JP2010287792A - 超電導マグネット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は超電導コイルを支持する荷重支持体を有する超電導マグネット装置に関し、渦電流の発生を抑制すると共に超電導コイルを確実に支持することを課題とする。
【解決手段】真空容器として機能する鉄心１２と、鉄心１２内に装着される超電導コイル１３Ａと、この超電導コイル１３Ａを内部に装着する金属製のコイル枠２２と、超電導コイル１３Ａが超電導状態となるよう冷却を行う冷凍機１８と、超電導コイル１３Ａを囲繞するよう配設され超電導コイル１３Ａを支持する補強リング２４と、鉄心１２と補強リング２４との間に配設され鉄心１２に対して補強リング２４を支持する第１の荷重支持体１５Ａと、補強リング２４とコイル枠２２との間に配設され補強リング２４に対してコイル枠２２を支持する第２の荷重支持体１５Ｂとを設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は超電導マグネット装置に係り、特に超電導コイルを支持する荷重支持体を有する超電導マグネット装置に関する。

従来の一例である超電導マグネット装置を図５に示す。同図に示す超電導マグネット装置１００は、鉄心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、冷凍機１０８、及びコイル枠１０９等により構成されている。

鉄心１０２は真空容器としても機能するものであり、よって内部を真空としうる構成となっている。超電導コイル１０３は超電導線材で形成されており、例えば４Ｋ程度の極低温で超電導状態となるものである。

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。また、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。

一方、超電導コイル１０３に通電する電流ラインは、鉄心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（図示せず）が用いられている。

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、磁場発生時において超電導コイル１０３と鉄心１０２との間に発生する吸引力、及び超電導コイル１０３がクエンチした際に発生する急激な変動電磁力等の荷重を支持し、超電導コイル１０３が破損するのを防止する。

この荷重支持体１０５は、常温の鉄心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への外部熱の侵入源となる。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。

また、超電導コイル１０３に印加される荷重が大きい場合には、荷重支持体１０５とは別箇にコイル枠１０９を設けることが行われている。このコイル枠１０９はステンレス等の金属よりなり、超電導コイル１０３及び伝熱部材１０４をその内部に収納する。

このようにコイル枠１０９が超電導コイル１０３の全周を覆うように設けられると、コイル枠１０９はループを形成することとなる。よって、超電導コイル１０３が発生する磁束φの単位時間ｔあたりの磁束変化率（dφ／dt）が大きくなると、図６（Ａ）に示すようにコイル枠１０９に渦電流ｉが発生する。このように熱伝導部材に渦電流ｉが発生すると、ジュール熱により超電導コイル１０３を十分に冷却することができなくなり、超電導コイル１０３の温度が上がりクエンチの原因となる可能性がある。

コイル枠１０９は超電導コイル１０３を補強するものであるため、超電導コイル１０３から離間して設けることはできない。また、渦電流による発熱の総量は、ループを形成する材質（熱伝導部材の材質）の電気抵抗が低いほど多くなる。そこで、図６（Ｂ）に示すように、コイル枠１０９にスリット１１０を形成し、これによりコイル枠１０９のループを遮断することにより渦電流の発生を抑制することが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０００−２６９０２１号公報

上記のようにコイル枠１０９にスリット１１０を形成することにより、渦電流の発生を有効に抑制することができる。しかしながら、コイル枠１０９にスリット１１０を形成すると、コイル枠１０９の機械的強度が大きく低下し、よって超電導コイル１０３を補強するという本来的な機能を奏することができなくなってしまう。

このため、図６（Ｃ）に示すように、スリット１１０に高強度の絶縁材料（ＧＦＲＰ，ＣＦＲＰ等）やエポキシ樹脂等の絶縁材料を充填材１１１として充填し、これによりコイル枠１０９の強度を向上させることも提案されている。しかしながら、ステンレス製のコイル枠１０９とＧＦＲＰ等よりなる充填材１１１では機械的な強度が大きく異なる。このため、コイル枠１０９に印加される荷重の方向によっては、超電導コイル１０３に大きな応力（図６（Ｃ）に矢印ＳＴで示す）が発生し、歪が生じるおそれがある。

更に、超電導コイル１０３の形状が、図７に示すような非対称の複雑な形成である場合、これを支持する荷重支持体１０５には圧縮荷重ばかりでなく、図中矢印Ｍで示す曲げ荷重が印加される。この際、荷重支持体１０５の長さが長い場合、曲げ荷重Ｍによるモーメントは大きくなり、荷重支持体１０５が損傷するおそれがある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、渦電流の発生を抑制できると共に超電導コイルを確実に支持しうる超電導マグネット装置を提供することを目的とする。

上記の課題は、第１の観点からは、
真空容器と、
該真空容器内に装着される超電導コイルと、
前記超電導コイルを内部に装着する金属製のコイル枠と、
前記超電導コイルが超電導状態となるよう冷却を行う冷凍機と、
前記超電導コイルを囲繞するよう配設され、磁場発生時において前記超電導コイルを支持する補強部材と、
前記真空容器と前記補強部材との間に配設され、前記真空容器に対して前記補強部材を支持する第１の荷重支持体と、
前記補強部材と前記コイル枠との間に配設され、前記補強部材に対して前記コイル枠を支持する第２の荷重支持体とを有する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。

開示の超電導マグネット装置は、超電導コイルは補強部材及びコイル枠の双方により補強されるため、磁場発生時等に荷重印加がされても超電導コイルに破損が発生することを有効に防止できる。また、荷重支持体は補強部材を挟んで第１の荷重支持体と第２の荷重支持体に分離されているため、第１の荷重支持体より超電導コイルに至るまでの伝熱経路が長くなり、侵入した熱が超電導コイルに至ることを抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態である超電導マグネット装置の要部断面図である。 図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図３は、コイル枠２２を拡大して示す斜視図である。 図４は、非対称形状を有する各種超電導コイルを示す図である。 図５は、従来の一例である超電導マグネット装置の断面図である。 図６は、従来行われていた渦電流対策を説明するための図である． 図７は、従来の超電導マグネット装置で発生する問題点を説明するための図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１及び図２は、本発明の一実施形態である超電導マグネット装置１０を説明するための図である。図１は超電導マグネット装置１０の横断面図であり、また図２は図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。この超電導マグネット装置１０は、例えば陽子線治療装置ガントリー用偏向電磁石に適用されるものである。

超電導マグネット装置１０は伝導冷却式の超電導マグネット装置であり、大略すると鉄心１２、超電導コイル１３Ａ、荷重支持体１５Ａ，１５Ｂ、熱シールド板１７、冷凍機１８，コイル枠２２，及び補強リング２４等を有している。

鉄心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、鉄心１２の内部は真空状態とされる構成となっている。この鉄心１２は超電導コイル１３Ａ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１２を設けることにより超電導コイル１３Ａで生成する磁束の集束及び磁束密度の均一化を図ることができる。

超電導コイル１３Ａは、熱伝導部材２０と共にコイル枠２２内に配設される。超電導コイル１３Ａは、超電導線材を巻回した構造とされている。本実施形態では、超電導線材として高温超電導線材を用いている。この高温超電導線材としては、例えばBi2223，Bi2212，Y123，MgB2，酸化物超伝導体等を用いることができる。尚、本実施形態では超電導線材として高温超電導線材を用いているが、低温超電導線材を用いる構成とすることも可能である。

超電導コイル１３Ａには、電流ライン（図示を省略）を用いて給電が行われる。この電流ラインは、鉄心１２から熱シールド板１７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、熱シールド板１７から超電導コイル１３Ａの間は超電導電流リードが用いられる。

また、本実施形態に係る超電導マグネット装置１０は、前記のように陽子線治療装置ガントリー用偏向電磁石に適用されるものである。このため、超電導コイル１３Ａの形状は、陽子線の偏向方向に対応するよう複雑な形状とされている。

図４（Ａ）は、本実施形態で用いている超電導コイル１３Ａである。この超電導コイル１３ＡはＤ型コイルと呼ばれるものであり、平面視したときにその形状が略Ｄ型となる形状を有している。このように、本実施形態で用いる超電導コイル１３Ａは、その中心に対して非対称な形状とされている。

尚、本発明に適用できる超電導コイルはＤ型の超電導コイル１３Ａに限定されるものではなく、例えば図４（Ｂ）に示されるようなレーストラックコイルと呼ばれる超電導コイル１３Ｂ、図４（Ｃ）に示されるようなくら形コイルと呼ばれる超電導コイル１３Ｃ等のような、中心に対して非対称な各種コイルについても適用が可能である。

熱伝導部材２０は、熱伝導性の高い材料（例えば、銅，アルミニウム、或いはそれらの合金等）により形成されている。この熱伝導部材２０は超電導コイル１３Ａと熱的に接続されると共に、冷凍機１８の２段部１８ｂに接続されている。よって、超電導コイル１３Ａは熱伝導部材２０を介して冷凍機１８により冷却され、これにより超電導状態を実現する。

コイル枠２２は、図３に拡大して示すように、上部と下部にそれぞれ超電導コイル１３Ａが設けられている。また、コイル枠２２内の超電導コイル１３Ａの背面側には、熱伝導部材２０が設けられている。コイル枠２２はステンレス等の金属により形成されており、超電導コイル１３Ａを補強する機能を奏するものである。このコイル枠２２は、超電導コイル１３Ａの全周を覆うように設けられる。

従って、本実施形態においてもコイル枠２２はループを形成することとなるため、超電導コイル１３Ａが発生する単位時間ｔあたりの磁束変化率（dφ／dt）が大きくなると渦電流ｉが発生することが懸念される。そこで本実施形態では、コイル枠２２にスリット２１を形成し、コイル枠２２のループを遮断することにより渦電流の発生を抑制する構造とされている。

本実施形態では、１個のスリット２１をコイル枠２２に形成する例を示したが、複数個のスリット２１をコイル枠２２に形成することとしてもよい。またスリット２１の幅は、極力狭い方が良い。これは、超電導線材を一様に冷却しクエンチの発生を抑制するためには、できる限り広い範囲にわたり熱伝導部材２０を超電導コイル１３Ａに密着させることが望ましいことによる。

しかしながら、スリット２１の幅は、低温に冷却した際の熱収縮によりそれぞれの切り端が接触しない程度に、またクエンチ時に生じる電圧により絶縁破壊を起こさない程度の余裕を残した寸法とする必要がある。尚、上記のスリット２１には、電気的絶縁物であり機械的強度を有する高強度の絶縁材料（ＧＦＲＰ，ＣＦＲＰ等）等を充填材として充填する構成としてもよい。

熱シールド板１７は、超電導コイル１３Ａ（コイル枠２２）を取り囲むよう設けられている。また、後述する第２の荷重支持体１５Ｂも熱シールド板１７の内部に配設されている。

この熱シールド板１７は、冷凍機１８の１段部１８ａと熱的に接続されている（図２参照）。また熱シールド板１７は、例えば銅やアルミニウムなどの伝熱特性の優れた材料により形成されている。よって、熱シールド板１７を設けることにより、超電導コイル１３Ａに侵入する輻射熱を低減することができる。

冷凍機１８は、鉄心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。

ＧＭ冷凍機１８は２段式の冷凍機であり、１段部１８ａは熱シールド板１７に接続され、２段部１８ｂは熱伝導部材２０を介して超電導コイル１３Ａに接続されている。従って、熱シールド板１７は冷凍機１８の１段部１８ａにより、40K〜110K程度に冷却される。また、コイル体１９と熱的に接続した熱伝導部材２０は、２段部１８ｂにより4K〜40K程度に冷却される。このように冷凍機１８により熱伝導部材２０が冷却されることにより、コイル体１９は冷却されて超電導状態を実現する。

補強リング２４は、図１に示すようにコイル枠２２（超電導コイル１３Ａ）の全外周を囲繞するよう設けられている。具体的には、補強リング２４は、熱シールド板１７の鉄心１２と対向する面に配設されている。この補強リング２４は、電磁力（フープ力）によりコイル体１９に発生する変形（歪み）を防止する機能を奏するものである。

補強リング２４の材質としては、非磁性で高強度な合金等（例えば、非磁性のオーステナイト等の低温でも強度を保ち、なおかつヤング率の比較的高い材質）を用いることが望ましい。本実施形態では、補強リング２４の材質としてステンレスを採用している。

また、補強リング２４はコイル枠２２（超電導コイル１３Ａ）の全外周を囲繞するよう配設されるため、ループを形成することとなる。しかしながら、補強リング２４の配設位置は、超電導コイル１３Ａの配設位置に対して離間した位置である。このため、超電導コイル１３Ａに磁束変化が生じても、補強リング２４に発生する渦電流が小さいため、補強リング２４に渦電流を遮断するためのスリットを設ける必要はない。

また、この補強リング２４には、凸部２４Ａ及び凹部２４Ｂが形成されている。本明細書では、補強リング２４がコイル枠２２に向け図中矢印Ｘ１方向に突出した部分を凸部２４Ａといい、補強リング２４が鉄心１２に向け図中矢印Ｘ２方向に窪んだ部分を凹部２４Ｂというものとする。

荷重支持体１５Ａ，１５Ｂ（個別に示す場合には第１の荷重支持体１５Ａ-1，１５Ａ-2、第２の荷重支持体１５Ｂ-1，１５Ｂ-2，１５Ｂ-3という）は、鉄心１２に対して超電導コイル１３Ａを支持するものである。従来では複数設けられる荷重支持体１０５による各支持位置において、鉄心１０２からコイル枠１０９（超電導コイル１０３）まで１本の荷重支持体１０５を設けて支持する構成とされていた（図５参照）。

これに対して本実施形態では、鉄心１２と補強リング２４との間に配設される第１の荷重支持体１５Ａと、補強リング２４とコイル枠２２（超電導コイル１３Ａ）との間に配設される第２の荷重支持体１５Ｂとを設けた構成としている。

第１の荷重支持体１５Ａは、鉄心１２に対して補強リング２４を支持する。また、第２の荷重支持体１５Ｂは、補強リング２４に対してコイル枠２２（超電導コイル１３Ａ）を支持する。

よって、本実施形態に係る超電導マグネット装置１０では、第１及び第２の荷重支持体１５Ａ，１５Ｂを介して超電導コイル１３Ａはコイル枠２２及び補強リング２４により補強される構成となる。前記のように、コイル枠２２はスリット２１を形成した構成であるため、スリット２１を設けない構成に比べて機械的な強度は低い。

しかしながら、コイル枠２２は、第２の荷重支持体１５Ｂを介して補強リング２４に接続されているため、超電導コイル１３Ａは補強リング２４によっても補強される。また、補強リング２４は上記のように渦電流が発生しないため、機械的強度を弱めるスリットは設けられていない。よって、本実施形態に係る超電導マグネット装置１０によれば、コイル枠２２に渦電流が発生することを抑制することができ、かつ超電導コイル１３Ａを確実に支持することができる。

また、第１の荷重支持体１５Ａは常温とされた鉄心１２に固定されているため、この外部熱が第１の荷重支持体１５Ａを介して超電導コイル１３Ａに侵入するおそれがある。しかしながら、前記のように第１及び第２の荷重支持体１５Ａ，１５Ｂは分離されているため、必ずしも第１の荷重支持体１５Ａ-1と第２の荷重支持体１５Ｂ-1のように一直線上に配置する必要はなく、第１の荷重支持体１５Ａ-2と第２の荷重支持体１５Ｂ-3のように偏倚して配置することも可能である。

いま、第１の荷重支持体１５Ａ-1から外部熱が侵入したとすると、この外部熱は図中矢印で示すように、第１の荷重支持体１５Ａ、補強リング２４、第２の荷重支持体１５Ｂ、コイル枠２２を介して超電導コイル１３Ａに熱伝達する。この際、第１の荷重支持体１５Ａ-2と第２の荷重支持体１５Ｂ-3とを偏倚させることにより、伝熱経路を長くすることができる。

よって、従来のように鉄心１０２とコイル枠１０９を１本の荷重支持体１０５で支持する構成に比べ、外部熱の伝熱経路を長くすることができる。これにより、外部熱の超電導コイル１３Ａに至る熱抵抗を高めることができ、外部熱により超電導コイル１３Ａの温度が上昇することを抑制することができる。

これに対して機械的強度を考えた場合、第１の荷重支持体１５Ａ-1と第２の荷重支持体１５Ｂ-1のように一直線上に配置する方が望ましい。よって、第１及び第２の荷重支持体１５Ａ，１５Ｂの配設位置において、外部熱の侵入防止を主とするのか、或いは強度を主とするのかにより、適宜第１の荷重支持体１５Ａと第２の荷重支持体１５Ｂの位置を選定すればよい。

更に本実施形態では、補強リング２４に凸部２４Ａ及び凹部２４Ｂが形成されている。図２に示すように第１の荷重支持体１５Ａ-2は補強リング２４に形成された凸部２４Ａ内に深く挿入された構成となっており、また第２の荷重支持体１５Ｂ-2は補強リング２４に形成された凹部２４Ｂに挿入された構成となっている。

このように、補強リング２４に凸部２４Ａ及び凹部２４Ｂを形成し、この形成位置に第１及び第２の荷重支持体１５Ａ，１５Ｂを装着することにより、外部熱の伝熱経路を調整することが可能となる。よって、この凸部２４Ａ及び凹部２４Ｂの突出量及び窪み量を適宜設定することによっても、外部熱により超電導コイル１３Ａの温度が上昇することを抑制することが可能となる。

尚、凸部２４Ａ及び凹部２４Ｂを補強リング２４に設けることにより、補強リング２４は形状剛性が高まり、機械的強度を高めることもできる。また、凸部２４Ａ及び凹部２４Ｂを補強リング２４に設けるため、補強リング２４が密着して配設される熱シールド板１７には、凸部２４Ａ及び凹部２４Ｂが嵌入する開口が適宜形成されている。

また、熱シールド板１７の内部に配置される第２の荷重支持体１５Ｂは、冷凍機１８と接続された熱シールド板１７に接続されるよう構成されている。第２の荷重支持体１５Ｂ-1及び第２の荷重支持体１５Ｂ-2は直接熱シールド板１７に熱的に接続しており、よって冷凍機１８により冷却が行われる。

また、第２の荷重支持体１５Ｂ-3の形成位置では、熱シールド板１７の内側に補強リング２４が位置しており、直接熱シールド板１７と接続することができない。よって、第２の荷重支持体１５Ｂ-2と熱シールド板１７との間に熱アンカー２６を設けることにより熱的に接続し、これにより第２の荷重支持体１５Ｂ-3を冷凍機１８により冷却する構成としている。この構成とすることにより、第２の荷重支持体１５Ｂを介して超電導コイル１３Ａに外部の熱が侵入することをより確実に防止することができる。

更に、本実施形態では従来では１本の荷重支持体１０５（図５参照）を第１の荷重支持体１５Ａと第２の荷重支持体１５Ｂに分割した構成としている。よって、個々の第１及び第２の荷重支持体１５Ａ，１５Ｂの長さは従来の荷重支持体１０５に比べて短くなっている。よって、超電導コイル１３Ａの形状が非対称で複雑な形状であることにより起因し、第１及び第２の荷重支持体１５Ａ，１５Ｂに曲げ荷重が印加されても、これにより発生するモーメントは小さい。よって、この曲げ荷重により第１及び第２の荷重支持体１５Ａ，１５Ｂが損傷することを防止することができる。

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。

具体的には、本実施形態では本発明を陽子線治療装置ガントリー用偏向電磁石に適用した例について説明したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、超電導コイルが比較的大型であり、冷凍機により伝導冷却を行う構成の超電導マグネット装置に対して広く適用が可能なものである。

１０ 超電導マグネット装置
１２ 鉄心
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 超電導コイル
１５Ａ 第１の荷重支持体
１５Ｂ 第２の荷重支持体
１７ 熱シールド板
１８ 冷凍機
２０ 熱伝導部材
２１ スリット
２２ コイル枠
２４ 補強リング
２４Ａ 凸部
２４Ｂ 凹部
２６ 熱アンカー

Claims (6)

1. 真空容器と、
   該真空容器内に装着される超電導コイルと、
   前記超電導コイルを内部に装着する金属製のコイル枠と、
   前記超電導コイルが超電導状態となるよう冷却を行う冷凍機と、
   前記超電導コイルを囲繞するよう配設され前記超電導コイルを支持する補強部材と、
   前記真空容器と前記補強部材との間に配設され、前記真空容器に対して前記補強部材を支持する第１の荷重支持体と、
   前記補強部材と前記コイル枠との間に配設され、前記補強部材に対して前記コイル枠を支持する第２の荷重支持体と、
   を有することを特徴とする超電導マグネット装置。
2. 前記コイル枠は、渦電流を遮断するスリットを有す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. 前記補強部材が前記冷凍機により冷却される構成とすると共に、
   前記第２の荷重支持体と前記補強部材との間に熱アンカーを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の超電導マグネット装置。
4. 前記第１の荷重支持体と前記第２の荷重支持体とを、前記補強部材を挟んで偏倚した位置に配置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。
5. 前記補強部材に凹部又は凸部を設け、前記前記第１の荷重支持体と前記第２の荷重支持体とが前記凹部又は凸部に接合されることを特徴とする請求項４記載の超電導マグネット装置。
6. 前記超電導コイルは、非対称な形状を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超電導マグネット装置。

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