JP2018010947A - Permanent current switch and superconducting magnet device including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、永久電流スイッチを用いて永久電流を通電する超電導磁石に関する。 The present invention relates to a superconducting magnet that energizes a permanent current using a permanent current switch.
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について、例えば特許文献1が次のような発明を開示している。
The connection and disconnection of the switch can be switched stably and freely at a desired timing, and the load on the refrigerator and liquid helium for cooling the superconducting coil by the heat of the heater for disconnecting the switch is suppressed. For example,
特許文献1によれば、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ことが開示されている。
According to
しかし、超電導磁石装置内の限られた空間に外筒部材を設置する場合、配管構造の複雑化や設置箇所に関する物理的制約を受け、適用可能な超電導磁石装置の形態は限られる可能性がある。 However, when the outer cylinder member is installed in a limited space in the superconducting magnet device, the form of applicable superconducting magnet device may be limited due to the complicated piping structure and physical restrictions on the installation location. .
そこで本発明は、様々な形態の超電導磁石装置に対して広く適用可能であって、効率的なオンオフ切り替えが可能な永久電流スイッチを有する超電導磁石装置を提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a superconducting magnet device having a permanent current switch that can be widely applied to various forms of superconducting magnet devices and can be efficiently switched on and off.
前記課題を解決するため本発明は様々な実施形態を有するが、その一例として、「無誘導に超電導線が巻線されて形成された永久電流スイッチと、前記永久電流スイッチと接続され閉回路を形成する超電導コイルと、前記超電導コイルと並列に接続された保護抵抗と、
を備えた超電導磁石装置であって、前記超電導磁石装置は冷媒が流れる配管を有し、前記永久電流スイッチは前記超電導線が前記配管に巻線されて形成されている超電導磁石装置」が挙げられる。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has various embodiments. As an example thereof, a permanent current switch formed by winding a superconducting wire non-inductively and a closed circuit connected to the permanent current switch are provided. A superconducting coil to be formed, and a protective resistor connected in parallel with the superconducting coil;
A superconducting magnet device, wherein the superconducting magnet device has a pipe through which a refrigerant flows, and the permanent current switch is formed by winding the superconducting wire around the pipe. .
本発明によれば、様々な形態の超電導磁石装置に対して広く適用可能であって、効率的なオンオフ切り替えが可能な永久電流スイッチおよび超電導磁石装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can apply widely with respect to the superconducting magnet apparatus of various forms, Comprising: The permanent current switch and superconducting magnet apparatus which can be switched on / off efficiently can be provided.
以下、本発明の説明をするにあたってはじめに、超電導磁石装置、その冷却方式および考察される課題について説明する。 In the following description of the present invention, the superconducting magnet device, its cooling system, and the problems to be considered will be described.
超電導磁石装置は、直流抵抗のない超電導状態のコイルに通電することで、ジュール損失を発生させることなく磁場を生成可能な装置である。超電導コイルを超電導状態に維持するために、超電導コイルは例えば浸漬冷却方式や伝導冷却方式を用いて冷却される。浸漬冷却は、液体ヘリウムや液体窒素に代表される冷媒の中に超電導コイルを浸漬させる冷却方式であり、伝導冷却方式は冷凍機や循環させた冷媒と熱伝導性の良い金属を介して熱的に接続して間接的に冷却する方式である。ただし、浸漬冷却方式を用いる超電導磁石装置であっても、例えば、MRI(Magnetic Resonance Imaging:磁気共鳴イメージング)装置などの医療用装置、NMR(Nuclear Magnetic Resonance:核磁気共鳴)装置や蓄積リング、シンクロトロン放射光源などに利用される研究開発用超電導磁石装置は、数か月から1年程度の長期に亘って稼働する。この期間において装置外から装置内への熱の侵入によって冷媒の気化は少しずつ進行するため、冷媒を再凝縮するために冷凍機が設けられている。 A superconducting magnet device is a device that can generate a magnetic field without generating Joule loss by energizing a coil in a superconducting state having no DC resistance. In order to maintain the superconducting coil in the superconducting state, the superconducting coil is cooled using, for example, an immersion cooling method or a conduction cooling method. Immersion cooling is a cooling method in which a superconducting coil is immersed in a refrigerant typified by liquid helium or liquid nitrogen, and the conduction cooling method is performed thermally through a refrigerator or a circulated refrigerant and a metal having good thermal conductivity. It is a method of indirectly cooling by connecting to. However, even with a superconducting magnet apparatus using an immersion cooling method, for example, a medical apparatus such as an MRI (Magnetic Resonance Imaging) apparatus, an NMR (Nuclear Magnetic Resonance) apparatus, a storage ring, a synchrotron, A superconducting magnet device for research and development used for a tron radiation light source or the like operates for a long period of several months to one year. During this period, vaporization of the refrigerant progresses little by little due to heat intrusion from outside the apparatus into the apparatus, and therefore a refrigerator is provided to recondense the refrigerant.
超電導磁石装置の通電方式は、電源が常時接続されて通電が行われる電源駆動運転方式と、励磁の際のみ電源が接続され、励磁が完了した後に電源が切り離される永久電流運転方式とがある。永久電流運転方式の実行にあたって必須の構成として永久電流スイッチが存在する。電源駆動運転方式は超電導コイルが電源と電気的に接続されており、熱的に遮断される設計は成されているものの外部からの熱侵入をゼロにすることは容易ではなく、超電導磁石への熱侵入量が増大しやすい。ただし、外部回路と超電導コイルが電気的に接続されているため、何らかの超電導磁石装置の不具合で磁場を消失させる必要がある場合に、外部抵抗により素早く蓄積エネルギーを消費させることができる利点もある。永久電流運転方式は、永久電流スイッチおよび超電導コイルが閉じた電気回路を形成し、それらがすべて冷却されている。この方式は低温部と外気とが熱的に切り離されるため、電源駆動運転方式に比べて外部からの熱侵入が少ない利点がある。ただし、蓄積エネルギー消費のための外部抵抗を冷却系内に設置しなければならず、超電導コイルおよび外部抵抗の発熱による温度上昇の低減が課題となりやすい。 The energization method of the superconducting magnet device includes a power supply driving operation method in which a power source is always connected and energized, and a permanent current operation method in which the power source is connected only during excitation and the power source is disconnected after the excitation is completed. A permanent current switch exists as an indispensable component in executing the permanent current operation method. In the power drive operation system, the superconducting coil is electrically connected to the power source, and although it is designed to be thermally shut off, it is not easy to eliminate heat penetration from the outside, and it is not easy to connect to the superconducting magnet. The amount of heat penetration tends to increase. However, since the external circuit and the superconducting coil are electrically connected, there is an advantage that the stored energy can be quickly consumed by the external resistance when the magnetic field needs to be lost due to some trouble of the superconducting magnet device. In the permanent current operation system, the permanent current switch and the superconducting coil form an electric circuit that is closed, and they are all cooled. This method has an advantage that heat entry from outside is less than that of the power supply driving operation method because the low temperature part and the outside air are thermally separated. However, an external resistor for consuming stored energy must be installed in the cooling system, and a reduction in temperature rise due to heat generated by the superconducting coil and the external resistor tends to be a problem.
また、永久電流スイッチは極力短時間にON/OFF動作することが求められる。永久電流スイッチON時には超電導線を冷却し、スイッチOFF時には超電導線を加熱する必要があり、冷却および加熱時間が永久電流スイッチのON、OFF時間となるため、熱的動作速度を高める必要がある。 In addition, the permanent current switch is required to be turned on and off as quickly as possible. The superconducting wire needs to be cooled when the permanent current switch is ON, and the superconducting wire needs to be heated when the switch is OFF. Since the cooling and heating time is the ON / OFF time of the permanent current switch, it is necessary to increase the thermal operation speed.
浸漬冷却方式では、超電導コイルを冷媒に浸漬しているため、冷却に好適な構成を有しており、加熱についてもヒータと冷媒とは熱絶縁することでヒータ熱を有効に超電導コイル加熱に利用することが可能である。これに対して、伝導冷却方式を採用した場合、超電導線の冷却は伝導冷却による冷却部との接触面でのみ行われるため浸漬冷却より冷却効率が低く、スイッチONまでに要する時間が長くなる。この対策として冷却効率を高めるために蓄冷材を併設することもできるが、逆にスイッチOFF時にヒータによる超電導コイルの加熱が十分にできず、スイッチOFFに要する時間が長くなる。 In the immersion cooling method, since the superconducting coil is immersed in the refrigerant, it has a structure suitable for cooling, and the heater heat is also thermally insulated from the heater and the refrigerant so that the heater heat is effectively used for heating the superconducting coil. Is possible. On the other hand, when the conduction cooling method is adopted, cooling of the superconducting wire is performed only on the contact surface with the cooling part by conduction cooling, so that the cooling efficiency is lower than immersion cooling and the time required until the switch is turned on becomes longer. As a countermeasure against this, a cold storage material can be provided to increase the cooling efficiency, but conversely, the superconducting coil cannot be sufficiently heated by the heater when the switch is turned off, and the time required for the switch to be turned off becomes longer.
伝導冷却方式を採用した超電導磁石装置を永久電流運転するためには、超電導コイルと共に永久電流スイッチを伝導冷却する必要がある。この方式では、冷却部と超電導コイルおよび永久電流スイッチとが熱的に接触した部分からのみ冷却可能であり、熱容量の大きい冷媒中に浸漬する直接冷却に比べて冷却効率が低下する。
また、磁石装置外部に設置する場合は、断熱に必要な部材が別途必要となり、構造が複雑となる課題があった。
In order to operate a superconducting magnet device adopting a conduction cooling system with a permanent current, it is necessary to conduct and cool the permanent current switch together with the superconducting coil. In this method, cooling can be performed only from a portion where the cooling unit, the superconducting coil, and the permanent current switch are in thermal contact with each other, and cooling efficiency is reduced as compared with direct cooling immersed in a refrigerant having a large heat capacity.
Moreover, when installing outside a magnet apparatus, the member required for heat insulation was needed separately, and the subject that a structure became complicated occurred.
本発明は、前記した解題を解決するためになされたものであり、装置内に複雑な構造物を設置することなく、永久電流スイッチのオンオフ切り替えを効率的に行うことができる永久電流スイッチおよびそれを用いた超電導磁石装置を提供することを主な目的とする。また、本発明は、当該超電導磁石装置と同様の冷却構造を有する様々な超電導利用装置を提供することを主な目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and a permanent current switch capable of efficiently switching on and off the permanent current switch without installing a complicated structure in the apparatus and the same It is a main object to provide a superconducting magnet device using the. Another object of the present invention is to provide various superconducting utilization devices having a cooling structure similar to that of the superconducting magnet device.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の好適な第1の実施例である永久電流スイッチを、図1を用いて説明する。図1は、第1の実施例に係る永久電流スイッチの中心対称軸を含む断面図である。 A permanent current switch according to a first preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view including a central symmetry axis of a permanent current switch according to a first embodiment.
本実施例の永久電流スイッチは、図1に示すように、冷媒配管1に永久電流を通電するための超電導線2が無誘導に巻線され、その側面にヒータ3が熱的に接触した状態で巻線されている(以下、この体系を便宜上、永久電流スイッチ10と称する)。冷媒配管1には、超電導線2およびヒータ巻線を固定するために鍔4を設ける。図1に示す例では鍔4が所定の間隔をおいて二つ設けられ、これら二つの鍔4および冷媒配管1の鍔4に挟まれた部分(以下、巻芯相当部1Aと呼ぶ)が超電導線2に対する巻枠として機能する。なお、鍔4は二つでなく三つ以上が設けられていてもよい。また、冷媒配管1および鍔4は、非磁性の部材で構成されることが望ましい。例えばアルミニウム合金やオーストナイト系のステンレス鋼が利用できる。これらの材質であれば超電導コイルL1が稼働する際に生じる磁場の影響を軽減し、永久電流スイッチ10の支持構造を簡素化できる。また、超電導線2の巻線構造と巻芯相当部1Aとの接触面を確保し、熱伝導性を維持するために超電導線2と巻芯相当部1Aとの間に低融点金属シート部材を配置してもよい。例えばイリジウムのシートが候補として挙げられる。
In the permanent current switch of the present embodiment, as shown in FIG. 1, a superconducting wire 2 for passing a permanent current through the
また冷媒配管1および鍔4は必ずしも同材質でなくともよく、鍔4は例えば繊維強化プラスチックで構成されてもよい。繊維強化プラスチックは金属と比較して軽量であるため、冷媒配管1の一部を巻枠として利用することで構成される本実施例の永久電流スイッチ10において、その重量に対して要求される強度や支持構造を検討する上で有利である。
Moreover, the refrigerant |
また、冷媒配管1および鍔4と、巻線された超電導線2との間は絶縁を取ることが望ましい。絶縁を取る方法は、例えば極低温下において機械的な強度および絶縁性能を維持できる部材を配置することが挙げられる。具体的には、ポリイミドフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリアミドフィルムなどが利用できる。
Further, it is desirable to take insulation between the
また、巻き回された超電導線2を更に外周からバインドして固定する場合や、あるいは樹脂によるモールドや極低温下でも十分な接着力を保持する接着剤によって線同士が接着している場合は、必ずしも鍔4を有さなくともよい。また鍔4の形状は線の巻崩れを防止できればよいため、必ずしもフランジ状でなくともよい。 In addition, when the wound superconducting wire 2 is further bound and fixed from the outer periphery, or when the wires are bonded to each other by an adhesive that maintains a sufficient adhesive force even under resin molding or cryogenic temperature, It is not always necessary to have the ridge 4. Further, the shape of the flange 4 is not necessarily limited to the flange shape, as long as it can prevent the wire from being collapsed.
次に図1に挙げた永久電流スイッチ10を利用した超電導磁石装置100に関する冷却系について説明する。図2は、第1の実施例の永久電流スイッチ10を有する超電導磁石装置100における永久電流スイッチ10および被冷却対象20を含む冷却系の例を示す。
Next, a cooling system related to the
図2に示されるように、本実施例の超電導磁石装置100における冷却系は、基本的に、分岐を有し冷媒の流路となる冷媒配管1、分岐において冷媒の流路を変更する手段と、冷媒の流路と冷却される対象である被冷却対象20とを熱的に接続する伝熱部材とから構成される。なお図2は伝熱部材を省略している。また図2に示す冷却系は理解を容易とするために簡素化したものであって、冷媒配管1が有する分岐の数、被冷却対象20の周囲で冷媒配管1が巻き回される回数、冷媒配管1の口径、本数および曲がり等は必要に応じて任意に変更できる。
As shown in FIG. 2, the cooling system in the
超電導磁石装置100が有する冷却系のより詳細な説明は以下のとおりである。
A more detailed description of the cooling system of the
冷却系は構成する冷媒配管1は少なくとも冷媒の導入口と冷媒の排出口とを有する。図2は、それぞれを一つずつ有する場合を示している。ただしそれぞれは同数が設けられる必要はない。次に冷却系における冷媒の主な流れ方について説明する。導入口から導入された冷媒は分岐部を介して少なくとも2本に分かれる流路を部分的に有する。分岐によって分けられた冷媒配管のうち、一方の冷媒配管には流量調整バルブ11Aと永久電流スイッチ10とが直列に配置される。もう一方の冷媒配管はバイパス用配管であって、永久電流スイッチ10側への流量を調整するために、必要に応じて流量調整バルブ11Bを設置する。また、分岐した冷媒配管は合流部において再び一本化し、被冷却対象20を冷却する冷媒配管として合流する。また導入口から排出口までの経路において昇温した冷媒は、排出口の先に接続された冷凍機によって冷却され、再度冷媒として利用可能とされる。
The
次に、本実施例の永久電流スイッチ10を用いて、被冷却対象20である超電導コイルL1を励磁および消磁する方法について説明する。図3は、本実施例の超電導磁石装置100が構成する電気回路の概略を示す。なお、超電導コイルL1および永久電流スイッチ10は真空容器に収容され、輻射シールドによって熱侵入が抑制される構造が採られている。
Next, a method for exciting and demagnetizing the superconducting coil L1, which is the object to be cooled 20, using the permanent
超電導磁石装置100の構成する回路は、超電導コイルL1、超電導コイルL1に接続された保護抵抗R1および永久電流スイッチ10を主な構成とする。また電源31およびスイッチ32は、超電導磁石装置100の主要な構成に含まれるものではないが、励磁の際に当該回路を構成する。
The circuit that the
まず超電導磁石装置100の励磁について説明する。超電導磁石装置100の励磁、すなわち超電導コイルL1を励磁する場合、ヒータ3が通電によって加熱され、永久電流スイッチ10の超電導線2が常電導状態へ移行させられる。このとき、永久電流スイッチ10の両端で発生する電圧は、電源31の励磁速度dI/dtに超電導コイルL1のインダクタンスLを乗じることで求められ、コイル両端に発生する誘導電圧LdI/dtである。この誘導電圧は、超電導線2を常電導転移させて生じた抵抗値に対して永久電流スイッチ10に流れる電流を乗じた電圧に等しくなる。
First, excitation of the
超電導磁石装置100の励磁中は、永久電流スイッチ10で発生するジュール損失が十分に小さいことが望ましい。ジュール損失が過大となれば超電導線2の破損する可能性が懸念されるためである。対策としては、永久電流スイッチ10に流れ込む電流を抑制することが考えられ、永久電流スイッチ10の両端に発生する抵抗値が十分高くなるように設計する等の対応が採られる。また、図3における保護抵抗R1はダイオードD1と直列に接続された状態で、超電導コイルL1および電源31から構成される回路に対して並列に挿入される。励磁中はダイオードD1のターンオン電圧を超越する電圧が印加されない限り保護抵抗R1に電流は流れないようになっている。保護抵抗R1およびダイオードD1の動作は後述する。
During excitation of the
以上で説明したこの電気回路において、スイッチ32をONにして電源31より超電導コイルL1に電流が流されることによって励磁が開始される。電源31から供給される電流は超電導コイルL1に対して与えるべき目標の電流に達する(これを、定格状態に達すると呼ぶ)まで、緩やかに増大するように制御される。また永久電流スイッチ10は、励磁中、常伝導状態を維持するようヒータ3から加熱される。超電導コイルL1が定格状態まで励磁されたのち、ヒータ3の通電は停止される。
In the electric circuit described above, excitation is started when the
超電導コイルL1が励磁されている期間において、流量調整バルブ11A(以下、バルブ11Aと呼ぶ)は閉状態とされる。バルブ11Aは、冷媒の流路に関して永久電流スイッチ10と直列に接続された部材であって、永久電流スイッチ10に流れ込む冷媒の量を制御できる。すなわち励磁期間においてバルブ11Aが閉じられることで、永久電流スイッチ10に対する冷媒の供給が停止される。かつ励磁期間中は、ヒータ3が永久電流スイッチ10を加熱し続けているが、永久電流スイッチ10に対する冷媒の供給が停止されているため、ヒータ3の熱量が小さい場合であっても永久電流スイッチ10を速やかに常伝導状態へと移行させることができる。なお、図2に示す例において、バルブ11Aは冷媒の循環する方向において永久電流スイッチ10の前方に配置されているが、分岐部から合流部までの間であれば後方に配置されていてもよい。いずれに配置しても永久電流スイッチ10に対する冷媒の供給を選択的に停止することが可能である。
During the period in which the superconducting coil L1 is excited, the flow
なお超電導コイルL1が励磁されている期間において、流量調整バルブ11B(以下、バルブ11Bと呼ぶ)は開状態である。バルブ11Bが開状態であれば、冷媒は冷媒配管1を通じて超電導コイルL1を冷却する。
During the period in which the superconducting coil L1 is excited, the flow rate adjusting valve 11B (hereinafter referred to as the valve 11B) is in an open state. If the valve 11B is in the open state, the refrigerant cools the superconducting coil L1 through the
次に超電導コイルL1が定格状態に達している状態における冷却系の操作、制御について説明する。超電導コイルL1の励磁後は、バルブ11Aは開状態とする。バルブ11Aが開状態とされることで、冷媒配管1を流れる冷媒は、励磁中と異なって分岐部を介して永久電流スイッチ10が設けられた経路に対しても流入することができる。すなわちバルブ11Aは永久電流スイッチ10が設けられた配管に対する冷媒の流量を、ゼロとすることも含めて、変更する手段である。この手段によって、永久電流スイッチ10が設けられた冷媒配管1に対して冷媒を流すことで超電導線2が冷却され、これにより永久電流スイッチ10は抵抗ゼロで導通する状態(この状態を永久電流スイッチON状態と呼ぶ)となる。
Next, the operation and control of the cooling system in a state where the superconducting coil L1 has reached the rated state will be described. After the superconducting coil L1 is excited, the
このとき、電気回路は超電導コイルL1と永久電流スイッチ10に電流が流れる閉じた回路となる。この状態ではスイッチ32をOFFとして電源31を電気回路から切り離すことができる。以上が超電導コイルL1の励磁方法である。なお、超電導コイルL1が定格状態に達した後は、バルブ11Bを閉状態として、永久電流スイッチ10が設けられた冷媒配管1に対して集中的に流れるように制御してもよい。永久電流スイッチ10に対して冷媒が集中的に供給されることによって、永久電流スイッチ10はより速やかに冷却され、より速やかに常伝導状態から超電導状態へ移行させることができる。
At this time, the electric circuit is a closed circuit in which current flows through the superconducting coil L1 and the permanent
次に超電導コイルL1を消磁する方法を説明する。超電導磁石装置100の運転時に異常が発生した場合、永久電流スイッチ10を超電導状態から常伝導状態へ移行させる必要がある。この場合、バルブ11Aは閉としてからヒータ3に電流を通電することで、永久電流スイッチ10の超電導線2を効率的に常電導転移させることができる。バルブ11Aを閉状態とすることで、永久電流スイッチ10に対する冷媒の供給を選択的に停止するこができる。常伝導に転移した超電導線2は電気抵抗を有し、この発生した抵抗と通電電流とで算出される電圧が永久電流スイッチ10の両端で発生する。
Next, a method for demagnetizing the superconducting coil L1 will be described. If an abnormality occurs during operation of the
この消磁の際に永久電流スイッチ10の両端に発生する電圧に対して、ダイオードD1のターンオン電圧をそれ以下となるように選定することで、ダイオードD1および外部抵抗R1を含む導線に電流が流れ、ジュール発熱によって超電導コイルL1の蓄積エネルギーを消費し、磁場は消失させることができる。なおターンオン電圧は、超電導線2の耐久性や定格状態における電流の大きさ等に基づき決定される。
By selecting the turn-on voltage of the diode D1 to be lower than the voltage generated at both ends of the permanent
また蓄積エネルギーを消費する際に、超電導コイルL1を積極的に常電導転移させ、外部抵抗R1とともに常電導転移した超電導コイルL1を利用してエネルギーを分散消費させ、消磁時間の短縮や局所温度上昇の抑制が可能となる。その場合は、例えば図4に示すように、超電導コイルL1を熱的に常電導転移させるためにダイオードD1および外部抵抗R1を含む電流路にヒータ抵抗R2を追加し、超電導コイルL1に熱的に接触させる。なおヒータ抵抗R2に流れる電流は外部電源から供給されるものでも構わない。 In addition, when the stored energy is consumed, the superconducting coil L1 is actively subjected to normal conduction transition, and energy is distributed and consumed using the superconducting coil L1 that has undergone normal conduction transition together with the external resistor R1, thereby shortening the demagnetization time and increasing local temperature Can be suppressed. In that case, for example, as shown in FIG. 4, a heater resistor R2 is added to the current path including the diode D1 and the external resistor R1 in order to thermally transfer the superconducting coil L1 to the normal conducting state, and the superconducting coil L1 is thermally Make contact. The current flowing through the heater resistor R2 may be supplied from an external power source.
以上で説明するように本実施例の超電導磁石装置100は、冷媒配管の一部を巻枠とする永久電流スイッチ10を有する。また冷媒配管1は少なくとも1カ所に、流路が分岐し再度合流するといったパイパス状の部分を形成し、永久電流スイッチ10はこの分岐した冷媒配管のいずれか片方に設けられる。また分岐から合流するまでの間において、永久電流スイッチ10が固定された冷媒配管に対する冷媒の供給および停止する手段を有する。この手段は例えば図2に示すようなバルブ11Aである。
As described above, the
このように構成された冷却系を有する結果、第1の実施例に係る超電導磁石装置100は、伝導冷却方式による永久電流運転でありながら、永久電流スイッチ10のON/OFF動作を素早く実施可能となる。また永久電流スイッチ10は冷媒配管1の一部を巻枠として利用して形成されているため、超電導磁石装置100の内部において永久電流スイッチ10を設置するために必要な空間を小さくすることができる。
As a result of having the cooling system configured as described above, the
なお、上述の例では冷媒配管1にバルブ11Bを設けているが、励磁後に永久電流スイッチ10に対して十分な冷媒を供給できるのであれば設けなくともよい。また、図2に示す例は冷媒配管1の分岐部分が、冷媒の流れる方向において、被冷却対象20を冷却する部分よりも前方に設けられた場合を示したが、分岐部分は被冷却対象と同位置あるいはその後方に設けられてもよい。
In the above-described example, the valve 11B is provided in the
本発明の好適な第2の実施形態に係る永久電流スイッチ10を、図5を用いて説明する。図5は、第2の実施形態に係る永久電流スイッチ10の中心対称軸を含む断面図である。本実施例における永久電流スイッチ10のON/OFF制御や超電導磁石装置100の励消磁方法は上述の実施例と同様であるため、説明を省略する。
A permanent
本実施例の永久電流スイッチ10は、冷媒配管1の一部を異材組み合わせによって構成している。具体的には、超電導線2が巻線された巻芯相当部1Aは高熱伝導部材で形成される。その両端を構成する配管部1Bは、巻芯相当部1Aを形成する高熱伝導部材よりも相対的に熱伝導率の低い低熱伝導部材によって形成される。冷媒配管1は、巻芯相当部1Aと配管部1Bと互いにを接合して形成された配管となっている。これにより、超電導コイルL1を励磁する過程においては、冷媒配管1の、特に巻芯相当部1Aの温度が冷媒によって均一に素早く冷却される。なお高熱伝導部材とは例えば高純度の銅やアルミが採用され、低熱伝導部材とはステンレス鋼などが採用できる。また超電導コイルL1を消磁する過程においては、ヒータ3で超電導線2を加熱する際に、永久電流スイッチ10の周囲に熱が拡散することなく、効率的にヒータ3の熱を超電導線2に伝えることができる。
In the permanent
なお、永久電流スイッチ10が設けられた分岐部分に相当する配管を全て高熱伝導部材で構成し、その他の配管、特に被冷却対象20の冷却に利用されていない配管を中心に低熱伝導部材で構成してもよい。この場合は、例えば図2に示す例であれば、冷媒配管1の分岐部分において、永久電流スイッチ10が設けられた方の配管が高熱伝導部材で構成され、他方の配管は低熱伝導部材で構成される。
In addition, all the piping corresponding to the branch part provided with the permanent
本発明の好適な第3の永久電流スイッチ10を、図6を用いて説明する。図6は、本第3の実施例に係る永久電流スイッチ10の中心対称軸を含む断面図である。
A preferred third permanent
本実施例の永久電流スイッチ10は、超電導線2と冷媒配管1Cが導体巻枠30に共巻され、更に超電導線2の外周にヒータ3が巻線された構成となっている。すなわち、本実施形態における冷媒配管1Cは、図2における分岐部分のうち永久電流スイッチ10が設けられた配管の変形例である。本実施例においては冷媒配管1そのものは、永久電流スイッチ10の巻枠として利用されていない。本実施例における永久電流スイッチ10のON/
OFF制御は上述の実施例と同様である。永久電流スイッチON時には、冷媒配管1Cに冷媒が流れることで、熱的に接触した超電導線2が冷却される。
The permanent
The OFF control is the same as in the above embodiment. When the permanent current switch is ON, the superconducting wire 2 that is in thermal contact with the refrigerant pipe 1C is cooled by cooling the refrigerant.
永久電流スイッチOFF時には、ヒータ3に通電することで熱的に超電導線2を常電導転移させる。この際に、ヒータ3の熱が冷媒により除熱されることがないように、冷媒配管1Cとヒータ3は熱的に非接触に配置する。このような構造とすることにより、永久電流スイッチ10の超電導線2が多層となった場合でも、高効率に冷媒による冷却が可能となる。
When the permanent current switch is OFF, the superconducting wire 2 is thermally transferred to normal conduction by energizing the
以上、本発明の実施形態について複数の例を挙げて説明したが、本発明の実施形態はこれらに限られるものではない。利用する部材、冷媒配管1の構造、超電導コイルの設置個数などは適宜変更できる。また各実施形態において説明した超電導磁石装置100は、磁気共鳴イメージング装置や荷電粒子ビームの偏向電磁石等に利用することができる。これらの機器に利用することで効率的な励消磁が実施可能となり、これらの機器の利便性の向上に寄与することができる。
Although the embodiments of the present invention have been described with reference to a plurality of examples, the embodiments of the present invention are not limited to these. The member to be used, the structure of the
1 冷媒配管
1A 巻芯相当部
1B 配管部
1C 冷媒配管
2 超電導線
3 ヒータ
4 鍔
10 永久電流スイッチ
11A、11B 流量調整バルブ
20 被冷却対象(超電導コイルL1)
30 導体巻枠
31 電源
32 スイッチ
100 超電導磁石装置
R1 外部抵抗(保護抵抗)
D1 ダイオード
L1 超電導コイル
R2 ヒータ抵抗
DESCRIPTION OF
30
D1 Diode L1 Superconducting coil R2 Heater resistance
Claims (7)
前記永久電流スイッチと接続され閉回路を形成する超電導コイルと、
前記超電導コイルと並列に接続された保護抵抗と、
を備えた超電導磁石装置であって、
前記超電導磁石装置は冷媒が流れる配管を有し、
前記永久電流スイッチは前記超電導線が前記配管に巻線されて形成されている
超電導磁石装置。 A permanent current switch formed by winding a superconducting wire non-inductively,
A superconducting coil connected to the permanent current switch to form a closed circuit;
A protective resistor connected in parallel with the superconducting coil;
A superconducting magnet device comprising:
The superconducting magnet device has a pipe through which a refrigerant flows,
The permanent current switch is a superconducting magnet device in which the superconducting wire is wound around the pipe.
前記永久電流スイッチが巻線された前記配管に対して設けられたバイパス配管と、
前記永久電流スイッチが巻線された前記配管に対する前記冷媒の流量を変更する流量変更手段と、
を備える超電導磁石装置。 The superconducting magnet device according to claim 1,
A bypass pipe provided for the pipe around which the permanent current switch is wound;
A flow rate changing means for changing a flow rate of the refrigerant with respect to the pipe around which the permanent current switch is wound;
A superconducting magnet device.
前記永久電流スイッチが巻線された前記配管は少なくとも二種類の材質から構成され、前記超電導線と接触する部分を形成する材質が、他の部分を形成する材質よりも高い熱伝導性を有する
超電導磁石装置。 The superconducting magnet device according to claim 1 or 2, wherein
The pipe around which the permanent current switch is wound is made of at least two kinds of materials, and the material forming the part that contacts the superconducting wire has higher thermal conductivity than the material forming the other part. Magnet device.
前記配管に対して前記超電導線と共に巻き回されたヒータ線から構成されるヒータを有し、
前記配管と前記ヒータ線との間に前記永久電流スイッチを形成する前記超電導線が配置される
超電導磁石装置。 The superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 3,
A heater composed of a heater wire wound together with the superconducting wire with respect to the pipe;
A superconducting magnet device in which the superconducting wire forming the permanent current switch is disposed between the pipe and the heater wire.
前記超電導磁石装置が形成する磁場空間に配置され、荷電粒子ビームが通過するダクトと、
を備える偏向電磁石装置。 The superconducting electromagnet device according to any one of claims 1 to 4,
A duct disposed in a magnetic field space formed by the superconducting magnet device and through which a charged particle beam passes;
A deflection electromagnet apparatus comprising:
被検体を載置するベッドと、
前記ベッドを移動させ、前記被検体を前記超電導電磁石装置が生成する均一磁場空間へ搬送する搬送手段と、
前記均一磁場空間に置かれた前記被検体からの核磁気共鳴信号を解析する解析手段と、
を備えることを特徴とする磁気共鳴画像装置。 The superconducting electromagnet device according to any one of claims 1 to 4,
A bed on which the subject is placed;
Transport means for moving the bed and transporting the subject to a uniform magnetic field space generated by the superconducting electromagnet apparatus;
Analyzing means for analyzing a nuclear magnetic resonance signal from the subject placed in the uniform magnetic field space;
A magnetic resonance imaging apparatus comprising:
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