JP2013138057A

JP2013138057A - 超電導マグネット装置

Info

Publication number: JP2013138057A
Application number: JP2011287422A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kamikado; 剛神門
Original assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Current assignee: Japan Superconductor Technology Inc
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-11

Abstract

【課題】簡単でコンパクトな構成で、非常時に極短時間で消磁できる超電導マグネット装置を提供することである。
【解決手段】超電導コイル２の励磁回路１１に開閉器１３を設け、低温領域の輻射シールド１内でダイオード１４を超電導コイル２と並列に励磁回路１１に接続し、ダイオード１４と超電導コイル２とを、絶縁体１５で電気的に絶縁した状態で熱良導体１６によって接続することにより、非常時に開閉器１３を開けるのみで、超電導コイル２とダイオード１４とで形成される閉回路に流れる電流によってダイオード１４に発生する熱を熱良導体１６で超電導コイル２に伝熱して加熱するようにし、簡単でコンパクトな構成で、非常時に極短時間で消磁できるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒を用いずに冷凍機の冷却端で超電導コイルを冷却する無冷媒型の超電導マグネット装置に関する。

ＭＲＩや磁場中熱処理装置等に用いられる超電導マグネット装置には、超電導コイルを液体ヘリウム等の冷媒に浸漬して冷却する冷媒型のものと、冷媒を用いずに冷凍機の冷却端で超電導コイルを冷却する無冷媒型のものとがある。冷媒の浸漬槽を必要としない無冷媒型の超電導マグネット装置は、クリーンルームに設置される磁場中熱処理装置に適しているが、停電等によって冷凍機が停止すると、冷媒に浸漬されない超電導コイルの温度が短時間で上昇し、超電導臨界温度を超えてクエンチする。このようなクエンチが生じると、超電導コイルを再冷却するのに多大の時間を要したり、再度トレーニングを必要としたりする問題がある。

このようなクエンチを防止する手段としては、冷凍機に無停電電源等の補助電源を設けることが一般的に行われており、冷凍機を冷却する冷媒容器を補助冷却装置として配置することも提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、励磁用電源に超電導コイルと並列にダイオードを低温領域で接続するとともに、励磁用電源に室温領域で開閉器を設けて、クエンチが生じたときに開閉器を開け、超電導コイルとダイオードで形成される閉回路に流れる電流によって、超電導コイルに蓄積されたエネルギを放出し、超電導コイルのクエンチによる停止時間を回避させるようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載されたものでは、室温領域でもダイオードを超電導コイルと並列に接続し、停電時に励磁用電源からの給電が遮断されたときに、超電導コイルと室温領域のダイオードで形成される閉回路に緩やかな変化速度の電流を流し、超電導コイルに蓄積されたエネルギを放出して、クエンチを生じさせないように消磁するようにしている。

さらに、超電導コイルを消磁する手段としては、励磁用電源の電流を徐々に減少させ、超電導コイルに蓄積されたエネルギを励磁用電源で消費することが行われている。停電時に超電導コイルを消磁する手段としては、超電導コイルを加熱して強制的にクエンチさせる強制クエンチヒータと強制クエンチヒータ電源を設け、停電時にクエンチを検出したときに、無停電電源で強制クエンチヒータ電源を作動させて、超電導コイルを消磁する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２−２０８５１１号公報特開２００３−１０９８１６号公報特開平７−２３５４１２号公報

上述した無冷媒型の超電導マグネット装置では、マグネットの強力な磁界で人等が吸着される磁性体にはさまれる等、非常事態が発生する恐れがあり、このような非常事態が発生したときに、超電導コイルを１分程度の極短時間で消磁できる技術が望まれている。特許文献２に記載された、超電導コイルと室温領域のダイオードで形成される閉回路に緩やかな変化速度の電流を流す消磁方法や、励磁用電源の電流を徐々に減少させる消磁方法は、消磁に要する時間が長くなり、一般的な停電時等には対応できるが、緊急を要する非常時に極短時間で消磁することはできない。

一方、特許文献３に記載された消磁方法は、強制クエンチヒータで超電導コイルを加熱して強制的にクエンチすることにより短時間で消磁することができるが、別途の強制クエンチヒータと強制クエンチヒータ電源を設ける必要があり、装置が複雑で大きなものとなる問題がある。

そこで、本発明の課題は、簡単でコンパクトな構成で、非常時に極短時間で消磁できる超電導マグネット装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、低温領域に配置される超電導コイルを冷凍機の冷却端で冷却し、前記超電導コイルを室温領域に配置した励磁用電源に励磁回路で接続した超電導マグネット装置において、前記励磁回路に開閉器を設け、前記低温領域でダイオードまたはダイオードと抵抗を前記超電導コイルと並列に前記励磁回路に接続し、前記ダイオードまたはダイオードおよび抵抗と前記超電導コイルとを、電気的に絶縁した状態で熱良導体によって接続した構成を採用した。

すなわち、励磁回路に開閉器を設け、低温領域でダイオードまたはダイオードと抵抗を超電導コイルと並列に励磁回路に接続し、ダイオードまたはダイオードおよび抵抗と超電導コイルとを、電気的に絶縁した状態で熱良導体によって接続することにより、非常時に開閉器を開けるのみで、超電導コイルとダイオードまたはダイオードおよび抵抗とで形成される閉回路に流れる電流によってダイオードまたはダイオードおよび抵抗に発生する熱を熱良導体で超電導コイルに伝熱して加熱するようにし、簡単でコンパクトな構成で、非常時に極短時間で消磁できるようにした。また、この超電導マグネット装置は、停電時にも開閉器を開けて、短時間でコイルをクエンチさせ、それにより消磁することができる。なお、前記低温領域は、超電導コイルが配置される領域と温度が同じ約４Ｋとなる領域を意味する。

前記励磁回路に並列に接続されるダイオードを、複数のダイオードを互いに逆向き並列に接続したものとすることにより、超電導コイルがいずれの方向に励磁されている場合も、超電導コイルとダイオードまたはダイオードおよび抵抗とで形成される閉回路に電流が流れるようにすることができる。

上述した各超電導マグネット装置は、磁場中熱処理装置に用いられるものに好適である。

本発明に係る超電導マグネット装置は、励磁回路に開閉器を設け、低温領域でダイオードまたはダイオードと抵抗を超電導コイルと並列に励磁回路に接続し、ダイオードまたはダイオードおよび抵抗と超電導コイルとを、電気的に絶縁した状態で熱伝導体によって接続することにより、非常時に開閉器を開けるのみで、超電導コイルとダイオードまたはダイオードおよび抵抗とで形成される閉回路に流れる電流によってダイオードまたはダイオードおよび抵抗に発生する熱を熱伝導体で超電導コイルに伝熱して加熱するようにしたので、簡単でコンパクトな構成で、非常時に極短時間で消磁することができる。

超電導マグネット装置の実施形態を示す縦断面図図１の超電導コイルの励磁回路を示す構成図図２の変形例を示す構成図

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。この超電導マグネット装置は、磁場中熱処理装置に用いられるものであり、図１に示すように、低温領域となる横向き円筒形で中心孔１ａを有する輻射シールド１の中に横向きソレノイド型の超電導コイル２が配置され、輻射シールド１が横向きの貫通孔３ａを有する筒状の真空断熱容器３に、中心孔１ａに貫通孔３ａ部を通して収納されている。熱処理される被処理物Ｍを収納した筒状真空の炉容器２１は、真空断熱容器３の貫通孔３ａに横向きに配置されており、後述する励磁回路１１で励磁される超電導コイル２によって、炉容器２１内の筒軸方向に均一な平行磁場が形成される。炉容器２１には被処理物Ｍを周囲から加熱するヒータ２２が設けられ、図示は省略するが、外周側が水冷されるようになっている。

前記真空断熱容器３の上部には、超電導コイル２の外周側で２段式冷凍機４が鉛直下向きに取り付けられ、その１段冷却端４ａが輻射シールド１に接続され、２段冷却端４ｂが超電導コイル２に接続されている。１段冷却端４ａは輻射シールド１を約４０Ｋに冷却し、２段冷却端４ｂは超電導コイル２を約４Ｋに冷却する。また、真空断熱容器３と輻射シールド１の間は真空空間とされ、この真空空間に、輻射シールド１への外部からの輻射熱エネルギの侵入を抑制する反射断熱材５が複数層に設けられている。

図２は、前記超電導コイル２を励磁する励磁回路１１を示す。この励磁回路１１は、励磁用電源１２が開閉器１３を介して超電導コイル２に接続され、直列とした複数組のダイオード１４を、温度が約４Ｋとなる輻射シールド１内の低温領域で超電導コイル２と並列に接続したものであり、各組のダイオード１４は、２つのダイオードを互いに逆向き並列に接続したものとされている。また、各組のダイオード１４は絶縁体１５で電気的に絶縁された状態で、超電導コイル２と熱良導体１６によって接続されている。なお、ダイオード１４の組数は超電導コイル２のサイズに応じて適宜決めることができ、小さい超電導コイル２の場合は１組としてもよい。

前記各ダイオード１４と熱良導体１６は、超電導コイル２と一緒に低温領域の輻射シールド１内に配置され、励磁用電源１２と開閉器１３は、真空断熱容器３の外の室温領域に配置されている。なお、絶縁体１５は樹脂やセラミック等で形成され、熱良導体１６は銅等の金属で形成される。

超電導マグネットの強力な磁界で人等が吸着される磁性体に挟まれる等の非常事態が発生したときは、開閉器１３が開けられ、超電導コイル２と複数組のダイオード１４で形成される閉回路に流れる電流によって各ダイオード１４に発生する熱を、電気的に絶縁した熱良導体１６で超電導コイル２に伝熱して加熱し、極短時間で超電導マグネットを消磁する。各組のダイオード１４は２つのダイオードが互いに逆向き並列に接続されているので、超電導マグネットが非常時にいずれの方向に励磁されていても、逆向き並列のいずれかのダイオードを通して閉回路に電流が流れる。

図３は、前記励磁回路１１の変形例を示す。この変形例では、前記複数組の各ダイオード１４にそれぞれ抵抗１７が直列に接続されている点が異なる。その他の部分は実施形態のものと同じであり、各組のダイオード１４と抵抗１７は、絶縁体１５で電気的に絶縁された状態で、超電導コイル２と熱良導体１６によって接続されている。この変形例では、閉回路に流れる電流によって各ダイオード１４と各抵抗１７に発生する熱を超電導コイル２に伝熱することができ、より短時間で超電導コイル２を加熱して消磁することができる。

上述した実施形態では、超電導コイルを横向きソレノイド型のものとし、輻射シールドを横向き円筒形のものとしたが、超電導コイルと輻射シールドは縦向きのものとすることもできる。また、超電導コイルはヘルムホルツ型のものとすることもできる。

上述した実施形態では、超電導マグネット装置を磁場中熱処理装置用のものとしたが、本発明に係る超電導マグネット装置は、ＭＲＩ等の他の装置用のものとすることもできる。

１輻射シールド
１ａ中心孔
２超電導コイル
３真空断熱容器
３ａ貫通孔
４冷凍機
４ａ１段冷却端
４ｂ２段冷却端
５反射断熱材
１１励磁回路
１２励磁用電源
１３開閉器
１４ダイオード
１５絶縁体
１６熱良導体
１７抵抗
２１炉容器
２２ヒータ

Claims

低温領域に配置される超電導コイルを冷凍機の冷却端で冷却し、前記超電導コイルを室温領域に配置した励磁用電源に励磁回路で接続した超電導マグネット装置において、前記励磁回路に開閉器を設け、前記低温領域でダイオードまたはダイオードと抵抗を前記超電導コイルと並列に前記励磁回路に接続し、前記ダイオードまたはダイオードおよび抵抗と前記超電導コイルとを、電気的に絶縁した状態で熱良導体によって接続したことを特徴とする超電導マグネット装置。
前記励磁回路に並列に接続されるダイオードを、複数のダイオードを互いに逆向き並列に接続したものとした請求項１に記載の超電導マグネット装置。
前記超電導マグネット装置が磁場中熱処理装置に用いられるものである請求項１または２に記載の超電導マグネット装置。