(57)【要約】【課題】停電が発生しても所定時間、磁場発生を継続できる超伝導磁石装置を提供する。【解決手段】バッテリを内蔵して停電発生時に励磁電源部１０における構成要素の制御電源のバックアップを行うＵＰＳ装置１５と、励磁電源部の出力を短絡・開放するためのスイッチ回路１８と、ＵＰＳ装置から電力供給を受けてスイッチ回路を、停電発生時には短絡状態にする一方、復電時には開放状態にする出力短絡・解除回路１６とを備えた。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁電源部から電力を供給される超伝導コイルを冷凍機で冷却するようにした超伝導磁石装置において、
バッテリを内蔵して停電発生時に前記励磁電源部における構成要素の制御電源のバックアップを行うＵＰＳ装置と、
前記励磁電源部の出力を短絡・開放するためのスイッチ回路と、
前記ＵＰＳ装置から電力供給を受けて前記スイッチ回路を、停電発生時には短絡状態にする一方、復電時には開放状態にする出力短絡・解除回路とを備えたことを特徴とする超伝導磁石装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超伝導磁石装置において、
前記超伝導コイルは真空断熱容器に収容されて前記冷凍機の冷凍ステージと熱的に結合されていることにより冷却され、
前記真空断熱容器内には更に、蒸発潜熱により冷却を行う冷却媒体を収容した保冷容器を前記超伝導コイルと熱的に結合させるように配置して停電が発生した際の冷却を行うことを特徴とする超伝導磁石装置。
【請求項３】
請求項１に記載の超伝導磁石装置において、
前記励磁電源部は電流制御部を含み、
更に、前記スイッチ回路と前記超伝導コイルとの間の電源ラインに設けられて前記超伝導コイルを流れる電流を検出する検出手段と、
前記ＵＰＳ装置から電力供給を受けると共に、前記検出手段で検出された電流値を受けて、前記電流制御部における電流値を前記復電時に検出された電流値に一致させるための復電時電流制御回路とを備えたことを特徴とする超伝導磁石装置。
【請求項４】
請求項１に記載の超伝導磁石装置において、
前記超伝導コイルは真空断熱容器に収容されて前記冷凍機の冷凍ステージと熱的に結合されていることにより冷却され、
前記真空断熱容器内には更に、蒸発潜熱により冷却を行う冷却媒体を収容した保冷容器を前記超伝導コイルと熱的に結合させるように配置して停電が発生した際の冷却を行うようにし、
前記励磁電源部は電流制御部を含み、
更に、前記スイッチ回路と前記超伝導コイルとの間の電源ラインに設けられて前記超伝導コイルを流れる電流を検出する検出手段と、
前記ＵＰＳ装置から電力供給を受けると共に、前記検出手段で検出された電流値を受けて、前記電流制御部における電流値を前記復電時に検出された電流値に一致させるための復電時電流制御回路とを備えたことを特徴とする超伝導磁石装置。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれかに記載の超伝導磁石装置において、
前記冷凍機はＧＭ冷凍機であり、前記冷却媒体はヘリウムであることを特徴とする超伝導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超伝導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、この超伝導コイルに給電するための励磁電源部と、超伝導コイルを冷却するための冷却装置を備えている。図４に従来の常時電源供給タイプの超伝導磁石装置における励磁電源部の一例を示す。超伝導コイル３０は、励磁電源部４０から電力を供給されて磁場を発生する。励磁電源部４０は、商用電源からの電圧を所定の電圧値まで降圧するための変圧部４１と、変圧部４１からの電圧を整流するための整流部４２と、超伝導コイル３０への電流を制御するための電流制御部４３とから成る。
【０００３】
このような励磁電源部４０において、停電が発生した場合には、冷却装置は勿論のこと、超伝導コイル３０への電力供給が停止し、コイル通電電流は急激に減少する。そのため、超伝導コイル３０に交流損失による熱が発生し、超伝導コイル３０にクエンチ現象が発生する。このため、コイル温度が急上昇し、停電が復旧したとしても冷却装置によりコイル温度が通電可能な温度に下がるまでの時間（典型的な例で１日）は超伝導コイル３０への通電ができなくなってしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
停電対策として、励磁電源部４０と冷却装置の全ての電力をまかなう無停電電源（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ）（以下、ＵＰＳと略称する）装置を設置するとなると、大電力容量のＵＰＳ装置が必要となり、装置が大型化し高価になるという欠点がある。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、停電が発生しても所定時間、磁場発生を継続できる超伝導磁石装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の態様による超伝導磁石装置は、励磁電源部から電力を供給される超伝導コイルを冷凍機で冷却するようにした超伝導磁石装置において、バッテリを内蔵して停電発生時に前記励磁電源部における構成要素の制御電源のバックアップを行うＵＰＳ装置と、前記励磁電源部の出力を短絡・開放するためのスイッチ回路と、前記ＵＰＳ装置から電力供給を受けて前記スイッチ回路を、停電発生時には短絡状態にする一方、復電時には開放状態にする出力短絡・解除回路とを備えるように構成される。
【０００７】
本超伝導磁石装置の他の態様によれば、前記超伝導コイルが真空断熱容器に収容されて前記冷凍機の冷凍ステージと熱的に結合されていることにより冷却されるものである場合、前記真空断熱容器内には更に、蒸発潜熱により冷却を行う冷却媒体を収容した保冷容器を前記超伝導コイルと熱的に結合させるように配置して停電が発生した際の冷却を行うように構成されても良い。
【０００８】
本超伝導磁石装置の更に他の態様においては、前記励磁電源部が電流制御部を含み、この場合、更に、前記スイッチ回路と前記超伝導コイルとの間の電源ラインに設けられて前記超伝導コイルを流れる電流を検出する検出手段と、前記ＵＰＳ装置から電力供給を受けると共に、前記検出手段で検出された電流値を受けて、前記電流制御部における電流値を前記復電時に検出された電流値に一致させるための復電時電流制御回路とが備えられる。
【０００９】
本超伝導磁石装置のより他の態様によれば、上記他の態様と上記更に他の態様の組み合わせ、すなわち、前記超伝導コイルは真空断熱容器に収容されて前記冷凍機の冷凍ステージと熱的に結合されていることにより冷却され、前記真空断熱容器内には更に、蒸発潜熱により冷却を行う冷却媒体を収容した保冷容器を前記超伝導コイルと熱的に結合させるように配置して停電が発生した際の冷却を行うようにし、前記励磁電源部は電流制御部を含み、更に、前記スイッチ回路と前記超伝導コイルとの間の電源ラインに設けられて前記超伝導コイルを流れる電流を検出する検出手段と、前記ＵＰＳ装置から電力供給を受けると共に、前記検出手段で検出された電流値を受けて、前記電流制御部における電流値を前記復電時に検出された電流値に一致させるための復電時電流制御回路とを備えたことを特徴とする超伝導磁石装置が提供される。
【００１０】
なお、上記のいずれの態様においても、前記冷凍機にはＧＭ冷凍機を使用し、前記冷却媒体にはヘリウムを使用することが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１、図２を参照して、本発明の実施の形態について説明する。はじめに、図２を参照して、本発明が適用される常時電源供給タイプの超伝導磁石装置における超伝導コイル３０とその冷却装置２０について説明する。
【００１２】
冷却装置２０は、真空断熱容器２１とその内部に配置された熱輻射シールド容器２２とを有し、熱輻射シールド容器２２内に超伝導コイル３０が配置される。真空断熱容器２１内の冷却はＧＭ冷凍機２３により行われる。つまり、ＧＭ冷凍機２３の第１段冷凍ステージが熱輻射シールド容器２２の一部に熱的に結合され、第２段冷凍ステージが伝熱板２４に熱的に結合されている。超伝導コイル３０はその巻枠３１が伝熱板２４に熱的に結合されている。なお、超伝導コイル３０や熱輻射シールド容器２２の支持構造については図示を省略している。
【００１３】
真空断熱容器２１内にはまた、熱輻射シールド容器２２を通してその中心軸部に真空断熱容器２１外と連通する室温空間２５が形成され、室温空間２５内で超伝導コイル３０の発生する強磁場を利用する。
【００１４】
真空断熱容器２１には更に、伝熱板２４上に液体ヘリウムを貯蔵するための保冷容器２６を配置している。保冷容器２６には、真空断熱容器２１外から液体ヘリウムまたはガスヘリウムを供給するための供給管２７と、安全弁２８用の配管とが接続されている。ガスヘリウムが供給される場合には、超伝導コイル３０の初期冷却時に共に冷却されてガスヘリウムが液化される。
【００１５】
停電発生により冷却装置が停止した後の真空断熱容器２１内への熱侵入分を保冷容器２６内の液体ヘリウムの蒸発潜熱で吸収することによって超伝導コイル３０の温度上昇を抑えることが可能である。
【００１６】
一般に、冷却装置が停止した後の超伝導コイル３０への侵入熱量は数Ｗ以下である。超伝導コイル３０の交流損失による発熱が無いものと仮定すれば、十数分程度以内の停電、冷却装置停止に伴う侵入熱量を吸収するために必要な液体ヘリウムの量は、数リットル程度で十分である。そして、保冷容器２６内に収容された液体ヘリウムは、冷却装置が運転されている状態では蒸発することはないので、運転中の定期的な補給は必要無く、停電が終わって復電した後の補給で十分である。
【００１７】
次に、図１を参照して、本発明の実施の形態による励磁電源部１０について説明する。励磁電源部１０は、商用電源からの電圧を所定の電圧値まで降圧するための変圧部１１と、変圧部１１からの電圧を整流するための整流部１２と、超伝導コイル３０への電流を制御するための電流制御部１３に加えて、以下の構成要素を有する。
【００１８】
つまり、励磁電源部１０は、超伝導コイル３０に流れる電流を検出するための電流計１４、バッテリを内蔵し変圧部１１に接続されたＵＰＳ装置１５、ＵＰＳ装置１５に接続された出力短絡・解除回路１６及び復電時電流制御回路１７、電流制御部１３の出力ライン間に接続され出力短絡・解除回路１６によって電流制御部１３の出力側を短絡するためのスイッチ回路１８を有する。
【００１９】
ＵＰＳ装置１５は、停電発生時に励磁電源部１０内部の各要素を動作させるためのものであるので、バッテリ容量は前に述べたＵＰＳ装置の電力容量に比べて十分に小さいもので良い。出力短絡・解除回路１６は、停電発生時にはスイッチ回路１８をオンとして電流制御部１３の出力、言い換えれば超伝導コイル３０の入力側を短絡し、復電時にはスイッチ回路１８をオフとして電流制御部１３の出力側の短絡を解除する。復電時電流制御回路１７は、停電中に超伝導コイル３０に流れる電流値を電流計１４から受け、復電時の電流制御部１３における出力電流を、復電時に超伝導コイル３０に流れていた電流値に一致させる。
【００２０】
以下に、保冷容器２６の液体ヘリウム及び励磁電源部１０の作用について説明する。
【００２１】
通常状態（非停電時）の動作は、以下の通りである。
【００２２】
（１）保冷容器２６は液体ヘリウムを溜めた状態にある。
【００２３】
（２）ＵＰＳ装置１５は通常給電状態にある。
【００２４】
（３）出力短絡・解除回路１６は、スイッチ回路１８を開放状態にしている。
【００２５】
一方、停電発生及び停電中の動作は、以下の通りである。
【００２６】
（４）ＵＰＳ装置１５は変圧部１１の電圧が所定値以下になると、内蔵のバッテリによるバックアップ状態に入る。
【００２７】
（５）出力短絡・解除回路１６はＵＰＳ装置１５から供給されるバックアップ電力で稼動し、変圧部１１の出力が無くなるとスイッチ回路１８を短絡状態にする。
【００２８】
（６）停電中は、保冷容器２６内の液体ヘリウムの蒸発潜熱によりコイル温度の上昇が抑えられる。
【００２９】
（７）復電時電流制御回路１７は、励磁電源部１０における電流制御部１３の出力電流値を、電流計１４から得られた電流値に設定するように動作している。
【００３０】
復電時の動作は、以下の通りである。
【００３１】
（８）停電が復旧すると、復電時電流制御回路１７は、励磁電源部１０における電流制御部１３の出力電流値を、復電時に得られた電流計１４からの電流値に設定する。
【００３２】
（９）出力短絡・解除回路１６は、変圧部１１の電圧が回復すると、スイッチ回路１８を開放状態にする。これにより、電流制御部１３からは復電時に超伝導コイル３０に流れていた値と同じ値の電流が超伝導コイル３０に流れることになり、通常の状態に戻る。
【００３３】
（１０）ＵＰＳ装置１５は変圧部１１の電圧が回復すると、上記（２）の給電状態にもどる。
【００３４】
図３に負帰還型の電流制御部１３の基本構成の一例を示す。トランジスタＴｒ１のコレクタが整流部１２に接続され、エミッタには電流検出用の抵抗器Ｒ１の一端側が接続されている。トランジスタＴｒ１のベースには演算増幅器ＯＰ１の出力が接続されている。演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子には抵抗器Ｒ１の一端側が接続されている。抵抗器Ｒ１の他端側はスイッチ回路１８に至ると共に、抵抗器Ｒ２を介して演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子に接続されている。抵抗器Ｒ２の両端には復電時電流制御回路１７からの信号電圧Ｖが接続されている。なお、本回路は、復電時電流制御回路１７と電流制御部１３との接続関係の一例を説明するための必要最小限の構成を示したに過ぎない。
【００３５】
以上のようにして、本形態の超伝導磁石装置によれば、停電が継続している間もＵＰＳ装置１５におけるバッテリの許容時間内であれば超伝導コイル３０による磁場発生を継続できる。
【００３６】
本発明を好ましい実施の形態を例示して説明したが、本発明は上記の実施の形態に制限されるものでは無い。つまり、上記の実施の形態では、電流計１４、ＵＰＳ装置１５、出力短絡・解除回路１６、復電時電流制御回路１７、スイッチ回路１８、液体ヘリウムを収容した保冷容器２６のすべてを備えた場合である。これは、停電の継続時間が十数分程度あっても対応可能であり、しかも復電時の超伝導コイル３０への電流供給を安定にするために必要な構成である。しかしながら、要求される仕様が、数秒というような短時間の停電のみに対応可能であれば良いという場合には、ＵＰＳ装置１５と出力短絡・解除回路１６及びスイッチ回路１８とを備えるだけで良い。つまり、数秒程度の停電の場合には、スイッチ回路１８により超伝導コイル３０の電流経路を閉ループにして電流を循環させるようにすれば良い。
【００３７】
あるいはまた、復電時の超伝導コイル３０への電流供給の安定化を無視できる場合、ＵＰＳ装置１５、出力短絡・解除回路１６、スイッチ回路１８、液体ヘリウムを収容した保冷容器２６だけを備えた構成でも良い。
【００３８】
【発明の効果】
本発明による超伝導磁石装置は、停電により励磁電源部への電力供給が無くなり、冷却装置が停止した場合でも、所定の時間内は超伝導コイルによる磁場発生を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超伝導磁石装置における励磁電源部の実施の形態を示した構成図である。
【図２】本発明による超伝導磁石装置のうちの超伝導コイルの冷却装置の構成を示した図である。
【図３】図１に示された電流制御部の一例を示した回路図である。
【図４】従来の超伝導磁石装置における励磁電源部の構成を示した図である。
【符号の説明】
１８　　スイッチ回路
２０　　冷却装置
２１　　真空断熱容器
２２　　熱輻射シールド容器
２３　　ＧＭ冷凍機
２４　　伝熱板
２５　　室温空間
２６　　保冷容器
２７　　供給管
２８　　安全弁
３０　　超伝導コイル
【図１】
2004055643.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004055643.tif 000006