(57)【要約】【課題】本発明は、蓄積エネルギーが大きい場合でも、限流器と超電導電磁石装置を大型化することなく、クエンチ時に二ホウ化マグネシウムや酸化物超電導体超電導コイルに代表される高温超電導体で構成される超電導コイルを保護することが可能な超電導電磁石装置を提供する。【解決手段】超電導コイル４と、永久電流運転するための閉回路を形成する永久電流スイッチ８と、超電導コイル４に対して並列に設置された保護抵抗１０と、超電導コイルに直列かつ保護抵抗に並列に設置された限流器９を備える超電導電磁石装置であって、複数ある全ての超電導コイル４と永久電流スイッチ８に並列に設置され、かつ、超電導コイル４と中心軸を同じくした無誘導巻きのコイル形状をし、その内周面または外周面を超電導コイルまたはコイルボビンと接触し、その一部が冷媒または冷凍機と接触した第２の保護抵抗１１を有する。【選択図】  図１
2012178485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、
前記真空容器に内包された輻射シールドと、
前記輻射シールドに内包された複数の超電導コイルと、
前記超電導コイルに接続された永久電流スイッチと、
前記超電導コイル及び前記永久電流スイッチに並列に設置された複数の保護抵抗と、
前記超電導コイルに直列でかつ前記保護抵抗と並列に設置された複数の限流器とを備えた超電導電磁石装置において、
複数ある全ての前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとに並列に設置され、かつ、前記超電導コイルと中心軸を共有するコイル形状の第２の保護抵抗を有し、
前記超電導コイルが常電導転移した際に、前記限流器と前記永久電流スイッチとを同時に超電導状態から常電導状態に転移させることを特徴とする超電導電磁石装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導電磁石装置において、
前記第２の保護抵抗は、無酸素銅を代表とする常電導線を前記超電導コイルと磁気的に結合しないように無誘導巻きしたこと特徴とする超電導電磁石装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の超電導電磁石装置において、
前記第２の保護抵抗は、その内周面または外周面を前記超電導コイルと熱的に接触させることを特徴する超電導電磁石装置。
【請求項４】
請求項１及至３のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置において、
前記輻射シールドに内包されるように設置された冷媒容器を備え、
前記冷媒容器に格納された冷媒は前記第２の保護抵抗に接触するように配置されていることを特徴とする超電導電磁石装置。
【請求項５】
請求項１及至４のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置において、
前記第２の保護抵抗は、円形断面の常電導線を密巻した構造を有し、気化した前記冷媒が巻線内部を通過できることを特徴とする超電導電磁石装置。
【請求項６】
請求項１及至４のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置において、
前記冷媒容器は前記第２の保護抵抗の表面の一部を覆うように配置されていることを特徴とする超電導電磁石装置。
【請求項７】
請求項１又は４に記載の超電導電磁石装置において、
前記真空容器と前記輻射シールドとを中心軸と直交する方向に貫く開口部を有することを特徴とする超電導電磁石装置。
【請求項８】
請求項１及至３のいずれか１項に記載の超電導電磁石装置において、
前記第２の保護抵抗に熱的に接触して配置された冷凍機を有することを特徴とする超電導電磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導電磁石装置において、そのクエンチ時における超電導コイルの保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超電導電磁石装置の基本的な回路は、超電導コイルと、超電導コイルに電流を供給する励磁電源と、永久電流運転するための閉回路を形成する永久電流スイッチと、超電導コイルに対して並列に設置された保護抵抗とからなる。上記の永久電流スイッチを開にした状態で励磁電源から超電導コイルに電流供給し、その後、永久電流スイッチを閉にした状態で励磁電源からの供給電流を減少させゼロにすることで、超電導コイルおよび永久電流スイッチからなる超電導状態の閉回路に電流がほとんど減衰することなく流れ続ける永久電流運転となる。これにより超電導電磁石装置は、長期に渡って磁場を保持することが可能である（例えば、特許文献１）。
【０００３】
永久電流運転中に超電導コイルに常電導転移で抵抗が発生した場合、蓄積エネルギーがジュール発熱で熱エネルギーに変換されコイル温度が上昇する。この蓄積エネルギーが全て超電導コイルで消費されると、過大な温度上昇を引き起こし超電導コイルに性能劣化または焼損が生じてしまう場合がある。この問題を避けるため、上記の回路では、常電導転移発生後に超電導コイルの電流を減衰させ保護抵抗にその一部を供給し、超電導コイル並びに保護抵抗でエネルギーを消費することで、超電導コイルの温度上昇を抑えるようになっている。その際の時定数は、超電導コイルのインダクタンスをＬ１、超電導コイルの発生抵抗をＲ１、保護抵抗をＲ２とすると、Ｌ１／（Ｒ１＋Ｒ２）と示される。つまり超電導コイルの発生抵抗Ｒ１が大きいほど、速やかに超電導コイルの電流が減衰され、保護抵抗で蓄積エネルギーが消費されることになる。
【０００４】
上記の超電導コイルが二ホウ化マグネシウムや酸化物超電導体といった高温超電導体で構成される場合、低温超電導コイルと比較して１０倍以上の比熱を持つ領域に臨界温度があるため温度上昇が遅くなる。この結果、常電導領域の拡大が遅くなり超電導コイルは局所的に発熱することになる。また、その発生抵抗はニオブチタンやニオブ３スズに代表される低温超電導体で構成される超電導コイルと比較して小さいため、速やかに保護抵抗に電流を供給して蓄積エネルギーを消費することができない。そこで、超電導コイルに直列かつ保護抵抗に並列に限流器を設置し、超電導コイルに任意の電圧が生じた際に限流器を超電導状態から常電導状態に転移させ高抵抗状態にする。これにより電流の一部を速やかに保護抵抗に迂回し、限流器並びに保護抵抗で蓄積エネルギーを消費することで、超電導コイルが局所的に温度上昇することを抑えることが可能である（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１９０３２５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４７３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超電導コイルが励磁され磁場が発生しているとき、なんらかの温度上昇でコイルの一部が常電導転移し、そのジュール発熱でなだれ的にコイル全体が常電導転移し、磁場が消失してしまう現象がある。これをクエンチ現象という。
【０００７】
二ホウ化マグネシウムや酸化物超電導体で構成される超電導コイルでクエンチが発生した場合、ニオブチタンやニオブ３スズに代表される低温超電導体で構成される超電導コイルと比較して１０倍以上の比熱を持つ領域に臨界温度があるため温度上昇が遅くなる。この結果、常電導領域の拡大が遅くなり超電導コイルは局所的に発熱することになる。また、その発生抵抗は低温超電導コイルと比較して小さいため、速やかに保護抵抗に電流を迂回して蓄積エネルギーを消費することができない。
【０００８】
そこで、超電導コイルに直列かつ保護抵抗に並列に限流器を設置し、超電導コイルに任意の電圧が生じた際に限流器を超電導状態から常電導状態に転移させ高抵抗状態とし、電流の一部を保護抵抗に迂回することで、限流器並びに保護抵抗で蓄積エネルギーを消費して超電導コイルの局所的な温度上昇を抑える方法がある。但し、この方法では蓄積エネルギーが大きくなった場合、限流器の温度上昇が大きくなり限流器自身が焼損する可能性がある。このことを避けるには限流器の体積を大きくして温度上昇を抑制する方法がある。但し、この方法では、常電導線と比較して高価な超電導体線がより多く必要とされ、かつ、限流器を設置する空間を確保するために超電導電磁石装置が大きくなるという問題があった。
【０００９】
以上の点より、本発明の課題は、蓄積エネルギーが大きい場合でも、限流器と超電導電磁石装置を大型化することなく、クエンチ時に二ホウ化マグネシウムや酸化物超電導体に代表される高温超電導体で構成される超電導コイルを保護することが可能な超電導電磁石装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、超電導コイルと、超電導コイルに電流を供給する励磁電源と、永久電流運転するための閉回路を形成する永久電流スイッチと、超電導コイルに対して直列に設置された限流器と並列に設置された保護抵抗と、超電導コイルが常電導転移したことを検出するクエンチ検出器を備えた超電導電磁石装置において、永久電流スイッチと全ての超電導コイルとに並列に保護抵抗を設置し、その保護抵抗は超電導コイルと共通の中心軸を持つように常電導線を無誘導巻きしたコイル形状とし、その表面を超電導コイルまたはコイルボビンに接触させ、かつ、その一部を冷凍機または冷媒に接触させた構造を有する。
【００１１】
このような構造をとることで、クエンチ時に速やかに限流器および永久電流スイッチを常電導転移させることで、限流器および各超電導コイルに並列に設置された保護抵抗、そして永久電流スイッチと全ての超電導コイルに並列に設置された保護抵抗（以下、本発明の保護抵抗）とで蓄積エネルギーを消費し、蓄積エネルギーが大きい場合でも限流器を焼損することなくクエンチ時に超電導コイルを保護することが可能である。また、本発明の保護抵抗は冷凍機または冷媒から超電導コイルまでの熱伝導経路も兼ねていることから、装置内に別途設置する必要のある熱伝導経路を省略することができ、超電導電磁石装置の大型化を避けることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
このような超電導電磁石装置を用いることで、蓄積エネルギーが大きくなった場合でも限流器を大型化することなく、二ホウ化マグネシウムや酸化物超電導体に代表される高温超電導体で構成される超電導コイルが局所的に発熱し温度上昇することを抑制して性能劣化または焼損を防止できる。
【００１３】
また、本発明の保護抵抗は冷凍機または冷媒から超電導コイルまでの熱伝導経路を兼ねていることから、別途設置する必要のある熱伝導経路を省略することができ、装置の大型化を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る超電導磁石装置の断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る超電導磁石装置の回路構成を模式的に示した図である。
【図３】第２の実施形態に係る超電導磁石装置の断面図を示した図である。
【図４】第３の実施形態に係る超電導磁石装置を示し、（ａ）は超電導磁石装置の断面図を示し、（ｂ）は超電導磁石装置のＡ−Ａ′面での断面図を示す。
【図５】第４の実施形態に係る超電導磁石装置を示し、（ａ）は超電導磁石装置の断面図を示し、（ｂ）は超電導磁石装置のＡ−Ａ′面での断面図を示し、（ｃ）は超電導磁石装置のＢ−Ｂ′面での断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
以下、本発明の好適な一実施形態である超電導電磁石装置について、図１及び図２を用いて説明する。
【００１７】
図１に、本実施形態の超電導電磁石装置１の断面を模式的に示す。本実施例の超電導電磁石装置１は、真空容器２，真空容器２に内包された輻射シールド３，輻射シールドに内包された複数の超電導コイル４，コイルボビン５，冷媒容器６，冷媒容器に内包された冷媒７，永久電流スイッチ８，限流器９，保護抵抗１０，第２の保護抵抗１１、及び冷凍機１２を備える。第２の保護抵抗１１は、超電導コイル４と中心軸が一致するように配置する。冷凍機１２は、真空容器２，輻射シールド３，冷媒容器６を貫いて設置される。超電導コイル４の中心軸は、鉛直方向を向いている。本実施形態では、超電導コイル４が二ホウ化マグネシウムで構成される例を示すが、酸化物超電導体で構成される場合や複数ある超電導コイルのいずれかにニオブチタンやニオブ３スズに代表される低温超電導体で構成される超電導コイルが含まれる場合であっても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００１８】
図２に、超電導電磁石装置１の回路を模式的に示す。限流器９は、超電導コイル４に直列に配置される。複数ある保護抵抗１０は、複数ある超電導コイル４に並列に設置される。永久電流スイッチ８及び第２の保護抵抗１１は、複数ある超電導コイル４の全てに対して並列に設置される。真空容器２の外には、励磁電源１３，電流遮断器１４，クエンチ検出器１５，直流電源１６が設置されている。なお、超電導コイル４並びに永久電流スイッチ８および限流器９は臨界温度以下に保たれ超電導状態となっている。
【００１９】
永久電流スイッチ８を開いた状態（ＯＦＦ）で励磁電源１３から超電導コイル４に電流供給し、その後、永久電流スイッチ８を閉じる状態（ＯＮ）で励磁電源１３からの供給電流をゼロにして電流遮断器１４を開にすると、超電導コイル４および永久電流スイッチ８からなる超電導状態の閉回路に電流がほとんど減衰することなく流れ続ける永久電流運転となる。これにより超電導電磁石装置１は、長期に渡って磁場を保持することが可能となる。
【００２０】
超電導電磁石装置１は、クエンチが発生した際、超電導コイル４の内部で局所的に発熱し、性能劣化または焼損が生じることが考えられる。性能劣化が生じた場合、超電導コイルに通電可能な電流値が下がるため、超電導電磁石装置１は目標とする強度の磁場が発生できなくなってしまう。また、焼損が発生した場合、超電導コイルに電流を供給できないため、超電導電磁石装置１は運転不能となってしまう。そこで、永久電流運転中に超電導コイル４で常電導転移が発生した際、超電導状態から常電導転位することで超電導コイル４に流れる電流を速やかに減衰させ、超電導コイル４の外で蓄積エネルギーを消費し、超電導コイル４が局所的に発熱して性能劣化または焼損することを防ぐ限流器９が設けてある。超電導コイル４ａにて常電導転移が発生した場合、図２のクエンチ検出器は超電導コイル４の両端電圧または超電導コイル４ａと超電導コイル４ｂとの両端電圧の差分からクエンチを検出し、直流電源１６ａにクエンチ検出信号１７ａを送信する。直流電源１６ａはこのクエンチ検出信号を受け、限流器９ａ近傍に設けたヒータ１８ａに通電する。この結果、限流器９ａは常電導転位し限流動作を開始する。
【００２１】
以上のように、限流器９を用いて超電導コイル４が局所的に発熱して性能劣化または焼損することを避けることが可能だが、超電導コイル４の大きさやターン数が増加することで蓄積エネルギーが増加した場合、超電導コイル４の電流を減衰させるまでに限流器で消費されるエネルギーで限流器自身が焼損する可能性がある。これを避けるためには、限流器の体積を増加させて温度上昇を抑える方法があるが、限流器に使われている超電導線は無酸素銅に代表される常電導線と比較して高価であることから製品価格の増加をもたらすとともに、限流器９を設置する空間を確保するために超電導電磁石装置１が大型化してしまう。
【００２２】
そこで、本実施形態では、以下に述べるように、第２の保護抵抗１１でも蓄積エネルギーを消費させることで限流器９の焼損を抑制する。超電導コイル４ａが常電導転位した際、クエンチ検出器１５からのクエンチ検出信号１７ａが送信されるが、それと同時にクエンチ検出信号１７ｃも送信することで直流電源１６ｃから永久電流スイッチ８の近傍に設けたヒータ１８ｃに通電することで、永久電流スイッチを常電導転位させる。この結果、第２の保護抵抗１１に電流が流れて蓄積エネルギーが消費され、限流器９の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００２３】
第２の保護抵抗１１は、無酸素銅を代表とする常電導線を無誘導巻きしたコイル形状をしており、その外周面を超電導コイル４のコイルボビン５に接触させ、かつ、その一部を冷媒７と接触させている。上記の無誘導巻きとはコイルの鎖交磁束を低減する巻線方法で、代表例としては自己インダクタンスが同等の２個のコイルを互いに巻線方向が逆になるように１つの巻枠に配置する方法が考えられる。このような構造をとることで、クエンチ時に第２の保護抵抗１１に電流が流れることで発生する誘導電圧を抑えることができる。また、第２の保護抵抗１１は、冷媒７からの熱伝導と気化した冷媒を巻線の隙間を矢印２０の方向に通過させることで超電導コイル４を冷却する熱伝導経路としての機能を兼ね備えることになる。この結果、図１に示すような冷媒容器６の一部しか冷媒７で満たされていない超電導電磁石装置では別途設けることが必須となる熱伝導経路を省略することでき、超電導電磁石装置１が大型化することを避けることが可能となる。
【００２４】
このように本実施形態によれば、超電導電磁石装置１は、超電導コイル４が常電導転移した際に、限流器９及び第２の保護抵抗１１が超電導コイル４の電流を減衰させることで、限流器９を大型化することなく、超電導コイル４が局所的に発熱して性能劣化または焼損することを防ぐことが可能となる。また、第２の保護抵抗１１が熱伝導経路としての機能を兼ねていることで、熱伝導経路を別途設ける必要がなく、超電導電磁石装置が大型化することを防ぐことが可能となる。
【００２５】
（第２の実施形態）
以下に、本発明の他の実施形態の超電導磁石装置１Ａを、図３を用いて説明する。図３は、第２の実施形態に係る超電導電磁石装置の断面を示す。本実施形態に係る超電導磁石装置１Ａは、第１の実施形態の超電導電磁石装置１が備える冷媒容器６及び冷媒７を省略した構成を有する。また、超伝導磁石装置１Ａは、永久電流スイッチ８，保護抵抗１０、及び第２の保護抵抗１１が冷凍機１２と接触する構成を有する。
【００２６】
本実施形態の超伝導磁石装置１Ａによれば、第１の実施形態に係る超電導電磁石装置１と同様の効果を得ることができる。
【００２７】
さらに、本実施形態の超電導磁石装置１Ａによれば、冷媒容器６および冷媒７を省略できるため、さらに超電導電磁石装置１を小型化することができる。
【００２８】
（第３の実施形態）
以下に、本発明の他の実施形態である超電導磁石装置１Ｂを、図４を用いて説明する。
図４（ａ）は、第３の実施形態の超電導電磁石装置１Ｂの断面図を示す。本実施形態の超伝導磁石装置１Ｂに備えられる超電導コイルは、第１の実施形態の超電導電磁石装置１の超電導コイルと中心軸の向きが異なる。つまり、第１の実施形態の超電導コイルの中心軸が鉛直方向を向いているのに対し、本実施形態の超電導コイルの中心軸は水平方向を向いている。また、本実施形態の超電導磁石装置１Ｂは、超電導コイルと第２の保護抵抗１１が複数存在し、それぞれの内周面が超電導コイル４に接触する構成を有する。
【００２９】
冷媒容器６は、図４（ｂ）に示すように、中心軸に対して点対称ではなく、おおよそ半周程度を占める構造である。超電導磁石装置１Ｂは、冷媒容器６の下部に冷媒７が格納され、その冷媒は第２の保護抵抗１１と接触する構造を有する。
【００３０】
本実施形態の超電導磁石装置１Ｂによれば、第１の実施形態の超電導電磁石装置１と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
さらに、本実施形態の超電導磁石装置１Ｂによれば、超電導コイルと第２の保護抵抗１１から超電導コイルへの冷却効率をさらに向上することができる。また、冷媒容器６の体積を小型化することで冷媒７の消費量を減らすと共に超電導電磁石装置１Ｂをさらに小型化することが可能となる。
【００３２】
（第４の実施形態）
以下に、本発明の他の実施形態である超電導磁石装置１Ｃを、図５を用いて説明する。
図５（ａ）は、第４の実施形態の超電導磁石装置１Ｃの断面図を示す。
【００３３】
本実施形態の超電導磁石装置１Ｃは、第２の実施形態の超電導磁石装置１Ａと比較して、複数の超電導コイル４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを備え、さらに複数の第２の保護抵抗１１ａ，１１ｂを備える点で異なる。超電導コイル４ａ，４ｂと超電導コイル４ｃ，４ｄは、開口部２２を挟んで上下に配置される。第２の保護抵抗１１ａが超電導コイル４ａに接触し、第２の保護抵抗１１ｂが超電導コイル４ｂに接触するように配置される。第２の保護抵抗１１ｃが超電導コイル４ｃに接触し、第２の保護抵抗１１ｃが超電導コイル４ｃに接触するように配置される。このようにそれぞれの第２の保護抵抗は、内周面がそれぞれの超電導コイルに接触するように配置されている。
【００３４】
冷媒容器６は、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示すように、中心軸に対して点対称ではなく超電導電磁石装置１Ｃの上下を連結する位置に配置されている。超電導磁石装置１Ｃでは、冷媒容器６に内包された冷媒７が第２の保護抵抗１１と接触する構造を有する。
【００３５】
本実施形態の超電導磁石装置１Ｃによれば、第１の実施形態に係る超電導電磁石装置１と同様の効果が得られる。
【００３６】
本実施形態は、開口部２２を挟んで複数の超電導コイル４が配置された超電導電磁石装置であるが、上下に複数の冷媒容器６を配置する必要がなく、また、冷媒容器６の体積を小型化することで冷媒７の消費量を減らすと共に超電導電磁石装置１Ｃを小型化することが可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１  超電導電磁石装置
２  真空容器
３  輻射シールド
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ  超電導コイル
５  コイルボビン
６  冷媒容器
７  冷媒
８  永久電流スイッチ
９  限流器
１０  保護抵抗
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  第２の保護抵抗
１２  冷凍機
１３  励磁電源
１４  電流遮断器
１５  クエンチ検出器
１６  直流電源
１７  クエンチ検出信号
１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ  ヒータ
２０  気化した冷媒の進行方向を示す矢印
２１  超電導電磁石装置の中心軸
２２  開口部
【図１】
2012178485.tif 000003
【図２】
2012178485.tif 000004
【図３】
2012178485.tif 000005
【図４】
2012178485.tif 000006
【図５】
2012178485.tif 000007