超导磁铁装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种超导磁铁装置（1），即使缩小保护电阻（5）的设置空间也能不烧毁保护电阻地消耗积蓄磁能。具有：兼作保护电阻并卷绕超导线圈（3）的卷框（5）；用于向超导线圈流动持续电流的持续电流开关（6）；串联连接超导线圈和持续电流开关的第一闭合电路（C1）；以及串联连接超导线圈和卷框的第二闭合电路（C2）。并且具有当在超导线圈产生常导状态时从超导状态转变为常导状态并熔断的保险丝（4），第一闭合电路中，超导线圈、持续电流开关以及保险丝串联连接。第二闭合电路中，超导线圈、卷框以及持续电流开关串联连接。卷框具有筒和设置在筒的两端的一对凸缘，第二闭合电路的布线分别在隔着卷框的中心轴的凸缘上的两个部位连接。
【专利说明】超导磁铁装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及具备超导线圈的超导磁铁装置，尤其涉及失超(quench)时的超导线圈的保护。
【背景技术】
[0002]超导磁铁装置例如具备超导线圈、向超导线圈供给电流的励磁电源、以及形成用于流动持续电流的闭合电路的持续电流开关。在流动持续电流的超导线圈的一部分转变为常导(正常导体)而产生电阻的情况下，积蓄磁能由于焦耳发热而变换为热量，并且转变为常导后的超导线圈的一部分的温度上升。并且，超导线圈的转变为常导后的一部分的周围也由于热传导而温度上升，从超导状态转变为常导，最终，有蜂拥地遍及超导线圈整体转变为常导的情况，即、有产生失超的情况。在超导线圈流动持续电流且超导线圈保持较大的积蓄磁能的情况下，若由于失超，该较大的积蓄磁能变换为热能，则超导线圈有温度过度上升、烧毁的情况。
[0003]对于超导线圈而言，例如考虑是由二硼化镁(MgB2)、铁系超导体、氧化物超导体等具有超过18K的临界温度的高温超导体构成的高温超导线圈的情况。与铌钛(NbTi)、铌锡(Nb3Sn)等具有18K以下的临界温度的低温超导体相比，高温超导体在具有10倍以上的比热的区域有临界温度，从而在失超时，通过热传导向常导区域传播的速度变慢。因此，高温超导线圈的失超中，与低温超导线圈相比，由于局部地消耗积蓄磁能，所以引起更加激烈的温度上升。
[0004]因此，为了保护超导线圈，提出了如下技术，S卩，具备在失超时流动电流而消耗积蓄磁能的保护电阻，来抑制超导线圈的积蓄磁能的消耗(例如，参照专利文献I等)。保护电阻的能量消耗量与其中流动的电流值的平方成正比例，从而施加于保护电阻的电流值越大，超导线圈的失超时的温度上升的抑制效果越高。对于在保护电阻流动较大的电流而言，提出了将超导线圈相对于其两端分别并列地连接持续电流开关和保护电阻，在失超时，对由持续电流开关和超导线圈构成的闭合电路的一部分、且不是由保护电阻和超导线圈构成的闭合电路的位置进行熔断(例如，参照专利文献2等)。这样，能够使在持续电流开关流动的电流迂回地向保护电阻流动。另外，当使超导磁铁装置进行持续电流运转时，为了抑制向低温恒温器内部的热侵入，使电流引线从低温恒温器内的超导电路分离，从而无法在低温恒温器外部设置保护电阻。因此，该情况下，保护电阻设置在低温恒温器内部，但需要在低温恒温器内部设置所用的大的设置空间。为了不占大的空间地设置保护电阻，提出了将起到保护电阻的作用的常导线材卷绕于超导线圈的外周的方案(例如，参照专利文献3等)。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献1:日本特开平5-190325号公报
[0007]专利文献2:日本特开平3-278504号公报
[0008]专利文献3:日本特开昭61-20303号公报
[0009]为了以保护电阻来消耗积蓄磁能，在保护电阻中流动大电流，从而需要具有充足大小的热容量，以便即使在保护电阻流动大电流也不会烧毁。为此，需要取得大的保护电阻的设置空间。根据专利文献3等，能够以超导线圈来兼作用于支承保护电阻的支承部，而省去用于支承保护电阻的支承部的设置空间，从而，相应地，能够取得大的保护电阻的设置空间。不过，需要保护电阻的设置空间，该设置空间依然需要确保较大。但是，考虑如下情况，即，若使该保护电阻具有不会烧毁地消耗积蓄磁能的功能，并缩小保护电阻的设置空间，则是有用的。
【发明内容】
[0010]因此，本发明所要解决的课题在于提供如下超导磁铁装置，即，即使缩小保护电阻的设置空间，也能够不烧毁保护电阻地消耗积蓄磁能。
[0011]为了解决上述课题，本发明的超导磁铁装置具有:
[0012]卷框，其兼作保护电阻，并卷绕超导线圈；
[0013]持续电流开关，其用于向所述超导线圈流动持续电流；
[0014]第一闭合电路，该电路中所述超导线圈和所述持续电流开关串联连接；以及
[0015]第二闭合电路，该电路中所述超导线圈和所述卷框串联连接。
[0016]本发明的效果如下。
[0017]根据本发明，由于保护电阻兼作超导线圈的卷框，所以若设置超导线圈的卷框所需的空间，则不需要设置与该空间不同的保护电阻所需的空间。实际上，能够缩小与卷框独立设置的保护电阻的设置空间。也就是说，能够提供如下超导磁铁装置，即，即使缩小保护电阻的设置空间，也能够不烧毁保护电阻地消耗积蓄磁能。此外，除上述内容以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明将更加明确。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的第一实施方式的超导磁铁装置的电路图。
[0019]图2A是保险丝和其周围的部件的纵向剖视图。
[0020]图2B是保险丝和其周围的部件的横向剖视图。
[0021]图3A是超导线圈的卷框的主视图。
[0022]图3B是超导线圈以及其卷框的纵向剖视图。
[0023]图4是本发明的第二实施方式的超导磁铁装置的电路图。
[0024]图5是本发明的第三实施方式的超导磁铁装置的电路图。
[0025]图6A是本发明的第五实施方式的超导磁铁装置所使用的超导线圈的卷框的主视图。
[0026]图6B是本发明的第五实施方式的超导磁铁装置所使用的超导线圈以及其卷框的纵向剖视图。
[0027]图7A是紧固部和其周围的部件的纵向剖视图。
[0028]图7B是图7A的B-B方向的向视剖视图，是紧固部和其周围的部件的横向剖视图。
[0029]图8A是本发明的第六实施方式的超导磁铁装置所使用的超导线圈的卷框的主视图。
[0030]图SB是本发明的第六实施方式的超导磁铁装置所使用的超导线圈以及其卷框的纵向剖视图。
[0031]图9A是本发明的第七实施方式的超导磁铁装置所使用的超导线圈的卷框的主视图。
[0032]图9B是本发明的第七实施方式的超导磁铁装置所使用的超导线圈以及其卷框的纵向剖视图。
[0033]图中:
[0034]I一超导磁铁装置，2—低温恒温器，2a—真空容器，2b—福射屏蔽罩，2c—冷冻机，2d一传热机构，3、3a、3b—超导线圈，4一保险丝，4a一超导细丝，4b一冷却稳定材料，5一卷框(保护电阻)，5a—筒，5b—凸缘，5c—卷框的中心轴，5e—绝缘部(绝缘片)，5f—凸缘的槽，6—持续电流开关，7—失超检测机构，8—直流电源(电流源)，9—加热器，10—励磁电源，11—电流切断机，12—绝热机构，13—加热器，14a、14b—卷框(凸缘)的连接部位(端子)，14c、14d—保险丝的连接部位(端子)，15a、15b一超导线材，16a、16b、16c、16d—导电连接部位(导电连接部)，17—电流路径，21a、21b、21c、21d、21e—部分卷框，60—螺栓，61—螺母，62—弹簧垫圈，63a—绝缘垫圈，64—绝缘环，70、70a、70b—紧固部，Cl一第一闭合电路，C2—第二闭合电路，C3一第二闭合电路，Ip一持续电流，Sq一失超检测信号。
【具体实施方式】
[0035]接下来，参照适当附图对本发明的实施方式进行详细说明。此外，各图中，对于共用的部分使用相同的符号而省略重复的说明。
[0036](第一实施方式)
[0037]<超导磁铁装置I的结构>
[0038]图1是表示本发明的第一实施方式的超导磁铁装置I的电路图。超导磁铁装置I具有超导线圈3、保险丝4、持续电流开关6、兼作保护电阻并卷绕超导线圈3的卷框5、电流切断机11、以及励磁电源10。
[0039]超导线圈3设有单个或多个(图1的例子中为两个)。超导线圈3使用二硼化镁(MgB2)、铁系超导体、氧化物超导体等具有超过18K的临界温度的高温超导体。多个(图1的例子中为两个)超导线圈3 (3a、3b)串联连接。超导线圈3 (3a、3b)通过在卷框5卷绕超导线材而构成。超导线材中，以冷却稳定材料覆盖一根或多根超导细丝的周围，以冷却稳定材料填充这些多根超导细丝的相互的缝隙，从而以冷却稳定材料捆扎多根超导细丝。对于超导细丝，例如能够使用二硼化镁(MgB2)、铁系超导体、氧化物超导体。对于冷却稳定材料，优选电阻率低、热传导率高的材料，例如能够使用银(Ag)、无氧铜(纯铜:Cu)、铁(Fe)等。对于连接超导线圈3、保险丝4以及持续电流开关9等彼此的布线，也能够使用该超导线材。
[0040]对于持续电流开关6，也与超导线圈3相同，使用具有超过18K的临界温度的高温超导体。持续电流开关6具有超导线材和加热器。超导线材中，与超导线圈3相同，以冷却稳定材料覆盖一根或多根超导细丝的周围，以冷却稳定材料填充多根超导细丝彼此的缝隙，从而以冷却稳定材料捆扎多根超导细丝。持续电流开关6的加热器和超导线材热连接。若加热器发热，则加热器对超导线材进行加热，而能够使超导线材从超导状态转变为常导状态(正常导体状态)。通过使超导线材转变为常导状态，来使持续电流开关6成为打开(断开)状态。另一方面，若加热器的发热停止，则由后述的传热机构2d进行冷却，能够使超导线材成为超导状态，从而使持续电流开关6成为闭合(接通)状态。此外，对于冷却稳定材料，使用电阻率比超导线圈3 (3a、3b)的冷却稳定材料(例如，银、无氧铜等)的电阻率高的金属(例如，铜镍合金、金-银合金等)。另外，由于因失超时的磁场变动引起的发热，有使持续电流开关6转变为常导的可能，此时为了防止持续电流开关6烧毁，设计保护电阻的电阻值、电路结构，以使消耗的能量足够小。并且，持续电流开关6、保险丝4、超导线圈3a以及3b串联连接，由此构成第一闭合电路Cl。通过使持续电流开关6接通，能够在第一闭合电路Cl、尤其在超导线圈3流动持续电流Ip。
[0041]对于保险丝4，也与超导线圈3相同，使用具有超过18K的临界温度的高温超导体。保险丝4具有超导线材。超导线材中，与超导线圈3相同，以冷却稳定材料覆盖一根或多根超导细丝的周围，以冷却稳定材料填充多根超导细丝彼此的缝隙，从而以冷却稳定材料捆扎多根超导细丝。并且，保险丝4、超导线圈3a以及3b串联连接。在保险丝4的两端设有连接端子(部位)14c、14d。
[0042]对于卷框(保护电阻)5，使用非磁性体、且是常导体(导体)、且是作为卷框5具有充足的强度的部件。并且，具体而言，对于卷框(保护电阻)5，使用铝、铜、不锈钢等的部件。卷框(保护电阻)5、持续电流开关6、超导线圈3a以及3b串联连接，由此构成第二闭合电路C2。在卷框(保护电阻)5的分开的两个位置，设有连接端子(位置)14a、14b。连接端子14a经由超导线材15a而与保险丝4的连接端子14d连接。连接端子14b经由超导线材15b而与保险丝4的连接端子14c连接。此外，超导线材15a、15b也可以是常导的布线。卷框(保护电阻)5、连接端子14a、超导线材15a、连接端子14d、保险丝4、连接端子14c、超导线材15b、连接端子14b也构成与第一闭合电路Cl、第二闭合电路C2不同的闭合电路。
[0043]励磁电源10是用于向超导线圈3流动直流电流的直流电流源。电流切断机11允许直流电流从励磁电源10向超导线圈3的流动，或切断其流动。电流切断机11与励磁电源10串联连接。另外，电流切断机11、励磁电源10以及持续电流开关6串联连接，由此构成第三闭合电路C3。另外，电流切断机11、励磁电源10、超导线圈3以及保险丝4串联连接，由此构成闭合电路，从而能够在超导线圈3对积蓄磁能进行储存。此外，电流切断机11和励磁电源10配置于低温恒温器2的外侧，并且能够相对于超导磁铁装置I的主体拆装。
[0044]另外，超导磁铁装置I具有失超检测机构7、加热器9以及电流源(直流电源)8。失超检测机构7对在处于超导状态的超导线圈3 (3a、3b)的一部分产生的常导状态进行检测。失超检测机构7能够将在高温超导线圈3 (3a、3b)上产生的常导状态例如作为高温超导线圈3 (3a、3b)的两端的电位差的变换来进行检测。若失超检测机构7对在超导线圈3(3a、3b)的一部分产生的常导状态进行检测，则输出失超检测信号Sq，并向电流源8发送。电流源8是直流电流源，若接收失超检测信号Sq，则向加热器9流动直流电流(通电)。
[0045]加热器9与保险丝4热连接。并且，优选构成为加热器9与保险丝4接触。若在加热器9流动直流电流，则加热器9发热，并对保险丝4进行加热。保险丝4升温，并从超导状态向常导状态转变。若向转变至常导状态的保险丝4流入在第一闭合电路Cl流动的持续电流Ip，则保险丝4产生焦耳热而发热，并熔断。由此，第一闭合电路Cl打开，从而持续电流Ip为了继续流动，而在第二闭合电路C2流动，并流入卷框(保护电阻)5。卷框(保护电阻)5产生焦耳热而发热，并使持续电流Ip衰减。此外，当持续电流Ip还在第一闭合电路Cl流动时，不仅保险丝4，持续电流开关6也有向常导状态转变的情况。这样的情况下，为了使保险丝4以熔断的程度发热，优选预先使保险丝4成为其温度容易比持续电流开关6的温度升高的状态。
[0046]另外，超导磁铁装置I具有低温恒温器2。低温恒温器2具有从超导线圈3等去除热进行冷却的冷冻机2c、从超导线圈3等向冷冻机2c传导热的传热机构2d、收放传热机构2d等并用于进行真空绝热的真空容器2a、以及收放传热机构2d等并用于抑制辐射热的侵入的福射屏蔽罩2b。福射屏蔽罩2b内置于真空容器2a,传热机构2d内置于福射屏蔽罩2b。冷冻机2c具有能够冷却至两个不同的温度的第一台和第二台。第二台能够冷却至比第一台的温度低的温度，能够冷却至高温超导体的临界温度以下。第二台与传热机构2d热连接，从而传热机构2d能够冷却至高温超导体的临界温度以下。第一台与辐射屏蔽罩2d热连接。通过由第一台冷却辐射屏蔽罩2b，能够使辐射屏蔽罩2b所吸收的辐射热从第一台散出。
[0047]传热机构2d与超导线圈3(3a、3b)、保险丝4、持续电流开关6、以及连接这些部件的超导线材热连接，通过传热(散热)分别将它们冷却至临界温度以下。因此，能够将超导线圈3 (3a、3b)、保险丝4、持续电流开关6以及连接这些部件的超导线材保持为超导状态。
[0048]图2A是表示保险丝4和其周围的部件的纵向剖视图，图2B是表示其横向剖视图。此外，图2B所示的保险丝4和其周围的部件是进一步放大图2A所示的保险丝4和其周围的部件进行表示的。保险丝4和加热器9接触、热连接。由此，由加热器9加热保险丝4，而能够使保险丝4从超导状态向常导状态转变。为了使加热容易，以绝热机构12覆盖保险丝4和加热器9的周围，以使在加热器9产生的热不向周围扩散。作为绝热机构12，例如能够利用树脂等绝热材料、具有真空构造的绝热材料。保险丝4的连接部位(端子)14c、14d与超导线圈3以及持续电流开关6连接。超导线圈3以及持续电流开关6与传热机构2d接触而被冷却，保险丝4经由相连接的连接部位(端子)14c、14d而被冷却。
[0049]此外，在保险丝4熔断的情况下，更换成新的保险丝4。通过拆下保险丝4的连接部位(端子)14c和14d的连接、并从传热机构2d拆下保险丝4、加热器9以及绝热机构12，而能够容易地进行该更换。此外，保险丝4设置在熔断时能够容易更换为未熔断的保险丝的位置、例如传热机构2d的端部。
[0050]保险丝4是所谓的超导线材，保险丝4 (超导线材)中，如图2B所示，以冷却稳定材料4b覆盖多根超导细丝4a的周围。此外，超导细丝4a不限于多根，也可以是一根。多根超导细丝4a被冷却稳定材料4b捆扎。
[0051]图3A是表示超导线圈3 (3a)的卷框(保护电阻)5的主视图，图3B是表示超导线圈3 (3a)以及其卷框(保护电阻)5的以沿中心轴5c的平面剖开的纵向剖视图。此外，图3A和图3B中，以超导线圈3a为例进行了记述，但也可以是超导线圈3b,另外,超导线圈3a和3b双方的卷框(保护电阻)5也可以兼作保护电阻。卷框(保护电阻)5具有筒5a、以及夹持筒5a的一对凸缘5b。一对凸缘5b设置在筒5a的两个方向的开口端(两端)。凸缘5b的内径与筒5a的内径大致相等。凸缘5b的外径比筒5a的外径大。并且，在筒5a的外周，且在一对凸缘5b之间卷绕有超导线圈3 (3a)。对于卷绕于卷框(保护电阻)5的超导线圈3(3a)的超导线材而言，使用表面具有绝缘层的超导线材或者被绝缘片覆盖的超导线材，超导线圈3 (3a)的超导线材不直接与卷框(保护电阻)5电接触。
[0052]在一对凸缘5b内的一个凸缘5b上的相互分开的两个部位，设有连接端子14a和14b。连接端子14a和14b设于凸缘5b的外周部。连接端子14a和14b设置在由连接端子14a和14b夹着卷框(保护电阻)5 (凸缘5b)的中心轴5c的位置。连接端子14a和14b设置在对连接端子14a和14b进行连接的线段(直线)与卷框(保护电阻)5 (凸缘5b)的中心轴5c相交的位置。连接端子14a与超导线材15a连接，该超导线材15a与持续电流开关6连接，并构成第二闭合电路C2 (参照图1)。连接端子14b与超导线材15b连接，该超导线材15b与超导线圈3 (3a)连接，并构成第二闭合电路C2 (参照图1)。由此，认为超导线材15a和15b所连接的卷框(保护电阻)5也构成第二闭合电路C2 (参照图1)的一部分。在超导线材3的失超时，持续电流Ip在卷框(保护电阻)5从连接端子14a流入，在分叉的电流路径17流动,并从连接端子14b流出。通过在卷框(保护电阻)5流动持续电流Ip,来使卷框(保护电阻)5产生焦耳热，来消耗超导线圈3的积蓄能量。这样，卷框(保护电阻)5作为保护电阻而发挥作用。为了对流动持续电流Ip并作用强力的电磁力的超导线圈3 (3a)进行支承，卷框(保护电阻)5形成为具有充足的强度。并且，确保了与此相应的充足的设置空间。另一方面，为了以保护电阻消耗积蓄磁能，在保护电阻流动大电流，从而需要具有充足大小的热容量，以便即使在保护电阻流动大电流也不会烧毁。因此，需要取得大的保护电阻的设置空间。卷框(保护电阻)5兼作保护电阻，从而作为保护电阻的卷框(保护电阻)5也确保了充足的设置空间。并且，为了在失超时不烧毁卷框(保护电阻)5，能够确保需要的足够大的热容量。另外，若设置超导线圈3的卷框5所需的空间，则不需要设置与该空间不同的保护电阻所需的空间，从而能够简化低温恒温器2 (参照图1)内部的结构。
[0053]<超导磁铁装置I的动作>
[0054]接下来，对超导磁铁装置I的运转动作进行说明。如图1所示，首先，利用传热机构2d的传热冷却，将超导线圈3(3a、3b)、保险丝4以及持续电流开关6冷却至所使用的高温超导体的临界温度以下，并保持为超导状态。
[0055]接着，在持续电流开关6打开(断开、常导状态)的状态下，使电流切断机11闭合(接通)，从励磁电源10向超导线圈3(3a、3b)供电。接下来,使持续电流开关6闭合(接通、超导状态)，并且停止从励磁电源10供电，之后，使电流切断机11打开(断开)。此时，不从励磁电源10向超导线圈3供电，但在超导线圈3 (3a、3b)、保险丝4以及闭合(接通)的持续电流开关6串联连接第一闭合电路Cl中，电流衰减非常小，流动持续电流Ip，从而超导磁铁装置I成为持续电流运转状态。持续电流运转中，超导磁铁装置I在不从励磁电源10供电的情况下也能够长期地形成、保持磁场。此外，卷框(保护电阻)5具有有限的电阻，从而持续电流运转时，基本不在卷框(保护电阻)5 (第二闭合电路C2)流动电流。
[0056]接下来，对如下情况(产生失超现象的情况)进行说明，即，在超导磁铁装置I的持续电流运转中，两个超导线圈3 (3a、3b)中的一个超导线圈3a的一部分转变为常导状态，并在其周围扩大常导区域。首先，若在超导线圈3a的一部分产生转变为常导状态的情况，则失超检测机构?例如以超导线圈3a的两端的电位差超过规定值的情况,来检测超导线圈3a的一部分转变为常导状态的情况，并向直流电源8发送失超检测信号Sq。接收到失超检测信号Sq的直流电源8向与保险丝4相接的加热器13流动直流电流。保险丝4由于加热器13的加热，而从超导状态向常导状态转变，从而自身产生焦耳热并熔断。对于保险丝4的冷却稳定材料4b (参照图2B)，使用与超导线圈3 (3a、3b)所使用的超导线材的冷却稳定材料相比电阻率高且热传导率低的材料，并且，保险丝4被绝热机构12 (参照图2A和图2B)覆盖，从而与超导线圈3 (3a、3b)相比，保险丝4的转变为常导状态的部分的发热量大，且热的扩散慢，升温速度快。因此，在超导线圈3 (3a、3b)烧毁前，能够使保险丝4先熔断。
[0057]若保险丝4熔断，则该部分的电阻值变得非常大，从而持续电流Ip在具有较低电阻值的卷框(保护电阻)5迂回。通过在卷框(保护电阻)5流动较大的持续电流Ip，能够消耗积蓄磁能，并能够抑制超导线圈3 (3a、3b)的发热(S卩、降低超导线圈3 (3a、3b)的最高温度)。由此，能够防止超导线圈3 (3a、3b)的烧毁。另外，保险丝4设置在容易更换的位置，从而能够在持续电流Ip衰减后更换，从而超导磁铁装置I能够再次进行励磁。
[0058]〈作用、效果〉
[0059]这样，根据第一实施方式，超导线圈3的卷框(保护电阻)5兼作保护电阻，从而若设置超导线圈3的卷框5所需的空间，则不需要设置与该空间不同的保护电阻(5)所需的空间。实际上，能够缩小与卷框5独立设置的保护电阻(5)的设置空间。即，能够提供如下超导磁铁装置I，即，即使缩小保护电阻(5)的设置空间，也能够不烧毁保护电阻(5)地消耗积蓄磁能。
[0060](第二实施方式)
[0061]图4是表示本发明的第二实施方式的超导磁铁装置I的电路图。第二实施方式的超导磁铁装置I与第一实施方式的超导磁铁装置I的不同点在于，第二闭合电路C2由卷框(保护电阻)5和超导线圈3a及3b的串联连接构成，从第二闭合电路C2省去持续电流开关
6。根据第二实施方式，也能够得到与第一实施方式相同的效果。另外，第二实施方式中，若保险丝4熔断，则不在持续电流开关6流动持续电流Ip。因此，即使由于因失超时的磁场变动引起的发热使持续电流开关6转变为常导状态，持续电流开关6的积蓄磁能的消耗也能够通过保险丝4的熔断而被抑制。利用该保护功能，能够使第一实施方式中需要的用于防止烧毁的持续电流开关6的热容量比第一实施方式小，而能够缩小持续电流开关6的设置空间。
[0062](第三实施方式)
[0063]图5是表示本发明的第三实施方式的超导磁铁装置I的电路图。第三实施方式的超导磁铁装置I与第二实施方式的超导磁铁装置I的不同点在于，第三闭合电路C3由持续电流开关6、保险丝4、励磁电源10、以及电流切断机11的串联连接构成，并在第三闭合电路C3增加保险丝4。超导线圈3a和3b的串联连接、卷框(保护电阻)5和持续电流开关6及保险丝4的串联连接、励磁电源10和电流切断机11的串联连接是并列连接的。根据第三实施方式也能够得到与第一及第二实施方式相同的效果。
[0064](第四实施方式)
[0065]接下来，对第四实施方式的超导磁铁装置I进行说明。第四实施方式的超导磁铁装置I与第一至第三实施方式的超导磁铁装置I的不同点在于，对于超导线圈3、保险丝4、持续电流开关6所使用的超导线材的超导细丝和相互连接这些部件的超导线材的超导细丝，使用在18K以下显示超导性的低温超导体。与此相伴，低温恒温器2具有能够保持其低温超导体的超导性的冷却能力。作为具有18K以下的临界温度的低温超导体，能够使用铌钛(NbTi)、铌锡(Nb3Sn)等。与具有超过18K的临界温度的高温超导体相比，这样的低温超导体在具有十分之一以下的比热的区域存在临界温度，从而在失超时，通过热传导搬运常导区域的速度变快。因此，超导线圈3中也能够不烧毁地消耗积蓄磁能，从而能够减少保护电阻(5)应该消耗的积蓄磁能。因此，对于低温超导线圈所需的保护电阻的设置而言，不需要高温超导体的情况那样的大的设置空间。但是，第四实施方式中，由于超导线圈3的卷框(保护电阻)5也兼作保护电阻，从而若设置超导线圈3的卷框5所需的空间，则不需要设置与该空间不同的保护电阻(5)所需的空间。与第一实施方式相比，保护电阻(5)的设置空间小即可，但也能够缩小其设置空间。另外，即使缩小保护电阻(5)的设置空间，也能够不烧毁保护电阻(5)地消耗积蓄磁能。
[0066](第五实施方式)
[0067]图6A是表示本发明的第五实施方式的超导磁铁装置所使用的超导线圈3的卷框(保护电阻)5的主视图，图6B是表示该超导线圈3以及该卷框(保护电阻)5的纵向剖视图。第五实施方式的超导磁铁装置I与第一至第四实施方式的不同点在于，卷框(保护电阻)5的筒5a和凸缘5b电绝缘，在凸缘5b形成有槽5f。在凸缘5b设有多个槽5f。图6A的例子中，到达凸缘5b的内周面的槽5f有八个，到达凸缘5b的外周面的槽5f有八个，共计在凸缘5b形成有十六个槽5f。槽5f成为从凸缘5b的表面贯通至背面的切口。在槽5f埋入有绝缘体，但也可以不埋入任何部件。槽5f沿从卷框(保护电阻)5 (凸缘5b)的中心朝向外侧的方向(径向)设置。该槽5f的一端到达凸缘5b的内周面或外周面中的一个。相邻的槽5f中的一个到达凸缘5b的内周面，相邻的槽5f中的另一个到达凸缘5b的外周面。根据该多个槽5f，从连接端子14a朝向连接端子14b的电流路径17被限制为弯曲前进，从而与第一实施方式相比，能够增大卷框(保护电阻)5的电阻值。凸缘5b和筒5a在紧固部70a通过螺栓60和螺母61被紧固。
[0068]如图6B所示，凸缘5b和筒5a被绝缘部(绝缘片)5e分离。在凸缘5b与筒5a之间夹持有绝缘片5e。凸缘5b和筒5a电绝缘。在凸缘5b设有紧固部70a。在筒5a设有紧固部70b。紧固部70a和紧固部70b通过螺栓60和螺母61被紧固。
[0069]图7A是表示紧固部70a、70b以及它们周围的部件的纵向剖视图，图7B是表示图7A的B-B方向的向视剖视图。在紧固部70a与70b之间夹持有绝缘片5e。在紧固部70a、70b以及绝缘片5e分别形成有贯通孔。紧固部70a、70b以及绝缘片5e各自的贯通孔由圆筒形状的绝缘环64贯通。在绝缘环64的两端，设有绝缘垫圈63a和63b。绝缘垫圈63a和63b的外径比紧固部70a和70b的贯通孔的直径大。绝缘环64、绝缘垫圈63a以及63b由螺栓60贯通。在螺栓60，插入弹簧垫圈62，通过旋合螺母61，来对紧固部70a和70b进行紧固。螺栓60、螺母61以及弹簧垫圈62由具有紧固所需的充足的机械强度的材料、例如不锈钢形成。螺栓60、螺母61以及弹簧垫圈62不与紧固部70a、70b直接接触，经由绝缘环64、绝缘垫圈63a、63b接触，从而紧固部70a和70b不经由螺栓60等电连接。并且，在紧固部70a与70b之间夹持有绝缘片5e，从而能够电绝缘地对紧固部70a和70b进行紧固。由此，能够使图6B所示的凸缘5b和筒5a电绝缘。连接端子14a和14b设置在与筒5a绝缘的凸缘5b，从而即使从连接端子14a朝向连接端子14b的电流路径17通过凸缘5b，也被限制为不通过筒5b，进而与第一实施方式相比，能够增大卷框(保护电阻)5的电阻值。
[0070]如上所述，对于卷框(保护电阻)5的电阻值而言，电流路径17被绝缘片5e限制在凸缘5b内，并且由于槽5f而在凸缘5b内弯曲前进，从而与第一实施方式相比较大。由此，能够进一步缩短失超时的电流衰减所需要的时间。并且，与该能够缩短的时间相应地，能够变长失超检测机构7的超导线圈3的失超检测为止所需的时间、保险丝4熔断为止所需的时间，从而能够简化失超检测机构7、保险丝4等结构所需的部件、系统(例如，缩小加热器13的容量)。
[0071](第六实施方式)
[0072]图8A是表示本发明的第六实施方式的超导磁铁装置所使用的超导线圈3 (3a)的卷框(保护电阻)5的主视图，图SB是表示该超导线圈3 (3a)与该卷框(保护电阻)5的纵向剖视图。第六实施方式的超导磁铁装置与第一至第五实施方式的超导磁铁装置I的不同点在于，两个连接端子14a和14b分别在一对凸缘5b上个设置一个。由此，也能够使电流路径弯曲前进。并且，卷框(保护电阻)5具有:以与中心轴5c垂直的面为切断面而被分割出的多个部分卷框21a、21b、21c、21d、21e ;在邻接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e的相互对置的切断面之间设置的绝缘片5e ;以及设于卷框(保护电阻)5的内壁、并对邻接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e彼此进行电连接的导电连接部16a、16b、16c、16d。与一个部分卷框21b、21c、21d连接的两个导电连接部16a、16b、16c、16d隔着中心轴5c对置。具体而言，与部分卷框21b连接的两个导电连接部16a和16b隔着中心轴5c对置。与部分卷框21c连接的两个导电连接部16b和16c隔着中心轴5c对置。与部分卷框21d连接的两个导电连接部16c和16d隔着中心轴5c对置。导电连接部16a、16c、导电连接部16b、16d设置在连接导电连接部16a、16c和导电连接部16b、16d的线段(直线)与中心轴5c相交的位置。
[0073]卷框(保护电阻)5被分割为多个(图SB的例子中为五个)部分卷框21a、21b、21c、21d、21e。部分卷框21a和21e在图8B的例子中与凸缘5b对应，但不限定于此。部分卷框21a和21e也可以是凸缘5b的一部分，也可以除了凸缘5b还包括筒5a的一部分或全部。另外，图SB的例子中，筒5a被分割为三个部分卷框21b、21c、21d，但不限定于此，筒5a也可以作为一个部分卷框21b存在，也可以不限定为三个而被分割为多个。
[0074]邻接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e的切断面经由绝缘片5e而相接触。在部分卷框21a、21b、21c、21d、21e设有紧固部70。紧接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e的紧固部70隔着绝缘片5e对置，通过螺栓60和螺母61而被紧固。对于由螺栓60和螺母61来紧固该一对紧固部70的构造而言，能够使用图7A和图7B所说明的由螺栓60和螺母61对紧固部70a和70b进行紧固的构造。即，将紧固部70a和70b替换成紧固部70即可。这样，能够使邻接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e的切断面中保持电绝缘性，并且能够对邻接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e彼此进行紧固。
[0075]邻接的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e彼此通过导电连接部16a、16b、16c、16d电连接。导电连接部16a、16c和导电连接部16b、16d隔着中心轴5e而对置配置，从而电流路径17从连接端子14a依次经由部分卷框21a、导电连接部16a、部分卷框21b、导电连接部16b、部分卷框21c、导电连接部16c、部分卷框21d、导电连接部16d、部分卷框21e而到达连接端子14b。这样，使电流路径17弯曲前进，而使电流路径17狭长，从而能够增大卷框(保护电阻)5的电阻值。此外，部分卷框21a、21b、21c、21d、21e被分割为奇数个(图8B的例子中为五个)，从而连接端子14a和14b在隔着中心轴5c的两侧分别设置一个。若部分卷框21a、21b、21c、21d、21e被分割为偶数个，则连接端子14a和14b相对于中心轴5c配置为相同侧。另外，对于导电连接部16a、16b、16c、16d，能够使用容易具有强度的导电材料、例如不锈钢等。[0076](第七实施方式)
[0077]图9A是表示本发明的第七实施方式的超导磁铁装置所使用的超导线圈3 (3a)的卷框(保护电阻)5的主视图，图9B是表示该超导线圈3 (3a)和该卷框(保护电阻)5的纵向剖视图。第七实施方式的超导磁铁装置中，对第五实施方式的槽5f等和第六实施方式的部分卷框21a、21b、21c、21d、21e等进行组合,进一步变长电流路径17,从而能够进一步增大卷框(保护电阻)5的电阻值。槽5f在一对凸缘5b (部分卷框21a和21e)双方形成。部分卷框21e上的槽5f的配置图案与使部分卷框21a上的槽5f的配置图案绕中心轴5c旋转180度的图案一致。由此，部分卷框21a中，电流路径17从连接端子14a在部分卷框21a上避开槽5f地迂回，而到达导电连接部16a。部分卷框21e中，电流路径17从导电连接部16d在部分卷框21e上避开槽5f地迂回并弯曲前进，而到达连接端子14b。另外，导电连接部16a至16d的电流路径17从导电连接部16a依次经由部分卷框21b、导电连接部16b、部分卷框21c、导电连接部16c、部分卷框21d，从而弯曲前进，并到达导电连接部16d。这样，使电流路径17弯曲前进，而变长电流路径17，从而能够增大卷框(保护电阻)5的电阻值。
[0078]此外，本发明不限定于上述的第一至第七实施方式，包括各种变形例。例如，上述的第一至第七实施方式是为了容易理解地说明本发明而进行的详细说明，不限定于具备所说明的全部结构。另外，也可以将第一至第七中的实施方式的结构的一部分置换成其它实施方式的结构。另外，也可以在第一至第七中的实施方式的结构上增加其它实施方式的结构。另外，也可以在第一至第七中各实施方式的结构的一部分追加、删除、置换其它的结构。
【权利要求】
1.一种超导磁铁装置，其特征在于，具有: 卷框，其兼作保护电阻，并卷绕超导线圈； 持续电流开关，其用于向所述超导线圈流动持续电流； 第一闭合电路，该电路中所述超导线圈和所述持续电流开关串联连接；以及 第二闭合电路，该电路中所述超导线圈和所述卷框串联连接。
2.根据权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于， 具有保险丝，在所述超导线圈产生常导状态时，该保险丝从超导状态转变为常导状态并熔断， 所述第一闭合电路中，所述超导线圈、所述持续电流开关以及所述保险丝串联连接。
3.根据权利要求1或2所述的超导磁铁装置，其特征在于， 所述第二闭合电路中，所述超导线圈、所述卷框以及所述持续电流开关串联连接。
4.根据权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于， 能够构成所述持续电流开关、励磁电源以及电流切断机串联连接的第三闭合电路。
5.根据权利要求4所述的超导磁铁装置，其特征在于， 所述第三闭合电路中，所述持续电流开关、所述保险丝、所述励磁电源以及所述电流切断机串联连接。
6.根据权利要求2所述的超导磁铁装置，其特征在于，具有: 失超检测机构，其对在所述超导线圈产生的常导状态进行检测； 加热器，其与所述保险丝接触； 绝热机构，其覆盖所述保险丝和所述加热器；以及 电流源，若检测到在所述超导线圈产生的常导状态，则该电流源向所述加热器流动电流， 若向所述加热器流动电流，则所述保险丝转变为常导状态，并由于自身产生的焦耳热而熔断。
7.根据权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于， 所述卷框具有: 筒；以及 一对凸缘，它们设置在所述筒的两端，内径与所述筒的内径相等，外径比所述筒的外径大， 所述第二闭合电路的布线分别在隔着所述卷框的中心轴的所述凸缘上的两个位置连接。
8.根据权利要求7所述的超导磁铁装置，其特征在于， 所述筒与所述凸缘电绝缘， 在所述凸缘形成有槽。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的超导磁铁装置，其特征在于， 所述卷框具有: 多个部分卷框，它们以与所述卷框的中心轴垂直的面为切断面被分割而成； 绝缘片，其设置在邻接的所述部分卷框的相互对置的切断面之间；以及 导电连接部，其设置在所述卷框的内壁，并对邻接的所述部分卷框彼此进行电连接，与一个所述部分卷框连接的两个所述导电连接部隔着所述卷框的中心轴对置。
10.根据权利要求2所述的超导磁铁装置，其特征在于， 所述超导线圈、所述持续电流开关以及所述保险丝使用临界温度超过18K的高温超导线材构成。
11.根据权利要求2所述的超导磁铁装置，其特征在于， 对于在所述保险丝所使用的超导细丝的超导体的周围配置的冷却稳定材料而言，与在所述超导线圈和所述持续电流开关所使用的超导细丝的超导体的周围配置的冷却稳定材料相比， 电阻率高，并且热传导率低。
12.一种电磁铁装置，其特征在于，具备: 传热机构，其内置于真空容器；以及 冷冻机，其与所述传热机构热连 接来冷却所述传热机构， 所述传热机构与所述超导线圈和所述持续电流开关热连接。
【文档编号】H02H5/04GK103456454SQ201310217504
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2012年6月4日
【发明者】中川龙司, 安藤龙弥, 青木学 申请人:株式会社日立制作所