JPH0511644B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導装置に係り、特に、複数個の超
電導コイルから成り、かつ常電導状態と超電導状
態に切り替えられて使用される永久電流スイツチ
を備えた超電導装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、複数個の超電導コイルからなる超電導装
置では、特公昭50−1794号公報に記載のように、
超電導コイル１個につき１本のゲート線をあてが
い、それらのゲート線を並列に束ね１個の熱式永
久電流スイツチ（以後、永久スイツチと略す）に
まとめられているのが一般的である。

第２図に従つて従来技術を詳細に説明する。第
２図に示すのは超電導コイルが２個の場合であ
る。該図の如く、超電導コイル１と１′の口出し
線７＋〜２＋と７−〜２−、及び７＋′〜２＋′と
７−′〜２−′をそれぞれ永久スイツチ５のゲート
線（超電導線からなる）３と３′に、口出し線先
端２＋，２−及び２＋′，２−′点で接続（スポツ
ト溶接、または加締めによる）される。ゲート線
３と３′は、電気的に絶縁された共通のヒータ４
によつて加熱され常電導状態に、加熱されない時
超電導状態になる。ヒータ４の電源を８で示す。
永久スイツチ４が開（on；ゲート線３と３′をヒ
ータ４で加熱し常電導状態にする）の状態で、超
電導コイル１と１′を電源６と６′で独立に励磁
し、両超電導コイル１，１′の電流がそれぞれ所
定の値になつた時に、永久スイツチを閉（off；
ゲート線３と３′を超電導状態に戻す）にし、更
に、電源６と６′をoffにすると、永久電流が１→
７−→２−→３→２＋→７＋→１と１′−→７
−′→２−′→３′→２＋′→７＋′→１′の閉回路内
で循環して流れるようになる。このときゲート線
３と３′には、超電導コイル１と１′に流れる電流
そのものが流れる。通常、ゲート線は加熱され、
常電導状態になつた時、できる限り抵抗値を大き
くする必要があり、ゲート線３と３′に使われる
超電導線は、安定化のために被覆された高純度な
銅やアルミニウムを部分的に除去したものとか、
高抵抗金属、例えばキユプロニツケルなどを被覆
したものが使われてきた。そのため、安定性が著
るしく損なわれ、超電導コイル１と１′に巻回さ
れた超電導線よりも電流容量の大きいものが要求
される。超電導コイルの数が増すと、電流容量の
大きなゲート線をその数だけ永久スイツチの中に
巻き込むことになり、永久スイツチの大型化をき
たし、製作上もかなり困難となるばかりでなく、
その熱容量の増大をきたす。大型化を避けるため
に、少数ゲート線の永久スイツチを複数個使用す
る方式もとられてきた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術の欠点は、永久スイツチの大型化
とゲート線の不安定性にあるといえる。前者に関
しては、附髄的に永久スイツチの動作を正確にす
るためのヒータ入力の増大、すなわち超電流コイ
ルの励磁中における冷媒（液体ヘリウム）消費量
の増加と装置内の永久スイツチを設置する場所に
空間的制約が生ずる。後者に関しては、ゲート線
の電流容量の増大とそれを設置する場所（低磁界
領域）に空間的制約が課せられる。

本発明は上述の点に鑑み成されたもので、その
目的とするところは、複数個の超電導コイルを備
えているものであつてもゲート線数の増大、即ち
永久スイツチの大型化に伴なう問題を解決すると
共に、その安定性の向上、即ち、永久スイツチの
信頼性を向上させ、その設置場所の制約を緩和す
る超電導装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、各超電導コイルの口出し線を共有
される１本のゲート線に接続することにより達成
されるが、この接続の際に、各超電導コイルに流
れる電流の最小になるようにしたり、あるいは超
電導コイルの各電源を極性が互いに逆となるよう
にするとより効果的である。

〔作用〕

本発明でのゲート線は、超電導コイルが複数個
あるにも係ず１本で済み、しかも、ゲート線に流
れる電流の最大値は、最大の電流を流す超電導コ
イルの電流値以下に選ぶことができるため、永久
スイツチの小型化、及び安定化が同時に達成され
る。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細
に説明する。第１図に本発明の超電導装置の一実
施例を示し、先ず全体構成を説明する。尚、第１
図には超電導コイルが２個の場合を示したが、複
数個の場合にも説明は同様になされる。

該図の如く、超電導コイル１に、図示した極性
の電源６を、その口出し線の途中７＋と７−点に
おいて接続する。この接続点７＋、７−は半田づ
けにより接続されるため、熱容量が大きく一種の
熱溜となる。これは、電源６〜接続点７＋間、及
び電源６〜接続点７−間が常電導線で配線される
ため通電中の発熱、電線側からの伝導熱、及び後
述するように永久スイツチ５をonにしたとき、
ゲート線３と口出し線先端の点２の近傍の常電導
領域での発熱と伝導熱を超電導コイル１側に伝導
させない働きをする。本回路の主要部分は、両超
電導コイル１と１′の口出し線を点２でゲート線
３に接続し、永久スイツチ５のゲート線３を加熱
するヒータ４と直列に接続されたヒータ４′で口
出し線の一部を加熱できるように構成されてい
る。超電導コイル１′は、その電源６′の極性が超
電導コイル１の場合と逆になつている点を除け
ば、すべて同様な構成になつている。

次に、装置の動作を説明する。先ず最初、永久
スイツチ５の電源８を起動し、永久スイツチ５を
onすると、ヒータ４，４′がゲート線３と両超電
導コイル１と１′の口出し線を同時に加熱し、そ
れらを常電導状態にする。この状態で電源６と
６′を起動（特に同時に起動する必要はない）し
超電導コイル１と１′を励磁する。電源６と６′の
電流の大部分は、それぞれ６→７＋→１→７−→
６と６′→７−′→１′→７＋′→６′に流れ、一部
分の微小電流（口出し線の常電導領域の抵抗値と
超電導コイル１と１′のインダクタンス、及び永
久スイツチ５の抵抗値によつて決まる）は、ゲー
ト線３と互に相手側の超電導コイルに分流する。
口出し線に分流する電流は、未だ超電導状態にあ
る部分を追加熱し、その抵抗増加に寄与し、むし
ろ好ましい存在となる。すなわちヒータで加熱し
た以上に常電導領域を拡げ抵抗増加をもたらすと
共に、相手側の超電導コイルへの分流を抑制する
からである。この常電導領域の伝播は、前述の熱
溜となる接続点７＋，７−，７＋′，７−′点で喰
い止められる。このようにして超電導コイル口出
し線に発生する抵抗は、一般に永久スイツチが
on時にもつ抵抗値に比べかなり小さな値である
が、前記分流を抑制する機能を持つている。何故
なら、電源６からみた時、永久スイツチ５がon
の時には、超電導コイル１と１′が並列に接続さ
れていて、超電導コイル１に比べ１′には前記口
出し線に抵抗が発生するため、励磁電流の大部分
は超電導コイル１に流入し、１′には微小電流し
か流れないからである。この微小電流は電源６の
掃引を停止し、しばらく時間をおくと、次第に超
電導コイル１に戻る。その時間は口出し線の抵抗
の大きさと超電導コイル１のインダクタンスで決
る時定数による。インダクタンスが小さくて所定
数が大きい場合には、この微小電流値は無視で
き、電源の掃引を停止すると同時に、超電導コイ
ルに流れる電流を電源電流に等しくすることがで
きる。電源６′から眺めた場合も同様な議論が成
立することはいうまでもない。

さて、超電導コイル１と１′に流れる電流が所
望の値と′に近づいたとき、電源６と６′を停
止状態にすれば、上述の如くゲート線３と相手側
超電導コイルに分流していた電流は回路時定数に
従つて減衰し、時間をかければ消滅してしまう。
この間に、両超電導コイル１と１′の発生磁界が
所望の値に達した時点で永久スイツチ５をoffし、
常電導状態になつていた部分をすべて超電導状態
に供す。つづいて、電源６と６′をoffすれば、永
久電流が、それぞれ所望の値と′で、１→７
−→２′→３→２→７＋→１と１′→７＋′→２→
３→２′→７−′→１→の閉回路内を流れるように
なる。従つて、ゲート線３には｜−′｜なる
電流しか流れないことになる。

ここで本発明の回路の動作を更に詳述するなら
ば、永久スイツチ５をoffしてから電源６と６′を
offするまでの間、すなわち、すべての回路が超
電導状態にあつて、なおかつ停止状態の電源が接
続された状態でも、閉回路１→７−→２′→７
−′→１′→７＋′→２→７＋→１に、磁気エネル
ギの大きい方の超電導コイルから小さい方にエネ
ルギーを転送するような電流を流れることはな
い。その電流値は、超電導コイル１の磁気エネル
ギーが超電導コイル２のそれより大きく、かつ
＞′としたとき、十分時間が経つた後も、＞
″＞′なる″が永久電流として流れることは
ない。何故ならば、永久スイツチのゲート線が無
誘導に巻線され、かつ、短尺であるため、インダ
クタンス零のゲート線によつて、両超電導コイル
が短絡されているからである。更に、説明を加え
るなら、永久電流状態になつた時点で、回路内に
電圧の存在する所はどこにもなく、＞′とし
たとき、超電導コイル１の電流が減少し、超電
導コイル１′の電流′が増加するような機構は考
えられない。また、永久電流状態になつて電源６
と６′がそれぞれ一定の電流と′を流している
ときでも、有限な電圧が存在する所は、超電導状
態にある閉回路内には存在しない。従つて、ゲー
ト線３には常に｜−′｜を最大とする電流し
か流れないことになる。以上は実験的に検証する
ことができ、両超電導コイル１と１′内にホール
素子を設置し、電流を観測するかわりに磁界を観
測することにより、ゲート線に流れる電流が｜
−′｜であることを容易に確認することができ
る。以下、小型超電導コイル２個からなる系につ
いて行なつた実験結果について述べる。超電導コ
イルに巻線した超電導線は、普通の極細多心線
（50μｍ直径のNb−Tiフイラメントが271本銅マ
トリツクス中に埋め込まれた、銅対超電導体比が
２の直径1.43mm）である。両超電導コイルとも、
この線材を内径20mm、外径50mm、高さ80mmの円筒
ソレノイド状に〜60ｍ巻線した、インダクタンス
2.7ｍＨ、磁界係数0.018T／Ａのコイルである。
永久スイツチのゲート線としては、直径0.25mmの
Nb−Tiフイラメント１本に銅を被覆した直径
0.33mmの超電導単心線を使用し、その線材の長さ
方向に、10mmピツチで超電導フイラメントが４mm
裸になるよう飛び飛びに銅被覆をはがしたもので
ある。その0.8ｍ長を無誘導にコイル状に巻線し、
その内部にマンガニン・ヒータを巻き込み、エポ
キシ樹脂で含浸固化し、永久スイツチとした。超
電導コイル用線材とこのゲート線用超電導線材の
超電導体断面積比は〜11：１である。これらを第
１図の実施例のように結線し、両超電導コイルの
口出し線７＋〜２と７＋′〜２に相当する部分
（〜１ｍ）を束ねて、その上から１cm区間にわた
つてマンガニン・ヒータ線を巻きつけエポキシ樹
脂で固めた。また、両超電導コイル中心にホール
素子を配置した。この状態で、前述の動作手順に
従つて通電を行なつた。すなわち、永久スイツチ
に0.9W、口出し線に0.2Wの熱を加えた状態で、
両超電導コイルを200Aまで励磁した。口出し線
に発生する抵抗値の大きさとその効果をみるため
に、両超電導コイルに並列に保護抵抗を接続する
ことをやめ、通電電流も200Aにとどめた。通電
電流の掃引を停止した時点の、両超電導コイルの
発生磁界はほぼ計算値に一致し3.6Tであつた。
永久スイツチの抵抗値は、別途測定した値で、
3.9Ωであつた。また、口出し線に発生する抵抗
値は、銅の比抵抗を３×10^-8Ωcmと仮定すると、
両口出し線全体にわたつて最大5.6×10^-4Ωにな
つていると推定され、回路時定数は最小4.8秒と
考えられる。電源の掃引を停止した時点で、発生
磁界が計算値と一致したことから、回路時定数は
短かく、推定値4.8秒に近いと考えられる。また、
口出し線を流れる電流がほとんど零であることも
この結果から容易に理解できる。口出し線に電流
が流れ、これが相手側の超電導コイルに流入した
とすれば発生磁界は計算値と一致しないはずであ
る。従つて、口出し線におけるわずかな抵抗5.6
×10^-4Ωによつて両超電導コイルの電流間に干渉
は生じていないと判断される。上記実験の時間経
過を第３図に、両超電導コイルの電源電流とホー
ル素子出力電圧（磁界に換算）で示しておいた。
両電源を10分間運転して停止し、引続き〜11分後
に永久スイツチをoffした場合の結果である。超
電導コイル１の結果をグラフ上側に、１′の結果
を下側に示した。いずれも時定数が短かいため、
両コイル電流（磁界）間に干渉はみられなかつ
た。

本実験では超電導コイル１と１′のインダクタ
ンスが小さかつたため、ほとんど問題はなかつた
が、励磁を早くできるような超電導コイルとか、
インダクタンスの大きな超電導コイルでは、口出
し線の抵抗を大きくできない場合、時定数が大き
きなり、電源電流に超電導コイルの発生する磁界
が追従しなくなることがある。すなわち、両超電
導コイル間で電流に干渉がみられるようになる。
従つて、口出し線の抵抗を許される範囲内で大き
くし、電流に干渉が生じない範囲で励磁速度を選
択する必要がある。この不便を解消するために、
次に述べるような方法が考えられる。

第４図に従つて、本発明の他の実施例を説明す
る。第４図では超電導コイルが４個の場合を示
し、その動作は第１図において説明した内容と同
様であり、ここではその構成のみを説明すること
とする。基本的には、第１図における口出し線７
＋〜２、及び７＋′〜２の一部をゲート線３＋′，
３−′に置換し、通常の永久スイツチ４５′にした
点が異なるだけである。従つて、この実施例で
は、永久スイツチが２個必要となる。第１の永久
スイツチ５は第１図におけるものと何ら変るとこ
ろはない。第２の永久スイツチのゲート線３＋′
と３−′の一端は、第１の永久スイツチ５のゲー
ト線３に集合して点２で接続される。超電導コイ
ル１，１′，１″，１の一方の口出し線は、第１
の永久スイツチ５のゲート線３の一端２′点に集
合して接続され、そして、超電導コイル１と１″
の口出し線は第２の永久スイツチ５′ａのゲート
線３＋′の一端２＋″点に、残りの超電導コイル
１′と１″の口出し線はゲート線３−′の一端２
−″点にそれぞれ接続される。その他の構成は第
１図の場合と同様である。尚、ゲート線３＋′と
３−′はゲート線３とほぼ同一性能のもので十分
であり、本図に示すような極性をもつ電源６，
６′，６″，６を各超電導コイル１〜１に接続
すれば、これらのゲート線に流れる電流は各超電
導コイルに流れる電流の代数和とすることがで
き、その電流容量、すなわち超電導導体の断面積
を小さくすることが許される。

前述の実験例で示したように、口出し線の抵抗
（5.6×10^-4Ω）比べ永久スイツチのゲート線の抵
抗（3.9Ω）は容易に大きくできるので、超電導
コイルのインダクタンスが大きい場合でも電流の
干渉を断ち切ることは極めて容易となる。

第１図に比べ永久スイツチが１個増加するが、
超電導コイルの数が更に増加しても、それらの口
出し線を２′点と２＋″点または２′点と２−″点に
接続するだけですみ、永久スイツチの数は２個以
上に増加することはない。永久スイツチの大きさ
も、電流容量の小さいゲート線を使用するので極
めて小型化できる。

第４図において、各超電導コイル１〜１″を流
れる電流の代数和が最小になるように、それらを
ゲート線３，３＋′，３−′に接続したとき、各超
電導コイル１〜１″のうち、発生磁界が望む方向
に向かない場合は、その超電導コイルの巻線方向
を逆にすればよいことはいうまでもない。また、
永久スイツチ５と５′を一体化し、ゲート線３本
を内蔵する永久スイツチとすることも可能であ
る。

前記した２つの実施例において、複数の超電導
コイルを、１本または３本のゲート線を有する永
久スイツチによつて、それぞれ異なる電流値で永
久電流状態を実現することができ、ゲート線の電
流容量も各超電導コイルに流れる電流の代数和と
することができ、小容量化を図ることが可能とな
り、その安定性を著るしく向上させられることが
できる。

尚、上述の範囲で、ゲート線の構造、材質、及
び製作方法、永久スイツチの構成及びヒータ４と
他のヒータ４′を電源８に接続する方法、そして
超電導コイル１〜１を励磁電源６〜６のリー
ド線に接続する場所７＋〜７−′とその熱容量の
大きさ、超電導コイル１と１′の口出し部の構造、
加熱方法、加熱場所、電源６と６′の極性の選択
に関し何ら制限を加えるものではない。

本発明を、例えばMRI（核磁気共鳴断層撮影）
装置に適用した場合について、その効果を述べ
る。一般にMRI装置は、高均一で、かつ、長時
間にわたつて安定な磁界を発生する必要があり、
複数個（３〜５個）の超電導コイルを組み合せ、
それらを永久電流モードにして運転される。既
に、実施例で述べたような構成をとることによつ
て、基本的には１本のゲート線ですみ、永久スイ
ツチの小型化と小電流容量化が可能となるため、
永久スイツチの製作性と信頼性の向上、永久スイ
ツチのヒータ入力の低減、装置全体の構成の単純
化と操作性の向上、液体ヘリウムの張込量と消費
量の低減、等の効果が期待され、関連分野におけ
る工業的効果は極めて大きいと考えられる。

〔発明の効果〕 以上説明した本発明の超電導装置によれば、各
超電導コイルの口出し線を、共有される１本のゲ
ート線に接続し、この接続の際に、各超電導コイ
ルに流れる電流の最小になるようにしたり、ある
いは超電導コイルの各電源を極性が互いに逆とな
るようにしたものであるから、超電導コイルが複
数個であつてもゲート線は１本で済み、しかも、
ゲート線に流れる電流の最大値は、最大の電流を
流す超電導コイルの電流値以下に選ぶことができ
るため、永久スイツチの小型化が図れると共に、
安定化が増し信頼性を向上させることができ、此
種超電導装置には非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超電導装置の一実施例を示
し、超電導コイルが２個の場合の結線図、第２図
は従来の超電導装置を示し、超電導コイルが２個
の場合の結線図、第３図は第１図に示す実施例を
小型超電導コイルで実証した際の電流Ａと磁界Ｔ
の時間経過の実験結果を示す特性図、第４図は本
発明の他の実施例を示し、超電導コイルが４個と
永久スイツチが２個の場合の結線図である。 １〜１″……超電導コイル、２〜２−″……超電
導コイルの口出し線の先端、３〜３−′……ゲー
ト線、４，４′……ヒータ、５，５′……永久スイ
ツチ、６〜６″……超電導コイル用励磁電源、７
〜７−……超電導コイルと電源との接続点、８
……永久スイツチのモータ電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個の超電導コイルと、それぞれに接続さ
   れた電源と該超電導コイルと並列に接続され常電
   導状態と超電導状態に切り替えられるゲート線か
   ら成る永久電流スイツチ及び該ゲート線を加熱す
   る手段とを備えた超電導装置において、永久電流
   励磁ができる複数の超電導装置を前記永久電流ス
   イツチのゲート線と共有し、このゲート線に前記
   超電導コイルの各口出し線及び該口出し線を加熱
   する手段を接続したことを特徴とする超電導装
   置。 ２ 各々電源を有する複数個の超電導コイルとそ
   れぞれに接続された電源と、該超電導コイルと並
   列に接続され常電導状態と超電導状態に切り替え
   られるゲート線から成る永久電流スイツチ及び該
   ゲート線を加熱する手段とを備えた超電導装置に
   おいて、前記超電導コイルの各口出し線及び該口
   出し線を加熱する手段を１本のゲート線に接続す
   ると共に、前記超電導コイルの各電源を極性に互
   いに逆となるように接続したことを特徴とする超
   電導装置。 ３ 複数個の超電導コイルとそれぞれに接続され
   た電源と、該超電導コイルと並列に接続され常電
   導状態と超電導状態に切り替えられるゲート線か
   ら成る永久電流スイツチ及び該ゲート線を加熱す
   る手段とを備えた超電導装置において、前記永久
   電流スイツチのゲート線を共有し、このゲート線
   に、前記複数個の超電導コイルを各超電導コイル
   の電流値の代数和が、それらの中の最大電流値以
   下となるように接続したことを特徴とする超電導
   装置。 ４ 前記ゲート線に接続される各超電導コイルの
   口出し線及び該口出し線を加熱する手段の一部分
   をゲート線と同時に超電導状態と常電導状態に切
   り替えられるようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第３項記載の超電導装置。 ５ 前記超電導コイルの口出し線及び該口出し線
   を加熱する手段の一部分に、前記永久電流スイツ
   チと直列接続されるヒータを設置し、このヒータ
   をon、offすることにより、前記超電導コイルの
   口出し線及び該口出し線を加熱する手段の一部分
   をゲート線と同時に超電導状態と常電導状態に切
   り替えるようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第４項記載の超電導装置。 ６ 複数個の超電導コイルとそれぞれに接続され
   た電源と、該超電導コイルと並列に接続され常電
   導状態と超電導状態に切り替えられるゲート線か
   ら成る永久電流スイツチ及び該ゲート線を加熱す
   る手段とを備えた超電導装置において、前記永久
   電流スイツチの１本のゲート線から成る第１の永
   久電流スイツチと、このゲート線の一端に集合し
   て接続される２本のゲート線から成る第２の永久
   電流スイツチとで構成すると共に、前記複数の超
   電導コイルの一方の各口出し線及び該口出し線を
   加熱する手段を集合して前記１本のゲート線の他
   端に、かつ、超電導コイルの他方の各口出し線及
   び該口出し線を加熱する手段を集合して前記２本
   のゲート線の他端に前記各超電導コイルの電流値
   の代数和が、それらの中の最大電流値以下となる
   ように接続したことを特徴とする超電導装置。 ７ 複数個の超電導コイルとそれぞれに接続され
   た電流と、該超電流コイルと並列に接続され常電
   導状態と超電導状態に切り替えられるゲート線か
   ら成る永久電流スイツチ及び該ゲート線を加熱す
   る手段とを備えた超電導装置において、前記ゲー
   ト線に流れる電流を各超電導コイルに流れる電流
   よりも小さくすると共に、前記各超電導コイルを
   発生磁界の方向がそれぞれ所望の向きとなるよう
   巻線して成ることを特徴とする超電導装置。