KR20120013427A - 냉동기 냉각형 초전도 자석 - Google Patents

냉동기 냉각형 초전도 자석 Download PDF

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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

영구 전류 모드 운전 시의 자장 감쇠를 방지하고, 영구 전류 스위치와 초전도 코일의 연결부에 있어서의 발열을 억제하고, 전류 공급 모드의 초전도 코일 냉각 온도의 상승을 최저한으로 억제한다. 본 발명의 냉동기 냉각형 초전도 자석은, 초전도 코일(2)과, 영구 전류 모드와 전류 공급 모드를 전환하는 영구 전류 스위치(1)와, 초전도 코일(2), 영구 전류 스위치(1)를 각각 냉각시키는 제1ㆍ제2 극저온 냉동기(3, 4)와, 초전도 코일(2)과, 영구 전류 스위치(1) 및 제1ㆍ제2 극저온 냉동기(3, 4)의 냉각 스테이지(31, 32, 41, 42)를 저장하는 진공 용기(10)를 구비하는 냉동기 냉각형 초전도 자석(J)이며, 초전도 코일(2)과 영구 전류 스위치(1)를 연결하는 초전도선(5)과, 초전도선(5)과 병렬로 길이 방향을 따라 전기적으로 결합되는 초전도 바이패스선(6)을 구비하고, 초전도 바이패스선(6)의 초전도 임계 온도는, 영구 전류 스위치(1)의 초전도 임계 온도보다도 높다.

Description

냉동기 냉각형 초전도 자석 {REFRIGERATOR COOLING-TYPE SUPERCONDUCTING MAGNET}
본 발명은 냉동기에 의해 초전도 임계 온도 이하로 냉각된 상태에서 사용되는 냉동기 냉각형 초전도 자석에 관한 것이다.
최근 강자장 환경을 이용한 분석 장치의 응용이 왕성하게 행해지고 있다. 예를 들어, 의료 분야에서는 수소 원자의 원자핵에 자기공명을 일으켰을 때에 발생하는 전자파로 체내의 모습을 비추는 자기 공명 이미징(Magnetic Resonance Imaging : MRI)이 있고, 자장 강도 3테슬라를 초과하는 제품이 이미 시판화되어, 높은 해상도와 고속 검사를 가능하게 하고 있다. 또한, 바이오 관계에서는 핵 자기 공명(Nuclear Magnetic Resonance : NMR)을 이용한 분광 시스템에 있어서, 수소 원자의 공명 주파수가 1㎓를 초과하는 강자장 NMR 시스템이 개발되어 있다.
초전도를 응용하는 한, 전기 저항이 제로로 되는 초전도 임계 온도 이하의 환경을 실현해야 한다. 일반적으로는, 초전도 임계 온도 이하의 환경을 실현하기 위해 액체 헬륨이 사용되고 있지만, 헬륨은 유한한 천연 자원으로, 장래 고갈될 가능성이 지적되고 있다. 현재, 액체 헬륨으로 냉각되어 초전도재의 코일을 사용하는 초전도 자석은 의료나 분석의 분야에서 필요 불가결하게 되어 있어, 액체 헬륨의 사용이 곤란해졌을 경우에는 다양한 문제가 발생할 것으로 생각된다.
따라서 액체 헬륨을 이용하지 않고 초전도 임계 온도 이하의 환경을 실현하기 위해, 극저온 냉동기를 사용한 냉각 시스템이 개발되어 있다. 극저온 냉동기의 내부에도 가압된 헬륨 가스가 사용되지만, 양으로는 약간이고, 또한 밀폐된 상태에서 사용되므로, 외기로 방출하지 않는 한 감소하는 일은 없다.
혹은, 극저온 냉동기와 액체 헬륨을 양쪽 모두 사용하는 경우도 있다. 이 경우, 증발한 헬륨 가스를 극저온 냉동기가 재응축함으로써, 액체 헬륨의 외부로의 방출을 제로로 한 구조이다. 그러나 여자 시에 켄치가 발생한 경우에는 저장된 액체 헬륨이 대량으로 증발하므로, 액체 헬륨의 공급이 제한된 경우에는, 초전도 임계 온도 이하의 환경의 실현이 곤란해진다.
그러나 초전도 코일에 통전 가능한 전류값(임계 전류값)은 냉각 온도에 의존하여, 냉각 온도가 높아질수록, 임계 전류값은 작아진다. 높은 자장을 발생시키기 위해서는 대전류를 공급할 필요가 있어, 초전도 코일의 온도를 가능한 한 낮게 해야 한다.
액체 헬륨을 사용하는 경우에는, 초전도 코일은 액체 헬륨 온도(절대 온도 4.2K)로 유지되어 있었다. 그러나 극저온 냉동기를 냉각원으로 한 경우, 초전도 코일의 냉각 온도는 극저온 냉동기의 성능에 의해 좌우된다. 예를 들어, 극저온 냉동기가 받는 열부하가 커지면, 극저온 냉동기의 냉각 도달 온도가 상승한다. 따라서 초전도 코일의 온도를 낮게 하기 위해서는, 초전도 코일 및 극저온 냉동기가 받는 열부하를 작게 할 필요가 있다.
MRI나 NMR에서는, 극히 높은 자장 안정성이 요구되고 있다. 외부로부터 전류를 공급하는 경우(전류 공급 모드)는, 공급되는 전류 자체가 어느 정도의 불안정성을 가지므로, 전류 공급 모드는 MRI나 NMR에는 적용 곤란하다.
그로 인해, MRI나 NMR용 초전도 자석은, 일반적으로 영구 전류 모드로 운전되고 있다. 영구 전류 모드라 함은, 외부로부터 인가한 전류가 초전도 재료로 만들어진 폐쇄 루프를 계속해서 도는 상태로, 외부로부터의 전류 공급이 불필요하다.
초전도 재료로 만들어진 폐쇄 루프는 전기 저항이 극히 작아, 에너지 손실이 근소하여 폐쇄 루프를 흐르는 전류의 감쇠가 극히 작다. 그로 인해, MRI나 NMR과 같이 검사 공간에 있어서의 높은 자장 안정도가 요구되는 시스템에서는, 이 초전도 재료로 만들어진 폐쇄 루프의 전기 저항을 허용값 이하로 억제할 필요가 있다.
구체적으로는, 100년 동안에 자계의 감소가 1％ 이하일 필요가 있고, 초전도선의 전기 저항이 없을 뿐만 아니라, 초전도 접속부의 전기 저항을 1나노Ω 이하로 억제할 필요가 있다. NbTi(니오브 티탄)이나 Nb3Sn(니오브 셀렌) 등의 금속계 초전도 재료에서는, 초전도선끼리를 결합하는 부분의 접속 방법이 확립되어 있어, 접합부를 포함시켜도 폐쇄 루프의 전기 저항을 허용 범위 내로 억제할 수 있다. 한편, 고온 초전도체에서는 접합부의 초전도 접속이 확립되어 있지 않아, 고온 초전도체를 포함하는 폐쇄 루프에서는 MRI나 NMR에 사용 가능한 만큼의 전기 저항으로 억제하는 것이 곤란하다(비특허 문헌 1 참조).
여기서, 영구 전류 모드에 의한 운전이 가능한 초전도 자석에서는, 외부의 직류 전원으로부터 초전도 코일로 전류를 공급하기 위해, 영구 전류 모드와 전류 공급 모드를 전환하기 위한 영구 전류 스위치의 전환이 필요해진다.
영구 전류 스위치는 초전도 재료로 만들어진 소자이다. 전류 공급 모드에서는 영구 전류 스위치는 초전도 임계 온도 이상으로 가열되어, 상전도 상태로 된다. 상전도 상태의 영구 전류 스위치의 전기 저항은 초전도 코일의 전기 저항보다도 크므로, 외부의 직류 전원으로부터 공급된 전류는, 전기 저항이 작은 초전도 코일에 흐른다. 그로 인해, 외부의 직류 전원의 전류값을 조작함으로써, 초전도 코일에 흐르는 전류량을 정할 수 있다. 임의의 전류량이 공급된 후, 영구 전류 스위치를 초전도 임계 온도 이하로 냉각시켜 초전도화하면, 초전도로 만들어진 폐쇄 루프가 완성되고, 초전도 코일을 흐르는 전류는 전기 저항이 제로이므로, 감쇠하는 일 없이 계속 흐른다.
그러나 전류 공급 모드에서는, 영구 전류 스위치는 초전도 임계 온도 이상으로 유지되어 있어, 초전도 임계 온도 이하로 냉각된 초전도 코일로의 가열원으로 된다. 즉, 전류 공급 모드에서는 영구 전류 스위치가 열원으로 되므로, 영구 전류 스위치의 열이 초전도 코일로 전파되어, 초전도 코일로의 열부하가 커져, 초전도 코일의 냉각원인 극저온 냉동기의 도달 온도가 상승한다. 그로 인해, 임계 전류값이 저하되어, 낮은 자장밖에 발생할 수 없게 된다.
초전도 코일과 영구 전류 스위치를 연결하는 초전도선은, 일부라도 상전도 상태로 천이되면, 상전도화한 부분에 유의한 전기 저항이 발생하고, 이 부분을 통과하는 전류에 의해 발열한다. 강자장을 발생시키기 위해 공급하는 전류량이 크므로, 상전도 천이된 부분에서의 발열량도 커져, 이것을 냉각시키기 위한 냉각체가 필요해진다.
초전도 자석을 액체 헬륨으로 냉각시키는 경우에는, 초전도선의 주위의 액체 헬륨이 냉각체로 되고, 액체 헬륨이 증발함으로써 열을 방출하고 있었다. 그러나 액체 헬륨을 사용하지 않는 극저온 냉동기에 의한 냉각 구조를 갖는 초전도 자석에서는, 초전도선의 주위는 진공 상태이므로, 냉각원과 열적으로 접촉한 냉각체를 설치하지 않으면 초전도선을 냉각시킬 수 없다.
냉각체는 초전도 코일 또는 영구 전류 스위치, 혹은 초전도 코일 및 영구 전류 스위치의 양쪽과 열적으로 결합하여 냉각되어 있다. 초전도 코일 또는 영구 전류 스위치 중 어느 하나에 접촉하고 있지 않은 부분이 발생하면, 그 부분에서 큰 발열이 발생하므로, 초전도 코일과 영구 전류 스위치의 양쪽을 걸치는 형태로 설치되는 것이 일반적이다.
전류 공급 모드에서는 초전도 임계 온도 이상으로 가열된 영구 전류 스위치로부터 초전도 임계 온도 이하로 냉각된 초전도 코일로 냉각체가 직접 접속되므로, 냉각체를 통해 영구 전류 스위치로부터 초전도 코일로 전달되는 열전도가, 초전도 코일의 초전도 상태를 유지하는 데 있어서 큰 문제로 된다.
초전도 코일과 영구 전류 스위치를 연결하는 초전도선을 냉각시키는 냉각체에 필요한 냉각 능력은, 초전도선의 발열을 냉각시키는 능력이 대부분을 차지하고 있어, 초전도선의 발열량을 작게 할 수 있으면, 냉각체를 통해 냉각원으로 전달되는 열량이 작아지므로, 냉각체의 전열 면적을 작게 하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 전류 공급 모드에 있어서 영구 전류 스위치로부터 초전도 코일로 전달되는 열전도를 작게 할 수 있다.
따라서 영구 전류 스위치와 초전도 코일 사이의 열전도를 억제하는 방법으로서, 영구 전류 스위치와 초전도 코일 사이에, 영구 전류 스위치보다도 초전도 임계 온도가 높은 재료로 제작한 초전도체를 설치하는 방법이 제안되어 있다.
이 구조에 따르면, 영구 전류 스위치가 초전도 임계 온도 이상으로 가열된 상태에서도, 영구 전류 스위치와 초전도 코일을 연결하는 고온 초전도체는 초전도 상태를 유지할 수 있으므로 발열은 발생하지 않는다.
또한, 고온 초전도체에 열전도율이 구리보다도 2자릿수 정도 작은 이트륨계 초전도체를 적용함으로써, 초전도 코일과 영구 전류 스위치 사이의 열저항을 크게 하고 있다.
또한, 초전도 코일에 고온 초전도체를 사용함으로써, 영구 전류 스위치의 동작에 관계없이 안정된 운전을 가능하게 하고 있다(특허 문헌 1 참조).
일본 특허 출원 공개 제2003-151821호 공보
재단 법인 국제 초전도 산업 기술 연구 센터 저, 「초전도 Web 21」2009년 1월호 발행자 재단 법인 국제 초전도 산업 기술 연구 센터 초전도 Web 21 편집국
그런데 영구 전류 스위치와 초전도 코일을 접속하는 초전도선의 발열을 방지하기 위해서는, 초전도선의 발열을 냉각원으로 전달하기 위한 냉각체가 필요해진다.
그러나 초전도 임계 온도 이상으로 가열된 영구 전류 스위치로부터 냉각체를 통해 초전도 코일로 전달되는 열전도가 발생하여, 초전도 코일의 열부하가 커지므로, 극저온 냉동기의 냉각 온도가 상승하고, 초전도 코일 온도도 상승한다. 이에 의해, 초전도 코일의 임계 전류값이 감소하여, 고자장 발생을 위해 필요한 전류를 공급할 수 없다고 하는 문제가 있다.
특허 문헌 1에서 서술되어 있는 바와 같이, 영구 전류 스위치와 초전도 코일을 연결하는 초전도선의 재질을 영구 전류 스위치보다도 초전도 임계 온도가 높은 고온 초전도체로 하는 것은, 발열을 억제하는 데 있어서 유효하다.
그러나 초전도 코일과 영구 전류 스위치 사이에 고온 초전도체를 설치하기 위해서는, 적어도 2개소의 초전도 접속부가 필요해진다.
전술한 바와 같이, 고온 초전도체의 초전도 접속부에 있어서의 전기 저항은, 금속계 초전도의 초전도 접속에 있어서의 전기 저항보다도 크고, 초전도 재료로 구성된 폐쇄 루프의 도중에 고온 초전도체를 접속한 초전도 자석에서는, 영구 전류 모드에 있어서 유의한 자장 감쇠가 발생하게 된다. 그로 인해, NMR이나 MRI 등의 높은 자장 안정도가 필요한 기기에 대해 사용할 수 없다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 실상을 감안하여, 영구 전류 모드 운전 시의 자장 감쇠를 방지하는 동시에, 영구 전류 스위치와 초전도 코일의 연결부에 있어서의 발열을 억제하고, 전류 공급 모드에 있어서의 초전도 코일 냉각 온도의 상승을 최저한으로 억제하는 냉동기 냉각형 초전도 자석을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 청구의 범위 제1항에 관계되는 냉동기 냉각형 초전도 자석은, 자장을 발생시키는 초전도 코일과, 초전도 재료의 초전도 임계 온도를 이용하여 상기 초전도 코일로 외부 전원으로부터 전류를 공급하지 않는 영구 전류 모드와 전류를 공급하는 전류 공급 모드를 전환하는 영구 전류 스위치와, 상기 초전도 코일을 냉각시키는 제1 극저온 냉동기와, 상기 영구 전류 스위치를 냉각시키는 별도의 제2 극저온 냉동기와, 상기 초전도 코일 및 상기 영구 전류 스위치 및 상기 제1ㆍ제2 극저온 냉동기의 냉각 스테이지를 진공 상태에서 내부에 저장하는 진공 용기를 구비하는 냉동기 냉각형 초전도 자석이며, 상기 초전도 코일과 상기 영구 전류 스위치를 연결하는 초전도선과, 상기 초전도선과 병렬로 설치되어 길이 방향을 따라 전기적으로 결합되는 적어도 1개의 초전도 바이패스선을 구비하고, 상기 초전도 바이패스선의 초전도 임계 온도는, 상기 영구 전류 스위치의 초전도 임계 온도보다도 높은 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 청구의 범위 제1항에 관계되는 냉동기 냉각형 초전도 자석에 따르면, 영구 전류 모드 운전 시의 자장 감쇠를 방지하는 동시에, 영구 전류 스위치와 초전도 코일의 연결부에 있어서의 발열을 억제하고, 전류 공급 모드에 있어서의 초전도 코일 냉각 온도의 상승을 최저한으로 억제하는 냉동기 냉각형 초전도 자석을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태의 냉동기 냉각 초전도 자석의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2는 실시 형태의 냉동기 냉각 초전도 자석의 전류 공급 모드에 있어서의 전류 회로 및 냉각 구조를 도시하는 간략 개념도이다.
도 3은 실시 형태의 냉동기 냉각 초전도 자석의 영구 전류 모드에 있어서의 전류 회로 및 냉각 구조를 도시하는 간략 개념도이다.
도 4는 실시 형태의 초전도선과 초전도 바이패스선의 접속부를 도시하는 도 3의 A-A선 단면도이다.
도 5는 제1 변형 형태의 초전도선과 초전도 바이패스선의 접속부에 있어서의 도 3의 A-A선 단면도이다.
도 6은 제2 변형 형태의 초전도선과 초전도 바이패스선의 접속부에 있어서의 도 3의 A-A선 단면도이다.
도 7은 제3 변형 형태의 초전도선과 초전도 바이패스선의 접속부에 있어서의 도 3의 A-A선 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 대표적인 실시 형태인 냉동기 냉각 초전도 자석(J)의 구조를 도시하는 단면도이다.
〈냉동기 냉각 초전도 자석(J)의 전체 구성〉
실시 형태의 냉동기 냉각 초전도 자석(J)은, 전류가 흘러 자력을 발생시키는 초전도 코일(2)과, 초전도 코일(2)에 전류를 공급하기 위한 외부 직류 전원(100)과, 외부 직류 전원(100)과 초전도 코일(2)을 연결하는 전류 리드(9)와, 외부 직류 전원(100)으로부터 초전도 코일(2)로 전류를 공급하는 전류 공급 모드와 전류를 공급하지 않는 영구 전류 모드의 전환을 행하는 영구 전류 스위치(1)와, 초전도 코일(2)을 초전도 임계 온도 이하로 냉각시키는 극저온 냉동기(3)와, 영구 전류 스위치(1)를 초전도 임계 온도 이하로 냉각시키는 극저온 냉동기(4)와, 초전도 임계 온도 이하로 냉각되는 초전도 코일(2)의 주위에 설치되는 복사 실드(7)와, 초전도 임계 온도 이하로 냉각되는 영구 전류 스위치(1)의 주위에 설치되는 복사 실드(8)와, 초전도 코일(2), 영구 전류 스위치(1), 복사 실드(7, 8)를 진공 상태에서 저장하는 진공 용기(10)를 구비하여 구성되어 있다.
이하, 냉동기 냉각 초전도 자석(J)의 각 부의 구성에 대해, 상세하게 설명한다.
〈초전도 코일(2)〉
도 1에 도시하는 초전도 코일(2)은, 소정의 초전도 임계 온도 이하에서 초전도 상태로 되는 초전도선(2c)을 코일 보빈(2b)에 권취한 것이다.
코일 보빈(2b)과 초전도선(2c)은 사이에 도시하지 않은 절연층이 설치되어 전기적으로 절연되어 있다. 초전도선(2c)끼리도 사이에 도시하지 않은 절연층이 설치되어 전기적으로 절연되어 있다.
초전도 코일(2)의 초전도선(2c)에 소정의 전류가 흘렀을 때, 초전도선(2c)으로부터 소정의 강도의 자장이 발생하도록, 초전도선(2c)의 코일 보빈(2b)으로의 권취 횟수가 결정되어 있다.
초전도 코일(2)은 복수의 초전도 코일(2)을 각각 별도로 제작하고, 초전도 코일(2)끼리를 도시하지 않은 연결체로 접속하고 있다.
초전도 코일(2)에는 외부로의 누설 자장을 차폐하기 위한 도시하지 않은 실드 코일도 포함되어 있다.
〈영구 전류 스위치(1)〉
도 1에 도시하는 영구 전류 스위치(1)는, 상기한 바와 같이 외부 직류 전원(100)으로부터 초전도 코일(2)로, 전류를 공급하는 영구 전류 모드(도 3 참조)와 전류를 공급하지 않는 전류 공급 모드(도 2 참조)를 전환하기 위한 스위치이다.
구체적으로는, 영구 전류 스위치(1)는 초전도선(1c)의 초전도 임계 온도 이하에서의 극히 작은 전기 저항과, 초전도선(1c)의 초전도 임계 온도 이상에서의 유의한 전기 저항의 차이를 이용하여, 온／오프를 행하는 스위치이다.
영구 전류 스위치(1)는 보빈(1b)과 보빈(1b)에 권취되는 초전도선(1c)을 갖고 구성되어 있다. 영구 전류 스위치(1)에서는, 중심에서 되접은 2개의 초전도선(1c)을 되접음부로부터 동일 방향으로, 보빈(1b)에 권취하고 있다. 이것은 무유도 권선이라 불리고, 초전도선(1c)을 흐르는 전류에 의해 발생하는 자장이, 2개의 초전도선(1c)에서 역방향으로 흐르기 때문에, 서로 초전도선(1c)으로부터 나오는 자장을 상쇄하는 효과를 갖는다.
영구 전류 스위치(1)의 초전도선(1c)끼리는 절연 상태일 필요가 있어, 도시하지 않은 절연체가 사이에 설치되어 있다. 또한, 보빈(1b)과 초전도선(1c) 사이도 동일하게 절연 상태로 되어 있다.
영구 전류 스위치(1)의 초전도선(1c)은, 극저온 냉동기(4)에 의해 초전도 임계 온도 이하로 냉각되어 있다. 영구 전류 스위치(1)의 보빈(1b) 내에는, 도시하지 않은 히터가 내장되고, 히터에 의한 가열에 의해 초전도선(1c)을 상전도 상태로 하여 전기 저항을 크게 하여 스위치 OFF하는 한편, 히터에 의한 가열 정지에 의해 초전도선(1c)을 초전도 상태로 하여 전기 저항을 제로로 하여 스위치 ON하는 구성이다.
〈극저온 냉동기(3), 극저온 냉동기(4)〉
도 1에 도시하는 초전도 코일(2)은, 극저온 냉동기(3)에 의해 초전도 임계 온도 이하로 냉각되어 있다.
상술한 바와 같이 영구 전류 스위치(1)는 극저온 냉동기(4)에 의해, 초전도 임계 온도 이하로 냉각되어 있다.
극저온 냉동기(3) 및 극저온 냉동기(4)는, 예를 들어 Gifford-McMahon형 냉동기(GM 냉동기)나 Stirling형 냉동기(스털링 냉동기), 또는 펄스관형 냉동기이고, 냉동기 내부에 봉입되는 가스에는 헬륨이 사용되어 있다. 극저온 냉동기(3) 및 극저온 냉동기(4)가 받는 열부하가 큰 경우에는, GM／JT 냉동기를 사용해도 된다.
극저온 냉동기(3) 및 극저온 냉동기(4)는, 초전도 코일(2)로부터 발생하는 자장이 극저온 냉동기(3) 또는 극저온 냉동기(4)의 동작에 영향을 미치지 않을 만큼의 거리를, 초전도 코일(2)로부터 이격하여 설치하고 있다. 또한, 극저온 냉동기(3) 또는 극저온 냉동기(4)의 동작이 초전도 코일(2)에 의한 주자장을 어지럽히는 일이 없을 만큼의 거리를, 초전도 코일(2)로부터 이격하여 설치하는 경우도 있다.
극저온 냉동기(3) 및 극저온 냉동기(4)에 의해 액체 헬륨의 액화 온도(4.2K)까지 냉각시키는 경우에는, 각각 1대의 냉동기에서 2개의 냉각 스테이지를 갖는 2단 스테이지형의 극저온 냉동기를 사용하는 것이 바람직하다.
극저온 냉동기(3)의 제1 스테이지(31) 및 극저온 냉동기(4)의 제1 스테이지(41)는, 최저 도달 온도가 20K 이상이다.
초전도 코일(2)의 주위에 설치되는 복사 실드(7)의 냉각원으로서 극저온 냉동기(3)의 제1 스테이지(31)가 사용되고, 영구 전류 스위치(1)의 주위에 설치되는 복사 실드(8)의 냉각원으로서 극저온 냉동기(4)의 제1 스테이지(41)가 사용된다.
극저온 냉동기(3)의 제2 스테이지(32) 및 극저온 냉동기(4)의 제2 스테이지(42)는, 각각 극저온 냉동기의 종류에 따라서는 액체 헬륨의 액화 온도(4.2K) 이하까지 냉각시키는 것이 가능하다.
도 1에 도시하는 초전도 코일(2)은, 극저온 냉동기(3)의 제2 스테이지(32)에 의해 냉각된다. 극저온 냉동기(3)의 제2 스테이지(32)와 초전도 코일(2) 사이의 접촉부(32a)에는, 극저온 환경 하에서의 접촉 열저항을 작게 하기 위해 도시하지 않은 인듐을 설치하고 있다. 인듐은 극저온 영역에서 높은 열전도율을 갖고, 매우 연한 금속이기 때문에, 접촉부(32a)의 간극을 메우는 효과가 있어, 접촉 면적을 증가시켜 접촉부(32a)의 열저항을 작게 하여, 열전달을 양호하게 하고 있다.
영구 전류 스위치(1)는 극저온 냉동기(4)의 제2 스테이지(42)에 의해 냉각된다. 극저온 냉동기(4)의 제2 스테이지(42)와 영구 전류 스위치(1) 사이의 접촉부(42a)에는, 도시하지 않은 인듐을 설치하여, 접촉 면적을 증가시켜 극저온 환경 하에서의 접촉부(42a)의 열저항을 작게 하여, 열전달을 양호하게 하고 있다.
〈복사 실드(7), 복사 실드(8)〉
초전도 코일(2)을 실드하는 복사 실드(7)는, 초전도선(2c)의 초전도 임계 온도 이하로 냉각된 초전도 코일(2)이, 실온인 진공 용기(10)로부터의 복사 열량을 직접 받지 않기 위해, 초전도 코일(2)의 주위에 초전도 코일(2)을 덮어 설치되어 있다.
마찬가지로, 영구 전류 스위치(1)를 실드하는 복사 실드(8)는, 초전도선(1c)의 초전도 임계 온도 이하로 냉각된 영구 전류 스위치(1)가, 실온인 진공 용기(10)로부터의 복사 열량을 직접 받지 않기 위해, 영구 전류 스위치(1)의 주위에 영구 전류 스위치(1)를 덮어 설치되어 있다.
또한, 복사 실드(8)에는 전류 리드(9)가 접촉하여 삽입 관통되고, 전류 리드(9)의 열이 초전도 시의 초전도 코일(2)로 전달되지 않도록 흡열하는 리드 전열부(8a)가 형성되어 있다.
절대 온도 50K 정도로 냉각된 복사 실드(7, 8)를 각각 초전도 코일(2), 영구 전류 스위치(1)의 둘레에 설치한 경우, 초전도 임계 온도 이하로 냉각된 초전도 코일(2) 및 영구 전류 스위치(1)의 주위에는 50K의 복사 실드(7, 8)가 존재하므로, 초전도 코일(2) 및 영구 전류 스위치(1)는, 각각 50K의 복사 실드(7) 및 복사 실드(8)로부터의 복사 열량을 받게 된다.
복사 열량은 절대 온도의 4승에 비례한다.
그로 인해, 초전도 코일(2), 영구 전류 스위치(1)의 둘레에, 예를 들어 50K의 복사 실드(7, 8)를 설치함으로써 초전도 코일(2), 영구 전류 스위치(1)로의 복사 열량은 50의 4승에 비례하게 되고, 복사 실드(7) 및 복사 실드(8)를 설치하지 않은 경우의 300K의 실온으로부터의 300의 4승에 비례하는 복사 열량에 비해, 1000분의 1 이하로 작게 할 수 있다.
한편, 복사 실드(7, 8)는 진공 내에 설치되어, 실온인 진공 용기(10)로부터의 복사열을 받게 된다.
복사 실드(7) 및 복사 실드(8)가 받는 진공 용기(10)로부터의 복사열을 작게 하기 위해, 복사 실드(7) 및 복사 실드(8)와 진공 용기(10) 사이의 진공층에는, 도시하지 않은 적층 단열재를 설치하고 있다. 적층 단열재는 플라스틱 필름의 표면에 금이나 알루미늄을 증착한 반사재와, 반사재끼리 접촉하지 않기 위한 단열 스페이서를 교대로 포갠 것이다. 단열 스페이서에는, 예를 들어 네트나 부직포 등이 사용되어 있다.
〈전류 리드(9)〉
도 1에 도시하는 초전도 코일(2)에 흐르는 전류는, 외부에 설치한 외부 직류 전원(100)으로부터 공급된다. 전류 리드(9, 9)는 외부 전원(100)에 접속하는 실온부(9a, 9a)와 초전도 임계 온도 이하로 냉각된 초전도 코일(2)의 초전도선(2c)의 일단부와 타단부에 연결되어 있다. 또한, 도 1에 있어서는 전류 리드(9)가 초전도 코일(2)의 일단부에 접속하고 있는 상태를 도시하고 있고, 전류 리드(9)가 초전도 코일(2)의 타단부에 접속하고 있는 개소는 목시할 수 없는 개소에 있으므로, 도시를 생략하고 있다.
그런데 외부 직류 전원(100)으로부터 초전도 코일(2)로, 전류 리드(9)를 통해 전류를 공급하면, 전류 리드(9)는 전기 저항에 의해 발열한다.
전류 리드는, 일반적으로 전기 저항이 작은 인 탈산 구리를 사용하여 제작되지만, 인 탈산 구리는 열전도율이 높으므로, 열전도에 의한 복사 실드(7) 내의 초전도 코일(2)로의 큰 열 침입 경로가 된다. 특히, 복사 실드(7) 내의 초전도 코일(2)로의 열전도의 증대는, 초전도 코일(2)의 온도를 초전도 상태의 저온으로 하기 위해서는 큰 문제로 된다.
따라서 냉동기 냉각 초전도 자석(J)에서는, 전류 리드(9)로부터의 열전도를 작게 하기 위해, 전류 리드(9)의 실온 단부(91a)와 복사 실드(8)의 리드 전열부(8a) 사이의 리드 고온부(91)는 인 탈산 구리로 제작하고, 전류 리드(9)의 복사 실드(8)의 리드 전열부(8a)와 초전도 코일(2) 사이의 리드 저온부(92)는, 복사 실드(8)의 냉각 온도에서 초전도 상태로 되는 재료, 예를 들어 이트륨계 초전도체를 사용하여 제작하고 있다.
이트륨계 초전도체의 열전도율은 구리에 비해 2자릿수 정도 낮아, 리드 저온부(92)를 통해 초전도 코일(2)로 전달되는 열전도를 작게 할 수 있다.
전류 리드(9)의 리드 고온부(91)의 저온 단부(91b) 및 전류 리드(9)의 리드 저온부(92)의 고온 단부(92a)는, 영구 전류 스위치(1)를 냉각시키는 극저온 냉동기(4)의 제1 스테이지(41)에 의해, 복사 실드(8)의 리드 전열부(8a)를 통해 열전도에 의해 냉각되어 있다.
도 1에 도시하는 외부 직류 전원(100)으로부터 전류 리드(9)를 통해 초전도 코일(2)로 전류를 흘릴 때에, 전류 리드(9)의 리드 고온부(91)에서는 리드 고온부(91)의 전기 저항에 의해 발열한다.
전류 리드(9)의 리드 고온부(91)에서의 발열은, 리드 전열부(8a)를 통한 열전도에 의해 영구 전류 스위치(1)를 냉각시키는 극저온 냉동기(4)의 제1 스테이지(41)로 전달되어, 극저온 냉동기(4)의 제1 스테이지(41)의 온도는 상승한다. 전류 공급 시에는 영구 전류 스위치(1)의 온도는, 영구 전류 스위치(1)의 초전도선(1c)의 초전도 임계 온도 이상이므로, 극저온 냉동기(4)의 제1 스테이지(41)의 온도가 상승해도 문제는 없다.
한편, 초전도 코일(2)을 냉각시키는 극저온 냉동기(3)의 제1 스테이지(31)는, 전류 리드(9)를 통한 초전도 코일(2)로의 전류 공급에 수반되는 발열이, 전류 리드(9)와의 연결이 회피되어 있는 점에서 열전도가 없으므로, 발생하지 않는다. 또한, 전류 리드(9)의 리드 저온부(92)는 초전도 코일(2)과 연결되어 있지만, 전류 리드(9)의 리드 저온부(92)는 고온 초전도체로 제작되어 있으므로, 통전해도 전기 저항이 제로이고, 발열하지 않는다.
그로 인해, 극저온 냉동기(3)의 제2 스테이지(32) 및 초전도 코일(2)의 온도는 안정되어 있다.
〈전류 공급 모드〉
다음에, 도 1에 도시하는 냉동기 냉각 초전도 자석(J)에 있어서의 외부 직류 전원(100)으로부터 초전도 코일(2)로 전류를 공급하는 전류 공급 모드에 대해, 도 2를 사용하여 설명한다.
도 2는 냉동기 냉각 초전도 자석(J)의 전류 공급 모드에 있어서의 전류 회로 및 냉각 구조를 도시하는 간략 개념도이다.
전류 공급 모드에서는, 영구 전류 스위치(1)는 초전도선(1c)(도 1 참조)의 초전도 임계 온도 이상으로 가열된다.
이와 같이, 영구 전류 스위치(1)가 보빈(1b)에 내장되는 히터(도시하지 않음)를 사용하여 가열되거나, 극저온 냉동기(4)(도 1 참조)를 정지시킴으로써, 영구 전류 스위치(1)의 온도가 초전도 임계 온도 이상으로 상승하면, 초전도선(1c)이 초전도 상태로부터 상전도 상태로 되어, 유의한 전기 저항을 갖게 된다.
이때, 초전도 코일(2)은 극저온 냉동기(3)의 제2 냉각 스테이지(32)(도 1 참조)에 의해 초전도 임계 온도 이하로 냉각되어 있으므로, 초전도 코일(2)은 초전도 상태로, 전기 저항은 극히 작다. 따라서 외부 직류 전원(100)으로부터 공급되는 전류는, 영구 전류 스위치(1)의 유의한 전기 저항을 갖는 초전도선(1c)에 흐르지 않고, 전기 저항이 극히 작은 초전도 코일(2)에 흐르게 되어, 외부 직류 전원(100)에서 공급하는 전류량을 조정함으로써, 초전도 코일(2)에 흐르는 전류량을 컨트롤할 수 있다. 이로 인해, 도 2에 도시한 바와 같이 전류 공급 모드에 있어서는, 영구 전류 스위치(1)는 오프 상태와 동등해진다.
〈영구 전류 모드〉
다음에, 도 1에 도시하는 냉동기 냉각 초전도 자석(J)의 외부 직류 전원(100)으로부터 초전도 코일(2)로 전류를 공급하지 않는 영구 전류 모드에 대해, 도 3을 사용하여 설명한다.
도 3은 냉동기 냉각 초전도 자석(J)의 영구 전류 모드에 있어서의 전류 회로 및 냉각 구조를 도시하는 간략 개념도이다.
전류 공급 모드(도 2 참조)에 있어서 초전도 코일(2)에 소정의 전류가 흐르는 것을 확인한 후, 영구 전류 스위치(1)를 초전도선(1c)의 초전도 임계 온도 이하로 냉각시킨다. 이때, 영구 전류 스위치(1)의 초전도선(1c)이 상전도 상태로부터 초전도 상태로 변화되어, 전기 저항이 극히 작아진다.
영구 전류 스위치(1)가 초전도 상태로 되면, 도 3에 도시한 바와 같이, 초전도 코일(2)과 영구 전류 스위치(1)를 포함하는 초전도 재료에 의해 폐쇄 회로가 형성된다. 이로 인해, 외부 직류 전원(100)으로부터 공급된 전류는, 초전도 재료로 형성된 초전도 코일(2), 영구 전류 스위치(1) 등의 폐쇄 회로를 계속해서 돌게 되어, 영구 전류 모드에 의한 운전 상태로 된다.
이와 같이, 초전도 코일(2), 영구 전류 스위치(1) 등의 폐쇄 회로가 형성되면, 도 3에 도시한 바와 같이 외부 직류 전원(100)은 초전도 코일(2), 영구 전류 스위치(1) 등의 폐쇄 회로와의 접속이 물리적으로 절단되어, 외부 직류 전원(100)으로부터의 초전도 코일(2)로의 전류의 공급은 정지된다.
〈전류 공급 모드에서의 영구 전류 스위치(1)로부터 초전도 코일(2)로의 열전도〉
도 2에 도시하는 전류 공급 모드에서는, 초전도선(1c)의 초전도 임계 온도 이상으로 가열되어 상전도 상태의 영구 전류 스위치(1)와, 초전도 임계 온도 이하로 냉각된 초전도 코일(2)이 공존하는 것으로 된다. 이때, 온도가 높은 상전도 상태의 영구 전류 스위치(1)로부터 온도가 낮은 초전도 상태의 초전도 코일(2)을 향하여 열전도가 발생한다.
영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)을 연결하는 초전도선(5)으로부터의 초전도 코일(2)로의 열전도는, 온도가 낮은 초전도 상태의 초전도 코일(2)로의 열부하로 된다.
종래, 영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)을 연결하는 초전도선(5)은, 초전도 재료로 만들어진 복수의 필라멘트를 구리의 통에 넣어 잡아 늘린 구조이고, 열전도는 구리의 통 부분에서 발생한다고 생각된다.
초전도선(5)의 직경을 1㎜, 연결부 길이를 50㎜, 영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)의 온도차를 10K라고 하면, 구리의 열전도율을 400W／(mㆍK)로 하여, 영구 전류 스위치(1)로부터 초전도 코일(2)로의 초전도선(5)을 통한 열전도를, (단면적／길이)×열전도율×온도차의 연산으로 계산하면, 초전도선(5) 1개당 0.063W의 열전도가 있는 것을 알 수 있다.
한편, 상전도화한 경우에 발생하는 발열량은, 초전도선(5)의 저항률을 구리의 저항률이라고 가정하여 1.68×10-8Ωm를 사용하여 산출한다. 초전도선(5)의 직경(1mm)과 길이(50mm)로부터 전기 저항을, (길이／단면적)×저항률의 연산으로 산출하면, 약 0.0011Ω로 된다.
정격 300암페어의 경우에, 10％의 전류(30암페어)가 영구 전류 스위치(1)측으로 흐른 경우, 초전도선(5)에서의 발열량은 약 1W로 된다. 직경 1㎜, 길이 50㎜의 초전도선(5)에서 1W의 발열이 발생한 경우, 초전도선(5)에서는 연결부의 단면적이 부족하여, 연결부인 초전도선(5)의 온도가 상승하고, 소손되는 것으로 생각된다.
이것을 방지하기 위해, 종래는 구리로 제작된 도시하지 않은 냉각체를 초전도선(5)을 따르게 하고, 초전도선(5)에서 발생한 발열은 냉각체를 통과시켜 냉각원인 영구 전류 스위치(1)로 전달하고 있었다. 그러나 이 경우, 연결부인 초전도선(5) 전체가 영구 전류 스위치(1)와 동일한 온도로 되어, 초전도선(5)을 흐르는 열전도 거리가 반대로 짧아지므로, 초전도 코일(2)로의 열전도가 증가하여, 초전도 코일(2)의 온도가 상승한다고 하는 현상이 발생한다.
〈초전도 바이패스선(6)〉
따라서 본 실시 형태에서는, 종래의 냉동기 냉각형 초전도 자석에 있었던 냉각체를 없애고, 대신에 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 초전도선(5)과 병렬로 초전도 바이패스선(6)을 설치하고 있다. 또한, 도 4는 실시 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접속부를 도시하는 도 3의 A-A선 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 초전도선(5)은 초전도 재료로 만들어진 복수의 필라멘트(5f)와 복수의 필라멘트(5f)의 둘레의 단면 원형 형상의 구리 등의 피복 재(5d)를 갖고 있다.
초전도선(5)은 도전성의 납 등의 초전도재의 연결부(5r)를 통해 초전도 바이패스선(6)에 전기적으로 결합되어 있다. 초전도선(5)에, 단면 원형 형상의 구리 등의 피복재(5d)를 사용함으로써, 와전류손을 피복재(5d)에 발생시키고, 와전류손이 필라멘트(5f)에 발생하는 것을 억제하여, 에너지 효율을 향상시키고 있다.
초전도 바이패스선(6)은 초전도 재료로 만들어진 복수의 필라멘트(6f)와 복수의 필라멘트(6f)의 둘레의 단면 원형 형상의 구리 등의 피복재(6d)를 갖고 있다. 단면 원형의 구리 등의 피복재(6d)를 사용함으로써, 와전류손이 필라멘트(5f)에 발생하는 것을 억제하여, 에너지 효율을 향상시키고 있다.
이 초전도 바이패스선(6)의 필라멘트(6f)는, 영구 전류 스위치(1)에 사용되어 있는 초전도선(1c)보다도 초전도 임계 온도가 높은 재료이다. 예를 들어, 영구 전류 스위치(1)가 NbTi(니오브 티탄 : 초전도 임계 온도 10K)인 경우에는, 초전도 바이패스선(6)의 필라멘트(6f)에는 MgB2(2붕화 마그네슘 : 초전도 임계 온도 39K)을 적용함으로써, 영구 전류 스위치(1)가 상전도 상태라도, 초전도 임계 온도가 높은 초전도 바이패스선(6)은 초전도 상태를 유지할 수 있다.
영구 전류 스위치(1)의 초전도선(1c)과 초전도 바이패스선(6)의 필라멘트(6f)의 초전도 재료의 조합은, NbTi과 MgB2으로 한정되는 것이 아니다. 초전도 바이패스선(6)의 필라멘트(6f)의 초전도 임계 온도가 영구 전류 스위치(1)의 초전도선(1c)의 초전도 임계 온도보다도 높다고 하는 조건을 만족하면, 초전도 임계 온도가 다른 재료끼리에 의해, 다양한 조합이 적용 가능하다.
예를 들어, 초전도 바이패스선(6)의 전체에 고온 초전도체 중 하나인 이트륨계 초전도체를 사용하는 경우, 이트륨계 초전도체의 열전도율은 약 7W／(mㆍK)로, 구리와 비교하여 2자릿수 작으므로, 도 1에 도시한 바와 같이, 초전도 바이패스선(6)을 설치한 것에 의한 영구 전류 스위치(1)로부터 초전도 코일(2)로의 열부하의 대부분은, 삭감 불가능한 초전도선(5)으로부터의 열전도만으로 억제할 수 있다.
초전도 바이패스선(6)의 복사 실드(7) 내에 있어서의 길이 및 복사 실드(8) 내에 있어서의 길이는, 초전도 바이패스선(6)의 냉각 효율 등을 고려하여 적절하게 결정된다.
영구 전류 스위치(1)가 초전도선(1c)의 초전도 임계 온도 이상으로 가열되어, 상전도 상태로 되고, 영구 전류 스위치(1)의 초전도선(1c)의 저항에 의해 열이 발생한다. 이 영구 전류 스위치(1)의 열에 의해, 영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)을 연결하는 초전도선(5)의 온도가 상승하여, 초전도선(5)의 일부가 상전도화한 경우, 초전도선(5)의 상전도부에 유의한 전기 저항이 발생한다.
그러나 영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)을 연결하는 초전도선(5)과 병렬로 전기적으로 결합되어 설치된 초전도 바이패스선(6)이, 초전도 상태로 전기 저항이 극히 작으므로, 초전도선(5)을 흐르는 전류는 전기 저항이 작은 초전도 바이패스선(6)측으로 전류(轉流)한다.
이에 의해, 초전도선(5)의 상전도로 천이된 부분에 전류가 흐르지 않게 되므로, 초전도선(5)이 초전도 임계 온도 이상으로 되어도 발열하지 않는다.
초전도 바이패스선(6)의 직경이 영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)을 연결하는 초전도선(5)과 동일한 직경이었을 경우, 영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)의 온도차를 10K라고 가정하면, 초전도 바이패스선(6)이 1개당 0.063W의 열침입이 발생하게 된다.
한편, 초전도선(5)이 Q＝1W로 발열한 경우, 초전도선(5)에서 발열한 열량 Q(＝1W)를 냉각체를 통해 냉각원으로 전달하기 위해서는 냉각체의 열전도율을 λ＝400W／(mㆍK), 온도차를 ΔT＝10K로 하여 계산하면,
Figure pct00001
여기서, A : 냉각체의 전열 면적
L : 냉각체의 연결부 길이
의 관계가 있다.
수학식 1에 있어서, 냉각체의 연결부 길이를 50㎜라고 하면, 열을 전달하기 위해 필요한 냉각체의 전열 면적(A)은 12.5㎟로 된다. 이것은 직경 1㎜의 초전도선의 단면적(0.785㎟)의 약 16배의 면적에 상당한다.
초전도 바이패스선(6)을 설치하여 초전도선(5)에서의 발열을 억제한다, 즉 초전도선(5)의 발열량 Q＝0으로 함으로써, 직경 1㎜의 초전도선의 단면적(0.785㎟)의 약 16배의 면적에 상당하는 냉각체가 불필요해진다. 이것은, 초전도 바이패스선(6)을 설치함으로써, 영구 전류 스위치(1)로부터 초전도 코일(2)로의 열부하를 크게 저감시킬 수 있는 것을 정량적으로 뒷받침하는 것이다.
도 1에 도시하는 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)은, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)이 병렬로 배치되는 병렬 구간 전체에서, 도 4에 도시하는 도전성의 납 등의 초전도재의 연결부(5r)를 통해, 전기적으로 접촉하도록 하고 있다. 즉, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)이 병렬로 배치되는 병렬 구간 전체에서, 초전도재의 연결부(5r)를 통해, 전기적으로 결합하고 있다.
초전도선(5) 및 초전도 바이패스선(6)은, 통상 도 4에 도시한 바와 같은 원형 단면이지만, 이하에 도시하는 제1 변형 형태 내지 제3 변형 형태의 초전도선(5) 및 초전도 바이패스선(6)으로 하면 적합하다.
〈제1 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접속〉
다음에, 제1 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접속에 대해, 도 5를 사용하여 설명한다.
도 5는 제1 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접속부에 있어서의 도 3의 A-A선 단면도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제1 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)은, 각각 직사각형 단면으로 형성하고, 초전도선(5)의 접속부(s1)와 초전도 바이패스선(6)의 접속부(s2)를 통해, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)을 직접 접촉시켜, 전기적으로 결합한 것이다.
상세하게는, 제1 변형 형태의 초전도선(5)은 초전도 재료로 만들어진 복수의 필라멘트(5f1)와 복수의 필라멘트(5f1)의 둘레의 직사각형 단면의 구리 등의 피복재(5d1)를 갖고 있다.
제1 변형 형태의 초전도 바이패스선(6)은, 초전도 재료로 만들어진 복수의 필라멘트(6f1)와 복수의 필라멘트(6f1)의 둘레의 단면 직사각형의 구리 등의 피복재(6d1)를 갖고 있다.
그리고 직사각형 단면의 초전도선(5)과 직사각형 단면의 초전도 바이패스선(6)은, 접속부(s1, s2)를 통해 직접 접촉시켜 전기적으로 결합되어 있다.
이와 같이, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)을 각각 직사각형 단면으로 형성하고, 한 변을 형성하는 접속부(s1, s2)를 통해, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)을 전기적으로 결합함으로써, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접촉 면적을 상기 실시 형태에 비교하여 크게 할 수 있다. 이에 의해, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6) 사이의 접속부(s1, s2)의 전기 저항을 작게 할 수 있다.
또한, 제1 변형 형태에서는 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)을 각각 직사각형 단면으로 하는 경우를 예시하여 설명하였지만, 삼각형 단면, 오각형 단면 등의 임의의 다각형 단면으로 하여, 다각형 단면의 한 변, 즉 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 각각의 일측 평면에서 접합하는 구성으로 해도 된다.
또한, 제1 변형 형태에서는 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 다각형 단면으로서, 정사각형 단면의 경우를 예시하여 설명하였지만, 반드시 정다각형의 단면이 아닌 단순한 다각형의 단면이어도 된다.
또한, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)을 각각의 일측면을 통해 병렬로 길이 방향을 따라 전기적으로 결합하면, 초전도선(5)의 단면과 초전도 바이패스선(6)의 단면은 동일한 다각형이 아니어도 된다. 또한, 다양한 다각형을 적용할 수 있지만, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접촉 면적(결합 면적)을 크게 구성하는 쪽이 적합하다.
〈제2 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접속〉
다음에, 제2 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접속에 대해, 도 6을 사용하여 설명한다.
도 6은 제2 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접속부에 있어서의 도 3의 A-A선 단면도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 제2 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)은 서로의 접촉 개소[접속부(s3, s4)]만을 평면으로 가공하여 형성한 것이다.
제2 변형 형태의 초전도선(5)은 초전도 재료로 만들어진 복수의 필라멘트(5f2)와, 복수의 필라멘트(5f2)의 둘레에, 평면 형상의 접속부(s3)(도 6에서는 직선으로 나타냄)를 제외하고 원형 단면을 가지는 구리 등의 피복재(5d2)를 갖고 있다.
초전도 바이패스선(6)은 초전도 재료로 만들어진 복수의 필라멘트(6f2)와, 복수의 필라멘트(6f2)의 둘레에, 평면 형상의 접속부(s4)(도 6에서는 직선으로 나타냄)를 제외하고 원형 단면을 가지는 구리 등의 피복재(6d2)를 갖고 있다.
이와 같이, 초전도선(5)의 측표면의 일부와 초전도 바이패스선(6)의 측표면의 일부가 가공되어, 직접 접촉하는 접속부(s3, s4)를 형성하고 있다.
그리고 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)은, 초전도선(5)의 접속부(s3)와 초전도 바이패스선(6)의 접속부(s4)에서 직접 접촉하여 접합되어 전기적으로 결합되어 있고, 접속부(s3), 접속부(s4)의 주위에 도전성의 납 등의 초전도재의 연결부(5r2)를 설치하고 있다.
제2 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)에 따르면, 접촉 개소[접속부(s3, s4)]만을 평면으로 가공하였으므로 접촉 면적이 증가하고, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접촉 개소[접속부(s3, s4)]의 전기 저항을 작게 하는 데도 유효하다.
또한, 도 6의 이점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 초전도선(5)의 표면의 일부가 가공된 접속부(s5)를, 초전도 바이패스선(6)의 접속부(s6)에 직접 접촉하는 구성으로 해도 된다. 혹은, 반대로 초전도 바이패스선(6)의 표면의 일부가 가공된 접속부(도시하지 않음)를, 초전도선(5)의 접속부(도시하지 않음)에 직접 접촉하는 구성으로 해도 된다.
〈제3 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접속〉
다음에, 제3 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접속에 대해, 도 7을 사용하여 설명한다.
도 7은 제3 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접속부에 있어서의 도 3의 A-A선 단면도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 제3 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)은 초전도선(5)의 주위에 가는 초전도 바이패스선(6)을 복수 설치한 것이다.
제3 변형 형태의 초전도선(5)은 초전도 재료로 만들어진 복수의 필라멘트(5f3)와, 복수의 필라멘트(5f3)의 둘레의 대략 원형 단면을 가지는 구리 등의 피복재(5d3)를 갖고 있다.
초전도 바이패스선(6)은 초전도 재료로 만들어진 1개의 필라멘트(6f3)와, 필라멘트(6f3)의 둘레의 원형 단면을 가지는 구리 등의 피복재(6d3)를 갖는 형상으로, 복수 형성되어 있다.
초전도선(5)과 복수의 초전도 바이패스선(6)은, 초전도선(5)의 접속부(s7)와, 복수의 초전도 바이패스선(6)의 접속부(s8)에서 직접 접촉하여 전기적으로 결합되어 있다.
그리고 복수개의 초전도 바이패스선(6)은, 초전도선(5)의 대략 원형 단면을 가지는 구리 등의 피복재(5d3)에 접촉하는 형태이고, 도전성의 납 등의 초전도재의 연결부(5r3)를 설치하고 있다.
제3 변형 형태의 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접속에 따르면, 초전도선(5)과 복수개의 초전도 바이패스선(6)의 거리가 짧아지는 동시에, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접촉 면적이 증가하여, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접촉부[접속부(s7, s8)]의 전기 저항을 작게 할 수 있다.
또한, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)이 직접 접촉하는 접속부(s3, s4, s5)(제2 변형 형태), 접속부(s7)(제3 변형 형태)는, 가공 이외의 형 성형 등의 방법에 의해 형성해도 된다.
〈영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)의 연결부[초전도선(5), 초전도 바이패스선(6)]의 구성〉
도 1에 도시한 바와 같이, 초전도 바이패스선(6)은 영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)의 연결부인 초전도선(5)뿐만 아니라, 영구 전류 스위치(1)의 초전도선(1c)의 일부 및 초전도 코일(2)의 일부에 접촉시키고, 접촉부에서는 확실하게 영구 전류 스위치(1)의 초전도선(1c) 및 초전도 코일(2)과 초전도 바이패스선(6)이 접합하도록 설치하고 있다. 이에 의해, 초전도 바이패스선(6)을 극저온 냉동기(4), 극저온 냉동기(3)에 의해 확실하게 냉각시키고 있다.
도 2에 도시하는 전류 공급 모드에서는, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 각각으로부터 열전도가 발생하지만, 전류 공급에 수반되는 발열이 없으므로, 초전도 코일(2)에서는 최저한의 온도 상승으로 억제할 수 있다.
이때, 초전도 바이패스선(6)은 영구 전류 스위치(1)와의 사이에서 절연 상태로 되도록 설치해야 한다. 구체적으로는, 카프톤 테이프 등의 절연체를 초전도 바이패스선(6)과 영구 전류 스위치(1) 사이에 설치하여, 절연 상태로 하고 있다. 초전도 바이패스선(6)과 초전도 코일(2) 사이도 마찬가지로 절연 상태로 해야 하므로, 마찬가지로 카프톤 테이프 등의 절연체를 초전도 바이패스선(6)과 초전도 코일(2) 사이에 설치하여, 절연 상태로 하고 있다.
영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)의 연결부이며 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)을 병렬로 전기적으로 결합한 부분은, 도시하지 않은 저열전도율의 재료로 제작한 지지체로 고정하여, 연결부인 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)이 움직이지 않도록 하고 있다.
？작용 효과？
상기 구성에 따르면, 영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)을 연결하는 초전도선(5)에 병렬하여, 초전도선(5)보다도 초전도 임계 온도가 높은 초전도 바이패스선(6)을 설치하고, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)을 병렬로 길이 방향을 따라 전기적으로 결합하고 있다.
이와 같이, 영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)의 연결부인 초전도선(5)의 주위에 영구 전류 스위치(1)보다도 초전도 임계 온도가 높은 초전도 바이패스선(6)을 설치함으로써, 영구 전류 스위치(1)로부터 초전도 코일(2)로의 열 이동이 작아진다.
이에 의해, 적은 가열량으로도 영구 전류 스위치(1)의 온도가 상승하게 되어, 영구 전류 스위치(1)의 히터의 가열량을 작게 할 수 있다.
또한, 초전도 코일(2)로의 열부하가 작아지므로, 영구 전류 스위치(1)를 초전도 임계 온도 이상으로 가열하여 상전도 상태로 한 전류 공급 모드에서, 초전도 코일(2)의 온도를 저온화시킬 수 있어, 초전도 코일(2)에 공급하는 전류량을 높게 할 수 있다. 이에 의해, 냉동기 냉각 초전도 자석(J)에 있어서의 발생 자장 강도의 고자장화가 가능해진다.
또한, 전류 공급 모드에 있어서 초전도 코일(2)과 영구 전류 스위치(1)를 연결하는 초전도선(5)이 상전도 상태로 되어도, 초전도선(5)의 주위의 초전도 바이패스선(6)은 초전도 상태를 유지하여, 초전도선(5)을 흐르고 있었던 전류는 전기 저항이 작은 초전도 바이패스선(6)에 전류한다.
그로 인해, 영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)을 연결하는 초전도선(5)의 상전도부에서의 발열을 억제할 수 있다.
또한, 외부 직류 전원(100)으로부터 전류가 공급되는 전류 공급 모드로부터, 전류가 공급되지 않는 영구 전류 모드로 이행되면, 영구전류는 초전도 코일(2)과 영구 전류 스위치(1)로 형성되는 폐쇄 루프를 흐른다. 이때, 영구 전류 스위치(1)와 초전도 코일(2)의 연결부인 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 양쪽 모두가 초전도 임계 온도 이하로 냉각되어 있다. 이 상태에서는, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)의 접합부[연결부(5r)(도 4 참조)]의 전기 저항이, 초전도선(5)의 전기 저항보다도 커지므로, 영구전류는 초전도 바이패스선(6)에는 흐르지 않고, 초전도선(5)측을 흐른다(도 3 참조).
즉, 영구 전류 모드에서는 초전도 바이패스선(6)보다도 전기 저항이 작은 초전도선(5)을 전류가 흐르기 때문에, 폐쇄 루프의 전기 저항은 종래의 초전도 자석과 동일한 레벨로 할 수 있어, 영구 전류 모드에서의 자장 감쇠를 방지할 수 있다.
초전도 재료로 형성되는 폐쇄 루프는, 종래의 NMR이나 MRI에서 사용되고 있는 것과 동일하여, 영구전류의 감쇠는 NMR이나 MRI의 계측에 문제없는 레벨로 억제할 수 있다.
영구 전류 스위치(1)를 냉각시키는 극저온 냉동기(4)와 초전도 코일(2)을 냉각시키는 극저온 냉동기(3)의 2대의 극저온 냉동기를 사용함으로써, 영구 전류 스위치(1)를 초전도 상태로부터 상전도 상태로 전환하기 위해 가하는 영구 전류 스위치(1)로의 히터 입력은, 영구 전류 스위치(1)를 냉각시키는 극저온 냉동기(4)의 열부하로 되지만, 초전도 코일(2)을 냉각시키는 극저온 냉동기(3)에는 직접 열부하로서 작용하지 않는다. 영구 전류 스위치(1)의 온도가 상승하므로, 영구 전류 스위치(1)로부터 초전도 코일(2)로 전달되는 열전도가 증가하지만, 히터 입력에 비하면 현격히 작으므로, 본 구조를 채용함으로써, 초전도 코일(2)의 온도를 저온에서 안정시킬 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는 도 4 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)을 각각 초전도 재료의 필라멘트와 구리 등의 피복재로 형성한 경우를 예시하여 설명하였지만, 도 4 내지 도 7에 도시하는 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)을 각각 모두 초전도 재료의 필라멘트로 형성해도 된다. 혹은, 도 4 내지 도 7에 도시하는 초전도선(5)과 초전도 바이패스선(6)을 복수의 초전도 재료의 필라멘트선을 모아 형성해도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는 히터를 영구 전류 스위치(1)에 내장하는 경우를 예시하여 설명하였지만, 히터를 극저온 냉동기(4)에 부착시켜 열부하를 가하는 구성으로 해도 되고, 히터가 영구 전류 스위치(1)를 가열하면, 히터의 위치는 한정되지 않는다.
또한, 상기 실시 형태, 제1 변형 형태, 제2 변형 형태, 제3 변형 형태에서는, 초전도 바이패스선(6)이 1개인 경우를 예시하여 설명하였지만, 2개 이상의 복수개로하여 상기 실시 형태(도 4 참조), 제1 변형 형태, 제2 변형 형태, 제3 변형 형태(도 5 내지 도 7 참조)와 동일한 구성으로 하는 것도 가능하다.
1 : 영구 전류 스위치
2 : 초전도 코일
3 : 극저온 냉동기(제1 극저온 냉동기)
4 : 극저온 냉동기(제2 극저온 냉동기)
5 : 초전도선
6 : 초전도 바이패스선
7 : 복사 실드(제1 실드)
8 : 복사 실드(제2 실드)
9 : 전류 리드
10 : 진공 용기
31 : [극저온 냉동기(3)의] 제1 냉각 스테이지(냉각 스테이지)
32 : [극저온 냉동기(3)의] 제2 냉각 스테이지(냉각 스테이지)
41 : [극저온 냉동기(4)의] 제1 냉각 스테이지(냉각 스테이지)
42 : [극저온 냉동기(4)의] 제2 냉각 스테이지(냉각 스테이지)
92 : 리드 저온부(제1 전류 리드부)
100 : 외부 직류 전원
s1, s2 : 접속부(평면, 일측 평면, 접촉부)
s3, s4 : 접속부(평면, 접촉부)
s5, s6, s7, s8 : 접속부(곡면, 접촉부)
J : 냉동기 냉각 초전도 자석(냉동기 냉각형 초전도 자석)

Claims (9)

  1. 자장을 발생시키는 초전도 코일과, 초전도 재료의 초전도 임계 온도를 이용하여 상기 초전도 코일에 외부 전원으로부터 전류를 공급하지 않는 영구 전류 모드와 전류를 공급하는 전류 공급 모드를 전환하는 영구 전류 스위치와, 상기 초전도 코일을 냉각시키는 제1 극저온 냉동기와, 상기 영구 전류 스위치를 냉각시키는 별도의 제2 극저온 냉동기와, 상기 초전도 코일 및 상기 영구 전류 스위치 및 상기 제1ㆍ제2 극저온 냉동기의 냉각 스테이지를 진공 상태에서 내부에 저장하는 진공 용기를 구비하는 냉동기 냉각형 초전도 자석이며,
    상기 초전도 코일과 상기 영구 전류 스위치를 연결하는 초전도선과,
    상기 초전도선과 병렬로 설치되어 길이 방향을 따라 전기적으로 결합되는 적어도 1개의 초전도 바이패스선을 구비하고,
    상기 초전도 바이패스선의 초전도 임계 온도는, 상기 영구 전류 스위치의 초전도 임계 온도보다도 높은 것을 특징으로 하는, 냉동기 냉각형 초전도 자석.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 코일 및 상기 영구 전류 스위치는, 금속계 초전도 재료로 구성되고,
    상기 초전도 바이패스선은, 상기 초전도 코일 및 상기 영구 전류 스위치보다도 초전도 임계 온도가 높은 고온 초전도체인 것을 특징으로 하는, 냉동기 냉각형 초전도 자석.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 바이패스선과 상기 초전도선이, 각각의 평면 또는 각각의 곡면을 통해, 서로 병렬로 길이 방향을 따라 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는, 냉동기 냉각형 초전도 자석.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초전도 바이패스선의 단면이 다각형이고,
    상기 초전도선의 단면이 다각형이고,
    상기 초전도 바이패스선과 상기 초전도선이, 각각의 일측 평면을 통해, 병렬로 길이 방향을 따라 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는, 냉동기 냉각형 초전도 자석.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 바이패스선이 복수의 초전도선으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉동기 냉각형 초전도 자석.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초전도선과 상기 초전도 바이패스선이 직접 접촉하는 접촉부를 갖는 것을 특징으로 하는, 냉동기 냉각형 초전도 자석.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접촉부는, 상기 초전도 바이패스선, 또는 상기 초전도선, 혹은 상기 초전도 바이패스선 및 상기 초전도선의 양쪽이, 표면의 일부가 가공되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 냉동기 냉각형 초전도 자석.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 코일을 덮어 형성되어 상기 초전도 코일로의 복사열을 실드하는 제1 실드와,
    상기 제1 실드와 독립되어, 상기 영구 전류 스위치를 덮어 형성되고, 상기 영구 전류 스위치로의 복사열을 실드하는 제2 실드를 구비하는 것을 특징으로 하는, 냉동기 냉각형 초전도 자석.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 초전도 코일로 외부 전원으로부터 전류를 공급하기 위한 전류 리드는,
    상기 제2 실드의 일부와의 연결 개소로부터 상기 초전도 코일 사이에, 상기 초전도 코일이 초전도 상태일 때의 상기 제2 실드의 냉각 온도에서, 초전도 상태인 제1 전류 리드부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 냉동기 냉각형 초전도 자석.
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