WO2019073573A1

WO2019073573A1 - 超電導電磁石装置

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Publication number: WO2019073573A1
Application number: PCT/JP2017/037005
Authority: WO
Inventors: 泰作五明; 直樹岩本; 井上　達也; 諒江口; 知徳田中
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-04-18
Also published as: JPWO2019073573A1; JP6760511B2

Abstract

冷却機構を複雑化させることなく、冷媒容器（６）への熱流入が発生しにくい構成とすることが可能な超伝導電磁石装置を提供する。本発明に係る超伝導電磁石装置は、超電導コイル（６０）と、冷媒容器（６）と、冷媒容器（６）を収納する真空容器（４）と、冷媒容器（６）の内部で気化した冷媒（３０）を真空容器（４）の外部へ排気するための排気配管（７）と、排気配管（７）と離れた位置から真空容器（４）の内部に挿入されて冷媒を冷却する冷凍機（９）と、冷凍機接続配管（１０）とを備え、排気配管（７）および冷凍機接続配管（１０）のいずれか一方の配管は、開口部（６ａ）を介して冷媒容器（６）と連結され、他方の配管は、この他方の配管の端部が一方の配管の途中に設けられた貫通口（１７）から一方の配管の内部へ挿入されて一方の配管の内部に突出する配管突出し部（１９）を有するものである。

Description

超電導電磁石装置

　本発明は、超電導電磁石装置に関し、特に冷媒に浸漬されて冷却される超電導コイルを備える超電導電磁石装置に関する。

　超電導電磁石装置は、液化ヘリウム等の液化した冷媒を用いて超電導コイルを冷却することで、超電導コイルの電気抵抗を０としている。このような構成により、超電導コイルの通電時に、超電導コイル上に大電流を流して強力な磁場を発生させることができる。

　超電導コイルを液化ヘリウム温度に維持するための一般的な構成として、超電導電磁石装置は、超電導コイルと、超電導コイルを収容する冷媒容器と、冷媒容器を収容し内部が高真空状態である真空容器と、冷媒容器内に流入した熱を冷媒容器外部へ排出する冷凍機と、冷凍機と冷媒容器とに接続された冷凍機接続配管と、冷媒容器と真空容器とに接続された排気配管を備えている。

　超電導電磁石装置においては、一般的に冷媒容器内へ流入する熱量をできる限り抑制することが望ましい。これは冷媒容器内に流入する熱量が増加すると、クエンチが発生して真空容器や冷媒容器等の容器を破損させる場合があるためである。なお、クエンチは冷媒容器内で液化ヘリウムの蒸発により生じるヘリウムガスが増大し、冷媒容器内の圧力および温度が大幅に上昇する現象である。

　上述した一般的な超電導電磁石装置にあっては、排気配管および冷凍機接続配管（以下、「両配管」と呼ぶ場合あり。）は共に冷媒容器に連結されており、この両配管は冷媒容器内へ熱が流入する経路（以下、「熱流入経路」と呼ぶ場合あり。）となっている。

　そこで、両配管を介して冷媒容器内へ流入する熱を低減する技術として、例えば特許文献１では、両配管が接続された接続ボックスを設け、この接続ボックスを冷媒容器の開口部に接続させる構成としている。このような構成では、冷媒容器内への直接の熱流入経路を接続ボックスに限定することにより、冷媒容器内への熱流入量の低減が可能である。

国際公開第２００８／０３２１１７号

　特許文献１に記載の発明においては、接続ボックスへ両配管からの熱が流入する。したがって、接続ボックスから冷媒容器へ熱が流入してしまう。そこで特許文献１では、このような熱流入を抑制するため、接続ボックスに液化した冷媒を貯留し、この液化した冷媒によって接続ボックスを冷却していた。このように特許文献１の超電導電磁石装置にあっては、冷媒容器への熱流入が発生しにくい構造とするには、冷媒容器に加えて接続ボックスにも液化した冷媒を貯留する必要がある等、超電導電磁石装置の冷却機構が複雑になるという問題があった。

　本発明は上述のような事情を鑑みてなされたものであって、超電導電磁石装置の冷却機構を複雑化させることなく、冷媒容器への熱流入が発生しにくい超伝導電磁石装置を提供することを目的とする。

　本発明に係る超電導電磁石装置は、超電導コイルと、超電導コイルを液状の冷媒に浸漬した状態で収納すると共に、開口部が設けられた冷媒容器と、冷媒容器を収納する真空容器と、冷媒容器の内部で気化した冷媒を真空容器の外部へ排気するための排気配管と、排気配管と離れた位置から真空容器の内部に挿入されて、冷媒を冷却する冷凍機と、冷媒容器の内部の冷媒を冷凍機に流通させる冷凍機接続配管とを備え、排気配管および冷凍機接続配管のいずれか一方の配管は開口部を介して冷媒容器と連結され、他方の配管は、該他方の配管の端部が一方の配管の途中に設けられた貫通口から一方の配管の内部へ挿入されて一方の配管の内部に突出する配管突出し部を有するものである。

　本発明に係る超電導電磁石装置にあっては、超電導電磁石装置の冷却機構を複雑化させることなく、冷媒容器への熱流入が発生しにくい構成とすることができる。

本発明の実施の形態１に係る超電導電磁石装置の斜視図である。本発明の実施の形態１に係る超電導電磁石装置の正面図および側面図である。本発明の実施の形態１に係る超電導電磁石装置の図２（Ａ）に示す断面位置Ｘ１－Ｘ２における断面図である。本発明の実施の形態１に係るヘリウムガスと排気配管との間で行われる熱交換を説明する説明図である。本発明の実施の形態２に係る超電導電磁石装置の図２（Ａ）に示す断面位置Ｘ１－Ｘ２における断面図である。本発明の実施の形態２に係る超電導電磁石装置の図５に示す断面位置Ａ１－Ａ２における断面図である。本発明の実施の形態２に係る超電導電磁石装置の変形例に関する図５に示す断面位置Ａ１－Ａ２における断面図である。本発明の実施の形態３に係る超電導電磁石装置の図２（Ａ）に示す断面位置Ｘ１－Ｘ２における断面図である。本発明の実施の形態４に係る超電導電磁石装置の図２（Ａ）に示す断面位置Ｘ１－Ｘ２における断面図である。本発明の実施の形態４に係る排気配管および冷凍機接続配管とヘリウムガスとの熱交換を説明するための説明図である。本発明の実施の形態５に係る超電導電磁石装置の図２（Ａ）に示す断面位置Ｘ１－Ｘ２における断面図である。本発明の形態５に係る超電導電磁石装置の図１１に示す断面位置Ｂ１－Ｂ２における断面図である。本発明の実施の形態６に係る超電導電磁石装置の図２（Ａ）に示す断面位置Ｘ１－Ｘ２における断面図である。

実施の形態１．
　図１～３を用いて本発明の実施の形態１の超電導電磁石装置の構成を説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る超電導電磁石装置の斜視図である。図２は本発明の実施の形態１に係る超電導電磁石装置の正面図および側面図である。図２（Ａ）は超電導電磁石装置の正面図を示し、図２（Ｂ）は側面図を示す。図３は本発明の実施の形態１に係る超電導電磁石装置の図２（Ａ）に示す断面位置Ｘ１－Ｘ２における断面図である。なお図１および図２では、排気配管７および冷凍機接続配管１０については、これらの構成の一部のみを図示しており、逆止弁１３（図３）の図示を省略している。

　図１～図３に示す超電導電磁石装置においては、最も外側に、中空円筒形状の真空容器４が配置される。真空容器４は、真空容器４の内側と外側を真空断熱するために、例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム等の非磁性体から構成される。真空容器４の内部は、真空になるように図示しない減圧装置により減圧されている。

　図３に示す通り、真空容器４の内部には例えば中空円筒形状の熱遮蔽板５が配置されている。熱遮蔽板５は、例えば、アルミニウム等の光の反射率の高い非磁性体から構成されている。熱遮蔽板５の表面には、図示しない多層断熱材（スーパインシュレーション）が貼り付けられていてもよい。

　熱遮蔽板５の内部には、例えば中空円筒形状の冷媒容器６が配置されている。熱遮蔽板５は、冷媒容器６の周りを囲んで、真空容器４から冷媒容器６内への輻射熱の流入を抑制する機能を有している。

　冷媒容器６は、超電導コイル６０を６Ｋ（液化ヘリウム温度）以下の温度に維持するための低温容器として機能するものである。冷媒容器６は超電導コイル６０を液化ヘリウム（液状の冷媒）２０で浸漬した状態で収納する。冷媒容器６には、開口部６ａが設けられる。なお、開口部６ａは図３では一点鎖線で囲まれた領域に対応する。詳細は後述するが、この開口部６ａを介して排気配管７および冷凍機接続配管１０が冷媒容器６の内部と接続（連通）する。冷媒容器６の内部には液化ヘリウム２０に加えてヘリウムガス（気化した冷媒）３０が収容されている。

　超電導コイル６０は、巻枠としても機能する冷媒容器６の底部に巻回されている。冷媒容器６の内部には、液状の冷媒である液化ヘリウム２０が充填されている。超電導コイル６０は、例えば、銅からなるマトリクスの中心部にニオブチタン合金を埋め込んで形成された超電導線が巻き回されて構成されている。

　図１～図３に示すとおり、超電導電磁石装置は、排気配管７と、冷媒容器６の内部を冷却する冷凍機９と、冷凍機９に接続された冷凍機接続配管１０とをさらに備える。

　真空容器４の上部の一部に開口部が設けられ、この開口部から冷凍機９の一部である冷却ヘッド９ａ，９ｂが真空容器４の内部に挿入されている。冷凍機９において冷却ヘッド９ａ，９ｂ以外の残りの部分は、真空容器４の外部に設けられ、真空容器４の外表面に固定される。冷却ヘッド９ｂは熱遮蔽板５の開口部からその内部まで挿入されている。

　冷凍機接続配管１０は冷媒容器６の内部のヘリウムガス３０を冷却ヘッド９ａ，９ｂに導き、冷却ヘッド９ａ，９ｂで冷却されて生成された液化ヘリウム２０を冷媒容器６に戻す管である。すなわち、液化ヘリウム２０又はヘリウムガス３０（冷媒）を冷媒容器６と冷凍機９との間で流通させるための管である。

　冷却ヘッド９ａ，９ｂは冷凍機接続配管１０の内部に挿入されている。冷却ヘッド９ａ，９ｂは、図中下方に向かい突出した部分であり、冷凍機接続配管１０はそれら冷却ヘッド９ａ，９ｂを下側から包み込むよう構成されている。冷却ヘッド９ａ，９ｂによって液化した液化ヘリウム２０が冷媒容器６の内部に流れ落ちやすいように、冷凍機接続配管１０は冷媒容器６側に下る形状とされている。また、冷凍機９の冷却ヘッド９ａ，９ｂが真空容器４に設置される位置は、排気配管７が真空容器４に挿入される位置と異なる。すなわち、冷凍機９は排気配管７と離れた位置から真空容器４の内部に挿入される。

　排気配管７は例えばステンレス鋼により構成され、冷媒容器６内部へ液化ヘリウム２０を注液するための、又は冷媒容器６内部で発生したヘリウムガス３０を真空容器４の外部へ排気するための管路である。

　排気配管７の内部には予備排気配管８が設けられる。予備排気配管８は排気配管７の予備の排気路であって、排気配管７が閉塞した場合等の排気配管７が機能しない場合に用いられる。

　冷凍機接続配管１０は、冷媒容器６の開口部６ａを介して冷媒容器６に連結される。また、冷凍機接続配管１０は冷媒容器６と冷凍機９（冷却ヘッド）との間でヘリウムガス３０を流通させる流路である。冷凍機接続配管１０は、管路の一端部に第１曲り部（曲がり部）１６ａを有し、管路の他端部に第２曲り部（曲がり部）１６ｂを有する。冷凍機接続配管１０は、第１曲り部１６ａにおいて冷凍機９と接続し、第２曲り部１６ｂにおいて開口部６ａを介して冷媒容器６と連結される。以下の実施の形態において、「接続」とは、２つの構成が直接的（物理的）に接続される場合に加えて別の構成要素により間接的に接続される場合を含むものとする。一方で「連結」とは、２つの構成が間接的に接続されるのではなく直接的（物理的）に接続されていることを言う。

　超電導電磁石装置において、超電導コイル６０を通電するため構成として、第１のリード１４ａおよび第２のリード１４ｂが設けられる。第１のリード１４ａにより、超電導コイル６０と排気配管７とが電気的に接続される。第２のリード１４ｂにより、超電導コイル６０と予備排気配管８とが電気的に接続される。排気配管７と予備排気配管８とは、超電導コイル６０を通電するための電極としても用いられる。なお、排気配管７と予備排気配管８との間は電気的に絶縁されている。

　ここで、排気配管７および冷凍機接続配管１０が冷媒容器６に連結される部分の構造（連結構造部）を説明する。本実施の形態では、一方の配管としての冷凍機接続配管１０に対して他方の配管としての排気配管７が連結される。さらに冷凍機接続配管１０の内部には排気配管７の配管突出し部１９が形成されている。より詳細には、一方の配管の途中の部分で、他方の配管の端（配管突出し部１９）が一方の配管の内部に差し込まれた構造となっている。一方の配管の内部で配管突出し部１９は一方の配管と同方向に延びるようにされ、従って他方の配管（排気配管７）と一方の配管（冷凍機接続配管１０）とは部分的に二重管の構造を有している。

　排気配管７および冷凍機接続配管１０は、冷媒容器６の開口部６ａを介して、冷媒容器６内部と接続（連通）される。冷凍機接続配管１０と排気配管７とが、冷凍機接続配管１０の貫通口１７において例えば溶接で連結されることにより、連結箇所１８が形成されている。排気配管７は、冷媒容器６側の端部に配管突出し部１９を有する。この配管突出し部１９は連結箇所１８から冷媒容器６側へ向かい突出する配管部分である。配管突出し部１９には、連結構造部の内部にて開口端が設けられている。配管突出し部１９の冷媒容器６側の端部が、冷媒容器６の開口部６ａを介して冷媒容器６の内部へ挿入されている。

　冷凍機接続配管１０には、排気配管７に合わせて形成された貫通口１７が設けられる。この貫通口１７は図３では破線矢印で囲まれた領域に対応する。排気配管７は冷凍機接続配管１０の第２曲り部１６ｂに設けられた貫通口１７にて冷凍機接続配管１０に挿入され、さらには、開口部６ａにて冷媒容器６の内部へ挿入される。なお、排気配管７は、冷凍機接続配管１０との連結箇所１８では、冷凍機接続配管１０内部へ挿入可能となるように断面形状が設定されている。図中では排気配管７は、冷凍機接続配管１０の内径よりも小さい外径となるように形成されている。

　なお、排気配管７と冷凍機接続配管１０との連結方法として、溶接による連結を例示したが、上述の例に限定されず、フランジを用いて排気配管７と冷凍機接続配管１０とを連結してもよく、Ｏ－リング等の封止部材を接続部に設けた構成であってもよい。真空容器４内部へのヘリウムガス３０の漏洩を抑制することができれば、両配管の連結方法はいずれであってもよい。

　予備排気配管８は、排気配管７の内径よりも小さな外径を有し、排気配管７の内部に配置される。排気配管７において真空容器４の外側に位置する端部には逆止弁１３が設置される。逆止弁１３は、冷媒容器６の内部圧力が予め規定された値を超えると、弁が開くように設定されている。逆止弁１３が開状態となることで、冷媒容器６の内部のヘリウムガス３０は、排気配管７又は予備排気配管８を通り、超電導電磁石装置の外側へ排出される。

　冷凍機９は超電導電磁石装置の稼動時は連続運転されており、ヘリウムガス３０を冷却することにより、冷媒容器６内部を冷却する。冷凍機９は冷凍機接続配管１０の一端に挿入されることにより、冷凍機接続配管１０に接続される。冷凍機９は、冷凍機接続配管１０を介して冷媒容器６の内部と接続（連通）される。冷凍機９には、２つの冷却ヘッドすなわち一段目冷却ヘッド９ａおよび二段目冷却ヘッド９ｂを有するギフォード・マクマフォン型冷凍機が用いられる。なお、冷凍機９としてパルスチューブ冷凍機を用いてもよい。

　冷凍機９の一段目冷却ヘッド９ａは、サーマルアンカ１５ａ、熱遮蔽板５、およびサーマルアンカ１５ｂを介して、排気配管７を間接的に冷却する。熱遮蔽板５とサーマルアンカ１５ａは、熱伝導率の高い材質で構成された可とう導体（図示省略）により互いに接続されている。

　冷凍機９の二段目冷却ヘッド９ｂは、熱遮蔽板５と冷媒容器６との間の空間に配置されると共に、冷凍機接続配管１０の内部に配置される。この二段目冷却ヘッド９ｂが冷媒容器６の内部のヘリウムガス３０を冷却することにより、ヘリウムガス３０が液化されて液化ヘリウム２０となる。

　冷凍機接続配管１０において、第１曲り部１６ａと第２曲り部１６ｂとの間の配管部分には、水平方向に対して傾斜して配置された傾斜部が形成される。この傾斜部は、開口部６ａに近づくにつれて冷媒容器６の底面に高さ方向で近づくように形成される。このような傾斜部を有することにより、二段目冷却ヘッド９ｂで液化された液化ヘリウム２０を冷媒容器６へ還流させやすくなる。

　冷凍機接続配管１０の冷媒容器６側の一端は、開口部６ａを介して冷媒容器６に連結され、冷媒容器６内部に開口する。冷凍機接続配管１０は、サーマルアンカ１５ａを境に異なる外径又は断面積を有する。具体的には、冷凍機接続配管１０において、冷凍機９の一段目冷却ヘッド９ａを収納する配管部分と比較して、二段目冷却ヘッド９ｂを収納する配管部分は、その管径が小さく形成される。これにより、上記の２つの配管部分が同じ管径となるように冷凍機接続配管１０を形成した場合に比べて、冷凍機接続配管１０の断面積を低減できるため、冷凍機接続配管１０を介して流入する熱を低減できる。図中、冷凍機接続配管１０は、熱遮蔽板５から冷媒容器６の間に位置する配管部分において、その管径が開口部６ａの口径と同じか、又は口径よりも大きくなるように形成される。

　上述の構成により、超電導電磁石装置では、１つの開口部６ａを介して排気配管７および冷凍機接続配管１０を冷媒容器６の内部と接続させることができる。この結果、溶接箇所が、連結箇所１８と開口部６ａの２箇所となり、超伝導電磁石装置の加工工数、すなわち、切削工数と溶接工数を削減することが可能となる。

　なお、本実施の形態では図３の断面位置を図２により説明したが、以下の実施の形態２～６においても図２は共通であるため、以下の各実施の形態における超伝導電磁石装置の断面位置を説明する際には、図２を用いることとする。

　図４は、本発明の実施の形態１に係るヘリウムガス３０と排気配管７との間で行われる熱交換を説明する説明図である。

　図４において、冷媒容器６の開口部６ａから出るヘリウムガス３０は、冷凍機接続配管１０の冷媒容器６側の端部を直接冷却すると共に、排気配管７の冷媒容器６側の端部に設けられた配管突出し部１９を直接冷却することができる。

　したがって、両配管を接続ボックス等の別の構成を介して冷媒容器に接続させる構成に比べて、両配管における冷媒容器６側の端部を低い温度に維持して、両配管の端部と冷媒容器６との間の温度差を小さくすることができる。よって、接続ボックス等に冷媒を貯留する必要がないため冷却機構を複雑にすることなく、両配管から冷媒容器６へ流入する熱量を低減させることができる。

　冷媒容器６の内部への主な熱流入経路としては、熱遮蔽板５から冷媒容器６への熱輻射によるものと、排気配管７や冷凍機接続配管１０からの熱伝導によるものがある。超電導電磁石装置は室温環境に設置されるため、真空容器４から熱遮蔽板５、および熱遮蔽板５から冷媒容器６へと絶えず熱流入が発生するが、一般的にクエンチを防止するために冷媒容器の内部へ流入する熱をできるだけ低減した構成とすることが望ましい。本実施の形態に係る超伝導電磁石装置においては、上述のような構成により、排気配管７および冷凍機接続配管１０からの熱流入をできるだけ低減した構造とすることができる。

　ここで、ヘリウムガス３０の流れをより詳細に説明する。冷凍機接続配管１０の内部では冷媒容器６の内部から二段目冷却ヘッド９ｂに向かうヘリウムガス３０の流れ（例えば、点線矢印でＧ１にて図示）が生じる。このヘリウムガス３０の流れは、冷媒容器６と二段目冷却ヘッド９ｂの温度差により生じる。ヘリウムガス３０が二段目冷却ヘッド９ｂへ向かう流路の途中に配管突出し部１９が設けられているので、排気配管７の配管突出し部１９の外側表面をヘリウムガス３０が流れ、ヘリウムガス３０により配管突出し部１９が冷却される。

　なお、排気配管７の配管突出し部１９は、冷媒容器６に連結された冷凍機接続配管１０に対し、高い温度となっている。したがって、配管突出し部１９の長さが図３よりも短く形成されることで配管突出し部１９の端部がＧ１のような流れと離れて位置する場合等により上記ヘリウムガス３０の流路に配管突き出し１９が設けられていない場合でも、排気配管７の壁面および冷凍機接続配管１０の壁面の間における温度差により、点線矢印Ｇ２にて図示した自然対流が発生する。この自然対流によって排気配管７の配管突出し部１９がヘリウムガス３０で冷却される。

　本実施の形態では配管突出し部１９の冷媒容器６側の端部を冷媒容器６の開口部６ａの内部に挿入した構成を説明したが、配管突出し部１９の長さや形状に関係なく、排気配管７の配管突出し部１９が冷凍機接続配管１０の内部に突出していれば、ヘリウムガス３０による冷却を効率良く行うことができる。また図４のように、冷凍機接続配管１０の端部も冷媒容器６の開口部６ａの内部に挿入した構成とすると、冷凍機９で冷却された液化ヘリウム２０の冷媒容器６内への環流が、排気配管７の外側を流れるヘリウムガス３０によって妨げられにくい。よって、冷媒容器６の冷却の効率が向上する。

　以上の構成により、本実施の形態の超電導電磁石装置にあっては、超電導電磁石装置の冷却機構を複雑化させることなく冷媒容器内への熱が流入しにくい構成とすることができる。

　実施の形態２．
　図５は本発明の実施の形態２に係る超電導電磁石装置を示す要部断面図である。本実施の形態では、排気配管７の配管突出し部１９に伝熱フィン１１を設ける点が実施の形態１の超電導電磁石装置と異なる。なお、本実施の形態では、上述の実施の形態とは異なる構成のみ説明を行うこととし、同じまたは対応する構成については説明を繰り返さない。

　伝熱フィン１１は、排気配管７において配管突出し部１９の外周面に設置される。この伝熱フィン１１は、例えば板材を複数枚配列した櫛型フィンであり、ヘリウムガス３０との熱交換面積を増大させることができる。伝熱フィン１１は、アルミニウムや銅等の熱伝導率の大きい材質で構成される。

　図６は、本発明の実施の形態２に係る超電導電磁石装置の図５に示す断面位置Ａ１－Ａ２における断面図である。図６に示すとおり伝熱フィン１１は、排気配管７の配管突出し部１９における外周面に配置される。

　本実施の形態では、伝熱フィン１１は櫛型フィン形状としているが、任意に形状を変更してもよい。図７は伝熱フィン１１の別の設置例を示す断面図である。図７に示すとおり、排気配管７の配管突出し部１９において、その外周面に加えて内周面に伝熱フィン１１を設置してもよい。なお、伝熱フィン１１を配管突出し部１９の内周面にのみ設けた構成であってもよい。

　なお、伝熱フィン１１と冷媒容器６の内壁面との間隔は、超電導電磁石装置の製作時に、その工作性を阻害しない間隔であって、かつ、排気配管７と予備排気配管８との間の絶縁が破壊されない程度の間隔であればよい。

　排気配管７の配管突出し部１９に伝熱フィン１１を設けることで、冷凍機接続配管１０と排気配管７の内部を流れるヘリウムガス３０との熱交換面積を増大させることができ、冷媒容器６内への熱流入をさらに抑制できる。

　図６および図７では、伝熱フィン１１は配管突出し部１９の外周面に、周方向にて等間隔に配置されているが、伝熱フィン１１の配置方法および配置する伝熱フィン１１の個数は上述の例に限定されず、適宜設定してもよい。

　以上の構成により、本実施の形態の超電導電磁石装置にあっては、配管突出し部１９に伝熱フィン１１が設けられているので、排気配管７の温度をさらに低減させることで冷媒容器６内への熱流入をさらに抑制することができるという効果を、実施の形態１の効果に加えて奏する。

実施の形態３．
　図８は本発明の実施の形態３に係る超電導電磁石装置の図２（Ａ）に示す断面位置Ｘ１－Ｘ２における断面図である。本実施の形態では、３つの配管から構成された冷凍機接続配管１０Ａを備える点が上述の実施の形態の超電導電磁石装置と異なる。なお、本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構成のみ説明を行うこととし、同じまたは対応する構成については説明を繰り返さない。

　冷凍機接続配管１０Ａは、冷凍機設置管１０１ａ、容器接続管１０１ｂ、および連結管１０１ｃの３つの要素で構成される。

　冷凍機設置管１０１ａは例えば円筒形に形成される。冷凍機設置管１０１ａにおいて、冷媒容器６側の端部すなわち円筒形の軸方向における一方の端部は、閉口端であって、他方の端部は開口端である。冷凍機設置管１０１ａは、開口端で冷凍機９と接続される。冷凍機設置管１０１ａにおいて、開口端よりも閉口端に近い側の側周面には、開放部１０１０ａが設けられている。この開放部１０１０ａを介して冷凍機設置管１０１ａが連結管１０１ｃに接続される。また、冷凍機設置管１０１ａがサーマルアンカ１５ａを介して熱遮蔽板５に接続される。

　容器接続管１０１ｂは、開口部６ａを覆うように冷媒容器６に連結された円筒形の管である。容器接続管１０１ｂにおいて、冷媒容器６側の端部すなわち円筒形の軸方向における一方の端部が開口端であり、円筒形の軸方向における他方の端部が閉口端である。

　容器接続管１０１ｂは、開口端が開口部６ａを通して冷媒容器６の内部に挿入されている。容器接続管１０１ｂの閉口端には、貫通口１７が設けられる。この貫通口１７を介して、排気配管７が冷凍機接続配管１０Ａの内部へ挿入される。

　容器接続管１０１ｂにおいて開口端よりも閉口端に近い側の側周面には、開放部１０１０ｂが形成される。この開放部１０１０ｂを介して容器接続管１０１ｂが連結管１０１ｃに接続される。

　連結管１０１ｃは、冷凍機設置管１０１ａの開放部１０１０ａと容器接続管１０１ｂの開放部１０１０ｂとを連通する。連結管１０１ｃを蛇腹形状とすることで、冷凍機接続配管１０Ａにおいて冷媒容器６内部へ至るまでの距離を長くすることができる。これによって、冷凍機接続配管１０Ａの伝導熱抵抗を大きくすることができ、冷凍機接続配管１０Ａを介して冷媒容器６内へ流入する熱量を低減することができる。

　なお、本実施の形態では、冷凍機接続配管１０Ａにおいて、連結管１０１ｃが蛇腹形状を有する構成であったが、連結管１０１ｃ以外の配管部分が蛇腹形状を有していてもよく、すなわち、冷凍機接続配管１０Ａのいずれかの部分が蛇腹形状を有していればよい。

　図８では、連結管１０１ｃを冷媒容器６の底面に対して平行に配置する場合を例示した。しかし、連結管１０１ｃは、実施の形態１の冷凍機接続配管１０のように、冷媒容器６の底部に対して傾斜する傾斜部で構成されていてもよい。

　なお、本実施の形態では、冷凍機接続配管１０Ａが３つの構成要素からなる例を説明するが、冷凍機接続配管１０Ａが２つの構成要素から構成されていてもよく、さらに、４つ以上の構成要素から構成されていてもよい。すなわち、冷凍機接続配管１０Ａが複数の構成要素から構成されていればよい。

　以上の構成により、本実施の形態の超電導電磁石装置にあっては、冷凍機接続配管１０Ａを複数の要素に分割して製作できるため、実施の形態１と比べ、冷凍機接続配管１０Ａの曲げ加工が不要であり、冷凍機接続配管１０Ａの工作性を向上することができる。

　また、冷凍機接続配管１０Ａの一部を蛇腹形状とすることで、冷媒容器６へ流入する熱量を低減することができるという効果を、実施の形態１の効果に加えて奏する。

実施の形態４．
　図９は本発明の実施の形態４に係る超電導電磁石装置の図２（Ａ）に示す断面位置Ｘ１－Ｘ２における断面図である。本実施の形態では、一方の配管としての排気配管７Ｂに対して他方の配管としての冷凍機接続配管１０Ｂが連結されると共に、排気配管７Ｂの内部に冷凍機接続配管１０Ｂの配管突出し部１９ｂが設けられた構成であり、当該構成が上述の実施の形態の超電導電磁石装置と異なる。

　なお、本実施の形態では、上述の実施の形態とは異なる構成のみ説明を行うこととし、同じまたは対応する構成については説明を繰り返さない。

　排気配管７Ｂは、熱遮蔽板５から冷媒容器６の間の空間内に、第１折曲部２１ａおよび第２折曲部２１ｂを有する。排気配管７Ｂの第１折曲部２１ａは、真空容器４の外側から冷媒容器６の開口部６ｂに向かう排気配管７Ｂの管路の途中に形成されている。

　排気配管７Ｂの第２折曲部２１ｂは排気配管７Ｂの冷媒容器６側の端部に設けられる。排気配管７Ｂは第２折曲部２１ｂにおいて開口部６ｂを介して冷媒容器６と連結される。排気配管７Ｂにおいて、第２折曲部２１ｂには貫通口１７ｂが設けられる。冷凍機接続配管１０Ｂと排気配管７Ｂとがこの貫通口１７ｂにおいて例えば溶接で連結されることにより、連結箇所１８ｂが形成されている。

　冷凍機接続配管１０Ｂは、連結箇所１８ｂから排気配管７Ｂの内部へ向かい突出する配管突出し部１９ｂを有する。さらに、この配管突出し部１９ｂは、冷媒容器６の開口部６ｂに向かい突出する。配管突出し部１９ｂには開口端が設けられる。すなわち、配管突出し部１９ｂは冷媒容器６側の端部が開口している。配管突出し部１９ｂの冷媒容器６側の端部は、冷媒容器６の開口部６ｂを介して冷媒容器６の内部へ挿入される。冷凍機接続配管１０Ｂと排気配管７Ｂは、貫通口１７ｂの位置で、絶縁接手等により電気的に絶縁して連結される。

　予備排気配管８ｂは、排気配管７Ｂの内径よりも小さな外径を有し、排気配管７Ｂの内部に配置される。予備排気配管８ｂの冷媒容器６側の端部は、排気配管７Ｂの第１折曲部２１ａで開口するように構成される。

　図１０は、本発明の実施の形態４に係るヘリウムガス３０と排気配管７Ｂとの間で行われる熱交換を説明する説明図である。図１０において、排気配管７Ｂと冷凍機接続配管１０Ｂとが連結されることで構成された連結構造部の内部において、ヘリウムガス３０の流れ（破線矢印Ｇ３で図示）が生じる。

　なお、冷媒容器６に連結された排気配管７Ｂに対し、冷凍機接続配管１０Ｂの配管突出し部１９ｂが高い温度となっている。よって、排気配管７Ｂの壁面と冷凍機接続配管１０Ｂの壁面とには、温度差が生じている。この温度差によって、この上述したヘリウムガス３０の流れ（Ｇ３）が自然対流として発生している。これにより、冷凍機接続配管１０Ｂの外側を流れるヘリウムガス３０と排気配管７Ｂとの間で、ヘリウムガス３０の自然対流による熱交換が行われる。なおこの熱交換によって冷凍機接続配管１０Ｂが冷却される。

　したがって、接続ボックス等の別の構成を介して冷媒容器へ接続させた場合と比較して、冷凍機接続配管１０Ｂの温度をより低く保持することができ、結果として冷凍機接続配管１０Ｂと冷媒容器６との温度差を小さくできるため、排気配管７Ｂおよび冷凍機接続配管１０Ｂを介して冷媒容器６へ流入する熱量を低減することが可能である。

　以上の構成により、本実施の形態の超電導電磁石装置にあっては、配管突出し部１９ｂが設けられているので、実施の形態１の効果と同様な効果を奏する。

　実施の形態５．
　図１１は本発明の実施の形態５に係る超電導電磁石装置の図２（Ａ）に示す断面位置Ｘ１－Ｘ２における断面図である。図１２は、本実施の形態に係る超電導電磁石装置の図１１に示す断面位置Ｂ１－Ｂ２における断面図である。

　本実施の形態では、伝熱フィン１１が冷凍機接続配管１０Ｂの配管突出し部１９ｂに設けられる点が実施の形態４の超電導電磁石装置と異なる。なお、本実施の形態では、上述の実施の形態とは異なる構成のみ説明を行うこととし、同じまたは対応する構成については説明を繰り返さない。

　図１１および図１２に示すとおり、冷凍機接続配管１０Ｂにおいて、配管突出し部１９ｂの外周面に伝熱フィン１１が配置される。なお、伝熱フィン１１が配管突出し部１９ｂの内周面に配置されていてもよい。

　冷凍機接続配管１０Ｂの配管突出し部１９ｂに伝熱フィン１１を設けることで、冷凍機接続配管１０Ｂと排気配管７Ｂの内部を流れるヘリウムガス３０との熱交換面積を増大させることができ、冷媒容器６内への熱流入をさらに抑制できる。

　図１２では、伝熱フィン１１は配管突出し部１９ｂの外周面に、周方向にて等間隔に配置されているが、伝熱フィン１１の配置方法および配置する伝熱フィン１１の個数は図１２の例に限定されず、適宜設定してもよい。

　以上の構成により、本実施の形態の超電導電磁石装置にあっては、伝熱フィン１１が設けられているため、以下のような効果を実施の形態４の効果に加えて奏する。すなわち、ヘリウムガス３０と冷凍機接続配管１０Ｂとの間の熱交換面積が増大することで冷凍機接続配管１０Ｂの温度をより低い温度に維持できるため、冷媒容器６への熱流入量を低減することができる。

　実施の形態６．
　図１３は本発明の実施の形態６に係る超電導電磁石装置の図２（Ａ）に示す断面位置Ｘ１－Ｘ２における断面図である。本実施の形態では、排気配管７Ｃが複数の構成要素から構成されている点が上述の実施の形態４および５の超電導電磁石装置と異なる。なお、本実施の形態では、上述の実施の形態とは異なる構成のみ説明を行うこととし、同じまたは対応する構成については説明を繰り返さない。

　本実施の形態に係る排気配管７Ｃは、外部突出管７０ａ、容器結合管７０ｂ、および結合連結管７０ｃの３つの要素で構成される。

　排気配管７Ｃの外部突出管７０ａは、熱遮蔽板５に設けられたサーマルアンカ１５ａと接続される。排気配管７Ｃの外部突出管７０ａは、その一端部が真空容器４の外部に突出するよう配置される。この外部突出管７０ａの他端部は閉口端であり、この閉口端の側面には開放部７００ａが設けられる。この開放部７００ａを介して外部突出管７０ａが結合連結管７０ｃに連結される。

　排気配管７Ｃの容器結合管７０ｂは例えば円筒形状に形成されている。この容器結合管７０ｂは、円筒形状の軸方向の一端が開口端であって、この軸方向の他端が閉口端である。容器結合管７０ｂの開口端は、開口部６ｂを通して冷媒容器６の内部へと挿入される。容器結合管７０ｂの閉口端には、冷凍機接続配管１０Ｂとの連結箇所１８ｂが設けられる。容器結合管７０ｂは開口部６ｂの口径に対応した大きさの外径を有する。

　また、容器結合管７０ｂの開口端よりも閉口端に近い側の側周面には、開放部７００ｂが形成されている。この開放部７００ｂを介して容器結合管７０ｂが結合連結管７０ｃに連結される。

　排気配管７Ｃの結合連結管７０ｃは、外部突出管７０ａの開放部７００ａと容器結合管７０ｂの開放部７００ｂとの間を連通する。結合連結管７０ｃは、蛇腹形状の管により構成される。このような構成により、排気配管７Ｃにおいて、冷媒容器６の内部に至るまでの距離を長くなり、排気配管７Ｃの伝導熱抵抗が大きくなる。これによって、排気配管７Ｃを介して熱伝導で冷媒容器６へ流入する熱量が低減する。

　図１３では、結合連結管７０ｃを冷媒容器６の底面に対して平行に配置した構成を例示している。しかし結合連結管７０ｃを冷媒容器６の底面に対して傾斜する傾斜部で構成してもよい。

　なお、本実施の形態では、排気配管７Ｃが３つの構成要素からなる例を説明したが、排気配管７Ｃが２つの構成要素から構成されていてもよく、さらに、４つ以上の構成要素から構成されていてもよい。すなわち、排気配管７Ｃが複数の構成要素から構成されていればよい。

　上記のような構成を有する超電導電磁石装置では、排気配管７Ｃを複数の要素に分割して製作する。したがって、実施の形態４および５に係る排気配管７Ｂと比べて、排気配管７Ｃの製作時にて曲げ加工を減らすことができ、排気配管７Ｃの工作性を向上させることができる。

　また、結合連結管７０ｃを蛇腹形状とすることで、熱伝導により冷媒容器６へと流入する熱量を低減することができる。

　本発明は、以上のように説明し且つ記述した特定の詳細内容及び代表的な実施の形態に限定されるものではない。当業者によって容易に導きだすことができるさらなる変形例および効果も本発明に含まれる。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

４　真空容器
６　冷媒容器
７，７Ｂ，７Ｃ　排気配管
９　冷凍機
１０，１０Ａ，１０Ｂ　冷凍機接続配管
１１　伝熱フィン
１７，１７ｂ　貫通口
１６ａ　第１曲り部（曲がり部）
１６ｂ　第２曲り部（曲がり部）
１９，１９ｂ　配管突出し部
２１ａ　第１折曲部（曲がり部）
２１ｂ　第２折曲部（曲がり部）
６０　超電導コイル

Claims

　超電導コイルと、
　前記超電導コイルを液状の冷媒に浸漬した状態で収納すると共に、開口部が設けられた冷媒容器と、
　前記冷媒容器を収納する真空容器と、
　前記冷媒容器の内部で気化した前記冷媒を前記真空容器の外部へ排気する排気配管と、
　前記排気配管と離れた位置から前記真空容器の内部に挿入されて、前記冷媒を冷却する冷凍機と、
　前記冷媒容器の内部の前記冷媒を前記冷凍機に流通させる冷凍機接続配管と
　を備え、
　前記排気配管および前記冷凍機接続配管のいずれか一方の配管は、前記開口部を介して前記冷媒容器と連結され、
　他方の配管は、該他方の配管の端部が前記一方の配管の途中に設けられた貫通口から前記一方の配管の内部へ挿入されて前記一方の配管の内部に突出する、配管突出し部を有する
　超電導電磁石装置。
　前記配管突出し部が、前記冷媒容器の前記開口部に向かい突出する
　請求項１に記載の超電導電磁石装置。
　前記配管突出し部の端部が、前記開口部を介して前記冷媒容器の内部に挿入される
　請求項１又は請求項２に記載の超電導電磁石装置。
　前記他方の配管は、前記排気配管であって、
　前記配管突出し部の少なくとも一部が、前記気化した前記冷媒が前記開口部から前記冷凍機へ向かう流路内に位置する
　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超電導電磁石装置。
　前記一方の配管は、前記冷凍機接続配管であって、
　前記冷凍機接続配管は、前記開口部を通して前記冷媒容器内へと挿入される
　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超電導電磁石装置。
　前記排気配管および前記冷凍機接続配管の少なくとも一方が曲がり部を有する
　請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の超電導電磁石装置。
　前記配管突出し部の内周面および外周面の少なくとも一方には、伝熱フィンが設けられた、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の超電導電磁石装置。
　前記排気配管および前記冷凍機接続配管の少なくとも一方は、蛇腹形状で形成された部分を有する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の超電導電磁石装置。