JP2011187524A - 高温超電導並列導体、それを用いた高温超電導コイル及び高温超電導マグネット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、永久電流モード運転中にクエンチしても、局所的な温度上昇によって超電導線材が焼損することのない高温超電導マグネットを提供することである。
【解決手段】本発明の高温超電導マグネットは、高温超電導線材をコイル状に巻いた超電導コイルと、該超電導コイルに接続された永久電流スイッチとが備えられており、超電導コイルは、複数の高温超電導線材が並列に巻かれたコイルであり、それぞれの高温超電導線材は、導電性材料を介して他の高温超電導線材と接続された短絡部を有することを特徴とする。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、永久電流モードで運転する高温超電導マグネット、その超電導コイルならびにそれらに用いられる高温超電導並列導体の構成に関する。

ＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：核磁気共鳴）装置、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ：磁気共鳴イメージング）装置で用いられる超電導マグネットは、一般に高磁場を必要とするため、蓄積される磁気エネルギー：ＬＩ^２／２（Ｌ：インダクタンス、Ｉ：運転電流）が大きい。そのため、超電導体が超電導状態から常電導状態に転移する、いわゆるクエンチが起こったときに、コイルが焼損しないようにするための対策が必要となる。

クエンチ保護に関する従来技術としては、超電導コイルと並列に保護抵抗を接続しておき、保護抵抗においてエネルギーを消費させる方法が一般的である。この方法は、常時電源から電流を供給するマグネットの場合には、電源を遮断することで強制的に保護抵抗に電流を流すことができるため、効果的である。しかし、高い磁場安定度が必要となるＮＭＲ装置やＭＲＩ装置で用いられる超電導マグネットは、超電導コイルと永久電流スイッチで構成される閉回路に電流を流し、永久電流モードで運転される。その場合、クエンチ時に発生した抵抗と、保護抵抗との比で分流するのみであり、電流減衰の時定数は、クエンチによる発生抵抗、保護抵抗および超電導コイルのインダクタンスに依存する。よって、それを適切に設計して、クエンチ時の線材温度を焼損する温度以下に抑えることが必要となる。

クエンチ保護に関しては、これまでに様々な方法が開発されている。特許文献１には、超電導コイルと並列に、抵抗ではなくダイオードを接続し、そのスイッチング電圧を利用して、励消磁のときに保護回路に流れる電流を抑制する方法が記載されている。

また特許文献２には、複数の超電導コイルが直列に接続されている場合の保護方法について記載されている。ダイオード、ヒータより成る保護回路を構成し、クエンチが発生すると、その電位差によってヒータに電流が流れ、すべての超電導コイルのクエンチを誘発するという方法である。これらは何れも低温超電導体線材を用いた超電導マグネットに有効な技術である。

特開昭６１−７４３０８号公報 特開２００７−２３４６８９号公報

従来技術により、ニオブチタンなどの低温超電導線材を用いたマグネットに関する保護方法は確立されている。しかし、高温超電導線材を用いたマグネットの場合、低温超電導線材の場合よりも、クエンチ保護は格段に難しくなる。高温超電導体は臨界温度が高いため、運転温度との温度差を大きくすることが可能であり、また温度が高いほど比熱が大きいため、クエンチが起こりにくいというメリットがある。しかし、停電、冷凍機の故障などにより、万が一クエンチが起こってしまうと、前述したメリットが逆にデメリットになる。つまり、クエンチが起こりにくいということは、局所的にクエンチが起こったときに、それが伝播しにくいということである。クエンチの発生範囲が狭いと、コイルのエネルギーが局所的に消費されるため、クエンチが発生した一部分の温度が急激に上昇し、瞬時に焼損する温度を超えてしまう。前述したように、電源駆動のマグネットでは、クエンチ検出後、電源を遮断することで保護抵抗に電流を流し、エネルギーを消費させることができるが、永久電流モードで運転する場合、そのように強制的に電流の流れを変えることはできない。保護抵抗を超電導コイルと並列に接続するのみでは、クエンチによって発生する抵抗は、超電導コイルのインダクタンスと比べると非常に小さいため、電流減衰の時定数が長くなり、コイルを保護することができない。またクエンチを検出後、超電導コイルに取り付けたヒータを加熱し、全体をクエンチさせるという方法も考えられるが、検出、加熱、温度上昇に要する時間を考えると保護は難しい。磁気的に結合したコイルを設置し、誘導的にエネルギーを回収する方法も考えられるが、やはり電流減衰に時間を要する。

本発明の目的は、永久電流モードで運転中の高温超電導マグネットにおいて、クエンチが発生した場合に、局所的な温度上昇による焼損を防ぐことであり、またそのために有効な高温超電導コイル及び高温超電導並列導体を提供することである。

本発明は、複数の高温超電導線材が束ねられ、該複数の高温超電導線材の端部同士が電気的に接続された並列導体であって、前記複数の高温超電導線材は、それぞれ端部以外に少なくとも１箇所以上、常電導体の導電性材料を介して、他の高温超電導線材と接続された短絡部を有し、前記短絡部以外は絶縁材で被覆されていることを特徴とする並列導体を提供する。ここで並列導体は捲き枠に巻かれた状態のもの及び巻き枠に捲かれる前の状態のものを含む。

前記短絡部が、前記複数の高温超電導線材の実質的に全長にわたって周期的に配置されていることができる。短絡部は線材の全長にわたって形成するのが好ましいが、場合によっては短絡部を並列導体の必要な位置に形成すればよく、厳密な意味での全長である必要がない場合がある。また、短絡部は並列導体に規則的に、周期的に形成することが好ましいが、これも厳密に周期的でなくとも良い場合がある。ある程度の短絡部間の距離のバラツキは許される。従って、周期的という用語を文言どおりに解釈すべきではない。短絡部を並列導体の複数箇所に形成する場合、その端拓部は互いに電気的に接触しないように形成することが必要である。

前記絶縁材は、樹脂もしくはガラス繊維であり、ガラス繊維は必要に応じ、ワニス等を含浸し、硬化しても良い。

前記複数の高温超電導線材は、二ホウ化マグネシウム、もしくは、ビスマスまたはイットリウムを含む種々の酸化物であることができる。これら高温超電導体については多くの特許、文献に記載され、周知の材料であるので、本件明細書では詳細な説明を省略する。

短絡部を形成するための前記導電性材料は、ハンダもしくは金属ペーストであるのが好ましい。導電材料の抵抗値はなるべく低いほうが良い。

前記複数の高温超電導線材は２本又は３本以上であり、それらの線材同士は２本ずつ短絡されている。上記並列導体を、コイル状に巻いて高温超電導コイルを形成することが出来る。この高温超電導コイルにおいては、巻回数が異なる部分の高温超電導線材同士が前記導電性材料を介して接続された短絡部（ターン間短絡部）を有することが好ましい。

本発明は、上記高温超電導コイルと、該高温超電導コイルに接続された永久電流スイッチとを備えた高温超電導マグネットを提供することが出来る。

また、本発明は、上記高温超電導マグネットが、冷凍機によって無冷媒で冷却される伝導冷却型の高温超電導マグネットを提供することが出来る。

また、本発明の高温超電導マグネットを具体的に説明すれば、高温超電導線材をコイル状に巻いた超電導コイルと、該超電導コイルに接続された永久電流スイッチとを備え、超電導コイルは、複数の高温超電導線材が並列に巻かれたコイルであり、それぞれの高温超電導線材は、導電性材料を介して他の高温超電導線材と電気的に接続された短絡部を有することを特徴とする。これにより、短絡部とコイル部で形成されるループのインダクタンスをできるだけ小さくし、クエンチした部分における電流を速やかに迂回させることができる。

本発明の超電導コイルは、複数の高温超電導線材同士は、樹脂もしくはガラス繊維によって電気的な絶縁だけでなく、熱的な絶縁も確保するように構成されており、これにより、クエンチした部分で発生した熱が隣接する線材に伝導しないようにする。

更に本発明は、複数の高温超電導線材が３本以上の場合には、２本ずつ短絡することで、線材間のクエンチ伝播を抑制する超電導コイルを提供する。

本発明は、更に、複数の高温超電導線材がすべてクエンチしたときのために、異なるターン間を短絡しておき、クエンチした部分を迂回させる高温超電導コイル構成を提供する。

本発明によれば、クエンチが起こった場合に、電流は短絡部を通ってクエンチした部分を迂回するため、クエンチした部分の局所的な温度上昇を抑制することができる。

実施例１の高温超電導コイルの模式図。 図１Ａにおける超電導コイルの並列導体の短絡部を示す断面図。 実施例１の高温超電導マグネットの回路図で、クエンチが起こる前の定常状態の電流の流れを示す。 実施例１の高温超電導マグネットの回路図で、クエンチが発生したときの電流の流れを示す。 実施例１の高温超電導マグネットの回路図においてクエンチが発生したとき起こる電流の流れの変化を示す等価回路図。 実施例２の高温超電導コイルの模式図。 実施例２の高温超電導コイルにおける並列導体の短絡部を示す断面図。 実施例３の高温超電導コイルの模式図。 実施例３の高温超電導コイルにおける並列導体の短絡部及び隣接するタターン間の短絡部を示す断面図。 高温超電導マグネットの概略断面図。 伝導冷却型超電導マグネットの断面図。

以下では、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

図１Ａは、実施例１を説明する超電導コイルの模式図である。巻枠１に２本の高温超電導線材２を並列に共巻きする。図中では、見やすくするために線材間に隙間があるように描いているが、実際には、図１Ｂに示すように、短絡部の抵抗を低減し、磁場均一度を高めるために、線材を密に巻いた方が良い。

それぞれの高温超電導線材は、図１Ｂに示すように、樹脂もしくはガラス繊維の絶縁被覆６で被覆しており、電気的な絶縁を確保すると同時に、線材間のクエンチ伝播を防ぐために熱的な絶縁も確保している。

それらの共巻きした線材同士を、ある間隔で導電性材料のハンダや金属ペーストを用いて短絡部３を形成する。その際には、前述した絶縁被覆６を短絡する部分だけ除去する必要がある。短絡部の間隔は、短絡部間に許容されるインダクタンスによる。絶縁被覆の除去は、適切なナイフで削り取ったり溶媒で溶解したりして行う。

本実施例における超電導マグネットの等価回路を図２Ａ−図２Ｃに示す。図中の矢印は電流の流れを示している。図２Ａはクエンチが起こる前の定常状態における電流の流れを示しており、永久電流スイッチ４と並列接続された２本の超電導線材で閉回路が構成され、永久電流が流れている。線材同士の短絡部３には電流は流れない。図２Ｂは×印において、クエンチが発生したときの電流の流れを示している。クエンチが発生すると、クエンチした部分を迂回するように電流の流れが変化する。そのときに電流が変化するループの等価回路を図２Ｃに示す。電流変化の時定数は、クエンチした部分で発生した抵抗Ｒ_ｑと短絡部分の抵抗Ｒ_ｓおよびループのインダクタンスＬによって、Ｌ／(Ｒ_ｑ＋２Ｒ_ｓ)で計算される。この時定数が、線材の焼損までに要する時間ｔよりも短ければ、コイルを保護することが可能である。従って、ｔ＞Ｌ／(Ｒ_ｑ＋２Ｒ_ｓ)となるように、短絡部の抵抗値Ｒ_ｓを設計することが望ましい。

図２Ｃに示した短絡部およびコイル部で構成されるループのインダクタンスＬは、線材を隣接させて巻けば、ほとんど線材自身の内部インダクタンスμｌ／８π（ｌ：線材長さ）で決まる。真空の透磁率は４π×１０^−７なので、単位長さ当たりのインダクタンスは０．５×１０^−７［Ｈ／ｍ］と見積ることができる。クエンチ時に電流を迂回させるためには、短絡部の抵抗Ｒ_ｓは、クエンチ時に発生する抵抗Ｒ_ｑと比べて十分に小さい必要がある。よって、時定数はほとんどＬ／Ｒ_ｑで決まる。したがって、クエンチ時に発生する抵抗Ｒ_ｑと所望の時定数を考慮して、インダクタンスＬ、すなわち短絡部の間隔を決定する。

例えば高温超電導線材が、臨界温度３９Ｋの二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）の場合、負荷率９０％で通電すると、クエンチ発生後、約１秒後に線材が焼損するという実験結果が得られている。クエンチ時に発生する抵抗Ｒ_ｑは１０^−５〜１０^−４Ωのオーダであるため、時定数を例えば０．１秒と設定すると、インダクタンスは１０^−６Ｈ以下であればよい。これより、短絡部の間隔は１０ｍまで許容されることになる。製作性を考えると、短絡させる個所はできるだけ少ない方が良いため、許容される範囲で間隔を広くすることが好ましい。したがって、短絡部の間隔は、短絡部の長手方向（並列導体に長さに沿った方向）の中心から１〜２０ｍ、特に５〜１５ｍの範囲が好ましい。また、各短絡部の長さ（並列導体の長さに沿った方向）は、その抵抗Ｒ_ｓがクエンチ時の抵抗Ｒ_ｑよりも小さければよく、特に制限は無いが、５〜３０ｍｍ、特に８〜１５ｍｍが好ましい。たとえば、ハンダの抵抗率を３×１０^−８［Ω］、導体間距離及びハンダの厚さをそれぞれ１ｍｍとすると。ハンダの長さを３０ｍｍ以下にすれば、抵抗Ｒｓを１０^−６［Ω］以下にすることができる。

実施例１では、高温超電導線材を２本並列に共巻きした場合について記載した。ただし２本の場合、１本クエンチしたときに残り１本で運転電流すべてを担うためには、定常時に５０％以下の負荷率で運転しなければならず、線材本来の性能で運転することができない。そこで本数を増やすことにより、１本クエンチしたときに負担すべき電流を低減し、定常時の負荷率を上げることができる。例えば、３本のときは６７％、４本のときは７５％となる。ただし、本数が多いと巻線が難しくなるため、それらを考慮して適切に決定する必要がある。

図３Ａに３本の高温超電導線材２を巻いた場合の超電導コイルの模式図を示す。図３Ａに示すように、３本の線材はまとめて短絡するのではなく、２本ずつ別々に短絡した方が良い。３本まとめて短絡してしまうと、クエンチして電流が迂回する場合に、短絡部における発熱がその１箇所に集中してしまい、すべてクエンチするリスクが高まるためである。

図３Ｂは、図３Ａの短絡部３を形成した後の断面図を示し、図１Ｂと同様に、絶縁被覆６を除去して短絡部を形成する。

複数本すべてクエンチした場合に電流を迂回させる方法として、図４Ａに示すように異なるターン間で短絡する方法もある。その場合、１ターン分磁場が減少するため、時定数が長くなること、また励磁中に短絡部を流れてしまうため、励磁速度を遅くするなどの対策が必要であることを考慮しなければならない。図４Ａにおいて、短絡部３は並列導体間の短絡部であり、短絡部５はターン間の短絡部である。図４Ｂはその断面図を示す。

以上の実施例により、クエンチした部分の電流を迂回させることが可能である。そのまま復帰させて運転を続けることも可能であるが、従来の保護方法、例えばヒータでコイルを加熱する等の方法を併用することで、余裕をもって磁場を落とすという方法をとることもできる。

図５は本発明による高温超電導コイルを適用することが可能な高温超伝導マグネットの概略構造を示す断面図であり、高温超電導コイル７を支持板１１に支持し、高温超電導コイルに永久電流スイッチ８、電流リード１０を接続４、冷却容器９に収容する。これらの構造及び動作は周知のものと同じであるので詳細な説明は省略する。

図６は、冷媒を用いない伝導冷却型超電導マグネットの断面図を示し、冷凍機１２が支持板１を介して超電導コイルを冷却するようになっている。この構造及び作用も周知のものであるので詳細な説明は省略する。

１…巻枠、２…高温超電導線材、３…導電性材料を介した短絡部、４…永久電流スイッチ、５…導電性材料を介した、異なるターン間の短絡部、６…絶縁材、７…高温超伝導スイッチ、８…永久電流スイッチ、９…容器、１０…電流リード、１１…支持板、１２…冷凍機。

Claims (10)

1. 複数の高温超電導線材が束ねられ、該複数の高温超電導線材の端部同士が電気的に接続された並列導体であって、前記複数の高温超電導線材は、それぞれ端部以外に少なくとも１箇所以上、常電導体の導電性材料を介して、他の高温超電導線材と接続された短絡部を有し、前記短絡部以外は絶縁材で被覆されていることを特徴とする並列導体。
2. 請求項１に記載された並列導体であって、前記短絡部が、前記複数の高温超電導線材全長にわたって周期的に配置されていることを特徴とする並列導体。
3. 請求項１に記載された並列導体であって、前記絶縁材は、樹脂もしくはガラス繊維であることを特徴とする並列導体。
4. 請求項１に記載された並列導体であって、前記複数の高温超電導線材は、二ホウ化マグネシウム、もしくは、ビスマスまたはイットリウムを含む酸化物であることを特徴とする並列導体。
5. 請求項１に記載された並列導体であって、前記導電性材料は、ハンダもしくは金属ペーストであることを特徴とする並列導体。
6. 請求項１に記載された並列導体であって、前記複数の高温超電導線材は３本以上であり、それらの線材同士は２本ずつ短絡されていることを特徴とする並列導体。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載された並列導体を、コイル状に巻いた高温超電導コイル。
8. 請求項７に記載された高温超電導コイルであって、巻回数が異なる部分の高温超電導線材同士が前記導電性材料を介して接続された短絡部を有することを特徴とする高温超電導コイル。
9. 請求項７に記載された高温超電導コイルと、該高温超電導コイルに接続された永久電流スイッチとを備えた高温超電導マグネット。
10. 請求項９に記載された高温超電導マグネットが、冷凍機によって無冷媒で冷却される伝導冷却型の高温超電導マグネット。

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