JPH09106909A - 伝導冷却式超電導磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、冷却安定性が高く、永久電流
を流すことが可能な伝導冷却式超電導磁石を提供するこ
とにある。 【解決手段】冷凍機（１）で、超電導磁石（２４）、永
久電流スイッチ（３１）、超電導磁石と永久電流スイッ
チの接続中間部（３３）を冷却する。永久電流スイッチ
（３１）には温度センサ（３５）を設け、温度センサ
（３５）からの信号に基づいて、永久電流スイッチのヒ
ータ（３２）及び外部電源（３６）の供給電流増加割合
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導磁石に係
り、特に、冷凍機と熱的に接触して冷却する超電導磁石
に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導磁石を使用した核磁気共鳴診断装
置、熱物性測定装置、電子加速器、放射光発生装置等で
は、磁石を超電導状態に保つために、冷凍装置を装着し
て磁石温度を極低温に保つ必要がある。

【０００３】一般にこれらの被冷却装置を冷却するには
極低温の液体ヘリウムを使用するが、そのためには、冷
媒である液体ヘリウムを溜めておく液体ヘリウムタンク
を内装しなければならず、さらに液体ヘリウムはわずか
な熱で蒸発し、かつ、高価であり、取り扱いに専門技術
を要求するため、最近では、冷凍装置を超電導磁石に熱
的に接触させて伝導的に超電導磁石を冷却する構造を持
った伝導冷却式超電導磁石も発表されている。

【０００４】この伝導冷却式超電導磁石の構造が、例え
ば特公平6-73334号公報に記載されている。超電導磁石
には、磁石に永久電流を流すための永久電流スイッチが
設けられている。前記永久電流スイッチは、磁石の励磁
の際には常電導状態を示し（永久電流スイッチoffの状
態）、励磁終了時には超電導状態に遷移して（永久電流
スイッチonの状態）永久電流モードを達成するための超
電導材で構成される。永久電流スイッチをoffにするた
めには、超電導材に付属するヒータを作動させて永久電
流スイッチの超電導材の温度を上昇させ、超電導状態を
破壊する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記示
した従来例では、永久電流スイッチのon及びoffは設計
値からおおよそわかるだけであるため、充分冷却するよ
うな構造にして、offしたい場合は、余裕を持ったかな
り大きなヒータ熱量を加える必要がある。このため、液
体ヘリウムに浸漬する冷却構造の超電導磁石なら液体ヘ
リウム蒸発量が多くなるだけで済むが、本従来例のよう
な伝導冷却式超電導磁石の場合には、ヒータにより加え
る熱量がそのまま冷凍機の熱負荷となるため、超電導磁
石の冷却温度を上昇させ、最悪の場合、超電導磁石の超
電導状態が破壊する（クエンチ現象）危険性がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】永久電流スイッチに温度
センサを接着剤等によって固定し、その温度センサの信
号を基に永久電流スイッチのヒータ加熱量を制御するこ
とにより解決される。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
により説明する。寒冷発生機である冷凍機１は、例えば
ギフォード・マクマホン膨張機（ＧＭ膨張機）で構成さ
れる。ヘリウム圧縮機ユニット２の高圧ガスは冷凍機１
中に流入して内部で断熱膨張し、第１ステージ３、第２
ステージ４でそれぞれ温度約４０Ｋ、５Ｋの寒冷を発生
する。膨張後のガスは、再び、圧縮機ユニット２に戻
る。被冷却体である超電導磁石２４は、冷凍機の第２ス
テージ４と熱的に接続され冷却される。

【０００８】クライオスッタト２２内は真空断熱され、
極低温部は液体窒素槽あるいは、寒冷発生回路の第１ス
テージ３によって冷却された熱シールド板２３によっ
て、外部からの輻射熱を遮蔽している。超電導磁石２４
には、永久電流スイッチ３１が設けられる。永久電流ス
イッチ３１は超電導磁石２４の超電導線両端と電気的に
接続され、超電導材で構成される。永久電流スイッチ３
１はヒータ３２及びカーボン抵抗等の温度センサ３５を
含み、接着剤等で固められている。また、熱容量を小さ
くするように、永久電流スイッチ３１全体をできるだけ
小さくなるようにしたほうが望ましい。永久電流スイッ
チ３１と超電導磁石２４の間は超電導線で接続されてい
るが、その間の箇所３３を冷凍機の第２ステージ４と熱
接触させて冷却する。すなわち、カプトン等の絶縁膜に
接着材をつけたものを超電導線に巻き付け、銅板等の高
熱伝導率部材と冷却板２５とをネジ等で固定する。これ
により、永久電流スイッチ３１の温度上昇が超電導磁石
２４に伝わることを防ぐことができる。また、永久電流
スイッチ３１自体も、第２ステージ４からＦＲＰ等の低
熱伝導率部材３４を介してネジ等により固定する。本構
造により、永久電流スイッチ３１と第２ステージ４の温
度差が容易につく構造とし、さらに低熱伝導率部材３４
の長さ及び断面積等を考慮することによって、永久電流
スイッチ３１の発熱量が小さい時は充分臨界温度以下に
冷却される構造とする。

【０００９】超電導磁石２４を励磁するためには、着脱
式あるいは固定式の電流供給リード３０を外部電源３６
と超電導磁石２４との間に接続し、超電導磁石２４に電
流を供給する。この時、永久電流スイッチ３１は、外部
電源３６及び超電導磁石２４と電気的に並列接続されて
おり、内部ヒータ３２を加熱して永久電流スイッチ３１
を常電導にし、offの状態とする。超電導磁石２４の両
端には電流iの増加割合di/dtに比例した電圧がかかり、
この電圧がそのまま永久電流スイッチ３１にもかかるた
め、抵抗を持った常電導状態の永久電流スイッチ３１は
発熱する。この発熱量を利用して極力冷凍機３に対する
熱負荷を軽減させるのである。そのために、発熱量を検
知して、ヒータ３２の加熱量を減少する方向に制御する
ことにより達成することができる。すなわち、ヒータ加
熱量と永久電流スイッチにおけるジュール発熱量の合計
が、永久電流スイッチ３１を常電導状態とする必要加熱
量となるように、温度センサ３５からの信号に基づいて
ヒータ電源３８及び外部電源３６をコントローラ３７で
制御してヒータ加熱量及び前記di/dtの値を適切な値に
すれば、永久電流スイッチ３１にかかる熱負荷が最適と
なり、冷凍機１にかかる熱負荷を最小限に抑えることが
できる。

【００１０】電流値が所定の電流値に達すると、di/dt
の値が０となるため、超電導磁石２４両端の電圧は急速
に０に向かい、永久電流スイッチ３１を流れる電流も０
に向かう。すなわち、永久電流スイッチ３１での発熱量
は急速に０に向かって小さくなる。これにより、永久電
流スイッチ３１の温度は下がり、臨界温度以下となって
超電導状態となる。この時までヒータ３２を加熱してい
たとすればヒータを切った方が良い。永久電流スイッチ
３１が超電導状態となれば、外部電源３６から供給して
いた電流値を減少させる。このとき永久電流スイッチ３
１は常に超電導状態を保つように、温度センサ３５で測
定した永久電流スイッチ３１の温度が臨界温度を下回る
ように、電流の減少割合を制御し、永久電流スイッチ３
１の温度が臨界温度に近づいてきたら電流の減少割合の
絶対値を小さくあるいは０となるようにする。このとき
の臨界温度とは、永久電流スイッチを流れる設計電流密
度と設計最大経験磁場とから求められる値に安全率を考
慮した値を用いれば適当である。永久電流スイッチ３１
は超電導状態であるため、超電導磁石２４を流れていた
電流は、永久電流スイッチ３１に流れ込み、永久電流モ
ードとなる。消磁の場合は、上記の励磁時の逆の操作を
行えば良い。

【００１１】図２に、本発明の他の実施例を示す。

【００１２】予冷用の寒冷発生回路に配置した寒冷発生
機１は、例えば、ギフォード・マクマホン膨張機（ＧＭ
膨張機）で構成される。ヘリウム圧縮機ユニット２の高
圧ガスは寒冷発生機１中に流入して内部で断熱膨張し、
第１ステージ３、第２ステージ４でそれぞれ温度約５０
Ｋ、１０Ｋの寒冷を発生する。膨張後のガスは、再び、
圧縮機ユニット２に戻る。

【００１３】一方、予冷用の寒冷発生回路と隔離したＪ
・Ｔ回路の圧縮機ユニット５で約１.6MPaに加圧された
高圧のヘリウムガスは、高圧配管１６ａを通り第１熱交
換器６、第２熱交換器７、第１吸着器８、第３熱交換器
９、第４熱交換器１０、第２吸着器１１、第５熱交換器
１２、第３吸着器１３に入る。第３吸着器１３出口後の
高圧流路内には第１ＪＴ弁１４が存在し、ここで圧力約
0.8MPaまで膨張する。その後第６熱交換器１５に入り、
温度約５Ｋの超臨界ヘリウムとなって冷却部配管１６ｃ
に流れ込む。

【００１４】被冷却体である超電導磁石２４は、冷凍機
の冷却配管１６ｃに熱的に接続され、冷却配管中に極低
温のヘリウムガスが流れることによって冷却される。冷
却部配管１６ｃを流れて、外部からの熱侵入による熱負
荷を受けて若干温度上昇したヘリウムガスは、そのまま
低圧配管１６ｂ内に流入し、第２ＪＴ弁１７で圧力約0.
12MPaまで膨張して一部が液化し、第６熱交換器１５に
入る。その後、第４吸着器１８、第５熱交換器１２、第
５吸着器１９、第３熱交換器９、第６吸着器２０、第１
熱交換器６、第７吸着器２１を通り、ほぼ常温となっ
て、低圧配管１６ｂより圧縮機ユニット５に戻る。

【００１５】クライオスッタト２２内は真空断熱され、
極低温部は液体窒素槽あるいは、寒冷発生回路の第１ス
テージ３によって冷却された熱シールド板２３によっ
て、外部からの輻射熱を遮蔽している。各吸着器ではヘ
リウムガス中の不純物を除去する。

【００１６】永久電流スイッチ３１と超電導磁石２４の
間は図１に示した実施例同様超電導線で接続されている
が、その間の箇所３３を冷却配管１６ｃで冷却した冷却
板で冷却する。あるいは、図中では超電導磁石冷却用の
冷却板２５と同一のもので冷却しているが、前記冷却板
２５と接触した配管より下流側の配管と接触して冷却し
た冷却板で冷却しても効果は同様である。また、永久電
流スイッチ３１自体を低熱伝導率部材３４を介して冷却
配管１６ｃと熱接触した銅等の冷却板４０に固定する。
この時、超電導磁石２４や、永久電流スイッチ３０と超
電導磁石２４との接続部、といった他の熱負荷よりも下
流側に永久電流スイッチ３１を冷却する冷却板４０を設
置した方が、永久電流スイッチ３１の温度上昇の影響を
他に与えない点で効果的である。

【００１７】本実施例では、第２ＪＴ弁１７を被冷却体
２４を冷却するための冷却配管１６ｃの下流側に設置し
たが、上流側に設置した場合でも効果は同様である。さ
らにＪＴ弁が１つの場合、すなわち第２ＪＴ弁１７及び
第６熱交換器１５が存在しない場合でも、本発明による
効果は同様である。

【００１８】また、実施例では、図１で示した冷凍機及
び図２で示した予冷用寒冷発生機に、２段のＧＭサイク
ルの膨張機を適用した例で説明したが、３段のＧＭサイ
クル、ソルベイサイクル、スターリングサイクル、ビル
マイヤサイクル、タービン式、クロード式膨張機を適用
した冷凍サイクルやブレイトンサイクルでも同等な効果
がある。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、永久電流スイッチが冷
凍機にかける熱負荷を最小限にすることができ、冷却安
定性の高い伝導冷却式超電導磁石装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である伝導冷却式超電導磁石
の構成を説明する図。

【図２】本発明の他の一実施例である伝導冷却式超電導
磁石の構成を説明する図。

【符号の説明】

１…冷凍機、２…圧縮機ユニット、５…圧縮機ユニッ
ト、１６ｃ…冷却配管、２２…真空容器、２３…熱シー
ルド板、２４…超電導コイル、３１…永久電流スイッ
チ、３２…永久電流スイッチ用ヒータ、３４…低熱伝導
率部材、３５…温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森田 穣 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】寒冷を発生する冷凍機と、この冷凍機に熱
   的に接触した超電導磁石と、この超電導磁石に電流を供
   給する電源と、この電源及び前記超電導磁石に並列に接
   続され、ヒータによりオンオフ制御される永久電流スイ
   ッチとを備えた伝導冷却式超電導磁石において、前記永
   久電流スイッチの温度計測する温度計測手段と、この計
   測した温度に基づいて前記ヒータの加熱量を制御する手
   段とを備えた伝導冷却式超電導磁石。
2. 【請求項２】寒冷を発生する冷凍機と、この冷凍機に熱
   的に接触した超電導磁石と、この超電導磁石に電流を供
   給する電源と、この電源及び前記超電導磁石に並列に接
   続され、ヒータによりオンオフ制御される永久電流スイ
   ッチとを備えた伝導冷却式超電導磁石において、前記永
   久電流スイッチの温度計測する温度計測手段と、この計
   測した温度に基づいて前記ヒータの加熱量及び前記電源
   の電流供給量を制御する手段とを備えた伝導冷却式超電
   導磁石。