特許第6860513号(P6860513)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6860513
(24)【登録日】2021年3月30日
(45)【発行日】2021年4月14日
(54)【発明の名称】超電導磁石装置
(51)【国際特許分類】
   H01F 6/04 20060101AFI20210405BHJP
   H01F 6/00 20060101ALI20210405BHJP
   H01L 39/16 20060101ALI20210405BHJP
   H01L 39/04 20060101ALI20210405BHJP
   H01B 12/02 20060101ALI20210405BHJP
【FI】
   H01F6/04
   H01F6/00 180
   H01L39/16ZAA
   H01L39/04
   H01B12/02
【請求項の数】8
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2018-46942(P2018-46942)
(22)【出願日】2018年3月14日
(65)【公開番号】特開2019-161060(P2019-161060A)
(43)【公開日】2019年9月19日
【審査請求日】2020年1月20日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(73)【特許権者】
【識別番号】317015294
【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100111121
【弁理士】
【氏名又は名称】原 拓実
(74)【代理人】
【識別番号】100118474
【弁理士】
【氏名又は名称】寺脇 秀▲徳▼
(74)【代理人】
【識別番号】100141911
【弁理士】
【氏名又は名称】栗原 譲
(72)【発明者】
【氏名】大谷 安見
(72)【発明者】
【氏名】宮崎 寛史
(72)【発明者】
【氏名】岩井 貞憲
【審査官】 久保田 昌晴
(56)【参考文献】
【文献】 特開2006−332559(JP,A)
【文献】 特表平08−505493(JP,A)
【文献】 特開2003−142744(JP,A)
【文献】 特表2016−505308(JP,A)
【文献】 特開2017−204552(JP,A)
【文献】 特開2017−038748(JP,A)
【文献】 特開平07−142242(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01F 6/00−6/06
H01L 39/04、39/16
H01B 12/00−12/16
H02H 9/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
断熱真空容器内に収納される超電導コイルと、
この超電導コイルに熱的に接続され高温超電導体により構成された永久電流スイッチと、
励磁電源に対して前記超電導コイルと永久電流スイッチを並列に接続する電流リードと、を有する超電導磁石装置であって、
前記永久電流スイッチは冷却装置に直接あるいは超電導コイルを介して冷却される構造とし、前記永久電流スイッチは温度上昇させるための加熱手段が設けられ、
前記超電導コイルと永久電流スイッチは永久電流スイッチ冷却板で接続され、この永久電流スイッチ冷却板は、超電導コイル側の永久電流スイッチ冷却板を永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板よりも伝熱経路の断面積を大きくしていることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項2】
高温超電導コイル側の前記永久電流スイッチ冷却板の板厚を永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板の板厚よりも厚くすることを特徴とする請求項1記載の超電導磁石装置。
【請求項3】
超電導コイル側の前記永久電流スイッチ冷却板の板幅を超電導永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板の板幅よりも広くすることを特徴とする請求項1または請求項2記載の超電導磁石装置。
【請求項4】
超電導永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板の熱伝導率を超電導コイル側の前記永久電流スイッチ冷却板の熱伝導率よりも低くすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項記載の超電導磁石装置。
【請求項5】
超電導永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板の枚数を超電導コイル側の前記永久電流スイッチ冷却板の枚数よりも少なくすることを特徴とする請求項1記載の超電導磁石装置。
【請求項6】
前記永久電流スイッチ冷却板の伝熱経路断面積の変化を連続的、あるいは2段階以上複数回のステップ的に、超電導コイル側の永久電流スイッチ冷却板の伝熱経路断面積を大きくしていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の超電導磁石装置。
【請求項7】
前記永久電流スイッチ冷却板は、残留抵抗比が100よりも高い金属からなることを特徴とする請求項1記載の超電導磁石装置。
【請求項8】
前記残留抵抗比が100よりも高い金属は、銅、アルミニウム、インジウム、銀、金であることを特徴とする請求項7記載の超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、超電導による永久電流が流れる閉回路を形成する永久電流スイッチを備える超電導磁石装置に関する。
【背景技術】
【0002】
超電導磁石は電気抵抗0の特性により電磁石に大電流を流すことで、永久磁石や常伝導電磁石よりも高磁場、または、同じ磁場で比較すると電磁石の大幅な小型化を実現できる。線材の開発、コイル化技術開発、極低温技術開発により、機器への普及が期待されている。
【0003】
永久電流スイッチ(以下PCSと記す)は、外部電源等で高温超電導磁石を励磁した後、磁石内部に閉ループを構成し、電源からの電流供給を止めるために必要となる。電気抵抗が0であれば文字通り永久電流となるが、実際は接続抵抗等、微小抵抗のため、一定の時定数で減衰する。ただし、抵抗は一般にナノΩレベルの大きさのため、数日以上の通電、磁場発生が可能となる。
【0004】
PCSは、超電導体と、超電導体の温度を上昇させるための加熱手段であるヒータ、および超電導体を冷却するための冷凍機とPCS冷却板で構成される。PCSの高温超電導体は、超電導コイルと外部電源に対し並列に接続される。外部電源励磁時は、PCSに電流が流れないよう、PCSヒータにより温度を臨界電流(T)以上に上げ、常伝導抵抗(OFF抵抗)により超電導コイル側にしか電流が流れないようにする。定格電流通電後、PCSヒータをOFFとし、PCSの温度をTc以下に冷却する。この状態で電源電流を下げると、PCS側に電流が分流し、電源電流が0になった時に超電導コイルとPCSで作られる閉ループが永久電流モードとなる。
【0005】
上記のように、永久電流モードにする手順において、PCSをヒータで加熱した際に、PCSを冷却するためのPCS冷却板を介して、冷凍機、あるいは超電導コイルに熱が伝わり、温度上昇させてしまう可能性がある。
【0006】
一方、PCSのヒータ通電を0にして、PCSをコイルと同じ程度の温度域にまで再冷却する際、この冷却板を介して冷却することになるが、上記理由で伝熱特性が制限されているため、再冷却にかかる時間が長くなってしまう。
【0007】
そこで、上記の二律背反するPCS冷却板に求められる伝熱特性は、冷凍機の冷凍能力に見合った熱侵入量、許容される再冷却時間となるように設計されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特許第4592498号
【特許文献2】特許第4896620号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上記の超電導コイルの温度上昇の低減およびPCS再冷却時間の短縮という二律背反するPCS冷却板の設計条件をともに満足するためには、冷凍機の冷凍能力を大きくする以外になかった。しかし、通常の運転中には必要でない過剰な冷凍機を、PCSの制御時という限られた仕様条件をもとに搭載することになり、コスト高、磁石の大型化、消費電力の増加等につながってしまう。
【0010】
本特許は、大きな冷凍能力を持った冷凍機にすることなく、PCS制御時の超電導コイルの温度上昇を抑え、再冷却時間を短縮させることのできる超電導磁石装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本実施形態は、断熱真空容器内に収納される超電導コイルと、この超電導コイルに熱的に接続され高温超電導体により構成された永久電流スイッチと、励磁電源に対して前記超電導コイルと永久電流スイッチを並列に接続する電流リードと、を有する超電導磁石装置であって、前記永久電流スイッチは冷却装置に直接あるいは前記超電導コイルを介して冷却される構造とし、前記永久電流スイッチは温度上昇させるための加熱手段が設けられ、前記超電導コイルと永久電流スイッチは永久電流スイッチ冷却板で接続され、この永久電流スイッチ冷却板は、高温超電導コイル側の永久電流スイッチ冷却板を永久電流スイッチ側の永久電流スイッチ冷却板よりも伝熱経路の断面積を大きくしていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明の実施形態は、大きな冷凍能力を持った冷凍機にすることなく、永久電流スイッチ制御時の超電導コイルの温度上昇を抑え、再冷却時間を短縮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】実施例1を示す超電導磁石装置の概略縦断面図。
図2】従来例を想定したPCS再冷却におけるPCS冷却板の温度変化の計算結果を示すグラフ。
図3】実施例1によるPCS再冷却時のPCS冷却板の温度変化の計算結果を示すグラフ。
図4】実施例1によるPCS再冷却時の他の形状のPCS冷却板の温度変化の計算結果を示すグラフ。
図5】実施例1によるPCSの再冷却時間短縮効果の計算結果を断面積比で比較して示すグラフ。
図6】実施例1によるPCSの再冷却時間短縮効果の計算結果を低温側/高温側冷却板の長さ比で比較して示すグラフ。
図7】実施例2におけるPCS冷却板を従来例と比較して示し、(a)は従来例を、(b)は実施例2をそれぞれ示す概略図。
図8】実施例6に係る永久電流スイッチ冷却板の概略図。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明に係る超電導磁石装置の実施例について、図面を参照して説明する。
【0015】
(実施例1)
以下、図1を参照して実施例1について説明する。
【0016】
図1は、永久電流スイッチ(PCS)10を備えた永久電流モードが可能な超電導磁石装置20を概略縦断面図で示している。
【0017】
図1において、極低温冷凍機コールドヘッド1は断熱真空容器2に取り付けられて1段冷却部で輻射シールド板3、また2段冷却部で超電導コイル冷却板4を介して高温超電導線で構成された超電導コイル5を極低温に冷却している。電流は図示されていない外部電源から真空導入端子6に接続供給され、断熱真空容器2内において電流リード7を介して超電導コイル5、PCS10に通電できる構成としている。
【0018】
超電導コイル5と永久電流スイッチ加熱ヒータ(PCS加熱ヒータ)11は、電源に対して並列に接続されている。そして電流リード7の低温側先端に、超電導コイル5から超電導コイル接続線8が、またPCS10側からの永久電流スイッチ(PCS)接続線9が並列接続されている。なお電流リード7は図示していないが、冷凍機の1段冷却部、2段冷却部に絶縁のうえ熱的に接続し、冷却されており、超電導コイル5、PCS10の温度上昇を抑えている。また、1段、2段冷却部の間の電流リード7には、通常、高温超電導体が用いられ、大電流、低抵抗、断熱を兼ねた設計としている。 高温超電導体により構成されたPCS10は、冷却された超電導コイル5に熱的に永久電流スイッチ(PCS)冷却板12を介して超電導コイル5の温度と同レベルに冷却できる構成となっている。このPCS冷却板12は、PCSを超電導状態(抵抗0)から常伝導状態(常伝導抵抗を持つ)にするために温度上昇させる永久電流スイッチ(PCS)加熱ヒータ11が具備され、PCS加熱ヒータ11は図示していないがヒータ用外部電源により、超電導コイル接続線8を介して通電され、所定の発熱により、所定の温度まで温度上昇させる構成としている。
【0019】
PCS加熱ヒータ11は温度上昇後、PCS10を超電導コイル5と同レベルにまで冷却し、超電導コイル5とPCS10との閉ループ(連結のための電流リード7、超電導接続線8も閉ループ内に構成されている)により、永久電流モードとなるが、PCS10に対する、この一連の冷却、温度上昇、再冷却において、前記のようにコイル温度上昇、再冷却時間の短縮を考慮したPCS冷却板12の設計が必要となる。
【0020】
このPCS冷却板12は、PCS加熱ヒータ11印加時に超電導コイル5の温度上昇の上限値となる最大熱侵入量Qmax以下に抑えつつ、PCS10の温度をPCS10の臨界温度以上になるように、以下(1)式で示されるPCS冷却板12を用いている。
【0021】
max=(S/L)×∫λdT …(1)
【0022】
ここで、SはPCS冷却板12の断面積、LはPCS冷却板12の長さ、λはPCS冷却板12の熱伝導率、積分は温度に関するもので、下限値はPCS10の昇温時の温度、上限値は超電導コイル5側の温度である。
【0023】
上記(1)式で、許される最大のS/Lが決まる。したがって、その後の再冷却時間は、このS/Lの最大値となるPCS冷却板12を用いれば最短のとなるが、それ以上短い時間で再冷却することはできない。超電導コイル温度の温度上昇は極力抑えるのが通常の設計であり、安全率を考慮すると、さらにS/Lの小さいPCS冷却板12とする必要があり、その場合は再冷却時間が増加してしまう。
【0024】
そこで、図1では、PCS冷却板12の熱伝導率の温度依存性において、純度の高い金属の特性として、10Kレベルで熱伝導率がピークとなる特性を利用し、超電導コイル側の半分のPCS冷却板(コイル側のPCS冷却板)13を、PCS10側半分のPCS冷却板(PCS側のPCS冷却板)14よりも断面積Sを大きくした構成としている。
【0025】
PCS10を温度上昇させている状態では、熱抵抗の大半はPCS側のPCS冷却板14で受け持っており、コイル側のPCS冷却板13の小さな熱抵抗と合わせて、従来におけるPCS冷却板と全体で同じあるいは同程度の熱抵抗になるように設定する。
【0026】
この相違する断面積を持つコイル側のPCS冷却板13とPCS側のPCS冷却板14が、再冷却時にはコイル側のPCS冷却板13は、従来例でのPCS冷却板のコイル側温度よりも熱抵抗が小さいために過渡的に温度が低い状態を保ちながらPCS10を冷却するようになる。この時、このPCS冷却板12の熱伝導率は、金属の熱伝導率の温度依存性により、高い値となり、同じ温度差であれば、大きな熱量でPCS10を冷却することが可能となる。
【0027】
ここで、実際の効果を示す具体例での検討結果を示す。
【0028】
超電導コイル5は20Kに、PCS10は100Kに保たせた状態(ヒータ印加時)で、接続された従来例を想定するPCS冷却板として残留抵抗比(RRR)=3000の純アルミ板を用い、熱侵入量が、4Wになるように、PCS冷却板12を図7(a)で示すような形状とした。
PCS冷却板12形状:t0.5mm×W10mm×L200mm
【0029】
なお、PCS10の熱容量は、設計により様々であり、ここではアルミニウム2gとして計算している。この時の、ヒータをOFFとした直後から、PCS10が超電導コイル温度の20K程度(ここでは25Kとした)にまで冷却していく時間経過を図2に示した。
【0030】
グラフの横軸は時間(秒)、縦軸は温度(K)を示し、複数のグラフで最大温度となっているものはPCS10、最小温度(20K)となっているのは超電導コイル5、その間のグラフは、25mm毎のPCS冷却板12の温度変化を示している。この例の場合、再冷却に11.6秒を要している。
【0031】
一方、コイル側のPCS冷却板13、PCS側のPCS冷却板14を以下の形状にした場合の検討結果を図3に示す。
コイル側のPCS冷却板13形状:t2mm×W10mm×L100mm
PCS側のPCS冷却板14形状:t0.29mm×W10mm×L100mm
【0032】
この場合においても、加熱ヒータ11によりPCS側を100Kに保たせた場合の20K超電導コイルへの熱侵入量は4Wで、従来例を想定するPCS冷却板の場合と同じ計算結果が得られている。一方で加熱ヒータ11をOFFとした直後からの各部の温度変化の計算結果を図3に示す。PCS10が25Kになるまでに要した時間は10.7秒となり、時間的に7%の再冷却時間短縮となる。
【0033】
さらに、以下の冷却板構成とした場合の検討結果も図4に示す。
コイル側のPCS冷却板13形状:t2mm×W10mm×L175mm
PCS側のPCS冷却板14形状:t0.08mm×W10mm×L25mm
【0034】
PCSが25Kに到達するまでの時間は、この場合、10.1秒となり、従来例を想定するPCS冷却板の場合よりも13%の時間短縮となった。
【0035】
以上の検討を、他の冷却板設計の検討結果も合わせ、横軸を低温側/高温側の冷却板の断面積比(各冷却板の長さは各々100mmの一定条件)で、縦軸に25Kまでの再冷却時間(従来設計を100%とした場合)をとった計算結果を図5示す。さらに、低温側の冷却板の厚さを一定とし、低温側/高温側の冷却板の長さ比を横軸にとり、縦軸に同様に時間短縮率をとった結果を図6に示す。
【0036】
実施例1では、残留抵抗比(RRR)が3000のアルミを使用し、動作温度20Kから100K間でのPCS冷却板に関しての検討結果により、同じ熱侵入量となるPCS冷却板でも、時間短縮を13%達成できることを示した。これは、PCS冷却板として使用したアルミニウムの熱伝導率の温度依存性として、この温度領域では低温ほど熱伝導率が高いことを利用し、再冷却中のPCS冷却板の温度分布を低下させることで、高い熱伝導率の状態で再冷却を行うことが可能な構成としている。
【0037】
したがって、熱伝導率の温度依存性が上記のアルミニウムと同様な傾向のある純度の高い(残留抵抗比が100よりも高い)銅、銀、インジウム、金等の金属を冷却板として用いても同様の効果が得られる。
【0038】
(実施例2)
実施例1では、PCS冷却板の断面積をコイル側のPCS冷却板13とPCS側のPCS冷却板14で差をつけ、特にコイル側のPCS冷却板13の断面積を大きくすることで、再冷却特性を向上できることを示した。その際、具体例として、冷却板の厚さを変えた構成で計算結果を示した。同じ手法として、冷却板の幅を変化させ、特にコイル側のPCS冷却板(低温側)の幅を広くとる構成としてもよい。この構成によれば、従来例に対し、図4で示した効果と同じ効果が得られる。この幅を変えたPCS冷却板の形状の比較を図7に示した。
【0039】
この時のPCS冷却板の熱的な特性は断面積が実施例1と同様であれば同様のPCS冷却板の温度変化を示す。
【0040】
よって実施例1と同様の効果を得ることができる。
【0041】
(実施例3)
実施例3においては冷却板の熱伝導率を変化させ、特にPCS側のPCS冷却板(高温側)14の熱伝導率を、コイル側のPCS冷却板(低温側)13よりも低い熱伝導率の材料を用いる構成としてもよい。この構成によれば、従来例に対し、図4で示した効果と同じ効果が得られる。
【0042】
この時のPCS冷却板の熱的な特性は断面積が実施例1と同様であれば同様のPCS冷却板の温度変化を示す。
【0043】
よって実施例1と同様の効果を得ることができる。
【0044】
(実施例4)
実施例4においては同じ断面積の冷却板の枚数を変化させ、特にPCS側のPCS冷却板(高温側)14の枚数を、コイル側のPCS冷却板(低温側)13の枚数よりも少なくしておく構成としてもよい。この構成によれば、従来例に対し、図4で示した効果と同じ効果が得られる。
【0045】
この時のPCS冷却板の熱的な特性は断面積が実施例1と同様であれば同様のPCS冷却板の温度変化を示す。
【0046】
よって実施例1と同様の効果を得ることができる。
【0047】
(実施例5)
実施例5においてはPCS冷却板12に使用される金属の純度を変化させ、特にコイル側のPCS冷却板(高温側)14の純度を、PCS側のPCS冷却板(低温側)13よりも高い純度の材料を用いる構成としてもよい。この構成によれば、従来例に対し、図4で示した効果と同じ効果が得られる。
【0048】
この時のPCS冷却板の熱的な特性は実施例1と同様であれば同様のPCS冷却板の温度変化を示す。
【0049】
よって実施例1と同様の効果を得ることができる。
【0050】
(実施例6)
これまでの実施例では、効果を示すためにコイル側のPCS冷却板13の断面積と、PCS側のPCS冷却板14の断面積を2段階で変えているが、同様の効果は、2段階以上の複数段でのステップ的な断面積の変化、あるいは、断面積を連続的に変化させている場合でも得られる。図8にこの例で示したPCS冷却板12の幅形状を示した。
【0051】
図8に実施例6に係る永久電流スイッチ冷却板の概略平面図または縦断面図を示す。
【0052】
実施例6においては伝熱経路の断面積を連続的に変化させ、特にPCS側のPCS冷却板(高温側)14の伝熱経路の断面積を、連続的にコイル側のPCS冷却板(低温側)13の伝熱経路の断面積よりも小さくした構成としてもよい。この構成によれば、従来例に対し、図4で示した効果と同じ効果が得られる。
【0053】
この時のPCS冷却板の熱的な特性は断面積が実施例1と同様であれば同様のPCS冷却板の温度変化を示す。
【0054】
よって実施例1と同様の効果を得ることができる。
【0055】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
【0056】
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
【0057】
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0058】
1…極低温冷凍機コールドヘッド
2…断熱真空容器
3…輻射シールド板
4…超電導コイル冷却板
5…超電導コイル
6…電流導入端子
7…電流リード
8…超電導コイル接続線
9…永久電流スイッチ(PCS)接続線
10…永久電流スイッチ(PCS)
11…永久電流スイッチ(PCS)加熱ヒータ
12…永久電流スイッチ(PCS)冷却板
13…永久電流スイッチ冷却板(コイル側のPCS冷却板)
14…永久電流スイッチ冷却板(PCS側のPCS冷却板)
20…超電導磁石装置
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8