JP2010258376A - Superconducting magnet device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain the generation of eddy current, while miniaturizing a device, in a superconducting magnet device having a means blocking the radiation heat radiated from the outside of the device. <P>SOLUTION: The superconducting magnet device includes a superconducting coil 13 using a high temperature superconducting material, a superconductive current lead 19 for sending currents to the superconducting coil 13, a refrigerator 18 for performing cooling process so as to cool the superconducting coil 13 to a superconducting state, a thermally shielding means which thermally shields the superconducting coil 13 from the outside, and a load supporter 15 for supporting the superconducting coil 13. An MLI (multilayer heat insulating material) 16 as the thermally shielding means is arranged around the superconducting coil 13. A thermal anchor 20, which connects thermally the superconductive current lead 19 and the load supporter 15, and the refrigerator 18, is prepared. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は超電導マグネット装置に係り、特に装置外部から輻射熱を遮断する手段を有する超電導マグネット装置に関する。   The present invention relates to a superconducting magnet device, and more particularly to a superconducting magnet device having means for blocking radiant heat from the outside of the device.

従来の一例である超電導マグネット装置を図3に示す。同図に示す超電導マグネット装置100Aは、真空容器102、超電導コイル103、伝熱部材104、荷重支持体105、熱シールド板107、及び冷凍機108等により構成されている。   A conventional superconducting magnet apparatus is shown in FIG. A superconducting magnet device 100A shown in FIG. 1 includes a vacuum vessel 102, a superconducting coil 103, a heat transfer member 104, a load support 105, a heat shield plate 107, a refrigerator 108, and the like.

真空容器102は気密容器であり、内部を真空としうる構成となっている。超電導コイル103は低温超電導線材で形成されており、例えば4K程度の超低温で超電導状態となるものである。   The vacuum container 102 is an airtight container, and has a configuration in which the inside can be evacuated. The superconducting coil 103 is formed of a low temperature superconducting wire, and is in a superconducting state at an ultralow temperature of about 4K, for example.

この超電導コイル103は、冷凍機108により冷却される。冷凍機108は2段式の冷凍機であり、1段目ステージ108aは熱シールド板107に熱的に接続され、2段目ステージ108bは伝熱部材104を介して超電導コイル103と熱的に接続されている。   The superconducting coil 103 is cooled by the refrigerator 108. The refrigerator 108 is a two-stage refrigerator, and the first stage 108 a is thermally connected to the heat shield plate 107, and the second stage 108 b is thermally connected to the superconducting coil 103 via the heat transfer member 104. It is connected.

熱シールド板107は冷凍機108で冷却されることにより、装置外部から超電導コイル103に伝達される熱(輻射熱)を遮断する。この伝熱部材104及び熱シールド板107は、冷却効率を高めるため熱伝導率の大きい材料(銅、アルミニウム)を使用している。尚、これらの材料は、電気伝導率も大きい。   The heat shield plate 107 is cooled by the refrigerator 108 to block heat (radiant heat) transmitted from the outside of the apparatus to the superconducting coil 103. The heat transfer member 104 and the heat shield plate 107 use a material (copper or aluminum) having a high thermal conductivity in order to increase the cooling efficiency. In addition, these materials have a large electrical conductivity.

一方、超電導コイル103に通電する電流ラインは、真空容器102から後述する熱シールド板107までの間は電気伝導率の大きい材料(例えば、銅,アルミニウム等)が用いられている。これに対し、熱シールド板107から超電導コイル103の間は、熱侵入を抑制しうると共に大電流の通電が可能な超電導電流リード109が用いられている。   On the other hand, the current line for energizing the superconducting coil 103 is made of a material having a high electrical conductivity (for example, copper, aluminum, etc.) between the vacuum vessel 102 and the heat shield plate 107 described later. On the other hand, between the heat shield plate 107 and the superconducting coil 103, there is used a superconducting current lead 109 that can suppress heat penetration and can carry a large current.

荷重支持体105は、高強度の絶縁材料(GFRP,CFRP等)で構成されている。この荷重支持体105は、常温の真空容器102から超電導コイル103に直接繋がるため超電導コイル103への熱Q1の侵入源となる。よって、この超電導コイル103への熱侵入を抑制するために、荷重支持体105は真空容器102と超電導コイル103の間に設置され、冷凍機108で冷却される熱シールド板107に熱的に接続されている。   The load support 105 is made of a high-strength insulating material (GFRP, CFRP, etc.). Since this load support 105 is directly connected to the superconducting coil 103 from the vacuum vessel 102 at room temperature, it becomes a source of heat Q1 entering the superconducting coil 103. Therefore, in order to suppress the heat intrusion into the superconducting coil 103, the load support 105 is installed between the vacuum vessel 102 and the superconducting coil 103 and is thermally connected to the heat shield plate 107 cooled by the refrigerator 108. Has been.

尚、装置外部から超電導コイル103に伝達される熱(輻射熱)をより確実に遮断するため、熱シールド板107の外周に多層断熱材を配置した超電導マグネット装置も提供されている。   A superconducting magnet device is also provided in which a multilayer heat insulating material is disposed on the outer periphery of the heat shield plate 107 in order to more reliably block heat (radiant heat) transmitted to the superconducting coil 103 from the outside of the device.

特開2001−167923号公報JP 2001-167923 A 特開2001−044018号公報JP 2001-044018 A

ところで、周知のように磁気変化により磁束変化が発生する領域では、当該領域内に金属部材が存在すると、その金属部材に渦電流が発生する。図4は、超電導コイル103及び熱シールド板107を模式的に拡大して示す図である。   By the way, as is well known, in a region where a magnetic flux change occurs due to a magnetic change, if a metal member exists in the region, an eddy current is generated in the metal member. FIG. 4 is a schematic enlarged view showing the superconducting coil 103 and the heat shield plate 107.

同図に示すように、熱シールド板107は、超電導コイル103で発生する磁束が変化する領域に存在している。よって、超電導コイル103から発生する磁束φにより、熱シールド板107の単位時間(t)当たりの磁束変化dφ/dtが大きくなると、熱シールド板107に過大な渦電流Iが発生する。   As shown in the figure, the heat shield plate 107 exists in a region where the magnetic flux generated in the superconducting coil 103 changes. Therefore, when the magnetic flux change dφ / dt per unit time (t) of the heat shield plate 107 increases due to the magnetic flux φ generated from the superconducting coil 103, an excessive eddy current I is generated in the heat shield plate 107.

このように、熱シールド板107に過大な渦電流Iが発生した場合、熱シールド板107が発熱して温度上昇を招く。熱シールド板107の温度が上昇すると、超電導電流リード109が十分に冷却できなくなる。   As described above, when an excessive eddy current I is generated in the heat shield plate 107, the heat shield plate 107 generates heat and causes a temperature rise. When the temperature of the heat shield plate 107 rises, the superconducting current lead 109 cannot be sufficiently cooled.

また、熱シールド板107の温度が上昇すると、荷重支持体105から超電導コイル103に向かう熱Q1が増大すると共に、熱シールド板107からの輻射熱も超電導コイル103に熱印加されることとなり、超電導コイル103に対する熱侵入量が増大する。そして、最悪の場合には、超電導電流リード109、超電導コイル103の超電導状態が維持できなくなり、磁場発生ができなくなるおそれがある。   Further, when the temperature of the heat shield plate 107 rises, the heat Q1 from the load support 105 toward the superconducting coil 103 increases, and the radiant heat from the heat shield plate 107 is also applied to the superconducting coil 103. The amount of heat penetration into 103 increases. In the worst case, the superconducting state of the superconducting current lead 109 and the superconducting coil 103 cannot be maintained, and there is a possibility that a magnetic field cannot be generated.

これを回避し超電導コイル103及び超電導電流リード109の性能確保を図る方法としては、冷却用の冷凍機108の配置数を増やすことが考えられる。しかしながら、この方法では、製品コストの上昇、ランニングコストの増大、及び装置に大型化が生じてしまい現実的でない。   As a method of avoiding this and ensuring the performance of the superconducting coil 103 and the superconducting current lead 109, it is conceivable to increase the number of cooling refrigerators 108 arranged. However, this method is not practical because the product cost is increased, the running cost is increased, and the apparatus is enlarged.

渦電流による熱シールド板107の発熱を回避する他の方法としては、熱シールド板107を磁束変化dφ/dtの小さい場所に配置することが考えられる。しかしながら、超電導マグネット装置100Aは小型化が望まれており、真空容器102内の磁束変化dφ/dtの小さい場所に熱シールド板107を配置すると、いわゆるデッドスペースが発生して装置が大型化してしまう。   As another method for avoiding heat generation of the heat shield plate 107 due to eddy current, it is conceivable to arrange the heat shield plate 107 in a place where the magnetic flux change dφ / dt is small. However, the superconducting magnet device 100A is desired to be reduced in size, and if the heat shield plate 107 is disposed in a place where the magnetic flux change dφ / dt is small in the vacuum vessel 102, a so-called dead space is generated and the device is enlarged. .

特に、図5に示すような超電導コイル103を囲繞するように鉄心110を設けた超電導マグネット装置100Bにおいては、装置の軽量化・コンパクト化を図るためには必然的に重量物である鉄心110を小さくする必要があり、この場合鉄心110内に形成される内部空間112も小さく(狭く)する必要がある。この場合、必然的に内部空間112に設けられる熱シールド板107を小さくする必要が生じ、熱シールド板107は磁束変化dφ/dtが大きい場所に配置せざるを得ない。   In particular, in the superconducting magnet device 100B provided with the iron core 110 so as to surround the superconducting coil 103 as shown in FIG. 5, in order to reduce the weight and size of the device, the iron core 110 which is inevitably heavy is used. In this case, the internal space 112 formed in the iron core 110 needs to be small (narrow). In this case, it is inevitably necessary to reduce the heat shield plate 107 provided in the internal space 112, and the heat shield plate 107 must be disposed in a place where the magnetic flux change dφ / dt is large.

一方、熱シールド板107を完全に除去した場合には、超電導電流リード109が冷却不可で使用できなくなり、また荷重支持体105から超電導コイル103へ侵入する熱量Q1が増大し、これも現実的でない。   On the other hand, when the heat shield plate 107 is completely removed, the superconducting current lead 109 cannot be cooled and cannot be used, and the amount of heat Q1 entering the superconducting coil 103 from the load support 105 increases, which is also not realistic. .

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図りつつ渦電流の発生を抑制した超電導マグネット装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a superconducting magnet device that suppresses the generation of eddy currents while reducing the size of the device.

上記の課題は、第1の観点からは、
高温超電導材料を用いた超電導コイルと、
前記超電導コイルに通電を行うための電流リードと、
前記超電導コイルが超電導状態となるよう冷却処理を行う冷却装置と、
前記超電導コイルを外部に対して熱シールドする熱シールド手段と、
前記超電導コイルを支持する荷重支持体とを有する超電導マグネット装置であって、
前記熱シールド手段を前記超電導コイルの周囲に配設された多層断熱材とし、
かつ、前記電流リード及び前記荷重支持体と前記冷却装置とを熱的に接続するサーマルアンカを設けたことを特徴とする超電導マグネット装置により解決することができる。
From the first point of view, the above problem is
A superconducting coil using a high-temperature superconducting material;
A current lead for energizing the superconducting coil;
A cooling device that performs a cooling process so that the superconducting coil is in a superconducting state;
Heat shield means for heat-shielding the superconducting coil to the outside;
A superconducting magnet device having a load support for supporting the superconducting coil,
The heat shield means is a multilayer heat insulating material disposed around the superconducting coil,
In addition, this can be solved by a superconducting magnet device provided with a thermal anchor that thermally connects the current lead and the load support to the cooling device.

開示の超電導マグネット装置によれば、超電導コイルの周囲に多層断熱材を配設することにより外部から超電導コイルへの熱侵入は抑制される。また、電流リード及び荷重支持体はサーマルアンカを介して冷却装置により冷却されるため、電流リード及び荷重支持体を介して外部の熱が超電導コイルに侵入することも防止される。よって、従来のように大型の熱シールドを設ける必要はなくなり、装置の小型化を図ることができる。   According to the disclosed superconducting magnet device, heat penetration from the outside into the superconducting coil is suppressed by disposing a multilayer heat insulating material around the superconducting coil. Further, since the current lead and the load support are cooled by the cooling device via the thermal anchor, it is possible to prevent external heat from entering the superconducting coil via the current lead and the load support. Therefore, it is not necessary to provide a large heat shield as in the prior art, and the apparatus can be downsized.

図1は、本発明の第1実施形態である超電導マグネット装置の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a superconducting magnet apparatus according to a first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第2実施形態である超電導マグネット装置の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of a superconducting magnet device according to the second embodiment of the present invention. 図3は、第1従来例である超電導マグネット装置の構成図である。FIG. 3 is a block diagram of a superconducting magnet device as a first conventional example. 図4は、渦電流の発生を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the generation of eddy currents. 図5は、第2従来例である超電導マグネット装置の構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of a superconducting magnet device as a second conventional example.

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1実施形態である超電導マグネット装置10Aを示している。同図に示す超電導マグネット装置10Aは冷凍機冷却式の超電導マグネット装置であり、例えば陽子線治療装置ガントリー用偏向電磁石に適用するものである。   FIG. 1 shows a superconducting magnet apparatus 10A according to the first embodiment of the present invention. A superconducting magnet apparatus 10A shown in the figure is a refrigerator-cooled superconducting magnet apparatus, and is applied to, for example, a deflection electromagnet for a proton beam therapy apparatus gantry.

超電導マグネット装置10Aは、大略すると真空容器12、超電導コイル13、多層断熱材16(以下、MLI16という)、冷凍機18、サーマルアンカ20等を有している。   The superconducting magnet device 10A generally includes a vacuum vessel 12, a superconducting coil 13, a multilayer heat insulating material 16 (hereinafter referred to as MLI 16), a refrigerator 18, a thermal anchor 20, and the like.

真空容器12は気密容器であり、図示しない真空ポンプに接続されている。この真空ポンプが稼働することにより、真空容器12の内部は真空状態とされる構成となっている。超電導コイル13は、この真空容器12の内部に配設される。   The vacuum container 12 is an airtight container and is connected to a vacuum pump (not shown). By operating this vacuum pump, the inside of the vacuum vessel 12 is configured to be in a vacuum state. The superconducting coil 13 is disposed inside the vacuum vessel 12.

超電導コイル13は高温超電導線材で形成されており、臨界温度が10K以上110K以下の材料が選定されている。具体的には、超電導コイル13の材料となる高温超電導線材としては、Bi2223,Bi2212,Y123,MgB2,鉄ニクタイド系材料,酸化物超伝導体等を用いることができ、特にBi2223を用いることが望ましい。この超電導コイル13は、コイル巻枠17に巻回された構成とされている。   The superconducting coil 13 is made of a high-temperature superconducting wire, and a material having a critical temperature of 10K or more and 110K or less is selected. Specifically, Bi2223, Bi2212, Y123, MgB2, iron pnictide-based materials, oxide superconductors, etc. can be used as the high-temperature superconducting wire used as the material of the superconducting coil 13, and Bi2223 is particularly desirable. . The superconducting coil 13 is wound around a coil winding frame 17.

ここで、低温超電導線材とは液体ヘリウム及びそれ以下の温度(4.2K以下)で常用する超電導線材をいい、同様に低温超電導マグネットとは液体ヘリウム及びそれ以下の温度(4.2K以下)で常用する超電導マグネットをいうものとする。また、高温超電導線材とは上記の低温超電導線材より高温の条件で常用する超電導線材をいい、同様に高温超電導マグネットとは、上記の低温超電導線マグネットより高温の条件で常用する超電導マグネットをいうものとする。   Here, the low temperature superconducting wire means a superconducting wire that is normally used at liquid helium and lower temperature (4.2K or lower), and the low temperature superconducting magnet is commonly used at liquid helium and lower temperature (4.2K or lower). It shall be a superconducting magnet. The high-temperature superconducting wire means a superconducting wire that is used at a higher temperature than the low-temperature superconducting wire. Similarly, the high-temperature superconducting magnet means a superconducting magnet that is used at a higher temperature than the low-temperature superconducting wire magnet. And

超電導コイル13に対して給電を行う電流ラインは、真空容器12からサーマルアンカ20までの間は電気伝導率の大きい材料(例えば、銅,アルミニウム等)が用いられている。これに対し、サーマルアンカ20から超電導コイル13の間は、熱侵入を抑制しうると共に大電流の通電が可能な超電導電流リード19が用いられている。   The current line for supplying power to the superconducting coil 13 is made of a material having a high electrical conductivity (for example, copper, aluminum, etc.) between the vacuum vessel 12 and the thermal anchor 20. On the other hand, between the thermal anchor 20 and the superconducting coil 13 is used a superconducting current lead 19 that can suppress heat intrusion and can carry a large current.

冷凍機18は、真空容器12に固定されている。本実施形態では、冷凍機18としてギフォードマクマホン式(GM式)の冷凍機を用いている。このGM式の冷凍機18は内設されたモータを駆動させることにより、ディスプレーサがシリンダ内で往復移動する構成とされている。そして、このディスプレーサの往復移動により、図示しない冷凍機コンプレッサから供給される高圧冷媒を断熱膨張させ、これにより寒冷を発生させる構成とされている。   The refrigerator 18 is fixed to the vacuum container 12. In the present embodiment, a Gifford McMahon type (GM type) refrigerator is used as the refrigerator 18. This GM type refrigerator 18 is configured such that a displacer reciprocates in a cylinder by driving an internal motor. And by the reciprocating movement of this displacer, it is set as the structure which carries out adiabatic expansion of the high-pressure refrigerant | coolant supplied from the refrigerator compressor which is not shown in figure, and this generates cold.

このGM冷凍機18は、1段目冷却シリンダと2段目冷却シリンダを有している。1段目冷却シリンダは1段目ステージ18aを有しており、また2段目冷却シリンダは2段目ステージ18bを有している。1段目ステージ18aはサーマルアンカ20に熱的に接続され、2段目ステージ18bは伝熱部材14を介して超電導コイル13に熱的に接続されている。   The GM refrigerator 18 has a first stage cooling cylinder and a second stage cooling cylinder. The first stage cooling cylinder has a first stage 18a, and the second stage cooling cylinder has a second stage 18b. The first stage 18 a is thermally connected to the thermal anchor 20, and the second stage 18 b is thermally connected to the superconducting coil 13 via the heat transfer member 14.

そして、サーマルアンカ20は1段目ステージ18aにより、20K〜110K程度に冷却される。また伝熱部材14は、2段目ステージ18bにより10K〜110K程度に冷却される。よって、サーマルアンカ20に熱的に接続された超電導電流リード19、及び伝熱部材14に接続された超電導コイル13は、冷凍機18により冷却されることにより超電導状態を実現する。   The thermal anchor 20 is cooled to about 20K to 110K by the first stage 18a. The heat transfer member 14 is cooled to about 10K to 110K by the second stage 18b. Therefore, the superconducting current lead 19 thermally connected to the thermal anchor 20 and the superconducting coil 13 connected to the heat transfer member 14 are cooled by the refrigerator 18 to realize a superconducting state.

サーマルアンカ20は、前記のように超電導電流リード19が熱的に接続されると共に、荷重支持体15も熱的に接続されている。荷重支持体15は、高強度の絶縁材料(GFRP,CFRP等)で構成されている。   The thermal anchor 20 is thermally connected to the superconducting current lead 19 as described above, and is also thermally connected to the load support 15. The load support 15 is made of a high-strength insulating material (GFRP, CFRP, etc.).

この荷重支持体15は、常温の真空容器12から超電導コイル13に直接繋がるため超電導コイル13への熱の侵入源となる。よって、この超電導コイル13への熱侵入を抑制するために、荷重支持体15は冷凍機18で冷却されるサーマルアンカ20に熱的に接続されている。   Since the load support 15 is directly connected to the superconducting coil 13 from the vacuum container 12 at room temperature, it becomes a heat intrusion source to the superconducting coil 13. Therefore, the load support 15 is thermally connected to the thermal anchor 20 cooled by the refrigerator 18 in order to suppress heat intrusion into the superconducting coil 13.

サーマルアンカ20は、超電導コイル13の外周位置を囲繞するよう配設されている。即ち、サーマルアンカ20は略環状の形状を有しており、真空容器12と超電導コイル13との間に位置するよう配設されている。   The thermal anchor 20 is disposed so as to surround the outer peripheral position of the superconducting coil 13. That is, the thermal anchor 20 has a substantially annular shape and is disposed between the vacuum vessel 12 and the superconducting coil 13.

ここで、図1は断面図であるため、1段目ステージ18aに接続されたサーマルアンカ20と、荷重支持体15に接続されたサーマルアンカ20が左右に別個に図示されている。しかしながら、サーマルアンカ20は一体的構成であり、よって左右に図示された各サーマルアンカ20は冷凍機18により共に冷却される。このサーマルアンカ20及び前記した伝熱部材14は、冷却効率を高めるため熱伝導率の大きい材料(銅、アルミニウム)を使用している。   Here, since FIG. 1 is a cross-sectional view, the thermal anchor 20 connected to the first stage 18a and the thermal anchor 20 connected to the load support 15 are separately illustrated on the left and right. However, the thermal anchor 20 has an integral structure, and thus the thermal anchors 20 illustrated on the left and right are cooled together by the refrigerator 18. The thermal anchor 20 and the above-described heat transfer member 14 use materials (copper, aluminum) having a high thermal conductivity in order to increase the cooling efficiency.

次に、MLI16について説明する。本実施形態では、超電導コイル13を外部に対して熱シールドする熱シールド手段としてこのMLI16を用いたことを特徴としている。このMLI16は、超電導コイル13の上部を覆うよう配設された上部MLI16aと、超電導コイル13の側部を覆うように配設された側部MLI16bと、超電導コイル13の下部を覆うように配設された下部MLI16cとにより構成されている。この各上部,側部,下部MLI16a〜16cを設けることにより、超電導コイル13はその周囲をMLI16に覆われた構成となる。   Next, the MLI 16 will be described. This embodiment is characterized in that this MLI 16 is used as a heat shield means for heat-shielding the superconducting coil 13 to the outside. The MLI 16 is disposed so as to cover the upper MLI 16 a disposed so as to cover the upper portion of the superconducting coil 13, the side MLI 16 b disposed so as to cover the side portion of the superconducting coil 13, and the lower portion of the superconducting coil 13. The lower MLI 16c is formed. By providing each of the upper, side, and lower MLIs 16a to 16c, the superconducting coil 13 is configured so that the periphery thereof is covered with the MLI 16.

MLI16は、例えばポリエステルフィルムにアルミニウムを蒸着することにより放射率を低減されたアルミ蒸着フィルムと、ナイロンネット等のスペーサとを交互に積層した構造を有している。このMLI16は、放射率が小さく、軽量であるため使用性は良好である。尚、超電導コイル13に配設するMLI16の配設数及び厚さ等は、超電導コイル13の大きさや真空容器12の容積等に基づき適宜設定される。   The MLI 16 has a structure in which, for example, an aluminum vapor-deposited film whose emissivity is reduced by vapor-depositing aluminum on a polyester film and spacers such as nylon nets are alternately laminated. Since this MLI 16 has a low emissivity and is lightweight, it has good usability. The number and thickness of the MLI 16 disposed in the superconducting coil 13 are appropriately set based on the size of the superconducting coil 13 and the volume of the vacuum vessel 12.

従来、前記したようにMLIは、4K程度の極低温で臨界を実現する低温超電導コイル103を用いた超電導マグネット装置100A(図3参照)において、熱シールド板107の外周に配設することが行われていた。また、超電導コイル103に直接MLIを配設し熱シールド板107も配設することもあった。   Conventionally, as described above, the MLI is disposed on the outer periphery of the heat shield plate 107 in the superconducting magnet device 100A (see FIG. 3) using the low-temperature superconducting coil 103 that realizes criticality at an extremely low temperature of about 4K. It was broken. In some cases, the MLI is disposed directly on the superconducting coil 103 and the heat shield plate 107 is also disposed.

しかし、低温超電導コイル103では、常温である外部からの輻射熱を超電導コイル103にMLIを配設して遮断しようとした場合、多数のMLIを積層配設する必要があり、装置が大型化して現実的でなった。   However, in the low-temperature superconducting coil 103, when the MLI is arranged on the superconducting coil 103 to cut off the radiant heat from the outside at room temperature, it is necessary to arrange a large number of MLIs, which increases the size of the apparatus. It became the target.

これに対して本実施形態では、超電導コイル13の周囲に直接MLI16を直接配設し、シールド板107を除去すると共にサーマルアンカ20を配設したことを特徴としている。上記のように通常は超電導コイルにMLIを巻回することは想定し難いが、本実施形態では超電導コイル13として低温超電導線材に対して臨界温度が高い高温超電導線材を用いたことに着目し、超電導コイル13に直接MLI16及びサーマルアンカ20を配設することを想到したものである。   In contrast, the present embodiment is characterized in that the MLI 16 is directly disposed around the superconducting coil 13, the shield plate 107 is removed, and the thermal anchor 20 is disposed. As mentioned above, it is usually difficult to envisage winding MLI around a superconducting coil, but in this embodiment, focusing on the use of a high-temperature superconducting wire having a higher critical temperature than the low-temperature superconducting wire as the superconducting coil 13, It is conceived that the MLI 16 and the thermal anchor 20 are arranged directly on the superconducting coil 13.

このように、超電導コイル13をMLI16で覆い、外部に対して断熱することにより、外部からの輻射熱が超電導コイル13に侵入することを抑制することができる。また、超電導状態とする必要がある超電導電流リード19、及び外部からの熱侵入を防止する必要がある荷重支持体15はサーマルアンカ20に熱的に接続されており、このサーマルアンカ20は冷凍機18により冷却される構成とされている。   Thus, by covering the superconducting coil 13 with the MLI 16 and thermally insulating the outside, it is possible to suppress radiant heat from the outside from entering the superconducting coil 13. The superconducting current lead 19 that needs to be in a superconducting state and the load support 15 that needs to prevent heat from entering from the outside are thermally connected to a thermal anchor 20, and the thermal anchor 20 is a refrigerator. 18 is configured to be cooled.

よって、熱シールド板107を設けることなく、超電導コイル13及び超電導電流リード19を超電導状態とすることができ、かつ荷重支持体15から熱が超電導コイル13に侵入することを抑制することができる。また、熱シールド板107が不要となることにより、超電導マグネット装置10Aの部品点数の削減及び小形化を図ることができる。   Therefore, the superconducting coil 13 and the superconducting current lead 19 can be brought into a superconducting state without providing the heat shield plate 107, and the heat can be prevented from entering the superconducting coil 13 from the load support 15. Further, since the heat shield plate 107 is not necessary, the number of parts of the superconducting magnet device 10A can be reduced and the size can be reduced.

また、超電導コイル13から発生する磁束φの磁束変化による渦電流については、MLI16は超電導コイル13の磁束変化が発生する領域内に配設されるが、前記のようにMLI16はアルミ蒸着フィルムとナイロンネット等のスペーサとを交互に積層した構造であり、よって渦電流が発生し難い構造となっている。このため、超電導コイル13において単位時間当たりの磁束変化dφ/dtが大きくなっても、MLI16で発生する渦電流損失は無視できる程度となり、よって渦電流に起因した発熱も低減させることができる。   Regarding the eddy current due to the magnetic flux change of the magnetic flux φ generated from the superconducting coil 13, the MLI 16 is disposed in the region where the magnetic flux change of the superconducting coil 13 is generated. As described above, the MLI 16 is made of an aluminum vapor deposited film and nylon. It is a structure in which spacers such as nets are alternately stacked, and thus it is difficult to generate eddy currents. For this reason, even if the magnetic flux change dφ / dt per unit time in the superconducting coil 13 increases, the eddy current loss generated in the MLI 16 is negligible, and thus heat generation due to the eddy current can be reduced.

また、このように渦電流に伴う発熱が低減されることにより、少ない数の冷凍機18で超電導コイル13や超電導電流リード19が性能を維持しうる温度に冷却することが可能となり、超電導マグネット装置10Aのランニングコストの低減を図ることができる。また、冷凍機18の配設数を少なくできることにより、超電導マグネット装置10Aの小型化を図ることもできる。   Further, by reducing the heat generation due to the eddy current in this way, it becomes possible to cool the superconducting coil 13 and the superconducting current lead 19 to a temperature at which the performance can be maintained with a small number of refrigerators 18, and the superconducting magnet device. The running cost of 10A can be reduced. In addition, since the number of the refrigerators 18 can be reduced, the size of the superconducting magnet device 10A can be reduced.

図2は、本発明の第2実施形態である超電導マグネット装置10Bを示している。尚、図2において、図1に示した構成と対応する構成については、同一符号を付してその説明を省略する。   FIG. 2 shows a superconducting magnet device 10B according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 2, components corresponding to those shown in FIG.

前記した第1実施形態に係る超電導マグネット装置10Aは、装置内部を真空とし装置外部からの熱侵入を防止するため、真空容器12を設けた構成としていた。これに対して本実施形態に係る超電導マグネット装置10Bは、真空容器12に代えて鉄心30を設けた構成とされている。この鉄心30は超電導コイル13で発生する磁束を案内するヨークとして機能し、よって鉄心30を設けることにより超電導コイル13で生成する磁束φの均一化を図ることができる。   The superconducting magnet device 10A according to the first embodiment described above has a configuration in which a vacuum container 12 is provided in order to prevent the heat from entering from the outside by making the inside of the device a vacuum. On the other hand, the superconducting magnet device 10B according to the present embodiment has a configuration in which an iron core 30 is provided instead of the vacuum vessel 12. The iron core 30 functions as a yoke for guiding the magnetic flux generated in the superconducting coil 13. Therefore, the provision of the iron core 30 can make the magnetic flux φ generated in the superconducting coil 13 uniform.

前記したように、本実施形態のように超電導コイル13を囲繞するように鉄心30を設けた超電導マグネット装置10Bは、装置の軽量化・コンパクト化を図るために必然的に重量物である鉄心30を小さくする必要があり、よって鉄心30内に形成される内部空間31も小さく(狭く)する必要がある。   As described above, the superconducting magnet device 10B provided with the iron core 30 so as to surround the superconducting coil 13 as in the present embodiment is necessarily a heavy iron core 30 in order to reduce the weight and size of the device. Therefore, the internal space 31 formed in the iron core 30 also needs to be small (narrow).

これに対し、本実施形態に係る超電導マグネット装置10Bにおいても、超電導コイル13にMLI16が配設され、このMLI16により輻射熱が超電導コイル13に侵入するのを抑制している。また、性能を維持するために冷却が必要な超電導電流リード19及び外部の熱の侵入を抑制するために冷却する必要がある荷重支持体15は、いずれも冷凍機18により冷却されるサーマルアンカ20に熱的に接続されている。   On the other hand, also in the superconducting magnet device 10B according to the present embodiment, the MLI 16 is disposed in the superconducting coil 13, and the MLI 16 prevents the radiant heat from entering the superconducting coil 13. In addition, the superconducting current lead 19 that needs to be cooled in order to maintain the performance and the load support 15 that needs to be cooled in order to suppress external heat intrusion are both the thermal anchor 20 that is cooled by the refrigerator 18. Is thermally connected to.

よって、従来では鉄心110の内部空間112に配設されていた熱シールド板107(図5参照)を、本実施形態に係る超電導マグネット装置10Bでは不要とすることができ、内部空間31を小さく(狭く)することが可能となる。これにより、鉄心30の小形化を図ることができ、延いては超電導マグネット装置10Bの軽量化及び小形化を図ることができる。   Therefore, the heat shield plate 107 (see FIG. 5) that is conventionally disposed in the internal space 112 of the iron core 110 can be made unnecessary in the superconducting magnet device 10B according to the present embodiment, and the internal space 31 is reduced ( Narrow). Thereby, size reduction of the iron core 30 can be achieved, and also weight reduction and size reduction of the superconducting magnet apparatus 10B can be achieved.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be modified and changed.

10A,10B 超電導マグネット装置
12 真空容器
13 超電導コイル
14 伝熱部材
15 荷重支持体
16 MLI(多層断熱材)
18 冷凍機
19 超電導電流リード
20 サーマルアンカ
20A リード用サーマルアンカ
20B 支持体用サーマルアンカ
30 鉄心
31 内部空間
10A, 10B Superconducting magnet device 12 Vacuum container 13 Superconducting coil 14 Heat transfer member 15 Load support 16 MLI (multilayer insulation)
18 Refrigerator 19 Superconducting current lead 20 Thermal anchor 20A Lead thermal anchor 20B Support thermal anchor 30 Iron core 31 Internal space

Claims (5)

高温超電導材料を用いた超電導コイルと、
前記超電導コイルに通電を行うための電流リードと、
前記超電導コイルが超電導状態となるよう冷却処理を行う冷却装置と、
前記超電導コイルを外部に対して熱シールドする熱シールド手段と、
前記超電導コイルを支持する荷重支持体とを有する超電導マグネット装置であって、
前記熱シールド手段を前記超電導コイルの周囲に配設された多層断熱材とし、
かつ、前記電流リード及び前記荷重支持体と前記冷却装置とを熱的に接続するサーマルアンカを設けたことを特徴とする超電導マグネット装置。
A superconducting coil using a high-temperature superconducting material;
A current lead for energizing the superconducting coil;
A cooling device that performs a cooling process so that the superconducting coil is in a superconducting state;
Heat shield means for heat-shielding the superconducting coil to the outside;
A superconducting magnet device having a load support for supporting the superconducting coil,
The heat shield means is a multilayer heat insulating material disposed around the superconducting coil,
A superconducting magnet device comprising a thermal anchor that thermally connects the current lead and the load support to the cooling device.
前記超電導材料は、臨界温度が10K以上110K以下の材料である請求項1記載の超電導マグネット装置。   The superconducting magnet device according to claim 1, wherein the superconducting material is a material having a critical temperature of 10K to 110K. 前記冷却装置は2段式の冷凍機であり、1段部分が前記サーマルアンカと熱的に接続し、2段部分が前記超電導コイルと熱的に接続されてなる請求項1又は2記載の超電導マグネット装置。   The superconductor according to claim 1 or 2, wherein the cooling device is a two-stage refrigerator, wherein a first stage portion is thermally connected to the thermal anchor and a second stage portion is thermally connected to the superconducting coil. Magnet device. 前記超電導コイルで発生する磁場の均一化を図る鉄心を、少なくとも前記超電導コイルを囲繞するよう配設したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の超電導マグネット装置。   The superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 3, wherein an iron core for homogenizing a magnetic field generated in the superconducting coil is disposed so as to surround at least the superconducting coil. 前記超電導材料は、Bi2223である請求項1乃至4のいずれか一項に記載の超電導マグネット装置。   The superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 4, wherein the superconducting material is Bi2223.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106229105A (en) * 2016-07-06 2016-12-14 合肥中科离子医学技术装备有限公司 A kind of 90 degree of two pole ferrum vacuum cooled structure of superconduction being applicable to proton therapeutic instrument
CN111863373A (en) * 2019-04-24 2020-10-30 中国航天科工飞航技术研究院(中国航天海鹰机电技术研究院) Superconducting magnet with electromagnetic protection component

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