JP4068265B2

JP4068265B2 - 超電導マグネット及びその予冷方法

Info

Publication number: JP4068265B2
Application number: JP19055499A
Authority: JP
Inventors: 司和田; 孝治伊藤; 誠京藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-10-07
Filing date: 1999-07-05
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2019-07-05
Also published as: JP2000182821A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導マグネットに係り、特に冷凍機直接冷却型の超電導マグネットの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導マグネットにおける超電導コイルの冷却には、超電導コイルを冷媒中に浸漬して冷媒の蒸発潜熱で冷却する浸漬冷却と、冷凍機直接冷却とが一般に用いられている。
【０００３】
図２３は特開平８−７８７３７号公報や特開平６−１３２５６７号公報などに記載された従来の冷凍機直接冷却型超電導マグネットの縦断面図である。同図において、１は超電導線を巻回して形成された超電導コイルで、輻射シールド２によってその外方が包囲され、さらにこの輻射シールド２は真空容器３に包囲されている。この真空容器３には冷凍機４が搭載され、この冷凍機４の低温側ステージ４ａには熱伝導部材５を介して超電導コイル１が熱的に接続されるとともに、高温側ステージ４ｂが輻射シールド２に熱的に接続され、それぞれ約５Ｋ，８０Ｋに冷却されている。又、超電導コイル１は、断熱支持材６によって真空容器３又は輻射シールド２から支持されている。この断熱支持材６の材質としては、一般的にチタン合金やグラスファイバ強化プラスチック（ＧＦＲＰ）が用いられている。
【０００４】
この様に冷凍機直接冷却型の超電導マグネットは、液体ヘリウムを使用しないので、取り扱い性に優れている反面、４．２Ｋ冷凍機の能力が現状では約１Ｗ程度であることから、比較的小型すなわち熱容量の小さい超電導マグネットに適用されている。
【０００５】
次に、かかる超電導マグネットの動作について説明する。
【０００６】
真空容器３内を所定の値まで真空排気後、冷凍機４を運転し、高温側ステージ４ｂにより輻射シールド２を冷却するとともに、低温側ステージ４ａにより熱伝導部材５を介して熱伝導で超電導コイル１を冷却する。ここで、超電導コイル１が所定の温度例えば約５Ｋになるまで冷却するこの過程を予冷と称す。
【０００７】
約５Ｋに冷却された超電導コイル１は、電気抵抗がゼロ、いわゆる超電導状態になる。そこで外部の図示しない励磁用電源から電流を超電導コイル１に供給し、所用の磁場を発生させる。通常運転時には、超電導コイル１は電気抵抗がゼロであるので、電流を流してもそれ自身がジュール熱で発熱することがない。しかし、外部から対流・伝導・輻射による超電導コイル１への熱侵入があるが、この侵入熱は冷凍機４で除熱される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記冷凍機直接冷却型超電導マグネットでは、液体ヘリウムを使用しないので、注液等の作業もなく取り扱い性に優れている反面、冷却能力は搭載された冷凍機４の能力によって決定される。
【０００９】
このため、熱容量の大きい大型超電導コイル１を冷凍機４だけで冷却する場合、室温から極低温まで冷却するいわゆる予冷時には非常に長い時間を要するという課題があった。すなわち、定常状態である超電導コイル１が極低温すなわち超電導状態となっている時には、冷凍機４の低温側ステージ４ａへの熱侵入量（熱負荷）は、一般的に１Ｗ以下と小さく十分に冷凍機４で冷却できる値であるが、予冷時において低温側ステージ４ａの冷却能力１Ｗ程度では、約５Ｋまで冷却するのに数日から数週間を要する。
【００１０】
又、冷凍機７の高温側ステージ４ｂは室温から約５０Ｋまで数十Ｗの冷却能力があり、予冷過程において、熱容量の小さい輻射シールド２が超電導コイル１よりもいち速く低温になり、定常状態とは逆に超電導コイル１は輻射シールド２によって輻射で冷却される。しかし、一般に超電導コイル１の外表面には輻射による侵入熱を抑制するために、多層断熱材が装着されており、輻射による冷却効果は極めて小さく、５０Ｋ付近まで大きな冷却能力を有する高温側ステージ４ｂを有効に活用することができず、結果として、予冷時間が長くなるという課題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、定常状態での侵入熱を抑制して予冷時間を短縮できる高性能で低コストの超電導マグネットを提供することを目的とする。
【００１２】
さらに、本発明は、大幅に予冷時間を短縮できる超電導マグネットの予冷方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１によれば、超電導コイルと、この超電導コイルを包囲する輻射シールドと、この輻射シールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取着され、超電導コイル及び輻射シールドを冷却する冷凍機とを備えた超電導マグネットにおいて、超電導コイルと輻射シールドとの間に設けられ、一端が接触子に固着されると共に他端が輻射シールドに取着されたサーマルアンカを備え、超電導コイルの初期冷却時に、超電導コイルに固定された接触板と接触子とを押付けて超電導コイルと輻射シールドとをサーマルアンカを介して熱的に接触して冷凍機により超電導コイル及び輻射シールドを冷却し、かつ超電導コイルが所定の冷却温度に到達する冷却終了後に、サーマルアンカを介して超電導コイルと輻射シールドとの熱的な接触を離脱する予冷用熱接続機構と、一端が輻射シールドに直接又は断熱体を介して固定され、他端が超電導コイルに固定された接触板に押圧される接触子が固着された伸縮可能な伸縮冷媒容器と、伸縮冷媒容器に連通し、超電導コイルの初期冷却時に、外部から伸縮冷媒容器に冷媒を供給する冷媒供給管と、伸縮冷媒容器に連通し、伸縮冷媒容器よりも上方位置で開口し、超電導コイルの初期冷却時に、伸縮冷媒容器から冷媒を冷媒排出系に排出する冷媒排出管と、冷媒排出管に装備され、超電導コイルが所定の冷却温度に到達すると、伸縮冷媒容器内を真空置換する排気系を備えた超電導マグネットである。
このような超電導マグネットであれば、超電導コイルの初期冷却時に、予冷用熱接続機構によって超電導コイルに固定された接触板と接触子とを押付けて超電導コイルと輻射シールドとをサーマルアンカを介して熱的に接触して冷凍機により超電導コイル及び輻射シールドを冷却し、かつ伸縮冷媒容器に冷媒を冷媒供給管を介して供給し、冷媒を伸縮冷媒容器から冷媒排出管を通して冷媒排出系に排出し、超電導コイルが所定の冷却温度に到達する冷却終了後に、サーマルアンカを介して超電導コイルと輻射シールドとの熱的な接触を離脱し、かつ前記サーマルアンカを介しての前記超電導コイルと前記輻射シールドとの熱的な接触を離脱し、前記排気系によって前記伸縮冷媒容器内を真空置換する。これにより、冷媒の蒸発潜熱で超電導コイルを冷却できる。従って、冷凍機単独で予冷するのに比して、大幅に予冷時間を短縮できる。又、冷媒排出管には、伸縮冷媒容器内を真空置換するための排気系を装備したので、伸縮冷媒容器内を真空排気することによって、外部から輻射シールドへ、輻射シールドから超電導コイルへの侵入熱を低減できる。
【００１４】
請求項２によれば、請求項１記載の超電導マグネットにおいて、初期冷却時に、超電導コイルに固定された接触板と接触子とを押付けて超電導コイルと輻射シールドとをサーマルアンカを介して熱的に接触して冷凍機により超電導コイル及び輻射シールドを冷却し、かつ伸縮冷媒容器に冷媒を冷媒供給管を介して供給する工程と、超電導コイルの初期冷却時に、冷媒を伸縮冷媒容器から冷媒排出管を通して冷媒排出系に排出する工程と、超電導コイルが所定の冷却温度に到達した冷却終了後に、サーマルアンカを介して超電導コイルと輻射シールドとの熱的な接触を離脱し、かつ排気系によって伸縮冷媒容器内を真空置換する工程とを有する超電導マグネットの予冷方法である。このような予冷方法であれば、大幅に予冷時間が短縮する。
【００１５】
請求項３によれば、請求項１記載の超電導マグネットにおいて、超電導コイルの超電導線間の隙間に蓄冷材を巻き込んだ。このような超電導マグネットであれば、請求項１記載の超電導マグネットの作用効果に加えて、超電導コイルの通電電流を速い速度で増減でき、超電導コイルの超電導状態の壊れる状態を減少でき、信頼性を向上できる。
請求項４によれば、請求項１記載の超電導マグネットにおいて、超電導コイルに蓄冷材パックを巻いた。このような超電導マグネットであれば、請求項１記載の超電導マグネットの作用効果に加えて、超電導コイルの通電電流を速い速度で増減でき、超電導コイルの超電導状態の壊れる状態を減少でき、信頼性を向上できる。
請求項５によれば、請求項１記載の超電導マグネットにおいて、冷凍機よりも容量の大きい冷凍機を超電導コイルに対して熱的に着脱自在に設け、初期冷却時に容量の大きい冷凍機を超電導コイルに熱的に接続し、所定の温度まで冷却したところで容量の大きい冷凍機を熱的に切断する。このような超電導マグネットであれば、請求項１記載の超電導マグネットの作用効果に加えて、容量の大きい冷凍機を超電導コイルに対して熱的に着脱自在に設けることにより、設置場所が狭いところでの使用や使用目的の度合いにより連続で冷却したまま維持する場合には、容量の小さい冷凍機が１台あればよく、占有面積を狭くし、取り扱いも容易にできる等の利点がある。
請求項６によれば、請求項１記載の超電導マグネットにおいて、超電導コイルの超電導線間に、熱伝導率の大きいシートを巻き込んだ。このような超電導マグネットであれば、請求項１記載の超電導マグネットの作用効果に加えて、冷凍機への伝熱量を多くでき、超電導コイルの外乱による熱の除去や冷却速度性能を向上できる。
請求項７によれば、請求項１記載の超電導マグネットにおいて、超電導コイルの巻枠に、複数の開口部又は整流リブのうちいずれか一方又は両方を形成した。このような超電導マグネットであれば、請求項１記載の超電導マグネットの作用効果に加えて、冷却効果を高くでき、冷媒の流量にアンバランスが生じても、流量の多い部分は乱流となり易く、流れの抵抗が増し、アンバランスが解消される。
【００７８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００７９】
図１は本発明に係わる超電導マグネットの断面図であり、図２は予冷用熱接触機構の一例を示す断面図である。
【００８０】
超電導コイル１は、超電導線を巻回して形成されている。この超電導コイル１は、輻射シールド２によってその外方が包囲され、さらにこの輻射シールド２が真空容器３に包囲されている。このうち真空容器３には冷凍機４が設けられている。この冷凍機４には低温ステージ４ａが接続されている。そして、この低温ステージ４ａには熱伝導部材５を介して超電導コイル１が熱的に接続され、かつ高温側ステージ４ｂには熱的に輻射シールド２が接続され、超電導コイル１が低温ステージ４ａによって約５Ｋまで冷却され、輻射シールド２及び超電導コイル１が高温側ステージ４ｂによってほぼ同温度の８０Ｋに冷却されるようになっている。
【００８１】
又、上記超電導コイル１は、断熱支持材６ａによって輻射シールド２から支持され、かつ輻射シールド２は断熱支持材６ｂによって真空容器３から支持されている。
【００８２】
輻射シールド２と超電導コイル１との間には、予冷用熱接続機構７が具備されている。この予冷用熱接続機構７は、超電導コイル１の初期冷却時に輻射シールド２と超電導コイル１とを熱的に接触させるもので、その構成を図２を参照して説明する。
【００８３】
真空容器３には架台８を介して駆動部９が取着され、この駆動部９の軸９ａには押圧棒１１が結合されている。この押圧棒１１の他端は、真空気密のためのベローズ１０を介して真空容器３に伸縮可能に取着されている。
【００８４】
この押圧棒１１の下端は、弾性体１３を介して断熱駆動体１２に係合し、さらに、この断熱駆動体１２の下端には接触子１４が取着されている。ここで、断熱駆動体１２の材質としては、例えばグラスファイバ強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、カーボンファイバ強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、セラミックス等が好ましい。又、弾性体１３としては、コイルバネでもよいが、ばね定数が大きい皿ばねの方が適している。
【００８５】
上記接触子１４にはサーマルアンカ１５の一端が固着されており、このサーマルアンカ１５の他端が輻射シールド２に取着されている。又、この接触子１４は、輻射シールド２に固定された板ばね１６と係合している。この板バネ１６は、常に接触子１４を接触板１７から引離すような力を加えるものとなっている。なお、サーマルアンカ１５は、例えば純度９９．９９％以上の純アルミを使用し、接触子１４は例えば無酸素銅を使用している。
【００８６】
一方、超電導コイル１には、接触子１４に対峙して接触板１７が固定されている。これら超電導コイル１に固定された接触板１７とこの接触板１７に接触する接触子１４との各接触面の少なくともいずれか一方には、図３に示すように凹凸１７ａが形成されている。この凹凸１７ａは、レコード状の溝や同心溝、ローレット加工等その態様は、全面が平滑面でなければよい。
【００８７】
又、超電導コイル１に固定された接触板１７とこれに接触する接触子１４との各接触面の少なくともいずれか一方には、易融合金１４ａが固着されている。この易融合金１４ａは、例えばインジウム、半田、鉛、錫等である。特にインジウム１４ａは、極低温での熱伝導率が大きく、かつ軟金属で相手方表面とも良く馴染み、さらに金属との密着性に優れている。
【００８８】
次に、上記の如く構成された超電導マグネットの作用について説明する。
【００８９】
超電導コイル１と輻射シールド２と真空容器３とは、それぞれ通常熱的に離れている。
【００９０】
初期冷却時（予冷）には、真空容器３の上部に取付けられた駆動部９で、押圧棒１１を超電導コイル１側に可動させ、弾性体１３、断熱駆動体１２を介してこの断熱駆動体１２の下端に取着された接触子１４を超電導コイル１に固定された接触板１７に押付ける。
【００９１】
この接触子１４には上記の如くサーマルアンカ１５が固着されており、このサーマルアンカ１５の他端は輻射シールド２に固定されているので、接触子１４が超電導コイル１に押付けられることにより、輻射シールド２と超電導コイル１とはサーマルアンカ１５と接触子１４を介して熱的に接続される。
【００９２】
ここで、サーマルアンカ１５は純度９９．９９％以上の純アルミを使用し、接触子１４は無酸素銅を使用しているので、輻射シールド２と超電導コイル１との間の熱伝導率は大きく、１Ｋの温度差で２０Ｗ以上冷却できる。
【００９３】
従って、冷凍機４の高温側ステージ４ａによって輻射シールド２と超電導コイル１とはほぼ同温度で約５０Ｋまで冷却することが可能となる。
【００９４】
そして、超電導コイル１の温度が高温側ステージ４ａの到達温度である約５０Ｋに達した時点で、駆動部９を逆駆動し、接触子１４と接触板１７の接触を離脱する。この離脱後は、超電導コイル１は冷凍機４の低温側ステージ４ｂによってさらに約５Ｋまで冷却される。従って、比熱の大きい室温から５０Ｋまでの冷却に要する時間を大幅に短縮できる。
【００９５】
なお、断熱駆動体１２は、グラスファイバ強化プラスティック（ＧＦＲＰ）製で、断熱性能が良く、輻射シールド２と真空容器３との間の熱伝導を極力押さえている。
【００９６】
又、板バネ１６は、常に接触子１４を接触板１７から引離すような力がかかっているので、断熱駆動体１２や押圧棒１１を引き抜く機構がない場合でも確実に接触子１４を接触板１７から引離すことができる。
【００９７】
このように上記第１の実施の形態によれば、予冷の際、予冷用熱接続機構７によって輻射シールド２と超電導コイル１を熱的に接触させるので、冷却能力が数十Ｗと大きい高温側ステージ４ｂで輻射シールド２と超電導コイル１を約５０Ｋ付近まで同時に冷却するので、予冷時間を短縮できる。特に、超電導コイル１の主材料である銅の比熱は低温になるに従って小さくなり、５０Ｋでは室温時の約１／４、２０Ｋでは１／５０、４Ｋでは１／４０００になる。従って、比熱の大きい室温から５０Ｋまでの冷却に要する時間を大幅に短縮できる。
【００９８】
又、初期冷却時には、真空容器３の外側の駆動部９から押圧棒１１で断熱駆動体１２を介して、輻射シールド２とサーマルアンカー１５で熱的に接続された接触子１４を、超電導コイル１に固定された接触板１７に押付けて輻射シールド２と超電導コイル１を共に５０Ｋ付近まで冷却し、その後、押圧棒１１を引抜き、接触子１４を超電導コイル１から離脱させるので冷凍機４の低温側ステージ４ａで超電導コイル１を５Ｋまで冷却する際、超電導コイル１から輻射シールド２への伝導熱を遮断できる。
【００９９】
又、板ばね１６はコイルばねに比して熱伝導面積が大きく、かつ熱伝導距離が小さいので、サーマルアンカ１５と共に熱伝導部材として活用できる。
【０１００】
又、接触子１４と接触板１７との接触面に加わる荷重は弾性体１３のばね定数に応じた荷重が作用するので、真空容器３、超電導コイル１、予冷用熱接触機構７等の間に熱膨脹差を生じても、弾性体１３の変形で吸収し、冷却途中でほぼ一定の荷重で押圧できる。さらに、熱収縮差によって各部材に生じる熱応力を軽減できる。
【０１０１】
又、超電導コイル１に固定された接触板１７とこの接触板１７に接触する接触子１４との各接触面の少なくともいずれか一方に、凹凸１７ａを形成しているので、凸部の接触面圧が大となり、接触熱抵抗が小さくなるので、結果的に除熱能力が向上し、予冷時間を短縮できる。
【０１０２】
さらに、超電導コイル１に固定された接触板１７とこれに接触する接触子１４との各接触面の少なくともいずれか一方に、易融合金１４ａ例えばインジウム１４ａが固着されているので、このインジウム１４ａは極低温での熱伝導率が大きく、かつ軟金属で相手方表面とも良く馴染み、さらに金属との密着性に優れているので、接触面の接触熱抵抗を低減することができる。従って、除熱能力がさらに向上し、予冷時間を短縮できる。
【０１０３】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、図１及び図２と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【０１０４】
図４は超電導マグネットの予冷用熱接触機構の断面図である。
【０１０５】
この第２の実施の形態は、上記図２に示す第１の実施の形態に対し、ベローズ１０の配設位置及び接触子１４と接触板１７の接触構造を変えたものである。その他の構成は、図２に示した第１の実施の形態と同一である。
【０１０６】
真空容器３には、架台８を介して駆動部９が取着されている。この駆動部９には、この駆動部９の一部を構成して進退運動する軸９ａが設けられている。この軸９aの下端は、弾性体１３を介して架台８に係合して進退運動する可動板６０が係合している。
【０１０７】
この可動板６０には、断熱駆動体１２が接続され、この断熱駆動体１２の下端には接触子１４が取着されている。さらに、この可動板６０は、真空気密のためのベローズ１０を介して真空容器３に伸縮可能に取着されている。
【０１０８】
上記接触子１４にはサーマルアンカ１５の一端が固着されており、このサーマルアンカ１５の他端が輻射シールド２に取着されている。又、接触子１４の外周にはフィンガーコンタクト６１が装着されている。
【０１０９】
一方、超電導コイル１には接触子１４に対峙して接触板６２が固定されている。この接触板６２には、接触子１４の外周に装着されたフィンガーコンタクト６１に嵌合する穴６２ａが形成されている。
【０１１０】
次に、上記の如く構成された超電導マグネットの作用について説明する。
【０１１１】
超電導コイル１と輻射シールド２とは、通常熱的に離れている。
【０１１２】
初期冷却時（予冷）には、真空容器３の上部に取付けられた駆動部９が駆動し、この駆動部９の駆動によってその軸９ａが進退運動、この場合には軸９ａが下降する。この軸９ａの下降により弾性体１３を介して可動板６０が超電導コイル１側に可動し、この可動板６０に接続された断熱駆動体１２の下端に取着された接触子１４が超電導コイル１に固定された接触板６２の穴６２ａに挿入される。この場合、接触子１４の外周にはフィンガーコンタクト６１が装着されているので、このフィンガーコンタクト６１が接触板１７の穴１７bに挿入し、さらにその下面が接触板６２の底面６２ｂに押付けられる。
【０１１３】
この接触子１4には上記の如くサーマルアンカ１５が固着されており、このサーマルアンカ１５の他端は輻射シールド２に固定されているので、接触子１４が接触板６２を介して超電導コイル１に押付けられることにより、輻射シールド２と超電導コイル１はサーマルアンカー１５と接触子１４を介して熱的に接続される。
【０１１４】
従って、冷凍機４の高温側ステージ４bによって輻射シールド２と超電導コイル１とはほぼ同温度で約５０Ｋまで冷却することが可能である。
【０１１５】
そして、超電導コイル１の温度が高温側ステージ４ｂの到達温度である約５０Ｋに達した時点で、駆動部９を逆駆動し、接触子１４と接触板６２との接触を離脱する。
【０１１６】
この離脱後、超電導コイル１は、冷凍機４の低温側ステージ４aによってさらに約５Ｋまで冷却される。しかるに、比熱の大きい室温から５０Ｋまでの冷却に要する時間を大幅に短縮できる。
【０１１７】
なお、弾性体１３は、可動板６０と断熱駆動体１２との間に装着してもよい。
【０１１８】
このように上記第２の実施の形態によれば、ベローズ１０の配設位置及び接触子１４と接触板１７との接触構造すなわち接触子１４の下面のみならずその外周にフィンガーコンタクト６１を設け、このフィンガーコンタクト６１により接触板６２に接触するようにしたので、接触面積が増加して熱接触抵抗が小さくなる。さらにフィンガーコンタクト６１は熱膨張差等で生じる接触子１４と接触板６２との偏芯にも追従でき、確実に熱接触を保持できる。
【０１１９】
又、この第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、予冷の際、予冷用熱接続機構７によって輻射シールド２と超電導コイル１を熱的に接触させるので、冷却能力が数十Ｗと大きい高温側ステージ４ｂで輻射シールド２と超電導コイル１を約５０Ｋ付近まで同時に冷却するので、予冷時間を短縮できる。特に、超電導コイル１の主材料である銅の比熱は低温になるに従って小さくなり、５０Ｋでは室温時の約１／４、２０Ｋでは１／５０、４Ｋでは１／４０００になる。従って、比熱の大きい室温から５０Ｋまでの冷却に要する時間を大幅に短縮できる。
【０１２０】
又、初期冷却時には、真空容器３の外側の駆動部９により断熱駆動体１２を介して、輻射シールド２とサーマルアンカー１５で熱的に接続された接触子１４を、超電導コイル１に固定された接触板６２に押付けて輻射シールド２と超電導コイル１を共に５０Ｋ付近まで冷却し、その後、接触子１４を超電導コイル１から離脱させるので、冷凍機４の低温側ステージ４ａで超電導コイル１を５Ｋまで冷却する際、超電導コイル１から輻射シールド２への伝導熱を遮断できる。
【０１２１】
又、接触子１４と接触板６２との接触面に加わる荷重は、弾性体１３のばね定数に応じた荷重が作用するので、真空容器３、超電導コイル１、予冷用熱接触機構７等の間に熱膨張差を生じても、弾性体１３の変形で吸収し、冷却途中でほぼ一定の荷重で押圧できる。さらに、熱収縮差によって各部材に生じる熱応力を軽減できる。
【０１２２】
又、超電導コイル１に固定された接触板６２とこの接触板６２に接触する接触子１４との各接触面の少なくともいずれか一方に、上記図３に示すように凹凸１７ａを形成すれば、凸部の接触面圧が大となり、接触熱抵抗が小さくなるので、結果的に除熱能力が向上し、予冷時間を短縮できる。
【０１２３】
さらに、超電導コイル１に固定された接触板６２とこれに接触する接触子１４との各接触面の少なくともいずれか一方に、上記図３に示すように易融合金１４ａ例えばインジウム１４ａが固着すれば、このインジウム１４ａは極低温での熱伝導率が大きく、かつ軟金属で相手方表面とも良く馴染み、さらに金属との密着性に優れているので、接触面の接触熱抵抗を低減することができる。従って、除熱能力がさらに向上し、予冷時間を短縮できる。
【０１２４】
次に、上記第２の実施の形態の変形例について説明する。
【０１２５】
図５は上記第２の実施の形態における接触子１４及び接触板６２をそれぞれ接触子７０及び接触板７１に変形した断面図である。
【０１２６】
接触板７１の穴７１ａは、末萎まりのテーパー穴に形成されている。
【０１２７】
又、接触子７０の外周は、接触板７１のテーパー穴７１ａに嵌合するテーパー状に形成されている。
【０１２８】
このような構成であれば、初期冷却時（予冷）には、真空容器３の上部に取付けられた駆動部９の駆動によってその軸９ａが進退運動し、このときの軸９ａの下降により断熱駆動体１２の下端に取着された接触子７０が超電導コイル１に固定された接触板７１のテーパー穴７１ａに挿入される。
【０１２９】
従って、接触板７１のテーパー穴７１ａを形成し、接触子７０の外周を接触板７１のテーパー穴７１ａに嵌合するテーパー状に形成したので、楔効果で接触面圧が大きくなり熱接触抵抗が小さくなるので、結果的に除熱能力が向上し、予冷時間を短縮できる。
【０１３０】
図６は上記第２の実施の形態における接触子１４及び接触板６２をそれぞれ他の接触子７２及び接触板７３に変形した断面図である。
【０１３１】
接触板７３には、円筒状の穴７３ａが形成されている。
【０１３２】
又、接触子７２は、接触板７３の円筒状の穴７３ａに嵌合する円筒状に形成し、かつその周上には先端部が開口するスリット７２ａが複数本形成され、これにより接触子７２があたかも複数本の板ばねで構成したのと同等で接触板７３との間の熱接触抵抗を小さくしている。
【０１３３】
なお、この場合、接触子７２の材質としては、ばね効果をより発揮するために高張力の銅合金が望ましい。例えばアルミナ分散強化銅、銀入り銅、ベリリウム銅等である。
【０１３４】
さらに、円筒状に形成された接触子７２の内側に拡径機能を有する弾性体７４を装着すると、接触子７２のばね作用の他に、弾性体７４の拡径力が働き、より接触子７２と接触板７３との熱接触抵抗を小さくできる。この場合の弾性体７４としてはＣ型スプリングが構成上好ましい。
【０１３５】
このような構成であれば、初期冷却時（予冷）には、真空容器３の上部に取付けられた駆動部９の駆動によってその軸９ａが進退運動し、このときの軸９ａの下降により断熱駆動体１２の下端に取着された接触子７２が超電導コイル１に固定された接触板７３の穴７３ａに挿入される。
【０１３６】
従って、接触板７３に円筒状の穴７３ａを形成し、接触子７２に接触子７３の円筒状の穴７３ａに嵌合する円筒状に形成してその周上に先端部が開口するスリット７２ａを複数本形成したので、接触子７２と接触板７３との接触面圧が大きくなり熱接触抵抗が小さくなるので、結果的に除熱能力が向上し、予冷時間を短縮できる。
【０１３７】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
【０１３８】
図７は超電導マグネットの予冷用熱接触機構の断面図である。
【０１３９】
この第２の実施の形態は、上記図２に示す第１の実施の形態に対し、駆動部９を輻射シールド２に取着したものである。その他の構成は、図２に示した第１の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付してその説明は省略する。
【０１４０】
駆動部９は、回転運動するモータ１８と、このモータ１８の回転運動を直線運動に変換する変換部１９とで構成されるもので、輻射シールド２に取着されている。この駆動部９の軸９ａには接触子１４が取着され、この接触子１４には、輻射シールド２に取着されたサーマルアンカ１５の一端が固着されている。
【０１４１】
一方、超電導コイル１には接触子１４に対峙する接触板１７が固定されている。
【０１４２】
次に、上記の如く構成された超電導マグネットの作用について説明する。
【０１４３】
初期冷却時（予冷）には、輻射シールド２に取付けられた駆動部９で、接触子１４を超電導コイル１側に可動させ、超電導コイル１に固定された接触板１７に押付ける。
【０１４４】
この接触子１４にはサーマルアンカ１５が固着されており、そのサーマルアンカ１５の他端は輻射シールド２に固定されているので、接触子１４が超電導コイル１に押付けられることにより、輻射シールド２と超電導コイル１とはサーマルアンカ１５と接触子１４を介して熱的に接続される。
【０１４５】
超電導コイル１の温度が約５０Ｋと高温側ステージ４ｂの到達温度に達した時点で、駆動部９を逆駆動し、接触子１４と接触板１７の接触を離脱する。この離脱後は、超電導コイル１は冷凍機４の低温側ステージ４ａによってさらに約５Ｋまで冷却される。
【０１４６】
従って、比熱の大きい室温から５０Ｋまでの冷却に要する時間大幅に短縮できる。
【０１４７】
このように上記第３の実施の形態によれば、輻射シールド２に駆動部９を取着したので、上記第１の実施の形態の作用効果に加えて、真空容器３を貫いている構造物がないため、機構も簡単にすることができ、室温部から輻射シールド２への熱侵入量を低減させる事もでき、断熱性能が向上する。
【０１４８】
さらに、上記第１の実施の形態の作用効果に加えて、輻射シールド２に駆動部９を取着したので、真空容器３を貫いている構造物がないため、機構も簡単にすることができ、室温部から輻射シールド２への熱侵入量を低減させる事もできるので、断熱性能が向上する。
【０１４９】
又、駆動部９をモータ１８と、このモータ１８の回転を直線運動に変換する変換部１９とで構成したので、安価で構造も簡単にすることができる。
【０１５０】
ここで、モータ１８としては電動機、流体駆動モータ、超音波モータ等があり、特に磁場精度が要求される超電導マグネットの場合は磁性材料を使用しない超音波モータが適している。
【０１５１】
なお、上記第３の実施の形態は次の通り変形してもよい。
【０１５２】
図８は本発明の第３の実施の形態における駆動部９に圧電素子２０を用いた場合の予冷用熱接触機構の断面図である。
【０１５３】
この圧電素子２０は、その一端を固定具２１を介して輻射シールド２に固定し、他端を取付金具２２を介して接触子１４に取着している。
【０１５４】
このような構成であれば、輻射シールド２に固定された圧電素子２０によって、接触子１４が超電導コイル１に押付けられ、輻射シールド２と超電導コイル１はサーマルアンカ１５と接触子１４を介して熱的に接続されることになる。
【０１５５】
上記モータを使用した駆動部９よりも機構が簡単で発熱も理論上ゼロのため、熱侵入量を低減させるためには有効である。
【０１５６】
又、電圧を印加して圧電素子２０を変位させるため、機械的振動も発生せず、超電導コイル１を安定に運転できる。
【０１５７】
従って、モータを使用したものよりも機構が簡単で発熱も理論上のゼロのため、熱侵入量を低減させるためには有効であり、電圧を印加して圧電素子２０を変位させるため、機械的振動も発生せず、超電導コイル１を安価に運転できる。
【０１５８】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
【０１５９】
図９は超電導マグネットの予冷用熱接触機構の断面図である。
【０１６０】
この第４の実施の形態は、上記図７の第３の実施の形態に対し、駆動部９をヘリウムガスで駆動する伸縮可能な伸縮容器２３に代えたものである。
【０１６１】
この伸縮容器２３は、その一端が輻射シールド２に固定され、他端には接触子１４が固着されている。この伸縮容器２３には真空容器３の外部から伸縮容器２３にヘリウムガス２４を供給するヘリウムガス供給管２５が装備されている。
【０１６２】
次に、上記の如く構成された超電導マグネットの作用について説明する。
【０１６３】
初期冷却時（予冷）には、伸縮容器２３にヘリウムガス２４を供給して伸縮容器２３を伸長させ、接触子１４を接触板１７に押圧する。すると、輻射シールド２から接触子１４へ、伸縮容器２３の熱伝導とヘリウムガス２４の対流熱伝達とにより熱が移動し、接触子１４、接触板１７を介して超電導コイル１が冷却される。
【０１６４】
超電導コイル１の温度が約５０Ｋと高温側ステージ４ｂの到達温度に達した時点で、伸縮容器２３内のヘリウムガス２４を排気すると、伸縮容器２３のばね効果で接触子１４と接触板１７の接触が離脱する。この離脱によって、超電導コイル１は冷凍機４の低温側ステージ４ａによってさらに約５Ｋまで冷却される。
【０１６５】
このように上記第４の実施の形態によれば、伸縮容器２３の熱伝導とヘリウムガス２４の対流熱伝達とにより冷却能力を向上でき、比熱の大きい室温から５０Ｋまでの冷却に要する時間を大幅に短縮できる。
【０１６６】
さらに、モータのように自己発熱することもなく、侵入熱を軽減できる。また、押圧力はヘリウムガスの圧力に比例するので、所望の押圧力を容易に得ることができる。
【０１６７】
ここで、伸縮容器２３の材料としては、熱伝導率の大きい銅やアルミニウムが好ましい。又、図１０に示すように第１乃至第３の実施の形態と同様に輻射シールド２と接触子１４とをサーマルアンカ１５で熱的に接続しても良い。
【０１６８】
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
【０１６９】
図１１は超電導マグネットの予冷用熱接触機構の断面図である。
【０１７０】
この第５の実施の形態は、上記図９の第４の実施の形態に対し、接触子１４と接触板１７との接触構造を異ならせたものである。
【０１７１】
輻射シールド２に固定された伸縮容器２３に結合する可動板２６に複数本のピン２７を装着して接触子１４を構成し、一方、超電導コイル１に固定された固定板２９に、ピン２７と着脱可能にする複数本のアダプタ２８を装着して接触板１７を構成し、ピン２７と輻射シールド２、アダプタ２８と超電導コイル１をそれぞれサーマルアンカ１５で熱的に接続している。
【０１７２】
このような構成であれば、初期冷却時（予冷）には、伸縮容器２３にヘリウムガス２４を供給して伸縮容器２３を伸長させ、ピン２７をアダプタ２８に嵌合させて熱接触させる。
【０１７３】
これにより、熱は輻射シールド２からサーマルアンカ１５、ピン２７、アダプタ２８、を経て超電導コイル１に移動し超電導コイル１が冷却される。
【０１７４】
このように上記第５の実施の形態によれば、熱接触面は複数本のピン２７とそれに着脱可能に嵌合するアダプタ２８とで構成されているので、確実に面接触して熱接触抵抗が小さく、効率良く予冷できる。
【０１７５】
なお、上記第５の実施の形態では、サーマルアンカ１５を各ピン２７および各アダプタ２８毎に固着したが、ピン２７およびアダプタ２８をそれぞれ熱伝導良好な可動板２６又は固定板２９に半田やロー付けで熱伝導良好に固着し、可動板２６と輻射シールド２、固定板２９と超電導コイル１とをそれぞれサーマルアンカ１５で熱的に接続してもよい。
【０１７６】
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。
【０１７７】
図１２は超電導マグネットの予冷用熱接触機構の断面図である。
【０１７８】
この第６の実施の形態は、上記図９の第４の実施の形態に対し、ヘリウムガスに代えて液体窒素または液体ヘリウム等の冷媒を用いたものである。
【０１７９】
伸縮可能な伸縮冷媒容器３０は、その一端が輻射シールド２に固定され、他端には接触子１４が固着されている。この伸縮冷媒容器３０には、真空容器３の外部に設置された冷媒供給系３３から伸縮冷媒容器３０に液体窒素又は液体ヘリウム等の冷媒を供給する冷媒供給管３１と、外部の冷媒排出系３４に冷媒を排出する冷媒排出管３２とが装備されている。
【０１８０】
さらに、冷媒排出管３２には、伸縮冷媒容器３０内を真空置換するための排気系３５が装備されている。
【０１８１】
次に、上記の如く構成された超電導マグネットの作用について説明する。
【０１８２】
初期冷却時（予冷）には、伸縮冷媒容器３０に液体窒素を供給して伸縮冷媒容器３０を伸長させ、接触子１４を接触板１７に押圧する。
【０１８３】
これにより、液体窒素の蒸発潜熱で接触子１４、接触板１７を介して超電導コイル１を冷却できる。蒸発潜熱による冷却能力は、冷凍機の高温側ステージ４ｂの冷却能力数１０Ｗに比して数ＫＷにもなるので冷凍機４単独で予冷するのに比して、８０Ｋまでの予冷時間を大幅に短縮できる。
【０１８４】
この状態で、伸縮冷媒容器３０内の液体窒素を排出して接触子１４と接触板１７を離脱してもよいが、さらに伸縮冷媒容器３０を排気系３５で真空排気し、次に液体ヘリウムを伸縮冷媒容器３０内に供給することにより、超電導コイル１を約５Ｋまで冷却できる。なお、液体ヘリウム温度まで冷却する場合には、伸縮冷媒容器３０と輻射シールドの固定は断熱材を介して行う。
【０１８５】
予冷終了後、接触子１４と接触板１７は離脱し、さらに伸縮冷媒容器３０、冷媒供給管３１及び冷媒排出管３２内を真空排気することによって、外部から輻射シールド２へ、輻射シールド２から超電導コイル１への侵入熱を低減できる。
【０１８６】
このように上記第６の実施の形態によれば、伸縮冷媒容器３０に例えば液体窒素あるいは液体ヘリウム等の冷媒を供給して伸縮冷媒容器３０を伸長させ、接触子１４を接触板１７に押圧するようにしたので、冷媒の蒸発潜熱で超電導コイル１を冷却できる。
【０１８７】
従って、冷凍機単独で予冷するのに比して、大幅に予冷時間を短縮できる。例えば冷凍機４の冷却能力に依存せず、２日程度の短時間で超電導コイル１を所定の温度まで速やかに冷却できる。
【０１８８】
なお、伸縮冷媒容器３０を液体ヘリウム用と液体窒素用別々に装備してもよい。
【０１８９】
この場合には、冷媒を真空置換する必要がなく、かつ冷媒の固化（例えば、液体窒素と液体ヘリウムとを使用する場合は、液体窒素が固化する）による冷媒供給系の閉塞を防止し、作業が簡素化されて予冷時間が短縮する。
【０１９０】
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。
【０１９１】
図１３は超電導マグネットの断面図である。
【０１９２】
この第７の実施の形態は、上記図２３示す超電導コイル１の支持構造を変えたものである。その他の構成は、上記図２３に示した従来の超電導マグネットと同一であるので、同一要素には同一符号を付してその説明は省略する。
【０１９３】
輻射シールド２は、真空容器３から断熱支持材６で支持され、さらに、超電導コイル１は、輻射シールド２から断熱支持材３６でそれぞれ独立して支持されている。ここで、断熱支持材３６はその材質がカーボンファイバー強化プラスティック（以下、ＣＦＲＰと称する）で構成されている。
【０１９４】
このＣＦＲＰは、室温から約８０Ｋ付近までは、４Ｋ時に比して熱伝導率が百から十倍大きいので、予冷時には輻射シールド２で超電導コイル１が冷却される。
【０１９５】
一方、４Ｋ運転時にはＣＦＲＰからなる断熱支持材３６の熱伝導率が小さく、いわゆる熱的なスイッチ機能を有するので、輻射シールド２から超電導コイル１への侵入熱を抑制できる。
【０１９６】
従って、構造簡単にして、超電導コイル１の冷却時間を短縮でき、かつ定常状態の５Ｋでは断熱支持材として機能する。
【０１９７】
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。
【０１９８】
図１４は超電導マグネットの断面図である。
【０１９９】
この第８の実施の形態の基本構成は、上記図２３に示した従来の超電導マグネットと同一であるので、同一要素には同一符号を付してその説明は省略する。
【０２００】
冷媒容器３７は、超電導コイル１と熱的に接続するように輻射シールド２内に配設されている。この冷媒容器３７には、真空容器３の外部に設置された冷媒供給系３３から冷媒容器３７に液体窒素又は液体ヘリウム等の冷媒を供給する冷媒供給管３１と、外部の冷媒排出系３４に冷媒を排出する冷媒排出管３２とが装備されている。
【０２０１】
さらに、冷媒排出管３２には、冷媒容器３７内を真空置換するための排気系３５が装備されている。
【０２０２】
次に、上記の如く構成された超電導マグネットの作用について説明する。
【０２０３】
初期冷却時（予冷）には、冷媒容器３７に液体窒素を供給し、冷媒容器３７内の液体窒素の蒸発潜熱で超電導コイル１を冷却する。
【０２０４】
蒸発潜熱による冷却能力は、冷凍機の高温側ステージ４ｂの冷却能力数１０Ｗに比して数ｋＷにもなるので、冷凍機４単独で予冷するのに比して、８０Ｋまでの予冷時間を大幅に短縮できる。
【０２０５】
さらに、冷媒容器３７を排気系３５で真空排気し、次に液体ヘリウムを冷媒容器３７内に供給することにより、超電導コイル１を４．２Ｋまで冷却できる。
【０２０６】
予冷終了後は、冷媒容器３７、冷媒供給管３１および冷媒排出管３２内を真空排気することによって、外部から超電導コイル１への侵入熱を低減できる。
【０２０７】
このように上記第８の実施の形態によれば、超電導コイル１に熱的に接続された冷媒容器３７に、外部の冷媒供給系３３から例えば液体窒素や液体ヘリウム等の冷媒を供給して超電導コイル１を予冷できるので、冷凍機単独で予冷するのに比して、大幅に予冷時間を短縮できる。これにより冷凍機４の冷却能力に依存せず、２日程度の短時間で超電導コイル１を所定の温度まで速やかに冷却できる。
【０２０８】
なお、冷媒容器３７を液体ヘリウム用と液体窒素用別々に装備してもよい。この場合には、冷媒を真空置換する必要がなく、かつ冷媒の固化（例えば、液体窒素と液体ヘリウムとを使用する場合は、液体窒素が固化する）による冷媒供給系の閉塞を防止し、作業が簡素化されて予冷時間が短縮する。
【０２０９】
又、冷媒容器３７と超電導コイル１とはサーマルアンカを介して熱的に接続してもよい。
【０２１０】
なお、上記各実施の形態において、上記図７乃至図１０、及び図１２に示す超電導マグネットの予冷用熱接触機構における接触子１４及び接触板１７は、それぞれ上記図３に示すように、これら接触子１４又は接触板１７の少なくともいずれか一方の接触面に凹凸１７ａを形成してもよく、又、これら接触板１７又は接触子１４の各接触面の少なくともいずれか一方に易融合金１４ａを固着してもよい。
【０２１１】
以下、上記第１乃至第８の実施の形態の超電導マグネットに適用される構造について説明する。
【０２１２】
先ず、本発明の第９の実施の形態について説明する。
【０２１３】
図１５は超電導マグネットの断面図である。
【０２１４】
この超電導マグネットは、上記第１乃至第８の実施の形態の超電導マグネットに適用されるものである。この超電導コイル１は、密閉容器４０内にその周囲をヘリウムガス４１で覆われて保持されている。この超電導コイル１は、密閉容器４０上部の斜線部に示す冷却部４２が冷凍機により冷却されたヘリウムガス４１によって冷却される。
【０２１５】
超電導コイル１と密閉容器４０との間には、十分な隙間が開けられた状態で固定されており、密閉容器４０の上部の冷却部４２で冷却されたヘリウムガス４１が、超電導コイル１の内側の隙間４３ａを下って超電導コイル１の下方の隙間４３ｂ、同外側の隙間４３ｃ、上側の隙間４３ｄを通り、再び冷却部４２へ戻るという対流が起こり易くなっている。
【０２１６】
このヘリウムガス４１の流れにより超電導コイル１とヘリウムガス４１との熱伝導率が大きくなり、冷却性能が向上する。
【０２１７】
このように上記第９の実施の形態によれば、超電導コイル１を密封容器４０内に隙間４３ａ〜４３ｄを設けて保持し、これら超電導コイル１と密封容器４０内との隙間４３ａ〜４３ｄにヘリウムガス４１を対流させるので、超電導コイル１のコイル巻線間での熱伝導が小さくコイルの一部を冷却しても全体が冷えにくい構造の超電導コイル１でも良く冷却できる。すなわち、非含浸コイルのようなコイル巻線間での熱伝導が小さくコイルの一部を冷却しても全体が冷えにくい構造の超電導コイルでもよく冷える。
【０２１８】
特に初期冷却のときにはその効果が大きく、短時間で冷却することができる。コイルを縦に分割することにより、ヘリウムガス４１と超電導コイル１との接触面積が増加し、その効果はさらに大きくなる。
【０２１９】
さらにヘリウムガス４１は、４Ｋ程度では比熱が大きいので、次に説明する第９の実施の形態での蓄熱材と同様な効果がある。
【０２２０】
冷却時間のうち、ほとんどが室温から１００Ｋ付近まで冷却する時間であるので、この温度範囲で熱容量が桁違いに小さく、しかも４Ｋ付近では逆に桁違いに大きな比熱を有するヘリウムガス４１は、初期冷却時には冷却の負担とならず熱伝導率を向上させる効果を発揮でき、しかも低温では蓄冷材としての効果を示す。
【０２２１】
次に、本発明の第１０の実施の形態について説明する。
【０２２２】
図１６は超電導マグネットの切断片形状の主要拡大図である。
【０２２３】
この超電導コイル１は、超電導線４４をコイル状に巻く工程の途中でシート状の蓄冷材４５をその層間に巻いたものである。
【０２２４】
この蓄冷材４５は、例えばＥｒ３Ｎｉ（エルビニウムニッケル）の材質で形成されている。この層間に巻くものは、テープ状のものでもよいし、層間ではなく超電導線材に巻いてもよい。この蓄冷材４５は、Ｅｒ３Ｎｉ以外にも、例えばＥｒＮｉ２、Ｅｒ０．４Ｄｙ０．６Ｎｉ２、ＥｒＮｉ、Ｅｒ０．２Ｄｙ０．８Ｎｉ２、ＤｙＮｉ２、Ｐｂ、Ｇｄ０．５Ｅｒ０．５Ｒｈ等が効果である。
【０２２５】
一方、図１７は超電導マグネットの切断片形状の主要拡大図であって、紐状の蓄冷材４６を超電導線間の隙間に巻き込んだ例を示している。
【０２２６】
この蓄冷材４６も上記同様に例えばＥｒ３ＮｉやＥｒＮｉ２、Ｅｒ０．４Ｄｙ０．６Ｎｉ２、ＥｒＮｉ、Ｅｒ０．２Ｄｙ０．８Ｎｉ２、ＤｙＮｉ２、Ｐｂ、Ｇｄ０．５Ｅｒ０．５Ｒｈ等が効果である。
【０２２７】
このような構成であれば、超電導コイル１への通電電流を増加又は減少させるときにＡＣロスが生じ、超電導コイル１が発熱し、なおかつ、ある速度以上に速い速度でこの通電電流を増減させても、超電導コイル１の超電導状態が壊れることはなくなる。
【０２２８】
超電導コイル１の通電電流を速い速度で増減できるということは、超電導コイル１の使用範囲が広がり運転費用も安価になる。
【０２２９】
このように上記第１０の実施の形態によれば、超電導コイル１の超電導線間の隙間に蓄冷材４５又は４６を巻き込んだので、超電導コイル１の通電電流を速い速度で増減でき、超電導コイル１の超電導状態の壊れる状態を減少でき、信頼性を向上できる。
【０２３０】
すなわち、従来の方法で作製した超電導コイル１の一例では１０Ａ／ｓが限度だったのに対し、本発明の超電導コイル１ではその３倍程度速く通電電流を増減することができる。同じ通電電流の増減速度で使用すれば、超電導コイル１の超電導状態が壊れる状態がほぼ皆無と言えるまで減少でき、超電導マグネットとしての信頼性を大幅に向上できる。
【０２３１】
次に、本発明の第１１の実施の形態について説明する。
【０２３２】
図１８は超電導マグネットの主要部拡大図である。
【０２３３】
この超電導マグネットは、超電導コイル１に、蓄冷材パック４７を巻いたもので、上記第９の実施の形態の効果と同等の効果を奏することができ、かつその施工が容易である。
【０２３４】
次に、本発明の第１２の実施の形態について説明する。
【０２３５】
図１９は超電導マグネットの主要部拡大図である。
【０２３６】
この超電導マグネットは、超電導コイル１の表面に短冊状の蓄冷材４８を付設したもので、上記第１０の実施の形態と同等に超電導コイル１の通電電流を速い速度で増減でき、超電導コイル１の超電導状態の壊れる状態を減少でき、信頼性を向上でき、かつその施工が容易である。
【０２３７】
なお、この超電導マグネットは、上記図１８に示す超電導マグネットと同様に超電導マグネット１の外側に蓄冷材４８を付設した例を示したが、これに限らず内側に貼り付けるようにすることも可能である。
【０２３８】
又、上記図１８に示す蓄冷材パック４７は超電導線材と同じ方向に貼り付けているので、蓄冷材パック４７間に隙間がある場合には、隙間にある線材に対する本発明の効果は低いが、本発明の超電導マグネットのように短冊状の蓄冷材４８であれば、超電導線材にほぼ垂直方向に貼り付けることができ、蓄冷材間に隙間があってもその効果は大きい。
【０２３９】
次に、本発明の第１３の実施の形態について説明する。
【０２４０】
図２０は超電導マグネットの主要部拡大図である。
【０２４１】
この超電導マグネットは、定常冷却用の冷凍機４とは別に、この冷凍機４よりも容量の大きな冷凍機４９を着脱自在に付設したものである。
【０２４２】
この大容量の冷凍機４９は、初期冷却時のみ、設置し稼働させ、４０〜５０Ｋ程度まで冷却したところで取り外し、又は熱的に切断できるようになっている。この例では、冷凍機４９の高温側ステージ５０に直接銅製の熱伝導板５１を取り付け、超電導コイル１に取り付けた熱伝導板５２と接触する構造になっている。
【０２４３】
このように第１３の実施の形態によれば、定常冷却用の冷凍機４よりも容量の大きい冷凍機４９を超電導コイル１に対して熱的に着脱自在に設け、初期冷却時に容量の大きい冷凍機４９を超電導コイル１に熱的に接続し、所定の温度まで冷却したところで容量の大きい冷凍機４９を熱的に切断するので、設置場所が狭いところでの使用や使用目的の度合いにより連続で冷却したまま維持する場合には、容量の小さい冷凍機４が１台あればよく、占有面積を狭くし、取り扱いも容易にでき、さらに維持費も安価になる等の利点がある。
【０２４４】
又、頻繁に冷却、昇温を繰り返す使い方や、初期冷却の時間を短縮したい場合には、予冷用大容量の冷凍機４９を稼働させることで、より速く冷却することができる。
【０２４５】
次に、本発明の第１４の実施の形態について説明する。
【０２４６】
図２１は超電導マグネットの切断片形状の主要拡大図である。
【０２４７】
この超電導マグネットは、超電導コイル１の超電導線４４をコイル状に巻く工程の途中でアルミニウム製シート５３をその層間に巻いたものである。
【０２４８】
アルミニウムは、熱伝導率が大きいので、冷凍機への伝熱量を多くすることができ、超電導コイル１の外乱による熱の除去や冷却速度性能を向上でき、上記図１０に示す超電導マグネットに適用すればその効果を倍増することができる。
【０２４９】
なお、アルミニウム製シート５３に限らず、インジウムや鉛、低温半田として使用されるインジウム・鉛合金も効果的である。
【０２５０】
このように上記第１４の実施の形態によれば、超電導コイル１の超電導線間に、熱伝導率の大きいアルミニウム製シート５３を巻き込んだので、冷凍機への伝熱量を多くでき、超電導コイル１の外乱による熱の除去や冷却速度性能を向上できる。
【０２５１】
次に、本発明の第１５の実施の形態について説明する。
【０２５２】
図２２は超電導マグネットにおける超電導コイルの斜視図である。
【０２５３】
超電導コイル１の巻枠５４には、複数の穴５５が開けられている。これら穴５５は、一般に超電導コイル軸方向に長い長穴やスリットの方が冷却効果が高い。この例では、巻枠５４を出来るだけ薄く形成したので、各穴５５の径５６を巻枠５４の厚さ５７よりも十分大きくすることができ、冷却効果の高い穴５５にすることができる。
【０２５４】
穴５５の径５６又はスリットの長さが巻枠５４の厚さよりも小さいと巻枠５４の表面を流れるヘリウムガスの流れが十分に超電導コイル表面に当たらず、穴５５の効果が十分に生きない。
【０２５５】
一方、この超電導コイル１の巻枠５４には、整流リブ５８が螺旋状に設けられている。
【０２５６】
この整流リブ５８は、本来、冷媒の整流を得ることを目的としているが、この整流リブ５８を付けることにより各整流リブ５８間の流量にアンバランスが生じた場合に、流量の多い部分は乱流となり、流れの抵抗が増し、アンバランスが解消されるように作用する。又、乱流は、熱伝導率が大きいので、超電導コイル１全体の冷却が損なわれることがない。
【０２５７】
なお、図２２では整流リブ５８は十分な角度が得られていないようになっているが、一つの整流リブ５８が巻枠５４を最低一周以上するような角度で付設することにより、たとえ前述の整流リブ５８間の流量にアンバランスが生じたままであっても、その間のヘリウムガスによる冷却だけで、超電導コイル１全長に亙って冷却できる。
【０２５８】
超電導コイル１は、円周方向にはその巻線の熱伝導で十分に冷却されるが、軸方向は非常に熱伝導の悪い構造となっているので、超電導コイル１全長に亙ってヘリウムガスが流れると冷却の効果は大きくなる。
【０２５９】
さらに、巻枠５４とコイル容器との隙間が、巻枠５４の板厚よりも大きくしてある。これはヘリウムガスの流量が十分に取れるようにするためである。
【０２６０】
この状態で、巻枠５４とコイル容器との隙間や整流リブ５８間に、乱流促進機構を設けると、巻枠５４や超電導コイル１とヘリウムガスとの熱伝達がよくなり、超電導コイル１の冷却がよくなり、信頼性が向上する。
【０２６１】
このように上記第１５の実施の形態によれば、超電導コイル１の巻枠５４に、複数の穴５５又は整流リブ５８のうちいずれか一方又は両方を形成したので、冷却効果を高くでき、冷媒の流量にアンバランスが生じても、流量の多い部分は乱流となり、流れの抵抗が増し、アンバランスが解消できる。
【０２６２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、超電導コイルと、この超電導コイルを包囲する輻射シールドと、この輻射シールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取着され、超電導コイル及び輻射シールドを冷却する冷凍機とを備えた超電導マグネットにおいて、超電導コイルと輻射シールドとの間に設けられ、一端が接触子に固着されると共に他端が輻射シールドに取着されたサーマルアンカを備え、超電導コイルの初期冷却時に、超電導コイルに固定された接触板と接触子とを押付けて超電導コイルと輻射シールドとをサーマルアンカを介して熱的に接触して冷凍機により超電導コイル及び輻射シールドを冷却し、かつ超電導コイルが所定の冷却温度に到達する冷却終了後に、サーマルアンカを介して超電導コイルと輻射シールドとの熱的な接触を離脱する予冷用熱接続機構と、一端が輻射シールドに直接又は断熱体を介して固定され、他端が超電導コイルに固定された接触板に押圧される接触子が固着された伸縮可能な伸縮冷媒容器と、伸縮冷媒容器に連通し、超電導コイルの初期冷却時に、外部から伸縮冷媒容器に冷媒を供給する冷媒供給管と、伸縮冷媒容器に連通し、伸縮冷媒容器よりも上方位置で開口し、超電導コイルの初期冷却時に、伸縮冷媒容器から冷媒を冷媒排出系に排出する冷媒排出管と、冷媒排出管に装備され、超電導コイルが所定の冷却温度に到達すると、伸縮冷媒容器内を真空置換する排気系とを備えた超電導マグネットである。
これにより、冷凍機の冷却能力を増大させたり、台数を増やさなくても冷媒の蒸発潜熱で超電導コイルを冷却できる。従って、冷凍機単独で予冷するのに比して、大幅に予冷時間を短縮でき、かつ定常運転状態での侵入熱を抑制でき、さらに冷媒排出管に伸縮冷媒容器内を真空置換するための排気系を装備して伸縮冷媒容器内を真空排気することによって、外部から輻射シールドへ、輻射シールドから超電導コイルへの侵入熱を低減でき、高性能で取扱性に優れた超電導マグネットを提供することができる。
【０２６３】
又、本発明によれば、大幅に予冷時間を短縮できる超電導マグネットの予冷方法を提供することができる。
【０２６４】
又、本発明によれば、熱伝導性能を向上させて初期冷却に要する時間をさらに短縮できる超電導マグネットを提供することができる。
【０２６５】
又、本発明によれば、熱伝導性能を向上させたり熱容量の大きな蓄冷材を付設することにより大きな熱侵入や急激な発熱でも超電導状態が壊れない超電導マグネットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる超電導マグネットの縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における予冷用熱接触機構の一例を示す縦断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態における予冷用熱接触機構の接触部の一例を示す縦断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる超電導マグネットの予冷用熱接触機構の縦断面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態における接触子及び接触板の変形例を示す断面図。
【図６】本発明の第２の実施の形態における接触子及び接触板の他の変形例を示す断面図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係わる超電導マグネットの予冷用熱接触機構の縦断面図。
【図８】本発明の第３の実施の形態における駆動部に圧電素子を用いた場合の予冷用熱接触機構の縦断面図。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係わる超電導マグネットの予冷用熱接触機構の縦断面図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係わる超電導マグネットの予冷用熱接触機構の変形例を示す縦断面図。
【図１１】本発明の第５の実施の形態に係わる超電導マグネットの予冷用熱接触機構の縦断面図。
【図１２】本発明の第６の実施の形態に係わる超電導マグネットの予冷用熱接触機構の縦断面図。
【図１３】本発明の第７の実施の形態に係わる超電導マグネットの縦断面図。
【図１４】本発明の第８の実施の形態に係わる超電導マグネットの縦断面図。
【図１５】本発明の第９の実施の形態に係わる超電導マグネットの縦断面図。
【図１６】本発明の第１０の実施の形態に係わる超電導マグネットの切断片形状の主要拡大図。
【図１７】本発明の第１０の実施の形態に係わる超電導マグネットの他の例を示す図。
【図１８】本発明の第１１の実施の形態に係わる超電導マグネットの主要拡大図。
【図１９】本発明の第１２の実施の形態に係わる超電導マグネットの主要拡大図。
【図２０】本発明の第１３の実施の形態に係わる超電導マグネットの主要斜視図。
【図２１】本発明の第１４の実施の形態に係わる超電導マグネットの切断片形状の主要拡大図。
【図２２】本発明の第１５の実施の形態に係わる超電導マグネットにおける超電導コイルの斜視図。
【図２３】従来の冷凍機直接冷却型の超電導マグネットの縦断面図。
【符号の説明】
１：超電導コイル
２：輻射シールド
３：真空容器
４：冷凍機
４ａ：低温側ステージ
４ｂ：高温側ステージ
５：熱伝導部材
６ａ，６ｂ，３６：断熱支持材
７：予冷用熱接触機構
８：架台
９：駆動部
９ａ：軸
１０：ベローズ
１１：押圧棒
１２：断熱筒
１３：弾性体
１４：接触子
１４ａ：インジューム
１５：サーマルアンカ
１６：板ばね
１７：接触板
１７ａ：凹凸
１８：モータ
１９：変換部
２０：圧電素子
２１：固定具
２２：取付金具
２３：伸縮容器
２４：ヘリウムガス
２５：ヘリウムガス供給管
２６：可動板
２７：ピン
２８：アダプター
２９：固定板
３０：伸縮冷媒容器
３１：冷媒供給管
３２：冷媒排出管
３３：冷媒供給系
３４：冷媒排出系
３５：排気系
３７：冷媒容器
４０：密閉容器
４１：ヘリウムガス
４２：冷却部
４３ａ〜４３ｄ：隙間
４５，４６，４８：蓄冷材
４７：蓄冷材パック
４９：冷凍機
５０：高温側ステージ
５１，５２：熱伝導板
５４：巻枠
５５：穴
５８：整流リブ
６０：可動板
６１：フィンガーコンタクト
６２：接触板
６２ａ：穴
６２ｂ：底面
７０：接触子
７１：接触板
７１ａ：テーパー穴
７２：接触子
７３：接触板
７３ａ：穴
７４：弾性体

Claims

超電導コイルと、この超電導コイルを包囲する輻射シールドと、この輻射シールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取着され、前記超電導コイル及び前記輻射シールドを冷却する冷凍機とを備えた超電導マグネットにおいて、
前記超電導コイルと前記輻射シールドとの間に設けられ、一端が接触子に固着されると共に他端が前記輻射シールドに取着されたサーマルアンカを備え、前記超電導コイルの初期冷却時に、前記超電導コイルに固定された接触板と前記接触子とを押付けて前記超電導コイルと前記輻射シールドとを前記サーマルアンカを介して熱的に接触して前記冷凍機により前記超電導コイル及び前記輻射シールドを冷却し、かつ前記超電導コイルが所定の冷却温度に到達する冷却終了後に、前記サーマルアンカを介して前記超電導コイルと前記輻射シールドとの熱的な接触を離脱する予冷用熱接続機構と、
一端が前記輻射シールドに直接又は断熱体を介して固定され、他端が前記超電導コイルに固定された前記接触板に押圧される前記接触子が固着された伸縮可能な伸縮冷媒容器と、
前記伸縮冷媒容器に連通し、前記超電導コイルの初期冷却時に、外部から前記伸縮冷媒容器に冷媒を供給する冷媒供給管と、
前記伸縮冷媒容器に連通し、前記伸縮冷媒容器よりも上方位置で開口し、前記超電導コイルの初期冷却時に、前記伸縮冷媒容器から前記冷媒を冷媒排出系に排出する冷媒排出管と、
前記冷媒排出管に装備され、前記超電導コイルが所定の冷却温度に到達すると、前記伸縮冷媒容器内を真空置換する排気系と、
を具備したことを特徴とする超電導マグネット。
請求項１記載の超電導マグネットにおいて、
前記初期冷却時に、前記超電導コイルに固定された前記接触板と前記接触子とを押付けて前記超電導コイルと前記輻射シールドとを前記サーマルアンカを介して熱的に接触して前記冷凍機により前記超電導コイル及び前記輻射シールドを冷却し、かつ前記伸縮冷媒容器に前記冷媒を前記冷媒供給管を介して供給する工程と、
前記超電導コイルの前記初期冷却時に、前記冷媒を前記伸縮冷媒容器から前記冷媒排出管を通して前記冷媒排出系に排出する工程と、
前記超電導コイルが所定の冷却温度に到達した前記冷却終了後に、前記サーマルアンカを介しての前記超電導コイルと前記輻射シールドとの熱的な接触を離脱し、かつ前記排気系によって前記伸縮冷媒容器内を真空置換する工程と、
を有することを特徴とする超電導マグネットの予冷方法。
前記超電導コイルの超電導線間の隙間には、蓄冷材を巻き込んだことを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット。
前記超電導コイルの表面に短冊型の蓄冷材パックを付設したことを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット。
前記冷凍機よりも容量の大きい冷凍機を前記超電導コイルに対して熱的に着脱自在に設け、初期冷却時に容量の大きい前記冷凍機を前記超電導コイルに熱的に接続し、所定の温度まで冷却したところで容量の大きい前記冷凍機を熱的に切断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。
前記超電導コイルの超電導線間に、熱伝導率の大きいシートを巻き込んだことを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット。
前記超電導コイルの巻枠に、複数の開口部又は整流リブのうちいずれか一方又は両方を形成したことを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット。