(57)【要約】【課題】永久電流の減衰が生じることがなく、永久電流モードの運転を効率的に実現することができる冷凍機冷却型超電導磁石装置を提供する。【解決手段】冷凍機によって冷却された冷凍ステージにより冷却するとともに、励磁電圧源により励磁用電流リード線を介して励磁電流を供給することにより超電導コイルを永久電流モード駆動する冷却型超電導磁石装置であって、冷却ステージ上に熱伝導を防ぐ支持体を介して設置した永久電流スイッチと、永久電流スイッチ内に搭載され永久電流モードをオンオフ切換えするスイッチ用超電導導体と、超電導コイルのリード線とを結合して、永久電流モード駆動用の閉ループを形成する永久電流スイッチリード線と、冷却ステージに搭載され冷凍機からの熱伝導を行う伝導冷却用部材とを備え、励磁用電流リード線および永久電流スイッチリード線は、伝導冷却用部材と熱的に接触している。【選択図】        図１
2004179413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機によって冷却された冷凍ステージにより冷却するとともに、励磁電圧源により励磁用電流リード線を介して励磁電流を供給することにより超電導コイルを永久電流モード駆動する冷却型超電導磁石装置であって、
上記冷却ステージ上に熱伝導を防ぐ支持体を介して設置した永久電流スイッチと、
上記永久電流スイッチ内に搭載され上記永久電流モードをオンオフ切換えするスイッチ用超電導導体と、上記超電導コイルのリード線とを結合して、永久電流モード駆動用の閉ループを形成する永久電流スイッチリード線と、
上記冷却ステージに搭載され上記冷凍機からの熱伝導を行う伝導冷却用部材とを備え、
上記励磁用電流リード線および上記永久電流スイッチリード線は、上記伝導冷却用部材と熱的に接触していることを特徴とする冷却型超電導磁石装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却型超電導磁石装置において、
上記支持体は、繊維強化樹脂材料からなることを特徴とする冷却型超電導磁石装置。
【請求項３】
請求項１に記載の冷却型超電導磁石装置において、
上記支持体は、ステンレス鋼からなることを特徴とする冷却型超電導磁石装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷却型超電導磁石装置において、
上記永久電流スイッチの温度を測定する温度計と、
上記温度計の測定温度が、閾値より高ければ上記励磁電圧源の出力電圧を下げ、上記閾値より低ければ上記励磁電圧源の出力電圧を上げる電源制御装置と
を備えたことを特徴とする冷却型超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷却型超電導電磁石装置に関し、特に、ＧＭ冷凍機などの小型冷凍機から固体熱伝導により超伝導コイルを冷却するタイプの超伝導磁石を電源装置から切り離して永久電流モードで運転する冷却式超電導電磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超伝導磁石（超伝導マグネット）において、超伝導コイルを励磁して磁場を発生させたまま、極低温部分における超伝導コイルの両端を他の超伝導線によって接続して超伝導の閉ループを作り、磁場を半永久的に発生させることが行われており、これを「永久電流モードの運転」という。
【０００３】
永久電モードの運転を行う第１の目的は、超伝導磁石装置を電源装置から切り離し、電流リードをクライオスタット（低温保持装置）から引き去ることによって、極低温部分への侵入熱量を低減し、液体ヘリウムなどの冷媒の消費量を低減すること、および電源装置の消費電力を低減することなどによる経済効果を得ることである。第２の目的は、電源装置が持つ電流不安定性（リップル、ドリフト）による超伝導コイルの磁場の変動を回避することである。
【０００４】
ただし、超電導磁石を冷却する冷媒として液体ヘリウムを用いる場合には、液体ヘリウムの取り扱いが不便であること、液体ヘリウムを補充する必要があること、およびコストが高額であることなどの理由から、例えば、特許第３１１７１７３号に開示されているように、液体ヘリウムの代わりに冷凍機により超伝導磁石を冷却する冷凍機冷却型超伝導磁石（ヘリウムフリーマグネット）が用いられてきている。
【０００５】
以下、この特許第３１１７１７３号を例にとって、永久電流スイッチ装置の切換えにより従来の冷凍機冷却型超電導磁石を永久電流モードにする手法について説明する。
図６は、従来の永久電流スイッチを使用した冷却型超電導磁石装置を模式的に示した回路図であり、１は冷凍機冷却型超電導磁石装置、２は冷凍機冷却型超電導磁石装置１に装備された永久電流スイッチ装置である。
【０００６】
冷凍機冷却型超電導磁石装置１は、クライオスタット３、超電導コイル４、励磁電圧源５、一対の励磁用電流リード線６（高温超電導電流リード）、冷凍機７（たとえばＧＭ冷凍機）、および永久電流スイッチ装置２から構成され、さらに、永久電流スイッチ装置２は、スイッチ用超電導導体８、ヒーター９、ヒーター電源１０、ヒータースイッチ１１から構成されている。
【０００７】
次に、上記構成を有する従来の冷凍機冷却型超電導磁石装置１を永久電流モードにする永久電流スイッチ装置２の動作について説明する。
スイッチ用超電導導体８は、超電導コイル４に並列にこれを配線し、ヒーター９に対向させてある。スイッチ用超電導導体８およびヒーター９により永久電流スイッチ本体１２（開閉器）を構成する。
【０００８】
なお、冷却用冷媒として液体ヘリウムを用いる場合には、永久電流スイッチ本体１２の全体をＦＲＰ（繊維強化樹脂材料）などの低熱伝導率の断熱容器１３に納める。ただし、冷凍機７により冷却を行う場合にはこの断熱容器１３は不要である。
【０００９】
クライオスタット３は、熱シールド容器および真空容器などから構成され、冷凍機７により冷却された超電導コイル４および永久電流スイッチ本体１２をともに所定の極低温に冷却保持する。
【００１０】
永久電流スイッチ本体１２（スイッチ用超電導導体８）は、ヒータースイッチ１１を「ＯＦＦ」（開）としてヒーター９に通電しない状態で極低温状態となれば「ＯＮ」（閉）状態となり、逆にヒータースイッチ１１を「ＯＮ」（閉）としてヒーター９に通電すると超電導状態が解除されて「ＯＦＦ」（開）状態となる。
【００１１】
以上のような構成の冷凍機冷却型超電導磁石装置１および永久電流スイッチ装置２において、冷凍機冷却型超電導磁石装置１を永久電流モードにするには、次のような操作を行う。
【００１２】
まず、冷凍機７による超電導コイル４およびスイッチ用超電導導体８の冷却とともに、外部の励磁電圧源５により所定の励磁速度（電流の変化率、アンペア／秒）で所定の電流値まで増加させる。この所定の電流値に通電電流値を一定に保持したままで、ヒータースイッチ１１を「ＯＦＦ」（開）とし、ヒーター９による加熱を行わない状態として永久電流スイッチ本体１２を「ＯＮ」（開）状態とする。
【００１３】
その後、励磁電圧源５により生じる電流値を所定の速度で０［Ａ］まで減少させる。この状態で冷凍機冷却型超電導磁石装置１は、永久電流モードとなっており、励磁電圧源５を切り離したり、励磁用電流リード線６をクライオスタット３から取り外したりすることができる状態となる。
【００１４】
ここで、永久電流スイッチ本体１２に要求される開路（ＯＦＦ）時の抵抗値としては、無限大の抵抗値は必ずしも必要ではなく、超電導コイル４の励磁中に発生する電圧と、そのときに永久電流スイッチ本体１２（スイッチ用超電導導体８）に分流する電流による発熱の許容量とから決定される抵抗値より大きな値であればよいとされている。もちろん理想的には、無限大の抵抗値で発熱が皆無の状態が望まれる。
【００１５】
たとえば、インダクタンスが３５［Ｈ］の超電導コイル４を、電流値１５０［Ａ］まで０．１［Ａ／ｓｅｃ］の励磁速度で励磁する場合、励磁中の自己誘導起電力Ｖは３．５［Ｖ］になる。ここで、この超電導コイル４に並列に接続されているスイッチ用超電導導体８における発熱量Ｗを０．３［Ｗ］以下にしようとすると、永久電流スイッチ本体１２の「ＯＦＦ」時の抵抗値Ｒは、Ｗ＝Ｖ２／Ｒであるから、ＲＺ＝Ｖ２／Ｗ＝３．５×３．５／０．３＝４０．８３［Ω］となる。したがって、この場合は、「ＯＦＦ」時の抵抗が約４０［Ω］以上であるようなスイッチ用超電導導体８が要求される。
【００１６】
このような永久電流スイッチの方式として、図６の永久電流スイッチ装置２のような熱式永久電流スイッチ、或いはこの他、機械式永久電流スイッチや磁界式永久電流スイッチの３種類が知られている。熱式永久電流スイッチは、操作性に優れ、接続抵抗値を小さくすることができるので、以下にその構成および動作について、材料および数値的な面から説明する。
【００１７】
永久電流スイッチ本体１２のスイッチ用超電導導体８には、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）合金などの超電導線材を無誘導巻きしたものを採用する。スイッチ用超電導導体８に用いる超電導線材は、通常の超電導コイル４用（マグネット用）超電導線材とは異なって、マトリックスにキュプロニッケル（ＣｕＮｉ）合金などを用いることにより、常電導時の電気抵抗が大きくなるようにしている。
【００１８】
図７は、スイッチ用超電導導体８などに用いられるスイッチ用線材の仕様の一例を示した図表である。このスイッチ用線材を用いて、上述のインダクタンス、３５［Ｈ］を有する超電導コイル４に使用するスイッチ用超電導導体８を作製するとき、上述のようにスイッチ用超電導導体８における発熱を０．３［Ｗ］以下になるようにするには、抵抗値として、先の計算より約４０［Ω］以上が必要になるので、必要な線材の長さＬは、Ｌ＝４０［Ω］／０．４２［Ω／ｍ］＝９５［ｍ］である。また、この長さ９５［ｍ］のスイッチ用超電導導体８とともに無誘導巻きするヒーター９には０．３［Ｗ］の容量が必要である。
【００１９】
以下に、数値的な面に着目しながら運転手順を述べる。まず、超電導コイル４および永久電流スイッチ本体１２などが所定の極低温レベルに冷却された状態から、ヒーター９に所定の電力（０．３［Ｗ］）を与え、スイッチ用超電導導体８をその臨界温度（たとえば１０［Ｋ］）以上になるように加熱する。
【００２０】
また、超電導コイル４を所定の励磁速度（０．１［Ａ／ｓｅｃ］）で励磁する。このとき、超電導コイル４の両端に発生する起電力Ｅは、３．５［Ｖ］であるので、この超電導コイル４と並列に接続されている抵抗約４０［Ω］のスイッチ用超電導導体８に流れる電流Ｉは、Ｉ＝Ｅ／Ｒ＝３．５／４０＝８７．５×１０−３［Ａ］である。
【００２１】
このときのスイッチ用超電導導体８自体による発熱量Ｗは、Ｗ＝Ｉ２×Ｒ＝０．０８７５×０．０８７５×４０＝０．３［Ｗ］となる。
したがって、励磁中はヒーター９の加熱を停止して、スイッチ用超電導導体８の自己加熱によって温度を１０Ｋ以上に保持することができる。
【００２２】
超電導コイル４の励磁電流が所定の値になり、さらに永久電流スイッチ本体１２が冷却され、その温度が超電導コイル４と同じ温度になり、スイッチ用超電導導体８の超電導線材が超電導状態に転移すれば、永久電流スイッチ本体１２は「ＯＮ」（閉じた状態）となる。
【００２３】
この「ＯＮ」状態において、励磁電圧源５の電流を所定の速度で０［Ａ］まで減少させる。この０［Ａ］にした状態で、超電導コイル４は永久電流モードに移行しているので、励磁電圧源５を取り外したり、励磁用電流リード線６を取り外したりすることができる。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
以下、この熱式の永久電流スイッチ装置２の問題点について述べる。永久電流スイッチ装置２ないし冷凍機冷却型超電導磁石装置１においては、外部の冷凍機７と永久電流スイッチ本体１２との間に温度差を生じさせるように構成しているが、超電導コイル４と永久電流スイッチ本体１２（スイッチ用超電導導体８）とを結ぶ接続用超電導線を通して熱伝導により熱が流れ出てしまい、永久電流スイッチ本体１２が所定の温度よりも低くなってしまうことがある。
【００２５】
この事態を回避するには、永久電流スイッチ本体１２に所定の電力以上の熱を加えて所定の温度まで上昇させるほかに手段はなく、結果的に冷凍機７への侵入熱量を増加させることになる。冷媒として液体ヘリウムを用いた場合には、この液体ヘリウムヘの侵入熱量を増加させてその消耗を促進させることになる。
【００２６】
また、既述のように、超電導コイル４の励磁中にスイッチ用超電導導体８において発生する熱量は、超電導コイル４のインダクタンスおよび励磁速度により決定される。したがって、スイッチ用超電導導体８における発熱量をある値以下に抑えようとすると、励磁速度もそれに応じて限界値が決定される。
【００２７】
上述の例では、０．３［Ｗ］以下の発熱にするには、励磁速度が０．１［Ａ／ｓｅｃ］でなければならず、定格電流値（１５０［Ａ］）までには１５００［ｓｅｃ］（２５［ｍｉｎ］）もの時間を要することになる。
【００２８】
実際、冷凍機冷却型超電導磁石装置１に、この永久電流スイッチ装置２を適用した場合、この制限はより厳しいものになる。すなわち、超電導コイル４などを冷却している冷凍機７の低温側冷却ステージの冷凍能力が温度４［Ｋ］において約１［Ｗ］であるのに対して、励磁用電流リード線６などからの定常時の侵入熱が０．４［Ｗ］程度であり、さらに、励磁中は超電導線材の交流損失や巻き枠などの渦電流損失が加わり、冷却条件はより厳しくなって、永久電流スイッチ本体１２の発熱量０．３［Ｗ］を加えると、冷凍機７の冷却能力の余裕は全くなくなってしまうという問題がある。
【００２９】
したがって、冷凍機７をより能力の大きなものに交換するか、新たにもう１台の冷凍機７を追加設置するなどの対策を施さない限り、励磁速度をこれよりも早めることは不可能であるという問題がある。
【００３０】
さらに、特許第３１１７１７３号による冷凍機冷却型超電導磁石装置１においては、２段ないし３段式の冷凍機７を採用し、その低温側冷却ステージにより超電導コイル４を冷却するとともに、超電導コイル４に接続する永久電流スイッチ本体１２を高温側冷却ステージにより冷却するようにしている。この永久電流スイッチ本体１２のスイッチ用超電導導体８は、酸化物超電導体（Ｔｌ系１２２３、臨界温度１１０Ｋ）からこれを構成している。
【００３１】
また、スイッチ用超電導導体８の両端と、酸化物超電導体（Ｂｉ系、臨界温度約１１０Ｋ）の励磁用電流リード線６との接続部が電極を介した半田付けであり、この半田付け部分の抵抗値が有限の値を有するために、永久電流モードにおいて電流の減衰を起こす原因となる。すなわち、この接続部が冷凍機７の高温側冷却ステージに配置されているので、半田の抵抗値が液体ヘリウム温度レベルのときに比較して非常に大きく、電流の減衰が顕著になってしまうという問題がある。
【００３２】
また、スイッチ用超電導導体８および励磁用電流リード線６を構成している酸化物超電導材は、臨界温度に近い温度域においては磁束クリープと呼ばれる量子化磁束の熱活性によるエネルギー散逸が発生し、超電導状態においても微小な電圧が発生し、永久電流の減衰を生じさせることが知られている。
【００３３】
したがって、永久電流スイッチ本体１２を冷凍機７の高温側冷却ステージに設置する構成では、永久電流が流される励磁用電流リード線６の高温側の一部分、永久電流スイッチ本体１２、およびこれらの接続部分において永久電流の減衰が生じてしまい、十分な性能を有する永久電流モードの冷凍機冷却型超電導磁石装置１を実現することができないという問題がある。
【００３４】
また、冷凍機７における高温側冷却ステージ上の永久電流スイッチ本体１２をその臨界温度以上に加熱するためには、ヒーター９に相当量の電力を必要とするとともに、励磁用電流リード線６が高温側冷却ステージに接続されている部分も、永久電流スイッチ本体１２の昇温にともなって昇温されてしまい、励磁用電流リード線６に超電導材を採用した利点が相殺されてしまうといった矛盾をはらんでいる。
【００３５】
すなわち、高温側冷却ステージに熱的に接触された臨界温度が約１１０ＫのＴｌ系１２２３酸化物からなるスイッチ用超電導導体８をその臨界温度以上に昇温すると、同じく高温側冷却ステージに接触している励磁用電流リード線６の高温側部はその臨界温度以上になってしまい、通電時にジュール熱を生じてしまうという問題がある。
【００３６】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、永久電流の減衰が生じることがなく、永久電流モードの運転を効率的に実現することができる冷凍機冷却型超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【００３７】
また、永久電流スイッチの温度がＯＦＦを保つ最低の温度に制御し、冷凍機の熱負荷を最小にすることにより、超電導コイルの温度を低く保つことを目的とする。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る冷却型超電導磁石装置は、冷凍機によって冷却された冷凍ステージにより冷却するとともに、励磁電圧源により励磁用電流リード線を介して励磁電流を供給することにより超電導コイルを永久電流モード駆動する冷却型超電導磁石装置であって、冷却ステージ上に熱伝導を防ぐ支持体を介して設置した永久電流スイッチと、永久電流スイッチ内に搭載され永久電流モードをオンオフ切換えするスイッチ用超電導導体と、超電導コイルのリード線とを結合して、永久電流モード駆動用の閉ループを形成する永久電流スイッチリード線と、冷却ステージに搭載され冷凍機からの熱伝導を行う伝導冷却用部材とを備え、励磁用電流リード線および永久電流スイッチリード線は、伝導冷却用部材と熱的に接触しているものである。
【００３９】
また、支持体は、繊維強化樹脂材料からなるものである。
【００４０】
また、支持体は、ステンレス鋼からなるものである。
【００４１】
また、永久電流スイッチの温度を測定する温度計と、温度計の測定温度が、閾値より高ければ上記励磁電圧源の出力電圧を下げ、上記閾値より低ければ上記励磁電圧源の出力電圧を上げる電源制御装置とを備えたものである。
【００４２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る冷却型超電導磁石装置の回路図である。また、図２は同じく本実施の形態１に係る冷却型超電導磁石装置の断面模式図である。以下、本実施の形態１を図１および図２に基づいて説明する。ただし、図６と同一符号は同一箇所を示し、その説明は省略する。
【００４３】
新たな符号として、１２は冷却ステージ上に熱伝導を防ぐ支持体を介して設置した永久電流スイッチ本体、１８（１８ａ，１８ｂ）は冷凍機７により冷却された冷却ステージ、超電導コイル４のリード線とを結合して、永久電流モード駆動用の閉ループを形成する永久電流スイッチリード線である。
【００４４】
また、１５は電導導体接続部、１６は冷却ステージ１８に搭載され上記冷凍機７からの熱伝導を行う伝導冷却用部材、１７は永久電流スイッチ巻芯、３１はＦＲＰ製の熱伝導を防ぐ永久電流スイッチ本体１２の支持体である。ここに、支持体の材料としてＦＲＰを採用したのは、金属を使用すると例えステンレス等であってもＦＲＰに比して熱伝導が高いため設計上の考慮事項として金属の熱抵抗を熱抵抗計算に加える必要が生じるからである。
【００４５】
超電導コイル４は、例えば、ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎなどの超電導線材によってこれを構成し、励磁電圧源５から一対の常温電流リード線２２および超電導材料による励磁用電流リード線６を介して電流の供給を受ける。
励磁用電流リード線６および永久電流スイッチリード線１４は冷凍機７において低温側冷却ステージ１８ｂから伝導冷却用部材１６に熱的に接触している。
【００４６】
冷凍機７は固体伝導冷却可能な小型冷凍機であり、その高温側冷却ステージ１８ａは温度約４５〜５０［Ｋ］に、低温側ステージ１８ｂは温度約４［Ｋ］にそれぞれ冷却可能である。
【００４７】
永久電流スイッチ本体１２は、永久電流スイッチリード線１４、ヒーター９、スイッチ用超電導導体８、永久電流スイッチ巻芯１７よりなる。永久電流スイッチ用リード線１４は銅安定化ニオブチタン超電導線からなり、スイッチ用超電導導体８および超電導コイル４のリード線と超電導接続部１５で超電導接続されている。
【００４８】
ここに、永久電流スイッチ用リード線１４に銅安定化ニオブチタン超電導線を用いるのは、永久電流スイッチの目的である回路抵抗をゼロにするためには超電導コイル４のコイル導体と同じ材料を使う必要性があるからであり、また、リード線は一般に固定が困難で、通電およびコイルの発生する磁界によって電磁力が働き、変動を生じる可能性が高いからである。なお、超電導線が動いた場合、発熱が生じ、コイル全体が常伝導になってしまうクエンチが発生するが、銅安定化超電導線はこの働きによる発熱がわずかであればコイル全体をクエンチに至らせず、発熱を吸収することが可能である。
【００４９】
なお、超電導接続部１５は、圧接・溶接などの方法により超電導転移後の電気抵抗がほぼ完全に０［Ω］の接続がされている。また、永久電流スイッチ用リード線１４は伝導冷却用部材１６で、その端部が冷却されている。
【００５０】
次に、本実施の形態１に係る冷却型超電導磁石装置の動作について説明する。
まず、ヒーター電源１０によりヒータースイッチ１１を経由して、ヒーター９に所定の電流を通電させる。この通電により永久電流スイッチ本体１２における永久電流スイッチが「ＯＦＦ状態」になるので、励磁電圧源５により超電導コイル４は通電される。
【００５１】
超電導コイル４の自己インダクタンスＬにより超電導コイル４の両端にはＬｄｉ／ｄｔの電圧が発生するので、これによりスイッチ用超電導導体８は発熱する。このため、ヒータースイッチ１１を「ＯＦＦ」、または永久電流スイッチ本体１２の通電電流を低下させても永久電流スイッチは「ＯＦＦ状態」を保つ。
【００５２】
超電導コイル４に対して所定の電流まで通電させたところで、励磁電圧源５の端子電圧を下げ、通電電流を一定に保ちながら永久電流スイッチの温度が低下し「ＯＮ状態」になるのを待つ。その後、励磁電圧源５の通電電流を所定の速度で０［Ａ］まで低下させる。この状態で、超電導コイル４を流れる電流は、超電導コイル４、スイッチ用電流リード線１４、およびスイッチ用超伝導導体８による閉ループを流れることになり、超電導コイル４は所望の永久電流モードになっている。
【００５３】
次に、上述の操作における熱の移動について説明する。ヒーター９または永久電流スイッチ本体１２の自己発熱により永久電流スイッチ本体１２をＯＦＦにするためには、永久電流スイッチ本体１２の温度を１０．５［Ｋ］以上に保たなければならない。なお、超電導コイル４の温度は４［Ｋ］程度であるのでＰ／Ｒｈは７［Ｋ］以上必要であり、冷凍機７の冷凍能力のうち永久電流スイッチ本体１２に配分できる能力は最大０．３［Ｗ］のため永久電流スイッチ本体１２の発熱をそれ以下に抑える必要があり、Ｐ／Ｒｈは７〜１２［Ｋ］の範囲とする。また、永久電流スイッチ本体１２からは、永久電流スイッチリード線１４を伝達して、熱が流出する。
【００５４】
今、永久電流スイッチリード線１４が直径１．０［ｍｍ］の銅安定化超電導線からできているとし、永久電流スイッチ本体１２から伝導冷却用部材１６までの距離を５０［ｍｍ］とすると、永久電流スイッチリード線１４（２本分）の熱抵抗Ｒｈは３１８［Ｗ／Ｋ］となる。このとき、永久電流スイッチの発熱が０．０２２〜０．０３８［Ｗ］の範囲であれば、目的の温度範囲（１０．５〜１５．５［Ｋ］）になる。実際、永久電流スイッチのＯＦＦ状態の抵抗値、１００［Ω］は図７に使用する導体を２４０［ｍ］巻けば実現できる。このとき、励磁電圧は１．５〜２［Ｖ］を印加すればよいことがわかる。
【００５５】
この結果、図１の冷却型超電導磁石装置１は、従来の永久電流スイッチ付伝導冷却式超電導磁石装置と比較して、適切な熱抵抗を持たせることができるので、永久電流スイッチの発熱量を適切に指示できる特徴がある。
【００５６】
以上のように、本実施の形態１に係る冷却型超電導磁石装置によれば、冷却ステージ１８上に熱伝導を防ぐ支持体３１を介して設置した永久電流スイッチ１２と、永久電流スイッチ１２内に搭載され永久電流モードをオンオフ切換えするスイッチ用超電導導体８と、超電導コイル４のリード線とを結合して、永久電流モード駆動用の閉ループを形成する永久電流スイッチリード線１４と、冷却ステージ１８に搭載され冷凍機７からの熱伝導を行う伝導冷却用部材１６とを備え、励磁用電流リード線６および永久電流スイッチリード線８は、伝導冷却用部材と熱的に接触していることにより、永久電流の減衰が生じることがなく、永久電流モードの運転を効率的に実現することができる。
【００５７】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る冷却型超電導磁石装置の回路図である。以下、本実施の形態３について図３に基づいて説明する。
新たな符号として、２１は永久電流スイッチ本体１２の温度を測定する温度計であり、２３は超電導コイル４の励磁時に、永久電流スイッチ本体１２の温度を設定値に保つように、励磁電圧を調整する電源制御装置である。
【００５８】
本実施の形態２に係る冷却型超電導電磁石装置の動作について説明する。
まず、ヒーター電源１０によりヒータースイッチ１１を経由して、ヒーター９に所定の電流を通電させる。この通電により永久電流スイッチ本体１２における永久電流スイッチが「ＯＦＦ状態」になるので、励磁電圧源５ａにより超電導コイル４は通電される。
【００５９】
超電導コイル４の自己インダクタンスＬにより超電導コイル４の両端にはＬｄｉ／ｄｔの電圧が発生するので、これによりスイッチ用超電導導体８は発熱する。このため、ヒータースイッチ１１は「ＯＦＦ」、または永久電流スイッチ本体１２の通電電流を低下させても永久電流スイッチは「ＯＦＦ状態」を保つ。
【００６０】
ここで、電源制御装置２３は永久電流スイッチ１２の温度が１０．５〜１５［Ｋ］（閾値）の範囲より高ければ電源５ａの出力電圧を低くし、永久電流スイッチ１２の温度が上記範囲より低ければ電源５ａの出力電圧を高くして、永久電流スイッチ１２の温度を所定範囲内に保つ。永久電流スイッチ１２の導電部材料であるニオブチタンは１０．５［Ｋ］以上で超電導から常伝導へ転移するため、１０．５［Ｋ］を超えないと永久電流スイッチ１４がＯＦＦにならない。また、１５［Ｋ］を超えると永久電流スイッチ１４から超電導コイル４へ伝達する熱が大きくなり超電導コイル４側の安定度が損なわれるので、高温側の制限が必要となる。
【００６１】
電源５ａにはあらかじめ、最大通電電流が設定してあり、電流値が最大通電電流になった時点で、電源制御装置２３の指示にかかわらず出力電圧を０［Ｖ］とする。
【００６２】
この結果、永久電流スイッチの温度がＯＦＦを保つ最低の温度に制御できるため、冷凍機７の熱負荷を最小にでき、超電導コイル４の温度が低く保てる。このため、電磁石をクエンチさせること無く安定に励磁することが可能になり、また、熱負荷が小さいため、電磁石の通電可能電流を最大にすることが可能になる。
【００６３】
なお、上記実施の形態１および２では、いずれも永久電流スイッチ本体１２の支持体３１はＦＲＰ（繊維強化樹脂材料）の場合について説明してきたが、ステンレス鋼で構成してもよい。ステンレス鋼はそのヤング率が大きく、強度も強いため、永久電流スイッチ１２と伝導冷却部材１６との間の熱抵抗を任意の値に設定できる自由度がある。したがって、永久電流スイッチリード１４の寸法・長さの設定の自由度を増加できるといった効果がある。
【００６４】
実施の形態３．
図４は本実施の形態３に係る冷却型超電導磁石装置を説明するための物質の熱伝導率の比較図である。以下、図１と図４を用いて説明する。
本実施の形態３に係る冷却型超伝導磁石装置では、図１における永久電流スイッチ巻芯１７は、銅棒または銅管からなる。永久電流スイッチ本体１２の永久電流スイッチリード線１４は、永久電流スイッチ巻芯１７に巻きつけられており、永久電流スイッチリード線１４を通じて入出する熱は速やかにスイッチ用超電導導体８に伝えられる。
【００６５】
図４は、１９９３年（平成５年）発行社団法人低温工学協会（オーム社）「超伝導・低温工学ハンドブック」に記載の物質の熱伝導率を測定した結果の図である。図４からわかるように、銅は永久電流スイッチ１２の動作範囲である極低温度領域（４〜２０［Ｋ］）で熱伝導率が１００［Ｗ／ｍ］以上と非常に高いことから、本実施の形態３の冷却型超電導磁石装置のように永久電流スイッチ巻芯１７に銅棒または銅管を用いることにより、永久電流スイッチのＯＮおよびＯＦＦを確実に、且つ、素早く行うことができる。
【００６６】
実施の形態４．
図５は本実施の形態４に係る冷却型超電導磁石装置を説明するための物質の熱膨張の比較図である。以下、図１と図５を用いて説明する。
本実施の形態４に係る冷却型超伝導磁石装置では、図１における永久電流スイッチ巻芯１７は、チタン製棒、チタン管、チタン合金管もしくはチタン合金棒からなる。永久電流スイッチ本体１２の永久電流スイッチリード線１４は、永久電流スイッチ巻芯１７に巻きつけられている。
【００６７】
図５は、１９９３年（平成５年）発行社団法人低温工学協会（オーム社）「超伝導・低温工学ハンドブック」に記載の各種の材質の熱膨張を測定した結果の図である。ここで、チタンもしくはチタン合金は、室温から極低温領域（４〜２０［Ｋ］）への熱膨張が約−０．２％と、銅や銅合金−０．３％と比較して小さいことがわかる。このため、銅合金を主成分とする永久電流スイッチ本体１２のスイッチ用超電導導体８は、室温から極低温領域（４〜２０［Ｋ］）まで冷却された際も緩むことがなく、スイッチの安定性を維持できる効果がある。
【００６８】
この効果はチタンまたはチタン合金にかかわらず、ニオブチタン超電導線を使用する超電導コイルの動作温度範囲である０〜２６９［℃］における熱収縮が−０．２％以下の金属であれば同等の効果を奏する。
【００６９】
【発明の効果】
この発明に係る冷却型超電導磁石装置によれば、冷却ステージ上に熱伝導を防ぐ支持体を介して設置した永久電流スイッチと、永久電流スイッチ内に搭載され永久電流モードをオンオフ切換えするスイッチ用超電導導体と、超電導コイルのリード線とを結合して、永久電流モード駆動用の閉ループを形成する永久電流スイッチリード線と、冷却ステージに搭載され冷凍機からの熱伝導を行う伝導冷却用部材とを備え、励磁用電流リード線および永久電流スイッチリード線は、伝導冷却用部材と熱的に接触していることにより、永久電流の減衰が生じることがなく、永久電流モードの運転を効率的に実現することができる。
【００７０】
また、永久電流スイッチの温度を測定する温度計と、温度計の測定温度が、閾値より高ければ上記励磁電圧源の出力電圧を下げ、上記閾値より低ければ上記励磁電圧源の出力電圧を上げる電源制御装置とを備えたことにより、永久電流スイッチの温度がＯＦＦを保つ最低の温度に制御できるため、冷凍機の熱負荷を最小にでき、超電導コイルの温度が低く保てる。よって、冷却型超電導磁石装置をクエンチさせること無く安定に励磁することが可能になる。また、熱負荷が小さいため、電磁石の通電可能電流を最大にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る冷却型超電導磁石装置の回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る冷却型超電導磁石装置の断面模式図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る冷却型超電導磁石装置の回路図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る却型超電導磁石装置を説明するための、物質の熱伝導率の比較図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る却型超電導磁石装置を説明するための、物質の熱膨張の比較図である。
【図６】従来の冷却型超電導磁石装置の回路図である。
【図７】永久電流スイッチに使用する導体の仕様の一例である。
【符号の説明】
１  冷凍機冷却型超電導磁石装置、２  永久電流スイッチ装置、３  クライオスタット、４  超電導コイル、５  励磁電圧源、６  高温超電導電流リード、７冷凍機、８  スイッチ用超電導導体、９  ヒーター、１０  ヒーター電源、１１  ヒータースイッチ、１２  永久電流スイッチ本体、１３  断熱容器、１４  永久電流スイッチリード線、１５  超電導接続部、１６  伝導冷却用部材、１７永久電流スイッチ巻芯、１８  冷却ステージ、２１  温度計、２２  常温電流リード線、２３  電源制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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