JP7022035B2 - 超伝導マグネット装置 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導コイルに大電流を流すことにより強磁場を発生させる超伝導マグネット装置に関する。

超伝導コイルに電力を供給することにより非常に大きな電磁力を発生させる超伝導マグネット装置が開発されている。たとえば、超伝導マグネット装置が発生させた電磁力は不純物の除去に利用される。超伝導コイルを備えた従来のマグネット装置として特許文献１に記載されたものが知られている。

この超伝導マグネット装置は水平方向に離間した位置に配置された一対の超伝導コイルを備える。一対の超伝導コイルは軸方向に対向するように配置されている。一対の超伝導コイルは電力供給下で互いに引き寄せ合うように作用する電磁力を発生させる。一対の超伝導コイル間の位置関係を維持するように超伝導マグネット装置はこれらの超伝導コイルを支持する一対の支持体を備えている。一対の支持体は一対の超伝導コイルと同様に水平方向に離間した位置に配置されている。一対の支持体間の位置関係が一対の超伝導コイルから発生した電磁力の存在下及び不存在下で変化しないように一対の支持体は連結部材を用いて連結されている。一対の支持体の間に形成された空間を溶融した半導体材料が収容された坩堝が通過すると、半導体材料に含まれる不純物は電磁力に曝され坩堝の内壁の近くに集められる一方で高純度の半導体材料が坩堝の中央に集まる。

不純物を坩堝の内壁の近くに集めるのに十分な大きさの電磁力を得るために一対の超伝導コイルは冷却される。一対の超伝導コイルを冷却するために、上述の超伝導マグネット装置は一対の支持体に搭載された一対の冷凍機を備えている。

特開昭６０－３６３９１号公報

冷凍機のみを用いて常温の超伝導コイルを所望の温度（たとえば、４Ｋ）にするのには数ヶ月の期間がかかることがある。冷却期間を短縮するために冷凍機だけでなく冷媒を用いることが考えられるけれども、冷媒を収容するための容器が別途必要とされる。この場合、容器の配置スペースの分だけ超伝導マグネット装置は大きくなる。

本発明は、超伝導コイルを常温から所望の温度まで冷却するのに必要とされる期間を短縮することができる小型の超伝導マグネット装置を提供することを目的とする。

超伝導マグネット装置の一対の超伝導コイルに大電流が流れると、これらの超伝導コイルが互いに引き寄せられる方向に作用する強い電磁力が発生する。この電磁力に抗してこれらの超伝導コイル間の距離を維持するための構造が必要とされる。超伝導コイル間の距離を維持するための構造が冷媒を収容する部位として利用可能であることに本発明者等は着目し以下の発明を案出した。

本発明の一局面に係る超伝導マグネット装置は軸方向に対向するように離間した位置に配置された一対の超伝導コイルと、前記一対の超伝導コイルのうち一方を支持するように形成された第１支持体と、前記第１支持体から離間した位置に配置されているとともに前記一対の超伝導コイルのうち他方を支持するように形成された第２支持体と、前記第１支持体及び前記第２支持体にそれぞれ取り付けられた一対の冷凍機と、前記一対の超伝導コイルの熱が前記一対の冷凍機へ伝わるように前記第１支持体及び前記第２支持体にそれぞれ取り付けられた一対の伝熱部材と、前記第１支持体と前記第２支持体とに連結されているとともに冷媒が収容される収容空間を形成している連結構造体と、を備える。前記一対の伝熱部材は前記一対の超伝導コイルの熱を前記冷媒によって冷却された前記連結構造体へ伝えるように形成されている。

上記の構成によれば、一対の冷凍機に加えて第１支持体及び第２支持体を連結する連結構造体が一対の超伝導コイルの冷却に利用される。連結構造体の収容空間の中に冷媒が収容されると連結構造体は冷媒の温度に冷却される。冷媒によって冷却された連結構造体へ一対の超伝導コイルの熱が伝達されるので、一対の超伝導コイルは一対の冷凍機だけでなく連結構造体によっても冷却される。したがって、一対の超伝導コイルが所定の温度まで冷却されるのに必要とされる期間は短縮される。一対の超伝導コイルを冷却する冷却機能が第１支持体及び第２支持体を連結する連結構造体に付加されるので連結構造体は有効に利用され、冷媒が収容される容器は別途必要とされない。冷媒が収容される容器が必要とされないので、超伝導マグネット装置の寸法を著しく大きくすることなく冷却時間がされる。

上記の構成に関して超伝導マグネット装置は前記収容空間へ前記冷媒を案内するように形成された供給管を更に備え、前記一対の超伝導コイルの前記軸は水平方向に延設され、前記収容空間は前記連結構造体の高さ方向における中間位置よりも下方に形成され、前記供給管は前記収容空間から上方に延設されていることが好ましい。

上記の構成によれば、冷媒が収容される収容空間は連結構造体の高さ方向における中間位置よりも下方に形成されているので、収容空間の上方には供給管を配置するための広い空間が形成される。したがって、収容空間から上方に延設された供給管の全長は大きな値に設定されてもよい。供給管が長くなればなるほど冷媒とともに供給管に流入した熱が収容空間に到達しにくくなる。したがって、収容空間への流入熱の流入は収容空間の上方に形成された広い空間を利用して配管された長い供給管によって抑制される。

上記の構成に関して前記連結構造体は前記中間位置より下方で前記第１支持体と前記第２支持体とに連結されるように前記水平方向に延設された第１連結部材と、前記第１連結部材から上方に離間するように前記中間位置よりも上方で延設されているとともに前記第１支持体と前記第２支持体とに連結された第２連結部材を含み、前記収容空間は第１連結部材に形成されていることが好ましい。

上記の構成によれば、第２連結部材は第１連結部材から上方に離れているので、これらの間には空間が形成される。したがって、第１連結部材の配置位置から第２連結部材の配置位置までの領域に亘って第１支持体及び第２支持体に連続的に連結された連結構造体と較べて、第１連結部材及び第２連結部材によって形成された連結構造体は軽量である。

第２連結部材に収容空間が形成された構造に関して、第１連結部材と第２連結部材との間に形成された空間は収容空間から上方に延設された供給管の配管領域としては利用できない。一方収容空間が第１連結部材に形成される上述の構成の下では、第１連結部材と第２連結部材との間に形成された空間は供給管の配管領域として利用可能である。したがって、第１連結部材と第２連結部材との間に形成された空間の高さ寸法の分だけ供給管は長い寸法を有することができる。

上記の構成に関して、超伝導マグネット装置は、平面視において前記第１支持体と前記第１連結部材とによって形成された挟角が前記一対の超伝導コイルから発生した電磁力の存在下において維持されるように前記第１支持体と前記第１連結部材とに接続された補強部を更に備えることが好ましい。

上記の構成によれば、補強部は第１支持体と第１連結部材とによって形成された挟角を維持するので、第１支持体によって支持された超伝導コイルの軸の向きは電磁力の存在下と不存在下との間で変化しない。

上記の構成に関して、前記冷媒は液体窒素であることが好ましい。

上記の構成によれば、冷媒として液体窒素が用いられるので一対の超伝導コイルは効果的に冷却される。

上述の超伝導マグネット装置は、短期間で超伝導コイルを常温から所望の温度まで冷却することを可能にする構造を有する。

例示的な超伝導マグネット装置の内部構造体の概略的な斜視図である。 超伝導マグネット装置の概略的な外観斜視図である。 超伝導マグネット装置の内部構造体の一部の概略的な斜視図である。

図１は、例示的な超伝導マグネット装置１００の内部構造体の概略的な斜視図である。図２は超伝導マグネット装置１００の概略的な外観斜視図である。図１及び図２に示される「右」、「左」、「前」、「後」といった方向を表す指標は説明の明瞭化のみを目的とし限定的に解釈されるべきではない。図１及び図２には左右方向に延設された水平軸ＨＡＸが示されている。水平軸ＨＡＸを基準に超伝導マグネット装置１００が説明される。

超伝導マグネット装置１００の内部構造体は電磁力を発生させる一対のコイル部１５１，１５２と、コイル部１５１，１５２を支持するように形成されたフレーム構造体と、コイル部１５１，１５２の熱を伝えるように形成された伝熱部材１５３，１５４とを備える。コイル部１５１，１５２は水平軸ＨＡＸ上に中心軸が一致するように離間した位置に配置されている。コイル部１５１，１５２から発生した電磁力はコイル部１５１，１５２が互いに引き寄せられる方向に作用する。フレーム構造体は電磁力に抗してこれらのコイル部１５１，１５２の離間した位置関係が維持されるように形成されている。フレーム構造体は平面視において前方に開口したＣ形を形成している。フレーム構造体はコイル部１５１及び伝熱部材１５３が取り付けられた第１支持体１６１と、コイル部１５２及び伝熱部材１５４が取り付けられた第２支持体１６２と、第１支持体１６１と第２支持体１６２とに連結された連結構造体を含む。連結構造体は、第１支持体１６１及び第２支持体１６２の後端に両端部が連結された第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２を含む。

内部構造体はコイル部１５１，１５２の電気抵抗を低減するために低温環境下（たとえば４Ｋ）に置かれる。低温環境を作り出すために超伝導マグネット装置１００は一対の冷凍機１４１，１４２を備える（図２を参照）。加えて、超伝導マグネット装置１００は低温環境を維持するために内部構造体の周囲の真空状態を維持するように形成された真空容器１１０を備える（図２を参照）。真空容器１１０及び冷凍機１４１，１４２が、超伝導マグネット装置１００の内部構造体の詳細な説明の前に説明される。

真空容器１１０は図１に示される内部構造体を取り囲むように形成されている。真空容器１１０によって形成された内部空間は、真空装置（図示せず）によって真空状態に保たれている。

真空容器１１０は、平面視において略Ｕ字型の天板１１１と、天板１１１から下方に離間した位置に配置された底板１１２と、底板１１２から天板１１１へ略鉛直に立設された周壁部１１３と、を含む。加えて真空容器１１０は、底板１１２の下面に取り付けられた４つの脚部１１４（図２は２つの脚部１１４を示している）を含む。

真空容器１１０の天板１１１は平面視において前方に開口したＵ字形状を形成している内縁１２１と、内縁１２１から右方に離間した位置で前後方向に延設された右縁１２２と、内縁１２１から左方に離間した位置で前後方向に延設された左縁１２３と、を含む。加えて、天板１１１は右縁１２２及び左縁１２３の後端を結ぶように左右方向に延設された後縁１２４を含む。更に天板１１１は、内縁１２１及び右縁１２２の前端を結ぶように左右方向に延設された前縁１２５と、内縁１２１及び左縁１２３の前端を結ぶように左右方向に延設された前縁１２６と、を含む。内縁１２１、右縁１２２、左縁１２３、後縁１２４及び前縁１２５，１２６は略等しい高さ位置に配置されている。したがって、天板１１１は略水平な姿勢である。

天板１１１と略平行に底板１１２が配置されている。底板１１２は形状及び大きさにおいて天板１１１と略等しい。天板１１１の縁部に対して付けられた名称は底板１１２に援用される。

底板１１２の下面に取り付けられた４つの脚部１１４のうち１つは底板１１２の前縁、右縁及び内縁によって囲まれた前端領域に配置されている。他のもう１つの脚部１１４は底板１１２の前縁、左縁及び内縁によって囲まれた前端領域に配置されている。他のもう１つの脚部１１４は、底板１１２の後縁と右縁とによって形成された角隅部に配置されている。残りの１つの脚部１１４は、底板１１２の後縁と左縁とによって形成された角隅部に配置されている。これらの脚部１１４は底板１１２の下面を超伝導マグネット装置１００が設置された床面から離間させる。

底板１１２と天板１１１との間で略鉛直な面を形成している周壁部１１３は、複数の板部材から形成されている。複数の板部材のうち１つは、天板１１１の内縁１２１と底板１１２の内縁とを繋ぐＵ字状の面を形成しているＵ字板１３１である。複数の板部材のうち他のもう１つは、天板１１１の右縁１２２と底板１１２の右縁とを繋ぐ矩形状の面を形成している右板１３２である。複数の板部材のうち他のもう１つは、天板１１１の左縁１２３と底板１１２の左縁とを繋ぐ矩形状の面を形成している左板１３３である。複数の板部材のうち他のもう１つは、天板１１１の後縁１２４と底板１１２の後縁とを繋ぐ矩形状の面を形成している後板１３４である。複数の板部材のうち他のもう１つは、天板１１１の前縁１２５と天板１１１の前縁１２５の下方で左右方向に延設された底板１１２の前縁とを繋ぐ矩形状の面を形成している前板１３５である。複数の板部材のうち残りの１つは、天板１１１の前縁１２６と天板１１１の前縁１２６の下方で左右方向に延設された底板１１２の前縁とを繋ぐ矩形状の面を形成している前板１３６である。

前板１３６，１３５、後板１３４、左板１３３、右板１３２、Ｕ字板１３１、底板１１２及び天板１１１の縁部は線状に溶接され、密閉された内部空間が形成されている。したがって、これらの板状部材によって囲まれた内部空間の真空状態が維持される。これらの板状部材によって囲まれた内部空間には図１に示される内部構造体に加えて、内部構造体を取り囲むように形成されたシールド容器（図示せず）が超伝導マグネット装置１００の一部として配置されている。シールド容器は真空容器１１０の外の外部環境からシールド容器内に配置された内部構造体への伝熱を防ぐために用いられている。

真空容器１１０の天板１１１から上方に突出した冷凍機１４１，１４２の一部が図２に示されている。冷凍機１４１，１４２の鉛直中心軸が天板１１１の内縁１２１の最後端よりも後方に位置するように冷凍機１４１，１４２が配置されている。冷凍機１４１は天板１１１の右縁１２２及び後縁１２４によって形成される角隅部の近くに配置されている一方で、冷凍機１４２は天板１１１の左縁１２３及び後縁１２４によって形成される角隅部の近くに配置されている。

冷凍機１４１，１４２は２段式の冷却機構をそれぞれ有している。冷凍機１４１，１４２それぞれの第１ステージは上述のシールド容器に熱的に接続されている。冷凍機１４１，１４２それぞれの第２ステージは図１に示される内部構造体に接続されている。内部構造体が図１乃至図３を参照して以下に説明される。図３は内部構造体の一部の概略的な斜視図である。

内部構造体のフレーム構造体の一部として用いられる第１支持体１６１は、右方に開口した略矩形状の箱体である。第１支持体１６１は真空容器１１０の右板１３２とＵ字板１３１との間の空間に配置されている。第１支持体１６１は真空容器１１０の右板１３２と略平行な略矩形状の主板１７１と、主板１７１の外縁から右方に屈曲した周壁部１７２とを含む。主板１７１には略円形の貫通孔１７３が形成されている。図１に示される中心軸ＨＡＸは貫通孔１７３の中心を通過している。主板１７１の上縁及び下縁は略水平に前後方向に延設されている。主板１７１の前縁及び後縁は略鉛直に延設されている。

主板１７１の上縁、下縁及び前縁から右方に屈曲するように周壁部１７２が形成されている。周壁部１７２は主板１７１の上縁から右方に屈曲した上板１７４と、主板１７１の下縁から右方に屈曲した下板１７５と、主板１７１の前縁から右方に屈曲した前板１７６とを含む。周壁部１７２の上板１７４及び下板１７５は真空容器１１０の天板１１１及び底板１１２に略平行である。周壁部１７２の前板１７６は真空容器１１０の前板１３５に略平行である。

周壁部１７２の上板１７４の後部には貫通孔１７７が形成されている（図１を参照）。貫通孔１７７は、主板１７１と上板１７４とによって形成された屈曲線に沿って前後方向に延設されている。

主板１７１の右面にコイル部１５１が固定されている（図３を参照）。コイル部１５１は略円筒形状のボビン１５６と、ボビン１５６の外周面上で巻回された超伝導線材から形成された超伝導コイル１５５と、を含む。超伝導コイル１５５及びボビン１５６の中心軸は図１に示される水平軸ＨＡＸに略一致している。

超伝導コイル１５５から冷凍機１４１への伝熱経路が得られるように伝熱部材１５３は、高い熱伝導率を有する材料（たとえば、銅板）から形成されている。伝熱部材１５３は主板１７１の右面に沿って配置された主伝熱部１８１と、上板１７４の上面上に現れる連結部１８２と、を含む。主伝熱部１８１は主板１７１に取り付けられている一方で、連結部１８２は上板１７４に取り付けられている。連結部１８２は冷凍機１４１の第２ステージに熱的に接続されている。連結部１８２は上板１７４の貫通孔１７７を通じて主伝熱部１８１に連なっている。

主伝熱部１８１は超伝導コイル１５５の左端面と主板１７１の右面とに挟まれるように配置された第１伝熱部１８３を含む。第１伝熱部１８３は超伝導コイル１５５の左端面に隣接しているだけでなく超伝導コイル１５５の外周面を全体的に覆うように形成されている。第１伝熱部１８３と連結部１８２との間で伝熱経路が形成されるように、主伝熱部１８１は第１伝熱部１８３から後方に拡がり連結部１８２に連なる略三角形状の伝熱領域を形成している第２伝熱部１８４を含む。第２伝熱部１８４を介して第１伝熱部１８３及び連結部１８２が連続しているので、第１伝熱部１８３に接触した超伝導コイル１５５の熱は連結部１８２に連結された冷凍機１４１の第２ステージへ伝えられる。第１伝熱部１８３及び第２伝熱部１８４に加えて主伝熱部１８１は、第２伝熱部１８４の下方で第１伝熱部１８３から後方に突出した略台形状の伝熱領域を形成している第３伝熱部１８５を含む（図３を参照）。第３伝熱部１８５は超伝導コイル１５５の冷却期間を短縮するために利用される部位である。

伝熱部材１５３、コイル部１５１及び第１支持体１６１からなる組立体は、真空容器１１０の右板１３２及び左板１３３と等距離になるように水平軸ＨＡＸ上に描かれた点Ｐで水平軸ＨＡＸに直交する仮想的な鉛直平面について、伝熱部材１５４、コイル部１５２及び第２支持体１６２からなる組立体と鏡像関係にある。したがって、伝熱部材１５３、コイル部１５１及び第１支持体１６１に関する説明は鏡像関係を考慮して、伝熱部材１５４、コイル部１５２及び第２支持体１６２からなる組立体に援用される。伝熱部材１５４、コイル部１５２及び第２支持体１６２からなる組立体は真空容器１１０のＵ字板１３１と左板１３３との間の空間に配置され、伝熱部材１５３、コイル部１５１及び第１支持体１６１からなる組立体から水平軸ＨＡＸの延設方向において離間している。

コイル部１５１，１５２に電力が供給されると、水平軸ＨＡＸに略平行に作用する電磁力が作用し上述の一対の組立体は互いに引きつけられる。これらの組立体の鏡像的な位置関係を電磁力の発生下において維持するために、第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２はこれらの組立体を連結する連結構造体を形成している。第１連結部材１９１は第１支持体１６１及び第２支持体１６２の下面と略面一となる下面を有する一方で、第２連結部材１９２は第１支持体１６１及び第２支持体１６２の上面と略面一となる上面を有する。第１連結部材１９１の下面と第２支持体１６２の上面との間の高さ方向における中間位置は水平軸ＨＡＸの高さ位置と略一致している。第１連結部材１９１は水平軸ＨＡＸよりも低い位置で第１支持体１６１及び第２支持体１６２の後端に連結されるように略水平に左右方向に延設されている。第１連結部材１９１の外周面は伝熱部材１５３の第３伝熱部１８５の後端に熱的に接続されている。第１連結部材１９１から上方に離間した位置（すなわち、水平軸ＨＡＸよりも高い位置）で第２連結部材１９２は第１支持体１６１及び第２支持体１６２の後端に連結されるように略水平に左右方向に延設されている。第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２として一般的な角パイプが利用可能である。

第２連結部材１９２の両端部は開口している一方で、第１連結部材１９１の両端部は閉じられている。すなわち、第１連結部材１９１は密閉された内部空間を形成している。第１連結部材１９１の内部空間は冷媒が収容される収容空間として利用される。冷媒として液体窒素が好適に用いられる。

液体窒素を収容空間の内外へ案内するための案内経路を超伝導マグネット装置１００は形成している。超伝導マグネット装置１００は液体窒素を第１連結部材１９１の収容空間に供給するための供給経路を形成している供給部１９３を備える。加えて超伝導マグネット装置１００は、第１連結部材１９１の収容空間内での液体窒素の気化の結果生じた気相の窒素を超伝導マグネット装置１００の外へ排気する排気部１９４を備える。

供給部１９３は第１連結部材１９１の周壁から上方に延設され第２連結部材１９２を貫通している供給管１９５（図１を参照）と、真空容器１１０の外で供給管１９５の上端に取り付けられたコネクタ１９６（図２を参照）とを含む。コネクタ１９６は液体窒素を供給する供給装置（図示せず）に連結される。

コネクタ１９６を通じて液体窒素とともに超伝導マグネット装置１００の外の外部環境の熱が供給管１９５に流入することがある。流入熱が下方に流れることを十分に妨げられるように供給管１９５は非常に細い内径を有している（供給管１９５の内径は液体窒素の下方への流動を過度に妨げないように設定されている）。流入熱の流れやすさは供給管１９５の内径だけでなく供給管１９５の長さにも依存する。供給管１９５が長ければ長いほど冷却対象への熱の流入は抑制される。供給管１９５の上端は真空容器１１０の天板１１１から上方に突出しているのに対して、供給管１９５の下端は超伝導マグネット装置１００の下部に配置された第１連結部材１９１内の収容空間に繋がっている。したがって、供給管１９５の上端から下端までの長さは十分に長く、第１連結部材１９１の収容空間への熱の流入は抑制される。

供給管１９５の右側で第１連結部材１９１から上方に延設された排気管１９８及び排気管１９８の上端に天板１１１上で取り付けられたコネクタ１９７は上述の排気部１９４を形成している。排気管１９８は供給管１９５と同様に第２連結部材１９２を貫通し、排気管１９８の下端は第１連結部材１９１の収容空間に連通している。排気管１９８の上端に取り付けられたコネクタ１９７は供給部１９３のコネクタ１９６と同様に上述の供給装置に連結されている。したがって、供給装置は第１連結部材１９１内で気化した窒素を回収することができる。

第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２によって第１支持体１６１と第２支持体１６２との間の鏡像的な位置関係はある程度維持される。第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２だけでは上述の位置関係を維持するための十分な構造的な強度を得られないような、第１支持体１６１及び第２支持体１６２に取り付けられたコイル部１５１，１５２間で作用する電磁力が非常に強い場合には、超伝導マグネット装置１００は第１連結部材１９１、第２連結部材１９２、第１支持体１６１及び第２支持体１６２によって形成されたフレーム構造体を補強する補強構造体を有していることが好ましい。

補強構造体として４つの補強部２０１が用いられている。４つの補強部２０１のうち１つは、第１連結部材１９１と第１支持体１６１の主板１７１の左面とによって形成された角隅部に配置されこれらに溶接されている（図３を参照）。４つの補強部２０１のうち他のもう１つは、第２連結部材１９２と第１支持体１６１の主板１７１の左面とによって形成された角隅部に配置されこれらに溶接されている（図１を参照）。４つの補強部２０１のうち他のもう１つは、第２連結部材１９２と第２支持体１６２の主板の右面とによって形成された角隅部に配置されこれらに溶接されている（図１を参照）。４つの補強部２０１のうち残りの１つは、第１連結部材１９１と第２支持体１６２の主板の右面とによって形成された角隅部に配置されこれらに溶接されている（図１を参照）。

第１連結部材１９１と第２支持体１６２の主板の右面とに溶接された補強部２０１の構造が以下に説明される。第１連結部材１９１と第２支持体１６２の主板の右面とに溶接された補強部２０１は、第２連結部材１９２と第２支持体１６２の主板の右面とに溶接された補強部２０１と形状及び大きさにおいて共通している。したがって、第１連結部材１９１と第２支持体１６２の主板の右面とに溶接された補強部２０１に関する以下の説明は、第２連結部材１９２と第２支持体１６２の主板の右面とに溶接された補強部２０１に援用される。他の２つの補強部２０１は点Ｐにおいて水平軸ＨＡＸに直交する仮想的な鉛直平面について、第２支持体１６２に溶接された２つの補強部２０１と鏡像関係にある。したがって、第１連結部材１９１と第２支持体１６２の主板の右面とに溶接された補強部２０１に関する以下の説明は鏡像関係を考慮して、第１支持体１６１に溶接された２つの補強部２０１に援用される。

第１連結部材１９１と第２支持体１６２の主板の右面とに溶接された補強部２０１は、水平姿勢をとる２つの水平板２０２，２０３と鉛直姿勢をとる鉛直板２０４とを含む。水平板２０２，２０３は形状及び大きさにおいて等しく、略直角三角形状の平板である。水平板２０２，２０３それぞれによって形成される略直角三角形の斜辺は真空容器１１０のＵ字板１３１の湾曲に沿うように湾曲している。水平板２０２，２０３それぞれによって形成された略直角三角形の他の辺のうち一方は第１連結部材１９１の延設方向に延び第１連結部材１９１の外周面に溶接されている。水平板２０２，２０３それぞれによって形成された略直角三角形の残りの辺は前方に延び第２支持体１６２の主板の右面に溶接されている。

水平板２０２は水平板２０３から上方に離間している。水平板２０２，２０３の間に鉛直板２０４が配置されている。鉛直板２０４は略矩形状の平板である。鉛直板２０４の上縁は水平板２０２の下面に溶接されている。鉛直板２０４の下縁は水平板２０３の上面に溶接されている。鉛直板２０４の後縁は第１連結部材１９１の外周面に溶接されている。

鉛直板２０４及び水平板２０２，２０３によって形成された補強部２０１は第１連結部材１９１、第２連結部材１９２、第１支持体１６１及び第２支持体１６２によって形成されたフレーム構造体の変形を効果的に防止する。第１支持体１６１及び第２支持体１６２を引き寄せるようにコイル部１５１，１５２への電力供給の下で発生する強い電磁力が作用する。このとき第１支持体１６１及び第１連結部材１９１（及び第２連結部材１９２）の連結部位には、第１支持体１６１の主板１７１の左面と第１連結部材１９１（及び第２連結部材１９２）との間で平面視において形成された挟角を狭めようとするモーメントが作用する。同様に、第２支持体１６２及び第１連結部材１９１（及び第２連結部材１９２）の連結部位には、第２支持体１６２の主板の右面と第１連結部材１９１（及び第２連結部材１９２）との間で平面視において形成された挟角を狭めようとするモーメントが作用する。これらの挟角が変化すると、コイル部１５１，１５２の軸は水平軸ＨＡＸからずれる。しかしながら、これらの挟角の形成部位に配置された４つの補強部２０１は上述のモーメントに抗する。

水平板２０２，２０３の間に配置された鉛直板２０４は水平板２０２，２０３の上方又は下方への湾曲変形を防止するので、補強部２０１はモーメントに十分に抗することができる。補強部２０１によって、強い電磁力の存在下でもフレーム構造体の形状は維持される。

強い電磁力の生成のためには、コイル部１５１，１５２は十分に冷却される必要がある（たとえば、４Ｋ）。コイル部１５１，１５２の温度を常温から４Ｋまで冷凍機１４１，１４２のみを用いて下げようとすると数ヶ月の期間が必要とされる。コイル部１５１，１５２の冷却期間の短縮のために第１連結部材１９１の収容空間が利用される。

コイル部１５１，１５２が常温であるとき、冷凍機１４１，１４２が起動されるとともに液体窒素を供給する供給装置がコネクタ１９６，１９７（図２を参照）に接続される。液体窒素はコネクタ１９６及び供給管１９５を通じて第１連結部材１９１の収容空間に流入する。供給管１９５は非常に細く且つ長いので液体窒素の供給の間、超伝導マグネット装置１００の外の外部環境からの熱は第１連結部材１９１に到達しない。したがって、第１連結部材１９１は液体窒素によって効率的に冷却される。液体窒素は収容空間内で気化する。気化した窒素は排気管１９８及びコネクタ１９７を通じて第１連結部材１９１から供給装置に回収される。

第１連結部材１９１への液体窒素の供給の結果、第１連結部材１９１は低温になる。第１連結部材１９１の外周面には伝熱部材１５３の第３伝熱部１８５が接続されている。第３伝熱部１８５はコイル部１５１，１５２と接触する第１伝熱部１８３に連なっているので、コイル部１５１，１５２から第１連結部材１９１への伝熱経路が形成されている。したがって、コイル部１５１，１５２の熱は第１伝熱部１８３及び第３伝熱部１８５を通じて第１連結部材１９１へ伝わる。

第１伝熱部１８３は第２伝熱部１８４を介して連結部１８２に連なっている。連結部１８２は冷凍機１４１，１４２の第２ステージが連結されているので、第１伝熱部１８３から冷凍機１４１，１４２への伝熱経路が形成されている。したがって、第１伝熱部１８３に接触したコイル部１５１，１５２の熱は冷凍機１４１，１４２に伝わる。コイル部１５１，１５２の熱は冷凍機１４１，１４２と第１連結部材１９１とによって奪われるので、コイル部１５１，１５２の冷却期間は短縮される。

コイル部１５１，１５２の温度が液体窒素の温度に近くなると、コネクタ１９６，１９７に真空装置（図示せず）が接続される。真空装置が第１連結部材１９１内の窒素を吸引する結果、第１連結部材１９１の収容空間は真空状態になる。その後も冷凍機１４１，１４２はコイル部１５１，１５２の温度が所望の温度（たとえば、４Ｋ）になるまで作動し続ける。コイル部１５１，１５２の温度が所望の温度になったとき、コイル部１５１，１５２に供給される電力に対する抵抗は大幅に低減されている。したがってコイル部１５１，１５２へ電力が供給されると、大きな電流がコイル部１５１，１５２に流れ大きな電磁力が発生する。コイル部１５１，１５２が取り付けられた第１支持体１６１及び第２支持体１６２の間の空間では例えば、半導体ウェハに加工される溶融材料が収容された坩堝が鉛直方向に移動される。この結果、溶融材料内の不純物はコイル部１５１，１５２から生じた高い電磁力によって坩堝の内壁面に集められる一方で、坩堝の中心には純度の高い半導体材料が集まる。

コイル部１５１，１５２の温度が常温から液体窒素の温度になるまでの期間が液体窒素の供給により効果的に短縮される。液体窒素が供給される供給口（すなわち、供給管１９５の上端）は真空容器１１０の天板１１１上に位置しているのに対し液体窒素の供給先として用いられる第１連結部材１９１は真空容器１１０の内部空間の下部に配置されている。第１連結部材１９１は第２連結部材１９２と較べて液体窒素が供給される供給口から十分に離れているので、液体窒素とともに供給管１９５に流入する熱があっても第１連結部材１９１に対する流入熱の影響が抑制されている。したがって、第１連結部材１９１は効率的に冷却される。

第１連結部材１９１から上方に離間した位置に第２連結部材１９２が配置されている。したがって、第１連結部材１９１と第２連結部材１９２との間に空間が形成される。この結果、第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２によって形成された連結構造体は過度に重くならない。

第１連結部材１９１は超伝導マグネット装置１００の下部に配置されている一方で第２連結部材１９２は超伝導マグネット装置１００の上部に配置されているので、水平軸ＨＡＸの上方部位及び下方部位においてフレーム構造体は電磁力に十分に抗することができる機械的強度を有する。

電磁力はコイル部１５１，１５２を互いに引き寄せるように作用する。電磁力はコイル部１５１，１５２が取り付けられた第１支持体１６１及び第２支持体１６２を通じて第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２に圧縮力として作用する。第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２は圧縮力の作用方向に一致する水平軸ＨＡＸの延設方向に延設されている。したがって、第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２はこれらに作用する圧縮力に対して高い機械的強度を有している。

第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２が第１支持体１６１及び第２支持体１６２の連結に利用されている。しかしながら、電磁力があまり大きくないならば１つの連結部材が第１支持体１６１及び第２支持体１６２の連結に利用されてもよい。一方、電磁力が非常に大きいならば、２を超える連結部材が第１支持体１６１及び第２支持体１６２の連結に利用されてもよい。

連結部材の配置はフレーム構造体の機械的な強度及び電磁力の大きさに基づいて決定されてもよい。単一の連結部材が用いられるとき、単一の連結部材が水平軸ＨＡＸと略等しい高さ位置で水平に延設されているとともに水平軸ＨＡＸの上方部位及び下方部位それぞれにおいてフレーム構造体に十分な機械的強度を与えるように設計されることが好ましい。第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２に他のもう１つの連結部材が追加するときも、追加的な連結部材が水平軸ＨＡＸと略等しい高さ位置で水平に延設されてもよい。

第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２の断面は大きさにおいて等しくてもよいし、相違していてもよい。第１連結部材１９１の断面が大きいならば収容空間は大きくなり、多量の液体窒素の供給が可能になる。この場合、液体窒素を用いた補助冷却の効果が増大する。

液体窒素は第１連結部材１９１に供給される一方で第２連結部材１９２へは供給されていない。しかしながら、液体窒素は第２連結部材に供給されてもよい。この場合、第２連結部材の両端は閉じられる。加えて、液体窒素の供給口は第２連結部材から十分に離れた位置に配置される。更に伝熱部材は第２連結部材に接触するように形成される。

第２連結部材１９２及び第１連結部材１９１として角パイプが用いられている。しかしながら、フレーム構造体に十分に高い機械的な強度を与えることができる他の部材が第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２に代替して用いられてもよい。この場合、第１連結部材１９１に代替して用いられる部材は中空構造を有し、この代替部材の内部に液体窒素が供給される。

液体窒素に代えて、液体ヘリウムや第１連結部材１９１を十分に冷却することができる他の冷媒が用いられてもよい。

液体窒素がコイル部１５１，１５２を補助的に冷却する一方で冷凍機１４１，１４２はコイル部１５１，１５２の冷却を主に担う。２つの冷凍機１４１，１４２がコイル部１５１，１５２を冷却するための冷却部として用いられているけれども、１つの冷凍機が冷却部として用いられてもよい。あるいは、２を超える冷凍機が冷却部として用いられてもよい。

冷却部による冷却の結果、コイル部１５１，１５２の電気抵抗が下がる。この結果、コイル部１５１，１５２を流れる電流及びコイル部１５１，１５２から発生する電磁力は大きくなる。大きな電磁力に対して第１連結部材１９１、第２連結部材１９２、第１支持体１６１及び第２支持体１６２によって形成されるフレーム構造体が十分に大きな機械的強度を有するように、４つの補強部２０１がフレーム構造体に組み込まれている。これらの補強部２０１それぞれは複数の板部材を用いて形成されている。しかしながら、補強部は棒状部材を組み合わせて形成されてもよいし、フレーム構造体の機械的強度を向上させることができる他の構造を有してもよい。

上述の実施形態の技術は、強い電磁力が必要とされる様々な技術分野に好適に利用される。

１００・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・超伝導マグネット装置
１４１，１４２・・・・・・・・・・・・・・・・冷凍機
１５３，１５４・・・・・・・・・・・・・・・・伝熱部材
１５５・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・超伝導コイル
１６１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第１支持体
１６２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第２支持体
１９１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第１連結部材
１９２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第２連結部材
１９５・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・供給管
２０１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・補強部

Claims (5)

1. 軸方向に対向するように離間した位置に配置された一対の超伝導コイルと、
   前記一対の超伝導コイルのうち一方を支持するように形成された第１支持体と、
   前記第１支持体から離間した位置に配置されているとともに前記一対の超伝導コイルのうち他方を支持するように形成された第２支持体と、
   前記第１支持体及び前記第２支持体にそれぞれ取り付けられた一対の冷凍機と、
   前記一対の超伝導コイルの熱が前記一対の冷凍機へ伝わるように前記第１支持体及び前記第２支持体にそれぞれ取り付けられた一対の伝熱部材と、
   前記第１支持体と前記第２支持体とに連結されているとともに冷媒が収容される収容空間を形成している連結構造体と、を備え、
   前記一対の伝熱部材は前記一対の超伝導コイルの熱を前記冷媒によって冷却された前記連結構造体へ伝えるように形成されている
   超伝導マグネット装置。
2. 前記収容空間へ前記冷媒を案内するように形成された供給管を更に備え、
   前記一対の超伝導コイルの前記軸は水平方向に延設され、
   前記収容空間は前記連結構造体の高さ方向における中間位置よりも下方に形成され、
   前記供給管は前記収容空間から上方に延設されている
   請求項１に記載の超伝導マグネット装置。
3. 前記連結構造体は前記中間位置より下方で前記第１支持体と前記第２支持体とに連結されるように前記水平方向に延設された第１連結部材と、前記第１連結部材から上方に離間するように前記中間位置よりも上方で延設されているとともに前記第１支持体と前記第２支持体とに連結された第２連結部材を含み、
   前記収容空間は第１連結部材に形成されている
   請求項２に記載の超伝導マグネット装置。
4. 平面視において前記第１支持体と前記第１連結部材とによって形成された挟角が前記一対の超伝導コイルから発生した電磁力の存在下において維持されるように前記第１支持体と前記第１連結部材とに接続された補強部を更に備える
   請求項３に記載の超伝導マグネット装置。
5. 前記冷媒は液体窒素である
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超伝導マグネット装置。

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