JP2013251516A - 超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】保護抵抗５の設置スペースを縮小しても、保護抵抗５を焼損させることなく蓄積磁気エネルギを消費できる超電導磁石装置１を提供する。
【解決手段】保護抵抗を兼ね超電導コイル３を巻く巻枠５と、超電導コイル３に永久電流を流すための永久電流スイッチ６と、超電導コイル３と永久電流スイッチ６とが直列に接続された第１閉回路Ｃ１と、超電導コイル３と巻枠５とが直列に接続された第２閉回路Ｃ２とを有する。さらに、超電導コイル３での常電導状態の発生時に超電導状態から常電導転移し溶断するヒューズ４を有し、第１閉回路Ｃ１では、超電導コイル３と永久電流スイッチ６とヒューズ４とが直列に接続される。第２閉回路Ｃ２では、超電導コイル３と巻枠５と永久電流スイッチ６とが直列に接続される。巻枠５は、筒と筒の両端に設けられる一対のフランジを有し、第２閉回路Ｃ２の配線は、巻枠５の中心軸を挟むフランジ上の２箇所にそれぞれ接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導コイルを備えた超電導磁石装置に関し、特に、クエンチ時における超電導コイルの保護に関する。

超電導磁石装置は、例えば、超電導コイルと、超電導コイルに電流を供給する励磁電源と、永久電流を流すための閉回路を形成する永久電流スイッチを備えている。永久電流が流れる超電導コイルの一部が常電導転移して抵抗が発生した場合、蓄積磁気エネルギがジュール発熱により熱エネルギに変換され、常電導転移した超電導コイルのその一部の温度が上昇する。そして、超電導コイルの常電導転移した一部の周囲も、熱伝導により温度上昇して超電導状態から常電導転移し、最終的に、常電導転移がなだれ的に超電導コイル全体に広がる場合、いわゆる、クエンチが発生する場合がある。超電導コイルに永久電流が流れ超電導コイルが大きな蓄積磁気エネルギを保持している場合、クエンチによりこの大きな蓄積磁気エネルギが熱エネルギに変換されると、超電導コイルは過大に温度上昇し、焼損してしまう場合がある。

超電導コイルが、たとえば、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）、鉄系超電導体、酸化物超電導体といった１８Ｋを超える臨界温度を持つ高温超電導体で構成される高温超電導コイルである場合を考える。ニオブチタン（ＮｂＴｉ）、ニオブスズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）といった１８Ｋ以下の臨界温度を持つ低温超電導体と比較して、高温超電導体は１０倍以上の比熱を持つ領域に臨界温度があるため、クエンチ時に熱伝導によって常電導領域が伝搬するのが遅くなる。このため、高温超電導コイルにおけるクエンチでは、低温超電導コイルと比較して、局所的に蓄積磁気エネルギを消費することでより激しい温度上昇が引き起こされる。

そこで、超電導コイルを保護するために、クエンチ時に電流を流して蓄積磁気エネルギを消費する保護抵抗を備え、超電導コイルにおける蓄積磁気エネルギの消費を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１等参照）。保護抵抗におけるエネルギ消費量はそこに流れる電流値の二乗に比例する為、保護抵抗に印加する電流値が大きいほど、超電導コイルにおけるクエンチ時の温度上昇の抑制効果が高くなる。保護抵抗に大きな電流を流すには、超電導コイルと、その両端に対して永久電流スイッチと保護抵抗とを各々並列に接続し、クエンチ時に、永久電流スイッチと超電導コイルで構成される閉回路の一部で、かつ、保護抵抗と超電導コイルで構成される閉回路ではない個所を溶断することが提案されている（例えば、特許文献２等参照）。こうすることで、永久電流スイッチに流れていた電流を迂回させ保護抵抗に流すことができる。また、超電導磁石装置を永久電流運転する際には、クライオスタット内部への熱侵入の抑制の為に、電流リードをクライオスタット内の超電導回路から切り離す為、保護抵抗をクライオスタット外部に設置することが出来ない。従ってこの場合、保護抵抗はクライオスタット内部に設置するが、その為の広い設置スペースをクライオスタット内に設ける必要がある。スペースをあまりとらずに保護抵抗を設置するために、保護抵抗の役割を果たす常電導線材を超電導コイルの外周に巻きつけることが提案されている（例えば、特許文献３等参照）。

特開平５−１９０３２５号公報 特開平３−２７８５０４号公報 特開昭６１−２０３０３号公報

保護抵抗で蓄積磁気エネルギを消費するために、保護抵抗に大電流を流すには、保護抵抗に大電流を流しても焼損しないように十分な大きさの熱容量を持たせる必要がある。それには、保護抵抗の設置スペースを広く取る必要がある。特許文献３等によれば、保護抵抗を支持するための支持部を超電導コイルで兼ねることができ、保護抵抗を支持するための支持部の設置スペースを省けるので、その分、保護抵抗の設置スペースを広く取ることができる。ただ、保護抵抗の設置スペースは必要であり、その設置スペースは依然広く確保する必要がある。しかし、その保護抵抗に蓄積磁気エネルギを焼損することなく消費するという機能を持たせつつ、保護抵抗の設置スペースを縮小できれば有用であると考えられる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、保護抵抗の設置スペースを縮小しても、保護抵抗を焼損させることなく蓄積磁気エネルギを消費できる超電導磁石装置を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明に係る超電導磁石装置は、
保護抵抗を兼ね、超電導コイルを巻く巻枠と、
前記超電導コイルに永久電流を流すための永久電流スイッチと、
前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとが直列に接続された第１閉回路と、
前記超電導コイルと前記巻枠とが直列に接続された第２閉回路とを有する。

本発明によれば、保護抵抗が超電導コイルの巻枠を兼ねるため、超電導コイルの巻枠の為のスペースを設ければ、そのスペースとは別に保護抵抗の為のスペースを設ける必要がない。実質的に、巻枠とは別途設けられていた保護抵抗の設置スペースを縮小できたことになる。すなわち、保護抵抗の設置スペースを縮小しても、保護抵抗を焼損させることなく蓄積磁気エネルギを消費できる超電導磁石装置を提供できる。なお、前記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置の回路図である。 ヒューズとその周囲の部材の縦断面図である。 ヒューズとその周囲の部材の横断面図である。 超電導コイルの巻枠の正面図である。 超電導コイル及びその巻枠の縦断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置の回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る超電導磁石装置の回路図である。 本発明の第５の実施形態に係る超電導磁石装置に用いられる超電導コイルの巻枠の正面図である。 本発明の第５の実施形態に係る超電導磁石装置に用いられる超電導コイル及びその巻枠の縦断面図である。 締結部とその周囲の部材の縦断面図である。 図７ＡのＢ−Ｂ方向の矢視断面図であり、締結部とその周囲の部材の横断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る超電導磁石装置に用いられる超電導コイルの巻枠の正面図である。 本発明の第６の実施形態に係る超電導磁石装置に用いられる超電導コイル及びその巻枠の縦断面図である。 本発明の第７の実施形態に係る超電導磁石装置に用いられる超電導コイルの巻枠の正面図である。 本発明の第７の実施形態に係る超電導磁石装置に用いられる超電導コイル及びその巻枠の縦断面図である。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

（第１の実施形態）
＜超電導磁石装置１の構成＞
図１に、本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置１の回路図を示す。超電導磁石装置１は、超電導コイル３と、ヒューズ４と、永久電流スイッチ６と、保護抵抗を兼ね超電導コイル３を巻く巻枠５と、電流遮断機１１と、励磁電源１０とを有している。

超電導コイル３は、単数又は複数（図１の例では２つ）設けられている。超電導コイル３には、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）や、鉄系超電導体や、酸化物超電導体といった１８Ｋを超える臨界温度を持つ高温超電導体が用いられている。複数（図１の例では２つ）の超電導コイル３（３ａ、３ｂ）は、直列に接続されている。超電導コイル３（３ａ、３ｂ）は、超電導線材を巻枠５に巻いて構成されている。超電導線材では、１本又は複数本の超電導フィラメントの周囲を冷却安定化材で覆い、その複数本の互いの隙間は冷却安定化材で充填され、複数本の超電導フィラメントが冷却安定化材で束ねられている。超電導フィラメントには、例えば、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）や、鉄系超電導体や、酸化物超電導体を用いることができる。冷却安定化材には、電気抵抗率が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば、銀（Ａｇ）や無酸素銅（純銅：Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）等を用いることができる。超電導コイル３と、ヒューズ４と、永久電流スイッチ６等を互いに接続する配線にもこの超電導線材を用いることができる。

永久電流スイッチ６にも、超電導コイル３と同様に１８Ｋを超える臨界温度を持つ高温超電導体が用いられている。永久電流スイッチ６は、超電導線材とヒータとを有している。超電導線材では、超電導コイル３と同様に、１本又は複数本の超電導フィラメントの周囲を冷却安定化材で覆い、複数本の超電導フィラメント同士の隙間を冷却安定化材で充填して複数本の超電導フィラメントを冷却安定化材で束ねている。永久電流スイッチ６のヒータと超電導線材は熱的に接続している。ヒータが発熱すると、ヒータは超電導線材を加熱して、超電導線材を超電導状態から常電導状態に転移させることができる。超電導線材が常電導状態に転移することにより、永久電流スイッチ６は開（オフ）状態になる。一方、ヒータの発熱を停止すれば、後記する伝熱手段２ｄにより冷却され、超電導線材を超電導状態とすることができ、永久電流スイッチ６は閉（オン）状態になる。なお、冷却安定化材には、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）の冷却安定化材（例えば、銀や無酸素銅等）より、電気抵抗率が高い金属（例えば、銅ニッケル合金や金-銀合金等）を用いる。また、クエンチ時の磁場変動に起因する発熱によって、永久電流スイッチ６が常電導転移する可能性があり、その時に永久電流スイッチ６が焼損を防止する為に、消費されるエネルギが十分小さくなるように保護抵抗の抵抗値や回路構成を設計する。そして、永久電流スイッチ６と、ヒューズ４と、超電導コイル３ａと３ｂは、直列に接続され、これらにより第１閉回路Ｃ１が構成されている。永久電流スイッチ６をオンにすることで、第１閉回路Ｃ１に、特に、超電導コイル３に、永久電流Ｉｐを流すことができる。

ヒューズ４にも、超電導コイル３と同様に１８Ｋを超える臨界温度を持つ高温超電導体が用いられている。ヒューズ４は、超電導線材を有している。超電導線材では、超電導コイル３と同様に、１本又は複数本の超電導フィラメントの周囲を冷却安定化材で覆い、複数本の超電導フィラメント同士の隙間を冷却安定化材で充填して複数本の超電導フィラメントを冷却安定化材で束ねている。そして、ヒューズ４と、超電導コイル３ａと３ｂは、直列に接続されている。ヒューズ４の両端には、接続端子（箇所）１４ｃ、１４ｄが設けられている。

巻枠（保護抵抗）５には、非磁性体が用いられ、かつ、常電導体（電導体）が用いられ、かつ、巻枠５として十分な強度を有する部材が用いられている。そして、具体的に、巻枠（保護抵抗）５には、アルミニウムや、銅や、ステンレス鋼等の部材が用いられている。巻枠（保護抵抗）５と、永久電流スイッチ６と、超電導コイル３ａと３ｂは、直列に接続され、これらにより第２閉回路Ｃ２が構成されている。巻枠（保護抵抗）５の離れた２箇所には、接続端子（箇所）１４ａ、１４ｂが設けられている。接続端子１４ａは、超電導線材１５ａを介して、ヒューズ４の接続端子１４ｄに接続している。接続端子１４ｂは、超電導線材１５ｂを介して、ヒューズ４の接続端子１４ｃに接続している。なお、超電導線材１５ａ、１５ｂは、常電導の配線であってもよい。巻枠（保護抵抗）５と、接続端子１４ａと、超電導線材１５ａと、接続端子１４ｄと、ヒューズ４と、接続端子１４ｃと、超電導線材１５ｂと、接続端子１４ｂとは、第１閉回路Ｃ１と第２閉回路Ｃ２とは別の閉回路も構成している。

励磁電源１０は、超電導コイル３に直流電流を流すための直流電流源である。電流遮断機１１は、励磁電源１０から超電導コイル３へ流れる直流電流を、流したり、遮断したりする。電流遮断機１１は、励磁電源１０に直列に接続されている。また、電流遮断機１１と、励磁電源１０と、永久電流スイッチ６とは、直列に接続され、これらにより第３閉回路Ｃ３が構成されている。また、電流遮断機１１と、励磁電源１０と、超電導コイル３と、ヒューズ４とは、直列に接続され、これらにより閉回路が構成されることで、超電導コイル３に蓄積磁気エネルギを蓄えることが可能になっている。なお、電流遮断機１１と、励磁電源１０とは、クライオスタット２の外側に配置され、超電導磁石装置１の本体から着脱可能になっている。

また、超電導磁石装置１は、クエンチ検出手段７と、ヒータ９と、電流源（直流電源）８とを有している。クエンチ検出手段７は、超電導状態にある超電導コイル３（３ａ、３ｂ）の一部で発生する常電導状態を検出する。クエンチ検出手段７は、高温超電導コイル３（３ａ、３ｂ）で発生した常電導状態を、例えば、高温超電導コイル３（３ａ、３ｂ）の両端の電位差の変化として、検出することができる。クエンチ検出手段７は、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）の一部で発生する常電導状態を検出すると、クエンチ検出信号Ｓｑを出力し、電流源８へ送信する。電流源８は、直流電流源であり、クエンチ検出信号Ｓｑを受信すると、ヒータ９に直流電流を流す（通電する）。

ヒータ９は、ヒューズ４に熱的に接続している。そして、好ましくは、ヒータ９は、ヒューズ４に接している。ヒータ９に直流電流が流れると、ヒータ９は発熱し、ヒューズ４を加熱する。ヒューズ４は昇温し、超電導状態から常電導転移する。常電導転移したヒューズ４に、第１閉回路Ｃ１を流れる永久電流Ｉｐが流れ込むと、ヒューズ４は、ジュール熱を発して発熱し、溶断する。これにより、第１閉回路Ｃ１が開くので、永久電流Ｉｐは、流れ続けるために、第２閉回路Ｃ２を流れ、巻枠（保護抵抗）５に流れ込む。巻枠（保護抵抗）５は、ジュール熱を発して発熱し、永久電流Ｉｐを減衰させる。なお、永久電流Ｉｐが、まだ、第１閉回路Ｃ１を流れているとき、ヒューズ４だけでなく、永久電流スイッチ６も常電導転移する場合がある。このような場合でも、ヒューズ４が溶断する程度に発熱するように、ヒューズ４を、その温度が永久電流スイッチ６の温度より上昇し易い状況におくことが望ましい。

また、超電導磁石装置１は、クライオスタット２を有している。クライオスタット２は、超電導コイル３等から熱を奪い冷却する冷凍機２ｃと、超電導コイル３等から冷凍機２ｃへ熱を伝導する伝熱手段２ｄと、伝熱手段２ｄ等を収め真空断熱するための真空容器２ａと、伝熱手段２ｄ等を収め輻射熱の侵入を抑制するための輻射シールド２ｂとを有している。輻射シールド２ｂは真空容器２ａに内包され、伝熱手段２ｄは輻射シールド２ｂに内包されている。冷凍機２ｃは、２つの異なる温度に冷却可能な第１ステージと第２ステージを有している。第２ステージは、第１ステージよりは低い温度に冷却可能で、高温超電導体の臨界温度以下に冷却可能である。第２ステージは、伝熱手段２ｄに熱的に接続され、伝熱手段２ｄは、高温超電導体の臨界温度以下に冷却されている。第１ステージは、輻射シールド２ｂに熱的に接続されている。第１ステージで輻射シールド２ｂを冷却することで、輻射シールド２ｂが吸収した輻射熱を第１ステージから排熱することができる。

伝熱手段２ｄは、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）と、ヒューズ４と、永久電流スイッチ６と、これらを接続する超電導線材に熱的に接続しており、伝熱（排熱）によりそれぞれを臨界温度以下に冷却している。このため、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）と、ヒューズ４と、永久電流スイッチ６と、これらを接続する超電導線材とを、超電導状態に保つことが可能である。

図２Ａに、ヒューズ４とその周囲の部材の縦断面図を示し、図２Ｂに、その横断面図を示す。なお、図２Ｂに示したヒューズ４とその周囲の部材は、図２Ａに示したヒューズ４とその周囲の部材をより拡大して示している。ヒューズ４には、ヒータ９が接し、熱的に接続している。これにより、ヒータ９によりヒューズ４を加熱し、ヒューズ４を、超電導状態から常電導状態に転移させることができる。加熱を容易にするために、ヒータ９で発生した熱が周囲に拡散しないよう、ヒューズ４とヒータ９の周囲は断熱手段１２で覆われている。断熱手段１２としては、例えば、樹脂等の断熱材や真空構造を有する断熱材を利用ことができる。ヒューズ４の接続箇所（端子）１４ｃ、１４ｄは、超電導コイル３と永久電流スイッチ６に接続している。超電導コイル３と永久電流スイッチ６は、伝熱手段２ｄに接して冷却されており、ヒューズ４は、それらに接続する接続箇所（端子）１４ｃ、１４ｄを介して冷却される。

なお、ヒューズ４が溶断した場合は、新しいヒューズ４に取り替えられる。この取り替えは、ヒューズ４の接続箇所（端子）１４ｃと１４ｄの接続を外し、ヒューズ４をヒータ９と断熱手段１２ごと伝熱手段２ｄから外すことで、容易に行うことができる。なお、ヒューズ４は、溶断した際に、溶断していないものと容易に取り換えることが可能な位置、例えば、伝熱手段２ｄの端部に設置されている。

ヒューズ４は、いわゆる超電導線材であり、ヒューズ４（超電導線材）では、図２Ｂに示すように、複数本の超電導フィラメント４ａの周囲を冷却安定化材４ｂで覆っている。なお、超電導フィラメント４ａは、複数本に限らず、単線でもよい。複数本の超電導フィラメント４ａは冷却安定化材４ｂで束ねられている。

図３Ａに、超電導コイル３（３ａ）の巻枠（保護抵抗）５の正面図を示し、図３Ｂに、超電導コイル３（３ａ）及びその巻枠（保護抵抗）５の中心軸５ｃに沿った平面で切断した縦断面図を示す。なお、図３Ａと図３Ｂでは、超電導コイル３ａを例に記載しているが、超電導コイル３ｂであってもよく、また、超電導コイル３ａと３ｂの両方の巻枠（保護抵抗）５が、保護抵抗を兼ねていてもよい。巻枠（保護抵抗）５は、筒５ａと、筒５ａを挟む一対のフランジ５ｂとを有している。一対のフランジ５ｂは、筒５ａの両方の開口端（両端）に設けられている。フランジ５ｂの内径は、筒５ａの内径に略等しくなっている。フランジ５ｂの外径は、筒５ａの外径より大きくなっている。そして、筒５ａの外周で、一対のフランジ５ｂの間に、超電導コイル３（３ａ）が巻かれている。巻枠（保護抵抗）５に巻きつける超電導コイル３（３ａ）の超電導線材には、表面に絶縁層を有するもの、或いは絶縁シートで覆われているものを使用し、巻枠（保護抵抗）５と超電導コイル３（３ａ）の超電導線材が直接電気的に接触しないようにしている。

一対のフランジ５ｂの内の一方のフランジ５ｂ上の互いに離れた２箇所に、接続端子１４ａと１４ｂが設けられている。接続端子１４ａと１４ｂは、フランジ５ｂの外周部に設けられている。接続端子１４ａと１４ｂは、接続端子１４ａと１４ｂとで巻枠（保護抵抗）５（フランジ５ｂ）の中心軸５ｃを挟む位置に、設けられている。接続端子１４ａと１４ｂは、接続端子１４ａと１４ｂとを結ぶ線分（直線）が巻枠（保護抵抗）５（フランジ５ｂ）の中心軸５ｃと交わる位置に、設けられている。接続端子１４ａには、永久電流スイッチ６へ接続し、第２閉回路Ｃ２（図１参照）を構成する超電導線材１５ａが接続されている。接続端子１４ｂには、超電導コイル３（３ａ）へ接続し、第２閉回路Ｃ２（図１参照）を構成する超電導線材１５ｂが接続されている。これにより、超電導線材１５ａと１５ｂが接続する巻枠（保護抵抗）５も、第２閉回路Ｃ２（図１参照）の一部を構成していると考えられる。超電導コイル３のクエンチ時には、永久電流Ｉｐが、巻枠（保護抵抗）５に、接続端子１４ａから流れ込み、二股に分かれた電流経路１７を流れ、接続端子１４ｂから流れ出る。巻枠（保護抵抗）５を永久電流Ｉｐが流れることで、巻枠（保護抵抗）５はジュール発熱し、超電導コイル３の蓄積エネルギを消費する。このように、巻枠（保護抵抗）５は、保護抵抗として機能する。巻枠（保護抵抗）５は、永久電流Ｉｐが流れ強力な電磁力が作用する超電導コイル３（３ａ）を支持するために、十分な強度を有するように形成されている。そして、これに見合う十分な設置スペースが確保されている。一方、保護抵抗で蓄積磁気エネルギを消費するために、保護抵抗に大電流を流すには、保護抵抗に大電流を流しても焼損しないように十分な大きさの熱容量を持たせる必要がある。そのため、保護抵抗の設置スペースを広く取る必要がある。巻枠（保護抵抗）５は、保護抵抗を兼ねているので、保護抵抗としての巻枠（保護抵抗）５も、十分な設置スペースを確保していることになる。そして、クエンチ時に巻枠（保護抵抗）５が焼損しない為に必要な、十分大きな熱容量を確保できる。また、超電導コイル３の巻枠５の為のスペースを設ければ、そのスペースとは別に保護抵抗の為のスペースを設ける必要がないので、クライオスタット２（図１参照）内部の構成の簡素化が可能である。

＜超電導磁石装置１の動作＞
次に、超電導磁石装置１の運転動作について説明する。図１に示すように、まず、伝熱手段２ｄによる伝熱冷却によって、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）と、ヒューズ４と、永久電流スイッチ６とは、それらに用いられている高温超電導体の臨界温度以下に冷却され、超電導状態に保たれている。

次に、永久電流スイッチ６を開（オフ、常電導状態）にした状態で、電流遮断機１１を閉（オン）にし、励磁電源１０から超電導コイル３（３ａ、３ｂ）に電流供給する。次に、永久電流スイッチ６を閉（オン、超電導状態）にし、さらに、励磁電源１０からの電流供給を停止した後、電流遮断機１１を開（オフ）にする。この時、励磁電源１０から超電導コイル３への電流供給はなくなるが、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）と、ヒューズ４と、閉（オン）にした永久電流スイッチ６とが直列に接続された第１閉回路Ｃ１では、電流減衰が非常に小さくなり、永久電流Ｉｐが流れ、超電導磁石装置１は永久電流運転となる。永久電流運転では、超電導磁石装置１は、励磁電源１０から電力供給しなくても長期に渡って磁場を形成・保持することが可能である。なお、巻枠（保護抵抗）５は有限の電気抵抗を有している為、永久電流運転時には巻枠（保護抵抗）５（第２閉回路Ｃ２）に電流は殆ど流れない。

次に、超電導磁石装置１の永久電流運転中に、２つの超電導コイル３（３ａ、３ｂ）の内の一方の超電導コイル３ａの一部が常電導転移し、その周囲に常電導領域が拡大していく場合（クエンチ現象が発生した場合）について説明する。まず、超電導コイル３ａの一部で常電導転移が発生すると、クエンチ検出手段７は、例えば超電導コイル３ａの両端の電位差が所定値を超えたこともって、超電導コイル３ａの一部の常電導転移を検知し、直流電源８にクエンチ検出信号Ｓｑを送信する。クエンチ検出信号Ｓｑを受信した直流電源８は、ヒューズ４に接するヒータ１３に直流電流を流す。ヒューズ４はヒータ１３による加熱で、超電導状態から常電導状態に転移することにより、自らジュール熱を発生し溶断する。ヒューズ４の冷却安定化材４ｂ（図２Ｂ参照）には、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）に使用されている超電導線材の冷却安定化材よりも、電気抵抗率の高く、かつ、熱伝導率が低い材料が使用されており、かつ、ヒューズ４は断熱手段１２（図２Ａと図２Ｂ参照）で覆われていることから、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）よりもヒューズ４の常電導転移部分における発熱量の方が大きく、かつ、熱の拡散が遅く、昇温速度が速い。従って、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）が焼損するよりも早くヒューズ４を溶断させることが可能となる。

ヒューズ４が溶断すると、この部分の抵抗値は非常に大きくなり、永久電流Ｉｐはより低い抵抗値を有する巻枠（保護抵抗）５に迂回する。巻枠（保護抵抗）５に大きな永久電流Ｉｐが流れることで蓄積磁気エネルギが消費され、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）における発熱を抑制（即ち、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）の最高温度を低下）することができる。これにより、超電導コイル３（３ａ、３ｂ）の焼損を防ぐことが出来る。また、ヒューズ４は、取り換え容易な位置に設置されている為、永久電流Ｉｐが減衰した後に取り換えることができ、超電導磁石装置１は再び励磁する事が可能となる。

＜作用・効果＞
このように、第１の実施形態によれば、超電導コイル３の巻枠（保護抵抗）５が保護抵抗を兼ねることで、超電導コイル３の巻枠５の為のスペースを設ければ、そのスペースとは別に保護抵抗（５）の為のスペースを設ける必要がない。実質的に、巻枠５とは別途設けられていた保護抵抗（５）の設置スペースを縮小できたことになる。すなわち、保護抵抗（５）の設置スペースを縮小しても、保護抵抗（５）を焼損させることなく蓄積磁気エネルギを消費できる超電導磁石装置１を提供できる。

（第２の実施形態）
図４に、本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置１の回路図を示す。第２の実施形態の超電導磁石装置１が、第１の実施形態の超電導磁石装置１と異なっている点は、第２閉回路Ｃ２が、巻枠（保護抵抗）５と超電導コイル３ａと３ｂの直列接続で構成され、永久電流スイッチ６が、第２閉回路Ｃ２から省かれている点である。第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第２の実施形態では、ヒューズ４が溶断すると永久電流スイッチ６に、永久電流Ｉｐが流れない。従って、クエンチ時の磁場変動に起因する発熱によって永久電流スイッチ６が常電導転移したとしても、永久電流スイッチ６における蓄積磁気エネルギの消費をヒューズ４の溶断によって抑制できる。この保護機能により、第１の実施形態において必要とした焼損を防ぐための永久電流スイッチ６の熱容量を、第１の実施形態より小さくすることができ、永久電流スイッチ６の設置スペースを縮小できる。

（第３の実施形態）
図５に、本発明の第３の実施形態に係る超電導磁石装置１の回路図を示す。第３の実施形態の超電導磁石装置１が、第２の実施形態の超電導磁石装置１と異なっている点は、第３閉回路Ｃ３が、永久電流スイッチ６とヒューズ４と励磁電源１０と電流遮断機１１との直列接続で構成され、ヒューズ４が、第３閉回路Ｃ３に加えられている点である。超電導コイル３ａと３ｂの直列接続と、巻枠（保護抵抗）５と、永久電流スイッチ６とヒューズ４の直列接続と、励磁電源１０と電流遮断機１１の直列接続とが、並列に接続されている。第３の実施形態によっても、第１と第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
次に、第４実施形態に係る超電導磁石装置１について説明する。第４の実施形態に係る超電導磁石装置１が、第１〜３の実施形態の超電導磁石装置１と異なっている点は、超電導コイル３と、ヒューズ４と、永久電流スイッチ６に用いられる超電導線材の超電導フィラメントと、これらの要素を相互に接続する超電導線材の超電導フィラメントに、１８Ｋ以下で超電導性を示す低温超電導体が使用されている点である。これに伴い、クライオスタット２は、その低温超電導体の超電導性を保つ事が可能な冷却能力を有する。１８Ｋ以下の臨界温度を持つ低温超電導体としては、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）、ニオブスズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）等を用いることができる。このような低温超電導体は、１８Ｋを超える臨界温度を持つ高温超電導体と比較して、１０分の１以下の比熱を持つ領域に臨界温度があるため、クエンチ時に熱伝導によって常電導領域が伝搬するのが速くなる。このため、超電導コイル３でも焼損することなく蓄積磁気エネルギを消費できるので、保護抵抗（５）で消費すべき蓄積磁気エネルギを少なくすることができる。このため、低温超電導コイルの為の保護抵抗の設置には、高温超電導体の場合ほどの広い設置スペースは必要ではない。しかし、第４の実施形態でも、超電導コイル３の巻枠（保護抵抗）５が保護抵抗を兼ねているので、超電導コイル３の巻枠５の為のスペースを設ければ、そのスペースとは別に保護抵抗（５）の為のスペースを設ける必要がない。第１の実施形態に比べ保護抵抗（５）の設置スペースは小さくて済むが、それでもその設置スペースを縮小できたことになる。また、保護抵抗（５）の設置スペースを縮小しても、保護抵抗（５）を焼損させることなく蓄積磁気エネルギを消費できる。

（第５の実施形態）
図６Ａに、本発明の第５の実施形態に係る超電導磁石装置に用いられる超電導コイル３の巻枠（保護抵抗）５の正面図を示し、図６Ｂに、その超電導コイル３及びその巻枠（保護抵抗）５の縦断面図を示す。第５の実施形態に係る超電導磁石装置１が、第１〜４の実施形態の超電導磁石装置１と異なっている点は、巻枠（保護抵抗）５の筒５ａとフランジ５ｂとが電気的に絶縁され、フランジ５ｂに溝５ｆが形成されている点である。フランジ５ｂには、複数の溝５ｆが設けられている。図６Ａの例では、フランジ５ｂの内周面に達している溝５ｆが８本と、フランジ５ｂの外周面に達している溝５ｆが８本あり、計１６本の溝５ｆがフランジ５ｂに形成されている。溝５ｆは、フランジ５ｂの表面から裏面まで貫通する切れ込みになっている。溝５ｆには、絶縁体が埋め込まれているが、何も埋め込まなくてもよい。溝５ｆは、巻枠（保護抵抗）５（フランジ５ｂ）の中心から外側に向かう方向（径方向）に沿って設けられている。その溝５ｆの一端は、フランジ５ｂの内周面又は外周面のどちらか一方に達している。隣り合う溝５ｆの一方はフランジ５ｂの内周面に達し、隣り合う溝５ｆのもう一方はフランジ５ｂの外周面に達している。この複数の溝５ｆによれば、接続端子１４ａから接続端子１４ｂに向かう電流経路１７が蛇行するように制限されるので、第１の実施形態と比較し、巻枠（保護抵抗）５の抵抗値を大きくできる。フランジ５ｂと筒５ａとは、締結部７０ａにおいて、ボルト６０とナット６１によって締結されている。

図６Ｂに示すように、フランジ５ｂと筒５ａとは、絶縁部（絶縁シート）５ｅによって、分離されている。フランジ５ｂと筒５ａの間には、絶縁シート５ｅが挟まれている。フランジ５ｂと筒５ａとは、電気的に絶縁している。フランジ５ｂには、締結部７０ａが設けられている。筒５ａには、締結部７０ｂが設けられている。締結部７０ａと締結部７０ｂとは、ボルト６０とナット６１によって締結されている。

図７Ａに、締結部７０ａと７０ｂとそれらの周囲の部材の縦断面図を示し、図７Ｂに、図７ＡのＢ−Ｂ方向の矢視断面図を示す。締結部７０ａと７０ｂの間には、絶縁シート５ｅが挟まれている。締結部７０ａと７０ｂと絶縁シート５ｅには、それぞれ貫通孔が形成されている。締結部７０ａと７０ｂと絶縁シート５ｅのそれぞれの貫通孔を、円筒形状の絶縁カラー６４が貫通している。絶縁カラー６４の両端には、絶縁ワッシャ６３ａと６３ｂが設けられている。絶縁ワッシャ６３ａと６３ｂの外径は、締結部７０ａと７０ｂの貫通孔の直径より大きくなっている。絶縁カラー６４と絶縁ワッシャ６３ａと６３ｂを、ボルト６０が貫通している。ボルト６０には、スプリングワッシャ６２が挿入され、ナット６１が螺合することで、締結部７０ａと７０ｂが締結している。ボルト６０、ナット６１、スプリングワッシャ６２は、締結に要する十分な機械的強度を有する材料、例えば、ステンレスで形成する。ボルト６０、ナット６１、スプリングワッシャ６２は、締結部７０ａ、７０ｂには直接接触せず、絶縁カラー６４や絶縁ワッシャ６３ａや６３ｂを介して接するので、締結部７０ａと７０ｂとが、ボルト６０等を介して電気的に接続することはない。そして、締結部７０ａと７０ｂの間には、絶縁シート５ｅが挟まれているので、締結部７０ａと７０ｂを、電気的に絶縁しつつ締結することができる。これにより、図６Ｂに示すフランジ５ｂと筒５ａとを、電気的に絶縁することができる。接続端子１４ａと１４ｂは、筒５ａから絶縁されたフランジ５ｂに設けられているので、接続端子１４ａから接続端子１４ｂに向かう電流経路１７は、フランジ５ｂを通っても、筒５ａは通れずに制限されるので、第１の実施形態と比較し、巻枠（保護抵抗）５の抵抗値を大きくできる。

前記で説明したように、巻枠（保護抵抗）５の抵抗値は、電流経路１７が、絶縁シート５ｅによってフランジ５ｂ内に制限され、かつ、溝５ｆによってフランジ５ｂ内を蛇行しているので、第１の実施形態等と比較して、大きくなっている。これにより、クエンチ時の電流減衰に要する時間をより短くすることができる。そして、この短くできた時間分だけ、クエンチ検出手段７による超電導コイル３のクエンチ検出までに要する時間や、ヒューズ４を溶断するまでに要する時間を、長くすることができるので、クエンチ検出手段７やヒューズ４等の構成に要する部材やシステムを簡素化する（例えば、ヒータ１３の容量を小さくする）ことができる。

（第６の実施形態）
図８Ａに、本発明の第６の実施形態に係る超電導磁石装置に用いられる超電導コイル３（３ａ）の巻枠（保護抵抗）５の正面図を示し、図８Ｂに、その超電導コイル３（３ａ）とその巻枠（保護抵抗）５の縦断面図を示す。第６の実施形態に係る超電導磁石装置が、第１〜５の実施形態の超電導磁石装置１と異なっている点は、２つの接続端子１４ａと１４ｂとが、一対のフランジ５ｂに１つずつ設けられている点である。これによっても、電流経路を蛇行させることが可能になる。そして、巻枠（保護抵抗）５は、中心軸５ｃに垂直な面を切断面として分割した複数個の部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅと、隣接する部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅの互いに対向する切断面の間に設けられる絶縁シート５ｅと、巻枠（保護抵抗）５の内壁に設けられ、隣接する部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ同士を電気的に接続する導電接続部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄとを有している。１つの部分巻枠２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに接続する２つの導電接続部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、中心軸５ｃを挟んで対向している。具体的に、部分巻枠２１ｂに接続する２つの導電接続部１６ａと１６ｂは、中心軸５ｃを挟んで対向している。部分巻枠２１ｃに接続する２つの導電接続部１６ｂと１６ｃは、中心軸５ｃを挟んで対向している。部分巻枠２１ｄに接続する２つの導電接続部１６ｃと１６ｄは、中心軸５ｃを挟んで対向している。導電接続部１６ａ、１６ｃと、導電接続部１６ｂ、１６ｄとは、導電接続部１６ａ、１６ｃと導電接続部１６ｂ、１６ｄとを結ぶ線分（直線）が中心軸５ｃと交わる位置に、設けられている。

巻枠（保護抵抗）５は、複数個（図８Ｂの例では５個）の部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅに分割されている。部分巻枠２１ａと２１ｅは、図８Ｂの例ではフランジ５ｂに対応しているが、これに限らない。部分巻枠２１ａと２１ｅは、フランジ５ｂの一部であってもよいし、フランジ５ｂに加えて筒５ａの一部又は全部を含んでいてもよい。また、図８Ｂの例では、筒５ａは３つの部分巻枠２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに分割されているが、これに限らない。筒５ａを１つの部分巻枠２１ｂとしてもよいし、３に限らず複数に分割してもよい。

隣接する部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅの切断面は、絶縁シート５ｅを介して接している。部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅには、締結部７０が設けられている。隣接する部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅの締結部７０は、絶縁シート５ｅを介して対向し、ボルト６０とナット６１で締結されている。この一対の締結部７０をボルト６０とナット６１とで締結する構造には、図７Ａと図７Ｂで説明した締結部７０ａと７０ｂをボルト６０とナット６１とで締結する構造を用いることができる。すなわち、締結部７０ａと７０ｂを締結部７０と読み替えればよい。これにより、隣接する部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅの切断面では電気的な絶縁性を保ちつつ、隣接する部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ同士を締結することができる。

隣接する部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ同士は、導電接続部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄによって電気的に接続している。導電接続部１６ａ、１６ｃと、導電接続部１６ｂ、１６ｄとは、中心軸５ｃを挟んで対向して配置されているので、電流経路１７は、接続端子１４ａから、部分巻枠２１ａ、導電接続部１６ａ、部分巻枠２１ｂ、導電接続部１６ｂ、部分巻枠２１ｃ、導電接続部１６ｃ、部分巻枠２１ｄ、導電接続部１６ｄ、部分巻枠２１ｅを順に経由して、接続端子１４ｂへ到っている。このように、電流経路１７が蛇行して、電流経路１７が狭まり長くなることで、巻枠（保護抵抗）５の抵抗値を大きくすることができる。なお、部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅが、奇数個（図８Ｂの例では５個）に分割されているので、接続端子１４ａと１４ｂとは、中心軸５ｃを挟んだ両側に１つずつ配置される。部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅが、偶数個に分割されれば、接続端子１４ａと１４ｂとは、中心軸５ｃに対して同じ側に配置される。また、導電接続部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄには、強度を持たせやすい導電材料、例えば、ステンレス等を用いることができる。

（第７の実施形態）
図９Ａに、本発明の第７の実施形態に係る超電導磁石装置に用いられる超電導コイル３（３ａ）の巻枠（保護抵抗）５の正面図を示し、図９Ｂに、その超電導コイル３（３ａ）とその巻枠（保護抵抗）５の縦断面図を示す。第７の実施形態に係る超電導磁石装置では、第５の実施形態の溝５ｆ等と、第６の実施形態の部分巻枠２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ等とが、組み合わされ、電流経路１７をより長くすることで、巻枠（保護抵抗）５の抵抗値をより大きくしている。溝５ｆは、一対のフランジ５ｂ（部分巻枠２１ａと２１ｅ）の両方に形成されている。部分巻枠２１ｅ上の溝５ｆの配置パターンは、部分巻枠２１ａ上の溝５ｆの配置パターンを中心軸５ｃの周りに１８０度回転させたパターンに一致する。これにより、部分巻枠２１ａでは、電流経路１７は、接続端子１４ａから、部分巻枠２１ａ上を溝５ｆを避けながら迂回して、導電接続部１６ａに達する。部分巻枠２１ｅでは、電流経路１７は、導電接続部１６ｄから、部分巻枠２１ｅ上を溝５ｆを避けるように迂回しながら蛇行して、接続端子１４ｂに達する。また、導電接続部１６ａから１６ｄまでの電流経路１７は、導電接続部１６ａから、部分巻枠２１ｂ、導電接続部１６ｂ、部分巻枠２１ｃ、導電接続部１６ｃ、部分巻枠２１ｄを順に経由することで、蛇行しながら、導電接続部１６ｄへ到っている。このように、電流経路１７が蛇行して、電流経路１７が長くなることで、巻枠（保護抵抗）５の抵抗値を大きくすることができる。

なお、本発明は、前記した第１〜第７の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した第１〜第７の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、第１〜第７のある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、第１〜第７のある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、第１〜第７の各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１ 超電導磁石装置
２ クライオスタット
２ａ 真空容器
２ｂ 輻射シールド
２ｃ 冷凍機
２ｄ 伝熱手段
３、３ａ、３ｂ 超電導コイル
４ ヒューズ
４ａ 超電導フィラメント
４ｂ 冷却安定化材
５ 巻枠（保護抵抗）
５ａ 筒
５ｂ フランジ
５ｃ 巻枠の中心軸
５ｅ 絶縁部（絶縁シート）
５ｆ フランジの溝
６ 永久電流スイッチ
７ クエンチ検出手段
８ 直流電源（電流源）
９ ヒータ
１０ 励磁電源
１１ 電流遮断機
１２ 断熱手段
１３ ヒータ
１４ａ、１４ｂ 巻枠（フランジ）の接続箇所（端子）
１４ｃ、１４ｄ ヒューズの接続箇所（端子）
１５ａ、１５ｂ 超電導線材
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 導電接続箇所（導電接続部）
１７ 電流経路
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ 部分巻枠
６０ ボルト
６１ ナット
６２ スプリングワッシャ
６３ａ 絶縁ワッシャ
６４ 絶縁カラー
７０、７０ａ、７０ｂ 締結部
Ｃ１ 第１閉回路
Ｃ２ 第２閉回路
Ｃ３ 第３閉回路
Ｉｐ 永久電流
Ｓｑ クエンチ検出信号

Claims (12)

1. 保護抵抗を兼ね、超電導コイルを巻く巻枠と、
   前記超電導コイルに永久電流を流すための永久電流スイッチと、
   前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとが直列に接続された第１閉回路と、
   前記超電導コイルと前記巻枠とが直列に接続された第２閉回路とを有することを特徴とする超電導磁石装置。
2. 前記超電導コイルでの常電導状態の発生時に超電導状態から常電導転移し溶断するヒューズを有し、
   前記第１閉回路では、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチと前記ヒューズとが直列に接続されることを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
3. 前記第２閉回路では、前記超電導コイルと前記巻枠と前記永久電流スイッチとが直列に接続されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導磁石装置。
4. 前記永久電流スイッチと励磁電源と電流遮断機とが直列に接続された第３閉回路を構成可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
5. 前記第３閉回路では、前記永久電流スイッチと前記ヒューズと前記励磁電源と前記電流遮断機とが直列に接続されることを特徴とする請求項４に記載の超電導磁石装置。
6. 前記超電導コイルで発生する常電導状態を検出するクエンチ検出手段と、
   前記ヒューズに接するヒータと、
   前記ヒューズと前記ヒータとを覆う断熱手段と、
   前記超電導コイルで発生する常電導状態が検出されると、前記ヒータに電流を流す電流源とを有し、
   前記ヒューズは、前記ヒータに電流が流れると常電導転移し、自ら発するジュール熱により溶断することを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
7. 前記巻枠は、
   筒と、
   前記筒の両端に設けられ、内径が前記筒の内径に等しく、外径が前記筒の外径より大きい一対のフランジとを有し、
   前記第２閉回路の配線は、前記巻枠の中心軸を挟む前記フランジ上の２箇所にそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
8. 前記筒と前記フランジとは電気的に絶縁され、
   前記フランジには、溝が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の超電導磁石装置。
9. 前記巻枠は、
   前記巻枠の中心軸に垂直な面を切断面として分割した複数個の部分巻枠と、
   隣接する前記部分巻枠の互いに対向する切断面の間に設けられる絶縁シートと、
   前記巻枠の内壁に設けられ、隣接する前記部分巻枠同士を電気的に接続する導電接続部とを有し、
   １つの前記部分巻枠に接続する２つの前記導電接続部は、前記巻枠の中心軸を挟んで対向することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
10. 前記超電導コイルと、前記永久電流スイッチと、前記ヒューズは、臨界温度が１８Ｋを超える高温超電導線材を用いて構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
11. 前記ヒューズに用いられる超電導フィラメントの超電導体の周囲に配置される冷却安定化材は、
    前記超電導コイルと前記永久電流スイッチに用いられる超電導フィラメントの超電導体の周囲に配置される冷却安定化材に比べて、
    電気抵抗率が高く、かつ、熱伝導率が低いことを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
12. 真空容器に内包された伝熱手段と、
    前記伝熱手段に熱的に接続し前記伝熱手段を冷却する冷凍機とを備え、
    前記伝熱手段は、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチに熱的に接続することを特徴とする請求項１及至請求項１１のいずれか１項に記載の電磁石装置。

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