特開 2024-175952 超伝導磁石装置

(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】P2024175952

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】超伝導磁石装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/02 20060101AFI20241212BHJP

   H01F 6/00 20060101ALI20241212BHJP

   H01F 41/00 20060101ALI20241212BHJP

   H02H 9/02 20060101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

H01F6/02

H01F6/00 160

H01F41/00 F

H02H9/02 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023094082

(22)【出願日】2023-06-07

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】江原 悠太

【テーマコード（参考）】

5G013

【Ｆターム（参考）】

5G013AA12

5G013CA09

(57)【要約】

【課題】超伝導コイルとその電源との極性の誤接続に対処する。
【解決手段】超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２と、超伝導コイル１２に並列接続され、単一方向に電流を許容するクエンチ保護回路２２と、超伝導コイル１２のクエンチ発生時にクエンチ保護回路２２に単一方向に電流が流れるように定められた正規の極性で超伝導コイル１２と接続され、超伝導コイル１２を励磁する励磁電源２４と、を備える。励磁電源２４は、超伝導コイル１２と正規の極性とは逆の極性で接続された場合に超伝導コイル１２との誤接続を検知するように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超伝導コイルと、
前記超伝導コイルに並列接続され、単一方向に電流を許容するクエンチ保護回路と、
前記超伝導コイルのクエンチ発生時に前記クエンチ保護回路に前記単一方向に電流が流れるように定められた正規の極性で前記超伝導コイルと接続され、前記超伝導コイルを励磁する励磁電源と、を備え、
前記励磁電源は、前記超伝導コイルと前記正規の極性とは逆の極性で接続された場合に前記超伝導コイルとの誤接続を検知するように構成されていることを特徴とする超伝導磁石装置。

【請求項2】

前記クエンチ保護回路は、前記超伝導コイルまたはその一部分に並列接続された整流素子を備え、
前記励磁電源は、前記超伝導コイルを励磁するときの電流増加速度を、前記電流増加速度によって前記超伝導コイルまたは前記一部分に生じる誘導起電力が前記整流素子のしきい値電圧を超えるように制御するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。

【請求項3】

前記整流素子への通電を検知するセンサをさらに備え、
前記励磁電源は、前記誘導起電力が前記整流素子のしきい値電圧を超えるように前記電流増加速度を制御するとともに、前記センサの出力に基づいて前記誤接続を検知するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超伝導磁石装置。

【請求項4】

前記励磁電源は、前記誘導起電力が前記整流素子のしきい値電圧を超えるように前記電流増加速度を制御するとともに、前記励磁電源の両端電圧を測定し、測定された両端電圧に基づいて前記誤接続を検知するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超伝導磁石装置。

【請求項5】

前記励磁電源は、前記測定された両端電圧が電圧下限値を下回るとき前記励磁電源を停止させるように構成され、
前記励磁電源は、前記誘導起電力が前記電圧下限値を超えるように前記電流増加速度を制御するとともに、前記励磁電源の両端電圧を測定し、測定された両端電圧に基づいて前記誤接続を検知するように構成され、
前記電圧下限値は、前記整流素子のしきい値電圧を超えるように予め設定されていることを特徴とする請求項４に記載の超伝導磁石装置。

【請求項6】

前記超伝導コイルに接続された一組のコイル側端子を備え、
前記励磁電源は、前記一組のコイル側端子と接続される一組の電源側端子を備え、
前記超伝導磁石装置は、前記一組のコイル側端子と前記一組の電源側端子とが前記正規の極性で接続されているかを表し、または前記逆の極性で接続されているかを表す検知信号を生成する検知器をさらに備え、
前記励磁電源は、前記検知信号に基づいて前記誤接続を検知するように構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超伝導磁石装置。

【請求項7】

超伝導コイルと、
前記超伝導コイルに並列接続され、単一方向に電流を許容するクエンチ保護回路と、
前記超伝導コイルのクエンチ発生時に前記クエンチ保護回路に前記単一方向に電流が流れるように定められた正規の極性で前記超伝導コイルと接続され、前記超伝導コイルを励磁する励磁電源と、
前記超伝導コイルに接続されたコイル側正極端子およびコイル側負極端子と、を備え、
前記励磁電源は、前記コイル側正極端子と接続される電源側正極端子と、前記コイル側負極端子と接続される電源側負極端子とを備え、
前記コイル側正極端子は、前記電源側負極端子と接続不能となるように構成され、
前記コイル側負極端子は、前記電源側正極端子と接続不能となるように構成されていることを特徴とする超伝導磁石装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超伝導磁石装置に関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導磁石装置の運転中に起こりうる望ましくない現象に、超伝導コイルの熱暴走（クエンチ）がある。クエンチが起こると、超伝導コイルは超伝導から常伝導に転移し、コイル内部に抵抗が発生する。それまでの超伝導状態でコイルに流れていた大電流から、大きなジュール熱が引き起こされうる。コイル内での電圧の上昇とそれに起因する放電も起こるかもしれない。加えて、クエンチ発生時の過渡的な電流のアンバランスにより、超伝導コイルに大きな電磁力が働きうる。コイルの近傍に配置された導体にも渦電流が生じて電磁力が働きうる。こうして発生しうる熱、放電、電磁力は、超伝導コイルおよびその周辺の構造や機器に損傷を与えうる。

【0003】

一般に、超伝導磁石装置には、クエンチが発生したとき超伝導コイルを保護するための保護回路が設けられている。保護回路の例として、互いに逆極性に並列接続された一対のダイオードを超伝導コイルと並列接続したものがある。保護回路は通例、超伝導コイルとともに極低温環境に配置され同じ温度に冷却される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７－２３４６８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明者は、超伝導磁石装置の保護回路について鋭意研究を重ねた結果、以下の課題を認識するに至った。極低温下で動作することが保証されたダイオードは、そうではない汎用のダイオードに比べて高価である。クエンチ保護回路で上述の一対のダイオードを単一のダイオードに置き換えたとすると、使用されるダイオードの数が半減するため、装置の低コスト化に有利である。この場合、超伝導磁石装置の設計上、通常動作（つまり超伝導コイルにクエンチが発生していない状態）で超伝導コイルに流す電流の方向は、クエンチ発生時にこのコイルからダイオードへとその順方向に電流が流入することになるように、予め定められているべきである。超伝導コイルとその電源とは、このように動作できるように正しい極性で接続されることが求められる。

【0006】

しかしながら、本発明者は、超伝導磁石装置の製造時や使用される現場への据付時など、超伝導コイルと電源との接続作業が行われるときに、これらを誤って逆の極性で接続するリスクが想定されることに気づいた。このような誤接続がされたとすると、通常動作で超伝導コイルに正しい方向とは逆向きに電流が流れる。そうすると、クエンチ発生時には、超伝導コイルからダイオードに向かう電流がダイオードの逆方向に流れようとすることとなってしまう。つまり、誤接続の結果、クエンチ保護回路の動作が妨げられうる。保護回路が動作しなければ、望ましくないことに、上述のようにクエンチ発生時に超伝導磁石装置に損傷が生じるリスクが高まる。

【0007】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、超伝導コイルとその電源との極性の誤接続に対処することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある態様によると、超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、超伝導コイルに並列接続され、単一方向に電流を許容するクエンチ保護回路と、超伝導コイルのクエンチ発生時にクエンチ保護回路に単一方向に電流が流れるように定められた正規の極性で超伝導コイルと接続され、超伝導コイルを励磁する励磁電源と、を備える。励磁電源は、超伝導コイルと正規の極性とは逆の極性で接続された場合に超伝導コイルとの誤接続を検知するように構成されている。

【0009】

本発明のある態様によると、超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、超伝導コイルに並列接続され、単一方向に電流を許容するクエンチ保護回路と、超伝導コイルのクエンチ発生時にクエンチ保護回路に単一方向に電流が流れるように定められた正規の極性で超伝導コイルと接続され、超伝導コイルを励磁する励磁電源と、超伝導コイルに接続されたコイル側正極端子およびコイル側負極端子と、を備える。励磁電源は、コイル側正極端子と接続される電源側正極端子と、コイル側負極端子と接続される電源側負極端子とを備える。コイル側正極端子は、電源側負極端子と接続不能となるように構成され、コイル側負極端子は、電源側正極端子と接続不能となるように構成されている。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、超伝導コイルとその電源との極性の誤接続に対処することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態に係る超伝導磁石装置を概略的に示す図である。

【図2】実施の形態に係る超伝導磁石装置を概略的に示す図である。

【図3】実施の形態に係る超伝導磁石装置における励磁電源の誤接続を概略的に示す図である。

【図4】図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施の形態に係り、励磁電源と超伝導コイルの電気接続の一例を概略的に示す図である。

【図5】図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施の形態に係り、励磁電源と超伝導コイルの電気接続の他の一例を概略的に示す図である。

【図6】図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施の形態に係り、励磁電源と超伝導コイルの誤接続対策の一例を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0013】

図１および図２は、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０を概略的に示す図である。超伝導磁石装置１０は、例えば単結晶引き上げ装置、ＮＭＲ(Nuclear Magnetic Resonance)システム、ＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)システム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。

【0014】

超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２と、真空容器１４と、極低温冷凍機１６と、熱シールド１８と、電流導入ライン２０と、クエンチ保護回路２２と、励磁電源２４とを備える。

【0015】

超伝導コイル１２は、真空容器１４内に配置され、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で通電されることにより強力な磁場を発生するように構成されている。超伝導コイル１２は、公知の超伝導コイル（たとえば、いわゆる低温超伝導コイル）であってもよい。超伝導コイル１２は、真空容器１４の外に配置された励磁電源２４に電流導入ライン２０によって接続される。励磁電源２４から電流導入ライン２０を通じて超伝導コイル１２に励磁電流が供給される。それにより、超伝導磁石装置１０は、強力な磁場を発生することができる。

【0016】

真空容器１４は、超伝導コイル１２を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境を提供する断熱真空容器であり、クライオスタットとも呼ばれる。通例、真空容器１４は、円柱状の形状、または中心部に中空部を有する円筒状の形状を有する。よって、真空容器１４は、概ね平坦な円形状または円環状の天板１４ａおよび底板１４ｂと、これらを接続する円筒状の側壁（円筒状外周壁、または同軸配置された円筒状の外周壁および内周壁）とを有する。極低温冷凍機１６は真空容器１４の天板１４ａに設置されてもよい。真空容器１４は、周囲圧力（たとえば大気圧）に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。

【0017】

極低温冷凍機１６は、熱シールド１８とクエンチ保護回路２２を第１冷却温度に冷却するとともに、超伝導コイル１２を第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却するように構成されている。この実施の形態では、極低温冷凍機１６は、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であり、第１冷却ステージ１６ａと第２冷却ステージ１６ｂを備える。第１冷却ステージ１６ａおよび第２冷却ステージ１６ｂはそれぞれ、極低温冷凍機１６内の第１膨張空間および第２膨張空間を囲むように設けられており、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成されている。第１冷却温度は、約２０Ｋ～約１００Ｋの温度範囲、例えば約３０Ｋ～約５０Ｋの温度範囲にあってもよく、第２冷却温度は、約３Ｋ～約２０Ｋの温度範囲にあってもよく、例えば約４Ｋであってもよい。

【0018】

熱シールド１８は、真空容器１４内で超伝導コイル１２を囲むように配置される。熱シールド１８は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。熱シールド１８は、極低温冷凍機１６の第１冷却ステージ１６ａに直接取り付けられ、第１冷却ステージ１６ａと熱的に結合される。あるいは、熱シールド１８は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材を介して第１冷却ステージ１６ａに取り付けられてもよい。超伝導磁石装置１０の運転中、熱シールド１８は、第１冷却ステージ１６ａによって第１冷却温度に冷却される。熱シールド１８は、その内側に配置され熱シールド１８よりも低温に冷却される極低温冷凍機１６の第２冷却ステージ１６ｂ、超伝導コイル１２などの低温部を、真空容器１４からの輻射熱から熱的に保護することができる。

【0019】

超伝導コイル１２は、伝熱部材２６を介して第２冷却ステージ１６ｂと熱的に結合される。伝熱部材２６は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成され、超伝導コイル１２を第２冷却ステージ１６ｂに接続する。伝熱部材２６は、超伝導コイル１２と第２冷却ステージ１６ｂを剛に接続する剛性部材であってもよいし、または、可撓性を有し超伝導コイル１２と第２冷却ステージ１６ｂの相対変位を許容するようにこれらを接続してもよい。あるいは、超伝導コイル１２は、第２冷却ステージ１６ｂに直接取り付けられ、第２冷却ステージ１６ｂと熱的に結合されてもよい。超伝導磁石装置１０の運転中、超伝導コイル１２は、第２冷却ステージ１６ｂによって第２冷却温度に冷却される。

【0020】

電流導入ライン２０は、外部配線２０ａと、フィードスルー部２０ｂと、外側電流リード部２０ｃと、内側電流リード部２０ｄとを備え、励磁電源２４から超伝導コイル１２への電流経路を形成する。典型的には、正極側の電流導入ライン２０と負極側の電流導入ライン２０が１本ずつ設けられる。

【0021】

真空容器１４の外に配置された外部配線２０ａは、真空容器１４の壁部に設けられたフィードスルー部２０ｂに励磁電源２４を接続する。外部配線２０ａは、適宜の給電ケーブルであってもよい。フィードスルー部２０ｂは、真空容器１４内に電流を導入するための気密端子であり、外部配線２０ａを真空容器１４内の内部配線（すなわち外側電流リード部２０ｃおよび内側電流リード部２０ｄ）に接続する。電流導入ライン２０は、フィードスルー部２０ｂにより真空容器１４の気密性を保ちながら真空容器１４の壁部を貫通することができる。

【0022】

外側電流リード部２０ｃは、真空容器１４内で熱シールド１８の外側に配置され、フィードスルー部２０ｂを内側電流リード部２０ｄに接続する。外側電流リード部２０ｃは、例えば無酸素銅などの純銅に代表される導電性に優れる金属材料で形成される。内側電流リード部２０ｄに接続される外側電流リード部２０ｃの端部は、熱シールド１８と熱的に結合される。外側電流リード部２０ｃのこの端部は、熱シールド１８に固定され、または適宜の伝熱部材を介して熱シールド１８に接続されて、熱シールド１８と同様に第１冷却温度に冷却される。ただし、外側電流リード部２０ｃは、熱シールド１８から電気的に絶縁された状態にある。例えば、外側電流リード部２０ｃは、熱シールド１８または伝熱部材など固定部との間に絶縁材料（例えば絶縁性の樹脂材料のシート）を挟み込むようにしてこの固定部に取り付けられてもよい。

【0023】

内側電流リード部２０ｄは、熱シールド１８の内側に配置され、外側電流リード部２０ｃを超伝導コイル１２に接続する。内側電流リード部２０ｄは、第１端子２０ｄ１と、第２端子２０ｄ２と、これら２つの端子を接続する高温超伝導電流リード２０ｄ３とを備えてもよい。第１端子２０ｄ１は、外側電流リード部２０ｃに接続され、第２端子２０ｄ２は、超伝導コイル１２に接続される。第１端子２０ｄ１は、熱シールド１８と熱的に結合され、熱シールド１８と同様に第１冷却温度に冷却される。第２端子２０ｄ２は、超伝導コイル１２と同様に第２冷却温度に冷却される。

【0024】

高温超伝導電流リード２０ｄ３は、例えば銅酸化物超伝導体またはその他の高温超伝導材料で形成されてもよい。こうした高温超伝導電流リードの材料は、断熱性をもつ。そのため、内側電流リード部２０ｄが金属製の場合に比べて、内側電流リード部２０ｄを伝熱経路としてクエンチ保護回路２２から超伝導コイル１２へと伝わりうる熱を低減することができる。これは、極低温冷凍機１６の第２冷却ステージ１６ｂへの熱負荷を低減し、超伝導コイル１２の良好な冷却に役立ちうる。

【0025】

クエンチ保護回路２２は、超伝導コイル１２に並列接続されている。クエンチ保護回路２２は、その一端が一方（例えば正極側）の電流導入ライン２０に接続され、他端が他方（例えば負極側）の電流導入ライン２０に接続され、それにより超伝導コイル１２に並列接続される。例えば銅など導電性に優れる金属材料で形成されたブスバーを用いて、クエンチ保護回路２２が電流導入ライン２０に接続されてもよい。

【0026】

クエンチ保護回路２２は、通電により発熱可能であり、一般的な線形の（つまりオームの法則に従う）抵抗素子を備えてもよく、または、非線形抵抗を備えてもよい。非線形抵抗は、この非線形抵抗にかかる電圧が小さいときは抵抗値が高く、非線形抵抗にかかる電圧が大きいとき抵抗値が低くなる非線形の特性を有してもよい（非線形抵抗は、非線形抵抗にかかる電圧が第１の値のとき第１の抵抗値を有し、非線形抵抗にかかる電圧が第１の値より大きい第２の値のとき第１の抵抗値より小さい第２の抵抗値を有してもよい）。

【0027】

非線形抵抗は、例えば、ダイオード、サイリスタなどの整流素子であってもよい。この実施の形態では、クエンチ保護回路２２は、一例として、ダイオード２８を備える。よって、あるいは、非線形抵抗は、バリスタであってもよい。なお、クエンチ保護回路２２は、線形抵抗と非線形抵抗の両方を備えてもよく、例えばこれらが直列接続されていてもよい。

【0028】

互いに逆極性に並列接続された一対のダイオードを備える既存の典型的なクエンチ保護回路とは異なり、この実施の形態では、クエンチ保護回路２２は、ダイオード２８の順方向にあたる単一方向のみに電流を許容し、逆方向の電流は阻止する。このようなクエンチ保護回路２２は、既存のものに比べて、超伝導磁石装置１０の低コスト化に有利である。なぜなら、一対のダイオードに代えて単一のダイオード２８が用いられるため、クエンチ保護回路２２で使用されるダイオードの数が半減させることができるからである。極低温下で動作することが保証されたダイオードはそうではない汎用のダイオードに比べて高価であるため、使用されるダイオードの数を減らすことはコスト削減に大きく役立つ。

【0029】

クエンチ保護回路２２は上述のように、超伝導コイル１２の動作中に超伝導コイル１２に比べて高い冷却温度に冷却される。クエンチ保護回路２２は、極低温冷凍機１６の第１冷却ステージ１６ａに熱的に結合され第１冷却温度に冷却されてもよい。図２では便宜上、第１冷却温度に冷却される第１部分を破線３０で囲んで示し、第２冷却温度に冷却される第２部分を破線３２で囲んで示す。図示の例のように、クエンチ保護回路２２は、外側電流リード部２０ｃ間に接続され、例えば熱シールド１８など第１冷却温度に冷却される部位に設置されてもよい。クエンチ保護回路２２は、内側電流リード部２０ｄ（すなわち高温超伝導電流リード２０ｄ３）を介して超伝導コイル１２に接続されていてもよい。

【0030】

クエンチに伴う超伝導コイル１２の温度上昇が大きければ、復旧のための再冷却に要する時間が延び、すなわち超伝導磁石装置１０のダウンタイムの増加につながりうる。既存設計では超伝導コイルの保護回路が超伝導コイルと同じ温度に冷却されることが多い。この実施の形態ではクエンチ保護回路２２が超伝導コイル１２に比べて高い冷却温度に冷却されるため、保護回路が超伝導コイルと同じ温度（つまり第２冷却温度）まで冷却される既存設計に比べて、より短時間での再冷却が可能になる。超伝導磁石装置１０をクエンチから復旧させるのに要する時間を短縮することができる。

【0031】

クエンチ保護回路２２が極低温冷凍機１６の第１冷却ステージ１６ａによって冷却されるため、クエンチ保護回路２２が発する熱を効率的に除去することができる。通例、極低温冷凍機１６の第１段の冷凍能力は第２段に比べて大きく（例えば数十倍に及び）、比較的余裕があるからである。これも、超伝導磁石装置１０をクエンチから復旧させるのに要する時間を短縮するうえで有利である。

【0032】

クエンチ保護回路２２が高温超伝導電流リード２０ｄ３を介して超伝導コイル１２に接続されている場合には、内側電流リード部２０ｄが金属製の場合に比べて、内側電流リード部２０ｄを伝熱経路としてクエンチ保護回路２２から超伝導コイル１２へと伝わりうる熱を低減することができる。これは、極低温冷凍機１６の第２冷却ステージ１６ｂへの熱負荷を低減し、超伝導コイル１２の良好な冷却に役立ちうる。

【0033】

超伝導コイル１２は、図２に示されるように、複数（例えばＮ個、Ｎは任意の自然数）の超伝導コイル部分１２ａ＿１～１２ａ＿Ｎに分割され、これら超伝導コイル部分１２ａが直列接続された構成を有してもよい。クエンチ保護回路２２は、複数のダイオード２８を備え、複数のダイオード２８の各々が複数の超伝導コイル部分１２ａのうち対応する超伝導コイル部分１２ａに並列接続されている。高温超伝導電流リード２０ｄ３は、各ダイオード２８と対応する超伝導コイル部分１２ａを接続する。このようなコイル分割構成は、非分割のコイル構成に比べて、クエンチ発生時に超伝導コイル１２の両端にかかる電圧を低減することができるので、とくに超伝導コイル１２が大型の場合に有利である。

【0034】

なお、超伝導磁石装置１０は複数の超伝導コイル１２を有してもよく、その場合、超伝導コイル１２ごとにクエンチ保護回路２２が設けられてもよい。つまり、複数のクエンチ保護回路２２が設けられ、各クエンチ保護回路２２が複数の超伝導コイル１２のうち対応する超伝導コイル１２に並列接続されていてもよい。複数の超伝導コイル１２の各々が、複数の超伝導コイル部分１２ａに分割されていてもよい。

【0035】

この実施の形態では、超伝導磁石装置１０の設計上、励磁電源２４が超伝導コイル１２に流す電流の方向は、この電流が超伝導磁石装置１０の通常動作中にクエンチ保護回路２２に流れないように予め定められている。励磁電源２４が超伝導コイル１２に供給する電流の方向は単一方向に固定されている。このように電流の方向を固定した励磁電源２４は、例えば単結晶引き上げ装置など超伝導磁石装置１０のいくつかの用途で採用されることがある。図２に矢印３４で例示されるように、励磁電源２４から超伝導コイル１２に流れる電流の方向は、クエンチ保護回路２２のダイオード２８にとって逆方向にあたるため、この電流はダイオード２８によって阻止され、クエンチ保護回路２２に流れない。

【0036】

一方、超伝導コイル１２の動作中にクエンチが発生したときには、励磁電源２４と超伝導コイル１２の電気接続が遮断され、超伝導コイル１２からの電流がクエンチ保護回路２２に流れる。この電流の方向は、図２に矢印３６で例示されるように、ダイオード２８の順方向にあたる。よって、超伝導コイル１２からクエンチ保護回路２２に電流を流すことができ、超伝導コイル１２に蓄えられていた電磁気的なエネルギーの少なくとも一部をクエンチ保護回路２２で熱に変換して消費することができる。このようにして、クエンチ保護回路２２によって超伝導コイル１２からエネルギーを取り出すことにより、クエンチ発生時に超伝導コイル１２を保護することができる。超伝導コイル１２のエネルギーが減少することで、これに起因して発生しうる超伝導コイル１２およびその周囲への損傷を防止または軽減することができる。

【0037】

図３は、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０における励磁電源２４の誤接続を概略的に示す図である。本書の冒頭でも述べたように、本発明者は、超伝導磁石装置１０の製造時や使用される現場への据付時など、超伝導コイル１２と励磁電源２４との接続作業が行われるときに、これらを誤って逆の極性で接続するリスクが想定されることに気づいた。図３では、このように逆向きに接続された励磁電源２４を破線で図示している。

【0038】

このような誤接続がされたとすると、図３に矢印３８ａで例示されるように、通常動作で超伝導コイル１２に正しい方向とは逆向きに電流が流れる。そうすると、クエンチ発生時には、図３に矢印３８ｂで例示されるように、超伝導コイル１２からダイオードに向かう電流がダイオードの逆方向に流れようとすることとなってしまう。つまり、誤接続の結果、クエンチ保護回路２２の動作が妨げられうる。クエンチ保護回路２２が動作しなければ、望ましくないことに、上述のようにクエンチ発生時に超伝導磁石装置１０に損傷が生じるリスクが高まる。

【0039】

そこで、本書では、超伝導コイル１２と励磁電源２４との極性の誤接続に対処するいくつかの解決策を以下に提案する。

【0040】

図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施の形態に係り、励磁電源２４と超伝導コイル１２の電気接続の一例を概略的に示す図である。図４（ａ）には、励磁電源２４と超伝導コイル１２の接続前の状態が示され、図４（ｂ）には、励磁電源２４と超伝導コイル１２が正規の極性で正しく接続された状態が示されている。図４（ｃ）には、励磁電源２４と正規の極性とは逆の極性で超伝導コイル１２が誤って接続された状態が示されている。

【0041】

超伝導コイル１２は上述のように、電流導入ライン２０により励磁電源２４と接続される。図４（ａ）に示されるように、正極側の電流導入ライン２０はコイル側正極端子４０ａを末端に有し、負極側の電流導入ライン２０はコイル側負極端子４０ｂを末端に有し、これら一組のコイル側端子は電流導入ライン２０により超伝導コイル１２へと接続されている。励磁電源２４は、コイル側正極端子４０ａと接続される電源側正極端子４２ａと、コイル側負極端子４０ｂと接続される電源側負極端子４２ｂとを備える。コイル側と電源側の端子は、例えば締結、圧着、またはそのほか適宜の固定方法により、電気接続可能となるように結合される。

【0042】

コイル側正極端子４０ａは、電源側負極端子４２ｂと接続不能となるように構成され、コイル側負極端子４０ｂは、電源側正極端子４２ａと接続不能となるように構成されている。このような接続不能な構成の一例として、コイル側正極端子４０ａとコイル側負極端子４０ｂの形状を互いに異ならせるとともに、電源側正極端子４２ａと電源側負極端子４２ｂの形状も、コイル側正極端子４０ａとコイル側負極端子４０ｂの形状の相違に対応して互いに異ならせてもよい。

【0043】

例えば、図示されるように、コイル側正極端子４０ａとコイル側負極端子４０ｂが互いに異なる端子長さを有し、これに対応して電源側正極端子４２ａと電源側負極端子４２ｂも互いに異なる端子長さを有してもよい。言い換えれば、コイル側正極端子４０ａと電源側正極端子４２ａが同じ端子長さを有し、コイル側負極端子４０ｂと電源側負極端子４２ｂが同じ端子長さを有し、正極側の端子長さと負極側の端子長さとが異なっていてもよい。

【0044】

したがって、図４（ｂ）に示されるように、端子形状の適合により、コイル側正極端子４０ａと電源側正極端子４２ａを接続することができ、コイル側負極端子４０ｂと電源側負極端子４２ｂを接続することができる。このようにして、励磁電源２４と超伝導コイル１２を正規の極性で正しく接続することができる。

【0045】

一方、図４（ｃ）に示されるように、作業者が励磁電源２４と超伝導コイル１２を正規の極性とは逆の極性で誤って接続しようとした場合には、端子形状の不適合により、正極側と負極側の少なくとも一方（図示の例では正極側）でコイル側と電源側の端子どうしを接続することができない。

【0046】

このようにして、励磁電源２４と電流導入ライン２０（ひいては超伝導コイル１２）との誤接続を物理的に防ぐことができる。これにより、誤接続の結果としてクエンチ保護回路２２が動作しないというリスクを回避することができる。互いに逆向きに接続された一対のダイオードに代えて単一のダイオード２８をクエンチ保護回路２２に用いることができ、超伝導磁石装置１０の低コスト化を実現することができる。

【0047】

図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施の形態に係り、励磁電源２４と超伝導コイル１２の電気接続の他の一例を概略的に示す図である。図５（ａ）には、励磁電源２４と超伝導コイル１２の接続前の状態が示され、図５（ｂ）には、励磁電源２４と超伝導コイル１２が正規の極性で正しく接続された状態が示されている。図５（ｃ）には、励磁電源２４と正規の極性とは逆の極性で超伝導コイル１２が誤って接続された状態が示されている。

【0048】

上述の例と同様に、一組のコイル側端子（コイル側正極端子４０ａおよびコイル側負極端子４０ｂ）が電流導入ライン２０に設けられ、一組の電源側端子（電源側正極端子４２ａおよび電源側負極端子４２ｂ）が励磁電源２４に設けられている。コイル側正極端子４０ａと電源側正極端子４２ａが接続され、かつコイル側負極端子４０ｂと電源側負極端子４２ｂが接続されることで、超伝導コイル１２が電流導入ライン２０により励磁電源２４と接続される。この例では、コイル側端子を電源側端子に挿し込むことにより、これら端子どうしを接続することができる。

【0049】

図示されるように、一組のコイル側端子と一組の電源側端子とが正規の極性で接続されているかを表し、または逆の極性で接続されているかを表す検知信号Ｓ１を生成する検知器４４が設けられている。この例では、検知器４４は、コイル側端子と電源側端子とが正規の極性で接続されたとき検知信号Ｓ１を生成する一方、正規の極性とは逆の極性で接続されたとき検知信号Ｓ１を生成しないように構成されていてもよい。

【0050】

一例として、検知器４４は、電源側端子（図示の例では電源側負極端子４２ｂ）に設けられた検知信号生成器４４ａと、コイル側端子（図示の例ではコイル側負極端子４０ｂ）に設けられ検知信号生成器４４ａを操作する操作部４４ｂとを備えてもよい。検知信号生成器４４ａは、操作部４４ｂによって操作されるとき検知信号Ｓ１を生成するように構成されていてもよく、例えば、そのように検知信号Ｓ１を生成する押しボタンであってもよい。操作部４４ｂは、電源側とコイル側の端子が接続されていないとき検知信号生成器４４ａから非接触とされ、両端子が接続されたとき検知信号生成器４４ａと接触してこれを操作するように構成されていてもよく、例えば、端子に装着されたカラーであってもよい。なお、検知信号生成器４４ａがコイル側端子に設けられ、操作部４４ｂが電源側端子に設けられてもよい。

【0051】

励磁電源２４は、検知信号Ｓ１に基づいて誤接続を検知するように構成されている。励磁電源２４は、検知器４４（具体的には、検知信号生成器４４ａ）から検知信号Ｓ１を受信するように検知器４４と接続されている。したがって、励磁電源２４は、検知器４４から検知信号Ｓ１を受け、検知信号Ｓ１に応答して誤接続を検知することができる。

【0052】

励磁電源２４は、安全装置としてのインターロック機構４６を内蔵していてもよい。検知信号Ｓ１が励磁電源２４と超伝導コイル１２の正しい接続を表す場合、励磁電源２４は、検知信号Ｓ１の受信を条件としてインターロック機構４６を解除するように構成されていてもよい。こうしたインターロック機構４６としては、公知のインターロック機構を適宜採用することができる。このようにすれば、正しく接続された場合に励磁電源２４から超伝導コイル１２への給電が許可される一方、誤接続の場合にはインターロック機構４６により給電を禁止することができる。

【0053】

また、励磁電源２４は、誤接続が検知されたこと、または誤接続が検知されていないこと（つまり正しく接続されていること）を、視覚的に、または聴覚的に、またはその他適宜の方法で、作業者に通知するように構成されていてもよい。

【0054】

この例では、図５（ｂ）に示されるように、コイル側正極端子４０ａを電源側正極端子４２ａに接続し、コイル側負極端子４０ｂを電源側負極端子４２ｂに接続することができる。このとき、コイル側負極端子４０ｂに装着された操作部４４ｂが電源側負極端子４２ｂに装着された検知信号生成器４４ａに接触し（つまり、カラーが押しボタンを押し）、検知信号Ｓ１が生成される。検知信号Ｓ１は、検知器４４から励磁電源２４に入力される。この場合、励磁電源２４は、検知信号Ｓ１に基づいて、インターロック機構４６を解除する。また、励磁電源２４は、検知信号Ｓ１に基づいて、励磁電源２４と超伝導コイル１２が正しく接続されたことを作業者に通知してもよい。

【0055】

一方、図５（ｃ）に示されるように、作業者が励磁電源２４と超伝導コイル１２を正規の極性とは逆の極性で誤って接続した場合には、コイル側正極端子４０ａには操作部４４ｂが設けられていないため、電源側負極端子４２ｂの検知信号生成器４４ａは操作されない。よって、検知器４４は、検知信号Ｓ１を生成しない。この場合、励磁電源２４は、インターロック機構４６によるインターロックを維持する。

【0056】

このようにして、励磁電源２４と電流導入ライン２０（ひいては超伝導コイル１２）との誤接続を検知することができる。これにより、一度誤接続したとしても正しくつなぎ替えることができる。誤接続の結果としてクエンチ保護回路２２が動作しないというリスクを回避することができる。互いに逆向きに接続された一対のダイオードに代えて単一のダイオード２８をクエンチ保護回路２２に用いることができ、超伝導磁石装置１０の低コスト化を実現することができる。

【0057】

なお、検知器４４は、上述のような接触式の検知器に限られず、例えば光学式など非接触式の検知器であってもよい。

【0058】

検知器４４を用いた誤接続対策に代えて、またはそれに加えて、励磁電源２４が超伝導コイル１２を励磁するときの電流の変化の仕方を工夫することにより、励磁電源２４と超伝導コイル１２の誤接続を検知することも可能である。ここで、超伝導コイル１２の励磁とは、超伝導磁石装置１０が磁場を発生させる通常動作のための準備段階の一部であり、励磁電源２４から超伝導コイル１２に供給するコイル電流をゼロから所定の電流（例えば超伝導コイル１２の定格電流）まで増加するプロセスを指す。そうした誤接続検知の一例を以下に述べる。

【0059】

図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施の形態に係り、励磁電源２４と超伝導コイル１２の誤接続対策の一例を概略的に示す図である。図６（ａ）には、励磁電源２４と超伝導コイル１２が正規の極性で正しく接続された状態が示されている。図６（ｂ）には、励磁電源２４と正規の極性とは逆の極性で超伝導コイル１２が誤って接続された状態が示されている。

【0060】

励磁電源２４は、超伝導コイル１２を励磁するときの電流増加速度を、この電流増加速度によって超伝導コイル１２またはその一部分（例えば超伝導コイル部分１２ａ）に生じる誘導起電力が整流素子（例えばダイオード２８）のしきい値電圧を超えるように制御するように構成されていてもよい。

【0061】

言い換えれば、励磁電源２４は、超伝導コイル１２の励磁中の電流増加速度（ｄＩ／ｄｔ）を次式を満たすように制御するように構成されていてもよい。
Ｖｆ＜Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）
ここで、Ｖｆは整流素子のしきい値電圧を表し、Ｌはその整流素子と並列接続された超伝導コイル１２またはその一部分のインダクタンスを表す。

【0062】

図６（ａ）に示されるように、励磁電源２４と超伝導コイル１２が正規の極性で接続されている場合には、励磁電源２４による超伝導コイル１２の励磁中、励磁電源２４からの電流Ｉは、超伝導コイル１２に流れる。この電流Ｉの向きは、ダイオード２８の逆方向にあたるため、電流Ｉはダイオード２８には流れない。

【0063】

一方、図６（ｂ）に示されるように、励磁電源２４と超伝導コイル１２が正規の極性とは逆の極性で誤って接続された場合には、励磁電源２４による超伝導コイル１２の励磁中、励磁電源２４からの電流Ｉは、超伝導コイル１２だけでなくダイオード２８にも流れることになる。なぜなら、上述のように、励磁電源２４は、超伝導コイル１２に生じる誘導起電力Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）がダイオード２８のしきい値電圧Ｖｆを超えるように制御しているからである。このとき、電流Ｉの向きはダイオード２８の順方向にあたるため、誘導起電力Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）によってダイオード２８が通電（ターンオン）して、ダイオード２８に順方向電流が流れることになる（図６（ｂ）において矢印４８で示す）。

【0064】

そこで、超伝導磁石装置１０には、整流素子、この例ではダイオード２８への通電を検知するセンサ５０が設けられていてもよい。例えば、センサ５０は、整流素子に流れる電流を測定する電流センサ、例えば非接触式の電流センサであってもよい。あるいは、センサ５０は、整流素子の近傍に配置され磁束を測定する磁気センサであってもよい。磁気センサにより、整流素子に電流が流れるとき発生する磁束を検出することができる。あるいは、センサ５０は、整流素子の温度を測定する温度センサであってもよい。温度センサにより、整流素子に電流が流れるとき発生する整流素子の温度上昇を検出することができる。

【0065】

励磁電源２４は、誘導起電力Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）が整流素子のしきい値電圧Ｖｆを超えるように電流増加速度ｄＩ／ｄｔを制御するとともに、センサ５０の出力に基づいて誤接続を検知するように構成されていてもよい。例えば、励磁電源２４は、センサ５０からその出力を受け、センサ５０の出力とあるしきい値を比較してもよい。励磁電源２４は、センサ５０の出力がしきい値を下回る場合、励磁電源２４と超伝導コイル１２が正しく接続されていると判定し、センサ５０の出力がしきい値を上回る場合、励磁電源２４と超伝導コイル１２が誤接続されていると判定してもよい。判定のためのしきい値は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

【0066】

このようにして、励磁電源２４による超伝導コイル１２の励磁中における電流増加速度を上述のように設定することにより、励磁電源２４と電流導入ライン２０（ひいては超伝導コイル１２）との誤接続を検知することができる。これにより、一度誤接続したとしても正しくつなぎ替えることができる。誤接続の結果としてクエンチ保護回路２２が動作しないというリスクを回避することができる。互いに逆向きに接続された一対のダイオードに代えて単一のダイオード２８をクエンチ保護回路２２に用いることができ、超伝導磁石装置１０の低コスト化を実現することができる。

【0067】

なお、図６（ａ）および図６（ｂ）では簡単のために１つの超伝導コイル１２とこれに並列接続された１つの整流素子（ダイオード２８）を示している。しかしながら、図１から図３を参照して説明したように、超伝導磁石装置１０には、複数の超伝導コイル１２（または複数の超伝導コイル部分１２ａ）と、対応する複数の整流素子とが設けられていてもよい。この場合にも、上述の誤接続検知方法を同様に適用することができる。つまり、複数の整流素子のうち少なくとも１つの整流素子の通電の有無に基づいて誤接続を検知することができる。

【0068】

上述のセンサ５０に代えて、励磁電源２４は、励磁電源２４の両端電圧を測定し、測定された両端電圧に基づいて誤接続を検知するように構成されていてもよい。励磁電源２４と超伝導コイル１２が正規の極性で接続されている場合には、励磁電源２４による超伝導コイル１２の励磁中、励磁電源２４は、その両端電圧として誘導起電力Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）に相当する電圧を測定することになる。一方、励磁電源２４と超伝導コイル１２が正規の極性とは逆の極性で誤って接続された場合には、励磁電源２４の両端電圧は、ダイオード２８のしきい値電圧Ｖｆとなる。

【0069】

そこで、励磁電源２４の両端電圧に基づく判定のためのしきい値が、整流素子のしきい値電圧Ｖｆより大きく、誘導起電力Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）より小さい値に予め定められてもよい。励磁電源２４は、励磁電源２４による超伝導コイル１２の励磁中、励磁電源２４の両端電圧を測定し、測定された両端電圧をこのしきい値と比較してもよい。励磁電源２４は、両端電圧がしきい値を上回る場合、励磁電源２４と超伝導コイル１２が正しく接続されていると判定し、両端電圧がしきい値を下回る場合、励磁電源２４と超伝導コイル１２が誤接続されていると判定してもよい。

【0070】

複数の超伝導コイル１２（または複数の超伝導コイル部分１２ａ）が設けられている場合には、この判定のためのしきい値は、対応する複数の整流素子のしきい値電圧の合計（ΣＶｆ、例えば、しきい値電圧が等しいＮ個の整流素子が設けられている場合には、Ｎ×Ｖｆ）より大きく、誘導起電力の合計（ΣＬ（ｄＩ／ｄｔ））より小さくてもよい。

【0071】

励磁電源２４は、測定された両端電圧が電圧下限値を下回るとき励磁電源２４を停止させるように構成されていてもよい。例えば、励磁電源２４は、インターロック機構４６（図５（ａ）参照）を備えてもよく、インターロック機構４６は、励磁電源２４の両端電圧が電圧下限値を下回るとき励磁電源２４を停止させてもよい。

【0072】

この場合において、励磁電源２４は、誘導起電力（Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）、またはΣＬ（ｄＩ／ｄｔ））が電圧下限値を超えるように電流増加速度ｄＩ／ｄｔを制御するとともに、励磁電源２４の両端電圧を測定し、測定された両端電圧に基づいて誤接続を検知するように構成されてもよい。電圧下限値は、整流素子のしきい値電圧（Ｖｆ、またはΣＶｆ）を超えるように予め設定されていてもよい。

【0073】

このようにすれば、励磁電源２４と超伝導コイル１２が正しく接続されている場合には、励磁電源２４の両端電圧が電圧下限値を上回るためインターロック機構４６によるインターロックが作動せず、超伝導コイル１２を励磁することができる。一方、誤接続の場合には、励磁電源２４の両端電圧が電圧下限値を下回るためインターロック機構４６によるインターロックが作動し、励磁電源２４による超伝導コイル１２の励磁を停止することができる。

【0074】

なお、超伝導コイル１２の種類や設計によっては、励磁開始直後の電流増加速度が小さい場合（または、小さくする必要がある場合）がある。この状況を誤接続と誤判断するのを避けるために、励磁電源２４は、電流増加速度がある水準を下回るときには電圧下限値（またはインターロック機構４６）を無効化してもよい。この場合、電流増加速度がある程度大きくなった段階で、励磁電源２４は、電圧下限値（またはインターロック機構４６）を有効化してもよい。

【0075】

このようにしても、励磁電源２４と電流導入ライン２０（ひいては超伝導コイル１２）との誤接続を検知することができる。これにより、一度誤接続したとしても正しくつなぎ替えることができる。誤接続の結果としてクエンチ保護回路２２が動作しないというリスクを回避することができる。互いに逆向きに接続された一対のダイオードに代えて単一のダイオード２８をクエンチ保護回路２２に用いることができ、超伝導磁石装置１０の低コスト化を実現することができる。

【0076】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

【0077】

上述の実施の形態では、極低温冷凍機１６がＧＭ冷凍機である場合を例として説明しているが、本発明はこれに限定されない。ある実施の形態においては、極低温冷凍機１６は、例えば、ソルベイ冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機など、第１冷却ステージ１６ａと第２冷却ステージ１６ｂを有する他の形式の二段式極低温冷凍機であってもよい。

【0078】

図１では例として、１台の極低温冷凍機１６を示しているが、例えば超伝導コイル１２が大型の場合など、必要に応じて、超伝導磁石装置１０は、一つの同じ超伝導コイル１２を冷却する複数台の極低温冷凍機１６を備えてもよい。

【0079】

上述の実施の形態では、超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸漬する浸漬冷却式ではなく、極低温冷凍機１６によって直接冷却する、いわゆる伝導冷却式として構成されている。しかしながら、超伝導磁石装置１０は、浸漬冷却式であってもよい。この場合、超伝導コイル１２は例えば液体ヘリウムなどの極低温液体に浸漬され冷却されてもよく、クエンチ保護回路２２はそれよりも高沸点の冷媒（例えば液体窒素など）を用いて冷却されてもよい。このようにして、クエンチ保護回路２２は、超伝導コイル１２の動作中に超伝導コイル１２に比べて高い冷却温度に冷却されてもよい。

【0080】

上述の実施の形態では、クエンチ保護回路２２が極低温冷凍機１６の第１冷却ステージ１６ａに熱的に結合され第１冷却温度に冷却される場合を例として説明しているが、本発明はこれに限られない。クエンチ保護回路２２は、極低温冷凍機１６の第２冷却ステージ１６ｂに熱的に結合され第２冷却温度に冷却されてもよい。あるいは、クエンチ保護回路２２は、真空容器１４の外部の周囲環境に配置され、周囲温度（例えば室温）とされてもよい。

【0081】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0082】

１０ 超伝導磁石装置、 １２ 超伝導コイル、 ２２ クエンチ保護回路、 ２４ 励磁電源、 ４０ａ コイル側正極端子、 ４０ｂ コイル側負極端子、 ４２ａ 電源側正極端子、 ４２ｂ 電源側負極端子、 ４４ 検知器、 ５０ センサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】