JP6546782B2

JP6546782B2 - 交流損失測定装置

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Publication number: JP6546782B2
Application number: JP2015101492A
Authority: JP
Inventors: 達彦川上; 川村　武; 武川村; 学青木; 幸信今村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2035-05-19
Also published as: US9817051B2; US20160341778A1; JP2016217818A

Description

本発明は、超電導体の交流損失を測定する装置に関する。

超電導体の交流損失の計測方法は、交流磁場印加時における超電導体の温度上昇を測定する測温法、または冷媒の蒸発量を測定する蒸発法がある。測温法は蒸発法に比べ測定精度が高く、加熱出力を印加もしくは遮断した際の温度変化の時定数が短いという利点がある（例えば、特開平7-27725号）。この文献の例では、被検体は真空中に置かれ、かつ熱抵抗を介して液体ヘリウム容器と接触するように配置される。

特開平7-27725

しかし、特開平7-27725の方法では、被検体は液体ヘリウムによって冷却されるため、被検体の温度は4Kに固定される。したがって、高温超電導体を使用した超電導機器について、４K以外の任意の温度下における交流損失を測定することができない。

前記課題を解決するために、本発明は様々な実施形態を含むが、その一例は「被検体を設置するホルダと、前記ホルダに設置される前記被検体に磁場を印加する磁場印加コイルと、前記ホルダを支持する第２冷却部材と、前記第２冷却部材よりも高い温度に冷却される第１冷却部材と、前記ホルダと前記第２冷却部材との互いに接触するように配置される柱状部材と、前記ホルダ、前記磁場印加コイル、前記第１冷却部材、前記第２冷却部材および前記柱状部材を単一空間に格納するように形成される輻射シールドと、前記輻射シールドが格納される真空容器と、前記第２冷却部材に取り付けられる第２冷却手段と、前記第１冷却部材および前記輻射シールドに取り付けられる第１冷却手段と、前記柱状部材の表面であって、かつ前記ホルダと前記第２冷却部材とを結ぶ軸上において、前記第２冷却部材よりも前記ホルダの近くに設けられた第１温度測定手段と、前記柱状部材の表面であって、かつ前記ホルダと前記第２冷却部材とを結ぶ軸上において、前記ホルダよりも前記第２冷却部材の近くに設けられた第２温度測定手段と、前記第１温度測定手段および前記第２温度測定手段に接続される計測装置と、を備える交流損失測定装置」が挙げられる。

本発明によれば、高温超電導体を使用した超電導機器について、４K以外の任意の温度下における交流損失を測定することができる。

本発明の実施例１に係る超電導体の交流損失測定装置の全体概略図である。本発明の実施例２に係る超電導体の交流損失測定装置の全体概略図である。本発明の実施例３に係る超電導体の交流損失測定装置の全体概略図である。本発明の実施例４に係る超電導体の交流損失測定装置の全体概略図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

超電導体は高磁界発生手段として種々の分野で利用される。例えば磁気共鳴イメージング(MRI)装置等に実用される超電導コイルは、液体ヘリウムの蒸発温度である４Ｋの極低温で超電導状態を維持する材料が選択される。代表例はNbTiやNb3Sn等の金属超電導体であって、このような材料を使用した超電導線が主に使用される。一方、これらの金属超電導体よりも臨界温度の高いMgB2や酸化物超電導体（以下、高温超電導体と表記）を使用することもある。高温超電導体を使った超電導コイルは、４Ｋ以上の温度であっても超電導状態を維持できる。そのため、液体ヘリウムを使用せずとも、伝導冷却方式によって超電導状態を維持することが可能である。

伝導冷却方式は、液体ヘリウムを使用する浸漬冷却方式に対して、希少資源であるヘリウムの使用量が極めて少なく、運転コストが低い利点がある。また、冷凍機を用いた伝導冷却方式は、冷凍機の出力を調整することによって、超電導コイルの運転温度を調整し、運転温度を任意に設計できる。

ここで超電導体、特に高温超電導体を交流機器に適用するに当たっては、超電導体に交流の電流あるいは磁場が作用する際に生じる発熱（交流損失）の評価が重要である。例えば、MRI装置向けの超電導コイルでは、撮像を行う際に例えば数十から数千ヘルツのパルス状の傾斜磁場が超電導コイルに作用する。このパルス状の傾斜磁場によって交流損失が発生し、交流損失によって超電導体が昇温し臨界温度を超えると、クエンチ（コイル全体が常電導転移し、磁場が消失すること）が起こる。クエンチが発生すると超電導コイルを臨界温度以下への冷却し、その上で励磁をやり直すまではＭＲＩ装置を使用できなくなる。

このようなクエンチが発生する可能性を抑制するためには、交流損失を含めた全ての発熱量を冷凍機器の冷凍能力以下としてクエンチを起こさない設計とすることが重要であり、交流損失の評価が必要である。なお、超電導体の交流損失は温度に依存して変化することが知られているため、先に挙げたMRI装置に高温超電導体を利用するのであれば、運転温度の範囲を例えば15Kから30Kとして、この温度範囲における交流損失の評価が必要である。

図１に、本発明の実施例１に係る超電導体の交流損失測定装置の全体概略図を示す。なお、本発明は超電導体以外の物質に関して交流損失を測定してもよい。

本装置は、超電導体の被検体１と、被検体１を収容し輻射シールド３を格納する真空容器２と、真空容器２から被検体１への輻射熱を遮蔽するための輻射シールド３と、被検体１に交流磁場を印加するための磁場印加コイル４と、第１冷却手段５と第２冷却手段６と、被検体１の設置台１４およびコイルボビン７と接触するように配置された柱状部材である高熱抵抗部材１７と、高熱抵抗部材１７に設置された少なくとも２箇所の温度測定手段１８によって構成される。なお、温度測定手段１８は、図示しない計測装置に接続され、出力された信号に基づき種々の計算が実行される。

磁場印加コイル４および輻射シールド３は第１冷却部材である設置台１１から、被検体１は第２冷却部材である設置台１４から冷却される。第１、第２冷却部材はそれぞれ第１冷却手段５、第２冷却手段６によって冷却される。例えば、第１冷却手段５、第２冷却手段６は、２段式GM冷凍機の１段冷却ステージ、２段冷却ステージである。第１冷却手段５、第２冷却手段６には、電気抵抗の大きい例えばマンガニン線やニクロム線等を使ったヒーター（温度調整装置）が設置され、出力を変化させることで第１冷却手段５、第２冷却手段６の温度を任意に調整できる。なお、計測環境が定まっている場合は、このような温度調整装置を取り付けずに、第１冷却部材と第２冷却部材が所定の温度となるように第１冷却手段５および第２冷却手段６を設計してもよい。

被検体１は例えば、NbTiやNb3Sn等の金属超電導体、MgB2、酸化物超電導体等の高温超電導体を使った超電導線材をコイルボビン７に巻線した超電導コイルである。被検体１を設置するためのホルダが、本実施例ではコイルボビン７である。コイルボビン７は、交流磁場印加時に渦電流損失が生じるのを回避するため、ガラス繊維強化樹脂（FRP）等の電気抵抗率の大きい物質を使うことが望ましい。なお、コイルボビン７の形状は円形状に限らず、例えばレーストラック形状や鞍型形状をしていてもよい。また、被検体１は超電導ケーブルやバルク超電導体でもよい。またホルダはボビン形状に限ることなく、被検体１の形状に応じて決定してよい。例えば超電導バルクなどの塊状の被検体について測定する場合は、皿状のホルダでもよい。

また図１に示すように被検体１は、第２冷却部である設置台１４から柱状部材である高熱抵抗部材１７Ｃを経由し、さらにコイルボビン７を介して第２冷却手段６から冷却される。

真空容器２の中は、断熱のため真空状態に保たれる。輻射シールド３は、放射率の小さい材質（例えばアルミ）を選択すべきであって、荷重支持体８を介して真空容器２から支持される。また、輻射シールド３は、コイルボビン７、磁場印加コイル４、設置台１１、設置台１４および高熱抵抗部材１７を単一空間に格納するように形成される。

荷重支持体８は真空容器２からの伝熱量を小さくするため、低温における熱伝導率の小さいFRP等を使って構成する。輻射シールド３は低温における熱伝導率の大きい銅を加工した可とう導体１３ｂによって第１冷却手段５に接続される。可とう導体１３ｂの代わりに、銅の伝熱板を使用してもよい。

磁場印加コイル４は、コイルボビン９に銅の導線が巻線された構成である。巻線は巻崩れの防止と、巻線間の熱伝導率を大きくするため、樹脂含浸もしくは低温における熱伝導率の大きい接着剤で接着されることが望ましい。コイルボビン９は、交流磁場印可時に生じる渦電流により磁場が打ち消されないよう、電気抵抗率が大きいFRPやベークライトを使って製作することが望ましい。

磁場印加コイル４は、荷重支持体１０によって設置台１１から支持される。設置台１１は荷重支持体８、１２によって、真空容器２から支持される。設置台１１は、低温における熱伝導率の大きい銅を加工して製作した可とう導体１３ａによって、第１冷却手段５に接続される。磁場印可コイル４の導線は電流リード線を介して真空容器２の外にある交流電源に配線される。コイルボビン９から被検体１への輻射熱を抑制するためには、磁場印可コイル４及びコイルボビン９は冷却されることが好ましく、荷重支持体１０は低温における熱伝導率の大きい銅やアルミを使うことが望ましい。コイルボビン９から被検体１に向かう輻射熱を抑制することで、交流損失による発熱を測定する際のノイズを低減し、測定精度を向上できる。

さらに、測定時の電流印加に伴い生じるジュール発熱を除熱するため、磁場印加コイル４の巻線部に銅の伝熱板を取り付け、可とう導体等によって伝熱板と第１冷却手段５を接続することが望ましい。なお、ＧＭ冷凍機を用いた場合の第１冷却手段５の温度は約３０Kから８０Kであり、銅酸化物超電導体の臨界温度よりも低いことから、磁場印加コイル４は超電導体としてもよい。これにより、銅の導線に比べ大きな電流を印加できるので、振幅の大きな交流磁場による交流損失を測定できる利点がある。

本実施例のように被検体１より直径の大きい磁場印可コイル４を被検体１と同軸に配置する場合、磁場印可コイル４は被検体１に対して軸方向に長いソレノイド形状をしていることが好ましい。これにより、磁場印可コイル４から被検体１に印加される磁場の空間分布が均一に近づくため、精度良く測定できる。

なお、磁場印可コイル４の形状、配置に制限はなく、例えば、被検体１よりも小さなコイルとして、被検体１の一部に局所的に磁場を印加するような構成としてもよい。

本実施例は被検体１と第２冷却手段６との間に高熱抵抗部材１７が設置され、高熱抵抗部材１７に少なくとも２箇所の温度測定手段１８が設置されることを特徴としている。より詳細には、図１に示すように、第１の温度測定手段１８ａが、高熱抵抗部材１７の表面であって、かつコイルボビン７と設置台１４とを結ぶ軸上において、設置台１４よりもコイルボビン７の近くに設けられ、第２の温度独低手段１８ｂが、高熱抵抗部材１７の表面であって、かつコイルボビン７と設置台１４とを結ぶ軸上において、コイルボビン７よりも設置台１４の近くに設けられる。なお、第１、第２という呼び方は便宜的なものであって、冷却手段からの距離が異なる位置に温度測定手段を設けておけばよい。

以下、本実施例の交流測定装置の測定原理と高熱抵抗部材１７の望ましい構成と装置の測定原理について説明する。

被検体１は高熱抵抗部材１７を介して、低温における熱伝導率の大きい銅を使った冷却板１４に接続される。冷却板１４は熱伝導率の大きい銅を使った可とう導体１５によって第２冷却手段６に接続される。冷却板１４は、荷重支持体１６によって設置台１１から支持される。荷重支持体１６は設置台１１からの伝熱量を小さくするため、低温における熱伝導率の小さいFRP等を採用するとよい。

本装置を用いた測定では、磁場印可コイル４より交流磁場を印加し、高熱抵抗部材１７に配置された少なくとも２つの温度測定手段１８の温度を測定する。温度測定手段１８は高熱抵抗部材１７の表面であって、被検体１に近い（高温側）の第１の温度測定手段１８ａと第２冷却手段に近い（低温側）の第２の温度測定手段１８bに配置される。交流磁場により被検体１に生じる交流損失はコイルボビン１と高熱抵抗部材１７と冷却板１４を通過し、第２冷却手段６に伝わる。高熱抵抗部材１７を通過する熱流束の分布が軸方向に直交する断面において一様な場合、高熱抵抗部材1７を通過する熱流束Qは、高熱抵抗部材１７の断面積をA[m²]、熱伝導率をλ[W/m・K]、高温側１８ａと低温側１８ｂの温度計側部１８間の距離をL[m]、高温側１８ａの温度をT_H[K]、低温側１８bの温度をT_L[K]とすると、フーリエの法則より以下の式（数１）で表される。

一般にλは温度によって変化するが、T_HとT_Lの差が小さい場合、λは温度計側部１８間で一定とみなすことができ、下記（数２）のように変形される。

ここで、ΔＴは高温側１８ａと低温側１８ｂの温度差であり、下記の式（数３）で定義される。

被検体１の交流損失は、数１あるいは数２を用いて評価される。被検体１よりも温度の高いコイルボビン９あるいは輻射シールド３から被検体１への輻射損失や、計測線からの伝熱損失が、被検体１の交流損失に対して無視できない大きさである時は、上記損失をQから差し引くことで、被検体１の交流損失が求められる。数１あるいは数２は熱流束の通過する方向に垂直な断面において熱流束の分布が一様であることを仮定しているため、断面内の温度分布が一様であることが前提となる。

高熱抵抗部材１７は、円柱構造をしていることが望ましい。これにより、断面における周回方向の温度分布が一様になる利点がある。高熱抵抗部材１７は、電気抵抗率が大きく熱伝導率が小さいFRP等を利用することが望ましい。これにより、高熱抵抗部材１７に発生する渦電流損失の発生を回避でき、また、ΔTが大きくなり、交流損失の測定分解能が小さくなる。なお、FRPは一例に過ぎず、計測条件に適した材料があればそれを採用してよい。

高熱抵抗部材１７の一方の端部は被検体１のコイルボビン７と接続される。高熱抵抗部材１７とコイルボビン７は接着材もしくはボルト等の締結部材によって連結される。高熱抵抗部材１７とコイルボビン７の接触熱抵抗は小さいことが望ましい。締結の場合は、接触熱抵抗が小さい接合剤を高熱抵抗部材１７とコイルボビン７の間に挟むことが望ましい。もしくは、高熱抵抗部材１７とコイルボビン７の間に柔らかいインジウム等の薄膜を間に挟んでもよい。これにより、接触熱抵抗を無視できるほど小さくすることができる。締結部材は渦電流の発生を回避するため、電気抵抗率FRPを利用することが望ましい。なお、高熱抵抗部材１７とコイルボビン７は一体の構成でもよい。これにより、高熱抵抗部材１７とコイルボビン７の間の接触熱抵抗による温度差が生じない利点がある。また、高熱抵抗部材１７とコイルボビン７の間に低温における熱伝導率の大きいアルミニウム等を挿入してもよい。これにより、熱流束の通過する方向に垂直な断面における温度分布の不均一性が生じるのを防ぐことが出来、精度良い測定が可能となる利点がある。先に述べたインジウムは低温における熱伝導率が大きいため、温度分布を一様とする意味でも効果的である。

高熱抵抗部材１７のもう一方の端部は冷却板１４に接続される。高熱抵抗部材１７と冷却板１４は接着材もしくはボルト等の締結部材によって連結される。高熱抵抗部材１７と冷却板１４の間は、先に述べたような接着剤や接合剤を間に挟みボルト等で締結することが望ましい。

高熱抵抗部材１７に配置される温度測定手段１８は例えばセルノックス温度計である。高熱抵抗部材１７と温度測定手段１８との間の接触熱抵抗を無視できる程小さくするため、温度計測部１８の表面には先に述べたような接合剤が塗付されることが望ましい。また、高熱抵抗部材１７のうち温度計測装置１８を設置する箇所は平面状に加工されることが望ましい。これにより、高熱抵抗部材１７と温度測定手段１８の接触面積が大きくなり、接触熱抵抗が小さくなる長所がある。さらに、温度計測装置８にはスプリングワッシャー付きのボルトで高熱抵抗部材１７に締結された押し板によって、一定の面圧で加圧されていてもよい。これにより高熱抵抗部材１７と温度測定手段１８が密着し、接触熱抵抗が小さくなる長所がある。

温度計側部１８からの計測線（図示せず）は真空容器２の外から導入され、熱侵入量を低減するため設置台１１と冷却板１４の２箇所で温度定点がとられる。高熱抵抗部材１７は冷却板１４よりも温度が高いので、計測線からの伝熱損失を低減するため計測線の熱抵抗は十分に高くする必要がある。そのため、計測線は低温における熱伝導率の大きいマンガニン線等からなり、線径を小さくかつ長さを大きくすることが望ましい。また、計測の際に生じるノイズを低減するため、計測線をより合わせ交流磁場による誘導電圧を小さくすることが望ましい。

また、本実施例の交流測定装置は、先に述べたようなＭＲＩ装置における超電導磁石について、傾斜磁場に起因する交流損失を任意の温度条件下で測定することも可能である。すなわち傾斜磁場コイルから発されるパルス状の磁場を磁場印加コイル４に模擬させることで、ＭＲＩ装置環境下における超電導体に発生する交流損失を測定できる。特に傾斜磁場はパルス状に発される高周波磁場であるため、従来のように液体ヘリウム化で計測を実行しようとすると、液体ヘリウム容器が導電性の高い部材である場合は遮蔽されてしまい測定が困難となる。また、液体ヘリウム環境下では測定温度は４Ｋに固定されてしまうため、任意の温度環境での計測は困難である。

しかし、本実施例の交流測定装置であれば、磁場印加コイル４と被検体１との間には大きな渦電流を発生させることで交流磁場を遮蔽するような部材が存在せず、かつ第１冷却手段５または第２冷却手段６、あるいは両方の温度を調整することによって任意の温度環境を設定し、交流損失を測定することができる。

図２に本発明の実施例２に係る超電導体の交流損失測定装置の全体概略図を示す。実施例２の測定装置が、実施例１の測定装置と異なっている点は、温度測定手段１８が高熱抵抗部材１７の表面であって、かつ軸方向（つまり設置台１４とコイルボビン７とを結ぶ直線）に直交する面上に少なくとも２箇所設置される点である。図２では、温度測定手段１８の第１の温度測定手段１８ａ（高温側）と第２の温度測定手段１８ｂ（低温側）に対して１８０度ずらした位置に温度測定手段１８ｃ、１８ｄが配置される。高熱抵抗部材１７を通過する熱流束の分布が軸方向に直交する断面において一様な場合、温度測定手段１８ａと１８ｃ、１８ｂと１８ｄの温度は同一である。したがって、これらの平均値をとることで測定値の不確かさが小さくなる。また、被検体１に局所的な交流損失が生じた場合、高熱抵抗部材１７の軸方向に直交する断面内が一定温度とならないことが考えられるが、本実施例の構成とすることで、軸方向に直交する断面内の温度分布を測定でき、局所的な交流損失に対しても精度良い測定が可能となる。

図３に本発明の実施例３に係る超電導体の交流損失測定装置の全体概略図を示す。実施例２の測定装置が、実施例１の測定装置と異なっている点は、高熱抵抗部材１７が中空薄肉の円筒形状である点である。これにより、高熱抵抗部材１７の軸方向に垂直な断面内における外側面と内側面の温度に差がつきにくく、熱流束の分布が一様となりやすい。したがって、熱流束の精度良い測定が可能となる利点がある。

図４に本発明の実施例４に係る超電導体の交流損失測定装置の全体概略図を示す。実施例４の測定装置が、実施例３の測定装置と異なっている点は、温度計測部１８が中空薄肉の高熱抵抗部材１７の外周側と内周側に設置される点である。図４では、高熱抵抗部材１７の外周側に設置された温度測定手段１８の高温側１８ａと低温側１８ｂに高熱抵抗部材１７を介して対向する位置に温度測定手段１８ｃ、１８ｄが配置される。高熱抵抗部材１７を通過する熱流束の分布が軸方向に直交する断面内で一様な場合、温度測定手段１８ａと１８ｃ、１８ｂと１８ｄの温度は同一である。したがって、これらの平均値をとることで測定値の不確かさが小さくなり、測定精度が向上する。また、被検体１で局所的な交流損失が生じる場合に対しては、実施例２と同じく温度分布を測定でき、更に実施例３と同じく温度測定手段１８の外側面と内側面の温度に差がつきにくく、精度良い測定が可能となる。

１被検体
２真空容器
３輻射シールド
４磁場印可コイル
５第１冷却手段
６第２冷却手段
７コイルボビン（ホルダ）
８、１２、１６荷重支持体
９、コイルボビン
１０、１２荷重支持体
１１設置台（第１冷却部材）
１３ａ、１３ｂ、１５可とう導体
１４冷却板（第２冷却部材）
１７高熱抵抗部材（柱状部材）
１８ａ〜１８ｄ温度測定手段

Claims

被検体を設置するホルダと、
前記ホルダに設置される前記被検体に磁場を印加する磁場印加コイルと、
前記ホルダを支持する第２冷却部材と、
前記第２冷却部材よりも高い温度に冷却される第１冷却部材と、
前記ホルダと前記第２冷却部材との互いに接触するように配置される柱状部材と、
前記ホルダ、前記磁場印加コイル、前記第１冷却部材、前記第２冷却部材および前記柱状部材を単一空間に格納するように形成される輻射シールドと、
前記輻射シールドが格納される真空容器と、
前記第２冷却部材に取り付けられる第２冷却手段と、
前記第１冷却部材および前記輻射シールドに取り付けられる第１冷却手段と、
前記柱状部材の表面であって、かつ前記ホルダと前記第２冷却部材とを結ぶ軸上において、前記第２冷却部材よりも前記ホルダの近くに設けられた第１温度測定手段と、
前記柱状部材の表面であって、かつ前記ホルダと前記第２冷却部材とを結ぶ軸上において、前記ホルダよりも前記第２冷却部材の近くに設けられた第２温度測定手段と、
前記第１温度測定手段および前記第２温度測定手段に接続される計測装置と、
を備える交流損失測定装置。
請求項１に記載の交流損失測定装置であって、
前記第２冷却手段または前記第１冷却手段に取り付けられた温度調整装置を備える
交流損失測定装置。
請求項１または請求項２に記載の交流損失測定装置であって、
前記第２冷却手段はＧＭ冷凍機の２段冷却ステージであって、
前記第１冷却手段はＧＭ冷凍機の１段冷却ステージであって、
前記１段冷却ステージおよび前記２段冷却ステージは一台のＧＭ冷凍機が備える
交流損失測定装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の交流損失測定装置であって、
前記第１温度測定手段および前記第２温度測定手段は、それぞれ前記ホルダと前記第２冷却部材とを結ぶ軸と直交する平面上で異なる位置に複数個設けられている
交流損失測定装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の交流損失測定装置であって、
前記柱状部材は、中空薄肉の円筒形状の部材である
交流損失測定装置。
請求項５に記載の交流損失測定装置であって、
前記第１温度測定手段または前記第２温度測定手段は、前記中空薄肉の円筒形状である柱状部材の外側面および内側面のそれぞれに設けられている
交流損失測定装置。