WO2025249092A1 - 超伝導磁石装置および超伝導磁石装置用ブスバーアセンブリ - Google Patents

超伝導磁石装置および超伝導磁石装置用ブスバーアセンブリ

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power supply
bus bar
superconducting coil
superconducting
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悠太 江原
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting magnet device and a bus bar assembly for a superconducting magnet device.
  • a superconducting magnet device comprises a superconducting coil and a vacuum vessel that houses it while cooling it to an extremely low temperature.
  • the power supply for the superconducting coil is located outside the vacuum vessel.
  • Coil electrodes connected to the superconducting coil are provided outside the vacuum vessel, and the power supply and coil electrodes are connected by a power supply cable.
  • the inventors have considered the above-mentioned superconducting magnet device and recognized the following problem. At least a portion of the power feed cable is routed along a predetermined route outside the vacuum vessel.
  • the route of the power feed cable may include at least one cable deflection point.
  • the area on the surface of the vacuum vessel in which the power feed cable can be arranged has become smaller, and therefore it is desirable to reduce the bending radius of the power feed cable at the cable deflection point.
  • the power feed cable must be deflected at a bending radius larger than the allowable bending radius specified in its specifications. Such constraints may hinder efforts to save space for cable arrangement.
  • One exemplary object of one aspect of the present invention is to provide technology that helps reduce the space required for cable placement in superconducting magnet devices.
  • a superconducting magnet device includes a superconducting coil, a power supply, first and second superconducting coil side cables connected to the superconducting coil, first and second power supply side cables connected to the power supply, and a busbar assembly including an outer busbar and an inner busbar.
  • the outer busbar connects the first superconducting coil side cable to the first power supply side cable and forms an outer deflection route together with the first superconducting coil side cable and the first power supply side cable.
  • the inner busbar connects the second superconducting coil side cable to the second power supply side cable and forms an inner deflection route together with the second superconducting coil side cable and the second power supply side cable.
  • the outer deflection route and inner deflection route are deflected in parallel, and the route length of the outer deflection route is longer than the route length of the inner deflection route.
  • a bus bar assembly for a superconducting magnet device comprises an outer bus bar that connects a first superconducting coil side cable and a first power supply side cable and forms an outer deflection route together with the first superconducting coil side cable and the first power supply side cable, and an inner bus bar that connects a second superconducting coil side cable and a second power supply side cable and forms an inner deflection route together with the second superconducting coil side cable and the second power supply side cable.
  • the outer deflection route and the inner deflection route are deflected in parallel, and the route length of the outer deflection route is longer than the route length of the inner deflection route.
  • the present invention provides technology that helps reduce the space required for cable placement in superconducting magnet devices.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a superconducting magnet device according to an embodiment
  • 2 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the superconducting magnet device shown in FIG. 1 taken along line AA.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing an example of a bus bar assembly that can be mounted in a superconducting magnet device according to an embodiment.
  • 4 is a schematic diagram illustrating forces acting on the bus bar assembly shown in FIG. 3.
  • FIG. 10 is a plan view schematically showing another example of the bus bar assembly according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view schematically showing another example of the bus bar assembly according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view schematically showing another example of the bus bar assembly according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view schematically showing another example of the bus bar assembly according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view schematically showing another example of the bus bar assembly according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a superconducting magnet device 10 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic cross section of the superconducting magnet device 10 shown in FIG. 1 taken along line A-A.
  • the superconducting magnet device 10 can be installed in high-magnetic-field devices, such as accelerators such as cyclotrons and synchrocyclotrons, or as a magnetic field source for other high-magnetic-field devices, and can generate the high magnetic fields required for those devices.
  • the superconducting magnet device 10 comprises a superconducting coil 12, a power supply 13 for the superconducting coil 12, a vacuum vessel 14 containing the superconducting coil 12, a current lead 16 connected to the superconducting coil 12 and installed in the vacuum vessel 14, a power supply cable 18 located outside the vacuum vessel 14 and connecting the power supply 13 to the current lead 16, and a bus bar assembly 20 installed in the vacuum vessel 14 for routing the power supply cable 18.
  • the superconducting magnet device 10 may be provided with a pair of superconducting coils 12. These two superconducting coils 12 may have annular shapes of the same diameter centered on a central axis C, and may be spaced apart from each other in the axial direction (the direction of the central axis C). The superconducting coils 12 can generate an axial magnetic field radially inward.
  • the vacuum vessel 14 provides within its internal space a cryogenic vacuum environment 22 suitable for bringing the superconducting coils 12 into a superconducting state.
  • the vacuum vessel 14 is, for example, a cryostat.
  • the vacuum vessel 14 may have a cylindrical shape that surrounds the superconducting coils 12.
  • the vacuum vessel 14 is formed of a metallic material such as stainless steel or other suitable high-strength material so as to withstand ambient pressure (e.g., atmospheric pressure).
  • a heat shield 24 is also disposed in the cryogenic vacuum environment 22 within the vacuum vessel 14, surrounding the superconducting coils 12 to reduce heat penetration into the superconducting coils 12. In this example, two heat shields 24 are provided, one for each pair of superconducting coils 12.
  • the vacuum vessel 14 also has a pair of poles 26 arranged in its hollow space, and a yoke 28 that, together with the poles 26, forms a magnetic circuit. These two poles 26 are arranged inside their corresponding superconducting coils 12, forming superconducting electromagnets with iron cores.
  • the yoke 28 has an upper yoke 28a and a lower yoke 28b, and surrounds the vacuum vessel 14. When the superconducting magnet device 10 is used as a cyclotron, an ion source and acceleration electrodes can be placed in the gap 30 between the poles 26, although not shown in Figure 2.
  • the superconducting coil 12 is thermally coupled to, for example, a two-stage Gifford-McMahon (GM) refrigerator or other type of cryogenic refrigerator 32, and is used while cooled to a cryogenic temperature below the superconducting transition temperature.
  • the heat shield 24 may be cooled to a first cooling temperature, for example, 30K to 80K, in the high-temperature cooling stage of the cryogenic refrigerator 32, and the superconducting coil 12 may be cooled to a second cooling temperature lower than the first cooling temperature, for example, 3K to 20K, in the low-temperature cooling stage.
  • the superconducting magnet device 10 is configured as a so-called conduction-cooled type in which the superconducting coil 12 is directly cooled by the cryogenic refrigerator 32, but it may also be cooled by a so-called immersion-cooled type in which the superconducting coil 12 is cooled by a cryogenic liquid refrigerant such as liquid helium.
  • the power supply 13 is located outside the vacuum vessel 14 and is electrically connected to the superconducting coil 12 by a current lead 16 and a power supply cable 18. An excitation current is supplied from the power supply 13 to the superconducting coil 12 via the current lead 16 and the power supply cable 18. This allows the superconducting magnet device 10 to generate a strong magnetic field.
  • the power supply 13 may be located in a building or room separate from the vacuum vessel 14.
  • the current leads 16 are provided in pairs, at least on the positive and negative sides. As shown in FIG. 1, the end of the current lead 16 on the ambient environment side (room temperature side) is provided with an airtight terminal 16a for penetrating the wall of the vacuum vessel 14 and introducing current into the vacuum vessel 14. In the example shown, the airtight terminal 16a is installed on the top surface of the vacuum vessel 14, but this arrangement is not limited. The opposite end (low temperature side) of the current lead 16 is connected to the superconducting coil 12 inside the vacuum vessel 14.
  • the power supply cable 18 includes a first superconducting coil side cable 34a and a second superconducting coil side cable 34b connected to the superconducting coil 12, and a first power supply side cable 36a and a second power supply side cable 36b connected to the power supply 13.
  • the first superconducting coil side cable 34a and the second superconducting coil side cable 34b extend parallel to each other at least near the bus bar assembly 20 and are connected to the bus bar assembly 20.
  • the first power supply side cable 36a and the second power supply side cable 36b extend parallel to each other at least near the bus bar assembly 20 and are connected to the bus bar assembly 20.
  • the first superconducting coil side cable 34a and the first power supply side cable 36a are used as positive side power supply lines, and the second superconducting coil side cable 34b and the second power supply side cable 36b are used as negative side power supply lines. Therefore, one end of the first superconducting coil side cable 34a is connected to the airtight terminal 16a of the positive side current lead 16, and the other end is connected to one end of the first power supply side cable 36a via the bus bar assembly 20. The other end of the first power supply side cable 36a is connected to the positive electrode of the power supply 13.
  • one end of the second superconducting coil side cable 34b is connected to the airtight terminal 16a of the negative side current lead 16, and the other end is connected to one end of the second power supply side cable 36b via the bus bar assembly 20.
  • the other end of the second power supply side cable 36b is connected to the negative electrode of the power supply 13.
  • the first superconducting coil side cable 34a and the first power supply side cable 36a may be used as negative power supply lines
  • the second superconducting coil side cable 34b and the second power supply side cable 36b may be used as positive power supply lines.
  • the first superconducting coil side cable 34a and the second superconducting coil side cable 34b may be supported by a flexible cable support 38.
  • the yoke 28 may include an upper yoke 28a and a lower yoke 28b, as described above. In order to ensure working space for accessing the vacuum vessel 14 from the outside during maintenance of the superconducting magnet device 10, the yoke 28 may be configured so that the upper yoke 28a can be moved upward and away from the lower yoke 28b.
  • the cable support 38 has one end connected to the upper yoke 28a and the other end connected to the lower yoke 28b, and may support these power supply cables so as to allow the first superconducting coil side cable 34a and the second superconducting coil side cable 34b to move in accordance with the movement of the upper yoke 28a relative to the lower yoke 28b.
  • the busbar assembly 20 provides a cable routing structure that allows the power supply cable 18 to be deflected at any angle (90 degrees in the illustrated example) along the surface of the vacuum vessel 14.
  • the busbar assembly 20 may be mounted on the surface of the yoke 28.
  • the busbar assembly 20 is mounted, for example, on the side of the lower yoke 28b.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing an example of a busbar assembly 20 that can be mounted on a superconducting magnet device 10 according to an embodiment.
  • the busbar assembly 20 includes a plurality of busbars, for example, an outer busbar 40a and an inner busbar 40b.
  • the outer busbar 40a and the inner busbar 40b are arranged in parallel. These busbars are made of a good conductor, for example, copper or aluminum.
  • the busbar assembly 20 also includes a support 42 having a support surface 42a.
  • the support 42 may be made of a metal material, for example, stainless steel, or other suitable material.
  • the outer busbar 40a and the inner busbar 40b are each supported on the support surface 42a by the support 42 via an insulating material.
  • the outer busbar 40a connects the first superconducting coil side cable 34a and the first power supply side cable 36a, and together with the first superconducting coil side cable 34a and the first power supply side cable 36a forms an outer deflection route 44a.
  • the inner busbar 42b connects the second superconducting coil side cable 34b and the second power supply side cable 36b, and together with the second superconducting coil side cable 34b and the second power supply side cable 36b forms an inner deflection route 44b.
  • the outer deflection route 44a and the inner deflection route 44b are deflected in parallel.
  • the outer deflection route 44a is deflected 90 degrees along the support surface 42a from a starting point A1 to an end point B1 on the support surface 42a
  • the inner deflection route 44b is deflected 90 degrees along the support surface 42a from a starting point A2 to an end point B2 on the support surface 42a, inside the outer deflection route 44a.
  • the route length of the outer deflection route 44a i.e., the length along the outer deflection route 44a from the start point A1 to the end point B1 of the outer deflection route 44a
  • the route length of the inner deflection route 44b i.e., the length along the inner deflection route 44b from the start point A2 to the end point B2 of the inner deflection route 44b.
  • the length L1 of the outer bus bar 40a along the outer deflection route 44a is longer than the length L2 of the inner bus bar 40b along the inner deflection route 44b.
  • the direction of the power supply cable 18 is switched using the outer bus bar 40a and the inner bus bar 40b, so the power supply cable 18 itself is not bent due to cable deflection near the bus bar assembly 20.
  • the first superconducting coil side cable 34a is attached to one end of the outer bus bar 40a so as to form a 90-degree angle with the outer bus bar 40a
  • the second superconducting coil side cable 34b is attached to one end of the inner bus bar 40b so as to form a 90-degree angle with the inner bus bar 40b.
  • the first superconducting coil side cable 34a and the second superconducting coil side cable 34b extend linearly from the outer bus bar 40a and the inner bus bar 40b, respectively.
  • first power supply side cable 36a extends linearly from the other end of the outer bus bar 40a in the length direction of the outer bus bar 40a
  • second power supply side cable 36b extends linearly from the other end of the inner bus bar 40b in the length direction of the inner bus bar 40b.
  • Figure 1 shows the allowable bending radius R specified for the power feed cable 18.
  • the power feed cable 18 is not allowed to bend at a radius smaller than the allowable bending radius R.
  • the allowable bending radius R of the power feed cable 18 can be somewhat large, as shown in Figure 3, the bending radius r that can be achieved by the bus bar assembly 20 can be smaller than the allowable bending radius R. This is because, as described above, the cable direction is switched between the outer bus bar 40a and the inner bus bar 40b, and there is no need to bend the power feed cable 18 itself. However, the power feed cable 18 may be bent somewhat if required for routing purposes.
  • the bus bar assembly 20 can accommodate the deflection of the power supply cable 18 in a smaller space. Therefore, according to the embodiment, it is possible to adapt to the miniaturization of the superconducting magnet device 10 and achieve space-saving cable arrangement.
  • Figure 4 is a schematic diagram illustrating the forces acting on the bus bar assembly 20 shown in Figure 3.
  • the first superconducting coil side cable 34a, outer bus bar 40a, and first power supply side cable 36a are connected to the positive pole of the power supply 13
  • the second superconducting coil side cable 34b, inner bus bar 40b, and second power supply side cable 36b are connected to the negative pole of the power supply 13.
  • the magnetic field B generated by the superconducting coil 12 can be oriented along the support surface 42a of the support 42 around the bus bar assembly 20.
  • the force F1 acting on the outer busbar 40a due to the current I1 and magnetic field B, and the force F2 acting on the inner busbar 40b due to the current I2 and magnetic field B, are opposite in direction and can at least partially cancel each other out. This reduces the resultant force acting on the support 42. This reduces the force required to fasten the busbar assembly 20 to the vacuum vessel 14 (for example, the bolt fastening force in the case of bolt fastening), simplifying the fastening structure of the busbar assembly 20.
  • the outer busbar 40a and the inner busbar 40b may be supported at a predetermined busbar distance D.
  • the busbar distance D may be set so that the inter-busbar electric field generated between the outer busbar 40a and the inner busbar 40b when the superconducting magnet device 10 is operated at the rated current is below a predetermined upper limit.
  • the predetermined upper limit of the inter-busbar electric field may be set from the perspective of preventing discharge between the outer busbar 40a and the inner busbar 40b.
  • the predetermined upper limit of the inter-busbar electric field may be, for example, 0.1 kV/m or more, or 1 kV/m or more.
  • the predetermined upper limit of the inter-busbar electric field may be, for example, 100 MV/m or less, or 100 kV/m or less, or 10 kV/m or less.
  • FIG. 5 is a plan view schematically illustrating another example of a busbar assembly 20 according to an embodiment.
  • the busbar assembly 20 may include an insulating member 46 disposed between the outer busbar 40a and the inner busbar 40b.
  • the insulating member 46 may be a wall provided on the support body 42 to separate the outer busbar 40a and the inner busbar 40b.
  • the insulating member 46 may be formed, for example, from fiber-reinforced plastic (FRP) such as glass fiber-reinforced plastic (GFRP), or another suitable insulating material. This also reduces the risk of discharge between the outer busbar 40a and the inner busbar 40b.
  • FRP fiber-reinforced plastic
  • GFRP glass fiber-reinforced plastic
  • the bus bar assembly 20 may be configured to branch or merge the power supply cables 18.
  • FIG. 6 is a plan view schematically illustrating another example of a bus bar assembly 20 according to an embodiment.
  • the first power supply side cable 36a may include multiple power supply side cables
  • the outer bus bar 40a may branch the first superconducting coil side cable 34a into multiple power supply side cables.
  • the second power supply side cable 36b may include multiple power supply side cables.
  • the inner bus bar 40b may branch the second superconducting coil side cable 34b into multiple power supply side cables.
  • the first superconducting coil side cable 34a may include multiple coil side cables, and the outer bus bar 40a may branch the first power supply side cable 36a into multiple coil side cables.
  • the second superconducting coil side cable 34b may include multiple coil side cables, and the inner bus bar 40b may branch the second power supply side cable 36b into multiple coil side cables.
  • the bus bar assembly 20 has been described as having two bus bars (40a, 40b), but the present invention is not limited to this.
  • the bus bar assembly 20 may have three or more bus bars, and these bus bars may deflect three or more power supply cables 18. The lengths of these bus bars may be determined so that the bus bars located closer to the outer periphery of the cable deflection are longer.
  • FIG. 7 is a plan view schematically showing another example of a busbar assembly 20 according to an embodiment.
  • the busbar assembly 20 may include a third busbar 40c.
  • the third busbar 40c can connect the third superconducting coil side cable 34c and the third power supply side cable 36c so as to switch the direction of the third superconducting coil side cable 34c relative to the third power supply side cable 36c.
  • the third busbar 40c may be shorter than the inner busbar 40b and may be positioned more inward than the inner busbar 40b.
  • the third superconducting coil side cable 34c and the third power supply side cable 36c may be third power supply cables connecting the superconducting coil 12 and the power supply 13.
  • the superconducting magnet device 10 may be equipped with an auxiliary superconducting coil different from the superconducting coil 12, or a normal conducting coil, or other electrical equipment such as measuring equipment, and the third superconducting coil side cable 34c and the third power supply side cable 36c may be power supply cables connecting such equipment to the power supply 13.
  • FIG. 8 is a plan view schematically illustrating another example of a busbar assembly 20 according to an embodiment.
  • the busbar assembly 20 includes an outer busbar 40a, an inner busbar 40b, and a third busbar 40c. As shown in the figure, the busbar assembly 20 uses these three busbars to achieve 180-degree cable deflection in a space-saving manner.
  • busbar assemblies 20 may be provided in the superconducting magnet device 10. For example, if the route of the power supply cable 18 includes multiple deflection points, a busbar assembly 20 may be provided for each deflection point.
  • the present invention can be used in the fields of superconducting magnet devices and bus bar assemblies for superconducting magnet devices.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

超伝導磁石装置のためのブスバーアセンブリ（２０）は、外側ブスバー（４０ａ）および内側ブスバー（４０ｂ）を備える。外側ブスバー（４０ａ）は、第１超伝導コイル側ケーブル（３４ａ）と第１電源側ケーブル（３６ａ）を接続し、第１超伝導コイル側ケーブル（３４ａ）および第１電源側ケーブル（３６ａ）とともに外側偏向ルート（４４ａ）を形成する。内側ブスバー（４０ｂ）は、第２超伝導コイル側ケーブル（３４ｂ）と第２電源側ケーブル（３６ｂ）を接続し、第２超伝導コイル側ケーブル（３４ｂ）および第２電源側ケーブル（３６ｂ）とともに内側偏向ルート（４４ｂ）を形成する。外側偏向ルート（４４ａ）および内側偏向ルート（４４ｂ）は、並行して偏向されており、外側偏向ルート（４４ａ）のルート長が内側偏向ルート（４４ｂ）のルート長よりも長い。

Description

超伝導磁石装置および超伝導磁石装置用ブスバーアセンブリ
　本発明は、超伝導磁石装置および超伝導磁石装置用ブスバーアセンブリに関する。
　一般に、超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、これを極低温に冷却した状態で収容する真空容器とを備える。超伝導コイルの電源は、真空容器の外に配置される。超伝導コイルに接続されたコイル用電極が真空容器の外側に設けられ、給電ケーブルにより電源とコイル用電極が接続される。
特開２０１３－２５８１１６号公報
　本発明者は、上記の超伝導磁石装置を検討し、以下の課題を認識した。給電ケーブルの少なくとも一部は、真空容器の外側で予め定められたルートに沿って引き回される。給電ケーブルのルートは、少なくとも１つのケーブル偏向箇所を含みうる。近年の研究開発による超伝導磁石装置の小型化に伴い、真空容器表面で給電ケーブルを配置可能な面積は小さくなり、そのため、ケーブル偏向箇所での給電ケーブルの曲げ半径も小さくすることが望まれる。しかしながら、給電ケーブルは、その仕様として規定されている許容曲げ半径よりも大きい曲げ半径で偏向させなければならない。こうした制約は、ケーブル配置スペースの節約の妨げとなりうる。
　本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、超伝導磁石装置におけるケーブル配置の省スペース化に役立つ技術を提供することにある。
　本発明のある態様によると、超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、電源と、超伝導コイルに接続される第１超伝導コイル側ケーブルおよび第２超伝導コイル側ケーブルと、電源に接続される第１電源側ケーブルおよび第２電源側ケーブルと、外側ブスバーおよび内側ブスバーを備えるブスバーアセンブリと、を備える。外側ブスバーは、第１超伝導コイル側ケーブルと第１電源側ケーブルを接続し、第１超伝導コイル側ケーブルおよび第１電源側ケーブルとともに外側偏向ルートを形成する。内側ブスバーは、第２超伝導コイル側ケーブルと第２電源側ケーブルを接続し、第２超伝導コイル側ケーブルおよび第２電源側ケーブルとともに内側偏向ルートを形成する。外側偏向ルートおよび内側偏向ルートは、並行して偏向されており、外側偏向ルートのルート長が内側偏向ルートのルート長よりも長い。
　本発明のある態様によると、超伝導磁石装置用ブスバーアセンブリは、第１超伝導コイル側ケーブルと第１電源側ケーブルを接続し、第１超伝導コイル側ケーブルおよび第１電源側ケーブルとともに外側偏向ルートを形成する外側ブスバーと、第２超伝導コイル側ケーブルと第２電源側ケーブルを接続し、第２超伝導コイル側ケーブルおよび第２電源側ケーブルとともに内側偏向ルートを形成する内側ブスバーと、を備える。外側偏向ルートおよび内側偏向ルートは、並行して偏向されており、外側偏向ルートのルート長が内側偏向ルートのルート長よりも長い。
　本発明によれば、超伝導磁石装置におけるケーブル配置の省スペース化に役立つ技術を提供することができる。
実施の形態に係る超伝導磁石装置を示す模式図である。 図１に示される超伝導磁石装置のＡ－Ａ線断面を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係り、超伝導磁石装置に搭載されうるブスバーアセンブリの一例を模式的に示す平面図である。 図３に示されるブスバーアセンブリに働く力を例示する模式図である。 実施の形態に係るブスバーアセンブリの他の一例を模式的に示す平面図である。 実施の形態に係るブスバーアセンブリの他の一例を模式的に示す平面図である。 実施の形態に係るブスバーアセンブリの他の一例を模式的に示す平面図である。 実施の形態に係るブスバーアセンブリの他の一例を模式的に示す平面図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
　図１は、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０を示す模式図である。図２は、図１に示される超伝導磁石装置１０のＡ－Ａ線断面を模式的に示す断面図である。例示的な用途として、超伝導磁石装置１０は、たとえばサイクロトロン、シンクロサイクロトロンなどの加速器、またはその他の高磁場利用機器の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。
　超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２と、超伝導コイル１２のための電源１３と、超伝導コイル１２を収容する真空容器１４と、超伝導コイル１２に接続され、真空容器１４に設置された電流リード１６と、真空容器１４の外に配置され、電源１３を電流リード１６に接続された給電ケーブル１８と、給電ケーブル１８のルーティングのために真空容器１４に設置されたブスバーアセンブリ２０と、を備える。
　図２に示されるように、超伝導磁石装置１０には、一対の超伝導コイル１２が設けられていてもよい。これら２つの超伝導コイル１２は、中心軸Ｃを中心とする同径の円環形状を有し、互いに軸方向（中心軸Ｃの方向）に間隔を空けて配置されていてもよい。超伝導コイル１２は、その径方向内側に軸方向の磁場を生成することができる。
　真空容器１４は、その内部空間に、超伝導コイル１２を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境２２を提供する。真空容器１４は、例えばクライオスタットである。一例として、真空容器１４は、超伝導コイル１２を囲む円筒状の形状を有してもよい。真空容器１４は、周囲圧力（たとえば大気圧）に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。真空容器１４内の極低温真空環境２２には、超伝導コイル１２への熱侵入を低減するために超伝導コイル１２を囲む熱シールド２４も配置される。この例では、２つの熱シールド２４が一対の超伝導コイル１２それぞれに対応して設けられている。
　また、真空容器１４には、その中空部に配置される一対のポール２６と、ポール２６とともに磁気回路を構成するヨーク２８とが設けられている。これら２つのポール２６はそれぞれが対応する超伝導コイル１２の内側に配置され、鉄心付きの超伝導電磁石を構成する。ヨーク２８は、上ヨーク２８ａと下ヨーク２８ｂを備え、真空容器１４を取り囲んでいる。超伝導磁石装置１０がサイクロトロンとして利用される場合、ポール２６間の隙間３０には、図２では図示を省略するが、イオン源および加速電極が配置されうる。
　超伝導コイル１２は、たとえば二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機またはその他の形式の極低温冷凍機３２と熱的に結合され、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で使用される。熱シールド２４が極低温冷凍機３２の高温段の冷却ステージで第１冷却温度、例えば３０Ｋ～８０Ｋに冷却され、超伝導コイル１２が低温段の冷却ステージで第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～２０Ｋに冷却されてもよい。この例では、超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２を極低温冷凍機３２によって直接冷却するいわゆる伝導冷却式として構成されるが、超伝導コイル１２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒によって冷却するいわゆる浸漬冷却式により冷却されてもよい。
　電源１３は、真空容器１４の外に配置され、電流リード１６および給電ケーブル１８により超伝導コイル１２と電気接続される。電源１３から電流リード１６および給電ケーブル１８を通じて超伝導コイル１２に励磁電流が供給される。それにより、超伝導磁石装置１０は、強力な磁場を発生することができる。電源１３は、真空容器１４とは別の建物または部屋に配置されてもよい。
　電流リード１６は、少なくとも正極側と負極側で一対に設けられる。図１に示されるように、電流リード１６の周囲環境側（室温側）の端部には、真空容器１４の壁部を貫通して真空容器１４内へと電流を導入するための気密端子１６ａが設けられている。図示される例においては、気密端子１６ａは、真空容器１４の上面に設置されているが、この配置には限定されない。電流リード１６の反対側（低温側）の端部は、真空容器１４内で超伝導コイル１２に接続される。
　給電ケーブル１８には、超伝導コイル１２に接続される第１超伝導コイル側ケーブル３４ａおよび第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂと、電源１３に接続される第１電源側ケーブル３６ａおよび第２電源側ケーブル３６ｂとが含まれる。第１超伝導コイル側ケーブル３４ａおよび第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂは、少なくともブスバーアセンブリ２０の近くでは互いに平行に延び、ブスバーアセンブリ２０に接続されている。また、第１電源側ケーブル３６ａおよび第２電源側ケーブル３６ｂ、少なくともブスバーアセンブリ２０の近くでは互いに平行に延び、ブスバーアセンブリ２０に接続されている。
　この例では、第１超伝導コイル側ケーブル３４ａと第１電源側ケーブル３６ａが正極側の給電線に用いられ、第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂと第２電源側ケーブル３６ｂが負極側の給電線に用いられる。よって、第１超伝導コイル側ケーブル３４ａの一端が正極側の電流リード１６の気密端子１６ａに接続され、他端がブスバーアセンブリ２０を介して第１電源側ケーブル３６ａの一端に接続される。第１電源側ケーブル３６ａの他端は電源１３の正極に接続される。また、第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂの一端が負極側の電流リード１６の気密端子１６ａに接続され、他端がブスバーアセンブリ２０を介して第２電源側ケーブル３６ｂの一端に接続される。第２電源側ケーブル３６ｂの他端は電源１３の負極に接続される。なお、この例とは逆に、第１超伝導コイル側ケーブル３４ａと第１電源側ケーブル３６ａが負極側の給電線に用いられ、第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂと第２電源側ケーブル３６ｂが正極側の給電線に用いられてもよい。
　第１超伝導コイル側ケーブル３４ａおよび第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂは、フレキシブルなケーブル支持体３８に支持されていてもよい。ヨーク２８は、上述のように、上ヨーク２８ａと下ヨーク２８ｂを備えてもよい。超伝導磁石装置１０のメンテナンスの際に外部から真空容器１４にアクセスするための作業スペースを確保するために、ヨーク２８は、下ヨーク２８ｂから離れるように上ヨーク２８ａを上方に移動させることができるように構成されていてもよい。ケーブル支持体３８は、一端が上ヨーク２８ａに接続され、他端が下ヨーク２８ｂに接続されており、下ヨーク２８ｂに対して上ヨーク２８ａが移動するときそれに追随する第１超伝導コイル側ケーブル３４ａおよび第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂの移動を許容するようにこれら給電ケーブルを支持していてもよい。
　ブスバーアセンブリ２０は、後述のように、真空容器１４の表面に沿って給電ケーブル１８を任意の角度（図示の例では、９０度）偏向させるケーブルルーティング構造を提供する。例示的な配置として、ブスバーアセンブリ２０は、ヨーク２８の表面に設置されてもよい。図示の例では、ブスバーアセンブリ２０は例えば、下ヨーク２８ｂの側面に設置されている。
　図３は、実施の形態に係り、超伝導磁石装置１０に搭載されうるブスバーアセンブリ２０の一例を模式的に示す平面図である。ブスバーアセンブリ２０は、複数のブスバー、例えば外側ブスバー４０ａおよび内側ブスバー４０ｂを備える。外側ブスバー４０ａと内側ブスバー４０ｂは平行に配置されている。これらブスバーは、例えば銅、アルミニウムなどの良導体で形成される。また、ブスバーアセンブリ２０は、支持面４２ａを有する支持体４２を備える。支持体４２は、例えばステンレス鋼などの金属材料、またはそのほか適宜の材料で形成されていてもよい。外側ブスバー４０ａと内側ブスバー４０ｂはそれぞれ、支持面４２ａ上で絶縁材を介して支持体４２に支持されている。
　外側ブスバー４０ａは、第１超伝導コイル側ケーブル３４ａと第１電源側ケーブル３６ａを接続し、第１超伝導コイル側ケーブル３４ａおよび第１電源側ケーブル３６ａとともに外側偏向ルート４４ａを形成する。内側ブスバー４２ｂは、第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂと第２電源側ケーブル３６ｂを接続し、第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂおよび第２電源側ケーブル３６ｂとともに内側偏向ルート４４ｂを形成する。
　外側偏向ルート４４ａおよび内側偏向ルート４４ｂは、並行して偏向されている。外側偏向ルート４４ａは、支持面４２ａ上での始点Ａ１から終点Ｂ１へと支持面４２ａに沿って９０度偏向され、内側偏向ルート４４ｂは、外側偏向ルート４４ａの内側で、支持面４２ａ上での始点Ａ２から終点Ｂ２へと支持面４２ａに沿って９０度偏向されている。
　よって、外側偏向ルート４４ａのルート長（すなわち、外側偏向ルート４４ａの始点Ａ１から終点Ｂ１への外側偏向ルート４４ａに沿う長さ）が、内側偏向ルート４４ｂのルート長（すなわち、内側偏向ルート４４ｂの始点Ａ２から終点Ｂ２への内側偏向ルート４４ｂに沿う長さ）よりも長くなっている。これを実現するため、外側偏向ルート４４ａに沿う外側ブスバー４０ａの長さＬ１が、内側偏向ルート４４ｂに沿う内側ブスバー４０ｂの長さＬ２よりも長くなっている。
　この例では、外側ブスバー４０ａと内側ブスバー４０ｂを利用して給電ケーブル１８の方向が切り替えられているため、給電ケーブル１８自体は、ブスバーアセンブリ２０の近くでケーブル偏向のために曲げられていない。第１超伝導コイル側ケーブル３４ａが外側ブスバー４０ａと９０度の角度をなすように外側ブスバー４０ａの一端に取り付けられ、第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂが内側ブスバー４０ｂと９０度の角度をなすように内側ブスバー４０ｂの一端に取り付けられている。第１超伝導コイル側ケーブル３４ａと第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂはそれぞれ、外側ブスバー４０ａと内側ブスバー４０ｂから直線的に延びている。また、第１電源側ケーブル３６ａは、外側ブスバー４０ａの他端から外側ブスバー４０ａの長さ方向に直線的に延び、第２電源側ケーブル３６ｂは、内側ブスバー４０ｂの他端から内側ブスバー４０ｂの長さ方向に直線的に延びている。
　理解のために、図１には、給電ケーブル１８に規定された仕様上の許容曲げ半径Ｒが示されている。言い換えれば、給電ケーブル１８は、許容曲げ半径Ｒよりも小さい曲げ半径で偏向させることが許されていない。給電ケーブル１８の許容曲げ半径Ｒがある程度の大きさを取りうるのに対して、図３に示されるように、ブスバーアセンブリ２０によって実現しうる曲げ半径ｒは、許容曲げ半径Ｒよりも小さくすることができる。上述のように、外側ブスバー４０ａおよび内側ブスバー４０ｂでのケーブル方向の切替を利用しており、給電ケーブル１８自体を曲げる必要が無いためである。なお、ルーティングのために必要とされる場合には、給電ケーブル１８は、いくらか曲げられてもよい。
　このようにして、実施の形態に係るブスバーアセンブリ２０は、給電ケーブル１８の偏向をより小さいスペースに収めることができる。したがって、実施の形態によると、超伝導磁石装置１０の小型化に適合させ、ケーブル配置の省スペース化を実現することができる。
　図４は、図３に示されるブスバーアセンブリ２０に働く力を例示する模式図である。この例では上述のように、第１超伝導コイル側ケーブル３４ａ、外側ブスバー４０ａおよび第１電源側ケーブル３６ａが電源１３の正極に接続され、第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂ、内側ブスバー４０ｂおよび第２電源側ケーブル３６ｂが電源１３の負極に接続される。超伝導コイル１２が電源１３によって励磁されるとき外側ブスバー４０ａに流れる電流Ｉ１と内側ブスバー４０ｂに流れる電流Ｉ２は同じ大きさで互いに逆向きとなる。超伝導コイル１２が発生させる磁場Ｂは、ブスバーアセンブリ２０の周囲で支持体４２の支持面４２ａに沿う方向を有しうる。
　電流Ｉ１と磁場Ｂにより外側ブスバー４０ａに働く力Ｆ１と、電流Ｉ２と磁場Ｂにより内側ブスバー４０ｂに働く力Ｆ２とは、互いに逆向きとなり、少なくとも部分的に相殺されうる。そのため、支持体４２に働く合力は低減される。ブスバーアセンブリ２０を真空容器１４への固定力（例えば、ボルト固定の場合、ボルト締結力）を小さくすることができ、ブスバーアセンブリ２０の固定構造を簡素化することができる。このような利点は、第１電源側ケーブル３６ａおよび第２電源側ケーブル３６ｂのうち一方が電源１３の正極に接続され、第１電源側ケーブル３６ａおよび第２電源側ケーブル３６ｂのうち他方が電源１３の負極に接続される構成により得ることができる。
　また、図３に示されるように、外側ブスバー４０ａと内側ブスバー４０ｂを所定のブスバー間距離Ｄで支持してもよい。ブスバー間距離Ｄは、超伝導磁石装置１０が定格電流で運転されるとき外側ブスバー４０ａと内側ブスバー４０ｂとの間に生じるブスバー間電界が所定上限値を下回るように定められていてもよい。ここで、ブスバー間電界の所定上限値は、外側ブスバー４０ａと内側ブスバー４０ｂとの間の放電防止の観点から定められてもよい。ブスバー間電界の所定上限値は、例えば、０．１ｋＶ／ｍ以上、または１ｋＶ／ｍ以上であってもよい。ブスバー間電界の所定上限値は、例えば、１００ＭＶ／ｍ以下、または１００ｋＶ／ｍ以下、または１０ｋＶ／ｍ以下であってもよい。
　図５は、実施の形態に係るブスバーアセンブリ２０の他の一例を模式的に示す平面図である。図示されるように、ブスバーアセンブリ２０は、外側ブスバー４０ａと内側ブスバー４０ｂとの間に配置された絶縁部材４６を備えてもよい。絶縁部材４６は、外側ブスバー４０ａと内側ブスバー４０ｂを仕切るように支持体４２に設けられた壁であってもよい。絶縁部材４６は、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などの繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、またはそのほか適宜の絶縁材料で形成されてもよい。このようにしても、外側ブスバー４０ａと内側ブスバー４０ｂとの間の放電リスクを低減することができる。
　以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。
　上述の実施の形態では、超伝導コイル１２側の給電ケーブル１８と電源１３側の給電ケーブル１８とがブスバーアセンブリ２０で一対一に接続される場合を例として説明しているが、本発明はこれに限られない。図６を参照して以下に説明するように、ブスバーアセンブリ２０は、給電ケーブル１８を分岐または合流するように構成されていてもよい。
　図６は、実施の形態に係るブスバーアセンブリ２０の他の一例を模式的に示す平面図である。図示されるように、第１電源側ケーブル３６ａは、複数の電源側ケーブルを含んでもよく、外側ブスバー４０ａは、第１超伝導コイル側ケーブル３４ａを複数の電源側ケーブルへと分岐してもよい。同様に、第２電源側ケーブル３６ｂは、複数の電源側ケーブルを含んでもよい。内側ブスバー４０ｂは、第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂを複数の電源側ケーブルへと分岐してもよい。
　図示は省略するが、同様にして、第１超伝導コイル側ケーブル３４ａは、複数のコイル側ケーブルを含んでもよく、外側ブスバー４０ａは、第１電源側ケーブル３６ａを複数のコイル側ケーブルへと分岐してもよい。第２超伝導コイル側ケーブル３４ｂは、複数のコイル側ケーブルを含んでもよく、内側ブスバー４０ｂは、第２電源側ケーブル３６ｂを複数のコイル側ケーブルへと分岐してもよい。
　上述の実施の形態では、ブスバーアセンブリ２０が２つのブスバー（４０ａ、４０ｂ）を有する場合を例として説明しているが、本発明はこれに限られない。図７を参照して以下に説明するように、ブスバーアセンブリ２０は、３つまたはそれより多くのブスバーを備え、これらのブスバーにより３本またはそれより多くの給電ケーブル１８を偏向してもよい。これらのブスバーの長さは、ケーブルの偏向の外周側に配置されるブスバーほど長くなるように定められていてもよい。
　図７は、実施の形態に係るブスバーアセンブリ２０の他の一例を模式的に示す平面図である。ブスバーアセンブリ２０は、外側ブスバー４０ａおよび内側ブスバー４０ｂに加えて、第３ブスバー４０ｃを備えてもよい。第３ブスバー４０ｃは、第３電源側ケーブル３６ｃに対する第３超伝導コイル側ケーブル３４ｃの方向を切り替えるように、第３超伝導コイル側ケーブル３４ｃと第３電源側ケーブル３６ｃとを接続することができる。第３ブスバー４０ｃは、内側ブスバー４０ｂよりも短くてもよく、内側ブスバー４０ｂよりも内側に配置されてもよい。
　第３超伝導コイル側ケーブル３４ｃおよび第３電源側ケーブル３６ｃは、超伝導コイル１２と電源１３を接続する第３の給電ケーブルであってもよい。超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２とは異なる補助的な超伝導コイル、または常伝導コイル、または計測機器などその他の電気機器を備えてもよく、第３超伝導コイル側ケーブル３４ｃおよび第３電源側ケーブル３６ｃは、こうした機器と電源１３を接続する給電ケーブルであってもよい。
　図８は、実施の形態に係るブスバーアセンブリ２０の他の一例を模式的に示す平面図である。図８に示される例においても、図７に示される例と同様に、ブスバーアセンブリ２０は、外側ブスバー４０ａ、内側ブスバー４０ｂ、および第３ブスバー４０ｃを備える。図示されるように、ブスバーアセンブリ２０は、これら３つのブスバーを用いて、１８０度のケーブル偏向を省スペースに実現することができる。
　必要とされる場合には、複数のブスバーアセンブリ２０が超伝導磁石装置１０に設けられてもよい。例えば、給電ケーブル１８のルートに複数の偏向箇所が含まれる場合、偏向箇所ごとにブスバーアセンブリ２０が設けられてもよい。
　実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
　本発明は、超伝導磁石装置および超伝導磁石装置用ブスバーアセンブリの分野における利用が可能である。
　１０　超伝導磁石装置、　１２　超伝導コイル、　１３　電源、　２０　ブスバーアセンブリ、　３４ａ　第１超伝導コイル側ケーブル、　３４ｂ　第２超伝導コイル側ケーブル、　３６ａ　第１電源側ケーブル、　３６ｂ　第２電源側ケーブル、　４０ａ　外側ブスバー、　４０ｂ　内側ブスバー、　４２　支持体、　４４ａ　外側偏向ルート、　４４ｂ　内側偏向ルート、　４６　絶縁部材。

Claims (11)

  1. 　超伝導コイルと、
    　電源と、
    　前記超伝導コイルに接続される第１超伝導コイル側ケーブルおよび第２超伝導コイル側ケーブルと、
    　前記電源に接続される第１電源側ケーブルおよび第２電源側ケーブルと、
    　　前記第１超伝導コイル側ケーブルと前記第１電源側ケーブルを接続し、前記第１超伝導コイル側ケーブルおよび前記第１電源側ケーブルとともに外側偏向ルートを形成する外側ブスバーと、
    　　前記第２超伝導コイル側ケーブルと前記第２電源側ケーブルを接続し、前記第２超伝導コイル側ケーブルおよび前記第２電源側ケーブルとともに内側偏向ルートを形成する内側ブスバーと、を備えるブスバーアセンブリと、を備え、
    　前記外側偏向ルートおよび前記内側偏向ルートは、並行して偏向されており、前記外側偏向ルートのルート長が前記内側偏向ルートのルート長よりも長いことを特徴とする超伝導磁石装置。
  2. 　前記外側偏向ルートに沿う前記外側ブスバーの長さが、前記内側偏向ルートに沿う前記内側ブスバーの長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
  3. 　前記ブスバーアセンブリは、前記超伝導磁石装置が定格電流で運転されるとき前記外側ブスバーと前記内側ブスバーとの間に生じるブスバー間電界が所定上限値を下回るように定められたブスバー間距離で前記外側ブスバーと前記内側ブスバーを支持する支持体を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
  4. 　前記ブスバーアセンブリは、前記外側ブスバーと前記内側ブスバーとの間に配置された絶縁部材を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
  5. 　前記ブスバーアセンブリは、前記超伝導コイルが前記電源によって励磁されるとき前記外側ブスバーに働く電磁力と、前記超伝導コイルが前記電源によって励磁されるとき前記内側ブスバーに働く電磁力とが少なくとも部分的に相殺されるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
  6. 　前記第１電源側ケーブルおよび前記第２電源側ケーブルのうち一方が前記電源の正極に接続され、前記第１電源側ケーブルおよび前記第２電源側ケーブルのうち他方が前記電源の負極に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
  7. 　前記第１電源側ケーブルおよび前記第２電源側ケーブルはそれぞれ、複数のケーブルを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
  8. 　前記ブスバーアセンブリは、第３超伝導コイル側ケーブルと第３電源側ケーブルを接続する第３ブスバーをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
  9. 　前記ブスバーアセンブリは、前記第１電源側ケーブルに対して前記第１超伝導コイル側ケーブルを９０度偏向し、前記第２電源側ケーブルに対して前記第２超伝導コイル側ケーブルを９０度偏向することを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
  10. 　前記ブスバーアセンブリは、前記第１電源側ケーブルに対して前記第１超伝導コイル側ケーブルを１８０度偏向し、前記第２電源側ケーブルに対して前記第２超伝導コイル側ケーブルを１８０度偏向することを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
  11. 　第１超伝導コイル側ケーブルと第１電源側ケーブルを接続し、前記第１超伝導コイル側ケーブルおよび前記第１電源側ケーブルとともに外側偏向ルートを形成する外側ブスバーと、
    　第２超伝導コイル側ケーブルと第２電源側ケーブルを接続し、前記第２超伝導コイル側ケーブルおよび前記第２電源側ケーブルとともに内側偏向ルートを形成する内側ブスバーと、を備え、
    　前記外側偏向ルートおよび前記内側偏向ルートは、並行して偏向されており、前記外側偏向ルートのルート長が前記内側偏向ルートのルート長よりも長いことを特徴とする超伝導磁石装置用ブスバーアセンブリ。
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