JP7477960B2 - Superconducting coil device - Google Patents

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Description

本発明は、超電導コイル装置に関する。 The present invention relates to a superconducting coil device.

超電導コイルは使用時に、超電導を発現する極低温に冷却されるが、これには大きく2つの冷却方式がある。1つは、超電導コイルを液体ヘリウムなど極低温の冷媒に浸して冷却するものであり、浸漬冷却とも称される。もう1つの方式では、液体冷媒は使用されない。超電導コイルは、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で直接冷却される。これは、伝導冷却とも称される。 When in use, superconducting coils are cooled to an extremely low temperature at which they become superconducting, and there are two main cooling methods for this. One is to cool the superconducting coil by immersing it in an extremely low temperature refrigerant such as liquid helium, and is also called immersion cooling. In the other method, no liquid refrigerant is used. The superconducting coil is cooled directly by a cryogenic refrigerator, such as a Gifford-McMahon (GM) refrigerator. This is also called conduction cooling.

特開2009-243820号公報JP 2009-243820 A

超電導コイルは超電導線材を巻回して形成される。そのため、伝導冷却の場合、超電導コイル内部での径方向の熱伝導は、巻回された超電導線材間の接触熱抵抗に依存しうる。これは、とくに、超電導コイルの製造において樹脂材料の含浸をしない場合、顕著である。しかし、超電導線材間の接触熱抵抗を超電導コイル全体で一様となるように管理することは、製造上容易でない。もし、超電導コイル内部で熱伝導に局所的な不均一があったとすると、これは超電導コイルの熱的な不安定性につながりうる。熱的な不安定性は、さらに、超電導を消失させる熱暴走につながりうるので、望ましくない。 A superconducting coil is formed by winding superconducting wire. Therefore, in the case of conduction cooling, the radial heat conduction inside the superconducting coil can depend on the contact thermal resistance between the wound superconducting wire. This is particularly noticeable when the superconducting coil is not impregnated with a resin material during its manufacture. However, in terms of manufacturing, it is not easy to control the contact thermal resistance between the superconducting wire so that it is uniform throughout the entire superconducting coil. If there is local non-uniformity in the heat conduction inside the superconducting coil, this can lead to thermal instability of the superconducting coil. Thermal instability is undesirable because it can further lead to thermal runaway that causes the loss of superconductivity.

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。 One exemplary objective of one embodiment of the present invention is to improve the thermal stability of a superconducting coil.

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、超電導コイルを補強するように超電導コイルを囲んで配置され、超電導コイルとともに冷却ガスを気密に収容するコイル補強ケースと、を備える。 According to one aspect of the present invention, a superconducting coil device includes a superconducting coil and a coil reinforcement case that is arranged to surround the superconducting coil so as to reinforce the superconducting coil and that hermetically contains a cooling gas together with the superconducting coil.

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、超電導コイルとともに冷却ガスを気密に収容するコイルケースと、超電導コイルに接続され、コイルケースに収容された超電導電流リードと、超電導電流リードに接続され、冷却ガスを封止するようにコイルケースに取り付けられた金属電流リードと、を備える。 According to one aspect of the present invention, a superconducting coil device includes a superconducting coil, a coil case that hermetically contains a cooling gas together with the superconducting coil, a superconducting current lead connected to the superconducting coil and contained in the coil case, and a metal current lead connected to the superconducting current lead and attached to the coil case so as to seal the cooling gas.

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。 In addition, any combination of the above components or mutual substitution of the components or expressions of the present invention between methods, devices, systems, etc. are also valid aspects of the present invention.

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。 The present invention can improve the thermal stability of superconducting coils.

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。1 is a diagram illustrating a schematic diagram of a superconducting coil device according to an embodiment. 図1に示され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。FIG. 2 is a schematic diagram showing cryogenic cooling of the superconducting coil arrangement shown in FIG. 1; 図1に示され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。2 is a schematic diagram of an exemplary configuration of the superconducting coil shown in FIG. 1; FIG. 図1に示されるコイル補強ケースの例示的な構成を超電導コイルとともに概略的に示す図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an exemplary configuration of the coil reinforcement case shown in FIG. 1 together with a superconducting coil. コイル補強ケースの変形例を概略的に示す図である。13A and 13B are diagrams illustrating schematic diagrams of modified examples of the coil reinforcement case. 実施の形態に係り、図1に示される超電導コイル装置に適用されうる電流リード部を概略的に示す図である。2 is a diagram illustrating a current lead portion according to an embodiment of the present invention that can be applied to the superconducting coil device illustrated in FIG. 1. FIG. 図7(a)および図7(b)は、図6の実施の形態の変形例を概略的に示す図である。7(a) and 7(b) are schematic diagrams illustrating a modification of the embodiment of FIG.

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。 Below, the embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description and drawings, the same or equivalent components, members, and processes are given the same reference numerals, and duplicated descriptions are omitted as appropriate. The scale and shape of each part shown in the drawings are set for convenience in order to facilitate explanation, and should not be interpreted as being limiting unless otherwise specified. The embodiments are illustrative and do not limit the scope of the present invention in any way. All features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

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。 Figure 1 is a schematic diagram of a superconducting coil device 10 according to an embodiment. The superconducting coil device 10 includes a superconducting coil 12, and is configured to generate a strong magnetic field by passing electricity through the superconducting coil 12 while the superconducting coil 12 is cooled to an extremely low temperature below the superconducting transition temperature. The superconducting coil device 10 is mounted in high magnetic field equipment as a magnetic field source for, for example, an NMR system, an MRI system, an accelerator such as a cyclotron, a high energy physics system such as a nuclear fusion system, or other high magnetic field equipment (not shown), and can generate the high magnetic field required for the equipment.

超電導コイル12は、一例として、高温超電導コイルである。 The superconducting coil 12 is, for example, a high-temperature superconducting coil.

超電導コイル装置10は、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補強ケース14を備える。コイル補強ケース14は、超電導コイル12とともに冷却ガス16を気密に収容する。超電導コイル12には、励磁中、自身に流れる大電流とそれにより発生する高磁場との相互作用によって、超電導コイル12を径方向に膨らませる強力な電磁力が働く。コイル補強ケース14は、この電磁力に抗して超電導コイル12を補強するために要求される機械的強度を提供するとともに、収容する冷却ガス16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。 The superconducting coil device 10 includes a coil reinforcing case 14 that is disposed around the superconducting coil 12 to reinforce the superconducting coil 12. The coil reinforcing case 14 hermetically contains the cooling gas 16 together with the superconducting coil 12. During excitation, a strong electromagnetic force acts on the superconducting coil 12, which expands the superconducting coil 12 in the radial direction, due to the interaction between the large current flowing through the superconducting coil 12 and the strong magnetic field generated thereby. The coil reinforcing case 14 provides the mechanical strength required to reinforce the superconducting coil 12 against this electromagnetic force, and is formed of a metal material such as stainless steel or other suitable high-strength material to withstand the pressure of the contained cooling gas 16.

冷却ガス16は、コイル補強ケース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16は、コイル補強ケース14に高圧で封入される。冷却ガス16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16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16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。 The cooling gas 16 becomes part of the heat transfer path from the coil reinforcement case 14 to the superconducting coil 12. The cooling gas 16 is sealed in the coil reinforcement case 14 at high pressure. The sealing pressure of the cooling gas 16 may be, for example, about 7.5 MPa to about 30 MPa (or, for example, about 10 MPa to about 20 MPa) at room temperature (e.g., 300 K). That is, the sealing pressure of the cooling gas 16 may be, for example, about 0.5 MPa to about 2 MPa (or, for example, about 0.67 MPa to about 1.33 MPa) at an extremely low temperature (e.g., 20 K). The cooling gas 16 is a substance that is in a gaseous state in such a usage environment, such as helium gas.

コイル補強ケース14には、冷却ガス16をケース内に供給するためのガス供給口18が設けられていてもよい。ただし、ガス供給口18は、冷却ガス16をコイル補強ケース14に供給するときには開かれるが、ガス供給が完了すれば閉鎖され、冷却ガス16がケース外に漏れないように封じられる。 The coil reinforcement case 14 may be provided with a gas supply port 18 for supplying the cooling gas 16 into the case. However, the gas supply port 18 is opened when the cooling gas 16 is supplied to the coil reinforcement case 14, but is closed when the gas supply is completed, and is sealed so that the cooling gas 16 does not leak out of the case.

超電導コイル装置10は、超電導コイル12に電源(図示せず)を接続するための電流リード部20をさらに備える。電流リード部20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金属電流リードを有してもよく、または、超電導線材(例えば高温超電導線材)で形成される超電導電流リードを有してもよい。電流リード部20は、コイル補強ケース14に設けられた気密フィードスルーを通じてケース外からケース内へと導入され、超電導コイル12に接続される。 The superconducting coil device 10 further includes a current lead section 20 for connecting a power source (not shown) to the superconducting coil 12. The current lead section 20 may have a metal current lead formed of a metal material with excellent conductivity, such as pure copper, such as oxygen-free copper, or may have a superconducting current lead formed of a superconducting wire (e.g., a high-temperature superconducting wire). The current lead section 20 is introduced from outside the case into the case through an airtight feedthrough provided in the coil reinforcement case 14, and is connected to the superconducting coil 12.

また、超電導コイル装置10は、超電導コイル12とコイル補強ケース14の間に介在する軟質材層22をさらに備えてもよい。軟質材層22は、超電導コイル12とコイル補強ケース14との間に挟み込まれることによって両者の間に存在しうる間隙を埋め、それにより、超電導コイル12とコイル補強ケース14の熱接触を良好にするために設けられる。軟質材層22は、例えば、フッ素樹脂(例えばPTFE)シートなどの樹脂材料または極低温での使用に適するその他の軟質材料で形成されてもよい。一例として、図1では、軟質材層22は、超電導コイル12の下面とコイル補強ケース14の底面の間に設けられているが、これとともに、またはこれに代えて、超電導コイル12の側面及び/または上面に設けられてもよい。 The superconducting coil device 10 may further include a soft material layer 22 interposed between the superconducting coil 12 and the coil reinforcement case 14. The soft material layer 22 is sandwiched between the superconducting coil 12 and the coil reinforcement case 14 to fill any gap that may exist between them, thereby improving the thermal contact between the superconducting coil 12 and the coil reinforcement case 14. The soft material layer 22 may be formed of, for example, a resin material such as a fluororesin (e.g., PTFE) sheet or other soft material suitable for use at extremely low temperatures. As an example, in FIG. 1, the soft material layer 22 is provided between the lower surface of the superconducting coil 12 and the bottom surface of the coil reinforcement case 14, but it may also be provided on the side and/or upper surface of the superconducting coil 12 in addition to or instead of this.

図2は、図1に示され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30の中に設置される。コイル補強ケース14の周囲は真空とされる。 Figure 2 is a schematic diagram showing cryogenic cooling of the superconducting coil device 10 shown in Figure 1. When in use, the superconducting coil device 10 is placed in a vacuum vessel 30 such as a cryostat. A vacuum is created around the coil reinforcement case 14.

真空容器30には、極低温冷凍機32が設置される。極低温冷凍機32は、真空容器30の中に配置される一段冷却ステージ32aおよび二段冷却ステージ32bを備える。極低温冷凍機32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32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32aおよび二段冷却ステージ32b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32aは、例えば50K~80Kに冷却され、二段冷却ステージ32bは、例えば10K~20Kに冷却される。一段冷却ステージ32aおよび二段冷却ステージ32b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。 The cryogenic refrigerator 32 is installed in the vacuum vessel 30. The cryogenic refrigerator 32 includes a first-stage cooling stage 32a and a second-stage cooling stage 32b arranged in the vacuum vessel 30. The cryogenic refrigerator 32 includes a compressor (not shown) for a working gas (e.g., helium gas) and an expander also called a cold head. The compressor and the expander form a refrigeration cycle of the cryogenic refrigerator 32, whereby the first-stage cooling stage 32a and the second-stage cooling stage 32b are each cooled to a desired cryogenic temperature. The first-stage cooling stage 32a is cooled to, for example, 50K to 80K, and the second-stage cooling stage 32b is cooled to, for example, 10K to 20K. The first-stage cooling stage 32a and the second-stage cooling stage 32b are formed of, for example, a metal material such as copper or other material with high thermal conductivity.

極低温冷凍機32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32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。 Cryogenic refrigerator 32 is, by way of example, a two-stage Gifford-McMahon (GM) refrigerator, but may also be a pulse tube refrigerator, a Stirling refrigerator, or other type of cryogenic refrigerator. Cryogenic refrigerator 32 may also be a single-stage GM refrigerator or other type of cryogenic refrigerator.

また、真空容器30には、一段冷却ステージ32aと熱的に結合され一段冷却ステージ32aの冷却温度に冷却される熱シールド34が設けられてもよい。熱シールド34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32の二段冷却ステージ32b、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34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。 The vacuum vessel 30 may also be provided with a heat shield 34 that is thermally coupled to the first cooling stage 32a and cooled to the cooling temperature of the first cooling stage 32a. The heat shield 34 is arranged to surround the superconducting coil device 10, the second cooling stage 32b of the cryogenic refrigerator 32, or other low-temperature parts that are cooled to a lower temperature, and can thermally protect these low-temperature parts from external radiant heat. The heat shield 34 is formed of a metal material such as copper or other material with high thermal conductivity.

熱シールド34は、一段伝熱部材36aを介して一段冷却ステージ32aと熱的に結合されてもよい。一段伝熱部材36a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34と同様に高熱伝導材料で形成されてもよい。あるいは、熱シールド34は、一段冷却ステージ32a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。 The heat shield 34 may be thermally coupled to the first-stage cooling stage 32a via the first-stage heat transfer member 36a. The first-stage heat transfer member 36a may be formed, for example, as a bundle of thin wires or a laminate of foils so as to be flexible, and may be formed of a highly thermally conductive material similar to the heat shield 34. Alternatively, the heat shield 34 may be attached directly to the first-stage cooling stage 32a or attached via a rigid heat transfer member.

コイル補強ケース14は、コイル補強ケース14の外にある極低温冷凍機32と熱的に結合され、超電導コイル12は、極低温冷凍機32によってコイル補強ケース14と冷却ガス16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。 The coil reinforcement case 14 is thermally coupled to a cryogenic refrigerator 32 outside the coil reinforcement case 14, and the superconducting coil 12 is cooled by the cryogenic refrigerator 32 via the coil reinforcement case 14 and the cooling gas 16. The superconducting coil device 10 is configured as a conduction cooling type.

コイル補強ケース14は、二段冷却ステージ32bと熱的に結合され二段冷却ステージ32bの冷却温度に冷却される。コイル補強ケース14は、二段伝熱部材36bを介して二段冷却ステージ32bと熱的に結合されてもよい。二段伝熱部材36bは、一段伝熱部材36a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、コイル補強ケース14は、二段冷却ステージ32b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。 The coil reinforcement case 14 is thermally coupled to the second-stage cooling stage 32b and cooled to the cooling temperature of the second-stage cooling stage 32b. The coil reinforcement case 14 may be thermally coupled to the second-stage cooling stage 32b via a second-stage heat transfer member 36b. The second-stage heat transfer member 36b may be formed, for example, as a bundle of fine wires or a laminate of foils to be flexible, similar to the first-stage heat transfer member 36a, and may be formed of a highly thermally conductive material such as copper. Alternatively, the coil reinforcement case 14 may be attached directly to the second-stage cooling stage 32b or attached via a rigid heat transfer member.

コイル補強ケース14の外表面には、伝熱プレート38が装着されてもよい。二段伝熱部材36bの一端が二段冷却ステージ32bに取り付けられ、二段伝熱部材36bの他端が伝熱プレート38に取り付けられ、それにより、コイル補強ケース14は、二段伝熱部材36bと伝熱プレート38を介して二段冷却ステージ32bと熱的に結合されてもよい。伝熱プレート38は、コイル補強ケース14と面接触しているので、二段伝熱部材36bがコイル補強ケース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32bとコイル補強ケース14との熱伝導を良好にすることができる。伝熱プレート38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。 A heat transfer plate 38 may be attached to the outer surface of the coil reinforcement case 14. One end of the two-stage heat transfer member 36b is attached to the two-stage cooling stage 32b, and the other end of the two-stage heat transfer member 36b is attached to the heat transfer plate 38, so that the coil reinforcement case 14 may be thermally coupled to the two-stage cooling stage 32b via the two-stage heat transfer member 36b and the heat transfer plate 38. Since the heat transfer plate 38 is in surface contact with the coil reinforcement case 14, the heat transfer between the two-stage cooling stage 32b and the coil reinforcement case 14 can be improved compared to when the two-stage heat transfer member 36b is connected at one point on the coil reinforcement case 14. The heat transfer plate 38 is formed of a metal material such as copper or other highly heat conductive material.

一例として、伝熱プレート38は、コイル補強ケース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、コイル補強ケース14の側面及び/または下面に設けられてもよい。 As an example, the heat transfer plate 38 is provided on the upper outer surface of the coil reinforcement case 14, but may also be provided on the side and/or underside of the coil reinforcement case 14, or alternatively.

電流リード部20は、真空容器30に設けられる真空フィードスルーを通じて真空容器30の中から外へと取り出され、真空容器30の外にある電源(図示せず)に超電導コイル12を接続する。 The current lead portion 20 is taken out from inside the vacuum vessel 30 through a vacuum feedthrough provided in the vacuum vessel 30, and connects the superconducting coil 12 to a power source (not shown) outside the vacuum vessel 30.

このようにして、超電導コイル12は、極低温冷凍機32の二段冷却ステージ32bによって、二段伝熱部材36b、伝熱プレート38、コイル補強ケース14、冷却ガス16を介して、二段冷却ステージ32b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。 In this way, the superconducting coil 12 is cooled to the cooling temperature of the two-stage cooling stage 32b by the two-stage cooling stage 32b of the cryogenic refrigerator 32 via the two-stage heat transfer member 36b, the heat transfer plate 38, the coil reinforcement case 14, and the cooling gas 16. By passing electricity through the superconducting coil 12 via the current lead portion 20, the superconducting coil device 10 can generate a strong magnetic field.

図3は、図1に示される超電導コイル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40をコイル径方向42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。 Figure 3 is a schematic diagram showing an exemplary configuration of the superconducting coil 12 shown in Figure 1. The superconducting coil 12 is a single pancake coil formed by winding tape-shaped high-temperature superconducting wire 40, also known as REBCO wire, in a layered manner in the coil radial direction 42.

高温超電導線材40は、基板40a上に中間層40bを介して超電導層40cが形成され、その超電導層40c上に第1安定化層40dが形成されるとともに、それらの外周部に第2安定化層40eが被覆されて構成されている。 The high-temperature superconducting wire 40 is constructed by forming a superconducting layer 40c on a substrate 40a via an intermediate layer 40b, forming a first stabilization layer 40d on the superconducting layer 40c, and coating the outer periphery of these with a second stabilization layer 40e.

基板40a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40b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。 The substrate 40a is made of a metal such as nickel alloy (Hastelloy), silver, or a silver alloy, and has a thickness of, for example, 100 μm and a width of 10 mm. Hastelloy is an alloy whose main component is nickel and which also contains chromium and molybdenum, and has good heat resistance and mechanical strength. The intermediate layer 40b is made of a compound such as gadolinium zirconium oxide (Gd.Zr oxide), magnesium oxide (MgO), yttrium stabilized zirconium (YSZ), barium zirconium oxide (Ba.Zr oxide), or cerium oxide (CeO2), and has a thickness of, for example, 500 nm and a width of 10 mm.

超電導層40c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40c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。 The superconducting layer 40c is formed, for example, to a thickness of about 1 μm and a width of 10 mm by CVD (chemical vapor deposition) of a rare earth oxide superconductor. Examples of rare earth elements include lanthanum (La), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), yttrium (Y), and ytterbium (Yb). Examples of rare earth oxides include RE Ba Cu O, where RE represents a rare earth element. Specific examples of the superconducting layer 40c include yttrium barium copper oxide (Y Ba Cu oxide), lanthanum barium copper oxide (La Ba Cu oxide), and the like.

第1安定化層40d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40e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。 The first stabilization layer 40d is formed by sputtering a metal such as silver, for example, to a thickness of about 15 μm and a width of 10 mm. The second stabilization layer 40e is formed by plating a metal such as copper, for example, to a thickness of about 50 μm.

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。 Conventionally, in low-temperature superconducting coils made of low-temperature superconducting wire such as NbTi, impregnation with a resin material such as epoxy resin is often used when manufacturing the coil. The resin material impregnated between the wire wound in a coil shape hardens and strongly fixes the wire together, increasing the mechanical strength of the coil. The impregnating resin helps to suppress deformation of the coil that can occur due to the strong electromagnetic force generated inside the coil during coil excitation. The impregnating resin also helps to uniformly form a heat transfer path inside the coil that thermally bonds the wire together, improving the thermal stability of the coil.

しかしながら、高温超電導線材40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40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の使用時に生じうる内部応力は、強度に劣る高温超電導線材40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40の層間に剥離を発生させ高温超電導線材40が破壊されうるからである。 However, such impregnation treatment is not suitable for the superconducting coil 12 formed from the high-temperature superconducting wire 40. The resin material tends to bond the wires together too strongly compared to the peel strength between the layers of the high-temperature superconducting wire 40. This is because internal stress that may occur during use of the superconducting coil 12 is concentrated inside the low-strength high-temperature superconducting wire 40, which may cause peeling between the layers of the high-temperature superconducting wire 40, which is weaker than the impregnated resin portion, and may destroy the high-temperature superconducting wire 40.

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40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。 Therefore, the superconducting coil 12 is not impregnated during the manufacturing process. Therefore, the superconducting coil 12 does not have an impregnating material between the stacked high-temperature superconducting wires 40. A superconducting coil formed from superconducting wires that have not been insulated, such as the superconducting coil 12, may also be called a no-insulation (NI) superconducting coil. Even if a normal conductive portion occurs locally for some reason during excitation, the current can be diverted to the adjacent wire, which has the advantage of enabling stable excitation. It is also possible to achieve a high current density.

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42の熱伝導は、巻回された高温超電導線材40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40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。 On the other hand, in the superconducting coil 12, which is an uninsulated coil, the thermal conduction in the coil radial direction 42 strongly depends on the contact thermal resistance between the wound high-temperature superconducting wires 40. In terms of manufacturing, it is not necessarily easy to control the contact thermal resistance between the high-temperature superconducting wires 40 so that it is uniform throughout the coil. If there is local non-uniformity in the thermal conduction within the coil, this can lead to thermal instability in the coil, which is undesirable.

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、コイル補強ケース14に冷却ガス16が充填され、超電導コイル12は冷却ガス16とともにコイル補強ケース14に収容される。冷却ガス16は、超電導コイル12を形成する高温超電導線材40間のわずかな隙間44(図3参照)にも浸透し、隙間44を満たす。こうして、冷却ガス16は、高温超電導線材40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。 In contrast, according to the superconducting coil device 10 of the embodiment, as shown in FIG. 1, the coil reinforcement case 14 is filled with cooling gas 16, and the superconducting coil 12 is housed in the coil reinforcement case 14 together with the cooling gas 16. The cooling gas 16 penetrates the small gaps 44 (see FIG. 3) between the high-temperature superconducting wires 40 that form the superconducting coil 12, filling the gaps 44. In this way, the cooling gas 16 forms a heat transfer path between the high-temperature superconducting wires 40. This promotes heat conduction inside the superconducting coil 12, improving the thermal stability of the superconducting coil 12.

図4は、図1に示されるコイル補強ケース14の例示的な構成を超電導コイル12とともに概略的に示す図である。図4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3に示されるように、高温超電導線材40を巻回して円環状に形成される。 Figure 4 is a diagram showing an example configuration of the coil reinforcing case 14 shown in Figure 1 together with the superconducting coil 12. Figure 4 shows a schematic cross section of the superconducting coil device 10 along a plane including the central axis of the superconducting coil 12. The superconducting coil 12 is formed into a circular ring shape by winding high-temperature superconducting wire 40 as shown in Figure 3.

コイル補強ケース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。 The coil reinforcement case 14 comprises a case outer frame 14a arranged adjacent to the outer peripheral surface of the superconducting coil 12, a case upper plate 14b arranged adjacent to the upper end surface of the superconducting coil 12, and a case lower plate 14c arranged adjacent to the lower end surface of the superconducting coil 12. The case outer frame 14a supports the outer peripheral surface of the superconducting coil 12, the case upper plate 14b supports the upper end surface of the superconducting coil 12, and the case lower plate 14c supports the lower end surface of the superconducting coil 12.

超電導コイル12が円環状の形状を有する場合、コイル補強ケース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。 When the superconducting coil 12 has an annular shape, the coil reinforcing case 14 may be a cylindrical box that fits the superconducting coil 12 exactly. Therefore, the case outer frame 14a may be an annular frame that extends in the circumferential direction of the coil along the outer circumferential surface of the superconducting coil 12. The case upper plate 14b and the case lower plate 14c may be circular disk-shaped plates that extend along the upper and lower end surfaces of the superconducting coil 12, respectively.

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。 The upper case plate 14b is airtightly joined to the outer peripheral frame 14a, and the lower case plate 14c is airtightly joined to the outer peripheral frame 14a. The outer periphery of the upper case plate 14b is joined to the upper end of the outer peripheral frame 14a, and the outer periphery of the lower case plate 14c is joined to the lower end of the outer peripheral frame 14a. There are various joining methods, but for example, they may be joined by welding, or they may be mechanically joined with joining parts such as bolts by sandwiching a metal sealing member such as a metal O-ring between the two members to be joined.

また、図4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50を太い矢印で示すとともに、この電磁力50に抗してコイル補強ケース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52を細い矢印で示す。このように、コイル補強ケース14が超電導コイル12を補強し、超電導コイル12とコイル補強ケース14を含む構造体が全体で強力な電磁力50に対する機械的な支持を提供することができる。 In addition, in Figure 4, thick arrows indicate the electromagnetic force 50 acting radially on the coil during excitation of the superconducting coil 12, and thin arrows indicate the mechanical internal stress 52 acting on the upper case plate 14b and the lower case plate 14c of the coil reinforcement case 14 against this electromagnetic force 50. In this way, the coil reinforcement case 14 reinforces the superconducting coil 12, and the entire structure including the superconducting coil 12 and the coil reinforcement case 14 can provide mechanical support against the strong electromagnetic force 50.

コイル補強ケース14は、電磁力50だけでなく、内部に封入している冷却ガス16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16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16の圧力も上昇するので、室温では極低温に比べて、コイル補強ケース14内の冷却ガス16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50はコイル補強ケース14に働かない。 The coil reinforcement case 14 must be designed to withstand not only the electromagnetic force 50 but also the pressure of the cooling gas 16 sealed inside. Since the superconducting coil 12 is cooled to an extremely low temperature during excitation, the pressure of the cooling gas 16 at this time is relatively low (for example, about 1 MPa) as described above. On the other hand, when performing maintenance on the superconducting coil device 10, the superconducting coil device 10 is heated to room temperature. Since the pressure of the cooling gas 16 also increases in proportion to the temperature, the pressure of the cooling gas 16 in the coil reinforcement case 14 at room temperature is much higher than at extremely low temperatures. For example, if the temperature is raised from 20K to 300K, the temperature increases 15 times, and the pressure also increases 15 times (for example, to about 15 MPa). However, since the superconducting coil 12 does not operate at room temperature, the electromagnetic force 50 does not act on the coil reinforcement case 14.

結局、本発明者の試算によれば、コイル補強ケース14が電磁力50と極低温での冷却ガス16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16の圧力にも耐えられる。室温でのかなり高い冷却ガス16の圧力を考慮して、コイル補強ケース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16の気密性の確保という2つの役割をコイル補強ケース14にもたせる設計は、現実的に可能である。 After all, according to the inventor's calculations, when the coil reinforcement case 14 is designed to withstand the electromagnetic force 50 and the pressure of the cooling gas 16 at extremely low temperatures, in most cases it can also withstand the pressure of the cooling gas 16 that is elevated at room temperature. There is no need to make the thickness of the coil reinforcement case 14 excessively large in consideration of the fairly high pressure of the cooling gas 16 at room temperature. Therefore, it is realistically possible to design the coil reinforcement case 14 to have the two roles of providing a reinforcing structure for the superconducting coil 12 and ensuring the airtightness of the cooling gas 16.

以上説明したように、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16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補強ケース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16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つのコイル補強ケース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。 As described above, the superconducting coil device 10 according to the embodiment includes a coil reinforcing case 14 that hermetically contains the cooling gas 16 together with the superconducting coil 12 and surrounds the superconducting coil 12 to reinforce the superconducting coil 12. In this way, the cooling gas 16 filled in the superconducting coil device 10 can promote uniform heat conduction inside the superconducting coil 12. This improves the thermal stability of the superconducting coil 12 and the superconducting coil device 10. In addition, since reinforcement and airtightness can be achieved with a single coil reinforcing case 14, the number of parts is reduced and manufacturing costs are reduced. There is no need for a dual structure, such as a frame structure that reinforces the superconducting coil 12 and a pressure vessel that surrounds it.

図5は、コイル補強ケース14の変形例を概略的に示す図である。コイル補強ケース14は、ケース外周枠14a、ケース上板14b、ケース下板14cに加えて、ケース内周枠14dを備えてもよい。ケース内周枠14d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と気密に接合される。ケース内周枠14dが設けられているので、コイル補強ケース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。 Figure 5 is a diagram showing a schematic diagram of a modified coil reinforcement case 14. The coil reinforcement case 14 may include an inner case frame 14d in addition to the outer case frame 14a, the upper case plate 14b, and the lower case plate 14c. The inner case frame 14d is disposed adjacent to the inner circumferential surface of the superconducting coil 12 and is hermetically joined to the upper case plate 14b and the lower case plate 14c. Because the inner case frame 14d is provided, the coil reinforcement case 14 can more firmly reinforce the superconducting coil 12.

この場合、コイル補強ケース14は、超電導コイル12と同様に中心に開口部をもつドーナツ形状であってもよい。ケース上板14b、ケース下板14cは、ドーナツ形状のプレートであってもよい。 In this case, the coil reinforcing case 14 may be doughnut-shaped with an opening in the center, similar to the superconducting coil 12. The upper case plate 14b and the lower case plate 14c may be doughnut-shaped plates.

なお、ケース内周枠14dは、図4に示される円筒形状または箱形のコイル補強ケース14に適用されてもよく、すなわちコイル補強ケース14の内部に設置されてもよい。 The case inner frame 14d may be applied to the cylindrical or box-shaped coil reinforcement case 14 shown in FIG. 4, i.e., may be installed inside the coil reinforcement case 14.

図6は、実施の形態に係り、図1に示される超電導コイル装置10に適用されうる電流リード部20を概略的に示す図である。電流リード部20は、超電導電流リード60と、金属電流リード62とを備える。超電導電流リード60は、超電導コイル12に接続され、金属電流リード62は、超電導電流リード60に接続されている。すなわち、金属電流リード62は、超電導電流リード60を介して超電導コイル12に接続されている。 Figure 6 is a schematic diagram of a current lead section 20 according to an embodiment that can be applied to the superconducting coil device 10 shown in Figure 1. The current lead section 20 includes a superconducting current lead 60 and a metal current lead 62. The superconducting current lead 60 is connected to the superconducting coil 12, and the metal current lead 62 is connected to the superconducting current lead 60. That is, the metal current lead 62 is connected to the superconducting coil 12 via the superconducting current lead 60.

超電導電流リード60は、例えばREBCO線材であってもよく、または、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60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62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。 The superconducting current lead 60 may be, for example, a REBCO wire, or may be formed of a copper oxide superconductor or other high temperature superconducting material. Alternatively, the superconducting current lead 60 may be formed of a low temperature superconducting material, such as NbTi. The metal current lead 62 is formed of a metal material with excellent electrical conductivity, such as pure copper, such as oxygen-free copper.

超電導電流リード60は、コイル補強ケース14に収容される一方、金属電流リード62は、冷却ガス16を封止するようにコイル補強ケース14に取り付けられている。金属電流リード62の一部を形成する気密封止部64が、超電導電流リード60と金属電流リード62の境界に形成され、この気密封止部64がコイル補強ケース14に気密に接合される。金属電流リード62が気密フィードスルー構造をコイル補強ケース14に形成する。コイル補強ケース14は、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ケース本体66と、超電導電流リード60を囲むようにしてケース本体66から気密封止部64へと延びる筒部68とを備えてもよい。筒部68が気密封止部64に気密に接合される。 The superconducting current lead 60 is housed in the coil reinforcement case 14, while the metal current lead 62 is attached to the coil reinforcement case 14 so as to seal the cooling gas 16. A hermetic seal 64 forming a part of the metal current lead 62 is formed at the boundary between the superconducting current lead 60 and the metal current lead 62, and this hermetic seal 64 is hermetically joined to the coil reinforcement case 14. The metal current lead 62 forms an airtight feed-through structure in the coil reinforcement case 14. The coil reinforcement case 14 may include a case body 66 arranged to surround the superconducting coil 12 so as to reinforce the superconducting coil 12, and a tube portion 68 extending from the case body 66 to the hermetic seal portion 64 so as to surround the superconducting current lead 60. The tube portion 68 is hermetically joined to the hermetic seal portion 64.

コイル補強ケース14は、上述のように、極低温冷凍機の二段冷却ステージと熱的に結合され、二段冷却ステージの冷却温度に冷却されうる。また、気密封止部64は、極低温冷凍機の一段冷却ステージと熱的に結合され、一段冷却ステージの冷却温度に冷却されうる。 As described above, the coil reinforcement case 14 is thermally coupled to the second cooling stage of the cryogenic refrigerator and can be cooled to the cooling temperature of the second cooling stage. The hermetic sealing portion 64 is thermally coupled to the first cooling stage of the cryogenic refrigerator and can be cooled to the cooling temperature of the first cooling stage.

この実施の形態のように、超電導電流リード60をコイル補強ケース14に収容すれば、超電導電流リード60の気密フィードスルー構造をコイル補強ケース14に設ける必要が無い。この構成は、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。 As in this embodiment, if the superconducting current lead 60 is housed in the coil reinforcement case 14, there is no need to provide an airtight feed-through structure for the superconducting current lead 60 in the coil reinforcement case 14. This configuration is advantageous because it makes it easier to implement the current lead portion 20 in the superconducting coil device 10.

また、金属電流リード62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60、超電導コイル12)への侵入熱の経路となる。金属電流リード62がコイル補強ケース14の中に配置される場合には、金属電流リード62からコイル補強ケース14内の冷却ガス16への熱伝達により冷却ガス16に対流が起こり、熱の侵入が増えるかもしれない。しかし、図6に示されるように、気密封止部64が超電導電流リード60と金属電流リード62の境界に形成され、金属電流リード62はコイル補強ケース14の外にあるので、金属電流リード62からコイル補強ケース14内への入熱を低減できる。 In addition, since the metal current lead 62 is connected to the high temperature part (room temperature part), it becomes a path for heat to penetrate into the low temperature part (superconducting current lead 60, superconducting coil 12). If the metal current lead 62 is placed inside the coil reinforcement case 14, heat transfer from the metal current lead 62 to the cooling gas 16 inside the coil reinforcement case 14 may cause convection in the cooling gas 16, increasing the amount of heat that penetrates. However, as shown in FIG. 6, an airtight seal 64 is formed at the boundary between the superconducting current lead 60 and the metal current lead 62, and the metal current lead 62 is outside the coil reinforcement case 14, so that the heat input from the metal current lead 62 into the coil reinforcement case 14 can be reduced.

なお、金属電流リード62の少なくとも一部が気密封止部64からコイル補強ケース14内へと延び、超電導電流リード60と金属電流リード62の境界がコイル補強ケース14の中に配置されてもよい。 In addition, at least a portion of the metal current lead 62 may extend from the hermetic sealing portion 64 into the coil reinforcement case 14, and the boundary between the superconducting current lead 60 and the metal current lead 62 may be positioned within the coil reinforcement case 14.

図7(a)および図7(b)は、図6の実施の形態の変形例を概略的に示す図である。図6の実施の形態と同様に、電流リード部20は、超電導電流リード60と、金属電流リード62とを備える。金属電流リード62の一部を形成する気密封止部64が、超電導電流リード60と金属電流リード62の境界に形成される。 Figures 7(a) and 7(b) are schematic diagrams illustrating a variation of the embodiment of Figure 6. As with the embodiment of Figure 6, the current lead portion 20 comprises a superconducting current lead 60 and a metal current lead 62. A hermetic seal 64, which forms part of the metal current lead 62, is formed at the interface between the superconducting current lead 60 and the metal current lead 62.

図7(a)に示されるように、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16を気密に収容するコイルケース70と、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補強構造72と、を備えてもよい。気密封止部64は、コイルケース70に気密に接合される。コイル補強構造72は、コイルケース70の中に配置される。コイル補強構造72は、上述の実施の形態と同様に、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による超電導コイル12の変形を抑制するように構成される外周枠、上板、および下板を備えてもよい。ただし、コイル補強構造72は、気密性をもつ必要はない。このように、超電導コイル装置10は、コイルケース70とコイル補強構造72を別個の構成要素として備えてもよい。 As shown in FIG. 7(a), the superconducting coil device 10 may include a coil case 70 that hermetically accommodates the cooling gas 16 together with the superconducting coil 12, and a coil reinforcement structure 72 that is arranged to surround the superconducting coil 12 so as to reinforce the superconducting coil 12. The hermetic sealing portion 64 is hermetically joined to the coil case 70. The coil reinforcement structure 72 is arranged inside the coil case 70. As in the above-described embodiment, the coil reinforcement structure 72 may include an outer frame, an upper plate, and a lower plate that are configured to suppress deformation of the superconducting coil 12 due to electromagnetic forces acting radially on the coil during excitation of the superconducting coil 12. However, the coil reinforcement structure 72 does not need to be airtight. In this way, the superconducting coil device 10 may include the coil case 70 and the coil reinforcement structure 72 as separate components.

また、図7(b)に示されるように、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16を気密に収容するコイルケース70を備えるが、超電導コイル12にコイル補強構造が設けられていなくてもよい。 As shown in FIG. 7(b), the superconducting coil device 10 includes a coil case 70 that hermetically contains the cooling gas 16 together with the superconducting coil 12, but the superconducting coil 12 does not necessarily need to be provided with a coil reinforcement structure.

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。 The present invention has been described above based on examples. Those skilled in the art will understand that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and that various design changes and modifications are possible, and that such modifications are also within the scope of the present invention. Various features described in relation to one embodiment can also be applied to other embodiments. A new embodiment resulting from a combination will have the combined effects of each of the combined embodiments.

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40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。コイル補強ケース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。 In the above embodiment, the superconducting coil 12 is a single pancake coil formed from high-temperature superconducting wire 40, but the superconducting coil 12 that can be applied to the superconducting coil device 10 according to the embodiment is not limited to those having such a specific shape and material. For example, the superconducting coil 12 may be a double pancake coil or other multi-layer pancake coil. The superconducting coil 12 may be a superconducting coil formed by winding wire in a solenoid shape. The superconducting coil 12 may be a low-temperature superconducting coil formed from low-temperature superconducting wire. The coil reinforcing case 14 may be designed to fit these various superconducting coils 12.

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。 The present invention has been described using specific terms based on the embodiment, but the embodiment merely illustrates one aspect of the principles and applications of the present invention, and many modifications and changes in arrangement are permitted to the embodiment without departing from the concept of the present invention as defined in the claims.

10 超電導コイル装置、 12 超電導コイル、 14 コイル補強ケース、 14a ケース外周枠、 14b ケース上板、 14c ケース下板、 16 冷却ガス、 32 極低温冷凍機、 60 超電導電流リード、 62 金属電流リード。 10 Superconducting coil device, 12 Superconducting coil, 14 Coil reinforcement case, 14a Case outer frame, 14b Case upper plate, 14c Case lower plate, 16 Cooling gas, 32 Cryogenic refrigerator, 60 Superconducting current lead, 62 Metal current lead.

Claims (5)

超電導コイルと、
前記超電導コイルの外周面に隣接して配置されたケース外周枠と、前記超電導コイルの上端面に隣接して配置され、前記ケース外周枠と気密に接合されたケース上板と、前記超電導コイルの下端面に隣接して配置され、前記ケース外周枠と気密に接合されたケース下板と、を備え、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、前記超電導コイルとともに冷却ガスを気密に収容するコイル補強ケースと、
前記コイル補強ケースの外表面に装着された伝熱プレートと、を備え、
前記コイル補強ケースは、前記コイル補強ケースの外にある極低温冷凍機と前記伝熱プレートを介して熱的に結合され、前記超電導コイルは、前記極低温冷凍機によって前記コイル補強ケースと前記冷却ガスを介して冷却されることを特徴とする超電導コイル装置。
A superconducting coil;
a coil reinforcement case including a case outer frame disposed adjacent to an outer peripheral surface of the superconducting coil, an upper case plate disposed adjacent to an upper end surface of the superconducting coil and airtightly joined to the case outer frame, and a lower case plate disposed adjacent to a lower end surface of the superconducting coil and airtightly joined to the case outer frame, the coil reinforcement case being disposed surrounding the superconducting coil to reinforce the superconducting coil and airtightly accommodating a cooling gas together with the superconducting coil;
a heat transfer plate attached to an outer surface of the coil reinforcement case,
A superconducting coil device characterized in that the coil reinforcement case is thermally coupled to a cryogenic refrigerator outside the coil reinforcement case via the heat transfer plate , and the superconducting coil is cooled by the cryogenic refrigerator via the coil reinforcement case and the cooling gas.
前記超電導コイルに接続され、前記コイル補強ケースに収容された超電導電流リードと、前記超電導電流リードに接続された金属電流リードと、をさらに備え、
前記金属電流リードは、前記冷却ガスを封止するように前記コイル補強ケースに取り付けられてい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。
a superconducting current lead connected to the superconducting coil and housed in the coil reinforcement case; and a metal current lead connected to the superconducting current lead,
2. The superconducting coil device according to claim 1, wherein the metal current lead is attached to the coil reinforcement case so as to seal the cooling gas.
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または2に記載の超電導コイル装置。 The superconducting coil device according to claim 1 or 2, characterized in that the superconducting coil is formed by winding superconducting wires, and there is no impregnating material between the superconducting wires. 前記超電導コイルは、超電導線材を巻回して形成され、超電導線材間の隙間を前記冷却ガスが満たし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。 The superconducting coil device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the superconducting coil is formed by winding a superconducting wire, and the cooling gas fills the gaps between the superconducting wires. 前記伝熱プレートは、可撓性をもつ伝熱部材を介して前記極低温冷凍機と熱的に結合される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。5. The superconducting coil device according to claim 1, wherein the heat transfer plate is thermally coupled to the cryogenic refrigerator via a flexible heat transfer member.
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