JP6104007B2 - 電流供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導マグネットに電流を供給するための装置であって電流リードと呼ばれる電流供給装置に関する。

従来から、超電導磁石（超伝導磁石）を備える装置においては、超電導特性を発揮させるために、超電導磁石を、例えば４.２Ｋ程度の絶対零度に近い極低温に冷却する必要がある。超電導磁石を極低温に冷却する方法としては、液体ヘリウム等の冷媒中への浸漬や、極低温冷凍機を用いた冷却などがある。
図７に、従来から用いられている、液体ヘリウム等の冷媒に浸漬される超電導磁石１００を備えた超電導装置１０１の構成を示す。冷媒１０２に浸漬される超電導磁石１００は、冷媒型超電導磁石１００とも呼ばれる。冷媒型超電導磁石１００を励磁するには、冷媒型超電導磁石１００に対して、電気伝導度の高い銅などの金属を導体に用いたガス冷却型電流リード１０３が取り付けられ、このガス冷却型電流リード１０３を介して超電導装置１０１の外部から電流が供給される。

この際、通電によってガス冷却型電流リード１０３の導体が発熱するので、ガス冷却型電流リード１０３は、超電導磁石１００を浸漬している冷媒１０２の蒸発ガスを導体の周囲に導入し、そのガスの潜熱によって導体の熱を取り除く構成を有している。
次に、図８に、従来から用いられている、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機などの極低温冷凍機（以下、単に冷凍機という）２０１を用いて冷却される超電導磁石２０２を備えた超電導装置２００の構成を示す。冷凍機２０１に接続される超電導磁石２０２は、無冷媒型超電導磁石２０２とも呼ばれる。図８に示すように、無冷媒型超電導磁石２０２を励磁するには、無冷媒型超電導磁石２０２を収納する真空容器２０３内に配置された電流リード２０４に超電導装置２００の外部から電流が供給される。

無冷媒型超電導磁石２０２に接続される電流リード２０４も電気伝導度の高い銅などの金属を導体に用いているので、通電によって発熱する。無冷媒型超電導磁石２０２を励磁するための通電による電流リード２０４の発熱は、無冷媒型超電導磁石２０２を冷却するために設けられた冷凍機２０１によって取り除かざるをえない構成となっている。
特許文献１は、このような無冷媒型超電導磁石を有する超伝導装置を開示している。

特許文献１に開示の超伝導装置は、真空容器の排気可能な内室内に配置された超伝導機器と、真空容器の内室内に突入し極低温側端部が超伝導機器に良熱伝導結合して超伝導機器を間接冷却する冷凍機と、室温と極低温との間に延在し超伝導機器に電気的に接続されかつ真空容器の内室内に電気式断路器を有する電流供給装置とを備えた超伝導装置において、電流供給装置の断路器がその室温側端部の領域に設けられていることを特徴とするものである。

特開平９−２２３６２１号公報

特許文献１のように無冷媒型超電導磁石を採用する超伝導装置は、無冷媒型超電導磁石の冷却源として小型の極低温冷凍機を用いることが多い。この冷凍機は、絶対温度にして４Ｋといった極低温域までの冷却を行うものであり、このような極低温域ではエネルギー効率は非常に低くならざるを得ない。そのため、小型冷凍機の冷凍能力は、非常に小さなものであって、電流リードの発熱や超伝導装置の外部から侵入する熱を吸収するだけの余力を十分には備えていない。

このため、無冷媒型超電導磁石の冷却に冷凍機を採用する超伝導装置では、外部から超伝導装置への熱侵入を極力抑制する設計が要求される。特許文献１が開示する技術は、超伝導装置への熱侵入を極力抑制するという観点からなされたものであり、電流リードの構
成を着脱方式にすることで、超伝導装置外部の室温からの入熱量を減らそうと試みている。

しかし、特許文献１の超伝導装置では、電流リード（電流供給装置）の断路器を接続した通電時に発生する熱の超伝導装置内への侵入を抑制する手段は考慮されていない。従って、特許文献１の超伝導装置の設計においては、断路器を接続して通電したときに電流リードが発生する熱が最大の入熱要因であるので、電流リードの発熱量を加味して冷凍機に加わる最大負荷が決定される。

断続器が接続されて電流リードに電流が供給されるのは、超電導磁石の励磁、つまり超伝導装置の動作における一局面においてのみである。それにもかかわらず、従来の超伝導装置は、電流リードに電流が供給されたときの発熱量に対処すべく電流リードの発熱量を加味した最大負荷を担えるように、高い性能の高価な冷凍機や、複数台の冷凍機を用いて設計されていた。

このように従来の超伝導装置では、電流リードを冷却するために、超電導磁石を冷却するための手段や装置を用いなくてはならず、液体ヘリウムの消費量を抑制することや小型の冷凍機を採用することが困難である。
そこで本発明は、超伝導磁石に接続される電流供給装置であって、超電導磁石を冷却する液体ヘリウムや冷凍機などの冷却手段に対して通電時の発熱が及ぼす負荷を低減することができる電流供給装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る電流供給装置は、収納容器と、前記収納容器に収納された超電導コイルと、前記超電導コイルを超電導転移温度以下に冷却する冷却手段とを有する超電導装置に設けられ、前記超電導コイルに電気的に接続されて電流を外部から供給する電流供給装置であって、前記電流供給装置は、前記収納容器の外部から供給される冷却媒体によって前記電流供給装置を冷却する冷却装置を備えることを特徴とする。

ここで、前記電流供給装置は、前記収納容器の外部と前記超電導装置との間で電流を導通する第１の通電部を備え、前記冷却装置は、前記第１の通電部を格納すると共に、前記第１の通電部との間に前記冷却媒体を導入する冷却空間を有する外容器と、前記収納容器の外部から供給される冷却媒体を前記冷却空間に導入する導入口と、前記冷却空間に導入された冷却媒体を前記収納容器の外部に排出する排出口と、を備えるとよい。

さらに、前記第１の通電部は、前記冷却空間において、前記外容器に向かって突出するフィンを有するとよい。
また、前記外容器は、第１の通電部を収容すると共に、前記収納容器の外部と前記超電導装置との間で電流を導通し、前記第１の通電部との間に前記冷却媒体を導入する冷却空間を形成する第２の通電部であるとよい。

さらに、前記第１の通電部は、超電導コイルに対して着脱自在となるための着脱部を有し、前記外容器の冷却空間は、前記第１の通電部の着脱部を気密に収納するとよい。
また、本発明に係る電流供給装置の最も好ましい形態は、収納容器と、前記収納容器に収納された超電導コイルと、前記超電導コイルを超電導転移温度以下に冷却する冷却手段とを有する超電導装置に設けられ、前記超電導コイルに電気的に接続されて電流を外部から供給する電流供給装置であって、前記電流供給装置は、前記収納容器の外部から供給される冷却媒体によって前記電流供給装置を冷却する冷却装置と、前記収納容器の外部と前記超電導装置との間で電流を導通する第１の通電部を備え、前記冷却装置は、前記第１の通電部を格納すると共に、前記第１の通電部との間に前記冷却媒体を導入する冷却空間を有する外容器と、前記収納容器の外部から供給される冷却媒体を前記冷却空間に導入する導入口と、前記冷却空間に導入された冷却媒体を前記収納容器の外部に排出する排出口と、を備え、前記導入口と前記排出口は、外容器の径方向において互いに反対側となる位置に形成されていて、前記冷却媒体は、液体であって、前記導入口から前記冷却空間に導入され、冷却後、気化して、前記排出口から前記収納容器の外部に排出される構成とされていることを特徴とする。

本発明による電流供給装置によれば、超電導磁石を冷却する液体ヘリウムや冷凍機などの冷却手段に対して通電時の発熱が及ぼす負荷を低減することができる。

本発明の第１実施形態による超電導装置及び電流供給装置の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態による超電導装置及び電流供給装置の概略構成を示す図である。 本発明の第３実施形態による超電導装置及び電流供給装置の概略構成を示す図である。 本発明の第４実施形態による超電導装置及び電流供給装置の概略構成を示す図である。 本発明の第５実施形態による超電導装置及び電流供給装置の概略構成を示す図である。 本発明の第５実施形態による超電導装置及び電流供給装置の概略構成を示す図である。 従来の超電導装置及び電流リードの概略構成を示す図である。 従来の超電導装置及び電流リードの概略構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。従って、本発明の技術的範囲は、本実施形態に開示内容に限定されるものではない。また、以下に説明する各実施形態において、同一の構成部材には、同一の符号及び同一の名称を付すこととする。従って、同一の符号及び同一の名称が付された構成部材については、同じ説明を繰り返さない。

［第１実施形態］
図１を参照して、本発明の第１実施形態による電流供給装置１０について説明する。
まず、図１を参照しながら、本実施形態による電流供給装置１０の概略を説明する。図１は、ＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置やＮＭＲ（核磁気共鳴）装置などに用いられる磁場発生装置である超電導装置１の概略構成と、超電導装置１に設けられる電流供給装置１０の概略構成を示す図である。

まず、図１を参照して、超電導装置１の構成を説明する。
超電導装置１は、収納容器２と、収納容器２に収納された超電導コイル３と、超電導コイル３を超電導転移温度以下に冷却する冷却手段４とを有する。
収納容器２は、例えば薄肉のステンレス鋼など、機械強度及び耐腐食性に優れた材料で形成された中空の容器である。収納容器２は、後に詳述する超電導コイル３を収納すると共に冷却手段４も収納し、これによって、収納容器２内の超電導コイル３が超電導転移温度以下にまで冷却される。

超電導転移温度とは、絶対温度にして数Ｋ（ケルビン）といった極低温である。従って、ステンレス鋼など熱伝導性の高い材料で形成された収納容器２を室温に置いた場合、室温から収納容器２内へ熱が侵入するので、収納容器２の内部を超電導転移温度以下に保つのは困難である。そこで収納容器２は、外表面が室温の大気と触れないように、内部が真空となった真空容器（図示せず）内に保持される。

収納容器２は、真空容器内で、真空容器との間に真空の空間を隔てて保持されている。つまり収納容器２と真空容器は、いわゆる魔法瓶の構造を形成しており、収納容器２と室温とは真空容器による真空の空間を隔てて断熱される。
超電導コイル３は、超電導体（超電導物質）からなる線材を巻回して得られるコイルであり、収納容器２内に収容される。超電導転移温度以下で超電導コイル３に電流が供給されると、供給された電流は、いわゆる永久電流として電気抵抗がほぼゼロ０となった超電導コイル３を流れ続ける。超電導コイル３は、この永久電流によって磁場を発生する。

また、超電導コイル３は、収納容器２の外部から電流の供給を受けるための導線（ケーブル）５と、ケーブル５の先端に設けられた端子６とを有しており、ケーブル５及び端子６とも収納容器２内に収納される。このケーブル５と端子６も、超電導コイル３と同様に超電導体から形成されるのが好ましい。
冷却手段４は、例えば、沸点４.２Ｋのヘリウムが液化された液体ヘリウムである。冷却手段４である液体ヘリウムは、超電導コイル３を収納する収納容器２内に注入される。図１に示すように、液体ヘリウムを超電導コイルが完全に浸漬されるまで注入することで、例えば４Ｋといった超電導転移温度以下にまで超電導コイル３を冷却することができる。このとき、超電導コイル３のケーブル５と端子６も液体ヘリウムに浸漬されるのが望ましい。

次に、図１を参照して、本実施形態による電流供給装置１０について説明する。
電流供給装置１０は、電流リードとも呼ばれ、超電導コイル３に電気的に接続されて、超電導装置１の外部の電源から超電導コイル３へ電流を供給するものである。電流供給装
置１０は、収納容器２の外部から供給される冷却媒体によって電流供給装置１０自体を冷却する冷却装置を備え、通電によって生じるジュール熱を収納容器２の外へ取り除くことができる。

電流供給装置１０は、銅などの良導電性の金属で形成された長尺又は棒状の通電部７、超電導コイル３のケーブル５の端子６と接続することで通電部７と超電導コイル３を電気的に接続する結合端子８、及び通電部７を収納する外容器９を備えている。なお、以下の説明において、通電部７と結合端子８をまとめて第１の通電部という。
図１に示すように、通電部７は、長手方向に沿った一端に結合端子８が接合されており、他端は電源に接続される。

一方、外容器９は、ステンレス鋼や樹脂など機械強度及び耐腐食性に優れた材料によって、内部に通電部７よりも大きな径の空洞を有する中空の管状（又は筒状）に形成されている。外容器９は、一方側の端部に、通電部７に接合された結合端子８によって気密に閉鎖できる形状の開口１１を有し、他方側の端部に、通電部の径とほぼ同じ径の開口１２を有している。

さらに外容器９は、通電部７の径とほぼ同じ径の開口１２が形成された端部側の側面に、２つの開口１３，１４を有している。これら２つの開口１３，１４は、外容器９の径方向において互いにほぼ反対側となる位置に形成されている。
このように構成された外容器９内に開口１１から通電部７を挿入し、電源に接続される通電部７の端部を外容器９の開口１２に貫通させると共に、外容器９の開口１１を結合端子８によって気密に閉鎖する。これによって、外容器９は、図１に示すように、通電部７との間に冷却媒体を導入して通電部７を冷却する空間である冷却空間１５を形成し、外容器９の側面に形成された２つの開口１３，１４によって冷却空間１５と外容器９の外部とが連通した冷却装置が構成される。これら２つの開口１３，１４のうち一方の開口１３は、収納容器２の外部から供給される液体窒素などの冷却媒体を冷却空間１５に導入する導入口（以下、導入口１３という）であり、他方の開口１４は、冷却空間１５に導入された冷却媒体を収納容器２の外部に排出する排出口（以下、排出口１４という）である。

このように、本実施形態による電流供給装置１０は、収納容器２の外部から供給される冷却媒体によって電流供給装置１０自体を冷却する冷却装置を備え、通電によって生じるジュール熱を収納容器２の外へ取り除くことができる。
以下、上述の構成を有する電流供給装置１０の動作について説明する。
まず、超電導コイルに３電流を供給するための準備として、電流供給装置１０の外容器９から突き出した通電部７に電源を接続し、図１に示すように、電流供給装置１０を結合端子８側から収納容器２に挿入する。挿入された電流供給装置１０の結合端子８は、超電導コイル３のケーブル５の先端に取り付けられた端子６に接続される。その後、電源から電流供給装置１０に電流を供給すると超電導コイル３が励磁されるが、この際、電流が流れる電流供給装置１０の通電部７は、通電部７の電気抵抗によるジュール熱で温度が上昇する。通電部７の温度の上昇が大きくなると、通電部７の電気抵抗値も上昇して発熱量がさらに増えるという、いわゆる熱暴走状態が発生し通電部７が溶断することがある。

そこで、電流供給装置１０に電流を供給する前に、超電導コイル３を冷却する液体ヘリウムとは別の冷却媒体（例えば、液体ヘリウムより安価な液体窒素など）を、予め電流供給装置１０の外容器９の導入口１３から導入し、冷却空間１５を該冷却媒体で満たしておく。この冷却空間１５を満たす冷却媒体によって、通電部７が発生するジュール熱は吸収され、ジュール熱を吸収した冷却媒体は気化して、電流供給装置１０の外容器９の排出口１４から蒸発する。この蒸発によって冷却空間１５内の冷却媒体は減少するが、減少した分は外容器９の導入口１３から補充すればよい。

上述のとおり、本実施形態による電流供給装置１０を用いれば、通電部７が発生するジュール熱を、超電導コイル３を収納する収納容器２の外から供給された冷却媒体によって取り除くことができる。つまり、超電導コイル３を冷却する冷却媒体とは別の冷却媒体によって、通電部７が発生するジュール熱を収納容器２の外へ取り除くことができる。従って、本実施形態による電流供給装置１０によれば、通電時において電流供給装置１０の通
電部７が発生したジュール熱の収納容器２内への侵入を抑制できるだけでなく、非通電時においても、冷却空間１５を液体窒素などで満たしておけば、通電部７を介する室温からの熱の侵入を抑制することができる。その結果、超電導コイル３を冷却するための液体ヘリウムの冷却能力が電流供給装置１０の冷却に取られることがなくなり、高価な液体ヘリウムの蒸発を抑制することができる。

［第２実施形態］
図２を参照して、本発明の第２実施形態による電流供給装置２０について説明する。本実施形態による電流供給装置２０は、第１実施形態による電流供給装置１０の構成とほぼ同様の構成を有している。
図２に示すように、本実施形態による電流供給装置２０は、第１実施形態による電流供給装置１０とほぼ同様の構成を有しているが、電流供給装置１０の通電部７とは異なる構成の通電部２１を有している。従って、以下の説明では、本実施形態による電流供給装置２０の通電部２１の構成について説明する。なお、本実施形態による電流供給装置２０における通電部２１以外の構成は、第１実施形態による電流供給装置１０の構成と同様である。

通電部２１は、第１実施形態による通電部７の外表面にフィン２２等の突起を有する部材であり、銅などの良導電性の金属で形成された長尺又は棒状の形状を有する。通電部２１が外表面に有するフィン２２は、例えばドリル刃やネジ山のように、通電部２１の長手方向に向かって連続的に形成された螺旋状の突起である。
図２に示すように、フィン２２が形成する螺旋形状のピッチは任意であるが、通電部２１の長手方向に沿った軸心方向に対するフィン２２の傾き、又は通電部２１の長手方向に垂直な方向に対するフィン２２の傾きが２０°〜６０°となるように、フィン２２の螺旋形状が形成されているとよい。なお、フィン２２の肉厚は、電流供給装置２０の外容器９内における温度変化や冷却媒体の流れなどによっては容易に変形しない程度の強度が確保できる厚みがあればよい。

本実施形態による電流供給装置２０は、上述の構成を有する通電部２１を外容器９に収納することで構成される。
通電部２１が螺旋状のフィン２２を有することによって、冷却空間１５を満たす冷却媒体に流れを付与することができるので、電流供給装置２０は、第１実施形態による電流供給装置１０の動作とほぼ同様の動作で、通電部２１が発生するジュール熱を効率よく取り除くことができる。従って、本実施形態による電流供給装置２０によれば、通電時において電流供給装置２０の通電部２１が発生したジュール熱の収納容器２内への侵入を抑制できるだけでなく、非通電時においても、冷却空間１５を液体窒素などで満たしておけば、通電部２１を介しての室温からの熱の侵入を抑制することができる。その結果、超電導コイル３を冷却するための液体ヘリウムの冷却能力が電流供給装置２０の冷却に取られることがなくなり、高価な液体ヘリウムの蒸発を抑制することができる。

［第３実施形態］
図３を参照して、本発明の第３実施形態による電流供給装置３０について説明する。本実施形態による電流供給装置３０は、第１実施形態による電流供給装置１０の構成とほぼ同様の構成を有している。
具体的には、図３に示すように、本実施形態による電流供給装置３０は、第１実施形態による電流供給装置１０の通電部７と同様の構成の通電部７を有しているが、第１実施形態による外容器９の代わりに、通電部（第１の通電部）７とは別の通電部（第２の通電部）３１を有している。つまり、本実施形態による電流供給装置３０は、通電部７と通電部３１の２つの通電部を有しており、通電部３１が第１実施形態による外容器９の機能も兼ねている。従って、以下の説明では、本実施形態による通電部３１の構成について説明する。なお、本実施形態による電流供給装置３０における通電部３１以外の構成は、第１実施形態による電流供給装置１０の構成とほぼ同様である。

通電部３１は、銅などの良導電性の金属からなり、内部に通電部７よりも大きな径の空洞を有する中空の管状（又は筒状）に形成されている。通電部３１は、第１実施形態によ
る外容器９と同様に、一方側の端部に開口１１を有すると共に、他方側の端部にも開口１２を有し、さらに、他方側の端部側の側面に導入口１３と排出口１４の２つの開口を有している。

このように構成された通電部３１内に開口１１から通電部７を挿入し、電源に接続される通電部７の端部を通電部３１の開口１２に貫通させると共に、通電部３１の開口１１を結合端子８によって気密に閉鎖する。これによって、通電部３１は、図３に示すように、第１実施形態による外容器９と同様に冷却空間１５を形成し、通電部３１の側面に形成された導入口１３と排出口１４によって冷却空間１５と通電部３１の外部とが連通した冷却装置が構成される。

上述の本実施形態による電流供給装置３０は、２つの通電部７，３１を有しているので、いわば２つの電流供給装置を一体にしたものであるといえるが、冷却装置の数が通電部の数よりも少なくて済む構成を有している。従って、電流供給装置３０は、超電導コイル３に大きな電流を供給するために電流供給装置を大型化する場合であっても、外形寸法の増大を抑制できる構成を有するといえる。

加えて、本実施形態による電流供給装置３０は、第１実施形態による電流供給装置１０の動作とほぼ同様の動作で、２つの通電部７，３１が発生するジュール熱を、超電導コイル３を収納する収納容器２の外から供給された冷却媒体によって取り除くことができる。つまり、超電導コイル３を冷却する冷却媒体とは別の冷却媒体が供給された１つの冷却装置によって、２つの通電部７，３１が発生するジュール熱を同時に収納容器２の外へ取り除くことができる。

従って、本実施形態による電流供給装置３０によれば、通電時において電流供給装置３０の通電部７，３１が発生したジュール熱の収納容器内への侵入を抑制できるだけでなく、非通電時においても、冷却空間１５を液体窒素などで満たしておけば、通電部７，３１を介しての室温からの熱の侵入を抑制することができる。その結果、超電導コイル３を冷却するための液体ヘリウムの冷却能力が電流供給装置３０の冷却に取られることがなくなり、高価な液体ヘリウムの蒸発を抑制することができる。

尚、通電部３１の外周面は絶縁性の被膜などで覆われていることが望ましい。また、２つの通電部７，３１を流れる電流の向きは、互いに同じ方向でも異なる方向でも構わない。しかし、電流の向きが異なる場合は、結合端子８を、通電部７が接続する部材と通電部３１が接続する部材の少なくとも２つの部材で構成し、それぞれ異なる通電部に接続する２つの部材を互いに絶縁すべきである。

［第４実施形態］
図４を参照して、本発明の第４実施形態による電流供給装置４０について説明する。
まず、図４を参照しながら、本実施形態による超電導装置４１の概略を説明する。図４は、ＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置やＮＭＲ（核磁気共鳴）装置などに用いられる磁場発生装置である超電導装置４１の概略構成と、超電導装置４１に設けられる電流供給装置４０の概略構成を示す図である。

まず、図４を参照して、超電導装置４１の構成を説明する。
超電導装置４１は、収納容器２と、収納容器２に収納された超電導コイル３と、収納容器２の外表面が室温の大気と触れないように収納容器２を内部に保持する真空容器４２と、超電導コイル３を超電導転移温度以下に冷却する冷却手段４３とを有する。本実施形態による収容容器２及び超電導コイル３は、それぞれ第１実施形態で説明した収容容器２及び超電導コイル３と同様の構成であるので説明を省略する。

真空容器４２は、収納容器２と同様に、例えば薄肉のステンレス鋼など、機械強度及び耐腐食性に優れた材料で形成された中空の容器であり、超電導コイル３を収納する収納容器２を内部に保持する。真空容器４２は、内部が超電導転移温度以下といった極低温となる収納容器２の外表面が室温の大気と触れないように、真空に保った内部に収納容器２を保持する。

冷却手段４３は、例えば、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機などの極低温冷凍機（以下、単に冷凍機という）である。冷却手段４３である冷凍機（以下、冷凍機４３とい
う）は、棒状かつ長尺であって、一端側にモーター等を含む駆動部４４が設けられ、さらに、駆動部４４から他端に向かう中途部に熱交換を行う第１段ステージ４５を有し、他端側に第２段ステージ４６を有する２段構成となっている。第１段ステージ４５は、例えば３０Ｋ程度にまで冷却可能な熱交換部であり、第２段ステージ４６は、４Ｋ程度にまで冷却可能な熱交換部である。

図４に示すように、冷凍機４３は、真空容器４２の外部から真空容器４２と収納容器２を貫通して、第２段ステージ４６を収納容器２の内部で保持している。冷凍機４３の駆動部４４は真空容器４２の貫通孔の周囲で気密に保持され、第１段ステージ４５は収納容器２に密に接続され、第２段ステージ４６は収納容器２の内部で超電導コイル３に密に接続されている。図４に示すように、超電導コイル３が第２段ステージ４６に接続されることで、例えば４Ｋといった超電導転移温度以下にまで超電導コイル３を冷却することができる。

本実施形態による電流供給装置４０は、上述の構成の超電導装置４１に設けられるものである。図４を参照して、本実施形態による電流供給装置４０について説明する。
電流供給装置４０は、冷凍機４３と同様に、真空容器４２の外部から真空容器４２と収納容器２を貫通して収納容器２内の超電導コイル３に接続され、電源からの電流を超電導コイル３に供給するためのものである。電流供給装置４０は、銅などの良導電性の金属で形成された通電部４７であるワイヤ（以下、ワイヤ４７という）と、ワイヤ４７の先端に設けられ超電導コイル３に接続される酸化物超電導端子４８とを有している。酸化物超電導端子４８は、超電導コイル３と同様の超電導体（超電導物質）で形成される端子である。ワイヤ４７において酸化物超電導端子４８が接続されていない反対側の端部には、真空容器４２の外部に配置されて電源と接続される端子４９が設けられている。

さらに、電流供給装置４０は、端子４９と酸化物超電導端子４８の間のワイヤ４７を全長にわたって内包しつつ収納する外容器５０を有している。
外容器５０は、例えばステンレス鋼や樹脂などの機械強度及び耐腐食性に優れた材料によって形成されており、図４に示すように、電流供給装置４０が超電導装置４１に設けられたときのワイヤ４７の取り回しに合わせた湾曲形状に予め成形されるか、電流供給装置４０の取り付け時に変形可能な程度の可撓性を有していると好ましい。

さらに、外容器５０は、端子４９側の側面に２つの開口５１，５２を有している。これら２つの開口５１，５２は、外容器５０の径方向において互いにほぼ反対側となる位置に形成されている。
このように構成された外容器５０と端子４９を気密に接合し、また外容器５０と酸化物超電導端子４８を気密に接合すれば、外容器５０は、図４に示すように、ワイヤ４７との間に冷却媒体を導入してワイヤ４７を冷却する空間である冷却空間５３を形成し、外容器５０の側面に形成された２つの開口５１，５２によって冷却空間５３と外容器の外部とが連通した冷却装置が構成される。これら２つの開口５１，５２のうち一方の開口５１は、真空容器４２の外部から供給される液体窒素などの冷却媒体を冷却空間５３に導入する導入口（以下、導入口５１という）であり、他方の開口５２は、冷却空間５３に導入された冷却媒体を真空容器４２の外部に排出する排出口（以下、排出口５２という）である。

図４に示すように、この電流供給装置４０を、真空容器４２及び収納容器２内に酸化物超電導端子４８から挿入し、酸化物超電導端子４８を収納容器２内の超電導コイル３に接続する。また、導入口５１及び排出口５２を真空容器４２の外側に保持した状態で外容器５０と真空容器４２を気密に接合する。
上述のように超電導装置４１に対して電流供給装置４０を設ければ、真空容器４２の外部から冷却空間５３に供給される冷却媒体によって、通電によってワイヤ４７に生じるジュール熱を真空容器４２の外へ取り除くことができる。

ここで、電流供給装置４０のワイヤ４７のみに注目すると、電流供給装置４０のワイヤ４７は室温と酸化物超伝導端子４８をつなぐものであるので、非通電時においては良導電性のワイヤ４７を通じて室温側から収納容器２内へ熱が流入する。この室温から流入する熱の量は、ワイヤ４７の断面積に比例し、長さに反比例する。通電時においてワイヤ４７
が発するジュール熱も収納容器２内へ侵入する。このジュール熱の量は、ワイヤ４７の抵抗値に比例するが、この抵抗値はワイヤ４７の長さに比例し、断面積に反比例する。つまり、ジュール発熱を小さくするために、ワイヤ４７の断面積を大きくすると共に長さを短くすると、室温からの入熱が大きくなる。その逆に、ワイヤ４７の断面積を小さくすると共に長さを長くすると、室温からの入熱は小さくなるが、ジュール発熱が大きくなる。室温からの入熱とジュール発熱は、いわゆるトレードオフの関係となる。

従来であれば、上述のようなワイヤ４７から収納容器２内へ侵入する熱量を加味し、熱の侵入があった場合でも励磁中の超電導コイル３が常に超電導転移温度以下となるように、ワイヤ４７の径や長さ、さらに冷凍機４３の冷凍能力を決定しなくてはならなかった。しかし、本実施形態による電流供給装置４０を用いれば、ワイヤ４７から収納容器２内へ侵入する熱がほぼ無くなるので、超電導コイル３を超電導転移温度以下に維持するために必要な最低限の冷凍能力を有する小型冷凍機を採用することができる。安価な小型冷凍機を採用できるということは、超電導装置４１の製造コストの引き下げや、超電導装置４１の小型化が可能になるという効果を生む。

また、本実施形態による電流供給装置４０を用いれば、ワイヤ４７が発生するジュール熱を、超電導コイル３を収納する収納容器２の外から供給された冷却媒体によって取り除くことができる。つまり、超電導コイル３を冷却する冷凍機４３とは別の冷却媒体によって、ワイヤ４７が発生するジュール熱を真空容器４２及び収納容器２の外へ取り除くことができる。従って、本実施形態による電流供給装置４０によれば、通電時において電流供給装置４０のワイヤ４７が発生したジュール熱の収納容器２内への侵入を抑制できるだけでなく、非通電時においても、冷却空間５３を液体窒素などで満たしておけば、通電部ワイヤ４７を介しての室温からの熱の侵入を抑制することができる。その結果、超電導コイル３を冷却するための冷凍機４３の冷却能力が電流供給装置４０の冷却に取られることがなくなり、安価な小型冷凍機を採用した超電導装置４１を実現することができる。

［第５実施形態］
図５及び図６を参照して、本発明の第５実施形態による電流供給装置６０について説明する。まず、図５を参照しながら、本実施形態による超電導装置６１の概略を説明する。図５は、ＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置やＮＭＲ（核磁気共鳴）装置などに用いられる磁場発生装置である超電導装置６１の概略構成と、超電導装置６１に設けられる電流供給装置６０の概略構成を示す図である。

図５を参照して、超電導装置６１の構成を説明する。本実施形態による超電導装置６１において、冷凍機４３、真空容器４２、収納容器２、及び超電導コイル３の構成は、第４実施形態による冷凍機４３、真空容器４２、収納容器２、及び超電導コイル３の構成と同様である。以下、本実施形態による超電導装置６１の構成について説明する。
超電導装置６１の超電導コイル３には、超電導装置６１の外部から超電導コイル３へ電流を供給するためのリード線６２が設けられている。リード線６２は、超電導コイル３に接続される極低温側リード６３、超電導装置６１の真空容器４２に接続される室温側リード６４、及び極低温側リード６３と室温側リード６４を電気的に結合する結合素子６５を有している。

図５に示すように、リード線６２は、極低温側リード６３が超電導コイル３に接続され、室温側リード６４が真空容器４２に設けられた端子６６に接続され、さらに結合素子６５が冷凍機４３に接合されることで、超電導装置６１内に設けられる。ここで、真空容器４２に接続された室温側リード６４は、真空容器４２を貫通して真空容器４２外に突出した端子６６に接続され、端子６６を介して超電導装置６１の外部の電源から供給される電流を受けることができる。また、冷凍機４３に接続された結合素子６５は、いわゆる熱アンカーとして機能するものであり、真空容器４２の外部の室温から室温側リード６４を伝わって侵入する熱を冷凍機４３へ誘導することで、超電導コイル３への室温の伝導を抑制する。

図５において、室温側リード６４が接続される端子６６が、真空容器４２の外表面から内部へ一段後退したステージに設けられているが、必ずしも一段後退したステージに設け
る必要はなく、真空容器４２の外表面に突出するように端子６６を設けてもよい。
本実施形態による電流供給装置６０は、上述の構成の超電導装置６１に設けられるものである。図５を参照して、本実施形態による電流供給装置６０について説明する。

電流供給装置６０は、銅などの良導電性の金属で形成された長尺又は棒状の通電部６７、及びリード線６２の端子６６に対して着脱自在の結合端子である着脱部６８を有し、さらに、通電部６７及び着脱部６８を収納する外容器６９を有する。ここで、図５に示すように、通電部６７の一端には着脱部６８が接合され、通電部６７及び着脱部６８で第１の通電部を構成している。

外容器６９は、室温側リード６４が接続される端子６６のうち真空容器４２の外表面から突出した部分を気密に収納するものであり、端子６６の側方側を取り囲む側壁７０と、側壁７０の開口を気密に封鎖する昇降板７１を有する。
側壁７０は、図５に示すように、伸縮可能な筒状の部材であって、端子６６の側方を包囲することで端子６６を真空容器４２の内部から隔離する固定壁７２と、例えば蛇腹（アコーディオン）状に形成されて、固定壁７２の延長として真空容器４２の内部から外部に向かう方向に沿って伸縮自在な伸縮壁７３とを有する。固定壁７２と伸縮壁７３は、一体に形成されて端子６６を包囲する一つの空間を形成するか、又は、図５に示すように互いに真空容器４２に接続されて端子６６を包囲する一つの空間を形成する。これによって、固定壁７２と伸縮壁７３は、真空容器４２の外表面へ向かって突出した端子６６を、真空容器４２の内部又は周囲の環境から隔離する側壁７０となり、真空容器４２の外部に向かって開放された開口を形成する。

昇降板７１は、真空容器４２や収納容器２とほぼ同じ材質の平板であり、端子６６を包囲する側壁７０の開口を気密に閉鎖することで固定壁７２と伸縮壁７３が形成する空間を閉じ、外容器６９を形成するものである。外容器６９を形成する昇降板７１は、端子６６と対向する位置に、通電部６７を挿入可能な貫通孔を有している。この昇降板７１の貫通孔に通電部６７を挿通させて該貫通孔で気密に固定し、通電部６７に接合された着脱部６８を外容器６９内の端子６６に向けて、昇降板７１を側壁７０の開口に気密に固定する。これによって、昇降板７１は、側壁７０の伸縮に合わせて真空容器４２に近づいたり、真空容器４２から離れたりといった昇降運動が可能となる。

図５に示すように、以上に説明した側壁７０と昇降板７１によって、端子６６、通電部６７、及び着脱部６８を内包する外容器６９が構成される。この外容器６９の昇降板７１には、超電導装置６１の外部から外容器６９内に液体窒素などの冷却媒体を導入する導入口７４が設けられ、側壁７０には、外容器６９内に導入された冷却媒体を排出すると共に、排気ポンプ（図示せず）等によって外容器６９内を排気するための排出口７５が設けられている。導入口７４及び排出口７５を有する外容器６９は、導入口７４から冷却媒体が注入されたときに、通電部６７及び着脱部６８からなる第１の通電部と外容器６９との間に冷却媒体を導入して第１の通電部を冷却する冷却空間７６を形成し、外容器６９に形成された導入口７４及び排出口７５によって冷却空間７６と外容器６９の外部とが連通した冷却装置が構成される。

上述のように構成された外容器６９は、通電部６７及び着脱部６８からなる第１の通電部と共に本実施形態による電流供給装置６０を構成することとなる。
以下、図５及び図６を参照して、上述の構成を有する電流供給装置６０の動作について説明する。
まず、図６に示すように、超電導コイル３に電流を供給するための準備として、通電部６７を電源に接続し、電流供給装置６０の昇降板７１を降下させて着脱部６８を端子６６に接続する。その後、電源から電流供給装置６０に電流を供給する前に、液体窒素などの冷却媒体を昇降板７１の導入口７４から導入し、冷却空間７６を該冷却媒体で満たしておく。

冷却空間７６が冷却媒体で満たされた後、電源から電流供給装置６０への電流の供給を開始すると、主に通電部６７及び着脱部６８の電気抵抗によってジュール熱が発生するが、冷却空間７６を満たす冷却媒体によってジュール熱は吸収される。
超電導コイル３が励磁されると、電流供給装置６０への電流の供給を停止して、図５に示すように昇降板７１を上昇させて端子６６から着脱部６８を切り離す。着脱部６８が切り離されれば、排出口７５から液体窒素が排出され、排気ポンプによって外容器６９内が真空となるまで排気される。

上述のとおり、本実施形態による電流供給装置６０を用いれば、通電部６７及び着脱部６８が発生するジュール熱を、超電導コイル３を収納する収納容器２の外から供給された冷却媒体によって取り除くことができる。つまり、超電導コイル３を冷却する冷却媒体とは別の冷却媒体によって、通電部６７及び着脱部６８が発生するジュール熱を収納容器２の外へ取り除くことができる。また、非通電時には、着脱部６８が端子６６から切り離されると共に、外容器６９内が真空となるので、着脱部６８は端子６６から電気的に絶縁されるだけでなく、熱的にも絶縁される。

従って、本実施形態による電流供給装置６０によれば、通電時において電流供給装置６０の通電部６７及び着脱部６８が発生したジュール熱の収納容器内への侵入を抑制できるだけでなく、非通電時においても、通電部６７及び着脱部６８を介しての室温からの熱の侵入を抑制することができる。その結果、超電導コイル３を冷却するための冷凍機４３の冷却能力が、電流供給装置６０の冷却に取られることがなく、且つ室温から侵入する熱の吸収に取られることもなくなるので、安価な小型冷凍機を採用した超電導装置６１を実現することができる。

ところで、今回開示された実施形態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。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 超電導装置
２ 収納容器
３ 超電導コイル
４ 冷却手段
５ ケーブル
６，４９，６６ 端子
７，２１，３１ 通電部
８ 結合端子
９，５０，６９ 外容器
１０，２０，３０，４０，６０ 電流供給装置
１１，１２ 開口
１３，５１，７４ 導入口
１４，５２，７５ 排出口
１５，５３，７６ 冷却空間
２２ フィン
４１，６１ 超電導装置
４２ 真空容器
４３ 冷凍機
４４ 駆動部
４５ 第１段ステージ
４６ 第２段ステージ
４７ ワイヤ
４８ 酸化物超電導端子
６２ リード線
６３ 極低温側リード
６４ 室温側リード
６５ 結合素子
６７ 通電部
６８ 着脱部
７０ 側壁
７１ 昇降板
７２ 固定壁
７３ 伸縮壁

Claims (4)

1. 収納容器と、前記収納容器に収納された超電導コイルと、前記超電導コイルを超電導転移温度以下に冷却する冷却手段とを有する超電導装置に設けられ、前記超電導コイルに電気的に接続されて電流を外部から供給する電流供給装置であって、
   前記電流供給装置は、前記収納容器の外部から供給される冷却媒体によって前記電流供給装置を冷却する冷却装置と、
   前記収納容器の外部と前記超電導装置との間で電流を導通する第１の通電部を備え、
   前記冷却装置は、
   前記第１の通電部を格納すると共に、前記第１の通電部との間に前記冷却媒体を導入する冷却空間を有する外容器と、
   前記収納容器の外部から供給される冷却媒体を前記冷却空間に導入する導入口と、
   前記冷却空間に導入された冷却媒体を前記収納容器の外部に排出する排出口と、を備え、
   前記導入口と前記排出口は、外容器の径方向において互いに反対側となる位置に形成されていて、
   前記冷却媒体は、液体であって、前記導入口から前記冷却空間に導入され、冷却後、気化して、前記排出口から前記収納容器の外部に排出される構成とされている
   ことを特徴とする電流供給装置。
2. 前記第１の通電部は、前記冷却空間において、前記外容器に向かって突出するフィンを有することを特徴とする請求項１に記載の電流供給装置。
3. 前記外容器は、第１の通電部を収容すると共に、前記収納容器の外部と前記超電導装置との間で電流を導通し、前記第１の通電部との間に前記冷却媒体を導入する冷却空間を形成する第２の通電部であることを特徴とする請求項１に記載の電流供給装置。
4. 前記第１の通電部は、超電導コイルに対して着脱自在となるための着脱部を有し、
   前記外容器の冷却空間は、前記第１の通電部の着脱部を気密に収納することを特徴とする請求項１に記載の電流供給装置。