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1. (WO2015174415) AIMANT SUPRACONDUCTEUR
Document

明 細 書

発明の名称 超伝導電磁石

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005  

課題を解決するための手段

0006   0007   0008   0009   0010  

発明の効果

0011  

図面の簡単な説明

0012  

発明を実施するための形態

0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030  

符号の説明

0031  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6  

図面

1   2   3   4   5   6  

明 細 書

発明の名称 : 超伝導電磁石

技術分野

[0001]
 本発明は、超伝導電磁石に関するものである。

背景技術

[0002]
 従来、このような分野の技術として、下記特許文献1に記載の超伝導電磁石が知られている。この超伝導電磁石では、コイルとヨークとの間にくさびが挿入され、くさびは、コイルが冷却時に熱収縮した際に、コイルの収縮量よりも大きい圧縮変位をコイルに与えるように、その打ち込み荷重が設定されている。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特開平6-176897号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 しかしながら、上記の超伝導電磁石では、打ち込み荷重の設定が困難である。また、くさびが適切に動作しなかった場合には、人手でくさびを打ち込む必要がある。このように特許文献1の超伝導電磁石においては、コイルの熱収縮の調整作業に手間がかかるといった問題があった。
[0005]
 本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、コイルの熱収縮に対応させるための調整作業の手間を削減する超伝導電磁石を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006]
 本発明の一態様に係る超伝導電磁石は、所定軸周りの環状をなすコイルと、コイルの所定の支持部位を支持するマウント部と、マウント部からの所定軸方向への押圧力を支持部位に付与する押圧力付与部と、を備え、マウント部は、支持部位がコイルの中心に向かって進退する方向に滑動可能であるように支持部位を支持していることを特徴とする。
[0007]
 本発明の一態様に係る構成によれば、コイルが冷却され中心に向かって収縮したときに、支持部位がマウント部に対して滑動することにより、自動的にコイルの収縮分が吸収される。また、押圧力付与部による押圧力によって滑動方向への摩擦力が発生するので、コイルがマウント部に対して容易に変位することも抑制される。また、押圧力付与部は、復元力によって押圧力を発生する弾性部材を有することとしてもよい。
[0008]
 また、本発明の一態様に係る超伝導電磁石は、支持部位とマウント部との間に挟まれて配置され、マウント部の表面よりも支持部位に対する摩擦係数が小さい低摩擦部材を更に備えたこととしてもよい。この構成によれば、支持部位とマウント部との摩擦が低減され、コイルの収縮時には円滑に支持部位がマウント部に対して滑動する。また、マウント部は、支持部位におけるコイルの延在方向に直交する面内で屈曲した屈曲形状をなすこととしてもよい。
[0009]
 また、マウント部は、所定軸方向にコイルの支持部位を挟んで配置される一対の第1及び第2のマウント部を有し、押圧力付与部は、第1及び第2のマウント部の両方にそれぞれ設けられ、支持部位を挟み込む挟持力を発生させていることとしてもよい。この構成によれば、コイルの支持部位を、第1及び第2のマウント部で挟持して支持することができる。
[0010]
 また、本発明の超伝導電磁石は、マウント部に対して滑動する支持部位上の滑動面に取り付けられたボルトと、マウント部に形成され、滑動面の滑動方向に延在すると共に、ボルトが挿通される長穴と、を備え、押圧力付与部は、ボルトの軸に挿通されると共に、ボルトの頭と長穴の縁部との間に配置され、マウント部を滑動面に向けて付勢する皿バネを有することとしてもよい。この構成によれば、コイルの収縮時には、支持部位に取り付けられたボルトがマウント部の長穴内を移動する。

発明の効果

[0011]
 本発明によれば、コイルの熱収縮に対応させるための調整作業の手間を削減する超伝導電磁石を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0012]
[図1] 本発明の一態様に係る実施形態に係る超伝導電磁石を採用したマグネット装置を示す斜視図である。
[図2] 超伝導電磁石のクライオスタットを示す斜視図である。
[図3] 図2におけるIII-III断面図である。
[図4] 超伝導電磁石100のコイル10とその支持構造を示す斜視図である。
[図5] 荷重支持部近傍の分解斜視図である。
[図6] 荷重支持部近傍の断面図である。

発明を実施するための形態

[0013]
 以下、添付図面を参照しながら本発明の一態様による超伝導電磁石の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以降の説明においては、各図に示す状態の超伝導電磁石1の姿勢を基準として「上」「下」の語を用いる。ただし、超伝導電磁石1の姿勢は図に示すものに限定されず、適宜変更してもよい。図1は、本実施形態に係る超伝導電磁石1を採用したマグネット装置100を示す斜視図である。図2は、超伝導電磁石1のクライオスタット3を示す斜視図である。図3は、図2におけるIII-III断面図である。図4は、超伝導電磁石1のコイル10とその支持構造を示す斜視図であり、クライオスタット3から真空容器3aと熱シールド13とを取り除いた状態を示す。
[0014]
 図1~図4に示されるように、マグネット装置100は、上下一対の超伝導電磁石1を対向配置すると共に、超伝導電磁石1を支持台101で支持することによって構成されている。超伝導電磁石1は、内部にコイル10を収容する真空容器3aを有するクライオスタット3と、クライオスタット3の外側に設けられるヨーク4と、を備えている。上側の超伝導電磁石1のクライオスタット3と下側の超伝導電磁石1のクライオスタット3とは、互いに上下を逆転した状態で対向し、支柱6を介して互いに離間するように連結されている。マグネット装置100は、一対のクライオスタット3の間を通過する荷電粒子線Bの軌道を切り替える偏向磁石として機能する。例えば、マグネット装置100は、加速器から出射された荷電粒子線Bの軌道を、軌道T1と軌道T2との間で切り替えることができる。荷電粒子線Bを出射する加速器として、リングサイクロトロン、AVFサイクロトロン、シンクロトロン、ベータトロン等の円形加速器や、ライナック等の線形加速器などが挙げられる。
[0015]
 超伝導電磁石1は、鉛直中心軸A周りの環状をなし磁束を発生させるコイル10と、コイル10の荷重を支持する荷重支持部7と、コイル10を冷却する冷凍機8と、コイル10に電流を導入する電流導入部9と、を備えている。コイル10は、超伝導線材を巻回した構成のコイル本体を有しており、超伝導線材として高温超伝導線材を用いてよい。高温超伝導線材として、例えばBi2223、Bi2212、Y123、MgB2、酸化物超伝導体等を用いてよい。なお、超伝導線材として低温超伝導線材を用いてもよい。このような超伝導線材が用いられるコイル10を約20Kまで効率よく冷却するため、超伝導電磁石1は、クライオスタット3の真空容器3aの内部において、コイル10を覆う熱シールド13を備えている。熱シールド13は、冷凍機8によって約50Kに冷却される。
[0016]
 続いて、図4~図6を参照しながら、荷重支持部7について更に詳細に説明する。図5は、荷重支持部7近傍の分解斜視図であり、図6は、荷重支持部7近傍の断面図である。本実施形態に係るコイル10は平面視において略矩形状をなしており、当該略矩形の4つの角部に対応する4つの支持部位11において、コイル10の荷重が荷重支持部7によって支持されている。
[0017]
 荷重支持部7は、コイル10の荷重を支持する支柱21と、支柱21に取り付けられコイル10の支持部位11を上下に挟み込む一対のマウント部23,24と、を備えている。マウント部23,24は、支持部位11を上下に挟んで支持している。支持部位11は、マウント部23,24に挟まれた状態でコイル10の中心に向かって進退する方向に滑動可能である。すなわち、支持部位11がコイル10の中心に向かう方向に進退移動するとき、支持部位11の上面11a及び下面11bは、マウント部23,24の支持面29,30を滑動する。具体的な構成は後述するが、上記のような支持部位11の滑動が許容されるように、マウント部23,24と支持部位11とが接合されている。以下、マウント部23,24を滑動する支持部位11の上面11a及び下面11bを、それぞれ滑動面11a,11bと呼ぶ場合がある。
[0018]
 特に図6に示されるように、マウント部23,24は、支持部位11におけるコイル10の延在方向に直交する平面(図6に示される断面(紙面)に平行な面)内で屈曲した屈曲形状をなす。すなわち、マウント部23,24は、支柱21に取り付けられる基端側においては、互いの距離はコイル10の上下幅よりも小さく、先端側において互いの距離が拡がるようになっている。
[0019]
 なお、各図にも示される通り、マウント部23(第1のマウント部)とマウント部24(第2のマウント部)とは、構成が互いに上下対称であり、また、支柱21及びコイル10に対する取付構造も互いに上下対称である。従って、以下においてはマウント部23の構成を説明し、その説明に重複するマウント部24についての説明を省略する。
[0020]
 マウント部23の基端側には、支柱21に固定されるための取付穴27が設けられている。マウント部23は、コイル10の中心側に向けて水平に張り出すように支柱21に取り付けられる。また、マウント部23の幅方向の両端には、補強のための鉛直リブ23aが設けられている。前述したように、マウント部23は屈曲形状をなしており、マウント部23の基端側が先端側よりも下方にある。この屈曲形状の構成により、マウント部23,24全体の上下幅を小さく抑えながらも、特にマウント部23の基端側において鉛直リブ23aの上下幅を大きく確保することで、コイル10の荷重に対するマウント部23の剛性及び強度を確保し易くすることができる。
[0021]
 マウント部23の先端側は支持部位11の滑動面11aに固定される。具体的には、マウント部23の先端側には、マウント部23の張り出し方向に延びる2つの長穴33が設けられている。この長穴33に挿通されるボルト35が、滑動面11aに形成されたボルト孔36に螺着されることで、マウント部23と支持部位11とがボルト止め接合されている。ボルト35とボルト孔36との間が接着剤で回り止めされてもよい。なお、1つの長穴33に対して2本のボルト35が挿通され、合計4本のボルト35によってマウント部23と支持部位11とが締結されるが、図5においてはそのうちの1つの長穴33に対応する2本のボルトのみを図示している。
[0022]
 マウント部23の支持面29と、滑動面11aとの間には、シート状の低摩擦部材31が挟み込まれている。低摩擦部材31は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン製のシートであり、低摩擦部材31の表面の面粗さは、例えば0.8aとする。支持面29と低摩擦部材31との摩擦係数、及び滑動面11aと低摩擦部材31との摩擦係数は、いずれも支持面29と滑動面11aとの摩擦係数よりも小さい。なお、低摩擦部材31にはボルト35を挿通させる長穴31aが形成されている。
[0023]
 更に、長穴33には、ボルト35を挿通させるカラー部37が挿入されている。このカラー部37の上にはボルト35を挿通させる座金39が設置されている。カラー部37は、例えばポリテトラフルオロエチレン製であり、マウント部23及び滑動面11aとの摩擦係数が小さく抑えられている。カラー部37の上端には、長穴33の幅よりも大きい幅をもつ鍔部37aが形成されている。この鍔部37aの下面は、長穴33の縁部33aに接している。なお、カラー部37の底面は、低摩擦部材31の長穴33を通じて滑動面11aに接している。更に、座金39の上方において、ボルト35の1本当たり4つの皿バネ41が挿通されている。カラー部37及び座金39の長さは長穴33の長さよりも短くなっており、カラー部37は長穴33内を長手方向にスライドである。コイル10の熱収縮に起因する支持部位11の移動量は、例えば4mmであれば、カラー部37の長穴33内でのスライド量が4mm以上に設定される。
[0024]
 皿バネ41は、マウント部23を滑動面11aに向けて付勢している。すなわち、皿バネ41は、ボルト35の頭35aと座金39との間で圧縮されており、その復元力によってマウント部23からの鉛直な(鉛直中心軸A方向の)押圧力を支持部位11の滑動面11aに付与する押圧力付与部として機能する。なお、1本のボルト35に挿通された4つの皿バネ41(弾性部材)は、1枚ずつ交互に上下反転する向きで配列され、4つの皿バネ41の付勢力が直列に作用する。同じ構成によって滑動面11bもマウント部24から押圧されている。よって、コイル10の支持部位11は、皿バネ41の付勢力によりマウント部23,24によって上下に挟み込まれて支持されている。
[0025]
 皿バネ41は、例えば、SUS304-CSPを材料とし、皿バネ41の高さ方向の自由長は4.2mmであり、圧縮後の皿バネ41の高さを3mmとする。皿バネ41の圧縮により、例えば、コイル10は、荷重支持部7の1箇所当たり125kgの圧縮力で挟持される。このように、マウント部23とマウント部24とでコイル10の支持部位11を挟み込む挟持力を、皿バネ41の高さによって管理することができる。そして、低摩擦部材31の介在による摩擦係数を考慮すれば、上記の挟持力に対応して、マウント部23,24と支持部位11との摩擦力はマウント部1つ当たり、例えば、12.5kgとなる。この摩擦力によって、通常時においては、コイル10が荷重支持部7に対して容易に水平に変位せず、コイル10の熱収縮時には支持部位11が荷重支持部7に対して円滑に移動する。
[0026]
 続いて、上述した超伝導電磁石1による作用効果について説明する。
[0027]
 コイル10が冷却され熱収縮したとき、支持部位11がコイル10の中央に向けて移動し、支持部位11に取り付けられたボルト35、当該ボルト35に挿通されているカラー部37、座金39及び皿バネ41が、支持部位11と一緒にコイルの10中央に向けて移動する。このとき、カラー部37が長穴33内及び長穴33の縁部33aを摺動することにより、上記のような支持部位11の移動が許容される。
[0028]
 上記のように、マウント部23,24は、支持部位11がコイル10の中心に向かって進退する方向に滑動可能であるように当該支持部位11を支持している。よって、コイル10の熱収縮時には、支持部位11がマウント部23,24に対して円滑に滑動し、自動的にコイル10の収縮分が吸収される。従って、何らかの手動操作を行う必要がなく、コイル10の熱収縮に対応させるための調整作業の手間が低減される。また、皿バネ41を含む機構による押圧力によって支持部位11の滑動方向への摩擦力が発生するので、コイル10がマウント部23,24に対して容易に変位することも抑制される。
[0029]
 また、低摩擦部材31の存在により、支持部位11とマウント部23,24との摩擦が低減され、コイル10の収縮時には支持部位11がマウント部23,24に対して円滑に移動する。
[0030]
 以上、本発明の一態様の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。例えば、皿バネ41の復元力によってマウント部23,24からコイル10への押圧力を発生させる機構(押圧力付与部)は、マウント部23,24の両方に設けられているが、押圧力付与部は、マウント部23,24の何れか一方だけに設けられてもよい。また、押圧力付与部には、皿バネに限られずコイルバネや他の弾性部材を採用してもよい。

符号の説明

[0031]
 1…超伝導電磁石、10…コイル、11…支持部位、11a…滑動面、23…第1のマウント部、24…第2のマウント部、31…低摩擦部材、33…長穴、33a…縁部、35…ボルト、41…皿バネ(押圧力付与部、皿バネ)、A…鉛直中心軸。

請求の範囲

[請求項1]
 所定軸周りの環状をなすコイルと、
 前記コイルの所定の支持部位を支持するマウント部と、
 前記マウント部からの前記所定軸方向への押圧力を前記支持部位に付与する押圧力付与部と、を備え、
 前記マウント部は、
 前記支持部位が前記コイルの中心に向かって進退する方向に滑動可能であるように前記支持部位を支持していることを特徴とする超伝導電磁石。
[請求項2]
 前記押圧力付与部は、復元力によって前記押圧力を発生する弾性部材を有することを特徴とする請求項1に記載の超伝導電磁石。
[請求項3]
 前記支持部位と前記マウント部との間に挟まれて配置され、前記マウント部の表面よりも前記支持部位に対する摩擦係数が小さい低摩擦部材を更に備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の超伝導電磁石。
[請求項4]
 前記マウント部は、前記支持部位における前記コイルの延在方向に直交する面内で屈曲した屈曲形状をなすことを特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載の超伝導電磁石。
[請求項5]
 マウント部は、前記所定軸方向に前記コイルの前記支持部位を挟んで配置される一対の第1及び第2のマウント部を有し、
 前記押圧力付与部は、第1及び前記第2のマウント部の両方にそれぞれ設けられ、前記支持部位を挟み込む挟持力を発生させていることを特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載の超伝導電磁石。
[請求項6]
 前記マウント部に対して滑動する前記支持部位上の滑動面に取り付けられたボルトと、
 前記マウント部に形成され、前記滑動面の滑動方向に延在すると共に、前記ボルトが挿通される長穴と、を備え、
 前記押圧力付与部は、
 前記ボルトの軸に挿通されると共に、前記ボルトの頭と前記長穴の縁部との間に配置され、前記マウント部を前記滑動面に向けて付勢する皿バネを有することを特徴とする請求項1~5の何れか1項に記載の超伝導電磁石。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]