JP6215345B2

JP6215345B2 - 超電導磁石

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Publication number: JP6215345B2
Application number: JP2015547341A
Authority: JP
Inventors: 照久宮副; 武中山; 竜弥安藤; 学青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: US9852831B2; WO2015072001A1; US20160268028A1; JPWO2015072001A1

Description

本発明は、超電導磁石に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１２−２３８６２８号公報（特許文献１）がある。この公報には、「超電導コイルの常伝導転移現象であるクエンチの発生電圧を高精度に検出することの可能な高温超電導磁石を提供し、速やかにクエンチの発生を検出して保護動作を行うことを目的とし、並列導体を構成する導体同士を２箇所以上互いに電気的に接続した並列導体で超電導磁石を巻きまわし、並列導体の電気的に接続された区間内のそれぞれの超電導線材に電圧端子を設置し電位差を見ることによってクエンチ発生を検出する」と記載されている。
また、特開平８−３０４２７１号公報（特許文献２）がある。この公報には、「クエンチ発生の初期段階において、その微小な変化を感知することができると共に、系全体の変化を観察することができるクエンチ発生検出装置及び検出方法を提供することを目的として、超電導線材のクエンチを検出する装置において、超電導線材と超電導線材に巻きついた光ファイバーと、該光ファイバーに偏向光線を入射させる光源と、上記光ファイバーからの偏光を検出する装置とからクエンチを検出する」と記載されている。

特開２０１２−２３８６２８号公報特開平８−３０４２７１号公報

しかしながら、例えば半田付けなどによって電圧端子を区間ごとに設置しようとすると超電導コイルの構成が複雑化する。また、偏向光線によるクエンチ検出をするに当たっては、偏向光線を作り出すために複数の偏光板とミラーを必要とし、計測システムが複雑となる。

そこで本発明の目的は、超電導コイルの常伝導転移に伴う温度上昇の検出を簡単な構造で可能とする超電導磁石を提供することである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「第一の超電導線材を巻きまわして形成される超電導コイルと、前記超電導コイルと熱的に接触し、かつ電気的に絶縁して設置されていて、前記第一の超電導線材よりも超電導転移温度が低い第二の超電導線材と、前記第二の超電導線材の複数箇所に設置された電圧端子と、前記電圧端子に接続された電圧計と、前記電圧計と接続されたスイッチ回路と、を含み、前記スイッチ回路は、前記電圧計の出力を受けて前記超電導コイルへ供給される電流を遮断すること」を特徴とする。

本発明は、簡単な構造で超電導コイルの常伝導転移に伴う温度上昇の検出を可能とする超電導磁石を提供することができる。

本発明の実施例１に関する温度上昇を探知する超電導コイルの構成図である。本発明の実施例１に関する温度上昇を探知する超電導磁石の回路図の例である。本発明の実施例２に関する巻線内部に電圧端子を必要としない温度上昇を探知する超電導コイルの構成図の例である。本発明の実施例２に関する超電導コイルの巻線内部に電圧端子を必要としない温度上昇を探知する超電導磁石の回路図の例である。本発明の実施例３に関する選択した領域の温度上昇を探知する超電導コイルの構成図の例である。超電導磁石の基本構成図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

本実施例の超電導磁石１について、図１及び図６を用いて説明する。

図６は、超電導磁石１の基本構成を示す。図６に示すように超電導磁石の基本構成は、超電導コイル２とクライオスタット３６である。

超電導コイル２は、超電導線材１６を巻枠２６に巻き回すことによって形作られる。超電導線材１６は、その端部が外部電源５６と電流リード４６、４７によって外部電源５６に接続されており、超電導コイル２は、この外部電源５６から電流の供給を受け磁場を発生させることができる。

また、超電導磁石１は、超電導状態を維持するために超電導コイル２を一定温度以下に冷却する必要があり、本実施例においては、クライオスタット３６内の冷媒、例えば液体ヘリウム、に超電導コイル２を侵漬することでこれを低温下に保持している。

なお、冷却方式は液体冷媒に侵漬する方式や、純銅等の熱伝導率が高い金属を利用する伝導冷却方式を利用したものであってもよい。冷媒の冷却や伝導冷却のためには冷凍機（図示せず）が利用され、また外部からの熱侵入を遮断するために超電導コイル２を覆うように遮蔽シールド（図示せず）が設けられてもよい。
超電導コイル２は、先に述べたように電流リード４６ａ、４６ｂを介して外部電源５６と接続している。超電導磁石１を動作させる場合、外部電源５６から超電導コイル２へと通電することとなるが、この際、超電導コイル２および超電導コイル２を構成に含む回路内に何らかの異常があれば電流を遮断する必要がある。

特に、何らかの理由によって超電導コイル２の一部で温度上昇が生じ、この部分が常伝導転移して電気抵抗が発生した結果、連鎖的に超電導コイル２全体が常伝導転移してしまう現象（クエンチ現象）が生じるような場合には、迅速に超電導コイル２への通電を停止させ、かつ超電導コイル２が破損しないように蓄積された磁気的エネルギーを消費させることが望ましい。超電導コイル２の予期しない常伝導転移の要因は、超電導コイル２の劣化や製作誤差、冷凍機の異常や遮蔽シールドの破損など様々である。

超電導磁石１の異常発生時に超電導コイル２への通電を停止し、蓄積された磁気エネルギーを消費させる方法は次のものが考えられる。

例えば、超電導コイル２の一部が常伝導転移したことによって発生した電気抵抗を、その抵抗に係る電圧を電圧端子６６ａ、６６ｂで測定することによって検出する。この電圧の計測は、図６に示すように、電圧端子６６ａ、６６ｂをそれぞれ、超電導コイル２を形成する超電導線材１６の巻き出し部分に設けることによって実施可能である。

そして、電圧の計測結果はスイッチ駆動回路７６に送信され、これを受け取ったスイッチ駆動回路７６がスイッチ８６を開とすることによって、超電導コイル２と外部電源５６の接続は遮断され、超電導コイル２への通電が停止される。また、スイッチ８６が開となることで超電導コイル２と保護回路９６とで閉回路が形成される。この閉回路において、超電導コイル２に蓄積されたエネルギーは保護回路９６が有する保護抵抗の発熱という形で消費され、超電導コイル２自体が発熱することによるエネルギーの解放を抑制することができる。
図１は、本実施例における超電導コイル２の詳細な構成を示す。

本実施例において超電導線材１６は、図１に示すように、第一の超電導線材である線材１１ａ及び第二の超電導線材である線材１１ｂからなり、線材１１ａと線材１１ｂは超電導転移温度が異なる線材により構成される。また、本実施例では、線材１１ａの超電導転移温度が線材１１ｂの超電導転移温度よりも高いものを採用している。

これらの線材１１ａ、１１ｂは、例えば樹脂のような電気絶縁材料３１によって皮膜されており、互いに電気的に絶縁されているが、一方で熱的には接触している。超電導コイル２は、これら線材１１ａ、線材１１ｂ及び電気絶縁材料３１からなる導体４１が巻きまわされることで形成されている。

本実施例の超電導コイル２において、二種類の線材１１ａ、１１ｂのうち、超電導転移温度が高い線材１１ａから作られるコイルは、磁場を発生させることを主目的とする主超電導コイルとして機能する。また、超電導転移温度が低い線材１１ｂから成るコイルは、温度上昇を検出することを主目的とする副超電導コイルとして機能する。外部電源５６は、主超電導コイルと接続し、副超電導コイルについては別途電流源を用意しこれと接続させる構成としてもよい。

線材１１ｂの両端には電圧端子２１ａ、２１ｂが取付けられており、巻線内部、すなわち線材の中間部に一つの電圧端子２１ｃが取付けられている。したがって、線材１１ｂにおいて、電圧端子２１ａと電圧端子２１ｃとの間で常伝導転移が生じた場合は、それらの端子間で電圧が計測され、電圧端子２１ｂと電圧端子２１ｃとの間で常伝導転移が生じた場合にはこれらの端子間で電圧が計測されることとなる。

以下、線材１１ｂからなる副超電導コイルによって主超電導コイルの温度上昇を検知する機能について説明する。

図２は超電導磁石の温度上昇を探知する回路図の例である。

超電導磁石１を動作させている間は、外部電源５６から超電導コイル２へ通電される。ここで何らかの原因により主超電導コイルを構成する線材１１ａにおいて超電導状態から常伝導状態へと転移が生じると、主超電導コイルはその抵抗値がＲ₁>＝０からＲ₁> ０となる。

仮に通電電流をＩ₁とすると、主超電導コイルの常伝導転移した部分では、Ｒ₁Ｉ₁ ²の発熱が生じる。その発熱は最初に常伝導転移した部分以外にも伝達されるため、線材１１ａでは超電導転移温度を超える温度となる領域、すなわち常伝導転移領域が広がっていき、結果として主超電導コイルのＲ₁は経過時間に応じて増加していく。

一方で、線材１１ａの発熱は、線材１１ａと熱的に接触した線材１１ｂにも伝播する。これによって線材１１ｂでも常伝導転移が生じ、線材１１ｂからなる副超電導コイルでも抵抗Ｒ_2aもしくはＲ_2bが発生する。仮に、副超電導コイルに流れる電流がＩ₂であれば、線材１１ｂに生じる発熱量は、Ｒ_2aＩ₂ ²もしくはＲ_2bＩ₂ ²となり、この発熱よって副超電導コイルにおいても常伝導転移領域は広がり、結果として線材１１ｂからなる副超電導コイルの抵抗値（Ｒ_2a、Ｒ_2b）も経過時間に応じて増加する。

この様に超電導コイル２において常伝導転移が発生すると、主超電導コイルと副超電導コイルの両方において常伝導転移領域は広がる。しかし、線材１１ｂは線材１１ａと比べて超電導転移温度が低いため、常伝導転移までの熱容量が小さい。したがって、線材１１ｂの常伝導転移領域の伝播速度は線材１１ａと比較して大きい。

例えば線材１１ｂをニオブチタン線材、線材１１ａをビスマス系銅酸化物超電導線材とした場合、線材１１ｂの常伝導転移領域の伝播速度は線材１１ａの伝播速度である数mm/sの1000倍以上となりうる。

超電導コイルにおける発生電圧の大きさは、常伝導転移領域の広さに依存するため、常伝導転移領域の伝播とともに増加する。そのため、線材１１ｂからなる副超電導コイルでの発生電圧は、常伝導転移までの熱容量が線材１１ｂよりも大きい線材１１ａからなる主超電導コイルでの発生電圧よりも増加速度が大きい。

そこで、本実施例の超電導磁石１では、線材１１ｂからなる副超電導コイルにおける発生電圧を測定し、その電圧の値に応じてスイッチ駆動回路７６を通じてスイッチ８６を開き、外部電源５６と超電導コイル２との接続を遮断する。この外部電源５６と超電導コイル２との接続を遮断して、超電導コイル２または主超電導コイルに対する電流の供給を遮断する仕組みは、スイッチ８６の代わりに遮断器を利用してもよい。上記の理由から、実施例１の超電導磁石１では主超電導コイルの電圧を検知するための電気的接続を必ずしも必要としない。

外部電源５６を遮断後、線材１１ａからなる主超電導コイルに蓄積された磁気エネルギー0.5Ｌ₁Ｉ₁ ²は、保護抵抗Ｒ_sによってＬ₁/Ｒ_sの緩和時間で解放される。

また、線材１１ａと線材１１ｂの超電導転移温度にある程度の差異がある場合、主超電導コイルにて温度上昇は確認されるものの常伝導転移は未だ発生していないような状況であっても、主超電導コイルから伝播した熱に由来する副超電導コイルの常伝導転移を検出することができるため、主超電導コイルにかかる負荷が小さい段階で超電導磁石１を停止することが可能となる。

また、電圧端子２１cの取り付け位置は、巻きまわしによるインダクタンスＬ₂(=Ｌ_2a+Ｌ_2b)をキャンセルするために、図２に示すようにＬ_2a=Ｌ_2bとなる位置としてもよい。具体的には、電圧端子２１a、２１ｂは、線材１１ｂの両端部、例えば巻き出し口の近傍などに設置するため、この電圧端子２１a、２１ｂの間の中点にあたる位置に電圧端子２１ｃを設置するとよいことになる。

このように電圧端子２１ａ、２１ｂ、２１ｃを配置することによって、Ｌ_2aとＬ_2bに発生する電圧の差分を計測することができ、差分が０ならば温度上昇による抵抗は発生しておらず、また、差分が検出されると温度上昇による抵抗が発生しているものとして、線材１１ａの異常を高精度に検知することが可能となる。

また、超電導磁石１が正常稼動しているときに、電圧端子２１ａと電圧端子２１ｂ間に計測される電圧を計測しておき、この基準となる電圧と、リアルタイムに計測される電圧との差分によって、線材１１ａの温度上昇を検知してもよい。この場合、電圧端子２１ｃを設置しなくともよいため、主超電導コイルの温度上昇を検知する仕組みを単純化することができる。

上述のように、本実施例の超電導磁石１は主超電導コイルについて、発生電圧を検出するために、巻き回した超電導線材同士を並列接続することや、あるいは超電導線材を細かく区切って電圧端子対を設ける必要がなく、簡素な構造で発生電圧を検出することができる。

また、線材１１aと線材１１ｂとが熱的に接触しているのであれば、線材１１ａからなる主超電導コイルに電圧端子対を取付けなくともよい。すなわち、線材１１ａに対して半田付けによる熱を与えることがなくなるため、線材１１ａの超電導特性低下を防ぐことができる。

例えば、線材１１ａをビスマス系銅酸化物線材あるいはイットリウム系銅酸化物線材といった、いわゆる高温超電導線材とした際、それらは２００℃以上の半田ごてによる熱が付与されると、超電導特性の低下が生じることがある。しかし、本実施例は、半田による接続部を削減できるため、高温超電導線材を主の線材として利用する超電導コイルを製作する際に、その超電導特性の低下要因を減らす上で特に有効である。

本実施例では、巻線内部に電圧端子を配置する超電導コイルだけでなく両端の電圧端子対だけでも温度上昇の検出ができる超電導コイルの例を説明する。
図３は、実施例２における超電導コイルを示す構成図の例である。

図１の超電導コイル２のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

実施例２は線材１１ａに対して、熱的に接触した２本の第二の超電導線材１３ｂ、１３ｃを巻きまわす。線材１３ｂ、１３ｃはインダクタンスL₂’の等しい２つの副超電導コイルを形成する。副超電導コイルそれぞれの両端に電圧端子２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを設け、その電圧を測定する。

図４は、実施例２における回路図の例を示す。

図４に示すように、線材１３ｂ、１３ｃから成る副超電導コイルには、それぞれに逆向きの電流を流す。このように電流を流すことによってインダクタンスL₂’をキャンセルすることができ、巻線内部の電圧端子が不要となる。電圧端子対２３ａ、２３ｂと電圧端子対２３ｃ、２３ｄのそれぞれによって測定される電圧の値に応じて実施例１と同様、スイッチ駆動回路７６を通じて線材１１ａからなる主超電導コイルの電流を遮断することができる。

実施例１は巻線内部に電圧端子を配置するに際し、インダクタンスL_2a=L_2bとなる位置を同定する作業を必要とするが、実施例２はその同定作業を省くことができ、超電導コイル２の製作にかかる負荷を低減することができる。

なお、線材１３ｂと線材１３ｃを複数用意し、それぞれ同じ本数主超電導コイルに巻きまわしてもよい。このときには、一の方向に電流を流す線材と、一の方向と反対向きに電流を流す線材の本数とが同数となるようにすればよい。

本実施例では、第一の超電導線材に第二の超電導線材を巻き合わせた超電導磁石だけでなく部分的に第二の超電導線材が熱的に接触して温度上昇の探知を行える超電導磁石の例を説明する。
図５は、実施例３における超電導コイルを示す構成図の例である。

図１の超電導コイルのうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

実施例３は巻きまわされた第一の超電導線材１１ａからなる超電導コイルの外周面、すなわち円筒状に形成された超電導コイルの外周面に対して、超電導コイル表面から第二の超電導線材３５を接触させる。線材３５の両端に電圧端子２５ａ、２５ｂを設け、電圧を測定し、その測定電圧に応じて実施例１または２と同様、第一の線材１１ａからなる超電導コイルの電流を遮断する。線材３５を短尺にするため、実施例１または２と異なり、第二の線材によるインダクタンスが小さく、インダクタンスをキャンセルする回路を形成する必要がない。

また、線材３５は線材１１ａからなるコイルに対して次のように設置してもよい。まず線材３５は、線材１１ａに対してできるだけ平行となるように配置する。線材３５ａに流す電流の向き６５は、線材１１ａに流す電流の向きと同じ方向とする。このように線材３５を配置し電流の向きを制御すると、線材１１ａからなる超電導コイルから発生する磁場の向き５５によって、線材３５には電磁力の向き４５がはたらく。結果、線材３５は、線材１１ａに押し付けられる力がはたらき、第一、第二の超電導線材１１ａ、３５間の接触熱抵抗を小さくでき、温度上昇の検出精度を高めることができる。

なお、線材３５及びその両端に接続された電圧端子２５ａ、２５ｂを含む発生電圧の検出構造を、線材１１ａからなる超電導コイルの複数の箇所に設けてもよい。複数箇所に設けることによって、線材１１ａからなる超電導コイルの温度上昇をより高精度に検出することができる。

１超電導磁石
２超電導コイル
１１ａ、１６第一の超電導線材
１１ｂ、１３ｂ、１３ｃ、３５第二の超電導線材
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２５ａ、２５ｂ、６６ａ、６６ｂ電圧端子
３１電気絶縁材料
４１並列導体
４５電磁力の向き
５５第一の超電導線材から成る主超電導コイルの発生する磁場の向き
６５第二の超電導線材の電流の向き
２６巻枠
３６クライオスタット
４６ａ、４６ｂ電流リード
５６外部電源
７６スイッチ駆動回路
８６スイッチ
９６保護回路

Claims

第一の超電導線材を巻きまわして形成される超電導コイルと、
前記超電導コイルと熱的に接触し、かつ電気的に絶縁して設置されていて、前記第一の超電導線材よりも超電導転移温度が低い第二の超電導線材と、
前記第二の超電導線材の複数箇所に設置された電圧端子と、
前記電圧端子に接続された電圧計と、
前記電圧計と接続されたスイッチ回路と、を含み、
前記スイッチ回路は、前記電圧計の出力を受けて前記超電導コイルへ供給される電流を遮断し、
前記第二の超電導線材は、前記超電導コイルの外周面の周長よりも短い部材であって、前記超電導コイルの外周面に配置され、
前記第二の超電導線材の両端に前記電圧端子が接続され、
前記第二の超電導線材は、前記超電導コイルから発生する電磁力によって、前記超電導コイルに向かって引き寄せられる力が働く方向に電流が流されることを特徴とする超電導磁石。
請求項１に記載の超電導磁石であって、
前記第二の超電導線材は、前記第一の超電導線材と共に巻き回されることを特徴とする超電導磁石。
請求項１に記載の超電導磁石であって、
偶数本の第二の超電導線材が、第一の超電導線材と共に巻き回され、
一の方向に電流が流れる前記第二の超電導線材の本数と、前記一の方向と異なる方向に電流が流れる前記第二の超電導線材の本数とが同数であることを特徴とする超電導磁石。
請求項１に記載の超電導磁石であって、
前記第二の超電導線材の両端部に対する中点に、さらに電圧端子が設置され、
前記電圧計は、前記第二の超電導線材の一端と中点とに設けられた電圧端子と接続される第一の電圧計と、前記第二の超電導線材の他端と中点とに設けられた電圧端子と接続される第二の電圧計と、を含むことを特徴とする超電導磁石。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された超電導磁石であって、
前記第一の超電導線材と、前記第二の超電導線材とは、それぞれで独立した電流源と接続されることを特徴とする超電導磁石。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された超電導磁石であって、
前記スイッチ回路は、前記第一の超電導線材に供給される電流を遮断する遮断器を持つことを特徴とする超電導磁石。
請求項１から請求項６に記載された超電導磁石であって、
前記第二の超電導線材に通電し、前記第二の超電導線材の常伝導転移により超電導磁石の発熱を探知することを特徴とする超電導磁石。