JP6860517B2 - 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。

超電導技術の向上に伴い、例えば磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ)などの超電導磁石装置が実用化されている。これらの超電導磁石装置には、超電導線を巻回してなる超電導コイルが使用されており、超電導状態を維持するため、超電導コイルは極低温下で保持するように構成されている。

超電導コイルに対して外部から電流を供給した後に、超電導状態になった超電導コイルを閉ループ回路の一部として構成しておくことにより、超電導状態になった閉ループ回路では電気抵抗ゼロの状態で電流が流れ続けることになるので、外部電源不要で超電導コイルに磁場を発生させ続けることができる。

超電導コイルに対して、常伝導転移時には電流を供給し、超電導状態では、超電導コイルとの間で電気抵抗ゼロの閉ループ回路を構成するものとして永久電流スイッチ（ＰＣＳ）が用いられている。

永久電流スイッチを超電導コイルと並列に配置して閉ループ回路を構成するとともに、閉ループ回路に外部電源から電流を供給できるように構成する。そして、永久電流スイッチの電気抵抗を大きくした常伝導状態において、外部電源から超電導コイルに電流を通電して、超電導コイルが定格状態になるまで通電する。定格状態になった後で、永久電流スイッチおよび永久電流スイッチを常伝導状態から超電導状態に切替えることにより、永久電流スイッチと超電導コイルとで構成された閉ループ回路は電気抵抗がゼロの状態となり、超電導コイルにおいて磁場を発生させ続けることができる。

超電導コイルを構成する超電導線には、一般に銅マトリクス線が用いられる。一方、常伝導状態時において永久電流スイッチでの電気抵抗を大きくするために、永久電流スイッチを構成する超電導線にはＣｕＮｉマトリクス線などが用いられている。

特許第３７６６４４８号

超電導磁石装置において、永久電流スイッチにより電気回路をＯＦＦからＯＮへ切り替える際の冷却時には、冷凍機により永久電流スイッチを常電導温度から超電導温度まで温度を下げる必要があり、冷却には時間を要する。一方、冷却時間短縮のために永久電流スイッチと冷凍機とを接続する伝熱経路の伝熱量を大きくし過ぎると、永久電流スイッチのヒータＯＮ時に超電導コイルへ伝達される熱により、超電導コイルの温度上昇および冷凍機の冷却性能の低下を招くことになる。

上記実施形態に係る超電導磁石装置は、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熱抵抗を小さくしていることを特徴とする。

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、永久電流スイッチを常電導温度から超電導温度まで温度を下げて電気回路をＯＦＦからＯＮへ切り替える際の永久電流スイッチの冷却時間を短縮することができる。

実施例１を示す超電導磁石装置の概略縦断面図。 図１に示した永久電流スイッチ冷却板を拡大して示す拡大斜視図。 実施例１における低温端近傍に高熱伝導率材料を付加した場合の冷却時間を示すグラフ。 実施例２の要部を示す永久電流スイッチ冷却板の拡大斜視図。 実施例３の要部を示す永久電流スイッチ冷却板の拡大斜視図。 実施例４の要部を示す永久電流スイッチ冷却板の拡大斜視図。 実施例４の変形例の要部を示す永久電流スイッチ冷却板の拡大斜視図。

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）
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、ＰＣＳ冷却板（コイル側のＰＣＳ冷却板）１３とＰＣＳ冷却板（ＰＣＳ側のＰＣＳ冷却板）１４とで熱抵抗の違いを設定することで、超電導コイルの温度上昇を抑えつつ、再冷却時間を短縮する設計としている。

ここで、実際の効果を示す具体例での検討結果を示す。

図２は、本発明の実施の形態に係る高温端（ＰＣＳ）１０と、低温端（超電導コイル）５とを接続する永久電流スイッチ（ＰＣＳ）冷却板１２の一例を示す拡大斜視図である。

永久電流スイッチ（ＰＣＳ）冷却板１２における伝熱経路となる低熱伝導率材料部２１には、高温端１０の接続面２３および、低温端５の接続面２４において、それぞれ高温端１０と低温端５が接続されている。また、低熱伝導率材料部２１の低温端接続面２４近傍には低熱伝導率材料部２１の材料よりも熱伝導率の高い材料から形成される高熱伝導率材料部２２が配置されている。

本実施形態において、例えば、ＰＣＳ１０を永久電流スイッチ（ＰＣＳ）加熱ヒータ（以下ヒータと省略する。）１１により１０Ｋまで加熱して常電導状態として電気回路をＯＦＦし、その後、極低温冷凍機コールドヘッド１により４Ｋまで冷却して超電導状態として電気回路をＯＮして動作させる場合、冷却初期状態では図２の高温端１０の接続面２３の温度は１０Ｋ、低温端５の接続面２４の温度は４Ｋとなる。

また、低熱伝導率材料部２１の材料に銅、高熱伝導率材料部２２の材料にインジウム（Ｉｎ）を用い（インジウムの熱伝導率は、１０Ｋ時には銅（Ｃｕ）の２０倍、５Ｋ時には銅の７５倍程度）、ＰＣＳ１０の動作上限温度１０Ｋにおける伝熱量を０．１Ｗとした場合に、質量約１０ｋｇのＰＣＳ１０を１０Ｋから４Ｋまで冷却するために要する時間の計算結果を図３にグラフで示す。また、この図３中に、インジウムを付加せず、銅のみを用いた従来例を示す熱伝導の場合を比較して示す。

図３の銅のみの場合（従来例）、および、銅とインジウムを組み合わせた場合（本実施例）の、１０Ｋにおける伝熱量は共に０．１Ｗであるが（断面積の調整により０．１Ｗに設定）、銅のみの場合よりも銅とインジウムを組み合わせた場合の方が、短時間で冷却可能となる。尚、本実施例１は材料の熱伝導率の違いにより得られる効果であるが、低温端近傍の熱抵抗が高温端近傍の熱抵抗よりも小さい場合にこのような効果が得られることを意味する。即ち、上記材料でさらに低温端近傍の伝熱経路断面積が、高温端近傍の伝熱経路断面積よりも広い場合においては、より良い効果を得ることができる。

よって、永久電流スイッチを常電導温度から超電導温度まで温度を下げて電気回路をＯＦＦからＯＮへ切り替える際の冷却時間を短縮することができる。

なお、熱伝導率の違いにより低熱伝導率材料部２１の材料に銀（Ａｇ）を採用した場合には高熱伝導率材料部２２の材料にアルミニウム（Ａｌ）、Ｉｎ、Ｃｕおよびその合金を採用し、低熱伝導率材料部２１の材料にＡｌを採用した場合には高熱伝導率材料部２２の材料にＩｎ、Ｃｕおよびその合金を採用することが可能である。

（実施例２）
次に、図４を用いて実施例２を説明する。

なお、実施例１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図４は本発明の実施の形態に係る伝導冷却の高温端と低温端とを異なる複数の材料で接続する場合の例を示す斜視図である。

本実施例２のように高温端１０にはＰＣＳ冷却板２５として低熱伝導率材料部２１を接続し、低温端５には高熱伝導率材料部２２を接触させ、低熱伝導率材料部２１と高熱伝導率材料部２２とを接続した構造とする。

ここで、実施例１と同様に、低熱伝導率材料部２１に銅、高熱伝導率材料部２２にインジウムを用いる場合、インジウムの熱伝導率は、銅の熱伝導率（１０Ｋ時には銅の２０倍、5K時には銅の７５倍程度）と比較してかなり高いから、実施例１のインジウムを付加した部分においては熱伝導率の高いインジウムでの熱伝導が支配的となり、同部分における銅は殆ど熱伝導に寄与しない。そのため、実施例１と実施例２は、ほぼ同程度の冷却時間短縮効果が得られることになる。

また、低熱伝導率材料部２１と高熱伝導率材料部２２との間に、熱伝導率が低熱伝導率材料部２１よりも高く、高熱伝導率材料部２２よりも低い別の材料を介在させてもよく、さらに低熱伝導率材料部２１と高熱伝導率材料部２２について上記実施例１の他の材料の組み合わせを採用しても良い。

（実施例３）
次に、図５を用いて実施例３を説明する。

なお、実施例１、２と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図５は本発明の実施の形態に係る伝導冷却の高温端と低温端とを異なる複数の材料で接続する場合の例を示す斜視図である。

図５において、ＰＣＳ冷却板２６は図４に加えて高熱伝導率材料部２２の側面に並列に第２高熱伝導率材料部２７が配置されている。

この第２高熱伝導率材料部２７は、第２高熱伝導率材がインジウムのように柔らかい材料の場合には、並列して支えとなる高熱伝導率材料（例えば銅など）２２を設けた場合を示している。この場合、低熱伝導率材料部２１と高熱伝導率材料部２２は一体で同一の材料で構成することも可能である。

よって、この構成によれば実施例１，２と同等の効果が得られ、さらにＰＣＳ冷却板２６の強度を向上させることができる。

（実施例４）
次に、図６および図７を用いて実施例４を説明する。

なお、実施例４において実施例１から３と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図６は本発明の実施の形態に係るＰＣＳ冷却板２８の高温端接続面２３から低温端接続面２４に徐々に伝熱経路断面積を狭くする構成となっている。

この構成によって、低温端接続面２４の伝熱経路断面積を高温端接続面２３の伝熱経路断面積よりも広くすることで、低温端近傍の熱抵抗が高温端近傍の熱抵抗よりも小さくなり、実施例１と比較してより冷却時間短縮の効果を得ることができる。

また、図７に示すＰＣＳ冷却板２８は、端部を一定の伝熱経路断面積とし、中間部において高温端接続面２３から低温端接続面２４に徐々に伝熱経路断面積を狭くする構成となっている。

この構成によって、図６と同様の効果を得ることができ、さらには端部が一定の幅であることから超電導コイルとＰＣＳの接続作業を容易にすることができる。

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（低温端）
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）（高温端）
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
２１…低熱伝導率材料部
２２…高熱伝導率材料部
２３…高温端接続面
２４…低温端接続面
２５、２６、２８、２９…永久電流スイッチ（ＰＣＳ）冷却板
２７…第２高熱伝導率材料部

Claims (5)

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熱抵抗を小さくしていることを特徴とする超電導磁石装置。
2. 前記永久電流スイッチ冷却板は、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチを接続する低熱伝導率材料部の熱伝導率よりも高い熱伝導率をもつ高熱伝導率材料部を、接続に用いる低熱伝導率材料部の前記超電導コイルの接続部に配置されていることを特徴とする請求項１記載の超電導磁石装置。
3. 前記永久電流スイッチ冷却板は、超電導コイル側の高熱伝導率材料部と、この高熱伝導率材料部に接続され高熱伝導率材料部よりも低い熱伝導率をもつ永久電流スイッチ側の低熱伝導率材料部から成ることを特徴とする請求項１記載の超電導磁石装置。
4. 前記永久電流スイッチ冷却板と前記超電導コイルとの接続部の伝熱経路断面積が、前記永久電流スイッチ冷却板と前記永久電流スイッチとの接続部の伝熱経路断面積よりも狭いことを特徴とする請求項３記載の超電導磁石装置。
5. 前記永久電流スイッチ冷却板は、アルミニウム、インジウム、銀、銅およびその合金から選択されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項記載の超電導磁石装置。

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