JP2018129408A - Permanent current switch, magnetic field generating device, and method of controlling magnetic field generating device - Google Patents

Permanent current switch, magnetic field generating device, and method of controlling magnetic field generating device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a permanent current switch capable of fast and stably performing an opening operation when a superconducting coil is demagnetized; a magnetic field generating device including such a permanent current switch; and a method of controlling the same.SOLUTION: A permanent current switch includes: a first switch part which includes a first section of a superconducting wire; a second switch part including a second section of the superconducting wire and a thermal conductor having higher thermal capacity than the first switch part and in which the second section of the superconducting wire and the thermal conductor are thermally coupled; a heat resistor which is interposed between the first switch part and the second switch part and which thermally separates between the first switch part and the second switch part; a heater capable of heating the first section of the superconducting wire; and a magnet capable of applying a magnetic field to the second section of the superconducting wire.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、超電導線材を用いた永久電流スイッチ、永久電流スイッチを備えた磁場発生装置、及び磁場発生装置の制御方法に関する。   The present invention relates to a permanent current switch using a superconducting wire, a magnetic field generator provided with a permanent current switch, and a control method for the magnetic field generator.

超電導コイルを用いた磁場発生装置には、超電導コイルを含んだ閉回路の全てを超電導状態に転移させ、この超電導状態の回路(以下、「超電導回路」と呼ぶ。)に永久電流を流して定磁場を発生させるものがある。このような構成により、磁場の発生中に超電導コイルを駆動する電流源が不要となり、かつ、時間的に極めて高い安定性を有する定磁場を発生することができる。NMR(Nuclear Magnetic Resonance)分析装置又はMRI(Magnetic Resonance Imaging)装置においては、磁場発生装置が発生する定磁場に時間的に極めて高い安定性が要求される。   In a magnetic field generator using a superconducting coil, all of the closed circuit including the superconducting coil is transferred to the superconducting state, and a permanent current is passed through the circuit in the superconducting state (hereinafter referred to as “superconducting circuit”). Some generate a magnetic field. With such a configuration, a current source for driving the superconducting coil during generation of the magnetic field becomes unnecessary, and a constant magnetic field having extremely high temporal stability can be generated. In an NMR (Nuclear Magnetic Resonance) analyzer or an MRI (Magnetic Resonance Imaging) apparatus, the constant magnetic field generated by the magnetic field generator is required to have extremely high temporal stability.

永久電流で駆動される超電導コイルであっても、励磁(所定の電流値まで通電電流を上昇させる過程)の際と消磁(通電電流を減少させる過程)の際には電流源が使用される。励磁の際には、超電導回路の一部を開いた状態で、電流源から超電導コイルへ電力が供給される。そして、超電導コイルの電流が所定値まで増加したら、超電導回路が閉じられ、電流源が停止される。これにより、超電導コイルに流れる電流が永久電流となって超電導回路に流れる。消磁の際には、励磁の場合と逆の手順がとられる。このように超電導回路の一部を開いたり閉じたりする機能を担うのが、永久電流スイッチ(永久電流スイッチ20:Persistent Current Switch)である。   Even in a superconducting coil driven by a permanent current, a current source is used during excitation (a process of increasing the energization current to a predetermined current value) and demagnetization (a process of decreasing the energization current). During excitation, power is supplied from the current source to the superconducting coil with a part of the superconducting circuit being opened. When the current of the superconducting coil increases to a predetermined value, the superconducting circuit is closed and the current source is stopped. Thereby, the current flowing through the superconducting coil becomes a permanent current and flows through the superconducting circuit. When demagnetizing, the reverse of the procedure for excitation is performed. The permanent current switch (Persistent Current Switch 20) has a function of opening and closing a part of the superconducting circuit in this way.

永久電流スイッチは、超電導線材と、超電導線材を常電導状態と超電導状態とに切り替える手段とを備える。超電導線材が超電導状態となって抵抗がゼロになったときが閉の状態であり、超電導線材が常電導状態となって電気抵抗が生じたときが開の状態となる。   The permanent current switch includes a superconducting wire and means for switching the superconducting wire between a normal conducting state and a superconducting state. The closed state is when the superconducting wire is in the superconducting state and the resistance is zero, and the open state is when the superconducting wire is in the normal conducting state and electrical resistance is generated.

現状、磁場発生装置の超電導コイル及び永久電流スイッチは低温超電導(LTS:Low-Temperature Superconductor)の線材によって構成されるのが通常である。以下、低温超電導の線材をLTS線材と呼び、高温超電導(HTS:High-Temperature Superconductor)の線材をHTS線材と呼ぶ。LTS線材を使用する第1の理由は、HTS線材では、超電導体同士の接合、いわゆる超電導接合が難しく、回路の全てを超電導状態にすることが難しいからである。第2の理由は、HTS線材は、超電導性が失われる臨界温度が高く、温度を昇降して永久電流スイッチを開閉する操作に時間がかかるからである。第1の理由に関しては、現在、多くの企業又は研究機関においてHTS線材の超電導接合の技術開発が進められており、近い将来、簡便な超電導接合技術が確立されることが期待される。あるいは、回路の一部に超電導状態に転移しない線材の接続部が含まれていても、わずかな電流減衰を伴う擬似的な永久電流を超電導コイルに流して、長期に渡って安定した定磁場を発生することができる。このような状況を勘案すると、第2の理由に挙げられる課題、すなわちHTS線材を用いた永久電流スイッチを高速に開閉可能とするという課題を解決することが重要と考えられる。   At present, a superconducting coil and a permanent current switch of a magnetic field generator are usually composed of a low-temperature superconducting (LTS) wire. Hereinafter, the low-temperature superconducting wire is referred to as an LTS wire, and the high-temperature superconductor (HTS) wire is referred to as an HTS wire. The first reason for using the LTS wire is that, in the case of the HTS wire, it is difficult to join the superconductors, that is, so-called superconducting joining, and it is difficult to bring all the circuits into a superconducting state. The second reason is that the HTS wire has a high critical temperature at which superconductivity is lost, and it takes time to open and close the permanent current switch by raising and lowering the temperature. Regarding the first reason, many companies or research institutes are currently developing technology for superconducting joining of HTS wires, and it is expected that a simple superconducting joining technology will be established in the near future. Alternatively, even if a part of the circuit includes a wire connection that does not transition to the superconducting state, a pseudo permanent current with a slight current decay is passed through the superconducting coil to provide a constant magnetic field that is stable over a long period of time. Can be generated. Considering such a situation, it is considered important to solve the problem cited as the second reason, that is, the problem that the permanent current switch using the HTS wire can be opened and closed at high speed.

ところで、人体の検査に用いられるMRI装置には、緊急時に短時間で消磁する機能が要求される。現状のMRI装置では、ほぼ全てにおいて、LTS線材の超電導コイルが採用され、かつ、液体ヘリウムの浸漬冷却が採用されている。LTSコイルでは、超電導コイルを加熱して人為的なクエンチを引き起こすことで緊急の消磁を行うことができる。しかしながら、この緊急消磁の方法は、大量の液体ヘリウムをガス化して失うという欠点があり、更に急激な温度上昇による超電導コイルへのダメージ蓄積のリスクがある。他方、超電導コイルに人為的なクエンチを発生させる手法は、HTSコイルを採用した磁場発生装置に適用すると、ほぼ確実に超電導コイルを焼損してしまう。したがって、超電導コイルを緊急に消磁するという目的のためには、HTS線材を用いた構成、あるいはLTS線材を用いた構成のいずれにおいても、永久電流スイッチを高速に開操作する手段が有効である。   By the way, an MRI apparatus used for human body inspection is required to have a function of degaussing in a short time in an emergency. Almost all current MRI apparatuses employ a superconducting coil of an LTS wire and immersion cooling of liquid helium. In the LTS coil, emergency demagnetization can be performed by heating the superconducting coil to cause artificial quenching. However, this method of emergency demagnetization has the disadvantage that a large amount of liquid helium is lost by gasification, and there is a risk of accumulation of damage to the superconducting coil due to a rapid temperature rise. On the other hand, when a technique for generating an artificial quench in a superconducting coil is applied to a magnetic field generator employing an HTS coil, the superconducting coil is almost certainly burned out. Therefore, for the purpose of urgently demagnetizing the superconducting coil, means for opening the permanent current switch at high speed is effective in either the configuration using the HTS wire or the configuration using the LTS wire.

特許文献1には、本発明に関連する従来技術として、伝導冷却される超電導回路に設けられる永久電流スイッチの技術が示されている。この技術は、永久電流スイッチの巻き線部と、永久電流スイッチを含めて超電導回路の冷却を行う熱浴との間に、熱抵抗を介在させるというものである。この構成により、小さなヒータの熱量で巻き線部を高温にして永久電流スイッチを開にできる。   Patent Document 1 discloses a technique of a permanent current switch provided in a superconducting circuit that is conductively cooled as a conventional technique related to the present invention. In this technique, a thermal resistance is interposed between a winding portion of the permanent current switch and a heat bath for cooling the superconducting circuit including the permanent current switch. With this configuration, the permanent current switch can be opened by raising the temperature of the winding portion with a small amount of heat from the heater.

特許文献2には、本発明に関連する従来技術として、HTS線材を用いた永久電流スイッチをより速く開状態にするための技術が提案されている。特許文献2には、超電導コイルを緊急消磁する際、永久電流スイッチにヒータと超電導コイルの磁場とを作用させることで、永久電流スイッチを短時間で開にする技術が示されている。   Patent Document 2 proposes a technique for quickly opening a permanent current switch using an HTS wire as a conventional technique related to the present invention. Patent Document 2 discloses a technique for opening a permanent current switch in a short time by causing a heater and a magnetic field of the superconducting coil to act on the permanent current switch when the superconducting coil is degaussed urgently.

特開平10−189324号公報JP-A-10-189324 特開2010−73856号公報JP 2010-73856 A

HTS線材の永久電流スイッチを開閉する温度差はLTS線材のそれと比べて大きくなり、開閉操作でやり取りしなければならない熱量も大きくなる。それに対して特許文献1には、熱抵抗を用いてヒータの小さな熱量で永久電流スイッチの巻き線部を高温にする技術が示されている。   The temperature difference for opening and closing the permanent current switch of the HTS wire is larger than that of the LTS wire, and the amount of heat that must be exchanged by the opening and closing operation is also increased. On the other hand, Patent Document 1 discloses a technique for increasing the temperature of a winding portion of a permanent current switch using thermal resistance with a small amount of heat of a heater.

しかしながら、特許文献1に示される構成では、通電最中に開操作を行うと永久電流スイッチが自身の発熱により損傷するという課題が生じる。これは、次のような理由による。通常、超電導コイルを用いた磁場発生装置では、永久電流スイッチと並列接続された保護抵抗が、冷却装置の外部に設けられる。超電導コイルが励磁されているときに永久電流スイッチが開操作された場合、超電導コイルの電流は保護抵抗に流されて、超電導コイルの電流がゼロまで低減される。一方、永久電流スイッチを構成する超電導線材には、超電導層に沿って電気伝導性を有する保護層が設けられ、超電導層が常電導状態に転移したとき、保護層に電流がバイパスして超電導層の損傷の回避が図られる。よって、永久電流スイッチを開としても、永久電流スイッチの抵抗はさほど大きくならない。このため、超電導コイルの電流は、保護抵抗だけでなく、永久電流スイッチにも大きな割合で流れ、永久電流スイッチでジュール熱が発生する。ここで、特許文献1に示されるように、永久電流スイッチの超電導線材と熱浴との間に熱抵抗が設けられていると、ジュール熱の速やかな排出が阻害され、永久電流スイッチの温度を損傷させる水準まで引き上げてしまう。永久電流スイッチの加熱効率の向上と、排熱効率の向上とは、相反する課題である。   However, in the configuration shown in Patent Document 1, if the opening operation is performed during energization, there is a problem that the permanent current switch is damaged by its own heat generation. This is due to the following reason. Usually, in a magnetic field generator using a superconducting coil, a protective resistor connected in parallel with a permanent current switch is provided outside the cooling device. If the permanent current switch is opened while the superconducting coil is energized, the current of the superconducting coil is passed through the protective resistor, and the current of the superconducting coil is reduced to zero. On the other hand, the superconducting wire constituting the permanent current switch is provided with a protective layer having electrical conductivity along the superconducting layer, and when the superconducting layer transitions to the normal conducting state, the current bypasses the protective layer and the superconducting layer To avoid damage. Therefore, even if the permanent current switch is opened, the resistance of the permanent current switch does not increase so much. For this reason, the current of the superconducting coil flows not only in the protective resistance but also in the permanent current switch at a large rate, and Joule heat is generated in the permanent current switch. Here, as shown in Patent Document 1, when a thermal resistance is provided between the superconducting wire of the permanent current switch and the heat bath, rapid discharge of Joule heat is hindered, and the temperature of the permanent current switch is reduced. Raise it to a level that will damage it. Improving the heating efficiency of the permanent current switch and improving the exhaust heat efficiency are conflicting issues.

特許文献2に示される技術では、先に述べたように、永久電流スイッチにヒータと磁場とを作用させることで、永久電流スイッチの短時間の開操作が期待される。しかし、超電導線材に磁場を印加すると、超電導線材の臨界電流は顕著に低下するが、臨界温度はさほど低下しない。つまり、磁場が印加された永久電流スイッチは、臨界電流以上の電流が流れているときに電圧が発生するが、電流が低下すると実質的な閉状態に戻ってしまい、超電導コイルを完全に消磁することができない。完全に消磁するには、超電導線材を速やかに臨界温度以上に加熱して、超電導線材の臨界電流をゼロにする必要があるが、磁場の作用で永久電流スイッチが開となったときには、永久電流スイッチに大きなジュール熱が発生する。したがって、特許文献2の永久電流スイッチにおいても、磁場を作用させない永久電流スイッチと同様に、排熱効率の向上と加熱効率の向上という、相反する課題が残される。   In the technique disclosed in Patent Document 2, as described above, a short-time opening operation of the permanent current switch is expected by applying a heater and a magnetic field to the permanent current switch. However, when a magnetic field is applied to the superconducting wire, the critical current of the superconducting wire is significantly reduced, but the critical temperature is not so lowered. In other words, the permanent current switch to which a magnetic field is applied generates a voltage when a current exceeding the critical current flows, but when the current decreases, the permanent current switch returns to a substantially closed state and completely demagnetizes the superconducting coil. I can't. In order to completely demagnetize, it is necessary to quickly heat the superconducting wire above the critical temperature so that the critical current of the superconducting wire becomes zero, but when the permanent current switch is opened by the action of the magnetic field, the permanent current Large Joule heat is generated in the switch. Therefore, in the permanent current switch of Patent Document 2, as in the permanent current switch that does not act on a magnetic field, the conflicting problems of improvement of exhaust heat efficiency and improvement of heating efficiency remain.

本発明の目的は、超電導コイルを消磁する際に高速かつ安定的に開操作できる永久電流スイッチ、このような永久電流スイッチを備えた磁場発生装置及びその制御方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a permanent current switch that can be opened at high speed and stably when demagnetizing a superconducting coil, a magnetic field generator including such a permanent current switch, and a control method thereof.

請求項1記載の発明は、
超電導線材の第1区間を含む第1スイッチ部と、
前記超電導線材の第2区間と、前記第1スイッチ部より大きな熱容量を有する熱伝導体とを含み、前記超電導線材の前記第2区間と前記熱伝導体とが熱的に結合された第2スイッチ部と、
前記第1スイッチ部と前記第2スイッチ部との間に介在し、前記第1スイッチ部と前記第2スイッチ部とを熱的に分離させる熱抵抗体と、
前記超電導線材の前記第1区間を加熱可能なヒータと、
前記超電導線材の前記第2区間に磁場を印加可能なマグネットと、
を備えることを特徴とする永久電流スイッチである。
The invention described in claim 1
A first switch portion including a first section of superconducting wire;
A second switch including a second section of the superconducting wire and a heat conductor having a larger heat capacity than the first switch unit, wherein the second section of the superconducting wire and the heat conductor are thermally coupled. And
A thermal resistor interposed between the first switch unit and the second switch unit to thermally separate the first switch unit and the second switch unit;
A heater capable of heating the first section of the superconducting wire;
A magnet capable of applying a magnetic field to the second section of the superconducting wire;
A permanent current switch comprising:

請求項2記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記超電導線材は、希土類系超電導線材又はビスマス系超電導線材であることを特徴としている。
The invention according to claim 2 is the permanent current switch according to claim 1 or 2,
The superconducting wire is a rare earth-based superconducting wire or a bismuth-based superconducting wire.

請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記第2スイッチ部は、
前記超電導線材の前記第2区間と電気的に絶縁された熱伝導線材を更に含み、前記超電導線材の前記第2区間と前記熱伝導線材とが巻枠に共に巻回されていることを特徴としている。
According to a third aspect of the present invention, in the permanent current switch according to the first or second aspect,
The second switch unit is
It further includes a heat conducting wire that is electrically insulated from the second section of the superconducting wire, and the second section of the superconducting wire and the heat conducting wire are wound together on a reel. Yes.

請求項4記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記超電導線材の前記第1区間と前記第2区間とが互いに逆の巻回方向に巻回され、
前記超電導線材の前記第1区間及び前記第2区間の合成インダクタンスは、前記超電導線材の前記第1区間の自己インダクタンスと前記超電導線材の前記第2区間の自己インダクタンスとの合計より、小さいことを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, in the permanent current switch according to any one of the first to third aspects,
The first section and the second section of the superconducting wire are wound in opposite winding directions;
The combined inductance of the first section and the second section of the superconducting wire is smaller than the sum of the self-inductance of the first section of the superconducting wire and the self-inductance of the second section of the superconducting wire. It is said.

請求項5記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記超電導線材の少なくとも一部の区間と電気的に並列接続された半導体スイッチを更に備えることを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, in the permanent current switch according to any one of the first to fourth aspects,
The semiconductor device further includes a semiconductor switch electrically connected in parallel to at least a part of the superconducting wire.

請求項6記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記第1スイッチ部は、互いに熱容量が異なる第1部分と第2部分とを有し、
前記ヒータは、前記第1部分を加熱可能な第1ヒータと、前記第2部分を加熱可能な第2ヒータとを含むことを特徴としている。
According to a sixth aspect of the present invention, in the permanent current switch according to any one of the first to fifth aspects,
The first switch unit includes a first part and a second part having different heat capacities,
The heater includes a first heater capable of heating the first portion and a second heater capable of heating the second portion.

請求項7記載の発明は、
互いに並列に接続された、超電導コイル、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ、保護抵抗及び電流源と、
前記超電導コイル及び前記永久電流スイッチを冷却する冷却装置と、
前記永久電流スイッチを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記超電導コイルの消磁要求に基づいて前記マグネット及び前記ヒータを作動させ、前記マグネットの磁場の作用により前記第2スイッチ部を開に切り替えた後、前記ヒータの加熱により前記第1スイッチ部を開に切り替えることを特徴する磁場発生装置である。
The invention described in claim 7
Superconducting coils connected in parallel to each other, the permanent current switch according to any one of claims 1 to 6, a protective resistor and a current source;
A cooling device for cooling the superconducting coil and the permanent current switch;
A control unit for controlling the permanent current switch;
With
The control unit operates the magnet and the heater based on a demagnetization request of the superconducting coil, switches the second switch unit to open by the action of the magnetic field of the magnet, and then heats the first. The magnetic field generator is characterized in that the switch unit is switched to open.

請求項8記載の発明は、請求項7記載の磁場発生装置において、
前記制御部は、前記マグネットの磁場の作用により前記第2スイッチ部を開に切り替える際に、前記電流源に電流を出力させることを特徴としている。
The invention according to claim 8 is the magnetic field generator according to claim 7,
The control unit causes the current source to output a current when the second switch unit is opened by the action of the magnetic field of the magnet.

請求項9記載の発明は、
互いに並列に接続された、超電導コイル、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ、保護抵抗及び電流源と、前記超電導コイル及び前記永久電流スイッチを冷却する冷却装置とを備える磁場発生装置の制御方法であって、
前記マグネット及び前記ヒータを作動させ、前記マグネットの磁場の作用により前記第2スイッチ部を開に切り替えた後、前記ヒータの加熱により前記第1スイッチ部を開に切り替えて、前記超電導コイルを消磁することを特徴としている。
The invention according to claim 9
A superconducting coil connected in parallel to each other, the permanent current switch according to any one of claims 1 to 6, a protective resistor and a current source, and a cooling device for cooling the superconducting coil and the permanent current switch. A method of controlling a magnetic field generator comprising:
The magnet and the heater are operated, the second switch part is switched to open by the action of the magnetic field of the magnet, and then the first switch part is switched to open by heating the heater to demagnetize the superconducting coil. It is characterized by that.

請求項10記載の発明は、請求項9記載の磁場発生装置の制御方法において、
前記マグネットの磁場の作用により前記第2スイッチ部を開に切り替える際、前記電流源に電流を出力させることを特徴としている。
A tenth aspect of the present invention is the method for controlling a magnetic field generator according to the ninth aspect,
When the second switch unit is switched to open by the action of the magnetic field of the magnet, the current source is caused to output a current.

本発明によれば、超電導コイルを消磁する際、マグネットの磁場の作用により超電導線材の第2区間の臨界電流を低下させ、これにより第2スイッチ部を速やかに開に切り替えられる。このとき、超電導線材の第2区間で生じたジュール熱は、大きな熱容量を有する熱伝導体に排出されるので、超電導線材の第2区間が非常に高温になることを抑えられる。一方、第2スイッチ部は、電流が臨界電流を下回ると、再び、閉に切り替わってしまう。しかし、本発明では、第1スイッチ部が第2スイッチ部より熱容量が小さく、且つ、第1スイッチ部と第2スイッチ部とは熱抵抗体により熱的に分離されている。このため、第2スイッチが開となって超電導コイルの消磁が進んでいる間に、ヒータの加熱により超電導線材の第1区間の温度を臨界温度よりも高い温度に上昇させ、第1スイッチ部を開に切り替えることができる。このとき、それ以前に第2スイッチ部が開となって超電導コイルの電流を低減させているので、第1スイッチ部に流れる電流は小さい。したがって、この電流に起因する第1スイッチ部の発熱は大きくならず、過度の温度上昇による損傷を回避できる。そしてその結果、永久電流スイッチの開の状態を安定的に維持できる。したがって、本発明によれば、超電導コイルを消磁する際に、永久電流スイッチを高速かつ安定的に開操作できる。   According to the present invention, when demagnetizing the superconducting coil, the critical current in the second section of the superconducting wire is reduced by the action of the magnetic field of the magnet, and thereby the second switch portion can be quickly switched to open. At this time, since the Joule heat generated in the second section of the superconducting wire is discharged to the heat conductor having a large heat capacity, the second section of the superconducting wire can be prevented from becoming very high temperature. On the other hand, when the current falls below the critical current, the second switch unit is again switched to the closed state. However, in the present invention, the first switch unit has a smaller heat capacity than the second switch unit, and the first switch unit and the second switch unit are thermally separated by the thermal resistor. For this reason, while the second switch is opened and the demagnetization of the superconducting coil is proceeding, the temperature of the first section of the superconducting wire is raised to a temperature higher than the critical temperature by heating the heater, and the first switch portion is Can be switched to open. At this time, since the second switch part is opened before that, and the current of the superconducting coil is reduced, the current flowing through the first switch part is small. Therefore, the heat generation of the first switch portion due to this current does not increase, and damage due to an excessive temperature rise can be avoided. As a result, the open state of the permanent current switch can be stably maintained. Therefore, according to the present invention, the permanent current switch can be opened at high speed and stably when the superconducting coil is demagnetized.

本発明の実施形態に係る磁場発生装置を示す構成図である。It is a lineblock diagram showing the magnetic field generator concerning the embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the permanent current switch which concerns on 1st Embodiment of this invention. 第1実施形態に係る永久電流スイッチの緊急時の開操作を説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining opening operation at the time of emergency of the permanent current switch which concerns on 1st Embodiment. 本発明の第2実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the permanent current switch which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 第2実施形態に係る永久電流スイッチの閉操作を説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining closing operation of the permanent current switch concerning a 2nd embodiment. 本発明の第3実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the permanent current switch which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の実施例1に係る永久電流スイッチを示す側面図である。It is a side view which shows the permanent current switch which concerns on Example 1 of this invention. 第2スイッチ部の断面を示すもので、(A)は図7のA−A線断面図、(B)はその一部を拡大した断面図である。The cross section of a 2nd switch part is shown, (A) is the sectional view on the AA line of FIG. 7, (B) is sectional drawing to which the one part was expanded. 第1スイッチ部の断面を示すもので、(A)は図7のB−B線断面図、(B)はその一部を拡大した断面図である。The cross section of a 1st switch part is shown, (A) is the BB sectional drawing of FIG. 7, (B) is sectional drawing to which the one part was expanded. 第1スイッチ部と第2スイッチ部との接合部分を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the junction part of a 1st switch part and a 2nd switch part. 本発明の実施例2に係る永久電流スイッチを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the permanent current switch which concerns on Example 2 of this invention. 実施例2に係る永久電流スイッチの積層構造を説明する図である。6 is a diagram illustrating a laminated structure of a permanent current switch according to Embodiment 2. FIG.

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る磁場発生装置を示す構成図である。   FIG. 1 is a configuration diagram showing a magnetic field generator according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施形態に係る磁場発生装置1は、図1に示すように、超電導コイル11、永久電流スイッチ20、保護抵抗12、電流源13、冷却装置14及び制御部15を備える。   As shown in FIG. 1, the magnetic field generator 1 according to the embodiment of the present invention includes a superconducting coil 11, a permanent current switch 20, a protective resistor 12, a current source 13, a cooling device 14, and a control unit 15.

超電導コイル11は、永久電流又は擬似永久電流を流されて定磁場を発生させる。超電導コイル11の材料には、REBCO線材(希土類系超電導線材)又はBSCCO線材(ビスマス系超電導線材)などの、HTS線材が用いられている。ここで、永久電流とは全周が超電導状態の閉回路に流れる減衰のない電流を意味する。擬似永久電流とは、超電導線材同士を接続した接続部など、一部を除いて全周の大部分が超電導状態の閉回路に流れる減衰量の非常に少ない電流を意味する。磁場発生装置1がNMR分析装置又はMRI装置に適用される場合、超電導コイル11は、分析対象又は被験者が配置される空間に磁場を形成する。   The superconducting coil 11 generates a constant magnetic field by passing a permanent current or a pseudo permanent current. As a material for the superconducting coil 11, an HTS wire such as a REBCO wire (rare earth-based superconducting wire) or a BSCCO wire (bismuth-based superconducting wire) is used. Here, the permanent current means an unattenuated current flowing in a closed circuit whose entire circumference is in a superconducting state. The pseudo-permanent current means a current with a very small amount of attenuation that flows in a closed circuit in a superconducting state over most of the entire circumference, except for a part such as a connection part connecting superconducting wires. When the magnetic field generator 1 is applied to an NMR analyzer or an MRI apparatus, the superconducting coil 11 forms a magnetic field in a space where an analysis object or a subject is placed.

永久電流スイッチ20は、電流経路の一端から他端にわたる超電導線材と、超電導線材を超電導状態と常電導状態とに切り替える手段を有する。永久電流スイッチ20は、超電導線材が超電導状態に転移して電気抵抗がゼロになった状態が閉、超電導線材の少なくとも一部(ただし線材接続部など超電導化しない部位は除く)が常電導状態にあって電流経路の両端間に電気抵抗が生じた状態が開となる。永久電流スイッチ20の超電導線材の材料には、REBCO線材又はBSCCO線材などの、HTS線材が用いられている。永久電流スイッチ20は、超電導コイル11と直列に接続され、超電導コイル11とともに閉回路を構成する。   The permanent current switch 20 has a superconducting wire extending from one end to the other end of the current path, and means for switching the superconducting wire between a superconducting state and a normal conducting state. The permanent current switch 20 is closed when the superconducting wire is transitioned to the superconducting state and the electric resistance becomes zero, and at least a part of the superconducting wire (except for a portion that is not superconducting such as a wire connecting portion) is in the normal conducting state. Thus, a state where an electrical resistance is generated between both ends of the current path is opened. As the material of the superconducting wire of the permanent current switch 20, an HTS wire such as a REBCO wire or a BSCCO wire is used. The permanent current switch 20 is connected in series with the superconducting coil 11 and forms a closed circuit together with the superconducting coil 11.

冷却装置14は、例えばGM冷凍機による伝導冷却型のクライオスタットであり、超電導コイル11と永久電流スイッチ20とを含んだ閉回路を、HTS線材が超電導状態に転移する温度まで冷却できる。   The cooling device 14 is, for example, a conduction cooling type cryostat using a GM refrigerator, and can cool the closed circuit including the superconducting coil 11 and the permanent current switch 20 to a temperature at which the HTS wire transitions to the superconducting state.

電流源13は、超電導コイル11及び永久電流スイッチ20と並列に接続される。電流源13は、電圧出力の調整により、自身を含む回路に所定の電流を供給する。   The current source 13 is connected in parallel with the superconducting coil 11 and the permanent current switch 20. The current source 13 supplies a predetermined current to a circuit including itself by adjusting the voltage output.

保護抵抗12は、超電導コイル11及び永久電流スイッチ20と並列に接続される。保護抵抗12は、超電導コイル11の消磁の際に超電導コイル11の電流を流して、超電導コイル11に蓄積されたエネルギーを消費する。   The protective resistor 12 is connected in parallel with the superconducting coil 11 and the permanent current switch 20. The protective resistor 12 causes the current of the superconducting coil 11 to flow when the superconducting coil 11 is demagnetized, and consumes the energy accumulated in the superconducting coil 11.

制御部15は、永久電流スイッチ20の開閉の制御と、電流源13の出力制御とを行う。   The control unit 15 performs opening / closing control of the permanent current switch 20 and output control of the current source 13.

(第1実施形態)
図2は、本発明の第1実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す概念図である。
(First embodiment)
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the configuration of the permanent current switch according to the first embodiment of the present invention.

永久電流スイッチ20は、第1スイッチ部25A、第2スイッチ部25B、熱抵抗体26、ヒータ28及びマグネット29を備える。第1スイッチ部25Aは、超電導線材21の第1区間21aと、超電導線材21の第1区間21aを保持する枠22とを有する。第2スイッチ部25Bは、超電導線材21の第2区間21bと、枠23とを有する。枠23は、本発明に係る熱伝導体の一例に相当する。超電導線材21は、第1区間21aと第2区間21bにかけて連続に形成されている。超電導線材21の第2区間21bは、枠23に保持されてもよいし、別の部材に保持されてもよい。超電導線材21及び枠22は、冷却装置14の冷却部14Aから離れて配置される。   The permanent current switch 20 includes a first switch portion 25A, a second switch portion 25B, a thermal resistor 26, a heater 28, and a magnet 29. The first switch portion 25 </ b> A includes a first section 21 a of the superconducting wire 21 and a frame 22 that holds the first section 21 a of the superconducting wire 21. The second switch portion 25 </ b> B has a second section 21 b of the superconducting wire 21 and a frame 23. The frame 23 corresponds to an example of a heat conductor according to the present invention. The superconducting wire 21 is formed continuously over the first section 21a and the second section 21b. The second section 21b of the superconducting wire 21 may be held by the frame 23 or may be held by another member. Superconducting wire 21 and frame 22 are arranged away from cooling unit 14A of cooling device 14.

なお、超電導線材21は、途中で折返して、枠22と枠23とにかけて1回又は複数回往復するように設けられてもよい。この場合、超電導線材21を直線状に伸ばして見たとき、枠22に保持される区間、又は枠23に保持される区間は、複数に分断される。しかし、複数に分断されていても枠22に保持される区間を第1区間21a、枠23に保持される区間を第2区間21bと定義する。   The superconducting wire 21 may be provided so as to be folded back halfway and reciprocate once or a plurality of times between the frame 22 and the frame 23. In this case, when the superconducting wire 21 is viewed in a straight line, the section held by the frame 22 or the section held by the frame 23 is divided into a plurality. However, even if the frame is divided into a plurality of sections, the section held in the frame 22 is defined as a first section 21a, and the section held in the frame 23 is defined as a second section 21b.

枠23は、第1スイッチ部25Aより大きな熱容量を有し、超電導線材21の第2区間21bと熱的に結合される。ここで、「熱的に結合」とは、詳細は後述するが、直接に接触された構成に限られず、後述する枠23の作用が実現される程度に熱抵抗の低い部材を介して接続された構成が含まれる。枠23は、冷却装置14の冷却部14Aに接続される。   The frame 23 has a larger heat capacity than the first switch portion 25 </ b> A, and is thermally coupled to the second section 21 b of the superconducting wire 21. Here, “thermally coupled” is described in detail later, but is not limited to the configuration in which the frame is directly contacted, and is connected via a member having low thermal resistance to the extent that the operation of the frame 23 described later is realized. Configuration is included. The frame 23 is connected to the cooling unit 14 </ b> A of the cooling device 14.

熱抵抗体26は、第1スイッチ部25Aと第2スイッチ部25Bとを熱的に分離させ、かつ、第1スイッチ部25Aと第2スイッチ部25Bとを物理的に接続する。この接続により超電導線材21の第1区間21aと第2区間21bとの連なりを維持することができる。ここで、「熱的に分離」とは、詳細は後述するが、熱の移動が完全に遮断される構成に限られず、後述する熱抵抗体26の作用が実現される程度に熱抵抗が高い状態に接続された構成を含む。   The thermal resistor 26 thermally separates the first switch unit 25A and the second switch unit 25B, and physically connects the first switch unit 25A and the second switch unit 25B. With this connection, the connection between the first section 21a and the second section 21b of the superconducting wire 21 can be maintained. Here, “thermally separated” is described in detail later, but is not limited to a configuration in which the movement of heat is completely blocked, and the thermal resistance is high enough to achieve the action of the thermal resistor 26 described later. Includes configurations connected to the state.

熱抵抗体26の材質としては、FRP(Fiber-Reinforced Plastics :繊維強化プラスチック)を適用できる。これにより、高い機械強度と極低温環境における安定性とが得られる。また、熱抵抗体26の材質としては、接続する部材との熱膨張の差を小さくするために金属とする制約がある場合、ステンレス鋼あるいは真鍮などの合金を適用できる。このような合金では、熱伝導度の温度依存性が小さく、極低温環境でも熱伝導の低い性質が得られる。   As a material of the thermal resistor 26, FRP (Fiber-Reinforced Plastics) can be applied. Thereby, high mechanical strength and stability in a cryogenic environment are obtained. In addition, as a material of the thermal resistor 26, an alloy such as stainless steel or brass can be applied when there is a restriction to use a metal in order to reduce a difference in thermal expansion from a member to be connected. In such an alloy, the temperature dependence of the thermal conductivity is small, and the property of low thermal conductivity can be obtained even in an extremely low temperature environment.

ヒータ28は、制御部15の制御によって作動と停止との切り替え及び出力の調整が可能であり、作動時に超電導線材21の第1区間21aを加熱する。   The heater 28 can be switched between operation and stop and adjusted in output under the control of the control unit 15, and heats the first section 21 a of the superconducting wire 21 during operation.

マグネット29は、例えば電磁石であり、制御部15の制御によって作動と停止との切り替えが可能であり、作動時に超電導線材21の第2区間21bに磁場を印加する。   The magnet 29 is an electromagnet, for example, and can be switched between operation and stop by the control of the control unit 15, and applies a magnetic field to the second section 21 b of the superconducting wire 21 during operation.

<緊急時の開操作>
続いて、永久電流スイッチ20を開操作して緊急に超電導コイル11を消磁する動作について説明する。緊急の消磁は、例えば超電導コイル11に何らかの異常が検出された場合に要求される。
<Emergency opening operation>
Next, an operation of opening the permanent current switch 20 and demagnetizing the superconducting coil 11 urgently will be described. Urgent demagnetization is required, for example, when some abnormality is detected in the superconducting coil 11.

図3は、第1実施形態に係る永久電流スイッチの緊急時の開操作を説明するタイムチャートである。図3(A)〜図3(E)はそれぞれ、ヒータ28の出力、マグネット29の作動(ON)と停止(OFF)、電流源13からの直流電流の出力(ON)と停止(OFF)、第1スイッチ部25Aの開閉、第2スイッチ部25Bの開閉を示す。図3(F)は超電導コイル11の電流を示す。第1スイッチ部25Aの「開」と「閉」とは、超電導線材21の第1区間21aの電流経路の少なくとも一部が常電導状態である状態と、全部が超電導状態である状態とを、それぞれ示す。第2スイッチ部25Bの「開」と「閉」とは、超電導線材21の第2区間21bの電流経路の少なくとも一部が常電導状態である状態と、全部が超電導状態である状態とを、それぞれ示す。以下、超電導線材からなる永久電流スイッチあるいはその部分に対して、「開」と「閉」を同様の意味で用いる。   FIG. 3 is a time chart for explaining an emergency opening operation of the permanent current switch according to the first embodiment. 3A to 3E respectively show the output of the heater 28, the operation (ON) and stop (OFF) of the magnet 29, the output (ON) and stop (OFF) of the direct current from the current source 13, The opening and closing of the first switch unit 25A and the opening and closing of the second switch unit 25B are shown. FIG. 3F shows the current of the superconducting coil 11. “Open” and “closed” of the first switch part 25A are a state in which at least part of the current path of the first section 21a of the superconducting wire 21 is in a normal conducting state and a state in which all are in a superconducting state. Each is shown. “Open” and “closed” of the second switch portion 25B are a state in which at least a part of the current path of the second section 21b of the superconducting wire 21 is in a normal conducting state and a state in which all are in a superconducting state. Each is shown. Hereinafter, “open” and “closed” are used in the same meaning for a permanent current switch made of a superconducting wire or a portion thereof.

永久電流スイッチ20の開操作前(タイミングt1の前)には、超電導コイル11と永久電流スイッチ20の超電導線材21とは、臨界温度以下に冷却されて、超電導状態に保たれている。また、超電導コイル11は永久電流スイッチ20を流れる所定の大きさの永久電流又は擬似永久電流により励磁されている。   Before the opening operation of the permanent current switch 20 (before timing t1), the superconducting coil 11 and the superconducting wire 21 of the permanent current switch 20 are cooled to below the critical temperature and kept in the superconducting state. The superconducting coil 11 is excited by a permanent current or a pseudo permanent current having a predetermined magnitude that flows through the permanent current switch 20.

緊急の消磁要求があると、制御部15は、ヒータ28とマグネット29とを作動させる(タイミングt1)。マグネット29が作動して超電導線材21の第2区間21bに磁場が印加されると、第2区間21bの臨界電流が、永久電流スイッチ20に流れている電流を下回り、その結果電圧とそれに伴う熱が発生する。その熱で自身が加熱されることにより、第2区間21bは速やかに常電導状態に転移する。これにより、永久電流スイッチ20の第2スイッチ部25Bが開となる(タイミングt2)。   When there is an urgent demagnetization request, the control unit 15 activates the heater 28 and the magnet 29 (timing t1). When the magnet 29 is activated and a magnetic field is applied to the second section 21b of the superconducting wire 21, the critical current in the second section 21b falls below the current flowing through the permanent current switch 20, resulting in the voltage and the associated heat. Occurs. The second section 21b quickly transitions to the normal conducting state by being heated by the heat. Thereby, the 2nd switch part 25B of the permanent current switch 20 is opened (timing t2).

なお、マグネット29が作動して第2スイッチ部25Bの臨界電流が低下しても、永久電流スイッチ20に流れる電流がその臨界電流より小さいと、第2スイッチ部25Bは開とならない。このような場合、制御部15は、図3(C)に示すように、電流源13から直流電流を出力させる制御を併用してもよい。電流源13の出力は、大きなインダクタンスを有する超電導コイル11に流れる電流をほとんど変化させず、永久電流スイッチ20及び保護抵抗12の電流を増加させる。これにより、永久電流スイッチ20の電流が補われて第2スイッチ部25Bの臨界電流を上回り、第2スイッチ部25Bを十分に開にすることができる。電流を補う必要がなければ、図3(C)の電流源13の制御は省略してもよい。また、第2スイッチ部25Bは一時的に開となれば、後述する期間T2の第2スイッチ部25Bの開の状態が得られる。このため、制御部15は電流源13の出力を第2スイッチ部25Bが開となったタイミングt2ですぐに停止させてもよい。   Even if the magnet 29 is activated and the critical current of the second switch portion 25B is lowered, the second switch portion 25B is not opened if the current flowing through the permanent current switch 20 is smaller than the critical current. In such a case, the control unit 15 may use a control for outputting a direct current from the current source 13 as shown in FIG. The output of the current source 13 hardly changes the current flowing through the superconducting coil 11 having a large inductance, and increases the current of the permanent current switch 20 and the protective resistor 12. As a result, the current of the permanent current switch 20 is supplemented to exceed the critical current of the second switch unit 25B, and the second switch unit 25B can be sufficiently opened. If it is not necessary to supplement the current, the control of the current source 13 in FIG. 3C may be omitted. Moreover, if the 2nd switch part 25B is temporarily opened, the open state of the 2nd switch part 25B of the period T2 mentioned later will be obtained. For this reason, the control unit 15 may immediately stop the output of the current source 13 at the timing t2 when the second switch unit 25B is opened.

第2スイッチ部25Bが開に切り替わると、永久電流スイッチ20に流れていた電流は、第2スイッチ部25Bの電気抵抗値と保護抵抗12の電気抵抗値との比に応じて永久電流スイッチ20と保護抵抗12とに分流される。この電流により、超電導コイル11に蓄積されたエネルギーがジュール熱となって消費され、超電導コイル11の電流が減衰する。   When the second switch unit 25B is switched to open, the current flowing through the permanent current switch 20 is changed according to the ratio between the electrical resistance value of the second switch unit 25B and the electrical resistance value of the protective resistor 12 and The current is shunted to the protective resistor 12. With this current, the energy accumulated in the superconducting coil 11 is consumed as Joule heat, and the current in the superconducting coil 11 is attenuated.

一方、第2スイッチ部25Bが開となっても、超電導線材21の第2区間21bの電気抵抗値はさほど大きくならない。なぜなら、超電導線材21は、超電導層の損傷を避けるために電気伝導性を有する保護層を有し、超電導層が常電導状態に転移すると電気抵抗の小さな保護層が電流をバイパスするからである。超電導線材21の第2区間21bの線長を大きくすれば電気抵抗値を大きくできるが、それでは永久電流スイッチ20が大型化し、コストが高騰してしまう。ゆえに、第2スイッチ部25Bの開状態における電気抵抗値には限界がある。このため、超電導コイル11の電流値が高い段階では、第2スイッチ部25Bに分流される電流は大きく、超電導線材21の第2区間21bにも大きなジュール熱が発生する。   On the other hand, even if the second switch portion 25B is opened, the electrical resistance value of the second section 21b of the superconducting wire 21 does not increase so much. This is because the superconducting wire 21 has a protective layer having electrical conductivity in order to avoid damage to the superconducting layer, and when the superconducting layer transitions to the normal conducting state, the protective layer having a small electrical resistance bypasses the current. If the wire length of the second section 21b of the superconducting wire 21 is increased, the electrical resistance value can be increased. However, this increases the size of the permanent current switch 20 and increases the cost. Therefore, there is a limit to the electrical resistance value in the open state of the second switch portion 25B. For this reason, when the current value of the superconducting coil 11 is high, the current shunted to the second switch portion 25B is large, and a large Joule heat is also generated in the second section 21b of the superconducting wire 21.

ここで発生したジュール熱は、超電導線材21の第2区間21bと熱的に結合した熱容量の大きな枠23に速やかに移動する。これにより、超電導線材21の第2区間21bは、損傷が生じるような温度まで上昇しない。すなわち、超電導線材21と枠23との「熱的な結合」とは、損傷の生じるような温度上昇が回避されるように、上記のジュール熱を超電導線材21の第2区間21bから枠23へ速やかに逃がすことのできる結合を意味する。なお、ジュール熱は、熱抵抗体26を介して第1スイッチ部25Aにも移動するが、熱抵抗体26により、移動する熱量は少量に留まる。   The Joule heat generated here quickly moves to the frame 23 having a large heat capacity that is thermally coupled to the second section 21 b of the superconducting wire 21. As a result, the second section 21b of the superconducting wire 21 does not rise to a temperature at which damage occurs. That is, the “thermal coupling” between the superconducting wire 21 and the frame 23 means that the Joule heat is transferred from the second section 21b of the superconducting wire 21 to the frame 23 so as to avoid a temperature rise that causes damage. It means a bond that can be quickly released. Note that Joule heat also moves to the first switch portion 25A via the thermal resistor 26, but the amount of heat that moves by the thermal resistor 26 remains small.

第2スイッチ部25Bでは、超電導線材21に発生したジュール熱が速やかに枠23へ移動し、この熱の一部が冷却部14Aへ逃げる。このような熱の移動により、第2スイッチ部25Bの超電導線材21及び枠23の温度は、第2スイッチ部25Bに損傷をもたらさない程度に留めることができる。そして、この温度上昇により、第2スイッチ部25Bでは、開の状態が継続される。その後、超電導コイル11の電流の減衰が進むと、第2スイッチ部25Bで発生するジュール熱が低下する。これにより、第2スイッチ部25Bの超電導線材21及び枠23の温度は臨界温度以下となる。これにより、第2スイッチ部25Bは、再び閉に切り替わる(タイミングt4)。このような結果として、期間T2の第2スイッチ部25Bの開の状態が得られる。制御部15は、マグネット29をタイミングt4で停止させればよい。あるいは、第2スイッチ部25Bに電圧が発生しなくなったタイミングでマグネット29を停止させるとより好ましい。   In the second switch part 25B, Joule heat generated in the superconducting wire 21 quickly moves to the frame 23, and a part of this heat escapes to the cooling part 14A. By such heat transfer, the temperature of the superconducting wire 21 and the frame 23 of the second switch part 25B can be kept to such an extent that the second switch part 25B is not damaged. And the open state is continued in the 2nd switch part 25B by this temperature rise. Thereafter, when the current of the superconducting coil 11 decays, Joule heat generated in the second switch portion 25B decreases. Thereby, the temperature of the superconducting wire 21 and the frame 23 of the second switch portion 25B becomes a critical temperature or lower. Thereby, the 2nd switch part 25B switches to a close again (timing t4). As a result, an open state of the second switch part 25B in the period T2 is obtained. The control unit 15 may stop the magnet 29 at the timing t4. Alternatively, it is more preferable to stop the magnet 29 at the timing when the voltage is no longer generated in the second switch portion 25B.

一方、第1スイッチ部25Aでは、タイミングt1より後、ヒータ28による加熱が継続され、超電導線材21の第1区間21aの温度が次第に上昇する。上述したように、第1スイッチ部25Aは熱抵抗体26を介して第2スイッチ部25Bと熱的に分離され、かつ、第1スイッチ部25Aは冷却装置14の冷却部14Aから離れて配置されている。このため、ヒータ28の熱は効率的に超電導線材21の第1区間21aへ伝わり、比較的に短い期間T1で、超電導線材21の第1区間21aの温度を臨界温度以上に上昇させることができる。これにより、第1スイッチ部25Aが開に切り替わる(タイミングt3)。第1スイッチ部25Aが開に切り替わったら、制御部15は、超電導線材21の第1区間21aの温度が臨界温度以上を維持できる程度までヒータ28の出力を低下させる。   On the other hand, in the first switch portion 25A, after the timing t1, the heating by the heater 28 is continued, and the temperature of the first section 21a of the superconducting wire 21 gradually increases. As described above, the first switch unit 25A is thermally separated from the second switch unit 25B through the thermal resistor 26, and the first switch unit 25A is disposed away from the cooling unit 14A of the cooling device 14. ing. For this reason, the heat of the heater 28 is efficiently transferred to the first section 21a of the superconducting wire 21, and the temperature of the first section 21a of the superconducting wire 21 can be raised to a critical temperature or higher in a relatively short period T1. . As a result, the first switch unit 25A is switched to open (timing t3). When the first switch unit 25A is switched to the open state, the control unit 15 reduces the output of the heater 28 to such an extent that the temperature of the first section 21a of the superconducting wire 21 can be maintained above the critical temperature.

ヒータ28の加熱開始から第1スイッチ部25Aが開となるまでの期間T1の長さは、第2スイッチ部25Bが開を維持できる期間T2より短く設定される。すなわち、熱抵抗体26による第1スイッチ部21Aと第2スイッチ部21Bとの「熱的な分離」とは、この設定を満たすヒータ28の加熱効率が得られる状態を意味する。言い換えれば、上記設定を満たすように第1スイッチ部25Aから第2スイッチ部25Bへの熱の排出が制限される状態を意味する。   The length of the period T1 from the start of heating of the heater 28 to the opening of the first switch part 25A is set shorter than the period T2 in which the second switch part 25B can be kept open. That is, “thermal separation” between the first switch portion 21A and the second switch portion 21B by the thermal resistor 26 means a state in which the heating efficiency of the heater 28 satisfying this setting is obtained. In other words, it means a state in which the discharge of heat from the first switch unit 25A to the second switch unit 25B is limited so as to satisfy the above setting.

第1スイッチ部25Aが開となると、超電導線材21の第1区間21aの電気抵抗により第1スイッチ部25Aにジュール熱が発生する。しかし、第1スイッチ部25Aが開となったタイミングt3では、超電導コイル11の電流は既に大きく減衰している。更に、第1スイッチ部25Aの抵抗と第2スイッチ部25Bの抵抗とが合算されて、永久電流スイッチ20の全体の抵抗が大きくなることで、保護抵抗12に流れる電流の分流比が大きくなる。これらによって、永久電流スイッチ20に流れる電流は小さくなる。したがって、第1スイッチ部25Aで生じるジュール熱は大きくならず、超電導線材21の第1区間21aは熱的に分離されていても損傷が生じるほど高温にならない。   When the first switch portion 25A is opened, Joule heat is generated in the first switch portion 25A due to the electrical resistance of the first section 21a of the superconducting wire 21. However, at the timing t3 when the first switch portion 25A is opened, the current of the superconducting coil 11 has already been greatly attenuated. Furthermore, the resistance of the first switch section 25A and the resistance of the second switch section 25B are added together, and the total resistance of the permanent current switch 20 is increased, so that the current shunt ratio of the protection resistor 12 is increased. As a result, the current flowing through the permanent current switch 20 is reduced. Therefore, the Joule heat generated in the first switch portion 25A does not increase, and the first section 21a of the superconducting wire 21 does not become so high as to be damaged even if it is thermally separated.

なお、第1スイッチ部25Aが開となるタイミングが早すぎる場合には、第1スイッチ部25Aに流れる電流が多くなるため、好ましくない。このような場合には、ヒータ28を作動させるタイミングを遅くすることで、適宜なタイミングに第1スイッチ部25Aを開にできる。   Note that it is not preferable that the timing at which the first switch unit 25A is opened is too early because the current flowing through the first switch unit 25A increases. In such a case, the first switch portion 25A can be opened at an appropriate timing by delaying the timing of operating the heater 28.

第1スイッチ部25Aが開に切り替わると、超電導コイル11の残りの電流がゼロまで低減されて、超電導コイル11が完全に消磁される。また、第1スイッチ部25Aが開となった後には、超電導コイル11の電流が減衰して第2スイッチ部25Bが再び閉となっても(タイミングt4)、永久電流スイッチ20は全体では開の状態となる。このため、超電導コイル11は最後まで消磁される。   When the first switch portion 25A is switched to open, the remaining current of the superconducting coil 11 is reduced to zero, and the superconducting coil 11 is completely demagnetized. Further, after the first switch portion 25A is opened, even if the current of the superconducting coil 11 is attenuated and the second switch portion 25B is closed again (timing t4), the permanent current switch 20 is opened as a whole. It becomes a state. For this reason, the superconducting coil 11 is demagnetized to the end.

以上のように、第1実施形態の永久電流スイッチ20によれば、超電導コイル11が励磁された状態で、速やかに永久電流スイッチ20を開操作し、超電導コイル11を消磁することができる。また、超電導コイル11の消磁の間、永久電流スイッチ20が過度の温度上昇により損傷することがない。   As described above, according to the permanent current switch 20 of the first embodiment, the permanent current switch 20 can be opened quickly and the superconducting coil 11 can be demagnetized while the superconducting coil 11 is excited. Further, during the demagnetization of the superconducting coil 11, the permanent current switch 20 is not damaged by an excessive temperature rise.

また、第1実施形態の磁場発生装置1及びその制御方法によれば、永久電流スイッチ20を開操作した際、永久電流スイッチ20の電流が超電導線材21の第2区間21bの臨界電流を上回らない場合に、制御部15が電流源13を作動する。これにより、永久電流スイッチ20に流れる電流が増加して、第2スイッチ部25Bを速やかに開に切り替えることができる。従って、上記のような場合でも、消磁要求がなされた際に、速やかに永久電流スイッチ20を開操作して、超電導コイル11を消磁できる。   Further, according to the magnetic field generator 1 and the control method thereof according to the first embodiment, when the permanent current switch 20 is opened, the current of the permanent current switch 20 does not exceed the critical current of the second section 21b of the superconducting wire 21. In some cases, the control unit 15 activates the current source 13. Thereby, the electric current which flows into the permanent current switch 20 increases, and the 2nd switch part 25B can be switched to open rapidly. Therefore, even in the above case, when the demagnetization request is made, the permanent current switch 20 can be quickly opened to demagnetize the superconducting coil 11.

(第2実施形態)
図4は、本発明の第2実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す回路図である。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a permanent current switch according to the second embodiment of the present invention.

第2実施形態の永久電流スイッチ20Aは、第1スイッチ部25A、第2スイッチ部25B、ヒータ28、マグネット29及び半導体スイッチ31を備える。第1スイッチ部25A、第2スイッチ部25B、ヒータ28及びマグネット29は、第1実施形態と同様であり、これらについての詳細な説明は省略する。第2実施形態の磁場発生装置は、図1の磁場発生装置1の永久電流スイッチ20を第2実施形態の永久電流スイッチ20Aに置き換えた構成である。   The permanent current switch 20A of the second embodiment includes a first switch unit 25A, a second switch unit 25B, a heater 28, a magnet 29, and a semiconductor switch 31. The first switch unit 25A, the second switch unit 25B, the heater 28, and the magnet 29 are the same as in the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted. The magnetic field generator of 2nd Embodiment is the structure which replaced the permanent current switch 20 of the magnetic field generator 1 of FIG. 1 with the permanent current switch 20A of 2nd Embodiment.

半導体スイッチ31は、例えばサイリスタであり、第1スイッチ部25A及び第2スイッチ部25Bと並列に接続されている。半導体スイッチ31は、制御部15によって開閉制御される。半導体スイッチ31は、永久電流スイッチ20Aの閉操作を高速化するためのものである。   The semiconductor switch 31 is, for example, a thyristor, and is connected in parallel with the first switch unit 25A and the second switch unit 25B. The semiconductor switch 31 is controlled to be opened and closed by the control unit 15. The semiconductor switch 31 is for speeding up the closing operation of the permanent current switch 20A.

図5は、第2実施形態に係る永久電流スイッチの、超電導コイル11の励磁(通電)状態における閉操作を説明するタイムチャートである。図5(A)〜図5(E)は、それぞれ超電導コイル11の電流、電流源13の出力(ON)と停止(OFF)、半導体スイッチ31の開閉、第1スイッチ部25Aの開閉、第2スイッチ部25Bの開閉を示す。   FIG. 5 is a time chart for explaining a closing operation of the permanent current switch according to the second embodiment when the superconducting coil 11 is excited (energized). 5A to 5E respectively show the current of the superconducting coil 11, the output (ON) and stop (OFF) of the current source 13, the opening and closing of the semiconductor switch 31, the opening and closing of the first switch unit 25A, and the second. The opening and closing of the switch unit 25B is shown.

図5は、タイミングt11より前に永久電流スイッチ20Aが開の状態で、超電導コイル11は電流源13から電流を供給されて励磁されている。通常、第2スイッチ部25Bは閉状態となっている。したがって、永久電流スイッチ20Aを開状態から閉状態へ遷移させるには第1スイッチ部25Aの閉操作を行えばよい。しかしながら、第1スイッチ部25Aは熱抵抗体26と第2スイッチ部25Bとを介して冷却部14Aに接続されているため、第1スイッチ部25Aの冷却には比較的に長い時間がかかる。   In FIG. 5, the superconducting coil 11 is excited by being supplied with a current from the current source 13 in a state where the permanent current switch 20 </ b> A is opened before the timing t <b> 11. Usually, the 2nd switch part 25B is a closed state. Therefore, the first switch portion 25A may be closed to transition the permanent current switch 20A from the open state to the closed state. However, since the first switch unit 25A is connected to the cooling unit 14A via the thermal resistor 26 and the second switch unit 25B, it takes a relatively long time to cool the first switch unit 25A.

そこで、第2実施形態では、永久電流スイッチ20Aを閉状態へ遷移させたいタイミングt11になったら、制御部15は、半導体スイッチ31を閉操作する。これにより、永久電流スイッチ20Aは実質的に閉状態となり、さらに電流源13の電流出力を停止すると、超電導コイル11を流れる電流は永久電流スイッチ20Aを通るようになる。   Therefore, in the second embodiment, the control unit 15 closes the semiconductor switch 31 at the timing t11 when the permanent current switch 20A is desired to be shifted to the closed state. Thereby, the permanent current switch 20A is substantially closed, and when the current output of the current source 13 is further stopped, the current flowing through the superconducting coil 11 passes through the permanent current switch 20A.

ただし、半導体スイッチ31にはPN接合が含まれており、閉状態でも所定の電圧降下が生じる。このため、半導体スイッチ31に大電流が流れる状態を長時間維持することは冷却の観点から難しい。したがって、第2スイッチ部25Bの閉操作の遅延はできる限り短くなるように調整されると好ましい。その後、図5のタイミングt12に示すように、永久電流スイッチ20Aの冷却が進んで、第1スイッチ部25Aが閉に切り替わると、電流は超電導状態の第1スイッチ部25Aと第2スイッチ部25Bとに優先して流れる。制御部15は、第1スイッチ部25Aが閉となった後、半導体スイッチ31を開に切り替えればよい。   However, the semiconductor switch 31 includes a PN junction, and a predetermined voltage drop occurs even in the closed state. For this reason, it is difficult to maintain a state where a large current flows through the semiconductor switch 31 for a long time from the viewpoint of cooling. Therefore, it is preferable to adjust the delay of the closing operation of the second switch portion 25B to be as short as possible. After that, as shown in timing t12 of FIG. 5, when the cooling of the permanent current switch 20A proceeds and the first switch unit 25A is switched to the closed state, the current flows between the first switch unit 25A and the second switch unit 25B in the superconducting state. Priority to flow. The control unit 15 may switch the semiconductor switch 31 to open after the first switch unit 25A is closed.

なお、タイミングt11より前に超電導コイル11が励磁されていない状態であっても上述の操作によって永久電流スイッチ20を閉状態に遷移させられる。また、タイミングt11より前に超電導コイル11が電流源を含まない電流回路、もしくは電流源以外の電気素子を含む電流回路で励磁されていたとしても、やはり上述の操作によって永久電流スイッチ20を閉状態に遷移させられる。   Even if the superconducting coil 11 is not excited before the timing t11, the permanent current switch 20 can be changed to the closed state by the above-described operation. Even if the superconducting coil 11 is excited by a current circuit that does not include a current source or a current circuit that includes electrical elements other than the current source before the timing t11, the permanent current switch 20 is also closed by the above-described operation. It is made to transition to.

以上のように、第2実施形態の永久電流スイッチ20Aによれば、第1実施形態と同様に速やかな開操作が可能であることに加えて、速やかな閉操作も可能となる。   As described above, according to the permanent current switch 20A of the second embodiment, a quick closing operation is possible in addition to a quick opening operation as in the first embodiment.

(第3実施形態)
図6は、本発明の第3実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す概念図である。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a configuration of a permanent current switch according to the third embodiment of the present invention.

第3実施形態の永久電流スイッチ20Bは、第2スイッチ部25B、マグネット29、熱抵抗体26、第1スイッチ部25C及び2つのヒータ28a、28bを備える。これらのうち、第2スイッチ部25B、熱抵抗体26及びマグネット29は、第1実施形態と同様であり、これらについての詳細な説明は省略する。   The permanent current switch 20B of the third embodiment includes a second switch unit 25B, a magnet 29, a thermal resistor 26, a first switch unit 25C, and two heaters 28a and 28b. Among these, the 2nd switch part 25B, the thermal resistance body 26, and the magnet 29 are the same as that of 1st Embodiment, The detailed description about these is abbreviate | omitted.

第3実施形態において、第1スイッチ部25Cは、超電導線材21の第1区間21aを二分した第1小区間21a1と第2小区間21a2、熱伝導体25、枠24a及び熱抵抗体24bを備える。超電導線材21の第1小区間21a1と第2小区間21a2とは別々に温度制御される。超電導線材21は第1区間(第1小区間21a1と第2小区間21a2)と第2区間21bとにかけて連続に形成されている。   In the third embodiment, the first switch unit 25C includes a first small section 21a1 and a second small section 21a2 that bisect the first section 21a of the superconducting wire 21, a thermal conductor 25, a frame 24a, and a thermal resistor 24b. . The first small section 21a1 and the second small section 21a2 of the superconducting wire 21 are separately temperature controlled. The superconducting wire 21 is formed continuously over the first section (the first small section 21a1 and the second small section 21a2) and the second section 21b.

超電導線材21の第2小区間は、熱抵抗体24bを介して枠24aに保持されている。超電導線材21の第1小区間21a1は、熱伝導体25に保持されてもよいし、別の部材に保持されてもよい。超電導線材21の第1小区間21a1及び熱伝導体25は、本発明に係る第1スイッチ部の第1部分の一例に相当する。超電導線材21の第2小区間21a2と熱抵抗体24bと枠24aとは、本発明に係る第1スイッチ部の第2部分の一例に相当する。   The second small section of the superconducting wire 21 is held by the frame 24a via the thermal resistor 24b. The first small section 21a1 of the superconducting wire 21 may be held by the heat conductor 25 or may be held by another member. The first small section 21a1 and the heat conductor 25 of the superconducting wire 21 correspond to an example of the first portion of the first switch unit according to the present invention. The second small section 21a2, the thermal resistor 24b, and the frame 24a of the superconducting wire 21 correspond to an example of the second portion of the first switch unit according to the present invention.

熱伝導体25は、第2スイッチ部25Bの枠23に比べて小さい熱容量を有し、超電導線材21の第1小区間21a1と熱的に結合される。   The heat conductor 25 has a smaller heat capacity than the frame 23 of the second switch portion 25B, and is thermally coupled to the first small section 21a1 of the superconducting wire 21.

熱抵抗体24bは、ポリマーシートなどであり、少量の熱容量を有する枠24aと、超電導線材21の第2小区間21a2とを熱的に分離する。   The thermal resistor 24b is a polymer sheet or the like, and thermally separates the frame 24a having a small amount of heat capacity and the second small section 21a2 of the superconducting wire 21.

2つのヒータ28a、28bは、それぞれ超電導線材21の第1小区間21a1と第2小区間21a2とを独立して加熱可能に配置され、制御部15によって互いに独立して駆動可能である。   The two heaters 28 a and 28 b are arranged so that the first small section 21 a 1 and the second small section 21 a 2 of the superconducting wire 21 can be independently heated, and can be driven independently from each other by the control unit 15.

<緊急時の開操作>
続いて、超電導コイル11を緊急に消磁する際の開操作について説明する。
<Emergency opening operation>
Next, an opening operation when the demagnetization of the superconducting coil 11 is urgently described.

第3実施形態では、緊急の消磁要求があると、制御部15は、マグネット29と一方のヒータ28aとを作動させる。これにより、先ず、マグネット29の作用により第2スイッチ部25Bが速やかに開となり、第2スイッチ部25Bで大きなジュール熱が発生する。このジュール熱は、熱容量の大きな枠23に速やかに移動するため、超電導線材21の第2区間21bを含む第2スイッチ部25Bが過度の温度上昇により損傷することが回避される。   In the third embodiment, when there is an urgent demagnetization request, the control unit 15 activates the magnet 29 and one heater 28a. Accordingly, first, the second switch portion 25B is quickly opened by the action of the magnet 29, and a large Joule heat is generated in the second switch portion 25B. Since this Joule heat quickly moves to the frame 23 having a large heat capacity, it is avoided that the second switch portion 25B including the second section 21b of the superconducting wire 21 is damaged due to an excessive temperature rise.

ここで、超電導コイル11の電流が十分に減衰する前に、第2スイッチ部25Bの開の状態が維持困難となる場合を想定する。このような場合、第3実施形態では、一方のヒータ28aの加熱により超電導線材21の第1小区間21a1を開に切り替えることができる。第1小区間21a1が開となると、超電導コイル11の電流が未だ十分に減衰していないため、第1小区間21a1で比較的に大きなジュール熱が発生する。しかし、第1小区間21a1では、このジュール熱を熱伝導体25に逃がすことで、超電導線材21の第1小区間21a1とその周辺部の過度の温度上昇による損傷を避けることができる。熱伝導体25の熱容量は、小さすぎるとジュール熱を吸収しきれず、大きすぎると第1小区間の加熱効率が大幅に低下する。従って、これらの兼ね合いを考慮して、熱伝導体25の熱容量が設定されるとよい。   Here, a case is assumed in which it is difficult to maintain the open state of the second switch portion 25B before the current of the superconducting coil 11 is sufficiently attenuated. In such a case, in the third embodiment, the first small section 21a1 of the superconducting wire 21 can be switched to open by heating of one heater 28a. When the first small section 21a1 is opened, the current of the superconducting coil 11 is not yet sufficiently attenuated, and thus relatively large Joule heat is generated in the first small section 21a1. However, in the first small section 21a1, by escaping this Joule heat to the heat conductor 25, damage due to an excessive temperature rise in the first small section 21a1 of the superconducting wire 21 and its peripheral portion can be avoided. If the heat capacity of the heat conductor 25 is too small, Joule heat cannot be absorbed, and if it is too large, the heating efficiency of the first small section will be significantly reduced. Therefore, the heat capacity of the heat conductor 25 is preferably set in consideration of these trade-offs.

超電導線材21の第1小区間21a1の開の状態は、超電導コイル11の電流がゼロになるまで継続され、これにより超電導コイル11が完全に消磁される。   The open state of the first small section 21a1 of the superconducting wire 21 is continued until the current of the superconducting coil 11 becomes zero, whereby the superconducting coil 11 is completely demagnetized.

<高速な開閉操作>
続いて、永久電流スイッチ20Bに大きな電流が流れていないときに、永久電流スイッチ20Bを高速に開閉操作する動作について説明する。先ず、高速に開操作する動作について説明する。
<High speed opening and closing operation>
Next, an operation for opening and closing the permanent current switch 20B at high speed when a large current does not flow through the permanent current switch 20B will be described. First, the operation of opening at high speed will be described.

永久電流スイッチ20Bを開操作する前の段階では、永久電流スイッチ20Bの第1区間21a及び第2区間21bが転移温度以下に冷却されて超電導状態に転移している。永久電流スイッチ20Bに大きな電流が流れる心配がない状態で、永久電流スイッチ20Bを高速に開操作する場合、制御部15は、第2のヒータ28bを作動させる。ここで、制御部15は、マグネット29と第1のヒータ28aとを作動させる必要はない。   In the stage before opening the permanent current switch 20B, the first section 21a and the second section 21b of the permanent current switch 20B are cooled to a transition temperature or lower and transitioned to a superconducting state. When the permanent current switch 20B is opened at high speed without worrying that a large current flows through the permanent current switch 20B, the control unit 15 activates the second heater 28b. Here, the control unit 15 does not need to operate the magnet 29 and the first heater 28a.

第3実施形態では、第1スイッチ部25Cの中に熱伝導体25を設けたため、超電導線材21の第1小区間21a1の加熱効率は比較的に低下する。一方、超電導線材21の第2小区間21a2は、熱抵抗体24bを介して枠24aに保持されており、熱伝導体25及び枠24aの熱容量と熱的に分離されている。このため、超電導線材21の第2小区間21a2の加熱効率は非常に高い。従って、第2のヒータ28bが作動すると、超電導線材21の第2小区間21a2の温度は速やかに上昇し、臨界温度を超えて第2小区間21a2を開とすることができる。   In 3rd Embodiment, since the heat conductor 25 was provided in the 1st switch part 25C, the heating efficiency of the 1st small section 21a1 of the superconducting wire 21 falls comparatively. On the other hand, the second small section 21a2 of the superconducting wire 21 is held by the frame 24a via the thermal resistor 24b, and is thermally separated from the heat capacities of the heat conductor 25 and the frame 24a. For this reason, the heating efficiency of the second small section 21a2 of the superconducting wire 21 is very high. Therefore, when the second heater 28b operates, the temperature of the second small section 21a2 of the superconducting wire 21 rises quickly, and the second small section 21a2 can be opened exceeding the critical temperature.

なお、このとき、電流源13から回路に電流を供給してもよい。このときに供給される電流はインダクタンスも電気抵抗もない永久電流スイッチ20Bを含む回路を流れ、その他の経路には流れない。第2小区間21a2に流れる電流は臨界温度未満の温度で発熱を引き起こし、それが第2小区間21a2の加熱を助けることでより短い時間での温度上昇が実現する。これにより、永久電流スイッチ20Bの速やかな開操作が達成される。   At this time, a current may be supplied from the current source 13 to the circuit. The current supplied at this time flows through a circuit including the permanent current switch 20B having neither inductance nor electric resistance, and does not flow through other paths. The current flowing in the second small section 21a2 generates heat at a temperature lower than the critical temperature, and this helps to heat the second small section 21a2, thereby realizing a temperature increase in a shorter time. Thereby, the quick opening operation of the permanent current switch 20B is achieved.

次に、高速な閉操作について説明する。永久電流スイッチ20Bを高速に閉操作するには、閉操作前の状態として、第2のヒータ28bから出力される熱量を、超電導線材21の第2小区間21a2を開の状態に維持する最小熱量に近づけておく。すなわち、制御部15は、開の状態を維持する熱量の余裕分が最小になるように制御する。これにより、超電導線材21の第2小区間21a2の温度は、臨界温度から大きく隔たることなく、臨界温度以上に維持される。さらに、閉操作する前の段階では、永久電流スイッチ20Bの第2区間21b及び第1小区間21a1は臨界温度以下に冷却された状態とする。   Next, a high-speed closing operation will be described. In order to close the permanent current switch 20B at high speed, as the state before the closing operation, the amount of heat output from the second heater 28b is the minimum amount of heat that maintains the second small section 21a2 of the superconducting wire 21 in the open state. Keep close to. That is, the control unit 15 performs control so that the amount of heat that maintains the open state is minimized. As a result, the temperature of the second small section 21a2 of the superconducting wire 21 is maintained at or above the critical temperature without being significantly separated from the critical temperature. Furthermore, before the closing operation, the second section 21b and the first small section 21a1 of the permanent current switch 20B are cooled to a critical temperature or lower.

高速に閉操作する場合、制御部15は、第2のヒータ28bの加熱を停止する。超電導線材21の第2小区間21a2は、上述したように、小さな熱容量とも熱的に結合されていない。さらに、開操作前の状態により、超電導線材21の第2小区間21a2の温度は臨界温度から大きな隔たりなく維持されている。従って、第2のヒータ28bの加熱が停止されることで、少量の熱量の移動により、超電導線材21の第2小区間21a2の温度を臨界温度以下に低下できる。熱抵抗体24b、26によって熱の移動速度は小さくなるが、閉操作に必要な熱量が小さい分、速やかな閉操作が実現される。   When closing at high speed, the control unit 15 stops the heating of the second heater 28b. As described above, the second small section 21a2 of the superconducting wire 21 is not thermally coupled to a small heat capacity. Furthermore, according to the state before the opening operation, the temperature of the second small section 21a2 of the superconducting wire 21 is maintained without significant separation from the critical temperature. Therefore, by stopping the heating of the second heater 28b, the temperature of the second small section 21a2 of the superconducting wire 21 can be lowered to a critical temperature or less by moving a small amount of heat. Although the heat transfer speed is reduced by the thermal resistors 24b and 26, a quick closing operation is realized because the amount of heat necessary for the closing operation is small.

なお、第2実施形態に示したように、第3実施形態の永久電流スイッチ20Bは、半導体スイッチ(例えばサイリスタ)31を超電導線材21に並列接続した構成が採用されてもよい。この場合、第2実施形態と同様に半導体スイッチ31の閉操作を併用することで、より高速な閉操作を行うことができる。   As shown in the second embodiment, the permanent current switch 20B of the third embodiment may adopt a configuration in which a semiconductor switch (for example, thyristor) 31 is connected in parallel to the superconducting wire 21. In this case, the closing operation of the semiconductor switch 31 can be used together with the closing operation of the semiconductor switch 31 similarly to the second embodiment.

以上のように、第3実施形態の永久電流スイッチ20Bによれば、第1実施形態と同様に超電導コイル11を消磁するために速やかな開操作が可能であり、かつ、大きな電流が流れていない状態で高速な開閉操作を行うことが可能となる。また、高速な開閉操作の際、第2のヒータ28bの出力は非常に小さくなるので、冷却装置14に要求される冷却能力も小さく抑えることができる。   As described above, according to the permanent current switch 20B of the third embodiment, a quick opening operation is possible to demagnetize the superconducting coil 11 as in the first embodiment, and no large current flows. It is possible to perform a high-speed opening / closing operation in the state. In addition, since the output of the second heater 28b becomes very small during a high-speed opening / closing operation, the cooling capacity required for the cooling device 14 can be kept small.

以上、本発明の各実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、超電導コイル11及び永久電流スイッチ20の超電導線材21にHTS線材を用いた例を示した。しかし、これらはLTS線材であってもよい。また、上記実施形態の磁場発生装置1では、冷却装置14として伝導冷却型の装置を適用した例を示した。しかし、冷却装置として浸漬冷却型の装置が適用されてもよい。この場合、永久電流スイッチ20、20A、20Bは、枠23の部分が冷媒に浸漬され、第1スイッチ部25A、25Cは冷媒から隔離されるように、配置されればよい。このような配置により、実施形態と同様の作用を得ることができる。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。   The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the said embodiment, the example which used the HTS wire for the superconducting wire 21 of the superconducting coil 11 and the permanent current switch 20 was shown. However, these may be LTS wires. Moreover, in the magnetic field generator 1 of the said embodiment, the example which applied the conduction cooling type apparatus as the cooling device 14 was shown. However, an immersion cooling type device may be applied as the cooling device. In this case, the permanent current switches 20, 20 </ b> A, and 20 </ b> B may be arranged so that the frame 23 is immersed in the coolant and the first switch portions 25 </ b> A and 25 </ b> C are isolated from the coolant. With such an arrangement, the same action as in the embodiment can be obtained. In addition, the details shown in the embodiments can be appropriately changed without departing from the spirit of the invention.

次に、永久電流スイッチ20をより具体化した実施例1について説明する。実施例1は、図2に示した第1実施形態の永久電流スイッチ20を具現化した例である。図7は、本発明の第1実施例に係る永久電流スイッチを示す側面図である。図8(A)は図7のA−A線断面図、図8(B)はその一部を拡大した断面図である。図9(A)は図7のB−B線断面図、図9(B)はその一部を拡大した断面図である。図10は、第1スイッチ部25Aと第2スイッチ部25Bとの接合部分を示す分解斜視図である。   Next, a first embodiment in which the permanent current switch 20 is more specific will be described. Example 1 is an example in which the permanent current switch 20 of the first embodiment shown in FIG. 2 is embodied. FIG. 7 is a side view showing the permanent current switch according to the first embodiment of the present invention. 8A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 7, and FIG. 8B is a cross-sectional view in which a part thereof is enlarged. 9A is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 7, and FIG. 9B is an enlarged cross-sectional view of a part thereof. FIG. 10 is an exploded perspective view showing a joint portion between the first switch portion 25A and the second switch portion 25B.

<磁場発生装置>
実施例1の永久電流スイッチ20が適用される磁場発生装置1(図1を参照)においては、超電導コイル11が、1km分のREBCO線材を用いたインダクタンス10Hのコイルであり、400Aの永久電流で駆動される。蓄積される超電導コイル11の磁場エネルギーは0.8MJとなる。超電導コイル11と永久電流スイッチ20とを含む超電導回路は真空チャンバー(クライオスタット)に納められ、冷却装置14は伝導冷却により超電導回路を40Kに冷却する。電流源13と保護抵抗12とは、真空チャンバーの外に導出された常電導線材を介して永久電流スイッチ20と並列接続される。保護抵抗12の電気抵抗は1Ωであり、超電導コイル11と保護抵抗12との直列回路において電流減衰の時定数は10秒である。超電導コイル11が400Aの定電流で駆動されている状態で、仮に永久電流スイッチ20が瞬時に完全に開いた(電気抵抗が無限大)とする。すると、電流が保護抵抗12に流れて超電導コイル11の両端には誘導電圧として400Vの電位差が生じ、その後、電流の減衰と共に電位差が減衰していく。実際には、開の状態で永久電流スイッチ20の電気抵抗はさほど大きくならないため、超電導コイル11に生じる誘導電圧はそれよりも小さくなり、電流の減衰速度も、永久電流スイッチ20の電気抵抗が無限大となる場合より遅くなる。
<Magnetic field generator>
In the magnetic field generator 1 (see FIG. 1) to which the permanent current switch 20 of the first embodiment is applied, the superconducting coil 11 is a coil having an inductance of 10H using a 1 km REBCO wire, and has a permanent current of 400A. Driven. The stored magnetic field energy of the superconducting coil 11 is 0.8 MJ. The superconducting circuit including the superconducting coil 11 and the permanent current switch 20 is housed in a vacuum chamber (cryostat), and the cooling device 14 cools the superconducting circuit to 40K by conduction cooling. The current source 13 and the protective resistor 12 are connected in parallel to the permanent current switch 20 via a normal conducting wire led out of the vacuum chamber. The electrical resistance of the protective resistor 12 is 1Ω, and the time constant of current decay is 10 seconds in the series circuit of the superconducting coil 11 and the protective resistor 12. It is assumed that the permanent current switch 20 is completely opened instantaneously (the electrical resistance is infinite) in a state where the superconducting coil 11 is driven at a constant current of 400 A. Then, a current flows through the protective resistor 12, a potential difference of 400V is generated as an induced voltage at both ends of the superconducting coil 11, and then the potential difference is attenuated along with the attenuation of the current. Actually, since the electric resistance of the permanent current switch 20 does not increase so much in the open state, the induced voltage generated in the superconducting coil 11 becomes smaller than that, and the electric resistance of the permanent current switch 20 is infinite. Slower than when it grows up.

<永久電流スイッチの全体構造>
実施例1の永久電流スイッチ20は、図7〜図9に示すように、ヒータ28(図9(B)を参照)が一体化された第1スイッチ部25Aと、マグネット29に近接されている第2スイッチ部25Bと、熱抵抗体26とを備える。第1スイッチ部25Aは、図9(A)、(B)に示すように、円筒状の枠22を有し、枠22に帯状の超電導線材21が巻回されて構成される。超電導線材21のうち枠22に巻回された部位を第1区間21aと記す。第2スイッチ部25Bは、図8(A)、(B)に示すように、円筒状の枠23を有し、枠23に帯状の超電導線材21が巻回されて構成される。超電導線材21のうち枠23に巻回された部位を第2区間21bと記す。円筒状の枠23には、冷却装置14の冷却部14Aが接続されている。
<Overall structure of permanent current switch>
As shown in FIGS. 7 to 9, the permanent current switch 20 of the first embodiment is close to a first switch portion 25 </ b> A in which a heater 28 (see FIG. 9B) is integrated and a magnet 29. A second switch unit 25B and a thermal resistor 26 are provided. As shown in FIGS. 9A and 9B, the first switch portion 25 </ b> A has a cylindrical frame 22 and is configured by winding a strip-shaped superconducting wire 21 around the frame 22. A portion of the superconducting wire 21 wound around the frame 22 is referred to as a first section 21a. As shown in FIGS. 8A and 8B, the second switch portion 25 </ b> B includes a cylindrical frame 23, and a band-shaped superconducting wire 21 is wound around the frame 23. A portion of the superconducting wire 21 wound around the frame 23 is referred to as a second section 21b. A cooling unit 14 </ b> A of the cooling device 14 is connected to the cylindrical frame 23.

超電導線材21は、幅6mmのREBCO線材であり、超電導層の上面に厚さ5μmの銀の保護層を有する。超電導線材21の長さは全体で100mであり、そのうち40mが第2スイッチ部25Bに割り当てられ、残り60mが第1スイッチ部25Aに割り当てられる。永久電流スイッチ20を開状態とする基本設定温度は、REBCO線材の臨界温度である90Kに余裕分を付加した100Kである。100Kでの銀の比抵抗は、約3μΩ・mmである。このREBCO線材における銀の断面積は0.03mmであることから、100Kでの単位長さ当たりの電気抵抗は0.1Ω/m、100mの超電導線材21の電気抵抗は10Ωである。緊急時以外の通常時の永久電流スイッチ20の開操作はヒータ28で加熱される第1スイッチ部25Aのみで実施される。よって、永久電流スイッチ20の通常時における開状態の電気抵抗は6Ωである。 The superconducting wire 21 is a REBCO wire having a width of 6 mm, and has a silver protective layer having a thickness of 5 μm on the upper surface of the superconducting layer. The total length of the superconducting wire 21 is 100 m, of which 40 m is allocated to the second switch unit 25B and the remaining 60 m is allocated to the first switch unit 25A. The basic set temperature at which the permanent current switch 20 is opened is 100K obtained by adding a margin to 90K, which is the critical temperature of the REBCO wire. The specific resistance of silver at 100K is about 3 μΩ · mm. Since the cross-sectional area of silver in this REBCO wire is 0.03 mm 2 , the electrical resistance per unit length at 100 K is 0.1 Ω / m, and the electrical resistance of the 100 m superconducting wire 21 is 10 Ω. The opening operation of the permanent current switch 20 at the normal time other than the emergency is performed only by the first switch portion 25 </ b> A heated by the heater 28. Therefore, the electrical resistance in the open state of the permanent current switch 20 in a normal state is 6Ω.

超電導線材21は、外径φ16cmの円筒状の枠22と、これに連結された枠23とを巻枠として、ソレノイド状に無誘導巻きされている。無誘導巻きにより永久電流スイッチ20のインダクタンスを小さくすることができる。枠22の長さ(円筒形状の軸方向に沿った長さ)は84cmであり、枠23の同方向の長さは56cmであり、両者を合わせた巻枠(22、23)の長さは140cmである。枠22と枠23とは純銅(C1020)であり、FRP製の熱抵抗体26を介して接続されている。枠22の円筒側壁の肉厚は0.5mm、枠23の円筒側壁の肉厚は10mmである。枠22の終端側面(枠23と接続されている側面の反対側の側面)は何も接続されず真空中にあり、枠23の終端側面は冷却装置14の冷却部14Aに接続されている。以下、枠22及び枠23の円筒形状の中心軸に沿った方向を「軸方向」と定義し、円筒形状の中心軸と直角に交わる方向を「径方向」と定義し、それら二つともと直角をなす方向を「周方向」と定義する。   The superconducting wire 21 is non-inductively wound in a solenoid shape with a cylindrical frame 22 having an outer diameter of φ16 cm and a frame 23 connected thereto as a winding frame. The inductance of the permanent current switch 20 can be reduced by non-inductive winding. The length of the frame 22 (the length along the axial direction of the cylindrical shape) is 84 cm, the length of the frame 23 in the same direction is 56 cm, and the length of the combined winding frame (22, 23) is 140 cm. The frame 22 and the frame 23 are pure copper (C1020), and are connected via a thermal resistor 26 made of FRP. The thickness of the cylindrical side wall of the frame 22 is 0.5 mm, and the thickness of the cylindrical side wall of the frame 23 is 10 mm. The terminal side surface of the frame 22 (the side surface opposite to the side surface connected to the frame 23) is not connected and is in a vacuum, and the terminal side surface of the frame 23 is connected to the cooling unit 14A of the cooling device 14. Hereinafter, the direction along the central axis of the cylindrical shape of the frame 22 and the frame 23 is defined as “axial direction”, the direction perpendicular to the central axis of the cylindrical shape is defined as “radial direction”, and both The direction that forms a right angle is defined as the “circumferential direction”.

図10に示すように、枠22と枠23とを接続する熱抵抗体26は、枠23の軸方向の端面と同一形状、すなわち外径φ16cm、内径φ14cm、厚さ1.0mmの厚さが一定のリング形状である。枠22と枠23との互いに対向する端部には、熱抵抗体26と同様の形状の銅製の接続部材61が設けられている。接続部材61は、溶接等により枠22の端部に接合され、さらに、接続部材61と枠23の端部とが、熱抵抗体26を間に挟んでボルト等により接合されている。ボルトは熱伝導性の低いものが使用される。これにより枠22と枠23とが熱的に分離した状態で一体的に連結される。   As shown in FIG. 10, the thermal resistor 26 connecting the frame 22 and the frame 23 has the same shape as the axial end surface of the frame 23, that is, an outer diameter of φ16 cm, an inner diameter of φ14 cm, and a thickness of 1.0 mm. It is a constant ring shape. Copper connecting members 61 having the same shape as the thermal resistor 26 are provided at the ends of the frame 22 and the frame 23 facing each other. The connection member 61 is joined to the end portion of the frame 22 by welding or the like, and the connection member 61 and the end portion of the frame 23 are joined by a bolt or the like with the thermal resistor 26 interposed therebetween. Bolts with low thermal conductivity are used. Thereby, the frame 22 and the frame 23 are integrally connected in a state of being thermally separated.

枠22と枠23との外周には、超電導線材21が、厚さ50μmの絶縁用ポリイミドシート71を介して、ソレノイド状に単層無誘導巻きされている。超電導線材21は厚さが約0.06mmであり、超電導層を外周側に向けて巻かれている。すなわち、超電導線材21が、金属基板、中間層、半導体層及び銀の保護層が順に積層されて構成される場合、金属基板を内周側に、銀の保護層を外周側に向けて巻かれている。   On the outer periphery of the frame 22 and the frame 23, the superconducting wire 21 is wound in a single-layer non-inductive manner like a solenoid through an insulating polyimide sheet 71 having a thickness of 50 μm. The superconducting wire 21 has a thickness of about 0.06 mm and is wound with the superconducting layer facing the outer periphery. That is, when the superconducting wire 21 is configured by sequentially laminating a metal substrate, an intermediate layer, a semiconductor layer, and a silver protective layer, the metal substrate is wound toward the inner peripheral side and the silver protective layer is directed toward the outer peripheral side. ing.

ソレノイド状の無誘導単層巻きでは、超電導線材21が巻枠(22、23)の軸方向の一端(第1の端)から、逆側の端(第2の端)まで巻回され、第2の端で折り返されて、再び第1の端へ戻るように巻回される。より具体的には、超電導線材21は、巻枠(22、23)の両端間を往復して巻回され、往路において超電導線材21は隙間を開けて巻回され、復路においてこの隙間を埋めるように超電導線材21が巻回される。往路と復路とで超電導線材21の巻回方向は逆である。特に制限されないが、超電導線材21の端部e1、e2は第2スイッチ部25Bの一端に配置され、折返し部分e3は第1スイッチ部25Aの逆側の端に配置される。巻回された超電導線材21は、絶縁用ポリイミドシート71、72と後述する銅条73及びヒータ28と合わせてエポキシ樹脂の含浸処理及び硬化処理により固定される。   In the solenoid-shaped non-inductive single layer winding, the superconducting wire 21 is wound from one end (first end) in the axial direction of the winding frame (22, 23) to the opposite end (second end). It is folded back at the end of 2 and wound back to the first end again. More specifically, the superconducting wire 21 is wound by reciprocating between both ends of the winding frames (22, 23), and the superconducting wire 21 is wound with a gap in the outward path, and fills this gap in the return path. The superconducting wire 21 is wound around. The winding direction of the superconducting wire 21 is opposite between the forward path and the return path. Although not particularly limited, the end portions e1 and e2 of the superconducting wire 21 are disposed at one end of the second switch portion 25B, and the folded portion e3 is disposed at the opposite end of the first switch portion 25A. The wound superconducting wire 21 is fixed by an epoxy resin impregnation process and a curing process together with insulating polyimide sheets 71 and 72, a copper strip 73 and a heater 28 described later.

<第1スイッチ部の構造>
第1スイッチ部25Aの容積は、上述した寸法に基づき計算すると211ccとなる。銅の比重を8.96g/ccとすると、重量は約1.9kgである。さらに、第1スイッチ部25Aにヒータ28が加わると、全体の重量は約2.1kgとなる。ヒータ28は、図9(B)に示すように、超電導線材21と同一形状(帯状)の金属条であり、材質としては電気抵抗の温度依存性が小さい合金、例えばステンレス鋼又はハステロイ(登録商標)を採用できる。ヒータ28を構成する金属条は、電気絶縁用のポリイミドテープを挟んで超電導線材21の外周側に巻回される。通電によりヒータ28から発生した熱は、超電導線材21と枠22とを温めて、熱抵抗体26を経由して第2スイッチ部25Bの枠23、次いで、冷却装置14の冷却部14Aへと伝わる。冷却された純銅の熱伝導度は高いため、純銅製の枠の内部に大きな温度差は形成されない。熱抵抗体26の熱の伝達方向に垂直な断面積(軸方向に垂直な断面積)は4.7×10−3であり、熱伝導度を0.1W/Kmとすると、厚さ1.0mmの熱抵抗体26の熱抵抗は2.1K/Wである。ヒータ28が完全にオフの状態では永久電流スイッチ20の全体の温度は40Kであり、ヒータ28が発熱すると発熱量に応じて熱抵抗体26の両端に温度差が形成される。永久電流スイッチ20の通常の開状態では第1スイッチ部25Aが100K又は100K以上に保たれればよいので、熱抵抗体26の両端に60Kの温度差が生じればよいことになる。熱抵抗体26の熱抵抗値を用いて換算すると、ヒータ28が30Wで発熱すれば、この状態が達成されることになる。
<Structure of the first switch part>
The volume of the first switch portion 25A is 211 cc when calculated based on the above-described dimensions. If the specific gravity of copper is 8.96 g / cc, the weight is about 1.9 kg. Further, when the heater 28 is added to the first switch portion 25A, the entire weight is about 2.1 kg. As shown in FIG. 9B, the heater 28 is a metal strip having the same shape (strip shape) as that of the superconducting wire 21 and is made of an alloy having a small temperature dependency of electrical resistance, such as stainless steel or Hastelloy (registered trademark). ) Can be adopted. The metal strip constituting the heater 28 is wound around the outer peripheral side of the superconducting wire 21 with a polyimide tape for electrical insulation interposed therebetween. Heat generated from the heater 28 by energization warms the superconducting wire 21 and the frame 22, and is transmitted to the frame 23 of the second switch unit 25 </ b> B and then to the cooling unit 14 </ b> A of the cooling device 14 via the thermal resistor 26. . Since the cooled pure copper has a high thermal conductivity, a large temperature difference is not formed inside the pure copper frame. The cross-sectional area perpendicular to the heat transfer direction of the thermal resistor 26 (cross-sectional area perpendicular to the axial direction) is 4.7 × 10 −3 m 2 , and the thickness is assumed to be 0.1 W / Km. The thermal resistance of the 1.0 mm thermal resistor 26 is 2.1 K / W. When the heater 28 is completely turned off, the entire temperature of the permanent current switch 20 is 40K. When the heater 28 generates heat, a temperature difference is formed between both ends of the thermal resistor 26 according to the amount of generated heat. In the normal open state of the permanent current switch 20, the first switch portion 25A only needs to be maintained at 100K or 100K or higher, so that a temperature difference of 60K should be generated at both ends of the thermal resistor 26. When converted using the thermal resistance value of the thermal resistor 26, this state is achieved if the heater 28 generates heat at 30W.

なお、上述の熱の伝わり方は、熱的に定常状態のときのものであり、ヒータ28が加熱してすぐに上記の温度差を発生させることはできない。銅の比熱の温度依存性を考慮して計算すると、第1スイッチ部25Aの重量から、第1スイッチ部25Aを40Kから100Kまで加熱するのに要する熱量は約18kJとなる。よって、100Kまで加熱するには、ヒータ28の出力が30Wでかつ熱の流出がない状態で600秒を要し、ヒータ28の出力が10倍の300Wであっても1分を要する。このように加熱により永久電流スイッチ20を開操作するには、長い時間がかかる。同様に冷却により永久電流スイッチ20を閉操作する場合にも時間がかかる。枠22の板厚を薄くして熱容量を小さくすれば、加熱又は冷却に要する時間を短くすることができるが、機械的な強度の観点から薄すぎるのは好ましくない。   Note that the above-described heat transfer method is in a thermally steady state, and the temperature difference cannot be generated immediately after the heater 28 is heated. When calculating in consideration of the temperature dependence of the specific heat of copper, the amount of heat required to heat the first switch 25A from 40K to 100K is about 18 kJ based on the weight of the first switch 25A. Therefore, heating up to 100K takes 600 seconds in a state where the output of the heater 28 is 30 W and there is no outflow of heat, and 1 minute is required even if the output of the heater 28 is 10 times 300 W. Thus, it takes a long time to open the permanent current switch 20 by heating. Similarly, it takes time to close the permanent current switch 20 by cooling. If the thickness of the frame 22 is reduced to reduce the heat capacity, the time required for heating or cooling can be shortened, but it is not preferable that the frame 22 is too thin from the viewpoint of mechanical strength.

<マグネットの構造>
第1実施形態で示したように、超電導コイル11に何らかの異常が検出されたときには、マグネット29の作用により第2スイッチ部25Bの開操作が行われる。円筒状の枠23に巻回された超電導線材21の第2区間21bのすべてに一様な外部磁場を印加することは難しく、マグネット29を作用させると超電導線材21の第2区間21bに局所的に大きさと方向の異なる外部磁場が印加されることになる。そして、大きな外部磁場が印加された領域でのみ臨界電流が低下して、電圧およびそれに伴う熱が生じる。枠23に巻回された超電導線材21は40mであり、全ての部位が100Kまで加熱されると4Ωの抵抗が生じる。この抵抗により永久電流スイッチ20に流れる電流は400Aから80Aまで減少し、残りは保護抵抗12に流れる。このとき、超電導線材21の第2区間21bに生じる電圧は320Vであり、ジュール熱は25.6kWとなる。しかし、外部磁場の大きさが局所的に異なり、枠23に巻回された超電導線材21の半分のみが常電導状態に転移し、ここからジュール熱が発生したとする。このとき、超電導線材21の第2区間21bの抵抗は2Ωとなり、永久電流スイッチ20を流れる電流は133A、この間に生じる電圧は267Vとなり、発熱量は35.5kWに増大する。さらに、発熱範囲は超電導線材21の第2区間21bの半分であることから、線材長さ当たりの発熱量で比較すると、全体が常電導状態に転移した場合の3倍近く発熱する部位が生じてしまう。このように線材長さあたりの発熱量が大きくなることは好ましくないため、マグネット29は枠23に巻回された超電導線材21の多くの部分に磁場を印加すると好ましい。このため、マグネット29としては、第2スイッチ部25Bの軸方向に広いレーストラック型の電磁コイルが採用され、4つ又は6つのマグネット29が枠23の周方向に並んで配置される。レーストラック型とは、平面形状が、対向する2つの半円状の曲線部と、これらの曲線部を接続する2つの平行な直線部とを有する形状を指す。各マグネット29は、電磁コイルの巻回中心に沿った軸方向が枠23の径方向を向き、かつ、隣接する2つのマグネット29が互いに逆向きの極性となるように配置される。このようなマグネット29の配置構成は、四重極型、六重極型と呼ばれ、マグネット29の径方向内側の広い範囲に電磁コイルの軸方向(枠23の径方向)を向いた磁場(図3(A)に矢印線で示す)を形成することができる。帯状の超電導線材21は、線材の幅方向又は長手方向の磁場(水平磁場と呼ぶ)と比べて、線材の厚さ方向の磁場(垂直磁場と呼ぶ)の方が、臨界電流の磁場依存性が大きくなるという性質を有する。このため、上記のマグネット29の配置構成により、小さなマグネット29により十分に超電導線材21の第2区間21bの臨界電流を低下させる作用を及ぼすことができる。例えば、超電導層に人工ピンを導入することで磁場特性を改善した超電導線材では、40Kで1Tの垂直磁場が印加されると無磁場の状態と比較して臨界電流が半分程度に低下する。一方、同じ超電導線材でも、40Kで1Tの水平磁場が印加されると無磁場の状態と比較した臨界電流の低下率は3割程度に留まる。
<Magnet structure>
As shown in the first embodiment, when any abnormality is detected in the superconducting coil 11, the opening operation of the second switch portion 25 </ b> B is performed by the action of the magnet 29. It is difficult to apply a uniform external magnetic field to all of the second sections 21b of the superconducting wire 21 wound around the cylindrical frame 23. When the magnet 29 is applied, the second section 21b of the superconducting wire 21 is locally applied to the second section 21b. An external magnetic field having a different size and direction is applied. And only in the area | region where the big external magnetic field was applied, a critical current falls and a voltage and the heat accompanying it generate | occur | produce. The superconducting wire 21 wound around the frame 23 is 40 m. When all the parts are heated to 100K, a resistance of 4Ω is generated. With this resistance, the current flowing through the permanent current switch 20 decreases from 400 A to 80 A, and the rest flows through the protective resistor 12. At this time, the voltage generated in the second section 21b of the superconducting wire 21 is 320 V, and the Joule heat is 25.6 kW. However, it is assumed that the magnitude of the external magnetic field is locally different, and only half of the superconducting wire 21 wound around the frame 23 is transferred to the normal conducting state, and Joule heat is generated therefrom. At this time, the resistance of the second section 21b of the superconducting wire 21 is 2Ω, the current flowing through the permanent current switch 20 is 133A, the voltage generated therebetween is 267V, and the heat generation amount is increased to 35.5 kW. Furthermore, since the heat generation range is half of the second section 21b of the superconducting wire 21, when compared with the amount of heat generated per wire length, there is a portion that generates heat nearly three times as much as when the whole transitions to the normal conducting state. End up. Thus, since it is not preferable that the calorific value per wire length becomes large, it is preferable that the magnet 29 applies a magnetic field to many portions of the superconducting wire 21 wound around the frame 23. For this reason, as the magnet 29, a wide racetrack type electromagnetic coil in the axial direction of the second switch portion 25 </ b> B is adopted, and four or six magnets 29 are arranged in the circumferential direction of the frame 23. The racetrack type refers to a shape in which a planar shape has two semicircular curved portions facing each other and two parallel straight portions connecting these curved portions. Each magnet 29 is arranged so that the axial direction along the winding center of the electromagnetic coil faces the radial direction of the frame 23 and the two adjacent magnets 29 have opposite polarities. Such an arrangement configuration of the magnet 29 is called a quadrupole type or a hexapole type, and a magnetic field (in the radial direction of the frame 23) facing a wide range inside the magnet 29 in the radial direction (the radial direction of the frame 23). 3A can be formed). The strip-shaped superconducting wire 21 has a magnetic field dependency of the critical current in the magnetic field in the thickness direction of the wire (referred to as a vertical magnetic field) compared to the magnetic field in the width direction or longitudinal direction of the wire (referred to as a horizontal magnetic field). It has the property of becoming larger. For this reason, the arrangement configuration of the magnet 29 described above allows the small magnet 29 to sufficiently reduce the critical current of the second section 21 b of the superconducting wire 21. For example, in a superconducting wire whose magnetic field characteristics are improved by introducing an artificial pin into the superconducting layer, when a 1 T vertical magnetic field is applied at 40 K, the critical current is reduced to about half compared to the state without a magnetic field. On the other hand, even with the same superconducting wire, when a horizontal magnetic field of 1 T is applied at 40 K, the rate of decrease in critical current compared to the state of no magnetic field remains at about 30%.

<第2スイッチ部の構造>
上述したマグネット29の配置構成を採用しても、枠23に巻回された超電導線材21の全ての部位に十分な磁場を印加することはできない。したがって、緊急の開操作の直後には、超電導線材21の第2区間21bには大きく発熱している部位とそれ以外の部位とが混在する。大きく発熱している部位では過剰な熱が生じているので、この熱を周囲の発熱量の少ない部位に移動させられれば、超電導線材21の第2区間21bの全体を温度上昇させることができる。このため、第2スイッチ部25Bでは、熱をバイパスさせて超電導線材21の第2区間21bの全体に熱を拡散させる銅条74(図8(B)を参照)が巻回されている。銅条74は、本発明に係る熱伝導線材の一例に相当する。銅条74は、絶縁用ポリイミドシート72を介して超電導線材21の外周側に巻回される。銅条74は、超電導線材21の第2区間21bが巻回される部分の全域にわたって巻回されるとよい。銅条74は、熱をバイパスする機能に加えて、熱応力による超電導線材21の枠23からの剥離の抑制を図る補強材としての機能を有する。
<Structure of second switch part>
Even if the arrangement configuration of the magnet 29 described above is employed, a sufficient magnetic field cannot be applied to all the portions of the superconducting wire 21 wound around the frame 23. Therefore, immediately after the urgent opening operation, the second section 21b of the superconducting wire 21 includes a portion that generates a large amount of heat and other portions. Since excessive heat is generated in a part that generates a large amount of heat, if the heat is moved to a part having a small amount of heat generation, the temperature of the entire second section 21b of the superconducting wire 21 can be increased. For this reason, in the 2nd switch part 25B, the copper strip 74 (refer FIG. 8 (B)) which bypasses heat and diffuses heat to the whole 2nd area 21b of the superconducting wire 21 is wound. The copper strip 74 corresponds to an example of a heat conducting wire according to the present invention. The copper strip 74 is wound around the outer peripheral side of the superconducting wire 21 via the insulating polyimide sheet 72. The copper strip 74 may be wound over the entire region where the second section 21b of the superconducting wire 21 is wound. In addition to the function of bypassing heat, the copper strip 74 has a function as a reinforcing material that suppresses peeling of the superconducting wire 21 from the frame 23 due to thermal stress.

先にも述べたが、超電導線材21は、超電導層を外周側に向けて巻かれている。これは超電導層と銀の保護層とで生じる熱が、銅条74に伝達されやすくするためである。仮に超電導層が内周側を向いていると、熱の多くは外周側でなく内周側の枠23へ逃げてしまい、超電導線材21の未発熱の部位を効率的に加熱することはできない。   As described above, the superconducting wire 21 is wound with the superconducting layer facing the outer peripheral side. This is because heat generated by the superconducting layer and the silver protective layer is easily transferred to the copper strip 74. If the superconducting layer faces the inner peripheral side, most of the heat escapes to the inner peripheral side frame 23 instead of the outer peripheral side, and the unheated portion of the superconducting wire 21 cannot be efficiently heated.

一方、銅条74による熱のバイパスを利用しても、短時間で熱を超電導線材21の第2区間21bの全体に拡散することは難しい。例えば、枠23の軸方向の両端部には十分な磁場を印加できず、これらの部位にジュール熱の生じた部位から熱が伝わってくるのは、磁場の形成後かなりの時間が経過してからになる。したがって、緊急の開操作時には、枠23に巻回されている超電導線材21の一部は継続的に超電導状態から変化しない。したがって、以下では、第2スイッチ部25Bの40mの超電導線材21のうち30mのみが常電導状態に転移してジュール熱を発生する場合について説明する。   On the other hand, even if the heat bypass by the copper strip 74 is used, it is difficult to diffuse the heat throughout the second section 21b of the superconducting wire 21 in a short time. For example, a sufficient magnetic field cannot be applied to both ends of the frame 23 in the axial direction, and heat is transferred from these portions where Joule heat is generated to a considerable time after the formation of the magnetic field. It becomes from. Accordingly, during an emergency opening operation, a part of the superconducting wire 21 wound around the frame 23 does not continuously change from the superconducting state. Therefore, hereinafter, a case will be described in which only 30 m of the 40 m superconducting wire 21 of the second switch section 25B is transferred to the normal conducting state and generates Joule heat.

第2スイッチ部25Bにおいて超電導線材21の30mが常電導状態に転移した場合、100Kにおける電気抵抗は3Ωとなり、永久電流スイッチ20に流れる電流は400Aから100Aに減少する。30mの超電導線材21が熱浴である枠23と接する面積は6mm×30m=0.18mであり、これらの間に挿入されている電気絶縁用のポリイミドシート71(厚さ0.05mm)の単位体積当たりの熱伝導度は温度によらず0.1W/Kmである。この条件において、ポリイミドシート71の形状を考慮した全体の熱伝導度は0.36kW/Kとなる。界面による熱伝導の低下を考慮すると、ポリイミドシート71の全体の熱伝導度は0.25kW/K程度となる。このとき、熱伝導度の逆数で表される熱抵抗は4K/kWとなる。また、枠23の重量は約24.4kg、枠23の外周に巻回されている超電導線材21と銅条74の重量は0.4kgよりやや大きく、第2スイッチ部25Bの全体の質量は約24.8kgである。 When 30 m of the superconducting wire 21 is transferred to the normal conducting state in the second switch portion 25B, the electrical resistance at 100K becomes 3Ω, and the current flowing through the permanent current switch 20 decreases from 400A to 100A. The area where the 30 m superconducting wire 21 is in contact with the frame 23 which is a heat bath is 6 mm × 30 m = 0.18 m 2 , and the electrically insulating polyimide sheet 71 (thickness 0.05 mm) inserted between them is 6 mm × 30 m = 0.18 m 2 . The thermal conductivity per unit volume is 0.1 W / Km regardless of the temperature. Under this condition, the overall thermal conductivity considering the shape of the polyimide sheet 71 is 0.36 kW / K. Considering the decrease in thermal conductivity due to the interface, the overall thermal conductivity of the polyimide sheet 71 is about 0.25 kW / K. At this time, the thermal resistance represented by the reciprocal of the thermal conductivity is 4 K / kW. The weight of the frame 23 is about 24.4 kg, the weight of the superconducting wire 21 and the copper strip 74 wound around the outer periphery of the frame 23 is slightly larger than 0.4 kg, and the total mass of the second switch portion 25B is about 24.8 kg.

<緊急の開操作時の挙動>
次に、上述した条件で永久電流スイッチ20を緊急に開操作したときの挙動について説明する。四重極型のマグネット29を励磁して第2スイッチ部25Bに磁場を印加すると、超電導線材21の第2区間21bの大部分で臨界電流が400Aを下回り、電圧とそれに伴う熱が生じる。この熱は超電導線材21の第2区間21bの大部分及びその周囲に広がり、ごく短時間の後に第2スイッチ部25Bに3Ωの電気抵抗が生じる。これにより、永久電流スイッチ20を流れる電流は100Aに減少し、第2スイッチ部25Bの両端間の電圧は300Vとなり、第2スイッチ部25Bのジュール熱は30kWとなる。残りの電流300Aは保護抵抗12を流れ、ここでの発熱量は90kWである。枠23と超電導線材21の第2区間21bとの間には4K/kWの熱抵抗があることから、超電導線材21の第2区間21bは30kW×4K/kW=120Kだけ枠23よりも温度が高くなる。冷却部14Aと接続された枠23は40Kであるため、超電導線材21の第2区間21bの温度は160K程度まで上昇する。超電導線材21の臨界温度は90K前後であるため、この時点で第2スイッチ部25Bの超電導線材21は発熱している部位の超電導層が完全に常電導状態に転移する。超電導層が常電導状態に転移した部位では、電流は銀保護層を流れる。銀の電気伝導度には温度依存性があり、電気抵抗3Ωの計算に用いた超電導線材21の単位長さあたりの電気抵抗0.1Ω/mは100Kでの値である。よって、160Kまで温度が上昇した時には、第2スイッチ部25Bの電気抵抗は3Ωよりも高くなっている。この場合、永久電流スイッチ20に流れる電流は100Aよりも小さくなり、超電導線材21の第2区間21bの温度上昇は120Kより低い値で安定する。ここでは電気抵抗が4Ωで安定したとする。このとき永久電流スイッチ20と保護抵抗12との並列回路の電気抵抗は約0.8Ωとなり、超電導コイル11の電流は時定数12.5秒(=10H÷0.8Ω)の比率(12.5秒後に元の1/e≒37%)で減衰していく。この結果、超電導コイル11は速やかに消磁されて安全な状態へと移行する。
<Behavior during emergency opening operation>
Next, the behavior when the permanent current switch 20 is urgently opened under the above-described conditions will be described. When the quadrupole magnet 29 is excited and a magnetic field is applied to the second switch portion 25B, the critical current is less than 400A in most of the second section 21b of the superconducting wire 21, and a voltage and accompanying heat are generated. This heat spreads over most of the second section 21b of the superconducting wire 21 and its surroundings, and an electrical resistance of 3Ω is generated in the second switch portion 25B after a very short time. As a result, the current flowing through the permanent current switch 20 is reduced to 100A, the voltage across the second switch portion 25B is 300V, and the Joule heat of the second switch portion 25B is 30 kW. The remaining current 300A flows through the protective resistor 12, and the amount of heat generated here is 90 kW. Since there is a thermal resistance of 4 K / kW between the frame 23 and the second section 21 b of the superconducting wire 21, the temperature of the second section 21 b of the superconducting wire 21 is 30 kW × 4 K / kW = 120 K than the frame 23. Get higher. Since the frame 23 connected to the cooling unit 14A is 40K, the temperature of the second section 21b of the superconducting wire 21 rises to about 160K. Since the critical temperature of the superconducting wire 21 is around 90K, at this time, the superconducting layer of the second switch portion 25B has the superconducting layer in the part where heat is generated completely transferred to the normal conducting state. At the site where the superconducting layer has transitioned to the normal conducting state, current flows through the silver protective layer. The electrical conductivity of silver has temperature dependence, and the electrical resistance of 0.1 Ω / m per unit length of the superconducting wire 21 used for the calculation of the electrical resistance of 3Ω is a value at 100K. Therefore, when the temperature rises to 160K, the electrical resistance of the second switch portion 25B is higher than 3Ω. In this case, the current flowing through the permanent current switch 20 is smaller than 100A, and the temperature rise in the second section 21b of the superconducting wire 21 is stabilized at a value lower than 120K. Here, it is assumed that the electric resistance is stable at 4Ω. At this time, the electric resistance of the parallel circuit of the permanent current switch 20 and the protective resistor 12 is about 0.8Ω, and the current of the superconducting coil 11 is a ratio of the time constant 12.5 seconds (= 10H ÷ 0.8Ω) (12.5 After a second, it attenuates at the original 1 / e≈37%). As a result, the superconducting coil 11 is quickly demagnetized and shifts to a safe state.

一方、超電導コイル11の電流の減衰に伴い、第2スイッチ部25Bの発熱量は減少する。しかし、時間経過に従い発生したジュール熱は枠23に蓄積され、枠23の温度は高くなっている。開操作前に超電導コイル11に蓄積されていた800kJのエネルギーのうち、仮に2割に相当する160kJが第2スイッチ部25Bの加熱により消費されたとする。すると、第2スイッチ部25Bの総重量が24.8kgであるので、枠23の温度は超電導線材21の臨界温度である90Kを上回ることになる。ここで24.8kgの銅を40Kから90Kに加熱するのに要する熱エネルギーは140kJだが、熱の一部が冷却部14Aに逃げることを考慮している。この段階になると、第2スイッチ部25Bの発熱量がなくても、しばらくの期間、超電導線材21の第2区間21bは常電導状態を維持できる。あるいは、第2スイッチ部25Bの発熱量が上記の場合より小さく、枠23の温度が超電導線材21の臨界温度に達しなかった場合を想定する。この場合、超電導コイル11の電流の減衰によって超電導線材21の発熱量が低下し、ついには第2スイッチ部25Bが実質的な閉状態に陥ってしまう。しかし、この場合でも、超電導コイル11に流れる電流はその時の値を維持するだけで、上昇に転じることはない。   On the other hand, as the current of the superconducting coil 11 attenuates, the amount of heat generated by the second switch portion 25B decreases. However, Joule heat generated over time is accumulated in the frame 23, and the temperature of the frame 23 is high. Assume that 160 kJ corresponding to 20% of the 800 kJ energy accumulated in the superconducting coil 11 before the opening operation is consumed by the heating of the second switch portion 25B. Then, since the total weight of the second switch portion 25B is 24.8 kg, the temperature of the frame 23 exceeds 90K, which is the critical temperature of the superconducting wire 21. Here, although the thermal energy required to heat 24.8 kg of copper from 40K to 90K is 140 kJ, it is considered that a part of the heat escapes to the cooling unit 14A. At this stage, the second section 21b of the superconducting wire 21 can maintain the normal conducting state for a while even without the amount of heat generated by the second switch portion 25B. Alternatively, it is assumed that the heat generation amount of the second switch portion 25B is smaller than that in the above case, and the temperature of the frame 23 has not reached the critical temperature of the superconducting wire 21. In this case, the amount of heat generated by the superconducting wire 21 decreases due to the attenuation of the current of the superconducting coil 11, and the second switch portion 25B eventually falls into a substantially closed state. However, even in this case, the current flowing through the superconducting coil 11 only maintains the value at that time, and does not turn up.

緊急の開操作の際には、マグネット29の駆動と並行して、ヒータ28による第1スイッチ部25Aの加熱も実行されている。第1スイッチ部25Aの超電導線材21を転移温度以上に加熱するには時間を要するが、上述した第2スイッチ部25Bが開の状態を維持する期間があれば、臨界温度以上に加熱する時間が得られる。あるいは、第2スイッチ部25Bが実質的な閉状態に陥ってから、第1スイッチ部25Aの超電導線材21が臨界温度以上になってもよい。ヒータ28の加熱により第1スイッチ部25Aが開に切り替わると、第1スイッチ部25Aでもジュール熱が発生するが、このときすでに超電導コイル11の電流は大幅に減衰しており、第1スイッチ部25Aを損傷させるような過度の温度上昇は生じない。その後は、第2スイッチ部25Bが実質的な閉状態に変化しても、第1スイッチ部25Aが開となっていることで超電導コイル11の電流の減衰が継続されて、消磁を完了させることができる。   During an emergency opening operation, the heating of the first switch unit 25 </ b> A by the heater 28 is also performed in parallel with the driving of the magnet 29. Although it takes time to heat the superconducting wire 21 of the first switch part 25A to the transition temperature or higher, if there is a period during which the second switch part 25B is kept open, the time to heat it to the critical temperature or higher is required. can get. Or after the 2nd switch part 25B falls into a substantially closed state, the superconducting wire 21 of the 1st switch part 25A may become more than critical temperature. When the first switch portion 25A is switched to open by the heating of the heater 28, Joule heat is also generated in the first switch portion 25A. At this time, the current in the superconducting coil 11 has already been greatly attenuated, and the first switch portion 25A. An excessive temperature rise that damages the device does not occur. After that, even if the second switch portion 25B changes to a substantially closed state, the attenuation of the current of the superconducting coil 11 is continued because the first switch portion 25A is open, and demagnetization is completed. Can do.

次に、永久電流スイッチ20をより具体化した実施例2について説明する。図11は、本発明の実施例2に係る永久電流スイッチを示す斜視図である。図12は、実施例2の永久電流スイッチの積層構造を説明する図である。   Next, a second embodiment in which the permanent current switch 20 is more specific will be described. FIG. 11 is a perspective view showing a permanent current switch according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 12 is a diagram for explaining a laminated structure of the permanent current switch of the second embodiment.

実施例2の永久電流スイッチ20は、第1スイッチ部25A、第2スイッチ部25B、熱抵抗体26、ヒータ28及びマグネット29が、各々円筒状又はソレノイド状の層となるように、同軸上に積層されて構成される。図12は、永久電流スイッチ20の各層をずらして示している。   The permanent current switch 20 of Example 2 is coaxially arranged so that the first switch portion 25A, the second switch portion 25B, the thermal resistor 26, the heater 28, and the magnet 29 are each in a cylindrical or solenoidal layer. It is constructed by stacking. FIG. 12 shows the layers of the permanent current switch 20 shifted.

実施例2の永久電流スイッチ20には、中心側から外周側にかけて、順に、枠23、電気絶縁シート81、超電導線材21の第2区間21b、熱抵抗層82、マグネット29を構成する第1コイル29a、熱抵抗体26、超電導線材21の第1区間21a、ヒータ28、熱抵抗層83、マグネット29を構成する第2コイル29b及び熱伝導層84が設けられている。熱抵抗体26は第1スイッチ部25Aの枠22としての機能を兼用している。超電導線材21の第1区間21aと第2区間21bとは連続しており、超電導線材21の各端部e4、e5は永久電流スイッチ20の軸方向の一端に配置されて回路に接続され、中間部e6は永久電流スイッチ20の軸方向の他端で折り返され、保持されている。超電導線材21は、実施例1と同様の構造であり、幅6mmのREBCO線材である。   In the permanent current switch 20 of the second embodiment, the first coil constituting the frame 23, the electrical insulating sheet 81, the second section 21b of the superconducting wire 21, the thermal resistance layer 82, and the magnet 29 in this order from the center side to the outer peripheral side. 29a, the thermal resistor 26, the first section 21a of the superconducting wire 21, the heater 28, the thermal resistance layer 83, the second coil 29b constituting the magnet 29, and the thermal conduction layer 84 are provided. The thermal resistor 26 also functions as the frame 22 of the first switch portion 25A. The first section 21a and the second section 21b of the superconducting wire 21 are continuous, and the end portions e4 and e5 of the superconducting wire 21 are arranged at one end in the axial direction of the permanent current switch 20 and connected to the circuit. The part e6 is folded and held at the other axial end of the permanent current switch 20. The superconducting wire 21 has the same structure as that of Example 1, and is a REBCO wire having a width of 6 mm.

最も内周寄りに配置された枠23は、永久電流スイッチ20の1つの熱浴としても機能する。枠23は、外径φ16cm、内径φ15.2cm、肉厚0.4cm、長さ70cmの円筒形の純銅(C1020)である。ただし、枠23は完全な円筒形ではなく、周方向の一部に軸方向の一端から他端にわたるスリットSL1が設けられている。すなわち、枠23は、軸方向に垂直な断面がC字状の形状を有する。スリットSL1は、枠23の中央の空洞部を軸方向に磁場が貫いたときに、空洞部を周回する渦電流が生じるのを防止する。枠23の重量は12.3kgである。枠23は、冷却装置14の冷却部14Aに接続されて伝導冷却される。   The frame 23 arranged closest to the inner periphery also functions as one heat bath of the permanent current switch 20. The frame 23 is cylindrical pure copper (C1020) having an outer diameter of 16 cm, an inner diameter of 15.2 cm, a thickness of 0.4 cm, and a length of 70 cm. However, the frame 23 is not completely cylindrical, and a slit SL1 extending from one end to the other end in the axial direction is provided in a part of the circumferential direction. That is, the frame 23 has a C-shaped cross section perpendicular to the axial direction. The slit SL1 prevents an eddy current from circulating around the cavity when the magnetic field penetrates the cavity at the center of the frame 23 in the axial direction. The weight of the frame 23 is 12.3 kg. The frame 23 is connected to the cooling unit 14A of the cooling device 14 and is conductively cooled.

超電導線材21の第2区間21bは、内周側に電気絶縁シート81を介して枠23に単層巻回されている。超電導線材21の寸法は実施例1と同様である。超電導線材21の第2区間21bは、巻き径が枠23の外径と同じφ160mmであり、一巻きの長さは0.50m、全部で98ターン巻回されて全長が49mである。超電導線材21の第2区間21bは、超電導層を内周側に向けて巻回されている。   The second section 21 b of the superconducting wire 21 is wound around the frame 23 by a single layer on the inner peripheral side via an electrical insulating sheet 81. The dimensions of the superconducting wire 21 are the same as those in the first embodiment. The second section 21b of the superconducting wire 21 has a winding diameter of 160 mm, which is the same as the outer diameter of the frame 23, and the length of one winding is 0.50 m. The second section 21b of the superconducting wire 21 is wound with the superconducting layer facing the inner peripheral side.

第1コイル29aは、絶縁層を備えた銅条を10層に巻回した多層ソレノイドコイル(いわゆるレイヤー巻きコイル)である。第1コイル29aの全体の厚さは1.8mmであり、1層あたりの平均厚さは0.18mmである。   The first coil 29a is a multi-layer solenoid coil (so-called layer-wound coil) in which a copper strip having an insulating layer is wound into 10 layers. The total thickness of the first coil 29a is 1.8 mm, and the average thickness per layer is 0.18 mm.

熱抵抗層82と熱抵抗体26の層とは、各々の厚さが1mmであり、電気絶縁シート81と同じ厚さ50μmのポリイミドシートが多層に巻回された構造を有する。実施例2の永久電流スイッチ20は組み立て途中でパラフィンの含浸処理が施されており、多層に巻回されたポリイミドシートの間の界面にはパラフィンが充填される。パラフィンはエポキシなどの樹脂と異なり、極低温に冷却されると界面にクラックが生じる。これにより、界面の熱伝導度が低下し、厚さを大きくしなくても高い熱抵抗が実現される。また、熱抵抗は熱の伝達経路に存在する界面の数に比例して増大する。厚さ50μmのシートを積層して厚さ1mmにした構造では、20程度の界面が存在するので、積層方向の熱伝導度は0.001W/Km程度の小さい値になる。この場合、幅6mm、長さ1mの超電導線材21から、熱抵抗層82又は熱抵抗体26の層を間に挟んで、熱が次の層へ移動する熱の伝達経路の熱抵抗は167K/Wとなる。以下、このような熱の伝達経路の熱抵抗のことを、超電導線材21の線長1m分の熱抵抗とも呼ぶ。これまでに説明した、電導線材21の第2区間21b、熱抵抗層82、第1コイル29a及び熱抵抗体26の合計の厚さはおよそ4mmである。   Each of the thermal resistance layer 82 and the thermal resistance body 26 has a thickness of 1 mm, and has a structure in which a polyimide sheet having the same thickness of 50 μm as the electrical insulating sheet 81 is wound in multiple layers. The permanent current switch 20 according to the second embodiment is impregnated with paraffin during assembly, and the interface between the polyimide sheets wound in multiple layers is filled with paraffin. Unlike resins such as epoxy, paraffin cracks at the interface when cooled to a very low temperature. As a result, the thermal conductivity of the interface is lowered, and a high thermal resistance is realized without increasing the thickness. Further, the thermal resistance increases in proportion to the number of interfaces existing in the heat transfer path. In a structure in which sheets having a thickness of 50 μm are stacked to have a thickness of 1 mm, there are about 20 interfaces, so the thermal conductivity in the stacking direction is a small value of about 0.001 W / Km. In this case, the heat resistance of the heat transfer path in which heat is transferred to the next layer from the superconducting wire 21 having a width of 6 mm and a length of 1 m with the heat resistance layer 82 or the heat resistor 26 interposed therebetween is 167 K / W. Hereinafter, the thermal resistance of such a heat transfer path is also referred to as a thermal resistance for a wire length of 1 m of the superconducting wire 21. The total thickness of the second section 21b of the conductive wire 21, the thermal resistance layer 82, the first coil 29a, and the thermal resistor 26 described so far is approximately 4 mm.

超電導線材21の第1区間21aとヒータ28とは、これらの間に絶縁テープ(図12に図示されず)を挟んで積層されている。先に述べたように、超電導線材21の第1区間21aと第2区間21bとは連続しており、巻枠の一端で折り返して別の層に巻回されている。各層では、超電導線材21は無誘導巻きにはなっていないが、超電導線材21の第1区間21aの巻回方向と、第2区間21bの巻回方向とは逆にされている。この構成により、超電導線材21の第1区間21aの電流により発生する磁場と、超電導線材21の第2区間21bの電流により発生する磁場とが打消し合い、超電導線材21の実質的な無誘導巻きが実現される。すなわち、超電導線材21の第1区間21aと、第2区間21bとの合成インダクタンスは顕著に小さくなる。通常の無誘導巻きは作業上の煩雑さと、設計上の煩雑さとを招くが、実施例2の実質的な無誘導巻きによれば、このような煩雑さを少なくすることができる。   The first section 21a of the superconducting wire 21 and the heater 28 are laminated with an insulating tape (not shown in FIG. 12) interposed therebetween. As described above, the first section 21a and the second section 21b of the superconducting wire 21 are continuous and are folded at one end of the winding frame and wound around another layer. In each layer, the superconducting wire 21 is not inductively wound, but the winding direction of the first section 21a of the superconducting wire 21 and the winding direction of the second section 21b are reversed. With this configuration, the magnetic field generated by the current in the first section 21a of the superconducting wire 21 and the magnetic field generated by the current in the second section 21b of the superconducting wire 21 cancel each other, and substantially non-inductive winding of the superconducting wire 21 is achieved. Is realized. That is, the combined inductance of the first section 21a and the second section 21b of the superconducting wire 21 is significantly reduced. Ordinary non-inductive winding causes both work complexity and design complexity, but according to the substantially non-inductive winding of the second embodiment, such complexity can be reduced.

超電導線材21の第1区間21aは、巻き径が枠23の径より大きくφ168mmとなり、一巻きの長さが0.53m、軸方向(70cm)にずらして98ターン巻回した場合、全長が52mとなる。超電導線材21の電気抵抗は100Kで0.1Ω/mであり、52mで5.2Ωの電気抵抗が生じることになる。超電導線材21の第1区間21aは、第2区間21bとは逆に、超電導層を外周側に向けて巻回されている。超電導線材21は、折り返される中間部e6において表裏が逆転される。   The first section 21a of the superconducting wire 21 has a winding diameter larger than the diameter of the frame 23 and becomes φ168 mm. When the length of one winding is 0.53 m and the winding is shifted 98 times in the axial direction (70 cm), the total length is 52 m. It becomes. The electric resistance of the superconducting wire 21 is 0.1Ω / m at 100K, and an electric resistance of 5.2Ω is generated at 52m. In contrast to the second section 21b, the first section 21a of the superconducting wire 21 is wound with the superconducting layer facing the outer peripheral side. The superconducting wire 21 is turned upside down at an intermediate part e6 that is folded back.

外周寄りの熱抵抗層83は、内周寄りの熱抵抗層82と同様の構成を有する一方、厚さが0.6mmとやや薄い。内周寄りの熱抵抗層82と同様に計算すると、熱抵抗層83の超電導線材21の線長1m分の熱抵抗は100K/Wとなる。   The heat resistance layer 83 near the outer periphery has the same configuration as the heat resistance layer 82 near the inner periphery, but has a thickness as thin as 0.6 mm. When calculated in the same manner as the heat resistance layer 82 closer to the inner periphery, the heat resistance of the superconducting wire 21 of the heat resistance layer 83 corresponding to the wire length of 1 m is 100 K / W.

第2コイル29bは、巻き径が大きいことと、積層数が少ないことを除けば、第1コイル29aと同じ構成を有する。第1コイル29aと第2コイル29bとは、同じ向きに銅条が巻回され、永久電流スイッチ20の軸方向の一端部で、互いの銅条の端部が電気的に結合されている。すなわち第1コイル29aと第2コイル29bとは直列接続され、常に等量の電流が流れる。第1コイル29aと第2コイル29bとの層間において、第1コイル29aの磁場と第2コイル29bの磁場とが打消し合い、超電導線材21の第1区間21aに磁場が印加されるのを防止する。第1コイル29aと第2コイル29bとの層間以外の領域においては、第1コイル29aの磁場と第2コイル29bの磁場とは、互いに強め合う。   The second coil 29b has the same configuration as the first coil 29a except that the winding diameter is large and the number of stacked layers is small. The first coil 29a and the second coil 29b are wound with copper strips in the same direction, and the ends of the copper strips are electrically coupled at one end in the axial direction of the permanent current switch 20. That is, the first coil 29a and the second coil 29b are connected in series, and an equal amount of current always flows. Between the first coil 29a and the second coil 29b, the magnetic field of the first coil 29a and the magnetic field of the second coil 29b cancel each other, preventing the magnetic field from being applied to the first section 21a of the superconducting wire 21. To do. In a region other than the interlayer between the first coil 29a and the second coil 29b, the magnetic field of the first coil 29a and the magnetic field of the second coil 29b reinforce each other.

熱伝導層84は、厚さ1mmの銅板を円筒形に曲げて第2コイル29bの外周側に取り付けたものである。ただし永久電流スイッチ20の周方向における銅板の両辺は、電気的に接合しておらず、電気絶縁されたボルトにより締め付けられている。これにより、熱伝導層84は、周方向の一部に軸方向に渡るスリットSL2が形成された構成となる。スリットSL2は、円筒状の熱伝導層84に周方向の渦電流が生じることを防止する。熱伝導層84の重量は3.8kgである。熱伝導層84は、枠23と別箇に冷却装置14の冷却部14Aに接続されて伝導冷却される。   The heat conductive layer 84 is formed by bending a copper plate having a thickness of 1 mm into a cylindrical shape and attaching it to the outer peripheral side of the second coil 29b. However, both sides of the copper plate in the circumferential direction of the permanent current switch 20 are not electrically joined, and are tightened by electrically insulated bolts. Thereby, the heat conductive layer 84 has a configuration in which a slit SL2 extending in the axial direction is formed in a part of the circumferential direction. The slit SL2 prevents a circumferential eddy current from being generated in the cylindrical heat conductive layer 84. The weight of the heat conductive layer 84 is 3.8 kg. The heat conductive layer 84 is connected to the cooling unit 14A of the cooling device 14 separately from the frame 23 and is conductively cooled.

実施例2の永久電流スイッチ20は、順に、径方向の内周側から外周側へと各層が組み付けられて製造される。永久電流スイッチ20の製造工程の中盤、熱抵抗層83が組付けられた段階において、この段階の構成がパラフィンに含浸処理される。この含浸処理の目的は、機械強度を高めるためではなく、熱的な接合を安定させることである。続いて、第2コイル29bと熱伝導層84を組付けた段階で、この段階の構成がエポキシ樹脂の含浸処理及び硬化処理により固定される。この含浸処理の目的は、第2コイル29bの熱抵抗をできる限り小さくすることである。エポキシ樹脂はパラフィンと異なり極低温に冷却されても界面にクラックは生じず、界面の熱抵抗は大きくならない。エポキシ樹脂で含浸された状態では、第2コイル29bの熱抵抗は銅条の周囲に形成された電気絶縁層による熱抵抗が支配的となる。第2コイル29bの銅条の積層数が、例えば第1コイル29aの銅条の積層数の半分に該当する5積層であるとすると、第2コイル29bの電気絶縁層の延べ厚さは0.4mmとなる。この構成によれば、超電導線材21の線長1m分のテープ面に直交する熱の伝達経路において、第2コイル29bの熱抵抗は1K/Wに満たない。エポキシ樹脂はパラフィンを侵すことはないので、先にパラフィンに含浸処理された熱抵抗層83よりも内側にエポキシ樹脂が含浸することはない。   The permanent current switch 20 according to the second embodiment is manufactured by sequentially assembling layers from the radially inner periphery side to the outer periphery side. In the middle of the manufacturing process of the permanent current switch 20 and the stage in which the heat resistance layer 83 is assembled, the structure of this stage is impregnated with paraffin. The purpose of this impregnation treatment is not to increase the mechanical strength but to stabilize the thermal bonding. Subsequently, at the stage where the second coil 29b and the heat conductive layer 84 are assembled, the structure at this stage is fixed by the impregnation process and the curing process of the epoxy resin. The purpose of this impregnation treatment is to make the thermal resistance of the second coil 29b as small as possible. Epoxy resins, unlike paraffin, do not crack at the interface even when cooled to a very low temperature, and the thermal resistance at the interface does not increase. In the state impregnated with the epoxy resin, the thermal resistance of the second coil 29b is dominated by the thermal insulation layer formed around the copper strip. Assuming that the number of laminated copper strips of the second coil 29b is, for example, five laminates corresponding to half of the number of laminated copper strips of the first coil 29a, the total thickness of the electrical insulating layer of the second coil 29b is 0. 4 mm. According to this configuration, the heat resistance of the second coil 29b is less than 1 K / W in the heat transfer path perpendicular to the tape surface of the superconducting wire 21 having a length of 1 m. Since the epoxy resin does not attack the paraffin, the epoxy resin does not impregnate inside the heat resistance layer 83 previously impregnated with paraffin.

<第1スイッチ部25Aの開閉操作>
永久電流スイッチ20に大きな電流が流れない時の開閉操作は、第1スイッチ部25Aの温度制御によってなされる。上述のように、枠23と熱伝導層84とは個別に冷却部14Aに接続されており、通常時、40Kに冷却されている。第1スイッチ部25Aを開に切り替えるには、超電導線材21の第1区間21aの温度を100K以上に維持すればよく、必要になる温度差は60Kである。超電導線材21の線長1m分のテープ面積に直交する熱の伝達経路において、第2コイル29bの熱抵抗を1K/Wとしても、超電導線材21の第1区間21aの層から熱伝導層84までの熱抵抗は101K/W程度である。超電導線材21の第1区間21aの全長52mで換算すると、熱抵抗は2.0K/Wとなる。一方、超電導線材21の第1区間21aの層から最内周の枠23までの熱の伝達経路における熱抵抗は、熱抵抗層82と熱抵抗体26の層とが介在しているため非常に大きくなり、超電導線材21の1mの線長分で404K/W程度となる。この場合、60Kの温度差を作るのに必要なヒータ28の発熱量は38Wとなる。このうち8割の30W程度が外周側の熱伝導層84へ流れ、残る2割の8W程度が内周側の枠23へ流れる。ここで、閉状態の超電導線材21の温度を60Kと想定する。この温度は、超電導線材21の臨界電流が通常通電電流(400A)を十分上回る温度であり、高いほうが通常時の開操作を速くできる。上記の条件において、超電導線材21の第1区間21aの温度を60Kから100Kまで上げるのに必要な熱量は約1.6kJであるので、ヒータ28の出力を300Wとすれば、5秒程度で第1スイッチ部25Aを開操作することができる。また、超電導線材21の第1区間21aの層から枠23と熱伝導層84への抜熱速度は最大で38W、温度差が小さくなるとそれに応じて抜熱速度は低下していく。このため、開の状態からヒータ28の出力を停止することで、100秒程度、すなわち2分程度で第1スイッチ部25Aを閉操作することができる。
<Opening / closing operation of first switch 25A>
The opening / closing operation when a large current does not flow through the permanent current switch 20 is performed by temperature control of the first switch portion 25A. As described above, the frame 23 and the heat conductive layer 84 are individually connected to the cooling unit 14A and are normally cooled to 40K. In order to switch the first switch portion 25A to open, the temperature of the first section 21a of the superconducting wire 21 may be maintained at 100K or higher, and the required temperature difference is 60K. From the layer of the first section 21a of the superconducting wire 21 to the heat conducting layer 84 even if the heat resistance of the second coil 29b is set to 1 K / W in the heat transfer path orthogonal to the tape area of the wire length of 1 m of the superconducting wire 21. The thermal resistance is about 101 K / W. When converted by the total length 52 m of the first section 21 a of the superconducting wire 21, the thermal resistance is 2.0 K / W. On the other hand, the thermal resistance in the heat transfer path from the layer of the first section 21a of the superconducting wire 21 to the innermost frame 23 is very large because the thermal resistance layer 82 and the layer of the thermal resistor 26 are interposed. It becomes large and becomes about 404 K / W for the 1 m line length of the superconducting wire 21. In this case, the amount of heat generated by the heater 28 required to create a temperature difference of 60K is 38W. Of this, about 80% of 30 W flows to the heat conduction layer 84 on the outer peripheral side, and the remaining 20% of about 8 W flows to the frame 23 on the inner peripheral side. Here, the temperature of the superconducting wire 21 in the closed state is assumed to be 60K. This temperature is a temperature at which the critical current of the superconducting wire 21 sufficiently exceeds the normal energization current (400 A), and a higher one can speed up the opening operation at the normal time. Under the above conditions, the amount of heat required to raise the temperature of the first section 21a of the superconducting wire 21 from 60K to 100K is about 1.6 kJ. Therefore, if the output of the heater 28 is set to 300 W, the first time is about 5 seconds. 1 switch part 25A can be opened. Further, the heat removal rate from the layer of the first section 21a of the superconducting wire 21 to the frame 23 and the heat conduction layer 84 is 38 W at the maximum, and when the temperature difference becomes small, the heat removal rate decreases accordingly. For this reason, by stopping the output of the heater 28 from the open state, the first switch portion 25A can be closed in about 100 seconds, that is, in about 2 minutes.

<緊急時の開操作>
次に、超電導コイル11が励磁されている状態で、緊急に実施例2の永久電流スイッチ20を開操作して超電導コイル11を消磁する操作について説明する。緊急時の開操作は、第1コイル29a及び第2コイル29bの通電により開始される。通電により、第1コイル29aの磁場と第2コイル29bの磁場とが重なり強め合って超電導線材21の第2区間21bの層へ印加される。一方、第1区間21aの層ではこれらの磁場が打ち消し合う。ゆえに、超電導線材21の第2区間21bの層と第1区間21aの層とでは臨界電流に違いが生じる。しかし、第1コイル29aと第2コイル29bとは銅条で構成されており、超電導コイルのように大きな電流を流すことはできない。よって、数T規模の強磁場を形成することはできない。さらに、第1コイル29aと第2コイル29bにより形成される磁場は、超電導線材21の幅方向を向いており、この向きの磁場に対して超電導線材21の臨界電流の磁場依存性は大きくない。このため、この磁場の印加だけでは、超電導線材21の臨界電流を大きく低下させることはできない。すなわち、超電導線材21の第2区間21bの層と第1区間21aの層とで臨界電流に大きな違いを作り出すまでには至らない。
<Emergency opening operation>
Next, an operation of urgently opening the permanent current switch 20 of the second embodiment and demagnetizing the superconducting coil 11 while the superconducting coil 11 is excited will be described. The emergency opening operation is started by energizing the first coil 29a and the second coil 29b. By energization, the magnetic field of the first coil 29a and the magnetic field of the second coil 29b overlap and strengthen each other and are applied to the layer of the second section 21b of the superconducting wire 21. On the other hand, these magnetic fields cancel each other in the layer of the first section 21a. Therefore, the critical current differs between the layer of the second section 21b and the layer of the first section 21a of the superconducting wire 21. However, the first coil 29a and the second coil 29b are made of copper strips, and a large current cannot flow as in the superconducting coil. Therefore, a strong magnetic field on the order of several T cannot be formed. Furthermore, the magnetic field formed by the first coil 29a and the second coil 29b faces the width direction of the superconducting wire 21, and the magnetic field dependence of the critical current of the superconducting wire 21 is not large with respect to the magnetic field in this direction. For this reason, the critical current of the superconducting wire 21 cannot be greatly reduced only by applying this magnetic field. That is, it does not lead to a large difference in critical current between the layer of the second section 21b and the layer of the first section 21a of the superconducting wire 21.

そこで、実施例2では、緊急時の開操作の際、磁場の形成とともに、制御部15は、電流源13を作動させる。超電導コイル11が永久電流により励磁されている期間、電流源13は停止している。この状態で電流源13から電流を出力すると、超電導コイル11は大きなインダクタンスを有するため、流れる電流が余り変化せず、保護抵抗12には電気抵抗があるため大きな電流が流れず、電流源13の出力電流は主に永久電流スイッチ20に流れることになる。そして、超電導線材21の第2区間21bには強くはないが磁場が印加され、第1区間21aには磁場がほとんど印加されていないことから、第2区間21bの方が、第1区間21aよりも低い電流値で電圧および熱の発生を開始することになる。これにより、超電導線材21の第2区間21bが常電導状態に転移し、第2スイッチ部25Bが開となる。ここでは、電流値が400Aから480Aに増大した時点で超電導線材21の第2区間21bで電圧および熱が生じたとする。この熱は電流の大部分が流れている超電導層で生じて超電導層を真っ先に加熱するため、熱が発生した直後には、超電導層が臨界温度を超えて常電導状態へと転移し、これにより大きなジュール熱の発生が維持される。このため、制御部15は、永久電流スイッチ20の両端電圧がジュール熱の発生を示す電圧となった後、電流源13の出力をゼロに戻してよい。両端電圧は、永久電流スイッチ20の両端に接続される配線間に電圧検出部を設けておき、制御部15に電圧検出部の検出結果を入力することで、検出することができる。   Thus, in the second embodiment, the controller 15 activates the current source 13 along with the formation of the magnetic field during the emergency opening operation. While the superconducting coil 11 is excited by a permanent current, the current source 13 is stopped. When a current is output from the current source 13 in this state, the superconducting coil 11 has a large inductance, so that the flowing current does not change much, and the protective resistor 12 has an electric resistance, so that a large current does not flow. The output current mainly flows through the permanent current switch 20. And although it is not strong in the 2nd section 21b of the superconducting wire 21, a magnetic field is applied, and since the magnetic field is hardly applied to the 1st section 21a, the 2nd section 21b is more than the 1st section 21a. The generation of voltage and heat is started at a low current value. Thereby, the 2nd section 21b of the superconducting wire 21 transfers to a normal conducting state, and the 2nd switch part 25B is opened. Here, it is assumed that voltage and heat are generated in the second section 21b of the superconducting wire 21 when the current value increases from 400A to 480A. This heat is generated in the superconducting layer where most of the current flows and heats the superconducting layer first, so immediately after the heat is generated, the superconducting layer exceeds the critical temperature and transitions to the normal conducting state. The generation of larger Joule heat is maintained. Therefore, the control unit 15 may return the output of the current source 13 to zero after the voltage across the permanent current switch 20 becomes a voltage indicating the generation of Joule heat. The voltage at both ends can be detected by providing a voltage detection unit between the wirings connected to both ends of the permanent current switch 20 and inputting the detection result of the voltage detection unit to the control unit 15.

実施例2では、超電導線材21の第2区間21bの各部に比較的一様の磁場が印加される。このため、上述の第2区間21bの電圧および熱の発生は線材全体でほぼ同時に生じる。したがって、実施例1で述べたような熱をバイパスするための銅条などの構成を設ける必要はない。   In Example 2, a relatively uniform magnetic field is applied to each part of the second section 21 b of the superconducting wire 21. For this reason, the voltage and heat generation in the second section 21b described above occur almost simultaneously in the entire wire. Therefore, it is not necessary to provide a configuration such as a copper strip for bypassing heat as described in the first embodiment.

超電導線材21の第2区間21bの全長は49mであり、100Kでの電気抵抗は4.9Ω相当になる。しかし、第2スイッチ部25Bが開に切り替わったとき、永久電流スイッチ20の軸方向の両端部における磁場の形成が弱くなることを考慮して、40m程度の超電導線材21のみが常電導状態に転移したとする。すると、第2スイッチ部25Bの電気抵抗は4.0Ω程度になる。この場合、電流源13の出力がゼロに戻った時点で、永久電流スイッチ20の電流は80Aまで低下し、残る320Aは保護抵抗12に分流する。このときの超電導線材21の第2区間21bの発熱量は25.6kWで、この発熱量のうちほぼ全てが内周側の枠23へ流れていく。長さ40mの電気絶縁シート81の熱伝導度は0.48kW/Kであり、熱抵抗はその逆数の2.1K/kWに界面の効果分を加えてそれよりやや大きく2.5K/kW程度となる。超電導線材21の第2区間21bで25.6kWの発熱があると、これらの間に64Kの温度差が生じる。枠23は当初40Kなので超電導線材21の第2区間21bの温度は104K程度まで上昇し、超電導線材21の第2区間21bを確実に常電導状態に転移させることができる。   The total length of the second section 21b of the superconducting wire 21 is 49 m, and the electrical resistance at 100K is equivalent to 4.9Ω. However, when the second switch portion 25B is switched to the open state, only the superconducting wire 21 of about 40 m transitions to the normal conducting state in consideration of the weak magnetic field formation at both axial ends of the permanent current switch 20. Suppose that Then, the electrical resistance of the second switch part 25B becomes about 4.0Ω. In this case, when the output of the current source 13 returns to zero, the current of the permanent current switch 20 decreases to 80 A, and the remaining 320 A is shunted to the protection resistor 12. At this time, the heat generation amount of the second section 21b of the superconducting wire 21 is 25.6 kW, and almost all of the heat generation amount flows to the frame 23 on the inner peripheral side. The thermal conductivity of the electrical insulating sheet 81 having a length of 40 m is 0.48 kW / K, and the thermal resistance is slightly larger than that obtained by adding the effect of the interface to 2.1 K / kW which is the reciprocal thereof, and about 2.5 K / kW It becomes. If heat of 25.6 kW is generated in the second section 21b of the superconducting wire 21, a temperature difference of 64K occurs between them. Since the frame 23 is initially 40K, the temperature of the second section 21b of the superconducting wire 21 rises to about 104K, and the second section 21b of the superconducting wire 21 can be reliably transferred to the normal conducting state.

一方、第2スイッチ部25Bが開となって生じた熱量は、一部が熱伝導層84へ向かって流れるが、これらの間の熱抵抗は、超電導線材21の1mの線長分で500K/W以上であり、線材50mの線長分としても10K/W以上になる。この熱抵抗の両側に64Kの温度差が生じても流れる熱量は6W程度にとどまり、この熱量による超電導線材21の第1区間21aの温度上昇は13K程度である。温度が13K上昇しても、超電導線材21の第1区間21aの臨界電流が通電電流80Aを上回っていれば、第1区間21aに電圧およびそれに伴う熱が生じることはなく、第1スイッチ部25Aでは完全な閉状態が維持される。   On the other hand, a part of the heat generated when the second switch portion 25B is opened flows toward the heat conducting layer 84, and the thermal resistance between them is 500 K / min for the 1 m line length of the superconducting wire 21. It is W or more, and the wire length of the wire 50m is 10 K / W or more. Even if a temperature difference of 64K occurs on both sides of this thermal resistance, the amount of heat that flows is only about 6 W, and the temperature rise in the first section 21a of the superconducting wire 21 due to this amount of heat is about 13K. Even if the temperature rises by 13K, if the critical current of the first section 21a of the superconducting wire 21 exceeds the energization current 80A, no voltage and accompanying heat will be generated in the first section 21a. Then, the completely closed state is maintained.

第2スイッチ部25Bが開となって4Ωの電気抵抗が生じたとき、保護抵抗12の抵抗(1Ω)と超電導コイル11のインダクタンス(10H)とを含めた回路全体における電流減衰の時定数は12秒である。12秒の間に抵抗で消費されるエネルギーは、その12秒の始端の消費速度がそのまま12秒間続いた量の4割程度となる(厳密には(1−e−2)/2=0.43)。第2スイッチ部25Bが開となった直後のエネルギー消費は25.6kWなので、その後の12秒間の発熱量は約130kJである。この熱量は、冷却部14Aへの脱熱を考慮しても、重量12.3kgの枠23を40Kから90K以上に加熱するのに十分である。従って、12秒後の時点では、超電導線材21の第2区間21bはジュール熱が生じなくても第2スイッチ部25Bは安定的に開状態となっている。第2スイッチ部25Bが再び閉に切り替わるには、枠23の全体が冷却されるまで時間がかかり、その間に超電導コイル11の通電電流は十分に減衰される。 When the second switch portion 25B is opened and an electric resistance of 4Ω is generated, the time constant of current attenuation in the entire circuit including the resistance (1Ω) of the protective resistor 12 and the inductance (10H) of the superconducting coil 11 is 12 Seconds. The energy consumed by the resistance in 12 seconds is about 40% of the amount of the consumption speed at the beginning of the 12 seconds continued for 12 seconds (strictly, (1-e −2 ) / 2 = 0. 43). Since the energy consumption immediately after the second switch unit 25B is opened is 25.6 kW, the amount of heat generated for the subsequent 12 seconds is about 130 kJ. This amount of heat is sufficient to heat the frame 23 having a weight of 12.3 kg from 40K to 90K or more, even considering the heat removal to the cooling unit 14A. Accordingly, at the time point after 12 seconds, the second switch portion 25B is stably open in the second section 21b of the superconducting wire 21 even when no Joule heat is generated. In order for the second switch portion 25B to be closed again, it takes time until the entire frame 23 is cooled, during which the energization current of the superconducting coil 11 is sufficiently attenuated.

一方、超電導線材21の第1区間21aでは、第2スイッチ部25Bが開状態を維持する間に、ヒータ28の作動により温度が臨界温度以上に上昇する。これにより第1スイッチ部25Aが開になる。このとき、超電導コイル11の電流は十分に減衰していることから、超電導線材21の第1区間21aでは大きなジュール熱は発生せず、超電導線材21を損傷させる恐れはない。その後、第2スイッチ部25Bが閉に切り替わっても、第1スイッチ部25Aの開状態により、超電導コイル11を完全に消磁することができる。   On the other hand, in the first section 21a of the superconducting wire 21, the temperature rises to a critical temperature or higher due to the operation of the heater 28 while the second switch portion 25B is kept open. As a result, the first switch portion 25A is opened. At this time, since the current of the superconducting coil 11 is sufficiently attenuated, no large Joule heat is generated in the first section 21a of the superconducting wire 21, and there is no possibility of damaging the superconducting wire 21. Thereafter, even if the second switch part 25B is switched to the closed state, the superconducting coil 11 can be completely demagnetized by the open state of the first switch part 25A.

1 磁場発生装置
11 超電導コイル
12 保護抵抗
13 電流源
14 冷却装置
15 制御部
20、20A、20B 永久電流スイッチ
21 超電導線材
21a 第1区間
21a1 第1小区間
21a2 第2小区間
21b 第2区間
22 枠
23 枠
25A 第1スイッチ部
25B 第2スイッチ部
26 熱抵抗体
28、28a、28b ヒータ
29 マグネット
31 半導体スイッチ
74 銅条(熱伝導線材)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic field generator 11 Superconducting coil 12 Protection resistance 13 Current source 14 Cooling device 15 Control part 20, 20A, 20B Permanent current switch 21 Superconducting wire 21a 1st area 21a1 1st small area 21a2 2nd small area 21b 2nd area 22 Frame 23 Frame 25A 1st switch part 25B 2nd switch part 26 Thermal resistor 28, 28a, 28b Heater 29 Magnet 31 Semiconductor switch 74 Copper strip (heat conduction wire)

Claims (10)

超電導線材の第1区間を含む第1スイッチ部と、
前記超電導線材の第2区間と、前記第1スイッチ部より大きな熱容量を有する熱伝導体とを含み、前記超電導線材の前記第2区間と前記熱伝導体とが熱的に結合された第2スイッチ部と、
前記第1スイッチ部と前記第2スイッチ部との間に介在し、前記第1スイッチ部と前記第2スイッチ部とを熱的に分離させる熱抵抗体と、
前記超電導線材の前記第1区間を加熱可能なヒータと、
前記超電導線材の前記第2区間に磁場を印加可能なマグネットと、
を備えることを特徴とする永久電流スイッチ。
A first switch portion including a first section of superconducting wire;
A second switch including a second section of the superconducting wire and a heat conductor having a larger heat capacity than the first switch unit, wherein the second section of the superconducting wire and the heat conductor are thermally coupled. And
A thermal resistor interposed between the first switch unit and the second switch unit to thermally separate the first switch unit and the second switch unit;
A heater capable of heating the first section of the superconducting wire;
A magnet capable of applying a magnetic field to the second section of the superconducting wire;
A permanent current switch comprising:
前記超電導線材は、希土類系超電導線材又はビスマス系超電導線材であ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。   The permanent current switch according to claim 1, wherein the superconducting wire is a rare earth-based superconducting wire or a bismuth-based superconducting wire. 前記第2スイッチ部は、
前記超電導線材の前記第2区間と電気的に絶縁された熱伝導線材を更に含み、前記超電導線材の前記第2区間と前記熱伝導線材とが巻枠に共に巻回されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の永久電流スイッチ。
The second switch unit is
It further includes a heat conducting wire that is electrically insulated from the second section of the superconducting wire, and the second section of the superconducting wire and the heat conducting wire are wound together on a reel. The permanent current switch according to claim 1 or 2.
前記超電導線材の前記第1区間と前記第2区間とが互いに逆の巻回方向に巻回され、
前記超電導線材の前記第1区間及び前記第2区間の合成インダクタンスは、前記超電導線材の前記第1区間の自己インダクタンスと前記超電導線材の前記第2区間の自己インダクタンスとの合計より、小さいことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。
The first section and the second section of the superconducting wire are wound in opposite winding directions;
The combined inductance of the first section and the second section of the superconducting wire is smaller than the sum of the self-inductance of the first section of the superconducting wire and the self-inductance of the second section of the superconducting wire. The permanent current switch according to any one of claims 1 to 3.
前記超電導線材の少なくとも一部の区間と電気的に並列接続された半導体スイッチを更に備えることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。   5. The permanent current switch according to claim 1, further comprising a semiconductor switch electrically connected in parallel with at least a part of the superconducting wire. 6. 前記第1スイッチ部は、互いに熱容量が異なる第1部分と第2部分とを有し、
前記ヒータは、前記第1部分を加熱可能な第1ヒータと、前記第2部分を加熱可能な第2ヒータとを含むことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。
The first switch unit includes a first part and a second part having different heat capacities,
6. The heater according to claim 1, wherein the heater includes a first heater capable of heating the first portion and a second heater capable of heating the second portion. Of permanent current switch.
互いに並列に接続された、超電導コイル、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ、保護抵抗及び電流源と、
前記超電導コイル及び前記永久電流スイッチを冷却する冷却装置と、
前記永久電流スイッチを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記超電導コイルの消磁要求に基づいて前記マグネット及び前記ヒータを作動させ、前記マグネットの磁場の作用により前記第2スイッチ部を開に切り替えた後、前記ヒータの加熱により前記第1スイッチ部を開に切り替えることを特徴とする磁場発生装置。
Superconducting coils connected in parallel to each other, the permanent current switch according to any one of claims 1 to 6, a protective resistor and a current source;
A cooling device for cooling the superconducting coil and the permanent current switch;
A control unit for controlling the permanent current switch;
With
The control unit operates the magnet and the heater based on a demagnetization request of the superconducting coil, switches the second switch unit to open by the action of the magnetic field of the magnet, and then heats the first. A magnetic field generator characterized in that the switch part is switched to open.
前記制御部は、前記マグネットの磁場の作用により前記第2スイッチ部を開に切り替える際に、前記電流源に電流を出力させることを特徴とする請求項7記載の磁場発生装置。   The magnetic field generator according to claim 7, wherein the control unit causes the current source to output a current when the second switch unit is opened by the action of the magnetic field of the magnet. 互いに並列に接続された、超電導コイル、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ、保護抵抗及び電流源と、前記超電導コイル及び前記永久電流スイッチを冷却する冷却装置とを備える磁場発生装置の制御方法であって、
前記マグネット及び前記ヒータを作動させ、前記マグネットの磁場の作用により前記第2スイッチ部を開に切り替えた後、前記ヒータの加熱により前記第1スイッチ部を開に切り替えて、前記超電導コイルを消磁することを特徴とする磁場発生装置の制御方法。
A superconducting coil connected in parallel to each other, the permanent current switch according to any one of claims 1 to 6, a protective resistor and a current source, and a cooling device for cooling the superconducting coil and the permanent current switch. A method of controlling a magnetic field generator comprising:
The magnet and the heater are operated, the second switch part is switched to open by the action of the magnetic field of the magnet, and then the first switch part is switched to open by heating the heater to demagnetize the superconducting coil. A method for controlling a magnetic field generator.
前記マグネットの磁場の作用により前記第2スイッチ部を開に切り替える際、前記電流源に電流を出力させることを特徴とする請求項9記載の磁場発生装置の制御方法。   10. The method of controlling a magnetic field generator according to claim 9, wherein when the second switch unit is switched to open by the action of the magnetic field of the magnet, the current source is caused to output a current.
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