JPS6054409A - 超電導装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は消磁中の極低温冷媒の蒸発量を低減できる超
電導装置に関するものである。

６Ｍ　１図は従来の超電導装置を示す構成図である。

図において、（１）は超電導コイル、（２）は永久電流
スイッチ（ここでは最も一般的な熱式永久電流スイッチ
の場合について示している。）　％　（３）は超電導コ
イ／ｌ／　（１）および永久電流スイッチ（２）を超電
導状態にするための極低温冷媒、（４）は極低温冷媒を
満たし、超電導コイｔｖ　（ｔ）と永久電流スイッチ（
２）を収納した極低温容器、（５）は永久電流スイッチ
（２）を開閉するためのヒータ、（６）はヒータ（５）
の電源、（７）はスイッチ、（８）は超電導コイＩｖ（
１）に外部から電流を供給するための電流リードで、シ
ースｗ（９）の中に納められ極低温冷媒の蒸発ガスを冷
却ガスとしてシース管（９）の内部に通すことにより冷
却される構造となっている。（１０は電流リード（８）
の冷却ガスの流量を強制的に確保するために極低温冷媒
（３）中に設置された補助ヒータ、（川は補助ヒータＱ
Ｏの電源、（＋２）はスイッチ、（Ｉ：ｌｌは超電導コ
イｙｖ　（１）や永久電流スイッチ（２）の運転中の超
尾導破壊のような異常時にそれらの発生エネルギーの多
くを極低温容器（４）の外部で消費する保護抵抗器で、
背ｉ電導コイ〜（１）の許容温度上昇値、自己インダク
タンス、永久電流スイッチ（２）の常電導抵抗値や許容
発生電圧等から適当な値が選定される。（１４）は超’
ＩＷ導コイル（１）に電流リード（８）を通じて′ＩＥ
流を供給するための外部電源、θ扮はスイッチである。

第１図に従って、従来の消磁システムについて説明する
。

今、超電導コイル（１）と永久亜流スイッチ（２）はそ
れぞれ超電導状態で閉回路を構成し、永久電流Ｉ０で運
転されている状態から、これを消磁する場合を考える。

先ず、スイッチ（１６）を閉じて外部電源θ４）を電流
リード（８）に接続する。次に、スイッチ（１２１を閉
じて補助ヒータ０１に通電し、極低温冷媒（３）を強制
的に蒸発させ、電流リード（８）を予備冷却する。電流
リード（８）が予め定められた温度以下に冷却されると
、外部電源（＋（１）により永久電流Ｉ。と同じ電流値
に達するまで′ＦＥ流リード（８）に通電する電流を上
昇させる。

この時、超電導コイＡ／　（１）の電流はＩ。から変化
しないが、永久電流スイッチ（３）の電流は■。から減
少して遂には零となる。この状態になるとスイッチ（７
）を閉じてヒータ（５）にａ電して、永久電流スイッチ
（２）を常電導状態に遷移させることによって開とする
。永久電流スイッチ（２）を開としてから外部電源０４
＋の電圧を徐々に下げて行くと超電導コイｙｖ　（ｔ）
の電流はＩｏから徐々に減少し遂には零となって消磁作
業が完了する。

このような従来の消磁システムにおいては以下のような
欠点があった。

すなわち、超電導コイ／１／　（ｔ）の永久電流運転中
、つまり電流リード（８）の非通電時に電流リードを通
じて常温部から流入する熱量をできるだけ少くおさえて
極低温冷媒（３）の蒸発を極力おさえる必要から電流リ
ード（８）の導体の断面積は余り大きくとれない。その
ため、電流リード（８）ａ電時に抵抗発熱により電流リ
ード（８）が熱暴走しないようにする必要ある。そこで
、前述したように電流リード（８）は通電中のガス冷却
のみならず通電前の予備冷却がなされるので、この間に
補助ヒータ（１１）によって極低温冷媒（３）を積極的
に蒸発させてしまうことになる。したがって、消磁作業
に必要な極低温冷媒量を消磁作業開始前に確保しておく
必要があるので、装置の運転可能時間を短く制限される
という重大な欠点があった。

この発明は上記に鑑みてなされたもので、超電導コイル
の励磁中は保護抵抗としての抵抗値を持ち、消磁時には
極低温冷媒の蒸発量を低減するための最適抵抗値にして
永久電流スイッチを開にして強制消磁を行うことによっ
て、消磁中の極低温冷媒の蒸発量を格段に低減できる超
電導装置を提供する。

以下、この発明の一実施例を示す第２図に従って説明す
る。図において、（＋ｅｌは消磁抵抗器で、後述するよ
うに消磁作業中の極低温冷媒の蒸発量を低減するための
最適値に設定されている。（１７１は保護抵抗器＋ｌｌ
と消磁抵抗器Ｏａｔとの切り換え手段である。

さて、本発明の消磁手順を示すと以下のようになる。先
ず、切り換え手段（１ηを消磁抵抗（ＩＱに切り換える
。次に、スイッチ（７）を閉じて永久電流スイッチ（２
）のヒータ（５）に通電して、永久電流スイッチ（２）
を開とする。永久電流スイッチ（２）が開になると、そ
の発生常電導抵抗と消磁抵抗Ｈの合成抵抗値Ｒと超電導
コイｒｖ　（ｔ）の自己インダクタンスＬとで決まる時
定数で超電導コイ／ｌ／　（１）の定流は（１）式に従
って減衰して超電導コイル（１）は消磁される。

ここで、Ｉ　（ｔ）　；時刻ｔにおける電流■。　；時
刻ｔ＝ｏにおける電流 この時に極低温冷媒を蒸発させる要因として次の３つが
ある。すなわち、 ■永久電流スイッチ（２）を開とするためのヒータ（５
）の発熱。

■超電導コイＡ／　（１）の電流が（１）式に従って減
衰する際に永久電流スイッチ（２）に分流する電流と永
久電流スイッチの常電導抵抗による分流損失。

■電流リード（８）を１０つて消磁抵抗（国に流れる電
流による電流リードの発熱が熱伝導によって電流リード
（８）の低温端から１萌低温冷媒中に侵入すること。

これらの発熱量のうち、■の永久’ｒＫ流スイッチ（２
）のヒータ（５）の損失ＷＨは、使用する永久電流スイ
ッチ（２）に必要とされるスイッチング特性等から決す
る固有の一定値であって、その発生熱量ＱＨはｗｎ×（
消磁時間）でめられる。■の分流損失ＷｐＣ８は永久電
流スイッチ（２）の常電導抵抗値をＲｐｃｓ、消磁抵抗
ＱＱの抵抗値をＲＬとすれば、（１）式から次式のよう
に表わされる。

ただし、Ｒｔ＜＜Ｒｐｃｓとする。

したがって、消磁中の分流損失による発生熱量となる。

また、■の電流リード（８）からの侵入熱量ＱｐＬは、
電流リード（８）の導体の材質や、断面積、長さ等の諸
元と通電々流値、通電時間等により決まり、数式的に表
わすのは困難であるが、シミュレーション等により電流
リードの温度分布を計算して、（４）式及び（５）式か
ら定量的にめることは可能である。

ＱｐＬ＝Ｉｏ　ｑ　ｄｔ　・・・・・・・・・・・・・
・・（４）ただし、 Ｔ ｑ　＝　ｋＳ−・・・・・・・・・・・・・・・（５）
ｘ 発明者は実用されている超電導コイｔｖ　（ｔ）　ｓ永
久電流スイッチ（２）、電流リード（８）の−例につい
て、従来の消磁システムにおける第３図に示す消磁パタ
ーンの場合と、本発明による消磁システムにおける第４
図に示す消磁パターンの場合の消磁中の発熱量を試算し
て比較した。試算条件を第１表に、結果を第２表および
第５図に示す。

第１表 第　２　表 第５図から、本発明の消磁システムの場合は、極低温冷
媒の蒸発ＩＩ′Ｉを最少にする消磁用の抵抗値が存在す
る。その蒸発量は１ｍ低温冷媒として、たとえば液体ヘ
リウムを使用した場合、従来のものが７４７４と対し、
この発明のものでは’１４９１と約１／３に低減される
ことがわかる。

さて、第５図において、消磁用の抵抗値の大きさに対し
て合計発熱−１１：が最小となる抵抗値が存在すること
は曲述した通りである。これは永久電流スイッチ（２）
のヒータ損失ＱＨや電流リード（８）の低湿端からの浸
入熱ｆｉｔＱｐｔが消磁に要する時間が長くなる程大き
くなるためで、合計発熱量に対して、消磁用の抵抗値が
大きい範囲では永ｌ電流スイッチ（３）の分流損失Ｑｐ
ｃｓが支配的であり、抵抗値が小さい範囲ではヒータ損
失ＱＨと電流リードからの浸入熱量Ｑ、Ｌの和が支配的
になるからである。そして、消磁用の抵抗値が小さい程
、消磁時間が長くなる原因は、（１）式かられかるよう
に超電導コイル（１）の電流は指数関数的に減少するこ
と、減衰時定数はτ＝Ｌ／Ｒｔ、と消磁用の抵抗値が小
さい程長いことによる。

そこで、亮電流域での電流減衰の割合を過大にせずに低
電流域での電流減衰の割合を減少させないようにすれば
、永久電流スイッチ（２）の分流損失Ｑｐ（ｓを余り増
加させずに消磁時間を短ｉｌ宿することができ、ヒータ
損失ＱＨｓ　’１を流リード（９）からの侵入熱量Ｑｐ
Ｌを低減できて更に消磁時の極低温冷媒の蒸発量を低減
できるととになる。

これを実現するためになされた発明が第６図ω（ｂ）に
示す本発明の他の実施例であり、サイリスタＱ８１のよ
うにその電圧降下が通電々流値に余り依存しないもので
切り換え手段を構成する。

すなわち、サイリスク（１８）の順方向電圧降下は電流
依存性が少く、超電々流値に対してほぼ一定の電圧降下
となるため、消磁用の合成抵抗値として、電流の大きな
範囲で低抵抗、小さな範囲で高抵抗となるような特性を
持たせるととが可能であり、このことにより、超電導コ
イル（１）の電流の初期減少割合を過大にせずに、零に
減衰するまでの時間が短縮できる。

今、第６図中）のような（イ４成の場合を考え、消磁抵
抗ＱφをＲｔ、サイリスタｌｌＬ’＋方向電圧降下をＥ
Ｔｌｔとすれば、超電導コイル（１）の減衰電流Ｉ　（
ｔ）は（６）式で与えられる。

ただし、Ｒｔ＜＜　Ｒｐｃｓとした。

したがって、Ｉ　（ｔ）　＝　Ｏとなる壕での時間ｔ、
は（７）式％式％ 永久電流スイッチ（２）の分流損失は（８）式でめられ
る。

ＲＬ＝α０２０、Ｅ７ｈ＝２　（Ｖ）　、他はｆＶ　１
表の条件として（６）式を計算し、ＲＬ＝ＱＯ２（３、
α０５Ωとして（１）式を計算した結果と比較したもの
を第７図に示す。第７図かられかるようにＲｔ十ＥＴ１
１の場合は％Ｒ１、のみの場合に比べて、電流の大きい
範囲での″「電流減衰の割合を過大にせずに、電流の小
さい範囲での電流減衰の割合の減少を防止でき消磁時間
が短杆ｉできる。

また、同、１苗に％ＲＬ＝α０２（３、ＥＴｈ＝２　（
Ｖ）として％ＱｐｃｓＱＨ，ＱＰＬ　Ｑを試算した結果
を第５図中に○口Δ×の記号でプロットして示す。

第５図かられかるように、本発明の他の実施例の場合は
、消磁抵抗器のみの本発明の一実施例のＱが最小となる
場合に比べて、消磁中の発熱量Ｑを約６５％に、また、
従来の消磁システムの場合に比べて約２２％に低減でき
、消磁中の極低温冷媒の蒸発量の低減に更に有効である
ことは明らかである。

また、上記の試算は、電流リードのガス冷却が全く行わ
れない条件で計算しているが、永久電流スイッチのヒー
タ損失や分流損失による極低温冷媒の蒸発ガスで電流リ
ードを冷却すれば、第２表および第５図における電流リ
ードの低温端からの熱侵入をほとんど零にすることがで
き、史に消磁中の極低温冷媒の蒸発量を低減できる。

以上のように本発明によれば、励磁中の保護機能を損う
ことなｉノに、消磁中の極低温冷媒の蒸発量を格段に低
減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の１′ｒ１電導装置の構成図、第２図は本
発明の−も１、］施例を示す構成図、＠３図及び第４図
はそれぞれ従来のものと本発明のものとの消磁パターン
を示す説明図、１罫５図は消磁中の極低温冷媒の蒸発の
原因となる発熱像を試算した結果を示す説明図、第６図
は本発明の他の実施例の要部を示す構成図、第７図は超
電導コイルの減衰電流の状態を示す説明図である。 図中、（１）は超電導コイル、（２）は永久電流ス、ｆ
ツチ、（３）は極低温冷媒、（４）は極低温容器、（５
）は永久電流スイッチを開閉するためのヒータ、（８）
は’ｒＫ　流リード、　（＋３１は保護抵抗、（ｌｅｔ
は消磁抵抗である。 なお各図中間−符・す・は同−又は相当部分を示す。 代理人　大岩増雄 ０翰 第１図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）極低温冷媒を封入しｔコ極低温容器に超電導コイ
   ルと永久電流スイッチとの並列回路を配置して、上記並
   列回路の両端にそれぞれ接続した電流リードを上記極低
   温容器の外部に導出し、上記両電流リード間に上記超電
   導コイルの異常時の保護抵抗を接続したものにおいて、
   上記超電導コイルの消磁をするとき上記両電流リード間
   に消磁抵抗を接続し、消磁中における上記永久電流スイ
   ッチの分流損失による発生熱量と、上記永久電流スイッ
   チを開くのに消費する電力による発生熱量と、上記両電
   流リードから浸入する熱量とを合計した熱量が最小値に
   なるように上記消磁抵抗の値を選定したことを特徴とす
   る超電導装置。
2. （２）保護抵抗と消磁抵抗との切換えは半導体素子の点
   弧制御によって行なうことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の超電導装置ｉｌｙ、。