JPH0584652B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、超電導装置に係り、特に、外部電源
から超電導コイルへ電流を供給するパワーリード
を備えた超電導装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

周知のように、超電導コイルに電流を流す方法
には幾つかあるが、その中にパワーリード法があ
る。このパワーリード法は、極低温容器内に収容
されている超電導コイルと外部電源とをパワーリ
ードで接続する方法で、外部電源で連続的に超電
導コイルを励磁する場合は勿論のこと外部電源で
超電導コイルに所定の電流を流した後に永久電流
モードに切り変える場合にも広く採用されてい
る。

ところで、このようなパワーリード法を採用し
た超電導装置は、通常、第４図に示すように構成
されている。すなわち、図中１は、内部に4.2K
の液体ヘリウムを収容してなるクライオスタツト
を示している。このクライオスタツト１内には液
体ヘリウムに浸漬される関係に超電導コイル２が
収容されており、この超電導コイル２の両端には
それぞれ常電導線で形成されたパワーリード３
ａ，３ｂの一端が接続されている。そして、パワ
ーリード３ａ，３ｂの他端は、クライオスタツト
１を貫通して外部端子４ａ，４ｂに接続されてい
る。外部端子４ａ，４ｂ間には保護抵抗５が接続
されており、また、外部端子４ａは遮断器６、励
消磁用の電源７およびクエンチ検出器８を介して
外部端子４ｂに接続されている。なお、遮断器６
はクエンチ検出器８の出力でオフ制御されるよう
になつている。

上記のように構成された従来の超電導装置は、
超電導コイル２がクエンチ（常電導転移）したと
き次のようにして超電導コイル２を保護するよう
にしている。すなわち、超電導コイル２へ通電し
ているときに超電導コイル２がクエンチすると、
クエンチ検出器８が作動して遮断器６をオフに制
御する。このように、遮断器６がオフ制御される
と、超電導コイル２に蓄えられていたエネルギー
が保護抵抗５を介して放出され、ついには消滅し
て超電導コイル２の破損が防止される。上述した
説明から分るように、保護抵抗５は、通電電流と
の関係において超電導コイル２が絶縁破壊を起こ
さない値に設定される。

しかしながら、上記のように構成された従来の
超電導装置にあつては、次のような問題があつ
た。すなわち、超電導コイル２へ通電していると
きにパワーリード３ａ，３ｂが万一焼き切れる
と、超電導コイル２に蓄えられているエネルギー
の消費場所がなくなる。その結果、コイル内電圧
が上昇して、ついには超電導コイル２が絶縁破壊
する。このようなことから、通常は、常電導線で
形成された抵抗値の小さいパワーリード、すなわ
ち太いパワーリード３ａ，３ｂを使用するように
している。しかし、太いパワーリードを使用する
と、パワーリードの熱抵抗も小さくなるので、こ
のパワーリードを介してクライオスタツト１内へ
侵入する熱量が非常に多くなり、このため経済的
な運用が困難であつた。

そこで、このような不具合を解消するために、
保護抵抗５をクライオスタツト１内に移して超電
導コイル２の両端間に接続し、これによつて万一
パワーリード３ａ，３ｂが焼損しても超電導コイ
ル２が破損しないようにするとともにパワーリー
ドとして細い超電導線の使用を可能化することが
考えられる。このようにすると、パワーリードを
介しての熱侵入を抑制することができるが、超電
導コイル２を励磁、消磁する際に、保護抵抗がク
ライオスタツト１内において発熱するので、やは
り経済的な運用は困難である。

〔発明の目的〕 本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、パワーリードを
介してクライオスタツト内に侵入する熱量を充分
抑制することができ、経済的な運用を実現できる
とともにパワーリードおよび超電導コイルを確実
に保護できる機能を備えた超電導装置を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明によれば、極低温容器内に収容された超
電導コイルと、この超電導コイルに並列的に接続
されて上記超電導コイルと一緒に極低温に冷却さ
れる保護用半導体素子と、前記超電導コイルに外
部電源から電流を供給するパワーリードとを具備
し、前記パワーリードの常温における抵抗値を
R_N、前記超電導コイルの運転電流をI_0p、前記保
護用半導体素子の極低温下における導通開始電圧
をV₀としたとき、R_N＞（V₀／I_0p）の関係に設定
されてなる超電導装置が提供される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、パワーリードの一部として細
い超電導線の使用を可能化でき、これによつて、
パワーリードを介してクライオスタツト内に侵入
する熱量を非常に小さい値に抑制できる。また、
前記不等式を満足させるように各部を設定してい
るので、パワーリードの焼損破断も防止でき、さ
らに超電導コイルの保護も確実に行わせることが
できる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説
明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る超電導装置
の回路図を示すもので、第４図と同一部分は同一
符号で示してある。したがつて、重複する部分の
詳しい説明は省略する。

この実施例に係る超電導装置が従来のものと見
掛け上異なる点は、超電導コイル２の両端間に保
護用半導体素子、たとえばダイオード１１を図示
極性に接続したこととパワーリード１２ａ，１２
ｂの構成にある。

ダイオード１１は、周知のように、極低温下に
置かれると第２図のような順方向特性を示す。す
なわち、ダイオードの両端に10〜30Vの順方向電
圧V₀が加わるまではほとんど順電流が流れず、
V₀を越えると急激に順電流が流れて両端電圧は
１〜2V程度に保たれる。

一方、パワーリード１２ａ，１２ｂは、それぞ
れ超電導コイル２側に位置する部分１３が細く、
かつ常温下における抵抗値の大きい超電導線で形
成され、電源７側に位置する部分１４が常電導線
で形成されたものが用いられている。さらに、こ
れらパワーリード１２ａ，１２ｂとしては、これ
らパワーリードの常温下における合成抵抗値を
R_Nとし、ダイオード１１の導通開始電圧をV₀と
し、超電導コイル２の運転電流をI_0pとしたとき、 R_N＞（V₀／I_0p） の不等式が成立するものが用いられている。

このような構成であると、次のようにしてパワ
ーリード１２ａ，１２ｂおよび超電導コイル２の
保護を行わせることができる。すなわち、超電導
コイル２へ通電しているときに、たとえばパワー
リード１２ａ，１２ｂの超電導線で形成された部
分１３がクエンチすると、このクエンチは部分１
３全体に伝播する。このようにクエンチが伝播す
ると、部分１３の抵抗値が伝播に対応して大きく
なるので超電導コイル２には図中下側をプラスと
する電圧が発生し、この電圧は部分１３の抵抗値
の増加に対応して上昇する。この過程で、パワー
リード１２ａ，１２ｂの合成抵抗値R₀が R₀＝（V₀／I_0p） となつた時点でダイオード１１が導通状態とな
る。なお、部分１３の全部が常電導化しても抵抗
値がR_N以下である場合には、パワーリードの温
度が上昇して室温に至る過程でダイオード１１が
導通状態となる。ダイオード１１が導通すると、
超電導コイル２の両端電圧は１〜2Vに抑えられ
る。したがつて、超電導コイル２に蓄えられてい
たエネルギーがパワーリード１２ａ，１２ｂを介
して放出されるようなことはなく、結局、放出時
に起こり易いパワーリードの焼損を防止すること
ができる。なお、パワーリード１２ａ，１２ｂに
クエンチが発生すると、クエンチ検出器８がこれ
を検出する。そして、クエンチが発生した時点か
ら所定時間経過した時点で遮断器６をオフ制御す
る。したがつて、この時点で電源７が完全に切り
離される。

一方、超電導コイル２がクエンチしたときには
次のように動作する。すなわち、この場合には、
超電導コイル２のクエンチがクエンチ検出器８に
よつて検出され、この検出器８の出力によつて遮
断器６がオフ制御される。このように遮断器６が
オフ制御されると、超電導コイル２の両端間電圧
が上昇し、この電圧によつてダイオード１１が導
通する。したがつて、超電導コイル２に蓄えられ
ていたエネルギーはダイオード１１を通して放出
され、また超電導コイル２の両端電圧も１〜2V
に抑えられ、結局、超電導コイル２は保護され
る。

このように、超電導コイル２の両端間にダオオ
ード１１を接続するとともに前述した不等式を満
足し得るパワーリード１２ａ，１２ｂを用いるよ
うにしている。したがつて、パワーリード１２
ａ，１２ｂおよび超電導コイル２を確実に保護す
ることができる。また、上述した不等式を満たす
パワーリード１２ａ，１２ｂとしては、この実施
例のように一部に細い超電導線を直列に介在させ
てなるパワーリードが理想的なものとなる。換言
すると、上記不等式で示される関係を利用してい
るのでパワーリードの一部に細い超電導線を介在
させることが可能となる。パワーリードを介して
外部からクライオスタツト１内に侵入する熱量は
パワーリードの径が太い程多いが、上記のように
細い超電導線の使用を可能化できるので外部から
の熱侵入を充分少なくでき、この結果、経済的な
運用を図ることができ、結局、前述した効果を発
揮させることができる。

なお、上述した実施例において、消磁時には、
ダイオード１１に順方向電圧が印加されるが、超
電導コイル２の両端電圧が前述した導通開始電圧
V₀以下となる条件で消磁することによつてダイ
オード１１に電流を流さなくて済み、消磁時の熱
侵入を防止することができる。

また、本発明は、上述した実施例に限定される
ものではない。すなわち、上述した実施例では保
護用半導体素子としてダイオードを用いている
が、第３図に示すようにサイリスタ１５を用いる
ようにしてもよい。この場合、超電導コイル２の
両端電圧を検出する検出器１６を設け、パワーリ
ード１２ａ，１２ｂがクエンチしたときには上記
検出器１６の出力を使つて超電導コイル２の両端
電圧がV₀に達した時点でサイリスタ１５をター
ンオンさせ、また、超電導コイル２がクエンチし
たときにはクエンチ検出器８の出力を使つてサイ
リスタ１５をターンオンさせれば前記実施例と同
様の効果を得ることができる。また、前記各実施
例では外部端子４ａ，４ｂ間に保護抵抗５を接続
しているが、前述した動作から分るようにこの保
護抵抗は必ずしも必要とするものではない。ま
た、保護用のダイオードやサイリスタと直列に抵
抗を接続して電流を減衰させる速さを調整するよ
うにしてもよい。さらに、本発明は、超電導コイ
ルと保護用半導体素子とを液体ヘリウム中に置
き、パワーリードの超電導線部分をガスヘリウム
中に置いて超電導状態に保持するような配置も採
用できるし、また、超電導コイルと保護用半導体
素子とを超流動ヘリウム中に置き、パワーリード
の超電導線部分を4.2Kの液体ヘリウム中に置く
等の種々の配置を採用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る超電導装置の
回路図、第２図は同装置に組み込まれたダイオー
ドの極低温下における順方向特性を説明するため
の図、第３図は本発明の他の実施例に係る超電導
装置の回路図、第４図は従来の超電導装置の回路
図である。 １……クライオスタツト、２……超電導コイ
ル、４ａ，４ｂ……外部端子、６……遮断器、７
……励消磁用の電源、８……クエンチ検出器、１
１……ダイオード、１２ａ，１２ｂ……パワーリ
ード、１５……サイリスタ、１６……電圧検出
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 極低温容器内に収容された超電導コイルと、
   この超電導コイルに並列的に接続されて上記超電
   導コイルと一緒に極低温に冷却される保護用半導
   体素子と、前記超電導コイルに外部電源から電流
   を供給するパワーリードとを具備し、前記パワー
   リードの常温における抵抗値をR_N、前記超電導
   コイルの運転電流をI_0p、前記保護用半導体素子
   の極低温下における導通開始電圧をV₀としたと
   き、R_N＞（V₀／I_0p）の関係に設定されてなるこ
   とを特徴とする超電導装置。 ２ 前記保護用半導体素子は、ダイオードである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超
   電導装置。 ３ 前記保護用半導体素子は、サイリスタである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超
   電導装置。 ４ 前記パワーリードは、前記超電導コイル側に
   位置する部分が常温下で抵抗値の大きい超電導線
   で形成され、前記外部電源側に位置する部分が常
   電導線で形成されてなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の超電導装置。