CN102460610B - 制冷机冷却型超导磁铁 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制冷机冷却型超导磁铁，其能够防止持续电流模式工作时的磁场衰减，抑制持续电流开关与超导电线圈间的连结部发热，将电流供给模式的超导线圈冷却温度的上升抑制在最低限度。本发明的制冷机冷却型超导磁铁(J)具有：超导线圈(2)；切换持续电流模式与电流供给模式的持续电流开关(1)；分别冷却超导线圈(2)和持续电流开关(1)的第一、第二超低温制冷机(3、4)；超导线圈(2)；用于收纳持续电流开关(1)和第一、第二超低温制冷机(3、4)的冷却台(31、32、41、42)的真空容器(10)，其中，制冷机冷却型超导磁铁(J)具有：将超导线圈(2)与持续电流开关(1)连结的超导线(5)；以及与超导线(5)并列设置且沿着长度方向与该超导线(5)电耦合的超导旁通线(6)，超导旁通线(6)的超导临界温度高于持续电流开关(1)的超导临界温度。

Description

制冷机冷却型超导磁铁
技术领域
本发明涉及一种在由制冷机冷却至超导临界温度以下的状态下使用的制冷机冷却型超导磁铁。 
背景技术
近年来，利用了强磁场环境的分析装置的应用正盛行起来。例如，在医疗领域中，有利用使氢原子的原子核发生磁共振时发生的电磁波来反映出体内状况的磁共振成像法(Magnetic Resonance Imaging：MRI)，已有市售磁场强度超过3特斯拉的产品，能够进行高解像度和高速检查。另外，在生物关系中，在利用了核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance：NMR)的分光系统中，在正开发超过氢原子共振频率1GHz的强磁场NMR系统。 
只要应用超导，则必须实现电阻为零的超导临界温度以下的环境。通常，为了实现超导临界温度以下的环境，而使用了液体氦，但氦是有限的天然资源，要指出其将来有可能枯竭。当前，在医疗和分析领域中，以液体氦来冷却而使用超导材的线圈的超导磁铁成为不可或缺的需求，在难以使用液体氦的情况下将会认为产生各种问题。 
为此，为了不利用液体氦也可实现超导临界温度以下的环境，正在开发使用了超低温制冷机的冷却系统。在超低温制冷机内部也使用已加压的氦气，但数量较为微小，而且在密封的状态下使用，因此只要不将氦气向外部空气释放就不会减少。 
或者，还存在同时使用超低温制冷机和液体氦这两者的情况。在该情况下，构成为通过超低温制冷机将已蒸发的氦气再凝缩，而使液体氦向外部的释放变为零。但是，在励磁时发生了激冷的情况下，所贮藏的液体氦会大量蒸发，因此，在限制液体氦供给的情况下，难以 实现超导临界温度以下的环境。 
但是，在超导线圈中能够通电的电流值(临界电流值)依赖于冷却温度，冷却温度越高，则临界电流值越小。为了产生强磁场，需要供给大电流，必须尽量降低超导线圈的温度。 
在使用液体氦的情况下，将超导线圈维持为液体氦温度(绝对温度4.2K)。但是，以超低温制冷机作为冷却源的情况下，超导线圈的冷却温度被超低温制冷机的性能所左右。例如，当超低温制冷机受到的热负荷变大时，超低温制冷机的冷却到达温度会上升。因此，为了降低超导线圈的温度，需要减小超导线圈和超低温制冷机所受到的热负荷。 
在MRI或NMR中，被要求极高的磁场稳定性。在从外部供给电流的情况下(电流供给模式)，所供给的电流自身具有某种程度的不稳定性，因此电流供给模式难以适用于MRI或NMR。 
因此，MRI及NMR用超导磁铁通常以持续电流模式来工作。持续电流模式是指，从外部施加的电流连续在以超导材料制成的闭合环路(Closed Loop)中环流的状态下，不需要来自外部的电流供给。 
以超导材料制成的闭合环路的电阻极小，能源损失微小，因而流通于闭合环路中的电流的衰减极小。因此，在如MRI及NMR那样要求检查空间具有高磁场稳定度的系统中，需要将以该超导材料制成的闭合环路的电阻抑制在容许值以下。 
具体而言，需要在100年内磁场的减少为1％以下，不仅需要超导线没有电阻，而且需将超导连接部的电阻抑制在1纳欧姆(nΩ)以下。在NbTi(铌钛)、Nb3Sn(铌三锡)金属类超导材料中，确立多条超导线相互结合这部分的连接方法，也能够包括接合部在内将闭合环路的电阻抑制在容许范围内。另一方面，在高温超导体中未建立接合部的超导连接，而难以抑制在包括高温超导体的闭合环路中尽可能在MRI及NMR中使用的电阻(参照非专利文献1)。 
在此，在能够进行持续电流模式下的运行的超导磁铁中，为了从外部的直流电源向超导线圈供给电流，需要用于切换持续电流模式与 电流供给模式的持续电流开关的切换。 
持续电流开关为以超导材料制成的元件。在电流供给模式下，将持续电流开关加热至超导临界温度以上，而成为正常导电状态。正常导电状态的持续电流开关的电阻大于超导线圈的电阻，因而自外部的直流电源供给的电流流入电阻小的超导线圈中。因此，通过操作外部的直流电源的电流值，能够决定流入超导电线圈的电流量决。在供给任意的电流量后，将持续电流开关冷却至超导临界温度以下而进行超导化时，完成以超导构成的闭合环路，流通于超导线圈中的电流的电阻为零，因此电流能够无衰减地持续流通。 
但是，在电流供给模式下，持续电流开关维持在超导临界温度以上，而成为用于对已冷却至超导临界温度以下的超导线圈加热的加热源。即，在电流供给模式下，持续电流开关作为热源，因此，持续电流开关的热量传播至超导线圈，施加于超导线圈上的热负荷变大，而作为超导线圈冷却源的超低温制冷机的到达温度上升。为此，降低了临界电流值，而只能产生低磁场。 
用于连结超导线圈与持续电流开关的超导线，其一部分也转变为正常导电状态时，已被常导电化的部分产生非偶发的电阻，利用通过该部分的电流而发热。用于产生强磁场而供给的电流量变大，因此，转变为常导电的部分上的发热量也变大，需要用于将其冷却的冷却体。 
在以液体氦冷却超导磁铁的情况下，超导线周围的液体氦成为冷却体，通过液体氦蒸发而释放出热量。但是，在具有未使用液体氦的超低温制冷机的冷却结构的超导磁铁中，超导线的周围处于真空状态下，因而如果不设置与冷却源进行热能接触的冷却体，则无法使超导线冷却。 
冷却体与超导线圈或持续电流开关一者、或者超导线圈和持续电流开关两者进行热能结合而被冷却。当冷却体出现与超导线圈或持续电流开关未接触的部分时，在该部分会产生很大发热量，因此通常以跨过超导线圈和持续电流开关两者的方式来设置冷却体。 
在电流供给模式下，冷却体从加热至超导临界温度以上的持续电流开关直接连接到冷却至超导临界温度以下的超导线圈，因此在经冷却体从持续电流开关向超导线圈传导的热传导维持超导线圈的超导状态这方面存在很大问题。 
在用于冷却连结超导线圈与持续电流开关的超导线的冷却体所需的冷却能力中，用于冷却超导线发热的能力占大部分，如果能够减小超导线的发热量，则可减小经冷却体传导至冷却源的热量，因而能够减小冷却体的传热面积。由此，在电流供给模式中能够减小从持续电流开关向超导线圈传导的热传导。 
因此，作为抑制持续电流开关与超导线圈之间的热传导的方法，提出了在持续电流开关与超导线圈之间安装由超导临界温度高于持续电流开关比的材料制成的超导体的方法。 
根据该结构，即使在持续电流开关被加热至超导临界温度以上的状态下，连结持续电流开关与超导线圈的高温超导体也能够保持在超导状态下，因此不产生热。 
另外，通过对高温超导体采用热传导率比铜小2位数左右的钇类超导体，来增大超导线圈与持续电流开关之间的热阻力。 
进而，通过对超导线圈使用高温超导体，而无论持续电流开关的动作如何也能够进行稳定的工作(参照专利文献1)。 
在先技术文献： 
专利文献1：日本特开2003-151821号公报 
非专利文献1：财团法人-国际超导产业技术研究中心著：《超导Web21》2009年1月号发行者：财团法人-国际超导产业技术研究中心超导Web21编辑局 
发明内容
但是，为了防止用于连接持续电流开关与超导线圈的超导线发热，需要用于将超导线的发热传导至冷却源的冷却体。 
但是，产生了从加热至超导临界温度以上的持续电流开关经由冷 却体传导至超导线圈的热传导，超导线圈的热负荷变大，因此超低温制冷机的冷却温度上升，超导线圈温度也上升。由此，出现了超导线圈的临界电流值减小而无法供给产生高磁场所需的电流的问题。 
如专利文献1所述那样，用于连结持续电流开关与超导线圈的超导线的材质使用超导临界温度高于持续电流开关的高温超导体，在抑制发热方面是有效的。 
但是，为了在超导线圈与持续电流开关之间安装高温超导体，需要至少2处的超导连接部。 
如上所述，高温超导体的超导连接部的电阻大于金属类超导的超导连接中的电阻，在将高温超导体连接到以超导材料构成的闭合环路中途的超导磁铁中，在持续电流模式中发生了非偶发的磁场衰减。因此，出现了超导磁铁无法在需要NMR和MRI那样的高磁场稳定度的设备中使用的问题。 
本发明鉴于上述实情，提供一种制冷机冷却型超导磁铁，其能够防止以持续电流模式工作时的磁场衰减，抑制持续电流开关与超导线圈之间的连结部处的发热，并将电流供给模式下的超导线圈冷却温度的上升抑制在最低限度。 
为了实现上述目的，本发明的第一技术方案所涉及的制冷机冷却型超导磁铁，具有：产生磁场的超导线圈；持续电流开关，其利用超导材料的超导临界温度对不从外部电源向所述超导线圈供给电流的持续电流模式、和从外部电源向所述超导线圈供给电流的电流供给模式进行切换；冷却所述超导线圈的第一超低温制冷机；用于冷却所述持续电流开关的第二超低温制冷机；以及在内部以真空状态收纳所述超导线圈、所述持续电流开关和所述第一、第二超低温制冷机的冷却台的真空容器，其特征在于，所述制冷机冷却型超导磁铁具有：连结所述超导线圈与所述持续电流开关的超导线；和与所述超导线并列地设置、且沿着长度方向与该超导线电耦合的至少一条超导旁通线，所述超导旁通线的超导临界温度高于所述持续电流开关的超导临界温度。 
发明效果 
根据本发明的第一技术方案所涉及的制冷机冷却型超导磁铁，能够实现一种制冷机冷却型超导磁铁，其能够防止以持续电流模式工作时的磁场衰减，抑制持续电流开关与超导线圈之间的连结部上的发热，并将电流供给模式下的超导线圈冷却温度的上升抑制在最低限度。 
附图说明
图1是表示本发明实施方式的制冷机冷却超导磁铁的结构的剖视图。 
图2是表示实施方式的制冷机冷却超导磁铁的电流供给模式下的电流电路和冷却结构的简略概念图。 
图3是表示实施方式的制冷机冷却超导磁铁的持续电流模式下的电流电路和冷却结构的简略概念图。 
图4是表示实施方式的超导线与超导旁通线之间的连接部的沿着图3中的A-A线的剖视图。 
图5是第一变形实施方式的超导线与超导旁通线之间的连接部的沿着图3中的A-A线的剖视图。 
图6是第二变形实施方式的超导线与超导旁通线之间的连接部的沿着图3中的A-A线的剖视图。 
图7是第三变形实施方式的超导线与超导旁通线之间的连接部的沿着图3中的A-A线的剖视图。 
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。 
图1是表示作为本发明代表性实施方式的制冷机冷却超导磁铁J的结构的剖视图。 
<制冷机冷却超导磁铁J的整体结构> 
实施方式的制冷机冷却超导磁铁J具有：供电流流通且产生磁力的 超导线圈2；用于向超导线圈2供给电流的外部直流电源100；用于将外部直流电源100与超导线圈2连结起来的电流导线9；切换从外部直流电源100向超导线圈2供给电流的电流供给模式与不供给电流的持续电流模式的持续电流开关1；将超导线圈2冷却至超导临界温度以下的超低温制冷机3；将持续电流开关1冷却至超导临界温度以下的超低温制冷机4；设置在冷却至超导临界温度以下的超导线圈2的周围的辐射屏蔽件7；设置在冷却至超导临界温度以下的持续电流开关1的周围的辐射屏蔽件8；以及以真空状态收容有超导线圈2、持续电流开关1和辐射屏蔽件7、8的真空容器10。 
以下，对制冷机冷却超导磁铁J的各部分的结构进行详细说明。 
<超导线圈2> 
图1所示的超导线圈2是通过将在预定的超导临界温度以下成为超导状态的超导线2c缠绕在线圈卷轴2b上而成。 
线圈卷轴2b与超导线2c之间设置有未图示的绝缘层而被电绝缘。各超导线2c相互间也设置有未图示的绝缘层而被电绝缘。 
确定超导线2c缠绕于线圈卷轴2b上的匝数，以使得在超导线圈2的超导线2c中流入预定的电流时，从超导线2c中产生预定强度的磁场。 
对于超导线圈2，分别制作成多个超导线圈2，由未图示的连结体将各超导线圈2相互连接起来。 
在超导线圈2中，也包含用于遮蔽向外部泄漏的磁场的未图示的屏蔽线圈。 
<持续电流开关1> 
如上所述，图1所示的持续电流开关1用于切换从外部直流电源100向超导线圈2供给电流的电流供给模式(参照图2)与不供给电流的持续电流模式(参照图3)的开关。 
具体而言，持续电流开关1是这样的开关，其利用超导线1c在超导临界温度以下的极小电阻和超导线1c在超导临界温度以上的正常态电阻不同来进行接通/切断。 
持续电流开关1构成为具有卷轴1b和缠绕于卷轴1b上的超导线1c。 在持续电流开关1中，将自中心处折返的二条超导线1c从折返部向相同的方向缠绕于卷轴1b上。将以上缠绕称为无感应缠绕，对于由流经超导线1c的电流产生的磁场，电流在两条超导线1c中逆向流动，因而具有使自两条超导线1c产生的磁场相互抵消的效果。 
需要持续电流开关1的各超导线1c彼此处于绝缘状态，其相互间设置有未图示的绝缘体。另外，卷轴1b与超导线1c之间也同样取为绝缘状态。 
持续电流开关1的超导线1c利用超低温制冷机4而被冷却至超导临界温度以下。在持续电流开关1的卷轴1b内内置有未图示的加热器，利用加热器的加热使超导线1c处于正常导电状态而增大电阻，使开关断开，另一方面，通过停止加热器的加热使超导线1c处于超导状态而使电阻为零，使开关接通。 
<超低温制冷机3、超低温制冷机4> 
图1所示的超导线圈2利用超低温制冷机3而被冷却至超导临界温度以下。 
如上述那样，持续电流开关1利用超低温制冷机4而被冷却至超导临界温度以下。 
超低温制冷机3和超低温制冷机4，例如是吉福德-麦克马洪循环型制冷机(Gifford-McMahon(GM)型制冷机)、斯特林型制冷机(Stirling型制冷机)或脉冲管型制冷机，密封于制冷机内部的气体使用了氦气。在超低温制冷机3和超低温制冷机4所受到的热负荷较大的情况下，也可以使用GM/JT(JT：Joule-Thomson，焦耳-汤姆逊)制冷机。 
超低温制冷机3和超低温制冷机4远离超导线圈2而设置，相距的距离是从超导线圈2产生的磁场不会对超低温制冷机3或超低温制冷机4的动作造成影响的距离。另外，有时也将上述两个超低温制冷机3、4距超导线圈2的间隔设置为超低温制冷机3或超低温制冷机4的动作不会扰乱超导线圈2所产生的主磁场这样的距离。 
在由超低温制冷机3和超低温制冷机4冷却到液体氦的液化温度(4.2K)的情况下，优选每一台制冷机使用具有两个冷却台的双极分级 型超低温制冷机。 
超低温制冷机3的第一台31和超低温制冷机4的第一台41的最低到达温度均为20K以上。 
使用超低温制冷机3的第一台31，作为设置于超导线圈2周围的辐射屏蔽件7的冷却源；使用超低温制冷机4的第一台41，作为设置于持续电流开关1周围的辐射屏蔽件8的冷却源。 
超低温制冷机3的第二台32以及超低温制冷机4的第二台42能够根据超低温制冷机的种类，分别冷却到液体氦的液化温度(4.2K)以下。 
图1所示的超导线圈2利用超低温制冷机3的第二台32来冷却。在位于超低温制冷机3的第二台32与超导线圈2之间的接触部32a上，设置用于减小超低温环境中的接触传热阻力的未图示的铟。铟在超低温区域中具有高热传导率，其为非常柔软的金属，因此，能够起到填埋接触部32a的间隙的效果，使接触面积增加并减小接触部32a的传热阻力，使热传递更加良好。 
持续电流开关1利用超低温制冷机4的第二台42来冷却。在超低温制冷机4的第二台42与持续电流开关1之间的接触部42a上设置有未图示的铟，以使接触面积增加，减小超低温环境中的接触部42a的传热阻力，使热传递更加良好。 
<辐射屏蔽件7、辐射屏蔽件8> 
为了使超导线2c的被冷却至超导临界温度以下的超导线圈2不会直接吸收来自处于室温下的真空容器10的辐射热量，而在超导线圈2的周围以覆盖超导线圈2的方式设置用于屏蔽超导线圈2的辐射屏蔽件7。 
同样，为了使超导线1c的被冷却至超导临界温度以下的持续电流开关1不会直接吸收来自处于室温下的真空容器10的辐射热量，而在持续电流开关1周围以覆盖持续电流开关1的方式设置用于屏蔽持续电流开关1的辐射屏蔽件8。 
此外，在辐射屏蔽件8中形成有导线传热部8a，该导线传热部8a供电流导线9接触着插入通过，以接收电流导线9的热量使其在超导时不会传导至超导线圈2。 
由于在冷却至绝对温度50K左右的辐射屏蔽件7、8分别设置在超导线圈2、持续电流开关1的周围的情况下，在冷却至超导临界温度以下的超导线圈2和持续电流开关1的周围存在50K的辐射屏蔽件7、8，因此超导线圈2和持续电流开关1分别受到了来自50K的辐射屏蔽件7和辐射屏蔽件8的辐射热量。 
辐射热量与绝对温度的4次方成正比。 
为此，通过在超导线圈2、持续电流开关1的周围设置例如50K的辐射屏蔽件7、8，从而对超导线圈2、持续电流开关1的辐射热量与50的4次方成比例，该辐射热量与在未设置有辐射屏蔽件7和辐射屏蔽件8时同来自300K的室温的300的4次方成正比的辐射热量相比，能够小到千分之一以下。 
另一方面，辐射屏蔽件7、8设置于真空中，受到了来自处于室温下的真空容器10的辐射热。 
为了减小辐射屏蔽件7以及辐射屏蔽件8受到的来自真空容器10的辐射热，而在辐射屏蔽件7、辐射屏蔽件8与真空容器10之间的真空层设置了未图示的层叠绝热部件。层叠绝热部件是通过使塑料膜的表面蒸镀金、铝而得的反射部件与用于不使各反射部件相互接触的绝热垫片交替重叠而成。绝热垫片使用例如网材或无纺布等。 
<电流导线9> 
流过图1所示的超导线圈2中的电流由设置于外部的外部直流电源100所供给。电流导线9、9分别连结到与外部电源100相连接的室温部9a、9a、以及冷却至超导临界温度以下的超导线圈2的超导线2c的一端和另一端。此外，在图1中，示出电流导线9与超导线圈2的一端相连接的状态，电流导线9与超导线圈2的另一个端相连接的部位位于无法目视到的部位，因而省略了图示。 
但是，从外部直流电源100经由电流导线9向超导线圈2供给电流时，电流导线9利用电阻而发热。 
电流导线一般使用电阻小的磷脱氧铜而制成，但磷脱氧铜的热传导率高，因而成为利用热传导通往辐射屏蔽件7内的超导线圈2的较大的 热侵入路径。特别是对于辐射屏蔽件7内的超导线圈2的热传导增大，当要使超导线圈2的温度达到超导状态的低温时会成为很大问题。 
因此，在制冷机冷却超导磁铁J中，为了减小来自电流导线9的热传导，电流导线9的室温端部91a与辐射屏蔽件8的导线传热部8a之间的导线高温部91以磷脱氧铜制作，位于电流导线9的辐射屏蔽件8的导线传热部8a与超导线圈2之间的导线低温部92使用在辐射屏蔽件8的冷却温度下成为超导状态的材料、例如钇类超导体来制成。 
钇类超导体的热传导率与铜相比低2位数左右，能够减小经由导线低温部92传导给超导线圈2的热传导。 
电流导线9的导线高温部91的低温端部91b以及电流导线9的导线低温部92的高温端部92a，由用于冷却持续电流开关1的超低温制冷机4的第一台41经由辐射屏蔽件8的导线传热部8a进行热传导而冷却。 
在将电流从图1所示的外部直流电源100经由电流导线9流入超导线圈2时，在电流导线9的导线高温部91中利用导线高温部91的电阻而发热。 
电流导线9的导线高温部91的发热，利用经由导线传热部8a的热传导，而传导给用于冷却持续电流开关1的超低温制冷机4的第一台41，超低温制冷机4的第一台41的温度上升。在供给电流时，持续电流开关1的温度处于持续电流开关1的超导线1c的超导临界温度以上，因而超低温制冷机4的第一台41的温度上升也没有问题。 
另一方面，用于将超导线圈2冷却的超低温制冷机3的第一台31，由于避免了其与电流导线9的连结，因而伴随着经由电流导线9向超导线圈2供给电流而产生的发热不发生热传导。另外，虽然电流导线9的导线低温部92与超导线圈2相连接，但由于电流导线9的导线低温部92由高温超导体制成，因此即使通电，其电阻也为零而不会发热。 
因此，超低温制冷机3的第二台32以及超导线圈2的温度保持稳定。 
<电流供给模式> 
接着，使用图2，说明从图1所示的制冷机冷却超导磁铁J中的外 部直流电源100向超导线圈2供给电流的电流供给模式。 
图2是表示制冷机冷却超导磁铁J的电流供给模式下的电流电路以及冷却结构的简略概念图。 
在电流供给模式中，持续电流开关1被加热至超导线1c(参照图1)的超导临界温度以上。 
这样，持续电流开关1使用内置于卷轴1b中的加热器(未图示)来加热，而暂时停止超低温制冷机4(参照图1)，由此，持续电流开关1的温度上升至超导临界温度以上时，超导线1c从超导状态变成正常导电状态，而具有有效的电阻。 
此时，超导线圈2被超低温制冷机3的第二冷却台32(参照图1)冷却至超导临界温度以下，因而超导线圈2处于超导状态下，其电阻极小。因此，从外部直流电源100供给的电流不流入持续电流开关1的具有有效电阻的超导线1c中，而流入电阻极小的超导线圈2中，通过调整由外部直流电源100供给的电流量，能够控制流过超导线圈2的电流量。这样，如图2所示，在电流供给模式中，持续电流开关1相当于处于切断状态。 
<持续电流模式> 
接着，使用图3说明未从图1所示的制冷机冷却超导磁铁J的外部直流电源100向超导线圈2供给电流的持续电流模式。 
图3是表示制冷机冷却超导磁铁J的持续电流模式下的电流电路以及冷却结构的简略概念图。 
在电流供给模式(参照图2)中确认向超导线圈2流入预定的电流后，将持续电流开关1冷却至超导线1c的超导临界温度以下。此时，持续电流开关1的超导线1c从正常导电状态变成超导状态，电阻变得极小。 
在持续电流开关1变成超导状态时，如图3所示，包括超导线圈2和持续电流开关1在内的超导材料形成闭合电路。这样，从外部直流电源100供给的电流，沿由超导材料形成的超导线圈2、持续电流开关1等的闭合电路持续环流，而形成持续电流模式下的运转状态。 
这样，形成超导线圈2、持续电流开关1等的闭合电路时，如图3 所示，将外部直流电源100与超导线圈2、持续电流开关1等闭合电路之间的连接被物理性切断，停止自外部直流电源100向超导线圈2的电流供给。 
<电流供给模式下的从持续电流开关1到超导线圈2的热传导> 
在图2所示的电流供给模式中，共同存在被加热至超导线1c的超导临界温度以上而处于正常导电状态的持续电流开关1；和冷却至超导临界温度以下的超导线圈2。此时，从温度高的正常导电状态的持续电流开关1到温度低的超导状态的超导线圈2发生热传导。 
从用于将持续电流开关1与超导线圈2连结起来的超导线5传向超导线圈2的热传导，成为对温度低的超导状态的超导线圈2的热负荷。 
以往，用于将持续电流开关1与超导线圈2连结起来的超导线5做成为将以超导材料制成的多个长丝置入铜筒中延伸而成的结构，考虑到热传导由铜筒部分产生。 
如果超导线5的直径为1mm，连结部长度为50mm，持续电流开关1与超导线圈2之间的温度差为10K，则铜的热传导率为400W/(m·K)，利用(截面积/长度)×热传导率×温度差的运算式，计算从持续电流开关1经由超导线5传至超导线圈2的热传导时，可知每一条超导线(5)具有0.063W的热传导。 
另一方面，假定超导线5的电阻率为铜的电阻率，则在常导电化时产生的发热量使用1.68×10-8Ωm来计算。根据超导线5的直径(1mm)和长度(50mm)，利用(长度/截面积)×电阻率的运算式计算出超导线5的电阻为约0.0011Ω。 
在额定300安培的情况下，10％的电流(30安培)流入持续电流开关1侧时，超导线5中的发热量约为1W。在直径1mm且长度50mm的超导线5中产生1W发热的情况下，考虑到在超导线5中连结部的截面积不足，连结部的超导线5的温度上升会造成烧损。 
为了防止这个问题的发生，以往使由铜制成的未图示的冷却体沿着超导线5而设置，超导线5中产生的发热通过冷却体传导至作为冷却源的持续电流开关1。但是，在该情况下，连结部的整个超导线5具有与 持续电流开关1相同的温度，超导线5传导热传导距离反而变短，超导线圈2的热传导增加，产生超导线圈2的温度上升的现象。 
<超导旁通线6> 
因此，在本实施方式中，去除了位于现有的制冷机冷却型超导磁铁上的冷却体，而与此相应地如图1～图4所示，与超导线5并列地设置有超导旁通线6。此外，图4是表示实施方式的超导线5和超导旁通线6的连接部的沿着图3的A-A线的剖视图。 
如图4所示，超导线5具有以超导材料制成的多个长丝5f和设于多个长丝5f周围的截面圆形状的铜等的覆盖材料5d。 
超导线5经由导电性的铅等超传导材料的连结部5r与超导旁通线6电耦合。超导线5使用截面圆形状的铜等覆盖材料5d，由此使涡流损耗在覆盖材料5d中产生，而抑制了在长丝5f中产生涡流损耗，提高了能源效率。 
超导旁通线6具有以超导材料制成的多个长丝6f和设于多个长丝6f周围的截面圆形状的铜等的覆盖材料6d。通过使用截面圆形的铜等的覆盖材料6d，抑制在长丝5f中产生涡流损耗，提高了能源效率。 
该超导旁通线6的长丝6f采用了超导临界温度高于持续电流开关1所使用的超导线1c的材料。例如，在持续电流开关1为NbTi(铌钛：超导临界温度10K)的情况下，通过在超导旁通线6的长丝6f中采用MgB2(二硼化镁：超导临界温度39K)，即使持续电流开关1处于正常导电状态下，超导临界温度高的超导旁通线6也能够维持超导状态。 
持续电流开关1的超导线1c与超导旁通线6的长丝6f的超导材料的组合并不仅限于NbTi和MgB2。如果满足使超导旁通线6的长丝6f的超导临界温度高于持续电流开关1的超导线1c的超导临界温度的条件，则利用超导临界温度不同的各种材料，能够适用各种组合。 
例如，在整个超导旁通线6使用作为高温超导体之一的钇类超导体的情况下，钇类超导体的热传导率为约7W/(m·K)，与铜相比小2位数，如图1所示，利用超导旁通线6的设置，能够将从持续电流开关1作用到超导线圈2上的热负荷大部分抑制为仅仅是必不可少的来自超导 线5的热传导。 
对于超导旁通线6在辐射屏蔽件7内的长度以及在辐射屏蔽件8内的长度，在考虑到超导旁通线6的冷却效率等的基础上作适当决定。 
持续电流开关1加热至超导线1c的超导临界温度以上，而成为正常导电状态，利用持续电流开关1的超导线1c的电阻产生热量。利用该持续电流开关1的热量，使用于将持续电流开关1与超导线圈2连结起来的超导线5的温度上升，在超导线5的一部分成为常导电化的情况下，超导线5的常导电部产生有效的电阻。 
但是，由于与用于连结持续电流开关1与超导线圈2的超导线5并列地进行电耦合设置的超导旁通线6在超导状态下电阻极小，因此流经超导线5的电流不会转流到电阻小的超导旁通线6一侧。 
由此，在超导线5的已转变为常导电的部分未流过电流，因而超导线5达到超导临界温度以上也不会发热。 
在超导旁通线6的直径等于用于连结持续电流开关1和超导线圈2的超导线5直径的情况下，假定持续电流开关1与超导线圈2的温度差为10K，则每条超导旁通线6中发生0.063W的热量侵入。 
另一方面，在超导线5以Q＝1W发热的情况下，为了将超导线5中发热的热量Q(＝1W)经冷却体传导至冷却源，设冷却体的热传导率λ＝400W/(m·K)，温度差ΔT＝10K进行计算，则存在如下的关系式： 
A/L＝Q/λ/ΔT＝0.00025(m2/m)(1) 
式中，A：冷却体的传热面积 
L：冷却体的连结部长度 
在式子(1)中，当冷却体的连结部长度为50mm时，传导热量所需的冷却体的传热面积A为12.5mm2。该冷却体的面积相当于直径1mm的超导线的截面积(0.785mm2)的大约16倍。 
通过设置超导旁通线6而抑制超导线5的发热，也就是使超导线5的发热量Q＝0，则不需要面积相当于直径1mm的超导线的截面积(0.785mm2)的大约16倍的冷却体。这是因为，定量性证实了通过设置超导旁通线6，能够大大降低从持续电流开关1作用到超导线圈2上 的热负荷。 
在超导线5和超导旁通线6所并列配置的整个并列区间，图1所示的超导线5和超导旁通线6，经由图4所示的导电性的铅等超传导材料的连结部5r，而相互进行电气接触。即，在超导线5和超导旁通线6在其并列配置的整个并列区间，经由超传导材料的连结部5r，而相互进行电耦合。 
超导线5和超导旁通线6通常具有如图4所示的圆形截面，且适于如下所示的第一至第三变形实施方式的超导线5和超导旁通线6。 
<第一变形实施方式的超导线5与超导旁通线6间的连接> 
接着，使用图5，对第一变形实施方式的超导线5与超导旁通线6间的连接进行说明。 
图5是第一变形实施方式的超导线5与超导旁通线6的连接部处的沿着图3中的A-A线的剖视图。 
如图5所示，第一变形实施方式的超导线5和超导旁通线6分别形成为矩形截面，经超导线5的连接部s1和超导旁通线6的连接部s2，使超导线5与超导旁通线6直接接触而相互电耦合。 
详细地说，第一变形实施方式的超导线5，具有以超导材料制成的多个长丝5f1和覆盖多个长丝5f1的矩形截面的铜等的覆盖材料5d1。 
第一变形实施方式的超导旁通线6，具有以超导材料制成的多个长丝6f1和覆盖多个长丝6f1的截面矩形的铜等的覆盖材料6d1。 
并且，使矩形截面的超导线5与矩形截面的超导旁通线6经连接部s1、s2直接相互接触而电耦合起来。 
这样，超导线5和超导旁通线6分别形成为矩形截面，经形成有一条边的连接部s1、s2，使该超导线5与超导旁通线6进行电耦合，由此与上述实施方式相比，能够增大超导线5与超导旁通线6之间的接触面积。由此，能够减小超导线5与超导旁通线6之间的连接部s1、s2的电阻。 
此外，在第一变形实施方式中，例示说明了超导线5和超导旁通线6分别被设为矩形截面的情况，但也可以构成为将其设为三角形截面， 五边形截面等任意的多边形截面，且以多边形截面的一边、即超导线5和超导旁通线6各自的一侧平面来相互接合。 
另外，在第一变形实施方式中，将超导线5和超导旁通线6设成多边形截面，并例示说明了正方形截面的情况，但也可以设成非正多边形截面的简单多边形的截面。 
另外，如果超导线5与超导旁通线6经由各自的一侧面沿着并列长度方向而相互电耦合，则超导线5的截面与超导旁通线6的截面可以不是相同的多边形。此外，能够适用各种多边形，但优选使超导线5与超导旁通线6的接触面积(结合面积)增大的多边形。 
<第二变形实施方式的超导线5与超导旁通线6的连接> 
接着，使用图6，对第二变形实施方式的超导线5与超导旁通线6间的连接进行说明。 
图6是第二变形实施方式的超导线5与超导旁通线6的连接部的沿着图3中的A-A线的剖视图。 
如图6所示，第二变形实施方式的超导线5和超导旁通线6仅仅是通过将彼此的接触部位(连接部s3、s4)加工为平面而形成。 
第二变形实施方式的超导线5具有：以超导材料制成的多个长丝5f2和铜等的覆盖材料5d2，该覆盖材料5d2位于多个长丝5f2的周围且除去平面状的连接部s3(在图6中以直线图示)具备圆形截面。 
超导旁通线6具有：以超导材料制成的多个长丝6f2和铜等的覆盖材料6d2，该覆盖材料6d2位于多个长丝6f2的周围且除去平面状的连接部s4(在图6中以直线图示)具备圆形截面。 
这样，通过对超导线5的侧表面的一部分和超导旁通线6的侧表面的一部分进行加工，而形成直接相互接触的连接部s3、s4。 
并且，对于超导线5与超导旁通线6，在超导线5的连接部s3和超导旁通线6的连接部s4直接接触接合且相互电耦合，在连接部s3、连接部s4的周围设置有具有导电性的铅等超导材料制成的连结部5r2。 
根据第二变形实施方式的超导线5和超导旁通线6，通过仅仅将接触部位(连接部s3、s4)加工成平面而增大了接触面积，有效地减小了 超导线5与超导旁通线6间的接触部位(连接部s3、s4)的电阻。 
此外，也可以如图6的双点划线表示那样，构成为使由超导线5的表面一部分加工而成的连接部s5与超导旁通线6的连接部s6直接接触。或者，反之也可以构成为使由超导旁通线6的表面一部分加工而成的连接部(未图示)与超导线5的连接部(未图示)直接接触。 
<第三变形实施方式的超导线5与超导旁通线6的连接> 
接着，使用图7，对第三变形实施方式的超导线5与超导旁通线6间的连接进行说明。 
图7是第三变形实施方式的超导线5与超导旁通线6的连接部的沿着图3的A-A线的剖视图。 
如图7所示，对于第三变形实施方式的超导线5和超导旁通线6，在超导线5的周围设置多条细小的超导旁通线6。 
第三变形实施方式的超导线5具有：以超导材料制成的多个长丝5f3；和设于多个长丝5f3周围且具有大致圆形截面的铜等的覆盖材料5d3。 
超导旁通线6设有多个，且形成为具有以超导材料制成的一条长丝6f3和覆盖长丝6f3的具备圆形截面的铜等的覆盖材料6d3这种形状。 
超导线5与多个超导旁通线6利用超导线5的连接部s7和多个超导旁通线6的连接部s8而直接接触且相互电耦合。 
并且，多条超导旁通线6，以与超导线5的具有大致圆形截面的铜等的覆盖材料5d3接触的方式，设置有由具有导电性的铅等超导材构成的连结部5r3。 
随着第三变形实施方式的超导线5与超导旁通线6的连接，缩短了超导线5与多条超导旁通线6的距离，并且增大了超导线5与超导旁通线6的接触面积，从而能够减小超导线5与超导旁通线6的接触部(连接部s7、s8)的电阻。 
此外，用于使超导线5与超导旁通线6直接接触的连接部s3、s4、s5(第二变形实施方式)、连接部s7(第三变形实施方式)，也可以采用加工以外的模具成形等方法形成。 
<持续电流开关1与超导线圈2的连结部(超导线5、超导旁通线6)的结构> 
如图1所示，将超导旁通线6设置为，使其不仅与持续电流开关1以及超导线圈2间的连结部的超导线5接触，而且与持续电流开关1的超导线1c的一部分以及超导线圈2的一部分接触，且在接触部中使持续电流开关1的超导线1c以及超导线圈2与超导旁通线6可靠地接合。由此，能够利用超低温制冷机4、超低温制冷机3可靠地冷却超导旁通线6。 
在图2所示的电流供给模式中，分别从超导线5和超导旁通线6发生热传导，但不会随着电流供给而发热，因而能够将超导线圈2抑制为最低限的温度上升。 
此时，超导旁通线6与持续电流开关1之间必须设置为绝缘状态。具体而言，在超导旁通线6与持续电流开关1之间设置KAPTON胶带等绝缘体来成为绝缘状态。超导旁通线6与超导线圈2之间也同样必须成为绝缘状态，因此，同样，在超导旁通线6与超导线圈2之间设置KAPTON胶带等绝缘体，以成为绝缘状态。 
在持续电流开关1与超导线圈2的连结部、即用于将超导线5与超导旁通线6并联电耦合的部分，利用由未图示的低热传导率的材料制成的支承体来固定，从而使连结部的超导线5与超导旁通线6不会活动。 
<<作用效果>> 
根据上述构成，与用于连结持续电流开关1与超导线圈2的超导线5并列地设置有超导临界温度高于超导线5的超导旁通线6，超导线5和超导旁通线6并列沿着长度方向进行电耦合。 
这样，通过在持续电流开关1与超导线圈2的连结部的超导线5的周围设置有超导临界温度高于持续电流开关1的超导旁通线6，减少了从持续电流开关1移向超导线圈2的热移动。 
由此，以较小加热量也会使持续电流开关1的温度上升，能够减小持续电流开关1的加热器的加热量。 
另外，由于减小了对超导线圈2的热负荷，因此，在处于将持续电 流开关1加热至超导临界温度以上而成为正常导电状态下的电流供给模式中，能够使超导线圈2的温度低温化，并且提高供给至超导线圈2的电流量。由此，能够使制冷机冷却超导磁铁J中的发生磁场强度变得高磁场化。 
另外，在电流供给模式中，即使用于连结超导线圈2与持续电流开关1的超导线5处于正常导电状态下，将超导线5的周围的超导旁通线6也保持在超导状态下，且沿超导线5流通的电流转流到电阻小的超导旁通线6中。 
因此，能够抑制用于连结持续电流开关1与超导线圈2的超导线5的正常导电部上的发热。 
另外，在从自外部直流电源100供给电流的电流供给模式向不供给电流的持续电流模式转移时，持续电流在由超导线圈2和持续电流开关1形成的闭合环路中流通。此时，持续电流开关1与超导线圈2的连结部的超导线5和超导旁通线6两者均被冷却至超导临界温度以下。在该状态下，超导线5与超导旁通线6的接合部(连结部5r(参照图4))的电阻大于超导线5的电阻，持续电流不流到超导旁通线6中，而在超导线5一侧中流过(参照图3)。 
即，在持续电流模式中，电流流过电阻小于超导旁通线6的超导线5，因此闭合环路的电阻能够成为与现有的超导磁铁相同的电平，能够防止在持续电流模式中出现磁场衰减。 
以超导材料形成的闭合环路与现有的核磁共振(NMR)和磁共振图象(MRI)设备中所使用的闭合环路相同，能够将持续电流的衰减抑制为NMR或MRI的计量上无问题的电平。 
通过使用用于冷却持续电流开关1的超低温制冷机4和用于冷却超导线圈2的超低温制冷机3这两台超低温制冷机，用于将持续电流开关1从超导状态切换至正常导电状态而附加的持续电流开关1的加热器输入，成为用于冷却持续电流开关1的超低温制冷机4的热负荷，但不作为直接热负荷而作用到用于冷却超导线圈2的超低温制冷机3上。由于持续电流开关1的温度上升，因此增加了从持续电流开关1传导至超导线圈2的热传导；但与加热器输入相比相差不大，因此，通过采用本结构，能够使超导线圈2的温度变为低温且趋于稳定。 
此外，在上述实施方式中，如图4～图7所示，例示说明了超导线5和超导旁通线6分别由超导材料的长丝和铜等覆盖材料形成的情况，但图4～图7所示的超导线5和超导旁通线6也可以分别全部由超导材料的长丝形成。或者，也可以使图4～图7所示的超导线5和超导旁通线6拧合多条超导材料的长丝线形成。 
另外，在上述实施方式中，例示说明了在将加热器内置于持续电流开关1内的情况，但也可以构成为将加热器附加在超低温制冷机4上来施加热负荷的结构，如果由加热器对持续电流开关1进行加热，则不限定加热器的位置。 
此外，在上述实施方式，第一、第二、第三变形实施方式中，例示说明了超导旁通线6设为一条的情况，但也能够设为二条以上等多条，构成为与上述实施方式(参照图4)以及第一、第二、第三变形实施方式(参照图5～图7)同样的结构。 
附图标记说明 
1持续电流开关 
2超导线圈 
3超低温制冷机(第一超低温制冷机) 
4超低温制冷机(第二超低温制冷机) 
5超导线 
6超导旁通线 
7辐射屏蔽件(第一屏蔽件) 
8辐射屏蔽件(第二屏蔽件) 
9电流导线 
10真空容器 
31(超低温制冷机3的)第一冷却台(冷却台) 
32(超低温制冷机3的)第二冷却台(冷却台) 
41(超低温制冷机4的)第一冷却台(冷却台) 
42(超低温制冷机4的)第二冷却台(冷却台) 
92导线低温部(第一电流引导部) 
100外部直流电源 
s1、s2连接部(平面、一侧平面，接触部) 
s3、s4连接部(平面，接触部) 
s5、s6、s7、s8连接部(曲面，接触部) 
J  制冷机冷却超导磁铁(制冷机冷却型超导磁铁) 

Claims (9)

1.一种制冷机冷却型超导磁铁，具有：产生磁场的超导线圈；持续电流开关，其利用超导材料的超导临界温度对不从外部电源向所述超导线圈供给电流的持续电流模式、和从外部电源向所述超导线圈供给电流的电流供给模式进行切换；冷却所述超导线圈的第一超低温制冷机；用于冷却所述持续电流开关的第二超低温制冷机；以及在内部以真空状态收纳所述超导线圈、所述持续电流开关和所述第一、第二超低温制冷机的冷却台的真空容器，其特征在于，
所述制冷机冷却型超导磁铁具有：
连结所述超导线圈与所述持续电流开关的超导线；和
与所述超导线并列地设置、且沿着长度方向与该超导线电耦合的至少一条超导旁通线，
所述超导旁通线的超导临界温度高于所述持续电流开关的超导临界温度。
2.根据权利要求1所述的制冷机冷却型超导磁铁，其特征在于，
所述超导线圈和所述持续电流开关由金属类超导材料构成，
所述超导旁通线是超导临界温度高于所述超导线圈和所述持续电流开关的超导临界温度的高温超导体。
3.根据权利要求1所述的制冷机冷却型超导磁铁，其特征在于，
所述超导旁通线与所述超导线经各自的平面或各自的曲面而相互并列地沿着长度方向电耦合。
4.根据权利要求3所述的制冷机冷却型超导磁铁，其特征在于，
所述超导旁通线的截面为多边形，
所述超导线的截面为多边形，
所述超导旁通线与所述超导线经各自的一侧平面并列地沿着长度方向电耦合。
5.根据权利要求1所述的制冷机冷却型超导磁铁，其特征在于，
所述超导旁通线为多条。
6.根据权利要求1所述的制冷机冷却型超导磁铁，其特征在于，
具有所述超导线和所述超导旁通线直接接触的接触部。
7.根据权利要求6所述的制冷机冷却型超导磁铁，其特征在于，
所述接触部是由所述超导旁通线和所述超导线中的一者、或者所述超导旁通线和所述超导线这两者的表面的一部分加工而形成的。
8.根据权利要求1所述的制冷机冷却型超导磁铁，其特征在于，
具有：
第一屏蔽件，其覆盖所述超导线圈地形成，屏蔽对所述超导线圈的辐射热；和
第二屏蔽件，其与该第一屏蔽件独立，并覆盖所述持续电流开关地形成，屏蔽对所述持续电流开关的辐射热。
9.根据权利要求8所述的制冷机冷却型超导磁铁，其特征在于，
用于从外部电源向所述超导线圈供给电流的电流导线具有第一电流导线部，该第一电流导线部位于从与所述第二屏蔽件的一部分连结的连结部位至所述超导线圈之间，并在所述超导线圈处于超导状态时的所述第二屏蔽件的冷却温度下成为超导状态。
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