(57)【要約】【課題】超電導線材を強く拘束することなく、クエンチ現象の発生を防止することが可能な超電導コイルを提供する。【解決手段】この超電導コイルは、極低温下で励磁されるように構成されており、円筒状の軸部１１と、この軸部１１の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部１２，１３とを含む巻枠１０と、前記軸部１１の外周に螺旋状に巻回され、その巻回状態で樹脂に含浸される超電導線材２０と、少なくとも極低温下で、前記一対のフランジ部１２，１３の両方に連結されて、当該一対のフランジ部１２，１３が熱収縮により互いに接近するのを抑制する補強材５０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温下で励磁される超電導コイルであって、
円筒状の軸部と、この軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠と、
前記軸部の外周に螺旋状に巻回され、その巻回状態で含浸材に含浸される超電導線材と、
少なくとも極低温下で、前記一対のフランジ部に連結されて、当該一対のフランジ部が熱収縮により互いに接近するのを抑制する補強材とを備えることを特徴とする超電導コイル。
【請求項２】
前記補強材は、前記巻枠の熱収縮率よりも小さい、もしくは同等の熱収縮率を有していることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル。
【請求項３】
少なくとも一方のフランジ部よりも径外方向に張り出す姿勢で当該フランジ部の前記軸方向外側に設けられて、前記巻枠を支持する支持部材を備え、
前記フランジ部は、前記支持部材に固定され、
前記補強材は、前記フランジ部の径方向外側の位置で前記支持部材に連結されることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導コイル。
【請求項４】
前記フランジ部は、前記超電導線材の巻回領域の径方向外側に位置する外縁部を含み、
前記補強材は、前記外縁部に軸方向内側から連結されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導コイル。
【請求項５】
前記補強材は、円筒状に形成され、その軸方向が前記巻枠の軸方向と一致する姿勢で前記フランジ部に連結されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超電導コイル。
【請求項６】
極低温下で励磁される超電導コイルのクエンチ防止方法であって、
円筒状の軸部と、この軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠を準備する工程と、
前記軸部の外周に超電導線材を螺旋状に巻回する工程と、
前記軸部に巻回した前記超電導線材を含浸材に含浸する工程と、
前記一対のフランジ部に補強材を連結してコイル体を形成する工程と、
前記コイル体を極低温まで冷却するとともに、極低温下で、前記一対のフランジ部が熱収縮により互いに接近するのを前記補強材によって抑制する工程とを備えることを特徴とする超電導コイルのクエンチ防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温下で励磁される超電導コイルおよび超電導コイルのクエンチ防止方法に関し、特に、軸方向両端にフランジ部を有する略円筒状の巻枠に超電導線材を螺旋状に巻回して構成される超電導コイルおよび超電導コイルのクエンチ防止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、強磁界を発生させる超電導コイルは、円筒状の軸部とこの軸部の軸方向両端から径外方向に延設されるフランジ部とを有する巻枠に超電導線材を螺旋状に巻回することにより構成されており、極低温（約４．２Ｋ以下）に冷却した状態で通電することにより励磁されるようになっている。
【０００３】
このような励磁状態にある超電導コイルでは、通電電流と自ら発した磁界との相互作用により超電導線材（ここでは、巻回状態にある超電導線材の集合体）を超電導コイルの径方向に膨らませようとするフープ力が当該超電導線材に作用する。これにより、超電導線材が微小変位するので、その変位部分で摩擦熱が生じ、クエンチ現象が発生する場合があるという不都合がある。
【０００４】
上記不都合を解消するために、例えば特許文献１のような技術が提案されている。この特許文献１では、超電導線材に加わる軸方向圧力（軸圧）を大きくして当該超電導線材を強く拘束することによって、超電導線材が微小変位するのを未然に防止し、クエンチ現象の発生を防いでいる。
【特許文献１】特開平５−１８２８１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１のような構成では、十分なクエンチ防止効果を得るためには、超電導線材に対する大きな拘束力が必要となる。しかしながら、このような超電導線材に大きな拘束力を付与する手段には構造的・技術的な限界が存在する。また、大き過ぎる拘束力は超電導線材にとってあまり好ましいものではない。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、超電導線材を強く拘束することなく、クエンチ現象の発生を防止することが可能な超電導コイルおよび超電導コイルのクエンチ防止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】
上記目的を達成するにあたって、本願発明者らは、超電導線材に対する拘束力の増強ではなく、当該拘束力を抑制することに想到した。すなわち、従来では、強い拘束力によって超電導線材が変位する確率を減らすことが可能であるが、万が一、超電導線材が何らかの理由で微小変位した時には、大きな力で拘束していた分だけ当該変位に伴って発生する摩擦熱が大きくなり、クエンチに繋がり易い。逆に、超電導線材に対する拘束力を抑えれば、超電導線材が微小変位してもその時に発生する摩擦熱は小さく、前記微小変位を起点とするクエンチ現象は却って起こり難い。
【０００８】
このような観点からなされた本発明の超電導コイルは、極低温下で励磁される超電導コイルであって、円筒状の軸部と、この軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠と、前記軸部の外周に螺旋状に巻回され、その巻回状態で含浸材に含浸される超電導線材と、少なくとも極低温下で、前記一対のフランジ部に連結されて、当該一対のフランジ部が熱収縮により互いに接近するのを抑制する補強材とを備えることを特徴とする。
【０００９】
なお、本発明における「連結」とは、フランジ部と補強材とが直に接触して直接的に力を及ぼし合う状態のみならず、両者が他の部材を介して間接的に力を及ぼし合う状態をも含んでいる。
【００１０】
本発明の超電導コイルでは、上記のように、一対のフランジ部に連結される補強材により、極低温下で一対のフランジ部が互いに接近するのを抑制する構成としたので、一対のフランジ部が互いに接近することで超電導線材に加わる軸方向圧力（軸圧）を、前記補強材により小さくすることができる。これにより、超電導線材に対する拘束力を弱めることができるので、当該超電導線材が微小変位してもその時に発生する摩擦熱を小さくすることができ、超電導線材の微小変位を起点とするクエンチ現象を起こり難くすることができる。従って、超電導線材を強く拘束することなくクエンチ現象の発生を防止することができる。
【００１１】
また、上記のように、巻回状態で含浸材に含浸された超電導線材を用いることによって、超電導線材の局所的な変位を抑制することができるので、当該超電導線材が部分的に微小変位することを起点とするクエンチ現象の発生を未然に抑えることができる。なお、上記含浸材としては、樹脂や水（氷）等を挙げることができる。
【００１２】
上記請求項１に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記補強材は、前記巻枠の熱収縮率よりも小さい、もしくは同等の熱収縮率を有している（請求項２）。
【００１３】
このように構成すれば、冷却時に、補強材が巻枠よりも大きく熱収縮することがない。そして、巻枠の熱収縮率と等しい熱収縮率の補強材を用いた場合には、補強材の軸方向の熱収縮量が巻枠の軸方向の熱収縮量と等しくなるので、例えば補強材を常温下で一対のフランジ部に互いに離間する方向の負荷を加える状態で当該一対のフランジ部に連結すれば、極低温下で巻枠の軸方向の熱収縮に対して補強材を突っ張らせることができる。これにより、一対のフランジ部に互いに離間する方向の力を作用させることができるので、補強材により極低温下で一対のフランジ部同士の接近を抑制することができる。
【００１４】
一方、巻枠の熱収縮率よりも小さい熱収縮率の補強材を用いた場合には、補強材の軸方向の熱収縮量が巻枠の軸方向の熱収縮量よりも小さくなる。このため、例えば補強材を常温下で一対のフランジ部に互いに離間する方向の負荷を加える状態で当該一対のフランジ部に連結すれば、極低温下で巻枠の軸方向の熱収縮に対して補強材を十分に突っ張らせることができるので、一対のフランジ部に互いに離間する方向の力を十分に作用させることができる。これにより、補強材により極低温下で一対のフランジ部同士の接近を十分に抑制することができる。
【００１５】
また、巻枠の熱収縮率よりも小さい熱収縮率の補強材を用いた場合には、例えば補強材を常温下で一対のフランジ部に対して無負荷となる状態で当該フランジ部に連結したとしても、極低温下で巻枠の軸方向の熱収縮に対して補強材を突っ張らせることができるので、一対のフランジ部に互いに離間する方向の力を作用させることができる。これにより、当該補強材により極低温下で一対のフランジ部同士の接近を容易に抑制することができる。
【００１６】
上記請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、少なくとも一方のフランジ部よりも径外方向に張り出す姿勢で当該フランジ部の前記軸方向外側に設けられて、前記巻枠を支持する支持部材を備え、前記フランジ部は、前記支持部材に固定され、前記補強材は、前記フランジ部の径方向外側の位置で前記支持部材に連結される構成であってもよい（請求項３）。
【００１７】
このように構成した場合、巻枠を支持するために当該巻枠の軸方向外側に設けた支持部材を有効に利用して、極低温下で一対のフランジ部が互いに接近するのを抑制することができる。
【００１８】
上記請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導コイルにおいて、前記フランジ部は、前記超電導線材の巻回領域の径方向外側に位置する外縁部を含み、前記補強材は、前記外縁部に軸方向内側から連結される構成であってもよい（請求項４）。
【００１９】
このように構成した場合、極低温下で、補強材がフランジ部を径方向内側から直接押圧して、フランジ部に離間方向の力を作用させることができる。これにより、フランジ部と補強材とを固定するための固定具を別途必要とせずに、簡単な構成で、フランジ部同士の接近を抑制することが可能になる。
【００２０】
上記請求項１〜４のいずれか一項に記載の超電導コイルにおいて、好ましくは、前記補強材は、円筒状に形成され、その軸方向が前記巻枠の軸方向と一致する姿勢で前記フランジ部に連結されている（請求項５）。
【００２１】
このように構成すれば、例えば板状の補強材を一対のフランジ部に連結させる場合と比較して、円筒状の補強材の軸方向の圧縮力に対する強度がより高いので、円筒状の補強材により極低温下で一対のフランジ部の接近をより効率良く抑制することができる。
【００２２】
また、本発明の超電導コイルのクエンチ防止方法は、極低温下で励磁される超電導コイルのクエンチ防止方法であって、円筒状の軸部と、この軸部の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部とを含む巻枠を準備する工程と、前記軸部の外周に超電導線材を螺旋状に巻回する工程と、前記軸部に巻回した前記超電導線材を含浸材に含浸する工程と、前記一対のフランジ部に補強材を連結してコイル体を形成する工程と、前記コイル体を極低温まで冷却するとともに、極低温下で、前記一対のフランジ部が熱収縮により互いに接近するのを前記補強材によって抑制する工程とを備えることを特徴とする。
【００２３】
この超電導コイルのクエンチ防止方法では、上記のように、一対のフランジ部に連結される補強材により、極低温下で一対のフランジ部が互いに接近するのを抑制するようにしたので、一対のフランジ部が互いに接近することで超電導線材に加わる軸方向圧力（軸圧）を、前記補強材により小さくすることができる。これにより、超電導線材に対する拘束力を弱めることができるので、当該超電導線材が微小変位してもその時に発生する摩擦熱を小さくすることができ、超電導線材の微小変位を起点とするクエンチ現象を起こり難くすることができる。従って、超電導線材を強く拘束することなくクエンチ現象の発生を防止することができる。
【００２４】
また、上記のように、巻回状態の超電導線材を含浸材に含浸することによって、超電導線材の局所的な変位を抑制することができるので、当該超電導線材が部分的に微小変位することを起点とするクエンチ現象の発生を未然に抑えることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の超電導コイルおよび超電導コイルのクエンチ防止方法によれば、一対のフランジ部に連結される補強材により、極低温下で一対のフランジ部が互いに接近するのを抑制するようにしたので、一対のフランジ部が互いに接近することで超電導線材に加わる軸方向圧力（軸圧）を、前記補強材により小さくすることができる。これにより、超電導線材に対する拘束力を弱めることができるので、当該超電導線材が微小変位してもその時に発生する摩擦熱を小さくすることができ、超電導線材の微小変位を起点とするクエンチ現象を起こり難くすることができる。従って、超電導線材を強く拘束することなくクエンチ現象の発生を防止することができる。
【００２６】
また、巻回状態の超電導線材を含浸材に含浸することによって、超電導線材の局所的な変位を抑制することができるので、当該超電導線材が部分的に微小変位することを起点とするクエンチ現象の発生を未然に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図であり、図２は、図１に示した超電導コイルの上面図である。また、図３は、図１に示した超電導コイルの組立途中の状態を示した正面断面図である。まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態による超電導コイルの全体構成について説明する。
【００２９】
本実施形態の超電導コイルは、ＭＲＩ装置やＮＭＲ装置等の超電導マグネット装置に具備されるものであり、極低温（約４．２Ｋ以下）に冷却した状態で通電することにより励磁されるように構成されている。この超電導コイルは、図１に示すように、アルミニウムからなる巻枠１０と、ＮｂＴｉからなる超電導線材２０と、ステンレス鋼（ＳＵＳ）からなるベースプレート３０およびトッププレート４０とを備えている。なお、ベースプレート３０およびトッププレート４０は、本発明の「支持部材」に相当する。
【００３０】
巻枠１０は、円筒状の軸部１１と、この軸部１１の軸方向両端から径外方向に延びるように設けられた一対のフランジ部１２，１３とを含んでいる。軸部１１は、超電導線材２０を巻回する部位である。また、軸部１１の内径側には、当該超電導コイルにより形成される磁場領域（図示せず）が位置している。フランジ部１２，１３は、それぞれ、当該フランジ部１２，１３の内径側の端部が軸部１１の軸方向端部に連設されている。これらのフランジ部１２，１３は、軸部１１に巻回された超電導線材２０の軸方向の端部位置を規制する機能を有している。
【００３１】
超電導線材２０は、軸部１１の外周に螺旋状（またはソレノイド状）に巻回されている。また、超電導線材２０は、軸部１１に巻回された状態で樹脂や水（氷）等の含浸材に含浸されるように構成されており、これによって巻回状態にある超電導線材２０の局所的な変位を抑制している。なお、本実施形態の超電導線材２０は、巻回状態にある超電導線材の集合体を示している。また、超電導線材２０の材料としては、上記ＮｂＴｉ以外のＮｂ３ＳｎおよびＮｂ３Ａｌ等を挙げることができる。
【００３２】
ベースプレート３０およびトッププレート４０は、巻枠１０を支持するためのものである。これらのプレート３０，４０の構成材料は、変形し難いものであれば上記ステンレス鋼以外の材料でもよい。ベースプレート３０は、平板状に形成されており、フランジ部１３の外周縁よりも径外方向に張り出す姿勢で巻枠１０の軸方向の一端（図１では下端）側に配設されている。そして、上記フランジ部１３は、その下面がベースプレート３０の上面と面接触する状態で複数のボルト６１により当該ベースプレート３０に固定されている。また、フランジ部１３は、その径方向の略中間部位が前記複数のボルト６１によって当該ベースプレート３０に固定されている。
【００３３】
トッププレート４０は、平板状に形成されており、フランジ部１２の外周縁よりも径外方向に張り出す姿勢で巻枠１０の軸方向の他端（図１では上端）側に配設されている。そして、上記フランジ部１２は、その径方向の略中間部位が複数組のボルト６２およびナット６３によって当該トッププレート４０に固定されている。このボルト６２は、フランジ部１２に埋め込み固定されるとともにトッププレート４０の図略の貫通孔に挿通されており、当該ボルト６２のトッププレート４０上方への突出先端にナット６３を螺合させて締付け方向に回転させることによって、フランジ部１２とトッププレート４０とが固定されるように構成されている。
【００３４】
なお、本実施形態では、フランジ部１３のベースプレート３０への取付けが、フランジ部１２のトッププレート４０への取付けに先立って行われる。
【００３５】
また、上記一対のプレート３０，４０には、それぞれ、軸部１１に対応する位置に孔部３１，４１が形成されている。これらの孔部３１，４１は、軸部１１の内径側の磁場領域に対する開口として機能する。
【００３６】
ここで、第１実施形態の超電導コイルは、図１および図２に示すように、ステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる補強材５０を備えている。この補強材５０は、フランジ部１２，１３の外径よりも大きい内径の円筒状に形成されており、当該補強材５０の軸方向が巻枠１０の軸方向と一致する姿勢で一対のプレート３０，４０間に介設されている。具体的には、補強材５０の上端部５１がトッププレート４０にボルト６４により固定されるとともに、補強材５０の下端部５２がベースプレート３０にボルト６５により固定されている。なお、補強材５０を例えば溶接等によりプレート３０，４０に取り付けてもよい。
【００３７】
また、補強材５０は、図３に示すように、当該超電導コイルの組立て前の状態で、その軸方向長さが巻枠１０の軸方向長さよりも長くなるように寸法設計されている。このため、当該超電導コイルの組立て時におけるボルト締め前の段階では、フランジ部１２とトッププレート４０との間に所定の隙間（図３参照）が形成されている。そして、上記隙間は、ナット６３の締付け動作に伴って徐々に狭くなり、最終的には図１に示すようにフランジ部１２の上面とトッププレート４０の下面とが面接触するように構成されている。そして、ボルト締め後の状態では、一対のフランジ部１２，１３の間隔がボルト締め前よりも大きくなるように、すなわち、フランジ部１２，１３に互いに離間する方向の負荷が加わった状態で、補強材５０が当該プレート３０，４０に取付けられている。このように本実施形態では、超電導コイルの組立て状態で、既に、補強材５０に軸方向の圧縮力が加わるとともに、一対のフランジ部１２，１３に軸方向外側への引張り力が加わっている。そして、補強材５０は、その軸方向の熱収縮率が巻枠１０の軸方向の熱収縮率よりも小さくなるように構成されていることから、冷却に伴う軸方向の収縮量が巻枠１０よりも少なくなり、これによって極低温下で一対のフランジ部１２，１３が熱収縮により互いに接近するのを十分に抑制するように機能する。
【００３８】
なお、上述した本実施形態の構成は、巻枠１０の熱収縮率よりも小さい熱収縮率の材料からなる補強材５０を用いた場合で、かつ、両者の熱収縮率の差のみでは軸圧を小さくする効果が十分に得られないと判断された場合に、好適に採用される構成である。
【００３９】
これに対して、巻枠１０の熱収縮率よりも小さい熱収縮率の材料からなる補強材５０を用いた場合で、かつ、両者の熱収縮率の差のみで軸圧を小さくする効果が十分に得られると判断された場合には、上記実施形態の構成とは異なる構成が採用される。すなわち、補強材５０の軸方向長さが巻枠１０の軸方向長さとほぼ等しくなるように寸法設計され、当該超電導コイルの組立て時におけるボルト締め前の段階では、フランジ部１２とトッププレート４０との間に所定の隙間が形成されないように、つまり、超電導コイルの組立て状態で、補強材５０を一対のフランジ部１２，１３に対して無負荷となる状態でプレート３０，４０に取付ける構成が採用される。
【００４０】
また、巻枠１０の熱収縮率と同等の熱収縮率の材料からなる補強材５０を用いた場合には、上記実施形態の構成を採用することが必須となる。
【００４１】
なお、フランジ部１２は、図２に示すように、複数のボルト６２およびナット６３が、巻枠１０の軸心Ｒを中心とする同心円上にかつ軸心Ｒを基準に対称となる位置に配されるように、トッププレート４０に固定されている。また、図示は省略するが、ボルト６１についても上記と同様の構成となっている。さらに、本実施形態では、径方向内側のボルト６２およびナット６３と、径方向外側のボルト６４とが、軸心Ｒを通る同一線上に配置されるように構成されている。また、図示は省略するが、ボルト６１，６５についても同様の構成となっている。これらのことから、補強材５０が巻枠１０の軸方向の熱収縮に対抗して突っ張ることに起因してフランジ部１２，１３に加わる離間方向の負荷が、当該フランジ部１２，１３に均等に作用するようになっている。
【００４２】
上記構成の超電導コイルのクエンチ防止方法について説明する。まず、超電導コイルを常温下で組立てる。具体的には、円筒状の軸部１１と、この軸部１１の軸方向両端から径外方向に延設される一対のフランジ部１２，１３とを含むアルミニウムからなる巻枠１０を準備する。そして、巻枠１０の軸部１１の外周にＮｂＴｉからなる超電導線材２０を巻回する。その後、巻枠１０の軸部１１に巻回した超電導線材２０を樹脂等の含浸材に含浸する。
【００４３】
次に、巻枠１０を支持するためのベースプレート３０およびトッププレート４０とステンレス鋼からなる補強材５０とを準備し、まず前記ベースプレート３０に巻枠１０を固定する。詳細には、フランジ部１３の径方向の略中間部位をボルト６１によりベースプレート３０に固定する。この固定状態では、ベースプレート３０の上面とフランジ部１３の下面とが面接触している。
【００４４】
次に、補強材５０の下端部５２を、ベースプレート３０にボルト６５により固定するとともに、補強材５０の上端部５１を、前記トッププレート４０にボルト６４により固定する。そして、フランジ部１２をボルト６２およびナット６３を用いてトッププレート４０に固定する。詳細には、フランジ部１２の径方向の略中間部位に埋め込み固定されたボルト６２を、トッププレート４０の図略の貫通孔に挿通させ、当該ボルト６２の先端をトッププレート４０の上方に突出させる。そして、ボルト６２の先端にナット６３を螺合させて締め付ける。このとき、補強材５０の軸方向長さが巻枠１０の軸方向長さよりも長いことから、ボルト６２に対してナット６３を軽く締め付けた状態では、フランジ部１２とトッププレート４０との間に隙間（図３参照）が形成されることになる。
【００４５】
ここで、本実施形態では、ナット６３をボルト６２に対して強く締め付けることにより、フランジ部１２をトッププレート４０側に変位させて（図３の矢印参照）、フランジ部１２の上面とトッププレート４０の下面とを面接触させる。これによって、常温下で一対のフランジ部１２，１３に互いに離間する方向の負荷を加える状態で、補強材５０を当該プレート３０，４０間に配設して、一対のフランジ部１２，１３の両方に連結させる。以上のようにして超電導コイルの組立てが完了する。
【００４６】
そして、この超電導コイルを極低温に冷却して通電し励磁状態にすると、通電電流と自ら発した磁界との相互作用により超電導線材２０に径外方向のフープ力が作用する。これにより、超電導線材２０が径方向に膨らむ。
【００４７】
また、極低温に冷却すると、巻枠１０、超電導線材２０および補強材５０が各構成材料の熱収縮率にしたがって収縮する。ここで、本実施形態では、補強材５０の熱収縮率が、巻枠１０の熱収縮率よりも小さくなるように構成されているため、冷却時に、巻枠１０の軸方向の収縮量が、補強材５０の軸方向の収縮量よりも大きくなる。
【００４８】
そして、巻枠１０の軸方向の収縮量と補強材５０の軸方向の収縮量との差に起因して、補強材５０が巻枠１０の軸方向の熱収縮に対して突っ張ることで、極低温下で補強材５０に軸方向の圧縮力が作用するとともに巻枠１０に軸方向外側への引張り力が作用する。このように、一対のフランジ部１２，１３が、プレート３０，４０を介して補強材５０によって互いに離間する方向に引っ張られることで、当該フランジ部１２，１３が超電導線材２０に与える軸方向圧力（軸圧）が小さくなる。
【００４９】
第１実施形態では、上記のように、一対のフランジ部１２，１３の両方に連結される補強材５０により、極低温下で一対のフランジ部１２，１３が互いに接近するのを抑制する構成としたので、一対のフランジ部１２，１３が互いに接近することで超電導線材２０に加わる軸方向圧力（軸圧）を、前記補強材５０により小さくすることができる。これにより、超電導線材２０に対する拘束力を弱めることができるので、当該超電導線材２０が微小変位してもその時に発生する摩擦熱を小さくすることができる。従って、超電導線材２０の微小変位を起点とするクエンチ現象を起こり難くすることができる。
【００５０】
また、第１実施形態では、上記のように、巻回状態で含浸材に含浸された超電導線材２０を用いることによって、超電導線材２０の局所的な変位を抑制することができるので、当該超電導線材２０が部分的に微小変位することを起点とするクエンチ現象の発生を未然に抑えることができる。
【００５１】
また、第１実施形態では、上記のように、補強材５０の熱収縮率が巻枠１０の熱収縮率よりも小さくなるように構成することによって、冷却時に、補強材５０が巻枠１０よりも大きく熱収縮することがなく、補強材５０の軸方向の熱収縮量が巻枠１０の軸方向の熱収縮量よりも小さくなる。これにより、極低温下で巻枠１０の軸方向の熱収縮に対して補強材５０を十分に突っ張らせることができるので、一対のフランジ部１２，１３に互いに離間する方向の力を十分に作用させることができる。さらに、第１実施形態では、上記のように、冷却前の常温下で一対のフランジ部１２，１３に互いに離間する方向の負荷を予め加えておくことによって、前記負荷が極低温下でフランジ部１２，１３同士の接近を抑制するように作用する。これらのことから、極低温下で一対のフランジ部１２，１３同士の接近を十分に抑制し、超電導線材２０に加わる軸圧を十分に小さくすることができる。
【００５２】
また、第１実施形態では、上記のように、一対のフランジ部１２，１３を各々対応するプレート４０，３０に固定し、補強材５０を、巻枠１０の径方向外側の位置で前記プレート１２，１３に連結する構成としたので、巻枠１０を支持するために当該巻枠１０の軸方向両側に設けた一対のプレート３０，４０を有効に利用して、極低温下で一対のフランジ部１２，１３が互いに接近するのを抑制することができる。
【００５３】
また、第１実施形態では、上記のように、円筒状の補強材５０を、その軸方向が巻枠１０の軸方向と一致する姿勢でプレート３０，４０間に設けることによって、円筒状の補強材５０の軸方向の圧縮力に対する強度が比較的高いので、円筒状の補強材５０により極低温下で一対のフランジ部１２，１３の接近を効率良く抑制することができる。
【００５４】
また、第１実施形態では、上記のように、フランジ部１２，１３の径方向の略中間部位をプレート４０，３０に固定する構成としたので、フランジ部１２，１３のうち、巻枠１０の軸方向の熱収縮に大きく関与する軸部１１に比較的近い部位に対して離間方向の負荷を加えることができる。これにより、超電導線材２０に加わる軸圧を効率良く減少させることができる。
【００５５】
なお、第１実施形態では、アルミニウム製の巻枠１０よりも軸方向に長いステンレス鋼製の補強材１０をプレート３０，４０間に設ける例について示したが、これに限らず、補強材５０の軸方向長さが巻枠１０の軸方向長さとほぼ等しくなるように構成し、常温下で補強材５０を一対のフランジ部１２，１３に対して無負荷となる状態で当該フランジ部１２，１３間に介在させてもよい。このように構成しても、極低温下で巻枠１０の軸方向の熱収縮に対して補強材５０を突っ張らせて、一対のフランジ部１２，１３に互いに離間する方向の力を作用させることができるので、一対のフランジ部１２，１３同士の接近を十分に抑制することが可能である。また、この場合、冷却前に巻枠１０のフランジ部１２，１３に離間方向の負荷が加わらないので、巻枠１０の寿命を延ばすことができる。
【００５６】
また、第１実施形態では、アルミニウム製の巻枠１０とステンレス鋼製の補強材５０とを用いて、補強材５０の熱収縮率が巻枠１０の熱収縮率よりも小さくなるように構成する例について示したが、これに限らず、冷却前の常温下で一対のフランジ部１２，１３に互いに離間する方向の負荷を加えるという条件下であれば、補強材５０の熱収縮率が巻枠１０の熱収縮率以上となるような構成、例えば両者共にステンレス鋼からなるような構成を採用することも可能である。この構成の場合、補強材５０の軸方向の熱収縮量が巻枠１０の軸方向の熱収縮量と等しくなるので、上記実施形態のように補強材５０を常温下で一対のフランジ部１２，１３に互いに離間する方向の負荷を加える状態で当該一対のフランジ部１２，１３に連結すれば、極低温下で巻枠１０の軸方向の熱収縮に対して補強材５０を突っ張らせることができる。これにより、一対のフランジ部１２，１３に互いに離間する方向の力を作用させることができるので、補強材５０により極低温下で一対のフランジ部１２，１３同士の接近を抑制することができる。また、この場合、補強材５０の材料の選択肢が増える。
【００５７】
次に、図４および図５を参照して、上述した第１実施形態の効果を確認するために行ったシミュレーションによる解析実験について説明する。この実験では、上記第１実施形態に対応する実施例による超電導コイル（図４参照）と、従来技術に対応する比較例による超電導コイル（図５参照）とを準備し、極低温下で超電導線材２０に発生する軸方向の応力をシミュレーションにより算出した。
【００５８】
すなわち、実施例の超電導コイルは、図４に示すように、アルミニウム製の巻枠１０と、ＮｂＴｉ製の超電導線材２０と、ステンレス鋼からなる補強材５０とを備えており、軸部１１の内径ｄ１が５００ｍｍ、軸部１１の外径ｄ２が５３０ｍｍ、フランジ部１２，１３間の間隔ｄ３が６００ｍｍ、フランジ部１３（１２）の厚みｄ４が１５ｍｍ、軸部１１に巻回された超電導線材２０の外径ｄ５が６５０ｍｍ、補強材５０の内径ｄ１１が６６０ｍｍ、補強材５０の外径ｄ１２が６７０ｍｍとなるように寸法設定されている。そして、組立時におけるナット６３の締付け前の状態では、フランジ部１２とトッププレート４０との隙間ｄ１３が０．５ｍｍとなっている。
【００５９】
なお、当該解析実験では、アルミニウム、ＮｂＴｉ、ステンレス鋼の各物性値を以下のように設定した。巻枠１０の構成材料であるアルミニウムの縦弾性係数を７５ＧＰａとし、平均熱膨張率を０．００００１５とした。また、超電導線材２０の構成材料であるＮｂＴｉの縦弾性係数を８０ＧＰａとし、平均熱膨張率を０．００００１とした。また、補強材５０の構成材料であるステンレス鋼の縦弾性係数を２００ＧＰａとし、平均熱膨張率を０．００００１とした。
【００６０】
上記条件の下、２９４．２Ｋから液体ヘリウム温度である４．２Ｋまで冷却したときに、超電導線材２０に発生する軸方向の応力を求める。
【００６１】
前記軸方向応力は、超電導線材２０の軸方向の熱収縮量と巻枠１０の軸方向の熱収縮量との差によって決まるものであり、極低温下で巻枠１０から超電導線材２０に加わる軸方向圧力（軸圧）に等しい。そして、詳細な説明は省略するが、各部材の力の釣り合い等の観点から所定数（ここでは１２個）の等式が成り立ち、これらの等式から超電導線材２０に発生する軸方向応力σ１を導出することができる。これにより、実施例による超電導コイルの冷却による軸方向応力σ１が０ＭＰａであるという解析結果が得られた。
【００６２】
一方、比較例の超電導コイルは、図５に示すように、アルミニウム製の巻枠１１０と、ＮｂＴｉ製の超電導線材１２０とを備えており、実施例のような補強材を具備していない。そして、この超電導コイルでは、軸部１１１の内径ｄ２１が５００ｍｍ、軸部１１１の外径ｄ２２が５３０ｍｍ、フランジ部１１２，１１３間の間隔ｄ２３が６００ｍｍ、フランジ部１１３（１１２）の厚みｄ２４が１５ｍｍ、軸部１１１に巻回された超電導線材１２０の外径ｄ２５が６５０ｍｍとなるように寸法設定されている。
【００６３】
上記条件の下、２９４．２Ｋから液体ヘリウム温度である４．２Ｋまで冷却したときに、超電導線材１２０に発生する軸方向の応力を求める。
【００６４】
前記軸方向応力は、超電導線材１２０の軸方向の熱収縮量と巻枠１１０の軸方向の熱収縮量との差によって決まるものであり、極低温下で巻枠１１０から超電導線材１２０に加わる軸方向圧力（軸圧）に等しい。そして、詳細な説明は省略するが、所定数（ここでは６個）の等式が成り立ち、これらの等式から超電導線材１２０に発生する軸方向応力σ２を導出することができる。これにより、実施例による超電導コイルの冷却による軸方向応力σ２が１９．７ＭＰａであるという解析結果が得られた。
【００６５】
次に、上記の軸方向応力と、巻枠および超電導線材間で発生する摩擦熱との関係について説明する。例えば、線幅が０．６ｍｍで胴比が１．３の超電導線材が、４．２Ｋからクエンチ温度である９Ｋまで温度上昇するために必要なエンタルピーは、０．０１Ｊ／ｍである。そして、巻枠および超電導線材間の摩擦係数μを１とし、摩擦時に移動した距離ΔＬを１０μｍとした場合、軸方向応力σ１が０ＭＰａのときの巻枠１０および超電導線材２０間で発生する摩擦熱は０Ｊ／ｍであり、上記したクエンチが発生するための値である０．０１Ｊ／ｍよりも小さくなっている。一方、軸方向応力σ２が１９．７ＭＰａのときの巻枠１１０および超電導線材１２０間で発生する摩擦熱は０．１２Ｊ／ｍであり、０．０１Ｊ／ｍよりも大きくなっている。このことから、比較例の超電導コイルでは超電導線材１２０の微小変位時にクエンチ現象が発生するが、実施例の超電導コイルでは超電導線材２０の微小変位時にクエンチ現象が発生しないと考えられる。従って、上記第１実施形態の超電導コイルにおける効果が当該シミュレーションによって確認された。
【００６６】
なお、上記第１実施形態による超電導コイルのより具体的な一例を図６に示す。この超電導コイルでは、径外方向に順に、内側コイル７１、外側コイル７２、補正コイル７３およびシールドコイル７４が配されており、各コイルの軸方向両端には、ベースプレート３０およびトッププレート４０が設けられている。そして、補強材５０は、上記補正コイル７３とシールドコイル７４との間でプレート３０，４０間に介設されている。
【００６７】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図であり、図８は、図７に示した超電導コイルの組立途中の状態を示した正面断面図である。
【００６８】
この第２実施形態の超電導コイルは、上記第１実施形態とは異なり、図７に示すように、トッププレート４０が省略された構成となっている。なお、第２実施形態の超電導コイルの構成部材は、上記第１実施形態の対応する構成部材と同じ材料により形成されている。
【００６９】
そして、巻枠２１０の上側のフランジ部２１２が、下側のフランジ部１３よりも径外方向に延在しており、補強材２５０が、フランジ部２１２とベースプレート３０との間に介設されている。具体的には、補強材２５０の下端部２５２が、ベースプレート３０にボルト６５により固定されるとともに、補強材２５０の上端部２５１が、フランジ部２１２の外周縁部位に下方から当接する姿勢でボルト６６により固定されている。
【００７０】
また、フランジ部１３の径方向の略中間部位が、ボルト６７およびナット６８によってベースプレート３０に固定されている。なお、この固定構造は、第１実施形態におけるフランジ部１２のトッププレート４０への固定構造と同様である。つまり、この補強材２５０は、図８に示すように、当該コイルの組立て前の状態で、その軸方向長さが巻枠２１０のフランジ部２１２の下面からフランジ部１３の下面までの長さよりも長くなるように寸法設計されている。このため、当該超電導コイルの組立て時のボルト締め前の段階では、フランジ部１３とベースプレート３０との間に所定の隙間（図８参照）が形成されている。そして、上記隙間は、ナット６８の締付け動作に伴って徐々に狭くなり、最終的にフランジ部１３の下面とベースプレート３０の上面とが面接触するように構成されている。
【００７１】
そして、ボルト締め後の状態では、一対のフランジ部２１２，１３の間隔がボルト締め前よりも大きくなるように、すなわち、フランジ部２１２，１３に互いに離間する方向の負荷が加わった状態で、補強材２５０がフランジ部２１２およびベースプレート３０に取付けられている。このように、超電導コイルの組立て状態で、既に、補強材２５０に軸方向の圧縮力が加わるとともに、一対のフランジ部２１２，１３に軸方向外側への引張り力が加わっている。そして、補強材２５０は、その軸方向の熱収縮率が巻枠２１０の軸方向の熱収縮率よりも小さくなるように構成されていることから、冷却に伴う軸方向の収縮量が巻枠２１０よりも少なくなり、これによって極低温下で一対のフランジ部２１２，１３が熱収縮により互いに接近するのを抑制するように機能する。
【００７２】
第２実施形態では、上記のように、超電導線材２０の巻回領域の径方向外側に位置するフランジ部２１２の外縁部に、補強材２５０を軸方向内側（下側）から連結する構成としたので、極低温下で、補強材２５０がフランジ部２１２を径方向内側から直接押圧して、フランジ部２１２，１３に離間方向の力を作用させることができる。これにより、フランジ部と補強材とを固定するための固定具を別途必要とせずに、簡単な構成で、フランジ部２１２，１３同士の接近を抑制することができる。
【００７３】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００７４】
例えば、上記実施形態では、巻枠を支持するためのプレートを利用して、補強材により一対のフランジ部が互いに接近するのを抑制する例について示したが、これに限らず、プレートが存在しない場合には、補強材を、一対のフランジ部に挟み込まれるような姿勢で当該フランジ部間に挿入し、これによって一対のフランジ部が互いに接近するのを抑制するようにしてもよい。このとき、例えば、補強材を挿入前に予め冷却して収縮させた状態でフランジ部間に挿入すれば、冷却時の補強材の収縮量を小さくして、巻枠との収縮量の差を大きくすることができるので、極低温下で一対のフランジ部の接近を十分に抑制することができる。
【００７５】
また、変形例として、補強材の軸方向両端に、径内方向に延びる一対の補強材側フランジ部を設け、これらの補強材側フランジ部を巻枠のフランジ部に各々固定することで、極低温下で一対のフランジ部が互いに接近するのを抑制する構成であってもよい。
【００７６】
また、補強材が、複数の板材で構成されており、前記板材が、それぞれ、一対のフランジ部の外周縁部位同士を部分的に橋絡するように当該フランジ部間に架設されることで、極低温下で一対のフランジ部が互いに接近するのを抑制する構成であってもよい。
【００７７】
また、本発明の超電導コイルを具備する超電導マグネット装置は、液体ヘリウムを冷媒とする超電導マグネット装置のみならず、無冷媒式の超電導マグネット装置であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第１実施形態による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図である。
【図２】図１に示した超電導コイルの上面図である。
【図３】図１に示した超電導コイルの組立て途中の状態を示した正面断面図である。
【図４】第１実施形態に対応する実施例による超電導コイルの各寸法を示した正面断面図である。
【図５】従来技術に対応する比較例による超電導コイルの各寸法を示した正面断面図である。
【図６】第１実施形態による補強材の他の取付け例を示した正面断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態による超電導コイルの全体構成を示した正面断面図である。
【図８】図７に示した超電導コイルの組立て途中の状態を示した正面断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０，２１０  巻枠
１１  軸部
１２，１３，２１２  フランジ部
２０  超電導線材
３０  ベースプレート（支持部材）
４０  トッププレート（支持部材）
５０，２５０  補強材
【図１】
2008311526.tif 000003
【図２】
2008311526.tif 000004
【図３】
2008311526.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008311526.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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