JP6392028B2

JP6392028B2 - 超伝導電磁石

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Publication number: JP6392028B2
Application number: JP2014170580A
Authority: JP
Inventors: 鶴留　武尚; 武尚鶴留
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-08-25
Also published as: JP2016046427A

Description

本発明は、超伝導電磁石に関する。

従来、冷却した超伝導コイルに通電して強磁場を発生させる超伝導電磁石として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１には、超伝導コイルの巻枠に対し、伝熱材を介してＧＭ冷凍機のコールドヘッドを接触させて冷却を行う超伝導電磁石が記載されている。

特開２００２−０４３１１７号公報

ところで、超伝導電磁石では、電源側から超伝導コイルへの熱侵入を抑制するために、電源及び超伝導コイルの間に超伝導線材（超伝導電流リード）が設けられる場合がある。これにより、電源側から超伝導コイルへの熱の伝達が抑えられると共に、超伝導線材を用いることで通電による発熱も抑えられる。以上により、超伝導コイルに対する熱侵入を効率良く抑制できる。しかしながら、超伝導線材は強度を向上することが難しく、力が作用することによる破損を抑制することが求められていた。

そこで、本発明は、力が作用することによる超伝導線材の破損を抑制できる超伝導電磁石を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る超伝導電磁石は、環状の超伝導コイルと、超伝導コイルに電力を供給する電源と、超伝導コイル及び電源の間に設けられる超伝導線材と、超伝導線材の電源側の端部に設けられる第１電極と、超伝導線材の超伝導コイル側の端部に設けられる第２電極と、第１電極及び第２電極の間において、超伝導線材の少なくとも一部を支持する支持体と、を備える。

本発明に係る超伝導電磁石によれば、超伝導コイル及び電源の間に設けられ、両端部に第１電極及び第２電極が設けられる超伝導線材に力が作用する場合がある。このような場合であっても、超伝導線材の少なくとも一部を支持体が支持することにより、超伝導線材の破損を抑制することができる。従って、力が作用することによる超伝導線材の破損を抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石において、支持体は、第１電極及び第２電極に固定されていてもよい。これにより、応力が集中し易い超伝導線材と第１電極及び第２電極との接続部において超伝導線材を補強することができるため、力が作用することによる超伝導線材の破損を抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石において、支持体は、第１電極及び第２電極の間にわたって延びるように設けられていてもよい。これにより、超伝導線材の全体を補強することができるため、力が作用することによる超伝導線材の破損を抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石において、支持体は、第１電極及び第２電極の間で複数に分割されて設けられていてもよい。これにより、電源側から超伝導コイルへの、支持体を通じた熱の伝達を抑えることができるため、超伝導コイルに対する熱侵入を抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石において、支持体は、超伝導線材の少なくとも一部に固定されていてもよい。これにより、超伝導線材は、支持体と一体化することで曲げに対する強度が向上する。従って、力が作用することによる超伝導線材の破損を抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石において、支持体の熱伝導率は、超伝導線材の熱伝導率より低くてもよい。これにより、電源側から超伝導コイルへの熱の伝達をより抑えることができるため、超伝導コイルに対する熱侵入を効率良く抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石において、支持体のヤング率は、超伝導線材のヤング率より高くてもよい。これにより、支持体が超伝導線材をより強固に補強することができるため、力が作用することによる超伝導線材の破損を抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石において、超伝導線材が延びる方向と交差する方向に磁場が発生してもよい。この場合、超伝導線材には、発生した磁場と、超伝導線材を流れる電流と、によってローレンツ力が作用する。これに対し、支持体が超伝導線材を支持することによって、ローレンツ力が作用することによる超伝導線材の破損を抑制できる。

本発明によれば、力が作用することによる超伝導線材の破損を抑制できる。

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。クライオスタットを示す斜視図である。図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。電流導入部を示す斜視図である。第１実施形態に係る超伝導電流リードを模式的に示す図である。第２実施形態に係る超伝導電流リードを模式的に示す図である。比較例に係る超伝導電流リードを模式的に示す図である。

［第１実施形態］
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第１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。また、以降の説明においては、各図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の姿勢は図に示すものに限定されず、適宜変更してもよい。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、クライオスタットを示す斜視図である。図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、電流導入部を示す斜視図であり、クライオスタット３から真空容器３ａと熱シールド１３とを取り除いた状態を示す。

図１〜図４に示されるように、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、内部に超伝導コイル１０を収容する真空容器３ａを有す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。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。

超伝導電磁石１は、鉛直中心軸周りの環状をなし磁束を発生させる超伝導コイル１０と、超伝導コイル１０の荷重を支持する荷重支持部７と、超伝導コイル１０を冷却する冷凍機８と、超伝導コイル１０に電流を導入する電流導入部９と、電流導入部９を介して超伝導コイル１０に電力を供給する電源３３と、を備えている（図５参照）。超伝導コイル１０は、超伝導体からなる線材を巻回した構成の超伝導コイル本体を有しており、超伝導体として高温超伝導体を用いてよい。高温超伝導体として、例えばＢｉ２２２３、Ｂｉ２２１２、Ｙ１２３、ＭｇＢ２、酸化物超伝導体等を用いてよい。なお、超伝導体として低温超伝導体を用いてもよい。このような超伝導体からなる線材が用いられる超伝導コイル１０を約２０Ｋまで効率よく冷却するため、超伝導電磁石１は、クライオスタット３の真空容器３ａの内部において、超伝導コイル１０を包囲する熱シールド１３を備えている。熱シールド１３には、冷凍機８の低温ヘッドが接触しており、熱シールド１３は約５０Ｋに冷却されている。

続いて、図４を参照しながら、電流導入部９について説明する。ここでは、図４に示されるように、鉛直方向にＺ軸を取ったＸＹＺ直交座標系を設定し、各部位の位置関係の説明に用いる場合がある。電流導入部９は、真空容器３ａの一部をなす容器円筒部３ｂと、熱シールド１３の一部をなすシールド円筒部１３ｂとを有している。容器円筒部３ｂはクライオスタット３の上面側に鉛直に立設されている。容器円筒部３ｂの上面には、電流を導入するための正極側と負極側との２つの入力端子３１，３１が、真空容器３ａの外部に露出するように設けられている。容器円筒部３ｂの直ぐ内側には、電気的絶縁を図るため、例えば薄肉のＧＦＲＰ製の円筒が設けられてもよい。シールド円筒部１３ｂは熱シールド１３の上面側に鉛直に立設され、容器円筒部３ｂの内側において容器円筒部３ｂの途中の高さの位置まで延びている。シールド円筒部１３ｂの上面には、Ｙ方向に延びる細長い開口１４が形成されている。シールド円筒部１３ｂの内側には、電気的絶縁を図るため、超耐寒性の絶縁テープ等が施されてもよい。

電流導入部９は、機体の外部から供給される電流を超伝導コイル１０に送るための一対の正極側導電部２０Ａ及び負極側導電部２０Ｂを備えている。正極側導電部２０Ａと負極側導電部２０Ｂとは、容器円筒部３ｂ内で隣接して並設され、両者の間に絶縁部材（図示せず）を挟むことで互いに電気的に絶縁されている。図４にも示される通り、正極側導電部２０Ａと負極側導電部２０Ｂとの構成は鉛直面に対して互いに対称であるので、以下においては正極側導電部２０Ａの構成を説明し、その説明に重複する負極側導電部２０Ｂについての説明を省略する。

正極側導電部２０Ａは、入力端子３１と、超伝導コイル１０への電流の入口であるコイル電極３２との間を繋ぐように容器円筒部３ｂ内部に延在しており、その途中でシールド円筒部１３ｂの開口１４を通過している。なお、開口１４の寸法が調整されることで、正極側導電部２０Ａが開口１４の縁部に接触しないようになっている。正極側導電部２０Ａは、上記入力端子３１からコイル電極３２までの電流経路を構成する複数の導電部材が連なって構成されている。電流経路を構成する導電部材には、入力端子３１側から順に連結されたブスバー２１、屈曲部２２、上部導電体ブロック（第１電極）２３、超伝導電流リード（超伝導線材）２４、下部導電体ブロック（第２電極）２６、銅編線２７、及び支持体４０が含まれている（図５参照）。超伝導電流リード２４は超伝導材料からなる。また、他の導電部材は例えば銅からなり、高い導電性と高い伝熱性を有している。なお、支持体４０は超伝導電流リード２４に沿って延在している。支持体４０については後述する。

上部導電体ブロック２３と下部導電体ブロック２６とは、ステンレス製の鉛直支柱２９で連結されている。鉛直支柱２９は、電流導入部９の上部導電体ブロック２３から上側による荷重を支持している。

超伝導電流リード２４は、電源３３及び超伝導コイル１０の間に設けられて、電源３３から超伝導コイル１０への電流経路の一部を構成している。超伝導電流リード２４は、Ｙ方向に厚みを持つ板状をなし、鉛直支柱２９と平行に延在している。当該超伝導電流リード２４によって上部導電体ブロック２３と下部導電体ブロック２６とが電気的に接続されている。超伝導電流リード２４の端部のうち、電源３３側の端部２４ａには上部導電体ブロック２３が設けられ、超伝導コイル１０側の端部２４ｂには下部導電体ブロック２６が設けられている。超伝導電流リード２４と、上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６とは、間に支持体４０等が介在しないで直接接触する部位を少なくとも有し、この部位で半田等の冶金的な方法により接続される。

超伝導電流リード２４は、例えば、ビスマス系等の超伝導材料からなり、複数本の細線状の超伝導材料を、又は複数枚の薄板状の超伝導材料を、半田等の冶金的な方法で一体化して形成されている。超伝導材料を採用することにより、通電による発熱が抑えられ、その結果、正極側導電部２０Ａ及び負極側導電部２０Ｂを介した外部からの熱侵入が抑えられる。また、超伝導電流リード２４は、延在する方向に垂直な方向の断面積が小さいため、電源３３側から超伝導コイルへの熱の伝達が抑えられる。以上により、超伝導コイルに対する熱侵入を効率良く抑制できる。また、板状の超伝導電流リード２４を採用することにより、省エネルギー、性能アップ、低コスト化、及び製造工期の短縮が図られる。

続いて、支持体４０について詳細に説明する。

図５は、第１実施形態に係る超伝導電流リードを模式的に示す図である。支持体４０は、超伝導電流リード２４を支持して、超伝導電流リード２４に力が作用した場合であっても超伝導電流リード２４が破損することを抑制する部材である。

支持体４０は、例えば断面円形状、断面矩形状等をなし、超伝導電流リード２４に沿って延在している。支持体４０のＸ方向の幅は、超伝導電流リード２４のＸ方向の幅より狭くてもよく、広くてもよく、同程度でもよい。また、支持体４０のＹ方向の厚みは、超伝導電流リード２４のＹ方向の厚みより薄くてもよく、厚くてもよく、同程度でもよい。なお、支持体４０は、図５に示すように超伝導電流リード２４と平行に、直線状に延びる形状に限らず、例えば筒状をなして超伝導電流リード２４を囲う形状であってもよく、螺旋状に超伝導電流リード２４の周囲に巻き付いた形状であってもよい。支持体４０は、超伝導電流リード２４に固定されており、例えば半田等の冶金的な方法、接着剤を用いた接着、両側からのプレスによる圧接等の方法によって固定してよい。

支持体４０は、上部導電体ブロック２３から下部導電体ブロック２６までの間にわたって延びるように設けられている。支持体４０の両端部は、Ｘ方向から見て上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６と重なる位置まで延びている。この位置において、支持体４０が上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６に対して固定される。また、支持体４０の両端部において、Ｘ方向から見て上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６と重なる位置の全長のうちの少なくとも一部は、上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６と、超伝導電流リード２４と、の間に介在していない。これにより、上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６と、超伝導電流リード２４と、が直接接続されて良好な導電性を確保できる。支持体４０は、両端部が、それぞれ上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６に、例えば半田等の冶金的な方法、接着剤を用いた接着、両側からのプレスによる圧接等の方法によって固定されている。

支持体４０の材質は特に限定されないが、超伝導電流リード２４よりも熱伝導率が低い材質とすることができる。この場合、電源３３側から超伝導コイル１０への熱の伝達をより抑えることができるため、超伝導コイル１０に対する熱侵入を効率良く抑制できる。また、支持体４０は、超伝導電流リード２４よりもヤング率が高い材質とすることができる。この場合、超伝導電流リード２４を支持体４０によってより強固に補強することができるため、力が作用することによる超伝導電流リード２４の破損を抑制できる。また、支持体４０は、熱収縮率が超伝導電流リード２４と同程度の材質とすることができる。この場合、冷却した際に支持体４０と超伝導電流リード２４との熱収縮率の差による熱応力によって、支持体４０が超伝導電流リード２４から剥離すること等の破損を抑制できる。以上より、支持体４０は、例えばＳＵＳ３０４等の金属としてもよい。ただし、熱伝導率、ヤング率、熱収縮率に係る上記の特性は一例であって、支持体４０は上記特性を有する材質に限定されるものではない。

支持体４０は、超伝導電流リード２４に対してローレンツ力Ｆが作用した場合にも、超伝導電流リード２４を支持して超伝導電流リード２４が破損することを抑制する。超伝導コイル１０に電源３３から電力が供給され、超伝導コイル１０が励磁して超伝導電流リード２４が延びる方向と交差する方向に磁場Ｈが発生した場合、超伝導電流リード２４を流れる電流Ｉと磁場Ｈとによって、超伝導電流リード２４に対して超伝導電流リード２４が延びる方向に垂直な方向の成分を含むローレンツ力Ｆが作用する（図７参照）。このような場合であっても、支持体４０を設けることで超伝導電流リード２４の破損を抑制できる。

次に、第１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。

まず、比較例に係る超伝導電磁石について説明する。図７は、比較例に係る超伝導電流リードを模式的に示す図である。比較例に係る超伝導電磁石では、超伝導電流リード２４は支持体４０によって支持されていない。また、超伝導電流リード２４自体の強度を向上することは難しい。以上により、超伝導電流リード２４に力が作用する場合において、超伝導電流リード２４を補強することは困難である。

特に、図７に示すように、超伝導電流リード２４が延びる方向と交差する方向に磁場Ｈが発生する場合、超伝導電流リード２４には、発生した磁場Ｈと、超伝導電流リード２４を流れる電流Ｉと、によってローレンツ力Ｆが作用する。ローレンツ力Ｆは、超伝導電流リード２４が延びる方向に垂直な方向の成分を含む。比較例に係る超伝導電流リード２４には支持体４０が設けられていないため、ローレンツ力Ｆに対して超伝導電流リード２４を支持体４０によって補強できない。また、超伝導電流リード２４自体の強度を向上することも困難である。

以上説明したように、第１実施形態に係る超伝導電磁石１によれば、超伝導コイル１０及び電源３３の間に設けられ、端部２４ａ，２４ｂに上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６が設けられる超伝導電流リード２４に力が作用する場合がある。このような場合であっても、超伝導電流リード２４の少なくとも一部を支持体４０が支持することにより超伝導電流リード２４の破損を抑制することができる。従って、力が作用することによる超伝導電流リード２４の破損を抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石１において、支持体４０は、上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６に固定されている。これにより、応力が集中し易い超伝導電流リード２４と上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６との接続部において超伝導電流リード２４を補強することができるため、力が作用することによる超伝導電流リード２４の破損を抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石１において、支持体４０は、上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６の間にわたって延びるように設けられている。これにより、超伝導電流リード２４の全体を補強することができるため、力が作用することによる超伝導電流リード２４の破損を抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石１において、支持体４０は、超伝導電流リード２４の少なくとも一部に固定されている。これにより、超伝導電流リード２４は、支持体４０と一体化することで曲げに対する強度が向上する。従って、力が作用することによる超伝導電流リード２４の破損を抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石１において、支持体４０の熱伝導率は、超伝導電流リード２４の熱伝導率より低い。これにより、電源３３側から超伝導コイル１０への熱の伝達をより抑えることができるため、超伝導コイル１０に対する熱侵入を効率良く抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石１において、支持体４０のヤング率は、超伝導電流リード２４のヤング率より高い。これにより、超伝導電流リード２４を支持体４０がより強固に補強することができるため、力が作用することによる超伝導電流リード２４の破損を抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石１において、超伝導電流リード２４が延びる方向と交差する方向に磁場Ｈが発生する。この場合、超伝導電流リード２４には、発生した磁場Ｈと、超伝導電流リード２４を流れる電流Ｉと、によってローレンツ力Ｆが作用する。これに対し、支持体４０が超伝導電流リード２４を支持することによって、ローレンツ力Ｆが作用することによる超伝導電流リード２４の破損を抑制できる。

［第２実施形態］
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第２実施形態を説明する。図６は、第２実施形態に係る超伝導電流リードを模式的に示す図である。図６に示すように、支持体４１は、上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６に固定されているが、上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６の間で複数に分割されている。なお、図６では、支持体４１は上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６の間で２つに分割されているが、分割される数は特に限定されず、３つ以上に分割されていてもよい。

第２実施形態に係る超伝導電磁石１によれば、支持体４１は、上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６の間で複数に分割されて設けられている。これにより、電源３３側から超伝導コイル１０への、支持体４１を通じた熱の伝達を抑えることができるため、超伝導コイル１０に対する熱侵入を抑制できる。また、特に超伝導電流リード２４の補強が必要な部位に支持体４１を設けることができるため、例えば超伝導電流リード２４のうち応力が集中し易い部位や、ローレンツ力Ｆ等の力が強く作用する部位等の部分的な補強が可能となり、力が作用することによる超伝導電流リード２４の破損を抑制できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。例えば、支持体４０，４１は、図５及び図６において、超伝導電流リード２４を両側から挟み込むように図示されているが、支持体４０，４１は、超伝導電流リード２４の少なくとも一部に設けられていればよい。例えば、支持体４０，４１は、超伝導電流リード２４の片側にのみ設けられていてもよく、超伝導電流リード２４が延びる方向に垂直な断面の全周を囲うように設けられていてもよい。

また、支持体４０，４１は、上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６に固定されていなくてもよい。この場合でも、上部導電体ブロック２３及び下部導電体ブロック２６の中間部分における超伝導電流リード２４を補強することができるため、力が作用することによる超伝導電流リード２４の破損を抑制できる。

１…超伝導電磁石、１０…超伝導コイル、２３…上部導電体ブロック、２４…超伝導電流リード（超伝導線材）、２４ａ、２４ｂ…端部、２６…下部導電体ブロック、３３…電源、４０、４１…支持体。

Claims

環状の超伝導コイルと、
前記超伝導コイルに電力を供給する電源と、
前記超伝導コイル及び前記電源の間に設けられる超伝導線材と、
前記超伝導線材の前記電源側の端部に設けられる第１電極と、
前記超伝導線材の前記超伝導コイル側の端部に設けられる第２電極と、
前記第１電極及び前記第２電極の間において、前記超伝導線材の少なくとも一部を支持する支持体と、を備え、
前記支持体は、
前記第１電極及び前記第２電極に固定されており、
前記第１電極及び前記第２電極の間で複数に分割されて設けられている超伝導電磁石。
前記支持体は、前記超伝導線材の少なくとも一部に固定されている請求項１に記載の超伝導電磁石。
前記支持体の熱伝導率は、前記超伝導線材の熱伝導率より低い請求項１又は２に記載の超伝導電磁石。
前記支持体のヤング率は、前記超伝導線材のヤング率より高い請求項１〜３のいずれか一項に記載の超伝導電磁石。
前記超伝導線材が延びる方向と交差する方向に磁場が発生する請求項１〜４のいずれか一項に記載の超伝導電磁石。