電流リードを介して伝わる熱を除去する電流リード
側冷凍機と、上記真空容器内で上記超電導コイルを被覆する外側熱シ
ールドと、この外側熱シールドと上記超電導コイルとの
間に設けられ、該超電導コイルを部分的に被覆する部分
熱シールドとから構成され、上記超電導コイル側冷凍機
及び上記電流リード側冷凍機により冷却されて、上記超
電導コイルを常温側から熱遮断する熱シールドとを備え
た超電導電磁石装置。
【請求項５】電流リード側冷凍機は、到達温度領域が
低温側の冷却部と、冷却能力が上記低温側の冷却部より
高く、上記到達温度領域が高温側の冷却部とを有し、電流リードは、超電導コイルに接続するまでに上記高温
側の冷却部と熱交換する高温側熱交換部と、上記低温側
の冷却部と熱交換する低温側熱交換部とを有し、これら
両熱交換部にて冷却されることを特徴とする請求項１記
載の超電導電磁石装置。
【請求項６】電流リード側冷凍機は、到達温度領域が
高温超電導部材の超電導転移温度である冷却部を有し、電流リードは、超電導コイル近傍の部分を上記高温超電
導部材で作成され、上記超電導コイルに接続するまでに
上記冷却部と熱交換する熱交換部を有し、該熱交換部に
て冷却されることを特徴とする請求項５記載の超電導電
磁石装置。
【請求項７】電流リード側冷凍機は、到達温度領域が
低温側の冷却部と、冷却能力が上記低温側の冷却部より
高く、上記到達温度領域が高温側の冷却部とを有し、電流リードは、超電導コイルに接続するまでに上記高温
側の冷却部と熱交換する高温側熱交換部と、上記低温側
の冷却部と熱交換する低温側熱交換部とを有し、これら
両熱交換部にて冷却され、熱シールドは、上記冷却部の少なくとも一方と熱交換す
る熱シールド側熱交換部を有することを特徴とする請求
項２記載の超電導電磁石装置。
【請求項８】電流リード側冷凍機は、到達温度領域が
低温側の冷却部と、冷却能力が上記低温側の冷却部より
高く、上記到達温度領域が高温側の冷却部とを有し、電流リードは、超電導コイルに接続するまでに上記高温
側の冷却部と熱交換する高温側熱交換部と、上記低温側
の冷却部と熱交換する低温側熱交換部とを有し、これら
両熱交換部にて冷却され、熱シールドは、真空容器の内壁側の熱シールド、若しく
は上記超電導コイル側の熱シールドと上記冷却部の少な
くとも一方とが熱交換を行う熱シールド側熱交換部を有
し、該熱交換部にて冷却されることを特徴とする請求項
３記載の超電導電磁石装置。
【請求項９】電流リード側冷凍機は、到達温度領域が
低温側の冷却部と、冷却能力が上記低温側の冷却部より
高く、上記到達温度領域が高温側の冷却部とを有し、電流リードは、超電導コイルに接続するまでに上記高温
側の冷却部と熱交換する高温側熱交換部と、上記低温側
の冷却部と熱交換する低温側熱交換部とを有し、これら
両熱交換部にて冷却され、熱シールドは、外側熱シールド若しくは部分熱シールド
と上記冷却部の少なくとも一方とが熱交換を行う熱シー
ルド側熱交換部を有し、該熱交換部にて冷却されること
を特徴とする請求項４記載の超電導電磁石装置。
【請求項１０】熱シールド側熱交換部は、電流リード
側冷凍機の冷却部と熱シールドの一部とを接続する熱伝
導部材であることを特徴とする請求項７から請求項９の
うちいずれか１項記載の超電導電磁石装置。
【請求項１１】熱シールド側熱交換部は、電流リード
側冷凍機の冷却部と熱シールドの一部とを接続する熱伝
導部材と、上記電流リード側冷凍機の冷却部と上記熱シ
ールドとを直接接続した接続部とからなることを特徴と
する請求項７から請求項９のうちいずれか１項記載の超
電導電磁石装置。
【請求項１２】熱伝導部材は、可撓性を有することを
特徴とする請求項１０または請求項１１記載の超電導電
磁石装置。