JPH10107333A

JPH10107333A - 冷凍機冷却型超電導磁石用永久電流スイッチ装置

Info

Publication number: JPH10107333A
Application number: JP8275272A
Authority: JP
Inventors: Tsuginori Hasebe; 次教長谷部
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 1998-04-24
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: JP3020140B2

Abstract

(57)【要約】【課題】永久電流モードの運転を効率的に実現
し、永久電流スイッチ本体２５の切替えを簡単に、かつ
熱侵入の少ない状態で行うことができるとともに、永久
電流の減衰率を小さくし、経済的な冷凍機冷却型超電導
磁石用永久電流スイッチ装置を提供すること。【解決手段】冷凍機の高温側冷却ステージ７Ａおよび
低温側冷却ステージ７Ｂの温度差、および永久電流スイ
ッチ本体２５をこれらの間で接離させて通電状態・非通
電状態とすることに着目し、超電導導体により構成した
永久電流スイッチ本体２５と、永久電流スイッチ本体２
５と超電導コイル４との間を並列に接続する超電導導体
（高温超電導セラミックス製のスイッチ用電流リード２
４）と、永久電流スイッチ本体２５を冷凍機７の冷却ス
テージ７Ａ、７Ｂに熱的に接離することができる切り替
え可能な伝熱部材２６と、を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷凍機冷却型超電導
磁石用永久電流スイッチ装置にかかるもので、とくにＧ
Ｍ冷凍機などの冷凍機からの固体熱伝導により超電導コ
イルを冷却するタイプの超電導磁石を電源装置から切り
離して永久電流モードで運転することができるようにす
る冷凍機冷却型超電導磁石用永久電流スイッチ装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超電導磁石装置（超電導マグネ
ット）において、超電導コイルを励磁して磁場を発生さ
せたまま、極低温部分における超電導コイルの両端を他
の超電導線によって接続して超電導の閉ループを作り、
磁場を半永久的に発生させることが行われており、これ
を「永久電流モードの運転」と言っている。永久電流モ
ードの運転を行う第一の目的は、超電導磁石装置を電源
装置から切り離し、電流リードをクライオスタット（低
温保持装置）から引き去ることによって、極低温部分へ
の侵入熱量を低減し、液体ヘリウムなどの冷媒の消費量
を低減すること、および電源装置の消費電力を低減する
ことなどによる経済効果を得ることである。第二の目的
は、電源装置が持つ電流不安性（リップル）による超電
導コイルの磁場の変動を回避することである。

【０００３】ただし、超電導磁石を冷却する冷媒として
液体ヘリウムを用いる場合には、液体ヘリウムの取扱い
が不便であること、液体ヘリウムを補充する必要がある
こと、およびコスト高であることなどの理由から、液体
ヘリウムの代わりに冷凍機により超電導磁石を冷却する
冷凍機冷却型超電導磁石（ヘリウムフリーマグネット）
が用いられてきている。たとえば特開平７−１４２２３
５号などがある。

【０００４】以下、この特開平７−１４２２３５号を例
に取って、冷凍機冷却型超電導磁石を永久電流モードに
する永久電流スイッチ装置について説明する。図６は、
従来の冷凍機冷却型超電導磁石装置１、およびこの冷凍
機冷却型超電導磁石装置１に装備した永久電流スイッチ
装置２の等価回路図であって、冷凍機冷却型超電導磁石
装置１は、クライオスタット３と、超電導コイル４と、
励磁電流源５と、一対の励磁用電流リード６（高温超電
導電流リード）と、冷凍機７（たとえばＧＭ冷凍機）
と、永久電流スイッチ装置２と、を有する。

【０００５】永久電流スイッチ装置２は、スイッチ用超
電導導体８と、ヒーター９と、ヒーター電源１０と、ヒ
ータースイッチ１１と、を有する。

【０００６】スイッチ用超電導導体８は、超電導コイル
４に並列にこれを配線し、ヒーター９に対向させてあ
る。スイッチ用超電導導体８およびヒーター９により永
久電流スイッチ本体１２（開閉器）を構成する。なお、
冷却用冷媒として液体ヘリウムを用いる場合には、永久
電流スイッチ本体１２全体をＦＲＰ（繊維強化樹脂材
料）などの低熱伝導率の断熱容器１３に納める。ただ
し、冷凍機７により冷却を行う場合にはこの断熱容器１
３は不要である。

【０００７】クライオスタット３は、熱シールド容器お
よび真空容器などからこれを構成し、冷凍機７により冷
却された超電導コイル４および永久電流スイッチ本体１
２をともに所定の極低温に冷却保持する。

【０００８】永久電流スイッチ本体１２（スイッチ用超
電導導体８）は、ヒータースイッチ１１を「ＯＦＦ」
（開）としてヒーター９に通電しない状態で極低温状態
となれば「ＯＮ」（閉）となり、ヒータースイッチ１１
を「ＯＮ」（閉）としてヒーター９に通電すると超電導
状態が解除されて「ＯＦＦ」（開）となる。

【０００９】こうした構成の冷凍機冷却型超電導磁石装
置１および永久電流スイッチ装置２において、冷凍機冷
却型超電導磁石装置１を永久電流モードにするには、以
下のような操作を行う。まず、冷凍機７による超電導コ
イル４およびスイッチ用超電導導体８の冷却とともに、
外部の励磁電流源５により所定の励磁速度（電流の変化
率、アンペア／秒）で所定の電流値まで増加させる。こ
の所定の電流値に通電電流値を一定に保持したままで、
ヒータースイッチ１１を「ＯＦＦ」（開）とし、ヒータ
ー９による加熱を行わない状態として永久電流スイッチ
本体１２を「ＯＮ」（開）状態とする。その後、励磁電
流源５の電流値を所定の速度でゼロアンペアまで減少さ
せる。この状態で冷凍機冷却型超電導磁石装置１は、永
久電流モードとなっており、励磁電流源５を切り離した
り、励磁用電流リード６をクライオスタット３から取り
外したりすることができる状態となる。

【００１０】ここで、永久電流スイッチ本体１２に要求
される開路（ＯＦＦ）時の抵抗値としては、無限大の抵
抗値は必ずしも必要ではなく、超電導コイル４の励磁中
に発生する電圧と、そのときに永久電流スイッチ本体１
２（スイッチ用超電導導体８）に分流する電流による発
熱の許容量とから決定される抵抗値より大きな値であれ
ばよいとされている。もちろん理想的には、無限大の抵
抗値で発熱が皆無の状態が望まれる。たとえばインダク
タンスが３５ヘンリーの超電導コイル４を、電流値１５
０アンペアまで０．１アンペア／秒の励磁速度で励磁す
る場合、励磁中の自己誘導起電力Ｖは３．５ボルトにな
る。ここで、この超電導コイル４に並列に接続されてい
るスイッチ用超電導導体８における発熱量Ｗを０．３ワ
ット以下にしようとすると、永久電流スイッチ本体１２
の「ＯＦＦ」時の抵抗値Ｒは、Ｗ＝Ｖ²／Ｒ、であるか
ら、Ｒ＝Ｖ²／Ｗ＝３．５×３．５／０．３＝４０．８
３オーム、となる。したがって、この場合は、「ＯＦ
Ｆ」時の抵抗が約４０オーム以上であるようなスイッチ
用超電導導体８が要求される。

【００１１】このような永久電流スイッチの方式とし
て、図６の永久電流スイッチ装置２のような熱式永久電
流スイッチ、あるいはこのほか、機械式永久電流スイッ
チや磁界式永久電流スイッチの３種類が知られている。
熱式永久電流スイッチは、操作性にすぐれ、接続抵抗値
を小さくすることができるので、以下にその構成および
動作について、材料および数値的な面から説明する。

【００１２】永久電流スイッチ本体１２のスイッチ用超
電導導体８には、ＮｂＴｉなどの超電導線材を無誘導卷
きしたものを採用する。スイッチ用超電導導体８に用い
る超電導線材は、通常の超電導コイル４用（マグネット
用）超電導線材とは異なって、マトリックスにキュブロ
ニッケル（ＣｕＮｉ）合金などを用いることにより、常
電導時の電気抵抗が大きくなるようにしている。図７
は、スイッチ用超電導導体８などに用いられる、スイッ
チ用線材の仕様の一例を示す図表である。

【００１３】このスイッチ用線材を用いて、上述のイン
ダクタンス、３５ヘンリーを有する超電導コイル４に使
用するスイッチ用超電導導体８を作製するとき、上述の
ようにスイッチ用超電導導体８における発熱を０．３ワ
ット以下になるようにするには、抵抗値として、上述の
ように約４０オーム以上が必要になるので、必要な線材
の長さＬは、Ｌ＝４０（オーム）／０．４２（オーム／
メートル）＝９５メートル、である。また、この長さ９
５メートルのスイッチ用超電導導体８とともに無誘導巻
きするヒーター９には０．３ワットの容量が必要であ
る。

【００１４】以下に、数値的な面に着目しながら運転手
順を述べる。まず、超電導コイル４および永久電流スイ
ッチ本体１２などが所定の極低温レベルに冷却された状
態から、ヒーター９に所定の電力（０．３ワット）を与
え、スイッチ用超電導導体８をその臨界温度（たとえば
１０Ｋ）以上になるように加熱する。

【００１５】超電導コイル４を所定の励磁速度（０．１
アンペア／秒）で励磁する。このとき、超電導コイル４
の両端に発生する起電力Ｅは、３．５ボルトであるの
で、この超電導コイル４と並列に接続されている抵抗約
４０オームのスイッチ用超電導導体８に流れる電流Ｉ
は、Ｉ＝Ｅ／Ｒ＝３．５／４０＝８７．５×１０^-3アン
ペア、である。このときのスイッチ用超電導導体８自体
による発熱量Ｗは、Ｗ＝Ｉ²×Ｒ＝０．０８７５×０．
０８７５×４０＝０．３ワット、となる。したがっ
て、励磁中はヒーター９の加熱を停止して、スイッチ用
超電導導体８の自己加熱によって温度を１０Ｋ以上に保
持することができる。

【００１６】超電導コイル４の励磁電流が所定の値にな
り、さらに永久電流スイッチ本体１２が冷却され、その
温度が超電導コイル４と同じ温度になり、スイッチ用超
電導導体８の超電導線材が超電導状態に転移すれば、永
久電流スイッチ本体１２は「ＯＮ」（閉じた状態）とな
る。

【００１７】この「ＯＮ」状態において、励磁電流源５
の電流を所定の速度でゼロアンペアまで減少させる。こ
のゼロアンペアにした状態で、超電導コイル４は永久電
流モードに移行しているので、励磁電流源５を取り外し
たり、励磁用電流リード６を取り外したりすることがで
きる。

【００１８】つぎに、この熱式の永久電流スイッチ装置
２の問題点について述べる。永久電流スイッチ装置２な
いし冷凍機冷却型超電導磁石装置１においては、外部の
冷凍機７と永久電流スイッチ本体１２との間に温度差を
生じさせるように構成しているが、超電導コイル４と永
久電流スイッチ本体１２（スイッチ用超電導導体８）と
を結ぶ接続用超電導線を通して熱伝導により熱が流れ出
てしまい、永久電流スイッチ本体１２が所定の温度より
も低くなってしまうことがある。この事態を回避するに
は、永久電流スイッチ本体１２に所定の電力以上の熱を
加えて所定の温度まで上昇させるほかに手段はなく、結
果的に冷凍機７への侵入熱量を増加させることになる。
冷媒として液体ヘリウムを用いた場合には、この液体ヘ
リウムへの侵入熱量を増加させてその消耗を促進させる
ことになる。

【００１９】また既述のように、超電導コイル４の励磁
中にスイッチ用超電導導体８において発生する熱量は、
超電導コイル４のインダクタンスおよび励磁速度により
決定される。したがって、スイッチ用超電導導体８にお
ける発熱量をある値以下に押さえようとすると、励磁速
度もそれに応じて限界値が決定される。上述の例では、
０．３ワット以下の発熱にするには、励磁速度が０．１
アンペア／秒でなければならず、定格電流値（１５０ア
ンペア）までには１５００秒（２５分）もの時間を要す
ることになる。実際、冷凍機冷却型超電導磁石装置１に
この永久電流スイッチ装置２を適用した場合、この制限
はより厳しいものになる。すなわち、超電導コイル４な
どを冷却している冷凍機７の低温側冷却ステージの冷凍
能力が温度４Ｋにおいて約１ワットであるのに対して、
励磁用電流リード６などからの定常時の侵入熱が０．４
ワット程度であり、さらに、励磁中は超電導線材の交流
損失や巻き枠などの渦電流損失が加わり、冷却条件はよ
り厳しくなって、永久電流スイッチ本体１２の発熱量
０．３ワットを加えると、冷凍機７の冷却能力の余裕は
全くなくなってしまうという問題がある。したがって、
冷凍機７をより能力の大きなものに交換するか、新たに
もう１台の冷凍機７を追加設置するなどの対策を施さな
い限り、励磁速度をこれよりも早めることは不可能であ
るという問題がある。

【００２０】さらに、前記特開平７−１４２２３５号に
よる冷凍機冷却型超電導磁石装置１においては、二段な
いし三段式の冷凍機７を採用し、その低温側冷却ステー
ジにより超電導コイル４を冷却するとともに、超電導コ
イル４に接続する永久電流スイッチ本体１２を高温側冷
却ステージにより冷却するようにしている。この永久電
流スイッチ本体１２のスイッチ用超電導導体８は、酸化
物超電導体（Ｔｌ系１２２３、臨界温度１１０Ｋ）から
これを構成している。またスイッチ用超電導導体８の両
端と、酸化物超電導体（Ｂｉ系、臨界温度約１１０Ｋ）
の励磁用電流リード６との接続部が電極を介した半田付
けであり、この半田付け部分の抵抗値が有限の値を有す
るために、永久電流モードにおいて電流の減衰を起こす
原因となる。すなわち、この接続部が冷凍機７の高温側
冷却ステージに配置されているので、半田の抵抗値が液
体ヘリウム温度レベルのときに比較して非常に大きく、
電流の減衰が顕著になってしまうという問題がある。

【００２１】また、スイッチ用超電導導体８および励磁
用電流リード６を構成している酸化物超電導材は、臨界
温度に近い温度域においては磁束クリープと呼ばれる量
子化磁束の熱活性によるエネルギー散逸が発生し、超電
導状態においても微小な電圧が発生し、永久電流の減衰
を生じさせることが知られている。したがって、永久電
流スイッチ本体１２を冷凍機７の高温側冷却ステージに
設置する構成では、永久電流が流される励磁用電流リー
ド６の高温側の一部分、永久電流スイッチ本体１２、お
よびこれらの接続部分において永久電流の減衰が生じて
しまい、十分な性能を有する永久電流モードの冷凍機冷
却型超電導磁石装置１を実現することができないという
問題がある。

【００２２】また冷凍機７における高温側冷却ステージ
上の永久電流スイッチ本体１２をその臨界温度以上に加
熱するためには、ヒーター９に相当量の電力を必要とす
るとともに、励磁用電流リード６が高温側冷却ステージ
に接続されている部分も、永久電流スイッチ本体１２の
昇温にともなって昇温されてしまい、励磁用電流リード
６に超電導材を採用した利点が相殺されてしまう、とい
う矛盾をはらんでいる。すなわち、高温側冷却ステージ
に熱的に接触された臨界温度が約１１０ＫのＴｌ系１２
２３酸化物からなるスイッチ用超電導導体８をその臨界
温度以上に昇温すると、同じく高温側冷却ステージに接
触している励磁用電流リード６の高温側部はその臨界温
度以上になってしまい、通電時にジュール熱を生じてし
まうという問題がある。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
諸問題にかんがみなされたもので、永久電流モードの運
転を効率的に実現することができる冷凍機冷却型超電導
磁石用永久電流スイッチ装置を提供することを課題とす
る。

【００２４】また本発明は、永久電流スイッチ本体の切
替えを簡単に、かつ熱侵入の少ない状態で行うことがで
きる冷凍機冷却型超電導磁石用永久電流スイッチ装置を
提供することを課題とする。

【００２５】また本発明は、永久電流の減衰率を小さく
することができる冷凍機冷却型超電導磁石用永久電流ス
イッチ装置を提供することを課題とする。

【００２６】また本発明は、従来の冷凍機冷却型超電導
磁石装置のようなヒーターおよびそのヒーター電源など
の付加機器が不必要で、経済的である冷凍機冷却型超電
導磁石用永久電流スイッチ装置を提供することを課題と
する。

【００２７】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、冷凍
機の高温側冷却ステージおよび低温側冷却ステージの温
度差に着目し、永久電流スイッチ本体をこれらの間で接
離させて通電状態あるいは非通電状態とすることに着目
したもので、冷却ステージを有する冷凍機からの固体熱
伝導により超電導コイルを冷却する冷凍機冷却型超電導
磁石用永久電流スイッチ装置であって、超電導導体によ
り構成した永久電流スイッチ本体と、この永久電流スイ
ッチ本体と上記超電導コイルとの間を並列に接続する超
電導導体と、上記永久電流スイッチ本体を上記冷凍機の
冷却ステージに熱的に接離することができる切り替え可
能な伝熱部材と、を設けたことを特徴とする冷凍機冷却
型超電導磁石用永久電流スイッチ装置である。

【００２８】上記永久電流スイッチ本体は、これを合金
系超電導導体あるいは前記超電導コイルと同じ超電導導
体から構成することができる。

【００２９】上記永久電流スイッチ本体と上記超電導コ
イルとの間を並列に接続する超電導導体は、これを酸化
物超電導セラミックスその他の高温超電導セラミックス
からなるスイッチ用電流リードとすることができる。

【００３０】上記伝熱部材は、これを熱伝導性のすぐれ
た銅などの材料を用いて十分な断面積を有する構成とす
ることにより、上記永久電流スイッチ本体と上記冷凍機
の冷却ステージとの接続時には互いの間の温度差を最小
とすることができるようにすることができる。

【００３１】上記永久電流スイッチ本体と上記伝熱部材
との間を、良熱伝導性の金属材料による可撓性接続部材
で接続し、この可撓性接続部材の弾性変形範囲内で、上
記伝熱部材の移動を吸収することができるようにするこ
とができる。

【００３２】上記冷凍機は、高温側冷却ステージおよび
低温側冷却ステージを有し、かつ上記伝熱部材は、上記
永久電流スイッチ本体を上記冷凍機の高温側冷却ステー
ジおよび低温側冷却ステージに熱的に接離するように構
成することができる。

【００３３】上記可撓性接続部材は、平編み銅線などの
可撓性のある良熱伝導体によりこれを構成することがで
きる。

【００３４】本発明による冷凍機冷却型超電導磁石用永
久電流スイッチ装置においては、ＧＭ冷凍機などの冷凍
機の高温側冷却ステージの温度が４５〜５０Ｋで、低温
側冷却ステージの温度が約４〜１０Ｋであることに着目
し、臨界温度が１０〜２０ＫのＮｂＴｉやＮｂ₃Ｓｎな
どの超電導導体による永久電流スイッチ本体（スイッチ
用超電導導体）を冷凍機のたとえば高温側冷却ステージ
側に接触させて冷却状態としてもその臨界温度には達せ
ず所定の抵抗値を示し、永久電流スイッチ本体を低温側
冷却ステージに接触させて冷却状態とするとその臨界状
態に達して超電導状態となって抵抗値を事実上ゼロと
し、結果的に熱的なスイッチを構成することができる。

【００３５】しかも、この永久電流スイッチ本体を高温
側冷却ステージおよび低温側冷却ステージに接離させる
機構としては、伝熱部材を機械的に所定方向に移動させ
るだけであるので、図６に示した冷凍機冷却型超電導磁
石装置のように、ヒーターなどを装備することによる熱
的な損失を極力少なくすることができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】つぎに本発明の実施の形態による
冷凍機冷却型超電導磁石用永久電流スイッチ装置を図１
ないし図５にもとづき説明する。ただし、図６と同様の
部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。
図１は、冷凍機冷却型超電導磁石装置２０、およびこの
冷凍機冷却型超電導磁石装置２０に装備した永久電流ス
イッチ装置２１の断面斜視図であって、冷凍機冷却型超
電導磁石装置２０は、前記クライオスタット３と、前記
超電導コイル４と、前記励磁電流源５と、前記一対の励
磁用電流リード６と、前記冷凍機７（たとえばＧＭ冷凍
機）と、永久電流スイッチ装置２１と、を有する。

【００３７】クライオスタット３は、冷凍機７の高温側
冷却ステージ７Ａ（第１段冷却ステージ）および低温側
冷却ステージ７Ｂ（第２段冷却ステージ）、さらには超
電導コイル４および永久電流スイッチ装置２１を含む全
体を被覆するもので、図１ではその上部フランジ部分の
みを描いてある。

【００３８】超電導コイル４は、たとえばＮｂＴｉ、Ｎ
ｂ₃Ｓｎなどの超電導線材によりこれを構成し、励磁電
流源５から、一対の常温電流リード２２および超電導材
料による励磁用電流リード６を介して電流の供給を受け
る。なお、その中央部を高磁場空間２３（磁場利用空
間）としている。

【００３９】励磁用電流リード６は、冷凍機７において
高温側冷却ステージ７Ａから低温側冷却ステージ７Ｂに
熱的に接触している。

【００４０】冷凍機７は、固体伝導冷却可能な小型冷凍
機であり、その高温側冷却ステージ７Ａは温度約４５〜
５０Ｋに、低温側冷却ステージ７Ｂは温度約４〜１０Ｋ
にそれぞれ冷却可能である。

【００４１】永久電流スイッチ装置２１は、高温超電導
セラミックス製の一対のスイッチ用電流リード２４と、
熱式の永久電流スイッチ本体２５と、伝熱部材２６と、
可撓性接続部材２７と、支持棒２８と、駆動部材２９
と、を有する。

【００４２】スイッチ用電流リード２４は、たとえばＢ
ｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xなどの超電導セラミックス（酸
化物超電導材）その他の高温超電導導体からこれを構成
するとともに、接続用超電導線３０により超電導コイル
４に接続してある。図２は、冷凍機冷却型超電導磁石装
置２０、および冷凍機冷却型超電導磁石装置２０に装備
した永久電流スイッチ装置２１の等価回路図であって、
図１および図２に示すように、接続用超電導線３０は、
超電導コイル４の始端部電極４Ａおよび終端部電極４Ｂ
を励磁用電流リード６およびスイッチ用電流リード２４
のそれぞれに接続することによって、超電導コイル４お
よび永久電流スイッチ本体２５を並列に接続してある。

【００４３】永久電流スイッチ本体２５は、銅やアルミ
ニウム材料などによる良熱伝導性の円柱状巻き枠３１に
スイッチ用超電導導体３２を無誘導に巻き付けた構成を
有する。スイッチ用超電導導体３２は、これをＮｂＴｉ
などの超電導線材その他の超電導導体により構成してあ
る。

【００４４】図３は、スイッチ用電流リード２４、永久
電流スイッチ本体２５および伝熱部材２６部分の拡大斜
視図であり、スイッチ用電流リード２４に取り付けた絶
縁板３３上に永久電流スイッチ本体２５を固定してあ
る。絶縁板３３は、窒化アルミニウムなどの良熱伝導セ
ラミックスなどによりこれを構成する。

【００４５】伝熱部材２６は、熱伝導性のすぐれた銅な
どの材料を用いるとともに、冷凍機７の高温側冷却ステ
ージ７Ａと低温側冷却ステージ７Ｂとの間にこれを配置
し、図中上下方向に移動可能としてあり、固定状態の永
久電流スイッチ本体２５を高温側冷却ステージ７Ａある
いは低温側冷却ステージ７Ｂに切り替えて熱的に接触可
能とする。すなわち、伝熱部材２６の高温側接触部２６
Ａが高温側冷却ステージ７Ａの底面に接触し、低温側接
触部２６Ｂが低温側冷却ステージ７Ｂの表面に接触す
る。伝熱部材２６は、その断面積を十分に取ることによ
り、接触時に両者の温度差が最小になるようにする。

【００４６】可撓性接続部材２７は、平編み銅線などの
可撓性のある良熱伝導体であって、伝熱部材２６の移動
によっても永久電流スイッチ本体２５と伝熱部材２６と
の熱的接続状態を保持している。とくに図３に示すよう
に、可撓性接続部材２７はその一端部を、絶縁板３３を
介して永久電流スイッチ本体２５に固定するとともに、
その他端部を伝熱部材２６の取付け用円板部２６Ｃに固
定してある。

【００４７】支持棒２８は、繊維強化樹脂材料（ＦＲ
Ｐ）製などの低熱伝導性の材料からこれを構成し、クラ
イオスタット３の外部にその操作用端部２８Ａが突出
し、クライオスタット３の外部からこれを駆動部材２９
により操作可能としてある。

【００４８】駆動部材２９は、支持棒２８の操作用端部
２８Ａに配置したバネ部３４と、アクチュエーター３５
と、を有し、アクチュエーター３５を駆動することによ
り伝熱部材２６を上下動させる。

【００４９】こうした構成の冷凍機冷却型超電導磁石装
置２０および永久電流スイッチ装置２１の操作を説明す
る。図４は、伝熱部材２６（その高温側接触部２６Ａ）
を冷凍機７の高温側冷却ステージ７Ａに接触させた状態
の概略側面図、図５は、伝熱部材２６（その低温側接触
部２６Ｂ）を冷凍機７の低温側冷却ステージ７Ｂに接触
させた状態の概略側面図である。図４に示すように、伝
熱部材２６の高温側接触部２６Ａを冷凍機７の高温側冷
却ステージ７Ａに接触させ、伝熱部材２６を介して高温
側冷却ステージ７Ａと永久電流スイッチ本体２５とを接
続する。この接続状態において、冷凍機７を運転し、超
電導コイル４が低温側冷却ステージ７Ｂと同程度の温度
（４〜１０Ｋ）になるとともに、永久電流スイッチ本体
２５が高温側冷却ステージ７Ａと同程度の温度（４５〜
５０Ｋ）に定常に冷却されることを確認する。

【００５０】つぎに、励磁電流源５により超電導コイル
４に通ずる励磁電流を所定の増加速度（励磁速度）で所
定の電流値まで増加させ、その電流値で保持させる。こ
の励磁中に超電導コイル４内において発生した交流損失
による超電導コイル４の温度上昇が冷凍機７により冷却
され、超電導コイル４の温度が励磁開始前の温度（４〜
１０Ｋ）近くに戻るまで保持する。なおこの励磁操作中
には、永久電流スイッチ本体２５は超電導状態にはな
く、所定の電気抵抗値を有しており、永久電流スイッチ
装置２１は「ＯＦＦ」状態である。

【００５１】ついで、冷凍機７の高温側冷却ステージ７
Ａと永久電流スイッチ本体２５とを接続している伝熱部
材２６を図４中下方に移動させ、高温側冷却ステージ７
Ａと永久電流スイッチ本体２５との熱的接続を切り離
し、図５に示すように、伝熱部材２６の低温側接触部２
６Ｂを冷凍機７の低温側冷却ステージ７Ｂに接触させる
ことにより、永久電流スイッチ本体２５と低温側冷却ス
テージ７Ｂとを熱的に接触させる。この接触により永久
電流スイッチ本体２５の温度が低温側冷却ステージ７Ｂ
と同じ温度になったことを確認する。

【００５２】この接触状態で永久電流スイッチ本体２５
は超電導状態となって電気抵抗がゼロであり、永久電流
スイッチ装置２１は「ＯＮ」の状態である。この「Ｏ
Ｎ」状態を確認ののち、励磁電流源５を操作して、励磁
電流を所定の速度でゼロアンペアまで低下させる。この
状態で、超電導コイル４を流れる電流は、超電導コイル
４、接続用超電導線３０、スイッチ用電流リード２４お
よび永久電流スイッチ本体２５（スイッチ用超電導導体
３２）による閉ループを流れることになり、超電導コイ
ル４は所望の永久電流モードになっている。

【００５３】上述の操作における熱量の移動を考える。
まず、伝熱部材２６（その高温側接触部２６Ａ）が高温
側冷却ステージ７Ａに接触されている初期の状態では、
永久電流スイッチ本体２５すなわちスイッチ用超電導導
体３２（たとえばＮｂＴｉ超電導線材など）の温度は、
高温側冷却ステージ７Ａと永久電流スイッチ本体２５と
を結ぶ伝熱部材２６の熱伝導、および低温側冷却ステー
ジ７Ｂと永久電流スイッチ本体２５との間を結ぶセラミ
ックス製のスイッチ用電流リード２４の熱伝導により決
定される。本発明による構成においては、高温側冷却ス
テージ７Ａと永久電流スイッチ本体２５との間は熱伝導
積分値を大きくし、両者間には温度差が生じないように
し、温度約４５〜５０Ｋの高温側冷却ステージ７Ａに対
して永久電流スイッチ本体２５も温度約４５〜５０Ｋに
なるようになっている。このとき、永久電流スイッチ本
体２５は常電導状態にあり、所定の電気抵抗を有してい
る。この状態において、低温側冷却ステージ７Ｂおよび
この低温側冷却ステージ７Ｂにより温度４Ｋレベルに冷
却されている超電導コイル４と、温度５０Ｋレベルの永
久電流スイッチ本体２５との間は、超電導セラミックス
製のスイッチ用電流リード２４のみで接続されている
が、超電導セラミックス製のスイッチ用電流リード２４
は熱伝導率が非常に低いので、永久電流スイッチ装置２
１（永久電流スイッチ本体２５）から超電導コイル４へ
の侵入熱量はごく少ないものである。具体的には、Ｂｉ
系２２２３相の温度４〜４５Ｋにおける熱伝導率の積分
値は４２．４ワット／メートルであり、たとえば内径１
０ミリメートル、外径１２ミリメートル、長さ５０ミリ
メートルのセラミックス導体２本１組（スイッチ用電流
リード２４）を通しての侵入熱量は５８．５ミリワット
となる。

【００５４】つぎに、励磁電流源５により励磁電流を所
定の速度で増加させる最中には、超電導コイル４のイン
ダクタンスによる自己誘導起電力が永久電流スイッチ本
体２５（スイッチ用超電導導体３２）の両端にも印加さ
れる。したがって、この自己誘導起電力による電圧と、
その時点でのスイッチ用超電導導体３２の抵抗値とによ
り決まる電流がスイッチ用超電導導体３２に分流する。
具体的には、図６に示した従来技術の場合と同様の開路
（ＯＦＦ）時の抵抗値（約４０オーム以上）を有し、同
等の励磁速度でスイッチ用超電導導体３２を励磁したと
すると、スイッチ用超電導導体３２における発熱量は、
０．３ワットとなる。この発熱量０．３ワットは、伝熱
部材２６を介して高温側冷却ステージ７Ａに伝達され、
高温側冷却ステージ７Ａの熱負荷となるが、高温側冷却
ステージ７Ａの冷却能力は冷凍機７（たとえば二段式４
ＫＧＭ冷凍機）で、温度４０〜５０Ｋにおいて数１０ワ
ットあるので、その冷却温度には大きな変化はもたらさ
ない。その結果、永久電流スイッチ本体２５の温度にも
ほとんど変化はなく、したがって、永久電流スイッチ本
体２５から超電導コイル４への侵入熱量の増加もない。
このことから、励磁速度を早めて永久電流スイッチ本体
２５における発熱量が増加しても、超電導コイル４およ
び低温側冷却ステージ７Ｂへの侵入熱量の増加はないの
で、励磁速度の上限は永久電流スイッチ装置２１に依存
することがなくなる。

【００５５】さらに、冷凍機７による冷却により超電導
コイル４の温度は、励磁前の温度（４Ｋレベル）に戻
る。この状態で伝熱部材２６を移動させ、高温側冷却ス
テージ７Ａと永久電流スイッチ本体２５（スイッチ用超
電導導体３２）とを切り離し、永久電流スイッチ本体２
５と低温側冷却ステージ７Ｂとを熱接触させる。このと
き、超電導コイル４および低温側冷却ステージ７Ｂの温
度約４Ｋに比較して永久電流スイッチ本体２５および伝
熱部材２６の温度は約４５Ｋと高いので、超電導コイル
４は永久電流スイッチ本体２５により暖められる。この
ときの温度上昇幅は、各々の熱容量および冷凍機７の冷
凍能力によって決まるが、永久電流スイッチ本体２５お
よび伝熱部材２６の合計の熱容量に比較して、超電導コ
イル４の熱容量は桁違いに大きく、また冷凍機７の能力
も励磁中に比べて超電導コイル４における交流損失がな
くなっている分の余裕があるので、温度上昇は微々たる
ものにしかならず、超電導コイル４のクエンチを引き起
こすような問題は発生しない。

【００５６】かくして伝熱部材２６からの伝導冷却によ
り、永久電流スイッチ本体２５が超電導コイル４と同温
度になれば、永久電流スイッチ本体２５（スイッチ用超
電導導体３２）が超電導状態に遷移し、この部分の抵抗
がゼロとなる。

【００５７】永久電流スイッチ本体２５が超電導コイル
４と同温度になり超電導状態に遷移したのちに、励磁電
流源５から供給されている励磁電流を所定の速度で減少
させると、永久電流スイッチ本体２５のスイッチ用超電
導導体３２に電流が流れ始め、超電導コイル４に流れる
電流は変化しない。励磁電流がゼロになると、スイッチ
用超電導導体３２には超電導コイル４と同じ大きさの電
流が流れ、超電導コイル４および永久電流スイッチ本体
２５で作る閉会路に永久電流ループが形成される。

【００５８】永久電流ループは、すべて冷凍機７の低温
側冷却ステージ７Ｂと同温度レベルにある。したがっ
て、永久電流スイッチ本体２５と超電導コイル４を結ぶ
スイッチ用電流リード２４はその臨界温度より十分低い
温度にあるので、磁束クリープの発生がなく、永久電流
の減衰を引き起こすこともない。またこれらの接続部に
おいても温度が１０Ｋ以下の極低温であるため、その接
続抵抗は十分に低く、電流の減衰を最小限にすることが
できる。

【００５９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、伝熱部材
により永久電流スイッチ本体を冷凍機の冷却ステージに
熱的に接離することができるようにしたので、励磁中の
永久電流スイッチ本体において発生する熱が超電導コイ
ルに流入することを大幅に低減することができるので、
冷凍機の励磁速度を早くすることができる。また、永久
電流モードにおいては永久電流スイッチ本体が超電導コ
イルと同レベルの極低温になっているので、従来のよう
に永久電流スイッチ本体が冷凍機の高温側冷却ステージ
に設置されている場合に比較して、通電ラインの接続部
における接続抵抗は小さく、超電導材の熱的攪乱による
微小電圧の発生も少ないので、永久電流減衰率が小さく
なる。また、ヒーターおよびヒーター電源などの付加機
器が不要であるため、経済的な装置とすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による冷凍機冷却型超電導
磁石用永久電流スイッチ装置２１を装備した冷凍機冷却
型超電導磁石装置２０の断面斜視図である。

【図２】同、冷凍機冷却型超電導磁石装置２０、および
冷凍機冷却型超電導磁石装置２０に装備した永久電流ス
イッチ装置２１の等価回路図である。

【図３】同、スイッチ用電流リード２４、永久電流スイ
ッチ本体２５および伝熱部材２６部分の拡大斜視図であ
る。

【図４】同、伝熱部材２６（その高温側接触部２６Ａ）
を冷凍機７の高温側冷却ステージ７Ａに接触させた状態
の概略側面図である。

【図５】同、伝熱部材２６（その低温側接触部２６Ｂ）
を冷凍機７の低温側冷却ステージ７Ｂに接触させた状態
の概略側面図である。

【図６】従来の冷凍機冷却型超電導磁石装置１、および
この冷凍機冷却型超電導磁石装置１に装備した永久電流
スイッチ装置２の等価回路図である。

【図７】同、スイッチ用超電導導体８などに用いられ
る、スイッチ用線材の仕様の一例を示す図表である。

【符号の説明】

１冷凍機冷却型超電導磁石装置（図６）２冷凍機冷却型超電導磁石装置１用の永久電流スイッ
チ装置（図６）３クライオスタット４超電導コイル４Ａ超電導コイル４の始端部電極（図１、図２）４Ｂ超電導コイル４の終端部電極（図１、図２）５励磁電流源６一対の励磁用電流リード（高温超電導電流リード）７冷凍機（ＧＭ冷凍機）７Ａ冷凍機７の高温側冷却ステージ（第１段冷却ステ
ージ）（図１）７Ｂ冷凍機７の低温側冷却ステージ（第２段冷却ステ
ージ）（図１）８スイッチ用超電導導体９ヒーター１０ヒーター電源１１ヒータースイッチ１２永久電流スイッチ本体１３ＦＲＰ（繊維強化樹脂材料）などの断熱容器２０冷凍機冷却型超電導磁石装置（図１）２１冷凍機冷却型超電導磁石装置２０用の永久電流ス
イッチ装置（図１、図２）２２一対の常温電流リード２３高磁場空間（磁場利用空間）２４一対のスイッチ用電流リード２５熱式の永久電流スイッチ本体（スイッチ用超電導
導体）２６伝熱部材２６Ａ伝熱部材２６の高温側接触部２６Ｂ伝熱部材２６の低温側接触部２６Ｃ伝熱部材２６の取付け用円板部２７可撓性接続部材２８支持棒２８Ａ支持棒２８の操作用端部２９駆動部材３０接続用超電導線３１円柱状巻き枠３２スイッチ用超電導導体（永久電流スイッチ本体）３３絶縁板３４バネ部３５アクチュエーター

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷却ステージを有する冷凍機からの固
体熱伝導により超電導コイルを冷却する冷凍機冷却型超
電導磁石用永久電流スイッチ装置であって、超電導導体により構成した永久電流スイッチ本体と、この永久電流スイッチ本体と前記超電導コイルとの間を
並列に接続する超電導導体と、前記永久電流スイッチ本体を前記冷凍機の冷却ステージ
に熱的に接離することができる切り替え可能な伝熱部材
と、を設けたことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石用永
久電流スイッチ装置。
【請求項２】前記永久電流スイッチ本体は、これを
合金系超電導導体あるいは前記超電導コイルと同じ超電
導導体から構成することを特徴とする請求項１記載の冷
凍機冷却型超電導磁石用永久電流スイッチ装置。
【請求項３】前記永久電流スイッチ本体と前記超電
導コイルとの間を並列に接続する超電導導体は、これを
高温超電導セラミックスからなるスイッチ用電流リード
としたことを特徴とする請求項１記載の冷凍機冷却型超
電導磁石用永久電流スイッチ装置。
【請求項４】前記伝熱部材は、これを熱伝導性のす
ぐれた材料を用いて十分な断面積を有する構成とするこ
とにより、前記永久電流スイッチ本体と前記冷凍機の冷
却ステージとの接続時には互いの間の温度差を最小とす
ることができるようにしたことを特徴とする請求項１記
載の冷凍機冷却型超電導磁石用永久電流スイッチ装置。
【請求項５】前記永久電流スイッチ本体と前記伝熱
部材との間を、良熱伝導性の金属材料による可撓性接続
部材で接続し、この可撓性接続部材の弾性変形範囲内で、前記伝熱部材
の移動を吸収することができるようにしたことを特徴と
する請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁石用永久電流
スイッチ装置。
【請求項６】前記冷凍機は、高温側冷却ステージお
よび低温側冷却ステージを有し、かつ前記伝熱部材は、
前記永久電流スイッチ本体を前記冷凍機の高温側冷却ス
テージおよび低温側冷却ステージに熱的に接離すること
ができることを特徴とする請求項１記載の冷凍機冷却型
超電導磁石用永久電流スイッチ装置。