(57)【要約】【課題】冷媒の使用量を抑えることと、製造の工程を簡素化することで、価格が低減されて信頼性と品質が向上した超伝導コイル装置を提供すること。【解決手段】磁場を発生させる筒状の超伝導コイル２と、超伝導コイル２を浸漬し冷却する冷媒（液体ヘリウム）３と、冷媒（液体ヘリウム）３を貯蔵し超伝導コイル２を収納する冷媒容器（液体ヘリウム容器）４とを備える超伝導コイル装置１において、筒状の超伝導コイル２の内部空間には、内部空間に進入する冷媒（液体ヘリウム）３を押し退ける冷媒排除部材（コイル吊筒）５を設ける構成とした。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場を発生させる筒状の超伝導コイルと、該超伝導コイルを浸漬し冷却する冷媒と、該冷媒を貯蔵し前記超伝導コイルを収納する冷媒容器とを備える超伝導コイル装置において、
前記筒状の超伝導コイルの内部空間には、該内部空間に進入する前記冷媒を押し退ける冷媒排除部材が設けられていることを特徴とする超伝導コイル装置。
【請求項２】
前記冷媒排除部材は、前記超伝導コイルを前記冷媒容器に対して保持することを特徴とする請求項１記載の超伝導コイル装置。
【請求項３】
前記冷媒排除部材は、その上端部が前記冷媒容器の上蓋に固定され、その少なくとも下端部が、前記超伝導コイルの前記内部空間と略同一形状とされているとともに、前記下端部において超伝導コイルと固定されていることを特徴とする請求項２記載の超伝導コイル装置。
【請求項４】
前記冷媒排除部材の上部には、前記冷媒容器の空間部と連通する孔が形成されていることを特徴とする請求項３記載の超伝導コイル装置。
【請求項５】
前記冷媒排除部材は、電気的絶縁材によって形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超伝導コイル装置。
【請求項６】
磁場を発生させる筒状の超伝導コイルと、該超伝導コイルを浸漬し冷却する冷媒と、該冷媒を貯蔵し前記超伝導コイルを収納する上蓋及び胴部を有する冷媒容器とを備える超伝導コイル装置の製造方法において、
前記筒状の超伝導コイルの内部空間に対応する形状を少なくとも下部に有するコイル固定筒を、前記超伝導コイルの前記内部空間に挿入するとともに、これらコイル固定筒と超伝導コイルとを固定し、
前記コイル固定筒の上端部に前記冷媒容器の前記上蓋を固定し、
これらコイル固定筒、超伝導コイル及び上蓋を、前記冷媒容器の前記胴部に対して挿入することを特徴とする超伝導コイル装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイルを冷媒に浸漬することにより冷却して、超伝導状態を保持する浸漬冷却方式の超伝導コイル装置及び超伝導コイル装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導コイル装置は冷却の仕方によって、いくつかに分類される。一般的な形式として、冷媒に浸漬して臨界温度以下に冷却する浸漬冷却型と称するものがある。
図２に、浸漬冷却型の超伝導コイル装置を示す。超伝導コイル装置１００は、超伝導コイル１０１が液体ヘリウム（冷媒）１０２に浸漬されて冷却されている。超伝導コイル１０１及び液体ヘリウム１０２は、液体ヘリウム容器（冷媒容器）１０３の内部に共に収納されている。超伝導コイル１０１は円筒状で、内側に内部空間が設けられている。また、超伝導コイル１０１は、複数の（本例においては４つ）コイル脚１０４によって液体ヘリウム容器１０３に固定されて支持されている。
【０００３】
液体ヘリウム容器１０３は、液体ヘリウム容器上蓋１０３Ａと液体ヘリウム容器胴１０３Ｂとに分かれていて、図示しないシール材を介してボルト及びナットによって締結されている。液体ヘリウム容器１０３の周囲は中間温度に冷却されたサーマルシールド板１０５によって包囲されており、その周りを真空容器１０６が囲んでいる。液体ヘリウム容器１０３は液体ヘリウム容器脚１０７を介して真空容器１０６に固定されている。このように、液体ヘリウム容器１０３は外部雰囲気と熱的に絶縁されており、外部から熱が侵入して液体ヘリウム１０２を蒸発させ、運転に支障を来さないように断熱されている。
【０００４】
また、従来の超伝導コイル装置１００においては、コイル脚１０４によって支持されているだけではなく、液体ヘリウム容器１０３の上部から吊り棒や吊りベルトによって超伝導コイルが吊り下げられている例もある。
【０００５】
上記のように構成された超伝導コイル装置１００の運転においては、液体ヘリウム１０２が液体ヘリウム容器１０３内に充填されると、超伝導コイル１０１が液体ヘリウム１０２によって浸漬され冷却されて、約４．２Ｋの温度に保持される。このとき超伝導コイル１０１は、温度が超伝導転移温度を下回っているので超伝導状態となっている。超伝導コイル１０１は抵抗がゼロになって電気的損失がなくなり、減衰なしに電流が流れる。
【０００６】
また、上記の超伝導コイル装置１００の製造は、以下の工程を経て行われる。先ず、載置された真空容器１０６の内部に液体ヘリウム容器脚１０７を介して液体ヘリウム容器胴１０３Ｂを配置し、その後、液体ヘリウム容器胴１０３Ｂの内部にコイル脚１０４を介して超伝導コイル１０１を配置して、液体ヘリウム容器上蓋１０３Ａを載置して密封する。このように、外側から順に組み立てることで超伝導コイル装置１００が製造されていた。
【０００７】
超伝導コイル装置における冷媒の消費量を抑制する技術としては、冷凍機の能力が及ばない分の最低限の冷媒を貯蔵する手法（例えば、特許文献１参照）や、個々の超伝導コイルに対してそれぞれ別に冷媒容器を設けて、冷媒の充填量を極力少なくする手法（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２９８８０９号公報　（第５−８頁、第１−７図）
【特許文献２】
特開平９−１７１９２１号公報　（第４−６頁、第１−２図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来、円筒状のコイルにて構成されるソレノイド型の超伝導コイル装置においては、超伝導コイルをそのままの状態でコイル脚上に配置して冷媒（液体ヘリウム）内に浸漬冷却しているために、構造上、冷媒を必要としない超伝導コイルの内部空間にも冷媒が充填されてしまい、冷媒の初期充填量が多く必要となり、高価な冷媒の使用量が嵩んでしまう。また、製造過程での性能試験や、運用中の所定の定期試験時にも多量の冷媒がその都度必要となる。そのため、超伝導コイル装置の初期コストや運転コストが押し上げられ、超伝導コイル装置の優位な性能にも拘わらず普及が阻まれているといった問題があった。
また、地震等によって横方向への外的な力が加わった場合、超伝導コイルの支持材であるコイル脚等が、複数で個別に要素部材として作用するので、強度や剛性が十分でなく破損の恐れがあった。そのため、横方向への強度に対応すると、支持材自体が大きくなって重量及び材料コストが嵩むといった問題があった。
【００１０】
また、超伝導コイルの支持材が導電体によって形成されていると、高速励消磁運転を行ったときに渦電流が発生して、それに伴い熱が発生して、冷媒が蒸発してしまい、超伝導コイル装置の運転に支障を来すという問題があった。
また、超伝導コイル装置の製造過程においても、外側から順に組み立てるために、狭隘なスペースで作業を行うことが余儀なくされ、工程が複雑になりコストが嵩むといった問題があった。
【００１１】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、冷媒の使用量を抑えることと、製造の工程を簡素化することで、価格が低減されて信頼性と品質が向上した超伝導コイル装置の提供を目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成を採用する。すなわち本発明に係る請求項１記載の超伝導コイル装置は、磁場を発生させる筒状の超伝導コイルと、該超伝導コイルを浸漬し冷却する冷媒と、該冷媒を貯蔵し前記超伝導コイルを収納する冷媒容器とを備える超伝導コイル装置において、前記筒状の超伝導コイルの内部空間には、該内部空間に進入する前記冷媒を押し退ける冷媒排除部材が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
本発明においては、筒状の超伝導コイルの内部空間に冷媒排除部材を設けたことにより、冷媒の液体成分が内部空間に存在できない構成となるので、冷媒の使用量が抑えられる。
【００１４】
請求項２記載の超伝導コイル装置は、前記冷媒排除部材が、前記超伝導コイルを前記冷媒容器に対して保持することを特徴とする。
【００１５】
本発明においては、冷媒排除部材がコイルの保持を兼ねることとなる。
【００１６】
請求項３記載の超伝導コイル装置は、前記冷媒排除部材の上端部が前記冷媒容器の上蓋に固定され、前記冷媒排除部材の少なくとも下端部が、前記超伝導コイルの前記内部空間と略同一形状とされているとともに、前記下端部において超伝導コイルと固定されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明においては、冷媒排除部材の下端部が、前記超伝導コイルの前記内部空間と略同一形状とされているために、支持部材の断面形状を大きく取れ、断面係数が大となり、支持部材として曲げに強く、横からの力に対する強度が十分な構造で超伝導コイルが支持される。
【００１８】
請求項４記載の超伝導コイル装置は、前記冷媒排除部材の上部には、前記冷媒容器の空間部と連通する孔が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明においては、冷媒排除部材の上部に孔が設けられることによって、冷媒容器の内外で圧力に差が生じないので、冷媒排除部材に圧力容器としての機能を持たせる必要が無い。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、前記冷媒排除部材は、電気的絶縁材によって形成されていることを特徴とする。
【００２１】
本発明においては、冷媒排除部材を電気的絶縁材としたことで、超伝導コイル装置が高速励消磁運転を行ったときに流れる渦電流の発生を抑えられ、それに伴い発生する熱を抑えることができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、磁場を発生させる筒状の超伝導コイルと、該超伝導コイルを浸漬し冷却する冷媒と、該冷媒を貯蔵し前記超伝導コイルを収納する上蓋及び胴部を有する冷媒容器とを備える超伝導コイル装置の製造方法において、前記筒状の超伝導コイルの内部空間に対応する形状を少なくとも下部に有するコイル固定筒を、前記超伝導コイルの前記内部空間に挿入するとともに、これらコイル固定筒と超伝導コイルとを固定し、前記コイル固定筒の上端部に前記冷媒容器の前記上蓋を固定し、これらコイル固定筒、超伝導コイル及び上蓋を、前記冷媒容器の前記胴部に対して挿入することを特徴とする。
【００２３】
本発明においては、冷媒排除部材であるコイル固定筒を超伝導コイルの内部空間に挿入して固定しコイル固定筒の上端部に冷媒容器の上蓋を固定して、これらコイル固定筒、超伝導コイル及び上蓋を冷媒容器の胴部に挿入して超伝導コイル装置を製造することで、中央から外側へ向かっての組立を開放空間で行うことが可能な構成となり簡便な製造工程が実現される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る超伝導コイル装置１の第１の実施形態を、図１に示して説明する。
超伝導コイル装置１は、図１に示すように、磁場を発生させる超伝導コイル２と、超伝導コイル１を浸漬して冷却する液体ヘリウム（冷媒）３と、液体ヘリウム３を貯液すると共に超伝導コイル２を収納して、上部の液体ヘリウム容器上蓋（冷媒容器上蓋）４Ａと下部の液体ヘリウム容器胴（冷媒容器胴）４Ｂとに分離した構造である液体ヘリウム容器（冷媒容器）４と、液体ヘリウム容器上蓋４Ａの下面に固定されて超伝導コイル２の内部に挿入したコイル吊筒（冷媒排除部材）５とを備えている。
【００２５】
超伝導コイル２は鉛直方向に向かう軸線を有した円筒状のコイルである。コイルの内側には内部空間が設けられている。また、液体ヘリウム容器４の内部で軸が鉛直方向となるように超伝導コイル装置１の中心に配置されている。また、超伝導コイル２は、液体ヘリウム３に浸漬されて冷却されることで温度が約４．２Ｋに保持される。また、超伝導コイル２と外部との接続及び液体ヘリウム、ガスヘリウム系の外部との接続は、図示しないポートを経由する。
【００２６】
コイル吊筒５は、超伝導コイル２の内面と略同一形状の円筒であり、液体ヘリウム容器上蓋４Ａ下面に固定されて吊り下げられている。このコイル吊筒５は、円筒状の超伝導コイル２の内部空間に挿入されており、これにより超伝導コイル２を固定している。コイル吊筒５は、超伝導コイル２の内部空間を上下に渡って完全に貫通しており、コイル吊筒５の下端は超伝導コイル２の下端よりもやや下側にある。固定されている液体ヘリウム容器上蓋４Ａとの間には、シールがされていない。従って、コイル吊筒５の内外で気体が流通できるようになっている。さらに、より多くの気体を積極的に流通させようとするために、コイル吊筒５の上部には図示しない孔を連通して設けてあり、コイル吊筒５の内外で圧力差が生じないようにしてある。
【００２７】
液体ヘリウム容器４は、内部に液体ヘリウム３を封入していて、液体ヘリウム容器４の上蓋４Ａと胴部４Ｂとが締結されているときは、液体ヘリウム３が外部へ漏洩しないようにシールがされていて堅く密封されている。液体ヘリウム容器４の周りはサーマルシールド板６に囲まれて、また、その周囲を真空容器７で囲まれている。このように、液体ヘリウム容器４の内部が外部と熱的に絶縁されることで、侵入熱によって液体ヘリウム３が蒸発して失われ、超伝導コイル装置１の運転に支障を来すことを防いでいる。液体ヘリウム容器４は液体ヘリウム容器脚８を介して真空容器７に固定されている。
【００２８】
上記のように構成された超伝導コイル装置１の運転においては、液体ヘリウム３が超伝導コイル２を完全に浸漬するまで液体ヘリウム３を充填し、コイルが超伝導転移温度を下回って超伝導コイル２となり電流を流すと、超伝導コイル２は抵抗がゼロなため、電流は、電気的抵抗を受けずに熱損失が起こらないので減衰しない。電流が減衰なしに流れるために、例えば超伝導コイル装置１を利用して永久電流が流れるような回路を作り、ＳＭＥＳ（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ：超伝導電力貯蔵装置）としてエネルギの出し入れを行うことができる。また、超伝導コイル装置１の運転中は、液体ヘリウム３の液位は追加充填や冷凍系の蒸発ヘリウム再凝縮運転等により維持される。
【００２９】
上記超伝導コイル装置１においては、超伝導コイル２にコイル吊筒５を挿入したことにより、液体ヘリウム３を押し退けて超伝導コイル２の内部空間に入り込まない構成となる。これにより、高価な液体ヘリウム３の使用量が抑制されるので製造コスト及び運転コストが抑えられる。
一般に、超伝導コイルは内外径比（内径／外形）が大きい薄肉コイルなので、従来の液体ヘリウム３の使用量より５０％程度以上を低減できることが多い。
【００３０】
また、コイル吊筒５が超伝導コイル２を液体ヘリウム容器４に対して保持することで、コイル吊筒５が液体ヘリウムを押し退けると共に超伝導コイル２の保持部材としての役割も兼ねるので、部品点数が減り、工数も削減されるので製造コストが抑えられる。
【００３１】
また、超伝導コイル２にコイル吊筒５を挿入して固定したことにより、円筒状のコイル吊筒５が複数に分けられた個別の要素部材ではなく、コイルの内部空間を占める円筒形とされているので、断面係数が大きく、曲げに強い構造となる。従って、横方向への力に対しても十分な強度が得られる。
例えば、内径１０００ｍｍで厚さ１００ｍｍの標準的なコイルを支持する場合、４本の直径１００ｍｍのコイル脚で支持した場合と等しい引張（圧縮）強度を有するコイル吊筒５で支持するには、コイル吊筒５の厚さは２０ｍｍで良く、また、このとき断面係数はコイル脚の約２０倍である。
【００３２】
また、コイル吊筒５の上端部で液体ヘリウム容器４とシールをせずにコイル吊筒５を固定して気体の流通を許す構成としたことにより、液体ヘリウム容器４の内圧がコイル吊筒５の内外に等しくかかり、コイル吊筒５には圧力差が作用しないので、コイル吊筒５を圧力容器として厚肉に製造する必要が無い。
【００３３】
また、上記のように超伝導コイル２の支持材として曲げや引張りに対して十分な強度を有しているので、コイル吊筒５の内外を導通させて圧力容器としての機能を必要としないので荷重条件が最低限であることと合わせて、相乗効果によりコイル吊筒５を薄肉で軽量に製造できる。
【００３４】
また、コイル吊筒５はＧＦＲＰ（ｇｌａｓｓ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃｓ　：ガラス繊維強化プラスチック）によって形成されている。ＧＦＲＰは電気的絶縁材であるために、超伝導コイル装置１が高速励消磁運転を行う場合においても渦電流が発生しないため、渦電流と共に生じる熱も発生しない。
【００３５】
次に、超伝導コイル装置１の製造方法について説明する。先ず、冷媒排除部材であるコイル固定筒５を、超伝導コイル２の内部空間に挿入するとともに、これらコイル固定筒５と超伝導コイル２とを固定して、コイル固定筒５の上端部に液体ヘリウム容器上蓋４Ａを固定する。それから、これらコイル固定筒５、超伝導コイル２及び液体ヘリウム容器上蓋４Ａを、液体ヘリウム容器胴４Ｂに対して挿入する。
【００３６】
コイル固定筒５を超伝導コイル２の内部空間に挿入して固定し、コイル固定筒５の上端部に冷媒容器の上蓋４Ａを固定してこれらコイル固定筒５、超伝導コイル２及び上蓋４Ａを液体ヘリウム容器胴４Ｂに挿入して超伝導コイル装置を製造することで、中央から周囲への組立を開放空間で行うことが可能な構成となり、簡易な製造工程が実現される。また、メンテナンス時の分解やその後の組立にも工程が簡素化される。また、部品、計装品、取り付けや配線、接続作業、検査も開放空間で行うことができ、各作業が容易に進められて工数が削減される。
【００３７】
なお、本実施形態においては、コイル吊筒５はＧＦＲＰによって形成されるとしたが、渦電流の発生を抑えるには電気的絶縁材であればＧＦＲＰでなくても良く、他に低温特性の良いＡＬＦＲＰ（Ａｌｕｍｉｎａ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃｓ）といった複合材料等の使用が考えられる。また、超伝導コイル装置１が高速励消磁運転を行わない場合は、コイル吊筒５をＧＦＲＰのような電気的絶縁体ではなく、金属等の導電体で形成しても良い。
【００３８】
また、本実施形態においては、超伝導コイル２及びコイル吊筒５は円筒状としたが、超伝導コイル２の形状は必ずしも円筒状でなくてはならないというわけではなく、断面がレーストラック形状の管であっても良い。コイル吊筒５も超伝導コイル２の形状に合わせて挿入されるので、同様に円筒状でなくても良い。
また、本実施形態においては冷媒に液体ヘリウムを使用したが、冷媒は必ずしも液体ヘリウムでなくても良く、超伝導コイル２の臨界温度が高い場合は沸点が液体ヘリウムよりも高い液体窒素等の他の冷媒を用いても良い。また、超伝導コイル２の臨界温度が液体窒素等の他の冷媒の沸点よりも低ければ、液体ヘリウムを冷媒として使用すれば良い。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る超伝導コイル装置によれば、筒状の超伝導コイルの内部空間に冷媒排除部材を設けたことにより、冷媒の液体成分が超伝導コイルの内部空間から押し退けられて存在できない構成となるので、冷媒の使用量が抑えられ、その分製造コストが抑えられる。
【００４０】
また、本発明に係る超伝導コイル装置によれば、冷媒排除部材が超伝導コイルを冷媒容器に対して保持することで、冷媒排除部材が冷媒を押し退けると共に、超伝導コイルの保持部材としての役割も兼ねるので、部品点数が減り、工数も削減され製造コストが抑えられる。
【００４１】
また、本発明に係る超伝導コイル装置によれば、冷媒排除部材の下端部が、前記超伝導コイルの前記内部空間と略同一形状とされているために、支持部材の断面形状を大きく取れ、断面係数が大となり、支持部材として曲げに強く、横からの力に対する強度が十分な構造で超伝導コイルが支持される。そのため、地震等による突発的な横方向からの力がかかっても破損の恐れがなく、強度も十分なので冷媒排除部材を薄肉化して軽量化させることが可能である。
【００４２】
また、本発明に係る超伝導コイル装置によれば、冷媒排除部材の上部に冷媒容器の空間部と連通する孔を設けたことにより、冷媒排除部材の内外で圧力差が生じないので、圧力容器としての機能が必要なくさらに薄肉化して軽量化させることができ、作業時の負担が減って製造コストが抑えられ、同時に材料コストも抑えられる。
【００４３】
また、本発明に係る超伝導コイル装置によれば、冷媒排除部材を電気的絶縁材としたことにより、超伝導コイル装置において高速励消磁運転を行っても渦電流を生じず、それに伴う熱も発生しないので冷媒の蒸発による余分な消費や、運転時に支障をもたらす過大な熱負荷を抑制することができ、運転コストを抑えることができる。
【００４４】
また、本発明に係る超伝導コイル装置によれば、コイル固定筒を超伝導コイルの内部空間に挿入して固定し、コイル固定筒の上端部に冷媒容器の上蓋を固定してこれらコイル固定筒、超伝導コイル及び上蓋を冷媒容器の胴部に挿入することで、中央から周囲への組立を開放空間で行うことが可能な構成となり製造工程が簡素化されるので、製造コストが抑えられ、それと共に品質や信頼性が向上される。また、メンテナンス時の分解やその後の組立にも工程が簡素化されて、メンテナンス時にかかるコストを下げることができる。また、部品、計装品、取り付けや配線、接続作業、検査を開放空間で行うことができ、各作業が容易に進められて工数が削減され、それに伴いコストが抑えられると共に製品の品質や信頼性が向上される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超伝導コイル装置の正断面図である。
【図２】従来の超伝導コイル装置の正断面図である。
【符号の説明】
１　超伝導コイル装置
２　超伝導コイル
３　冷媒
４　冷媒容器
５　冷媒排除部材
【図１】
2004128059.tif 000003
【図２】
2004128059.tif 000004