JP5645713B2 - 超電導コイル装置、及び超電導コイルの常電導転移の検出方法 - Google Patents
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電圧測定による検出法ではなく、電磁的にノイズに強い常電導転移検出法として、温度に依存して内部の光学的伝播状態が変化する光ファイバを使用した手法が提案されている(特許文献1、非特許文献1参照)。また、超電導線に沿って光ファイバを配置し、これらの超電導線と光ファイバを共巻きしてコイルとし、光ファイバからのブルリアン散乱光に基づいて超電導線の温度分布を測定する技術も提案されている(特許文献2参照)。
本発明によれば、FBG方式の光ファイバが冷却板の収納溝に収納されていることにより、超電導転移発生時に導電性の冷却板に渦電流が発生することに起因する冷却板の発熱および熱膨張を、FBG方式の光ファイバを用いて歪の発生又は熱の発生として検知し、超電導コイルの常電導転移(クエンチ)の発生を良好な精度および応答性で検出することができる超電導コイル装置を提供できる。
常電導転移発生時に冷却板に渦電流が流れてジュール発熱し、冷却板の温度が上昇し、熱膨張が発生する。前記構成の場合、冷却板の熱膨張に伴い光ファイバに歪が負荷されるように固定されることにより、冷却板の熱膨張に伴い光ファイバに形成されたグレーティング(格子)間隔が良好な応答性で変化するため、FBG方式の光ファイバからの反射光の波長変化を検出することによって、より良好な精度および応答性で常電導転移を検出することができる。
この場合、冷却板の内周から外周まで様々な場所にFBG方式の光ファイバが配置されるので、常電導転移発生時に導電性の冷却板に発生する渦電流に伴う発熱および熱膨張をより効果的に検出することができ、常電導転移の検出の精度および応答性をより向上させることができる。
この構成の場合、常電導転移発生時の冷却板の熱膨張に伴い光ファイバに形成されたグレーティング(格子)間隔が良好な応答性で変化するため、FBG方式の光ファイバからの反射光の波長変化を検出することによって、より良好な精度および応答性で常電導転移を検出することができる。
本発明の超電導コイルの常電導転移の検出方法において、前記コイルの周方向に沿って渦巻状に形成された前記収納溝に、前記光ファイバを収納してなる冷却板を用いることもできる。
この場合、冷却板の内周から外周まで様々な場所にFBG方式の光ファイバが配置するので、常電導転移発生時に導電性の冷却板に発生する渦電流に伴う発熱および熱膨張をより効果的に検出することができ、常電導転移の検出の精度および応答性をより向上させることができる。
図1は本発明の超電導コイル装置の一例構造を示す概略模式図であり、図2は図1に示す超電導コイル装置が備える超電導コイルの一例構造を示す概略斜視図であり、図3は図2に示す超電導コイルの分解斜視図である。
図4に示す高温超電導線材1は、長尺テープ状の基材2上に、中間層3、超電導層4及び安定化層4がこの順に積層されてなる。
基材2の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、10〜500μmであることが好ましく、20〜200μmであることがより好ましい。下限値以上とすることで強度が一層向上し、上限値以下とすることで臨界電流密度を一層向上させることができる。
中間層3は、単層でも良いし、複数層でも良い。例えば、前記金属酸化物からなる層(金属酸化物層)は、結晶配向性を有していることが好ましく、複数層である場合には、最外層(最も超電導層4に近い層)が少なくとも結晶配向性を有していることが好ましい。
このように基材2とベッド層との間に拡散防止層を介在させることにより、中間層3を構成する他の層や超電導層4等を形成する際に、必然的に加熱されたり、熱処理される結果として熱履歴を受ける場合に、基材2の構成元素の一部がベッド層を介して超電導層4側に拡散することを効果的に抑制することができる。基材2とベッド層との間に拡散防止層を介在させる場合の例としては、拡散防止層としてAl2O3、ベッド層としてY2O3を用いる組み合わせを例示することができる。
キャップ層の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、Zr2O3、Ho2O3、Nd2O3等が例示できる。キャップ層の材質がCeO2である場合、キャップ層は、Ceの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたCe−M−O系酸化物を含んでいても良い。
キャップ層は、PLD法(パルスレーザ蒸着法)、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でPLD法を用いることが好ましい。
中間層3が、前記金属酸化物層の上にキャップ層が積層された複数層構造である場合には、キャップ層の厚さは、通常は、0.1〜1.5μmである。
超電導層4は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法等の物理的蒸着法、化学気相成長法(CVD法)、塗布熱分解法(MOD法)等で積層でき、なかでもレーザ蒸着法が好ましい。
超電導層4の厚みは、0.5〜5μm程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
安定化層5は、導電性が良好な金属からなるものが好ましく、具体的には、銀、銀合金、銅又は銅合金などからなるものが例示できる。安定化層5は1層構造でも良いし、2層以上の積層構造であってもよい。
安定化層5は、公知の方法で積層できるが、銀層をメッキやスパッタ法で形成し、その上に銅テープなどを貼り合わせるなどの方法を採用できる。安定化層5の厚さは、3〜300μmの範囲とすることができる。
絶縁層は、通常使用される各種樹脂等、公知の材質からなるものである。前記樹脂として具体的には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、ケイ素樹脂、シリコン樹脂、アルキッド樹脂、ビニル樹脂等が例示できる。絶縁層による被覆の厚さは特に限定されず、被覆対象部位等に応じて、適宜調節すれば良い。絶縁層は、その材質に応じて公知の方法で形成すれば良く、例えば、原料を塗布して、これを硬化させれば良い。また、シート状のものが入手できる場合には、これを使用して被覆しても良い。
図5は超電導コイル10が備える冷却板12の一例構造を示す平面模式図であり、図6は図5に示す冷却板12のA−A’線に沿う部分断面模式図である。
導電性の冷却板12および接続部12aは良熱伝導性の金属材料より形成されている。冷却板12および接続部12aを構成する金属材料は特に制限されず、適宜変更可能であるが、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、黄銅、リン青銅などの銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金などが挙げられる。
光ファイバ15に形成されたグレーティング(回折格子)の周期(間隔)及び1つのグレーティングの長さは、光ファイバ15の材質や入射光の波長および反射光の波長(ブラッグ波長)などにより適宜調整すればよい。一例として、グレーディング部の間隔は数mm〜数十mmとすることができ、グレーティング部の長さは5〜10mmとすることができる。
収納溝13の深さは、光ファイバ15の径に合わせて適宜調整可能であり、光ファイバ15の径をdとし、収納溝13の深さをLとした場合、d≦Lであることが好ましい。光ファイバ15の一部が、冷却板12の上面よりも突出する構造とすることも可能であるが、前記のようにd≦Lとし、冷却板12の内部に光ファイバ15が配されている構造とする方が、光ファイバ15と冷却板12の接触面積を増加できるので、クエンチ検知の精度を向上できる。また、冷却板12とダブルパンケーキコイル11を隙間無く接触させて超電導コイル10の冷却効率を向上でき、且つ、超電導コイル10を小型化できる。
光ファイバ15はその長さ方向全体が接着層15により固定されていてもよいが、冷却板12の熱膨張又は熱収縮に応じて光ファイバ15に歪が負荷されるのに充分な程度に固定されるならば、光ファイバ15の長さ方向に沿って数箇所、部分的に接着層16により固定されていてもよい。また、光ファイバ15に張力を加えた状態で収納溝13に光ファイバ15を収納してもよい。
収納溝13への光ファイバ15の設置方法は、収納溝13の幅を光ファイバ15の径とほぼ同等、或いは僅かに大きく設定して、光ファイバ15を収納溝13に収納して接着剤により接着層16を形成して固定すればよい。
なお、光ファイバ15は接着層16により固定されている例に限定されず、冷却板12の伸縮(熱膨張又は熱収縮)により光ファイバ15に歪が負荷されるように冷却板12に固定されていればよく、収納溝13にはめ込まれている構成でもよい。
本実施形態の超電導コイル装置20の超電導コイル10において、FBGを形成した光ファイバ15は冷却板12に固定されており、冷却板12を構成する銅などの金属材料の線膨張係数が大きいため、温度上昇により大きな熱膨張(線膨張)が発生する。つまり、冷却板12の温度上昇時には、冷却板12の熱膨張(線膨張)によりFBGの格子間隔が伸び、グレーティング(格子)からの反射波長(ブラッグ波長)が長波長側にシフトする。
このような渦電流が冷却板12に流れることにより、電流値と抵抗値に応じたジュール熱が発生し、冷却板12が発熱する。そして、この発熱により、冷却板12の熱膨張(線膨張)が起こる。
さらに、本発明の超電導コイル装置20は、冷却板12にコイルの周方向に沿って渦巻状に形成された収納溝13に、光ファイバ15が収納されている構成とすることにより、冷却板12の内周から外周まで様々な場所にFBG方式の光ファイバ15が配置されるので、常電導転移発生時に導電性の冷却板12に発生する渦電流に伴う発熱および熱膨張をより効果的に検出することができ、常電導転移の検出の精度および応答性をより向上させることができる。また、光ファイバ15が冷却板12に渦巻状に配置されていることにより、冷却板12がどの方向に熱膨張(線膨張)しても光ファイバ15に歪が負荷されるため、冷却板12の熱膨張を良好な精度および応答性で検知でき、常電導転移をより良好な精度および応答性で検出できる。
本実施形態においては、上記した図1に示す超電導コイル装置20を用いて超電導コイルの常電導転移を検出する。
まず、事前に、超電導コイル10の冷却板12にFBG方式の光ファイバ15を、冷却板の熱膨張又は熱収縮により光ファイバ15に歪が負荷されるように固定(例えば、接着固定)して、温度を変化させて、冷却板12の温度および熱膨張(線膨張)と光ファイバ15からの反射光の波長変化(ブラッグ波長変化)を測定し、反射光の波長変化の温度依存性の関係式を求めておく。
続いて、検出器22を作動させて、超電導コイル10の冷却板12に収納された光ファイバ15への測定光の入射および光ファイバからの反射光の受光を開始する。
次いで、超電導コイル10を臨界温度以下の一定温度に保持した状態で、電源25より超電導コイル10に通電し、定常運転を行う。
この状態で、万が一超電導コイル20において常電導転移(クエンチ)が発生すると、上述の如く、常電導転移発生に伴い冷却板12において渦電流の発生および発熱が起こり、、冷却板12の発熱による熱膨張(線膨張)によりFBGの格子間隔が伸び、光ファイバ15のグレーティングからの反射波長(ブラッグ波長)が長波長側にシフトし、この波長変化が検出部22で観測される。
この反射光の波長変化を検出することにより、冷却板12の熱膨張(線膨張)、すなわち、冷却板12の温度上昇と超電導コイル10の超電導転移(クエンチ)を検出することができる。
なお、この際、事前に求めた反射光の波長変化の温度依存性の関係式を用いて、検出部22で検出された光ファイバ15の反射光の波長変化に基づいて、冷却板12の温度変化を算出することもできる。
図6においては、収納溝13の断面形状が四角形の場合を例示しているが、本実施形態はこの例に限定されるものではない。例えば、光ファイバ15の断面形状に合わせて、収納溝13底部の形状を円弧状等に形成することにより、光ファイバ15と冷却板12との接触面積を増やしてクエンチ検知の精度を向上させることができる。
図7に示す超電導コイル10Bは、ダブルパンケーキコイル11が4個積層され、ダブルパンケーキコイル11、11間に冷却板12が配置されている。冷却板12の一方の面には収納溝が形成され、光ファイバが収納されている。
本発明の超電導コイル装置が備える超電導コイルは、この例の如く4個のダブルパンケーキコイルから構成されていてもよく、1〜2個のダブルパンケーキコイルから構成されていてもよく、5個以上のダブルパンケーキコイルから構成されていてもよい。また、ダブルパンケーキコイルから形成されるのではなく、パンケーキコイルが複数個積層され、各パンケーキコイル間に冷却板が配置されていてもよい。
また、本発明において、光ファイバは全ての冷却板に収納されていてもよく、されていなくてもよい。少なくとも1つの冷却板に光ファイバが収納されていれば、超電導コイル10の常電導転移を検知することができる。その場合、超電導コイル10の冷却板12のうち、どの冷却板12に光ファイバ15を収納するかは、超電導コイル10の超電導特性に合わせて適宜調整可能である。
また、上記実施形態では複数のダブルパンケーキ11の間にのみ冷却板12が配置された例を示したが、本発明はこの例に限定されない。最上段のダブルパンケーキコイル11の上および/または最下段のダブルパンケーキコイル11の下に、冷却板12(及び光ファイバ15)を設置してもよい。
さらに、上記実施形態では光ファイバは冷却板の一方の面に形成された収納溝に収納される例を示したが、本発明はこの例に限定されない。冷却板12の両面に収納溝を形成して、この溝に光ファイバを収納し、冷却板の両面に光ファイバを配置しても良い。
さらにまた、冷却板に生じる渦電流が大きくなり過ぎて冷却板の発熱が大きくなりすぎることを防ぐ目的で、冷却板にその円周方向あるいは径方向に沿う冷却用の溝を形成してもよい。
幅5mm、厚さ0.1mmのテープ状のハステロイ(米国ヘインズ社製商品名)製の基材上に、イオンビームアシストスパッタ法(IBAD法)により1.2μm厚のGd2Zr2O7(GZO;中間層)を形成した上に、パルスレーザー蒸着法(PLD法)により1.0μm厚のCeO2(キャップ層)を成膜した。次いでCeO2層上にPLD法により1.0μm厚のGdBa2Cu3O7(超電導層)を形成し、さらに超電導層上にスパッタ法により10μmの銀層(金属安定化基層)を形成した。その後、0.1mm厚の銅層(金属安定化層)を半田により銀層上に積層して高温超電導線材を作製した。得られた高温超電導線材の周囲に、厚さ12.5μmのポリイミドテープを2枚重ねた状態で、巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻きつけた。ポリイミドテープを巻回させた後の高温超電導線材の厚さは約0.25mmであった。
次いで、得られたポリイミドテープ付きの高温超電導線材を、内径70mmとして同心円状に35回巻回させてパンケーキコイルを作製した。次に、同様の手順で5個のパンケーキコイル作製し、2個つづ同軸的に積層させて3個のダブルパンケーキコイルを作製した。
続いて、作製した3個のダブルパンケーキコイルと2枚の光ファイバ付き冷却板を図2に示すように同軸的に積層させて、高さ35mm、総ターン数210ターン(35ターン×6)の超電導コイルを作製した。
実施例1と同様にして高温超電導線材を作製し、この高温超電導線材の金属安定化層の上に外径180μmのFBG方式の被覆付き光ファイバを配置した。そして、光ファイバが一体化された高温超電導線材の周囲に厚さ12.5μmのポリイミドテープを2枚重ねた状態で、巻回テープの幅方向端部同士が重ならずに隙間無く接するように巻きつけた。ポリイミドテープを巻回させた後の高温超電導線材の厚さは約0.3mmであった。
これに対し、比較例1は、高温超電導線材の上面に光ファイバが設けられているため、該超電導線材を巻回させた超電導コイルでは、その径方向に隣接する各高温超電導線材間に光ファイバが存在するので、各高温超電導線材間の距離が大きくなっていた。そのため、比較例の超電導コイル外径は大きくなり、使用線材長も長くなっていた。また、各高温超電導線材間の距離が大きくなるので、コイルの電流密度も低下し、中心磁界が弱くなっていた。
図8に示す試験装置を使用してFBG方式の光ファイバを用いた場合の超電導転移の検知感度について検討を行った。
図8(a)は本検討例で用いた試験装置の概略構成図であり、図8(b)は同試験装置における光ファイバのFBGとヒータとの位置関係を示す概略模式図である。図8(a)および図8(b)において、図1に示す超電導コイル装置20と同一の構成要素には同一の符号を付した。
図8に示す試験装置40は、超電導コイル10の代わりに、冷凍機28に接続された真鍮製巻胴45に高温超電導線材1が巻き付けられ、この高温超電導線材1にヒータ43とFBG方式の光ファイバ41が接着固定されている点で、図1に示す超電導コイル装置20とは異なっている。
また、銅などの金属の熱膨張(線膨張)をFBG方式の光ファイバにより検知する場合、金属層の厚さが厚いほど検知感度が向上する。そのため、本検討例の結果より厚さ0.1mmの銅層の温度変化も検知できることが明らかであることより、厚さ0.1mm以上の冷却板にFBG方式の光ファイバを埋め込む構成の本発明によれば、冷却板の温度変化、すなわち、常電導転移の検知をより高精度に行うことができると考えられる。
実施例1と同様の手法および層構成で3個のダブルパンケーキコイルを作製した。次に、作製した3個のダブルパンケーキコイルを同軸的に積層させてコイル体とし、このコイル体の積層方向の上下端に、厚さ1mmの無酸素銅製の平板状冷却板を該コイル体を上下方向から挟み込むように設置した。次いで、コイル体上端に設置した冷却板上に、FBGが1箇所書き込まれたFBG方式の光ファイバをポリイミド接着剤により固定して超電導コイルを作製した。
図10に示すように、1K程度の温度変化が、良好な応答精度で測定されていた。この結果より、FBG方式の光ファイバは、このような急激な磁場変化により発生する渦電流に起因する温度変化を精度良く検知できることが確認された。
Claims (6)
- 高温超電導線材を巻回した複数のコイルと、導電性の冷却板と、FBG(ファイバブラッググレーティング)方式の光ファイバとを備え、
前記複数のコイルが同軸的に積層され、これら複数のコイルの積層方向に少なくとも1つのコイルに接するように前記冷却板が配置され、前記冷却板に前記コイルの周方向に沿って形成された収納溝に前記光ファイバが収納されてなることを特徴とする超電導コイル装置。 - 前記冷却板の熱膨張又は熱収縮により前記光ファイバに歪が負荷されるように、前記光ファイバが前記収納溝に固定されてなることを特徴とする請求項1に記載の超電導コイル装置。
- 前記冷却板に前記コイルの周方向に沿って渦巻状に形成された前記収納溝に、前記光ファイバが収納されてなることを特徴とする請求項1または2に記載の超電導コイル装置。
- 高温超電導線材を巻回した複数のコイルを同軸的に積層させてなる超電導コイルの常電導転移の検出方法であって、
前記コイルの周方向に沿う収納溝が形成され、この収納溝にFBG(ファイバブラッググレーティング)方式の光ファイバが収納された導電性の冷却板を前記複数のコイルの積層方向に少なくとも1つのコイルに接するように配置し、
前記冷却板の熱膨張又は熱収縮に伴う前記FBG方式の光ファイバからの反射光の波長変化に基づいて、前記超電導コイルにおける常電導転移の発生に伴う前記冷却板の温度変化を検出することを特徴とする超電導コイルの常電導転移の検出方法。 - 前記冷却板の熱膨張又は熱収縮により前記光ファイバに歪が負荷されるように、前記光ファイバを前記収納溝に固定してなる冷却板を用いることを特徴とする請求項4に記載の超電導コイルの常電導転移の検出方法。
- 前記コイルの周方向に沿って渦巻状に形成された前記収納溝に、前記光ファイバを収納してなる冷却板を用いることを特徴とする請求項4または5に記載の超電導コイルの常電導転移の検出方法。
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