JP6860513B2 - 超電導磁石装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超電導による永久電流が流れる閉回路を形成する永久電流スイッチを備える超電導磁石装置に関する。

超電導磁石は電気抵抗０の特性により電磁石に大電流を流すことで、永久磁石や常伝導電磁石よりも高磁場、または、同じ磁場で比較すると電磁石の大幅な小型化を実現できる。線材の開発、コイル化技術開発、極低温技術開発により、機器への普及が期待されている。

永久電流スイッチ（以下ＰＣＳと記す）は、外部電源等で高温超電導磁石を励磁した後、磁石内部に閉ループを構成し、電源からの電流供給を止めるために必要となる。電気抵抗が０であれば文字通り永久電流となるが、実際は接続抵抗等、微小抵抗のため、一定の時定数で減衰する。ただし、抵抗は一般にナノΩレベルの大きさのため、数日以上の通電、磁場発生が可能となる。

ＰＣＳは、超電導体と、超電導体の温度を上昇させるための加熱手段であるヒータ、および超電導体を冷却するための冷凍機とＰＣＳ冷却板で構成される。ＰＣＳの高温超電導体は、超電導コイルと外部電源に対し並列に接続される。外部電源励磁時は、ＰＣＳに電流が流れないよう、ＰＣＳヒータにより温度を臨界電流（Ｔ_Ｃ）以上に上げ、常伝導抵抗（ＯＦＦ抵抗）により超電導コイル側にしか電流が流れないようにする。定格電流通電後、ＰＣＳヒータをＯＦＦとし、ＰＣＳの温度をＴｃ以下に冷却する。この状態で電源電流を下げると、ＰＣＳ側に電流が分流し、電源電流が０になった時に超電導コイルとＰＣＳで作られる閉ループが永久電流モードとなる。

上記のように、永久電流モードにする手順において、ＰＣＳをヒータで加熱した際に、ＰＣＳを冷却するためのＰＣＳ冷却板を介して、冷凍機、あるいは超電導コイルに熱が伝わり、温度上昇させてしまう可能性がある。

一方、ＰＣＳのヒータ通電を０にして、ＰＣＳをコイルと同じ程度の温度域にまで再冷却する際、この冷却板を介して冷却することになるが、上記理由で伝熱特性が制限されているため、再冷却にかかる時間が長くなってしまう。

そこで、上記の二律背反するＰＣＳ冷却板に求められる伝熱特性は、冷凍機の冷凍能力に見合った熱侵入量、許容される再冷却時間となるように設計されている。

特許第４５９２４９８号 特許第４８９６６２０号

上記の超電導コイルの温度上昇の低減およびＰＣＳ再冷却時間の短縮という二律背反するＰＣＳ冷却板の設計条件をともに満足するためには、冷凍機の冷凍能力を大きくする以外になかった。しかし、通常の運転中には必要でない過剰な冷凍機を、ＰＣＳの制御時という限られた仕様条件をもとに搭載することになり、コスト高、磁石の大型化、消費電力の増加等につながってしまう。

本特許は、大きな冷凍能力を持った冷凍機にすることなく、ＰＣＳ制御時の超電導コイルの温度上昇を抑え、再冷却時間を短縮させることのできる超電導磁石装置を得ることを目的とする。

本実施形態は、断熱真空容器内に収納される超電導コイルと、この超電導コイルに熱的に接続され高温超電導体により構成された永久電流スイッチと、励磁電源に対して前記超電導コイルと永久電流スイッチを並列に接続する電流リードと、を有する超電導磁石装置であって、前記永久電流スイッチは冷却装置に直接あるいは前記超電導コイルを介して冷却される構造とし、前記永久電流スイッチは温度上昇させるための加熱手段が設けられ、前記超電導コイルと永久電流スイッチは永久電流スイッチ冷却板で接続され、この永久電流スイッチ冷却板は、高温超電導コイル側の永久電流スイッチ冷却板を永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板よりも伝熱経路の断面積を大きくしていることを特徴とする。

本発明の実施形態は、大きな冷凍能力を持った冷凍機にすることなく、永久電流スイッチ制御時の超電導コイルの温度上昇を抑え、再冷却時間を短縮させることができる。

実施例１を示す超電導磁石装置の概略縦断面図。 従来例を想定したＰＣＳ再冷却におけるＰＣＳ冷却板の温度変化の計算結果を示すグラフ。 実施例１によるＰＣＳ再冷却時のＰＣＳ冷却板の温度変化の計算結果を示すグラフ。 実施例１によるPCS再冷却時の他の形状のＰＣＳ冷却板の温度変化の計算結果を示すグラフ。 実施例１によるＰＣＳの再冷却時間短縮効果の計算結果を断面積比で比較して示すグラフ。 実施例１によるＰＣＳの再冷却時間短縮効果の計算結果を低温側／高温側冷却板の長さ比で比較して示すグラフ。 実施例２におけるＰＣＳ冷却板を従来例と比較して示し、（ａ）は従来例を、（ｂ）は実施例２をそれぞれ示す概略図。 実施例６に係る永久電流スイッチ冷却板の概略図。

以下、本発明に係る超電導磁石装置の実施例について、図面を参照して説明する。

（実施例１）
以下、図１を参照して実施例１について説明する。

図１は、永久電流スイッチ（ＰＣＳ）１０を備えた永久電流モードが可能な超電導磁石装置２０を概略縦断面図で示している。

図１において、極低温冷凍機コールドヘッド１は断熱真空容器２に取り付けられて1段冷却部で輻射シールド板３、また２段冷却部で超電導コイル冷却板４を介して高温超電導線で構成された超電導コイル５を極低温に冷却している。電流は図示されていない外部電源から真空導入端子６に接続供給され、断熱真空容器２内において電流リード７を介して超電導コイル５、ＰＣＳ１０に通電できる構成としている。

超電導コイル５と永久電流スイッチ加熱ヒータ（ＰＣＳ加熱ヒータ）１１は、電源に対して並列に接続されている。そして電流リード７の低温側先端に、超電導コイル５から超電導コイル接続線８が、またＰＣＳ１０側からの永久電流スイッチ（ＰＣＳ）接続線９が並列接続されている。なお電流リード７は図示していないが、冷凍機の１段冷却部、２段冷却部に絶縁のうえ熱的に接続し、冷却されており、超電導コイル５、ＰＣＳ１０の温度上昇を抑えている。また、１段、２段冷却部の間の電流リード７には、通常、高温超電導体が用いられ、大電流、低抵抗、断熱を兼ねた設計としている。 高温超電導体により構成されたＰＣＳ１０は、冷却された超電導コイル５に熱的に永久電流スイッチ（ＰＣＳ）冷却板１２を介して超電導コイル５の温度と同レベルに冷却できる構成となっている。このＰＣＳ冷却板１２は、ＰＣＳを超電導状態（抵抗０）から常伝導状態（常伝導抵抗を持つ）にするために温度上昇させる永久電流スイッチ（ＰＣＳ）加熱ヒータ１１が具備され、ＰＣＳ加熱ヒータ１１は図示していないがヒータ用外部電源により、超電導コイル接続線８を介して通電され、所定の発熱により、所定の温度まで温度上昇させる構成としている。

ＰＣＳ加熱ヒータ１１は温度上昇後、ＰＣＳ１０を超電導コイル５と同レベルにまで冷却し、超電導コイル５とＰＣＳ１０との閉ループ（連結のための電流リード７、超電導接続線８も閉ループ内に構成されている）により、永久電流モードとなるが、ＰＣＳ１０に対する、この一連の冷却、温度上昇、再冷却において、前記のようにコイル温度上昇、再冷却時間の短縮を考慮したＰＣＳ冷却板１２の設計が必要となる。

このＰＣＳ冷却板１２は、ＰＣＳ加熱ヒータ１１印加時に超電導コイル５の温度上昇の上限値となる最大熱侵入量Ｑ_ｍａｘ以下に抑えつつ、ＰＣＳ１０の温度をＰＣＳ１０の臨界温度以上になるように、以下（１）式で示されるＰＣＳ冷却板１２を用いている。

Ｑ_ｍａｘ＝（Ｓ／Ｌ）×∫λｄＴ …（１）

ここで、ＳはＰＣＳ冷却板１２の断面積、ＬはＰＣＳ冷却板１２の長さ、λはＰＣＳ冷却板１２の熱伝導率、積分は温度に関するもので、下限値はＰＣＳ１０の昇温時の温度、上限値は超電導コイル５側の温度である。

上記（１）式で、許される最大のＳ／Ｌが決まる。したがって、その後の再冷却時間は、このＳ／Ｌの最大値となるＰＣＳ冷却板１２を用いれば最短のとなるが、それ以上短い時間で再冷却することはできない。超電導コイル温度の温度上昇は極力抑えるのが通常の設計であり、安全率を考慮すると、さらにＳ／Ｌの小さいＰＣＳ冷却板１２とする必要があり、その場合は再冷却時間が増加してしまう。

そこで、図１では、ＰＣＳ冷却板１２の熱伝導率の温度依存性において、純度の高い金属の特性として、１０Ｋレベルで熱伝導率がピークとなる特性を利用し、超電導コイル側の半分のＰＣＳ冷却板（コイル側のＰＣＳ冷却板）１３を、ＰＣＳ１０側半分のＰＣＳ冷却板（ＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板）１４よりも断面積Ｓを大きくした構成としている。

ＰＣＳ１０を温度上昇させている状態では、熱抵抗の大半はＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板１４で受け持っており、コイル側のＰＣＳ冷却板１３の小さな熱抵抗と合わせて、従来におけるＰＣＳ冷却板と全体で同じあるいは同程度の熱抵抗になるように設定する。

この相違する断面積を持つコイル側のＰＣＳ冷却板１３とＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板１４が、再冷却時にはコイル側のＰＣＳ冷却板１３は、従来例でのＰＣＳ冷却板のコイル側温度よりも熱抵抗が小さいために過渡的に温度が低い状態を保ちながらＰＣＳ１０を冷却するようになる。この時、このＰＣＳ冷却板１２の熱伝導率は、金属の熱伝導率の温度依存性により、高い値となり、同じ温度差であれば、大きな熱量でＰＣＳ１０を冷却することが可能となる。

ここで、実際の効果を示す具体例での検討結果を示す。

超電導コイル５は２０Ｋに、ＰＣＳ１０は１００Ｋに保たせた状態（ヒータ印加時）で、接続された従来例を想定するＰＣＳ冷却板として残留抵抗比（ＲＲＲ）＝３０００の純アルミ板を用い、熱侵入量が、４Ｗになるように、ＰＣＳ冷却板１２を図７（ａ）で示すような形状とした。
ＰＣＳ冷却板１２形状：ｔ０．５mm×Ｗ１０mm×Ｌ２００mm

なお、ＰＣＳ１０の熱容量は、設計により様々であり、ここではアルミニウム２ｇとして計算している。この時の、ヒータをＯＦＦとした直後から、ＰＣＳ１０が超電導コイル温度の２０Ｋ程度（ここでは２５Ｋとした）にまで冷却していく時間経過を図２に示した。

グラフの横軸は時間（秒）、縦軸は温度（Ｋ）を示し、複数のグラフで最大温度となっているものはＰＣＳ１０、最小温度（２０Ｋ）となっているのは超電導コイル５、その間のグラフは、２５mm毎のＰＣＳ冷却板１２の温度変化を示している。この例の場合、再冷却に１１．６秒を要している。

一方、コイル側のＰＣＳ冷却板１３、ＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板１４を以下の形状にした場合の検討結果を図３に示す。
コイル側のＰＣＳ冷却板１３形状：ｔ２mm×Ｗ１０mm×Ｌ１００mm
ＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板１４形状：ｔ０．２９mm×Ｗ１０mm×Ｌ１００mm

この場合においても、加熱ヒータ１１によりＰＣＳ側を１００Ｋに保たせた場合の２０Ｋ超電導コイルへの熱侵入量は４Ｗで、従来例を想定するＰＣＳ冷却板の場合と同じ計算結果が得られている。一方で加熱ヒータ１１をＯＦＦとした直後からの各部の温度変化の計算結果を図３に示す。ＰＣＳ１０が２５Ｋになるまでに要した時間は１０．７秒となり、時間的に７％の再冷却時間短縮となる。

さらに、以下の冷却板構成とした場合の検討結果も図４に示す。
コイル側のＰＣＳ冷却板１３形状：ｔ２mm×Ｗ１０mm×Ｌ１７５mm
ＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板１４形状：ｔ０．０８mm×Ｗ１０mm×Ｌ２５mm

ＰＣＳが２５Ｋに到達するまでの時間は、この場合、１０．１秒となり、従来例を想定するＰＣＳ冷却板の場合よりも１３％の時間短縮となった。

以上の検討を、他の冷却板設計の検討結果も合わせ、横軸を低温側／高温側の冷却板の断面積比（各冷却板の長さは各々１００mmの一定条件）で、縦軸に２５Ｋまでの再冷却時間（従来設計を１００％とした場合）をとった計算結果を図５示す。さらに、低温側の冷却板の厚さを一定とし、低温側／高温側の冷却板の長さ比を横軸にとり、縦軸に同様に時間短縮率をとった結果を図６に示す。

実施例１では、残留抵抗比（ＲＲＲ）が３０００のアルミを使用し、動作温度２０Ｋから１００Ｋ間でのＰＣＳ冷却板に関しての検討結果により、同じ熱侵入量となるＰＣＳ冷却板でも、時間短縮を１３％達成できることを示した。これは、ＰＣＳ冷却板として使用したアルミニウムの熱伝導率の温度依存性として、この温度領域では低温ほど熱伝導率が高いことを利用し、再冷却中のＰＣＳ冷却板の温度分布を低下させることで、高い熱伝導率の状態で再冷却を行うことが可能な構成としている。

したがって、熱伝導率の温度依存性が上記のアルミニウムと同様な傾向のある純度の高い（残留抵抗比が１００よりも高い）銅、銀、インジウム、金等の金属を冷却板として用いても同様の効果が得られる。

（実施例２）
実施例１では、ＰＣＳ冷却板の断面積をコイル側のＰＣＳ冷却板１３とＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板１４で差をつけ、特にコイル側のＰＣＳ冷却板１３の断面積を大きくすることで、再冷却特性を向上できることを示した。その際、具体例として、冷却板の厚さを変えた構成で計算結果を示した。同じ手法として、冷却板の幅を変化させ、特にコイル側のＰＣＳ冷却板（低温側）の幅を広くとる構成としてもよい。この構成によれば、従来例に対し、図４で示した効果と同じ効果が得られる。この幅を変えたＰＣＳ冷却板の形状の比較を図７に示した。

この時のＰＣＳ冷却板の熱的な特性は断面積が実施例１と同様であれば同様のＰＣＳ冷却板の温度変化を示す。

よって実施例１と同様の効果を得ることができる。

（実施例３）
実施例３においては冷却板の熱伝導率を変化させ、特にＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板（高温側）１４の熱伝導率を、コイル側のＰＣＳ冷却板（低温側）１３よりも低い熱伝導率の材料を用いる構成としてもよい。この構成によれば、従来例に対し、図４で示した効果と同じ効果が得られる。

この時のＰＣＳ冷却板の熱的な特性は断面積が実施例１と同様であれば同様のＰＣＳ冷却板の温度変化を示す。

よって実施例１と同様の効果を得ることができる。

（実施例４）
実施例４においては同じ断面積の冷却板の枚数を変化させ、特にＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板（高温側）１４の枚数を、コイル側のＰＣＳ冷却板（低温側）１３の枚数よりも少なくしておく構成としてもよい。この構成によれば、従来例に対し、図４で示した効果と同じ効果が得られる。

この時のＰＣＳ冷却板の熱的な特性は断面積が実施例１と同様であれば同様のＰＣＳ冷却板の温度変化を示す。

よって実施例１と同様の効果を得ることができる。

（実施例５）
実施例５においてはＰＣＳ冷却板１２に使用される金属の純度を変化させ、特にコイル側のＰＣＳ冷却板（高温側）１４の純度を、ＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板（低温側）１３よりも高い純度の材料を用いる構成としてもよい。この構成によれば、従来例に対し、図４で示した効果と同じ効果が得られる。

この時のＰＣＳ冷却板の熱的な特性は実施例１と同様であれば同様のＰＣＳ冷却板の温度変化を示す。

よって実施例１と同様の効果を得ることができる。

（実施例６）
これまでの実施例では、効果を示すためにコイル側のＰＣＳ冷却板１３の断面積と、ＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板１４の断面積を２段階で変えているが、同様の効果は、２段階以上の複数段でのステップ的な断面積の変化、あるいは、断面積を連続的に変化させている場合でも得られる。図８にこの例で示したＰＣＳ冷却板１２の幅形状を示した。

図８に実施例６に係る永久電流スイッチ冷却板の概略平面図または縦断面図を示す。

実施例６においては伝熱経路の断面積を連続的に変化させ、特にＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板（高温側）１４の伝熱経路の断面積を、連続的にコイル側のＰＣＳ冷却板（低温側）１３の伝熱経路の断面積よりも小さくした構成としてもよい。この構成によれば、従来例に対し、図４で示した効果と同じ効果が得られる。

この時のＰＣＳ冷却板の熱的な特性は断面積が実施例１と同様であれば同様のＰＣＳ冷却板の温度変化を示す。

よって実施例１と同様の効果を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…極低温冷凍機コールドヘッド
２…断熱真空容器
３…輻射シールド板
４…超電導コイル冷却板
５…超電導コイル
６…電流導入端子
７…電流リード
８…超電導コイル接続線
９…永久電流スイッチ（ＰＣＳ）接続線
１０…永久電流スイッチ（ＰＣＳ）
１１…永久電流スイッチ（ＰＣＳ）加熱ヒータ
１２…永久電流スイッチ（ＰＣＳ）冷却板
１３…永久電流スイッチ冷却板（コイル側のＰＣＳ冷却板）
１４…永久電流スイッチ冷却板（ＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板）
２０…超電導磁石装置

Claims (8)

1. 断熱真空容器内に収納される超電導コイルと、
   この超電導コイルに熱的に接続され高温超電導体により構成された永久電流スイッチと、
   励磁電源に対して前記超電導コイルと永久電流スイッチを並列に接続する電流リードと、を有する超電導磁石装置であって、
   前記永久電流スイッチは冷却装置に直接あるいは超電導コイルを介して冷却される構造とし、前記永久電流スイッチは温度上昇させるための加熱手段が設けられ、
   前記超電導コイルと永久電流スイッチは永久電流スイッチ冷却板で接続され、この永久電流スイッチ冷却板は、超電導コイル側の永久電流スイッチ冷却板を永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板よりも伝熱経路の断面積を大きくしていることを特徴とする超電導磁石装置。
2. 高温超電導コイル側の前記永久電流スイッチ冷却板の板厚を永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板の板厚よりも厚くすることを特徴とする請求項１記載の超電導磁石装置。
3. 超電導コイル側の前記永久電流スイッチ冷却板の板幅を超電導永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板の板幅よりも広くすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超電導磁石装置。
4. 超電導永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板の熱伝導率を超電導コイル側の前記永久電流スイッチ冷却板の熱伝導率よりも低くすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載の超電導磁石装置。
5. 超電導永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板の枚数を超電導コイル側の前記永久電流スイッチ冷却板の枚数よりも少なくすることを特徴とする請求項１記載の超電導磁石装置。
6. 前記永久電流スイッチ冷却板の伝熱経路断面積の変化を連続的、あるいは２段階以上複数回のステップ的に、超電導コイル側の永久電流スイッチ冷却板の伝熱経路断面積を大きくしていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の超電導磁石装置。
7. 前記永久電流スイッチ冷却板は、残留抵抗比が１００よりも高い金属からなることを特徴とする請求項１記載の超電導磁石装置。
8. 前記残留抵抗比が100よりも高い金属は、銅、アルミニウム、インジウム、銀、金であることを特徴とする請求項７記載の超電導磁石装置。

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