特開 2023-180128 超電導マグネット装置及びその励磁方法

(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】P2023180128

(43)【公開日】2023-12-20

(54)【発明の名称】超電導マグネット装置及びその励磁方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/00 20060101AFI20231213BHJP

   H01F 6/02 20060101ALI20231213BHJP

   H10N 60/20 20230101ALI20231213BHJP

【ＦＩ】

H01F6/00 180

H01F6/00 150

H01F6/02

H01L39/14 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022093258

(22)【出願日】2022-06-08

(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】小柳 圭

(72)【発明者】

【氏名】岩井 貞憲

(72)【発明者】

【氏名】宇都 達郎

【テーマコード（参考）】

4M114

【Ｆターム（参考）】

4M114AA15

4M114CC03

4M114DA02

4M114DA32

4M114DB52

4M114DB53

4M114DB54

4M114DB63

(57)【要約】

【課題】外部磁界効果により永久電流スイッチのクエンチ発生のリスクを軽減させる超電導マグネット装置を提供する。
【解決手段】超電導マグネット装置１０は、磁場１５を生成する主コイル１２と、この主コイル１２と閉回路を形成し常伝導状態／超電導状態が切り替え可能な永久電流スイッチ２０と、を備え、この永久電流スイッチ２０のインダクタンスは、主コイル１２のインダクタンスの０．１％～５％の範囲、さらに好ましくは１％～５％の範囲に設定されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁場を生成する主コイルと、
前記主コイルと閉回路を形成し常伝導状態／超電導状態が切り替え可能な永久電流スイッチと、を備え、
前記永久電流スイッチのインダクタンスは、前記主コイルのインダクタンスの０．１％～５％の範囲に設定されている超電導マグネット装置。

【請求項2】

請求項１に記載の超電導マグネット装置において、
前記永久電流スイッチのインダクタンスは、前記主コイルのインダクタンスの１％～５％の範囲に設定されている超電導マグネット装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の超電導マグネット装置において、
前記永久電流スイッチにおいて、折返点を始端に超電導線材が二条巻きして成る第１コイルと第２コイルを、それぞれ異なる巻数で構成した超電導マグネット装置。

【請求項4】

請求項１又は請求項２に記載の超電導マグネット装置において、
前記永久電流スイッチにおいて、互いに直列接続し磁束を逆方向に発生し打ち消し合う第１コイルと第２コイルを、同心配置した超電導マグネット装置。

【請求項5】

請求項１又は請求項２に記載の超電導マグネット装置において、
前記永久電流スイッチにおいて、互いに直列接続し磁束を逆方向に発生し打ち消し合う第１コイルと第２コイルを、積層配置した超電導マグネット装置。

【請求項6】

請求項１又は請求項２に記載の超電導マグネット装置の前記永久電流スイッチをＯＦＦ状態に設定するステップと、
定格値を超えて設定した励磁電流で前記主コイルを励磁するステップと、
前記永久電流スイッチをＯＮ状態に設定し、前記主コイルの励磁電源出力を下げて前記永久電流スイッチに磁気エネルギーを蓄積させるステップと、を含む超電導マグネット装置の励磁方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、永久電流スイッチを用いる超電導マグネット装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＣｕＮｉマトリクスＮｂＴｉ線材を巻回させた永久電流スイッチ（ＰＣＳ）を用いる冷凍機伝導冷却式の超電導マグネット装置においては、この永久電流スイッチもしくはその周辺でクエンチの発生するリスクが高かった。これは、自己磁界効果によってＮｂＴｉ線材の外側のフィラメントから電流飽和領域が形成され、磁気的不安定性が増すためと考えられている。

【0003】

このような磁気的不安定性を解消するために、永久電流スイッチに巻回される線材に横磁界を掃引し外部磁界効果を発揮させることで、線材に流れる電流を一様化する対応を取り得る。しかし、超電導マグネット装置における従来の永久電流スイッチは、それ自身が磁気エネルギーを持たないように無誘導巻されているため、自身では磁場を発生しない。また、永久電流モード（ＰＣモード）移行中は主コイルから与えられる磁場は一定であり時間的に変化はしない。このため、従来の永久電流スイッチにおいては、元々、外部磁界効果が発揮されることはなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭６２－２３２９７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

超電導マグネット装置の励磁過程は、まず永久電流スイッチをＯＦＦ設定にし、励磁電源から励磁電流を供給して主コイルに磁場を発生させ安定させる。しかる後に、永久電流スイッチをＯＮ設定に切り替え、電源からの励磁電流の供給を徐々に減らし、永久電流モード（ＰＣモード）に移行し安定させる、といった段階を経る。従来において、永久電流スイッチのクエンチ発生のリスクに対し、上述した励磁工程で横磁界を掃引させる等の外部磁界効果を発揮させるといった、リスクを軽減させる措置は特にとられてこなかった。

【0006】

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、外部磁界効果により永久電流スイッチのクエンチ発生のリスクを軽減させる超電導マグネット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】

【0007】

実施形態に係る超電導マグネット装置において、磁場を生成する主コイルと、前記主コイルと閉回路を形成し常伝導状態／超電導状態が切り替え可能な永久電流スイッチと、を備え、前記永久電流スイッチのインダクタンスは、前記主コイルのインダクタンスの０．１％～５％の範囲に設定されている。

【発明の効果】

【0008】

本発明の実施形態により、外部磁界効果により永久電流スイッチのクエンチ発生のリスクを軽減させる超電導マグネット装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る超電導マグネット装置の構成を示す回路図。

【図2】（Ａ）超電導マグネット装置に適用される永久電流スイッチの第１実施例を示す構成図、（Ｂ）その縦断面図。

【図3】（Ａ）超電導マグネット装置に適用される永久電流スイッチの第２実施例を示す構成図、（Ｂ）その縦断面図。

【図4】（Ａ）超電導マグネット装置に適用される永久電流スイッチの第３実施例を示す構成図、（Ｂ）その縦断面図。

【図5】（Ａ）実施形態に係る超電導マグネット装置の励磁方法を説明するタイムチャート、（Ｂ）従来（永久電流スイッチが無誘導巻）の超電導マグネット装置の励磁工程を比較例として説明するタイムチャート。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る超電導マグネット装置１０の構成を示す回路図である。このように超電導マグネット装置１０は、磁場１５を生成する主コイル１２と、この主コイル１２と閉回路を形成し常伝導状態／超電導状態が切り替え可能な永久電流スイッチ２０と、を備えている。そして、この永久電流スイッチ２０のインダクタンスは、主コイル１２のインダクタンスの０．１％～５％の範囲、さらに好ましくは１％～５％の範囲に設定されている。

【0011】

主コイル１２及び永久電流スイッチ２０は、超電導状態に保たれる必要があるため、極低温冷凍機（図示略）やこれらの支持部材（図示略）とともに真空断熱容器１９に収容されている。

【0012】

そして超電導マグネット装置１０は、主コイル１２に対し励磁電源１１及び永久電流スイッチ２０が並列接続している。励磁過程においては、主コイル１２は励磁電源１１により励磁される。永久電流モード（ＰＣモード）においては、主コイル１２と永久電流スイッチ２０とが閉回路を形成する。

【0013】

主コイル１２並びに永久電流スイッチ２０の第１コイル２１及び第２コイル２２の超電導線材は、設定温度によって超電導状態と常伝導状態とが切り替わる超電導体（ＮｂＴｉ等）と、設定温度によらず常伝導状態を示すマトリクスと、から構成されている。なお、これらマトリクスと超電導体とは、断面視において海島状に形成されていたり、層状に形成されていたりする。

【0014】

主コイル１２のマトリクスは電気抵抗率の低い無酸素銅で構成され、永久電流スイッチ２０の第１コイル２１及び第２コイル２２のマトリクスは無酸素銅よりも電気抵抗率の高い銅合金（例えば、ＣｕＮｉ）で構成されている。このように第１コイル２１及び第２コイル２２のマトリクスの電気抵抗率を主コイル１２のマトリクスよりも高くする理由は、永久電流スイッチ２０がＯＦＦ設定される（電気抵抗体２６で加熱する）励磁過程において、十分大きな電気抵抗値を有する必要があるためである。

【0015】

主コイル１２は、超電導線材が一方向に巻回して構成され、電流が流れることで磁場１５を生成する。永久電流スイッチ２０は、磁束を逆方向に発生して互いに打ち消し合う第１コイル２１及び第２コイル２２が、有限値の合成インダクタンスをとるように直列接続され、通電すると合成磁束Φを発生する。そして永久電流スイッチ２０の発熱部２８は、第１コイル２１及び第２コイル２２に近接配置される電気抵抗体２６と、この電気抵抗体２６に供給する電力を制御して発熱させ超電導状態の第１コイル２１及び第２コイル２２を常伝導状態に変化させる電力制御器２７と、を有している。

【0016】

ここで、第１コイル２１の自己インダクタンスＬ₁、第２コイル２２の自己インダクタンスＬ₂とすると、第１コイル２１と第２コイル２２の相互インダクタンスＭは、次式（１）で表される。
Ｍ＝ｋ√（Ｌ₁×Ｌ₂） …（１） （結合係数ｋ：－１＜ｋ＜１）

【0017】

永久電流スイッチ２０のインダクタンスは、第１コイル２１及び第２コイル２２の合成インダクタンスＬ_Yとして次式（２）で表される。その結果、永久電流スイッチ２０は、永久電流の定格値Ｉ_Yに対し、次式（３）で表される合成磁束Φを発生する。
Ｌ_Y＝Ｌ₁＋Ｌ₂＋２Ｍ …（２）
Φ＝Ｌ_Y×Ｉ_Y …（３）

【0018】

ここで、上式（１）～（３）を検証する。従来の一般的な永久電流スイッチは、合成磁束Φを極力発生させないように、無誘導巻きで構成されている。このため、Ｌ₁～Ｌ₂，ｋ～－１の条件となり、合成インダクタンスＬ_Y～０となる。本実施形態では、合成インダクタンスＬ_Yが、主コイル１２のインダクタンスＬ_Xの０．１％～５％範囲の有限値に設定される。そのためには、第１コイル２１及び第２コイル２２それぞれの自己インダクタンスが異なるように設定するか（Ｌ₁≠Ｌ₂）、もしくはＬ₁＝Ｌ₂であっても結合係数ｋを－１から離して設定することが考えられる。

【0019】

合成インダクタンスＬ_Yが、主コイル１２のインダクタンスＬ_Xの０．１％未満であると、外部磁界効果が不十分となり、永久電流スイッチ２０のクエンチ発生のリスクが軽減されない。また、合成インダクタンスＬ_Yが、主コイル１２のインダクタンスＬ_Xの５％を超えると、励磁過程から永久電流モードに切り替えたときに永久電流スイッチに磁気エネルギーが移って、主コイルの電流値が励磁完了直後よりも小さくなってしまう。

【0020】

この合成インダクタンスＬ_Yが、主コイル１２のインダクタンスＬ_Xの０．１％～５％範囲の有限値であることで、永久電流スイッチ２０に発生した合成磁束Φは、第１コイル２１、第２コイル２２及びこれらの引出線を構成する超電導線材に磁場を経験させる。これにより、外部磁界効果により永久電流スイッチ２０のクエンチ発生のリスクを軽減することができる。

【0021】

ここで、永久電流スイッチ２０をＯＦＦ設定とし励磁電源１１の出力を増加させる励磁過程で主コイル１２に通電する励磁電流の設定値Ｉ_Xとし、永久電流スイッチ２０をＯＮ設定にして励磁電源１１の出力をゼロとした永久電流モード（ＰＣモード）で主コイル１２に通電する永久電流の定格値Ｉ_Yとする。すると、エネルギー保存則から、回路に蓄積されるエネルギーＥは、次式（４）の関係を満たし、さらにＬ_Y／Ｌ_X＝ｍとして次式（５）に変形される。ただしインダクタンスＬ_XとＬ_Yとの結合（相互インダクタンス）は無視した。
Ｅ＝１／２×Ｌ_X×Ｉ_X ² ＝１／２×Ｌ_X×Ｉ_Y ²＋１／２×Ｌ_Y×Ｉ_Y ² …（４）
Ｉ_X ＝√（１＋ｍ）×Ｉ_Y …（５）

【0022】

上記の式（４）に示すように、励磁過程において主コイル１２に蓄積されるエネルギーは、ＰＣモードで永久電流スイッチ２０に蓄積されるエネルギーの分だけ過剰に付与されている。また上記の式（５）に示すように、励磁電流の設定値Ｉ_Xは、合成インダクタンスＬ_Yの平方根に比例して永久電流の定格値Ｉ_Yよりも大きな値をとることがわかる。このように、本実施形態では、主コイル１２を構成する超電導線材に対しても過剰な磁場を経験させることができる。これにより、主コイル１２のクエンチ発生のリスクを軽減させることもできる。

【0023】

図２（Ａ）は超電導マグネット装置１０に適用される永久電流スイッチ２０ａ（２０）の第１実施例を示す構成図であり、図２（Ｂ）はその縦断面図である。永久電流スイッチ２０ａにおいては、折返点（図示略）を始端に超電導線材が二条巻きして成る第１コイル２１と第２コイル２２を、それぞれ異なる巻数で構成した。

【0024】

図２（Ｂ）に示すように、永久電流スイッチ２０ａは、軸体３１とその両端に設けられたフランジ３２とから構成されるボビン３０に、超電導線材を巻回させて構成される。第１実施例の永久電流スイッチ２０ａは、超電導線材の途中部分の折返点を始端として、軸体３１の側周面に二条巻きしていく。

【0025】

このように二条巻きされる一方の超電導線材が第１コイル２１を構成し、他方の超電導線材が第２コイル２２を構成する。そして、この側周面の全面に超電導線材を巻回し一層目としたところで、フランジ３２の半径方向に積み増しして同様に二層目を巻回し、以降同じ要領で層数を積み増していく。これにより、断面視において第１コイル２１と第２コイル２２において電流方向が逆方向となる。

【0026】

そして、最初の数層（図示は１０層）は第１コイル２１と第２コイル２２を一体化して形成していき、その後、第２コイル２２の超電導線材のみを巻回し層数を積み増していく。これにより、上式（１）（２）において、結合係数ｋ～－１で、第１コイル２１に対し超電導線材の巻数が増えた分だけ第２コイル２２の自己インダクタンスＬ₂がＬ₁よりも大きくなり、合成インダクタンスＬ_Yを有限値とすることができる。

【0027】

図３（Ａ）は超電導マグネット装置１０に適用される永久電流スイッチ２０ｂ（２０）の第２実施例を示す構成図であり、図３（Ｂ）はその縦断面図である。永久電流スイッチ２０ｂにおいては、第１コイル２１と第２コイル２２を直列接続させ同心配置し、磁束が逆方向に発生させ互いに打ち消し合うようにした。

【0028】

図３（Ｂ）に示すように、第２実施例の永久電流スイッチ２０ｂは、第１コイル２１を構成する超電導線材と第２コイル２２を構成する超電導線材とが、中心軸及び両端を揃えた状態で、それぞれ別々に独立に逆向きに巻回されている。これにより、上式（１）（２）において、結合係数ｋが－１より少し大きくなり、第１コイル２１に対し径が大きく鎖交磁束量が多い分だけ第２コイル２２の自己インダクタンスＬ₂が大きくなり、合成インダクタンスＬ_Yを有限値とすることができる。

【0029】

図４（Ａ）は超電導マグネット装置１０に適用される永久電流スイッチ２０ｃ（２０）の第３実施例を示す構成図であり、図４（Ｂ）はその縦断面図である。永久電流スイッチ２０ｃにおいては、第１コイル２１と第２コイル２２を直列接続させ積層配置し、逆方向に磁束を発生させ互いに打ち消し合うようにした。

【0030】

図４（Ｂ）に示すように、第３実施例の永久電流スイッチ２０ｃは、第１コイル２１を構成する超電導線材と第２コイル２２を構成する超電導線材とが、中心軸及び外周面を揃えた状態で積層し、それぞれ別々に独立に逆向きに巻回されている。これにより第１コイル２１と第２コイル２２とが同一の空間に配置されていないために、上式（１）（２）において、結合係数ｋが－１より大きくなり、第１コイル２１と第２コイル２２の自己インダクタンスＬ₁，Ｌ₂に差がなくても、合成インダクタンスＬ_Yを有限値とすることができる。

【0031】

図５（Ａ）のタイムチャート（実施例）を参照して実施形態に係る超電導マグネット装置１０の励磁方法を説明する（適宜、図１参照）。図５（Ｂ）のタイムチャート（比較例）は、従来の超電導マグネット装置の励磁方法を示している。なお、従来の超電導マグネット装置は、永久電流スイッチが無誘導巻であることを除いて、実施形態に係る超電導マグネット装置１０と共通の構成を有している。

【0032】

まず主コイル１２及び永久電流スイッチ２０を共に超電導状態を示す温度まで冷却する。次に、発熱部２８の電気抵抗体２６を発熱Ｂさせ、永久電流スイッチ２０の第１コイル２１及び第２コイル２２が常伝導状態を示す温度まで昇温させる。これにより永久電流スイッチ２０はＯＦＦ設定となり、励磁電源１１と主コイル１２とが接続された回路が形成される。

【0033】

励磁過程においては、永久電流スイッチ２０がＯＦＦ設定となった時点で励磁電源１１を起動し、励磁電源１１の電流値Ａ₁が正の傾きを有するように、主コイル１２に電流を流す。そして、この励磁電流値Ａ₁が励磁電流の設定値Ｉ_X（＞Ｉ_Y）に到達したところで回路に流す励磁電流を一定にし、主コイル１２の励磁過程が達成される。

【0034】

次に移行過程を説明する。励磁電源１１の電流値Ａ₁が励磁電流の設定値Ｉ_xに到達した後、発熱部２８の制御を無効にして発熱Ｂを停止すると、第１コイル２１及び第２コイル２２の温度は降下し超電導状態になる。これで、永久電流スイッチ２０がＯＮ設定になる。

【0035】

次に、電流値Ａ₁が負の傾きを有するように励磁電源１１が制御される。この過程において、主コイル１２の磁場１５の変化を妨げるよう主コイル１２と永久電流スイッチ２０との閉回路に電流が流れる。この電流値Ａ₂は、励磁電源１１の電流値Ａ₁の減少に応じて増加し、励磁電流値Ａ₁が０になった時点において永久電流の定格値Ｉ_Yとなる。

【0036】

この時点で、永久電流の定格値Ｉ_Yが流れ続け、主コイル１２は磁場１５を発生する。そして、この永久電流の定格値Ｉ_Yが流れる永久電流スイッチ２０にも合成磁束Φが発生し磁気エネルギーが蓄えられる。実施形態においては、励磁過程において励磁電流の設定値Ｉ_Xが付与され過励磁によって電流Ｉ_Yでの運転時よりも大きな電磁力を経験した主コイル１２のクエンチ低減効果が付与される。そして、主コイル１２の電流値Ａ₃は、移行過程を経て永久電流の定格値Ｉ_Xに自動設定され永久電流モード（ＰＣモード）に入る。このとき、永久電流スイッチ２０の経験磁場を変化させることができるために、永久電流スイッチ２０にもクエンチ低減効果が付与される。

【0037】

一方において、比較例として図５（Ｂ）に示す従来の超電導マグネット装置では、主コイル１２を過励磁する為には、励磁過程において、励磁電源１１の電流値Ａ₁を設定値Ｉ_Xに引き上げてから永久電流の定格値Ｉ_Yにまで降下させるといった特別な操作が必要になる。また、「移行過程」を経て「永久電流モード」に移っても、永久電流スイッチ２０の経験磁場を変化させて外部磁界効果を与えることができないため、永久電流スイッチ２０にはクエンチ低減効果が付与されない。

【0038】

以上述べた少なくともひとつの実施形態の超電導マグネット装置によれば、永久電流スイッチのインダクタンスは、前記主コイルのインダクタンスの０．１％～５％の範囲に設定されていることにより、外部磁界効果により永久電流スイッチのクエンチ発生のリスクを軽減させることが可能となる。

【0039】

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】

【0040】

１０…超電導マグネット装置、１１…励磁電源、１２…主コイル、１５…磁場、１９…真空断熱容器、２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）…永久電流スイッチ、２１…第１コイル、２２…第２コイル、２６…電気抵抗体、２７…電力制御器、２８…発熱部、３０…ボビン、３１…軸体、３２…フランジ、Ａ₁…励磁電源の電流値、Ａ₂…永久電流スイッチの電流値、Ａ₃…主コイルの電流値、Ｂ…発熱、Ｉ_X…励磁電流の設定値、Ｉ_Y…永久電流の定格値、Φ…合成磁束、Ｌ₁…第１コイルの自己インダクタンス、Ｌ₂…第２コイルの自己インダクタンス、Ｌ_X…主コイルのインダクタンス、Ｌ_Y…第１コイルと第２コイルの合成インダクタンス、Ｍ…第１コイルと第２コイルの相互インダクタンス、ｋ…結合係数。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】