JP2016096168A - 永久電流スイッチ、超電導マグネット、核磁気共鳴装置及び永久電流スイッチのターンオフ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイルに接続された永久電流スイッチのターンオフ時に当該永久電流スイッチの焼損を防ぐ。【解決手段】超電導導体を巻回してなる超電導コイル（４）に並列に接続され、オン時は超電導状態で前記超電導コイルとの永久電流ループを構成し、常伝導転移してオフ状態となる高温超電導体（３）を備える永久電流スイッチは、前記高温超電導体の超電導転移温度より高い沸点を有したガス状態の物質を前記高温超電導体の置かれた雰囲気中（５）に導入し、当該物質からの液化潜熱を含む放熱により前記高温超電導体を昇温して常伝導転移させる。【選択図】図１

Description

本発明は、超電導機器に使用される永久電流スイッチに関する。

磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）などの核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置に用いられる超電導マグネットにおいては、磁場の時間的安定性が必要であるために、直流電源のリップルによる磁場の変動が問題となっており、これらの機器使用時には電源を回路より取り外した永久電流スイッチによる永久電流モードでの運転がなされてきた。また、マグネット装置をより小型で持ち運びをより容易なものとするためとしても、永久電流スイッチによる永久電流モードが用いられてきた。

図６は永久電流モードを実現する超電導マグネットの電気回路図である。この回路図では超電導マグネットを構成するための超電導コイル１０１、永久電流スイッチ１０２、保護抵抗１０３及び電源１０４が並列に接続されており、また電源１０４は、電源スイッチ１０５が直列に接続され、超電導コイル１０１から切り離すことができるようになっている。
この回路において超電導コイル１０１を励磁する場合は、永久電流スイッチ１０２をオフ、電源スイッチ１０５をオンの状態として超電導コイル１０１に電圧を印加することで励磁する。超電導コイル１０１に流れる電流値が所定の値に達した後、永久電流スイッチ１０２をオン、電源１０４の電流をゼロに下げていき電源スイッチ１０５をオフとすることにより、超電導コイル１０１と永久電流スイッチ１０２による閉回路に永久電流ループが形成され、永久電流モードとなる。
また、超電導コイル１０１を消磁する際には、永久電流スイッチ１０２をオフ状態とすることにより、保護抵抗１０３に電流を流すことで、磁場のエネルギーを保護抵抗１０３で発生する熱エネルギーに変換して放出し、磁場を減衰させる。

以上のような永久電流スイッチには、オン状態では超電導状態となり永久電流を阻害しないこと、オフ状態では高い抵抗値となり保護抵抗に多くの電流を分流させることが必要となる。この条件を満足させるために、永久電流スイッチとして、超電導線を無誘導巻きしたコイルが用いられる（特許文献１参照）。
超電導線を無誘導巻きした永久電流スイッチは、巻いた超電導線の超電導転移温度より十分低い温度に冷やされることにより超電導状態が実現し、オン状態となる。超電導コイルの消磁の際は、永久電流スイッチを超電導状態から高インピーダンス状態へ転移させることにより、永久電流スイッチをオフ状態とする。ニオブチタンなどの低温超電導線による永久電流スイッチにおいては、主に永久電流スイッチをヒータにより超電導転移温度以上の温度に加熱することで、超電導状態から常伝導状態へ転移させてオンからオフに動作をさせている。
また、永久電流スイッチのオフ動作を行う方法としては、ヒータにより加熱する方法よりも高速動作を実現するものとして、超電導線を無誘導巻きした永久電流スイッチに電流を供給して常伝導転移させる方法が知られている（特許文献２参照）。
さらに、高温超電導線を使用した永久電流スイッチにおいては永久電流スイッチ運転温度と高温超電導線の超電導転移温度が大きく異なることから、ヒータ加熱によるオンからオフへの切り替えは困難であり、磁場印加による切り替えが提案されている（特許文献３）。

特開２００６−２８７１４２号公報 特開２００４−２９６９７４号公報 特開２０１３−７４０８２号公報

しかし、ＲＥ（Rare Earth, 希土類）系超電導線を始めとする高温超電導線による永久電流スイッチにおいては、ヒータにより永久電流スイッチを加熱すると、超電導線のホットスポットによる局所昇温が発生し永久電流スイッチが焼損するという課題がある。
また、上述の電流印加や磁場印可などの加熱以外の永久電流スイッチのターンオフ方法においても、永久電流スイッチをオフ状態とした際に永久電流スイッチが発熱し、局所昇温により永久電流スイッチが焼損するという課題がある。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、超電導コイルに接続された永久電流スイッチのターンオフ時に当該永久電流スイッチの焼損を防ぐことを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、超電導導体を巻回してなる超電導コイルに並列に接続され、オン時は超電導状態で前記超電導コイルとの永久電流ループを構成し、常伝導転移してオフ状態となる高温超電導体と、
前記高温超電導体の超電導転移温度より高い沸点を有したガス状態の物質を前記高温超電導体の置かれた雰囲気中に導入し、当該物質からの液化潜熱を含む放熱により前記高温超電導体を昇温して常伝導転移させるターンオフ手段と、
を備える永久電流スイッチである。

請求項２記載の発明は、前記物質は、前記高温超電導体の置かれた雰囲気中において、沸点が前記高温超電導体の超電導転移温度より高く、融点が前記高温超電導体の超電導転移温度より低い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ある。

請求項３記載の発明は、前記高温超電導線は、互いに逆向きに巻回される無誘導巻きにより、前記超電導コイルよりも低いインダクタンスに構成されている請求項１又は請求項２に記載の永久電流スイッチである。

請求項４記載の発明は、前記ターンオフ手段は、前記高温超電導体を収容し、ガス状態の前記物質が導入可能にされ、前記高温超電導体の常伝導転移時に液化する前記物質に前記高温超電導体を浸漬保持する容器を備える請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の永久電流スイッチである。

請求項５記載の発明は、前記ターンオフ手段は、前記物質の前記容器内おけるガス圧を１気圧より高い圧力に制御して前記高温超電導体を昇温して常伝導転移させる請求項４に記載の永久電流スイッチである。

請求項６記載の発明は、前記物質が、窒素、酸素、フッ素、アルゴン、エタン、プロパン及びオゾンのうちのいずれか一又は二以上の混合物とされた請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の永久電流スイッチである。

請求項７記載の発明は、請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の永久電流スイッチと、前記永久電流スイッチの高温超電導体と並列に接続した超電導コイルと、を備える超電導マグネットである。

請求項８記載の発明は、前記高温超電導体を収容した容器とは別に、前記超電導コイルを収容した容器を備え、
さらに、前記高温超電導体を収容した容器に接続された冷凍機と、前記超電導コイルを収容した容器に接続された冷凍機とを個別に有する請求項７に記載の超電導マグネットである。

請求項９記載の発明は、前記永久電流スイッチの高温超電導体及び前記超電導コイルと並列に接続された保護抵抗と、
前記永久電流スイッチの高温超電導体、前記超電導コイル及び前記保護抵抗と並列に接続される電源と、
をさらに備えた請求項７又は請求項８に記載の超電導マグネットである。

請求項１０記載の発明は、請求項７又は請求項８に記載の超電導マグネットを備え、当該超電導マグネットの磁場により試料を核磁気共鳴させる核磁気共鳴装置である。

請求項１１記載の発明は、超電導導体を巻回してなる超電導コイルに並列に接続され、オン時は超電導状態で前記超電導コイルとの永久電流ループを構成する高温超電導体を常伝導させることによる永久電流スイッチのターンオフ方法であって、
前記高温超電導体の超電導転移温度より高い沸点を有したガス状態の物質を前記高温超電導体の置かれた雰囲気中に導入し、当該物質と前記高温超電導体、及び容器との熱交換により、当該物質を液化させるとともに、前記高温超電導体を昇温して常伝導転移させる永久電流スイッチのターンオフ方法である。

本発明によれば、永久電流スイッチを構成する高温超電導体の超電導転移温度より高い沸点を有したガス状態の物質を当該高温超電導体の置かれた雰囲気中に導入し、当該物質からの液化潜熱を含む放熱により当該高温超電導体を昇温して常伝導転移させること、すなわち、永久電流スイッチをターンオフさせることができるとともに、当該高温超電導体に局所昇温が発生しても、当該物質の液との熱伝導、及び潜熱により緩和し、永久電流スイッチを構成する高温超電導体の焼損を防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係る核磁気共鳴装置の構成を示す模式図である。 従来のヒータにより加熱するターンオフ過程を説明するための模式図である。 本発明のターンオフ過程を説明するための模式図である。 窒素の状態図である。 窒素と酸素の混合系の状態図（１気圧下）である。 永久電流モードを実現する超電導マグネットの電気回路図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置１の構成を示す模式図である。
核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置１は、核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance）を利用した装置で、応用としては磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）がよく知られている。
核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置１に、本発明の一実施形態に係る超電導マグネット２が搭載されており、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置１は、超電導マグネット２の磁場により試料を核磁気共鳴させる。
超電導マグネット２は、永久電流スイッチを構成するスイッチコイル３と、超電導マグネットを構成する超電導コイル４とを備える。
スイッチコイル３は、ＲＥ系超電導線を始めとする高温超電導線を、互いに逆向きに巻回される無誘導巻きにより、超電導コイル４よりも低いインダクタンスに構成されたものである。
スイッチコイル３と、超電導コイル４とが並列に接続された電気回路が構成されており、この点は従来と同様である。すなわち、図６に示した電気回路図における超電導コイル１０１と永久電流スイッチ１０２との関係と同様である。また、超電導コイル４に対しても図６に示した保護抵抗１０３及び電源１０４が並列に接続される点は同様であり、超電導コイル４を励磁し、永久電流モードとする動作も従来と同様である。永久電流モードとなった後は、電源は切り離し可能である点も従来と同様である。

さらに超電導マグネット２は、第１恒温槽５と、第２恒温槽６と、第１冷凍機７と、第２冷凍機８と、ガス導入制御装置９とを備えている。
永久電流スイッチは、電気回路に組み込まれる要素として高温超電導線からなるスイッチコイル３を含む。スイッチコイル３は、オン時は超電導状態で超電導コイル４との永久電流ループを構成し、常伝導転移してオフ状態となる。
スイッチコイル（高温超電導体）３を昇温して常伝導転移させるターンオフ手段が構成される。このターンオフ手段は、第１恒温槽５と、ガス導入制御装置９とから構成される。なお、第１恒温槽５は、永久電流ループを構成する際にスイッチコイル３を冷却するための断熱容器を兼ねている。

第１恒温槽５にはスイッチコイル３が収容されている。第２恒温槽６には超電導コイル４が収容されている。第１冷凍機７はスイッチコイル３を冷却するように設けられている。第２冷凍機８は超電導コイル４を冷却するように設けられている。
このように、スイッチコイル（高温超電導体）３を収容した容器（第１恒温槽５）とは別に、超電導コイル４を収容した容器（第２恒温槽６）を備えており、 さらに、スイッチコイル（高温超電導体）３を収容した容器（第１恒温槽５）に接続された第１冷凍機７と、超電導コイル４を収容した容器（第２恒温槽６）に接続された第２冷凍機８とを個別に有するので、スイッチコイル（高温超電導体）３と超電導コイル４とで独立に温度制御が可能である。

ガス導入制御装置９は、タンク１０と、制御弁１２と、圧力センサー１３と、制御装置１４と、操作部１５とを備えて構成されている。
タンク１０は、第１恒温槽５に導入する窒素等の物質を貯留したものである。タンク１０と、第１恒温槽５とが制御弁１２を介してガス導入路で接続される。
圧力センサー１３は、第１恒温槽５内のガス圧を測定するセンサーである。制御装置１４は、操作部１５からのターンオフ指令信号を受け、第１冷凍機７をオフにし、圧力センサー１３からの信号を参照しつつ制御弁１２を制御してタンク１０に貯留されている物質をガス状態で第１恒温槽５に導入し第１恒温槽５内のガス圧を所定値に制御する。

ここで、永久電流スイッチがターンオフする動作につき説明する。
図２を参照して従来のターンオフ方法につき説明し、図３を参照して本発明によるターンオフ方法につき説明する。なお、図２においてスイッチコイル３は、図１と共通の符号を用いる。図３においてスイッチコイル３及び第１恒温槽５は、図１と共通の符号を用いる。

図２に示すように、従来のヒータにより加熱するターンオフ方法を実施する場合は、ヒータ１０６がスイッチコイル３に近接して設けられる。
図２（ａ）においてスイッチコイル３がオン状態にあって永久電流モードが成立しているとする。このときヒータ１０６はオフ状態である。
図２（ａ）に示す状態からスイッチコイル３をオフにするために、図２（ｂ）においてヒータ１０６をオンにしたとする。ヒータ１０６によるスイッチコイル３に対する加熱のバラつきやスイッチコイル３の超電導特性のバラつきにより、急激に常伝導転移する部分３ａが生じる。永久電流モード時にはスイッチコイル３に大きな電流が流れており、常伝導になった部分３ａはその抵抗で大きな熱が発生し図２（ｃ）に示すように焼損するという問題が生じる。
上述の電流印加や磁場印可などの加熱以外のスイッチコイル３のターンオフ方法によっても、スイッチコイル３をオフ状態とした際に急激に常伝導転移する部分３ａが生じ得ることは変わらず、その部分が焼損するという問題が生じる。

一方、図３に示すように、本発明のターンオフ方法を実施する場合は、スイッチコイル３は容器（第１恒温槽５）に収容されている。
図３（ａ）においてスイッチコイル３がオン状態にあって永久電流モードが成立しているとする。このとき容器（第１恒温槽５）の中は真空により断熱されている。
図３（ａ）に示す状態からスイッチコイル３をオフにするために、図３（ｂ）において容器（第１恒温槽５）に窒素等の物質を導入したとする。当該導入物質の条件としては、（１）導入時に気体であること、（２）容器（第１恒温槽５）内においてスイッチコイル３を構成する高温超電導体の超電導転移温度より高い沸点を有すること、（３）スイッチコイル３を構成する高温超電導体が常伝導転移するまでに液化することである。さらには、容器（第１恒温槽５）内で凝固しないこと（液体であること）が好ましいため、（４）容器（第１恒温槽５）内においてスイッチコイル３を構成する高温超電導体の超電導転移温度より低い融点を有すること、である。
このような条件を満たすために、容器（第１恒温槽５）に導入する物質の種類、組成が選択され、容器（第１恒温槽５）内におけるガス圧が制御装置１４によって制御される。
以上の条件を満たす物質を容器（第１恒温槽５）に導入すると、当該導入物質とスイッチコイル３との熱交換により、当該導入物質は冷却され、液化潜熱を含む熱が奪われて液化し、一方、スイッチコイル３は昇温して常伝導転移する。すなわち、スイッチコイル３がターンオフする。また、当該物質が容器（第１恒温槽５）に導入されたことにより、導入前において真空により断熱状態であった容器（第１恒温槽５）内は断熱破壊され、容器（第１恒温槽５）の外部とスイッチコイル３との熱交換によりスイッチコイル３が昇温される。
以上のように潜熱放出および断熱破壊による高速な永久電流スイッチのターンオフ動作が可能である。

容器（第１恒温槽５）は、図３（ｂ）に示すように導入物質が液化した液体１６にスイッチコイル３を浸漬保持するように、その容積、形状、スイッチコイル３の配置位置が設定されている。
本発明のターンオフ方法でも、スイッチコイル３の超電導特性のバラつき等により、急激に常伝導転移する部分３ａが生じ得る。
しかし、スイッチコイル３は液体１６に浸漬しているため、局所的な温度上昇があっても、その熱は液体１６に伝導し、拡散し、均熱化されるため、スイッチコイル３の局所的な昇温は緩和され、焼損を防ぐことができる。
図３（ｃ）に示すように急激に常伝導転移する部分３ａから発生する熱が過大であっても、液体１６の一部が気化することで気化熱を奪い、部分３ａの高温化を抑えて焼損を防ぐことができる。

次に、スイッチコイル３を収容した容器（第１恒温槽５）に導入する物質の種類や組成と、容器（第１恒温槽５）内でのガス圧につき説明する。

表１は、各種ガスの１気圧での沸点、融点を示したものである。
ＲＥ系超電導線の超電導転移温度は、およそ−１８１℃（９２Ｋ）である。ここで、スイッチコイル３を構成する高温超電導体の超電導転移温度が−１８１℃（９２Ｋ）である場合につき考える。
１気圧下で容器（第１恒温槽５）に導入する場合は、表１より、沸点が−１８１℃より高く、融点が−１８１℃より低い物質としてエタン、プロパン、オゾンなどが選び得る。
しかし、導入時に容器（第１恒温槽５）内でのガス圧を１気圧より高い圧力に制御することで、他の物質も選択可能である。加圧により沸点を上昇させることができるからである。代表して図４に窒素の状態図を示す。窒素ならば、１気圧（およそ０．１ＭＰａ）より高い０．５ＭＰａ程度まで加圧すれば、−１８１℃より高い沸点が得られる。
以上のように圧力を制御することで各種のガスを利用可能である。表１には有望なものを挙げた。表１の中でクリプトンは、沸点と融点の差が小さいため、また、フッ素、酸素は高酸化性あり、取り扱いが困難であるため、その他の窒素、酸素、アルゴン、エタン、及びプロパンのうちのいずれか一を選択することが好ましい。

また、混合物も利用できる。代表して図５に窒素と酸素の混合系の状態図（１気圧下）を示す。図５において横軸は酸素濃度、縦軸は温度を示し、実線は液相から昇温した場合の沸騰開始点、破線は気相から降温した場合の凝縮開始点であり、実線と破線に囲まれる領域は液相と気相の共存域である。
図５からわかるように１気圧下で沸点がおよそ−１９６℃の窒素と酸素とを混合することで沸点が窒素のそれより高い混合物に調整することができる。さらには、圧力を制御することで本発明を実施するために好適な混合物とすることができる。特に、窒素、酸素、フッ素、アルゴン、エタン、プロパン及びオゾンのうちのいずれか二以上の混合物を選択することが好ましい。

改めて図１を参照して核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置１における永久電流スイッチのターンオフ動作につき説明する。
作業者により操作部１５が操作されてターンオフ指令信号が制御装置１４に入力されると、制御装置１４は、第１冷凍機７をオフにし、制御弁１２を開いてタンク１０に貯留されている物質を第１恒温槽５に導入する。
制御装置１４は、圧力センサー１３からの信号を参照しつつ、制御弁１２を制御して第１恒温槽５内のガス圧を所定値に制御する。例えば、タンク１０に貯留されている物質が窒素単体である場合、制御装置１４は、窒素の沸点がスイッチコイル３を構成する高温超電導体の超電導転移温度（−１８１℃）より高くなるように、第１恒温槽５内のガス圧を０．５ＭＰａ程度に制御する。
その後は上述したように第１恒温槽５に導入されたガスとスイッチコイル３との間の熱交換によりスイッチコイル３が昇温されて常伝導転移し、スイッチコイル３がオフになる。

以上の本発明の実施形態によれば、上述した潜熱放出および断熱破壊により高速な永久電流スイッチのターンオフ動作が可能であるとともに、ターンオフに伴いスイッチコイル３を液体に浸漬するのでその焼損を防止することができる。
また、スイッチコイル３を収容した第１恒温槽５が、超電導コイル４を収容した第２恒温槽６とは別に設けられているので、スイッチコイル３が超電導コイル４とともに同じ恒温槽に収容されている場合に比較して、迅速にスイッチコイル３を昇温してターンオフすることができる。
さらに、第１恒温槽５に導入したガスの融点を、スイッチコイル３を構成する高温超電導体の超電導転移温度より低く設定するので、第１恒温槽５内で液化した導入物質がさらに凝固することなく液体で保持され、スイッチコイル３を浸漬することができる。

１ 核磁気共鳴装置
２ 超電導マグネット
３ 永久電流スイッチのスイッチコイル
４ 超電導コイル
５ 恒温槽
６ 恒温槽
７ 冷凍機
８ 冷凍機
９ ガス導入制御装置
１０１ 超電導コイル
１０２ 永久電流スイッチ
１０３ 保護抵抗
１０４ 電源
１０５ 電源スイッチ
１０６ ヒータ

Claims (11)

1. 超電導導体を巻回してなる超電導コイルに並列に接続され、オン時は超電導状態で前記超電導コイルとの永久電流ループを構成し、常伝導転移してオフ状態となる高温超電導体と、
   前記高温超電導体の超電導転移温度より高い沸点を有したガス状態の物質を前記高温超電導体の置かれた雰囲気中に導入し、当該物質からの液化潜熱を含む放熱により前記高温超電導体を昇温して常伝導転移させるターンオフ手段と、
   を備える永久電流スイッチ。
2. 前記物質は、前記高温超電導体の置かれた雰囲気中において、沸点が前記高温超電導体の超電導転移温度より高く、融点が前記高温超電導体の超電導転移温度より低い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. 前記高温超電導線は、互いに逆向きに巻回される無誘導巻きにより、前記超電導コイルよりも低いインダクタンスに構成されている請求項１又は請求項２に記載の永久電流スイッチ。
4. 前記ターンオフ手段は、前記高温超電導体を収容し、ガス状態の前記物質が導入可能にされ、前記高温超電導体の常伝導転移時に液化する前記物質に前記高温超電導体を浸漬保持する容器を備える請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の永久電流スイッチ。
5. 前記ターンオフ手段は、前記物質の前記容器内おけるガス圧を１気圧より高い圧力に制御して前記高温超電導体を昇温して常伝導転移させる請求項４に記載の永久電流スイッチ。
6. 前記物質が、窒素、酸素、アルゴン、エタン、及びプロパンのうちのいずれか一又は二以上の混合物とされた請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の永久電流スイッチ。
7. 請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の永久電流スイッチと、前記永久電流スイッチの高温超電導体と並列に接続した超電導コイルと、を備える超電導マグネット。
8. 前記高温超電導体を収容した容器とは別に、前記超電導コイルを収容した容器を備え、
   さらに、前記高温超電導体を収容した容器に接続された冷凍機と、前記超電導コイルを収容した容器に接続された冷凍機とを個別に有する請求項７に記載の超電導マグネット。
9. 前記永久電流スイッチの高温超電導体及び前記超電導コイルと並列に接続された保護抵抗と、
   前記永久電流スイッチの高温超電導体、前記超電導コイル及び前記保護抵抗と並列に接続される電源と、
   をさらに備えた請求項７又は請求項８に記載の超電導マグネット。
10. 請求項７又は請求項８に記載の超電導マグネットを備え、当該超電導マグネットの磁場により試料を核磁気共鳴させる核磁気共鳴装置。
11. 超電導導体を巻回してなる超電導コイルに並列に接続され、オン時は超電導状態で前記超電導コイルとの永久電流ループを構成し、常伝導転移してオフ状態となる高温超電導体をターンオフさせる永久電流スイッチのターンオフ方法であって、
    前記高温超電導体の超電導転移温度より高い沸点を有したガス状態の物質を前記高温超電導体の置かれた雰囲気中に導入し、当該物質と前記高温超電導体との熱交換により、当該物質を液化させるとともに、前記高温超電導体を昇温して常伝導転移させる永久電流スイッチのターンオフ方法。

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