(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、
前記超電導コイルを収容する真空容器と、
前記真空容器に取り付けられた電極と、
前記真空容器内に配線され、前記電極と前記超電導コイルとの間を結ぶ導線と、を備え、
前記導線の一部が、前記真空容器の内面に対して熱的に接続されていることを特徴とする、超電導マグネット装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導マグネット装置において、
前記導線の一部が、前記電極の近くで、前記真空容器の内面に対して熱的に接続されていることを特徴とする、超電導マグネット装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超電導マグネット装置において、
前記導線の一部には、電気絶縁テープが直接巻かれており、
前記導線の一部が、前記真空容器の内面に対して前記電気絶縁テープを介して熱的に接続されていることを特徴とする、超電導マグネット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルを備えたマグネット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導マグネット装置は、超電導コイルを極低温に冷却して、電気抵抗がゼロの超電導状態で超電導コイルを使用する。超電導コイルを超電導状態で使用するため、ジュール発熱がなく、常電導マグネット装置に比して高磁場を少ない電力で発生させることができる。超電導マグネット装置としては、例えば特許文献１に開示されたようなものがある。特許文献１に開示された超電導マグネット装置は、真空容器内に超電導マグネットを配置し、真空容器に装着された冷凍機によって超電導マグネットを極低温に冷却する構成のマグネット装置である。
【０００３】
このような超電導マグネット装置の真空容器には、超電導コイルを励磁するための励磁電源などが接続される電極ピンがその外面に取り付けられる。ここに、電極ピンは常温（３００Ｋ程度）にさらされるが、この電極ピンと超電導コイルとを結ぶリード線（導線）は極低温に冷える。そのため、リード線に接続する電極ピン自体も冷やされて電極ピンに水滴が付いたり霜が付いたりする場合がある。水滴の付着は電極ピンの錆の原因となり、電極ピンに霜が付着すると短絡などの問題が生じる。
【０００４】
超電導マグネット装置に関する技術において、水滴・霜の付着対策に関する技術としては、例えば特許文献２に開示されたようなものがある。特許文献２に開示された技術は、超電導コイルおよび液体窒素などの冷媒を収容する内側容器と、外側容器との間に微小空間を設け、この微小空間に常温程度以上の乾いた空気または窒素ガスを流すものである。この構成により、外側容器の表面は常温近傍の温度に保持され、外側容器の表面に水滴・霜は付着することがない、と特許文献２において称されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１６９９９１号公報
【特許文献２】特開平９−１４９８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、内側容器と外側容器との間に微小空間を設け、この微小空間に常温程度以上のガスを流す、という特許文献２に開示された技術では、超電導コイルの冷却が妨げられることが懸念される。また、超電導マグネット装置における前記した電極ピンには、低温に冷やされるリード線が直接接続されるため、電極ピンの冷えすぎを十分に抑えることは難しい。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、超電導コイルの冷却を妨げることなく真空容器に取り付けられた電極の冷えすぎを抑え、その結果、電極への水滴・霜の付着を防止することができる超電導マグネット装置を提供することである。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は、超電導コイルと、前記超電導コイルを収容する真空容器と、前記真空容器に取り付けられた電極と、前記真空容器内に配線され、前記電極と前記超電導コイルとの間を結ぶ導線と、を備え、前記導線の一部が、前記真空容器の内面に対して熱的に接続されていることを特徴とする超電導マグネット装置を提供する。
【０００９】
この構成によると、電極と超電導コイルとの間を結ぶ導線の一部が、真空容器の内面に対して熱的に接続されているので、外部からの侵入熱を少なく抑えることができ、特許文献２に開示された従来技術のように超電導コイルの冷却を妨げることはない。また、真空容器の内面と導線との熱的接続部から導線の冷熱が真空容器へ熱伝導しそして大気へ放熱していく。これらにより、超電導コイルの冷却を妨げることなく電極の冷えすぎを抑え、電極への水滴・霜の付着を防止することができる。
【００１０】
また本発明において、前記超電導コイルを収容するとともに前記真空容器内に入れられた冷却容器を備え、前記導線は、前記冷却容器に対して熱的に接続され、前記電極と前記真空容器の内面に対する前記導線の第１熱的接続部との間の当該導線の長さは、当該第１熱的接続部と前記冷却容器に対する当該導線の第２熱的接続部との間の当該導線の長さよりも短いことが好ましい。
【００１１】
この構成によると、真空容器の内面に対する導線の熱的接続位置は、導線の経路上、超電導コイルから遠く電極に近い位置となる。これにより、上記熱的接続位置から超電導コイルへの導線を介した侵入熱をより抑えることができ、より超電導コイルの冷却が妨げられることを防止できる。
【００１２】
さらに本発明において、前記第１熱的接続部においては、電気絶縁テープが直接巻かれた前記導線が、前記真空容器の内面に対して当該電気絶縁テープを介して熱的に接続されていることが好ましい。この構成によると、導線の有する冷熱の真空容器への熱伝導効率が向上する。すなわち、導線に接続された電極の冷えすぎをより抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
（超電導マグネット装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る超電導マグネット装置１を示す一部断面模式図である。図１に示すように、本実施形態の超電導マグネット装置１は、超電導コイル１９と、超電導コイル１９を収容する輻射シールド４（冷却容器）と、超電導コイル１９が収容された輻射シールド４を収容する真空容器５と、真空容器５の上部に取り付けられた冷凍機３とを備えている。
【００１５】
（超電導コイル）
超電導コイル１９は、巻枠９と、巻枠９に螺旋状に巻回されてなる超電導線材２とを有している。巻枠９は非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などからなる。超電導線材２は、例えばニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）合金系の極細多芯線を銅母材に埋め込んだものである。
【００１６】
（真空容器）
真空容器５は、その内部を高真空に保持され、超電導コイル１９や輻射シールド４への侵入熱を抑制する容器である。真空容器５は、その上部を密閉するエンドプレート５ａを有している。真空容器５（エンドプレート５ａ）の材質としては、アルミニウム材、ステンレス材が挙げられる。エンドプレート５ａは厚板である。また真空容器５（エンドプレート５ａ）の外面は常温（３００Ｋ程度）にさらされる。
【００１７】
（電極）
真空容器５のエンドプレート５ａには銅材で形成された電極ピン８（電極）が取り付けられている。電極ピン８は、陽極ピンと陰極ピンとからなり、この電極ピン８には、超電導線材２を励磁するための励磁電源（不図示）が接続される。また、電極ピン８の一部は、外部に突出し、大気（外気）にさらされている。
【００１８】
（輻射シールド）
輻射シールド４は、シールド本体４ａと、シールド本体４ａの上部開口に取り付けられたプレート４ｂとを有している。輻射シールド４（プレート４ｂ）の材質としては、アルミニウム材、銅材が挙げられる。
【００１９】
（冷凍機）
冷凍機３は、二段蓄冷式冷凍機であり、駆動部１２と、駆動部１２の下に配置されたシリンダ１１を有している。シリンダ１１は、上部の第１シリンダ１１ａと、下部の第２シリンダ１１ｂとを有している。第１シリンダ１１ａの下端部には第１冷却端部１２ａが設けられ、第２シリンダ１１ｂの下端部には第２冷却端部１２ｂが設けられている。第１冷却端部１２ａおよび第２冷却端部１２ｂは、いずれもフランジ状の形態を有している。第１冷却端部１２ａは、輻射シールド４のプレート４ｂに対してボルトなどの固定手段により取り付けられ、第２冷却端部１２ｂは、伝熱部材１４に対してボルトなどの固定手段により取り付けられている。この伝熱部材１４は、超電導コイル１９の外周に熱的に接続されている。駆動部１２にはヘリウムガスが供給され、供給されたヘリウムガスは、第１シリンダ１１ａの下部および第２シリンダ１１ｂの下部に噴出する。冷凍機３は、第１冷却端部１２ａおよび第２冷却端部１２ｂを介して、輻射シールド４および超電導コイル１９をそれぞれ約４０Ｋおよび約４Ｋに冷却するものである。
【００２０】
（導線）
電極ピン８と超電導線材２とは、円筒状の酸化物電流リード７を介して銅線６（導線）で結線されている。銅線６は熱伝導性の高いリード線であり、一方、酸化物電流リード７は熱を伝えにくい機能を有している。銅線６および酸化物電流リード７は真空容器５内に配線されている。ここで、図２は、図１に示す超電導マグネット装置１の電極ピン８周辺の詳細図である。図２（ａ）は図１のＡ部拡大図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ´矢視部詳細図である。また図３は、図２のＣ部拡大図である。図３中の矢印は、冷熱の移動を示している。
【００２１】
図１〜図３に示すように、銅線６の一部が、真空容器５のエンドプレート５ａの内面（真空側の面）に対して熱的に接続されている。この熱的接続部を第１熱的接続部１５として図１〜図３に示している。ここで、銅線６にはガラスチューブ１７が被せられ、さらにその外側に電気絶縁テープであるガラステープ１８（その厚みはガラスチューブ１７よりも薄い）が巻かれて絶縁施工が施されている。しかしながら、第１熱的接続部１５の銅線６には、ガラスチューブ１７が被せられず、ガラスチューブ１７よりも薄いガラステープ１８のみが直接巻き付けられている。また、銅線６が浮かないように、その両端はサドル１０でエンドプレート５ａに押さえつけられている。サドル１０は、円弧状板部と、その両側に延在する平板部とからなり、エンドプレート５ａの内面に対してボルトなどの固定手段により取り付けられる。サドル１０の材質はステンレスである。また、銅線６をエンドプレート５ａに密着（接触）させるため、銅線６は粘土１１で覆われてエンドプレート５ａに密着させられている。銅線６に巻き付ける電気絶縁テープとしては、ガラステープ１８のほかにマイラーシート、テフロン（登録商標）製テープなどが挙げられる。なお、電気絶縁テープは薄いテープであることが好ましい。
【００２２】
また、第１熱的接続部１５よりも超電導線材２（または酸化物電流リード７）に近い側の銅線６の一部が、輻射シールド４のプレート４ｂに対して熱的に接続されている。この熱的接続部を第２熱的接続部１６として図１および図２に示している。この第２熱的接続部１６においては、図２に示したように断面Ｌ字状の接続用部材１３がボルトによりプレート４ｂに取り付けられている。そして、電極ピン８側の銅線６および超電導線材２側の銅線６が、それぞれ圧着端子２０ａおよび圧着端子２０ｂを介してボルトにより接続用部材１３に取り付けられている。なお、必ずしも圧着端子２０ａ・２０ｂを用いる必要はない。そして、第２熱的接続部１６は、プレート４ｂを介して、冷凍機３により約４０Ｋレベルに冷やされる。第２熱的接続部１６が冷やされることで、電極ピン８側から超電導線材２への銅線６を伝導により伝わる侵入熱が抑えられる。
【００２３】
また、第１熱的接続部１５は、電極ピン８と第２熱的接続部１６との間に位置し、電極ピン８と第１熱的接続部１５との間の銅線６の長さＬ１が、第１熱的接続部１５と第２熱的接続部１６との間の銅線６の長さＬ２よりも短くなるように設けられている。すなわち、第１熱的接続部１５は、真空容器５のエンドプレート５ａに取り付けられた電極ピン８の近くに設けられている。
【００２４】
（銅線を介した熱伝導に関して）
第２熱的接続部１６で銅線６が冷やされ、その冷熱は銅線６を伝わって第１熱的接続部１５に到達する。そして、本実施形態によると図３に冷熱の流れを矢印で示したように、銅線６の有する冷熱は、エンドプレート５ａの内面に対する銅線６の熱的接触部である第１熱的接続部１５からエンドプレート５ａ内を熱伝導しそして大気へ放熱していく。なお、電極ピン８と第２熱的接続部１６との間を結ぶ銅線６の一部のみがエンドプレート５ａの内面に対して熱的に接続されているので、外部からの侵入熱を少なく抑えることができ、超電導線材２の冷却を大きく妨げることはない。したがって、超電導線材２の冷却を妨げることなく電極ピン８の冷えすぎを抑え、当該電極ピン８への水滴・霜の付着を防止することができる。また、本実施形態によると、温度調整用のヒータなどの新たな部品は必要でないのでコスト面でも有利である。
【００２５】
また、第１熱的接続部１５は、銅線６の経路上、超電導線材２から遠く電極ピン８に近い位置とされているため、エンドプレート５ａから超電導線材２への第１熱的接続部１５を介した侵入熱をより抑えることができ、より超電導線材２の冷却が妨げられることを防止できる。さらに、第１熱的接続部１５においては、エンドプレート５ａに対してガラスチューブ１７よりも薄いガラステープ１８のみを介して銅線６が熱的に接続されているため、銅線６の有する冷熱のエンドプレート５ａへの熱伝導効率が向上する。これにより、銅線６に接続された電極ピン８の冷えすぎをより抑えることができる。
【００２６】
（真空容器のエンドプレートの変形例）
次に、真空容器５のエンドプレート５ａの変形例について説明する。図４は、エンドプレート５ａの変形例を示すための模式図である。図４（ａ）は、図２のＣ部拡大を示した図３に相当する本変形例に係る図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＤ矢視図である。なお、図４において、図３に示した部材と同様の部材には同一の符号を付している。
【００２７】
銅線６の一部が熱的に接続される第１熱的接続部１５部分のエンドプレート５ａの内面（真空側の面）は、平らに形成されているが、図４に示すように、本変形例に係るエンドプレート５１ａの内面（真空側の面）には、銅線６の配線方向に沿う断面円弧状の凹部２０（溝部）が２つ設けられている。銅線６を断面円弧状の凹部２０に沿わせてエンドプレート５ａ内面に熱的接続させることにより、銅線６の配線（固定）がおこないやすくなる。また、第１熱的接続部１５のエンドプレート５１ａの表面積を大きくすることにもなるので銅線６からの冷熱がエンドプレート５１ａに広がりやすくなる。さらに、凹部２０によりエンドプレート５１ａに対する銅線６の密着性も向上する。
【００２８】
なお、第１熱的接続部１５部分のエンドプレート５１ａの内面に形成するのは、必ずしも断面円弧状の凹部２０である必要はない。例えば、細かな凹凸であってもよい。エンドプレート５１ａの内面に細かな凹凸を形成することで、エンドプレート５ａの表面積を大きくすることができ、熱が広がりやすくなる。
【００２９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。
【００３０】
例えば、上記実施形態では、冷凍機３で超電導線材２を冷却し運転する無冷媒型の超電導マグネット装置１を示したが、液体ヘリウムを収容した形態の超電導マグネット装置に対しても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る超電導マグネット装置を示す一部断面模式図である。
【図２】図１に示す超電導マグネット装置の電極ピン周辺の詳細図である。
【図３】図２のＣ部拡大図である。
【図４】真空容器のエンドプレートの変形例を示すための模式図である。
【符号の説明】
【００３２】
１：超電導マグネット装置
２：超電導線材
３：冷凍機
４：輻射シールド（冷却容器）
５：真空容器
６：銅線（導線）
８：電極ピン（電極）
１５：第１熱的接続部
１６：第２熱的接続部
１９：超電導コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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