JPH0918062A

JPH0918062A - 超電導磁石装置

Info

Publication number: JPH0918062A
Application number: JP7162073A
Authority: JP
Inventors: Toru Kuriyama; 透栗山; Yasumi Otani; 安見大谷; Chiyandora Teiraka Roohana; ローハナ・チャンドラ・ティラカ
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-06-28
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】永久電流スイッチの動作に伴って発生する熱が
超電導コイルの配置場に熱負荷として侵入するのを防止
できる超電導磁石装置を提供する。【構成】超電導コイル２は蓄冷式冷凍機４の第２段冷却
ステージ６によって第１の温度レベルに冷却される。超
電導コイル２の両端には該コイルより高い超電導転移温
度の超電導体で形成され、電流リード２１の一部を構成
する電流リード要素２３ａ，２３ｂの一端側が接続され
ている。電流リード要素２３ａ，２３ｂの他端側間には
該要素と同じ超電導体で形成された永久電流スイッチ要
素３２が接続され、該要素３２および要素２３ａ、２３
ｂの他端側は蓄冷式冷凍機４の第１段冷却ステージ５に
よって第１の温度レベルより高く、上記要素の超電導転
移温度より低い第２の温度レベルに冷却される。永久電
流スイッチ要素３２の近くにはこれを選択的に常電導転
移させるための電気ヒータ３３が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久電流スイッチを備
えた超電導磁石装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、現在実用化されている超
電導磁石装置の多くは、断熱容器内に超電導コイルと液
体ヘリウムで代表される極低温冷媒とを一緒に収容する
浸漬冷却方式を採用するとともに断熱容器の断熱層中に
設けられたサーマルシールドを極低温冷凍機で冷却する
方式を採用している。また、最近では極低温下での比熱
特性に優れた蓄冷材の出現に伴って断熱容器内に収容さ
れている超電導コイルを蓄冷式冷凍機で直接的に冷却す
る冷凍機直冷式の超電導磁石装置も実用化されつつあ
る。

【０００３】図４には超電導コイルを蓄冷式冷凍機で直
接的に冷却するようにした従来の冷凍機直冷式の超電導
磁石装置が示されている。この超電導磁石装置では、断
熱容器として真空容器１が用いられている。真空容器１
内には超電導転移温度が１５Ｋ程度であるＮｂ・Ｔｉ等
の合金系超電導体あるいはＮｂ₃ Ｓｎ等の化合物系超電
導体で形成された超電導コイル２が配置され、さらに超
電導コイル２を包囲するように非磁性金属材で形成され
たサーマルシールド３が配置されている。

【０００４】そして、一部が真空容器１内に位置し、残
りが真空容器１外に位置するように蓄冷式冷凍機、たと
えばギフォード・マクマホン冷凍機（以後、ＧＭ冷凍機
と略称する。）４を設け、このＧＭ冷凍機４の第１段冷
却ステージ５をサーマルシールド３に熱的に接続し、こ
のサーマルシールド３を５０Ｋ程度に冷却している。ま
たＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ（最終段冷却ステ
ージ）６を銅材などで形成された熱伝導部材７，８を介
して超電導コイル２に熱的に接続し、この超電導コイル
２を４Ｋ程度に冷却している。なお、この図では超電導
コイル２やサーマルシールド３の位置保持手段が省略さ
れている。

【０００５】ここで、ＧＭ冷凍機４の構成および冷凍動
作を簡単に説明すると、以下の通りである。この図に示
されているＧＭ冷凍機４は、２段膨張式に構成されてお
り、第１段冷凍部１０と第２段冷凍部１１とを備えてい
る。第１段冷凍部１０内および第２段冷凍部１１内には
それぞれ蓄冷器を保持したディスプレーサ１２，１３が
収容されており、これらディスプレーサ１２，１３はモ
ータ１４の回転に同期して一体に図中上下方向に往復駆
動される。そして、第１段冷凍部１０に設けられた第１
段冷却ステージ５がサーマルシールド３に熱的に接続さ
れており、また第２段冷凍部１１に設けられた第２段冷
却ステージ６が熱伝導部材７に熱的に接続されている。
なお、ディスプレーサ１２が保持している蓄冷器の蓄冷
材としては銅材のメッシュなどが用いられており、ディ
スプレーサ１３が保持している蓄冷器の蓄冷材としては
Ｅｒ₃ Ｎｉ等からなる磁気相転移に伴う異常磁気比熱等
を利用した磁性蓄冷材などが用いられている。

【０００６】モータ１４を回転開始させると、ディスプ
レーサ１２，１３が往復動作を開始する。これに同期し
て高圧弁１５，低圧弁１６が開閉動作して冷凍機として
の運転が開始される。すなわち、ディスプレーサ１２，
１３が上死点（図中最下点）に達した時点で高圧弁１５
が開き、コンプレッサ１７から送り出された高圧ヘリウ
ムガスが第１段冷凍部１０および第２段冷凍部１１内に
流入する。ディスプレーサ１２，１３が下死点（図中最
上点）へと移動すると、流入している高圧ヘリウムガス
がディスプレーサ１２，１３に保持されている蓄冷器の
蓄冷材に接触して冷却される。ディスプレーサ１２，１
３が下死点に達すると、高圧弁１５が閉じ、低圧弁１６
が開く。低圧弁１６が開くと、第１段膨張室１８内およ
び第２段膨張室１９内の高圧ヘリウムガスが断熱膨張し
て寒冷を発生する。この寒冷によって第１段冷却ステー
ジ５が外部から吸熱し、また第２段冷却ステージ６も外
部から吸熱する。そして、ディスプレーサ１２，１３が
再び上死点へと移動すると、これに伴って第１段膨張室
１８内および第２段膨張室１９内の低温のヘリウムガス
が各蓄冷器に保持されている蓄冷材に接触してこれらを
冷却する。温度の上昇したヘリウムガスは、低圧弁１６
を介してコンプレッサ１７へと排出される。上述したサ
イクルが繰り返されてサーマルシールド３が５０Ｋ程度
に、また超電導コイル２が４Ｋ程度に冷却される。

【０００７】一方、超電導コイル２には、この超電導コ
イル２に真空容器１外から電流を供給するための電流リ
ード２１が接続されている。この電流リード２１は、温
度レベル範囲に対応させて使用材料が異なっている。す
なわち、室温から５０Ｋレベルまでの範囲ではリン脱酸
銅等の銅製の電流リード要素２２ａ，２２ｂが用いられ
ており、５０Ｋ以下の温度範囲では超電導転移温度がサ
ーマルシールド３の温度より高い、たとえばビスマス系
の酸化物超電導体（超電導転移温度が約１３０Ｋ）製の
電流リード要素２３ａ，２３ｂが用いられている。そし
て、電流リード要素２２ａ，２２ｂにおけるサーマルシ
ールド３を貫通する部分および真空容器１の壁を貫通す
る部分はブッシング構成に形成されている。また、電流
リード要素２２ａ，２２ｂにおける電流リード要素２３
ａ，２３ｂに近い部分は、表面が窒化アルミニウムのよ
うに熱伝導性および電気絶縁性に優れた部材で覆われた
サーマルアンカ２４ａ，２４ｂを介してサーマルシール
ド３に熱的に接続されている。この構成によって、電流
リード要素２３ａ，２３ｂは、全体が超電導転移温度以
下、つまり図中上端部が５０Ｋ程度に、また図中下端部
が４Ｋ程度に保持される。

【０００８】また、超電導コイル２の両端間には永久電
流スイッチ２５が接続されている。この永久電流スイッ
チ２５は、超電導コイル２を形成している超電導体と同
じ超電導体で形成されて超電導コイル２の両端間に接続
された永久電流スイッチ要素２６と、この永久電流スイ
ッチ要素２６に選択的に熱を加えて常電導転移状態（オ
フ状態）にさせる電気ヒータ２７とで構成されている。
なお、電気ヒータ２７の両端は図示しないリード線を介
して真空容器１の外部に導かれている。

【０００９】電気ヒータ２７が付勢されていないときに
は、永久電流スイッチ要素２６は第２段冷却ステージ６
によって４Ｋ程度に冷却され、超電導転移状態（オン状
態）に保持される。したがって、電気ヒータ２７の付勢
および付勢停止によって永久電流スイッチ２５をオン、
オフさせることができる。すなわち、電流リード２１を
介して超電導コイル２を励磁したり、消磁したりすると
きには電気ヒータ２７を付勢することによって永久電流
スイッチ２５をオフさせればよい。また、励磁状態にお
いて電気ヒータ２７の付勢を停止し、永久電流スイッチ
２５をオンさせることによって超電導コイル２を永久電
流モードに移行させることができる。

【００１０】しかしながら、上記のように構成された従
来の超電導磁石装置にあっては、次のような問題があっ
た。すなわち、永久電流スイッチ２５をオフさせるため
に電気ヒータ２７を付勢すると、この電気ヒータ２７で
発生した余剰熱は、結果的に第２段冷却ステージ６の熱
負荷を増加させることになる。第２段冷却ステージ６の
冷凍能力は、第１段冷却ステージ５のそれより大幅に小
さい。このため、電気ヒータ２７の発生熱量が小さい場
合であっても、第２段冷却ステージ６の温度を上昇させ
てしまい、これが原因して超電導コイル２を常電導転移
（クエンチ）させてしまうことが往々にしてあった。

【００１１】この現象は、コイルを使って永久電流スイ
ッチ要素に臨界磁界以上の磁場を印加したり、磁場の印
加を停止したりすることによってオフ、オンするタイプ
の永久電流スイッチを組み込んだ超電導磁石装置につい
ても同じである。すなわち、磁場を印加するためにコイ
ルに電流を流すとコイルが発熱するので、この発熱が第
２段冷却ステージの熱負荷を増加させることになる。ま
た、液体ヘリウムで代表される極低温液中に超電導コイ
ルを浸漬して冷却する浸漬冷却方式を採用した超電導磁
石装置にあっても同様のことがいえる。この場合には、
超電導コイルが極低温液によって囲まれているので、永
久電流スイッチをオフさせる際に発生した熱で超電導コ
イルがクエンチするようなことはほとんどないが、永久
電流スイッチのオフ時に発生した熱で極低温液の蒸発量
増加を招くことになる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、永久電流
スイッチを備えた従来の超電導磁石装置にあっては、永
久電流スイッチをオフさせるときに発生した熱が超電導
コイルの配置場における熱負荷を増加させるように作用
し、これが原因して超電導コイルをクエンチさせたり、
超電導コイルを冷却する極低温液の蒸発量を増加させた
りするなどの問題があった。

【００１３】そこで本発明は、永久電流スイッチを動作
させたときに発生する熱が超電導コイルの配置場に熱負
荷として侵入するのを防止でき、もって装置としての経
済性および信頼性を向上できる超電導磁石装置を提供す
ることを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る超電導磁石装置は、超電導コイルと、
この超電導コイルを超電導転移温度以下の第１の温度レ
ベルに冷却する第１の冷却手段と、それぞれが前記超電
導コイルの超電導転移温度より高い超電導転移温度の超
電導体で形成され、それぞれの一端側が前記超電導コイ
ルに接続されて上記超電導コイルへ電流を供給する電流
リードの一部を構成する一対の電流リード要素と、前記
超電導コイルの超電導転移温度より高い超電導転移温度
の超電導体で形成され、前記一対の電流リード要素の他
端側間に接続された永久電流スイッチ要素と、この永久
電流スイッチ要素および前記一対の電流リード要素の他
端側を前記第１の温度レベルより高く、かつ上記一対の
電流リード要素および上記永久電流スイッチ要素の超電
導転移温度より低い第２の温度レベルに冷却する第２の
冷却手段と、前記永久電流スイッチ要素を選択的に常電
導転移させる手段とを備えている。

【００１５】なお、前記超電導コイルが合金系超電導体
または化合物系超電導体、つまり超電導転移させるのに
液体ヘリウム温度近くまで冷却しなければならない超電
導体で形成されている場合には、液体窒素温度の冷却で
超電導転移させることのできる酸化物超電導体で前記一
対の電流リード要素および前記永久電流スイッチ要素を
形成することが好ましい。

【００１６】また、前記第１の冷却手段は、前記第１の
温度レベルの液体あるいはガスの冷媒を有し、該液体あ
るいはガスの冷媒で前記超電導コイルを直接的または間
接的に冷却する冷却系統で構成されていてもよい。同様
に、前記第２の冷却手段は、前記第２の温度レベルの液
体あるいはガスの冷媒を有し、該液体あるいはガスの冷
媒で前記永久電流スイッチ要素および前記一対の電流リ
ード要素の他端側を直接的または間接的に冷却する冷却
系統で構成されていてもよい。

【００１７】さらに、前記第１の冷却手段は蓄冷器を備
えた複数段膨張式の蓄冷式冷凍機における最終段冷却ス
テージを吸熱源として前記超電導コイルを冷却する第１
の吸熱系によって構成され、前記第２の冷却手段は上記
蓄冷式冷凍機の前記最終段以外の冷却ステージを吸熱源
とする第２の吸熱系によって構成されていてもよい。

【００１８】ここで、上記第１の吸熱系は、上記最終段
冷却ステージと上記超電導コイルとを熱的に接続する熱
伝導部材を備え、超電導コイルを直接冷却する構成でも
よい。また、前記第２の冷却手段は、前記超電導コイル
の配置場への熱侵入を阻止するサーマルシールドの冷却
も兼ねている構成でもよい。

【００１９】

【作用】超電導コイルは第１の冷却手段によって超電導
転移温度以下の第１の温度レベルに冷却される。一方、
一対の電流リード要素と永久電流スイッチ要素とは超電
導コイルの超電導転移温度より高い超電導転移温度の超
電導体で形成されている。そして、これら一対の電流リ
ード要素の他端側と永久電流スイッチ要素とは第２の冷
却手段によって前記第１の温度レベルより高く、かつ上
記一対の電流リード要素および上記永久電流スイッチ要
素の超電導転移温度より低い第２の温度レベルに冷却さ
れる。

【００２０】今、第１の温度レベルを４Ｋとし、第２の
温度レベルを５０Ｋとすると、超電導コイルは第１の冷
却手段によって４Ｋに冷却され、永久電流スイッチ要素
は第２の冷却手段によって５０Ｋに冷却されることにな
る。一般に、冷却手段による冷凍能力は、温度によって
左右され、温度が高い程大きい。上記の温度関係の場合
には、第１の冷却手段の冷凍能力に比べて第２の冷却手
段の冷凍能力の方がはるかに大きい。このため、超電導
スイッチ要素を選択的に常電導転移させる手段を動作さ
せたときに発熱が生じても、この発熱は冷凍能力の大き
い第２の冷却手段によって速やかに吸収され、第１の冷
却手段の熱負荷となることは少ない。したがって、永久
電流スイッチを動作させたときに発生する熱が超電導コ
イルの配置場に熱負荷として侵入するのを防止すること
が可能となる。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明の一実施例に係る超電導磁石装置、
ここには冷凍機直冷式の超電導磁石装置に本発明を適用
した例が示されている。なお、この図では図４と同一機
能部分が同一符号で示されている。したがって、重複す
る部分の詳しい説明は省略する。

【００２２】真空容器１内に配置されている超電導コイ
ル２は、超電導転移温度が８〜１５Ｋ程度であるＮｂ・
Ｔｉ等の合金系超電導体あるいはＮｂ₃ Ｓｎ等の化合物
系超電導体で形成されている。そして、ＧＭ冷凍機４の
第１段冷却ステージ５を吸熱源としてサーマルシールド
３が５０Ｋ程度（第２の温度レベル）に冷却され、また
ＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ（最終段冷却ステー
ジ）６を吸熱源として超電導コイル２が４Ｋ程度（第１
の温度レベル）に冷却される。

【００２３】一方、超電導コイル２には、この超電導コ
イル２に真空容器１外から電流を供給するための電流リ
ード２１が接続されている。この電流リード２１は、温
度レベル範囲に対応させて使用材料が異なっている。す
なわち、室温から５０Ｋレベルまでの範囲ではリン脱酸
銅等の銅製の電流リード要素２２ａ，２２ｂが用いられ
ており、５０Ｋ以下の温度範囲では超電導転移温度がサ
ーマルシールド３の温度より高い、たとえばビスマス系
の酸化物超電導体（超電導転移温度が約１３０Ｋ）製の
電流リード要素２３ａ，２３ｂが用いられている。電流
リード要素２２ａ，２２ｂにおけるサーマルシールド３
を貫通する部分および真空容器１の壁を貫通する部分は
ブッシング構成に形成されている。電流リード要素２２
ａ，２２ｂにおける電流リード要素２３ａ，２３ｂに近
い部分は、表面が窒化アルミニウムのように熱伝導性お
よび電気絶縁性に優れた部材で覆われたサーマルアンカ
２４ａ，２４ｂを介してサーマルシールド３に熱的に接
続されている。この構成によって、電流リード要素２３
ａ，２３ｂは、全体が超電導転移温度以下、つまり図中
上端部が５０Ｋ程度（第２の温度レベル）に、また図中
下端部が４Ｋ程度（第１の温度レベル）に保持される。

【００２４】この実施例の場合、電流リード要素２３
ａ，２３ｂの他端側、つまり電流リード２２ａ，２２ｂ
との境界に近い部分に永久電流スイッチ３１が接続され
ている。この永久電流スイッチ３１は、電流リード要素
２３ａ，２３ｂを形成している超電導体と同じビスマス
系の酸化物超電導体で形成されて電流リード要素２３
ａ，２３ｂの他端側間に接続された永久電流スイッチ要
素３２と、この永久電流スイッチ要素３２に選択的に熱
を加えて常電導転移状態（オフ状態）にさせる電気ヒー
タ３３とで構成されている。なお、電気ヒータ３３の両
端は図示しないリード線を介して真空容器１の外部に導
かれている。

【００２５】前述の如く、電流リード２２ａ，２２ｂの
電流リード２３ａ，２３ｂとの境界部分がサーマルアン
カ２４ａ，２４ｂを介してサーマルシールド３に熱的に
接続されているので、永久電流スイッチ要素３２もサー
マルシールド３と同じ５０Ｋに冷却され、電気ヒータ３
３が付勢されていないときには超電導転移状態（オン状
態）に保持される。そして、電気ヒータ３３が付勢され
て超電導転移温度を越えるレベルまで温度上昇すると、
永久電流スイッチ要素３２は常電導転移状態（オフ状
態）となる。

【００２６】上記構成から判るように、蓄冷式冷凍機４
の第２段（最終段）冷却ステージ６と熱伝導部材７，８
とで、第２段冷却ステージ６を吸熱源として超電導コイ
ル２を４Ｋ（第１の温度レベル）に冷却するための第１
の冷却手段が構成されている。また、蓄冷式冷凍機４の
第１段冷却ステージ５とサーマルシールド３とサーマル
アンカ２４ａ，２４ｂとで、第１段冷却ステージ５を吸
熱源として永久電流スイッチ要素３２および電流リード
要素２３ａ，２３ｂの他端側を５０Ｋ（第２の温度レベ
ル）に冷却するための第２の冷却手段が構成されてい
る。

【００２７】第１段冷却ステージ５の温度は第２段冷却
ステージ６のそれよりはるかに高い。したがって、第１
段冷却ステージ５の冷凍能力は、第２段冷却ステージ６
の冷凍能力に比べてはるかに大きい。この冷凍能力の大
きい第１の冷却ステージ５を吸熱源として永久電流スイ
ッチ要素３２および電流リード要素２３ａ，２３ｂの他
端側が５０Ｋ（第２の温度レベル）に冷却される。この
ため、永久電流スイッチ３１をオフさせるために電気ヒ
ータ３３を付勢したとき、この電気ヒータ３３で発生し
た余剰発熱分はサーマルアンカ２４ａ，２４ｂおよびサ
ーマルシールド３を介して冷凍能力の大きい第１段冷却
ステージ５によって速やかに吸収され、第２段冷却ステ
ージ６の熱負荷となることは少ない。したがって、永久
電流スイッチ３１を動作させたときに発生する熱が原因
で超電導コイル２がクエンチするのを防止することが可
能となる。

【００２８】図２には本発明の別の実施例に係る超電導
磁石装置、ここにも冷凍機直冷式の超電導磁石装置に本
発明を適用した例が示されている。なお、この図では図
１と同一機能部分が同一符号で示されている。したがっ
て、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００２９】この実施例が図１に示した実施例と異なる
点は、永久電流スイッチ３１ａの構成にある。永久電流
スイッチ３１ａは、超電導体に臨界磁界以上の磁場を印
加することによってオフ動作を行わせる磁場印加タイプ
に構成されている。

【００３０】すなわち、永久電流スイッチ３１ａは、電
流リード要素２３ａ，２３ｂを形成している超電導体と
同じビスマス系の酸化物超電導体で形成されて電流リー
ド要素２３ａ，２３ｂの他端側間に接続された永久電流
スイッチ要素３２と、この永久電流スイッチ要素３２の
回りに同心的に配置されて永久電流スイッチ要素３２に
臨界磁界以上の磁場を選択的に印加して常電導転移（オ
フ状態）させるコイル３４とで構成されている。なお、
コイル３４は電流リード要素２３ａ，２３ｂを形成して
いる超電導体と同じビスマス系の酸化物超電導体で形成
されており、サーマルアンカ３５を介してサーマルシー
ルド３に熱的に接続されている。また、コイル３４の両
端は図示しないリード線を介して真空容器１の外部に導
かれている。

【００３１】このような構成であると、コイル３４はサ
ーマルシールド３およびサーマルアンカ３５を介して常
時、超電導転移温度以下に保持される。すなわち、コイ
ル３４も超電導状態に保持される。そして、コイル３４
に選択的に通電することによって永久電流スイッチ要素
３２を常電導転移（オフ状態）させることができる。こ
の場合、コイル３４に通電しても、コイル３４での発熱
はないので、結局、永久電流スイッチ３１ａを動作させ
たときに発生した熱が原因で超電導コイル２がクエンチ
するのを防止することができる。

【００３２】図３には本発明のさらに別の実施例に係る
超電導磁石装置、ここには浸漬冷却方式の超電導磁石装
置に本発明を適用した例が示されている。図中、４１は
断熱容器を示している。この断熱容器４１は、非磁性金
属材で形成された内槽４２と、非磁性材で形成された外
槽４３と、内・外槽間に形成された真空断熱層４４と、
真空断熱層４４内に内槽４２を包囲するように設けられ
た非磁性金属材製のサーマルシールド４５とを備えてい
る。

【００３３】内槽２内には極低温冷媒である液体ヘリウ
ム４６が収容され、この液体ヘリウム４６中に没するよ
うに超電導コイル４７が配置されている。超電導コイル
４７は、超電導転移温度が８〜１５Ｋ程度であるＮｂ・
Ｔｉ等の合金系超電導体あるいはＮｂ₃ Ｓｎ等の化合物
系超電導体で形成されている。なお、この図では内槽４
２へ液体ヘリウム４６を注入するための注液管や、内槽
４２内で発生したヘリウムガスを回収するための排気管
や、超電導コイル４７の位置を保持する手段などが省略
されている。

【００３４】一方、輻射等によって内槽４２内へ侵入し
ようとする熱を吸収して超電導コイル４７の温度環境を
保持するための蓄冷式冷凍機４９が設けられている。こ
の蓄冷式冷凍機４９は、断熱容器４１の内外に跨がる関
係に設けてあり、第１段冷凍部５０と第２段冷凍部５１
とを備えている。

【００３５】第１段冷凍部５０は、ギフォード・マクマ
ホン冷凍サイクルを採用しており、内部に蓄冷器を保持
したディスプレーサ５２を有している。このディスプレ
ーサ５２はモータ５３の回転に同期して図中上下方向に
往復駆動される。そして、ディスプレーサ５２が上死点
（図中最下点）に達した時点で高圧弁５４が開き、コン
プレッサ５５から送り出された高圧ヘリウムガスが第１
段冷凍部５０内に流入する。また、ディスプレーサ５２
が下死点（図中最上点）に達した時点で低圧弁５６が開
き、第１段冷凍部５０内の高圧ヘリウムガスを断熱膨張
させて第１段冷却ステージ５７に寒冷を発生させる。す
なわち、この第１段冷凍部５０は、１段のＧＭ冷凍機を
構成し、第１段冷却ステージ５７でサーマルシールド４
５を５０Ｋ程度に冷却している。

【００３６】一方、第２段冷凍部５１は、ダブルインレ
ット方式のパルスチューブ冷凍サイクルを採用してい
る。すなわち、第１段冷凍部５０における低温空間を配
管５８、蓄冷器５９、吸熱管６０、パルスチューブ６
１、キャピラリーチューブ６２を介して配管５８に接続
するとともにパルスチューブ６１の高温端空間をバッフ
ァータンク６３に接続し、第２の冷却ステージ８１を構
成する吸熱管６０で４Ｋ程度の寒冷を発生させている。
そして、吸熱管６０で内槽４２を直接的に冷却してい
る。

【００３７】超電導コイル４７には、この超電導コイル
４７に断熱容器４１外から電流を供給するための電流リ
ード６４が接続されている。この電流リード６４は、温
度レベル範囲に対応させて使用材料が異なっている。す
なわち、室温から５０Ｋレベルまでの範囲ではリン脱酸
銅等の銅製の電流リード要素６５ａ，６５ｂが用いられ
ており、５０Ｋ以下の温度範囲では超電導転移温度がサ
ーマルシールド４５の温度より高い、たとえビスマス系
の酸化物超電導体（超電導転移温度が約１３０Ｋ）製の
電流リード要素６６ａ，６６ｂが用いられている。そし
て、電流リード要素６５ａ，６５ｂにおける外槽４３お
よびサーマルシールド４５を貫通する部分はブッシング
構成に形成されている。同様に、超電導コイル４７から
延び、内槽４２の上壁を貫通する部分もブッシング構成
に形成されている。また、電流リード要素６５ａ，６５
ｂにおける電流リード要素６６ａ，６６ｂに近い部分
は、表面が窒化アルミニウムのように熱伝導性および電
気絶縁性に優れた部材で覆われたサーマルアンカ６７
ａ，６７ｂを介してサーマルシールド４５に熱的に接続
されている。

【００３８】この構成によって、電流リード要素６６
ａ，６６ｂは、全体が超電導転移温度以下、つまり図中
上端部が５０Ｋ程度（第２の温度レベル）に、また図中
下端部が４Ｋ程度（第１の温度レベル）に保持される。

【００３９】電流リード要素６６ａ，６６ｂの他端側、
つまり電流リード６５ａ，６５ｂとの境界に近い部分に
永久電流スイッチ７０が接続されている。この永久電流
スイッチ７０は、電流リード要素６６ａ，６６ｂを形成
している超電導体と同じビスマス系の酸化物超電導体で
形成されて電流リード要素６６ａ，６６ｂの他端側間に
接続された永久電流スイッチ要素７１と、この永久電流
スイッチ要素７１に選択的に熱を加えて常電導転移状態
（オフ状態）にさせる電気ヒータ７２とで構成されてい
る。なお、電気ヒータ７２の両端は図示しないリード線
を介して断熱容器４１の外部に導かれている。

【００４０】上記構成から判るように、蓄冷式冷凍機４
９の第１段冷却ステージ５７とサーマルシールド４５と
サーマルアンカ６７ａ，６７ｂとで、第１段冷却ステー
ジ５７を吸熱源として永久電流スイッチ要素７１および
電流リード要素６６ａ，６６ｂの他端側を５０Ｋ（第２
の温度レベル）に冷却するための第２の冷却手段が構成
されている。

【００４１】第１段冷却ステージ５７の温度は第２の冷
却ステージ８１を構成している吸熱管６０のそれよりは
るかに高い。したがって、第１段冷却ステージ５７の冷
凍能力は、第２段冷却ステージ８１の冷凍能力に比べて
はるかに大きい。この冷凍能力の大きい第１の冷却ステ
ージ５７を吸熱源として永久電流スイッチ要素７１およ
び電流リード要素６６ａ，６６ｂの他端側が５０Ｋ（第
２の温度レベル）に冷却される。このため、永久電流ス
イッチ７０をオフさせるために電気ヒータ７２を付勢し
たとき、この電気ヒータ７２で発生した余剰発熱分はサ
ーマルアンカ６７ａ，６７ｂおよびサーマルシールド４
５を介して冷凍能力の大きい第１段冷却ステージ５７に
よって速やかに吸収され、液体ヘリウム４６に対して熱
負荷となることは少ない。したがって、永久電流スイッ
チ７０を動作させたときに発生する熱が原因で液体ヘリ
ウム４６の蒸発量が増加するのを防止することができ
る。

【００４２】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。すなわち、超電導磁石装置の中には、
超電導コイルを液体ヘリウムで直接的あるいは間接的に
冷却し、サーマルシールドを液体窒素で直接的あるいは
間接的に冷却するものもあるが、このようなものについ
ても本発明を適用することができる。

【００４３】さらに、冷凍機とヘリウムガスあるいは窒
素ガス等を循環させる冷媒ガス循環系とを組合せて用
い、冷凍機の第１段および第２段冷却ステージと超電導
コイルおよびサーマルシールドとを上記冷媒ガス循環系
によって熱的に連結し、冷媒ガスを循環させることで冷
却する方式の超電導磁石装置についても本発明を適用す
ることができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
永久電流スイッチを動作させたときに発生する熱が超電
導コイルの配置場に熱負荷として侵入するのを防止する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超電導磁石装置の模式
的構成図

【図２】本発明の別の実施例に係る超電導磁石装置の模
式的構成図

【図３】本発明のさらに別の実施例に係る超電導磁石装
置の模式的構成図

【図４】従来の代表的な超電導磁石装置の模式的構成図

【符号の説明】

１…真空容器２、４７…超電導コイル３，４５…アーマルシールド４、４９…蓄冷式冷凍機５、５７…第１段冷却ステージ６、８１…第２段冷却ステージ７、８…熱伝導部材２１、６４…電流リード２２ａ，２２ｂ、６５ａ，６５ｂ…銅製の電流リード要
素２３ａ，２３ｂ、６６ａ，６６ｂ…超電導体製の電流リ
ード要素２４ａ，２４ｂ、６７ａ，６７ｂ…サーマルアンカ３０、３１ａ、７０…超電導スイッチ３２、７１…超電導スイッチ要素３３、７２…電気ヒータ３４…コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導コイルと、この超電導コイルを超電
導転移温度以下の第１の温度レベルに冷却する第１の冷
却手段と、それぞれが前記超電導コイルの超電導転移温
度より高い超電導転移温度の超電導体で形成され、それ
ぞれの一端側が前記超電導コイルに接続されて上記超電
導コイルへ電流を供給する電流リードの一部を構成する
一対の電流リード要素と、前記超電導コイルの超電導転
移温度より高い超電導転移温度の超電導体で形成され、
前記一対の電流リード要素の他端側間に接続された永久
電流スイッチ要素と、この永久電流スイッチ要素および
前記一対の電流リード要素の他端側を前記第１の温度レ
ベルより高く、かつ上記一対の電流リード要素および上
記永久電流スイッチ要素の超電導転移温度より低い第２
の温度レベルに冷却する第２の冷却手段と、前記永久電
流スイッチ要素を選択的に常電導転移させる手段とを具
備してなることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】前記超電導コイルは合金系超電導体または
化合物系超電導体で形成されており、前記一対の電流リ
ード要素および前記永久電流スイッチ要素は酸化物超電
導体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載
の超電導磁石装置。
【請求項３】前記第１の冷却手段は蓄冷器を備えた複数
段膨張式の蓄冷式冷凍機における最終段冷却ステージを
吸熱源として前記超電導コイルを冷却する第１の吸熱系
によって構成されており、前記第２の冷却手段は上記蓄
冷式冷凍機の前記最終段以外の冷却ステージを吸熱源と
する第２の吸熱系によって構成されていることを特徴と
する請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項４】前記第１の冷却手段は前記第１の温度レベ
ルの液体あるいはガスの冷媒を有し、該液体あるいはガ
スの冷媒で前記超電導コイルを直接的または間接的に冷
却する第１の冷却系統で構成されており、前記第２の冷
却手段は前記第２の温度レベルの液体あるいはガスの冷
媒を有し、該液体あるいはガスの冷媒で前記永久電流ス
イッチ要素および前記一対の電流リード要素の他端側を
直接的または間接的に冷却する第２の冷却系統で構成さ
れていることを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石
装置。
【請求項５】前記第１の吸熱系は、前記最終段冷却ステ
ージと前記超電導コイルとを熱的に接続する熱伝導部材
を備えていることを特徴とする請求項３に記載の超電導
磁石装置。
【請求項６】前記第２の冷却手段は、前記超電導コイル
の配置場への熱侵入を阻止するサーマルシールドの冷却
も兼ねていることを特徴とする請求項１，３，４のいず
れか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項７】前記永久電流スイッチ要素を選択的に常電
導転移させる手段は、前記永久電流スイッチ要素に熱を
加える熱発生手段から構成されていることを特徴とする
請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項８】前記永久電流スイッチ要素を選択的に常電
導転移させる手段は、前記永久電流スイッチ要素に磁場
を印加する磁場発生手段から構成されていることを特徴
とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項９】前記磁場発生手段は、酸化物超電導体から
成るコイルを備えていることを特徴とする請求項８に記
載の超電導磁石装置。