JP6172979B2 - 超電導装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導マグネットを備える超電導装置に関し、特に、電流リードを用いて供給された電流によって超電導コイルが励磁される超電導装置に関する。

超電導磁石（超伝導磁石）を備える超電導装置においては、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５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１０１を備えた超電導装置１００の構成を示す。冷媒に浸漬される超電導磁石１０１は、冷媒型超電導磁石１０１とも呼ばれる。冷媒型超電導磁石（超電導コイル）１０１を励磁するには、冷媒型超電導磁石１０１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１０２が取り付けられ、このガス冷却型電流リード１０２を介して超電導装置１００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１０２の導体が発熱するので、ガス冷却型電流リード１０２は、超電導磁石１０１を浸漬している冷媒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。
特許文献１は、このような冷媒型超電導磁石を冷却する超電導コイル冷却装置を開示している。

特許文献１の超電導コイル冷却装置は、超電導コイルと寒剤を収容する寒剤槽と、その外周において前記寒剤槽を真空状態で包囲する真空槽とを備え、前記寒剤槽に前記寒剤の供給を行う供給管が設けられた超電導コイル冷却装置において、前記供給管に、前記寒剤の蒸発ガスと同一の寒剤ガスを供給するガス導入手段を設けたことを特徴とするものである。

次に、図６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２０２という）を用いて冷却される超電導磁石２０１を備える超電導装置２００の構成を示す。冷凍機２０２に接続される超電導磁石２０１は、無冷媒型超電導磁石（超電導コイル）２０１とも呼ばれる。図６に示すように、無冷媒型超電導磁石２０１を励磁するには、無冷媒型超電導磁石２０１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２０１に接続される電流リード２０５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２０１を励磁するための通電による電流リード２０４，２０５の発熱は、無冷媒型超電導磁石２０１を冷却するために設けられた冷凍機２０２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２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２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３−２３５３０６号公報 特開平９−２２３６２１号公報

特許文献１に開示される冷媒型超電導磁石を励磁する場合、図５の超電導装置１００に示すように、電源からの電流が電流リード１０２を通じて超電導コイル１０１に供給される。しかし、電流供給時に電流リード１０２の電気抵抗によって発生するジュール熱が、液体ヘリウムに侵入してその蒸発量を増加させてしまうという問題がある。
これに加えて、電流供給時以外にも、外部（室温）からの熱が電流リード１０２を伝わって液体ヘリウムに侵入するという問題があるので、超電導磁石１０１が励磁された永久電流モードとなった後は、電流リード１０２は超電導コイル１０１から切り離されて超電導装置１００から引き抜かれることが多い。このような着脱可能な電流リードを用いる場合、超電導コイル側の接続端子と電流リード側の接続端子の間の接触抵抗が大きくなり、通電中のジュール発熱が大きくなるという問題がある。さらに、超電導装置に対して電流リードを抜き差しする際に超電導装置内に空気が侵入するので、空気中の水分によって電流リード側の接続端子が凍りついてしまい、電流リードと超電導コイルの接続ができなくなるという問題も生じうる。

また、特許文献２に開示される無冷媒型超電導磁石では、冷媒型超電導磁石と異なり超電導コイルが真空槽の中に設置されるため、脱着式の電流リードを真空容器内の超電導コイルに対して脱着する際には真空容器の真空を破る必要がある。従って、無冷媒型超電導磁石を備える超電導装置は、超電導磁石が励磁された永久電流モードとなって超電導磁石への電流供給が終了した後であっても、真空槽の真空を保つために電流リードが装着されたままの状態で運転されている。このように電流リードが装着されたままの状態では、室温からの熱が電流リードを介して真空槽内へ継続的に侵入するという問題が生じる。

これら問題に加えて、特許文献２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、熱力学温度にして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２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、図６に示すように超電導コイル２０１を収納する真空容器２０３の内部に電気式断路器を設け、その断路器の接続部材に電流リード２０４を接続するという方法が考案されている。

しかし、特許文献２に開示の断路器を用いた方法でも、特許文献１と同様に超電導コイル側の端子と電流リード側の端子の間の接触抵抗は大きく、通電中のジュール発熱が大きくなるという問題がある。また、上述の断路器は、伸縮ベローズの伸縮によって断続されるが、ベローズを縮めるには内部を排気する必要があり、断路器を閉じるためには真空近くまで排気してベローズを縮ませる必要がある。このため、ベローズに対する応力負荷が大きくなり、ベローズの機能を劣化させずに維持することが難しいという問題もある。

このように従来の超伝導装置では、通電時及び非通電時の両方において電流リードが原因となる超伝導装置への熱の侵入を抑制することが困難である。
そこで本発明は、電流リードを用いて供給された電流によって超電導コイルが励磁される超電導装置であって、通電時及び非通電時の両方において電流リードが原因となる超伝導装置への熱の侵入を抑制することができる超電導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て超電導転移温度以下に冷却される超電導コイルと、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リードとを有する超電導装置であって、前記超電導装置は、前記収納容器の内部から空間的に隔離された別槽を備え、前記電流リードは、前記超電導コイルに電気的に接続されると共に、前記別槽内において前記収納容器の外部に露出する第１の面接触部を有する内部電流リードと、前記内部電流リードとは別体であって、前記別槽内におい
て前記内部電流リードの第１の面接触部と接続可能な第２の面接触部を有する外部電流リードと、を備え、前記内部電流リードと外部電流リードは、前記第１の面接触部と前記第２の面接触部が面接触することによって、互いに接続されることを特徴とする。

ここで、前記電流リードは、前記第１の面接触部と前記第２の面接触部を締結することで前記第１の面接触部と前記第２の面接触部の間の面接触に圧力を加える締結手段を備えるとするとよい。
また、前記別槽は、前記収納容器の外部に向かう開口を有し、前記別槽内に露出する第１の面接触部は、前記収納容器の外部から前記別槽の開口を経て目視可能な状態にあるとするとよい。

さらに、前記別槽を排気する排気手段を備えるとするとよい。
また、本発明に係る超電導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て超電導転移温度以下に冷却される超電導コイルと、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リードとを有する超電導装置であって、前記超電導装置は、前記収納容器の内部から空間的に隔離されると共に隔壁を介して収納容器の内部に対する気密性が保持された別槽を備え、前記電流リードは、前記超電導コイルに電気的に接続されると共に、前記別槽内において前記収納容器の外部に露出する第１の面接触部を有する内部電流リードと、前記内部電流リードとは別体であって、前記別槽内において前記内部電流リードの第１の面接触部と接続可能な第２の面接触部を有する外部電流リードと、を備え、前記内部電流リードと外部電流リードは、前記第１の面接触部と前記第２の面接触部が面接触することによって、互いに接続されるものであって、前記別槽は、前記収納容器の外部に向かう開口を有すると共に、前記収納容器を覆う真空容器よりも外側に突出していて、前記別槽内であって前記真空容器より外側に、前記内部電流リードに供えられた第１の面接触部が露呈しており、前記別槽内に露出する第１の面接触部は、前記真空容器の外部から前記別槽の開口を経て目視可能な状態にあることを特徴とする。

本発明による超電導装置によれば、通電時及び非通電時の両方において電流リードが原因となる超伝導装置への熱の侵入を抑制することができる。

本発明の第１実施形態による超電導装置の非通電時における概略構成を示す図である。 本発明の第１実施形態による超電導装置の通電時における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の非通電時における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の通電時における概略構成を示す図である。 従来の超電導装置の概略構成を示す図である。 従来の超電導装置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及び図２を参照して、本発明の第１実施形態による超電導装置１０について説明する。図１及び図２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１０の構成を説明する。

超電導装置１０は、収納容器１と、収納容器１に収納された超電導コイル２と、超電導コイル２を超電導転移温度以下に冷却する冷却手段３と、収納容器１を包囲する冷却シールド１１と、冷却シールド１１で包囲された収納容器１を真空の内部に保持する真空容器４と、真空容器４から収納容器１の内部へ貫通する通電用チューブ１２と、超電導コイル２に電気的に接続されると共に通電用チューブ１２内に配置される内部電流リード５と、通電用チューブ１２内で内部電流リード５に接続されて電流を外部から超電導コイル２に供給する外部電流リード６とを有する。

収納容器１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１は、後に説明する超電導コイル２を収納すると共に冷却手段３も収納し、これによって、収納容器１内の超電導コイル２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、熱力学温度にして数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１を室温に置いた場合、室温から収納容器１内へ熱が侵入するので、収納容器１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１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４内に保持されると共に、後述する冷却シールド１１で包囲され覆われる。

真空容器４は、収納容器１と同様に、例えばステンレス鋼など、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２を収納する収納容器１を内部に保持する。真空容器４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１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１を保持する。
冷却シールド１１は、例えばアルミの薄板やアルミ蒸着フィルムなどで形成されており、超電導コイル２を収納する収納容器１の外周全体を包囲し覆うものである。冷却シールド１１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１の外表面を包囲することで、超電導装置１０が設置された環境からの輻射熱が収納容器１内に侵入しないように遮蔽する。

超電導コイル２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１内に収容される。超電導転移温度以下で超電導コイル２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となった超電導コイル２を流れ続ける。超電導コイル２は、この永久電流が引き起こす電磁誘導によって磁場を発生する。

また、超電導コイル２は、収納容器１の外部から電流の供給を受けるための導線（ケーブル）１３と、ケーブル１３の先端に設けられた後述する内部電流リード５とを有しており、ケーブル１３及び内部電流リード５とも収納容器１内に収納される。ケーブル１３と内部電流リード５のうち、少なくともケーブル１３は、超電導コイル２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３は、例えば、沸点４.２２Ｋのヘリウムが液化された液体ヘリウムであり、超電導コイル２を冷却する。冷却手段３である液体ヘリウム（以下、液体ヘリウム３という）は、超電導コイル２を収納する収納容器１内に注入される。図１に示すように、液体ヘリウム３を超電導コイル２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２を冷却することができる。このとき、超電導コイル２のケーブル１３の全体と内部電流リード５の一部も液体ヘリウム３に浸漬されるのが望ましい。

上述のように、超電導コイル２は、収納容器１、冷却シールド１１、及び真空容器４で３重に密閉されているが、超電導コイル２に電流を供給するには、超電導装置１０の外部から、つまり真空容器４の外部から電流を供給しなくてはならない。そこで、超電導装置１０は、収納容器１内の超電導コイル２に、真空容器４の外部の電源から電流を供給するための電流リード（内部電流リード５及び外部電流リード６）を設ける通電用チューブ１２を備えている。

図１に示すように、通電用チューブ１２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ており、例えば円筒形状などの中空で両端が開放された長尺の筒状や管状の管体である。管状の通電用チューブ１２は、真空容器４から収納容器１へ向かって、真空容器４、冷却シールド１１、及び収納容器１を貫通するように設けられる。

図１に示すように、通電用チューブ１２は、当該チューブ１２の内部空間を一方端側と他方端側とに分割する隔壁１４を有している。隔壁１４は、通電用チューブ１２の内径とほぼ同じ径を有する円板状の部材であり、通電用チューブ１２の内壁と一体となって中空の内部空間を２分割する。この隔壁１４を有する通電用チューブ１２を、図１に示すように真空容器４、冷却シールド１１、及び収納容器１を貫通するように設けると、通電用チューブ１２内部で隔壁１４によって２分割された内部空間の一方は、収納容器１の内部の空間と連続し、該内部空間の他方は、真空容器４の外部の空間と連続する別槽１５となる。この別槽１５は、収納容器１の内部から空間的に隔離されて収納容器１の外部に向かう開口を有し、通電用チューブ１２の内部において、収納容器１の内部の空間と隔壁１４で隔てられ隣り合う。

隔壁１４は、上述のように通電用チューブ１２内において、収納容器１の内部から空間的に隔離された別槽１５を形成するが、後述する内部電流リード５を設けるための貫通孔を形成している。この貫通孔については後述する。
超電導装置１０は、超電導コイル２に外部の電源から電流を供給するための導体である電流リードを備える。電流リードは、上述の通電用チューブ１２を通じて、外部の電源と収納容器１内の超電導コイル２を電気的に接続する導体であり、内部電流リード５及び外部電流リード６の２つの導体が電気的に接続されることで構成される。

内部電流リード５は、銅などの良導電性の金属で形成された長尺の棒状又は線状の部材であって、一端が、超電導コイル２のケーブル１３に電気的に接続されており、他端は、通電用チューブ１２の隔壁１４に形成された貫通孔を通り、別槽１５内において収納容器１の外部に向かって露出している。このとき、内部電流リード５と貫通孔の間は、内部電流リード５と隔壁１４を絶縁かつ断熱しつつ気密を保持し、且つ隔壁１４に対して内部電流リード５を保持するシール部材（絶縁真空シール）７で満たされる。

内部電流リード５は、図１に示すように、別槽１５に露出した端部に、後述する外部電流リード６と電気的に接続する接続端子としての凸形状の内部端子８を形成しており、内部端子８の凸形状の外表面に面接触部（第１の面接触部）９を有している。この面接触部９を有する内部端子８は、別槽１５内に露出することで、超電導装置１０のオペレータにとって、収納容器１の外部から別槽１５の開口を経て目視可能な状態となっている。面接触部９の形状は、後述する外部電流リード６が有する面接触部（第２の面接触部）１７の形状と共に、後に説明する。

外部電流リード６は、銅などの良導電性の金属で形成された長尺の棒状又は線状の部材であって、図１に示すように、一端に、内部電流リード５の面接触部９と電気的に接続する接続端子としての凹形状の外部端子（二股形状の外部端子）１６を有しており、外部端子１６の凹形状の内表面に面接触部（第２の面接触部）１７を有している。外部電流リード６は、面接触部１７が設けられた凹形状の外部端子１６の２つの脚部の内表面を、面接触部９が設けられた凸形状の内部端子８の外表面に噛み合わせるように接続することで、内部電流リード５と一体となった電流リードを構成する。

電流リードは、内部電流リード５の面接触部９と外部電流リード６の面接触部１７が面接触することによって、互いに接続される。この面接触とは、外部電流リード６の面接触部１７（又は内部電流リード５の面接触部９）が、内部電流リード５の面接触部９（又は外部電流リード６の面接触部１７）の形状に沿った形状を有し、面接触部９，１７が互いに密に重なり合うように接触することである。例えば、内部電流リード５の面接触部９が平面であれば、外部電流リード６の面接触部１７も平面であり、また、面接触部９が湾曲面であれば、面接触部１７も同様の曲率で湾曲した湾曲面である。

図２に示すように、内部電流リード５と外部電流リード６からなる電流リードは、互いに面接触する内部端子８と外部端子１６を締結することで、内部端子８の面接触部９と外部端子１６の面接触部１７の面接触に圧力を加える締結手段１８を備える。締結手段１８は、互いに面接触する面接触部９と面接触部１７に対して、面接触する相手に向かう押圧力を付与する手段であって、面接触部９と面接触部１７に圧力を加えて密着させて、面接触部９と面接触部１７の接触部分で生じる電気抵抗を低減させる。

締結手段１８は、外部電流リード６の凹形状の外部端子１６において、面接触部１７を貫通するように該凹形状の２つの脚部にそれぞれ設けられた第１のボルト穴と、内部電流リード５の内部端子８において、外部端子１６の第１のボルト穴に対応する位置に、面接触部９を貫通するように設けられた第２のボルト穴と、第１のボルト穴に螺合されるボルトとを有する。尚、外部端子１６の脚部に設けられた２つの第１のボルト穴のうち、一方の第１のボルト穴にはボルト用のタップが切られているが、第２のボルト穴にはボルト用のタップが切られていない。

ここで、第１のボルト穴が設けられた外部端子１６の内表面を、第２のボルト穴が設けられた内部端子８の外表面に噛み合わせて、第１のボルト穴と第２のボルト穴が連通するように外部端子１６と内部端子８を位置合わせし、内部端子８の面接触部９と外部端子１
６の面接触部１７を面接触させる。このとき、内部端子８と外部端子１６は、凸状の内部端子８が凹状の外部端子１６の２つの脚部に挟まれるように互いに接続され、第２のボルト穴も２つの第１のボルト穴に挟まれる。このように内部端子８と外部端子１６を接続した後に、ボルトを第１のボルト穴に螺合させると共に第２のボルト穴を貫通させる。このボルトを締めれば、互いに面接触する内部端子８と外部端子１６を締結することができ、さらに締めると、内部端子８の面接触部９と外部端子１６の面接触部１７の面接触に圧力を加えて密着させることができる。

ボルトを十分に締め付けた後、ボルトを挿入した第１のボルト穴とは反対側の第１のボルト穴から突き出したボルトの先端をナットで留めれば、より確実に内部端子８の面接触部９と外部端子１６の面接触部１７の面接触に圧力を加えて密着させることができる。尚、第１のボルト穴にも第２のボルト穴にもボルト用のタップを切らない場合であっても、第１のボルト穴と第２のボルト穴にボルトを挿入し、ナットを用いて外部端子１６を内部端子８に向かって締め付ければ、内部端子８の面接触部９と外部端子１６の面接触部１７の面接触に圧力を加えて密着させることができる。

ここで、ボルト及びナットは、内部電流リード５及び外部電流リード６の面接触部９，１７と同じ材質の導電性の金属で構成されていると好ましい。また、上述の説明では、内部端子８と外部端子１６をボルト及びナットで締結する例を説明したが、面接触部９と面接触部１７の面接触に圧力を加えて密着させることができれば、ボルト及びナットを用いる必要はない。

例えば、凹形状の外部端子１６の２つの脚部の内表面に設けられた面接触部１７を肉盛して、２つの脚部の間隔を凸状の内部端子８の幅とほぼ同じになる程度にまで狭める。このように構成された外部端子１６の２つの脚部の間に内部端子８を押し込めば、外部端子１６の２つの脚部の弾性によって内部端子８を挟むことができ、ボルト及びナットを用いなくとも面接触部９と面接触部１７の面接触に圧力を加えて密着させることができる。

図１を参照して、通電用チューブ１２の構成について、説明を補足する。通電用チューブ１２の隔壁１４よりも収納容器１側には、収納容器１内のヘリウムガスを排出するヘリウムガス排出管１９Ａが設けられている。超電導コイル２を冷却する液体ヘリウムは、収納容器１内で徐々に気化して蒸発する。気化したヘリウムガスは、通電用チューブ１２内を上昇しながら、通電用チューブ１２内の、内部電流リード５を冷却し、ヘリウムガス排出管１９Ａから排出される。

これに加えて、別槽１５には、別槽１５内を排気するための真空ポンプが真空排気管１９Ｂを介して設けられており、真空排気管１９Ｂの途中には、別槽１５内に不活性ガスである窒素ガスを供給する窒素ガス供給管１９Ｃが接続されている。真空排気管１９Ｂ及び窒素ガス供給管１９Ｃには、それぞれ開閉バルブが設けられており、窒素ガス供給管１９Ｃは、真空排気管１９Ｂの開閉バルブよりも別槽１５寄りに接続されている。内部電流リード５と外部電流リード６を接続しないときは、別槽１５の開口を気密に閉じるための蓋である真空シール蓋Ｌで別槽１５の開口を閉じて、真空ポンプによって別槽１５を排気する。

以下、図１及び図２を参照して、上述の構成を有する超電導装置１０の動作について説明する。
まず、図１に示すように、超電導装置１０は、液体ヘリウムによって超電導転移温度以下にまで冷却された超電導コイル２がまだ励磁されておらず、別槽１５は真空シール蓋Ｌで閉じられて真空に排気されている状態にある。この状態の超電導装置１０において、内部電流リード５の内部端子８は、真空の別槽１５内に露出しているので、別槽１５の外部の室温が内部端子８に伝わることはない。つまり、超電導装置１０は、室温が内部電流リード５を介して収納容器１内へ侵入することのほとんどない状態にある。

この状態の超電導装置１０において、窒素ガス供給管１９Ｃから別槽１５内に窒素ガスを供給して別槽１５内の真空を解き、別槽１５の開口から真空シール蓋Ｌを取り除いて、別槽１５を超電導装置１０の外部に開放する。この別槽１５の開放によって、別槽１５内の内部端子８は、超電導装置１０及び収納容器１の外部から別槽１５の開口を経て目視可
能な状態となる。

続いて、図２に示すように、電源に接続された外部電流リード６の外部端子１６が、別槽１５内に露出した内部端子８に接続され、締結手段１８によって、外部端子１６の面接触部１７と内部端子８の面接触部９が密に接すると共に固定される。
外部電流リード６が内部電流リード５に接続されると、電源から超電導コイル２に電流が供給され、超電導コイル２が励磁される。この際、電流が流れる電流リードは、外部端子１６と内部端子８の接触部分での電気抵抗を含む電流リード自体の電気抵抗によるジュール熱で温度が上昇するが、内部電流リード５は、収納容器１内で徐々に気化して蒸発したヘリウムガスによって冷却される。

超電導コイル２の励磁が完了して永久電流モードとなれば、電源から超電導コイル２への電流の供給を停止して、再び外部電流リード６を内部電流リード５から切り離す。図１に示すように、外部電流リード６を切り離した後、別槽１５の開口を真空シール蓋Ｌで閉じて真空ポンプによって別槽１５を排気し、別槽１５内を再び真空にする。こうすることで、内部電流リード５の内部端子８の温度を室温より下げることが可能となると共に、内部電流リード５を介した室温の収納容器１内への侵入を抑制することができる。

以上に述べたとおり、本実施形態による超電導装置１０は、外部電流リード６と内部電流リード５に分けられた電流リードを、真空に排気できる別槽１５内で接続するように構成したことで、非通電時において、内部電流リード５を介した室温の収納容器１内への侵入を抑制することができる。また、電流リードを、内部電流リード５の内部端子８と外部電流リード６の外部端子１６を締結手段１８で接続及び固定するように構成したことで、外部端子１６と内部端子８の接触部分での電気抵抗を低減することができ、通電時におけるジュール熱の発生を減少させることができる。特に、別槽１５は、別槽１５の外部から別槽１５内の内部端子８が目視可能となっているので、超電導装置１０のオペレータは、容易かつ確実に締結手段１８を操作して、内部電流リード５の内部端子８と外部電流リード６の外部端子１６を接続及び固定し確認することができる。

［第２実施形態］
図３及び図４を参照して、本発明の第２実施形態による超電導装置２０について説明する。図３及び図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２０の概略構成を示す図である。
まず、図３を参照して、超電導装置２０の構成を説明する。

超電導装置２０は、収納容器１と、収納容器１に収納された超電導コイル２と、収納容器１の外表面が室温の大気と触れないように収納容器１を内部に保持する真空容器４と、超電導コイル２を超電導転移温度以下に冷却する冷却手段２１とを有する。また、超電導装置２０は、超電導コイル２に対して外部の電源から電流を供給するために、第１実施形態で説明した電流リードとほぼ同様の構成の電流リードを備えている。本実施形態による収容容器１、超電導コイル２、真空容器４、及び電流リードは、第１実施形態で説明したものと同様の構成であるので説明を省略する。

冷却手段２１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２１である冷凍機（以下、冷凍機２１という）は、棒状かつ長尺であって、一端側に圧縮機等を含む駆動部２２が設けられ、さらに、駆動部２２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２３を有し、他端側に第２段ステージ２４を有する２段構成となっている。第１段ステージ２３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２４は、４Ｋ程度にまで冷却可能な熱交換部である。

図３に示すように、冷凍機２１は、真空容器４の外部から真空容器４と収納容器１を貫通して、第２段ステージ２４を収納容器１の内部で保持している。冷凍機２１の駆動部２２は真空容器４の貫通孔の周囲で気密に保持され、第１段ステージ２３は収納容器１に密に接続され、第２段ステージ２４は収納容器１の内部で超電導コイル２に密に接続されている。図３に示すように、超電導コイル２が第２段ステージ２４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２を冷却することができる。

ここで、図３に示すように、超電導コイル２は、電流を超電導コイル２へ供給するためのリード線２５、及び内部電流リード５に接続するケーブル２６とリード線２５を電気的に結合する結合素子２７を有している。結合素子２７は、リード線２５に接続されると共にケーブル２６にも接続されて、リード線２５とケーブル２６を電気的に接続する。この結合素子２７は、冷凍機２１に接合されることで、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４の外部の室温から内部電流リード５及びケーブル２６を伝わって侵入する熱を冷凍機２１へ誘導することで、超電導コイル２への室温の伝導を抑制する。ここで、ケーブル２６は、超電導体から形成される必要はなく、銅などの良導電性の金属で形成されていればよい。

図３を参照して、超電導装置２０は、第１実施形態で説明した電流リードと同様の構成を有する電流リード（内部電流リード５及び外部電流リード６）を有しており、超電導装置２０の内部に、ケーブル２６に電気的に接続された内部電流リード５を設けている。
内部電流リード５は、真空容器４に設けられた貫通孔を通り、真空容器４の外部に向かって露出している。このとき、内部電流リード５と貫通孔の間は、内部電流リード５と真空容器４を絶縁かつ断熱しつつ気密を保持し、且つ真空容器４に対して内部電流リードを保持するシール部材（絶縁真空シール）７で満たされる。

真空容器４の内部から突き出した内部電流リード５の内部端子８を、例えば円筒形状などの中空で筒状や管状の管体として形成された隔壁２８で包囲する。この隔壁２８は、真空容器４と同様に、例えばステンレス鋼など、機械強度及び耐腐食性に優れた材料で形成されており、内部電流リード５の内部端子８を包囲しつつ真空容器４と一体となっている。この隔壁２８で取り囲まれた真空容器４の外面と隔壁２８は、真空容器４の外部の空間と連続する別槽１５を形成する。この別槽１５は、第１実施形態で説明した別槽１５と同様のものであり、超電導装置２０の内部から空間的に隔離されて超電導装置２０の外部に向かう開口を有し、超電導装置２０の内部の空間と真空容器４の壁面で隔てられ隣り合う。

これによって超電導装置２０は、内部で内部電流リード５の内部端子８が露出する別槽１５を備えると共に、超電導装置２０のオペレータにとって、超電導装置２０の外部から別槽１５の開口を経て内部端子８を目視可能な状態となっている。
この別槽１５に対して、第１実施形態と同様に、別槽１５内を排気するための真空ポンプを真空排気管１９Ｂを介して設け、真空排気管１９Ｂの途中に、不活性ガスである窒素ガスを別槽１５内へ供給する窒素ガス供給管１９Ｃを接続する。さらに、超電導装置２０は、内部電流リード５と外部電流リード６を接続しないときに別槽１５の開口を気密に閉じるための真空シール蓋Ｌを備えることで、第１実施形態の超電導装置１０と同様の動作で超電導コイル２を励磁できる。

以下、図３及び図４を参照して、上述の構成を有する超電導装置２０の動作について説明する。
まず、図３に示すように、超電導装置２０は、冷凍機２１によって超電導転移温度以下にまで冷却され超電導コイル２がまだ励磁されておらず、別槽１５は真空シール蓋Ｌで閉じられて真空に排気されている状態にある。この状態の超電導装置２０において、内部電流リード５の内部端子８は、真空の別槽１５内に露出しているので、別槽１５の外部の室温が内部端子８に伝わることはない。つまり、超電導装置２０は、室温が内部電流リード５を介して収納容器１内へ侵入することのほとんどない状態にある。

この状態の超電導装置２０において、窒素ガス供給管１９Ｃから別槽１５内に窒素ガスを供給して別槽１５内の真空を解き、別槽１５の開口から真空シール蓋Ｌを取り除いて、別槽１５を超電導装置２０の外部に開放する。この別槽１５の開放によって、別槽１５内の内部端子８は、超電導装置２０及び収納容器１の外部から別槽１５の開口を経て目視可能な状態となる。

続いて、図４に示すように、電源に接続された外部電流リード６の外部端子１６が、別槽１５内に露出した内部端子８に接続され、締結手段１８によって、外部端子１６の面接触部１７と内部端子８の面接触部９が密に接すると共に固定される。
外部電流リード６が内部電流リード５に接続されると、電源から超電導コイル２に電流が供給され、超電導コイル２が励磁される。この際、電流が流れる電流リードは、外部端子１６と内部端子８の接触部分での電気抵抗を含む電流リード自体の電気抵抗によるジュール熱で温度が上昇するが、内部電流リード５が発生するジュール熱は、ケーブル２６及び結合素子２７を伝わって冷凍機２１へ吸収される。

超電導コイル２の励磁が完了して永久電流モードとなれば、電源から超電導コイル２への電流の供給を停止して、再び外部電流リード６を内部電流リード５から切り離す。図３に示すように、外部電流リード６を切り離した後、別槽１５の開口を真空シール蓋Ｌで閉じて真空ポンプによって別槽１５を排気し、別槽１５内を再び真空にする。こうすることで、内部電流リード５の内部端子８の温度を室温より下げることが可能となると共に、内部電流リード５を介した室温の収納容器１内への侵入を抑制することができる。

以上に述べたとおり、本実施形態による超電導装置２０は、第１実施形態による超電導装置１０と同様に、外部電流リード６と内部電流リード５に分けられた電流リードを、真空に排気できる別槽１５内で接続するように構成したことで、非通電時において、内部電流リード５を介した室温の収納容器１内への侵入を抑制することができる。また、電流リードを、内部電流リード５の内部端子８と外部電流リード６の外部端子１６を締結手段１８で接続及び固定するように構成したことで、外部端子１６と内部端子８の接触部分での電気抵抗を低減することができ、通電時におけるジュール熱の発生を減少させることができる。特に、別槽１５は、別槽１５の外部から別槽１５内の内部端子８が目視可能となっているので、超電導装置２０のオペレータは、容易かつ確実に締結手段１８を操作して、内部電流リード５の内部端子８と外部電流リード６の外部端子１６を接続及び固定し確認することができる。

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 収納容器
２ 超電導コイル
３ 冷却手段
４ 真空容器
５ 内部電流リード
６ 外部電流リード
７ シール部材（絶縁真空シール）
８ 内部端子
９ 面接触部（第１の面接触部）
１０，２０ 超電導装置
１１ 冷却シールド
１２ 通電用チューブ
１３ 導線（ケーブル）
１４ 隔壁
１５ 別槽
１６ 外部端子
１７ 面接触部（第２の面接触部）
１８ 締結手段
１９Ａ ヘリウム排気管
１９Ｂ 真空排気管
１９Ｃ 窒素ガス供給管
２１ 冷凍機
２２ 駆動部
２３ 第１段ステージ
２４ 第２段ステージ
２５ リード線
２６ ケーブル
２７ 結合素子
２８ 隔壁
Ｌ 真空シール蓋

Claims (3)

1. 収納容器と、前記収納容器に収納されて超電導転移温度以下に冷却される超電導コイルと、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リードとを有する超電導装置であって、
   前記超電導装置は、前記収納容器の内部から空間的に隔離されると共に隔壁を介して収納容器の内部に対する気密性が保持された別槽を備え、前記電流リードは、前記超電導コイルに電気的に接続されると共に、前記別槽内において前記収納容器の外部に露出する第１の面接触部を有する内部電流リードと、前記内部電流リードとは別体であって、前記別槽内において前記内部電流リードの第１の面接触部と接続可能な第２の面接触部を有する外部電流リードと、を備え、前記内部電流リードと外部電流リードは、前記第１の面接触部と前記第２の面接触部が面接触することによって、互いに接続されるものであって、
   前記別槽は、前記収納容器の外部に向かう開口を有すると共に、前記収納容器を覆う真空容器よりも外側に突出していて、
   前記別槽内であって前記真空容器より外側に、前記内部電流リードに供えられた第１の面接触部が露呈しており、
   前記別槽内に露出する第１の面接触部は、前記真空容器の外部から前記別槽の開口を経て目視可能な状態にある
   ことを特徴とする超電導装置。
2. 前記電流リードは、前記第１の面接触部と前記第２の面接触部を締結することで前記第１の面接触部と前記第２の面接触部の間の面接触に圧力を加える締結手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の超電導装置。
3. 前記別槽を排気する排気手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導装置。