JPH06251936A

JPH06251936A - 超電導磁石

Info

Publication number: JPH06251936A
Application number: JP3568493A
Authority: JP
Inventors: Yoko Furukawa; 陽子古川; Chikashi Yoshida; 史吉田; Eiji Fukumoto; 英士福本; Takeshi Yoshioka; 健吉岡; Teruhiro Takizawa; 照広滝沢; Tadashi Sonobe; 正園部; Fumio Suzuki; 史男鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-02-24
Filing date: 1993-02-24
Publication date: 1994-09-09

Abstract

(57)【要約】【目的】磁場変動や外乱によって生じる渦電流発熱が
原因のクエンチを抑制し、かつ励磁／消磁速度を損なわ
ずに、励磁／消磁時の発熱も抑制可能な超電導磁石を提
供する。【構成】超電導コイル収納容器を低抵抗材で一様に被
覆する。低抵抗材は、その比抵抗が１×１０~¹¹から１
×１０~⁹Ωｍの範囲とする。これにより、外部からの磁
場変動を受けて生じる渦電流が均一になり、一様なシー
ルド効果が得られる。また、変動磁場による超電導コイ
ルの局所的な渦電流発熱が防止される。更に、外乱によ
って磁石が振動して生じる渦電流が均一になり、低抵抗
材に流れる渦電流と超電導コイルの作る磁場から生じる
電磁力を均一にでき、電磁力の不均一から生じる局所的
振動が防止される。また、比抵抗を制限することで、励
磁／消磁速度を損なわず、励磁／消磁時の発熱も抑制可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は励磁／消磁が頻繁に繰り
返され振動や磁場変動などの動的外乱が加わる超電導磁
石に係り、特に、超電導破壊（以下、クエンチとい
う。）を防ぐのに好適な超電導磁石に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超電導磁石を図６に示す。図６に
おいて、１は超電導コイル、２は超電導コイル収納容器
（以下、収納容器という。）、３は輻射熱シールド、４
は真空断熱容器、５は支持部材である。収納容器２は、
その内部に超電導コイル１と液体ヘリウムを納め、超電
導コイル１と共に４．２Ｋ程度の極低温に冷却されてい
る。通常、超電導コイル１は定常電流を保持して、強磁
場を発生させており、この強磁場によって生じるフープ
力等の電磁力は主に収納容器２が支持する。このため、
収納容器２には、強度や剛性が高いことが求められ、一
般にステンレス鋼が用いられる。

【０００３】輻射シールド３は、常温の真空断熱容器４
と、極低温の収納容器２の間の輻射熱を抑制するために
設けられ、液体窒素で８０Ｋ程度に冷却されている。輻
射熱シールド材には、輻射率が低く、熱伝導率がよく、
かつ軽量なためアルミニウムが用いられる。真空断熱容
器４は、その内部を真空に保つことにより、外部からの
熱侵入を防ぐ。このため、真空力に耐えうる剛性、強度
を持つステンレス鋼のような高剛性材料や、厚肉材料が
用いられる。支持部材５は真空断熱容器４の中に、超電
導コイル１及び収納容器２、輻射熱シールド３を懸架支
持するもので、伝導による熱侵入を抑制するため、断熱
性の材料を用いる。

【０００４】超電導磁石は、超電導コイル１を形成する
超電導線材の臨界温度を越えるとクエンチを生じ、超電
導状態を維持できなくなる。このため、熱侵入を極力低
減し、液体ヘリウムによる冷却で、超電導コイル１及び
収納容器２の温度を臨界温度以下に保ち、超電導状態を
維持することが重要な課題である。これに対して、超電
導磁石への熱侵入の要因は、静的なものと動的なものに
分けることができる。静的要因による熱侵入とは、輻射
や伝導、熱伝達により、超電導磁石の置かれている常温
から、液体ヘリウムで冷却されている極低温への熱の流
入である。これらについては、真空断熱容器や輻射シー
ルドを設けたり、また支持材に断熱材を用いる等の対策
が従来からなされてきた。

【０００５】一方、動的要因による熱侵入とは、外乱に
よって、超電導コイル１と輻射熱シールド３や真空断熱
容器４との間に相対振動が生じた場合、または外部から
の磁場の変動を受けた場合等に、誘起される渦電流によ
る発熱である。この発熱対策としては、特開昭60-21761
0号公報、特開平3-52203号公報、特開平2−211123号公
報記載のように、超電導コイル収納容器表面に低抵抗材
を設け、抵抗を低くすることによって、渦電流が流れて
も発熱を抑制できる対策が講じられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術の様
に、単に超電導コイル収納容器表面に、低抵抗材を設置
し、渦電流発熱を低減しても、超電導磁石としての性能
を向上できたとはいえない。これは、前述の静的要因や
動的要因による発熱のほかに、超電導磁石として避けら
れない発熱である励磁時，消磁時のリバース電流による
発熱を考慮しなければならないからである。リバース電
流とは、励磁または消磁によって起こる超電導コイルの
磁束の変化を妨げようとして、超電導コイル収納容器や
輻射熱シールドに流れる電流のことである。超電導コイ
ル収納容器に生じたリバース電流は、発熱して液体ヘリ
ウムの蒸発に関与する。

【０００７】このリバース電流の電流値は、励磁／消磁
速度によって異なり、その発熱量も励磁／消磁速度によ
って変化する。励磁／消磁速度を速めると、リバース電
流の値は大きくなり、発熱が増加する。一方、励磁／消
磁速度を遅くすると、励磁／消磁に要する所要時間が増
加するするため、ヘリウムの総蒸発量が増加するのが普
通である。従って、励磁／消磁速度と励磁／消磁の所要
時間との兼ね合いで、発熱量を最小にする励磁／消磁速
度が存在するが、この値は、超電導コイル収納容器等の
誘導電流の流れる構成部材部の電気回路の回路抵抗値に
左右される。一般に回路抵抗値が低くなると、同じ励磁
／消磁速度でも発生するリバース電流の値は大きくな
る。

【０００８】従って、励磁／消磁時の発熱は大きくなる
ため、超電導コイル収納容器の低抵抗化は、不利に働
く。また、励磁／消磁速度が速くなればなるほど、発生
するリバース電流の値は大きくなる。低抵抗化によっ
て、リバース電流が大きくなった場合、ヘリウム蒸発量
を低く押さえるためには、励磁／消磁速度を制限しなけ
ればならないといった問題が生じる。ここで問題となる
のは、励磁／消磁時の液体ヘリウム蒸発の許容量と、励
磁／消磁にかかる時間の２つである。超電導コイル冷却
用の液体ヘリウムは、通常超電導磁石とは分離された容
器に貯蔵され、配管系で超電導磁石にヘリウムを供給す
る。液体ヘリウム貯蔵容器にヘリウムを供給する時に
は、超電導コイルは一度消磁し、供給が終わってから再
び励磁しなければならない。

【０００９】従って、液体ヘリウム容器へのヘリウム供
給回数は少ない方が望ましく、この回数を減らすために
は、超電導コイルの励磁／消磁で消費する液体ヘリウム
の蒸発量を極力押さえねばならない。加えて、液体ヘリ
ウムは高価なため、大きな装置でも励磁／消磁時の蒸発
量としては２〜３リットルを上限として見込むのが普通
である。また、励磁／消磁を繰り返して使用される超電
導コイルの場合、励磁／消磁に時間がかかっていたので
は、実使用時間が短くなってしまう。従って、いかに短
時間で、ヘリウム蒸発量を増やさず、超電導コイルを励
磁／消磁できるかが、超電導コイル収納容器を低抵抗化
した場合の問題になって来る。

【００１０】この問題に対して、特開平4-294503号（特
願平3-59958号）公報記載の従来技術では、超電導コイ
ル収納容器を低抵抗部と高抵抗部から構成し、励磁／消
磁に対しては、周抵抗を稼いで、励磁速度を速める方法
が提案されている。しかし、低抵抗部と高抵抗部を設け
た場合、低抵抗部には高抵抗部より大きな電流が流れる
ため、外部からの磁場変動を超電導コイルに対してシー
ルドするという意味では、シールドの不均一を生じ、超
電導コイルの一部で他より発熱が大きくなるという問題
が生じる。また、外乱によって生じた渦電流が、超電導
コイルの持つ磁場との作用で電磁力を生じる場合におい
ても、電磁力が不均一となり、局所的な振動を生じやす
くなるという問題が生じる。更に、製作性からも、２種
類以上の材料を接合して、超電導コイルに設置するとい
うのは手間がかかる。また、全ての装置に共通して、小
型軽量化という課題がある。

【００１１】本発明の目的は、外部からの磁場変動や、
外乱による超電導コイル収納容器の渦電流発熱を均一に
低減してクエンチを抑制すると共に、励磁／消磁速度を
犠牲にすることなく、励磁／消磁時の発熱も抑制でき、
しかも軽量化、製作工程低減にも有効な超電導磁石を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、超電導コイ
ル収納容器の全表面に、一様に低抵抗材を設置し、しか
も、低抵抗材として、純アルミニウムまたは銅で、液体
ヘリウム温度の４．２Ｋにおいて、その比抵抗が１×１
０~¹¹〜１×１０~⁹Ωｍの範囲とすることによって達成
される。

【００１３】また、上記目的は、低抵抗材として、純ア
ルミニウムまたは銅で、その純度が９９．０％〜９９．
９５％の範囲のものを使用することでも、達成される。

【００１４】また、上記目的は、低抵抗材の厚さを、前
記の数式１で示される表皮深さ（δ）の１／２〜２倍の
範囲内とすることによって、達成される。

【００１５】

【作用】磁場変動や、外乱による渦電流発熱を低減する
方法としては、超電導コイル収納容器に低抵抗材料を設
置する方法を用いる。ここで、低抵抗材を超電導コイル
収納容器の全表面に一様に設置することによって、外部
からの磁場変動を受けて生じる渦電流を均一にすること
ができる。この渦電流により、超電導コイルが外部から
受ける変動磁場を均一にシールドすることができる。従
って、変動磁場による超電導コイルの局所的な渦電流発
熱を防ぐという効果を持つ。同様に、外乱によって磁石
が振動し、渦電流が生じた場合でも、渦電流を均一にす
ることができる。従って、低抵抗材に流れる渦電流と超
電導コイルの作る磁場から生じる電磁力を均一にできる
ので、電磁力の不均一から生じる局所的振動を防ぐとい
う効果を持つ。

【００１６】超電導コイル収納容器に設置する低抵抗材
の厚さは、装置の小型軽量化の観点から、薄い方が望ま
しい。そこで、その厚さは前記の数式１で表される表皮
深さ（δ）の１／２〜２倍の範囲内とする。表皮深さ
は、周波数によって異なるが、ここで用いる表皮深さ
は、外乱の周波数または、磁場の変動の周波数の最小値
に対する値を取る。これは、最低限、表皮深さ相当の厚
さがあれば、磁場シールド効果を充分に持たせられるか
らである。また、外乱の最低周波数と、最も長時間加わ
る外乱周波数が異なり、最低周波数に対しての渦電流発
熱がある程度許容できる場合、低抵抗材料の厚さは、表
皮深さの１／２までの範囲で設定する。これによって、
必要最低限の厚さを設定して、磁石の軽量化を図れる。
また、表皮深さは、外部からの侵入磁場が１／２にな
る、磁場の侵み込み深さである。そこで、特に条件が厳
しい場合に対しては、表皮深さの２倍の厚みを確保する
ことによって、最大限の渦電流を流して、磁場をシール
ドできるようにする。これによって、外部からの変動磁
場に対して、充分なシールド効果を持つとともに、不必
要な重量増加を伴わない超電導磁石を得ることができ
る。

【００１７】さらに、励磁／消磁の速度を保証し、この
時の発熱を抑制するためには、設置する低抵抗材の比抵
抗の選択が重要となる。数式１に示すように、設置する
低抵抗材の、比抵抗ρが定まり、使用する状況での変動
磁場または外乱の、周波数ｆがあらかじめ予測できれ
ば、その場合の表皮深さδが計算できる。次に、数式２

【００１８】

【数２】

【００１９】に示す通り、設置材料の面比抵抗を求め、
これに超電導コイル収納容器の周長ｌを乗じ、超電導コ
イル収納容器断面の周長ｄで割ったものが、設置材料の
抵抗値ＲINCということになる。

【００２０】次に、励磁電流ＩMAXに対して、励磁／消
磁速度ＩVが定まれば、励磁／消磁の所要時間Ｔが定ま
り、超電導コイルと永久電流スイッチ（以下、ＰＣＳと
記述する。）で構成する回路を流れる電流Ｉは、次の数
式３で表される。

【００２１】

【数３】

【００２２】前記回路の方程式は、数式４で表される。

【００２３】

【数４】

【００２４】ここで、ＲPCS：ＰＣＳの抵抗値ＬSCM：超電導コイルの自己インダクタンスＭ：超電導コイルとコイル容器との相互インダクタ
ンスＩR ：コイル容器を流れるリバース電流である。

【００２５】従って、数式３及び数式４から、リバース
電流ＩRは、次の数式５のように求まる。

【００２６】

【数５】

【００２７】このリバース電流による発熱ＷRは、次の
数式６から求められ、

【００２８】

【数６】

【００２９】これを励磁／消磁の所要時間Ｔだけ積分し
た値が、リバース電流による発熱量ＱRとなる。尚、数
式６のＬINCは、コイル容器の自己インダクタンスであ
る。

【００３０】従って、励磁／消磁速度ＩVを決めておく
と、許容発熱量ＱRから比抵抗ρを逆算でき、この関係
から、励磁／消磁速度ＩV、許容発熱量ＱR、比抵抗ρの
３つをパラメータとして、最少の発熱量、最適の励磁／
消磁速度及び比抵抗を求めることができる。実際には、
励磁／消磁時の発熱としては、リバース電流による発熱
の他にＰＣＳヒータの発熱及びＰＣＳの自己発熱、超電
導線の交流損失を考慮しなければならない。ＰＣＳヒー
タの発熱ＷPCSHは次の数式７で示されるように、

【００３１】

【数７】

【００３２】ＰＣＳヒータの抵抗値ＲPCSHとヒータの通
電電流ＩPCSHから計算され、これらの値は、装置によっ
て定数となり、励磁／消磁の所要時間分積分すること
で、発熱量が求められる。また、ＰＣＳの自己発熱ＷPC
Sは、次の数式８から求められ、

【００３３】

【数８】

【００３４】励磁／消磁速度さえ決まれば、定数として
扱え、時間積分によって発熱量が求められる。超電導線
の交流損失ＷSCMは、次の数式９から求められる。

【００３５】

【数９】

【００３６】ここで、ＷH：超電導線のヒステリシス損ＷE：渦電流損ＷC：フィラメントの結合損である。それぞれの損失は、次の数式１０、数式１１、
数式１２で表される。

【００３７】

【数１０】

【００３８】

【数１１】

【００３９】

【数１２】

【００４０】これらの数式中のｄＢ／ｄｔは、次の数式
１３で表される。

【００４１】

【数１３】

【００４２】この数式１３と前記の数式３を用いて前記
の数式９を書き直すと、次の数式１４が得られる。

【００４３】

【数１４】

【００４４】この数式１４中の係数α，βは、次の数式
１５，数式１６に示す通りである。

【００４５】

【数１５】

【００４６】

【数１６】

【００４７】結局、励磁／消磁速度が決まれば超電導線
の交流損失ＷSCMは定数となり、時間積分によって発熱
量が計算されることになる。結局、リバース電流による
発熱、ＰＣＳヒータの発熱、ＰＣＳの自己発熱、超電導
コイル線材の交流損による超電導コイル容器の全発熱
は、数式６、数式７、数式８、数式１４の和で表され、
励磁／消磁速度ＩV、許容発熱量ＱR、比抵抗ρがパラメ
ータであることに変わりない。従って、これらのパラメ
ータをサーベイして最少の発熱量、最適の励磁／消磁速
度及び比抵抗を求めることができる。ここで求めた比抵
抗ρを有する導電材料で超電導コイル収納容器を被覆す
ることによって、外部からの磁場変動や外乱を受けて渦
電流が流れても、クエンチが生じにくい超電導磁石を得
ることができる。また、励磁／消磁速度ＩVで励磁／消
磁を行うことによって、励磁／消磁時の発熱が少なく、
液体Ｈｅの蒸発量を抑制する超電導磁石を得ることがで
きる。

【００４８】参考として、図２に、励磁速度と発熱量の
相関の一例を示す。図２中の発熱量の最小値をとる励磁
速度は、比抵抗によって変化し、また、発熱量の最低値
も、比抵抗によって変化するわけである。

【００４９】超電導コイル収納容器の低抵抗化による、
励磁／消磁速度と発熱量の関係を求めた計算値と、実際
に行った実験の結果を表１に示す。

【００５０】

【表１】

【００５１】計算値と実験値との違いは、実際にはＰＣ
Ｓヒータのみ長く通電するため、実験値の発熱の方が大
きくなるものと考えられ、計算によって、あらかじめ液
体ヘリウム冷却系での発熱が見積もれることがわかる。

【００５２】また、実験結果から、超電導コイル収納容
器の比抵抗と励磁／消磁速度を変えて、励磁／消磁時の
発熱を計算した結果を図３に示す。横軸の抵抗比は、ア
ルミニウム（Ａｌ）のＲＲＲ（Relative Resistivity R
atio）でとっており、板厚は１mm一定で計算した結果で
ある。板厚を外乱周波数の最低値で求めた表皮深さに設
定しなおして同様の図にまとめれば、傾きが１／２に修
正される。これは、比抵抗が抵抗値に対してルート（２
乗根）で効いてくるためである。

【００５３】図３の発熱を発熱量（液体Ｈｅ蒸発量）に
換算したのが図４である。図４から、厚さ１mmのアルミ
ニウムの純度に対して、励磁／消磁速度を変化させて発
熱量を読み取ったのが表２である。

【００５４】

【表２】

【００５５】仮りに、液体Ｈｅの蒸発量許容値を５リッ
トルと設定し、１Ａ／ｓｅｃ以上の励磁／消磁速度を保
証しようとすると、純度を９９．９９％以上にできない
ことがわかる。この評価によって、最適な励磁／消磁速
度、抵抗値、設置材料の厚さ等を決定する。

【００５６】ここで、諸方面で一般的に用いられる、周
長３ｍ（半径０．５ｍ）、断面周長３００mm程度の超電
導コイルを対象とし、励磁／消磁時の液体ヘリウムの許
容蒸発量を５リットル以下、励磁／消磁速度を１．０Ａ
／ｓｅｃ以上、外乱の最小周波数は５０Ｈｚと設定し、
条件を満たす材料の比抵抗を求めると、１×１０~¹¹か
ら１×１０~⁹Ωｍが最適である。超電導コイルの使用温
度で、この程度の比抵抗を有する材料として、アルミニ
ウム及び銅が挙げられるが、取扱の容易さ、製作性等の
面からも最適と考えられる。また、この程度の比抵抗を
有するアルミニウム及び銅の純度は、９９．０〜９９．
９９％の範囲にある。従って、これらの材料を低抵抗材
料として設置することによって、外乱によって生じた渦
電流によるクエンチを抑制できるとともに、励磁／消磁
時の液体ヘリウム蒸発量を押さえ、かつ充分な励磁／消
磁速度を保った超電導磁石を得られる。

【００５７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の第１実施例に係る超電導磁石
を２分割した一方の透視図である。１は超電導コイル、
２は収納容器、３は輻射熱シールド、４は真空断熱容
器、５は支持部材、６は低抵抗材、７は低抵抗材の溶接
部である。収納容器２は、その内部に超電導コイル１と
液体ヘリウムを納め、超電導コイル１と共に４．２Ｋに
冷却されている。輻射シールド３は、常温の真空断熱容
器４と、極低温の収納容器２の間の輻射熱を抑制するた
めに設けられ、液体窒素で８０Ｋに冷却されている。真
空断熱容器４は、厚肉のアルミニウムである。支持部材
５は真空断熱容器４の中に、超電導コイル１及び収納容
器２、輻射熱シールド３を懸架支持している。収納容器
２は、内径３７０mm、外径４９５mmで、板厚５mmのステ
ンレス鋼で構成され、断面周長は３４５mmである。

【００５８】この収納容器２の表面を、厚さ１mmの低抵
抗材６で被覆する。低抵抗材６は、純度９９．９８％の
アルミニウム展伸材で、ＪＩＳ規格Ａ１Ｎ９０の材料で
ある。尚、表３に、ＪＩＳ規格のアルミニウム合金展伸
材の化学成分を示す。

【００５９】

【表３】

【００６０】ＪＩＳ規格Ａ１Ｎ９０の材料の比抵抗は
４．２Ｋで、１．４９×１０~¹⁰Ωｍであり、外乱の周
波数５０Ｈｚ以上を対象とすると、表皮深さは、０．８
６９mmである。この場合、板厚１mmは外乱を遮蔽するの
に充分な厚さである。低抵抗材６による被覆部は、表裏
の２分割と周方向に４分割で製作され、境界はＪＩＳ規
格Ａ５０８３の溶接棒により１０mm幅で接合される。ま
た、支持部材５を収納容器２に取り付ける都合上、収納
容器２の裏側に相当する低抵抗材６の部位には、５０×
７５mmの穴を窃ける。励磁／消磁によるリバース電流
は、周方向に流れるため、収納容器２または低抵抗材６
の表から裏に渡っては流れないものとし、表裏の溶接部
については考慮せず、表と裏で並列の回路として考え
る。

【００６１】４．２Ｋでの前記の溶接棒Ａ５０８３の比
抵抗は３．０×１０~⁸Ωｍ、収納容器に用いたステンレ
ス鋼の比抵抗は５．０×１０~⁷Ωｍである。以上から、
収納容器２と低抵抗材６による回路抵抗を求めると、
３．７７１×１０~⁷Ωに相当する。ここで述べた超電導
磁石２個を並べ、励磁／消磁時の発熱を実験で測定し、
その結果を示したものが上記の表１である。これから、
超電導コイル１個当たり、１．８５リットルのヘリウム
蒸発量で５．０Ａ／ｓｅｃの励磁／消磁速度が確保でき
ることがわかる。また、この場合、被覆に用いた低抵抗
材６の重量は収納容器１個当たり約２．５ｋｇで、比抵
抗の近い銅を同様の条件で用いた場合の約１／３の重量
で済む。

【００６２】本実施例によれば、第１に、収納容器２を
低抵抗材６で被覆することによって、外部から磁場変動
を受けた場合に生じる渦電流による発熱を抑制でき、超
電導磁石の信頼性が高まり、クエンチしにくい超電導磁
石が得られる。第２に、低抵抗材の設置により、外乱を
受けて、超電導磁石が振動することによって生じる渦電
流による発熱を抑制でき、超電導磁石の信頼性が高ま
り、クエンチしにくい超電導磁石が得られる。第３に、
前述のような比抵抗を、選択することにより、励磁／消
磁速度を損なわず、励磁／消磁時の発熱も抑制可能な超
電導磁石を得ることができる。第４に、設置する比抵抗
と、外乱の最小周波数から算出される表皮深さで、設置
する低抵抗材の厚さを決定することによって、充分なシ
ールド効果を得るのに必要最低限の設置厚さを得ること
ができ、さらに低抵抗材としてアルミニウムを選択する
ことによって、低抵抗材を最も軽量に設置することがで
き、超電導磁石の小型軽量化が可能となる。

【００６３】図５は、本発明の第２実施例に係る超電導
磁石の断面図である。１は超電導コイル、２は収納容
器、３は輻射熱シールド、４は真空断熱容器、５は支持
部材、６は低抵抗材である。収納容器２は、その内部に
超電導コイル１と液体ヘリウムを納め、超電導コイル１
と共に４．２Ｋに冷却されている。輻射シールド３は、
常温の真空断熱容器４と、極低温の収納容器２の間の輻
射熱を抑制するために設けられ、液体窒素で８０Ｋに冷
却されている。真空断熱容器４は、厚肉のアルミニウム
である。支持部材５は真空断熱容器４の中に、超電導コ
イル１及び収納容器２、輻射熱シールド３を懸架支持し
ている。収納容器２は、内径３７０mm、外径４９５mm
で、板厚５mmのステンレス鋼で構成され、断面周長は３
４５mmである。

【００６４】この収納容器２の表面に、厚さ１mmの低抵
抗材６を一様に被覆する。低抵抗材６は、純度９９．９
２％のアルミニウム展伸材（ＪＩＳ規格Ａ１０８０）の
材料である。この材料の比抵抗は４．２Ｋで、３．７×
１０~¹⁰Ωｍであり、外乱の周波数５０Ｈｚ以上を対象
とすると、表皮深さは、１．３６９mmで、この場合、板
厚１mmは５０Ｈｚの外乱を遮蔽するのにやや不足ぎみで
ある。しかし、５０〜８０Ｈｚの外乱が加わる時間を短
くすることができ、８０Ｈｚ以上の外乱を主に対象とす
る場合には充分な厚さである。低抵抗材６による被覆部
は、表裏２分割で製作され、境界はＪＩＳ規格Ａ５０８
３の溶接棒により１０mm幅で接合する。しかし、励磁／
消磁によるリバース電流は、周方向に流れるため、収納
容器２または低抵抗材６の表から裏に渡っては流れない
ものとし、表裏の溶接部については考慮せず、表と裏で
並列の回路として考える。

【００６５】以上から、収納容器２と低抵抗材６による
回路抵抗を求めると、３．７７１×１０~⁷Ωである。こ
れは第１実施例の回路抵抗値に相当するため、ここで述
べた超電導磁石２個を並べ、励磁／消磁時の発熱を実験
で測定した場合、その結果は表１に等しいはずである。
従って、超電導コイル１個当たり、１．８５リットルの
ヘリウム蒸発量で５．０Ａ／ｓｅｃの励磁／消磁速度が
確保できることがわかる。また、この場合、被覆に用い
た低抵抗材６の重量は収納容器１個当たり約２．５ｋｇ
で、比抵抗の近い銅を同様の条件で用いた場合の約１／
３の重量で済む。

【００６６】本実施例が前述した第１実施例と異なるの
は、低抵抗材を一様に設置するかどうかである。第１実
施例では、より比抵抗の低い材料を用いることにより、
溶接等による局所的な高抵抗部の存在を許容して、一周
抵抗を上げている。製作上の容易性は、この第１実施例
のほうが高いと考えられる。これに対し、第２実施例で
は、低抵抗材６を収納容器２の表面に一様に被覆する代
わりに、比抵抗をある程度高いところでとって、一周抵
抗を確保している。この方法は、製作性で多少困難が伴
うが、一様に低抵抗材を被覆することにより、第１に外
部から磁場変動を受けた場合に生じる渦電流を均一にす
ることができ、従って、超電導コイルの受ける変動磁場
を一様にシールドするという効果を持つ。この効果によ
って、変動磁場によって超電導コイルで生じる局所的な
渦電流発熱を防ぐことができる。従って、超電導磁石の
信頼性が高まり、クエンチしにくい超電導磁石が得られ
る。第２に、外乱を受けて、超電導磁石が振動すること
によって生じる渦電流も均一にすることができるので、
低抵抗材に流れる渦電流と超電導コイルの作る磁場から
生じる電磁力を均一にするという効果を持つ。この効果
によって、電磁力の不均一から生じる局所的振動を防ぐ
ことができる。従って、超電導磁石の信頼性が高まり、
クエンチしにくい超電導磁石が得られる。第３に、この
とき設置する比抵抗を前述のように選択することによっ
て、励磁／消磁速度を損なわず、励磁／消磁時の発熱も
抑制可能な超電導磁石を得る。第４に、設置する比抵抗
と、外乱の最小周波数から算出される表皮深さで、設置
する低抵抗材の厚さを決定することによって、充分なシ
ールド効果を得るのに必要最低限の設置厚さを得ること
ができ、さらに低抵抗材としてアルミニウムを選択する
ことによって、低抵抗材を最も軽量に設置することがで
き、超電導磁石の小型軽量化が可能となる。

【００６７】尚、上述した実施例では、アルミニウムを
例に説明したが、重量の不利を除けば、銅その他の良導
体を使用できることはいうまでない。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、超電導コイル収納容器
の表面に低抵抗材を一様に設置することによって、外部
から磁場変動を受けた場合に生じる渦電流を均一にする
ことができる。従って、超電導コイルの受ける変動磁場
を一様にシールドするという効果を持つ。この効果によ
って、変動磁場によって超電導コイルで生じる局所的な
渦電流発熱を防ぐことができる。これにより、超電導磁
石の信頼性が高まり、クエンチしにくい超電導磁石が得
られる。

【００６９】また、本発明によれば、超電導コイル収納
容器の表面に低抵抗材を一様に被覆することによって、
外乱を受けて、超電導磁石が振動することによって生じ
る渦電流を均一にすることができる。従って、低抵抗材
に流れる渦電流と超電導コイルの作る磁場から生じる電
磁力を均一にするという効果を持つ。この効果によっ
て、電磁力の不均一から生じる局所的振動を防ぐことが
できる。これにより、超電導磁石の信頼性が高まり、ク
エンチしにくい超電導磁石が得られる。また、このとき
設置する比抵抗を、励磁／消磁速度、及び液体Ｈｅの許
容蒸発量の制限から最適化することによって、励磁／消
磁速度を損なわず、励磁／消磁時の発熱も抑制可能な超
電導磁石を得ることが可能となる。更に、設置する比抵
抗と、外乱の最小周波数から算出される表皮深さで、設
置する低抵抗材の厚さを決定することによって、充分な
シールド効果を得るのに必要最低限の設置厚さを得るこ
とができ、超電導磁石の小型軽量化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る超電導磁石を２分割
した一方の透視図である。

【図２】励磁／消磁速度に対するＨｅ蒸発量を示す図で
ある。

【図３】比抵抗に対する発熱を示す図である。

【図４】比抵抗に対するＨｅ蒸発量を示す図である。

【図５】本発明の第２実施例に係る超電導磁石の断面図
である。

【図６】従来の超電導磁石の説明図である。

【符号の説明】

１…超電導コイル、２…超電導コイル収納容器、３…輻
射熱シールド、４…真空断熱容器、５…支持部材、６…
低抵抗材、７…低抵抗材溶接部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉岡健茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者滝沢照広神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所試作開発センタ内 (72)発明者園部正神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所試作開発センタ内 (72)発明者鈴木史男神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所試作開発センタ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導線を巻回した超電導コイルと、該
超電導コイルを冷却し所定位置に固定する収納容器と、
輻射熱シールドと、真空断熱容器と、前記収納容器の全
表面を覆う低抵抗材とを備える超電導磁石において、前
記低抵抗材として、液体ヘリウム温度で比抵抗が１×１
０~¹¹から１×１０~⁹Ωｍの範囲にある純アルミニウム
展伸材または純銅を用いたことを特徴とする超電導磁
石。
【請求項２】超電導線を巻回した超電導コイルと、該
超電導コイルを冷却し所定位置に固定する収納容器と、
輻射熱シールドと、真空断熱容器と、前記収納容器の全
表面を覆う低抵抗材とを備える超電導磁石において、前
記低抵抗材として、純度が９９．０％〜９９．９９％の
範囲の純アルミニウム展伸材または純銅を用いたことを
特徴とする超電導磁石。
【請求項３】超電導線を巻回した超電導コイルと、該
超電導コイルを冷却し所定位置に固定する収納容器と、
輻射熱シールドと、真空断熱容器と、前記収納容器の全
表面を覆う低抵抗材とを備える超電導磁石において、前
記低抵抗材として、ＪＩＳ規格の１Ｎ００、１２００、
１１００、１Ｎ３０、１２３０、１０５０、１０６０、
１０７０、１０８０、１０８５のいずれかの純アルミニ
ウム展伸材を用いたことを特徴とする超電導磁石。
【請求項４】超電導線を巻回した超電導コイルと、該
超電導コイルを冷却し所定位置に固定する収納容器と、
輻射熱シールドと、真空断熱容器と、前記収納容器の全
表面を覆う低抵抗材とを備える超電導磁石において、前
記低抵抗材として、ＪＩＳ規格のＣ１０２０，Ｃ１１０
０，Ｃ１２０１，Ｃ１２２０，Ｃ１２２１，Ｃ１４０１
のいずれかの銅を用いたことを特徴とする超電導磁石。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれかにおい
て、前記低抵抗材の厚さを【数１】で示される表皮深さδの１／２〜２倍の範囲内としたこ
とを特徴とする超電導磁石。
【請求項６】超電導線を巻回した超電導コイルと、該
超電導コイルを冷却し所定位置に固定する収納容器と、
輻射熱シールドと、真空断熱容器と、前記収納容器の全
表面を覆う低抵抗材とを備える超電導磁石において、前
記低抵抗材の比抵抗を制限して前記超電導コイルの励磁
／消磁の速度を保証し、励磁／消磁時の発熱を抑制した
ことを特徴とする超電導磁石。
【請求項７】超電導線を巻回した超電導コイルと、該
超電導コイルを冷却し所定位置に固定する収納容器と、
輻射熱シールドと、真空断熱容器と、前記収納容器の全
表面を覆う低抵抗材とを備え超電導磁石において、前記
低抵抗材として用いるアルミニウム材または銅としての
純度が９９.９９％以上のものを用いないことを特徴と
する超電導磁石。
【請求項８】超電導線を巻回した超電導コイルと、該
超電導コイルを冷却し所定位置に固定する収納容器と、
輻射熱シールドと、真空断熱容器と、前記収納容器の全
表面を覆う低抵抗材とを備え超電導磁石において、前記
低抵抗材として用いるアルミニウム材または銅としての
純度が９９.９９％以下のものを用い且つ励磁／消磁を
１Ａ／ｓ以上の速度で行うことを特徴とする超電導磁
石。
【請求項９】周長３ｍ（半径０．５ｍ）程度，断面周
長３００mm程度の規模の超電導コイルと、該超電導コイ
ルを液体Ｈｅで冷却し所定位置に固定する収納容器と、
輻射熱シールドと、真空断熱容器と、前記収納容器の全
表面を覆う低抵抗材とを備える超電導磁石において、前
記低抵抗材を、前記超電導コイルの励磁または消磁を速
度１Ａ／ｓ以上で行ったときの発熱で前記液体Ｈｅの蒸
発量が５リットル以下となる比抵抗を持つ良導体で構成
したことを特徴とする超電導磁石。