JP4705844B2 - 超電導コイル異常検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイル異常検知装置に係り、特に、超電導コイルの異常発生時に生じる音響波を検出して超電導コイルの状態をモニタリングする装置に関する。

図６に、従来より知られている一般的な超電導磁石の構成例を示す。超電導コイル１は、巻き線２を図示しない絶縁シートを介してボビン３に巻回し、巻回された巻き線２間を樹脂モールドすることにより形成される。この超電導コイル１は、支持構造材４にて支持され、液体ヘリウムなどの冷媒を封入する外槽１１内に収納される。外槽１１の蓋部８には、外槽１１内に冷媒を供給するトランスファーチューブ９や超電導コイル１に励磁電流を供給する図示しないパワーリードなどが貫通保持される。また、外槽１１は、支持脚１０に支えられて基礎Ａ上に設置される。

超電導磁石を外部電源により励磁した場合、巻き線２に作用する電磁力により超電導コイル１が動いたり振動したりする場合がある。また、巻き線２に加わる電磁力により、絶縁シートや樹脂モールドなどの巻き線２以外のコイル構成部品が変形する場合も考えられる。このような現象を生じると、摩擦熱等により外槽１１内の温度が局部的に上昇するため、外槽１１内に封入した冷媒が蒸発し、消失する等の不都合を生じる。

かかる不都合の発生をモニタリングし、超電導磁石に発生する異常の早期検知を可能とするため、従来より、外槽１１の外部に、超電導コイル１の動きに伴う磁束変化を検出するためのピックアップコイルと、コイル構成部品の変形等に伴う音響波を検出するためのマイクロフォンとを備える技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−１１５８１２号公報

特許文献１に記載の技術は、超電導コイル１で発生した音響波が、支持構造材４と外槽１１とを伝播して、外槽１１の外部に設置されたマイクロフォンまで到達することを前提としている。しかしながら、単なる容器である外槽１１に代えて、図１に示すように、内容器７ａと外容器７ｂとの間に真空層７ｃを形成してなる高断熱性の真空断熱槽を用いた場合、音響波は内容器７ａから真空層７ｃを介して直接外容器７ｂに伝播できず、内容器７ａと外容器７ｂとの接続部分７ｄにおいてのみ内容器７ａから外容器７ｂに伝搬するので、マイクロフォンの設置場所が限定され、設計の自由度が低いものになる。

また、マイクロフォンによって検出される音響波は、超電導コイル１→支持構造体４→内容器７ａ→接続部分７ｄ→外容器７ｂ→マイクロフォンという長く複雑な経路を通って伝播するものになるので、音響波の減衰が大きく音響波を十分な感度で検出することが困難であると共に、音響波の発生部位を特定することも困難である。

マイクロフォン又はマイクロフォンに代わる音響波検出器を真空断熱槽７内に設置できれば、上記の問題は解決できる。しかしながら、音響波検出器を真空断熱槽７内に設置するためには、以下に記すような新たの課題を解決しなければならない。

（１）液体ヘリウムのような極低温の冷媒中でも、音響波を検出できること。

（２）超電導コイル周辺で発生する磁場の影響を受けにくいこと。

（３）冷媒の蒸発量を小さくするため、音響波検出器ケーブルを経由して、外部から真空断熱層内部に侵入してくる熱侵入量をなるべく小さくできること。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、その目的は、真空断熱槽の内側に設置可能で、超電導コイルで発生した音響波を高感度で検出可能な超電導コイル異常検知装置を提供することにある。

かかる課題を解決するため、本発明は、第１に、超電導コイルの異常発生時に生じる音響波を検出する音響波検出手段により、支持構造材にて支持されて真空断熱槽内に収納された超電導コイルの異常発生を検知する超電導コイル異常検知装置において、前記音響波検出手段として、前記音響波を受信して振動する振動板に固定されかつ当該振動板が振動したときに前記超電導コイルとの相対距離が変化するように配置されたサーチコイルを備え、これら振動板とサーチコイルとを前記真空断熱槽内に配置し、前記サーチコイルと信号ケーブルを介して接続された音響波計測装置は、前記超電導コイルの通電電流値に応じて音響波イベント計数のためのしきい値を変更する手段又は前記超電導コイルの通電電流値に応じて前記サーチコイルの信号を感度補正する手段を備えたことを特徴とする。

本発明は、第２に、前記第１の超電導コイル異常検知装置において、前記真空断熱槽内の剛体上に、前記超電導コイルの摺動を検知する第２のサーチコイルを備えたことを特徴とする。

本発明は、第３に、前記第１又は第２の超電導コイル異常検知装置において、前記振動板の一端を、前記超電導コイルのボビン、前記超電導コイルの支持構造材又は前記真空断熱槽のいずれかに固定したことを特徴とする。

本発明は、第４に、前記第１又は第２の超電導コイル異常検知装置において、前記超電導コイルのボビンに前記音響波を受信して振動する振動部を形成し、当該ボビンの振動部に前記サーチコイルを固定したことを特徴とする。

かかる構成によると、超電導コイルで発生した音響波が振動板に伝播すると振動板が振動し、大電流が流れている超電導コイルの巻き線とサーチコイルとの相対距離が変化する。両者の相対距離が変化すると、サーチコイル位置の磁束密度が変化するので、サーチコイルに電圧信号が発生する。サーチコイルの電圧信号を測定することで超電導コイルに発生した音響波を検出することができる。また、振動板及びサーチコイルを非磁性かつ極低音に耐えうる材料で製作すれば、極低温かつ高磁場環境下でも安定して使用することができる。さらに、前記構成によれば、サーチコイルの信号を計測するので、信号ケーブルの配線に拠り線を使用でき、コンデンサ型のマイクロフォンや圧電素子式のアコースティック・エミッション検出器（ＡＥセンサ）を使用する場合のように同軸ケーブルで配線する必要がなく、配線が外部から真空断熱槽内に持ち込む熱侵入量を著しく小さくすることができる。

本発明によれば、音響波検出手段として、超電導コイルから発生した音響波を受信して振動する振動板に固定されかつ当該振動板が振動したときに超電導コイルとの相対距離が変化するように配置されたサーチコイルを用いるので、信号ケーブルの配線に拠り線を使用することができ、配線が外部から真空断熱槽内に持ち込む熱侵入量を著しく小さくできて、高価な冷媒の消失を減少することができる。また、音響波検出手段を真空断熱槽内に設置するので、音響波検出手段の設置の自由度が高められると共に、音響波検出手段を音源である超電導コイルの近傍に配置することができるので、超電導コイルの異常発生に起因する音響波を高感度に検出することができ、かつ音響波の発生部位を容易に特定することができる。

以下、本発明に係る超電導コイル異常検知装置の第１例を図１乃至図３を参照しながら説明する。図１は第１実施形態に係る超電導コイル異常検知装置の構成図、図２は第１実施形態に係る音響波検出器による音響波信号の検出原理を示す図、図３は第１実施形態に係る音響波検出器による摺動イベントの検出原理を示す図である。

図１に示すように、本例の超電導コイル異常検知装置は、超電導磁石１Ａと、超電導磁石１Ａ内に備えられた振動板５及びサーチコイル６と、サーチコイル６と信号ケーブル１２を介して接続された音響波計測装置２０と、音響波計測装置２０に電源を供給する電源装置３１とから主に構成されている。

超電導磁石１Ａは、巻き線２を図示しない絶縁シートを介してボビン３に巻回し巻回された巻き線２間を樹脂モールドすることにより形成される超電導コイル１と、内槽７ａ、外槽７ｂ、内槽７ａと外槽７ｂとの間に形成された真空層７ｃ及び内槽７ａと外槽７ｂとの接続部分７ｄから構成される真空断熱槽７と、真空断熱槽７の蓋部８と、蓋部８に貫通保持されたトランスファーチューブ９と、真空断熱槽７を基礎Ａ上に設置支持脚１１とを少なくとも備えてなる。

振動板５は、ステンレスやアルミニウムなどの非磁性金属板をもってＬ字形に形成されており、その一端がボビン３の端面に固定される。

サーチコイル６は、銅などの線材とポリテトラフルオロエチレンやＦＲＰなどの絶縁材をもって形成されており、非磁性かつ極低音に耐えうる構造になっている。

信号ケーブル１２としては、拠り線を使用することができる。拠り線での配線は、コンデンサ型のマイクロフォンや圧電素子式のアコースティック・エミッション検出器（ＡＥセンサ）を使用する場合に必須となる同軸ケーブル配線と比較して、配線が外部から真空断熱槽７内に持ち込む熱侵入量を著しく小さくできる（約１／１０程度）ので、本例装値の実用化が可能になる。

音響波計測装置２０は、サーチコイル６の出力信号を増幅するアンプ２１、信号処理前の増幅信号を収録する波形収録部３０、所要のしきい値を設定するしきい値を設定部２２、音響波発生や摺動などのイベント発生回数を計数するイベントカウンタ２３、イベントが音響波発生なのか摺動なのかを弁別する波形弁別部２４、イベントが摺動と弁別された場合に巻き線２の変位量を評価する摺動量評価部２５と、摺動イベント全体の発生頻度及び各摺動量毎の摺動発生頻度を算出する摺動カウンタ２６と、感度補正済み音響波の検波信号の面積を算出して音響波受信エネルギを評価する音響エネルギ評価部２７と、音響波発生イベント全体の発生頻度、及び、各エネルギレベル毎の音響波発生頻度を算出する音響波カウンタ２８と、イベント全数の発生頻度の変化、音響波発生イベント・摺動イベントの発生頻度の変化、音響波エネルギ・摺動量毎の発生頻度の変化などを確認する表示部２９とからなる。

次に、振動板５上に設置したサーチコイル６で音響波を検出する原理を、図２を参照して説明する。

超電導コイル１に電流が流れているときには、超電導コイル１の近傍に磁場が生成され、超電導コイル１からの距離に応じた磁束勾配が発生している。超電導コイル１で発生した音響波が振動板５に伝播すると、振動板５、ひいては当該振動板５の先端に取り付けられたサーチコイル６が振動し、サーチコイル６内を差交する磁束密度が周期的に変化する。即ち、サーチコイル６が図２の下側に変位するときには、磁束密度が増大するので、サーチコイル６の両端には正（＋）の電圧が出力される。反対に、サーチコイル６が上側に変位するときには、磁束密度が減少するので、負（−）電圧が出力される。振動板５の振動によりサーチコイル６は上向きの変位と下向きの変位を周期的に繰り返すので、音響波を検出したときには図２の右側に示すような、周期性があって振幅が自然対数的に減衰する波形を計測できることになる。

但し、本例の超電導コイル異常検知装置は、サーチコイル６に音響波以外の磁束変化が作用した場合にも、電圧信号を出力してしまう。例えば、図３に示すように、巻き線２がボビン３に対して下向きに摺動する場合には、サーチコイル６の絶対位置は変化しなくても、超電導コイル１との相対的な位置が変化することから、サーチコイル６の位置での磁束密度は小さくなる。磁束密度が減少しているときには、サーチコイル６の両端に負（−）の電圧が出力される。このように、巻き線２の摺動で磁束密度が変化した場合には、図３の右側に示すように、単一ピークで正側（＋）または負側（−）の片方のみに変化する波形が計測できる。したがって、サーチコイル６は、音響波を検出したときも巻き線２の摺動を検出したときも電圧信号を出力するが、信号波形の特徴を調べることにより、音響波と摺動を弁別することができる。

図１に記載の音響波計測装置２０では、上述した測定原理に従って超電導コイル１の通電中に発生する音響波を計測する。サーチコイル６の出力信号を、アンプ２１で増幅する。計測後の詳細解析に備えて、信号処理前の増幅信号を波形収録部３０で収録する。また、この増幅信号をイベントカウンタ２３にも出力して、音響波発生や摺動などのイベント発生回数を計数する。ここで、超電導コイル１が生成する磁場強度は通電電流値によって異なるため、一定レベル以上の音響波や摺動をイベントとして計数するためには、通電電流によってイベント計数のしきい値を変更する必要がある。しきい値設定部２２は、図示しないケーブルとパワーリードなどを接続して超電導コイル１を励磁する電源３１から通電電流の情報を取得し、通電電流に応じたイベント計数しきい値をイベントカウンタ２３に出力する。イベントカウンタ２３は、アンプ２１で増幅した信号の絶対値とイベント計数しきい値を比較し、イベントの発生を検出、計数する。また、イベントの信号として、アンプ２１から出力された信号のうちイベントの電圧信号が一旦上昇してから、ほぼ消滅するまでの時間帯を一つのイベント信号として切り出し、超電導コイル１の通電電流に応じて感度補正した信号を生成し、波形弁別部２４以降に出力する。感度補正の具体的な方法の一つとして、超電導コイル１の近傍に発生する磁束勾配は概ね通電電流値に比例すると考え、アンプ２１から出力された信号を通電電流値で除して補正することがあげられる。

イベントの発生を検出した場合には、波形弁別部２４でイベントが音響波発生なのか摺動なのかを弁別する。弁別法としては、イベント発生時の感度補正済みの信号を時間積分して、積分結果の絶対値と波形弁別のしきい値を比較する。積分の絶対値が波形弁別のしきい値より小さい、即ち、図２の音響波の模式信号に示すように信号が正（＋）負（−）対象に近い波形の場合は、イベントは音響波発生と判断する。逆に、積分の絶対値が波形弁別のしきい値より大きい、即ち、図３の摺動模式信号に示すように信号が正（＋）または負（−）のどちらかに偏っている場合には、イベントは摺動と判断する。

イベントが音響波発生と弁別された場合には、音響エネルギ評価部２７で感度補正済み音響波の検波信号の面積を算出して音響波受信エネルギを評価する。評価した音響波エネルギは、予め設定しておいた複数のエネルギレベル（大・中・小、または、レベル１・レベル２・…レベル５・など）に分類する。音響波カウンタ２８は、音響波発生イベント全体の発生頻度、及び、各エネルギレベル毎の音響波発生頻度を算出する。

イベントが摺動と弁別された場合には、摺動量評価部２５で摺動による巻き線２の変位量を評価する。摺動イベントをサーチコイルで検出したときの磁束密度変化ΔＢは、次式で求めることが出来る。

ΔＢ＝ΣＶ（ｔ）ｄｔ／ＮＳ
ここで、Ｖ（ｔ）はサーチコイル６の電圧信号、Ｎはサーチコイル６の巻き数、Ｓはサーチコイル６の断面積である。サーチコイル６の位置での磁束密度分布は超電導コイル１の通電電流に応じた分布として、予め解析で求めておくことができる。磁束密度変化ΔＢと磁束密度分布が解れば、摺動による巻き線２の変位量を評価できる。評価した摺動の変位量（摺動量）は、予め設定しておいた複数の摺動量レベル（大・中・小、または、レベル１・レベル２・…レベル５・など）に分類する。摺動カウンタ２６は、摺動イベント全体の発生頻度、及び、各摺動量毎の摺動発生頻度を算出する。

表示部２９では、イベント全数の発生頻度の変化、音響波発生イベント・摺動イベントの発生頻度の変化、音響波エネルギ・摺動量毎の発生頻度の変化などを確認できる。リアルタイムで超電導コイル１の状態をモニタリングできるので、昇磁中などでもコイルの裕度を確認しながら操作が出来るという効果がある。また、コイルを一定電流で励磁しているときに音響波発生イベントが増加するような場合には、コイルの状態が変化しつつあることを早期に検知することができる。

次に、本発明に係る超電導コイル異常検知装置の第２例を図４を参照しながら説明する。図４は第２実施形態に係る超電導コイル異常検知装置の要部構成図である。

本例の超電導コイル異常検知装置は、第１実施形態に係る超電導コイル異常検知装置に、超電導コイル１の摺動を検知する第２サーチコイル４４を備えたことを特徴とする。

即ち、本例の超電導コイル異常検知装置は、図４に示すように、超電導コイル１の磁束密度分布がほぼ等しい場所に、振動板５上に取り付けられた第１サーチコイル６と、剛体４３の上に取付けた第２サーチコイル４４との２つのサーチコイルを設置してなる。第１サーチコイル６は、第１実施形態の欄で説明したように、、音響波発生と摺動の両方のイベントを検出する。これに対して、第２サーチコイル４４は、音響波が伝播しても振動しない剛体４３上に設置してあるので、当該第２サーチコイル４４は、音響波の発生は検出せず、摺動だけを検出する。したがって、第１サーチコイル６でイベントの発生を検出し、第２サーチコイル４４でイベントの発生を検出しない場合に、音響波が発生したと判断できる。

これら２つのサーチコイル６，４４の検出信号から音響波の発生を検出する検出器としては、比較的簡易な構成で音響波の発生をカウントする音響波カウント装置４５を適用することができる。

第１サーチコイル６及び第２サーチコイル４４の電圧信号は、それぞれアンプ４６，４７で増幅される。電源５４から受信した超電導コイル１の通電電流の情報に基づいて、しきい値設定部５０は、イベント発生のしきい値を出力する。比較器４８、比較器４９では、イベント発生のしきい値とアンプ４６、アンプ４７の出力を比較し、第１サーチコイル６及び第２サーチコイル４４でイベントの発生を検出しているかを判断する。判定器５１は、第１サーチコイル６ではイベントが発生し、第２サーチコイル４４ではイベントが発生していないという信号が入力された場合、音響波発生したと判断し、音響波カウンタ５２に音響波発生信号を出力する。また、第１サーチコイル６及び第２サーチコイル４４の両方でイベントが発生したことを示す信号が入力された場合には、摺動が発生したと判断し、摺動カウンタ５３に摺動発生信号を出力する。

本例の超電導コイル異常検知装置は、比較的簡易な装置構成で、超電導コイル１からの音響波発生の様子を確実にモニタリングすることができる。

次に、本発明に係る超電導コイル異常検知装置の第３例を図５を参照しながら説明する。図５は第３実施形態に係る超電導コイル異常検知装置に備えられる超電導コイルの構成図である。

本例の超電導コイル異常検知装置は、超電導コイル１のボビン３に金属板よりなる振動板５を取り付ける構成に代えて、ボビン３の一部に超電導コイル１の異常発生に起因する音響波を受けて振動する振動部を形成し、当該ボビンの振動部にサーチコイルを固定したことを特徴とする。

即ち、本例の超電導コイル異常検知装置は、ボビン３が、それぞれ分解及び組立が可能に構成された円筒状の巻き枠３ａと、上鍔３ｂと、下鍔３ｃとから構成されており、このうちの上鍔３ｂが薄板構造になっていて、音響波が伝播すると振動するようになっている。サーチコイル６は、この上鍔３ｂ上の所定の部分に取り付けられる。

本例の超電導コイル異常検知装置は、第１実施形態に係る超電導コイル異常検知装置と同様の効果を有するほか、振動板５を省略できるので、部品点数の減少を図ることができ、超電導コイル異常検知装置の低コスト化を図ることができる。

なお、前記各実施形態においては、振動板５及びサーチコイル（第１サーチコイル）６をボビン３に取り付けたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、真空断熱槽７の内容器７ａ又は蓋部８の内面など他の部分に取り付けることも可能である。

第１実施形態に係る超電導コイル異常検知装置の構成図である。 第１実施形態に係る音響波検出器による音響波信号の検出原理を示す図である。 第１実施形態に係る音響波検出器による摺動イベントの検出原理を示す図である。 第２実施形態に係る超電導コイル異常検知装置の要部構成図である。 第３実施形態に係る超電導コイル異常検知装置に備えられる超電導コイルの構成図である。 従来例に係る一般的な超電導コイルの構成図である。

符号の説明

１ 超電導コイル
２ 巻き線
３ ボビン
４ 支持構造体
５ 振動板
６ サーチコイル
７ 真空断熱槽
７ａ 内容器
７ｂ 外容器
８ 蓋部
９ トランスファーチューブ

Claims (4)

1. 超電導コイルの異常発生時に生じる音響波を検出する音響波検出手段により、支持構造材にて支持されて真空断熱槽内に収納された超電導コイルの異常発生を検知する超電導コイル異常検知装置において、
   前記音響波検出手段として、前記音響波を受信して振動する振動板に固定されかつ当該振動板が振動したときに前記超電導コイルとの相対距離が変化するように配置されたサーチコイルを備え、これら振動板とサーチコイルとを前記真空断熱槽内に配置し、
   前記サーチコイルと信号ケーブルを介して接続された音響波計測装置は、前記超電導コイルの通電電流値に応じて音響波イベント計数のためのしきい値を変更する手段又は前記超電導コイルの通電電流値に応じて前記サーチコイルの信号を感度補正する手段を備えたことを特徴とする超電導コイル異常検知装置。
2. 前記真空断熱槽内の剛体上に、前記超電導コイルの摺動を検知する第２のサーチコイルを備えたことを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル異常検知装置。
3. 前記振動板の一端を、前記超電導コイルのボビン、前記超電導コイルの支持構造材又は前記真空断熱槽のいずれかに固定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導コイル異常検知装置。
4. 前記超電導コイルのボビンに前記音響波を受信して振動する振動部を形成し、当該ボビンの振動部に前記サーチコイルを固定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導コイル異常検知装置。

Images