特開 2023-156649 超電導装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023156649

(43)【公開日】2023-10-25

(54)【発明の名称】超電導装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/02 20060101AFI20231018BHJP

   H10N 60/81 20230101ALI20231018BHJP

【ＦＩ】

H01F6/02

H01L39/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022066144

(22)【出願日】2022-04-13

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【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】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 楓

(72)【発明者】

【氏名】高見 正平

【テーマコード（参考）】

4M114

【Ｆターム（参考）】

4M114AA14

4M114CC03

4M114DA02

4M114DA12

(57)【要約】

【課題】クエンチが生じたときに超電導コイルを保護するためのダイオードの損傷を防止することができる超電導装置を提供する。
【解決手段】超電導装置１は、超電導状態を維持するための極低温領域９に設けられた超電導コイル５と、超電導コイル５とともに並列に電源４に接続され、超電導コイル５でクエンチが生じたときに超電導コイル５に流れる電流を迂回させるダイオード６と、ダイオード６の温度を調整する温度調整部７，８とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超電導状態を維持するための極低温領域に設けられた超電導コイルと、
前記超電導コイルとともに並列に電源に接続され、前記超電導コイルでクエンチが生じたときに前記超電導コイルに流れる電流を迂回させるダイオードと、
前記ダイオードの温度を調整する温度調整部と、
を備える、
超電導装置。

【請求項2】

前記温度調整部は、前記クエンチが生じる前に予め前記ダイオードの温度を前記極低温領域の温度よりも高くしておくものである、
請求項１に記載の超電導装置。

【請求項3】

前記温度調整部の少なくとも１つは、前記極低温領域から前記ダイオードを断熱する断熱部である、
請求項１または請求項２に記載の超電導装置。

【請求項4】

前記温度調整部の少なくとも１つは、前記ダイオードを昇温するヒーターである、
請求項１または請求項２に記載の超電導装置。

【請求項5】

前記温度調整部の少なくとも１つは、前記極低温領域の外部から熱を前記ダイオードに伝える熱アンカーである、
請求項１または請求項２に記載の超電導装置。

【請求項6】

前記電源と前記超電導コイルとを接続する電力線に対して、前記ダイオードの導線が接続されており、
前記導線を介して前記ダイオードから前記極低温領域に伝わる熱の入熱量が、特定の量以下となるように、前記導線の材質と線材径が設計されている、
請求項１または請求項２に記載の超電導装置。

【請求項7】

前記導線は、高温超電導体で形成されている、
請求項６に記載の超電導装置。

【請求項8】

前記温度調整部の少なくとも１つは、高温部からの熱輻射を低減し、前記ダイオードが設けられ、かつ内部に前記極低温領域が設けられるシールドである、
請求項１または請求項２に記載の超電導装置。

【請求項9】

高温部からの熱輻射を低減し、前記ダイオードが設けられ、かつ内部に前記極低温領域が設けられるシールドを備え、
前記温度調整部の少なくとも１つは、前記シールドから前記ダイオードを断熱する断熱部である、
請求項１または請求項２に記載の超電導装置。

【請求項10】

高温部からの熱輻射を低減し、前記ダイオードが設けられ、かつ内部に前記極低温領域が設けられるシールドを備え、
前記温度調整部の少なくとも１つは、前記ダイオードを昇温するヒーターである、
請求項１または請求項２に記載の超電導装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、超電導装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、超電導装置は、励磁中の超電導コイルが常電導に転移したときに、超電導コイルを保護するためダイオードを備える。超電導コイルが常電導に転移する現象は、クエンチと呼ばれている。極低温下でのダイオードの順方向電流が急激に上昇するときの電圧、いわゆる順方向電圧Ｖｆは、１０～２０Ｖであり、常温下と比べて非常に高い。従来、この性質を利用し、ダイオードを極低温領域に設置することで、超電導コイルがクエンチした際の保護と励消磁時の抵抗による発熱の抑制とを両立させている。

【0003】

励磁中は、超電導コイルの励磁電圧をダイオードの順方向電圧Ｖｆより小さく設定することで、超電導コイルに電流が流れる。一方、超電導コイルがクエンチし、超電導コイルの両端の電圧が順方向電圧Ｖｆに達すると、ダイオードに電流が流れるようになり、超電導コイルの電圧が抑制され、超電導コイルが保護される。

【0004】

なお、極低温に冷却されたダイオードは、キャリアが極端に少なく、ダイオードの順方向電流があまり増加しない。また、ダイオードに或る程度の電流が流れると、ダイオード自体の発熱によってキャリアの急激な増加をもたらす。このことに起因して、極低温で順方向電圧Ｖｆが高くなるものと考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開昭６０－１３０１０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の超電導装置は、超電導コイルでクエンチが生じ、ダイオードに電流が流れるときに、順方向電圧Ｖｆが高いことによってダイオードに高負荷が加わってしまい、ダイオードが損傷してしまう虞がある。

【0007】

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、クエンチが生じたときに超電導コイルを保護するためのダイオードの損傷を防止することができる超電導装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の実施形態に係る超電導装置は、超電導状態を維持するための極低温領域に設けられた超電導コイルと、前記超電導コイルとともに並列に電源に接続され、前記超電導コイルでクエンチが生じたときに前記超電導コイルに流れる電流を迂回させるダイオードと、前記ダイオードの温度を調整する温度調整部と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明の実施形態により、クエンチが生じたときに超電導コイルを保護するためのダイオードの損傷を防止することができる超電導装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態の超電導装置を示す断面図。

【図2】ダイオードの順方向電圧と温度との関係を示すグラフ。

【図3】第２実施形態の超電導装置を示す断面図。

【図4】第３実施形態の超電導装置を示す断面図。

【図5】第４実施形態の超電導装置を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（第１実施形態）
以下、図面を参照しながら、超電導装置の実施形態について詳細に説明する。まず、第１実施形態について図１から図２を用いて説明する。

【0012】

図１の符号１は、第１実施形態の超電導装置である。この超電導装置１は、真空容器２とシールド３と電源４と超電導コイル５とダイオード６と断熱部７とヒーター８とを備える。なお、断熱部７とヒーター８が、第１実施形態の温度調整部を構成する。

【0013】

真空容器２は、内部が真空にされ、外部と断熱するための容器である。この真空容器２の内部にシールド３が収容されている。このシールド３の内部に超電導コイル５が収容されている。

【0014】

シールド３は、外部（高温部）からの熱輻射を低減し、その内部に、超電導コイル５の超電導状態を維持するための極低温領域９が設けられている。なお、この極低温領域９には、超電導コイル５とダイオード６とが設けられている。

【0015】

電源４は、超電導コイル５に電力を供給する。この電源４は、真空容器２の外部に設けられている。電源４から真空容器２の内部に延びる電力線１１は、高温超電導リード１２を介して極低温領域９まで導かれる。この高温超電導リード１２は、高温超電導体で形成されている。

【0016】

ダイオード６は、超電導コイル５とともに並列に電源４に接続され、超電導コイル５でクエンチが生じたときに超電導コイル５に流れる電流を迂回させる保護回路である。なお、電源４と超電導コイル５とを接続する電力線１１に対して、ダイオード６の導線１３が接続されている。

【0017】

第１実施形態では、極低温領域９から断熱されている断熱部７に、ダイオード６が設けられている。つまり、断熱部７は、極低温領域９からダイオード６を断熱するものである。このようにすれば、超電導コイル５が設けられている極低温領域９からダイオード６が断熱され、ダイオード６を極低温領域９と異なる温度にすることができる。

【0018】

さらに、断熱部７には、ダイオード６を昇温するヒーター８が設けられている。このようにすれば、ダイオード６の温度が極低温領域９よりも高められる。なお、ヒーター８は、図示しない制御装置により制御されている。この制御装置は、ダイオード６が常に一定の温度になるように、ヒーター８の出力を制御する。

【0019】

断熱部７とヒーター８とで構成される温度調整部は、ダイオード６の温度を調整するものである。また、温度調整部は、超電導コイル５にクエンチが生じる前に、予めダイオード６の温度を極低温領域９の温度よりも高くしておくものである。このようにすれば、クエンチが生じたときに即座にダイオード６に電流を流すことができ、超電導コイル５に流れる電流が迂回されるため、超電導コイル５を保護することができる。特に、ヒーター８を制御することにより、ダイオード６の温度調整を行い、順方向電圧Ｖｆを任意に設定することができる。

【0020】

ダイオード６にかかる負荷は、Ｖｆ×Ｉ（順方向電圧×電源電流）で表され、順方向電圧Ｖｆが上昇するほど負荷が高くなる。図２のグラフに示すように、ダイオード６の順方向電圧Ｖｆは、温度特性を持ち、ダイオード６の温度が上がるとキャリア密度が増加し、順方向電圧Ｖｆが低下することが分かっている。

【0021】

ダイオード６の温度を上げ、順方向電圧Ｖｆを低下させることで、ダイオード６にかかるピーク負荷を低減させ、ダイオード６の損傷を防止することができる。また、順方向電圧Ｖｆが、超電導コイル５の励磁電圧未満（以下）の場合、励磁不可となるため、超電導コイル５の励磁電圧以上（を超えるよう）に設計する必要がある。そこで、本実施形態では、ダイオード６の温度を調整し、順方向電圧Ｖｆを任意に設定することで、ダイオード６の健全性を確保する。例えば、極低温領域９の温度が４Ｋの場合に、ダイオード６の温度が２０Ｋ以上になるように温度調整が行われる。

【0022】

第１実施形態では、ヒーター８が、ダイオード６の温度を調整し、ダイオード６の順方向電圧Ｖｆを制御するようにしている。そのため、超電導コイル５がクエンチしたときに、その電流がダイオード６を迂回するときのピーク負荷が低減されるようになり、ダイオード６の損傷を防止することができる。

【0023】

導線１３の材質には、ステンレス鋼、銅ニッケル合金、黄銅などの金属、または高温超電導体などが適用される。特に、導線１３を介してダイオード６から極低温領域９に伝わる熱の入熱量が、特定の量以下となるように、導線１３の材質と線材径が設計されている。

【0024】

言い換えると、導線１３を介してダイオード６から極低温領域９に伝わる熱の入熱量を含む極低温領域９全体の入熱量が、超電導コイル５を超電導状態に保つことができる入熱量以下となるように、導線１３の材質と線材径が設計されている。例えば、導線１３を介してダイオード６から極低温領域９に伝わる熱の入熱量が、極低温領域９全体の入熱量の１／１０以下となっている。

【0025】

このようにすれば、導線１３を介してダイオード６から極低温領域９に熱が伝わり難くなり、超電導コイル５を超電導状態に保つことができる。例えば、ダイオード６と断熱部７から超電導コイル５への入熱量が絞られることで、超電導コイル５への熱伝導の影響を抑えながら、ダイオード６の温度を調整することができる。

【0026】

また、導線１３が高温超電導体で形成されることで、ダイオード６の温度が高められ、その熱で導線１３の温度が高められていても、導線１３の電気抵抗を抑えることができ、超電導コイル５にクエンチが生じたときに即座にダイオード６に電流を流すことができる。

【0027】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図３を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0028】

第２実施形態の超電導装置１Ａは、真空容器２とシールド３と電源４と超電導コイル５とダイオード６と断熱部７と熱アンカー１４を備える。なお、断熱部７と熱アンカー１４が、第２実施形態の温度調整部を構成する。

【0029】

熱アンカー１４は、アルミニウム、銅などの所定の金属で形成された部品である。この熱アンカー１４は、極低温領域９の外部から熱をダイオード６に伝えるものである。なお、熱アンカー１４は、例えば、所定の線材、シート状の部材、フレーム部材などで構成されている。

【0030】

ダイオード６と断熱部７は、極低温領域９に設けられている。ここで、熱アンカー１４の一端が断熱部７に接続され、他端がシールド３に接続されている。そして、シールド３の熱が、熱アンカー１４を介してダイオード６まで伝わる。このようにすれば、極低温領域９の外部から伝導される熱により、ダイオード６の温度を極低温領域９よりも高めることができる。

【0031】

第２実施形態では、熱アンカー１４を設けることで、ダイオード６の温度を調整し、順方向電圧Ｖｆを任意に設定することができる。例えば、熱アンカー１４の材質と線材径を調整することで、ダイオード６の温度調整を行い、順方向電圧Ｖｆを任意に設定することができる。そして、ダイオード６のピーク負荷を低減してダイオード６の損傷を防止することができる。

【0032】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について図４を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0033】

第３実施形態の超電導装置１Ｂは、真空容器２とシールド３と電源４と超電導コイル５とダイオード６とを備える。なお、シールド３が、第３実施形態の温度調整部を構成する。

【0034】

ダイオード６は、シールド３に設けられている。このようにすれば、ダイオード６が、極低温領域９の外部に設けられることで、ダイオード６の温度を極低温領域９よりも高くすることができる。

【0035】

第３実施形態では、シールド３にダイオード６を設けることで、ダイオード６の温度を高め、順方向電圧Ｖｆを制御することができる。そして、ダイオード６のピーク負荷を低減してダイオード６の損傷を防止することができる。

【0036】

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について図５を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0037】

第４実施形態の超電導装置１Ｃは、真空容器２とシールド３と電源４と超電導コイル５とダイオード６と断熱部７とヒーター８とを備える。なお、シールド３と断熱部７とヒーター８が、第４実施形態の温度調整部を構成する。

【0038】

ダイオード６と断熱部７とヒーター８は、シールド３に設けられている。断熱部７は、シールド３からダイオード６を断熱する。このようにすれば、ダイオード６をシールド３よりも高い温度にすることができる。

【0039】

また、ヒーター８は、ダイオード６を昇温する。このようにすれば、シールド３に設けられたダイオード６の温度を高めることができる。

【0040】

第４実施形態では、シールド３にダイオード６を設け、さらに断熱部７とヒーター８を設けることで、ダイオード６の温度を高め、順方向電圧Ｖｆを制御することができる。そして、ダイオード６のピーク負荷を低減してダイオード６の損傷を防止することができる。

【0041】

なお、超電導装置１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）が第１実施形態から第４実施形態に基づいて説明されているが、いずれかの実施形態において適用された構成が他の実施形態に適用されても良いし、各実施形態において適用された構成が組み合わされても良い。

【0042】

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、ダイオード６の温度を調整する温度調整部を備えることにより、クエンチが生じたときに超電導コイル５を保護するためのダイオード６の損傷を防止することができる。

【0043】

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。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。これら実施形態またはその変形は、発明の範囲と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】

【0044】

１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）…超電導装置、２…真空容器、３…シールド、４…電源、５…超電導コイル、６…ダイオード、７…断熱部、８…ヒーター、９…極低温領域、１１…電力線、１２…高温超電導リード、１３…導線、１４…熱アンカー。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】