JP2016086138A - 超電導マグネットおよび超電導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイルの冷却効率の低下を抑えつつ渦電流損失を低減可能な超電導マグネット、およびそれを備えた超電導機器を提供する。
【解決手段】超電導マグネットは、巻回された超電導線材を有する超電導コイル（ダブルパンケーキコイル１１）と、冷却板３１とを備える。冷却板３１には、ダブルパンケーキコイル１１の巻軸Ａａからの距離が異なり、かつ巻軸を中心とする周方向に沿った複数のスリット４１ａ〜４１ｆが形成されている。スリット４１ａ〜４１ｆのうちの外周側に位置するスリットの径方向のピッチＰ２よりも、スリット４１ａ〜４１ｆのうちの内周側に位置するスリットの径方向のピッチＰ１は小さい。
【選択図】図５

Description

本発明は、超電導マグネットおよび超電導機器に関する。

超電導コイルは極低温の温度下において用いられる。このため超電導コイルを冷却する必要がある。たとえば特開平１１−１８６０２５号公報（特許文献１）は、超電導コイルを冷凍機を用いて冷却する超電導機器を開示する。超電導コイルは、コイル軸方向に積重ねられた第１および第２のパンケーキコイルと、第１のパンケーキコイルと第２のパンケーキコイルとの間に介在するように配置された冷却板とを備える。

特許文献１は、スリットが形成された冷却板を開示する。特許文献１によれば、冷却板にスリットを形成することにより、コイルの励磁および減磁の際に、交流損失、特に渦電流損失による発熱を最小限に抑制することができる。

特開平１１−１８６０２５号公報

スリットを冷却板に形成することによって、超電導コイルと接触する冷却板の部分の面積が小さくなる。渦電流損失を減らすためにスリットの数を増やした場合、超電導コイルの冷却効率が低下する可能性がある。冷却効率の低下を抑えつつ渦電流損失を低減するためには、冷却板の適切な位置にスリットが形成されることが求められる。

本発明の目的は、超電導コイルの冷却効率の低下を抑えつつ渦電流損失を低減可能な超電導マグネット、およびそれを備えた超電導機器を提供することである。

本発明の一態様に係る超電導マグネットは、巻回された超電導線材を有する超電導コイルと、超電導コイルの巻軸の方向に沿って超電導コイルとともに並べられ、かつ超電導コイルに熱的に接触した冷却板とを備える。冷却板には、超電導コイルの巻軸からの距離が異なり、かつ巻軸を中心とする周方向に沿った複数の第１のスリットが形成されている。複数の第１のスリットのうちの外周側に位置するスリットの径方向のピッチよりも、複数の第１のスリットのうちの内周側に位置するスリットの径方向のピッチが小さい。

上記によれば、超電導コイルの冷却効率の低下を抑えつつ渦電流損失を低減可能な超電導マグネットを提供することができる。

本発明の１つの実施の形態に係る超電導機器の全体構成を概略的に示す断面図である。 図１における超電導コイル体の構成を概略的に示す図である。 超電導コイル体における冷却板の構成を示す平面模式図である。 図２のダブルパンケーキコイルの構成を概略的に示す斜視図である。 実施の形態１に係る冷却板を概略的に示した平面図である。 実施の形態１に係る冷却板に形成されるスリットの他の例を概略的に示した平面図である。 実施の形態２に係る冷却板を概略的に示した平面図である。 実施の形態３に係る冷却板を概略的に示した平面図である。 実施の形態４に係る冷却板を概略的に示した平面図である。 複数の冷却部に分断された冷却板を概略的に示した平面図である。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係る超電導マグネット（９１）は、巻回された超電導線材を有する超電導コイル（１１）と、超電導コイルの巻軸（Ａｗ）の方向に沿って超電導コイルとともに並べられ、かつ超電導コイルに熱的に接触した冷却板（３１）とを備える。冷却板（３１）には、超電導コイル（１１）の巻軸からの距離が異なり、かつ巻軸を中心とする周方向に沿った複数の第１のスリット（４１ａ〜４１ｆ）が形成されている。複数の第１のスリット（４１ａ〜４１ｆ）のうちの外周側に位置するスリットの径方向のピッチ（Ｐ２）よりも、複数の第１のスリット（４１ａ〜４１ｆ）のうちの内周側に位置するスリットの径方向のピッチ（Ｐ１）が小さい。

上記構成によれば、超電導コイルの冷却効率の低下を抑えつつ渦電流損失を低減することができる。超電導コイルによって発生した磁場によって冷却板に渦電流が発生する。冷却板に複数のスリットを形成することによって、渦電流損失を低減することができる。巻軸に近い領域では、超電導コイルによって発生した磁界が強い。複数の第１のスリットのうちの内周側に位置するスリットは密に配置される。磁界の強い部分に、スリットを密に配置することにより、渦電流損失を低減する効果が大きくなる。一方、複数の第１のスリットのうちの外周側に位置するスリットは疎に配置される。磁界の弱い部分では渦電流が小さくなるため、スリットが疎に配置されていても、渦電流損を低減する効果を得ることができる。したがって、渦電流損失を低減できる。

内周側に位置するスリットのピッチを、外周側に位置するスリットのピッチよりも小さくすることで、渦電流損失の低減にとって適切な数のスリットを冷却板に形成することができる。したがって、超電導コイルの冷却効率が下がることを抑えることができる。

「周」とは、たとえば円周であるがこれに限定されない。「周」の少なくとも一部に直線（線分）が含まれていてもよい。

「内周」および「外周」との用語は、複数のスリットの相対的な配置を意味する。したがって「内周」と「外周」との境界は特に限定されない。

「複数の第１のスリットのうちの外周側に位置するスリットのピッチ」とは、実際に冷却板に形成された２つのスリットの間隔（たとえば最も外側のスリットと、そのスリットの隣（内周側）に位置するスリットとの間隔）であってもよい。冷却板の外縁と複数の第１のスリットのうちの最も外側のスリットとの間の間隔も「外周側に位置するスリットのピッチ」に含めることができる。この場合、冷却板に形成された２つのスリットの間隔と、冷却板の外縁と最も外側のスリットとの間の間隔とのうちの大きいほうを「複数の第１のスリットのうちの外周側に位置するスリットのピッチ」としてもよい。

（２）好ましくは、冷却板（３１）には、周方向と交差する方向に沿った第２のスリット（４２）がさらに形成されている。

上記構成によれば、周方向と交差する方向（たとえば径方向）に沿った第２のスリットが冷却板に形成される。複数の第１のスリットおよび第２のスリットによって、渦電流損失をさらに低減することができる。なお、第２のスリットは、複数の第１のスリットの少なくとも１つと交差してもよく、複数の第１のスリットのいずれにも交差していなくてもよい。

（３）好ましくは、複数の第１のスリットのうちの超電導コイル（１１）の巻軸から最も離れたスリット（４１ｅ）は、巻軸からの距離と超電導コイル（１１）によって生じる磁場の強度との関係において、磁場の符号が反転する領域（５０）よりも巻軸に近い側に形成される。

上記構成によれば、冷却効率の低下を抑えることができる。超電導コイルによって発生した磁場は、冷却板の表面のある領域において符号が反転する。その領域の近傍では、発生する渦電流も逆向きとなる。当該領域近傍にスリットを形成しないことで、逆向きの渦電流が互いに打ち消し合うので渦電流損失を小さくすることができ、かつ冷却板の冷却効率の低下を抑えることができる。

（４）好ましくは、内周側に位置するスリットの径方向のピッチは、超電導コイル（１１）の巻軸に近いほど小さい。

上記構成によれば、磁場の強度が大きい領域に、スリットが密に配置される。これにより渦電流損失をより低減できる。

（５）好ましくは、複数の第１のスリット（４１ａ〜４１ｆ）の各々は、対向する第１および第２の端部を有する。冷却板（３１）には、第１および第２の端部の間を通るように第３のスリット（４３）が形成される。

上記構成によれば、渦電流損失をさらに低減することができる。
（６）好ましくは、冷却板（３１）は、超電導コイル（１１）の巻軸の方向から見て超電導コイル（１１）と重なり、かつ複数の第１のスリット（４１ａ〜４１ｆ）が形成された第１の部分（３１ａ）と、第１の部分（３１ａ）に接続され、かつ、超電導コイル（１１）の巻軸の方向から見て超電導コイルと重ならないように配置された第２の部分（３１ｂ）とを含む。第１の部分の電気抵抗率は、第２の部分の電気抵抗率よりも大きい。

上記構成によれば、渦電流損失を効果的に低減できる。超電導コイルによって発生した磁場により、主に第１の部分に渦電流損失が生じる。第１の部分にはスリットが形成されているため、渦電流損失を低減することができる。冷却板の第１の部分の電気抵抗率は、冷却板の第２の部分の電気抵抗率よりも大きい。電気抵抗率が大きいほど渦電流損失を小さくすることができる。

（７）好ましくは、超電導機器は、上述の（１）〜（６）のいずれかの超電導マグネットを備える。

上記構成によれば、超電導コイルの冷却効率の低下を抑えつつ超電導マグネットの渦電流損失を低減可能な超電導機器を提供することができる。

[本発明の実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係る超電導機器の全体構成を概略的に示す断面図である。図１に示されるように、超電導機器１００は、超電導コイルを冷凍機で冷却する冷凍機冷却型の超電導機器である。超電導機器１００は、超電導コイル体９１と、断熱容器１１１と、冷凍機１２１と、ホース１２２と、コンプレッサ１２３と、ケーブル１３１と、電源１３２とを備える。

超電導コイル体９１は、本発明の実施の形態に係る超電導マグネットの主要な部分である。断熱容器１１１は、超電導コイル体９１を収容する。図１に示された構成では、磁場印加領域ＳＣが断熱容器１１１内に設けられている。

図２は、図１における超電導コイル体９１の構成を概略的に示す図である。図２を参照して、超電導コイル体９１は、コイル部１０と、フランジ１４ａ，１４ｂと、固定部材１５と、冷却ヘッド２０と、伝熱部３０と、芯部８１とを含む。

コイル部１０は、超電導線材が巻回されることによって形成されており、磁束ＭＦを発生するためのものである。コイル部１０は、複数のダブルパンケーキコイル１１を含む。軸方向Ａａは、ダブルパンケーキコイル１１の巻軸Ａｗの方向に対応するとともに、ダブルパンケーキコイル１１の積層方向に対応する。径方向Ａｒは当該積層方向に垂直な方向（ダブルパンケーキコイル１１の中心から外周に向かう方向）に対応する。

冷却ヘッド２０は、コイル部１０を冷却するためのものである。冷却ヘッド２０は、冷却可能な端部２１と、端部２１および冷凍機１２１（図１）の間を繋ぐ接続部２２とを含む。

伝熱部３０は、複数の冷却板３１からなる冷却板群と、固定具３２とを含む。図３は、超電導コイル体９１における冷却板３１の構成を示す平面模式図である。

図２および図３に示されるように、複数の冷却板３１の各々はコイル部１０に取り付けられている。固定具３２は冷却ヘッド２０の端部に取り付けられている。固定具３２は冷却板群を把持している。冷却板群のうち固定具３２に把持されている部分において、複数の冷却板３１は互いに直接積層されている。このような構造によって、伝熱部３０はコイル部１０および冷却ヘッド２０を互いに繋いでいる。

コイル部１０と、冷却板群のコイル部１０に取り付けられた部分とは、冷却板３１とダブルパンケーキコイル１１とが交互に積層された構成を有している。したがって、冷却板３１は、ダブルパンケーキコイル１１の巻軸Ａｗの方向に沿ってダブルパンケーキコイル１１とともに並べられ、かつダブルパンケーキコイル１１に熱的に接続される。冷却板３１の材料は、熱伝導率および可撓性が大きい材料が好ましく、たとえばアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）である。Ａｌ（またはＣｕ）の純度は９９．９％以上が好ましい。

冷却板３１は、第１の部分３１ａと第２の部分３１ｂとを有する。第１の部分３１ａは、円環状（ドーナツ状）の形状を有する。巻軸Ａｗの方向から見て、第１の部分３１ａは、ダブルパンケーキコイル１１と重なる。なお、図３では、ダブルパンケーキコイル１１と冷却板３１との両方を示すために、ダブルパンケーキコイル１１が冷却板３１の第１の部分３１ａよりも小さく描かれている。しかし、ダブルパンケーキコイル１１の寸法はこのように限定されるものではない。以下に説明する図においても同様である。

冷却板３１の第２の部分３１ｂは、第１の部分３１ａと接続されるとともに、固定具３２を介して冷却ヘッド２０に熱的に接続される。これにより第２の部分３１ｂは、冷凍機１２１に熱的に接続される。第２の部分３１ｂは、巻軸Ａｗの方向から見て、ダブルパンケーキコイル１１とは重ならないように配置される。第２の部分３１ｂは、固定具３２まで延びることができるように、折曲部ＦＤを有してもよい。

固定具３２は、部材３２ａ，３２ｂと、ねじ３４ａ，３４ｂとを含む。部材３２ａおよび３２ｂの間の隙間に冷却板群が挟まれており、かつ、ねじ３４ａで締め付けることによって、冷却板群が固定具３２に把持されている。すなわち、複数の冷却板３１がともに固定具３２に把持されている。ねじ３４ｂは、部材３２ａ，３２ｂの各々が冷却ヘッド２０の端部２１の側面を締め付けることができるように設けられている。これにより固定具３２は冷却ヘッド２０の端部２１に取り付けられている。

フランジ１４ａ，１４ｂは、コイル部１０の軸方向Ａａにおける両端部にそれぞれ配置されている。フランジ１４ａ，１４ｂは、例えば真鍮またはＳＵＳ（Steel Use Stainless）等の金属材料から構成される。フランジ１４ａ，１４ｂの各々は、ダブルパンケーキコイル１１の平面形状より大きいサイズであって、たとえば円形状の平面形状を有していてもよい。フランジ１４ａ，１４ｂは、固定部材１５により、コイル部１０の上端面および下端面を挟んだ状態で固定されている。

具体的には、固定部材１５は、連結用ボルト１５ａおよびナット１５ｂを含む。フランジ１４ａ，１４ｂの各々にはたとえば外周に沿って複数の貫通孔が形成されている。このフランジ１４ａの貫通孔とフランジ１４ｂの貫通孔とに連結用ボルト１５ａが挿入された状態となっている。連結用ボルト１５ａの先端部には、連結用ボルト１５ａが貫通孔から抜けないようにするためのナット１５ｂが接続固定されている。ナット１５ｂの締め付け圧力を受けてフランジ１４ａからコイル部１０の上端面に対して面圧が作用するとともに、フランジ１４ｂからコイル部１０の下端面に対して面圧が作用する。このようにして、コイル部１０は冷却板３１とともにフランジ１４ａおよび１４ｂに把持されている。

図４は、図２のダブルパンケーキコイル１１の構成を概略的に示す斜視図である。図４を参照して、ダブルパンケーキコイル１１は、互いに積層されたパンケーキコイル１２ａ，１２ｂを含む。パンケーキコイル１２ａにおける超電導線材の巻回し方向Ｗａと、パンケーキコイル１２ｂにおける超電導線材の巻回し方向Ｗｂとは互いに逆である。パンケーキコイル１２ａの内周側に位置する超電導線材の端部ＥＣｉと、パンケーキコイル１２ｂの内周側に位置する超電導線材の端部ＥＣｉとは、互いに電気的に接続されている。これにより、パンケーキコイル１２ａの外周側に位置する端部ＥＣｏと、パンケーキコイル１２ｂの外周側に位置する端部ＥＣｏとの間で、パンケーキコイル１２ａ，１２ｂは互いに直列に接続されている。

複数のダブルパンケーキコイル１１のうち、互いに隣り合うものの各々の端部ＥＣｏは互いに電気的に接続されている。これにより、複数のダブルパンケーキコイル１１は互いに直列に接続されている。

ダブルパンケーキコイル１１から発生した磁場の変動によって、冷却板３１には渦電流が発生する。本実施の形態では、スリットが冷却板３１に形成される。これにより渦電流による損失を低減することができる。一方で、冷却板３１に形成されたスリットによって、ダブルパンケーキコイル１１に接触する冷却板３１の部分が減少する。接触する部分の減少は冷却効率の低下をもたらす可能性がある。

本発明の実施の形態では、ダブルパンケーキコイル１１から発生した磁場の強度を考慮した位置にスリットが形成される。これにより、冷却効率の低下を抑えながら、渦電流損失を低減することができる。以下に本発明の各実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
図５は、実施の形態１に係る冷却板を概略的に示した平面図である。図５を参照して、スリット４１ａ〜４１ｆ（第１のスリット）およびスリット４２（第２のスリット）が冷却板３１に形成される。スリット４１ａ〜４１ｆは、ダブルパンケーキコイル１１の巻軸Ａｗからの距離が異なり、かつ巻軸Ａｗを中心とする周方向に沿って形成されている。この実施の形態では、スリット４１ａ〜４１ｆの各々は、円弧状に形成されている。しかし、スリット４１ａ〜４１ｆは「周状」に形成されていればよい。言い換えると、スリット４１ａ〜４１ｆは、巻軸Ａｗを囲むように形成されていればよい。たとえばスリット４１ａ〜４１ｆの各々の少なくとも一部が直線状であってもよい。

図５には、第１のスリットの数が６である例が示されている。しかし本発明の実施の形態では、第１のスリットの数は、渦電流損失の低減および冷却効率の観点から定められる。したがって図５および以下に説明する図面における第１のスリットの数は一例である。

スリット４１ａ，４１ｂは、スリット４１ｅ，４１ｆよりも内周側に位置する。ピッチＰ１は、スリット４１ａ，４１ｂの径方向Ａｒのピッチ（間隔）である。ピッチＰ２は、スリット４１ｅ，４１ｆの径方向Ａｒのピッチである。ピッチＰ１はピッチＰ２よりも小さい（Ｐ１＜Ｐ２）。言い換えると、内周側のスリットは密に配置され、外周側のスリットは疎に配置される。

巻軸Ａｗに近い領域では、ダブルパンケーキコイル１１によって発生する磁場が強い。実施の形態１によれば、冷却板３１のうち磁界の強い部分にはスリットが密に配置される。このため渦電流損失を低減する効果を高めることができる。

スリット４２は、周方向と交差する方向に沿って形成されている。この実施の形態では、スリット４２は、径方向Ａｒに沿って形成される。さらにスリット４２は、スリット４１ａ〜４１ｆに交差する。すなわちスリット４１ａ〜４１ｆの各々は、スリット４２によって分断される。スリット４２によって、渦電流損失をさらに低減することができる。

本発明の実施の形態では、内周側に配置されたスリットのピッチよりも、そのスリットの外側に配置されたスリットのピッチが大きければよい。つまり、少なくとも２か所において上記の関係が成立すればよい。内周側から外周側に向かうにしたがって複数の第１のスリットのピッチが次第に大きくなってもよい。あるいは、スリットのピッチが不連続に（ステップ状に）変化してもよい。これらのスリットの配置は、いずれも渦電流損失を低減しつつ、超電導コイル（ダブルパンケーキコイル１１）の冷却効率の低下を抑えることができる。

本発明の実施の形態では「スリットの径方向のピッチ」は、２つのスリットの間の間隔に限定されない。冷却板３１の第１の部分３１ａの内周端縁３１ｃと、内周端縁３１ｃに最も近いスリット（すなわちスリット４１ａ）との間の距離も「内周側のスリットのピッチ」に含めることができる。同じく、冷却板３１の第１の部分３１ａの外周端縁３１ｄと、外周端縁３１ｄに最も近いスリット（すなわちスリット４１ｆ）との間の距離も「外周側のスリットのピッチ」に含めることができる。したがって、図６に示されるようにスリットが配置されてもよい。

図６において、内周側のスリットのピッチＰ３は、スリット４１ａと、冷却板３１の第１の部分３１ａの内周端縁３１ｃとの間の径方向の間隔である。外周側のスリットのピッチＰ４は、スリット４１ｄ（最も外側のスリット）と、冷却板３１の第１の部分３１ａの外周端縁３１ｄとの間の径方向の間隔である。ピッチＰ３はピッチＰ４よりも小さい（Ｐ３＜Ｐ４）。なお、スリット４１ａとスリット４１ｂとの間の間隔、スリット４１ｂとスリット４１ｃとの間の間隔、スリット４１ｃとスリット４１ｄとの間の間隔は、ピッチＰ３に等しくてもよく、次第に大きくなってもよい。

以上のように実施の形態１によれば、冷却板３１の適切な位置（内周側）に、スリットが形成されることによって渦電流損失を低減することができる。さらに実施の形態１によれば、スリットの数を少なくすることができるので、冷却効率の低下を抑えることができる。

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２に係る冷却板を概略的に示した平面図である。図７に示されるように、スリット４１ａ〜４１ｅは、破線で示した境界５０よりも内周側に配置される。境界５０は、巻軸Ａｗの方向の磁場（軸方向磁場）が０となる位置を示す。軸方向磁場は、巻軸Ａｗからの距離に応じて変化する。このため境界５０よりも内側と境界５０よりも外側とでは磁場の符号が反転する。

実施の形態１と同様に、スリット４１ａ〜４１ｅが巻軸Ａｗを中心とする周方向に沿って形成される。内周側のスリットの径方向ＡｒのピッチＰ３は、外周側のスリットの径方向ＡｒのピッチＰ５よりも小さい（Ｐ３＜Ｐ５）。なお、ピッチＰ５は、最も外周側に位置するスリット４１ｅと、冷却板３１の第１の部分３１ａの外周端縁３１ｄとの間の距離に相当する。

境界５０の近傍の領域では、磁場の符号が反転し、発生する渦電流も逆向きとなる。このため境界５０の近傍の領域では、スリットを形成しないことで、逆向きの渦電流が互いに打ち消し合い、渦電流損失を小さくすることができる。

実施の形態２では、磁場の符号が反転する領域よりも超電導コイル（ダブルパンケーキコイル１１）の巻軸Ａｗに近い側に複数の第１のスリット（４１ａ〜４１ｅ）が配置される。実施の形態１と同じく、実施の形態２では、スリットを形成する磁場の強度の大きい部分にスリットが密に配置されるので、渦電流損失を低減する効果を高めることができる。一方、磁場の符号が反転する領域では、第１のスリットが形成されない。これにより渦電流損失を小さくすることができ、かつ冷却効率の低下を抑えることができる。

（実施の形態３）
図８は、実施の形態３に係る冷却板を概略的に示した平面図である。図８に示されるように、冷却板３１には、スリット４１ａ〜４１ｆ（複数の第１のスリット）およびスリット４２（第２のスリット）に加えてスリット４３（第３のスリット）が形成される。この点において、実施の形態３は実施の形態１および実施の形態２と異なる。実施の形態３に係る冷却板３１の構成は、図８に示されるように限定されるものではない。実施の形態１および実施の形態２に係る冷却板にスリット４３を追加することによって、実施の形態３に係る冷却板を実現できる。

スリット４１ａ〜４１ｆの各々は、対向する２つの端部（開放端）を有する。領域５１は、スリット４１ａ〜４１ｆの各々の２つの端部によって挟まれた領域である。スリット４３は、領域５１に形成される。したがって、スリット４１ａ〜４１ｆの各々の２つの端部の間を通るようにスリット４３が形成される。具体的には、スリット４３は、巻軸Ａｗに対して、スリット４２とは反対側に形成される。

スリット４１ａ〜４１ｆのうちの少なくとも１つが閉じている場合には、そのスリットによって冷却板３１の第１の部分３１ａが分断される。第２の部分３１ｂにつながっていない部分は、ダブルパンケーキコイル１１を冷却できない。したがって、スリット４１ａ〜４１ｆの各々は、対向する２つの端部（開放端）を有する。これにより、冷却板３１の第１の部分３１ａは、第２の部分３１ｂにつながる領域５１が生じる。

領域５１には渦電流損失が生じうる。スリット４３によって、領域５１に生じる渦電流損失を低減することができる。したがって実施の形態３によれば、実施の形態１および実施の形態２よりも渦電流損失をさらに低減することができる。

（実施の形態４）
図９は、実施の形態４に係る冷却板を概略的に示した平面図である。図９に示されるように、実施の形態４では、冷却板３１の第１の部分３１ａおよび第２の部分３１ｂは、電気抵抗率が異なる材料によって形成される。具体的には、第１の部分３１ａの電気抵抗率は、第２の部分３１ｂの電気抵抗率よりも高い。より詳細には、第１の部分３１ａのＲＲＲ（Residual Resistivity Ratio：残留抵抗比）は、第２の部分３１ｂのＲＲＲよりも小さい。

たとえば第１の部分３１ａの材質は、純度９９．９９％（４Ｎ）のアルミニウムであり、第２の部分３１ｂの材質は、純度９９．９９９％（５Ｎ）のアルミニウムである。金属の純度が高いほど電気抵抗率は小さい。したがって第１の部分３１ａの電気抵抗率は、第２の部分３１ｂの電気抵抗率よりも高い。なお、純度９９．９９％のアルミニウムのＲＲＲは１０²オーダーであり、純度９９．９９９％のアルミニウムのＲＲＲは１０³オーダーである。

第１の部分３１ａと第２の部分３１ｂとの間で熱の伝達が可能であれば、第１の部分３１ａと第２の部分３１ｂとを接続するための方法は特に限定されない。たとえば圧着、ネジによる固定などの公知の手段を第１の部分３１ａと第２の部分３１ｂとの接続に適用できる。ただし、第１の部分３１ａと第２の部分３１ｂとが接続される部分における熱抵抗はできるだけ小さいことが好ましい。

第１の部分３１ａと第２の部分３１ｂとで電気抵抗率を異ならせる理由は次の通りである。金属板における渦電流損失は、以下の式によって表すことができる（Yukikazu Iwasa著、「Case Studies in Superconducting Magnets: Design and Operational Issues」、第２版、Springer、p.65を参照）。

Ｐ＝（ｂωＢ_ｍ）^２／２４ρ
ここで、Ｐは、渦電流損失であり、ｂは、磁束が貫通する金属板（本実施の形態では冷却板３１）の幅であり、ωは角周波数であり、Ｂ_ｍは金属板を垂直に貫く磁束密度の最大値であり、ρは金属板の電気抵抗率である。

すなわち渦電流損失は、金属板の幅ｂの二乗、角周波数ωの二乗、および最大磁束密度の二乗に比例し、金属板の電気抵抗率ρに反比例する。たとえばダブルパンケーキコイル１１によって生じる磁場を強くする場合には最大磁束密度Ｂｍが大きくなるため、冷却板３１の渦電流損失が大きくなりやすい。同じく、コイルの励磁速度を上げる場合にも角周波数ωが大きくなるため、冷却板３１の渦電流損失が大きくなりやすい。

冷却板３１の第１の部分３１ａには、ダブルパンケーキコイル１１から生じる磁場によって渦電流が発生する。実施の形態１〜３と同じく、冷却板３１の第１の部分３１ａにはスリットが形成される。これにより冷却板の幅を小さくすることができるため、渦電流損失を低減することができる。電気抵抗率が高い材質を第１の部分３１ａに用いることにより、渦電流損失をより低減できる。

一方、冷却板３１の第２の部分３１ｂは、冷却板３１の第１の部分３１ａと冷凍機とを熱的に接続するための部分である。金属の場合、一般に、電気伝導率が高い（電気抵抗率が低い）ほど熱伝導率は高い。したがって第２の部分３１ｂの熱伝導率は第１の部分３１ａの熱伝導率よりも高い。したがってコイルの冷却効率の低下を抑えることができる。

なお、実施の形態１から実施の形態３に係る任意の冷却板において、第１の部分３１ａの電気抵抗率を第２の部分３１ｂの電気抵抗率よりも高くすることができる。すなわち実施の形態４を実施の形態１〜３の各々と組み合わせることができる。実施の形態４に係る冷却板におけるスリットの配置については、実施の形態１〜３でのスリットの配置を適用することができる。

以上のように実施の形態４によれば、冷却効率の低下を抑えながら渦電流損失を低減することができる。

本発明の実施の形態に係る超電導マグネットは、以下に付記する特徴を含む。
（付記１）
冷却板３１の第１の部分３１ａの電気抵抗率が、第２の部分３１ｂの電気抵抗率よりも高ければよい。このような特徴を有する超電導マグネットは、以下のように表現できる。

「巻回された超電導線材を有する超電導コイルと、
前記超電導コイルの巻軸の方向に沿って前記超電導コイルとともに並べられ、かつ前記超電導コイルに熱的に接触した冷却板とを備え、
前記冷却板は、前記超電導コイルの前記巻軸の方向から見て前記超電導コイルと重なる第１の部分と、前記第１の部分に接続され、かつ、前記超電導コイルの前記巻軸の方向から見て前記超電導コイルと重ならないように配置された第２の部分とを含み、
前記第１の部分には、前記超電導コイルの前記巻軸からの距離が異なり、かつ前記巻軸を中心とする周方向に沿った複数の第１のスリットが形成され、
前記第１の部分の電気抵抗率は、前記第２の部分の電気抵抗率よりも大きい、超電導マグネット。」
（付記２）
実施の形態３では、スリット４３は、冷却板３１（第１の部分３１ａ）の内周端縁３１ｃから、冷却板３１の第２の部分３１ｂの途中まで延びる。しかし、図１０に示されるように、スリット４３は、冷却板３１の第２の部分３１ｂを分断するように形成されてもよい。すなわち、冷却板３１は、２つの冷却部３５Ａ，３５Ｂからなる。冷却部３５Ａ，３５Ｂの各々の第２の部分３５ｂは、１つの冷凍機に熱的に接続されてもよい。あるいは、冷却部３５Ａと、冷却部３５Ｂとが別々の冷凍機に熱的に接続されてもよい。

冷却板３１は、図１０に示されるように２つの冷却部に分断可能と限定されるものではない。冷却板３１は３つ以上の冷却部に分断可能であってもよい（３つ以上の冷却部によって冷却板３１が構成されてもよい）。このような特徴を有する超電導マグネットは、以下のように表現できる。

「巻回された超電導線材を有する超電導コイルと、
前記超電導コイルの巻軸の方向に沿って前記超電導コイルとともに並べられ、かつ前記超電導コイルに熱的に接触した冷却板とを備え、
前記冷却板には、前記超電導コイルの前記巻軸からの距離が異なり、かつ前記巻軸を中心とする周方向に沿った複数の第１のスリットが形成され、
前記冷却板は、前記周方向と交差する方向に沿って複数の冷却部に分断されている、超電導マグネット。」
なお、付記１に記載された超電導マグネットは、「前記超電導コイルの前記巻軸からの距離が異なり、かつ前記巻軸を中心とする周方向に沿った複数の第１のスリット」が形成されていてもよい。この場合、付記１に記載された超電導マグネットは、複数の第１のスリットのうちの外周側に位置するスリットの径方向のピッチよりも、前記複数の第１のスリットのうちの内周側に位置するスリットの径方向のピッチが小さい」という構成を備えていてもよい。付記２に記載された超電導マグネットの複数の第１のスリットについても同様である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、超電導コイルを冷凍機を用いて冷却する超電導機器に有利に適用される。

１０ コイル部
１１ ダブルパンケーキコイル
１２ａ，１２ｂ パンケーキコイル
１４ａ，１４ｂ フランジ
１５ 固定部材
１５ａ 連結用ボルト
１５ｂ ナット
２０ 冷却ヘッド
２１，ＥＣｉ，ＥＣｏ 端部
２２ 接続部
３０ 伝熱部
３１ 冷却板
３１ａ 第１の部分（冷却板）
３１ｂ 第２の部分（冷却板）
３１ｃ 内周端縁（冷却板）
３１ｄ 外周端縁（冷却板）
３２ 固定具
３２ａ，３２ｂ 部材
３４ａ，３４ｂ ねじ
３５Ａ，３５Ｂ 冷却部
４１ａ〜４１ｆ，４２，４３ スリット
５０ 境界
５１ 領域
８１ 芯部
９１ 超電導コイル体
１００ 超電導機器
１１１ 断熱容器
１２１ 冷凍機
１２２ ホース
１２３ コンプレッサ
１３１ ケーブル
１３２ 電源
Ａａ 軸方向
Ａｒ 径方向
Ａｗ 巻軸
ＦＤ 折曲部
ＭＦ 磁束
Ｐ１〜Ｐ５ ピッチ
ＳＣ 磁場印加領域
Ｗａ，Ｗｂ 巻回し方向

Claims (7)

1. 巻回された超電導線材を有する超電導コイルと、
   前記超電導コイルの巻軸の方向に沿って前記超電導コイルとともに並べられ、かつ前記超電導コイルに熱的に接触した冷却板とを備え、
   前記冷却板には、前記超電導コイルの前記巻軸からの距離が異なり、かつ前記巻軸を中心とする周方向に沿った複数の第１のスリットが形成されており、
   前記複数の第１のスリットのうちの外周側に位置するスリットの径方向のピッチよりも、前記複数の第１のスリットのうちの内周側に位置するスリットの径方向のピッチが小さい、超電導マグネット。
2. 前記冷却板には、前記周方向と交差する方向に沿った第２のスリットがさらに形成されている、請求項１に記載の超電導マグネット。
3. 前記複数の第１のスリットのうちの前記超電導コイルの前記巻軸から最も離れたスリットは、前記巻軸からの距離と前記超電導コイルによって生じる磁場の強度との関係において、前記磁場の符号が反転する領域よりも前記巻軸に近い側に形成される、請求項１または請求項２に記載の超電導マグネット。
4. 前記内周側に位置する前記スリットの前記径方向の前記ピッチは、前記超電導コイルの前記巻軸に近いほど小さい、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
5. 前記複数の第１のスリットの各々は、対向する第１および第２の端部を有し、
   前記冷却板には、前記第１および第２の端部の間を通るように第３のスリットが形成される、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
6. 前記冷却板は、
   前記超電導コイルの前記巻軸の方向から見て前記超電導コイルと重なり、かつ前記複数の第１のスリットが形成された第１の部分と、
   前記第１の部分に接続され、かつ、前記超電導コイルの前記巻軸の方向から見て前記超電導コイルと重ならないように配置された第２の部分とを含み、
   前記第１の部分の電気抵抗率は、前記第２の部分の電気抵抗率よりも大きい、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の超電導マグネットを備える、超電導機器。

Images