JP5175593B2 - 超電導コイル装置および超電導コイル異常検出装置ならびに超電導コイル装置運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイル異常時の超電導コイル保護機能を有する超電導コイル装置およびそのための超電導コイル異常検出装置ならびに超電導コイル装置運転方法に関する。

従来の金属系超電導コイル装置では、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有している。その際コイル異常を検出する手段としては、コイル内の電圧の測定が一般的である。すなわち、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いて、異常検出器からの信号に従って、コイルに蓄積されたエネルギーを放出するための保護動作を行なっている。

従来の金属系超電導コイルでは、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のオーダー以上の電圧が発生するため、検出感度は十分であった。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、クエンチなどの異常が発生しても、大きな電圧発生には至らず、電圧での異常検出は困難な場合がある。例えば、ＳＭＥＳ（Superconducting Magnetic Energy Storage、超伝導磁気エネルギー貯蔵）や核融合用途など大型コイルでは、種々のノイズによる影響で、コイル異常に伴う電圧を検出することはきわめて困難であり、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、コイル異常に伴う電圧を検出することはきわめて困難である。

従来の高温超電導コイルにおいては、金属系超電導コイルと同様にコイル電圧計測によるコイル異常検出を行なって、コイル異常時の保護をしていたが、コイルの大型化や交流パルス応用に向けて、コイル電圧によるコイル異常検出だけでは不十分である。高温超電導コイルをいかなる用途に応用しても、確実にコイル異常を検出し、コイル保護が可能であることが求められている。

特許文献１には、超電導コイル異常発生は何らかの擾乱に伴う温度上昇がその原因であるという観点から、高温超電導線材に金属系超電導線材を共巻きして、金属系超電導線材の抵抗測定により異常検出する技術が開示されている。さらには、高温超電導線材に液体を注入したチューブを共巻きし、チューブ内の圧力か体積を測定することにより異常検出する技術、および、コイル表面の一部に取り付けた温度計により異常検出する技術が開示されている。この技術により、従来の電圧測定では種々のノイズにより検出が困難であった問題点を解決している。
特開２００８−１６５５４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、システムが複雑であり、製作コストが高くなるという欠点があった。

本発明では、上記課題を解決し、超電導コイルの異常を、簡素な構造で高感度に検出し、超電導コイルを確実に保護することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る超電導コイル装置の一つの態様は、複数の超電導要素コイルと、前記超電導要素コイルに電流を供給する電源と、前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になり、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に磁場の強さが前記予め定められた値を超える位置における磁場に関する状態量を検出するセンサと、を有し、前記複数の超電導要素コイルがトロイダルコイル内周部を囲んでトロイダル状になるように配置されており、前記センサが前記トロイダルコイル内周部内に配置され、このトロイダルコイル内周部の磁場の強さに関する状態量を検出するものであること、を特徴とする。
また、本発明に係る超電導コイル装置の他の一つの態様は、複数の超電導要素コイルと、前記超電導要素コイルに電流を供給する電源と、前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になり、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に磁場の強さが前記予め定められた値を超える位置における磁場に関する状態量を検出するセンサと、を有し、前記複数の超電導要素コイルがマルチポール状に配置されており、前記センサが前記マルチポール状に配置され複数の超電導要素コイルの中心軸上に配置されていること、を特徴とする。

また、本発明に係る超電導コイル異常検出装置の一つの態様は、複数の超電導要素コイルとその超電導要素コイルに電流を供給する電源とを備えた超電導コイル装置の異常を検出する超電導コイル異常検出装置であって、前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になり、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に磁場の強さが予め定められた値を超える位置における磁場に関する状態量を検出するセンサを有し、前記複数の超電導要素コイルがトロイダルコイル内周部を囲んでトロイダル状になるように配置されており、前記センサが前記トロイダルコイル内周部内に配置され、このトロイダルコイル内周部の磁場の強さに関する状態量を検出するものであることを特徴とする。
また、本発明に係る超電導コイル異常検出装置の他の一つの態様は、複数の超電導要素コイルとその超電導要素コイルに電流を供給する電源とを備えた超電導コイル装置の異常を検出する超電導コイル異常検出装置であって、前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になり、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に磁場の強さが予め定められた値を超える位置における磁場に関する状態量を検出するセンサを有し、前記複数の超電導要素コイルがマルチポール状に配置されており、前記センサが前記マルチポール状に配置され複数の超電導要素コイルの中心軸上に配置されていること、を特徴とする。

また、本発明に係る超電導コイル装置運転方法の一つの態様は、トロイダルコイル内周部を囲んでトロイダル状になるように配置された複数の超電導要素コイルとその超電導要素コイルに電流を供給する電源とを備えた超電導コイル装置の運転方法であって、前記複数の超電導要素コイルに電流を供給するステップと、前記トロイダルコイル内周部内に配置され、このトロイダルコイル内周部の磁場の強さに関する状態量を検出するセンサにより、前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になる検出位置での磁場に関する状態量を検出するステップと、前記センサにより、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に前記検出位置での磁場に関する状態量を検出するステップと、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る超電導コイル装置運転方法の他の一つの態様は、マルチポール状に配置された複数の超電導要素コイルとその超電導要素コイルに電流を供給する電源とを備えた超電導コイル装置の運転方法であって、前記複数の超電導要素コイルに電流を供給するステップと、前記マルチポール状に配置された複数の超電導要素コイルの中心軸上に配置されたセンサにより、前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になる検出位置での磁場に関する状態量を検出するステップと、前記センサにより、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に前記検出位置での磁場に関する状態量を検出するステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、超電導コイルの異常を、簡素な構造で高感度に検出し、超電導コイルを確実に保護することが可能である。

以下、本発明に係る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。ここで、互いに同一また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を参照して本発明に係る超電導コイル装置の第１の実施形態について説明する。ここで、図１は本発明に係る超電導コイル装置の第１および第２の実施形態を示す模式的平断面図である。

第１の実施形態の超電導コイル装置は、複数の超電導要素コイル１で構成されたトロイダルコイル２と、磁場に関する状態量を検出するセンサ３と、センサ３の出力に基づいてトロイダルコイル２の異常を監視する状態監視装置４と、状態監視装置４からの信号に応じて超電導要素コイル１に流れる電流を制御する電流制御手段５と、トロイダルコイル２に電流を流す電源２０および電流リード８と、センサ３と状態監視装置４とを接続する信号伝達線７とを備えている。

トロイダルコイル２が正常に動作しているときは各超電導要素コイル１には同じ電流が流れるように構成されている。このときその電流値の大小に関わらず、理想的にはトロイダルコイル内周部６内側では磁束がキャンセルされて磁場の強さはゼロまたは最小限の値になる。センサ３は、トロイダルコイル内周部６内に配置される。この実施形態ではセンサ３は磁場の強さを検出するものであって、たとえばホール素子である。

状態監視装置４は、センサ３の出力の閾値を設定し、その閾値と実際のセンサ３の出力とを比較して、両者の大小関係により出力信号を発信する。

前述のように、トロイダルコイル２が正常運転時には、センサ３位置での磁場の強さはゼロまたは最小限の値であるから、センサ３の出力はゼロまたは最小限の値（地磁気または周囲の環境による値）である。一方、超電導要素コイル１の一つあるいは複数でクエンチなどの事象が発生して、一部の超電導要素コイル１のみの電流が変化した場合には、発生磁場のバランスが崩れてトロイダルコイル内周部６内側での磁場の強さの絶対値がゼロまたは最小限の値から増加する。磁場の強さの絶対値が予め設定した閾値を上回った場合には、状態監視装置４からの出力により電流制御手段５が作動して、超電導要素コイル１の一部あるいは全部の電流を下げる処置を行なう。これにより、トロイダルコイル２全域にクエンチが広がることを阻止し、トロイダルコイル２を保護することができる。

この実施形態では、コイル電流がどのように変化しても、たとえば交流運転をした場合においても、トロイダルコイル内周部６内側での磁場の強さの絶対値が理想的にゼロまたは周囲の環境による最小限の値であり、各超電導要素コイル１間に電流の不整合が生じる異常事態が生じたときのみに磁場が発生し上昇する。したがって、トロイダルコイル内周部６内側の１点の磁場の強さを計測しておけば、超電導要素コイル１の一部にクエンチなどの異常が生じていることがわかる。本実施形態により、従来の高温超電導コイル保護システムと比較して、システムを簡素化することができる。なお、上記センサ3の位置は生常時においてゼロ磁場の位置に設定されることが好ましいが、予め定められた値以下の場所に設定しても検出の精度は低下するが、ある一定の効果を得ることができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態の構成は、第１の実施形態と同様に図１に示されている。ただし、ここでは、磁場に関する状態量を検出するセンサ３として、磁場の強さＢの絶対値ではなく磁場の強さの時間変化率（ｄＢ／ｄｔ）を計測するセンサ３を用いる。磁場の強さの時間変化率を計測するセンサとしては、たとえば、ロゴスキーコイル、または、銅線をボビンに巻いたピックアップコイルを用いることができる。

状態監視装置４は磁場の強さの時間変化率を計測するセンサ３の出力に対応する閾値を設定し、その閾値と実測した磁場の強さの時間変化率とを比較して、両者の大小関係で信号を発信する。

前述のように、トロイダルコイル２では、超電導要素コイル１に全て同じ電流が流れているときには、その電流値の大小に関わらず、理想的にはトロイダルコイル内周部６内側では磁束がキャンセルされてゼロまたは最小限の値である。したがって、正常運転時にはセンサ３の位置の磁場の強さはゼロまたは最小限の値であリ、その時間変化率はゼロである。

一方、超電導要素コイル１の一つあるいは複数がクエンチなどの事象が発生して、一部の超電導要素コイルのみ電流が変化した場合には、発生磁場のバランスが崩れてトロイダルコイル内周部６内側での磁場の強さの絶対値がゼロまたは最小限の値から増加する。磁場の強さの変化率を状態監視装置４に入力し、予め設定した閾値と比較して、閾値を上回った場合には、電流制御手段５を作動させて、超電導要素コイル１の一部あるいは全部の電流を下げる処置を行なう。これにより、トロイダルコイル２全域にクエンチが広がることから保護することができる。

トロイダルコイル２を構築するときに、超電導要素コイル１の製作上の配置誤差により、トロイダルコイル内周部内側での磁束が理想的にはキャンセルされず、正常時にでもある有限の値を有する場合がある。そこで、第２の実施形態においては、磁場の強さの変化率を観測するロゴスキーコイルなどのセンサを用いる。ロゴスキーコイルは磁場の時間的な変化があった場合に信号を出力するので、定常時に有限の強さの磁場が存在しても信号を出力しない。一方、超電導要素コイル１の一部がクエンチするなどの異常が生じた場合は、当該場所での磁場の強さの時間的変化が生じるので、ロゴスキーコイルに電圧が誘起される。

また、ロゴスキーコイルの巻数を増加させれば誘起される電圧も増加し、必要感度に合わせてロゴスキーコイルを自由に構成できることもメリットである。

本実施形態を用いることにより、ロバスト性を高めたクエンチ検知が可能となり、その結果確実にコイルを保護することができるようになる。なお、上記センサ3の位置は生常時においてゼロ磁場の位置に設定されることが好ましいが、予め定められた値以下の場所に設定しても検出の精度は低下するが、ある一定の効果を得ることができる。

［第３の実施形態］
図２および図３を参照して本発明に係る超電導コイル装置の第３の実施形態について説明する。ここで、図２は本発明に係る超電導コイル装置の第３および第４の実施形態を示す模式的平断面図であり、図３は図２の超電導コイル装置の要部を示す模式的斜視図である。

第３の実施形態の超電導コイル装置は、複数の超電導要素コイル１０で構成されたマルチポールコイル１１と、磁場に関する状態量を検出するセンサ３と、磁場に関する状態量を検出するセンサ３と、センサ３の出力に基づいてマルチポールコイル１１の異常を監視する状態監視装置４と、状態監視装置４からの信号に応じて超電導要素コイル１０に流れる電流を制御する電流制御手段５と、マルチポールコイル１１に電流を流す電源２０および電流リード８を備えている。

マルチポールコイル１１は、たとえば４個の互いに平行な超電導要素コイル１０を正方格子状に配置し、縦横に隣接する超電導要素コイル１０同士が異極性となるようにし、すべての超電導要素コイル１０が正常に動作しているときは各超電導要素コイル１０に同じ大きさの電流が流れるように構成されている。このときその電流値の大小に関わらず、理想的にはマルチポールコイル中心軸１２を含む空間では磁束がキャンセルされて磁場の強さはゼロまたは最小限の値になる。センサ３は、マルチポールコイル中心軸１２を含む空間に配置される。この実施形態では、センサ３は、第１の実施形態と同様に磁場の強さを検出するものであって、たとえばホール素子である。

状態監視装置４は、第１の実施形態と同様に、センサ３の出力の閾値を設定し、その閾値と実際のセンサ３の出力とを比較して、両者の大小関係で信号を発信する。

前述のように、マルチポールコイル１１が正常運転時には、センサ３の位置での磁場の強さはゼロまたは最小限の値であるからセンサ３の出力はゼロまたは通常の最小限の値である。一方、超電導要素コイル１０の一つあるいは複数でクエンチなどの事象が発生して、一部の超電導要素コイル１０のみの電流が変化した場合には、発生磁場のバランスが崩れてマルチポールコイル中心軸１２を含む空間での磁場の強さの絶対値がゼロまたは最小限の値から増加する。磁場の強さの絶対値が予め設定した閾値を上回った場合には、状態監視装置４からの出力により電流制御手段５が作動して、超電導要素コイル１０の一部あるいは全部の電流を下げる処置を行なう。これにより、マルチポールコイル１１全域にクエンチが広がることを阻止し、マルチポールコイル１１を保護することができる。本実施形態により、第１の実施形態と同様に、従来の高温超電導コイル保護システムと比較して、システムを簡素化することができる。なお、上記センサ3の位置は生常時においてゼロ磁場の位置に設定されることが好ましいが、予め定められた値以下の場所に設定しても検出の精度は低下するが、ある一定の効果を得ることができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態の構成は、第３の実施形態における磁場の強さを検出するセンサ３を、第２の実施形態と同様にロゴスキーコイルなどを用いた磁場の強さの時間変化率を計測するセンサ３で置き換えたものである。これにより、複数の超電導要素コイル１０で構成されたマルチポールコイル１１の異常検出を、第２の実施形態と同様に行なうことができ、第３の実施形態の効果および第２の実施形態の効果を得ることができる。

本発明に係る超電導コイル装置の第１および第２の実施形態を示す模式的平断面図。 本発明に係る超電導コイル装置の第３および第４の実施形態を示す模式的平断面図。 図２の超電導コイル装置の要部を示す模式的斜視図。

符号の説明

１ 超電導要素コイル
２ トロイダルコイル
３ センサ
４ 状態監視装置
５ 電流制御手段
６ トロイダルコイル内周部
７ 信号伝達線
８ 電流リード
１０ 超電導要素コイル
１１ マルチポールコイル
１２ マルチポールコイル中心軸
２０ 電源

Claims (10)

1. 複数の超電導要素コイルと、
   前記超電導要素コイルに電流を供給する電源と、
   前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になり、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に磁場の強さが前記予め定められた値を超える位置における磁場に関する状態量を検出するセンサと、
   を有し、
   前記複数の超電導要素コイルがトロイダルコイル内周部を囲んでトロイダル状になるように配置されており、
   前記センサが前記トロイダルコイル内周部内に配置され、このトロイダルコイル内周部の磁場の強さに関する状態量を検出するものであること、
   を特徴とする超電導コイル装置。
2. 複数の超電導要素コイルと、
   前記超電導要素コイルに電流を供給する電源と、
   前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になり、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に磁場の強さが前記予め定められた値を超える位置における磁場に関する状態量を検出するセンサと、
   を有し、
   前記複数の超電導要素コイルがマルチポール状に配置されており、
   前記センサが前記マルチポール状に配置され複数の超電導要素コイルの中心軸上に配置されていること、
   を特徴とする超電導コイル装置。
3. 前記センサは磁場の強さを検出するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導コイル装置。
4. 前記センサは磁場の強さの時間変化率を検出するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導コイル装置。
5. 前記センサの出力が予め設定した閾値を越えたときに、前記電源から前記複数の超電導要素コイルの少なくとも一部に供給される電流を抑制する電流制御手段をさらに有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の超電導コイル装置。
6. 複数の超電導要素コイルとその超電導要素コイルに電流を供給する電源とを備えた超電導コイル装置の異常を検出する超電導コイル異常検出装置であって、
   前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になり、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に磁場の強さが予め定められた値を超える位置における磁場に関する状態量を検出するセンサを有し、
   前記複数の超電導要素コイルがトロイダルコイル内周部を囲んでトロイダル状になるように配置されており、
   前記センサが前記トロイダルコイル内周部内に配置され、このトロイダルコイル内周部の磁場の強さに関する状態量を検出するものであることを特徴とする超電導コイル異常検出装置。
7. 複数の超電導要素コイルとその超電導要素コイルに電流を供給する電源とを備えた超電導コイル装置の異常を検出する超電導コイル異常検出装置であって、
   前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になり、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に磁場の強さが予め定められた値を超える位置における磁場に関する状態量を検出するセンサを有し、
   前記複数の超電導要素コイルがマルチポール状に配置されており、
   前記センサが前記マルチポール状に配置され複数の超電導要素コイルの中心軸上に配置されていること、
   を特徴とする超電導コイル異常検出装置。
8. トロイダルコイル内周部を囲んでトロイダル状になるように配置された複数の超電導要素コイルとその超電導要素コイルに電流を供給する電源とを備えた超電導コイル装置の運転方法であって、
   前記複数の超電導要素コイルに電流を供給するステップと、
   前記トロイダルコイル内周部内に配置され、このトロイダルコイル内周部の磁場の強さに関する状態量を検出するセンサにより、前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になる検出位置での磁場に関する状態量を検出するステップと、
   前記センサにより、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に前記検出位置での磁場に関する状態量を検出するステップと、
   を有することを特徴とする超電導コイル装置運転方法。
9. マルチポール状に配置された複数の超電導要素コイルとその超電導要素コイルに電流を供給する電源とを備えた超電導コイル装置の運転方法であって、
   前記複数の超電導要素コイルに電流を供給するステップと、
   前記マルチポール状に配置された複数の超電導要素コイルの中心軸上に配置されたセンサにより、前記複数の超電導要素コイルのすべてが正常に機能している場合に磁場の強さが予め定められた値以下になる検出位置での磁場に関する状態量を検出するステップと、
   前記センサにより、前記複数の超電導要素コイルの一部に流れる電流に異常があった場合に前記検出位置での磁場に関する状態量を検出するステップと、
   を有することを特徴とする超電導コイル装置運転方法。
10. 前記磁場に関する状態量が予め設定した閾値を越えたときに、前記複数の超電導要素コイルの少なくとも一部に供給される電流を抑制する電流制御ステップをさらに有すること、を特徴とする請求項８または請求項９に記載の超電導コイル装置運転方法。

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