JPS60253203A - 超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、超電導磁石装置に係り、特に、超電導磁石本
体を超流動ヘリウムで冷却するようにした超電導磁石装
置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

超電導磁石本体を超流動ヘリウムで冷却するようにした
超電導磁石装置は、一般に、超流動ヘリウム槽と、この
超流動ヘリウム槽に隣接して設けられた常流動ヘリウム
槽と、この常流動ヘリウム槽内と前記超流動ヘリウム槽
内とを連絡させる連絡路と、前記超流動ヘリウム槽内に
この槽内の超流動ヘリウムに浸漬される関係に収容され
た超電導磁石本体と、この超電導１！石本体の両線端を
前記連絡路内および前記常流動ヘリウム槽内を介して外
部へ導くとともに少なくとも上記連絡路内を通る部分が
安定化材と超電導体とで構成される超電導線で形成され
た一対の電流リード線と、前記連絡路内に充填され前記
常流動ヘリウム槽と前記超流動ヘリウム槽との間でのヘ
リウムの移動を阻止する充填材と、前記常流動ヘリウム
槽内の液体ヘリウムを用いて前記超流動ヘリウム槽内の
液体ヘリウムを超流動温度まで冷し込む冷却系とで構成
されている。超電導磁石本体を励磁するための前記電流
リード線としては、通常、常流動ヘリウム槽から室温部
への取出し部分に銅線が使用され、また、液体ヘリウム
中おＪ：び超電導転移温度以下の温度領域部分にジュー
ル損失を抑える意味から超電導線が使用され、さらに前
記連絡路内に位置する部分に安定化材と超電導体とで構
成される超電導線が使用されている。そして、上記安定
化材としては、銅あるいは超流動ヘリウム槽内への熱侵
入を極力抑える意味からキュプロニッケルが使用されて
いる。さらに、前記充填材としては、この充填材を介し
ての熱侵入を抑えるためにエポキシ樹脂等が使用されて
いる。

しかしながら、上記のように構成された従来の超電導磁
石装置にあっては次のような閤題があった。すなわち、
超電導磁石本体を励磁しているときに超電導磁石本体が
クエンチしたときには、通常、励磁電源を切り離すとと
もに前記電流リード線の室温部に位置している部分を保
護抵抗を介して短絡し、これによって超電導磁石本体に
蓄えられていたエネルギーを放出させ消滅させる方式が
採用されている。このような方式でクエンチ時にエネル
ギーを消滅させた場合、従来の装置では電流リード線、
特に、この電流リード線の前述した連絡路内に位置する
部分が焼損する虞れが多分にあった。すなわち、超電導
磁石本体で発生した常電導転移部が電流リード線に伝播
し、特に、前述した連絡路内に位置した部分まで伝播し
た場合には、超電導線の抵抗値が安定化材のそれよりは
るかに大きくなるので、電流が安定化材を流れることに
なる。今、安定化材がキュプロニッケルで構成されてい
るものとすると、キュプロニッケルは比較的固有抵抗が
大きいので、この安定化材に多」のジュール熱が発生す
る。これに加えて、この部分の安定化材は前述した充填
材で囲まれているので冷却が極度に悪い。このため、連
絡路内において電流リード線が焼損する危険性が多分に
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、超電導磁石本体を収容した超流
動ヘリウム槽に隣接させて常流動ヘリウム槽を配置する
とともに上記超電導磁石本体の両線端を上記超流動ヘリ
ウム槽と上記常流動ヘリウム槽との間に設けられた連絡
路内および上記常流動ヘリウム槽内を介して外部に導き
、少なくとも上記連絡路内に位置する部分が安定化材の
添加された超電導線で形成されてなる一対の電流リード
線を設け、さらに上記連絡路内に充填材を充填してなる
ものにおいて、超電導磁石本体がクエンチしたときに電
流リード線が焼損するのを確実に防止できる超電導磁石
装置を提供することに５− ある。

〔発明の概要〕

本発明に係る超電導磁石装置は、超流動ヘリウム槽内に
位置する超電導磁石本体と電流リード線とからなる回路
と並列に、励磁電源の極性との関連において保護用のダ
イオードを接続したことを特徴としている。

〔発明の効果〕

上記構成であると、超電導磁石本体の励磁中に、上記本
体にクエンチが発生すると、まず、励磁電源が遮断され
るとともに電流リード線の室温部に位置している部分が
短絡される。このため、超電導磁石本体に蓄えられてい
るエネルギーが電流リード線の短絡点を経由する経路で
放出されようとする。このとき、超電導磁石本体で発生
した常電導転移部分が電流リード線の前述した連絡路内
に位置する部分まで伝播すると、この部分の超電導線が
常電導状態となり、この結果、電流は安定化材を介して
流れようとする。安定化材は固有抵抗値が比較的大きい
ので、上記のように電流が流れ６− ると電圧降下が発生する。このため、ダイオードの両端
電圧が上昇し、以後電流のほとんどは外部の短絡点を経
由することなくダイオードを介して流れる。したがって
、超電導磁石本体に蓄積されたエネルギのほとんどが超
流動ヘリウム槽内で消費されることになり、結局、電流
リード線の焼損を防止することができる。そして、この
場合には、ダイオードを１つ付加するだけで上述した効
果が得られるので、構成の複雑化を招くようなこともな
い。

〔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。

図は本発明の一実施例に係る超電導磁石装置を模式的に
示すもので、この超電導磁石装置は、大きく別けて、ヘ
リウム槽１と、このヘリウム槽１内に収容された超電導
磁石本体２と、この本体２を励磁する励磁電源系３と、
超流動ヘリウムを生成するための冷却系４とで構成され
ている。

ヘリウム槽１は、外槽１１と、この外槽１１内の下方に
収容された超流動ヘリウム槽１２と、この超流動ヘリウ
ム槽１２より上方に収容された常流動ヘリウム槽１３と
で構成されている。そして、常流動ヘリウム槽１３と超
流動ヘリウム槽１２とは連絡連絡管１４および連絡管１
５によって連絡されている。なお、連Ｍ管１５は、当初
、超流動ヘリウム槽１２内にヘリウムを導入するときに
使用されるもので、その入口には常時は閉じられるバル
ブ１６が設けられている。

前記超電導磁石本体２は、超電導線を巻回して形成され
たもので、超流動ヘリウム槽１２内の液体ヘリウムＹに
浸漬される関係に収容され、図示しない断熱支持材を介
して固定されている。

前記励磁電源系３は、前記超電導磁石本体２の両線端を
、前記連絡管１４内、常流動ヘリウム槽１３内を通し、
さらに常流動ヘリウム槽１３の上壁に設けられた案内管
部１７を気密に貫通して室温部に導く一対の電流リード
線１８ａ、１８ｂど、この電流リード線１８ａ、１８ｂ
の室）Ｂ部に位置する端部間に直列に接続された電流１
１９、スイッチ２０および電流変化率検出器２１と、上
記直列回路と並列に接続されたスイッチ２２と、電流リ
ード線１８ａ、１８ｂ闇で、かつ前記超流動ヘリウム槽
１２内に位置する部分に接続されたダイオード２３とで
構成されている。前記電流リード線１８ａ１１８ｂは、
常流動ヘリウム槽１３内の底部近傍に位置する部分、つ
まり図中Ａ、Ｂで示す位置から超電導磁石本体２までの
間が超電導線、たとえばキュプロニッケルを安定化材と
する超電導線で形成されており、常流動ヘリウム槽１３
内に収容された液体ヘリウムＸの液面よりやや下方位置
、つまり図中Ｃ，Ｄで示す位置から前記Ａ、Ｂ位置まで
の間が首通の超電導線で形成されており、ざらにＣ，Ｄ
位置から室温部までの間が銅線で形成されている。そし
て、連絡管１４内には、この連絡管１４を通して常流動
ヘリウム槽１３内と超流動ヘリウム槽１２内とが流体的
に通じるのを阻止するためにエポキシ樹脂等の充填材２
４が充填されている。前記電流源１９は、図示極性の直
流出力電流を一定の変化率で所望レベルまで増９− 加あるいは減少させるように構成されている。また、前
記電流変化率検出器１２は、電流増加時あるいは電流減
少時に、電流リード線１８ａ、１８ｂを介して超電導磁
石本体２に流れる電流の変化率が、前記電流８１１９で
設定された変化率を中心にして所定幅内に入らないとき
出力信号を送出するように構成されている。そして、上
記出力信号は、前記スイッチ２０の遮断制御指令に供さ
れるとともに前記スイッチ２２の投入制御指令に供され
ている。

一方、前記冷却系４は次のように構成されている。すな
わち、ＪＴ熱交換器３１の一次側の一端を前記常流動ヘ
リウム槽１３の側壁を気密に貫通させて常流動ヘリウム
槽１３内に位置させるとともに他端をジュールトムソン
弁３２（以後、ＪＴ弁と称す）を介して超流動ヘリウム
槽１２内に配置された主熱交換器３３の一端に接続して
いる。

そして、主熱交換器３３の他端をＪＴ熱交換器３１の二
次側を介して真空ポンプ３４の吸込み口に接続し、この
真空ポンプ３４の吐出口を圧縮ｌ１３１０− ５、冷凍機３６を介して常流動ヘリウム層１３に設けら
れた液体ヘリウム導入口３７に接続したものとなってい
る。

次に、上記のように構成された装置の動作を説明する。

まず、超流動ヘリウム槽１２内の液体ヘリウムＹを超流
動温度まで冷し込む必要があるが、これは次のようにし
て行われる。すなわち、真空ポンプ３４、圧縮機３５お
よび冷凍ｖａ３６を動作状態とする。真空ポンプ３４の
動作によって、常流動ヘリウム槽１３内の４．２にの液
体ヘリウムの一部がＪＴ熱交換器３１の一次側、ＪＴ弁
３２、主熱交換器３３、ＪＴ熱交換器３１の二次側の経
路で流れる。真空ポンプ３４によって、主熱交換器３３
内が常流動ヘリウム槽１３内の温度より低い温度に対応
する飽和蒸気圧に排気されているものとすると、常流動
ヘリウム槽１３内を出た液体ヘリウムは、ＪＴ熱交換器
３１の一次側を通る間に、たとえば２．２Ｋまで予冷さ
れ、続いてＪＴ弁３２でＪＴ膨張してガスと液とになる
。この液が主熱交換器３３内を通る間に蒸発し、これに
よって超流動ヘリウム槽１２内の液体ヘリウムＹが超流
動温度まで冷却される。

超流動ヘリウム槽１２内の液体ヘリウムＹが超流動温度
まで冷却された時点で、超電導磁石本体２を励磁するの
であるが、これは次のようにして行われる。すなわち、
まず、スイッチ２０を投入する。次に、電流源１９から
出力の送出を開始させる。電流源１９は、予め定められ
た一定の増加率で出力電流を増加させる。したがって、
超電導磁石本体２に流れる電流も徐々に増加する。そし
て、予め定められたレベルまで増加した時点で、電流８
！１９の出力電流が安定し、超電導磁石として使用でき
る状態になる。

ところで、電流を増加させている状態のとき超電導磁石
本体２にクエンチが発生すると次のように動作する。す
なわち、クエンチが発生すると、超電導磁石本体２の抵
抗値が増加するので、電流増加率が急激に変化する。こ
の変化は電流変化率検出器２１によって検出される。そ
して、電流変化率が予め定められた値を中心にして所定
幅に入らないときに電流変化率検出器２１から出力信号
が送出される。このように、出力信号が送出されると、
スイッチ２０がオフ、スイッチ２２がオンに制御される
。こうなると、今まで超電導磁石本体２に蓄えられてい
たエネルギーは、超電導磁石本体２〜電流リ一ド線１８
ａ〜スイツチ２２〜電流リード線１８ｂ〜超電導磁石本
体２の経路で放出され消費される。このとき、超電導磁
石本体２に発生した常電導転移部分が電流リード線１８
ａ１１８ｂの連絡管１４内に位置する部分まで伝播した
場合には次のような経路で放出される。すなわち、連絡
管１４内に位置する部分が常電導に転移すると、ダイオ
ード２３の両端からみた電流リード線１８ａ、１８ｂの
抵抗値が非常に大きくなる。

このため、電流のほとんどは、以後、超電導磁石本体２
〜ダイオ一ド２３〜超電導磁石本体２の経路で流れ、エ
ネルギーのほとんどが超流動ヘリウム槽１２内で消費さ
れる。したがって、超電導磁石本体２の励磁時に、この
本体２がクエンチし、１３− その常電導転移部分が電流リード線１８ａ、１８ｂの連
絡管１４内に位置する部分まで伝播した場合であっても
、電流リード線１８ａ、１８ｂの焼損を確実に防止する
ことができ、結局、前述した効果が得られることになる
。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く種々変形することができる。たとえば、冷却系の一部
を構成するＪＴ熱交換器を常流動ヘリウム槽１３内に配
置するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例に係る超電導磁石装置を示す模式
的構成図である。 １・・・ヘリウム槽、２・・・超電導磁石本体、３・・
・励磁電源系、４・・・冷却系、１２・・・超流動ヘリ
ウム槽、１３・・・常流動ヘリウム槽、１４・・・連絡
管、１８ａ、１８ｂ・・・電流リード線、２３・・・ダ
イオード、２４・・・充填材。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 １４−

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）超流動ヘリウム槽と、この超流動ヘリウム槽に隣
   接して設けられた常流動ヘリウム槽と、この常流動ヘリ
   ウム槽内と前記超流動ヘリウム槽内とを連絡させる連絡
   路と、前記超流動ヘリウム槽内にこの槽内の超流動ヘリ
   ウムに浸漬される関係に収容された超電導磁石本体と、
   この超電導磁石本体の両線端を前記連絡路内および前記
   常流動ヘリウム槽内を介して外部へ導くとともに少なく
   とも上記連絡路内を通る部分が超電導線で形成された一
   対の電流リード線と、前記連絡路内に充填され前記常流
   動ヘリウム槽と前記超流動ヘリウム槽との間でのヘリウ
   ムの移動を阻止する充填材とを備えてなる超電導磁石装
   置において、前記超流動ヘリウム槽内に位置する前記超
   電導磁石本体と前記電流リード線とからなる回路と並列
   にダイオードを接続してなることを特徴とする超電導磁
   石装置。
2. （２）前記超電導線の安定化材は、キュプロニッケルで
   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
   導磁石装置。
3. （３）前記充填材は、エポキシ樹脂であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の超電導磁石装置。