(57)【要約】【課題】  従来の超電導磁石装置は、異常が発生した場合、装置の外装を開いて修復作業を実施した後、再度真空を引いて冷却するまでの間、装置の運転を停止する必要があるため、速やかに再稼働状態へ移行させることは難しかった。【解決手段】  前記課題を解決する為に、本発明に係る超電導磁石装置は、超電導コイルと、前記超電導コイルと回路を形成する永久電流スイッチと、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとを電気的に接続する接続線と、前記接続線の一部であって、互いに独立した複数の接続素子から形成された接続素子と、前記複数の接続素子を個別に冷却する伝導冷却経路と、前記複数の接続素子に対して個別に設けられ、前記複数の接続素子を選択的に断線する断線手段と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2018060926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、
前記超電導コイルと回路を形成する永久電流スイッチと、
前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとを電気的に接続する接続線と、
前記接続線の一部であって、互いに独立した複数の接続素子から形成された複線化部と、
前記複数の接続素子を個別に冷却する伝導冷却手段と、
前記複数の接続素子に対して個別に設けられ、前記複数の接続素子を選択的に断線する断線手段と、
を備えることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導磁石装置であって、
前記永久電流スイッチは前記接続素子それぞれに対して個別に設けられた
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超電導磁石装置であって、
複数の前記断線手段は、前記接続素子に巻きつけられた電熱ヒータであって、通電によって前記接続素子を溶断する
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置であって、
前記伝導冷却手段は、
端部が冷凍機に接続された冷却端子と、
機械的荷重を受ける荷重受け部と、
前記接続素子と接触するように設けられた伝導冷却部と、
を備え、
前記荷重受け部が受ける力によって前記冷却端子と前記伝導冷却部とが熱的に接続する
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置であって、
前記伝導冷却手段は、
端部が冷凍機に接続された冷却端子と、
前記接続素子と接触するように設けられた伝導冷却部と、
前記冷却端子が固定された電磁石と、
を備え、
前記電磁石に通電がされて生じる電磁力によって前記冷却端子と前記伝導冷却部とが熱的に接続する
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【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備えた超電導磁石装置に関し、特に、緊急減磁をするための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に超電導磁石装置には、運転中になんらかの異状が生じた場合に対処するために、速やかに減磁（以下、緊急減磁）を実行するための機能が必要となる。緊急減磁を実行するには、電気抵抗を有する素子で、磁気エネルギーをジュール熱として消費する事が一般的である。特に、電気抵抗が非常に小さい超電導閉回路に電流を捕捉する永久電流運転中において、緊急減磁を実行するには、電流経路内に電気抵抗を発生させることが必要となる。減磁を速やかに完了させるためには、出来る限り電気抵抗を大きくして、ジュール発熱を増大させることが有効である。ところが、近年実用化が進展している高温超電導線材を利用した超電導磁石装置では、永久運転電流中に大きな電気抵抗を得る事が困難である。何故なら、広く普及しているニオブチタン線などの低温超電導線材と比較し、高温超電導線材では一般に、その超電導転移温度の高さのために、常伝導伝搬速度が遅く、電気抵抗の増大速度が遅いためである。
【０００３】
この課題を解決する方法として、緊急減磁時に超電導閉回路の一部を断線して、保護抵抗に電流を転流させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。超電導閉回路の一部を断線すれば、非常に大きな抵抗を瞬時に得る事ができ、高温超電導磁石装置の緊急減磁にも有効であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２７８５０４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような方法で減磁した後に、超電導磁石装置を再運転するには、断線した箇所を修復する必要がある。断線箇所を修復するには、冷却していた超電導磁石装置内部の温度を常温まで上昇させ、真空を破壊して装置の内部に大気を導入し、装置の外装を開いて修復作業を実施した後、再度真空を引いて冷却するまでの間、装置の運転を停止する必要があるため、速やかに再稼働状態へ移行させることは難しかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決する為に、本発明に係る超電導磁石装置は、超電導コイルと、前記超電導コイルと回路を形成する永久電流スイッチと、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとを電気的に接続する接続線と、前記接続線の一部であって、互いに独立した複数の接続素子から形成された接続素子と、前記複数の接続素子を個別に冷却する伝導冷却経路と、前記複数の接続素子に対して個別に設けられ、前記複数の接続素子を選択的に断線する断線手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、緊急減磁によって超電導回路の一部を断線したとしても、速やかに再び超電導閉回路を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る超電導磁石装置の概略図である。
【図２】第１実施形態に係る断線手段の概略図である。
【図３】第１実施形態に係る冷却経路切替機構の概略図である。
【図４】第２実施形態に係る超電導磁石装置の概略図である。
【図５】第３実施形態に係る冷却経路切替機構の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【実施例】
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１の概略図である。超電導磁石装置１は、電源２と、冷凍容器３を備えている。冷凍容器３には冷凍機４が備えられ、冷凍容器３の内部を真空にした後に冷凍機４を動作させることで、冷凍機４と熱的に接続された部材を超電導転移温度以下に冷却する事ができる。冷凍容器３の内部には、超電導コイル５と、保護抵抗６と、永久電流スイッチ７が備えられる。また、超電導コイル５および永久電流スイッチ７は接続線によって電気的に接続されており、この接続線の一部は、互いに独立した複数の接続素子８Ａ、８Ｂ、８Ｃから形成された接続素子８が形成されている。
【００１１】
超電導コイル５と、保護抵抗６は、電源２に対しそれぞれ並列に接続されている。また永久電流スイッチ７の両端の２端子のうち、一端は超電導コイル５や保護抵抗６と同様に電源２の一端と接続されている。永久電流スイッチ７のもう一端は、超電導線材で構成された接続素子８の集約端（図１では、接続素子８Ａ、８Ｂ、８Ｃがそれぞれ接続する部分）と接続されている。接続素子８は、複数の接続素子８Ａ、８Ｂ、８Ｃが互いに並列に接続されており、その２端子のうち一端は前述の通り永久電流スイッチ７の一端と接続されている。また接続素子８のもう一端は、電源２の２端子のうち、永久電流スイッチ７が接続された側とは異なる端子に接続する。これにより、超電導コイル５と、永久電流スイッチ７と、接続素子８とで閉回路が形成される。各素子は超電導線材で構成されるため、超電導転移させることで永久電流運転が可能な超電導閉回路となる。
【００１２】
接続素子８には、それぞれに断線手段９（図１では、断線手段９Ａ、９Ｂ、９Ｃの３つを示す）が備えられている。断線手段９は、制御装置１０に接続されおり、その制御によって、接続素子８の一部であるいずれかの接続素子に対して、例えば熱、磁場、機械的衝撃を印加する事で常伝導転移させる機能を有する。一例として、接続素子８Ａを、ヒーター２０によって入熱する事で常伝導転移させる機構を採用した場合における断線手段９の近傍を図２に示す。ヒーター２０は接続素子８Ａに密に巻き付けることで、通電時のジュール熱を効率よく接続素子８Ａに入熱させる事ができる。
【００１３】
なお、接続素子は、断線動作上の都合が良いように、ジュール熱が発生した際に温度が上がりやすいような線材を使用する事が望ましい。具体的には、シース材（線材の構成材料のうち、超電導材料のフィラメントの周囲に敷き詰める常伝導材料の事）として熱伝導率が低く、抵抗率が高いものを使用する。例えばシース材としては、一般的な超電導線材に使用される銅や銀と比較し、熱伝導率が低く、抵抗率が高いキュプロニッケル（ＣｕＮｉ）や、モネル、金−銀合金を使用する事が望ましい。また特に、接続素子のうち断線手段９が備えられている部分は、発熱した際に温度上昇し易いよう、周囲への熱流出が小さくなるようにする。具体的には、例えば、接続素子を樹脂材料で取り囲み、銅やアルミなどの熱伝導率のよい部材や、熱容量の大きい部材が、直接に接続素子と接触しないようにする。
【００１４】
またそれぞれの接続素子８Ａ、８Ｂ、８Ｃには、それぞれに伝導冷却部１１（図１では、伝導冷却部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの３つを示す）が備えられている。伝導冷却部１１は、伝導冷却経路１２（図１では、伝導冷却経路１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの３つを示す）の一部を構成し、伝導冷却経路１２を介して冷凍機４と接続する事で、接続素子８Ａ、８Ｂ、８Ｃを冷却し、超電導状態とすることができる。なお、以降では、同様の部材が複数あり、かつ同様の構成・動作を発揮する場合にはＡ、Ｂ、Ｃ等の表記を省略し、単に数字の符号のみを付す。また接続素子８については、個別の接続素子に対応する構造を説明するにあたっては単に接続素子８と表記する。
【００１５】
複数の伝導冷却経路１２の途中には、それぞれに伝導冷却路接続部１４（図１では、伝導冷却路接続部１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの３つを示す）が備えられている。伝導冷却路接続部１４が閉の場合、接続素子８は伝導冷却経路１２を介して、冷凍機４と熱的に接続され、冷却される事で超電導状態となる。伝導冷却路接続部１４が開の場合、接続素子８は冷却されず、超電導磁石装置１の運転中も常伝導状態となる。
【００１６】
超電導磁石装置１には、冷却経路切替機構１３が備えられ、複数の伝導冷却路接続部１４それぞれの開・閉を個別に切り替える事ができる。この切替機能は、機械的、或いは電磁的などの方法により、冷凍容器３の外から制御するよう構成する。
【００１７】
一例として、機械的方法によって伝導冷却路接続部１４の切り替えを実行する場合の、冷却経路切替機構１３の具体的な構成の概略断面図を図３に示す。図３には、例として、閉状態にある伝導冷却路接続部１４Ａと、開状態にある伝導冷却路接続部１４Ｂの２つを図示している。接続素子８は伝導冷却部１１に沿わせて引き回されており、接触面積を大きくしたり、または半田や溶接などによって両者間の熱抵抗が小さくなるようにする。伝導冷却部１１は、支持柱３０を介して真空容器外壁３４と固定されている。支持柱３０は、熱伝導率が低く、かつ高強度のもの（例えば、ＦＲＰ材）で構成する。支持柱３０は十分熱抵抗を有するようにその長さと断面積を決定し、真空容器外壁３４から侵入する熱を冷凍機４の作用で除熱出来るようにする。冷却端子３５は、端部が伝導冷却経路１２を介して冷凍機４と熱的に接続されおり、またバネ部材３１を介して真空容器外壁３４に支持されている。バネ部材３１の伸縮作用によって、冷却端子３５は、伝導冷却部１１と真空容器外壁３４との間で動く事ができる。冷却端子３５には、荷重伝達部材３２が備えられており、荷重伝達部材３２は、真空封止部材３６と接合されている。荷重伝達部材３２は、真空容器外壁３４に開けられた貫通穴３７を通って大気側に突出しており、また貫通穴３７はベローズ３３と真空封止部材３６によって覆われることで塞がれ、容器内部の真空度を保持している。真空封止部材３６はベローズ３３を介して真空容器外壁３４と接続されており、ベローズ３３の伸縮機能により、大気側と真空側の間を動かす事ができる。
【００１８】
これにより、真空封止部材３６に対して大気側から印加した荷重を、荷重伝達部材３２を介して冷却端子３５に伝える事ができる。
【００１９】
すなわち、本実施例の伝導冷却経路１２は、端部が冷凍機４に接続された冷却端子３５と、機械的荷重を受ける荷重受け部である荷重伝達部材３２と、接続素子８と接触するように設けられた伝導冷却部１１とから構成された伝導冷却路接続部１４を有しており、荷重受け部が受けた力によって冷却端子３５と伝導冷却部１１とが熱的に接続することによって、個別に接続素子を冷却することができる。
【００２０】
またバネ部材３１の伸縮作用を利用して、大気側から荷重がかかっていない場合、冷却端子３５は伝導冷却部１１と離間するよう構成する。この場合、伝導冷却路接続部１４は開となる。大気側から真空封止部材３６に荷重を印加する事で、冷却端子３５と伝導冷却部１１とを接触させ、伝導冷却路接続部１４を閉にする事が出来る。以上に説明した事により、伝導冷却路接続部１４は、冷凍容器３の外部から容易に開閉する事が可能であるとともに、いずれの伝導冷却経路１２を有効に動作させるかも制御可能である。
【００２１】
次に、超電導閉回路に電流を流し、永久電流運転を実施するまでの手順を説明する。冷却経路切替機構１３を利用し、複数の伝導冷却路接続部１４のうち、ただ一つを閉とし、他は開とする。以下では、一例として伝導冷却路接続部１４Ａを閉とした場合として説明するが、他の伝導冷却路接続部を選択した場合も同様である。また、接続素子８は、図１で示すように、接続素子８Ａの他には接続素子８Ｂ、８Ｃが備えられているものとする。接続素子８の本数が図１の場合とは異なっていても、同様に動作させる事ができる。
【００２２】
以上のような状況では、ただ一つの接続素子８Ａのみ冷凍機４と熱的に接続され、冷却されることで超電導状態となる。その他の接続素子は、冷凍機４に冷却されないため、常伝導状態となる。
【００２３】
超電導コイル５に、電源２から電流を供給する際、その両端に発生した電圧により、永久電流スイッチ７と接続素子８とに過大な電流が流れ込まないよう、まず永久電流スイッチ７をオフ（開、常伝導状態）とする。その後、電源２から超電導コイル５に電流を供給し、所望の電流値に達した後に、永久電流スイッチ７を冷却してオン（開、超電導状態）とする。その後、電源２の供給電流をゼロにすることで、超電導コイルおよび永久電流スイッチ７からなる抵抗ゼロの超電導閉回路に電流が流れる。このとき超電導磁石装置は、外部から電流を供給する事無く長期にわたって磁場が保持される永久電流運転をする事となる。なお、冷却して超電導状態となっている接続素子８Ａ以外の接続素子８Ｂ、８Ｃは、常伝導状態であり、電気抵抗を有するため、永久電流運転中には電流は流れない。  
次に、永久電流運転中において、緊急減磁を実施する際の動作について説明する。緊急減磁を実施するには、制御装置１０を操作し、冷凍機４によって冷却された接続素子８Ａに備えられた断線手段９Ａを動作させる。それにより、接続素子８Ａが常伝導転移し、ジュール熱が発生する。接続素子８のうち、断線手段９の周囲は、ジュール熱の発生により温度が上がりやすい構成となっているため、速やかに溶断させる事ができる。
【００２４】
以上により、永久電流運転中に永久電流スイッチ７と接続素子８Ａに流れていた電流は、他のより低抵抗な素子（保護抵抗６、接続素子８Ｂ、８Ｃ）に流れ込む。各素子でジュール発熱する事で、超電導コイル５が保持していた磁気エネルギーが消費され、減磁が完了する。なお各素子流れ込む電流値は、低抵抗なものほど大きくなるが、それによって生じるジュール熱で焼損しないよう十分な抵抗値と熱容量を持つように各素子の形状・材質を設計しておく。
【００２５】
次に、緊急減磁後に再度運転可能な状況にする為の、装置の復帰方法を説明する。冷却経路切替機構１３を操作し、断線した接続素子８と冷凍機４とを熱的に接続していた伝導冷却路接続部１４Ａを開とし、他の伝導冷却路接続部（例えば、伝導冷却路接続部１４Ｂ）を一つだけ閉とする。こうすることで、伝導冷却経路１２Ｂを介し、接続素子８Ｂを冷却して超電導状態とする事ができる。なおこの切替操作は、冷却経路切替機構１３を冷凍機外部から操作する事で容易に実現できるため、冷凍容器４内部を温度上昇させたり、また真空を破壊したり、さらに専門の知識をもった作業者を招請する必要はない。これにより、超電導コイル５と永久電流スイッチ７と接続素子８Ｂとで、超電導閉回路を構成する事ができ、先に説明した永久電流運転への投入方法を再度実行出来る。  
なお、本手法による緊急減磁を実施するごとに、複数の接続素子８は一本ずつ溶断される。全ての接続素子８を消費する前に、例えば予定された装置のメンテナンスなどの、冷凍容器３内部を温度上昇する機会に、溶断した接続素子８を再接続すれば、何度でも緊急減磁を実施する事ができる。
【００２６】
＜作用・効果＞
このように、第１実施形態に係る超電導磁石装置１では、永久電流スイッチ７と超電導コイル５との間に複数の接続素子８を備え、接続素子の冷却経路を、冷凍容器３の外部から切り替えられる構成とする事で、緊急減磁時に接続素子８を溶断しても、溶断した接続素子から冷却経路を切り替える事で、速やかに、かつ容易に超電導磁石装置１を再運転可能な状態に復帰する事ができる。また従来であれば断線箇所を再び接続する作業にて、永久電流運転に必要な非常に小さい抵抗値を得るために、専門の技術を有する人員を招請する必要性が生じていたが、本実施例によればその頻度を低減することが可能である。
【００２７】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る超電導磁石装置１について説明する。図４は、第２実施形態に係る超電導磁石装置１の概略図である。第２実施形態に係る超電導磁石装置１は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１の構成と比較し、永久電流スイッチ７の配置が異なっている。第２実施形態に係る超電導磁石装置１のその他の構成は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１と同じであるので説明を省略する。
【００２８】
第２実施形態に係る超電導磁石装置１では、複数の接続素子８（図４では接続素子８Ａ、８Ｂ、８Ｃ）は永久電流スイッチ７（図４では永久電流スイッチ７Ａ、７Ｂ、７Ｃ）を兼用しており、これとは別に永久電流スイッチ７を備えていない構成となっている。
【００２９】
緊急減磁の動作の実施方法に関する説明でも記したとおり、緊急減磁時には、冷却していない接続素子８にも電流が流れる。その際のジュール発熱量は、電気抵抗が小さいほど大きくなる。そのため、超電導コイルの磁気エネルギーや消磁時間をもとに、接続素子８の抵抗値を十分大きくする必要がある。一方、永久電流スイッチ７の役割は、オフ（開、常伝導状態）時の電気抵抗により、励磁時に超電導コイル両端の誘導電圧が発生しても、永久電流スイッチ７に流れ込む電流を抑制することにある。この機能は、複数の接続素子８それぞれに、超電導状態から常伝導状態に転移させ、励磁時に流れ込む電流を抑制するのに十分な抵抗がでるようにする事で実現できる。
【００３０】
以上の構成により、複数の接続素子８は永久電流スイッチ７を兼用し、これとは別に永久電流スイッチ７を追加する必要がなくなる。
【００３１】
＜作用・効果＞
このように、第２実施形態に係る超電導磁石装置１では、第１実施形態に係る超電導磁石装置１と同様の効果が得られるだけでなく、接続素子８が永久電流スイッチ７の役割を兼用する事で、これとは別に永久電流スイッチ７を設ける必要が無くなり、超電導磁石装置１を簡素に構成する事が出来る。
【００３２】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る超電導磁石装置１について説明する。図５は、第３実施形態に係る冷却経路切替機構１３の概略断面図である。第３実施形態に係る超電導磁石装置１は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１の構成と比較し、冷却経路切替機構１３の構成が異なっている。第３実施形態に係る超電導磁石装置１のその他の構成は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１と同じであるので説明を省略する。
【００３３】
第３実施形態に係る冷却経路切替機構１３は、電磁力で動作する点が第１実施形態での場合と異なっている。すなわち、第１実施形態に係る伝導冷却路接続部１４では、冷却端子３５を移動させるために、荷重伝達部材３２に荷重を印加して実現していたが、この役割を、第３実施形態では、荷重伝達部材３２の代わりに、電磁石３８で実現する。電磁石３８は冷却端子３５に備えられ、通電する事で電磁力を印加し、伝導冷却路接続部１４の開閉を制御する。より詳細に説明すると、本実施例における伝導冷却経路１２は、端部が冷凍機に接続された冷却端子３５と、接続素子８と接触するように設けられた伝導冷却部１１と、冷却端子３５が固定された電磁石３８と、を備えていて、電磁石３８に通電がされて生じる電磁力によって冷却端子３５と伝導冷却部１１とが熱的に接続するように構成された伝導冷却路接続部１４を有する。この伝導冷却路接続部１４によって、選択的に接続素子８を冷却することが可能となる。
【００３４】
なお電磁石３８に電磁力を印加するには、電磁石３８に磁場を印加する必要があるが、そのために磁場はもうひとつ電磁石を備える事で生成するか、あるいは永久磁石を設置するか、またあるいは超電導コイル５が生成する磁場を利用する。
【００３５】
以上の構成とする事で、第１実施形態に係る冷却経路切替機構１３と比較し、真空容器外壁３４に貫通穴３７を設けたり、さらには真空封止部材３６や、ベローズ３３といった真空保持のための部材を備えたりする必要がなくなる。また第１実施形態に係る荷重伝達部材３２は不要となり、それを介した熱侵入を無くす事が出来るため、大気から冷凍容器３内への熱侵入量を低減できる。
【００３６】
＜作用・効果＞
このように、第３実施形態に係る超電導磁石装置１では、第１実施形態に係る超電導磁石装置１と同様の効果が得られるだけでなく、さらに装置外壁に貫通穴を設ける必要が無く、超電導磁石装置１を簡素に構成する事ができ、大気から冷凍容器３内への熱侵入量を低減できる。
【符号の説明】
【００３７】
１  超電導磁石装置
２  電源
３  冷凍容器
４  冷凍機
５  超電導コイル
６  保護抵抗
７  永久電流スイッチ
８  接続素子
８Ａ、８Ｂ、８Ｃ  接続素子
９Ａ、９Ｂ、９Ｃ  断線手段
１０  制御装置
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ  伝導冷却部
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ  伝導冷却経路
１３  冷却経路切替機構
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ  伝導冷却路接続部
２０  ヒーター
３０  支持柱
３１  バネ部材
３２  荷重伝達部材（荷重受け部）
３３  ベローズ
３４  真空容器外壁
３５  冷却端子
３６  真空封止部材
３７  貫通穴
３８  電磁石
【図１】
2018060926.tif 000003
【図２】
2018060926.tif 000004
【図３】
2018060926.tif 000005
【図４】
2018060926.tif 000006
【図５】
2018060926.tif 000007