JP2007053241A - 超電導マグネット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コイルの自重による曲げモーメント等による強度的負担を軽減し、かつ、冷却時の熱収縮によりコイルに径方向の過剰な負担がかかるのを抑制することが可能な超電導マグネット装置を提供する。
【解決手段】 この超電導マグネット装置は、軸方向が実質的に水平となるように同心状に配置された超電導コイル５０および６０と、超電導コイル５０および６０の一方端を支持するコイル支持部材７０ａと、超電導コイル６０の他方端を支持するコイル支持部材７０ｂと、超電導コイル５０の自重による下方への撓み変形に対する超電導コイル６０からの抗力を超電導コイル５０に伝達することにより、超電導コイル５０の他方端側を上方に向かって押圧可能な第１伝達部材５３および第２伝達部材６３とを備えている。そして、各伝達部材５３および６３は、冷却時の超電導コイル５０および６０間の相対変位を許容可能なように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、理化学用ＮＭＲ分析装置、ＭＲＩ装置、ＩＣＲ質量分析装置等に用いられる超電導マグネット装置に関する。

従来、理化学用ＮＭＲ分析装置、ＭＲＩ装置、ＩＣＲ質量分析装置などに用いられ、強力な磁場を発生させることが可能な超電導マグネット装置の一例として、超電導コイルをその中心軸が水平となるように設置した、いわゆる横置き型の超電導マグネット装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この特許文献１には、同心状に配置された内側コイルおよび外側コイルの軸方向の一端同士をコイル支持体により一体的に固定支持した超電導マグネット装置（特許文献１中の図２参照）を、上記の横置き型に適用する場合には、自重によりコイルに発生する曲げモーメントを低減させる必要があることが記載されている。

また、特許文献１には、上記曲げモーメントを低減するために、内側コイルおよび外側コイルの軸方向の一方端同士をコイル支持体により一体的に固定支持するとともに、内側コイルの他方端を径方向荷重支持体により固定支持し、さらに、その径方向荷重支持体の外周面で外側コイルの他方端の内周面を支持するように構成した超電導コイル荷重支持体（特許文献１中の図１参照）が開示されている。この径方向荷重支持体は、外側コイルの内周に嵌め込まれており、各コイルを径方向に支持しながら、軸方向には互いにスライド可能にしている。
特開平１１−３２９８２４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の超電導コイル荷重支持体では、径方向荷重支持体を外側コイルの内周に嵌め込むことにより外側コイルを径方向に支持しているため、冷却時に内側コイルおよび外側コイルの径方向の間隔が小さくなるのに伴って径方向荷重支持体に作用する応力を、径方向荷重支持体が十分に吸収するのが困難であるという不都合がある。これにより、冷却時に、上記応力が抗力として外側コイルに過剰に作用する場合があるという問題点がある。

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あり、コイルの自重による曲げモーメント等による強度的負担を軽減し、かつ、冷却時の熱収縮によりコイルに径方向の過剰な負担がかかるのを抑制することが可能な超電導マグネット装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明の請求項１に記載の超電導マグネット装置は、巻枠に超電導線材を巻線して構成され、軸方向が実質的に水平方向と一致するように同心状に配置された第１コイルおよび第２コイルと、第１コイルの一方端のみを支持するとともに、第２コイルの少なくとも一方端を支持するコイル支持手段と、第１コイルの自重による下方への撓み変形に対する第２コイルからの抗力を第１コイルに伝達することにより、第１コイルの他方端側を上方に向かって押圧可能な抗力伝達手段とを備え、抗力伝達手段は、第１コイルの他方端側の周面に対応する位置に設けられ、冷却時の第１コイルと第２コイルとの径方向の相対変位を許容可能となるように構成されていることを特徴とする。

この請求項１に記載の超電導マグネット装置では、上記のように、第１コイルの自重による下方への撓み変形に対する第２コイルからの抗力を第１コイルに伝達することにより、第１コイルの他方端側を上方に向かって押圧する抗力伝達手段を設けることによって、抗力伝達手段により、コイル支持手段に支持されていない第１コイルの他方端側を、第１コイルの自重による下方向への力（重力）に抗して上方に向かって押圧することができるので、第１コイルの他方端が下方に所定量以上撓むのを抑制することができる。また、抗力伝達手段を、冷却時の第１コイルと第２コイルとの径方向の相対変位を許容可能となるように構成することによって、抗力伝達手段により、冷却時の第１コイルと第２コイルとの径方向の相対変位を吸収することができる。

上記請求項１に記載の超電導マグネット装置において、好ましくは、抗力伝達手段は、弾性変形可能な弾性部材を含み、弾性部材の弾性変形によって、冷却時の第１コイルと第２コイルとの径方向の相対変位を許容するように構成されている（請求項２）。このように構成すれば、弾性部材を弾性変形させるだけで、冷却時のコイル間の相対変位を許容して吸収することができるので、冷却時に、コイルに径方向の過剰な負担がかかるのを容易に抑制することができる。

上記請求項１または２に記載の超電導マグネット装置において、抗力伝達手段は、第１コイルに取り付けられ、所定の弾性率を有する弾性部材と、第２コイルの巻枠に当接し、弾性部材に回転可能に保持された転動部材とを含み、弾性部材が弾性変形することによって、冷却時の第１コイルと第２コイルとの径方向の相対変位を許容するとともに、転動部材が第２コイルの巻枠上を転動することによって、冷却時の第１コイルと第２コイルとの軸方向の相対変位を許容する構成としてもよい（請求項３）。このように構成すれば、所定の弾性率を有する弾性部材が弾性変形することによって、冷却時の第１コイルと第２コイルとの径方向の相対変位を許容して吸収することができるので、冷却時に、コイルに径方向の過剰な負担がかかるのを容易に抑制することができる。また、弾性部材に回転可能に保持された転動部材が第２コイルの巻枠上を転動することによって、冷却時の第１コイルと第２コイルとの軸方向の相対変位を許容して吸収することができるので、冷却時に、コイルに軸方向の過剰な負担がかかるのを容易に抑制することができる。また、第２コイルの巻枠上を転動する転動部材を用いることによって、転動部材と第２コイルの巻枠との接触部分を点や線に準じた形状にしてその接触面積を低減することができるとともに、冷却時のコイル間の軸方向の相対変位による接触部分の移動に伴って転動部材を転動させることができるので、冷却時の第１コイルと第２コイルとの軸方向の相対変位に伴って上記接触部分に発生する摩擦熱を大幅に低減することができる。

上記請求項１または２に記載の超電導マグネット装置において、抗力伝達手段は、第１コイルの他方端近傍に設けられた第１伝達部材と、第２コイルの他方端近傍に設けられ、少なくとも冷却時に第１伝達部材に接触可能な第２伝達部材とを含み、第１伝達部材および第２伝達部材は、各々傾斜面を有しており、冷却時の第１コイルと第２コイルとの軸方向および径方向の相対変位により傾斜面に沿って互いに摺動可能なように、傾斜面同士が対向して配置されている構成としてもよい（請求項４）。このように構成すれば、冷却時のコイル間の径方向および軸方向の相対変位に伴って第１伝達部材の傾斜面と第２伝達部材の傾斜面とが互いに摺動するので、上記コイル間の相対変位により第１伝達部材および第２伝達部材の位置関係が変化したとしても、第１伝達部材および第２伝達部材を互いに無理なく接触させ続けることができる。

上記請求項４に記載の超電導マグネット装置において、好ましくは、第１伝達部材および第２伝達部材は、少なくとも一方が第１コイルの巻枠の弾性率および第２コイルの巻枠の弾性率よりも小さい弾性率を有している（請求項５）。このように構成すれば、冷却時のコイル間の径方向および軸方向の相対変位に対して、第１伝達部材および第２伝達部材の少なくとも一方を大きく変形させることができるので、上記相対変位を抗力伝達手段が十分に吸収することができる。これにより、冷却時に第１コイルおよび第２コイルに過剰な負担がかかるのを十分に抑制することができる。

上記請求項４または５に記載の超電導マグネット装置において、好ましくは、第１伝達部材の第２伝達部材に対する摩擦係数は、第１コイルの巻枠と第２コイルの巻枠との間の摩擦係数よりも小さい（請求項６）。このように構成すれば、冷却時に互いに摺動する第１伝達部材の傾斜面と第２伝達部材の傾斜面との間に発生する摩擦熱を低減することができるので、当該超電導マグネット装置の内部温度を、各コイルが超電導状態となるのに必要な極低温（液体ヘリウム温度）まで容易に低下させることができる。

上記請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導マグネット装置において、好ましくは、抗力伝達手段は、第１コイルの他方端側の周面に対応する位置に全周に亘って設けられている（請求項７）。このように構成すれば、抗力伝達手段を第１コイルの軸心に対して等方性を有するように配置することができるので、当該超電導マグネット装置をコイルの軸方向が水平であるという条件下でどの向きに設置したとしても、上記と同様の効果を得ることができる。

また、この発明の請求項８に記載の超電導マグネット装置は、巻枠に超電導線材を巻線して構成され、軸方向が実質的に水平方向と一致するように同心状に配置された第１コイルおよび第２コイルと、第１コイルの一方端のみを支持するとともに、第２コイルの少なくとも一方端を支持するコイル支持手段と、第１コイルの自重による下方への撓み変形に対する第２コイルからの抗力を第１コイルに伝達することにより、第１コイルの他方端側を上方に向かって押圧可能な抗力伝達手段とを備え、抗力伝達手段は、第１コイルの他方端側の周面のうち、第２コイルの周面と対向し、かつ、第１コイルの自重による撓み変形により第２コイルの周面に接近する領域に対応する位置に設けられ、抗力伝達手段が設けられた位置の反対側には、第１コイルが移動可能な空間が形成されていることを特徴とする。

この請求項８に記載の超電導マグネット装置では、上記のように、第１コイルの自重による下方への撓み変形に対する第２コイルからの抗力を第１コイルに伝達することにより、第１コイルの他方端側を上方に向かって押圧する抗力伝達手段を設けることによって、抗力伝達手段により、コイル支持手段に支持されていない第１コイルの他方端側を、第１コイルの自重による下方向への力（重力）に抗して上方に向かって押圧することができるので、第１コイルの他方端が下方に所定量以上撓むのを抑制することができる。また、抗力伝達手段を、第１コイルの他方端側の周面のうち、第２コイルの周面と対向し、かつ、第１コイルの自重による撓み変形により第２コイルの周面に接近する領域に対応する位置に設け、抗力伝達手段が設けられた位置の反対側に、第１コイルが移動可能な空間を形成することによって、冷却時の第１コイルと第２コイルとの径方向の相対変位を、抗力伝達手段が設けられた位置の反対側の領域へ第１コイルを移動させることにより吸収することができる。なお、上記構成において、第１コイルが第２コイルの内側に配置されている場合には、抗力伝達手段を第１コイルの他方端側の外周面のうち軸心より下方の所定領域に対応する位置に設けることによって、抗力伝達手段により第１コイルの他方端の下方への撓みを抑制することができる。また、第１コイルが第２コイルの外側に配置されている場合には、抗力伝達手段を第１コイルの他方端側の内周面のうち軸心より上方の所定領域に対応する位置に設けることによって、抗力伝達手段により第１コイルの他方端の下方への撓みを抑制することができる。

上記請求項８に記載の超電導マグネット装置において、好ましくは、抗力伝達手段は、冷却時の第１コイルと第２コイルとの径方向の相対変位を許容可能である（請求項９）。このように構成すれば、冷却時の第１コイルと第２コイルとの径方向の相対変位を、抗力伝達手段が許容して吸収することができるので、冷却時に第１コイルおよび第２コイルに過剰な力が作用するのを十分に抑制することができる。

上記請求項１〜９のいずれか１項に記載の超電導マグネット装置において、コイル支持手段は、第２コイルの両端を支持するように構成されていてもよい（請求項１０）。

この発明の超電導マグネット装置によれば、第１コイルの他方端が下方に所定量以上撓むのを抑制することができるので、第１コイルの自重による曲げモーメントによる強度的負担を軽減することができる。また、冷却時の第１コイルと第２コイルとの径方向の相対変位を吸収することができるので、冷却時の熱収縮によりコイルに径方向の過剰な負担がかかるのを抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による超電導マグネット装置の構成を示した断面正面図であり、図２および図３は、図１に示した超電導マグネット装置の要部構成を示した図である。また、図４は、図２に示した超電導マグネット装置の要部の冷却前の状態を示した図である。まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態による超電導マグネット装置の構成について説明する。なお、本実施形態の超電導マグネット装置は、超電導コイルの軸方向が水平方向とほぼ一致する、いわゆる、横置き型の超電導マグネット装置である。

第１実施形態の超電導マグネット装置は、図１に示すように、液体ヘリウム１３を収容可能な液体ヘリウム容器１４と、液体ヘリウム容器１４を外側から覆う輻射熱シールド板１６と、輻射熱シールド板１６を外側から覆う真空容器２０とにより構成される低温容器１０を備えている。図中符号１３ａは、液体ヘリウム容器１４内に収容された液体ヘリウム１３の液面である。また、液体ヘリウム容器１４内には、２つの超電導コイル５０および６０が液体ヘリウム１３中に浸漬された状態で配設されている。なお、第１実施形態の超電導コイル５０および６０は、それぞれ、本発明の「第１コイル」および「第２コイル」の一例である。

すなわち、第１実施形態による超電導マグネット装置では、液体ヘリウム容器１４が超電導コイル５０および６０をその冷却のための媒体である液体ヘリウム１３とともに収納しており、輻射熱シールド板１６および真空容器２０が上記液体ヘリウム容器１４を収容している。

また、超電導コイル５０および６０と液体ヘリウム容器１４と輻射熱シールド板１６と真空容器２０とは、装置中央に設けられたサンプルセット用の貫通穴１１を取り巻くようにドーナツ状に積層配置されており、超電導コイル５０および６０と貫通穴１１とは、ほぼ同軸となるように構成されている。

また、液体ヘリウム容器１４、輻射熱シールド板１６および真空容器２０の上部には、それぞれ、一対の首管１４ａ、１６ａおよび２０ａが上方に向かって延設されている。これらの首管１４ａ、１６ａおよび２０ａは、その順で管径が大きくなるように設定されており、各管の軸心が互いに合致するように配設されている。そして、首管１４ａの外周面に首管１６ａおよび２０ａの上端部が溶接、ろう付、はんだ付等の手段により各々接合された状態となっている。従って、液体ヘリウム容器１４の首管１４ａが真空容器２０の首管２０ａの上端から吊り下がり、その首管１４ａから輻射熱シールド板１６の首管１６ａが吊り下がった状態となっている。

また、液体ヘリウム容器１４と輻射熱シールド板１６との間、および、輻射熱シールド板１６と真空容器２０との間には、それぞれ、図示しない連結棒が適宜配設されている。これらの連結棒は、ＧＦＲＰやＣＦＲＰなどの断熱性の高い材料により構成されており、輻射熱シールド板１６を含めた各容器同士の連結を行うとともに、事前に張力が付与されたテンションロッドとして機能するように構成されている。

また、液体ヘリウム容器１４、輻射熱シールド板１６および真空容器２０は、それぞれ、非磁性材料により構成されており、その具体的な材質は特に問わないが、液体ヘリウム容器１４および真空容器２０の材質としては、たとえばステンレス鋼が好適であり、輻射熱シールド板１６の材質としては、たとえば熱伝導性に優れたアルミニウム合金が好適である。

次に、図１および図３を参照して、液体ヘリウム容器１４内に収容される超電導コイル５０および６０の構成について説明する。

超電導コイル５０および６０は、図１および図３に示すように、各々円筒形状に形成されており、その軸心が互いに合致するようにほぼ水平に配置されている。すなわち、超電導コイル５０は、液体ヘリウム容器１４内の径方向の内側に配設されており、超電導コイル６０は、上記超電導コイル５０を取り巻くように、超電導コイル５０の外周面と径方向に所定間隔を隔てて配設されている。また、超電導コイル６０は、超電導コイル５０に比べて軸方向に長くなるように構成されている。

この超電導コイル５０は、巻枠５１に超電導線材５２を巻線することにより構成されており、巻枠５１は、円筒状の胴部５１ａと、胴部５１ａの軸方向の両端から径方向に延びるように形成された一対のつば部５１ｂおよび５１ｃとを有している。また、超電導コイル６０も、上述の超電導コイル５０と同様、胴部６１ａと一対のつば部６１ｂおよび６１ｃとを有する巻枠６１に超電導線材６２を巻線することにより構成されている。このような巻枠５１，６１は、アルミニウム合金やステンレス鋼を主体とする合金などにより構成されるが、上記合金同士を軸方向に繋げることにより構成されていてもよい。また、超電導線材５２および６２としては、たとえば、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ、Ｎｂ_３Ａｌ等の化合物系や酸化物系が挙げられる。

前記超電導コイル５０を構成する超電導線材５２及び巻枠５１の材質と、超電導コイル６０を構成する超電導線材６２及び巻枠６１の材質は、互いに同じものであってもよいが、この実施の形態では、前記超電導コイル５０と超電導コイル６０とで互いに熱収縮率の異なる材質が用いられている。具体的には次のとおりである。

内側の巻枠５１：ステンレス鋼
外側の巻枠６１：アルミニウム合金
内側の超電導線材５２：Ｎｂ_３Ｓｎ
外側の超電導線材６２：ＮｂＴｉ
また、これらの超電導コイル５０および６０は、一対のコイル支持部材７０ａおよび７０ｂにより支持されている。詳細には、液体ヘリウム容器１４内には、コイル支持部材７０ａおよび７０ｂが上記貫通穴１１を取り巻くように、かつ、軸方向に所定間隔を隔てて配設されている。超電導コイル５０の一方端側（図中の右側）のつば部５１ｂは、スペーサ７１を介してコイル支持部材７０ａにボルト８０により固定されており、超電導コイル５０の他方端側（図中の左側）のつば部５１ｃは、支持部材等により支持されておらず、自由端として振舞うことが可能なようになっている。また、超電導コイル６０の一方端側のつば部６１ｂは、コイル支持部材７０ａにボルト８０により固定されており、超電導コイル６０の他方端側のつば部６１ｃは、コイル支持部材７０ｂにボルト８０により固定されている。

なお、前記コイル支持部材７０ａ，７０ｂの材質としてはアルミニウム合金が好適であり、またスペーサ７１の材質としてはステンレス鋼またはアルミニウム合金が好適であるが、その具体的な材質は特に限定されない。

このように構成された超電導コイル５０は、熱や重力などの外的要因により変形可能であり、具体的には、液体ヘリウム容器１４内に液体ヘリウム１３を供給して容器内温度を常温から液体ヘリウム温度まで下降させることにより軸方向および径方向に熱収縮（変位）するとともに、超電導コイル５０の自重によりその他方端が下方に向かって撓み変形する。なお、超電導コイル５０の径方向の熱収縮（変位）は、コイル支持部材７０ａとともに行われる。

また、超電導コイル６０は、冷却時にコイル支持部材７０ａおよび７０ｂとともに径方向に熱収縮（変位）する一方、その両端がコイル支持部材７０ａおよび７０ｂに固定されているため、軸方向にはほとんど熱収縮することがないとともに、その自重によってもほとんど変形することがないようになっている。

また、冷却時における外側の超電導コイル６０の径方向の熱収縮量は、内側の超電導コイル５０の径方向の熱収縮量よりも大きい。

これらのことから、第１実施形態の超電導マグネット装置では、超電導コイル５０の他方端側の外周面（つば部５１ｃ）のうち軸心よりも下方領域が、自重により超電導コイル６０の内周面（胴部６１ａ）に近づくように下方に撓み変形する。さらに、冷却時には、超電導コイル５０の外周面が超電導コイル６０の内周面に相対的に近づくように、超電導コイル５０および６０が径方向に熱収縮（変位）する。

一方、冷却時におけるコイル軸方向の熱収縮については、外側の超電導コイル６０がコイル支持部材７０ａ，７０ｂにより両端支持された状態にあるのに対し、内側の超電導コイル５０はコイル支持部材７０ａのみによって片持ち梁の状態で支持されていることから、内側の超電導コイル５０の熱収縮量が外側の超電導コイル６０よりも大きくなる。すなわち、前記冷却時において、超電導コイル５０における巻枠５１の自由端側のつば部５１ｃは、超電導コイル６０における巻枠６１の同じ側のつば部６１ｃよりも大きくコイル支持部材７０ａ側に変位することになる。

そこで、本実施形態では、前記両超電導コイル５０，６０間の軸方向及び径方向についての熱収縮量の差を考慮すべく、これら超電導コイル５０，６０間に図１〜図３に示すような所定の形状の第１伝達部材５３及び第２伝達部材６３が介設されている。

具体的に、前記第１伝達部材５３は、超電導コイル５０のつば部５１ｃの先端、つまり、超電導コイル５０の外周面に、その全周に亘って取り付けられている。この第１伝達部材５３は、図２および図４に示すように、軸方向に沿った断面形状がほぼ直角三角形となるように構成されており、その傾斜面５３ａが超電導コイル５０の他方端側（図中の左側）を向くように前記つば部５１ｃに固定されている。

一方、第２伝達部材６３は、超電導コイル６０の胴部６１ａの他方端側の内周面に、全周に亘って取り付けられている。この第２伝達部材６３も、上記第１伝達部材５３と同様、軸方向に沿った断面形状がほぼ直角三角形となるように構成されており、その傾斜面６３ａが前記第１伝達部材５３の傾斜面５３ａと対向して接触可能となるように、すなわち、前記傾斜面６３ａが超電導コイル６０の一方端側（図中の右側）を向くように、前記胴部６１ａに第２伝達部材６３が固定されている。

これらの各伝達部材５３および６３は、上述した冷却時の超電導コイル５０および６０間の相対変位に応じて、傾斜面５３ａ（６３ａ）に沿って摺動するように構成されている。すなわち、各伝達部材５３および６３は、液体ヘリウム容器１４内に液体ヘリウム１３を供給する前の状態では、図４に示すように、互いの傾斜面５３ａおよび６３ａ同士が部分的に重なるような位置関係で配設されているのに対し、液体ヘリウム容器１４内に液体ヘリウム１３を供給して容器内温度を常温から液体ヘリウム温度まで下降させる際に、超電導コイル５０，６０間の径方向距離が縮まり、かつ、超電導コイル５０が超電導コイル６０よりも大きく軸方向に熱収縮するのに伴なって、両伝達部材５３，６３はその傾斜面５３ａ，６３ａにほぼ沿う方向に相対的に摺動し、その結果、図２に示すように、互いの傾斜面５３ａおよび６３ａ同士がほぼ全面に亘って重なるような位置関係となる。

上記のように、各伝達部材５３および６３が傾斜面５３ａおよび６３ａを有するように構成することによって、上述した冷却時の超電導コイル５０および６０間の径方向および軸方向の相対変位に伴って冷却時に第１伝達部材５３および第２伝達部材６３の位置関係が変化する場合に、第１伝達部材５３の傾斜面５３ａと第２伝達部材６３の傾斜面６３ａとが容易に摺動するので、第１伝達部材５３および第２伝達部材６３を互いに無理なく接触させ続けることが可能である。

なお、第１伝達部材５３および第２伝達部材６３が冷却時に無理なく（その接触部分に大きな負荷が加わることなく）摺動するために、その傾斜面５３ａおよび６３ａの傾斜角度を好適な値に設定しておくのが好ましい。

すなわち、容器内温度を常温から液体ヘリウム温度まで下降させた際の超電導コイル６０に対する超電導コイル５０の軸方向成分の相対変位Ｐｘ（図４参照）および径方向成分の相対変位Ｐｙをデータ等から算出し、超電導コイル５０および６０間の相対変位Ｐを求める。そして、傾斜面５３ａおよび６３ａが上記ベクトルＰの向きに沿うようにその傾斜角度を設定することによって、冷却時の各伝達部材５３および６３の摺動に伴う負荷を低減することができる。この傾斜角度は、超電導コイル５０および６０の材質（熱膨張率）や大きさ等により種々に変化する値であるため、具体的には明記しないが、約４５°以下に設定されるのが好ましいと考えられる。

また、第１伝達部材５３の弾性率および第２伝達部材６３の弾性率は、いずれも、超電導コイル５０の巻枠５１の弾性率（この実施の形態ではステンレス鋼の弾性率：約２１０ＧＰａ）および超電導コイル６０の巻枠６１の弾性率（この実施の形態ではアルミニウム合金の弾性率：約７０ＧＰａ）よりも小さくなるように構成することが好ましい。また、第１伝達部材５３と第２伝達部材６３との間の摩擦係数は、超電導コイル５０の巻枠５１と超電導コイル６０の巻枠６１との間の摩擦係数よりも小さくなるように構成するのが、好ましい。具体的に、前記第１伝達部材５３および第２伝達部材６３の材質としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（弾性率約０．６ＧＰａ）、ポリカーボネート（弾性率約２．４ＧＰａ）、エポキシ（弾性率約２．６ＧＰａ）、ポリイミド（弾性率約４．４ＧＰａ）などの絶縁物や、ＧＦＲＰなどの繊維強化型樹脂を成形あるいは打ち抜きを施した材料が好適である。ただし、両伝達部材５３，６３にはこれらの伝達部材５３，６３が設けられる巻枠５１，６１の材質（この実施の形態ではステンレス鋼及びアルミニウム合金）と同じ材質を用いることも可能である。

このように構成された超電導コイル５０および６０では、上述した外的要因による超電導コイル５０および６０の変形時に、超電導コイル５０（６０）の軸心よりも下方の所定領域において第１伝達部材５３および第２伝達部材６３が互いに接触するので、超電導コイル５０の自重による下方への撓み変形に対する超電導コイル６０からの抗力が超電導コイル５０に伝達され、その結果、超電導コイル５０の他方端側が上方に向かって押圧される。また、冷却時に第１伝達部材５３および第２伝達部材６３が互いの傾斜面５３ａおよび６３ａに沿って容易に摺動するので、冷却時の超電導コイル５０および６０間の相対変位が無理なく吸収される。

第１実施形態では、上記のように、超電導コイル５０の自重による下方への撓み変形に対する超電導コイル６０からの抗力を超電導コイル５０に伝達することにより、超電導コイル５０の他方端側を上方に向かって押圧する第１伝達部材５３および第２伝達部材６３を設けることによって、各伝達部材５３および６３により、自由端の超電導コイル５０の他方端側を、超電導コイル５０の自重による下方向への力（重力）に抗して上方に向かって押圧することができるので、超電導コイル５０の他方端が下方に所定量以上撓むのを抑制することができる。これにより、超電導コイル５０の自重による曲げモーメントによって、巻枠５１の胴部５１ａとつば部５１ｂとの境界部分のうち上端近傍に加わる強度的負担を軽減することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、第１伝達部材５３および第２伝達部材６３を、冷却時の超電導コイル５０および６０間の径方向の相対変位を許容可能なように構成することによって、第１伝達部材５３および第２伝達部材６３により、上記超電導コイル５０および６０間の径方向の相対変位を吸収することができるので、冷却時の熱収縮により超電導コイル５０および６０に径方向の過剰な負担がかかるのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、冷却時の超電導コイル５０および６０間の径方向および軸方向の相対変位に伴って第１伝達部材５３の傾斜面５３ａと第２伝達部材６３の傾斜面６３ａとが互いに摺動するので、上記超電導コイル５０および６０間の相対変位により第１伝達部材５３および第２伝達部材６３の位置関係が変化したとしても、第１伝達部材５３および第２伝達部材６３を互いに無理なく接触させ続けることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、第１伝達部材５３の弾性率および第２伝達部材６３の弾性率を、いずれも、超電導コイル５０の巻枠５１の弾性率および超電導コイル６０の巻枠６１の弾性率よりも小さくなるように構成することによって、冷却時の超電導コイル５０および６０間の径方向および軸方向の相対変位に対して、各伝達部材５３および６３を大きく変形させることができるので、上記相対変位を各伝達部材５３および６３が十分に吸収することができる。これにより、冷却時に超電導コイル５０および６０に過剰な負担がかかるのを十分に抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、第１伝達部材５３と第２伝達部材６３との間の摩擦係数が、超電導コイル５０の巻枠５１と超電導コイル６０の巻枠６１との間の摩擦係数よりも小さくなるように構成することによって、冷却時に互いに摺動する第１伝達部材５３の傾斜面５３ａと第２伝達部材６３の傾斜面６３ａとの間に発生する摩擦熱を低減することができるので、当該超電導マグネット装置の内部温度を、各超電導コイル５０および６０が超電導状態となるのに必要な極低温まで容易に低下させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、第１伝達部材５３および第２伝達部材６３を、超電導コイル５０および６０の周面に全周に亘って設けることによって、各伝達部材５３および６３を超電導コイル５０（６０）の軸心に対して等方性を有するように配置することができるので、当該超電導マグネット装置を超電導コイル５０（６０）の軸方向が水平であるという条件下でどの向きに設置したとしても、上述した第１実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。

なお、上記第１実施形態では、図３に示すように、第１伝達部材５３および第２伝達部材６３を超電導コイル５０および６０に全周に亘って設ける例について示したが、本発明はこれに限らず、図５に示すように、第１伝達部材５３を超電導コイル５０の外周面のうち軸心より下方の所定領域（本実施形態では、軸心から鉛直下方に向いた状態での見た目の角度αが約９０°となる範囲内）のみに設け、第２伝達部材６３を超電導コイル６０の内周面のうち軸心より下方の上記所定領域のみに設けるように構成してもよい。このように構成すれば、冷却時の超電導コイル５０および６０間の径方向の相対変位を、伝達部材５３および６３が設けられていない軸心より上方の領域に超電導コイル５０を移動させることにより吸収することができる。また、この場合には、巻枠５１のつば部５１ｃを延設することによって第１伝達部材５３を形成してもよいし、巻枠６１の胴部６１ａに第２伝達部材６３を一体的に形成してもよい。

また、各伝達部材５３および６３は、各設定領域に必ずしも連続して形成される必要はなく、各設定領域内に飛び石状に形成されていてもよいが、伝達部材５３および６３を、それぞれ、軸心から鉛直下方の位置に少なくとも設けた場合には、超電導コイル５０の自重による下方への撓み変形に対する超電導コイル６０の抗力を超電導コイル５０に効率良く伝達することができるので好ましい。

また、図６および図７に示すように、巻枠５１のつば部５１ｃに凹部５１ｄを形成し、その凹部５１ｄ内に所定のバネ定数を有するバネ部材５４を配設するとともに、そのバネ部材５４の一方端に、巻枠６１の胴部６１ａに当接しながら転動するボール部材５５を回転可能に保持させるような構成としてもよい。このように構成すれば、バネ部材５４が圧縮変形（弾性変形）することによって、冷却時の超電導コイル５０および６０間の径方向の相対変位を容易に許容して吸収することができるので、冷却時に各コイル５０および６０に径方向に過剰な負担がかかるのを容易に抑制することができる。また、上記構成によれば、バネ部材５４に回転可能に保持されたボール部材５５が超電導コイル６０の巻枠６１上を転動することによって、冷却時の超電導コイル５０および６０間の軸方向の相対変位を容易に許容して吸収することができるので、冷却時に各コイル５０および６０に軸方向に過剰な負担がかかるのを容易に抑制することができる。また、ボール部材５５を、超電導コイル６０の巻枠６１上を転動可能なように構成することによって、ボール部材５５と超電導コイル６０の巻枠６１との接触部分を点や線に準じた形状にしてその接触面積を低減することができるとともに、冷却時の超電導コイル５０および６０間の軸方向の相対変位による接触部分の移動に伴ってボール部材５５を転動させることができるので、冷却時の超電導コイル５０および６０間の軸方向の相対変位に伴って上記接触部分に発生する摩擦熱を大幅に低減することができる。なお、この場合にも、バネ部材５４およびボール部材５５は、超電導コイル５０の全周に亘って設けられていてもよいし、上述の所定領域に限定して設けられていてもよい。

（第２実施形態）
また、超電導コイル６０の他方端は、必ずしもコイル支持部材７０ｂにより固定支持されていなくてもよく、本発明の第２実施形態として図８に示すように、超電導コイル５０と同様に自由端として振舞うことが可能な構成としてもよい。この場合には、超電導コイル６０は、上述した第１実施形態の超電導コイル６０と異なり、熱や重力などの外的要因により変形可能であって、冷却時に軸方向および径方向に熱収縮（変位）するとともに、超電導コイル６０の自重により他方端が下方に向かって撓み変形する。なお、第２実施形態の超電導コイル５０および６０は、それぞれ、本発明の「第２コイル」および「第１コイル」の一例である。

この第２実施形態では、超電導コイル６０が超電導コイル５０に比べて軸方向により長くなるような構成となっているため、超電導コイル６０の方が超電導コイル５０よりも重力の影響を顕著に受け、したがって、超電導コイル６０の他方端が超電導コイル５０の他方端に比べて下方により大きく撓み変形する。また、上記第１実施形態と同様、冷却時の超電導コイル６０の径方向の熱収縮量は、超電導コイル５０の径方向の熱収縮量よりも大きいが、上記第１実施形態と異なり、超電導コイル５０，６０の双方が片持ち梁の状態で支持されており、かつ、超電導コイル６０の巻枠６１の材質（この実施の形態ではアルミニウム合金）が超電導コイル５０の巻枠５１の材質（この実施の形態ではステンレス鋼）よりも熱収縮率の大きいものであるため、軸方向についても超電導コイル６０の方が超電導コイル５０よりも大きく収縮する構造となっている。

よって、この第２実施形態では、前記第１実施形態とは逆に、超電導コイル５０の外周面に取り付けられた第１伝達部材５３は、図８に示すように、その傾斜面が超電導コイル５０の一方端側（図中の右側）を向いた状態で配設されるのが好ましく、超電導コイル６０の内周面に取り付けられた第２伝達部材６３は、上記第１伝達部材５３と傾斜面同士が対向して接触可能なように、その傾斜面が超電導コイル６０の他方端側（図中の左側）を向いた状態で配設されるのが好ましい。

これにより、第１伝達部材５３および第２伝達部材６３が超電導コイル５０（６０）の軸心よりも上方の所定領域において互いに接触することにより、超電導コイル５０の他方端側が上方に向かって押圧されるとともに、冷却時に第１伝達部材５３および第２伝達部材６３が互いの傾斜面に沿って摺動することにより、超電導コイル５０および６０間の相対変位が容易に吸収される。

なお、第２実施形態では、超電導コイル６０の他方端が超電導コイル５０の他方端に比べて下方により大きく撓み変形する構成の超電導マグネット装置に本発明を適用した例について説明したが、これに限らず、超電導コイル５０の他方端の方が超電導コイル６０の他方端よりも下方により大きく撓む構成の超電導マグネット装置にも本発明を適用可能である。この場合には、上記第１実施形態とほぼ同様の構成となるため、その説明を省略する。

また、第２実施形態の効果は、上記第１実施形態の効果とほぼ同様である。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図９に示す。ここに示す超電導マグネット装置は、無冷媒式のものであって、外側容器として真空容器２０およびその内側の輻射熱シールド板１６を備え、その内側にコイル冷却ステージ３６が収納されており、このコイル冷却ステージ３６上に超電導コイル１５０および１６０が固定支持されている。なお、第３実施形態の超電導コイル１５０および１６０は、それぞれ、本発明の「第２コイル」および「第１コイル」の一例である。また、第３実施形態の超電導コイル１５０および１６０は、内側の超電導コイル１５０が外側の超電導コイル１６０よりも長くなるように構成されていること以外、上記第１実施形態の超電導コイル５０および６０とほぼ同様の構成を有しているため、その詳細な説明を省略する。

第３実施形態の超電導マグネット装置は、冷熱源として冷凍機３０を備え、その基端部分が真空容器２０に固定されている。この冷凍機３０には、第１ステージ３１およびこの第１ステージ３１よりも低温の第２ステージ３２を有する二段階冷凍方式の冷凍機が用いられ、第１ステージ３１が輻射熱シールド板１６に熱伝導可能に接続されるとともに、第２ステージ３２が伝熱材３４を介してコイル冷却ステージ３６に熱伝導可能に接続されている。

コイル冷却ステージ３６は、銅等の高熱伝導材料により平板状に形成され、図略の連結棒によって輻射熱シールド板１６の適所に連結されている。そして、冷凍機３０の生成する冷熱によって各コイル１５０および１６０の運転温度まで冷却されるとともに、その冷熱を各コイル１５０および１６０に伝達する伝熱媒体として機能する。

超電導コイル１５０の一方端側（図中の右側）のつば部１５１ｂは、コイル冷却ステージ３６にボルト８０により固定されており、超電導コイル１５０の他方端側（図中の左側）のつば部１５１ｃは、コイル支持部材１７０ｂにボルト８０により固定されている。これにより、超電導コイル１５０は、冷却時に径方向に熱収縮（変位）する一方、軸方向にはほとんど熱収縮することがないとともに、その自重によってもほとんど変形することがないようになっている。

また、超電導コイル１６０の一方端側のつば部１６１ｂは、スペーサ１７１を介してコイル冷却ステージ３６にボルト８０により固定されており、超電導コイル１６０の他方端側のつば部１６１ｃは、自由端として振舞うことが可能なようになっている。これにより、超電導コイル１６０は、熱や重力などの外的要因により変形可能であり、冷却時に軸方向および径方向に熱収縮（変位）するとともに、超電導コイル１６０の自重によりその他方端が下方に向かって撓み変形する。

また、第３実施形態では、超電導コイル１６０の他方端（図中の左端）には、弾性変形可能な第３伝達部材１５３がボルト８１により取り付けられている。この第３伝達部材１５３の先端は、超電導コイル１５０のつば部１５１ｃの外周面に当接しており、冷却時に、上記超電導コイル１５０の外周面上を軸方向に摺動するようになっている。

上記構成により、第３伝達部材１５３が超電導コイル１５０（１６０）の軸心よりも上方の所定領域において超電導コイル１５０の外周面に接触することにより、超電導コイル１６０の自重による下方への撓み変形に対する超電導コイル１５０からの抗力が超電導コイル１６０に伝達され、その結果、超電導コイル１６０の他方端側が上方に向かって押圧されるとともに、冷却時に第３伝達部材１５３が弾性変形しながら超電導コイル１５０の外周面上を摺動することにより、超電導コイル１５０および１６０間の軸方向および径方向の相対変位が容易に吸収される。

なお、この第３実施形態の無冷媒式の超電導マグネット装置を、上記第１実施形態および第２実施形態に適用することが可能である。

本発明の第１実施形態による超電導マグネット装置を示した断面正面図である。 図１に示した超電導マグネット装置の第１伝達部材および第２伝達部材を示した断面図である。 図１に示した超電導マグネット装置の超電導コイルを軸方向（右側方）から見た状態を示した側面図である。 図２に示した超電導マグネット装置の第１伝達部材および第２伝達部材の冷却前の状態を示した断面図である。 第１実施形態の変形例１による超電導マグネット装置の超電導コイルを軸方向（右側方）から見た状態を示した側面図である。 第１実施形態の変形例２による超電導マグネット装置の超電導コイルを軸方向（右側方）から見た状態を示した側面図である。 図６中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の第２実施形態による超電導マグネット装置を示した断面正面図である。 本発明の第３実施形態による超電導マグネット装置を示した断面正面図である。

符号の説明

５０、６０ 超電導コイル（第１コイル、第２コイル）
５１、６１、１５１、１６１ 巻枠
５２、６２、１５２、１６２ 超電導線材
５３ 第１伝達部材（抗力伝達手段）
５３ａ、６３ａ 傾斜面
５４ バネ部材（弾性部材、抗力伝達手段）
５５ ボール部材（転動部材、抗力伝達手段）
６３ 第２伝達部材（抗力伝達手段）
７０ａ、７０ｂ、１７０ｂ コイル支持部材（コイル支持手段）
１５０ 超電導コイル（第２コイル）
１５３ 第３伝達部材（抗力伝達手段）
１６０ 超電導コイル（第１コイル）

Claims (10)

1. 巻枠に超電導線材を巻線して構成され、軸方向が実質的に水平方向と一致するように同心状に配置された第１コイルおよび第２コイルと、
   前記第１コイルの一方端のみを支持するとともに、前記第２コイルの少なくとも一方端を支持するコイル支持手段と、
   前記第１コイルの自重による下方への撓み変形に対する前記第２コイルからの抗力を前記第１コイルに伝達することにより、前記第１コイルの他方端側を上方に向かって押圧可能な抗力伝達手段とを備え、
   前記抗力伝達手段は、前記第１コイルの他方端側の周面に対応する位置に設けられ、冷却時の前記第１コイルと前記第２コイルとの径方向の相対変位を許容可能となるように構成されていることを特徴とする、超電導マグネット装置。
2. 前記抗力伝達手段は、弾性変形可能な弾性部材を含み、前記弾性部材の弾性変形によって、冷却時の前記第１コイルと前記第２コイルとの径方向の相対変位を許容する、請求項１に記載の超電導マグネット装置。
3. 前記抗力伝達手段は、
   前記第１コイルに取り付けられ、所定の弾性率を有する弾性部材と、
   前記第２コイルの巻枠に当接し、前記弾性部材に回転可能に保持された転動部材とを含み、
   前記弾性部材が弾性変形することによって、冷却時の前記第１コイルと前記第２コイルとの径方向の相対変位を許容するとともに、
   前記転動部材が前記第２コイルの巻枠上を転動することによって、冷却時の前記第１コイルと前記第２コイルとの軸方向の相対変位を許容する、請求項１または２に記載の超電導マグネット装置。
4. 前記抗力伝達手段は、
   前記第１コイルの他方端近傍に設けられた第１伝達部材と、
   前記第２コイルの他方端近傍に設けられ、少なくとも冷却時に前記第１伝達部材に接触可能な第２伝達部材とを含み、
   前記第１伝達部材および前記第２伝達部材は、各々傾斜面を有しており、冷却時の前記第１コイルと前記第２コイルとの軸方向および径方向の相対変位により前記傾斜面に沿って互いに摺動可能なように、前記傾斜面同士が対向して配置されている、請求項１または２に記載の超電導マグネット装置。
5. 前記第１伝達部材および前記第２伝達部材は、少なくとも一方が前記第１コイルの巻枠の弾性率および前記第２コイルの巻枠の弾性率よりも小さい弾性率を有している、請求項４に記載の超電導マグネット装置。
6. 前記第１伝達部材の前記第２伝達部材に対する摩擦係数は、前記第１コイルの巻枠と前記第２コイルの巻枠との間の摩擦係数よりも小さい、請求項４または５に記載の超電導マグネット装置。
7. 前記抗力伝達手段は、前記第１コイルの他方端側の周面に対応する位置に全周に亘って設けられている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導マグネット装置。
8. 巻枠に超電導線材を巻線して構成され、軸方向が実質的に水平方向と一致するように同心状に配置された第１コイルおよび第２コイルと、
   前記第１コイルの一方端のみを支持するとともに、前記第２コイルの少なくとも一方端を支持するコイル支持手段と、
   前記第１コイルの自重による下方への撓み変形に対する前記第２コイルからの抗力を前記第１コイルに伝達することにより、前記第１コイルの他方端側を上方に向かって押圧可能な抗力伝達手段とを備え、
   前記抗力伝達手段は、前記第１コイルの他方端側の周面のうち、前記第２コイルの周面と対向し、かつ、前記第１コイルの自重による撓み変形により前記第２コイルの周面に接近する領域に対応する位置に設けられ、
   前記抗力伝達手段が設けられた位置の反対側には、前記第１コイルが移動可能な空間が形成されていることを特徴とする、超電導マグネット装置。
9. 前記抗力伝達手段は、冷却時の前記第１コイルと前記第２コイルとの径方向の相対変位を許容可能である、請求項８に記載の超電導マグネット装置。
10. 前記コイル支持手段は、前記第２コイルの両端を支持する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の超電導マグネット装置。

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