JPH09148122A - 伝導冷却式超電導磁石用の超電導スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超電導スイッチオフ時には、電導磁石本体の
温度上昇を抑えることができ、オン時には、スイッチの
超電導体が効率良く冷却され得るとともに、励磁速度を
自由に変更することのできる伝導冷却式超電導磁石用の
超電導スイッチを提供する。 【解決手段】 冷凍機によって伝導冷却される伝導冷却
面１上に設けられた伝導冷却体２と、同じく冷凍機によ
って伝導冷却される伝導冷却面１上に設けられ伝導冷却
体２の外周に間隔を開けて設けられた支持体３と、伝導
冷却体２の上面と接離可能で且つ前記支持体３に取付け
られた巻枠６に巻線された超電導体５と、前記支持体３
の伝導冷却体２の外側に取付けられたヒータ４とを備え
てなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却容器内に設け
られた超電導磁石を冷凍機によって伝導冷却する伝導冷
却式超電導磁石に関し、特にその電気回路に組み入れて
使用される超電導スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の伝導冷却式超電導磁石用の超電
導スイッチとしては、例えば特開平 4−233114号公報に
提案されたものがある。同公報に説明されているよう
に、超電導磁石回路を開閉するためには超電導スイッチ
が使用される。真の超電導状態で作動された超電導磁石
は、回路中に抵抗要素が存在しない限り、電流の損失を
示さない。超電導磁石の励磁に際しては、電流リード線
を介して磁石に電源が接続される。（室温下にある）電
源と（数ケルビンの温度下にある）磁石との間に位置す
るそれらのリード線は超電導状態を示し得ない結果、磁
石の電気回路中には電気抵抗が存在し、そのために磁石
は持続モードの動作を示すことができない。それ故、回
路の抵抗要素にバイパスを与え、それによって真に持続
モードの動作を開始させるために超電導スイッチが使用
される。

【０００３】上記超電導スイッチは、超電導の特性の一
つである臨界温度を利用した装置である。スイッチをオ
フにするには、超電導スイッチに用いられている超電導
体を付属のヒータを用いて加熱、昇温し、常電導状態に
することで、抵抗を発生させ、電流が流れにくい状態、
つまり、オフの状態にする。逆に、オンの状態とは、超
電導の状態であり、冷却されて、臨界温度以下になるこ
とで実現できる。

【０００４】従来の超電導スイッチでは、上記特開平 4
−233114号公報に提案されているように、熱伝導の悪い
スペーサを用いてスイッチがオフの時の熱が超電導磁石
に伝わりにくくなっており、スイッチの冷却は電流を導
入するブスバーを介して行われている。この結果、スイ
ッチオフ時には、熱が冷凍機のコールドヘッドに伝わっ
て、冷凍機の負担が増え、磁石の温度上昇を起こす。ま
た、スイッチオン時にはブスバーを介してスイッチが冷
却される。通常、超電導スイッチではスイッチオン時に
は良く冷却され、短時間でスイッチオン状態になるよう
に、オフ時には熱を伝えにくくし、磁石がクエンチを引
き起こさないように配慮されており、この条件を満たす
ように熱的に最適設計が行われている。しかし、これら
を同時に満たす設計がなされた場合でも、超電導磁石の
励磁速度を速く、つまり励磁電圧を大きくすると超電導
スイッチの発熱が冷凍機の冷却能力を上回り、温度上昇
し、その熱がブスバーを介して冷凍機のコールドヘッド
に伝わりクエンチを引き起こす場合がある。スイッチの
オフ時の抵抗をＲ、スイッチ両端の電圧（磁石の励磁電
圧）をＶとすると、スイッチでの発熱Ｗは、Ｗ＝Ｖ² ／
Ｒとなる。よって、励磁速度（電圧）を速くすると、発
熱が多くなり、冷凍機の能力を超えて超電導磁石の温度
上昇を引き起こし、クエンチする場合が起こる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、伝導
によって冷却される超電導スイッチは、超電導磁石に熱
を伝えにくいように、またスイッチ自体が良く冷却され
るように最適に設計されたブスバーを介して冷却されて
いる。この最適とは、スイッチをオフの状態からオンの
状態に切換えた場合の冷却にかかる時間とオフにした場
合の発熱による超電導磁石の温度上昇によって制限され
る。しかしながら、超電導磁石の励磁速度を変えた場
合、スイッチオフ時の発熱が変化するので、スイッチが
オフにならなかったり、または超電導磁石の温度上昇を
引き起こしたりすることがある。

【０００６】本発明は、従来技術が持つ上述の如き問題
点を解消し、超電導スイッチオフ時には、電導磁石本体
の温度上昇が抑えられ、オン時には、スイッチの超電導
体が効率良く冷却され得るとともに、超電導磁石の励磁
速度を自由に変更することのできる伝導冷却式超電導磁
石用の超電導スイッチを提供することを目的とするもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成させる
ために、本発明に係る伝導冷却式超電導磁石用の超電導
スイッチは、冷却容器内に設けられた超電導磁石を冷凍
機によって伝導冷却する伝導冷却式超電導磁石の電気回
路に組み入れて使用される超電導スイッチであって、冷
凍機によって伝導冷却される伝導冷却面上に設けられた
伝導冷却体と、同じく冷凍機によって伝導冷却される伝
導冷却面上に設けられ伝導冷却体の外周に間隔を開けて
設けられた支持体と、伝導冷却体の上面と接離可能で且
つ前記支持体に取付けられた巻枠に巻線された超電導体
と、前記支持体の伝導冷却体の外側に取付けられたヒー
タと、を備えてなるものである。

【０００８】そして、上記伝導冷却式超電導磁石用の超
電導スイッチにおいては、支持体及びヒータが筒状に形
成されてあってもよい。

【０００９】上記本発明では、超電導スイッチがオンの
時には、伝導冷却面によって伝導冷却体と支持体更には
巻枠に巻線された超電導体が良く冷却され、超電導磁石
の持続モードの動作が得られる。一方、超電導スイッチ
をオフにしようと、付属のヒータに通電し昇温すると超
電導体と巻枠、支持体と伝導冷却体の各々が加熱され
る。このとき、支持体の方が伝導冷却体より熱膨張率が
大きいため、支持体が伝導冷却体より長く伸び、結果と
して超電導体と巻枠は伝導冷却体から離れることとな
り、超電導スイッチがオフ時の発熱を伝導冷却面に伝え
にくくなることから、超電導磁石の温度上昇を抑えるこ
とができる。また、超電導スイッチ自体の熱応答性が良
くなり、オフの時間が早くなる。また、オン時には支持
体の熱収縮率が大きいため、超電導体と巻枠が伝導冷却
体に押しつけられる形となり、良く冷却される。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を、図面を参照し
ながら説明する。図１は、本発明に係る伝導冷却式超電
導磁石用の超電導スイッチの概念図であって、ａは超電
導スイッチがオンの時であり、ｂはオフ時である。図に
おいて、１は伝導冷却面、２は伝導冷却体、３は支持
体、４はヒータ、５は超電導体を示す。

【００１１】伝導冷却面１は、図示省略する冷凍機によ
って伝導冷却されている。伝導冷却体２は、熱伝導性の
良い金属（例えば銅）で作られた円柱又は角柱状のブロ
ック体で、伝導冷却面１の上面に設けられている。支持
体３は、熱膨張率の大きい（つまり、熱収縮率が大き
い）材料（例えばテフロン）で作られた円筒又は角筒状
の筒状体で、この支持体３は、伝導冷却体２の外周に間
隔を開けて設けられている。ヒータ４は、円筒又は角筒
状にコイル巻きした抵抗線で、伝導冷却体２が位置する
支持体３の外周に設けられている。超電導体５は、巻枠
６に超電導線７を巻線したもので、巻枠６が支持体３の
内側に取付けられるとともに、下面が伝導冷却体２の上
面に対して接離可能に設けられている。

【００１２】上記構成の本発明に係る伝導冷却式超電導
磁石用の超電導スイッチでは、スイッチをオフ使用とす
る場合には、まず、ヒータ４により支持体３を加熱し、
伝導冷却体２の上面と巻枠６の下面を離し、超電導体５
への熱伝導が悪い又は無い状態にする。その後、超電導
体５を付属のヒータによって加熱し、スイッチをオフに
する。今、伝導冷却体２を熱伝導の良い銅を使用したと
すると、スイッチの超電導体５が超電導となる10Ｋ以下
での熱収縮率は 0.3％である。これをオフにするために
は20〜30Ｋまで加熱しても殆ど膨張しない。このとき
に、支持体３を熱膨張率が大きいテフロンを使用したと
すると、熱収縮率は−1.85〜−1.80％まで変化する。つ
まり、支持体３が10Ｋ以下で 200mmの長さであれば 0.1
mmのギャップを生じることとなり、スイッチのオフ状態
が得られる。

【００１３】また、スイッチをオン使用とする場合に
は、超電導体５の付属のヒータをオフにすると同時に、
支持体３のヒータ４をオフにして支持体３を冷却し、伝
導冷却体２の上面と巻枠６の下面を接触させる。これに
より、超電導体５が伝導冷却体２を介して伝導冷却面１
により冷却され、冷却速度が上がり速やかに冷えてオン
の状態となる。特にテフロンなどの、低温でも弾力のあ
るものを用いると、冷却時に、伝導冷却面１に対してあ
るバネ力で押しつけることになるので、接触面での熱抵
抗も減り、より良く冷却される。

【００１４】図１に示す構成で実際に製作した例では、
スイッチオフ時の場合、熱伝導率はテフロンを介して行
われるので、 3×10^-2Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対して、オ
ン時のそれは 3×10² Ｗ／ｍ・Ｋと 10000倍となる。

【００１５】図２は、本発明に係る超電導スイッチ（白
丸）と従来構成の通常の超電導スイッチ（黒丸）による
熱応答性を測定した結果を示すグラフ図であって、超電
導スイッチをオン状態からオフ状態に切換えた時の熱応
答性である。図より明らかなように、本発明ではおよそ
10倍のオフ特性が得られていることが分かる。また、ス
イッチ温度が高いことは、スイッチの発熱が超電導磁石
側に逃げていないことが窺える。

【００１６】なお、上記例では、支持体３としてテフロ
ンを用いた例を説明したが、ハンドブック等に提供され
ている低温での高分子材料と熱膨張率（線膨張率）との
関係より明らかな、熱膨張率（線膨張率）の比較的良い
ポリエチレンやポリカーボネイトなどもテフロンに代え
て使用可能である。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る伝導
冷却式超電導磁石用の超電導スイッチによれば、超電導
スイッチをオフにするには、支持体の外側のヒータに通
電して支持体を熱膨張させ、スイッチの超電導体を冷凍
機の伝導冷却面から離すことで行われる。このように離
れることで、超電導磁石本体に熱が伝わりにくくなり、
超電導磁石本体の温度上昇を抑えることができる。ま
た、超電導スイッチをオンするには、支持体の外側のヒ
ータへの通電を切り支持体を冷却収縮させ、スイッチの
超電導体を冷凍機の伝導冷却面に接触させることで行わ
れる。このように接触することで、スイッチの超電導体
が効率良く冷却されオン状態となる。このような本発明
に係る超電導スイッチのオンオフ動作は、スイッチに対
する印可電圧（つまり励磁速度）によらず、スイッチの
温度に依存しているので、結果として、磁石の励磁速度
を自由に変えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る伝導冷却式超電導磁石用の超電導
スイッチの概念図であって、ａは超電導スイッチがオン
の時であり、ｂはオフ時である。

【図２】本発明に係る伝導冷却式超電導磁石用の超電導
スイッチの熱応答性を測定した結果を示すグラフ図であ
る。

【符号の説明】 １：伝導冷却面 ２：伝導冷却体
３：支持体 ４：ヒータ ５：超電導体
６：巻枠 ７：超電導線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高木 敏晃 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却容器内に設けられた超電導磁石を冷
   凍機によって伝導冷却する伝導冷却式超電導磁石の電気
   回路に組み入れて使用される超電導スイッチであって、
   冷凍機によって伝導冷却される伝導冷却面上に設けられ
   た伝導冷却体と、同じく冷凍機によって伝導冷却される
   伝導冷却面上に設けられ伝導冷却体の外周に間隔を開け
   て設けられた支持体と、伝導冷却体の上面と接離可能で
   且つ前記支持体に取付けられた巻枠に巻線された超電導
   体と、前記支持体の伝導冷却体の外側に取付けられたヒ
   ータと、を備えてなる伝導冷却式超電導磁石用の超電導
   スイッチ。
2. 【請求項２】 支持体及びヒータが筒状に形成されてな
   る請求項１記載の伝導冷却式超電導磁石用の超電導スイ
   ッチ。