WO2023105974A1 - 超電導コイル装置 - Google Patents

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研吾 後藤
晋士 藤田
洋太 一木
学 青木
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株式会社日立製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting coil device that is composed of a superconducting wire using a high-temperature superconductor and a persistent current switch and that realizes persistent current mode operation.
  • Superconducting magnets are used in MRI (Magnetic Resonance Imaging) devices and NMR (Nuclear Magnetic Resonance) devices. Since such equipment requires high magnetic field stability, the superconducting magnet is operated in a permanent current mode in which a closed circuit is formed only by a superconductor and current is applied. During operation, both ends of the superconducting coil are short-circuited by a persistent current switch (PCS), separated from the DC power supply, to form a closed loop with substantially zero electrical resistance.
  • PCS persistent current switch
  • Persistent current mode is a state in which current continues to flow in this closed loop for a long period of time without attenuation.
  • This PCS is composed of a superconducting wire in which a superconducting filament is embedded in a high-resistance metal base material wound around. ) and high resistance (off state).
  • magnesium diboride (MgB 2 ) is expected. Due to its high critical temperature, MgB2 can cool the superconducting magnet with a refrigerator instead of cooling with liquid helium. Furthermore, MgB2 has a smaller wire diameter than a wire using an oxide superconductor, so that the circulating current generated inside the wire is small and the magnetic field stability is high.
  • Fig. 11 shows one configuration example of a superconducting magnet.
  • the superconducting magnet has a superconducting coil 2 and a PCS 3 arranged inside a cooling container 1, which are cooled by a refrigerator via a support plate.
  • a current is supplied through the lead wire 19 from a power supply arranged on the room temperature side.
  • the superconducting coil 2 and the PCS 3 are connected by a superconducting joint 5 .
  • 12A to 12C show an example of an electric circuit between the PCS 3 and the superconducting coil 2.
  • the power supply 20 is used to excite the superconducting coil 2 while the PCS 3 is off, that is, the PCS 3 has electrical resistance. It is designed to have an electrical resistance of several ohms to several tens of ohms when the PCS3 is off.
  • the PCS 3 is turned on, that is, the PCS 3 is put into a superconducting state so that both ends of the superconducting coil 2 are short-circuited with zero electrical resistance.
  • Non-Patent Document 1 describes an example of a superconducting coil device composed of a MgB2 wire, which is a high-temperature superconductor, and a persistent current switch.
  • a superconducting coil device composed of a MgB2 wire, which is a high-temperature superconductor, and a persistent current switch.
  • Non-Patent Document 1 is a configuration in which a plurality of superconducting coil devices each including a superconducting coil and a persistent current switch are connected. There is a problem of increasing the size. Moreover, the direction of the magnetic field generated by the superconducting coil does not match the direction of the magnetic field generated by the persistent current switch. The mechanism for correcting the magnetic field can be complicated.
  • Patent Document 1 proposes a superconducting magnet in which the persistent current switch is formed in a coil shape by winding a superconducting conductor around the entire outer circumference of the superconducting coil concentrically with the superconducting coil outside the superconducting coil. It is considered that the problem of Non-Patent Document 1 can be solved by this. However, in order to apply the configuration of Patent Document 1, it is important how to connect and configure a plurality of superconducting wires. there is room for
  • An object of the present invention is to provide a superconducting coil device capable of appropriately connecting a plurality of superconducting wires.
  • the superconducting coil device of the present invention comprises a superconducting coil formed into a coil shape by winding a superconducting wire, and an excitation power source for the superconducting coil electrically connected in parallel with the superconducting coil. and a thermal persistent current switch, wherein the persistent current switch is concentrically arranged radially outside the superconducting coil, and the persistent current switch non-inductively connects a plurality of superconducting wires. It is characterized by having a superconducting connecting portion in which at least one ends of the plurality of superconducting wires are superconductingly connected to each other. Other aspects of the present invention are described in embodiments below.
  • multiple superconducting wires can be appropriately connected.
  • FIG. 4 is a diagram showing the arrangement of a superconducting coil and a persistent current switch made of a high-temperature superconductor, and showing a configuration in which the superconducting coil and the persistent current switch have different central heights in the height direction; It is the figure which showed a mode that the PCS wire is wound around the PCS coil bobbin.
  • FIG. 4 is a side view of the PCS showing the configuration after winding the PCS wire on the PCS coil bobbin.
  • 1 is a schematic diagram showing one aspect of PCS before heat treatment; FIG. FIG.
  • FIG. 3 is a plan view showing the structure of a superconducting connection container used for the folded portion of the PCS, which is the superconducting connection.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 5A;
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 5A;
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a superconducting connection container in which a PCS wire having a MgB2 filament exposed by cutting a part of the metal sheath is inserted into the superconducting connection container for forming the folded portion of the PCS.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 5A
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 5A
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a superconducting connection container in which a PCS wire having a MgB2 filament exposed by cutting a part of the metal
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a superconducting connection container for forming a folded portion of a PCS when filled with MgB 2 powder.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the superconducting connection container for forming the return portion of the PCS when the MgB 2 powder of the superconducting connection container is pressurized using a pressurizing jig.
  • FIG. 10 is a diagram showing a superconducting coil and a persistent current switch made of a high-temperature superconductor according to a second embodiment, and a cooling structure thereof; It is a figure which shows the structure which arranged in multiple numbers the superconducting coil apparatus which consists of the superconducting coil which consists of a high temperature superconductor, and a permanent current switch which concerns on 3rd Embodiment.
  • 1 is a diagram showing an example of conventional superconducting coils and persistent current switches;
  • FIG. FIG. 2 is a diagram showing an example of an electric circuit diagram of a conventional superconducting coil and a persistent current switch, when the superconducting coil is excited.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of an electric circuit diagram of a conventional superconducting coil and a persistent current switch, during persistent current operation.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of an electric circuit diagram of a conventional superconducting coil and a persistent current switch, in the case of demagnetizing the superconducting coil.
  • FIG. 1 is a diagram showing the arrangement of a superconducting coil 2 made of a high-temperature superconductor and a persistent current switch (PCS 3) according to the first embodiment.
  • a superconducting coil device 10 comprises a superconducting coil 2 , a PCS 3 and a heater 4 in a cooling container 1 , and a magnetic field is generated by the superconducting coil 2 .
  • the superconducting coil device 10 has a configuration in which the PCS 3 is arranged outside the superconducting coil 2 . Furthermore, since the superconducting coil 2 and the PCS 3 are arranged concentrically, the magnetic field generated by each part is in the same direction, which is suitable for NMR systems and MRI systems that require high magnetic field stability. The mechanism for ensuring can be simplified.
  • the PCS 3 has a plurality of superconducting wires (PCS wires 22 (see FIG. 3)) wound non-inductively, and at least one end of the plurality of superconducting wires (PCS wires 22) is superconductingly connected to each other. It has a superconducting connection 5A.
  • the connection between the superconducting coil 2 and the PCS 3 has two superconducting joints 5B.
  • the structure of the heater wire need not be limited to a wire, as long as the heater wire is a heating element such as a sheet-like one that can input a desired amount of heat.
  • the superconducting coil 2 is made of a low-temperature superconductor such as NbTi, the heat from the heater is transferred to the superconducting coil, which increases the possibility of quenching the superconducting coil. needs to be increased, and the size of the superconducting coil device is increased.
  • the superconducting coil 2 is preferably a high temperature superconductor such as MgB2 wire.
  • MgB2 wire As the superconducting wire described above, a MgB2 wire will be described as an example, but a superconducting wire made of other superconducting materials such as yttrium-based or bismuth-based materials may also be used.
  • the superconducting coil 2 has a configuration called "wind and react,” in which a wire rod is wound before heat treatment to be superconductingly connected to the PCS 3. This facilitates superconducting connection with the PCS for superconducting coils wound after conventional heat treatment.
  • the size of the superconducting coil device having the persistent current operation function can be reduced. Furthermore, since the superconducting coil 2 and the PCS 3 are arranged concentrically, the magnetic field generated by each part is in the same direction, which is suitable for NMR systems and MRI systems that require high magnetic field stability. The mechanism for securing can be simplified.
  • the central portion of the superconducting coil 2 and the PCS 3 are at the same height in the height direction, but as shown in FIG. 12 and the superconducting coil center position 11 do not have the same height, a similar effect can be obtained.
  • the superconducting connection portions include the superconducting connection portion 5A and the superconducting connection portion 5B shown in FIG.
  • the superconducting connection portion 5A will be described as an example.
  • FIG. 3 shows how the PCS coil bobbin 24 is wound with a superconducting wire (hereinafter referred to as the PCS wire 22) that constitutes the PCS.
  • the arrow near the PCS wire drum 23 indicates the feeding direction of the PCS wire 22
  • the arrow near the PCS coil bobbin 24 indicates the winding direction of the PCS wire 22.
  • the PCS wire 22 is simultaneously supplied from two PCS wire drums 23 and wound around the PCS coil bobbin 24 .
  • the heater wire is wound so that the heater wire is inserted in each layer so that the PCS wire 22 and the heater wire are arranged in each layer.
  • FIG. 4A is a side view of the PCS 3 showing the configuration after winding the PCS wire 22 on the PCS coil bobbin 24.
  • FIG. 4A Since two PCS wires 22 are wound around the PCS coil bobbin 24, two PCS wire ends 25 are formed.
  • non-inductive winding is realized by superconducting connection of one of the PCS wire ends 25 .
  • FIG. 4B is a schematic diagram showing one aspect of PCS3 before heat treatment.
  • FIG. 4B is a schematic diagram showing one aspect of the PCS 3 according to the first embodiment before heat treatment, that is, before completion.
  • the PCS 3 before the heat treatment can be handled without fixing the superconducting connection portion 5A to the flange (flange portion), but the PCS 3 after the heat treatment has the superconducting connection portion 5A fixed to the flange portion. be done.
  • the superconducting connection portion 5A is fixed to the collar portion, and the heat treatment is performed to complete the PCS3.
  • FIG. 5A shows the structure of the connection container 30 used for the superconducting connection 5A.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA' of FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view taken along line BB' of FIG. 5A.
  • the connecting container 30 is composed of a MgB 2 powder-filled container 31 and a pressurizing jig 32 .
  • the MgB2 powder-filled container 31 has a wire insertion part 34 for introducing the PCS wire 22 (see FIG. 4A) into the MgB2 powder-filled container 31, and the connecting container 30 to the PCS coil bobbin 24 (see FIG. 4A).
  • a connection container fixing portion 35 for fixing and a MgB 2 powder filling portion 33 for filling MgB 2 powder are provided.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a superconducting connection container in which a part of the metal sheath is cut to expose the MgB2 filament and a PCS wire is inserted into the superconducting connection container for forming the folded portion of the PCS.
  • the metal sheath 27 on the surface of the PCS wire 22 including the MgB 2 superconducting filaments 36 is cut to expose the MgB 2 superconducting filaments 36 .
  • the PCS wire 22 with the MgB2 filament 26 exposed is inserted from the wire insertion part 34 provided in the MgB2 powder filling container 31, and the exposed part of the MgB2 superconducting filament 36 is positioned in the MgB2 powder filling part 33. placed like this.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the superconducting connection container for forming the folded portion of the PCS when the superconducting connection container is filled with MgB 2 powder.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the superconducting connecting container for forming the return part of the PCS when the MgB 2 powder of the superconducting connecting container is pressurized using a pressurizing jig.
  • the MgB2 powder 38 is filled into the MgB2 powder filling portion 33 of the MgB2 powder filling container 31 .
  • the MgB2 powder 38 is compacted by applying pressure using a pressing machine (not shown) or the like using a pressing jig 32.
  • One PCS wire end of the PCS wire 22 wound around the PCS coil bobbin 24 is provided with the superconducting connection portion 5A of the folded portion.
  • a MgB2 sintered body is formed around the two PCS wires 22, and the MgB2 superconducting filament 36 in the PCS wire 22 is connected by the MgB2 sintered body.
  • the PCS 3 described in this embodiment realizes non-inductive winding at the superconducting connection portion 5A in which a plurality of superconducting wires are superconductingly connected.
  • the folding portion of the superconducting wire is formed in this way, so there is no need to once rewound the superconducting wire on the PCS wire drum.
  • workability is improved.
  • it is not necessary to bend the superconducting wire at the folded portion of the non-inductive winding the superconducting properties of the superconducting wire are not degraded by the bending radius.
  • the superconducting connection portion 5A has been described above, it can also be applied to the superconducting connection portion 5B (see FIGS. 5A to 5C and FIGS. 6 to 8).
  • FIG. 9 is a diagram showing a superconducting coil 2 and a persistent current switch (PCS3) made of a high-temperature superconductor according to the second embodiment, and a cooling structure thereof.
  • PCS3 persistent current switch
  • a heat insulator 9 is arranged in comparison with FIG.
  • a metal 7 as a heat conductor is arranged so as to be in contact with the PCS 3 , and the heat conductor is in contact with the cooling plate 8 .
  • the metal 7 is used to prevent the heat generated by the heater 4 from flowing to the superconducting coil 2.
  • the heat is radiated to the cooling plate 8 by conduction cooling, and the heat insulating material 9 is used to suppress the temperature rise of the superconducting coil.
  • the heat insulating material 9 is, for example, styrene foam, but any material having a heat insulating function can provide the same effect.
  • copper which is a good thermal conductor, can be mentioned as a candidate, but the same effect can be obtained as long as the material has high thermal conductivity.
  • FIG. 9 does not show the superconducting joint 5B (see FIG. 1) between the superconducting coil 2 and the PCS 3, the superconducting coil 2 and the PCS 3 are connected by the superconducting joint 5B.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration in which a plurality of superconducting coil devices 10 each including a superconducting coil 2 made of a high-temperature superconductor and a persistent current switch (PCS3) according to the third embodiment are arranged.
  • the third embodiment shown in FIG. 10 shows a configuration in which a plurality of superconducting coil devices 10 are combined with the central axes 15 of the superconducting coils 2 aligned.
  • a plurality of superconducting coil devices 10 are connected by solder joints 13 and arranged in cooling container 1 .
  • the superconducting coil device shown in the third embodiment is a combination of a plurality of superconducting coil devices 10, the superconducting coil devices 10 may be combined with different specifications. Moreover, although it is composed of two superconducting coil devices 10, a plurality of superconducting coil devices 10 may be combined. This combination is determined by the specifications of the superconducting magnet, and the combination and number are determined according to the specifications. Since conventional superconducting magnets have different magnetic fields depending on the product specifications, the structure of the superconducting magnet and the support structure of the superconducting magnet change. As a result, it is necessary to design each product, which may lead to a longer manufacturing period and higher costs. However, as shown in this embodiment, by combining superconducting magnets with various specifications with superconducting coil devices with different magnetic field specifications, the period required for manufacturing and development can be shortened.
  • cooling vessel 1 cooling vessel 2 superconducting coil 3 PCS (persistent current switch) 4 heater 5, 5A, 5B superconducting joint 6 support plate 7 metal (thermal conductor) 8 cooling plate 9 heat insulator 10 superconducting coil device 11 superconducting coil center position 12 persistent current switch center position 13 solder joint 14 superconducting coil device complex 19 lead wire 20 power source 21 protective resistor 22 PCS wire (superconducting wire) 23 PCS wire drum 24 PCS coil bobbin 25 PCS wire end 30 Connection container 31 MgB 2 powder filling container 32 Pressurizing jig 33 MgB 2 powder filling unit 34 Wire insertion unit 35 Connection container fixing unit 36 MgB 2 superconducting filament 38 MgB 2 powder 39 sealing material

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  • Power Engineering (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

超電導線を巻回してコイル状に形成した超電導コイル（２）と、この超電導コイル用の励磁電源に対して前記超電導コイルと電気的に並列に接続した熱式の永久電流スイッチ（ＰＣＳ（３））とを備える超電導コイル装置（１０）において、永久電流スイッチは、超電導コイル（２）の径方向の外側に同心円状に配置され、永久電流スイッチは、複数本の超電導線を無誘導巻きしており、複数本の超電導線の少なくとも一方の端部同士が超電導接続された超電導接続部（５Ａ）を有する。

Description

超電導コイル装置
　本発明は、高温超電導体を用いた超電導線材と永久電流スイッチで構成され、永久電流モード運転を実現する超電導コイル装置に関する。
　超電導マグネットは、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴イメージング）装置や、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）装置などで用いられる。このような機器では、高い磁場安定度が要求されるため、超電導マグネットを超電導体のみで閉回路を構成し、電流を通電する永久電流モードで運転される。運転中は直流電源から切り離して永久電流スイッチ（ＰＣＳ：Persistent Current Switch）で超電導コイル両端を短絡し、実質的な電気抵抗ゼロの閉ループを形成する。この閉ループ中を長期間にわたって電流が減衰することなく流れ続ける状態が永久電流モードである。一般的に、永久電流モードで超電導コイルを励磁することにより、時間的な変動がない磁場を得ることができ、また、電源と接続することなく磁場を得ることができる。このため、ＭＲＩやＮＭＲなどの超電導コイルは永久電流モードで使用することが一般的である。
　このＰＣＳは、高抵抗の金属母材に超電導フィラメントが埋め込まれた超電導線を巻きまわしたもので構成され、超電導から常伝導に転移させるためのヒータが備えられ、電気的に抵抗０（オン状態）と高抵抗（オフ状態）とする機能を持つ。
　また、従来の超電導マグネット装置では、ニオブチタン（ＮｂＴｉ）やニオブ３スズ（Ｎｂ３Ｓｎ）の超電導線材が使用されており、それらの多くは液体ヘリウムで４．２Ｋに冷却して使用していた。このような超電導マグネットにおいて、ＰＣＳのヒータによる熱が超電導線材に伝導し、超電導体がクエンチする可能性があった。このクエンチを抑制するには、臨界温度の高い超電導材料を用いることで対策できるが、液体ヘリウムのような低温領域では、超電導から常伝導に転移させるために必要な熱量を大きくする必要があり、液体ヘリウムの蒸発などが起こりえる。
　そのような背景から、金属系の超電導材料であるニオブチタン（ＮｂＴｉ）やニオブ３スズ（Ｎｂ３Ｓｎ）などに対して、超電導に転移する臨界温度がと比較して高い二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）を用いた永久電流スイッチが期待されている。ＭｇＢ２はその臨界温度の高さから、液体ヘリウムによる冷却に代わり、超電導マグネットを冷凍機で冷却することが可能となる。さらに、ＭｇＢ２は、酸化物超電導体を用いた線材と比較すると、線材径が小さいため、線材内部で発生する循環電流が小さく、磁場安定性が高いという特徴を有している。
　図１１に超電導マグネットの構成例の一つを示す。超電導マグネットは、冷却容器１の内部に超電導コイル２とＰＣＳ３が配置されており、これらは支持板を介して、冷凍機によって冷却される。超電導コイル２を励磁する際には、室温側に配置される電源からリード線１９を介し、電流が供給される。また、超電導コイル２とＰＣＳ３は超電導接続部５で接続される。
　図１２Ａ～図１２Ｃは、ＰＣＳ３と超電導コイル２の電気回路の一例を示している。超電導コイル２を励磁する際には、ＰＣＳ３がオフ、すなわち、ＰＣＳ３が電気抵抗を有した状態で電源２０を用いて超電導コイル２を励磁する。ＰＣＳ３がオフの状態では数Ω～数十Ω程度の電気抵抗が持つように設計される。永久電流運転時には、ＰＣＳ３をオン、すなわち、ＰＣＳ３を超電導状態にして超電導コイル２両端を電気抵抗ゼロで短絡した状態にする。超電導コイル２の磁場を落とす際には、ＰＣＳ３をオフにして、保護抵抗２１で超電導コイル２に蓄えられたエネルギーを消費する。ＰＣＳ３が超電導状態に転移すると、超電導体の電気抵抗がゼロであるため、超電導コイル２とＰＣＳ３、で構成される閉回路において、電流の減衰がない永久電流モードを実現することができ、超電導マグネットにおいて高い安定度を有する磁場を得ることができる。このような永久電流モードを実現させるためには、ＰＣＳ３をオン/オフするためのヒータ加熱の影響で温度が高くなるＰＣＳ３の熱を超電導コイル２に伝達させないようにする配置や冷却構造が必要となる。
　例えば、非特許文献１には、高温超電導体であるＭｇＢ２線材と永久電流スイッチで構成される超電導コイル装置の例が記載されている。超電導コイルと永久電流スイッチで構成される要素を複数用意することで、所望の磁場仕様を実現するための構成である。本システムは、固体窒素を冷媒として用いることで超電導線コイルを低温状態としている。
特許４５６２９４７号公報
Jiayin Ling1 et al.:A persistent-mode 0.5T solid-nitrogen-cooled MgB2magnet for MRI, Supercond Sci Technol. 2017 February,30(2)
　非特許文献１に記載される構成は、超電導コイルと永久電流スイッチからなる超電導コイル装置を複数接続する構成であるが、超電導コイルの外側に永久電流スイッチが配置され、超電導コイル装置の径方向に大型化するといった課題がある。また、超電導コイルが生成する磁場の方向と、永久電流スイッチが生成する磁場の方向が一致しておらず、例えば、ＭＲＩシステムのように高い磁場均一度が必要なシステムに適用するには、その磁場を補正するための機構が複雑になる可能性がある。
　特許文献１には、永久電流スイッチは、超電導コイルの外側に、超電導コイルと同心状に超電導導体を超電導コイルの外周域全体にわたって巻回してコイル状に形成してなるものとする超電導磁石が提案されている。これにより、非特許文献１の課題は解決できると考えられる。しかし、特許文献１の構成を適用するには、複数本の超電導線をどのように接続して構成するかが重要であるが、特許文献１には、その提示・示唆されておらず、改善する余地がある。
　本発明は、複数本の超電導線を適切に接続することができる超電導コイル装置を提供することを目的とする。
　前記目的を達成するため、本発明の超電導コイル装置は、超電導線を巻回してコイル状に形成した超電導コイルと、この超電導コイル用の励磁電源に対して前記超電導コイルと電気的に並列に接続した熱式の永久電流スイッチとを備える超電導コイル装置において、前記永久電流スイッチは、前記超電導コイルの径方向の外側に同心円状に配置され、前記永久電流スイッチは、複数本の超電導線を無誘導巻きしており、前記複数本の超電導線の少なくとも一方の端部同士が超電導接続された超電導接続部を有することを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
　本発明によれば、複数本の超電導線を適切に接続することができる。
第１実施形態に係る高温超電導体で構成される超電導コイルと永久電流スイッチの配置を示す図である。 高温超電導体で構成される超電導コイルと永久電流スイッチの配置を示す図であり、超電導コイルと永久電流スイッチの高さ方向の中心高さが異なる構成を示す図である。 ＰＣＳコイルボビンにＰＣＳ線を巻線している様子を示した図である。 ＰＣＳコイルボビンにＰＣＳ線を巻線し終えた後の構成を示したＰＣＳの側面図である。 ＰＣＳの熱処理前の一態様を示す概略図である。 超電導接続部であるＰＣＳの折り返し部に用いる超電導接続容器の構造を示す平面図である。 図５ＡのＡ－Ａ断面図である。 図５ＡのＢ－Ｂ断面図である。 ＰＣＳの折り返し部を構成するための超電導接続容器に、一部の金属シースを切削し、ＭｇＢ２フィラメントを露出させたＰＣＳ線を挿入した際の接続容器の断面図である。 ＰＣＳの折り返し部を構成するための超電導接続容器に、ＭｇＢ２粉末を充填した際の接続容器の断面図である。 ＰＣＳの降り返し部を構成するための超電導接続容器のＭｇＢ２粉末を、加圧治具を用いて加圧した際の接続容器の断面図である。 第２実施形態に係る高温超電導体で構成される超電導コイルと永久電流スイッチと、その冷却構造を示す図である。 第３実施形態に係る高温超電導体で構成される超電導コイルと永久電流スイッチからなる超電導コイル装置を複数並べた構成を示す図である。 従来の超電導コイルと永久電流スイッチの例を示す図である。 従来の超電導コイルと永久電流スイッチの電気回路図の例を示す図であり、超電導コイル励磁時の場合である。 従来の超電導コイルと永久電流スイッチの電気回路図の例を示す図であり、永久電流運転時の場合である。 従来の超電導コイルと永久電流スイッチの電気回路図の例を示す図であり、超電導コイル消磁時の場合である。
　以下、適宜図面を参照して本発明の超電導コイル装置について詳細に説明する。
<<第１実施形態>>
　図１は、第１実施形態に係る高温超電導体で構成される超電導コイル２と永久電流スイッチ（ＰＣＳ３）の配置を示す図である。超電導コイル装置１０は、冷却容器１内に、超電導コイル２、ＰＣＳ３およびヒータ４で構成され、超電導コイル２により磁場が生成される。超電導コイル装置１０は、超電導コイル２の外側にＰＣＳ３が配置される構成である。さらに、超電導コイル２とＰＣＳ３が同心円状に配置されることから、各部品が生成する磁場が同一方向となり、高い磁場安定性が必要となるＮＭＲシステムやＭＲＩシステムなどに対して、磁場安定度の確保のための機構を簡易化できる。
　また、ＰＣＳ３は、複数本の超電導線（ＰＣＳ線２２（図３参照））を無誘導巻きしており、複数本の超電導線（ＰＣＳ線２２）の少なくとも一方の端部同士が超電導接続された超電導接続部５Ａを有する。超電導コイル２とＰＣＳ３の接続には、２個所の超電導接続部５Ｂを有する。
　ＰＣＳ３は、ＰＣＳコイルボビン２４（図３参照）にＰＣＳ線２２（図３参照）を巻きまわす際、各層毎にヒータ線が挿入されるようにし、ＰＣＳ線とヒータ線を交互に配置することで、小さな熱量でＰＣＳ線を常伝導転移させる。このとき、ヒータ線はシート状のものなど所望の熱量を投入できる発熱体であれば、その構造は線に限る必要はない。
　また、超電導コイル２は、例えば、ＮｂＴｉのような低温超電導体であった場合、ヒータによる熱が超電導コイルに伝達し、超電導コイルがクエンチする可能性が高くなるため、超電導コイル２とＰＣＳ３の距離を大きくする必要があり、超電導コイル装置が大型化する。このため、超電導コイル２はＭｇＢ２線のような高温超電導体であることが望ましい。なお、上述した超電導線材として、ＭｇＢ２線を例に説明するが、イットリウム系やビスマス系などその他の超電導材料で構成された超電導線材を用いて構成することも考えられる。
　さらに、超電導コイル２はワインドアンドリアクトと言われる、線材を熱処理前に巻線することで、ＰＣＳ３と超電導接続される構成である。これにより、従来の熱処理後に巻線する超電導コイルに対して、ＰＣＳとの超電導接続が容易になる。
　本構成のように、超電導コイル２の外側にＰＣＳ３が配置される構成となることで、永久電流運転機能を有する超電導コイル装置を小型化できる。さらに、超電導コイル２とＰＣＳ３が同心円状に配置されることから、各部品が生成する磁場が同一方向となり、高い磁場安定性が必要となるＮＭＲシステムやＭＲＩシステムなどに対して、磁場安定度の確保のための機構を簡易化できる。
　なお、図１に示す実施形態では高さ方向に対して、超電導コイル２とＰＣＳ３の中心部が同じ高さである図を用いて説明したが、図２に示すように、永久電流スイッチ中心位置１２と超電導コイル中心位置１１が同じ高さでなくても同様の効果が得られる。
　次に、超電導線の接続方法について、図３から図８を用いて説明する。超電導接続箇所は、図１に示した超電導接続部５Ａおよび超電導接続部５Ｂがある。ここでは、超電導接続部５Ａを例に説明する。
　図３は、ＰＣＳコイルボビン２４にＰＣＳを構成する超電導線材（以下、ＰＣＳ線２２）を巻回している様子である。図３中、ＰＣＳ線ドラム２３近傍の矢印はＰＣＳ線２２の送出方向を示しており、ＰＣＳコイルボビン２４近傍の矢印はＰＣＳ線２２巻取方向を示している。
　第１実施形態におけるＰＣＳの巻線作業は、２つのＰＣＳ線ドラム２３からＰＣＳ線２２を同時に供給し、ＰＣＳコイルボビン２４に巻き返す。ＰＣＳコイルボビン２４にＰＣＳ線２２を巻回す際に、各層毎にヒータ線が挿入されるようにヒータ線を巻回し、ＰＣＳ線２２とヒータ線が各層毎に配置されるようにする。ＰＣＳ線２２とヒータ線を交互に配置することで、小さな熱量でＰＣＳ線２２を常電導転移させることができる。
　図４Ａは、ＰＣＳコイルボビン２４にＰＣＳ線２２を巻線し終えた後の構成を示したＰＣＳ３の側面図である。ＰＣＳコイルボビン２４に２本のＰＣＳ線２２を巻回したため、ＰＣＳ線端部２５が２か所形成される。第１実施形態におけるＰＣＳ３では、このうち一方のＰＣＳ線端部２５を超電導接続することにより、無誘導巻きを実現する。
　図４Ｂは、ＰＣＳ３の熱処理前の一態様を示す概略図である。図４Ｂは、第１実施形態に係るＰＣＳ３の熱処理前、つまり、完成前の一態様を示す概略図である。図４Ｂに示すように、熱処理前のＰＣＳ３は、超電導接続部５Ａを鍔部（つば部）に固定せずに取り扱うことができるが、熱処理後のＰＣＳ３は、超電導接続部５Ａが鍔部に固定される。熱処理を行う前に超電導接続部５Ａを鍔部に固定し、熱処理を行ってＰＣＳ３を完成させる。
　図５Ａは、超電導接続部５Ａに用いる接続容器３０の構造を示したものである。図５Ｂは、図５ＡのＡ－Ａ’断面図である。図５Ｃは、図５ＡのＢ－Ｂ’断面図である。接続容器３０は、ＭｇＢ２粉体充填容器３１と加圧治具３２から構成されている。ＭｇＢ２粉体充填容器３１には、ＰＣＳ線２２（図４Ａ参照）をＭｇＢ２粉体充填容器３１内に導入するための線材挿入部３４と、接続容器３０をＰＣＳコイルボビン２４（図４Ａ参照）に固定するための接続容器固定部３５、さらに、ＭｇＢ２粉体を充填するためのＭｇＢ２粉体充填部３３が設けられている。
　図６から図８および図４Ｂを参照して、ＰＣＳ３の無誘導巻きの折り返し部となる超電導接続部５Ａを形成するプロセスの一例について、順を追って説明する。
　図６は、ＰＣＳの折り返し部を構成するための超電導接続容器に、一部の金属シースを切削し、ＭｇＢ２フィラメントを露出させたＰＣＳ線を挿入した際の接続容器の断面図である。図６に示すように、先ず、ＭｇＢ２超電導フィラメント３６を含むＰＣＳ線２２の表面の金属シース２７を切削し、ＭｇＢ２超電導フィラメント３６を露出させる。ＭｇＢ２フィラメント２６を露出させたＰＣＳ線２２をＭｇＢ２粉体充填容器３１に設けた線材挿入部３４から挿入し、ＭｇＢ２超電導フィラメント３６の露出部が、ＭｇＢ２粉体充填部３３に位置するように配置する。
　図７は、ＰＣＳの折り返し部を構成するための超電導接続容器に、ＭｇＢ２粉末を充填した際の接続容器の断面図である。図８は、ＰＣＳの降り返し部を構成するための超電導接続容器のＭｇＢ２粉末を、加圧治具を用いて加圧した際の接続容器の断面図である。
　図７に示すようにＭｇＢ２粉末３８をＭｇＢ２粉体充填容器３１のＭｇＢ２粉体充填部３３に充填する。ＭｇＢ２粉末３８を充填した後、図８に示すように加圧治具３２を用いてＭｇＢ２粉末３８を、プレス機（図示せず）などを用いて圧力を加えて押し固める。加圧時あるいは加圧後に、ＰＣＳ線２２と線材挿入部３４との間の間隙を封止材３９で封止する。ＰＣＳコイルボビン２４に巻回されたＰＣＳ線２２の一方のＰＣＳ線端部に折り返し部の超電導接続部５Ａが設けられた状態となる。
　その後、超電導接続部５Ａを熱処理することで、２本のＰＣＳ線２２の周辺にＭｇＢ２焼結体が形成され、ＰＣＳ線２２内のＭｇＢ２超電導フィラメント３６がＭｇＢ２焼結体によって接続される。
　本実施形態で説明したＰＣＳ３は、複数本の超電導線材を超電導接続した超電導接続部５Ａで無誘導巻きを実現している。本実施形態ではこのようにして超電導線材の折り返し部を構成するので、一度、ＰＣＳ線ドラムに超電導線材を巻き直す必要がなくなる。また、独立した複数本の超電導線材をＰＣＳコイルボビン２４に巻回するので、作業性が向上する。さらに、無誘導巻きの折り返し部で超電導線材を曲げる必要がないため、曲げ半径の影響を受けて超電導線材の超電導特性が劣化するということがない。また、無誘導巻きの折り返し部で超電導線材を曲げる必要がないため、超電導線材の曲げ応力による超電導特性の劣化を防ぐことができる。
　以上、超電導接続部５Ａについて説明したが、超電導接続部５Ｂについても適用することができる（図５Ａから図５Ｃ、図６から図８参照）。
<<第２実施形態>>
　図９は、第２実施形態に係る高温超電導体で構成される超電導コイル２と永久電流スイッチ（ＰＣＳ３）と、その冷却構造を示す図である。図９に示す第２実施形態は、図１と比較して、超電導コイル装置１０の冷却容器１内に、断熱材９、金属７、冷却板８が追加され、超電導コイル２とＰＣＳ３間には断熱材９が配置されている。ＰＣＳ３に接するように熱伝導体である金属７が配置され、熱伝導体は、冷却板８に接している。
　超電導コイル２に高温超電導体を用いた場合でも、ヒータ４による熱でクエンチする可能性があるため、本構成では、ヒータ４によって発生した熱を超電導コイル２に流さないよう、金属７を用いて、伝導冷却により冷却板８へ放熱し、断熱材９を用いて超電導コイルの温度上昇を抑制する構成である。断熱材９は例えば、発砲スチレンなどであるが、断熱機能を有する材料であれば同様の効果が得られる。また、金属７は熱的に良導体である銅などが候補として挙げられるが、熱伝導性が高い材料であれば同様の効果が得られる。なお、図９では、超電導コイル２とＰＣＳ３との超電導接続部５Ｂ（図１参照）を記載していないが、超電導コイル２とＰＣＳ３は超電導接続５Ｂで接続される。
<<第３実施形態>>
　図１０は、第３実施形態に係る高温超電導体で構成される超電導コイル２と永久電流スイッチ（ＰＣＳ３）からなる超電導コイル装置１０を複数並べた構成を示す図である。図１０に示す第３実施形態は、超電導コイル装置１０が超電導コイル２の中心軸１５を合わせて複数組み合わせられた構成を示すものである。複数の超電導コイル装置１０は、半田接続部１３にて接続され、冷却容器１内に配置される。本構成のように、超電導コイル装置１０を複数組み合わせることで、超電導磁石に求められる磁場仕様を確保することが可能である。さらに、超電導コイル装置１０の一部に不具合があった場合でも、超電導コイル全てを交換する必要がなく、不具合のあった一部の超電導コイル装置の変換だけで済む。
　なお、第３実施形態で示す超電導コイル装置は、超電導コイル装置１０を複数組み合わせたものであるが、超電導コイル装置１０を異なる仕様として組み合わせてもよい。また、２つの超電導コイル装置１０で構成しているが、複数の組み合わせてもよい。この組み合わせは、超電導磁石の仕様によって決まり、その仕様に合わせた組み合わせや個数で決定される。従来の超電導マグネットは、製品仕様によって、磁場が異なるため、超電導磁石の構成や超電導磁石の支持構造などが変わる。その結果、製品ごとに設計をする必要があり、製造期間の長期化および高コスト化を招く可能性があった。しかし、本実施形態に示すように、様々な仕様を持つ超電導磁石を、異なる磁場仕様を持つ超電導コイル装置を組み合わせて構成することで、製造や開発にかかる期間を短縮できることができる。
　１　　冷却容器
　２　　超電導コイル
　３　　ＰＣＳ（永久電流スイッチ）
　４　　ヒータ
　５，５Ａ，５Ｂ　　超電導接続部
　６　　支持板
　７　　金属（熱伝導体）
　８　　冷却板
　９　　断熱材
　１０　　超電導コイル装置
　１１　　超電導コイル中心位置
　１２　　永久電流スイッチ中心位置
　１３　　半田接続部
　１４　　超電導コイル装置複合体
　１９　　リード線
　２０　　電源
　２１　　保護抵抗
　２２　　ＰＣＳ線（超電導線）
　２３　　ＰＣＳ線ドラム
　２４　　ＰＣＳコイルボビン
　２５　　ＰＣＳ線端部
　３０　　接続容器
　３１　　ＭｇＢ２粉体充填容器
　３２　　加圧治具
　３３　　ＭｇＢ２粉体充填部
　３４　　線材挿入部
　３５　　接続容器固定部
　３６　　ＭｇＢ２超電導フィラメント
　３８　　ＭｇＢ２粉末
　３９　　封止材

Claims (4)

  1. 　超電導線を巻回してコイル状に形成した超電導コイルと、この超電導コイル用の励磁電源に対して前記超電導コイルと電気的に並列に接続した熱式の永久電流スイッチとを備える超電導コイル装置において、
    　前記永久電流スイッチは、前記超電導コイルの径方向の外側に同心円状に配置され、
    　前記永久電流スイッチは、複数本の超電導線を無誘導巻きしており、前記複数本の超電導線の少なくとも一方の端部同士が超電導接続された超電導接続部を有する
    　ことを特徴とする超電導コイル装置。
  2. 　請求項1に記載の超電導コイル装置であって、
    　前記超電導コイルと前記永久電流スイッチ間には断熱材が配置される
    　ことを特徴とする超電導コイル装置。
  3. 　請求項２に記載の超電導コイル装置であって、
    　前記永久電流スイッチに接するように熱伝導体が配置され、
    　前記熱伝導体は、冷却板に接している
    　ことを特徴とする超電導コイル装置。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか１項の超電導コイル装置を、前記同心円状の中心軸を合わせて複数組み合わせて配置される
    　ことを特徴とする超電導コイル装置。
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