JP4142835B2 - 超電導マグネット装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温に冷却される超電導コイルの電源として温度差によって発電できる熱電素子（熱電対、ペルチェ素子）を利用した、冷却励磁型の超電導マグネット装置および超電導コイル励磁方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超電導マグネット装置は極低温に冷却された超電導マグネットと常温空間に置かれた電源とそれを接続するための電流リードから構成されている。
【０００３】
一般に超電導コイルは常電導コイルに比べ強力な磁場が必要な時に用いられるが、この理由は言うまでも無く、ジュール発熱を伴わないで大電流（１００Ａ〜１００ｋＡ）を流すことができ常電導マグネットにくらべ強い磁場を発生させることができるからである。
【０００４】
一方、強い磁場を発生する超電導マグネットの側には、磁場の影響を受けやすい電源制御回路や各種計測器は置くことができないため、また、鉄などの磁性材が用いられる電源を含めた機器装置も設置することができないため、銅やアルミ製の電流リードを遠方まで引き回し電源と超電導マグネットの距離を離して使用していた。
【０００５】
また、この長距離の電流輸送に置けるジュール損失を減少させるために、断面積の大きな電流リ一ドの敷設や、冷却装置を具備した電流リード、さらには超電導ケーブルを敷設する試みもなされてきた。
【０００６】
さらに、超電導マグネット装置に用いられる電源は大電流を流すため、電源内の整流素子や導線等における発熱も大きく、素子や導線の電流容量を通常の機器に比べ大きく設計してきた。
【０００７】
このように超電導マグネット装置の通電時の電源負荷は超電導コイル本体ではなく、電源を含めた常温部の電気回路で決定される。これらの損失を減らすための設備は電源のする仕事に比べ非常に大きな装置となる上、素子の冷却や制御のためにさらに電力を必要とする。
【０００８】
一方、超電導コイルにはある電流値以上の電流が流せないと言うしきい値（臨界電流）があるが、このコイルに対する電源制御が失敗した場合、すなわち定格電流以上の電流値を流しつづけた場合、超電導コイルが焼損する。また、定格電流値で運転していた場合でも、何らかの擾乱で常電導転移（クエンチ）することがあるが、この場合もその事態を素早く検出し、電流を下げる必要がある。
【０００９】
この対策として、コイルの異常を検出する様々な装置（クエンチ検出器等）を設置し、その信号をもとに電源制御を行うことでコイルの焼損を防いできた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超電導マグネット装置においては以下の問題点を有する。
【００１１】
（１）電源装置、ケーブル等が大型化し不経済である。
【００１２】
（２）飛行機、宇宙船等に重量、容積に制限がある場合に搭載が困難である。
【００１３】
（３）超電導コイルがクエンチした時に、その検出に失敗するとコイルを焼損する。
【００１４】
本発明は、前記問題点を解決するためなされたものであって、その目的は特別な電源を不要とし、超電導マグネットを超電導状態にするために必ず必要な冷却器を利用、すなわち冷却器によって生成される温度差を利用して発電することで非常にコンパクトな超電導マグネット装置および超電導コイル励磁方法を提供することにあり、また、本発明の他の目的は、コイルクエンチ時にも、特別な検出装置、安全装置が不要な自己制御型の超電導マグネット装置および超電導コイル励磁方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、超電導転移温度以下に冷却される超電導コイルを有する超電導マグネット装置において、前記超電導コイルの両端子間に、熱電能の異なる第１及び第２の熱電素子を少なくとも一対直列に接続し、前記超電導コイルの正極とするべき端子に前記熱電素子のうちの熱起電力の小さい熱電素子を接続し、前記超電導コイルの負極とするべき端子に前記熱電素子のうちの熱起電力の大きい熱電素子を接続し、前記熱電素子の接合部及び前記超電導コイルと前記熱電素子との接続部の少なくとも一方に、前記超電導コイルの発生磁場の検出信号あるいは前記超電導コイルの電流検出信号に基づいて、前記熱電素子の接合部及び、又は前記超電導コイルと前記熱電素子の接合部の温度を制御する温度制御装置を具備したことを特徴とする超電導マグネット装置である。
【００１６】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、超電導転移温度以下に冷却される超電導コイルを有する超電導マグネット装置において、前記超電導コイルの両端子間に、熱電能の異なる第１及び第２の熱電素子を少なくとも一対直列に接続し、前記超電導コイルの正極とするべき端子に接続する熱電素子としてｐ型半導体を用い、前記超電導コイルの負極とするべき端子に接続する熱電素子としてｎ型半導体を用い、前記熱電素子の接合部及び前記超電導コイルと前記熱電素子との接続部の少なくとも一方に、前記超電導コイルの発生磁場の検出信号あるいは前記超電導コイルの電流検出信号に基づいて、前記熱電素子の接合部及び、又は前記超電導コイルと前記熱電素子の接合部の温度を制御する温度制御装置を具備したことを特徴とする超電導マグネット装置である。
【００１７】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、前記第１の熱電素子と前記第２の熱電素子の接合部の温度を、前記超電導コイルの温度とは異なるように設定した請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置である。
【００１８】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、前記第１の熱電素子と前記第２の熱電素子の接合部の温度を、前記超電導コイルの温度よりも高く設定した請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置である。
【００１９】
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、前記超電導コイルを、冷媒が収納された断熱容器内に収容し、前記熱電素子の接合部を室温雰囲気中に設置した請求項１ないし４のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２０】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、前記超電導コイルを第１の熱伝導材を介して単段の冷凍機の低温側ステージに熱的に接触させ、前記熱電素子の接合部を第２の熱伝導材を介して前記冷凍機の常温部と熱的に接触させた請求項１から５のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２１】
前記目的を達成するため、請求項７に対応する発明は、前記熱伝導材のうち、少なくとも前記熱電素子の接合部と前記冷凍機の常温部を熱的に接触させている第２の熱伝導材との間の熱抵抗を可変できるように構成した請求項６に記載の超電導マグネット装置である。
【００２２】
前記目的を達成するため、請求項８に対応する発明は、前記超電導コイルは、多段構成の冷凍機の低温側ステージに熱的に接触され、一方前記熱電素子接合部は前記冷凍機の高温側ステージに熱的に接触させた請求項１ないし４のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２３】
前記目的を達成するため、請求項９に対応する発明は、次のようにしたものである。
前記超電導コイルは、多段構成の冷凍機の低温側ステージに熱的に接触され、前記超電導コイルの両端子には高温超電導電流リードを接続し、この電流リードの高温側端子を前記冷凍機の高温側ステージに熱的に接続すると共に、前記熱電素子の接合部の低温側端子を前記冷凍機の高温側ステ−ジに、前記熱電素子の接合部の高温側端子を常温部にそれぞれ熱的に接触させた請求項１ないし４のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２４】
前記目的を達成するため、請求項１０に対応する発明は、前記熱電素子の接合部にヒータを取り付けた請求項１ないし９のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２５】
前記目的を達成するため、請求項１１に対応する発明は、前記冷凍機のステージの温度を任意に制御できる温度制御装置を具備した請求項６ないし１０のいずれか一つに記載の超電導マグネッ卜装置である。
【００２７】
前記目的を達成するため、請求項１２に対応する発明は、前記熱電素子の接合部に直列にスイッチを接続した請求項１〜１１のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２８】
前記目的を達成するため、請求項１３に対応する発明は、前記熱電素子の接合部に直列にスイッチを接続し、該スイッチに並列に抵抗を接続した請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２９】
前記目的を達成するため、請求項１４に対応する発明は、前記熱電素子の接合部に直列にスイッチ及び可変抵抗を接続し、該スイッチ及び可変抵抗に並列に抵抗を接続した請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００３０】
前記目的を達成するため、請求項１５に対応する発明は、前記熱電素子の接合部に直列にスイッチを接続し、該スイッチに並列にコイル励磁用電源を接続した請求項１ないし１１のいずか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００３１】
前記目的を達成するため、請求項１６に対応する発明は、次のようにしたものである。前記コイル励磁用電源は、前記熱電素子が発生する電流と同方向に接続した請求項１５に記載の超電導マグネット装置である。
【００３２】
前記目的を達成するため、請求項１７に対応する発明は、前記コイル励磁用電源の端子は、前記熱電素子の接合部に対して着脱可能な構成とした請求項１５又は１６に記載の超電導マグネット装置である。
【００３３】
前記目的を達成するため、請求項１８に対応する発明は、前記熱電素子の接合部に直列にダイオードを接続し、該ダイオードに並列にコイル励磁用電源を接続した請求項１５、１６、１７のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００３４】
前記目的を達成するため、請求項１９に対応する発明は、前記ダイオードは、アノード側を前記コイル励磁用電源の負極側に、カソード側を前記コイル励磁電源の正極側にそれぞれ接続した請求項１８に記載の超電導マグネット装置である。
【００３５】
前記目的を達成するため、請求項２０に対応する発明は、前記熱電素子の一つにりん脱酸銅を使用したことを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置である。
【００４２】
【発明の実施形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００４３】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態を説明するための図であり、以下のように構成されている。図示しない冷却器により超電導転移温度以下に冷却される超電導コイル３と、超電導コイル３の両端子間を電気的に接続する接合部（リード部材）４によって構成される超電導マグネット装置において、接合部（リード部材）４に、熱電能の異なる第１の熱電素子（熱電能材）１及び第２の熱電素子（熱電能材）２を少なくとも一対直列に接続したものである。
【００４４】
ここで、熱電能とはある物質において１（Ｋ）の温度差で発生する熱起電力（μＶ）の値を指している。超電導コイル３を超電導転移温度以下に冷却する冷却器としては、液体ヘリウム、超臨界ヘリウム、液体水素、液体ネオン、液体窒素等の冷媒を用いて冷却するものや、冷凍機を使用したり、これ以外に何等かの手段で行なってもよい。
【００４５】
熱電素子１，２としては、熱電能の異なる２種類の金属あるいはｐ型半導体、ｎ型半導体が用いられる。
【００４６】
ここで、熱電能の異なる２種類の金属として、低温において比較的起電力の大きな材料の組み合わせを選ぶことで、室温から液体窒素温度までの温度差で例えば銅・コンスタンタンでは６ｍＶ、鉄・コンスタンタンでは９ｍＶ、ニクロム・金コバルトでは１２ｍＶの熱起電力を得ることができる。
【００４７】
また、超電導コイル３は強磁場を発生するため磁場中での熱起電力の減少が少ないクロメル・コンスタンタンや銅鉄・クロメルなどの組み合わせも有効である。さらにｐ型半導体、ｎ型半導体としては、例えばＰｂ−Ｔｅ素子、Ｂｉ−Ｔｅ素子、Ｂｉ−Ｓｂ素子が考えられる。
【００４８】
ー方、熱電素子が磁場によって起電力が小さくなる性質を逆に利用して発生起電力を制御する、すなわち最大磁場を制御することも可能である。この小さな起電力を利用して、抵抗がゼロの超電導コイルに電流を流すことが可能となる。この結果、特別な電源を用意しなくても超電導マグネットを励磁することが可能になる。
【００４９】
また、本実施形態では超電導コイル３を、冷却器により冷却することで超電導コイル３に電流が流れ磁石となり、コイル３が常温に戻るか、コイル３に接続された熱電素子１，２の接合部がコイル３と等しい温度になれば減磁されることになり、非常に単純なシステムとなる。
【００５０】
より詳細には、熱電素子１，２として例えば銅・コンスタンタンの組み合わせで構成した場合、室温から液体窒素温度の温度差で発生する起電力は６ｍＶである。一方、超電導状態の超電導コイル３の抵抗は０なので、定常的に超電導コイル３に流れる電流は熱電能を有する熱電素子の内部抵抗で決まる。
【００５１】
ここで、熱電素子の長さを２００ｍｍ、銅の断面積を１００ｍｍ２、コンスタンタンの断面積を２０００ｍｍ２にすると、銅の３００Ｋから７７Ｋまでの抵抗が２０μΩ、コンスタンタンが３０μΩとなり、この回路の抵抗は５０μΩとなり、オームの法則から定常的に１２０Ａの電流が流れ通常の超電導コイル３の励磁電流としては十分である。
【００５２】
そして、本発明においては超電導コイル３に適用した場合に、コイルクエンチ時に発生する電圧により自動的に減磁され特別な検出装置、安全装置が不要となる。
【００５３】
さらに、超電導コイル３が高温超電導コイルの場合には、もし通電電流が臨界電流近くに達した場合には、高温超電導の特徴でもあるフラックスフロー（磁束流）電圧が発生し自動的に電流値を抑える、自動制卸型のマグネットシステムになる。
【００５４】
＜第２の実施形態＞
図２は本発明の第２の実施形態を説明するための図であり、熱電素子１と熱電素子２の接合部４の温度Ｔ２と、超電導コイル３の温度Ｔ１を図示しないと冷却器により任意に調整できるように構成したものである。
【００５５】
このような構成では、例えば、熱電素子１が熱電素子２より大きな熱電能を有する場合には、温度Ｔ２＞温度Ｔ１で図中に示す方向に電流ｉが流れる。反対に温度Ｔ２＜温度Ｔ１であれば図中と逆に電流ｉが流れ、発生する磁場の向きが逆になる。さらに、温度Ｔ１と温度Ｔ２の温度差を任意に変えることで発生する起電力、すなわちコイル３の通電電流、発生磁場をコントロールすることができる。
【００５６】
また、温度Ｔ２を温度Ｔ１より高く設定することにより、次のような作用効果が得られる。現在、実用化されている金属系の超電導線の臨界温度はＮｂ３Ｓｎ、Ｎｂ３Ａｌで１８Ｋ程度、酸化物系超電導線のＢｉ２２２３で１０８Ｋであり、低温側へ温度差をつけるのは高温側に比べ不利であることがわかる。
【００５７】
さらに、温度Ｔ２＞温度Ｔ１とした方が、投入エネルギーも少なくなり、経済的である。
【００５８】
また、熱電素子１，２の接合部の温度Ｔ２が超電導コイル３の温度Ｔ１より高い場合においては、コイル３から目的とする磁場方向を得るため正極となる端子に熱起電力の小さい材料からなる熱電素子１を接続し、又負極となる端子に熱起電力の大きい材料からなる熱電素子２を接続する。
【００５９】
さらに、熱電素子が半導体素子から構成されている場合には、コイル３の正極にｐ型半導体素子を、負極にｎ型半導体素子を用いることで、設計した通りの磁場方向に励磁が可能となる。ここで、ｐ型半導体、ｎ型半導体としては、例えばＰｂ−Ｔｅ素子、Ｂｉ−Ｔｅ素子、Ｂｉ−Ｓｂ素子が考えられる。
【００６０】
＜第３の実施形態＞
図３は本発明の第３の実施形態を説明するための図である。断熱容器５内に収納した超電導コイル３を冷媒中に設置し、又熱電素子１，２の接合部を室温雰囲気中に設置した構成としたものである。
【００６１】
このように熱電素子１，２の接合部を室温雰囲気に置くことで、熱電素子１，２の高温端を特別なヒータ等を用いずに室温に保つことができる。
【００６２】
この実施形態の構成は、高温超電導コイルを液体窒素容器に収納し、コイルに接続された熱電素子の高温端を容器の外に導くことで大気からの入熱を利用して、高温端の温度をある温度に維持することができる。
【００６３】
また、熱電素子１，２の熱伝導が大きい場合には、高温端にフィンなどを設けることで、これを室温に維持することができる。
【００６４】
＜第４の実施形態＞
図４は本発明の第４の実施形態を説明するための図である。図４では超電導コイル３を冷却器例えば単段構成の冷凍機６の低温側ステージ６ａに熱伝導材７を介して超電導コイル３と熱的に接続してコイルを冷却し、また、熱電素子１，２の接合部を熱伝導材９を介して常温部と熱的な接触を持たせた構成としている。
【００６５】
さらに、図４の構成において、熱伝導材７，９の内、少なくとも熱電素子１，２の接合部４と常温部を熱的に接続している熱伝導材９の熱抵抗を可変にできるように構成してもよい。
【００６６】
このように構成された超電導マグネット装置では、冷凍機６によって超電導コイル３が冷却されることによって熱電素子１，２に起電力が生じ始める。
【００６７】
熱電素子１，２の常温部と熱的な接触を持つ異種材料の接続部の温度はこの熱伝導材９の熱抵抗によって変化する。本実施形態ではこの熱伝導材９の熱抵抗を定格通電に必要な電圧を発生するために必要な温度を与えるため制御可能な構成とする。例えば、機械的にその接触面積が変化するような熱スイッチや、接触面の圧力をコントロールする機構を有する熱スイッチなどを用いて、その温度を制御可能にしている。
【００６８】
＜第５の実施形態＞
図５は本発明の第５の実施形態を説明する図である。図５では、超電導コイル３の冷却に冷却器例えば多段構成の冷凍機８を用いる構成について示している。この超電導コイル３は冷凍機８の低温側ステージ８ａに熱伝導材７により熱的に接触されて冷却され、熱電素子１，２の接合部４は熱伝導材８ｃを介して高温側ステージ８ｂに熱的に接触させた構成としている。
【００６９】
このように構成することによって、熱電素子１，２の高温側温度を室温以下の低温にすることができ、超電導コイル３への侵入熱を抑えることができる。
【００７０】
＜第６の実施形態＞
図６は本発明の第６の実施形態を説明するための図である。図６において、超電導コイル３は冷却器例えば多段構成の冷凍機８の低温側ステージ８ａに熱的に接続され、この超電導コイル３の口出し部には、例えばＨｉＴｃリード１０からなる高温超電導電流リードが接続されている。この高温超電導リードの高温側端子を冷凍機８の高温側ステージ８ｂに熱伝導材８ｃを介して熱的に接触させ接続し、さらに熱電素子１，２の接合部の低温側端子を冷凍機８の高温側ステージ８ｂに、熱電素子１，２の接合部４の高温端を熱伝導材９を介して常温部とそれぞれ熱的に接触させた構成とする。
【００７１】
このような構成とすることにより、熱起電力を大きく低下させず超電導コイル３への侵入熱を抑えることができる。
【００７２】
＜第７の実施形態＞
図７は本発明の第７の実施形態を説明するための図である。図７では超電導コイル３を冷却するために用いる冷却器例えば単段構成の冷凍機６の低温側ステージ６ａ、熱伝導材７を介して熱的に接続し、熱電素子１，２の接合部にはヒータ１１を取り付けた構成としたものである。この構成は、前記述べた第１〜第６の実施形態のいずれか一つにも適用できる。
【００７３】
以上述べた第７の実施形態の構成により、超電導コイル３と熱電素子１，２は同時に冷却され、コイル３が超電導状態になっても、コイルには電流が流れずに励磁していない状態を得ることができる。この後、コイル３に通電し磁場を発生させるためには、ヒータ１１により熱電素子１，２の接合部４を加温し、熱起電力を発生させればよい。
【００７４】
＜第８の実施形態＞
図８は本発明の第８の実施形態を説明するための図である。図８は図４、図５、図６、図７の実施形態のように、超電導コイル３を冷却するために冷凍機６，８を使用する超電導マグネット装置において、当該冷凍機６，８のステージ６ａ，８ａ，８ｂの温度を任意に制御できる温度制御装置１７を具備した構成とする。
【００７５】
この温度制御装置１７は、温度検出器１３で熱電素子接合部の温度を、１４で超電導コイル３の温度でそれぞれ測定し、超電導コイル３に流れる電流値を電流検出器１２により検出し、又はコイル３の発生磁場を磁束検出器１５により検出し、ヒータ１１およびクーラ１６を制御することにより所望の磁場が得られるようにしている。
【００７６】
なお、コイル３に流れる電流の測定にはシャント等の抵抗を有するものは用いず、電流によって発生する磁場を検出する非接触型の電流検出器例えば変流器ＣＴなどを用いる。
【００７７】
＜第９の実施形態＞
図９は本発明の第９の実施形態を説明するための図である。図９では、熱電素子１，２の接合部に直列にスイッチ１８を接続し、スイッチ１８に並列に保護抵抗１９を接続したものである。
【００７８】
このスイッチ１８によって回路を切ることができ、コイル３を冷却しても電流が流れない状態をつくることができる。
【００７９】
さらに、このスイッチ１８と並列に保護抵抗１９を配置したことで、励磁されたコイル３をスイッチ１８によって遮断する場合、この並列に設けた保護抵抗１９がコイル３のエネルギーを回収（消費）しコイル３を保護することができる。
【００８０】
なお、以上述べた図９の構成は、図１〜図８のいずれか一つの実施形態にも適用することができる。
【００８１】
＜第１０の実施形態＞
図１０は本発明の第１０の実施形態の構成を説明する図である。図１０では熱電素子１，２の接合部４に直列にスイッチ１８及び可変抵抗２０を接続し、該スイッチ１８及び可変抵抗２０に並列に保護抵抗１９を接続したものである。
【００８２】
このような構成において、可変抵抗２０の抵抗値を変化させることで、コイル３に流れる電流を制御することができる。なお、保護抵抗１９の働きは、前記第９の実施形態と同じである。
【００８３】
以上述べた図１０の構成は、図１〜図８のいずれか一つの実施形態にも適用することができる。
【００８４】
＜第１１の実施形態＞
図１１は本発明の第１１の実施形態の構成を説明する図である。図１１では、ｐ型半導体からなる熱電素子１とｎ型半導体からなる熱電素子２の接合部に直列にスイッチ１８を接続し、該スイッチ１８と並列にコイル励磁用電源２１を接続したものである。この場合、コイル励磁用電源２１は、熱電素子１，２によって超電導コイル３に誘起される電流と同方向に電流が流れる向きに正極および負極を接続したものである。
【００８５】
さらに、コイル励磁用電源２１の両端子２１ａ，２１ｂは、熱電素子１，２の接合部４に対して着脱可能な構成例えばジャック式としたものである。
【００８６】
このように構成したことにより、コイル３に熱電素子１，２を接合しただけの超電導マグネット装置では、それまで不可能であった高速励磁が可能になる。即ち、熱電発電は発生できる起電力が小さいため、コイル３が定格電流に達するまでの時間は長時間を要していた。
【００８７】
しかしながら、熱電素子１，２にコイル励磁用電源２１を接続することで、高速通電が可能となる。
【００８８】
さらに、コイル励磁用電源２１により一旦励磁した超電導コイル３は、コイル励磁用電源２１と並列に配置されたスイッチ１８を投入することで通電電流を維持することが可能となる。コイル励磁用電源２１の切り替えが行われた後には、コイル励磁用電源２１を熱電素子１，２の接合部４から着脱することができる。
【００８９】
なお、コイル励磁用電源２１の切り替えのためのスイッチ１８を投入する場合には、定格通電時に電源両端に発生している電圧と同一の電圧が熱電素子１，２に発生するように両端の温度を制御する必要がある。
【００９０】
ここで、超電導コイル３の励磁方法について説明する。図１１において、超電導コイル３の定格電流までは、コイル励磁用電源２１を用いて励磁する。そして定格電流通電時にコイル励磁用電源２１を除いた電気回路で発生する電圧が熱電素子１，２による発生電圧と等しくなるように、熱電素子１，２の高温側の接合部４及び低温側のコイルとの接合部の少なくとも一方の温度を制御するものである。
【００９１】
なお、以上述べた図１１の構成は、図１〜図８のいずれか一つの実施形態にも適用することができる。
【００９２】
＜第１２の実施形態＞
図１２は本発明の第１２の実施形態の構成を説明する図である。図１２では、図１１の構成において、熱電素子１，２の接合部４に直列にダイオード２２を接続したものである。この場合のダイオード２２の極性は、端子２１ｂ側がアノードとなるように接続してある。
【００９３】
この構成によりスイッチ１８を閉じた状態でも付加的に取り付けたコイル励磁用電源２１により超電導コイル３に通電することが可能となる。
【００９４】
なお、図１２の構成に図９に示すようにスイッチ１８と並列に保護抵抗１９を接続するようにしてもよく、このように構成することにより、スイッチ１８による遮断が行われた場合にはコイル３が保護される。
【００９５】
また、図１２において熱電素子１，２のいずれか一つにりん脱酸銅を用いてもよく、このようにすることで侵入熱を低減することができる。
【００９６】
さらに、熱電素子１，２を磁性材（鉄、Ｎｉ等）にし、かつこれをコイル３の鉄心として利用することで、より高性能な超電導マグネットを提供できる。
【００９７】
以上述べた実施の形態のように、熱電素子１，２を電源として用いる超電導マグネット装置として、高温超電導コイルを使用することは非常に有効なことである。高温超電導コイルでは負荷率の上昇に伴いｍＶオーダーの小さな電圧が発生するが、この値が熱電素子の発生電圧とオーダー的に近い値を示しており、高温超電導コイルがクエンチに至る前に自己制御がかかる。
【００９８】
なお、以上述べた図１２の構成は、図１〜図８のいずれか一つの実施形態にも適用することができる。
【００９９】
＜第１３の実施形態＞
図１３は本発明の第１３の実施形態の構成を説明する図である。図１３は超電導コイル３の両端子間に、熱電能の異なる第１及び第２の熱電素子１，２を少なくとも一対直列に接続するものであって、超電導コイル３とこれに接続された熱電素子１，２との間及び熱電素子１，２の接合部４との間に輻射シールド２３を配置したものである。
【０１００】
このように構成された超電導マグネット装置を宇宙空間で利用する場合に、エネルギー源として太陽光からの輻射エネルギーを用いる。例えば、高温超電導コイルの超電導転移温度は１００Ｋ前後であり、通常宇宙空間に打ち上げられた人工衛星などの最低温度にほぼ等しい。また、宇宙空間は高真空状態であり、地上で必要とされる真空容器などは必要としない。これらの環境を利用した最も簡単な超電導マグネット装置が本実施形態である。
【０１０１】
本実施形態では、超電導コイル３を冷却するため、輻射シールド２３を用いている。熱源となる太陽と超電導コイル３の間に輻射シールド２３を配置することで、コイルを１００Ｋ以下に冷却することができる。
【０１０２】
また、超電導マグネットを励磁するための電源として、前述している熱電素子を用いる。即ち、熱電素子１，２の高温端を輻射シールド２３の前面、輻射源に近い方に置き、コイル３との温度差を大きくとることで、熱起電力を発生させることができる。
【０１０３】
＜第１４の実施形態＞
図１４は本発明の第１４の実施形態の構成を説明する図である。図１４は人工衛星等に取り付けられ常時太陽等の熱源に曝されていない、もしくは、熱源が極端に乏しい場合に、少なくとも高温側端部に熱容量の大きなヒートシンク２４を設けたものである。
【０１０４】
このように構成することにより、超電導コイル３に例えば太陽光のような熱源が届かない場合にも、ヒートシンク２４にためられたエネルギーによって、マグネットの励磁を継続することができる。
【０１０５】
＜第１５の実施形態＞
図１５は本発明の第１５の実施形態の構成を説明する図である。図１５は、配管等の冷媒通路２５に、低温冷媒例えば液体窒素や液体ヘリウムを供給して被冷却物２７を冷却するものであって、該低温冷媒の流量を調整するための流量調整電磁バルブ２６を備えた冷媒流量制御装置を示している。
【０１０６】
具体的には、電磁バルブ２６は電磁コイルと、弁２６ｂを含むアーマチュアとコイルばね２６ｃからなり、電磁コイルとして超電導コイル２６ａを用い、超電導コイル２６ａの両端子に熱電能の異なる第１及び第２の熱電素子１，２を少なくとも一対直列に接続し、熱電素子１，２の熱起電力により超電導コイル２６ａを励磁して電磁バルブ２６を動作させるようにしたものである。
【０１０７】
このような構成で、低温冷媒が流れる冷媒通路２５と被冷却物２７被冷却体の超電導コイルとの温度差が熱電素子１，２で検出され、この熱電素子１，２により発生する熱起電力を利用して超電導コイル２６ａが付勢され、これによりコイルばね２６ｃの弾性力に抗して弁２６ｂが開路されるので、低温冷媒が常に冷えた状態を得ることができる。
【０１０８】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、特別な電源を不要とし、超電導マグネットを超電導状態にするために必要な冷却器例えば冷凍機を利用、すなわち冷却器によって生成される温度差を利用して発電することで非常にコンパクトな超電導マグネット装置、超電導コイル励磁方法を提供することができ、また、コイルクエンチ時にも、特別な検出装置、安全装置が不要な自己制御型の超電導マグネット装置、超電導コイル励磁方法を提供でき、さらに前記熱電素子の接合部及び前記超電導コイルと前記熱電素子との接続部の少なくとも一方に、前記超電導コイルの発生磁場の検出信号あるいは前記超電導コイルの電流検出信号に基づいて、前記熱電素子の接合部及び、又は前記超電導コイルと前記熱電素子の接合部の温度を制御する温度制御装置を具備しているので、超電導コイルを適用した機器における技術的要請である、磁場及び電流を大きく変化させることなく安定に維持することができ、これにより永久電流モードを、わずかな抵抗を有する高温超電導コイルにおいても実現可能となる超電導マグネット装置、超電導コイル励磁方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するための概略構成図。
【図２】本発明の第２の実施形を説明するための概略構成図。
【図３】本発明の第３の実施形態を説明するための概略構成図。
【図４】本発明の第４の実施形態を説明するための概略構成図。
【図５】本発明の第５の実施形態を説明するための概略構成図。
【図６】本発明の第６の実施形態を説明するための概略構成図。
【図７】本発明の第７の実施形態を説明するための概略構成図。
【図８】本発明の第８の実施形態を説明するための概略構成図。
【図９】本発明の第９の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１０】本発明の第１０の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１１】本発明の第１１の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１２】本発明の第１２の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１３】本発明の第１３の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１４】本発明の第１４の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１５】本発明の第１５の実施形態を説明するための概略構成図。
【符号の説明】
１…第１の熱電素子
２…第２の熱電素子
３…超電導コイル
４…接合部（リード部材）
５…断熱容器
６…冷凍機
６ａ…低温側ステージ
７…熱伝導材
８…冷凍機
８ａ…低温側ステージ
８ｃ…熱伝導材
８ｂ…高温側ステージ
９…熱伝導材
１０…リード
１１…ヒータ
１２…電流検出器
１３、１４…温度検出器
１５…磁束検出器
１６…クーラ
１７…温度制御装置
１８…スイッチ
１９…保護抵抗
２０…可変抵抗
２１…コイル励磁用電源
２１ａ、２１ｂ…端子
２２…ダイオード
２３…輻射シールド
２４…ヒートシンク
２５…冷媒通路
２６…流量調整電磁バルブ
２７…被冷却物
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温に冷却される超電導コイルの電源として温度差によって発電できる熱電素子（熱電対、ペルチェ素子）を利用した、冷却励磁型の超電導マグネット装置および超電導コイル励磁方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超電導マグネット装置は極低温に冷却された超電導マグネットと常温空間に置かれた電源とそれを接続するための電流リードから構成されている。
【０００３】
一般に超電導コイルは常電導コイルに比べ強力な磁場が必要な時に用いられるが、この理由は言うまでも無く、ジュール発熱を伴わないで大電流（１００Ａ〜１００ｋＡ）を流すことができ常電導マグネットにくらべ強い磁場を発生させることができるからである。
【０００４】
一方、強い磁場を発生する超電導マグネットの側には、磁場の影響を受けやすい電源制御回路や各種計測器は置くことができないため、また、鉄などの磁性材が用いられる電源を含めた機器装置も設置することができないため、銅やアルミ製の電流リードを遠方まで引き回し電源と超電導マグネットの距離を離して使用していた。
【０００５】
また、この長距離の電流輸送に置けるジュール損失を減少させるために、断面積の大きな電流リ一ドの敷設や、冷却装置を具備した電流リード、さらには超電導ケーブルを敷設する試みもなされてきた。
【０００６】
さらに、超電導マグネット装置に用いられる電源は大電流を流すため、電源内の整流素子や導線等における発熱も大きく、素子や導線の電流容量を通常の機器に比べ大きく設計してきた。
【０００７】
このように超電導マグネット装置の通電時の電源負荷は超電導コイル本体ではなく、電源を含めた常温部の電気回路で決定される。これらの損失を減らすための設備は電源のする仕事に比べ非常に大きな装置となる上、素子の冷却や制御のためにさらに電力を必要とする。
【０００８】
一方、超電導コイルにはある電流値以上の電流が流せないと言うしきい値（臨界電流）があるが、このコイルに対する電源制御が失敗した場合、すなわち定格電流以上の電流値を流しつづけた場合、超電導コイルが焼損する。また、定格電流値で運転していた場合でも、何らかの擾乱で常電導転移（クエンチ）することがあるが、この場合もその事態を素早く検出し、電流を下げる必要がある。
【０００９】
この対策として、コイルの異常を検出する様々な装置（クエンチ検出器等）を設置し、その信号をもとに電源制御を行うことでコイルの焼損を防いできた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超電導マグネット装置においては以下の問題点を有する。
【００１１】
（１）電源装置、ケーブル等が大型化し不経済である。
【００１２】
（２）飛行機、宇宙船等に重量、容積に制限がある場合に搭載が困難である。
【００１３】
（３）超電導コイルがクエンチした時に、その検出に失敗するとコイルを焼損する。
【００１４】
本発明は、前記問題点を解決するためなされたものであって、その目的は特別な電源を不要とし、超電導マグネットを超電導状態にするために必ず必要な冷却器を利用、すなわち冷却器によって生成される温度差を利用して発電することで非常にコンパクトな超電導マグネット装置および超電導コイル励磁方法を提供することにあり、また、本発明の他の目的は、コイルクエンチ時にも、特別な検出装置、安全装置が不要な自己制御型の超電導マグネット装置および超電導コイル励磁方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、超電導転移温度以下に冷却される超電導コイルを有する超電導マグネット装置において、前記超電導コイルの両端子間に、熱電能の異なる第１及び第２の熱電素子を少なくとも一対直列に接続し、前記超電導コイルの正極とするべき端子に前記熱電素子のうちの熱起電力の小さい熱電素子を接続し、前記超電導コイルの負極とするべき端子に前記熱電素子のうちの熱起電力の大きい熱電素子を接続し、前記熱電素子の接合部及び前記超電導コイルと前記熱電素子との接続部の少なくとも一方に、前記超電導コイルの発生磁場の検出信号あるいは前記超電導コイルの電流検出信号に基づいて、前記熱電素子の接合部及び、又は前記超電導コイルと前記熱電素子の接合部の温度を制御する温度制御装置を具備したことを特徴とする超電導マグネット装置である。
【００１６】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、超電導転移温度以下に冷却される超電導コイルを有する超電導マグネット装置において、前記超電導コイルの両端子間に、熱電能の異なる第１及び第２の熱電素子を少なくとも一対直列に接続し、前記超電導コイルの正極とするべき端子に接続する熱電素子としてｐ型半導体を用い、前記超電導コイルの負極とするべき端子に接続する熱電素子としてｎ型半導体を用い、前記熱電素子の接合部及び前記超電導コイルと前記熱電素子との接続部の少なくとも一方に、前記超電導コイルの発生磁場の検出信号あるいは前記超電導コイルの電流検出信号に基づいて、前記熱電素子の接合部及び、又は前記超電導コイルと前記熱電素子の接合部の温度を制御する温度制御装置を具備したことを特徴とする超電導マグネット装置である。
【００１７】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、前記第１の熱電素子と前記第２の熱電素子の接合部の温度を、前記超電導コイルの温度とは異なるように設定した請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置である。
【００１８】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、前記第１の熱電素子と前記第２の熱電素子の接合部の温度を、前記超電導コイルの温度よりも高く設定した請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置である。
【００１９】
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、前記超電導コイルを、冷媒が収納された断熱容器内に収容し、前記熱電素子の接合部を室温雰囲気中に設置した請求項１ないし４のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２０】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、前記超電導コイルを第１の熱伝導材を介して単段の冷凍機の低温側ステージに熱的に接触させ、前記熱電素子の接合部を第２の熱伝導材を介して前記冷凍機の常温部と熱的に接触させた請求項１から５のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２１】
前記目的を達成するため、請求項７に対応する発明は、前記熱伝導材のうち、少なくとも前記熱電素子の接合部と前記冷凍機の常温部を熱的に接触させている第２の熱伝導材との間の熱抵抗を可変できるように構成した請求項６に記載の超電導マグネット装置である。
【００２２】
前記目的を達成するため、請求項８に対応する発明は、前記超電導コイルは、多段構成の冷凍機の低温側ステージに熱的に接触され、一方前記熱電素子接合部は前記冷凍機の高温側ステージに熱的に接触させた請求項１ないし４のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２３】
前記目的を達成するため、請求項９に対応する発明は、次のようにしたものである。
前記超電導コイルは、多段構成の冷凍機の低温側ステージに熱的に接触され、前記超電導コイルの両端子には高温超電導電流リードを接続し、この電流リードの高温側端子を前記冷凍機の高温側ステージに熱的に接続すると共に、前記熱電素子の接合部の低温側端子を前記冷凍機の高温側ステ−ジに、前記熱電素子の接合部の高温側端子を常温部にそれぞれ熱的に接触させた請求項１ないし４のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２４】
前記目的を達成するため、請求項１０に対応する発明は、前記熱電素子の接合部にヒータを取り付けた請求項１ないし９のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２５】
前記目的を達成するため、請求項１１に対応する発明は、前記冷凍機のステージの温度を任意に制御できる温度制御装置を具備した請求項６ないし１０のいずれか一つに記載の超電導マグネッ卜装置である。
【００２７】
前記目的を達成するため、請求項１２に対応する発明は、前記熱電素子の接合部に直列にスイッチを接続した請求項１〜１１のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２８】
前記目的を達成するため、請求項１３に対応する発明は、前記熱電素子の接合部に直列にスイッチを接続し、該スイッチに並列に抵抗を接続した請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００２９】
前記目的を達成するため、請求項１４に対応する発明は、前記熱電素子の接合部に直列にスイッチ及び可変抵抗を接続し、該スイッチ及び可変抵抗に並列に抵抗を接続した請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００３０】
前記目的を達成するため、請求項１５に対応する発明は、前記熱電素子の接合部に直列にスイッチを接続し、該スイッチに並列にコイル励磁用電源を接続した請求項１ないし１１のいずか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００３１】
前記目的を達成するため、請求項１６に対応する発明は、次のようにしたものである。前記コイル励磁用電源は、前記熱電素子が発生する電流と同方向に接続した請求項１５に記載の超電導マグネット装置である。
【００３２】
前記目的を達成するため、請求項１７に対応する発明は、前記コイル励磁用電源の端子は、前記熱電素子の接合部に対して着脱可能な構成とした請求項１５又は１６に記載の超電導マグネット装置である。
【００３３】
前記目的を達成するため、請求項１８に対応する発明は、前記熱電素子の接合部に直列にダイオードを接続し、該ダイオードに並列にコイル励磁用電源を接続した請求項１５、１６、１７のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置である。
【００３４】
前記目的を達成するため、請求項１９に対応する発明は、前記ダイオードは、アノード側を前記コイル励磁用電源の負極側に、カソード側を前記コイル励磁電源の正極側にそれぞれ接続した請求項１８に記載の超電導マグネット装置である。
【００３５】
前記目的を達成するため、請求項２０に対応する発明は、前記熱電素子の一つにりん脱酸銅を使用したことを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置である。
【００４２】
【発明の実施形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００４３】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態を説明するための図であり、以下のように構成されている。図示しない冷却器により超電導転移温度以下に冷却される超電導コイル３と、超電導コイル３の両端子間を電気的に接続する接合部（リード部材）４によって構成される超電導マグネット装置において、接合部（リード部材）４に、熱電能の異なる第１の熱電素子（熱電能材）１及び第２の熱電素子（熱電能材）２を少なくとも一対直列に接続したものである。
【００４４】
ここで、熱電能とはある物質において１（Ｋ）の温度差で発生する熱起電力（μＶ）の値を指している。超電導コイル３を超電導転移温度以下に冷却する冷却器としては、液体ヘリウム、超臨界ヘリウム、液体水素、液体ネオン、液体窒素等の冷媒を用いて冷却するものや、冷凍機を使用したり、これ以外に何等かの手段で行なってもよい。
【００４５】
熱電素子１，２としては、熱電能の異なる２種類の金属あるいはｐ型半導体、ｎ型半導体が用いられる。
【００４６】
ここで、熱電能の異なる２種類の金属として、低温において比較的起電力の大きな材料の組み合わせを選ぶことで、室温から液体窒素温度までの温度差で例えば銅・コンスタンタンでは６ｍＶ、鉄・コンスタンタンでは９ｍＶ、ニクロム・金コバルトでは１２ｍＶの熱起電力を得ることができる。
【００４７】
また、超電導コイル３は強磁場を発生するため磁場中での熱起電力の減少が少ないクロメル・コンスタンタンや銅鉄・クロメルなどの組み合わせも有効である。さらにｐ型半導体、ｎ型半導体としては、例えばＰｂ−Ｔｅ素子、Ｂｉ−Ｔｅ素子、Ｂｉ−Ｓｂ素子が考えられる。
【００４８】
ー方、熱電素子が磁場によって起電力が小さくなる性質を逆に利用して発生起電力を制御する、すなわち最大磁場を制御することも可能である。この小さな起電力を利用して、抵抗がゼロの超電導コイルに電流を流すことが可能となる。この結果、特別な電源を用意しなくても超電導マグネットを励磁することが可能になる。
【００４９】
また、本実施形態では超電導コイル３を、冷却器により冷却することで超電導コイル３に電流が流れ磁石となり、コイル３が常温に戻るか、コイル３に接続された熱電素子１，２の接合部がコイル３と等しい温度になれば減磁されることになり、非常に単純なシステムとなる。
【００５０】
より詳細には、熱電素子１，２として例えば銅・コンスタンタンの組み合わせで構成した場合、室温から液体窒素温度の温度差で発生する起電力は６ｍＶである。一方、超電導状態の超電導コイル３の抵抗は０なので、定常的に超電導コイル３に流れる電流は熱電能を有する熱電素子の内部抵抗で決まる。
【００５１】
ここで、熱電素子の長さを２００ｍｍ、銅の断面積を１００ｍｍ２、コンスタンタンの断面積を２０００ｍｍ２にすると、銅の３００Ｋから７７Ｋまでの抵抗が２０μΩ、コンスタンタンが３０μΩとなり、この回路の抵抗は５０μΩとなり、オームの法則から定常的に１２０Ａの電流が流れ通常の超電導コイル３の励磁電流としては十分である。
【００５２】
そして、本発明においては超電導コイル３に適用した場合に、コイルクエンチ時に発生する電圧により自動的に減磁され特別な検出装置、安全装置が不要となる。
【００５３】
さらに、超電導コイル３が高温超電導コイルの場合には、もし通電電流が臨界電流近くに達した場合には、高温超電導の特徴でもあるフラックスフロー（磁束流）電圧が発生し自動的に電流値を抑える、自動制卸型のマグネットシステムになる。
【００５４】
＜第２の実施形態＞
図２は本発明の第２の実施形態を説明するための図であり、熱電素子１と熱電素子２の接合部４の温度Ｔ２と、超電導コイル３の温度Ｔ１を図示しないと冷却器により任意に調整できるように構成したものである。
【００５５】
このような構成では、例えば、熱電素子１が熱電素子２より大きな熱電能を有する場合には、温度Ｔ２＞温度Ｔ１で図中に示す方向に電流ｉが流れる。反対に温度Ｔ２＜温度Ｔ１であれば図中と逆に電流ｉが流れ、発生する磁場の向きが逆になる。さらに、温度Ｔ１と温度Ｔ２の温度差を任意に変えることで発生する起電力、すなわちコイル３の通電電流、発生磁場をコントロールすることができる。
【００５６】
また、温度Ｔ２を温度Ｔ１より高く設定することにより、次のような作用効果が得られる。現在、実用化されている金属系の超電導線の臨界温度はＮｂ３Ｓｎ、Ｎｂ３Ａｌで１８Ｋ程度、酸化物系超電導線のＢｉ２２２３で１０８Ｋであり、低温側へ温度差をつけるのは高温側に比べ不利であることがわかる。
【００５７】
さらに、温度Ｔ２＞温度Ｔ１とした方が、投入エネルギーも少なくなり、経済的である。
【００５８】
また、熱電素子１，２の接合部の温度Ｔ２が超電導コイル３の温度Ｔ１より高い場合においては、コイル３から目的とする磁場方向を得るため正極となる端子に熱起電力の小さい材料からなる熱電素子１を接続し、又負極となる端子に熱起電力の大きい材料からなる熱電素子２を接続する。
【００５９】
さらに、熱電素子が半導体素子から構成されている場合には、コイル３の正極にｐ型半導体素子を、負極にｎ型半導体素子を用いることで、設計した通りの磁場方向に励磁が可能となる。ここで、ｐ型半導体、ｎ型半導体としては、例えばＰｂ−Ｔｅ素子、Ｂｉ−Ｔｅ素子、Ｂｉ−Ｓｂ素子が考えられる。
【００６０】
＜第３の実施形態＞
図３は本発明の第３の実施形態を説明するための図である。断熱容器５内に収納した超電導コイル３を冷媒中に設置し、又熱電素子１，２の接合部を室温雰囲気中に設置した構成としたものである。
【００６１】
このように熱電素子１，２の接合部を室温雰囲気に置くことで、熱電素子１，２の高温端を特別なヒータ等を用いずに室温に保つことができる。
【００６２】
この実施形態の構成は、高温超電導コイルを液体窒素容器に収納し、コイルに接続された熱電素子の高温端を容器の外に導くことで大気からの入熱を利用して、高温端の温度をある温度に維持することができる。
【００６３】
また、熱電素子１，２の熱伝導が大きい場合には、高温端にフィンなどを設けることで、これを室温に維持することができる。
【００６４】
＜第４の実施形態＞
図４は本発明の第４の実施形態を説明するための図である。図４では超電導コイル３を冷却器例えば単段構成の冷凍機６の低温側ステージ６ａに熱伝導材７を介して超電導コイル３と熱的に接続してコイルを冷却し、また、熱電素子１，２の接合部を熱伝導材９を介して常温部と熱的な接触を持たせた構成としている。
【００６５】
さらに、図４の構成において、熱伝導材７，９の内、少なくとも熱電素子１，２の接合部４と常温部を熱的に接続している熱伝導材９の熱抵抗を可変にできるように構成してもよい。
【００６６】
このように構成された超電導マグネット装置では、冷凍機６によって超電導コイル３が冷却されることによって熱電素子１，２に起電力が生じ始める。
【００６７】
熱電素子１，２の常温部と熱的な接触を持つ異種材料の接続部の温度はこの熱伝導材９の熱抵抗によって変化する。本実施形態ではこの熱伝導材９の熱抵抗を定格通電に必要な電圧を発生するために必要な温度を与えるため制御可能な構成とする。例えば、機械的にその接触面積が変化するような熱スイッチや、接触面の圧力をコントロールする機構を有する熱スイッチなどを用いて、その温度を制御可能にしている。
【００６８】
＜第５の実施形態＞
図５は本発明の第５の実施形態を説明する図である。図５では、超電導コイル３の冷却に冷却器例えば多段構成の冷凍機８を用いる構成について示している。この超電導コイル３は冷凍機８の低温側ステージ８ａに熱伝導材７により熱的に接触されて冷却され、熱電素子１，２の接合部４は熱伝導材８ｃを介して高温側ステージ８ｂに熱的に接触させた構成としている。
【００６９】
このように構成することによって、熱電素子１，２の高温側温度を室温以下の低温にすることができ、超電導コイル３への侵入熱を抑えることができる。
【００７０】
＜第６の実施形態＞
図６は本発明の第６の実施形態を説明するための図である。図６において、超電導コイル３は冷却器例えば多段構成の冷凍機８の低温側ステージ８ａに熱的に接続され、この超電導コイル３の口出し部には、例えばＨｉＴｃリード１０からなる高温超電導電流リードが接続されている。この高温超電導リードの高温側端子を冷凍機８の高温側ステージ８ｂに熱伝導材８ｃを介して熱的に接触させ接続し、さらに熱電素子１，２の接合部の低温側端子を冷凍機８の高温側ステージ８ｂに、熱電素子１，２の接合部４の高温端を熱伝導材９を介して常温部とそれぞれ熱的に接触させた構成とする。
【００７１】
このような構成とすることにより、熱起電力を大きく低下させず超電導コイル３への侵入熱を抑えることができる。
【００７２】
＜第７の実施形態＞
図７は本発明の第７の実施形態を説明するための図である。図７では超電導コイル３を冷却するために用いる冷却器例えば単段構成の冷凍機６の低温側ステージ６ａ、熱伝導材７を介して熱的に接続し、熱電素子１，２の接合部にはヒータ１１を取り付けた構成としたものである。この構成は、前記述べた第１〜第６の実施形態のいずれか一つにも適用できる。
【００７３】
以上述べた第７の実施形態の構成により、超電導コイル３と熱電素子１，２は同時に冷却され、コイル３が超電導状態になっても、コイルには電流が流れずに励磁していない状態を得ることができる。この後、コイル３に通電し磁場を発生させるためには、ヒータ１１により熱電素子１，２の接合部４を加温し、熱起電力を発生させればよい。
【００７４】
＜第８の実施形態＞
図８は本発明の第８の実施形態を説明するための図である。図８は図４、図５、図６、図７の実施形態のように、超電導コイル３を冷却するために冷凍機６，８を使用する超電導マグネット装置において、当該冷凍機６，８のステージ６ａ，８ａ，８ｂの温度を任意に制御できる温度制御装置１７を具備した構成とする。
【００７５】
この温度制御装置１７は、温度検出器１３で熱電素子接合部の温度を、１４で超電導コイル３の温度でそれぞれ測定し、超電導コイル３に流れる電流値を電流検出器１２により検出し、又はコイル３の発生磁場を磁束検出器１５により検出し、ヒータ１１およびクーラ１６を制御することにより所望の磁場が得られるようにしている。
【００７６】
なお、コイル３に流れる電流の測定にはシャント等の抵抗を有するものは用いず、電流によって発生する磁場を検出する非接触型の電流検出器例えば変流器ＣＴなどを用いる。
【００７７】
＜第９の実施形態＞
図９は本発明の第９の実施形態を説明するための図である。図９では、熱電素子１，２の接合部に直列にスイッチ１８を接続し、スイッチ１８に並列に保護抵抗１９を接続したものである。
【００７８】
このスイッチ１８によって回路を切ることができ、コイル３を冷却しても電流が流れない状態をつくることができる。
【００７９】
さらに、このスイッチ１８と並列に保護抵抗１９を配置したことで、励磁されたコイル３をスイッチ１８によって遮断する場合、この並列に設けた保護抵抗１９がコイル３のエネルギーを回収（消費）しコイル３を保護することができる。
【００８０】
なお、以上述べた図９の構成は、図１〜図８のいずれか一つの実施形態にも適用することができる。
【００８１】
＜第１０の実施形態＞
図１０は本発明の第１０の実施形態の構成を説明する図である。図１０では熱電素子１，２の接合部４に直列にスイッチ１８及び可変抵抗２０を接続し、該スイッチ１８及び可変抵抗２０に並列に保護抵抗１９を接続したものである。
【００８２】
このような構成において、可変抵抗２０の抵抗値を変化させることで、コイル３に流れる電流を制御することができる。なお、保護抵抗１９の働きは、前記第９の実施形態と同じである。
【００８３】
以上述べた図１０の構成は、図１〜図８のいずれか一つの実施形態にも適用することができる。
【００８４】
＜第１１の実施形態＞
図１１は本発明の第１１の実施形態の構成を説明する図である。図１１では、ｐ型半導体からなる熱電素子１とｎ型半導体からなる熱電素子２の接合部に直列にスイッチ１８を接続し、該スイッチ１８と並列にコイル励磁用電源２１を接続したものである。この場合、コイル励磁用電源２１は、熱電素子１，２によって超電導コイル３に誘起される電流と同方向に電流が流れる向きに正極および負極を接続したものである。
【００８５】
さらに、コイル励磁用電源２１の両端子２１ａ，２１ｂは、熱電素子１，２の接合部４に対して着脱可能な構成例えばジャック式としたものである。
【００８６】
このように構成したことにより、コイル３に熱電素子１，２を接合しただけの超電導マグネット装置では、それまで不可能であった高速励磁が可能になる。即ち、熱電発電は発生できる起電力が小さいため、コイル３が定格電流に達するまでの時間は長時間を要していた。
【００８７】
しかしながら、熱電素子１，２にコイル励磁用電源２１を接続することで、高速通電が可能となる。
【００８８】
さらに、コイル励磁用電源２１により一旦励磁した超電導コイル３は、コイル励磁用電源２１と並列に配置されたスイッチ１８を投入することで通電電流を維持することが可能となる。コイル励磁用電源２１の切り替えが行われた後には、コイル励磁用電源２１を熱電素子１，２の接合部４から着脱することができる。
【００８９】
なお、コイル励磁用電源２１の切り替えのためのスイッチ１８を投入する場合には、定格通電時に電源両端に発生している電圧と同一の電圧が熱電素子１，２に発生するように両端の温度を制御する必要がある。
【００９０】
ここで、超電導コイル３の励磁方法について説明する。図１１において、超電導コイル３の定格電流までは、コイル励磁用電源２１を用いて励磁する。そして定格電流通電時にコイル励磁用電源２１を除いた電気回路で発生する電圧が熱電素子１，２による発生電圧と等しくなるように、熱電素子１，２の高温側の接合部４及び低温側のコイルとの接合部の少なくとも一方の温度を制御するものである。
【００９１】
なお、以上述べた図１１の構成は、図１〜図８のいずれか一つの実施形態にも適用することができる。
【００９２】
＜第１２の実施形態＞
図１２は本発明の第１２の実施形態の構成を説明する図である。図１２では、図１１の構成において、熱電素子１，２の接合部４に直列にダイオード２２を接続したものである。この場合のダイオード２２の極性は、端子２１ｂ側がアノードとなるように接続してある。
【００９３】
この構成によりスイッチ１８を閉じた状態でも付加的に取り付けたコイル励磁用電源２１により超電導コイル３に通電することが可能となる。
【００９４】
なお、図１２の構成に図９に示すようにスイッチ１８と並列に保護抵抗１９を接続するようにしてもよく、このように構成することにより、スイッチ１８による遮断が行われた場合にはコイル３が保護される。
【００９５】
また、図１２において熱電素子１，２のいずれか一つにりん脱酸銅を用いてもよく、このようにすることで侵入熱を低減することができる。
【００９６】
さらに、熱電素子１，２を磁性材（鉄、Ｎｉ等）にし、かつこれをコイル３の鉄心として利用することで、より高性能な超電導マグネットを提供できる。
【００９７】
以上述べた実施の形態のように、熱電素子１，２を電源として用いる超電導マグネット装置として、高温超電導コイルを使用することは非常に有効なことである。高温超電導コイルでは負荷率の上昇に伴いｍＶオーダーの小さな電圧が発生するが、この値が熱電素子の発生電圧とオーダー的に近い値を示しており、高温超電導コイルがクエンチに至る前に自己制御がかかる。
【００９８】
なお、以上述べた図１２の構成は、図１〜図８のいずれか一つの実施形態にも適用することができる。
【００９９】
＜第１３の実施形態＞
図１３は本発明の第１３の実施形態の構成を説明する図である。図１３は超電導コイル３の両端子間に、熱電能の異なる第１及び第２の熱電素子１，２を少なくとも一対直列に接続するものであって、超電導コイル３とこれに接続された熱電素子１，２との間及び熱電素子１，２の接合部４との間に輻射シールド２３を配置したものである。
【０１００】
このように構成された超電導マグネット装置を宇宙空間で利用する場合に、エネルギー源として太陽光からの輻射エネルギーを用いる。例えば、高温超電導コイルの超電導転移温度は１００Ｋ前後であり、通常宇宙空間に打ち上げられた人工衛星などの最低温度にほぼ等しい。また、宇宙空間は高真空状態であり、地上で必要とされる真空容器などは必要としない。これらの環境を利用した最も簡単な超電導マグネット装置が本実施形態である。
【０１０１】
本実施形態では、超電導コイル３を冷却するため、輻射シールド２３を用いている。熱源となる太陽と超電導コイル３の間に輻射シールド２３を配置することで、コイルを１００Ｋ以下に冷却することができる。
【０１０２】
また、超電導マグネットを励磁するための電源として、前述している熱電素子を用いる。即ち、熱電素子１，２の高温端を輻射シールド２３の前面、輻射源に近い方に置き、コイル３との温度差を大きくとることで、熱起電力を発生させることができる。
【０１０３】
＜第１４の実施形態＞
図１４は本発明の第１４の実施形態の構成を説明する図である。図１４は人工衛星等に取り付けられ常時太陽等の熱源に曝されていない、もしくは、熱源が極端に乏しい場合に、少なくとも高温側端部に熱容量の大きなヒートシンク２４を設けたものである。
【０１０４】
このように構成することにより、超電導コイル３に例えば太陽光のような熱源が届かない場合にも、ヒートシンク２４にためられたエネルギーによって、マグネットの励磁を継続することができる。
【０１０５】
＜第１５の実施形態＞
図１５は本発明の第１５の実施形態の構成を説明する図である。図１５は、配管等の冷媒通路２５に、低温冷媒例えば液体窒素や液体ヘリウムを供給して被冷却物２７を冷却するものであって、該低温冷媒の流量を調整するための流量調整電磁バルブ２６を備えた冷媒流量制御装置を示している。
【０１０６】
具体的には、電磁バルブ２６は電磁コイルと、弁２６ｂを含むアーマチュアとコイルばね２６ｃからなり、電磁コイルとして超電導コイル２６ａを用い、超電導コイル２６ａの両端子に熱電能の異なる第１及び第２の熱電素子１，２を少なくとも一対直列に接続し、熱電素子１，２の熱起電力により超電導コイル２６ａを励磁して電磁バルブ２６を動作させるようにしたものである。
【０１０７】
このような構成で、低温冷媒が流れる冷媒通路２５と被冷却物２７被冷却体の超電導コイルとの温度差が熱電素子１，２で検出され、この熱電素子１，２により発生する熱起電力を利用して超電導コイル２６ａが付勢され、これによりコイルばね２６ｃの弾性力に抗して弁２６ｂが開路されるので、低温冷媒が常に冷えた状態を得ることができる。
【０１０８】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、特別な電源を不要とし、超電導マグネットを超電導状態にするために必要な冷却器例えば冷凍機を利用、すなわち冷却器によって生成される温度差を利用して発電することで非常にコンパクトな超電導マグネット装置、超電導コイル励磁方法を提供することができ、また、コイルクエンチ時にも、特別な検出装置、安全装置が不要な自己制御型の超電導マグネット装置、超電導コイル励磁方法を提供でき、さらに前記熱電素子の接合部及び前記超電導コイルと前記熱電素子との接続部の少なくとも一方に、前記超電導コイルの発生磁場の検出信号あるいは前記超電導コイルの電流検出信号に基づいて、前記熱電素子の接合部及び、又は前記超電導コイルと前記熱電素子の接合部の温度を制御する温度制御装置を具備しているので、超電導コイルを適用した機器における技術的要請である、磁場及び電流を大きく変化させることなく安定に維持することができ、これにより永久電流モードを、わずかな抵抗を有する高温超電導コイルにおいても実現可能となる超電導マグネット装置、超電導コイル励磁方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するための概略構成図。
【図２】本発明の第２の実施形を説明するための概略構成図。
【図３】本発明の第３の実施形態を説明するための概略構成図。
【図４】本発明の第４の実施形態を説明するための概略構成図。
【図５】本発明の第５の実施形態を説明するための概略構成図。
【図６】本発明の第６の実施形態を説明するための概略構成図。
【図７】本発明の第７の実施形態を説明するための概略構成図。
【図８】本発明の第８の実施形態を説明するための概略構成図。
【図９】本発明の第９の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１０】本発明の第１０の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１１】本発明の第１１の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１２】本発明の第１２の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１３】本発明の第１３の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１４】本発明の第１４の実施形態を説明するための概略構成図。
【図１５】本発明の第１５の実施形態を説明するための概略構成図。
【符号の説明】
１…第１の熱電素子
２…第２の熱電素子
３…超電導コイル
４…接合部（リード部材）
５…断熱容器
６…冷凍機
６ａ…低温側ステージ
７…熱伝導材
８…冷凍機
８ａ…低温側ステージ
８ｃ…熱伝導材
８ｂ…高温側ステージ
９…熱伝導材
１０…リード
１１…ヒータ
１２…電流検出器
１３、１４…温度検出器
１５…磁束検出器
１６…クーラ
１７…温度制御装置
１８…スイッチ
１９…保護抵抗
２０…可変抵抗
２１…コイル励磁用電源
２１ａ、２１ｂ…端子
２２…ダイオード
２３…輻射シールド
２４…ヒートシンク
２５…冷媒通路
２６…流量調整電磁バルブ
２７…被冷却物
Claims (20)
- 超電導転移温度以下に冷却される超電導コイルを有する超電導マグネット装置において、
前記超電導コイルの両端子間に、熱電能の異なる第１及び第２の熱電素子を少なくとも一対直列に接続し、
前記超電導コイルの正極とするべき端子に前記熱電素子のうちの熱起電力の小さい熱電素子を接続し、前記超電導コイルの負極とするべき端子に前記熱電素子のうちの熱起電力の大きい熱電素子を接続し、
前記熱電素子の接合部及び前記超電導コイルと前記熱電素子との接続部の少なくとも一方に、前記超電導コイルの発生磁場の検出信号あるいは前記超電導コイルの電流検出信号に基づいて、前記熱電素子の接合部及び、又は前記超電導コイルと前記熱電素子の接合部の温度を制御する温度制御装置を具備したことを特徴とする超電導マグネット装置。 - 超電導転移温度以下に冷却される超電導コイルを有する超電導マグネット装置において、
前記超電導コイルの両端子間に、熱電能の異なる第１及び第２の熱電素子を少なくとも一対直列に接続し、
前記超電導コイルの正極とするべき端子に接続する熱電素子としてｐ型半導体を用い、前記超電導コイルの負極とするべき端子に接続する熱電素子としてｎ型半導体を用い、
前記熱電素子の接合部及び前記超電導コイルと前記熱電素子との接続部の少なくとも一方に、前記超電導コイルの発生磁場の検出信号あるいは前記超電導コイルの電流検出信号に基づいて、前記熱電素子の接合部及び、又は前記超電導コイルと前記熱電素子の接合部の温度を制御する温度制御装置を具備したことを特徴とする超電導マグネット装置。 - 前記第１の熱電素子と前記第２の熱電素子の接合部の温度を、前記超電導コイルの温度とは異なるように設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置。
- 前記第１の熱電素子と前記第２の熱電素子の接合部の温度を、前記超電導コイルの温度よりも高く設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置。
- 前記超電導コイルを、冷媒が収納された断熱容器内に収容し、前記熱電素子の接合部を室温雰囲気中に設置したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置。
- 前記超電導コイルを第１の熱伝導材を介して単段の冷凍機の低温側ステージに熱的に接触させ、前記熱電素子の接合部を第２の熱伝導材を介して前記冷凍機の常温部と熱的に接触さたせたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置。
- 前記熱伝導材のうち、少なくとも前記熱電素子の接合部と前記冷凍機の常温部を熱的に接触させている第２の熱伝導材との間の熱抵抗を可変できるように構成したことを特徴とする請求項６に記載の超電導マグネット装置。
- 前記超電導コイルは、多段構成の冷凍機の低温側ステージに熱的に接触され、一方前記熱電素子接合部は前記冷凍機の高温側ステージに熱的に接触させたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置。
- 前記超電導コイルは、多段構成の冷凍機の低温側ステージに熱的に接触され、前記超電導コイルの両端子には高温超電導電流リードを接続し、この電流リードの高温側端子を前記冷凍機の高温側ステージに熱的に接続すると共に、前記熱電素子の接合部の低温側端子を前記冷凍機の高温側ステ−ジに、前記熱電素子の接合部の高温側端子を常温部にそれぞれ熱的に接触させたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置。
- 前記熱電素子の接合部にヒータを取り付けたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置。
- 前記冷凍機のステージの温度を任意に制御できる温度制御装置を具備したことを特徴とする請求項６ないし１０のいずれか一つに記載の超電導マグネッ卜装置。
- 前記熱電素子の接合部に直列にスイッチを接続したことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置。
- 前記熱電素子の接合部に直列にスイッチを接続し、該スイッチに並列に抵抗を接続したことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置。
- 前記熱電素子の接合部に直列にスイッチ及び可変抵抗を接続し、該スイッチ及び可変抵抗に並列に抵抗を接続したことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置。
- 前記熱電素子の接合部に直列にスイッチを接続し、該スイッチに並列にコイル励磁用電源を接続したことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の超電導マグネット装置。
- 前記コイル励磁用電源は、前記熱電素子が発生する電流と同方向に接続したことを特徴とする請求項１５に記載の超電導マグネット装置。
- 前記コイル励磁用電源の端子は、前記熱電素子の接合部に対して着脱可能な構成としたことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の超電導マグネット装置。
- 前記熱電素子の接合部に直列にダイオードを接続し、該ダイオードに並列にコイル励磁用電源を接続したことを特徴とする請求項１５、１６、１７のいずか一つに記載の超電導マグネット装置。
- 前記ダイオードは、アノード側を前記コイル励磁用電源の負極側に、カソード側を前記コイル励磁電源の正極側にそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１８に記載の超電導マグネット装置。
- 前記熱電素子の一つにりん脱酸銅を使用したことを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置。
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