JP7236076B2 - 超電導マグネット装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導マグネット装置に関する。

超電導コイル（超電導線材の巻線部）から引き出した端末線（引き出し線）の引き回し技術として、下記非特許文献１に開示のものがある。非特許文献１では、超電導コイルから引き出した上記端末線をエッジワイズ曲げすることで上方に引き回し、その上方空間において接続している。

柳澤 吉紀、外４名、「高温超電導線材の超電導接合を持つ永久電流ＮＭＲ」、［online］、2018年11月2日、報道発表資料、［平成31年2月4日検索］、インターネット（URL：http://www.riken.jp/pr/press/2018/20181102_1/）

超電導コイルから引き出した端末線の上記引き回し技術では、端末線の接続部を配置可能なスペースが少なく、接続部が多くなった場合にその配置が難しい。また、テープ形状の超電導線材では、引き回し作業が煩雑になることが問題であった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、超電導線材の接続部が多くても、その配置を容易に行うことができ、且つ超電導線材の引き回し作業を容易に行うことができる構造の超電導マグネット装置を提供することである。

本発明は、超電導コイルと、前記超電導コイルの軸方向へ向かって前記超電導コイルの巻枠から延在する配線第一保持部と、前記軸方向において前記配線第一保持部と同じ側に配置された複数の配線第二保持部であって、前記軸方向に対して交差する方向に延在するとともに、前記巻枠および前記配線第一保持部よりも大径の複数の配線第二保持部と、を備える超電導マグネット装置である。前記配線第二保持部には、前記超電導コイルから延びるとともに相互に接続される超電導線材の配置経路の長さを調節するための調節機構、および当該超電導線材の接続部を格納するための箱状体が設けられている。前記超電導線材が、前記配線第一保持部に螺旋状に巻かれているとともに、前記調節機構により配置経路の長さが調節され且つ前記箱状体に前記接続部が格納された状態で前記配線第二保持部に固定されている。

本発明によれば、超電導線材の複数の接続部を、上記配線第二保持部に集約することが可能となる。そのため、超電導線材の接続部が多くても、その配置を容易に行うことができる。また、配線第一保持部に超電導線材を螺旋状に巻くことで引き回し作業を行うことができるので、当該作業が容易である。

本発明の一実施形態に係る超電導マグネット装置を構成する超電導コイルの断面図である。 図１に示す複数の超電導コイルのうちの最内層の超電導コイルから延びる超電導線材（引き出し線）の保持構造を示す模式図である。 図１に示す複数の超電導コイルのうちの最内層の超電導コイルの永久電流ループ部分を示す回路図である。 図２に示す保持構造の一部を具体的に示す斜視図である。 図４に示す配線第二保持部としてのジョイントプレートの下面を示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

図１から図５は、本発明の一実施形態に係る超電導マグネット装置を説明するための図である。なお、図１から図５において、対応する部材、部品には同一の符号を付している。

図１に示すように、上記超電導マグネット装置は、内側から順に、第１超電導コイル１、第２超電導コイル２、第３超電導コイル３、第４超電導コイル４、および軸方向に沿って配置された複数の第５超電導コイル５を備える。複数の第５超電導コイル５は、発生する磁場を補正するための補正コイルである。これら超電導コイル１～５は、クライオスタットと呼ばれる低温容器（不図示）の中に収容され、液体ヘリウムなどで冷却される。

第１超電導コイル１を構成する超電導線材は、テープ形状の線材であり、例えば、高温超電導線材の一つであるＹ系超電導線材である。この第１超電導コイル１は、図２に示すように、巻枠６の胴部６ａに上記超電導線材が巻線されてなるものであり、図３に示すように、複数の超電導線材７～１５が接続されてなる。また、複数の超電導線材７～１５のうちの両端の超電導線材７、１５は、永久電流スイッチ２０からの引き出し線２１、２２（＝永久電流スイッチ２０から延びる超電導線材）と、それぞれ接続される。引き出し線２１、２２も、例えば、Ｙ系超電導線材である。超電導線材７～１５、２１、２２の各接続部に、符号Ｊ１～Ｊ１０を付している。なお、第１超電導コイル１（超電導コイル）は、本実施形態のように９本の超電導線材７～１５が接続されてなるもの限られることはなく、第１超電導コイル１（超電導コイル）を構成する超電導線材の本数は様々である。

ここで、Ｙ系超電導線材などの超電導線材７～１５、２１、２２同士を、１０^-11Ω以下といった低抵抗で接続する方法として、超電導線材同士を焼結などの熱処理によって接続する方法がある。超電導線材同士の熱処理にはたとえば８００℃程度の温度を要するため、接続する２本の超電導線材を加熱炉に引き込む必要がある。この場合、第１超電導コイル１全体を加熱炉に入れることはできないので、第１超電導コイル１からの引き出し線７ａ～１５ａ（＝超電導コイルから延びる超電導線材）を加熱炉に入れ、接続する箇所を熱処理接続することになる。また、超電導線材同士を熱処理接続した後に要求される性能が出なかった場合には、熱処理接続部を切断してその近傍部位を再度熱処理接続したり、熱処理接続部を切断せずにその近傍部位を再度熱処理接続したりすることになる。そのため、超電導線材７～１５、２１、２２同士を低抵抗で接続するにあたっては、やり直しの可能性を考慮して十分な余長を確保する必要がある。

超電導マグネット装置の一部構造を、図２に模式化して示している。また、図４は、図２に示す構造のさらに一部を具体的に示す図である。
本実施形態の超電導マグネット装置は、第１超電導コイル１の軸方向へ向かって上記巻枠６から延在する配線第一保持部としての２つの筒状体１６、１８を備える。これら筒状体１６、１８の、巻枠６とは反対側の端部には、配線第二保持部としてのジョイントプレート１７、１９がそれぞれ連結される。円板形状のジョイントプレート１７、１９は、巻枠６および筒状体１２よりも大径とされ、第１超電導コイル１の軸方向に対して交差する方向に筒状体１６、１８から延在される。２枚のジョイントプレート１７、１９は、第１超電導コイル１の軸方向において所定の間隔をあけて配置される。

上記筒状体１６、１８、およびジョイントプレート１７、１９は、引き出し線７ａ～１５ａ、２１、２２（超電導線材）が超電導状態を維持するように液体ヘリウムなどの冷媒で冷却される。

本実施形態では、ジョイントプレート１７、１９は、筒状体１６、１８に対して直交しているが、直交している必要は必ずしもない。また、巻枠６と筒状体１６とは別部品であって相互に連結されてもよいし、一の素材から形成された一体品であってもよい。また、ジョイントプレート１９は、巻枠６から延在する筒状体１８に連結されているが、筒状体１８を設けずに、ボルトなどの固定手段を用いて、所定の間隔をあけてジョイントプレート１７にジョイントプレート１９が連結されてもよい。この場合、複数の引き出し線７ａ～１５ａは全て筒状体１６に巻き線される。また、ジョイントプレートの枚数は、２枚に限定さるものではなく、超電導コイルの軸方向において筒状体（配線第一保持部）と同じ側に３枚以上のジョイントプレートが配置されてもよい。

図５は、図４に示すジョイントプレート１７の下面を示す平面図である。なお、図５には、第１超電導コイル１からの引き出し線７ａ～１１ａ、１５ａ、および永久電流スイッチ２０からの引き出し線２１、２２を図示しているが、図４に示すジョイントプレート１７の下面には、表示が煩雑となるのでこれら引き出し線の図示を省略している。

図４、５に示すように、ジョイントプレート１７の下面には、第１超電導コイル１から延びるとともに相互に接続される引き出し線７ａ～１１ａ、１５ａ、および永久電流スイッチ２０からの引き出し線２１、２２の配置経路の長さを調節するための複数の調節機構２３が設けられる。また、ジョイントプレート１７の下面には、引き出し線７ａ～１１ａ、１５ａ、２１、２２の各接続部Ｊ１～Ｊ５、Ｊ１０を格納するための複数の箱状体２６が設けられる。なお、引き出し線１２ａなど上記以外の引き出し線は、ジョイントプレート１９の下面に配置され、接続部Ｊ６など上記以外の接続部は、ジョイントプレート１９の下面に設けられた箱状体に格納される。

ジョイントプレート１７の下面の構成と、ジョイントプレート１９の下面の構成とは、類似の構成であるので、代表して、ジョイントプレート１７の下面の構成について図４、５を参照しつつ説明する。なお、上記調節機構２３、箱状体２６などが、ジョイントプレート１７、１９の上面に設けられてもよい。

引き出し線７ａ～１１ａ、１５ａのガイドとなる棒状の複数のガイド部材２５が、２本を１組にして、ジョイントプレート１７に放射状に取り付けられる。線材曲げによる超電導線材の劣化を抑制するためガイド部材２５の端部は湾曲面２５ａとされる。

調節機構２３は、引き出し線（超電導線材）が掛け回される円板形状の複数の板状体２３ａ～２３ｃを有する。板状体２３ａ～２３ｃは、互い違いにジョイントプレート１７に取り付けられる。板状体２３ａ～２３ｃのうちの板状体２３ｂは、ジョイントプレート１７に対してスライド移動可能とされる。ジョイントプレート１７には、板状体２３ｂをスライド移動させるためのガイドとなる長溝２４が設けられており、板状体２３ｂの中心に設けられた係止部材３０が上記長溝２４内をスライド移動する。永久電流スイッチ２０からの引き出し線２１、２２の引き回しには、上記板状体２３ａ～２３ｃに加えて、これら板状体２３ａ～２３ｃと同様にジョイントプレート１７に取り付けられた板状体２７も用いられる。

箱状体２６は、図４に示すように例えば断面がコ字形状の棒状部材である。

ジョイントプレート１７には、永久電流スイッチ２０を埋め込むための埋め込み部２８（埋め込み孔）が設けられている。埋め込み部２８（埋め込み孔）に永久電流スイッチ２０を埋め込むという永久電流スイッチ２０の保持構造によると、ジョイントプレート１７の下面からの永久電流スイッチ２０の突出高さが調整可能となり、永久電流スイッチ２０からの引き出し線２１、２２のジョイントプレート１７下面からの突出高さを調整することができる。また、永久電流スイッチ２０の厚さも変更しやすい。永久電流スイッチ２０は、係止部材２９によりジョイントプレート１７に固定される。

第１超電導コイル１からの引き出し線７ａ～１１ａ、１５ａ、および永久電流スイッチ２０からの引き出し線２１、２２の引き回し、格納手順は例えば次のとおりである。

上記引き出し線７ａ～１１ａ、１５ａを、巻枠６からジョイントプレート１７の下面高さレベルまで、筒状体１６の外周面に螺旋状に巻線する。そして、引き出し線７ａの端部と引き出し線８ａの端部、引き出し線７ａの端部と引き出し線２１の端部、というように、余長部分の引き出し線７ａ～１１ａ、１５ａおよび永久電流スイッチ２０からの引き出し線２１、２２を加熱炉に適宜入れて熱処理接続する。そして、熱処理接続した接続部Ｊ１～Ｊ５、Ｊ１０の特性を評価し、要求される性能が出なかった場合は、要求される性能が出るまで熱処理接続をやり直す。この場合、熱処理接続部を切断してその近傍部位を再度熱処理接続してもよいし、熱処理接続部を切断せずにその近傍部位を再度熱処理接続してもよい。

熱処理接続した接続部Ｊ１～Ｊ５、Ｊ１０の特性が満足できるものであれば、熱処理接続した２本で１組の各引き出し線を、次のようにして、ジョイントプレート１７の下面側で引き回すとともにジョイントプレート１７に格納する。

いずれも第１超電導コイル１から延びる引き出し線７ａ、８ａの場合、まず、１組のガイド部材２５の間に引き出し線７ａ、８ａをまとめて通す。そして、基本的には、板状体２３ａ、２３ｂ、２３ｃの順で、板状体２３ａ～２３ｃに引き出し線７ａ、８ａを掛け回す。その後、引き出し線７ａ、８ａの接続部Ｊ２を箱状体２６に格納する。

ここで、引き出し線７ａの端部と引き出し線８ａの端部との熱処理接続を１回目（初回）の作業で完了できた場合（接続部Ｊ２の特性が満足できるものである場合）、図５に実線で示す板状体２３ｂの配置が適用される。もし、１回目が失敗して、熱処理接続部を切断し、その近傍部位を再度熱処理接続する２回目の作業で熱処理接続を完了できた場合、板状体２３ｂを板状体２３ａ、２３ｃ側へスライド移動させて、引き出し線７ａ、８ａの配置経路の長さを短くする。スライド移動した板状体２３ｂ、およびこのときの引き出し線７ａ、８ａの配線を二点鎖線で図５に示している。２回も失敗して、熱処理接続部を再度切断し、３回目の作業で熱処理接続を完了した場合、引き出し線７ａ、８ａの配線を点線で図５に示すように、板状体２３ａ、２３ｃの順で、板状体２３ｂをとばして、引き出し線７ａ、８ａを掛け回す。板状体２３ｂをとばすことで、引き出し線７ａ、８ａの配置経路の長さをさらに短くすることができ、再三の切断で引き出し線７ａ、８ａが短くなってもそれに対応することができる。

一方が、第１超電導コイル１から延びる引き出し線７ａで、他方が、永久電流スイッチ２０から延びる引き出し線２１の場合、板状体２３ａ～２３ｃに加えて、板状体２７も用いられる。永久電流スイッチ２０から延びる引き出し線２１を、板状体２７に掛け回すとともに、第１超電導コイル１から延びる引き出し線７ａを１組のガイド部材２５の間に通す。その後の、引き出し線７ａ、２１の引き回しは、引き出し線７ａ、８ａの前記引き回しと同じである。

なお、引き出し線１２ａなど上記以外の引き出し線の引き回し、および接続部Ｊ６～Ｊ９の格納は、ジョイントプレート１９にて上記と同様に行われる。引き出し線１２ａ～１４は、筒状体１８の外周面に螺旋状に巻かれる。

また、接着剤、パテ、テープ、ワックス、または粘土などを用いて、引き出し線の固定が補強されてもよいし、金属板で挟むことで、引き出し線の固定が補強されてもよい。

本実施形態では、引き出し線の接続部Ｊ１～Ｊ５、Ｊ１０をジョイントプレート１７に配置し、残りの接続部Ｊ６～Ｊ９をジョイントプレート１９に配置することとしているが、引き出し線の接続部Ｊ１～Ｊ１０の配置はこれに限られるものではない。

また、第１超電導コイル１よりも外層の例えば第２超電導コイル２からの引き出し線（＝超超電導線材）を、ジョイントプレート１９にて引き回し、当該引き出し線との接続部をジョイントプレート１９に格納してもよい。第２超電導コイル２を構成する超電導線材は、例えば、低温超電導線材である。

上記構成によると、超電導線材７～１５の複数の接続部Ｊ１～Ｊ１０を、ジョイントプレート１７、１９に集約することが可能となる。そのため、超電導線材の接続部が多くても、その配置を容易に行うことができる。また、筒状体１６、１８に引き出し線７ａ～１５ａ（超電導線材）を螺旋状に巻くことで引き回し作業を行うことができるので、超電導線材７～１５のエッジワイズ曲げは不要であり、当該作業が容易である。

また、複数のジョイントプレート１７、１９が配置されることで、超電導線材の接続部を多く配置することが可能となるので、第２超電導コイル２など、第１超電導コイル１よりも外層の超電導コイルからの引き出し線との接続部をジョイントプレート１９に格納することも可能となる。

また、ジョイントプレート１７、１９に調節機構２３が設けられることで、引き出し線（超電導線材）の接続失敗により、引き出し線が短くなった場合でも、引き出し線の引き回しを適切に行うことができる。

また、ジョイントプレート１７、１９に箱状体２６が設けられ、この箱状体２６に引き出し線（超電導線材）の接続部が格納されることで、磁場中におけるローレンツ力に対する接続部の耐性が向上する。

上記実施形態では、調節機構２３は、超電導線材が掛け回される複数の板状体２３ａ～２３ｃを有し、板状体２３ａ～２３ｃのうちの少なくとも１枚の板状体２３ｂが、ジョイントプレート１７に対してスライド移動可能に取り付けられている。この構成によると、調節機構２３を簡易に形成することができる。

また、上記実施形態では、配線第一保持部としての筒状体１６の外径は、巻枠６の胴部６ａの外径と同じにされ、同じく配線第一保持部としての筒状体１８の外径は、巻枠６の胴部６ａの外径よりも大きくされている。この構成によると、筒状体１６、１８の外径が巻枠６の胴部６ａの外径よりも小さい場合に比べて、筒状体１６、１８に螺旋状に巻かれた引き出し線７ａ～１５ａの曲率が小さくなり、引き出し線７ａ～１５ａの折損を抑制することができる。この観点から、筒状体１６、１８は、巻枠６の胴部６ａの外径以上の外径を有することが好ましい。

ここで、例えば図１から図５に示す超電導マグネット装置において、超電導線材７～１５（引き出し線７ａ～１５ａを含む）、および永久電流スイッチ２０の超電導線材（引き出し線２１、２２）を全て高温超電導線材とすることに代えて、超電導線材７～１５（引き出し線７ａ～１５ａを含む）を高温超電導線材とし、永久電流スイッチ２０の超電導線材（引き出し線２１、２２）をＮｂＴｉ線材（低温超電導線材）としてもよい。この場合、永久電流スイッチ２０は、ジョイントプレート１７、１９とは異なる箇所（ジョイントプレート１７、１９外の適切な場所）に配置される。

なお、永久電流スイッチ２０が、ジョイントプレート１７、１９とは異なる箇所に配置されるとは、超電導マグネット装置を構成する、ジョイントプレート１７、１９とは異なる部材であって、永久電流スイッチ２０を構成する超電導線材が超電導状態を維持するように当該永久電流スイッチ２０の冷却が可能となる部材に、永久電流スイッチ２０が取り付けられることをいう。

上記の実施形態はさらに次のように変更可能である。
超電導線材の形状は、テープ形状でなくてもよく、円柱形状などであってもよい。また、超電導線材は、高温超電導線材ではなく、低温超電導線材であってもよい。

超電導線材の接続部Ｊ１～Ｊ１０は、超電導線材の端部とされる必要は必ずしもなく、当該端部から少し離れた位置で超電導線材が接続されてもよい。

板状体２３ａ～２３ｃは、線材曲げによる超電導線材の劣化を抑制できる形状であればよく、真円に代えて、楕円、長円などの形状であってもよい。

上記実施形態では、最内層の第１超電導コイル１から延びる複数の超電導線材（引き出し線）を、巻枠６から延在する筒状体１６などを介してジョイントプレート１７、１９に格納する例を示した。最内層の超電導コイルに加えて、最内層ではない超電導コイル、すなわち、第２超電導コイル２や第３超電導コイル３から延びる複数の超電導線材（引き出し線）を、第１超電導コイル１の場合と同様に、各巻枠から延在する筒状体（配線第一保持部）を介してジョイントプレート（配線第二保持部）に格納してもよい。

なお、図４に示す第１超電導コイル１は、第１超電導コイル１から筒状体１６側へ超電導線材を引き出すために、層内非絶縁方式などの層巻方式で巻枠６に巻線されることが好適である。ここで、層内非絶縁方式とは、絶縁の施されていない超電導線材を用い、コイルの層間に、片面が絶縁された金属シートを挿入したり、絶縁シートおよび金属シートを挿入したりすることで、層内の超電導線材同士を電気的に接触させてコイルの熱的安定性を高める巻線方式のことである。

以上、本発明の実施形態および変形例について説明した。なお、その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行うことは可能である。

１：第１超電導コイル（超電導コイル）
６：巻枠
６ａ：胴部
７～１５：超電導線材
７ａ～１５ａ：引き出し線（超電導線材）
１６、１８：筒状体（配線第一保持部）
１７、１９：ジョイントプレート（配線第二保持部）
２０：永久電流スイッチ
２３：調節機構
２３ａ～２３ｃ：板状体（掛け回し体）
２６：箱状体（格納体）
２８：埋め込み部
Ｊ１～Ｊ１０：接続部

Claims (10)

1. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルの軸方向へ向かって前記超電導コイルの巻枠から延在する配線第一保持部と、
   前記軸方向において前記配線第一保持部と同じ側に配置された配線第二保持部であって、前記軸方向に対して交差する方向に前記配線第一保持部から延在するとともに、前記巻枠および前記配線第一保持部よりも大径の配線第二保持部と、
   を備え、
   前記配線第二保持部には、前記超電導コイルから延びるとともに相互に接続される超電導線材の配置経路の長さを調節するための調節機構、および当該超電導線材の接続部を格納するための格納体が設けられており、
   前記調節機構は、前記超電導線材が掛け回される複数の掛け回し体を有し、
   前記掛け回し体のうちの少なくとも１つが、前記配線第二保持部に対してスライド移動可能に取り付けられており、
   前記超電導線材が、前記配線第一保持部に螺旋状に巻かれているとともに、前記調節機構により配置経路の長さが調節され且つ前記格納体に前記接続部が格納された状態で前記配線第二保持部に固定されている、
   超電導マグネット装置。
2. 請求項１に記載の超電導マグネット装置において、
   前記配線第二保持部は、複数設けられ、
   前記格納体は、箱状体であり、
   前記掛け回し体は、板状体である、
   超電導マグネット装置。
3. 請求項１または２に記載の超電導マグネット装置において、
   前記巻枠と前記配線第一保持部とが、同軸に配置されている、
   超電導マグネット装置。
4. 請求項１～３のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、
   前記配線第一保持部と前記配線第二保持部とが、同軸に配置されている、
   超電導マグネット装置。
5. 請求項１～４のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、
   １つの前記配線第二保持部に、複数の前記接続部が格納されている、
   超電導マグネット装置。
6. 請求項１～５のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、
   前記配線第一保持部は、前記巻枠の胴部の外径以上の外径を有している、
   超電導マグネット装置。
7. 請求項１～６のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、
   前記超電導線材が、テープ形状の線材である、
   超電導マグネット装置。
8. 請求項１～７のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、
   永久電流スイッチを備え、
   前記配線第二保持部に、前記永久電流スイッチを埋め込むための埋め込み部が設けられている、
   超電導マグネット装置。
9. 請求項１～７のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、
   永久電流スイッチを備え、
   前記永久電流スイッチが、前記配線第二保持部とは異なる箇所に配置されている、
   超電導マグネット装置。
10. 請求項１～９のいずれかに記載の超電導マグネット装置において、
    前記超電導コイルが、層内非絶縁方式で巻線されている、
    超電導マグネット装置。

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