(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルを冷媒により冷却する超電導磁石装置において、
前記冷媒を貯液して前記超電導コイルを収納および支持するとともに、前記超電導コイル中心孔を貫通する中心孔部を有するトーラス状の冷媒容器と、
この冷媒容器を収納して前記冷媒容器の中心孔部をさらに貫通する中心孔部を有するトーラス状の真空容器と、
この真空容器の中心孔部と前記冷媒容器の中心孔部との間に設けられ、前記真空容器と前記冷媒容器とを接続する断熱サポートとを備え、
前記真空容器の中心孔部を真空容器脚部により設置基盤に支持させたことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
前記真空容器の内部に冷却部を持つ冷凍機と、
前記真空容器の内部に設けられ、かつ前記冷媒容器を包囲するように配置された輻射シールドとを有し、前記輻射シールドは前記冷凍機によって伝導により冷却される構成とした請求項１記載の超電導磁石装置。
【請求項３】
超電導コイルを冷凍機と熱的に接続することで冷却する超電導磁石装置において、
前記超電導コイルを支持し、かつ前記超電導コイル中心孔を貫通する内周壁を有するコイル台と、
このコイル台の内周壁をさらに貫通する中心孔部とを有するトーラス状の真空容器と、
この真空容器の中心孔部と前記コイル台の内周壁との間に配置され、前記真空容器と前記コイル台とを接続する断熱サポートとを備え、
前記真空容器の中心孔部を真空容器脚部により設置基盤に支持させたことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項４】
前記真空容器は、その内部に複数段の冷却部を持つ冷凍機と、
前記真空容器の内部にあって前記超電導コイルを包囲するように配置され、前記冷凍機によって伝導で冷却される輻射シールドとを有する請求項３記載の超電導磁石装置。
【請求項５】
前記断熱サポートは、高温端である真空容器から低温端である冷媒容器までを複数のサポート要素で構成し、前記サポート要素の連結部の少なくとも一つが、前記輻射シールドと熱的に連結されている接合部材で接続されている請求項２記載の超電導磁石装置。
【請求項６】
前記断熱サポートは、高温端である真空容器から低温端であるコイル台までを複数のサポート要素で構成し、前記サポート要素の連結部の少なくとも一つが前記輻射シールドと熱的に連結されている接合部材で接続されている請求項４記載の超電導磁石装置。
【請求項７】
前記断熱サポートは、複数の棒状をなすサポート要素を縦、横および斜め方向に組立てたトラス構造を有する請求項１から請求項６までのいずれか一項記載の超電導磁石装置。
【請求項８】
前記断熱サポートは、前記真空容器の中心孔部と前記冷媒容器の中心孔部との間に設けられ、前記真空容器と前記冷媒容器とを接続し、かつ、前記断熱サポートの長手方向が複数の超電導コイルの間に働く電磁力の方向と略平行に配置されている請求項１、請求項２および請求項５のいずれか一項記載の超電導磁石装置。
【請求項９】
前記断熱サポートは、繊維強化樹脂からなる請求項１から請求項８までのいずれか一項記載の超電導磁石装置。
【請求項１０】
前記真空容器は、アルミニウムまたはその合金からなる請求項１から請求項９までのいずれか一項記載の超電導磁石装置。
【請求項１１】
前記冷媒容器は、アルミニウムまたはその合金からなる請求項１、請求項２、請求項５、請求項７および請求項８のいずれか一項記載の超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導コイルを適用した超電導磁石装置に係り、特に超電導磁石を構成する容器等の強度を維持しつつ軽量化が図れる超電導磁石装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導磁石装置は、超電導コイルを適用したマグネットと、このマグネットを冷却する冷凍機とを備える構成とされており、超電導コイルを冷却した状態で使用される。
【０００３】
このため、超電導コイルへの侵入熱を低く抑える必要があり、超電導コイルを支持する支持材は加重に対して引張られる向きに配置される。
【０００４】
その結果、超電導磁石装置の支持構造においては一般的に、超電導磁石装置を構成する容器の様々な領域を利用している（特許文献１−３等参照）。
【０００５】
例えば、特許文献１には、超電導コイルをその軸心に対して直交する方向から、螺子構造の押付け部材によって加圧固定する構成が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、超電導マグネットを、そのコイル中心線方向両側から荷重支持体によって締結荷重を与えることにより固定支持する構成が開示されている。
【０００７】
また、特許文献３には、超電導コイルおよび内部容器とシールド部材との間に生じる相対振動を抑制するシールド部材移動手段を設ける技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−４７７１２号公報
【特許文献２】特開２００９−１３００８１号公報
【特許文献３】特開平０５−１３５９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
超電導磁石装置には一般的に大量の金属材料が使用されており、例えば単結晶引き上げ用の超電導磁石装置にあっては、一台の重量が数トンにも及ぶ。このように重量が大きいと、超電導磁石装置の設置場所に制約が生じる場合や過大な耐震性が要求される場合がある。
【００１０】
このように超電導磁石装置の重量が大きくなる原因は、超電導磁石装置を構成する容器の様々な領域に力が作用するため、これらの力に対する補強または肉厚の増加が多く必要となるためである。
【００１１】
例えば、単純に超電導磁石装置を構成する容器を肉薄にして軽量化を図ろうとした場合には、電磁力や質量によって容器の大きな変形や破壊が発生して、強度を維持しつつ軽量化することができないという問題が生じる。
【００１２】
本発明はこのような事情に基いてなされたものであり、電磁力や質量などの荷重が作用する部材を限定する支持構造の適用により、補強が必要な部分を最小限に抑え、超電導磁石装置の強度を維持しつつ軽量化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、超電導コイルを冷媒により冷却する超電導磁石装置において、前記冷媒を貯液して前記超電導コイルを収納および支持するとともに、前記超電導コイル中心孔を貫通する中心孔部を有するトーラス状の冷媒容器と、この冷媒容器を収納して前記冷媒容器の中心孔部をさらに貫通する中心孔部を有するトーラス状の真空容器と、この真空容器の中心孔部と前記冷媒容器の中心孔部との間に設けられ、前記真空容器と前記冷媒容器とを接続する断熱サポートとを備え、前記真空容器の中心孔部を真空容器脚部により設置基盤に支持させたことを特徴とする超電導磁石装置を提供する。
【００１４】
また、本発明は、超電導コイルを冷凍機と熱的に接続することで冷却する超電導磁石装置において、前記超電導コイルを支持し、かつ前記超電導コイル中心孔を貫通する内周壁を有するコイル台と、このコイル台の内周壁をさらに貫通する中心孔部とを有するトーラス状の真空容器と、この真空容器の中心孔部と前記コイル台の内周壁との間に配置され、前記真空容器と前記コイル台とを接続する断熱サポートとを備え、前記真空容器の中心孔部を真空容器脚部により設置基盤に支持させたことを特徴とする超電導磁石装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明においては、超電導コイルに発生する力を、真空容器の端板および外筒ではなく、超電導コイルを支持する脚部から直接地面等の設置基盤へと伝えることで、超電導コイルを支持するものである。
【００１６】
すなわち、超電導コイルに発生する力を断熱サポート、真空容器中心孔部を通じて真空容器脚部から地面へと伝え、その力が真空容器の端板および外筒に加わらないようにする。これにより、真空容器端板等を必要とすることなく超電導コイルが保持される。
【００１７】
したがって、超電導コイルからの力が真空容器に加わらないため、容器等の肉厚を最小限に押えることが可能となり、軽量化を図ることができる。
【００１８】
また、電磁力や質量を冷媒容器中心孔部、断熱サポート、真空容器中心孔部および真空容器脚部のみで支持することで、真空容器や冷媒容器の他の部材を肉厚にする必要がなく、補強を最小限に抑えることができ、強度を維持しつつ軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態による超電導磁石装置の全体構成を示す縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】図１の背面図。
【図４】本発明の第２実施形態による超電導磁石装置の構成を示す縦断面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ線断面図。
【図６】本発明の第３実施形態による超電導磁石装置の構成を示す縦断面図。
【図７】図６のＣ−Ｃ線断面図。
【図８】本発明の第４実施形態による超電導磁石装置の構成を示す縦断面図。
【図９】図８のＤ−Ｄ線断面図。
【図１０】本発明の第５実施形態による超電導磁石装置の構成を示す縦断面図。
【図１１】図１０のＥ−Ｅ線断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る超電導磁石装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
［第１実施形態］（図１−図３）
図１は本発明の第１実施形態による超電導磁石装置１Ａの全体構成を示す縦断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は図１に示した超電導磁石装置１Ａの背面図である。
【００２２】
なお、本実施形態においては一例としてトラス構造の断熱サポートを適用し、冷媒によって超電導コイルを冷却する構成を有する超電導磁石装置について説明する。
【００２３】
図１〜図３に示すように、本実施形態の超電導磁石装置１Ａは主要構成部材として超電導コイル１、この超電導コイル１を収容する冷媒容器２、この冷媒容器２の外周側に設けられ内部を真空に保持する真空容器３、この真空容器３を支える真空容器脚部３ｂおよび断熱サポート４を備える。これらの部材は、例えば下記に示す水平な設置（支持）基盤または地面Ｇ等の上に縦配置で固定設置される。
【００２４】
本実施形態の超電導磁石装置１Ａにおいて、超電導コイル１は水平軸心回りに配置された円環状をなす構成とされており、この超電導コイル１の外周側が、大径な円環状あるいはトーラス状の冷媒容器２によって被覆された状態で収納されている。
【００２５】
また、断熱サポート４は複数の棒状をなすサポート要素４ａを縦、横および斜め方向に組立て、それぞれ接合部材４ｂによって三角形状に組合せたトラス構造の断熱サポート組立体としてある。この断熱サポート４が、冷媒容器２と真空容器３の同心円状の各中心孔部２ａ，３ａ間に設けられる。断熱サポート４は同心円状の冷媒容器中心孔部２ａと真空容器中心孔部３ａに全周に亘ってそれぞれ取付けた複数の座（ブラケット）２ｃ，３ｃを介して設けられ、全体として真空容器３の内面に接続されている。断熱サポート４は、図１に示すように、例えば内側四角形のサポート要素４ａに外側四角形のサポート要素を４５°回転させて組み立てたトラス構造以外にも、種々のトラス構造が考えられる。
【００２６】
そして、真空容器中心孔部３ａの周壁（突出延長部）は真空容器脚部３ｂに直接接続されて、設置（支持）基盤Ｇ上に立設され、支持されている。すなわち、真空容器中心孔部３ａの周壁は真空容器３の外周面部を真空容器脚部３ｂに固定あるいは接続することで設置基盤Ｇ上に固定配置してあり、この冷媒容器２に冷媒５を貯液することで、超電導コイル１が冷却される構成としてある。
【００２７】
この構成により、例えば金属の単結晶引上げ作業時等に適用する場合において、超電導コイル１に加わる電磁力および質量は、冷媒容器２、全周に亘り周方向に延びるトラス構造に組み立てられた断熱サポート４、真空容器中心孔部３ａを経て、真空容器脚部３ｂから設置基盤Ｇ、例えば地面等に伝えられる。
【００２８】
本実施形態によれば、超電導コイル１に発生する力が冷媒容器中心孔部２ａ、断熱サポート４、真空容器中心孔部３ａを通じて真空容器脚部３ｂから地面等の設置基盤Ｇへと伝えられる。したがって、超電導コイル１に発生する力が真空容器３の端板および外筒に加わらないため、真空容器端板等がなくても超電導コイル１は、安定的に固定保持される。
【００２９】
この構成により、超電導コイル１からの力が真空容器の端板や外筒に加わらないため、冷媒容器２や真空容器３の肉厚を最小限に押えることが可能となり、強度を維持しつつ、軽量化を図ることができる。
【００３０】
すなわち、超電導コイル１の電磁力や質量を冷媒容器中心孔部２ａ、断熱サポート４、真空容器中心孔部３ａ、および、真空容器脚部３ｂのみで支持することができ、真空容器３や冷媒容器２の他の部材を肉厚にする必要がなく、補強を最小限に抑えることができ、強度を維持しつつ軽量化を図ることができる。
【００３１】
［第２実施形態］（図４、図５）
図４は第２実施形態による超電導磁石装置１Ｂの構成を示す縦断面図であり、図５は図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【００３２】
本実施形態では、トラス構造の断熱サポート４を適用し、冷媒５によって超電導コイル１を冷却する構成を有する超電導磁石装置１Ｂについて説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、図４および図５に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図４に示すように、本実施形態による超電導磁石装置１Ｂの基本構成については第１実施形態と略同様である。本実施形態では、第１実施形態の構成に加えて輻射シールド６および冷凍機７を有し、この輻射シールド６は冷凍機７と熱的に接続され、低温に維持される構成となっている。
【００３４】
例えば、図４および図５に示すように、超電導磁石装置１Ｂはトラス構造の断熱サポート４および輻射シールド６を備えており、冷媒容器２内の冷媒５により超電導コイル１を冷却する構成としてある。冷凍機７は真空容器３の内部に複数段の冷却部（図示せず）を持つようになっている。
【００３５】
この構成において、超電導コイル１に加わる電磁力および質量は、冷媒容器中心孔部２ａ、断熱サポート４、真空容器中心孔部３ａおよび真空容器脚部３ｂへと伝わる。また、真空容器３からの輻射による侵入熱は一旦輻射シールド６を経て冷凍機７へ取り除かれ、超電導コイル１へ侵入する輻射熱は輻射シールド６からのみとなる。
【００３６】
本実施形態によれば、超電導コイル１の電磁力や質量を冷媒容器中心孔部２ａ、断熱サポート４、真空容器中心孔部３ａおよび真空容器脚部３ｂのみで支持することにより、真空容器３や冷媒容器２の他の部材を肉厚にする必要がなく、補強を最小限に抑えることができ、強度を維持しつつ軽量化することができる。
【００３７】
また、輻射シールド６によって超電導コイル１への侵入熱を低減できるため、断熱サポート４からの伝導による侵入熱を受容する余力が生じ、断熱サポート４を短くすることができ、強度を維持しつつ軽量化することができる。
【００３８】
［第３実施形態］（図６、図７）
図６は、第３実施形態による超電導磁石装置１Ｃの構成を示す縦断面図であり、図７は図６のＣ−Ｃ線断面図である。
【００３９】
本実施形態の超電導磁石装置１Ｃは、前記実施形態と同様に超電導コイル１、この超電導コイル１を支持し、かつ、内周壁を備えたコイル台９、真空容器３、断熱サポート４、冷凍機７および伝熱板８を備えた構成とされている。
【００４０】
超電導コイル１はコイル台９に固定されており、また冷凍機７と伝熱板８を通じて熱的に接続されることで冷却される構成としてある。また、断熱サポート４はコイル台９と真空容器中心孔部３ａに取付けられた座３ｃに接続されている。
【００４１】
この構成において、超電導コイル１に加わる電磁力および質量は、コイル台９、断熱サポート４、真空容器中心孔部３ａ、真空容器脚部３ｂへと伝わる。
【００４２】
本実施形態においても、超電導コイル１に加わる電磁力や質量をコイル台９、断熱サポート、真空容器中心孔部３ａおよび真空容器脚部３ｂのみで支持することにより、真空容器３やコイル台９の他の部材を肉厚にする必要がなく、補強を最小限に抑えることができ、強度を維持しつつ軽量化することができる。
【００４３】
［第４実施形態］（図８、図９）
図８は第４実施形態による超電導磁石装置１Ｄの構成を示す縦断面図であり、図９は図８のＤ−Ｄ線断面図である。
【００４４】
本実施形態の超電導磁石装置１Ｄは、基本構成において第１実施形態と略同様であるが、第１実施形態の構成に加え、輻射シールド６および冷凍機７を有するものとし、この輻射シールド６は冷凍機７と熱的に接続されて低温に維持される構成としてある。
【００４５】
この超電導磁石装置１Ｄにおいては、超電導コイル１に加わる電磁力および質量が順次に、内周壁を備えたコイル台９、断熱サポート４、真空容器中心孔部３ａおよび真空容器脚部３ｂへと伝わる。また、真空容器３からの輻射による侵入熱は一旦、輻射シールド６を経て冷凍機７へ取り除かれ、超電導コイル１に侵入する輻射熱は、輻射シールド６からのみとなる。
【００４６】
本実施形態によれば、電磁力や質量をコイル台９、断熱サポート４、真空容器中心孔部３ａおよび真空容器脚部３ｂのみで超電導コイル１に加わる電磁力および質量を支持することで、真空容器３やコイル台９の他の部材を肉厚にする必要なく補強を最小限に抑えることができ、強度を維持しつつ軽量化することができる。
【００４７】
また、輻射シールド６により超電導コイル１への侵入熱を低減できるため、断熱サポート４からの伝導による侵入熱に余力が生じ、断熱サポート４を短くすることができ、強度を維持しつつ軽量化することができる。
【００４８】
［第５実施形態］（図１０、図１１）
図１０は第５実施形態による超電導磁石装置１Ｅの構成を示す縦断面図であり、図１１は図１０のＥ−Ｅ線断面図である。
【００４９】
本実施形態による超電導磁石装置１Ｅは、図１１に示すように、断熱サポート４は超電導コイル１のコイル軸方向（断熱サポート４の長手方向）に沿って配置してあり、複数の超電導コイル１の間に働く電磁力の方向と略平行に配置されている。
【００５０】
超電導コイル１に加わる電磁力、質量は冷媒容器中心孔部２ａから断熱サポート４、真空容器中心孔部３ａ、真空容器脚部３ｂへと伝わる。また、真空容器３からの輻射による侵入熱は一旦輻射シールド６を経て冷凍機（図示せず）へ取り除かれ、超電導コイル１へ侵入する輻射熱は輻射シールド６からのみである。
【００５１】
さらに、真空容器３からの伝導による侵入熱は、断熱サポート４から輻射シールド６を経て冷凍機で取り除かれ、超電導コイル１へ伝導により侵入する熱は輻射シールド６からのみである。
【００５２】
超電導コイル１の電磁力や質量を冷媒容器中心孔部２ａ、断熱サポート４、真空容器中心孔部３ａおよび真空容器脚部３ｂのみで支持することで、真空容器３や冷媒容器２の他の部材を肉厚にする必要なく、補強を最小限に抑えることができ、強度を維持しつつ軽量化することができる。
【００５３】
また、輻射シールド６により超電導コイル１への侵入熱を低減することができるため、断熱サポート４からの伝導による侵入熱に余力が生じ、断熱サポート４を短くすることができ、これにより強度を維持しつつ軽量化することができる。
【００５４】
［他の実施形態］
上記の各実施形態において、断熱サポート４を一般的な金属よりも熱伝導率が小さく、引張り強さが大きい繊維強化樹脂を使用することが可能である。
【００５５】
すなわち、繊維強化樹脂を使用することで、超電導コイル１に加わる電磁力および質量は、冷媒容器中心孔部２ａから断熱サポート４、真空容器中心孔部３ａ、真空容器脚部３ｂへと伝わり、超電導コイル１の電磁力や質量を冷媒容器中心孔部２ａ、真空容器中心孔部３ａおよび真空容器脚部３ｂのみで支持することにより、真空容器３および冷媒容器２等の他の部材を肉厚にする必要がなく、補強を最小限に抑えることができる。
【００５６】
また、断熱サポート４が一般的な金属よりも熱伝導率が小さく、引張り強さが大きい繊維強化樹脂で構成することにより、金属製の支持構造に比べて超電導磁石装置の強度を維持しつつより軽量化することができる。
【００５７】
また、真空容器３を一般的に使用されるステンレス鋼よりも軽量なアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用することが可能である。これにより、超電導コイル１の電磁力や質量を冷媒容器中心孔部２ａ、真空容器中心孔部３ａおよび真空容器脚部３ｂのみで支持することで真空容器３や冷媒容器２の他の部材を肉厚にする必要がなく、補強を最小限に抑えることができる。
【００５８】
また、真空容器３に使用されているアルミニウムまたはアルミニウム合金は一般的に真空容器３に使用されるステンレス鋼に比べて重量が３分の１程度であり、超電導磁石装置の強度を維持しつつより軽量化することができる。
【００５９】
これにより、超電導コイル１の電磁力や質量を冷媒容器中心孔部２ａ、真空容器中心孔部３ａおよび真空容器脚部３ｂのみで支持することで、真空容器３や冷媒容器２の他の部材を肉厚にする必要がなくなり、補強を最小限に抑えることができる。
【００６０】
また、冷媒容器２に使用されているアルミニウムまたはアルミニウム合金は、一般的に冷媒容器２に使用されるステンレス鋼に比べ重量が３分の１程度であり、超電導磁石装置の強度を維持しつつより軽量化することができる。
【００６１】
なお、アルミニウム合金としては、例えばアルミニウム・ケイ素合金（Ａｌ-Ｓｉ）、その他各種合金，例えばＮａ，Ｋ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅ等を加えたもの等がある。
【００６２】
また、真空容器３は、その内部に複数段の冷却部を持つ冷凍機と、真空容器内部にあって超電導コイルを包囲するように配置され、冷凍機によって伝導で冷却される輻射シールドとを有する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１  超電導コイル
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ  超電導磁石装置
２  冷媒容器
２ａ  冷媒容器中心孔部
２ｃ  座（ブラケット）
３  真空容器
３ａ  真空容器中心孔部
３ｂ  真空容器脚部
３ｃ  座（ブラケット）
４  断熱サポート
５  冷媒
６  輻射シールド
７  冷凍機
８  伝熱板
９  コイル台
Ｇ  支持基盤
【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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【図１１】
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