JP2017069358A - 超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】永久電流運転を実施する際の、永久電流スイッチのオフ状態(開、常伝導状態)からオン状態(閉、超電導状態)に切り替えるための冷却時間が短い超電導磁石装置を提供する。【解決手段】超電導磁石装置を、超電導コイルと、前記超電導コイルに接続された永久電流スイッチ２と、冷媒容器とで構成する。冷媒容器は、上部冷媒容器３ａと、下部冷媒容器３ｂと、前記上部冷媒容器と前記下部冷媒容器とを接続する冷媒導入管３ｃよりなる。前記上部冷媒容器は、前記永久電流スイッチと熱的に接触し、前記下部冷媒容器は、その内部の圧力を上昇させる機構を有し、あらかじめ液化した冷媒５を、前記下部冷媒容器に貯め、前記下部冷媒容器内の圧力を上昇させ、永久電流スイッチが熱的に接する上部冷媒容器へと送液する。【選択図】図２

Description

本発明は、超電導コイルと永久電流スイッチを備えた電磁石装置に関し、特に、永久電流スイッチを冷却する方法に関する。

本発明の背景技術として、超電導磁石の励磁完了後に永久電流スイッチを収納した筐体内部にヘリウムガスを導入、液化し、得られた液体ヘリウムで永久電流スイッチを冷却する、という方法が開示されている（特許文献１）。

より具体的には、特許文献１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や液体ヘリウムにかかる負荷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」という課題に対して「コイルを巻回するための巻枠と、巻枠にコイル状に巻回されたヒータ線と、ヒータ線に重なるように超伝導線がコイル状に巻回されたスイッチ部と、巻枠を気密に収納しスイッチ部から離間した外筒部材とを備え、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において、永久電流スイッチは、外筒部材の気密となった内部と外部とを連通させ且つ外筒部材の内部に気体及び/又は液体の冷媒を供給する貫通孔を有する。」という解決手段を提示している。

これによれば、ヘリウムガスの導入前は、冷凍機と熱的に接続された冷却部材と、永久電流スイッチとは断熱される。したがって超電導コイルへの給電時に、永久電流スイッチを加熱してオフ状態(開、常伝導状態)としても、他の被冷却体の熱負荷にはならない。

ただし、永久電流スイッチをオン状態（閉、超電導状態）にするためには、導入されたヘリウムガスが液化するまでの時間が必要であった。また、オフ状態（開、常伝導状態）にするためには液体ヘリウムを排出するための時間が必要であった。

特開2014-209543号公報

従来の冷却方法は、冷媒の相変化（特に気液相変化）に由来する待ち時間が発生するため、永久電流スイッチのオン・オフの切り替えについて、その応答性を向上することが難しかった。そこで本発明は、オン・オフ状態の切り替えについて応答性のよい永久電流スイッチおよび、これを搭載した超電導磁石装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決する為に、超電導コイルと、前記超電導コイルに接続された永久電流スイッチと、冷媒容器とで構成された超電導磁石装置において、前記冷媒容器は上部冷媒容器と、下部冷媒容器と、前記上部冷媒容器と前記下部冷媒容器とを接続する冷媒導入管よりなり、前記上部冷媒容器は、前記永久電流スイッチと熱的に接触し、前記下部冷媒容器は、その内部の圧力を上昇させる機構を有し、あらかじめ液化した冷媒を、前記下部冷媒容器に貯め、前記下部冷媒容器内の圧力を上昇させることで、永久電流スイッチが熱的に接する上部冷媒容器へと送液する。

本発明によれば、すでに下部冷媒容器で液化している冷媒を、永久電流スイッチと熱的に接触した上部冷媒容器内に移送する事で、冷媒の蒸発潜熱により永久電流スイッチを速やかに冷却する事ができ、永久電流スイッチのオフ(開、常伝導状態)からオン(閉、超電導状態)への切り替えに要する時間を短縮する事ができる。

第１実施形態に係る超電導磁石装置の回路図である。 第１実施形態に係る冷媒容器の概略図である。 第２実施形態に係る冷媒容器の概略図である。 第３実施形態に係る冷媒容器の概略図である。 第４実施形態に係る冷媒容器の概略図である。 第１実施形態に係る冷媒容器の変形例に関する概略図である。

超電導磁石装置の回路は、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、超電導コイルとともに閉回路を構成する永久電流スイッチを備えているものがある。励磁電源は、超電導コイルと永久電流スイッチ双方と並列に接続されている。永久電流スイッチは、超電導線によって構成し、超電導状態にある場合は抵抗ゼロとなるため、超電導コイルとともに抵抗値が非常に小さい超電導閉回路を構成できる。超電導閉回路に電流を流すと、外部からの電流供給無しに長時間安定した磁場を維持できる永久電流運転を実施できる。

超電導コイルと永久電流スイッチは、超電導性を維持するために必要な冷却能力を有するクライオスタット内に備えられている。永久電流スイッチは、例えばヒータで温度上昇させる事で常伝導転移し、電気抵抗が発生するオフ状態とする事ができる。またヒータを切り、冷却する事で超電導転移し、オフ状態から抵抗ゼロのオン状態に遷移する。

超電導閉回路に電流を流し、永久電流運転を実施するまでの手順を説明する。超電導コイルに励磁電源電流を供給する際、その両端に発生した電圧により、永久電流スイッチに過大な電流が流れ込まないよう、まず永久電流スイッチをオフ(開、常伝導状態)とする。その後、励磁電源から超電導コイルに電流を供給し、所望の電流値に達した後に、永久電流スイッチを冷却してオン(開、超電導状態)とする。その後、励磁電源からの供給電流をゼロにすることで、超電導コイルおよび永久電流スイッチからなる抵抗ゼロの超電導閉回路に電流が流れる。このとき超電導磁石装置は、外部から電流を供給する事無く長期にわたって磁場が保持される永久電流運転をする事となる。

なお、装置内部の冷却方法は液体ヘリウムに被冷却体を浸漬する方法、冷凍機と被冷却体を高熱伝導部材で接続し、熱伝導で冷却する方法がある。後者の冷却方法は、液体冷媒に浸漬する冷却方法と比較し、冷媒の蒸発潜熱や熱対流による冷却効果が無い分、除熱能力が低い。結果として、永久電流運転を実施する際の、永久電流スイッチのオフ状態(開、常伝導状態)からオン状態(閉、超電導状態)に切り替えるための冷却に時間を要する。

また、励磁電源から超電導コイルへの給電時は、永久電流スイッチをオフ(開、常伝導状態)とするためにヒータで加熱する。ここで後者の冷却方法を採用する超電導磁石装置は、永久電流スイッチと冷凍機とを高熱伝導率部材で接続するため、その加熱が高熱伝導率部材を伝わって他の被冷却体に対する熱負荷になってしまう。従って、冷凍機と永久電流スイッチの間には、熱抵抗を挿入する必要がある。この場合、オフ状態(開、常伝導状態)からオン状態(閉、超電導状態)に切り替えるための冷却時間が更に長くかかるという課題がある。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、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実施形態）
図１は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１の概略図である。超電導磁石装置１は、クライオスタット２１と、クライオスタット２１の外部に設置されている励磁電源２２と、冷媒ヒータ電源２３、スイッチヒータ電源２４とを有している。クライオスタット２１の内部には、超電導コイル２０と、永久電流スイッチ２と、冷媒容器３と、が収納されている。

励磁電源２２に対して、永久電流スイッチ２と超電導コイル２０は並列に接続されている。永久電流スイッチ２と、超電導コイル２０と、それらの間を接続する回路は、全て超電導線材により構成される。また、超電導線材によって構成されたそれらの部材は、クライオスタット２１の保冷能力によって、超電導転移温度以下に保持されている。永久電流スイッチ２には、加熱して常伝導転移させる為の電熱ヒータであるスイッチヒータ２５が備えられている。スイッチヒータ２５はスイッチヒータ電源２４に接続されている。また冷媒容器３には、電熱ヒータである冷媒ヒータ８(図１には図示せず)が備えられている。冷媒ヒータ８は冷媒ヒータ電源２３に接続されている。なお、超電導コイル２０は複数備えられていてもよい。

次に、図１を用いて、超電導磁石装置１の運転動作を説明する。まず、冷凍機(図示せず)は、その冷却機能によって、超電導コイル２０、永久電流スイッチ２およびそれらの間を接続する回路を冷却し超電導状態とする。次に、スイッチヒータ電源２４からスイッチヒータ２５に電流が供給され、スイッチヒータ２５の発熱によって永久電流スイッチ２の温度を上昇させて開（オフ、常伝導状態）にする。その後、励磁電源２２から超電導コイル２０に電流が供給される。所望の電流値に達するまで電流が供給されるとスイッチヒータ電源２４は通電を止める。次に後述する方法によって、永久電流スイッチ２が速やかに冷却され、閉（オン、超電導状態）となる。その後、励磁電源２２は供給電流量を減らし、最終的に供給電流量をゼロとする。

なお、最終的に励磁電源２２は超電導コイル２０に対し電流供給を停止するが、超電導コイル２０と、永久電流スイッチ２と、これらを接続する超電導線材とから構成される超電導閉回路は、回路内における電流減衰の程度が非常に小さい。そのため超電導閉回路を循環する電流はほとんど減少せずに流れ続け、この状態を超電導磁石装置１が永久電流運転をしている状態という。永久電流運転時の超電導磁石装置１は、クライオスタット２１の外部からの電流供給が無くても、長期にわたって磁場を保持することができる。

次に、冷媒容器３の詳細な構造を、図２を用いて説明する。

冷媒容器３は、第１冷媒容器である上部冷媒容器３ａ、第２冷媒容器である下部冷媒容器３ｂ、および連結管である冷媒導入管３ｃを基本的な構成とする。上部冷媒容器３ａは下部冷媒容器３ｂに対して重力方向（鉛直方向）において高い位置、すなわち上方に配置され、上部冷媒容器３ａおよび下部冷媒容器３ｂは、冷媒導入管３ｃを介して互いに接続され内部の空間が連続している。

上部冷媒容器３ａは、鉛直方向を軸とした円筒形状の部材である。この上部冷媒容器３ａの外筒面に沿って超電導線材が巻き回されて永久電流スイッチ２が形成される。したがって上部冷媒容器３ａは、永久電流スイッチ２の巻芯としての役割を有する。また永久電流スイッチ２は上部冷媒容器３ａと熱的に接触している。上部冷媒容器３ａは、注液管９および排気管１０を有し、それぞれの管はクライオスタット２１の外まで配管されている。

下部冷媒容器３ｂは、冷媒ヒータ８が備えられる。冷媒ヒータ８は冷媒ヒータ電源２３(図２には図示せず)から通電される事で加熱される。図２では、冷媒ヒータ８は下部冷媒容器３ｂの内部に取り付けられているが、設置箇所は下部冷媒容器３ｂに接していれば内部以外でもよい。下部冷媒容器３ｂは冷却パス７を介して冷却部材６と接し、冷却部材６は冷凍機(図示せず)と熱的に接続される事で低温に保たれている。

冷媒導入管３ｃは上部冷媒容器３ａおよび下部冷媒容器３ｂを連結する筒状の部材である。冷媒導入管３ｃはその上端が上部冷媒容器３ａの底部に開口部を形成するように設置され、その下端が下部冷媒容器３ｂの底部近傍に配置されるように設置される。冷媒導入管３ｃ、上部冷媒容器３ａおよび下部冷媒容器３ｂの接続は、冷媒５のリークが発生しにくい、理想的には発生しない接続方法を採用する。

注液管９は、クライオスタット２１の外部から冷媒５を気体の状態で送るための構成である。超電導線材を使って形成された各構成を安定的に冷却する側面から、冷媒５の沸点は、超電導閉回路を構成する超電導線材の超電導転移温度よりも低いものが使用される。冷媒５は注液管９を介して冷媒容器３の内部へ導入され、冷却されることによって液化し、重力によって下部冷媒容器３ｂ内に落下し溜まる。所定量の注液後、注液管９が閉じられ、冷媒容器３内の空間は密閉される。

排気管１０は、冷媒５が気化してガス状態となったときに、ガス状の冷媒５を大気に開放するための構成である。これは例えば定期メンテナンス等で超電導磁石装置の動作が完全に停止される際に必要となる。超電導磁石装置が完全に停止される場合、クライオスタット２１内部の冷却も停止されるため、内部の温度が上昇する。この温度上昇に伴って、冷媒容器３内の冷媒５は気化するが、排気管１０の解放によって冷媒容器３内の圧力が過度に上昇する事を防ぐことができる。

注液管９と排気管１０は、クライオスタット２１外部との間に十分な熱抵抗を有するように形状、材質が決定され、常温大気からクライオスタット２１内部への熱流入が過大とならないように設計される。注液管９と排気管１０の材質は、熱伝導率が小さく加工性のよい材質、例えばステンレスを使用する事が望ましい。なお、ステンレスはあくまで一例であって、他に適当な材料が選択されてもよい。

また、注液管９と排気管１０は、図２において上部冷媒容器３ａからそれぞれが独立した管路として大気側まで配管されているが、上部冷媒容器３ａから一本の管を配管し、この管を途中で枝分かれさせて注液管９と排気管１０とを構成しても問題なく、また枝分かれさせず一本の配管が注液管９と排気管１０とを兼ねてもよい。

冷却部材６は、クライオスタット２１の外壁から断熱部材(図示せず)を介して支持されるか、あるいは冷凍機によって支持される。冷媒容器３及び冷媒容器３に固定された永久電流スイッチ２は、冷却パス７を介して冷却部材６から支持される。冷却部材６は熱伝導に優れた部材であることが望ましく、例えば高純度の銅やアルミが採用される。

以上、本実施例における永久電流スイッチ２および冷媒容器３に関する基本的な構造を説明した。次に、超電導コイル２０の給電時と給電完了後とに分けて、各状況における永久電流スイッチ２および冷媒容器３の動作状況を説明し、更に詳細に構造を説明する。

超電導コイル２０の給電時（励磁時）における動作状態から求められる構造を説明する。

給電時において、初期状態の永久電流スイッチ２は、スイッチヒータ２５(図２に図示せず)の発熱によって、超電導転移温度よりも高い温度に保たれている。その際、永久電流スイッチ２および上部冷媒容器３ａは、冷凍機と熱的に接続された冷却部材６と比較し高温の状態にある。従って永久電流スイッチ２および上部冷媒容器３ａと、冷却部材６との間に温度勾配が生じている。

このような温度勾配が存在する一方で、冷却部材６、冷凍機、および超電導コイル２０にかかる熱負荷は小さいことが望ましい。そこで、上部冷媒容器３ａと下部冷媒容器３ｂとを連結する冷媒導入管３ｃは、十分な熱抵抗を有するように形状、材質が決定される。例えば材質は熱伝導率が小さく加工性のよいステンレスが候補となる。なお、ステンレスはあくまで一例であって、他に適当な材料が選択されてもよい。

冷媒導入管３ｃの材質、形状を適切に設計することによって、超電導コイル２０の給電時において、上部冷媒容器３ａが超電導転移温度よりも高い温度にあっても、冷媒導入管３ｃが熱抵抗となる事で、冷却部材６、冷凍機、および超電導コイル２０にかかる熱負荷を小さくすることができる。

次に超電導コイル２０の給電後における動作状況から求められる構造を説明する。

超電導コイル２０の給電が完了したら、永久電流スイッチ２の冷却が開始される。まずスイッチヒータ２５に対する通電が停止され、永久電流スイッチ２の加熱が停止される。その後、冷媒ヒータ８に電流が通電され、冷媒ヒータ８が下部冷媒容器３ｂの内部を加熱する。この加熱によって、下部冷媒容器３ｂ内の冷媒５が温められて気化し、下部冷媒容器３ｂ内の蒸気圧が上昇する。

なお、本実施例で言う下部冷媒容器３ｂ内の蒸気圧とは、下部冷媒容器３ｂ内に貯留された冷媒５の液面と下部冷媒容器３ｂの内壁との間に作用する圧力を指す。また、冷媒ヒータ８は下部冷媒容器３ｂの内部圧力を制御する手段であって、同様の機能を発揮し得る別の原理を採用してもよい。

例えば図６に示すように下部冷媒容器３ｂの上部にガス導入管３ｄを設け、図示しないガス導入排出機構（例えばポンプ）によって冷媒容器３の外部からガス（例えばヘリウムガス）を導入し、下部冷媒容器３ｂの内部圧力を上昇させ、冷媒５の液面を押し下げ送液を実行してもよい。この構造を採用する場合、ガス導入管３ｄの取り付け口は、下部冷媒容器３ｂに貯留された液体状の冷媒５の液面が最大に上昇したときよりも高い位置に設けることが望ましい。その位置であれば、ガス導入管３ｄから導入されたガスが直接に冷媒導入管３ｃへ侵入し、冷媒５の送液効率の低下するような状況を抑制することができる。

下部冷媒容器３ｂ内の蒸気圧が上昇すると、その結果、下部冷媒容器３ｂ内で気化していない液体状の冷媒５の液面が蒸気圧によって押し下げられることで、液体状の冷媒５は冷媒導入管３ｃを通って上部冷媒容器３ａに向かって送液される。送り出された液体状の冷媒５が、液体状の冷媒５の沸点以上の温度にある上部冷媒容器３aと永久電流スイッチ２に対して接触すると、冷媒５がこれらの被冷却体から温度、つまり蒸発潜熱を奪って気化する。このように本実施例の永久電流スイッチ２は、液体状の冷媒５の蒸発潜熱によって冷却され、速やかに超電導転移温度以下に冷却される。

以上のプロセスにおいて、下部冷媒容器３ｂから上部冷媒容器３ａへの送液が継続されるためには、下部冷媒容器３ｂ内の蒸気圧が、上部冷媒容器３ａ内の圧力および冷媒導入管３ｃ内の冷媒５による圧力の和を上回っている必要がある。従って、上部冷媒容器３ａは、送液された冷媒５が蒸発しても下部冷媒容器３ｂにおける蒸気圧以上とならないようその容量（容積）が決定される。典型的な例としては、上部冷媒容器３aの容積は下部冷媒容器３ｂの容積よりも大きくなるように設計される。

また下部冷媒容器３ｂ内の冷媒５が出来る限り多く上部冷媒容器３ａにむけて送液されるよう、冷媒導入管３ｃは、その下端が下部冷媒容器３ｂの底面に近い位置に配置されるよう構成される。あるいは冷媒導入管３ｃは下端に切り欠き構造やメッシュ構造を有し、冷媒導入管３ｃが下部冷媒容器３ｂの底面に固定されると、冷媒５の導入口が形成されるようにしてもよい。

下部冷媒容器３ｂから上部冷媒容器３ａに対する送液に必要な蒸気圧を得るためには、下部冷媒容器３ｂの内部の温度はある程度高められる必要がある。この温度を得るために下部冷媒容器３ｂの内部は加温されるため、従って下部冷媒容器３ｂと冷却部材６との間に温度勾配が生じる。この温度勾配に由来する冷却部材６、冷凍機、および超電導コイル２０に対する熱負荷を低減するために、冷却パス７は適切な熱抵抗を有するように形状、材質が決定される。

冷媒５の上部冷媒容器３ａに対する送液が完了した後は、冷媒ヒータ８は加熱を停止する。その後は冷媒容器３の全体が徐々に冷却され、気化した冷媒５は再び液化し、上部冷媒容器３ａの壁面を伝って下方し移動し、冷媒導入管３ｃを通って下部冷媒容器３ｂに再び溜まる。以上のプロセスを終えたとき、冷媒容器３内の状態は超電導コイル２０の給電前の状態に戻り、再度、超電導コイル２０を励磁し永久電流スイッチ２の冷却が可能な状態となる。

なお、本実施例において、冷媒５は液体の状態で下部冷媒容器３ｂに溜まっているものとしたが、上部冷媒容器３ａに送液する前までは、冷媒は固体状態であってもよい。この場合、送液手順に入る前までには、冷媒ヒータ８をもちいて加熱し液体状態に保持しておく。この加熱によって冷却部材６、冷凍機、超電導コイル２０にかかる熱負荷を低減するために、冷却パス７は適切な熱抵抗を有するよう形状、材質を決定する。

なお、図２において、上部冷媒容器３aと下部冷媒容器３ｂと冷媒導入管３ｃは、水平方向の中心が略同一鉛直線上に配置されている例を挙げたが、水平方向の配置関係は中心位置がそれぞれ異なっていてもよい。また、冷媒導入管３ｃの配置に関しても、送液時に必要な蒸気圧の観点からは重力方向に平行なことが好ましいが、冷媒ヒータ８の出力が許容する範囲で傾けて設置してもよい。

＜作用・効果＞
このように、第１実施形態に係る超電導磁石装置１では、下部冷媒容器３ｂ内ですでに液化している冷媒５を、永久電流スイッチ２と熱的に接触した上部冷媒容器３ａ内に移送する事で、冷媒５の蒸発潜熱により永久電流スイッチ２を速やかに冷却する事ができ、永久電流スイッチ２のオフ(開、常伝導状態)からオン(閉、超電導状態)への切り替えに要する時間を短縮する事ができる。

また、永久電流スイッチ２がオン状態に移行した後は、上部冷媒容器３ａ内も永久電流スイッチ２と同様に極低温に維持される。この際、先に送液されて気化していた冷媒５は再度冷却され液化し、冷媒導入管３ｃを通り下部冷媒容器３ｂに戻る。永久電流運転時において、上部冷媒容器３ａ内に液化した冷媒５はほとんど貯留していない。したがって永久電流スイッチ２をオフ状態へ移行させる際に、スイッチヒータ２５の発熱は永久電流スイッチ２の温度を上昇させることに利用され、上部冷媒容器３ａ内に残存する液体状の冷媒５を気化させることに対する利用の程度は小さい。結果、第１実施形態に係る超電導磁石装置１は、永久電流スイッチ２のオフ状態からオン状態への切り替えに要する時間が短くなる。

このように本実施例の超電導磁石装置１は、冷媒の気液相変化に由来する待ち時間が従来技術と比較して発生しないため、永久電流スイッチのオン・オフの切り替えについて、その応答性が向上する。結果、オン・オフ状態の切り替えについて応答性のよい永久電流スイッチ２および、これを搭載した超電導磁石装置を提供することが可能である。

さらに冷却方式として、クライオスタット内を真空にして、冷凍機と被冷却体を高熱伝導部材で接続する伝導冷却方式を採用した場合、例えば特許文献１とは異なって、冷却のためのガスをクライオスタット外部から導入する必要はない。そのため、常温の導入管を通ったガスを液化温度まで冷却する時間も発生せず、超電導磁石装置１の永久電流スイッチ２をより応答性良くオンからオフへ、あるいはオフからオンへ切り替えることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る超電導磁石装置１について説明する。図３は、第２実施形態に係る冷媒容器３の概略図である。第２実施形態に係る超電導磁石装置１は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１の構成と比較し、支持柱４が追加されている事と、冷却パス７の構造と、冷媒容器３及び冷媒容器３に備えられた永久電流スイッチ２の支持方法が異なっている。第２実施形態に係る超電導磁石装置１のその他の構成は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１と同じであるので説明を省略する。

支持柱４は、図３に示すように冷却部材６から支持されるか、或いは例えばクライオスタット２１の他の構成部材から支持されている。また上部冷媒容器３ａは、支持柱４によって支持されている。支持柱４の両端で温度勾配が生じた場合に不要な熱流が生じないように、支持柱４は適切な熱抵抗を有するようその材質や形状を決定する。下部冷媒容器３ｂと冷媒導入管３ｃは、上部冷媒容器３ａより吊るすような形態で支持される。

また冷却パス７を可とう性伝熱部材(例えば銅網線)で構成し、上部冷媒容器３ａから下部冷媒容器３ｂを吊るすように支持することで、その位置を決める構造の妨げにならないようにする。また、可とう性伝熱部材の冷却パス７は、永久電流スイッチ２を超電導磁石装置１に設置する際に、例えば支持柱４の設置作業の際に作業の自由度を向上させ、作業効率を向上させる点からも有用である。

第１実施形態に係る超電導磁石装置１では、冷媒導入管３ｃは上部冷媒容器３aおよび永久電流スイッチ２の両構造を支持するだけの強度を有するよう構成される必要があった。一方、第２実施形態に係る超電導磁石装置１では、冷媒導入管３ｃは上部冷媒容器３ａよりも容積の小さい下部冷媒容器３ｂを支持できる強度があれば十分であって、永久電流スイッチ２も含めて支持する強度は必要無い。その為、冷媒導入管３ｃの材料や形状の設計自由度は第１実施形態に係る超電導磁石装置１よりも高くなる。例えば、冷媒導入管３ｃを形成する部材の厚みを薄くすることができる。あるいは下部冷媒容器３ｂを冷却部材６と接触するほどの位置に設ける必要がないため、冷媒導入管３ｃは所望の熱抵抗を持つために十分な長さを有すればよく、実施例１の場合と比較して短い形状として設計し、冷媒容器３の小型化を図ることも可能となる。

＜作用・効果＞
このように、第２実施形態に係る超電導磁石装置１では、冷媒容器３を支持柱４によって支持し、また冷却パス７を可とう性伝熱部材で構成する事で、第１実施形態に係る超電導磁石装置１と同様の効果が得られるだけでなく、さらに冷媒容器３をより小さく構成する事が出来る。

また下部冷媒容器３ｂから上部冷媒容器３aに対する送液が成立する圧力の条件を考えた場合、冷媒導入管３ｃの長さを短くすることが可能であるため、実施例１よりも冷媒導入管３ｃ内部に充填される冷媒５の量は少なくなり、冷媒導入管３ｃ中の冷媒５よる圧力が小さくなる。その結果、実施例１と同じ出力の冷媒ヒータ８が使われる場合、実施例１と比較して送液の効率が向上する。また実施例１の冷媒ヒータ８よりも小さな出力の冷媒ヒータであっても、第１実施形態の超電導磁石装置と同程度の送液効率を持つことが可能である。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る超電導磁石装置１について説明する。図４は、第３実施形態に係る冷媒容器３の概略図である。第３実施形態に係る超電導磁石装置１は、第２実施形態に係る超電導磁石装置１の構成と比較し、永久電流スイッチ２の設置位置として、上部冷媒容器３ａの側面ではなく、底面に備えられている点が異なっている。第３実施形態に係る超電導磁石装置１のその他の構成は、第２実施形態に係る超電導磁石装置１と同じであるので説明を省略する。

超電導線材として、その断面が縦横比率の大きい矩形形状であるテープ線を利用した場合は、パンケーキ巻き、或いはダブルパンケーキ巻と呼ばれる、コイル断面の線材列数（巻軸方向における線材の配置数）が１乃至２となる方法で巻線されることが一般的である。そうして製作されたコイルは、その内筒面とボビンの円筒状の芯(ボビンの外筒面)との接触面よりも、コイル径方向と円周方向とから定まる円環状の面(以下、コイル側面)の面積が大きくなるため、そうしたコイルを冷却するにはコイル側面から除熱した方が有利である。そこで図４に示すように、上部冷媒容器３ａの底面にコイル側面を接触させ、永久電流スイッチ２を冷却する事で、より素早く除熱が可能となり、冷却時間を短縮する事ができる。

なお、図４では鉛直線方向を巻軸とした円筒形状の永久電流スイッチ２が、上部冷媒容器３aの底部に接触するように配置された例を挙げたが、これに限ることなく、例えば上部冷媒容器３aの上部に接するように配置されてもよい。永久電流スイッチ２の冷却効率の観点からは、送液された冷媒５が重力にしたがって上部冷媒容器３aの底部と接触しやすいため、上部冷媒容器３aの底部に接触するように永久電流スイッチ２のコイル側面が配置されることが望ましい。しかし他の物品の配置関係上、上部冷媒容器３aの上部に永久電流スイッチ２のコイル側面が設置されてもよい。

＜作用・効果＞
このように、第３実施形態に係る超電導磁石装置１では、上部冷媒容器３ａの底面に永久電流スイッチ２を設置する事で、第２実施形態に係る超電導磁石装置１と同様の効果が得られるだけでなく、さらにパンケーキ巻きコイルなどのコイル側面の面積が大きい永久電流スイッチ２に対して、除熱量を大きくする事ができ、永久電流スイッチ２のオフ(開、常伝導状態)からオン(閉、超電導状態)への切り替えに要する時間を短縮する事ができる。

（第４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。図５は、第４実施形態に係る冷媒容器３の概略図である。第４実施形態に係る超電導磁石装置１は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１の構成と比較し、冷媒ヒータ８のオン、オフを制御する制御装置１１が設置されている点が異なっている。なお、より正確に説明すると制御装置１１は冷媒ヒータ電源２３に接続されている。第４実施形態に係る超電導磁石装置１のその他の構成は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１と同じであるので説明を省略する。

この実施形態における超電導磁石装置１の制御装置１１は、超電導磁石装置１が永久電流運転に移行した後に、周期的に冷媒ヒータ８に対し通電されるよう冷媒ヒータ電源２３を制御する。この周期は、下部冷媒容器３ｂから上部冷媒容器３aに対し定期的に送液されるべき冷媒５の量および冷媒ヒータ８の出力から算出される送液に要する時間と、送液された冷媒５が再度、下部冷媒容器３ｂに戻ってくるまでに要する時間と、マージン時間との総和値などに基づいて定められる。また、定期的に送液されるべき冷媒５の量は、例えば超電導磁石装置１の体系下で、永久電流スイッチ２が、永久電流運転時に取得する熱の量をシミュレーションし、この熱による温度上昇が抑制できる程度を設定する。

超電導磁石装置１は永久電流運転下において、クライオスタット２１のはたらきによって、その内部空間は極低温に維持される。しかし、実際上、外部から内部に向かう熱侵入やクライオスタット２１内部で生じる交流損失による発熱、それ以外の要因による発熱を完全に消失させることは難しいため、そのような熱に対する対策が必要となる。この対策は特に、超電導コイル２０、永久電流スイッチ２、これらを接続する超電導線とから構成される超電導閉回路において必要とされる。

本実施例における超電導磁石装置１の制御装置１１は、冷媒ヒータ８を周期的に動作させることで、永久電流運転下において、永久電流スイッチ２を定期的に冷却し、超電導磁石装置１の安定的な動作を実現する上で有用である。

なお、制御装置１１が冷媒ヒータ電源２３に対し通電を指示する周期は、外部入力装置（図示せず）を介して任意の値が設定されてもよいし、予め適切な周期を調べておき、その結果の値が設定されてもよい。

なお、以上では、説明の簡単のために永久電流スイッチを冷却する機構を例として採用したが、例えば超電導コイルをはじめとする各種の超電導デバイスについて上述する冷却方式、構造を適用してもよい。また、発明の要旨を越えない範囲において、各実施例で挙げた各構造について、それらを構成する材料、形状、大きさなどは適宜変更してもよい。

１ 超電導磁石装置
２ 永久電流スイッチ
３ 冷媒容器
３ａ 上部冷媒容器（第１冷媒容器）
３ｂ 下部冷媒容器（第２冷媒容器）
３ｃ 冷媒導入管（連結管）
３ｄ ガス導入管
４ 支持柱
５ 冷媒
６ 冷却部材
７ 冷却パス
８ 冷媒ヒータ
９ 注液管
１０ 排気管
１１ 制御装置
２０ 超電導コイル
２１ クライオスタット
２２ 励磁電源
２３ 冷媒ヒータ電源
２４ スイッチヒータ電源
２５ スイッチヒータ

Claims (7)

1. 超電導コイルと、
   前記超電導コイルに接続された永久電流スイッチと、
   冷媒容器と、を有し、
   前記冷媒容器は少なくとも
   前記永久電流スイッチと熱的に接触するように設けられた第１冷媒容器と、
   前記第１冷媒容器の鉛直方向において下方に設けられた第２冷媒容器と、
   前記第１冷媒容器と前記第２冷媒容器とを接続する連結管と、
   を有し、
   前記第２冷媒容器の内部圧力を制御する制御手段を備える
   超電導磁石装置。
2. 請求項１に記載の超電導磁石装置であって、
   前記第１冷媒容器の容積は、前記第２冷媒容器の容積よりも大きい
   超電導磁石装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の超電導磁石装置であって、
   前記制御手段は電熱ヒータである
   超電導磁石装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか1項に記載の超電導磁石装置であって、
   前記第２冷媒容器が固定され、かつ冷凍機と接続された冷却部材を備え、
   前記第１冷媒容器および前記永久電流スイッチは、前記連結管を介して前記第２冷媒容器から支持された
   超電導磁石装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置であって、
   冷凍機と接続された冷却部材と、
   前記冷却部材と前記第２冷媒容器とを接続した可とう性伝熱部材と、を備え、
   前記第１冷媒容器が、前記連結管を介して前記第２冷媒容器を吊るすように支持した
   超電導磁石装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか1項に記載の超電導磁石装置であって、
   前記第１冷媒容器は鉛直方向を軸とした円筒形状であって、
   前記永久電流スイッチは前記第１冷媒容器が巻芯である円筒形状の部材である
   超電導磁石装置。
7. 請求項１から請求項５のいずれか1項に記載の超電導磁石装置であって、
   前記永久電流スイッチは
   鉛直方向を軸とした円筒形状の部材であって、
   前記第１冷媒容器の底部と接触するように配置された
   超電導磁石装置。

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