JP7370307B2 - Superconducting magnet device - Google Patents
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Description
本願は、超電導マグネット装置に関するものである。 The present application relates to a superconducting magnet device.
近年、金属シース中に超電導体が埋め込まれたもの、あるいは基板上に超電導薄膜が形成された超電導線材の開発が進められている。中でも、転移温度が液体窒素温度以上の高温超電導体である酸化物系超電導体からなる超電導層が設けられた酸化物系超電導線材が注目されている。磁場共鳴診断装置(MRI)、核磁気共鳴分析装置(NMR)他、高強度を有する磁場が必要とされる超電導マグネット装置においても、酸化物系超電導線材を巻回して形成された超電導コイルを用いて磁場を生成する技術が提案されている。 In recent years, progress has been made in the development of superconducting wires in which a superconductor is embedded in a metal sheath or a superconducting thin film is formed on a substrate. Among these, oxide-based superconducting wires provided with a superconducting layer made of an oxide-based superconductor, which is a high-temperature superconductor whose transition temperature is higher than the liquid nitrogen temperature, are attracting attention. Superconducting coils formed by winding oxide-based superconducting wires are used in magnetic resonance diagnostic equipment (MRI), nuclear magnetic resonance analyzers (NMR), and other superconducting magnet devices that require a high-strength magnetic field. A technique has been proposed to generate a magnetic field using
上記の超電導マグネット装置においては、高い診断精度を実現するために、時間的に安定し、かつ、空間的に高い均一性を有する磁場を生成することが求められる。しかしながら、酸化物系超電導線材からなる超電導コイルには、超電導層に誘導される遮蔽電流がコイル内部に発生させる付加的な磁場(以下、遮蔽電流磁場と呼ぶ)の影響により、磁場分布に歪みが生じる、あるいは、磁場が時間的に変動するといった技術課題が存在する。 In the above superconducting magnet device, in order to achieve high diagnostic accuracy, it is required to generate a magnetic field that is temporally stable and has high spatial uniformity. However, in superconducting coils made of oxide-based superconducting wires, the magnetic field distribution is distorted due to the influence of an additional magnetic field (hereinafter referred to as the shielding current magnetic field) generated inside the coil by the shielding current induced in the superconducting layer. However, there are technical issues such as magnetic fields that occur or that the magnetic field fluctuates over time.
これは、酸化物系超電導線材の多くが、その製作上の理由から高アスペクト比のテープ形状を有していることに起因する。酸化物系超電導線材が巻回された超電導コイルでは、励磁時に幅広面に対して垂直方向の磁束が印加されるため、電磁誘導により本来発生させたい磁場と逆向きの磁場(遮蔽電流磁場)が発生することが多くの先行研究により知られている。 This is because most oxide-based superconducting wires have a tape shape with a high aspect ratio for manufacturing reasons. In a superconducting coil wound with oxide-based superconducting wire, magnetic flux is applied perpendicularly to the wide surface during excitation, so a magnetic field (shielding current magnetic field) that is in the opposite direction to the magnetic field that is originally desired to be generated due to electromagnetic induction is generated. It is known from many previous studies that this phenomenon occurs.
また、酸化物系超電導線材が巻回された超電導コイルでは、コイル内部に局所的な発熱(いわゆるホットスポット)が生じる現象が存在する。ホットスポットはコイル内の超電導線材中どこでも発生する可能性があり、特定の部位のみを監視または保護することでは確実に防ぐことは難しい。一度ホットスポットが形成されると急速に発熱して焼損へと発展する可能性があるため、ホットスポット発生時に超電導コイルの損傷を抑止する必要があるといった技術課題も存在する。 Furthermore, in a superconducting coil in which an oxide-based superconducting wire is wound, there is a phenomenon in which localized heat generation (so-called hot spots) occurs inside the coil. Hot spots can occur anywhere in the superconducting wire inside the coil, and it is difficult to reliably prevent them by monitoring or protecting only specific areas. Once a hot spot is formed, it can rapidly generate heat and lead to burnout, so there is also a technical issue in that it is necessary to prevent damage to the superconducting coil when a hot spot occurs.
これに対して、例えば、特許文献1の超電導マグネット装置の運転方法においては、超電導コイルの励磁中に超電導コイルを第一の温度まで加熱し、超電導コイルを定格まで励磁した後に、超電導コイルを第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却することで、遮蔽電流の時間変化を抑制することができる手法が記載されている。このとき、超電導コイルの温度を昇温させるためには、超電導コイル端部に設置された冷却板を加熱することで、短時間で遮蔽電流磁場の影響を低減することが記載されている。
On the other hand, for example, in the method of operating a superconducting magnet device disclosed in
しかしながら、特許文献1による方法では、冷却板と超電導コイル端部との接触状態を制御することが難しく、超電導コイルを均一に温めることは容易ではなく、超電導コイルの温度制御が困難であるといった課題があり、また、超電導コイルに微小な欠陥があり、ホットスポットが生じた場合に、超電導コイルの磁気エネルギーの大部分をホットスポットで消費することになり、超電導コイルの焼損を招く可能性があるといった課題があった。
However, with the method disclosed in
本願は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、巻回された超電導線材を有する超電導コイルを備えた超電導マグネット装置において、遮蔽電流磁場の影響を低減し、超電導コイルの焼損の発生を抑止することができる超電導マグネット装置を提供することを目的としている。 The present application was made to solve the above-mentioned problems, and is intended to reduce the influence of the shielding current magnetic field and prevent burnout of the superconducting coil in a superconducting magnet device equipped with a superconducting coil having a wound superconducting wire. The object of the present invention is to provide a superconducting magnet device that can suppress the occurrence of.
本願に開示される超電導マグネット装置は、超電導線材が巻回された超電導コイルと、超電導コイルに電流を供給する電源と、絶縁材を介して超電導コイルに巻回された導線と、超電導コイルを冷却する手段と、超電導線材あるいは導線を発熱させる発熱手段と、導線に蓄えられたエネルギーを消費する消費手段と、を備え、導線の回路は、超電導コイルに巻回された部分、発熱手段、消費手段、及び発熱手段と消費手段とを切り替える切替スイッチを有することを特徴とするものである。
The superconducting magnet device disclosed in this application includes a superconducting coil around which a superconducting wire is wound, a power source that supplies current to the superconducting coil, a conducting wire wound around the superconducting coil via an insulating material, and cooling the superconducting coil. A heating means for generating heat in the superconducting wire or the conducting wire, and a consuming means for consuming the energy stored in the conducting wire. , and a changeover switch for switching between the heat generating means and the consumption means .
本願に開示される超電導マグネット装置によれば、超電導コイルを緊急消磁する必要性が生じた場合に、超電導コイルに巻回された導線に並列に接続されているエネルギー消費手段でエネルギーを消費させることにより、超電導コイルの焼損の発生を抑止することができるといった効果を奏する。 According to the superconducting magnet device disclosed in the present application, when it becomes necessary to urgently demagnetize the superconducting coil, energy can be consumed by the energy consuming means connected in parallel to the conductive wire wound around the superconducting coil. This has the effect of suppressing the occurrence of burnout of the superconducting coil.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る超電導マグネット装置の概略構成図であり、図2は、図1に示した超電導マグネット装置の超電導コイルと導線の電気回路を示す図である。図3は、超電導コイルと導線の構成を示す断面図である。図4は、シミュレーションに用いた超電導コイルと導線の電気回路を示す図である。また、図5は、図4のシミュレーション結果による電流波形を示す図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a superconducting magnet device according to
まず、実施の形態1に係る超電導マグネット装置1を構成する各部の詳細について、図1及び図2を参照して説明する。
超電導マグネット装置1は、超電導線材21が巻回された超電導コイル2と、超電導コイル2に巻回されると共に絶縁材31により被覆された導線3と、超電導コイル2を収容し外部から遮熱する真空容器4と、超電導コイル2の冷却手段である冷凍機5と、超電導コイル2を励磁する超電導コイル用電源7と、導線3を発熱させる発熱手段8及び導線3のエネルギーを消費する消費手段9と、発熱手段8と消費手段9とを切り替える切替スイッチ10aと、超電導コイル用電流源72を遮断する遮断スイッチ10bと、で構成されている。実施の形態では、超電導線材21として、酸化物系超電導線材を使用する場合について説明する。
First, details of each part constituting the
A
真空容器4は、容器外と超電導コイル2とを断熱する役割を担っている。一般的には、超電導コイル2は、20K以下の温度で運転されるため、真空容器4は、外部からの輻射熱による超電導コイル2への熱侵入を低減することができればよく、輻射熱シールドを用いた構成であってもよい。また、図示されていないが、真空容器4は、ステンレスあるいはアルミ合金他の金属、または強化繊維プラスチック(FRP)他で構成されるクライオスタットと呼ばれる公知の極低温用真空容器を用いることもできる。
The vacuum container 4 plays a role of insulating the outside of the container and the
次に、超電導コイル2は、冷凍機5により冷却される。冷凍機5は、コンプレッサ54、コールドヘッド51及びコールドヘッド51とコンプレッサ54とを繋ぐホース53と、で構成されている。冷凍機5としては、公知の冷凍機、例えば、ギフォードマクマホン冷凍機、スターリン冷凍機あるいはパルス管冷凍機他があげられる。冷凍機5は、第一の熱良導体61及び第二の熱良導体62で形成される伝熱経路を介して超電導コイル2に接続されている。第一の熱良導体61は、冷凍機5及び第二の熱良導体62に締結もしくは接着されており、第二の熱良導体62は、第一の熱良導体61を介して冷却される。
Next, the
なお、図1に示す第一の熱良導体61と第二の熱良導体62との接続態様は、一例を示すものであり、第二の熱良導体62の複数個所に第一の熱良導体61が接続されていてもよい。また、第一の熱良導体61及び第二の熱良導体62は、それぞれ単一の部材で構成されていてもよく、複数の熱良導体から形成される部材を組み合わせて構成されたものであってもよい。この伝熱経路は、必要に応じて任意な態様を採ることができる。第一の熱良導体61と第二の熱良導体62としては、極低温において、熱伝導率の高い純アルミあるいは無酸素銅他の金属を用いることができる。
Note that the connection mode between the first good
また、第一の熱良導体61及び第二の熱良導体62の剛性は、要求仕様に応じて任意に変更することが可能であり、超電導コイル2を冷却した際に、熱収縮によって生じる熱応力を緩和するために、ある程度の曲率で曲げられる平編み導体他を用いることも可能である。なお、超電導コイル2を冷却する冷却部としては、冷凍機5を用いずに、真空容器4内に収容された液体ヘリウム、液体窒素または液体水素他の冷媒に超電導コイル2を浸漬させる構成としてもよい。
Furthermore, the rigidity of the first good
超電導コイル用電源7は、超電導コイル2を励磁する役割を担っている。図1に示すように超電導コイル用電源7は、リード線71を介して真空容器4内に収容された超電導コイル2と接続されている。また、図2に示すように超電導コイル用電源7は、一般的に、超電導コイル用電流源72と超電導コイル2に並列に接続される保護抵抗73とを備え、保護抵抗73には直列にダイオード(図示せず。)が挿入された構成を有するものである。また、図2において、超電導コイル用電源7と超電導コイル2に並列に永久電流スイッチと呼ばれる、超電導コイルの電流閉回路に永久電流を流すためのスイッチ素子を加えた構成としてもよい。
The superconducting
導線3は、絶縁材31により被覆されて超電導コイル2に巻回されており、図2に示すように巻回された部分と、導線3を発熱させる発熱手段8及び導線3のエネルギーを消費する消費手段9とから構成されている。さらに、発熱手段8と消費手段9とを切り替えるための切替スイッチ10aを有している。切替スイッチ10aは、物理的なスイッチあるいは半導体スイッチ他で構成されるものであり、特にその種類を問うものではない。
The
発熱手段8は、例えば、導線3を発熱させるための電流を供給する導線用電流源により、導線3に電流を通電することにより発熱させるものである。
The heating means 8 generates heat by passing current through the
消費手段9は、導線3のエネルギーを消費するものであり、例えば、導線3の両端を短絡することにより電気的に接続し、導線3自身が持つ抵抗の発熱によりエネルギーを消費させる方法、あるいは導線3の両端に抵抗体を備え電気的に接続することにより、導線3の抵抗あるいは抵抗体の発熱によりエネルギーを消費する方法の他、特にその方法を問うものではない。
The consuming means 9 consumes the energy of the
続いて、超電導コイル2と導線3の構造について説明する。図3は、超電導コイル2と導線3の3ターン分の断面図を示すものである。超電導コイル2は、超電導線材21が巻回されて製造されたものであり、超電導線材21は、その製作上の理由から高アスペクト比のテープ形状を有している。導線3は、超電導コイル2に巻回された構造であり、絶縁材31により被覆され電気的に絶縁された構造を有するものである。例えば、導線3に対する絶縁は、エナメル被覆を形成したもの、あるいは市販のカプトンテープ、ポリイミドテープといった絶縁テープを巻いて絶縁材の役割を持たせるものであってもよい。または、導線3に絶縁被覆を行わず、超電導線材21に絶縁被覆する構造としてもよい。
Next, the structures of the
次に、本実施の形態に係る超電導マグネット装置1の励磁方法について説明する。
超電導コイル2に導線3が巻回された構造とすることで、超電導コイル2の温度を導線3の発熱により制御することができる。超電導コイル2の励磁の完了前においては、導線3に電流を流すことで導線3が発熱し、これにより導線3の温度が上昇する。ここで、導線3は超電導コイル2に巻回されているため、これらの間の熱伝達は効率的に行われ、その結果、超電導コイル2の温度も上昇する。
Next, a method of exciting the
By adopting a structure in which the
ここで、超電導コイル2の励磁の完了前に、発熱手段8により超電導コイル2の温度を第一の目標温度に上げて、超電導コイル2の励磁の完了後に、発熱手段8を解除し、冷凍機5により超電導コイル2の温度を第一の目標温度よりも低い第二の目標温度に下げることにより、第二の目標温度で励磁するときよりも超電導コイル2の臨界電流は低いので、励磁中に誘起される遮蔽電流量は、第一の目標温度で励磁するときよりも小さくなる。したがって、励磁の完了後に、第二の目標温度に下げることで臨界電流が向上し、超電導線材21のうち超電導層における超電導材のピン止め力を第一の目標温度よりも大きくすることができるため、遮蔽電流磁場の変動を抑制することが可能となる。
Here, before the excitation of the
第一の目標温度における超電導コイル2の励磁の完了後は、発熱手段8は不要となり、導線3の回路を消費手段9に切り替える。これにより、万が一、超電導コイル2に微小欠陥によるホットスポットあるいは磁気的な不安定性によるクエンチ他の要因により緊急消磁が必要となった場合に、E=(LI2)/2で表される超電導コイル2のエネルギーEは、保護抵抗73を含めた超電導コイル2の電気回路で消費するだけでなく、磁気的に結合された導線3の電気回路でもエネルギーを消費することができる。ここで、超電導コイル2のインダクタンスをL、超電導コイル2の電流をIとする。これにより、超電導コイル2のエネルギーの一部の消費を導線3の電気回路が担うことになるため、保護抵抗73を含めた超電導コイル2の電気回路で消費されるエネルギーを小さくすることができ、超電導コイルの焼損を抑止することが可能性となる。
After the excitation of the
図4に、緊急消磁することが必要となった場合における、超電導コイル用電流源72を遮断スイッチ10bにより遮断したときの電気回路図を示す。ここでは、エネルギーを消費する消費手段9として抵抗91を用いた場合を示す。また、図5に、図4の電気回路におけるシミュレーション結果(超電導コイル2及び導線3の電流波形)を示す。なお、ここでは、一例として、超電導コイル2のインダクタンスを10H、超電導コイル用電流源72から見て超電導コイル2と並列に接続された保護抵抗73の値を1Ω、超電導コイル2の定格電流値を200A、導線3のインダクタンスを10H、超電導コイル2と導線3の結合係数を0.98、導線3の抵抗91を1Ωとした。
FIG. 4 shows an electric circuit diagram when the superconducting coil
図5に、超電導コイル2及び導線3の電流変化を示す。なお、緊急消磁開始点を時刻0秒としている。図4に示す電気回路では、超電導コイル2のエネルギー200kJが超電導コイル2と保護抵抗73で構成される電気回路と、導線3と抵抗91で構成される電気回路とで消費される。ここでは、簡単のため、超電導コイル2及び導線3は、インダクタンスのみを有し、抵抗を持たないものと仮定している。上記のパラメータの場合において、超電導コイル2及び保護抵抗73の電気回路で消費されるエネルギーは104kJ、導線3及び抵抗91の電気回路で消費されるエネルギーは96kJとなる。
FIG. 5 shows current changes in the
これに対して、導線3が超電導コイル2と磁気的に結合されていない場合(結合係数がゼロの場合)には、超電導コイル2のエネルギー200kJは、超電導コイル2と保護抵抗73のみで消費される。したがって、超電導コイル2と保護抵抗73のみの電気回路の場合と比べて、超電導コイル2と保護抵抗73とで消費されるエネルギーは約半分となる。この結果から、超電導コイル2における焼損の発生を抑止できることが分かる。
On the other hand, when the
このように、実施の形態1に係る超電導マグネット装置によれば、超電導コイルを緊急消磁する必要性が生じた場合に、超電導コイルに巻回された導線に並列に接続されているエネルギー消費手段でエネルギーを消費させることにより、超電導コイルの焼損の発生を抑止することが可能となる効果がある。 As described above, according to the superconducting magnet device according to the first embodiment, when it becomes necessary to urgently demagnetize the superconducting coil, the energy consuming means connected in parallel to the conductive wire wound around the superconducting coil can demagnetize the superconducting coil. By consuming energy, it is possible to suppress the occurrence of burnout of the superconducting coil.
実施の形態2.
図6は、実施の形態2における超電導コイルと第一の導線と第二の導線の構成を示す斜視図であり、図7は、実施の形態2における超電導コイルと第一の導線と第二の導線の電気回路を示す図である。実施の形態1との相違点は、実施の形態2においては、導線が第一の導線と第二の導線とにより構成されている点である。その他の構成については、実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
FIG. 6 is a perspective view showing the structure of the superconducting coil, the first conducting wire, and the second conducting wire in the second embodiment, and FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of the superconducting coil, the first conducting wire, and the second conducting wire in the second embodiment. FIG. 3 is a diagram showing an electric circuit of conductive wires. The difference from
実施の形態2は、導線3が電流通電により加熱される場合の他の構成を示すものである。図6に示すように、実施の形態2における導線3は、絶縁材31で被覆されると共に、並置された第一の導線3aと第二の導線3bとから構成され、超電導コイル2に巻回されると共に絶縁されている。
超電導コイル2を励磁する場合には、第一の導線3aの一端と第二の導線3bの一端とは接続され、超電導コイル2に対して同一方向と逆方向にそれぞれ電流が流れるように構成されている。また、第一の導線3aと第二の導線3bは、それらの両端以外は絶縁されており、超電導コイル2とも絶縁されている。この構成は、いわゆる無誘導巻線として知られており、第一の導線3aと第二の導線3bを流れる電流は、その位相が常に180°異なっており、電流方向が反対であるため、互いに生成磁場を打ち消し合うことができる。したがって、第一の導線3aと第二の導線3bに変化を有する電流を通電した場合に発生する誘導電圧は、第一の導線3aによる誘導電圧と第二の導線3bによる誘導電圧を合わせるとほとんどゼロとなる。これにより、電流を流す際の電源の電源容量を小さくすることができるため、低コスト化・コンパクト化を実現することができる。
When exciting the
図7に、上記効果を有する電気回路図の一例を示す。第一の導線3aと第二の導線3bの加熱時には、導線用電流源11により電流を通電することで第一の導線の抵抗121と第二の導線の抵抗122とで加熱する。加熱する際には、スイッチ101を開放、スイッチ102を短絡、スイッチ103を開放することで、第一の導線3aと第二の導線3bには互いに反対向きの電流が通電されることになる。
FIG. 7 shows an example of an electric circuit diagram having the above effect. When heating the first
超電導コイル2が定常運転時には、第一の導線3aの一端と第二の導線3bの一端を電気的に接続し、第一の導線3aの他端と第二の導線3bの他端を電気的に接続することで、超電導コイル2と導線3の磁気結合を大きくすることができる。図7のスイッチ101を短絡、スイッチ102を開放、スイッチ103を短絡することで、超電導コイル2のエネルギーを第一の導線3aの回路と第二の導線3bの回路で消費することができる。前述の電気回路の切り替えは物理的なスイッチであってもよいし、半導体スイッチであってもよく、特にその種類を問うものではない。
When the
このように、実施の形態2に係る超電導マグネット装置によれば、超電導コイルを緊急消磁する必要性が生じた場合に、第一の導線および第二の導線の電気回路で超電導コイルのエネルギーを消費することができるので、実施の形態1と同様に、超電導コイルの焼損の発生を抑止することが可能となる効果がある。 As described above, according to the superconducting magnet device according to the second embodiment, when it becomes necessary to urgently demagnetize the superconducting coil, the energy of the superconducting coil can be consumed by the electric circuit of the first conducting wire and the second conducting wire. Therefore, similarly to the first embodiment, there is an effect that it is possible to suppress the occurrence of burnout of the superconducting coil.
実施の形態3.
実施の形態3に係る超電導マグネット装置は、実施の形態1で述べた超電導コイルに巻回されると共に絶縁された導線の構成に関するものであり、実施の形態1との相違点は、実施の形態3においては、導線が電流通電にて加熱される場合の他の構成にある。この点を除き、実施の形態3の超電導マグネット装置の構成については、実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
The superconducting magnet device according to
超電導線材21が巻回された超電導コイル2に電流が通電されると、磁場分布が形成される。超電導線材21の位置によって磁場強度あるいは磁場方向が異なるため、超電導線材21の電磁気的な負荷は、位置によって異なるものとなる。この電磁気的な負荷と超電導線材21の幅広面に対して垂直な磁場の変動量により誘導される遮蔽電流量は異なり、遮蔽電流磁場への影響も変化することになる。したがって、導線3の断面積を位置によって異なるものとすることで、遮蔽電流が多く誘導され、設計磁場に対する影響度が大きいところでは、導線3による発熱量を多くし、設計磁場に対する影響度が小さいところはでは、導線3による発熱量を小さくすることで、超電導コイル2内部における発熱量を制御することができる。
When a current is applied to the
例えば、超電導コイル2がソレノイドコイル形状である場合には、巻回された超電導線材21において垂直磁場が最も大きくなる箇所は、超電導コイル2の軸方向の端部となる。遮蔽電流の誘起量は、磁場強度にも依存するため厳密には異なるが、基本的には遮蔽電流の誘起量は、超電導線材21の垂直方向磁場の変化量に依存するため、遮蔽電流が大きく誘起される箇所は、超電導コイル2の軸方向の端部となる。つまり、遮蔽電流による設計磁場に対する影響度を小さくするためには、超電導コイル2の軸方向の端部での遮蔽電流による影響を低減することが有効である。
For example, when the
また、超電導コイル2の端部での温度変化量を増やすためには、超電導コイル2に巻回された導線3の断面積を小さくすることで、導線3の発熱量を増大させる。一方で、超電導コイル2の中心部は、相対的に遮蔽電流の誘起量が小さいので、温度変化量は小さくてもよく、不必要な発熱量を低減することで、省エネ化が図ることができるため、導線3の断面積は大きくても構わない。
Furthermore, in order to increase the amount of temperature change at the end of the
このように、実施の形態3に係る超電導マグネット装置によれば、実施の形態1と同様の効果を有するとともに、遮蔽電流磁場に対する設計磁場への影響度に応じて、導線の発熱量の最適化を図ることができるので、発熱量の最適化に伴い、不必要な発熱を低減することによる省エネ化及び遮蔽電流の誘導量を効果的に低減することにより、設計磁場に対して精度の高い磁場を実現するができるという効果がある。 As described above, the superconducting magnet device according to the third embodiment has the same effects as the first embodiment, and also optimizes the heat generation amount of the conductor according to the degree of influence of the shielding current magnetic field on the design magnetic field. Therefore, by optimizing the amount of heat generated, energy saving is achieved by reducing unnecessary heat generation, and by effectively reducing the amount of induced shielding current, a magnetic field with high precision relative to the design magnetic field can be achieved. It has the effect of being able to realize the following.
実施の形態4.
実施の形態4に係る超電導マグネット装置は、実施の形態1で述べた導線の発熱手段に関するものであり、実施の形態1との相違点は、実施の形態4においては、導線が磁気熱材料で構成されている点にある。この点を除き、実施の形態4の超電導マグネット装置の構成については、実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
Embodiment 4.
The superconducting magnet device according to Embodiment 4 relates to the heating means of the conducting wire described in
非特許文献1によれば、超電導コイル2の運転温度である10~20K付近に磁気転移点を有する磁気熱材料として、例えば、エルビウムコバルトニッケルを始めとする磁性材料が発見されている。この磁気熱材料は、磁気転移点付近で磁場変化が生じると、磁気熱効果と呼ばれる発熱・吸熱効果が得られる。一般に、磁気熱材料に印加される磁場が増加すると発熱、印加される磁場が減少すると吸熱効果となる。
According to
この特性を有する磁気熱材料を超電導線材21、導線3あるいは超電導コイル2の形状を維持するために使用される樹脂他に添加することで、超電導コイル2の励磁中には磁気熱材料に印加される磁場が増加する際には、この磁気熱材料が発熱し、超電導コイル2の温度が上昇する。また、この磁気熱材料を粉状にすることで、添加量を制御することができ、この結果、磁気熱材料の発熱量も制御することができる。これにより、超電導コイル2の温度も制御することができ、実施の形態1で示したような超電導コイル2の温度を制御して上昇させることができる。
By adding a magnetocaloric material having this characteristic to the
したがって、発熱手段として磁気熱材料を利用することにより、超電導コイルの発熱量を制御することができる。磁気熱材料は受動的に動作するため、複雑な制御機構を有する必要がなく、低コストで発熱手段を実現することが可能となる。 Therefore, by using a magnetocaloric material as a heat generating means, the amount of heat generated by the superconducting coil can be controlled. Since the magnetocaloric material operates passively, it is not necessary to have a complicated control mechanism, and it becomes possible to realize a heat generating means at low cost.
このように、実施の形態4に係る超電導マグネット装置によれば、実施の形態1と同様の効果を有するとともに、発熱手段として、磁気熱材料を用い、超電導線材、導線あるいは超電導コイルの形状を維持するために使用される樹脂に添加することにより、印加される磁場により磁性材料が発熱する現象を利用することで超電導コイルの温度を制御することができるという効果がある。 As described above, the superconducting magnet device according to the fourth embodiment has the same effect as the first embodiment, and also maintains the shape of the superconducting wire, conducting wire, or superconducting coil by using a magnetocaloric material as the heat generating means. By adding it to the resin used for this purpose, the temperature of the superconducting coil can be controlled by utilizing the phenomenon in which the magnetic material generates heat due to the applied magnetic field.
なお、上記実施の形態では、超電導線材として高アスペクト比を有する主に酸化物系超電導線材を使用する場合を例に挙げて説明したが、超電導コイルに巻回され絶縁された導線に発熱手段を付与して、超電導コイルの温度を制御し、超電導コイルのエネルギーを消費する手法は、超電導線材が酸化物系超電導線材に限られるものではない。また、上記実施の形態では、超電導線材として酸化物系の高温超電導線材を使用する場合について説明したが、NbTiあるいはNb3Snといった低温超電導線材を使用する場合においても同様の効果が期待できる。 In addition, in the above embodiment, the case where mainly an oxide-based superconducting wire having a high aspect ratio is used as the superconducting wire has been described as an example, but it is also possible to provide a heating means to an insulated conducting wire wound around a superconducting coil. The method of controlling the temperature of the superconducting coil and consuming the energy of the superconducting coil by adding the superconducting wire is not limited to the case where the superconducting wire is an oxide-based superconducting wire. Further, in the above embodiment, a case has been described in which an oxide-based high temperature superconducting wire is used as the superconducting wire, but similar effects can be expected when using a low temperature superconducting wire such as NbTi or Nb3Sn.
また、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施態様例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Additionally, while this application describes various exemplary embodiments and example implementations, the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments may differ from those described in a particular implementation. The present invention is not limited to the application of the embodiments, but can be applied to the embodiments alone or in various combinations.
Accordingly, countless variations not illustrated are envisioned within the scope of the technology disclosed herein. For example, this includes cases where at least one component is modified, added, or omitted, and cases where at least one component is extracted and combined with components of other embodiments.
また、図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。 Moreover, in the figures, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
1 超電導マグネット装置、2 超電導コイル、21 超電導線材、3 導線、3a 第一の導線、3b 第二の導線、31 絶縁材、4 真空容器、5 冷凍機、51 コールドヘッド、53 ホース、54 コンプレッサ、61 第一の熱良導体、62 第二の熱良導体、7 超電導コイル用電源、71 リード線、72 超電導コイル用電流源、73 保護抵抗、8 発熱手段、9 消費手段、91 抵抗、10a 切替スイッチ、10b 遮断スイッチ、101,102,103 スイッチ、11 導線用電流源、121 第一の導線の抵抗、122 第二の導線の抵抗 1 superconducting magnet device, 2 superconducting coil, 21 superconducting wire, 3 conducting wire, 3a first conducting wire, 3b second conducting wire, 31 insulating material, 4 vacuum container, 5 refrigerator, 51 cold head, 53 hose, 54 compressor, 61 first thermal conductor, 62 second thermal conductor, 7 superconducting coil power source, 71 lead wire, 72 superconducting coil current source, 73 protective resistor, 8 heating means, 9 consuming means, 91 resistor, 10a changeover switch, 10b cutoff switch, 101, 102, 103 switch, 11 current source for conducting wire, 121 resistance of first conducting wire, 122 resistance of second conducting wire
Claims (6)
前記超電導コイルに電流を供給する電源と、
絶縁材を介して前記超電導コイルに巻回された導線と、
前記超電導コイルを冷却する手段と、
前記超電導線材あるいは前記導線を発熱させる発熱手段と、
前記導線に蓄えられたエネルギーを消費する消費手段と、を備え、
前記導線の回路は、前記超電導コイルに巻回された部分、前記発熱手段、前記消費手段、及び前記発熱手段と前記消費手段とを切り替える切替スイッチを有する
ことを特徴とする超電導マグネット装置。 A superconducting coil wound with superconducting wire,
a power source that supplies current to the superconducting coil;
a conducting wire wound around the superconducting coil via an insulating material;
means for cooling the superconducting coil;
a heat generating means for causing the superconducting wire or the conducting wire to generate heat;
consuming means for consuming the energy stored in the conductive wire ,
The circuit of the conducting wire includes a portion wound around the superconducting coil, the heating means, the consuming means, and a changeover switch for switching between the heating means and the consuming means.
A superconducting magnet device characterized by:
前記超電導コイルの励磁の完了後、加熱が解除され、前記第一の目標温度よりも低い第二の目標温度まで、前記超電導コイルが冷却され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装置。 Before completion of excitation of the superconducting coil, the superconducting coil is heated to a first target temperature by heat generation of the conducting wire,
The superconducting magnet according to claim 1, wherein after completion of excitation of the superconducting coil, heating is canceled and the superconducting coil is cooled to a second target temperature lower than the first target temperature. Device.
前記超電導コイルに電流を供給する電源と、
絶縁材を介して前記超電導コイルに巻回された導線と、
前記超電導コイルを冷却する手段と、
前記超電導線材あるいは前記導線を発熱させる発熱手段と、
前記導線に蓄えられたエネルギーを消費する消費手段と、を備え、
前記導線は、並置された第一の導線及び第二の導線で構成されると共に前記超電導コイルに巻回されており、
前記超電導コイルの加熱時には、前記第一の導線の一端と前記第二の導線の一端とが短絡され、前記第一の導線の他端と前記第二の導線の他端とが前記発熱手段である導線用電流源に接続され、前記第一の導線と前記第二の導線の位相が互いに180°異なる電流が通電され、
前記超電導コイルの定常運転時には、前記第一の導線の他端と前記第二の導線の他端とが短絡されることを特徴とする超電導マグネット装置。 A superconducting coil wound with superconducting wire,
a power source that supplies current to the superconducting coil;
a conducting wire wound around the superconducting coil via an insulating material;
means for cooling the superconducting coil;
a heat generating means for causing the superconducting wire or the conducting wire to generate heat;
consuming means for consuming the energy stored in the conductive wire,
The conductive wire is composed of a first conductive wire and a second conductive wire arranged in parallel and is wound around the superconducting coil,
When heating the superconducting coil, one end of the first conducting wire and one end of the second conducting wire are short-circuited, and the other end of the first conducting wire and the other end of the second conducting wire are connected to each other by the heating means. connected to a current source for a conductor, and current is applied to the first conductor and the second conductor in which phases are different from each other by 180°,
A superconducting magnet device, wherein the other end of the first conducting wire and the other end of the second conducting wire are short-circuited during steady operation of the superconducting coil.
前記超電導コイルが前記磁気熱材料の発熱により加熱されることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の超電導マグネット装置。 A magnetocaloric material is added to the resin used for the conductive wire, the superconducting wire, or the superconducting coil,
6. The superconducting magnet device according to claim 1, wherein the superconducting coil is heated by heat generated by the magnetocaloric material.
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