JPS6174308A

JPS6174308A - 超電導装置

Info

Publication number: JPS6174308A
Application number: JP59196205A
Authority: JP
Inventors: Masami Urata; 昌身浦田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-09-19
Filing date: 1984-09-19
Publication date: 1986-04-16
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH0727815B2

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１．超電導マグネットの常電導転移（クエンチ
）に対する保護機能を備えた超電導装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

周知の如く！Ｂ電導マグネットがクエンチすると、超電
導コイルに蓄えられていた過大な電磁エネルギは、常電
導状態に転移したコイル内で浦費される。このため、超
電導コイルは、エネルギ消費に起因した発熱でその組成
に変化を来たしたり、焼損したりする。

そこで、このような事故を防止するため、超電導装置で
は各種の方法によってコイル保護を図るようにしている
。第７図は、その−例を示すものである。

すなわち、一般に超電導装置は、閉ループを形成する超
電導マグネット二と永久電流スイッチ２とを、例えば液
体ヘリウム槽等の極低温領域Ａ内に収容し、この極低温
領域Ａの外部よりパワーリード３ａ、　３ｂを介して電
源４を超電導マグネット１に接続し得る構成となってい
る。そして、上記超　　、電導マグネット上の保護を図
るため、超電導マグネット二は、複数の単位超電導コイ
ル５ａ、　５ｂに分割され、さらに、上記単位超電導コ
イル５ａ、　５ｂと並列に、それぞれ保護抵抗６ａ、　
６ｂを接続するようにしている。

このような、構成であると、い、ずれか一方の単　゛位
超電導コイル５ａ、　５ｂがクエンチした場合、コイル
に蓄積されたエネルギは、保護抵抗６ａ、　（３ｂで消
費されるので、単位超電導コイル５ａ、　５ｂ内でのエ
ネルギ消費は抑えられ、コイル保護を図ることができる
。

しかしながら、このように構成された従来の超電導装置
にあっては、電源４による励磁および消磁の際に、保護
抵抗６ａ、　６ｂにも電流が流れることになる。したが
って、上記のような保護手段を設けた従業の超電導装置
は、励磁および消磁の際に、保護抵抗６ａ、　６ｂが発
熱し、液体ヘリウムを必要以上に浪費してしまうので、
経済性に劣るという不具合があった。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来の欠点に鑑みなされたものであり
、その目的とするところは、クエンチした場合の超電導
マグネットの保護性能をより確実にし、しかも超電導マ
グネットの励磁および消磁の際の液体ヘリウムの消費を
抑制した経済性に優れた超電導装置を提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明は、複数の単位超電導コイルを直列接続してなる
超電導マグネットの上記各単位超電導コイルに、該単位
超電導コイルに流す電流の向きに対して同一の方向性を
持たせて極低温に冷却された半導体保護回路を並列接続
したことを特徴としている。

すなわち、本発明者は、液体ヘリウム中にある半導体素
子、例えばダイオードの挙動を調査した結果、その順方
向特性が第６図に示す曲線で表わされることを見出した
。すなわち、この図から明らかな如く、極低温に冷却さ
れたダイオードは、その順方向特性における電流が急激
に上昇する電圧Ｖｓ　（以下、「スイッチング電圧」と
呼ぶ）が、１０〜２０Ｖと非常に高く、ざらに一旦導通
すると負性抵抗特性を示して２■程度のオン電圧Ｖｏに
落着く。これは、極低温状態においてはダイオード内の
不純物がほとんど活性化されておらず、キャリアが極端
に少ないためにダイオードの順方向電流が余り増加しな
いこと、および、ダイオードにある程度の電流が流れる
と、ダイオード自体の発熱によってキャリアの急激な増
加をもたらすことに起因すると考えられる。なお、この
ような現象は、他の半導体素子、たとえばサイリスタで
も同様に観測できる。

つまり、本発明は、このような極低温に冷却された半導
体素子に特有な特性に着目してなされたものである。゛〔発明の効果〕上述したように、極低温に冷却された半導体素子は、順
方向に高いスイッチング電圧Ｖｓを有しているので、超
電導マグネットを励磁する際の各単位超電導コイル両端
に生じる電圧が上記スイッチング電圧Ｖｓよりも低くな
るように設定すれば、励磁の際に半導体素子に電流が流
れることがない。

もちろん、単位超電導コイルが常電導転移した場合には
、コイル両端に上記スイッチング電圧よりも高い電圧が
発生するので、これによって半導体素子が導通しコイル
保護機能を発揮する。また、消磁の際には、半導体素子
には逆方向の電圧が印加されるので、この場合にも半導
体素子に電流が流れることはない。

したがって、この発明によれば、クエンチした場合の超
電導マグネットの確実な保護れ能を損うことなく、しか
も超電導マグネットの励磁および消磁の際の液体ヘリウ
ムの消費を抑制し、経済性に優れた超電導装置を提供す
ることができる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照し、本発明の一実施例について説明す
る。なお、第１図乃至第５図において第７図と同一部分
には同一符号を付し、重複する部分の説明は省くことに
する。

第１図は、半導体保護回路にダイオードを用いた実施例
を示す図である。

すなわち、この超電導装置が先に示した従来の超電導装
置と異なる点は、保護抵抗６ａ、　６ｂに換えてダイオ
ード１１ａ　、　１１ｂを付加した点にある。ダイオー
ド１１ａ　、　１１ｂは、単位超電導コイル５ａ、　５
ｂに流す電流の向きを順方向としてこれらコイル５ａ。

５ｂとそれぞれ並列接続されており、コイル５ａ、　５
ｂと共に液体ヘリウム槽なとの極低温領域Ａに設置され
ている。

このような構成の超電導装置を励磁する場合には、超電
導マグネット１の端子１２ａ　、　１２ｂにパワーリー
ド３ａ、　３ｂを介して電源４を接続し、永久電流スイ
ッチ２をオフ状態にして超電導マグネット二に電流を供
給する。この時、供給電流の上昇率は、単位超電導コイ
ル５ａ、　５ｂの各両端電圧が、ダイオード１１ａ　、
　１１ｂのスイッチング電圧Ｖｓを超えないように（例
えば８ｖ程度）設定すれば、ダイオード１１ａ　、　１
１ｂに流れる順方向電流は、無視できる程に小さい。な
お、ダイオード１１ａ　、　１１ｂを複数直列に接続し
てスイッチング電圧Ｖｓを引上げるようにすれば、上記
の電流上昇率をざらに＾く設定することができる。超電
導マグネット二を流れる電流の値が所定の値に達したら
、永久電流スイッチ２をオンする。これによって、単位
超電導コイル５８〜単位超電導コイル５ｂ〜永久電流ス
イッチ３を循環する永久電流が流れる。

超電導状態に至った単位超電導コイル５ａ、　５ｂのう
ち、たとえばコイル５ａが何等かの原因によってクエン
チしたとする。クエンチするとコイル５ａの抵抗が急激
に増加するとともに、超電導マグネット二に蓄積された
電磁エネルギが放出されるが、このエネルギがコイル５
ａのみで消費されるとすれば、コイル５ａの焼損などを
もたらす。ところが、コイル５ａに抵抗値が発生すると
、コイル５ａの両端にはコイル５ａの端子１２ａ側をプ
ラス、コイル５ａのコイル５ｂとの接続側をマイナスと
する電圧が発生する。通常、この電圧はダイオード１１
ａのスイッチング電圧Ｖｓよりも遥かに大きい。したが
って、ダイオード１１ａは、高い順方向電圧が印加され
てオン状態となり、超電導マグネッ１〜二から放出され
たエネルギの消費に寄与することになる。

また、この超電導装置を消磁する場合には、ダイオード
１１ａ　、　１１ｂに逆バイアス電圧が印加されるので
、これらが導通することはない。

このように、本実施例によれば、単位超電導コイル５ａ
、　５ｂの保Ｉｌｌ能を何等損うことなしに、励磁、消
磁の際のヘリウム消Ｒｆｆｉを抑制することができる。

なお、この例の場合、ダイオード１１ａ。

１１ｂをそれぞれ逆方向に接続しても、超電導マグネッ
ト二の両端が短絡している状態では、その回路構成は実
質的に変わらないので上記と同様の機能を発揮する。但
し、この場合には、コイル５ａ（５ｂ）がクエンチする
とダイオード１１ｂ　　（１１ａ　）に電流が流れる。

ところで、ダイオード１１ａ　、　Ｉｌｂのオン電圧は
、２Ｖ程度である。この程度の電圧ではクエンチから保
護動作の完了時までにかなりの時間を要する場合もある
。このような場合には、第２図に示すように、各ダイオ
ード１１ａ　、　１１ｂと直列に保護抵抗１３ａ　、　
１３ｂをそれぞれ接続し、半導体保護回路の抵抗値を高
めて回路の時定数を減少させるようにすれば良い。

また、半導体保護回路にダイオード１１ａ　、　１１ｂ
を用いずに、第３図に示すようなサイリスタ１４ａ。

１４ｂを用いるようにしても良い。この場合には、サイ
リスタ１４ａ　、　１４ｂのゲート端子を、それぞれ対
応する単位超電導コイル１５ａ　、　１５ｂの中間タッ
プに接続し、クエンチした際にコイル５ａ、　５１）に
、発生する電圧によってゲートトリガを与えるようにす
れば良い。

第４図は（ａ）〜（ｄ）は、本発明の更に別の変形例を
示したものである。

まず、同図（’ａ＞は、第１図におけるダイオード１１
ａと単位超電導コイル５ｂとを熱的に結合させるととも
に、ダイオード１１ｂと単位超電導コイル５ａとを熱的
に結合させるようにしたものである。

すなわち、例えばコイル５ａがクエンチすると、超電導
マグネット上に蓄積されたエネルギは、コイル５ａとダ
イオード１１ａとで集中的に消費されるため、コイル５
ａおよびダイオード１１ａでの発熱ｍが大きい。ところ
が、上記のような構成であると、コイル５ａがクエンチ
するとダイオード１１ａに流れる電流によってダイオー
ド１１ａが発熱し、これと熱的に結合されたコイル５ｂ
をも直ちにクエンチさせることになるので、超電導マグ
ネット二のエネルキハ、タイｔ−ト１１ａ’、　１１ｂ
　、　：Ｂル５ａ、　５ｂに分散されて消費される。し
たがって、各ダイオード１１ａ　、　１１ｂおよびコイ
ル５ａ、　５ｂの負担は軽減されることになる。

なお、上記の実施例では、ダイオード１１ａ。

１１ｂと、コイル５ａ、　５ｂとを直接熱的に結合させ
るようにしたが、例えば同図（ｂ）に示すように、ダイ
オード１１ａ　、　１１ｂの共通接続点Ｐと、コイル５
ａ、　５ｂの共通接続点Ｑとの間に直列に保護抵抗１５
ａ　、　１５ｂを接続し、これら保護抵抗１５ａ　、　
１５ｂとコイル５ａ、　５ｂとを熱的に結合させるよう
にしてもよい。また、同図（Ｃ）に示すように、第２図
の回路の保護抵抗１３ａとコイル５ｂとを、また同保護
抵抗１３ｂとコイル５ａとをそれぞれ熱的結合させるよ
うにしても良い。さらには、第４図（ｄ）に示すように
、第３図に示したサイリスタ１４ａ。

１４ｂをそれぞれコイル５ｂ、　５ａと熱的結合させる
ようにしても良い。

また、本発明は、上述した実施例に限定されず、たとえ
ば第５図に示すように、永久電流スイッチ２と並列にダ
イオード１６を接続し、永久電流スイッチ２がクエンチ
した場合の保Ｅ１ｍ能を付加した超電導装置に適用する
こともできる。

また、本発明は、３つ以上の単位超電導コイルを直列接
続して超電導マグネット二を構成した装置にも適用でき
ることはもとより、複数の中間タップを有する１つのコ
イルからなる超電導マグネット上を備えた装置にも遠用
可能である。

要するに本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変
更して実施することができる。

【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構成を示
す回路図、第２図乃至第５図は本発明の他の実施例をそ
れぞ蛛示す回路図、第６図は本発明の主要部をなす半導
体保護回路の特性を示す特性図、第７図は従来の超電導
装置を示す回路図である。工・・・超電導マグネット、２・・・永久電流スイッチ
、３ａ、　３ｂ・・・パワーリード、４・・・電源、５
ａ１５ｂ・・・単位超電導コイル、６ａ、　６ｂ、　１
３ａ　、　１３ｂ　、　１５ａ　、、　１５ｂ・・・保
護抵抗、１１ａ　、　１１ｂ　、　１６−・・ダイオー
ド、１４ａ。１４ｂ・・・サイリスタ。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第２図第３図第４図（ａ）　　　　　　　　　　　　　（ｂ）（ｃ）　　　
　　　　　　　　　　　（ｄ）第５図第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数の単位超電導コイルを直列接続してなる超電
導マグネットと、前記単位超電導コイルに流す電流の向
きに対して同一の方向性を持たせて上記単位超電導コイ
ルにそれぞれ並列接続されるとともに極低温に冷却され
た半導体保護回路とを具備してなることを特徴とする超
電導装置。
（２）前記超電導マグネットは、１つ以上の中間端子を
備えた１つの超電導コイルからなり、前記単位超電導コ
イルは、上記中間端子によって分割された上記超電導コ
イルの分割体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）前記半導体保護回路は、ダイオードを備えたもの
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）前記半導体保護回路は、サイリスタを備えたもの
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。
（５）、前記半導体保護回路は、ダイオードと抵抗器と
を直列接続してなるもの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。
（６）前記半導体保護回路は、サイリスタと抵抗器とを
直列接続してなるもの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。
（７）前記半導体保護回路は、それと並列接続された単
位超電導コイルを除く他の単位超電導コイルと、熱的に
接続されたもの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。