JP4922192B2 - 超電導コイル装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の円環状の超電導コイルをトロイダル状に配列した超電導コイル装置に関する。

超電導技術の向上に伴い、たとえば磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、単結晶引き上げ装置などにおいて超電導コイル装置が実用化されている。その中で、たとえばＳＭＥＳ用途で超電導コイルを使用する場合には、磁気エネルギーを効果的に閉じ込め、かつコイル外部への漏れ磁場を低減するために、複数個の超電導コイルをトロイダル状に等間隔に配列して構成するのが一般的である。

そしてこの場合に超電導コイルの発熱を低く抑える手段としては、たとえば特許文献１に開示されているような、超電導コイルに伝熱板（冷却板）を当てがい、この伝熱板に熱輸送体（接続部材）を介して冷凍機のコールドヘッドを接続して超電導コイルを冷却する方法が考えられている。
特開２００１−２４４１０９号公報

ところで、複数個の超電導コイルをトロイダル状に配置した超電導コイル群においては、上述の磁気エネルギーを効果的に閉じ込める等のメリットはあるものの、超電導コイル群の中心部分に無駄な空間が形成されるために、冷凍機を含む超電導コイル装置のサイズが大型化してしまう問題があった。

また冷凍機をトロイダル状の超電導コイル群の外側に配置するために、冷凍機と超電導コイルとを熱的に接続する熱輸送体の長さが長くなり、冷凍機と超電導コイルの温度差が大きくなって超電導コイルを効率的に冷却することができず、超電導コイル装置の安定性が悪くなるといった問題が生じていた。

本発明は上述のような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、超電導コイル装置をコンパクトに構成でき、しかも超電導コイルを効率的に冷却して安定性を向上させることのできる超電導コイル装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る超電導コイル装置は、円環状をなし、軸方向の両側にそれぞれ側面部を有するとともに半径方向の両側に内周面部および外周面部を有する超電導コイルの複数個をトロイダル状に等間隔に配列して構成された超電導コイル群と、この超電導コイル群のトロイダル状の中心部となる空所に配設された冷凍機と、前記超電導コイル群を構成するそれぞれの超電導コイルの両側面部および外周面部のうち、少なくとも一つの面部に熱的に接続されるように配設された冷却板と、前記冷凍機のコールドヘッドと前記冷却板とを熱的に接続する接続部材と、を有し、前記コールドヘッドが前記超電導コイル群の赤道面に位置するように配設され、かつ前記接続部材は扁平な形状であって、その幅広面が前記超電導コイルの磁場の向きにほぼ平行となるように配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、漏れ磁場がないトロイダル状の超電導コイル群の中心部分を利用して冷凍機を配設することにより、コンパクトな超電導コイル装置を構成することができる。またトロイダル状の中心部分に配設した冷凍機のコールドヘッドから接続部材を介して超電導コイルに接続することにより、超電導コイルにおける磁場の高い側から冷却することができ、冷却を効率的に行なうことができるので、超電導コイル装置の安定性を向上させることができる。
さらに、コールドヘッドが超電導コイル群の赤道面に位置するように配設されていることから、コールドヘッドと冷却板との間隔を最短距離とすることができ、コールドヘッドと冷却板とを熱的に接続する接続部材の長さを最小にすることができる。これにより、コールドヘッドと超電導コイルとの温度差を小さくすることができ、超電導コイルを効率的に冷却できることになり、超電導コイル装置の安定性を向上させることができる。
さらに、接続部材は扁平な形状であって、その幅広面が前記超電導コイルの磁場の向きにほぼ平行となるように配設されていることから、接続部材は、磁場が印加される面積が小さくなり、渦電流の発生を低減することができるので、超電導コイル装置の損失を低減でき、安定性を向上させることができる。

以下、本発明に係る超電導コイル装置の実施の形態について図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図１は本発明に係る超電導コイル装置の第１の実施の形態の概略構成を示す模式的平面図であり、図２は図１のII−II線矢視断面斜視図である。また、図３は本実施の形態における超電導コイル群の半径方向における磁場の大きさを示す磁束分布図である。

図１ないし図３において、本実施の形態における超電導コイル装置は、合計６４個の超電導コイル１が使用される例を示している。各超電導コイル１は、円環状をなし、軸方向の両側にそれぞれ側面部を有するとともに半径方向の両側に内周面部および外周面部を有する、たとえばステンレス鋼製のコイルケース内に、高温超電導素材をテープ状に形成したコイル導体を軸方向に積み重なるようにパンケーキ状に巻回したコイル本体を収納して構成されている。

これら超電導コイル１は、それぞれの軸中心が連続することにより円をなすようにトロイダル状に等間隔に配列されて超電導コイル群２が構成されている。この超電導コイル群２を構成するそれぞれの超電導コイル１の両側面部および外周面部のうち、少なくとも一つの面部には、コイルケースまたはコイル本体に熱的に接続されてコイルケースの表面に配設された伝熱板に密着するように円環状の冷却板３が配設されている。

本実施の形態においては、コイルケースの軸方向の両側面部に冷却板３を配設した場合を例にとる。なお、図２において、冷却板３および接続部材５はハッチングにより表示している。冷却板３は熱伝導率の高い金属で形成されており、コイルケースまたは伝熱板に密着してコイル本体の発熱を吸収するようになっている。

超電導コイル群２のトロイダル状の中心部となる空所には、冷凍機４が配設されている。超電導コイル群２のトロイダル状の中心部となる空所は、図３に示すように、漏れ磁場がほとんど発生しないため、この空所に冷凍機４を配設しても漏れ磁場による悪影響を受けることがない。この冷凍機４は、たとえばＧＭ式冷凍機やスターリング式冷凍機、パルスチューブ式冷凍機などの蓄冷式冷凍機が用いられ、軸方向の先端部に、対象物を冷却するコールドヘッド４ａが設けられている。

このコールドヘッド４ａには、各超電導コイル１の冷却板３に熱的に接続された接続部材５が接続されている。この接続部材５は、熱伝導率の高い金属で形成されており、コールドヘッド４ａと冷却板３を熱的に接続して超電導コイル１を伝導冷却できるようになっている。

このような構成を有する超電導コイル装置においては、冷凍機４を、漏れ磁場がないトロイダル状の超電導コイル群２の中心部分を利用してその空所に配設したことにより、冷凍機４を超電導コイル群２の外側に配設した場合に比べてコンパクトな超電導コイル装置を構成することができる。

またトロイダル状の中心部分に配設した冷凍機４のコールドヘッド４ａから接続部材５および冷却板３を介して超電導コイル１に熱的に接続することにより、超電導コイル１における磁場の高い側（トロイダル状の内周側）から冷却することができる。超電導コイル１は、磁場の強い箇所ほど発熱が大きくなるため、高磁場であるトロイダル状の内周側から超電導コイル１を冷却できることにより、効率的に冷却することができることになり、超電導コイル装置の安定性を向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、冷却板３を超電導コイル１の両側面部に設けた場合について説明したが、冷却板３を超電導コイル１の一方の側の側面部にのみ、または側面部および外周面部の両方に設けて構成することもできる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明に係る超電導コイル装置の第２の実施の形態を示す、図２相当断面斜視図である。本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、冷凍機４のコールドヘッド４ａを、トロイダル状の超電導コイル群２の赤道面に位置するように配設したところにある。

超電導コイル群２の赤道面は、図中二点鎖線４０で示すようにトロイダル状に配設した各超電導コイル１の軸中心を含んで形成される面を指す。この赤道面上に冷凍機４のコールドヘッド４ａを配設することにより、コールドヘッド４ａと冷却板３との間隔を最短距離とすることができ、コールドヘッド４ａと冷却板３とを熱的に接続する接続部材５の長さを最小にすることができる。これにより、コールドヘッド４ａと超電導コイル１との温度差を小さくすることができ、超電導コイル１を効率的に冷却できることになり、超電導コイル装置の安定性を向上させることができる。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明に係る超電導コイル装置の第３の実施の形態を示す、図４相当断面斜視図の一部を示す図である。この実施の形態では、冷却板３を超電導コイル１の両側面部に設けている。

本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、接続部材５を、その幅広面が超電導コイル１の磁場の向き（矢印Ｂで示す方向）にほぼ平行となるように配設したところにある。これにより接続部材５は、磁場が印加される面積が小さくなり、渦電流の発生を低減することができるので、超電導コイル装置の損失を低減でき、安定性を向上させることができる。

［第４の実施の形態］
図６は、本発明に係る超電導コイル装置の第４の実施の形態を示す、図５相当断面斜視図の一部を示す図である。この実施の形態は第３の実施の形態（図５）の変形であって、冷却板３を超電導コイル１の外周面部に設けている。

この実施の形態では、超電導コイル１に発生する磁場の大きいコイル外周部側から冷却できることになり、冷却効率を向上させることができる。

［第５の実施の形態］
図７は、本発明に係る超電導コイル装置の第５の実施の形態を示す、図５相当断面斜視図の一部を示す図である。この実施の形態は第３の実施の形態（図５）および第４の実施の形態（図６）の特徴を組み合わせたものになっており、冷却板３を超電導コイル１の両側面部および外周面部に設けている。この場合、超電導コイル１の内周面部を除く全表面から冷却でき、更なる冷却効率の向上を図ることができる。

［第６の実施の形態］
図８は本発明に係る超電導コイル装置の第６の実施の形態における冷却板を示す正面図である。また、図９は本発明に係る超電導コイル装置の第６の実施の形態における冷却板とコールドヘッドを接続する接続部材を示す正面図である。

図８および図９に示すように、本実施の形態においては、冷却板１３および接続部材１５の少なくとも一方に、その幅広方向を電気的に分断するスリット６、７が形成されている。スリット６または７の存在により、磁束の貫通による渦電流の発生を低減できるようになっている。これにより冷却板１３または接続部材１５の発熱を低減することができるので、超電導コイル装置の損失を低減でき、安定性を向上させることができる。

［第７の実施の形態］
図１０は、本発明に係る超電導コイル装置の第７の実施の形態を示す、図２相当断面斜視図の一部を示す図である。この実施の形態は第６の実施の形態の変形であって、第６の実施の形態と異なる点は、冷凍機４のコールドヘッド４ａにほぼ円形をなす伝熱部材８を取り付け、この伝熱部材８に超電導コイル１の冷却板３、１３に接続された接続部材５を熱的に接続したところにある。

伝熱部材８は、熱伝導率の高い金属で形成されるものであるが、漏れ磁場がほとんど発生しない超電導コイル群２の中心部に配設されているので、渦電流が発生することはない。

そしてこの伝熱部材８は、ほぼ円形をなしていることにより、トロイダル状に配設された６４個の超電導コイル１のそれぞれの冷却板３、１３に接続された接続部材５を周方向に並べて放射方向に延びるように配置することができるので、伝熱部材８を使用しない場合に比べて超電導コイル群２を均等に冷却することができるようになる。しかも接続部材５の長さを短くすることができるので、冷凍機４のコールドヘッド４ａと超電導コイル１との温度差を小さくすることができ、超電導コイル装置の安定性を向上させることができる。また伝熱部材８を設けた場合は、接続部材５を直接コールドヘッド４ａに接続する場合に比べて接続部材５の接続作業や取り扱いが容易になり、作業性が向上する効果もある。

［第８の実施の形態］
図１１は本発明に係る超電導コイル装置の第８の実施の形態の概略構成を示す模式的平面図であり、図１２は図１１のXII−XII線矢視断面斜視図である。

本実施の形態は第７の実施の形態（図１０）の変形であって、第７の実施の形態と異なる点は、複数台の冷凍機１４、２４、３４を使用したところにある。すなわち第７の実施の形態における１台の冷凍機４の能力をＰとするときに、この１台の冷凍機の代わりに、Ｐ／ｎの能力をもつ冷凍機をｎ台、トロイダル状に配置された超電導コイル群２の中心部に、円周方向に対して等配となるように配置したところに特徴を有する。本実施の形態では３台の冷凍機１４、２４、３４を用いた場合を示している。

本実施の形態によれば、冷却源であるコールドヘッド１４ａ、２４ａ、３４ａが周方向に等間隔で分散するために伝熱部材８の温度勾配を減少させて均一に冷却することができ、しかもコールドヘッド１４ａ、２４ａ、３４ａを超電導コイル１に近い位置に配置して効率よく冷却することができるので、超電導コイル群２の安定性を向上させることができる。

［他の実施の形態］
以上説明した各実施の形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。各実施の形態の特徴を種々に組み合わせることもできる。たとえば、上記第７および第８の実施の形態では、第６の実施の形態と同様に、スリットが形成された冷却板１３を用いる例が示されているが、第７および第８の実施の形態で、第１ないし第５の実施の形態のいずれかの冷却板３を用いてもよい。

本発明に係る超電導コイル装置の第１の実施の形態の概略構成を示す模式的平面図である。 図１のII−II線矢視断面斜視図である。 本実施の形態における超電導コイル群の半径方向における磁場の大きさを示す磁束分布図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第２の実施の形態を示す、図２相当断面斜視図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第３の実施の形態を示す、図４相当断面斜視図の一部を示す図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第４の実施の形態を示す、図５相当断面斜視図の一部を示す図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第５の実施の形態を示す、図５相当断面斜視図の一部を示す図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第６の実施の形態における冷却板を示す正面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第６の実施の形態における冷却板とコールドヘッドを接続する接続部材を示す正面図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第７の実施の形態を示す、図２相当断面斜視図の一部を示す図である。 本発明に係る超電導コイル装置の第８の実施の形態の概略構成を示す模式的平面図である。 図１１のXII−XII線矢視断面斜視図である。

符号の説明

１…超電導コイル
２…超電導コイル群
３、１３…冷却板
４、１４、２４、３４…冷凍機
４ａ、１４ａ、２４ａ、３４ａ…コールドヘッド
５、１５…接続部材
６、７…スリット
８…伝熱部材

Claims (6)

1. 円環状をなし、軸方向の両側にそれぞれ側面部を有するとともに半径方向の両側に内周面部および外周面部を有する超電導コイルの複数個をトロイダル状に等間隔に配列して構成された超電導コイル群と、
   この超電導コイル群のトロイダル状の中心部となる空所に配設された冷凍機と、
   前記超電導コイル群を構成するそれぞれの超電導コイルの両側面部および外周面部のうち、少なくとも一つの面部に熱的に接続されるように配設された冷却板と、
   前記冷凍機のコールドヘッドと前記冷却板とを熱的に接続する接続部材と、
   を有し、
   前記コールドヘッドが前記超電導コイル群の赤道面に位置するように配設され、かつ前記接続部材は扁平な形状であって、その幅広面が前記超電導コイルの磁場の向きにほぼ平行となるように配設されていることを特徴とする超電導コイル装置。
2. 前記冷却板が前記超電導コイルの側面部に配設され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装置。
3. 前記冷却板が前記超電導コイルの外周面部に配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導コイル装置。
4. 前記冷却板は扁平な形状であって、前記冷却板および前記接続部材の幅広方向を電気的に分断するスリットが形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超電導コイル装置。
5. 前記コールドヘッドにほぼ円形をなす伝熱部材が取り付けられ、この伝熱部材に、前記超電導コイルの冷却板に接続された接続部材が接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の超電導コイル装置。
6. 前記伝熱部材の周方向に沿って等間隔に複数の前記冷凍機のコールドヘッドが取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載の超電導コイル装置。

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