JP7477959B2 - 超電導コイル装置、および超電導コイルの電流リード構造 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイル装置、および超電導コイルの電流リード構造に関する。

従来、超電導コイルに接続されるガス冷却式の電流リードが知られている。銅などの導体が筒状部材の中に配置され、冷却ガスが筒状部材の中を所定の流路に沿って流れ、それにより導体が冷却される。

特開２００４－２０７３０５号公報

ところで、超電導電流リードの冷却は、伝導冷却式によることもしばしばある。伝導冷却式では、超電導電流リードに冷却ガスを流す代わりに、超電導電流リードがたとえばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの極低温冷凍機と熱的に結合され熱伝導により冷却される。この場合、超電導電流リードは典型的には真空断熱領域に配置されるが、接続される超電導コイルの設計によっては、超電導電流リードが超電導コイルとともにガス雰囲気に配置されるケースもありうる。このようなケースでは、超電導電流リードのまわりのガスが超電導コイルへの入熱を増加させ、超電導コイルの熱的な不安定性を高めるリスクをもたらしうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、超電導コイルの熱的安定性を向上することにある。

本発明のある態様によると、超電導コイル装置は、超電導コイルと、超電導電流リードを備え、超電導コイルに接続される電流リード部と、超電導コイルおよび超電導電流リードとともに冷媒を気密に収容するコイルケースであって、超電導電流リードを収容するリード収容パイプと、電流リード部をコイルケースの外に取り出すためにリード収容パイプの一端に設けられたフィードスルーと、を備えるコイルケースと、リード収容パイプ内での冷媒の対流を抑制するようにリード収容パイプ内に配置され、超電導電流リードをリード収容パイプに支持する支持構造と、を備える。

本発明の別の態様は、超電導コイルの電流リード構造に関する。超電導コイルの電流リード構造は、超電導電流リードを備え、超電導コイルに接続される電流リード部と、超電導電流リードを収容するリード収容パイプと、電流リード部をリード収容パイプの外に取り出すためにリード収容パイプの一端に固定されたフィードスルーと、リード収容パイプ内に配置され、超電導電流リードをリード収容パイプに支持する支持構造と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、超電導コイルの熱的安定性を向上することができる。

実施の形態に係る超電導コイル装置を概略的に示す図である。 図２（ａ）は、図１に示される支持構造を概略的に示す拡大図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示される支持構造のＡ－Ａ断面を概略的に示す図である。 実施の形態に係る超電導コイル装置の極低温冷却を概略的に示す図である。 図４（ａ）から図４（ｄ）は、支持構造の他の例を概略的に示す図である。 実施の形態に係る超電導コイルの例示的な構成を概略的に示す図である。 実施の形態に係るコイルケースの他の一例を超電導コイルとともに概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る超電導コイル装置１０を概略的に示す図である。超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２を備え、超電導コイル１２を超電導転移温度以下の極低温に冷却した状態で超電導コイル１２に通電することにより強力な磁場を発生するように構成される。超電導コイル装置１０は、例えばＮＭＲシステム、ＭＲＩシステム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。

超電導コイル１２は、一例として、高温超電導コイルである。

また、超電導コイル装置１０は、コイルケース１４と、電流リード部２０と、支持構造３０とを備える。コイルケース１４は、ケース本体１６と、リード収容パイプ１８と、フィードスルー２６とを備える。電流リード部２０は、超電導電流リード２２と、金属電流リード２４とを備える。

コイルケース１４は、超電導コイル１２および超電導電流リード２２とともに冷却ガス２８を気密に収容する。ケース本体１６は、超電導コイル１２を収容し、リード収容パイプ１８は、超電導電流リード２２を収容する。フィードスルー２６は、電流リード部２０をコイルケース１４の外に取り出すためにリード収容パイプ１８の一端に設けられている。

ケース本体１６は、超電導コイル１２を囲んで配置される。例えば、超電導コイル１２が円環状の形状を有する場合、ケース本体１６は、超電導コイル１２を収容する円筒形の箱であってもよい。ケース本体１６には、電流リード部２０をケース本体１６の外に取り出すための開口部が形成され、リード収容パイプ１８は、この開口部からフィードスルー２６へと延びている。例えば、開口部は円形であり、リード収容パイプ１８も円筒である。ケース本体１６とリード収容パイプ１８は、収容する冷却ガス２８の圧力に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。ケース本体１６とリード収容パイプ１８は、一体的に形成されてもよいし、あるいは、溶接または機械的接合など適宜の接合手段により接合されてもよい。

フィードスルー２６は、リード収容パイプ１８の端部に気密に接合される。フィードスルー２６は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成されてもよい。フィードスルー２６とリード収容パイプ１８との接合方法は、種々ありうるが、例えば、溶接により接合されてもよく、あるいは、接合される２つの部材間にメタルＯリングなど金属製のシール部材を挟み込むようにして、ボルトなど接合部品で機械的に接合されてもよい。

したがって、リード収容パイプ１８はケース本体１６と同様に冷却ガス２８を内部に収容する。しかし、リード収容パイプ１８の端部はフィードスルー２６によって閉塞され気密に封止されているので、リード収容パイプ１８は、冷却ガス２８をコイルケース１４の中から外へと導くガス流路であるとはみなされない。

冷却ガス２８は、コイルケース１４から超電導コイル１２への伝熱経路の一部となる。冷却ガス２８は、コイルケース１４に高圧で封入される。冷却ガス２８の封入圧力は、室温（例えば３００Ｋ）で、例えば約７．５ＭＰａ～約３０ＭＰａ（または例えば約１０ＭＰａ～約２０ＭＰａ）であってもよい。すなわち、冷却ガス２８の封入圧力は、極低温（例えば２０Ｋ）で、例えば約０．５ＭＰａ～約２ＭＰａ（または例えば約０．６７ＭＰａ～約１．３３ＭＰａ）であってもよい。冷却ガス２８は、こうした使用環境で気体状態をとる物質、例えばヘリウムガスが使用される。

超電導電流リード２２は、超電導コイル１２に接続され、金属電流リード２４は、超電導電流リード２２に接続されている。すなわち、金属電流リード２４は、超電導電流リード２２を介して超電導コイル１２に接続されている。

超電導電流リード２２は、例えばロッド状（例えば円柱状）の形状を有し、銅酸化物超伝導体またはその他の高温超伝導材料で形成されうる。あるいは、超電導電流リード２２は、ＮｂＴｉに代表される低温超電導材料で形成されてもよい。金属電流リード２４は、例えば無酸素銅などの純銅に代表される導電性に優れる金属材料で形成される。

また、フィードスルー２６は、超電導電流リード２２と金属電流リード２４の境界に形成され、金属電流リード２４の一部を形成する。よって、フィードスルー２６も、銅などの金属材料で形成されている。

電流リード部２０は、超電導コイル１２の正極の端子に接続される正極側電流リードと負極の端子に接続される負極側電流リードを含みうる。よって、図示されるように、超電導電流リード２２と金属電流リード２４も２本ずつ正極側と負極側に設けられうる。

支持構造３０は、リード収容パイプ１８内での冷却ガス２８の対流を抑制するようにリード収容パイプ１８内に配置され、超電導電流リード２２をリード収容パイプ１８に支持する。超電導コイル１２の励磁中、超電導電流リード２２には、自身に流れる大電流と超電導コイル１２が発生する高磁場との相互作用によって、強力な電磁力が働く。電磁力は、例えば、超電導電流リード２２の長手方向に直交する方向に働きうる。支持構造３０は、この電磁力に対する機械的な支持を提供する。

図２（ａ）は、図１に示される支持構造３０を概略的に示す拡大図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示される支持構造３０のＡ－Ａ断面を概略的に示す図である。

支持構造３０は、リード収容パイプ１８内を複数の区画３１に分割するように超電導電流リード２２に沿って配置された複数の支持プレート３２を備え、超電導電流リード２２が複数の支持プレート３２を介してリード収容パイプ１８によって支持される。区画３１には冷却ガス２８が収容される。支持プレート３２は、その外周面がリード収容パイプ１８の内壁面によって接触する。それにより、超電導電流リード２２がリード収容パイプ１８に支持される。リード収容パイプ１８が円筒である場合、支持プレート３２は円形である。支持プレート３２には、超電導電流リード２２が挿通されるリード挿通孔３３が設けられている。２本の超電導電流リード２２に対応して２つのリード挿通孔３３がある。支持プレート３２は、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの絶縁材料で形成されうる。

なお、この例では、リード収容パイプ１８内で超電導電流リード２２の長手方向に沿って２個の支持プレート３２が配置されるが、これより多数の支持プレート３２が配置されてもよい。あるいは、支持プレート３２は１つだけであってもよい。

また、支持プレート３２は、２本より多くの超電導電流リード２２を支持してもよい。あるいは、支持プレート３２は、１本の超電導電流リード２２だけを支持してもよい。

図３は、実施の形態に係る超電導コイル装置１０の極低温冷却を概略的に示す図である。超電導コイル装置１０は、使用時に、クライオスタットなどの真空容器４０の中に設置される。コイルケース１４の周囲は真空とされる。

真空容器４０には、極低温冷凍機４２が設置される。極低温冷凍機４２は、真空容器４０の中に配置される一段冷却ステージ４２ａおよび二段冷却ステージ４２ｂを備える。極低温冷凍機４２は、作動ガス（たとえばヘリウムガス）の圧縮機（図示せず）と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備え、圧縮機と膨張機により極低温冷凍機４２の冷凍サイクルが構成され、それにより一段冷却ステージ４２ａおよび二段冷却ステージ４２ｂがそれぞれ所望の極低温に冷却される。一段冷却ステージ４２ａは、例えば５０Ｋ～８０Ｋに冷却され、二段冷却ステージ４２ｂは、例えば１０Ｋ～２０Ｋに冷却される。一段冷却ステージ４２ａおよび二段冷却ステージ４２ｂは、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

極低温冷凍機４２は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。極低温冷凍機４２は、単段式のＧＭ冷凍機またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。

また、真空容器４０には、一段冷却ステージ４２ａと熱的に結合され一段冷却ステージ４２ａの冷却温度に冷却される熱シールド４４が設けられてもよい。熱シールド４４は、それよりも低温に冷却される超電導コイル装置１０、極低温冷凍機４２の二段冷却ステージ４２ｂ、またはその他の低温部を囲むように配置され、外部からの輻射熱からこれら低温部を熱的に保護することができる。熱シールド４４は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

熱シールド４４は、フィードスルー２６と一段伝熱部材４６ａを介して一段冷却ステージ４２ａと熱的に結合されてもよい。一段伝熱部材４６ａは、フィードスルー２６を一段冷却ステージ４２ａに接続するとともに、フィードスルー２６を一段冷却ステージ４２ａから電気的に絶縁するように構成されてもよい。一段伝熱部材４６ａは、可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよく、熱シールド４４と同様に高熱伝導材料で形成されてもよい。

コイルケース１４は、コイルケース１４の外にある極低温冷凍機４２と熱的に結合され、超電導コイル１２は、極低温冷凍機４２によってコイルケース１４と冷却ガス２８を介して冷却される。超電導コイル装置１０は、伝導冷却式として構成される。

コイルケース１４は、二段冷却ステージ４２ｂと熱的に結合され二段冷却ステージ４２ｂの冷却温度に冷却される。コイルケース１４は、二段伝熱部材４６ｂを介して二段冷却ステージ４２ｂと熱的に結合されてもよい。二段伝熱部材４６ｂは、一段伝熱部材４６ａと同様に、可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよく、銅などの高熱伝導材料で形成されてもよい。あるいは、コイルケース１４は、二段冷却ステージ４２ｂに直接取り付けられ、または剛性の伝熱部材を介して取り付けられてもよい。

コイルケース１４の外表面には、伝熱プレート４８が装着されてもよい。二段伝熱部材４６ｂの一端が二段冷却ステージ４２ｂに取り付けられ、二段伝熱部材４６ｂの他端が伝熱プレート４８に取り付けられ、それにより、コイルケース１４は、二段伝熱部材４６ｂと伝熱プレート４８を介して二段冷却ステージ４２ｂと熱的に結合されてもよい。伝熱プレート４８は、コイルケース１４と面接触しているので、二段伝熱部材４６ｂがコイルケース１４上の一点で接続される場合に比べて、二段冷却ステージ４２ｂとコイルケース１４との熱伝導を良好にすることができる。二段伝熱部材４６ｂは、伝熱プレート４８を一段冷却ステージ４２ａに接続するとともに、伝熱プレート４８を一段冷却ステージ４２ａから電気的に絶縁するように構成されてもよい。伝熱プレート４８は、例えば銅などの金属材料またはその他の高熱伝導材料で形成される。

一例として、伝熱プレート４８は、コイルケース１４の上側の外表面に設けられているが、これとともに、またはこれに代えて、コイルケース１４の側面及び／または下面に設けられてもよい。

電流リード部２０は、真空容器４０に設けられる真空フィードスルーを通じて真空容器４０の中から外へと取り出され、真空容器４０の外にある電源（図示せず）に超電導コイル１２を接続する。

このようにして、超電導コイル１２は、極低温冷凍機４２の二段冷却ステージ４２ｂによって、二段伝熱部材４６ｂ、伝熱プレート４８、コイルケース１４、冷却ガス２８を介して、二段冷却ステージ４２ｂの冷却温度に冷却される。電流リード部２０を通じて超電導コイル１２に通電することにより、超電導コイル装置１０は、強力な磁場を発生することができる。

超電導コイル装置１０の使用中、超電導コイル１２と超電導電流リード２２の一端は例えば１０Ｋ～２０Ｋの極低温に冷却されるのに対し、フィードスルー２６と超電導電流リード２２の他端はそれより高い温度、例えば５０Ｋ～８０Ｋの極低温に冷却される。そのため、超電導電流リード２２とその周囲の構造には長手方向に温度差が生じている。

仮に支持構造３０が無かったとすると、超電導電流リード２２のまわりの空間は長手方向に開放される。上述の超電導電流リード２２の両端に生じる温度差は、超電導電流リード２２のまわりの冷却ガス２８に長手方向の対流を発生させ、それにより、フィードスルー２６から超電導コイル１２への対流による熱伝達が促進されうる。これは、超電導コイル１２への入熱を増加させ、超電導コイル１２の熱的な不安定性を高めるリスクをもたらしうる。

しかしながら、実施の形態によると、支持構造３０は、リード収容パイプ１８内での冷却ガス２８の対流を抑制するようにリード収容パイプ１８内に配置されている。複数の支持プレート３２が、超電導電流リード２２に沿って配置され、リード収容パイプ１８内を複数の区画３１に分割する。したがって、リード収容パイプ１８内で超電導電流リード２２の長手方向に生じうる対流を抑制することができ、これは超電導コイル１２の熱的安定性の向上につながる。

また、支持構造３０を設けずに、超電導電流リード２２に働く電磁力に抗するための補強部材を別の形で設けるとしたら、補強部材は、超電導電流リード２２に沿って長手方向に延びる構成となりうる。この場合、補強部材は、超電導電流リード２２に沿って高温部を低温部へと直接つなぐ伝熱経路となり、補強部材を通じた熱伝導による超電導コイル１２への入熱を増加させうる。しかしながら、実施の形態によると、支持構造３０を設けることにより、このような補強部材は無くすことができ、超電導コイル１２への入熱を低減できる。これも超電導コイル１２の熱的安定性の向上につながる。

また、金属電流リード２４は高温部（室温部）へと接続されるので低温部（超電導電流リード２２、超電導コイル１２）への侵入熱の経路となりうる。もし、金属電流リード２４がコイルケース１４の中に配置されたとすると、金属電流リード２４からコイルケース１４内の冷却ガス２８への熱伝達により冷却ガス２８に対流が起こり、熱の侵入が増えるかもしれない。しかし、この実施の形態では、フィードスルー２６が超電導電流リード２２と金属電流リード２４の境界に形成され、金属電流リード２４はコイルケース１４の外にあるので、金属電流リード２４からコイルケース１４内への入熱を低減できる。

この実施の形態のように、超電導電流リード２２をコイルケース１４に収容すれば、超電導電流リード２２の気密フィードスルー構造をコイルケース１４に設ける必要が無い。このような構成は、超電導コイル装置１０に電流リード部２０を実装しやすいので、有利である。

なお、金属電流リード２４の少なくとも一部がフィードスルー２６からコイルケース１４内へと延び、超電導電流リード２２と金属電流リード２４の境界がコイルケース１４の中に配置されてもよい。

図４（ａ）から図４（ｄ）は、支持構造３０の他の例を概略的に示す図である。支持構造３０は、上述のものには限られず、種々の構成をとりうる。

図４（ａ）に示されるように、支持プレート３２には、リード挿通孔３３とは別の小孔３４が設けられてもよい。支持プレート３２によって分割される２つの区画３１間の冷却ガス２８の流通を抑制するように、小孔３４は、十分に小さく、例えばリード挿通孔３３より小さいサイズを有してもよい。小孔３４は、支持プレート３２を超電導電流リード２２とともにリード収容パイプ１８に装着するとき使用されるジグを挿し通すために設けられていてもよい。

図４（ｂ）に示されるように、超電導電流リード２２は、テープ状の高温超電導線材であってもよい。支持プレート３２には、こうしたテープ状の線材の断面形状にちょうど合う細長いリード挿通孔３３を有してもよい。なお、テープ状の高温超電導線材の一例は後述する。

図４（ｃ）に示されるように、支持構造３０は、超電導電流リード２２を挟み込むようにしてリード収容パイプ１８内に配置される一組のクランプ部材３５を備えてもよい。クランプ部材３５は、超電導電流リード２２の長手方向に直交する方向に延びる棒状の部材であってもよく、この場合、クランプ部材３５は、リード収容パイプ１８内を複数の区画に分割せずに、リード収容パイプ１８内で長手方向にガス流れが許容されてもよい。例えば、フィードスルー２６と超電導コイル１２の温度差が小さく、冷却ガス２８の対流の影響が小さいと見積もられる場合には、こうした構成が採用されてもよい。

図４（ｄ）に示されるように、リード収容パイプ１８は、超電導コイル１２と冷却ガス２８を気密に収容する別の圧力容器（コイルケース）３６の中に配置されてもよい。すなわち、リード収容パイプ１８は、圧力容器（コイルケース）３６に気密に接合されていなくてもよい。上述の実施の形態と同様に、支持構造３０（例えば支持プレート３２）が、リード収容パイプ１８内に配置され、超電導電流リード２２をリード収容パイプ１８に支持する。リード収容パイプ１８の一端はフィードスルー２６に固定されてもよい。

図５は、実施の形態に係る超電導コイル１２の例示的な構成を概略的に示す図である。超電導コイル１２は、ＲＥＢＣＯ線材とも称されるテープ状の高温超電導線材５０をコイル径方向５２に積層させるように巻回して形成されるシングルパンケーキコイルである。

高温超電導線材５０は、基板５０ａ上に中間層５０ｂを介して超電導層５０ｃが形成され、その超電導層５０ｃ上に第１安定化層５０ｄが形成されるとともに、それらの外周部に第２安定化層５０ｅが被覆されて構成されている。

基板５０ａは、ニッケル合金（ハステロイ）、銀、銀合金等の金属により、例えば厚さ１００μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。なお、ハステロイは、ニッケルを主成分とし、クロム、モリブデン等を含む合金で、耐熱性、機械的強度等が良好である。中間層５０ｂは、ガドリニウム・ジルコニウム酸化物（Ｇｄ・Ｚｒ酸化物）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）、バリウム・ジルコニウム酸化物（Ｂａ・Ｚｒ酸化物）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）等の化合物により、例えば厚さ５００ｎｍ、幅１０ｍｍに形成されている。

超電導層５０ｃは、希土類系酸化物超電導体のＣＶＤ法（化学蒸着法）により、例えば厚さ約１μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。希土類元素としては、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等が挙げられる。希土類系酸化物としては、ＲＥ・Ｂａ・Ｃｕ・Ｏ等が挙げられる。但し、ＲＥは希土類元素を表す。この超電導層５０ｃとして具体的には、イットリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）、ランタン・バリウム・銅酸化物（Ｌａ・Ｂａ・Ｃｕ酸化物）等が挙げられる。

第１安定化層５０ｄは、銀等の金属のスパッタリング等により、例えば厚さ約１５μｍ、幅１０ｍｍに形成されている。第２安定化層５０ｅは、銅等の金属のメッキ等により、例えば厚さ約５０μｍに形成されている。

ところで、従来、ＮｂＴｉに代表される低温超電導線材で形成される低温超電導コイルでは、コイルを製造する際に、エポキシ樹脂など樹脂材料による含浸処理がよく用いられている。コイル状に巻回された線材間に含浸した樹脂材料が硬化し、線材どうしを強く固定することができるので、コイルの機械的強度が高まる。含浸樹脂は、コイル励磁中にコイル内部に発生する強力な電磁力によって生じうるコイルの変形を抑制することに役立つ。また、含浸樹脂は、線材どうしを熱的に結合する伝熱経路をコイル内部に一様に形成し、コイルの熱的安定性を向上することにも役立つ。

しかしながら、高温超電導線材５０で形成される超電導コイル１２には、こうした含浸処理は適さない。高温超電導線材５０の層間の剥離強度に比べて、樹脂材料による線材どうしの接着が強固となりすぎる傾向にある。超電導コイル１２の励磁中に生じうる内部応力は、強度に劣る高温超電導線材５０の内部に集中し、含浸樹脂部に比べて強度に劣る高温超電導線材５０の層間に剥離を発生させ高温超電導線材５０が破壊されうるからである。

そこで、超電導コイル１２には製造工程において含浸処理が行われない。したがって、超電導コイル１２は、積層される高温超電導線材５０間に含浸材を有しない。超電導コイル１２のように、絶縁処理を施していない超電導線材で形成される超電導コイルは、無絶縁（No-Insulation；ＮＩ）超電導コイルとも称されうる。励磁中に何らかの原因で局所的に常電導部が発生しても、電流は隣接する線材に迂回することができ、安定的な励磁が可能になるという利点がある。また高電流密度化が可能である。

その反面、無絶縁コイルである超電導コイル１２では、コイル径方向５２の熱伝導は、巻回された高温超電導線材５０間の接触熱抵抗に強く依存することになる。高温超電導線材５０間の接触熱抵抗をコイル全体で一様となるように管理することは、製造上必ずしも容易でない。もし、コイル内で熱伝導に局所的な不均一があったとすると、これはコイルの熱的な不安定性につながりうるので、望ましくない。

これに対し、実施の形態に係る超電導コイル装置１０によると、図１に示されるように、コイルケース１４に冷却ガス２８が充填され、超電導コイル１２は冷却ガス２８とともにコイルケース１４に収容される。冷却ガス２８は、超電導コイル１２を形成する高温超電導線材５０間のわずかな隙間５４（図５参照）にも浸透し、隙間５４を満たす。こうして、冷却ガス２８は、高温超電導線材５０間に伝熱経路を形成する。これにより、超電導コイル１２の内部の熱伝導は促進され、超電導コイル１２の熱的安定性は向上される。

図６は、実施の形態に係るコイルケース１４の他の一例を超電導コイル１２とともに概略的に示す図である。図６には、超電導コイル１２の中心軸を含む平面による超電導コイル装置１０の断面を概略的に示す。超電導コイル１２は、図５に示されるように、高温超電導線材５０を巻回して円環状に形成される。

コイルケース１４は、超電導コイル１２の外周面に隣接して配置されたケース外周枠１４ａと、超電導コイル１２の上端面に隣接して配置されたケース上板１４ｂと、超電導コイル１２の下端面に隣接して配置されたケース下板１４ｃと、を備える。ケース外周枠１４ａが超電導コイル１２の外周面を支持し、ケース上板１４ｂが超電導コイル１２の上端面を支持し、ケース下板１４ｃが超電導コイル１２の下端面を支持する。

超電導コイル１２が円環状の形状を有する場合、コイルケース１４は、超電導コイル１２をちょうど収める円筒形の箱であってもよい。よって、ケース外周枠１４ａは、超電導コイル１２の外周面に沿ってコイルの周方向に延びる円環状のフレームであってもよい。ケース上板１４ｂとケース下板１４ｃはそれぞれ、超電導コイル１２の上端面と下端面に沿って延びる円形のディスク状のプレートであってもよい。

また、ケース上板１４ｂは、ケース外周枠１４ａと気密に接合され、ケース下板１４ｃは、ケース外周枠１４ａと気密に接合される。ケース上板１４ｂの外周部がケース外周枠１４ａの上端部に接合され、ケース下板１４ｃの外周部がケース外周枠１４ａの下端部に接合される。接合方法は、種々ありうるが、例えば、溶接により接合されてもよく、あるいは、接合される２つの部材間にメタルＯリングなど金属製のシール部材を挟み込むようにして、ボルトなど接合部品で機械的に接合されてもよい。

リード収容パイプ１８は、例えば、ケース上板１４ｂ（またはケース下板１４ｃ）に設置されてもよい。

また、図６には、超電導コイル１２の励磁中にコイルに径方向に働く電磁力６０を太い矢印で示すとともに、この電磁力６０に抗してコイルケース１４のケース上板１４ｂとケース下板１４ｃに働く機械的な内部応力６２を細い矢印で示す。このように、コイルケース１４が超電導コイル１２を補強し、超電導コイル１２とコイルケース１４を含む構造体が全体で強力な電磁力６０に対する機械的な支持を提供することができる。

コイルケース１４は、電磁力６０だけでなく、内部に封入している冷却ガス２８の圧力にも耐えるように設計されなければならない。超電導コイル１２の励磁中は極低温に冷却されるため、このときの冷却ガス２８の圧力は上述のように、比較的低い（例えば１ＭＰａ程度）。一方、超電導コイル装置１０にメンテナンスを施すときには、超電導コイル装置１０は室温に昇温される。温度に比例して冷却ガス２８の圧力も上昇するので、室温では極低温に比べて、コイルケース１４内の冷却ガス２８の圧力は、はるかに高くなる。例えば、２０Ｋから３００Ｋへと昇温すれば、温度は１５倍に増すから、圧力も１５倍に高まる（例えば１５ＭＰａ程度にも増加する）。しかし、室温では、超電導コイル１２は動作しないから、電磁力６０はコイルケース１４に働かない。

結局、本発明者の試算によれば、コイルケース１４が電磁力６０と極低温での冷却ガス２８の圧力に耐える設計を有するとき、たいていの場合、室温で上昇した冷却ガス２８の圧力にも耐えられる。室温でのかなり高い冷却ガス２８の圧力を考慮して、コイルケース１４の肉厚を過剰に大きくする必要はない。したがって、超電導コイル１２の補強構造の提供と冷却ガス２８の気密性の確保という２つの役割をコイルケース１４にもたせる設計は、現実的に可能である。

なお、コイルケース１４には、ケース内周枠が設けられてもよい。ケース内周枠は、超電導コイル１２の内周面に隣接して配置され、ケース上板１４ｂおよびケース下板１４ｃと気密に接合されてもよい。このようにすれば、コイルケース１４は、超電導コイル１２をより強固に補強することができる。

図６に示される実施の形態に係る超電導コイル装置１０は、超電導コイル１２とともに冷却ガス２８を気密に収容するとともに、超電導コイル１２を補強するように超電導コイル１２を囲んで配置されるコイルケース１４を備える。このようにして、超電導コイル装置１０に充填される冷却ガス２８が、超電導コイル１２の内部の熱伝導の均一化を促進することができる。よって、超電導コイル１２ひいては超電導コイル装置１０の熱的安定性が向上される。また、補強と気密性を１つのコイルケース１４で実現できるので、部品点数が削減され、製造コストが低減される。超電導コイル１２を補強するフレーム構造とこれを包囲する圧力容器というような二重の構造は必要ない。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、極低温冷凍機４２を用いて超電導コイル１２を伝導冷却により冷却する場合を例として説明しているが、実施の形態に係る支持構造３０は、超電導コイル１２を液体ヘリウムなど極低温の冷媒に浸して冷却するいわゆる浸漬冷却に適用されてもよい。よって、コイルケース１４に収容される冷媒は上述のように冷却ガス２８には限られず、液体の冷媒であってもよい。

上述の実施の形態では、超電導コイル１２が高温超電導線材５０から形成されるシングルパンケーキコイルである場合を例として説明しているが、実施の形態に係る超電導コイル装置１０に適用されうる超電導コイル１２は、そうした特定の形状および材質を有するものには限定されない。例えば、超電導コイル１２は、ダブルパンケーキコイルまたはその他の多層のパンケーキコイルであってもよい。超電導コイル１２は、線材をソレノイド状に巻回して形成される超電導コイルであってもよい。超電導コイル１２は、低温超電導線材から形成される低温超電導コイルであってもよい。コイルケース１４は、こうした様々な超電導コイル１２に適合するように設計されてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 超電導コイル装置、 １２ 超電導コイル、 １４ コイルケース、 １８ リード収容パイプ、 ２０ 電流リード部、 ２２ 超電導電流リード、 ２４ 金属電流リード、 ２６ フィードスルー、 ３０ 支持構造、 ３１ 区画、 ３２ 支持プレート。

Claims (8)

1. 超電導コイルと、
   超電導電流リードを備え、前記超電導コイルに接続される電流リード部と、
   前記超電導コイルおよび前記超電導電流リードとともに冷却ガスを気密に収容するコイルケースであって、前記超電導電流リードを収容するリード収容パイプと、前記電流リード部を前記コイルケースの外に取り出すために前記リード収容パイプの一端に設けられたフィードスルーと、を備えるコイルケースと、
   前記リード収容パイプ内での前記冷却ガスの対流を抑制するように前記リード収容パイプ内に配置され、前記超電導電流リードを前記リード収容パイプに支持する支持構造と、を備え、
   前記冷却ガスは、前記コイルケースに封入され、
   前記フィードスルーは、前記リード収容パイプの前記一端を閉塞し気密に封止することを特徴とする超電導コイル装置。
2. 前記電流リード部は、前記超電導電流リードに接続され、前記コイルケースの外に配置される金属電流リードを備え、前記金属電流リードが前記フィードスルーを形成することを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
3. 前記支持構造は、前記リード収容パイプ内を複数の区画に分割するように前記超電導電流リードに沿って配置された複数の支持プレートを備え、前記超電導電流リードが前記複数の支持プレートを介して前記リード収容パイプによって支持されることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル装置。
4. 前記コイルケースは、前記超電導コイルを補強するように前記超電導コイルを囲んで配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超電導コイル装置。
5. 前記超電導コイルは、超電導線材を巻回して形成され、超電導線材間には含浸材を有しないことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超電導コイル装置。
6. 前記冷却ガスは、前記冷却ガスが前記コイルケース内で気体状態をとるように定められた圧力で前記コイルケースに封入されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超電導コイル装置。
7. 前記超電導コイル装置は、伝導冷却式であり、
   前記超電導コイルを冷却する極低温冷凍機をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の超電導コイル装置。
8. 超電導コイルの電流リード構造であって、
   超電導電流リードを備え、前記超電導コイルに接続される電流リード部と、
   前記超電導電流リードを収容するリード収容パイプと、
   前記電流リード部を前記リード収容パイプの外に取り出すために前記リード収容パイプの一端に固定されたフィードスルーと、
   前記リード収容パイプ内での冷却ガスの対流を抑制するように前記リード収容パイプ内に配置され、前記超電導電流リードを前記リード収容パイプに支持する支持構造と、を備え、
   前記フィードスルーは、前記リード収容パイプの前記一端を閉塞し気密に封止することを特徴とする超電導コイルの電流リード構造。

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