JP4790752B2

JP4790752B2 - 超電導マグネット

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Publication number: JP4790752B2
Application number: JP2008116565A
Authority: JP
Inventors: 弘之田中; 典英佐保; 尚志磯上; 雅也高橋; 道哉岡田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2028-04-28
Also published as: US20090267716A1; JP2009267182A; US8077001B2

Description

本発明は、超伝導マグネットに関するものである。

超電導マグネットの運転方法としては、常に電源から電流を流す方法と超電導特有の現象である電気抵抗がゼロになる特徴を活かして電源からの電流供給がなくても超電導ループ内を永久的に電流が流れるようにした永久電流モードと呼ばれる二種類の方法がある。

図６は永久電流モードを備えた超電導マグネットの構成を示す電気回路図である。
図６において、超電導マグネット９９と永久電流スイッチ１００は電源１０１に対して並列に設置される。超電導マグネット９９と永久電流スイッチ１００との間を連結する線は超電導材料で製作されている。

超電導マグネット９９に電流を流す場合、永久電流スイッチ１００はＯＦＦの状態にする。永久電流スイッチ１００がＯＦＦの状態では永久電流スイッチ１００は十数オーム程度の電気抵抗を持つように設計されている。この時、超電導マグネット９９の電気抵抗はゼロであり、電源１０１から供給された電流は電気抵抗の小さい超電導マグネット９９に流れるため、超電導マグネット９９に流れる電流値を外部に設置した電源１０１から操作することができる。

超電導マグネット９９への供給電流が設計値に達した後、永久電流スイッチ１００をＯＮの状態にする。永久電流スイッチ１００がＯＮの状態では、永久電流スイッチ１００は超電導状態となり、電気抵抗はゼロである。この時、超電導マグネット９９および永久電流スイッチ１００は超電導材料で構成されて閉回路（超電導ループ）を形成する。超電導ループ内に流れる電流は減衰することなく永久的に流れ続けるため、外部に設置した電源１０１から電流を供給する必要がなくなり、電源１０１を超電導ループから切り離すことができる。このようなプロセスを経て、超電導マグネット９９を永久電流モードで運転している。

磁場強度の高いマグネットを実現するためには、数百アンペア規模の大電流が必要となり、外部電源からの供給を続けるには相当のランニングコストが必要となる。一方、永久電流モードで運転する場合には１回の励磁で原理的には永久的に超電導マグネットを運転し続けることができるため、立ち上げ初期のコスト以外にランニングコストが発生しない利点がある。このような背景から、永久電流スイッチは超電導マグネットに広く使用されている。

特許文献１記載の特許には、永久電流スイッチに必要な特性を次のように指摘している。
（１）ＯＮ時の電気抵抗がゼロであるか磁場減衰を許容できる範囲に収まること
（２）ＯＦＦ時の電気抵抗が大きいこと
（３）コイルへの供給電流を流すことができること
（４）超電導状態が安定していること
超電導体材料は、超電導状態におけ電気抵抗はゼロであるが常電導状態では電気抵抗が発生する。すなわち、超電導状態と常電導状態とを外部から切り替えることによって永久電流スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御することができる。

様々な超電導材料が存在するが、一般的にはニオブチタン（ＮｂＴｉ）を用いた永久電流スイッチが使用されている。ＮｂＴｉは超電導臨界温度が約９Ｋであり、９Ｋ以上の温度では常電導状態となる。永久電流スイッチは沸点が４.２Ｋの液体ヘリウムに浸漬された状態で使用されるため、４.２Ｋで冷却された状態である。永久電流スイッチをＯＦＦにするためには、永久電流スイッチを超電導臨界温度（ＮｂＴｉ：約９Ｋ）以上に温度上昇させる必要がある。ヒータを加熱して無誘導巻線部を超電導臨界温度以上にまで温度上昇させ、永久電流スイッチがＯＦＦの状態を実現している。

永久電流スイッチがＯＦＦの状態からＯＮの状態に切り替えるには、永久電流スイッチに内蔵されたヒータを切るだけでよい。周囲の液体ヘリウムによって永久電流スイッチは冷却され、一定時間の後に周囲の液体ヘリウムと同じ温度まで冷却される。特許文献２記載の特許には温度上昇を促進するためのヒータ配置および永久電流スイッチの周囲に蒸発したヘリウムガスを貯蔵して加熱効率を高めた永久電流スイッチ構造が提案されている。

ＮｂＴｉを用いた永久電流スイッチには一つの問題がある。すなわち、超電導臨界温度が約９Ｋと低いため、周囲の液体ヘリウム（沸点４.２Ｋ）との温度差が小さく、わずかな発熱によって温度上昇しただけで、超電導状態から常電導状態に遷移してしまう事である。物体の比熱は一般的に低温になるほど小さくなるため、低温になるほど発熱による温度上昇幅が大きくなる。超電導マグネットのように大電流が流れるシステムでは、一部の発熱で常電導化した部分の電気抵抗により更に発熱が増大し最終的にはクエンチに至る。

クエンチの発生は超電導マグネットの運転が停止するだけでなく、高磁場マグネットのように莫大な蓄積エネルギーを有するタイプでは装置に致命的な損傷を与える可能性もある。

特許文献３記載の特許では、超電導材料の安定性を高めるためには超電導臨界温度の高い材料を使用することが有効であり、ＭｇＢ₂（超電導臨界温度：３９Ｋ）を利用したより安定な永久電流スイッチを実現することを提案している。

特開２００３−３７３０３号公報特開平９−２９８３２０号公報特開２００６−１７４５４６号公報

超電導臨界温度が高い超電導材料、例えばＭｇＢ₂（超電導臨界温度３９Ｋ）を使用することにより超電導状態が安定した永久電流スイッチを実現することができることは前述の通りである。しかし、超電導臨界温度が上昇することにより液体ヘリウム温度に維持された状態から超電導臨界温度以上に永久電流スイッチを温度上昇させるためのヒータ加熱量が増大し、液体ヘリウム蒸発量が増大するという問題があった。

図７は従来の永久電流スイッチの構造を説明する断面図である。
図７において、永久電流スイッチは大別すると巻線部２０と引き出し部２１とで構成されている。巻線部２０は線１０をボビン１２に巻きつけたものである。ここで、線１０は超電導材料である。

引き出し部２１は永久電流スイッチ側の線１０とマグネット側のＮｂＴｉ線１１を超電導接続部１５で連結したものである。これにより超電導のループを形成している。

巻線部２０では常電導状態での電気抵抗を得るために、一定長さの線１０が必要となる。ボビン１２に線１０を巻きつけることによって小型化しているが、この時単純にボビン１２に線１０を巻きつけると線１０に電流が流れた時にボビン１２の軸方向に主軸を持つ誘導磁場が形成されることになる。これを回避するために中央で折り返した２本の線１０を巻き付ける、いわゆる無誘導巻きを実施している。

巻線加熱用のヒータ５はボビン１２の周囲に無誘導巻きした線１０と熱的に接触するように固定されている。この時、巻線加熱用ヒータ５と線１０の間には電気絶縁体を挿入し、短絡を防止している。

線１０は超電導材料である二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ₂）を使用した。ＭｇＢ₂は、超電導臨界温度が３９Ｋと高いことを特徴としており、Nature４１０，６３−６４（２００１）で報告された比較的新しい超電導材料である。金属系の超電導材料としてはニオブ３スズ（Ｎｂ₃Ｓｎ）がよく知られているが、Ｎｂ₃Ｓｎの超電導臨界温度は約２３Ｋであり、これよりも１５Ｋほど高い臨界温度を有する。冷却源である液体ヘリウム温度（４.２Ｋ）よりも超電導臨界温度が高いほど安定性が向上する。

製作した永久電流スイッチを液体ヘリウム容器に挿入し、永久電流スイッチとしてＯＮ／ＯＦＦを切り替えるのに必要な熱量を計測した。その結果、従来構造の永久電流スイッチでは、約６０Ｗの加熱量が必要であった。

液体ヘリウムの蒸発潜熱は２０.７［ｋＪ／kg］である。また、液体ヘリウムの密度は１２４.９［kg／ｍ³］である。これらから液体ヘリウムの消費量を換算すると、１時間当り８０リットル以上の液体ヘリウムが蒸発することになる。液体ヘリウムは高価な冷媒であり、ヘリウム消費量の増大は運転コストの増大に直結する。

永久電流スイッチは、超電導コイルに流れる磁場を調整する際にはＯＦＦの状態、すなわちヒータをＯＮにした状態に維持する必要があるため、液体ヘリウムの消費量が莫大なモノになってしまう。

従来のＮｂＴｉを用いた永久電流スイッチでは、超電導臨界温度が低いため、大きなヒータ入力は必要なく、約５Ｗ程度のヒータでＯＮ／ＯＦＦの切り替えが可能であった。

このように、ＭｇＢ₂のような超電導臨界温度の高い材料を永久電流スイッチに適用する場合に、液体ヘリウムコストが１０倍以上に達するという問題があった。

ＭｇＢ₂のような超電導臨界温度の高い材料を用いた永久電流スイッチを実用化するためには、永久電流スイッチを切り替えるために必要なヒータ熱負荷を小さくするような構造が必要である。

本発明の目的は、超電導臨界温度が高い超電導材料で製作した永久電流スイッチであっても、永久電流スイッチをＯＦＦにするために必要なヒータ加熱量を低く抑えることができる永久電流スイッチである超伝導マグネットを提供することにある。

上記目的は、永久電流モードで運転するための永久電流スイッチを備えた超電導マグネットにおいて、前記永久電流スイッチは超電導線を無誘導巻きした巻線部と、この巻線部と熱的に接触して前記巻線部の温度を超電導臨界温度以上まで加熱するために設置された加熱用ヒータと、前記巻線部および前記加熱用ヒータの周囲に設置されて前記巻線部および前記加熱用ヒータとの間に隙間を設けた容器と、前記巻線部および前記加熱用ヒータと前記容器との間の隙間に対流防止体を備え、前記永久電流スイッチは、前記容器上面と前記巻線部および加熱用ヒータとの間にガス貯蔵部を設け、該ガス貯蔵部に冷媒加熱用ヒータを設置し、前記巻線部の下面よりも下方に前記容器を貫通する孔があり、前記永久電流スイッチの昇温時には、まず前記冷媒加熱用ヒータに通電し、前記容器の内部上面に存在する液体ヘリウムを蒸発させ、ヘリウムガスによって、前記容器の内部に貯蔵されていた液体ヘリウムを前記孔から前記容器の外に押し出した後、前記巻線部に設置した加熱用ヒータに通電を開始することにより達成される。

また上記目的は、前記永久電流スイッチは前記容器の前記巻線部よりも上方に前記容器を貫通する孔を備え、この孔の断面積は前記巻線部の下面よりも下方に設置した前記容器を貫通する孔の断面積よりも小さい永久電流スイッチであることにより達成される。

また上記目的は、前記永久電流スイッチの前記対流防止体は多孔質材料で構成された永久電流スイッチであることにより達成される。

また上記目的は、前記永久電流スイッチはニオブチタンよりも超電導臨界温度の高い超電導材料を前記巻線部の前記線に使った永久電流スイッチであることにより達成される。

本発明によれば、超電導臨界温度が高い超電導材料で製作した永久電流スイッチであっても、永久電流スイッチをＯＦＦにするために必要なヒータ加熱量を低く抑えることができる永久電流スイッチである超伝導マグネットを提供できる。

本発明における永久電流スイッチでは、巻線部の構造は図７に示した従来の装置から変更していないので巻線部２０のおよび引き出し部２１の構造は図２でも同様である。したがって、実施例の説明では巻線部２０と引き出し部２１の説明はあるが、図１〜図５中には巻線部２０と引き出し部２１の記載は省略している。

また、超電導の線１０は従来通り無誘導巻きされ、ボビン１２に対して固定されている。引き出し部２１は永久電流スイッチ側の線１０とマグネット側のＮｂＴｉ線１１を超電導接続部１５で連結したものである。これにより超電導のループを形成している。巻線加熱用ヒータ５は巻線部２０の周囲に設置されている。

ここで、巻線加熱用ヒータ５は超電導線１０の外側にだけでなく、超電導線１０とボビン１２との間にも挿入することによって加熱効率を高めることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１に示す一実施例で説明する。

図１は本発明における永久電流スイッチの構造を示す断面図である。
図１において、巻線部２０（図示せず）は容器３の中に格納されている。容器３の内壁側面と巻線部２０の側面との間には隙間があるように設計している。今回の実施例では容器３の内径が５８mmに対して、巻線部２０の外径は５０mmとなっている。容器３は巻線部２０の下面よりも下方の位置に貫通孔３１を設けている。貫通孔３１の大きさ、個数は液体ヘリウム液面高さと永久電流スイッチの取り付け位置により調整する必要がある。

すなわち、容器３の内部にヘリウムガス２（図２に示す）が充実した状態での容器３内部の圧力が、貫通孔３１が液面の高さから受ける圧力よりも高くなるような大きさにしなければならない。例えば、貫通孔３１の孔径が大きかったり、孔数が多かったりすると貫通孔３１から液体ヘリウム１へ流出するヘリウムガス２の流量が多くなり、容器３の内部の圧力が低下する。永久電流スイッチ下部に形成された気液界面は、容器３の内部の圧力が周囲の圧力と同じ状態では、液体ヘリウム１の液面高さまで上昇するような力を受ける。これは、容器３の内部の圧力が周囲の圧力よりも高い状態に維持しない場合、容器３の内部に周囲の液体ヘリウム１が侵入するからである。

巻線部２０と容器３は容器３の上部の内面に支持体７で固定されている。この時、巻線部２０の上端と巻線部２０の周囲に設置した容器３の内面最上部との間には３０mmの距離を確保し、冷媒加熱用ヒータ４を設置している。冷媒加熱用ヒータ４は、容器３の内部に貯蔵した冷媒を加熱するために使用するものであるが、巻線部２０を加熱する巻線加熱用ヒータ５と同じものであっても構わない。その場合は、巻線部２０の上面と巻線部２０の周囲に設置された容器３の内面最上部との間に設けられた空間まで、巻線部２０の巻線加熱用ヒータ５が延長されることになる。

巻線部２０の側面と巻線部２０の周囲に設置された容器３の内面側面との間には隙間がある。この隙間には対流防止体６を設置し、容器３の周囲の液体ヘリウム１（図２に示す）によって液体ヘリウム温度まで冷却された容器３の壁と、常電導状態への遷移のために超電導臨界温度以上まで加熱される巻線部２０との間で発生する冷媒の対流を抑制している。

対流防止体６は多孔質体で製作されており、多孔質体の隙間に液体ヘリウム１が入り込むことにより液体ヘリウム１と巻線部２０との接触部が確保され、巻線部が液体ヘリウム１で直接冷却できるようにしている。多孔質体には空気清浄機などで使用されているフィルタを使用した。極低温で使用するため多孔質体の材質はテフロン（登録商標），ポリエチレン，ポリスチレン，ガラスなどが望ましい。

多孔質体を製作する別の方法として、例えば熱伝導率の小さいガラス球を充填してもよい。容器３は外壁を液体ヘリウムと接し、容器３の内壁は加熱されたヘリウムガスと接している。したがって、容器３の内壁から容器３の外壁への熱伝導が発生することになり、容器３の内部で加熱されたヘリウムガスの熱が容器３を伝わって液体ヘリウムに伝わって液体ヘリウムが蒸発する。このような状態では巻線部の加熱が容器３内部のヘリウムガスではなく、容器３周囲の液体ヘリウムを蒸発する形となるため、巻線部の加熱効率が低下する。これを回避するためには容器３の熱伝導の低い材料で製作し、容器３の内壁から容器３の外壁への熱移動を小さく抑制する必要がある。ここでは、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）を用いて製作した。

図２は本発明における昇温時の永久電流スイッチの状態を示す断面図である。
図２において、永久電流スイッチをＯＦＦにするためには、巻線部２０を超電導臨界温度以上まで上昇させる必要がある。本発明における永久電流スイッチでは、まず冷媒加熱用ヒータ４に通電し、容器３の内部上面に存在する液体ヘリウム１を蒸発させる。蒸発したヘリウムガス２は容器３の上部に貯蔵される。冷媒加熱用ヒータ４は容器３の上部に貯蔵されたヘリウムガス２を更に加熱するため、加熱されたヘリウムガス２の体積が膨張する。膨張したヘリウムガス２によって、容器３の内部に貯蔵されていた液体ヘリウム１が容器３の下部に存在する貫通孔３１から容器３の外に押し出される。この時点で巻線部２０の周囲には液体ヘリウム１がなくなり、ヘリウムガス２のみが存在する形となる。ここで、巻線部２０に設置した巻線加熱用ヒータ５に通電を開始する。巻線加熱用ヒータ５を加熱すると周囲に液体ヘリウム１が存在しないため、効率よく巻線部２０の温度を上昇させることができる。

ここで、超電導臨界温度以上に加熱される巻線部２０と液体ヘリウム１に接触している容器３との間には温度差が生じることになる。４.２Ｋのヘリウムガスの密度が１６［kg／ｍ³］に対して、４０Ｋのヘリウムガスの密度は１.６［kg／ｍ³］であり、同じガス状態ではあるが密度が１０倍異なる。巻線部２０の周辺で加熱されたヘリウムガス２は密度が小さくなり、周囲との密度差から浮力が発生するため上昇する。一方、液体ヘリウム１と接触した容器３の近傍ではヘリウムガス２は冷却され、密度が大きくなり、下降する。

このように、巻線部２０と容器３との隙間では自然対流が発生する。自然対流が発生すると、ヘリウムガスの流れによって巻線部２０から容器３への熱移動が生じることとなり、巻線部２０の温度が低下し、容器３の温度が上昇する。すなわち、巻線部２０に加えた熱量が容器３に伝わってしまい、加熱効率が低下する。自然対流を抑制することによって、巻線部２０と容器３との間での熱移動を抑制し、巻線部２０の加熱効率を高くすることができる。

これを実現するために、巻線部２０と容器３との隙間に対流防止体６を取り付けた。この対流防止体６は多孔質材料で形成され、今回の試験ではガラス球（直径５mm）を巻線部２０と容器３との隙間に充填した。ガラス球を充填しても、球同士の間には必ず隙間ができるため、液体ヘリウム１もしくはヘリウムガス２は対流防止体６を容易にすり抜けることができる。一方、自然対流に対しては対流防止体６が流体抵抗となり、その発生を抑制する。

ここで、ガラス球の大きさは１種類に限定するものではない。サイズの異なるガラス球を用いることによって、空隙率を調整することもできる。対流防止体６を取り付ける効果として、容器３の内部で冷媒が占める空間を小さくすることができる。容器３の内部で冷媒が占める空間が小さくなることで、容器３の内部から容器３の外部に押し出す液体ヘリウム１もしくはヘリウムガス２の量が少なくなる。

実際に永久電流スイッチを製作してスイッチの切り替えに必要な加熱量を計測すると、従来の完全浸漬方式で６０Ｗの加熱量が必要だったシステムが本発明の構造のうち容器３を加えることによって７Ｗまで低下した。更に多孔質体で形成した対流防止体６と冷媒加熱用ヒータ４を取り付けると５Ｗまで低下した。

図３は本発明における加熱停止時の永久電流スイッチの状態を示す断面図である。
図３において、冷媒加熱用ヒータ４および巻線部２０に設置した巻線加熱用ヒータ５による加熱を停止することにより、容器３の内部に貯蔵されたヘリウムガス２（図２に示す）は周囲から冷却されることになる。周囲から冷却されたヘリウムガス２は密度が増大し、体積が収縮していく。４０Ｋのヘリウムガスの密度と４.２Ｋのヘリウムガスの密度が約１：１０であることから、ヘリウムガスの体積は加熱時の１／１０まで低下することになる。

更に、液体ヘリウム１の液面高さから受ける圧力によって、容器３内部の気液界面は上方に押し上げられる。容器３内部のヘリウムガス２は圧縮されて圧力が上昇する。圧力が上昇したヘリウムガス２によって容器３内部の飽和蒸気圧が決まる。容器３内部の圧力が上昇したことにより容器３内部のヘリウムガス２の沸点が上昇する。周囲の液体ヘリウム１の沸点よりも、容器３内部の沸点が上昇するため容器３内部のヘリウムガス２は次第に凝縮する。

一定時間後、容器３内部のヘリウムガス２は全て凝縮し、完全に液体ヘリウム１で満たされた状態となる。加熱停止後に容器３内部のヘリウムガス２が飽和温度（４.２Ｋ）まで冷却された時点で巻線部２０の上端まで液体ヘリウム１が上昇するように、容器３の内側上部にはヘリウムガス溜部５０を設けている。容器３上部にはヘリウムガス２を放出するための微小な貫通孔５１を加工しても良い。この時、微小な貫通孔５１の口径は、その断面積が巻線部２０最下面より下方に加工された貫通孔３１の断面積よりも小さくなければならない。

本発明では巻線の超電導材料としてＭｇＢ₂を想定しているが、これに限定するものではない。従来使用されているＮｂＴｉ（超電導臨界温度：約９Ｋ）やＮｂ₃Ｓｎ（超電導臨界温度：約２３Ｋ）を利用した永久電流スイッチに本構造を適用した場合でも、冷媒の蒸発量を抑制することができる。

本発明における永久電流スイッチを備えた超電導マグネットは、永久電流スイッチを切るための温度が従来のＮｂＴｉを使った永久電流スイッチよりも高く、液体ヘリウム温度と超電導臨界温度との間の温度差が大きくなるため、クエンチに対する信頼性が向上する。クエンチに対する高い信頼性を有する超電導マグネットは、人間を高速で輸送する磁気浮上列車や、人体を検査する磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）へ適用することで、より安全なシステムが実現できる。

図４は本発明の第２の形体である永久電流スイッチの構造を示す断面図である。
図４において、ここでは高さ方向の制限などにより永久電流スイッチを横向きに設置する場合を想定している。超電導線を巻きつけた巻線部２０は、巻線部２０の周囲に設置した容器３の内面に支持体７で固定されている。図４では容器３の側面から取り付けた形になっているが、容器３の上面や下面から取り付ける形になっても問題ない。

容器３も横向きになっている。容器３には容器３の内部に取り付けられた巻線部２０の最下部よりも下方に貫通孔３１が加工されている。容器３の上面にガス溜部５０を用意し、冷媒加熱用ヒータ４をガス溜部５０に設置する。巻線部から外部に引き出した引き出し線２１が容器３を貫通する場合には、引き出し線２１が貫通した孔を接着剤などで充填し、容器３内部に貯蔵したヘリウムガス２が漏れないようにする。

引き出し線２１が容器３を貫通する部分が、巻線部２０の最下部よりも下方である場合には、引き出し線２１の貫通孔をガス抜き用の貫通孔３１として使用してもよい。ただし、貫通孔３１の断面積は、容器３内部の圧力を液面高さから生じる圧力よりも高く維持することができる範囲に抑制する必要がある。

図５は本発明の第３の形体である永久電流スイッチの構造を示す断面図である。
図５において、ここでは、引き出し線２１の方向に制限を受けるなどの理由により、実施例１で記載した永久電流スイッチを上下逆さまにして取り付ける場合を想定している。超電導線を巻きつけた巻線部２０は、巻線部２０の周囲に設置した容器３の内面に支持体７で固定されている。図７では容器３の底面から固定した形になっているが、容器３の上面もしくは側面から固定してもよい。

容器３の内部に取り付けられた巻線部２０の最下部よりも下方に貫通孔３１が加工されている。容器３の上面にガス溜部５０を用意し、冷媒加熱用ヒータ４をガス溜部５０に設置する。冷媒加熱用ヒータ４は容器３もしくは巻線部２０を利用してガス溜部５０内に固定している。引き出し線２０が容器３を貫通するため、引き出し線２０が容器３を貫通した周囲を接着剤などで充填し、容器３内部に貯蔵したヘリウムガス２が漏れないようにする。

引き出し線２１が容器３を貫通する部分が、巻線部２０の最下部よりも下方である場合には、引き出し線２１の隙間を貫通穴３１として使用してもよい。ただし、貫通孔３１と引き出し線２１との間にできる隙間の断面積は、容器３内部の圧力を液面高さから生じる圧力よりも高く維持することができる範囲に抑制する必要がある。

本発明は超電導を利用した永久電流スイッチの構造及び操作に関するものであり、核磁気共鳴分析装置，医療用磁気共鳴イメージング装置，超電導電力貯蔵装置または磁気浮上列車など超電導磁石を利用した機器へ適用されることは言うまでもない。

本発明における永久電流スイッチの構造を示す断面図である。本発明における昇温時の永久電流スイッチの状態を示す断面図である。本発明における加熱停止時の永久電流スイッチの状態を示す断面図である。本発明の第２の形体である永久電流スイッチの構造を示す断面図である。本発明の第３の形体である永久電流スイッチの構造を示す断面図である。永久電流モードを備えた超電導マグネットの構成を示す電気回路図である。従来の永久電流スイッチの構造を説明する断面図である。

符号の説明

１液体ヘリウム
２ヘリウムガス
３容器
４冷媒加熱用ヒータ
５巻線加熱用ヒータ
６対流防止体
７支持体
１０線
１１ＮｂＴｉ線
１２ボビン
１５超電導接続部
３１，５１貫通孔
５０ガス溜部
９９直流電源
１００永久電流スイッチ
１０１超電導マグネット

Claims

永久電流モードで運転するための永久電流スイッチを備えた超電導マグネットにおいて、
前記永久電流スイッチは超電導線を無誘導巻きした巻線部と、この巻線部と熱的に接触して前記巻線部の温度を超電導臨界温度以上まで加熱するために設置された加熱用ヒータと、前記巻線部および前記加熱用ヒータの周囲に設置されて前記巻線部および前記加熱用ヒータとの間に隙間を設けた容器と、前記巻線部および前記加熱用ヒータと前記容器との間の隙間に対流防止体を備え、
前記永久電流スイッチは、前記容器上面と前記巻線部および加熱用ヒータとの間にガス貯蔵部を設け、該ガス貯蔵部に冷媒加熱用ヒータを設置し、前記巻線部の下面よりも下方に前記容器を貫通する孔があり、
前記永久電流スイッチの昇温時には、まず前記冷媒加熱用ヒータに通電し、前記容器の内部上面に存在する液体ヘリウムを蒸発させ、ヘリウムガスによって、前記容器の内部に貯蔵されていた液体ヘリウムを前記孔から前記容器の外に押し出した後、前記巻線部に設置した加熱用ヒータに通電を開始することを特徴とする超電導マグネット。
請求項１記載の超電導マグネットにおいて、
前記永久電流スイッチは前記容器の前記巻線部よりも上方に前記容器を貫通する孔を備え、この孔の断面積は前記巻線部の下面よりも下方に設置した前記容器を貫通する孔の断面積よりも小さい永久電流スイッチであることを特徴とする超電導マグネット。
請求項１記載の超電導マグネットにおいて、
前記永久電流スイッチの前記対流防止体は多孔質材料で構成された永久電流スイッチであることを特徴とする超電導マグネット。
請求項１記載の超電導マグネットにおいて、
前記永久電流スイッチはニオブチタンよりも超電導臨界温度の高い超電導材料を前記巻線部の前記線に使った永久電流スイッチであることを特徴とする超電導マグネット。