JP3092829B2

JP3092829B2 - 超電導コイル装置

Info

Publication number: JP3092829B2
Application number: JP12526492A
Authority: JP
Inventors: 和行鶴永
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 2000-09-25
Anticipated expiration: 2015-09-25
Also published as: JPH05326258A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温領域に設けられ
た超電導コイルに永久電流を流す超電導コイル装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】超電導の応用分野の１つに直流永久電流
による発生磁界または電磁エネルギを利用した機器やシ
ステムがある。これらの機器やシステムとしては、例え
ば直流超電導マグネットによる磁界を利用して人体の断
層像撮影を行う磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）
や、超電導コイルに電流を出し入れしながら電力を系統
安定等に利用する超電導エネルギ貯蔵（ＳＭＥＳ）シス
テム等がある。このような機器やシステムに電流を出し
入れする装置として、従来、図５に示すような超電導コ
イル装置が多用されている。

【０００３】図５に示す超電導コイル装置は、低温領域
にある超電導コイル１６に対して常温領域にある端子
（以下、常温端子と称する）１４ａ，１４ｂおよび該端
子に接続されている導体（以下、電流リードと称する）
１５ａ，１５ｂを介して電流を注入した後、超電導コイ
ル１６に並列に接続されている永久電流スイッチ１７を
閉成し、これにより超電導コイル１６と永久電流スイッ
チ１７からなるループ回路に永久電流を流すものである
が、これは、永久電流スイッチ１７を開放状態にしてお
いてから、電源１１からの交流電力を遮断器１２を介し
て電力変換装置１３に供給し、該電力変換装置１３から
の直流出力電流を常温端子１４ａ，１４ｂおよび電流リ
ード１５ａ，１５ｂを介して低温領域の超電導コイル１
６に供給することにより行われる。

【０００４】超電導コイル１６へ注入された電流が所定
値に達した場合に、遮断器１２が該注入電流を遮断し、
その直後に永久電流スイッチ１７を閉成すると、超電導
コイル１６と永久電流スイッチ１７とのループ回路に永
久電流が流れる。この永久電流によって必要な磁界を発
生させたり、電磁的にエネルギの貯蔵を行う。

【０００５】また、永久電流の値が所定値以下に減衰し
た場合には、電流を再注入したり、または貯蔵した電気
エネルギを電源側に回生するが、これらの動作について
説明する。

【０００６】まず、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲ
Ｉ）等の超電導マグネットの場合には、永久電流スイッ
チ１７を開放して、流れている永久電流を遮断した後、
上述したと同様に遮断器１２を閉成し、電源側から電流
を再注入する。

【０００７】また、超電導エネルギ貯蔵（ＳＭＥＳ）シ
ステムでは、永久電流スイッチ１７を開放した後、電力
変換装置１３をインバータモードにして、遮断器１２を
閉成し、これにより超電導コイル１６に流れていた電流
を電力変換装置１２のインバータ運転により交流に変換
し、電源側に戻す。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した超電導コイル
装置に電流を注入する電源は、超電導コイルの最大運転
電流に相当する電流を流せることが必要であるととも
に、必要な電流上昇率ｄｉ／ｄｔ値にコイルのインダク
タンスＬを乗じた出力電圧を有することが必要となり、
高電圧で大容量の電源装置が必要であるという問題があ
る。

【０００９】具体的に説明すると、定格運転電流が例え
ば１０００Ａで１０（Ｈ）のインダクタンスを有する超
電導コイルに１０Ａ／ｓｅｃのレートで電流を注入する
場合、電源の出力電圧としては、Ｌ・ｄｉ／ｄｔ＝１０
０Ｖが必要であり、通電容量としては、１０００Ａが必
要となるので、電源の必要容量は、１００×１０００＝
１００ｋＶＡとなり、かなり大きなものとなる。

【００１０】一般に、超電導コイルへの電流注入時間は
極力速い方が好ましいが、従来技術でこれに応えるに
は、電源の出力電圧を増大させるしかなく、超電導コイ
ルのような大きなインダクタンスを有するコイルに対し
ては、電源容量もインダクタンス値（出力電圧）に比例
して増大させなければならないという問題がある。ま
た、従来の超電導コイル装置における別の問題として
は、超電導コイルと常温端子との間を接続する電流リー
ドの断熱性の問題がある。

【００１１】上述したように、この種の超電導コイルで
は、ｋＡオーダの電流を数十〜数分間かけて流すので、
その導電路となる電流リードには同様に通電容量が必要
となり、一般の超電導コイルでは、従来、銅のロッドを
使用して電流リードを構成している。

【００１２】この銅製電流リードの問題は、その熱伝導
度が極めて高いこと、および電流がリードに流れている
間、リードの抵抗分によってジュール熱が発生するの
で、常温から低温領域への侵入熱量が大きくなり、低温
を維持する冷凍機の大きさおよび電力消費が大きくなる
という問題がある。このような問題に対処するため、従
来、高温酸化物超電導体を応用した超電導電流リードが
考案されている。

【００１３】図６は、特願昭６２−１２８８０４号に記
載されている上述したような高温酸化物超電導体を応用
した超電導電流リードの構成を示す図である。同図にお
いて、８１は超電導コイル、８２は液体ヘリウム容器、
８３は液体ヘリウム、８４は真空断熱容器、８５はガス
管、８７は電流リード、８８は酸化物超電導電流リー
ド、８９はガスヘリウム、９０は液体窒素、９１はガス
窒素、９２は液体窒素容器である。

【００１４】図６に示す従来技術において、常温領域と
液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）領域との間に液体窒素
（７７Ｋ）温度領域を設けて、７７Ｋと４．２Ｋ領域間
を例えば液体窒素温度以上で超電導となる酸化物超電導
体で接続すると、この超電導体は酸化物のために熱伝導
度が低いため、銅製の電流リードに比較して、７７Ｋか
ら４．２Ｋ領域への伝導熱侵入量を大幅に低減すること
ができる。また、超電導体であるので、導体抵抗もない
ため、従来の銅製電流リードのように通電電流によるジ
ュール発熱も生じない。従って、高温酸化物超電導体を
特に液体ヘリウムレベルの超電導コイル装置の電流リー
ドに応用することにより、４．２Ｋ領域への侵入熱量を
抑制し、冷凍機等の冷却補機のコンパクト化と省電力化
をはかることができる。

【００１５】しかしながら、ヘリウムレベルの超電導コ
イル装置に上述したような技術を適用したとしても、酸
化物超電導電流リードの高温側端子（７７Ｋ）と常温端
子（３００Ｋ）との間は、従来と同様に銅製の電流リー
ドを使用するしかなく、上述したと同様な問題がある。

【００１６】すなわち、数ｋＡ級の電流リードとして
は、例えば約２０mmの直径が必要であり、常温端子から
７７Ｋ端子間のリードの長さＬを２００mmとったとして
も、その熱伝導度（αｃｕ）は次式に示すように０．５
８４Ｗ／Ｋと非常に大きな値となる。 αｃｕ＝λ・Ｓ／Ｌ＝３７２×３．１４×１０^-4／０．２＝０．５８４（Ｗ／Ｋ）ここにおいて、λはリード（銅）の熱伝導率３７２Ｗ／
ｍｋであり、Ｓはリードの断面積πＤ² ／４＝３．１４
×１０^-4ｍ² である。この電流リードを使用した場合の
３００Ｋから７７Ｋ領域への１端子当りの侵入熱量
（Ｑ）を計算すると、次のようになる。Ｑ＝（３００−７７）×０．５８４＝１３０（Ｗ）現状の冷凍機で７７Ｋ端子部の温度を一定（７７Ｋ）に
保持するには、冷凍機効率等から試算して、約５ｋＷの
大きな常時電力が必要となる。上述した問題は、近年実
用化が期待されている液体窒素レベルの高温超電導体を
応用したシステムでも避けられない重要な課題であるこ
とは明らかである。

【００１７】上述したように、従来の超電導コイル装置
では、大電流を長時間通電しなければならないことか
ら、超電導機器と常温端子とを接続する電流リードの直
径が大きくなって、低温領域への侵入熱量が増大し、冷
却システムのコンパクト化と省電力化を阻害していると
いう問題がある。また、超電導コイルの電流制御を高速
に行うために、高電圧で大容量の電源装置が必要となる
等の問題がある。従って、小さな電源装置で電力制御時
間を極力短縮できるとともに、低温領域への侵入熱量を
極力低減し得る超電導コイル装置の開発が要望されてい
る。

【００１８】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、超電導コイルへの電流注入時
間を短縮するとともに、低温領域へ侵入する熱量を大幅
に低減し得る超電導コイル装置を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の超電導コイル装置は、低温領域に設けられ
た超電導コイルと常温領域に設けられた端子との間を接
続する導体内に直列に接続され、前記超電導コイルと直
列共振回路を構成する容量手段と、前記直列共振回路を
直列共振させるべく該直列共振回路に交流電流を注入す
る電流注入手段と、該電流注入手段から注入された交流
電流により前記直列共振回路が直列共振した場合の直列
共振電流を感知し、該直列共振電流が所望の電流になっ
たとき、該電流が永久電流として前記超電導コイルに流
れるべく該超電導コイルを短絡する感知短絡手段とを有
することを要旨とする。

【００２０】

【作用】本発明の超電導コイル装置では、超電導コイル
と常温端子との間の接続導体内に直列に容量手段を接続
して、超電導コイルと該容量手段とで直列共振回路を構
成し、該直列共振回路に交流電流を注入して直列共振さ
せ、この注入電流が所望の値になったとき、超電導コイ
ルを短絡して、永久電流を流している。

【００２１】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

【００２２】図１は、本発明の一実施例に係わる超電導
コイル装置の構成を示す回路図である。同図において、
低温領域にある超電導コイル７には並列に永久電流スイ
ッチ８が接続されるとともに、常温領域にある常温端子
９ａ，９ｂと超電導コイル７の両端との間の電流リード
６ａ，６ｂには直列に接続された静電容量が設けられて
いる。

【００２３】また、常温端子９ａ，９ｂは電力変換装置
３および遮断器２を介して電源１に接続され、電力変換
装置３において所望の周波数および電流に変換された電
源１からの交流電力が常温端子９ａ，９ｂ、電流リード
６ａ，６ｂを介して超電導コイル７に供給されるように
なっている。

【００２４】更に、前記常温端子９ａと電力変換装置３
との間には変流器４が接続され、該変流器４にはまたス
イッチ操作回路５が接続されている。変流器４は電力変
換装置３から常温端子９ａを介して超電導コイル７に供
給される注入電流を感知し、この電流が所定の値になる
と、スイッチ操作回路５を介して永久電流スイッチ８を
閉成するようになっている。

【００２５】図１に示す超電導コイル装置は、超電導コ
イルの特異性、すなわち非常に大きく空心で安定したイ
ンダクタンス特性に着目して考案されたものであり、超
電導コイル７と電流リード６ａ，６ｂ内に設けられた前
記静電容量とにより直列共振回路を構成し、この共振回
路の共振周波数またはその近傍の周波数を前記電力変換
装置３から超電導コイル７に供給し、これにより前記直
列共振回路を直列共振させて、超電導コイル７に電流を
注入するものである。

【００２６】更に詳細には、まず、永久電流スイッチ８
を開放状態にした後、電力変換装置３の出力周波数を電
流リード６ａ，６ｂの静電容量と超電導コイル７との直
列共振周波数またはその近傍の周波数に設定し、該周波
数の共振電流を前記直列共振回路に通電する。

【００２７】この共振電流は、変流器４で検出され、そ
の値が所定値に達すると、変流器４はスイッチ操作回路
５を作動し、これにより超電導コイル７に並列に接続さ
れた永久電流スイッチ８を閉成すると同時に遮断器２を
遮断させる。この結果、永久電流スイッチ８が閉成した
瞬間の電流値が永久電流として、超電導コイル７と永久
電流スイッチ８とからなるループ回路に流れ続けること
になる。なお、スイッチ操作回路５は変流器４からの検
知出力信号が予め設定された極性で、かつ所定の値とな
った時に永久電流スイッチ８を閉成させるように動作す
る。

【００２８】なお、この電流注入は、共振周波数の半サ
イクルまたは１サイクル以内の極めて短時間内で完了す
るため、電流リード６ａ，６ｂの断面積は従来と比較し
てはるかに小さい。この結果、電流リード６ａ，６ｂの
熱伝導度は非常に小さくできるので、常温から低温領域
への侵入熱量を大幅に低減することができる。また、電
源１の負荷が共振回路であるので、極めて低い電源電圧
でも大電流を流すことができ、電源容量も小さくてす
む。

【００２９】図２は、前記電流リード６ａ，６ｂの構成
を示す図である。同図において、６１は絶縁容器、６２
は常温側電極、６３は誘電体、６４は中間電極、６５は
リード、６６は低温側電極、６７は輻射シールドであ
る。

【００３０】前記絶縁容器６１は、低熱伝導性のセラミ
ック、常温側電極６２、中間電極６４、低温側電極６６
は断面積が０．０２３ｍ² の銅電極、誘電体６３は断面
積０．０２３ｍ² 、厚さ０．０００５ｍで比誘電率５０
００の誘電材料、リード６５は直径０．００２ｍで０．
２ｍ長さの銅線、輻射シールド６７は低熱伝導性と低放
射率の絶縁性素材（特殊加工ポリエステル）で構成され
ている。なお、絶縁容器６１を真空にすれば、より一層
熱伝導度が低減される。

【００３１】以上の構成にすることにより、静電容量２
μＦ、常温側電極６２と低温側電極６６との間の熱伝導
度０．０１３Ｗ／Ｋ、リード６５の抵抗Ｒ＝１．１×１
０^-3Ω、その熱容量ｍｃ＝２．６Ｊ／Ｋの特性を有する
電流リード６ａ，６ｂを得ることができる。

【００３２】また、図１の実施例において超電導コイル
７のインダクタンスを１０Ｈとすると、図１に示す超電
導コイル装置は１０Ｈのインダクタンスを有する超電導
コイル７と合成静電容量１μＦの電流リード６ａ，６ｂ
とからなるＬ−Ｃ直列共振回路が電力変換装置３に負荷
として接続される構成となっている。従って、このＬ−
Ｃ直列共振回路の共振周波数ｆｏは次のようになる。この時の内部インピーダンスはリード６５の抵抗分１．
１×１０^-3（Ω）のみとなる。

【００３３】図３は、図１の超電導コイル装置に使用さ
れている永久電流スイッチ８の具体的構成を示す図であ
る。同図に示す永久電流スイッチ８は、ゲートターンオ
フサイリスタ８ａと該サイリスタに並列に接続されたメ
カニカルスイッチ８ｂとから構成されている。該永久電
流スイッチ８は、前記スイッチ操作回路５からの投入指
令を受けると、数十μ秒以内にゲートターンオフサイリ
スタ８ａがオンし、その後数サイクル以内にメカニカル
スイッチ８ｂも閉成するように設定されている。

【００３４】図４は、図１の超電導コイル装置の超電導
コイル７に流れる電流波形を示す図であり、図４（ａ）
は超電導コイル７の永久電流を正方向に注入する場合を
示し、図４（ｂ）は超電導コイル７の永久電流を負方向
に注入する場合を示している。次に、図１に示す超電導
コイル装置の超電導コイル７に例えば１０００Ａの永久
電流を注入する場合の作用を図４を参照して説明する。

【００３５】まず、永久電流スイッチ８を開放状態にし
て、電力変換装置３の出力周波数を電流リード６ａ，６
ｂの静電容量と超電導コイル７との直列共振周波数５０
Ｈｚまたはその近傍の周波数に設定する。次に、超電導
コイル７に所定の永久電流１０００Ａ以上が流れるよう
に電力変換装置３の出力電圧を設定し、それから遮断器
２を閉成し、これにより電流リード６ａ，６ｂと超電導
コイル７に共振電流を通電する。

【００３６】このように電流リード６ａ，６ｂと超電導
コイル７に共振電流が流されると、この電流は変流器４
によって検出され、その値が１０００Ａに達すると、ス
イッチ操作回路５が作動し、永久電流スイッチ８を閉成
する。

【００３７】この結果、電流リード６ａ，６ｂと超電導
コイル７からなるＬ−Ｃ直列共振回路は消滅し、電源側
から見た負荷インピーダンスは、次式に示すように電流
リード６ａ，６ｂによる容量性リアクタンスＸｃ＝３１
８３Ωとなる。Ｘｃ＝１／（２πｆ・Ｃ）＝１／２π×５０×１×１０^-6 ＝３１８３Ω このインピーダンスによって共振電流は瞬時に減衰し、
遮断器２が開放し、回路は完全に遮断する。

【００３８】この結果、永久電流スイッチ８が閉成した
瞬間の電流値が図４（ａ）に示すように超電導コイル７
と永久電流スイッチ８とのループ回路を永久電流として
流れ続ける。

【００３９】また、超電導コイル７の極性を負にするに
は、共振電流の極性が負となり、その値が１０００Ａと
なった時、上述したように、永久電流スイッチ８を閉成
し、遮断器２を開放すれば、超電導コイル７には図４
（ｂ）に示すように負極性の永久電流が注入される。

【００４０】なお、永久電流の値を変える場合には、ス
イッチ操作回路５による永久電流スイッチ８のオン条件
を所望の変更値に変えることにより、任意の値の永久電
流を瞬時に得ることができる。

【００４１】以上説明したように、本実施例の超電導コ
イル装置は、共振電流を利用しているので、超電導コイ
ル７への電流注入が半サイクルまたは１サイクル以内に
完了するとともに、その後電流リード６ａ，６ｂを流れ
る電流は電流リード６ａ，６ｂ自身のリアクタンス作用
と遮断器２の動作によって極めて短時間のうちに完全に
遮断されるので、電流リード６ａ，６ｂの断面積は従来
と比較してはるかに小さくてよいものとすることができ
る。

【００４２】本実施例によれば、リード６５の直径を
０．００２ｍとし、その有効長さを０．２ｍとした時の
抵抗値は上述した１．１×１０^-3Ωであるので、例えば
実効値１０００Ａの電流が１サイクル（０．０２秒）間
流れた時の発生損失Ｐ_Lは次式に示すように非常に小さ
くなる。Ｐ_L＝１０００² ×１．１×１０^-3×０．０２＝２２（Ｊ）また、この損失によるリード６５の温度上昇値θは発生
損失をその熱容量ｍｃで割ることにより次式のように求
めることができる。 θ＝Ｐ_L／ｍｃ＝２２／２．６＝８．５（Ｋ）この温度上昇値θは殆ど無視し得る値である。

【００４３】なお、本実施例では、超電導コイル７のイ
ンダクタンス値を各々規定したが、この値が変わって
も、電力変換装置３の周波数をその共振周波数に設定す
ることにより同様の作用を得ることができる。

【００４４】上述したように、本実施例によれば、超電
導コイル７への電流注入を短時間で行うことができるの
で、電流リード６ａ，６ｂの通電断面積を従来に比較し
て極めて小さくすることができる。具体的には、従来方
式の例えば１０００Ａ級の電流リードの直径は０．２ｍ
程度を要していたのに対して、本実施例の電流リードの
直径は０．００２ｍで良く、その熱伝導度を従来の１／
１００に低減することができる。この結果、電極間の輻
射伝導度を考慮しても、本実施例の電流リード全体の熱
伝導度α_Lは従来の電流リードの熱伝導度０．５８４Ｗ
／Ｋに対して、０．０１３Ｗ／Ｋと大幅に低減すること
ができる。

【００４５】従って、本実施例における常温から低温領
域への侵入熱量Ｐｉは上述したとおり、電流リードの両
端の温度差θ_Lとリードの熱伝導度α_Lに比例し、次式
のようになる。Ｐｉ＝θ_L・α_L ＝（３００−７７）×０．０１３＝２．９Ｗ

【００４６】また、これに要する冷却システムの所要電
力は１５０Ｗ程度と従来の約１／３０となる。このよう
に超電導コイルのインダクタンスと電流リードの容量と
を組み合せ、このＬ−Ｃ直列共振回路に共振周波数を通
電することにより、低温領域への侵入熱量は大幅に低減
されるとともに、また極めて低い電圧で大電流を流せる
ので、電源装置および冷却システムを小型化することが
できる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超電導コイルと常温端子との間の接続導体内に直列に容
量手段を接続して、超電導コイルと該容量手段とで直列
共振回路を構成し、該直列共振回路に交流電流を注入し
て直列共振させ、この注入電流が所望の値になったと
き、超電導コイルを短絡して、永久電流を流しているの
で、超電導コイルへの電流注入時間が短縮され、電流リ
ードの熱伝導度を非常に小さくすることができるため、
低温領域への侵入熱量が抑制され、冷媒の消費量が減少
し、超電導システムを維持するための冷凍機を小型化お
よび省電力化することができるとともに、また電源装置
も小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる超電導コイル装置の
構成を示す回路図である。

【図２】図１に示す超電導コイル装置に使用されている
電流リードの構成を示す図である。

【図３】図１に示す超電導コイル装置に使用されている
永久電流スイッチの具体的構成を示す図である。

【図４】図１に示す超電導コイル装置の電流制御波形を
示す図である。

【図５】従来の超電導コイル装置の構成を示す回路図で
ある。

【図６】従来の酸化物超電導電流リードの構成を示す図
である。

【符号の説明】

１電源３電力変換装置４変流器５スイッチ操作回路６ａ，６ｂ電流リード７超電導コイル８永久電流スイッチ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】低温領域に設けられた超電導コイルと常
温領域に設けられた端子との間を接続する導体内に直列
に接続され、前記超電導コイルと直列共振回路を構成す
る容量手段と、前記直列共振回路を直列共振させるべく
該直列共振回路に交流電流を注入する電流注入手段と、
該電流注入手段から注入された交流電流により前記直列
共振回路が直列共振した場合の直列共振電流を感知し、
該直列共振電流が所望の電流になったとき、該電流が永
久電流として前記超電導コイルに流れるべく該超電導コ
イルを短絡する感知短絡手段とを有することを特徴とす
る超電導コイル装置。