JP5708253B2 - 超電導コイルおよび超電導マグネット - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルおよび超電導マグネットに関する。

特開平１１−１８６０２５号公報によれば、積層された第１および第２のパンケーキコイルと、第１のパンケーキコイルおよび第２のパンケーキコイルの間に介在するように設けられた冷却板とを有する超電導コイルが開示されている。冷却板は熱伝導バーを介して冷却ヘッドに接続されている。

特開平１１−１８６０２５号公報

上記公報に記載の技術においては、積層された第１および第２のコイル（コイル部）と、冷却ヘッドとの間が、冷却板（伝熱板）および熱伝導バーによってつながれている。コイル部と冷却ヘッドとの間の相対位置は、様々な要因によって変動する。この要因は、たとえば、熱膨張収縮の差異、冷却ヘッドを駆動するためのコンプレッサによる振動、コイル部と、コイル部によって磁界が印加される対象との磁気的相互作用などである。この相対位置の変動に起因して、コイル部から冷却ヘッドへ荷重が加わる。

コイル部を効率的に冷却するためには、伝熱板の熱抵抗を小さくする必要がある。このための単純な方法として、伝熱板の厚さを厚くすることが考えられる。しかしながら伝熱板の厚さを単純に厚くすると、コイル部と冷却ヘッドとの間の相対位置が変化しにくくなるので、コイル部から冷却ヘッドへ加わる荷重が大きくなる。一般に冷却ヘッドは外部からの荷重に弱く、この荷重が過度に大きくなると冷却ヘッドが故障することがある。

そこで、本発明の目的は、冷却ヘッドの故障を防止しつつコイル部の冷却効率を高めることができる、超電導コイルおよび超電導マグネットを提供することである。

本発明の超電導コイルは、コイル部と、冷却ヘッドと、伝熱部とを有する。コイル部は、超電導線が巻き回されることによって形成されている。冷却ヘッドはコイル部を冷却するためのものである。伝熱部はコイル部および冷却ヘッドを互いにつないでいる。伝熱部はコイル部に第１の位置で取り付けられた第１の伝熱板を含む。第１の伝熱板は積層板である。

本発明の超電導コイルによれば、第１の伝熱板が積層板であることにより、積層板を構成する複数の単層板のうちの１つのみによって第１の伝熱板が構成される場合に比して、第１の伝熱板の熱抵抗を小さくすることができる。これによりコイル部に生じる熱を冷却ヘッドによってより効率よく除去することができる。また積層板の全体厚さと同じ厚さを有する単層板によって第１の伝熱板が構成される場合に比して、第１の伝熱板の可撓性が大きくなるので、第１の伝熱板を介して冷却ヘッドがコイル部から受ける荷重を小さくすることができる。これにより、コイル部からの荷重が加わることによる冷却ヘッドの故障を防止することができる。以上のように、冷却ヘッドの故障を防止しつつコイル部の冷却効率を高めることができる。

好ましくは伝熱部は第２の伝熱板を含む。第２の伝熱板はコイル部に、第１の位置から離れた第２の位置で取り付けられている。第２の伝熱板は第１の伝熱板よりも薄い。

これにより第１の伝熱板に比して第２の伝熱板の可撓性を大きくすることができるので、コイル部からの荷重が第２の伝熱板を介して加わることによる冷却ヘッドの故障を防止することができる。

好ましくは第２の伝熱板は、第１の伝熱板の積層数よりも少ない積層数を有する積層板、および単層板のいずれかである。

これにより、第２の伝熱板が第１の伝熱板の積層数と同じ積層数を有する場合に比して、第２の伝熱板としての積層板を構成する複数の単層板の各々または第２の伝熱板としての単層板の厚さが薄くなり過ぎることを避けることができる。これにより第２の伝熱板を容易に形成することができる。

コイル部は磁束が通過する端部を有してもよく、この場合、上記第１の位置は上記第２の位置に比してコイル部の端部に近いことが好ましい。

これにより、垂直磁場に起因した発熱が多くなりやすいコイル部の端部から、熱抵抗の小さい第１の伝熱板によって効率よく熱を除去することができる。

伝熱部は固定具を有する。固定具は、冷却ヘッドに取り付けられており、かつ第１の伝熱板および第２の伝熱板を共に把持している。

これにより、第１および第２の伝熱板の各々の冷却ヘッドへの接続を、熱抵抗を抑えつつ簡単な構造によるものとすることができる。

冷却ヘッドは冷却可能な端部を有する。冷却ヘッドの端部は端面および端面を取り囲む側面を有する。固定具は冷却ヘッドの側面と接触している。

これにより、冷却ヘッドの端部をより有効に利用し得るので、冷却効率を高めることができる。

本発明の超電導マグネットは、上記の超電導コイルと、断熱容器とを有する。断熱容器は超電導コイルを収めている。

本発明の超電導マグネットによれば、冷却ヘッドの故障を防止しつつコイル部の冷却効率を高めることができる。

上述したように、本発明によれば、冷却ヘッドの故障を防止しつつコイル部の冷却効率を高めることができる。

本発明の一実施の形態における超電導マグネットの構成を概略的に示す断面図である。 図１の超電導マグネットが有する超電導コイルの構成を概略的に示す図であり、図３の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。 図２の超電導コイルの構成を概略的に示す上面図である。 図２の超電導コイルが有するダブルパンケーキコイルの構成を概略的に示す斜視図である。 図４の線Ｖ−Ｖに沿う概略断面図である。 図４のダブルパンケーキコイルに用いられている超電導線の構成を概略的に示す一部斜視図である。 図２の超電導コイルが有する冷却ヘッドの構成を概略的に示す一部斜視図である。 図２の超電導コイルが有する、積層板からなる伝熱板の構成を概略的に示す一部断面図である。 図２の超電導コイルが有する、単層板からなる伝熱板の構成を概略的に示す一部断面図である。 変形例の超電導コイルの構成を概略的に示す上面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１を参照して、本実施の形態の超電導マグネット１００は、超電導コイル９１と、断熱容器１１１と、冷却装置１２１と、ホース１２２と、コンプレッサ１２３と、ケーブル１３１と、電源１３２とを有する。断熱容器１１１は超電導コイル９１を収めている。本実施の形態においては、磁場が印加される試料（図示せず）を収めるための磁場印加領域ＳＣが断熱容器１１１内に設けられている。

図２および図３を参照して、超電導コイル９１は、コイル部１０と、冷却ヘッド２０と、伝熱部３０と、芯部８１とを有する。伝熱部３０は伝熱板群３１および固定具３２を有する。伝熱板群３１は伝熱板３１ａ〜３１ｅから構成されている。

コイル部１０は、超電導線１４（図６）が巻き回されることによって形成されており、磁束ＭＦを発生させるためのものである。またコイル部１０は、磁束ＭＦが通過する端部（図２における上端または下端）を有する。またコイル部１０は、ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｍを有する。ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｍは、この順に並ぶように積層されている。軸方向Ａａ（図２）は積層方向に対応しており、径方向Ａｒは積層方向に垂直な方向に対応している。

冷却ヘッド２０は、コイル部１０を冷却するためのものであり、冷却可能な端部２１と、端部２１および冷却装置１２１（図１）とをつなぐ接続部２２とを有する。

伝熱板群３１の各々はコイル部１０に取り付けられている。固定具３２は冷却ヘッド２０の端部２１に取り付けられている。固定具３２は伝熱板群３１を把持している。伝熱板群３１のうち固定具３２に把持されている部分において、伝熱板３１ａ〜伝熱板３１ｅは互いに直接積層されている。このような構造によって、伝熱部３０はコイル部１０および冷却ヘッド２０を互いにつないでいる。

コイル部１０と冷却ヘッド２０との間の相対位置は、様々な要因によって変動し得る。この要因は、たとえば、熱膨張収縮の差異、冷却ヘッド２０を駆動するためのコンプレッサ１２３（図１）による振動、コイル部１０とコイル部１０によって磁界が印加される試料との磁気的相互作用などである。この変動に起因してコイル部１０から冷却ヘッド２０へ荷重が加わり得る。冷却ヘッド２０が耐え得る荷重は、たとえば１００（Ｎ）程度までである。

コイル部１０と、伝熱板群３１のコイル部１０に取り付けられた部分とは、伝導板とパンケーキコイルとが交互に積層された構成を有している。伝熱板３１ａは、コイル部１０の両端において、ダブルパンケーキコイル１１ａおよび１１ｍの各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｂは、ダブルパンケーキコイル１１ａおよび１１ｂの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｍおよび１１ｌの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｃは、ダブルパンケーキコイル１１ｂおよび１１ｃの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｌおよび１１ｋの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｄは、ダブルパンケーキコイル１１ｃおよび１１ｄの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｋおよび１１ｊの間との各々の位置に取り付けられている。伝熱板３１ｅは、ダブルパンケーキコイル１１ｅおよび１１ｆの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｊおよび１１ｉの間と、ダブルパンケーキコイル１１ｆおよび１１ｇの間との各々の位置に取り付けられている。

言い換えると、伝熱板３１ａ〜３１ｅはこの順に、コイル部１０のより端部に近い位置に取り付けられている。また伝熱板３１ａ〜３１ｅのそれぞれは、コイル部１０における互いに離れた位置に取り付けられている。

伝熱板３１ａ〜３１ｅの材料は、熱伝導率および可撓性が大きい材料が好ましく、たとえばアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）である。Ａｌ（またはＣｕ）の純度は９９．９％以上が好ましい。

伝熱板３１ａ〜３１ｅは、固定具３２まで延びることができるように、折曲部ＦＤを有してもよい。

固定具３２は、部材３２ａおよび３２ｂと、ねじ３４ａおよび３４ｂとを有する。ねじ３４ａは、部材３２ａおよび３２ｂの間の隙間を調整することができるように設けられている。部材３２ａおよび３２ｂの間の隙間に伝熱板群３１が挟まれており、かつねじ３４ａが締め付けられていることによって、伝熱板群３１が固定具３２に把持されている。すなわち伝熱板３１ａ〜３１ｅが共に固定具３２に把持されている。ねじ３４ｂは、部材３２ａおよび３２ｂの各々が冷却ヘッド２０の端部２１の側面ＳＤを締め付けることができるように設けられている。これにより固定具３２は冷却ヘッド２０の端部２１に取り付けられている。

図４および図５を参照して、ダブルパンケーキコイル１１ａは、互いに積層されたパンケーキコイル１２ａおよび１２ｂを有する。パンケーキコイル１２ａにおける超電導線１４の巻き回し方向Ｗａと、パンケーキコイル１２ｂにおける超電導線１４の巻き回し方向Ｗｂとは互いに逆である。パンケーキコイル１２ａの内周側に位置する超電導線１４の端部ＥＣｉと、パンケーキコイル１２ｂの内周側に位置する超電導線の端部ＥＣｉとは、互いに電気的に接続されている。これにより、パンケーキコイル１２ａの外周側に位置する超電導線１４の端部ＥＣｏと、パンケーキコイル１２ｂの外周側に位置する超電導線１４の端部ＥＣｏとの間で、パンケーキコイル１２ａおよび１２ｂは互いに直列に接続されている。

ダブルパンケーキコイル１１ｂ〜１１ｍの各々もダブルパンケーキコイル１１ａと同様の構成を有する。ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｍのうち互いに隣り合うものの各々の端部ＥＣｏは互いに電気的に接続されている。これにより、ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｍは互いに直列に接続されている。

図６を参照して、超電導線１４は、厚さ方向Ａｔにおける寸法である厚さＤｔと、軸方向Ａａにおける寸法である幅Ｄｗとを有し、延在方向Ａｅに沿って延在している。幅Ｄｗは厚さＤｔよりも大きく、よって超電導線１４は幅Ｄｗを有する帯状面ＳＦを有する。超電導線１４は、帯状面ＳＦに垂直な磁場（垂直磁場）が印加されるほど交流損失が増大するような特性を有する。

たとえば、厚さＤｔは０．２ｍｍ程度、幅Ｄｗは４ｍｍ程度である。またたとえば超電導線１４は、延在方向に延びるＢｉ系超電導体と、この超電導体を被覆するシースとを有する。シースは、たとえば銀や銀合金よりなっている。

図７を参照して、冷却ヘッド２０の端部２１は端面ＢＭおよび端面ＢＭを取り囲む側面ＳＤを有する。冷却ヘッド２０は、たとえば円筒形状を有する。

図８を参照して、伝熱板３１ａは、厚さＴ３１ａを有する積層板であり、好ましくは、同一の厚さを有する単層板１１が積層されることによって形成されている。伝熱板３１ｂ〜３１ｄ（図２）の各々も積層板である。伝熱板３１ａ〜３１ｄの各々の厚さは、コイル部１０の端部（図２における上端または下端）に近いほど大きい。伝熱板３１ａ〜３１ｄの厚さは、たとえば、各積層板を構成する単層板１１の数によって調整することができる。この場合、伝熱板３１ａ〜３１ｄの各々の積層数は、コイル部１０の端部に近いほど大きい。

各単層板１１の厚さは、十分な可撓性を確保するために、好ましくは１ｍｍ以下であり、より好ましくは０．５ｍｍ以下である。

図９を参照して、伝熱板３１ｅは、上記厚さＴ３１ａよりも小さい厚さＴ３１ｅを有する単層板である。好ましくは伝熱板３１ｅは、図９に示すように、単独の単層板１１によって構成されている。

図１０を参照して、上述した伝熱板３１ａ（図３）の代わりに、渦損抑制のための絶縁部４１および４２が挿入された伝熱板３１ａＶが用いられてもよい。絶縁部４１は、コイル部１０の径方向に沿って伝熱板３１ａＶに形成されたスリットに挿入されている。絶縁部４２は、コイル部１０の周方向に沿って伝熱板３１ａＶに形成されたスリットに挿入されている。絶縁部４１および４２の材料は、たとえばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）である。

本実施の形態によれば、伝熱板３１ａが積層板（図８）であることにより、積層板を構成する複数の単層板１１のうちの１つのみによって伝熱板が構成される場合に比して、伝熱板の熱抵抗を小さくすることができる。これによりコイル部１０に生じる熱を冷却ヘッド２０によってより効率よく除去することができる。またこの積層板の全体厚さと同じ厚さを有する単層板によって伝熱板が構成される場合に比して、伝熱板の可撓性が大きくなるので、伝熱板を介して冷却ヘッド２０がコイル部１０から受ける荷重を小さくすることができる。これにより、コイル部１０からの荷重が加わることによる冷却ヘッド２０の故障を防止することができる。以上のように本実施の形態の超電導コイル９１によれば、冷却ヘッド２０の故障を防止しつつコイル部１０の冷却効率を高めることができる。

また伝熱板３１ｂ〜３１ｄの各々が積層板であることによっても、上記と同様の作用効果が得られる。

また伝熱板群３１は、第１の伝熱板と、この第１の伝熱板よりも薄い第２の伝熱板とを有する。たとえば伝熱板３１ａが第１の伝熱板であるとすれば、伝熱板３１ｂ〜３１ｅの各々が第２の伝熱板に対応する。あるいは伝熱板３１ｂが第１の伝熱板であるとすれば、伝熱板３１ｃ〜３１ｅの各々が第２の伝熱板に対応する。これにより第１の伝熱板に比して第２の伝熱板の可撓性を大きくすることができるので、コイル部１０からの荷重が第２の伝熱板を介して加わることによる冷却ヘッド２０の故障を防止することができる。

また第２の伝熱板は、第１の伝熱板の積層数よりも少ない積層数を有する積層板、および単層板のいずれかである。これにより、第２の伝熱板が第１の伝熱板の積層数と同じ積層数を有する場合に比して、第２の伝熱板としての積層板を構成する複数の単層板の各々または第２の伝熱板としての単層板の厚さが薄くなり過ぎることを避けることができる。これにより第２の伝熱板を容易に形成することができる。

またコイル部１０の端部に近い位置には、厚さが厚いことによって熱抵抗が小さくされた第１の伝熱板が取り付けられている。これにより、垂直磁場に起因した発熱が多くなりやすいコイル部１０の端部から、熱抵抗の小さい第１の伝熱板によって効率よく熱を除去することができる。

また固定具３２は、冷却ヘッド２０に取り付けられており、かつ伝熱板３１ａ〜３１ｅを共に把持している。これにより、伝熱板３１ａ〜３１ｅの冷却ヘッド２０への接続を、熱抵抗を抑えつつ簡単な構造によるものとすることができる。

また固定具３２は冷却ヘッド２０の側面ＳＤと接触している。これにより、冷却ヘッド２０の端部２１をより有効に利用し得るので、冷却効率を高めることができる。

コイル部１０を構成するダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｍの各々において発生する熱量をシミュレーションした。またダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｍの各々と、冷却ヘッド２０に取り付けられた固定具３２との間の温度差をシミュレーションした。この温度差が大きいダブルパンケーキコイルは、より高温となる。なおダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｍの温度は、伝熱板群３１が引き出されている側（図２におけるコイル部１０右側面）における値を用いた。

伝熱板群３１（図２）は、厚さ０．５ｍｍのＡｌ板を用いて準備した。伝熱板３１ａ〜３１ｄとしては、Ａｌ板を積層することによって形成された積層板を用いた。伝熱板３１ａから３１ｄのそれぞれの積層数は、７、５、３および２とされた。伝熱板３１ｅとしては、Ａｌ板の単層板を用いた。Ａｌ板の材料としては純度９９．９９９％のＡｌを用いた。コイル部１０および固定具３２の間において、伝熱板３１ａ〜３１ｅの各々の幅（図１０における縦方向の寸法）は５０ｍｍ、長さ（図１０における横方向の寸法）は２００ｍｍとされた。

シミュレーションの結果を以下に示す。

ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｍは、コイル部１０の端部により近いほど（表１において最も上の行または最も下の行に近いほど）熱量が大きくなった。この理由は、図２の磁束ＭＦの向きから分かるように、コイル部１０の端部に近いほど垂直磁場が大きくなることに起因すると考えられる。

ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｅの各々の温度差はおおよそ１０（Ｋ）程度であり、大きな差異はなかった。つまり、ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｅの各々の熱量が大きく異なるにもかかわらず、ダブルパンケーキコイル１１ａ〜１１ｅの間の温度差を抑制することができた。

また上記の伝熱板群３１と、固定具３２との各々の熱抵抗のシミュレーションも行った。固定具３２（図２）のうち伝熱板群３１を把持する部分において、部材３２ａおよび３２ｂの各々は、厚さ４２ｍｍおよび長さ５０ｍｍの寸法を有するものとした。また固定具３２の材料は銅とした。この結果、伝熱板群３１の熱抵抗は０．０５５（Ｋ／Ｗ）であり、固定具３２の熱抵抗は０．００５（Ｋ／Ｗ）であった。すなわち固定具３２による熱抵抗は十分に小さくすることができた。

コイル部１０と冷却ヘッド２０との間の距離が１ｍｍ変動した場合に冷却ヘッド２０に加わる荷重をシミュレーションした。本シミュレーションは伝熱板群３１において積層板が用いられることの影響を調べることを目的に行われたので、各シミュレーション条件において伝熱板３１ａ〜３１ｅの各々は同様の構成を有するものとされた。

また本シミュレーションは伝熱板群３１として、上述したＡｌ板を用いた場合に加えて、Ｃｕ板を用いた場合についても行われた。積層数の条件は３つとされた。第１の条件は積層数が６であり、厚さ０．５ｍｍの単層板を６つ有する積層板に対応する。第２の条件は積層数が３であり、厚さ１．０ｍｍの単層板を３つ有する積層板に対応する。第３の条件は積層数が１であり、厚さ３．０ｍｍの単層板に対応する。結果を以下に示す。

この結果から、各伝熱板の全体厚さを確保しつつ（この場合、厚さ３ｍｍを維持しつつ）、積層数を増やすことによって、冷却ヘッド２０に加わる荷重を小さくすることができることがわかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ コイル部、１１ａ〜１１ｍ ダブルパンケーキコイル、１１ 単層板、１２ａ，１２ｂ パンケーキコイル、１４ 超電導線、２０ 冷却ヘッド、２１ 端部、２２ 接続部、３０ 伝熱部、３１ 伝熱板群、３１ａ〜３１ｅ，３１ａＶ 伝熱板、３２ 固定具、３２ａ，３２ｂ 部材、４１，４２ 絶縁部、８１ 芯部、９１ 超電導コイル、１００ 超電導マグネット、１１１ 断熱容器、１２１ 冷却装置、１２３ コンプレッサ、１３２ 電源、ＢＭ 端面、ＦＤ 折曲部、ＳＣ 磁場印加領域、ＳＤ 側面、ＳＦ 帯状面。

Claims (8)

1. 超電導線が巻き回されることによってそれぞれが形成された複数のコイルが積層方向に沿って積層されたコイル部と、
   前記コイル部を冷却するための冷却ヘッドと、
   前記コイル部および前記冷却ヘッドを互いにつなぐ伝熱部とを備え、
   前記伝熱部は、前記複数のコイルに積層される部分から前記冷却ヘッド側で固定される部分にわたって延在する伝熱板を含み、
   前記複数のコイルの間、又は、前記積層方向端部のコイルに積層された前記伝熱板のうちの少なくとも１つは、積層板である、超電導コイル。
2. 前記積層板は、全体厚さが同じ厚さを有する単層板によって構成される場合に比して、可撓性が大きい、請求項１に記載の超電導コイル。
3. 前記伝熱板は、前記積層方向端部からの距離が異なる位置に積層された、第１の伝熱板と第２の伝熱板を含み、
   前記第２の伝熱板は前記第１の伝熱板よりも薄い、請求項１または請求項２に記載の超電導コイル。
4. 前記第２の伝熱板は、前記第１の伝熱板の積層数よりも少ない積層数を有する積層板、又は、単層板のいずれかである、請求項３に記載の超電導コイル。
5. 前記第１の伝熱板の位置は、前記第２の伝熱板の位置に比して、前記積層方向端部側に近い、請求項３または請求項４に記載の超電導コイル。
6. 前記伝熱部は、前記冷却ヘッドに取り付けられ、かつ、前記第１の伝熱板および前記第２の伝熱板を共に把持する固定具を有する、請求項３〜５のいずれか１項に記載の超電導コイル。
7. 前記冷却ヘッドは冷却可能な端部を有し、前記冷却ヘッドの前記端部は端面および前記端面を取り囲む側面を有し、
   前記固定具は前記冷却ヘッドの前記側面と接触している、請求項６に記載の超電導コイル。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の超電導コイルと、
   前記超電導コイルが収められる断熱容器とを備える、超電導マグネット。

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