(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルが収納された内槽が内部に収納される筒状のヒートシンクと、このヒートシンクの両端の開口部に設けられ無端状のヒートパイプの中間部が内部に貫挿された絶縁板を備えた超電導磁石。
【請求項２】
超電導コイルが収納された内槽が内部に収納される筒状のヒートシンクと、このヒートシンクの両端の開口部に設けられ無端状のヒートパイプの蛇行部の中間部が内部に埋設された絶縁板と、前記ヒートパイプの蛇行部の端部を前記ヒートシンクの側面に固定する押え板を備えた超電導磁石。
【請求項３】
超電導コイルが収納された内槽が内部に収納される筒状のヒートシンクと、このヒートシンクの両端の開口部に設けられ無端状のヒートパイプの偏平なコイル部の片側の中間部が内部に埋設された絶縁板と、前記ヒートパイプのコイル部の端部の片側を前記ヒートシンクの側面に固定する押え板を備えた超電導磁石。
【請求項４】
超電導コイルが収納された内槽が内部に収納されるシールドと、このシールドの両端の開口部に設けられる一対の絶縁板と、この一対の絶縁板の双方にわたって埋設されてループ状をなしヒートシンクで冷却される複数のヒートパイプを備えた超電導磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、特に、渦電流による温度上昇を抑えた超電導磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、磁気浮上式鉄道に採用される超電導磁石の内槽を収納する容器を構成する熱シールド板には、冷却効果を上げるために、熱伝達率に優れたアルミニウム板が採用されていた。
【０００３】
ところが、この容器では、超電導コイルで発生した磁界によって、渦電流が流れるので、最近では、絶縁樹脂に強化繊維を混入した積層板を採用して渦電流による温度上昇を防いでいる。さらに、この積層板の熱伝導率の低下を補うために、この積層板に対して冷却管を挿着する方法が試みられている。
【０００４】
図１４は、従来の超電導磁石の内槽を収納する容器に採用された熱シールド板の一例を示す図である。
図１４において、ガラス強化プラスチック（ＧＦＲＰ）材で製作された積層板３１には、ヘアピン状に蛇行して折り曲げられた冷却管３２が埋設されている。
【０００５】
この冷却管３２の両側に形成された曲線部は、積層板３１の両端に突き出ており、このうち、片側は、詳細省略したヒートシンク３３の内部に突き出ている。
【０００６】
冷却管３２の両端部は、別に設置された循環ポンプ３５に接続され、この冷却管３２の内部の冷媒は、積層板３１とヒートシンク３３の内部を蛇行し異なる方向交互に貫流することで、積層板３１を冷却する。
【０００７】
また、図１５は、図１４で示したヒートシンク３３の代りに、熱交換器３４が冷却管３２に直列に接続された場合を示し、この例では、積層板３１を冷却する冷媒は、熱交換器３４によって冷却された後、積層板３１の内部の冷却管３２に循環ポンプ３５で送り込まれる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このように構成された超電導磁石においては、冷却管３２の内部の冷媒を循環させるためには、循環ポンプ３５が必要となるので、例えば、磁気浮上式鉄道に採用される超電導コイルには、重量と占有空間の制約上採用できない。  そこで、本発明の目的は、重量や外形を増やすことなく、渦電流も防ぐことのできる超電導磁石を得ることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明の超電導磁石は、超電導コイルが収納された内槽が内部に収納される筒状のヒートシンクの両端の開口部に対して、無端状のヒートパイプの中間部が内部に貫挿された絶縁板を取り付けたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明の超電導磁石は、超電導コイルが収納された内槽が内部に収納される筒状のヒートシンクの両端の開口部に対して、無端状のヒートパイプの蛇行部の中間部が内部に埋設された絶縁板を固定し、ヒートパイプの蛇行部の端部をヒートシンクの側面に固定する押え板を設けたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明の超電導磁石は、超電導コイルが収納された内槽が内部に収納される筒状のヒートシンクの両端の開口部に対して、無端状のヒートパイプの偏平なコイル部の片側の中間部が内部に埋設された絶縁板を固定し、ヒートパイプのコイル部の端部の片側をヒートシンクの側面に固定する押え板を設けたことを特徴とする。
【００１２】
さらに、請求項４に記載の発明の超電導磁石は、超電導コイルが収納された内槽が内部に収納されるシールドと、このシールドの両端の開口部に設けられる一対の絶縁板と、この一対の絶縁板の双方にわたって埋設されてループ状をなしヒートシンクで冷却される複数のヒートパイプを備えたことを特徴とする。
【００１３】
【作用】
請求項１に記載の発明においては、超電導コイルで発生した磁束は、絶縁板及びこの絶縁板に貫挿されたヒートパイプと鎖交し、絶縁板とヒートパイプは、このヒートパイプの内部に注入された冷媒によって冷却される。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明においては、超電導コイルで発生した磁束は、絶縁板及びこの絶縁板に埋設されたヒートパイプの蛇行部と鎖交し、絶縁板とヒートパイプは、このヒートパイプの内部に注入された冷媒によって冷却され、この冷媒は、押え板を介してヒートシンクで冷却される。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明においては、超電導コイルで発生した磁束は、絶縁板及びこの絶縁板に片側の中間部が埋設されたヒートパイプと鎖交し、絶縁板とヒートパイプは、このヒートパイプの内部に注入された冷媒によって冷却され、この冷媒は、押え板を介してヒートシンクで冷却される。
【００１６】
さらに、請求項４に記載の発明においては、超電導コイルで発生した磁束は、絶縁板及びこの絶縁板に中間部の両側が貫通したヒートパイプと鎖交し、絶縁板とヒートパイプは、このヒートパイプの内部に注入された冷媒によって冷却され、この冷媒は、ヒートパイプの一端を冷却するヒートシンクで冷却される。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の超電導磁石の一実施例を図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、本発明の超電導磁石の第１の実施例を示す正面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図（但し、一部は右側面図）である。また、図２（ａ）は、図１（ａ）の前面図、図２（ｂ）は、図１の上端部の部分拡大斜視図である。
【００１８】
図１及び図２において、超電導コイル７を収納する中容器２の外側の容器４は、略長方形に組み立てられている。
すなわち、アルミニウム板で製作されたヒートシンク３は、図１（ｂ）に示すように、上下端がＵ字形に形成され、上下を挟む両側面も一体に形成されて、略角筒状となっている。
【００１９】
このヒートシンク３の両側には、以下説明するＧＦＲＰ材の積層板１がボルトで固定されている。また、ヒートシンク３の上下端の中央部には、同じくアルミニウム材の冷却パイプ１０が添設されている。
【００２０】
このうち、積層板１には、この積層板１の図５で後述する製造経程において、従来の技術で示した図１４及び図１５に示すように、複数のヘアピン状に湾曲形成されたヒートパイプ６の中央部が積層板１の中央部に埋設され、このヒートパイプ６の両端の湾曲部６ａは、積層板１の上下の端面から露出している。
ヒートパイプ６の上端の左右端は、接続管６ｂで互いに接続され、右端には、封じ切り用のバルブ１３が接続されている。
【００２１】
ヒートパイプ６の内部は、冷媒として液体窒素が注入され、内槽２の内部には、液体ヘリウムが封入されている。容器４と内槽２との間は、真空となっている。容器４とこの容器４の外側の外容器との間も、真空となっている。
【００２２】
積層板１の上下端には、アルミニウム板から製作された帯板状の押え板１１が設けられ、この押え板１１は、この押え板１１とシートヒンク３の両側に貫挿された複数のボルトによってヒートシンク３の両側に固定されている。この結果、ヒートパイプ６の湾曲部６ａと接続管６ｂは、押え板１１によってシートヒンク３に押圧されている。
【００２３】
なお、押え板１１とヒートシンク３の間には、押え板１１とヒートシンク３及びこの間のヒートパイプ６との熱伝導率を上げるために、あらかじめインジウムが挿入されている。
【００２４】
このように構成された超電導磁石においては、コイル７への通電によって発生した磁束は、左右の積層板１を貫通するが、従来のアルミニウム板材で製作された容器のような回路が形成されないので、高い超電力は発生せず、渦電流による損失、すなわち、温度上昇を防ぐことができる。
【００２５】
一方、積層板１は、この積層板１の内部に埋設されたヒートパイプ６の内部の液体窒素によって冷却され、この液体窒素は、上下の湾曲部６ａと接続部６ｂがヒートシンク３を介して冷却パイプ１０の液化窒素によって冷却される。また、ヒートパイプ６の上端で冷却された冷媒は、その重力による流下が円滑に行われる。
【００２６】
なお、上記実施例において、積層材１の内部の強化繊維は、ガラス繊維を使用した例で説明したが、ガラス繊維の代り炭素繊維を使ってＣＦＲＰ材の積層材としてもよい。
【００２７】
また、上記実施例において、ヒートパイプ６や冷却管１０は、断面が長方形の角管を用いてもよい。この場合には、曲げ部の形成の作業性は劣るが、ヒートシンク３の表面との接触面積を増やすことができるので、両者間の熱伝達率を上げることができる利点がある。
【００２８】
さらに、ヒートパイプ６の湾曲部６ａ，接続部６ｂや、冷却管１０とヒートシンク３との接触部分には、銀ろうで接続することで、熱伝達を更に良好にするとともに、この超電導コイルが車両などの振動を受ける用途に採用された場合の耐震性を上げるようにしてもよい。
【００２９】
次に、図３は、本発明の超電導磁石の第２の実施例を示す図で、（ａ）は図１に対応する正面図、（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図４は、図３（ａ）の前面図である。
図３及び図４において、図１及び図２と大きく異るところは、積層板１Ａに埋設されたヒートパイプ６Ａの湾曲形状である。
【００３０】
すなわち、図３及び図４に示したヒートパイプ６Ａは、断面が偏平なコイル状に形成され、このヒートパイプ６Ａの偏平部の片側が積層板１Ａに埋設され、他側は積層板１Ａの外側に露出している。
また、容器４Ａの底部は、両端が上方に折り曲げられてＵ字状をなすシールド底板１４で形成されている。
【００３１】
ヒートパイプ６Ａは、図３において左側の上端と右側の下端が、積層板１Ａの外側に配設された接続管６ｃで接続されている。その他、積層板１Ａの上端には、ヒートパイプ６Ａの上端をヒートシンク３の左右に固定する押え板１１が図１，図２と同様に設けられ、ヒートシンク３の上面に対して、冷却パイプ１０が添設されている。
【００３２】
このように構成された超電導磁石においては、ヒートパイプ６Ａのコイル部分の巻数を増やすことができるだけでなく、隣接したパイプを流れる冷媒の方向を同一とすることができるので、隣接したパイプ間における熱交換のおそれを解消することもできる。
また、ヒートパイプ６の上端で冷却された冷媒の重力による流下が円滑に行われる。
【００３３】
次に、図５（ａ）は、図３及び図４で示した積層板１Ａとヒートパイプ６の製造の過程を示す説明図で、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。また、図６（ａ）は、図３で示した積層板１Ａとヒートパイプ６Ａの単体を示す正面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。
【００３４】
図５（ａ），（ｂ）に示すように、積層板１Ａにヒートパイプ６Ａを埋設するときは、ガラスマットにエポキシ樹脂を含浸させた片側の積層材１ａの上面に所定の数と長さの細管１２を所定の間隔で重ねる。各細管１２の間にも幅の狭い積層材１ｂを重ね、この積層材１ｂの上に、積層材１ａと同一寸法の積層材１ｃを重ねる。
【００３５】
これらを加熱・乾燥して一体の板状にし接合し硬化させた後、各細管１２を折り曲げ、隣接した細管１２の上端にろう付する。最後に接続管６ｃと封じ切りバルブ１３を接続し、液体窒素を注入する。封じ切りバルブ１３は、なるべくヒートシンク３に近い部分に設けることにより、冷媒の封入作業の作業性を上げることができる。
【００３６】
次に、本発明の超電導磁石の第３の実施例を図７及び図８で説明する。このうち、図７（ａ）は、図１及び図３に対応する正面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＣ−Ｃ断面図、図８は、図７の前面図である。
【００３７】
図７及び図８においては、図３で示したヒートシンク３の代りに、両側が下側に折り曲げられたシールド上板１５で容器の上端が形成されている。
また、左右の積層板１Ｂの内部には、無端状の複数のヒートパイプ６Ｂの一部が、図９，図１０及び図１１で後述する方法で埋設されている。このヒートパイプ６Ｂの上端は、詳細省略した別置のヒートシンク３Ａの内部に突き出ている。このヒートシンク３Ａには、液体窒素が封入された熱交換器となっている。
この場合には、各ヒートパイプ６Ｂをヒートシンク３Ａで直接冷却することができるので、熱伝達効率が上がり、冷却効果を上げることができる。
【００３８】
次に、図９は、図７及び図８で示した積層板１Ｂとヒートパイプ６Ｂの製造の過程を示す説明図で、図５及び図６に対応する図である。
図９及び図１０に示すように、ガラスマットにエポキシ樹脂を含浸させた片側の積層材１ａの上面に所定の数と長さの細管１２を所定の間隔で重ねる。各細管１２の間にも幅の狭い積層材１ｂを重ね、この積層材１ｂの上に、積層材１ａと同一寸法の積層材１ｃを重ねる。
【００３９】
これらを加熱して一体の板状にし接合し硬化させた後、図１１の斜視図に示すように各細管１２の中央部分をＵ字状に折り曲げ、各細管１２の上端に対して図７（ｂ）で示す略Ｖ字状に折り曲けた細管をろう付する。
【００４０】
最後に、図示しない封じ切りバルブ１３を接続し、液体窒素を注入する。封じ切りバルブ１３は、なるべくヒートシンク３に近い部分に設けることにより、冷媒の封入作業の作業性を上げることができる。
このように構成された超電導磁石においても、ヒートパイプ６Ｂの数を増やすことができるので、冷却効果を上げることができる。
【００４１】
次に、図１２は、本発明の超電導磁石の第４の実施例を示す説明図である。
図１２は、図１から図８で示した超電導コイルにおいて、ヒートパイプ６，６Ａ，６Ｂの内部の冷媒の気相・凝縮・液化の相変化を促進させて、積層板１，１Ａ，１Ｂの冷却効果を上げる方法を示している。
【００４２】
なお、ヒートパイプ６の形状は、図１及び図２で示した超電導磁石に組み込んだ場合で示しているが、図３，４及び図７，８に示した超電導コイルに組み込んだヒートパイプについても同様である。
【００４３】
図１２においては、ヒートパイプ６とヒートシンク３を接続する細管のうち、右側の細管に対して、詳細省略した入熱部１６が接続されている。
この入熱部１６から伝達された熱によって、気相の冷媒の上昇速度を上げることで、冷媒の気相・凝縮・液化の相変化を促進させて、熱輸送の効率を上げることもできる。
【００４４】
また、図１３は、本発明の超電導コイルの第５の実施例を示す説明図で、図７で示した超電導コイルの各ヒートパイプ６Ｂの上端を冷却する手段として、図７で示したヒートシンク３Ａの一例として冷凍機８のコールドステージ９を利用した場合を示す。
【００４５】
この場合には、冷凍機８で冷却されたシートシンクを介して冷却される場合と比べて、直接冷却することができるので、熱伝達効率を上げることができる利点がある。
【００４６】
【発明の効果】
以上、請求項１に記載の発明によれば、超電導コイルが収納された内槽が内部に収納される筒状のヒートシンクの両端の開口部に対して、無端状のヒートパイプの中間部が内部に貫挿された絶縁板を取り付けることで、超電導コイルで発生した磁束を絶縁板及びこの絶縁板に貫挿されたヒートパイプと鎖交させ、絶縁板とヒートパイプをこのヒートパイプの内部に注入された冷媒によって冷却したので、重量や外形を増やすことなく、渦電流も防ぐことのできる超電導磁石を得ることができる。
【００４７】
また、請求項２に記載の発明によれば、超電導コイルが収納された内槽が内部に収納される筒状のヒートシンクの両端の開口部に対して、無端状のヒートパイプの蛇行部の中間部が内部に埋設された絶縁板を固定し、ヒートパイプの蛇行部の端部をヒートシンクの側面に固定する押え板を設けることで、超電導コイルで発生した磁束を絶縁板及びこの絶縁板に埋設されたヒートパイプの蛇行部と鎖交させ、絶縁板とヒートパイプをこのヒートパイプの内部に注入された冷媒によって冷却し、この冷媒は、押え板を介してヒートシンクで冷却したので、重量や外形を増やすことなく、渦電流も防ぐことのできる超電導磁石を得ることができる。
【００４８】
また、請求項３に記載の発明によれば、超電導コイルが収納された内槽が内部に収納される筒状のヒートシンクの両端の開口部に対して、無端状のヒートパイプの偏平なコイル部の片側の中間部が内部に埋設された絶縁板を固定し、ヒートパイプのコイル部の端部の片側をヒートシンクの側面に固定する押え板を設けることで、超電導コイルで発生した磁束を絶縁板及びこの絶縁板に片側の中間部が埋設されたヒートパイプと鎖交させ、絶縁板とヒートパイプをこのヒートパイプの内部に注入された冷媒によって冷却し、この冷媒は、押え板を介してヒートシンクで冷却したので、重量や外形を増やすことなく、渦電流も防ぐことのできる超電導磁石を得ることができる。
【００４９】
さらに、請求項４に記載の発明によれば、超電導コイルが収納された内槽が内部に収納されるシールドと、このシールドの両端の開口部に設けられる一対の絶縁板と、この一対の絶縁板の双方にわたって埋設されてループ状をなしヒートシンクで冷却される複数のヒートパイプを設けることで、超電導コイルで発生した磁束を絶縁板及びこの絶縁板に埋設されたヒートパイプと鎖交させ、絶縁板とヒートパイプをこのヒートパイプの内部に注入された冷媒によって冷却し、この冷媒は、ヒートパイプを冷却するヒートシンクによって冷却することによって、重量や外形を増やすことなく、渦電流も防ぐことのできる超電導磁石を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の超電導磁石の第１の実施例を示す正面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図。
【図２】（ａ）は、図１（ａ）の前面図、（ｂ）は、図１の部分拡大斜視図。
【図３】（ａ）は、本発明の超電導磁石の第２の実施例を示す正面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図。
【図４】図３（ａ）の前面図。
【図５】本発明の超電導磁石の製造過程を示す図で、（ａ）は半面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図。
【図６】本発明の超電導磁石の図５と異る製造過程を示す図で、（ａ）は半面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図。
【図７】本発明の超電導磁石の第３の実施例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図。
【図８】図７の前面図。
【図９】本発明の超電導磁石の第３の実施例の製造過程の第１の工程を示す平面図。
【図１０】本発明の超電導磁石の第３の実施例の製造過程の第２の工程を示す平面図。
【図１１】本発明の超電導磁石の第３の実施例の製造過程の第３の工程を示す斜視図。
【図１２】本発明の超電導磁石の第４の実施例を示す正面図。
【図１３】本発明の超電導磁石の第５の実施例を示す正面図。
【図１４】従来の超電導磁石の一例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図。
【図１５】従来の超電導磁石の図１４と異る一例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ…積層板、２…内槽、３，３Ａ…ヒートシンク、４，４Ａ…容器、６，６Ａ，６Ｂ…ヒートパイプ、７…超電導コイル、１０…冷却管、１１…押え板、１２…細管、１３…封じ切りバルブ、１４…シールド底板、１５…シールド上板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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