JP5525810B2 - Superconducting magnet device and quench protection method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、超伝導マグネット装置及びそのクエンチ保護方法に関する。 The present invention relates to a superconducting magnet device and a quench protection method thereof.
粒子加速器ビームライン等に用いられる超伝導マグネット装置においては、超伝導コイル内に局所的な常伝導状態が発生すると、その部分が発熱し、近傍の超伝導状態が破壊されて、超伝導状態が急激に破壊するクエンチを生ずる場合がある。超伝導コイルには大きな磁気エネルギが蓄積されているため、この超伝導コイルを流れる電流の減衰に時間がかかり、クエンチ発生時に超伝導コイルに蓄積された磁気エネルギをいち早く消費しないと、ジュール発熱により超伝導コイルが損傷(特に焼損)または劣化する恐れがある。 In a superconducting magnet device used in a particle accelerator beam line or the like, when a local normal conduction state occurs in a superconducting coil, the portion generates heat, the superconducting state in the vicinity is destroyed, and the superconducting state is It may cause quenching that breaks down rapidly. Since a large amount of magnetic energy is accumulated in the superconducting coil, it takes time to attenuate the current flowing through the superconducting coil, and if the magnetic energy accumulated in the superconducting coil is not consumed quickly when a quench occurs, Joule heat generation will occur. The superconducting coil may be damaged (especially burned out) or deteriorated.
このため、超伝導マグネット装置には、クエンチ発生時に超伝導コイルを保護するクエンチ保護装置が設けられている。このクエンチ保護装置としては、遮断器とエネルギ吸収(消費)用の保護抵抗とクエンチ検出器とが用いられ、従来、特許文献1及び2に開示され、図8に示すように構成される。 For this reason, the superconducting magnet device is provided with a quench protection device that protects the superconducting coil when a quench occurs. As this quench protection device, a circuit breaker, a protection resistor for energy absorption (consumption), and a quench detector are used, which are conventionally disclosed in Patent Documents 1 and 2 and configured as shown in FIG.
図8において、複数の超伝導コイル1a〜1eは、クライオスタット2内に収容されて超伝導状態に保たれ、これらの超伝導コイル1a〜1eへ励磁電源3から遮断器4を経て給電されて、各超伝導コイル1a〜1eが励磁し磁場を発生する。これらの超伝導コイル1a〜1eには保護抵抗5が並列に接続され、また、超伝導コイル1a〜1eに発生するクエンチがクエンチ検出器6により検出される。
In FIG. 8, a plurality of
通常運転時には遮断器4が閉動作され、励磁電源3から超伝導コイル1a〜1eへ遮断器4を経て直流電流が給電されて、超伝導コイル1a〜1eが磁場を発生している。
During normal operation, the
超伝導コイル1a〜1eのいずれかにおいてクエンチが発生した場合、クエンチ検出器6からのクエンチ検出信号を受けて、遮断器4が開動作される。この結果、励磁電源3から遮断器4を経て超伝導コイル1a〜1eに流れていた電流は、超伝導コイル1a〜1eから保護抵抗5に転流し、超伝導コイル1a〜1eに蓄積されていた磁気エネルギの大部分は、クライオスタット2の外部に設置された保護抵抗5、及び超伝導コイル1a〜1eがクエンチすることにより生じた抵抗によって消費され、超伝導コイル1a〜1eに流れる電流が減衰する。このようにして、超伝導コイル1a〜1eがクエンチした場合でも、この超伝導コイル1a〜1eにおける蓄積エネルギは、超伝導コイル1a〜1eの内部にて熱化することなくクエンチ保護が行われる。
When a quench occurs in any of the
一方、図8に示す超伝導マグネット装置では、複数の超伝導コイル1a〜1のうちの一つにクエンチが生じた場合、他の超伝導コイルにクエンチが伝わらないため、超伝導コイルの全体を流れる電流を急速に低下させることができず、クエンチした超伝導コイルが異常発熱する恐れがある。
On the other hand, in the superconducting magnet device shown in FIG. 8, when quenching occurs in one of the plurality of
一の超伝導コイル7のクエンチを防ぐために他の超伝導コイル全体をクエンチする方法として、図9に示すように、外部ヒータ7a〜7e及びヒータ電源8を設け、外部ヒータ7a〜7eにて、クエンチしていない超伝導コイルを加熱し強制クエンチさせる方法(クエンチバック方式)が知られており、特許文献3及び4に開示されている。この図9に示す超伝導マグネット装置において、図8に示す超伝導マグネット装置と同様な部分については、同一の符号を付している。
As a method of quenching the entire other superconducting coil in order to prevent quenching of one superconducting coil 7,
図9の超伝導マグネット装置において、通常運転時には、遮断器4が閉動作され、励磁電源3から超伝導コイル1a〜1eに直流電流が給電されている。
In the superconducting magnet device of FIG. 9, during normal operation, the
例えば、超伝導コイル1aにおいてクエンチが発生した場合、クエンチ検出器6からのクエンチ検出信号を受けて、遮断器4が開動作される。この結果、励磁電源3から遮断器4を経て超伝導コイル1a〜1eに流れていた電流は、超伝導コイル1a〜1eから保護抵抗5に転流し、超伝導コイル1a〜1eに蓄積されていた磁気エネルギの大部分は保護抵抗5にて消費され、超伝導コイル1a〜1eに流れる電流が減衰する。
For example, when a quench occurs in the
これに引き続き、ヒータ電源8が作動し外部ヒータ7a〜7eに給電されることで、この外部ヒータ7a〜7eが発熱し、クエンチしていない超伝導コイル1b〜1eが加熱されて強制クエンチされる。これにより、超伝導コイル1a〜1e全体のコイル内抵抗が増大され、超伝導コイル1a〜1eを流れる電流の減衰が速められて、超伝導コイル1aの損傷を回避するクエンチ保護が行われる。
Subsequently, the heater power supply 8 is activated and power is supplied to the
従来の超伝導マグネット装置のクエンチ保護は、前述のようにして行われていた。しかしながら、図8に示すような保護抵抗5のみを用いるクエンチ保護では、保護抵抗5の抵抗値を大きくすると電圧降下が過大になって、結果として保護抵抗5の抵抗値が低下してしまうので、超伝導コイル1a〜1eを流れる電流の減衰に時間がかかり、超伝導コイル1a〜1eの損傷を回避できない場合がある。
Quench protection of conventional superconducting magnet devices has been performed as described above. However, in the quench protection using only the
また、図9に示すように、外部ヒータ7a〜7e及びヒータ電源8を設け、外部ヒータ7a〜7eによってクエンチしていない超伝導コイル1a〜1eを加熱し強制クエンチさせる方法では、励磁電源3とは別にヒータ電源8を必要とするため、超伝導マグネット装置が複雑になる。従って、万一、ヒータ駆動装置(不図示)やヒータ電源8が故障した場合には、クエンチ保護動作を実施できず、または早期に実施できず、超伝導コイル1a〜1eが損傷してしまう恐れがある。
In addition, as shown in FIG. 9, in the method of providing
更に、クエンチ保護効果を得ために配置される外部ヒータ7a〜7eを適切な形状として配置することは困難である。例えば、図10に示すように、外部ヒータ7a〜7eのそれぞれを超伝導コイル1a〜1eのそれぞれの外周に所定間隔で配置させた場合には、この外部ヒータ7a〜7eの形状や配置位置によっては、外部ヒータ7a〜7eのそれぞれの加熱によって超伝導コイル1a〜1eのそれぞれの温度上昇が不均一になってしまう。このため、超伝導コイル1a〜1eの強制的クエンチを迅速に実施できない恐れがある。
Furthermore, it is difficult to arrange the
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、超伝導コイルをクエンチによる損傷及び劣化から確実に保護できる超伝導マグネット装置及びそのクエンチ保護方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a superconducting magnet device and a quench protection method thereof that can reliably protect a superconducting coil from damage and deterioration due to quenching.
本発明に係る超伝導マグネット装置は、磁場を発生させる複数の超伝導コイルと、この超伝導コイルを収容して超伝導状態に保つクライオスタットと、前記超伝導コイルへ遮断機を介して給電してこの超伝導コイルを励磁する励磁電源と、を有して構成された超伝導マグネット装置において、互いに直列に接続された複数のヒータ及び通電制御手段が前記超伝導コイルに並列に接続されると共に、前記ヒータのそれぞれが、前記クライオスタット内で前記超伝導コイルのそれぞれを加熱可能に配置され、前記ヒータを構成するヒータ線は、前記超伝導コイルを構成するコイル導体と同等の熱収縮率を有すると共に、極低温における抵抗値が前記コイル導体の極低温における抵抗値と同等になる金属にて構成され、更に直径が前記コイル導体の直径に対し0.5〜2倍の範囲に設定され、前記超伝導コイルにクエンチが検出されて前記遮断器が開動作され、前記励磁電源から前記超伝導コイルへの給電が遮断されたときに、この遮断と同時に、前記超伝導コイルを流れる電流が前記通電制御手段により前記ヒータの全てへ転流可能に構成されたことを特徴とするものである。 A superconducting magnet device according to the present invention includes a plurality of superconducting coils that generate a magnetic field, a cryostat that houses the superconducting coils and maintains a superconducting state, and supplies power to the superconducting coils via a breaker. In a superconducting magnet device configured to have an excitation power source for exciting the superconducting coil, a plurality of heaters and energization control means connected in series with each other are connected in parallel to the superconducting coil, Each of the heaters is arranged to be able to heat each of the superconducting coils in the cryostat, and the heater wire constituting the heater has a thermal contraction rate equivalent to that of the coil conductor constituting the superconducting coil. , is constituted by metal resistance at very low temperature is equal to the resistance value at cryogenic temperatures of the coil conductor, further the diameter of the coil conductor When the quenching is detected in the superconducting coil, the circuit breaker is opened, and the power supply from the excitation power source to the superconducting coil is cut off. Simultaneously with this interruption, the current flowing through the superconducting coil can be commutated to all of the heaters by the energization control means.
また、本発明に係る超伝導マグネット装置のクエンチ保護方法は、磁場を発生させる複数の超伝導コイルと、この超伝導コイルを収容して超伝導状態に保つクライオスタットと、前記超伝導コイルへ遮断機を介して給電してこの超伝導コイルを励磁する励磁電源と、を有して構成された超伝導マグネット装置のクエンチ保護方法において、互いに直列に接続された複数のヒータが前記超伝導コイルに並列に接続されると共に、前記ヒータのそれぞれが、前記クライオスタット内で前記超伝導コイルのそれぞれを加熱可能に配置され、前記ヒータを構成するヒータ線は、前記超伝導コイルを構成するコイル導体と同等の熱収縮率を有すると共に、極低温における抵抗値が前記コイル導体の極低温における抵抗値と同等になる金属にて構成され、更に直径が前記コイル導体の直径に対し0.5〜2倍の範囲に設定され、前記超伝導コイルにクエンチが検出されて前記遮断器が開動作され、前記励磁電源から前記超伝導コイルへの給電が遮断されたときに、この遮断と同時に、前記超伝導コイルに流れる電流を前記ヒータの全てへ転流し、このヒータのそれぞれにより前記超伝導コイルのそれぞれを加熱することを特徴とする方法である。 Further, the quench protection method for a superconducting magnet device according to the present invention includes a plurality of superconducting coils that generate a magnetic field, a cryostat that accommodates the superconducting coils and maintains a superconducting state, and a breaker to the superconducting coils. In the quench protection method of a superconducting magnet device configured to supply power via the excitation power to excite the superconducting coil, a plurality of heaters connected in series with each other are connected in parallel to the superconducting coil And each of the heaters is arranged to be able to heat each of the superconducting coils in the cryostat, and a heater wire constituting the heater is equivalent to a coil conductor constituting the superconducting coil. and has a heat shrinkage, resistance in the cryogenic temperature is constituted by a metal to be equal to the resistance value at cryogenic temperatures of the coil conductor, The diameter of the coil conductor is set in a range of 0.5 to 2 times the diameter of the coil conductor, the quench is detected in the superconducting coil, the circuit breaker is opened, and the excitation power source is connected to the superconducting coil. when the power supply is cut off, the cut-off at the same time, the current flowing through the superconductive coil commutated to all of the heater, in a manner characterized by heating each of said superconducting coil by each of the heater is there.
本発明に係る超伝導マグネット装置及びそのクエンチ保護方法によれば、超伝導コイルにクエンチが検出されてこの超伝導コイルへの給電が遮断されたときに、この遮断と同時に、超伝導コイルを流れる電流をヒータへ転流し、このヒータにより超伝導コイルを加熱するので、クエンチしていない超伝導コイルまたは超伝導コイルのクエンチしていない部分を速やかに強制的にクエンチさせることができ、超伝導コイルの全体を流れる電流を減衰させることができる。この結果、超伝導コイルをクエンチによる損傷(焼損等)及び劣化から確実に保護できる。 According to the superconducting magnet device and the quench protection method thereof according to the present invention, when quenching is detected in the superconducting coil and the power supply to the superconducting coil is cut off, the superconducting coil flows simultaneously with the interruption. Since the current is commutated to the heater and the superconducting coil is heated by the heater, the unquenched superconducting coil or the unquenched part of the superconducting coil can be quickly and forcibly quenched, and the superconducting coil It is possible to attenuate the current flowing through the whole. As a result, the superconducting coil can be reliably protected from damage (burnout, etc.) and deterioration due to quenching.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
[A]第1の実施の形態(図1〜図6)
図1は、本発明に係る超伝導マグネット装置の第1の実施の形態を示す構成図である。この図1に示す超伝導マグネット装置10は、超伝導状態に保たれた複数の超伝導コイル11a〜11eにより一様な磁場を発生させるものであり、前記超伝導コイル11a〜11e、クライオスタット12、励磁電源13、遮断器14、ヒータコイル15a〜15e、ダイオード16、クエンチ検出器17及び制御回路18を有して構成される。
[A] First embodiment (FIGS. 1 to 6)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a superconducting magnet device according to the present invention. The superconducting magnet device 10 shown in FIG. 1 generates a uniform magnetic field by a plurality of
ヒータコイル15a〜15eがヒータとして機能し、ダイオード16が通電制御手段として機能する。また、遮断器14、ヒータコイル15a〜15e、ダイオード16、クエンチ検出器17及び制御回路18が、超伝導コイル11a〜11eのクエンチ保護装置20として構成される。このクエンチ保護装置20では、ヒータコイル15a〜15eへ給電するための専用のヒータ電源が別途必要とされない。
The heater coils 15a to 15e function as heaters, and the
前記超伝導コイル11a〜11eは、互いに直列に接続され、励磁電源13からの給電によりそれぞれが磁場を発生する。これらの各超伝導コイル11a〜11eは、図2及び図3に示すように、半断面コ字形状の巻き枠21にコイル導体22が、図示しない巻き線機を用いて多層に巻き回されて構成される。各超伝導コイル11a〜11eにて発生する磁場を、図2において矢印Bで示す。また、図2及び図3中の符号Oは、超伝導コイル11a〜11eのそれぞれの中心を示す。
The
前記クライオスタット12は、図1に示すように、複数の超伝導コイル11a〜11eを収容して極低温(例えば4K程度)とし、これらの超伝導コイル11a〜11eを超伝導状態に保つ。また、前記励磁電源13は、遮断器14を介して複数の超伝導コイル11a〜11eと直列に接続され、これらの超伝導コイル11a〜11eへ給電して、これらの超伝導コイル11a〜11eを励磁させる。
As shown in FIG. 1, the
前記クエンチ検出器17は、超伝導コイル11a〜11eのいずれかまたは全てに、超伝導状態から常伝導状態に遷移するクエンチが発生したことを検出するものであり、このクエンチ検出信号が前記制御回路18へ送信される。この制御回路18は、クエンチ検出信号を実施したときに前記遮断器14を開動作させる。この遮断器14は、超伝導マグネット装置10の通常運転時には閉操作されて、励磁電源13から超伝導コイル11a〜11eへの給電を許容するが、制御回路18により開動作されたときには、励磁電源13から超伝導コイル11a〜11eへの給電を遮断する。
The quench detector 17 detects that a quench that transitions from the superconducting state to the normal conducting state has occurred in any or all of the
前記ヒータコイル15a〜15eは、複数が直列に接続されると共に、ダイオード16に直列に接続される。更にこれらのヒータコイル15a〜15e及びダイオード16は、超伝導コイル11a〜11eに並列に接続されると共に、クライオスタット12内に配置される。このうち、ヒータコイル15a〜15eのそれぞれは、超伝導コイル11a〜11eのそれぞれに後述の如く近接配置されて、各超伝導コイル11a〜11eを加熱可能とする。
A plurality of the heater coils 15 a to 15 e are connected in series and are connected in series to the
また、ダイオード16は、超伝導マグネット装置10の通常運転時には、励磁電源13からヒータコイル15a〜15eへの給電を阻止するよう機能するが、超伝導コイル11a〜11eのいずれかまたは全てにクエンチが発生したときには、クエンチ発生時に超伝導コイル11a〜11eに生ずる電圧によって、超伝導コイル11a〜11eに流れる電流をヒータコイル15a〜15eへ転流させる機能を果たす。
The
この超伝導コイル11a〜11eに流れる電流をヒータコイル15a〜15eへ転流させる機能は、超伝導コイル11a〜11eのいずれかまたは全てにクエンチが発生したと同時、即ち遮断器14により励磁電源13から超伝導コイル11a〜11eへの給電が遮断されたと同時になされる。尚、ダイオード16は、1個または直列接続された複数個が存在し、このダイオード16の数は励磁電源13の出力電圧によって決定される。
The function of commutating the current flowing through the
各ヒータコイル15a〜15eは、図3及び図4に示すように、ヒータ線23が例えば超伝導コイル11a〜11eの場合と同一の巻き線機を用いて、超伝導コイル11a〜11eと同一の向きにコイル状に巻き回されて構成されたものである。更に、ヒータコイル15a〜15eのそれぞれは、超伝導コイル11a〜11eのそれぞれの最内層と巻き枠21との間で、その最内層の内側における全周に亘って、その最内層に近接して配置される。
As shown in FIGS. 3 and 4, each of the heater coils 15 a to 15 e is the same as the superconducting coils 11 a to 11 e by using the same winding machine as that in the case where the
また、ヒータコイル15a〜15eのそれぞれのヒータ線23は、その直径が超伝導コイル11a〜11eのそれぞれのコイル導体22の直径に対して半分〜2倍の範囲に設定される。例えば、コイル導体22の直径が1.0mmの場合には、ヒータ線23の直径は0.5〜2.0mmの範囲に設定される。その理由は、ヒータコイル15a〜15eを超伝導コイル11a〜11eと同一の巻き線機を用いて巻き付けることができる等の施行効率向上の観点に基づく。
In addition, the diameter of each
更に、ヒータコイル15a〜15eのそれぞれのヒータ線23は、図5に示すように、一側端24A、25Aが短絡された2本のエレメント24、25からなる。これらのエレメント24及び25が1本のヒータ線23としてコイル状に巻き回された無誘導巻きによって、ヒータコイル15a〜15eが形成される。この無誘導巻きでは、エレメント24と25に互いに逆方向の電流が流れることで、これらのエレメント24及び25からなる1本のヒータ線23の周辺に磁場が発生せず、この結果、各ヒータコイル15a〜15eに誘導電圧(自己誘導電圧)がほとんど発生しない状態となる。
Furthermore, as shown in FIG. 5, each
また、図4に示すヒータコイル15a〜15eのそれぞれのヒータ線23(つまりエレメント24及び25)は、超伝導コイル11a〜11eのコイル導体22と略同等の熱収縮率(線膨張率)を有する金属で、且つ極低温(例えば4K程度)における抵抗値が超伝導コイル11a〜11eのコイル導体22と略同等になる金属にて構成される。具体的には、ヒータ線23は、銅やアルミニウムからなる線材を被覆ヒータ被覆線として構成される。特に、超伝導コイル11a〜11eのコイル導体22がニオブチタンから構成される場合には、ヒータ線23は、ニオブチタンと抵抗値の近い銅が用いられる。
Moreover, each heater wire 23 (that is,
次に、図1に示す超伝導マグネット装置10の作用を説明する。 Next, the operation of the superconducting magnet device 10 shown in FIG. 1 will be described.
超伝導マグネット装置10の通常運転時には遮断器14が閉動作され、励磁電源13から遮断器14を経て超伝導コイル11a〜11eへ直流電流が供給され、各超伝導コイル11a〜11eにて、図2の矢印Bに示す方向の磁場が発生する。
During normal operation of the superconducting magnet device 10, the
超伝導コイル11a〜11eのうち、例えば超伝導コイル11aにクエンチが発生した場合には、クエンチ検出器17が上記クエンチを検出し、クエンチ検出信号がクエンチ検出器17から制御回路18へ送信されると、この制御回路18は遮断器14を開動作させる。これにより、励磁電源13から遮断器14を経て超伝導コイル11a〜11eへ流れていた直流電流が遮断され、この遮断と同時にダイオード16の作用で、超伝導コイル11a〜11eを流れる直流電流がヒータコイル15a〜15eへ転流する。
For example, when a quench occurs in the
この転流によって、超伝導マグネット装置10の通常運転時に超伝導コイル11a〜11eに蓄積されていた磁気エネルギの大部分がヒータコイル15a〜15eの抵抗により消費されてヒータコイル15a〜15eが発熱し、超伝導コイル11a〜11eを流れる電流が減衰する。そして、ヒータコイル15a〜15eの発熱により、クエンチしていない超伝導コイル11b〜11eが加熱されて強制的にクエンチされることになる。その結果、超伝導コイル11a〜11eのコイル内抵抗が増大して、これらの超伝導コイル11a〜11eの全体を流れる電流が更に減衰する。これにより、クエンチが発生した超伝導コイル11aの損傷(焼損)や劣化が回避される。
By this commutation, most of the magnetic energy stored in the
ここで、図6は、超伝導コイル11a〜11eのいずれかにクエンチが発生した場合に超伝導コイル11a〜11eの全体に流れる電流の時間変化を示すグラフである。実線βは、強制的クエンチを実施しない従来の超伝導マグネット装置(図8)の場合を示し、実線αは、超伝導コイル11a〜11eを流れる電流をヒータコイル15a〜15eへ転流させることで、超伝導コイル11a〜11eを強制的にクエンチさせる本実施の形態の場合を示す。本実施の形態では、超伝導コイル11a〜11eに流れる電流が、超伝導コイル11a〜11eのいずれかにクエンチが発生した時点tから急激に減衰していることがわかる。
Here, FIG. 6 is a graph showing the time change of the current flowing through the
以上のように構成されたことから、本実施の形態によれば、次の効果(1)〜(5)を奏する。 With the configuration as described above, the following effects (1) to (5) are achieved according to the present embodiment.
(1)クエンチ検出器17により例えば超伝導コイル11aにクエンチが検出されて、遮断器14の開動作により超伝導コイル11a〜11eへの給電が遮断されたとき、この遮断と同時にダイオード16が、超伝導コイル11a〜11eを流れる電流をヒータコイル15a〜15eへ転流させ、このヒータコイル15a〜15eにより超伝導コイル11a〜11eを加熱するので、クエンチしていない超伝導コイル11b〜11eを速やかに強制的にクエンチさせることができ、超伝導コイル11a〜11eの全体を流れる電流を減衰させることができる。この結果、特に、クエンチの発生した超伝導コイル11aをクエンチによる損傷(焼損等)及び劣化から確実に保護できる。
(1) When the quench detector 17 detects a quench in the
(2)ヒータコイル15a〜15eのそれぞれが、超伝導コイル11a〜15eのそれぞれにおける最内層の内側において、その内周に沿って配置されたので、このヒータコイル15a〜15eのそれぞれによって超伝導コイル11a〜11eのそれぞれを均一に加熱することができる。このため、超伝導コイル11a〜11eの強制的クエンチを迅速に実施できる。
(2) Since each of the heater coils 15a to 15e is disposed along the inner circumference inside the innermost layer of each of the
(3)ヒータコイル15a〜15eは、ヒータ線23(エレメント24及び25)が無誘導巻きによってコイル状に巻き回されて形成されたので、通電時に誘導電圧の発生を抑制できる。この結果、高電圧の発生によってヒータコイル15a〜15eへの通電を遮断してこのヒータコイル15a〜15eを保護する高電圧用の保護回路が不必要になる。この結果、超伝導コイル11a〜11eのクエンチ発生時には、ヒータコイル15a〜15eを速い応答速度で発熱させることができ、超伝導コイル11a〜11eの強制的クエンチを迅速に実施できる。
(3) Since the heater coils 15a to 15e are formed by winding the heater wire 23 (
(4)ヒータコイル15a〜15eを構成するヒータ線23が、超伝導コイル11a〜11eを構成するコイル導体22と略同等の熱収縮率を有する金属で構成されたので、これらの超伝導コイル11a〜11e及びヒータコイル15a〜15eがクライオスタット12により極低温に冷却された場合に、熱収縮率の相違によって両者(超伝導コイル11a〜11eとヒータコイル15a〜15e)が離反してしまうことを防止できる。このため、超伝導コイル11a〜11eのクエンチ発生時に、ヒータコイル15a〜15eにより超伝導コイル11a〜11を迅速に加熱して強制的クエンチを実施できる。また、ヒータ線23とコイル導体22とが略同等の熱収縮率の金属にて構成されたので、ヒータコイル15a〜15e及び超伝導コイル11a〜11eに熱歪みの発生を抑制できる。
(4) Since the
(5)ヒータコイル15a〜15eを構成するヒータ線23の極低温における抵抗値が、超伝導コイル11a〜11eを構成するコイル導体22の極低温における抵抗値と略同程度に設けられたので、ヒータコイル15a〜15eへの初期電流通電時の電圧を抑制できる。このため、超伝導コイル11a〜11eのクエンチ発生時に、ヒータコイル15a〜15eを速い応答速度で発熱させることができ、超伝導コイル11a〜11eの強制的クエンチを迅速に実施できる。
(5) Since the resistance value at the cryogenic temperature of the
[B]第2の実施の形態(図7)
図7は、本発明に係る超伝導マグネット装置における第2の実施の形態の超伝導コイルを、図3に対応する断面状態で示す半断面図である。この第2の実施の形態において、前記第1の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
[B] Second embodiment (FIG. 7)
FIG. 7 is a half sectional view showing the superconducting coil of the second embodiment in the superconducting magnet device according to the present invention in a sectional state corresponding to FIG. In the second embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified or omitted.
本実施の形態の超伝導マグネット装置が前記実施の形態の超伝導マグネット装置10と異なる点は、超伝導コイル11a〜11eに対するヒータコイル15a〜15eの配置位置である。つまり、本実施の形態のヒータコイル15a〜15eのそれぞれは、超伝導コイル11a〜11eのそれぞれの最外層の外側における全周に亘って、その最外層に近接して配置される。
The superconducting magnet device of the present embodiment is different from the superconducting magnet device 10 of the above embodiment in the arrangement positions of the heater coils 15a to 15e with respect to the
一般に、大型の超伝導コイル11a〜11eでは、半径の大きな超伝導コイル11a〜11eに、自己が発生する一様な磁場中で電流を流すと、比較的大きな電磁力が超伝導コイル11a〜11eの外向きに発生し、超伝導コイル11a〜11eが外側へ引っ張られる。このとき、ヒータコイル15a〜15eのそれぞれが超伝導コイル11a〜11eのそれぞれの最内層の内側に配置されていると、超伝導コイル11a〜11eのそれぞれがヒータコイル15a〜15eのそれぞれから離反して、ヒータコイル15a〜15eによる超伝導コイル11a〜11eの加熱が不充分となってしまう。
Generally, in the large
これに対し、ヒータコイル15a〜15eのそれぞれが超伝導コイル11a〜11eのそれぞれの最外層の外側に配置されることで、上述のように大きな電磁力が作用する場合にも、ヒータコイル15a〜15eのそれぞれと超伝導コイル11a〜11eのそれぞれとの離反が防止され、ヒータコイル15a〜15eのそれぞれによって超伝導コイル11a〜11のそれぞれを均一かつ良好に加熱することが可能になる。
On the other hand, when each of the heater coils 15a to 15e is disposed outside the outermost layer of each of the
従って、本実施の形態においても、前記実施の形態の効果(1)及び(3)〜(5)と同様な効果を奏するほか、次の効果(6)を奏する。 Therefore, in this embodiment, in addition to the effects (1) and (3) to (5) of the above embodiment, the following effect (6) is obtained.
(6)ヒータコイル15a〜15eのそれぞれが超伝導コイル11a〜11eのそれぞれの最外層の外側における外周に沿って、その最外層に近接して配置されたので、超伝導コイル11a〜11eのそれぞれに発生する電磁力によっても、超伝導コイル11a〜11eのそれぞれとヒータコイル15a〜15eのそれぞれとが離反することが防止される。このため、ヒータコイル15a〜15eのそれぞれによって超伝導コイル11a〜11eのそれぞれを均一かつ良好に加熱できるので、この加熱により、超伝導コイル11a〜11eのそれぞれの強制的クエンチを迅速に実施することができる。
(6) Since each of the heater coils 15a to 15e is disposed close to the outermost layer along the outer periphery of the outermost layer of each of the
以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the said embodiment, this invention is not limited to this.
例えば、本実施の形態では、超伝導コイル11a〜11eが複数存在する超伝導マグネット装置10について述べたが、超伝導コイルが単一の場合であっても本発明を適用することができる。この場合には、単一または複数のヒータコイルによって、単一の超伝導コイルのクエンチしていない部分を強制的にクエンチさせることができる。
For example, in the present embodiment, the superconducting magnet device 10 having a plurality of
10 超伝導マグネット装置
11a〜11e 超伝導コイル
12 クライオスタット
15 励磁電源
14 遮断器
15a〜15e ヒータコイル(ヒータ)
16 ダイオード(通電制御手段)
20 クエンチ保護装置
22 コイル導体
23 ヒータ線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10
16 Diode (energization control means)
20
Claims (2)
互いに直列に接続された複数のヒータ及び通電制御手段が前記超伝導コイルに並列に接続されると共に、前記ヒータのそれぞれが、前記クライオスタット内で前記超伝導コイルのそれぞれを加熱可能に配置され、
前記ヒータを構成するヒータ線は、前記超伝導コイルを構成するコイル導体と同等の熱収縮率を有すると共に、極低温における抵抗値が前記コイル導体の極低温における抵抗値と同等になる金属にて構成され、更に直径が前記コイル導体の直径に対し0.5〜2倍の範囲に設定され、
前記超伝導コイルにクエンチが検出されて前記遮断器が開動作され、前記励磁電源から前記超伝導コイルへの給電が遮断されたときに、この遮断と同時に、前記超伝導コイルを流れる電流が前記通電制御手段により前記ヒータの全てへ転流可能に構成されたことを特徴とする超伝導マグネット装置。 A plurality of superconducting coils that generate a magnetic field; a cryostat that houses the superconducting coils and maintains the superconducting state; and an excitation power source that feeds power to the superconducting coils via a circuit breaker to excite the superconducting coils. In the superconducting magnet device configured to have,
A plurality of heaters and energization control means connected in series with each other are connected in parallel to the superconducting coil, and each of the heaters is arranged to be able to heat each of the superconducting coils in the cryostat,
The heater wire constituting the heater is made of a metal having a thermal contraction rate equivalent to that of the coil conductor constituting the superconducting coil and having a resistance value at a cryogenic temperature equivalent to a resistance value at the cryogenic temperature of the coil conductor. Further, the diameter is set in the range of 0.5 to 2 times the diameter of the coil conductor,
When a quench is detected in the superconducting coil, the circuit breaker is opened, and power supply from the excitation power source to the superconducting coil is interrupted, simultaneously with this interruption, the current flowing through the superconducting coil is A superconducting magnet device characterized in that it can be commutated to all of the heaters by means of energization control means.
互いに直列に接続された複数のヒータが前記超伝導コイルに並列に接続されると共に、前記ヒータのそれぞれが、前記クライオスタット内で前記超伝導コイルのそれぞれを加熱可能に配置され、
前記ヒータを構成するヒータ線は、前記超伝導コイルを構成するコイル導体と同等の熱収縮率を有すると共に、極低温における抵抗値が前記コイル導体の極低温における抵抗値と同等になる金属にて構成され、更に直径が前記コイル導体の直径に対し0.5〜2倍の範囲に設定され、
前記超伝導コイルにクエンチが検出されて前記遮断器が開動作され、前記励磁電源から前記超伝導コイルへの給電が遮断されたときに、この遮断と同時に、前記超伝導コイルに流れる電流を前記ヒータの全てへ転流し、このヒータのそれぞれにより前記超伝導コイルのそれぞれを加熱することを特徴とする超伝導マグネット装置のクエンチ保護方法。 A plurality of superconducting coils that generate a magnetic field; a cryostat that houses the superconducting coils and maintains the superconducting state; and an excitation power source that feeds power to the superconducting coils via a circuit breaker to excite the superconducting coils. In a quench protection method of a superconducting magnet device configured to have,
A plurality of heaters connected in series with each other are connected in parallel to the superconducting coil, and each of the heaters is arranged to be able to heat each of the superconducting coils in the cryostat,
The heater wire constituting the heater is made of a metal having a thermal contraction rate equivalent to that of the coil conductor constituting the superconducting coil and having a resistance value at a cryogenic temperature equivalent to a resistance value at the cryogenic temperature of the coil conductor. Further, the diameter is set in the range of 0.5 to 2 times the diameter of the coil conductor,
Wherein said circuit breaker quench the superconducting coil is detected is opening operation, when the power supply from the excitation power supply to the superconducting coil is cut off, the cut-off at the same time, the current flowing through the superconducting coil A quench protection method for a superconducting magnet apparatus, wherein the superconducting coil is commutated to all of the heaters and each of the superconducting coils is heated by each of the heaters.
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