JP7039423B2

JP7039423B2 - 超伝導マグネット装置

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Publication number: JP7039423B2
Application number: JP2018163236A
Authority: JP
Inventors: 稔崇永岡; 斉宮田
Original assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Current assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: JP2020035959A

Description

本発明は、超伝導コイルに大電流を流すことにより強磁場を発生させる超伝導マグネット装置に関する。

超伝導コイルに電力を供給することにより非常に大きな電磁力を発生させる超伝導マグネット装置が開発されている。超伝導コイルを備えた従来の超伝導マグネット装置として特許文献１に記載されたものが知られている。

この超伝導マグネット装置は一対の超伝導コイルと、これらの超伝導コイルをそれぞれ冷却する一対の冷凍機とを有する。一対の超伝導コイルはこれらの超伝導コイルの軸方向に離間した位置で対向するように配置されている。一対の超伝導コイルが一対の冷凍機によってそれぞれ冷却される結果超伝導状態になり、大電流がこれらの超伝導コイルに流れることが可能になる。大電流がこれらの超伝導コイルに流れると、一対の超伝導コイルが互いに引き寄せ合うように作用する強力な電磁力がこれらの超伝導コイルの間で生ずる。

特開昭６０－３６３９１号公報

上述の電磁力に抗して一対の超伝導コイルの間隔を保つためにはこれらの超伝導コイルを支持する支持体が必要とされる。この支持体は高い剛性を有する必要がある。一方、一対の超伝導コイルを効率的に冷却するためにこれらの超伝導コイルから一対の冷凍機への短い伝熱経路が求められる。

本発明は高い機械的強度の下で超伝導コイルを支持するとともに短い伝熱経路を用いて冷凍機へ超伝導コイルの熱を伝える超伝導マグネット装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る超伝導マグネット装置は軸方向に離間した位置において対向するように配置されているとともに互いに引き寄せ合う方向に作用する電磁力をそれぞれ発生させる第１超伝導コイル及び第２超伝導コイルと、前記第１超伝導コイル及び前記第２超伝導コイルを支持するように形成されたフレーム構造体と、前記第１超伝導コイルの熱を伝えるように形成された伝熱部と、前記伝熱部に熱的に接続された冷凍機と、を備える。前記フレーム構造体は板厚方向が前記軸方向に一致するように前記第１超伝導コイルの端面と前記軸方向に並び前記伝熱部を介して前記第１超伝導コイルが取り付けられた取付板部と、前記取付板部から前記第１超伝導コイルが取り付けられた側に前記軸方向に突出した突出板部と、を有する第１支持体を含む。前記第１超伝導コイルは、前記取付板部において前記第２超伝導コイルに対向している面とは反対側の面に取り付けられている。前記突出板部は前記第１超伝導コイルの外周面に対向する方向に向いた内面と、前記内面とは反対側の外面とを含む。前記突出板部には貫通孔が形成されている。前記伝熱部は前記第１超伝導コイルの前記端面に熱的に接続されるように前記第１超伝導コイルの前記端面と前記取付板部との間に配置された第１熱接続部と、前記第１熱接続部から前記取付板部に沿って延設された伝熱経路を形成している延設部と、前記突出板部の前記貫通孔を通じて前記延設部に連なっているとともに前記突出板部の前記外面に重なるように前記突出板部の突出方向に前記延設部から折り曲げられ、前記冷凍機と熱的に接続された第２熱接続部と、を含む。

上記の構成によれば板厚方向が軸方向に一致するように第１超伝導コイルの端面と軸方向に並んだ取付板部から突出した突出板部は電磁力に応じた取付板部の変形を抑制することができる。取付板部に沿って形成された伝熱経路は貫通孔を通じて第２熱接続部に直接的に繋がるので、突出板部の端縁（すなわち取付板部に接続された側とは反対側の縁部）を通るように突出板部を迂回した経路と較べて短くなる。したがって、短い伝熱経路及び高い機械的強度を有する超伝導マグネット装置が形成される。

上記の構成に関して超伝導マグネット装置は前記フレーム構造体を補強するように形成された補強部を更に備え、前記フレーム構造体は前記第２超伝導コイルを支持するように形成されているとともに前記第１支持体から前記軸方向に離間した位置に配置された第２支持体と、前記第１支持体と前記第２支持体とに連結され前記第１支持体と角隅部を形成している連結構造体と、を含み、前記補強部は前記角隅部の角度を減少させるように作用する前記電磁力に抗し前記角隅部の角度の変化を抑制するように前記第１支持体と前記連結構造体との間に配置されていることが好ましい。

上記の構成によれば、補強部は角隅部の角度を減少させるように作用する電磁力に抗し角隅部の角度の変化を抑制するように第１支持体と連結構造体との間に配置されているのでフレーム構造体の変形は抑制される。

上記の構成に関して前記補強部は前記角隅部に配置され、前記貫通孔は前記軸方向において前記補強部と並ぶように形成されていることが好ましい。

上記の構成によれば貫通孔は角隅部に配置された補強部と軸方向において補強部と並ぶように形成されているので、貫通孔及び補強部は近い位置に配置されている。貫通孔は第１支持体の強度を下げるけれども貫通孔の近くに配置された補強部が貫通孔の形成に起因する強度低下を補う。したがって、貫通孔の形成に拘わらず角隅部の近くでの第１支持体の変形が抑制される。

上記の構成に関して前記補強部は前記突出板部と前記取付板部との間の境界に隣接する位置で前記取付板部に接続されていることが好ましい。

上記の構成によれば補強部は突出板部と取付板部との境界に隣接する位置で取付板部に接続されているので、取付板部に形成された貫通孔は補強部の近くに位置している。したがって、補強部は貫通孔の形成に起因して低下した機械的な強度を効果的に補うことができる。

上記の構成に関して超伝導マグネット装置は前記第１超伝導コイルが巻回された外周面を有するボビンを更に備え、前記ボビンは前記軸方向における前記第１超伝導コイルの位置ズレを規制するように前記外周面から突出し前記第１超伝導コイルの前記端面と重なった規制リング部を含み、前記規制リング部は前記第１熱接続部に対向する平坦な環状面を含み、前記第１熱接続部は前記環状面全体に密着するように形成された平坦な面を有することが好ましい。

上記の構成によれば規制リング部及び第１熱接続部はともに平坦な面を有しているので、規制リング部と第１熱接続部との間の良好な熱伝達を達成する密着構造がこれらの平坦な面間で得られる。規制リング部の環状面全体が第１熱接続部に密着しているので、第１超伝導コイルから第１熱接続部へ流れる熱量は第１超伝導コイルの周方向において過度に変動しない。この結果、周方向における第１超伝導コイルの温度ムラの発生が抑制される。

上記の構成に関して前記第１熱接続部は前記取付板部と前記環状面との間に配置されたベース板と、前記環状面全体に密着するように前記ベース板と前記環状面との間に配置されたアルミシートと、を含み、前記アルミシートの肉厚及び剛性は前記ベース板よりも小さいことが好ましい。

上記の構成によればアルミシートの肉厚及び剛性はベース板よりも小さいので、アルミシートはベース板及びボビンの環状面の表面形状に合わせて微小変形しこれらに密着することができる。したがって、環状面全体と直接的に接触したベース板と較べてアルミシートは環状面全体により密着することができる。この結果、第１超伝導コイルの熱はボビン部を通じてアルミシートへ略均一に伝達され周方向における第１超伝導コイルの温度ムラの発生が抑制される。

上記の構成に関して前記アルミシートは前記電磁力の存在下で前記ボビンと前記ベース板とによって圧縮されることが好ましい。

上記の構成によればアルミシートは電磁力の存在下でボビンとベース板とによって圧縮されるので、ボビンの環状面及びベース板に良好に密着することができる。この結果、第１超伝導コイルの熱はボビン部及びアルミシートを介してベース板に略均一に伝わり周方向における第１超伝導コイルの温度ムラの発生が抑制される。

上記の構成に関して前記貫通孔は前記突出板部と前記取付板部との間の境界に沿って延設された長孔であり、前記ベース板は前記延設部及び前記第２熱接続部を形成していることが好ましい。

上記の構成によれば貫通孔として突出板部と取付板部との間の境界に沿って延設された長孔が形成されている一方で、延設部は取付板部に沿って延びる伝熱経路を形成している。したがって、延設部を形成しているベース板及び長孔は取付板部に沿う共通の仮想的な平面上に位置している。これらが共通の仮想的な平面上に位置しているので、ベース板が長孔で屈曲されるだけで延設部から第２熱接続部に連なる伝熱経路が形成される。延設部及び第２熱接続部を形成しているベース板は比較的厚いのでアルミシートを通じてベース板に伝達された熱は第２熱接続部に効率的に伝わる。

上記の構成に関して前記長孔の幅は前記ベース板の厚さと相補的であることが好ましい。

上記の構成によれば長孔の幅はベース板の厚さと相補的であるので、長孔はベース板の断面によって略埋められ長孔の形成に起因する突出板部の機械的な強度の低下はベース板によって補われる。

上述の超伝導マグネット装置は、高い機械的強度の下で超伝導コイルを支持するとともに超伝導コイルの熱を短い伝熱経路を用いて冷凍機へ伝えることができる。

例示的な超伝導マグネット装置の内部構造体の概略的な斜視図である。超伝導マグネット装置の概略的な外観斜視図である。超伝導マグネット装置の内部構造体の一部の概略的な斜視図である。超伝導マグネット装置のコイル部の概略的な断面図である。コイル部に熱的に接続された第１熱接続部の概略的な展開斜視図である。

図１は、例示的な超伝導マグネット装置１００の内部構造体の概略的な斜視図である。図２は超伝導マグネット装置１００の概略的な外観斜視図である。超伝導マグネット装置１００が図１及び図２を参照して説明される。以下の説明において、「右」、「左」、「前」、「後」、「上」及び「下」といった用語が用いられる。これらの方向を表す用語は説明の明瞭化のみを目的とし限定的に解釈されるべきではない。

「右」、「左」、「前」及び「後」といった方向指標が図１に示されている。加えて図１は水平軸ＨＡＸと、水平軸ＨＡＸと直交するように水平方向に延設された直交軸ＰＡＸと、水平軸ＨＡＸ及び直交軸ＰＡＸと直交する鉛直軸ＶＡＸを示している。水平軸ＨＡＸは左右方向に延設されている。直交軸ＰＡＸは前後方向に延設されている。鉛直軸ＶＡＸは鉛直方向に延設されている。

鉛直軸ＶＡＸに直交する直交軸ＰＡＸ及び水平軸ＨＡＸを包含する仮想的な水平面は以下の説明において「基準水平面」と称される。基準水平面より下側の部位は以下の説明において「下部」と称される。基準水平面より上側の部位は以下の説明において「上部」と称される。基準水平面と水平軸ＨＡＸ上で直交する仮想的な鉛直面（すなわち、水平軸ＨＡＸと鉛直軸ＶＡＸとを包含する鉛直面）は以下の説明において「基準鉛直面」と称される。基準鉛直面より後方の部位は以下の説明において「後部」と称される。基準鉛直面、基準水平面、水平軸ＨＡＸ、直交軸ＰＡＸ、鉛直軸ＶＡＸを基準に超伝導マグネット装置１００が以下に説明される。

超伝導マグネット装置１００の内部構造体は電磁力を発生させる一対のコイル部１５１，１５２と、コイル部１５１，１５２を支持するように形成されたフレーム構造体と、コイル部１５１，１５２の熱を伝えるように形成された伝熱部１５３，１５４とを備える。コイル部１５１，１５２は水平軸ＨＡＸ上に中心軸が一致するように離間した位置に配置されている。コイル部１５１，１５２から発生した電磁力はコイル部１５１，１５２が互いに引き寄せられる方向に作用する。これらのコイル部１５１，１５２の離間した位置関係が電磁力に抗して維持されるようにフレーム構造体が形成されている。フレーム構造体は平面視において前方に開口したＣ形を形成している。フレーム構造体はコイル部１５１及び伝熱部１５３が取り付けられた第１支持体１６１と、コイル部１５２及び伝熱部１５４が取り付けられた第２支持体１６２と、第１支持体１６１と第２支持体１６２とに連結された連結構造体を含む。連結構造体は、第１支持体１６１及び第２支持体１６２の後端に両端部が連結された第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２を含む。

超伝導マグネット装置１００の内部構造体はコイル部１５１，１５２の電気抵抗を低減するために低温環境下（たとえば４Ｋ）に置かれる。低温環境を作り出すために超伝導マグネット装置１００は一対の冷凍機１４１，１４２を備える（図２を参照）。加えて、超伝導マグネット装置１００は低温環境を維持するために内部構造体の周囲の真空状態を維持するように形成された真空容器１１０を備える（図２を参照）。真空容器１１０及び冷凍機１４１，１４２が、超伝導マグネット装置１００の内部構造体の詳細な説明の前に説明される。

真空容器１１０は図１に示される内部構造体を取り囲むように形成されている。真空容器１１０によって形成された内部空間は、真空装置（図示せず）によって真空状態に保たれている。

真空容器１１０は平面視において略Ｕ字型の天板１１１と、天板１１１から下方に離間した位置に配置された底板１１２と、底板１１２から天板１１１へ略鉛直に立設された周壁部１１３と、を含む。加えて真空容器１１０は、底板１１２の下面に取り付けられた４つの脚部１１４（図２は２つの脚部１１４を示している）を含む。

真空容器１１０の天板１１１は平面視において前方に開口したＵ字形状を形成している内縁１２１と、内縁１２１から右方に離間した位置で前後方向に延設された右縁１２２と、内縁１２１から左方に離間した位置で前後方向に延設された左縁１２３と、を含む。加えて、天板１１１は右縁１２２及び左縁１２３の後端を結ぶように左右方向に延設された後縁１２４を含む。更に天板１１１は、内縁１２１及び右縁１２２の前端を結ぶように左右方向に延設された前縁１２５と、内縁１２１及び左縁１２３の前端を結ぶように左右方向に延設された前縁１２６と、を含む。天板１１１の内縁１２１、右縁１２２、左縁１２３、後縁１２４及び前縁１２５，１２６は略等しい高さ位置に配置されている。したがって、天板１１１は略水平な姿勢である。

天板１１１と略平行に底板１１２が配置されている。底板１１２は形状及び大きさにおいて天板１１１と略等しい。天板１１１の縁部に対して付けられた名称は底板１１２に援用される。

底板１１２の下面に取り付けられた４つの脚部１１４のうち１つは底板１１２の前縁、右縁及び内縁によって囲まれた前端領域に配置されている。他のもう１つの脚部１１４は底板１１２の前縁、左縁及び内縁によって囲まれた前端領域に配置されている。他のもう１つの脚部１１４は、底板１１２の後縁と右縁とによって形成された角隅部に配置されている。残りの１つの脚部１１４は、底板１１２の後縁と左縁とによって形成された角隅部に配置されている。これらの脚部１１４は底板１１２の下面を超伝導マグネット装置１００が設置された床面から離間させる。

底板１１２と天板１１１との間で略鉛直な面を形成している周壁部１１３は、複数の板部材から形成されている。複数の板部材のうち１つは、天板１１１の内縁１２１と底板１１２の内縁とを繋ぐＵ字状の面を形成しているＵ字板１３１である。複数の板部材のうち他のもう１つは、天板１１１の右縁１２２と底板１１２の右縁とを繋ぐ矩形状の面を形成している右板１３２である。複数の板部材のうち他のもう１つは、天板１１１の左縁１２３と底板１１２の左縁とを繋ぐ矩形状の面を形成している左板１３３である。複数の板部材のうち他のもう１つは、天板１１１の後縁１２４と底板１１２の後縁とを繋ぐ矩形状の面を形成している後板１３４である。複数の板部材のうち他のもう１つは、天板１１１の前縁１２５と天板１１１の前縁１２５の下方で左右方向に延設された底板１１２の前縁とを繋ぐ矩形状の面を形成している前板１３５である。複数の板部材のうち残りの１つは、天板１１１の前縁１２６と天板１１１の前縁１２６の下方で左右方向に延設された底板１１２の前縁とを繋ぐ矩形状の面を形成している前板１３６である。

前板１３６，１３５、後板１３４、左板１３３、右板１３２、Ｕ字板１３１、底板１１２及び天板１１１の縁部は線状に溶接され、密閉された内部空間が形成されている。したがって、これらの板状部材によって囲まれた内部空間の真空状態が維持される。これらの板状部材によって囲まれた内部空間には図１に示される内部構造体に加えて、内部構造体を取り囲むように形成されたシールド容器（図示せず）が超伝導マグネット装置１００の一部として配置されている。シールド容器は真空容器１１０の外の外部環境からシールド容器内に配置された内部構造体への伝熱を防ぐために用いられている。

真空容器１１０の天板１１１から上方に突出した冷凍機１４１，１４２の一部が図２に示されている。冷凍機１４１，１４２の鉛直中心軸が天板１１１の内縁１２１の最後端よりも後方に位置するように冷凍機１４１，１４２が配置されている。冷凍機１４１は天板１１１の右縁１２２及び後縁１２４によって形成された角隅部の近くに配置されている一方で、冷凍機１４２は天板１１１の左縁１２３及び後縁１２４によって形成された角隅部の近くに配置されている。

冷凍機１４１，１４２は２段式の冷却機構をそれぞれ有している。冷凍機１４１，１４２それぞれの第１ステージは上述のシールド容器に熱的に接続されている。冷凍機１４１，１４２それぞれの第２ステージは伝熱部１５３，１５４に熱的に接続されている。「熱的に接続される」との文言は２つの部材の直接的な接続を意味するだけでなく、２つの部材間に介在する介在部材の存在下で２つの部材間で熱伝達が生ずるようにこれらの部材が接続されていることをも意味している。

冷凍機１４１，１４２によって真空容器１１０内で冷却される内部構造体が図１乃至図３を参照して以下に説明される。図３は内部構造体の一部の概略的な斜視図である。

内部構造体のフレーム構造体は真空容器１１０の右板１３２とＵ字板１３１との間の空間に配置された第１支持体１６１を含む。第１支持体１６１は、右方に開口した略矩形状の箱体である。第１支持体１６１は真空容器１１０の右板１３２と略平行な略矩形状の取付板部１７１と、取付板部１７１の外縁から右方に屈曲した姿勢で取付板部１７１の外縁に連なる周壁部１７２とを含む。取付板部１７１の板厚方向は水平軸ＨＡＸの円説方向に一致している。取付板部１７１には略円形の貫通孔１７３が形成されている。取付板部１７１の貫通孔１７３の中心を通過するように水平軸ＨＡＸが図１において描かれている。取付板部１７１の上縁及び下縁は略水平に前後方向に延設されている。取付板部１７１の前縁及び後縁は略鉛直に延設されている。

取付板部１７１は、伝熱部１５３の一部及びコイル部１５１の左端面の左隣で略鉛直に立設されている。取付板部１７１は伝熱部１５３の厚さの分だけコイル部１５１の左端面から水平軸ＨＡＸの延設方向において離間した位置に配置されている。取付板部１７１は、伝熱部１５３及びコイル部１５１の取付に利用されている。取付板部１７１及び周壁部１７２は伝熱部１５３の一部及びコイル部１５１を部分的に取り囲み、伝熱部１５３の一部及びコイル部１５１が収容された収容空間を形成している。

周壁部１７２は３つの突出板部１７４，１７５，１７６を含む。突出板部１７４，１７５，１７６は、取付板部１７１の上縁、下縁及び前縁の右方（すなわち、伝熱部１５３及びコイル部１５１が取り付けられた側）にそれぞれ位置するように取付板部１７１から突出している。前側の突出板部１７６は真空容器１１０の前板１３５に略平行である。上側及び下側の突出板部１７４，１７５は、真空容器１１０の天板１１１及び底板１１２に略平行である。

上側の突出板部１７４の後部には貫通孔１７７が形成されている（図１を参照）。貫通孔１７７は、取付板部１７１と突出板部１７４との間の境界（すなわち、取付板部１７１と突出板部１７４とによって形成された稜線）に沿って前後方向に延設された長孔である。貫通孔１７７は取付板部１７１及び突出板部１７４の境界と冷凍機１４１との間に形成されている。

上側の突出板部１７４の下面は、取付板部１７１と周壁部１７２とによって形成された収容空間内で固定されたコイル部１５１の外周面に対向する方向に向いている。突出板部１７４の下面は以下の説明において「内面１７８」と称される。内面１７８と反対側の面（すなわち、突出板部１７４の上面）は以下の説明において「外面１７９」と称される。

突出板部１７４，１７５，１７６及び取付板部１７１によって形成された収容空間内に配置されたコイル部１５１が取付板部１７１の右面に固定されている（図３を参照）。コイル部１５１の概略的な断面図が図４に示されている。図１、図３及び図４を参照してコイル部１５１が説明される。

コイル部１５１は一対のボビン１５６，１５８と、これらのボビン１５６，１５８の外周面に巻き付けられた一対の超伝導コイル１５５，１５７と含む。ボビン１５６，１５８は水平軸ＨＡＸに略一致した中心軸を有している。すなわち、ボビン１５６はボビン１５８と略同心に配置されている。ボビン１５６の内径はボビン１５８の外径よりも大きい。ボビン１５８はボビン１５６内に配置されている。ボビン１５６，１５８は外周方向に開口した略Ｃ形の断面を有している。

ボビン１５６は水平軸ＨＡＸに沿って延設された円筒部２１１と、超伝導コイル１５５の左端面及び右端面に重なるように円筒部２１１の外周面の左端及び右端から突出した規制リング部２１２，２１３とを含む。円筒部２１１の外周面に超伝導コイル１５５が巻回されている。規制リング部２１２，２１３は水平軸ＨＡＸの延設方向における超伝導コイル１５５の位置ズレを規制するように形成されている。左側の規制リング部２１２は平坦な環状面を有する。規制リング部２１２の環状面はボビン１５６の左端面の一部を形成し、伝熱部１５３に密着されている。

ボビン１５６内のボビン１５８は水平軸ＨＡＸに沿って延設された円筒部２１４と、円筒部２１４の外周面の左端及び右端から外方に突出した規制リング部２１５，２１６とを含む。ボビン１５８の円筒部２１１の外周面に超伝導コイル１５７が巻回されている。ボビン１５８の円筒部２１４の軸長はボビン１５６の円筒部２１１の軸長と略等しい一方で、ボビン１５８の円筒部２１４はボビン１５６の円筒部２１１よりも細い。ボビン１５８の規制リング部２１５，２１６は水平軸ＨＡＸの延設方向における超伝導コイル１５７の位置ズレを規制するように形成されている。ボビン１５８の規制リング部２１５，２１６は外径及び内径においてボビン１５６の規制リング部２１２，２１３よりも小さい。左側の規制リング部２１５は平坦な環状面を有する。規制リング部２１５の環状面はボビン１５８の左端面の一部を形成し、伝熱部１５３に密着されている。

ボビン１５６，１５８の円筒部２１１，２１４の外周面に巻回された超伝導線材から超伝導コイル１５５，１５７がそれぞれ形成されている。ボビン１５６，１５８と同様に、超伝導コイル１５５，１５７は水平軸ＨＡＸと略一致する中心軸を有している。ボビン１５６に巻回された超伝導コイル１５５内にボビン１５８に巻回された超伝導コイル１５７が配置されている。

超伝導コイル１５５，１５７から冷凍機１４１への伝熱経路が得られるように伝熱部１５３が形成されている。伝熱部１５３は超伝導コイル１５５，１５７及びボビン１５６，１５８に熱的に接続された環状の第１熱接続部１８３と、冷凍機１４１の第２ステージに熱的に接続された略矩形状の第２熱接続部１８２とを備える。加えて、伝熱部１５３は第１熱接続部１８３から取付板部１７１に沿って延設された伝熱経路を形成している略三角形状の延設部１８４を含む。延設部１８４は第１熱接続部１８３に連なっているだけでなく上側の突出板部１７４の貫通孔１７７を介して第２熱接続部１８２にも連なっている。第１熱接続部１８３は複数の熱伝導材料から形成されている一方で、延設部１８４及び第２熱接続部１８２は単一の熱伝導材料から形成されている。第１熱接続部１８３は取付板部１７１の右面とボビン１５６，１５８の左端面との間に配置されている。第２熱接続部１８２は延設部１８４から突出板部１７４の突出方向に屈曲され、突出板部１７４の外面１７９に重なる。第２熱接続部１８２は冷凍機１４１の第２ステージと上側の突出板部１７４の外面１７９との間に配置されている。第２熱接続部１８２は冷凍機１４１の第２ステージとともに突出板部１７４の外面１７９に固定されている。第２熱接続部１８２は超伝導コイル１５５，１５７からの伝熱経路の下流端に位置している。一方、伝熱経路の上流端は第１熱接続部１８３によって形成されている。

第１熱接続部１８３の概略的な展開斜視図が図５に示されている。第１熱接続部１８３の概略的な断面図（基準水平面上の断面図）が図５に示されている。図１、図３乃至図５を参照して伝熱部１５３が説明される。

伝熱部１５３は所定の熱伝導率を有するベース板１８６と、ベース板１８６よりも薄く且つ低い剛性を有するアルミシート１８７（図５を参照）とを含む。ベース板１８６は貫通孔１７７として形成された長孔の幅と相補的な厚さを有している。たとえば、ベース板１８６は約１０ｍｍの厚さを有する銅板であってもよい。ベース板１８６は電気銅から形成されていてもよいし、無酸素銅から形成されていてもよい。ベース板１８６は第１熱接続部１８３及び延設部１８４を形成している上流板部１８８と、上流板部１８８から貫通孔１７７で屈曲され上側の突出板部１７４の外面１７９に重ねられた下流板部１８９とを含む。下流板部１８９は第２熱接続部１８２を形成している。

下流板部１８９の右縁は突出板部１７４の右縁と略面一である。下流板部１８９は突出板部１７４の右縁から左方に延びている。突出板部１７４の前後方向の寸法は突出板部１７４に形成された貫通孔１７７の前後方向の寸法より僅かに小さい。突出板部１７４の左縁は貫通孔１７７上に位置している。貫通孔１７７上でベース板１８６は下方に屈曲されている。貫通孔１７７の下側の部位が上流板部１８８である。

貫通孔１７７は取付板部１７１の左面の近くで形成されている。貫通孔１７７の下方に位置している上流板部１８８は取付板部１７１に沿う鉛直姿勢をとり取付板部１７１に重なっている。上流板部１８８はボルトや他の固定具を用いて取付板部１７１に固定されている。

上流板部１８８は貫通孔１７７の下方に位置から前方に拡がり延設部１８４を形成している。延設部１８４の更に前方で上流板部１８８は第１熱接続部１８３を形成している。第１熱接続部１８３を形成している上流板部１８８の部位にアルミシート１８７が重ねられている。上流板部１８８はアルミシート１８７と取付板部１７１の間に位置している。上流板部１８８の一部（すなわち、延設部１８４の前方に位置している部位）及びアルミシート１８７は第１熱接続部１８３を形成している。

アルミシート１８７は上流板部１８８の右方に配置され、上流板部１８８とコイル部１５１（すなわち、ボビン１５６，１５８の左端面）とによって挟まれている。アルミシート１８７の左面及び上流板部１８８の右面はともに平坦であり、これらの面は密着している。アルミシート１８７の右面も平坦であり、ボビン１５６，１５８の規制リング部２１２，２１５の平坦な環状面に密着している。アルミシート１８７は、９９．９９９％の高純度のアルミニウムから形成されている。アルミシート１８７はベース板１８６より遙かに薄く、約０．２５ｍｍの厚さを有している。

アルミシート１８７は環状であり、アルミシート１８７の中心が水平軸ＨＡＸに略一致するように配置されている。アルミシート１８７の内径はボビン１５８の内径に略一致している。アルミシート１８７の外径はボビン１５６の外径に略一致している。したがって、アルミシート１８７の右面はコイル部１５１の左端面全体に密着している。アルミシート１８７の左面全体は上流板部１８８の右面に密着している。

コイル部１５１、伝熱部１５３及び第１支持体１６１からなる組立体は、基準鉛直面についてコイル部１５２、伝熱部１５４及び第２支持体１６２からなる組立体と鏡像関係にある。したがって、コイル部１５１、伝熱部１５３及び第１支持体１６１に関する説明は鏡像関係を考慮して、コイル部１５２、伝熱部１５４及び第２支持体１６２からなる組立体に援用される。コイル部１５２、伝熱部１５４及び第２支持体１６２からなる組立体は真空容器１１０のＵ字板１３１と左板１３３との間の空間に配置され、コイル部１５１、伝熱部１５３及び第１支持体１６１からなる組立体から水平軸ＨＡＸの延設方向において離間している。

コイル部１５１，１５２に電力が供給されると、水平軸ＨＡＸに略平行に作用する電磁力が作用し上述の一対の組立体は互いに引きつけられる。これらの組立体の鏡像的な位置関係を電磁力の発生下において維持するために、第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２はこれらの組立体を連結する連結構造体を形成している。第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２は水平軸ＨＡＸから後方（すなわち、直交軸ＰＡＸの延設方向）に離間した位置に配置されている。第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２は水平軸ＨＡＸに略平行に延設されている。

第１連結部材１９１は第１支持体１６１及び第２支持体１６２の下面と略面一となる下面を有する一方で、第２連結部材１９２は第１支持体１６１及び第２支持体１６２の上面と略面一となる上面を有する。第１連結部材１９１の下面と第２支持体１６２の上面との間の高さ方向における中間位置は基準水平面と略一致している。第１連結部材１９１は第１支持体１６１及び第２支持体１６２の下部の後端に連結されるように略水平に左右方向に延設されている。第１連結部材１９１から上方に離間した位置で第２連結部材１９２は第１支持体１６１及び第２支持体１６２の上部の後端に連結されるように略水平に左右方向に延設されている。第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２として一般的な角パイプが利用可能である。

第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２によって第１支持体１６１と第２支持体１６２との間の鏡像的な位置関係はある程度維持される。第１連結部材１９１及び第２連結部材１９２だけでは上述の位置関係を維持するための十分な構造的な強度を得られないような、第１支持体１６１及び第２支持体１６２に取り付けられたコイル部１５１，１５２間で作用する電磁力が非常に強い場合には、超伝導マグネット装置１００は第１連結部材１９１、第２連結部材１９２、第１支持体１６１及び第２支持体１６２によって形成されたフレーム構造体を補強する補強構造体を有していることが好ましい。

補強構造体として４つの補強部２０１が用いられている。４つの補強部２０１のうち１つは、第１連結部材１９１と第１支持体１６１の取付板部１７１の左面とによって形成された角隅部に配置されこれらに溶接されている（図３を参照）。この補強部２０１と取付板部１７１とに間の溶接線は取付板部１７１及び上側の突出板部１７４の境界の近傍で境界と略平行に延び、境界は溶接線と貫通孔１７７との間に位置している。したがって補強部２０１は貫通孔の水平軸ＨＡＸの延設方向において並んでいる。４つの補強部２０１のうち他のもう１つは、第２連結部材１９２と第１支持体１６１の取付板部１７１の左面とによって形成された角隅部に配置されこれらに溶接されている（図１を参照）。４つの補強部２０１のうち他のもう１つは、第２連結部材１９２と第２支持体１６２の取付板部の右面とによって形成された角隅部に配置されこれらに溶接されている（図１を参照）。４つの補強部２０１のうち残りの１つは、第１連結部材１９１と第２支持体１６２の取付板部の右面とによって形成された角隅部に配置されこれらに溶接されている（図１を参照）。

第１連結部材１９１と第２支持体１６２の取付板部の右面とに溶接された補強部２０１の構造が以下に説明される。第１連結部材１９１と第２支持体１６２の取付板部の右面とに溶接された補強部２０１は、第２連結部材１９２と第２支持体１６２の取付板部の右面とに溶接された補強部２０１と形状及び大きさにおいて共通している。したがって、第１連結部材１９１と第２支持体１６２の取付板部の右面とに溶接された補強部２０１に関する以下の説明は、第２連結部材１９２と第２支持体１６２の取付板部の右面とに溶接された補強部２０１に援用される。他の２つの補強部２０１は基準鉛直面について、第２支持体１６２に溶接された２つの補強部２０１と鏡像関係にある。したがって、第１連結部材１９１と第２支持体１６２の取付板部の右面とに溶接された補強部２０１に関する以下の説明は鏡像関係を考慮して、第１支持体１６１に溶接された２つの補強部２０１に援用される。

第１連結部材１９１と第２支持体１６２の取付板部の右面とに溶接された補強部２０１は、水平姿勢をとる２つの水平板２０２，２０３と鉛直姿勢をとる鉛直板２０４とを含む。水平板２０２，２０３は形状及び大きさにおいて等しく、略直角三角形状の平板である。水平板２０２，２０３それぞれによって形成される略直角三角形の斜辺は真空容器１１０のＵ字板１３１の湾曲に沿うように湾曲している。水平板２０２，２０３それぞれによって形成された略直角三角形の他の辺のうち一方は第１連結部材１９１の延設方向に延び第１連結部材１９１の外周面に溶接されている。水平板２０２，２０３それぞれによって形成された略直角三角形の残りの辺は前方に延び第２支持体１６２の取付板部の右面に溶接されている。

水平板２０２は水平板２０３から上方に離間している。水平板２０２，２０３の間に鉛直板２０４が配置されている。鉛直板２０４は略矩形状の平板である。鉛直板２０４の上縁は水平板２０２の下面に溶接されている。鉛直板２０４の下縁は水平板２０３の上面に溶接されている。鉛直板２０４の後縁は第１連結部材１９１の外周面に溶接されている。

鉛直板２０４及び水平板２０２，２０３によって形成された補強部２０１は第１連結部材１９１、第２連結部材１９２、第１支持体１６１及び第２支持体１６２によって形成されたフレーム構造体の変形を効果的に防止する。第１支持体１６１及び第２支持体１６２を引き寄せるようにコイル部１５１，１５２への電力供給の下で発生する強い電磁力が作用する。このとき第１支持体１６１及び第１連結部材１９１（及び第２連結部材１９２）の連結部位には、第１支持体１６１の取付板部１７１の左面と第１連結部材１９１（及び第２連結部材１９２）との間で平面視において形成された挟角（すなわち、角隅部の角度）を狭めようとするモーメントが作用する。同様に、第２支持体１６２及び第１連結部材１９１（及び第２連結部材１９２）の連結部位には、第２支持体１６２の取付板部の右面と第１連結部材１９１（及び第２連結部材１９２）との間で平面視において形成された挟角を狭めようとするモーメントが作用する。これらの挟角が変化すると、コイル部１５１，１５２の軸は水平軸ＨＡＸからずれる。しかしながら、これらの挟角の形成部位に配置された４つの補強部２０１は上述のモーメントに抗する。

水平板２０２，２０３の間に配置された鉛直板２０４は水平板２０２，２０３の上方又は下方への湾曲変形を防止するので、補強部２０１はモーメントに十分に抗することができる。補強部２０１によって、強い電磁力の存在下でもフレーム構造体の形状は維持される。

４つの補強部２０１のうち１つは第１連結部材１９１及び第１支持体１６１の取付板部１７１によって形成された角隅部に配置されている。この補強部２０１の近くにおいて貫通孔１７７が形成されている。すなわち、補強部２０１及び貫通孔１７７は略等しい高さ位置及び略等しい後方位置に配置されている。言い換えると、貫通孔１７７は鉛直軸ＶＡＸの延設方向において基準水平面（水平軸ＨＡＸと直交軸ＰＡＸとを包含する仮想的な水平面）よりも補強部２０１の近くに形成されている。加えて、貫通孔１７７は直交軸ＰＡＸの延設方向において基準鉛直面（水平軸ＨＡＸと鉛直軸ＶＡＸとを包含する仮想的な鉛直面）よりも補強部２０１の近くに形成されている。貫通孔１７７はフレーム構造体の強度をフレーム構造体の角隅部の周囲で若干低下させるけれども補強部２０１はフレーム構造体の角隅部の周囲においてフレーム構造体の強度を向上させる。したがって、貫通孔１７７の形成はフレーム構造体の強度の面において特に問題にならない。

補強部２０１によってフレーム構造体は補強されているので、コイル部１５１，１５２から大きな電磁力が発生してもコイル部１５１，１５２の軸が水平軸ＨＡＸからずれるリスクは低減される。コイル部１５１，１５２から大きな電磁力を生じさせるために、冷凍機１４１，１４２が作動しコイル部１５１，１５２から熱を奪う。コイル部１５１から冷凍機１４１への熱の流れが以下に説明される。コイル部１５１から冷凍機１４１への熱の流れに関する説明は、コイル部１５２から冷凍機１４２への熱の流れに援用される。

コイル部１５１の左端面はアルミシート１８７の右面に接触している。アルミシート１８７の左面は上流板部１８８の右面に接触している。アルミシート１８７は非常に薄く低い剛性を有しているのでアルミシート１８７の表面は接触部位の表面形状に合わせて微小変形し、コイル部１５１の左端面及び上流板部１８８の右面に密着することができる。アルミシート１８７は電磁力の存在下においてコイル部１５１と上流板部１８８とによって圧縮されるので、コイル部１５１及び上流板部１８８に対するアルミシート１８７の密着度は非常に高くなる。したがって、コイル部１５１の熱はアルミシート１８７を通じて上流板部１８８に効率的に伝達される。上流板部１８８及び下流板部１８９は比較的厚いので、コイル部１５１の熱は上流板部１８８から下流板部１８９に効率的に伝わる。

コイル部１５１，１５２の熱は伝熱部１５３，１５４を通じて冷凍機１４１，１４２によって奪われる。この結果、コイル部１５１，１５２は非常に低温（たとえば、４Ｋ）になりコイル部１５１，１５２に供給される電力に対する抵抗は非常に低くなる。コイル部１５１，１５２に大きな電流が流れる結果、大きな電磁力がコイル部１５１，１５２間で発生する。コイル部１５１，１５２が取り付けられた第１支持体１６１及び第２支持体１６２の間の空間では例えば、半導体ウェハに加工される溶融材料が収容された坩堝が鉛直方向に移動される。この結果、溶融材料内の不純物はコイル部１５１，１５２から生じた高い電磁力によって坩堝の内壁面に集められる一方で、坩堝の中心には純度の高い半導体材料が集まる。不純物の除去以外の用途に超伝導マグネット装置１００が用いられてもよい。したがって、超伝導マグネット装置１００の用途は限定的に解釈されるべきではない。

超伝導マグネット装置１００の第１支持体１６１へのベース板１８６の取付は簡便である。ベース板１８６として所定の形状に加工された銅平板が用意されてもよい。銅平板の一部が貫通孔１７７を通じて上方に突出する一方で銅平板の残りの部分が取付板部１７１の右面に沿うように銅平板が配置される。取付板部１７１の右面に重なる部位がボルトや他の固定具に固定された後、貫通孔１７７を通じて上方に突出した部位が右方に折り曲げられる。この結果、取付板部１７１の右面に重なる上流板部１８８及び下流板部１８９が形成される。

上流板部１８８と下流板部１８９との間の屈曲構造はベース板１８６が第１支持体１６１に固定される前に形成されていてもよい。上流板部１８８が略水平になるように保持されると下流板部１８９は上方に突出する。その後、上方に突出した下流板部１８９が貫通孔１７７の下方に位置するようにベース板１８６が配置される。ベース板１８６が上方に移動されると、上方に突出した下流板部１８９が貫通孔１７７に挿通される。その後下流板部１８９及び上流板部１８８の境界周りに約９０°だけベース板１８６が回転されると、上流板部１８８は取付板部１７１の右面に沿う一方で下流板部１８９は突出板部１７４の外面１７９に沿う。その後、上流板部１８８は取付板部１７１に固定される一方で下流板部１８９は冷凍機１４１とともに突出板部１７４に固定される。

突出板部１７４に形成された貫通孔１７７はベース板１８６の厚さと相補的な幅を有する長孔である。したがって貫通孔１７７はベース板１８６の断面によってほとんど埋められる。貫通孔１７７の形成の結果、突出板部１７４の機械的な強度は若干低下するけれども貫通孔１７７を埋めるベース板によって強度低下は略相殺される。

上流板部１８８の一部（すなわち、延設部１８４を形成している部位）が取付板部１７１に固定された後、アルミシート１８７が上流板部１８８に重ねられ第１熱接続部１８３が形成される。その後、第１熱接続部１８３にコイル部１５１が取り付けられる。コイル部１５１はアルミシート１８７及び上流板部１８８とともに取付板部１７１に固定される。この結果、アルミシート１８７がコイル部１５１と上流板部１８８との間に介在する構造が形成される。しかしながらコイル部１５１の左端面及び上流板部１８８の右面の平滑度が高く、これらの間の高い密着度が得られるならばアルミシート１８７は必要とされない。

コイル部１５１及び上流板部１８８が取り付けられた取付板部１７１に対して突出板部１７４，１７５，１７６は屈曲した姿勢で連なっている。取付板部１７１及び突出板部１７４，１７５，１７６の屈曲構造の結果、第１支持体１６１は高い機械的強度を有する。取付板部１７１及び突出板部１７４，１７５，１７６の屈曲構造は曲げ加工によって形成されてもよいし、溶接によって形成されてもよい。

取付板部１７１及び突出板部１７４，１７５，１７６の屈曲構造が貫通孔１７７の形成の下でも十分に高い強度を有しているならば、補強部２０１は用いられなくてもよい。

上述の実施形態の技術は、強い電磁力が必要とされる様々な技術分野に好適に利用される。

１００・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・超伝導マグネット装置
１４１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・冷凍機
１５１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・コイル部
１５３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・伝熱部
１５５，１５７・・・・・・・・・・・・・・・・超伝導コイル（第１超伝導コイル）
１５６，１５８・・・・・・・・・・・・・・・・ボビン
１６１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第１支持体
１６２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第２支持体
１７１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・取付板部
１７４・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・突出板部
１７７・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・貫通孔
１７８・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・内面
１７９・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・外面
１８２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第２熱接続部
１８３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第１熱接続部
１８４・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・延設部
１８６・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ベース板
１８７・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・アルミシート
１８８・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・上流板部
１８９・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・下流板部
２０１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・補強部
２１２，２１５・・・・・・・・・・・・・・・・規制リング部

Claims

軸方向に離間した位置において対向するように配置されているとともに互いに引き寄せ合う方向に作用する電磁力をそれぞれ発生させる第１超伝導コイル及び第２超伝導コイルと、
前記第１超伝導コイル及び前記第２超伝導コイルを支持するように形成されたフレーム構造体と、
前記第１超伝導コイルの熱を伝えるように形成された伝熱部と、
前記伝熱部に熱的に接続された冷凍機と、を備え、
前記フレーム構造体は板厚方向が前記軸方向に一致するように前記第１超伝導コイルの端面と前記軸方向に並び前記伝熱部を介して前記第１超伝導コイルが取り付けられた取付板部と、前記取付板部から前記第１超伝導コイルが取り付けられた側に前記軸方向に突出した突出板部と、を有する第１支持体を含み、
前記第１超伝導コイルは、前記取付板部において前記第２超伝導コイルに対向している面とは反対側の面に取り付けられており、
前記突出板部は前記第１超伝導コイルの外周面に対向する方向に向いた内面と、前記内面とは反対側の外面と、を含み、
前記突出板部には貫通孔が形成され、
前記伝熱部は前記第１超伝導コイルの前記端面に熱的に接続されるように前記第１超伝導コイルの前記端面と前記取付板部との間に配置された第１熱接続部と、前記第１熱接続部から前記取付板部に沿って延設された伝熱経路を形成している延設部と、前記突出板部の前記貫通孔を通じて前記延設部に連なっているとともに前記突出板部の前記外面に重なるように前記突出板部の突出方向に前記延設部から折り曲げられ、前記冷凍機と熱的に接続された第２熱接続部と、を含む
超伝導マグネット装置。
前記フレーム構造体を補強するように形成された補強部を更に備え、
前記フレーム構造体は前記第２超伝導コイルを支持するように形成されているとともに前記第１支持体から前記軸方向に離間した位置に配置された第２支持体と、前記第１支持体と前記第２支持体とに連結され前記第１支持体と角隅部を形成している連結構造体と、を含み、
前記補強部は前記角隅部の角度を減少させるように作用する前記電磁力に抗し前記角隅部の角度の変化を抑制するように前記第１支持体と前記連結構造体との間に配置されている
請求項１に記載の超伝導マグネット装置。
前記補強部は前記角隅部に配置され、
前記貫通孔は前記軸方向において前記補強部と並ぶように形成されている
請求項２に記載の超伝導マグネット装置。
前記補強部は前記突出板部と前記取付板部との間の境界に隣接する位置で前記取付板部に接続されている
請求項３に記載の超伝導マグネット装置。
前記第１超伝導コイルが巻回された外周面を有するボビンを更に備え、
前記ボビンは前記軸方向における前記第１超伝導コイルの位置ズレを規制するように前記外周面から突出し前記第１超伝導コイルの前記端面と重なった規制リング部を含み、
前記規制リング部は前記第１熱接続部に対向する平坦な環状面を含み、
前記第１熱接続部は前記環状面全体に密着するように形成された平坦な面を有する
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。
前記第１熱接続部は前記取付板部と前記環状面との間に配置されたベース板と、前記環状面全体に密着するように前記ベース板と前記環状面との間に配置されたアルミシートと、を含み、
前記アルミシートの肉厚及び剛性は前記ベース板よりも小さい
請求項５に記載の超伝導マグネット装置。
前記アルミシートは前記電磁力の存在下で前記ボビンと前記ベース板とによって圧縮される
請求項６に記載の超伝導マグネット装置。
前記貫通孔は前記突出板部と前記取付板部との間の境界に沿って延設された長孔であり、
前記ベース板は前記延設部及び前記第２熱接続部を形成している
請求項６又は７に記載の超伝導マグネット装置。
前記長孔の幅は前記ベース板の厚さと相補的である
請求項８に記載の超伝導マグネット装置。