JP6239750B2

JP6239750B2 - 超電導磁石

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Publication number: JP6239750B2
Application number: JP2016527500A
Authority: JP
Inventors: 照久宮副; 充志阿部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-06-09
Also published as: WO2015189881A1; US10559411B2; US20170117076A1; JPWO2015189881A1

Description

本発明は、超電導磁石に関する。

本技術分野の背景技術として、特開平11-186025号公報（特許文献１）がある。この公報には、「超電導コイルは複数個のダブルパンケーキコイルが積層された構造を有する。ダブルパンケーキコイルはコイル軸方向に積重ねられている。各ダブルパンケーキコイルの間に冷却板が配置されている。その複数個のダブルパンケーキコイルに対して軸方向に圧力を印加するために周方向に複数個のばねを配置した」と記載されている。また、特開２０１２−２０９３８１号公報（特許文献２）がある。この公報には、「超電導コイルと超電導コイルとの間の伝熱路を介して超電導コイルを冷却する冷凍機と、超電導コイルと冷凍機とを収容する真空容器と、冷凍機が定常運転状態であるかまたは異常状態であるかを検知し、定常運転状態が検知された場合、伝熱路を形成し、異常状態が検知された場合、超電導コイルと冷凍機との間を断熱させる加圧装置または停電時にその加圧装置が機能を失った際に断熱させる方向に復元力を与えるばねを備えた超電導装置」と記載されている。

特開平11-186025号公報特開２０１２−２０９３８１号公報

しかしながら、特許文献１にあるように、径方向に1箇所、周方向に複数個のばねを配置しただけでは超電導コイル巻線部軸方向に対して片当たりした圧力が冷却部材からコイル巻線部に生じてしまい、径方向に対して接触熱抵抗が不均一になってしまう。

ここで、冷却部材とコイル巻線部とを樹脂等で接着することにより、接触熱抵抗が均一に保たれるが、冷却時における熱収縮差によってコイル巻線部に過大な歪が生じ、コイル巻線部の超電導臨界電流密度が低下してしまうことがある。

また、特許文献２にあるように、ばねの一方の端を超電導コイルに直結する伝熱パスと接続し、ばねのもう一方の端を真空容器など、超電導コイルと比較すると十分に温度が高い部材に接続すると、超電導コイルへの熱侵入が大きくなり、超電導コイルの冷却効率がさがってしまう。

本発明の目的は超電導コイル巻線部と冷却部材との間に面圧を印加し、その面圧のコイル巻線部径方向不均一性を改善することで接触熱抵抗の均一性を改善し、なおかつ冷却時の冷却部材とコイル巻線部に生じる熱収縮差による歪を十分に低下させ、超電導コイル巻線部が設置されている低温部のみで面圧印加機構を設置できる超電導磁石を提供することである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「冷凍機に接続される熱良導体と、前記熱良導体と熱的に接触する超電導コイルと、前記超電導コイルの巻線部を前記熱良導体との間で挟み込む巻線部支持具と、前記熱良導体および前記超電導コイルを、常温から所定温度まで冷却する際における前記熱良導体および前記超電導コイルの巻線部の収縮量よりも大きい変位を与えることが可能な弾性体と、前記弾性体と接合し、かつ前記巻線部支持具と締結される締結具と、を有し、前記弾性体が前記巻線部の同一半径方向に対して、前記コイル巻線部の内周側と外周側との双方に少なくとも一つ以上配置される」を特徴とする。

室温からの冷却時に、冷却部材から超電導コイル巻線部に対する面圧を保ち、巻線部表面の少なくとも一面に対してその面圧の片当たりを防ぎ、なおかつ冷却部材とコイル巻線部との熱収縮差により生じるコイル巻線部内の歪を十分に小さくして冷却できる機構を持ち、その機構の具備によって熱侵入量が変化しない伝導冷却型超電導コイルを提供する。

本発明の実施例１に関する伝導冷却型超電導磁石装置の構成図である。本発明の実施例１に関する板ばねの構成図である。本発明の実施例１に関する熱良導体の構成図である。本発明の実施例２に関する伝導冷却型超電導磁石装置の構成図である。本発明の実施例２に関する押し板とボルト配置を示す構成図である。本発明の実施例３に関する伝導冷却型超電導磁石装置の構成図である。本発明の実施例４に関する伝導冷却型超電導磁石装置の構成図である。本発明の実施例５に関する伝導冷却型超電導磁石装置の構成図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、伝導冷却型の超電導磁石１００の例を説明する。
図１は、本実施例の超電導磁石１００の構成図の例である。以下、本実施の超電導磁石１００の主な構成を説明する。

超電導磁石１００は、断熱真空容器１８と、断熱真空容器１８内に設置した超電導コイル１０１および冷凍機１７と、超電導コイル１０１と冷凍機１７とを接続した伝熱部材２１とを構成に含む。なお、超電導コイル１０１は配線１６を介して励磁電源１４に接続される。また、超電導コイル１０１の通電中に温度上昇や超電導臨界電流密度を超えた電流が流れた場合、もしくは磁性体の吸着などの緊急減磁が必要な場合にはスイッチ２０が開き、励磁電源１４を超電導コイル１０１から切り離し、超電導コイル１０１に蓄積された磁気エネルギーを消費する保護回路１３が励磁電源１４と並列に接続されている。

冷凍機１７は、例えばGM（ギフォード・マクマホン）冷凍機やGM-JT（ギフォード・マクマホン-ジュール・トムソン）冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機などの公知の冷凍機を利用することができる。伝熱部材２１は、例えば温度４Kから７７Kの超電導コイル使用温度において熱伝導率が１００W/Km以上のアルミニウム板、銅板などの金属板やそれらの可とう性導体、もしくはサファイア板やシリコンカーバイド板などの電気絶縁板を利用することができる。

励磁電源１４は、例えば直流電源、交流電源を利用することができる。保護回路１３は、例えば0.1Ωから数Ωの抵抗およびダイオードを利用することができる。

次に、超電導コイル１０１の構成を説明する。

巻き枠１９に巻かれた超電導コイル巻線部１０は、軸方向表面において接触した絶縁材２２を介して熱良導体１２と接触する。したがって、本実施例の超電導磁石１００は、Ｌ字形の巻き枠１９の底辺部と熱良導体１２との間に超電導コイル巻線部１０が配置され、かつ超電導コイル巻線部１０と熱良導体１２とが熱的に接触している構造となる。熱良導体１２は、冷凍機１７に接続された伝熱部材２１（冷凍機１７の冷却ステージ）と接続される。

なお、ここでいう超電導コイル巻線部１０の軸方向とは、超電導線材を環状に巻きコイルを形成する際の中心軸のことをいう。また、熱良導体１２から超電導コイル巻線部１０に面圧を印加するために、弾性体である板ばね１１が熱良導体１２の表面に設置される。板バネ１１は巻き枠１９と締結具であるボルト１５によって締結される。ボルト１５は半径方向に少なくとも二つ以上締結し、なおかつボルト１５は超電導コイル巻線部１０の中心径の位置に対して半径方向内側と半径方向外側の位置に締結する。

本実施例においては、ボルト１５および板ばね１１とからなる機構が面圧印加機構であり、熱良導体１２とボルト１５の頭部との間に板ばね１１をたわませて配置し、ボルト１５の尾部を巻き枠１９の底部に締結している。板ばね１１が発生させる反発力は、ボルト１５を介して巻き枠１９を熱良導体に向けて引き上げ、巻き枠１９に設置された超電導コイルの超電導コイル巻線部１０を熱良導体１２に対して押し当てる力として機能する。

なお、巻き枠１９は、図１に示すように、２つのＬ字形を中心軸に関して線対称となるように配置したような断面形状を呈する。

超電導コイル巻線部１０はニオブ系超電導線材や二ホウ化マグネシウム超電導線材、ビスマス系銅酸化物超電導線材、希土類系超電導線材などの超電導線材と、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂などの絶縁材から構成される。巻線方法はソレノイド巻き、パンケーキ巻きのどちらでもよい。巻き枠１９は例えば、ステンレスやアルミ合金、繊維強化プラスチック（FRP）などが用いられる。

熱良導体１２は温度４Kから７７Kの超電導コイル使用温度における熱伝導率が１００W/Km以上の金属もしくはセラミクスが好ましい。例えば、アルミニウム板や銅板、窒化アルミニウムなどの板、もしくはそれらの金属からなる可とう性導体を利用することができる。

板ばね１１は例えば、ばね鋼などの公知の板ばね材を利用できる。

図２は、本実施例において板ばね１１を周方向に複数配置した場合の例を示す。周方向に８個の板ばね１１を記載しているが、所定の面圧を印加することができれば周方向にいくつあってもよい。

冷却部材１２と超電導コイル巻線部１０との間は接触熱伝達となるため、0.1MPa以上数MPa以下とすることが好ましい。なお、数十MPa以上の面圧を印加すると、超電導線材に生じる歪によって、超電導線材の臨界電流が90%以下に低下する可能性がある。したがって、冷却部材１２と超電導コイル巻線部１０との間の面圧は、0.1Ｍｐa以上かつ１０Ｍｐａ以下となるよう板ばね１１を調整する。

次に、冷却時の超電導コイル１０１の形状変化を説明する。

以下のコイルを例として説明する。

軸長100mmの超電導コイル巻線部１０がビスマス系超電導線材と絶縁材、熱良導体１２が10mm厚の銅板、絶縁材２２が1mm厚、巻き枠１９がアルミ合金製とする。

室温から２０Kまで冷却すると、超電導コイル巻線部１０と熱良導体１２、絶縁材２２は収縮し、それらの収縮量はそれぞれの線膨張係数と室温から２０Kまでの温度差の積によって計算できる。それらの合計の熱収縮量は0.45mm程度となる。一方、アルミ合金製の巻き枠１９の熱収縮量は同じく線膨張係数と室温から２０Kまでの温度差の積によって0.46mm程度となる。つまり、0.01mm程度の熱収縮差が生じる。

そのため、室温において板ばね１１のたわみδを1mm以上にしておくことで冷却時においても99%以上の面圧を保つことが可能である。また、室温時においてたわみδを持たせるためには巻き枠１９の軸方向長を超電導コイル巻線部１０と熱良導体１２と絶縁材２２の軸方向長合計よりもδ以上短くしておく必要がある。このたわみδと上記の面圧を満たすために、板ばね１１を複数積層させてもよい。

図３は、本実施例において熱良導体１２を金属で構成した場合に、周方向に２箇所の絶縁材２３を入れて周方向の渦電流路を切断した構成を示す。冷却後、超電導コイル１０１に電流を供給した際に磁場が発生し、その発生磁場によって誘起される渦電流によって温度上昇が生じる。絶縁材２３を入れることにより、渦電流密度を低減させることができる。なお、セラミクスなどの絶縁板で熱良導体１２が構成される場合には絶縁材２３は必ずしも必要ではない。また、図示していないが、板ばね１１によって超電導コイル巻線部１０に面圧を印加できれば、熱良導体１２は超電導コイル１０の表面に少なくとも一部が接していればよい。

以上説明したように、本実施例の超電導磁石１００は、中心軸について２つのＬ字形を対向させたような断面形状有する巻き枠１９と、巻き枠１９にはめ込むように載せられた超電導コイルと、超電導コイル巻線部１０を載せた巻き枠１９を熱良導体１２に向かい押し上げる方向に圧力を印加するボルト１５および板ばね１１からなる面圧印加機構とを有する。

面圧印加機構が上記のように超電導コイル巻線部１０を載せた巻き枠１９を熱良導体１２に向かい押し上げる方向に圧力を印加する仕組みは次のようになる。

まず、面圧印加機構に含まれる弾性体（本実施例であれば板ばね１１）にたわみを持たせる。弾性体は締結具（本実施例であればボルト１５）の頭部を鉛直方向上側に引き上げるような方向の力を生ずる。締結具は尾部が巻き枠１９の底辺部に締結されているため、巻き枠１９に対してその力がはたらく。超電導コイル巻線部１０は巻き枠１９の底辺部と熱良導体１２との間に配置されているため、巻き枠１９に作用する力は超電導コイル巻線部１０を熱良導体１２に向けて押し付けるような力となり、超電導コイル巻線部１０と熱良導体１２との間に面圧が印加され維持されることになる。
なお、弾性体に持たせるべきたわみは、超電導コイルを常温から極低温まで冷却した際における巻き枠１９の熱収縮量と、該条件における熱良導体１２および超電導コイル巻線部１０の熱収縮量との差分の１００倍以上とするとより好適である。そうすることによって、超電導コイル巻線部１０や熱良導体１２の熱収縮量と巻き枠１９の熱収縮量とが一致せずとも、超電導コイル巻線部１０と熱良導体１２との間の面圧を一定に保つことが可能となり、安定した冷却機能を実現し、結果的に従来よりも安定的に稼働する超電導磁石１００を提供することができる。

本実施例では、面圧の径方向の均一性だけでなく周方向の均一性も向上できる超電導コイル２００の例を説明する。
図４は、実施例２における超電導コイル２００を示す構成図の例である。

図４の超電導コイル２００のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

超電導コイル２００では、熱良導体１２から超電導コイル巻線部１０に対して面圧を印加するための機構としてボルト１５にばね２５と押し板２４を持つ構成である。したがって、本実施例における面圧印加機構は、ボルト１５、ばね２５および押し板２４とから構成されている。

図５は、本実施例において周方向に連続した押し板２４を示す構成図の例である。
押し板２４は熱良導体１２と同程度以上の剛性を持たせることで、面圧の周方向均一性を向上させることができる。押し板２４は例えばアルミ合金板やステンレス板などの金属板、もしくはセラミクス板やFRP板などの絶縁材を使用することができる。ただし、超電導コイル２００を通電中の渦電流発熱を低減する観点から押し板２４は絶縁材によって構成されることが好ましい。

ボルト１５は六角ボルトやスタッドボルトとナットの組み合わせを利用できる。ばね２５は実施例１で述べたたわみδと面圧を満たすことができる皿ばねやコイルばねを使用することができる。

面圧印加機構が有する弾性体として皿バネを使用したときの例を以下に示す。

面積0.1m²の巻線上面に対して、ステンレス製の重荷用皿ばね（呼び２０）を同心円状に12箇所、同半径方向に2箇所合計24箇所設置し0.2MPa以上の面圧をδ>1mmで印加するためには皿ばねを2並列9直列として配置することで可能である。

本実施例の超電導磁石１００は、周方向に連続している押し板２４を構成にもつ面圧印加機構を有することによって、実施例１と比較して径方向だけでなく周方向に関しても面圧を一定にすることができるため、更に冷却機能の安定性を向上させることができる。

本実施例では、巻き枠を使用せずにコイル位置が支持される超電導コイル３００の例を説明する。
図６は、実施例３における超電導コイル３００を示す構成図の例である。

図６の超電導コイル３００のうち、既に説明した図１または図４に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

本実施例では超電導コイル巻線部１０の位置が巻線部支持部材３１によって径方向に支持されている。また、超電導コイル巻線部１０は軸方向上下面の押し板２４、３２によって挟まれており、ばね２５の復元力によって面圧が印加されている。

超電導コイル巻線部１０に通電すると、フープ力によって径方向外側に力をうける。したがって、通電中に径方向内側の巻き枠でコイル位置を支持するためにはフープ力以上の張力で巻線を実施するか、または超電導コイル巻線部１０よりも冷却時に熱収縮量が小さい巻き枠を使用する必要がある。一方で、ビスマス系超電導線材や二ホウ化マグネシウム線材、ニオブ三スズ超電導線材などは許容歪が0.2-0.3%程度と小さい。本実施例では、超電導コイル巻線部１０の径方向位置を巻線部支持部材３１によって制限しているため、通電中の超電導コイル巻線部１０の変形を抑制しの歪を緩和することができる。そのため許容歪が小さい線材を利用したコイル製造が容易となる。また、ボルト１５に、巻線部支持部材３１の位置を決定する役割とばね２５が生ずる力を熱良導体１２に対する超電導コイル巻線部１０の押圧とする面圧印加の役割という二つの役割を担わせることができる。

なお、本実施例では、巻線部支持部材３１の上に超電導コイル巻線部１０を配置したが、先に説明した実施例１および実施例２においては、巻き枠１９のＬ字状断面における底辺部が超電導コイル巻線部１０の巻線部支持具として機能している。

本実施例では、冷凍機だけでなく、断熱真空容器内に収納した冷媒を使って冷却する超電導磁石４００の例を説明する。
図７は、実施例４における超電導コイル４００を示す構成図の例である。

図７の超電導磁石４００のうち、既に説明した図１または図４に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

本実施例では断熱真空容器内の超電導コイル２００が配置されている空間とは異なる空間に冷媒４１が収納されている。超電導コイル２００の体積が大きくなるにつれて冷却時間が増加するが、冷媒４１を使用することによってその時間を低減することが可能となる。

冷媒４１は、例えば、液体窒素、液体ヘリウム、液体水素、液体ネオンなどが利用できる。
次に、超電導磁石４００の冷却方法を示す。

室温から冷却する際に、断熱真空容器１８に取り付けられた冷媒流入配管４２から冷媒を充填する。充填する際、常に冷媒流出配管４３は開放しておく。冷媒４１を充填後、冷媒流入配管４２を閉じ、冷媒流出配管４３に安全弁をとりつけ、加圧配管４４により冷媒４１を一部が管となっている伝熱部材２１を通して伝熱させる。同時に冷凍機１７によって伝熱部材２１と熱良導体１２を介して超電導コイル巻線部１０を冷却する。

本実施例では、複数の超電導コイルを断熱真空容器内に配置した際の超電導磁石５００の例を説明する。
図８は、実施例５における超電導磁石５００を示す構成図の例である。

図８の超電導磁石５００のうち、既に説明した図１または図４に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

本実施例では、二つの超電導コイル５０１、５０２が配線１６を通して直列に接続されており、対向して配置されている。また、ばね２５の位置はもう一方のコイル側に配置されている。

超電導磁石５００に通電を実施し、超電導コイル５０１、５０２がヘルムホルツコイルとして動作したとき、双方のコイルは互いに引き合う。引き合う力Fは電流値とコイル間の距離によって規定される。熱良導体１２と絶縁材２２との接触面積をSとすると、熱良導体１２から超電導コイル巻線部１０に印加される面圧F/Sがばね２５によって室温時に印加した面圧に追加される。したがって接触面圧が増加し、接触熱抵抗が小さくなる。

また、図示していないが、超電導コイル５０１、５０２がカスプコイルとして動作する場合には双方のコイルに斥力が生じる。そのため、斥力の働く側にばね２５を設置することが好ましい。

磁性体が超電導コイル近くに配置されているときも同様、コイルの軸方向に働く力の方向にばね２５を配置することが好ましい。

１００、４００、５００伝導冷却型超電導磁石
１０１、２００、３００、５０１、５０２超電導コイル
１０超電導コイル巻線部
１１板ばね（弾性体）
１２熱良導体
１３保護回路
１４励磁電源
１５ボルト
１６配線
１７冷凍機
１８断熱真空容器
１９巻き枠
２０スイッチ
２１伝熱部材
２２、２３絶縁材
２４、３２押し板
２５ばね
３１巻線部支持部材
４１冷媒
４２冷媒流入配管
４３冷媒流出配管
４４加圧配管

Claims

冷凍機に接続される熱良導体と、
前記熱良導体と熱的に接触する超電導コイルと、
前記超電導コイルの巻線部を前記熱良導体との間で挟み込む巻線部支持具と、
前記熱良導体および前記超電導コイルを、常温から所定温度まで冷却する際における前記熱良導体および前記超電導コイルの巻線部の収縮量よりも大きい変位を与えることが可能な弾性体と、
前記弾性体と接合し、かつ前記巻線部支持具と締結される締結具と、を有し、
前記弾性体が前記巻線部の同一半径方向に対して、前記コイル巻線部の内周側と外周側との双方に少なくとも一つ以上配置される超電導磁石。
請求項１に記載された超電導磁石であって、
前記弾性体が前記超電導コイルの周方向に少なくとも二箇所以上配置されている超電導磁石。
請求項１または請求項２に記載された超電導磁石であって、
前記熱良導体が周方向に少なくとも分割されている超電導磁石。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載された超電導磁石であって、
前記超電導コイルの少なくとも周方向に二つ以上の前記弾性体と前記コイル巻線部との間において連続体となっている押し板を持つ超電導磁石。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載された超電導磁石であって、
前記超電導コイル巻線部の内周側に巻き枠を持つ超電導磁石。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載された超電導磁石であって、
前記超電導コイルの巻線部の外周側に巻線部位置支持部材を備えた超電導磁石。
請求項１に記載された超電導磁石であって、
冷媒と前記熱良導体とが接続された配管を備えた超電導磁石。
請求項１に記載された前記超電導コイル巻線部が複数配置された超電導磁石であって、前記超電導コイル巻線部の各々の電磁力が働く方向に前記弾性体を具備する超電導磁石。
請求項１に記載された超電導磁石であって、
前記超電導コイル巻線部の軸方向に磁性体を備え、前記超電導コイルの電磁力が働く方向に前記弾性体を具備する超電導磁石。
超電導磁石であって冷凍機と接続された熱良導体と超電導コイル巻線部とが接触され、前記熱良導体と前記巻線部の冷却時における収縮量よりも十分に大きい収縮量を変位として与えることが可能な弾性体を持ち、前記弾性体が前記コイル巻線部の同一半径方向に対して、前記コイル巻線部の内周側と外周側との双方に少なくとも一つ以上配置されることを特徴とする伝導冷却型超電導磁石。