JP2010021262A - 超電導マグネット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却時の熱応力によって鞍形コイルのコイル端部が破損することなく、安定したコイル支持を維持することのできる超電導マグネット装置を提供する。
【解決手段】超電導導体が長円形の渦巻き状に巻線され鞍形に形成されてボア７の周囲に配置された複数の超電導コイル１ａ，１ｂと、筒状をなし超電導コイル１ａ，１ｂを収容するシェル４とボア７に対応する中心孔を有する盤状をなしシェル４の端部に取り付けられ超電導コイル１ａ，１ｂのコイル端部１０をコイル長手方向外側より押圧するエンドプレート５とを備え、エンドプレート５は、前記中心孔に近い部分が外周部より薄く形成されている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、鞍形の超電導コイルを備えて構成され粒子加速器等に用いられる超電導マグネット装置に係り、鞍形コイルのコイル端部が確実に押圧固定され、コイルの電磁力や冷却時の熱応力などにより固定構造が破損しもしくは機能しなくなること、および超電導状態が破れるクエンチ現象を防ぐことのできる超電導マグネット装置に関する。

例えば粒子加速器には、図６に示すような鞍形の超電導コイル１を備えた超電導マグネット装置が設けられる。鞍形の超電導コイル１にはコイル長手方向両端にコイル端部１０が形成されている（下記特許文献１参照）。

図７，８，９はこの種の超電導マグネット装置の端部の構成例を示す図である。これらの図に示すように、鞍形の超電導コイル１ａ，１ｂは、多層の断面構造を有している。図には２層の構造が示されており、１層目の超電導コイル１ａと２層目の超電導コイル１ｂが重ねられた状態で配置されている。コイル１ａ，１ｂは４セット組み合わされ、交互にＮ極、Ｓ極を構成する４極電磁石配置となっている。

コイルの内径側の円筒空間はボア７であり、荷電粒子ビームの通過する空間である。ボア７においては、超電導コイル１ａ，１ｂが発生した磁場により荷電粒子ビームが力を受けることにより、ビームの収束、偏向などの作用が生じる。コイル１ａ，１ｂの外径側には非磁性の金属からなるカラー２が設けられ、カラー２によってコイル１ａ，１ｂが固定されている。さらにカラー２の外側には磁場を効率良く形成するためのリターンヨーク３が配置され、リターンヨーク３の外側に円筒状にシェル４が配置されている。シェル４がヘリウム容器となって内側に超電導コイル冷却用の液体ヘリウムが充填される。

さらにシェル４の端部にはボア７に対応する中心孔を有する円盤状のエンドプレート５が溶接により取り付けられ、エンドプレート５に取り付けられた押しネジ６によりコイル端部１０が押圧され、コイルの長手方向の位置決め及び、コイル長手方向外側へ向かうコイル端部１０の電磁力の支えとして機能している。

このような構成を有する超電導マグネット装置では、冷却過程における過渡的な部品温度のアンバランスもしくは、材質特有の熱収縮特性により、エンドプレート５及びコイル端部１０に大きな応力が生じるという問題がある。また、逆の現象で、コイル端部１０からのコイル押圧力が失われ、コイルの自由な動きを許してしまう可能性もある。

具体的には上記のような構成においては以下のような問題が生じる。すなわち、超電導マグネット装置の外殻となっているシェル４がコイル１ａ，１ｂより熱収縮率の大きい材料で構成されている場合には、冷却によりコイル１ａ，１ｂよりシェル４が大きく収縮することにより、シェル４に取り付けられたエンドプレート５がコイル１ａ，１ｂのコイル端部１０に接近するため、コイル端部１０に過大な力が加わることになる。この冷却により生じる力は、冷却過程における各部材温度のアンバランス、即ち、シェル４がコイル１ａ，１ｂより早く冷えてしまうという状況が生じた場合にも発生する。一般的に各部材を均一に冷却するためには長い時間を要するため、冷却過程で部品毎に温度差が生じるのが普通である。また逆の現象でシェル４よりコイル１ａ，１ｂが冷却により多く収縮した場合は、コイル１ａ，１ｂのコイル端部１０における支持が失われる結果となり、コイル１ａ，１ｂの長手方向への自由な動きを許してしまう結果となる。

さらに、超電導コイルに直接接する部品はＦＲＰなどの絶縁物を使う必要がある。しかしながら、絶縁物は過大な圧縮応力に耐えることができない。このため、コイル端部に大きな力が加わった場合は、コイル端部構造物であるＦＲＰが破壊されてしまう可能性がある。また、超電導コイル自身にも過大な歪みが加わることになり、クエンチし易いなど超電導特性を劣化させる要因にもなる。さらに超電導コイルの支持が失われた場合には、コイルが自由に動くことが可能となり、超電導マグネット装置としての安定した性能を発揮することが出来なくなる。
特開平１０−１５４６１５号公報

以上のように、鞍形コイルを備えシェルに結合されたエンドプレートからコイル端部を長手方向外側より押圧支持する構造とした従来の超電導マグネット装置においては、冷却時に生じる熱応力により構造的な欠陥が生じる可能性が大きく、品質上問題がある。

本発明は、冷却時の熱応力によって鞍形コイルのコイル端部が破損することなく、安定したコイルの支持を維持できる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、請求項１の発明は、超電導導体が長円形の渦巻き状に巻線され鞍形に形成されてボアの周囲に配置された複数の超電導コイルと、筒状をなし前記超電導コイルを収容するシェルと、前記ボアに対応する中心孔を有する盤状をなし前記シェルの端部に取り付けられ前記超電導コイルのコイル端部をコイル長手方向外側より押圧するエンドプレートとを備え、前記エンドプレートは、前記中心孔に近い部分が外周部より薄く形成されている構成とする。

請求項２の発明は、前記エンドプレートは、前記中心孔に近い部分においてコイル長手方向外側に向かい板厚が薄く形成されている構成とする。

請求項３の発明は、超電導導体が長円形の渦巻き状に巻線され鞍形に形成されてボアの周囲に配置された複数の超電導コイルと、筒状をなし前記超電導コイルを収容するシェルと、前記ボアに対応する中心孔を有する盤状をなし前記シェルの端部に取り付けられ前記超電導コイルのコイル端部をコイル長手方向外側より押圧するエンドプレートとを備え、前記エンドプレートは、前記中心孔から外周方向へ延びる周分割スリットが形成されている構成とする。

請求項４の発明は、前記周分割スリットによって前記エンドプレートの前記中心孔に近い部分に形成される押圧部は前記超電導コイルのコイル端部に対向しマグネットの極数と同数である構成とする。

請求項５の発明は、超電導導体が長円形の渦巻き状に巻線され鞍形に形成されてボアの周囲に配置された複数層の超電導コイルと、筒状をなし前記超電導コイルを収容するシェルと、前記ボアに対応する中心孔を有する盤状をなし前記シェルの端部に取り付けられ前記超電導コイルのコイル端部をコイル長手方向外側より押圧するエンドプレートとを備え、前記エンドプレートは、前記複数層の超電導コイルのコイル端部に対応して分割する層分割スリットが形成されている構成とする。

本発明によれば、冷却時の熱応力によって鞍形コイルのコイル端部が破損することなく、安定したコイルの支持を維持できる超電導マグネット装置を提供することができる。

以下本発明の第１および第２の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本実施の形態の超電導マグネット装置の端部の構造を示す断面図である。
図１に示すように、本実施の形態の超電導マグネット装置は１層目の超電導コイル１ａおよび２層目の超電導コイル１ｂを備えており、これらのコイル１ａ，１ｂは、超電導導体が鞍形に巻回されてなり、粒子ビームが通過する空間であるボア７を取巻くように配置されている。図１のVIII−VIII線に沿う断面図である図８に示すように、これらのコイル１ａ，１ｂは四極コイルで、ボア７を取り囲む形で、９０度毎に４つの別々のコイルが配置され、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶようにコイルに電流を流すことにより四極磁場を形成する構造となっている。

コイル１ａ，１ｂの外径側には非磁性鋼により製作され電磁力をサポートするカラー２が配置されている。カラー２の外側には、磁気回路を構成するリターンヨーク３が配置され、外径方向に働く電磁力支持構造メンバーとしても機能している。リターンヨーク３の外側には円筒状の容器であるシェル４が覆っており、シェル４の内側には液体Ｈｅなどの冷媒が充填され、超電導コイル１ａ，１ｂが超電導状態となる温度に冷却される。

またコイル１ａ，１ｂの長手方向位置固定のため、ボア７に対応する中心孔を有しシェル４と溶接などで結合された円盤状のエンドプレート５から押しネジ６，６ａによりコイル端部１０を押圧することにより、コイル１ａ，１ｂを長手方向外側より押圧固定する構造をとっている。これによりコイル１ａ，１ｂの長手方向の位置固定及び、長手方向外側へ働く電磁力のサポートとして機能している。

またエンドプレート５は、コイル１ａ，１ｂに対する押しネジ６ａ，６ｂが配置される内周部に向かって先端が薄くなっている。即ち、エンドプレート５の板厚方向の剛性を内周部で小さくし、板ばね状に働く加圧構造部品としてのばね定数を小さくするような構造としている。これにより冷却過程においてコイル１ａ，１ｂに比べシェル４が早く冷えてしまった場合にコイル１ａ，１ｂに加わる押圧力を低減することができる。

また本実施の形態では、シェル４の材質をＳＵＳ３０４とし、コイル１ａ，１ｂは銅を安定化材としたＮｂＴｉとしており、各部材の常温（３００Ｋ）から超電導マグネット装置の運転温度である４．２Kまでの熱収縮率は図２の表のようになる。この場合、部品材料の熱収縮率の差により、コイル１ａ，１ｂがシェル４より大きく収縮してしまうことになる。そのため予めコイル１０に与えた押圧支持力が低下し最悪の場合はコイル１ａ，１ｂに対する支持力が失われてしまうことになる。この現象は冷却過程における各部品の温度差即ち、コイル１ａ，１ｂがシェル４より早く冷却されてしまうことによっても同様の現象となる。

エンドプレート５から押しネジ６ａ，６ｂでコイル端部１０を押圧した場合、エンドプレート５の加圧構造部の板バネ構造としてのばね定数を小さくすることにより、部品の収縮量の差に対してのエンドプレート５の追従性が良くなり、押圧支持力の増加及び低減の比率を少なくすることができる。つまり、エンドプレート５の押圧構造部のばね定数を小さくすることにより、冷却過程や材料の熱収縮差に起因するコイル端部１０の押圧支持力の増加及び低下率の変化を緩和し、構造的に安定した品質の高い超電導マグネット装置とすることができる。

図３は実際の冷却過程において部品温度を測定した例である。横軸が時間で、縦軸が温度を示している。時間と共に部品温度は下がってゆくが、シェル４がコイル１ａ，１ｂより先に冷却が進み、最終的には超電導状態となる４．２Ｋ温度に冷却されている。

また図４は図３に示した冷却が行われた際のエンドプレート５よりコイル端部１０への押圧支持力の変化を示した図である。縦軸はコイル端部の押圧支持力を圧力に換算した値である。従来の構造の場合は冷却過程においてシェル４とコイル１ａ，１ｂに温度差が生じるため、コイル端部１０への圧力が上昇し一般的なＦＲＰ部品の圧縮限界を超える最大４００ＭＰａに達している。そして冷却が終了した状態では、シェル４及びコイル１ａ，１ｂの熱収縮量の差により最終的にコイルの支持力を消失している。即ちコイルが支持されていない状態となっている。しかしながら本実施の形態の構造を用いた場合は冷却過程においてコイル端部１０の押圧支持力の変化が小さく、最大でも１５０ＭＰａ程度の圧力上昇に抑えられており、最終的に冷却が終了した場合でも押圧支持力が維持されている。

本実施の形態の超電導マグネット装置においては、上述のエンドプレート５の板厚が変化する部分は変化が滑らかになるようにしている。即ち、板厚変化部の応力集中を緩和する構造としている。つまり、板ばね状に働く部品としてエンドプレート５の外径側が片持ち梁の支持点となり最も応力が大きくなるが、その支持点に近く板厚の変化する部分が過大な応力となることを防いでいる。

さらにエンドプレート５の厚さが薄くなる方向は、マグネットの内側へ向け薄くなるような構造としている。こうすることによって、エンドプレート５が薄くなった空間をコイル１ａ，１ｂの端部が配置される空間として利用可能となり、超電導マグネット装置の全長を短くすることができる。

本実施の形態の超電導マグネット装置においては、次のような種々の効果が得られる。すなわち、エンドプレート５の厚さをボア７に対応する中心孔付近、即ちコイル端部１０の近傍で薄くなる構造としているので、板バネ状押圧構造としてのエンドプレート５のばね定数が小さくなり、そのため各部品の熱収縮により生じる熱変形に対しコイル端部１０の押圧支持力の変化を小さくすることができ、構造的に安定した品質の高い超電導マグネット装置を提供することができる。

また、エンドプレート５の厚さが薄くなる方向をコイル長手方向外側に向かい薄くする構造としていることにより、エンドプレート５が存在した空間をコイル端部１０を収容する空間として利用することにより、超電導マグネット装置の全長を短くし小型化することができる。

また、エンドプレート５の厚さを中心孔付近で薄くし、板厚変化を緩やかにすることにより、エンドプレート５の押圧構造部の応力集中を低減する構造としている。従ってエンドプレート５からコイル端部１０を押圧支持する場合、応力がエンドプレート５の板厚変化部で集中することがなく、構造品質的に安定した超電導マグネット装置が得られる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の超電導マグネット装置は図５に示すように、エンドプレート５の内周部に周分割スリットである十字スリット８を入れ、エンドプレート５から押しネジ６ａ，６ｂにより長手方向に押圧する板バネ構造の部分を４分割し、９０°扇形の押圧部５ａを形成した構造としている。なお、図５は図１の右側側面図に相当する。

即ち、エンドプレート５の板厚方向の剛性を内周部で小さくし、板ばね状に働く部品としてのばね定数を小さくした構造とすると共に、内周部を４分割し、各極のコイル１ａ，１ｂ毎に独立した動きをすることができる押圧部５ａとしている。これにより、四極のコイル１ａ，１ｂが同様に冷却されない場合や、製造中のバラツキなどによりコイル間で収縮量が異なった場合などに生じる押圧支持力の極間のアンバランスを緩和させることができる。

また十字スリット８によりエンドプレート５の板バネ状となる押圧部５ａをテーパ形状としている。これにより板バネ構造根元部に生じる応力の高い部分に対し、板幅を広くすることができ、応力の低減を図ることができる。

本実施の形態は、図５に示すように上記の十字スリット８の代りに、あるいは十字スリット８とともに各層のコイル１ａ，１ｂに対応する層分割スリット９を設けた構造としてもよい。即ち、エンドプレート５の板厚方向の剛性を先端部で小さくし、板ばね状に働く部品としてのばね定数を小さくした構造とすると共に、押圧部５ａをコイル１ａ，１ｂに対応するよう２分割し、コイル各層毎に独立した動きをすることができる押圧構造としている。これにより、各極に対応させた十字スリット８の場合と同様、各層間に発生する加圧支持力のアンバランスを解消させることができる。

本実施の形態によれば、エンドプレート５に十字スリット８および層分割スリット９の少なくともいずれかを設けることにより、コイル端部１０を押圧する押圧部５ａのばね定数を小さくする構造とし、また各極で独立したコイル押圧支持構造とすることにより、各極のコイル間に生じる熱変形のアンバランスによる押圧支持力の変化を小さくすることができ、構造的に安定した品質の高い超電導マグネット装置を提供することができる。

本実施の形態においては、十字スリット８および層分割スリット９の形状を、押圧部５ａの先端即ちコイル１ａ，１ｂに近づくほど幅が狭くなるような構造としている。従ってエンドプレート５の押圧構造物としてのばね定数が小さくなるような構造となっているが、押圧部５ａの応力が最大となる片持ち梁の根元付近に近づく程、太さを太くすることにより、応力が大きくなることを防止している。そのため、シェル４とコイル１ａ，１ｂの熱収縮差により生じる熱変形力に対し高応力となることを防ぎ、コイル端部１０の破壊を起さない品質の高い超電導マグネット装置を提供することができる。

また本実施の形態は、エンドプレート５からのコイル端部押圧部をコイルの層数に合わせ、各極に対し２組の押圧構造としている。従って各層のコイル間に生じる熱変形のアンバランスによる押圧支持力の変化を小さくすることができ、構造的に安定した品質の高い超電導マグネット装置を提供することができる。

以上により、エンドプレート５からコイル端部１０への押圧支持を各部品の熱変形による影響が少ない構造で理想的に行うことができ、マグネットの構造を破壊することなく品質の安定した超電導マグネット装置を得ることができる。

なお、上記実施の形態では四極で２層の超電導コイルを備えた超電導マグネット装置について説明したが、これに限らず２極、６極など異なった極数や、コイル層数が１層、３層、などの超電導マグネット装置についても上記実施の形態を同様に適用して、前述の場合と同様の作用効果を得ることができるものである。

本発明の第１の実施の形態の超電導マグネット装置の端部を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態の超電導マグネット装置を構成する部品を常温から極低温まで冷却したときの熱収縮率を示す表。 本発明の第１の実施の形態の超電導マグネット装置の冷却過程における部品温度の経時変化を示すグラフ。 図３に示した冷却時においてコイル端部に生じる圧力を従来の構造と本発明の第１の実施の形態の構造で比較して示すグラフ。 本発明の第２の実施の形態の超電導マグネット装置の端部を示す側面図。 従来の超電導マグネット装置に備えられる鞍形の超電導コイルを示す斜視図。 従来の超電導マグネット装置の端部を示す断面図。 図１および図７のVIII−VIII線に沿う断面図。 図７のIX矢視図。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ…超電導コイル、４…シェル、２…カラー、３…リターンヨーク、５…エンドプレート、５ａ…押圧部、６，６ａ，６ｂ…押しネジ、７…ボア、８…十字スリット、９…層分割スリット、１０…コイル端部。

Claims (5)

1. 超電導導体が長円形の渦巻き状に巻線され鞍形に形成されてボアの周囲に配置された複数の超電導コイルと、筒状をなし前記超電導コイルを収容するシェルと、前記ボアに対応する中心孔を有する盤状をなし前記シェルの端部に取り付けられ前記超電導コイルのコイル端部をコイル長手方向外側より押圧するエンドプレートとを備え、前記エンドプレートは、前記中心孔に近い部分が外周部より薄く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。
2. 前記エンドプレートは、前記中心孔に近い部分においてコイル長手方向外側に向かい板厚が薄く形成されていることを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット装置。
3. 超電導導体が長円形の渦巻き状に巻線され鞍形に形成されてボアの周囲に配置された複数の超電導コイルと、筒状をなし前記超電導コイルを収容するシェルと、前記ボアに対応する中心孔を有する盤状をなし前記シェルの端部に取り付けられ前記超電導コイルのコイル端部をコイル長手方向外側より押圧するエンドプレートとを備え、前記エンドプレートは、前記中心孔から外周方向へ延びる周分割スリット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。
4. 前記周分割スリットによって前記エンドプレートの前記中心孔に近い部分に形成される押圧部は前記超電導コイルのコイル端部に対向しマグネットの極数と同数であることを特徴とする請求項３記載の超電導マグネット装置。
5. 超電導導体が長円形の渦巻き状に巻線され鞍形に形成されてボアの周囲に配置された複数層の超電導コイルと、筒状をなし前記超電導コイルを収容するシェルと、前記ボアに対応する中心孔を有する盤状をなし前記シェルの端部に取り付けられ前記超電導コイルのコイル端部をコイル長手方向外側より押圧するエンドプレートとを備え、前記エンドプレートは、前記複数層の超電導コイルのコイル端部に対応して分割する層分割スリット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。

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