JP2023043311A - 超伝導磁石装置および輻射シールド構造 - Google Patents

Abstract

【課題】超伝導コイルに入る輻射熱を低減する分割構造の輻射シールドを有する超伝導磁石装置を提供する。【解決手段】超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２と、超伝導コイル１２を囲むように配置される複数の分割シールド片１７ａ、１７ｂを有する輻射シールド１６と、複数の分割シールド片１７ａ、１７ｂを互いに熱接続し、ステンレス鋼に比べて熱伝導率が大きい高熱伝導金属で形成される熱橋部材２２と、分割シールド片１７ａ、１７ｂと熱橋部材２２との間に介在し、熱橋部材２２よりも電気抵抗率が大きい抵抗層と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導磁石装置および輻射シールド構造に関する。

一般に、超伝導磁石装置は、真空容器と、真空容器内で極低温に冷却される超伝導コイルと、真空容器内で超伝導コイルを囲む輻射シールドとを有する。輻射シールドは、真空容器から超伝導コイルへの輻射による入熱を防ぐために、超伝導コイルよりも高温であるが極低温に冷却される。輻射シールドは通例、銅などの熱伝導率の良い金属材料の薄板で形成される。こうした材料はたいてい導電性にも優れるので、輻射シールドには、作用する磁場の変動により渦電流が誘起される。とくに、超伝導コイルのクエンチが起きた場合には磁場が急変するため大きな渦電流が誘起され、磁場と渦電流の相互作用により大きなローレンツ力が生じ、輻射シールドが変形、破損することが懸念される。そこで、従来、輻射シールドにスリットを設けて複数部分に分割することにより、個々の分割部分に誘起される渦電流ひいてはローレンツ力を低減することが提案されている。

特開２００１－２５０７１１号公報

しかしながら、分割された輻射シールドでは、非分割の輻射シールドに比べて、シールド部分間に温度差がつきやすい。極低温冷凍機などの冷却源からの伝熱経路が長い分割部分は、伝熱経路が短い分割部分に比べて冷却されにくく、温度が高まりやすいためである。相対的に高温のシールド部分が熱源となり、超伝導コイルへの入熱が増すことが懸念される。したがって、分割構造の輻射シールドは上述のようにローレンツ力の低減に有効である反面、超伝導コイルへの入熱低減という本来の役割では一体構造の輻射シールドよりも不利となりうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、超伝導コイルに入る輻射熱を低減する分割構造の輻射シールドおよびこれを有する超伝導磁石装置を提供することにある。

本発明のある態様によると、超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、超伝導コイルを囲むように配置される複数の分割シールド片を有する輻射シールドと、複数の分割シールド片を互いに熱接続し、ステンレス鋼に比べて熱伝導率が大きい高熱伝導金属で形成される熱橋部材と、分割シールド片と熱橋部材との間に介在し、熱橋部材よりも電気抵抗率が大きい抵抗層と、を備える。

本発明のある態様によると、超伝導コイル用輻射シールド構造は、超伝導コイルを囲むように配置される複数の分割シールド片を有する輻射シールドと、複数の分割シールド片を互いに熱接続し、ステンレス鋼に比べて熱伝導率が大きい高熱伝導金属で形成される熱橋部材と、分割シールド片と熱橋部材との間に介在し、熱橋部材よりも電気抵抗率が大きい抵抗層と、を備える。

本発明によれば、超伝導コイルに入る輻射熱を低減する分割構造の輻射シールドおよびこれを有する超伝導磁石装置を提供することができる。

実施の形態に係る超伝導磁石装置を概略的に示す図である。 実施の形態に係る輻射シールドの分割構造の接続部を概略的に示す図である。

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伝導磁石装置１０を概略的に示す図である。超伝導磁石装置１０は、例えば単結晶引き上げ装置、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）システム、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）システム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）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。

超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２と、真空容器１４と、輻射シールド１６と、極低温冷凍機１８とを備える。

超伝導コイル１２は、真空容器１４内に配置される。超伝導コイル１２は、真空容器１４に設置された例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１８と熱的に結合され、超伝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、超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２を極低温冷凍機１８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。なお、他の実施形態では、超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸漬する浸漬冷却式で構成されてもよい。

真空容器１４は、超伝導コイル１２を超伝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り、クライオスタットとも呼ばれる。通例、真空容器１４は、円柱状の形状、または中心部に中空部を有する円筒状の形状を有する。よって、真空容器１４は、概ね平坦な円形状または円環状の天板１４ａおよび底板１４ｂと、これらを接続する円筒状の側壁（円筒状外周壁、または同軸配置された円筒状の外周壁および内周壁）とを有する。極低温冷凍機１８は真空容器１４の天板１４ａに設置されてもよい。真空容器１４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。また、真空容器１４には、真空容器１４の外に配置されるコイル電源から超伝導コイル１２に給電するための電流導入端子（図示せず）が設けられる。

輻射シールド１６は、真空容器１４内で超伝導コイル１２を囲むように配置される。輻射シールド１６は、真空容器１４の天板１４ａおよび底板１４ｂそれぞれに対向する天板１６ａおよび底板１６ｂを有する。輻射シールド１６の天板１６ａおよび底板１６ｂは、真空容器１４と同様に、概ね平坦な円形状または円環状の形状をもつ。また輻射シールド１６は、天板１６ａと底板１６ｂを接続する円筒状の側壁（円筒状外周壁、または同軸配置された円筒状の外周壁および内周壁）を有する。輻射シールド１６は、真空容器１４からの輻射熱を遮蔽し、輻射シールド１６の内側に配置され輻射シールド１６よりも低温に冷却される超伝導コイル１２などの低温部を輻射熱から熱的に保護することができる。

極低温冷凍機１８の一段冷却ステージが輻射シールド１６の天板１６ａと熱的に結合され、極低温冷凍機１８の二段冷却ステージが輻射シールド１６の内側で超伝導コイル１２と熱的に結合される。超伝導磁石装置１０の運転中、輻射シールド１６は、極低温冷凍機１８の一段冷却ステージによって、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～７０Ｋに冷却され、超伝導コイル１２は、極低温冷凍機１８の二段冷却ステージによって、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～２０Ｋ（例えば約４Ｋ）に冷却される。

輻射シールド１６は、複数、この例では２つの分割シールド片１７ａ、１７ｂを有し、分割シールド片１７ａ、１７ｂは、スリット（分割線）２０により互いに分離され、超伝導コイル１２を囲むように配置される。好ましくは、輻射シールド１６は、超伝導コイル１２が発生させる磁場が輻射シールド１６に誘起する渦電流の経路を切断するように、分割される。これにより、個々の分割シールド片１７ａ、１７ｂに誘起される渦電流は、一体構造の輻射シールドに誘起されうる渦電流に比べて低減される。輻射シールド１６が円筒状の形状を有しその中心軸に垂直な方向に磁場が作用する場合、渦電流は中心軸まわりに輻射シールド１６の周方向に沿って誘起されうるので、輻射シールド１６は周方向に分割されてもよい。輻射シールド１６を構成する分割シールド片の数は、特に限定されない。

輻射シールド１６は、この例では、純銅（例えば、無酸素銅、タフピッチ銅など）で形成される。純銅は、例えば、９９．９％以上、または９９．９５％以上の純度を有してもよい。あるいは、輻射シールド１６は、純アルミニウム（例えば純度９９．５％以上）で形成されてもよい。純アルミニウムは、１００Ｋ以下の極低温でそれよりも高い温度帯に比べて高い熱伝導率を示し、温度が下がるにつれて熱伝導率が増加し、２０Ｋ以下の極低温で良好な熱伝導率を示すことが知られている。あるいは、輻射シールド１６は、銀、金などの高熱伝導金属、または、少なくともステンレス鋼よりも熱伝導率が大きい他の高熱伝導金属で形成されてもよい。

複数の分割シールド片１７ａ、１７ｂは、熱橋部材２２によって互いに熱接続される。分割シールド片１７ａ、１７ｂどうしは、熱橋部材２２のみによって互いに熱接続され、すなわち、熱橋部材２２がこれら分割シールド片１７ａ、１７ｂをつなぐ唯一の熱伝導の経路となっている。熱橋部材２２は、複数の分割シールド片１７ａ、１７ｂを隔てるスリット２０の一部分のみを架橋し、スリット２０の残部に熱橋部材２２は設けられなくてもよい。図示の例では、熱橋部材２２は、分割シールド片１７ａ、１７ｂそれぞれの天板１６ａを互いに接続している。よって、底板１６ｂのスリット２０には熱橋部材２２で架橋されていない。輻射シールド１６の側壁のスリット２０にも熱橋部材２２は設けられていない。

極低温冷凍機１８が一方の分割シールド片１７ａの天板１６ａに接続される場合、熱橋部材２２は、極低温冷凍機１８から他方の分割シールド片１７ｂへの実質的に最短の伝熱経路を形成しうる。これは、極低温冷凍機１８から離れている他方の分割シールド片１７ｂを効率的に冷却し、分割シールド片１７ａ、１７ｂの温度差を小さくし、輻射シールド１６を均一に冷却することに役立つ。また、この例では天板１６ａは平坦であるから、円筒状の側壁に熱橋部材２２を取り付ける場合に比べて、熱橋部材２２の取付が容易であるという利点もある。

なお、他の実施形態では、熱橋部材２２は、分割シールド片１７ａ、１７ｂを底板１６ｂで接続してもよいし、円筒状の側壁で接続してもよい。あるいは、複数の熱橋部材２２が設けられ、分割シールド片１７ａ、１７ｂが、例えば天板１６ａと底板１６ｂなど、複数箇所で接続されてもよい。あるいは、熱橋部材２２は、スリット２０の全長にわたって延在し、分割シールド片１７ａ、１７ｂを天板１６ａ、底板１６ｂ、および側壁で接続してもよい。

熱橋部材２２は、高熱伝導金属、例えば、ステンレス鋼に比べて熱伝導率が大きい高熱伝導金属で形成される。熱橋部材２２は、分割シールド片１７ａ、１７ｂと熱膨張率が等しく、または近似する材料、例えば、純銅または純アルミニウムなど、分割シールド片１７ａ、１７ｂと同じ高熱伝導金属で形成されてもよい。このようにすれば、熱橋部材２２と分割シールド片１７ａ、１７ｂの熱膨張率を合わせることができるので、極低温冷却に伴い熱橋部材２２と分割シールド片１７ａ、１７ｂとの間に生じうる熱応力を最小限に抑えることができる。

図２は、実施の形態に係る輻射シールド１６の分割構造の接続部を概略的に示す図である。分割構造の接続部は、分割シールド片１７ａ、１７ｂと熱橋部材２２に挟持される金属シート２４を有する。金属シート２４は、その本体２４ａの表面が熱橋部材２２よりも電気抵抗率が大きい抵抗層で覆われ、上面抵抗層２４ｂと下面抵抗層２４ｃを有する。上面抵抗層２４ｂが熱橋部材２２と金属シート２４との接触界面を形成し、下面抵抗層２４ｃが分割シールド片１７ａ、１７ｂと金属シート２４との接触界面を形成する。

この実施形態では、金属シート２４は、例えば、ステンレス鋼のシートである。ステンレス鋼で形成される部材は一般に、その表面に不動態被膜を有する。金属シート２４の表面は不動態被膜で覆われている。よって、上面抵抗層２４ｂと下面抵抗層２４ｃは、不動態被膜である。なお、金属シート２４の材料はステンレス鋼には限られない。金属シート２４は、例えば、アルミニウム、クロムなど、表面に不動態被膜を形成する他の金属材料で形成されてもよい。

金属シート２４には上面抵抗層２４ｂと下面抵抗層２４ｃがあり、一方の分割シールド片１７ａと熱橋部材２２の間に複数（この例では２つ）の抵抗層が設けられている。分割シールド片１７ａから熱橋部材２２に渦電流が流れようとするとき、これら抵抗層は直列接続されていることになるから、抵抗層が１つだけの場合に比べて、渦電流の抑制効果が大きくなる。

熱橋部材２２と分割シールド片１７ａ、１７ｂとは、間に金属シート２４を挟み込んだ状態で、例えばボルトなどの締結部材を用いて機械的に固定される。適用できる場合には、溶接、接着など適宜の固定方法により、熱橋部材２２と分割シールド片１７ａ、１７ｂが固定されてもよい。

なお、分割シールド片１７ａ、１７ｂと熱橋部材２２の熱接触をより良くするために、良好な熱伝導性をもつグリスが、分割シールド片１７ａ、１７ｂと金属シート２４の間に、及び／または、熱橋部材２２と金属シート２４の間に、塗布されてもよい。

分割シールド片１７ａ、１７ｂの厚さＤ１は典型的に、ミリメートルオーダーであり、天板１６ａおよび底板１６ｂについては例えば５～１０ｍｍ程度であり、輻射シールド１６の側壁については例えば１～３ｍｍ程度であってもよい。熱橋部材２２の厚さＤ２も、分割シールド片１７ａ、１７ｂの厚さＤ１と同程度であってもよい。

これに対して、金属シート２４の厚さＤ３は、分割シールド片１７ａ、１７ｂの厚さＤ１よりも小さく、及び／または、熱橋部材２２の厚さＤ２よりも小さい。実際のところ、熱橋部材２２を介した分割シールド片１７ａ、１７ｂ間の熱伝導をよくするために、金属シート２４の厚さＤ３は、なるべく薄いことが好ましく、厚くとも例えば２００μｍであり、例えば２０μｍから１００μｍ程度であってもよい。上面抵抗層２４ｂと下面抵抗層２４ｃは、金属シート２４上の不動態被膜であるため、さらに薄く、典型的にはナノメートルオーダーであり、例えば１～１０ｎｍ程度でありうる。

実施形態によると、分割シールド片１７ａ、１７ｂどうしが熱橋部材２２を介して構造上接続されているが、上面抵抗層２４ｂと下面抵抗層２４ｃが分割シールド片１７ａ、１７ｂと熱橋部材２２との間に介在する。上面抵抗層２４ｂと下面抵抗層２４ｃは不動態被膜であり、分割シールド片１７ａ、１７ｂから熱橋部材２２に流れようとする渦電流を妨げる（または低減する）のに十分な電気抵抗を有する。

本発明者によるシミュレーションによると、超伝導磁石装置１０の仕様上起こりうる磁場変動によって輻射シールド１６に誘起される渦電流の大きさは、本実施形態（熱橋部材２２を有するシールド分割構造）と比較例（熱橋無しの従来のシールド分割構造）で同程度となることが確認されている。つまり、本実施形態は、既存の分割構造と同等の渦電流低減効果をもたらすことができる。

よって、実施形態に係る超伝導磁石装置１０は、超伝導コイルのクエンチなど磁場変動に伴い発生する渦電流およびローレンツ力を低減することができ、ローレンツ力によって生じうる輻射シールド１６の変形、破損のリスクを軽減できる。

金属シート２４は十分に薄いため、分割シールド片１７ａ、１７ｂと熱橋部材２２間の熱コンダクタンスへの影響は顕著で無いか、無視しうる。上面抵抗層２４ｂと下面抵抗層２４ｃの厚さは極小であり、分割シールド片１７ａ、１７ｂと熱橋部材２２間の伝熱に実質的に影響しない。本発明者によるシミュレーションによると、極低温冷凍機１８と直接結合された分割シールド片の冷却温度に対してこれに隣接する分割シールド片の温度上昇は、本実施形態（熱橋部材２２を有するシールド分割構造）で、比較例（熱橋無しの従来のシールド分割構造）と比べて実用上十分に低減されることが確認されている。本実施形態は、分割構造の輻射シールド１６を有するにもかかわらず、一体構造の輻射シールドと同様に全体を均一に冷却することができる。

このように、輻射シールド１６は、導電性の観点からは分割構造とみることができ、熱伝導の観点からは一体構造とみることができる。したがって、実施形態によると、渦電流対策と極低温冷却下での温度分布の均一化を両立し、超伝導コイル１２への輻射入熱を抑制する分割構造の輻射シールド１６およびこれを有する超伝導磁石装置１０を提供できる。

他の比較例として、シート状の絶縁樹脂（例えばポリイミドシート）を熱橋部材として利用する構成も考えられる。しかし、このような絶縁樹脂層は一般に熱抵抗が大きく、分割シールド間の温度分布の改善には寄与しない。熱橋部材をステンレス鋼で形成した場合にも、ステンレス鋼は純銅など好適な高熱伝導金属に比べて熱伝導率がかなり低く、やはり温度分布は改善されない。熱伝導率の良い絶縁材料（例えば窒化アルミニウムなど）で熱橋部材を形成することも考えられる。しかし、こうした絶縁材料は、割れやすく、取り扱いにくい。輻射シールド材料との熱収縮率のミスマッチもあるので、使いにくい。

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、不動態被膜を有する金属シート２４を例として、シールド分割構造の接続部への抵抗層の実装を説明しているが、他の構成も可能である。ある実施形態では、熱橋部材２２自体の表面に抵抗層、例えば不動態被膜が形成されてもよい。例えば、熱橋部材２２の本体は上述のように、純銅など高熱伝導金属で形成され、その表面に例えばステンレス鋼、アルミニウム、クロムなどの不動態被膜を形成する金属の層（例えばめっき層）が形成されてもよい。このようにすれば、熱橋部材２２を分割シールド片１７ａ、１７ｂに固定すれば熱橋部材２２と分割シールド片１７ａ、１７ｂの間に不動態被膜を介在させることができる。よって、熱橋部材２２と分割シールド片１７ａ、１７ｂの間に金属シート２４を挟み込むことは、必須ではない。

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 超伝導磁石装置、 １２ 超伝導コイル、 １６ 輻射シールド、 １７ａ、１７ｂ 分割シールド片、 ２２ 熱橋部材、 ２４ 金属シート、 ２４ｂ 上面抵抗層、 ２４ｃ 下面抵抗層。

Claims (7)

1. 超伝導コイルと、
   超伝導コイルを囲むように配置される複数の分割シールド片を有する輻射シールドと、
   前記複数の分割シールド片を互いに熱接続し、ステンレス鋼に比べて熱伝導率が大きい高熱伝導金属で形成される熱橋部材と、
   前記分割シールド片と前記熱橋部材との間に介在し、前記熱橋部材よりも電気抵抗率が大きい抵抗層と、を備えることを特徴とする超伝導磁石装置。
2. 前記抵抗層は、不動態被膜であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
3. 表面に前記不動態被膜を有し、前記分割シールド片と前記熱橋部材に挟持される金属シートを備えることを特徴とする請求項２に記載の超伝導磁石装置。
4. 前記金属シートは、ステンレス鋼、アルミニウム、またはクロムで形成されることを特徴とする請求項３に記載の超伝導磁石装置。
5. 前記分割シールド片も、前記高熱伝導金属で形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超伝導磁石装置。
6. 前記高熱伝導金属は、純銅または純アルミニウムであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超伝導磁石装置。
7. 超伝導コイルを囲むように配置される複数の分割シールド片を有する輻射シールドと、
   前記複数の分割シールド片を互いに熱接続し、ステンレス鋼に比べて熱伝導率が大きい高熱伝導金属で形成される熱橋部材と、
   前記分割シールド片と前記熱橋部材との間に介在し、前記熱橋部材よりも電気抵抗率が大きい抵抗層と、を備えることを特徴とする超伝導コイル用輻射シールド構造。

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