(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温に冷却保持される超電導コイルと室温にある電源とを電気的に接続し、かつ前記超電導コイルを永久電流モードに励磁するか又は永久電流モードを消磁するために用いる電流リードの中間部に組み込まれ、冷却手段によって当該電流リードを貫通する通電用導体を低温に保持する中間アンカーを備えた超電導磁石において、
前記中間アンカーを、ステンレス鋼よりも熱伝導性の良い胴部材とステンレス鋼の端部材との異材組合せにより構成したことを特徴とする超電導磁石。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導磁石において、前記冷却手段は冷却材を通流させる冷却材配管であって、前記中間アンカーの前記胴部材と当該冷却材配管とを熱学的に接続したことを特徴とする超電導磁石。
【請求項３】
請求項２に記載の超電導磁石において、前記中間アンカーの胴部材の内部に冷却ガスを流入させるために、前記冷却材配管から胴部材に通じる分岐管を設けたことを特徴とする超電導磁石。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の超電導磁石において、前記胴部材の内部に対して、前記電流リードの内部を貫通する通電用導体を熱伝導性の良い絶縁支持部材を介して支持したことを特徴とする超電導磁石。
【請求項５】
請求項４に記載の超電導磁石において、前記絶縁支持部材と前記胴部材の内部との接触部及び前記絶縁支持部材と前記通電用導体との接触部を低融点金属で接合したことを特徴とする超電導磁石。
【請求項６】
請求項４に記載の超電導磁石において、エチレンとメタクリル酸との重合体を主成分とする熱可塑性樹脂をＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチレン）の高分子フィルムの表面に設置し、この高分子フィルムを前記通電用導体の表面に巻きつけ、１２０℃程度の温度で数時間加熱保持し、その後に冷却する熱処理プロセスを実施し、当該熱可塑性樹脂を溶融、硬化させることによって前記通電用導体と高分子フィルムとを一体化したことを特徴とする超電導磁石。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれかに記載の超電導磁石において、前記胴部材の内部に対して前記通電用導体と前記絶縁支持部材とを押圧固定するための固定機構を設けたことを特徴とする超電導磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、極低温に冷却された超電導コイルと室温にある電源とを電気的に接続し、かつ超電導コイルを永久電流モードに励磁し、あるいは永久電流モードを消磁するために用いる電流リードの中間部に組み込まれ、冷却手段によって当該電流リードを貫通する通電用導体を低温に保持する中間アンカーを備えた超電導磁石として、図７に示す構造のものが広く知られている。
【０００３】
この従来の超電導磁石は、極低温状態で電気抵抗がゼロとなる超電導線を巻回して構成される超電導コイル１を収容している内槽容器２、超電導コイル１を低温状態に保持させる冷媒用の冷媒補給タンク３、外部からの輻射による熱侵入と電磁力を抑えるための輻射シールド板４、これらの各構成部材を収容し、かつ断熱状態に保持するために内部を真空状態にしている外槽容器５から構成されている。
【０００４】
そして超電導コイル１に通電するための通電用導体６を室温の電源から極低温の超電導コイル１まで導くために電流リード７が設置され、この電流リード７の中間部分には、当該電流リード７を貫通する通電用導体６を常温と低温との中間温度に保持する中間アンカー８が設置されていて、この中間アンカー８に対してその内部に液体窒素のような冷却材を通流させるために冷却材用配管９が接続されている。なお、１０は極低温冷却のための冷媒供給配管、１１は冷媒排出管である。
【０００５】
このような従来の超電導磁石にあって、非通電時の熱侵入量を小さくしつつ、通電時の通電用導体６のジュール発熱による導体６の温度上昇（熱侵入量）を小さくするため、電流リード７の通電用導体６の主要材料には黄銅、白銅、リン青銅、リン脱酸銅などの低純度銅を採用しているが、それでも、常温側から極低温側へ直接接続する構造にすると極低温側への熱侵入量が大きくなってしまう。
【０００６】
そこで従来から、液体窒素温度に保持した領域を電流リード７の中間部分に設け、超電導コイル１を励磁し、あるいは消磁する際の通電時のジュール熱のうち、少なくとも常温側での発熱は冷却材である液体窒素へ熱伝達されるようにする中間アンカー８を設け、この中間アンカー８に配管９を通じて冷却材としての液体窒素を通流させ、その内部で通電用導体６を液体窒素温度に冷却するようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の超電導磁石では、中間アンカー８を他の部分と同様にステンレス鋼で製作しているために、液体窒素が通流する配管９を接合したとしても熱伝導性が悪く（ステンレス鋼の熱伝導率λは８０Ｋで、大きくても６Ｗ／ｍ・Ｋ程度）、そのため、配管９と中間アンカー８との壁が数ミリ程度であっても熱抵抗が大きく、中間アンカー８の内部にある通電用導体６の温度を必ずしも液体窒素温度まで冷却することができず、その上、通電時の導体６のジュール発熱により表面温度が大幅に上昇して低温側への熱の侵入量が大きい問題点があった。
【０００８】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、中間アンカー部分での通電用導体の冷却性能を安定させ、通電時に低温側への熱侵入量を効果的に抑えることができる超電導磁石を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、極低温に冷却保持される超電導コイルと室温にある電源とを電気的に接続し、かつ前記超電導コイルを永久電流モードに励磁するか又は永久電流モードを消磁するために用いる電流リードの中間部に組み込まれ、冷却手段によって当該電流リードを貫通する通電用導体を低温に保持する中間アンカーを備えた超電導磁石において、前記中間アンカーを、ステンレス鋼よりも熱伝導性の良い胴部材とステンレス鋼の端部材との異材組合せにより構成したものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の超電導磁石において、前記冷却手段が冷却材を通流させる冷却材配管であって、前記中間アンカーの前記胴部材と当該冷却材配管とを熱学的に接続したものであり、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金のようなステンレス鋼よりも熱伝導性の良い材料で製作された胴部材を冷却材配管を通流する冷却材によって効果的に冷却し、その内部の通電用導体も効果的に冷却して低温側への熱侵入量を抑える。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２に記載の超電導磁石において、前記中間アンカーの胴部材の内部に冷却ガスを流入させるために、前記冷却材配管から胴部材に通じる分岐管を設けたものであり、中間アンカー内に冷却ガスを流入させることによって、熱伝導性の良い材料で製作された胴部材を効果的に冷却し、その内部の通電用導体も効果的に冷却して低温側への熱侵入量を抑える。
ことを特徴とする超電導磁石。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の超電導磁石において、前記胴部材の内部に対して、前記電流リードの内部を貫通する通電用導体を熱伝導性の良い絶縁支持部材を介して支持させることにより、胴部材に対して通電用導体を電気的に絶縁した状態で熱学的に接続し、通電用導体を効果的に冷却して低温側への熱侵入量を抑える。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項４に記載の超電導磁石において、前記絶縁支持部材と前記胴部材の内部との接触部及び前記絶縁支持部材と前記通電用導体との接触部を低融点金属で接合したものであり、絶縁支持部材と胴部材の内部との接触部及び絶縁支持部材と通電用導体との接触部を低融点金属によって密着させることにより、通電用導体を効果的に冷却して低温側への熱侵入量を抑える。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項４に記載の超電導磁石において、エチレンとメタクリル酸との重合体を主成分とする熱可塑性樹脂をＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチレン）の高分子フィルムの表面に設置し、この高分子フィルムを前記通電用導体の表面に巻きつけ、１２０℃程度の温度で数時間加熱保持し、その後に冷却する熱処理プロセスを実施し、当該熱可塑性樹脂を溶融、硬化させることによって前記通電用導体と高分子フィルムとを一体化したものであり、通電用導体とこれを固定支持する中間アンカーとの間の電気絶縁性が向上する。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項４〜６のいずれかに記載の超電導磁石において、前記胴部材の内部に対して前記通電用導体と前記絶縁支持部材とを押圧固定するための固定機構を設けたものであり、絶縁支持部材と胴部材の内部との接触部及び絶縁支持部材と通電用導体との接触部を確実に密着させることにより、通電用導体を効果的に冷却して低温側への熱侵入量を抑える。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１及び図２は本発明の１つの実施の形態の超電導磁石における中間アンカー８とその上下に接続された電流リード６との一部を示している。この実施の形態の超電導磁石全体の構造は、図７に示した従来例と共通であり、中間アンカー８の部分を図７のものから図１及び図２に示す実施の形態のものに置き換えた構成である。
【００１７】
中間アンカー８は、上下両端の端部材８ａとそれらの間の胴部材８ｂとの異材組合せによって容器に構成されている。両側の端部材８ａそれぞれはステンレス鋼製であり、同じステンレス鋼製の液体窒素配管９、電流リード７ｈｔ，７ｃｄ、そして導体冷却用ガス配管１３に接合されている。胴部材８ｂは、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金のような熱伝導性がステンレス鋼よりも優れた材料を素材とし、ステンレス鋼製の端部材８ａと上下端が一体的に接合されている。ここで、ステンレス鋼の熱伝導率λは８０Ｋで大きくても６Ｗ／ｍ・Ｋであるところが、例えば、アルミニウムでは８０Ｋで５００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、約１０倍近く、熱伝導率が高い。
【００１８】
中間アンカー８の上下の端部材８ａそれぞれに接続された電流リード７ｈｔ，７ｃｄには、その内部を通電用導体６が貫通している。この通電用導体６の中間部分が中間アンカー８の胴部材８ｂの冷却用空間８ｃに露出している。そして冷却用空間８ｃにおいて、その露出部分が胴部材８ｂの内部に絶縁支持部材１５によって支持され、その反対側からＦＲＰ製導体押え１６と皿バネ１７を介して締め付けネジ１８によって締め付けられている。絶縁支持部材１５は窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ダイヤモンドのような電気絶縁性で、かつ熱伝導性の良い素材によって製作されたものである。これにより、通電用導体６は機械的に固定されると共に、胴部材８ｂに対して熱学的に密着した構造となり、胴部材８ｂとの間で熱交換することによって効果的に冷却される。なお、ここで絶縁支持部材１５の胴部材８ｂとの接触部、また絶縁支持部材１５の通電用導体６との接触部１９にインジウム、インジウム−錫合金、錫、鉛、錫−鉛合金のような低融点金属を配することによってそれらの間での接触状態を改善し、熱の伝達をより良くすることができる。
【００１９】
中間アンカー８を跨ぐように配管された導体冷却用ガス配管１３は、その下端側は低温側電流リード７ｃｄのヘリウムガス通路２１に連通するようにこの電流リード７ｃｄと接続され、また上端側は常温側電流リード７ｈｔのヘリウムガス通路２２に連通するようにこの電流リード７ｈｔと接続されている。導体冷却用ガス配管１３の下側の分岐管１３ａは中間アンカー８の下側端部材８ａに接続され、胴部材８ｂ内に形成されている冷却用空間８ｃと連通している。
【００２０】
次に、上記の構成の超電導磁石の動作を説明する。液体窒素配管９を通じて液体窒素を中間アンカー８に流通させ、これによって特に熱伝導性の良い胴部材８ｂの部分を窒素液化温度近くに冷却する。これによって胴部材８ｂの内部に取り付けられている絶縁支持部材１５を熱伝導によって冷却し、またこの絶縁支持部材１５によって支持されている通電用導体６の中間露出部分を冷却する。
【００２１】
また、超電導コイル１を励磁するために通電用導体６に通電する際には、内槽容器２内で気化したヘリウムガスを低温側電流リード７ｃｄのヘリウムガス通路２１を通じて上昇させ、導体冷却用ガス配管１３に導き、この導体冷却用ガス配管１３を経て常温側電流リード７ｈｔのヘリウムガス通路２２に流がす。これによって、ヘリウムガスは導体冷却用ガス配管１３を流通する間に分岐管１３ａによって中間アンカー８の冷却用空間８ｃ内に流入し、この中間アンカー８の胴部材８ｂの部分を冷却し、また冷却用空間８ｃに露出している通電用導体６の中間部分も直接冷却し、ジュール発熱による熱を冷却する。
【００２２】
図３は、上記の構造の中間アンカーを組込んだ電流リードにおいて、超電導コイルを励磁するために、導体冷却用ガス配管１３にヘリウムガスを流しながら通電用導体６に通電を行った場合の中間アンカー部分の胴部材８ｂと通電導体６の温度の時間変化を示したものであり、図７に示した従来例の中間アンカーについても同時に測定した結果と対比して示している。
【００２３】
この図３のグラフから、本実施の形態の中間アンカー部分における胴部材８ｂと通電用導体６の温度は、通電開始からの時間経過に伴って、非通電時のレベルに比べて上昇するが、その大きさは従来例の上昇に比べて小さく、通電用導体６の中間部分に対する冷却安定性が改善されていることが分かる。
【００２４】
また図３のグラフから、電流リード内の通電用導体６に通電する際にヘリウムガスを通流させることによって通電用導体６の中間露出部分を極低温近くに冷却するが、胴部材８ｂの温度が８０Ｋよりも低くなることがないので、液体窒素配管９に通流させる液体窒素が氷結するような運用上の不都合も生じないことが分かる。
【００２５】
なお、中間アンカー８における胴部材８ｂとしては、上述したアルミニウムの他に、アルミニウム合金、銅、銅合金のような、ステンレス鋼よりも熱伝導率の高い金属材料を採用することができる。
【００２６】
また、上記の実施の形態では通電用導体６を１回路とした構成のものを示しているが、複数回路の構成にすることもできる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施の形態を図４に基づいて説明する。第２の実施の形態の特徴は、電流リード７ｈｔ，７ｃｄを貫通する通電用導体６における中間アンカー８内の露出部分に対して、その表面に高分子フィルム３１を巻きつけて被覆した点にある。その他の構成は、図１および図２に示した第１の実施の形態と共通する。
【００２８】
高分子フィルム３１の被覆は次のようにして行ったものである。通電用導体６の露出部分に、エチレンとメタクリル酸の重合体を主成分とする熱可塑性樹脂を設置したＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチレン）高分子フィルム３１を複数回巻きつけ、約１２０℃の温度で加熱することにより、熱可塑性樹脂を溶融させて通電用導体６と高分子フィルム３１との接着剤としての役割を担わせ、冷却により熱可塑性樹脂を硬化させ、各構成部材を固着、一体化するのである。
【００２９】
このような処理により、中間アンカー８に通電用導体６に対する所定の冷却性を確保しつつ、この中間アンカー８内に存在する通電用導体６と胴部材８ｂとの間の電気絶縁性を向上させることができる。
【００３０】
次に、本発明の第３の実施の形態を図５に基づいて説明する。第３の実施の形態の特徴は、第１の実施の形態と同様の異材組合せ構造の中間アンカー８に対して接続されていた液体窒素配管９を配管９ａ，９ｂに分けてそれぞれを中間アンカー８の両側の端部材８ａ，８ａそれぞれに接続し、中間アンカー８内においては、胴部材８ｂにこれらの配管９ａ，９ｂ間をつなぐＺ字形の経路９ｃを形成した点にある。したがって、この中間アンカー８自体を冷却するために、液体窒素が配管９ｂ→経路９ｃ→配管９ａと通流されることになる。
【００３１】
この第３実施の形態の場合、中間アンカー８内で液体窒素がＺ字形の経路９ｃを流れるので、熱伝導性の良い胴部材８ｂの全体を効果的に冷却することができ、したがって電流リード７ｈｔ，７ｃｄが水平形であってもその内部を貫通する通電用導体６の中間部分を効果的に冷却することができるようになる。
【００３２】
次に、本発明の第４の実施の形態を図６に基づいて説明する。第４の実施の形態の特徴は、中間アンカー８を冷却するために液体窒素を通流させる液体窒素配管９を通電用導体６の収容部分から分離して外付けとし、中間アンカー８の熱伝導性の良い胴部材８ｂに対して熱伝導性の良い接続板４０によって接続し、熱伝導によってこの胴部材８ｂの部分を冷却する構造とした点にある。接続板４０には熱伝導性の良い金属材料として胴部材８ｂと同様の材料を採用する。なお、胴部材８ｂに対する接続板４０の接続は、溶接４１による。
【００３３】
この実施の形態の場合にも、中間アンカー８を構成する熱伝導性の良い胴部材８ｂは液体窒素配管９に熱伝導性の良い接続板４１によって接続されているので効果的に冷却され、その内部を貫通する通電用導体６を良く冷却することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、中間アンカーを例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金のように、ステンレス鋼よりも熱伝導性の良い胴部材とステンレス鋼の端部材との異材組合せにより構成したので、その熱抵抗が低くでき、冷却手段により中間アンカー、そしてその内部の通電用導体を効果的に冷却して低温側への熱侵入量を抑えることができる。
【００３５】
請求項２の発明によれば、請求項１に記載の発明において、冷却手段が冷却材を通流させる冷却材配管であって、中間アンカーの胴部材と当該冷却材配管とを熱学的に接続したので、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金のようなステンレス鋼よりも熱伝導性の良い材料で製作された胴部材を冷却材配管を通流する冷却材によって効果的に冷却し、その内部の通電用導体も効果的に冷却して低温側への熱侵入量を抑えることができる。
【００３６】
請求項３の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明において、中間アンカーの胴部材の内部に冷却ガスを流入させるための接続管を設けたので、中間アンカー内に冷却ガスを流入させることによって、熱伝導性の良い材料で製作された胴部材を効果的に冷却し、その内部の通電用導体も効果的に冷却して低温側への熱侵入量を抑えることができる。
【００３７】
請求項４の発明によれば、中間アンカーの熱伝導性の良い胴部材の内部に対して通電用導体を絶縁支持部材で支持させることにより、胴部材に対して通電用導体を電気的に絶縁した状態で熱学的に接続し、通電用導体を効果的に冷却して低温側への熱侵入量を抑えることができる。
【００３８】
請求項５の発明によれば、絶縁支持部材と胴部材の内部との接触部及び絶縁支持部材と通電用導体との接触部を低融点金属によって密着させ、通電用導体を効果的に冷却して低温側への熱侵入量を抑えることができる。
【００３９】
請求項６の発明によれば、請求項４に記載の発明において、エチレンとメタクリル酸との重合体を主成分とする熱可塑性樹脂をＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチレン）の高分子フィルムの表面に設置し、この高分子フィルムを通電用導体の表面に巻きつけ、１２０℃程度の温度で数時間加熱保持し、その後に冷却する熱処理プロセスを実施し、当該熱可塑性樹脂を溶融、硬化させることによって通電用導体と高分子フィルムとを一体化しているので、通電用導体とこれを固定支持する中間アンカーとの間の電気絶縁性を向上させることができる。
【００４０】
請求項７の発明によれば、請求項４〜６のいずれかに記載の発明において、胴部材の内部に対して通電用導体と絶縁支持部材とを押圧固定するための固定機構を設けたものであり、絶縁支持部材と胴部材の内部との接触部及び絶縁支持部材と通電用導体との接触部を確実に密着させることにより相互の熱伝達を良好にし、通電用導体を効果的に冷却して低温側への熱侵入量を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における中間アンカー及びその周辺部分の正面図。
【図２】上記の実施の形態における中間アンカー及びその周辺部分の断面図。
【図３】上記の実施の形態による冷却性能を示すグラフ。
【図４】本発明の第２の実施の形態に使用する通電用導体の構造を示す断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態における中間アンカー及びその周辺部分の正面図。
【図６】本発明の第４の実施の形態における中間アンカー及びその周辺部分の斜視図。
【図７】従来例の断面図。
【符号の説明】
１  超電導コイル
２  内槽容器
５  外槽容器
６  通電用導体
７  電流リード
７ｈｔ  常温側電流リード
７ｃｄ  低温側電流リード
８  中間アンカー
８ａ  端部材
８ｂ  胴部材
８ｃ  冷却用空間
９  液体窒素配管
９ａ，９ｂ  液体窒素配管
９ｃ  経路
１３  導体冷却用ガス配管
１３ａ  分岐管
１５  絶縁支持部材
１６  導体押え
１７  皿バネ
１８  締め付けねじ
２１  ガス通路
２２  ガス通路
３１  高分子フィルム
４０  接続板
４１  溶接
【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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