(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、
前記超電導コイルを液状の冷媒で浸漬した状態で収容する冷媒容器と、
前記冷媒容器を収容する真空容器と、
前記真空容器の外側から前記冷媒容器に接続され、気化した前記冷媒を排出する排出管と、
前記真空容器の外側の位置から、前記超電導コイルの両端にそれぞれ電気的に接続され、前記超電導コイルに電流を流すための一対の外部リードと、
前記超電導コイルに電気的に接続され、クエンチ時に前記超電導コイルに蓄えられたエネルギーを消費する保護回路とを備え、
前記排出管は、前記排出管の外周面上に、前記排出管の延在方向を中心軸の軸方向とする螺旋状の溝部が形成されており、
前記保護回路は、前記真空容器の外側において前記排出管に接触しており、かつ、前記真空容器の外側において前記溝部内に位置するように前記排出管に巻き付けられている、超電導マグネット。
【請求項２】
前記保護回路は、前記超電導コイルにおいて互いに離間する２箇所を電気的に接続する保護抵抗部を含んでおり、
前記保護抵抗部は、前記排出管の前記溝部内に位置するように前記排出管に巻き付けられる、平角状の抵抗線を有している、請求項１に記載の超電導マグネット。
【請求項３】
前記保護回路は、前記超電導コイルにおいて互いに離間する２箇所を電気的に接続する保護抵抗部と、前記一対の外部リードを互いに電気的に接続する保護ダイオード部とを含んでおり、
前記保護抵抗部は、前記真空容器の外側において前記排出管に巻き付けられており、
前記保護ダイオード部は、前記真空容器の外側において、前記保護抵抗部と共に２重らせんを形成するように前記排出管に巻き付けられている、請求項１に記載の超電導マグネット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導マグネットに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導マグネットの構成を開示した文献として実開昭６２−１１２１０９号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された超電導マグネットにおいては、ガスヘリウム領域が、クライオスタット内の液体ヘリウム領域の上部に形成されている。ガスヘリウム領域は、ダイオードおよびヒートシンクを冷却している。上記超電導マグネットにおいては、永久電流スイッチがクエンチしたとすると、永久電流スイッチが常電導状態となりその両端間に電圧が発生するが、ダイオードが導通するので永久電流スイッチが損傷することがない。このとき、ダイオードで発生する熱は、ヒートシンクに伝わり、更に、ヒートシンクはガスヘリウム領域に存在する低温のガスヘリウムの顕熱によって冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭６２−１１２１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の超電導マグネットにおいては、保護回路が、冷却ガスが存在する密閉空間内の狭小部に設置されている。このため、保護回路の組立は困難な作業となっていた。また、保護回路においては、熱交換用の部材が別途必要であった。【０００５】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、熱交換のためだけに用いられる部材が不要で、簡素な構成の保護回路を容易に組立可能な超電導マグネット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】
本発明に基づく超電導マグネットは、超電導コイルと、冷媒容器と、真空容器と、排出管と、一対の外部リードと、保護回路とを備えている。冷媒容器は、超電導コイルを液状の冷媒で浸漬した状態で収容する。真空容器は、冷媒容器を収容する。排出管は、真空容器の外側から冷媒容器に接続され、気化した冷媒を排出する。一対の外部リードは、超電導コイルに電流を流すため、真空容器の外側の位置から、超電導コイルの両端にそれぞれ電気的に接続されている。保護回路は、超電導コイルに電気的に接続され、クエンチ時に超電導コイルに蓄えられたエネルギーを消費する。保護回路は、真空容器の外側において排出管に接触している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、保護回路が真空容器の外側に位置しているため、保護回路の組立が容易となる。また、保護回路は、超電導マグネット１００のクエンチ時に冷媒ガスが流れる排出管に接触しているため、クエンチ時において、冷媒ガスの顕熱によって冷却された排出管によって冷却される。これにより、熱交換のためだけに用いられる部材が不要となり、保護回路の構成を簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す超電導マグネットのII部の拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る超電導マグネットの構成の一部を示す部分拡大図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る超電導マグネットの構成の一部を示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の各実施の形態に係る超電導マグネットについて図面を参照して説明する。以下の実施の形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る超電導マグネットの構成を示す断面図である。図２は、図１に示す超電導マグネットのII部の拡大図である。図１および図２においては、簡単のため、各構成を簡略化して示している。
【００１１】
図１および図２に示すように、本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット１００は、超電導コイル１１０と、冷媒容器１２０と、真空容器１３０と、排出管１４０と、一対の外部リード１５０と、保護回路１６０とを備えている。
【００１２】
超電導コイル１１０は、液状の冷媒１０に浸漬している。超電導コイル１１０は、冷媒１０中で、永久電流回路を構成している。
【００１３】
冷媒容器１２０は、中空円筒状の形状を有している。図１においては、冷媒容器１２０の中心軸の軸方向に沿う断面視における、冷媒容器１２０の一部を示している。冷媒容器１２０は、たとえばステンレス鋼で構成されている。
【００１４】
冷媒容器１２０は、超電導コイル１１０を液状の冷媒１０で浸漬した状態で収容する。液状の冷媒１０は、本実施の形態においては液体ヘリウムであるが、液体窒素などでもよい。冷媒容器１２０内の超電導コイル１１０および液状の冷媒１０以外の部分は、気化した冷媒１０Ｇで満たされている。
【００１５】
真空容器１３０は、冷媒容器１２０を収容する。真空容器１３０は、部分的に、冷媒容器１２０の外形と略相似形の中空円筒状の形状を有している。真空容器１３０の内部は、冷媒容器１２０の断熱性を向上させるため、高真空状態まで減圧されている。より具体的には、真空容器１３０の内側から冷媒容器１２０の外側までの部分が、高真空状態まで減圧されている。真空容器１３０は、たとえばステンレス鋼で構成されている。冷媒容器１２０と真空容器１３０との間に、輻射シールドが配置されていてもよい。
【００１６】
排出管１４０は、真空容器１３０の外側から冷媒容器１２０に接続されている。超電導マグネット１００の稼働時において、真空容器１３０の外側に位置する排出管１４０の末端は、閉じた状態となっている。そして、排出管１４０は、超電導コイル１１０のクエンチにより冷媒容器１２０の圧力が過上昇したときに、排出管１４０の末端に設けられた放圧弁が開くことにより、冷媒容器１２０内の気化した冷媒１０Ｇが大気へと放出されるように構成されている。このように、排出管１４０は、気化した冷媒１０Ｇを排出する。
【００１７】
排出管１４０の外径は、たとえば１５ｃｍ以上２０ｃｍ以下である。排出管１４０は、たとえば、ステンレス鋼などの金属で構成されている。真空容器１３０のうち、排出管１４０が真空容器１３０の内部から外側に貫通している部分においては、排出管１４０と真空容器１３０との間に絶縁部材が位置していることが好ましい。
【００１８】
一対の外部リード１５０は、超電導コイル１１０に電流を流すため、真空容器１３０の外側の位置から、超電導コイル１１０の両端にそれぞれ電気的に接続されている。一対の外部リード１５０は、真空容器１３０の外側において図示しない励磁電源に接続されている。超電導コイル１１０は、外部リード１５０を介して上記励磁電源により励磁され、超電導コイル１１０に電流が流れる。なお、超電導マグネット１００の稼働中であって、超電導コイル１１０に電流が流れ続けている間は、一対の外部リード１５０と上記励磁電源との接続は解除されている。
【００１９】
保護回路１６０は、超電導コイル１１０に電気的に接続されている。具体的には、保護回路１６０は、超電導コイル１１０の全部または一部に並列に接続されている。超電導コイル１１０がクエンチした場合、超電導コイルには電圧が発生する。超電導コイルに電圧が発生すると、当該電圧の発生による電流が保護回路１６０を流れる。このため、超電導コイル１１０は損傷から保護される。このように、保護回路１６０は、クエンチ時に超電導コイル１１０に蓄えられたエネルギーを消費する。
【００２０】
保護回路１６０は、真空容器１３０の外側において排出管１４０に接触している。本実施の形態において、保護回路１６０は、真空容器１３０の外側において排出管１４０に巻き付けられている。保護回路１６０は、接着テープなどにより、排出管１４０に固定される。
【００２１】
本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット１００において、保護回路１６０は、超電導コイル１１０において互いに離間する２箇所を電気的に接続する保護抵抗部１７０と、一対の外部リード１５０を互いに電気的に接続する保護ダイオード部１８０とを含んでいる。
【００２２】
図１および図２に示すように、保護抵抗部１７０は、超電導コイル１１０の一部に並列に接続されているとともに、真空容器１３０の外側において排出管１４０に接触している。具体的には、保護抵抗部１７０は、真空容器１３０の外側において排出管１４０に巻き付けられている。
【００２３】
保護抵抗部１７０は、抵抗線用リード１７１と、抵抗線１７２とを有している。抵抗線用リード１７１は、超電導コイル１１０に接続されている。抵抗線用リード１７１は、真空容器１３０の内側から外側に引き出されている。抵抗線１７２は、真空容器１３０の外側において抵抗線用リード１７１に設けられている。
【００２４】
本実施の形態においては、抵抗線１７２が、排出管１４０に巻き付けられている。超電導コイル１１０のクエンチにより、抵抗線用リード１７１を介して抵抗線１７２に電流が流れる。これにより、抵抗線１７２が発熱して、エネルギーがジュール熱として消費される。
【００２５】
本実施の形態において、抵抗線１７２は、平角状である。また、抵抗線１７２は、排出管１４０に巻き付け可能な柔軟性を有し、かつ、比較的高い電気抵抗率を有する金属または合金で構成されている。抵抗線１７２は、たとえば、ニクロム線などからなる。
【００２６】
図１および図２に示すように、保護ダイオード部１８０は、真空容器１３０の外側において、一対の外部リード１５０を互いに接続するように位置している。すなわち、保護ダイオード部１８０は、超電導コイル１１０の全部と並列に接続されている。保護ダイオード部１８０は、真空容器１３０の外側において排出管１４０に接触しており、具体的には、排出管１４０に巻き付けられている。
【００２７】
図１および図２に示すように、保護ダイオード部１８０は、第１保護ダイオード部１８１と、第２保護ダイオード部１８５とを有している。第１保護ダイオード部１８１は、一対の外部リード１５０を互いに接続するように位置している。第２保護ダイオード１８５部も、第１保護ダイオード部１８１とは別個に、一対の外部リード１５０を互いに接続するように位置している。
【００２８】
図２に示すように、第１保護ダイオード部１８１は、第１保護ダイオード用リード１８２と、複数の第１ダイオード１８３とを有している。第１保護ダイオード用リード１８２が、一対の外部リード１５０を互いに接続している。複数の第１ダイオード１８３が、第１保護ダイオード用リード１８２に設けられている。
【００２９】
複数の第１ダイオード１８３は、互いに直列に接続されている。隣り合う２つの第１ダイオード１８３は、一方の第１ダイオード１８３のカソード側に、他方の第１ダイオード１８３のアノードが接続されている。本実施の形態においては、複数の第１ダイオード１８３の各々が排出管１４０と接触するように、第１保護ダイオード用リード１８２が排出管１４０に巻き付けられている。
【００３０】
第２保護ダイオード部１８５は、第２保護ダイオード用リード１８６と、複数の第２ダイオード１８７とを有している。第２保護ダイオード用リード１８６が、一対の外部リード１５０を互いに接続している。複数の第２ダイオード１８７が、第２保護ダイオード用リード１８６に設けられている。
【００３１】
複数の第２ダイオード１８７は、互いに直列に接続されている。隣り合う２つの第２ダイオード１８７は、一方の第２ダイオード１８７のカソード側に、他方の第２ダイオード１８７のアノードが接続されている。本実施の形態においては、複数の第２ダイオード１８７の各々が排出管１４０と接触するように、第２保護ダイオード用リード１８６が排出管１４０に巻き付けられている。
【００３２】
本実施の形態においては、第２ダイオード１８７のアノード側に接続された外部リード１５０に、第１ダイオード１８３のカソードが接続されている。第２ダイオード１８７のカソード側に接続された外部リード１５０に、第１ダイオード１８３のアノードが接続されている。また、第２保護ダイオード用リード１８６のうち１対の外部リード１５０と接続している両端部は、第１保護ダイオード用リード１８２の両端部と第１ダイオード１８３との間に接続されていてもよい。
【００３３】
複数の第１ダイオード１８３および複数の第２ダイオード１８７の各々は、従来公知の半導体素子で構成されている。なお、図２においては、複数の第１ダイオード１８３および複数の第２ダイオード１８７は模式的に示されている。複数の第１ダイオード１８３および複数の第２ダイオード１８７の各々は、導通したときに一定の電圧値を示す電圧が印加されるように構成される。
【００３４】
超電導コイル１１０のクエンチにより、一対の外部リード１５０を介して、第１保護ダイオード用リード１８２に設けられた複数の第１ダイオード１８３、および、第２保護ダイオード用リード１８６に設けられた複数の第２ダイオード１８７の少なくとも一方に電流が流れる。これにより、複数の第１ダイオード１８３および複数の第２ダイオード１８７の少なくとも一方が発熱して、エネルギーが消費される。
【００３５】
上記のように、本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット１００においては、排出管１４０が、真空容器１３０の外側から冷媒容器１２０に接続され、気化した冷媒１０を排出する。また、保護回路１６０が、超電導コイル１１０に電気的に接続され、クエンチ時に超電導コイル１１０に蓄えられたエネルギーを消費する。保護回路１６０は、真空容器１３０の外側において排出管１４０に接触している。
【００３６】
これにより、保護回路１６０が真空容器１３０の外側に位置しているため、保護回路１６０の組立が容易となる。また、保護回路１６０は、超電導マグネット１００のクエンチ時に気化した冷媒１０Ｇが流れる排出管１４０に接触しているため、クエンチ時において、気化した１０Ｇの顕熱によって冷却された排出管１４０によって冷却される。これにより、熱交換のためだけに用いられる部材が不要となり、保護回路１６０の構成を簡素化できる。
【００３７】
また、本実施の形態において、保護回路１６０は、真空容器１３０の外側において排出管１４０に巻き付けられている。これにより、保護回路１６０を排出管１４０に強固かつ容易に固定することができる。
【００３８】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る超電導マグネットについて説明する。本発明の実施の形態２に係る超電導マグネットは、排出管が溝を有している点が主に、本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット１００と異なっている。このため、本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット１００と同様である構成については説明を繰り返さない。
【００３９】
図３は、本発明の実施の形態２に係る超電導マグネットの構成の一部を示す部分拡大図である。図３においては、図２に示した本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット１００の構成の一部に相当する部分を示している。
【００４０】
図３に示すように、本発明の実施の形態２に係る超電導マグネット２００において、排出管１４０は、排出管１４０の外周面上に、排出管１４０の延在方向を中心軸の軸方向とする螺旋状の溝部２４１が形成されている。保護回路１６０は、溝部２４１内に位置するように排出管１４０に巻き付けられている。
【００４１】
溝部２４１が形成されている部分においては、排出管１４０の厚さが薄く、排出管１４０の外周面２４２と管内面２４３との距離が近くなっている。管内面２４３は、気化した冷媒１０Ｇの顕熱により直接的に冷却される。すなわち、排出管１４０の外周面２４２のうち、溝部２４１が形成されている部分は、他の部分と比較して熱交換しやすくなっている。よって、溝部２４１内に位置する保護回路１６０と排出管１４０とが、さらに効率よく熱交換して、保護回路１６０を効率よく冷却することができる。
【００４２】
溝部２４１の深さは、たとえば１ｍｍであり、溝部２４１が形成された部分の排出管１４０の厚さは、たとえば２ｍｍ以上３ｍｍ以下である。また、排出管１４０自体を超電導マグネット１００に固定させるため、溝部２４１は、真空容器１３０の外側において、排出管１４０の延在方向における中央にのみ形成されていることが好ましい。溝部２４１は、たとえば、排出管１４０を切削する、あるいは、排出管１４０の鋳造成形により形成できる。
【００４３】
また、本実施の形態においては、平角状の抵抗線１７２が、排出管１４０の溝部２４１内に位置するように排出管１４０に巻き付けられている。
【００４４】
これにより、抵抗線が丸線である場合と比較して、平角状の抵抗線１７２は排出管１４０との摩擦面が大きいため、排出管１４０の延在方向における位置ずれを抑制できる。さらに、当該延在方向における抵抗線１７２の位置ずれを、溝部２４１の側壁によって抑制することができる。
【００４５】
なお、図３においては、複数の第１ダイオード１８３および複数の第２ダイオード１８７の各々が溝部２４１からはみ出るように示されているが、これらは模式的に示されたものであり、本実施の形態においては、複数の第１ダイオード１８３および複数の第２ダイオード１８７の各々は、溝部２４１内に位置している。
【００４６】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係る超電導マグネットについて説明する。本発明の実施の形態３に係る超電導マグネットにおいては、保護ダイオード部と保護抵抗部とが２重らせんを形成するように排出管に巻き付けられている点が主に、本発明の実施の形態２に係る超電導マグネット２００と異なっている。このため、本発明の実施の形態１に係る超電導マグネット２００と同様である構成については説明を繰り返さない。
【００４７】
図４は、本発明の実施の形態３に係る超電導マグネットの構成の一部を示す部分拡大図である。図４においては、図３に示した本発明の実施の形態２に係る超電導マグネットの構成の一部に相当する部分を示している。
【００４８】
本発明の実施の形態３に係る超電導マグネット３００において、保護ダイオード部３８０は、真空容器１３０の外側において、保護抵抗部３７０と共に２重らせんを形成するように排出管１４０に巻き付けられている。
【００４９】
これにより、排出管１４０上において、互いに発熱量の異なる保護抵抗部３７０と保護ダイオード部３８０とが、排出管１４０の延在方向において交互に並ぶ。よって、保護回路１６０における発熱の均一性を向上させることができる。
【００５０】
より具体的には、第１保護ダイオード部３８１と、保護抵抗部３７０と、第２保護ダイオード部３８５とが、排出管１４０の延在方向において順番に並んでいる。すなわち、第１保護ダイオード部３８１と、保護抵抗部３７０と、第２保護ダイオード部３８５とは、３重らせんを形成するように排出管１４０に巻き付けられている。
【００５１】
さらに、本実施の形態においては、溝部３４１が４重らせんを形成するように構成されている。すなわち、溝部３４１は、排出管１４０の延在方向において順番に並ぶ、第１溝部３４１Ａと、第２溝部３４１Ｂと、第３溝部３４１Ｃと、第４溝部３４１Ｄとを有している。第１溝部３４１Ａ内には第１保護ダイオード部３８１、第２溝部３４１Ｂ内には保護抵抗部３７０、第３溝部３４１Ｃ内には第２保護ダイオード部３８５が位置している。
【００５２】
上述した実施の形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
【００５３】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００５４】
１０，１０Ｇ  冷媒、１００，２００，３００  超電導マグネット、１１０  超電導コイル、１２０  冷媒容器、１３０  真空容器、１４０  排出管、１５０  外部リード、１６０  保護回路、１７０，３７０  保護抵抗部、１７１  抵抗線用リード、１７２  抵抗線、１８０，３８０  保護ダイオード部、１８１，３８１  第１保護ダイオード部、１８２  第１保護ダイオード用リード、１８３  第１ダイオード、１８５，３８５  第２保護ダイオード部、１８６  第２保護ダイオード用リード、１８７  第２ダイオード、２４１，３４１  溝部、２４２  外周面、２４３  管内面、３４１Ａ  第１溝部、３４１Ｂ  第２溝部、３４１Ｃ  第３溝部、３４１Ｄ  第４溝部。
【要約】
排出管(１４０)は、真空容器(１３０)の外側から冷媒容器(１２０)に接続され、気化した冷媒(１０Ｇ)を排出する。一対の外部リード(１５０)は、超電導コイル(１１０)に電流を流すため、真空容器(１３０)の外側の位置から、超電導コイル(１１０)の両端にそれぞれ電気的に接続されている。保護回路(１６０)は、超電導コイル(１１０)に電気的に接続され、クエンチ時に超電導コイル(１１０)に蓄えられたエネルギーを消費する。保護回路(１６０)は、真空容器(１３０)の外側において排出管(１４０)に接触している。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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