JP2013187405A - 超伝導マグネット装置の接続導体及び超伝導マグネット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温超伝導線材を用いることで経済効率を高めることができると共に、強度及び伝熱特性を向上できること。
【解決手段】複数台の超伝導コイル１１、１２と、これらの超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４を接続する接続導体１５とを有する超伝導マグネット装置１０において、接続導体１５が、高温超伝導線材と、この高温超伝導線材を密着して収容すると共に、前記高温超伝導線材よりも強度が高く且つ熱伝導性の良好な補強体とを有して構成されたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷却がなされている複数台の超伝導コイルの端子部間を接続する超伝導マグネット装置の接続導体、及びこの接続導体を用いた超伝導マグネット装置に関する。

複数台の超伝導コイルの端子部が接続導体を用いて接続されることで構成された超伝導マグネット装置においては、接続導体が金属系の超伝導材料を用いて構成されている場合、この接続導体についても、冷媒が流れる冷却配管が接続導体に配設されることで、または冷媒中に接続導体が配設されることなどで、接続導体が冷媒によって直接または間接に、液体ヘリウム温度程度まで冷却されている。

例えば、特許文献１に記載された図１５に示す超伝導導体の接続構造では、多数の超伝導導体（超伝導撚線）１００同士を接続する際に、多数の超伝導導体１００を銅管１０１内に収容し、銅管１０１内に冷媒（液体ヘリウム）を流し、これらの銅管１０１を銅ブロック１０２によって接続している。しかし、この接続構造の場合には、温度上昇を回避するために、銅管１０１同士を極めて近い距離に設定しなければならない。

ところで、超伝導コイルの端子部を接続する接続導体が高温超伝導材料を用いて構成された場合には、この接続導体は、液体ヘリウム温度までの冷却を必要とせず、液体ヘリウム温度から液体窒素温度までの温度範囲において冷却されていれば足りる。

特開２００１−７６５５２号公報

しかしながら、超伝導コイルの端子部を接続する接続導体が高温超伝導線材により構成された場合には、この高温超伝導線材に脆性破壊が生じ易いという課題がある。また、高温超伝導線材の伝熱効率が低いことから、高温超伝導線材自体の伝熱特性を用いた冷却によって接続導体の超伝導性を維持させるためには、接続導体の長さに制限がある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、高温超伝導線材を用いることで経済効率を高めることができると共に、強度及び伝熱特性を向上できる超伝導マグネット装置の接続導体、及びこの接続導体を用いた超伝導マグネット装置を提供することにある。

本発明に係る超伝導マグネット装置の接続導体は、高温超伝導線材と、前記高温超伝導線材を密着して収容すると共に、前記高温超伝導線材よりも強度が高く且つ熱伝導性の良好な補強材と、を有することを特徴とするものである。

また、本発明に係る超伝導マグネット装置は、複数の超伝導コイルと、これらの超伝導コイルの端子部を接続する接続導体と、を有する超伝導マグネット装置において、前記接続導体が、前記発明における超伝導マグネット装置の接続導体であることを特徴とするものである。

本発明に係る超伝導マグネット装置の接続導体及び超伝導マグネット装置によれば、接続導体に高温超伝導線材が用いられることで、高価な液体ヘリウムを冷媒として使う必要がないので経済効率を高めることができる。また、脆性破壊が生じ易い高温超伝導線材を補強材で密着して収容することで、接続導体の強度を向上させることができる。更に、伝熱効率の低い高温超伝導線材が、熱伝導性の良好な補強材に密着して収容されることで、接続導体の伝熱特性を向上させることができる。

本発明に係る超伝導マグネット装置の第１実施形態を示す斜視図。 図１の超伝導マグネット装置の接続導体周囲を拡大して示す斜視図。 図１及び図２の接続導体を示し、（Ａ）は分解斜視図、（Ｂ）は組立状態を示す斜視図。 図１の超伝導マグネット装置における接続導体の第１取付形態を示す斜視図。 図１の超伝導マグネット装置における接続導体の第２取付形態を示す斜視図。 図１の超伝導マグネット装置における接続導体の第３取付形態を示す斜視図。 図１の超伝導マグネット装置における接続導体の第４取付形態を示す斜視図。 図１の超伝導マグネット装置における接続導体の第５取付形態を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は図８（Ａ）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図。 本発明に係る超伝導マグネット装置の第２実施形態における接続導体の周囲を示す斜視図。 図９の超伝導マグネット装置における接続導体の第１変形形態を示す斜視図。 図９の超伝導マグネット装置における接続導体の第２変形形態を示す斜視図。 本発明に係る超伝導マグネット装置の第３実施形態における接続導体の周囲を示す斜視図。 図１２の接続導体を示し、（Ａ）は分解斜視図、（Ｂ）は組立状態を示す斜視図。 図１２の超伝導マグネット装置の接続導体における他の取付形態を示す斜視図。 従来の超伝導導体の接続構造を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は図１５（Ａ）のＸＶ−ＸＶ線に沿う断面図。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。

［Ａ］第１実施形態（図１〜図８）
図１は、本発明に係る超伝導マグネット装置の第１実施形態を示す斜視図。図２は、図１の超伝導マグネット装置の接続導体周囲を拡大して示す斜視図である。

図１に示す超伝導マグネット装置１０は、複数台の超伝導コイル１１、１２を有し、これらの例えば隣接配置された超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４を接続導体１５により接続することで、装置の大型化の要請に応えている。

ここで、接続導体１５は、図３に示すように、高温超伝導線材１６と、この高温超伝導線材１６を密着して収容する雄型補強体１７及び雌型補強体１８とを有して平板形状に構成される。高温超伝導線材１６は、断面長方形状のテープ状に形成されたものが好ましく、超伝導コイル１１、１０に必要とする電流値に応じて単数本または複数本（本実施形態では複数本）設けられる。

この高温超伝導線材１６は、脆性破壊が生じ易く、且つ伝熱効率が低い性質を有する。これに対し、雄型補強体１７及び雌型補強体１８は、機械強度が高温超伝導線材１６よりも高く、且つ熱伝導性も高温超伝導線材１６よりも高い材料にて構成される。これらの雄型補強体１７及び雌型補強体１８は、具体的には銅、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料から構成される。

更に、雌型補強体１８の接合面１８Ａには、高温超伝導線材１６を収納する寸法の凹部１９が、高温超伝導線材１６の本数に対応した数だけ互いに平行して形成されている。また、雄型補強体１７の接合面１７Ａには、雌型補強体１８の凹部１９に係合する凸部２０が、凹部１９と同数本互いに平行に形成されている。雌型補強体１８の凹部１９に高温超伝導線材１６を収納させ、雄型補強体１７の凸部２０を雌型補強体１８の凹部１９に係合させて、雄型補強体１７の接合面１７Ａを雌型補強体１８の接合面１８Ａに接合することで、高温超伝導線材１６が雄型補強体１７及び雌型補強体１８に密着して収容される。

このように構成された接続導体１５は、図２に示すように、超伝導コイル１１、１２に必要とする電流値に応じて単数枚または複数枚、本実施形態では複数枚が並列して配置される。そして、これら複数枚の接続導体１５は、２台の超伝導コイル１１、１２におけるそれぞれの端子部１３、１４の先端に形成された嵌合溝２１に嵌合される。更に、これら複数の接続導体１５は、係合部材２２が上記端子部１３、１４の先端に着脱可能に係合することで、この端子部１３、１４に着脱可能に取り付けられる。

但し、接続導体１５は、図４〜図６に示すように、２台の超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４に形成された一つの嵌合溝２１に１枚に嵌合され（図４）、または１つの嵌合溝２１に２枚密着して嵌合され（図５）、または端子部１３、１４に形成された複数の嵌合溝２１のそれぞれに１枚または２枚嵌合され（図６）、更に、これらの嵌合された接続導体１５が低温ろう付または拡散接合などによって端子部１３、１４に固着されてもよい。

あるいは、図７に示すように、３枚の接続導体１５のそれぞれが、２台の超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４の両側面２３及び端面２４に低温ろう付などにより固着されてもよい。また、図８に示すように、２台の超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４の軸心Ｏ１、Ｏ２が略一致する場合には、これらの端子部１３、１４の軸心Ｏ１、Ｏ２の周囲に複数枚の接続導体１５が配置され、それぞれの端子部１３、１４の端面２４に接続導体１５の端面２５が突き合わせて固着されてもよい。

尚、図１中の符号２６は、超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４に取り付けられた冷却パイプであり、この冷却パイプ２６内に冷媒（液体ヘリウム）が流れることで、この端子部１３、１４が極低温に冷却される。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。
（１）２台の超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４を接続する接続導体１５は、高温超伝導線材１６と、この高温超伝導線材１６よりも強度が高く且つ熱伝導性の良好な雄型補強体１７及び雌型補強体１８とを有し、これらの雄型補強体１７及び雌型補強体１８により高温超伝導線材１６が密着して収容されて構成されている。従って、脆性破壊が生じ易い高温超伝導線材１６であっても、雄型補強体１７及び雌型補強体１８により接続導体１５の機械強度を向上させることができる。

また、伝熱効率が低い高温超伝導線材１６であっても、雄型補強体１７及び雌型補強体１８によって接続導体１５の伝熱特性が向上し、超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４からの伝熱により接続導体１５を冷却することができる。このため、接続導体１５の冷却のために液体ヘリウムを冷媒として使用して直接冷却する必要がないので、経済効率を高めることができる。更に、超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４間の距離を大きく設定することが可能になる。

（２）接続導体１５は、超伝導コイル１１、１２に必要とされる電流値に応じて、１枚の接続導体１５を構成する高温超伝導線材１６の本数が決定され、また、端子部１３、１４間を接続する接続導体１５の枚数が決定される。このように、接続導体１５における高温超伝導線材１６の本数や、端子部１３、１４間を接続する接続導体１５の枚数を変更することで、超伝導マグネット装置１０の大電流化に対応できる。

（３）超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４を接続する接続導体１５が、これらの端子部１３、１４に形成された嵌合溝２１に嵌合することから、接続導体１５の対向する表面及び裏面が端子部１３、１４に接触する。この結果、超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４と接続導体１５との接触面積を十分に確保することができる。

（４）超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４に着脱可能に係合する係合部材２２を用いて、端子部１３、１４に接続導体１５が着脱可能に構成された場合には、係合部材２２によって接続導体１５の脱落を防止しつつ、超伝導コイル１１、１２に流れる電流値の変化に対応して接続導体１５の枚数を増減することができる。

［Ｂ］第２実施形態（図９〜図１１）
図９は、本発明に係る超伝導マグネット装置の第２実施形態における接続導体の周囲を示す斜視図である。図１０、図１１は、図９の超伝導マグネット装置における接続導体のそれぞれ第１、第２変形形態を示す斜視図である。この第２実施形態において、前記第１実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第２実施形態の超伝導マグネット装置３０が前記第１実施形態と異なる点は、２台の超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４を接続する接続導体３１（図９）、３２（図１０）、３３（図１１）が、長手方向Ａとこの長手方向Ａに対し直交する直交方向Ｂとの少なくとも一方向（本実施形態では長手方向Ａ及び直交方向Ｂの両方向）に変形可能に構成された点である。

つまり、図９に示す接続導体３１は、正面視Ｌ字形状の接続導体エレメント３１Ａ及び３１Ｂが突き合わせ接合されて正面視でコ字形状に構成され、この接続導体３１の両端が２台の超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４の側面２３に低温ろう付けまたは拡散接合により固着されている。また、図１０に示す接続導体３２は、長手方向Ａの中央部分が正面視でΩ字形状に形成され、更に、図１１に示す接続導体３３は、その長手方向Ａの中央部分が波形に形成され、これらの接続導体３２、３３の両端部が、超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４の側面２３に低温ろう付けなどにより固着されている。

このように接続導体３１、３２及び３３は、これらの長手方向Ａに屈曲または湾曲した形状に形成されたので、接続導体３１、３２及び３３の長手方向Ａとこの長手方向Ａに直交する直交方向Ｂとの両方向に変形可能に構成される。これにより、接続導体３１、３２及び３３の長尺化を実現でき、且つフレキシブル性を高めることが可能になる。

従って、本実施形態によれば、前記第１実施形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）を奏する。
（５）接続導体３１、３２及び３３が長手方向Ａ及び直交方向Ｂの両方向に変形可能に構成されたので、超伝導コイル１１及び１２の据付位置が水平方向（即ち長手方向Ａ）または鉛直方向（即ち直交方向Ｂ）にずれてしまった場合にも、接続導体３１、３２または３３を用いて、これらの超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４の容易に接続することができる。

［Ｃ］第３実施形態（図１２〜図１４）
図１２は、本発明に係る超伝導マグネット装置の第３実施形態における接続導体の周囲を示す斜視図である。図１４は、図１２の超伝導マグネット装置の接続導体における他の取付形態を示す斜視図である。この第３実施形態において前記第１実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第３実施形態の超伝導マグネット装置４０、４１が前記第１実施形態と異なる点は、２台の超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４を接続する接続導体４２が、丸棒形状に構成された点である。

つまり、この接続導体４２は、図１３に示すように、断面円形状または四角形状の高温超伝導線材４３が、円筒形状の補強体４４内に挿入されて、丸棒形状に構成されている。このように構成された複数本の接続導体４２は、図１２に示すように、超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４の先端に複数形成された略半円形状の嵌合凹部４５のそれぞれに嵌合し、係合部材２２が端子部１３、１４の先端に着脱可能に係合することで、端子部１３、１４に着脱可能に取り付けられている。

あるいは、複数本の接続導体４２は、図１４に示すように、超伝導コイル１１、１２のそれぞれの端子部１３、１４の先端に複数形成された嵌合凹部４５に嵌合し、低温ろう付けや拡散接合などによって固着されてもよい。

以上のように構成されたことから、本第３実施形態においても、前記第１実施形態と同様な効果（１）〜（４）を奏する。
以上、本発明を上記実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を種々変形してもよく、また、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０ 超伝導マグネット装置
１１、１２ 超伝導コイル
１３、１４ 端子部
１５ 接続導体
１６ 高温超伝導線材
１７ 雄型補強体
１８ 雌型補強体
２１ 嵌合溝
２２ 係合部材
３０ 超伝導マグネット装置
３１ 接続導体
４０、４１ 超伝導マグネット装置
４２ 接続導体
４３ 高温超伝導線材
４４ 補強体
Ａ 長手方向
Ｂ 直交方向

Claims (8)

1. 高温超伝導線材と、
   前記高温超伝導線材を密着して収容すると共に、前記高温超伝導線材よりも強度が高く且つ熱伝導性の良好な補強材と、を有することを特徴とする超伝導マグネット装置の接続導体。
2. 前記補強材に収容される高温超伝導線材は、必要とする電流値に応じて単一本または複数本設けられたことを特徴とする請求項１に記載の超伝導マグネット装置の接続導体。
3. 前記補強材は、銅、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料から構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導マグネット装置の接続導体。
4. 複数の超伝導コイルと、
   これらの超伝導コイルの端子部を接続する接続導体と、を有する超伝導マグネット装置において、
   前記接続導体が、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超伝導マグネット装置の接続導体であることを特徴とする超伝導マグネット装置。
5. 前記接続導体は、必要とする電流値に応じて単一枚、または複数枚が並列して配置されたことを特徴とする請求項４に記載の超伝導マグネット装置。
6. 前記接続導体は、その長手方向とこの長手方向に直交する方向との少なくとも一方向に変形可能に構成されたことを特徴とする請求項４または５に記載の超伝導マグネット装置。
7. 前記接続導体は、超伝導コイルの端子部に形成された嵌合溝に嵌合して前記端子部に接続されたことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の超伝導マグネット装置。
8. 前記接続導体は、超伝導コイルの端子部に着脱可能に係合する係合部材を用いて、前記端子部に着脱可能に構成されたことを特徴とする請求項７項に記載の超伝導マグネット装置。

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