超導磁鐵裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超導磁鐵裝置（1），即使縮小保護電阻（5）的設置空間也能不燒毀保護電阻地消耗積蓄磁能。具有：兼作保護電阻并卷繞超導線圈（3）的卷框（5）；用于向超導線圈流動持續(xù)電流的持續(xù)電流開關（6）；串聯(lián)連接超導線圈和持續(xù)電流開關的第一閉合電路（C1）；以及串聯(lián)連接超導線圈和卷框的第二閉合電路（C2）。并且具有當在超導線圈產生常導狀態(tài)時從超導狀態(tài)轉變?yōu)槌顟B(tài)并熔斷的保險絲（4），第一閉合電路中，超導線圈、持續(xù)電流開關以及保險絲串聯(lián)連接。第二閉合電路中，超導線圈、卷框以及持續(xù)電流開關串聯(lián)連接。卷框具有筒和設置在筒的兩端的一對凸緣，第二閉合電路的布線分別在隔著卷框的中心軸的凸緣上的兩個部位連接。
【專利說明】超導磁鐵裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及具備超導線圈的超導磁鐵裝置，尤其涉及失超(quench)時的超導線圈的保護。
【背景技術】
[0002]超導磁鐵裝置例如具備超導線圈、向超導線圈供給電流的勵磁電源、以及形成用于流動持續(xù)電流的閉合電路的持續(xù)電流開關。在流動持續(xù)電流的超導線圈的一部分轉變?yōu)槌?正常導體)而產生電阻的情況下，積蓄磁能由于焦耳發(fā)熱而變換為熱量，并且轉變?yōu)槌Ш蟮某瑢Ь€圈的一部分的溫度上升。并且，超導線圈的轉變?yōu)槌Ш蟮囊徊糠值闹車灿捎跓醾鲗Ф鴾囟壬仙?，從超導狀態(tài)轉變?yōu)槌В罱K，有蜂擁地遍及超導線圈整體轉變?yōu)槌У那闆r，即、有產生失超的情況。在超導線圈流動持續(xù)電流且超導線圈保持較大的積蓄磁能的情況下，若由于失超，該較大的積蓄磁能變換為熱能，則超導線圈有溫度過度上升、燒毀的情況。
[0003]對于超導線圈而言，例如考慮是由二硼化鎂(MgB2)、鐵系超導體、氧化物超導體等具有超過18K的臨界溫度的高溫超導體構成的高溫超導線圈的情況。與鈮鈦(NbTi)、鈮錫(Nb3Sn)等具有18K以下的臨界溫度的低溫超導體相比，高溫超導體在具有10倍以上的比熱的區(qū)域有臨界溫度，從而在失超時，通過熱傳導向常導區(qū)域傳播的速度變慢。因此，高溫超導線圈的失超中，與低溫超導線圈相比，由于局部地消耗積蓄磁能，所以引起更加激烈的溫度上升。
[0004]因此，為了保護超導線圈，提出了如下技術，S卩，具備在失超時流動電流而消耗積蓄磁能的保護電阻，來抑制超導線圈的積蓄磁能的消耗(例如，參照專利文獻I等)。保護電阻的能量消耗量與其中流動的電流值的平方成正比例，從而施加于保護電阻的電流值越大，超導線圈的失超時的溫度上升的抑制效果越高。對于在保護電阻流動較大的電流而言，提出了將超導線圈相對于其兩端分別并列地連接持續(xù)電流開關和保護電阻，在失超時，對由持續(xù)電流開關和超導線圈構成的閉合電路的一部分、且不是由保護電阻和超導線圈構成的閉合電路的位置進行熔斷(例如，參照專利文獻2等)。這樣，能夠使在持續(xù)電流開關流動的電流迂回地向保護電阻流動。另外，當使超導磁鐵裝置進行持續(xù)電流運轉時，為了抑制向低溫恒溫器內部的熱侵入，使電流引線從低溫恒溫器內的超導電路分離，從而無法在低溫恒溫器外部設置保護電阻。因此，該情況下，保護電阻設置在低溫恒溫器內部，但需要在低溫恒溫器內部設置所用的大的設置空間。為了不占大的空間地設置保護電阻，提出了將起到保護電阻的作用的常導線材卷繞于超導線圈的外周的方案(例如，參照專利文獻3等)。
[0005]現(xiàn)有技術文獻
[0006]專利文獻1:日本特開平5-190325號公報
[0007]專利文獻2:日本特開平3-278504號公報
[0008]專利文獻3:日本特開昭61-20303號公報
[0009]為了以保護電阻來消耗積蓄磁能，在保護電阻中流動大電流，從而需要具有充足大小的熱容量，以便即使在保護電阻流動大電流也不會燒毀。為此，需要取得大的保護電阻的設置空間。根據(jù)專利文獻3等，能夠以超導線圈來兼作用于支承保護電阻的支承部，而省去用于支承保護電阻的支承部的設置空間，從而，相應地，能夠取得大的保護電阻的設置空間。不過，需要保護電阻的設置空間，該設置空間依然需要確保較大。但是，考慮如下情況，即，若使該保護電阻具有不會燒毀地消耗積蓄磁能的功能，并縮小保護電阻的設置空間，則是有用的。

【發(fā)明內容】

[0010]因此，本發(fā)明所要解決的課題在于提供如下超導磁鐵裝置，即，即使縮小保護電阻的設置空間，也能夠不燒毀保護電阻地消耗積蓄磁能。
[0011]為了解決上述課題，本發(fā)明的超導磁鐵裝置具有:
[0012]卷框，其兼作保護電阻，并卷繞超導線圈；
[0013]持續(xù)電流開關，其用于向所述超導線圈流動持續(xù)電流；
[0014]第一閉合電路，該電路中所述超導線圈和所述持續(xù)電流開關串聯(lián)連接；以及
[0015]第二閉合電路，該電路中所述超導線圈和所述卷框串聯(lián)連接。
[0016]本發(fā)明的效果如下。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，由于保護電阻兼作超導線圈的卷框，所以若設置超導線圈的卷框所需的空間，則不需要設置與該空間不同的保護電阻所需的空間。實際上，能夠縮小與卷框獨立設置的保護電阻的設置空間。也就是說，能夠提供如下超導磁鐵裝置，即，即使縮小保護電阻的設置空間，也能夠不燒毀保護電阻地消耗積蓄磁能。此外，除上述內容以外的課題、結構以及效果通過以下的實施方式的說明將更加明確。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的第一實施方式的超導磁鐵裝置的電路圖。
[0019]圖2A是保險絲和其周圍的部件的縱向剖視圖。
[0020]圖2B是保險絲和其周圍的部件的橫向剖視圖。
[0021]圖3A是超導線圈的卷框的主視圖。
[0022]圖3B是超導線圈以及其卷框的縱向剖視圖。
[0023]圖4是本發(fā)明的第二實施方式的超導磁鐵裝置的電路圖。
[0024]圖5是本發(fā)明的第三實施方式的超導磁鐵裝置的電路圖。
[0025]圖6A是本發(fā)明的第五實施方式的超導磁鐵裝置所使用的超導線圈的卷框的主視圖。
[0026]圖6B是本發(fā)明的第五實施方式的超導磁鐵裝置所使用的超導線圈以及其卷框的縱向剖視圖。
[0027]圖7A是緊固部和其周圍的部件的縱向剖視圖。
[0028]圖7B是圖7A的B-B方向的向視剖視圖，是緊固部和其周圍的部件的橫向剖視圖。
[0029]圖8A是本發(fā)明的第六實施方式的超導磁鐵裝置所使用的超導線圈的卷框的主視圖。
[0030]圖SB是本發(fā)明的第六實施方式的超導磁鐵裝置所使用的超導線圈以及其卷框的縱向剖視圖。
[0031]圖9A是本發(fā)明的第七實施方式的超導磁鐵裝置所使用的超導線圈的卷框的主視圖。
[0032]圖9B是本發(fā)明的第七實施方式的超導磁鐵裝置所使用的超導線圈以及其卷框的縱向剖視圖。
[0033]圖中:
[0034]I一超導磁鐵裝置，2—低溫恒溫器，2a—真空容器，2b—福射屏蔽罩，2c—冷凍機，2d一傳熱機構，3、3a、3b—超導線圈，4一保險絲，4a一超導細絲，4b一冷卻穩(wěn)定材料，5一卷框(保護電阻)，5a—筒，5b—凸緣，5c—卷框的中心軸，5e—絕緣部(絕緣片)，5f—凸緣的槽，6—持續(xù)電流開關，7—失超檢測機構，8—直流電源(電流源)，9—加熱器，10—勵磁電源，11—電流切斷機，12—絕熱機構，13—加熱器，14a、14b—卷框(凸緣)的連接部位(端子)，14c、14d—保險絲的連接部位(端子)，15a、15b一超導線材，16a、16b、16c、16d—導電連接部位(導電連接部)，17—電流路徑，21a、21b、21c、21d、21e—部分卷框，60—螺栓，61—螺母，62—彈簧墊圈，63a—絕緣墊圈，64—絕緣環(huán)，70、70a、70b—緊固部，Cl一第一閉合電路，C2—第二閉合電路，C3一第二閉合電路，Ip一持續(xù)電流，Sq一失超檢測信號。
【具體實施方式】
[0035]接下來，參照適當附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細說明。此外，各圖中，對于共用的部分使用相同的符號而省略重復的說明。
[0036](第一實施方式)
[0037]<超導磁鐵裝置I的結構>
[0038]圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式的超導磁鐵裝置I的電路圖。超導磁鐵裝置I具有超導線圈3、保險絲4、持續(xù)電流開關6、兼作保護電阻并卷繞超導線圈3的卷框5、電流切斷機11、以及勵磁電源10。
[0039]超導線圈3設有單個或多個(圖1的例子中為兩個)。超導線圈3使用二硼化鎂(MgB2)、鐵系超導體、氧化物超導體等具有超過18K的臨界溫度的高溫超導體。多個(圖1的例子中為兩個)超導線圈3 (3a、3b)串聯(lián)連接。超導線圈3 (3a、3b)通過在卷框5卷繞超導線材而構成。超導線材中，以冷卻穩(wěn)定材料覆蓋一根或多根超導細絲的周圍，以冷卻穩(wěn)定材料填充這些多根超導細絲的相互的縫隙，從而以冷卻穩(wěn)定材料捆扎多根超導細絲。對于超導細絲，例如能夠使用二硼化鎂(MgB2)、鐵系超導體、氧化物超導體。對于冷卻穩(wěn)定材料，優(yōu)選電阻率低、熱傳導率高的材料，例如能夠使用銀(Ag)、無氧銅(純銅:Cu)、鐵(Fe)等。對于連接超導線圈3、保險絲4以及持續(xù)電流開關9等彼此的布線，也能夠使用該超導線材。
[0040]對于持續(xù)電流開關6，也與超導線圈3相同，使用具有超過18K的臨界溫度的高溫超導體。持續(xù)電流開關6具有超導線材和加熱器。超導線材中，與超導線圈3相同，以冷卻穩(wěn)定材料覆蓋一根或多根超導細絲的周圍，以冷卻穩(wěn)定材料填充多根超導細絲彼此的縫隙，從而以冷卻穩(wěn)定材料捆扎多根超導細絲。持續(xù)電流開關6的加熱器和超導線材熱連接。若加熱器發(fā)熱，則加熱器對超導線材進行加熱，而能夠使超導線材從超導狀態(tài)轉變?yōu)槌顟B(tài)(正常導體狀態(tài))。通過使超導線材轉變?yōu)槌顟B(tài)，來使持續(xù)電流開關6成為打開(斷開)狀態(tài)。另一方面，若加熱器的發(fā)熱停止，則由后述的傳熱機構2d進行冷卻，能夠使超導線材成為超導狀態(tài)，從而使持續(xù)電流開關6成為閉合(接通)狀態(tài)。此外，對于冷卻穩(wěn)定材料，使用電阻率比超導線圈3 (3a、3b)的冷卻穩(wěn)定材料(例如，銀、無氧銅等)的電阻率高的金屬(例如，銅鎳合金、金-銀合金等)。另外，由于因失超時的磁場變動引起的發(fā)熱，有使持續(xù)電流開關6轉變?yōu)槌У目赡?，此時為了防止持續(xù)電流開關6燒毀，設計保護電阻的電阻值、電路結構，以使消耗的能量足夠小。并且，持續(xù)電流開關6、保險絲4、超導線圈3a以及3b串聯(lián)連接，由此構成第一閉合電路Cl。通過使持續(xù)電流開關6接通，能夠在第一閉合電路Cl、尤其在超導線圈3流動持續(xù)電流Ip。
[0041]對于保險絲4，也與超導線圈3相同，使用具有超過18K的臨界溫度的高溫超導體。保險絲4具有超導線材。超導線材中，與超導線圈3相同，以冷卻穩(wěn)定材料覆蓋一根或多根超導細絲的周圍，以冷卻穩(wěn)定材料填充多根超導細絲彼此的縫隙，從而以冷卻穩(wěn)定材料捆扎多根超導細絲。并且，保險絲4、超導線圈3a以及3b串聯(lián)連接。在保險絲4的兩端設有連接端子(部位)14c、14d。
[0042]對于卷框(保護電阻)5，使用非磁性體、且是常導體(導體)、且是作為卷框5具有充足的強度的部件。并且，具體而言，對于卷框(保護電阻)5，使用鋁、銅、不銹鋼等的部件。卷框(保護電阻)5、持續(xù)電流開關6、超導線圈3a以及3b串聯(lián)連接，由此構成第二閉合電路C2。在卷框(保護電阻)5的分開的兩個位置，設有連接端子(位置)14a、14b。連接端子14a經(jīng)由超導線材15a而與保險絲4的連接端子14d連接。連接端子14b經(jīng)由超導線材15b而與保險絲4的連接端子14c連接。此外，超導線材15a、15b也可以是常導的布線。卷框(保護電阻)5、連接端子14a、超導線材15a、連接端子14d、保險絲4、連接端子14c、超導線材15b、連接端子14b也構成與第一閉合電路Cl、第二閉合電路C2不同的閉合電路。
[0043]勵磁電源10是用于向超導線圈3流動直流電流的直流電流源。電流切斷機11允許直流電流從勵磁電源10向超導線圈3的流動，或切斷其流動。電流切斷機11與勵磁電源10串聯(lián)連接。另外，電流切斷機11、勵磁電源10以及持續(xù)電流開關6串聯(lián)連接，由此構成第三閉合電路C3。另外，電流切斷機11、勵磁電源10、超導線圈3以及保險絲4串聯(lián)連接，由此構成閉合電路，從而能夠在超導線圈3對積蓄磁能進行儲存。此外，電流切斷機11和勵磁電源10配置于低溫恒溫器2的外側，并且能夠相對于超導磁鐵裝置I的主體拆裝。
[0044]另外，超導磁鐵裝置I具有失超檢測機構7、加熱器9以及電流源(直流電源)8。失超檢測機構7對在處于超導狀態(tài)的超導線圈3 (3a、3b)的一部分產生的常導狀態(tài)進行檢測。失超檢測機構7能夠將在高溫超導線圈3 (3a、3b)上產生的常導狀態(tài)例如作為高溫超導線圈3 (3a、3b)的兩端的電位差的變換來進行檢測。若失超檢測機構7對在超導線圈3(3a、3b)的一部分產生的常導狀態(tài)進行檢測，則輸出失超檢測信號Sq，并向電流源8發(fā)送。電流源8是直流電流源，若接收失超檢測信號Sq，則向加熱器9流動直流電流(通電)。
[0045]加熱器9與保險絲4熱連接。并且，優(yōu)選構成為加熱器9與保險絲4接觸。若在加熱器9流動直流電流，則加熱器9發(fā)熱，并對保險絲4進行加熱。保險絲4升溫，并從超導狀態(tài)向常導狀態(tài)轉變。若向轉變至常導狀態(tài)的保險絲4流入在第一閉合電路Cl流動的持續(xù)電流Ip，則保險絲4產生焦耳熱而發(fā)熱，并熔斷。由此，第一閉合電路Cl打開，從而持續(xù)電流Ip為了繼續(xù)流動，而在第二閉合電路C2流動，并流入卷框(保護電阻)5。卷框(保護電阻)5產生焦耳熱而發(fā)熱，并使持續(xù)電流Ip衰減。此外，當持續(xù)電流Ip還在第一閉合電路Cl流動時，不僅保險絲4，持續(xù)電流開關6也有向常導狀態(tài)轉變的情況。這樣的情況下，為了使保險絲4以熔斷的程度發(fā)熱，優(yōu)選預先使保險絲4成為其溫度容易比持續(xù)電流開關6的溫度升高的狀態(tài)。
[0046]另外，超導磁鐵裝置I具有低溫恒溫器2。低溫恒溫器2具有從超導線圈3等去除熱進行冷卻的冷凍機2c、從超導線圈3等向冷凍機2c傳導熱的傳熱機構2d、收放傳熱機構2d等并用于進行真空絕熱的真空容器2a、以及收放傳熱機構2d等并用于抑制輻射熱的侵入的福射屏蔽罩2b。福射屏蔽罩2b內置于真空容器2a,傳熱機構2d內置于福射屏蔽罩2b。冷凍機2c具有能夠冷卻至兩個不同的溫度的第一臺和第二臺。第二臺能夠冷卻至比第一臺的溫度低的溫度，能夠冷卻至高溫超導體的臨界溫度以下。第二臺與傳熱機構2d熱連接，從而傳熱機構2d能夠冷卻至高溫超導體的臨界溫度以下。第一臺與輻射屏蔽罩2d熱連接。通過由第一臺冷卻輻射屏蔽罩2b，能夠使輻射屏蔽罩2b所吸收的輻射熱從第一臺散出。
[0047]傳熱機構2d與超導線圈3(3a、3b)、保險絲4、持續(xù)電流開關6、以及連接這些部件的超導線材熱連接，通過傳熱(散熱)分別將它們冷卻至臨界溫度以下。因此，能夠將超導線圈3 (3a、3b)、保險絲4、持續(xù)電流開關6以及連接這些部件的超導線材保持為超導狀態(tài)。
[0048]圖2A是表示保險絲4和其周圍的部件的縱向剖視圖，圖2B是表示其橫向剖視圖。此外，圖2B所示的保險絲4和其周圍的部件是進一步放大圖2A所示的保險絲4和其周圍的部件進行表示的。保險絲4和加熱器9接觸、熱連接。由此，由加熱器9加熱保險絲4，而能夠使保險絲4從超導狀態(tài)向常導狀態(tài)轉變。為了使加熱容易，以絕熱機構12覆蓋保險絲4和加熱器9的周圍，以使在加熱器9產生的熱不向周圍擴散。作為絕熱機構12，例如能夠利用樹脂等絕熱材料、具有真空構造的絕熱材料。保險絲4的連接部位(端子)14c、14d與超導線圈3以及持續(xù)電流開關6連接。超導線圈3以及持續(xù)電流開關6與傳熱機構2d接觸而被冷卻，保險絲4經(jīng)由相連接的連接部位(端子)14c、14d而被冷卻。
[0049]此外，在保險絲4熔斷的情況下，更換成新的保險絲4。通過拆下保險絲4的連接部位(端子)14c和14d的連接、并從傳熱機構2d拆下保險絲4、加熱器9以及絕熱機構12，而能夠容易地進行該更換。此外，保險絲4設置在熔斷時能夠容易更換為未熔斷的保險絲的位置、例如傳熱機構2d的端部。
[0050]保險絲4是所謂的超導線材，保險絲4 (超導線材)中，如圖2B所示，以冷卻穩(wěn)定材料4b覆蓋多根超導細絲4a的周圍。此外，超導細絲4a不限于多根，也可以是一根。多根超導細絲4a被冷卻穩(wěn)定材料4b捆扎。
[0051]圖3A是表示超導線圈3 (3a)的卷框(保護電阻)5的主視圖，圖3B是表示超導線圈3 (3a)以及其卷框(保護電阻)5的以沿中心軸5c的平面剖開的縱向剖視圖。此外，圖3A和圖3B中，以超導線圈3a為例進行了記述，但也可以是超導線圈3b,另外,超導線圈3a和3b雙方的卷框(保護電阻)5也可以兼作保護電阻。卷框(保護電阻)5具有筒5a、以及夾持筒5a的一對凸緣5b。一對凸緣5b設置在筒5a的兩個方向的開口端(兩端)。凸緣5b的內徑與筒5a的內徑大致相等。凸緣5b的外徑比筒5a的外徑大。并且，在筒5a的外周，且在一對凸緣5b之間卷繞有超導線圈3 (3a)。對于卷繞于卷框(保護電阻)5的超導線圈3(3a)的超導線材而言，使用表面具有絕緣層的超導線材或者被絕緣片覆蓋的超導線材，超導線圈3 (3a)的超導線材不直接與卷框(保護電阻)5電接觸。
[0052]在一對凸緣5b內的一個凸緣5b上的相互分開的兩個部位，設有連接端子14a和14b。連接端子14a和14b設于凸緣5b的外周部。連接端子14a和14b設置在由連接端子14a和14b夾著卷框(保護電阻)5 (凸緣5b)的中心軸5c的位置。連接端子14a和14b設置在對連接端子14a和14b進行連接的線段(直線)與卷框(保護電阻)5 (凸緣5b)的中心軸5c相交的位置。連接端子14a與超導線材15a連接，該超導線材15a與持續(xù)電流開關6連接，并構成第二閉合電路C2 (參照圖1)。連接端子14b與超導線材15b連接，該超導線材15b與超導線圈3 (3a)連接，并構成第二閉合電路C2 (參照圖1)。由此，認為超導線材15a和15b所連接的卷框(保護電阻)5也構成第二閉合電路C2 (參照圖1)的一部分。在超導線材3的失超時，持續(xù)電流Ip在卷框(保護電阻)5從連接端子14a流入，在分叉的電流路徑17流動,并從連接端子14b流出。通過在卷框(保護電阻)5流動持續(xù)電流Ip,來使卷框(保護電阻)5產生焦耳熱，來消耗超導線圈3的積蓄能量。這樣，卷框(保護電阻)5作為保護電阻而發(fā)揮作用。為了對流動持續(xù)電流Ip并作用強力的電磁力的超導線圈3 (3a)進行支承，卷框(保護電阻)5形成為具有充足的強度。并且，確保了與此相應的充足的設置空間。另一方面，為了以保護電阻消耗積蓄磁能，在保護電阻流動大電流，從而需要具有充足大小的熱容量，以便即使在保護電阻流動大電流也不會燒毀。因此，需要取得大的保護電阻的設置空間。卷框(保護電阻)5兼作保護電阻，從而作為保護電阻的卷框(保護電阻)5也確保了充足的設置空間。并且，為了在失超時不燒毀卷框(保護電阻)5，能夠確保需要的足夠大的熱容量。另外，若設置超導線圈3的卷框5所需的空間，則不需要設置與該空間不同的保護電阻所需的空間，從而能夠簡化低溫恒溫器2 (參照圖1)內部的結構。
[0053]<超導磁鐵裝置I的動作>
[0054]接下來，對超導磁鐵裝置I的運轉動作進行說明。如圖1所示，首先，利用傳熱機構2d的傳熱冷卻，將超導線圈3(3a、3b)、保險絲4以及持續(xù)電流開關6冷卻至所使用的高溫超導體的臨界溫度以下，并保持為超導狀態(tài)。
[0055]接著，在持續(xù)電流開關6打開(斷開、常導狀態(tài))的狀態(tài)下，使電流切斷機11閉合(接通)，從勵磁電源10向超導線圈3(3a、3b)供電。接下來,使持續(xù)電流開關6閉合(接通、超導狀態(tài))，并且停止從勵磁電源10供電，之后，使電流切斷機11打開(斷開)。此時，不從勵磁電源10向超導線圈3供電，但在超導線圈3 (3a、3b)、保險絲4以及閉合(接通)的持續(xù)電流開關6串聯(lián)連接第一閉合電路Cl中，電流衰減非常小，流動持續(xù)電流Ip，從而超導磁鐵裝置I成為持續(xù)電流運轉狀態(tài)。持續(xù)電流運轉中，超導磁鐵裝置I在不從勵磁電源10供電的情況下也能夠長期地形成、保持磁場。此外，卷框(保護電阻)5具有有限的電阻，從而持續(xù)電流運轉時，基本不在卷框(保護電阻)5 (第二閉合電路C2)流動電流。
[0056]接下來，對如下情況(產生失超現(xiàn)象的情況)進行說明，即，在超導磁鐵裝置I的持續(xù)電流運轉中，兩個超導線圈3 (3a、3b)中的一個超導線圈3a的一部分轉變?yōu)槌顟B(tài)，并在其周圍擴大常導區(qū)域。首先，若在超導線圈3a的一部分產生轉變?yōu)槌顟B(tài)的情況，則失超檢測機構?例如以超導線圈3a的兩端的電位差超過規(guī)定值的情況,來檢測超導線圈3a的一部分轉變?yōu)槌顟B(tài)的情況，并向直流電源8發(fā)送失超檢測信號Sq。接收到失超檢測信號Sq的直流電源8向與保險絲4相接的加熱器13流動直流電流。保險絲4由于加熱器13的加熱，而從超導狀態(tài)向常導狀態(tài)轉變，從而自身產生焦耳熱并熔斷。對于保險絲4的冷卻穩(wěn)定材料4b (參照圖2B)，使用與超導線圈3 (3a、3b)所使用的超導線材的冷卻穩(wěn)定材料相比電阻率高且熱傳導率低的材料，并且，保險絲4被絕熱機構12 (參照圖2A和圖2B)覆蓋，從而與超導線圈3 (3a、3b)相比，保險絲4的轉變?yōu)槌顟B(tài)的部分的發(fā)熱量大，且熱的擴散慢，升溫速度快。因此，在超導線圈3 (3a、3b)燒毀前，能夠使保險絲4先熔斷。
[0057]若保險絲4熔斷，則該部分的電阻值變得非常大，從而持續(xù)電流Ip在具有較低電阻值的卷框(保護電阻)5迂回。通過在卷框(保護電阻)5流動較大的持續(xù)電流Ip，能夠消耗積蓄磁能，并能夠抑制超導線圈3 (3a、3b)的發(fā)熱(S卩、降低超導線圈3 (3a、3b)的最高溫度)。由此，能夠防止超導線圈3 (3a、3b)的燒毀。另外，保險絲4設置在容易更換的位置，從而能夠在持續(xù)電流Ip衰減后更換，從而超導磁鐵裝置I能夠再次進行勵磁。
[0058]〈作用、效果〉
[0059]這樣，根據(jù)第一實施方式，超導線圈3的卷框(保護電阻)5兼作保護電阻，從而若設置超導線圈3的卷框5所需的空間，則不需要設置與該空間不同的保護電阻(5)所需的空間。實際上，能夠縮小與卷框5獨立設置的保護電阻(5)的設置空間。即，能夠提供如下超導磁鐵裝置I，即，即使縮小保護電阻(5)的設置空間，也能夠不燒毀保護電阻(5)地消耗積蓄磁能。
[0060](第二實施方式)
[0061]圖4是表示本發(fā)明的第二實施方式的超導磁鐵裝置I的電路圖。第二實施方式的超導磁鐵裝置I與第一實施方式的超導磁鐵裝置I的不同點在于，第二閉合電路C2由卷框(保護電阻)5和超導線圈3a及3b的串聯(lián)連接構成，從第二閉合電路C2省去持續(xù)電流開關
6。根據(jù)第二實施方式，也能夠得到與第一實施方式相同的效果。另外，第二實施方式中，若保險絲4熔斷，則不在持續(xù)電流開關6流動持續(xù)電流Ip。因此，即使由于因失超時的磁場變動引起的發(fā)熱使持續(xù)電流開關6轉變?yōu)槌顟B(tài)，持續(xù)電流開關6的積蓄磁能的消耗也能夠通過保險絲4的熔斷而被抑制。利用該保護功能，能夠使第一實施方式中需要的用于防止燒毀的持續(xù)電流開關6的熱容量比第一實施方式小，而能夠縮小持續(xù)電流開關6的設置空間。
[0062](第三實施方式)
[0063]圖5是表示本發(fā)明的第三實施方式的超導磁鐵裝置I的電路圖。第三實施方式的超導磁鐵裝置I與第二實施方式的超導磁鐵裝置I的不同點在于，第三閉合電路C3由持續(xù)電流開關6、保險絲4、勵磁電源10、以及電流切斷機11的串聯(lián)連接構成，并在第三閉合電路C3增加保險絲4。超導線圈3a和3b的串聯(lián)連接、卷框(保護電阻)5和持續(xù)電流開關6及保險絲4的串聯(lián)連接、勵磁電源10和電流切斷機11的串聯(lián)連接是并列連接的。根據(jù)第三實施方式也能夠得到與第一及第二實施方式相同的效果。
[0064](第四實施方式)
[0065]接下來，對第四實施方式的超導磁鐵裝置I進行說明。第四實施方式的超導磁鐵裝置I與第一至第三實施方式的超導磁鐵裝置I的不同點在于，對于超導線圈3、保險絲4、持續(xù)電流開關6所使用的超導線材的超導細絲和相互連接這些部件的超導線材的超導細絲，使用在18K以下顯示超導性的低溫超導體。與此相伴，低溫恒溫器2具有能夠保持其低溫超導體的超導性的冷卻能力。作為具有18K以下的臨界溫度的低溫超導體，能夠使用鈮鈦(NbTi)、鈮錫(Nb3Sn)等。與具有超過18K的臨界溫度的高溫超導體相比，這樣的低溫超導體在具有十分之一以下的比熱的區(qū)域存在臨界溫度，從而在失超時，通過熱傳導搬運常導區(qū)域的速度變快。因此，超導線圈3中也能夠不燒毀地消耗積蓄磁能，從而能夠減少保護電阻(5)應該消耗的積蓄磁能。因此，對于低溫超導線圈所需的保護電阻的設置而言，不需要高溫超導體的情況那樣的大的設置空間。但是，第四實施方式中，由于超導線圈3的卷框(保護電阻)5也兼作保護電阻，從而若設置超導線圈3的卷框5所需的空間，則不需要設置與該空間不同的保護電阻(5)所需的空間。與第一實施方式相比，保護電阻(5)的設置空間小即可，但也能夠縮小其設置空間。另外，即使縮小保護電阻(5)的設置空間，也能夠不燒毀保護電阻(5)地消耗積蓄磁能。
[0066](第五實施方式)
[0067]圖6A是表示本發(fā)明的第五實施方式的超導磁鐵裝置所使用的超導線圈3的卷框(保護電阻)5的主視圖，圖6B是表示該超導線圈3以及該卷框(保護電阻)5的縱向剖視圖。第五實施方式的超導磁鐵裝置I與第一至第四實施方式的不同點在于，卷框(保護電阻)5的筒5a和凸緣5b電絕緣，在凸緣5b形成有槽5f。在凸緣5b設有多個槽5f。圖6A的例子中，到達凸緣5b的內周面的槽5f有八個，到達凸緣5b的外周面的槽5f有八個，共計在凸緣5b形成有十六個槽5f。槽5f成為從凸緣5b的表面貫通至背面的切口。在槽5f埋入有絕緣體，但也可以不埋入任何部件。槽5f沿從卷框(保護電阻)5 (凸緣5b)的中心朝向外側的方向(徑向)設置。該槽5f的一端到達凸緣5b的內周面或外周面中的一個。相鄰的槽5f中的一個到達凸緣5b的內周面，相鄰的槽5f中的另一個到達凸緣5b的外周面。根據(jù)該多個槽5f，從連接端子14a朝向連接端子14b的電流路徑17被限制為彎曲前進，從而與第一實施方式相比，能夠增大卷框(保護電阻)5的電阻值。凸緣5b和筒5a在緊固部70a通過螺栓60和螺母61被緊固。
[0068]如圖6B所示，凸緣5b和筒5a被絕緣部(絕緣片)5e分離。在凸緣5b與筒5a之間夾持有絕緣片5e。凸緣5b和筒5a電絕緣。在凸緣5b設有緊固部70a。在筒5a設有緊固部70b。緊固部70a和緊固部70b通過螺栓60和螺母61被緊固。
[0069]圖7A是表示緊固部70a、70b以及它們周圍的部件的縱向剖視圖，圖7B是表示圖7A的B-B方向的向視剖視圖。在緊固部70a與70b之間夾持有絕緣片5e。在緊固部70a、70b以及絕緣片5e分別形成有貫通孔。緊固部70a、70b以及絕緣片5e各自的貫通孔由圓筒形狀的絕緣環(huán)64貫通。在絕緣環(huán)64的兩端，設有絕緣墊圈63a和63b。絕緣墊圈63a和63b的外徑比緊固部70a和70b的貫通孔的直徑大。絕緣環(huán)64、絕緣墊圈63a以及63b由螺栓60貫通。在螺栓60，插入彈簧墊圈62，通過旋合螺母61，來對緊固部70a和70b進行緊固。螺栓60、螺母61以及彈簧墊圈62由具有緊固所需的充足的機械強度的材料、例如不銹鋼形成。螺栓60、螺母61以及彈簧墊圈62不與緊固部70a、70b直接接觸，經(jīng)由絕緣環(huán)64、絕緣墊圈63a、63b接觸，從而緊固部70a和70b不經(jīng)由螺栓60等電連接。并且，在緊固部70a與70b之間夾持有絕緣片5e，從而能夠電絕緣地對緊固部70a和70b進行緊固。由此，能夠使圖6B所示的凸緣5b和筒5a電絕緣。連接端子14a和14b設置在與筒5a絕緣的凸緣5b，從而即使從連接端子14a朝向連接端子14b的電流路徑17通過凸緣5b，也被限制為不通過筒5b，進而與第一實施方式相比，能夠增大卷框(保護電阻)5的電阻值。
[0070]如上所述，對于卷框(保護電阻)5的電阻值而言，電流路徑17被絕緣片5e限制在凸緣5b內，并且由于槽5f而在凸緣5b內彎曲前進，從而與第一實施方式相比較大。由此，能夠進一步縮短失超時的電流衰減所需要的時間。并且，與該能夠縮短的時間相應地，能夠變長失超檢測機構7的超導線圈3的失超檢測為止所需的時間、保險絲4熔斷為止所需的時間，從而能夠簡化失超檢測機構7、保險絲4等結構所需的部件、系統(tǒng)(例如，縮小加熱器13的容量)。
[0071](第六實施方式)
[0072]圖8A是表示本發(fā)明的第六實施方式的超導磁鐵裝置所使用的超導線圈3 (3a)的卷框(保護電阻)5的主視圖，圖SB是表示該超導線圈3 (3a)與該卷框(保護電阻)5的縱向剖視圖。第六實施方式的超導磁鐵裝置與第一至第五實施方式的超導磁鐵裝置I的不同點在于，兩個連接端子14a和14b分別在一對凸緣5b上個設置一個。由此，也能夠使電流路徑彎曲前進。并且，卷框(保護電阻)5具有:以與中心軸5c垂直的面為切斷面而被分割出的多個部分卷框21a、21b、21c、21d、21e ;在鄰接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e的相互對置的切斷面之間設置的絕緣片5e ;以及設于卷框(保護電阻)5的內壁、并對鄰接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e彼此進行電連接的導電連接部16a、16b、16c、16d。與一個部分卷框21b、21c、21d連接的兩個導電連接部16a、16b、16c、16d隔著中心軸5c對置。具體而言，與部分卷框21b連接的兩個導電連接部16a和16b隔著中心軸5c對置。與部分卷框21c連接的兩個導電連接部16b和16c隔著中心軸5c對置。與部分卷框21d連接的兩個導電連接部16c和16d隔著中心軸5c對置。導電連接部16a、16c、導電連接部16b、16d設置在連接導電連接部16a、16c和導電連接部16b、16d的線段(直線)與中心軸5c相交的位置。
[0073]卷框(保護電阻)5被分割為多個(圖SB的例子中為五個)部分卷框21a、21b、21c、21d、21e。部分卷框21a和21e在圖8B的例子中與凸緣5b對應，但不限定于此。部分卷框21a和21e也可以是凸緣5b的一部分，也可以除了凸緣5b還包括筒5a的一部分或全部。另外，圖SB的例子中，筒5a被分割為三個部分卷框21b、21c、21d，但不限定于此，筒5a也可以作為一個部分卷框21b存在，也可以不限定為三個而被分割為多個。
[0074]鄰接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e的切斷面經(jīng)由絕緣片5e而相接觸。在部分卷框21a、21b、21c、21d、21e設有緊固部70。緊接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e的緊固部70隔著絕緣片5e對置，通過螺栓60和螺母61而被緊固。對于由螺栓60和螺母61來緊固該一對緊固部70的構造而言，能夠使用圖7A和圖7B所說明的由螺栓60和螺母61對緊固部70a和70b進行緊固的構造。即，將緊固部70a和70b替換成緊固部70即可。這樣，能夠使鄰接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e的切斷面中保持電絕緣性，并且能夠對鄰接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e彼此進行緊固。
[0075]鄰接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e彼此通過導電連接部16a、16b、16c、16d電連接。導電連接部16a、16c和導電連接部16b、16d隔著中心軸5e而對置配置，從而電流路徑17從連接端子14a依次經(jīng)由部分卷框21a、導電連接部16a、部分卷框21b、導電連接部16b、部分卷框21c、導電連接部16c、部分卷框21d、導電連接部16d、部分卷框21e而到達連接端子14b。這樣，使電流路徑17彎曲前進，而使電流路徑17狹長，從而能夠增大卷框(保護電阻)5的電阻值。此外，部分卷框21a、21b、21c、21d、21e被分割為奇數(shù)個(圖8B的例子中為五個)，從而連接端子14a和14b在隔著中心軸5c的兩側分別設置一個。若部分卷框21a、21b、21c、21d、21e被分割為偶數(shù)個，則連接端子14a和14b相對于中心軸5c配置為相同側。另外，對于導電連接部16a、16b、16c、16d，能夠使用容易具有強度的導電材料、例如不銹鋼等。[0076](第七實施方式)
[0077]圖9A是表示本發(fā)明的第七實施方式的超導磁鐵裝置所使用的超導線圈3 (3a)的卷框(保護電阻)5的主視圖，圖9B是表示該超導線圈3 (3a)和該卷框(保護電阻)5的縱向剖視圖。第七實施方式的超導磁鐵裝置中，對第五實施方式的槽5f等和第六實施方式的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e等進行組合,進一步變長電流路徑17,從而能夠進一步增大卷框(保護電阻)5的電阻值。槽5f在一對凸緣5b (部分卷框21a和21e)雙方形成。部分卷框21e上的槽5f的配置圖案與使部分卷框21a上的槽5f的配置圖案繞中心軸5c旋轉180度的圖案一致。由此，部分卷框21a中，電流路徑17從連接端子14a在部分卷框21a上避開槽5f地迂回，而到達導電連接部16a。部分卷框21e中，電流路徑17從導電連接部16d在部分卷框21e上避開槽5f地迂回并彎曲前進，而到達連接端子14b。另外，導電連接部16a至16d的電流路徑17從導電連接部16a依次經(jīng)由部分卷框21b、導電連接部16b、部分卷框21c、導電連接部16c、部分卷框21d，從而彎曲前進，并到達導電連接部16d。這樣，使電流路徑17彎曲前進，而變長電流路徑17，從而能夠增大卷框(保護電阻)5的電阻值。
[0078]此外，本發(fā)明不限定于上述的第一至第七實施方式，包括各種變形例。例如，上述的第一至第七實施方式是為了容易理解地說明本發(fā)明而進行的詳細說明，不限定于具備所說明的全部結構。另外，也可以將第一至第七中的實施方式的結構的一部分置換成其它實施方式的結構。另外，也可以在第一至第七中的實施方式的結構上增加其它實施方式的結構。另外，也可以在第一至第七中各實施方式的結構的一部分追加、刪除、置換其它的結構。
【權利要求】
1.一種超導磁鐵裝置，其特征在于，具有: 卷框，其兼作保護電阻，并卷繞超導線圈； 持續(xù)電流開關，其用于向所述超導線圈流動持續(xù)電流； 第一閉合電路，該電路中所述超導線圈和所述持續(xù)電流開關串聯(lián)連接；以及 第二閉合電路，該電路中所述超導線圈和所述卷框串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的超導磁鐵裝置，其特征在于， 具有保險絲，在所述超導線圈產生常導狀態(tài)時，該保險絲從超導狀態(tài)轉變?yōu)槌顟B(tài)并熔斷， 所述第一閉合電路中，所述超導線圈、所述持續(xù)電流開關以及所述保險絲串聯(lián)連接。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的超導磁鐵裝置，其特征在于， 所述第二閉合電路中，所述超導線圈、所述卷框以及所述持續(xù)電流開關串聯(lián)連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的超導磁鐵裝置，其特征在于， 能夠構成所述持續(xù)電流開關、勵磁電源以及電流切斷機串聯(lián)連接的第三閉合電路。
5.根據(jù)權利要求4所述的超導磁鐵裝置，其特征在于， 所述第三閉合電路中，所述持續(xù)電流開關、所述保險絲、所述勵磁電源以及所述電流切斷機串聯(lián)連接。
6.根據(jù)權利要求2所述的超導磁鐵裝置，其特征在于，具有: 失超檢測機構，其對在所述超導線圈產生的常導狀態(tài)進行檢測； 加熱器，其與所述保險絲接觸； 絕熱機構，其覆蓋所述保險絲和所述加熱器；以及 電流源，若檢測到在所述超導線圈產生的常導狀態(tài)，則該電流源向所述加熱器流動電流， 若向所述加熱器流動電流，則所述保險絲轉變?yōu)槌顟B(tài)，并由于自身產生的焦耳熱而熔斷。
7.根據(jù)權利要求1所述的超導磁鐵裝置，其特征在于， 所述卷框具有: 筒；以及 一對凸緣，它們設置在所述筒的兩端，內徑與所述筒的內徑相等，外徑比所述筒的外徑大， 所述第二閉合電路的布線分別在隔著所述卷框的中心軸的所述凸緣上的兩個位置連接。
8.根據(jù)權利要求7所述的超導磁鐵裝置，其特征在于， 所述筒與所述凸緣電絕緣， 在所述凸緣形成有槽。
9.根據(jù)權利要求1-8中任一項所述的超導磁鐵裝置，其特征在于， 所述卷框具有: 多個部分卷框，它們以與所述卷框的中心軸垂直的面為切斷面被分割而成； 絕緣片，其設置在鄰接的所述部分卷框的相互對置的切斷面之間；以及 導電連接部，其設置在所述卷框的內壁，并對鄰接的所述部分卷框彼此進行電連接，與一個所述部分卷框連接的兩個所述導電連接部隔著所述卷框的中心軸對置。
10.根據(jù)權利要求2所述的超導磁鐵裝置，其特征在于， 所述超導線圈、所述持續(xù)電流開關以及所述保險絲使用臨界溫度超過18K的高溫超導線材構成。
11.根據(jù)權利要求2所述的超導磁鐵裝置，其特征在于， 對于在所述保險絲所使用的超導細絲的超導體的周圍配置的冷卻穩(wěn)定材料而言，與在所述超導線圈和所述持續(xù)電流開關所使用的超導細絲的超導體的周圍配置的冷卻穩(wěn)定材料相比， 電阻率高，并且熱傳導率低。
12.一種電磁鐵裝置，其特征在于，具備: 傳熱機構，其內置于真空容器；以及 冷凍機，其與所述傳熱機構熱連 接來冷卻所述傳熱機構， 所述傳熱機構與所述超導線圈和所述持續(xù)電流開關熱連接。
【文檔編號】H02H5/04GK103456454SQ201310217504
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年6月3日 優(yōu)先權日:2012年6月4日
【發(fā)明者】中川龍司, 安藤龍彌, 青木學 申請人:株式會社日立制作所