JP3647266B2 - 超電導マグネット装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導マグネット装置にかかるもので、とくに冷媒として液体ヘリウムを用いないタイプの超電導マグネット装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、とくに超電導コイルを真空中においてＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機）などにより冷却し、冷媒として液体ヘリウムを用いる必要がないタイプの超電導マグネット装置（いわゆる、ヘリウムフリーの超電導マグネット装置）については、その超電導コイルと外部の磁性体との間に強い磁気力が作用する場合に、超電導コイルの断熱支持構造が重要となる。
すなわち、超電導マグネット装置本体の重量および外部との間に働く磁気力を支持するための部材としては、機械的強度のほかに、熱侵入量の低さが要求される。
【０００３】
図４は、従来のヘリウムフリーの超電導マグネット装置１の概略断面図であって、超電導マグネット装置１は、最外層の真空容器２と、ＧＭ冷凍機３と、円筒状の熱シールド板４と、上部支持部５と、下部支持部６と、コイル巻枠７および超電導コイル８と、を有し、その軸方向中央には円柱状の室温磁場空間９（室温ボア）を形成している。
【０００４】
真空容器２は、その上部フランジ１０にＧＭ冷凍機３および上部支持部５を設け、その下部フランジ１１に下部支持部６を設けているとともに、その容器ボア内筒１２内を上記室温磁場空間９としている。
【０００５】
ＧＭ冷凍機３は、その第一段冷却ステージ３Ａを熱シールド板４の上部フランジ１３に熱的に接続するとともに、その第二段冷却ステージ３Ｂをコイル巻枠７の巻枠支持板１４に熱的に接続している。
【０００６】
熱シールド板４は、第二段冷却ステージ３Ｂ、超電導コイル８および第２の中空ロッド１７部分、さらに第３の中空ロッド１８の一部を収容するとともに、その上部フランジ１３を上部支持部５により支持し、その下部フランジ１５を下部支持部６により支持している。
【０００７】
すなわち、上部支持部５は、荷重支持体としてたとえばＦＲＰ製（繊維強化プラスチック製）の第１の中空ロッド１６および第２の中空ロッド１７を有し、第１の中空ロッド１６は上部フランジ１０の円周方向に等角度間隔で、たとえばその３本を取り付け、熱シールド板４の上部フランジ１３を支持する。
第２の中空ロッド１７は、上部フランジ１３の円周方向に等角度間隔で、たとえばその３本を取り付け、巻枠支持板１４を支持する。
【０００８】
また下部支持部６は、真空容器２の下部フランジ１１において固定支持した、たとえばＦＲＰ製の第３の中空ロッド１８（荷重支持体）を有し、第３の中空ロッド１８は下部フランジ１１の円周方向に等角度間隔で、たとえばその３本を取り付けるとともに、熱シールド板４の下部フランジ１５を支持し、さらに取付け片１９を介してコイル巻枠７を支持している。
【０００９】
なお、熱シールド板４のシールド板内筒２０は、真空容器２の容器ボア内筒１２の内側に位置している。
【００１０】
こうした構成の超電導マグネット装置１において、真空容器２および熱シールド板４により外部からの輻射熱による侵入熱を抑制するとともに、ＧＭ冷凍機３の第一段冷却ステージ３Ａ（温度６０Ｋレベル）、および第二段冷却ステージ３Ｂ（温度４Ｋレベル）による熱シールド板４および超電導コイル８の冷却作用を行う。
【００１１】
上部支持部５および下部支持部６により熱シールド板４、巻枠７および超電導コイル８を支持しているので、超電導マグネット装置１の軸方向の強度保持については十分であるが、超電導マグネット装置１の使用目的のひとつとして、室温磁場空間９内に置いた強磁性体Ｍに磁場をかけて、これに着磁するというものがある。
このように室温磁場空間９の磁場中に強磁性体Ｍを置いた場合には、その強磁性体Ｍと超電導マグネット装置１の本体（超電導コイル８）との間に強力な磁気力が発生する。
【００１２】
この磁気力の方向および大きさは、強磁性体Ｍの形状、および超電導コイル８との相対位置関係などによって決まるものである。
たとえば、ソレノイド型の超電導マグネット装置１の室温磁場空間９に直方体型の強磁性体Ｍを置いた場合には、互いの中心位置と中心軸とが一致していれば、対称性から両者の間に働く磁気力はゼロとなるが、中心が径方向にズレを生じると両者間には吸引力が作用する。
かくして、引きつけ合う磁気力によって強磁性体Ｍあるいは超電導コイル８の支持体（コイル巻枠７、巻枠支持板１４、上部支持部５および下部支持部６など）に変形が生じ、その結果、両者が互いに近づけられた場合、磁気力はより強くなる。
また、強磁性体Ｍの形状が非対称である場合は、自ずと磁気力が働くことになり、その非対称性が大きければ大きいほど、超電導コイル８との間に作用する磁気力は大きくなる。
【００１３】
したがって、強磁性体Ｍおよび超電導マグネット装置１（超電導コイル８）ともに、考え得る磁気力の作用時においても変形を生じないように径方向に対しても十分な剛性を有するもので保持する必要がある。
【００１４】
しかしながら、上部支持部５および下部支持部６における３本ないしはそれ以上のＦＲＰ円筒体（第１の中空ロッド１６、第２の中空ロッド１７、第３の中空ロッド１８）による荷重支持構造では、径方向の荷重に対しては、中空ロッド１６、１７、１８の断面積を大きくする必要があり、それに応じて、熱侵入の増加を引き起こし、超電導マグネット装置１全体としての機能を発揮することが不可能になってしまうという問題がある。
【００１５】
なお図５は、液体ヘリウムを使用する従来の他の超電導マグネット装置の支持構造２１を示す概略断面図であって、この支持構造２１においては、真空容器２内の支持体２２（荷重支持体）が、ヘリウム容器２３を支持している。
【００１６】
こうした構成の支持構造２１においても、上述のような磁気力の働く方向が不確定であるために、全方向における荷重を支持可能とする必要があるので、支持体２２は強大なものとなって、熱侵入量の大幅な増加は避けられないという問題がある。
また、この支持構造２１では横方向の支持体２２の長さを確保するために、装置全体が横方向に大きくなってしまい、この支持構造２１のままをヘリウムフリータイプの超電導マグネット装置１に応用しても、ヘリウムフリータイプとしたときの利点である、装置の小型化を相殺してしまうという問題がある。
またこのような支持体２２は、その組み立て時の位置決めに相当の作用を要し、コストの増大を引き起こすという問題がある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、超電導コイルの断熱性、および縦方向（軸方向）とともに横方向（径方向）における耐荷重性を向上させた超電導マグネット装置を提供することを課題とする。
【００１８】
また本発明は、室温磁場空間中に置いた強磁性体と超電導コイルとの間の磁気力が大きくなっても十分な機械的支持強度を保有可能な超電導マグネット装置を提供することを課題とする。
【００１９】
また本発明は、横方向耐荷重性の方向依存性をなくすことができる超電導マグネット装置を提供することを課題とする。
【００２０】
また本発明は、荷重支持体の位置決め作業を容易にするとともに、装置全体を小型化可能な超電導マグネット装置を提供することを課題とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、コイル巻枠ないし超電導コイルと同じ内径を有するふたつのＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の中空円筒体をコイル巻枠ないし超電導コイルの両端部に同心になるように配置すること、コイル巻枠ないし超電導コイルの両端部と真空容器とを接続し、荷重支持体とすることに着目したもので、真空容器と、この真空容器内に設けるとともに冷凍機により冷却可能とした超電導コイルと、この超電導コイルを巻いたコイル巻枠と、を有する超電導マグネット装置であって、上記コイル巻枠と同じ内径を有するガラス繊維強化プラスチック製の中空円筒状の荷重支持体を該コイル巻枠の両端部に、上記超電導コイルと同心的に配置し、この荷重支持体を介して上記コイル巻枠を上記真空容器に取り付けたことを特徴とする超電導マグネット装置である。
【００２２】
上記荷重支持体は、中間取付け部において第１の荷重支持体および第２の荷重支持体にこれを二分割し、その分割部に銅その他の金属製の熱アンカーを熱的に接触させて設け、この熱アンカーを上記冷凍機の冷却ステージに熱的に接続することができる。
【００２３】
上記熱アンカーと上記冷凍機の上記冷却ステージとの間の伝熱手段として、熱応力の防止機能を備えた伝熱コンタクトバネを設けることができる。
【００２４】
上記荷重支持体および上記真空容器は、その一方の取付け部においては互いに機械的に強固に固定し、他方の取付け部においては、互いに軸方向には移動可能としてあることができる。
【００２５】
上記コイル巻枠と上記真空容器との間に熱シールド板を設け、上記コイル巻枠と上記真空容器の容器ボア内筒との間に位置するこの熱シールド板のシールド板ボア内筒は、その一端部を上記熱アンカーのうちのいずれか一方に機械的および熱的に強固に固定するとともに、この熱シールド板の他端部を、上記熱アンカーの他方に熱的に、および径方向には固定し、軸方向には移動可能としてあることができる。
【００２６】
本発明による超電導マグネット装置においては、ＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の中空円筒体などによる荷重支持体により超電導コイルおよびコイル巻枠を支持するようにしたので、その軸方向の荷重を支え得るとともに、室温磁場空間に置いた強磁性体との磁気力の相互作用による径方向の荷重に対して十分な耐荷重性を有することができる。
【００２７】
たとえば、荷重支持体とコイル巻枠とをはめ込み、ピン止めなどにより機械的に強固に固定する。
荷重支持体と真空容器との取付け構造については、一方はコイル巻枠との取付け構造と同様に機械的に強固に固定するが、他方の取付け構造は、軸方向に移動することが可能なようにはめ込みのみとすることができる。かくして、超電導コイル、コイル巻枠および荷重支持体が冷却された場合の熱収縮による歪みを防止可能である。
【００２８】
また、荷重支持体を中間取付け部で二分割し、その分割部に金属製リングなどによる熱アンカーを設け、冷凍機の冷却ステージ、あるいはこの冷却ステージにより冷却する熱シールド板に熱的に接続することにより、冷却ステージによる冷却作用によって熱シールド板とともに荷重支持体を冷却し、荷重支持体を介した侵入熱量を抑制可能である。
【００２９】
なお真空容器とコイル巻枠との間に設置する熱シールド板は、その一端を熱アンカーの一方にハンダ付けやピン止めなどにより機械的および熱的に強固に固定し、熱シールド板の他端を熱アンカーに接続はするが、熱的および径方向には固定し、軸方向には自由度を持たせた構造として、熱シールド板が冷却された場合の熱収縮による歪みを防止可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の実施の形態による超電導マグネット装置３０を図１ないし図３にもとづき説明する。ただし、図４および図５と同様の部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。
図１は、超電導マグネット装置３０の軸方向に沿った断面図であって、その断面部分の一側（左側）のみを示す。超電導マグネット装置３０は、超電導マグネット装置１（図４）と同様に、前記真空容器２、ＧＭ冷凍機３、熱シールド板４、コイル巻枠７および超電導コイル８、を有し、その軸方向中央には前記円柱状の室温磁場空間９を形成している。当該超電導マグネット装置３０は、その荷重支持構造３１として、上部支持部３２および下部支持部３３を有する。
【００３１】
上部支持部３２は、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５を有し、真空容器２の上部フランジ１０との間の上部取付け部３６と、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５の間の中間取付け部３７と、コイル巻枠７との間の巻枠上部取付け部３８と、を構成している。
【００３２】
下部支持部３３は、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０を有し、真空容器２の下部フランジ１１との間の下部取付け部４１と、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の間の中間取付け部４２と、コイル巻枠７との間の巻枠下部取付け部４３と、を構成している。
【００３３】
図２は、上部支持部３２の要部拡大断面図であって、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５は、中空円筒状のＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）であるとともに、互いに同径、同長、かつコイル巻枠７（超電導コイル８）と同心、さらにコイル巻枠７と同じ内径を有する。
【００３４】
上部取付け部３６においては、径方向固定リング４４および軸方向固定金具４５により第１の上部荷重支持体３４の上部を真空容器２の上部フランジ１０に強固に固定する。軸方向固定具４５は、単一のリング部材ではなく、いくつかの部分に分割されており、第１の上部荷重支持体３４の側面にある段差を押して、上部フランジ１０に第１の上部荷重支持体３４の端部を押し付けている。
【００３５】
中間取付け部３７は、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５の分離部分（分割部分）に位置しており、中間取付け部３７には、熱アンカーリング４６（熱アンカー）と、上下一対の荷重支持体押さえリング４７と、伝熱コンタクトバネ４８と、熱シールド板固定リング４９と、を設けてある。
【００３６】
熱アンカーリング４６は、銅、鋼その他の金属製であって、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５さらにシールド板内筒２０に熱接触しているとともに、ステンレス製の上下一対の荷重支持体押さえリング４７により第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５の間にこれを介在させて固定し、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５と熱アンカーリング４６との機械的拘束状態をより強固なものとしてある。
なお上下一対の荷重支持体押さえリング４７は、第１の上部荷重支持体３４のテーパー面３４Ａおよび第２の上部荷重支持体３５のテーパー面３５Ａに当接しており、軸方向および径方向の固定状態を確実にしている。
【００３７】
熱シールド板４の上部フランジ１３に熱シールド板固定リング４９を固定し、金メッキした銅製の伝熱コンタクトバネ４８を熱シールド板固定リング４９と荷重支持体押さえリング４７との間に介在させることにより、軸方向の拘束を行うとともに、上部フランジ１３と熱アンカーリング４６との熱的な接続を行っている。
【００３８】
巻枠上部取付け部３８において、コイル巻枠７の段部に第２の上部荷重支持体３５の下端部を挿入するとともに、金属製のピン５０により軸方向に固定している。
【００３９】
図３は、下部支持部３３の要部拡大断面図であって、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０は、図２の第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５と同じく、中空円筒状のＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）であるとともに、互いに同径、同長、かつコイル巻枠７（超電導コイル８）と同心、さらにコイル巻枠７と同じ内径を有する。
【００４０】
下部取付け部４１においては、径方向固定リング５１により第２の下部荷重支持体４０の下部を真空容器２の下部フランジ１１に、軸方向には自由度を持たせるとともに径方向には拘束するように固定する。
【００４１】
径方向固定リング５１には気体流路５２を貫通形成し、容器ボア内筒１２と、第１の上部荷重支持体３４、シールド板内筒２０および第２の下部荷重支持体４０との間に囲まれた容器内空間５３を真空排気可能としている。
なお、シールド板内筒２０には、上下二箇所に貫通孔５４を形成し、シールド板内筒２０と、第２の上部荷重支持体３５、コイル巻枠７および第１の下部荷重支持体３９との間に囲まれたシールド板内空間５５を容器内空間５３に連通可能とし、これを真空排気可能としている。
【００４２】
中間取付け部４２は、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の分離部分（分割部分）に位置しており、中間取付け部４２には、中間取付け部３７と同様に、熱アンカーリング４６（熱アンカー）と、上下一対の荷重支持体押さえリング４７と、伝熱コンタクトバネ４８と、熱シールド板外筒下部板５６と、を設けてある。
【００４３】
熱アンカーリング４６は、中間取付け部３７と同様に、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０さらにシールド板内筒２０に熱接触しているとともに、ステンレス製の上下一対の荷重支持体押さえリング４７により第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の間にこれを介在させて固定し、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０と熱アンカーリング４６との機械的拘束状態をより強固なものとしてある。
なお上下一対の荷重支持体押さえリング４７は、第１の下部荷重支持体３９のテーパー面３９Ａおよび第２の下部荷重支持体４０のテーパー面４０Ａに当接しており、軸方向および径方向の固定状態を確実にしている。
【００４４】
熱シールド板４の下部フランジ１５に熱シールド板外筒下部板５６を固定し、金メッキした銅製の伝熱コンタクトバネ４８を熱シールド板外筒下部板５６と荷重支持体押さえリング４７との間に介在させることにより、軸方向の拘束を行うとともに、下部フランジ１５と熱アンカーリング４６との熱的な接続を行っている。
【００４５】
巻枠下部取付け部４３において、巻枠上部取付け部３８と同様に、コイル巻枠７の段部に第１の下部荷重支持体３９の上端部を挿入するとともに、金属製のピン５０により軸方向に固定している。
【００４６】
さらに、図１および図２に仮想線で示すように、ＧＭ冷凍機３の第一段冷却ステージ３Ａを熱シールド板４の上部フランジ１３に熱的に接触させ、第二段冷却ステージ３Ｂをコイル巻枠７の巻枠支持板１４に熱的に接触させてある。
したがって、超電導コイル８および保護ダイオードなどの部品（図示せず）をとりまく形で設置してある熱シールド板４の上部フランジ１３が、熱シールド板固定リング４９および伝熱コンタクトバネ４８を介して熱アンカーリング４６に熱的に接触されていることになる。
【００４７】
またシールド板内筒２０の上端部は、中間取付け部３７における熱アンカーリング４６にハンダ付けあるいは接着により、熱的および機械的に固定されており、その下端部は、中間取付け部４２における熱アンカーリング４６に軸方向に移動可能に、はめ込まれている。
【００４８】
こうした構成の超電導マグネット装置３０および荷重支持構造３１においては、超電導コイル８が鉛直方向に設置された場合には、超電導コイル８は、上部支持部３２の第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５により吊り下げられる状態であり、上下反転して設置された状態では第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５（このときは下側に位置している）の上に載置された状態となる。
【００４９】
また、超電導コイル８が横向きの状態では、上部支持部３２の第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５、さらに下部支持部３３の第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０による両持ち梁の状態で支持されることになる。
【００５０】
さらに、超電導コイル８が上述の三方向以外の斜めの状態であっても、上部支持部３２の第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５、さらに下部支持部３３の第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０のそれぞれの引っ張り作用および圧縮作用による支持機能および両持ち梁の組み合わせにより超電導コイル８の重量が支持されることになる。
【００５１】
第１の上部荷重支持体３４、第２の上部荷重支持体３５、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０は回転対称体であるので、超電導コイル８と、室温磁場空間９に置かれた強磁性体Ｍとの間に働く磁気力に対しては径方向のあらゆる方向の力を支持することができ、両者が任意の相対位置関係にあつときでも、耐荷重性能を発揮可能である。
なお磁気力は、第１の上部荷重支持体３４、第２の上部荷重支持体３５、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０を通して真空容器２に伝えられるので、室温磁場空間９内の強磁性体Ｍの支持構造物（図示せず）と真空容器２の荷重支持構造３１を磁気力に耐え得るようにその強度を設計する必要がある。
【００５２】
超電導コイル８のコイル巻枠７と同内径の第１の上部荷重支持体３４、第２の上部荷重支持体３５、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の中間取付け部３７および中間取付け部４２においては、ここに設けられた熱アンカーリング４６を介してＧＭ冷凍機３の第一段冷却ステージ３Ａにより冷却され、熱伝導による超電導コイル８への侵入熱量を低く抑えている。
【００５３】
また、第１の上部荷重支持体３４、第２の上部荷重支持体３５、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の真空容器２への取付け構造のうち、一方の端部（下部支持部３３における下部取付け部４１および中間取付け部４２）を軸方向に自由度を持たせてあることにより、コイル巻枠７や超電導コイル８、第１の上部荷重支持体３４、第２の上部荷重支持体３５、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の熱収縮による変形を吸収して超電導マグネット装置３０を構成する各部材に熱応力が発生することを防止している。
【００５４】
さらに、熱シールド板４の固定についても、荷重支持体３４、３５、３９、４０の取付け構造と同様に、その一方の端部（下部支持部３３におけるシールド板内筒２０と熱アンカーリング４６との間、および伝熱コンタクトバネ４８と熱シールド板外筒下部板５６との間）を軸方向に自由度を持たせてあることにより、熱シールド板４の熱収縮による熱応力の発生を防止している。
【００５５】
本発明による超電導マグネット装置３０の荷重支持構造３１、および従来の超電導マグネット装置１（図４）について、その機械的強度および侵入熱の具体的な数値を例示する。
本発明における荷重支持体３４、３５、３９、４０の内径を４７４ｍｍ、肉厚を２ｍｍとし、ＦＲＰ材の弾性係数を２４１５Ｋｇ／ｃｍ2、温度３００Ｋから６０Ｋまでの熱伝導積分値を１．３２×１０-1、温度６０Ｋから４Ｋまでの熱伝導積分値を１．２４×１０-1とし、その１本にかかる設計荷重を３０００Ｋｇｆとすると、荷重支持体の最大たわみは、０．０５ｍｍである。
また、室温（３００Ｋ）からＧＭ冷凍機３の第一段冷却ステージ３Ａ（６０Ｋ）への侵入熱量は、５．６４Ｗであり、第一段冷却ステージ３Ａから第二段冷却ステージ３Ｂ（４Ｋ）への侵入熱は、０．２５Ｗである。
【００５６】
一方、図４に示した従来の超電導マグネット装置１における荷重支持体（中空ロッド１６、１７、１８）の内径を４６ｍｍ、肉厚を２ｍｍとして、最大たわみが、たとえば１．０ｍｍ以下となるようにするには、１本あたりの荷重を６０Ｋｇｆにする必要があるので、上述のように設計荷重３０００Ｋｇｆを支持するためには、単純計算で５０本の中空ロッドが必要となる。
ここで、たとえば温度３００Ｋから６０Ｋまでの第１の中空ロッド１６の長さを７０ｍｍ、温度６０Ｋから４Ｋまでの第２の中空ロッド１７の長さを１５０ｍｍ、長さ計２２０ｍｍとすると、中空ロッド１本あたりの侵入熱量は、温度３００Ｋから６０Ｋまでは０．５７Ｗ、温度６０Ｋから４Ｋまでは０．０２５Ｗであり、中空ロッドが５０本として侵入熱量の合計は、温度３００Ｋから６０Ｋまでは２８．５Ｗ、温度６０Ｋから４Ｋまでは１．２５Ｗとなって、本発明の荷重支持体に比較して、たわみが大きいにもかかわらず、熱侵入量も大幅に増加することがわかる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、荷重支持体により超電導コイルないしコイル巻枠を支持するようにしたので、超電導マグネット装置の組み立て時においては従来の複数本の中空ロッドの場合に比較して、位置決めの作業量を大幅に削減することができる。
さらに、超電導コイルへの侵入熱量を大幅に増加させることなく、荷重支持体の許容荷重を向上させることができるとともに、横方向耐荷重の方向依存性をなくすことができ、かつ装置全体の小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による超電導マグネット装置３０の軸方向に沿った断面図であって、その断面部分の一側（左側）のみを示す。
【図２】同、上部支持部３２の要部拡大断面図である。
【図３】同、下部支持部３３の要部拡大断面図である。
【図４】従来のヘリウムフリーの超電導マグネット装置１の概略断面図である。
【図５】液体ヘリウムを使用する従来の他の超電導マグネット装置の支持構造２１を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 超電導マグネット装置（図４）
２ 真空容器
３ ＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機）
３Ａ ＧＭ冷凍機３の第一段冷却ステージ
３Ｂ ＧＭ冷凍機３の第二段冷却ステージ
４ 円筒状の熱シールド板
５ 上部支持部
６ 下部支持部
７ コイル巻枠
８ 超電導コイル
９ 室温磁場空間（室温ボア）
１０ 真空容器２の上部フランジ
１１ 真空容器２の下部フランジ
１２ 真空容器２の容器ボア内筒
１３ 熱シールド板４の上部フランジ
１４ コイル巻枠７の巻枠支持板
１５ 熱シールド板４の下部フランジ
１６ ＦＲＰ製（繊維強化プラスチック製）の第１の中空ロッド
１７ ＦＲＰ製（繊維強化プラスチック製）の第２の中空ロッド
１８ ＦＲＰ製（繊維強化プラスチック製）の第３の中空ロッド
１９ 取付け片
２０ 熱シールド板４のシールド板内筒
２１ 液体ヘリウムを使用する従来の超電導マグネット装置の支持構造（図５）
２２ 支持体
２３ ヘリウム容器
３０ 超電導マグネット装置（実施の形態、図１）
３１ 超電導マグネット装置３０の荷重支持構造
３２ 上部支持部
３３ 下部支持部
３４ ＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の第１の上部荷重支持体
３４Ａ 第１の上部荷重支持体３４のテーパー面
３５ ＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の第２の上部荷重支持体
３５Ａ 第２の上部荷重支持体３５のテーパー面
３６ 上部取付け部
３７ 中間取付け部
３８ 巻枠上部取付け部
３９ ＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の第１の下部荷重支持体
３９Ａ 第１の下部荷重支持体３９のテーパー面
４０ ＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の第２の下部荷重支持体
４０Ａ 第２の下部荷重支持体４０のテーパー面
４１ 下部取付け部
４２ 中間取付け部
４３ 巻枠下部取付け部
４４ 径方向固定リング
４５ 軸方向固定具
４６ 熱アンカーリング（熱アンカー）
４７ 上下一対の荷重支持体押さえリング
４８ 伝熱コンタクトバネ
４９ 熱シールド板固定リング
５０ 金属製のピン
５１ 径方向固定リング
５２ 気体流路
５３ 容器内空間
５４ 貫通孔
５５ シールド板内空間
５６ 熱シールド板４の熱シールド板外筒下部板
Ｍ 室温磁場空間９に置く強磁性体
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導マグネット装置にかかるもので、とくに冷媒として液体ヘリウムを用いないタイプの超電導マグネット装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、とくに超電導コイルを真空中においてＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機）などにより冷却し、冷媒として液体ヘリウムを用いる必要がないタイプの超電導マグネット装置（いわゆる、ヘリウムフリーの超電導マグネット装置）については、その超電導コイルと外部の磁性体との間に強い磁気力が作用する場合に、超電導コイルの断熱支持構造が重要となる。
すなわち、超電導マグネット装置本体の重量および外部との間に働く磁気力を支持するための部材としては、機械的強度のほかに、熱侵入量の低さが要求される。
【０００３】
図４は、従来のヘリウムフリーの超電導マグネット装置１の概略断面図であって、超電導マグネット装置１は、最外層の真空容器２と、ＧＭ冷凍機３と、円筒状の熱シールド板４と、上部支持部５と、下部支持部６と、コイル巻枠７および超電導コイル８と、を有し、その軸方向中央には円柱状の室温磁場空間９（室温ボア）を形成している。
【０００４】
真空容器２は、その上部フランジ１０にＧＭ冷凍機３および上部支持部５を設け、その下部フランジ１１に下部支持部６を設けているとともに、その容器ボア内筒１２内を上記室温磁場空間９としている。
【０００５】
ＧＭ冷凍機３は、その第一段冷却ステージ３Ａを熱シールド板４の上部フランジ１３に熱的に接続するとともに、その第二段冷却ステージ３Ｂをコイル巻枠７の巻枠支持板１４に熱的に接続している。
【０００６】
熱シールド板４は、第二段冷却ステージ３Ｂ、超電導コイル８および第２の中空ロッド１７部分、さらに第３の中空ロッド１８の一部を収容するとともに、その上部フランジ１３を上部支持部５により支持し、その下部フランジ１５を下部支持部６により支持している。
【０００７】
すなわち、上部支持部５は、荷重支持体としてたとえばＦＲＰ製（繊維強化プラスチック製）の第１の中空ロッド１６および第２の中空ロッド１７を有し、第１の中空ロッド１６は上部フランジ１０の円周方向に等角度間隔で、たとえばその３本を取り付け、熱シールド板４の上部フランジ１３を支持する。
第２の中空ロッド１７は、上部フランジ１３の円周方向に等角度間隔で、たとえばその３本を取り付け、巻枠支持板１４を支持する。
【０００８】
また下部支持部６は、真空容器２の下部フランジ１１において固定支持した、たとえばＦＲＰ製の第３の中空ロッド１８（荷重支持体）を有し、第３の中空ロッド１８は下部フランジ１１の円周方向に等角度間隔で、たとえばその３本を取り付けるとともに、熱シールド板４の下部フランジ１５を支持し、さらに取付け片１９を介してコイル巻枠７を支持している。
【０００９】
なお、熱シールド板４のシールド板内筒２０は、真空容器２の容器ボア内筒１２の内側に位置している。
【００１０】
こうした構成の超電導マグネット装置１において、真空容器２および熱シールド板４により外部からの輻射熱による侵入熱を抑制するとともに、ＧＭ冷凍機３の第一段冷却ステージ３Ａ（温度６０Ｋレベル）、および第二段冷却ステージ３Ｂ（温度４Ｋレベル）による熱シールド板４および超電導コイル８の冷却作用を行う。
【００１１】
上部支持部５および下部支持部６により熱シールド板４、巻枠７および超電導コイル８を支持しているので、超電導マグネット装置１の軸方向の強度保持については十分であるが、超電導マグネット装置１の使用目的のひとつとして、室温磁場空間９内に置いた強磁性体Ｍに磁場をかけて、これに着磁するというものがある。
このように室温磁場空間９の磁場中に強磁性体Ｍを置いた場合には、その強磁性体Ｍと超電導マグネット装置１の本体（超電導コイル８）との間に強力な磁気力が発生する。
【００１２】
この磁気力の方向および大きさは、強磁性体Ｍの形状、および超電導コイル８との相対位置関係などによって決まるものである。
たとえば、ソレノイド型の超電導マグネット装置１の室温磁場空間９に直方体型の強磁性体Ｍを置いた場合には、互いの中心位置と中心軸とが一致していれば、対称性から両者の間に働く磁気力はゼロとなるが、中心が径方向にズレを生じると両者間には吸引力が作用する。
かくして、引きつけ合う磁気力によって強磁性体Ｍあるいは超電導コイル８の支持体（コイル巻枠７、巻枠支持板１４、上部支持部５および下部支持部６など）に変形が生じ、その結果、両者が互いに近づけられた場合、磁気力はより強くなる。
また、強磁性体Ｍの形状が非対称である場合は、自ずと磁気力が働くことになり、その非対称性が大きければ大きいほど、超電導コイル８との間に作用する磁気力は大きくなる。
【００１３】
したがって、強磁性体Ｍおよび超電導マグネット装置１（超電導コイル８）ともに、考え得る磁気力の作用時においても変形を生じないように径方向に対しても十分な剛性を有するもので保持する必要がある。
【００１４】
しかしながら、上部支持部５および下部支持部６における３本ないしはそれ以上のＦＲＰ円筒体（第１の中空ロッド１６、第２の中空ロッド１７、第３の中空ロッド１８）による荷重支持構造では、径方向の荷重に対しては、中空ロッド１６、１７、１８の断面積を大きくする必要があり、それに応じて、熱侵入の増加を引き起こし、超電導マグネット装置１全体としての機能を発揮することが不可能になってしまうという問題がある。
【００１５】
なお図５は、液体ヘリウムを使用する従来の他の超電導マグネット装置の支持構造２１を示す概略断面図であって、この支持構造２１においては、真空容器２内の支持体２２（荷重支持体）が、ヘリウム容器２３を支持している。
【００１６】
こうした構成の支持構造２１においても、上述のような磁気力の働く方向が不確定であるために、全方向における荷重を支持可能とする必要があるので、支持体２２は強大なものとなって、熱侵入量の大幅な増加は避けられないという問題がある。
また、この支持構造２１では横方向の支持体２２の長さを確保するために、装置全体が横方向に大きくなってしまい、この支持構造２１のままをヘリウムフリータイプの超電導マグネット装置１に応用しても、ヘリウムフリータイプとしたときの利点である、装置の小型化を相殺してしまうという問題がある。
またこのような支持体２２は、その組み立て時の位置決めに相当の作用を要し、コストの増大を引き起こすという問題がある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、超電導コイルの断熱性、および縦方向（軸方向）とともに横方向（径方向）における耐荷重性を向上させた超電導マグネット装置を提供することを課題とする。
【００１８】
また本発明は、室温磁場空間中に置いた強磁性体と超電導コイルとの間の磁気力が大きくなっても十分な機械的支持強度を保有可能な超電導マグネット装置を提供することを課題とする。
【００１９】
また本発明は、横方向耐荷重性の方向依存性をなくすことができる超電導マグネット装置を提供することを課題とする。
【００２０】
また本発明は、荷重支持体の位置決め作業を容易にするとともに、装置全体を小型化可能な超電導マグネット装置を提供することを課題とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、コイル巻枠ないし超電導コイルと同じ内径を有するふたつのＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の中空円筒体をコイル巻枠ないし超電導コイルの両端部に同心になるように配置すること、コイル巻枠ないし超電導コイルの両端部と真空容器とを接続し、荷重支持体とすることに着目したもので、真空容器と、この真空容器内に設けるとともに冷凍機により冷却可能とした超電導コイルと、この超電導コイルを巻いたコイル巻枠と、を有する超電導マグネット装置であって、上記コイル巻枠と同じ内径を有するガラス繊維強化プラスチック製の中空円筒状の荷重支持体を該コイル巻枠の両端部に、上記超電導コイルと同心的に配置し、この荷重支持体を介して上記コイル巻枠を上記真空容器に取り付けたことを特徴とする超電導マグネット装置である。
【００２２】
上記荷重支持体は、中間取付け部において第１の荷重支持体および第２の荷重支持体にこれを二分割し、その分割部に銅その他の金属製の熱アンカーを熱的に接触させて設け、この熱アンカーを上記冷凍機の冷却ステージに熱的に接続することができる。
【００２３】
上記熱アンカーと上記冷凍機の上記冷却ステージとの間の伝熱手段として、熱応力の防止機能を備えた伝熱コンタクトバネを設けることができる。
【００２４】
上記荷重支持体および上記真空容器は、その一方の取付け部においては互いに機械的に強固に固定し、他方の取付け部においては、互いに軸方向には移動可能としてあることができる。
【００２５】
上記コイル巻枠と上記真空容器との間に熱シールド板を設け、上記コイル巻枠と上記真空容器の容器ボア内筒との間に位置するこの熱シールド板のシールド板ボア内筒は、その一端部を上記熱アンカーのうちのいずれか一方に機械的および熱的に強固に固定するとともに、この熱シールド板の他端部を、上記熱アンカーの他方に熱的に、および径方向には固定し、軸方向には移動可能としてあることができる。
【００２６】
本発明による超電導マグネット装置においては、ＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の中空円筒体などによる荷重支持体により超電導コイルおよびコイル巻枠を支持するようにしたので、その軸方向の荷重を支え得るとともに、室温磁場空間に置いた強磁性体との磁気力の相互作用による径方向の荷重に対して十分な耐荷重性を有することができる。
【００２７】
たとえば、荷重支持体とコイル巻枠とをはめ込み、ピン止めなどにより機械的に強固に固定する。
荷重支持体と真空容器との取付け構造については、一方はコイル巻枠との取付け構造と同様に機械的に強固に固定するが、他方の取付け構造は、軸方向に移動することが可能なようにはめ込みのみとすることができる。かくして、超電導コイル、コイル巻枠および荷重支持体が冷却された場合の熱収縮による歪みを防止可能である。
【００２８】
また、荷重支持体を中間取付け部で二分割し、その分割部に金属製リングなどによる熱アンカーを設け、冷凍機の冷却ステージ、あるいはこの冷却ステージにより冷却する熱シールド板に熱的に接続することにより、冷却ステージによる冷却作用によって熱シールド板とともに荷重支持体を冷却し、荷重支持体を介した侵入熱量を抑制可能である。
【００２９】
なお真空容器とコイル巻枠との間に設置する熱シールド板は、その一端を熱アンカーの一方にハンダ付けやピン止めなどにより機械的および熱的に強固に固定し、熱シールド板の他端を熱アンカーに接続はするが、熱的および径方向には固定し、軸方向には自由度を持たせた構造として、熱シールド板が冷却された場合の熱収縮による歪みを防止可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の実施の形態による超電導マグネット装置３０を図１ないし図３にもとづき説明する。ただし、図４および図５と同様の部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。
図１は、超電導マグネット装置３０の軸方向に沿った断面図であって、その断面部分の一側（左側）のみを示す。超電導マグネット装置３０は、超電導マグネット装置１（図４）と同様に、前記真空容器２、ＧＭ冷凍機３、熱シールド板４、コイル巻枠７および超電導コイル８、を有し、その軸方向中央には前記円柱状の室温磁場空間９を形成している。当該超電導マグネット装置３０は、その荷重支持構造３１として、上部支持部３２および下部支持部３３を有する。
【００３１】
上部支持部３２は、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５を有し、真空容器２の上部フランジ１０との間の上部取付け部３６と、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５の間の中間取付け部３７と、コイル巻枠７との間の巻枠上部取付け部３８と、を構成している。
【００３２】
下部支持部３３は、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０を有し、真空容器２の下部フランジ１１との間の下部取付け部４１と、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の間の中間取付け部４２と、コイル巻枠７との間の巻枠下部取付け部４３と、を構成している。
【００３３】
図２は、上部支持部３２の要部拡大断面図であって、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５は、中空円筒状のＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）であるとともに、互いに同径、同長、かつコイル巻枠７（超電導コイル８）と同心、さらにコイル巻枠７と同じ内径を有する。
【００３４】
上部取付け部３６においては、径方向固定リング４４および軸方向固定金具４５により第１の上部荷重支持体３４の上部を真空容器２の上部フランジ１０に強固に固定する。軸方向固定具４５は、単一のリング部材ではなく、いくつかの部分に分割されており、第１の上部荷重支持体３４の側面にある段差を押して、上部フランジ１０に第１の上部荷重支持体３４の端部を押し付けている。
【００３５】
中間取付け部３７は、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５の分離部分（分割部分）に位置しており、中間取付け部３７には、熱アンカーリング４６（熱アンカー）と、上下一対の荷重支持体押さえリング４７と、伝熱コンタクトバネ４８と、熱シールド板固定リング４９と、を設けてある。
【００３６】
熱アンカーリング４６は、銅、鋼その他の金属製であって、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５さらにシールド板内筒２０に熱接触しているとともに、ステンレス製の上下一対の荷重支持体押さえリング４７により第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５の間にこれを介在させて固定し、第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５と熱アンカーリング４６との機械的拘束状態をより強固なものとしてある。
なお上下一対の荷重支持体押さえリング４７は、第１の上部荷重支持体３４のテーパー面３４Ａおよび第２の上部荷重支持体３５のテーパー面３５Ａに当接しており、軸方向および径方向の固定状態を確実にしている。
【００３７】
熱シールド板４の上部フランジ１３に熱シールド板固定リング４９を固定し、金メッキした銅製の伝熱コンタクトバネ４８を熱シールド板固定リング４９と荷重支持体押さえリング４７との間に介在させることにより、軸方向の拘束を行うとともに、上部フランジ１３と熱アンカーリング４６との熱的な接続を行っている。
【００３８】
巻枠上部取付け部３８において、コイル巻枠７の段部に第２の上部荷重支持体３５の下端部を挿入するとともに、金属製のピン５０により軸方向に固定している。
【００３９】
図３は、下部支持部３３の要部拡大断面図であって、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０は、図２の第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５と同じく、中空円筒状のＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）であるとともに、互いに同径、同長、かつコイル巻枠７（超電導コイル８）と同心、さらにコイル巻枠７と同じ内径を有する。
【００４０】
下部取付け部４１においては、径方向固定リング５１により第２の下部荷重支持体４０の下部を真空容器２の下部フランジ１１に、軸方向には自由度を持たせるとともに径方向には拘束するように固定する。
【００４１】
径方向固定リング５１には気体流路５２を貫通形成し、容器ボア内筒１２と、第１の上部荷重支持体３４、シールド板内筒２０および第２の下部荷重支持体４０との間に囲まれた容器内空間５３を真空排気可能としている。
なお、シールド板内筒２０には、上下二箇所に貫通孔５４を形成し、シールド板内筒２０と、第２の上部荷重支持体３５、コイル巻枠７および第１の下部荷重支持体３９との間に囲まれたシールド板内空間５５を容器内空間５３に連通可能とし、これを真空排気可能としている。
【００４２】
中間取付け部４２は、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の分離部分（分割部分）に位置しており、中間取付け部４２には、中間取付け部３７と同様に、熱アンカーリング４６（熱アンカー）と、上下一対の荷重支持体押さえリング４７と、伝熱コンタクトバネ４８と、熱シールド板外筒下部板５６と、を設けてある。
【００４３】
熱アンカーリング４６は、中間取付け部３７と同様に、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０さらにシールド板内筒２０に熱接触しているとともに、ステンレス製の上下一対の荷重支持体押さえリング４７により第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の間にこれを介在させて固定し、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０と熱アンカーリング４６との機械的拘束状態をより強固なものとしてある。
なお上下一対の荷重支持体押さえリング４７は、第１の下部荷重支持体３９のテーパー面３９Ａおよび第２の下部荷重支持体４０のテーパー面４０Ａに当接しており、軸方向および径方向の固定状態を確実にしている。
【００４４】
熱シールド板４の下部フランジ１５に熱シールド板外筒下部板５６を固定し、金メッキした銅製の伝熱コンタクトバネ４８を熱シールド板外筒下部板５６と荷重支持体押さえリング４７との間に介在させることにより、軸方向の拘束を行うとともに、下部フランジ１５と熱アンカーリング４６との熱的な接続を行っている。
【００４５】
巻枠下部取付け部４３において、巻枠上部取付け部３８と同様に、コイル巻枠７の段部に第１の下部荷重支持体３９の上端部を挿入するとともに、金属製のピン５０により軸方向に固定している。
【００４６】
さらに、図１および図２に仮想線で示すように、ＧＭ冷凍機３の第一段冷却ステージ３Ａを熱シールド板４の上部フランジ１３に熱的に接触させ、第二段冷却ステージ３Ｂをコイル巻枠７の巻枠支持板１４に熱的に接触させてある。
したがって、超電導コイル８および保護ダイオードなどの部品（図示せず）をとりまく形で設置してある熱シールド板４の上部フランジ１３が、熱シールド板固定リング４９および伝熱コンタクトバネ４８を介して熱アンカーリング４６に熱的に接触されていることになる。
【００４７】
またシールド板内筒２０の上端部は、中間取付け部３７における熱アンカーリング４６にハンダ付けあるいは接着により、熱的および機械的に固定されており、その下端部は、中間取付け部４２における熱アンカーリング４６に軸方向に移動可能に、はめ込まれている。
【００４８】
こうした構成の超電導マグネット装置３０および荷重支持構造３１においては、超電導コイル８が鉛直方向に設置された場合には、超電導コイル８は、上部支持部３２の第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５により吊り下げられる状態であり、上下反転して設置された状態では第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５（このときは下側に位置している）の上に載置された状態となる。
【００４９】
また、超電導コイル８が横向きの状態では、上部支持部３２の第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５、さらに下部支持部３３の第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０による両持ち梁の状態で支持されることになる。
【００５０】
さらに、超電導コイル８が上述の三方向以外の斜めの状態であっても、上部支持部３２の第１の上部荷重支持体３４および第２の上部荷重支持体３５、さらに下部支持部３３の第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０のそれぞれの引っ張り作用および圧縮作用による支持機能および両持ち梁の組み合わせにより超電導コイル８の重量が支持されることになる。
【００５１】
第１の上部荷重支持体３４、第２の上部荷重支持体３５、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０は回転対称体であるので、超電導コイル８と、室温磁場空間９に置かれた強磁性体Ｍとの間に働く磁気力に対しては径方向のあらゆる方向の力を支持することができ、両者が任意の相対位置関係にあつときでも、耐荷重性能を発揮可能である。
なお磁気力は、第１の上部荷重支持体３４、第２の上部荷重支持体３５、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０を通して真空容器２に伝えられるので、室温磁場空間９内の強磁性体Ｍの支持構造物（図示せず）と真空容器２の荷重支持構造３１を磁気力に耐え得るようにその強度を設計する必要がある。
【００５２】
超電導コイル８のコイル巻枠７と同内径の第１の上部荷重支持体３４、第２の上部荷重支持体３５、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の中間取付け部３７および中間取付け部４２においては、ここに設けられた熱アンカーリング４６を介してＧＭ冷凍機３の第一段冷却ステージ３Ａにより冷却され、熱伝導による超電導コイル８への侵入熱量を低く抑えている。
【００５３】
また、第１の上部荷重支持体３４、第２の上部荷重支持体３５、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の真空容器２への取付け構造のうち、一方の端部（下部支持部３３における下部取付け部４１および中間取付け部４２）を軸方向に自由度を持たせてあることにより、コイル巻枠７や超電導コイル８、第１の上部荷重支持体３４、第２の上部荷重支持体３５、第１の下部荷重支持体３９および第２の下部荷重支持体４０の熱収縮による変形を吸収して超電導マグネット装置３０を構成する各部材に熱応力が発生することを防止している。
【００５４】
さらに、熱シールド板４の固定についても、荷重支持体３４、３５、３９、４０の取付け構造と同様に、その一方の端部（下部支持部３３におけるシールド板内筒２０と熱アンカーリング４６との間、および伝熱コンタクトバネ４８と熱シールド板外筒下部板５６との間）を軸方向に自由度を持たせてあることにより、熱シールド板４の熱収縮による熱応力の発生を防止している。
【００５５】
本発明による超電導マグネット装置３０の荷重支持構造３１、および従来の超電導マグネット装置１（図４）について、その機械的強度および侵入熱の具体的な数値を例示する。
本発明における荷重支持体３４、３５、３９、４０の内径を４７４ｍｍ、肉厚を２ｍｍとし、ＦＲＰ材の弾性係数を２４１５Ｋｇ／ｃｍ2、温度３００Ｋから６０Ｋまでの熱伝導積分値を１．３２×１０-1、温度６０Ｋから４Ｋまでの熱伝導積分値を１．２４×１０-1とし、その１本にかかる設計荷重を３０００Ｋｇｆとすると、荷重支持体の最大たわみは、０．０５ｍｍである。
また、室温（３００Ｋ）からＧＭ冷凍機３の第一段冷却ステージ３Ａ（６０Ｋ）への侵入熱量は、５．６４Ｗであり、第一段冷却ステージ３Ａから第二段冷却ステージ３Ｂ（４Ｋ）への侵入熱は、０．２５Ｗである。
【００５６】
一方、図４に示した従来の超電導マグネット装置１における荷重支持体（中空ロッド１６、１７、１８）の内径を４６ｍｍ、肉厚を２ｍｍとして、最大たわみが、たとえば１．０ｍｍ以下となるようにするには、１本あたりの荷重を６０Ｋｇｆにする必要があるので、上述のように設計荷重３０００Ｋｇｆを支持するためには、単純計算で５０本の中空ロッドが必要となる。
ここで、たとえば温度３００Ｋから６０Ｋまでの第１の中空ロッド１６の長さを７０ｍｍ、温度６０Ｋから４Ｋまでの第２の中空ロッド１７の長さを１５０ｍｍ、長さ計２２０ｍｍとすると、中空ロッド１本あたりの侵入熱量は、温度３００Ｋから６０Ｋまでは０．５７Ｗ、温度６０Ｋから４Ｋまでは０．０２５Ｗであり、中空ロッドが５０本として侵入熱量の合計は、温度３００Ｋから６０Ｋまでは２８．５Ｗ、温度６０Ｋから４Ｋまでは１．２５Ｗとなって、本発明の荷重支持体に比較して、たわみが大きいにもかかわらず、熱侵入量も大幅に増加することがわかる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、荷重支持体により超電導コイルないしコイル巻枠を支持するようにしたので、超電導マグネット装置の組み立て時においては従来の複数本の中空ロッドの場合に比較して、位置決めの作業量を大幅に削減することができる。
さらに、超電導コイルへの侵入熱量を大幅に増加させることなく、荷重支持体の許容荷重を向上させることができるとともに、横方向耐荷重の方向依存性をなくすことができ、かつ装置全体の小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による超電導マグネット装置３０の軸方向に沿った断面図であって、その断面部分の一側（左側）のみを示す。
【図２】同、上部支持部３２の要部拡大断面図である。
【図３】同、下部支持部３３の要部拡大断面図である。
【図４】従来のヘリウムフリーの超電導マグネット装置１の概略断面図である。
【図５】液体ヘリウムを使用する従来の他の超電導マグネット装置の支持構造２１を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 超電導マグネット装置（図４）
２ 真空容器
３ ＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機）
３Ａ ＧＭ冷凍機３の第一段冷却ステージ
３Ｂ ＧＭ冷凍機３の第二段冷却ステージ
４ 円筒状の熱シールド板
５ 上部支持部
６ 下部支持部
７ コイル巻枠
８ 超電導コイル
９ 室温磁場空間（室温ボア）
１０ 真空容器２の上部フランジ
１１ 真空容器２の下部フランジ
１２ 真空容器２の容器ボア内筒
１３ 熱シールド板４の上部フランジ
１４ コイル巻枠７の巻枠支持板
１５ 熱シールド板４の下部フランジ
１６ ＦＲＰ製（繊維強化プラスチック製）の第１の中空ロッド
１７ ＦＲＰ製（繊維強化プラスチック製）の第２の中空ロッド
１８ ＦＲＰ製（繊維強化プラスチック製）の第３の中空ロッド
１９ 取付け片
２０ 熱シールド板４のシールド板内筒
２１ 液体ヘリウムを使用する従来の超電導マグネット装置の支持構造（図５）
２２ 支持体
２３ ヘリウム容器
３０ 超電導マグネット装置（実施の形態、図１）
３１ 超電導マグネット装置３０の荷重支持構造
３２ 上部支持部
３３ 下部支持部
３４ ＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の第１の上部荷重支持体
３４Ａ 第１の上部荷重支持体３４のテーパー面
３５ ＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の第２の上部荷重支持体
３５Ａ 第２の上部荷重支持体３５のテーパー面
３６ 上部取付け部
３７ 中間取付け部
３８ 巻枠上部取付け部
３９ ＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の第１の下部荷重支持体
３９Ａ 第１の下部荷重支持体３９のテーパー面
４０ ＧＦＲＰ製（ガラス繊維強化プラスチック製）の第２の下部荷重支持体
４０Ａ 第２の下部荷重支持体４０のテーパー面
４１ 下部取付け部
４２ 中間取付け部
４３ 巻枠下部取付け部
４４ 径方向固定リング
４５ 軸方向固定具
４６ 熱アンカーリング（熱アンカー）
４７ 上下一対の荷重支持体押さえリング
４８ 伝熱コンタクトバネ
４９ 熱シールド板固定リング
５０ 金属製のピン
５１ 径方向固定リング
５２ 気体流路
５３ 容器内空間
５４ 貫通孔
５５ シールド板内空間
５６ 熱シールド板４の熱シールド板外筒下部板
Ｍ 室温磁場空間９に置く強磁性体
Claims (5)
- 真空容器と、
この真空容器内に設けるとともに冷凍機により冷却可能とした超電導コイルと、
この超電導コイルを巻いたコイル巻枠と、を有する超電導マグネット装置であって、
前記コイル巻枠と同じ内径を有するガラス繊維強化プラスチック製の中空円筒状の荷重支持体を該コイル巻枠の両端部に、前記超電導コイルと同心的に配置し、
この荷重支持体を介して前記コイル巻枠を前記真空容器に取り付けたことを特徴とする超電導マグネット装置。 - 前記荷重支持体は、中間取付け部において第１の荷重支持体および第２の荷重支持体にこれを二分割し、
その分割部に金属製の熱アンカーを熱的に接触させて設け、
この熱アンカーを前記冷凍機の冷却ステージに熱的に接続することを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット装置。 - 前記熱アンカーと前記冷凍機の前記冷却ステージとの間の伝熱手段として、熱応力の防止機能を備えた伝熱コンタクトバネを設けたことを特徴とする請求項２記載の超電導マグネット装置。
- 前記荷重支持体および前記真空容器は、その一方の取付け部においては互いに機械的に強固に固定し、他方の取付け部においては、互いに軸方向には移動可能としてあることを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット装置。
- 前記コイル巻枠と前記真空容器との間に熱シールド板を設け、
前記コイル巻枠と前記真空容器の容器ボア内筒との間に位置するこの熱シールド板のシールド板ボア内筒は、その一端部を前記熱アンカーのうちのいずれか一方に機械的および熱的に強固に固定するとともに、
この熱シールド板の他端部を、前記熱アンカーの他方に熱的に、および径方向には固定し、軸方向には移動可能としてあることを特徴とする請求項２記載の超電導マグネット装置。
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| JP15682298A JP3647266B2 (ja) | 1998-05-22 | 1998-05-22 | 超電導マグネット装置 |
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- 1998-05-22 JP JP15682298A patent/JP3647266B2/ja not_active Expired - Fee Related
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