(57)【要約】【課題】  高速に励磁することが可能な大型超電導磁石において、初期冷却時間を短縮すること。【解決手段】  少なくとも二つ以上の除熱機構が挿入された真空容器２５の中に超電導コイル１０１を配置し、超電導コイル１０１の巻線部１１とその周囲の巻枠１２をそれぞれ異なる伝熱路で冷却し、巻線部１１の伝熱路である熱良導体２０を巻線部１１から着脱可能とし、その巻線部１１から取り外した熱良導体２０は真空容器２５を経由してコイル巻線部１１に固体伝熱経路を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導磁石装置であって、
真空容器と、
第一及び第二の除熱機構と、
超電導の巻線部と、前記第二の除熱機構と接続された前記巻線部の巻枠とを有し、前記真空容器の中に配置された超電導コイルと、
前記第一の除熱機構と接続され、前記巻線部と接触及び非接触に駆動可能であり、前記巻線部の一部と接触した状態で前記第一の除熱機構により前記巻線部を除熱し、前記巻線部と非接触とした状態で前記真空容器に固定されるように構成された、第一の熱良導体と、
前記第一の熱良導体を前記巻線部と接触及び非接触に駆動するための支持体と、
を備えた超電導磁石装置。
【請求項２】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記第一の熱良導体は、前記真空容器の側にＯリング又は他の真空を保持する部材を有することを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項３】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記第一の熱良導体は、前記支持体と取り外し可能に締結されたことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項４】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記第一の熱良導体を前記支持体により前記巻線部に加圧する加圧機構を、
さらに備えたことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項５】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記真空容器の内面に、前記第一の熱良導体が前記巻線部と非接触に駆動された際の前記第一の熱良導体を固定し、真空を保持するための断熱層及び／又は固定部を、
さらに備えたことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項６】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記巻線部の外周面に接した伝熱抑制部材と、
前記伝熱抑制部材の外側に配置された第二の熱良導体と、
をさらに備えたことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項７】
請求項６に記載された超電導磁石装置であって、
前記第二の熱良導体は、周方向に不連続体となっていることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項８】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記第一の熱良導体は、内部に第一の冷媒流路を有し、
前記第一の除熱機構は、第一の冷媒を前記第一の冷媒流路に循環させることにより、前記第一の熱良導体を冷却することを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項９】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記巻枠は、内部に第二の冷媒流路を有し、
前記第二の除熱機構は、第二の冷媒を前記第二の冷媒流路に循環させることにより、前記巻枠を冷却することを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項１０】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記第一の熱良導体と前記巻線部の接触する断面において、前記第一の熱良導体の幅が前記巻線部よりも大きいことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項１１】
超電導磁石装置の励磁方法であって、
前記超電導磁石装置は、
真空容器と、
第一及び第二の除熱機構と、
超電導の巻線部と、前記第二の除熱機構と接続された前記巻線部の巻枠とを有し、前記真空容器の中に配置された超電導コイルと、
前記第一の除熱機構と接続され、前記巻線部と接触及び非接触に駆動可能であり、前記巻線部の一部と接触した状態で前記第一の除熱機構により前記巻線部を除熱し、前記巻線部と非接触とした状態で前記真空容器に固定されるように構成された、第一の熱良導体と、
前記第一の熱良導体を前記巻線部と接触及び非接触に駆動するための支持体と、
を備え、
前記第一の徐熱機構による前記巻線部の冷却時に、前記支持体により前記第一の熱良導体を前記巻線部に加圧して接触させ、
前記巻線部が運転温度に到達後、前記支持体により前記第一の熱良導体を前記巻線部と非接触として前記真空容器の面に設けられた断熱層に固定し、
前記巻線部に通電を開始する、
ことを特徴とする励磁方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載された励磁方法であって、
前記巻線部の冷却時に、前記第一の熱良導体を前記巻線部に加圧した後、前記第一の徐熱機構により前記第一の熱良導体の内部に設けられた第一の冷媒流路に第一の冷媒を循環させ、前記第一の徐熱機構により前記巻線部を冷却し
前記巻線部が予め定められた冷媒温度に到達後、前記第一の徐熱機構による第一の冷媒の循環を停止させ、
前記第一の熱良導体を前記巻線部と非接触として前記真空容器の面に設けられた断熱層に固定した後、前記第二の除熱機構により前記巻線部と接触した前記巻枠を介して前記巻線部を継続して冷却し、
前記巻線部が運転温度に到達後、前記巻線部に通電を開始する、
ことを特徴とする励磁方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載された励磁方法であって、
前記巻線部の冷却時に、前記第一の熱良導体を前記巻線部に加圧した後、前記第一の徐熱機構により前記第一の熱良導体の内に設けられた第一の冷媒流路に第一の冷媒を循環させ、
前記第二の徐熱機構により、前記巻枠の内部に設けられた第二の冷媒流路に第二の冷媒を循環させ、
前記巻線部が予め定められた温度に到達後、前記第一の徐熱機構による前記第一の熱良導体の内部の前記第一の冷媒流路の前記第一の冷媒の循環を停止させ、
前記第一の熱良導体を前記真空容器の面に設けられた断熱層に固定した後、前記第二の徐熱機構により前記巻枠の内部の前記第二の冷媒流路に第二の冷媒を継続して循環させ、
前記巻線部が運転温度に到達後、前記巻線部に通電を開始する、
ことを特徴とする励磁方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載された励磁方法であって、
前記第一の熱良導体を固定した後、前記第一の熱良導体に締結された前記支持体を取り外した後に、前記巻線部に通電を開始する励磁方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載された励磁方法であって、
前記第一の熱良導体を前記巻線部に荷重一定制御下で加圧して接触させることを特徴とする励磁方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導磁石装置及び超電導磁石装置の励磁方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、国際公開ＷＯ２０１５／１８９８８１号（特許文献１）がある。この公報には、「冷凍機に接続される熱良導体と、前記熱良導体と熱的に接触する超電導コイルと、前記超電導コイルの巻線部を前記熱良導体との間で挟み込む巻線部支持具と、前記熱良導体および前記超電導コイルを、常温から所定温度まで冷却する際における前記熱良導体および前記超電導コイルの巻線部の収縮量よりも大きい変位を与えることが可能な弾性体と、前記弾性体と接合し、かつ前記巻線部支持具と締結される締結具と、を有し、前記弾性体が前記巻線部の同一半径方向に対して、前記コイル巻線部の内周側と外周側との双方に少なくとも一つ以上配置される」（段落０００９）ようにした超電導磁石が記載されている。冷却後、超電導磁石を通電すると、その電流変化により渦電流発熱が誘起される。渦電流発熱は通電電流変化速度の二乗に比例して増加する。超電導磁石の冷却路には熱良導体の金属が用いられることが多く、その熱良導体は一般的に電気良導体であるため、渦電流発熱が大きくなる。そこで渦電流発熱を低減することを目的として、特許文献１には、図３に関して、「冷却後、超電導コイル１０１に電流を供給した際に磁場が発生し、その発生磁場によって誘起される渦電流によって温度上昇が生じる。絶縁材２３を入れることにより、渦電流密度を低減させることができる。」（段落００３２）と記載されている。
【０００３】
また、超電導コイル巻線部周囲の熱良導体を排除し、渦電流発熱を低減することが可能となる背景技術として、特開２０１５−１７９７９１号公報（特許文献２）がある。この公報には、「超電導磁石装置は、真空容器と、前記真空容器内に収納した超電導コイルと、前記超電導コイルを伝導冷却する冷凍機と、前記真空容器内で前記超電導コイルの周囲を覆う固体断熱層と、前記真空容器内で前記固体断熱層の周囲を覆うコイルケースと、前記コイルケースの表面の少なくとも一部に設けられ、かつ前記コイルケースよりも熱伝導率の高いケース用均熱部材と、前記真空容器内で前記コイルケース、前記ケース用均熱部材のいずれかと前記冷凍機とを熱的に接続する伝熱板と、を備えることを特徴とする。」（段落０００８）ということが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１５／１８９８８１号
【特許文献２】特開２０１５−１７９７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１にあるように、超電導コイル巻線部を冷却する熱良導体が不連続構造を有したとしても励磁速度は熱良導体の渦電流発熱により律速し得る。
一方で、特許文献２にあるように、超電導コイル巻線部を断熱層で覆うと、室温から超電導磁石装置の運転温度までの冷却に要する初期冷却時間が熱良導体と接している場合と比較して、十分に大きくなると想定される。さらに、その超電導磁石装置が大型化すると、質量に比例して、初期冷却時間はより長くなると想定される。
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、初期冷却時間を短縮できる超電導磁石装置及び超電導磁石装置の励磁方法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】
【０００７】
本発明の第１の解決手段によると、
超電導磁石装置であって、
真空容器と、
第一及び第二の除熱機構と、
超電導の巻線部と、前記第二の除熱機構と接続された前記巻線部の巻枠とを有し、前記真空容器の中に配置された超電導コイルと、
前記第一の除熱機構と接続され、前記巻線部と接触及び非接触に駆動可能であり、前記巻線部の一部と接触した状態で前記第一の除熱機構により前記巻線部を除熱し、前記巻線部と非接触とした状態で前記真空容器に固定されるように構成された、第一の熱良導体と、
前記第一の熱良導体を前記巻線部と接触及び非接触に駆動するための支持体と、
を備えた超電導磁石装置が提供される。
【０００８】
本発明の第２の解決手段によると、
超電導磁石装置の励磁方法であって、
前記超電導磁石装置は、
真空容器と、
第一及び第二の除熱機構と、
超電導の巻線部と、前記第二の除熱機構と接続された前記巻線部の巻枠とを有し、前記真空容器の中に配置された超電導コイルと、
前記第一の除熱機構と接続され、前記巻線部と接触及び非接触に駆動可能であり、前記巻線部の一部と接触した状態で前記第一の除熱機構により前記巻線部を除熱し、前記巻線部と非接触とした状態で前記真空容器に固定されるように構成された、第一の熱良導体と、
前記第一の熱良導体を前記巻線部と接触及び非接触に駆動するための支持体と、
を備え、
前記第一の徐熱機構による前記巻線部の冷却時に、前記支持体により前記第一の熱良導体を前記巻線部に加圧して接触させ、
前記巻線部が運転温度に到達後、前記支持体により前記第一の熱良導体を前記巻線部と非接触として前記真空容器の面に設けられた断熱層に固定し、
前記巻線部に通電を開始する、
ことを特徴とする励磁方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、初期冷却時間を短縮できる超電導磁石装置及び超電導磁石装置の励磁方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１における超電導磁石装置の構成図。
【図２】熱良導体と、それに締結された着脱式支持体の構成を示した図。
【図３】熱良導体と、それに締結された複数の着脱式支持体の構成を示した図。
【図４】本発明の実施例１において超電導磁石を、冷却して励磁するフローを示した図。
【図５】無酸素銅とステンレスの熱拡散率の違いを示した図。
【図６】本発明の実施例２における超電導磁石装置の構成図。
【図７】本発明の実施例３における超電導磁石装置の構成図。
【図８】本発明の実施例３において超電導磁石を、冷却して励磁するフローを示した図。
【図９】本発明の実施例４における超電導磁石装置の構成を示した図。
【図１０】本発明の実施例４において超電導磁石を、冷却して励磁するフローを示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．概要
本実施例は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「超電導磁石装置であって、少なくとも二つ以上の除熱機構が挿入された真空容器の中に超電導コイルが配置され、前記超電導コイルは巻線部とその周囲の低熱伝導部材から構成され、前記巻線部は一部を前記除熱機構と接続された熱良導体と接触されており、前記低熱伝導部材は前記除熱機構とは異なる除熱機構と、前記熱良導体と異なる熱良導体と接続され、前記巻線部と接触した前記熱良導体は前記巻線部から着脱可能であり、前記巻線部から取り外された前記熱良導体は前記真空容器を経由して前記コイル巻線部に固体伝熱経路を有すること」を特徴とする。
本実施例によると、特に高速励磁運転することが可能な大型超電導磁石に対して、室温からの冷却時間を低減することができる。
【００１２】
以下、実施例を、図面を用いて説明する。
Ｂ．超電導磁石装置
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の実施例１における超電導磁石装置の構成図である。図には、本実施例の超電導磁石装置１００の構成を示す断面図の例を示している。以下、本実施例の超電導磁石装置１００の主な構成を説明する。
超電導磁石装置１００は、超電導コイル１０１等を収納する真空容器２５と、励磁回路８１、二つの冷凍機１６、２３とそれぞれの冷凍機の駆動装置８０、８３、油圧機構２４とその油圧機構制御装置８２、それらの装置の制御信号を伝える信号線１０４、１０５、１０６、１０７および統合制御装置１０３、装置の状態を監視するモニタ１０２を備える。
【００１４】
次に、上述した各構成の役割と詳細な構成例を示す。
真空容器２５は容器外と超電導コイル１０１とを断熱する役割を担っている。真空容器２５の中には、締結された荷重支持体２６によって超電導コイル１０１の巻枠１２が固定される。図示していないが、真空容器２５は、真空ポンプで真空にするためのバルブを有しており、容器内を高真空（例えば、０．１ＭＰａ以下）の気圧にして用いられる。真空容器２５は、例えば、ステンレスやアルミ合金などの金属、または強化繊維プラスチック（ＦＲＰ）などから成る公知の極低温用真空容器を用いることができる。また、図示していないが、真空容器２５は、真空容器外からの輻射熱を低減するために、輻射シールドを用いた構成としてもよい。
励磁回路８１は、超電導磁石装置１００を励磁する役割を担っている。励磁回路８１には、励磁用の電源や超電導コイル１０１と並列な保護抵抗など、公知の超電導磁石装置用励磁回路を用いることができる。また、図１中では励磁回路８１は真空容器２５の外側に記載されているが、励磁回路８１の一部が真空容器２５の内部に配置されていてもよい。励磁回路８１は励磁配線８５と接続されており、電流端子１７、高温超電導パワーリード１３および励磁配線１４を介して超電導コイル巻線部１１に接続されている。
高温超電導パワーリード１３には、例えば、希土類系銅酸化物のバルク体やテープ形状線材からなる公知の高温超電導パワーリードを用いることができる。また、超電導コイル巻線部１１は、例えば、ニオブチタンやニオブ三スズ、二硼化マグネシウム、銅酸化物系の高温超電導導体など一般に市販されている超電導導体と樹脂から構成することができる。
【００１５】
冷凍機１６は、巻枠１２を冷却する役割を担っている。熱良導体１５は冷凍機１６と巻枠１２に締結もしくは接着されており、巻枠１２は熱良導体１５を介して冷却される。図中は熱良導体１５は一つだけ巻枠１２に接続されているが、その接続は周方向に複数個所あってもよい。
巻枠１２は極低温において電気伝導率が小さい材料からなる。巻枠１２は、例えば、ステンレスやアルミ合金などの金属、または強化繊維プラスチック（ＦＲＰ）などを用いることができる。
冷凍機２３は、超電導コイル巻線部１１を冷却する役割を担っている。熱良導体２１は冷凍機２３と熱良導体２０に締結もしくは接着されており、超電導コイル巻線部１１は熱良導体２１を介して冷却される。なお、超電導コイル巻線部１１は巻枠１２からも冷却されるが、主として熱良導体２０を介して冷却される。
熱良導体２０、２１、１５は、例えば、純アルミや無酸素銅などの金属やアルミナや窒化アルミなどのセラミクスを用いることができる。
冷凍機１６、２３は公知の冷凍機、例えば、ギンツブルグ-マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）やスターリング冷凍機、パルス管冷凍機などを含んだ構成とすることができ、それぞれ、冷凍機駆動配線８４、８７を介して駆動される。
冷凍機の駆動装置８０、８３には公知の冷凍機に付随した圧縮機や電源、制御装置などが含まれ、冷凍機駆動配線にはガス冷媒線や信号線が含まれる。
【００１６】
油圧機構２４は着脱式支持体２２を介して熱良導体２０を超電導コイル巻線部１１に押し当てる役割を担っている。油圧機構の制御装置８２によって着脱式支持体２２の圧力、および上下位置が制御される。油圧機構２４は、例えば０．１ＭＰａ以上の圧力が印加できれば超電導コイル巻線部の大きさに応じて空気圧もしくは電気制御による適宜の加圧機構を用いることができる。
【００１７】
図２は、熱良導体と、それに締結された着脱式支持体の構成を示した図である。図には、着脱式支持体２２と熱良導体２０の例を示す。熱良導体２０の厚さが十分な場合には中心位置に着脱式支持体２２が取り付けられる。また、熱良導体２０の天板側にはメタル製のＯリング８８およびねじ穴８９が構成されており、断熱層１８に熱良導体２０が固定された際に、真空容器２５内の真空が保持可能となっている（詳細は、後述の図４の説明等を参照。）。なお、Ｏリング８８のかわりに、適宜の真空を保持する部材を用いてもよい。
【００１８】
図３は、熱良導体と、それに締結された複数の着脱式支持体の構成を示した図である。図には、熱良導体２０の厚さが十分でない場合の着脱式支持体２０２と熱良導体２０３の例を示す。熱良導体２０３の天板側にはメタル製のＯリング２０８およびねじ穴２０９が構成されている。超電導コイル巻線部１１への熱良導体２０３の接触状態のばらつきを低減するために、着脱式支持体２０２は周方向に２本構成されている。この熱良導体２０３の形状と着脱式支持体２０２の本数は真空容器に出入りする熱量によって決まる。そのため、図３では周方向に２本の着脱式支持体２０２が記載されているが、その本数は２本より多くあってもよい。
【００１９】
次に、本実施例において、高速励磁運転することが可能な超電導磁石装置に対して、統合制御装置１０３を用いて室温からの冷却時間を低減させられる励磁方法を説明する。
図４は、本発明の実施例１において超電導磁石を、冷却して励磁するフローを示した図である。図には、超電導磁石装置１００を室温から冷却し、励磁するまでのフローを示す。
【００２０】
統合制御装置１０３は、真空中に配置された熱良導体２０と超電導コイル巻線部１１との間の熱抵抗を小さくするために、油圧機構２４より、荷重を印加し、例えば０．１ＭＰａ以上の圧力となるよう、荷重制御で熱良導体２０を超電導コイル巻線部１１に押し当てる（Ｓ１０１）。統合制御装置１０３は、荷重一定の制御下で二つの冷凍機１６、２３を駆動する（Ｓ１０２）。統合制御装置１０３は、冷却中、荷重を一定に制御することで、冷却される超電導コイル巻線部１１の熱収縮に追随して一定の面圧を印加することができる。荷重は、例えば油圧機構２４に含まれるロードセルなどの公知のセンサを利用して測定することができる。このとき巻枠１２は、例えば、ステンレスやアルミ合金、ＦＲＰのように熱伝導率が小さい材料から構成されているため、熱良導体２０と比べて熱拡散率が小さく、超電導コイル巻線部１１は主に冷凍機２３によって吸熱され、冷却される。その後、統合制御装置１０３は、超電導コイル巻線部１１の温度が超電導磁石装置１００の運転温度に到達するまで冷凍機１６、２３を駆動し、超電導コイル巻線部１１を冷却する（Ｓ１０３）。超電導コイル巻線部１１の温度計測素子は図１中に図示していないが、例えば公知の抵抗温度計や熱電対などを用いることができる。温度計測素子は、例えば超電導コイル巻線部１１の外周面などの表面に接着剤やアルミテープなどを介して貼りつけることができる。温度の計測信号は信号線を介して真空容器２５外の統合制御装置１０３に集約され、モニタ１０２で観察することができる。
【００２１】
超電導コイル巻線部１１の温度が運転温度に到達後、統合制御装置１０３は、油圧機構２４を使って熱良導体２０を超電導コイル巻線部１１から離し、上方向に移動する（Ｓ１０４）。油圧機構２４を使って、熱良導体２０を真空容器２５の天板に取り付けた断熱層１８に押し当てた状態で、真空容器２５の外側から熱良導体２０のねじ穴８９にボルト９０を締結する。このとき、必ずしも必要ないが、鈎状の熱良導体固定具２７で、熱良導体２０の荷重をサポートすることができる。また、熱良導体２０を真空容器２５の天板に押し付ける前にはボルト９０用の穴は例えばウィルソンシールなどの公知のシール方法により塞ぐことができる(Ｓ１０５)。ボルト締結後、統合制御装置１０３は、真空容器内への熱侵入量を低減するために着脱式支持体２２を取り外す（Ｓ１０６）。なお、着脱式支持体２２は真空容器２５から完全に取り外してもよいし一部挿入されたままとしておいてもよい。こうしてボルト９０を締結することにより、断熱層１８に熱良導体２０がＯリング８８を介して固定され、着脱式支持体２２の挿入穴又は着脱式支持体２２と真空容器２５のすき間をふさぎ、真空容器２５の真空を保持可能とする。フローには記載していないが、このステップにおいて、冷凍機２３を真空容器２５から取り外してもよい。なお、ボルト９０の締結、及び/又は、熱良導体固定具２７による固定、及び/又は、着脱式支持体２２の取り外しは、手作業で行ってもよいし、そのための駆動機構を設けることで統合制御装置１０３等により自動で行うようにしてもよい。
次に、統合制御装置１０３は、励磁回路８１内の励磁電源を作動し、超電導コイル巻線部１１を定格電流まで励磁する（Ｓ１０７）。励磁の際、超電導コイル１０１の電圧および温度を統合制御装置１０３で集約し、それらが所定の電圧・温度を超えた際には電流供給を遮断し、超電導コイル１０１内に蓄積されるエネルギーを励磁回路８１内の保護回路で消費するように制御されている。
上述のように、一連のフローを統合制御装置１０３によって制御するが、それぞれを個別に制御してもよい。
【００２２】
次に、熱良導体２０を超電導コイル巻線部１１に加圧して冷却する場合の効果について言及する。熱良導体を巻枠とする超電導コイルでは渦電流発熱が過大となってしまうため、高速に励磁することが求められる超電導磁石装置では、例えば、巻枠にステンレスなどの電気抵抗の小さい材料を使ってコイル巻線部への入熱量を低減する必要がある。
【００２３】
図５は、無酸素銅とステンレスの熱拡散率の違いを示した図である。図には、一例として、代表的な熱良導体である無酸素銅と、巻枠の構成材料となるステンレスの熱拡散率の違いを示す。熱拡散率は同じ厚みの材料から同じ熱量を吸収する際、その冷却速度に比例する値である。この例では、無酸素銅の熱拡散率は室温付近でステンレスの１０倍以上であり、極低温になるにつれて、その差は広がり、冷却速度が大きくなることを示している。
したがって、超電導コイル巻線部１１を熱良導体２０で冷却することは巻枠を介して冷却することよりも十分に冷却速度を向上させる効果を持つ。
また、冷却後、熱良導体２０を超電導コイル巻線部１１から離し、真空容器２５の表面に配置して励磁することの効果について言及する。熱良導体２０と超電導コイル１０１との距離を離すことによって超電導コイル１０１励磁中に熱良導体２０の中に磁束が侵入するが、変動磁場は小さくなり、それにともなって渦電流発熱は小さくなる。さらに熱良導体２０は断熱層１８および真空容器２５、荷重支持体２６を介して巻枠１２とつながっており、熱良導体２０で生じる渦電流発熱のうち、コイル巻線部１１への伝熱量は十分に小さくなる。
【実施例２】
【００２４】
本実施例では、周方向をより均一に冷却することが可能であり、定格電流通電中の超電導コイルの熱容量を高めることができる超電導磁石装置２００の例を説明する。
図６は、実施例２における超電導磁石装置２００を示す構成図の例である。
図６の超電導磁石装置２００のうち、既に説明した図１および図２に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明および図の一部を省略する。
【００２５】
本実施例の超電導磁石装置２００では、超電導コイル巻線部１１の周囲の構成が実施例１の超電導磁石装置１００の構成と異なる。
超電導コイル２０１の巻枠１２は荷重支持体２６によって真空容器２５に固定されている。その巻枠１２を軸として、超電導コイル巻線部１１が巻きまわされた構成となっている。超電導コイル巻線部１１の外周面は所定の厚みのある伝熱抑制部材１２２に接しており、さらに外側には熱良導体１２１が配置された構成となっている。熱良導体１２１が外側に配置されることで伝熱抑制部材１２２の外周面の温度勾配が抑制され、コイル巻線部１１が周方向にわたってより均一な温度となる。
伝熱抑制部材１２２は、例えば、熱伝導率の小さい材料であるステンレスやアルミ合金、ＦＲＰなどで形成することができる。
熱良導体１２１は励磁中の渦電流発熱を低減するために、周方向の複数個所で不連続となっていることが望ましい。
本実施例では熱良導体１２０は超電導コイル巻線部１１より径方向の幅が大きくなっている。また、例えば、図３に示すような熱良導体２０８を組み合わせることで、油圧駆動装置２４の加圧による片あたりが、抑制することができる。
【００２６】
次に、励磁中の副次的な効果について述べる。
超電導コイル２０１を励磁すると、超電導コイル巻線部１１は電磁力によって外側に広がろうとする。そのため、伝熱抑制部材１２２との熱抵抗が小さくなる。一定電流通電中の伝熱抑制部材１２２は一定の熱容量を持ち、発熱しないため、蓄冷材としての役割を果たす。したがって、停電等で冷凍機１６が停止したとしても、保冷時間が長くなり、超電導コイル２０１が通電中に常伝導転移するまでの時間を延ばすことができる。
【実施例３】
【００２７】
本実施例では、冷媒を循環することでコイル巻線部を冷却する超電導磁石装置３００の例を説明する。
図７は、実施例３における超電導磁石装置３００を示す構成図の例である。
図７の超電導磁石装置３００のうち、既に説明した図１および図２に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明および図の一部を省略する。
本実施例の超電導磁石装置３００では、超電導コイル巻線部１１を冷却する熱良導体３０２を冷媒で冷却させる方法と、それを実現する構成が実施例１の超電導磁石装置１００の構成と異なる。
室温からの冷却時、超電導コイル巻線部１１に押し当てられる熱良導体３０２の内部に熱良導体内冷媒流路３１を有する構成となっている。  
その熱良導体内冷媒流路３１を流れる冷媒の循環機構として冷媒循環装置３５、３９、冷媒流路３２、３６、３８、バルブ３４、３７を有する構成となっている。冷媒として、例えば液体窒素や液体ネオン、液体水素、液体ヘリウムなどの公知の極低温用冷媒を用いることができる。
【００２８】
図８は、本発明の実施例３において超電導磁石を、冷却して励磁するフローを示した図である。図には、超電導磁石装置３００の熱良導体３０２を、液体窒素を循環させて冷却し、励磁するまでのフローを示す。
統合制御装置１０３は、真空中に配置された熱良導体３０２と超電導コイル巻線部１１との間の熱抵抗を小さくするために、油圧機構２４より、荷重を印加する。統合制御装置１０３は、例えば０．１ＭＰａ以上の圧力となるよう、荷重制御で熱良導体３０２を超電導コイル巻線部１１に押し当てる（Ｓ３０１）。統合制御装置１０３は、荷重を一定に保った後、冷媒流路バルブ３４、３７を開放する（Ｓ３０２）。統合制御装置１０３は、冷媒循環装置３５、３９により液体窒素を挿入し、熱良導体３０２内冷媒流路３１を通過させる（Ｓ３０３）。冷媒循環装置３５、３９には、液体窒素容器や加圧装置、ポンプが含まれる。統合制御装置１０３は、信号線３０１を介して、加圧装置やポンプを制御する。冷媒循環開始後、統合制御装置１０３は、冷凍機１６の電源を入れ、巻枠１２からも冷却を開始する（Ｓ３０４）。超電導コイル巻線部１１の温度が液体窒素温度以下になったところでバルブ３４、３７を順に閉じる（Ｓ３０５）。その後、統合制御装置１０３は、油圧機構２４を使って熱良導体３０２を超電導コイル巻線部１１から離し、上方向に移動する（Ｓ３０６）。実施例１と同様に、真空容器２５の天板に取り付けた断熱層１８の表面に熱良導体３０２を固定し、熱良導体３０２のねじ穴８８にボルト９０を締結する(Ｓ３０７)。このとき、必ずしも必要ないが、鈎状の熱良導体固定具２７で、熱良導体２０の荷重をサポートすることができる。また、熱良導体２０を真空容器２５の天板に押し付ける前にはボルト９０用の穴は例えばウィルソンシールなどの公知のシール方法により塞ぐことができる。また、実施例１と同様に、ボルト締結後、真空容器内への熱侵入量を低減するために着脱式支持体２２を取り外す（Ｓ３０８）。統合制御装置１０３は、超電導コイル巻線部１１の温度が運転温度に到達するまで冷凍機１６による冷却を継続する（Ｓ３０９）。なお、統合制御装置１０３は、熱良導体３０２を断熱層１８に固定した後、真空容器外からの超電導コイル巻線部１１への輻射熱を低減するために、バルブ３４、３７を再度開放し、液体窒素を循環させ続けてもよい。なお、冷媒流路バルブ３４、３７の開閉は、手動で行ってもよいし、駆動機構を設けることで統合制御装置１０３等により自動で行うようにしてもよい。
運転温度に到達後、統合制御装置１０３は、励磁回路８１内の励磁電源を作動し、超電導コイル巻線部１１を定格電流まで励磁する（Ｓ３１０）。
【実施例４】
【００２９】
本実施例では、巻枠内に冷媒を循環することでコイル巻線部の冷却時間を短縮し、かつ定格電流運転時に熱容量の高い２つの超電導コイルから成る超電導磁石装置４００の例を説明する。
図９は、実施例４における超電導磁石装置４００を示す構成図の例である。
図９の超電導磁石装置４００のうち、既に説明した図１および図２、図７に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明および図の一部を省略する。
本実施例の超電導磁石装置４００の実施例１および実施例３の超電導磁石装置と異なる点は、超電導コイル巻線部１１の内周側の巻枠をなくし、冷媒が循環する巻枠４２−１、４２−２が超電導コイル巻線部１１−１、１１−２の外周側に配置され、かつ二つの超電導コイルが対向している点である。
【００３０】
図１０は、本発明の実施例４において超電導磁石を、冷却して励磁するフローを示した図である。図には、実施例４の励磁までのフローを示す。統合制御装置１０３は、真空中に配置された熱良導体３０２−１、３０２−２と超電導コイル巻線部１１−１、１１−２との間の熱抵抗を小さくするために、油圧機構２４より、荷重を印加する。統合制御装置１０３は、例えば、０．１ＭＰａ以上の圧力となるよう、荷重制御で熱良導体３０２−１、３０２−２を超電導コイル巻線部１１―１、１１−２に押し当てる（Ｓ３０１）。統合制御装置１０３は、荷重を一定に保った後、冷媒流路バルブ３４、３７を開放する（Ｓ３０２）。統合制御装置１０３は、冷媒循環装置３５、３９により液体窒素を挿入し、熱良導体３０２―１、３０２−２内冷媒流路３１―１、３１−２を通過させる（Ｓ３０３）。統合制御装置１０３は、バルブ４６、４７を開放し、冷媒循環装置４４を使って冷媒である液体ヘリウムを２つの超電導コイルの巻枠４２−１、４２−２に循環させる（Ｓ４０４）。冷媒循環装置４４には、液体ヘリウム容器や加圧装置、ポンプが含まれる。
超電導コイル巻線部１１―１、１１−２の温度が、例えば液体窒素の沸点の温度以下等の予め定められた温度になったところでバルブ３４、３７を順に閉じる（Ｓ３０５）。その後、統合制御装置１０３は、油圧機構２４を使って熱良導体３０２−１、３０２−２を超電導コイル巻線部１１―１、１１−２から離し、それぞれ上方向、下方向に移動する（Ｓ３０６）。実施例１と同様に、真空容器２５の天板に取り付けた断熱層１８の表面に熱良導体３０２を固定し、熱良導体３０２のねじ穴８８にボルト９０を締結する(Ｓ３０７)。このとき、必ずしも必要ないが、鈎状の熱良導体固定具２７で、熱良導体２０の荷重をサポートすることができる。また、熱良導体２０を真空容器２５の天板に押し付ける前にはボルト９０用の穴は例えばウィルソンシールなどの公知のシール方法により塞ぐことができる。また、実施例１と同様に、ボルト締結後、真空容器内への熱侵入量を低減するために着脱式支持体２２を取り外す（Ｓ３０８）。統合制御装置１０３は、バルブ４６、４７は開放したまま、液体ヘリウムを循環させ続け（Ｓ４０９）、超電導コイル巻線部１１―１、１１−２が運転温度に到達後、超電導コイル巻線部１１−１、１１−２を励磁する（Ｓ３１０）。
【００３１】
冷媒循環による冷却は公知の冷凍機による伝導冷却方式と比較して十分に冷却速度が速いことは公知技術であり、本実施例は、実施例１および３と比較して十分な効果を持つことは明らかである。本実施例では冷媒として液体ヘリウムを用いたが、液体窒素や液体ネオン、液体水素などの公知の極低温用冷媒を用いることができる。なお、熱良導体内冷媒流路３１−１、３１−２の冷媒の沸点以下の温度を沸点に持つ冷媒を巻枠内冷媒流路４１−１、４１−２に用いてもよい。
２つの超電導コイルをヘルムホルツ状に励磁すると、図９に示す電磁力の向き４３−１、４３−２に超電導コイル巻線部１１―１、１１−２が変位する。したがって、超電導コイル巻線部１１―１、１１−２から巻枠４２―１、４２−２への加圧力が大きくなり、その間の熱抵抗が小さくなる。定格運転中は通電電流が一定であり、巻枠４２―１、４２−２および冷媒は蓄冷材として働き、冷媒循環装置が停止した際に超電導コイル巻線部１１―１、１１−２の常伝導転移までの時間を延ばすことができる。
【００３２】
Ｃ．付記
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれている。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１１、１１−１、１１−２  超電導コイル巻線部
１２  巻枠
１３  高温超電導パワーリード
１４、８５  励磁配線
１５、２０、２１、１２０、１２１、２０３、３０２、３０２−１、３０２−２  熱良導体
１６、２３  冷凍機
１７  電流端子
１８  断熱層
２２、２２−１、２２−２、２０２  着脱式支持体
２４  油圧機構
２５  真空容器
２６、４５  荷重支持体
２７  熱良導体固定具
３１、３１−１，３１−２  熱良導体内冷媒流路
３２  ガイド
３３、３６、３８  冷媒流路
３４、３７，４６、４７  バルブ
３５、３９、４４  冷媒循環装置
４１−１、４１−２  巻枠内冷媒流路
４２、４２−１、４２−２  巻枠
４３  電磁力の向き
８０、８３  冷凍機駆動装置
８１  励磁回路
８２  油圧機構制御装置
８４、８７  冷凍機駆動配線
８６  油圧機構制御信号線
８８、２０８  Оリング
８９  ねじ穴
９０  ボルト
１００  超電導磁石装置
１０１、２０１  超電導コイル
１０２  モニタ
１０３  統合制御装置
１０４、１０５、１０６、１０７、３０１  信号線
１２２  伝熱抑制部材
【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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