JP6388789B2 - 超伝導電磁石 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導電磁石に関する。

従来、超伝導電磁石として特許文献１に記載されているものが知られている。この超伝導電磁石は、環状のコイルと、コイルを内部に収容するコイル枠と、コイルを冷却する冷凍機と、コイルを取り囲むヨーク（鉄心）と、を備えている。この超伝導電磁石では、コイルの外周側に配置されるヨークの壁面から荷重支持体が径方向に延びており、当該荷重支持体がコイル枠と接続されることによって、コイルの荷重が支持されている。

特開２０１０−２８７７９２号公報

ここで、従来、超伝導電磁石を小型化することが求められている。しかしながら、上述の超伝導電磁石では、コイル枠とヨークとの間において、荷重支持体が径方向に延びるように配置されている。これにより、荷重支持体が径方向に大きく張り出すことによって、コイルや荷重支持体を収容するヨークが大きくなってしまい、その結果、超伝導電磁石全体として大型化してしまうという問題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、小型化を図ることができる超伝導電磁石を提供することを目的とする。

本発明に係る超伝導電磁石は、環状のコイルと、コイルを覆うと共に、コイルの周方向に沿って延びる支持容器と、コイル及び支持容器のそれぞれの少なくとも一部を収容するヨークと、を備え、支持容器は、ヨークの外部において、コイルの外周側で切り欠かれた切欠部を有する。

本発明に係る超伝導電磁石では、ヨークは、コイル及び支持容器のそれぞれの少なくとも一部を収容している。すなわち、超伝導電磁石は、コイル及び支持容器の一部をヨークの内部に収容すると共に、他の一部をヨークの外部に出すような構成となっている。このように、コイル及び支持容器を外部に出した分だけ、ヨークを小さくすることができる。また、ヨークの外部では、コイルに対して外周側から内周側へ向かう電磁力が働く。従って、当該部分では、コイルを外周側から支持する必要がないため、支持容器は、ヨークの外部において、コイルの外周側で切り欠かれた切欠部を有する。このように、切欠部を設けることで支持容器の外周側への張り出し分の大きさを省略することができる。一方、ヨークの内部ではコイルの内周側から外周側へ向かう電磁力が働く。従って、コイルの変形を防ぐためには、ヨークの内部においてコイルの外周側で支持を行う必要がある。支持容器は、ヨークの内部では切欠部を有することなく、コイルを外周側から支持することができる構造となっている。このように、支持容器でコイルを外周側から支持することによって、例えば従来のように、コイルの電磁力を支持するための荷重支持体をヨーク内部に設けるような構成に比して、ヨークがコイルの外周側へ張り出すことを抑制することができる。以上より、超伝導電磁石の小型化を図ることができる。

本発明に係る超伝導電磁石は、ヨークの外部において支持容器に接続される荷重支持部を更に有してよい。荷重支持部をヨークの外部に配置することができるため、ヨークが大きくなることを抑制できる。また、ヨークの外部では、支持容器に切欠部が形成されることによって、切欠部が形成されていない領域に比して、支持容器の外周側への張り出し量が小さくなっている。このような切欠部形成領域にて荷重支持部が支持容器に接続されるため、荷重支持部の外周側への張り出し量も小さくすることができる。以上より、超伝導電磁石の小型化を図ることができる。

本発明に係る超伝導電磁石において、荷重支持部は、コイルの軸方向から支持容器を挟む一対の挟持部と、コイルの外周側において一対の挟持部に接続されると共に、構造体に接続される支柱部と、を備えてよい。このような構成により、荷重支持部の支柱部を、支持容器に近接させた位置に配置することで、荷重支持部の外周側への張り出し量を小さくすることができる。以上より、超伝導電磁石の小型化を図ることができる。

本発明に係る超伝導電磁石において、支持容器は、周方向において分割される分割部を有し、分割部は、ヨークの外部に設けられてよい。このような構造により、分割部に絶縁材料を配置することにより、周方向における支持容器の電気的なループを分割部で遮断することができ、渦電流の発生を抑制することができる。ここで、分割部では支持容器の強度が下がるため接続部材が必要となるが、当該接続部材がヨークの内部に配置された場合、その分だけ磁気回路の磁路が長くなり、ヨークを大きくする必要が生じる。一方、支持容器の分割部をヨークの外部に設けることによって、接続部材がヨークの外部に設けられることになり、ヨークの大型化を防ぐことができる。

本発明に係る超伝導電磁石は、支持容器内に設けられて、コイルを冷却する冷却部材を更に備え、冷却部材は、周方向において分割される分割部を有し、分割部は、ヨークの外部に設けられてよい。このような構造により、分割部に絶縁材料を配置することにより、周方向における冷却部材の電気的なループを分割部で遮断することができ、渦電流の発生を抑制することができる。また、ここで、分割部では冷却部材の強度が下がるため接続部材が必要となるが、当該接続部材がヨークの内部に配置された場合、その分だけ磁気回路の磁路が長くなり、ヨークを大きくする必要が生じる。一方、冷却部材の分割部をヨークの外部に設けることによって、接続部材がヨークの外部に設けられることになり、ヨークの大型化を防ぐことができる。

本発明に係る超伝導電磁石では、冷却部材は、ヨークの外部においてコイルの外周側へ張り出す張出部を有し、冷却部材は、張出部において冷凍機と接続されてよい。このような構成により、冷凍機と冷却部材とを接続するための構造がヨークの外部に配置されることによってヨークが大型化することを抑制することができる。

本発明に係る超伝導電磁石では、冷却部材の分割部は、周方向において、張出部の反対側に設けられていてよい。このような構成によれば、冷却部材において絶縁箇所となる分割部が、冷凍機が接続される位置に対して周方向の反対側に配置される構成となる。熱抵抗が高い絶縁箇所を冷凍機から離れた位置に配置することで、冷却部材全体の冷却効率を向上することができる。

本発明によれば、超伝導電磁石の小型化を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る超伝導電磁石を採用したマグネット装置を示す斜視図である。 図２は、図１に示す超伝導電磁石の概略構成を示す模式的な断面図である。 図３は、本発明の超伝導電磁石のコイルユニットを示す斜視図である。 図４は、コイルユニットの平面図である。 図５は、図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 図６は、図３のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 図７は、分割部の拡大斜視図である。 図８は、分割部の拡大斜視図である。 図９は、コイルの模式的な平面図である。 図１０は、冷却部材の分割部と支持容器の分割部の位置関係を説明するための断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による超伝導電磁石の一実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る超伝導電磁石を採用したマグネット装置を示す斜視図である。図２は、図１に示す超伝導電磁石の概略構成を示す模式的な断面図である。図３は、超伝導電磁石のコイルユニットを示す斜視図である。図４は、コイルユニットの平面図である。図５は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図６は、図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。図１に示すように、マグネット装置１００は、上下一対の超伝導電磁石１を対向配置すると共に、超伝導電磁石１を支持台１０１で支持することによって構成されている。超伝導電磁石１は、内部に図３に示すコイルユニット２を収容する真空容器であるクライオスタット３と、クライオスタット３の外側に設けられるヨーク４と、を備えている。上側の超伝導電磁石１のクライオスタット３と下側の超伝導電磁石１のクライオスタット３とは、互いに上下を逆転した状態で対向し、支柱６を介して互いに離間するように連結されている。また、図２に示すように、上側のクライオスタット３と下側のクライオスタット３とは、クライオスタット連結部材５１によって連結されている。マグネット装置１００は、一対のクライオスタット３の間を通過する荷電粒子線Ｂの軌道を切り替える偏向磁石として機能する。例えば、マグネット装置１００は、加速器から出射された荷電粒子線Ｂの軌道を、軌道Ｔ１と軌道Ｔ２との間で切り替えることができる。荷電粒子線Ｂを出射する加速器として、リングサイクロトロン、ＡＶＦサイクロトロン、シンクロトロン、ベータトロン等の円形加速器や、ライナック等の線形加速器などが挙げられる。

クライオスタット３は、矩形環状の形状を有している。ヨーク４は、このように構成されたクライオスタット３の少なくとも一部を収容するように構成される。図１及び図２に示すように、具体的には、クライオスタット３の長辺部分がヨーク４に取り囲まれると共に、クライオスタット３の短辺部分がヨーク４の端面４ａから外部に露出するように構成される。ヨーク４は、クライオスタット３を上方（下側のクライオスタット３の場合は下方）から覆う壁部４１と、クライオスタット３の長辺部分を外側から覆う側壁部４２と、クライオスタット３の中央の空洞部分に入り込む突出壁部４３と、を備えている。以上のような構成により、クライオスタット３の一部はヨーク４の内部に収容され、他の一部はヨーク４の外部に配置される。これによって、ヨーク４は、後述のコイル１０及び支持容器１１のそれぞれの少なくとも一部を収容する。また、コイル１０及び支持容器１１の他の一部はヨーク４の外部に配置される。

図３に示すように、超伝導電磁石１は、磁束を発生させるコイル１０（図５参照）を有するコイルユニット２と、コイルユニット２の荷重を支持する荷重支持部７と、コイルユニット２のコイル１０を冷却する冷凍機８と、コイルユニット２のコイル１０に電流を導入する電流導入部９と、を備えている。また、コイルユニット２は、環状のコイル１０と、コイル１０を覆う支持容器１１と、コイルを冷却する冷却部材１５と、を備えている。コイルユニット２は、コイル１０の形状に対応して、全体として環状に形成されている。本実施形態に係るコイルユニット２（すなわちコイル１０）は、平面視において略矩形状をなしている。コイルユニット２（コイル１０）は、周方向において少なくとも２以上の異なる曲率を有している。具体的には、コイルユニット２は、互いに対向する最大曲率部２Ａと、互いに対向する湾曲辺部２Ｂと、最大曲率部２Ａと湾曲辺部２Ｂとを接続するように湾曲する角部２Ｃと、を備えている。なお、本実施形態では、最大曲率部２Ａの曲率は無限大に設定されることで、最大曲率部２Ａは直線状に延びている。ただし、最大曲率部２Ａは、少なくとも湾曲辺部２Ｂ及び角部２Ｃよりも大きな曲率を有するように湾曲していてもよい。なお、コイルユニット２（コイル１０）の形状は特に限定されず、略Ｄ型の形状を有するＤ型コイルを採用してもよく、レーストラックコイルを採用してもよく、くら形コイルを採用してもよい。あるいは、コイル１０として、そら豆のような形状（長円形状を全体的に湾曲させたような形状であり、一方の長辺を外周側へ湾曲させ、他方の長辺を内周側に湾曲させたような形状）のコイルを採用してもよい。コイルユニット２（コイル１０）は中心に対して対称をなす形状を有していてもよく、非対称をなす形状を有していてもよい。なお、以降の説明においては、説明のために図３に示す状態の超伝導電磁石１の姿勢を基準として「上」「下」の語を用いる。ただし、超伝導電磁石１の姿勢は図３に示すものに限定されず、適宜変更してもよい。

コイル１０は、超伝導線材を巻回した構成を有している。超伝導線材として高温超伝導線材を用いてよい。高温超伝導線材として、例えばＢｉ２２２３、Ｂｉ２２１２、Ｙ１２３、ＭｇＢ２、酸化物超伝導体等を用いてよい。なお、超伝導線材として低温超伝導線材を用いてもよい。本実施形態では、一のコイルユニット２内において、二段のコイル１０が積層されている。

支持容器１１は、コイル１０を覆うと共に、コイル１０の周方向に沿って延びる環状の部材である。支持容器１１は、ＳＵＳ、アルミ合金やＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等によって構成されている。支持容器１１は、コイル１０の一の辺部の断面視（図５参照）において、コイル１０の周囲を覆うように構成されている。支持容器１１は、図３に示すコイル１０の中心軸ＣＬが延びる方向（軸方向）における一端側（ここでは上端）でコイル１０を覆う端壁部１２と、軸方向における他端側（ここでは下端）でコイル１０を覆う端壁部１３と、コイル１０の内周側でコイル１０を覆う内周壁部１４と、コイル１０の外周側でコイル１０を覆う外周壁部１６と、を備えている。端壁部１２は、コイル１０に対して、軸方向における一端側に積層され、コイル１０の一端面を覆う環状の板部材である。端壁部１３は、コイル１０に対して、軸方向における他端側に積層され、コイル１０の他端面を覆う環状の板部材である。内周壁部１４は、コイル１０の内周面を覆うように、コイル１０の内周側に配置される環状の部材である。なお、本実施形態では、内周壁部１４は、後述の各冷却部材１５同士の間に積層される二段構造を有している。外周壁部１６は、コイル１０の外周面を覆うように、コイル１０の外周側に配置される部材である。

ここで、本実施形態に係る支持容器１１は、周方向における一部において、コイル１０の外周側で切り欠かれた切欠部１７Ａ，１７Ｂを有している。切欠部１７Ａ，１７Ｂは、外周壁部１６を除くと共に、端壁部１２，１３の外周側の縁部を切り欠くことによって形成されている。切欠部１７Ａ，１７Ｂが形成された部分では、コイル１０の外周面が支持容器１１から露出している（特に、図３及び図６を参照）。

コイルユニット２のうち、最大曲率部２Ａに対応する領域では、切欠部が形成されることなく、コイル１０が外周側で支持容器１１に覆われている。最大曲率部２Ａの一端側における湾曲辺部２Ｂ及び角部２Ｃに対応する領域では、切欠部１７Ａが形成されることによって、コイル１０の外周面が露出している。最大曲率部２Ａの他端側における湾曲辺部２Ｂ及び角部２Ｃに対応する領域では、切欠部１７Ｂが形成されることによって、コイル１０の外周面が露出している。

図４に示すように、コイルユニット２のうち、周方向において切欠部１７Ａが形成された領域を切欠部形成領域ＧＥ１とする。コイルユニット２のうち、周方向において切欠部１７Ｂが形成された領域を切欠部形成領域ＧＥ２とする。コイルユニット２のうち、周方向において切欠部１７Ａ，１７Ｂが形成されておらず、支持容器１１の外周側の強度が確保されている領域を補強領域ＲＥ１，ＲＥ２とする。本実施形態では、湾曲辺部２Ｂ及び角部２Ｃが切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２に対応し、最大曲率部２Ａが補強領域ＲＥ１，ＲＥ２に対応する。なお、図１に示すように、コイルユニット２のうち、補強領域ＲＥ１，ＲＥ２がヨーク４に取り囲まれるように構成され、切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２がヨーク４の外側に配置されるように構成される。従って、コイルユニット２（すなわちコイル１０及び支持容器１１）のうち、最大曲率部２Ａに対応する部分がヨーク４の内部に収容され、湾曲辺部２Ｂ及び角部２Ｃに対応する部分がヨーク４の外部に配置される。なお、本実施形態では、切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２がヨーク４の外部に対応する領域であることを意味し、補強領域ＲＥ１，ＲＥ２がヨーク４の内部に対応する領域であることを意味する。図９に示す（詳細は後述する）ように、ヨーク４の内部に対応する領域ではコイル１０の内周側から外周側へ向かう電磁力Ｆ１が働き、当該領域に補強領域ＲＥ１，ＲＥ２が配置される。ヨーク４の外部に対応する領域には、コイル１０に対して外周側から内周側へ向かう電磁力Ｆ２が働き、当該領域に切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２が配置される。

なお、支持容器１１は、切欠部１７Ａ，１７Ｂにおいて、コイル１０が完全に露出するまで切り欠かれていなくともよい。切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２における支持容器１１の外周側の端面が、少なくとも補強領域ＲＥ１，ＲＥ２における支持容器１１の外周側の端面（すなわち外周壁部１６の外周側の端面）よりも内周側に配置されていればよい。

冷却部材１５は、冷凍機８と接続される部材であり、当該冷凍機８からの伝熱によってコイル１０を冷却する部材である。冷却部材１５は、良熱伝導金属である銅、アルミニウム、銅合金（真鍮やりん青銅等）、アルミニウム合金等によって構成される。冷却部材１５は、支持容器１１内に設けられている。冷却部材１５は、各コイル１０を軸方向の両側から挟み込むように複数（ここでは３枚）積層される、環状の板部材である。図５及び図６に示すように、本実施形態では、軸方向の一方（上方）から他方（下方）へ向かって、支持容器１１の端壁部１２、冷却部材１５、コイル１０、冷却部材１５、コイル１０、冷却部材１５、及び支持容器１１の端壁部１３の順で積層されている。なお、冷却部材１５の内周側の縁部は、コイル１０よりも内周側まで拡がっており、支持容器１１の内周面から露出している。また、支持容器１１の内周壁部１４は、冷却部材１５の内周側の縁部に挟まれるように配置される。

次に、支持容器１１及び冷却部材１５の分割構造について説明する。図７及び図８は、分割部の拡大斜視図である。

支持容器１１は、周方向において分割される分割部１８Ａ，１８Ｂを有する。分割部１８Ａは、切欠部形成領域ＧＥ１に設けられる。分割部１８Ｂは、切欠部形成領域ＧＥ２に設けられる。本実施形態では、分割部１８Ａ，１８Ｂは、湾曲辺部２Ｂの周方向における中央位置に形成されている。図７に示すように、分割部１８Ａは、支持容器１１の端壁部１２，１３に対して、内周側から外周側へ向かって延在するスリットを設けることによって構成される。当該スリットでは、端壁部１２，１３の一方の切断面と他方の切断面とが周方向に互いに離間して対向した状態となる。分割部１８Ａでは、当該スリットに絶縁材料３１が配置される。絶縁材料３１として、プラスチック、ＦＲＰ、セラミック（アルミナ等）、ポリイミド、ポリカーボネード等が採用される。これによって、分割部１８Ａで端壁部１２，１３の電気的なループが切断される。周方向における端壁部１２のスリットと端壁部１３のスリットとの位置は同一である。分割部１８Ａでは、分割された一方の端壁部１２，１３と他方の端壁部１２，１３とが、スリットを跨いで配置される連結部材３３によって連結される。なお、分割された一方の端壁部１２，１３を流れる電流が、連結部材３３を介して他方の端壁部１２，１３に流れないように、端壁部１２，１３と連結部材３３との間は絶縁材料を介在させることによって絶縁されている。なお、図中、グレースケールを付した部分は、絶縁材料であることを示している。連結部材３３は、ボルト締結などによって端壁部１２，１３に連結される。分割部１８Ｂにおいても、分割部１８Ａと同様な分割構造によって支持容器１１が分割されている。ただし、分割部１８Ｂでは、スリットに絶縁材料ではなく導電材料が配置されているため、端壁部１２，１３は電気的には分割されていない。

冷却部材１５は、周方向において分割される分割部２１Ａ，２１Ｂを有する。分割部２１Ａは、切欠部形成領域ＧＥ１に設けられる。分割部２１Ｂは、切欠部形成領域ＧＥ２に設けられる。本実施形態では、分割部２１Ａ，２１Ｂは、湾曲辺部２Ｂの周方向における中央位置に形成されている。すなわち、分割部２１Ａ，２１Ｂは、支持容器１１の分割部１８Ａ，１８Ｂと周方向において同位置に配置されている。図７に示すように、分割部２１Ａは、各冷却部材１５に対して、内周側から外周側へ向かって延在するスリットを設けることによって構成される。当該スリットでは、冷却部材１５の一方の切断面と他方の切断面とが周方向に互いに離間して対向した状態となる。分割部２１Ａでは、当該スリットに絶縁材料３１が配置される。絶縁材料３１として、プラスチック、ＦＲＰ、セラミック（アルミナ等）、ポリイミド、ポリカーボネード等が採用される。これによって、分割部２１Ａで冷却部材１５の電気的なループが切断される。周方向における各冷却部材１５のスリットの位置は互いに同一である。また、冷却部材１５に設けられるスリットの位置（すなわち分割部２１Ａの位置）は、支持容器１１に設けられるスリットの位置（すなわち分割部１８Ａの位置）と同一である。なお、ここでの「同一」とは、スリットの位置及び大きさが完全に一致している必要はなく、平面視において、支持容器１１のスリットの絶縁材料３１と冷却部材１５のスリットの絶縁材料３１が少なくとも一部で重なる程度に近接した位置に配置されていればよい。

冷却部材１５は、分割部２１Ａの位置（すなわち切欠部形成領域ＧＥ１）において、コイル１０の外周側へ張り出す張出部２２を有している。張出部２２は、分割された一方の冷却部材１５と、他方の冷却部材１５の両方に形成されている。張出部２２は、分割部２１Ａの位置から周方向に沿って所定距離延びるように設けられている。最上段の冷却部材１５の張出部２２、中段の冷却部材１５の張出部２２、及び最下段の冷却部材１５の張出部２２は、上下方向に延びる支柱２５によって互いに連結されている。

張出部２２は、分割部２１Ａの位置でコイル１０の軸方向へ延びるように屈曲する屈曲部２３を有している。図８に示すように、最上段の冷却部材１５の張出部２２には、上方へ延びるように屈曲する屈曲部２３が設けられる。最下段の冷却部材１５の張出部２２には、下方へ延びるように屈曲する屈曲部２３が設けられる。中段の冷却部材１５には屈曲部２３は設けられていない。分割された一方の冷却部材１５の屈曲部２３と他方の冷却部材１５の屈曲部２３とは、分割部２１Ａの位置において周方向に互いに対向している。対向する一対の屈曲部２３同士の間には、シート状の絶縁材料３２が配置される。絶縁材料３２として、プラスチック、ＦＲＰ、セラミック（アルミナ等）、ポリイミド、ポリカーボネード等が採用される。一対の屈曲部２３は、互いにボルト締結などによって連結されている。

分割部２１Ｂにおいても、分割部２１Ａと同様な分割構造によって冷却部材１５が分割されている。ただし、分割部２１Ｂでは、スリットには絶縁材料ではなく導電材料が配置され、屈曲部２３同士の間には絶縁材料ではなく導電材料が配置されているため、冷却部材１５は電気的には分割されていない。また、分割部２１で分割される一方の冷却部材１５の張出部２２Ａは、他の張出部２２に比して、周方向における延在距離が長い。この張出部２２Ａは、冷凍機８との接続部として機能する。従って、冷却部材１５は、張出部２２Ａにおいて冷凍機８と接続される。

上述のように構成されたコイルユニット２に対し、冷凍機８、及び電流導入部９は、切欠部形成領域ＧＥ２でコイルユニット２に接続される。本実施形態では、冷凍機８及び電流導入部９は、切欠部形成領域ＧＥ２のうち、湾曲辺部２Ｂの外周側に対応する位置に配置されている。

冷凍機８は、切欠部形成領域ＧＥ２において、伝熱接続部２６を介して冷却部材１５と熱的に接続される。伝熱接続部２６は、分割部２１Ｂ付近において外周側へ張り出している張出部２２Ａ（図４参照）に連結されている。本実施形態では、コイルユニット２に対して一つの冷凍機８が設けられている。また、冷却部材１５の分割部のうち、絶縁箇所に係る分割部２１Ａは、周方向において、冷凍機８が接続される張出部２２Ａの反対側に設けられている。すなわち、絶縁箇所に係る分割部２１Ａは、中心軸ＣＬを挟んで冷凍機８の反対側に形成されている。ここで、冷凍機８側に形成されている分割部２１Ｂは、熱抵抗の大きい絶縁材料ではなく、熱抵抗の小さい導電材料が配置されている。従って、冷凍機８は、一つであっても、分割部２１Ｂで妨げられることなく、コイルユニット２全体を良好に冷却することができる。

電流導入部９は、切欠部形成領域ＧＥ２において、導電接続部２７を介してコイル１０と電気的に接続される。本実施形態では、コイルユニット２に対して一つの電流導入部９が設けられている。また、支持容器１１の分割部のうち、絶縁箇所に係る分割部１８Ａは、周方向において、電流導入部９の反対側に設けられている。すなわち、絶縁箇所に係る分割部１８Ａ，２１Ａは、中心軸ＣＬを挟んで電流導入部９の反対側に形成されている。

荷重支持部７は、切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２で、支持容器１１に接続される。本実施形態では、切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２のうち、コイルユニット２の四隅の角部２Ｃに荷重支持部７が設けられる。荷重支持部７は、コイル１０の軸方向から支持容器１１を挟む一対の挟持部３６と、コイル１０の外周側において一対の挟持部３６に接続されると共に、ヨーク４に接続される支柱部３７と、を備えている。上側に配置される挟持部３６は、支持容器１１の端壁部１２の上面と当接すると共に、端壁部１２にボルト締結などによって連結されている。下側に配置される挟持部３６は、支持容器１１の端壁部１３の下面と当接すると共に、端壁部１３にボルト締結などによって連結されている。また、各挟持部３６の一部は、端壁部１２，１３よりも外周側へ向かって延在している。支柱部３７は、コイルユニット２の外周側の位置で上下方向に延びており、一対の挟持部３６に連結される。また、支柱部３７は上側の挟持部３６よりも上方へ延びて、構造体４０に接続される。なお、支柱部３７の接続対象物である構造体４０は、荷重を受けることができるものであれば特に限定されないが、クライオスタット３の壁面などであってよい。支柱部３７は下側の挟持部３６よりも下方へ延びて、クライオスタット３の壁面などの構造体に接続される。

以上のように、分割部１８Ａ，１８Ｂ、分割部２１Ａ，２１Ｂ、及び張出部２２は切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２に設けられ、荷重支持部７、張出部２２、冷凍機８、及び電流導入部９は、切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２にてコイルユニット２に接続されている。すなわち、分割部１８Ａ，１８Ｂ及び分割部２１Ａ，２１Ｂはヨーク４の外部に設けられ、張出部２２はヨーク４の外部にて外周側へ張り出している。また、荷重支持部７、張出部２２、冷凍機８、及び電流導入部９は、ヨーク４の外部にてコイルユニット２に接続されている。

次に、本実施形態に係る超伝導電磁石１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る超伝導電磁石１では、ヨーク４は、コイル１０及び支持容器１１のそれぞれの少なくとも一部を収容している。すなわち、超伝導電磁石１は、コイル１０及び支持容器１１の一部をヨーク４の内部に収容すると共に、他の一部をヨーク４の外部に出すような構成となっている。このように、コイル１０及び支持容器１１を外部に出した分だけ、ヨーク４を小さくすることができる。また、図９に示すように、ヨーク４の外部では、コイル１０に対して外周側から内周側へ向かう電磁力Ｆ２が働く。従って、当該部分では、コイル１０を外周側から支持する必要がないため、支持容器１１は、ヨーク４の外部において、コイルの外周側で切り欠かれた切欠部１７Ａ，１７Ｂを有する。このように、切欠部１７Ａ，１７Ｂを設けることで支持容器の外周側への張り出し分の大きさを省略することができる。一方、ヨーク４の内部ではコイル１０の内周側から外周側へ向かう電磁力Ｆ１が働く。従って、コイル１０の変形を防ぐためには、ヨーク４の内部においてコイル１０の外周側で支持を行う必要がある。支持容器１１は、ヨーク４の内部では切欠部１７Ａ，１７Ｂを有することなく、コイル１０を外周側から支持することができる構造となっている。このように、支持容器１１でコイルを外周側から支持することによって、例えば従来のように、コイル１０の電磁力を支持するための（棒状の）荷重支持体をヨーク内部に設けるような構成に比して、ヨーク４がコイル１０の外周側へ張り出すことを抑制することができる。以上より、超伝導電磁石１の小型化を図ることができる。

本実施形態に係る超伝導電磁石１は、ヨーク４の外部において支持容器１１に接続される荷重支持部７を更に有している。荷重支持部７をヨーク４の外部に配置することができるため、ヨーク４が大きくなることを抑制できる。また、ヨーク４の外部の切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２では、支持容器１１に切欠部１７Ａ，１７Ｂが形成されることによって、切欠部１７Ａ，１７Ｂが形成されていない補強領域ＲＥ１，ＲＥ２に比して、支持容器１１の外周側への張り出し量が小さくなっている。このような切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２にて荷重支持部７が支持容器１１に接続されるため、荷重支持部７の外周側への張り出し量も小さくすることができる。以上より、超伝導電磁石１の小型化を図ることができる。

本実施形態に係る超伝導電磁石１において、荷重支持部７は、コイル１０の軸方向から支持容器１１を挟む一対の挟持部３６と、コイル１０の外周側において一対の挟持部３６に接続されると共に、構造体４０に接続される支柱部３７と、を備えている。このような構成により、荷重支持部７の支柱部３７を、支持容器１１に近接させた位置に配置することで、荷重支持部７の外周側への張り出し量を小さくすることができる。例えば、図６に示すように、支柱部３７とコイル１０の外周面との間の寸法Ｌが可能な限り小さくなるように支柱部３７の位置を調整することにより、荷重支持部７の外周側への張り出し量を抑制することができる。なお、補強領域ＲＥ１，ＲＥ２に荷重支持部７を配置した場合、支持容器１１の外周壁部１６よりも外周側へ支柱部３７を配置する必要がある。従って、外周壁部１６の厚み分だけ、支柱部３７を外周側へ配置することにより、荷重支持部７の張り出し量が大きくなる。以上より、本実施形態によれば、超伝導電磁石１の小型化を図ることができる。

本実施形態に係る超伝導電磁石１において、支持容器１１は、周方向において分割される分割部１８Ａ，１８Ｂを有し、分割部１８Ａ，１８Ｂは、ヨーク４の外部である切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２に設けられている。このような構造により、分割部１８Ａに絶縁材料３１を配置することにより、周方向における支持容器１１の電気的なループを分割部１８Ａで遮断することができ、渦電流の発生を抑制することができる。ここで、分割部１８Ａ，１８Ｂでは支持容器１１の強度が下がるため接続部材が必要となるが、当該接続部材がヨーク４の内部に配置された場合、その分だけ磁気回路の磁路が長くなり、ヨーク４を大きくする必要が生じる。一方、支持容器１１の分割部１８Ａ，１８Ｂをヨーク４の外部に設けることによって、接続部材がヨーク４の外部に設けられることになり、ヨーク４の大型化を防ぐことができる。

本実施形態に係る超伝導電磁石１は、支持容器１１内に設けられて、コイル１０を冷却する冷却部材１５を更に備えている。冷却部材１５は、周方向において分割される分割部２１Ａ，２１Ｂを有し、分割部２１Ａ，２１Ｂは、ヨーク４の外部である切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２に設けられている。このような構造により、分割部２１Ａに絶縁材料３１を配置することにより、周方向における冷却部材１５の電気的なループを分割部２１Ａで遮断することができ、渦電流の発生を抑制することができる。ここで、分割部２１Ａ，２１Ｂでは冷却部材１５の強度が下がるため接続部材が必要となるが、当該接続部材がヨーク４の内部に配置された場合、その分だけ磁気回路の磁路が長くなり、ヨーク４を大きくする必要が生じる。一方、分割部２１Ａ，２１Ｂをヨークの外部に設けることによって、接続部材がヨークの外部に設けられることになり、ヨークの大型化を防ぐことができる。また、冷却部材１５の分割部２１Ａ，２１Ｂを切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２に設けることによって、次の効果を奏する。絶縁材料３１は熱伝導率が悪い（冷却部材１５よりも低い）ため、冷却部材１５の分割部２１Ａにて温度差が生じてしまうおそれがある。これを防止するために、伝熱面積を大きくとる方法、すなわち、冷却部材１５及び絶縁材料３１を大きくする方法が考えられるが、この場合、ヨーク４も大きくする必要が生じてしまう。従って、分割部２１Ａをヨーク４の外部に設けることで、ヨーク４の大型化を防ぎつつ、分割部２１Ａにおける温度差の発生を抑制することができる。

本実施形態に係る超伝導電磁石１では、冷却部材１５は、切欠部形成領域ＧＥ１，ＧＥ２においてコイル１０の外周側へ張り出す張出部２２を有し、冷却部材１５は、張出部２２において冷凍機８と接続されている。このような構成により、冷凍機８と冷却部材１５とを接続するための構造が、外周側へ張り出すことを抑制できる。

本実施形態に係る超伝導電磁石１では、絶縁箇所に係る冷却部材１５の分割部２１Ａは、周方向において、冷凍機８が接続される張出部２２Ａの反対側に設けられていている。このような構成によれば、冷却部材１５において絶縁箇所となる分割部２１Ａが、冷凍機８が接続される位置に対して周方向の反対側に配置される構成となる。熱抵抗が高い絶縁箇所を冷凍機８から離れた位置に配置することで、冷却部材１５全体の冷却効率を向上することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、冷却部材１５の分割部２１Ａ，２１Ｂと支持容器１１の分割部１８Ａ，１８Ｂとが周方向において同一の位置に配置されていた。すなわち、冷却部材１５の絶縁箇所と支持容器１１の絶縁箇所が周方向において同一の位置に配置されていた。これに代えて、冷却部材１５の絶縁箇所（すなわち分割部）と支持容器１１の絶縁箇所（すなわち分割部）を周方向における異なる位置に配置してもよい。ただし、この場合、図１０（ｂ）に示すように、支持容器１１と冷却部材１５との間で電気的なループ（図においてＬＰで示す）が形成されないように、冷却部材１５と支持容器１１との間に絶縁材料３１や高抵抗材料を配置する。一方、図１０（ａ）に示すように、冷却部材１５の絶縁箇所と支持容器１１（端壁部１２）の絶縁箇所の位置が同一である場合、図１０（ｂ）のような電気的なループは形成されないので、冷却部材１５と支持容器１１との間の絶縁材料を配置しなくともよい。

上述の実施形態では、荷重支持部として、挟持部３６及び支柱部３７を備える構成を例示したが、荷重支持部の構成は特に限定されない。例えば、ストラップ式の荷重支持体を採用してもよい。なお、荷重支持部として支柱を採用する場合、クライオスタットの上壁部及び下壁部の双方に対して接続するのではなく、何れかの壁部の一方のみに接続するようにしてもよい。また、荷重支持部をコイルの中心軸に沿った方向に延伸させるのではなく、コイルの中心軸に対して傾斜させた方向に延伸するように荷重支持部を設けてもよい。

また、切欠部を形成する位置も特に限定されるものではなく、支持容器のいずれの位置に設けてもよい。また、冷却部材の分割部及び支持容器の分割部の個数も限定されない。なお、冷却部材の分割部を設けなくともよく、支持容器の分割部を設けなくともよい。また、上述の実施形態では、冷却部材及び支持容器の絶縁箇所は一カ所であったが、二カ所以上設けてもよい。

なお、上述の実施形態では、超伝導電磁石を用いた装置として、荷電粒子線の軌道を偏向させるマグネット装置を例示した。ただし、超伝導電磁石の用途は限定されず、他の用途に用いてもよい。

１…超伝導電磁石、４…ヨーク、７…荷重支持部、８…冷凍機、９…電流導入部、１０…コイル、１１…支持容器、１５…冷却部材、１７Ａ，１７Ｂ…切欠部、１８Ａ，１８Ｂ…分割部、２１Ａ，２１Ｂ…分割部、２２Ａ…張出部、３６…挟持部、３７…支柱部、４０…構造体、ＧＥ１，ＧＥ２…切欠部形成領域。

Claims (5)

1. 環状のコイルと、
   前記コイルを覆うと共に、前記コイルの周方向に沿って延びる支持容器と、
   前記コイル及び前記支持容器のそれぞれの少なくとも一部を収容するヨークと、を備え、
   前記支持容器は、前記ヨークの外部において、前記コイルの外周側で切り欠かれた切欠部を有し、
   前記ヨークの外部において前記支持容器に接続される荷重支持部を更に有し、
   前記荷重支持部は、
   前記コイルの軸方向から前記支持容器を挟む一対の挟持部と、
   前記コイルの外周側において前記一対の挟持部に接続されると共に、構造体に接続される支柱部と、を備える、超伝導電磁石。
2. 環状のコイルと、
   前記コイルを覆うと共に、前記コイルの周方向に沿って延びる支持容器と、
   前記コイル及び前記支持容器のそれぞれの少なくとも一部を収容するヨークと、を備え、
   前記支持容器は、前記ヨークの外部において、前記コイルの外周側で切り欠かれた切欠部を有し、
   前記支持容器は、前記周方向において分割される分割部を有し、
   前記分割部は、前記ヨークの外部に設けられる、超伝導電磁石。
3. 環状のコイルと、
   前記コイルを覆うと共に、前記コイルの周方向に沿って延びる支持容器と、
   前記コイル及び前記支持容器のそれぞれの少なくとも一部を収容するヨークと、を備え、
   前記支持容器は、前記ヨークの外部において、前記コイルの外周側で切り欠かれた切欠部を有し、
   前記支持容器内に設けられて、前記コイルを冷却する冷却部材を更に備え、
   前記冷却部材は、前記周方向において分割される分割部を有し、
   前記分割部は、前記ヨークの外部に設けられる、超伝導電磁石。
4. 前記冷却部材は、前記ヨークの外部において前記コイルの外周側へ張り出す張出部を有し、
   前記冷却部材は、前記張出部において冷凍機と接続される、請求項３に記載の超伝導電磁石。
5. 前記冷却部材の前記分割部は、前記周方向において、前記張出部の反対側に設けられている、請求項４に記載の超伝導電磁石。