JP7270908B2

JP7270908B2 - 超電導マグネット装置

Info

Publication number: JP7270908B2
Application number: JP2019091256A
Authority: JP
Inventors: 衞 ▲浜▼田; 吉紀柳澤; 佑末富
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; Japan Superconductor Technology Inc
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; Japan Superconductor Technology Inc
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2039-05-14
Also published as: EP3739602B1; JP2020188110A; US20200365303A1; EP3739602A1; US11551842B2

Description

本発明は、超電導マグネット装置に関する。

超電導マグネット装置に関する技術として、下記特許文献１に記載のものがある。この特許文献１に記載の技術は、超電導マグネット装置を構成する超電導線材の接続構造に関するものであって、次のように構成されている。
溝部を有する溝付き枠材を有し、二本の超電導線材の接続部が当該溝部に固定される。また、上記溝付き枠材は円柱形状部を備えてもよく、この場合、上記二本の超電導線材が当該円柱形状部に巻線される。

上記構成により、曲げや衝撃、その他の外力から上記接続部が保護されて、上記接続部の破損の発生を効果的に低減することが可能とのことである。また、溝付き枠材が円柱形状部を備える構成とされた場合には、超電導線材を巻き付けにより保持することができ、超電導線材の余長部分を特定方向の曲がりや折り曲げから保護することが可能とのことである。

特開２０１８－９８４２０号公報

近年、超高磁場を発生させることが可能な超電導マグネット装置の開発が進められている。超高磁場を発生させるには、コイルの大型化を行う必要があり、その結果、非常に長い超電導線材を形成することが必要となる。一方、超電導線材の製造にあたり、超電導線材１本の長さには限界がある。そのため、非常に長い１本の超電導線材とするには、複数の超電導線材同士を接続する必要があり、超電導線材の接続部が多くなる。

ここで、上記の従来技術では、二本の超電導線材の接続部が固定される１つの溝付き枠材が冷却板というプレートに取り付けられて接続器とされ、１箇所当たり１つの上記接続部が固定されてなる複数の接続器が超電導コイルの軸方向の少し離れた位置に配置されている。

上記構成によると、超電導線材の接続部が多くなった場合、上記接続器も多く必要となり、結果として、上記接続器の配置スペースを十分に確保できなくなることが懸念される。配置スペースを無理に確保しようとすると、超電導マグネット装置が大型化してしまう。

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、装置の大型化を抑制する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、前記配線第二保持部に形成された溝に固定されている。

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、装置の大型化を抑制することができる。

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）の保持構造を示すための、本発明の一実施形態に係る超電導マグネット装置の一部の斜視図である。図２中のＡ部拡大平面図である。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の永久電流ループ部分を示す回路図である。図２を模式化した図である（永久電流スイッチの図示は省略）。複数の配線第二保持部を配置した場合の図５に相当する図である。配線第二保持部に形成される、超電導線材の接続部の格納部の変形例を示す図３に相当する図である。配線第二保持部に形成される、超電導線材の接続部の格納部の変形例を示す図３に相当する図である。

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。
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５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４に示すように、複数の超電導線材７～１１が接続されてなる。また、複数の超電導線材７～１１のうちの両端の超電導線材７、１１は、永久電流スイッチ１４から延びる超電導線材１５、１６と、それぞれ接続される。超電導線材１５、１６も、例えば、Ｙ系超電導線材である。超電導線材７～１１、１５、１６の各接続部に、符号Ｊ１～Ｊ６を付している。

ここで、Ｙ系超電導線材などの超電導線材７～１１、１５、１６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～１１ａ（＝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７～１１、１５、１６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に具体的に、図５に模式化して示すように、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筒状体１２を備える。この筒状体１２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１３が連結される。この円板形状のジョイントプレート１３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１２から延在される。本実施形態では、ジョイントプレート１３は、筒状体１２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１２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。

上記筒状体１２、およびジョイントプレート１３は、引き出し線７ａ～１１ａ（超電導線材）、超電導線材１５、１６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。

図３は、図２中のＡ部拡大平面図である。図３に示すように、ジョイントプレート１３の下面には、第１超電導コイル１からの引き出し線１０ａ、１１ａ、およびその接続部Ｊ５を格納するためのゼンマイ形状の溝１３ａが形成されている。本実施形態では、溝１３ａはゼンマイ形状であるが、必ずしもゼンマイ形状である必要はなく、直線形状や、Ｓ字型形状や、円弧形状であってもよい。なお、図３は、引き出し線、およびその接続部の格納構造を代表して示す図であり、他の引き出し線７ａ～９ａや、永久電流スイッチ１４から延びる超電導線材１５、１６、およびその接続部Ｊ１～Ｊ４、Ｊ６についても、上記溝１３ａと同様の、これらを格納する溝がジョイントプレート１３の下面に形成される。

第１超電導コイル１からの引き出し線７ａ～１１ａ（＝超電導コイルから延びる超電導線材）の接続・格納手順は次のとおりである。

上記引き出し線７ａ～１１ａを、巻枠６からジョイントプレート１３の下面高さレベルまで、筒状体１２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の端部と超電導線材１５の端部、というように、余長部分の引き出し線７ａ～１１ａ、および永久電流スイッチ１４から延びる超電導線材１５、１６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～Ｊ６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～Ｊ６の特性が満足できるものであれば、熱処理接続した２本の超電導線材を重ね合わせるとともにゼンマイ形状にして、ジョイントプレート１３の下面に形成された各溝（例えば溝１３ａ）に格納する。

そして、接着剤、パテ、テープ、ワックス、または粘土などを用いて、筒状体１２の外周面に螺旋状に巻線された引き出し線７ａ～１１ａを筒状体１２に固定する。同様に、接着剤、パテ、テープ、ワックス、または粘土などを用いて、ジョイントプレート１３の各溝に格納された引き出し線７ａ～１１ａおよび超電導線材１５、１６をジョイントプレート１３に固定する。これにより、余長部分の超電導線材を筒状体１２およびジョイントプレート１３に確実に固定することができる。

上記構成によると、超電導線材７～１１、１５、１６の複数の接続部Ｊ１～Ｊ６を、ジョイントプレート１３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、装置の大型化を抑制することができる。

また、上記実施形態では、配線第一保持部としての筒状体１２の外径は、巻枠６の胴部６ａの外径と同じにされている。この構成によると、筒状体１２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１２に螺旋状に巻かれた引き出し線７ａ～１１ａの曲率が小さくなり、引き出し線７ａ～１１ａの折損を抑制することができる。なお、この観点から、筒状体１２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、引き出し線７ａ～１１ａは超電導線材であるので、引き出し線７ａ～１１ａが螺旋状となっている筒状体１２部分や、ゼンマイ形状となっているジョイントプレート１３部分で、通電により無視できない磁場が発生することがある。そのため、この磁場のマグネット中心部Ｏ（図１参照）への影響をあらかじめ計算しておき、当該影響が小さくなるように、補正コイルとしての第５超電導コイル５の巻線仕様を決定することが好ましい。

上記実施形態の超電導マグネット装置は、配線第二保持部としてのジョイントプレート１３を１枚有する。これに対して、図６は、配線第二保持部としてのジョイントプレートを複数有する場合の実施形態を示す、図５に相当する図である。

一つの超電導コイル、例えば、第１超電導コイル１において、超電導線材の接続部が多い場合など、一つの超電導コイルに対してジョイントプレートを複数設けてもよい。この構成によると、超電導線材の複数の接続部を集約できるジョイントプレートの枚数が増えることで、装置の大型化をより抑制することが可能となる。

図６に示す実施形態では、複数のジョイントプレート１３、１８が、第１超電導コイル１の軸方向に間隔をあけて配置されている。この超電導マグネット装置は、上記筒状体１２に加えて、第１超電導コイル１の軸方向へ向かって巻枠６から延在する配線第一保持部としての筒状体１７をさらに備える。この筒状体１７の端部に、配線第二保持部としてのジョイントプレート１８が連結されている。

第１超電導コイル１からの複数の引き出し線１９（＝超電導コイルから延びる複数の超電導線材１９）は、筒状体１２および筒状体１７に螺旋状に巻かれているとともに、ジョイントプレート１３およびジョイントプレート１８にゼンマイ形状で固定される。

図７および図８は、配線第二保持部としてのジョイントプレート１３に形成される、超電導線材（引き出し線１０ａ、１１ａ）の接続部Ｊ５の格納部の変形例を示す図３に相当する図である。

図７、８に示すように、超電導線材の接続部Ｊ５は、２本の超電導線材を単に重ねた（沿わせた）形状ではなく、曲がった形状になることがある。この場合、溝１３ａのように、単に重ねられた（沿わせられた）２本の超電導線材のみを収容できるような幅の溝の場合、曲がった接続部Ｊ５は溝に入らないことが懸念される。

そのため、図７に示す変形例では、接続部Ｊ５を格納する、溝１３ａの末端部分を、溝１３ａよりも幅広の平面視で長方形状の格納溝１３ｂとしている。この構成によると、超電導線材の接続部Ｊ５のジョイントプレート１３への格納性が向上する。

また、図８に示す変形例では、溝１３ａの末端部分を、溝１３ａよりも幅広の平面視で楕円状の格納溝１３ｃとしている。この構成によると、図７に示す変形例と同様、超電導線材の接続部Ｊ５のジョイントプレート１３への格納性が向上する。

上記の実施形態は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～Ｊ６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。

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１２を介してジョイントプレート１３にゼンマイ形状で固定する例を示した。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）にゼンマイ形状で固定してもよい。さらには、最内層ではない超電導コイルのみについて、当該超電導コイルから延びる複数の超電導線材（引き出し線）を、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）にゼンマイ形状で固定してもよい。

図６に示す実施形態では、巻枠６に連結された筒状体１７にジョイントプレート１８が連結されている。筒状体１７を設けずに、その内側の筒状体１２に複数の引き出し線１９を全て巻き線してもよい。この場合、例えば、ボルトなどの固定手段を用いてジョイントプレート１３にジョイントプレート１８が連結される。

図７および図８に示す超電導線材の接続部の格納部の変形例では、当該接続部を格納する、溝１３ａの末端部分を、溝１３ａよりも幅広の長方形状や楕円状にしている。配線第二保持部としてのジョイントプレートに形成される、上記接続部の格納部は、上記接続部以外の２本の超電導線材を収容する溝１３ａよりも幅広であればよく、長方形状や楕円状に限定されることはない。

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７～１１（引き出し線７ａ～１１ａを含む）、および超電導線材１５、１６を全て高温超電導線材とすることに代えて、超電導線材７～１１（引き出し線７ａ～１１ａを含む）を高温超電導線材とし、超電導線材１５、１６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１４は、ジョイントプレート１３とは異なる箇所（ジョイントプレート１３外の適切な場所）に配置される。

なお、永久電流スイッチ１４が、ジョイントプレート１３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１３とは異なる部材であって、永久電流スイッチ１４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１４の冷却が可能となる部材に、永久電流スイッチ１４が取り付けられることをいう。

なお、図２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１２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
７～１１：超電導線材
７ａ～１１ａ：引き出し線（超電導線材）
１２、１７：筒状体（配線第一保持部）
１３、１８：ジョイントプレート（配線第二保持部）
Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６：接続部

Claims

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、
前記超電導コイルから延びるとともに接続部で相互に接続される超電導線材が、前記配線第一保持部に螺旋状に巻かれ、
前記超電導線材が、前記配線第二保持部に形成された溝であってゼンマイ形状を含む前記溝に、ゼンマイ形状で固定され、
複数の前記接続部が、前記溝に格納されており、
前記接続部が、前記溝の末端部分に格納され、
前記末端部分の幅が、前記溝のうち前記末端部分よりも基端側の部分の幅に比べて広い、
超電導マグネット装置。
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、
前記超電導コイルから延びるとともに接続部で相互に接続される超電導線材が、前記配線第一保持部に螺旋状に巻かれ、
前記超電導線材が、前記配線第二保持部に形成された溝であってゼンマイ形状を含む前記溝に、ゼンマイ形状で固定され、
複数の前記接続部が、前記溝に格納されており、
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。
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、
前記超電導コイルから延びるとともに接続部で相互に接続される超電導線材が、前記配線第一保持部に螺旋状に巻かれ、
前記超電導線材が、前記配線第二保持部に形成された溝であってゼンマイ形状を含む前記溝に、ゼンマイ形状で固定され、
複数の前記接続部が、前記溝に格納されており、
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。
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、
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。
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、
前記配線第二保持部が、前記軸方向に複数、配置されている、
超電導マグネット装置。
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。
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。
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、
前記超電導線材が、前記配線第一保持部および前記配線第二保持部に、それぞれ、接着剤、パテ、テープ、ワックス、または粘土で固定されている、
超電導マグネット装置。
請求項１～８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。
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。