JP5055348B2

JP5055348B2 - 超電導磁石

Info

Publication number: JP5055348B2
Application number: JP2009293705A
Authority: JP
Inventors: ミンソク朴; 毅和久田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: JP2011134921A; US8233952B2; US20110257017A1

Description

本発明は、超電導磁石に関する。

近年、高い臨界温度の超電導物質（例えば、酸化物系高温超電導体，ＭｇＢ２）が発見され、超電導磁石の運転温度を高くすることが可能になった。例えば、超電導芯線を臨界温度約３０Ｋ（ケルビン，絶対温度の単位）のＭｇＢ２で作れば、超電導磁石は約１０Ｋの温度で運転できる。しかし、高い運転温度では超電導コイルの比熱が高くなるためクエンチ伝播が遅くなる。即ち、クエンチ領域の最高到達温度が高くなり、超電導磁石の焼損が発生しやすい。ここで、超電導磁石をクエンチによる焼損から保護するための技術がある（特許文献１参照）。

特開平１１−１３５３１８号公報

特許文献１は、樹脂の熱伝導性によりクエンチ伝播速度が制約されるため、１０Ｋ以上で運転する超電導磁石のクエンチ保護には不適切、という課題がある。

そこで、本発明の目的は、１０Ｋ以上で運転する超電導磁石において、クエンチによる焼損から超電導磁石を保護することにある。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい一態様は以下の通りである。

当該超電導磁石は、超電導芯線と母材からなる超電導線材と、前記超電導線材を複数回巻き回された巻き枠と、前記巻き枠の径方向に複数層形成された前記超電導線材の巻き回し層と、前記巻き回し層中の前記超電導線材間に設けられ前記超電導線材と接触された絶縁性の線材固定用部材と、
前記巻き枠の径方向における前記巻き回し層の一方と接触された金属部材と、前記巻き枠の径方向における前記巻き回し層の他方と接触された絶縁部材とを備え、前記巻き回し層中の前記金属部材と前記超電導部材は、電気的及び熱的に接触し、前記巻き回し層同士は、電気的に絶縁している。

本発明によれば、１０Ｋ以上で運転する超電導磁石において、クエンチによる焼損から超電導磁石を保護すると共に、励磁にかかる時間を短縮することができる。

第１実施例の超電導磁石の構成図。第１実施例の超電導コイルの断面図。第１実施例の超電導線材と電気・熱伝導部の拡大図。第１実施例の超電導線材と電気・熱伝導部の金属部材を示す側面図。第１実施例の超電導磁石のクエンチ保護作用を説明する模式図。第１実施例の超電導磁石１の等価回路を示す回路図。第２実施例の超電導線材と電気・熱伝導部を示す断面図。第３実施例の超電導線材と電気・熱伝導部を示す断面図。第４実施例の超電導磁石の構成図。

以下、図面を用いて、本実施例を説明する。

図１は、実施例１における超電導磁石１の構成図である。

超電導コイル２は、断熱容器３の中に置かれ、断熱容器３には、超電導コイル２の中心軸を貫くボア４が設けられる。超電導コイル２は伝熱板３０と熱接触され、伝熱板３０は冷却配管３１により断熱容器３の外部にある冷凍機３２と熱接触される。超電導コイル２の温度は冷凍機３２により運転温度以下に冷却される。超電導コイル２の両端は電流ポート４０と接続され、超電導コイル２と電流ポート４０の間には永久電流スイッチ４１が並列接続される。永久電流スイッチ４１は高い電気抵抗を有する母材に超電導芯線が埋め込まれた超電導線材で作られ、内蔵ヒータで温度を制御することにより、定常運転時には超電導状態に、励磁時には常電導状態に切り替えられる。

以上のような超電導磁石１を励磁する際には、電流源４３が電流リード４２を介し電流ポート４０に接続される。定常運転時には、電流リード４２が電流ポート４０から外され、電流リード４２と電流源４３は超電導磁石１から分離される。

図２は、超電導コイル２の断面図である。

超電導コイル２は、巻き枠２１の周りに超電導線材２０と電気・熱伝導部５０が交互に巻かれた構造を有する。超電導線材２０と電気・熱伝導部５０の間に、線材固定用部材２２が充填される。線材固定用部材２２は、高い電気抵抗率を持ち更に熱伝導率が高い材料で作られることが好ましい。そのような材料には、例えば、スタイキャスト（商品名）がある。

図３は、超電導線材２０と電気・熱伝導部５０の拡大図である。

超電導線材２０は、一つ以上の超電導芯線２３の周りにマトリックス２４を配置した構造を有する。マトリックス２４は高い熱伝導率と低い電気抵抗率を兼ね備えた、例えば、無酸素銅を用いて作られる。一般的な超電導線材はマトリックス２４の外周に絶縁層を有するが、当該超電導線材２０は、後述のクエンチ保護作用のため、絶縁層を有しない。電気・熱伝導部５０は、絶縁部材５１の上に複数の金属部材５２を設けた構造を有する。金属部材５２は良好な導電性と熱伝導性を有する無酸素銅，アルミニウム，銀，インジュームなどの金属で作られ、超電導線材２０と広い面で接触する形状に成型される。

以上のような金属部材５２の材料と形状により、金属部材５２は超電導線材２０のマトリックス２４と良好な電気的接触を有する。金属部材５２の間には横スリット５３が設けられる。横スリット５３には、絶縁性の線材固定用部材２２を充満させることで複数の金属部材５２の間を電気的に分離する。

図３のように、金属部材５２は伝熱板３０に連結されていない点で、特許文献１に示された伝導冷却板と異なる。この構造上の違いは、金属部材５２のクエンチ保護作用が従来技術の伝導冷却板の作用と異なることに由来する。金属部材５２のクエンチ保護作用に関しては、後述する。

図４は、超電導コイル２の超電導線材２０と電気・熱伝導部５０の金属部材５２を示す側面図である。金属部材５２は、超電導磁石の軸方向に平行に１つ以上の縦スリット５４を有する。前記の横スリット５３と同様に、縦スリット５４には線材固定用部材２２が充填される。従って、図４に示した複数の金属部材５２は、横スリット５３と縦スリット５４により互いに電気的に分離される。

図５の（ａ）〜（ｄ）は超電導磁石のクエンチ保護作用を説明する模式図である。簡単のため、図５には超電導線材２０が１本の超電導芯線２３を有する例を示すが、複数の超電導芯線２３を有する超電導線材であっても以下の説明と同じ作用を有する。

図５の（ａ）はクエンチが発生する前の状態を示す。黒い矢印で示した電流は、全て超電導線材２０を通じて流れる。図５の（ｂ）はクエンチした瞬間の状態を示す。最初にクエンチした領域８０の電気抵抗がゼロでなくなる。図５の（ｃ）はクエンチ直後の状態を示す。クエンチした超電導線材内のクエンチ伝播により、クエンチ領域が広がる。クエンチ領域の広がりによって電気抵抗が増加したため、クエンチした超電導線材から金属部材５２を通って隣接する超電導線材に流れる電流８１が発生する。又、クエンチした超電導線材から隣接する超電導線材への熱伝導８２も発生する。図５の（ｄ）は超電導線材間の電流と熱の移動が進行した後の状態を示す。隣接する超電導線材で電流増加による臨界温度の低下と熱伝導による温度上昇が同時に起こるため、新たなクエンチ領域８０′が発生して、更に周辺の超電導線材へ電流と熱が移動する。

以上より、金属部材５２は、クエンチした超電導線材から隣接する超電導線材へ電流と熱を移動させることにより、クエンチ伝播を加速する。クエンチ伝播が速いほどクエンチした領域の最高温度が低下するため、金属部材５２は、クエンチ領域の最高温度を低下させることで、超電導磁石の焼損を低減する効果を有する。

更に、金属部材５２は、クエンチ伝播を加速してより広い超電導線材に電気抵抗を発生させるため、クエンチ電圧を大きくする作用も持つ。クエンチ電圧はクエンチ検出に広く利用され、例えば、ダイオードを用いてクエンチ電圧がダイオードの動作電圧以上になるとクエンチと判定する方法がある。金属部材５２を用いれば、クエンチ電圧が高くなるため、クエンチ電圧を雑音の中から容易に検出できる。

金属部材５２の作用は、特許文献１の伝導冷却板とは明らかに異なる。特許文献１の伝導冷却板は、超電導コイル２を冷却するためのもので、超電導コイル２と伝熱板３０の間の熱伝導経路である。従って、特許文献１の伝導冷却板は伝熱板３０と良好な熱接触を有する必要があった。従来技術の伝導冷却板が持つこのような設計上の制約に比べて、当該金属部材５２は、超電導線材間に電流と熱を移動させクエンチ伝播を加速するものであり、伝熱板３０と接続する必要がない。伝熱板３０と接続する必要がないため、金属部材５２の間に前記の横スリット５３を設けることができる。横スリット５３及び縦スリット５４は、以下で説明するように、超電導磁石１の励磁にかかる時間を短縮する効果を有する。

以下、本実施例の超電導磁石１を励磁する時の作用に関して説明する。図６は超電導磁石１の等価回路を示す回路図である。

インダクタンスＬ１は超電導コイル２の等価インダクタンス、インダクタンスＬ２は電気・熱伝導部５０の等価インダクタンスであり、抵抗Ｒ１は複数の横スリット５３に充填された線材固定用部材２２の等価抵抗、抵抗Ｒ２は複数の縦スリット５４に充填された線材固定用部材２２の等価抵抗である。複数の金属部材５２の等価抵抗は、抵抗Ｒ１とＲ２に比べて極めて小さいため無視した。

励磁の際には、電流源４３から電流ポート４０に供給する電流を増やしていく。この時に、永久電流スイッチ４１は高い電気抵抗を持つ常電導状態になっているため、電流を流せない。超電導コイル２に電流が投入されると、超電導コイルの中央部の磁束が増加して、金属部材５２にはこの磁束増加を打ち消す方向に渦電流が発生する。渦電流は縦スリット５４の等価抵抗Ｒ２により減衰され、縦スリット５４に絶縁樹脂を充填して等価抵抗Ｒ２を大きくすることによって渦電流を実質的に除去することができる。縦スリット５４により渦電流が実質的に除去された構成で、電流ポート４０に供給する電流を増やすと、超電導コイルの両端にはＦａｒａｄａｙの電磁誘導の法則により、以下の数式で表現される電位差が発生する。
Ｖ＝Ｌ１×ｄＩ／ｄｔ
図６に示したＬ１とＲ１からなるＲＬ並列回路の時定数ＴはＬ１／Ｒ１であり、超電導コイル２に定格電流Ｉｏｐを投入するためにかかる時間は、Ｔに比例する。本実施例では、金属部材５２の間に絶縁樹脂２２で充満した横スリット５３を設けてＲ１を大きくすることで、超電導コイルの励磁にかかる時間を短縮できる。

図７は、実施例２の超電導線材２０と電気・熱伝導部５０の拡大図である。

電気・熱伝導部５０は、絶縁部材５１と金属部材５２からなり、図８では絶縁部材５１と金属部材５２で表現される。複数の超電導線材２０が１つの束になり、超電導線材の間は良熱伝導性の金属部材５２により電気的に、及び熱的に良好に接続される。

図７には２層の超電導線材が１つの束になっているが、１層であってもよい。この超電導線材の束は絶縁部材５１により他の超伝導線材と電気的に絶縁される。絶縁部材５１は、超電導線材２０を巻き枠２１に巻き回す時に、超電導線材２０の間に挿入される。金属部材５２は、巻き回し時に又は巻き回しの後に超電導線材２０の間に充填される。金属部材５２には、金属粉末を高濃度に樹脂中に混入して、良好な導電性と熱伝導性を持つ金属ペーストを用いる。例えば、金属部材５２に銀ペーストを用いれば、１０μΩcm以下の電気抵抗率と６５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率が得られる。この実施例の金属部材５２は、実施例１の金属部材５２が持っていた超電導線材間の電流と熱移動の作用と共に、巻き回した超電導線材２０を固定する作用も持つ。

実施例２の電気・熱伝導部５０を用いれば、超電導線材２０と金属部材５２との接触面積が第１実施例より増えて、超電導線材間の電気的及び熱的接触が向上される利点がある。一方で、この実施例の金属部材５２は樹脂を含むため、金属部材５２の導電性と熱伝導性が第１実施例の金属部材より低下する面がある。従って、実施の際には用いる金属部材５２の導電性と熱伝導性に応じて、実施例１又は２から実施方式を選択すればよい。

図８は、実施例３における超電導線材２０と電気・熱伝導部５０の拡大図である。

電気・熱伝導部５０は、絶縁部材５１と金属部材５２からなり、図８では絶縁部材５１と金属部材５２で表現される。複数の超電導線材２０が１つの束になり、束の外周を良熱伝導性の金属部材５２で包むことで束内の超電導線材２０同士を電気的、及び熱的に良好に接続される。金属部材５２の外側には絶縁部材５１を施し、異なる束の間を電気的に絶縁する。

尚、図８には２層の超電導線材が１つの束になっているが、１層であってもよい。絶縁部材５１と金属部材５２は、施工効率の面から、互いに接合され一体化されていることが好ましいが、分離されていてもよい。又、束内の超電導線材２０の間に、シート状の別の金属部材を挿入してもよい。

本実施例によれば、複数の超電導線材２０を電気・熱伝導部５０で束ねるだけで施工ができるため、線材固定用部材２２又は金属部材５２を超電導線材の間に充填させる実施例１及び２より、施工効率の面で利点がある。一方で、本実施例では超電導線材の間が充填されないため、超電導線材が完全に固定されず、磁気力によって超電導線材が動いて摩擦熱が発生する可能性がある。従って、超電導磁石の運転温度及び冷却能力が摩擦熱による熱的擾乱に対し安定な時には、本実施例を利用して簡便に実施することができる。

本技術は、超電導コイルを冷媒と熱接触させることにより超電導コイルの温度を運転温度まで冷却するいわゆる浸漬型超電導磁石にも適用される。本発明の電気・熱伝導部５０は、特許文献１とは異なり伝熱板を必要としないため、伝熱板を有しない超電導磁石においてもクエンチ保護の効果が得られる。

以下、液体冷媒を用いた浸漬型超伝導磁石の一般的な構造を開示する。但し、電気・熱伝導部５０は、液体冷媒の代わりに固体冷媒（例えば、固体水素，固体ネオン，固体窒素，固体アルゴン）を用いる超電導磁石でも適用できる。

図９は、液体冷媒を用いる浸漬型超電導磁石の構成を示す断面図である。超電導コイル２は、熱接触する液体冷媒３３により、運転温度に冷却される。液体冷媒には、例えば、液体水素，液体ネオン，液体窒素，液体アルゴンが使える。超電導磁石１は断熱容器３の内部にある高圧の気体を断熱容器３の外部に排出する排気ポート３４と、液体冷媒を断熱容器３の中に注入する注液ポート３５を有する。断熱容器３の外部から熱が侵入した場合、または断熱容器３の内部で熱が発生した場合は、液体冷媒３３が気化される気化熱で超電導コイルの温度上昇を防ぐ。気化された冷媒は排気ポート３４から断熱容器３の外部に排出され、断熱容器３内の圧力は安全な範囲に維持される。断熱容器３内の液体溶媒３３が気化により減少した時は、注液ポート３５から液体冷媒を断熱容器３内に注入する。

浸漬型超電導磁石１は、超電導コイル２を冷媒で囲むため、超電導コイル２の温度を、本発明の第１実施例に示した伝導冷却型超電導磁石よりも安定に維持できる利点がある。一方で、浸漬型超電導磁石１は、冷媒を用いるため、運転時の超電導磁石の重量が増加する点と、冷媒補充の手間が増える側面を持つ。

上記によれば、当該超電導磁石は、導電性と熱伝導性の良好な金属部材を用いて複数の超電導線材を電気的及び熱的に接続したため、クエンチが起きた時に超電導線材間に電流と熱を配分してクエンチによる焼損から超電導磁石を保護することができ、更に、該金属部材を巻き枠の軸方向および周方向に対し複数の部分に電気的に分割したため、励磁時間を短縮することができる。

１超電導磁石
２超電導コイル
３断熱容器
４ボア
２０超電導線材
２１巻き枠
２２線材固定用部材（絶縁樹脂）
２３超電導芯線
２４マトリックス（母材）
３０伝熱板
３１冷却配管
３２冷凍機
３３冷媒
３４排気ポート
３５注液ポート
４０電流ポート
４１永久電流スイッチ
４２電流リード
４３電流源
５０電気・熱伝導部
５１絶縁部材
５２金属部材
５３横スリット
５４縦スリット
８０，８０′ クエンチ領域
８１超電導線材間を流れる電流
８２超電導線材間の熱伝導
Ｌ１超電導コイルの等価インダクタンス
Ｌ２電気・熱伝導部の等価インダクタンス
Ｒ１横スリットに充填された線材固定用部材の等価抵抗
Ｒ２縦スリットに充填された線材固定用部材の等価抵抗

Claims

超電導芯線と母材からなる超電導線材と、
前記超電導線材を複数回巻き回された巻き枠と、
前記巻き枠の径方向に複数層形成された前記超電導線材の巻き回し層と、
前記巻き回し層中の前記超電導線材間に設けられ前記超電導線材と接触された絶縁性の線材固定用部材と、
前記巻き枠の径方向における前記巻き回し層の一方と接触された金属部材と、前記巻き枠の径方向における前記巻き回し層の他方と接触された絶縁部材とを備え、
前記巻き回し層中の前記金属部材と前記超電導部材は、電気的及び熱的に接触し、前記巻き回し層同士は、電気的に絶縁している、超電導磁石。
前記金属部材が１つ以上のスリットにより前記巻き枠の周方向に対し複数に分割される、請求項１記載の超電導磁石。
前記金属部材は、ブロック，シート，短冊、又は網のうち、少なくとも一つの形状を有し、前記巻き枠の外周面に平行に設けられる、請求項２記載の超電導磁石。
前記金属部材が１つ以上のスリットにより前記巻き枠の軸方向に対し複数に分割される、請求項２又は３記載の超電導磁石。
前記金属部材により電気的及び熱的に接触された複数の超電導線材が絶縁部材で束ねられる、請求項２記載の超電導磁石。
絶対温度１０度以上の温度で運転される、請求項１乃至５何れか一に記載の超電導磁石。
請求項１乃至６何れか一に記載の超電導磁石を備える、核磁気共鳴装置。