JP2007220907A - 超電導磁石装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成として低コスト化するとともに信頼性を向上させ、さらに超伝導コイルの励消磁のための通電が容易な超伝導磁石装置及びその運転方法を提供する。
【解決手段】軸が同一であり、かつ、対向するように配設された２つの超伝導磁石１、２と、これらの超伝導磁石１、２のそれぞれに電気的に並列接続されている永久電流スイッチ３、４と、超伝導磁石１、２及び永久電流スイッチ３、４と電気的に直列接続されている電源５と、超伝導磁石１及び永久電流スイッチ３を内部に有する低温容器６と、超伝導磁石２及び永久電流スイッチ４を内部に有する低温容器７とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定空間に所定磁場を発生させるために、前記所定空間を挟むように配設された２つの超伝導磁石を備えている超電導磁石装置、及び、その運転方法に関するものである。

従来から、例えば、下記特許文献１、２のように、所定空間に所定磁場を発生させるために、前記所定空間を挟むように配設された２つの超伝導磁石を備えている超電導磁石装置は知られている。具体的には、特許文献１において、シリコン等の単結晶材料を製造するために溶融した原料から結晶化した材料を引上げ精製する際に少なくとも２個の超電導マグネットにより溶融した原料を挟んで前記原料に静磁界を印加する単結晶引上げ装置用超電導マグネット装置において、前記少なくとも２つの超電導マグネットの液体ヘリウム槽を互いに連通する少なくとも１本の連通管を備え、しかも、前記連通管は真空槽および熱シールドを有する断熱構造でなり、かつ、連通される超電導マグネット本体及び熱シールドにそれぞれつながっていることを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導マグネット装置が提案されている。

特許文献２においては、半導体用単結晶材料をるつぼ内で融解させ、前記るつぼを内蔵した引上げ炉の外部に超電導磁石を配設し、この超電導磁石による磁場を印加して前記融解した単結晶材料から単結晶を引上げる単結晶引上げ装置用超電導磁石において、前記超電導磁石は相互に向き合い液体冷媒中に浸漬した二個の超電導コイルをそれぞれ別々の低温容器に内蔵し、前記それぞれの超電導コイルが発生する磁場の方向が前記引上げ炉の引上げ方向に対して横方向であり、かつ前記それぞれの低温容器間の設置スペースを調整自在に支持してなることを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石が記載されている。

特許２７９０５４９号公報 特許３５９２４６７号公報

しかし、特許文献１のものは、それぞれのマグネットを納める液体ヘリウム槽を互いに連通する少なくとも１本の連通管で連結し，連通管は真空槽および熱シールドを有する断熱構造でなり、かつ、連通される超電導マグネット本体及び熱シールドにそれぞれつながっているので、容器の構造が非常に複雑である。そのため製造コストが大きくなり、また複雑な構造を溶接構造などで製造するため真空漏れなどのトラブルを起すおそれがある。

特許文献２のものは、それぞれの磁石を別々の低温容器に内蔵する事が示されているが、その特徴として低温容器間の設置スペースを調整自在にすることを示すのみであり、その電気回路や通電方法については言及されていない。明細書中で、それぞれを独立に通電することが示唆されているが、この方法では、２台の電源が必要である。このことにより、それぞれのコイルの通電電流を独立に変えることができるので、種々の磁場形状が得られるということを特徴としてあげているが、実際の使用においてはそれぞれの通電電流を等しくする場合がほとんどであり、これを容易に実現する通電方法については明示されていない。

そこで、本発明の目的は、特許文献１のものに比べ簡易な構成として低コスト化するとともに信頼性を向上させ、さらに超伝導コイルの励消磁のための通電が容易な超伝導磁石装置及びその運転方法を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の超伝導磁石装置は、所定空間に所定磁場を発生させるために前記所定空間を挟むように対向して配設された２つの超伝導磁石からなる超伝導磁石対を１つ以上備えている超伝導磁石装置であって、前記超電導磁石のそれぞれが、独立した低温容器内において冷却されている超電導コイルからなるものであるとともに、電気的に直列接続されているものである。

上記構成により、低温容器を独立に設けたことで構造がシンプルになるため、特許文献１のものに比べ低コストで製造できるとともに信頼性を向上した超伝導磁石装置を提供できる。また、低温容器を超伝導磁石ごとに独立にしたことで、ある１つの超伝導磁石がクエンチした場合、その超伝導磁石を内部に有する低温容器内のヘリウムだけが消費されるため、同じ規模の超伝導磁石装置であって冷却に液体ヘリウムを用いているならば、特許文献１のような構成の低温容器の場合に比べ、クエンチ時のヘリウム消費が半分程度で済むという利点がある。また、その後の復旧も一方のコイルを再励磁するだけで済むので、電力消費が半分程度で済むという利点もある。さらに、各超伝導磁石を直列で接続していることから、１つの外部電源で各超伝導磁石を同時に励消磁することができる。

別の観点として、本発明の超伝導磁石装置は、所定空間に所定磁場を発生させるために前記所定空間を挟むように対向して配設された２つの超伝導磁石からなる超伝導磁石対を複数備えている超伝導磁石装置であって、それぞれの前記超伝導磁石が、超電導コイルからなるとともに、電気的に直列接続されているものであり、複数の前記超伝導磁石対の一方同士と他方同士とが、独立した２つの低温容器内にそれぞれ配設され、冷却されているものである。

上記構成により、複数の超伝導磁石対の一方同士と他方同士とにおいて、２つの低温容器を独立に設けたことで構造がシンプルになるため、２つの低温容器の内部間が接続されている場合に比べ、低コストで製造できるとともに信頼性を向上した超伝導磁石装置を提供できる。また、低温容器を超伝導磁石ごとに独立にしたことで、ある１つの超伝導磁石がクエンチした場合、その超伝導磁石を内部に有する低温容器内のヘリウムだけが消費されるため、同じ規模の超伝導磁石装置であって冷却に液体ヘリウムを用いているならば、２つの低温容器の内部間が接続されている場合に比べ、クエンチ時のヘリウム消費が半分程度で済むという利点がある。さらに、各超伝導磁石を直列で接続していることから、１つの外部電源で各超伝導磁石を同時に励消磁することができる。

本発明の超伝導磁石装置は、前記低温容器内の前記超電導磁石に対して電気的に並列接続されている永久電流スイッチを、前記低温容器ごとに備えていることが好ましい。また、この超伝導磁石装置の運転方法は、前記超伝導磁石対の一方の超伝導磁石に接続されている前記永久電流スイッチをオープン状態とし、前記超伝導磁石対の他方の超伝導磁石に接続されている前記永久電流スイッチをクローズ状態とする工程と、前記一方の超伝導磁石及び前記一方の超伝導磁石に接続されている前記永久電流スイッチに所定の電流値まで通電する工程と、前記一方の超伝導磁石に接続されている前記永久電流スイッチをクローズ状態とする工程とを有するものである。

上記構成により、例えば、クローズ状態の永久電流スイッチが接続されている超伝導コイルの通電電流を変化させることなく、オープン状態の永久電流スイッチが接続されている超伝導コイルの通電電流を変化させることができる。したがって、各超伝導磁石について単独でも同時でも励消磁できる。

＜第１実施形態＞
以下に、本発明の第１実施形態に係る超伝導磁石装置について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る超伝導磁石装置に用いられる超伝導磁石装置の主要部の概略図である。

本実施形態に係る超伝導磁石装置は、軸が同一であり、かつ、対向するように配設された２つの超伝導磁石１、２と、これらの超伝導磁石１、２のそれぞれに電気的に並列接続されている永久電流スイッチ３、４と、超伝導磁石１、２及び永久電流スイッチ３、４と電気的に直列接続されている電源５と、超伝導磁石１及び永久電流スイッチ３を内部に有する低温容器６と、超伝導磁石２及び永久電流スイッチ４を内部に有する低温容器７とを備えている。

超伝導磁石１、２は、超伝導線を巻いて形成された超伝導コイルからなるものである。超伝導状態になった超伝導磁石１、２の間には所定の静磁場が形成される。

永久電流スイッチ３、４は、巻線された超電導線（図示せず）とこれを加熱するヒータ（図示せず）が内蔵された構造を有し、ヒータ電源（図示せず）によって前述のヒータをON／OFFすることによって前述の超電導巻線の常電導／超電導の状態を制御するものである。なお、図１においては、永久電流スイッチをＰＣＳ（persistent-current switch）と表している。後述の第２実施形態における図２においても同様である。

低温容器６、７は、それぞれ独立した容器であり、内部に液体ヘリウムを有している液体ヘリウム槽（図示せず）を備え、この液体ヘリウムに超伝導磁石１、２が浸漬されているものである。なお、一変形例として、低温容器６、７は、液体ヘリウム槽の代わりに、超伝導磁石１、２に熱的に接続され、超伝導磁石１、２を超伝導状態にすることができる程度に冷却が可能な冷凍機をそれぞれ備えたものであってもよい。

次に、本実施形態に係る超伝導磁石装置の超伝導コイルの励磁動作について説明する。まず、超伝導コイル１、２を同時に励磁する場合について説明した後、超伝導コイル１のみを励磁する場合について説明する。

（超伝導コイル１、２を同時に励磁する場合の本実施形態に係る超伝導磁石装置の動作）
（１）超伝導コイル１、２両方の永久電流スイッチ３、４をオープンする（永久電流スイッチ３、４の超伝導線をヒータによって常電導状態とする。）。
（２）電源５によって所定の電流値まで超伝導コイル１、２両方に通電する（超伝導コイル１、２両方に所定の電流値が流れ励磁される。）。
（３）永久電流スイッチ３、４をクローズする（ヒータを切って永久電流スイッチ３、４の超伝導線を超電導状態とする。）。
（４）電源５の電流値を０に下げる（超伝導コイル１、２両方が所定の電流値で永久電流モードになる。）。

（超伝導コイル１のみを励磁する場合の本実施形態に係る超伝導磁石装置の動作）
このとき、超伝導コイル２は永久電流モードで通電されていてもいなくてもよいが、ここでは、超伝導コイル２が永久電流モードであるとして説明する。
（１）超伝導コイル１の永久電流スイッチ３をオープンする（永久電流スイッチ３の超伝導線をヒータによって常電導状態とする。）。
（２）電源５を所定の電流値まで通電する（超伝導コイル１だけに所定の電流値が流れ、励磁される。超伝導コイル２の電流は永久電流スイッチ４にバイパスするため不変。）。
（３）永久電流スイッチ３をクローズする（ヒータを切って永久電流スイッチ３の超伝導線を超電導状態とする。）。
（４）電源５の電流値を０に下げる（超伝導コイル１が所定の電流値で永久電流モードになる。超伝導コイル２は最初の電流値での永久電流モードのままに保たれる。）。

これらのように超伝導コイル１、２を励磁することで、例えば、図１中の矢印に示すような方向に静磁場を印加することができる。

次に、本実施形態に係る超伝導磁石装置の超伝導コイルの消磁動作について説明する。まず、超伝導コイル１、２を同時に消磁する場合について説明した後、超伝導コイル１のみを消磁する場合について説明する。

（超伝導コイル１、２を同時に消磁する場合の本実施形態に係る超伝導磁石装置の動作）
（１）電源５の電流値を超伝導コイル１、２両方の運転電流値まで上げる。
（２）超伝導コイル１、２両方の永久電流スイッチ３、４をオープンする（永久電流スイッチ３、４の超伝導線をヒータによって常電導状態とする。）。
（３）電源５の電流値を０に下げる（超伝導コイル１、２両方の電流値が０となり、消磁される。）。
（４）永久電流スイッチ３、４をクローズする（ヒータを切って永久電流スイッチ３、４の超伝導線を超電導状態とする。）。
なお、超伝導コイル１、２の電流値を途中の値で永久電流モードに保持する場合には、上記（３）以降を下記（３’）〜（５’）の動作を行わせればよい。
（３’）電源５の電流値を所定の値まで下げる。
（４’）永久電流スイッチ３、４をクローズする（ヒータを切って永久電流スイッチ３、４の超伝導線を超電導状態とする。）。
（５’）電源５の電流値を０に下げる（超伝導コイル１、２両方が所定の電流値で永久電流モードになる。）。

（超伝導コイル１のみを消磁する場合の本実施形態に係る超伝導磁石装置の動作）
このとき、超伝導コイル２は永久電流モードで通電されていてもいなくてもよいが、ここでは、超伝導コイル２が永久電流モードであるとして説明する。
（１）電源５の電流値を超伝導コイル１の運転電流値まで上げる。
（２）超伝導コイル１の永久電流スイッチ３のみをオープンする（永久電流スイッチ３の超伝導線をヒータによって常電導状態とする。）。
（３）電源５の電流値を０まで下げる（超伝導コイル１の電流値が０となり、消磁される。超伝導コイル２の電流は永久電流スイッチ４にバイパスするため、最初の電流値での永久電流モードのまま保持される。）。
（４）超伝導コイル１の永久電流スイッチ３をクローズする。
なお、超伝導コイル１の電流値を途中の値で永久電流モードに保持する場合には、上記（３）以降を下記（３’）〜（５’）の動作を行わせればよい。
（３’）電源５の電流値を所定の値まで下げる。
（４’）永久電流スイッチ３をクローズする（ヒータを切って永久電流スイッチ３の超伝導線を超電導状態とする。）。
（５’）電源５の電流値を０に下げる（超伝導コイル１が所定の電流値で永久電流モードになる。超伝導コイル２は、最初の電流値での永久電流モードのまま保持される。）。

これらのように超伝導コイル１、２を消磁することで、発生していた静磁場を消磁することができる。

以上の手順を組み合わせることにより、超伝導コイル１、２それぞれを任意の初期状態から任意の状態へ独立に変更すること、および超伝導コイル１、２を同時に任意の状態へ変更すること（この操作の初期においては超伝導コイル１、２の通電電流を同一にしておくことが必要）が、1台の電源５と２つの永久電流スイッチ３、４の操作によって可能となる。

本実施形態によれば、低温容器を独立に設けたことで構造がシンプルになるため、特許文献１のものに比べ低コストで製造できるとともに信頼性を向上した超伝導磁石装置を提供できる。また、低温容器６、７を超伝導磁石１、２ごとに独立にしたことで、どちらか一方の超伝導磁石がクエンチした場合、その一方の低温容器内のヘリウムだけが消費されるため、同じ規模の超伝導磁石装置であって冷却に液体ヘリウムを用いているならば、特許文献１のような構成の低温容器の場合に比べ、クエンチ時のヘリウム消費が半分程度で済むという利点がある。また、その後の復旧も一方の超伝導コイルを再励磁するだけで済むので、電力消費が半分程度で済むという利点もある。さらに、各超伝導磁石１、２を直列で接続していることから、容易に１つの外部電源で各超伝導磁石１、２を同時に又は単独で励消磁することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る超伝導磁石装置について図面を参照して説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係る超伝導磁石装置に用いられる超伝導磁石装置の主要部の概略図である。なお、第１実施形態の符合３〜７と同様の部分には、順に符合１３〜１７を付け、その説明を省略することがある。

本実施形態の超伝導磁石装置は、超伝導コイル１、２の代わりに、超伝導コイル１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを用いている点で、第１実施形態の超伝導磁石装置と異なる。具体的には、超伝導コイル１１ａ、１１ｂ、超伝導コイル１２ａ、１２ｂのそれぞれが電気的に直列接続されているとともに、軸が同一の状態で超伝導コイル１１ａ、１２ａ、超伝導コイル１１ｂ、１２ｂがそれぞれ対向するとともに、超伝導コイル１１ａ、１２ａの組と超伝導コイル１１ｂ、１２ｂの組とが並列に配設されている。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用・効果を奏すると共に、超伝導コイル１１ａ、１２ａ間及び超伝導コイル１１ｂ、１２ｂ間の２箇所において、静磁場を形成することができる（図２中の矢印参照）。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、対向する２つの超伝導磁石を有する超伝導磁石対が1組又は２組の超伝導磁石装置を示したが、これに限られず、３組以上の超伝導磁石対を有する超伝導磁石装置であっても構わない。

また、第２実施形態では、超伝導磁石対の一方の超伝導磁石と他方の超伝導磁石とを別々の独立した低温容器にまとめて配設した超伝導磁石装置としたが、超伝導磁石ごとに低温容器が設けられているものであってもよい。

さらに、第２実施形態では、低温容器内で直列に接続されている超伝導磁石の全体と、永久電流スイッチを並列接続している超伝導磁石装置としたが、超伝導磁石ごとに永久電流スイッチを並列接続してもかまわない。

本発明に係る超伝導磁石装置は、上記特許文献１、２で開示されている超伝導磁石装置と同様、結晶引上げ装置の静磁場発生に適用することができる。また、熱処理しながら磁気記録媒体を着磁する際の磁力源や、医療用のＭＲＩなどにも適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る超伝導磁石装置に用いられる超伝導磁石装置の主要部の概略図である。 本発明の第２実施形態に係る超伝導磁石装置に用いられる超伝導磁石装置の主要部の概略図である。

符号の説明

１、２、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ 超伝導コイル
３、４、１３、１４ 永久電流スイッチ
５、１５ 電源
６、７、１６、１７ 低温容器

Claims (4)

1. 所定空間に所定磁場を発生させるために前記所定空間を挟むように対向して配設された２つの超伝導磁石からなる超伝導磁石対を１つ以上備えている超伝導磁石装置であって、
   前記超電導磁石のそれぞれが、独立した低温容器内において冷却されている超電導コイルからなるものであるとともに、電気的に直列接続されていることを特徴とする超電導磁石装置。
2. 所定空間に所定磁場を発生させるために前記所定空間を挟むように対向して配設された２つの超伝導磁石からなる超伝導磁石対を複数備えている超伝導磁石装置であって、
   それぞれの前記超伝導磁石が、超電導コイルからなるとともに、電気的に直列接続されているものであり、
   複数の前記超伝導磁石対の一方同士と他方同士とが、独立した２つの低温容器内にそれぞれ配設され、冷却されていることを特徴とする超電導磁石装置。
3. 前記低温容器内の前記超電導磁石に対して電気的に並列接続されている永久電流スイッチを、前記低温容器ごとに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導磁石装置。
4. 請求項３記載の超電導磁石装置における前記超伝導磁石対の一方の超伝導磁石に接続されている前記永久電流スイッチをオープン状態とし、前記超伝導磁石対の他方の超伝導磁石に接続されている前記永久電流スイッチをクローズ状態とする工程と、
   前記一方の超伝導磁石及び前記一方の超伝導磁石に接続されている前記永久電流スイッチに所定の電流値まで通電する工程と、
   前記一方の超伝導磁石に接続されている前記永久電流スイッチをクローズ状態とする工程とを有することを特徴とする超伝導磁石装置の運転方法。

Images