JP2005032861A - 超電導マグネット装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱電能材に温度差を生じさせて熱起電力を発生させ、これを電源として超電導コイルに電流を流す超電導マグネット装置において、熱電能材に起因する超電導コイルへの侵入熱を低減してシステム効率を高める。
【解決手段】超電導転移温度以下に冷却された超電導コイル２の両端部間には、熱電能が異なる２種以上の物質からなる少なくとも一対の熱電能部５、６が直列に接続されている。これら一対の熱電能部５、６のうち、少なくとも一方は超電導状態の超電導体を有している。一対の熱電能部５、６の接続部分は超電導コイル２の温度より高い温度に設定されており、常電導状態の熱電能部６の両端部に温度差を生じさせる構成を有している。
【選択図】 図１
【解決手段】超電導転移温度以下に冷却された超電導コイル２の両端部間には、熱電能が異なる２種以上の物質からなる少なくとも一対の熱電能部５、６が直列に接続されている。これら一対の熱電能部５、６のうち、少なくとも一方は超電導状態の超電導体を有している。一対の熱電能部５、６の接続部分は超電導コイル２の温度より高い温度に設定されており、常電導状態の熱電能部６の両端部に温度差を生じさせる構成を有している。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導コイルの電源として熱電素子を利用した冷却励磁型の超電導マグネット装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導マグネット装置は、一般に極低温に冷却された超電導コイルと常温空間に配置された電源とこれらを接続する電流リードとから構成されている。通常、超電導コイルはより強力な磁場が必要な際に用いられる。この理由は言うまでもなく、ジュール発熱を伴わずに大電流（１００Ａ〜１００ｋＡ）を流すことができるためであり、常電導コイルを用いたマグネット装置に比べて、より強力な磁場を発生させることができる。
【０００３】
このように、従来の超電導マグネット装置は、強力な磁場を発生させることができる反面、電源負荷は抵抗がゼロの超電導コイルではなく、電源や電流リードなどを含めた常温部の電気回路に依存するため、超電導コイルに比べて電源や電流リード（ケーブル）などを大型化する必要がある。また、そのような常温部の電気回路に基づく損失を減らすための設備は、実際に電源がする仕事に比べて非常に大きな装置となる上、電源制御用の半導体素子の冷却や制御のためにさらに電力が必要となるというような欠点を有している。
【０００４】
さらに、超電導コイルにはある電流値以上の電流が流せないしきい値（臨界電流）が存在する。例えば、電源制御が失敗した場合、すなわち定格電流以上の電流値を流しつづけた場合、超電導コイルは焼損してしまう。また、定格電流値で運転していた場合であっても、何らかの擾乱で超電導コイルが常電導転移することがある。このような場合もその事態を素早く検出して電流を下げる必要がある。これらの対策として、超電導コイルの異常を検出する装置、例えばクエンチ検出器などを設置し、その信号を元にして電源制御を行うことによって、超電導コイルの焼損を防いでいる。
【０００５】
上述したように、従来の超電導マグネット装置は、電源装置やケーブルなどが大型化して不経済である、飛行機や宇宙船などのように重量や容積に制限がある場合には設置することが困難である、超電導コイルがクエンチした際の検出に失敗するとコイルが焼損してしまう、というような欠点を有している。このような点に対して、特許文献１には一対の熱電素子（熱電能が異なる熱電能材の組合せ）を超電導コイルの両端子間に直列に接続し、一対の熱電素子間を接続する接続部（高温部）と超電導コイル（低温部）との温度差を利用して起電力を生じさせ、この小さな起電力で抵抗がゼロの超電導コイルに電流を流すことを可能にした超電導マグネット装置が記載されている。
【０００６】
このような超電導マグネット装置によれば、特別な大型電源などを用いることなく超電導マグネットを励磁することができる。すなわち、装置の大幅な小型化を達成することが可能となる。さらに、超電導コイルが常温に戻るか、あるいは熱電素子の接続部（高温部）と超電導コイル（低温部）とが等しい温度になれば、超電導コイルに電流が流れなくなって減磁されるため、非常に単純なシステムを構築することができる。すなわち、超電導コイルがクエンチした際に発生する電圧で自動的に減磁されるため、特別な異常検出装置や安全装置などを必要とせず、この点からも装置の小型化や簡素化を図ることができる。
【０００７】
ところで、熱電素子を電源として利用した超電導マグネット装置においては、熱起電力を効率よく得る上で、一対の熱電素子間の接続部を超電導コイルに比べて高温にする必要がある。従って、一対の熱電素子の各高温側端部も同様な温度となる。この熱電素子の高温端と低温端の温度差による伝導熱が超電導コイルへの侵入熱となる。また、抵抗ゼロの超電導コイルに流れる電流は、熱電素子による起電力とその内部抵抗に基づくものであるため、熱電素子自体はその内部抵抗でジュール発熱を生じ、これも超電導コイルへの侵入熱となる。このような超電導コイルへの侵入熱の増加は、冷却効率の低下などをもたらすことになる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１５５９１７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の熱電素子（熱電対やペルチェ素子など）を電源として使用した超電導マグネット装置は、超電導コイルの冷却システムによって生成される温度差を利用して発電しているため、装置の大幅な小型化が可能であると共に安全性に優れる反面、一対の熱電素子に起因して超電導コイルへの侵入熱が増加するおそれがあり、この熱侵入の点に改良の余地を残している。
【００１０】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、特別な電源や異常検出装置などを不要として、装置の小型化を実現すると共に安全性を確保し、さらに超電導コイルへの侵入熱を低減してシステム効率を高めることを可能にした超電導マグネット装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の超電導マグネット装置は、請求項１に記載したように、超電導転移温度以下に冷却された超電導コイルと、前記超電導コイルの両端部間に直列に接続され、かつ熱電能が異なる２種以上の物質からなる少なくとも一対の熱電能部と、前記一対の熱電能部間を接続する部分に設けられ、前記超電導コイルの温度より高い温度に設定された熱負荷部とを具備し、前記一対の熱電能部の少なくとも一方が超電導体を有することを特徴としている。
【００１２】
本発明の超電導マグネット装置において、一対の熱電能部の具体的な組合せとしては、例えば請求項２に記載したように、少なくとも一部が超電導状態の超電導体と常電導状態の熱電能材との組合せが挙げられる。また、請求項８に記載したように、臨界温度または組成が異なる２種以上の超電導体の組合せを有し、かつ超電導体の一方または一部が常電導状態とされている構成を適用することも可能である。これらの構成によれば、常電導状態の熱電能材（常電導状態の超電導体を含む）に基づいて熱起電力を発生させることができる。
【００１３】
本発明の超電導マグネット装置においては、常電導状態の熱電能部の両端部に超電導コイルと熱負荷部の温度に基づく温度差を生じさせているため、ゼーベック効果によって熱起電力を得ることができる。一対の熱電能部は少なくとも一方もしくは一部が常電導状態とされているため、その部分の抵抗値に基づいて抵抗ゼロの超電導コイルに電流を流すことができる。その上で、一対の熱電能部の少なくとも一方は超電導状態の超電導体を有しているため、この超電導体からなる熱電能部自体で超電導コイルへの熱侵入を低減することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態による超電導マグネット装置の概略構成を説明する図である。図１に示す超電導マグネット装置１は、超電導コイル２を有している。超電導コイル２は冷却手段３で超電導転移温度以下の温度に冷却されており、これにより超電導マグネットとしての機能が発揮される。
【００１５】
超電導コイル２は、使用した超電導体の超電導転移温度に応じて、例えば単段式もしくは多段式冷凍機の低温側ステージなどの冷却手段３により超電導転移温度以下の温度に冷却される。また、超電導コイル２の冷却は、使用した超電導体の超電導転移温度に応じて、液体ヘリウム、超臨界ヘリウム、液体水素、液体ネオン、液体窒素などの冷媒を用いて実施してもよい。
【００１６】
超電導転移温度以下に冷却された超電導コイル２の両端子２ａ、２ｂ間は、リード部材４により電気的に接続されている。そして、このリード部材４中には、熱電能が異なる２種以上の物質からなる少なくとも一対の熱電能部が直列に接続されている。なお、熱電能とはある物質において１Ｋの温度差で発生する熱起電力（μＶ）の値を示すものである。
【００１７】
ここでは、超電導状態の超電導体からなる第１の熱電能部５と常電導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部６とを直列に接続し、これら第１および第２の熱電能部５、６を介して超電導コイル２の両端子２ａ、２ｂ間を電気的に接続している。超電導体からなる第１の熱電能部５はその一部を超電導状態として使用することもできる。すなわち、超電導体の一部が常電導状態となっていてもよい。
【００１８】
第１の熱電能部５を構成する超電導体としては、例えばＹＢＣＯ系、Ｂｉ−２１２２系、Ｂｉ−２２２３系などの高温超電導体を適用することが好ましい。これら各高温超電導体には公知の組成を有する超電導体を使用することができる、また、ＹＢＣＯ系、Ｂｉ−２１２２系、Ｂｉ−２２２３系以外の高温超電導体、すなわちＹＢＣＯ系のＹを他の希土類元素に置き換えた系や他の組成系の酸化物超電導体など、液体窒素温度で超電導状態を示す各種高温超電導体を、第１の熱電能部５に適用することが可能である。
【００１９】
また、第２の熱電能部６は熱電能が大きい熱電能材、例えば銅、鉄、クロメル、コンスタンタン、ニクロムなどの金属材料、あるいはＢｉ−Ｔｅ系、Ｐｂ−Ｔｅ系などの熱電半導体を使用することが好ましい。また、超電導コイル２は強磁場を発生するため、磁場中での熱起電力の増加を伴うＢｉ−Ｓｂ系熱電半導体などの材料も、第２の熱電能部６の構成材料として有効である。
【００２０】
これら第１および第２の熱電能部５、６の一方の端部は、超電導コイル２の両端子２ａ、２ｂに接続されており、これら端部は低温端とされている。第１および第２の熱電能部５、６の他方の端部はリード部材４で接続されている。この第１の熱電能部５と第２の熱電能部６とを接続する部分７は、超電導コイル２の温度より高い温度に設定されている。すなわち、第１の熱電能部５と第２の熱電能部６との接続部分７は熱負荷部として機能する。このような熱負荷部７によって、第１および第２の熱電能部５、６の接続側端部は高温端とされている。なお、第１の熱電能部５全体を超電導状態としている場合には、高温端と低温端は第２の熱電能部６のみに生じるものである。
【００２１】
熱負荷部７の熱負荷は冷却手段３によって奪われるが、これによって第２の熱電能部６の両端部に（場合によっては第１の熱電能部５の両端部にも）温度差を与えることができる。熱負荷部７は、例えば室温雰囲気中に直接配置したり、また常温部からの伝導熱や輻射熱などによって、超電導コイル２の温度より高い温度に維持することができる。また、熱負荷部７の近傍にジュール発熱を生じるヒータ、熱伝導部材、高温ヒートシンクなどの熱印加部８を配置することによって、熱負荷部７を直接加熱するようにしてもよい。なお、熱印加部８は必要に応じて配置されるものである。
【００２２】
例えば、超電導コイル２を液体窒素容器などに収納し、高温超電導体からなる第１の熱電能部５と熱電能が大きい常電導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部６を断熱容器内に配置し、熱負荷部７と第２の熱電能部６の少なくとも高温端を常温壁に接触させることによって、第２の熱電能部６の両端部に温度差を生じさせることができる。この際、熱負荷部７の近傍に熱印加部８を配置して、熱負荷部７を積極的に加熱するようにしてもよい。
【００２３】
さらに、超電導コイル２を液体ヘリウム温度まで冷却する場合には、熱負荷部７を液体窒素温度、すなわち高温超電導体からなる第１の熱電能部５を超電導状態とするための温度に保持するようにしてもよい。第２の熱電能部６の両端部の温度は、このような液体ヘリウム温度と液体窒素温度との間の温度差に基づくものであってもよい。後に詳述するように、熱負荷部７の温度、すなわち熱電能部６の高温端の温度を、高温超電導体からなる第１の熱電能部５の超電導転移温度以下に維持した場合においても、超電導コイル２を励磁することができ、さらに超電導マグネット装置１の効率を高めることが可能となる。
【００２４】
上述したように、超電導コイル２を冷却するために必要な冷却システムを利用し、常電導状態の第２の熱電能部６の両端部に温度差を生じさせることによって、第１の熱電能部５と第２の熱電能部６との組合せ、第２の熱電能部６の熱電能などに基づいて熱起電力を生じさせることができる。このような数ｍＶ〜数１０ｍＶの小さな起電力を利用して、特別な電源を用いることなく、抵抗がゼロの超電導コイル２に電流ｉを流すことが可能となる。すなわち、超電導マグネットとして機能する超電導コイル２を励磁することができる。
【００２５】
ここで、熱負荷部７の温度を超電導コイル２の温度より高い温度に設定する場合、超電導コイル２から目的とする磁場方向を得るためには、超電導コイル２の正極となる端子２ａに熱電能が小さい熱電能部（ここでは超電導体からなる第１の熱電能部５）を接続し、負極となる端子２ｂに熱電能が大きい熱電能部（ここでは常電導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部６）を接続する。
【００２６】
このように、超電導マグネット装置１は特別な電源を用いることなく励磁することができるため、装置の大幅な小型化および簡素化を図ることが可能となる。さらに、超電導コイル２が常温に戻るか、あるいは熱負荷部７（高温部）と超電導コイル２（低温部）とが等しい温度になれば、超電導コイル２に電流が流れなくなって減磁されるため、非常に単純なシステムを構築することができる。すなわち、超電導コイル２がクエンチした際に発生する電圧で自動的に減磁されるため、特別な異常検出装置や安全装置などを用いることなく、超電導コイル２の焼損などを防止することが可能となる。
【００２７】
ここで、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体によるＮ型とＰ型の組合せで超電導マグネットシステムを構成した場合、室温から液体窒素の温度差で発生する起電力は５０ｍＶ程度であるが、定常的に超電導コイルに流れる電流は超電導コイルの抵抗が０Ωであるため、熱電半導体（熱電能料）の内部抵抗で決まる。Ｎ型およびＰ型の熱電半導体の長さを２ｍｍ、断面積を１００ｍｍ２とした場合、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体の３００Ｋから７７Ｋまでの平均抵抗は１００〜２００μΩであるため、オームの法則から超電導コイルには定常的に２５０〜５００Ａの電流が流れる。
【００２８】
上述した実施形態の超電導マグネット装置１においては、一対の熱電能部５、６の一方（第１の熱電能部５）が超電導状態の超電導体とされており、その抵抗はゼロであるため、一対の熱電能部５、６の内部抵抗および熱起電力はＮ型およびＰ型の熱電半導体の組合せを使用した場合の半分となる。従って、熱電能部の平均抵抗は５０〜１００μΩ、室温から液体窒素の温度差で発生する起電力は２５ｍＶ程度となり、オームの法則から超電導コイルにはＮ型およびＰ型の熱電半導体の組合せを使用した場合と同様に２５０〜５００Ａの電流が流れる。
【００２９】
その上で、一対の熱電能部５、６の一方の熱電能部（第１の熱電能部５）を超電導状態の高温超電導体などで構成しているため、この高温超電導体に基づいて超電導コイル２への熱侵入を低減することができる。すなわち、高温超電導体は熱伝導率が小さいことに加えて、超電導状態とされていればジュール発熱を伴わないため、高温超電導体からなる第１の熱電能部５を通しての熱侵入量を小さくすることが可能となる。
【００３０】
このように、熱電能部５、６の一方に熱伝導率の非常に小さい高温超電導体を用いることで、通電電流は変えずに、侵入熱をほぼ半減することができる。従って、このような構成を有する超電導マグネット装置１によれば、熱電能部５、６で同様の超電導コイル２の励磁電流を得た上で、一対の熱電能部の両方に常電導状態の熱電能材を用いた場合のほぼ半分の侵入熱にすることができ、システム効率を大幅に高めることが可能となる。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施形態による超電導マグネット装置について、図２を参照して説明する。図２に示す超電導マグネット装置１において、常電導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部６は、第１の熱電能部５と同様な高温超電導体などからなる超電導リード９を介して、超電導コイル２の端子２ｂに接続されている。超電導リード９は第１の熱電能部５と同様な超電導状態とされているため、第２の熱電能部６からの熱侵入も抑制することができる。
【００３２】
すなわち、第２の熱電能部６側においては、それを構成する熱電能材と超電導リード９の熱抵抗の和が超電導コイル２への侵入熱を抑えることになる。ここで、超電導コイル２の温度を２０Ｋとすれば、高温超電導体からなる超電導リード９の高温端がその臨界温度以下の温度までの入熱に対して有効に作用する。なお、常電導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部６が動作する最も効率のよい温度は材質によって異なり、この高温超電導体からなる超電導リード９を利用することで、その動作温度を制御することができる。
【００３３】
例えば、上記した高温超電導体からなる超電導リード９を介在させた構成において、高温超電導体の熱抵抗が熱電能材からなる第２の熱電能部６の６倍程度の場合、超電導コイル２の温度を２０Ｋ、高温超電導体からなる超電導リード９の高温端（第２の熱電能部６の低温端）の温度を８０Ｋ、第２の熱電能部６の高温端の温度を９０Ｋとした条件を作ることができる。このような温度条件を有する構成においては、第２の熱電能部６に１０Ｋの温度差をつける熱量が超電導コイル２に入ることになる。
【００３４】
この第２の実施形態の超電導マグネット装置１においては、第１の熱電能部５側の熱侵入は第１の実施形態と同様に超電導状態の高温超電導体で抑制している。従って、第２の熱電能部６側についても超電導リード９で熱侵入を抑えることによって、第１および第２の熱電能部５、６を通しての熱侵入量を大幅に低減することができ、超電導マグネット装置１としてのシステム効率をより一層高めることが可能となる。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施形態による超電導マグネット装置について、図３を参照して説明する。図３に示す超電導マグネット装置１は、システム構成に基づいて熱侵入量をさらに低減する構成を有するものである。すなわち、図３に示す超電導マグネット装置１は図２と同様に、第２の熱電能部６を高温超電導体などからなる超電導リード９を介して超電導コイル２に接続し、さらに第２の熱電能部６と超電導リード９との間に超電導リード９を冷却するための第２の冷却手段１０を設けている。
【００３６】
超電導リード９を冷却する第２の冷却手段１０には、例えば多段式の小型冷凍機の高温側ステージ（１段ステージ：４０〜８０Ｋ）を使用することができる。この場合、小型冷凍機の低温側ステージ（２段ステージ：４〜２０Ｋ）は、超電導コイル２を冷却する第１の冷却手段３として使用される。このような構成によれば、第２の熱電能部６からの入熱を冷却手段１０で取り去ることができる。従って、熱負荷部７をヒータなどの熱印加部８で直接加熱するような場合においても、第２の熱電能部６を通して超電導コイル２に侵入する熱量を大幅に低減することができる。従って、超電導コイル２の冷却効率を向上させることができ、超電導マグネット装置１としてのシステム効率を高めることが可能となる。
【００３７】
図４は図３に示す超電導マグネット装置１の変形例を示している。図４に示す超電導マグネット装置１は、例えば使用する冷凍機などの冷却手段が２つの冷却温度を得られない場合の構成例である。このような場合、図４に示すように、超電導コイル２を冷却する冷却手段（第１の冷却ステージ）３と超電導リード９を冷却する第２の冷却ステージ１１との間に熱抵抗体１２を介在させ、冷却手段３を利用して第２の冷却ステージ１１に伝えることによって、第２の熱電能部６を所望の温度に制御することができる。すなわち、第２の熱電能部６を構成する熱電能材の熱抵抗が超電導リード９の熱抵抗に比べてはるかに小さいときでも、第２の熱電能部６に温度差を生じさせることができる。
【００３８】
ところで、上述した各実施形態の超電導マグネット装置１において、熱負荷部７の温度、言い換えると第２の熱電能部６の高温端の温度は、超電導コイル２との温度差により発生する熱起電力と、第２の熱電能部６の高温端温度に基づいて超電導コイル２に侵入する熱量とを考慮して設定することが好ましい。すなわち、第２の熱電能部６の高温端温度を高くして大きな熱起電力を発生させても、それによる侵入熱量が増加するとシステムとしての効率が低下する。従って、熱起電力と侵入熱量の双方を考慮して熱電能材６の両端部の温度差を設定することで、超電導マグネット装置１としての効率を高めることができる。
【００３９】
具体的には、図５に示すようなＺ値に基づいて熱電能材６の両端部の温度差を設定することが好ましい。図５に示すグラフの縦軸は熱電能材６のＺ値であり、図５はこのＺ値の温度依存性を示している。ここで、Ｚ値とは超電導コイル２に流れる電流、すなわち熱電能材６に流れる電流をＩ、熱電能材６の低温端への侵入熱をＱとしたときのＱ／Ｉの値を示しており、この値が小さいほど超電導マグネット装置１としての効率が高いことになる。従って、熱電能材６の両端部の温度差をＺ値が最小値になる温度、もしくはこの温度に対して±１００Ｋの範囲に設定することが好ましい。
【００４０】
上述した熱電能材６の素子効率を示すＺ値は、
【式２】
（式中、κは前記熱電能材の熱伝導率（Ｗ／ｍ Ｋ）、ρは前記熱電能材の抵抗率（Ω・ｍ）、αは前記熱電能材のゼーベック係数（Ｖ／Ｋ）を示す）
により求められる値である。ここで、Ｔは熱電能材６の高温端温度ＴＨと低温端温度ＴＬの平均温度（＝（（ＴＨ＋ＴＬ）／２）である。
【００４１】
例えば、図２および図３に示す超電導マグネット装置１において、熱電能材６の高温端温度ＴＨは熱負荷部７側の端部温度である。熱電能材６の低温端温度ＴＬは、図２に示す超電導マグネット装置１では超電導リード９との接触部の温度、図３に示す超電導マグネット装置１では第２の冷却手段１０側の端部温度である。図５の横軸はこれら両端の温度ＴＨ、ＴＬの平均温度Ｔを示している。
【００４２】
図５において、実線は第１の熱電能部にＢｉ−Ｔｅ系のＰ型半導体を用いると共に、第２の熱電能部にＢｉ−Ｔｅ系のＮ型半導体を用いた場合のＺ値の平均温度Ｔ（Ｂｉ−Ｔｅ系Ｐ型半導体の高温端温度ＴＨと低温端温度ＴＬの平均温度Ｔ）に対する依存性を示しており、点線は第１の熱電能部５にＹＢＣＯ系高温超電導体を用いると共に、第２の熱電能部６にＢｉ−Ｔｅ系のＰ型半導体を用いた場合のＺ値の平均温度Ｔ（Ｂｉ−Ｔｅ系Ｐ型半導体の高温端温度ＴＨと低温端温度ＴＬの平均温度Ｔ）に対する依存性を示している。
【００４３】
図５に示したように、Ｂｉ−Ｔｅ系半導体を用いた場合、効率が最もよい温度は１２０Ｋ前後である。従って、Ｂｉ−Ｔｅ系半導体の平均温度Ｔは１２０±１００Ｋの範囲に設定することが好ましい。ただし、第１の熱電能部５を構成するＹＢＣＯ系高温超電導体の臨界温度は８７Ｋであるため、Ｂｉ−Ｔｅ系半導体の高温端温度も８７Ｋ以下にすることが望ましい。言い換えると、熱負荷部７の温度はＹＢＣＯ系高温超電導体の臨界温度である８７Ｋ以下にすることが望ましい。このように、熱負荷部７の温度を第１の熱電能部５を構成する高温超電導体の臨界温度以下に設定した場合においても、超電導コイル２を励磁するのに必要な電流を流すことができる。
【００４４】
なお、図５はＢｉ−Ｔｅ系のＮ型およびＰ型半導体の組合せを一対の熱電能部（熱電素子）に適用した場合のＺ値の平均温度Ｔに対する依存性も併せて示している。この場合はいずれも常電導体であるため、平均温度ＴはＮ型およびＰ型半導体それぞれに温度差を生じさせるものである。ほぼ同等の性能を持つＢｉ−Ｔｅ系のＮ型半導体とＰ型半導体とを組合せた場合には、図５の実線に示すようにＺ値が最小値となる温度（１２０Ｋ）を挟むように、高温端温度と低温端温度を設定することが好ましい。このような温度設定を適用することで、例えばＢｉ−Ｔｅ系のＮ型およびＰ型半導体のような熱電素子の組合せを一対の熱電能部に適用した超電導マグネット装置においても、システム効率を高めることができる。
【００４５】
次に、本発明の第４の実施形態による超電導マグネット装置について、図６を参照して説明する。図６に示す超電導マグネット装置２０は、超電導転移温度以下に冷却された超電導コイル２の両端子２ａ、２ｂ間に少なくとも一対の熱電能部が直列接続された構成については前述した各実施形態と同様であるが、ここでは一対の熱電能部に臨界温度または組成が異なる２種以上の超電導体の組合せを適用している。すなわち、第１および第２の熱電能部２１、２２はいずれも超電導体で構成されている。ただし、熱起電力を発生させるために、臨界温度または組成が異なる超電導体の組合せが適用されている。
【００４６】
図６に示す超電導マグネット装置２０において、第１の熱電能部２１は臨界温度が相対的に高いＢｉ−２２２３系（１１０Ｋ）などの高温超電導体で構成し、第２の熱電能部２２は臨界温度が相対的に低いＹＢＣＯ系（９３Ｋ）の高温超電導体で構成する。このような臨界温度が異なる超電導体の組合せを適用することによって、一対の熱電能部として機能させることができる。ただし、高温超電導体からなる第１および第２の熱電能部２１、２２を全て超電導状態としてしまうと、熱起電力を生じさせることができないため、例えば第１および第２の熱電能部２１、２２の一方は常電導体として使用する。
【００４７】
例えば、Ｂｉ−２２２３系などの高温超電導体（第１の熱電能部２１）の臨界温度においては、ＹＢＣＯ系高温超電導体（第２の熱電能部２２）は臨界温度を超えて常電導状態となる。すなわち、熱負荷部７の温度を第１の熱電能部２１は超電導状態を維持し、かつ第２の熱電能部２２は常電導状態となる温度に設定することによって、高温超電導体からなる第２の熱電能部２２を常電導状態の熱電能材として使用することができる。さらに、超電導コイルに十分な電流が流れた後に、熱負荷部からの入熱を停止して熱電能部５、６全体を超電導状態にすることで、永久電流モードに移行することも可能である。
【００４８】
この際、熱負荷部７は超電導コイル２との間で温度差を有しているため、常電導状態の高温超電導体からなる第２の熱電能部２２の両端部に温度差を与えることができる。熱負荷部７は前述した実施形態と同様に、例えば常温部からの伝導熱や輻射熱、あるいは熱印加部８による加熱によって、超電導コイル２の温度より高い温度に維持するようにしてもよい。このような構成によれば、常電導状態の高温超電導体の両端部に温度差を発生させることができ、これによって熱起電力を生じさせることが可能となる。
【００４９】
上述した小さな起電力を利用することによって、特別な電源を用いることなく、抵抗がゼロの超電導コイル２に電流ｉを流すことが可能となる。すなわち、超電導マグネットとして機能する超電導コイル２を励磁することができる。このように、超電導マグネット装置２０は特別な電源を用いることなく励磁することができるため、装置の大幅な小型化および簡素化を図ることが可能となる。さらに、前述した実施形態と同様に、特別な異常検出装置や安全装置などを用いることなく、超電導コイル２の焼損などを防止することが可能となる。
【００５０】
その上で、一対の熱電能部２１、２２の一方の熱電能部（第１の熱電能部２１）を超電導状態の高温超電導体で構成しているため、この高温超電導体に基づいて超電導コイル２への熱侵入を低減することができる。さらに、第２の熱電能部２２についても、超電導コイル２側の端部は超電導状態を維持させることができるため、超電導コイル２への熱侵入を抑えることが可能となる。これらによって、熱電能部２１、２２で超電導コイル２の励磁電流を得た上で、熱電能部２１、２２から超電導コイル２に侵入する熱量を低減することができ、超電導マグネット装置２０としてのシステム効率を高めることが可能となる。
【００５１】
また、一対の熱電能部２１、２２に臨界温度または組成が異なる超電導体の組合せを適用する場合、第２の熱電能部２２を常電導状態にする構成に限らず、例えば第１および第２の熱電能部２１、２２の熱負荷部７側の端部（高温端）をそれぞれ部分的に常電導状態とするようにしてもよい。図７は第１および第２の熱電能部２１、２２の中間位置に冷却手段２３を配置した超電導マグネット装置２０を示している。
【００５２】
図７に示すような構成を有する超電導マグネット装置２０によれば、第１および第２の熱電能部２１、２２の超電導コイル２側の超電導状態を維持した上で、熱負荷部７側を常電導状態とすることができる。この場合、常電導状態とされた第１および第２の熱電能部２１、２２それぞれに、熱負荷部７側の高温端に対して冷却手段２３側に低温端が生じる。このように、第１および第２の熱電能部２１、２２の一部を常電導状態とし、これら常電導状態とされた部分に温度差を発生させることによっても熱起電力を得ることができる。
【００５３】
なお、上述した各実施形態の超電導マグネット装置において、常電導状態の熱電能材、もしくは少なくとも一部が常電導状態とされた超電導体に高温端と低温端を形成するための構成、すなわち温度差を生じさせるための構成は、本発明の超電導マグネット装置を実現するための一例を示すものであり、各実施形態で適用した構成以外の手段で温度差を生じさせるようにしてもよい。超電導体からなる熱電能部や超電導リードを冷却する手段についても同様である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば特別な電源や異常検出装置などを不要とし、装置の小型化および安全性の確保を実現した上で、超電導コイルへの侵入熱を低減した超電導マグネット装置を提供することができる。このような本発明の超電導マグネット装置によれば、装置の小型化やシステムの単純化とシステム効率の向上とを両立させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による超電導マグネット装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による超電導マグネット装置の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による超電導マグネット装置の概略構成を示す図である。
【図４】図３に示す超電導マグネット装置の変形例を示す図である。
【図５】超電導マグネット装置における熱電能材のＺ値と平均温度Ｔとの関係の一例を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施形態による超電導マグネット装置の概略構成を示す図である。
【図７】図６に示す超電導マグネット装置の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１，２０……超電導マグネット装置、２……超電導コイル、３，１０，２３……冷却手段、５……超電導状態の超電導体からなる第１の熱電能部、６……常伝導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部、７……熱負荷部、９……超電導リード、２１……超電導体からなる第１の熱電能部、２２……超電導体からなる第２の熱電能部
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導コイルの電源として熱電素子を利用した冷却励磁型の超電導マグネット装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導マグネット装置は、一般に極低温に冷却された超電導コイルと常温空間に配置された電源とこれらを接続する電流リードとから構成されている。通常、超電導コイルはより強力な磁場が必要な際に用いられる。この理由は言うまでもなく、ジュール発熱を伴わずに大電流（１００Ａ〜１００ｋＡ）を流すことができるためであり、常電導コイルを用いたマグネット装置に比べて、より強力な磁場を発生させることができる。
【０００３】
このように、従来の超電導マグネット装置は、強力な磁場を発生させることができる反面、電源負荷は抵抗がゼロの超電導コイルではなく、電源や電流リードなどを含めた常温部の電気回路に依存するため、超電導コイルに比べて電源や電流リード（ケーブル）などを大型化する必要がある。また、そのような常温部の電気回路に基づく損失を減らすための設備は、実際に電源がする仕事に比べて非常に大きな装置となる上、電源制御用の半導体素子の冷却や制御のためにさらに電力が必要となるというような欠点を有している。
【０００４】
さらに、超電導コイルにはある電流値以上の電流が流せないしきい値（臨界電流）が存在する。例えば、電源制御が失敗した場合、すなわち定格電流以上の電流値を流しつづけた場合、超電導コイルは焼損してしまう。また、定格電流値で運転していた場合であっても、何らかの擾乱で超電導コイルが常電導転移することがある。このような場合もその事態を素早く検出して電流を下げる必要がある。これらの対策として、超電導コイルの異常を検出する装置、例えばクエンチ検出器などを設置し、その信号を元にして電源制御を行うことによって、超電導コイルの焼損を防いでいる。
【０００５】
上述したように、従来の超電導マグネット装置は、電源装置やケーブルなどが大型化して不経済である、飛行機や宇宙船などのように重量や容積に制限がある場合には設置することが困難である、超電導コイルがクエンチした際の検出に失敗するとコイルが焼損してしまう、というような欠点を有している。このような点に対して、特許文献１には一対の熱電素子（熱電能が異なる熱電能材の組合せ）を超電導コイルの両端子間に直列に接続し、一対の熱電素子間を接続する接続部（高温部）と超電導コイル（低温部）との温度差を利用して起電力を生じさせ、この小さな起電力で抵抗がゼロの超電導コイルに電流を流すことを可能にした超電導マグネット装置が記載されている。
【０００６】
このような超電導マグネット装置によれば、特別な大型電源などを用いることなく超電導マグネットを励磁することができる。すなわち、装置の大幅な小型化を達成することが可能となる。さらに、超電導コイルが常温に戻るか、あるいは熱電素子の接続部（高温部）と超電導コイル（低温部）とが等しい温度になれば、超電導コイルに電流が流れなくなって減磁されるため、非常に単純なシステムを構築することができる。すなわち、超電導コイルがクエンチした際に発生する電圧で自動的に減磁されるため、特別な異常検出装置や安全装置などを必要とせず、この点からも装置の小型化や簡素化を図ることができる。
【０００７】
ところで、熱電素子を電源として利用した超電導マグネット装置においては、熱起電力を効率よく得る上で、一対の熱電素子間の接続部を超電導コイルに比べて高温にする必要がある。従って、一対の熱電素子の各高温側端部も同様な温度となる。この熱電素子の高温端と低温端の温度差による伝導熱が超電導コイルへの侵入熱となる。また、抵抗ゼロの超電導コイルに流れる電流は、熱電素子による起電力とその内部抵抗に基づくものであるため、熱電素子自体はその内部抵抗でジュール発熱を生じ、これも超電導コイルへの侵入熱となる。このような超電導コイルへの侵入熱の増加は、冷却効率の低下などをもたらすことになる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１５５９１７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の熱電素子（熱電対やペルチェ素子など）を電源として使用した超電導マグネット装置は、超電導コイルの冷却システムによって生成される温度差を利用して発電しているため、装置の大幅な小型化が可能であると共に安全性に優れる反面、一対の熱電素子に起因して超電導コイルへの侵入熱が増加するおそれがあり、この熱侵入の点に改良の余地を残している。
【００１０】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、特別な電源や異常検出装置などを不要として、装置の小型化を実現すると共に安全性を確保し、さらに超電導コイルへの侵入熱を低減してシステム効率を高めることを可能にした超電導マグネット装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の超電導マグネット装置は、請求項１に記載したように、超電導転移温度以下に冷却された超電導コイルと、前記超電導コイルの両端部間に直列に接続され、かつ熱電能が異なる２種以上の物質からなる少なくとも一対の熱電能部と、前記一対の熱電能部間を接続する部分に設けられ、前記超電導コイルの温度より高い温度に設定された熱負荷部とを具備し、前記一対の熱電能部の少なくとも一方が超電導体を有することを特徴としている。
【００１２】
本発明の超電導マグネット装置において、一対の熱電能部の具体的な組合せとしては、例えば請求項２に記載したように、少なくとも一部が超電導状態の超電導体と常電導状態の熱電能材との組合せが挙げられる。また、請求項８に記載したように、臨界温度または組成が異なる２種以上の超電導体の組合せを有し、かつ超電導体の一方または一部が常電導状態とされている構成を適用することも可能である。これらの構成によれば、常電導状態の熱電能材（常電導状態の超電導体を含む）に基づいて熱起電力を発生させることができる。
【００１３】
本発明の超電導マグネット装置においては、常電導状態の熱電能部の両端部に超電導コイルと熱負荷部の温度に基づく温度差を生じさせているため、ゼーベック効果によって熱起電力を得ることができる。一対の熱電能部は少なくとも一方もしくは一部が常電導状態とされているため、その部分の抵抗値に基づいて抵抗ゼロの超電導コイルに電流を流すことができる。その上で、一対の熱電能部の少なくとも一方は超電導状態の超電導体を有しているため、この超電導体からなる熱電能部自体で超電導コイルへの熱侵入を低減することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態による超電導マグネット装置の概略構成を説明する図である。図１に示す超電導マグネット装置１は、超電導コイル２を有している。超電導コイル２は冷却手段３で超電導転移温度以下の温度に冷却されており、これにより超電導マグネットとしての機能が発揮される。
【００１５】
超電導コイル２は、使用した超電導体の超電導転移温度に応じて、例えば単段式もしくは多段式冷凍機の低温側ステージなどの冷却手段３により超電導転移温度以下の温度に冷却される。また、超電導コイル２の冷却は、使用した超電導体の超電導転移温度に応じて、液体ヘリウム、超臨界ヘリウム、液体水素、液体ネオン、液体窒素などの冷媒を用いて実施してもよい。
【００１６】
超電導転移温度以下に冷却された超電導コイル２の両端子２ａ、２ｂ間は、リード部材４により電気的に接続されている。そして、このリード部材４中には、熱電能が異なる２種以上の物質からなる少なくとも一対の熱電能部が直列に接続されている。なお、熱電能とはある物質において１Ｋの温度差で発生する熱起電力（μＶ）の値を示すものである。
【００１７】
ここでは、超電導状態の超電導体からなる第１の熱電能部５と常電導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部６とを直列に接続し、これら第１および第２の熱電能部５、６を介して超電導コイル２の両端子２ａ、２ｂ間を電気的に接続している。超電導体からなる第１の熱電能部５はその一部を超電導状態として使用することもできる。すなわち、超電導体の一部が常電導状態となっていてもよい。
【００１８】
第１の熱電能部５を構成する超電導体としては、例えばＹＢＣＯ系、Ｂｉ−２１２２系、Ｂｉ−２２２３系などの高温超電導体を適用することが好ましい。これら各高温超電導体には公知の組成を有する超電導体を使用することができる、また、ＹＢＣＯ系、Ｂｉ−２１２２系、Ｂｉ−２２２３系以外の高温超電導体、すなわちＹＢＣＯ系のＹを他の希土類元素に置き換えた系や他の組成系の酸化物超電導体など、液体窒素温度で超電導状態を示す各種高温超電導体を、第１の熱電能部５に適用することが可能である。
【００１９】
また、第２の熱電能部６は熱電能が大きい熱電能材、例えば銅、鉄、クロメル、コンスタンタン、ニクロムなどの金属材料、あるいはＢｉ−Ｔｅ系、Ｐｂ−Ｔｅ系などの熱電半導体を使用することが好ましい。また、超電導コイル２は強磁場を発生するため、磁場中での熱起電力の増加を伴うＢｉ−Ｓｂ系熱電半導体などの材料も、第２の熱電能部６の構成材料として有効である。
【００２０】
これら第１および第２の熱電能部５、６の一方の端部は、超電導コイル２の両端子２ａ、２ｂに接続されており、これら端部は低温端とされている。第１および第２の熱電能部５、６の他方の端部はリード部材４で接続されている。この第１の熱電能部５と第２の熱電能部６とを接続する部分７は、超電導コイル２の温度より高い温度に設定されている。すなわち、第１の熱電能部５と第２の熱電能部６との接続部分７は熱負荷部として機能する。このような熱負荷部７によって、第１および第２の熱電能部５、６の接続側端部は高温端とされている。なお、第１の熱電能部５全体を超電導状態としている場合には、高温端と低温端は第２の熱電能部６のみに生じるものである。
【００２１】
熱負荷部７の熱負荷は冷却手段３によって奪われるが、これによって第２の熱電能部６の両端部に（場合によっては第１の熱電能部５の両端部にも）温度差を与えることができる。熱負荷部７は、例えば室温雰囲気中に直接配置したり、また常温部からの伝導熱や輻射熱などによって、超電導コイル２の温度より高い温度に維持することができる。また、熱負荷部７の近傍にジュール発熱を生じるヒータ、熱伝導部材、高温ヒートシンクなどの熱印加部８を配置することによって、熱負荷部７を直接加熱するようにしてもよい。なお、熱印加部８は必要に応じて配置されるものである。
【００２２】
例えば、超電導コイル２を液体窒素容器などに収納し、高温超電導体からなる第１の熱電能部５と熱電能が大きい常電導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部６を断熱容器内に配置し、熱負荷部７と第２の熱電能部６の少なくとも高温端を常温壁に接触させることによって、第２の熱電能部６の両端部に温度差を生じさせることができる。この際、熱負荷部７の近傍に熱印加部８を配置して、熱負荷部７を積極的に加熱するようにしてもよい。
【００２３】
さらに、超電導コイル２を液体ヘリウム温度まで冷却する場合には、熱負荷部７を液体窒素温度、すなわち高温超電導体からなる第１の熱電能部５を超電導状態とするための温度に保持するようにしてもよい。第２の熱電能部６の両端部の温度は、このような液体ヘリウム温度と液体窒素温度との間の温度差に基づくものであってもよい。後に詳述するように、熱負荷部７の温度、すなわち熱電能部６の高温端の温度を、高温超電導体からなる第１の熱電能部５の超電導転移温度以下に維持した場合においても、超電導コイル２を励磁することができ、さらに超電導マグネット装置１の効率を高めることが可能となる。
【００２４】
上述したように、超電導コイル２を冷却するために必要な冷却システムを利用し、常電導状態の第２の熱電能部６の両端部に温度差を生じさせることによって、第１の熱電能部５と第２の熱電能部６との組合せ、第２の熱電能部６の熱電能などに基づいて熱起電力を生じさせることができる。このような数ｍＶ〜数１０ｍＶの小さな起電力を利用して、特別な電源を用いることなく、抵抗がゼロの超電導コイル２に電流ｉを流すことが可能となる。すなわち、超電導マグネットとして機能する超電導コイル２を励磁することができる。
【００２５】
ここで、熱負荷部７の温度を超電導コイル２の温度より高い温度に設定する場合、超電導コイル２から目的とする磁場方向を得るためには、超電導コイル２の正極となる端子２ａに熱電能が小さい熱電能部（ここでは超電導体からなる第１の熱電能部５）を接続し、負極となる端子２ｂに熱電能が大きい熱電能部（ここでは常電導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部６）を接続する。
【００２６】
このように、超電導マグネット装置１は特別な電源を用いることなく励磁することができるため、装置の大幅な小型化および簡素化を図ることが可能となる。さらに、超電導コイル２が常温に戻るか、あるいは熱負荷部７（高温部）と超電導コイル２（低温部）とが等しい温度になれば、超電導コイル２に電流が流れなくなって減磁されるため、非常に単純なシステムを構築することができる。すなわち、超電導コイル２がクエンチした際に発生する電圧で自動的に減磁されるため、特別な異常検出装置や安全装置などを用いることなく、超電導コイル２の焼損などを防止することが可能となる。
【００２７】
ここで、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体によるＮ型とＰ型の組合せで超電導マグネットシステムを構成した場合、室温から液体窒素の温度差で発生する起電力は５０ｍＶ程度であるが、定常的に超電導コイルに流れる電流は超電導コイルの抵抗が０Ωであるため、熱電半導体（熱電能料）の内部抵抗で決まる。Ｎ型およびＰ型の熱電半導体の長さを２ｍｍ、断面積を１００ｍｍ２とした場合、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体の３００Ｋから７７Ｋまでの平均抵抗は１００〜２００μΩであるため、オームの法則から超電導コイルには定常的に２５０〜５００Ａの電流が流れる。
【００２８】
上述した実施形態の超電導マグネット装置１においては、一対の熱電能部５、６の一方（第１の熱電能部５）が超電導状態の超電導体とされており、その抵抗はゼロであるため、一対の熱電能部５、６の内部抵抗および熱起電力はＮ型およびＰ型の熱電半導体の組合せを使用した場合の半分となる。従って、熱電能部の平均抵抗は５０〜１００μΩ、室温から液体窒素の温度差で発生する起電力は２５ｍＶ程度となり、オームの法則から超電導コイルにはＮ型およびＰ型の熱電半導体の組合せを使用した場合と同様に２５０〜５００Ａの電流が流れる。
【００２９】
その上で、一対の熱電能部５、６の一方の熱電能部（第１の熱電能部５）を超電導状態の高温超電導体などで構成しているため、この高温超電導体に基づいて超電導コイル２への熱侵入を低減することができる。すなわち、高温超電導体は熱伝導率が小さいことに加えて、超電導状態とされていればジュール発熱を伴わないため、高温超電導体からなる第１の熱電能部５を通しての熱侵入量を小さくすることが可能となる。
【００３０】
このように、熱電能部５、６の一方に熱伝導率の非常に小さい高温超電導体を用いることで、通電電流は変えずに、侵入熱をほぼ半減することができる。従って、このような構成を有する超電導マグネット装置１によれば、熱電能部５、６で同様の超電導コイル２の励磁電流を得た上で、一対の熱電能部の両方に常電導状態の熱電能材を用いた場合のほぼ半分の侵入熱にすることができ、システム効率を大幅に高めることが可能となる。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施形態による超電導マグネット装置について、図２を参照して説明する。図２に示す超電導マグネット装置１において、常電導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部６は、第１の熱電能部５と同様な高温超電導体などからなる超電導リード９を介して、超電導コイル２の端子２ｂに接続されている。超電導リード９は第１の熱電能部５と同様な超電導状態とされているため、第２の熱電能部６からの熱侵入も抑制することができる。
【００３２】
すなわち、第２の熱電能部６側においては、それを構成する熱電能材と超電導リード９の熱抵抗の和が超電導コイル２への侵入熱を抑えることになる。ここで、超電導コイル２の温度を２０Ｋとすれば、高温超電導体からなる超電導リード９の高温端がその臨界温度以下の温度までの入熱に対して有効に作用する。なお、常電導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部６が動作する最も効率のよい温度は材質によって異なり、この高温超電導体からなる超電導リード９を利用することで、その動作温度を制御することができる。
【００３３】
例えば、上記した高温超電導体からなる超電導リード９を介在させた構成において、高温超電導体の熱抵抗が熱電能材からなる第２の熱電能部６の６倍程度の場合、超電導コイル２の温度を２０Ｋ、高温超電導体からなる超電導リード９の高温端（第２の熱電能部６の低温端）の温度を８０Ｋ、第２の熱電能部６の高温端の温度を９０Ｋとした条件を作ることができる。このような温度条件を有する構成においては、第２の熱電能部６に１０Ｋの温度差をつける熱量が超電導コイル２に入ることになる。
【００３４】
この第２の実施形態の超電導マグネット装置１においては、第１の熱電能部５側の熱侵入は第１の実施形態と同様に超電導状態の高温超電導体で抑制している。従って、第２の熱電能部６側についても超電導リード９で熱侵入を抑えることによって、第１および第２の熱電能部５、６を通しての熱侵入量を大幅に低減することができ、超電導マグネット装置１としてのシステム効率をより一層高めることが可能となる。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施形態による超電導マグネット装置について、図３を参照して説明する。図３に示す超電導マグネット装置１は、システム構成に基づいて熱侵入量をさらに低減する構成を有するものである。すなわち、図３に示す超電導マグネット装置１は図２と同様に、第２の熱電能部６を高温超電導体などからなる超電導リード９を介して超電導コイル２に接続し、さらに第２の熱電能部６と超電導リード９との間に超電導リード９を冷却するための第２の冷却手段１０を設けている。
【００３６】
超電導リード９を冷却する第２の冷却手段１０には、例えば多段式の小型冷凍機の高温側ステージ（１段ステージ：４０〜８０Ｋ）を使用することができる。この場合、小型冷凍機の低温側ステージ（２段ステージ：４〜２０Ｋ）は、超電導コイル２を冷却する第１の冷却手段３として使用される。このような構成によれば、第２の熱電能部６からの入熱を冷却手段１０で取り去ることができる。従って、熱負荷部７をヒータなどの熱印加部８で直接加熱するような場合においても、第２の熱電能部６を通して超電導コイル２に侵入する熱量を大幅に低減することができる。従って、超電導コイル２の冷却効率を向上させることができ、超電導マグネット装置１としてのシステム効率を高めることが可能となる。
【００３７】
図４は図３に示す超電導マグネット装置１の変形例を示している。図４に示す超電導マグネット装置１は、例えば使用する冷凍機などの冷却手段が２つの冷却温度を得られない場合の構成例である。このような場合、図４に示すように、超電導コイル２を冷却する冷却手段（第１の冷却ステージ）３と超電導リード９を冷却する第２の冷却ステージ１１との間に熱抵抗体１２を介在させ、冷却手段３を利用して第２の冷却ステージ１１に伝えることによって、第２の熱電能部６を所望の温度に制御することができる。すなわち、第２の熱電能部６を構成する熱電能材の熱抵抗が超電導リード９の熱抵抗に比べてはるかに小さいときでも、第２の熱電能部６に温度差を生じさせることができる。
【００３８】
ところで、上述した各実施形態の超電導マグネット装置１において、熱負荷部７の温度、言い換えると第２の熱電能部６の高温端の温度は、超電導コイル２との温度差により発生する熱起電力と、第２の熱電能部６の高温端温度に基づいて超電導コイル２に侵入する熱量とを考慮して設定することが好ましい。すなわち、第２の熱電能部６の高温端温度を高くして大きな熱起電力を発生させても、それによる侵入熱量が増加するとシステムとしての効率が低下する。従って、熱起電力と侵入熱量の双方を考慮して熱電能材６の両端部の温度差を設定することで、超電導マグネット装置１としての効率を高めることができる。
【００３９】
具体的には、図５に示すようなＺ値に基づいて熱電能材６の両端部の温度差を設定することが好ましい。図５に示すグラフの縦軸は熱電能材６のＺ値であり、図５はこのＺ値の温度依存性を示している。ここで、Ｚ値とは超電導コイル２に流れる電流、すなわち熱電能材６に流れる電流をＩ、熱電能材６の低温端への侵入熱をＱとしたときのＱ／Ｉの値を示しており、この値が小さいほど超電導マグネット装置１としての効率が高いことになる。従って、熱電能材６の両端部の温度差をＺ値が最小値になる温度、もしくはこの温度に対して±１００Ｋの範囲に設定することが好ましい。
【００４０】
上述した熱電能材６の素子効率を示すＺ値は、
【式２】
により求められる値である。ここで、Ｔは熱電能材６の高温端温度ＴＨと低温端温度ＴＬの平均温度（＝（（ＴＨ＋ＴＬ）／２）である。
【００４１】
例えば、図２および図３に示す超電導マグネット装置１において、熱電能材６の高温端温度ＴＨは熱負荷部７側の端部温度である。熱電能材６の低温端温度ＴＬは、図２に示す超電導マグネット装置１では超電導リード９との接触部の温度、図３に示す超電導マグネット装置１では第２の冷却手段１０側の端部温度である。図５の横軸はこれら両端の温度ＴＨ、ＴＬの平均温度Ｔを示している。
【００４２】
図５において、実線は第１の熱電能部にＢｉ−Ｔｅ系のＰ型半導体を用いると共に、第２の熱電能部にＢｉ−Ｔｅ系のＮ型半導体を用いた場合のＺ値の平均温度Ｔ（Ｂｉ−Ｔｅ系Ｐ型半導体の高温端温度ＴＨと低温端温度ＴＬの平均温度Ｔ）に対する依存性を示しており、点線は第１の熱電能部５にＹＢＣＯ系高温超電導体を用いると共に、第２の熱電能部６にＢｉ−Ｔｅ系のＰ型半導体を用いた場合のＺ値の平均温度Ｔ（Ｂｉ−Ｔｅ系Ｐ型半導体の高温端温度ＴＨと低温端温度ＴＬの平均温度Ｔ）に対する依存性を示している。
【００４３】
図５に示したように、Ｂｉ−Ｔｅ系半導体を用いた場合、効率が最もよい温度は１２０Ｋ前後である。従って、Ｂｉ−Ｔｅ系半導体の平均温度Ｔは１２０±１００Ｋの範囲に設定することが好ましい。ただし、第１の熱電能部５を構成するＹＢＣＯ系高温超電導体の臨界温度は８７Ｋであるため、Ｂｉ−Ｔｅ系半導体の高温端温度も８７Ｋ以下にすることが望ましい。言い換えると、熱負荷部７の温度はＹＢＣＯ系高温超電導体の臨界温度である８７Ｋ以下にすることが望ましい。このように、熱負荷部７の温度を第１の熱電能部５を構成する高温超電導体の臨界温度以下に設定した場合においても、超電導コイル２を励磁するのに必要な電流を流すことができる。
【００４４】
なお、図５はＢｉ−Ｔｅ系のＮ型およびＰ型半導体の組合せを一対の熱電能部（熱電素子）に適用した場合のＺ値の平均温度Ｔに対する依存性も併せて示している。この場合はいずれも常電導体であるため、平均温度ＴはＮ型およびＰ型半導体それぞれに温度差を生じさせるものである。ほぼ同等の性能を持つＢｉ−Ｔｅ系のＮ型半導体とＰ型半導体とを組合せた場合には、図５の実線に示すようにＺ値が最小値となる温度（１２０Ｋ）を挟むように、高温端温度と低温端温度を設定することが好ましい。このような温度設定を適用することで、例えばＢｉ−Ｔｅ系のＮ型およびＰ型半導体のような熱電素子の組合せを一対の熱電能部に適用した超電導マグネット装置においても、システム効率を高めることができる。
【００４５】
次に、本発明の第４の実施形態による超電導マグネット装置について、図６を参照して説明する。図６に示す超電導マグネット装置２０は、超電導転移温度以下に冷却された超電導コイル２の両端子２ａ、２ｂ間に少なくとも一対の熱電能部が直列接続された構成については前述した各実施形態と同様であるが、ここでは一対の熱電能部に臨界温度または組成が異なる２種以上の超電導体の組合せを適用している。すなわち、第１および第２の熱電能部２１、２２はいずれも超電導体で構成されている。ただし、熱起電力を発生させるために、臨界温度または組成が異なる超電導体の組合せが適用されている。
【００４６】
図６に示す超電導マグネット装置２０において、第１の熱電能部２１は臨界温度が相対的に高いＢｉ−２２２３系（１１０Ｋ）などの高温超電導体で構成し、第２の熱電能部２２は臨界温度が相対的に低いＹＢＣＯ系（９３Ｋ）の高温超電導体で構成する。このような臨界温度が異なる超電導体の組合せを適用することによって、一対の熱電能部として機能させることができる。ただし、高温超電導体からなる第１および第２の熱電能部２１、２２を全て超電導状態としてしまうと、熱起電力を生じさせることができないため、例えば第１および第２の熱電能部２１、２２の一方は常電導体として使用する。
【００４７】
例えば、Ｂｉ−２２２３系などの高温超電導体（第１の熱電能部２１）の臨界温度においては、ＹＢＣＯ系高温超電導体（第２の熱電能部２２）は臨界温度を超えて常電導状態となる。すなわち、熱負荷部７の温度を第１の熱電能部２１は超電導状態を維持し、かつ第２の熱電能部２２は常電導状態となる温度に設定することによって、高温超電導体からなる第２の熱電能部２２を常電導状態の熱電能材として使用することができる。さらに、超電導コイルに十分な電流が流れた後に、熱負荷部からの入熱を停止して熱電能部５、６全体を超電導状態にすることで、永久電流モードに移行することも可能である。
【００４８】
この際、熱負荷部７は超電導コイル２との間で温度差を有しているため、常電導状態の高温超電導体からなる第２の熱電能部２２の両端部に温度差を与えることができる。熱負荷部７は前述した実施形態と同様に、例えば常温部からの伝導熱や輻射熱、あるいは熱印加部８による加熱によって、超電導コイル２の温度より高い温度に維持するようにしてもよい。このような構成によれば、常電導状態の高温超電導体の両端部に温度差を発生させることができ、これによって熱起電力を生じさせることが可能となる。
【００４９】
上述した小さな起電力を利用することによって、特別な電源を用いることなく、抵抗がゼロの超電導コイル２に電流ｉを流すことが可能となる。すなわち、超電導マグネットとして機能する超電導コイル２を励磁することができる。このように、超電導マグネット装置２０は特別な電源を用いることなく励磁することができるため、装置の大幅な小型化および簡素化を図ることが可能となる。さらに、前述した実施形態と同様に、特別な異常検出装置や安全装置などを用いることなく、超電導コイル２の焼損などを防止することが可能となる。
【００５０】
その上で、一対の熱電能部２１、２２の一方の熱電能部（第１の熱電能部２１）を超電導状態の高温超電導体で構成しているため、この高温超電導体に基づいて超電導コイル２への熱侵入を低減することができる。さらに、第２の熱電能部２２についても、超電導コイル２側の端部は超電導状態を維持させることができるため、超電導コイル２への熱侵入を抑えることが可能となる。これらによって、熱電能部２１、２２で超電導コイル２の励磁電流を得た上で、熱電能部２１、２２から超電導コイル２に侵入する熱量を低減することができ、超電導マグネット装置２０としてのシステム効率を高めることが可能となる。
【００５１】
また、一対の熱電能部２１、２２に臨界温度または組成が異なる超電導体の組合せを適用する場合、第２の熱電能部２２を常電導状態にする構成に限らず、例えば第１および第２の熱電能部２１、２２の熱負荷部７側の端部（高温端）をそれぞれ部分的に常電導状態とするようにしてもよい。図７は第１および第２の熱電能部２１、２２の中間位置に冷却手段２３を配置した超電導マグネット装置２０を示している。
【００５２】
図７に示すような構成を有する超電導マグネット装置２０によれば、第１および第２の熱電能部２１、２２の超電導コイル２側の超電導状態を維持した上で、熱負荷部７側を常電導状態とすることができる。この場合、常電導状態とされた第１および第２の熱電能部２１、２２それぞれに、熱負荷部７側の高温端に対して冷却手段２３側に低温端が生じる。このように、第１および第２の熱電能部２１、２２の一部を常電導状態とし、これら常電導状態とされた部分に温度差を発生させることによっても熱起電力を得ることができる。
【００５３】
なお、上述した各実施形態の超電導マグネット装置において、常電導状態の熱電能材、もしくは少なくとも一部が常電導状態とされた超電導体に高温端と低温端を形成するための構成、すなわち温度差を生じさせるための構成は、本発明の超電導マグネット装置を実現するための一例を示すものであり、各実施形態で適用した構成以外の手段で温度差を生じさせるようにしてもよい。超電導体からなる熱電能部や超電導リードを冷却する手段についても同様である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば特別な電源や異常検出装置などを不要とし、装置の小型化および安全性の確保を実現した上で、超電導コイルへの侵入熱を低減した超電導マグネット装置を提供することができる。このような本発明の超電導マグネット装置によれば、装置の小型化やシステムの単純化とシステム効率の向上とを両立させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による超電導マグネット装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による超電導マグネット装置の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による超電導マグネット装置の概略構成を示す図である。
【図４】図３に示す超電導マグネット装置の変形例を示す図である。
【図５】超電導マグネット装置における熱電能材のＺ値と平均温度Ｔとの関係の一例を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施形態による超電導マグネット装置の概略構成を示す図である。
【図７】図６に示す超電導マグネット装置の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１，２０……超電導マグネット装置、２……超電導コイル、３，１０，２３……冷却手段、５……超電導状態の超電導体からなる第１の熱電能部、６……常伝導状態の熱電能材からなる第２の熱電能部、７……熱負荷部、９……超電導リード、２１……超電導体からなる第１の熱電能部、２２……超電導体からなる第２の熱電能部
Claims (9)
- 超電導転移温度以下に冷却された超電導コイルと、
前記超電導コイルの両端部間に直列に接続され、かつ熱電能が異なる２種以上の物質からなる少なくとも一対の熱電能部と、
前記一対の熱電能部間を接続する部分に設けられ、前記超電導コイルの温度より高い温度に設定された熱負荷部とを具備し、
前記一対の熱電能部の少なくとも一方が超電導体を有することを特徴とする超電導マグネット装置。 - 請求項１記載の超電導マグネット装置において、
前記一対の熱電能部は、少なくとも一部が超電導状態の超電導体と常電導状態の熱電能材との組合せを有することを特徴とする超電導マグネット装置。 - 請求項２記載の超電導マグネット装置において、
前記超電導体は高温超電導材料からなり、かつ前記熱電能材は熱電半導体からなることを特徴とする超電導マグネット装置。 - 請求項２または請求項３記載の超電導マグネット装置において、
前記常電導状態の熱電能材からなる熱電能部は、超電導リードを介して前記超電導コイルに接続されていることを特徴とする超電導マグネット装置。 - 請求項４記載の超電導マグネット装置において、
前記熱電能部と前記超電導リードとの間に、前記超電導リードを冷却する冷却手段が設けられていることを特徴とする超電導マグネット装置。 - 請求項２ないし請求項５のいずれか１項記載の超電導マグネット装置において、
前記常電導状態の熱電能材の前記熱負荷部側端部の温度をＴＨ、前記超電導コイル側端部の温度をＴＬ、これら両端の温度ＴＨ、ＴＬの平均温度をＴ（＝（（ＴＨ＋ＴＬ）／２）とし、かつ前記熱電能材の素子効率Ｚを
【式１】
（式中、κは前記熱電能材の熱伝導率（Ｗ／ｍ Ｋ）、ρは前記熱電能材の抵抗率（Ω・ｍ）、αは前記熱電能材のゼーベック係数（Ｖ／Ｋ）を示す）
で表したとき、前記平均温度Ｔを前記Ｚ値が最小値となる温度の±１００Ｋの範囲に設定することを特徴とする超電導マグネット装置。 - 請求項２ないし請求項６のいずれか１項記載の超電導マグネット装置において、
前記熱負荷部の温度が前記超電導体の臨界温度以下の温度に設定されていることを特徴とする超電導マグネット装置。 - 請求項１記載の超電導マグネット装置において、
前記一対の熱電能部は、臨界温度または組成が異なる２種以上の超電導体の組合せを有し、かつ前記超電導体の一方または一部が常電導状態とされていることを特徴とする超電導マグネット装置。 - 請求項８記載の超電導マグネット装置において、
前記超電導体は少なくとも前記熱負荷部側の端部が常電導状態とされていることを特徴とする超電導マグネット装置。
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|---|---|---|---|
| JP2003194255A JP2005032861A (ja) | 2003-07-09 | 2003-07-09 | 超電導マグネット装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2003194255A JP2005032861A (ja) | 2003-07-09 | 2003-07-09 | 超電導マグネット装置 |
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| JP2005032861A true JP2005032861A (ja) | 2005-02-03 |
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| JP2003194255A Pending JP2005032861A (ja) | 2003-07-09 | 2003-07-09 | 超電導マグネット装置 |
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007173176A (ja) * | 2005-12-26 | 2007-07-05 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 超電導ケーブル機器用電源 |
| JP2008283803A (ja) * | 2007-05-11 | 2008-11-20 | Railway Technical Res Inst | 磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石 |
| WO2019146271A1 (ja) * | 2018-01-23 | 2019-08-01 | 住友電気工業株式会社 | 超電導ケーブル |
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-
2003
- 2003-07-09 JP JP2003194255A patent/JP2005032861A/ja active Pending
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