KR20100134501A - 초전도 자석 장치 - Google Patents

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미치타카 오노
츠토무 구루스
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

본 발명은 지지 구조가 간략하며 신뢰성이 높고 저비용화를 실현하는 초전도 자석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 초전도 자석 장치는 진공 용기(3)에 수납한 초전도 코일(1)을 냉동기(8)에 의해 전도 냉각하는 것이며, 냉동기(2)의 냉각 스테이지(81)와 초전도 코일(1)을 열적으로 접속하는 열전도재(82A)와, 초전도 코일(1)의 주위에 설치되는 복사 차폐층(4)과, 초전도 코일(1)을 그 표면 전체 혹은 그 표면의 일부분에 접촉해서 지지하는 코일 지지체(9)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 자석 장치{SUPERCONDUCTIVE MAGNET APPARATUS}
본 발명은 고온 초전도 코일을 극저온 냉동기에 의해 전도 냉각하는 방식의 고온 초전도 자석 장치에 관한 것이다.
최근, 고온 초전도 테이프 선재(線材)는 그 특성의 향상, 장척화(長尺化) 및 양산화가 비약적으로 진행되고 있고, 각종 기기에의 응용이 기대되고 있다. 예를 들면, 실리콘 단결정 인상용 자석이나 자기 부상식 철도 등의 기기에, 고온 초전도 테이프 선재를 사용한 초전도 코일을 적용하는 메리트는 크다고 예상된다. 또한, 초전도 코일을 초전도 상태로 유지하기 위한 냉각 수단으로서는, 액체 헬륨 등의 극저온의 냉매에 침지(浸漬)하는 것이 아니라, 진공 용기에 수납해서 극저온 냉동기에 의해 전도 냉각하는 방식이 채용되고 있다.
금속계 초전도 코일을 사용할 경우뿐만 아니라, 임계 온도가 비교적 높은 산화물 초전도 코일을 사용할 경우에도, 진공 용기 측으로부터의 복사를 차폐하기 위해서 실드판을 설치한다. 실드판과 초전도 코일의 간극(間隙)은 특허 문헌 1, 2, 3에 나타내는 바와 같이 진공 공간이다. 초전도 코일에의 열부하를 줄이기 위해서는, 실드판을 관통시켜서 단면적이 작은 섬세한 구조의 코일 지지 부재를 사용해서 초전도 코일을 고정하고, 실드판의 위치에서 열 앵커를 취해야만 하기 때문에, 기계 강도는 약하고, 또한 코일 지지 부재는 섬세한 구조이기 때문에 제작에 시간이나 비용이 든다.
또한, 고온 초전도 코일을 냉동기에 의해 전도 냉각하는 장치가 특허 문헌 4에 개시되어 있다. 이 장치에서 실온으로부터의 복사나 전류 리드로부터의 열 침입을 저감하기 위해서는, 실드판을 설치하고, 이단(二段) 냉동기를 이용하여 실드판을 일단부(一段部)에서 냉각할 필요가 있다. 초전도 코일에는 고온 초전도 선재를 사용하고 있지만, 역시 상술한 바와 같은 문제는 회피할 수 없다.
일본국 특허 제2756551호 공보 일본국 특허 제4095742호 공보 일본국 특허 제3486868호 공보 일본국 특허 제3082397호 공보
전술한 바와 같이, 초전도 코일을 냉동기에 의해 전도 냉각하는 방식의 초전도 자석 장치에서는, 일반적으로 도달 온도가 4K 정도 이하가 되는 이단 냉동기를 사용하지만, 이 이단 냉동기에서는 열부하의 변화에 의해 냉동 능력이 크게 영향을 받아서 장기 운전시의 신뢰성에 문제가 있는 동시에, 극저온부의 열부하 저감의 필요성으로부터 섬세한 지지 구조가 이용되어서, 기계 강도가 약하고, 제작에 있어서도 시간이나 비용이 든다. 또한, 도달 온도는 20K 정도이지만 몇 배의 효율이 얻어지고 냉동 능력이 높은 단단(單段) 냉동기에 의해 초전도 코일을 냉각하려고 하면, 전류 리드나 지지재로부터의 열전도, 복사 등 초전도 코일로의 열부하가 증가하고, 권선 내부에서 온도차가 생기게 된다.
본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 지지 구조가 간략하며 신뢰성이 높고, 저비용화를 실현하는 초전도 자석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양에 의한 초전도 자석 장치는 진공 용기에 수납한 초전도 코일을 냉동기에 의해 전도 냉각하는 초전도 자석 장치에서, 상기 냉동기의 냉각 스테이지와 상기 초전도 코일을 열적으로 접속하는 열전도재와, 상기 초전도 코일의 주위에 설치되는 복사 차폐층과, 상기 초전도 코일을 그 표면 전체 혹은 그 표면의 일부분에 접촉해서 지지하는 코일 지지체를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 지지 구조가 간략하며 신뢰성이 높고, 저비용화를 실현하는 초전도 자석 장치를 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치의 구성의 일례를 도시하는 개략 종단면도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치의 구성의 일례를 도시하는 개략 종단면도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치의 구성의 일례를 도시하는 개략 종단면도.
도 4는 본 발명의 제 4 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치의 구성의 일례를 도시하는 개략 종단면도.
도 5는 본 발명의 제 5 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치의 구성의 일례를 도시하는 개략 종단면도.
도 6은 도 2 내지 도 5에 도시한 초전도 자석 장치 중 초전도 코일, 고열전도재, 코일 지지체, 및 복사 차폐층에서의 열전도를, 전기 전도의 아날로지(analogy)로 도시한 등가 회로의 모델을 도시하는 모식도.
도 7은 도 6의 모델에서 각종의 조건을 설정했을 경우의 각 부의 온도 분포를 도시하는 그래프.
도 8은 도 6의 모델에서 다른 조건을 설정했을 경우의 각 부의 온도 분포를 도시하는 그래프.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
(제 1 실시 형태)
우선, 도 1을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치의 구성의 일례를 도시하는 개략 종단면도이다.
제 1 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치는 진공 용기에 수납한 초전도 코일을 냉동기에 의해 전도 냉각하는 방식을 채용한 고온 초전도 자석이며, 주 구성 요소로서, 초전도 코일(1), 이단 냉동기(2), 진공 용기(3), 복사 차폐층(4), 지지 부재(5), 전류 도입 단자(7), 및 코일 지지체(9)를 가진다. 상기 초전도 코일(1)은 고열전도재(11)를 구비하고 있다. 또한, 냉동기(2)는 이단 냉동기 일단부(21), 일단부용 전열 부재(22A, 22B), 이단 냉동기 이단부(二段部)(23), 및 이단부용 전열 부재(24A, 24B)를 구비하고 있다. 전류 도입 단자(7)는 피더(전류 리드)(71), 산화물 초전도 전류 리드(72), 및 피더(전류 리드)(73)를 구비하고 있다.
또한, 초전도 코일(1)은 원통 형상을 이루고 있고, 이를 중심축을 따라 자르면 중심축을 사이에 두고 2개의 분리한 코일 단면 부분이 보이지만, 도 1에서는 도면이 복잡해지는 것을 피하기 위해, 한쪽의 코일 단면 부분만을 도시하고 있다(후술하는 도 2 내지 도 5에 대해서도 동일).
이 초전도 자석 장치에서는, 특히, 코일 지지체(9)에 의해, 그 코일 지지체(9)를 포함해서 초전도 코일(1)과 고열전도재(11)와 복사 차폐층(4)이 일체가 되도록 결합되어 있다. 이 결합은 수지에 의한 접착, 함침, 압접, 증착, 나사 결합, 요철 끼워넣기 중 적어도 어느 하나를 이용해서 실현되어 있다. 이에 의해, 결합을 강고한 것으로 하고, 조립이 간이하며 기계적으로 안정된 것으로 할 수 있다.
초전도 코일(1)은 예를 들면, 테이프 형상의 금속 기판 위에 중간층을 통하여 초전도층 및 도전성이 좋은 안정화 금속층을 형성시킨 고온 초전도 테이프 선재를 권회(卷回)해서 이루어지는 고온 초전도 코일이다. 이 초전도 코일(1)은 이단 냉동기 이단부(23)에서 생성되는 극저온에 의해 고열전도재(11)를 통해서 냉각된다. 고열전도재(11)는 초전도 코일(1)에 부착되어 있고, 초전도 코일(1)과 이단부용 전열 부재(24A, 24B) 사이의 고열전도를 담당하는 것이다. 이 고열전도재(11)는 예를 들면, 순도가 높은 금속이나 질화 알루미늄 등의 열전도율이 높은 부재로 구성된다.
이단 냉동기(2)는 이단의 냉각 스테이지를 통해서 극저온의 한랭을 생성하는 냉동기이며, 예를 들면 4K 정도 이하의 낮은 도달 온도를 실현가능한 이단 4K-GM(기포드·맥마흔(Gifford·MacMahon)) 냉동기이다. 이단 냉동기 일단부(21)는 최종단에 이르는 도중에 생성되는 한랭에 의해, 일단부용 전열 부재(22A, 22B)를 통해서, 피더(71) 및 복사 차폐층(4)을 전도 냉각하는 것이다. 일단부용 전열 부재(22A, 22B)는 피더(71)(및 산화물 초전도 전류 리드(72))와 이단 냉동기 일단부(21) 사이의 열전도, 및 복사 차폐층(4)과 이단 냉동기 일단부(21) 사이의 열전도를 담당하는 것이다. 이단 냉동기 이단부(23)는 최종단으로서 생성되는 한랭에 의해, 이단부용 전열 부재(24A, 24B)를 통해서, 피더(73)(및 산화물 초전도 전류 리드(72)), 및 초전도 코일(1)을 전도 냉각하는 것이다. 이단부용 전열 부재(24A, 24B)는 피더(73)(및 산화물 초전도 전류 리드(72))와 이단 냉동기 이단부(23) 사이의 열전도, 및 초전도 코일(1)(및 고열전도재(11))과 이단 냉동기 이단부(23) 사이의 열전도를 담당하는 것이다. 특히, 초전도 코일(1)(및 고열전도재(11))과 이단 냉동기 이단부(23) 사이에 있는 이단부용 전열 부재(24A)를, 전열 부재(24B)에 비해 전열 경로의 단면적을 크게, 혹은 경로를 짧게, 혹은 순도가 높은 금속 재료로 구성함으로써, 초전도 코일(1)과 이단 냉동기 이단부(23) 사이의 냉각 경로의 열저항이 작아지도록 하고 있다.
진공 용기(3)는 내부가 진공인 상태로 유지되고, 당해 초전도 자석 장치를 구성하는 각종 요소를 수용하는 용기이다.
복사 차폐층(4)은 초전도 코일(1)을 둘러싸는 코일 지지체(9)를 감싸도록 설치되는 층이며, 진공 용기(3) 측으로부터의 실온의 복사를 차폐한다. 이 복사 차폐층(4)은 예를 들면, 알루미늄 혹은 알루미늄과 섬유 강화 플라스틱을 두께 방향으로 복합하여 이루어지는 재료로 구성되고, 상기 알루미늄의 순도는 99% 이상인 것이 바람직하다. 이에 의해, 복사 차폐의 성능을 향상시키는 것이 가능해진다. 이 복사 차폐층(4)의 외측에는, MLI(다층 단열재)를 시공해도 된다.
지지 부재(5)는 일단(一端)이 진공 용기(3)의 일부에 부착되는 동시에 타단(他端)이 복사 차폐층(4)(혹은, 코일 지지체(9))의 일부에 부착되고, 초전도 코일(1), 고열전도재(11), 코일 지지체(9), 및 복사 차폐층(4)이 일체화된 것을 지지하는 부재이다.
전류 도입 단자(7)는 전류 도입용 단자이다. 피더(71, 73)는 단자로부터 도입되는 전류를 산화물 초전도 전류 리드(72)를 통하여 초전도 코일(1)에 공급하는 전류 리드이다. 산화물 초전도 전류 리드(72)는 특히, 열 침입 저감에 유효한 전류 리드이다.
코일 지지체(9)는 초전도 코일(1)과 복사 차폐층(4) 사이에 설치되고, 일정 이상의 큰 열저항을 갖는 단열층으로서의 기능뿐만 아니라, 초전도 코일(1)을 기계적으로 지지하는 기능도 겸비하고 있다. 이 코일 지지체(9)는 예를 들면, 수지 혹은 섬유 강화 플라스틱으로 이루어지는 재료를 포함해서 구성되어 있는 것이 바람직하다. 도 1의 예에서는, 초전도 코일(1)과 복사 차폐층(4) 사이에 생긴 공간 전체에, 코일 지지체(9)가 충전되어 있다. 즉, 본 실시 형태의 코일 지지체(9)는, 초전도 코일(1)을 그 표면 전체에 접촉해서 지지하고 있다. 이에 의해, 초전도 코일(1)의 지지를 강고한 것으로 하고 있다.
또한, 초전도 코일(1)과 고열전도재(11)와 코일 지지체(9)와 복사 차폐층(4)은 수지 등에 의해 접착하거나, 혹은 나사 결합에 의해 결합되어 있어도 된다. 또한, 복사 차폐층(4)은 판재여도 되고, 혹은 판재가 아니라 코일 지지체(9)에 증착된 것이어도 된다. 이에 의해, 초전도 코일(1)의 지지를 더 강고한 것으로 해서, 진동 등의 외력에 대한 강도를 증강시킬 수 있다.
이러한 구성에서, 초전도 자석 장치의 운전 중에는, 초전도 코일(1)의 교류 손실이나 미소한 저항(플럭스 플로 저항)에 의한 열이 생기는 동시에, 피더(71, 73)나 산화물 초전도 전류 리드(72)로부터도 열이 생기고, 또한 진공 용기(3) 측으로부터의 실온의 복사 등도 발생한다. 이때, 복사 차폐층(4)은 진공 용기(3) 측으로부터의 실온의 복사를 차폐하고, 또한 코일 지지체(9)는 진공 용기(3) 측의 실온부와 초전도 코일(1) 사이의 열전도를 방해한다. 이 결과, 복사 차폐층(4)과 초전도 코일(1) 사이에서 큰 온도 구배(勾配)가 생긴다.
복사 차폐층(4)에서 받은 열은 일단부용 전열 부재(22A)를 통해서 이단 냉동기 일단부(21)에 전해진다. 또한, 피더(71)(및 산화물 초전도 전류 리드(72))의 열도 일단부용 전열 부재(22B)를 통해서 이단 냉동기 일단부(21)에 전해진다. 한편, 초전도 코일(1)로부터 발생한 열은 고열전도재(11) 및 이단부용 전열 부재(24A)를 통해서 이단 냉동기 이단부(23)에 전해진다. 이때의 초전도 코일(1)과 이단 냉동기 이단부(23) 사이의 냉각 경로의 열저항은 작다. 또한, 피더(73)(및 산화물 초전도 전류 리드(72))의 열도, 이단부용 전열 부재(24B)를 통해서 이단 냉동기 이단부(23)에 전해진다.
종래이면, 초전도 코일(1)과 이 초전도 코일(1)을 둘러싸는 복사 실드 사이의 공간을 진공으로 하고, 초전도 코일(1)을 지지하는 수단으로서, 열 침입을 저감하기 위해 단면적이 작은 섬세한 구조의 코일 지지 부재를 초전도 코일(1)과 진공 용기(3)에 부착하는 구성으로 하고 있었지만, 이 제 1 실시 형태에서는 그러한 구성으로는 하지 않고, 대신에 코일 지지체(9)를 설치함으로써 지지 구조를 간략화하는 동시에 초전도 코일(1)과 복사 차폐층(4) 사이의 큰 온도 구배를 생기게 하여 열전도를 억제하고, 또한 이단부용 전열 부재(24A)의 전열 경로의 단면적을 크게 혹은 경로를 짧게 구성하는 등 하여 초전도 코일(1)과 이단 냉동기 이단부(23) 사이의 냉각 경로만 열저항이 작아지도록 함으로써, 초전도 코일(1)로의 열부하를 저감하고, 권선 내부의 온도차를 저감시키는 것이 가능한 것 이외에, 코일 지지체(9)를 설치함으로써 종래의 코일 지지 부재보다 기계 강도가 증대하기 때문에, 초전도 코일(1)을 안정하게 지지하는 것이 가능하고, 또한 종래와 같은 섬세한 구조의 코일 지지 부재를 생략할 수 있기 때문에, 부품 비용의 삭감이나 작업에 드는 공수(工數)의 삭감을 도모할 수 있다.
(제 2 실시 형태)
다음으로, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제 2 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 이 제 2 실시 형태에서는, 도 1에 도시한 제 1 실시 형태의 구성과 공통되는 요소에는 동일한 부호를 첨부하고, 중복하는 설명을 생략한다. 이하에서는, 제 1 실시 형태와 다른 부분을 중심으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치의 구성의 일례를 도시하는 개략 종단면도이다. 전술한 제 1 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치는 이단 냉동기(2)를 구비한 것이었지만, 이 제 2 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치는 대신에 단단 냉동기(8)를 구비하고 있다. 이에 따라, 상술한 산화물 초전도 전류 리드(72)는 불필요해진다. 단단 냉동기(8)는 냉각 스테이지(81) 및 전열 부재(82A, 82B)를 구비하고 있다.
단단 냉동기(8)는 단단의 냉각 스테이지에서 극저온의 한랭을 생성하는 냉동기이며, 예를 들면 40K ~ 50K 정도의 도달 온도를 실현가능한 GM 냉동기 혹은 펄스 튜브형 냉동기이다. 냉각 스테이지(81)는 본 냉동기에 구비되는 유일한 냉각 스테이지이며, 생성되는 한랭에 의해, 전열 부재(82A, 82B)를 통해서, 피더(71), 복사 차폐층(4), 및 초전도 코일(1)의 전부를 전도 냉각한다. 전열 부재(82A, 82B)는 피더(71)와 냉각 스테이지(81) 사이의 열전도, 복사 차폐층(4)과 냉각 스테이지(81) 사이의 열전도, 및 초전도 코일(1)(및 고열전도재(11))과 냉각 스테이지(81) 사이의 열전도를 담당하는 것이다. 즉, 초전도 코일(1)과 고열전도재(11)와 코일 지지체(9)와 복사 차폐층(4)이 모두 동일한 냉각 스테이지(81)에 열적으로 접속된 구성으로 되어 있다.
또한, 냉각 스테이지(81)와 초전도 코일(1)을 열적으로 접속하는 제 1 냉각 경로(전열 부재(82A)를 통하는 경로)의 열저항은 냉각 스테이지(81)와 복사 차폐층(4)을 열적으로 접속하는 제 2 냉각 경로(전열 부재(82B)를 통하는 경로)의 열저항보다 작다.
이러한 구성에 있어서, 초전도 자석 장치의 운전 중에는, 초전도 코일(1)의 교류 손실이나 미소한 저항(플럭스 플로 저항)에 의한 열이 생기는 동시에, 피더(71)로부터도 열이 생기고, 또한 진공 용기(3) 측으로부터의 실온의 복사가 초전도 코일(1) 측에 주어진다. 이때, 복사 차폐층(4)은 진공 용기(3) 측으로부터의 실온의 복사를 차폐하고, 또한 코일 지지체(9)는 진공 용기(3) 측의 실온부와 초전도 코일(1) 사이의 열전도를 방해한다. 이 결과, 복사 차폐층(4)과 초전도 코일(1) 사이에서 큰 온도 구배가 생긴다.
복사 차폐층(4)에서 받은 열은 전열 부재(82B)를 통해서 냉각 스테이지(81)에 전해진다. 또한, 피더(71)의 열도 전열 부재(82B)를 통해서 냉각 스테이지(81)에 전해진다. 또한, 초전도 코일(1)로부터 발생한 열도 고열전도재(11) 및 전열 부재(82A)를 통해서 냉각 스테이지(81)에 전해진다. 또한, 복사 차폐층(4)의 외측에는 MLI(다층 단열재)를 시공해도 된다.
이 제 2 실시 형태에 의하면, 전술한 제 1 실시 형태와 동일한 효과가 얻어지는 것 이외에, 일단(一段) GM 냉동기 혹은 일단 펄스 튜브형 냉동기를 사용하고 있기 때문에, 온도 40K ~ 50K 레벨로 수십(數十) W의 냉동 능력을 발휘시킬 수 있고, 초전도 코일을 효과적으로 냉각하는 것이 가능하다. 부가하여, 열 침입 저감에는 유효하지만 고가이며 기계적으로 무른 산화물 초전도 리드(72)를 사용하지 않더라도 실현할 수 있기 때문에, 초기 비용을 저감하면서 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
(제 3 실시 형태)
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제 3 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 이 제 3 실시 형태에서는, 도 2에 도시한 제 2 실시 형태의 구성과 공통되는 요소에는 동일한 부호를 첨부하고, 중복하는 설명을 생략한다. 이하에서는, 제 2 실시 형태와 다른 부분을 중심으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치의 구성의 일례를 도시하는 개략 종단면도이다. 전술한 제 2 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치에서는, 코일 지지체(9)가 초전도 코일(1)과 복사 차폐층(4) 사이의 빈 공간 전체에 충전되는 구성이었지만, 이 제 3 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치에서는 코일 지지체(9)가 초전도 코일(1)과 복사 차폐층(4) 사이의 일부에만 설치된다. 본 실시 형태의 코일 지지체(9)는 초전도 코일(1)을 그 표면의 일부분에서 접촉하여 지지하고 있고, 그 지지부가 초전도 코일(1)의 부하율이 가장 높은 부분을 피해서 접촉하고 있다.
초전도 코일에는 그 경험 자장에 따라 온도 마진(항상 전도 전이까지의 온도적 여유)의 분포가 생긴다. 즉, 높은 경험 자장에 의해 임계 전류값이 내려진 부분은 온도 마진이 작고(부하율이 높고), 자장이 비교적 낮기 때문에 임계 전류값이 높은 부분은 동일한 운전 전류값에 대해 온도 마진이 크다. 이 온도 마진이 높은 부분에서 코일 지지체(9)가 접하고 있으면, 실온의 복사나 지지 부재의 열전도 등에 의한 열이 초전도 코일(1)에 전해졌다고 해도 초전도 코일(1)의 운전 전류값을 다루는 부하율 최대부에는 영향을 주지 않고, 초전도 자석 장치의 안정된 운전이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태의 코일 지지체(9)는, 재료로서 예를 들면 GFRP(유리 섬유 강화 플라스틱), CFRP(탄소 섬유 강화 플라스틱), 베이클라이트(bakelite) 등의 섬유 강화 플라스틱, 혹은 수지를 사용하고, 또한 벌집 구조 등의 중공부를 갖는 중공 구조체를 구성하고 있어도 된다. 이에 의해, 초전도 코일(1)과의 높은 열저항을 유지하면서, 기계적인 지지의 강도를 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 고열전도재(11) 및 복사 차폐층(4)에 순도가 높은 금속 재료를 사용해도 된다. 이 경우, 외부 자장의 변동에 대해 와전류가 생기지만, 고열전도재(11) 및 복사 차폐층(4)에, 자속이 쇄교(鎖交)하는 면에 큰 전류의 루프를 차단하도록 슬릿을 설치함으로써, 와전류에 의한 발열을 저감시키는 것이 가능해진다. 또한, 이 복사 차폐층(4)의 외측에는, MLI(다층 단열재)를 시공해도 된다.
이 제 3 실시 형태에 의하면, 전술한 제 2 실시 형태와 동일한 효과가 얻어지는 것 이외에, 코일 지지체를 구성하는 재료의 사용량을 저감하고, 장치의 중량을 경감하는 것이 가능해진다. 또한, 초전도 코일(1)의 온도 마진이 높은 부분에서 코일 지지체(9)가 접하는 구성으로 함으로써, 초전도 코일(1)의 운전 전류값을 다루는 부하율 최대부에 영향을 주지 않고, 초전도 자석 장치를 안정되게 운전하는 것이 가능해진다. 또한, 코일 지지체(9)를 중공 구조체로 함으로써, 초전도 코일(1)과의 높은 열저항을 유지하면서, 기계적인 지지의 강도를 유지하는 것이 가능해진다. 또한, 고열전도재(11) 및 복사 차폐층(4)에서 순도가 높은 금속 재료를 사용했을 경우, 자속이 쇄교하는 면에 큰 전류의 루프를 차단하도록 슬릿을 설치함으로써, 와전류에 의한 발열을 저감시키는 것이 가능해진다.
(제 4 실시 형태)
다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제 4 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 이 제 4 실시 형태에서는, 전술한 각 도면에 도시한 각 실시 형태의 구성과 공통되는 요소에는 동일한 부호를 첨부하고, 중복하는 설명을 생략한다. 이하에서는, 제 2 및 제 3 실시 형태와 다른 부분을 중심으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치의 구성의 일례를 도시하는 개략 종단면도이다. 전술한 제 2 및 제 3 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치에서는, 초전도 코일(1)과 복사 차폐층(4) 사이에 코일 지지체(9)만이 설치되는 구성이었지만, 이 제 4 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치에서는, 미리 초전도 코일(1)이 용기(91)에 코일 지지체(9)를 통하여 수납되고, 용기(91)와 복사 차폐층(4) 사이의 공간 전체에 코일 지지체(9)가 충전된다. 초전도 코일(1)은 당해 초전도 코일(1)과 용기(91) 사이에 부분적으로 설치된 코일 지지체(9)에 의해 지지된다. 용기(91)는 예를 들면, 도시하는 바와 같이 알루미늄 등의 금속, 혹은 수지로 이루어지는 재료를 이용하여 구성된다.
이 제 4 실시 형태에 의하면, 전술한 제 2 및 제 3 실시 형태와 동일한 효과가 얻어지는 것 이외에, 코일 지지체를 구성하는 재료의 사용량을 저감하면서, 용기(91) 외측의 코일 지지체(9)에 의해 초전도 코일(1)과 복사 차폐층(4)을 격리시킬 수 있고, 또한, 중요 부품인 초전도 코일(1)에 외력을 직접 주지 않고, 용기(91)의 외측에 코일 지지체(9)를 시공하는 것이 가능해진다. 또한, 도 4에서는 용기(91)의 외측에 복사 차폐층(4)이 1매만 설치되어 있지만, 이 외측에 코일 지지체(9)를 통하여 복사 차폐층(4)을 더 설치해도 된다. 복사 차폐층(4)의 외측에는, MLI(다층 단열재)를 시공해도 된다.
(제 5 실시 형태)
다음으로, 도 5를 참조하여, 본 발명의 제 5 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 이 제 5 실시 형태에서는, 전술한 각 도면에 도시한 각 실시 형태의 구성과 공통되는 요소에는 동일한 부호를 첨부하고, 중복하는 설명을 생략한다. 이하에서는, 제 4 실시 형태와 다른 부분을 중심으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 제 5 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치의 구성의 일례를 도시하는 개략 종단면도이다. 전술한 제 4 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치에서는, 초전도 코일(1)과 용기(91) 사이에 코일 지지체(9)가 부분적으로 설치되고, 용기(91)와 복사 차폐층(4) 사이의 공간 전체에 코일 지지체(9)가 충전되는 구성이었지만, 이 제 5 실시 형태에 관한 초전도 자석 장치에서는, 초전도 코일(1)과 용기(91) 사이의 공간 전체에 코일 지지체(9)가 충전되고, 용기(91)와 복사 차폐층(4) 사이에 코일 지지체(9)가 부분적으로 설치된다.
이 제 5 실시 형태에 의하면, 전술한 제 2 및 제 3 실시 형태와 동일한 효과가 얻어지는 것 이외에, 코일 지지체를 구성하는 재료의 사용량을 저감하면서, 용기(91) 내측의 코일 지지체(9)에 의해 초전도 코일(1)과 복사 차폐층(4)을 격리시킬 수 있고, 또한, 미리 용기(91)에 초전도 코일(1)을 수납해서 수지 등으로 몰드하여 이 부분에서 온도 구배를 생기게 하고, 초전도 코일(1)을 넣은 용기(91)를 부분적으로 지지해서 시공을 간략화하여 전체를 경량화하는 것이 가능해진다. 또한, 도 5에서는 복사 차폐층(4)을 1매만 설치하고 있지만, 코일 지지체(9)를 통하여 복수매의 복사 차폐층(4)을 더 설치해도 된다. 복사 차폐층(4)의 외측에는, MLI(다층 단열재)를 시공해도 된다.
(제 6 실시 형태)
다음으로, 도 6 ~ 도 8을 참조하여, 본 발명의 제 6 실시 형태에 대하여 설명한다. 이 제 6 실시 형태에서는 열전도를 전기 전도의 아날로지로 표시한 등가 회로의 모델을 이용하여 초전도 자석 장치의 바람직한 설계를 행하는 수법에 대하여 설명한다.
도 6은, 도 2 내지 도 5에 도시한 초전도 자석 장치 중 초전도 코일(1), 고열전도재(11), 코일 지지체(9), 및 복사 차폐층(4)에서의 열전도를, 전기 전도의 아날로지로 표시한 등가 회로의 모델을 도시하는 모식도이다. 또한, 도 6에서는, 전술한 도면에 도시한 실시 형태의 구성과 공통되는 요소에는 동일한 부호를 첨부하고 있다.
도 6 중에 도시되는 초전도 코일(1)의 상측의 화살표는 초전도 코일(1)의 교류 손실이나 미소한 저항(플럭스 플로 저항)에 의한 발열을 나타내고, 복사 차폐층(4)의 하측의 화살표는 진공 용기(3) 측으로부터의 실온의 복사에 의한 열부하를 나타내고 있다. 또한, 도 6의 우측에는, 지지 부재(5)로부터의 열이 코일 지지체(9)에 들어가는 모양이 도시되어 있다. 그리고, 도 6의 중앙에는, 이들의 열에 의해 초전도 코일(1), 고열전도재(11), 코일 지지체(9), 및 복사 차폐층(4) 중의 모든 장소에 생기는 열저항이 복수의 저항기의 형상으로 표현되어 있다. 또한, 도 6 중의 좌측에는, 고열전도재(11)로부터 전열 부재(82)를 통해서 냉각 스테이지(81)에 열이 전도되는 모양이 도시되어 있다.
도 6의 모델에서의 고열전도재(11)의 단면, 코일 지지체(9)의 단면, 및 복사 차폐층(4)의 두께의 각각의 치수의 비율을 파라미터로 한 2가지의 설계예(예1, 예2)를 표 1에 표시한다.
Figure pat00001
표 1에서는, 3종류의 파라미터로서, 고열전도재(11)의 단면비, 코일 지지체(9)의 단면비, 및 복사 차폐층(4)의 두께비가 나타나 있다. 그 아래에, 이들 3개의 파라미터를 정했을 때의 각 부의 열저항의 값(등가 회로에서의 저항에 상당), 즉 초전도 코일(1), 고열전도재(11), 코일 지지체(9), 복사 차폐층(4), 및 코일 지지체(9)(두께 방향)의 각 열저항의 값이 나타나 있다. 또한, 그 아래에, 초전도 코일(1)의 온도 최대값 및 초전도 코일(1) 내부의 온도차가 나타나 있다.
여기에서, 표 1에 나타낸 예 1, 예 2의 조건으로, 도 6의 등가 회로에 의거하는 소정의 모델식으로부터, 초전도 코일(1), 코일 지지체(9), 복사 차폐층(4)의 온도 분포를 계산한 결과를 도 7, 도 8의 그래프에 각각 나타낸다.
예 1과 예 2에서는 각 부의 열부하의 합계는 거의 동일하지만, 표 1에 나타난 바와 같이 조건을 전환하고, 도 6의 등가 회로의 각 부의 저항값을 바꿈으로써, 도 7이나 도 8의 그래프에 표시되는 바와 같이 초전도 코일(1), 코일 지지체(9), 복사 차폐층(4)에 대한 상이한 온도 분포를 확인할 수 있으므로, 바람직한 설계 조건을 찾아낼 수 있다.
또한, 표 1에 나타난 바와 같이, 코일 지지체(9)가 고열전도재의 100배 이상의 열저항을 갖도록 열전도율, 단면적, 경로 길이를 설정함으로써, 초전도 코일(1)을 효과적으로 냉각해서 온도 피크값을 내리고, 충분한 온도 마진을 확보하는 것이 가능하고, 권선량을 늘리지 않고, 또한 안정성을 손상시키지 않게 효과적으로 초전도 자석 장치에 자장을 발생시키는 것이 가능해진다.
본 발명은 상기 실시 형태 그대로 한정되는 것은 아니고, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 또한, 상기 실시 형태에 개시되어 있는 복수의 구성 요소의 적절한 조합에 의해, 다양한 발명을 형성할 수 있다. 예를 들면, 실시 형태에 나타내지는 모든 구성 요소로부터 몇 개의 구성 요소를 삭제해도 된다. 또한, 다른 실시 형태에 따른 구성 요소를 적절하게 조합시켜도 된다.
1 : 초전도 코일
11 : 고열전도재
2 : 이단 냉동기
21 : 이단 냉동기 일단부
22A, 22B : 이단 냉동기 일단부로의 전열 부재
23 : 이단 냉동기 이단부
24A, 24B : 이단 냉동기 이단부로의 전열 부재
3 : 진공 용기
4 : 복사 차폐층
5 : 지지 부재
7 : 전류 도입 단자
71 : 피더(feeder)
72 : 산화물 초전도 전류 리드
8 : 단단 냉동기
81 : 단단 냉동기 냉각 스테이지
82A, 82B : 전열 부재
9 : 코일 지지체
91 : 용기

Claims (10)

  1. 진공 용기에 수납한 초전도 코일을 냉동기에 의해 전도 냉각하는 초전도 자석 장치에 있어서,
    상기 냉동기의 냉각 스테이지와 상기 초전도 코일을 열적으로 접속하는 열전도재와,
    상기 초전도 코일의 주위에 설치되는 복사 차폐층과,
    상기 초전도 코일을 그 표면 전체 혹은 그 표면의 일부분에 접촉해서 지지하는 코일 지지체를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일 지지체가 상기 초전도 코일과 상기 복사 차폐층의 간극(間隙)에 설치되고, 그 코일 지지체를 포함해서 상기 초전도 코일과 상기 열전도재와 상기 복사 차폐층이 일체가 되도록 결합되고,
    상기 초전도 코일과 상기 복사 차폐층이 상기 코일 지지체에 의해 격리되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 결합이 수지에 의한 접착, 함침(含浸), 압접, 증착, 나사 결합, 요철 끼워넣기 중 적어도 어느 하나를 이용하여 실현되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 코일과 상기 열전도재와 상기 코일 지지체와 상기 복사 차폐층이 모두 상기 냉동기의 동일한 냉각 스테이지에 열적으로 접속되고,
    상기 냉동기의 냉각 스테이지와 상기 초전도 코일을 열적으로 접속하는 제 1 냉각 경로와, 상기 냉동기의 냉각 스테이지와 상기 복사 차폐층을 열적으로 접속하는 제 2 냉각 경로가 분리되어 있고, 상기 제 1 냉각 경로의 열저항은 상기 제 2 냉각 경로의 열저항보다 작은 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉동기는 냉동 스테이지가 일단(一段)으로 구성되는 GM 냉동기 혹은 펄스 튜브형 냉동기인 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일 지지체는 상기 초전도 코일을 그 표면의 일부분에서 접촉해서 지지하고 있고, 그 지지부가 상기 초전도 코일의 부하율이 가장 높은 부분을 피해서 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일 지지체는 중공부를 갖는 중공 구조체인 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전도재 및 상기 복사 차폐층은 외부 자장의 변동에 대해 생기는 와전류(渦電流)의 루프를 차단하도록 설치된 슬릿을 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복사 차폐층은 알루미늄 혹은 알루미늄과 섬유 강화 플라스틱을 두께 방향으로 복합하여 이루어지는 재료로 이루어지고, 상기 알루미늄의 순도가 99% 이상인 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초전도 코일은 테이프 형상의 금속 기판 위에 중간층을 통하여 초전도층 및 도전성이 좋은 안정화 금속층을 형성시킨 고온 초전도 테이프 선재(線材)를 권회(卷回)하여 이루어지는 것인 것을 특징으로 하는 초전도 자석 장치.
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