JPWO2019198266A1 - 超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

超電導磁石装置（１００）は、上下方向と交差する方向に延びる軸を中心とする第１超電導コイル（１ａ）と、冷媒が循環する冷媒循環回路（１０）とを備える。冷媒循環回路（１０）は、第１超電導コイル（１ａ）と熱的に接触された第１冷却管路（１１ａ）と、第１冷却管路（１１ａ）よりも上方に配置されている上方管路（１２）と、第１冷却管路（１１ａ）よりも下方に配置されている下方管路（１３）と、上方管路（１２）と下方管路（１３）とを接続する接続管路（１４）とを含む。第１冷却管路（１１ａ）は、冷媒が貯留される第１貯留部（１６ａ）とを有している。

Description

本発明は、超電導磁石装置に関し、特に超電導コイルと、超電導コイルに熱的に結合されており冷媒が循環する回路とを備える超電導磁石装置に関する。

特開２０１３−１１８２２８号公報には、超電導コイルと、超電導コイルを冷却するための冷媒が循環する冷媒循環回路（サーモサイフォン部）と、超電導コイルと熱的に接触している保護抵抗と、保護抵抗の内部に冷媒よりも高沸点である高沸点冷媒を供給する高沸点冷媒供給部とを備える超電導磁石装置が開示されている。

また、上記のようなサーモサイフォン方式の超電導磁石装置を備える磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）が実用化されている。

特開２０１３−１１８２２８号公報

しかしながら、上記のようなサーモサイフォン方式の超電導磁石装置では、超電導コイルに電流を供給して超電導磁石を励磁する場合または電流の供給を停止して消磁する場合に、保護抵抗が通電されて過渡的な発熱が起こる。これにより、冷媒循環回路内の冷媒の液面高さが超電導コイルの高さよりも低下し、超電導コイルの温度が上昇して超電導状態が消失されることがある。

上記問題の発生を抑制するためには、冷媒循環回路内に封入される冷媒量（冷媒使用量）を多くする必要がある。

本発明の主たる目的には、従来の超電導磁石装置と比べて、冷媒使用量の削減を図りながらも、励磁または消磁の際に超電導状態の消失が抑制されている超電導磁石装置を提供することにある。

本発明に係る超電導磁石装置は、上下方向と交差する方向に延びる軸を中心とする超電導コイルと、冷媒が循環する冷媒循環回路と、冷媒を冷却する冷却部とを備える。冷媒循環回路は、超電導コイルと熱的に接触された冷却管路と、冷却管路に接続されており冷却管路よりも上方に配置されている上方管路と、冷却管路に接続されており冷却管路よりも下方に配置されている下方管路と、上方管路と下方管路とを接続する接続管路とを含む。冷媒は冷却管路、上方管路、接続管路、および下方管路を順に循環する。冷却部は上方管路内の冷媒を冷却するように設けられている。冷却管路は、冷媒が貯留される貯留部を有している。

本発明によれば、第１超電導コイルと熱的に接続された第１冷却管路が励磁または消磁の際に冷媒が貯留される第１貯留部を有しているため、従来の超電導磁石装置と比べて、冷媒使用量の削減を図りながらも、励磁または消磁の際に超電導状態の消失が抑制されている超電導磁石装置を提供することができる。

実施の形態１に係る超電導磁石装置を示す斜視図である。 図１中の領域ＩＩの部分拡大図である。 実施の形態１に係る超電導磁石装置が通常運転されているときの、冷媒循環回路内の冷媒の液面高さを示す図である。 実施の形態１に係る超電導磁石装置の超電導コイルが励磁または消磁されるときの、冷媒循環回路内の冷媒の液面高さを示す図である。 図４に示される冷媒循環回路の断面図である。 実施の形態２に係る超電導磁石装置を示す図である。 実施の形態２に係る超電導磁石装置が通常運転されているときの、冷媒循環回路内の冷媒の液面高さを示す図である。 実施の形態２に係る超電導磁石装置の超電導コイルが励磁または消磁されるときの、冷媒循環回路内の冷媒の液面高さを示す図である。 実施の形態３に係る超電導磁石装置が通常運転されているときの、冷媒循環回路内の冷媒の液面高さを示す図である。 実施の形態３に係る超電導磁石装置の超電導コイルが励磁または消磁されるときの、冷媒循環回路内の冷媒の液面高さを示す図である。 実施の形態４に係る超電導磁石装置が通常運転されているときの、冷媒循環回路内の冷媒の液面高さを示す図である。 実施の形態４に係る超電導磁石装置の超電導コイルが励磁または消磁されるときの、冷媒循環回路内の冷媒の液面高さを示す図である。 実施の形態５に係る超電導磁石装置が通常運転されているときの、冷媒循環回路内の冷媒の液面高さを示す図である。 実施の形態５に係る超電導磁石装置の超電導コイルが励磁または消磁されるときの、冷媒循環回路内の冷媒の液面高さを示す図である。

実施の形態１．
＜超電導磁石装置の構成＞
図１〜図４に示されるように、超電導磁石装置１００は、複数の超電導コイル１と、冷媒が循環する冷媒循環回路１０と、冷媒を冷却する冷却部２０とを備える。

超電導コイル１の数は特に制限されるものではないが、例えば図１に示されるように４つである。複数の超電導コイル１の各々は、上下方向と交差する方向に延びる軸を中心とする周方向に延在する。複数の超電導コイル１は、上記軸の延在方向に並んでいる第１超電導コイル１ａ、第２超電導コイル１ｂ、第３超電導コイル１ｃおよび第４超電導コイル１ｄを有している。複数の超電導コイル１は、図示しない巻枠に巻き付けられている。複数の超電導コイル１を構成する材料は、超電導線材である。なお、複数の超電導コイル１は、互いに同軸上に配置されていてもよい。また、複数の超電導コイル１は、上記軸の延在方向において互いに重なるように配置されていてもよい。第１超電導コイル１ａの外径は、例えば第２超電導コイル１ｂの外径より大きいである。第２超電導コイル１ｂの外径は、例えば第３超電導コイル１ｃの外径と等しい。第４超電導コイル１ｄの外径は、例えば第３超電導コイル１ｃの外径より大きいである。

冷媒循環回路１０には、冷媒が充填されている。冷媒は、いわゆるサーモサイフォン効果に基づいて、冷媒循環回路１０内を循環する。冷媒は、例えば液体ヘリウムである。冷媒循環回路１０は、複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄ、上方管路１２、下方管路１３、および接続管路１４を含む。冷媒は、複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄ、上方管路１２、接続管路１４、および下方管路１３を順に循環する。冷媒循環回路１０を構成する各管路および第１貯留部１６ａを構成する材料は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、およびステンレス鋼（ＳＵＳ）から選択される少なくとも１つを含む。冷媒循環回路１０内部の圧力は、例えば大気圧または大気圧に近い圧力とされる。

複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄは、複数の超電導コイル１ａ〜１ｄと熱的に接触されている。複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄは、第１超電導コイル１ａと熱的に接触されている第１冷却管路１１ａ、第２超電導コイル１ｂと熱的に接触されている第２冷却管路１１ｂ、第３超電導コイル１ｃと熱的に接触されている第３冷却管路１１ｃ、第４超電導コイル１ｄと熱的に接触されている第４冷却管路１１ｄを有している。複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄの各々は、上下方向に冷媒が流れるための主管路と、主管路の途中に設けられて主管路の冷媒の液面が低下した場合にも内部に冷媒が残るように設けられた貯留部とを有している。第１冷却管路１１ａは、第１主管路１５ａと、第１主管路１５ａから分岐された第１貯留部１６ａとを有している。第２冷却管路１１ｂは、第２主管路１５ｂと、第２主管路１５ｂから分岐された第２貯留部１６ｂとを有している。第３冷却管路１１ｃは、第３主管路１５ｃと、第３主管路１５ｃから分岐された第３貯留部１６ｃとを有している。第４冷却管路１１ｄは、第４主管路１５ｄと、第４主管路１５ｄから分岐された第４貯留部１６ｄとを有している。

第１冷却管路１１ａは、例えば第１主管路１５ａから分岐されており冷媒が貯留される下方貯留部１７ａをさらに有している。第２冷却管路１１ｂは、例えば第２主管路１５ｂから分岐されており冷媒が貯留される下方貯留部１７ｂをさらに有している。第３冷却管路１１ｃは、例えば第３主管路１５ｃから分岐されており冷媒が貯留される下方貯留部１７ｃをさらに有している。第４冷却管路１１ｄは、例えば第４主管路１５ｄから分岐されており冷媒が貯留される下方貯留部１７ｄをさらに有している。

上方管路１２は、複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄの上方に配置されている。上方管路１２は、例えば液相の冷媒および気相の冷媒を貯留するタンクを有している。上方管路１２において気相の冷媒が貯留される部分には、冷却部２０が配置されている。下方管路１３は、複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄの下方に配置されている。下方管路１３は、例えば液相の冷媒を貯留するタンクを有している。下方管路１３の内部には、例えばクエンチが発生したときに超電導コイル１の性能低下または焼損を防止するための図示しない保護抵抗が配置されている。保護抵抗は、複数の超電導コイル１ａ〜１ｄと並列に接続されている。

接続管路１４は、上方管路１２と下方管路１３とを接続している。接続管路１４は、上方管路１２を介して複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄと接続されており、かつ下方管路１３を介して複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄと接続されている。

冷却部２０は、気相の冷媒を液相の冷媒に凝縮させる。冷却部２０は、例えば上方管路１２において気相の冷媒が貯留される部分に配置され、気相の冷媒を凝縮させる低温ヘッド２１を有している。冷却部２０で凝縮した冷媒は各冷却管路１１ａ〜１１ｄよりも接続管路１４の上部に優先的に流入するようにされている。

超電導磁石装置１００は、冷媒循環回路１０および冷却部２０の他に、例えばヘリウムガスが循環する図示しない予備冷却回路をさらに備えていてもよい。予備冷却回路は、常温の超電導コイル１を臨界温度以下まで冷却させるときに使用される。予備冷却回路の一部は、例えば冷媒循環回路１０の一部を兼ねている。予備冷却回路は、例えば超電導コイル１の温度を予め定められた温度範囲内、例えば中心値−２０Ｋ以上中心値＋２０Ｋ以下、に保ちながら、３〜５日をかけて超電導コイル１を臨界温度以下まで冷却する。

超電導磁石装置１００において、各超電導コイル１ａ〜１ｄおよび各冷却管路１１ａ〜１１ｄの構成は、例えば互いに同等である。以下では、代表して第１超電導コイル１ａおよび第１冷却管路１１ａの構成について説明する。

＜第１超電導コイルおよび第１冷却管路の構成＞
第１冷却管路１１ａは、例えば第１超電導コイル１ａの外周面にロウ付けされている。なお、第１冷却管路１１ａは、第１超電導コイル１ａの内周面または上記巻枠の外周面にロウ付けされていてもよい。上述したいずれの場合にも、第１冷却管路１１ａおよび第１超電導コイル１ａの一方から他方に、直接または巻枠を介して、熱が伝達され得るため、第１冷却管路１１ａは第１超電導コイル１ａと熱的に接触されていると言える。

図１〜図４に示されるように、第１冷却管路１１ａは、相対的に上方に位置する上端部と、相対的に下方に位置する下端部とを有している。第１冷却管路１１ａの上端部は、上方管路１２に接続されている。第１冷却管路１１ａの下端部は、下方管路１３に接続されている。

図１〜図５に示されるように、第１冷却管路１１ａは、第１主管路１５ａと、第１主管路１５ａから分岐された第１貯留部１６ａとを有している。第１主管路１５ａは、上方管路１２と下方管路１３とを繋ぐ管路である。第１主管路１５ａは、任意の構成を有していればよいが、例えば上記周方向に沿って延在する第１管部３１ａおよび第２管部３２ａと、上記軸に沿って延在する第３管部３３ａとを有している。第２管部３２ａは、第１管部３１ａの下端よりも上方から下方に向けて延在している。第１貯留部１６ａは第１主管路１５ａの途中から下方に分岐し、第１超電導コイル１ａの外周面に沿って下端を有する管とされる。典型的には第１貯留部１６ａの下端は第１超電導コイル１ａの最下位置より上、従って下方管路１３よりも高い位置とされる。

図１〜図５に示されるように、第１管部３１ａおよび第２管部３２ａは、上記軸に対する中心角が１８０度未満の円弧状を成している。第１管部３１ａは、上方管路１２に接続されている。第１管部３１ａと第２管部３２ａとは、第３管部３３ａを介して接続されている。第１管部３１ａにおいて第３管部３３ａと接続されている部分は、第１管部３１ａの下端よりも上方に配置されている。第１管部３１ａにおいて第３管部３３ａと接続されている部分よりも下方に位置する部分が、第１貯留部１６ａを構成している。第１貯留部１６ａは、第１主管路１５ａからの分岐部、すなわち第１管部３１ａと第３管部３３ａとの接続部よりも下方に底部を有しており、該底部は第１管部３１ａの下端により構成されている。

図１〜図５に示されるように、第１主管路１５ａは、例えばＳ字状またはＺ字状に折り曲げられた管路として構成されており、第１貯留部１６ａはその屈曲部から分岐されている。なお、第１主管路１５ａは、上記構成に限定されるものではなく、たとえば一方向に沿って延びる直管として構成されていてもよい。この場合、第１貯留部１６ａは、たとえば第１主管路１５ａの途中から分岐して下方に曲がる管として構成されていてもよい。

図１、図３〜図５に示されるように、第１冷却管路１１ａは、例えば第１主管路１５ａから分岐された下方貯留部１７ａをさらに有している。第１貯留部１６ａおよび下方貯留部１７ａは、上記周方向に互いに間隔を隔てて配置されている。下方貯留部１７ａは、第１貯留部１６ａよりも下方に配置されている。

第１主管路１５ａは、例えば上記周方向に沿って延在する第４管部３４ａと、上記軸に沿って延在する第５管部３５ａとをさらに有している。第４管部３４ａは、例えば第１管部３１ａと上記周方向に間隔を隔てて配置されている。第４管部３４ａは、下方管路１３に接続されている。第５管部３５ａは、例えば第３管部３３ａと上記周方向に間隔を隔てて配置されている。第２管部３２ａにおいて第５管部３５ａと接続されている部分は、第２管部３２ａの下端部よりも上方に配置されている。第２管部３２ａにおいて第５管部３５ａと接続されている部分よりも下方に位置する部分が、下方貯留部１７ａを構成している。

図１〜図４に示されるように、第２管部３２ａと第３管部３３ａとの接続部は、例えば第２管部３２ａの上端部よりも下方に配置されている。異なる観点から言えば、第２管部３２ａは、例えば第３管部３３ａとの接続部よりも上方に突出している突出部１８ａを有している。突出部１８ａの容積は、第１貯留部１６ａの容積未満である。第４管部３４ａと第５管部３５ａとの接続部は、例えば第４管部３４ａの上端部よりも下方に配置されている。異なる観点から言えば、第４管部３４ａは、例えば第５管部３５ａとの接続部よりも上方に突出している突出部を有している。

上述のように、第１冷却管路１１ａは、その全体が第１超電導コイル１ａと熱的に接触している。すなわち、第１管部３１ａ、第２管部３２ａ、第３管部３３ａ、第４管部３４ａ、第５管部３５ａ、第１貯留部１６ａ、および下方貯留部１７ａは、第１超電導コイル１ａと熱的に接触している。

図３に示されるように、冷媒循環回路１０には、超電導磁石装置１００が通常運転されているときに冷媒の液面Ｌ１が上方管路１２内に配置されるように、冷媒が充填されている。ここで、超電導磁石装置１００の通常運転時とは、超電導コイル１の全体が超電導状態にあり、超電導コイル１に局所的な常電動転移が生じていない運転時を指す。通常運転時では、冷媒循環回路１０において液面Ｌ１よりも下方に位置する領域には、液相の冷媒が満たされている。気相の冷媒は、冷媒循環回路１０において液面Ｌ１よりも上方に位置する領域のみを満たしている。通常運転時において、超電導磁石装置１００の外部から超電導コイル１への熱侵入が起こると、当該熱は冷媒を昇温させて蒸発させることにより消費される。冷却管路１１ａ〜１１ｄ内において蒸発した気相の冷媒は、矢印Ａの方向に移動し、冷却管路１１ａ〜１１ｄから排出されて上方管路１２に貯留される。上方管路１２に貯留された気相の冷媒は、冷却部２０の低温ヘッド２１によって冷却されて液相の冷媒に凝縮する。液相の冷媒は、接続管路１４内を矢印Ｂの方向に移動する。このようにして、冷媒循環回路１０では、いわゆるサーモサイフォン効果により、冷媒が還流する。

超電導コイル１へ侵入する熱量が増えると、気相の冷媒量が増加するため、冷媒循環回路１０における冷媒の液面が下降する。特に、冷媒の蒸発に消費された熱量が冷却部２０の冷却能力を上回る場合には、冷媒の液面が図３に示される液面Ｌ１よりも下降する。また、超電導磁石を励磁または消磁するときにも、上記保護抵抗は通電されて過渡的に発熱する。この場合、冷媒循環回路１０において保護抵抗が配置された下方管路１３内の冷媒が保護抵抗からの熱により蒸発する。一般的に励磁または消磁時の保護抵抗の発熱量は冷却部２０の冷却能力を上回るため、冷媒の液面が図３に示される液面Ｌ１よりも下降する。このように、冷媒循環回路１０は、超電導コイル１への熱侵入または保護抵抗の発熱が生じたときに冷媒を相変化させることにより、超電導コイル１の温度を臨界温度以下（例えば６．０Ｋ以下）に維持する。

超電導磁石装置１００では、図４に示される状態が実現され得る。図４に示される状態は、例えば複数の超電導コイル１において貯留部１６ａ〜１６ｄに熱的に接している部分から離れた部分へ外部から熱が侵入し、かつ当該熱侵入量が図３に示される通常運転時よりも増大したときに、実現される。または、図４に示される状態は、上述のように保護抵抗が過渡的に発熱したときに、実現され得る。図４に示される状態では、冷媒の液面は、主管路１５ａ〜１５ｄ内、貯留部１６ａ〜１６ｄ内、および接続管路１４内に配置される。主管路１５ａ〜１５ｄ内および接続管路１４内に配置される冷媒の液面Ｌ２は、貯留部１６ａ〜１６ｄ内に配置される冷媒の液面Ｌ３よりも下方に配置される。この場合、貯留部１６ａ〜１６ｄ内に貯留された液相の冷媒は、複数の超電導コイル１ａ〜１ｄにおいて貯留部１６ａ〜１６ｄと熱的に接触している部分を冷却し、場合によっては蒸発する。貯留部１６ａ〜１６ｄ内で蒸発した気相の冷媒は、第１主管路１５ａ内または下方管路１３内で蒸発した気相の冷媒と同様に、上方管路１２において凝縮されて冷媒循環回路１０内を循環する。このように、図４において貯留部１６ａ〜１６ｄ内に貯留された液相の冷媒も、冷媒循環回路１０による熱輸送に寄与する。

＜作用効果＞
超電導磁石装置１００は、上下方向と交差する方向に延びる軸を中心とする第１超電導コイルと、冷媒が循環する冷媒循環回路と、冷媒を冷却する冷却部とを備える。冷媒循環回路１０は、第１超電導コイル１ａと熱的に接触された第１冷却管路１１ａと、第１冷却管路１１ａよりも上方に配置されている上方管路１２と、第１冷却管路１１ａよりも下方に配置されている下方管路１３と、上方管路１２と下方管路１３とを接続する接続管路１４とを含む。冷媒は第１冷却管路１１ａ、上方管路１２、接続管路１４、および下方管路１３を順に循環する。

冷却部２０は上方管路１２内の冷媒を冷却するように設けられている。第１冷却管路１１ａは、上方管路１２と下方管路１３とを接続している第１主管路１５ａと、第１主管路１５ａから分岐されており冷媒が貯留される第１貯留部１６ａとを有している。

超電導磁石装置１００は、図４に示される状態を採ることができる。冷媒循環回路１０は、図４に示されるような気相の冷媒量が比較的多い状態においても、第１超電導コイル１ａにおいて冷媒の液面Ｌ２よりも上方に位置する部分に浸入した熱を第１貯留部１６ａに貯留された液相の冷媒によって速やかに除去できる。つまり、超電導磁石装置１００は、第１貯留部１６ａが設けられていない従来の超電導磁石装置と比べて、液相冷媒の不足に伴うドライアウトの発生が抑制されており、クエンチの発生をより効果的に防ぐことができる。

また、第１貯留部１６ａが設けられていない従来の超電導磁石装置においてクエンチの発生を防ぐには、気相の冷媒量が比較的多い状態においても冷媒の液面が冷却管路内の比較的高い位置に保たれるように、冷媒循環回路に充填される冷媒量を増やす必要がある。これに対し、超電導磁石装置１００では、第１主管路１５ａ内の冷媒の液面Ｌ２よりも上方に第１貯留部１６ａ内の冷媒の液面Ｌ３が配置された図４に示された状態が実現され得る。そのため、超電導磁石装置１００は、第１貯留部１６ａが設けられていない従来の超電導磁石装置と比べて、冷媒量を削減しながらも、クエンチの発生を効果的に防ぐことができる。

さらに、超電導磁石装置１００では、第２超電導コイル１ｂ、第３超電導コイル１ｃおよび第４超電導コイル１ｄが第１超電導コイル１ａと同様の構成を備えており、第２冷却管路１１ｂ、第３冷却管路１１ｃおよび第４冷却管路１１ｄが第１冷却管路１１ａと同様の構成を備えている。そのため、超電導磁石装置１００は、第１貯留部１６ａ、第２貯留部１６ｂ、第３貯留部１６ｃおよび第４貯留部１６ｄが設けられていることにより、これらが設けられていない従来の超電導磁石装置と比べて、クエンチの発生をより効果的に防ぐことができる。

さらに、第１冷却管路１１ａは、第１貯留部１６ａよりも下方において第１主管路１５ａから分岐されており冷媒が貯留される下方貯留部１７ａをさらに有している。第１貯留部１６ａおよび下方貯留部１７ａは、上記周方向に間隔を隔てて配置されている。第２冷却管路１１ｂは、第２貯留部１６ｂよりも下方において第２主管路１５ｂから分岐されており冷媒が貯留される下方貯留部１７ｂをさらに有している。第３冷却管路１１ｃは、第３貯留部１６ｃよりも下方において第３主管路１５ｃから分岐されており冷媒が貯留される下方貯留部１７ｃをさらに有している。第４冷却管路１１ｄは、第４貯留部１６ｄよりも下方において第４主管路１５ｄから分岐されており冷媒が貯留される下方貯留部１７ｄをさらに有している。そのようにすれば、例えば主管路１５ａ内の冷媒の液面が下方貯留部１７ａよりも下方に配置された状態であって、かつ第１貯留部１６ａおよび下方貯留部１７ａ内に液相の冷媒が貯留された状態が実現され得る。そのため、超電導磁石装置１００は、貯留部１６ａ〜１６ｄおよび下方貯留部１７ａ〜１７ｄが設けられていない従来の超電導磁石装置と比べて、冷媒量を削減しながらも、クエンチの発生を効果的に防ぐことができる。

また、複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄは、突出部１８ａ〜１８ｄを有している。このような冷却管路は、複数の管部を溶接等により接続することで、比較的容易に形成され得る。また、このような冷却管路は、直線状の管路が折り曲げられることにより形成される場合と比べて、熱応力によって破断等が生じるリスクが低い。なお、図６に示されるように、複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄは、図３に示される突出部１８ａ〜１８ｄを有していなくてもよい。

実施の形態２．
図７および図８に示されるように、実施の形態２に係る超電導磁石装置１０１は、実施の形態１に係る超電導磁石装置１００と基本的に同様の構成を備えるが、冷媒循環回路１０が、第１冷却管路１１ａの第１貯留部１６ａと第２冷却管路１１ｂの第２貯留部１６ｂとを連通させる第１連通管路としての連通管路４０をさらに含む点で異なる。

冷媒循環回路１０は、例えば第３冷却管路１１ｃの第３貯留部１６ｃと第４冷却管路１１ｄの第４貯留部１６ｄとを連通させる第１連通管路としての連通管路４１をさらに含む。

連通管路４０は、例えば第１貯留部１６ａの下端部と第２貯留部１６ｂの下端部とを連通させる。連通管路４１は、例えば第３貯留部１６ｃの下端部と第４貯留部１６ｄの下端部とを連通させる。連通管路４０および連通管路４１は、例えば水平方向に対して傾斜する方向に沿って延在している。連通管路４０と第１貯留部１６ａとの接続部の下端は、例えば連通管路４０と第２貯留部１６ｂとの接続部の下端と上端との間に配置されている。第２貯留部１６ｂは、例えば第１貯留部１６ａよりも下方に配置されている。連通管路４０は、例えば第１主管路１５ａおよび第１貯留部１６ａよりも第１超電導コイル１ａから離れて配置されている。連通管路４１は、例えば第３主管路１５ｃおよび第３貯留部１６ｃよりも第３超電導コイル１ｃから離れて配置されている。連通管路４１と第４貯留部１６ｄとの接続部の下端は、例えば連通管路４１と第３貯留部１６ｃとの接続部の下端と上端との間に配置されている。

超電導磁石装置１０１は、超電導磁石装置１００と基本的に同様の構成を備えているため、超電導磁石装置１００と同様の効果を奏することができる。

さらに超電導磁石装置１０１では、例えば第１超電導コイル１ａに第２超電導コイル１ｂよりも多くの熱量が侵入して第１貯留部１６ａ内に貯留された液相の冷媒の全てが蒸発した場合に、第２貯留部１６ｂ内に貯留された液相の冷媒の一部が連通管路４０を通って第１貯留部１６ａ内に供給される。連通管路４０を介した液相冷媒の移動は、重力を受けて行われる。そのため、超電導磁石装置１０１では、超電導磁石装置１００と比べて、複数の超電導コイル１ａ〜１ｄ間で熱侵入量にばらつきが生じる場合にもクエンチの発生がより効果的に防止される。

図８に示されるように、第２貯留部１６ｂが第１貯留部１６ａよりも下方に配置されている場合には、第２貯留部１６ｂには第１貯留部１６ａよりも多量の液相冷媒が貯留され得る。そのため、例えば第２超電導コイル１ｂが第１超電導コイル１ａと比べて外部からの熱侵入を受けやすい場合、第２超電導コイル１ｂにおいてクエンチが発生することを効果的に防止することができる。

なお、連通管路４０および連通管路４１は、水平方向に沿って延在していてもよい。
実施の形態３．
図９および図１０に示されるように、実施の形態３に係る超電導磁石装置１０２は、実施の形態１に係る超電導磁石装置１００と基本的に同様の構成を備えるが、冷媒循環回路１０が、第１貯留部１６ａ、第２貯留部１６ｂ、第３貯留部１６ｃおよび第４貯留部１６ｄを互いに連通させる第１連通管路としての連通管路４２をさらに含む点で異なる。

連通管路４２は、第１冷却管路１１ａの第１貯留部１６ａ、第２冷却管路１１ｂの第２貯留部１６ｂ、第３冷却管路１１ｃの第３貯留部１６ｃ、および第４冷却管路１１ｄの第４貯留部１６ｄを連通させている。連通管路４２において、第１貯留部１６ａと第２貯留部１６ｂとを連通させている部分と、第３貯留部１６ｃと第４貯留部１６ｄとを連通させている部分とは、例えば水平方向に対して傾斜する方向に沿って延在している。連通管路４２において、第２貯留部１６ｂと第３貯留部１６ｃとを連通させている部分は、例えば水平方向に沿って延在している。連通管路４２と第１貯留部１６ａとの接続部の下端は、例えば連通管路４２と第２貯留部１６ｂとの接続部の下端と上端との間に配置されている。連通管路４２と第４貯留部１６ｄとの接続部の下端は、例えば連通管路４２と第３貯留部１６ｃとの接続部の下端と上端との間に配置されている。

連通管路４２は、例えば第１主管路１５ａ、第２主管路１５ｂ、第３主管路１５ｃ、第１貯留部１６ａ、第２貯留部１６ｂおよび第３貯留部１６ｃよりも、第１超電導コイル１ａ、第２超電導コイル１ｂおよび第３超電導コイル１ｃから離れて配置されている。

超電導磁石装置１０２は、超電導磁石装置１００と基本的に同様の構成を備えているため、超電導磁石装置１００と同様の効果を奏することができる。

さらに超電導磁石装置１０２では、例えば第１超電導コイル１ａに他の超電導コイル１ｂ〜１ｄよりも多くの熱量が侵入して第１貯留部１６ａ内に貯留された液相の冷媒の全てが蒸発した場合に、第２貯留部１６ｂ、第３貯留部１６ｃおよび第４貯留部１６ｄ内に貯留された液相の冷媒の一部が連通管路４２を通って第１貯留部１６ａ内に供給される。連通管路４２を介した液相冷媒の移動は、重力を受けて行われる。そのため、超電導磁石装置１０２では、超電導磁石装置１００と比べて、複数の超電導コイル１ａ〜１ｄ間で熱侵入量にばらつきが生じる場合にもクエンチの発生がより効果的に防止される。

図１０に示されるように、第２貯留部１６ｂおよび第３貯留部１６ｃが第１貯留部１６ａおよび第４貯留部１６ｄよりも下方に配置されている場合には、第２貯留部１６ｂおよび第３貯留部１６ｃには第１貯留部１６ａおよび第４貯留部１６ｄよりも多量の液相冷媒が貯留され得る。そのため、例えば第２超電導コイル１ｂおよび第３超電導コイル１ｃが第１超電導コイル１ａおよび第４超電導コイル１ｄと比べて外部からの熱侵入を受けやすい場合、第２超電導コイル１ｂおよび第３超電導コイル１ｃにおいてクエンチが発生することを効果的に防止することができる。

実施の形態４．
図１１および図１２に示されるように、実施の形態４に係る超電導磁石装置１０３は、実施の形態１に係る超電導磁石装置１００と基本的に同様の構成を備えるが、冷媒循環回路１０が第１冷却管路１１ａと第４冷却管路１１ｄとを連通させる第２連通管路としての連通管路４３をさらに含み、第２貯留部１６ｂおよび第３貯留部１６ｃが連通管路４３により構成されている点で異なる。

連通管路４３は、第１冷却管路１１ａおよび第４冷却管路１１ｄの各々から分岐されている。連通管路４３は、第１冷却管路１１ａおよび第４冷却管路１１ｄの各々に接続されている両端部よりも下方に突出するように折り曲げられた中央部を有している。連通管路４３の内径は、第１冷却管路１１ａおよび第４冷却管路１１ｄの内径よりも大きい。

具体的には、連通管路４３は、例えば第１冷却管路１１ａに接続されておりかつ上記軸方向に沿って延びる第１部４３ａと、第４冷却管路１１ｄに接続されておりかつ上記軸方向に沿って延びる第２部４３ｂと、第１部４３ａと第２部４３ｂとの間を接続しておりかつ第１部４３ａおよび第２部４３ｂよりも下方に突出するように設けられている第３部４３ｃとを有している。

第１部４３ａは、第１超電導コイル１ａと熱的に接触している部分と、第２超電導コイル１ｂと熱的に接触している部分とを有している。第２部４３ｂは、第４超電導コイル１ｄと熱的に接触している部分と、第３超電導コイル１ｃと熱的に接触している部分とを有している。第３部４３ｃは、第２超電導コイル１ｂと熱的に接触している部分と、第３超電導コイル１ｃと熱的に接触している部分とを有している。

上記連通管路４３は、第１冷却管路１１ａおよび第４冷却管路１１ｄの少なくともいずれかの冷媒の液面が連通管路４３との接続部よりも低下した場合、その内部に冷媒が残るように設けられている。つまり、連通管路４３のうち第２超電導コイル１ｂと熱的に接触している部分は第２貯留部１６ｂとして作用する。連通管路４３のうち第３超電導コイル１ｃと熱的に接触している部分は第３貯留部１６ｃとして作用する。

超電導磁石装置１０３は、超電導磁石装置１００と基本的に同様の構成を備えているため、超電導磁石装置１００と同様の効果を奏することができる。

さらに超電導磁石装置１０３では、例えば第１超電導コイル１ａに他の超電導コイル１ｂ〜１ｄよりも多くの熱量が侵入して第１冷却管路１１ａ内に貯留された液相の冷媒の全てが蒸発した場合に、連通管路４３内に貯留された液相の冷媒の一部が連通管路４３を通って第１冷却管路１１ａ内に供給される。連通管路４３を介した液相冷媒の移動は、重力を受けて行われる。そのため、超電導磁石装置１０３では、超電導磁石装置１００と比べて、複数の超電導コイル１ａ〜１ｄ間で熱侵入量にばらつきが生じる場合にもクエンチの発生がより効果的に防止される。

図１２に示されるように、連通管路４３には第１冷却管路１１ａおよび第４冷却管路１１ｄよりも多量の液相冷媒が貯留され得る。そのため、例えば第２超電導コイル１ｂおよび第３超電導コイル１ｃが第１超電導コイル１ａおよび第４超電導コイル１ｄと比べて外部からの熱侵入を受けやすい場合にも、第２超電導コイル１ｂおよび第３超電導コイル１ｃにおいてクエンチが発生することを効果的に防止することができる。

また、連通管路４３の内径は第１冷却管路１１ａおよび第４冷却管路１１ｄの内径よりも大きい。そのため、超電導磁石装置１０３では、冷媒量を削減する観点から連通管路４３の内径が第１冷却管路１１ａおよび第４冷却管路１１ｄの内径と同等とされている場合と比べて、連通管路４３を流れる冷媒の圧力損失が低減されている。特に、冷媒の流通方向の反転によって生じる冷媒の圧力損失は、管路の内径が小さいほど顕著に大きくなる。連通管路４３における冷媒の流通方向は、超電導磁石装置１０３の運転状態によって、上向きまたは下向きに反転する。そのため、第１冷却管路１１ａおよび第４冷却管路１１ｄよりも拡径された連通管路４３を備える超電導磁石装置１０３では、冷媒の流通方向の反転に伴う圧力損失の増大が効果的に抑制されている。

なお、図１１および図１２に示される超電導磁石装置１０３は、第２冷却管路１１ｂおよび第３冷却管路１１ｃ、ならびに第１貯留部１６ａおよび第４貯留部１６ｄを備えていないが、これに限られるものではない。実施の形態４に係る超電導磁石装置１０３は、実施の形態１〜３に係る超電導磁石装置１００〜１０２のいずれかと同様の構成を備える複数の冷却管路１１ａ〜１１ｄおよび複数の貯留部１６ａ〜１６ｄをさらに備えていてもよい。

実施の形態５．
図１３および図１４に示されるように、実施の形態５に係る超電導磁石装置１０４は、実施の形態１に係る超電導磁石装置１００と基本的に同様の構成を備えるが、各貯留部１６ａ〜１６ｄが各主管路１５ａ〜１５ｄが折り曲げられてなる折れ曲がり管部により構成されている点で異なる。

第１主管路１５ａは、下方に突出するように折り曲げられている第１折れ曲がり管部１５ａａと、第１折れ曲がり管部１５ａａと下方管路との間に接続されており、かつ第１折れ曲がり管部１５ａａよりも上方に突出するように折り曲げられている第２折れ曲がり管部１５ａｂとを有している。言い換えると、第１主管路１５ａの一部は、Ｓ字状またはＺ字状に折り曲げられて第１折れ曲がり管部１５ａａおよび第２折れ曲がり管部１５ａｂを成している。

第１折れ曲がり管部１５ａａおよび第２折れ曲がり管部１５ａｂは、例えば第１超電導コイル１ａの外周面に沿って折り曲げられている。つまり、第１折れ曲がり管部１５ａａおよび第２折れ曲がり管部１５ａｂは、その全体が第１超電導コイル１ａと熱的に接触している。なお、第１折れ曲がり管部１５ａａおよび第２折れ曲がり管部１５ａｂは、例えば第１超電導コイル１ａの内周面または上記巻枠の外周面に沿って折り曲げられていてもよい。

上記第１折れ曲がり管部１５ａａは、第１主管路１５ａの冷媒の液面が第２折れ曲がり管部１５ａｂよりも低下した場合、その内部に冷媒が残るように設けられている。つまり、第１折れ曲がり管部１５ａａは第１貯留部１６ａとして作用する。

超電導磁石装置１０４は、超電導磁石装置１００と基本的に同様の構成を備えているため、超電導磁石装置１００と同様の効果を奏することができる。

なお、図１３および図１４に示される超電導磁石装置１０４は、実施の形態１に係る超電導磁石装置１００と同様の構成を備える下方貯留部１７ａ〜１７ｄを備えているが、これに限られるものではない。下方貯留部１７ａ〜１７ｄは、貯留部１６ａ〜１６ｄと同様に、各主管路１５ａ〜１５ｄが折り曲げられてなる折れ曲がり管部により構成されていてもよい。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

１，１ａ，１ｂ，１ｄ 超電導コイル、１０ 冷媒循環回路、１１ａ 第１冷却管路，１１ｂ 第２冷却管路，１１ｃ 第３冷却管路，１１ｄ 第４冷却管路、１２ 上方管路、１３ 下方管路、１４ 接続管路、１５ａ 第１主管路、１５ａａ 第１折れ曲がり管部、１５ａｂ 第２折れ曲がり管部、１５ｂ 第２主管路，１５ｃ 第３主管路，１５ｄ 第４主管路、１６ａ 第１貯留部，１６ｂ 第２貯留部，１６ｃ 第３貯留部，１６ｄ 第４貯留部、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ 下方貯留部、１８ａ，１８ｄ，１９ａ 突出部、２０ 冷却部、２１ 低温ヘッド、３１ａ 第１管部、３２ａ 第２管部、３３ａ 第３管部、３４ａ 第４管部、３５ａ 第５管部、４０，４１，４２，４３ 連通管路、１００，１０１，１０２ 超電導磁石装置。

Claims (10)

1. 上下方向と交差する方向に延びる軸を中心とする超電導コイルと、冷媒が循環する冷媒循環回路と、冷媒を冷却する冷却部とを備える超電導磁石装置であって、
   前記冷媒循環回路は、前記超電導コイルと熱的に接触された冷却管路と、前記冷却管路に接続されており前記冷却管路よりも上方に配置されている上方管路と、前記冷却管路に接続されており前記冷却管路よりも下方に配置されている下方管路と、前記上方管路と前記下方管路とを接続する接続管路とを含み、
   冷媒は前記冷却管路、前記上方管路、前記接続管路、および前記下方管路を順に循環し、
   前記冷却部は前記上方管路内の冷媒を冷却するように設けられており、
   前記冷却管路は、冷媒が貯留される貯留部を有している、超電導磁石装置。
2. 前記冷却管路は、前記上方管路と前記下方管路とを接続している主管路をさらに有し、
   前記貯留部は、前記主管路から分岐されている、請求項１に記載の超電導磁石装置。
3. 前記超電導コイルは、前記軸を中心とする第１超電導コイルおよび第２超電導コイルを含み、
   前記冷却管路は、
   前記第１超電導コイルと熱的に接触されている第１冷却管路と、
   前記第２超電導コイルと熱的に接触されており、かつ前記上方管路および前記下方管路に対して前記第１冷却管路と並列に接続されている第２冷却管路とを有し、
   前記第１冷却管路は、前記貯留部としての第１貯留部を有しており、
   前記第２冷却管路は、前記貯留部としての第２貯留部を有しており、
   前記第１貯留部は前記第１超電導コイルと熱的に接触されており、
   前記第２貯留部は前記第２超電導コイルと熱的に接触されている、請求項２に記載の超電導磁石装置。
4. 前記冷媒循環回路は、前記第１貯留部と前記第２貯留部とを連通させる第１連通管路をさらに含む、請求項３に記載の超電導磁石装置。
5. 前記主管路は、前記軸を中心とする周方向に沿って延在する第１管部および第２管部と、前記第１管部と前記第２管部とを接続しており、前記軸に沿って延在する第３管部とを有し、
   前記第２管部は、前記第１管部の下端よりも上方から下方に向けて延在しており、
   前記第１管部と前記第３管部との接続部は、前記第１管部の前記下端よりも上方に配置されており、
   前記貯留部は、前記第１管部において前記接続部よりも下方に位置する部分により構成されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
6. 前記第２管部と前記第３管部との接続部は、前記第２管部の上端よりも下方に配置されている、請求項５に記載の超電導磁石装置。
7. 前記冷却管路は、前記上方管路および前記下方管路に対して互いに並列に接続されている複数の冷却管路を有し、
   前記冷媒循環回路は、前記複数の冷却管路間を連通させる第２連通管路をさらに含み、
   前記貯留部は、前記第２連通管路により構成されている、請求項２に記載の超電導磁石装置。
8. 前記超電導コイルは、前記軸を中心とする第１超電導コイルおよび第２超電導コイルを含み、
   前記複数の冷却管路は、前記第１超電導コイルと熱的に接触された第１冷却管路を有し、
   前記貯留部は、前記第２超電導コイルと熱的に接触している、請求項７に記載の超電導磁石装置。
9. 前記冷却管路は、前記上方管路と前記下方管路とを接続している主管路を有し、
   前記主管路は、
   下方に突出するように折り曲げられている第１折れ曲がり管部と、
   前記第１折れ曲がり管部と前記下方管路との間に接続されており、かつ前記第１折れ曲がり管部よりも上方に突出するように折り曲げられている第２折れ曲がり管部とを有し、
   前記貯留部は、前記第１折れ曲がり管部により構成されている、請求項１に記載の超電導磁石装置。
10. 前記冷却管路は、前記貯留部よりも下方において冷媒が貯留される下方貯留部をさらに有している、請求項１〜９のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。

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