(57)【要約】【課題】本発明は装置外部から輻射熱を遮断する手段を有する超電導マグネット装置に関し、装置の小型化を図りつつ渦電流の発生を抑制することを課題とする。【解決手段】高温超電導材料を用いた超電導コイル１３と、超電導コイル１３に通電を行うための超電導電流リード１９と、超電導コイル１０３が超電導状態となるよう冷却処理を行う冷凍機１８と、超電導コイル１３を外部に対して熱シールドする熱シールド手段と、超電導コイル１０３を支持する荷重支持体１５とを有する超電導マグネット装置であって、熱シールド手段としてのＭＬＩ（多層断熱材）１６を超電導コイル１３の周囲に配設し、かつ、超電導電流リード１９及び荷重支持体１５と冷凍機１８とを熱的に接続するサーマルアンカ２０を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温超電導材料を用いた超電導コイルと、
前記超電導コイルに通電を行うための電流リードと、
前記超電導コイルが超電導状態となるよう冷却処理を行う冷却装置と、
前記超電導コイルを外部に対して熱シールドする熱シールド手段と、
前記超電導コイルを支持する荷重支持体とを有する超電導マグネット装置であって、
前記熱シールド手段を前記超電導コイルの周囲に配設された多層断熱材とし、
かつ、前記電流リード及び前記荷重支持体と前記冷却装置とを熱的に接続するサーマルアンカを設けたことを特徴とする超電導マグネット装置。
【請求項２】
前記超電導材料は、臨界温度が１０Ｋ以上１１０Ｋ以下の材料である請求項１記載の超電導マグネット装置。
【請求項３】
前記冷却装置は２段式の冷凍機であり、１段部分が前記サーマルアンカと熱的に接続し、２段部分が前記超電導コイルと熱的に接続されてなる請求項１又は２記載の超電導マグネット装置。
【請求項４】
前記超電導コイルで発生する磁場の均一化を図る鉄心を、少なくとも前記超電導コイルを囲繞するよう配設したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超電導マグネット装置。
【請求項５】
前記超電導材料は、Bi2223である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超電導マグネット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導マグネット装置に係り、特に装置外部から輻射熱を遮断する手段を有する超電導マグネット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一例である超電導マグネット装置を図３に示す。同図に示す超電導マグネット装置１００Ａは、真空容器１０２、超電導コイル１０３、伝熱部材１０４、荷重支持体１０５、熱シールド板１０７、及び冷凍機１０８等により構成されている。
【０００３】
真空容器１０２は気密容器であり、内部を真空としうる構成となっている。超電導コイル１０３は低温超電導線材で形成されており、例えば４Ｋ程度の超低温で超電導状態となるものである。
【０００４】
この超電導コイル１０３は、冷凍機１０８により冷却される。冷凍機１０８は２段式の冷凍機であり、１段目ステージ１０８ａは熱シールド板１０７に熱的に接続され、２段目ステージ１０８ｂは伝熱部材１０４を介して超電導コイル１０３と熱的に接続されている。
【０００５】
熱シールド板１０７は冷凍機１０８で冷却されることにより、装置外部から超電導コイル１０３に伝達される熱（輻射熱）を遮断する。この伝熱部材１０４及び熱シールド板１０７は、冷却効率を高めるため熱伝導率の大きい材料（銅、アルミニウム）を使用している。尚、これらの材料は、電気伝導率も大きい。
【０００６】
一方、超電導コイル１０３に通電する電流ラインは、真空容器１０２から後述する熱シールド板１０７までの間は電気伝導率の大きい材料（例えば、銅，アルミニウム等）が用いられている。これに対し、熱シールド板１０７から超電導コイル１０３の間は、熱侵入を抑制しうると共に大電流の通電が可能な超電導電流リード１０９が用いられている。
【０００７】
荷重支持体１０５は、高強度の絶縁材料（ＧＦＲＰ，ＣＦＲＰ等）で構成されている。この荷重支持体１０５は、常温の真空容器１０２から超電導コイル１０３に直接繋がるため超電導コイル１０３への熱Q1の侵入源となる。よって、この超電導コイル１０３への熱侵入を抑制するために、荷重支持体１０５は真空容器１０２と超電導コイル１０３の間に設置され、冷凍機１０８で冷却される熱シールド板１０７に熱的に接続されている。
【０００８】
尚、装置外部から超電導コイル１０３に伝達される熱（輻射熱）をより確実に遮断するため、熱シールド板１０７の外周に多層断熱材を配置した超電導マグネット装置も提供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１６７９２３号公報
【特許文献２】特開２００１−０４４０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、周知のように磁気変化により磁束変化が発生する領域では、当該領域内に金属部材が存在すると、その金属部材に渦電流が発生する。図４は、超電導コイル１０３及び熱シールド板１０７を模式的に拡大して示す図である。
【００１１】
同図に示すように、熱シールド板１０７は、超電導コイル１０３で発生する磁束が変化する領域に存在している。よって、超電導コイル１０３から発生する磁束φにより、熱シールド板１０７の単位時間(t)当たりの磁束変化dφ/dtが大きくなると、熱シールド板１０７に過大な渦電流Ｉが発生する。
【００１２】
このように、熱シールド板１０７に過大な渦電流Ｉが発生した場合、熱シールド板１０７が発熱して温度上昇を招く。熱シールド板１０７の温度が上昇すると、超電導電流リード１０９が十分に冷却できなくなる。
【００１３】
また、熱シールド板１０７の温度が上昇すると、荷重支持体１０５から超電導コイル１０３に向かう熱Q1が増大すると共に、熱シールド板１０７からの輻射熱も超電導コイル１０３に熱印加されることとなり、超電導コイル１０３に対する熱侵入量が増大する。そして、最悪の場合には、超電導電流リード１０９、超電導コイル１０３の超電導状態が維持できなくなり、磁場発生ができなくなるおそれがある。
【００１４】
これを回避し超電導コイル１０３及び超電導電流リード１０９の性能確保を図る方法としては、冷却用の冷凍機１０８の配置数を増やすことが考えられる。しかしながら、この方法では、製品コストの上昇、ランニングコストの増大、及び装置に大型化が生じてしまい現実的でない。
【００１５】
渦電流による熱シールド板１０７の発熱を回避する他の方法としては、熱シールド板１０７を磁束変化dφ/dtの小さい場所に配置することが考えられる。しかしながら、超電導マグネット装置１００Ａは小型化が望まれており、真空容器１０２内の磁束変化dφ/dtの小さい場所に熱シールド板１０７を配置すると、いわゆるデッドスペースが発生して装置が大型化してしまう。
【００１６】
特に、図５に示すような超電導コイル１０３を囲繞するように鉄心１１０を設けた超電導マグネット装置１００Ｂにおいては、装置の軽量化・コンパクト化を図るためには必然的に重量物である鉄心１１０を小さくする必要があり、この場合鉄心１１０内に形成される内部空間１１２も小さく（狭く）する必要がある。この場合、必然的に内部空間１１２に設けられる熱シールド板１０７を小さくする必要が生じ、熱シールド板１０７は磁束変化dφ/dtが大きい場所に配置せざるを得ない。
【００１７】
一方、熱シールド板１０７を完全に除去した場合には、超電導電流リード１０９が冷却不可で使用できなくなり、また荷重支持体１０５から超電導コイル１０３へ侵入する熱量Q1が増大し、これも現実的でない。
【００１８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図りつつ渦電流の発生を抑制した超電導マグネット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の課題は、第１の観点からは、
高温超電導材料を用いた超電導コイルと、
前記超電導コイルに通電を行うための電流リードと、
前記超電導コイルが超電導状態となるよう冷却処理を行う冷却装置と、
前記超電導コイルを外部に対して熱シールドする熱シールド手段と、
前記超電導コイルを支持する荷重支持体とを有する超電導マグネット装置であって、
前記熱シールド手段を前記超電導コイルの周囲に配設された多層断熱材とし、
かつ、前記電流リード及び前記荷重支持体と前記冷却装置とを熱的に接続するサーマルアンカを設けたことを特徴とする超電導マグネット装置により解決することができる。
【発明の効果】
【００２０】
開示の超電導マグネット装置によれば、超電導コイルの周囲に多層断熱材を配設することにより外部から超電導コイルへの熱侵入は抑制される。また、電流リード及び荷重支持体はサーマルアンカを介して冷却装置により冷却されるため、電流リード及び荷重支持体を介して外部の熱が超電導コイルに侵入することも防止される。よって、従来のように大型の熱シールドを設ける必要はなくなり、装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態である超電導マグネット装置の構成図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態である超電導マグネット装置の構成図である。
【図３】図３は、第１従来例である超電導マグネット装置の構成図である。
【図４】図４は、渦電流の発生を説明するための図である。
【図５】図５は、第２従来例である超電導マグネット装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の第１実施形態である超電導マグネット装置１０Ａを示している。同図に示す超電導マグネット装置１０Ａは冷凍機冷却式の超電導マグネット装置であり、例えば陽子線治療装置ガントリー用偏向電磁石に適用するものである。
【００２４】
超電導マグネット装置１０Ａは、大略すると真空容器１２、超電導コイル１３、多層断熱材１６（以下、ＭＬＩ１６という）、冷凍機１８、サーマルアンカ２０等を有している。
【００２５】
真空容器１２は気密容器であり、図示しない真空ポンプに接続されている。この真空ポンプが稼働することにより、真空容器１２の内部は真空状態とされる構成となっている。超電導コイル１３は、この真空容器１２の内部に配設される。
【００２６】
超電導コイル１３は高温超電導線材で形成されており、臨界温度が１０Ｋ以上１１０Ｋ以下の材料が選定されている。具体的には、超電導コイル１３の材料となる高温超電導線材としては、Bi2223，Bi2212，Y123，MgB2，鉄ニクタイド系材料，酸化物超伝導体等を用いることができ、特にBi2223を用いることが望ましい。この超電導コイル１３は、コイル巻枠１７に巻回された構成とされている。
【００２７】
ここで、低温超電導線材とは液体ヘリウム及びそれ以下の温度（4.2K以下）で常用する超電導線材をいい、同様に低温超電導マグネットとは液体ヘリウム及びそれ以下の温度（4.2K以下）で常用する超電導マグネットをいうものとする。また、高温超電導線材とは上記の低温超電導線材より高温の条件で常用する超電導線材をいい、同様に高温超電導マグネットとは、上記の低温超電導線マグネットより高温の条件で常用する超電導マグネットをいうものとする。
【００２８】
超電導コイル１３に対して給電を行う電流ラインは、真空容器１２からサーマルアンカ２０までの間は電気伝導率の大きい材料（例えば、銅，アルミニウム等）が用いられている。これに対し、サーマルアンカ２０から超電導コイル１３の間は、熱侵入を抑制しうると共に大電流の通電が可能な超電導電流リード１９が用いられている。
【００２９】
冷凍機１８は、真空容器１２に固定されている。本実施形態では、冷凍機１８としてギフォードマクマホン式（ＧＭ式）の冷凍機を用いている。このＧＭ式の冷凍機１８は内設されたモータを駆動させることにより、ディスプレーサがシリンダ内で往復移動する構成とされている。そして、このディスプレーサの往復移動により、図示しない冷凍機コンプレッサから供給される高圧冷媒を断熱膨張させ、これにより寒冷を発生させる構成とされている。
【００３０】
このＧＭ冷凍機１８は、１段目冷却シリンダと２段目冷却シリンダを有している。１段目冷却シリンダは１段目ステージ１８ａを有しており、また２段目冷却シリンダは２段目ステージ１８ｂを有している。１段目ステージ１８ａはサーマルアンカ２０に熱的に接続され、２段目ステージ１８ｂは伝熱部材１４を介して超電導コイル１３に熱的に接続されている。
【００３１】
そして、サーマルアンカ２０は１段目ステージ１８ａにより、２０Ｋ〜１１０Ｋ程度に冷却される。また伝熱部材１４は、２段目ステージ１８ｂにより１０Ｋ〜１１０Ｋ程度に冷却される。よって、サーマルアンカ２０に熱的に接続された超電導電流リード１９、及び伝熱部材１４に接続された超電導コイル１３は、冷凍機１８により冷却されることにより超電導状態を実現する。
【００３２】
サーマルアンカ２０は、前記のように超電導電流リード１９が熱的に接続されると共に、荷重支持体１５も熱的に接続されている。荷重支持体１５は、高強度の絶縁材料（ＧＦＲＰ，ＣＦＲＰ等）で構成されている。
【００３３】
この荷重支持体１５は、常温の真空容器１２から超電導コイル１３に直接繋がるため超電導コイル１３への熱の侵入源となる。よって、この超電導コイル１３への熱侵入を抑制するために、荷重支持体１５は冷凍機１８で冷却されるサーマルアンカ２０に熱的に接続されている。
【００３４】
サーマルアンカ２０は、超電導コイル１３の外周位置を囲繞するよう配設されている。即ち、サーマルアンカ２０は略環状の形状を有しており、真空容器１２と超電導コイル１３との間に位置するよう配設されている。
【００３５】
ここで、図１は断面図であるため、１段目ステージ１８ａに接続されたサーマルアンカ２０と、荷重支持体１５に接続されたサーマルアンカ２０が左右に別個に図示されている。しかしながら、サーマルアンカ２０は一体的構成であり、よって左右に図示された各サーマルアンカ２０は冷凍機１８により共に冷却される。このサーマルアンカ２０及び前記した伝熱部材１４は、冷却効率を高めるため熱伝導率の大きい材料（銅、アルミニウム）を使用している。
【００３６】
次に、ＭＬＩ１６について説明する。本実施形態では、超電導コイル１３を外部に対して熱シールドする熱シールド手段としてこのＭＬＩ１６を用いたことを特徴としている。このＭＬＩ１６は、超電導コイル１３の上部を覆うよう配設された上部ＭＬＩ１６ａと、超電導コイル１３の側部を覆うように配設された側部ＭＬＩ１６ｂと、超電導コイル１３の下部を覆うように配設された下部ＭＬＩ１６ｃとにより構成されている。この各上部，側部，下部ＭＬＩ１６ａ〜１６ｃを設けることにより、超電導コイル１３はその周囲をＭＬＩ１６に覆われた構成となる。
【００３７】
ＭＬＩ１６は、例えばポリエステルフィルムにアルミニウムを蒸着することにより放射率を低減されたアルミ蒸着フィルムと、ナイロンネット等のスペーサとを交互に積層した構造を有している。このＭＬＩ１６は、放射率が小さく、軽量であるため使用性は良好である。尚、超電導コイル１３に配設するＭＬＩ１６の配設数及び厚さ等は、超電導コイル１３の大きさや真空容器１２の容積等に基づき適宜設定される。
【００３８】
従来、前記したようにＭＬＩは、４Ｋ程度の極低温で臨界を実現する低温超電導コイル１０３を用いた超電導マグネット装置１００Ａ（図３参照）において、熱シールド板１０７の外周に配設することが行われていた。また、超電導コイル１０３に直接ＭＬＩを配設し熱シールド板１０７も配設することもあった。
【００３９】
しかし、低温超電導コイル１０３では、常温である外部からの輻射熱を超電導コイル１０３にＭＬＩを配設して遮断しようとした場合、多数のＭＬＩを積層配設する必要があり、装置が大型化して現実的でなった。
【００４０】
これに対して本実施形態では、超電導コイル１３の周囲に直接ＭＬＩ１６を直接配設し、シールド板１０７を除去すると共にサーマルアンカ２０を配設したことを特徴としている。上記のように通常は超電導コイルにＭＬＩを巻回することは想定し難いが、本実施形態では超電導コイル１３として低温超電導線材に対して臨界温度が高い高温超電導線材を用いたことに着目し、超電導コイル１３に直接ＭＬＩ１６及びサーマルアンカ２０を配設することを想到したものである。
【００４１】
このように、超電導コイル１３をＭＬＩ１６で覆い、外部に対して断熱することにより、外部からの輻射熱が超電導コイル１３に侵入することを抑制することができる。また、超電導状態とする必要がある超電導電流リード１９、及び外部からの熱侵入を防止する必要がある荷重支持体１５はサーマルアンカ２０に熱的に接続されており、このサーマルアンカ２０は冷凍機１８により冷却される構成とされている。
【００４２】
よって、熱シールド板１０７を設けることなく、超電導コイル１３及び超電導電流リード１９を超電導状態とすることができ、かつ荷重支持体１５から熱が超電導コイル１３に侵入することを抑制することができる。また、熱シールド板１０７が不要となることにより、超電導マグネット装置１０Ａの部品点数の削減及び小形化を図ることができる。
【００４３】
また、超電導コイル１３から発生する磁束φの磁束変化による渦電流については、ＭＬＩ１６は超電導コイル１３の磁束変化が発生する領域内に配設されるが、前記のようにＭＬＩ１６はアルミ蒸着フィルムとナイロンネット等のスペーサとを交互に積層した構造であり、よって渦電流が発生し難い構造となっている。このため、超電導コイル１３において単位時間当たりの磁束変化dφ/dtが大きくなっても、ＭＬＩ１６で発生する渦電流損失は無視できる程度となり、よって渦電流に起因した発熱も低減させることができる。
【００４４】
また、このように渦電流に伴う発熱が低減されることにより、少ない数の冷凍機１８で超電導コイル１３や超電導電流リード１９が性能を維持しうる温度に冷却することが可能となり、超電導マグネット装置１０Ａのランニングコストの低減を図ることができる。また、冷凍機１８の配設数を少なくできることにより、超電導マグネット装置１０Ａの小型化を図ることもできる。
【００４５】
図２は、本発明の第２実施形態である超電導マグネット装置１０Ｂを示している。尚、図２において、図１に示した構成と対応する構成については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００４６】
前記した第１実施形態に係る超電導マグネット装置１０Ａは、装置内部を真空とし装置外部からの熱侵入を防止するため、真空容器１２を設けた構成としていた。これに対して本実施形態に係る超電導マグネット装置１０Ｂは、真空容器１２に代えて鉄心３０を設けた構成とされている。この鉄心３０は超電導コイル１３で発生する磁束を案内するヨークとして機能し、よって鉄心３０を設けることにより超電導コイル１３で生成する磁束φの均一化を図ることができる。
【００４７】
前記したように、本実施形態のように超電導コイル１３を囲繞するように鉄心３０を設けた超電導マグネット装置１０Ｂは、装置の軽量化・コンパクト化を図るために必然的に重量物である鉄心３０を小さくする必要があり、よって鉄心３０内に形成される内部空間３１も小さく（狭く）する必要がある。
【００４８】
これに対し、本実施形態に係る超電導マグネット装置１０Ｂにおいても、超電導コイル１３にＭＬＩ１６が配設され、このＭＬＩ１６により輻射熱が超電導コイル１３に侵入するのを抑制している。また、性能を維持するために冷却が必要な超電導電流リード１９及び外部の熱の侵入を抑制するために冷却する必要がある荷重支持体１５は、いずれも冷凍機１８により冷却されるサーマルアンカ２０に熱的に接続されている。
【００４９】
よって、従来では鉄心１１０の内部空間１１２に配設されていた熱シールド板１０７（図５参照）を、本実施形態に係る超電導マグネット装置１０Ｂでは不要とすることができ、内部空間３１を小さく（狭く）することが可能となる。これにより、鉄心３０の小形化を図ることができ、延いては超電導マグネット装置１０Ｂの軽量化及び小形化を図ることができる。
【００５０】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。
【符号の説明】
【００５１】
１０Ａ，１０Ｂ  超電導マグネット装置
１２  真空容器
１３  超電導コイル
１４  伝熱部材
１５  荷重支持体
１６  ＭＬＩ（多層断熱材）
１８  冷凍機
１９  超電導電流リード
２０  サーマルアンカ
２０Ａ  リード用サーマルアンカ
２０Ｂ  支持体用サーマルアンカ
３０  鉄心
３１  内部空間
【図１】
2010258376.tif 000003
【図２】
2010258376.tif 000004
【図３】
2010258376.tif 000005
【図４】
2010258376.tif 000006
【図５】
2010258376.tif 000007