(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導導体を巻回してコイル状に形成した超電導コイルと、この超電導コイル用の励磁電源に対して前記超電導コイルと電気的に並列に接続した熱式の永久電流スイッチとを備える超電導磁石において、
前記永久電流スイッチは、前記超電導コイルの外側に、超電導コイルと同心状に超電導導体を超電導コイルの外周域全体にわたって巻回してコイル状に形成してなるものとすることを特徴とする超電導磁石。
【請求項２】
請求項１記載の超電導磁石において、前記超電導コイルおよび永久電流スイッチは、前記各コイル状に形成した超電導導体に流れる電流の向きが互いに同方向となるように超電導導体を巻回してなり、必要な起磁力を前記超電導コイルと永久電流スイッチとで分担するようにしてなるものとすることを特徴とする超電導磁石。
【請求項３】
請求項１または２記載の超電導磁石において、前記永久電流スイッチは、巻枠にヒータ用導体と超電導導体とを巻回してなり、かつ、前記巻枠は、永久電流スイッチ用の超電導導体冷却用冷媒を通流する冷却パイプを備えることを特徴とする超電導磁石。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の超電導磁石において、前記超電導コイルおよび永久電流スイッチにおける超電導導体は、高温超電導導体とすることを特徴とする超電導磁石。
【請求項５】
請求項４記載の超電導磁石において、前記高温超電導導体の断面形状は矩形とすることを特徴とする超電導磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、強磁界を利用するプラズマ実験装置，磁気浮上列車，ＭＲＩ（磁気共鳴撮像装置）などに使用される永久電流スイッチを備えた超電導磁石、特に、永久電流スイッチの構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久電流スイッチは、永久電流モードで運転する超電導コイルに不可欠な要素であり、永久電流スイッチを備えた超電導磁石としては、種々の構成が知られ、多くの特許提案がなされている（例えば、特開平７−８６０２５号公報，特開平１１−８７１２９号公報，特開平１１−３４０５３３号公報等参照）。
【０００３】
前記永久電流モードとは、超電導マグネットの端子間に短絡スイッチを設け、定格電流値まで励磁後、短絡し、励磁電源を取外しても、一定電流の通電が継続されることを利用する運転モードである。このための短絡スイッチを永久電流スイッチと呼び、短絡時の抵抗を低くするため、通常、超電導体を用いる。また、ＯＮ−ＯＦＦ動作を行なうスイッチ機構としては、熱式、磁気式、機械式等の方式がある。
【０００４】
上記熱式は、永久電流スイッチを構成する超電導線の臨界温度を境にＯＮ−ＯＦＦ動作をさせるものであり、従来から、磁気浮上列車，ＭＲＩなどの超電導磁石に利用されている。通常は、超電導線と共に巻回したヒータ用導線への通電または非通電によって超電導線の温度を制御し、ＯＮ−ＯＦＦ動作を行なう。また、運転時の冷却を良好にするために、冷媒中に浸漬して使用するのが一般的である。
【０００５】
図４は、永久電流スイッチを備える超電導磁石の概略回路構成と永久電流モード運転方法を説明するための図で、前記特開平１１−３４０５３３号公報に図６として記載された図を、一部修正して示す図である。図４（ａ）は永久電流スイッチＯＦＦ（励磁時）、図４（ｂ）は永久電流スイッチＯＮ（永久電流モード運転時）を示す。
【０００６】
図４において、１は超電導コイル、２は超電導線２ａとヒータ線２ｂを有する永久電流スイッチ、３は励磁電源、４はヒータ電源、３ａ，４ａは前記各電源用スイッチである。永久電流スイッチ２は、超電導線材とヒータ線とを、共にコイル状に巻き、エポキシ樹脂などで熱絶縁を施したものが用いられる。
【０００７】
上記構成において、ヒータ加熱時には、超電導線は臨界温度Ｔｃ以上となり、抵抗が発生してスイッチはＯＦＦ状態となり、非加熱時には、超電導状態となって、スイッチはＯＮの状態となる。この永久電流スイッチ２を、図４のように、超電導コイル１の両端Ｐ，Ｑ点で接続しておく。Ｐ，Ｑ点は、図示しない電流リードよりもコイル側とし、永久電流スイッチ２は超電導コイル１と共に、図示しない同一のクライオスタット内に納められるのが通例である。
【０００８】
永久電流モード運転は、次の手順で得られる。図４（ａ）に示すように、ヒータをＯＮし、永久電流スイッチをＯＦＦ状態にして、励磁電源３でマグネットを定格電流まで励磁する。続いて、図４（ｂ）に示すように、ヒータをＯＦＦ、永久電流スイッチをＯＮ状態にし、励磁電源３の電流を０まで下げる。このとき、永久電流スイッチ２の電流は超電導コイル１の定格電流値まで上昇する。この状態で励磁電源３は取り外される。また、場合によっては、電流リードも超電導コイル１から切り離される。
【０００９】
ところで、前記永久電流スイッチのＯＦＦ時の抵抗値は、接続する超電導コイルのエネルギーや励磁時間等を考慮して決定するが、ＯＦＦ時抵抗を大きくするためには、使用する超電導線のいわゆる母材の抵抗を大きくする必要があり、母材として、キュプロニッケルなどが使用されることが多い。しかしながら、これは結果として磁気的安定性の悪い永久電流スイッチをもたらすこととなるので、永久電流スイッチは超電導コイルの磁界がなるべく及ばない場所に設置し、かつ液体ヘリウムなどの冷媒液に浸漬状態で使われ、また永久電流スイッチ用超電導線は無誘導巻きとして磁界が発生しないように巻回するなどの提案がなされている。
【００１０】
次に、この発明の応用対象の一つとしてのプラズマ実験装置に関して、その従来技術の概要を以下に述べる。
【００１１】
ひとくちにプラズマ実験装置といっても、実験目的に応じて種々の構成および実験機能を備えたものがある。本件発明が対象とするプラズマ実験装置は、プラズマの物理的な研究のための装置であって、高ベータプラズマ（β＞１）の安定保持を目的とするものである。前記β値とは、プラズマの閉じ込めの効率を表し、β値＝（プラズマの圧力／磁場の圧力）である。
【００１２】
この方式のプラズマ実験装置は、１９７０年代にLevitronと呼ばれて、英国や米国で開発され、現在も米国のＭＩＴがＬＤＸ（Levitated  Dipole  eXperiment）計画として開発している。この装置において、プラズマは、直径約５ｍの真空容器内のドーナツ状の超電導コイルの周りにトラップされる。
【００１３】
上記装置において、超電導コイル（F-coil＝Floatingと呼ばれるコイル）は、空間に浮かんでいる必要がある。浮上させる方法としては、中央部にメカニカルな浮上機構部があり、一旦、浮かせたい所定の場所に前記F−coilを保持し、装置上部にある吊上げコイル（L-coilと呼ばれるコイル）を励磁して浮上させる。
F-Coilはあらかじめ励磁しておく。
【００１４】
前記ＬＤＸにおいては、F-coilが浮上する前に、装置下部にあるC-coil（Chargingと呼ばれる常電導コイル）の電流を遮断することにより誘導でF-coilに電流を誘起させる。また、ＬＤＸにおいて、F-coilは金属系のＮｂ3Ｓｎ（ニオブ３スズ）の超電導線で製作されている。この場合、F-coilへの電流誘起法が誘導法のため、F-coilの両端は短絡されているだけであり、永久電流スイッチは使用されていない。
【００１５】
さらに、ＬＤＸにおいては、Ｎｂ3Ｓｎの臨界温度が約１５Ｋであるため、装置の運転温度は５Ｋから１０Ｋ程度である。冷却は極低温のヘリウムガスであり、冷却初期は圧力が低いが時間が経過して温度レベルが上がると内圧上昇するので比較的肉厚の容器を必要としている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、高温超電導導体として、臨界温度が１１０Ｋのものが実用化されている。このような臨界温度が高い高温超電導導体を用い、冷媒として、例えば、定格温度２０Ｋのヘリウムガスを用いることにより、冷媒の温度と臨界温度との間の大きな温度差により、発熱があってもクエンチに至るまでの超電導導体の熱容量が増大するので、より安全かつ経済的な運転ができるようになる。さらに、前記プラズマ実験装置においては、高温超電導導体を用いることにより、初期冷却状態から、実験中真空容器が高温のプラズマにさらされて熱侵入によって温度上昇し、臨界温度に到達するまでの時間が長くなるので、その間の実験時間の増大が図れる利点がある。
【００１７】
上記観点から、前記プラズマ実験装置におけるF−coilを、高温超電導線（例えば、臨界温度が１１０Ｋのビスマス2223系）で製作し、運転温度は２０Ｋ（最大４０Ｋ程度まで可能とする）とした場合、永久電流スイッチが必要となる。その理由を以下に述べる。
【００１８】
例えば、一回の実験が終了した時点でF-coil温度が１１０Ｋ以上に上昇していれば、コイル電流はゼロになり、誘導法で励磁しても毎回同じ電流値が誘起される。しかしながら、実験の都度、F-coil温度を１１０Ｋ以上にするのは、経済的ではないし、実験頻度が高い場合には、時間の無駄もあり基本的に好ましくない。これを避けるためには、臨界温度以下であって電流がゼロでない状態で励磁する必要があるが、この場合には、毎回同じ磁場が保証されない。
【００１９】
従ってこの場合、前記F−coilは永久電流スイッチを備え、永久電流スイッチ部のみの温度を２０Ｋと１１０Ｋとの間で往復させてスイッチのＯＮ／ＯＦＦを行なう。スイッチＯＦＦの状態でF−coilの励磁及び消磁を行い、スイッチＯＮの状態でF−coilを永久電流モードでプラズマ実験を行なうようにする。なお、この場合、熱侵入を低減するために、電流リードやコイルの冷却装置等は、着脱式とすることが望ましい。
【００２０】
前記プラズマ実験装置におけるF−coilを含む超電導磁石は、前述のように、永久電流スイッチにより励磁と消磁を行い、実験中において一様な起磁力が得られるようにするとともに、前記磁気的浮上の安定化の観点から、寸法・重量の軽減は勿論のこと、空間的に対称性があって浮揚重量のバランスがよいことが望まれる。上記要請は、前記プラズマ実験装置に限らず、磁気浮上列車やＭＲＩなどに使用される永久電流スイッチを備えた超電導磁石においても、同様である。
【００２１】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、空間的に対称性があって浮揚重量のバランスがよく、かつ寸法・重量の軽減を図った、永久電流スイッチを備えた超電導磁石を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明は、超電導導体を巻回してコイル状に形成した超電導コイルと、この超電導コイル用の励磁電源に対して前記超電導コイルと電気的に並列に接続した熱式の永久電流スイッチとを備える超電導磁石において、前記永久電流スイッチは、前記超電導コイルの外側に、超電導コイルと同心状に超電導導体を超電導コイルの外周域全体にわたって巻回してコイル状に形成してなるものとする（請求項１の発明）。
【００２３】
上記により、永久電流スイッチの重量分布を円周方向に均一に分散でき、空間的に対称性となって浮揚重量のバランスがよくなる。また、永久電流スイッチが磁界を発生する超電導コイルの外周部に設置されるため、スイッチを構成する超電導導体の受ける磁界が小さく、超電導コイルの定格磁場の約１／４〜１／５となる。従って、その分、超電導導体の軽量化が可能となる。
【００２４】
また、上記請求項１の発明において、前記超電導コイルおよび永久電流スイッチは、前記各コイル状に形成した超電導導体に流れる電流の向きが互いに同方向となるように超電導導体を巻回してなり、必要な起磁力を前記超電導コイルと永久電流スイッチとで分担するようにしてなるものとする（請求項２の発明）。これにより、必要な起磁力を両者で分担するため、その分超電導コイルの超電導導体の巻線の量を減らすことができる。従って、全体として、寸法・重量を軽減することができる。
【００２５】
さらに、上記請求項１または２の発明において、前記永久電流スイッチは、巻枠にヒータ用導体と超電導導体とを巻回してなり、かつ、前記巻枠は、永久電流スイッチ用の超電導導体冷却用冷媒を通流する冷却パイプを備えるものとする（請求項３の発明）。これにより、永久電流スイッチ用の冷媒収納容器が不要となり、装置全体の軽量化が可能となる。
【００２６】
また、前記請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記超電導コイルおよび永久電流スイッチにおける超電導導体は、高温超電導導体とする（請求項４の発明）。これにより、前述のように、従来より安全かつ経済的な運転ができ、さらに、前記プラズマ実験装置においては、高温超電導導体を用いることにより、初期冷却状態からの実験時間の増大が図れる。
また、請求項４記載の超電導磁石において、前記高温超電導導体の断面形状は矩形とする（請求項５の発明）。断面形状が矩形の高温超電導導体は現在工業的に生産されており、構成上、本発明に好適である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。
【００２８】
図１は本発明による超電導磁石の実施例の模式的断面図を示し、図２は、超電導コイルおよび永久電流スイッチの概略部分断面図を示し、図３は、永久電流スイッチの異なる実施例の部分断面図を示す。
【００２９】
図１に示す超電導磁石は、超電導導体を巻回してコイル状に形成した超電導コイル１０と、この超電導コイル用の図示しない励磁電源に対して超電導コイル１０と電気的に並列に接続した熱式の永久電流スイッチ２０とを備える。この永久電流スイッチ２０は、超電導コイル１０の外側に、超電導コイルと同心状に超電導導体を巻回してコイル状に形成する。なお、図１において、３０は真空容器からなるクライオスタットであり、ヘリウムガス冷媒により、超電導コイル１０と永久電流スイッチ２０とを冷却する図示しない冷却手段を備える。
【００３０】
図２は、ソレノイド状の超電導コイルと永久電流スイッチの部分断面を示しており、永久電流スイッチの超電導巻線２２は超電導コイル１０の巻線方向と同じ方向に巻かれている。図ではどちらの巻線も電流の向きが紙面に対して表から裏側に流れていることを示している。また、永久電流スイッチは、超電導巻線２２の内周側に、ヒータ２１を備える。
【００３１】
図３は、本発明の異なる実施例を示し、永久電流スイッチの冷却手段を含む永久電流スイッチの断面構成を示す。図３に示すものは、巻枠２３にヒータ用導体と超電導コイル用の導体とを巻回して、永久電流スイッチのＯＮ−ＯＦＦに必要なヒータ２１と超電導巻線２２とを構成する。また、熱良伝導体で構成された巻枠２３は、永久電流スイッチ用の超電導導体冷却用冷媒を通流する熱良伝導体の冷却パイプ２４を備え、このパイプ中を流通する冷媒によって超電導線２２は間接的に冷却される。
【００３２】
上記実施例に関し、前記プラズマ実験装置に適用する超電導磁石の主要諸元および構成の一例を下記に述べる。超電導コイルの定格磁場は約２Ｔ、トロイド主半径は約０．４ｍ、小半径は約０．０６ｍとする。
【００３３】
超電導コイルおよび永久電流スイッチに使用する高温超電導導体について、以下に述べる。比較的臨界温度レベルが高い超電導導体としては、下記が知られている。
即ち、(1)Bi2212(Bi2Sr2Ca1Cu2O8)：臨界温度80K、(2)Bi2223(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)：臨界温度110K、(3)Y123(YBa2Cu3Ox)：臨界温度90Kなどである。現在工業的に生産されているのは、Bi2223であり、断面形状の矩形のものが生産されているので、特に本発明の構成に適している。なお、永久電流スイッチはこの場合、ＯＦＦ時抵抗をあまり大きくする必要がないので、超電導コイルと同じマンガン添加の銀シース線を使用することができる。
【００３４】
次に永久電流スイッチの構成について述べる。永久電流スイッチの構成は、図３の構成とし、巻枠は真鍮製で冷却パイプ付きとする。巻枠の内側にヒータ線（マンガニン線）を巻き、その上に、前記高温超電導導体を巻いて外側をガラステープで熱絶縁する。
【００３５】
次に、高温超電導導体の冷却方法について述べる。冷媒は、ヘリウムガスとし、１５Ｋの極低温のヘリウムガスが供給できる冷凍機を使用する。高温超電導導体は、前記極低温ヘリウムガスにより、常温から定格温度の２０Ｋまで冷却し、その後、冷却は一旦停止し、熱侵入により４０Ｋまで温度上昇する間（例えば、約6時間）に、プラズマ実験を行なう。４０Ｋに到達後、再度実験を行なう場合には、電流リードを接続して電源と接続後、一旦、電流をゼロに戻した後、コイルを再度２０Ｋまで冷却した後、再励磁する。
【００３６】
上記のように超電導磁石を構成することにより、浮揚重量のバランスをよくし、かつ寸法・重量の軽減を図ることができ、前記プラズマ実験装置に好適な永久電流スイッチを備えた超電導磁石とすることができる。
【００３７】
【発明の効果】
この発明によれば前述のように、超電導導体を巻回してコイル状に形成した超電導コイルと、この超電導コイル用の励磁電源に対して前記超電導コイルと電気的に並列に接続した熱式の永久電流スイッチとを備える超電導磁石において、前記永久電流スイッチは、前記超電導コイルの外側に、超電導コイルと同心状に超電導導体を超電導コイルの外周域全体にわたって巻回してコイル状に形成してなるものとすることにより、
永久電流スイッチの重量分布を円周方向に均一に分散でき、空間的に対称性となって浮揚重量のバランスの向上を図り、さらに装置全体として、寸法・重量の軽減を図った、永久電流スイッチを備えた超電導磁石を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超電導磁石の実施例の模式的断面図
【図２】本発明の超電導コイルおよび永久電流スイッチの概略部分断面図
【図３】本発明の異なる構成の永久電流スイッチの概略部分断面図
【図４】永久電流スイッチを備える超電導磁石の概略回路構成と永久電流モード運転方法の説明図
【符号の説明】
１，１０：超電導コイル、２，２０：永久電流スイッチ、３：励磁電源、４：ヒータ電源、２１：ヒータ、２２：超電導巻線、２３：巻枠、２４：冷却パイプ、３０：クライオスタット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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