JP2016143733A - 超電導コイルの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電源容量を所定の電流容量に抑え、かつ、超電導コイルの所定の磁場を安定的に発生できるまでの時間を短縮することのできる超電導コイルの運転方法を提供する。
【解決手段】超電導コイルの運転方法において、超電導コイルを超電導コイルが超電導状態となる第１の温度Ｔ１にして、等価的な抵抗成分を発生する磁束フロー又は磁束クリープ状態が生じる電流まで通電して超電導コイルの発生磁場を安定させた後、超電導コイルを第１の温度よりも低い第２の温度Ｔ２に冷却する。
【選択図】図４

Description

本発明は、超電導コイルの運転方法に関する。

ＭＲＩ（magnetic resonance imaging）や加速器等において用いられている超電導コイルは磁場発生空間の精度や時間的磁場安定度が要求される。超電導コイルに励磁すると、超電導コイルの超電導線に遮蔽電流が誘起される。この遮蔽電流は、所定の起磁力による磁場に付加的な磁場を加えることになり、目的とする磁場精度や時間的安定度に悪影響を及ぼすことがある。

これを解決するために、低温超電導線を用いた超電導コイルでは、特許文献１に開示されているように、超電導線をフィラメント化して遮蔽電流そのものを抑制したり、特許文献２に開示されているように、一旦所定の電流よりも大きい電流まで通電し、所定の電流まで電流を下げるような通電方法により遮蔽電流を抑制して磁場が安定するまでの時間を短くする工夫をしている。

近年開発が進展している高温超電導線を用いた高温超電導コイルにおいても、遮蔽電流は誘起される。解決方法は低温超電導線と同様の方法に行うことができ、その一例が非特許文献１に開示されている。具体的には、特許文献２に開示されている方法と同様に、所定の電流より大きい電流を流し、その後所定の電流に下げることで、所定の磁場を安定的に発生できるまでの時間を短縮している。

特開２００６−１９６６０４号公報 特開平８−６４４１２号公報

低温工学、48巻4号、p165、2013年、「REBCOコイルによる遮蔽電流磁場のメカニズムと抑制方法

従来の低温超電導コイルでは、磁場の時間的安定度を向上させるために永久電流運転を適用している。高温超電導コイルでは、高温超電導体の臨界電流密度の特性上、永久電流運転を適用しても電流減衰量が大きく、結果として磁場の時間的安定度が低温超電導コイルより悪くなってしまう。従って、高温超電導コイルでは永久電流運転を適用するよりも、時間的安定度が高い電源を用いて常時給電することが必要となる。

上述した従来の超電導コイルの運転方法では、所定の電流より大きな電流を流す必要があるため、所定の電流容量以上の能力を持つ電源を用意する必要がある。電源の電流容量が大きくなると、電流の時間的安定性、即ち、磁場の時間的安定性を高くする性能を持たせるのが困難になるという問題がある。また、この電流容量を大きく確保することに伴い、電源の寸法や重量、コストが増加する問題がある。

従って、電源容量を所定の電流容量に抑え、かつ、超電導コイルの所定の磁場を安定的に発生できるまでの時間を短縮することのできる超電導コイルの運転方法が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、超電導コイルの運転方法において、前記超電導コイルを該超電導コイルが超電導状態となる第１の温度にするステップと、前記第１の温度にした後に、等価的な抵抗成分を発生する磁束フロー又は磁束クリープ状態が生じる電流まで通電して前記超電導コイルの発生磁場を安定させるステップと、前記超電導コイルの発生磁場を安定させた後に該超電導コイルを前記第１の温度よりも低い第２の温度に冷却するステップと、を含むことを特徴とする。

開示の超電導コイルの運転方法によれば、電源容量を所定の電流容量に抑え、かつ、超電導コイルの所定の磁場を安定的に発生できるまでの時間を短縮することができる。

薄膜超電導線の一般的な構成図 薄膜超電導線をフィラメント化した図 超電導コイル及び超電導コイル冷却装置の構成図 第１の実施の形態の超電導コイルの運転方法の説明図 超電導コイルにおける電流と電圧の相関図 超電導コイルにおける磁束密度と電流の相関図 超電導コイルにおける磁場減衰特性図 第２の実施の形態の超電導コイルの運転方法の説明図 第２の実施の形態の超電導コイルにおける磁場の減衰時定数と所定の電流に到達した回数との相関図

本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態における超電導コイルの運転方法について説明する。超電導コイルとは、超電導体である線材を用いて作製されたコイルである。図１は、薄膜超電導線の一般的な構成図である。図１に示すように、薄膜超電導線１０は、基板１１の上面に、中間層１２、超電導層１３、金属層１４を形成して構成される。図２は、薄膜超電導線１０をフィラメント化した図である。図２に示すように、薄膜超電導線１０に溝１５の加工を施すことで、薄膜超電導線１０を複数（ここでは３つ）に分割しフィラメント化することができる。図２の例では、中間層１２、超電導層１３、金属層１４に溝加工を施しフィラメント化している。フィラメント化は遮蔽電流の抑制効果を発揮する有力な手段である。

超電導コイルは、図３に示されるように冷却して用いられる。図３は、超電導コイル及び超電導コイル冷却装置の構成を示す図である。図３に示されるように、超電導コイル及び超電導コイル冷却装置は、極低温容器１、薄膜超電導線１０を用いて作成された超電導部材である超電導コイル２、超電導コイルへ通電するための電流リード２ａ、冷媒３、極低温容器の蓋部４、冷凍機の膨張機５、冷却ヘッド６、温度計測手段６ａ、熱交換器７等を有している。尚、３ａは冷媒３の冷媒液面である。

極低温容器１は、液体窒素温度（約７７Ｋ）や液体ヘリウム温度（約４．２Ｋ）などの極低温環境下で、超電導線材や超電導バルク材を用いた超電導応用機器を収納するための容器である。極低温容器１の基本的な形状は円筒状であり、側面と底面からなる円筒状の容器本体部と円板状の蓋部４とからなり、超電導コイル２などの超電導部材を蓋部４で、図示しない吊りボルトを介して吊り下げた構成を備える。

高温超電導線材の開発の発展に伴い、液体窒素温度レベルでも超電導状態を維持できるようになり、冷媒としては、安価な液体窒素が使われるようになってきた。液体窒素は、不燃性であり、絶縁性にも優れている。冷媒としては、上記液体窒素以外に、液体水素や液体ネオンが使用されることもある。

液体窒素は、沸点が７７．３Ｋであり、大気圧状態では常に気泡が発生している。超電導部材に通電する場合、液体窒素自身は絶縁性に優れているが、気泡により、絶縁耐力が低下し、絶縁破壊等を招く恐れがある。そのため多くの電気機器応用では、液体窒素を沸点以下とするため、過冷却状態にする。一方、液体窒素の凝固点は６３Ｋであるので、冷媒は６３Ｋ〜７７Ｋの間に維持する必要がある。超電導部材は、低温になるほど、臨界電流値などの超電導特性が向上し、また、液体窒素が沸点に至るまでの顕熱が利用できることから、できるだけ低温の６３Ｋ〜７７Ｋに過冷却されることが多い。

液体窒素を過冷却状態にする方法としては、冷凍機を用いて液体窒素を冷却する方法が用いられている。具体的には、図３に示されるように、超電導部材としての超電導コイル２と冷凍機の膨張機５の冷却ヘッド６を一つの極低温容器１内に入れ、容器内で超電導部材の熱負荷等によって温められた冷媒を冷凍機で冷却する方法がある。

冷凍機の膨張機５は、冷却ヘッド６が極低温容器の蓋部４を貫通して、極低温容器１の内部に配置され、極低温容器の蓋部４に載せて容器のシールを確保して固定されている。冷却ヘッド６は、鉛直下側に向いて液体窒素に浸漬する状態で配置され、冷媒との熱交換をよくするための熱交換器７が取り付けられている。冷凍能力としては、例えば、冷却ヘッド８０Ｋ、周波数５０Ｈｚで冷凍出力２００Ｗのものや、さらに冷凍出力が１ｋＷ級のものもある。

なお、図３に示す超電導コイルの冷却方法はあくまで例であって、例えば、過冷却状態の液体窒素を外部から極低温容器１に供給して冷却する構成としてもよい。

次に、本実施の形態における超電導コイルの運転方法について説明する。以下では、超電導コイルは、液体窒素を用いて冷却される高温超電導コイルとする。

図４は本実施の形態における高温超電導コイルの運転方法の電流と運転温度を示したものである。まず、最初に、高温超電導コイルを所定の温度（後述する第２の温度Ｔ２）より高い第１の温度Ｔ１に冷却しておく。第１の温度Ｔ１は高温超電導コイルが超電導状態になりうる温度である。

次に、高温超電導コイルに所定の電流Ｉ１を流す。この電流Ｉ１は、図５に示す電流−電圧特性において、等価的な抵抗成分を発生する磁束フロー又は磁束クリープ状態による電圧Ｖが発生しうる電流である。高温超電導コイルでかつ液体窒素を利用するため、等価的な抵抗成分による電圧が発生して発熱しても、十分に冷却可能である。

この電圧Ｖは、高温超電導コイルのインダクタンスＬと要求される磁場減衰速度により定まる。磁場減衰速度の目安として減衰時定数τを用い、τ＝Ｌ／Ｒで示される。ここでＲは高温超電導コイルに発生している抵抗であり、高温超電導コイルの電圧Ｖと電流Ｉ１からＲ＝Ｖ／Ｉ１として求められる。従って、減衰時定数τはτ＝Ｌ×Ｉ１／Ｖとなる。所定の磁場を安定的に発生できるまでの時間（発生磁場を安定させる時間）を短縮することは減衰時定数τを小さくすることであり、この式からわかるように電圧Ｖを高温超電導コイルの運転に支障のない範囲内で大きくすればよい。

図４に示されるように、この減衰時定数τよりも長い時間、τ≪（ｔ２−ｔ１）の関係を満たすまで高温超電導コイルの温度を第１の温度Ｔ１に保持しておく。このことは、温度Ｔ１において十分に磁場減衰させる時間を設けることになる。その後に高温超電導コイルの温度を所定の温度となる第２の温度Ｔ２まで下げ、高温超電導コイルを冷却する。

高温超電導コイルの電流安定性については、図６に示すロードラインに基づき説明する。超電導線の臨界電流を決定する要因には、印加される磁場（磁束密度）、温度がある。所定の温度となる第２の温度Ｔ２より高い第１の温度Ｔ１における臨界電流は、第２の温度Ｔ２における臨界電流より低い。高温超電導コイルの磁場と電流は線形の関係であり、第１の温度Ｔ１において電流Ｉ１まで通電して等価的な抵抗成分による電圧を発生するということは、ロードラインと第１の温度Ｔ１における臨界電流がほぼ一致することになる。この状態で電流を増加させた場合、等価的な抵抗成分による電圧は電流の数十乗で増加するため、高温超電導コイルの発熱量の増加が大きくなり、冷却状況によっては超電導状態から常電導状態に急激に転移するクエンチを発生し、超電導線が焼損する可能性がある。

本実施の形態においては、第１の温度Ｔ１においては磁場減衰をさせる時間のみの通電であり、その後に第２の温度Ｔ２まで冷却するため、高温超電導コイルの性能としては、電流Ｉａまで通電可能になる。従って、所定の温度である第１の温度Ｔ２において所定の電流Ｉ１を通電することは、マージンをもって運転することになり、より安全に高温超電導コイルを運転することができる。

上記の運転による磁場減衰の効果の測定例を図７に示す。図７は、高温超電導コイルの温度を７７Ｋ（第１の温度Ｔ１に相当)と６７Ｋ（第２の温度Ｔ２に相当)に設定し、同じ電流を通電した時の中心磁束密度の時間変化を測定した結果である。この結果より、近似式により算出された減衰時定数τは、温度が７７Ｋではτ＝１９秒、温度が６７Ｋではτ＝４５秒であった。図示しないが、温度が７７Ｋでは等価的な抵抗成分による電圧が発生しており、温度が６７Ｋでは等価的な抵抗成分による電圧が発生していない。従って、本実施の形態においては、第１の温度Ｔ１となる７７Ｋにおいて所定の電流を通電して磁場減衰をさせておき、第２の温度Ｔ２となる６７Ｋになるまで冷却することで、磁場減衰時間を約１／２に短縮することが可能となる。

この時の所定の温度となる第２の温度Ｔ２より高い第１の温度Ｔ１を、大気圧下における液体窒素の沸点の温度の７７Ｋに設定することは、高温超電導コイルの冷却方法からも有利である。即ち、液体窒素を用いた冷却の場合、まず最初に大気圧液体窒素を高温超電導コイルの冷媒収納容器内に充填する。次に冷却装置により大気圧液体窒素を７７Ｋからさらに冷却し、例えば、サブクール液体窒素として６５Ｋ程度まで冷却するという手順となる。冷却装置による液体窒素の冷却に要する時間は機器により異なるが、秒や分ではなく時間や日のオーダーとなる。従来のように所定の温度にしてから通電を開始して磁場減衰を行い所定の磁場に安定させることに対し、本実施の形態のように、第１の温度Ｔ１を７７Ｋに設定して通電し、磁場減衰をさせて、第２の温度Ｔ２まで冷却することにより、高温超電導コイル機器全体の準備時間を短縮できる。

以上、本実施の形態においては、等価的な抵抗成分を発生する磁束フロー又は磁束クリープ状態が生じる電流まで通電すると、その等価的な抵抗が遮蔽電流の減衰に寄与できるようになるため磁場減衰時定数が小さくなり、所定の磁場に到達するまでの時間を短縮でき、磁場の時間的安定性を向上させることができる。

これを所定の温度より高い温度に設定した状態で行うため、この時の負荷率(運転電流÷臨界電流)は高く運転上望ましくないが、所定の温度まで冷却した後には負荷率が低くなるので、十分裕度を持った運転状態を確保できる。従って、高温超電導コイルの所定の電流より大きな電流を流すことなく、運転温度の調整により所定の磁場を安定的に発生できるまでの時間を短縮し、磁場の時間的安定性を確保することができるので、電源の電流容量を必要最小限にすることが可能となり、電源の寸法や重量、コストを低減できる。

結果として、所定の電流容量を満足する電源容量で高温超電導コイルの所定の磁場を安定的に発生できるまでの時間を短縮する効果を発揮でき、安価な高温超電導コイルシステムを供給できる。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態との差異は、次に示す運転方法であって、高温超電導コイルの構成等は同様とする。

本実施の形態における高温超電導コイルの運転方法は、第１の実施の形態と同様に、高温超電導コイルを第１の温度Ｔ１に冷却し、第１の電流として磁束フロー又は磁束クリープ状態が生じる所定の電流Ｉ１を超電導コイルに通電する。そして、図８に示されるように、その後所定の電流Ｉ１より低い第２の電流Ｉ２まで電流値を下げ、再び所定の電流となる第１の電流Ｉ１まで電流値を上げて通電する。図８ではこのサイクルを２回実施した場合を示している。通電するサイクルを行った後には、高温超電導コイルに第１の電流Ｉ１を更に通電する。このような構成により、電流の増減による遮蔽電流の向きが変わることによる磁場の減衰時間短縮効果に加え、等価的な抵抗成分による電圧による磁場の減衰時間短縮効果が作用することになる。

上記の運転の効果の例として磁場の減衰時定数と所定の電流に到達した回数の関係を図９に示す。最初に所定の電流となる第１の電流Ｉ１に到達した時の減衰時定数τが２７秒であったが、２回目には１５秒、３回目には１４秒となり、磁場減衰時間が初回に比べ約１／２に短縮することができた。

なお、第２の実施の形態では、このような運転により高温超電導コイルの発生磁場を安定させた後に、高温超電導コイルを第１の温度Ｔ１よりも低い第２の温度Ｔ２に冷却する。しかし、これに限定される訳ではなく、例えば、通電するサイクルを完全に終える前に第２の温度Ｔ２への冷却を開始してもよい。

以上、本実施の形態においては、等価的な抵抗成分を発生する磁束フロー又は磁束クリープ状態が生じる所定の電流まで通電した後に所定の電流より低い電流まで下げ再び所定の電流まで通電するサイクルを少なくとも１回行い、最後に所定の電流まで通電することで、遮蔽電流の向きを変えるとともに前記の等価的な抵抗成分による遮蔽電流減衰効果によって短時間に所定の磁場にすることができる。これについても、電源容量を必要最小限にしても所定の磁場を安定的に発生できるまでの時間を短縮し、磁場の時間的安定性を確保できるので第１の実施形態の効果を更に向上させることができる。

尚、上記の実施の形態においては、高温超電導コイルに用いた高温超電導線は、フィラメント化されているものとして説明した。フィラメント化されている高温超電導線を用いることで、磁場の減衰時定数をさらに短縮できる。

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。

１ 極低温容器
２ 超電導コイル
２ａ 電流リード
３ 冷媒
３ａ 冷媒液面
４ 蓋部
５ 冷凍機の膨張機
６ 冷却ヘッド
６ａ 温度計測手段
７ 熱交換器
１０ 薄膜超電導線
１１ 基板
１２ 中間層
１３ 超電導層
１４ 金属層
１５ 溝
Ｔ１ 第１の温度
Ｔ２ 第２の温度
Ｉ１ 第１の電流
Ｉ２ 第２の電流

Claims (5)

1. 超電導コイルの運転方法において、
   前記超電導コイルを該超電導コイルが超電導状態となる第１の温度にするステップと、
   前記第１の温度にした後に、等価的な抵抗成分を発生する磁束フロー又は磁束クリープ状態が生じる電流まで通電して前記超電導コイルの発生磁場を安定させるステップと、
   前記超電導コイルの発生磁場を安定させた後に、該超電導コイルを前記第１の温度よりも低い第２の温度に冷却するステップと、
   を含むことを特徴とする超電導コイルの運転方法。
2. 前記超電導コイルは、液体窒素を用いて冷却される高温超電導コイルであることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルの運転方法。
3. 前記第１の温度は、大気圧下における液体窒素の沸点の温度であることを特徴とする請求項２に記載の超電導コイルの運転方法。
4. 前記超電導コイルは、その超電導線が複数に分割されフィラメント化されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の超電導コイルの運転方法。
5. 第１の電流として磁束フロー又は磁束クリープ状態が生じる前記電流を前記超電導コイルに通電した後に、該超電導コイルに通電する電流を前記第１の電流よりも低い第２の電流まで下げ、再び第１の電流まで上げ通電するサイクルを１回以上行うステップと、
   前記通電するサイクルを行った後に、前記超電導コイルに第１の電流を通電するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超電導コイルの運転方法。
   

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