JP4585389B2 - 超電導マグネット装置およびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、１次側超電導マグネットと磁気的に結合した２次側超電導コイルとを備えた超電導マグネット装置およびその運転方法に関し、特に、超電導エネルギー貯蔵システム等に用いる大電流容量導体の効率の高い大電流通電評価に好適な技術に関する。

超電導材料の通電特性計測装置として、たとえば、特許文献１の装置が知られている。

図１０は、超電導導体に通電して電圧発生を観測し臨界電流値を測定するための従来の装置の基本的な構成例を示す例である。この構成例では、超電導導体サンプル４は、低温容器１６内の冷媒６に浸漬されて極低温に冷却されている。冷媒６には外部磁場印加用超電導コイル１２も浸漬されている。外部磁場印加用超電導コイル１２は、マグネット用電流リード１５ｂを介して低温容器１６外のマグネット励磁電源１３に接続されている。超電導導体サンプル４両端には電流を供給するための電流リード１５ａが接続され、この電流リード１５ａは、室温の電流導入端子を介して超電導導体サンプル用電源１４に接続されている。電流リード１５ａとしては、通常、銅あるいはリン脱酸銅等の銅合金が使用される。

なお、別の従来例として、超電導導体サンプルが極低温小型冷凍機により伝導冷却されて試験に供される場合もある。

通常、電流リードはその長さと断面積とを最適化されて極低温部分への熱負荷を増加させないよう設計されるが、冷媒蒸発ガスとの熱交換の条件によっては１Ａ当り５０ｍＷ近い熱侵入があり、大電流をサンプルに通電する必要がある場合には、電流値に比例して電流リードの断面積が大きく設計される。また、導体サンプルの超電導特性の磁場依存性を測定するためにはサンプルに対して超電導コイル１２による外部磁場を与える必要が生じ、図１０の構成例のように同じ低温容器１６に外部磁場印加用の超電導コイルを励磁するための電流リード１５ｂを具備する構成になる。

一方、図１１は、外部磁場印加用超電導マグネットの１次側超電導コイル１ｂの内側に試験用超電導導体サンプル４と２次側超電導コイル１７を設置して、電磁誘導により電流供給する方法の従来装置の基本的な構成を示した例である。この構成において、外部磁場印加用の超電導コイル１ｂと２次側超電導コイル１７および試験用超電導導体サンプル４とは同じ低温容器１６内部に設置されている。
特開２００３−１４９２７８号公報

従来の構成例のように外部から電流リードを介して超電導導体サンプルに電流供給する場合、熱侵入により冷媒が蒸発してしまう。さらに、外部磁場印加用の超電導コイルへ電流を供給する電流リードからも極低温部分への熱負荷が生じる。この結果、冷媒の液面が減少するために通電試験できる時間が制限されてしまう。一方、サンプルに供給できる電流値は外部電源の電流容量により制限され、従来の方式では、保有する電源設備の出力電流値を越える臨界電流値をもつ導体サンプルは評価できない。

また、外部磁場印加用超電導マグネットを使用して電磁誘導により電流供給する方法の場合、従来例では試験サンプルと磁場印加用超電導マグネットとが同一の低温容器内に収納されているため、試験の度にマグネット冷却のための冷媒も消費し、磁場印加用超電導マグネットを冷却、昇温するための時間も要する。

この発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、室温からの熱侵入を低減しつつ、電源設備の出力電流容量以上の電流値をサンプルへ通電可能な超電導マグネット装置およびその運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による超電導マグネット装置は、１次側超電導コイルと、この１次側超電導コイルを収容する第１の低温容器と、前記１次側超電導コイルに磁気的に結合された２次側超電導コイルと、この２次側超電導コイルを収容する第２の低温容器と、を有し、前記１次側超電導コイルと前記２次側超電導コイルとが別の温度に制御できるように構成され、さらに前記２次側超電導コイルに超電導導体サンプルが接続され、前記２次側超電導コイルは前記第２の低温容器内の液体冷媒内に浸漬され、前記超電導導体サンプルは第３の低温容器内に収容され、前記第２の低温容器と前記第３の低温容器とは絞りバルブを介して配管で接続されていて、前記第３の低温容器は、前記第２の低温容器から前記配管を通じて流入する前記液体冷媒の蒸気によって冷却され、前記超電導導体サンプルの温度が前記２次側超電導コイルの温度とは別に制御できるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明による超電導マグネット装置運転方法は、上記の超電導マグネット装置の運転方法であって、前記１次側超電導コイルに電流を流すことによって磁場を発生させ、前記磁場を前記超電導導体サンプルに印加することによって、前記超電導導体サンプルの超電導特性の経験磁界依存性を評価すること、を特徴とする。
また、本発明による超電導マグネット装置運転方法は、上記の超電導マグネット装置の運転方法であって、前記１次側超電導コイルに電流を流すことによって励磁し、この１次側超電導コイルの励磁速度を変化させることによって、前記２次側超電導コイルに接続した超電導導体サンプルの交流損失による発熱を制御し、これによって前記超電導導体サンプルの超電導特性の温度依存性を評価すること、を特徴とする。

本発明によれば、室温からの熱侵入を低減しつつ、電源設備の出力電流容量以上の電流値をサンプルへ通電可能にする構造を実現できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお本発明は下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施し得るものである。また、以下の説明で、従来技術と共通の部分、あるいは相互に同一もしくは類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る超電導マグネット装置の第１の実施形態を示す縦断面図であり、２次側超電導コイルおよび超電導導体サンプルを同じ２次側低温容器内で冷媒により浸漬冷却し試験する場合について示す。

鉛直軸を有する筒状の２次側低温容器５内に、軸を鉛直にした２次側超電導コイル２ａが収容されている。２次側超電導コイル２ａは複数個（たとえば４個）のコイルが上下方向の軸に沿って並べられている。２次側超電導コイル２ａの電流導入端子２ｂはコイルの内側に配置され、これらが互いに並列に、接続部分１８ａでリード線２０に接続されている。このリード線２０は、２次側超電導コイル２ａの上方に配置された超電導導体サンプル（超電導体負荷）４と、接続部分１８ｂで接続されている。２次側低温容器５内に液体の冷媒６が溜められており、２次側超電導コイル２ａ、電流導入端子２ｂ、超電導導体サンプル４、リード線２０は冷媒６内に浸漬されている。

２次側低温容器５の周囲を囲むように環状の１次側超電導マグネット１が配置されていて、２次側超電導コイル２ａが環状の１次側マグネット１の内側空間であるボア１ｄ内に配置される関係になる。１次側超電導マグネット１は、環状の１次側低温容器１ａ内に収容された１次側超電導コイル１ｂを有する。１次側超電導コイル１ｂは、２次側超電導コイル２ａと磁気的に結合されるように２次側超電導コイル２ａに対向して配置され、１次側超電導マグネット用電源３に電気的に接続されている。また、１次側超電導コイル１ｂは１次側マグネット用極低温冷凍機１ｃに、固体熱伝導体によって熱的に接続されている。

この実施形態では、２次側回路は複数個の並列の超電導コイルを有し、超電導導体サンプル４に対して電流を供給する。２次側回路は複数のコイルを有することにより２次側コイルを巻回する超電導導体のコイル数倍を超電導導体サンプルに供給することができる。

また、並列回路である２次側に対して１次側超電導マグネット１の磁場が印加された場合には、各回路間の幾何学的な位置関係により電流偏流が生じる恐れがあるが、並列回路を構成するコイルが独立しているため、コイルの相対位置を移動することができ、電流偏流が抑制されるように調整することが可能になる。２次側超電導コイル２ａの並び方は、図２に示すように同じ大きさのコイルを４個並べてもよいが、図３あるいは図４のように１次側超電導コイルの赤道面３０との距離に応じて２次側コイル２ａの巻数を変えて、偏流が起こり難い設計にしておくことも可能である。一般に、２次側超電導コイル２ａを１次側超電導マグネットの赤道面３０に対して対称に配置するのが好ましい。ここで、「赤道面」とは、環状の１次側超電導コイルの軸方向高さの半分の高さにおいて、軸方向に対して垂直な面のことである。

また、超電導導体サンプル４の２次側低温容器５の内部での位置は冷媒６の液面を越えない範囲内で任意に選ぶことが可能であるため、１次側超電導マグネット１の発生する漏れ磁場を超電導導体サンプル４に与えて超電導導体サンプル４の超電導特性の磁場依存性を観察することも可能である。

すなわち、１次側超電導コイル１ｂは誘導回路として働くだけでなく、その漏れ磁場を超電導導体サンプル４に与えることができる。２次側電流値のピーク値を決める１次側電流の掃引条件には、１次側電流の掃引速度（ｄｉ／ｄｔ）と、１次側電流のフラットトップ値（Ｆ／Ｔ）の二つがある。したがって、ｄｉ／ｄｔを変化させれば、Ｆ／Ｔ値を任意に選んで同じ２次側電流ピーク値を得ることができる。Ｆ／Ｔ値は１次側超電導コイル１ｂの発生磁場に相当するので、本装置においてＦ／Ｔ値をパラメタとして試験を繰り返せば、超電導導体サンプル４の磁界依存性を評価することができる。

次に、図１に示した実施形態に関して試作した試験装置の諸元および試験結果の一例について以下に示す。

試験装置を構成の諸元は、以下の通りである。なお、２個の２次側超電導コイルＡは、１次側超電導マグネットの赤道面（Ｚ＝０）に対してＺ＝±４０ｍｍの位置に設置し、同じく２個の２次側超電導コイルＢは、Ｚ＝±１２０ｍｍの位置に設置した。

（１）１次側超電導マグネットについては、内径４５０ｍｍ、外径５１７ｍｍ、軸長２６６ｍｍ、巻回数１４９９７ターン、定格通電電流値１１７Ａ、中心磁場４Ｔ、インダクタンス１０１Ｈとした。

（２）２次側超電導コイルＡについては、内径１６０ｍｍ、外径２６０ｍｍ、軸長２５ｍｍ、巻回数５４ターン、インダクタンス０．７６ｍＨとした。

（３）２次側超電導コイルＢについては、内径１２２ｍｍ、外径２６０ｍｍ、軸長２５ｍｍ、巻回数７４ターン、インダクタンス１．１ｍＨとした。

本構成で、２次側回路にあらかじめ残留抵抗率を測定したリン脱酸銅片を直列に接続し、その両端発生電圧を測定することにより、２次側に誘導された電流値を校正した。２次側に誘導される電流値のピークは回路の有する抵抗値が律速となるため、校正試験の際には、１次側の冷凍機伝導冷却式超電導マグネットを０．０７８Ａ／秒で励磁したときにピーク値で２００Ａ以下になるよう、この電流測定用のリン脱酸銅片の抵抗値を設計した。

２次側超電導コイルを液体ヘリウムで浸漬冷却し、１次側の冷凍機伝導冷却式超電導マグネットを０．０７８Ａ／秒で励磁し２次側電流値を校正した結果を図５に示す。この図で、点線１９は１次側電流を示し、実線２０が２次側電流を示す。２次側に誘導された電流値は１７２Ａで、数値解析による値とほぼ一致した。

次に、１次側超電導マグネットの励磁速度を変えたときの２次側回路の電流ピーク値を図６に示す。１次側マグネットの掃引速度に比例した２次側電流のピーク値が得られた。

以上説明したように、この実施形態によれば、室温からの熱侵入を低減しつつ、電源設備の出力電流容量以上の電流値をサンプルへ通電可能にする構造を実現できる。また、１次側に伝導冷却超電導マグネットを使用し、２次側コイルの低温容器を別に構成したことで、通電試験に時間の制約が設けられることなく、かつサンプル温度を可変にできるので、冷媒の蒸発と電源出力の限界とにより試験が制約されるという不具合を回避しながら、超電導導体の評価試験を行なうことができる。

［第２の実施形態］
図７は、本発明に係る超電導マグネット装置の第２の実施形態を示す縦断面図である。この実施形態では、２次側低温容器５内で冷媒６の液面上方に真空断熱容器１０ａが配置され、真空断熱容器１０ａ内に超電導導体サンプル４が配置されている。真空断熱容器１０ａを貫通して熱伝導部材９が配置されこの部材９が超電導導体サンプル４と直接接触している。真空断熱容器１０ａの上方には２次側用小型冷凍機７の冷却ステージ８が配置されて、冷却ステージ８が熱伝導部材９と接触している。

２次側超電導コイル２ａは冷媒６で浸漬冷却される。また、超電導導体サンプル４は真空断熱容器１０ａ内部に設置され、２次側用小型冷凍機７の冷却ステージ８から熱伝導部材９を介して伝導で冷却される。これにより、超電導導体サンプル４の温度を、冷媒６の温度よりも高くしたり低くしたりして種々の温度範囲における超電導特性の測定が可能になる。その結果、超電導導体サンプル４の超電導特性の温度依存性を測定できる。

［第３の実施形態］
図８は、本発明に係る超電導マグネット装置の第３の実施形態を示す縦断面図である。この実施形態では、２次側低温容器５内で冷媒６の液面上方にガスヘリウム容器１０ｂが配置され、ガスヘリウム容器１０ｂ内に超電導導体サンプル４が配置されている。２次側低温容器５の底部付近とガスヘリウム容器１０ｂは、ニードルバルブ（絞りバルブ）１１ａを介して連絡管３２で接続されている。また、ガスヘリウム容器１０ｂは、真空引き用バルブ（絞りバルブ）１１ｂを介して真空引き用配管３４により図示しない真空ポンプに接続されている。

２次側超電導コイル２ａは冷媒６で浸漬冷却される。一方、超電導導体サンプル４は、ニードルバルブ１１ａを通してガスヘリウム容器１０ｂに導入されたヘリウム蒸気によって冷却される。ニードルバルブ１１ａと真空引き用バルブ１１ｂの開度を調節することによってヘリウムガス流量が調節され、超電導導体サンプル４を所定の温度に保つことができる。

これにより、第２の実施形態（図７）と同様に、超電導導体サンプル４の温度を２次側超電導コイル１ｂの温度とは別個に温度調節することが可能になり、超電導特性の温度依存性の測定が可能になる。

［第４の実施形態］
図９は、本発明に係る超電導マグネット装置の第４の実施形態を示す縦断面図である。この実施形態では、鉛直軸を有する筒状の真空断熱容器１０ａ内に、軸を鉛直にした２次側超電導コイル２ａが収容され、真空断熱容器１０ａ内の２次側超電導コイル２ａの上方に超電導導体サンプル４が配置されている。真空断熱容器１０ａには２次側用小型冷凍機７が配置されており、その冷凍機冷却ステージ８が真空断熱容器１０ａ内に配置されている。冷凍機冷却ステージ８は、熱伝導部材９を介して２次側超電導コイル２ａおよび超電導導体サンプル４に熱的に接続されている。

ここで、２次側超電導コイル２ａは熱伝導部材９と接触しているが、磁場変動によって熱伝導部材９に渦電流が生じ発熱の要因となる可能性もある。そのため、渦電流のループを切るような形状にする、あるいは渦電流による発熱が２次側コイルに悪影響を与えないレベルに導電率を選定した材料を用いるなどの設計が好ましい。

本発明に係る超電導マグネット装置の第１の実施形態を示す模式的縦断面図である。 本発明に係る超電導マグネット装置における２次側コイルの構成例を示す模式的縦断面図である。 本発明に係る超電導マグネット装置における２次側コイルの他の構成例を示す模式的縦断面図である。 本発明に係る超電導マグネット装置における２次側コイルのさらに他の構成例を示す模式的縦断面図である。 本発明に係る超電導マグネット装置の第１の実施形態に沿って試作した装置を用いて励磁・通電試験を行なった結果を示すグラフである。 本発明に係る超電導マグネット装置の第１の実施形態に沿って試作した装置を用いて１次側回路の掃引速度を変化させたときの２次側回路の電流値測定結果を示すグラフである。 本発明に係る超電導マグネット装置の第２の実施形態を示す模式的縦断面図である。 本発明に係る超電導マグネット装置の第３の実施形態を示す模式的縦断面図である。 本発明に係る超電導マグネット装置の第４の実施形態を示す模式的縦断面図である。 従来の超電導マグネット装置の基本的な構成を示す模式的縦断面図である。 電磁誘導により通電する従来の超電導マグネット装置の基本的な構成を示す模式的縦断面図である。

符号の説明

１…１次側超電導マグネット、１ａ…１次側低温容器、１ｂ…１次側超電導コイル、１ｃ…１次マグネット用極低温冷凍機、１ｄ…１次マグネットのボア、２ａ…２次側超電導コイル、２ｂ…２次側超電導コイルの電流導入端子、３…１次側超電導マグネット用励磁電源、４…超電導導体サンプル、５…２次側低温容器、６…冷媒、７…２次側用小型冷凍機、８…冷凍機冷却ステージ、９…熱伝導部材、１０ａ…真空断熱容器（低温容器）、１０ｂ…ガスヘリウム容器（低温容器）、１１ａ…ニードルバルブ、１１ｂ…真空引き用バルブ、１２…外部磁場印加用超電導コイル、１３…マグネット励磁電源、１４…超電導導体サンプル用電源、１５ａ…サンプル通電用電流リード、１５ｂ…マグネット用電流リード、１６…低温容器、１７…２次側超電導コイル…１８ａ…接続部分、１８ｂ…接続部分、３０…１次側超電導コイルの赤道面、３２…連絡管、３４…真空引き配管

Claims (8)

1. １次側超電導コイルと、
   この１次側超電導コイルを収容する第１の低温容器と、
   前記１次側超電導コイルに磁気的に結合された２次側超電導コイルと、
   この２次側超電導コイルを収容する第２の低温容器と、
   を有し、
   前記１次側超電導コイルと前記２次側超電導コイルとが別の温度に制御できるように構成され、
   さらに前記２次側超電導コイルに超電導導体サンプルが接続され、
   前記２次側超電導コイルは前記第２の低温容器内の液体冷媒内に浸漬され、
   前記超電導導体サンプルは第３の低温容器内に収容され、
   前記第２の低温容器と前記第３の低温容器とは絞りバルブを介して配管で接続されていて、前記第３の低温容器は、前記第２の低温容器から前記配管を通じて流入する前記液体冷媒の蒸気によって冷却され、前記超電導導体サンプルの温度が前記２次側超電導コイルの温度とは別に制御できるように構成されていることを特徴とする超電導マグネット装置。
2. 前記２次側超電導コイルは複数の２次側コイルが並列に接続されてなる構成であることを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット装置。
3. 前記２次側超電導コイルの複数の２次側コイルが、各コイル毎に誘導される電流が互いにほぼ等しくなるようにコイルの相対配置および巻回数が構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超電導マグネット装置。
4. 前記２次側超電導コイルの複数の２次側コイルが、前記１次側超電導コイルの赤道面に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の超電導マグネット装置。
5. 前記２次側超電導コイルは前記１次側超電導コイルのボア内に配置され、前記２次側超電導コイルの電流を導入する端子が前記２次側超電導コイルの内側に配置されていること、を特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の超電導マグネット装置。
6. 前記１次側超電導コイルが冷凍機伝導冷却型であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の超電導マグネット装置。
7. 請求項１記載の超電導マグネット装置の運転方法であって、前記１次側超電導コイルに電流を流すことによって磁場を発生させ、前記磁場を前記超電導導体サンプルに印加することによって、前記超電導導体サンプルの超電導特性の経験磁界依存性を評価すること、を特徴とする超電導マグネット装置運転方法。
8. 請求項１記載の超電導マグネット装置の運転方法であって、前記１次側超電導コイルに電流を流すことによって励磁し、この１次側超電導コイルの励磁速度を変化させることによって、前記２次側超電導コイルに接続した超電導導体サンプルの交流損失による発熱を制御し、これによって前記超電導導体サンプルの超電導特性の温度依存性を評価すること、を特徴とする超電導マグネット装置運転方法。

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