JP2019220524A - Superconducting magnet and protection method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導磁石、特に高温超電導磁石のクエンチ時の磁石保護に関する。 The present invention relates to superconducting magnets, and in particular, to magnet protection during quench of high-temperature superconducting magnets.
高温超電導材料は、高価で資源としても希少な液体ヘリウムを利用せずにより高温の領域で動作させられる。このことから、これを用いた超電導磁石の開発が進められている(例えば、特許文献1参照)。高温超電導磁石(以下、HTS磁石と記す)は、液体ヘリウムを用いないという利点ばかりではなく、従来の金属系超電導磁石(NbTi,Nb3Sn)では問題となっていたクエンチ(常伝導転移)をほとんど気にする必要がないため、磁石を運用する上でも信頼性が高い。
High-temperature superconducting materials can be operated in higher temperature regions without using liquid helium, which is expensive and scarce as a resource. For this reason, superconducting magnets using such magnets have been developed (for example, see Patent Document 1). HTS magnet (hereinafter, referred to as HTS magnet) is not only the advantage of not using a liquid helium, conventional metal-based superconducting magnet (NbTi,
しかし、ひとたびクエンチが発生すると、超電導磁石にとってクエンチは対策が必要な重要課題である(例えば、非特許文献1参照)。このため、クエンチが発生したら、超電導磁石からは速やかに磁気エネルギーを回収し磁石の焼損を防止することが必要である。例えば、超電導磁石は励磁電源からの電流供給を断ち、磁石の蓄積エネルギー(磁気エネルギー)を速やかに回収する必要がある。 However, once a quench occurs, the quench is an important issue for the superconducting magnet that requires measures (for example, see Non-Patent Document 1). Therefore, when quench occurs, it is necessary to quickly recover magnetic energy from the superconducting magnet to prevent burning of the magnet. For example, a superconducting magnet needs to cut off the current supply from the excitation power supply and quickly recover the stored energy (magnetic energy) of the magnet.
電源駆動タイプの超電導磁石の場合には、クエンチが発生したら速やかにその発生を検知し、即座に励磁電源から超電導磁石を切り離す。クエンチの検出は磁石に発生する電圧を常時モニターしておき、抵抗性の異常電圧を観測したら磁石保護動作に移行する。エネルギー回収の方法としては、磁石回路に接続された保護抵抗やダイオードで熱として消費させることが一般的であり、さらにエネルギーの一部を積極的に磁石(コイル)自身で熱に変えることもある。 In the case of a power-supply-type superconducting magnet, when a quench occurs, the occurrence is immediately detected, and the superconducting magnet is immediately disconnected from the excitation power supply. In detecting the quench, the voltage generated in the magnet is constantly monitored, and when the abnormal voltage of the resistance is observed, the operation shifts to the magnet protection operation. As a method of recovering energy, it is common to dissipate it as heat with a protective resistor or diode connected to the magnet circuit, and sometimes a part of the energy is positively converted into heat by the magnet (coil) itself. .
積極的に磁石自身でエネルギーを回収する方法として、クエンチバックという方法もある。これは、ヒータやクエンチ時の磁場減衰により渦電流発熱させる構造物を超電導コイルに設置し、クエンチ時にアクティブまたはパッシブな手法で超電導コイルに熱を投入して、超電導コイルの抵抗領域を拡大するものである。この手法は磁石外部に設置された保護抵抗だけでは絶縁耐圧の観点からエネルギー回収が速やかに行えないような磁石において適用されている。 As a method of actively collecting energy by the magnet itself, there is a method called quench back. In this method, a superconducting coil is equipped with a heater or a structure that generates eddy current due to magnetic field attenuation during quench, and heat is applied to the superconducting coil by an active or passive method during quench, thereby expanding the resistance region of the superconducting coil. It is. This method is applied to a magnet in which energy cannot be recovered quickly from the standpoint of dielectric strength only with a protective resistor installed outside the magnet.
従来、超電導磁石では、磁石の大きさや運転形態に合わせ様々なクエンチ保護手法が取られ、技術的に確立しており、磁石を焼損させることは幾どない。 Conventionally, in superconducting magnets, various quench protection methods have been adopted according to the size and operation mode of the magnet, and are technically established, and there is no possibility of burning the magnet.
クエンチの発生をほとんど気にする必要がないHTS磁石だが、人為的なミスオレーションや想定外の磁石への入熱などによりクエンチが発生するリスクは依然残っており、クエンチが起きた場合の磁石保護、エネルギー回収は他の超電導磁石と同様に必要である。クエンチが発生した場合、HTS磁石は逆にクエンチのしにくさが仇となり下記の課題が生じる。 Although it is an HTS magnet that requires little attention to the occurrence of quench, there is still the risk of quench occurring due to artificial misolation or unexpected heat input to the magnet. Protection and energy recovery are necessary as with other superconducting magnets. When quench occurs, HTS magnets are adversely affected by the difficulty of quench, and the following problems occur.
NbTiなどの従来の超電導磁石では、クエンチが発生すると常伝導に転移した抵抗領域が磁石全体にわたって急激に拡大する(クエンチ伝搬)。そのため、クエンチ直後に抵抗性の電圧がすぐに観測されクエンチ検出が容易である。しかし、臨界温度が高く熱的に安定なHTS磁石では、クエンチ伝搬速度が遅く抵抗領域が拡大しないため、電圧発生が極めて小さくクエンチ検出が困難である。HTS磁石では抵抗領域が拡大してからでないとクエンチ検出ができないため、クエンチ検出までの時間がかかり、磁石保護動作に移行するまでの時間がかかる。従って、HTS磁石では従来超電導磁石よりもより短い時間で急激にエネルギーを回収する必要がある。 In a conventional superconducting magnet such as NbTi, when quench occurs, the resistance region that has transitioned to normal conduction rapidly expands over the entire magnet (quench propagation). Therefore, a resistive voltage is immediately observed immediately after quenching, and quench detection is easy. However, in a thermally stable HTS magnet having a high critical temperature, the quench propagation speed is low and the resistance region does not expand, so that the voltage generation is extremely small and quench detection is difficult. With the HTS magnet, quenching cannot be detected until the resistance region is enlarged, so that it takes time to detect the quench, and it takes time to shift to the magnet protection operation. Therefore, it is necessary to rapidly recover energy in the HTS magnet in a shorter time than in the conventional superconducting magnet.
クエンチ検出が困難なため磁石の焼損防止が難しいHTS磁石に対しては、無絶縁巻線(NI(No Insulation)巻線)が提案されている。通常、素線絶縁された超電導線が巻き回される超電導コイルを、素線絶縁しない状態で巻線する方法である。超電導線の外部には安定化材と呼ばれる銅などの良導体が配置されているが、良導体とは言ってもゼロ抵抗の超電導体に比べれば抵抗は大きいため、定常状態において、電流は超電導線(コイル)を流れる。クエンチが発生した場合には、発生した抵抗を迂回するように電流が隣接する超電導巻線に分流することとなるので、受動的にクエンチに対して保護動作可能である。 Non-insulated windings (NI (No Insulation) windings) have been proposed for HTS magnets in which it is difficult to detect burnout of the magnets because it is difficult to detect quench. Usually, a superconducting coil in which a wire-insulated superconducting wire is wound is wound in a state where the wire is not insulated. A good conductor such as copper, which is called a stabilizing material, is placed outside the superconducting wire. However, even though a good conductor has a higher resistance than a zero-resistance superconductor, in a steady state, the current flows through the superconducting wire ( Coil). When a quench occurs, the current is shunted to the adjacent superconducting winding so as to bypass the generated resistance, so that the quench can be passively protected.
しかし、このNIコイルは励磁過程でも分流するために所定の電流配置、完全に超電導線のみに電流が流れ、設計通りの磁場を発生するまでに時間を要し、インダクタンスの大きな大型の磁石や、磁場均一度が要求されるMRI(Magnetic Resonance Imaging)やNMR(Nuclear Magnetic Resonance)といった磁石には現状適用できないし、変動磁場を想定した応用には利用することができない。 However, since this NI coil shunts even in the excitation process, a predetermined current arrangement, a current completely flows only through the superconducting wire, and it takes time to generate a magnetic field as designed, and a large magnet with a large inductance, At present, it cannot be applied to magnets such as MRI (Magnetic Resonance Imaging) and NMR (Nuclear Magnetic Resonance) which require magnetic field uniformity, and cannot be used for applications assuming a fluctuating magnetic field.
HTS磁石にクエンチバックヒータを実装する例としては、米国国立高磁場研究所(米国NHFML)で開発されている32T磁石がある。この磁石は15Tの金属系の超電導磁石の内側にHTS磁石を設置して17T発生させ、合計32Tとするものである。HTS磁石は酸化物超電導テープ線材をダブルパンケーキ巻きしたものを積層して構成されており、パンケーキコイル間にクエンチバックさせるためのミアンダ状のシートヒータが挿入されている。 As an example of mounting a quench-back heater on an HTS magnet, there is a 32T magnet developed by the United States National High Magnetic Field Laboratory (NHFML, USA). This magnet is provided with an HTS magnet inside a 15 T metallic superconducting magnet and generates 17 T, for a total of 32 T. The HTS magnet is formed by laminating double superconducting tapes of an oxide superconducting tape wire, and a meander-shaped sheet heater for quenching back is inserted between the pancake coils.
このHTS磁石は全身用MRIなどに比べればサイズもインダクタンスも小さく、また、液体ヘリウムで冷却されているために冷却特性がよく磁石保護は容易である。大きなコイルになると蓄積エネルギーが大きくなり、焼損を防止するためにはそれを回収する時間を短くする必要がある。現状では全身用MRIなどに適用可能なHTS磁石の保護システムは実用化されていない。 This HTS magnet has a smaller size and inductance than a whole body MRI and the like, and since it is cooled with liquid helium, it has good cooling characteristics and magnet protection is easy. As the coil becomes larger, the stored energy becomes larger, and it is necessary to shorten the time for collecting the coil in order to prevent burning. At present, no HTS magnet protection system applicable to whole body MRI or the like has been put to practical use.
本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、クエンチが起った場合に速やかに電流を引き抜くことができる超電導磁石およびその保護方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problem, and an object of the present invention is to provide a superconducting magnet capable of rapidly extracting a current when a quench occurs, and a method of protecting the superconducting magnet.
前記目的を達成するため、本発明の超電導磁石は、超電導線が巻き回された超電導コイルを有する超電導磁石であって、超電導コイルは、超電導線に沿うようにヒータ線が共巻きされており、超電導コイルの巻線の一端とヒータ線の巻線の一端が接続されて無誘導の電流経路が形成され、電流経路に電流を通電するための電源(例えば、クエンチバックヒータ電源4)を有することを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。 In order to achieve the above object, the superconducting magnet of the present invention is a superconducting magnet having a superconducting coil in which a superconducting wire is wound, wherein the superconducting coil is co-wound with a heater wire so as to be along the superconducting wire, One end of the winding of the superconducting coil and one end of the winding of the heater wire are connected to form a non-inductive current path, and a power supply (e.g., quench-back heater power supply 4) for supplying a current to the current path is provided. It is characterized by. Other aspects of the present invention will be described in embodiments described later.
本発明によれば、クエンチが起った場合に速やかに電流を引き抜くことができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when a quench arises, an electric current can be rapidly extracted.
本発明は、クエンチが起った場合にエネルギー回収が困難なHTS磁石に対し、速やかに電流を引き抜くと同時に磁石全体を瞬時に加熱し磁石焼損を防止するものである。 The present invention is intended to prevent the magnet from being burned out by simultaneously extracting the current from the HTS magnet from which energy recovery is difficult when a quench occurs and simultaneously heating the entire magnet.
以下、本発明に係る実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, the present invention is not limited to the embodiments described here, and can be appropriately combined or improved without changing the gist.
(基本構成)
図1は、本実施形態に係る超電導磁石の保護の基本原理を示す説明図であり、(a)は回路図、(b)は超電導コイルの概略外観図である。図1(a)に示す超電導磁石100は、超電導コイル21と、保護抵抗5と、励磁電源3を有し、超電導コイル21と励磁電源3とからなるループ回路に対し、保護抵抗5が超電導コイル巻線1と並列となるように接続されている。
(Basic configuration)
1A and 1B are explanatory diagrams showing a basic principle of protection of a superconducting magnet according to the present embodiment, wherein FIG. 1A is a circuit diagram, and FIG. 1B is a schematic external view of a superconducting coil. The
超電導コイル21は、超電導コイル巻線1(超電導線)に沿うようにヒータコイル巻線2が共巻きされており、超電導コイル巻線1のインダクタンスと共巻きされたヒータコイル巻線2のインダクタンスは、略等しくなるように実装している。互いに同一の電流経路のコイルが密着して配置されているから、超電導コイル巻線1の一端とヒータコイル巻線2の一端を接続部7で接続すると無誘導の電流経路が形成される。
The
超電導磁石100は、前記電流経路に電流を通電するためのクエンチバックヒータ電源4(電流源、電流投入手段)を有する。クエンチバックヒータ電源4は、超電導コイル巻線1の接続部1a、ヒータコイル巻線2の接続部2aに接続されている。
The
図1(b)に示す超伝導コイルを示す概略外観図でおいて、ボビン24の上部フランジには切り欠きが半径方向に設けられている。切り欠きから接続部1a,2a,7を立ち上げている。前記したように、接続部1a,2aは、クエンチバックヒータ電源4と接続されており、接続部7は、励磁電源3の一端と接続されている。図中ではクエンチバックヒータ電源4は接続されているが、クエンチ検出後に超電導コイル巻線1からヒータコイル巻線2に電流を載せかえる瞬間に電気的に接続される。
In the schematic external view showing the superconducting coil shown in FIG. 1B, a cutout is provided in the upper flange of the
図2は、本実施形態の巻線方法の一形態を示す模式図である。図2には、ダブルパンケーキコイル11(図1の超電導コイル21に対応)を示す。幅4mmの市販イットリウム系の超電導テープ材12(図1の超電導コイル巻線1に対応)と同じく4mm幅で厚さ100μmの銅テープ材13(図1のヒータコイル巻線2に対応)を巻き回したものである。図示はしていないが超電導テープ材12にはポリイミドテープによって素線絶縁がされており、銅テープ材13は電気絶縁をせずにそのまま巻き回した。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating one embodiment of the winding method of the present embodiment. FIG. 2 shows the double pancake coil 11 (corresponding to the
図1に示すように、超電導コイル巻線1とヒータコイル巻線2は、両者を密着させて共巻きすることにより、それぞれのコイルの自己インダクタンスはほぼ等しく、かつ、相互インダクタンスもそれぞれの自己インダクタンスと等しくなる。 As shown in FIG. 1, the superconducting coil winding 1 and the heater coil winding 2 are coherently wound with the two coils in close contact with each other, so that the self-inductances of the respective coils are substantially equal, and the mutual inductances are also the respective self-inductances. Becomes equal to
クエンチ発生時には、図1に示すような超電導コイル巻線1とヒータコイル巻線2で構成される無誘導回路にクエンチバックヒータ電源4から電流を投入する。投入する電流の向きは超電導コイル巻線1に流れる電流とは逆向きになるようにした。
When a quench occurs, a current is supplied from a quench-back
クエンチバックヒータ電源4としては、10000μFのコンデンサを2並列とし100Vをチャージしたものを利用した。コイル巻線の総長はおよそ140mである。銅テープの抵抗は、およそ0.46Ωであり、1ミリ秒のオーダーでヒータに電流が投入される設計とした。コンデンサを接続した瞬間に超電導コイルからは50アンペア以上の電流が急激に引き抜かれ、同時にクエンチバックヒータによってコイル全体を昇温させノーマル状態とすることができた。
As the quench-back
本実施形態の高温超電導磁石(HTS磁石)の保護方法は、クエンチ時の磁石焼損を防止することを狙いとしている。すなわち、図2に示すように、超電導コイル21は、超電導コイル巻線1とヒータコイル巻線2を共巻きし、超電導コイル巻線1とヒータコイル巻線2にて無誘導の回路を構成している。クエンチ発生時にこの無誘導回路に超電導コイルに流れる電流に対し逆向きとなるように電流を投入することにより、超電導コイルの電流を引き抜くと同時にクエンチヒータに通電しコイル全体の抵抗発生を促進させることができる。
The method for protecting a high-temperature superconducting magnet (HTS magnet) of the present embodiment aims at preventing magnet burning during quench. That is, as shown in FIG. 2, the
本実施形態の超電導磁石100は、超電導線が巻きまわされた超電導コイルを有する超電導磁石であって、超電導コイル21は、超電導線に沿うようにヒータ線が共巻きされており、超電導コイルの巻線の一端とヒータ線の巻線の一端が接続されて無誘導の電流経路が形成され、電流経路に電流を通電するための電源(例えば、クエンチバックヒータ電源4)を有する。
The
本実施形態の超電導磁石100は、超電導線が巻き回された超電導コイルがある。この超電導コイルには、超電導線に沿うようにヒータ線が共巻きされており、超電導コイルのインダクタンスと共巻きされたヒータ線のインダクタンスは概略等しくなっているように実装する。互いに同一電流経路のコイルが密着して配置されているから、超電導コイルの巻線の一端とヒータ巻線の一端を接続すると無誘導の電流経路を構成することができる。
The
無誘導巻線に対しては、誘導電圧を発生させることなく、高速で電流の出し入れが可能となる。従って、超電導コイルにヒータ線を共巻きし、共巻きされた巻線同士の一端を接続して無誘導経路が形成し、この無誘導経路に対して電流投入をするための電源を設置することによって、超電導コイルに対し高速で電流の出し入れをすると同時にヒータ巻線に対しても同時に電流の出し入れを行うことが可能となる。 With respect to the non-induction winding, current can be taken in and out at high speed without generating an induction voltage. Therefore, a heater wire is co-wound around the superconducting coil, one end of the co-wound windings is connected to form a non-guided path, and a power supply for supplying current to the non-guided path is provided. Accordingly, it is possible to input / output current to / from the superconducting coil at a high speed and simultaneously input / output current to / from the heater winding.
この無誘導電流経路に、超電導コイルに流れる電流とは逆向きに電流を投入すると、超電導コイルに流れていた電流はあたかもヒータ巻線に乗り移ったように見える。電源が行う仕事は超電導コイル側からヒータ巻線へ電流を移動させる仕事だけである。 When a current is applied to the non-induction current path in a direction opposite to the current flowing in the superconducting coil, the current flowing in the superconducting coil looks as if it has moved to the heater winding. The only task performed by the power supply is to move current from the superconducting coil side to the heater winding.
超電導コイルの電流は急激にヒータ側へ引き抜かれることになるから、クエンチ発生箇所の電流値を瞬時に下げることが可能となる。クエンチが発生しているとき、超電導線材の電流versus電圧特性(電流対電圧特性)はべき乗則で記述できるから、電流値を下げることは、クエンチ発生箇所における発熱量をいちじるしく低減する効果があり、超電導磁石の焼損防止に効果的である。 Since the current of the superconducting coil is suddenly drawn to the heater side, it is possible to instantaneously reduce the current value at the quench occurrence location. When a quench occurs, the current versus voltage characteristic (current-voltage characteristic) of the superconducting wire can be described by a power law, so lowering the current value has the effect of significantly reducing the amount of heat generated at the quench occurrence location. It is effective in preventing burnout of superconducting magnets.
電源が行う仕事は基本的には超電導コイルからヒータへ電流を乗せ替えるだけであるから、マクロに見た時に電源は磁石に対してなんら影響を与えていない。電流の乗せ替えしても磁石のトータルの電流は変らないため、磁石に働く電磁力も変化しない。 Since the power supply basically performs only the task of transferring the current from the superconducting coil to the heater, the power supply has no effect on the magnet when viewed macroscopically. Even if the current is switched, the total current of the magnet does not change, so that the electromagnetic force acting on the magnet does not change.
(ヒータ線)
共巻きするヒータ線(ヒータコイル巻線2)は、磁石の大きさやヒータ線に付加的に付与する機能に応じて様々な材料を選択することができる。熱伝導冷却をする伝導冷却磁石の場合、ヒータ線として熱的良導体である銅やアルミニウムを使うことによって、磁石の巻線内部の熱伝導を改善することが可能である。
(Heater wire)
For the co-wound heater wire (heater coil winding 2), various materials can be selected according to the size of the magnet and the function to be added to the heater wire. In the case of a conduction cooling magnet that performs heat conduction cooling, it is possible to improve the heat conduction inside the windings of the magnet by using copper or aluminum, which is a good thermal conductor, as the heater wire.
また、これらの導体は電気抵抗が小さいため、より大きな電流を超電導コイル側から乗せ替えることが可能であり、クエンチした超電導線の電流を大きく引き抜くことで焼損防止効果が高い。ヒータ線として、ステンレスや鉄、ハステロイなどのヤング率の高い、高強度のものを共巻きすることにより、フープ力(電磁力)に対する補強効果をもたせることも可能である。 In addition, since these conductors have a small electric resistance, a larger current can be transferred from the superconducting coil side, and the quenched current of the superconducting wire is greatly extracted, so that the effect of preventing burnout is high. It is also possible to have a reinforcing effect on hoop force (electromagnetic force) by co-winding a high-strength material such as stainless steel, iron, and Hastelloy with high Young's modulus as the heater wire.
また、超電導巻線の温度を急激に上げることが必要な磁石においてはより発熱が大きくなるように高抵抗のヒータ線として、銅ではなく、マンガニン、コンスタンタン、ニクロムを使うことも可能である。マンガニン、コンスタンタン、ニクロムは、電気抵抗率が銅よりも1桁以上大きな材料である。ただし、ヒータ駆動電源が定電流源である場合である。ヒータ電源が定電圧源であったり、電流が大きくならないように制限する場合にも高抵抗のヒータ線を利用するのが適切である。 Further, in a magnet that requires a rapid increase in the temperature of the superconducting winding, it is possible to use manganin, constantan, or nichrome, instead of copper, as a high-resistance heater wire so as to generate more heat. Manganin, constantan, and nichrome are materials whose electrical resistivity is at least one order of magnitude higher than copper. However, this is a case where the heater driving power source is a constant current source. It is also appropriate to use a high-resistance heater wire when the heater power supply is a constant voltage source or when limiting the current so as not to increase.
急激に超電導から電流を引き抜くと同時に、瞬間的に一様に超電導コイルを昇温して抵抗状態にすることも焼損防止には重要である。そのためには、超電導コイル巻線とヒータ巻線は近接して設置され熱的に良好に接続されていることが不可欠である。 It is also important to prevent the burnout by rapidly extracting the current from the superconducting coil and simultaneously instantaneously and uniformly raising the temperature of the superconducting coil to a resistance state. For that purpose, it is essential that the superconducting coil winding and the heater winding are installed close to each other and are thermally connected well.
図2に示したように、超電導線材がテープ状の導体の場合(例えば、超電導テープ材12参照)には、共巻きされたヒータ線(例えば、銅テープ材13)もテープ状導体であり密着して巻き回すことによりこれを実現することができる。超電導線材が丸もしくは平角の断面形状であれば、ヒータ巻線もほぼ同じような寸法を持つことが良好な熱接触を得るためには望ましい。図3および図4を参照して説明する。なお、図3および図4は、図2とは別形態である。 As shown in FIG. 2, when the superconducting wire is a tape-shaped conductor (for example, see superconducting tape 12), the co-wound heater wire (for example, copper tape 13) is also a tape-shaped conductor, This can be realized by winding. If the superconducting wire has a round or rectangular cross section, it is desirable that the heater windings have substantially the same dimensions in order to obtain good thermal contact. This will be described with reference to FIGS. Note that FIGS. 3 and 4 are different forms from FIG.
(コイルの熱伝導特性改善)
図3は、本実施形態のコイル断面構成の一形態を示す模式図である。図3には、超電導コイル21の半径方向(r方向)の伝熱を改善するコイル巻線断面を示す。ここでは、超電導線として、MgB2平角線を用いた実施例を示す。超電導コイル21は、ボビン24に、平角状の超電導導体22と丸状または平角状のヒータ導体23を超電導線に沿うように共巻きされている。超電導線材とヒータ線材の半径方向の厚さ(線材厚さ)が同じになるように寸法を選び2本持ちで巻線をした。ヒータ線はアルミニウムとした。整列巻きを行って、各層のアルミニウムのヒータ線がほぼ重なるように巻き回した。
(Improved thermal conductivity of coil)
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating one embodiment of the coil cross-sectional configuration of the present embodiment. FIG. 3 shows a coil winding cross section for improving the heat transfer in the radial direction (r direction) of the
ヒータ線として熱良導体を用いてコイル巻線部の熱伝導を改善しようとする場合、ヒータ巻線同士が接触していることが必要となる。コイル巻線の半径方向に熱伝導を改善しようとする場合、ヒータ線の半径方向の厚さは超電導線の厚さと等しくする、もしくは、厚くすることによって、層方向にヒータ線が重なるようにコイルを巻き回すことでこれを実現できる。 In order to improve the heat conduction of the coil winding using a good conductor as the heater wire, the heater windings need to be in contact with each other. When trying to improve the heat conduction in the radial direction of the coil winding, the thickness of the heater wire in the radial direction should be equal to or greater than the thickness of the superconducting wire, so that the heater wire overlaps in the layer direction. This can be realized by winding.
すなわち、図3では、超電導線が巻き回された超電導コイルの半径方向の線材断面寸法を線材厚さとするとき、超電導線の線材厚さとヒータ線の線材厚さが略等しい。ヒータ線が熱良導体であって、ヒータ線の層間である超電導コイルの半径方向で、ヒータ線が互いに接触するように巻き回されている。これにより、半径方向のコイルの熱伝導特性を改善することができる。 That is, in FIG. 3, when the cross-sectional dimension in the radial direction of the superconducting coil around which the superconducting wire is wound is defined as the wire thickness, the wire thickness of the superconducting wire and the wire thickness of the heater wire are substantially equal. The heater wire is a good heat conductor, and is wound so as to contact each other in the radial direction of the superconducting coil between the heater wires. Thereby, the heat conduction characteristics of the coil in the radial direction can be improved.
図4は、本実施形態のコイル断面構成の他の一形態を示す模式図である。図4は、図3とは別形態である。図4には、図4には、超電導コイル21の軸方向(Z軸方向)の伝熱を改善するコイル巻線断面を示す。ここでは、超電導線として、MgB2平角線を用いた実施例を示す。超電導コイル21は、ボビン24に、平角状の超電導導体22と丸状または平角状のヒータ導体23を超電導線に沿うように共巻きされている。超電導線材とヒータ線材の軸方向の幅(線材幅)が同じになるように寸法を調製し巻線をした。ヒータ線はアルミニウムとした。超電導線を巻いたあとにアルミニウムが巻かれるように巻線機を工夫し、アルミニウムによって超電導線が加圧されるように調整した。アルミニウムによる予荷重と熱収縮による効果によって超電導巻線は運転時に良好な熱接触が維持される。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating another embodiment of the coil cross-sectional configuration of the present embodiment. FIG. 4 is a different form from FIG. FIG. 4 shows a cross section of a coil winding for improving the heat transfer in the axial direction (Z-axis direction) of the
ヒータ線として熱良導体を用いてコイル巻線部の熱伝導を改善しようとする場合、ヒータ巻線同士が接触していることが必要となる。ヒータ線の軸方向の幅は超電導線の幅と略等しくする、もしくは、広くすることによって、軸方向にヒータ線が接触するようにコイルを巻き回すことでこれを実現できる。 In order to improve the heat conduction of the coil winding using a good conductor as the heater wire, the heater windings need to be in contact with each other. This can be realized by winding the coil so that the heater wire contacts the heater wire in the axial direction by making the width of the heater wire in the axial direction substantially equal to or wider than the width of the superconducting wire.
すなわち、図4では、超電導線が巻き回された超電導コイルの軸方向の線材断面寸法を線材幅とするとき、超電導線の線材幅とヒータ線の線材幅が略等しい。ヒータ線が熱良導体であって、ヒータ線の列間である超電導コイルの軸方向で、ヒータ線が互いに接触するように巻き回されている。これにより、軸方向のコイルの熱伝導特性を改善することができる。 That is, in FIG. 4, when the axial cross-sectional dimension of the superconducting coil around which the superconducting wire is wound is defined as the wire width, the wire width of the superconducting wire is substantially equal to the wire width of the heater wire. The heater wire is a good heat conductor, and the heater wires are wound so as to be in contact with each other in the axial direction of the superconducting coil between the rows of the heater wires. Thereby, the heat conduction characteristics of the coil in the axial direction can be improved.
(コイル電流密度低下抑制)
ヒータ巻線はコイル電流密度を低下させるから、磁場発生の観点からはないほうが望ましい。超電導線の断面形状が丸や平角の場合にはコイル巻線には隙間が生じるから、この隙間を利用してヒータ線を巻き回すことにより、コイル電流密度の低下を抑制することが可能である。
(Coil current density drop suppression)
Since the heater winding lowers the coil current density, it is preferable that the heater winding is not provided from the viewpoint of generating a magnetic field. When the cross-sectional shape of the superconducting wire is round or rectangular, a gap is formed in the coil winding. By winding the heater wire using this gap, it is possible to suppress a decrease in coil current density. .
図5は、本実施形態のコイル断面構成のその他の一形態を示す模式図である。平角状または丸状の超電導導体22は、超電導磁石に広く使用されており、導体のR部にあわせてヒータ巻線を設置することにより、コイル電流密度の抑制が可能となる。
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating another embodiment of the coil cross-sectional configuration of the present embodiment. The rectangular or
図5(a)は、丸状の超電導導体22と、丸状のヒータ導体23とを用いた場合である。超電導導体22の断面形状が丸状の場合には、コイル巻線には隙間が生じるから、この隙間を利用してヒータ導体23を巻き回すことにより、コイル電流密度の低下を抑制することが可能である。
FIG. 5A shows a case where a
図5(b)は、矩形断面の四隅に形成される角部に所定の曲率を有する平角状の超電導導体22と、丸状のヒータ導体23とを用いた場合である。超電導導体22の断面形状が矩形断面の四隅に形成される角部に所定の曲率を有する平角状の場合には、コイル巻線には隙間が生じるから、この隙間を利用してヒータ導体23を巻き回すことにより、コイル電流密度の低下を抑制することが可能である。
FIG. 5B shows a case where a
すなわち、本実施形態の超電導磁石100は、超電導線の断面形状が丸状または角部に所定の曲率を有する平角状であり、超電導線を巻き回された超電導コイルは、超電導線間の隙間に、ヒータ線を配設している。これにより、コイル電流密度の低下を抑制することが可能である。
That is, in the
(クエンチバックヒータ電源)
図1に示したように、無誘導経路に電流を投入するために常時電源が待機しておく必要がある。電源容量は超電導コイルからヒータに電流を乗せ替える分だけが必要であるから、コンデンサバンクに必要なエネルギーを保持させておくことで対応可能である。もちろんクエンチ保護のためにアクティブな電源を待機させておいてもよい。
(Quench back heater power supply)
As shown in FIG. 1, the power supply needs to be always on standby in order to supply a current to the non-guide path. Since the power supply capacity is only required to transfer the current from the superconducting coil to the heater, it is possible to cope by holding the necessary energy in the capacitor bank. Of course, an active power supply may be kept on standby for quench protection.
(エネルギー回収)
本発明は超電導コイル巻線から速やかにヒータ巻線に電流を載せかえて超電導巻線の局所焼損を防止することが特徴であるが、電流を載せかえること以外については通常の超電導磁石保護の考え方と同じである。クエンチが検出されると励磁電源3は磁石から切り離され磁石のエネルギー回収が行われるが、超電導コイル巻線とヒータ巻線の両方のエネルギーがそれぞれ回収される。超電導コイル巻線とヒータ巻線に配分された磁石のエネルギーは、それぞれの巻線に適切に設置された抵抗やダイオードなどによって回収される(図示せず)。クエンチバック電源は電流を載せかえるための仕事をするために利用され、磁石全体の蓄積エネルギーの回収には本質的に寄与しないが、積極的にアクティブな電源によってエネルギー回収量の分配や回収速度を制御や電源側にエネルギーを回収することも可能である。
(Energy recovery)
The present invention is characterized in that a current is immediately applied to the heater winding from the superconducting coil winding to prevent local burning of the superconducting winding. Is the same as When the quench is detected, the
(クエンチ検出)
図6は、本実施形態のクエンチ電圧検出方法の一例を示す回路図である。微小なクエンチ電圧を検出するためには電圧検出系のS/Nを向上させることが不可欠である。図6は、共巻のヒータ線を利用して誘導性電圧をキャンセルする、いわゆる共巻き法であり、クエンチ検出器6によりクエンチ電圧を検出する。
(Quench detection)
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an example of the quench voltage detection method according to the present embodiment. In order to detect a very small quench voltage, it is essential to improve the S / N of the voltage detection system. FIG. 6 shows a so-called co-winding method in which an inductive voltage is canceled using a co-winding heater wire, and the quench detector 6 detects a quench voltage.
図7は、本実施形態のクエンチ電圧検出方法の他の一例を示す回路図である。図7は、共巻きされたヒータ線を有する超電導コイルの中点で、ヒータ線と超電導線とのバランス電圧をみる中点バランス電圧方式である。中点バランス電圧方式は、単純に誘導性ノイズをキャンセルするだけでなく、電源由来の電圧性ノイズや超電導内部の磁化の時間変化に起因する電圧もキャンセルすることができ、微小なクエンチ電圧の発生を検出し、クエンチ発生から極めて短い時間で磁石保護動作に移行することができ、磁石焼損防止に極めて有効である。 FIG. 7 is a circuit diagram illustrating another example of the quench voltage detection method of the present embodiment. FIG. 7 shows a midpoint balance voltage method in which the balance voltage between the heater wire and the superconducting wire is measured at the midpoint of the superconducting coil having the co-wound heater wire. The mid-point balanced voltage method not only cancels inductive noise, but also cancels voltage noise originating from the power supply and voltage caused by the time change of magnetization inside the superconducting device, generating a very small quench voltage. Can be detected and the operation can be shifted to the magnet protection operation in a very short time after the occurrence of the quench, which is extremely effective in preventing magnet burning.
中点バランス方式の場合には通常運転時にはスイッチ8によって超電導コイル巻線1とヒータコイル巻線2が導通状態になり、クエンチ検出器6によってバランス電圧を計測する。クエンチが検出されると、クエンチバックヒータ電源4から供給される電圧がスイッチ8を短絡電流が流れないようにスイッチ8をオープン状態にし、その後、超電導コイル巻線1からヒータコイル巻線2に電流を載せかえるためにクエンチバックヒータ電源4から電流が供給される。
In the case of the midpoint balance method, the switch 8 turns on the superconducting coil winding 1 and the heater coil winding 2 during normal operation, and the quench detector 6 measures the balance voltage. When a quench is detected, the voltage supplied from the quench-back
焼損防止のために高速に磁石からエネルギーを引き抜き、クエンチバックをさせることが必要であるが、この動作のトリガーとなるクエンチ検出をいかに早く行うかが重要である。共巻きされたヒータ巻線を利用することによって、クエンチ電圧検出の障害となる磁石自身の誘導電圧(ノイズ)をキャンセルすることが可能であるから、クエンチ検出自体に対しても格段の効果を発揮する。 It is necessary to rapidly extract energy from the magnet and perform quench back in order to prevent burning, but it is important how quickly quench detection that triggers this operation is performed. By using the co-wound heater winding, it is possible to cancel the induced voltage (noise) of the magnet itself, which is an obstacle to quench voltage detection. I do.
(永久電流モード)
図8は、本実施形態に係る永久電流モード運転の超電導磁石を表す説明図である。電源に接続された状態で運転される磁石(ドライブモード磁石)に対し、本発明の適用例を示してきたが、電源から切り離されて運転される永久モード運転においてこそ本発明は最も効果的である。図8に永久電流モード状態の磁石の模式回路を示す。永久電流モード運転では、磁石に電流が投入された後、永久電流スイッチ(PCS:persistent current switch)という超電導、すなわち電気抵抗ゼロのスイッチによってコイルの両端が電気的に閉じられて電流ループを形成し、その後励磁電源は取り払われる。
(Permanent current mode)
FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating the superconducting magnet in the permanent current mode operation according to the present embodiment. Although the application example of the present invention has been shown for a magnet operated in a state connected to a power supply (drive mode magnet), the present invention is most effective only in a permanent mode operation which is operated while being disconnected from the power supply. is there. FIG. 8 shows a schematic circuit of the magnet in the permanent current mode. In the persistent current mode operation, both ends of the coil are electrically closed by a superconducting switch called a persistent current switch (PCS), that is, a switch having zero electrical resistance, after a current is supplied to the magnet, thereby forming a current loop. , Then the excitation power supply is removed.
ドライブモード運転の磁石では、クエンチ検出後すみやかに励磁電源3を磁石から切り離すことによって磁石のエネルギー回収状態に移行でき、また、エネルギーを回収するための外部抵抗などを設置することも容易である。一方、永久電流モード運転ではPCSをオフ(抵抗状態)にするためにはヒータ加熱が必要があることからエネルギー回収状態に移行するのに時間がかかり、また、PCSそのもので磁石のエネルギーを回収するには抵抗、熱容量などが不足する。したがって、永久電流モード運転のHTS磁石の保護はドライブモード運転に比べ著しく困難である。
In the magnet in the drive mode operation, it is possible to shift to the energy recovery state of the magnet by immediately disconnecting the
図9は、本実施形態の永久電流モード運転磁石の等価回路を表す説明図である。図8の等価回路を図9に示す。超電導コイル巻線1とヒータコイル巻線2は磁気的に密に結合しており、ほとんどL1=L2=Mとなる。したがって、クエンチバックヒータ電源4から供給される電流は、ほとんどL1とL2を素通りし、したがって永久電流モード運転であってもL1(超電導コイル巻線)を流れていた永久電流ループの電流IをL2(ヒータ巻線)に載せかえることが可能である。
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating an equivalent circuit of the permanent current mode operation magnet of the present embodiment. FIG. 9 shows an equivalent circuit of FIG. The superconducting coil winding 1 and the heater coil winding 2 are magnetically tightly coupled, and almost L 1 = L 2 = M. Therefore, the current supplied from the quench-back
しかし、ヒータコイル巻線2に電流を載せかえてヒータ巻線に外部抵抗(図示せず)を設置してこの抵抗で電流を消費させるだけでは磁石のエネルギー回収は十分には行われない。それは、超電導コイル巻線側の抵抗が小さくヒータ巻線側の抵抗がそれより大きい場合には(すなわち超電導コイル巻線側が超電導状態であれば)、ヒータ巻線に乗り移った電流は磁気結合を通じて超電導コイル巻線側に戻されてしまうためである。したがって、永久電流モード運転でエネルギー回収がなされるためには超電導コイル巻線が抵抗状態になる必要がある。 However, simply recovering the current from the heater coil winding 2 and installing an external resistor (not shown) in the heater winding and consuming the current with this resistance does not sufficiently recover the energy of the magnet. When the resistance on the superconducting coil winding side is small and the resistance on the heater winding side is larger than that (that is, when the superconducting coil winding side is in a superconducting state), the current transferred to the heater winding is superconducted through magnetic coupling. This is because it is returned to the coil winding side. Therefore, in order to perform energy recovery in the persistent current mode operation, the superconducting coil winding needs to be in a resistance state.
本発明では、ヒータコイル巻線2は超電導コイル巻線1を抵抗状態にするクエンチヒータとしての役割を持ち、コイル全体を同時に瞬間的に加熱することが可能である。超電導コイル巻線1に流れる電流の一部もしくは全部をヒータコイル巻線2に載せかえ、超電導コイル巻線1が加熱されて抵抗状態に転移することによって、磁石のエネルギー回収が開始される。超電導コイル巻線の温度が上昇し抵抗状態になるのを待つ必要があるが、超電導コイル巻線1を流れていた電流の一部もしくは全部がヒータコイル巻線2に載せかえられているため、超電導コイル巻線におけるクエンチ箇所での局所発熱を抑制でき、焼損を防止することができる。 In the present invention, the heater coil winding 2 has a role as a quench heater for making the superconducting coil winding 1 in a resistance state, and can simultaneously and instantaneously heat the entire coil. A part or all of the current flowing through the superconducting coil winding 1 is transferred to the heater coil winding 2, and the superconducting coil winding 1 is heated and transitions to a resistance state, thereby starting the energy recovery of the magnet. It is necessary to wait until the temperature of the superconducting coil winding rises to a resistance state. However, since a part or all of the current flowing through the superconducting coil winding 1 has been replaced by the heater coil winding 2, Local heat generation at the quench point in the superconducting coil winding can be suppressed, and burnout can be prevented.
クエンチバックヒータ電源4は永久電流モード運転磁石において、エネルギー回収のきっかけをつくるためのトリガーの役割をするが、クエンチバックヒータ電源4をアクティブに制御することによって、ヒータコイル巻線2側のエネルギー回収回路におけるエネルギー回収量と超電導コイル巻線側の電流回路におけるエネルギー回収量の分配を調整し、最適なエネルギー回収条件でエネルギー回収することが可能となる。また、永久電流モード運転状態ではクエンチバックヒータ電源4から一定の電流を供給しているときは、磁石の蓄積エネルギーは変化せず、電源から投入されたエネルギーは磁石の温度を上げる仕事に費やされる。外部抵抗でエネルギー回収をすることができない永久電流モード運転では、磁石自身の熱量容量を利用してエネルギー回収をすることになるので、外部から余分なエネルギーを投入することは磁石の温度上昇につながり望ましくない。クエンチバックヒータ電源4をアクティブに制御することにより、超電導コイル巻線1を抵抗状態にするためのエネルギー投入を最適に制御することが可能となる。
The quench-back
これらの手法により、クエンチ検出が困難で、磁石保護のためのエネルギー回収およびクエンチバックのための時間をとれないHTS磁石に対しても、磁石保護が可能となる。 These methods enable magnet protection for HTS magnets that are difficult to detect quench and do not take time for energy recovery and quench back for magnet protection.
本実施形態の超電導磁石100は、あらゆる高温超電導磁石に適用でき、特にMRI、NMRといった高精度の磁場が必要な用途や、加速器用の磁石など磁場の再現性がもとめられる用途に最適である。
The
1 超電導コイル巻線(超電導線)
2 ヒータコイル巻線(ヒータ線)
3 励磁電源
4 クエンチバック用電源(電源、電流投入手段)
5 保護抵抗
6 クエンチ検出器(電圧計)
7 接続部
8 スイッチ
11 ダブルパンケーキコイル
12 超電導テープ材
13 銅テープ材
21 超電導コイル
22 超電導導体
23 ヒータ導体
24 ボビン
100 超電導磁石
1 Superconducting coil winding (superconducting wire)
2 Heater coil winding (heater wire)
3
5 Protection resistor 6 Quench detector (voltmeter)
7 Connecting part 8
Claims (12)
前記超電導コイルは、前記超電導線に沿うようにヒータ線が共巻きされており、
前記超電導コイルの巻線の一端と前記ヒータ線の巻線の一端が接続されて無誘導の電流経路が形成され、前記電流経路に電流を通電するための電源を有する
ことを特徴とする超電導磁石。 A superconducting magnet having a superconducting coil wound with a superconducting wire,
In the superconducting coil, a heater wire is co-wound along the superconducting wire,
One end of the winding of the superconducting coil and one end of the winding of the heater wire are connected to form a non-inductive current path, and a power supply for supplying a current to the current path is provided. .
もしくは、前記ヒータ線の材質が、ステンレス、鉄、ハステロイのいずれかである、
もしくは、前記ヒータ線の材質が、マンガニン、コンスタンタン、ニクロムのいずれかである
ことを特徴とする請求項1に記載の超電導磁石。 The material of the heater wire is any of copper and aluminum,
Or, the material of the heater wire is any of stainless steel, iron, Hastelloy,
Alternatively, the material of the heater wire is any of manganin, constantan, and nichrome. The superconducting magnet according to claim 1, wherein
ことを特徴とする請求項1に記載の超電導磁石。 The superconducting magnet according to claim 1, wherein both the superconducting wire and the heater wire are tape-shaped conductors.
ことを特徴とする請求項1に記載の超電導磁石。 The cross-sectional shape of the superconducting wire is a round shape or a rectangular shape having a predetermined curvature at a corner, and the superconducting coil wound with the superconducting wire has the heater wire disposed in a gap between the superconducting wires. The superconducting magnet according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1に記載の超電導磁石。 The wire thickness of the superconducting wire and the wire thickness of the heater wire are substantially equal when a cross-sectional dimension of a wire in a radial direction of the superconducting coil around which the superconducting wire is wound is a wire thickness. The superconducting magnet according to 1.
ことを特徴とする請求項5に記載の超電導磁石。 The heater wire is a good heat conductor, and the heater wires are wound so as to be in contact with each other in a radial direction of the superconducting coil between layers of the heater wire. Superconducting magnet.
ことを特徴とする請求項1に記載の超電導磁石。 The wire width of the superconducting wire and the wire width of the heater wire are substantially equal when a wire cross-sectional dimension in the axial direction of the superconducting coil around which the superconducting wire is wound is a wire width. The superconducting magnet as described.
ことを特徴とする請求項7に記載の超電導磁石。 The heater wire is a good heat conductor, and the heater wires are wound so as to be in contact with each other in an axial direction of the superconducting coil between rows of the heater wires. Superconducting magnet.
ことを特徴とする請求項1に記載の超電導磁石。 The superconducting magnet according to claim 1, wherein a power supply for supplying a current to the current path is a capacitor.
ことを特徴とする請求項1に記載の超電導磁石。 The superconducting magnet according to claim 1, wherein a power supply for supplying a current to the current path is controlled, and a current distribution amount flowing through the superconducting coil and the heater wire is controlled.
ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記の超電導磁石。 The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 10, wherein the co-wound heater wire is used as a winding for quench detection.
前記超電導コイルは、前記超電導線に沿うようにヒータ線が共巻きされており、
前記超電導コイルの巻線の一端と前記ヒータ線の巻線の一端が接続されて無誘導の電流経路を形成されており、
クエンチが発生した際の保護として、前記電流経路に定常運転時の前記超電導コイルに流れる電流に対して逆向きの電流を流す
ことを特徴とする超電導磁石の保護方法。 A method for protecting a superconducting magnet having a superconducting coil in which a superconducting wire is wound,
In the superconducting coil, a heater wire is co-wound along the superconducting wire,
One end of the winding of the superconducting coil and one end of the winding of the heater wire are connected to form a non-inductive current path,
A method for protecting a superconducting magnet, wherein a current flowing in the current path in a direction opposite to a current flowing through the superconducting coil during a steady operation is supplied as protection when a quench occurs.
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