JP4825605B2

JP4825605B2 - 高温超電導コイル装置

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Publication number: JP4825605B2
Application number: JP2006184597A
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Inventors: 賢司田崎; 透栗山
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Priority date: 2006-07-04
Filing date: 2006-07-04
Publication date: 2011-11-30
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Description

本発明は、高温超電導線を用いた高温超電導コイル装置に関する。

超電導コイル装置では、いわゆるクエンチを代表とするコイルの異常時にコイルを保護する機構を一般的に備えている。超電導コイルの異常の発生は何らかの擾乱に伴う温度上昇がその主な原因である。そのため、コイル異常を検出する手段としては、温度上昇によって発生するコイル内の電圧を測定するのが一般的である。すなわち、超電導コイル装置は、コイル電圧がある閾値を超えたときに異常と判断するための異常検出器を有しており、異常検出器からの信号に従って、コイルに蓄積された電磁エネルギーを放出する保護動作を行っている。従来から使用されている金属系超電導コイル装置では、クエンチ伝播速度が速いため、クエンチが発生すると瞬時に数ボルトオーダー以上の電圧が発生するために、その検出感度は十分であり、クエンチによる超電導コイルの焼損等は防止される。

一方、高温超電導コイルでは、クエンチ伝播速度が金属系超電導コイルの数１００分の１未満であることが一般的であり、クエンチなどの異常が発生しても、大きな電圧の発生には至らず、通常、高温超電導コイル内の電圧の測定でのコイルの異常検出は困難である。特に、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）や、核融合用途の大型コイルでは種々のノイズによる影響で、また限流器や変圧器など交流用コイルでは誘導電圧による影響で、超電導コイルの異常に伴う電圧を検出することはきわめて困難であるという問題がある。

これらの問題を解決するために、誘導電圧をキャンセルする機構を備えることにより、極力誘導ノイズを抑制して検出感度を高めようという試みが行なわれている（例えば、特許文献１）。
特開平１０−１８２４２３号公報

しかしながら、コイルが大型化するにつれて、このような方式にも限界があり、十分な感度を確保できないという問題がある。また、高温超電導コイルの大型化の他に、高温超電導コイルの交流パルスの応用に向けて、コイル電圧の測定によるコイル異常の検出だけでは不十分という問題がある。

本発明は上述したような課題を解決すべくなされたものであって、高温超電導コイルをいずれの用途に応用しても、確実にコイル異常を検出し、コイルの保護が可能な高温超電導コイル装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る高温超電導コイル装置は、高温超電導コイルと、前記高温超電導コイルを冷却するための冷却手段と、前記高温超電導コイルを励磁するための電源と、前記高温超電導コイルの高温超電導線の少なくとも一部に近接して配置され、該高温超電導線とは電気的に絶縁された２つ以上の臨界温度が異なりかつ近接して配置された金属系超電導線と、該金属系超電導線の抵抗又は電圧を計測する計測機構とを有し、前記高温超電導コイルの少なくとも一部の近傍の温度を計測する温度計測手段と、臨界温度が高い前記金属系超電導線が抵抗を発した場合は電源の出力電流を低下若しくは電流の供給を停止又は前記高温超電導コイルに貯蔵された電磁エネルギーを放出させ、臨界温度が低い前記金属系超電導線が抵抗を発した場合は前記電源の出力電流を臨界温度が高い前記金属系超電導線が抵抗を発した場合よりゆっくり低下させる電流制御手段とを具備する。

本発明によれば、高温超電導のコイル異常を確実に検出し、コイルの保護が可能な高温超電導コイル装置を提供することができる。

以下、本発明に係る高温超電導コイル装置の実施形態を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る高温超電導コイル装置の第１の実施形態を示す概念図である。この実施形態に係る高温超電導コイル装置は、少なくとも、高温超電導コイル１と、高温超電導コイル１を励磁するための電源２と、温度計測機構３と電流制御手段４とを備えている。温度計測機構３は、定量的に温度を計測する装置である場合や、コイルの一部または全体が臨界温度を超えたかどうかを判定する場合がある。すなわち、コイル両端電圧あるいは一部の電圧がある閾値を超えたかどうかを判定する機構や、図２に示されるようにコイルに沿わせた超電導線の両端電圧あるいは一部の電圧を計測し、その電圧が閾値を超えたかどうかを判定する機構などが含まれる。図１では、高温超電導コイル１を冷却するための冷凍機５と、冷凍機５と高温超電導コイル１とを熱的に接続するための冷却板（伝熱板）６と、高温超電導コイル１を取り巻く環境を真空状態にするための真空容器７を備えている。高温超電導コイル１は電流リード８を介して電源２と電気的に接続されている。この際、電流リード８と真空容器７とは電気的に絶縁されている。

高温超電導コイル１の高温超電導線は、例えば酸化物系の高温超電導線材から作製される。これらの高温超電導線材としては、ビスマス系（例えば、Ｂｉ２２２３相型、Ｂｉ２２１２相型）、イットリウム系（例えば、ＹＢＣＯ系）、タリウム（Ｔｌ）系、水銀（Ｈｇ）系が挙げられる。

電源２は、高温超電導コイル１を励磁できるものであれば、どのようなものであってもよい。

図２は、この実施形態における高温超電導コイル１の高温超電導線１０と金属系超電導線１１との配置の一例を示す断面図である。例えば、図２（ａ）では、金属系超電導線１１は、高温超電導線１０と絶縁物１２を介して、電気的に絶縁された状態で並列的に接続された構成を有する。図２（ｂ）では、金属系超電導線１１の一部は、高温超電導線１０と絶縁物１２を介して、電気的に絶縁された状態で並列的に接続された構成を有する。

金属系超電導線１１は、高温超電導線１０の少なくとも一部（部分）、すなわち、何らかの擾乱による温度上昇によるクエンチ現象等の高温超電導コイルの異常の発生を検知したい部分に絶縁物１２を介して接続される。この検知したい部分としては、例えば冷却機による冷却効果が最も小さい冷却板よりも最も遠い部分、交流損失、フラックスフロー損失の発生が大きい部分等である。これらの部分は複数の個所であってもよい。これらの部分のうちの両端部又は一部の抵抗又は電圧を計測する。
また、金属系超電導線１１は、高温超電導線１０の全体にわたり近接して配置されていること、すなわち絶縁物１２を介して接続されていることが、高温超電導コイル１の全体の温度を計測できるため好ましい。

金属系超電導線１１は、例えば、高温超電導線１０よりも臨界温度が低く、かつ、クエンチ伝播速度が速いものであれば、いずれの材質のものであっても使用することができる。これらは、いわゆる温度センサとして使用できるからである。金属系超電導線１１の線材の材質としては、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ、Ｎｂ_３Ａｌ、ＭｇＢ_２が好ましい。

金属系超電導線１１は高温超電導線１０に絶縁物である固体形状の材料で固着される。金属系超電導線１１は、金属系超電導線１１の全表面積の少なくとも１０％以上の領域で、高温超電導線１０に固体形状の材料（絶縁物）で固着されていることが好ましい。このように固着されることにより、高温超電導線１０から金属系超電導線１１への十分な熱伝導を達成できる。また熱伝導性等を考慮すると、金属系超電導線材１１の高温超電導線材１０への固着は、金属系超電導線１１の全表面積の少なくとも５０％以上の領域で固着するとより好ましく、全表面積（１００％）の領域で固着するとよりさらに好ましい。高温超電導線（材）と金属系超電導線（材）とを固着する固体形状の材料としては、例えばエポキシ樹脂が挙げられる。

例えば、高温超電導線（材）と該高温超電導線（材）の少なくとも一部に近接して配置された金属系超電導線（材）とを、互いに共巻きすることにより高温超電導コイル１を作製することができる。金属系超電導線１１の形状は、矩形であっても、丸線形状や楕円形状などどのような形状でもあっても、超電導コイルの異常を検出するという本発明の効果は同等に得られるので、いかなる形状であってもよい。
また、高温超電導線１０の形状についても、テープ線材形状であっても丸線形状、楕円形状、複数の素線から形成されたより線形状、ラザフォード形状などいかなる形状でもよい。

図２（ｃ）は、高温超電導コイル１の高温超電導線１０と金属系超電導線１１との別の構成例を示す断面図である。図２（ｃ）では、２種類の金属系超電導線１１及び１３が絶縁物１２を介して並列に配置されている。２種類の金属系超電導線の両端部又は一部の抵抗又は電圧は、それぞれ図１に示す温度計測機構３に接続される。

複数の金属系超電導線１１及び１３を配置するメリットとしては、例えば２種類の臨界温度の異なる金属系超電導線を配置することにより、２段階での温度検知が容易になることである。なお、金属系超電導線は３つ以上配置されていてもよい。

また、図２（ｄ）は、高温超電導線１０と金属系超電導線１１とのさらに別の構成例を示す断面図である。図２（ｄ）に記載の金属系超電導線材は、図２（ｃ）に記載の金属系超電導線材と同様に２種類の異なる金属系超電導線材１１及び１３が備えられているが、高温超電導線材１０の両側に絶縁物１２を介して配置されている点で異なる。

さらに、図２（ｅ）は、高温超電導コイル１の導体を構成する高温超電導線材１０と金属系超電導線材１１及び１３とのさらにまた別の構成例を示す断面図である。図２（ｅ）における金属系超電導線も、図２（ｃ）及び図２（ｄ）と同様に、２種類の異なる金属系超電導線材１１及び１３を備えているが、２種類の線材を同一平面状に配置している点で異なる。

図２（ｃ）〜（ｅ）に記載の２種類の金属系超電導線材を有する構成は、それぞれ本発明の実施形態の高温超電導コイル装置の異常の検出という効果を奏することができる。図２（ｃ）のように高温超電導線に対して同じ側に２種類の金属系超電導線が配置されたものは、高温超電導コイル１の製造性が良好である。図２（ｄ）のように高温超電導線に対して異なる側に２種類の金属系超電導線が配置されたものは計測値の検出がより正確である。さらに、図２（ｅ）のように高温超電導線に対して同じ側に２種類の金属系超電導線を直列に配置されたものは高温超電導コイルの小型化を図ることができる。

温度計測機構３は、高温超電導コイル１の少なくとも一部の近傍の温度を計測する。温度計測機構３としては、抵抗計測機構又は電圧計測機構が挙げられる。抵抗計測機構は、高温超電導線材の抵抗の変化を利用して計測する。また、電圧計測機構は、高温超電導線材の印加電圧の変化を利用して計測する。
抵抗計測機構としては、例えば４端子法を用いた電気抵抗計測装置等が挙げられる。また、電圧計測機構としては、電圧端子を利用した超電導の用途に適する電圧計測器等が挙げられる。温度計測機構の変換部において、計測された抵抗値又は電圧値は温度値に変換されなくてもよい。

温度計測手段は、高温超電導線の少なくとも一部に近接して配置され、かつ該高温超電導線とは電気的に絶縁された金属系超電導線と、温度計測機構３、すなわちこの金属系超電導線の抵抗又は電圧を計測する計測機構とを有するものである。

金属系超電導線材１１の抵抗又は電圧を計測することにより金属系超電導線材１１の温度を間接的に計測することができるので、高温超電導コイル１の温度を間接的に計測することができ、高温超電導コイル１の異常を検出することができる。なお、抵抗又は電圧の計測は直接的又は間接的に計測できるもののいずれであってもよい。

電流制御手段４は、温度計測機構３から計測値（抵抗値、電圧値又は変換された温度値）を受け取り、その計測値に基づいて超電導コイルに流れる電流を制御する。例えば、計測値が上昇する場合には電源２からの出力電流を、計測値の変化に応じて低下させ、その後、計測値が下降する場合には電源２からの出力電流を、計測値の変化に応じて増加させる。具体的には、電流制御手段４は、温度計測機構３から受け取った計測値が所定の閾値（閾抵抗値、閾電圧値又は閾温度値）を超えているがどうか判断する機構（図示せず）を有する。計測値が所定の閾値を超えている場合には、例えば、急激に電源２の出力電流を低下若しくは電流の供給を遮断させるか、或いは高温超電導コイル１に貯蔵された電流（電磁エネルギー）を放出させる制御を行うことができる。また、計測値が所定の閾値に達していない場合（又は複数の閾値があるときには、下方の閾値にのみ達している場合）には、例えば、計測値に応じて電源２の出力電流をゆっくり低下させる制御を行なうことができる。

閾値（閾抵抗値、閾電圧値又は閾温度値）は、高温超電導コイルの高温超電導線（材）の種類（材質）、臨界温度等に応じて、又は、金属系超電導線（材）の種類（材質）、厚さ、臨界温度等に応じて決めることができる。また、高温超電導コイル装置の運転温度等に応じて決めることができる。
例えば、金属系超電導線は、温度の上昇により常電導状態へと転移状態になるときに急激に抵抗値が上昇する。このときの抵抗値又はこの抵抗値に達する前の抵抗値を閾値とすることができる。閾値は、１つであっても、複数（２つ以上）であってもよい。閾値を複数設定することにより、高温超電導コイルに流れる電流をより効果的に制御できるようになる。

冷凍機５は、例えばギフォート・マクマホン式冷凍機（ＧＭ式冷凍機）で代表される蓄冷式の冷凍機等が挙げられる。

冷却板６は、伝熱性の高い材料、例えば金属材料（アルミニウム等）が挙げられる。

真空容器７は、高温超電導コイル１を取り巻く環境を真空状態にできるものであればよい。

電流リード８は、高温超電導コイル装置の定常運転温度（超電導温度）下にある高温超電導コイル１と常温下にある電源２とを接続するものである。

図３は、計測値（例えば、計測した温度値）とその計測値に応じて電源からの電流を低下させる関係を示す図である。計測値（の変化）に応じて、電源から供給される電流を低下させる方法について示している。図３に示されるように、計測値（ｔ１〜ｔ２）に応じて電源から供給される電流（Ｉ）を低下させる方法は、直線的であっても、段階的であっても、或いは、第１の閾値（ｔ１）である所定の電流値まで減少させた後、一定値を維持し、第２の閾値（ｔ２）に達した場合に電源からの電流を遮断するという方法等のいずれであってもよい。
また、例えば計測値が小さい場合は電流の下降速度を小さくしたり、計測値が大きい場合には下降速度を大きくしたりすることもできる。

上記の説明は、図２（ａ）又は図２（ｂ）に示すように高温超電導コイル１の高温超電導線に１つの金属系超電導線が近接して配置された、高温超電導コイル装置の動作についてであるが、図２（ｃ）〜（ｅ）に示すように２つ以上の金属系超電導線が近接して配置された高温超電導コイル装置についても同様の動作を達成することができる。
さらに、２つ以上の異なる種類の金属系超電導線が近接して配置された、高温超電導コイル装置については、例えば、臨界温度の異なる２種類の金属系超電導線を使用する場合には、臨界温度が低い金属系超電導線が抵抗を発した場合は、電源２の出力電流をゆっくり低下させ（例えば、閾値（ｔ１）以上であると判断）、臨界温度が高い金属系超電導線が抵抗を発した場合は急激に電源２の出力電流を低下若しくは電流の供給を停止させるか（例えば、閾値（ｔ２）以上であると判断）、或いは高温超電導コイル１に貯蔵された電磁エネルギーを放出する（例えば、閾値（ｔ３）以上であると判断）などの、種々の対応をとることが可能になる。

この実施形態に係る高温超電導コイル装置は、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、超電導限流器、超電導変圧器、超電導発電機、超電導モーター等のような、交流パルスを使用する装置等においても、クエンチ等を効率よく検知できるため、良好に用いることが可能である。

以上のように、この実施形態に係る高温超電導コイル装置は、従来の電圧による異常検知法より、高い異常検出感度を有することができ、高温超電導コイルをいずれの用途に応用しても、確実にコイル異常を検出し、コイルの保護が可能な高温超電導コイル装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明に係る高温超電導コイル装置の第２の実施形態を示す概念図である。この実施形態の高温超電導コイル装置は、図１に記載の第１の実施形態の高温超電導コイル装置とは異なり、高温超電導コイル１がクライオスタット２０内に配置され、かつ冷媒２１により冷却されている。冷媒は、固体、液体又は気体のいずれであってもよい。一般的には、液体ヘリウム、液体水素、液体ネオンなどが挙げられる。高温超電導線１０、高温超電導線の少なくとも一部に近接して配置され、かつ高温超電導線材とは電気的に絶縁された金属系超電導線１１、電源２、温度計測手段３、電流制御手段４、電流リード８等の構成については、図１に示すものと同様のものである。

この実施形態に係る高温超電導装置は、従来の電圧による異常検知法より、高い異常検出感度を有することができ、高温超電導コイルをいずれの用途に応用しても、確実にコイル異常を検出し、コイルの保護が可能な高温超電導コイル装置を提供することができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明に係る高温超電導コイル装置の第３の実施形態を示す概念図である。また、図６は、この実施形態における高温超電導線と気密構造のチューブ状部材との構成の一態様を示す流れ方向の断面図である。
この実施形態に係る高温超電導コイル装置は、高温超電導線３１の少なくとも一部に近接して配置された、気密構造のチューブ状部材３２と、この気密構造のチューブ状部材内に配置された封入物質３３と、この物質の温度を計測する温度計測器（センサー）３４と、温度計測機構３５と、これらの計測値に応じて電流を制御する電流制御手段３６とを備える。また、気密構造のチューブ状部材３２は、絶縁継ぎ手３７を介して接続された封入物質供給装置（図示せず）から封入物質が供給される。絶縁継ぎ手３７の内側には弁が配置されている。この実施形態に係る高温超電導コイル装置は、図１に記載の第１の実施形態と同様に、電源２、冷凍機５、冷却板６、真空容器７、電流リード８等を備える。

また、この実施形態における高温超電導線３１は、第１の実施形態の高温超電導線１と同様である。

この実施形態における気密構造のチューブ状部材３２は、封入物質３３を収容できるように中空配管形状であるが、温度計測手段により封入物質の温度を計測できるのであれば、どのような形状であってもよい。気密構造のチューブ状部材３２は、高温超電導コイルの超電導線３１の少なくとも一部に近接して配置される。すなわち、気密構造のチューブ状部材３２は、少なくとも高温超電導コイル（の高温超電導線３１）の例えば温度変化による異常（例えばクエンチ）を検出する必要がある部分に近接して配置される。気密構造のチューブ状部材３２は、高温超電導線３１の全体と近接して配置されることが、高温超電導コイル全体の温度を計測できるため好ましい。
また、気密構造のチューブ状部材３２の材質（材料）は、熱伝導率等を考慮すると金属製である。これらのうち、高温超電導線より熱伝導率が大きい材料からなるものが、熱伝導率が良好になり、より感度よく高温超電導コイルの異常を検出できるようになるため好ましい。具体的には、銅、アルミニウム等が挙げられる。

また、気密構造のチューブ状部材３２と高温超電導線３１とは電気的に接続された状態で近接して配置され、気密構造のチューブ状部材３２は、高温超電導コイルを収納している真空容器７とは電気的に絶縁されている状態で配置される。冷媒を用いる冷却式の場合には、気密構造のチューブ状部材３２はクライオスタットとは電気的に絶縁されている状態で配置される。
気密構造のチューブ状部材３２と高温超電導線材３１とは、例えば共巻きすることにより形成することができる。高温超電導コイル１の高温超電導線に近接されて配置された中空配管状の気密構造のチューブ状部材３２は、例えば、高温超電導線と共に高温超電導コイル１の内部を回った後、高温超電導コイル１の外部で、絶縁継ぎ手３７を介して封入物質供給装置に接続される。

封入物質３３は、高温超電導コイルの定常運転温度の領域、すなわち、臨界温度よりも低い温度の領域において液体又は気体状態である。定常運転温度の領域は使用する高温超電導コイルの種類、冷却方式等によって異なる。
封入物質３３としては、例えば、ヘリウム、水素、窒素、ネオン等が挙げられる。封入物質は、高温超電導コイルの定常運転温度の領域の上限温度と絶対温度２７３Ｋの間に沸点を有するものが、高温超電導コイルの定常運転温度の領域で液体であるため好ましい。これは、封入物質が、気体よりも液体の状態の方が熱伝導率が良好なため、封入物質の熱温度分布が平均化され、より感度よく高温超電導コイルの異常を検出できるようになるからである。なお、封入物質３３は、絶縁継ぎ手３７を介して接続された封入物質供給装置（図示せず）から供給され、封入物質３３が供給された後は弁を閉める。

次に、温度計測器（センサー）３４について説明する。温度計測器３４は、気密構造のチューブ状部材３２の温度を計測し、その結果を出力する。温度計測器３４は、気密構造のチューブ状部材３２中の封入物質３３の温度を直接計測するか、又は温度計測器３４は封入物質３３の圧力若しくは体積を計測することで温度を間接的に計測してもよい。
温度を計測するものとしては、例えば抵抗温度計が挙げられる。抵抗温度計を温度計測器として使用する場合には、温度計測器３４は、いわゆる測温抵抗体（温度センサー部）である。

温度計測機構３５は、温度計測器３４からの出力（抵抗値）を計測する。温度計測機構３５は、その変換部において抵抗値を温度値に変換する。

圧力を利用して、温度を計測してもよい。圧力を計測するものとしては、例えば、極低温用圧力計が挙げられる。

これらの温度計測器（センサー）３４は、気密構造のチューブ状部材３２のいずれの箇所に配置されていてもよい。

また、体積（変化）を計測するものとしては、例えば極低温用の液面計が挙げられる。図７は、この実施形態において、体積変化の測定に液面計を使用する場合の概念図である。液面計を使用する場合、気密構造のチューブ状部に接続して封入物質を収容する容器３８を設ける。封入物質３３を絶縁継ぎ手３７を介して接続された封入物質供給装置（図示せず）から気密構造のチューブ状部材３２及び容器３８に供給する。容器３８中に、温度計測器３４としてのレベルセンサー３９を取り付ける。このレベルセンサー３９により封入物質の体積変化による封入物質の液面の変動を検知する。

温度計測機構３５は、レベルセンサー３９から出力データを受け取り、温度計測値に変換して、その計測値を電流制御手段３６に信号を送信する。

この実施形態における温度計測手段は、気密構造のチューブ状部材３２と封入物質３３と、温度計測器３４と、温度計測機構３５とを有するものである。

温度計測機構３５から送られた計測値にもとづいて、電源制御装置３６が高温超電導コイルに流れる電流を制御する機構は、本発明の他の実施形態と同様である。

中空配管形状の気密構造のチューブ状部材を用いるこの実施形態は、特に、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）や、核融合用途等の大型の超電導コイル装置を使用する用途に適するものである。

以上のように、この実施形形態に係る高温超電導コイル装置は、従来の電圧による異常検知法より、高い異常検出感度を有することができ、高温超電導コイルをいずれの用途に応用しても、確実にコイル異常を検出し、コイルの保護が可能な高温超電導コイル装置を提供することができる。特に、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）や、核融合用途等の大型の超電導コイル装置を使用する用途において、確実にコイル異常を検出し、コイルの保護が可能な高温超電導コイル装置を提供することができる。

図８は、本発明に係る高温超電導コイル装置の第４の実施形態を示す概念図である。この実施形態に係る高温超電導コイル装置１は、冷却手段が、冷凍機と、冷凍機と高温超電導コイルとを接続する冷却板とを有し、温度計測手段が、冷却板との接続箇所から最も離れたコイル上の箇所から、高温超電導コイルの直径又は高さの大きい方の±１／１０の距離内に取り付けられた温度計測器（温度センサー）４０と、温度計測機構４１とを有するものである。この実施形態における高温超電導コイル装置は、さらに、電流を制御する電流制御手段４２を有する。また、この高温超電導コイル装置は、他の実施形態と同様に高温超電導コイル１、電源２、冷却機５、冷却板６、真空容器７、電流リード８、電流制御手段４２等の基本的な構成要素を有する。

この実施形態では、高温超電導コイル１の異常を検知する手段としての温度計測手段は、温度検出器４０として用いることができるものであれば、いずれのものも使用できる。

次に、温度計測器４０を取り付ける位置について説明する。まず、この実施形態における高温超電導コイル装置において、高超電導コイルに冷却手段を取り付ける位置は、高温超電導コイルの表面であっても、内部であってもよい。
温度計測器４０は、冷却板との接続箇所から最も離れた高温超電導コイル上の箇所から、高温超電導コイルの直径又は高さの大きい方の±１／１０の距離内に取り付けられる。すなわち、温度計測器４０は、冷却板からの直線距離が最も遠い基準点から、高温超電導コイルの直径又は高さのうちの大きい方の長さの１／１０の長さを半径（ｒ）とする球内に、或いは、冷却板からの直線距離が最も遠い基準面から、高温超電導コイルの直径（ｄ）又は高さ（Ｌ）のうちの大きい方の長さの１／１０の長さを幅とする円柱内に、配置される。温度計測手段を取り付ける範囲をこのように規定することにより、超電導コイルの異常（例えば、クエンチ）を確実に検知することができる。このように温度計測器４０を設置する範囲を、図９（ａ）〜（ｃ）を参照して例示して説明する。

図９（ａ）では、高温超電導コイル１の両端面に冷却板４３が取り付けられているので、温度計測器４０を取り付ける範囲はコイル高さ方向中央部付近の斜線の部分である。すなわち、温度計測器４０は、斜線で示されるコイルの円柱部（コイル外周部及びコイル内周部）の範囲内に取り付けることができる。コイル外周部における斜線の幅はｄ／５及びＬ／５のうち大きい方の値である。

また、図９（ｂ）では、冷却板４３が高温超電導コイルの上端面の一部に取り付けられた場合である。この場合は、コイル下端の○印で示された点が冷却板からの直線距離の最遠点となるため、この点から上記で規定した半径ｒの範囲内が温度計測器４０を取り付ける範囲である。

さらに図９（ｃ）では、高温超電導コイル１の上端面および下端面にそれぞれ冷却板４３が取り付けられているので、冷却板からの最遠点は、コイルの内側の○印の点である。したがって、温度計測器４０を取り付ける範囲は、この○印の点を中心に半径ｒの範囲内で、かつ高温超電導コイル１内である、斜線で示される部分の範囲である。図９（ｃ）では理解の容易のため、半径ｒの範囲内を全て斜線で示しているが、コイル内の空洞部分は除かれる。また、図９（ｃ）では斜線部分の理解の容易のため、半径ｒを拡大して示している。

温度計測器４０で検出された出力は、温度計測機構４１で温度計測値に変換できる。温度計測手段は、温度計測器４０と温度計測機構４１とを有する。温度計測手段としては、例えば、温度計（例えば、抵抗温度計）が挙げられる。

なお、温度計測機構４１からの計測値に基づいて高温超電導コイルに流れる電流を制御する機構は他の実施形態と同様である。

以上により、この実施形態に係る高温超電導コイル装置は、コイルの冷却板から最も遠い点から上記で規定した所定の範囲内に温度計測器を取り付けることにより、高温超電導コイル全体のうちの最も温度が上昇しやすい（冷却板により冷却しにくい）点を計測することができるので高温超電導コイル全体の温度を計測でき、従来の電圧による異常検知法より、高い異常検出感度を有することができ、高温超電導コイルをいずれの用途に応用しても、確実にコイル異常を検出し、コイルの保護が可能な高温超電導コイル装置を提供することができる。

本発明に係る高温超電導コイル装置の第１の実施形態を示す概念図である。本発明の第１の実施形態における高温超電導コイルの高温超電導線と金属系超電導線との配置の一例を示す断面図である。計測値とその計測値に応じて電源からの電流を低下させる関係を示す図である。本発明に係る高温超電導コイル装置の第２の実施形態を示す概念図である。本発明に係る高温超電導コイル装置の第３の実施形態を示す概念図である。本発明に係る高温超電導コイル装置の第３の実施形態における高温超電導線と気密構造のチューブ状部材との配置の例を示す断面図である。本発明に係る高温超電導コイル装置の第３の実施形態において、体積変化の測定に液面計を使用する場合の概念図である。本発明に係る超電導コイル装置の第４の実施形態を示す概念図である。本発明に係る超電導コイル装置の第４の実施形態における温度計測器を取り付ける範囲の例を示す図である。

符号の説明

１…高温超電導コイル、２…電源、３，３５，４１…温度計測機構、４，３６，４２…電流制御手段、５…冷凍機、６，４３…冷却板、７…真空容器、８…電流リード、１０，３１…高温超電導線、１１，１３…金属系超電導線、１２…絶縁物、２０…クライオスタット、２１…冷媒、３２…チューブ状部材、３３…封入物質、３４，４０…温度計測器（センサー）、３７…絶縁継ぎ手、３８…容器、３９…レベルセンサー

Claims

高温超電導コイルと、
前記高温超電導コイルを冷却するための冷却手段と、
前記高温超電導コイルを励磁するための電源と、
前記高温超電導コイルの高温超電導線の少なくとも一部に近接して配置され、該高温超電導線とは電気的に絶縁された２つ以上の臨界温度が異なりかつ近接して配置された金属系超電導線と、該金属系超電導線の抵抗又は電圧を計測する計測機構とを有し、前記高温超電導コイルの少なくとも一部の近傍の温度を計測する温度計測手段と、
臨界温度が高い前記金属系超電導線が抵抗を発した場合は電源の出力電流を低下若しくは電流の供給を停止又は前記高温超電導コイルに貯蔵された電磁エネルギーを放出させ、臨界温度が低い前記金属系超電導線が抵抗を発した場合は前記電源の出力電流を臨界温度が高い前記金属系超電導線が抵抗を発した場合よりゆっくり低下させる電流制御手段と
を具備することを特徴とする高温超電導コイル装置。
前記金属系超電導線は、ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎ、Ｎｂ３Ａｌ及びＭｇＢ２からなる群から選択されるいずれか１種の線材又は異なる２種以上の線材を直列に若しくは並列に電気的に絶縁された構成で配置した線材からなることを特徴とする請求項１記載の高温超電導コイル装置。
前記金属系超電導線は、該金属系超電導線の全表面積の少なくとも１０％以上の領域で、前記高温超電導線に固着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温超電導コイル装置。
前記冷却手段が、冷凍機と、冷凍機と高温超電導コイルとを接続する冷却板とを有し、
前記温度計測手段が、前記冷却板との接続箇所から最も離れたコイル上の箇所から、高温超電導コイルの直径又は高さの大きい方の１／１０の距離内に取り付けられた計測器を有することを特徴とする請求項１記載の高温超電導コイル装置。