(57)【要約】      （修正有）【課題】永久電流モードを効率的に実現できる冷凍機冷却型超電導磁石の永久電流スイッチ装置を提供する。【解決手段】超電導磁石装置１は、低温側ならびに高温側冷却ステージ１０、２５を有する冷凍機４と、中空構造を有する管状の巻枠１５と、前記巻枠１５に超電導線が巻き回されて構成される永久電流スイッチ３と、前記巻枠を加熱可能なヒータ１６と、前記ヒータ１６の加熱によって熱膨張した前記巻枠１５に挿嵌可能であって、かつ前記巻枠１５よりも熱膨張係数が小さい伝熱部材２７、２８と、前記伝熱部材２７、２８と前記冷却ステージ１０、２５とを接続する良導体２９、３０と、前記永久電流スイッチ３と並列接続される超電導コイル２とを備え、駆動装置２１により駆動用支持具２２を上下させ、巻枠１５の内部に伝熱部材２７、２８挿嵌して永久電流スイッチ３の温度を高温側ならびに低温側冷却ステージ２５、２６の温度に効率的に制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却ステージを有する冷凍機と、
中空構造を有する管状の巻枠と、
前記巻枠に超電導線が巻き回されて構成される永久電流スイッチと、
前記巻枠を加熱可能なヒータと、
前記ヒータの加熱によって熱膨張した前記巻枠に挿嵌可能であって、かつ前記巻枠よりも熱膨張係数が小さい伝熱部材と、
前記伝熱部材と前記冷却ステージとを接続する良導体と、
前記永久電流スイッチと並列接続される超電導コイルと、
を備える超電導磁石装置。
【請求項２】
鉛直方向に垂直な平面に対する前記伝熱部材の断面形状が、
前記巻枠の内径断面と相似形であって、熱膨張しているときの巻枠の内径断面と同等もしくはそれよりも小さく、かつ、熱収縮しているときの巻枠の内径断面よりも大きい
請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項３】
前記伝熱部材と連結した断熱支持部材と、
前記断熱支持部材と連結し、前記断熱支持部材を介して前記伝熱部材を移動させる駆動装置と、を備え、
前記駆動装置は、前記ヒータの加熱により前記巻枠が膨張しているときに、前記伝熱部材を前記巻枠に挿入もしくは前記巻枠から抜き取るように、前記伝熱部材を移動させる
請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
前記冷却ステージは、高温冷却ステージと低温冷却ステージとを含み、
前記伝熱部材は、第一の伝熱部材と第二の伝熱部材とを含み、
前記高温冷却ステージは前記第一の伝熱部材と熱的に接続され、
前記低温冷却ステージは前記第二の伝熱部材と熱的に接続され、
前記第一の伝熱部材および前記第二の伝熱部材は前記断熱支持部材に連結され、かつ、互いに前記巻枠の鉛直方向における差渡しよりも離れて配置される
請求項３に記載の超電導磁石装置。
【請求項５】
前記伝熱部材は前記巻枠の中空部分に固定配置される請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項６】
冷却ステージを有する冷凍機と、
巻枠に超電導線が巻き回されて構成される永久電流スイッチと、
前記永久電流スイッチを加熱可能なヒータと、
ストッパー部とねじ山部とを有する棒状の駆動用支持具と、
前記ねじ山部と噛合い、かつ前記駆動用支持具を回転させることによって前記ストッパー部との間で前記冷却ステージを締め付け可能なナット状部材と、
前記ストッパー部と前記冷却ステージとの間に設けられる伝熱部材と、
前記駆動用支持具を回転させる駆動機構と、
前記伝熱部材と前記巻枠とを接続する良導体と、
前記永久電流スイッチと並列接続される超電導コイルと、
を備える超電導磁石装置。
【請求項７】
前記伝熱部材は前記ストッパー部に設置され、かつ、前記駆動用支持具を回転させることによって、前記冷却ステージとの距離が調整される請求項６に記載の超電導磁石装置。
【請求項８】
前記駆動用支持具を内包し、かつ前記冷却ステージと接合される固定用支持具を備え、
前記固定用支持具は、内径が前記ナット状部材の対角距離よりも大きく、かつその内径側であって端部から前記ナット状部材の高さと略等しい位置に防止部を有する
請求項６または請求項７に記載の超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導磁石装置、特に冷凍機冷却方式を採用した超電導磁石に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として特許３１１７１７３号公報(特許文献１）がある。この公報には、冷凍機に熱的に接続されている高温側の冷却ステージに永久電流スイッチ、前記冷凍機の低温側に熱的に接続されている冷却ステージには超電導コイルを配置し、永久電流スイッチオフ時の発熱を回収可能とする手段が開示されている。
【０００３】
また、他の背景技術として特開平１０−２４７７５３号公報(特許文献２)がある。この公報には、「超電導機器を熱的に接続される手段と、この冷却手段に熱的に接続される分離・接続手段と、この前記分離・接続手段の前記冷却手段とは接続されていない部分に熱的に接続された永久電流スイッチを備えている。」と記載されている。
【０００４】
更に、他の背景技術として、特許第３０２０１４０号公報(特許文献３)がある。この公報には「永久電流スイッチに熱的に接続された伝熱棒と、その伝熱棒を機械的に移動させる駆動装置と、２段式冷凍機と、前記冷凍機の高温側と低温側に接続された冷却ステージが備えられており、前期駆動装置を制御することにより伝熱棒を前記高温側の冷却ステージもしくは低温側の冷却ステージと熱的に接続させる構造となっていることを特徴とする」と記載されている。    
さらに、他の背景技術として、特開平８−１３８９２８号公報(特許文献４）がある。この公報は、特許文献２と同様に、機械的に永久電流スイッチと冷凍機の熱的接続を切り離す手段が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許３１１７１７３号公報
【特許文献２】特開平１０−２４７７５３号公報
【特許文献３】特許第３０２０１４０号公報
【特許文献４】特開平８−１３８９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１乃至４で開示されている機械的に永久電流スイッチへの伝熱経路を切り替える方法では、駆動装置の力で伝熱棒を冷却ステージに接触させる方法のみであり、この方法では冷却ステージを常温側から支持する支持棒に過大な荷重が作用すると言う問題が発生していた。この支持棒は熱侵入量の観点からは太くすることは難しく、一方で、伝熱棒を冷却ステージへ接続するためには、一定以上の面圧が必要という、相矛盾する課題を抱えている。面圧が十分取れない場合は、必要以上に冷凍能力を上げる必要があり、コスト増の要因となっていた。
【０００７】
本発明は、このような問題に対してかんがみなされたもので、永久電流モードを効率的に実現することができるように冷凍機冷却型超電導磁石の永久電流スイッチ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の、冷凍機冷却型超電導磁石の永久電流スイッチ装置は、固体熱伝導により冷却されている超電導コイルと、永久電流スイッチから成り、冷凍機と熱的に接続された構造物の一部が、前期永久電流スイッチ巻き枠の軸心部に挿嵌可能な構造となっている。
【０００９】
さらに、別の本発明の冷凍機冷却型超電導磁石装置は、固体熱伝導により冷却されている超電導コイルと、永久電流スイッチと、冷凍機に接続された冷却ステージが真空容器に内包されており、さらに、永久電流スイッチと熱的に接続された構造部が、ねじを切ったボルト形状を成しており、前記ボルト状構造物には、ナットが配置されており、前記ナットとボルト頭部との間に前記冷却ステージが配置され、さらに前期ボルト状構造物は、前記真空容器の大気側から回転操作可能な構造となっている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の冷凍機冷却型超電導磁石装置の永久電流スイッチ装置を用いれば、冷却ステージと永久電流スイッチ装置との間の熱抵抗をより小さくすることができるため、より効果的に永久電流スイッチ装置を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施例を示す超電導磁石装置
【図２】第２の実施例を示す超電導磁石装置
【図３】第２の実施例の部分を示す拡大図
【図４】比較例の超電導磁石装置
【図５】比較例の超電導磁石装置の電気回路と熱回路図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の第１の実施例を示す冷凍機冷却型超電導磁石装置の断面図である。
【００１４】
超電導磁石装置１は、主に、超電導コイル２と永久電流スイッチ３と、それらを冷却する冷凍機４、前記超電導コイル２と永久電流スイッチ３を内包する真空容器５を構成として有する。なお真空容器５内は断熱のため高真空に保たれており、その上部には真空容器の蓋６が配置されている。そしてこの超電導磁石装置１で発生した磁場を利用するために試験空間７が用意されている。超電導コイル２はボビン８に巻回され、前記ボビン８は、冷凍機４の低温側冷却ステージ１０（以降、冷却ステージ１０）と伸縮性の富んだ良導体９によって熱的に接続されている。
【００１５】
冷却ステージ１０は外部からの熱侵入量を極力減らすために、熱伝導率の低いＦＲＰなどで出来た支持棒１１により真空容器蓋６から支持される。この際、冷却ステージ１０は、冷却ステージ１０を鉛直方向において挟むように配置されたボルト１２によって支持棒１１に固定される。また超電導コイル２に対する電流の供給は、直流電源１３から、超電導配線１４（パワーリード）を経由してなされる。この超電導配線１４は超電導状態を保持するために適宜冷凍機４熱的に接続されていてもよい。
【００１６】
永久電流スイッチ３は、超電導線を巻枠１５に巻回する形で構成される。そして永久電流スイッチ３の外側には、永久電流スイッチをオフ状態にするために必要なヒータ１６が巻回されている。ヒータ１６は永久電流スイッチ３の巻枠１５側に配置される場合もあるが、いずれにしても、永久電流スイッチ３を加熱する働きをする。
【００１７】
永久電流スイッチ３に接続する超電導配線１７は超電導配線１４と電気的に接続されており、直流電源１３から見て、超電導コイル２と永久電流スイッチ３が並列接続となるように接続されている。また、ヒータ１６は、常伝導配線１８により、十分な容量を持つ電源１９に接続されており、図示しない制御装置により電流のオンオフが制御される。そして永久電流スイッチ３の巻枠１５は、ＦＲＰなどの熱伝導率の低い断熱支持具２０により冷却ステージ１０から支持されている。
【００１８】
ここで本実施例が有する永久電流スイッチ３の冷却構造の説明に入る前に、比較例の説明をする。図４は比較例の超電導磁石装置の断面図である。
【００１９】
比較例において巻枠１５は、駆動装置２１により、駆動用支持棒２２を介して上下運動可能な伝熱棒２３と、伸縮性に富んだ良導体２４と熱的に接続されている。そして、駆動装置２１の制御により、伝熱棒２３は冷却ステージ１０もしくは、高温側冷却ステージ２５（以降、冷却ステージ２５）と接触可能な構造となっている。冷却ステージ２５は伸縮性に富んだ良導体２６と冷凍機４の高温側と熱的に接続されている。
【００２０】
図５は図４で示した電気回路と熱回路の等価回路を示したものである。図につけた番号は図４で説明したものと同じであるので、説明は省略する。この図を用いて超電導コイル電流の立ち上げと永久電流モードへの説明をする。
【００２１】
まず超電導コイル３へ電流を投入する際には、永久電流スイッチ３を常伝導状態とする必要がある。このために、永久電流スイッチ３のヒータ１６に電源１９より電流を通電し、永久電流スイッチを過熱する。それと同時にその発熱を冷却ステージ２５で回収するために、駆動装置２１を制御して、伝熱棒２３を冷却ステージ２５に接続させる(図５の回路状態)。
【００２２】
このとき、永久電流スイッチ３に用いる超電導線材の臨界温度を、冷凍機４の冷却ステージ２５の温度よりも低く設定しておけば、ヒータ１６への通電は不要となる。そして直流電源１３を制御して超電導コイル３に所定の電流が流れるまで電流を増加させる。電流が所定の値となったら、永久電流スイッチ３を超電導状態へ移行させるために、ヒータ１６への通電を停止し、さらに駆動装置２１を制御して伝熱棒２３が冷却ステージ１０に接続させ永久電流スイッチ３を冷却する。永久電流スイッチ３が十分冷えたら、直流電源１３の電圧を下げ、永久電流モードへ移行する。
【００２３】
一方、本実施例における永久電流スイッチ３の巻枠１５は、断熱支持具２０を用いて低温側冷却ステージ１０から支持されている。しかし、本実施例は、図４の比較例と異なり、永久電流磁石スイッチ３が、その巻枠１５の軸心が鉛直方向に平行となるように配置されている。また、巻枠１５は中空の管状部材あって、断面は円形に限らず様々な形状のものを利用してよい。なお、以降でいう巻枠１５の内径断面とは、鉛直方向に垂直な平面で巻枠１５を切った際の、管内中空部分の断面をいう。
【００２４】
駆動装置用支持具２２は、高温側伝熱部材２７（第一の伝熱部材）と低温側伝熱部材２８（第二の伝熱部材）が固定されており、高温側伝熱部材２７(以降、伝熱部材２７)は冷却ステージ２５と、低温側伝熱部材２８(以降、伝熱部材２８)は冷却ステージ１０と、それぞれ伸縮性に富んだ良導体２９、３０により熱的に接続されている。なお、伝熱部材２７，２８は巻枠１５の中空部分に対して挿嵌可能である形状を有している。
【００２５】
ここで、伝熱部材２７と２８の材質は、永久電流スイッチ３の巻枠１５の材質に比べ線膨張係数が小さいものが選ばれる。例えば、伝熱部材２７，２８には銅を、巻枠１５にはアルミニウムなどが好適である。また、永久電流スイッチ３に用いる超電導線材の臨界温度は、高温側冷却ステージの温度よりも低いものが採用される。
【００２６】
次に、本実施例において超電導コイル３の電流を立ち上げる際の動作を説明する。まず、図５で説明したように、超電導コイル３の電流を立ち上げる際には永久電流スイッチ３のヒータ１６に通電して永久電流スイッチ３の巻枠１５を熱膨張させる。なお、永久電流スイッチ３は、超電導磁石装置１が永久電流モードで運転していない状況下では、常伝導状態でよいため、ここでヒータ１６によって熱せられてよい。
【００２７】
続いて、駆動装置２１を制御して駆動装置用支持具２２を下降させ、伝熱部材２７を巻枠１５の内部に位置するように移動させる。そして、ヒータ１６への通電を停止する。そうすると、巻枠１５は放熱によって冷却されるため、熱収縮により伝熱部材２７を中央部に据えた状態で巻締まるように変形し、伝熱部材２７に密着する。この巻枠１５の変形によって伝熱部材２７と巻き枠１５との面圧が確保され、永久電流スイッチ３は冷却ステージ２５と同じ温度となり、臨界温度を超えるため常伝導状態となる。
【００２８】
続いて、永久電流モードへ移行する際には、ヒータ１６へ通電する。これにより線膨張係数が伝熱部材２７よりも大きい巻枠１５の方がより膨張するため、伝熱部材２７は上下に稼動させることが可能となる。伝熱部材２７が稼働可能な状態となってから、駆動装置２１を制御して駆動装置支持具２２を上昇させ、伝熱部材２８が巻枠１５の内部に位置するように移動させる。その後、ヒータ１６への通電を停止する。これにより、巻枠１５が放熱による熱収縮によって伝熱部材２８を中央部に据えた状態で巻締まり、伝熱部材２８と巻枠１５との接触面で所定の面圧が確保され、効率よく永久電流スイッチ３が冷却され、安定な永久電流モードを維持することが出来る。
【００２９】
なお、伝熱部材２７および２８と巻枠１５との間で面圧を確保する観点から、伝熱部材１７，２８を鉛直方向に垂直な平面で切った際の断面形状が、巻枠１５の内径断面と相似形であって、熱膨張しているときの巻枠１５の内径断面と同等もしくはそれよりも小さく、かつ、熱収縮しているときの巻枠１５の内径断面よりも大きいことが望ましい。熱収縮時巻枠１５の断面形状より大きな断面を有することによって、巻き締められた際により高い面圧を望めるためである。
【００３０】
なお、伝熱部材２７，２８の断面形状が巻枠１５の内径断面と相似形でなくとも、熱収縮により所定の面圧を確保できるのであれば、その範囲において、伝熱部材２７，２８の断面形状と巻枠１５の内径断面の形状に関して適宜自由に選択できることは当然のことである。
【００３１】
また、永久電流スイッチ３の超電導配線１７の長さを十分取れば、駆動装置２１を用いず、低温側伝熱部材２８が巻枠１５の内部に位置した状態で保持する構造によって、上述の実施例と同等の効果を奏し得る別実施形態も成立する。即ち、ヒータ１６により巻枠１５が低温側伝熱部材２８と切り離されれば、永久電流スイッチ３の冷却パスは超電導配線１７のみとなり、その超電導配線１７の長さが十分長ければ、熱抵抗を確保できたことと等価となるため、ヒータ１６により永久電流スイッチ３を常伝導状態に維持可能となる。
【００３２】
したがって、超電導配線１７の長さを十分取ることによって、駆動装置２１と駆動用支持棒２２を設ける必要がなく、またこれらを経由してくる入熱が無くなるため、より安定性の高い永久電流モードを維持可能な実施例も成立する。
【実施例２】
【００３３】
図２を用いて本発明の第２の実施例について説明する。永久電流スイッチ３やその巻枠１５、ヒータ１６の構成は図１と同じである。異なるのは、高温側と低温側の伝熱部材それぞれに駆動装置２１−１、２１−２が設置されている点である。さらに、それぞれに支持具２２−１，２２−２が設置されており、支持具２２−１，２２−２はそれぞれ、後述するように２重構造となっている。
【００３４】
次に図３を用いて構成の詳細を示す。図３は図２の３１で示す部分を拡大したものである。
【００３５】
駆動用支持具２２−２は、前述の様に２重構造を成しており、中心部の一部または支持具の全般にわたってねじを切った部分を有する支持具２２−２−１、その外周部に固定用支持具２２−２−２が配置されている。駆動用支持具２２−２−１の駆動装置２１−２と連結している端部とは別の端部３４は円盤状もしくは平板状を成しており、駆動用支持具２２-２-１とボルトの頭の様に一体構造を成している。なお、図３においては、端部３４が円盤状もしくは平板状をなしているものを例として図示したが、駆動用支持具２２−２−１の一部にねじを切った部分を有し、ナット３３との間で、冷却ステージ２５を巻き締めることのできる構造（ストッパー）を有していれば、端部３４の形状はこれに限られない。また、冷却ステージ２５は、駆動用支持具２２−２−１が通り、かつそのストッパー部分よりも狭い貫通孔またはスリットなどを有している。
【００３６】
また、支持具２２−１，２２−２はＦＲＰなどの低熱伝導部材を採用する。その端部３４の冷却ステージ２５側には、熱伝導率の高い良導体で構成される伝熱部材３５が配置され、伸縮性に富んだ良導体２９と熱的に接続されている。この端部３４の冷却ステージ２５の反対側(駆動装置側)にはナット３３が配置されている。
【００３７】
固定用支持具２２−２−２は、ナット３３の対角距離を直径とする円を想定する場合に、この円よりも大きな開口部を有し、かつナット３３の高さと同程度の位置にナット３３が駆動装置側へ移動しないように突起部３２（防止部）が配置されている。なお、突起部３２は、ナット３３が駆動装置側へと移動することを防止できればよく、爪状の突起や、あるいは狭窄部であったとしてもよい。
【００３８】
これら構成により、駆動装置２１−１を動作させると、駆動用支持具２２−２−１が回転し、ナット３３と支持具端部３４の間が狭くなり、冷却ステージ２５を締め上げ、伝熱部材３５と冷却ステージ２５間の熱的接続に必要な所定の面圧を確保可能になる。伝熱部材３５と冷却ステージ２５間を切り離す場合には、駆動装置２１−１を逆回転させればよい。冷却ステージ１０との永久電流スイッチ３の巻枠１５の熱的接続を確保する場合には、駆動装置２１−２を動作させれば、上記と同じ原理により、面圧を確保可能となる。
また、本実施例の手段を用いれば、固定用支持具２２−２−２が冷却ステージ２５と接合しているため、冷却ステージ１０，２５と真空容器蓋６との間を結ぶ支持棒１１に荷重集中することなく、永久電流スイッチ３と冷凍機４との熱的接続を確保可能となる。つまり、効率的な永久電流スイッチの冷却を実現でき、かつ構造的に堅牢な超電導磁石装置１を実現可能となる。
【００３９】
なお、上述では、支持具２２−１および２２−２を駆動装置２１−１および２１−２と連結させたが、駆動力を有する装置を設置せず、大気側（真空容器外部）から回転操作可能な器具、例えば手動で操作するためのハンドル状の部材と支持具２２−１および２２−２と連結させてもよい。この場合、構造は簡素化するため、製造コストを抑えることも可能となる。
【００４０】
また、低温冷却用の冷却ステージ１０と接続するための支持具２２−１および駆動装置２１−１のみを設置してもよい。すなわち、ヒータ１６による加熱によって永久電流スイッチ３を常伝導転移させ、永久電流モードへ移行する場合に冷却ステージ１０と巻枠１５とを伝熱部材３５によって接続し、超電導状態へ移行させる。この場合、永久電流モードを停止させるには、ヒータ１６を稼働させて永久電流スイッチ３を加熱させるとともに、駆動装置２１−１が、駆動用支持具２２−１をナット３３から引き抜くように回転させることで、伝熱部材３５と冷却ステージ１０とが切り離され、迅速に永久電流モードを解除することができる。
【００４１】
また、このような実施形態であれば、冷却ステージ２５と巻枠１５を接続させるための駆動装置２１−２や支持具２２−２を設けなくともよく、熱の侵入経路が少なくなり、更に安定的な永久電流モードで運転可能な超電導磁石装置１を提供することができる。
【００４２】
以上、本発明について図面を用いて説明したが、本発明は上記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜その構成を変更することができる。上記した実施形態例は本発明をわ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。
【符号の説明】
【００４３】
１…超電導磁石装置
２…超電導コイル
３…永久電流スイッチ
４…冷凍機
５…真空容器
６…真空容器の蓋
７…試験空間
８…超電導コイルボビン
９…冷凍機と低温側冷却ステージ１０を結ぶ伸縮性の富んだ良導体
１０…低温側冷却ステージ
１１…冷却ステージ１０，２５を真空容器蓋６から支持する支持棒
１２…固定ボルト
１３…直流電源
１４…超電導配線
１５…永久電流スイッチ巻枠
１６…ヒータ
１７…永久電流スイッチ用超電導配線
１８…常伝導配線
１９…ヒータ１６用電源
２０…断熱支持具
２１…駆動装置
２２…駆動用支持具
２３…伝熱棒
２４…伝熱支持棒２３と永久電流スイッチ巻枠１５を結ぶ伸縮性に富んだ良導体
２５…高温側冷却ステージ
２６…冷凍機３と高温側冷却ステージ２５を結ぶ伸縮性に富んだ良導体
２７…高温側伝熱部材
２８…低温側伝熱部材
２９…高温側伝熱部材２７と高温側冷却ステージ２５を結ぶ伸縮性に富んだ良導体
３０…低温側伝熱部材２７と低温側冷却ステージ１０を結ぶ伸縮性に富んだ良導体
３１…図３で示す拡大部分
３２…ナット３３が駆動装置側へ移動するのを防止する突起部（防止部）
３３…ナット
３４…駆動用支持具端部（ストッパー）
３５…伝熱部材
【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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