JP2010021477A - 永久電流スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの設置の向きにかかわらずクエンチの発生を十分に抑えることが可能な永久電流スイッチを提供する。
【解決手段】この永久電流スイッチ５のコイル６は、通電部３０とフランジ部２２，２３との間に設けられるスペーサ４１〜４４を備えている。通電部３０の第１通電層３１は、フランジ部２２の対向面２２ａからフランジ部２３に向けて巻回された超電導線材５０からなり、第２通電層３１は、フランジ部２３の対向面２３ａからフランジ部２２に向けて第１通電層３１とは周方向で逆向きにかつ第１通電層３１の超電導線材５０に対して軸方向に半ピッチずれるように巻回された超電導線材５０からなる。また、スペーサ４１は、第１通電層３１とフランジ部２３との間に設けられて第１通電層３１のフランジ部２３への移動を規制する。スペーサ４２は、第２通電層３２とフランジ部２２との間に設けられて第２通電層３２のフランジ部２２への移動を規制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超電導マグネット装置の超電導マグネットを永久電流モードで運転するための永久電流スイッチに関する。

従来、超電導マグネット装置の超電導マグネットに電気的に接続される無誘導型のコイルを備えた永久電流スイッチが知られている（特許文献１参照）。

上記コイルは、例えば、円筒状の胴部とこの胴部の軸方向両端に設けられる一対のフランジ部とを有する巻枠と、胴部の外周に径方向に複数層となるようにソレノイド状に巻回された１本の超電導線材からなる通電部とで構成されている。

通電部は、超電導線材を一方のフランジ部から他方のフランジ部に向けて巻回してなる通電層と、超電導線材を他方のフランジ部から一方のフランジ部に向けて巻回してなる通電層とが径方向に交互に配されることにより構成されている。

そして、径方向に隣接する通電層の超電導線材同士は、巻枠の周方向に互いに逆向きに巻回されており、両通電層の超電導線材を流れる電気の向きが周方向で逆向きになっている。これにより、両通電層による磁場同士が互いに打ち消し合う向きに発生し、コイル全体では無誘導状態となっている。

また、隣接する通電層の超電導線材同士は、軸方向に超電導線材の半径と略等しい距離（約半ピッチ）だけずれる、いわゆる俵積み状態となっている。このような俵積み状態では、隣り合う一方の通電層の超電導線材間の谷間に他方の通電層の超電導線材が嵌り込むことで、通電層同士の軸方向の相対変位が抑えられている。

また、各通電層は、巻終り側のフランジ部との間に所定の隙間を有するように形成されている。この隙間には、当該通電層に隣接する通電層の超電導線材の巻始め部分が嵌まり込むようになっており、これによって通電層の軸方向端部でも前記俵積み状態が実現されている。
特開２００６−２８７１４２号公報

ところで、上記永久電流スイッチのコイルの通電部には、超電導マグネットの発生磁場による電磁力が作用する。そして、その力の向きは、超電導マグネットの磁場に対する当該コイルの設置方向に依存しており、コイルの設置方向によっては、クエンチを生じさせやすい向きの力が通電部に働く。

例えば、コイルを、その軸方向が超電導マグネットの磁場方向に直交するような横置きに設置した場合、各通電層には主に軸方向に沿う方向の電磁力が作用する。

従来の永久電流スイッチにおいて、上記のようにコイルを横置きに設置した場合、通電層に作用する軸方向の電磁力が俵積みによる超電導線材同士の相対移動規制力を上回れば、通電層が巻終り側のフランジ部との隙間に向けて移動する。これにより、超電導線材の微小変位に起因するクエンチが発生するという問題がある。

なお、コイルを、その軸方向が超電導マグネットの磁場方向と一致するような縦置きに設置すれば、各通電層には主に巻枠の径方向に沿う方向に電磁力が作用し、軸方向の力がほとんど作用しないので、上述のような不都合は発生しにくい。しかし、永久電流スイッチは、一般に、超電導マグネット装置の低温容器内のスペース等の事情を優先して決定された向きで設置されるようになっており、安定性が高まるような設置方向（例えば上述の縦置き）を常に選択して設置するのは困難である。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コイルの設置の向きにかかわらずクエンチの発生を十分に抑えることが可能な永久電流スイッチを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の永久電流スイッチは、超電導マグネット装置の超電導マグネットを永久電流モードで運転するための永久電流スイッチであって、前記超電導マグネットに電気的に接続される無誘導型のコイルを備え、前記コイルは、胴部とこの胴部の軸方向両端から径外方向に延びて互いに対向する対向面を有する一対のフランジ部とを含む巻枠と、前記一対のフランジ部の対向面の間に挟まれる領域で前記胴部の周囲にその径方向に複数層に亘って積層されるようにソレノイド状に巻回された１本の超電導線材からなる通電部と、この通電部と前記フランジ部との間に設けられるスペーサとを含み、前記通電部は、第１のフランジ部の対向面から第２のフランジ部に向けて巻回された超電導線材からなるとともに第２のフランジ部に臨む部位が第２のフランジ部の対向面と所定距離を隔てるように配される第１の層部と、この第１の層部の前記巻枠の径方向に隣り合うように設けられ、第２のフランジ部の対向面から第１のフランジ部に向けて第１の層部とは前記巻枠の周方向で逆向きにかつ第１の層部の超電導線材に対して前記巻枠の軸方向にずれるように巻回された超電導線材からなり、第１のフランジ部に臨む部位が第１のフランジ部の対向面と所定距離を隔てるように配される第２の層部とを有し、前記スペーサは、第１の層部と第２のフランジ部の対向面との間に設けられて第１の層部の第２のフランジ部へと向かう軸方向の移動を規制する第１のスペーサと、第２の層部と第１のフランジ部の対向面との間に設けられて第２の層部の第１のフランジ部へと向かう軸方向の移動を規制する第２のスペーサとを有することを特徴とする。

請求項１に記載の永久電流スイッチでは、上記のように、隣接する層部の超電導線材同士が軸方向にずれる、いわゆる俵積み状態で超電導線材を巻回するための層部と巻終り側のフランジ部との間の空間部にスペーサを配して、巻終り側のフランジ部への層部の移動を規制するように構成したので、各層部が巻終り側のフランジ部の方向に変位するのを防ぐことができる。これにより、例えばコイルが、その軸方向が当該コイル位置における超電導マグネットの磁場方向に対して傾斜する（一致しない）姿勢で配設されることに起因して、第１の層部に第２のフランジ部へと向かう軸方向の電磁力が作用するとともに、第２の層部に第１のフランジ部へと向かう軸方向の電磁力が作用した場合でも、スペーサによって各層部の軸方向の変位を防ぐことができる。従って、コイルがいずれの姿勢で配設されていても通電部の変位が起こらないようにすることができるので、コイルの向きにかかわらずクエンチの発生を十分に抑えることができる。

請求項２に記載の永久電流スイッチは、上記請求項１に記載の永久電流スイッチにおいて、前記通電部は、複数の第１の層部と、第１の層部と同数の第２の層部とを有し、第１の層部と第２の層部とが、前記巻枠の径方向に交互に配されている。

請求項３に記載の永久電流スイッチは、上記請求項１または２に記載の永久電流スイッチにおいて、好ましくは、前記スペーサは、前記超電導線材の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する材料からなる。このスペーサの冷却時の軸方向収縮量は、通電部の軸方向の収縮量よりも少ないので、冷却状態でスペーサは層部およびフランジ部の両方に確実に当接する。これにより、層部の軸方向の変位の防止がより確実になる。

請求項４に記載の永久電流スイッチは、上記請求項１〜３のいずれか一項に記載の永久電流スイッチにおいて、好ましくは、前記スペーサは、前記層部の前記フランジ部に臨む部位に周方向の略全域に亘って対応するようにリング状に形成されている。このスペーサは、層部の移動を周方向の略全域に亘って規制することができる。

請求項５に記載の永久電流スイッチは、上記請求項１〜４のいずれか一項に記載の永久電流スイッチにおいて、好ましくは、前記スペーサには、当該スペーサに隣接する超電導線材の外周面と嵌合可能な面部が設けられている。このように構成すれば、層部の超電導線材を面部で保持することができるので、層部の移動を規制しやすくなる。

請求項６に記載の永久電流スイッチは、上記請求項１〜５のいずれか一項に記載の永久電流スイッチにおいて、前記コイルは、前記巻枠の軸方向が当該コイルの配置位置での前記超電導マグネットの磁場の向きに対して傾斜するように配されている。

本発明の永久電流スイッチによれば、巻終り側のフランジ部への層部の移動を規制するように層部と巻終り側のフランジ部との間にスペーサを設けたので、各層部が巻終り側のフランジ部の方向に変位するのを防ぐことができる。これにより、コイルがいずれの姿勢で配設されていても通電部の軸方向の変位が起こらないようにすることができるので、コイルの向きにかかわらずクエンチの発生を十分に抑えることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態による永久電流スイッチを備えた超電導マグネット装置の構成を概略的に示したブロック図である。また、図２は、永久電流スイッチのコイルの構成を示した断面図であり、図３および図４は、コイルの第１通電層用のスペーサおよび第２通電層用のスペーサをそれぞれ示した拡大断面図である。また、図５および図６は、横置きコイルおよび縦置きコイルの通電部に作用する電磁力を説明するための断面図である。

まず、図１を参照して、本実施形態の永久電流スイッチ５を備えた超電導マグネット装置の構成について説明する。

本実施形態の超電導マグネット装置は、例えば高分解能ＮＭＲやＭＲＩに適用されるものである。このような超電導マグネット装置では、超電導マグネット２の発生磁場が時間的に極めて高い安定性を有することが要求される。このため、図１に示すように、超電導マグネット２を収容する低温容器１内には、冷却用媒体としての液体ヘリウムとともに本発明に係る永久電流スイッチ５が収容されている。この永久電流スイッチ５は、超電導マグネット２とともに閉ループを構成している。そして、外部電源４による超電導マグネット２の電源駆動モードでの運転から、前記閉ループによる超電導マグネット２の永久電流モードでの運転に所定のタイミングで切り替わるようになっている。

具体的には、超電導マグネット２は、導線部１０によって外部電源４と電気的に接続されている。外部電源４の下流位置には、スイッチ３が設けられている。そして、電源駆動モードでは、スイッチ３が「入」状態（実線で表示）となって、外部電源４による超電導マグネット２への給電が行われる。なお、電源駆動モード時の電流の経路を図１中に矢印ａで示している。

また、永久電流スイッチ５は、導線部１０と、この導線部１０の適所に短絡する導線部１１とによって、超電導マグネット２および外部電源４に電気的に接続されている。

永久電流スイッチ５は、無誘導型のコイル６と、ヒータ７とを含んでいる。ヒータ７は、スイッチ８とヒータ用電源９とに電気的に接続されており、スイッチ８の「入」状態（実線で表示）でコイル６を常電導転移温度以上に加温可能となっている。ちなみに、スイッチ８を「切」状態（点線で表示）にすると、コイル６は、低温容器１内の液体ヘリウムによって前記常電導転移温度未満（超電導転移温度以下）にまで冷却されるようになっている。

このような超電導マグネット装置では、冷却後の立上げ時には、スイッチ３が「入」状態となって外部電源４による電源駆動モードで超電導マグネット２が運転されるように構成されている。なお、この時、永久電流スイッチ５のスイッチ９は「入」状態となっており、コイル６がヒータ７により加温されることで常電導状態となっている。常電導状態では、コイル６は大きな抵抗を有するようになるため、当該コイル６には電気がほとんど流れない。従って、超電導マグネット２、外部電源３および導線部１０による経路（矢印ａ）を電気が流れるようになる。

そして、当該超電導マグネット装置では、所定のタイミングで電源駆動モードから永久電流モードに切り替わるようになっている。

すなわち、永久電流スイッチ５のスイッチ８が「切」状態に切り替わることにより、ヒータ７によるコイル６の加温が停止される。これにより、コイル６が液体ヘリウムによって超電導転移温度以下に冷却されて超電導状態となり、コイル６の電流抵抗値がほぼゼロになる。また、この時、スイッチ３が「切」状態（点線で表示）に切り替えられ、外部電源４からの給電が停止される。その結果、超電導マグネット２、コイル６および導線部１０，１１によって構成される閉ループ（図１中の矢印ｂ）を電気が流れるようになる。

次に、図２を参照して、上記コイル６の構成について詳細に説明する。

本発明に係る永久電流スイッチ５のコイル６は、図２に示すように、巻枠２０と、通電部３０と、４つのスペーサ４１〜４４とを含んでいる。なお、スペーサ４１，４３は、本発明の「第１のスペーサ」の一例であり、スペーサ４２，４４は、本発明の「第２のスペーサ」の一例である。

巻枠２０は、円筒状外周面を有する胴部２１と、この胴部２１の軸方向両端に設けられる一対のフランジ部２２，２３とを有している。なお、フランジ部２２は、本発明の「第１のフランジ部」に相当し、フランジ部２３は、本発明の「第２のフランジ部」に相当する。フランジ部２２，２３は、それぞれ、互いに対向する対向面２２ａ，２３ａを有している。

通電部３０は、一対のフランジ部２２，２３の対向面２２ａ，２３ａに挟まれる領域で胴部２１の周囲にソレノイド状に巻回された１本の超電導線材５０により構成されている。この通電部３０は、胴部２１の径方向に積層される４つの通電層３１〜３４を含んでいる。

具体的には、通電部３０は、胴部２１の外周面に接するように設けられる最内層の第１通電層３１と、第１通電層３１の径方向外側に隣接して設けられる第２通電層３２と、第２通電層３２の径方向外側に隣接して設けられる第３通電層３３と、第３通電層３１の径方向外側に隣接して設けられる最外層の第４通電層３４とで構成されている。なお、通電層３１，３３は、本発明の「第１の層部」に相当し、通電層３２，３４は、本発明の「第２の層部」に相当する。

第１通電層３１は、フランジ部２２の対向面２２ａからフランジ部２３に向けて巻回された超電導線材５０により構成されている。この第１通電層３１は、フランジ部２２に臨む巻始め部位がフランジ部２２の対向面２２ａに密接し、かつフランジ部２３に臨む巻終り部位がフランジ部２３の対向面２３ａと所定距離を隔てるように配されている。前記所定距離は、例えば超電導線材５０の半径程度に設定される。このように第１通電層３１をフランジ部２３に密接させずに第１通電層３１と巻終り側のフランジ部２３との間に超電導線材５０の半径程度の空間部（隙間）を残すことによって、隣接する第２通電層３２の超電導線材５０を、後述の俵積み状態となるように巻き始めることが可能となる。なお、各部材の寸法誤差や超電導線材の巻回具合等によって、前記空間部の軸方向長さは多少変動することになる。

また、第２通電層３２は、フランジ部２３の対向面２３ａからフランジ部２２に向けて巻回された超電導線材５０により構成されている。第２通電層３２の超電導線材５０は、第１通電層３１の超電導線材５０とは胴部２１の周方向で逆向きに巻回されており、両通電層３１，３２の超電導線材５０を流れる電気の向きが周方向で逆向きになっている。これにより、通電層３１，３２の磁場同士が互いに打ち消し合う向きに発生し、コイル６全体では無誘導状態となっている。

また、第２通電層３２の超電導線材５０は、その巻回状態で第１通電層３１の超電導線材５０に対して胴部２１の軸方向に約半ピッチ（当該超電導線材５０の半径に相当）ずれるように巻回されている。すなわち、第１通電層３１の超電導線材５０と第２通電層３２の超電導線材５０とは、互いの超電導線材５０の軸方向に隣接する部位間の谷間に嵌まり込んでおり、これによっていわゆる俵積み状態となっている。このような俵積み状態では、通電層３１，３２同士が軸方向に相対変位しにくくなっている。

また、第２通電層３２は、フランジ部２３に臨む巻始め部位がフランジ部２３の対向面２３ａに密接し、かつフランジ部２２に臨む巻終り部位がフランジ部２２の対向面２２ａと所定距離（超電導線材５０の半径程度）を隔てるように配されている。この第２通電層３２とフランジ部２２との間の空間部も上記と同様に、第２通電層３２に隣接する通電層３３の巻始め部位を俵積み状態で巻回するために設けられている。

また、第３通電層３３は、上記第１通電層３１と同様、フランジ部２２の対向面２２ａからフランジ部２３に向けて巻回された超電導線材５０により構成されている。この第３通電層３３は、フランジ部２２に臨む巻始め部位がフランジ部２２の対向面２２ａに密接し、かつフランジ部２３に臨む巻終り部位がフランジ部２３の対向面２３ａと所定距離を隔てるように配されている。また、第３通電層３３の超電導線材５０は、第２通電層３２の超電導線材５０とは胴部２１の周方向で逆向きに巻回されるとともに、その巻回状態で第２通電層３２の超電導線材５０に対して胴部２１の軸方向に約半ピッチずれるように巻回されている。

また、第４通電層３４は、上記第２通電層３２と同様、フランジ部２３の対向面２３ａからフランジ部２２に向けて巻回された超電導線材５０により構成されている。この第４通電層３４は、フランジ部２３に臨む巻始め部位がフランジ部２３の対向面２３ａに密接し、かつフランジ部２２に臨む巻終り部位がフランジ部２２の対向面２２ａと所定距離を隔てるように配されている。また、第４通電層３４の超電導線材５０は、第３通電層３３の超電導線材５０とは胴部２１の周方向で逆向きに巻回されるとともに、その巻回状態で第３通電層３３の超電導線材５０に対して胴部２１の軸方向に約半ピッチずれるように巻回されている。

なお、通電層３３とフランジ部２３との間の空間部、および、通電層３４とフランジ部２２との間の空間部も超電導線材５０の半径程度の軸方向長さを有するように設定されている。

スペーサ４１は、第１通電層３１と巻終り側のフランジ部２３の対向面２３ａとの間の空間部に設けられており、第１通電層３１のフランジ部２３へと向かう軸方向の移動を規制する機能を有している。このスペーサ４１は、第１通電層３１のフランジ部２３に臨む部位に周方向の略全域に亘って対応するようにリング状に形成されている。

また、スペーサ４１は、図３に示すように、超電導線材５０の外周面と嵌合可能な溝状の保持部４１ｃ，４１ｄを有している。保持部４１ｃは、第１通電層３１の巻終り部位に位置する超電導線材５０を保持可能となっている。また、保持部４１ｄは、第２通電層３２の巻始め部位に位置する超電導線材５０を保持可能となっている。なお、保持部４１ｃ，４１ｄは、本発明の「面部」の一例である。

スペーサ４２は、第２通電層３２と巻終り側のフランジ部２２の対向面２２ａとの間の空間部に設けられており、第２通電層３２のフランジ部２２へと向かう軸方向の移動を規制する機能を有している。このスペーサ４２は、第２通電層３２のフランジ部２２に臨む部位に周方向の略全域に亘って対応するようにリング状に形成されている。

また、スペーサ４２は、図４に示すように、超電導線材５０の外周面と嵌合可能な溝状の保持部４２ｃ〜４２ｅを有している。保持部４２ｃは、第２通電層３２の巻終り部位に位置する超電導線材５０を保持可能となっている。また、保持部４２ｄは、第１通電層３１の巻始め部位に位置する超電導線材５０を保持可能となっている。また、保持部４２ｅは、第３通電層３３の巻始め部位に位置する超電導線材５０を保持可能となっている。なお、保持部４２ｃ，４２ｄ，４２ｅは、本発明の「面部」の一例である。

スペーサ４３は、第３通電層３３とフランジ部２３の対向面２３ａとの間の空間部に設けられており、第３通電層３３のフランジ部２３へと向かう軸方向の移動を規制する機能を有している。また、スペーサ４４は、第４通電層３４とフランジ部２２の対向面２２ａとの間の空間部に設けられており、第４通電層３４のフランジ部２２へと向かう軸方向の移動を規制する機能を有している。これらのスペーサ４３，４４は、前記スペーサ４１，４２と同様にリング状を呈しており、また、符号を付しての説明は省略するが、隣接する超電導線材５０の外周面と嵌合可能な溝状の保持部（面部）を有している。

なお、図２〜図６の符号４１ａ〜４４ａおよび４１ｂ〜４４ｂは、図中におけるスペーサ４１〜４４の断面部分に付されており、後述する各通電層３１〜３４の磁場直交部３１ａ〜３４ａおよび３１ｂ〜３４ｂへの当該スペーサ４１〜４４の対応部位を示すものである。

また、スペーサ４１〜４４は、冷却時に、当該スペーサ４１〜４４に軸方向で隣り合う通電層３１〜３４と各フランジ部２２，２３との両方に確実に当接するように、少なくとも超電導線材５０よりも小さい熱膨張率を有する材料（例えば、ステンレス鋼）により構成されている。また、これらのスペーサ４１〜４４は、例えば２つの半円環状部材の嵌め合わせによって装着されるようになっている。

このような構成の通電部３０を形成する際には、まず、１本の超電導線材５０を、フランジ部２２の対向面２２ａからフランジ部２３に向けて胴部２１の外周面に沿うようにソレノイド状に巻回し、これによって第１通電層３１を形成する。この時、第１通電層３１の巻終り部位がフランジ部２３の対向面２３ａから所定距離（超電導線材５０の半径程度）だけ離れるように超電導線材５０の巻回動作を終了する。次に、第１通電層３１の巻終り部位とフランジ部２３の対向面２３ａとの間の空間部を埋めるようにスペーサ４１を装着する。

そして、超電導線材５０をフランジ部２３に設けられた図略の引掛け部に掛け回して軸方向に折り返した後、フランジ部２３の対向面２３ａからフランジ部２２に向けて第１通電層３１の外周に沿うようにソレノイド状に巻回し、これによって第２通電層３２を形成する。この時も、第２通電層３２の巻終り部位がフランジ部２２の対向面２２ａから所定距離だけ離れるように超電導線材５０の巻回動作を終了する。そして、第２通電層３２の巻終り部位とフランジ部２２の対向面２２ａとの間の空間部を埋めるようにスペーサ４２を装着する。

その後、超電導線材５０をフランジ部２２に設けられた図略の引掛け部に掛け回して軸方向に折り返す。この動作を２回繰り返すことで通電部３０が形成される。

ところで、上記永久電流スイッチ５のコイル６は、一般に、超電導マグネット２から約０．５〜１．０Ｔ（テスラ）の位置に設けられている。そのため、コイル６の通電部３０には、超電導マグネット２の発生磁場による電磁力が作用する。そして、その力の向きは、超電導マグネット２の磁場に対する当該コイル６の設置方向に依存しており、コイル６の設置方向によっては、クエンチを生じさせやすい向きの力が通電部３０に働く。

例えば、図５に示すように、コイル６を、その軸方向が超電導マグネット２の磁場方向（矢印Ｍ参照）と直交するような横置きに設置した場合、通電部３０の各通電層３１〜３４のうち超電導マグネット２の磁場方向に直交する向きに電気が流れる線材部位（図５に示す超電導線材５０の断面部分）には、それぞれ、巻枠２０の軸方向に沿う方向の力が主に作用することになる。

具体的には、第１通電層３１の図５では上側の複数（本実施形態では６つ）の線材部位からなる磁場直交部３１ａ、第２通電層３２の下側の６つの線材部位からなる磁場直交部３２ｂ、第３通電層３３の上側の６つの線材部位からなる磁場直交部３３ａ、および、第４通電層３４の下側の６つの線材部位からなる磁場直交部３４ｂには、軸方向に沿った左向きの電磁力Ｆ１が作用する。また、第１通電層３１の下側の６つの線材部位からなる磁場直交部３１ｂ、第２通電層３２の上側の６つの線材部位からなる磁場直交部３２ａ、第３通電層３３の下側の６つの線材部位からなる磁場直交部３３ｂ、および、第４通電層３４の上側の６つの線材部位からなる磁場直交部３４ａには、軸方向に沿った右向きの電磁力Ｆ２が作用する。

また、このようにコイル６を横置きに設置した場合には、軸方向に一列に並ぶ６つの線材部位のそれぞれに作用する力が合計されるため、各磁場直交部３１ａ〜３４ａ，３１ｂ〜３４ｂに作用する力Ｆ１，Ｆ２は十分に大きいものとなる。そして、これらの軸方向の力Ｆ１，Ｆ２が俵積みによる超電導線材５０同士の相対移動規制力を上回れば、超電導線材５０を俵積み状態に拘束することが困難になり、通電層３１，３３が巻終り側のフランジ部２３に向けて移動するとともに、通電層３２，３４が巻終り側のフランジ部２２に向けて移動する。この場合、超電導線材５０の微小変位に起因してクエンチが発生するという不都合がある。

しかし、本実施形態のコイル６では、巻終り側のフランジ部２３への通電層３１，３３の移動を規制するように通電層３１，３３と巻終り側のフランジ部２３との間の空間部にスペーサ４１，４３をそれぞれ設けるとともに、巻終り側のフランジ部２２への通電層３２，３４の移動を規制するように通電層３２，３４と巻終り側のフランジ部２２との間の空間部にスペーサ４２，４４をそれぞれ設けたので、通電層３１〜３４の巻終り側のフランジ部への変位を防ぐことができる。これにより、上記のようにコイル６を横置きに設置した場合に、通電層３１〜３４の各磁場直交部３１ａ〜３４ａに作用する軸方向の力Ｆ１，Ｆ２が俵積みによる超電導線材５０同士の相対移動規制力を上回ったとしても、各通電層３１〜３４が軸方向に変位するのを各スペーサ４１〜４４の対応部位４１ａ〜４４ａにより防ぐことができる。

また、図５を参照して、超電導マグネット２の磁場方向（矢印Ｍ）が逆向きの場合には、前記電磁力Ｆ１，Ｆ２もそれぞれ軸方向の逆向きに作用することになる。この場合、通電層３１〜３４の各磁場直交部３１ｂ〜３４ｂに作用する軸方向の力Ｆ１，Ｆ２が俵積みによる超電導線材５０同士の相対移動規制力を上回ったとしても、通電層３１〜３４の軸方向の変位が各スペーサ４１〜４４の対応部位４１ｂ〜４４ｂによって防がれる。

また、図示しないが、コイル６が、その軸方向が超電導マグネット２の磁場方向に対して例えば４５度で傾斜する姿勢で設置される場合でも、通電層３１〜３４の各磁場直交部に作用する力の軸方向成分が合計されるため、通電層３１〜３４には軸方向の比較的大きな力が作用する。この場合にも、各通電層３１〜３４の軸方向の変位がスペーサ４１〜４４によって確実に防止される。

なお、図６に示すように、コイル６を、その軸方向が超電導マグネット２の磁場方向と一致するような縦置きに設置した場合、通電層３１〜３４の前記線材部位（図６に示す超電導線材５０の断面部分）には、それぞれ、巻枠２０の軸方向と直交する方向の力が主に作用する。

具体的には、第１通電層３１の前記磁場直交部３１ａ，３１ｂ、および、第３通電層３３の前記磁場直交部３３ａ，３３ｂには、径内方向の電磁力Ｆ３が作用する。また、第２通電層３２の前記磁場直交部３２ａ，３２ｂ、および、第４通電層３４の前記磁場直交部３４ａ，３４ｂには、径外方向の電磁力Ｆ４が作用する。

このようにコイル６を縦置きに設置した場合には、通電層３１〜３４には軸方向の力はほとんど作用しないため、通電層３１〜３４が軸方向に変位しにくくなっている。

本実施形態では、上記のように、俵積み状態で超電導線材５０を巻回するための通電層３１〜３４と巻終り側のフランジ部との間の空間部にスペーサ４１〜４４を配して、巻終り側のフランジ部への通電層３１〜３４の移動を規制するように構成したので、各通電層３１〜３４が巻終り側のフランジ部の方向に変位するのを防ぐことができる。これにより、例えばコイル６が、その軸方向が当該コイル位置における超電導マグネット２の磁場方向と直交するような姿勢で配設されることに起因して、通電層３１，３３にフランジ部２３へと向かう軸方向の電磁力が作用するとともに、通電層３２，３４にフランジ部２２へと向かう軸方向の電磁力が作用した場合でも、スペーサ４１〜４４によって各通電層３１〜３４の軸方向の変位を防ぐことができる。なお、コイル６が、その軸方向が超電導マグネット２の磁場方向と一致するような姿勢で配設される場合には、各通電層３１〜３４には軸方向の力がほとんど作用しないため、通電層３１〜３４の軸方向の変位は起こりにくくなっている。これらのことから、コイル６がいずれの姿勢で配設されていても通電部３０の変位が起こらないようにすることができるので、コイル６の向きにかかわらずクエンチの発生を十分に抑えることができる。

また、本実施形態では、超電導線材５０の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する材料からなるスペーサ４１を用いれば、このスペーサ４１の冷却時の軸方向収縮量は、通電部３０の軸方向の収縮量よりも少ないので、冷却状態でスペーサ４１は通電層３１およびフランジ部２３の両方に確実に当接する。これにより、通電層３１の軸方向の変位の防止がより確実になる。なお、スペーサ４２〜４４についても同様の効果がある。

また、本実施形態では、上記のように、例えば、通電層３１の巻終り側のフランジ部２３に臨む部位に周方向の略全域に亘って対応するようにリング状に形成されたスペーサ４１を設けることによって、スペーサ４１により通電層３１の移動を周方向の略全域に亘って規制することができる。なお、スペーサ４２〜４４についても同様の効果がある。

また、本実施形態では、上記のように、例えば、スペーサ４１に、当該スペーサ４１に隣接する第１通電層３１の超電導線材５０の外周面と嵌合可能な保持部４１ｃを設けることによって、第１通電層３１の超電導線材５０を保持部４１ｃで保持することができるので、第１通電層３１の移動を規制しやすくなる。また、スペーサ４１に、第２通電層３２の超電導線材５０の外周面と嵌合可能な保持部４１ｄを設けることによって、第２通電層３２を俵積み状態で巻き始めやすくなる。なお、スペーサ４２の保持部４２ｃ、４２ｄ、４２ｅや、スペーサ４３，４４の保持部についても同様の効果がある。

なお、上記実施形態では、４つの通電層３１〜３４からなる通電部３０を有するコイル６について示したが、これに限らず、４層以外の複数の通電層からなる通電部を有するコイルにも本発明を適用可能である。なお、通電層の数は、コイルを無誘導状態にしやすいことから偶数であることが好ましい。

また、上記実施形態では、超電導線材５０を保持するために保持部を有するスペーサについて示したが、断面平板状のスペーサであってもよい。

また、上記実施形態では、スペーサ４１〜４４を、超電導線材５０よりも熱膨張率の小さい材料で構成する例について示したが、これに限らず、巻枠２０の熱膨張率と超電導線材５０の熱膨張率との差次第では、超電導線材５０以上の熱膨張率の材料からなるスペーサであってもよい。

本発明の一実施形態による永久電流スイッチを備えた超電導マグネット装置の構成を概略的に示したブロック図である。 永久電流スイッチのコイルの構成を示した断面図である。 コイルの第１通電層用のスペーサを示した拡大断面図である。 コイルの第２通電層用のスペーサを示した拡大断面図である。 横置きコイルの通電部に作用する軸方向の力を説明するための断面図である。 縦置きコイルの通電部に作用する径方向の力を説明するための断面図である。

符号の説明

２ 超電導マグネット
５ 永久電流スイッチ
６ コイル
２０ 巻枠
２１ 胴部
２２ フランジ部（第１のフランジ部）
２３ フランジ部（第２のフランジ部）
３０ 通電部
３１ 第１通電層（第１の層部）
３２ 第２通電層（第２の層部）
３３ 第３通電層（第１の層部）
３４ 第４通電層（第２の層部）
４１ スペーサ（第１のスペーサ）
４１ｃ，４１ｄ 保持部（面部）
４２ スペーサ（第２のスペーサ）
４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ 保持部（面部）
４３ スペーサ（第１のスペーサ）
４４ スペーサ（第２のスペーサ）
５０ 超電導線材

Claims (6)

1. 超電導マグネット装置の超電導マグネットを永久電流モードで運転するための永久電流スイッチであって、
   前記超電導マグネットに電気的に接続される無誘導型のコイルを備え、
   前記コイルは、胴部とこの胴部の軸方向両端から径外方向に延びて互いに対向する対向面を有する一対のフランジ部とを含む巻枠と、前記一対のフランジ部の対向面の間に挟まれる領域で前記胴部の周囲にその径方向に複数層に亘って積層されるようにソレノイド状に巻回された１本の超電導線材からなる通電部と、この通電部と前記フランジ部との間に設けられるスペーサとを含み、
   前記通電部は、第１のフランジ部の対向面から第２のフランジ部に向けて巻回された超電導線材からなるとともに第２のフランジ部に臨む部位が第２のフランジ部の対向面と所定距離を隔てるように配される第１の層部と、この第１の層部の前記巻枠の径方向に隣り合うように設けられ、第２のフランジ部の対向面から第１のフランジ部に向けて第１の層部とは前記巻枠の周方向で逆向きにかつ第１の層部の超電導線材に対して前記巻枠の軸方向にずれるように巻回された超電導線材からなり、第１のフランジ部に臨む部位が第１のフランジ部の対向面と所定距離を隔てるように配される第２の層部とを有し、
   前記スペーサは、第１の層部と第２のフランジ部の対向面との間に設けられて第１の層部の第２のフランジ部へと向かう軸方向の移動を規制する第１のスペーサと、第２の層部と第１のフランジ部の対向面との間に設けられて第２の層部の第１のフランジ部へと向かう軸方向の移動を規制する第２のスペーサとを有することを特徴とする永久電流スイッチ。
2. 前記通電部は、複数の第１の層部と、第１の層部と同数の第２の層部とを有し、
   第１の層部と第２の層部とが、前記巻枠の径方向に交互に配されていることを特徴とする請求項１に記載の永久電流スイッチ。
3. 前記スペーサは、前記超電導線材の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の永久電流スイッチ。
4. 前記スペーサは、前記層部の前記フランジ部に臨む部位に周方向の略全域に亘って対応するようにリング状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。
5. 前記スペーサには、当該スペーサに隣接する超電導線材の外周面と嵌合可能な面部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。
6. 前記コイルは、前記巻枠の軸方向が当該コイルの配置位置での前記超電導マグネットの磁場の向きに対して傾斜するように配されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。

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