JP2014190874A - 光ファイバ温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、極低温で高い感度及び熱伝導率を維持することができ、安定した出力を実現することができる光ファイバ温度センサを提供する。
【解決手段】光ファイバ本体１１の熱伸縮に伴う伝播特性の変化からＦＢＧ測定点１２にて温度を測定する光ファイバ温度センサ１０であって、ＦＢＧ測定点１２における光ファイバ本体１１の表面に、該光ファイバ本体１１よりも熱膨張率が大きい金属層２０を設けたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、浮上式鉄道や医療機器、電力貯蔵などの超電導磁石に使用されて、極低温となる超電導磁石内部の温度監視に使用して好適な光ファイバ温度センサに関する。

従来、超電導磁石は、超電導コイルの異常な内部発熱、冷媒の循環不良や断熱不良などによる熱侵入増大があると、超電導コイルの局部または全体が臨界温度以上に上昇し、超電導コイルの一部が超電導状態から常電導状態に戻るクエンチ（Quench）が発生する。
そして、クエンチが発生すると、超電導磁石としての機能を失うだけでなく、クエンチ発生箇所やその周囲が焼損し修理が必要となるなど影響が大きい。

このため、クエンチの予兆となる超電導磁石内部の温度上昇を事前に捉える必要があるが、温度を測定すべき箇所は超電導コイル、冷媒容器、冷媒配管、断熱材取付部など多岐にわたり、かつこれらを分布的に測定する必要がある。

超電導磁石の内部温度を測定する技術として、特許文献１に示される「内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置」が知られている。
この特許文献１は、冷凍機による直接電導冷却により超電導状態を維持する超電導コイルを用いた超電導磁石装置において、直接冷却方式の超電導磁石装置内の荷重支持断熱材、パワーリード、輻射シールド、超電導コイルに、多点方式となるＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）方式の光ファイバ温度センサを敷設したものである。
そして、ＦＢＧ方式の光ファイバ温度センサを測定器に接続した状態で、超電導コイル、冷凍機コールドヘッドの温度異常及び断熱不良、輻射シールドやパワーリードなどの温度異常を、光ファイバ温度センサを介して検出し、これによって超電導コイルの冷却異常の兆候を監視する。

しかしながら、上述した特許文献１では、ＦＢＧ方式の光ファイバ温度センサにより異常が発生するであろう温度測定点にて温度監視を行っているが、超電導磁石内部の温度監視は、極低温での温度測定であることから、高い感度で温度を測定する技術が必要である。これまで、極低温での温度測定技術に関する提案はいくつか見られたが、 一長一短があり、極低温での安定した出力で感度の良い温度測定技術が望まれている。

特開２０１０−２３２６１３号公報

ところで、特許文献１などに用いられる通常の樹脂被覆された光ファイバ温度センサでは、低温において熱膨張率が小さいため、温度変化に対するセンサ出力の変化、つまり感度が低下する。
このような不具合を解消するために、熱膨張率の大きい材料であるアクリル樹脂をコーティングした光ファイバ温度センサが提供されている。そして、この光ファイバ温度センサでは、温度測定点を含めた全体の熱膨張率が大きくなるため、感度が向上するという利点もあるが、熱伝導率が低いために、センサ出力が不安定になる。
また、熱伝導率を良くするために、温度測定点にて、アクリル樹脂をコーティングした上に、さらに金属をコーティングした光ファイバ温度センサもある（例えば、特開２０１２-２１９３９号公報）。そして、このような光ファイバ温度センサでは、出力の安定性は良くなるが、アクリル樹脂の熱伸縮をヤング率の高い金属によって抑制する構造であるために、感度はアクリル樹脂単体ほど向上しない。
すなわち、これまでの技術では、感度が高く、かつ熱伝導率も高く維持してセンサ出力を安定できる光ファイバ温度センサを得ることができないという問題があった。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、極低温で高い感度及び熱伝導率を維持することができ、安定した出力を実現することができる光ファイバ温度センサを提供する。

上記目的を達成するために、本発明の光ファイバ温度センサでは、光ファイバの熱伸縮に伴う伝播特性の変化から温度測定点にて温度を測定する光ファイバ温度センサであって、前記温度測定点における前記光ファイバの表面に、該光ファイバよりも熱膨張率が大きい金属層を設けたことを特徴とする。

本発明では、光ファイバの熱伸縮に伴う伝播特性の変化から温度測定点にて温度を測定する光ファイバ温度センサにおいて、該温度測定点がある光ファイバの表面に、該光ファイバよりも熱膨張率が大きい金属層を設けたので、該温度測定点にて、光ファイバの熱伸縮に伴う伝播特性の変化を、高感度に検知することができる。その結果、極低温状態にある超電導磁石にて、本発明の光ファイバ温度センサを使用する場合等に、極低温状況下にある微小な温度変化も検知することが可能となり、安定した超電導磁石の運用が可能となる。

また、本発明では、温度測定点における光ファイバの表面に、該光ファイバよりも熱膨張率が大きい金属層として亜鉛層を設けることで、温度変化を高い感度で検知することができる。

また、本発明では、前記温度測定点における光ファイバと金属層との間に、銅からなる第１中間金属層を設けるようにすれば、銅を介して亜鉛層（金属層）を光ファイバ上に積層させる際の密着性を改善できるとともに、この銅からなる第１中間金属層を、亜鉛からなる金属層を、電気メッキにより積層する際の電極として使用することも可能となる。

また、本発明では、前記温度測定点における光ファイバと第１中間金属層との間に、チタンからなる第２中間金属層をさらに設けるようにすれば、該第１中間金属層を構成している銅と、光ファイバの被覆ガラスとの密着性を向上させることができる。すなわち、光ファイバ上に、第２中間金属層であるチタン、第１中間金属層である銅を介して、金属層である亜鉛を高い密着性で配置することができ、これにより温度測定点にて、光ファイバの熱伸縮に伴う伝播特性の変化を、高感度に検知することが可能となる。

また、本発明では、光ファイバにおける温度測定点を金属からなる層（金属層、中間金属層）で覆う構成であるので、高い感度及び熱伝導率を維持することができ、安定した出力を実現することが可能となる。

本発明に係る光ファイバ温度センサが設置された超電導磁石装置を示す概略構成図である。 図１に示す超電導磁石装置における光ファイバ温度センサの配置状態を示す概略構成図である。 本発明に係る光ファイバ温度センサの温度測定点（ＦＢＧ部）付近を示す図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 本発明に係る本発明に係る光ファイバ温度センサと、比較例として示した光ファイバ温度センサの絶対温度に対する検出出力の変化を示すグラフである。 本発明に係る本発明に係る光ファイバ温度センサと、比較例として示した光ファイバ温度センサにおいて、絶対温度値における温度１Ｋ当たりの検出出力の変化を示すグラフである。

本発明の実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。

図１は超電導磁石装置１であって、ケーシング筐体となる外槽２上に、冷凍機３及び冷却用寒剤（ヘリウム・窒素など）が貯留された寒剤用タンク４が設置されたものであって、外槽２内に、輻射シールド５で覆われた状態で超電導磁石Ａが配置されている。

超電導磁石Ａは、図２に示されるように、全体としてリング状に形成されたものであって、このリング状体に沿うように光ファイバ温度センサ１０が配置されている。
この光ファイバ温度センサ１０は、中心部に位置するコア１１Ａと該コア１１Ａを覆うクラッド１１Ｂからなるファイバ本体１１内に、複数のＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）測定点１２が配置されたものであって、これら測定点１２は、超電導磁石Ａに沿うように間隔をおいて設置されている。また、光ファイバ温度センサ１０の末端は、温度測定器Ｃに接続されている。
このＦＢＧ方式の光ファイバ温度センサ１０は、光ファイバのコア１１Ａの屈折率に周期的な屈折率変化が形成されているファイバ型デバイスであって、光ファイバの熱伸縮に伴う伝播特性（具体的には、FGB Shift（pm） で示される波長変化）を検出する。
そして、光ファイバ温度センサ１０の各ＦＢＧ測定点１２から出力されたFGB Shift（pm）は、温度測定器Ｃに取り込まれ、該温度測定器Ｃにて、光ファイバ温度センサ１０の各ＦＢＧ測定点１２における温度及び温度変化が表示される。

次に、図３（Ａ）（Ｂ）を参照して、光ファイバ温度センサ１０におけるＦＢＧ測定点１２付近及びその断面について説明する。
図３に示されるように、光ファイバ温度センサ１０は、コア１１Ａとクラッド１１Ｂからなるファイバ本体１１の表面で、かつＦＢＧ測定点１２がある各箇所の外周面に金属層２０を設けた構成とされる。
この金属層２０は、ファイバ本体１１の表面に中間金属層として順次積層されるチタン層２１及び銅層２２、最外金属層となる亜鉛層２３からなるものであって、いずれも、光ファイバ本体１１よりも熱膨張率が大きい金属から構成されている。

光ファイバ温度センサ１０において、ファイバ本体１１の表面に最外金属層として積層される亜鉛層２３は、光ファイバ本体１１の被覆ガラスよりも熱膨張率が大きい金属であるので、温度変化を高い感度で検知することができる。
また、この亜鉛層２３は電気メッキにより形成されるが、電気メッキの際の電極とするために、該亜鉛層２３の下層に、銅層２２（第１中間金属層）がスパッタリングにより積層されている。
また、この銅層２２と、ファイバ本体１１のクラッド１１Ｂとの間には、これらの密着性を良好にするために、銅層２２の下層に、チタン層２１（第２中間金属層）がスパッタリングにより積層されている。
すなわち、ファイバ本体１１の表面に中間金属層としてチタン層２１及び銅層２２を順次積層し、該銅層２２の上面に最外金属層となる亜鉛層２３を積層することにより、ＦＢＧ測定点１２がある箇所の外周面の熱膨張率を良好とし、これによって極低温状態にある超電導磁石Ａの温度及び温度変化を高い感度で検知することができる。

また、チタン層２１、銅層２２及び亜鉛層２３からなる金属層２０は、プラスチックよりも高い熱伝導率を有しているので、温度測定器Ｃに対して安定した検出出力を維持することもできる。

また、図３（Ｂ）に示す光ファイバ温度センサ１０において、スパッタリングにより形成されるチタン層２１、銅層２２は、１〜５μｍ程度に形成され、電気メッキにより形成される亜鉛層２３は１０μｍ単位とやや厚めに形成される。

次に、本実施形態に係る光ファイバ温度センサ１０と、金属層２０を有していない比較例に係る光ファイバ温度センサの検出出力（＝FGB Shift（pm））を比較した実験例を、図４及び図５を参照して説明する。
なお、これらの図において、図４は光ファイバ温度センサの絶対温度（Ｋ）に対する検出出力の変化を示すグラフであり、図５は光ファイバ温度センサの絶対温度値における絶対温度１Ｋ当たりの検出出力の変化を示すグラフである。

そして、図４及び図５に示される結果を参照して分かるように、本実施形態に係る光ファイバ温度センサ１０（図４、図５に符号Ｍ１、Ｍ２で示す）の方が、金属層２０を有していない比較例に係る光ファイバ温度センサ（図４、図５に符号Ｎ１、Ｎ２で示す）よりも、検出出力（＝FGB Shift（pm））又はその変化率が高い勾配となることが確認されている。
特に、絶対温度２０Ｋ付近の極低温において、本実施形態に係る光ファイバ温度センサ１０の方が、検出出力（＝FGB Shift（pm））又はその変化率が高い傾向を示し、極低温における温度検知を高感度に行えることが確認された。これにより、超電導磁石装置１内にある超電導磁石Ａの温度を正確に検知することができる。

以上詳細に説明したように本実施形態では、光ファイバ本体１１の熱伸縮に伴う伝播特性（波長）の変化からＦＢＧ測定点１２にて温度を測定する光ファイバ温度センサ１０において、該ＦＢＧ測定点１２がある光ファイバ本体１１の表面に、該光ファイバ本体１１よりも熱膨張率が大きい金属層２０を設けたので、該ＦＢＧ測定点１２にて、光ファイバ本体１１の熱伸縮に伴う伝播特性の変化を、高感度に検知することができる。その結果、極低温状態にある超電導磁石にて、本実施形態の光ファイバ温度センサを使用する場合等に、極低温状況下にある微小な温度変化も検知することが可能となり、安定した超電導磁石の運用が可能となる。

また、本実施形態では、ＦＢＧ測定点１２における光ファイバ本体１１の表面に、該光ファイバ本体１１よりも熱膨張率が大きい金属層２０として亜鉛層２３を設けることで、温度変化を高い感度で検知することができる。
また、本実施形態では、ＦＢＧ測定点１２における光ファイバ本体１１と亜鉛層２３との間に、第１中間金属層として銅層２２を設けるようすれば、銅層２２を介して亜鉛層２３を光ファイバ本体１１上に積層させる際の密着性を改善できるとともに、該銅層２２を、亜鉛層２３を電気メッキにより積層する際の電極として使用することも可能となる。

また、本実施形態では、ＦＢＧ測定点１２における光ファイバ本体１１と第１中間金属層である銅層２２との間に、チタン層２１からなる第２中間金属層を設けるようにすれば、該第１中間金属層を構成している銅層２２と、光ファイバ本体１１の被覆ガラスとの密着性を向上させることができる。すなわち、光ファイバ本体１１上に、中間金属層であるチタン層２１及び銅層２２を介して、最外金属層である亜鉛層２３を高い密着性で配置することができ、これによりＦＢＧ測定点１２にて、光ファイバ本体１１の熱伸縮に伴う伝播特性の変化を、高感度に検知することが可能となる。
また、本実施形態では、光ファイバ本体１１におけるＦＢＧ測定点１２を金属層２０（チタン層２１、銅層２２、亜鉛層２３）で覆う構成であるので、高い感度及び熱伝導率を維持することができ、安定した出力を実現することが可能となる。

なお、上記実施形態において、光ファイバ温度センサ１０の金属層２０をチタン層２１、銅層２２、亜鉛層２３の３層で構成したが、光ファイバ本体１１の表層に亜鉛層２３を安定した状態でコーティング又はスパッタリングできるのであれば、チタン層２１及び銅層２２の中間金属層を省略しても良い。
また、第１中間金属層である銅層２２についても、同様に、光ファイバ本体１１の表層に安定した状態で積層できるのであれば、第２中間金属層となるチタン層２１を省略しても良い。

また、亜鉛層２３を電気メッキとしてコーティングする際に、電気メッキの電極として、銅層２２（第１中間金属層）以外の金属が使用できるのであれば、銅を使用することに限定されない。
また、上記実施形態において、金属層２０の最外金属層に亜鉛層２３を用いているが、極低温で高い感度及び熱伝導率を維持できるのであれば、亜鉛層２３に限定されず、これ以外の金属を用いても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、超電導磁石などに使用されて、内部の温度異常を監視可能とする光ファイバ温度センサに係り、特に、浮上式鉄道や医療機器、電力貯蔵などに利用する超電導磁石で発生した温度異常を正確に監視できる技術に関する。

１０ 光ファイバ温度センサ
１１ ファイバ本体
１２ ＦＢＧ測定点
２０ 金属層
２１ チタン層（第２中間金属層）
２２ 銅層（第１中間金属層）
２３ 亜鉛層（最外金属層）
Ａ 超電導磁石

Claims (5)

1. 光ファイバの熱伸縮に伴う伝播特性の変化から温度測定点にて温度を測定する光ファイバ温度センサであって、
   前記光ファイバの前記温度測定点に対応する位置の表面に、該光ファイバよりも熱膨張率が大きい金属層を設けたことを特徴とする光ファイバ温度センサ。
2. 前記金属層は、亜鉛層からなることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ温度センサ。
3. 前記温度測定点における光ファイバと前記金属層との間に、銅からなる第１中間金属層を設けたことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ温度センサ。
4. 前記温度測定点における光ファイバと前記第１中間金属層との間に、チタンからなる第２中間金属層を設けたことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ温度センサ。
5. 前記中間金属層はスパッタリングにより形成され、前記金属層は、前記第１中間金属層を電極とする電気めっきにより形成される請求項３又は４のいずれか１項に記載の光ファイバ温度センサ。

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