JP2021118186A

JP2021118186A - 超電導電磁石

Info

Publication number: JP2021118186A
Application number: JP2020007977A
Authority: JP
Inventors: 圭小柳; Kei Koyanagi; 寛史宮崎; Hiroshi Miyazaki; 正平高見; Shohei Takami; 貞憲岩井; Sadanori Iwai; 研介寺本; Kensuke Teramoto
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2040-01-22
Also published as: JP7242580B2

Abstract

【課題】熱伝導方式で冷却するに際し、クエンチ発生のリスクを低減する超電導電磁石を提供する。【解決手段】超電導電磁石１０は、第１超電導線材１１が巻回し誘導磁場を生成する主コイル１５と、無誘導巻の第２超電導線材及びこの第２超電導線材を超電導状態から常電導状態に切り替える発熱部を含む永久電流スイッチ１７と、主コイル１５から第１引出線１１ａとして引き出される一対の第１超電導線材１１及び永久電流スイッチ１７から第２引出線１２ａとして引き出される一対の第２超電導線材を並列接続する接続部材１８と、主コイル１５及び接続部材１８を支持するとともに極低温冷凍機３０から供給される冷熱を伝達する第１伝熱部材２１と、第１伝熱部材２１から永久電流スイッチ１７に冷熱を伝達するとともに第２引出線１２ａを支持する第２伝熱部材２２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、熱伝導方式で冷却する超電導電磁石に関する。

永久電流を循環させて誘導磁場を発生させる超電導電磁石の冷却は、液体ヘリウム浸漬方式が従来主流であった。近年、極低温冷凍機が供給する冷熱で超電導電磁石を直接冷却する熱伝導方式が検討されている。これら二つの方式のいずれであっても、超電導電磁石の起動時に、永久電流スイッチ（ＰＣＳ）が使用される。すなわち、永久電流スイッチをＯＦＦ設定にし、電源から励磁電流を供給して主コイルに誘導磁場を発生させる（ドリブンモード）。しかる後に、永久電流スイッチをＯＮ設定に切り替え、さらに励磁電流の供給を徐々に減らして、永久電流モード（ＰＣモード）に移行させる。

永久電流スイッチは、超電導線材の無誘導巻コイルとヒータ線とを備えている。そして、冷却状態の無誘導巻コイルを加熱／除熱することで常電導状態／超電導状態を切り替え、永久電流スイッチのＯＦＦ／ＯＮ設定がなされる。

冷却が液体ヘリウム浸漬方式の場合、永久電流スイッチのＯＦＦ設定時の発熱は、無誘導巻コイルを昇温させる以外は、冷媒である液体ヘリウム中に散逸されてしまう。このため、永久電流スイッチのＯＦＦ設定時の発熱が主コイルに影響を及ぼすことについて、検討する必要性は特になかった。

特開２０１８−０１０９４８号公報

しかし冷却が熱伝導方式の場合、永久電流スイッチのＯＦＦ設定時の発熱の一部は、主コイルに到達してしまう。この到達熱により主コイルの温度が上昇し、超電導の臨界点を超えて常伝導転移（クエンチ）に至ることが懸念される。

また主コイルの超電導線材のマトリクスに純銅が用いられているのに対し、永久電流スイッチの超電導線材にはマトリクスに高抵抗の合金（ＣｕＮｉ）が用いられている。このＣｕＮｉマトリクスを持つ線材は、銅マトリクスを持つ超電導線材と比べて安定性が低く、磁気的不安定性によってクエンチが生じ易い。このため熱伝導方式で冷却する超電導電磁石では、永久電流スイッチ及びその周辺にクエンチ発生のリスクを抱えているといえる。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、熱伝導方式で冷却するに際し、クエンチ発生のリスクを低減する超電導電磁石を提供することを目的とする。

実施形態に係る超電導電磁石において、第１超電導線材が巻回し誘導磁場を生成する主コイルと、無誘導巻の第２超電導線材及びこの第２超電導線材を超電導状態から常電導状態に切り替える発熱部を含む永久電流スイッチと、前記主コイルから第１引出線として引き出される一対の前記第１超電導線材及び前記永久電流スイッチから第２引出線として引き出される一対の前記第２超電導線材を並列接続する接続部材と、前記主コイル及び前記接続部材を支持するとともに極低温冷凍機から供給される冷熱を伝達する第１伝熱部材と、前記第１伝熱部材から前記永久電流スイッチに前記冷熱を伝達するとともに前記第２引出線を支持する第２伝熱部材と、を備える。

本発明の実施形態により、熱伝導方式で冷却するに際し、クエンチ発生のリスクを低減する超電導電磁石が提供される。

本発明の実施形態に係る超電導電磁石の縦断面図。図１のＡ記号で示される超電導電磁石の部分拡大図。実施形態に係る超電導電磁石の回路図。（Ａ）主コイル及び第１引出線を形成する第１超電導線材の断面を示す概念図、（Ｂ）永久電流スイッチ及び第２引出線を形成する第２超電導線材の断面を示す概念図。第１超電導線材及び第２超電導線材を構成する超電導体及びマトリクス体の温度に対する電気抵抗値の変化を示すグラフ。超電導状態の三つの臨界点（臨界電流Ｉｃ，臨界温度Ｔｃ，臨界磁場Ｈｃ）を説明するグラフ。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）超電導電磁石の励磁工程を説明するグラフ。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）第２伝熱部材における第２引出線の支持機構の実施形態を示す断面図。第２伝熱部材の他の実施形態を示す側断面図。第２伝熱部材の他の実施形態を示す側断面図。（Ａ）第２伝熱部材の他の実施形態を示す側断面図、（Ｂ）そのＢ−Ｂ断面図。比較例に係る超電導電磁石の部分拡大図。比較例に係る超電導電磁石の回路図。比較例に係る超電導電磁石のクエンチ電流値を示すグラフ。（ａ）（ｂ）（ｃ）第２伝熱部材と第２引出線との熱接触性能の効果を確認する実験サンプルの部分断面図。図１５の実験サンプルの各種設定温度におけるクエンチ電流値を示すグラフ。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は実施形態に係る超電導電磁石１０の縦断面図である。図２は図１のＡ記号で示される超電導電磁石１０の部分拡大図である。

このように超電導電磁石１０は、第１超電導線材１１が巻回し誘導磁場を生成する主コイル１５と、無誘導巻の第２超電導線材１２及びこの第２超電導線材１２を超電導状態から常電導状態に切り替える発熱部１６を含む永久電流スイッチ１７と、主コイル１５から第１引出線１１ａとして引き出される一対の第１超電導線材１１及び永久電流スイッチ１７から第２引出線１２ａとして引き出される一対の第２超電導線材１２を並列接続する接続部材１８と、主コイル１５及び接続部材１８を支持するとともに極低温冷凍機３０から供給される冷熱を伝達する第１伝熱部材２１と、第１伝熱部材２１から永久電流スイッチ１７に冷熱を伝達するとともに第２引出線１２ａを支持する第２伝熱部材２２と、を備えている。

上述した主コイル１５、永久電流スイッチ１７、第１伝熱部材２１及び第２伝熱部材２２は、超電導転移の臨界温度Ｔｃ以下に保たれる必要があるため、断熱真空容器２８に収容されている。この断熱真空容器２０は、超電導電磁石１０が設置される環境（室温：約３００Ｋ)からの熱侵入の影響を低減するためさらに輻射シールド２９を構成に持つ。なお輻射シールド２９、第１伝熱部材２１及び永久電流スイッチ１７の重量は、図示されない支持部材により断熱真空容器２８から支持されている。

実施形態において極低温冷凍機３０としてＧＭ冷凍機３０が例示されている。ＧＭ冷凍機３０の第１冷凍ステージ３１と輻射シールド２９とが接続され、第２冷凍ステージ３２と第１伝熱部材２１とが接続されている。コンプレッサ（図示略）からＧＭ冷凍機３０に封入される作動ガス（Ｈｅガス等）の断熱圧縮の効果により、輻射シールド２９は４０Ｋ程度に冷却され第１伝熱部材２１は４Ｋ程度に冷却される。

なお採用される極低温冷凍機３０は、上述したＧＭ冷凍機に限定されるものではない。パルスチューブ冷凍機、クロード冷凍機、スターリング冷凍機など、極低温を生成するものであれば適宜採用される。

図３は実施形態に係る超電導電磁石１０の回路図である。このように超電導電磁石１０には、並列接続する永久電流スイッチ１７及び主コイル１５に、励磁電源３５が接続されている。このように回路が形成されることにより、ドリブンモードにおいて励磁電源３５及び主コイル１５が閉回路を形成し、永久電流モード（ＰＣモード）において主コイル１５及び永久電流スイッチ１７が閉回路を形成する。

主コイル１５は、第１超電導線材１１が一方向に巻回して構成され、電流が流れることで誘導磁場を生成する。永久電流スイッチ１７には、第２超電導線材１２がそれぞれ逆方向に巻回された二つのコイルが直列に接続され、電流が流れても誘導磁場を生成しない無誘導巻コイルが配置されている。そして永久電流スイッチ１７の発熱部１６は、無誘導巻コイルに近接配置される電気抵抗体３７と、この電気抵抗体３７に供給する電力を制御して発熱させ超電導状態の無誘導巻コイルを常電導状態に変化させる電力制御器３６と、を有している。

主コイル１５から引き出される一対の第１引出線１１ａ（第１超電導線材１１）の終端は、接続部材１８に接続されている。また永久電流スイッチ１７から引き出される一対の第２引出線１２ａ（第２超電導線材１２）の終端も、接続部材１８に接続されている。このように主コイル１５と永久電流スイッチ１７は並列に接続し閉回路を形成する。

図４（Ａ）は主コイル１５及び第１引出線１１ａを形成する第１超電導線材１１の断面を示す概念図である。図４（Ｂ）は永久電流スイッチ１７及び第２引出線１２ａを形成する第２超電導線材１２の断面を示す概念図である。

このように第１超電導線材１１及び第２超電導線材１２は、設定温度によって超電導状態と常電導状態とが切り替わる超電導体４１と、設定温度によらず常電導状態を示すマトリクス体４２（４２ａ，４２ｂ）とから構成されている。なお、マトリクス体４２と超電導体４１とは、断面視において海島状に形成されているが、このような構造に限定されるものではなく例えば層状に形成される場合もある。

図５は、第１超電導線材１１及び第２超電導線材１２を構成する超電導体４１及びマトリクス体４２（４２ａ，４２ｂ）の温度に対する電気抵抗値の変化を示すグラフである。超電導体４１は、臨界温度Ｔｃよりも低温では、電気抵抗値がゼロとなり、永久電流を流すことができる。一方で、超電導体４１は、臨界温度Ｔｃを超えると急激に電気抵抗値が上昇し、さらに温度上昇とともに電気抵抗値は上昇する。なお実施形態において、広く実用化されているＮｂＴｉ合金が超電導体４１として例示されているが、これに限定されることは無い。

第１超電導線材１１のマトリクス体４２ａは電気抵抗値の小さい無酸素胴で構成され、第２超電導線材１２のマトリクス体４２ｂは無酸素胴よりも電気抵抗値の大きい銅合金で構成されている。このように第２超電導線材１２のマトリクス体４２ｂの電気抵抗値を大きくする理由は、後述するように、永久電流スイッチ１７がＯＦＦ設定される（電気抵抗体３７が発熱する）ドリブンモードにおいて、十分大きな電気抵抗値を有する必要があるためである。

図６は、超電導状態の三つの臨界点（臨界電流Ｉｃ，臨界温度Ｔｃ，臨界磁場Ｈｃ）を説明するグラフである。これら臨界点をいずれか一つでも超過してしまうと、超電導線材１１，１２は、超電導状態から常電導状態に転移（クエンチ）して、焼損する場合がある。またこのグラフから解るように、超電導線材１１，１２の温度が臨界温度Ｔｃよりも低温であっても、設定温度がＴ₁からＴ₂に上昇すると臨界電流Ｉ₁からＩ₂に低下してしまう。このため永久電流スイッチ１７をＯＦＦ設定するときの電気抵抗体３７の発熱が、主コイル１５に極力伝達されないようにする必要がある。

図７のグラフに基づいて（適宜、図３参照）、超電導電磁石１０の励磁工程を説明する。まず主コイル１５及び永久電流スイッチ１７を共に超電導状態を示す温度Ｔ₁まで冷却する。次に図７（Ａ）に示すように、発熱部１６の制御を有効にして電気抵抗体３７を発熱させ、図７（Ｂ）に示すように、永久電流スイッチ１７のコイルが常電導状態を示す温度Ｔ₃まで昇温させる。時点ｔ₁から開始した昇温過程において、コイル温度が臨界温度Ｔ_ｃを超えた時点ｔ₂で、永久電流スイッチ１７はＯＦＦ設定となり、励磁電源３５と主コイル１５を含む閉回路が形成される。なお、この閉回路を形成する電気抵抗体３７の発熱は、主コイル１５の望まない昇温に寄与しないよう、第１伝熱部材２１への熱伝達が後述する構成により抑制されている。

図７（Ｃ）に示すように、永久電流スイッチ１７がＯＦＦ設定となった時点ｔ₂において励磁電源３５を起動し、励磁電流値Ａ₁が正の傾きを有するように、主コイル１５の閉回路に電流を流す。そして、この励磁電流値Ａ₁が定格値に到達したところで、主コイル１５の閉回路に流す電流を一定にし、ドリブンモードが達成される。

ドリブンモードに到達した後、図７（Ａ）に示すように時点ｔ₃において、発熱部１６の制御を無効にする。すると図７（Ｂ）に示すように永久電流スイッチ１７の温度は降下する。時点ｔ₃から開始した降温過程において、コイル温度が臨界温度Ｔ_ｃを下回った時点ｔ₄で、永久電流スイッチ１７はＯＮ設定となる。なおこの降温過程において永久電流スイッチ１７から第１伝熱部材２１への熱伝達が速やかであることが、時点ｔ₃と時点ｔ₄との時間差を短縮し、永久電流スイッチ１７のＯＮ設定を早期に達成でき好ましい。この要請事項は、上述した主コイル１５の昇温抑制の要請とトレードオフの関係にあるが、バランスを考慮した設計がなされている。

永久電流スイッチ１７がＯＮ設定に回復した時点ｔ₄において、主コイル１５及び永久電流スイッチ１７の閉回路が形成される。すると、図７（Ｃ）に示すように、励磁電流値Ａ₁が負の傾きを有するように、励磁電源３５が制御される。この過程においてレンツの法則に基づき、図７（Ｄ）に示すように、主コイル１５を貫通する誘導磁場を変化させないよう主コイル１５及び永久電流スイッチ１７の閉回路に永久電流が誘導される。この永久電流の電流値Ａ₂は、励磁電流値Ａ₁の減少に反比例して増加し、励磁電流値Ａ₁が０になった時点ｔ₅において一定値となる。この時点ｔ₅において、起電力無しで主コイル１５に定常電流が流れ続ける永久電流モードが達成される。

図１に戻って説明を続ける。第１伝熱部材２１は、機械剛性が高く、磁化せず、熱伝導率が大きい、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミ合金等の材質で構成される。そして第１伝熱部材２１は、断熱真空容器２８の内側から支持部材（図示略）で支持され、当接する極低温冷凍機３０から冷熱の供給を受ける。この極低温冷凍機３０から供給された冷熱は、第１伝熱部材２１を伝達して支持される主コイル１５、第１引出線１１ａ及び接続部材１８に供給される。さらに極低温冷凍機３０から供給された冷熱は、第１伝熱部材２１を経由して、第２伝熱部材２２に伝達され、永久電流スイッチ１７に供給される。

第２伝熱部材２２は、基端が第１伝熱部材２１に固定され、先端で永久電流スイッチ１７を支持している。さらに第２伝熱部材２２は、接続部材１８から永久電流スイッチ１７の無誘導コイルに連続する第２引出線１２ａの渡り区間を形成している。このように第２伝熱部材２２は、第１伝熱部材２１から永久電流スイッチ１７に冷熱を伝達するとともに第２引出線１２ａを支持している。

なお永久電流スイッチ１７の重量は、第２伝熱部材２２に全て負担される場合もあるし、重量の一部が、断熱真空容器２８又は第１伝熱部材２１から直接伸びる支持部材（図示略）により支持される場合もある。また永久電流スイッチ１７に供給される冷熱も、第２伝熱部材２２を経由する以外に、第１伝熱部材２１から伸びるその他の伝熱部材（図示略）により伝達される場合もある。

第２引出線１２ａ（第２超電導線材１２）のマトリクス体４２ｂである銅合金は、第１引出線１１ａ（第１超電導線材１１）のマトリクス体４２ａである無酸素銅（純銅）よりも、熱伝導率が１桁以上小さい。このため第１伝熱部材２１と永久電流スイッチ１７との間の熱伝達は、第２引出線１２ａを経由するものは無視できるほど小さく、ほとんど全てが第２伝熱部材２２を経由する。

この第２引出線１２ａは、第２伝熱部材２２に接触していることにより、極低温冷凍機３０からの冷熱の供給を受ける。第２引出線１２ａと第２伝熱部材２２とは、治具で押さえる等の機械的手段や接着材やろう材等による固着により、両者の熱接触を良好にしている。

また第２引出線１２ａと第２伝熱部材２２とは、電気絶縁材２４を介在させて互いを接触させてもよい。シート状の電気絶縁材２４が介在することで、電気的には絶縁しつつコンダクタンスの小さい熱接触をとることができる。電気絶縁材２４としては、例えば、ポリイミドなどの薄いシートや、その他に繊維強化プラスチック、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、アルミナ、ポリアミド（ナイロン）、ポリエチレン、塩化ビニル、フッ素樹脂あるいはそれらを成分として含む材料等が挙げられる。

第２伝熱部材２２は、第２引出線１２ａに沿う途中経路に、両端部２５，２７と対比して断面が縮小する絞り部２６が設けられている。つまり、第１伝熱部材２１に熱接触する伝熱部分２５及び永久電流スイッチ１７に熱接触する伝熱部分２７と比べて、この絞り部２６は、長手方向と直交する断面積が縮小した狭隘部分となっている。なお図示において上下方向の寸法が絞られている態様を示しているが、奥行方向の寸法が絞られる態様も有りえる

このような絞り部２６の設計寸法を調整することで、第１伝熱部材２１に熱伝導してしまう永久電流スイッチ１７のＯＦＦ設定時の発熱の一部を、律速することができる。換言すると、第１伝熱部材２１から永久電流スイッチ１７への冷熱の良好な熱伝導を妨げずに、その逆方向の熱伝導を抑制する機器設計を容易化する。

つまり、実際の機器設計において、第２伝熱部材２２は複雑に曲がった形状をとることが避けられず、断面積一定として電熱計算をするのに困難を伴う。しかし、上述のような絞り部２６を備えることにより、電熱計算を容易化する。なお、本発明は、絞り部２６を持たずに断面積が一定である第２伝熱部材２２の適用を排除するわけではない。

図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は第２伝熱部材２２における第２引出線１２ａの支持機構の実施形態を示す断面図である。このような支持機構が採用されることで、第２引出線１２ａと第２伝熱部材２２との熱接触性能が向上し、第２引出線１２ａの冷却が促進される。これにより第２引出線１２ａに機械擾乱や侵入した磁束の分布の変化など何らかの不安定性要因が生じた場合であっても、これら要因により発生じた熱を、速やかに放出できる。

図８（Ａ）では、第２伝熱部材２２の表面に、第２引出線１２ａがエポキシ樹脂のような固定材４６で固着されている。さらに第２引出線１２ａと第２伝熱部材２２との間に絶縁層４７を介在させてもよい。また、固定材４６は、押さえ治具等の機械的な部品であっても良い。

図８（Ｂ）では、第２伝熱部材２２の表面に、第２引出線１２ａの外周片側面の反転形状を有する溝４８が、刻設されている。そしてこの溝４８に第２引出線１２ａが係合して配置されている。

図８（Ｃ）では、第２引出線１２ａの外周全体を覆うように第２伝熱部材２２が設けられている。この場合、第２伝熱部材２２は、分割構造を有し、それぞれの分割体の表面には第２引出線１２ａに対向する外周面の反転形状を有する溝が設けられている。そして、これら分割体が第２引出線１２ａを挟み込むように構成される。これにより、第２引出線１２ａは、外周全面にわたり第２伝熱部材２２との熱接触性能が向上し、冷却がさらに促進される。

図８（Ｄ）では、第２伝熱部材２２が、第２引出線１２ａと同様のワイヤ形状を持つ。そして、互いにワイヤ形状を持つ第２伝熱部材２２及び第２引出線１２ａが線状に外接し合っている。両者が外接する線状の熱接触は、はんだ付け、ろう付け、樹脂による固着等で良好性が担保される。なお図示される第２伝熱部材２２は、丸断面を有するものが例示されているが矩形断面を有している場合もあり、この第２伝熱部材２２の断面形状に特に限定はない。

なお、上述した図８（Ａ）〜（Ｄ）において、第２引出線１２ａと第２伝熱部材２２との間の絶縁性が他の手段により保たれている場合、絶縁層４７を省略してもよい。また図示される第２引出線１２ａは、丸断面を有するものが例示されているが、この第２引出線１２ａの断面形状に特に限定はない。

ところで、永久電流スイッチ１７の内部で無誘導巻コイルとして巻回されている第２超電導線材１２の長さは、第２引出線１２ａの長さと対比して桁違いに大きい。しかし、無誘導巻コイルとして巻回されている第２超電導線材１２は、クエンチの兆候が現れても隣接線材に熱を容易に逃がすことができるため、第２引出線１２ａと対比して熱的に安定しているといえる。

図９、図１０及び図１１（Ａ）は第２伝熱部材２２の他の実施形態を示す側断面図である。図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。なお、図９〜図１１において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

図９における第２伝熱部材２２は、第２引出線１２ａに沿って熱伝導率の異なる二種類以上の部材２５，３８，２７から構成されている。具体的には、部材２５，２７には無酸素銅、部材３８には無酸素銅よりも熱伝導率の低い材料を使用して構成される。そのような材料としては、体積抵抗率２×１０^-４Ωｍ以上の銅あるいは銅合金が挙げられる。図９のように構成される第２伝熱部材２２で得られる効果は、図２のように構成される第２伝熱部材２２と同様の効果が得られる。また、図９で示す第２伝熱部材２２に、図２で示す第２伝熱部材２２の構成要素を追加してもよい。

図１０における第２伝熱部材２２は、第２引出線１２ａに接触する中間部材３９と、この中間部材３９とは分離してその両端に位置する端部材２５，２７と、中間部材３９及び端部材２５，２７の連結面と第２引出線１２ａ及び端部材２５，２７の接触面とに配置される電気絶縁材２４と、を有する。

このように構成されることにより第２引出線１２ａから中間部材３９に熱を効率的に逃がすことができ、かつ第２引出線１２ａを流れる電流をショートさせることも防止できる。なお第２引出線１２ａと中間部材３９の熱接触は、樹脂などで固着させる方法でも良いし、はんだ付け，ろう付けなどでも良い。図１０のように構成される第２伝熱部材２２で得られる効果は、図２又は図９のように構成される第２伝熱部材２２と同様の効果が得られる。また、図１０で示す第２伝熱部材２２に、図２又は図９で示す第２伝熱部材２２の構成要素を追加してもよい。

図１１では、第２伝熱部材２２と第２引出線１２ａを挟み込むように配置される当接部材２３を備えている。なお第２引出線１２ａと当接部材２３との接触面には、電気絶縁を施す必要はない。このように構成されることにより第２引出線１２ａから当接部材２３に熱を効率的に逃がすことができる。また、図１１で示す第２伝熱部材２２に、図２、図９又は図１０で示す第２伝熱部材２２の構成要素を追加してもよい。

次に本実施形態の効果を確認した実施例について説明する。図１２は比較例に係る超電導電磁石の部分拡大図である。比較例に係る超電導電磁石（図１２）は、実施形態における第２伝熱部材２２に対応するものを設けていない。さらに、比較例における永久電流スイッチ１７の冷却は、第１伝熱部材２１を延長して接触させ、冷熱を直接供給することにより実現している。

図１３は比較例に係る超電導電磁石の回路図である。なお本実証実験は、主コイル１５（図１２）を省略した状態で行っている。このように表される回路図で、電流値Ａが１００Ａ／ｍｉｎの速度で増加するように励磁電源３５を制御する。そして、回路図（図１３）で示した、Ｖ_p，Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₅，Ｖ₆，Ｖ₃，Ｖ₄，Ｖ_n接点で規定される区間の電位差を計測することで、当該区間におけるクエンチ発生の徴候を検出する。

永久電流スイッチ１７に巻回される第２超電導線材１２及び第２引出線１２ａは、ＮｂＴｉの超電導体４１及びＣｕ−１０％Ｎｉのマトリクス体４２ｂで構成されている。そして第１引出線１１ａは、ＮｂＴｉの超電導体４１及びＣｕのマトリクス体４２ａで構成されている。そして、いずれも直径が０．９ｍｍ、マトリクス体／超電導体の比が１．３のものを使用した。

図１４は比較例に係る超電導電磁石のクエンチ電流値Ｉ_qを示すグラフである。図１３の破線部で示す領域において、温度を４．２Ｋ，５Ｋ，６Ｋ，７Ｋ，８Ｋと変化させ、さらに外部磁場を１．２Ｔ，２．０Ｔ，３．０Ｔと変化させた。そして、Ｖ_p，Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₅，Ｖ₆，Ｖ₃，Ｖ₄，Ｖ_n接点で規定されるいずれかの区間で電位差の立ち上がりを検出した時点をクエンチの徴候としてとらえる。そして、この検出時点の電流値Ａをクエンチ電流値Ｉ_qとして当該区間の属性情報とともにグラフにプロットする。そして励磁電源３５の出力を０に戻し、温度及び／又は外部磁場を条件変更し、再び１００Ａ／ｍｉｎの速度で電流値Ａを再び増加させて、上述の試験を繰り返した。

第１引出線１１ａ及び第２引出線１２ａのフィラメント断面積から期待される臨界電流値は、例えば温度４．２Ｋ、磁場１．２Ｔ中で、約１，１００Ａ前後と見積もられる。この値に対して、比較例では、いずれの条件においてもクエンチ電流値Ｉ_qが３００Ａ〜４００Ａ前後と期待値の４割程度と低い結果になった。

次に、上述の試験を図１１の実施形態に対して行った。そうしたところ電流値を６００Ａまで上げてもクエンチの徴候が検出されないことを確認した。これより、実施形態において、クエンチ発生のリスクが低減することが実証された。

図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）は第２伝熱部材２２と第２引出線１２との熱接触性能の効果を確認する実験サンプルの部分断面図である。それぞれの実験サンプルは、第２伝熱部材２２に見立てたステンレス製の円筒ホルダ５１に、第２超電導線材１２を巻回して作製されている。そして実験サンプル（ａ）（ｂ）（ｃ）を、極低温冷凍機３０（図１）の先端に取り付けて、真空容器内で伝導冷却し、外部磁場中で通電し、クエンチ電流値Ｉ_qを測定した。

それぞれの実験サンプル（ａ）（ｂ）（ｃ）に巻回される第２超電導線材１２は、ＮｂＴｉの超電導体４１及びＣｕ−３０％Ｎｉのマトリクス体４２ｂで構成されている。そして、いずれも直径が０．５ｍｍ、マトリクス体／超電導体の比が１．２４のものを使用した。

実験サンプル（ａ）は、ステンレス製の円筒ホルダ５１に、第２超電導線材１２を巻き付け、エポキシ樹脂５２で固定したものである。実験サンプル（ｂ）は、ステンレス製の円筒ホルダ５１に第２超電導線材１２を巻き付け、はんだ５３で固定したものである。実験サンプル（ｂ）は、第２超電導線材１２を、断面積約１．５ｍｍ²の無酸素銅５４にはんだ５３で固定し、ステンレス製の円筒ホルダ５１に巻き付けたものである。このように作製された実験サンプル（ａ）（ｂ）（ｃ）は、この順番で、第２超電導線材１２の熱接触性能が優れている。

図１６は、図１５の実験サンプル（ａ）（ｂ）（ｃ）の各種設定温度におけるクエンチ電流値Ｉ_qを示すグラフである。外部磁場は１．２テスラに設定されている。図１６より、クエンチ電流値Ｉ_qの温度依存傾向がいずれの実験サンプル（ａ）（ｂ）（ｃ）においても同様に観測される。さらに熱接触性能が優れる実験サンプル（ａ）（ｂ）（ｃ）の順番で、検出されるクエンチ電流値Ｉ_qが上昇することも観測される。また同一の温度・磁場条件下で検出されるクエンチ電流値Ｉ_qのバラツキが１〜２Ａ程度で再現性が良好であることから、クエンチの要因に機械的な擾乱は含まれないといえる。これより、第２引出線１２ａの冷却性能を向上させた実施形態において、クエンチ発生のリスクが低減することが実証された。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の超電導電磁石によれば、極低温冷凍機３０から冷熱を伝達する第２伝熱部材２２で永久電流スイッチ１７の第２引出線１２ａを支持することにより、クエンチ発生のリスクを低減する超電導電磁石を提供することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…超電導電磁石、１１…第１超電導線材、１１ａ…第１引出線、１２…第２超電導線材、１２ａ…第２引出線、１５…主コイル、１６…発熱部、１７…永久電流スイッチ、１８…接続部材、２０…断熱真空容器、２１…第１伝熱部材、２２…第２伝熱部材、２３…当接部材、２４…電気絶縁材、２６…絞り部、２８…断熱真空容器、２９…輻射シールド、３０…極低温冷凍機（ＧＭ冷凍機）、３１…第１冷凍ステージ、３２…第２冷凍ステージ、３５…励磁電源、３６…電力制御器、３７…電気抵抗体、３８…部材、３９…中間部材、４１…超電導体、４２（４２ａ，４２ｂ）…マトリクス体、４６…固定材、４７…絶縁層、４８…溝、５１…円筒ホルダ、５２…エポキシ樹脂、５４…無酸素銅。

Claims

第１超電導線材が巻回し誘導磁場を生成する主コイルと、
無誘導巻の第２超電導線材及びこの第２超電導線材を超電導状態から常電導状態に切り替える発熱部を含む永久電流スイッチと、
前記主コイルから第１引出線として引き出される一対の前記第１超電導線材及び前記永久電流スイッチから第２引出線として引き出される一対の前記第２超電導線材を並列接続する接続部材と、
前記主コイル及び前記接続部材を支持するとともに極低温冷凍機から供給される冷熱を伝達する第１伝熱部材と、
前記第１伝熱部材から前記永久電流スイッチに前記冷熱を伝達するとともに前記第２引出線を支持する第２伝熱部材と、を備える超電導電磁石。
請求項１に記載の超電導電磁石において、
前記第２伝熱部材は、前記第２引出線に沿う途中経路に断面が縮小する絞り部が設けられている超電導電磁石。
請求項１又は請求項２に記載の超電導電磁石において、
前記第２伝熱部材は、前記第２引出線に沿って熱伝導率の異なる二種類以上の部材から構成される超電導電磁石。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導電磁石において、
前記第２伝熱部材は、前記第２引出線に接触する中間部材と、前記中間部材とは分離してその両端に位置する端部材と、前記中間部材及び前記端部材の連結面と前記第２引出線及び前記端部材の接触面とに配置される電気絶縁材と、を有する超電導電磁石。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導電磁石において、
前記第２伝熱部材と前記第２引出線を挟み込むように配置される当接部材を備える超電導電磁石。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導電磁石において、
前記第２伝熱部材には、前記第２伝熱部材の外周片側面の反転形状を有する溝が刻設されている超電導電磁石。
請求項１に記載の超電導電磁石において
前記第２伝熱部材は、ワイヤ形状を持つ前記第２伝熱部材が前記第２引出線と線状に外接し合う超電導電磁石。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導電磁石において、
前記第２引出線のマトリクス体は、前記第１引出線のマトリクス体よりも熱伝導率の小さい材質で構成される超電導電磁石。