JPH05160447A - 永久電流スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】永久電流スイッチを構成する超電導巻線の経験
磁場を低減してこの超電導巻線のクエンチ発生の可能性
を低減して安定性を増大させる。 【構成】酸化物超電導体板で永久電流スイッチ本体を囲
う磁気シールドを設けることにより、超電導コイルが生
成する磁場を磁気シールドがマイスナー効果で遮断して
その内部に侵入させず、そのため永久電流スイッチ本体
は外部磁場の影響を受けない状態になり、その結果、永
久電流スイッチの超電導巻線の臨界電流が増大して安定
性が増大する。また、磁気シールドに冷媒が出入りする
流通孔を設けるて永久電流スイッチ本体を磁気シールド
内に収納したことによる冷却効果の不足を解消する。ま
た、この流通孔の貫通する方向を外部磁場の方向に対し
て直角又は直角に近くなるように設けることによってこ
の流通孔を貫通する磁束を最小にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、核磁気共鳴装置や磁
気浮上列車などの超電導コイルを永久電流モードで運転
する際にこの超電導コイルの両端を実質的に抵抗値が零
の状態で短絡し、必要に応じて実質的に電流遮断状態に
する永久電流スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】核磁気共鳴装置や磁気浮上列車などの超
電導コイルは、運転中は永久電流スイッチで短絡して直
流電源から切り離し、超電導コイルと永久電流スイッチ
とで構成される閉回路の中を電流が循環して長期にわた
って流れ続けるいわゆる永久電流モードで使用されるの
が一般である。前述の超電導コイルや永久電流スイッチ
の超電導巻線を構成する超電導線は極低温においては超
電導状態になって電気抵抗値が零になっており、理論的
には永久に電流が流れ続けることになる。

【０００３】図４は永久電流スイッチ４を使用して超電
導コイル５の両端を短絡した回路構成を示す回路図であ
る。永久電流スイッチ４は超電導巻線３とこれを加熱し
て常電導状態に変移させるためのヒータ巻線２とからな
り、このヒータ巻線２はヒータ電源２１によって加熱用
の電力が供給される。永久電流モード状態においてはヒ
ータ電源２１はオフになっていて超電導巻線３は超電導
状態にあり永久電流スイッチ４としてはオンの状態にあ
る。すなわち、永久電流スイッチ４の抵抗値Ｒ _S は零で
あるため、超電導コイル５の図示しない励磁電源から供
給されていた電流は超電導コイル５を含むＢＣＤＥなる
回路を流れ続ける。

【０００４】６は保護抵抗体（抵抗値Ｒ_r ）で、超電導
コイル５の運転中に超電導コイル５の内部に常電導状態
が発生するいわゆるクエンチが発生した場合に、超電導
コイル５が持つ磁気エネルギー (1/2)ＬＩ²（Ｌ；超電
導コイル５のインダクタンス、Ｉ；電流）を超電導コイ
ル５以外すなわち保護抵抗体６の抵抗値Ｒ_r で消費して
超電導コイル５の過度の温度上昇を防止し、冷媒の蒸発
量を低減させる働きをするとともに、永久電流モードで
運転中に永久電流スイッチ４が何らかの理由で突然オフ
状態になり高抵抗状態になったときに超電導コイル５の
蓄積エネルギーの集中による永久電流スイッチ４の焼損
を防ぐという永久電流スイッチ４の保護の役目もする。

【０００５】コイルクエンチに際しては保護抵抗体６の
抵抗値Ｒ_r は超電導コイル５に発生する抵抗値Ｒ_N より
大きい方がエネルギー回収の面から望ましい。また永久
電流スイッチ４のオフ状態での抵抗値Ｒ_S は前記保護抵
抗体６の抵抗値Ｒ_r より更に大きいことが永久電流スイ
ッチ４の保護及び励磁時間の短縮のために要求される。
永久電流スイッチ４がオフのときの抵抗値を大きくする
ためには、超電導巻線３の超電導線の長さを長くしなけ
ればならない。特に大電流導体においては、導体断面積
が大きくなる関係上抵抗値が小さくなる傾向にあるた
め、高抵抗化するためには細い線の場合より多くの長さ
を必要とする。また大きな蓄積エネルギーを持つ超電導
コイル５のための永久電流スイッチ４は、ある程度の磁
気エネルギーを吸収できるように容積を大きくする必要
がある。一方、永久電流スイッチ４は超電導巻線３をヒ
ータ巻線２で加熱し、そのヒータパワーと冷媒への熱伝
達のバランスによって超電導体の温度を臨界温度以上又
は以下に保つことによりスイッチのオン、オフを行うの
であるから、超電導巻線３とヒータ巻線２とが密接する
ように巻回する構成がとられる。

【０００６】永久電流スイッチ４の大きさは種々ある
が、超電導ＭＲＩ装置のマグネットに使用される永久電
流スイッチの場合で直径が１００mm、軸方向寸法である
長さが２００mm程度である。また、超電導線３１，３
２、ヒータ線２１の直径は１mm程度である。

【０００７】超電導巻線３は、永久電流スイッチ４とし
てはオフの状態である常電導状態での抵抗値を大きくす
るために安定化銅を除去した超電導体だけのもの、ある
いは、銅より２桁以上も抵抗率の大きな例えばキュプロ
ニッケル合金（Cu−Ni）を被覆したものが使用される。
このような超電導線では何らかの理由で突然超電導状態
から常電導状態に移行するいわゆるクエンチが生じ易く
なるので、超電導線近傍の磁界の強度を低減することを
目的として永久電流スイッチ４の超電導巻線３は無誘導
巻きという特殊な巻回方法が採用されている。

【０００８】無誘導巻きは、超電導線を２本に折り返
し、折り返した先端部分を巻枠に固定した上で２本同時
に巻回してゆくもので、この２本の超電導線に流れる電
流が互いに反対方向になることから、電流によって発生
する磁束を互いに打ち消すして超電導巻線３の自己誘導
係数が非常に小さくなるという特徴のある巻線方法であ
る。

【０００９】図５は超電導線の磁場と臨界電流の関係を
示すグラフである。この図において、横軸は超電導体が
さらされる磁場の強度（Ｂ）でこの磁場は経験磁場と呼
ばれている。縦軸は超電導線に流れる電流（Ｉ）、曲線
１０１は超電導巻線３を構成する超電導線の経験磁場強
度と臨界電流の関係の特性を示すもので、この曲線１０
１の下側では超電導線は超電導状態を維持することがで
きるが、上側では維持することができないことを表す。
Ｂ_OPは超電導コイル５が超電導巻線３の位置に生成する
磁場の強度であり、Ｉ_OPは永久電流スイッチ４の定格電
流であり同時に超電導コイル５の定格電流でもある。点
１０２はＢ_OPとＩ_OPとで決まる永久電流スイッチの４使
用時における点であり、この点１０２が曲線１０１から
離れているほど超電導巻線３はクエンチが起こりにくい
安定した状態にあり、接近するほどクエンチが起こり易
い不安定な状態になるという関係がある。

【００１０】電流Ｉ_OPが一定ならば図から明らかなよう
に、経験磁場強度Ｂ_OPが小さいほど安定であり、一定の
経験磁場強度Ｂ_OPならば電流Ｉ_OPが小さいほど安定であ
る。経験磁場強度Ｂ_OPは超電導巻線３を設置する位置に
よって変わるのでなるべく磁場強度の小さい位置に設置
するのが望ましいのであるが、永久電流スイッチ４は超
電導コイル５と同じクライオスタットと呼ばれる容器中
に収納され、しかもクライオスタットの寸法はなるべく
小さい方がよいことから永久電流スイッチ４の設置位置
が制約されて期待通りに小さな経験磁場強度Ｂ_OPにする
のは困難なのが実際であり、敢えて磁場強度の小さな位
置に永久電流スイッチ４を設置しようとすると、クライ
オスタットの寸法、重量の増大とこれにともなうコスト
アップになってしまう。また、定格電流Ｉ_OPは仕様から
決まるものなのでこれを小さくすることはできないが、
大きな断面積の超電導線を採用することによって曲線１
０１の位置を図示よりも上の方に移動させることによっ
て相対的に定格電流Ｉ_OPを小さくしたと同じ作用を得る
ことができる。しかし、超電導線の断面積を大きくする
ことは高価な超電導線の使用量が増えてコストアップに
なるとともに永久電流スイッチ４の寸法も増大し、ひい
ては超電導コイル５を含む全体の装置のコストアップと
寸法、重量増大を招くことになり、安易に超電導線の断
面積を大きくすることはできないのが実際である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、永久電
流スイッチ４を構成する超電導巻線３の安定性を増大さ
せるために、経験磁場強度Ｂ_OPを小さくすること、超電
導線の断面積を大きくすることはいずれも装置の寸法、
重量増大とコストアップを招くという問題がある。この
発明の目的は、このような問題を解決し、永久電流スイ
ッチの設置位置を変えずに経験磁場を低減することによ
って効果的に超電導巻線の安定性を増大させることにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
にこの発明によれば、超電導線が巻回されてなる超電導
巻線と超電導状態にあるこの超電導巻線を加熱して常電
導状態に変移させるヒータ巻線とからなり、酸化物超電
導体板で構成する閉空間内に収納されてなるものとし、
また、磁気シールドを構成する酸化物超電導体板に冷媒
が出入りする流通孔を設けてなるものとし、また、流通
孔の貫通方向を外部磁場の方向に対して直角又は直角に
近い角度に設けてなるものとする。

【００１３】

【作用】この発明の構成において、永久電流スイッチを
酸化物超電導体板で磁気シールドを構成する閉空間内に
収納すると、超電導コイルを励磁して電流を流すときに
は超電導コイルが超伝導状態になっているばかりでな
く、永久電流スイッチの超電導巻線と前記閉空間も超電
導電導状態になっていることから、超電導コイルがこの
永久電流スイッチが設置されている位置に生成する磁場
を前記閉空間が磁気シールドとしてマイスナー効果によ
って遮断してその内部に侵入させず、そのため永久電流
スイッチ本体は外部の磁場の影響を受けなくなることか
ら、臨界電流が増大して定格電流の臨界電流に対する比
率が小さくなってクエンチの起こり難い安定した永久電
流スイッチになる。また、磁気シールドを構成する酸化
物超電導体板に冷媒が出入りする流通孔を設けて冷媒の
流通を良くすることによって、永久電流スイッチ本体を
磁気シールド内に収納したことによる冷却効果の不足を
補うことができる。また、流通孔の貫通方向を外部磁場
の方向に対して直角又は直角に近い角度となる位置に設
けることによって、流通孔を通って内部に侵入する磁束
が小さくなる。

【００１４】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施例を示す永久電流スイッチの断面
図である。この図において、永久電流スイッチ４０の本
体４１は従来の永久電流スイッチであり、図の左右に平
行な対称軸を持つ丸棒状をしたものである。この本体４
１を磁気シールド４５に収納し、リード４２はこの磁気
シールド４５に設けられた流通孔４８から外部に引き出
す。磁気シールド４５は円筒部４３とこの円筒部４３の
両側の開口部をふさぐふた４４とからなっていていずれ
も酸化物超電導体製である。円筒部４３には前述のリー
ド４２を引き出し孔を兼ねた流通孔４８の他に図の下部
に示した流通孔４７を設けてある。これらの流通孔４
７，４８は冷媒である液体ヘリウムが磁気シールド４５
内部にも容易に流入し流出するようにして内部で発生す
る熱による本体４１の温度上昇を抑制するものである。

【００１５】本体４１はスペーサ４６を介して円筒部４
３に固定支持する構成であり、このスペーサ４６は極低
温に耐える絶縁材料としてふっ化樹脂が使用される。本
体４１は樹脂でモールドされるのが普通なので、スペー
サ４６として必ずしも絶縁材でなければならないことは
ない。磁気シールド４５はクライオスタットの中に従来
の永久電流スイッチと同様に図示しない構成で固定され
る。

【００１６】図２は永久電流スイッチ４０をその対称軸
に平行な磁場に設置した場合の近傍の磁場を示す磁場分
布図と断面図の併用図である。周知のように、酸化物超
電導体は約７０Ｋで超電導状態になるが、金属超電導体
からなる超電導コイル５や永久電流スイッチ４の超電導
巻線３が約４Ｋで超電導状態が維持される液体ヘリウム
内に磁気シールド４５も設けられているから当然超電導
状態になっている。したがって、いわゆるマイスナー効
果か生じて磁力線で図示する磁場２０１は円筒部４３、
ふた部４４を貫通することができず図のように磁気シー
ルド４５を避けて通る磁場分布となる。このような磁場
２０１内に置かれた永久電流スイッチ４０の磁気シール
ド４５に設けられた流通孔４７，４８はその貫通方向が
磁場２０１に直角の方向なので流通孔４７，４８から内
部に侵入する磁場は小さく実質的に無視できる。

【００１７】図３は永久電流スイッチ４０Ａをその対称
軸に直角の方向の磁場に設置した場合の磁場分布と永久
電流スイッチ４０Ａの断面図とを示す併用図であり、図
１、図２の構成要素に対応する構成要素にはインデック
スＡを付した符号を付けることによって詳しい説明を省
略する。この図において、流通孔４７Ａ，４８Ａはふた
４４Ａに設けてあり、そのため図２と同様に磁場２０１
Ａの方向と流通孔４７Ａ，４８Ａの貫通方向とが直角に
なっているために磁気シールド４５Ａ内への磁場の侵入
は図２と同様に無視でき、磁気シールド４５Ａの磁気シ
ールド効果が最もよく発揮される構成になっている。

【００１８】実際の永久電流スイッチ４０又は４０Ａで
は対称軸に厳密に平行又は直角であるということはなく
ある程度傾斜を持った磁場、あるいは図２、図３のよう
に永久電流スイッチ４０，４０Ａがなければ一様な磁場
となるような磁場なのが普通なので、永久電流スイッチ
として図２の構成か図３の構成かの選択は、実際の磁場
の方向と永久電流スイッチの対称軸の方向とのなす角度
が小さいときに図２の永久電流スイッチ４０、大きいと
きに図３の永久電流スイッチ４０Ａを採用すればよい。

【００１９】図２のような磁場に図３の永久電流スイッ
チ４０Ａを設置する、あるいは図３の磁場に図２の永久
電流スイッチ４０を設置したとしても磁気シールド４
５，４５Ａの磁気シールド効果が実用性を失うほどに低
下する訳ではない。その理由は、超電導コイル５に電流
が流されるのはこれが超電導状態になった後であり、そ
の時点では永久電流スイッチ４０，４０Ａの超電導巻線
３は勿論、磁気シールド４５，４５Ａも超電導状態にな
っているので、励磁時に、超電導５に流れる電流が時間
とともに増大しこれに伴って磁場２０１，２０１Ａが増
大してゆくときに、超電導状態にある磁気シールド４
５，４５Ａの壁を磁束が横切ることができず、したがっ
て、理想的には流通孔４７，４８及び４７Ａ，４８Ａを
磁束が貫通することはできないからである。

【００２０】

【発明の効果】この発明は前述のように、酸化物超電導
体板で閉空間を構成した磁気シールドのこの閉空間内に
永久電流スイッチを収納することにより、酸化物超電導
体のマイスナー効果によって超電導コイルが生成する磁
場をこの磁気シールドが遮断してその内部に侵入させ
ず、そのため永久電流スイッチ本体が設置された空間に
は外部磁場がない状態になり、外部磁場の影響を受けな
くなる。その結果、永久電流スイッチの超電導巻線を構
成する超電導線の臨界電流が増大して、定格電流の臨界
電流に対する比率が小さくなってクエンチの起こり難い
安定した永久電流スイッチになるという効果が得られ
る。また、磁気シールドに冷媒が出入りする流通孔を設
けることによって、永久電流スイッチ本体を磁気シール
ド内に収納したことによる冷却効果の不足を解消するこ
とができる。また、流通孔の貫通する方向を外部磁場の
方向に対して直角又は直角に近くなるような位置に設け
ることによって、この流通孔を貫通して磁気シールド内
部に侵入する磁束が最小になるという効果を挙げること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す永久電流スイッチの断
面図

【図２】図１の永久電流スイッチの断面図と外部磁場分
布との併用図

【図３】この発明の別の実施例を示す永久電流スイッチ
の断面図と外部磁場分布との併用図

【図４】永久電流スイッチを使用した回路図

【図５】超電導体の経験磁場と臨界電流の関係を示すグ
ラフ

【符号の説明】

５ 超電導コイル ４ 永久電流スイッチ ３ 超電導巻線 ２ ヒータ巻線 ４０ 永久電流スイッチ ４１ 本体 ４５ 磁気シールド ４７ 流通孔 ４８ 流通孔 ２０１ 磁場 ４０Ａ 永久電流スイッチ ４１Ａ 本体 ４５Ａ 磁気シールド ４７Ａ 流通孔 ４８Ａ 流通孔 ２０１Ａ 磁場

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導線が巻回されてなる超電導巻線と超
   電導状態にあるこの超電導巻線を加熱して常電導状態に
   変移させるヒータ巻線とからなるり、酸化物超電導体板
   で磁気シールドを構成する閉空間内に収納されてなるこ
   とを特徴とする永久電流スイッチ。
2. 【請求項２】磁気シールドを構成する酸化物超電導体板
   に冷媒が出入りする流通孔を設けてなることを特徴とす
   る請求項１記載の永久電流スイッチ。
3. 【請求項３】流通孔の貫通方向を外部磁場の方向に対し
   て直角又は直角に近い角度に設けてなることを特徴とす
   る請求項２記載の永久電流スイッチ。