JP6400387B2 - 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、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、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、超伝導コイルを効率良く冷却するために伝熱部材を超伝導コイルに直接接触させて冷却を行う場合がある。しかしながら、この場合、磁場変動時に伝熱部材に生じる渦電流と、磁場と、によって、伝熱部材を超伝導コイルから引き離す方向に電磁力が発生し、超伝導コイルに対して例えば絶縁被覆の剥離等のダメージを与えるおそれがある。

そこで、本発明は、超伝導コイルを効率良く冷却しつつ、超伝導コイルに対するダメージ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、環状に巻回された超伝導コイルと、超伝導コイルの外周側及び内周側の少なくとも一方に設けられる絶縁部材と、絶縁部材を挟んで超伝導コイルと反対側に設けられる伝熱部材と、を備え、伝熱部材は、周方向に分割されている。

本発明に係る超伝導電磁石によれば、絶縁部材を挟んで超伝導コイルと伝熱部材とが設けられているため、伝熱部材を冷却することで超伝導コイルを効率良く冷却することができる。また、この伝熱部材は周方向に分割されているため、伝熱部材が超伝導コイルの内周側又は外周側でループを形成せず、磁場変動時に伝熱部材に生じる渦電流を抑制すると共に、当該渦電流によって発生する電磁力を小さくすることができる。このように、超伝導コイルにダメージを与える原因となる電磁力を小さくすることができる。以上により、超伝導コイルを効率良く冷却しつつ、超伝導コイルに対するダメージを抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石において、絶縁部材は、周方向に分割されていてもよい。これにより、超伝導コイルのうち必要な部分だけ絶縁することができる。また、製造が容易になると共に、製造時において無駄になる絶縁部材を減らすことができる。

また、本発明に係る超伝導電磁石は、伝熱部材を挟んで絶縁部材と反対側に設けられ、伝熱部材を支持する環状の支持リングを更に備えていてもよい。これにより、磁場変動時に伝熱部材に生じる渦電流により発生する電磁力に対し、支持リングが、周方向に分割された伝熱部材を一括で支持することができる。従って、超伝導コイルに対するダメージを抑制することができる。

また、本発明に係る超伝導電磁石において、支持リングの電気伝導率は、伝熱部材の電気伝導率より小さくてもよい。これにより、磁場変動時に支持リングに生じる渦電流を抑制することができ、この渦電流により発生する電磁力を小さくすることができる。従って、超伝導コイルに対するダメージを抑制することができる。

また、本発明に係る超伝導電磁石において、支持リングは、伝熱部材に対して、絶縁部材へ向かう方向に力を与えてもよい。これにより、磁場変動時に伝熱部材に生じる渦電流と、磁場と、によって伝熱部材を超伝導コイルから引き離す方向に発生する電磁力に対し、支持リングが、伝熱部材を支持することができる。従って、超伝導コイルに対するダメージを抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石は、絶縁部材と伝熱部材とが接着されていてもよい。これにより、伝熱部材が周方向に分割されていても、伝熱部材が絶縁部材から脱落することを抑制できる。

本発明によれば、超伝導コイルを効率良く冷却しつつ、超伝導コイルに対するダメージを抑制できる。

本発明の実施形態に係る超伝導電磁石の平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 比較例に係る超伝導電磁石の平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係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、本発明の実施形態に係る超伝導電磁石の平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１及び図２に示すように、超伝導電磁石１は、超伝導コイル２と、絶縁部材３と、伝熱部材４と、支持リング５と、を備える。超伝導電磁石１は、例えば超伝導サイクロトロン、荷電粒子線治療装置における偏向電磁石、シリコン単結晶引き上げ装置（ＭＣＺ）、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ装置）、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ装置）など、超伝導電磁石１を使用する種々の装置に適用できる。

超伝導コイル２は、超伝導線材を環状に巻回して形成され、冷凍機（不図示）によって所定温度以下まで冷却されることで超伝導状態となる。超伝導コイル２は、中心軸線Ｌを囲むように円環状をなしており、電源（不図示）によって給電されることで強磁場を発生する。図２に示す通り、超伝導コイル２は、中心軸線Ｌと直交する方向から見た場合の断面が矩形状となっている。

絶縁部材３は、超伝導コイル２と伝熱部材４との間を絶縁すると共に、超伝導コイル２を外力から保護する機能を有している。絶縁部材３の電気伝導率は、超伝導コイル２及び伝熱部材４の電気伝導率よりも小さい。絶縁部材３は、超伝導コイル２の外周側に、周方向に分割されて設けられている。なお、分割の態様は伝熱部材４の説明を踏まえて後述する。絶縁部材３の材質として、例えばエポキシ樹脂、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、マイラ、ポリイミド、カプトンシートなどを適用してよい。

絶縁部材３は、超伝導コイル２の外周側に接着剤によって接着されている。超伝導コイル２の外周面には巻線の完了後に凸凹が形成されるが、接着剤が絶縁部材３と超伝導コイル２との隙間に入り込むため、絶縁部材３と超伝導コイル２とが直接又は接着剤を介して接触する伝熱面積を大きくすることができ、十分な伝熱効率を確保することができる。

伝熱部材４は、超伝導コイル２の冷却効率を向上させる機能を有する。伝熱部材４は、絶縁部材３の外周側に設けられており、冷凍機によって冷却されることで、絶縁部材３を介して超伝導コイル２を冷却する。伝熱部材４は、高熱伝導率の金属によって形成されており、例えば絶縁部材３及び支持リング５よりも熱伝導率が高い金属によって形成されている。伝熱部材４の材質として、例えば銅、アルミ、銀、真鍮などを適用してよい。伝熱部材４は、周方向に分割されて設けられており、分割された伝熱部材４の各部分（伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄ）は、熱伝導率が高い金属からなる伝熱経路（不図示）によって互いに連結されている。伝熱経路は、例えば１機又は２機の冷凍機に接続されており、伝熱経路を介して各伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄが冷却される。伝熱経路は、例えば伝熱部材４の外周側を環状に取り囲む環状部と、環状部から各伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄに橋渡しされるアーム部と、を備えていてよい。なお、伝熱部材４を冷却する態様は上記の構成に限定されず、種々の構成とすることができる。

伝熱部材４では、超伝導コイル２の磁場変動時に生じる渦電流と、磁場と、によって超伝導コイル２から引き離される方向に電磁力が発生する。しかし、伝熱部材４は、周方向に分割されて設けられているため、伝熱部材４が超伝導コイル２の外周側でループを形成せず、磁場変動時に伝熱部材４に生じる渦電流を抑制することができる。従って、この渦電流と磁場とによって伝熱部材４を超伝導コイル２から引き離す方向に発生する電磁力を小さくすることができる。

ここで、伝熱部材４の分割の態様について説明する。伝熱部材４が周方向に分割されている状態とは、伝熱部材４が複数の伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄに分かれており、隣り合う伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄ間の空間ＳＰが、伝熱部材４の内周側から外周側にわたって設けられている状態を広く意味している。例えば、個々の伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄの形状は、図１に示すように周方向の対向面４ａ，４ａが平行に設けられていてもよく、対向面４ａ，４ａが外周側ほど広く離間した末広がりの形状であってもよく、対向面４ａ，４ａが内周側ほど広く離間した先細りの形状であってもよい。また、伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄの、周方向に垂直な断面の形状は、図２に示すように矩形状であってもよく、外周側ほど上下長さが増大した形状であってもよく、内周側ほど上下長さが増大した形状であってもよい。

伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄの大きさは、超伝導コイル２を十分に冷却できる性能を確保できる限り特に限定されない。図１においては、伝熱部材４の伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄが占める領域は、伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄ間の空間ＳＰの領域よりも狭くなっているが、伝熱部材４の伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄが占める領域は、伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄ間の空間ＳＰの領域よりも広くてもよい。例えば、環状の伝熱部材４に狭いスリット状の空間ＳＰが複数設けられることで、伝熱部材４が複数の伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄに分割されていてもよい。また、伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄ毎の大きさが統一されていてもよく、伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄ毎に大きさが異なっていてもよい。

伝熱部材ピースの個数は、特に限定されない。図１においては、伝熱部材４が４つの伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄに分割されているが、これより少ない個数の伝熱部材ピースに分割されていてもよく、これより多い個数の伝熱部材ピースに分割されていてもよい。例えば、超伝導電磁石１が適用される装置によって要求される冷却性能と、伝熱部材ピースの大きさと、に応じて必要な伝熱部材ピースの個数を決めることもできる。

以上、伝熱部材４の分割の態様について説明したが、伝熱部材４の内周側に設けられる絶縁部材３の分割の態様についても同様である。絶縁部材３が周方向に分割されている状態とは、絶縁部材３が複数の絶縁部材ピース３Ａ〜３Ｄに分かれており、隣り合う絶縁部材ピース３Ａ〜３Ｄ間の空間ＳＰが、絶縁部材３の内周側から外周側にわたって設けられている状態を広く意味しており、個々の絶縁部材ピース３Ａ〜３Ｄの形状、大きさ、個数は、上述した伝熱部材ピース４Ａ〜４Ｄの形状、大きさ、個数と同様に種々の態様とすることができる。

支持リング５は、絶縁部材３及び伝熱部材４が超伝導コイル２から脱落することを抑制する機能を有する。特に、超伝導コイル２の磁場変動時に伝熱部材４に生じる渦電流と、磁場と、によって超伝導コイル２から引き離す方向に伝熱部材４に発生する電磁力に対して、伝熱部材４を支持する。支持リング５は、環状に形成されているため、周方向に分割された伝熱部材４を一括で支持することができると共に、伝熱部材４に発生する電磁力に対して十分な強度を有する。

支持リング５の、周方向に垂直な断面の形状は特に限定されない。例えば、図２に示すように径方向に薄い矩形状であってもよく、径方向に厚い矩形状であってもよい。径方向に薄い場合、超伝導電磁石１を小型化し易い。一方、径方向に厚い場合、伝熱部材４に発生する電磁力に対する強度が更に向上する。

また、支持リング５の軸方向の幅は特に限定されず、例えば、図２に示すように、絶縁部材３及び伝熱部材４よりも軸方向に広くてもよい。また、絶縁部材３及び伝熱部材４が超伝導コイル２から脱落することを抑制でき、伝熱部材４に発生する電磁力に対して十分な強度を有する限り、絶縁部材３及び伝熱部材４よりも軸方向に狭くてもよい。

支持リング５は、伝熱部材４に対して、絶縁部材３へ向かう方向に付勢されている。例えば、図示しないコイルばね、板バネ等を用いた機構によって伝熱部材４に対して力を与えていてよい。これにより、伝熱部材４に発生する電磁力に対して、伝熱部材４を支持する。

支持リング５の電気伝導率は、伝熱部材４の電気伝導率より小さい。支持リング５の材質として、絶縁材料を適用してよい。このため、支持リング５自体に発生する渦電流を抑制することができる。例えば、支持リング５の材質として、ＧＦＲＰ、ガラス繊維、ＳＵＳ３０４、マイラ―、ケブラーなどを適用してよい。

以上、本実施形態に係る超伝導電磁石１を説明したが、ここで、比較例に係る超伝導電磁石１０について説明する。図３は、比較例に係る超伝導電磁石の平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図３及び図４に示すように、超伝導電磁石１０は、本実施形態に係る超伝導電磁石１と比較して、絶縁部材１３及び伝熱部材１４が周方向に分割されておらず、また、伝熱部材１４の外周側に支持リング５が設けられていない点で相違する。

超伝導電磁石１０では、伝熱部材１４が超伝導コイル２の外周側でループを形成している。このため、磁場変動時に伝熱部材１４に渦電流が大きく発生し、この渦電流と磁場とによって伝熱部材１４を超伝導コイル２から引き離す方向に発生する電磁力が大きくなる。これにより、超伝導コイル２に対して例えば絶縁被覆の剥離等のダメージを与えるおそれがある。また、超伝導コイル２に対して直接ダメージが付与されないように絶縁部材１３が配置される。しかしながら、絶縁部材１３を構成する材料は熱伝導率が低いため、伝熱効率が低くなるという問題が生じる。更に、超伝導コイル２の表面には巻線の完了後に凸凹が形成されるため、絶縁部材１３を超伝導コイル２に巻き付けた場合、絶縁部材１３が超伝導コイル２の表面に接触する箇所と、接触しない箇所とが生じる場合がある。従って、冷却効率が更に低下する可能性がある。

以上説明したように、本実施形態に係る超伝導電磁石１によれば、絶縁部材３を挟んで超伝導コイル２と伝熱部材４とが設けられているため、伝熱部材４を冷却することで超伝導コイル２を効率良く冷却することができる。また、この伝熱部材４は周方向に分割されているため、伝熱部材４が超伝導コイル２の内周側又は外周側でループを形成せず、磁場変動時に伝熱部材４に生じる渦電流を抑制すると共に、当該渦電流によって発生する電磁力を小さくすることができる。このように、超伝導コイル２にダメージを与える原因となる電磁力を小さくすることができる。以上により、超伝導コイル２を効率良く冷却しつつ、超伝導コイル２に対するダメージを抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石１は、絶縁部材３は、周方向に分割されている。これにより、超伝導コイル２のうち必要な部分だけ絶縁することができる。また、製造が容易になると共に、製造時において無駄になる絶縁部材を減らすことができる。

また、本発明に係る超伝導電磁石１は、伝熱部材４を挟んで絶縁部材３と反対側に設けられ、伝熱部材４を支持する環状の支持リング５を更に備えている。これにより、磁場変動時に伝熱部材４に生じる渦電流により発生する電磁力に対し、支持リング５が、周方向に分割された伝熱部材４を一括で支持することができる。従って、超伝導コイル２に対するダメージを抑制することができる。

また、本発明に係る超伝導電磁石１において、支持リング５の電気伝導率は、伝熱部材４の電気伝導率より小さい。これにより、磁場変動時に支持リング５に生じる渦電流を抑制することができ、この渦電流により発生する電磁力を小さくすることができる。従って、超伝導コイル２に対するダメージを抑制することができる。

また、本発明に係る超伝導電磁石１において、支持リング５は、伝熱部材４に対して、絶縁部材３へ向かう方向に力を与える。これにより、磁場変動時に伝熱部材４に生じる渦電流と、磁場と、によって伝熱部材４を超伝導コイル２から引き離す方向に発生する電磁力に対し、支持リング５が、伝熱部材４を支持することができる。従って、超伝導コイル２に対するダメージを抑制できる。

また、本発明に係る超伝導電磁石１は、絶縁部材３と伝熱部材４とが接着されている。これにより、伝熱部材４が周方向に分割されていても、伝熱部材４が絶縁部材３から脱落することを抑制できる。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。例えば、絶縁部材３が超伝導コイル２の内周側に設けられ、伝熱部材４が絶縁部材３の内周側に設けられ、支持リング５が伝熱部材４の内周側に設けられていてもよい。この場合、上記の実施形態において超伝導コイル２の外周側に絶縁部材３、伝熱部材４、及び支持リング５が設けられているとして説明した内容は、超伝導コイル２の内周側に絶縁部材３、伝熱部材４、及び支持リング５が設けられていると置き換えてよい。このような構成とすることで、超伝導電磁石１の外径が拡大することを抑制できる。

また、絶縁部材３、伝熱部材４、及び支持リング５は、超伝導コイル２の内周側及び外周側の両方に設けられていてもよい。この場合、冷却効率を更に向上することができる。

また、絶縁部材３は、周方向に分割されずに設けられていてもよい。例えば、伝熱部材４が超伝導コイル２の外周側に設けられている場合、超伝導コイル２の外周側に沿って一周するように設けられていてもよく、伝熱部材４が超伝導コイル２の内周側に設けられている場合、超伝導コイル２の内周側に沿って一周するように設けられていてもよい。これにより、絶縁部材３が超伝導コイル２から脱落することを抑制することができる。

また、伝熱部材４と支持リング５との間を、接着剤によって接着してもよく、ボルト等によって固定してもよい。

また、支持リング５は設けられていなくてもよく、超伝導コイル２に対して絶縁部材３を例えば接着、ボルト固定等すると共に、絶縁部材３に対して伝熱部材４を例えば接着、ボルト固定等してもよい。

１…超伝導電磁石、２…超伝導コイル、３…絶縁部材、４…伝熱部材、５…支持リング。

Claims (5)

1. 環状に巻回された超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルの外周側及び内周側の少なくとも一方に設けられる絶縁部材と、
   前記絶縁部材を挟んで前記超伝導コイルと反対側に設けられる伝熱部材と、を備え、
   前記伝熱部材は、周方向に分割されており、
   前記絶縁部材は、周方向に分割されている超伝導電磁石。
2. 前記伝熱部材を挟んで前記絶縁部材と反対側に設けられ、前記伝熱部材を支持する環状の支持リングを更に備える請求項１に記載の超伝導電磁石。
3. 前記支持リングの電気伝導率は、前記伝熱部材の電気伝導率より小さい請求項２に記載の超伝導電磁石。
4. 前記支持リングは、前記伝熱部材に対して、前記絶縁部材へ向かう方向に力を与える請求項２又は３に記載の超伝導電磁石。
5. 環状に巻回された超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルの外周側及び内周側の少なくとも一方に設けられる絶縁部材と、
   前記絶縁部材を挟んで前記超伝導コイルと反対側に設けられる伝熱部材と、を備え、
   前記伝熱部材は、周方向に分割されており、
   前記絶縁部材と前記伝熱部材とが接着されている超伝導電磁石。

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