JP2566947B2 - 極低温用規定電圧導通素子およびこの素子を利用した超電導磁石 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は，極低温用規定電圧導通素子およびこの素子
を利用した超電導磁石に関する。

（従来の技術） 磁気共鳴画像装置や半導体単結晶引き上げ装置等の産
業エレクトロニクス分野で使用される超電導磁石は，ク
ライオスタット外からの熱侵入を少なくする目的と，時
間的に安定な磁界を発生させる目的とから，永久電流モ
ードで運転される場合が多い。永久電流モードでは，ク
ライオスタット内に収容されている超電導コイルの両端
を永久電流スイッチで短絡するとともに外部から超電導
コイルに接続されるパワーリードを完全に切り離した状
態で運転される。また，このような用途の超電導磁石に
は，通常，均一性の高い磁界の発生が要求され，これを
達成するために超電導コイルを幾つかのブロックに分け
るマルチコイル方式を採用しているものが多い。

ところで，このようにマルチコイル方式を採用し，し
かも永久電流モードで運転される超電導磁石では，超電
導コイルを確実に保護することが容易ではない。すなわ
ち，複数の分割コイルで構成された超電導コイルは，ク
ライオスタット外とは完全に切り離されている。このた
め，超電導コイルがクエンチ（常電導転移）したとき，
コイルに蓄積されているエネルギをクライオスタット外
へ取出すことができない。加えて，分割コイル同志が熱
的に絶縁されている場合には，クエンチを起こした分割
コイルにエネルギの大半が集中し，ここで消費されるこ
とになる。超電導コイルに蓄積されているエネルギは数
MJに達している。このため，クエンチを起こした分割コ
イルが焼損してしまうことが往々にしてある。

このようなことから，マルチコキル方式を採用し，か
つ永久電流モードで運転される従来の超電導磁石では，
第６図に示すように専ら抵抗器を保護素子として用い，
クエンチ時に，この抵抗器でエネルギを消費させる方式
を採用している。すなわち，超電導材で形成された分割
コイル1a,1b,1cを直列に接続してなる超電導コイル２を
クライオスタット３内に収容するとともに超電導コイル
２の両端間に永久電流スイッチ４を接続している。永久
電流スイッチ４は，超電導線５と，この超電導線５に巻
回されて超電導線５を超電導状態（オン）と常電導状態
（オフ）とに選択的に切換えるヒータ線６とで構成され
ており，ヒータ線６の両端はクライオスタット３外に導
かれている。また，超電導線５の両端は端子7a,7b,パワ
ーリード8a,8bを介して選択的に外部電源９に接続さ
れ，永久電流モードで運転するときには端子7a,7bから
パワーリード8a,8bが切り離される。そして，各分割コ
イル1a,1b,1cの両端間に保護素子としての抵抗器10をそ
れぞれ接続している。

このように，各分割コイル1a,1b,1cの両端間に抵抗器
10を接続し，この抵抗器10の抵抗値を最適に設定するこ
とによって，クエンチ時にクエンチした分割コイルおよ
び各抵抗器10でエネルギを分散消費させることができ，
コイルの焼損を防止することができる。

しかしながら，保護用の抵抗器10は各分割コイル1a,1
b,1cの両端間に常に接続されている。このため，超電導
コイル２を励磁したり消磁したりするときに各抵抗器10
に電流が流れ，これに伴う各抵抗器10の発熱で液体ヘリ
ウムで代表される冷媒液が蒸発する。この蒸発量は，励
消磁速度を速める程増加する。このように，分割コイル
の両端間に保護素子としての抵抗器を単に接続しただけ
では，励消磁時に冷媒液の蒸発，つまり冷媒液の消費を
免れ得ない。励消磁時に抵抗器の発熱を抑えて冷媒液の
消費を抑制するには，励消磁時に抵抗器を切り離し，運
転時に接続する必要がある。しかし，抵抗器はクライオ
スタット内に収容されているので，この切離しおよび接
続は容易ではない。また，励消磁時にもクエンチが起こ
るので，このような期間に起こったクエンチに対しては
保護機能を果さないことになる。

そこで，このような不具合を解消するために，あるレ
ベル以上の電圧が印加されたとき導通する規定電圧導通
素子を各抵抗器と直列に設けることが考えられる。しか
し，この規定電圧導通素子には，極低温下においても正
常な機能を発揮すること，小型であること，通常容量
が，たとえば100A以上と大きいこと，方向性を有してい
ないこと，耐久性に富んでいることなどの条件が望ま
れ，現在このような条件を満たす素子は存在していない
のが実状である。

（発明が解決しようとする問題点） 上述の如く，各分割コイルの両端間に保護素子として
の抵抗器を単に接続しただけの構成では冷媒液の消費を
免れ得ず，超電導磁石の経済的な運用を実施することは
できない。

そこで本発明は，小型で通電容量が大きく，しかも極
低温下において規定電圧以上の電圧が印加されると確実
に導通し，さらに方向性も持たず，耐久性に富んだ極低
温用規定電圧導通素子およびこの素子を利用して確実な
保護を実現出来る超電導磁石を提供することを目的とし
ている。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明に係る極低温用規定電圧導通素子は,PN接合に
よって構成されたシリコン整流ダイオードを極低温下に
おくと，その順方向阻止電圧が10Vを越えたある値まで
上昇し，それ以上電圧が加わったとき導通して端子電圧
が2V程度に減少する現象を利用している。すなわち，本
発明に係る極低温用規定電圧導通素子は，一対の電極間
にシリコン整流ダイオードのペレットを２個逆並列に介
挿するとともに上記電極を露出させてパッケージ化した
ものとなっている。

また，本発明に係る超電導磁石は，クライオスタット
と，このクライオスタット内に収容されるとともに超電
導材で形成された分割コイルを複数直列接続してなる超
電導コイルと，この超電導コイルの両端間に接続された
永久電流スイッチと，前記各分割コイルの両端間に保護
抵抗器を介してそれぞれ接続され，それぞれが一対の電
極間にシリコン整流ダイオードのペレットを２個逆並列
に介挿するとともに上記電極を露出させてパッケージ化
されてなる極低温用規定電圧導通素子とを備えている。

（作用） 上記構成の極低温用規定電圧導通素子は，極低温下で
10Vを越えたある値以上の電圧が加わると，その極性に
関係なく導通する。すなわち，シリコン整流ダイオード
の順方向電流は，順方向に印加された電圧がある閾値以
上になったときから流れ出す。この順方向阻止電圧は，
シリコン整流ダイオードを常温近くで用いている限りで
は0.7V程度である。しかし，発明者らの実験によると，
常温近くでは順方向阻止電圧が0.7V程度のシリコン整流
ダイオードでも液体窒素温度レベル以下の極低温下で用
いると，順方向阻止電圧が10V以上に上昇することが判
った。そして，順方向阻止電圧を越える電圧の印加で一
旦導通を開始すると，自身で発生するジュール熱の影響
を受けてシリコン整流ダイオードの順方向降下電圧が2V
程度に低下することも判った。この特性から明らかなよ
うに，上記構成の極低温用規定電圧導通素子は，常温下
でよく用いられている保護（放電）ギャップと同じよう
な導通特性を示す、したがって，上記構成の極低温用規
定電圧導通素子は，極低温下において保護ギャップとし
ての機能を発揮する。シリコン整流ダイオードは，通電
容量の比較的大きなものを得易い。加えて，この素子の
場合には電極を介してシリコン整流ダイオードのペレッ
トが極低温に冷却される。つまり，ペレットからの放熱
が極めて良い状態に維持される。このため，常温下にお
ける通電容量に比べて通電容量を大幅に増加させること
ができ，結果として素子の小型化を実現できる。また，
各要素がパッケージ化されているので耐久性も向上させ
ることができる。

また，上記素子を組み込んだ超電導磁石では，励消磁
時に電流上昇率および電流減少率を制御して上記素子に
加わる電圧、つまり励消磁時にコイルに誘起される電圧
を上述した順方向阻止電圧以下に抑えることによって保
護抵抗器での発熱を零に抑えることが可能となる。ま
た，上記素子は無極性である。このため，永久電流モー
ドで運転しているとき，どの分割コイルがクエンチして
も，このコイルを確実に保護できる。すなわち，分割コ
イルの１つがクエンチし，このクエンチに伴って比較的
緩やかに抵抗値が増加した場合を例にとると，この分割
コイルの端子間には抵抗増加に起因してコイル電流の方
向とは逆向きの通常10V以上の電圧が発生する。この電
圧によって，この分割コイルの両端に抵抗器を介して接
続されている極低温用規定電圧導通素子が導通し，この
素子にはコイル電流を分流させる向きの電流が流れる。
したがって，クエンチした分割コイルの電流が減衰す
る。一方，上記のように分割コイルの１つがクエンチし
たことによって、コイル電流が変化すると、健全な分割
コイルには，これらコイルに流れている電流と同方向の
通常10V以上の電圧が発生する。このため，これら健全
な分割コイルの両端に抵抗器を介して接続されている各
極低温用規定電圧導通素子が導通し，これらの素子には
対応するコイル電流を放出させる向きの電流が流れ，各
分割コイルの電流も減衰する。このように，上記構成の
素子を組み込むことによって，クエンチを起こした分割
コイルと，この分割コイルに接続されている抵抗器と，
健全な分割コイルに接続されている抵抗器とに今までコ
イルに蓄えられていた全エネルギをモジュール熱の形で
分散させて消費させることができ，各分割コイルの確実
な保護を実現することができる。

（実施例） 以下，図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る極低温用規定電圧導
通素子の縦断面図を示し，第２図は同素子の横断面図を
示している。

これらの図において,11a,11bは対向する関係に配置さ
れた電極を示している。各電極11a,11bは，円板状に形
成されたモリブデン電極12と，このモリブデン電極12の
一方の面に接合された円板状で厚肉の銅電極13とで構成
されており，モリブデン電極12を対向させて配置されて
いる。そして，モリブデン電極12間には,FRP等で円板状
に形成された絶縁板14が設けられている。絶縁板14に
は,2箇所に亙って円形の孔15a,15bが設けてあり，これ
ら孔15a,15b内にはPN接合によって形成されたシリコン
整流ダイオードのペレット16a,16bが互いに極性を逆極
性にして装着されている。つまり，モリブデン電極12間
にシリコン整流ダイオードが逆並列に接続される関係に
装着されているのである。各ペレット16a,16bは，通常
のものと同様にベベル構造に形成されているが，外周面
に絶縁材等の設けられていないペレット単体の形で装着
されている。

一方，前記各銅電極13の外周面中途位置には薄肉の鍔
17が一体に突設されており，これら鍔17の周縁部が絶縁
筒18の軸方向両端部に接着材で固着され，これによって
ペレット16a,16bが位置する空間が封じ切られてパッケ
ージ化されるとともに各鍔17の弾性力で各モリブデン電
極12を各ペレット16a,16bの両極面に圧接している。な
お，各銅電極13には図示しないリード線が接続されてい
る。

このように構成された極低温用規定電圧導通素子は，
電極11a,11b間にシリコン整流ダイオードのペレット16
a,16bが逆並列に装着されているので，電気的な等価回
路は第３図のようになる。そして，この素子を液体窒素
温度以下の冷媒液中に浸漬すると，その導通特性は第４
図に示すように，順方向阻止電圧V₀が10〜30V,一旦導通
を開始した後の順方向降下電圧Vfが2V程度となる特性を
示す。

かくして，上記のように構成された極低温用規定電圧
導通素子は，極低温下で10Vを越えたある値以上の電圧
が加わると，その極性に関係なく導通し，極低温下にお
いて保護ギャップと同様の機能を発揮する。シリコン整
流ダイオードの場合には通電容量の比較的大きいものを
製作し易い。しかも，この素子の場合には露出した電極
11a,11bを介してシリコン整流ダイオードのペレット16
a,16bが極低温に冷却され，ペレット16a,16bからの放熱
が極めて良い状態に維持される。このため，常温下にお
ける通電容量に比べて通電容量を大幅に増加させること
ができ，結果として前記通電特性を備え小型で，かつ大
通電容量の素子を得ることができる。また，各要素がパ
ッケージ化されているので耐久性にも富み，極低温冷媒
液内で長期に亙って安定した機能を発揮させることがで
きる。

第５図は上述した極低温用規定電圧導通素子を利用し
た本発明に係る超電導磁石の概略構成を示している。こ
の図では，第６図と同一部分が同一符号で示されてい
る。したがって，重複する部分の説明は省略する。

この実施例では，各分割コイル1a,1b,1cの両端間に抵
抗器10と第１図に示した構造の極低温用規定電圧導通素
子Ａとを直列に接続している。

このような構成の超電導磁石であると，超電導コイル
２の励消磁時に起こり易い抵抗器10の発熱に伴う冷媒液
の消費を零に抑えることができ，しかも永久電流モード
で運転しているとき，分割コイル1a,1b,1cの何れがクエ
ンチしてもクエンチした分割コイルの焼損を確実に防止
できる。

すなわち，超電導コイル２を励消磁するときには，端
子7a,7bをパワーリード8a,8bに接続し，永久電流スイッ
チ４をオフにして電流を上昇させたり，減少させたりす
る。このとき，超電導コイル２には電流の変化に対応し
た向きの誘起電圧が発生する。したがって，各分割コイ
ル1a,1b,1cの誘起電圧が各極低温用規定電圧導通素子Ａ
の順方向阻止電圧未満となるように電流の上昇速度およ
び減少速度を制御することによって，抵抗器10に電流を
全く流さずに励消磁を行なうことができ，励消磁時に抵
抗器10の存在によって起こり易い冷媒液の消費を零に抑
えることができる。

また，永久電流モードでの運転は，外部電源９からパ
ワーリード8a,8bを介して超電導コイル２に電流を流し
た後，永久電流スイッチ４をオンにし，またパワーリー
ド8a,8bを切り離すことによって行われる。なお，永久
電流モードでは各分割コイル1a,1b,1cの両端電圧は零で
ある。したがって，永久電流モードで正常に運転してい
るときには，抵抗器10には電流が全く流れない。

このように永久電流モードで運転しているとき，何れ
かの分割コイルにクエンチが発生したときには次のよう
にしてエネルギが消費される。すなわち，今，分割コイ
ル1aがクエンチしたものとする。この場合，クエンチし
たときの条件によって，分割コイル1aの抵抗値を緩やか
に増大させるクエンチパターンと，分割コイル1aの抵抗
値を急速に増大させるクエンチパターンとがある。ま
ず，分割コイル1aの抵抗値を緩やかに増大させるクエン
チパターンの場合には，分割コイル1aの抵抗値増加に伴
って分割コイル1aには図中上側を正とする電圧（抵抗に
よる降下電圧）が発生し，また健全な分割コイル1b,1c
にはそれぞれ図中下側を正とする電圧（電流変化に伴う
誘起電圧）が発生する。これらの電圧は通常，数10Vに
も達する。各極低温用規定電圧導通素子Ａは，前述の如
く無極性に構成されているので３つの極低温用規定電圧
導通素子Ａが導通状態となる。この場合，分割コイル1a
の両端に抵抗器10を介して接続されている素子Ａには図
中上から下へと電流が流れ，また他の素子Ａには図中下
から上へと電流が流れる。このため，超電導コイル２に
蓄えられていたエネルギは，クエンチした分割コイル1a
および各抵抗器10に分散されて消費される。したがっ
て，クエンチした分割コイル1aにエネルギが集中して，
このコイル1aが焼損する事態を確実に防止することがで
きる。

上述した例は、分割コイル1aの抵抗値を緩やかに増大
させるクエンチパターンの場合であるが、分割コイル1a
の抵抗値を急速に増大させるクエンチパターンの場合に
は、大きな電流変化率に伴って分割コイル1aに図中下側
を正とする数10V以上の誘起電圧が発生し、この誘起電
圧によって分割コイル1aの両端に抵抗器10を介して接続
されている素子Ａが導通し、この素子Ａには図中下から
上へと電流が流れ、また他の素子Ａには先の例と同様に
図中下から上へと電流が流れ、各抵抗器10においてジュ
ール熱の形でエネルギ消費が行われる。勿論、各素子Ａ
においてもジュール熱によってエネルギ消費が行われ
る。

一方、永久電流スイッチ４がクエンチすると、このク
エンチに伴って永久電流スイッチ４の抵抗値が急速に増
大し、この増大に伴って各分割コイル1a,1b,1cに図中下
側を正とする数10V以上の誘起電圧がそれぞれ発生し、
これらの誘起電圧によって分割コイル1a,1b,1cの両端に
抵抗器10を介してそれぞれ接続されている各素子Ａが導
通し、これら素子Ａに図中下から上へと電流が流れ、各
抵抗器10および各素子Ａにおいてジュール熱によるエネ
ルギ消費が行われる。

なお，本発明は，上述した実施例に限定されるもので
はない。すなわち，第１図に示す実施例では，鍔17の弾
性力によって接触圧を与えるようにしているが，接触圧
を与えるばね部材を設けるようにしてもよい。また，ペ
レット16a,16bが設けられている空間を封じ切るとき真
空引きするようにしてもよい。また，電極構成材料も実
施例の材料に限定されるものではない。

［発明の効果］ 以上述べたように，本発明によれば，極低温下におい
て，双極性の保護ギャップと同等の機能を確実に発揮す
る小型堅牢で大通電容量の極低温用規定電圧導通素子を
提供できる。

また，本発明によれば，上記素子を利用して励消磁時
の冷媒液消費を最少限に抑えることができるとともに何
れの分割コイルがクエンチした場合でも，このコイルの
焼損を防止できる超電導磁石を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る極低温用規定電圧導通
素子の縦断面図，第２図は同素子を第１図におけるＸ−
Ｘ線に沿って切断し矢印方向に見た図，第３図は同素子
の等価回路図，第４図は同素子の導通特性を示す図，第
５図は本発明の超電導磁石の概略構成図，第６図は従来
の超電導磁石の概略構成図である。 1a,1b,1c……分割コイル,2……超電導コイル,3……クラ
イオスタット,4……永久電流スイッチ,10……抵抗器,11
a,11b……電極,14……絶縁板,15a,15b……孔,16a,16b…
…シリコン整流ダイオードのペレット,18……絶縁筒,A
……極低温用規定電圧導通素子。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の電極間にシリコン整流ダイオードの
   ペレットを２個逆並列に介挿するとともに上記各電極を
   露出させてパッケージ化してなることを特徴とする極低
   温用規定電圧導通素子。
2. 【請求項２】前記２個のペレットは，前記電極間に挿設
   された孔開き絶縁板の孔内に装着されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の極低温用規定電圧導
   通素子。
3. 【請求項３】クライオスタットと，このクライオスタッ
   ト内に収容されるとともに超電導材で形成された分割コ
   イルを複数直列接続してなる超電導コイルと，この超電
   導コイルの両端間に接続された永久電流スイッチと，前
   記各分割コイルの両端間に保護抵抗器を介してそれぞれ
   接続され，それぞれが一対の電極間にシリコン整流ダイ
   オードのペレットを２個逆並列に介挿するとともに上記
   各電極を露出させてパッケージ化されてなる極低温用規
   定電圧導通素子とを具備してなることを特徴とする超電
   導磁石。