(57)【要約】【課題】冷却の信頼性を維持すると共に、渦電流を低減させることができる超電導マグネットを提供する。【解決手段】超電導マグネット１は、環状の超電導コイル２と、超電導コイル２の軸方向の端部側に設けられ、伝熱によって超電導コイル２を冷却する環状の冷却部材１０と、を備えている。冷却部材１０は、冷却部材１０の内周側の端縁１１から冷却部材１０の径方向における中途位置まで所定の長さに亘り延在する内周側スリット部１２を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の超電導コイルと、
前記超電導コイルの軸方向の端部側に設けられ、伝熱によって前記超電導コイルを冷却する環状の冷却部材と、を備える超電導マグネットであって、
前記冷却部材は、前記冷却部材の内周側の端縁から前記冷却部材の径方向における中途位置まで所定の長さに亘り延在する内周側スリット部を有する、超電導マグネット。
【請求項２】
前記内周側スリット部は、周方向に所定の間隔を空けて複数設けられた第１のスリット部と、前記複数設けられた第１のスリット部同士の間に設けられ、前記第１のスリット部よりも短い第２のスリット部と、を有する、請求項１に記載の超電導マグネット。
【請求項３】
前記冷却部材は、前記冷却部材の外周側の端縁から前記冷却部材の径方向における中途位置まで延在する外周側スリット部を更に有する、請求項１又は２に記載の超電導マグネット。
【請求項４】
前記冷却部材は、前記内周側スリット部に接続されると共に前記内周側スリット部と交差する方向に延在する交差スリット部を更に有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導マグネット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルに接触させる冷却部材を備えた超電導マグネットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導マグネットとしては、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の超電導マグネットは、環状の超電導コイルと、超電導コイルに接触する環状の冷却部材と、冷却部材に接続された冷凍機とを備えている。この超電導マグネットでは、冷凍機によって冷却部材を介して超電導コイルを冷却させることにより超電導状態を生じさせる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７２７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、環状の超電導コイルの内側では磁束が発生し、この磁束の変化によって冷却部材に渦電流が生じることがある。この渦電流が大きい場合には冷却部材の電気抵抗に起因する発熱によって、超電導コイルのクエンチを引き起こす虞がある。そこで、冷却部材の渦電流を低減させる手法として、冷却部材を複数のスリットで切断することが挙げられる。このように冷却部材を複数のスリットで切断すると、切断した箇所で渦電流が遮断されるので、渦電流を小さくすることができる。しかしながら、冷却部材を複数のスリットで切断すると、冷却部材が分割され冷凍機と冷却部材との伝熱パスも切断されることとなり、スリットにより分割された冷却部材各々に対して接続される冷凍機の数が少なくなる。そのため、ある冷凍機の出力が低下した場合に局所的に冷却部材の温度が上昇してしまう虞があり、冷却の信頼性が低下する可能性がある。
【０００５】
本発明は、冷却の信頼性を維持すると共に、渦電流を低減させることができる超電導マグネット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】
【０００６】
本発明に係る超電導マグネットは、環状の超電導コイルと、超電導コイルの軸方向の端部側に設けられ、伝熱によって超電導コイルを冷却する環状の冷却部材と、を備える超電導マグネットであって、冷却部材は、冷却部材の内周側の端縁から冷却部材の径方向における中途位置まで所定の長さに亘り延在する内周側スリット部を有する。
【０００７】
ところで、環状の超電導コイルと環状の冷却部材とを備えた超電導マグネットにおいては、冷却部材の外周側よりも内周側に大きな渦電流が発生しやすい傾向がある。よって、本発明に係る超電導マグネットでは、冷却部材が内周側の端縁から冷却部材の径方向における中途位置まで所定の長さに亘り延在する内周側スリット部を有しているので、冷却部材の内周側に発生する大きな渦電流を遮断することで渦電流を効果的に低減させることができる。また、内周側スリット部は、冷却部材を切断するスリットとは異なり冷却部材の内周側にのみ形成されているので、冷凍機と冷却部材との伝熱パスは切断されない。よって、冷却部材に接続させる冷凍機の数を増やさなくても確実に冷却部材全体を冷却させることができるので、冷却の信頼性を維持することができる。
【０００８】
また、本発明に係る超電導マグネットにおいて、内周側スリット部は、周方向に所定の間隔を空けて複数設けられた第１のスリット部と、複数設けられた第１のスリット部同士の間に設けられ、第１のスリット部よりも短い第２のスリット部と、を有していてもよい。このように、より冷却が必要な箇所に第２のスリット部を設けることで、第２のスリット部近傍における渦電流をより効果的に低減させることができる。
【０００９】
また、冷却部材は、冷却部材の外周側の端縁から冷却部材の径方向における中途位置まで延在する外周側スリット部を更に有していてもよい。このように、内周側スリット部と外周側スリット部とを併用することによって、渦電流をより効果的に低減させることができる。
【００１０】
また、冷却部材は、内周側スリット部に接続されると共に内周側スリット部と交差する方向に延在する交差スリット部を更に有していてもよい。このような交差スリット部が設けられていると、交差スリット部近傍における渦電流が小さくなると共に複数の渦電流が互いに衝突しやすくなるので、全体としてより効果的に渦電流を低減させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、冷却の信頼性を維持すると共に、渦電流を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の超電導マグネットを示す斜視図である。
【図２】図１の超電導マグネットを示す平面図及びＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】図１中の冷却部材におけるスリット部を示す平面図である。
【図４】各冷却部材における電流の状態を示す図である。
【図５】第２実施形態の超電導マグネットの冷却部材を示す平面図である。
【図６】第３実施形態の超電導マグネットの冷却部材を示す平面図である。
【図７】図６の冷却部材におけるスリット部を示す平面図である。
【図８】第４実施形態の超電導マグネットの冷却部材を示す平面図である。
【図９】変形例の冷却部材におけるスリット部を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１〜図４を参照して第１実施形態に係る超電導マグネットについて説明する。まず、図１及び図２に示されるように、超電導マグネット１は、例えばシリコン単結晶引上装置等に適用されるものであり、図示省略する真空容器と、真空容器内に配置される円環状の超電導コイル２と、超電導コイル２を冷却する冷却構造３とを備えている。超電導マグネット１は、冷却構造３の伝導冷却によって超電導コイル２を冷却する。超電導マグネット１では、冷却構造３が超電導コイル２を超電導線材の転移温度以下まで冷却して超電導状態を生じさせると共に、図示省略する電源部が超電導コイル２に電流を印加することにより強力な磁束を超電導コイル２内に発生させる。この磁束は、超電導コイル２の内側で超電導コイル２の軸方向に延在している。
【００１５】
冷却構造３は、４個の冷凍機４と、各冷凍機４から超電導コイル２の軸方向に延在する４個の冷凍機接続伝熱ロッド５と、各冷凍機接続伝熱ロッド５に接続されると共に超電導コイル２の軸方向の端部側に設けられた円環状の冷却部材１０と、を備えている。
【００１６】
冷凍機４としては、例えば、ギフォードマクマホン式（ＧＭ式）の冷凍機を用いることができる。ＧＭ冷凍機は、モータの駆動によりディスプレーサがシリンダ内で往復運動するとともに、冷凍機コンプレッサから供給される高圧冷媒ガスを膨張させることにより寒冷を生じさせる。冷凍機接続伝熱ロッド５は、冷凍機４と冷却部材１０とを熱的に接続しており、冷凍機４が発生した寒冷は冷凍機接続伝熱ロッド５を介して冷却部材１０に伝達される。冷凍機４及び冷凍機接続伝熱ロッド５は、例えば、冷却部材１０の周方向に４等配に設けられている。
【００１７】
冷却部材１０は、伝熱によって超電導コイル２を冷却する環状の冷却プレートである。冷却部材１０は、超電導コイル２の軸方向の端部側において超電導コイル２の全周に亘って超電導コイル２に密着するように配置される。そのため、冷凍機４が超電導コイル２全体を効率よく冷却することができる。
【００１８】
ところで、上述のとおり、超電導コイル２の内側で発生する磁束の変化によって冷却部材１０には渦電流が生じる。そして、この渦電流が流れる際の冷却部材１０の電気抵抗に起因する発熱により冷却部材１０自体の温度が上昇する可能性がある。
【００１９】
そこで、本実施形態の冷却部材１０には、冷却部材１０の内周側の端縁１１から冷却部材１０の径方向における中途位置まで所定の長さに亘り延在する複数の内周側スリット部１２が設けられている。内周側スリット部１２は、例えば冷却部材１０の径方向に延びる矩形状の隙間（切れ目）であって、冷却部材１０の中心Ｏから冷却部材１０の径方向に延在する基準線Ｘに沿って設けられている。内周側スリット部１２は、冷却部材１０の内周側の端縁１１を径方向に切り欠くことで形成されるので、簡単に加工できる。また、内周側スリット部１２は、冷却部材１０の周方向に１２等配に設けられていてもよい。
【００２０】
なお、内周側スリット部１２は、基準線Ｘに対して傾いていてもよく、また湾曲していてもよい。また、内周側スリット部１２の形状は、矩形でなくてもよく、適宜変更可能である。また、１本の内周側スリット部１２に代えて、冷却部材１０を完全に切断するスリットを１本設けてもよい。更に、内周側スリット部１２は、冷却部材１０において、周方向に等間隔に３０度ずつずれた１２箇所の位置に配置されていたが、内周側スリット部１２の配置間隔も適宜変更可能である。また、内周側スリット部１２が設けられる間隔は等間隔でなくてもよい。
【００２１】
ところで、環状の超電導コイル２と環状の冷却部材１０とを備えた超電導マグネット１においては、冷却部材１０の外周側よりも内周側に大きな渦電流が発生しやすい傾向がある。よって、図４（ｂ）に示されるように、外周側の端縁から内側に向かって延在するスリット１１２を有する冷却部材１００においては、冷却部材１００の内周側が連通しているため、冷却部材１００の内周側に発生する大きな渦電流Ｃ２を低減することはできない。
【００２２】
これに対し、図４（ａ）に示されるように、内周側の端縁から外側に向かって延在する内周側スリット部１２を有する冷却部材１０においては、内周側スリット部１２により冷却部材１０の内周側に発生する大きな渦電流Ｃ１を遮断することができる。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）における細かい線は、各冷却部材における電流密度のベクトルを示している。
【００２３】
また、内周側スリット部１２は、冷却部材１０を完全に切断するスリットとは異なり冷却部材１０の内周側にのみ形成されているので、冷凍機４と冷却部材１０との伝熱パスは切断されない。すなわち、図３に示されるように、例えば内周側スリット部１２近傍において、伝熱パスは、冷却部材１０における内周側スリット部１２の径方向外側に位置する領域Ｂ１となっている。よって、内周側スリット部１２は冷却部材１０を熱的に分割しないため、超電導マグネット１においては、各々の冷凍機４が冷却部材１０全体を冷却することができる。すなわち、接続させる冷凍機４の数を増やさなくても確実に冷却部材１０全体を冷却させることができるので、冷却の信頼性を維持することができる。
【００２４】
なお、内周側スリット部１２を冷却部材１０の内周側から外周側に向けて貫通する複数の完全スリットと組み合わせて配置してもよい。例えば完全スリットを互いに１８０度離間するように配置し、その間に内周側スリット部１２を配置してもよい。
【００２５】
（第２実施形態）
次に第２実施形態に係る超電導マグネットについて図５を参照して説明する。第２実施形態に係る超電導マグネットは、第１実施形態と同様、超電導コイル２と、冷凍機４と、冷凍機接続伝熱ロッド５と、を備えている。第２実施形態の超電導マグネットが第１実施形態の超電導マグネット１と異なる点は、冷却部材１０に代えて、スリット部の構成が異なる冷却部材２０を用いた点のみである。よって、第２実施形態では、冷却部材２０について重点的に説明し、第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。
【００２６】
冷却部材２０は、第１実施形態の内周側スリット部１２と同様の内周側スリット部２２と、冷却部材２０の外周側の端縁２１から冷却部材２０の径方向における中途位置まで延在する外周側スリット部２３と、冷却部材２０を径方向に切断する切断スリット部２４と、を有している。外周側スリット部２３は、特に限定されるものではないが、例えば内周側スリット部２２と径方向において対向する位置に配置してもよい。つまり、内周側スリット部２２と外周側スリット部２３を同一の直線上に配置してもよい。
【００２７】
内周側スリット部２２及び外周側スリット部２３は、冷却部材２０において周方向に４５度ずつずれた７箇所の位置に配置されており、残りの１箇所の位置に切断スリット部２４が配置されている。内周側スリット部２２及び外周側スリット部２３における長さと幅は、例えば第１実施形態の内周側スリット部１２と同じとすることができるが、内周側スリット部２２と外周側スリット部２３が繋がらない態様であれば適宜変更可能である。
【００２８】
また、内周側スリット部２２の径方向外側以外の箇所に外周側スリット部を配置してもよい。例えば図９（ａ）に示される環状の冷却部材５０のように、内周側スリット部２２における周方向の位置からずれた位置に外周側スリット部５３を設けてもよい。すなわち、冷却部材５０の中心から径方向に延在し内周側スリット部２２が設けられている位置を通る基準線Ｘを避けた位置に、外周側スリット部５３が形成されていてもよい。このように、内周側スリット部２２と外周側スリット部５３とを周方向にずらして配置した場合には、内周側スリット部２２の長さと外周側スリット部５３の長さとの合計が冷却部材２０の径方向の幅より長くてもよい。
【００２９】
以上のように、第２実施形態の超電導マグネットにおいて、冷却部材２０は、内周側スリット部２２と外周側スリット部２３とを有している。そして、冷却部材２０における径方向の中央部分にスリットが無い領域Ｂ２が形成されており、この領域Ｂ２が各スリット近傍における伝熱パスとなっている。よって、第１実施形態と同様、冷却部材２０の内周側に発生する大きな渦電流Ｃ３を遮断することで渦電流を効果的に低減させることができる。さらに、外周側スリット部２３により、冷却部材２０の比較的外周側に発生する渦電流も低減することができる。このように、冷却部材２０における径方向の中央部分の領域Ｂ２に伝熱パスが位置しているので、冷却の信頼性を維持しながら、内周側及び外周側の両方に発生する渦電流を低減することが可能となっている。
【００３０】
（第３実施形態）
次に第３実施形態に係る超電導マグネットについて図６及び図７を参照して説明する。第３実施形態に係る超電導マグネットは、第１及び第２実施形態と同様、超電導コイル２と、冷凍機４と、冷凍機接続伝熱ロッド５とを備えており、スリット部の構成が異なる冷却部材３０を用いた点のみが第１及び第２実施形態と異なっている。よって、重複する説明を省略すると共に、冷却部材３０について重点的に説明する。
【００３１】
第３実施形態の冷却部材３０は、第２実施形態の冷却部材２０における内周側スリット部（第１のスリット部）２２の他に、内周側スリット部２２とは別の内周側スリット部（第２のスリット部）３２を備えている。第３実施形態では、説明の便宜上、内周側スリット部２２を第１の内周側スリット部２２、内周側スリット部３２を第２の内周側スリット部３２、と称して説明する。
【００３２】
冷却部材３０では、複数の第１の内周側スリット部２２が設けられている。例えば、第１の内周側スリット部２２は４５度間隔で配置される。そして、第１の内周側スリット部２２同士の間の領域である領域Ａに、第２の内周側スリット部３２が設けられている。冷却部材３０は、第２の内周側スリット部３２を有する点以外は第２実施形態の冷却部材２０と同一構成である。すなわち、冷却部材３０において、第１の内周側スリット部２２と第２の内周側スリット部３２は周方向に所定間隔毎に設けられている。そして、第２の内周側スリット部３２が設けられる間隔は第１の内周側スリット部２２が設けられる間隔よりも短くなっている。具体的には、第２の内周側スリット部３２は、第１の内周側スリット部２２の間で等間隔に３箇所に配置されている。
【００３３】
図７に示されるように、第１の内周側スリット部２２と第２の内周側スリット部３２は異なる長さと幅であってもよい。第１の内周側スリット部２２の径方向の長さを長さＬ１、第２の内周側スリット部３２の径方向の長さを長さＬ２とすると、Ｌ１はＬ２より長くてもよい。また、第２の内周側スリット部３２を複数配置してもよい。そして、第２の内周側スリット部３２同士の間隔は、第１の内周側スリット部２２同士の間隔より小さくてもよい。
【００３４】
以上のように、第３実施形態の超電導マグネットでは、周方向に所定の間隔を空けて複数設けられた第１の内周側スリット部２２と、領域Ａで周方向に所定の間隔を空けて設けられた第２の内周側スリット部３２とを有している。よって、第２実施形態と同様に渦電流Ｃ３を効果的に低減させることができる。また、第３実施形態では、第２の内周側スリット部３２を設けることにより、領域Ａでは、他の領域よりも各スリットの周方向の間隔が短くなっている。すなわち、領域Ａで第２の内周側スリット部３２が密集した構成となっている。
【００３５】
このように、例えば領域Ａのような、より冷却が必要な箇所に第２の内周側スリット部３２を設けることで、第２の内周側スリット部３２近傍における渦電流をより効果的に低減させることができる。例えば、冷凍機から遠い箇所、発熱量が大きい箇所、又は他の箇所に比べて磁場が高く超電導状態が崩れやすい箇所等、より冷却が必要な箇所で渦電流をより効果的に低減させることができる。
【００３６】
（第４実施形態）
次に第４実施形態に係る超電導マグネットについて図８を参照して説明する。第４実施形態に係る超電導マグネットは、第１〜第３実施形態と同様、超電導コイル２と、冷凍機４と、冷凍機接続伝熱ロッド５とを備えており、スリット部の構成が異なる冷却部材４０を用いた点のみが第１〜第３実施形態と異なっている。よって、重複する説明を省略すると共に、冷却部材４０について重点的に説明する。
【００３７】
第４実施形態の冷却部材４０は、第２実施形態の冷却部材２０における内周側スリット部２２と外周側スリット部２３の他に、内周側スリット部２２に接続される第１の交差スリット部４１と、外周側スリット部２３に接続される第２の交差スリット部４２と、を備えている。
【００３８】
第１の交差スリット部４１は、内周側スリット部２２の先端で内周側スリット部２２に直交する方向に延在しており、第１の交差スリット部４１と内周側スリット部２２とでＴ字状となっている。また、第２の交差スリット部４２は、外周側スリット部２３の先端で外周側スリット部２３に直交する方向に延在しており、第２の交差スリット部４２と外周側スリット部２３とでＴ字状となっている。
【００３９】
なお、第１及び第２の交差スリット部４１，４２のいずれか一方を省略してもよい。そして、例えば図９（ｂ）に示される冷却部材６０のように、交差スリット部４１に代えて、内周側スリット部２２の径方向における中途位置で内周側スリット部２２に交差する交差スリット部６１を設けてもよい。また、交差スリット部は内周側スリット部又は外周側スリット部に接続されていなくてもよく、更に、交差スリット部の延在方向や形状も適宜変更可能である。
【００４０】
以上のように、第４実施形態の超電導マグネットにおいて、冷却部材４０は、内周側スリット部２２と外周側スリット部２３とを有しているので、第２実施形態と同様に渦電流Ｃ３を効果的に低減させることができる。また、冷却部材４０は、内周側スリット部２２に接続されると共に内周側スリット部２２と交差する方向に延在する第１の交差スリット部４１と、外周側スリット部２３に接続されると共に外周側スリット部２３と交差する方向に延在する第２の交差スリット部４２とを有している。以上のような交差スリット部４１，４２が設けられていると、交差スリット部４１，４２近傍における渦電流Ｃ４が小さくなると共に複数の渦電流Ｃ４が互いに衝突しやすくなるので、全体としてより効果的に渦電流を低減させることができる。
【００４１】
以上、本発明に係る超電導マグネットの実施形態を説明したが、本発明に係る超電導マグネットは上記実施形態に記載されたものに限定されない。本発明に係る超電導マグネットは、各請求項に記載した要旨を変更しないように上記実施形態に係る超電導マグネットを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００４２】
例えば、上記各実施形態において、内周側スリット部及び外周側スリット部は冷却部材の径方向に延在していたが、内周側スリット部及び外周側スリット部の延在方向も適宜変更可能である。また、上記各スリット部に代えて、冷却部材を電気的に切断する絶縁部材を配置してもよい。
【００４３】
また、超電導マグネット１における冷凍機や冷凍機接続伝熱ロッドの構成、数及び配置態様についても適宜変更可能である。更に、上記実施形態では、シリコン単結晶引上装置に適用される超電導マグネット１について説明したが、本発明に係る超電導マグネットの構成や適用対象は上記に限定されず、例えば医療分野や先端工業の分野等、種々の場面で活用されるものであってもよい。
【００４４】
また、実施の形態では、冷凍機４と冷却部材とを直接接続する形態について説明したがこれに限られず、例えば冷凍機と冷却部材との間を液体ヘリウムなどの冷媒を介して熱的に接続してもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１…超電導マグネット、２…超電導コイル、１０，２０，３０，４０…冷却部材、１１，２１…端縁、１２…内周側スリット部、２２…内周側スリット部（第１のスリット部）、２３，５３…外周側スリット部、３２…内周側スリット部（第２のスリット部）、４１，４２，６１…交差スリット部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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４】
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