JP3533689B2 - 超伝導電磁石用電流スイッチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、超伝導電磁石の磁界発
生用超伝導コイルにおける永久電流を断続させるための
電流スイッチに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】超伝導電磁石は、超伝導物質で形成した
コイルを絶対零度近くまで冷却すると電気抵抗がゼロに
なるという超伝導現象を利用したものであり、通常の電
磁石に比べて、極めて大きな電流を流して高い磁場を発
生できるという特徴をもっているため、例えば、加速器
の偏向電磁石等に利用されている。そして、超伝導電磁
石では、超伝導の原理を利用して永久電流モードでの運
転がなされており、回路中にはそのためのスイッチ、い
わゆる永久電流スイッチが用いられている。 【０００３】図４は永久電流スイッチの原理を示すもの
であり、図中符号１は電磁石側超伝導コイル、２は外部
電源、３は永久電流スイッチである。 【０００４】超伝導材料で形成された電磁石側超伝導コ
イル１が、超伝導電磁石におけるクライオスタット４内
に収納されており、電源本体５と内部抵抗６からなる外
部電源２と電流リード７、７を介して接続されている。
なお、クライオスタット４は内部が液体ヘリウムで満た
されて極低温とされた密閉容器である。そして、永久電
流スイッチ３がクライオスタット４の内部において電磁
石側超伝導コイル１と直列に接続されている。この永久
電流スイッチ３は、超伝導材料で形成されたスイッチ側
超伝導コイル８と、このコイル８の抵抗を変化させるた
めのヒータ９とからなるものである。 【０００５】超伝導電磁石１０を永久電流モードで運転
する際には、まず、電源内部抵抗６の値Ｒ₁ を小さくす
るとともに、ヒータ９を入れスイッチ側超伝導コイル８
を昇温してスイッチ側超伝導コイル８の抵抗値Ｒ₂ を大
きくすることにより、（Ｂ）の経路で電磁石側超伝導コ
イル１に電流を流し、これを徐々に大きくしていく。 【０００６】その後、電磁石側超伝導コイル１に所定の
電流が流れたときに永久電流スイッチ３のヒータ９を切
ると、周囲の液体ヘリウムによりスイッチ側超伝導コイ
ル８の温度が低下し、コイル８が超伝導状態となってそ
の抵抗値Ｒ₂ はゼロになる。すると、外部電源２には内
部抵抗６が含まれているため、抵抗がゼロであるスイッ
チ側超伝導コイル８に電流が流れ、外部電源２には電流
が流れなくなる。そこで、電流リード７、７を切り離す
と、（Ａ）の経路で永久電流が流れることになる。 【０００７】以上、永久電流スイッチの原理を説明した
が、実際の永久電流スイッチ３は、図５に示すように、
前記スイッチ側超伝導コイル８とヒータ９に加えて、抵
抗値Ｒ₃ の保護抵抗１１が設けられている。これは、ヒ
ータ９の作動によりスイッチ側超伝導コイル８が超伝導
状態から常伝導状態に移る際に、スイッチ側超伝導コイ
ル８の抵抗値Ｒ₂ がゼロから急激に高い値に変わるが、
このとき、保護抵抗１１がない場合ではスイッチ側超伝
導コイル８に急激に発熱が生じ、焼切れを起こす恐れが
ある。そこで、保護抵抗１１をスイッチ側超伝導コイル
８と並列に接続することにより電流を分配して、焼切れ
を防止するわけである。 【０００８】そして、前記のような原理に基づく永久電
流スイッチ３の具体例としては、図６（ａ）に示すよう
に、スイッチ側超伝導コイル１２と抵抗線コイル１３の
ヒータを円筒状に形成してエポキシ樹脂１４、１４およ
び断熱層１５で覆い、これと保護抵抗１６およびヒータ
電源１７を接続して回路を形成した永久電流スイッチ１
８や、図６（ｂ）に示すように、薄い円盤状のスイッチ
側超伝導コイル１９の両面に、同じく円盤状の発熱体２
０、２０を設けた構成の永久電流スイッチ２１がある。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
永久電流スイッチ３は、液体ヘリウムが充填されて極低
温状態が保持されたクライオスタット４の内部に取り付
けられ、ヒータ９を切った状態で超伝導状態であるスイ
ッチ側超伝導コイル８をヒータ９を入れて昇温すること
で常伝導状態に切り替えるように構成されたものであ
る。したがって、永久電流スイッチ３が密閉されたクラ
イオスタット４内の液体ヘリウム中に浸漬されているた
めに、永久電流スイッチの保守、点検、整備作業、また
は交換作業の実施が非常に困難であるという問題があっ
た。 【００１０】本発明は、前記の課題を解決するためにな
されたものであって、保守、点検、整備作業、または交
換作業を容易に実施し得る超伝導電磁石用電流スイッチ
を提供することを目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明の超伝導電磁石用電流スイッチは、超伝導
電磁石のクライオスタット内部の磁界発生用超伝導コイ
ルと前記クライオスタット外部の電源とにより構成され
る回路中に設置され、前記磁界発生用超伝導コイルの永
久電流を断続する超伝導電磁石用電流スイッチにおい
て、前記磁界発生用超伝導コイルと並列に接続されるス
イッチ側超伝導コイルと、該スイッチ側超伝導コイルを
収納する容器と、該容器全体を収納する真空容器とによ
り構成されるとともに、前記容器に対して液体ヘリウ
ム、または常伝導領域の温度の気体ヘリウムのいずれか
を選択的に供給することにより、前記スイッチ側超伝導
コイルを冷却し抵抗をゼロとするとともに、その冷却温
度を切り替えるように構成されたことを特徴とするもの
である。 【００１２】 【作用】本発明の超伝導電磁石用電流スイッチにおいて
は、液体ヘリウム、または気体ヘリウムのいずれかが選
択的に供給される容器を設け、その内部にスイッチ側超
伝導コイルを収納したため、容器の内部に液体ヘリウム
を導入したときにはスイッチ側超伝導コイルが７°Ｋ以
下にまで冷却され、気体ヘリウムを導入したときには７
°Ｋ以上に加熱される。したがって、この超伝導電磁石
用電流スイッチにおいては、容器の内部に液体ヘリウ
ム、気体ヘリウムのいずれかを導入することによりスイ
ッチ側超伝導コイルの伝導状態が超伝導、常伝導のいず
れかに切り替わるようになっている。すなわち、液体ヘ
リウムが充填されたクライオスタットとは独立して、容
器内のみでスイッチ側超伝導コイルの伝導状態の切り替
えを行なうことができるため、容器を収納した真空容器
をクライオスタットの外部に設置した状態で電流スイッ
チとしての機能を果たすことができる。 【００１３】 【実施例】以下、本発明の超伝導電磁石用電流スイッチ
の一実施例を図１ないし図３を参照して説明する。図１
は本実施例の永久電流スイッチ２２（超伝導電磁石用電
流スイッチ）を示す図、図２は永久電流スイッチ２２の
ヘリウム配管系を示す図、図３は永久電流スイッチ２２
を超伝導電磁石５９に設置した状態を示す図であり、図
３に示すように、この永久電流スイッチ２２は電磁石側
超伝導コイル５４（磁界発生用超伝導コイル）と外部電
源５５（電源）により構成される回路中においてクライ
オスタット５３の外部に電磁石側超伝導コイル５４と並
列に設置されるものである。また、図中符号２３はヘリ
ウム充填容器（容器）、２４はスイッチ側超伝導コイ
ル、２５は真空容器である。 【００１４】図１に示すように、ヘリウム充填容器２３
は、例えばＣｕＮｉ製の管状のヘリウム充填容器本体２
６とその両端部に形成されたフランジ部２７、２７に固
定された蓋体２８、２８とからなるものである。そし
て、ヘリウム充填容器本体２６の両端部近傍には、本体
２６と直交する方向に延びるヘリウム導入管２９および
ヘリウム排出管３０がそれぞれ接続されており、これら
を通して液体ヘリウムまたは気体ヘリウムが導入、排出
されるようになっている。 【００１５】また、スイッチ側超伝導コイル２４は、超
伝導材料であるＳ／Ｃコイルを用いたものであり、ヘリ
ウム充填容器本体２６の内壁に沿うようにヘリウム充填
容器２３内に挿入されている。そして、スイッチ側超伝
導コイル２４の両端はヘリウム充填容器２３の蓋体２８
に取り付けられたリード部３１にそれぞれ接続されてい
る。 【００１６】そして、前記ヘリウム充填容器２３全体が
真空容器２５内に収納されている。この真空容器２５は
ヘリウム充填容器２３と同様、管状の真空容器本体３２
とその両端部に形成されたフランジ部３３、３３に固定
された蓋体３４、３４とからなるものであり、真空容器
本体３２の側部にはこれと直交する方向に延びる真空排
気管３５が接続されて、真空排気源（図示せず）に通じ
ているとともに、その途中には遮断弁３６が設けられて
いる。 【００１７】また、真空排気管３５と反対側の側部両端
には超伝導電磁石回路との接続部３７、３７がそれぞれ
設けられ、各接続部３７を介してスイッチ側超伝導コイ
ル２４と回路側導線３８とが接続されている。すなわ
ち、ヘリウム充填容器２３端部のリード部３１に銅製の
リード線３９が接続され、リード線３９は端部に雄ねじ
部が形成されたリード棒４０を介して回路側導線３８と
接続されている。また、リード線３９、３９、リード棒
４０、４０、回路側導線３８、３８はナット４１、４
１、…により真空容器２５に固定されるとともに、ナッ
ト４１、４１、…の間に挟持された絶縁板４２、４２に
より真空容器２５と絶縁されている。 【００１８】一方、図２に示すように、ヘリウム充填容
器２３に液体ヘリウムまたは気体ヘリウムを供給するた
めの液体ヘリウムタンク４３およびヘリウムボンベ４４
が、永久電流スイッチ２２の外部に設けられている。図
２は、これら液体ヘリウムタンク４３、ヘリウムボンベ
４４と永久電流スイッチ２２との間のヘリウム配管系を
示すものである。液体ヘリウムタンク４３には液体ヘリ
ウム導入管４５が接続され、ヘリウムボンベ４４には気
体ヘリウム導入管４６が接続され、これら導入管４５、
４６とヘリウム充填容器２３側のヘリウム導入管２９と
が三方弁４７を介して接続されている。したがって、三
方弁４７の切り替えによってヘリウム充填容器２３内に
は液体ヘリウム、気体ヘリウムのいずれかが導入される
ようになっている。 【００１９】また、液体ヘリウムタンク４３には気体ヘ
リウム導入管４６の分岐管４８が導入され、これにより
液体ヘリウムタンク４３内が加圧されて液体ヘリウムが
ヘリウム充填容器２３に流入するようになっている。さ
らに、気体ヘリウム導入管４６の途中にはヒータ４９が
設けられ、このヒータ４９で１０°Ｋ程度に加熱された
気体ヘリウムがヘリウム充填容器２３に流入するように
なっている。 【００２０】一方、ヘリウム充填容器２３のヘリウム排
出管３０は三方弁５０を介して気体ヘリウム排出管５１
と液体ヘリウム排出管５２に分岐され、ヘリウム充填容
器２３から導出された気体ヘリウムまたは液体ヘリウム
がこれら排出管５１、５２を通じてそれぞれ排出される
ようになっている。 【００２１】図３は、前記構成の永久電流スイッチ２２
の設置例を示すものである。この図に示すように、永久
電流スイッチ２２は、クライオスタット５３の外部に設
置され、クライオスタット５３内部の電磁石側超伝導コ
イル５４と外部電源５５とが回路スイッチ５６、５６を
介して直列に接続された回路中に、電磁石側超伝導コイ
ル５４と並列に接続されて用いられる。なお、外部電源
５５は、電源本体５７と抵抗値Ｒ₁ 可変の内部抵抗５８
とから構成されたものである。 【００２２】永久スイッチ２２を使用する際には、ま
ず、回路スイッチ５６、５６を接続し、外部電源５５の
内部抵抗５８の値Ｒ1 を充分小さく設定する。そこで、
永久電流スイッチ２２のヘリウム充填容器２３に気体ヘ
リウムを導入する。すると、スイッチ側超伝導コイル２
４の温度は気体ヘリウムによって約１０°Ｋ程度となる
ので、常伝導状態となり、その抵抗値Ｒ₂ は大きくな
る。したがって、Ｒ₁ が小さくＲ₂ が大きいため、永久
電流スイッチ２２には電流は流れず、電流は（Ｂ）の経
路で流れることになる。そして、この電流を徐々に大き
くしていく。 【００２３】そして、電流値が所定の値になったとき、
永久電流スイッチ２２の三方弁４７を切り替えてヘリウ
ム充填容器２３に液体ヘリウムを導入する。すると、ス
イッチ側超伝導コイル２４は液体ヘリウムによって約７
°Ｋ以下に冷却されるので、超伝導状態となり、その抵
抗値Ｒ₂ はゼロになる。すると、Ｒ₁ は有限の値、Ｒ₂
はゼロとなるため、スイッチ側超伝導コイル２４に電流
が流れ、外部電源５５側には電源が流れなくなる。すな
わち、電流は（Ａ）の経路で流れることになる。 【００２４】そこで、回路スイッチ５６、５６を切断す
ると、（Ａ）の経路で永久電流が流れることになり、こ
の状態では外部電源５５が不要となり、超伝導電磁石５
９を永久電流モードで運転することができる。 【００２５】本実施例の永久電流スイッチ２２において
は、永久電流スイッチ２２の三方弁４７の切り替えでヘ
リウム充填容器２３内に液体ヘリウム、気体ヘリウムの
いずれかを導入することにより、スイッチ側超伝導コイ
ル２４の伝導状態を超伝導、常伝導のいずれかに切り替
えることができる。したがって、前記の原理に基づい
て、この永久電流スイッチ２２を使用して超伝導電磁石
５９を永久電流モードで運転することができる。 【００２６】すなわち、液体ヘリウムが充填されたクラ
イオスタット内にスイッチ側超伝導コイルを浸漬させそ
れをヒータで加熱することにより、超伝導、常伝導の切
り替えを行なっていた従来の永久電流スイッチと異な
り、クライオスタット５３とは独立して、ヘリウム充填
容器２３内のみでスイッチ側超伝導コイル２４の伝導状
態の切り替えを行なうことができるため、永久電流スイ
ッチ２２をクライオスタット５３の外部に設置すること
ができる。したがって、従来の場合に比べて、永久電流
スイッチ２２の保守、点検、整備、または交換作業を容
易に行なうことができる。 【００２７】また、本実施例では、管状のヘリウム充填
容器２３を用い、容器内壁に沿うようにスイッチ側超伝
導コイル２４を挿入する構成としたため、スイッチ側超
伝導コイル２４に対する冷却効率が極めて高く、冷却に
用いる液体ヘリウムの量を少なく抑えることができる。 【００２８】なお、本実施例においては、ヘリウム充填
容器２３に液体ヘリウム、または気体ヘリウムを選択的
に供給する手段として、図２に示したような三方弁４７
を用いたヘリウム配管系を用いたが、この構成に限るも
のではなく、ヘリウム充填容器２３に対して液体ヘリウ
ム、気体ヘリウムをそれぞれ別個に導入する配管系を用
いる等、種々の設計変更を行なうことができる。また、
スイッチ側超伝導コイル２４、ヘリウム充填容器２３、
真空容器２５の材料、形状等についても本実施例に限ら
ず種々のものを用いることができる。 【００２９】 【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
超伝導電磁石用電流スイッチにおいては、液体ヘリウ
ム、または気体ヘリウムのいずれかが選択的に供給され
る容器を設け、その内部にスイッチ側超伝導コイルを収
納した構成としたため、クライオスタットとは独立して
容器のみでスイッチ側超伝導コイルの伝導状態を超伝
導、常伝導のいずれかに切り替えることができ、超伝導
電磁石を永久電流モードで運転することができる。した
がって、超伝導電磁石用電流スイッチを液体ヘリウムが
充填されたクライオスタットの外部に設置することがで
きるので、保守、点検、整備、または交換作業を容易に
行なうことができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施例である永久電流スイッチを示
す平面図である。 【図２】同永久電流スイッチのヘリウム配管系を示す図
である。 【図３】同永久電流スイッチの一設置例を示す図であ
る。 【図４】一般的な永久電流スイッチの原理を示す図であ
る。 【図５】従来の永久電流スイッチの基本構成を示す図で
ある。 【図６】従来の永久電流スイッチの具体例を示す図であ
る。 【符号の説明】 ２２ 永久電流スイッチ（超伝導電磁石用電流スイッ
チ） ２３ ヘリウム充填容器（容器） ２４ スイッチ側超伝導コイル ２５ 真空容器 ５３ クライオスタット ５４ 電磁石側超伝導コイル（磁界発生用超伝導コイ
ル） ５５ 外部電源（電源） ５９ 超伝導電磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 39/20 ZAA H01F 6/00 ZAA

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 クライオスタット内に収納された磁界発
   生用超伝導コイルの永久電流を断続する超伝導電磁石用
   電流スイッチにおいて、前記クライオスタットの外部に設けられた容器と、 該容器内に収納され、前記磁界発生用超伝導コイルと並
   列接続されたスイッチ側超伝導コイルとから成り、 前記容器に対して液体ヘリウム、または気体ヘリウムの
   いずれかを選択的に供給することにより、前記スイッチ
   側超伝導コイルの伝導状態を超伝導あるいは常伝導のい
   ずれかに切り替えることを特徴とする超伝導電磁石用電
   流スイッチ。