(57)【要約】【課題】冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置において、超伝導マグネットへの侵入熱を比較的少量に抑えて、超伝導マグネットからの荷重を支持すること。【解決手段】超伝導マグネットと、前記超伝導マグネットを冷却する冷凍機とを備える超伝導マグネット装置であって、前記冷凍機は、前記超伝導マグネットからの荷重を支持することを特徴とする超伝導マグネット装置。【選択図】　　図３
2004047712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導マグネットと、前記超伝導マグネットを冷却する冷凍機とを備える超伝導マグネット装置であって、
前記冷凍機は、前記超伝導マグネットからの荷重を支持することを特徴とする超伝導マグネット装置。
【請求項２】
前記冷凍機は、前記超伝導マグネットを冷却するための冷却材を包囲する冷却材包囲体を備え、
前記冷却材包囲体は、前記超伝導マグネットからの荷重を支持することを特徴とする請求項１に記載の超伝導マグネット装置。
【請求項３】
前記冷却材包囲体は、当該冷却材包囲体の内壁を形成し、且つ、前記超伝導マグネットからの荷重を支持するための強度を有する内壁形成部材により形成されることを特徴とする請求項２に記載の超伝導マグネット装置。
【請求項４】
前記冷却材包囲体は、当該冷却材包囲体の内壁を形成する内壁形成部材と、前記内壁形成部材の強度を補強する強度補強部材とにより形成されることを特徴とする請求項２に記載の超伝導マグネット装置。
【請求項５】
前記冷凍機は、前記超伝導マグネットからの荷重を支持する方向の垂直方向に移動可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超伝導マグネット装置。
【請求項６】
超伝導マグネットと、前記超伝導マグネットを冷却する冷凍機と、前記冷凍機を取り付けるための取り付けスリーブとを備える超伝導マグネット装置であって、
前記取り付けスリーブは、前記超伝導マグネットからの荷重を支持することを特徴とする超伝導マグネット装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導マグネット装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置は、液体ヘリウムを使用することなく超伝導マグネットを冷却することにより、磁界を発生することが可能である。そのため、冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置は、単結晶引き上げ装置など、様々な研究用途や産業用途に使用されている。
【０００３】
図１は、従来の冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置１１の例を表す。図１の超伝導マグネット装置１１は、超伝導マグネット１２、冷凍機１３、荷重支持体１４、伝熱フランジ１５、熱シールド板１６、真空容器１７を備える。冷凍機１３は、超伝導マグネット１２を冷却する。荷重支持体１４は、超伝導マグネット１２からの荷重を支持する。図１中には、４個の荷重支持体１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが記載されている。
【０００４】
図２は、図１の超伝導マグネット装置１１の冷凍機１３の例を表す。図２の冷凍機１３は、伝熱部材２１、シリンダ２２を備える。シリンダ２２は、超伝導マグネット１２を冷却するための冷却材（例えば、銅粉や鉛粉のような粉状の「蓄冷材」やヘリウムガスのような気体状の「冷媒」）を包囲する冷却材包囲体を形成する。この冷媒のサイクルにより、超伝導マグネット１２は冷却される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、産業用途に使用される冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置は、超伝導マグネットの大型化に伴い、超伝導マグネットの重量荷重が増加している。さらに、超伝導マグネットの大型化に伴い、クエンチ時の渦電流に起因する超伝導マグネットの電磁力荷重も増加している。例えば、図１のような従来の超伝導マグネット装置１１において、超伝導マグネット１２の重量荷重は約２トン、クエンチ時における超伝導マグネット１２の電磁力荷重は約５０トンにもなる。
【０００６】
そのため、超伝導マグネットからの荷重を支持する荷重支持体にかかる応力を低減する必要が生じる。しかし、荷重支持体にかかる応力を低減するために、各荷重支持体の断面積を大きくしたり、荷重支持体の個数を増やしたりすると、荷重支持体から超伝導マグネットへの侵入熱が増加してしまう。そして、この侵入熱に対抗するために冷凍機の台数を増やすと、コストが増大するだけでなく、超伝導マグネット装置全体がさらに大型化することとなり、装置として成立させることが不可能になる場合もある。
【０００７】
したがって、本発明は、冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置において、超伝導マグネットへの侵入熱を比較的少量に抑えて、超伝導マグネットからの荷重を支持することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、超伝導マグネットと、前記超伝導マグネットを冷却する冷凍機とを備える超伝導マグネット装置であって、前記冷凍機は、前記超伝導マグネットからの荷重を支持する。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に関して、前記冷凍機は、前記超伝導マグネットを冷却するための冷却材を包囲する冷却材包囲体を備え、前記冷却材包囲体は、前記超伝導マグネットからの荷重を支持する。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明に関して、前記冷却材包囲体は、当該冷却材包囲体の内壁を形成し、且つ、前記超伝導マグネットからの荷重を支持するための強度を有する内壁形成部材により形成される。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明に関して、前記冷却材包囲体は、当該冷却材包囲体の内壁を形成する内壁形成部材と、前記内壁形成部材の強度を補強する強度補強部材とにより形成される。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発明に関して、前記冷凍機は、前記超伝導マグネットからの荷重を支持する方向の垂直方向に移動可能である。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、超伝導マグネットと、前記超伝導マグネットを冷却する冷凍機と、前記冷凍機を取り付けるための取り付けスリーブとを備える超伝導マグネット装置であって、前記取り付けスリーブは、前記超伝導マグネットからの荷重を支持する。
【００１４】
請求項１に記載の発明では、冷凍機が超伝導マグネットからの荷重を支持することにより、冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置において、超伝導マグネットへの侵入熱を比較的少量に抑えて、超伝導マグネットからの荷重を支持することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明では、冷却材包囲体が超伝導マグネットからの荷重を支持することにより、冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置において、超伝導マグネットへの侵入熱を比較的少量に抑えて、超伝導マグネットからの荷重を支持することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、冷却材包囲体を、当該冷却材包囲体の内壁を形成し、且つ、超伝導マグネットからの荷重を支持するための強度を有する内壁形成部材により形成することにより、冷却材包囲体が超伝導マグネットからの荷重を支持するための強度を有するようにすることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、冷却材包囲体を、当該冷却材包囲体の内壁を形成する内壁形成部材と、内壁形成部材の強度を補強する強度補強部材とにより形成することにより、冷却材包囲体が超伝導マグネットからの荷重を支持するための強度を有するようにすることができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明では、冷凍機が超伝導マグネットからの荷重を支持する方向の垂直方向に移動可能であることにより、冷却材包囲体などの歪みを回避することができ、冷凍機の運転を維持することができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明では、取り付けスリーブが超伝導マグネットからの荷重を支持することにより、冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置において、超伝導マグネットへの侵入熱を比較的少量に抑えて、超伝導マグネットからの荷重を支持することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る超伝導マグネット装置の例について説明する。
【００２１】
図３と図４は共に、本発明に係る冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置１１の例を表す。図３と図４の超伝導マグネット装置１１は共に、超伝導マグネット１２、冷凍機１３、荷重支持体１４、伝熱フランジ１５、熱シールド板１６、真空容器１７を備える。
【００２２】
超伝導マグネット１２は、超伝導部材をコイル状にした「超伝導コイル」である。超伝導部材としては、金属系や酸化物系などの材料を使用する。超伝導部材を巻き付ける巻き枠は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率が大きい材料を使用して形成する。また、ステンレスやＦＲＰなどの熱伝導率が小さい材料に、銅やアルミニウムなどの熱伝導率が大きい材料を貼り付けて形成してもよい。また、ステンレスやＦＲＰなどの熱伝導率が小さい材料のみを使用して形成してもよい。
【００２３】
冷凍機１３は、超伝導マグネット１２を冷却する。冷凍機１３としては、ＧＭ冷凍機やパルス管冷凍機などを使用する。
【００２４】
荷重支持体１４は、超伝導マグネット１２からの荷重を支持する。荷重支持体１４は、ＧＦＲＰ（ガラス強化繊維）、ＣＦＲＰ（カーボン強化繊維）、アルミナＦＲＰ、ステンレスなどの強度が大きく熱伝導率が小さい材料を使用して形成する。図３中には、３個の荷重支持体１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが記載されている。図４中には、３個の荷重支持体１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｄが記載されている。
【００２５】
真空容器１７は、超伝導マグネット装置１１の内部を断熱真空に保つための容器であり、荷重支持体１４が荷重を支持するための支点にもなる。真空容器１７は、溶接構造でもフランジ構造でもよいが、フランジ構造であれば分解が容易であるという利点がある。
【００２６】
さて、図３や図４の超伝導マグネット装置１１において、冷凍機１３は超伝導マグネット１２からの荷重を支持する。これにより、各荷重支持体１４の断面積や荷重支持体１４の個数が同じ場合と比べて、荷重支持体１４にかかる応力が低減される。
【００２７】
ここで、荷重支持体１４は、上述のように熱伝導率が小さい材料を使用して形成するものの、常温領域（約３００Ｋ）と極低温領域（約４Ｋ）とを繋ぐため、一般に熱侵入は避けられない。したがって、冷凍機１３が超伝導マグネット１２からの荷重を支持することにより、超伝導マグネット１２への侵入熱を比較的少量に抑えて、超伝導マグネット１２からの荷重を支持することができる。超伝導マグネット１２への侵入熱が減少すると、冷凍機１３の台数が同じでも冷却効率が向上するという利点がある。冷却効率の向上の利点としては、初期冷却の時間短縮、励磁中の発熱抑制、ランニングコストの削減などが考えられる。このように、冷凍機１３が超伝導マグネット１２からの荷重を支持することのメリットは大きいので、冷凍機１３が超伝導マグネット１２からの荷重の大部分を支持するようにしてもよい。
【００２８】
なお、図３の超伝導マグネット装置１１において、冷凍機１３は超伝導マグネット１２の上面部からの荷重を支持し、図４の超伝導マグネット装置１１において、冷凍機１３は超伝導マグネット１２の側面部からの荷重を支持する。このように、冷凍機１３が支持する荷重の方向は任意である。
【００２９】
また、図３の超伝導マグネット装置１１は、図１の荷重支持体１４Ｄを冷凍機１３で置き換えた構造になっており、図４の超伝導マグネット装置１１は、図１の荷重支持体１４Ｃを冷凍機１３で置き換えた構造になっている。このように、冷凍機１３が超伝導マグネット１２からの荷重を支持することにより、荷重支持体１４の個数を減らすことも場合により可能である。
【００３０】
ここで、本発明に係る超伝導マグネット装置の冷凍機の例について説明する。
【００３１】
図５と図６は共に、図３や図４の超伝導マグネット装置１１の冷凍機１３の例を表す。図５の冷凍機１３は、伝熱部材２１、シリンダ２２を備える。図６の冷凍機１３は、伝熱部材２１、シリンダ２２、強度補強部材２３を備える。図５中と図６中には、冷却・支持対象２４も記載されている。
【００３２】
シリンダ２２は、超伝導マグネット１２を冷却するための冷却材（例えば、粉状の「蓄冷材」や気体状の「冷媒」）を包囲する冷却材包囲体を形成する。この冷媒のサイクルにより、超伝導マグネット１２は冷却される。図５のシリンダ２２は、冷却材包囲体の内壁および外壁を形成し、図６のシリンダ２２は、冷却材包囲体の内壁を形成する。シリンダ２２は、ＳＵＳなどの熱伝導率が小さい材料を使用して形成する。
【００３３】
強度補強部材２３は、シリンダ２２と一体化して、超伝導マグネット１２を冷却するための冷却材を包囲する冷却材包囲体を形成する。図６の強度補強部材２３は、冷却材包囲体の外壁を形成し、シリンダ２２の強度を補強する。強度補強部材２３は、ＧＦＲＰやＣＦＲＰなどの強度が大きく熱伝導率が小さい材料を使用して形成する。なお、冷凍機１３への強度補強部材２３の接続方法としては、例えば、図６の冷凍機１３の断面Ａを矢印Ｂの方向から観察した様子を表す図７のように、シリンダ２２の先端の伝熱部材２１と強度補強部材２３との各々に取り付け用ボルト２５を施工する方法がある。
【００３４】
さて、図３や図４の超伝導マグネット装置１１において、図５や図６の冷凍機２３の冷却材包囲体は超伝導マグネット１２からの荷重を支持する。これにより、各荷重支持体１４の断面積や荷重支持体１４の個数が同じ場合と比べて、荷重支持体１４にかかる応力が低減される。
【００３５】
ここで、冷却材包囲体が超伝導マグネットからの荷重を支持するためには、冷却材包囲体が超伝導マグネットからの荷重を支持するための強度を有することが必要である。しかし、従来の冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置においては、図２のように、冷却材包囲体の肉厚は薄く、冷却材包囲体は超伝導マグネットからの荷重を支持するための強度を有する構造になっていなかった。そのため、冷却材包囲体が超伝導マグネットからの荷重を支持するという我々の着想を実現するためには、冷却材包囲体の強度を従来よりも高める必要があった。
【００３６】
そこで、図３や図４の超伝導マグネット装置１１においては、図５や図６のように、図２と比べて冷却材包囲体の肉厚を厚くして、冷却材包囲体が超伝導マグネット１２からの荷重を支持するための強度を有するようにしている。図５の冷凍機１３では、シリンダ２２の肉厚を厚くして、シリンダ２２そのものが超伝導マグネット１２からの荷重を支持するための強度を有するようにしている。図６の冷凍機１３では、シリンダ２２の強度を強度補強部材２３により補強して、冷却材包囲体が全体として超伝導マグネット１２からの荷重を支持するための強度を有するようにしている。
【００３７】
（変形例）
本発明に係る超伝導マグネット装置の変形例について説明する。
【００３８】
図８は、本発明に係る冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置１１の第１変形例を表す。図８の超伝導マグネット装置１１は、図３や図４の超伝導マグネット装置１１と同様に、超伝導マグネット、冷凍機１３、荷重支持体、伝熱フランジ、熱シールド板、真空容器１７を備えるほか、押圧体８１を備える。
【００３９】
押圧体８１は、冷凍機１３を荷重支持方向Ｃ（超伝導マグネットからの荷重を支持する方向）に押し付ける。これにより、冷凍機１３は、荷重支持方向Ｃの平行方向に固定される。
【００４０】
さて、図８のような超伝導マグネット装置１１において、超伝導マグネットが極低温近くになると、真空容器１７などの熱収縮が発生する。これにより、冷凍機１３に応力が作用して冷却材包囲体などの歪みが発生し、冷凍機１３の運転が不可能になるおそれがある。これを回避するために、例えば、図８のように、冷凍機１３と真空容器１７との間にミリ単位の微小な隙間８２を形成する。これにより、冷凍機１３は、荷重支持方向Ｃの垂直方向には移動可能になる。したがって、冷却材包囲体などの歪みが回避され、冷凍機１３の運転が維持される。
【００４１】
図９は、本発明に係る冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置１１の第２変形例を表す。図９の超伝導マグネット装置１１は、図３や図４の超伝導マグネット装置１１と同様に、超伝導マグネット、冷凍機１３、荷重支持体、伝熱フランジ、熱シールド板、真空容器１７を備えるほか、取り付けスリーブ９１を備える。
【００４２】
取り付けスリーブ９１は、真空容器１７の外側に、冷凍機１３を挿入して冷凍機１３を超伝導マグネット装置１１に取り付けるための冷凍機挿入空間９２を形成する。これにより、超伝導マグネットを冷却状態に保ったままで冷凍機１３の着脱が可能となり、低温メンテナンスが可能になる。取り付けスリーブ９１の伝熱部分９３は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率が大きい材料を使用して形成する。取り付けスリーブ９１の支持部分９４は、ＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ、ＳＵＳなどの熱伝導率が小さい材料を使用して形成する。
【００４３】
さて、図９の超伝導マグネット装置１１において、取り付けスリーブ９１は超伝導マグネットからの荷重を支持する。これにより、各荷重支持体の断面積や荷重支持体の個数が同じ場合と比べて、荷重支持体にかかる応力が低減される。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置において、超伝導マグネットへの侵入熱を比較的少量に抑えて、超伝導マグネットからの荷重を支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置の例を表す。
【図２】図１の超伝導マグネット装置の冷凍機の例を表す。
【図３】本発明に係る冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置の例を表す。
【図４】本発明に係る冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置の例を表す。
【図５】図３や図４の超伝導マグネット装置の冷凍機の例を表す。
【図６】図３や図４の超伝導マグネット装置の冷凍機の例を表す。
【図７】図６の冷凍機の断面Ａを矢印Ｂの方向から観察した様子を表す。
【図８】本発明に係る冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置の第１変形例を表す。
【図９】本発明に係る冷凍機冷却型の超伝導マグネット装置の第２変形例を表す。
【符号の説明】
１１　超伝導マグネット装置
１２　超伝導マグネット
１３　冷凍機
１４　荷重支持体
１５　伝熱フランジ
１６　熱シールド板
１７　真空容器
２１　伝熱部材
２２　シリンダ
２３　強度補強部材
２４　冷却・支持対象
２５　取り付け用ボルト
８１　押圧体
８２　隙間
９１　取り付けスリーブ
９２　冷凍機挿入空間
９３　伝熱部分
９４　支持部分
【図１】
2004047712.tif 000003
【図２】
2004047712.tif 000004
【図３】
2004047712.tif 000005
【図４】
2004047712.tif 000006
【図５】
2004047712.tif 000007
【図６】
2004047712.tif 000008
【図７】
2004047712.tif 000009
【図８】
2004047712.tif 000010
【図９】
2004047712.tif 000011