(57)【要約】      （修正有）【課題】超電導コイルの超電導特性低下を防止しつつ超電導コイルを十分冷却可能な超電導コイル装置を提供する。【解決手段】超電導コイル装置は、真空容器に収納した超電導コイル２１を冷凍機からの冷熱を伝導させることで冷却する超電導コイル装置であり、超電導コイル２１と熱的に直接接続されるコイル冷却板２２と、超電導コイル２１の周囲を覆うとともにコイル冷却板２２と熱的に直接接続される固体断熱部２４と、固体断熱部２４の周囲を覆うコイルケース２５と、冷凍機とコイルケース２５とを熱的に接続する伝熱板と、超電導コイル２１と電気的に接続される電流導入端子とを具備し、超電導コイル２１と固体断熱部２４とは、物理的には非接着であり、熱的には超電導コイル２１および固体断熱部２４のそれぞれと直接接続されるコイル冷却板２２を介して間接接続される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器に収納した超電導コイルを冷凍機からの冷熱を伝導させることで冷却する超電導コイル装置であり、
前記超電導コイルと熱的に直接接続されるコイル冷却板と、
前記超電導コイルの周囲を覆うとともに前記コイル冷却板と熱的に直接接続される固体断熱部と、
前記固体断熱部の周囲を覆うコイルケースと、
前記冷凍機と前記コイルケースとを熱的に接続する伝熱板と、
前記超電導コイルと電気的に接続される電流導入端子とを具備し、
前記超電導コイルと前記固体断熱部とは、物理的には非接着であり、熱的には前記超電導コイルおよび前記固体断熱部のそれぞれと直接接続される前記コイル冷却板を介して間接接続されることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２】
前記超電導コイルの外周に、エポキシ系の樹脂との接着力を弱める離形部を設けたことを特徴とする請求項１記載の超電導コイル装置。
【請求項３】
前記離形部は、前記エポキシ系の樹脂との接着力を弱める処理として、フッ素樹脂テープ、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂、ポリイミドアミド系樹脂、パラフィン、グリース、およびシリコンオイルから選択される少なくとも一種を離形材として接着および塗布の何れか一方を行うことによって形成されることを特徴とする請求項２記載の超電導コイル装置。
【請求項４】
前記冷凍機は、冷却ステージが１段で構成される単段冷凍機であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の超電導コイル装置。
【請求項５】
前記コイル冷却板を前記補強用ケースの外部に引き出した状態で前記超電導コイルを収容可能に構成される補強用ケースをさらに具備し、
前記補強用ケースに収容される前記超電導コイルは、前記補強用ケースを介して前記固体断熱部に周囲を覆われることを特徴とする請求項１から４記載の何れか１項に記載の超電導コイル装置。
【請求項６】
前記補強ケースの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する均熱板を前記補強ケースに取り付けたことを特徴とする請求項５記載の超電導コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝導冷却型の超電導コイル装置は、液体ヘリウムなどを使用した浸漬冷却型の超電導コイル装置に比べて、取り扱いが容易であり、運転温度を適切に設定できるなどもメリットがある。しかしながら、冷凍機が停止した場合には、支持材や冷凍機を介して室温部から超電導コイルへ熱が侵入し、コイル温度が上昇し、すぐにクエンチしてしまう問題が生じる。
【０００３】
そこで、超電導コイルの外周部を樹脂層で覆い、その周りを固体断熱部で覆うことにより冷凍機が停止した場合に超電導コイルの温度上昇を抑制する方法が、例えば、特開２０１３−２０７０１８号公報（特許文献１）等に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２０７０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１等に記載される方法では、超電導コイルの外周部を樹脂層で覆い、その周りを固体断熱部で覆うために、超電導コイルと固体断熱部とを接着する必要が生じる。
【０００６】
しかしながら、超電導コイルと固体断熱部を接着すると、冷却時に局所的に大きな熱応力が発生し、超電導線材の許容応力を超えてしまうことがある。局所的に発生した熱応力が超電導線材の許容応力を超えてしまった場合、超電導コイルの超電導特性は低下してしまうという課題がある。
【０００７】
一方、この課題を考慮して、超電導コイルと固体断熱部との接着力を弱めておくことが考えられる。しかしながら、超電導コイルと固体断熱部の接着力を弱めてしまうと、超電導コイルと固体断熱部との伝熱パスが確保されず、超電導コイルが十分に冷却されない課題がある。
【０００８】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、超電導コイルの超電導特性低下を防止しつつ超電導コイルを十分冷却可能な超電導コイル装置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】
【０００９】
本発明の実施形態に係る超電導コイル装置は、上述した課題を解決するため、真空容器に収納した超電導コイルを冷凍機からの冷熱を伝導させることで冷却する超電導コイル装置であり、前記超電導コイルと熱的に直接接続されるコイル冷却板と、前記超電導コイルの周囲を覆うとともに前記コイル冷却板と熱的に直接接続される固体断熱部と、前記固体断熱部の周囲を覆うコイルケースと、前記冷凍機と前記コイルケースとを熱的に接続する伝熱板と、前記超電導コイルと電気的に接続される電流導入端子とを具備し、前記超電導コイルと前記固体断熱部とは、物理的には非接着であり、熱的には前記超電導コイルおよび前記固体断熱部のそれぞれと直接接続される前記コイル冷却板を介して間接接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、超電導コイルの超電導特性低下を防止しつつ超電導コイルを十分冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導コイル装置を概略的に示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る超電導コイル装置における超電導コイルおよびその周辺の拡大部分断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る超電導コイル装置の変形例を概略的に示す構成図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る超電導コイル装置における超電導コイルおよびその周辺の構成を説明する説明図であり、（Ａ）がＩＶ（Ａ）−ＩＶ（Ａ）断面図、（Ｂ）が超電導コイルおよびその周辺の拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る超電導コイル装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明においては、上、下、左、右等の方向を示す言葉は、図示した状態または通常の使用状態を基準とする。
【００１３】
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係る超電導コイル装置の一例である超電導コイル装置１０Ａを概略的に示す構成図である。図２は超電導コイル装置１０Ａにおける超電導コイル２１およびその周辺（超電導コイルユニット２０Ａ）の拡大部分断面図である。なお、図２では、超電導コイルユニット２０Ａの軸対称性を考慮して片側半分（左半分）の縦断面を図示し、残り半分（右半分）の図示を省略している。
【００１４】
超電導コイル装置１０Ａ（図１）は、例えば、二段等の複数段の冷却ステージを有する多段式冷凍機１１ａと超電導コイルユニット２０（より詳細には図２に示されるコイルケース２５）とを熱的に接続する伝熱板１２と、超電導コイルユニット２０Ａ（より詳細には図２に示される超電導コイル２１）と電気的に接続される電流導入端子１３と、超電導コイルユニット２０Ａ（超電導コイル２１、コイル冷却板２２、離形部２３、固体断熱部２４、およびコイルケース２５）とを具備する。
【００１５】
超電導コイル装置１０Ａにおいて、伝熱板１２は、例えば、銅（Ｃｕ）、真鍮、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などの熱伝導が良好な材料で構成され、多段式冷凍機１１ａの低温端と接続される。また、電流導入端子１３は、高温超電導体等の電気伝導率が良好な材料で構成された超電導フィーダ１４と超電導コイル２１に取り付けられる口出し電極１５と電気的に接続される。
【００１６】
超電導コイルユニット２０Ａ（より詳細には図２に示されるコイルケース２５）は、支持部材１６を介して真空容器１７内で支持される。なお、支持部材１６は、多段式冷凍機１１ａの冷却ステージやコイルケース２５により熱アンカーがとられている。また、支持部材１６は、全体が真空容器１７内に組み込まれる。
【００１７】
超電導コイルユニット２０Ａは、例えば、超電導コイル２１と、コイル冷却板２２と、離形部２３と、固体断熱部２４と、コイルケース２５とを備えるユニットであり、超電導コイル２１に、コイル冷却板２２、離形部２３、固体断熱部２４を追設し、コイルケース２５に収容して構成される。
【００１８】
コイル冷却板２２は、超電導コイル２１と超電導コイル２１との間に取り付けられ、超電導コイル２１と熱的に直接接続される。コイル冷却板２２は、例えば、一般的にヒートシンク材として活用される高熱伝導体で構成される。高熱伝導体の一例としては、例えば、アルミニウム、銅、金、銀等の金属、または絶縁体であるが比較的熱伝導率が高い窒化アルミニウム等である。
【００１９】
離形部２３は、エポキシ系の樹脂との接着力を弱める処理が施された構成部分である。例えば、超電導コイルユニット２０Ａにおいて、離形部２３は超電導コイル２１とコイル冷却板２２との間に設けられる。
【００２０】
離形部２３は、エポキシ系の樹脂との接着力を弱める処理として、例えば、フッ素樹脂テープ、テフロン（登録商標）樹脂等のポリテトラフルオロエチレン系樹脂、ポリイミドアミド系樹脂、パラフィン、グリース、およびシリコンオイルから選択される少なくとも一種を離形材として、接着および塗布の何れか一方を行うことによって形成される。
【００２１】
固体断熱部２４は、主に断熱材としての機能を有しており、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）を含む熱抵抗が比較的大きな（熱伝導率が低い）材料で構成される。固体断熱部２４は、超電導コイル２１の少なくとも一部（外周全体または一部）を覆っているが、超電導コイル２１とは物理的に接しておらず、コイル冷却板２２が物理的に接している。
【００２２】
従って、熱的には、固体断熱部２４はコイル冷却板２２と直接接続されるが、超電導コイル２１とは直接接続されない。固体断熱部２４と超電導コイル２１とは、固体断熱部２４および超電導コイル２１のそれぞれが物理的に接するコイル冷却板２２を介して接続（間接接続）される。
【００２３】
コイルケース２５は、真空容器１７内における超電導コイル２１への輻射を遮蔽する機能を有し、例えば、アルミニウム、ステンレス、アルミニウムとステンレスとの複合材、またはアルミニウム等と繊維強化プラスチックとを厚さ方向に複合した材料等の熱抵抗が比較的小さな（熱伝導率が高い）材料で構成される。
【００２４】
コイルケース２５は、固体断熱部２４の周囲を覆う。すなわち、コイルケース２５は、固体断熱部２４で周囲を覆われた超電導コイル２１の周囲を覆う。コイルケース２５は、固体断熱部２４と熱的に直接接続されている。
【００２５】
このように、超電導コイル装置１０Ａでは、超電導コイル２１と固体断熱部２４とを物理的に接続させずに（非接着の状態で）構成される。その一方で、固体断熱部２４がコイル冷却板２２を取り付けた超電導コイル２１の周囲を覆っており、超電導コイル２１と固体断熱部２４は、熱的には、直接接続されず、コイル冷却板２２を介して間接的に接続される。
【００２６】
上述した構成を有する超電導コイル装置１０Ａでは、超電導コイル２１と固体断熱部２４とがコイル冷却板２２を介して熱的に間接接続されるため、超電導コイル２１と固体断熱部２４との間の接着力を弱めたとしても、従来では超電導コイル２１と固体断熱部２４との間の接着力を弱めた場合に確保されなくなる、超電導コイル２１と固体断熱部２４との伝熱パスを確保することができる。従って、超電導コイル２１と固体断熱部２４との間の接着力を弱めたとしても、超電導コイル２１を十分に冷却することができる。
【００２７】
また、超電導コイル２１の外周面を離形処理する等して離形部２３を設けることによって、超電導コイル装置１０Ａでは、超電導コイル２１と固体断熱部２４との間の接着力を弱めることができるので、冷却時の超電導コイル２１の熱応力の増加を抑制できる。従って、超電導コイル２１の超電導特性が低下することを防止することができ、超電導コイル装置１０Ａの安定性をより向上させることができる。
【００２８】
なお、上述した超電導コイル装置１０Ａは、図１に示される例に限定されず、省略、追加、置き換え等の種々の変形を行うことができる。
【００２９】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る超電導コイル装置の一例である超電導コイル装置１０Ａの変形例を概略的に示す構成図である。
【００３０】
例えば、図１に示される超電導コイル装置１０Ａは、超電導コイル２１の冷却に多段式冷凍機１１ａが用いられている例であるが、図３に示される超電導コイル装置１０Ａのように、多段式冷凍機１１ａの代わりに冷却ステージが１段である単段式冷凍機１１ｂを用いることができる。
【００３１】
超電導コイル２１の冷却に単段式冷凍機１１ｂを用いた場合、３０ケルビン（３０Ｋ）近傍での冷凍能力が多段式冷凍機１１ａに比べて高いため、超電導コイル２１を効率良く冷却できる利点がある。また、単段式冷凍機１１ｂは、多段式冷凍機１１ａに比べて構造が簡素なため、超電導コイル装置１０Ａの装置全体としても構造を簡素化することができる利点がある。
【００３２】
[第２の実施形態]
図４は、本発明の第２の実施形態に係る超電導コイル装置の一例である超電導コイル装置１０Ｂにおける超電導コイル２１およびその周辺（超電導コイルユニット２０Ｂ）の構成を説明する説明図であり、図４（Ａ）がＩＶ（Ａ）−ＩＶ（Ａ）断面図、図４（Ｂ）が超電導コイルユニット２０Ｂの拡大縦断面図である。
【００３３】
超電導コイル装置１０Ｂは、超電導コイル装置１０Ａに対して、超電導コイルユニット２０Ａの代わりに超電導コイルユニット２０Ｂを具備する点で相違するが、その他の点では実質的に相違しない。そこで、超電導コイル装置１０Ａと実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３４】
超電導コイルユニット２０Ｂは、超電導コイルユニット２０Ａに対して、超電導コイル２１を収容する補強用ケース２７をさらに備える。補強用ケース２７は、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）のような絶縁物、またはステンレス、アルミニウム等の金属で構成される。超電導コイルユニット２０Ｂでは、補強用ケース２７内に収容した超電導コイル２１の周囲を固体断熱部２４が覆っている、すなわち、超電導コイル２１が補強用ケース２７を介して固体断熱部２４に周囲を覆われている。
【００３５】
また、補強用ケース２７は、超電導コイル２１に取り付けられるコイル冷却板２２を補強用ケース２７の外部に引き出した状態で超電導コイル２１を収容可能に構成される。従って、超電導コイルユニット２０Ｂでは、超電導コイル２１が補強用ケース２７内に収容される際に、超電導コイル２１に取り付けられるコイル冷却板２２は補強用ケース２７の外部に引き出されている。
【００３６】
このように、超電導コイルユニット２０Ｂでは、超電導コイル２１に取り付けられるコイル冷却板２２を補強用ケース２７の外部に引き出した状態で超電導コイル２１を収容できるため、超電導コイルユニット２０Ａと同様に、固体断熱部２４を超電導コイル２１と物理的に接触させずにコイル冷却板２２を物理的に接触させることができる。故に、超電導コイル装置１０Ｂにおいても、超電導コイル装置１０Ａと同様の効果を奏する。
【００３７】
なお、補強用ケース２７の内部（内面）は、樹脂で含浸することによって、さらに強度を増すことができる。なお、超電導コイル２１の外周面は、離形処理されているため、補強用ケース２７の内部を樹脂で含浸しても超電導コイル２１が補強用ケース２７の内面と接着されるのを防ぐことができる。
【００３８】
また、補強用ケース２７に、高純度（純度が９９％以上）のアルミニウム、銅、金、銀等の熱伝導率が補強用ケース２７の熱伝導率よりも高い材料で構成される均熱板２９を取り付けることにより、超電導コイル２１を効率良く冷却することができる。
【００３９】
このように構成される超電導コイル装置１０Ｂでは、超電導コイル装置１０Ａと同様に、超電導コイル２１と固体断熱部２４とがコイル冷却板２２を介して熱的に間接接続されるため、超電導コイル２１と固体断熱部２４との間の接着力を弱めたとしても、超電導コイル２１と固体断熱部２４との伝熱パスを確保することができる。従って、超電導コイル２１と固体断熱部２４との間の接着力を弱めたとしても、超電導コイル２１を十分に冷却することができる。
【００４０】
また、離形部２３を設けることによって、超電導コイル装置１０Ｂでは、超電導コイル２１と固体断熱部２４との間の接着力を弱めることができるので、冷却時の超電導コイル２１の熱応力の増加を抑制できる。従って、超電導コイル２１の超電導特性が低下することを防止することができ、超電導コイル装置１０Ｂの安定性をより向上させることができる。
【００４１】
さらに、超電導コイル装置１０Ｂでは、超電導コイル装置１０Ａに対して補強用ケース２７をさらに備えて構成されるので、超電導コイル２１を確実に保持することができ、超電導コイル２１（超電導コイルユニット２０Ｂ）の機械的強度をさらに向上させることができる。
【００４２】
また、超電導コイル装置１０Ｂでは、超電導コイル２１の外周面が離形処理されているため、補強用ケース２７の内部を樹脂で含浸しても、超電導コイル２１が補強用ケース２７の内面と接着されるのを防ぐことができ、熱応力の増加を防止できる。
【００４３】
さらに、超電導コイル装置１０Ｂでは、超電導コイル２１を収容する補強用ケース２７が寸法精度を確保しやすいため、その周囲を覆う固体断熱部２４を精度良く配置することができる。
【００４４】
なお、上述した超電導コイル装置１０Ｂは、補強用ケース２７の外表面に均熱板２９が取り付けられる例（図４）であるが、均熱板２９の取り付け位置は補強用ケース２７の表面であればどこでも良い。また、均熱板２９は必ずしも補強用ケース２７に取り付けられている必要はなく省略することもできる。さらに、均熱板２９の形状や個数も図４に例示される形状や個数に限定されるものではない。例えば、周方向全周にわたる１個の円環で均熱板２９を構成することもできる。
【００４５】
以上、超電導コイル装置１０Ａ，１０Ｂによれば、超電導コイル２１と固体断熱部２４とがコイル冷却板２２を介して熱的に間接接続されるため、超電導コイル２１と固体断熱部２４との間の接着力を弱めたとしても、超電導コイル２１と固体断熱部２４との間の伝熱パスを確保することができる。従って、超電導コイル２１と固体断熱部２４との間の接着力を弱めたとしても、超電導コイル２１を十分に冷却することができる。
【００４６】
また、超電導コイル装置１０Ａ，１０Ｂによれば、離形部２３を設けることによって、超電導コイル２１と固体断熱部２４との間の接着力を弱めることができるので、冷却時の超電導コイル２１の熱応力の増加を抑制できる。従って、超電導コイル２１の超電導特性が低下することを防止することができ、超電導コイル装置１０Ａ，１０Ｂの安定性をより向上させることができる。
【００４７】
さらに、超電導コイル装置１０Ａ，１０Ｂによれば、単段式冷凍機１１ｂを用いることで、超電導コイル２１を効率良く冷却できるとともに、装置の全体構造を簡素化することができる。
【００４８】
一方、超電導コイル装置１０Ｂによれば、超電導コイル装置１０Ａに対して補強用ケース２７をさらに備えて構成されるので、超電導コイル２１を確実に保持することができ、超電導コイル２１（超電導コイルユニット２０Ｂ）の機械的強度をさらに向上させることができる。
【００４９】
また、超電導コイル装置１０Ｂによれば、補強用ケース２７の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する均熱板２９が補強用ケース２７に取り付けられているので、超電導コイル２１の温度の局所的な上昇（偏り）を防止し、温度を均一化することができる。従って、超電導コイル装置１０Ｂでは、局所的な熱応力発生が防止され、超電導コイル２１の超電導特性の低下が防止されるので、超電導コイル装置１０Ｂの安定性をさらに向上させることができる。
【００５０】
なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することが可能である。本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５１】
１０Ａ，１０Ｂ  超電導コイル装置
１１ａ  多段式冷凍機
１１ｂ  単段式冷凍機
１２  伝熱板
１３  電流導入端子
１４  超電導フィーダ
１５  口出し電極
１６  支持部材
１７  真空容器
２０Ａ，２０Ｂ  超電導コイルユニット
２１  超電導コイル
２２  コイル冷却板
２３  離形部
２４  固体断熱部
２５  コイルケース
２７  補強用ケース
２９  均熱板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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