JPH07142241A - 超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】超電導コイルの安定性を確保できるとともに超
電導コイルのボア径の有効活用に寄与できる冷凍機直結
式の超電導磁石装置を提供する。 【構成】超電導コイル６と、良熱伝導部材で形成されて
超電導コイル６の外周面に熱的に接続された吸熱部材７
と、冷却ステージ１１を備え、この冷却ステージ１１で
吸熱部材７を伝導冷却するＧＭ冷凍機９とを備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導磁石装置に係
り、特に超電導コイルを極低温用冷凍機で直接的に伝導
冷却する超電導磁石装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、現在実用化されている超
電導磁石装置の多くは、超電導コイルを臨界温度以下に
冷却する手段として、超電導コイルを液体ヘリウムで代
表される極低温液体中に浸漬する方式を採用している。
しかし、この方式では、液体ヘリウムや液体窒素といっ
た扱い難く、高価な冷媒をクライオスタットへ出し入れ
する必要があるので、無駄に消費される冷媒量が多く、
ランニングコストの増加を免れ得ない。

【０００３】ところで、近年、新しい蓄冷材の発見等に
伴ってギホード・マクマホン型冷凍機で代表される極低
温用冷凍機の性能が飛躍的に向上している。このような
ことから、最近では、超電導コイルを極低温用冷凍機で
直接的に伝導冷却する超電導磁石装置が提案されてい
る。この超電導磁石装置では、冷媒を用いることなく、
あるいは冷媒の無駄をなくすことができるので、ランニ
ングコストを大幅に低下することができる。

【０００４】しかしながら、超電導コイルを極低温用冷
凍機で直接的に伝導冷却する、いわゆる冷凍機直結式の
超電導磁石装置にあっても次のような問題があった。す
なわち、従来の冷凍機直結式の超電導磁石装置にあって
は、超電導コイルの巻枠を介して伝導で超電導コイルを
冷却するようにしている。具体的には、良熱伝導材で形
成された巻枠に超電導線を巻回してコイル本体を形成
し、その後に線間および巻枠との間の隙間にエポキシ樹
脂等の樹脂を含浸して超電導コイルと巻枠とを一体化す
る。そして、これを真空容器内に配置するとともに、そ
の巻枠を良熱伝導部材を介して極低温用冷凍機の冷却ス
テージに熱的に接続した構成を採用している。

【０００５】しかし、上記構成であると、実際に超電導
コイルを伝導で極低温に冷却した時およびこの状態で超
電導コイルに通電した時に次のような現象が起こる。す
なわち、巻枠を介して超電導コイルを極低温に冷却する
と、巻枠と超電導コイルとは共に半径方向に熱収縮す
る。この状態で超電導コイルに通電すると、こんどは電
磁力によって超電導コイルが半径方向外側へ膨らむよう
に変形する。このため、超電導コイルと巻枠との界面に
おいて引張り応力が作用し、この引張り応力で樹脂の剥
離が生じ、この剥離時に発生する摩擦熱で超電導コイル
がクエンチ（常電導転移）することがあり、安定性に欠
ける問題があった。

【０００６】また、上記構成であると、超電導コイルの
内側に巻枠が存在しているので、巻枠によって超電導コ
イルの有効ボア径が制限され、装置としての応用性に欠
ける問題もあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の冷
凍機直結式の超電導磁石装置にあっては、超電導コイル
の安定性を確保することが本質的に困難であるばかり
か、超電導コイルの有効ボア径が制限されるので、装置
としての応用性に欠ける問題があった。そこで本発明
は、上述した不具合を解消できる冷凍機直結式の超電導
磁石装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る超電導磁石装置は、超電導コイルと、
良熱伝導部材で形成されて前記超電導コイルの外周面に
熱的に接続された吸熱部材と、冷却ステージを備え、こ
の冷却ステージで前記吸熱部材を伝導冷却する冷凍機と
を備えている。

【０００９】

【作用】本発明に係る超電導磁石装置では、超電導コイ
ルを製作する時に用いた巻枠が取り除かれている。今、
吸熱部材が超電導コイルの外周面をほぼ覆う筒状に形成
されており、樹脂含浸によって超電導コイルと吸熱部材
とが一体化されているものとすると、吸熱部材を介して
伝導で超電導コイルを極低温に冷却した時およびこの状
態で超電導コイルに通電した時に次のような現象が起こ
る。すなわち、吸熱部材を介して超電導コイルが極低温
に冷却されると、超電導コイルが超電導状態に転移す
る。このとき、吸熱部材と超電導コイルとは共に半径方
向に熱収縮する。この状態で超電導コイルに通電する
と、こんどは電磁力によって超電導コイルが半径方向外
側へ膨らむように変形する。このため、超電導コイルと
吸熱部材との界面には圧縮応力が作用し、上記界面での
樹脂の剥離が生じ難い状態となる。したがって、超電導
コイルへの通電時に起こり易いクエンチを効果的に防止
することが可能となる。

【００１０】また、超電導コイルの内側に巻枠が存在し
ていないので、超電導コイルの有効ボア径が制限される
ことがなく、装置としての応用性を拡大することが可能
となる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明の一実施例に係る超電導磁石装置の
概略構成が示されている。この超電導磁石装置は、大き
く別けて、内部が真空雰囲気となるように排気された真
空容器１を備えている。真空容器１は、たとえばステン
レス鋼などの非磁性材で形成されている。真空容器１の
上壁２および下壁３には、それぞれ孔４ａ，４ｂが対向
関係に設けてあり、これらの孔４ａ，４ｂを連通させる
ようにステンレス鋼などの非磁性材で形成された筒体５
の両端部が上壁２および下壁３の内面に気密に接続され
ている。したがって、筒体５の内側は大気圧に、外側は
真空雰囲気に保持されている。

【００１２】筒体５の回りで真空雰囲気中には、筒体５
とは非接触に、かつ筒体５と同心的に超電導コイル６が
配置されており、この超電導コイル６は吸熱部材７を介
して熱伝導部材８に熱的に接続されている。そして、熱
伝導部材８は極低温用冷凍機、この例ではギホード・マ
クマホン型冷凍機（以後、ＧＭ冷凍機と略称する。）９
の冷却ステージに接続されている。

【００１３】ＧＭ冷凍機９は、30K 程度に冷却される第
１段冷却ステージ１０と、4K以下程度（超電導線材の超
電導転移温度以下）に冷却される第２段冷却ステージ１
１とを備えており、各冷却ステージが真空容器１内に位
置するように真空容器１の上壁２に設けられた図示しな
い装着孔を使って真空容器１に取り付けられている。そ
して、第２段冷却ステージ１１に熱伝導部材８が熱的お
よび機械的に接続されている。

【００１４】超電導コイル６，吸熱部材７および熱伝導
部材８は、具体的には、図２および図３に示すように構
成されている。すなわち、超電導コイル６は、この例の
場合、電気絶縁材で被覆されたＮｂＴｉ合金などの金属
系超電導線、電気絶縁材で被覆されたＮｂ₃ Ｓｎなどの
化合物系超電導線あるいは酸化物超電導線で形成されて
いる。具体的には、これらの超電導線を巻枠の外周に所
定回数巻回した後に、エポキシ樹脂のように熱伝導率の
比較的良い樹脂を含浸して硬化させ、その後に巻枠の全
部を取り去り、全体が所定精度の円筒形状となるように
成形したものとなっている。

【００１５】吸熱部材７は、銅やアルミニウムなどの良
熱伝導金属材で内径が超電導コイル６の外径より所定だ
け大きく、かつ軸方向長さが超電導コイル６のそれより
若干長い円筒状に形成された筒状部１２と、この筒状部
１２の一端側内面に内側に突出するように筒状部１２と
一体に形成された環状部１３とで構成されている。な
お、筒状部１２と環状部１３とには、これらに周方向の
渦電流通路が形成されないようにするために、軸方向に
延びる切込み１４が形成されている。また、環状部１３
の幅は、超電導コイル６の半径方向の厚みｔの数分の１
に設定されている。

【００１６】このように構成された吸熱部材７内に、図
３に示すように、超電導コイル６が挿入され、この状態
で超電導コイル６と筒状部１２および環状部１３とがエ
ポキシ樹脂などの含浸樹脂層１５によって接着固定され
ている。

【００１７】一方、熱伝導部材８は、図２に示すよう
に、銅やアルミニウムなどの良熱伝導金属材で外径が筒
状部１２の外径と同程度に、内径が環状部１３の内径よ
り所定だけ大きい環状に形成された部分１６と、この部
分１６から一体に延びる部分１７とで構成されている。
なお、部分１６には、この部分に周方向の渦電流通路が
形成されないようにするために、切込み１８が形成され
ている。

【００１８】このように形成された熱伝導部材８は、吸
熱部材７に設けられた切込み１４に切込み１８を合せる
ようにして部分１６が環状部１３の外面に当てがわれ、
この状態で部分１６が環状部１３に対してねじ止めされ
ている。すなわち、上記ねじ止めによって部分１６と環
状部１３とが熱的および機械的に接続されている。そし
て、部分１７が前述したＧＭ冷凍機９の第２段冷却ステ
ージ１１に熱的および機械的に接続されている。

【００１９】上記構成から判るように、超電導コイル６
は、吸熱部材７および熱伝導部材８を介してＧＭ冷凍機
９の第２段冷却ステージ１１に熱的に接続され、かつそ
の荷重が吸熱部材７および熱伝導部材８を介してＧＭ冷
凍機９によって支持されている。

【００２０】なお、図１では外部から超電導コイル６へ
通電するための電流リード系統や真空容器構成壁からの
輻射による熱侵入を防止するための熱シールド板や真空
排気系などの本発明に直接関係ない要素が省略されてい
る。

【００２１】このような構成であると、ＧＭ冷凍機９を
運転開始させると、このＧＭ冷凍機９の第１段および第
２段冷却ステージ１０，１１が温度低下する。この結
果、超電導コイル６，吸熱部材７および熱伝導部材８の
顕熱が伝導によって第２段冷却ステージ１１に伝わり、
この第２段冷却ステージ１１を介してＧＭ冷凍機９によ
って吸収される。したがって、これらが徐々に冷却され
る。そして、最終的に、これら超電導コイル６，吸熱部
材７，熱伝導部材８は、第２段冷却ステージ１１の最低
到達温度に近い温度、つまり4K以下に冷却される。

【００２２】このように超電導コイル６および吸熱部材
７が極低温に冷却されると、これらは熱収縮する。ま
た、この温度では、超電導コイル６を形成している線材
が超電導状態に転移する。

【００２３】この状態で超電導コイル６への励磁を開始
し、目標レベルに向けて電流値を徐々に増加させていく
と、線間に生じる電磁力も徐々に大きくなる。この電磁
力は超電導コイル６を半径方向外側へ膨らませるような
力として作用する。

【００２４】この場合、超電導コイル６を半径方向外側
へ膨らませる力は、超電導コイル６と吸熱部材７との界
面に圧縮力として作用する。したがって、上記界面での
樹脂の剥離が生じ難い状態となる。また、もし剥離が生
じた場合でも、剥離位置が超電導コイル６の外周面近
く、つまり内周に比べて磁場の弱い場所（超電導線の臨
界電流は、通常、温度が高い程、また磁場が強い程小さ
くなる。）であるため、クエンチは起こり難い。さら
に、励（消）磁時に吸熱部材７および熱伝導部材８に渦
電流が流れようとするが、吸熱部材７を構成している筒
状部１２および環状部１３ならびに熱伝導部材８を構成
している部分１６が超電導コイル６の外周面近くの磁場
の弱い場所に位置しており、しかもこれらには周方向へ
の渦電流通路が形成されないようにするための切込み１
４，１８が設けられているので、渦電流を小さな値に抑
えることができ、渦電流による発熱でクエンチするのも
防止できる。したがって、超電導コイル６への通電時に
起こり易いクエンチを効果的に防止することが可能とな
る。

【００２５】また、上記構成であると、超電導コイル６
の内側に巻枠が存在していないので、超電導コイル６の
有効ボア径が制限されることがなく、装置としての応用
性を拡大することが可能となる。

【００２６】さらに、この実施例では、超電導コイル６
の荷重を吸熱部材７および熱伝導部材８を介してＧＭ冷
凍機９で支持させるようにしているので、構造を単純化
できる利点もある。

【００２７】このように構成された超電導磁石装置は、
理化学分析用のＮＭＲスペクトロメータや半導体単結晶
引上げ装置の磁場供給源として好適であるが、勿論、こ
れらの用途以外にも使用できる。そして、吸熱部材７の
各部肉厚および熱伝導部材８の肉厚は、使用している材
料、超電導コイル６の熱容量、輻射による熱侵入量、超
電導コイル６の重量等を考慮に入れて最適な値に設定さ
れる。

【００２８】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではなく、種々変形して実施することができ
る。たとえば、上述した実施例では、樹脂含浸した超電
導コイル６を予め作っておき、これを吸熱部材７の筒状
部１２内に挿入し、この状態で超電導コイル６と吸熱部
材７とを樹脂を使って含浸接着するようにしているが、
樹脂含浸していない超電導コイルを吸熱部材の筒状部内
に収容し、この状態で樹脂含浸して超電導コイルへの含
浸と吸熱部材に対する含浸接着とを同時に行うようにし
てもよい。このようにすると、製作工程数を減らすこと
ができる。また、含浸方式も、巻線後の含浸に限らず、
巻線層間にプリプレグガラス等の半硬化の繊維強化プラ
スチック（ＦＲＰ）を挟んで巻線した後、加熱して巻線
部を含浸体としてもよい。また、樹脂含浸した超伝導コ
イルと吸熱部材の筒状部とを、いわゆる焼きばめ方式で
嵌合させるようにしてもよいし、焼きばめ後に樹脂含浸
して超電導コイルと吸熱部材とを含浸接着するようにし
てもよい。

【００２９】また、図４に示すように、樹脂含浸した超
電導コイル６と吸熱部材７との間にインジウムリボンや
インジウムシート、またインジウムに代えてベリリウム
あるいはグリースなどのように接触熱抵抗を低減可能な
介在物１９を介在させるようにしてもよい。このように
すると、超電導コイル６と吸熱部材７との間の熱抵抗を
減らすことができる。

【００３０】また、図５に示すように、樹脂含浸した超
電導コイル６と吸熱部材７とを含浸接着あるいは超電導
コイル６と吸熱部材７との間にインジウムリボンやイン
ジウムシートなどの介在物１９を介在させた後で、常温
下において吸熱部材７の外周に巻線２０を施し、この巻
線２０の締付力で含浸樹脂層や介在物１９に予応力をか
けるようにしてもよい。このようにすると、極低温下に
おける熱収縮量の違いで超電導コイル６と吸熱部材７と
の間の熱抵抗が増加するのを防止することができる。

【００３１】また、図６に示すように、エポキシ樹脂と
の接着性のよいＦＲＰ製の巻枠を用いて巻線を行った後
にエポキシ樹脂の含浸を行ない、上記巻枠のフランジ部
２１ａ，２１ｂが残っている形の超電導コイル６ａを形
成し、この超電導コイル６ａを吸熱部材７の筒状部１２
に挿入して超電導コイル６ａと吸熱部材７とをエポキシ
樹脂等で含浸接着してもよい。このようにすると、ＦＲ
Ｐ製のフランジ部２１ａ，２１ｂの機械的強度が小さい
ので、超電導コイル６ａとフランジ部２１ａ，２１ｂと
の界面で剥離が生じても発生熱量が少なく、クエンチが
発生するようなことはない。また、フランジ部２１ａ，
２１ｂの存在によって超電導コイル６ａの機械的な保護
を図ることができる。

【００３２】また、図７に示すように、超電導線を巻回
してなる巻線部２２の外側に銅線やアルミニウム線ある
いは他の超電導線の等の良熱伝導線２３を調整巻線２４
として巻回し、これらに樹脂含浸した後に調整巻線２４
の外周部を切削加工して良熱伝導線２３を露出させてな
る超電導コイル６ｂを用意し、この超電導コイル６ｂと
吸熱部材７の筒状部１２とを、いわゆる焼きばめによっ
て嵌合させるようにしてもよいし、焼きばめ後に樹脂含
浸して超電導コイル６ｂと吸熱部材７とを含浸接着する
ようにしてもよい。また、超電導コイル６ｂと吸熱部材
７とを直接含浸接着したり、間に柔質金属、たとえばイ
ンジウムを介在させて接着したり、あるいはSUS バンド
により接着してもよい。

【００３３】また、図１に示す実施例では、超電導コイ
ル６の荷重およびこれに加わる力を吸熱部材７および熱
伝導部材８を介してＧＭ冷凍機９で支持させるようにし
ているが、図８に示すように、吸熱部材７の筒状部１２
と真空容器１の上壁２との間に断熱材製の吊りボルト２
５を設け、この吊りボルト２５とＧＭ冷凍機９とで支持
させるようにしてもよい。なお、この場合には、部分１
７だけを備えた熱伝導部材８ａの使用が可能となる。

【００３４】また、図１に示す実施例では、吸熱部材７
を構成している筒状部１２と環状部１３とに軸方向に延
びる切込み１４を設け、この切込み１４で周方向の渦電
流通路を断切っているが、図９(a) に示すように、切込
み１４に、たとえばステンレス鋼や窒化アルミニウム等
のように抵抗率が高く、かつ非磁性の部材を充填材２６
として充填し、これを筒状部１２および環状部１３に溶
接あるいはロウ付けすることによって、渦電流通路を遮
断した状態で吸熱部材７ａの機械的強度を確保するよう
にしてもよい。

【００３５】また、図９(b) に示すように、筒状部１２
と環状部１３とを抵抗率が高く、非磁性で、かつ機械的
強度の大きいステンレス鋼で形成し、これら筒状部１２
と環状部１３の内面にアルミニウムや銅等の良熱伝導層
２７をメッキ、蒸着、張合せ等によって周方向に少なく
とも１箇所の分離部２８が形成されるように設け、この
良熱伝導層２７を介して超電導コイルを冷却するように
した吸熱部材７ｂを用いてもよい。すなわち、この場合
には、伝導冷却を良熱伝導層２７で行わせ、機械的強度
保持を筒状部１２と環状部１３とで行わせている。そし
て、この場合には筒状部１２と環状部１３とに切込みを
設ける必要はなく、分離部２８によって渦電流通路が遮
断される。

【００３６】また、上述した各実施例は、超電導コイル
を１つだけ設けた例であるが、たとえば図１０に示すよ
うに、超電導コイル６を２つ設ける場合には、内側の超
電導コイル６を伝導冷却する吸熱部材７ｃに外側に向け
て突出する鍔部２９を一体に設け、外側の超電導コイル
６を伝導冷却する吸熱部材７ｄを鍔部２９に熱的、機械
的に接続し、吸熱部材７ｄを図示しない冷凍機の冷却ス
テージに熱的に接続すす構成を採用すればよい。この場
合、鍔部２９に半径方向に延びる切込みを周方向に複数
設けることによって渦電流による発熱を抑えることがで
きる。

【００３７】また、上述した各実施例では、超電導コイ
ルの外周面を介して超電導コイルを伝導冷却している
が、図１１(a) に示すように、巻線時に層間に良熱伝導
材で箔状、リボン状、網状等に形成された熱案内部材３
０を巻込んだものに樹脂含浸してなる超電導コイル６ｃ
を用い、上記熱案内部材３０を吸熱部材７ｅの環状部１
３ａに熱的に接触させることによって、筒状部１２ａお
よび熱案内部材３０を介して伝導で超電導コイル６ｃを
冷却するようにしてもよい。この場合には、外周面だけ
から冷却する場合に比べて冷却性能が向上するので、筒
状部１２ａの軸方向長さを短くでき、軽量化を図ること
ができる。なお、超電導コイルを形成している線材には
絶縁被覆が設けられているが、この線材と熱案内部材３
０との間の電気絶縁をより確かなものにするために、熱
案内部材３０の表面に絶縁被覆を設けるようにしてもよ
い。

【００３８】また、熱案内部材３０によって十分な冷却
性能が得られる場合には、図１１(b) に示すように、筒
状部の省略された吸熱部材７ｆの使用が可能である。ま
た、図１に示した例では、筒状部１２と環状部１３とを
備えた吸熱部材７を用いているが、図１２に示すよう
に、良熱伝導金属材で樋状に形成された部分３１と、一
端側が部分３１に熱的、機械的に接続された熱伝導部材
３２とを備えてなる吸熱部材７ｇを用いるようにしても
よい。この場合には、部分３１の凹面に対して超電導コ
イル６を樹脂等で含浸接着する。そして、実際に図示し
ない真空容器内に配置するに際しては、部分３１を下
に、超電導コイル６を上にし、超電導コイル６の軸心線
を水平にして超電導コイル６の伝導冷却と超電導コイル
６の荷重支持とを吸熱部材７ｇで行わせるようにしても
よい。また、比較的低磁場を発生させる場合には、超電
導コイルを酸化物系超電導線で形成することもできる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超電導コイルの安定性を確保できるとともに、超電導コ
イルのボア径の有効活用に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超電導磁石装置の概略
構成図

【図２】同装置における超電導コイル、吸熱部材および
熱伝導部材を取出して示す分解斜視図

【図３】同装置における超電導コイルと吸熱部材との熱
的結合構成を説明するための断面図

【図４】超電導コイルと吸熱部材との熱的結合構成の別
の例を説明するための断面図

【図５】超電導コイルと吸熱部材との熱的結合構成のさ
らに別の例を説明するための断面図

【図６】超電導コイルと吸熱部材との熱的結合構成の異
なる例を説明するための断面図

【図７】超電導コイルと吸熱部材との熱的結合構成のさ
らに異なる例を説明するための断面図

【図８】超電導コイルの荷重支持手段の別の例を示す断
面図

【図９】吸熱部材の変形例をそれぞれ示す上面図

【図１０】２個の超電導コイルを同心円状に配置する場
合の吸熱部材の構成例を局部的に示す断面図

【図１１】超電導コイルと吸熱部材との熱的結合構成の
変形例をそれぞれ説明するための局部的な断面図

【図１２】超電導コイルと吸熱部材との熱的結合構成の
別の変形例を説明するための局部的な斜視図

【符号の説明】

１…真空容器 ２…上壁 ３…下壁 ４ａ，４ｂ…孔 ５…筒体 ６，６ａ，６
ｂ，６ｃ…超電導コイル ７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ…吸熱
部材 ８，８ａ，３２…熱伝導部材 ９…ＧＭ冷凍機 １０…第１段冷却ステージ １１…第２段冷
却ステージ １２，１２ａ…筒状部 １３，１３ａ…
環状部 １４，１８…切込み １５…含浸樹脂
層 １６，１７…部分 １９…介在物 ２０…巻線 ２４…調整巻線 ２５…吊りボルト ２６…充填材 ２７…良熱伝導層 ２８…分離部 ２９…鍔部 ３０…熱案内部
材 ３１…樋状の部分

フロントページの続き (72)発明者 前田 秀明 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 中込 秀樹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 浦田 昌身 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導コイルと、良熱伝導部材で形成され
   て前記超電導コイルの外周面に熱的に接続された吸熱部
   材と、冷却ステージを備え、この冷却ステージで前記吸
   熱部材を伝導冷却する冷凍機とを具備してなることを特
   徴とする超電導磁石装置。
2. 【請求項２】前記吸熱部材は、前記超電導コイルの外周
   面をほぼ覆う筒状部を備えてなることを特徴とする請求
   項１に記載の超電導磁石装置。
3. 【請求項３】前記吸熱部材は、前記超電導コイルを支持
   する支持部材を兼ねていることを特徴とする請求項１に
   記載の超電導磁石装置。