JP2023038695A - 超電導磁石装置、ｎｍｒ装置及びｍｒｉ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】超電導巻線を高速に常電導転移可能とするヒータ装置を提供し、超電導磁石の高速遮断もしくは超電導巻線焼損防止可能な超電導磁石装置を提供する。【解決手段】超電導線材が巻き回された超電導コイル（メインコイル１）と、超電導コイル用の励磁電源４に対して超電導コイルと電気的に並列に接続した永久電流スイッチ（ＰＣＳ２）とを備える超電導磁石装置２０において、励磁電源４は、電流リード８を介して超電導コイル及び永久電流スイッチと電気的に接続されており、永久電流スイッチは、超電導状態から常電導状態に転移させるためのＰＣＳヒータ巻線１１及びＰＣＳヒータ電源１２を備えており、ＰＣＳヒータ巻線１１にＰＣＳヒータ電源１２から投入される電流が、電流リード８の少なくとも一部分を経由してヒータに流れるように構成されている。【選択図】図１
Description
本発明は、高い磁場を発生させその磁場を利用する超電導磁石装置に関し、特に磁石の高速遮断を必要としヒータによって遮断動作を行う超電導磁石装置に関する。
超電導磁石は、永久磁石や常電導電磁石に比べると高い磁場を発生させることができるため、永久磁石等では実現できないような研究用超高磁場マグネットやＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）のような分析装置用のマグネット、また、医療用のＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）用のマグネットとして利用されている。
実用超電導材料として金属系のＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎなどが利用されてきたが、これらの材料は低温超電導材料（ＬＴＳ：Low Temperature Superconductor）と呼ばれ、液体ヘリウムを利用した温度領域で利用されている。それに対し超電導特性が発現する臨界温度の高い高温超電導材料（ＨＴＳ：High Temperature Superconductor）の実用化研究が進んでおり、近年では様々なＨＴＳ磁石が開発されてきている。高温超電導材料としては、レアアース系元素（Ｙ、Ｇｄなど）を含むＲＥＢＣＯ、Ｂｉを含むＢＳＣＣＯなどの銅酸化物超電導材料や金属系材料のＭｇＢ２の実用化が進められている。
超電導磁石は直流電気抵抗がゼロの性質を利用して常電導の導体に比べて大きな電流を流す使い方をするため、一般には超電導状態から常電導状態に急激に転移するクエンチ現象は敬遠される。高温超電導材料は臨界温度が高く、また、その性質を利用して液体ヘリウム温度領域よりも桁違いに大きな比熱となる温度領域で運転されることから、擾乱による超電導磁石への熱エネルギーに入熱によるクエンチに対してＬＴＳ磁石よりも桁違いに大きなクエンチエネルギーマージンを持つ。
クエンチ耐性が大きいことがＨＴＳのメリットだが、この性質がデメリットとなる場合がある。ＭＲＩなどの磁石においては磁場安定性を実現するために永久電流モード運転が行なわれている。永久電流モード運転をする場合には超電導磁石の回路には電気抵抗が存在してはならず、回路は抵抗ゼロの超電導のループが形成される。超電導ループには電流を流し込むことができないため、永久電流モード磁石には永久電流スイッチ（ＰＣＳ：Persistent Current Switch）と呼ばれる超電導状態と常電導状態（抵抗状態）を切り替えることができるスイッチが備え付けられる。
永久電流スイッチは超電導線材で構成されており、一般には超電導状態から常電導状態に転移させるためのヒータが備え付けられている。ヒータにエネルギーを投入して永久電流スイッチの温度を上げることによって抵抗状態（すなわちスイッチオフ）を実現し、ヒータを切って温度を下げることによって超電導状態（すなわちスイッチオン）が実現されている。
特許文献１には、超電導コイル、永久電流スイッチ、保護回路及び励磁電源から構成される一般的な永久電流モード回路が開示されており、永久電流スイッチは永久電流スイッチ開閉用ヒータによってオンオフされる。さらに保護抵抗を、永久電流スイッチをオフするためのヒータとして利用する構成となっている。
永久電流モード運転されるＭＲＩにおいては、緊急時に速やかに磁場を切るための機能が必要である。ＰＣＳを抵抗状態（スイッチオフ）にすることによって磁石のエネルギーを引き抜いて磁場を減磁することが可能となるが、緊急減磁するためには速やかにスイッチを切ることが必要となる。永久電流モード運転のＨＴＳ磁石ではＰＣＳ巻線にもＨＴＳ線材が使われことになるから、ＰＣＳを短時間に抵抗状態にすることは困難となる。
また、超電導磁石がひとたびクエンチした場合には、ＨＴＳ磁石ではＬＴＳ磁石にくらべると焼損しやすいという性質がある。これはＨＴＳがクエンチしにくい性質があることから常電導領域が速やかに拡大せず、クエンチの発生した局所的な領域に磁石に蓄積されたエネルギーが集中して熱に変換されホットスポットが形成されるためである。
ホットスポット発生による焼損防止のために、超電導コイルにクエンチヒータと呼ばれるヒータを設置してクエンチ発生時には超電導の領域をあえて常電導状態に広く転移させて抵抗領域を拡大する磁石の保護方法がある。クエンチヒータによる抵抗領域の拡大においてもＨＴＳ磁石ではクエンチ耐性の大きさから困難となる。
非特許文献１、非特許文献２では、酸化物超電導テープ線材で巻き回したパンケーキコイルを積層して構成されたマグネットに、パンケーキコイル層間にクエンチヒータが挿入されている。また、非特許文献２にはクエンチヒータを駆動するためのバッテリーバンクが示されている。
M Breschi et al.:"Analysis of quench in the NHMFL REBCO prototype coils for the 32T Magnet Project",May 2016 Superconductor Science and Technology 29(5) 055002
H.W. Weijers et al.:"The NHMFL 32T superconducting magnet" https://indico.cern.ch/event/659554/contributions/2708372/attachments/1525993/2386079/3P1-01_Huub_Weijers_Room_1.pdf
従来のＮｂ系材料（ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎ）超電導体を使った超電導磁石では、これらの材料の臨界温度は低く、また、比熱の小さな液体ヘリウム温度で使用されることから、わずかなヒータ入熱によって容易にクエンチを生じさせることができる。また、ヒータによって発生したクエンチの芽（常電導領域）は、コイルに通電されている電流によるジュール発熱により急速に拡大して超電導磁石全体を抵抗状態にすることができた。
一方、ＨＴＳ磁石は材料特性として臨界温度が高く、また、桁違いに比熱の大きな温度領域において使用されるため、クエンチを誘発させるための熱量は桁違いに大きくなり、また、常電導領域の拡大速度（クエンチ伝搬速度という）も遅く、超電導コイルに大きな抵抗領域を形成させるためには、広い領域にわたってヒータを設置する必要があるとともに、さらにその領域を昇温するためのヒータエネルギーを投入する必要がある。従って、ＨＴＳ磁石では高速遮断を行うために常電導転移させためには大きなエネルギーを必要とし、また、瞬間的にエネルギーを投入するためには容量（Ｗ）の大きなヒータ電源装置を必要とする。
クエンチヒータの為に大容量の電源装置を備え付けて、常に待機状態にしておくのは無駄であることから、ヒータ用の電源にはコンデンサバンクを利用することが合理的である。これに超電導巻線部を所定の分だけ温度上昇させるエネルギーをチャージしておき、必要時に放出することにより簡便なヒータ電源を構成できる。
ヒータエネルギーの放出時間は、コンデンサバンクの容量Ｃとヒータ及びヒータ通電回路抵抗を含む電気抵抗Ｒで決まる時定数τ（＝ＲＣ）で決定される。高速遮断するためにはごく僅かな時間（０．１ｓｅｃ）でコンデンサバンクの全エネルギーを放出する必要があるので時定数は２０～３０ｍｓｅｃであることが要求される。ＨＴＳ磁石ではＬＴＳ磁石よりも桁違いに大きなエネルギーを必要とすることから、必要なコンデンサバンクの容量は大きくなり、したがって容量Ｃは大きくなる。
ヒータ回路には、超電導コイルがクライオスタット内の極低温中に設置されることからヒータ通電回路を通じた外部からの入熱を低減するために、熱抵抗の大きな（したがって電気抵抗の大きな）コンスタンタンなどの導線が利用され、ヒータ通電回路の電気抵抗を小さくすることができない。したがって、コンデンサバンクを使う場合、ＨＴＳ磁石では高速の遮断動作が行なえない。
本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、超電導巻線を高速に常電導転移可能とするヒータ装置を提供し、超電導磁石の高速遮断もしくは超電導巻線焼損防止可能な超電導磁石装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明の超電導磁石装置は、超電導線材が巻き回された超電導コイルと、前記超電導コイル用の励磁電源に対して前記超電導コイルと電気的に並列に接続した永久電流スイッチとを備える超電導磁石装置において、前記励磁電源は、電流リードを介して前記超電導コイル及び前記永久電流スイッチと電気的に接続されており、前記永久電流スイッチは、超電導状態から常電導状態に転移させるためのヒータ及びヒータ駆動電源を備えており、前記ヒータに前記ヒータ駆動電源から投入される電流が、前記電流リードの少なくとも一部分を経由してヒータに流れるように構成されていることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
本発明によれば、超電導巻線を高速に常電導転移可能とするヒータ装置を提供し、超電導磁石の高速遮断もしくは超電導巻線焼損防止可能とする。
本発明の一実施形態について説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
≪第１実施形態≫
＜永久電流モード磁石構成＞
最初に、図２を参照して一般的な永久電流モード運転磁石の基本構成とその課題を説明する。
＜永久電流モード磁石構成＞
最初に、図２を参照して一般的な永久電流モード運転磁石の基本構成とその課題を説明する。
図２は、一般的な永久電流モード運転磁石の基本構成を示す回路図である。図２には、ＭｇＢ２を巻き回した中心磁場強度が１．５Ｔの磁石の永久電流モード運転磁石の一般的な励磁回路を示す。この磁石は、運転電流２５０Ａ、伝導冷却方式で冷却され、蓄積エネルギー３ＭＪである。
メインコイル１（超電導コイル）は定格３００Ａの励磁電源に接続され、永久電流モード運転をするためのＰＣＳ２（永久電流スイッチ）がメインコイル１と並列に接続されている。また、クエンチ時にはマグネットの蓄積エネルギーの大部分（９０％以上）をクライオスタット１０の外部で回収できるように、１０Ωの保護抵抗５がクライオスタット１０の外部に設置されている。
一般の市販の永久電流モード磁石では、クライオスタット１０への入熱量を低減するために永久電流モード運転が確立された後はマグネットに電流を投入するためのパワーリード８は引き抜かれることになるが、本磁石の構成では外部の保護抵抗５でエネルギーを回収するためにパワーリードは設置された状態のままとなっている。
ＰＣＳ２は、ＭｇＢ２超電導線材で巻き回されており、スイッチ動作させるためのＰＣＳヒータ巻線３（ヒータ）が熱的に結合するように設置されている。ヒータを駆動するためのＰＣＳヒータ電源７が備え付けられており、一般にはＰＣＳヒータ巻線３とＰＣＳヒータ電源７はクライオスタット１０への熱侵入を低減するために熱抵抗の大きなコンスタンタン線で接続される。
ＰＣＳ２は永久電流モード運転時には抵抗ゼロであるが、メインコイルのクエンチもしくは緊急遮断時に外部の保護抵抗で蓄積エネルギーの大部分を回収するために、ＰＣＳ２がオフには抵抗が１００～３００Ωとなるように設計されている。ＰＣＳ２をオフにするためには最低１５００～４０００Ｊのエネルギーを投入する必要がある。本磁石のＰＣＳ２のオフ時間目標仕様は０．１秒であり、その場合にはヒータを駆動するためには１５ｋＷから４０ｋＷの待機電源が必要となる。このような大きな電源をヒータのために待機させておくことは無駄であるため、トータル容量４７０００μＦのコンデンサバンクに３００～６００Ｖを充電して待機させておく。
＜ヒータ回路の低抵抗化＞
コンデンサバンクからヒータ回路へのエネルギー投入は受動的に行なわれ、エネルギー投入のために掛かる時間は、コンデンサバンクの容量Ｃとヒータ回路の電気抵抗Ｒで決定される時定数τ＝ＲＣに支配される。コンデンサバンクのエネルギーほぼすべてヒータに投入し終えるためには時定数の３～４倍の時間を必要となることから、要求される回路時定数は２５～３３ｍｓｅｃとなる。
コンデンサバンクからヒータ回路へのエネルギー投入は受動的に行なわれ、エネルギー投入のために掛かる時間は、コンデンサバンクの容量Ｃとヒータ回路の電気抵抗Ｒで決定される時定数τ＝ＲＣに支配される。コンデンサバンクのエネルギーほぼすべてヒータに投入し終えるためには時定数の３～４倍の時間を必要となることから、要求される回路時定数は２５～３３ｍｓｅｃとなる。
したがって、ヒータ回路（ヒータを含む）の電気抵抗は概ね０．５Ω程度とする。コンデンサから投入するエネルギーは、ヒータの電気抵抗と途中経路の電気抵抗の比によって配分されるため、途中経路の電気抵抗はヒータの電気抵抗に比べて十分に（例えば１割以下）小さくする必要がある。
クライオスタット１０への熱侵入量を小さくしたいので、ヒータ回路の導体材料は熱抵抗の大きな材料を使うことが望ましい。熱侵入量が気にならない場合には電気抵抗の小さい（したがって、熱抵抗が小さい）銅線などでヒータ励磁回路を構成する。
ヒータ回路からの熱抵抗を小さくする場合には、通常はコンスタンタンなどの熱抵抗の大きな（したがって、電気抵抗の大きな）材料を選択することになるが、電気抵抗が桁違いに大きくなるためエネルギー投入時定数は大幅に増加し２５～３３ｍｓｅｃの時定数は実現できなくなる。本実施形態では、従来の課題を、回路構成を変更して解決している。
図１は、第１実施形態に係る永久電流モード運転磁石の基本構成を示す回路図である。熱侵入量を低減するためにはヒータ励磁用の回路を別置きにせず、図１に示すようにメインコイル１の励磁回路の一部を共用してヒータ励磁回路を構成する。超電導磁石装置２０のメインコイル１には励磁時に大きな電流を通電することから電流リード８は十分に電気抵抗が小さく、この短い時定数を実現することが可能となる。
図１において、励磁電源４は、電流リード８を介してメインコイル１（超電導コイル）及びＰＣＳ２（永久電流スイッチ）と電気的に接続されており、ＰＣＳ２は、超電導状態から常電導状態に転移させるためのＰＣＳヒータ巻線１１（ヒータ）及びＰＣＳヒータ電源１２（ヒータ駆動電源）を備えている。ヒータにヒータ駆動電源から投入される電流が、電流リード８の少なくとも一部分を経由してヒータに流れるように構成されている。また、ＰＣＳヒータ電源１２は、交流駆動となっている。詳細については後述する。
メインコイル1の励磁回路の一部を利用することにより、ヒータ励磁回路からの入熱量をゼロとすることができ、冷凍機の負荷を低減することが可能となる。なお、本ヒータおよびヒータ励磁回路は高速にＰＣＳ２をオフするためのものであり、超電導コイル１を励磁するために必要なＰＣＳ２をオフ状態に維持するためのヒータおよびヒータ電源については別途実装する（図示せず）。
＜ヒータ交流駆動＞
高速遮断時には遮断器６によって励磁電源４が回路から切り離されるので、ＰＣＳヒータ電源１２からメインコイル１（超電導コイル）側を眺めた場合、ＰＣＳヒータ電源１２にはメインコイル１、ＰＣＳ２（ＰＣＳ超電導巻線）及びＰＣＳヒータ巻線１１（ヒータ）が、メインコイル１の励磁回路に並列に接続されることになる。したがって、コンデンサバンクから投入されるエネルギー（電流）は、それぞれのインピーダンスに応じて配分される。
高速遮断時には遮断器６によって励磁電源４が回路から切り離されるので、ＰＣＳヒータ電源１２からメインコイル１（超電導コイル）側を眺めた場合、ＰＣＳヒータ電源１２にはメインコイル１、ＰＣＳ２（ＰＣＳ超電導巻線）及びＰＣＳヒータ巻線１１（ヒータ）が、メインコイル１の励磁回路に並列に接続されることになる。したがって、コンデンサバンクから投入されるエネルギー（電流）は、それぞれのインピーダンスに応じて配分される。
ヒータのインピーダンス（交流抵抗分＋ヒータの直流抵抗）がメインコイル１及びＰＣＳ２の超電導巻線部のインピーダンスよりも十分に小さい場合には、分流によってヒータに流れる電流（すなわち投入エネルギー）が減ることになる。メインコイル１のインダクタンスに比べＰＣＳ２の超電導巻線のインダクタンスは十分に小さいから、ＰＣＳ超電導巻線とヒータとの間での電流配分がメインとなる。
ＰＣＳ超電導巻線は従来のＰＣＳでは一般には無誘導巻きで構成されておりインダクタンスはほとんどゼロであるが、本実施形態ではヒータの抵抗が０．５Ωであり、ヒータエネルギー投入の時定数が十分には短くないため分流を抑制するためにＰＣＳ超電導巻線には若干のインダクタンスを持たせて設計することが必要である。本実施形態の磁石ではＰＣＳ超電導巻線のインダクタンスはおよそ０．０１Ｈとなるように構成した。
分流をほとんどゼロにするためには、さらに速い電流変化速度でエネルギーを投入する必要がある。そのための構成としては、コンデンサバンクに半導体スイッチング素子などでフルブリッジを構成し、ヒータから見たコンデンサバンクの電圧極性をエネルギー投入時定数にくらべて十分に速く切り替えることでこれを実現できる。
＜ブロッキングコンデンサ＞
本実施形態の磁石では、クエンチ時のメインコイル焼損防止のために外部保護抵抗の抵抗値を大きく（例えば、１０Ω）してエネルギー回収速度が大きくなるように設計している。ＰＣＳヒータ巻線１１（ヒータ）の電気抵抗がこの保護抵抗よりも小さい場合には、エネルギー回収過程で電流は外部保護抵抗よりもヒータ抵抗に流れ、その結果エネルギーの大部分をヒータで回収することになる。これを防止する対策が必要である。
本実施形態の磁石では、クエンチ時のメインコイル焼損防止のために外部保護抵抗の抵抗値を大きく（例えば、１０Ω）してエネルギー回収速度が大きくなるように設計している。ＰＣＳヒータ巻線１１（ヒータ）の電気抵抗がこの保護抵抗よりも小さい場合には、エネルギー回収過程で電流は外部保護抵抗よりもヒータ抵抗に流れ、その結果エネルギーの大部分をヒータで回収することになる。これを防止する対策が必要である。
図３は、第１実施形態に係る超電導磁石装置２０Ａを示す回路図である。前記ヒータでエネルギーの大部分を回収することを防止するためには、図３に示すようにヒータ回路には直流電流が流れないようにブロッキングコンデンサ１３を設置するとよい。
ヒータは直流電源で駆動することが分流抑制のために望ましいが、ブロッキングコンデンサ１３を配置する場合にはヒータは直流で駆動できないから、フルブリッジを備えた交流駆動が必須となる。十分に速い交流電流に対してブロッキングコンデンサ１３のインピーダンスはほぼゼロと見做せるのでヒータ動作に影響を与えない。
＜回路シミュレーションモデル＞
図４は、第１実施形態に係る回路シミュレーションモデルを示す説明図である。ＰＣＳヒータ電源１２は、コンデンサバンクＣＡとスイッチング素子（スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４）のフルブリッジ回路とで模擬した。本実施形態ではスイッチング速度を１０ｋＨｚとしたが、このスイッチ動作によって直流電圧で構成されたコンデンサバンクＣＡが交流電源と見做せるようになり、電流変化速度が増加することによってＰＣＳ２のＰＣＳ超電導巻線のインピーダンスが大幅に増加、分流を抑制することが可能となる。なお、スイッチング素子には、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を使用する。
図４は、第１実施形態に係る回路シミュレーションモデルを示す説明図である。ＰＣＳヒータ電源１２は、コンデンサバンクＣＡとスイッチング素子（スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４）のフルブリッジ回路とで模擬した。本実施形態ではスイッチング速度を１０ｋＨｚとしたが、このスイッチ動作によって直流電圧で構成されたコンデンサバンクＣＡが交流電源と見做せるようになり、電流変化速度が増加することによってＰＣＳ２のＰＣＳ超電導巻線のインピーダンスが大幅に増加、分流を抑制することが可能となる。なお、スイッチング素子には、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を使用する。
＜シミュレーション結果＞
図５は、第１実施形態に係る回路シミュレーションモデルの結果を示す電流の時間変化図である。図５を用いて、本実施形態の磁石のＰＣＳ動作に関わる回路シミュレーションの結果を示す。エネルギー投入０．１秒の時間スケールに対して、スイッチング周波数が１０ｋＨｚと高速なためグラフでは塗りつぶされたように見えており電流の変化が見えてなくなっている。包絡線からコンデンサバンクＣＡの容量とヒータ回路の電気抵抗で決まる時定数の減衰特性となっており、時定数は直流動作と同じように約２４ｍｓｅｃとなっていることが分かる。
図５は、第１実施形態に係る回路シミュレーションモデルの結果を示す電流の時間変化図である。図５を用いて、本実施形態の磁石のＰＣＳ動作に関わる回路シミュレーションの結果を示す。エネルギー投入０．１秒の時間スケールに対して、スイッチング周波数が１０ｋＨｚと高速なためグラフでは塗りつぶされたように見えており電流の変化が見えてなくなっている。包絡線からコンデンサバンクＣＡの容量とヒータ回路の電気抵抗で決まる時定数の減衰特性となっており、時定数は直流動作と同じように約２４ｍｓｅｃとなっていることが分かる。
また、メインコイル１及びＰＣＳ２のＰＣＳ超電導巻線への電流分流（メインコイルへのもれ電流、ＰＣＳへのもれ電流）は、ヒータへの時刻ゼロにおける電流が７００Ａに対し、それぞれμＡオーダ（ほぼゼロ）、１Ａオーダとなっておりほとんど無視でき、コンデンサバンクＣＡのエネルギーがヒータ（ＰＣＳヒータ）にほとんど投入されていることが分かる。
図６は、第１実施形態に係る超電導磁石装置２０Ａを示す構成図である。図６は、図３及び図４に基に超電導磁石装置の構成を示したものである。図６において、クライオスタット１０中に超電導コイルであるメインコイル１と、ＰＣＳ２、ヒータであるＰＣＳヒータ巻線１１、ブロッキングコンデンサ１３は配置されている。励磁電源４は、電流リード８を介してメインコイル１及びＰＣＳ２（永久電流スイッチ）と電気的に接続されており、ＰＣＳ２は、超電導状態から常電導状態に転移させるためのＰＣＳヒータ巻線１１（ヒータ）及びＰＣＳヒータ電源１２（ヒータ駆動電源）を備えている。ＰＣＳヒータ電源１２は、コンデンサバンクＣＡとスイッチング素子（スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４）のフルブリッジ回路で構成されている。ＰＣＳヒータ巻線１１にＰＣＳヒータ電源１２から投入される電流が、電流リード８を経由してＰＣＳヒータ巻線１１に流れるように構成されている。図６において、ブロッキングコンデンサ１３の電流リード８への接続箇所は、電流リード８の先端である必要はなく、電流リード８の途中に接続してもよい。同様に、ＰＣＳヒータ巻線１１の電流リード８への接続箇所は、電流リード８の先端である必要はなく、電流リード８の途中に接続してもよい。なお、メインコイル１を励磁するためにはＰＣＳ２を定常的にオフ状態を実現する必要があるが、そのためのＰＣＳ２に設置される定常ヒータおよびこのヒータを駆動するためのヒータ電源については省略してある。
本実施形態の超電導磁石装置２０Ａでは、永久電流スイッチの超電導巻線部を常電導転移させるためのヒータを超電導巻線部に設置し、ヒータ駆動用のエネルギーを蓄積したコンデンサバンクＣＡを備え、コンデンサバンクＣＡからヒータに電力を投入するための電気回路の一部が超電導磁石の励磁回路の低抵抗電流リードを共用するように構成される。これにより、超電導巻線を高速に常電導転移可能とし、超電導磁石装置の高速遮断ができる。
≪第２実施形態≫
第１実施形態は、ＰＣＳ２のヒータ駆動方式について示したが、第２実施形態では、ＰＣＳ２を有しないドライブモード磁石のクエンチ防止用のクエンチヒータとしての利用を説明する。
第１実施形態は、ＰＣＳ２のヒータ駆動方式について示したが、第２実施形態では、ＰＣＳ２を有しないドライブモード磁石のクエンチ防止用のクエンチヒータとしての利用を説明する。
＜ＲＥＢＣＯ磁石のクエンチバック＞
クエンチヒータによる磁石保護は蓄積エネルギーの大きな低温超電導磁石で利用されているが、クエンチ伝搬速度の遅い酸化物超電導磁石においては蓄積エネルギーの大小に関わらず異常電圧発生時の超電導の焼損防止のために利用されることがある。酸化物超電導体は臨界温度が高いことから、酸化物超電導コイル巻線をノーマル状態（抵抗状態）にするためには大きなエネルギーを必要とするため、第１実施形態で示したヒータエネルギー投入方式は有効である。なお、ＲＥＢＣＯは、ＲＥＢａ２ＣｕＯｙ（ＲＥは希土類元素）で表わされる組成式を持つ銅酸化物超伝導体を指す略称である。
クエンチヒータによる磁石保護は蓄積エネルギーの大きな低温超電導磁石で利用されているが、クエンチ伝搬速度の遅い酸化物超電導磁石においては蓄積エネルギーの大小に関わらず異常電圧発生時の超電導の焼損防止のために利用されることがある。酸化物超電導体は臨界温度が高いことから、酸化物超電導コイル巻線をノーマル状態（抵抗状態）にするためには大きなエネルギーを必要とするため、第１実施形態で示したヒータエネルギー投入方式は有効である。なお、ＲＥＢＣＯは、ＲＥＢａ２ＣｕＯｙ（ＲＥは希土類元素）で表わされる組成式を持つ銅酸化物超伝導体を指す略称である。
図７は、第２実施形態に係る超電導磁石装置２０Ｂを示す回路図である。図８は、第２実施形態に係る超電導磁石装置２０Ｂを示す構成図である。図７及び図８を用いて、クエンチヒータ１４を備える超電導磁石について説明する。
ヒータがＰＣＳ巻線部を昇温するように設置されるのと同様に、クエンチヒータ１４（ヒータ）は超電導コイル巻線を昇温するために設置されている。クエンチヒータ１４にクエンチヒータ電源１５（ヒータ駆動電源）から投入される電流が、電流リード８の少なくとも一部分を経由してヒータに流れるように構成されている。クエンチ伝搬速度が大きな低温超電導磁石では、ヒータは超電導巻線の一部分に付ければよいが、クエンチ伝搬速度が遅い高温超電導磁石では超電導コイル巻線全体に渡ってヒータを配置するのが望ましい。例えば、非特許文献２では積層パンケーキコイルで構成された酸化物超電導マグネットの各パンケーキコイル間には間にステンレス製のヒータが挿入されている。
クエンチヒータ電源１５は、コンデンサバンクＣＡとスイッチング素子（スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４）のフルブリッジ回路で構成されている。コンデンサバンクＣＡからヒータエネルギーを投入する本方式では、バッテリなどを用いるよりも安価にヒータ電源を構成できるとともにより高速にエネルギーが投入できることが利点である。さらには、コンデンサバンクＣＡに蓄積されているエネルギー量しかヒータにはエネルギーが投入されないから、バッテリや電源装置などのアクティブな電源と比べると、ヒータそのものの焼損防止回路（投入エネルギー量の制御）が不要となりより好ましい。
本実施形態の超電導磁石装置２０Ｂでは、超電導巻線部を常電導転移させるためのヒータを超電導巻線部に設置し、ヒータ駆動用のエネルギーを蓄積したコンデンサバンクＣＡを備え、コンデンサバンクＣＡからヒータに電力を投入するための電気回路の一部が超電導磁石の励磁回路の低抵抗電流リードを共用するように構成される。これにより、超電導巻線を高速に常電導転移可能とし、超電導巻線焼損を防止できる。
本発明の電磁石装置は、高温超電導永久電流モード磁石全般とくにＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置用に適用できる。また、ドライブモード運転、永久電流モード運転に関わらず高温超電導磁石のクエンチ保護に利用できる。
１ メインコイル（超電導コイル、超電導電磁石）
２ ＰＣＳ（永久電流スイッチ）
３ ＰＣＳヒータ巻線（ＰＣＳヒータ、ヒータ）
４ 励磁電源（直流電源）
５ 保護抵抗
６ 遮断器
７ ＰＣＳヒータ電源
８ 電流リード
１０ クライオスタット
１１ ＰＣＳヒータ巻線（ＰＣＳヒータ、ヒータ）
１２ ＰＣＳヒータ電源（ヒータ駆動電源）
１３ ブロッキングコンデンサ（コンデンサ）
１４ クエンチヒータ（ヒータ）
１５ クエンチヒータ電源（ヒータ駆動電源）
２０，２０Ａ，２０Ｂ 超電導磁石装置
ＣＡ コンデンサバンク
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４ スイッチ
２ ＰＣＳ（永久電流スイッチ）
３ ＰＣＳヒータ巻線（ＰＣＳヒータ、ヒータ）
４ 励磁電源（直流電源）
５ 保護抵抗
６ 遮断器
７ ＰＣＳヒータ電源
８ 電流リード
１０ クライオスタット
１１ ＰＣＳヒータ巻線（ＰＣＳヒータ、ヒータ）
１２ ＰＣＳヒータ電源（ヒータ駆動電源）
１３ ブロッキングコンデンサ（コンデンサ）
１４ クエンチヒータ（ヒータ）
１５ クエンチヒータ電源（ヒータ駆動電源）
２０，２０Ａ，２０Ｂ 超電導磁石装置
ＣＡ コンデンサバンク
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４ スイッチ
Claims (14)
- 超電導線材が巻き回された超電導コイルと、前記超電導コイル用の励磁電源に対して前記超電導コイルと電気的に並列に接続した永久電流スイッチとを備える超電導磁石装置において、
前記励磁電源は、電流リードを介して前記超電導コイル及び前記永久電流スイッチと電気的に接続されており、
前記永久電流スイッチは、超電導状態から常電導状態に転移させるためのヒータ及びヒータ駆動電源を備えており、
前記ヒータに前記ヒータ駆動電源から投入される電流が、前記電流リードの少なくとも一部分を経由してヒータに流れるように構成されている
ことを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項１に記載の超電導磁石装置において、
前記ヒータ駆動電源がコンデンサバンクで構成されている
ことを特徴とする超電導磁石装置 - 請求項１または請求項２に記載の超電導磁石装置において、
前記永久電流スイッチに設置されたヒータ回路に直流電流を防止するためのコンデンサが直列に挿入されている
ことを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、
前記ヒータ駆動電源が交流電源である
ことを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項４に記載の超電導磁石装置において、
前記ヒータ駆動電源は、コンデンサバンクとスイッチング素子のフルブリッジ回路で構成されている
ことを超電導磁石装置。 - 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、
前記超電導線材が高温超電導材料である
ことを特徴とする超電導磁石装置。 - 超電導線材が巻き回された超電導コイルと、前記超電導コイルを励磁するための励磁電源と、前記超電導コイルと前記励磁電源を電気的に接続する電流リードとを有する超電導磁石装置において、
前記超電導線材の巻線には一部分もしくは全体を超電導状態から常電導状態に転移させるためのヒータ及びヒータ駆動電源が設置されており、
前記ヒータにはヒータ駆動電源から投入される電流が、前記電流リードの少なくとも一部分を経由してヒータに流れるように構成されている
ことを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項７に記載の超電導磁石装置において、
前記ヒータ駆動電源がコンデンサバンクで構成されている
ことを特徴とする超電導磁石装置 - 請求項７または請求項８に記載の超電導磁石装置において、
前記ヒータを含むヒータ回路に直流電流を防止するためのコンデンサが直列に挿入されていることを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項７乃至９のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、
前記ヒータ駆動電源が交流電源である
ことを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項１０に記載の超電導磁石装置において、
前記ヒータ駆動電源は、コンデンサバンクとスイッチング素子のフルブリッジ回路で構成されている - 請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、
前記超電導線材が高温超電導材料である
ことを特徴とする超電導磁石装置。 - 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の前記超電導磁石装置を備える
ことを特徴とするＮＭＲ装置。 - 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の前記超電導磁石装置を備える
ことを特徴とするＭＲＩ装置。
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