WO2014049842A1 - 超電導コイル及び超電導磁石装置 - Google Patents

超電導コイル及び超電導磁石装置 Download PDF

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和英 田中
洋太 一木
竜弥 安藤
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株式会社日立製作所
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04Cooling

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting coil and a superconducting magnet apparatus provided with the same.
  • a method of immersing and cooling a superconducting coil in a refrigerant such as liquid helium or liquid nitrogen, and a cooling conductor of a refrigerator are brought into contact with the superconducting coil to achieve solid heat conduction.
  • a refrigerant such as liquid helium or liquid nitrogen
  • a cooling conductor of a refrigerator are brought into contact with the superconducting coil to achieve solid heat conduction.
  • the latter is a so-called conductive cooling type superconducting coil, and includes a winding bobbin, a winding portion formed by winding a superconducting wire around the winding bobbin, a cooling head for cooling the winding bobbin, and the cooling head And a refrigerator cooling via a heat transfer bar (see, for example, Patent Document 1).
  • Niobium-titanium superconducting wire is often used as a superconducting wire, but recently, a conduction cooled type using a magnesium diboride superconducting wire having a critical temperature of 39 K or an oxide superconducting wire having a critical temperature of 90 to 115 K A superconducting coil has been prototyped. Whichever superconducting wire is used, in the case of a conduction cooling type superconducting coil, it is necessary to firmly connect and cool the winding portion with a refrigerator. For this purpose, the cooling head is installed directly on the winding bobbin.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a superconducting coil and a superconducting magnet device capable of suppressing an increase in the temperature gradient generated in the winding portion.
  • the present invention is A winding portion in which a superconducting wire is wound in layers on a winding bobbin; A metal plate provided on at least one of the layers of the superconducting wire and the layer of the superconducting wire and the winding bobbin; The metal plate is a superconducting coil characterized in that a convex portion along the superconducting wire is provided between the superconducting wires adjacent to each other in the same layer.
  • the present invention is a superconducting magnet apparatus comprising the superconducting coil and a refrigerator for cooling the superconducting coil.
  • FIG. 1A shows a plan view of the superconducting magnet device 1 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B shows a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1A.
  • the cooling conductor of the refrigerator 3 is brought into contact with the superconducting coil 2 via the heat transfer bar 4 and is cooled by solid heat conduction.
  • the superconducting coil 2 includes a winding bobbin 8, a winding portion 5 in which superconducting wires 6 (6a, 6b, 6c, 6d) are wound in layers around the winding bobbin 8, a superconducting wire 6 (6a, 6b, 6c, 6d ) And the metal plate 9 provided on at least one of the layer 6a of the superconducting wire 6 and the winding bobbin 8 and thermally connected to the refrigerator 3 and the winding bobbin 8 And a cooling head 10.
  • the winding bobbin 8 is provided with a cylindrical portion 8a and a pair of flanges 8b provided at both axial ends of the cylindrical portion 8a and in an annular shape thermally connected to the cylindrical portion 8a.
  • a superconducting stranded wire in which a plurality of (7 in the example of FIG. 1B) superconducting strands 7 are twisted is used as the superconducting wire 6.
  • a niobium titanium superconducting wire can be used as the superconducting wire 7.
  • a magnesium diboride superconducting wire whose critical temperature can reach 39 K or an oxide superconducting wire whose critical temperature can reach 90 to 115 K can be used as the superconducting wire 7 is coated with an insulating material and can be insulated to ground.
  • the metal plate 9 is provided with a convex portion 9b along the superconducting wire 6 at an intermediate position between the superconducting wires 6 adjacent to each other in the same layer 6a, 6b, 6c, 6d of the superconducting wire 6.
  • the metal plate 9 includes a contact area (9a, 9b) in contact with the superconducting wire 6 and provided with the convex portion 9b, and a lead-out area 9c extending from the contact area (9a, 9b) to the flange 8b.
  • a curved plate 9a curved along the layers 6a, 6b, 6c, 6d of the superconducting wire 6, and the conductive plate 6 are fixed on the curved plate 9a, the layers 6a, 6b , 6c, 6d, and a curved rod 9b which becomes a convex portion (9b).
  • the curved rods 9b are provided on both sides of the curved plate 9a.
  • the metal plate 9, the winding bobbin 8, the cooling head 10, and the heat transfer bar 4 use a metal material having a thermal conductivity of 50 W / m ⁇ K or more at 4.2K. Specifically, aluminum or an alloy thereof, or copper or an alloy thereof can be used as the metal material. In the first embodiment, aluminum having a purity of 99.9% is used as the metal material of the metal plate 9. The thickness of the curved plate 9a was 0.2 mm.
  • the circumferential width of the cylindrical portion 8a of the lead-out area 9c is narrower than the circumferential width of the contact area 9a.
  • the lead-out area 9c penetrates a through hole 8d provided in the flange 8b, and reaches the cooling head 10 thermally connected to the flange 8b and is thermally connected.
  • the refrigerator 3 cools the cooling head 10 by heat conduction via the heat transfer bar 4.
  • the cooling head 10 cools the bobbin 8 and the metal plate 9 by heat conduction.
  • the winding bobbin 8 and the metal plate 9 cool the winding portion 5 by heat conduction so that no temperature gradient occurs inside.
  • the superconducting wire 6 adjacent to the winding bobbin 8 can be rapidly cooled by the winding bobbin 8.
  • the superconducting wire 6 located in the region R separated from the winding bobbin 8 is in contact with the metal plate 9 and can be cooled rapidly.
  • the superconducting wire 6 can be thermally favorably contacted (approaching) to the metal plate 9, and that cooling is carried out. It can be speeded up. By these, the whole winding part 5 can be cooled rapidly, and the temperature gradient which arises inside winding part 5 can be controlled.
  • the metal plate 9 is placed on the outer peripheral surface of the cylindrical portion 8a. At this time, the lead-out area 9 c of the metal plate 9 penetrates the through hole 8 d of the flange 8 b and is connected to the cooling head 10. Next, the superconducting wire 6 is wound along the curved rod 9b which becomes the convex portion (9b) on the metal plate 9, by winding one layer (the first layer 6a). By this winding, the superconducting wire 6 is not only in pressure contact with the curved plate 9a of the metal plate 9, but also in pressure contact with the curved rod (convex portion) 9b.
  • the superconducting wire 6 is a superconducting twisted wire
  • the superconducting wire 6 which is a bundle of superconducting wires 7 tends to be thinly crushed in the direction of pressure contact.
  • the plurality of superconducting strands 7 which make up the wire are press-contacted to the curved rod (convex part) 9 b by trying to spread in the direction perpendicular to the press-contact direction.
  • a metal plate 9 is placed on the layer 6 a of the superconducting wire 6. Also at this time, the lead-out area 9 c is penetrated to the through hole 8 d and connected to the cooling head 10. Next, the superconducting wire 6 is wound along the curved rod 9b which becomes the convex portion (9b) on the metal plate 9, by winding one layer (the second layer 6b). Likewise, the metal plate 9 is laid, and winding of the superconducting wire 6 for one layer is repeated. Finally, the metal plate 9 is wound on the outermost layer 6 d of the superconducting wire 6.
  • the superconducting wire 6 can be brought into pressure contact with the curved plate 9a of the metal plate 9 and the curved rod (convex portion) 9b to reduce the thermal resistance, the superconducting wire 6 of each of the layers 6a to 6d can be cooled rapidly. Can. And winding part 5 can be cooled rapidly over the whole area, and generating of a temperature gradient there can be controlled. Since the curved plate 9a is separated from the flange 8c (8b, 8), when the curved plate 9a is pressure-welded from the superconducting wire 6 of the outer layer (for example, the layer 6b), the curved plate 9a is The superconducting wire 6 of the inner layer (for example, the layer 6a) is in pressure contact.
  • the curved rod (convex portion) 9b provided on the inner side of the curved plate 9a is also in pressure contact with the superconducting wire 6 of the inner layer (for example, the layer 6a). Also by this, the thermal resistance can be reduced, and the superconducting wire 6 can be cooled quickly. Further, since the lead-out area 9c of the metal plate 9 is directly connected to the cooling head 10 through the through hole 8d provided in the flange 8b, the contact (heat) resistance with the flange 8b can be canceled thereby. The cooling over the entire area of the winding portion 5 can be speeded up, and the occurrence of a temperature gradient in the winding portion 5 can be suppressed.
  • the superconducting magnet device 1 of the first embodiment and the superconducting magnet device of the comparative example from which the metal plate 9 is omitted the time until the entire region in the winding portion 5 reaches the steady operation temperature is obtained. Compared. From this, it was found that the former can reach the steady-state operating temperature in about half of the latter time. The results of this comparison were similar regardless of the size of the superconducting coil 2.
  • the temperature gradient in the winding portion 5 when the entire region in the winding portion 5 reaches the steady operation temperature the superconducting magnet device 1 of the first embodiment and the superconducting magnet device of the comparative example Compared. The difference between the maximum temperature and the minimum temperature in the winding portion 5 of the first embodiment was 0.2 K or less. On the other hand, that of the comparative example was 1.2K. As described above, according to the superconducting magnet device 1 of the first embodiment, it is possible to suppress an increase in the temperature gradient generated in the winding portion 5.
  • the expected angle ⁇ in the circumferential direction expected from the central axis of the wound bobbin 8 of one metal plate 9 (curved plate 9 a) divided into two) is more than 90 degrees and not more than 180 degrees. Because it is approximately 180 degrees in the example of FIG. 1A, it is possible to reduce AC loss, in particular, eddy current loss.
  • the metal plate 9 (curved plate 9a) having an estimated angle ⁇ of more than 90 degrees and not more than 180 degrees has a so-called arch structure, locally from the outside of the metal plate 9 (curved plate 9a) Even when the superconducting wire 6 is in pressure contact, the metal plate 9 (curved plate 9a) is not deformed. Then, the metal plate 9 (curved plate 9a) disperses and uniformizes the local pressure contact force from the outside and acts on a wide range of the layer 6a of the superconducting wire 6 inside the metal plate 9 (curved plate 9a), etc. It can be done.
  • the curved rod (convex part) 9b reinforces the arch structure of the metal plate 9 (curved plate 9a), and enables thickness reduction and weight reduction of the metal plate 9 (curved plate 9a). Moreover, the metal plate 9 not only improves the cooling performance but also improves the cool storage performance.
  • the metal plate 9 is disposed in proximity to the superconducting wire 6 so that the heat temporarily generated locally at the superconducting wire 6 is instantaneously pre-chilled from the superconducting wire 6 (stored cold) metal plate 9 Can be conducted and removed.
  • the metal plate 9 (curved plate 9a) is not divided in the circumferential direction, and the pressure from the outer superconducting wire 6 can not act on the inner superconducting wire 6 by one.
  • the effect by the arch structure becomes small.
  • the effect of the arch structure becomes small when the expected angle ⁇ is 90 degrees or less, and the metal plate 9 (curved plate 9a) can not be arranged symmetrically in the circumferential direction if it exceeds 180 degrees and is less than 360 degrees.
  • the distribution of pressure in the circumferential direction becomes uneven.
  • the metal plate 9 (curved plate 9a) is not divided in the circumferential direction, and as described above, the pressing force from the outer superconducting wire 6 acts on the inner superconducting wire 6 I can not do it.
  • the superconducting magnet device 1 of the first embodiment is also effective when an overcurrent is applied to the superconducting coil 2.
  • a comparative experiment was performed using the superconducting coil 2 of a superconducting stranded wire (superconducting wire 6) using a magnesium diboride superconducting wire as the superconducting wire 7.
  • the superconducting coil 2 had a critical current of 30 A at a temperature of 14 K and a magnetic field strength of 1 T.
  • the current value was increased in steps of 30 A from the critical current of 30 A, and when the current was increased, current was supplied to maintain the current value for 1 minute.
  • the current value was increased from 30A to 31A and held for 1 minute, the current value was increased from 31A to 32A and held for 1 minute, and the rise of 1A and the holding for 1 minute were repeated. By this repetition, finally, the voltage of the superconducting coil 2 rapidly rises, and so-called thermal runaway occurs.
  • the current value at the time of this thermal runaway was measured and compared.
  • thermal runaway occurs at 54 A which is 1.8 times the critical current.
  • thermal runaway was performed at 39 A, which is 1.3 times the critical current.
  • the occurrence of thermal runaway can be suppressed, and it can be used in situations where overcurrent flows, which is useful.
  • the superconducting wire 6 can be wound at a predetermined position with high accuracy. That is, by the arch structure of the metal plate 9 (curved plate 9a), the distance from the central axis of the winding bobbin 8 to the plurality of superconducting wires 6 in the same layer 6a, 6b, 6c, 6d is uniformly maintained. Can. In addition, the movement of the superconducting wire (superconducting twisted wire) 6, in particular, the superconducting wire 7 in the direction of the central axis of the winding bobbin 8 is suppressed by the curved rod (convex portion) 9b.
  • the position of the superconducting wire 6 (superconducting strand 7) in the direction of the central axis can be determined with good reproducibility.
  • the curved rods (protrusions) 9b are positioned between the adjacent superconducting wires 6 to determine the positions of the superconducting wires 6, a plurality of the wires in the same layer 6a, 6b, 6c, 6d are used.
  • the positional relationship between the superconducting wires 6 can be uniquely determined.
  • the superconducting wire 6 can be positioned with respect to the radial direction and the central axis direction of the winding bobbin 8, and can be arranged with high accuracy.
  • the number of turns of the superconducting wire 6 of the layers 6a, 6b, 6c, 6d can be easily matched.
  • the superconducting coil 2 of the first embodiment since the superconducting wire 6 can be wound at a designed predetermined position, it is required for MRI (magnetic resonance imaging) and NMR (nuclear magnetic resonance) It is possible to reproducibly generate a magnetic field having such high magnetic field homogeneity.
  • FIG. 2A shows a developed view of the metal plate 9 used for the superconducting coil according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 2B shows a perspective view of the metal plate 9.
  • deployed curved plate 9a was made into the rectangle, it may be a parallelogram.
  • region 9c was provided in the center of the rectangular side of the curved plate 9a in the example of FIG. 2A, you may provide not only this but a peripheral part.
  • the metal plate 9 is not easily deformed by its own weight or external force like a foil material or a sheet material, and has a strength that can maintain the curved shape (arch structure) by itself.
  • the metal plate 9 (curved plate 9a) is formed thicker than the foil material and the sheet material.
  • FIG. 3 shows a longitudinal sectional view of a superconducting magnet device 1 according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a perspective view of a metal plate 9 used for the superconducting coil thereof.
  • the difference between the superconducting magnet device 1 of the second embodiment and the superconducting magnet device 1 of the first embodiment is that the convex portion is formed by bending 9 d of the metal plate 9 (curved plate 9 a) It is a point.
  • the bending (convex portion) 9 d is provided so as to protrude to the outer side (convex side) of the metal plate 9 (curved plate 9 a).
  • a groove is formed on the inner side (concave side) of the metal plate 9 (curved plate 9a).
  • This metal plate 9 can be formed by press processing.
  • FIG. 5 shows a longitudinal sectional view of a superconducting magnet apparatus 1 according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows a perspective view of a metal plate 9 used for the superconducting coil thereof.
  • the superconducting magnet device 1 of the third embodiment differs from the superconducting magnet device 1 of the first embodiment in that the cross section cut along a plane including the axis of the winding bobbin 8 of the metal plate 9 (curved plate 9a) The point is that the shape is corrugated.
  • the inside high part 9e which makes the height of the waveform functions as said convex part with respect to the superconducting wire 6 located in the outer side.
  • the low portion 9f inside the high and low portions of the waveform functions as the convex portion for the superconducting wire 6 located inside.
  • the superconducting wires 6 in the adjacent layers sandwiching the metal plate 9, for example, the layers 6a and 6b, are alternately arranged like a pile.
  • the superconducting wire 6 a superconducting multifilamentary wire having a circular cross section is used.
  • the present invention is not limited to the superconducting wire 6 having a circular cross-sectional shape, and may be the superconducting wire (superconducting stranded wire) 6 shown in FIG. 1B.
  • a superconducting multifilamentary wire having a circular cross-sectional shape may be used as the superconducting wire 6 of the first and second embodiments.
  • the present invention is not limited to the above-described first to third embodiments, and includes various modifications.
  • the first to third embodiments described above are described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

 巻ボビン(8)に超電導線(6)が層状に巻回された巻線部(5)と、超電導線(6)のなす層同士の間に設けられる金属板(9)とを有し、金属板(9)には、同一の層内で互いに隣り合う超電導線(6)の間に、超電導線(6)に沿うような凸部(9b)が設けられる。巻ボビン(8)は、円筒部(8a)と、円筒部(8a)の軸方向の両端に設けられ円筒部(8a)と熱的に接続する一対のフランジ(8b、8c)とを備え、金属板(9)は、超電導線(6)に接触する接触領域(9a)と、接触領域(9a)からフランジ(8b)へ伸び、円筒部(8a)の周方向の幅が接触領域(9a)の周方向の幅より狭い引出領域(9c)とを備える。引出領域(9c)は、フランジ(8b)を貫通し、冷凍機(3)とフランジ(8b)とに熱的に接続する冷却ヘッド(10)に達する。これにより、巻線部(5)内に生じる温度勾配の増大を抑制できる超電導コイル(2)を提供する。

Description

超電導コイル及び超電導磁石装置
 本発明は、超電導コイルと、それを備える超電導磁石装置に関する。
 従来、超電導コイルの冷却技術としては、液体ヘリウムや液体窒素などの冷媒の中に超電導コイルを浸漬して冷却するものと、冷凍機の冷却用伝導体を超電導コイルに接触させ、固体熱伝導で冷却するものとがある。このうち後者は、いわゆる、伝導冷却型超電導コイルであり、巻ボビンと、この巻ボビンに超電導線を巻回してなる巻線部と、巻ボビンを冷却するための冷却ヘッドと、この冷却ヘッドを伝熱バーを介して冷却する冷凍機とを有している(例えば、特許文献1参照)。超電導線には、ニオブチタン超電導線が用いられることが多いが、最近になって臨界温度が39Kの二ホウ化マグネシウム超電導線や、臨界温度が90~115Kの酸化物超電導線を用いた伝導冷却型超電導コイルが試作されている。いずれの超電導線が用いられようとも、伝導冷却型超電導コイルでは、巻線部を冷凍機と熱的に強固に接続し冷却する必要がある。このために、巻ボビンに冷却ヘッドを直接設置している。
特開平7-142241号公報
 従来技術では、超電導コイルが大型化すると、その熱容量が大きくなり、所望の運転温度までの冷却に多大な時間を要する場合があった。具体的には、超電導コイル(巻線部)内に温度勾配が生じ、温度の高い箇所でも所望の運転温度まで冷却するには、温度の低い箇所を所望の運転温度より低い温度まで冷却しなければならず、冷却に多大な時間を要した。巻ボビンに近接している超電導線では温度が低下し易く、巻ボビンから離れるほど超電導線の温度は高くなり、その温度差は数ケルビン(K)に達する場合があった。
 そこで、本発明が解決しようとする課題は、巻線部内に生じる温度勾配の増大を抑制できる超電導コイル、及び超電導磁石装置を提供することにある。
 前記課題を解決するために、本発明は、
 巻ボビンに超電導線が層状に巻回された巻線部と、
 前記超電導線のなす層同士の間、及び、前記超電導線のなす層と前記巻ボビンとの間の内の、少なくともどちらか一方に設けられる金属板とを有し、
 前記金属板には、同一の前記層内で互いに隣り合う前記超電導線の間に、前記超電導線に沿うような凸部が設けられていることを特徴とする超電導コイルである。
 また、本発明は、この超電導コイルと、この前記超電導コイルを冷却する冷凍機とを有することを特徴とする超電導磁石装置である。
 本発明によれば、巻線部内に生じる温度勾配の増大を抑制できる超電導コイル、及び超電導磁石装置を提供できる。なお、前記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の第1の実施形態に係る超電導磁石装置の平面図である。 図1AのA-A方向の矢視断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る超電導コイルに用いられる金属板の展開図である。 本発明の第1の実施形態に係る超電導コイルに用いられる金属板の斜視図である。 本発明の第2の実施形態に係る超電導磁石装置の縦断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る超電導コイルに用いられる金属板の斜視図である。 本発明の第3の実施形態に係る超電導磁石装置の縦断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る超電導コイルに用いられる金属板の斜視図である。
 次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
(第1の実施形態)
 図1Aに、本発明の第1の実施形態に係る超電導磁石装置1の平面図を示し、図1Bに、図1AのA-A方向の矢視断面図を示す。超電導磁石装置1では、超電導コイル2の冷却技術として、冷凍機3の冷却用伝導体を、伝熱バー4を介して、超電導コイル2に接触させ、固体熱伝導で冷却している。超電導コイル2は、巻ボビン8と、巻ボビン8に超電導線6(6a、6b、6c、6d)が層状に巻回された巻線部5と、超電導線6(6a、6b、6c、6d)のなす層間と、超電導線6のなす層6aと巻ボビン8の間との内の、少なくともにどちらか一方に設けられる金属板9と、冷凍機3と巻ボビン8とに熱的に接続する冷却ヘッド10とを有している。巻ボビン8は、円筒部8aと、円筒部8aの軸方向の両端に設けられ、円筒部8aと熱的に接続する円環形状で一対のフランジ8bとを備えている。
 図1Bに示すように、超電導線6には、複数本(図1Bの例では7本)の超電導素線7が撚られた超電導撚線が用いられている。超電導素線7には、ニオブチタン超電導線を用いることができる。また、超電導素線7には、臨界温度が39Kに達しうる二ホウ化マグネシウム超電導線や、臨界温度が90~115Kに達しうる酸化物超電導線を用いることができる。超電導素線7は、絶縁材で被覆されており、対地絶縁を取ることができる。金属板9には、超電導線6のなす同一の層6a、6b、6c、6d内で互いに隣り合う超電導線6の中間位置に、超電導線6に沿って、凸部9bが設けられている。金属板9は、超電導線6に接触し凸部9bが設けられている接触領域(9a、9b)と、この接触領域(9a、9b)からフランジ8bへ伸びる引出領域9cとを備えている。
 接触領域(9a、9b)には、超電導線6の層6a、6b、6c、6dに沿って湾曲した湾曲板9aと、超電導線6に沿って湾曲板9a上に固定され、層6a、6b、6c、6dに沿って湾曲し、凸部(9b)となる湾曲棒9bとを備えている。湾曲棒9bは、湾曲板9aの両面に設けられている。
 超電導線6のなす層6a、6b、6c、6dとそれに隣り合う層6a、6b、6c、6dとの層間、又は、超電導線6のなす層6aと巻ボビン8の円筒部8aの間(層間)において、同一の層間毎では、巻ボビン8の周方向に2つ又は3つ(図1Aの例では2つ)の金属板9(湾曲板(接触領域)9a)が設けられている。そして、1枚の金属板9の湾曲板(接触領域)9aが、巻ボビン8の中心軸から見込まれる周方向の見込角θは、90度を超え、180度以下になっている(図1Aの例では略180度になっている。)。図1Bに示すように、湾曲板9aは、フランジ8c(8b、8)から離れている。
 金属板9と、巻ボビン8と、冷却ヘッド10と、伝熱バー4には、4.2Kにおける熱伝導率が50W/m・K以上である金属材が用いられている。具体的にその金属材には、アルミニウム若しくはその合金、又は、銅若しくはその合金を用いることができる。なお、第1の実施形態では、金属板9の金属材として、純度が99.9%のアルミニウムを用いた。また、湾曲板9aの厚さは、0.2mmであった。
 図1Aに示すように、引出領域9cの円筒部8aの周方向の幅は、接触領域9aの周方向の幅より狭くなっている。引出領域9cは、フランジ8bに設けられた貫通孔8dを貫通し、フランジ8bに熱的に接続する冷却ヘッド10に達し熱的に接続している。
 次に、冷凍機3による巻線部5の冷却について説明する。まず、冷凍機3が、伝熱バー4を介した熱伝導により、冷却ヘッド10を冷却する。冷却ヘッド10は、熱伝導により、巻ボビン8と金属板9を冷却する。巻ボビン8と金属板9は、熱伝導により、内部に温度勾配が生じないように巻線部5を冷却する。具体的に、巻ボビン8に近接する超電導線6は、巻ボビン8によって迅速に冷却することができる。巻ボビン8から離れた領域Rに位置する超電導線6は、金属板9に接しており、これによって迅速に冷却することができる。そして、金属板9には、凸部(9b)となる湾曲棒9bが設けられているので、超電導線6は金属板9に熱的に良好に接(近接)することができ、その冷却を迅速化することができる。これらにより、巻線部5の全体が迅速に冷却でき、巻線部5内部に生じる温度勾配を抑制することができる。
 巻ボビン8に超電導線6を巻く巻線工程では、まず、円筒部8aの外周面に金属板9を敷く。このとき、金属板9の引出領域9cは、フランジ8bの貫通孔8dを貫通させ、冷却ヘッド10に接続しておく。次に、超電導線6を、金属板9上の凸部(9b)となる湾曲棒9bに沿って、1層分(1層目の層6a)を巻く。この巻回により、超電導線6は、金属板9の湾曲板9aに圧接するだけでなく、湾曲棒(凸部)9bに圧接する。特に、超電導線6が、超電導撚線であると、超電導線6が湾曲板9aに圧接すると、超電導素線7の束である超電導線6は圧接の方向に薄く潰れようとし、逆に、束をなす複数本の超電導素線7が、その圧接方向の直角方向に広がろうとすることで、湾曲棒(凸部)9bに圧接する。
 次に、超電導線6の層6aの上に金属板9を敷く。このときも、引出領域9cを貫通孔8dに貫通させ冷却ヘッド10に接続する。次に、超電導線6を、金属板9上の凸部(9b)となる湾曲棒9bに沿って、1層分(2層目の層6b)を巻く。以下同様に、金属板9を敷いては、超電導線6を1層分巻くことを繰り返す。そして、最後に、超電導線6の最外層6dの上に金属板9を巻きつけている。これらによれば、超電導線6は、金属板9の湾曲板9aと湾曲棒(凸部)9bに圧接し、熱抵抗を小さくできるので、各層6a~6dの超電導線6を迅速に冷却することができる。そして、巻線部5を全域にわたって迅速に冷却でき、そこでの温度勾配の発生を抑制することができる。なお、湾曲板9aは、フランジ8c(8b、8)から離れているので、湾曲板9aが、その外側の層(例えば層6b)の超電導線6から圧接されると、その湾曲板9aは、その内側の層(例えば層6a)の超電導線6に圧接する。そして、その湾曲板9aの内側に設けられた湾曲棒(凸部)9bも、その内側の層(例えば層6a)の超電導線6に圧接する。これによっても、熱抵抗を小さくでき、超電導線6を迅速に冷却できる。また、金属板9の引出領域9cは、フランジ8bに設けられた貫通孔8dを貫通して直接冷却ヘッド10に接続しているので、これによって、フランジ8bとの接触(熱)抵抗をキャンセルでき、巻線部5の全域にわたる冷却を迅速化でき、巻線部5における温度勾配の発生を抑制できる。
 そして、本第1の実施形態の超電導磁石装置1と、これから金属板9を省いた比較例の超電導磁石装置とで、巻線部5内の全領域が定常運転温度に到達するまでの時間を比較した。これより、前者の方が後者の約1/2の時間で、定常運転温度に到達できることがわかった。この比較の結果は、超電導コイル2のサイズに関わらず同様であった。また、巻線部5内の全領域が定常運転温度に到達した際の巻線部5内の温度勾配を、本第1の実施形態の超電導磁石装置1と、前記比較例の超電導磁石装置とで比較した。本第1の実施形態の巻線部5における最高温度と最低温度の差は0.2K以下であった。一方、比較例のそれは1.2Kであった。このように、本第1の実施形態の超電導磁石装置1によれば、巻線部5内に生じる温度勾配の増大を抑制できる。
 また、図1Aに示すように、超電導線6の層6a、6b、6c、6dがなす層間毎に、金属板9(湾曲板9a)が、周方向に2つ又は3つ(図1Aの例では2つ)に分割され、分割された1枚の金属板9(湾曲板9a)の巻ボビン8の中心軸から見込まれる周方向の見込角θは、90度を超え、180度以下になっている(図1Aの例では略180度になっている。)ので、交流損失、特に、渦電流損失を低減することができる。また、見込角θは、90度を超え、180度以下の金属板9(湾曲板9a)は、いわゆる、アーチ構造をなしているので、金属板9(湾曲板9a)の外側から局所的に超電導線6が圧接しても、金属板9(湾曲板9a)が変形することはない。そして、金属板9(湾曲板9a)は、外側からの局所的な圧接力を、分散させて均一化して金属板9(湾曲板9a)の内側の超電導線6の層6a等の広範囲に作用させることができる。そして、湾曲棒(凸部)9bは、金属板9(湾曲板9a)のアーチ構造を補強し、金属板9(湾曲板9a)の薄板化・軽量化を可能にしている。また、金属板9は、冷却性能の向上だけでなく、蓄冷性能も向上させている。金属板9が超電導線6に近接して配置されることで、超電導線6の局所で一時的に発熱した熱を、瞬時に超電導線6から予め冷えている(蓄冷されている)金属板9に伝導させ、除去することができる。逆に、金属板9(湾曲板9a)が、周方向に分割されておらず1つでは、外側の超電導線6からの圧接力を、内側の超電導線6に作用させることができない。また、金属板9(湾曲板9a)が、周方向に4つ以上に分割されていると、アーチ構造による効果が小さくなってしまう。同様に、見込角θが、90度以下では、アーチ構造による効果が小さくなってしまい、180度を超え360度未満だと、金属板9(湾曲板9a)を周方向に対称に配置できず、圧接力の周方向の分布が不均一になる。見込角θが360度では、金属板9(湾曲板9a)が、周方向に分割されておらず、前記したように、外側の超電導線6からの圧接力を、内側の超電導線6に作用させることができない。
 また、超電導コイル2に過電流を通電したときにおいても、本第1の実施形態の超電導磁石装置1は有効である。例えば、超電導素線7に二ホウ化マグネシウム超電導線を用いた超電導撚線(超電導線6)の超電導コイル2を用いて比較実験を行った。超電導コイル2は、温度14K、磁場強度1T中で、臨界電流が30Aであった。この超電導コイル2に、臨界電流の30Aから1A刻みで電流値を上げ、その上げた際にはその電流値を1分間保持するように通電を行った。つまり、30Aから31Aに電流値を上げて1分間保持し、31Aから32Aに電流値を上げて1分間保持し、この1Aの上昇と1分間の保持を繰り返した。この繰り返しにより、最終的に、超電導コイル2の電圧が急激に上昇し、いわゆる、熱暴走が生じる。この比較実験では、この熱暴走の生じた際の電流値を計測し比較した。その結果、本第1の実施形態の超電導コイル2では、臨界電流の1.8倍である54Aで熱暴走が起きた。一方、比較例の金属板9を省いた超電導コイルでは、臨界電流の1.3倍である39Aで熱暴走した。これより、第1の実施形態によれば、熱暴走の発生を抑制でき、過電流が流れるような状況でも使用でき、有用である。
 また、本第1の実施形態の超電導コイル2によれば、高精度に所定の位置に超電導線6を巻回することができる。すなわち、金属板9(湾曲板9a)のアーチ構造により、同一層6a、6b、6c、6d内の複数本の超電導線6の、巻ボビン8の中心軸からの距離を、均一に保持することができる。また、湾曲棒(凸部)9bにより、超電導線(超電導撚線)6、特に、超電導素線7は、巻ボビン8の中心軸の方向の移動は抑制される。これにより、超電導線6(超電導素線7)のその中心軸方向の位置を、再現性よく決定することができる。特に、湾曲棒(凸部)9bは、互いに隣接する超電導線6の間に位置して、それらの超電導線6の位置を決定するので、同一層6a、6b、6c、6d内の複数本の超電導線6の互いの位置関係を一意に決定することができる。前記により、超電導線6を、巻ボビン8の径方向と中心軸方向に対して位置決めでき、高精度に配置することができる。これにより、層6a、6b、6c、6dの超電導線6の巻数を、容易に一致させることができる。そして、本第1の実施形態の超電導コイル2によれば、設計された所定の位置に超電導線6を巻回することができるので、MRI(magnetic resonance imaging)やNMR(nuclear magnetic resonance)に要求されるような高い磁場均一度を有する磁場を再現性よく発生させることができる。
 図2Aに、本発明の第1の実施形態に係る超電導コイルに用いられる金属板9の展開図を示し、図2Bに、その金属板9の斜視図を示す。図2Aに示すように、展開した湾曲板9aの形状は、矩形としたが、平行四辺形でもよい。また、引出領域9cは、図2Aの例では、湾曲板9aの矩形の辺の中央に設けたが、これに限らず、周辺部の設けてもよい。そして、図1Aに示すように、湾曲板9aの矩形の辺に対して引出領域9cを設ける位置を、湾曲板9a毎に互いに違えてもよい。これによれば、湾曲板9aが周方向に分割されていても、超電導線6の層6a、6b、6c、6dの周方向のどこであっても、内側・外側のどちらか一方は必ず湾曲板9aに接することができる。また、図2Bに示すように、金属板9は単独でも、湾曲板9aの湾曲の形状を維持できるようになっている。金属板9(湾曲板9a)は、箔材やシート材のように自重や外力によって容易に変形せず、湾曲の形状(アーチ構造)を自身で維持できるだけの強度を有している。そのために、例えば、金属板9(湾曲板9a)は、箔材やシート材より厚く形成されている。
(第2の実施形態)
 図3に、本発明の第2の実施形態に係る超電導磁石装置1の縦断面図を示し、図4に、それの超電導コイルに用いられる金属板9の斜視図を示す。第2の実施形態の超電導磁石装置1が、第1の実施形態の超電導磁石装置1と異なっている点は、前記凸部が、金属板9(湾曲板9a)の曲げ9dによって形成されている点である。曲げ(凸部)9dは、金属板9(湾曲板9a)の外側(凸側)に突出するように設けられている。逆に、金属板9(湾曲板9a)の内側(凹側)には、溝が生じている。この金属板9はプレス加工により形成することができる。
(第3の実施形態)
 図5に、本発明の第3の実施形態に係る超電導磁石装置1の縦断面図を示し、図6に、それの超電導コイルに用いられる金属板9の斜視図を示す。第3の実施形態の超電導磁石装置1が、第1の実施形態の超電導磁石装置1と異なっている点は、金属板9(湾曲板9a)の巻ボビン8の軸を含む平面で切断した断面形状が波形状になっている点である。その波形状の高低をなす内の高所部9eが、その外側に位置する超電導線6に対して前記凸部として機能している。また、その波形状の高低をなす内の低所部9fが、その内側に位置する超電導線6に対して前記凸部として機能している。これに伴い、金属板9を挟んで隣り合う層、例えば層6aと6b内の超電導線6は、俵積みのように互い違いに配置されている。なお、超電導線6には、断面形状が円形の超電導多芯線等を用いている。ただ、断面形状が円形の超電導線6に限ったわけでなく、図1Bに示した超電導線(超電導撚線)6でもよい。逆に、第1と第2の実施形態の超電導線6に、断面形状が円形の超電導多芯線等を用いてもよい。
 そして、本発明は、前記した第1~第3の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した第1~第3の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
 1   超電導磁石装置
 2   超電導コイル
 3   冷凍機
 4   伝熱バー
 5   巻線部
 6   超電導線(超電導撚線)
 6a、6b、6c、6d 層
 7   超電導素線
 8   巻ボビン
 8a  円筒部
 8b、8c フランジ
 8d  貫通孔
 9   金属板
 9a  湾曲板(接触領域)
 9b  湾曲棒(凸部、接触領域)
 9c  引出領域
 9d  金属板の曲げ(凸部、接触領域)
 9e  金属板の波形状の高所部(凸部、接触領域)
 9f  金属板の波形状の低所部(凸部、接触領域)
 10  冷却ヘッド
 θ   金属板の軸から見込まれる周方向の見込角

Claims (15)

  1.  巻ボビンに超電導線が層状に巻回された巻線部と、
     前記超電導線のなす層同士の間、及び、前記超電導線のなす層と前記巻ボビンとの間の内の、少なくともどちらか一方に設けられる金属板とを有し、
     前記金属板には、同一の前記層内で互いに隣り合う前記超電導線の間に、前記超電導線に沿うような凸部が設けられていることを特徴とする超電導コイル。
  2.  前記巻ボビンは、
     円筒部と、
     前記円筒部の軸方向の両端に設けられ、前記円筒部と熱的に接続する一対のフランジとを備え、
     前記金属板は、
     前記超電導線に接触する接触領域と、
     前記接触領域から前記フランジへ伸び、前記円筒部の周方向の幅が前記接触領域の周方向の幅より狭い引出領域とを備えることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の超電導コイル。
  3.  冷凍機と前記フランジとに熱的に接続する冷却ヘッドを有し、
     前記引出領域は、前記フランジを貫通して前記冷却ヘッドに達していることを特徴とする請求の範囲第2項に記載の超電導コイル。
  4.  前記接触領域は、前記フランジから離れていることを特徴とする請求の範囲第2項に記載の超電導コイル。
  5.  前記金属板は、
     前記層に沿って湾曲した湾曲板と、
     前記超電導線に沿って前記湾曲板上に固定され、前記層に沿って湾曲し、前記凸部となる湾曲棒とを備えることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の超電導コイル。
  6.  前記湾曲棒は、前記湾曲板の両面に設けられていることを特徴とする請求の範囲第5項に記載の超電導コイル。
  7.  前記金属板は単独でも、前記湾曲板の湾曲の形状を維持できることを特徴とする請求の範囲第5項に記載の超電導コイル。
  8.  前記金属板は、前記層に沿って湾曲し、
     前記凸部は、前記金属板の曲げによって形成され、前記金属板単独でも前記曲げの形状を維持できることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の超電導コイル。
  9.  前記金属板は、前記層に沿って湾曲し、
     前記金属板の前記巻ボビンの軸を含む平面で切断した断面形状は、波形状になり、
     前記波形状の高低をなす内の高所部が、前記凸部となり、
     前記金属板単独でも前記波形状を維持できることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の超電導コイル。
  10.  前記超電導線は、複数本の超電導素線が撚られた超電導撚線であることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の超電導コイル。
  11.  前記金属板には、4.2Kにおける熱伝導率が50W/m・K以上である金属が用いられることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の超電導コイル。
  12.  前記金属板は、アルミニウム若しくはその合金、又は、銅若しくはその合金であることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の超電導コイル。
  13.  1枚の前記金属板が前記巻ボビンの軸から見込まれる周方向の見込角は、90度を超え、180度以下であることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の超電導コイル。
  14.  前記超電導線のなす層と層の間、又は、前記超電導線のなす層と前記巻ボビンの間において、同一の前記間では、前記巻ボビンの周方向に2つ又は3つの前記金属板が設けられていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の超電導コイル。
  15.  請求の範囲第1項に記載の超電導コイルと、
     前記超電導コイルを冷却する冷凍機とを有することを特徴とする超電導磁石装置。
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