JP2010073856A

JP2010073856A - 超電導マグネット

Info

Publication number: JP2010073856A
Application number: JP2008239051A
Authority: JP
Inventors: Kei Koyanagi; 圭小柳; Kenji Tazaki; 賢司田崎; Michitaka Ono; 通隆小野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-18
Also published as: JP5173693B2

Abstract

【課題】本発明は、緊急遮断が可能な高温超電導永久電流スイッチを提供する超電導マグネットを得ることにある。
【解決手段】本発明にかかる超電導マグネット１０は、永久電流スイッチ２を加熱する第１のヒーター４と、超電導シールド３を加熱する第２のヒーター５とを具備し、永久電流スイッチ２が、臨界電流値の経験磁場角度への依存性を有する超電導線材６で巻回され、かつ超電導コイル１と永久電流スイッチとの間に、超電導コイルの発生する磁束が貫くように超電導磁気シールド３が配置され、第１および第２のヒーター４，５によって、永久電流スイッチの温度および経験磁場が増加するように構成されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温超電導テープ線材を使ったコイルおよび永久電流スイッチとからなる超電導マグネットに関する。

次世代高温超電導線材（高温超電導テープ線材）の特性向上と長尺化および量産化は近年飛躍的に進んでおり、機器応用が期待されている。永久電流モード運転されるＭＲＩ（磁気共鳴イメージング装置）や磁気浮上式鉄道などの機器についても、高温超電導テープ線材を適用する効果は大きいと予想される。

臨界温度が高い特徴を生かし、従来の金属系超電導機器よりも高い温度での運転を想定する場合、コイルと同じ低温容器に収納される永久電流スイッチにも高温超電導材料が使われることになる。

永久電流スイッチのオン/オフ動作、即ち超電導/常伝導転移の動作には、主に温度変化あるいは磁場変化が用いられ、それぞれ温度制御方式（熱式）あるいは磁界制御方式（磁界式）の永久電流スイッチと呼ばれる。高温超電導の熱式永久電流スイッチとして超電導薄膜を利用した場合、オフ動作させるためにヒーター加熱したときに超電導状態から常伝導転移（クエンチ）した部分が全体へと伝播せず、焼損してしまう危険性があった。

これに対し、超電導層に銀などの低抵抗金属層を沿わせて安定化を施す（あるいは安定化層のある次世代高温超電導線材を使う）ことで焼損の危険性は低減できるが、低抵抗金属との並列回路になるためにオフ時の抵抗値は小さくなってしまう。

永久電流スイッチへコイル電流を分流させないよう高いオフ抵抗値を得るには、回路を長くする必要があり、使う線材の長さが増えることになる。高温超電導体は温度マージンが大きく伝播も遅いため、ある程度長さがある永久電流スイッチ全体を温度上昇させて全長をクエンチさせるのには時間がかかり、高速なオフ動作、即ち緊急遮断が困難になってしまう。

一方、磁界式永久電流スイッチには類似の発明（特許文献１，２，３）があるが、いずれも磁場印加用に別コイルを使用している。永久電流スイッチをオフするための制御用マグネットユニットをメインの超電導コイルとは別に用いており、メインの超電導コイルと永久電流スイッチの超電導材料が同じであれば、メインの超電導コイルの最大経験磁場と同程度の磁場を永久電流スイッチに経験させる必要があり、磁場印加用コイルが大型になってしまう。また、永久電流スイッチを高速にオフするにはこれらの制御用マグネットを瞬時に励磁する必要があるが、オフ動作に十分な磁場をパルス的に立ち上げるのは交流損失、電圧、電源装置などの面で困難であり機器の大型化、高コスト化につながる可能性があった。
特許第３８５６８７６号公報特開平７−０２９４５７号公報特開平８−３３０６４０号公報

従来、高温超電導の熱式永久電流スイッチには、クエンチが伝播しにくいために局所で焼損に至る可能性があり、また電流分流させて転移を加速させるため金属層（安定化層）を付加した場合には容積が増えてオフ動作に時間がかかるという課題があった。

また、高温超電導の磁界式永久電流スイッチには、メイン超電導コイルの最大経験磁場と同程度の磁場を永久電流スイッチに経験させるため磁場印加用コイルが大型化するという課題があった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、超電導コイルと、前記超電導コイルに並列に接続される永久電流スイッチと、前記超電導コイルの発生する磁場を遮蔽する超電導磁気シールドと、前記永久電流スイッチを加熱する第１のヒーターと、前記超電導シールドを加熱する第２のヒーターと、を具備する超電導マグネットであって、前記永久電流スイッチが、臨界電流値の経験磁場角度への依存性を有する超電導線材で巻回され、かつ前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとの間に、前記超電導コイルの発生する磁束が貫くように前記超電導磁気シールドが配置され、前記第１および第２のヒーターによって、永久電流スイッチの温度および経験磁場が増加するように構成されたことを特徴とする。

本発明は、緊急遮断が可能な高温超電導永久電流スイッチを有する超電導マグネットを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお本発明は下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施し得るものである。

図１は、本発明の第１の実施の形態であり、超電導コイル１とそれに並列に接続された永久電流スイッチ２および超電導磁気シールド３を有する超電導マグネット１０の構成についての概略の回路図である。

超電導コイル１の励磁時には、第１のヒーター４によって永久電流スイッチ２を加熱し、永久電流スイッチ２をオフ状態にして、超電導コイル励磁電源７で超電導コイル１へ電流を供給する。このとき、超電導磁気シールド３に取り付けた第２のヒーター５へは通電せず、超電導磁気シールド３は超電導状態である。

超電導磁気シールド３は超電導コイル１と永久電流スイッチ２との間に位置し、超電導コイル１の発生する磁場に応じて面内に電流が誘起されて、永久電流スイッチ２の位置での超電導コイル１からの漏洩磁場を遮蔽する。超電導コイル電流が定格に達した後、第１のヒーター４での加熱を停止して、永久電流スイッチ２をオン状態にする。これで永久電流モード運転が開始される。

また、超電導コイル１の緊急消磁時には、第２のヒーター５で過熱して超電導磁気シールド３を常伝導転移させると同時に、第１のヒーター４へも電力を供給する。永久電流スイッチ２は超電導磁気シールド３が遮蔽していた超電導コイル１の漏洩磁場を経験するとともに第１のヒーター４でも過熱されて、短時間でオフ動作し、超電導コイル１のエネルギーは外部保護抵抗９に取り出される。

本発明の第１の実施の形態では、永久電流スイッチ２に磁場を印加するマグネットを別途必要とせず、超電導コイル１の漏洩磁場と第１のヒーター４で高速に永久電流スイッチ２をオフ動作させることが可能になる。超電導磁気シールド３には、高温超電導テープ線材（図示せず）を巻回する次世代高温超電導線材と同じくＹ系の超電導体の薄膜を用いれば、この薄膜はＹ系の線材よりもさらに高い臨界電流密度を有するため、効果的に永久電流スイッチ２の経験する磁場を遮蔽することが可能になる。なお、符号８は超電導コイル励磁電源７から超電導コイル１への電流をＯＮ、ＯＦＦさせる開閉器である。

図２は、円筒形状に無誘導巻きされた永久電流スイッチ２の断面における高温超電導テープ線材６の配置についての概略図である。本発明の第２の実施の形態によれば、テープ形状の金属基板上に中間層を介して超電導層および良導電性安定化金属層を形成させた高温超電導テープ線材６を永久電流スイッチ２に使用すると、この高温超電導テープ線材６の臨界電流値の磁場角度依存性が強いことを利用して、臨界電流値に強く影響するテープ面へ垂直方向の磁場を超電導磁気シールド３で制御することにより、より効果的に永久電流スイッチ２をオフ動作させることが可能になる。

また、超電導コイル１の定格運転時の温度及び磁場条件化において超電導コイル１を巻回する超電導線よりも低い臨界電流値を有する線材を無誘導に巻回して永久電流スイッチ２を構成し、永久電流スイッチ２が超電導コイル１自身の経験磁場よりも低い磁場を経験してオフ動作するような臨界電流値に設定すれば、より効率よく永久電流スイッチ２をオフ動作させることが可能になる。

また、超電導線材の幅で臨界電流値を設定すれば、超電導コイル１と永久電流スイッチ２とを巻回する超電導線材が同種であるため容易に電気的な接続を行なうことができる。

図３は、超電導コイル１と永久電流スイッチ２および超電導磁気シールド３との位置関係を示す概略図である。

本発明の第３の形態によれば、超電導コイル１の発生する磁束が永久電流スイッチ２を巻回する超電導テープ線材６のテープ面に垂直に加わることになり、また、超電導磁気シールド３はその磁束を遮蔽するための電流が流れやすい角度で配置されることになるので、永久電流スイッチ２を巻回する線材の臨界電流値を超電導磁気シールド３の超電導／常伝導状態により大きく変化させることが出来る。

また、図３においては超電導コイル１の中心軸Ａと永久電流スイッチ２の中心軸Ｂとが軸方向中心部分で交差するように配置し、その中心軸Ａと中心軸Ｂとの成す角度が直角であるが、永久電流スイッチ２が超電導コイル１の中心軸Ａと中心軸Ｂの角度を前後２０度の範囲で変えられるような駆動機構（図示せず）を持たせた場合、オン状態のときには中心軸Ｂを超電導コイル１の中心軸Ａと平行にし、オフ動作させる際には中心軸Ｂを超電導コイル１の中心軸Ａと直行するようにさせることが出来る。

これにより、超電導磁気シールド３が超電導コイル１の磁場を完全に遮蔽しきれない場合にも永久電流スイッチ２に印加される漏れ磁場は線材テープ面に対して平行になり、オン状態の永久電流スイッチ２の臨界電流値を下げることがなく、安定した通電を実施することができる。

また、この駆動機構によって温度変化等によって中心軸Ａと中心軸Ｂの角度が変化しても予め定められた角度に調整することも可能である。よってより安定した通電を実施することができる。

図４および図５は、超電導コイル１と永久電流スイッチ２および超電導磁気シールド３との位置関係を示す、本発明の第４および第５の実施の形態にかかる概略図である。なお、図３と同一部分には同一符号を付し、その部分の構成の説明は省略する。

図４に示すように、超電導コイル１の形状がレーストラック型１aであれば、永久電流スイッチ２を図４に示す超電導コイル１aの曲がり部内側の位置に配置することで、超電導コイル１aの最大経験磁場に近い値を、永久電流スイッチ２を巻回する線材のテープ面に対して垂直に与えることが可能になる。

また、図５に示すように、超電導コイル１の内径側の磁場空間を利用しない機器の場合は、永久電流スイッチ２を超電導コイル１の最内層付近で中心軸が赤道面と平行になるように配置すれば、永久電流スイッチ線材のテープ面垂直磁場を高くすることができる。

また、図６は、超電導コイル１と永久電流スイッチ２および超電導磁気シールド３との別の位置関係を示す、本発明の第６の実施の形態にかかる概略図である。なお、図３と同一部分には同一符号を付し、その部分の構成の説明は省略する。

図６において、円筒型の超電導コイルの図中上下端部では、円筒の径方向の磁場が強くなるため、図中上または下端部（図においては上端部）に永久電流スイッチ２を配置すれば、永久電流スイッチ線材のテープ面垂直磁場を高くすることができる。

また、本発明の第７の実施の形態において、第１の実施形態から第６の実施形態に示す超電導磁気シールド３が超電導コイル１の発生する磁束を遮蔽する配置から９０度回転させる機構を持たせることにより、磁場の遮蔽を強制的に解除することができる。これにより、第２のヒーター５の故障により超電導磁気シールドを常伝導転移させられない場合においても永久電流スイッチ２への磁場をオン時よりも増やすことが出来、永久電流スイッチ２のオフ動作の信頼性を高めることができる。

なお、本発明の第１の実施形態から第３の実施形態の構成を適宜、第４の実施形態から第６の実施形態に適用してよいのは勿論である。

本発明の第１の実施の形態にかかる超電導マグネットの回路を示す概略回路図。本発明の第２の実施の形態にかかる永久電流スイッチの断面を示す概略図。本発明の第３の実施の形態にかかる超電導マグネットの一部を削除して示す概略斜視図。本発明の第４の実施の形態にかかる超電導マグネットを示す概略斜視図。本発明の第５の実施の形態にかかる超電導マグネットの一部を削除して示す概略斜視図。本発明の第６の実施の形態にかかる超電導マグネットの一部を削除して示す概略斜視図。

符号の説明

１・・・超電導コイル、２・・・永久電流スイッチ、３・・・超電導磁気シールド、４・・・第１のヒーター、５・・・第２のヒーター、６・・・高温超電導テープ線材、７・・・超電導コイル励磁電源、８・・・開閉器、９・・・外部保護抵抗、１０・・・超電導マグネット。

Claims

超電導コイルと、前記超電導コイルに並列に接続される永久電流スイッチと、前記超電導コイルの発生する磁場を遮蔽する超電導磁気シールドと、前記永久電流スイッチを加熱する第１のヒーターと、前記超電導シールドを加熱する第２のヒーターと、を具備する超電導マグネットであって、
前記永久電流スイッチが、臨界電流値の経験磁場角度への依存性を有する超電導線材で巻回され、かつ前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとの間に、前記超電導コイルの発生する磁束が貫くように前記超電導磁気シールドが配置され、前記第１および第２のヒーターによって、永久電流スイッチの温度および経験磁場が増加するように構成されたことを特徴とする超電導マグネット。
前記永久電流スイッチが、テープ形状の金属基板上に中間層を介して超電導層および良導電性安定化金属層を形成させた高温超電導テープ線材を巻回してなることを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット。
前記超電導コイルの中心軸と、前記永久電流スイッチを巻回した中心軸とが成す角度が直角になるように配置したことを特徴とする、請求項１または２に記載の超電導マグネット。
前記永久電流スイッチの中心軸が、前記超電導コイルの中心軸の軸方向中心部分で交差するように配置したことを特徴とする、請求項１または２に記載の超電導マグネット。
前記永久電流スイッチは、前記超電導コイルの軸方向端部で且つ径方向には内径と外径との間に配置されたことを特徴とする、請求項１または２に記載の超電導マグネット。
前記永久電流スイッチの中心軸と前記超電導コイルの中心軸との成す角度を前後２０度の範囲で駆動する駆動機構を前記永久電流スイッチに設けることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
前記超電導シールドが、その平面内にある一軸を中心に９０度回転する機構を有することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
前記永久電流スイッチが、前記超電導コイルの定格運転時の温度及び磁場条件においてコイルを巻回する超伝導線よりも低い臨界電流値を有する線材で巻回されてなることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
前記超電導コイルが、テープ形状の金属基板上に中間層を介して超電導層および良導電性安定化金属層を形成させた高温超電導テープ線材を巻回してなり、前記永久電流スイッチが、前記超電導コイルを巻回すのと同種で且つ前記超電導コイルを巻回す前記高温超電導テープ線材よりも幅の広い線材で巻回されてなることを特徴とする、請求項９に記載の超電導マグネット。