JP2021150499A - 電流リード装置、超電導コイル装置、およびメンテナンス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流リードの交換作業を容易にする。【解決手段】電流リード装置は、電流リード部１４と、電流リード部１４を収容する筒状ケース１８であって、軸方向に伸縮可能な真空ベローズ２２と、真空ベローズ２２が取り外し可能に取り付けられた支持フランジ２４と、を備える筒状ケース１８と、を備える。筒状ケース１８の外から電流リード部１４へのアクセスを可能にする作業空間５０が、真空ベローズ２２が支持フランジ２４から取り外され軸方向に収縮されるとき支持フランジ２４と真空ベローズ２２との間に形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、電流リード装置、超電導コイル装置、およびメンテナンス方法に関する。

超電導コイルは、電流リードによって外部電源装置に接続される。超電導コイルおよび電流リードは、クライオスタットに収容される。超電導コイルは、極低温に冷却され使用される。

特開平７−１３１０７９号公報

超電導コイルを極低温に冷却するには、そのサイズによるが、相応の時間がかかる。たとえば、超電導サイクロトロンに搭載されるような大型の超電導コイルについては、室温から目標の極低温に冷却するまでに半月程度の期間を要しうる。もし、超電導コイルの運用中に電流リードが故障した場合、超電導コイルの運用を止め、極低温から室温に戻し、故障した電流リードを交換し、超電導コイルを再冷却することになる。このような一連の作業には長期間を要するものと想定され、その期間は超電導コイルを運用できないダウンタイムとなる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、電流リードの交換作業を容易にすることにある。

本発明のある態様によると、電流リード装置は、電流リード部と、電流リード部を収容する筒状ケースであって、軸方向に伸縮可能な開閉構造と、開閉構造が取り外し可能に取り付けられた取付部材と、を備える筒状ケースと、を備える。筒状ケースの外から電流リード部へのアクセスを可能にする作業空間が、開閉構造が取付部材から取り外され軸方向に収縮されるとき取付部材と開閉構造との間に形成される。

本発明のある態様によると、超電導コイル装置は、超電導コイルと、超電導コイルに接続された電流リード部と、超電導コイルを収容するクライオスタットと、クライオスタットの一部を形成し、電流リード部を収容する筒状ケースであって、軸方向に伸縮可能な開閉構造と、開閉構造が取り外し可能に取り付けられた取付部材と、を備える筒状ケースと、を備える。筒状ケースの外から電流リード部へのアクセスを可能にする作業空間が、開閉構造が取付部材から取り外され軸方向に収縮されるとき取付部材と開閉構造との間に形成される。

本発明のある態様によると、電流リード装置のメンテナンス方法が提供される。電流リード装置は、電流リード部と、電流リード部を収容する筒状ケースと、を備える。メンテナンス方法は、筒状ケースの外から電流リード部へのアクセスを可能にする作業空間を形成する工程と、作業空間を通じて電流リード部にメンテナンスをする工程と、を備える。筒状ケースは、軸方向に伸縮可能な開閉構造と、開閉構造が取り外し可能に取り付けられた取付部材と、を備える。作業空間は、開閉構造を取付部材から取り外して軸方向に収縮させることによって、取付部材と開閉構造との間に形成される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電流リードの交換作業を容易にすることができる。

実施の形態に係る超電導コイル装置を概略的に示す側面図である。 実施の形態に係る電流リード装置を概略的に示す図である。 実施の形態に係る電流リード装置のメンテナンス方法を示す概略図である。 実施の形態に係る電流リード装置のメンテナンス方法を示す概略図である。 実施の形態に係る電流リード装置のメンテナンス方法を示す概略図である。 実施の形態に係る電流リード装置のメンテナンス方法を示す概略図である。 実施の形態に係る電流リード装置のメンテナンス方法に使用されるジグを示す概略斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る超電導コイル装置１０を概略的に示す側面図である。超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２を備え、たとえばサイクロトロンなどの加速器、またはその他の高磁場利用機器の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。

超電導コイル１２は、たとえば二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機またはその他の形式の極低温冷凍機（図示せず）と熱的に結合され、超電導転移温度以下の極低温に冷却された状態で使用される。この実施形態では、超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸漬するのではなく、極低温冷凍機によって直接冷却する、いわゆる伝導冷却式として構成される。

超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２に接続された電流リード部１４と、超電導コイル１２を収容するクライオスタット１６と、電流リード部１４を収容する筒状ケース１８と、電源装置２０と、を備える。

電流リード部１４は、超電導コイル１２を電源装置２０に接続するために超電導コイル１２に設置されている。電流リード部１４は、少なくとも正極側と負極側で一対に設けられる。電流リード部１４の先端には、フィードスルー部１５、すなわちクライオスタット１６内に電流を導入するための気密端子が設けられている。図示される例においては、電流リード部１４は、超電導コイル１２の上面に設置されているが、この配置には限定されない。電源装置２０から電流リード部１４を通じて超電導コイル１２に励磁電流が供給される。それにより、超電導コイル装置１０は、強力な磁場を発生することができる。

クライオスタット１６は、超電導コイル１２を超電導状態とするのに適する極低温真空環境を提供する断熱真空容器である。一例として、超電導コイル１２は、円環状の形状を有し、クライオスタット１６は、超電導コイル１２を囲むドーナツ状の形状を有する。筒状ケース１８は、超電導コイル１２を収容するクライオスタット１６の本体部分から延出する。この例では、正極側と負極側の一対の電流リード部１４をそれぞれ収容するために２本の筒状ケース１８がクライオスタット１６の上面に設置されている。クライオスタット１６と筒状ケース１８は、周囲圧力（たとえば大気圧）に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。

筒状ケース１８は、クライオスタット１６の一部を形成し、円筒状の形状をもつ外圧容器として設計される。筒状ケース１８は、軸方向に伸縮可能な開閉構造たとえば真空ベローズ２２と、支持フランジ２４と、接続筒部２６とを備える。真空ベローズ２２は、たとえば溶接ベローズであるが、真空保持に適する他の形式のベローズでもよい。支持フランジ２４は、筒状ケース１８のいわば蓋として真空ベローズ２２の一端に取り付けられた真空フランジであり、電流リード部１４のフィードスルー部１５を支持する。フィードスルー部１５が支持フランジ２４を貫通し、支持フランジ２４に気密に接合されている。接続筒部２６は、真空ベローズ２２の他端に取り付けられ、真空ベローズ２２をクライオスタット１６の本体部分に接続する。接続筒部２６は、真空ベローズ２２とは異なり、伸縮しない固定の形状を有する。

後述するように、筒状ケース１８の外から電流リード部１４へのアクセスを可能にする作業空間５０が、真空ベローズ２２が支持フランジ２４から取り外され軸方向に収縮されるとき支持フランジ２４と真空ベローズ２２との間に形成される（図３参照）。

図２は、実施の形態に係る電流リード装置を概略的に示す図である。図２を参照して、図１に示される電流リード部１４と筒状ケース１８の例示的な構成をさらに述べる。

電流リード部１４は、フィードスルー部１５から超電導コイル１２への電流経路を形成する。電流リード部１４は、フィードスルー部１５に接続された金属電流リード２８と、金属電流リード２８に接続された超電導電流リード３０とを備える。超電導電流リード３０は超電導コイル１２に接続される。

より詳しくは、フィードスルー部１５と金属電流リード２８は、第１接続部３２で電気的に接続される。また、金属電流リード２８と超電導電流リード３０は、第２接続部３４で電気的に接続される。超電導電流リード３０は、第３接続部３６で低温板ばね３８に接続される。低温板ばね３８は、超電導コイル１２のコイル端子４０に接続される。金属電流リード２８と低温板ばね３８は、蛇行状に湾曲しており、極低温冷却に伴う電流リード部１４の熱収縮を吸収することができる。

超電導電流リード３０は、銅酸化物超電導体またはその他の高温超電導材料で形成されうる。あるいは、超電導電流リード３０は、ＮｂＴｉに代表される低温超電導材料で形成されてもよい。

超電導電流リード３０を構造的に支持するために、超電導電流リード３０と平行に延びる支柱４２が設けられている。支柱４２は、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成されたパイプであり、支柱４２の両端はそれぞれ、第２接続部３４と第３接続部３６に固定されている。

電流リード部１４における超電導電流リード３０以外の電流経路、すなわち、フィードスルー部１５、金属電流リード２８、各接続部（３２、３４、３６）、低温板ばね３８は、例えば無酸素銅などの純銅に代表される導電性に優れる金属材料で形成される。

第１接続部３２は、フィードスルー部１５の一部であり、支持フランジ２４から真空ベローズ２２内へと延出する。第１接続部３２は、金属電流リード２８の一端と第１ボルト４４で締結される。第２接続部３４は、金属電流リード２８の他端と第２ボルト４６で締結される。第３接続部３６は、低温板ばね３８と第３ボルト４８で締結される。各接続部（３２、３４、３６）は、ボルトによる締結を可能とするようブロック形状に形成されている。

真空ベローズ２２は、支持フランジ２４に取り外し可能に取り付けられている。真空ベローズ２２は、伸縮部２２ａと、伸縮部２２ａの両端それぞれに設けられた第１取付フランジ２２ｂおよび第２取付フランジ２２ｃとを有する。第１取付フランジ２２ｂが支持フランジ２４に取り付けられ、第２取付フランジ２２ｃが接続筒部２６の一端のフランジ部に取り付けられている。接続筒部２６の他端は、クライオスタット１６に取り付けられている。

真空ベローズ２２と接続筒部２６は、内部に電流リード部１４を収容するように電流リード部１４に沿って軸方向に延在する。真空ベローズ２２と接続筒部２６は、同軸に互いに隣接して接続されている。真空ベローズ２２の中には、第１接続部３２、金属電流リード２８、第２接続部３４が収容され、接続筒部２６の中には、超電導電流リード３０、支柱４２、第３接続部３６が収容されている。

また、真空ベローズ２２を軸方向に支持するように、筒状ケース１８の外側に配置された補強材４９が設けられている。補強材４９は、筒状ケース１８に取り外し可能に取り付けられている。補強材４９は、棒状の部材、たとえば長ボルトである。対応するナットを用いて、補強材４９の一端で支持フランジ２４および真空ベローズ２２の第１取付フランジ２２ｂが固定され、補強材４９の他端で真空ベローズ２２の第２取付フランジ２２ｃおよび接続筒部２６が固定される。補強材４９は、真空ベローズ２２の伸縮部２２ａに沿って軸方向に延び、伸展状態の伸縮部２２ａを支持し、その形状を保持することができる。

クライオスタット１６の周囲環境から超電導コイル１２に侵入しうる輻射熱を低減するために、超電導コイル１２を囲む輻射熱シールド１７がクライオスタット１６内に設けられている。また、輻射熱シールド１７は、筒状ケース１８の接続筒部２６内に延出する筒状シールド１７ａを有し、超電導電流リード３０が筒状シールド１７ａ内に配置される。筒状シールド１７ａは、第２接続部３４に電気的に絶縁された状態で熱的に結合されるように固定される。

なお、図２において図示を省略するが、筒状ケース１８内にはいくつかの絶縁性のパイプが電流リード部１４を囲むように配置され、電流リード部１４が周囲の金属部品から絶縁される。こうした絶縁パイプは、たとえば、真空ベローズ２２の伸縮部２２ａの内周面に沿って設けられる。また、別の絶縁パイプが、筒状シールド１７ａの内周面および外周面に沿って設けられる。

図３から図６は、実施の形態に係る電流リード装置のメンテナンス方法を示す概略図である。図７は、実施の形態に係る電流リード装置のメンテナンス方法に使用されるジグを示す概略斜視図である。このメンテナンス方法は、たとえば、電流リード部１４に故障が生じたとき行われる。よって、メンテナンス方法は、電流リード部１４の取り外し工程と、新たな電流リード部１４の取り付け工程とを含む。それにより、電流リード部１４が交換される。

まず、電流リード部１４の取り外し工程を説明する。取り外し工程は、図２に示される初期状態から開始される。補強材４９が筒状ケース１８から取り外される。真空ベローズ２２の伸縮部２２ａは、人手で押さえられる程度のばね定数を有するので、真空ベローズ２２を支持フランジ２４から取り外して軸方向に収縮させることができる。ここで、真空ベローズ２２を収縮させる長さは、第１接続部３２の軸方向長さより若干長い。

そうすると、図３に示されるように、支持フランジ２４と真空ベローズ２２との間に作業空間５０が形成される。作業者は、作業空間５０を通じて、筒状ケース１８の外から電流リード部１４にアクセスすることができる。より具体的には、作業空間５０は、筒状ケース１８の外からフィードスルー部１５と金属電流リード２８との第１接続部３２へのアクセスを可能にする。作業空間５０を通じて電流リード部１４にメンテナンスをすることができる。

真空ベローズ２２の収縮状態を保持するために、ジグ５２が使用されてもよい。ジグ５２は、押さえ金具５２ａ、支持金具５２ｂ、支持材５２ｃを備える。図３および図７に示されるように、押さえ金具５２ａは、Ｌ字状に形成され、その一面が真空ベローズ２２の第１取付フランジ２２ｂを押さえるために使用され、これと直角なもう一面が支持金具５２ｂの軸方向中間部にボルトで固定される。第１取付フランジ２２ｂを押さえる押さえ金具５２ａの面には、支持材５２ｃを受け入れるスリットが形成されている。支持金具５２ｂは、Ｃ字状または片側を開いた矩形状に形成され、一端が支持フランジ２４に固定され、他端が支持材５２ｃに固定される。支持金具５２ｂの両端にも、押さえ金具５２ａと同様に、支持材５２ｃを受け入れるスリットが形成されている。支持材５２ｃは、支持フランジ２４から軸方向に延び、第１取付フランジ２２ｂを通って第２取付フランジ２２ｃまで延びている。上述の補強材４９が支持材５２ｃとして流用されてもよい。このようにして、支持フランジ２４と押さえ金具５２ａの間に作業空間５０が形成される。

図３に示されるように、作業者は、作業空間５０を通じて第１接続部３２にアクセスし、第１接続部３２から第１ボルト４４を取り外すことができる。これにより、フィードスルー部１５と金属電流リード２８との固定が解除される。

次に、図４に示されるように、真空ベローズ２２が伸展状態に戻される。そのために、押さえ金具５２ａが支持金具５２ｂから取り外され、真空ベローズ２２の伸縮部２２ａが軸方向に伸長され、作業空間５０は閉じられる。真空ベローズ２２の第２取付フランジ２２ｃと接続筒部２６を接続するボルトが取り外される。

そして、図５に示されるように、真空ベローズ２２が接続筒部２６から取り外される。このとき、支持フランジ２４はジグ５２によって真空ベローズ２２に組み付けられているので、真空ベローズ２２とともに支持フランジ２４も取り外される。第１接続部３２のボルト固定は上述のように既に解除されているので、フィードスルー部１５も支持フランジ２４とともに、金属電流リード２８から取り外すことができる。

さらに、図６に示されるように、金属電流リード２８が第２接続部３４から取り外される。接続筒部２６がクライオスタット１６から取り外され、筒状シールド１７ａが第２接続部３４と輻射熱シールド１７から取り外される。最後に、超電導電流リード３０、第２接続部３４、第３接続部３６、支柱４２および低温板ばね３８からなる組立体が超電導コイル１２から取り外される。このようにして、電流リード部１４および筒状ケース１８は、分解される。

電流リード部１４の取り付け工程は、取り外し工程とは逆の手順により行われる。新品の電流リード部１４が用意され、上述の手順を逆にたどることによって、電流リード部１４および筒状ケース１８を再び組み立てることができる。すなわち、まず、図６に示されるように、超電導電流リード３０および低温板ばね３８を含む組立体が超電導コイル１２にボルトで取り付けられる。図５に示されるように、筒状シールド１７ａが第２接続部３４と輻射熱シールド１７それぞれにボルトで取り付けられ、それを囲むように接続筒部２６がクライオスタット１６にボルトで取り付けられる。第２接続部３４には第２ボルト４６で金属電流リード２８が取り付けられる。

次に、図４に示されるように、支持フランジ２４と真空ベローズ２２をジグ５２によって組み合わせた組立体が、接続筒部２６にボルトで取り付けられる。このとき、フィードスルー部１５と金属電流リード２８はまだ固定されていない。図３に示されるように、真空ベローズ２２を軸方向に収縮させることにより支持フランジ２４と真空ベローズ２２との間に作業空間５０が形成される。押さえ金具５２ａで支持フランジ２４が押さえられ、真空ベローズ２２は収縮状態に保持される。

作業者は、作業空間５０を通じて、筒状ケース１８の外から第１接続部３２にアクセスし、フィードスルー部１５と金属電流リード２８を第１ボルト４４で固定することができる。そして、ジグ５２は取り外され、図２に示されるように、真空ベローズ２２が伸展状態に戻される。さらに、補強材４９を用いて、支持フランジ２４、真空ベローズ２２、接続筒部２６が互いに固定される。こうして、電流リード部１４および筒状ケース１８の組立は完成する。

比較のために、筒状ケース１８の全体が固定形状の筒である場合を考える。この固定筒に支持フランジ２４をフィードスルー部１５とともに配置したとすると、固定筒は支持フランジ２４で蓋をした状態となる。フィードスルー部１５と金属電流リード２８との間の第１接続部３２は固定筒の中に閉じ込められているから、第１接続部３２の締結作業をすることができない。

開閉できる窓を固定筒の側面の一部に設ける設計もありうるが、その場合、窓の存在により固定筒がもはや軸対称の形状ではなくなる。そのような非軸対称の形状では外圧容器としての設計が容易でない。とくに、超電導コイル装置１０の小型化を指向する場合、固定筒の径も小さくなるから、窓構造を設置する設計は困難さが増す。

これに対して、実施形態によれば、真空ベローズ２２のように軸方向に伸縮可能な開閉構造を利用して作業空間５０を形成することができる。作業者は、作業空間５０を通じて筒状ケース１８の外から電流リード部１４にアクセスし、電流リード部１４の交換など、所望のメンテナンスをすることができる。また、真空ベローズ２２を含む筒状ケース１８は、円筒状の軸対称構造を有するので、外圧容器としての設計もしやすい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、真空ベローズ２２が支持フランジ２４に取り外し可能に取り付けられているが、真空ベローズ２２は、他の取付部材に取り外し可能に取り付けられてもよい。たとえば、真空ベローズ２２が接続筒部２６に取り外し可能に取り付けられ、筒状ケース１８の外から電流リード部１４へのアクセスを可能にする作業空間５０が、真空ベローズ２２が接続筒部２６から取り外され軸方向に収縮されるとき接続筒部２６と真空ベローズ２２との間に形成されてもよい。

上述の実施の形態では、真空ベローズ２２が支持フランジ２４と接続筒部２６の間に設けられ、これらを接続するが、これに代えて、支持フランジ２４に固定筒が接続され、この固定筒とクライオスタット１６が真空ベローズ２２により接続されてもよい。この場合、真空ベローズ２２が固定筒に取り外し可能に取り付けられ、筒状ケース１８の外から電流リード部１４へのアクセスを可能にする作業空間５０が、真空ベローズ２２が固定筒から取り外され軸方向に収縮されるとき固定筒と真空ベローズ２２との間に形成されてもよい。

上述の実施の形態では、真空ベローズ２２が軸方向に筒状ケース１８の一部分として設けられているが、真空ベローズ２２は、筒状ケース１８の軸方向全長にわたって設けられてもよい。すなわち、支持フランジ２４が真空ベローズ２２によってクライオスタット１６に接続されてもよい。

上述の実施の形態では、正極側の電流リード部１４と負極側の電流リード部１４がそれぞれ別個の筒状ケース１８に収容されているが、これら２つの電流リード部１４が１つの筒状ケース１８に収容される構成も可能である。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 超電導コイル装置、 １２ 超電導コイル、 １４ 電流リード部、 １５ フィードスルー部、 １６ クライオスタット、 １８ 筒状ケース、 ２２ 真空ベローズ、 ２８ 金属電流リード、 ３２ 第１接続部、 ４９ 補強材、 ５０ 作業空間。

Claims (6)

1. 電流リード部と、
   前記電流リード部を収容する筒状ケースであって、軸方向に伸縮可能な開閉構造と、前記開閉構造が取り外し可能に取り付けられた取付部材と、を備える筒状ケースと、を備え、
   前記筒状ケースの外から前記電流リード部へのアクセスを可能にする作業空間が、前記開閉構造が前記取付部材から取り外され軸方向に収縮されるとき前記取付部材と前記開閉構造との間に形成されることを特徴とする電流リード装置。
2. 前記開閉構造は、真空ベローズを備えることを特徴とする請求項１に記載の電流リード装置。
3. 前記電流リード部は、前記取付部材に支持されたフィードスルー部と、前記フィードスルー部に接続された金属電流リードとを備え、前記作業空間は、前記筒状ケースの外から前記フィードスルー部と前記金属電流リードとの接続部へのアクセスを可能にすることを特徴とする請求項１または２に記載の電流リード装置。
4. 前記開閉構造を軸方向に支持するように、前記筒状ケースの外側に配置され、前記筒状ケースに取り外し可能に取り付けられた補強材をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電流リード装置。
5. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルに接続された電流リード部と、
   前記超電導コイルを収容するクライオスタットと、
   前記クライオスタットの一部を形成し、前記電流リード部を収容する筒状ケースであって、軸方向に伸縮可能な開閉構造と、前記開閉構造が取り外し可能に取り付けられた取付部材と、を備える筒状ケースと、を備え、
   前記筒状ケースの外から前記電流リード部へのアクセスを可能にする作業空間が、前記開閉構造が前記取付部材から取り外され軸方向に収縮されるとき前記取付部材と前記開閉構造との間に形成されることを特徴とする超電導コイル装置。
6. 電流リード装置のメンテナンス方法であって、前記電流リード装置は、電流リード部と、前記電流リード部を収容する筒状ケースと、を備え、前記方法は、
   前記筒状ケースの外から前記電流リード部へのアクセスを可能にする作業空間を形成する工程と、
   前記作業空間を通じて前記電流リード部にメンテナンスをする工程と、を備え、
   前記筒状ケースは、軸方向に伸縮可能な開閉構造と、前記開閉構造が取り外し可能に取り付けられた取付部材と、を備え、
   前記作業空間は、前記開閉構造を前記取付部材から取り外して軸方向に収縮させることによって、前記取付部材と前記開閉構造との間に形成されることを特徴とするメンテナンス方法。

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