(57)【要約】【課題】  超電導コイルのクエンチ時の高信頼性の受動的動作とともに超電導コイルのクエンチと永久電流スイッチのクエンチを互いに独立に実現するクエンチ保護回路を提供する。【解決手段】  直列に接続した抵抗ヒータおよび双方向ダイオードを超電導コイル保護回路へ設置し、永久電流スイッチ保護回路にダイオードを設置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルを有する超電導マグネットと、前記超電導コイルと並列関係に接続され、前記超電導コイルへ永久電流を流す永久電流スイッチと、前記超電導コイルおよび永久電流スイッチのそれぞれに並列に接続される第１および第２のクエンチ保護回路を備え、前記第１のクエンチ保護回路は、逆並列に接続されているダイオード、並列に接続されている抵抗ヒータおよびシャント抵抗からなり、前記抵抗ヒータおよびシャント抵抗は、それぞれ前記ダイオードと直列関係に接続され、前記第２のクエンチ保護回路は、前記永久電流スイッチと並列接続されたダイオードを有し、前記シャント抵抗および抵抗ヒータは、クエンチ発生時に前記超電導コイルを保護し、かつ、前記抵抗ヒータは、隣接する超電導コイル加熱する機能を有し、前記第２のクエンチ保護回路内のダイオードのターンオン電圧は、前記第１クエンチ保護回路内のダイオードのターンオン電圧よりも低いことを特徴とするクエンチ保護装置を備える超電導マグネット装置。
【請求項２】
直列接続された複数の超電導コイルを有する超電導マグネットと、前記超電導コイルと並列関係に接続され、前記超電導コイルへ永久電流を流す永久電流スイッチと、前記超電導コイルおよび永久電流スイッチのそれぞれに並列接続される第１および第２のクエンチ保護回路を備え、前記第１のクエンチ保護回路は、逆並列に接続されているダイオード、並列に接続されている抵抗ヒータおよびシャント抵抗からなり、前記抵抗ヒータおよびシャント抵抗は、それぞれ前記ダイオードと直列関係に接続され、前記第２のクエンチ保護回路は、前記永久電流スイッチと並列接続されたダイオードを有し、前記シャント抵抗および抵抗ヒータは、クエンチ発生時に前記超電導コイルを保護し、かつ、前記抵抗ヒータは、隣接する超電導コイル加熱する機能を有し、前記第２のクエンチ保護回路内のダイオードのターンオン電圧は、前記第１クエンチ保護回路内のダイオードのターンオン電圧よりも低いことを特徴とするクエンチ保護装置を備える超電導マグネット装置。
【請求項３】
前記超電導マグネットは、複数の超電導コイルが電気的に直列に接続している超電導コイル群を有し、前記クエンチ保護回路が前記超電導コイル１個に対して１つ並列に接続されている請求項２に記載のクエンチ保護装置を備える超電導マグネット装置。
【請求項４】
前記第１および第２のクエンチ保護回路内のダイオードは、それぞれほぼ同じ耐電圧の複数の単位ダイオードで構成され、それぞれのダイオードの電気的に直列に接続されている単位ダイオードの個数が異なる請求項２に記載のクエンチ保護装置を備える超電導マグネット装置。
【請求項５】
前記第１および第２のクエンチ保護回路内のダイオードは、少なくとも一方は電気的に直列に保護抵抗が接続されている請求項２に記載のクエンチ保護装置を備える超電導マグネット装置。
【請求項６】
前記第１および第２のクエンチ保護回路内のダイオードは、ダイオードに代えてサイリスタを有する請求項２に記載のクエンチ保護回路を備える超電導マグネット装置。
【請求項７】
前記ヒータ抵抗を構成する直列に接続された単位ヒータ抵抗は、隣接している互いに異なる超電導コイルそれぞれ加熱する請求項２に記載のクエンチ保護回路を備え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、超電導コイルと永久電流スイッチを有し、永久電流モードで電流が流れる超電導マグネット、特に超電導コイルと永久電流スイッチのためのクエンチ保護回路を備える超電導マグネット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＭＲ装置のような強磁場を必要とするマグネットでは、大電流を流すことができる超電導コイルがしばしば用いられる。超電導コイルを用いて常に安定した強磁場を発生させるためには、永久電流モードで電流を流す必要があり、永久電流スイッチ(Persistent Current Switch : PCS)を超電導コイルに並列に接続する。これによって永久電流モードが可能となる。
【０００３】
しかし、超電導コイルにはクエンチが発生するという問題がある。クエンチが発生すると、保護回路がなければ超電導コイルに蓄えられていたエネルギーは、全て常電導転移した超電導コイルで消費することなる。その結果、超電導コイルは焼き切れてしまったり、組成が変化してしまったりする可能性がある。また、永久電流スイッチも超電導体であるので、超電導コイルと同様に保護回路がなければ、クエンチ時に問題が生じる。そのため超電導マグネットには必ずクエンチ保護回路を接続する必要がある。
【０００４】
図４は、超電導コイルと、永久電流スイッチと、クエンチ保護回路からなる超電導マグネット回路の一例を示す回路図である。直列に接続された３つの超電導コイル１０、１２，１４、永久電流スイッチ１６、保護抵抗１８が並列に接続されており、さらにこれらと並列に電流リード２０，２２を介して電源（図示しない）を接続することによって励消磁を行う。このマグネット回路には、転流用の永久電流スイッチ２４、永久電流スイッチ用ヒータ駆動回路２６、抵抗ヒータ２８，３０，３２が設けられている。
【０００５】
図４に示す回路において、超電導コイル１０〜１４がクエンチした場合には、超電導コイル１０〜１４に蓄積されたエネルギーは、保護抵抗１８を超電導コイル１０〜１４のオフ時の抵抗よりも十分に小さくすることにより、殆ど保護抵抗１８で消費される。永久電流スイッチ１６がクエンチした場合にも、永久電流スイッチ１６のオフ時抵抗を保護抵抗１８よりも十分に大きくすれば、殆どのエネルギーは保護抵抗１８で消費される。
【０００６】
また、永久電流スイッチ１６のオフ時の抵抗が大きいと、励消磁の際の時定数も大きくなり、励消磁の時間をより多く要するのに加えて、永久電流スイッチ１６と保護抵抗１８の両方に電流が流れることになる。このため発熱量も大きくなってしまうので、保護抵抗１８の代わりにダイオードあるいはサイリスタを用いる方法も考えられている。これらの技術は、例えば特許文献１（特公平7−27815号公報）に記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特公平7−27815号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
クエンチ保護回路にダイオードやサイリスタを用いる方法は、クエンチ保護に対する性能を向上させるのみならず、励消磁時の熱損失を低減することも可能な優れた方法である。しかしながら、上記特許文献１に記載された装置は、超電導コイルと永久電流スイッチを互いに独立、かつ、受動的に保護することは考慮されていない。そのために、クエンチ検出のための検出装置を必要とすることおよび保護ヒータ駆動装置の故障時の超電導コイル焼損の問題、設計の複雑さという課題がある。
【０００９】
本発明は、利便性および信頼性が向上し、設計も容易なクエンチ保護回路を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一つの課題解決手段は、超電導コイルを有する超電導マグネットと、前記超電導コイルと並列関係に接続され、前記超電導コイルへ永久電流を流す永久電流スイッチと、前記超電導コイルおよび永久電流スイッチのそれぞれに並列に接続される第１および第２のクエンチ保護回路を備え、前記第１のクエンチ保護回路は、逆並列に接続されているダイオード群、並列に接続されている抵抗ヒータおよびシャント抵抗からなり、前記抵抗ヒータおよびシャント抵抗は、それぞれ前記ダイオード群と直列関係に接続され、前記第２のクエンチ保護回路は、前記永久電流スイッチと並列接続されたダイオードを有し、前記シャント抵抗および抵抗ヒータは、クエンチ発生時に前記超電導コイルを保護し、かつ、前記抵抗ヒータは、隣接する超電導コイル加熱する機能を有し、前記第２のクエンチ保護回路内のダイオードのターンオン電圧は、前記第１クエンチ保護回路内のダイオード群のターンオン電圧よりも低いクエンチ保護装置を備える超電導マグネット装置を提供する。
【００１１】
受動的に超電導コイルの保護回路シャント抵抗を、隣接するコイルを加熱する抵抗ヒータと兼用させることにより、超電導コイルを受動的かつ確実な保護動作ができ、またそれぞれのダイオードの順方向電圧が異ならせることにより、互いに独立にクエンチ保護設計および動作が可能になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のクエンチ保護回路において、超電導コイルと永久電流スイッチは互いに独立、かつ、受動的に保護することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施例１）
図１は、本発明の一実施形態を示す回路図であって、4つのコイルからなる多層コイルの保護回路と、永久電流スイッチの保護回路を示している。直列接続された４つの超電導コイル４０，４２，４４，４６および永久電流スイッチ４８は、並列に接続され、主回路を構成する。シャント抵抗５０，５２，５４，５６は、それぞれの超電導コイル４０〜４６に並列に接続され、分割保護回路を構成している。
【００１４】
抵抗ヒータ６０，６２，６４，６６は、それぞれ直列接続された２つのヒータ６００，６０２、６２０，６２２，６４０，６４２，６６０，６６２からなり、点線矢印で示すように各々隣接する超電導コイル４０〜４６に対応して設置されている。すなわち、ヒータ抵抗６２を構成する直列に接続された単位ヒータ抵抗６２０，６２２は、点線で示すように隣接している他の超電導コイル４０，４４をそれぞれ加熱する。その他のヒータ抵抗６０，６４，６６もヒータ抵抗６２と同じように、配置されている。
【００１５】
シャント抵抗５０〜５６と、抵抗ヒータ６０，６２，６４，６６と直列に、それぞれダイオードペア７０，７２，７４，７６が接続されている。それぞれのダイオードペア７０〜７６は、逆並列接続されたダイオード７００，７０２，７２０，７２２，７４０，７４２，７６０，７６２から構成されている。永久電流スイッチ４８には、ダイオード８０が保護回路として並列接続される。ダイオード８０のターンオン電圧は、ダイオードペア７０〜７６のターンオン電圧よりの低く選択されている。ターンオン電圧は、導通時にダイオードの両端に現れる順方向電圧を意味する。図示しないがこれらの装置は、極低温に維持された容器内に設置されている。
【００１６】
超伝導コイル４０〜４６の定常運転時、電流は永久電流スイッチ４８と超伝導コイル４０〜４６で構成する回路を流れ、シャント抵抗５０〜５６、抵抗ヒータ６０〜６６、ダイオード８０には電流は流れない。また、運転開始および終了時、すなわち、超伝導コイル４０〜４６の励磁時および消磁時には、電流リード８２、８４に電源を接続してコイル両端に電圧を印加すると、超伝導コイル４０〜４６の各々の両端に電圧が発生する。
【００１７】
ＮＭＲ用超電導コイルでは、この電圧は超電導コイル４０〜４６の大きさに応じて数Ｖ程度とするのが通常である。ダイオードペア７０〜７６に用いるダイオード７００〜７６２の順方向電圧は、ダイオード１個あたり0.5〜1.0Ｖ程度である。必要ならば単位ダイオードを２個以上直列に連結することにより、超伝導コイル励磁時および消磁時に電圧が発生しても、シャント抵抗５０〜５６、抵抗ヒータ６０，６２，６４，６６、永久電流スイッチ保護ダイオード８０に電流を流さないようにできる。
【００１８】
ひとつの超電導コイルがクエンチした場合には、その超電導コイルでダイオードの順方向電圧を大きく上回る電圧が発生するため、シャント抵抗および抵抗ヒータに電流が流れる。しかし永久電流スイッチ４８は、超電導状態を保ったままであり、超電導コイルがクエンチした影響は殆ど生じない。一方永久電流スイッチ４８がクエンチした場合には、永久電流スイッチ保護ダイオードの順方向電圧を超電導コイルのものよりも低く設計することによって、超電導コイルは超電導状態に保ったまま、永久電流スイッチ保護回路によって超電導コイルに蓄積されていたエネルギーを回収することができる。さらに永久電流スイッチ保護ダイオードに銅をはじめとする熱容量の大きい金属を接続することで、より大きな蓄積エネルギーを回収することも可能である。
【００１９】
本実施形態によれば、クエンチ検出が不要な受動的な保護回路を実現でき、また、ヒータ加熱により隣接するコイルを順次クエンチさせられるので、必要以上の電流の増加による過大な電磁力や、過剰な加熱による高温および高電圧を抑制することができる。さらに超電導コイルの保護回路とは互いに独立の永久電流スイッチの保護回路も実現できる。
（実施形態２）
図２は図１の回路の永久電流スイッチ2の保護回路に適用したダイオード８０に直列に保護抵抗８６を接続したものである。説明を省略するが、図１と同じ符号は、同じものを表している。図１では永久電流スイッチ４８がクエンチした際に、永久電流回路に蓄えられていたエネルギーをダイオード８０で回収するが、本実施形態ではダイオード８０に加えて抵抗８６でもエネルギーを回収することができる。このため、より大きいエネルギーを回収することができるとともに回収に要する時間を短くすることができる。
（実施形態３）
図３は図１の回路の永久電流スイッチ４８の保護回路に適用したダイオード８０に代えて単位ダイオード８８０，８８２からなる双方向ダイオード８８を設置した場合の回路図である。説明を省略するが、図１と同じ符号は、同じものを表している。本実施形態に示すように双方向ダイオード８８を設置することによって、励磁時および消磁時の極性を考える必要がなくなることから使い勝手が向上する。回収するエネルギーが大きいときや回収時間を短くするときは、図２の実施形態２と同じように双方向ダイオード８８に保護抵抗９０、９２をそれぞれ直列に接続することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、安全性が高く設計が容易な超電導コイルおよび永久電流スイッチの保護回路を実現できるので、複数の超電導コイルからなる長期運転装置であるNMR（核磁気共鳴）やMRI（磁気共鳴断層撮像）に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態を示す超電導コイルにダイオードと抵抗ヒータを用いた受動的な保護回路、永久電流スイッチにダイオードによる保護回路を適用した場合の回路図である。
【図２】本発明の実施形態を示す永久電流スイッチ保護用ダイオードに抵抗を直列に接続した保護回路の回路図である。
【図３】本発明の実施形態を示す永久電流スイッチに双方向ダイオードによる保護回路を適用した場合の回路図である。
【図４】従来の能動的な転流スイッチと保護抵抗を用いた保護回路の回路図である。
【符号の説明】
【００２２】
１８…保護抵抗、２４…転流用の永久電流スイッチ、２６…永久電流スイッチ用ヒータ駆動回路、２８，３０，３２…抵抗ヒータ、４０〜４６…超電導コイル、４８…永久電流スイッチ、５０，５２，５４，５６…シャント抵抗、６０，６２，６４，６６…抵抗ヒータペア、７０，７２，７４，７６…ダイオードペア、８０…ダイオード、８２，８４…電流リード、８８…双方向ダイオード、９０、９２…保護抵抗。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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