JP5197493B2

JP5197493B2 - 超電導マグネット装置

Info

Publication number: JP5197493B2
Application number: JP2009133285A
Authority: JP
Inventors: 圭小柳; 通隆小野; 泰造戸板; 努来栖; 昌身浦田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2029-06-02
Also published as: JP2010283029A

Description

本発明は、超電導線材を巻回してなる超電導コイルを低温容器に収納した超電導マグネット装置に関し、特に、電力系統制御用あるいは瞬時電圧低下補償用として磁気エネルギーを貯蔵する超電導マグネット装置に関する。

複数個の超電導コイルを並列に接続して構成される超電導マグネット装置に通電し励磁する場合、並列の電流経路毎に流れる電流を均等化しないと、負荷率や電磁力のアンバランスを生じてマグネットの常電導化を起こしてしまう。経路毎の電流分配は、電流掃引時にはコイルのインダクタンスで支配され、電源電流を一定値に保った後は回路の抵抗で支配され、各回路毎に抵抗値が異なれば電流値は抵抗値の逆数比に漸近していく。マグネット内部の抵抗成分は主に導体接続部に起因するが、例えば拡散接合による接続部分の抵抗値は１０^−１２オーム程度と非常に小さいため、接続部分の抵抗値をばらつきが生じないように管理することは困難である。

このため、電流偏流を抑制するための方法として、図８に示すように、超電導コイル１、電流リード３を有する並列回路は極低温容器５の外部において並列に分岐され、その経路毎に接続抵抗と比較して十分大きい回路抵抗７を挿入することが一般に行われている。

また、ＭＲＩや磁気浮上列車などにおける永久電流モード運転のための永久電流スイッチが、低温で並列に接続される超電導機器の類似例として挙げられる。しかし、永久電流モード運転機器においては、回路中の抵抗成分は発生磁場を減衰させる要因であるため、超電導線同士の接続部分は超電導フィラメントを露出させて拡散接合するなど、できるだけ抵抗値を低くするための手段が講じられるのが一般的である。このような構成の超電導マグネット装置の例として特許文献１が挙げられる。

特開平７−１８３５８２号公報

上述したように、従来の超電導マグネット装置では、図８に示すように電流偏流を抑制するための方法として、回路を極低温容器５の外部において並列に分岐させ、その経路毎に接続抵抗と比較して十分大きい抵抗７を挿入していたが、室温側で回路を分割すると、極低温環境下のようにジュール発熱が問題にならないため、ある程度大きい抵抗値を有する抵抗７を挿入できるものの、電流リード３の本数が増えてしまい、コストが高くなるという課題があった。

また、特許文献１に記載のような並列に接続した永久電流スイッチに関しては、電流を均等させるための抵抗成分を低温容器内部に設けるのが必須になるが、磁場減衰を低減するためには抵抗値を低くする必要があり、そのばらつきの管理が難しく電流偏流が起こりやすいという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、並列構成の超電導コイルに電流を均等に分配することができる低コストで冷却系への熱負荷が少ない超電導マグネット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、本発明に係る超電導マグネット装置は、極低温容器内に収納され電源からの電流を供給する一対の電流リードと、前記極低温容器内に収納され前記一対の電流リードの間で分割された電流経路に接続されて並列に通電される複数の超電導コイルとを備える超電導マグネット装置であって、前記超電導コイルの自己インダクタンスが１０^１ヘンリー以上であり、かつ前記分割された電流経路の接続抵抗が１０^−８〜１０^−６オームであることを特徴とする。

また、本発明に係る超電導マグネット装置は、極低温容器内に収納され電源からの電流を供給する一対の電流リードと、前記極低温容器内に収納され前記一対の電流リードの間で分割された電流経路に接続されて並列に通電される複数の超電導コイルと、前記分割された電流経路に設けられた抵抗体とを備える超電導マグネット装置であって、前記超電導コイルの自己インダクタンスが１０^１ヘンリー以上であり、前記抵抗体の抵抗値が１０^−８〜１０^−６オームであり、かつ前記分割された電流経路の接続抵抗が１０^−９オームのオーダーであることを特徴とする。

本発明によれば、並列構成の超電導コイルに電流を均等に分配することができる低コストで冷却系への熱負荷が少ない超電導マグネット装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る超電導マグネット装置の構成図。本発明の第２の実施形態に係る超電導マグネット装置の構成図。本発明の第２の実施形態に係る磁場強度に対する接続抵抗値を示す図。本発明の第２の実施形態に係る電流変化率を示す表。本発明の第２の実施形態に係る電流変化率の推移図。本発明の第２の実施形態に係る他の電流変化率を示す表。本発明の第２の実施形態に係る他の電流変化率の推移図。従来の超電導マグネット装置の構成図。

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。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超電導マグネット装置の構成図である。
図１において、超電導コイル１は２個並列にして極低温容器５に収納され、電源４から一対の電流リード３を介して電流が供給される。

このような構成の超電導マグネット装置において、超電導線の接続部の接続抵抗（Ｒjnt）２が回路中の主な直流抵抗成分になり、電源電流を一定に保った後の電流偏流を支配する。永久電流モード運転の機器ではこの接続抵抗２の値をできるだけ低くしなければならないが、本発明ではこの部分の抵抗値を１０^−８〜１０^−６オームという比較的高い抵抗値に設計し、また、コイルのインダクタンスを１０^１ヘンリー以上に設計する。

その際、接続抵抗２の値は、製造誤差や接続作業の作業誤差などによりばらつきを生じるが、もともとの接続抵抗２の絶対値が大きいため絶対値に対する偏差の比を小さくできるので、接続抵抗２のばらつきの影響は小さい。そのため、接続抵抗２の値にばらつきがあったとしても、その偏差は小さいため電流偏流を効果的に抑制することができる。

このように本発明の第１の実施形態では、極低温容器内部に並列に配置された複数の超電導コイルに対し、電源４から電流を供給するための電流リード３は１対でよいため、装置当りの電流リードの本数が減り、コストを下げることができるとともに、電流偏流を効果的に抑制することができる。

以上説明したように、本第１の実施形態によれば、接続抵抗の値を比較的高い抵抗値に設定することにより、電流リードの数を減らすことができるとともに、接続抵抗にばらつきがあっても電流偏流を効果的に抑制することができる。その結果、並列構成の超電導コイルに電流を均等に分配することができる低コストで冷却系への熱負荷が少ない超電導マグネット装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る超電導マグネット装置の構成図である。
第１の実施形態と異なる点は、並列回路毎に抵抗体６（Ｒbal）を設けたことである。

この抵抗体６の抵抗値を接続抵抗２の値よりも大きくなるよう設計することにより、抵抗体６の寸法を大きくできるので、寸法誤差による抵抗値のばらつきを接続抵抗２の抵抗値のばらつき誤差よりも小さくできる。その結果、電流偏流をさらに抑制することが可能になる。

抵抗体６の材料として、不純物や曲げ歪、外部磁界などによる比抵抗の変化が比較的小さいスズ微量添加銅などの銅を母材とする銅合金が使用される。この材料を使用することにより、必要とする抵抗値を有する抵抗体６を精度良く製造することができるので、電流偏流をさらに効率的に抑制することが可能になる。また、抵抗体６の寸法は、直径が５〜３０ｍｍ、長さが８〜８０ｍｍであり、この大きさであれば、製作時に±０．１ｍｍ程度の機械加工の精度を確保できるので、前記材料を使用することにより抵抗体の抵抗値のばらつきを±０．１％程度に抑えることが可能になる。

また、抵抗体６の抵抗値を１０^−８〜１０^−６オームの範囲内とすることにより接続部のジュール発熱は１Ｗレベル以下になり、冷却系への熱負荷をさらに抑えることが可能になる。

図３は、超電導線同士のハンダ接続部の接続長さが約２ｃｍ（Ｒjnt（ａ））と約４ｃｍ（Ｒjnt（ｂ））の試作品を作製し、液体ヘリウム温度での接続抵抗値を複数強度の磁場中で測定した結果を示す図である。
図３によれば、接続抵抗値は接続長さにほぼ反比例し、接続抵抗値の磁場に対するばらつきが約８％程度であることがわかる。

なお、実際の機器では接続長さを数十ｃｍの長さとすることが可能なので、１０^−９オームのオーダーの接続抵抗値を得ることができる。したがって、銅合金などを使った抵抗体６の抵抗値よりハンダ接続部の接続抵抗２の抵抗値をさらに低くすることにより、回路毎の抵抗値のばらつきは、ばらつきの小さい抵抗体６の抵抗値に依存させることができる。

図４は、接続抵抗２（Ｒjnt）の値が７×１０^−９オーム、ばらつきが±８％の４並列２直列の超電導コイル回路を設計し、抵抗体６（Ｒbal）を使用しないケース（ａ）と１×１０^−７オームの抵抗体６（Ｒbal）を使用したケース（ｂ）との、１５年間の電流変化率の過渡変化を数値計算した結果を示す表であり、図５はその推移図である。
図４及び図５から、抵抗体６を使用することにより電流変化率を徐々に減少させることが可能になることがわかる。

次に、図６は接続抵抗２（Ｒjnt）の値が７×１０^−９オーム、ばらつきが±１６％の場合を想定し、抵抗体６（Ｒbal）を使用しないケース（ｃ）と使用したケース（ｄ）の電流偏流の影響を比較した計算結果を示す表であり、図７はその推移図である。

図７の曲線（ｃ）からわかるように、接続抵抗２（Ｒjnt）の値のばらつきが大きい場合、抵抗体６（Ｒbal）を使用しないと数年で５％を超える電流のアンバランスを生じる可能性がある。これに対して、抵抗体６（Ｒbal）を使用すれば、接続抵抗２（Ｒjnt）の値のばらつきが大きい場合でも、電流変化率を１５年間で５％程度に抑えることが可能になる。

また、並列の電流経路毎に流れる電流を均等化するには、電源電流を一定に保つ必要があるが、さらに、電流偏流を起こす要因を排除しておく必要がある。具体的には、電流掃引時の各経路への電流分配はコイルのインダクタンスで支配されるため、各コイルの形状および巻回数が異ならないように管理して各々の自己インダクタンスを揃えることが偏流抑制に有効である。

さらに、偶数のコイルを幾何学的に同じ条件になるような回転対称あるいは面対称位置に配置することにより（図示せず）、コイル間の磁気的な結合の条件を同じにして、相互インダクタンスを揃え、偏流を抑制することが可能になる。特に、コイルの夫々が相隣り合うよう円周上へ等配に設置すれば、コイル間の磁気的な結合の条件を同じにすることができるので、さらに偏流を抑制することが可能になる。

以上説明したように、本第２の実施形態によれば、並列回路毎に抵抗体を設けることにより、接続抵抗の値のばらつきが大きい場合でも電流値の電流変化率を減少させることができるので、並列構成の超電導コイルに電流を均等に分配することができる低コストで冷却系への熱負荷が少ない超電導マグネット装置を提供することができる。

１…超電導コイル、２…接続抵抗（Ｒjnt）、３…電流リード、４…電源、５…極低温容器、６…抵抗体（Ｒbal）、７…抵抗体。

Claims

極低温容器内に収納され電源からの電流を供給する一対の電流リードと、前記極低温容器内に収納され前記一対の電流リードの間で分割された電流経路に接続されて並列に通電される複数の超電導コイルとを備える超電導マグネット装置であって、
前記超電導コイルの自己インダクタンスが１０^１ヘンリー以上であり、かつ前記分割された電流経路の接続抵抗が１０^−８〜１０^−６オームであることを特徴とする超電導マグネット装置。
極低温容器内に収納され電源からの電流を供給する一対の電流リードと、前記極低温容器内に収納され前記一対の電流リードの間で分割された電流経路に接続されて並列に通電される複数の超電導コイルと、前記分割された電流経路に設けられた抵抗体とを備える超電導マグネット装置であって、
前記超電導コイルの自己インダクタンスが１０^１ヘンリー以上であり、前記抵抗体の抵抗値が１０^−８〜１０^−６オームであり、かつ前記分割された電流経路の接続抵抗が１０^−９オームのオーダーであることを特徴とする超電導マグネット装置。
前記複数の超電導コイルは、個数が偶数であり、かつ、回転対称あるいは面対称位置に配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導マグネット装置。
磁気エネルギーを蓄える超電導電力貯蔵装置に前記超電導マグネット装置を用いたことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の超電導マグネット装置。