KR102059704B1 - 초전도 마그넷 - Google Patents

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KR102059704B1
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다케시 가토
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스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

코일부(10)는 띠 형상면을 가지는 산화물 초전도선이 권회되는 것에 의해서 형성되어 있다. 잔류 자장 억제부(81)는 코일부(10) 내에 배치되어 있다. 잔류 자장 억제부(81)는 코일부(10)의 축 방향(Aa)에 따른 관통 구멍(HL)을 가진다. 잔류 자장 억제부(81)는 자성체로 만들어져 있다. 이것에 의해, 잔류 자장을 억제할 수 있다.

Description

초전도 마그넷{SUPERCONDUCTING MAGNET}
본 발명은, 초전도 마그넷에 관한 것으로, 특히, 띠 형상면을 가지는 산화물 초전도선이 권회되는 것에 의해 형성된 코일부를 가지는 초전도 마그넷에 관한 것이다.
초전도 마그넷으로부터 생기는 자장의 강도는 인가 전류에 의해서만 결정되는 것은 아니고, 차폐 전류에 의해서 야기되는 자장의 영향을 받는 것이 알려져 있다. 예를 들면 비특허문헌 1: Y. Yanagisawa et al., "Effect of current sweep reversal on the magnetic field stability for a Bi-2223 superconducting solenoid", Physica C, 469[22](2009)1996-1999에 의하면, 테이프 형상의 Bi-2223 초전도선을 이용한 초전도 솔레노이드에 있어서, 차폐 전류에 의해서 야기되는 자장에 대해 언급되어 있다.
비특허문헌 1: Y. Yanagisawa et al., "Effect of current sweep reversal on the magnetic field stability for a Bi-2223 superconducting solenoid", Physica C, 469[22](2009)1996-1999
이 때문에, 자장의 발생을 정지시킬 것을 의도하여 초전도 마그넷의 코일부로의 전류 인가가 정지되어도, 차폐 전류의 영향에 의해서 초전도 마그넷은 잔류 자장을 가진다.
그래서, 본 발명의 목적은 잔류 자장을 억제할 수 있는 초전도 마그넷을 제공하는 것이다.
본 발명의 초전도 마그넷은 코일부 및 잔류 자장 억제부를 가진다. 코일부는 띠 형상면을 가지는 산화물 초전도선이 권회되는 것에 의해서 형성되어 있다. 잔류 자장 억제부는 코일부 내에 배치되어 있고, 코일부의 축 방향에 따른 관통 구멍을 갖고, 자성체로 만들어져 있다.
이 초전도 마그넷에 의하면, 잔류 자장 억제부가 마련됨으로써, 코일부로의 전류 인가가 정지된 상태에서의 자장의 크기, 즉 잔류 자장을 억제할 수 있다.
바람직하게는 자성체는 100 이상의 최대 투자율(透磁率; magnetic permeability)을 가진다. 이것에 의해 잔류 자장 억제부가, 잔류 자장의 억제에 필요한 자기적 특성을 보다 충분히 가질 수 있다. 여기서 「최대 투자율」이란, 실온 부근에서의 자성체의 비(比)투자율(relative magnetic permeability)의 최대값을 말한다.
바람직하게는 축 방향에 있어서의 잔류 자장 억제부의 길이는 산화물 초전도선의 띠 형상면의 폭 이상이다. 이것에 의해 코일부 내에서 잔류 자장 억제부를 산화물 초전도선의 단위폭에 걸쳐 배치할 수 있다.
축 방향에서의 잔류 자장 억제부의 길이는 축 방향에서의 코일부의 길이의 절반 이상이어도 좋다. 이것에 의해 잔류 자장 억제부를 코일부의 절반 이상에 걸쳐 배치할 수 있다.
축 방향에서의 잔류 자장 억제부의 길이는 축 방향에서의 코일부의 길이 이상이어도 좋다. 이것에 의해 잔류 자장 억제부를 코일부 내의 전체에 걸쳐 배치할 수 있다.
축 방향에서의 잔류 자장 억제부의 길이는 축 방향에서의 코일부의 길이보다 커도 좋다. 이것에 의해 잔류 자장 억제부를 코일부의 전체에 걸쳐 배치하면서 코일부로부터 돌출시킬 수 있다. 잔류 자장 억제부가 돌출함으로써, 잔류 자장 억제부를 보다 용이하게 고정할 수 있다.
잔류 자장 억제부는 1㎜ 이상의 두께를 가지는 파이프를 포함해도 좋다. 두께가 1㎜ 이상으로 됨으로써, 잔류 자장을 보다 충분히 억제할 수 있다.
잔류 자장 억제부는 관통 구멍을 가지는 제 1 부분과, 제 1 부분으로부터 떨어져 제 1 부분을 둘러싸는 제 2 부분을 가져도 좋다. 이것에 의해, 보다 높은 자장을 취급하는 경우에, 보다 효과적으로 잔류 자장을 억제할 수 있다.
잔류 자장 억제부는 코일부를 수용하는 용기의 일부를 구성하고 있어도 좋다. 잔류 자장 억제부가 용기의 일부를 구성하지 않는 경우, 코일부의 내부에, 잔류 자장 억제부와, 잔류 자장 억제부와는 독립하여 그 기능을 유지할 수 있는 용기의 양쪽을 마련할 필요가 있다. 따라서, 코일부의 내부 체적 중, 잔류 자장 억제부 및 용기에 의해 점유되는 비율이 커진다. 이 결과, 코일부의 내부에서 자장을 실제로 이용할 수 있는 공간이 작아지거나, 혹은 이 공간의 크기를 유지하기 위해서 코일부를 크게 할 필요가 있다. 이에 반해, 잔류 자장 억제부가 용기의 일부를 구성하는 경우, 코일부의 내부에서 잔류 자장 억제부가 용기의 일부로서의 기능도 가진다. 따라서, 코일부의 내부 체적 중, 잔류 자장 억제부 및 용기에 의해 점유되는 비율이 억제된다. 이 결과, 코일부의 내부에서 자장을 실제로 이용할 수 있는 공간을 크게 할 수 있거나, 혹은 이 공간의 크기를 유지하면서 코일부를 작게 할 수 있다.
여기서, 잔류 자장 억제부가 「용기의 일부를 구성한다」는 것은, 용기의 목적을 달성하기 위한 용기의 기능을 유지함에 있어 불가결한 부분을 구성하는 것을 의미한다. 용기의 목적은 코일부가 초전도 상태로 유지되도록 코일부의 온도를 낮게 유지하는 것이다. 이 목적을 달성함에 있어, 실온보다 낮은 온도를 가지는 액체(예를 들면 액체 질소 또는 액체 헬륨)를 용기가 유지하는 경우, 용기의 기능은 이 액체를, 실용상 충분한 시간, 액체 상태로 유지하는 것이다. 또한, 상기 목적을 달성함에 있어, 외계(外界)와 코일부간의 단열을 위한 진공을 용기가 유지하는 경우, 용기로서의 기능이란 코일부를 진공 중으로 유지하는 것이다. 반대로 말하면, 잔류 자장 억제부가 제거되어도 용기가 그 기능을 잃지 않는 경우, 잔류 자장 억제부가 용기의 일부를 구성하고 있다고는 말할 수 없다. 예를 들면, 상기와 같은 기능을 이미 가지는 용기에 대해 잔류 자장 억제부가 부가되어 있는 경우는 잔류 자장 억제부가 용기의 일부를 구성하고 있다고는 말할 수 없다.
바람직하게는, 코일부의 적어도 1개의 직경 방향에서 코일부 및 잔류 자장 억제부는 공통의 중심 위치를 가진다. 이것에 의해, 코일부가 자장을 발생했을 때에, 직경 방향에서 코일부와 잔류 자장 억제부 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다.
바람직하게는, 코일부의 축 방향에서 코일부 및 잔류 자장 억제부는 공통의 중심 위치를 가진다. 이것에 의해, 코일부가 자장을 발생했을 때에, 축 방향에서 코일부와 잔류 자장 억제부 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다.
바람직하게는 초전도 마그넷은 코일부를 수용하는 공동부를 갖고 자성체로 만들어진 쉴드를 더 포함하고, 코일부의 적어도 1개의 직경 방향에서 코일부 및 쉴드는 공통의 중심 위치를 가진다. 이것에 의해, 코일부가 자장을 발생했을 때에, 직경 방향에서 코일부와 쉴드 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다.
바람직하게는, 초전도 마그넷은, 코일부를 수용하는 공동부를 갖고 자성체로 만들어진 쉴드를 더 포함하고, 코일부의 축 방향에서 코일부 및 쉴드는 공통의 중심 위치를 가진다. 이것에 의해, 코일부가 자장을 발생했을 때에, 축 방향에서 코일부와 쉴드 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 잔류 자장을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 초전도 마그넷의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 일부 확대도로서, 도 3의 선 Ⅱ-Ⅱ에 따른 개략 단면도이다.
도 3은 도 2의 개략 평면도이다.
도 4는 도 1의 초전도 마그넷에 포함되는 코일부가 가지는 더블 팬케이크 코일(double pancake coil)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 선 Ⅴ-Ⅴ에 따른 개략 단면도이다.
도 6은 도 4의 더블 팬케이크 코일에 이용되고 있는 산화물 초전도선의 구성을 개략적으로 나타내는 일부 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 2에 있어서의 초전도 마그넷의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서의 초전도 마그넷의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 4에 있어서의 초전도 마그넷이 가지는 잔류 자장 억제부의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 9의 선 Ⅹ-Ⅹ에 따른 개략 단면도이다.
도 11은 잔류 자장 억제부의 두께 및 개수의 각각과 잔류 자장의 관계를 개략적으로 나타내는 그래프도이다.
도 12는 실시예 1에 대한 비교예의 자장 분포를 나타내는 도면이다.
도 13은 실시예 1에 있어서 잔류 자장 억제부의 두께가 0.5㎜인 경우의 자장 분포를 나타내는 도면이다.
도 14는 실시예 1에 있어서 잔류 자장 억제부의 두께가 1.0㎜인 경우의 자장 분포를 나타내는 도면이다.
도 15는 실시예 2에 대한 비교예의 자장 분포를 나타내는 도면이다.
도 16은 실시예 2에 있어서 잔류 자장 억제부의 두께가 1㎜인 경우의 자장 분포를 나타내는 도면이다.
도 17은 실시예 2에 있어서 잔류 자장 억제부의 두께가 10㎜인 경우의 자장 분포를 나타내는 도면이다.
도 18은 실시예 3에 있어서의, 잔류 자장 억제부의 두께와 잔류 자장 및 잔류 자장 저감율의 각각의 관계를 나타내는 그래프도이다.
도 19는 시뮬레이션에 이용한 SS400의 자화 곡선을 나타내는 그래프도이다.
도 20은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 초전도 마그넷의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 실시 형태 6에 있어서의 초전도 마그넷이 가지는 초전도 코일의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 22는 도 21의 개략 평면도이다.
도 23은 본 발명의 실시 형태 7에 있어서의 초전도 마그넷이 가지는 초전도 코일의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 24는 도 23의 개략 평면도이다.
도 25는 도 23의 변형예를 나타내는 개략 단면도이다.
이하, 도면에 근거하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 또, 이하의 도면에서 동일 또는 상당하는 부분에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여하고 그 설명은 반복하지 않는다.
(실시 형태 1)
도 1을 참조하면, 본 실시 형태의 초전도 마그넷(100)은 초전도 코일(91)과, 단열 용기(111)와, 냉각 장치(121)와, 호스(122)와, 콤프레셔(compressor)(123)와, 케이블(131)과, 전원(132)을 가진다. 단열 용기(111)는 초전도 코일(91)을 수용하고 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 자장이 인가되는 시료(도시하지 않음)를 수용하기 위한 자장 인가 영역 SC가, 단열 용기(111)를 통과하도록 단열 용기(111)에 마련되어 있다. 냉각 장치(121)는 냉각 헤드(20)를 가진다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 초전도 코일(91)은 코일부(10)와, 파이프부(81)(잔류 자장 억제부)와, 부착부(71)를 가진다.
코일부(10)는 더블 팬케이크 코일(11) 및 전열판(31)을 가진다. 더블 팬케이크 코일(11)은 코일부(10)의 축 방향 Aa를 따라 적층되어 있다. 직경 방향 Ar은 축 방향 Aa에 수직인 방향에 대응하고 있다. 냉각 장치(121)의 냉각 헤드(20)는 더블 팬케이크 코일(11)을 냉각할 수 있도록, 전열판(31)에 의해서 더블 팬케이크 코일(11)에 연결되어 있다. 전열판(31)의 재료는 비자성체이며, 구체적으로는 100 미만의 최대 투자율(透磁率)을 가지는 것이다. 또한, 전열판(31)의 재료는 열전도율 및 가요성이 큰 재료가 바람직하다. 전열판(31)의 재료는, 예를 들면 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)이다. Al 또는 Cu의 순도는 99.9% 이상이 바람직하다. 냉각된 더블 팬케이크 코일(11)에 초전도 전류가 흐름으로써 자속 MF가 발생한다.
파이프부(81)는 코일부(10)의 축 방향 Aa에 따른 관통 구멍 HL을 가진다. 바람직하게는 파이프부(81)는 1㎜ 이상의 벽 두께를 가지는 파이프를 포함한다. 파이프부(81)는 코일부(10) 내에 배치되어 있다. 바람직하게는 파이프부(81)는 파이프부(81)의 중심이 코일부(10)의 중심 CP와 일치하도록 배치되어 있다.
파이프부(81)는, 자성체로 만들어져 있으며, 구체적으로는 100 이상의 최대 투자율을 가진다. 파이프부(81)를 이루는 자성체는, 예를 들면 철, 전자(電磁) 연철, 전자 강철, 퍼멀로이 합금(permalloy alloy), 또는 아몰퍼스 자성 합금이다. 또, 철의 최대 투자율은 일반적으로 5000 정도이다.
축 방향 Aa에 있어서의 파이프부(81)의 길이는, 산화물 초전도선(14)의 띠 형상면 SF의 폭(도 2에서의 각 더블 팬케이크 코일(11)의 높이의 절반) 이상이다. 바람직하게는 축 방향 Aa에서의 파이프부(81)의 길이는 각 더블 팬케이크 코일(11)의 높이 이상이다. 축 방향 Aa에서의 파이프부(81)의 길이는 축 방향 Aa에서의 코일부(10)의 길이의 절반 이상이어도 좋다. 보다 바람직하게는, 축 방향 Aa에서의 파이프부(81)의 길이는 축 방향 Aa에서의 코일부(10)의 길이 이상이다. 더 바람직하게는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 축 방향 Aa에서의 파이프부(81)의 길이는 축 방향 Aa에서의 코일부(10)의 길이보다 크다.
파이프부(81)는 부착부(71)에 의해서 코일부(10)에 부착되어 있다. 본 실시 형태에서는, 파이프부(81) 중 코일부(10)로부터 돌출한 부분이 부착부(71)에 의해서 코일부(10)에 고정되어 있다. 바람직하게는 부착부(71)의 재료는 비자성체이며, 구체적으로는 100 미만의 최대 투자율을 가지는 것이다.
도 4 및 도 5를 더 참조하면, 코일부(10)를 구성하고 있는 더블 팬케이크 코일(11)의 각각은 팬케이크 코일(12a, 12b)을 가진다. 팬케이크 코일(12a, 12b)은 서로 적층되어 있다. 팬케이크 코일(12a, 12b)의 각각은 산화물 초전도선(14)이 권회되는 것에 의해서 형성되어 있다.
도 6을 더 참조하면, 산화물 초전도선(14)은 테이프 형상, 바꾸어 말하면 띠 모양의 형상을 가지고 있으며, 이에 따라 띠 형상면 SF를 가진다. 띠 형상면 SF는 축 방향 Aa에 따른 폭 Dw와 폭 Dw보다 작은 두께 Dt를 가진다. 예를 들면, 두께 Dt는 0.2㎜ 정도, 폭 Dw는 4㎜ 정도이다. 예를 들면, 산화물 초전도선(14)은 그 연장 방향으로 연장되는 Bi계 초전도체와, 이 초전도체를 피복 하는 시스(sheath)를 가진다. 시스는, 예를 들면 은이나 은 합금으로 이루어져 있다. 산화물 초전도선(14)은 띠 형상면 SF에 수직인 자장(수직 자장)이 인가될수록 교류 손실이 증대하는 특성을 가진다.
팬케이크 코일(12a)에서의 산화물 초전도선(14)의 권회 방향 Wa와, 팬케이크 코일(12b)에서의 산화물 초전도선(14)의 권회 방향 Wb는 서로 반대이다. 팬케이크 코일(12a)의 내주측에 위치하는 산화물 초전도선(14)의 단부(端部) ECi와, 팬케이크 코일(12b)의 내주측에 위치하는 산화물 초전도선의 단부 ECi는 서로 전기적으로 접속되어 있다. 이것에 의해, 팬케이크 코일(12a)의 외주측에 위치하는 산화물 초전도선(14)의 단부 ECo와, 팬케이크 코일(12b)의 외주측에 위치하는 산화물 초전도선(14)의 단부 ECo 사이에서, 팬케이크 코일(12a, 12b)은 서로 직렬로 접속되어 있다. 또 더블 팬케이크 코일(11) 중 서로 이웃이 되는 것(도 2에서 세로 방향으로 이웃하는 것)의 각각의 단부 ECo는 서로 전기적으로 접속되어 있다. 이것에 의해, 더블 팬케이크 코일(11)은 서로 직렬로 접속되어 있다.
본 실시 형태에 따르면, 파이프부(81)(도 2)가 마련됨으로써, 코일부(10)로의 전류 인가가 정지된 상태에서의 자장의 크기, 즉 잔류 자장을 억제할 수 있다. 바람직하게는 자성체는 100 이상의 최대 투자율을 가진다. 이것에 의해 파이프부(81)가, 잔류 자장의 억제에 필요한 자기적 특성을 보다 충분히 가질 수 있다. 또, 잔류 자장의 억제의 실시예에 대해서는 후술한다.
바람직하게는 축 방향 Aa에서의 파이프부(81)의 길이(도 2에서의 세로 방향의 길이)는 산화물 초전도선(14)의 띠 형상면 SF의 폭 Dw(도 5) 이상이다. 이것에 의해 코일부(10) 내에서 파이프부(81)를 산화물 초전도선(14)의 폭 Dw에 걸쳐 배치할 수 있다. 축 방향 Aa에서의 파이프부(81)의 길이는 축 방향 Aa에서의 코일부(10)의 길이의 절반 이상이어도 좋다. 이것에 의해 파이프부(81)를 코일부(10)의 절반 이상에 걸쳐 배치할 수 있다. 축 방향 Aa에서의 파이프부(81)의 길이는 축 방향 Aa에서의 코일부(10)의 길이 이상이어도 좋다. 이것에 의해 파이프부(81)을 코일부(10) 내의 전체에 걸쳐 배치할 수 있다.
축 방향 Aa에서의 파이프부(81)의 길이는 축 방향 Aa에서의 코일부(10)의 길이보다 커도 좋다. 이것에 의해 파이프부(81)를 코일부(10)의 전체에 걸쳐 배치하면서 코일부(10)로부터 돌출시킬 수 있다. 파이프부(81)가 돌출됨으로써 부착부(71)(도 2)를 이용하여 파이프부(81)를 보다 용이하게 고정할 수 있다.
파이프부(81)는 1㎜ 이상의 벽 두께 TS(도 3)를 가지는 파이프를 포함해도 좋다. 벽 두께 TS가 1㎜ 이상으로 됨으로써, 잔류 자장을 보다 충분히 억제할 수 있다.
(실시 형태 2)
도 7을 참조하면, 본 실시 형태의 초전도 마그넷(100A)는 초전도 코일(91A) 및 파이프부(81)를 가진다. 초전도 코일(91A)은 초전도 코일(91)(도 2)의 파이프부(81)가 생략된 구성을 가진다. 파이프부(81)는 단열 용기(111)의 외부에서 자장 인가 영역 SC의 측벽을 따라 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 파이프부(81)의 단부가 자장 인가 영역 SC로부터 돌출되어 있다. 또한, 파이프부(81)의 단부는 부착부(71)에 의해서 단열 용기(111)에 부착되어 있다.
또, 상기 이외의 구성에 대해서는, 상술한 실시 형태 1의 구성과 거의 동일하기 때문에, 동일 또는 대응하는 요소에 대해 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 반복하지 않는다.
(실시 형태 3)
도 8을 참조하면, 본 실시 형태의 초전도 마그넷(100D)은 초전도 코일(91D) 및 단열 용기(111D)를 가진다. 초전도 코일(91D)은 초전도 코일(91)의 전열판(31)이 생략된 구성을 가진다. 단열 용기(111D)는 액체 질소 등의 냉매가 주입될 수 있도록 구성되어 있다. 이 냉매에 의해 초전도 코일(91D)이 냉각된다. 즉 본 실시 형태에서는 코일부(10)가 냉각 장치(121)(도 2)에 의해서가 아니라 냉매에 의해서 직접 냉각될 수 있다. 또, 상기 이외의 구성에 대해서는 상술한 실시 형태 1의 구성과 거의 동일하기 때문에, 동일 또는 대응하는 요소에 대해 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 반복하지 않는다.
(실시 형태 4)
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 실시 형태의 초전도 마그넷은 전술한 파이프부(81) 대신에 파이프부(81M)를 가진다. 파이프부(81M)는 내주 파이프(81a)(제 1 부분) 및 외주 파이프(81b)(제 2 부분)를 가진다. 내주 파이프(81a)는 관통 구멍 HL을 가진다. 외주 파이프(81b)는 내주 파이프(81a)로부터 떨어져 내주 파이프(81a)를 둘러싸고 있다. 내주 파이프(81a)의 외면과 외주 파이프(81b)의 내면 사이에는 간극 GP가 마련되어 있다. 바꾸어 말하면, 파이프부(81M)는 최외면과 최내면 사이에서 두께 TH(도 10)를 갖고, 또한 이 두께 TH의 부분의 내부에 간극 GP가 마련되어 있다. 또, 상기 이외의 구성에 대해서는, 상술한 실시 형태 1~3 중 어느 한 실시 형태의 구성과 거의 동일하기 때문에, 동일 또는 대응하는 요소에 대해 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 반복하지 않는다.
도 11을 참조하면, 파이프부를 마련하는 것에 의한 잔류 자장의 저감율 RT를, 간극 GP가 마련된 경우(실선)와, 간극 GP가 마련되지 않은 경우(파선)의 각각에 대해 나타낸다. 두께 TH가 충분히 큰 경우, 본 실시 형태와 같이 간극 GP가 마련된 경우쪽이, 잔류 자장을 저감하는 효과를 보다 크게 할 수 있다. 보다 높은 자장을 취급하는 경우에는, 파이프부가 자기적으로 포화되는 것을 피하는 관점에서 두께 TH가 충분히 크게 되는 것이 바람직하며, 이 경우에 본 실시 형태와 같이 간극 GP를 마련하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 보다 높은 자장을 취급하는 경우에, 보다 효과적으로 잔류 자장을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는 내주 파이프(81a) 및 외주 파이프(81b)에 의한 2중 구조를 가지는 파이프부(81M)에 대해 설명했지만, 3 이상의 파이프에 의한 다중 구조가 이용되어도 좋다. 이 경우, 보다 높은 자장을 취급하는 경우에, 보다 효과적으로 잔류 자장을 억제할 수 있다.
또한, 간극 GP를 충전하는, 비자성체로 이루어지는 충전부(도시하지 않음)가 마련되어도 좋다. 이것에 의해 내주 파이프(81a) 및 외주 파이프(81b)를 서로 고정할 수 있다. 또한, 강자장(intense magnetic field) 하에서의 내주 파이프(81a) 및 외주 파이프(81b)의 변위에 의해서 양자가 접촉해 버리는 것을 방지할 수 있다. 또한, 부착부(71)(도 2 또는 도 7)와 거의 동일한 부재에 의해서 내주 파이프(81a) 및 외주 파이프(81b)의 각각이 고정되어도 좋다. 이 경우, 상기 충전부는 마련되지 않아도 된다.
(실시 형태 5)
도 20을 참조하면, 본 실시 형태의 초전도 마그넷(100B)은 초전도 코일(91A)의 코일부(10)를 수용하는 단열 용기(111B)(용기)를 가진다. 단열 용기(111B)는 용기 본체부(111A) 및 파이프부(81)에 의해 구성되어 있다. 따라서, 파이프부(81)가 단열 용기(111B)의 일부를 구성하고 있다.
여기서, 「파이프부(81)가 단열 용기(111B)의 일부를 구성하고 있다」는 것은 단열 용기(111B)의 목적을 달성하기 위한 단열 용기(111B)의 기능을 유지함에 있어 불가결한 부분을 파이프부(81)가 구성하고 있는 것을 의미한다. 단열 용기(111B)의 목적은 코일부(10)가 초전도 상태로 유지되도록 코일부(10)의 온도를 낮게 유지하는 것이다. 이 목적을 달성함에 있어, 외계와 코일부(10)간의 단열을 위한 진공이 유지되도록 코일부(10)를 진공 중으로 유지하는 것이 단열 용기(111B)의 기능이다. 도 20에 있어서는, 외계에 통한 자장 인가 영역 SC와 단열 용기(111B)의 내부가 적어도 부분적으로 파이프부(81)에 의해서만 떨어져 있다. 따라서, 만일 파이프부(81)가 제거되면, 단열 용기(111B)의 진공이 파괴되어 버리므로, 단열 용기(111B)의 진공 용기로서의 기능이 손실된다.
실시 형태 2(도 7)와 같이 파이프부(81)가 단열 용기(111)의 일부를 구성하지 않는 경우, 코일부(10)의 내부에, 파이프부(81)와, 파이프부(81)와는 독립하여 그 기능을 유지할 수 있는 단열 용기(111)의 양쪽을 마련할 필요가 있다. 따라서, 초전도 코일(91A)의 내부 체적 중, 파이프부(81) 및 단열 용기(111)에 의해서 점유되는 비율이 커진다. 이 결과, 초전도 코일(91A)의 내부에서 자장을 실제로 이용할 수 있는 공간(자장 인가 영역 SC에 대응)이 작아지거나, 혹은 이 공간의 크기를 유지하기 위해서 초전도 코일(91A)을 크게 할 필요가 있다.
이에 반하여, 본 실시 형태에 따르면, 초전도 코일(91A)의 내부에서 파이프부(81)가 단열 용기(111B)의 일부로서의 기능도 가진다. 따라서, 초전도 코일(91A)의 내부 체적 중 단열 용기(111B)에 점유되는 비율이 억제된다. 이 결과, 자장 인가 영역 SC를 크게 할 수 있거나, 혹은 자장 인가 영역 SC의 크기를 유지하면서 초전도 코일(91A)을 작게 할 수 있다.
또한, 단열 용기(111B)는 파이프부(81)를 용기 본체부(111A)에 부착하기 위한 부착부(72)를 가져도 좋다. 부착부(72)는 단열 용기(111B)의 기밀성을 유지하기 위해서, 용기 본체부(111A)에 접하는 O링을 가져도 좋다.
또한, 본 실시 형태에서는, 진공 용기로서의 기능을 가지는 단열 용기(111B)가 이용되지만, 용기는 진공 용기에 한정되는 것은 아니며, 코일부(10)가 초전도 상태로 유지되도록 코일부(10)의 온도를 낮게 유지한다고 하는 목적을 달성하는 것이면 된다. 예를 들면, 실온보다 낮은 온도를 가지는 액체(예를 들면 액체 질소 또는 액체 헬륨)를 유지하는 용기가 이용되어도 좋다. 이러한 용기는 이 액체를, 실용상 충분한 시간, 액체 상태로 유지할 수 있으면 된다.
(실시 형태 6)
본 실시 형태의 초전도 마그넷은, 실시 형태 1의 초전도 마그넷(100)(도 1)과 거의 동일한 구성을 갖고, 또 코일부(10)와 파이프부(81)가 상대적으로 특정의 위치 관계에 있다. 이하, 이 위치 관계에 대해 설명한다.
도 21을 참조하면, 코일부(10)의 축 방향 Aa에서 코일부(10) 및 파이프부(81)는 공통의 중심 위치 Ca를 가진다. 이것에 의해, 코일부(10)가 자장을 발생했을 때에, 축 방향 Aa에서 코일부(10)와 파이프부(81) 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다.
도 22를 더 참조하면, 코일부(10)의 직경 방향 Ar(도 21)의 하나인 직경 방향 Ar1(적어도 1개의 직경 방향)에서, 코일부(10) 및 파이프부(81)는 공통의 중심 위치 Cr1을 가진다. 직경 방향 Ar1을 따라 중심 위치 Cr1을 통과하는 가상축(도 22에서 파선으로 나타내고 있음)은 코일부(10) 및 파이프부(81)의 각각의 대칭축이다. 이것에 의해, 코일부(10)가 자장을 발생했을 때에, 직경 방향 Ar1에서 코일부(10)와 파이프부(81) 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다. 또한, 코일부(10)의 직경 방향 Ar(도 21)의 하나인 직경 방향 Ar2(적어도 1개의 직경 방향)에서, 코일부(10) 및 파이프부(81)는 공통의 중심 위치 Cr2를 가진다. 직경 방향 Ar2를 따라 중심 위치 Cr2를 통과하는 가상축(도 22에서 파선으로 나타내고 있음)은 코일부(10) 및 파이프부(81)의 각각의 대칭축이다. 이것에 의해, 코일부(10)가 자장을 발생했을 때에, 직경 방향 Ar2에서 코일부(10)와 파이프부(81) 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다.
2개의 대칭축(도 22의 2개의 파선)이 교차하는 위치가 중심점 Cr이다. 도시되어 있는 바와 같이, 평면에서 보아 코일부(10) 및 파이프부(81)는 공통의 중심점 Cr을 가진다. 이것에 의해, 코일부(10)가 자장을 발생했을 때에, 일반적인 직경 방향 Ar에서 코일부(10)와 파이프부(81) 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다.
또, 코일부(10) 및 파이프부(81)가, 중심 위치 Ca, Cr1 및 Cr2의 모두는 아니고 이들 중 1개 또는 2개만을 공유하는 구성이 이용되어도 좋다.
또한, 임의의 방향에서 코일부(10) 및 파이프부(81)가 공통의 중심 위치를 가진다고 할 때에, 양자의 위치 어긋남에 의한 자기 회로의 대칭성의 흐트러짐(disorder)이 문제로 되지 않을 정도의 오차는 허용된다. 구체적으로는, 그 방향에서의 코일부의 치수의 오차는, 바람직하게는 10% 정도 이하이며, 보다 바람직하게는 5% 정도 이하이다.
(실시 형태 7)
도 23을 참조하면, 본 실시 형태의 초전도 마그넷(100C)은 초전도 마그넷(100A)(도 7)의 구성에 부가하여, 패시브 쉴드(passive shield)(99)(쉴드)를 더 가진다. 패시브 쉴드(99)는 초전도 마그넷(100C)의 외부로의 불필요한 자장의 누설을 방지하기 위한 것이다. 패시브 쉴드(99)는 코일부(10)를 수용하는 공동부를 가지며, 예를 들면 통 모양의 형상을 가진다. 패시브 쉴드(99)는 자성체로 만들어져 있다. 자성체는 100 이상의 최대 투자율을 가지는 것이 바람직하다. 패시브 쉴드(99)는 단열 용기(111)에 고정되어 있다. 이 고정은, 예를 들면 부착부(73)에 의해서 행할 수 있다.
코일부(10)의 축 방향 Aa에서 코일부(10) 및 패시브 쉴드(99)는 공통의 중심 위치 Ca를 가진다. 이것에 의해, 코일부(10)가 자장을 발생했을 때에, 축 방향 Aa에서 코일부(10)와 패시브 쉴드(99) 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다.
도 24를 더 참조하면, 코일부(10)의 직경 방향 Ar(도 23)의 하나인 직경 방향 Ar1(적어도 1개의 직경 방향)에서, 코일부(10) 및 패시브 쉴드(99)는 공통의 중심 위치 Cr1을 가진다. 직경 방향 Ar1을 따라 중심 위치 Cr1을 통과하는 가상축(도 24에서 파선으로 나타내고 있음)은 코일부(10) 및 패시브 쉴드(99)의 각각의 대칭축이다. 이것에 의해, 코일부(10)가 자장을 발생했을 때에, 직경 방향 Ar1에서 코일부(10)와 패시브 쉴드(99) 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다. 또한, 코일부(10)의 직경 방향 Ar(도 23)의 하나인 직경 방향 Ar2(적어도 1개의 직경 방향)에서, 코일부(10) 및 패시브 쉴드(99)는 공통의 중심 위치 Cr2를 가진다. 직경 방향 Ar2를 따라 중심 위치 Cr2를 통과하는 가상축(도 24에서 파선으로 나타내고 있음)은 코일부(10) 및 패시브 쉴드(99)의 각각의 대칭축이다. 이것에 의해, 코일부(10)가 자장을 발생했을 때에, 직경 방향 Ar2에서 코일부(10)와 패시브 쉴드(99) 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다.
2개의 대칭축(도 24의 2개의 파선)이 교차하는 위치가 중심점 Cr이다. 도시되어 있는 바와 같이, 평면에서 보아 코일부(10) 및 패시브 쉴드(99)는 공통의 중심점 Cr을 가진다. 이것에 의해, 코일부(10)가 자장을 발생했을 때에, 일반적인 직경 방향 Ar에서 코일부(10)와 패시브 쉴드(99) 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 양자 사이에서 발생하는 것을 피할 수 있다.
또, 코일부(10) 및 패시브 쉴드(99)가, 중심 위치 Ca, Cr1 및 Cr2의 모두는 아니고 이들 중 1개 또는 2개만을 공유하는 구성이 이용되어도 좋다.
또한, 실시 형태 6의 초전도 마그넷에 대해 상술한 바와 같이 패시브 쉴드(99)가 배치되는 경우, 자기 회로로서의 대칭성이 보다 높아진다. 이것에 의해, 코일부(10), 파이프부(81) 및 패시브 쉴드(99)의 사이에서 상대 변위가 생기는 힘이 이들 사이에서 발생하는 것을 보다 피할 수 있다.
또한, 임의의 방향에서 코일부(10) 및 패시브 쉴드(99)가 공통의 중심 위치를 가진다고 할 때, 양자의 위치 어긋남에 의한 자기 회로의 대칭성의 흐트러짐이 문제로 되지 않을 정도의 오차는 허용된다. 구체적으로는, 그 방향에서의 코일부의 치수의 오차는, 바람직하게는 10% 정도 이하이며, 보다 바람직하게는 5% 정도 이하이다.
또, 패시브 쉴드(99)를 고정하기 위한 부착부는 초전도 마그넷(100C)(도 23)에서의 부착부(73)과 같이 단열 용기(111)의 상면 및 하면(축 방향 Aa에 교차하는 면)에 배치되는 것에 한정되는 것은 아니다. 초전도 마그넷(100E)(도 25)에서의 부착부(74)와 같이, 단열 용기(111B)와 패시브 쉴드(99) 사이에 배치된 부착부(74)가 이용되어도 좋다.
(실시예 1)
실시 형태 3에 대응하는 실시예(도 2의 파이프부(81)를 가지는 것)와, 그에 대한 비교예(파이프부(81)가 생략된 것)의 각각에 대한 잔류 자장의, 유한 요소법에 의한 시뮬레이션 결과에 대해 설명한다. 본 시뮬레이션에 있어서, 더블 팬케이크 코일(11)(도 4)의 내경은 130㎜, 외경은 210㎜, 높이는 9㎜, 권수는 280으로 하였다. 또한, 코일부(10)(도 2)에서의 더블 팬케이크 코일(11)의 적층수는 10으로 하였다. 파이프부(81)의 재료로서는, 도 19에 나타내는 자화 곡선을 가지는 SS400(JIS 규격)을 이용하는 것이 상정되었다. 또한, 냉매로서 액체 질소를 이용하는 것을 상정하고 단열 용기(111D) 내의 온도는 77K로 상정되며, 온 상태에서의 전류는 25A로 되었다. 온 상태에서의 자장은 0.5T로 되었다.
도 12~도 14의 각각은, 비교예(파이프가 생략된 것), 실시예로서 파이프부(81)의 벽 두께가 0.5㎜인 것, 및 실시예로서 파이프부의 벽 두께가 1㎜인 것에 대응하는 잔류 자장(T)의 분포를 나타낸다. 이 결과로부터, 비교예와 비교하여 실시예쪽이 잔류 자장이 저감된다는 것이 발견되었다. 또한, 파이프부(81)의 벽 두께가 0.5㎜인 경우에도 효과가 얻어지고, 벽 두께가 1㎜인 경우에는 보다 큰 효과가 얻어지는 것도 발견되었다.
(실시예 2)
실시 형태 2에 대응하는 실시예(도 7의 파이프부(81)를 가지는 것)와, 그에 대한 비교예(파이프부(81)가 생략된 것)의 각각에 대한 잔류 자장의, 유한 요소법에 의한 시뮬레이션 결과에 대해 설명한다. 본 시뮬레이션에 있어서, 더블 팬케이크 코일(11)(도 4)의 내경은 200㎜, 외경은 280㎜, 높이는 10㎜, 권수는 290으로 하였다. 또한, 코일부(10)(도 2)에서의 더블 팬케이크 코일(11)의 적층수는 20으로 하였다. 또한, 전열판(31)의 두께는 1㎜로 하였다. 파이프부(81)의 재료로서는 SS400(JIS 규격)를 이용하는 것이 상정되었다. 또한, 파이프부(81)의 외경은 150㎜, 길이는 480㎜로 하였다. 또한, 냉각 장치(121)(도 1)에 의해 코일부(10)가 20K의 온도까지 냉각되는 것이 상정되고, 온 상태에서의 전류는 225A가 상정되었다. 온 상태에서의 자장은 5T로 되었다.
도 15~도 17의 각각은 비교예(파이프가 생략된 것), 실시예로서 파이프부(81)의 벽 두께가 1㎜인 것, 및 실시예로서 파이프부의 벽 두께가 10㎜인 것에 대응하는 잔류 자장(T)의 분포를 나타낸다. 이 결과로부터, 비교예와 비교하여 실시예쪽이 잔류 자장이 저감되는 것이 발견되었다. 또한, 파이프부(81)의 벽 두께가 1㎜인 경우에도 효과가 얻어지고, 벽 두께가 10㎜인 경우에 보다 큰 효과가 얻어지는 것도 발견되었다.
(실시예 3)
도 18을 참조하면, 실시 형태 2에 대응하는 실시예에 있어서, 잔류 자장의 크기(좌측의 세로축) 및 파이프부(81)에 의한 잔류 자장의 저감율(우측의 세로축)의 각각과, 파이프부(81)의 두께(가로축)의 관계에 대해, 유한 요소법에 의한 시뮬레이션을 행하였다. 그래프 중의 P1~P3은 도 7의 위치 P1~P3에 대응하고 있다. 즉 위치 P1은 코일 중심 위치, 위치 P2는 초전도 코일(91A)의 단부의 위치, 위치 P3은 파이프부(81)의 단부의 위치이다. 이 결과로부터, 위치 P1~P3의 어느 위치에서도 잔류 자장이 저감되는 것이 발견되었다. 또한, 본 실시예에서는, 예를 들면 두께가 1㎜ 이상이면, 저감율 10% 이상의 의미가 있는 저감 효과가 얻어졌다. 또한, 본 실시예에서는 파이프부(81)의 두께가 10㎜ 정도 이상에서는 잔류 자장의 저감율이 대체로 포화되어 있었다.
(실시예 4)
하기의 표 1을 참조하면, 실시 형태 2에 대응하는 것으로서, 냉각 장치(121)에 의해 코일 운전 온도를 77K로 하여 비교적 낮은 자장을 발생시키는데 적합한 경우의 실시예와, 냉각 장치(121)에 의해 코일 운전 온도를 20K로 하여 비교적 높은 자장을 발생시키는데 적합한 경우의 실시예의 각각의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 또, 표 중의 「비교예」는 파이프부(81)가 마련되지 않은 경우의 결과를 나타낸다.
Figure 112014120431707-pct00001
이 결과로부터, 잔류 자장의 대부분을 제거하는데 필요한 파이프부(81)의 두께는, 온 상태에서 초전도 마그넷(100A)(도 7)이 발생하는 자장(온 자장)의 크기에 현저히 의존하는 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, 온 자장 1T 미만에서는 두께가 1㎜ 정도, 온 자장 5T 이상에서는 10㎜ 정도에서 잔류 자장의 대부분이 제거되는 것을 알 수 있었다.
금회 개시된 실시 형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 실시 형태가 아니라 특허청구범위에 의해서 나타내어지며, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
10: 코일부
11: 더블 팬케이크 코일
12a, 12b: 팬케이크 코일
14: 산화물 초전도선
20: 냉각 헤드
31: 전열판
81: 파이프부(잔류 자장 억제부)
81a: 내주 파이프(제 1 부분)
81b: 외주 파이프(제 2 부분)
91, 91A: 초전도 코일
100, 100A~100E: 초전도 마그넷
111, 111D: 단열 용기
121: 냉각 장치
123: 콤프레셔
132: 전원
SC: 자장 인가 영역
SF: 띠 형상면

Claims (13)

  1. 띠 형상면을 가지는 산화물 초전도선이 권회되는 것에 의해서 형성된 코일부와,
    상기 코일부 내에 배치되고, 상기 코일부의 축 방향에 따른 관통 구멍을 가지며, 자성체로 만들어진 잔류 자장 억제부를 구비하고,
    상기 잔류 자장 억제부는 상기 코일부를 수용하는 용기의 일부를 구성하고 있는
    초전도 마그넷.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성체는 100 이상의 최대 투자율(透磁率; magnetic permeability)을 가지는 초전도 마그넷.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 축 방향에서의 상기 잔류 자장 억제부의 길이는 상기 산화물 초전도선의 상기 띠 형상면의 폭 이상인 초전도 마그넷.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 축 방향에서의 상기 잔류 자장 억제부의 길이는 상기 축 방향에서의 상기 코일부의 길이의 절반 이상인 초전도 마그넷.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 축 방향에서의 상기 잔류 자장 억제부의 길이는 상기 축 방향에서의 상기 코일부의 길이 이상인 초전도 마그넷.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 축 방향에서의 상기 잔류 자장 억제부의 길이는 상기 축 방향에서의 상기 코일부의 길이보다 큰 초전도 마그넷.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 잔류 자장 억제부는 1㎜ 이상의 벽 두께를 가지는 파이프를 포함하는 초전도 마그넷.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 잔류 자장 억제부는, 상기 관통 구멍을 가지는 제 1 부분과, 상기 제 1 부분으로부터 떨어져 상기 제 1 부분을 둘러싸는 제 2 부분을 가지는 초전도 마그넷.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 용기는 용기 본체부와 상기 잔류 자장 억제부로 구성되고, 상기 용기는 상기 코일부를 진공으로 유지하는 초전도 마그넷.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 코일부의 적어도 1개의 직경 방향에서 상기 코일부 및 상기 잔류 자장 억제부는 공통의 중심 위치를 가지는 초전도 마그넷.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 코일부의 축 방향에서 상기 코일부 및 상기 잔류 자장 억제부는 공통의 중심 위치를 가지는 초전도 마그넷.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 코일부를 수용하는 공동부를 갖고 자성체로 만들어진 쉴드를 더 구비하고,
    상기 코일부의 적어도 1개의 직경 방향에서 상기 코일부 및 상기 쉴드는 공통의 중심 위치를 가지는 초전도 마그넷.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 코일부를 수용하는 공동부를 갖고 자성체로 만들어진 쉴드를 더 구비하고,
    상기 코일부의 축 방향에서 상기 코일부 및 상기 쉴드는 공통의 중심 위치를 가지는 초전도 마그넷.
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