JP2014209543A - 永久電流スイッチ及びこれを備える超電導装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1に開示の永久電流スイッチは、冷凍機によって伝導冷却される超電導コイルと並列に接続され、前記冷凍機によって伝導冷却されて前記超電導コイルに流れる電流のスイッチングを行う永久電流スイッチにおいて、スイッチ用超電導線が巻回された巻き線部と、該巻き線部を加熱するヒータと、巻き線部に当接する断熱材とを含むとともに、巻き線部を断熱材を介して伝導冷却する冷却部材を配置したことを特徴とするものである。
そこで本発明は、スイッチの接続と切断を所望のタイミングで安定的かつ自在に切り換えることができ、且つスイッチを切断するためのヒータの熱によって超電導コイルを冷却するための冷凍機にかかる負荷や液体ヘリウムの蒸発量を抑制することができる永久電流スイッチを提供することを目的とする。
本発明に係る永久電流スイッチは、コイルを巻回するための巻枠と、前記巻枠にコイル状に巻回されたヒータ線と、前記ヒータ線に重なるようにコイル状に巻回された超伝導線と、前記巻枠を支持する筐体とを備え、冷凍機で冷却される超電導装置内に設けられた超電導コイルを含む超電導回路を断続する永久電流スイッチであって、前記永久電流スイッチは、前記筐体の内部と外部とを連通させ且つ前記筐体の内部に気体及び/又は液体の冷媒を供給する導入口を有することを特徴とする。
また、前記筐体が、前記筐体の内部に存在する気体の冷媒を液体に凝縮する凝縮部を有するとよい。
さらに、前記巻枠が、伝熱量を制限する伝熱制限部材を介して前記冷凍機の冷却部材上
に支持されているとよい。
ここで、前記巻枠が、軸心方向を上下に向けて前記冷却部材に対して縦置きされており、前記伝熱制限部材が、前記巻枠の上端側又は下端側を支持することで、前記巻枠の下端側に前記空間を形成するとよい。
本発明に係る超電導装置は、上述のいずれかの永久電流スイッチを有し、前記永久電流スイッチの筐体の外部から前記筐体の導入口に冷媒を供給する冷媒供給源を有することを特徴とする。
ここで、前記筐体の内部の冷媒を、前記筐体の導入口から前記筐体の外部へ排出する排出手段を有するとよい。
図1及び図2を参照して、本発明の第1実施形態による永久電流スイッチ1Aについて説明する。図1は、MRI(磁気共鳴画像)装置やNMR(核磁気共鳴)装置などに用いられる磁場発生装置である超電導装置10の概略構成を示す図である。図2は、永久電流スイッチ1Aの内部の構成を示す断面図である。
超電導装置10は、収納容器2と、収納容器2に収納された超電導コイル3と、収納容器2の外表面が室温の大気と触れないように収納容器2を内部に保持する真空容器4と、超電導コイル3を超電導転移温度以下に冷却する冷却手段5とを有する。
度以下にまで冷却される。
超電導転移温度とは、熱力学温度にして数K(ケルビン)といった極低温である。従って、ステンレス鋼など熱伝導性の高い材料で形成された収納容器2を室温に置いた場合、室温から収納容器2内へ熱が侵入するので、収納容器2の内部を超電導転移温度以下に保つのは困難である。そこで収納容器2は、外表面が室温の大気と触れないように、内部が真空となった後述する真空容器4内に保持される。
永久電流スイッチ1Aは、上述したように、永久電流を流す閉回路を形成するために、超電導コイル3に導線(ケーブル)によって接続されるものであり、巻枠11、ヒータ線12、スイッチ部13、及びこれらを内部に格納する筐体(外筒部材)14を含んで構成される。
いる。巻枠11の一方のフランジF1には、胴部Mと重ならない位置に胴部Mの長手方向に沿った導入口(貫通孔T)が設けられている。
スイッチ部13は、例えばCuNi/NbTiなどの超電導体で構成される超電導線であり、室温時の両端抵抗が100Ωとなる長さが、巻枠11に巻き付けられたヒータ線12の上に重なるように無誘導巻でコイル状に巻き付けられる。このスイッチ部13は、超電導転移点以下に冷却されれば、電気抵抗がほぼゼロ0となるのでON(接続)状態となり、ヒータ線12の発熱によって超電導転移点を超えれば、電気抵抗が発生するのでOFF(切断)状態となる。
さらに、永久電流スイッチ1Aは、巻枠11のフランジF1,F2に形成された貫通孔Tに、永久電流スイッチ1Aの内部と外部を連通するための銅製の導管Pが設けられている。この導管Pによって、永久電流スイッチ1Aの内部に気体及び/又は液体の冷媒を供給することができ、また、永久電流スイッチ1Aの内部を排気することができる。この冷媒の供給及び排気については、永久電流スイッチ1Aの動作として後述する。
まず、超電導コイル3が冷凍機5によって超電導転移点以下に冷却されて且つ励磁されていない状態から、超電導コイル3に永久電流を流して励磁する過程を説明しながら永久電流スイッチ1Aの動作を説明する。
まず、超電導装置10は、超電導コイル3が4.2Kといった超電導転移点以下に冷却された状態で、永久電流スイッチ1Aのヒータ線12に通電してスイッチ部13の温度を超電導転移点より上に維持している。これによって永久電流スイッチ1Aは、スイッチ部13がOFF(切断)状態となり、超電導コイル3に永久電流を流す閉回路が解消された状態である。このとき、永久電流スイッチ1Aの内部は、排気ポンプ8によってほぼ真空に排気されており、ヒータ線12と永久電流スイッチ1Aの外筒部材14は真空の空間S
によって断熱される。従って、永久電流スイッチ1Aの外筒部材14は、冷凍機5によって冷却されて超電導転移点以下の温度に保たれている。
作を実現することが出来る。
図4を参照して、本発明の第2実施形態について説明する。図4は、MRI(磁気共鳴画像)装置やNMR(核磁気共鳴)装置などに用いられる磁場発生装置である超電導装置20の概略構成を示す図である。本実施形態において、超電導装置20は、第1実施形態で説明した超電導装置10とほぼ同様の構成を有し、同じく第1実施形態で説明した永久電流スイッチ1A又は1Bを設けている。
超電導装置20では、超電導コイル3は、液体ヘリウムHに浸漬されている。また、冷凍機5の第2段ステージ52は、液体ヘリウムHに浸漬されることなく、収納容器2内で気化したヘリウムガスを再凝縮するためのフィン53が設けられている。また、収納容器2と真空容器4の間には、超電導装置20の外部から収納容器2内に侵入する輻射による熱を遮蔽するための遮蔽シールド16が設けられている。
熱部分と冷凍機5の間での熱的な抵抗を増やすことができ、冷凍機5への負荷を低減することができる。また、永久電流スイッチ1AをON状態とする際には、永久電流スイッチ1Aの内部で液体に凝縮された液体ヘリウムによってヒータ線12の熱を吸収し、スイッチ部13を超電導状態に保つことができる。このような構成を有することで、永久電流スイッチ1Aは、OFF状態(スイッチ部13が常伝導状態)において、永久電流スイッチ1Aの内部を断熱状態で保持することができるので、ヒータ線12の通電による発熱を冷凍機5側へ伝えることはほとんど無い。また、永久電流スイッチ1Aは、ON状態(スイッチ部13が超電導状態)において、液体ヘリウム等の冷媒によってスイッチ部13が冷却されて超電導状態を維持できるため、安定したスイッチング動作を実現することが出来る。
図5を参照しながら、本発明の第3実施形態について説明する。
図5は、本実施形態による永久電流スイッチ1Cの内部の構成を示す断面図である。本実施形態による永久電流スイッチ1Cは、第1実施形態による超電導装置10や第2実施形態による超電導装置20などの超電導装置で用いられる永久電流スイッチであり、上述の永久電流スイッチ1A,1Bと同様に、ON(接続)とOFF(切断)を切り替えることで、永久電流を流す閉回路の形成と解消を切り替えることができる。以下の説明では、一例として、永久電流スイッチ1Cを超電導装置10に設ける場合を説明する。
筐体14Aは、例えば、直方体形状、立方体形状及び円柱形状など、冷凍機5の冷却部材7上に配置可能な形状で、ヒータ線12及びスイッチ部13が巻回された巻枠11である熱スイッチを格納可能な大きさを有する中空の容器であり、例えば薄肉のステンレス鋼など、機械強度及び耐腐食性に優れた材料で形成されている。図5に示すように、冷却部材7上に配置される筐体14Aは気密な容器であるが、筐体14Aの内部と外部を連絡すると共に後述する導管P1が接続される貫通孔T1が、冷却部材7から十分に離れた位置で、内部に溜まった液体ヘリウムが筐体14A外へ漏れ出さない位置に形成されている。
支持部17は、筐体14A内で、胴部Mが冷却部材7とほぼ平行となるように配置された巻枠11のフランジF1,F2を支持することで巻枠11を位置決めする。支持部17は、例えば、フランジF1の上方と下方において、フランジF1と筐体14Aの間に挟み込まれるように配置されて、筐体14Aに対してフランジF1を支持する。支持部17は、フランジF1と同様にフランジF2も支持することで、巻枠11の全体を筐体14A内
で支持し位置決めする。このとき、支持部17は、巻枠11を、筐体14Aの上下の壁面からほぼ等しく間隔(空間)を空けると共に、左右の壁面からほぼ等しく間隔(空間)を空けるように、筐体14A内のほぼ中央付近に支持すると好ましい。
温度センサ18は、導管P1を流通するヘリウムガスの温度を計測するセンサである。温度センサ18は、図5に示すように、筐体14Aにおいて導管P1と筐体14Aの接合部である貫通孔T1の近傍に設けられ、導管P1を通って筐体14A内に流入する直前、又は流入した直後のヘリウムガスの温度を計測する。
図5では、筐体14Aにおいて巻枠11のフランジF1側の上方に導管P1が設けられているが、導管P1と同様の破線で示す導管P2を、筐体14Aにおいて巻枠11のフランジF2側の上方に設けてもよい。つまり、筐体14Aにおいて、巻枠11を挟んで導管P1とは反対側に、筐体14A内のヘリウムガスを排気するための導管P2を設ける。
[第4実施形態]
図6を参照しながら、本発明の第4実施形態について説明する。
図6に示すように、永久電流スイッチ1Dは、上述の実施形態で説明した巻枠11とほぼ同様の構成の巻枠11Aと、ヒータ線12及びスイッチ部13が巻回された巻枠11A(熱スイッチ)を冷却部材7上に支持する支持部17Aとを備えている。永久電流スイッチ1Dは、冷却部材7において永久電流スイッチ1Dが載置される面である載置面に対して、巻枠11Aを縦置きする構成を有している。つまり、巻枠11Aは、巻枠11Aの軸心が上下方向に沿って当該載置面に対してほぼ垂直となるように配置され、支持部17Aによって冷却部材7上に支持される。
フランジF1aは、フランジF2よりも大きな径を有する円板状の平板で胴部M及びフランジF2と同心状あって、巻枠11Aが冷却部材7上に配置される際に、フランジF2よりも上方に配置される。フランジF2よりも大径のフランジF1aを、フランジF2と冷却部材7の間に空間Sを確保しつつ下方から支持することによって、巻枠11Aは、冷却部材7に対して縦置きされる。
下方(つまり、巻枠11Aの下端側)に空間Sが形成される。
このとき、導管P1は、フランジF1aと支持部17Aが接着又は接合する部位の近傍であれば好ましい。導管P1には、第3実施形態と同様に、ヒータ線19を巻き付けてもよい。また、支持部17Aに、第3実施形態で説明した導管P2を設けて排気ポンプ8に接続することもできる。さらに、貫通孔T1及び導管P1の近傍に温度センサ18を設けて、支持部17A内に流入する直前、又は流入した直後のヘリウムガスの温度を計測することもできる。
[第5実施形態]
図7を参照しながら、本発明の第5実施形態について説明する。
図7に示すように、永久電流スイッチ1Eは、上述の実施形態で説明した巻枠11と、ヒータ線12及びスイッチ部13が巻回された巻枠11(熱スイッチ)を冷却部材7上に支持する支持部17Bとを備えている。永久電流スイッチ1Eは、永久電流スイッチ1Dと同様に、冷却部材7において永久電流スイッチ1Eが載置される面である載置面に対して、巻枠11を縦置きする構成を有している。つまり、巻枠11は、巻枠11の軸心が上下方向に沿って当該載置面に対してほぼ垂直となるように配置され、支持部17Bを介して、つまり支持部17Bを挟んで冷却部材7上に支持されている。図7において巻枠11は、フランジF1が上方となるように縦置きされているが、フランジF2が上方となるように縦置きされてもよい。
鋼等の金属で構成される。
このとき、導管P1は、支持部17BとフランジF2が接着又は接合する部位の近傍であれば好ましい。導管P1には、第3実施形態と同様に、ヒータ線19を巻き付けてもよい。また、支持部17Bに、第3実施形態で説明した導管P2を設けて排気ポンプ8に接続することもできる。さらに、貫通孔T1及び導管P1の近傍に温度センサ18を設けて、支持部17B内に流入する直前、又は流入した直後のヘリウムガスの温度を計測することもできる。
[第6実施形態]
図8を参照しながら、本発明の第6実施形態について説明する。
図8に示すように、永久電流スイッチ1Fは、上述の実施形態で説明した巻枠11とほぼ同様の構成を有し、内部に貫通孔を有すると共に縦置きされる巻枠11Bと、ヒータ線12及びスイッチ部13が巻回された巻枠11B(熱スイッチ)を冷却部材7上に支持する支持部17Cとを備えている。永久電流スイッチ1Fは、永久電流スイッチ1Eと同様に、冷却部材7において永久電流スイッチ1Fが載置される面である載置面に対して、巻枠11Bを縦置きする構成を有している。つまり、巻枠11Bは、巻枠11Bの軸心が上下方向に沿って当該載置面に対してほぼ垂直となるように配置され、支持部17Cを介して、つまり支持部17Cを挟んで冷却部材7上に支持されている。図8において巻枠11Bは、フランジF1が上方となるように縦置きされているが、フランジF2が上方となるように縦置きされてもよい。
支持部17Cは、縦置きされた巻枠11Bの下方(つまり、巻枠11Bの下端側)のフランジ(例えば、フランジF2)に固定されると共に、冷却部材7上に固定されることによって、巻枠11Bと冷却部材7の間に空間Sを確保しつつ巻枠11Bの下端側を冷却部材7に対して支持するものである。支持部17Cは、例えば、円板状のフランジF2とほぼ同じ大きさ及び形状の底面を有する円柱形状で、内部が中空となった第1支持部と、巻枠11Bの軸心位置に形成された貫通孔に対応する円柱形状で、内部が中空となった第2支持部とが一体となった部材であって、ステンレス鋼等の金属で構成される。第1支持部は第5実施形態による支持部17Bに対応し、第1支持部内の中空の部分は、空間Sに相当する。円柱形状の第2支持部は、同じく円柱形状の第1支持部とほぼ同軸となるように第1支持部と一体となっており、第2支持部の中空の部分と第1支持部の空間Sは連通している。
ここで、図8に示すように、支持部17Cの第2支持部の上方に、第3実施形態で説明した貫通孔T1及び導管P1を設けて排気ポンプ8及び冷媒供給源9に接続し、支持部17C内へのヘリウムガスの導入及び排気を行うことができる。
上述の構成の巻枠11B及び支持部17Cを有する永久電流スイッチ1Fによれば、巻枠11Bを構成する金属の量を、支持部17Cの第2支持部が挿入される貫通孔の分だけ減らすことができるので、巻枠11B、ひいては永久電流スイッチ1Fの熱容量を減少させることができる。また、熱容量の小さい巻枠11Bは、より小さなヒータ線12の発熱によって容易に温度が上昇すると共に、貫通孔に挿入された第2支持部に導入されるヘリウムガスによって効果的に冷却されるので、スイッチ動作のON(接続)とOFF(切断)を迅速に切り換えることができる永久電流スイッチ1Fを、簡易な構成で実現することができる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
2 収納容器
3 超電導コイル
4 真空容器
5 冷凍機
6,7 冷却部材
8 排気ポンプ
9 冷媒供給源
10,20 超電導装置
11,11A,11B 巻枠
12,19 ヒータ線
13 スイッチ部
14,14A 筐体(外筒部材)
15 凝縮部
16 遮蔽シールド
17,17A〜17C 支持部
18 温度センサ
50 駆動部
51 第1段ステージ
52 第2段ステージ
53 フィン
F1,F1a,F2 フランジ
H 液体ヘリウム
T,T1 貫通孔
P,P1,P2 導管
M 胴部
S 空間
V1,V2 開閉バルブ
Claims (10)
- コイルを巻回するための巻枠と、前記巻枠にコイル状に巻回されたヒータ線と、前記ヒータ線に重なるようにコイル状に巻回された超伝導線と、前記巻枠を支持する筐体とを備え、冷凍機で冷却される超電導装置内に設けられた超電導コイルを含む超電導回路を断続する永久電流スイッチであって、
前記永久電流スイッチは、前記筐体の内部と外部とを連通させ且つ前記筐体の内部に気体及び/又は液体の冷媒を供給する導入口を有することを特徴とする永久電流スイッチ。 - 前記筐体が、前記冷凍機と熱的に接続するように構成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。
- 前記筐体が、前記筐体の内部に存在する気体の冷媒を液体に凝縮する凝縮部を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の永久電流スイッチ。
- 前記巻枠が、伝熱量を制限する伝熱制限部材を介して前記冷凍機の冷却部材上に支持されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の永久電流スイッチ。
- 前記伝熱制限部材が、前記巻枠と前記冷却部材との間に空間を形成するように、前記冷却部材上に前記巻枠を支持することを特徴とする請求項4に記載の永久電流スイッチ。
- 前記巻枠が、軸心方向を上下に向けて前記冷却部材に対して縦置きされており、
前記伝熱制限部材が、前記巻枠の上端側又は下端側を支持することで、前記巻枠の下端側に前記空間を形成することを特徴とする請求項4又は5に記載の永久電流スイッチ。 - 前記伝熱制限部材が、前記筐体を兼ねて構成されていることを特徴とする請求項5又は6に記載の永久電流スイッチ。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の永久電流スイッチを有し、
前記永久電流スイッチの筐体の外部から前記筐体の導入口に冷媒を供給する冷媒供給源を有することを特徴とする超電導装置。 - 前記筐体の内部の冷媒を、前記筐体の導入口から前記筐体の外部へ排出する排出手段を有することを特徴とする請求項8に記載の超電導装置。
- 前記超電導装置は、前記超電導コイルを冷却する液体ヘリウムを有し、
前記冷媒供給源は、前記液体ヘリウムであることを特徴とする請求項8に記載の超電導装置。
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