JP2539121B2

JP2539121B2 - 超伝導磁石

Info

Publication number: JP2539121B2
Application number: JP3239900A
Authority: JP
Inventors: 陽子亀岡; 英士福本; 健吉岡; 照広滝沢; 正園部; 史男鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-19
Filing date: 1991-09-19
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2011-10-02
Also published as: JPH0582337A; US5424702A; CA2078608A1; DE4228537C2; DE4228537A1; CA2078608C

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導コイルを収納し
たコイル収納容器を支持する梁部材を径方向に渡した収
納容器を用いる超伝導磁石に係り、特に、動的環境に設
置された場合でも前記梁部材に起因して発生する熱を抑
制しクエンチを回避するのに好適な超伝導磁石に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】コイル収納容器に梁部材を備える超伝導
磁石装置の断面図を図２に示す。図２において、１は超
伝導コイル、２は液体ヘリウム等の冷却剤を保持し同時
に超伝導コイル１を納めるリング状の超伝導コイル収納
容器、３は超伝導コイル収納容器２の直径部分に渡され
た梁部材、４は収納容器２の外周囲を覆い輻射熱の収納
容器２への侵入を遮る輻射熱シールド、５は真空断熱容
器、６は超伝導コイル収納容器２を真空断熱容器５に取
り付ける支持材である。一般に、超伝導コイル収納容器
２の材質としては、超伝導コイル１のフ−プ力を支える
為に、剛性や強度の高いステンレス鋼等（以下、ＳＵＳ
と略して呼ぶ。）の材料が用いられる。同様に、電磁力
や重量を支える梁部材３や支持材６もＳＵＳが用いられ
る。一方、輻射熱シールド４には、輻射率が高く、軽量
で、熱伝導率の良いアルミ等が多く用いられている。真
空断熱容器５は、外部からの熱侵入を防ぐためその内部
を真空に保っており、超伝導コイル等を支える役目もす
ることから、ＳＵＳや厚肉の材料が多く用いられる。

【０００３】超伝導磁石は、超伝導コイル１を形成する
超伝導線材がその臨界温度を越えるとクエンチを生じ、
超伝導状態を維持できなくなる。この為、超伝導コイル
１の温度を臨界温度以下に保ち続け、超伝導状態を維持
することが重要な課題となる。従来においても、外部か
らの熱侵入に対しては、上記の輻射熱シールド４や真空
断熱容器５等を用いて、輻射や熱伝達を妨げる対策がな
されている。また、伝導による熱侵入を防ぐ対策として
も、特開昭５７−２０８１１１号公報に記載のように、
熱侵入経路の距離を稼ぐ等、様々な対策が講じられてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の熱侵入
に対する対策は、超伝導磁石を静的環境に設置して用い
ることを前提としている。このため、例えば、超伝導磁
石に何等かの外力が加わる場合や、動的環境に設置して
使用される場合に、超伝導磁石内部で生じる発熱に対し
ての対策は考慮していない。動的環境に設置された場合
等における発熱の要因の一つに、超伝導コイル収納容器
に生じる渦電流が挙げられる。従来の超伝導磁石の構造
では、図２に示したように、超伝導コイル収納容器２が
真空断熱容器５に支持材６で直接支持され、輻射熱シー
ルド４は超伝導コイル収納容器２を支持する支持材６に
取り付けられている。しかも、従来の輻射熱シールドに
はアルミ材が多く使われており、薄くて軽量な為、超伝
導コイル１に対して相対振動が生じやすい構造となって
いる。従って、外部から振動等が加わると、超伝導コイ
ルと輻射熱シールドの間で相対振動が生じ、輻射熱シー
ルド４が超伝導コイル１のつくる強磁界を横切ることに
なる。このため、輻射熱シールド４の板材に渦電流が誘
起され、この渦電流のつくる磁場が超伝導コイル収納容
器２を横切ることによって、超伝導コイル収納容器２に
も渦電流が誘起され、これが発熱の原因となり、超伝導
コイルをクエンチに至らしめるという問題がある。

【０００５】上記の問題に対して、特開昭６０−２１７
６１０号公報記載の様に、超伝導コイル収納容器２にア
ルミ材等の低抵抗材を貼り、渦電流が流れてもこれを低
抵抗材に流すことで発熱を抑制する対策が考えられる。
しかし、超伝導コイル収納容器２に設けられている梁部
材３の発熱に及ぼす影響の有無及びその程度が従来は解
明できておらず、これに対し何の対策も考慮されていな
い。

【０００６】本発明の目的は、梁部材を有する超伝導コ
イル収納容器に生じる発熱を軽減し、動的要因に対して
もクエンチを生じにくくする超伝導磁石を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、コイル収納
容器内に超電導コイルを収納すると共に該コイル収納容
器の内径部分に支持用の梁部材を渡した超伝導磁石にお
いて、前記梁部材を電気絶縁材で構成前記梁部材と前記
コイル収納容器とで構成される閉ループに流れる渦電流
を阻止する電気絶縁材を該梁部材の一部として構成する
ことで、達成される。

【０００８】上記目的はまた、梁部材を高抵抗部材で構
成し梁部材とコイル収納容器とで構成される閉ループに
流れる渦電流を減衰させる高抵抗部材を梁部材の一部と
して構成することでも、達成される。

【０００９】上記目的はまた、コイル収納容器の周方向
の所要箇所に、周方向の電流の循環を遮断し或いは減衰
させる電気絶縁材或いは高抵抗部材を介在させて構成す
ることでも、達成される。

【００１０】上記目的はまた、コイル収納容器の外壁面
の大部分に不連続な電気的導体或いは低抵抗体を被着さ
せることでも、達成される。

【００１１】上記目的はまた、コイル収納容器の外周囲
を覆う輻射熱シールドのうち梁部材を覆う部分の全部を
電気絶縁材あるいは高抵抗部材で構成することでも、達
成される。

【００１２】上記目的はまた、コイル収納容器の外周囲
を覆う輻射熱シールドのうち梁部材とコイル収納容器と
で構成される閉ループを覆う輻射熱シールドに流れる渦
電流を遮断し或いは減衰させる高抵抗領域を梁部材部分
を覆う輻射熱シールドの一部とすることでも、達成され
る。

【００１３】上記目的はまた、梁部材とコイル収納容器
とで構成される閉ループに渦電流が流れない位置に梁部
材を配置することでも、達成される。

【００１４】上記目的は、梁部材の外周囲面の大部分に
不連続な電気導体或いは低抵抗体を被着させることで
も、達成される。

【００１５】

【作用】梁部材の全部或いは一部を絶縁材或いは高抵抗
材とすることで、この梁部材を通してコイル収納容器と
の間で形成される半月状の閉ループに流れる渦電流が遮
断あるいは減衰されるので、この渦電流による発熱が抑
制され、クエンチの危険が防止される。また、コイル収
納容器に流れる渦電流の原因となる輻射熱シールドに流
れる渦電流も梁部材を覆う輻射熱シールドの全部或いは
一部を絶縁体或いは高抵抗材とすることで、輻射熱シー
ルドの閉ループに流れる渦電流が遮断或いは減衰され、
これによりコイル収納容器に流れる渦電流が抑制され、
コイル収納容器での発熱が抑制される。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して説明する。先ず、本発明の原理について説明する。
輻射熱シールドのＸ軸周りの回転，Ｙ軸周りの回転，Ｚ
軸周りの回転等の純粋な相対振動につき、梁部材も含め
た構造に対して発明者等が３次元渦電流解析を行った結
果、梁部材の設ける位置等によっては超伝導コイル収納
容器と梁部材とで形成される閉ループにループ電流が流
れ、その時の梁部材での発熱が超伝導コイル収納容器の
発熱において支配的になり、超伝導磁石のクエンチの主
因となり得ることが判明した。但し、この場合、円弧部
にはアルミ（低抵抗材）、梁部にはステンレス（高抵抗
材）が用いられる。つまり、抵抗の異なる材料が用いら
れる。例えば、図２の輻射熱シールドのＹ軸周りの回転
に対しては、超伝導コイル収納容器２の表側に図３に示
す様な渦電流流路が生じる場合があり、また、図４に示
す様な別の渦電流流路が生じることもある。これらの各
渦電流流路に流れる夫々の渦電流は、図５に示す様に、
超伝導装置が受ける振動の位相によって交互に入れ替わ
り、図３のように梁部材の渦電流が流れないときは全渦
電流が最大値を示す一方、図４の様に梁部材に渦電流が
流れるときは全渦電流は少ないものの、梁部材における
発熱が大となる複雑な挙動を示すことが判明した。

【００１７】上記の３次元渦電流解析とは、導体上の渦
電流Ｊ(ｒ，ｔ)に対する支配方程式

【００１８】

【数１】

【００１９】を有限要素法で分割し、数値シミュレ−シ
ョンするものである。図２と類似の体系でのシミュレー
ション結果と実験値との一致は良好であることを確認し
ている。ここでηは導体の抵抗率、μ は真空透磁率、
ｒは空間座標である。数１式は、導体抵抗による電位差
（第１項）と、渦電流時間変化による電磁誘導起電力
（第２項）とがバランスすることを意味している。求ま
った渦電流Ｊから、発熱量Ｗは、

【００２０】

【数２】

【００２１】で評価される。

【００２２】超伝導コイル収納容器の有する梁部材に流
れる渦電流によって梁部材に生じる発熱を抑制する最も
簡単で且つ確実な手段は、コイル収納容器の梁部材を電
気絶縁材で形成することである。これにより、コイル収
納容器と梁部材とで形成される閉ループに流れようとす
る渦電流が遮断され、発熱しなくなる。これにより、ク
エンチの生じ難い超伝導磁石が得られる。

【００２３】梁部材の構造上、強度の点で電気絶縁材で
構成できない超伝導磁石もある。その場合には、代替案
が必要である。３次元渦電流解析によれば、超伝導コイ
ル収納容器の梁部材を覆う輻射熱シールドの一部に絶縁
部を設けることによって、梁部材に流れる渦電流を抑制
することができることも判明している。コイル収納容器
の梁部材とそれを覆う輻射熱シールドとの間に生じる電
気的カップリングが原因となって、輻射熱シールドに流
れる渦電流からコイル収納容器に渦電流が誘導される。
そこで、梁部材を覆う部分の輻射熱シールドに流れる渦
電流を遮断することにより、間接的にコイル収納容器の
梁部材に流れる渦電流を抑制することができる。これに
より、梁部材を通る渦電流が抑制され、それによる発熱
が軽減されるので、超伝導コイル収納容器全体での発熱
も軽減され、クエンチの生じにくい超伝導磁石が得られ
る。この方法は、電磁力を支える関係上、またはその他
の理由で、コイル収納容器の梁部材に直接絶縁部を設け
ることが不可能な場合に有効である。

【００２４】梁部材に完全な絶縁部を設けることが製造
上困難な場合には、絶縁部に代えて高抵抗部を設ける。
これにより梁部材をを通ってループ電流をつくろうとす
る渦電流を抑制することができる。この場合、外乱の振
動周波数つまり渦電流の周波数領域により、レジスティ
ブ（低周波）な領域であれば、高抵抗部によって電流を
遮断し、梁部材での発熱をなくすることも可能である
し、完全に遮断しない場合でも、高抵抗部を挿入するこ
とによって、一周の抵抗を大きくして渦電流を小さく抑
え、全体として発熱を軽減することも可能である。ここ
でいうレジスティブな領域について、図１３を用いて説
明する。図１３は磁石に加わる振動の周波数を横軸にと
り、流れる渦電流の大きさを鎖交磁束ψで割りそれを対
数目盛で表した値を縦軸にとっている。レジスティブ領
域とは、折線１５の１／τ以下の周波数領域（τ＝Ｌ／
Ｒ、Ｌ：渦電流流路に対する等価インダクタンス、Ｒ：
同じく等価抵抗）であり、渦電流は周波数に比例して増
える傾向にある。この領域では発熱は１／Ｒに比例し、
抵抗Ｒが大きいほど発熱は小さくなる。すなわち、抵抗
を大きくすると折線１５→折線１６とその変化のカ−ブ
が移行し、同じ外乱の振動周波数ωに対して生じる渦電
流は、図１３中のＤだけ減少し、更にレジスティブな領
域も１／τから１／τ’へと広がる（但し、τ’＝Ｌ／
（Ｒ＋Ｒ’））。しかし、インダクティブ（高周波）な
領域、つまり１／τ以上の周波数領域にはいると、図１
３の折線１５，１６で示されるように、流れる渦電流は
抵抗値によらず一定になり、従って発熱は抵抗Ｒに比例
して増加するので、高抵抗部を挿入する場合は、外乱の
振動周波数をレジスティブな領域に設定する必要があ
る。これによって、梁部材での発熱は抑制され、コイル
収納容器全体での発熱も軽減され、クエンチが防止され
る。

【００２５】同様に、梁部材を覆う部分の輻射熱シール
ドに高抵抗部を設けることで、この輻射熱シールド部分
に渦電流が流れにくくし、超伝導コイル収納容器と輻射
熱シールドとの電気的カップリングによる誘起される梁
部材部分の渦電流を抑制することができる。この場合、
輻射熱シールドに流れる渦電流も上記と同様に振る舞
い、外乱の振動周波数をレジスティブな領域に設定すれ
ば、渦電流は流れなくなるか、流れる電流は小さくな
る。いずれにしても電気カップリングによってコイル収
納容器の梁部材に流れる渦電流を抑制することができ、
梁の発熱は低減される。これによって、コイル収納容器
全体での発熱も低減され、クエンチの生じにくい超伝導
磁石が得られる。

【００２６】また、従来の梁部材を設けたコイル収納容
器が、この梁部材を通して循環電流が流れやすいような
位置に梁部材が配置されていることが３次元渦電流解析
で判明したので、梁部材のコイル収納容器への取付位置
を循環電流が流れない位置に変更し、梁部材に渦電流が
流れないようにしてこの梁部材での発熱を抑制する。つ
まり、渦電流の流路に梁部材を配置しないようにすれば
よい。例えば、輻射熱シールドのＹ軸周りの回転振動に
よって生じる、図６に示されるような渦電流のループ
は、仮にその位置に梁がなく、超伝導コイル収納容器が
単なる円形状だとすると図７で示すようなターン電流と
なる。つまり、渦電流の流れ易い位置に梁が配置される
と、渦電流はその梁を流れて流路を形成するのであっ
て、梁を渦電流の流路にあたらない部分に配置するか、
あるいは図７で示すように互いに対抗する渦電流の流路
にあたる部分を結ぶ位置に梁を配置することによって、
梁に流れる渦電流を抑制することができる。従って、渦
電流によって梁部材に生じる発熱が低減でき、コイル収
納容器全体の発熱も低減され、クエンチの生じにくい超
伝導磁石が得られる。

【００２７】梁部材の表面に、アルミ，銅，銀，金等の
ヘリウム温度で抵抗率が大きく下がるような低抵抗材料
を貼り付けるか、蒸着あるいはメッキすることによっ
て、渦電流が流れたときこの低抵抗材料に電流を流すこ
とで、発熱を低減することができる。３次元渦電流解析
によれば、詳細は後述するように、これらの対策を施す
ことで、従来に比較して梁部材での発熱を１／５〜１／
１０に下げることができる。高抵抗部を梁部材に設ける
ところの説明で、インダクティブな領域について説明し
た。このインダクティブな領域で用いられる超伝導磁石
に対し、言い替えると、１／τを外乱の振動周波数の最
大値ωより大きくできない超伝導磁石に対しては、この
低抵抗材料を貼り付ける等することが有効である。この
インダクティブな領域では、電流値が一定のため、発熱
は抵抗値に比例することが判っているので、抵抗を下げ
ればそのぶん明らかに発熱も抑制される。従って、この
方法によってもクエンチの生じにくい超伝導磁石が得ら
れる。特に、これらの低抵抗材料は高純度（９９.９％
以上）のものを使用すれば、ヘリウム温度（４°Ｋ）に
ては常温の抵抗値よりもさらに１／１０〜１／１００低
下するので、それだけ発熱をさらに低減できるので有利
である。

【００２８】次に、３次元渦電流解析の結果得られたデ
ータとそれに基づき製造した超伝導磁石の実施例につい
て具体的に説明する。

【００２９】図１は本発明の第１実施例に係る超伝導磁
石の平面図及び断面図である。超伝導コイル１は、液体
ヘリウムの冷却剤とともに、リング状の超伝導コイル収
納容器２に納められる。この超伝導コイル収納容器２
は、超伝導コイル１を保持すると同時に、超伝導コイル
１に生じるフープ力等の電磁力を支える為、ＳＵＳでつ
くられている。または、特開昭６０−２１７６１０号公
報記載の様に、収納容器２そのものに生じる発熱低減の
ために、ＳＵＳ製の収納容器２の外表面の大部分に不連
続にアルミ被覆が施されている。３が超伝導コイル収納
容器２の直径方向に渡された梁であり、ＳＵＳ製で溶接
によって超伝導コイル収納容器２に固着されており、超
伝導コイル収納容器２と同様に液体ヘリウム温度に冷却
されている。この梁３を支持部として、超伝導コイル収
納容器２は真空断熱容器５に、支持材６によって取り付
けられている。輻射熱シールド４は、真空断熱容器５と
超伝導コイル収納容器２の間に置かれ、輻射熱が内部の
コイル収納容器２側に侵入しないように遮るものであ
り、アルミ製で液体窒素によって８０Ｋに冷却されてい
る。本実施例におけるＳＵＳ製の梁３の一部には、電気
絶縁部７が設けられている。この絶縁部７の詳細につい
ては、後述の図１１でその詳細を説明する。８は梁３と
支持材６、または支持材６と真空断熱容器５を止めてい
るボルトである。

【００３０】外部からの動的要因によって、輻射熱シー
ルド４が超伝導コイル１に対して相対的に振動すると、
輻射熱シールド４が超伝導コイル１の作る強磁界を横切
り、これにより輻射熱シールド４に渦電流が生じる。こ
の輻射熱シールド上の渦電流は磁界を作り、この磁界を
超伝導コイル収納容器２が横切ることで、超伝導コイル
収納容器２に渦電流が生じることになる。しかしこの渦
電流は、梁３の一部に設けられた絶縁部７によって遮断
され、梁３には渦電流は流れない。このため、発熱も起
こらない。梁３に渦電流が流れる図２に示す従来例より
も、本実施例では超伝導コイル収納容器２で生じる発熱
が抑制されるので、クエンチの発生が防止される。

【００３１】この実施例において、３次元渦電流解析に
よりその発熱低減効果を定量的に確認した。図３，図４
は、前述した様に、３次元渦電流解析により得た渦電流
の流れのパターンをコンピュータに描かせた図である。
計算に用いたコイルモデルは図１の真円より少し長円形
としてある。長円方向のコイル直径は約１０００ｍｍで
ある。超伝導コイルが５００ＫＡタ−ンに励磁され、そ
れが輻射シ−ルドとの間でＺ軸の回りで４×１０~⁸［ｒ
ａｄ］，３００［Ｈｚ］で相対振動したとして計算す
る。コンピュータによる渦電流分布の計算結果が図３，
図４である。図中の矢印線は渦電流の流線に相当してい
る。この計算結果は、梁部３に絶縁が施されてないとき
のものであり、この時の渦電流発熱は１［Ｗ］である。
超伝導コイル収納容器２そのものはアルミ被覆が施され
ているので、その部分の発熱は０.１［Ｗ］と少なく、
大部分が梁部３からの発熱であった。この発熱１［Ｗ］
は小さいように見えるが、超伝導コイル１の温度を４°
Ｋに保持するために使用する液体Ｈｅの供給量にとって
１［Ｗ］の発熱量は膨大な量であり、またクエンチに対
するマ−ジンも大きく損なわれる。この梁部３に対しこ
れを完全な絶縁体として同様の３次元渦電流解析を行な
ったところ、梁部３の発熱は電流が完全に遮断されるこ
とから当然に０［Ｗ］となり、コイル収納容器部２の発
熱は前と同じ０．１［Ｗ］であったところから、絶縁の
有り無しによってコイル発熱を１／１０に低減できるこ
とが確認された。

【００３２】図８は、本発明の第２実施例に係る超伝導
磁石の要部破断斜視図である。本実施例に係る超伝導磁
石の構成は、基本的には第１実施例のもの同じである。
しかし、第１実施例における輻射熱シールド４は単純な
円柱形状であったが、この実施例では、輻射熱シールド
４の形状を完全に超伝導コイル収納容器２及びその梁の
形状に添った形状としており、梁３はそれのみを覆う様
に輻射熱シールド４が構成されている。そして、本実施
例では、この梁３を覆う輻射熱シールド部分の一部に絶
縁部７を設けている。この構成により、外部からの動的
要因によって、輻射熱シールド４が超伝導コイル１に対
して相対振動を生じ、超伝導コイル１のつくる磁界を輻
射熱シールド４が横切ると、輻射熱シールド４に渦電流
が生じようとするが、梁３を覆う部分の輻射熱シールド
には、絶縁部７によって渦電流が遮断され、渦電流は流
れない。このため、超伝導コイル収納容器２と輻射熱シ
ールド４の間にある電気的カップリングによって梁３に
流れるはずの渦電流も抑制されてしまう。従って、梁３
で生じる発熱も抑制され、超伝導コイル収納容器全体で
生じる発熱も軽減され、クエンチの生じにくい超伝導磁
石が得られる。この絶縁部７の詳細は図１２の符号１２
で示す部分が該当し、これについては後述する。

【００３３】この第２実施例の場合につき、振動条件，
コイル全体の寸法等は第１実施例と同じとして３次元渦
電流解析を行った。この場合には、全発熱は０．１５
［Ｗ］である。本実施例では、梁部３には絶縁部は何も
設けていないので、この梁部３にはわずかに渦電流が流
れる。この梁部３で０．０５［Ｗ］発熱し、コイル収納
容器部２での発熱０．１［Ｗ］と合わせて０．１５
［Ｗ］となる。このように、輻射熱シ−ルド部の絶縁の
みによっても、発熱は従来例の約１５［％］と大幅に低
減されることが分かる。この実施例は、コイル収納容器
２の幾何学的形状や、コイル収納容器がコイルから受け
るフ−プ力を支持する構造にする関係で、その梁部３に
絶縁を施しにくい場合の代替案として有力な方法であ
る。

【００３４】図９に本発明の第３実施例を示す。第３実
施例においても、その構成は基本的に第１実施例と同じ
であるが、本実施例で符号９で示す部分は絶縁部ではな
く、高抵抗部となっている。外部からの動的要因によっ
て、輻射熱シールド４が超伝導コイル１に対して相対振
動し、輻射熱シールド４が超伝導コイル１のつくる磁界
を横切って渦電流を生じ、さらに輻射熱シールド上の渦
電流によって作られる磁界を超伝導コイル収納容器２が
横切って、超伝導コイル収納容器２上に渦電流が生じて
も、梁３の高抵抗部９によって、外乱の振動周波数をレ
ジスティブな領域に設定することにより、渦電流は遮断
される。これにより、梁３を流れる渦電流は生じず、従
って発熱も起こらない。高抵抗部９を通して渦電流が流
れた場合でも、高抵抗部９により収納容器２の半分と梁
３とで構成される閉ループの一周の抵抗値が増加する
分、この閉ループに誘起される渦電流は小さくなる。こ
のため、高抵抗部９の抵抗値が充分大きければ、全体と
して発熱が抑制される。従って、超伝導コイル収納容器
２で生じる発熱は抑制され、クエンチは発生しにくくな
る。

【００３５】高抵抗部９は、実際には、ステンレス鋼よ
りも高抵抗部材である例えばインコネル鋼で構成すると
か、梁３全体をステンレス鋼を用い製造すると共に高抵
抗部９の部分をベロ−ズ構造にして長手方向の抵抗率を
上げるとかの方法によって実現される。

【００３６】図１０に本発明の第４実施例を示す。第４
実施例の構成も基本的には第１実施例の場合と同様であ
るが、第４実施例での輻射熱シールド４は、図９に示す
形状の超伝導コイル収納容器２を収納しており、超伝導
コイル収納容器２が有する４本の梁３全体を覆う部分の
一部に高抵抗部９を設けている。外部からの動的要因に
よって、輻射熱シールド４が超伝導コイル１に対して相
対振動して超伝導コイル１のつくる磁界を横切ると、輻
射熱シールド４に渦電流が生じる。しかし、梁３を覆う
部分の輻射熱シールドの一部に設けられた高抵抗部９に
よって、外乱による振動周波数がレジスティブな領域に
設定されるので、渦電流は遮断され、梁３を覆う輻射熱
シールドの部分を流れる渦電流は生じない。あるいは、
高抵抗部９を通して渦電流が流れるが、この場合、高抵
抗部９が加わって一周抵抗が増加する分、誘起される渦
電流は小さくなる。いずれにしても、超伝導コイル収納
容器２と輻射熱シールド４の間には電気的カップリング
があり、輻射熱シ−ルド４の梁３を覆う部分に流れる渦
電流が抑制されると、梁３を流れるはずの渦電流も抑制
される。従って、梁３で生じる発熱も抑制されるので超
伝導コイル収納容器全体で生じる発熱も軽減され、クエ
ンチの生じにくい超伝導磁石が得られる。

【００３７】図７に本発明の第５実施例を示す。超伝導
コイル１は、冷却剤である液体ヘリウムとともに、超伝
導コイル収納容器２に納められる。超伝導コイル収納容
器２は超伝導コイル１を保持すると同時に、超伝導コイ
ル１に生じるフ−プ力等の電磁力を支える為、ＳＵＳで
作られている。３は超伝導コイル収納容器の有する梁で
あり、ＳＵＳ製で溶接によって超伝導コイル収納容器２
に取り付けられており、超伝導コイル収納容器２と同様
に液体ヘリウム温度に冷却されている。今、図６に示す
ような超伝導コイル１を覆う輻射シ−ルド４に、外部か
らＹ軸周りの回転振動が加わっていると仮定すると、こ
の場合の渦電流の流路１３は図６に示されるように、左
右の渦電流の向きは逆回転となり、表側，裏側の渦電流
も逆となる。そこで、図７に示すように、ＡＢ間の梁を
ＡＨ間に、ＣＤ間の梁をＣＦ間に、ＥＦ間の梁をＥＤ間
に、ＧＨ間の梁をＧＢ間に置き換えることによって、コ
イル収納容器２の左右，表裏でそれぞれ半周ずつの４つ
のループ電流を作って流れようとしていた渦電流の流路
を変更し、コイル収納容器２の本体リング部分にのみ流
れるターン電流１４だけが生じるような渦電流の流路を
とらせる。つまり、超伝導コイル収納容器２と梁３の間
で、循環電流が生じなくなるようにする。これにより、
梁３に流れる渦電流を抑制することができ、梁３での発
熱が抑制される。従って、超伝導コイル収納容器全体で
の発熱も抑制され、クエンチの生じにくい超伝導コイル
が得られる。

【００３８】次に、第１実施例，第２実施例で述べた
「絶縁」部分の構造について具体的に説明する。図１１
は、第１実施例で述べた絶縁部の詳細構造図である。１
は超伝導コイル、２は超伝導コイル収納容器、３はＳＵ
Ｓ製の梁である。梁３は２本に分割されており、端部３
ａ，３ｂはフランジ状に大径に形成されている。この端
部３ａ，３ｂは対向して設けられ、両端部３ａ，３ｂを
一緒に覆蓋するＳＵＳ製の締め金具１０を絶縁材７を介
して（締め金具１０と端部３ａ，３ｂが電気的に絶縁さ
れる様に）取り付け、絶縁ボルト１１で締め金具１０と
端部３ａ，３ｂとが固着される。この構造にすることに
よって、強い電磁力による引っ張り応力が梁３に働く場
合でも、この引っ張り応力は締め金具１０にて支えら
れ、充分に超伝導コイル収納容器２を支持することがで
きると同時に、絶縁を果たすことができる。絶縁部７の
部材としては、ＦＲＰ，アルミナ等のセラミックス，カ
プトンやテフロン（商標名）などの耐低温性の樹脂を用
いる。

【００３９】図１２は、第２実施例で述べた絶縁部の詳
細構造図である。１は超伝導コイル、２は超伝導コイル
収納容器、３はＳＵＳ製の梁で、４は輻射熱シールドで
ある。輻射熱シールド４は梁３を覆う部分に不連続部１
２を有し、この部分で絶縁されている。輻射熱シールド
４は熱侵入を防ぐために多数の支持点を持たず、簡単に
取り付けられているのみで、クエンチの場合を除いて
は、過大な電磁力も加わらない。従って、不連続部にＦ
ＲＰ等を噛ませるような込み入った絶縁構造を用いなく
ても、輻射熱シールド４の一部に不連続部を設ければ充
分である。輻射による熱侵入が極端に嫌われる場合に
は、不連続部の一端を他端に被せオーバーラップする構
造にする。

【００４０】図１４に、本発明の第６実施例を示す。２
は超伝導コイル収納容器、３は超伝導コイル収納容器の
有する梁で、斜線部１７が低抵抗部であり、他の部分は
超伝導コイル収納容器のＳＵＳ部が剥き出しになってい
る。低抵抗部材としてはアルミ，銅，銀，金等を用い、
貼り付けたり、蒸着したり、溶接したり、メッキ等の手
段で付ける。ここでは、外乱による振動周波数をインダ
クティブな領域に設定し、超伝導コイル収納容器２の一
周抵抗を下げることによって、発熱を減少させる。超伝
導コイル収納容器２に低抵抗部材が装着されているのに
加えて、本発明では梁部３にも低抵抗化が施されている
ので、全体の発熱が低減する。アルミ等で収納容器全面
を覆わないのは、超伝導コイルの励磁の際に超伝導コイ
ル収納容器２に渦電流が非常に流れ易くなり、超伝導コ
イルの立ち上げに要する時間や電力を増大させるのを防
ぐためである。この体系で実施例１のところで述べたの
と同じ条件で３次元渦電流解析を行ったところ、全発熱
は０．１［Ｗ］と梁部３の低抵抗化がはかられていない
場合と比べて１／１０の発熱低減となっている。この構
造によって、超伝導コイル収納容器で生じる発熱は低減
され、クエンチの生じにくい超伝導磁石が得られる。

【００４１】尚、以上述べた各実施例における梁部分の
構造に加え、コイル収納容器２の本体リング状部分の一
部に高抵抗部を介装して収納容器本体に流れる渦電流の
低減も一緒に図ることは極めて有効であることはいうま
でもない。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、超伝導コイル収納容器
の有する梁またはそれに類する部材に生じる渦電流を抑
制し、超伝導コイル収納容器全体で発生する発熱を低減
することができるので、外部からの動的要因に対しても
クエンチの生じにくい超伝導磁石を構成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超伝導磁石の平面図及
び断面図はである。

【図２】本発明の実施例を適用する梁構造を備える超伝
導磁石の断面図である。

【図３】Ｘ軸周りの回転による渦電流流路（図５の時刻
Ａのときに該当する。）を３次元渦電流解析で求めコン
ピュータで作成した図である。

【図４】Ｘ軸周りの回転による渦電流流路（図５の時刻
Ｂのときに該当する。）を３次元渦電流解析で求めコン
ピュータで作成した図である。

【図５】３次元渦電流解析による渦電流と発熱との時間
変化を示すグラフである。

【図６】Ｙ軸周りの回転による渦電流流路の一例を示す
図である。

【図７】本発明の別実施例に係る超伝導コイル収納容器
の外観図である。

【図８】本発明の更に別実施例に係る輻射シ−ルドの要
部破断斜視図である。

【図９】本発明の更に別実施例に係る超伝導コイル収納
容器の斜視図である。

【図１０】図９に示すコイル収納容器を覆う輻射シ−ル
ドの要部破断斜視図である。

【図１１】梁部に設けた絶縁部の一実施例に係る構造を
示す図である。

【図１２】輻射熱シールドに設けた絶縁部の一実施例の
構造を示す図である。

【図１３】外乱周波数と前記外乱による渦電流との関係
図である。

【図１４】本発明の更に別実施例に係る超伝導コイル収
納容器の斜視図である。

【符号の説明】

１…超伝導コイル、２…超伝導コイル収納容器、３…梁
部材、４…輻射熱シ−ルド、５…真空断熱容器、６…支
持、７…絶縁部、８…ボルト、９…高抵抗部、１０…締
め金具、１１…絶縁ボルト、１２…絶縁部（不連続
部）、１３…渦電流流路、１４…タ−ン電流、１７…ア
ルミ貼付部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者滝沢照広東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所試作開発センタ内 (72)発明者園部正東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所試作開発センタ内 (72)発明者鈴木史男東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所試作開発センタ内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】コイル収納容器内に超電導コイルを収納
すると共に該コイル収納容器の内径部分に支持用の梁部
材を渡した超伝導磁石において、前記梁部材を電気絶縁
材で構成したことを特徴とする超伝導磁石。
【請求項２】請求項１において、電気絶縁材はＦＲＰ
（Fiberglass Reinforced Plastics），アルミナ，ＣＦ
ＲＰ（Carbon Fiberglass Reinforced Plastics）のい
ずれかであることを特徴とする超伝導磁石。
【請求項３】コイル収納容器内に超電導コイルを収納
すると共に該コイル収納容器の内径部分に支持用の梁部
材を渡した超伝導磁石において、前記梁部材と前記コイ
ル収納容器とで構成される閉ループに流れる渦電流を阻
止する電気絶縁材を該梁部材の一部として構成すること
を特徴とする超伝導磁石。
【請求項４】請求項３において、電気絶縁材は低温性
絶縁部材であるフッ素樹脂であることを特徴とする超伝
導磁石。
【請求項５】コイル収納容器内に超電導コイルを収納
すると共に該コイル収納容器の内径部分に支持用の梁部
材を渡した超伝導磁石において、前記梁部材を高抵抗部
材で構成したことを特徴とする超伝導磁石。
【請求項６】請求項５において、梁部材をインコネル
材で構成することを特徴とする超伝導磁石。
【請求項７】コイル収納容器内に超電導コイルを収納
すると共に該コイル収納容器の内径部分に支持用の梁部
材を渡した超伝導磁石において、前記梁部材と前記コイ
ル収納容器とで構成される閉ループに流れる渦電流を減
衰させる高抵抗部材を該梁部材の一部として構成したこ
とを特徴とする超伝導磁石。
【請求項８】請求項７において、梁部材の一部をべロ
ーズ構造とすることで高抵抗とすることを特徴とする超
伝導磁石。
【請求項９】請求項１乃至請求項８のいずれかにおい
て、前記コイル収納容器の周方向の所要箇所に、周方向
の電流の循環を遮断し或いは減衰させる電気絶縁材或い
は高抵抗部材を介在させて構成したことを特徴とする超
伝導磁石。
【請求項１０】請求項１乃至請求項９のいずれかにお
いて、前記コイル収納容器の外壁面の大部分に不連続な
電気的導体或いは低抵抗体を被着して構成したことを特
徴とする超伝導磁石。
【請求項１１】コイル収納容器内に超電導コイルを収
納すると共に該コイル収納容器の内径部分に支持用の梁
部材を渡した超伝導磁石において、前記コイル収納容器
の外周囲を覆う輻射熱シールドのうち前記梁部材を覆う
部分の全部を電気絶縁材あるいは高抵抗部材で構成した
ことを特徴とする超伝導磁石。
【請求項１２】コイル収納容器内に超電導コイルを収
納すると共に該コイル収納容器の内径部分に支持用の梁
部材を渡した超伝導磁石において、前記コイル収納容器
の外周囲を覆う輻射熱シールドのうち前記梁部材と前記
コイル収納容器とで構成される閉ループを覆う輻射熱シ
ールドに流れる渦電流を遮断し或いは減衰させる高抵抗
領域を該梁部材部分を覆う輻射熱シールドの一部として
構成したことを特徴とする超伝導磁石。
【請求項１３】請求項１１または請求項１２におい
て、輻射熱シールドをアルミ材で形成し、梁部分を覆う
部分にステンレスあるいはインコネル材を用いたことを
特徴とする超伝導磁石。
【請求項１４】コイル収納容器内に超電導コイルを収
納すると共に該コイル収納容器の内径部分に支持用の梁
部材を渡した超伝導磁石において、前記梁部材と前記コ
イル収納容器とで構成される閉ループに渦電流が流れな
い位置に前記梁部材を配置したことを特徴とする超伝導
磁石。
【請求項１５】コイル収納容器内に超電導コイルを収
納すると共に該コイル収納容器の内径部分に支持用の梁
部材を渡した超伝導磁石において、前記梁部材の外周囲
の大部分に不連続な電気導体或いは低抵抗体を被着させ
ることを特徴とする超伝導磁石。
【請求項１６】請求項１０または請求項１５におい
て、低抵抗体はアルミ，銅，金，銀のいずれかであるこ
とを特徴とする超伝導磁石。