JP6983629B2 - How to operate the superconducting magnet device and the superconducting magnet device - Google Patents
How to operate the superconducting magnet device and the superconducting magnet device Download PDFInfo
- Publication number
- JP6983629B2 JP6983629B2 JP2017222119A JP2017222119A JP6983629B2 JP 6983629 B2 JP6983629 B2 JP 6983629B2 JP 2017222119 A JP2017222119 A JP 2017222119A JP 2017222119 A JP2017222119 A JP 2017222119A JP 6983629 B2 JP6983629 B2 JP 6983629B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- temperature
- current switch
- permanent current
- permanent
- superconducting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Description
本発明の実施形態は、永久電流モードで運転が可能な超電導磁石装置の運転技術に関する。 An embodiment of the present invention relates to an operation technique of a superconducting magnet device capable of operating in a permanent current mode.
従来、超電導磁石装置では、急激に超電導状態が消失するクエンチが生じる可能性がある。この超電導磁石装置を安定に運転するために、永久電流モードの設定時にPCS(永久電流スイッチ)の温度を上昇させる操作を行い、その後に、PCSの温度を実使用状態の温度まで下げるという着想がある。 Conventionally, in a superconducting magnet device, there is a possibility that a quench may occur in which the superconducting state suddenly disappears. In order to operate this superconducting magnet device stably, the idea was to raise the temperature of the PCS (permanent current switch) when setting the permanent current mode, and then lower the temperature of the PCS to the temperature in the actual use state. be.
前述の着想にあっては、永久電流モードの設定時にPCSの温度を上昇させるので、この温度上昇時にクエンチが生じるリスクがある。つまり、具体的な制御内容が完成しておらず、実用化された技術ではなかった。また、近年、超電導磁石装置の普及に伴い、長期間に亘って運転を行う機会が増してきており、運転中にクエンチが生じる可能性が高まっている。そのため、クエンチの発生を低減して安定的に運転することができる超電導磁石装置の要望がある。 In the above idea, since the temperature of the PCS is raised when the permanent current mode is set, there is a risk that quenching will occur when the temperature rises. In other words, the specific control content was not completed, and it was not a practical technology. Further, in recent years, with the spread of superconducting magnet devices, opportunities for long-term operation have increased, and the possibility of quenching during operation has increased. Therefore, there is a demand for a superconducting magnet device that can reduce the occurrence of quenching and operate stably.
本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、クエンチの発生を低減して安定的に運転することができる超電導磁石装置の運転技術を提供することを目的とする。 An embodiment of the present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an operation technique of a superconducting magnet device capable of reducing the occurrence of quenching and stably operating the device.
本発明の実施形態に係る超電導磁石装置の運転方法は、冷却部を用いて超電導コイルおよび永久電流スイッチを冷却して超電導に転移させるステップと、前記冷却部による冷却を継続しつつ、ヒータを用いて前記永久電流スイッチを臨界温度よりも高い温度にして常電導に転移させるステップと、主電源を用いて前記超電導コイルに電流を供給するステップと、前記ヒータを制御して前記永久電流スイッチの温度を前記臨界温度よりも低い定常運転温度に向けて下げ始めるステップと、前記主電源から供給される電流を下げ始めることにより、前記超電導コイルを流れる電流を前記永久電流スイッチに流し始めるステップと、を含む。 The method of operating the superconducting magnet device according to the embodiment of the present invention uses a heater to cool the superconducting coil and the permanent current switch using a cooling unit and transfer the superconducting current switch to superconducting, and to continue cooling by the cooling unit. The step of making the permanent current switch higher than the critical temperature and transferring it to normal conduction, the step of supplying current to the superconducting coil using the main power supply, and the step of controlling the heater to control the temperature of the permanent current switch. A step of starting to lower the current to a steady operation temperature lower than the critical temperature, and a step of starting to flow the current flowing through the superconducting coil to the permanent current switch by starting to lower the current supplied from the main power supply. include.
本発明の実施形態により、クエンチの発生を低減して安定的に運転することができる超電導磁石装置の運転技術が提供される。 An embodiment of the present invention provides an operating technique for a superconducting magnet device capable of reducing the occurrence of quenching and stably operating the device.
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、本実施形態の超電導磁石装置について図1から図15を用いて説明する。図1の符号1は、永久電流モードで運転が可能な超電導磁石装置である。なお、永久電流モードとは、超電導磁石装置1を構成する回路が閉ループを成し、この回路が冷却されて超電導に転移されたときに、電流が閉ループに沿っていつまでも流れる運転態様のことである。
Hereinafter, this embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. First, the superconducting magnet device of this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 15.
図1に示すように、超電導磁石装置1は、超電導コイル2(主コイル)と、この超電導コイル2とともに超電導回路を構成する永久電流スイッチ3と、超電導コイル2に電力を供給する主電源4と、超電導コイル2および永久電流スイッチ3を冷却するための冷却部5と、超電導コイル2および永久電流スイッチ3にそれぞれ接続されて冷却部5に熱を伝導する伝導部6と、超電導コイル2および永久電流スイッチ3を収容する真空容器7と、永久電流スイッチ3を加熱するためのヒータ8と、ヒータ8に電力を供給するヒータ電源9と、永久電流スイッチ3の温度を検出する温度センサ10と、各部品を制御する制御装置11と、永久電流スイッチ3に用いる超電導線材の臨界電流と温度との対応関係を予め解析する解析部12とを備える。なお、以下の説明において、永久電流スイッチをPCS(Persistent Current Switch)と略記する場合がある。
As shown in FIG. 1, the
真空容器7の内部には、外部から内部に伝わる熱を遮蔽するための輻射シールド21が設けられる。超電導コイル2および永久電流スイッチ3は、輻射シールド21により囲まれている。なお、輻射シールド21は、シールド用伝導部23を介して冷却部5に接続されている。
Inside the
なお、冷却部5には、輻射シールド21を冷却する第1冷却ステージ24と、超電導コイル2および永久電流スイッチ3を冷却する第2冷却ステージ25とが設けられる。また、それぞれの冷却ステージ24,25で冷却を行うことで、超電導コイル2および永久電流スイッチ3を想定する温度に冷却する。さらに、輻射シールド21が設けられることで、外部からの熱輻射によって超電導コイル2および永久電流スイッチ3の温度が上昇してしまうことを防止することができる。
The
本実施形態の超電導磁石装置1は、超電導コイル2および永久電流スイッチ3と冷却部5とが伝導部6で熱的に接続された伝導冷却方式を例示している。伝導部6は、アルミニウムまたは銅などの良熱伝導性を示す材質で形成される。冷却部5は、極低温冷凍機(GM冷凍機など)で構成される。冷却部5が伝導冷却型であるため、液体ヘリウムなどの冷媒が必要ないので、超電導コイル2および永久電流スイッチ3を簡易に冷却することができる。また、永久電流スイッチ3およびヒータ8が液体ヘリウムなどに浸漬されていないので、永久電流スイッチ3を加熱する際に、ヒータ8の入熱量に対して永久電流スイッチ3の温度が敏感に反応する。
The
次に、超電導磁石装置1のシステム構成を図2に示すブロック図を参照して説明する。この図2に示すように、制御装置11は、各部品を統括して制御する主制御部13と、主電源4を制御する主電源制御部14と、永久電流モードの開始時の永久電流スイッチ3の温度を制御する温度制御部15と、ヒータ電源9を制御するヒータ制御部16と、冷却部5を制御する冷却制御部17と、永久電流モードの開始時に永久電流スイッチ3の温度を制御するための温度制御設定を記憶する設定記憶部18と、時間の経過を計時する計時部19(RTC:Real-Time Clock)とを備える。
Next, the system configuration of the
また、解析部12は、永久電流スイッチ3に用いる超電導線材の臨界電流と温度との対応関係を予め解析し、温度制御設定を決定する。この解析部12には、永久電流スイッチ3に用いる超電導線材の材質などの各種データが入力される。なお、永久電流スイッチ3に用いる超電導線材の臨界電流と温度との対応関係は、実験(実測)によって求められるものでも良い。さらに、この対応関係は、実験結果を解析(計算)することで求められるものでも良い。
Further, the
本実施形態の制御装置11は、CPU、ROM、RAM、HDDなどのハードウェア資源を有し、CPUが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態の超電導磁石装置1の運転方法は、プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。
The
なお、超電導コイル2および永久電流スイッチ3は、超電導物質の導体を有する超電導線材(巻線)が巻回されたコイルである。図3に示すように、永久電流スイッチ3は、その両端が超電導コイル2の両端に接続されている。つまり、超電導コイル2と永久電流スイッチ3とで並列回路を構成する。そして、永久電流モードのときには、超電導コイル2と永久電流スイッチ3とで閉ループL(永久電流コイル)が形成される。
The
さらに、ヒータ8は、永久電流スイッチ3に熱が伝わる構成をとることができればどのような構成のものでも良い。例えば、フィルム状のヒータ、または電熱線状のヒータなどが挙げられる。フィルム状のヒータを用いる場合には、ヒータ8を永久電流スイッチ3の表面に接着する、或いは永久電流スイッチ3を構成する超電線材の層間に挿入して接着するなどの構成が望ましい。また、電熱線状のヒータを用いる場合には、永久電流スイッチ3の表面に電熱線を巻きつける、或いは永久電流スイッチ3を構成する超電導線材に沿って電熱線を共巻する構成が望ましい。
Further, the
また、超電導物質の導体は、臨界温度以下、臨界磁場以下、さらに臨界電流以下の3条件が揃った環境で電気抵抗がゼロの状態(超電導状態)で電流を流すことができる。従って、この電気抵抗がゼロの状態で、超電導コイル2と永久電流スイッチ3とで形成された閉ループLに電流を流すと、電流は殆ど減衰することなくほぼ一定値を維持することができる。また、閉ループLに流れる電流は、揺らぎが生じ難くなっているので、非常に安定度が高い一定磁場を発生し続けることができる。このような超電導技術は、例えば、0.1ppm/h以下の高い磁場安定度を要求する医療用のMRI、または分子構造分析用のNMRなどに応用されている。
Further, the conductor of the superconducting material can flow a current in a state where the electric resistance is zero (superconducting state) in an environment where the three conditions of the critical temperature or less, the critical magnetic field or less, and the critical current or less are satisfied. Therefore, when a current is passed through the closed loop L formed by the
また、永久電流スイッチ3は、高電気抵抗の常電導状態(OFF状態)と電気抵抗がゼロの超電導状態(ON状態)とを切り替えることができる。ここで、永久電流スイッチ3がON状態となると、超電導コイル2と永久電流スイッチ3との閉ループLで、永久電流モードの運転が可能になる。一方、永久電流スイッチ3がOFF状態となると、永久電流スイッチ3の高電気抵抗によって閉ループLでの永久電流モードの運転が不可能になる。なお、永久電流スイッチ3をON状態からOFF状態にするときに投入する熱量を減らし、かつOFF状態からON状態にするときに必要となる冷却時間を低減させるために、永久電流スイッチ3は、OFF状態のときに、できるだけ少ない量の導体で高い電気抵抗を発生させることが望ましい。
Further, the permanent
永久電流スイッチ3の超電導線材(巻線)は、複数本の超電導フィラメントと、これらの超電導フィラメントの周囲の母材(安定化材)とで構成される。なお、超電導フィラメントは、一般的にNbTiで形成されるが、Nb3SnおよびMgB2などのNbTi以外の超電導材料であっても良い。また、母材は、一般的に高抵抗のCuNiで形成されるが、他の銅合金または高抵抗金属でも良い。例えば、永久電流スイッチ3の温度を臨界温度(超伝導転移温度)以下に冷却して超電導状態にすると、各超電導フィラメントの電気抵抗がゼロになり、これらの超電導フィラメントを電流が流れ続ける。一方、永久電流スイッチ3の温度を臨界温度よりも高くして常電導状態にすると、高い電気抵抗が発生する。この永久電流スイッチ3の電気抵抗により超電導コイル2を励磁できる。
The superconducting wire (winding) of the permanent
なお、CuNiを母材として形成された永久電流スイッチ3は、銅などの低電気抵抗金属を母材として形成される場合よりも安定性が低い。例えば、永久電流スイッチ3は、冷却部5の状態などに起因する僅かな温度の変化または電流密度の変化などの小さな擾乱(揺らぎ)によってクエンチが発生してしまうおそれがある。
The permanent
なお、超電導フィラメントに臨界電流密度に相当する電流が流れている状態を飽和状態と称して以下に説明する。また、超電導線材の断面視において、電流が流れている超電導フィラメントが存在している領域を通電領域と称して以下に説明する。 A state in which a current corresponding to the critical current density is flowing through the superconducting filament is referred to as a saturated state and will be described below. Further, in the cross-sectional view of the superconducting wire, the region where the superconducting filament in which the current is flowing exists is referred to as an energized region and will be described below.
永久モードの運転中に、永久電流スイッチ3において飽和状態の超電導フィラメントが存在しているとクエンチが生じ易い。そこで、本実施形態では、クエンチの発生を防ぐために、永久電流モードの開始時に、永久電流スイッチ3の温度を制御しながら低下させる。なお、永久電流スイッチ3の温度は、ヒータ8により制御される。このヒータ8は、主電源4とは異なるヒータ電源9から電流を供給されている。また、永久電流スイッチ3の温度を単調減少させた後に、定常運転温度にする制御がなされる。
Quenching is likely to occur if a saturated superconducting filament is present in the permanent
ここで、定常運転温度とは、超電導磁石装置1が永久電流モードで運転されるときの通常時の温度であって、冷却部5を用いて超電導コイル2および永久電流スイッチ3を冷却するときの目標となる温度である。この定常運転温度が維持されることで、超電導磁石装置1が永久電流モードで長時間運転される。なお、この定常運転温度は、常に一定の値ではなく、外的要因または運転態様に応じて僅かながら上下に変動する可能性がある値である。さらに、定常運転温度の変動範囲は、予測される範囲となっている。また、超電導コイル2および永久電流スイッチ3に流れる電流値、または、導体の材質および導体長などの各種構成によって、定常運転温度の変動範囲の最小値および最大値を予め特定することができる。
Here, the steady operation temperature is a normal temperature when the
さらに、本実施形態では、永久電流モードの開始時に、永久電流スイッチ3を流れる電流を制御しながら増加させる。この永久電流スイッチ3を流れる電流は、主電源4の電流の供給量により制御される。例えば、超電導コイル2および永久電流スイッチ3が臨界温度以下に冷却されている状態において、主電源4から超電導コイル2に電流を供給している場合に、この主電源4から供給される電流を低下させると、この低下に伴って永久電流スイッチ3に流れる電流が増加する。
Further, in the present embodiment, at the start of the permanent current mode, the current flowing through the permanent
本実施形態では、永久電流スイッチ3に流れる電流の増加率に対応する低下率(割合)で永久電流スイッチ3の温度を下げるようにしている。また、超電導磁石装置1の運転開始前(製造時)に、永久電流スイッチ3の超電導線材の臨界電流値と温度との対応関係を予め実験または解析して求めておく。この求められた対応関係に基づいて、永久電流モードの開始時の永久電流スイッチ3の電流の増加率および温度の低下率を制御するようにしている。例えば、永久電流スイッチ3の温度の低下に対応して増加する臨界電流値を超えない範囲で、永久電流スイッチ3に流れる電流を増加させる制御を行う。
In the present embodiment, the temperature of the permanent
このようにすれば、永久電流スイッチ3の臨界電流値と温度との対応関係に適した電流の増加率および温度の低下率を設定することができる。また、永久電流スイッチ3に流れる電流が臨界電流値を超えないので、永久電流モードの開始時(移行時)に、クエンチの発生を低減させることができる。
By doing so, it is possible to set the rate of increase in current and the rate of decrease in temperature suitable for the correspondence between the critical current value of the permanent
次に、本実施形態の超電導磁石装置1の運転方法について図4から図11を用いて説明する。なお、理解を助けるために、本実施形態と従来技術とを比較しながら説明する。図4、図6、図8は、本実施形態の超電導磁石装置1に関する図である。これらの図にそれぞれ対応している図5、図7、図9は、従来技術の超電導磁石装置に関する図である。
Next, the operation method of the
図4および図5の左側の図は、永久電流スイッチ3の超電導線材の電流密度Jの分布を示すグラフである。図4および図5の右側の図は、永久電流スイッチ3の超電導線材の断面図である。これら超電導線材の断面図は、複数本の超電導フィラメントとその周囲の母材の図示を省略した模式図である。
The figures on the left side of FIGS. 4 and 5 are graphs showing the distribution of the current density J of the superconducting wire of the permanent
図6(A)および図7(A)は、ヒータ8の出力(ヒータ電源9から出力される電流の値)を示すグラフである。図6(B)および図7(B)は、永久電流スイッチ3の温度(PCS温度T)を示すグラフである。図6(C)および図7(C)は、主電源4から出力される電流の値(電源出力値IOP)を示すグラフである。図6(D)および図7(D)は、超電導コイル2を流れる電流の値(超電導コイル電流値Im)を示すグラフである。図6(E)および図7(E)は、永久電流スイッチ3を流れる電流の値(PCS電流値It)を示すグラフである。 6 (A) and 7 (A) are graphs showing the output of the heater 8 (the value of the current output from the heater power supply 9). 6 (B) and 7 (B) are graphs showing the temperature of the permanent current switch 3 (PCS temperature T). 6 (C) and 7 (C) are graphs showing the value of the current output from the main power supply 4 (power supply output value I OP). 6 (D) and 7 (D) are graphs showing the values of the current flowing through the superconducting coil 2 (superconducting coil current value Im). FIG 6 (E) and FIG. 7 (E) is a graph showing the value of the current flowing through the permanent current switch 3 (PCS current value I t).
図8(A)および図9(A)は、定常運転に近づいたときのPCS温度Tを示すグラフである。図8(B)および図9(B)は、永久電流スイッチ3の超電導線材の臨界電流値ICを示すグラフである。図8(C)および図9(C)は、PCS電流値Itを示すグラフである。図8(D)および図9(D)は、永久電流スイッチ3の超電導線材の負荷率(It/Ic)を示すグラフである。図8(E)および図9(E)は、永久電流スイッチ3の電流増加率(dIt/dIc)を示すグラフである。
8 (A) and 9 (A) are graphs showing the PCS temperature T when approaching steady operation. Figure 8 (B) and FIG. 9 (B) is a graph showing the critical current value I C of the superconducting wire of the permanent
図6から図9の各グラフおいて横軸は、時間tである。これらのグラフにおいて、t1は、永久電流スイッチ3がOFF状態になったタイミングである。t2は、主電源4から超電導コイル2に電流の供給を開始したタイミングである。t3は、超電導コイル2を流れる電流の値が最大になったタイミングである。t4は、永久電流スイッチ3の温度を下げ始めたタイミングである。t5は、永久電流スイッチ3に電流を流し始めたタイミングである。t6は、永久電流スイッチ3に流れる電流が定常運転時の値になったタイミングである。t7は、永久電流スイッチ3が定常運転温度になったタイミングである。T1は、永久電流スイッチ3の定常運転温度である。T2は、永久電流スイッチ3に流れる電流が定常運転時の値になったときの温度である。T3は、永久電流スイッチ3の臨界温度である。T4は、OFF状態の永久電流スイッチ3の温度である。Zは、永久電流スイッチ3の電流増加率の最大値である。
In each graph of FIGS. 6 to 9, the horizontal axis is time t. In these graphs, t1 is the timing when the permanent
図6に示すように、本実施形態の超電導磁石装置1の運転を開始するときには、まず、主電源4およびヒータ電源9の出力を停止した状態で、冷却部5を用いて超電導コイル2および永久電流スイッチ3を冷却する。ここで、冷却された超電導コイル2および永久電流スイッチ3は、臨界温度T3以下の温度である定常運転温度T1となり、超電導に転移される。
As shown in FIG. 6, when starting the operation of the
次に、ヒータ電源9からヒータ8に電流を供給し、このヒータ8により永久電流スイッチ3の加熱を開始する。なお、ヒータ電源9の出力(電流値)の上昇に伴って永久電流スイッチ3の温度が上昇される。
Next, a current is supplied from the
図6の時間t1において、ヒータ電源9は、その出力値が直ぐに最大値になる。これに対して、永久電流スイッチ3の温度は、徐々に上昇する。そして、時間t2において、永久電流スイッチ3の温度が臨界温度T3を超えた状態になる。ここで、永久電流スイッチ3は、常電導状態(OFF状態)に転移される。
At the time t1 of FIG. 6, the output value of the
図6の時間t2において、主電源4から超電導コイル2に電流の供給を開始する。ここで、電源出力値IOPの上昇に伴って超電導コイル電流値Imが上昇する。なお、主電源4の電流供給が開始されても、永久電流スイッチ3は、常電導状態であるので永久電流スイッチ3に流れる電流は小さく、主電源4から供給された電流のほとんどは超電導コイル2に流れる。そして、電源出力値IOPおよび超電導コイル電流値Imが最大値になり、かつ永久電流スイッチ3が臨界温度T3を超える温度T4になり、これらの状態が一時的に維持される。
At the time t2 of FIG. 6, the supply of current from the main power supply 4 to the
図6の時間t4において、ヒータ電源9の出力値の低下が開始され、永久電流スイッチ3の温度が下がり始める。本実施形態では、ヒータ電源9の出力値を徐々に低下させることで、永久電流スイッチ3の温度を徐々に低下させる。なお、このPCS温度の低下率は一定である必要はない。つまり、時間経過とPCS温度の低下が比例している必要はない。さらに、このPCS温度の低下率が途中で変更されても良い。なお、図6では、時間経過とPCS温度の低下が比例しているグラフ(時間t4から時間t7まで直線状に傾くグラフ)を例示している。
At the time t4 of FIG. 6, the output value of the
図6の時間t5において、永久電流スイッチ3の温度低下の途中のタイミングであり、かつ永久電流スイッチ3の温度が臨界温度T3以下になったタイミングで、主電源4から供給される電流を下げ始める。ここで、電源出力値IOPの低下に伴ってPCS電流値Itが上昇し始める。つまり、永久電流スイッチ3に流れる電流の増加が開始される。そして、超電導コイル2と永久電流スイッチ3とで閉ループL(図3参照)が形成され始める。本実施形態では、主電源4の出力値を制御することで、永久電流スイッチ3に流れる電流の増加率を制御する。さらに、ヒータ電源9の出力値を制御することで、永久電流スイッチ3の温度の低下率を制御する。
At the time t5 of FIG. 6, the current supplied from the main power supply 4 starts to be lowered at the timing during the temperature drop of the permanent
図6の時間t6において、永久電流スイッチ3の温度低下の途中のタイミングで、主電源4から供給される電流の値がゼロになる。つまり、主電源4が停止する。ここで、超電導コイル2と永久電流スイッチ3とで閉ループL(図3参照)が完成する。この時間t6において、永久電流スイッチ3に流れる電流が定常運転時の値になる。なお、永久電流スイッチ3の温度は、さらに低下する。
At the time t6 of FIG. 6, the value of the current supplied from the main power supply 4 becomes zero at the timing during the temperature drop of the permanent
図6の時間t7において、ヒータ電源9から供給される電流の値がゼロになる。つまり、ヒータ電源9が停止する。ここで、永久電流スイッチ3の温度が定常運転温度T1になる。この状態で、本実施形態の超電導磁石装置1の定常運転が開始される。
At time t7 in FIG. 6, the value of the current supplied from the
本実施形態では、時間t4から時間t7までの期間に、永久電流スイッチ3の温度を制御しながら低下させる。このようにすれば、クエンチの発生を低減して安定的に運転することができる。
In the present embodiment, the temperature of the permanent
これに対して従来技術では、時間t4から時間t6(t7)までの期間の運転パターンが異なる。なお、従来技術では、永久電流スイッチ3に流れる電流が定常運転時の値になる時間t6と、永久電流スイッチ3が定常運転温度になる時間t7とが一致している。
On the other hand, in the prior art, the operation pattern in the period from the time t4 to the time t6 (t7) is different. In the prior art, the time t6 at which the current flowing through the permanent
例えば、図7に示すように、従来技術では、時間t4において、ヒータ電源9の出力値を急激に低下させる。これは時間t4にヒータ電源9をONからOFFにしただけの制御である。そのため、永久電流スイッチ3の温度も急激に低下する。ここで、永久電流スイッチ3の温度が定常運転温度T1になる。
For example, as shown in FIG. 7, in the prior art, the output value of the
図7の時間t5において、既に永久電流スイッチ3の温度が定常運転温度T1まで下がった状態で、主電源4から供給される電流を下げ始める。ここで、電源出力値IOPの低下に伴ってPCS電流値Itが上昇し始める。つまり、永久電流スイッチ3に流れる電流の増加が開始される。
At the time t5 of FIG. 7, the current supplied from the main power supply 4 starts to be reduced while the temperature of the permanent
図7の時間t6(t7)において、主電源4から供給される電流の値がゼロになる。つまり、主電源4が停止する。ここで、超電導コイル2と永久電流スイッチ3とで閉ループL(図3参照)が完成する。
At the time t6 (t7) of FIG. 7, the value of the current supplied from the main power supply 4 becomes zero. That is, the main power supply 4 is stopped. Here, the closed loop L (see FIG. 3) is completed by the
従来技術では、時間t4の直後に、永久電流スイッチ3の温度を急激に低下させて定常運転温度T1に到達させる。そして、その後に永久電流スイッチ3に流れる電流の増加が開始される。なお、永久電流スイッチ3の超電導線材の内部では、自己磁界効果によって超電導線材の外周部側から臨界電流密度JCで電流が流れ始める。つまり、超電導線材の外周部側から通電領域S(飽和領域)が形成し始める。
In the prior art, immediately after the time t4, the temperature of the permanent
ここで、従来技術において、永久電流スイッチ3の超電導線材の内部の通電領域Sの広がり方について図5を用いて説明する。図5(A)は、超電導線材に電流が流れ始めた状態(例えば、時間t5の状態)である。図5(B)は、超電導線材に電流が増加途中の状態(例えば、時間t5と時間t6の中間の状態)である。図5(C)は、超電導線材に流れる電流が定常運転時の値になった状態(例えば、時間t6の状態)である。
Here, in the prior art, how to expand the energization region S inside the superconducting wire material of the permanent
従来技術では、永久電流スイッチ3の超電導線材に電流を流し始めたときに、超電導線材の断面視において、その外周Qから中心Pに向かって通電領域Sが広がり始める(図5(A))。永久電流スイッチ3の超電導線材は、電流を流し始める前に、既に定常運転温度T1になっている。そのため、臨界電流密度JCが変化しないで、超電導線材を流れる電流のみが増加する。そして、この電流の増加とともに、通電領域Sが外周Qから中心Pに向かって広がる(図5(B)および図5(C))。
In the prior art, when a current starts to flow through the superconducting wire of the permanent
なお、このように臨界電流密度JCで電流が流れている通電領域Sが存在すると、正帰還的な「超電導体の内部に進入した磁束の動き−磁束の動きによる温度上昇−超電導体の臨界電流密度の低下−磁束のさらなる進入」の状態となり、継続した自発的な温度上昇を起こし、クエンチが発生する可能性(磁気的不安定性)が高まる。特に、従来技術のように、臨界電流密度JCが変化しないで、通電領域Sが広がると、クエンチが発生し易いという課題がある。 If there is an energized region S in which a current is flowing at the critical current density JC , the positive feedback "movement of the magnetic flux that has entered the inside of the superconductor-temperature rise due to the movement of the magnetic flux-criticality of the superconductor" It becomes a state of "decrease in current density-further intrusion of magnetic flux", causing a continuous spontaneous temperature rise, and the possibility of quenching (magnetic instability) increases. In particular, as in the prior art, in the critical current density J C does not change, when the electrically conducting region S is widened, there is a problem that it is easy quench occurs.
次に、本実施形態において、永久電流スイッチ3の超電導線材の内部の通電領域Sの広がり方について図4を用いて説明する。図4(A)は、超電導線材に電流が流れ始めた状態(例えば、時間t5の状態)である。図4(B)は、超電導線材に電流が増加途中の状態(例えば、時間t5と時間t6の中間の状態)である。図4(C)は、超電導線材に流れる電流が定常運転時の値になった状態(例えば、時間t6の状態)である。
Next, in the present embodiment, how to expand the energization region S inside the superconducting wire material of the permanent
本実施形態では、最初から広い通電領域Sを確保する。例えば、通電領域Sの内半径は以下の数式1により求めることができる。
(数式1)
rS=rW×[1−(It/IC)]0.5
ここで、rSは、通電領域Sの内半径、rWは、超電導線材の半径、Itは、PCS電流値、ICは、超電導線材の臨界電流値である。
In the present embodiment, a wide energization region S is secured from the beginning. For example, the inner radius of the energized region S can be obtained by the following
(Formula 1)
r S = r W × [1- (I t / I C)] 0.5
Here, r S is the inner radius, r W energization region S, the radius of the superconducting wire, I t is PCS current, I C is the critical current value of a superconducting wire.
この数式1により、臨界電流密度JCが低い状態、つまり、永久電流スイッチ3の温度が下がり始めた直後において、永久電流スイッチ3に電流を流し始めることで、通電領域Sの内半径rSを小さくすることができることが分かる。即ち、超電導線材の断面視において、広い面積の通電領域Sを確保し、この広い有効面積を使って電流を伝導させることができる(図4(A))。この広い面積の通電領域Sを確保した状態で、永久電流スイッチ3の温度を低下させることで、臨界電流密度JCを増加させてゆく(図4(B)および図4(C))。
According to this
臨界電流密度JCが増加することで、通電領域S(伝導領域)が臨界電流密度JCに達していない余裕がある状態にすることができる。この余裕がある部分に対応してPCS電流値Imを増加させてゆく。これにより、超電導線材の磁気的不安定性が軽減される。そして、永久電流スイッチ3がクエンチを起こす確率を低減させて、超電導磁石装置1を安定させた状態で、永久電流モードに移行させることができる。
By critical current density J C is increased, it is possible to realize a state where there is room for energizing area S (conduction region) does not reach the critical current density J C. Yuku increase the PCS current value I m corresponding to the portion where there is the margin. This reduces the magnetic instability of the superconducting wire. Then, the probability that the permanent
本実施形態では、永久電流スイッチ3の超電導線材の臨界電流密度JCと温度との対応関係を予め実験または解析により求めるようにしている。ここで、CuNiの母材、NbTiの超電導フィラメントの超電導特性の典型的な例として、温度4.2K(ケルビン)、磁束密度1T(テスラ)中で、Ic=1000Aを有する線径1mm前後で、銅比1前後の超電導線材を想定する。NbTiの超電導フィラメントの超電導特性の温度依存性は、図10のグラフに示すように、温度に対して線形で近似して算出することができる。よって、所定のPCS温度Tにおける超電導線材のPCS電流値Itを近似的に求めることができる。
In the present embodiment, the correspondence between the critical current density JC and the temperature of the superconducting wire material of the permanent
なお、この対応関係の取得は、解析部12により行われ、PCS電流値Itの上昇率およびPCS温度Tの低下率を含む温度制御設定が決定される。そして、決定された温度制御設定が設定記憶部18に記憶される(図2参照)。さらに、温度センサ10により検出される永久電流スイッチ3(超電導線材)の温度と計時部19が計時する時間に基づいて、PCS電流値Itの上昇率およびPCS温度Tの低下率が制御される。また、PCS温度TがPCS電流値Itの制御およびヒータ8の制御にフィードバックされる。
The acquisition of this correspondence is carried out by the
このようにすれば、リアルタイムで検出した永久電流スイッチ3の温度に基づいて、永久電流スイッチ3の電流の増加および温度の低下の制御を適切に行うことができる。なお、PCS電流値Itの上昇率は、電源出力値IOPの低下率に対応する。つまり、主電源4の出力が制御されることで、PCS電流値Itが制御される。また、PCS温度Tの低下率は、ヒータ電源9の出力により制御される。
By doing so, it is possible to appropriately control the increase and decrease of the current of the permanent
次に、本実施形態の時間t5から時間t6までの永久電流スイッチ3の超電導線材の負荷率(It/Ic)および電流増加率(dIt/dIc)を図8のグラフに示す。ここで、超電導線材の電流増加率の最大値Zが1よりも小さくなっている(1以下となっている)。つまり、超電導線材の電流増加率(dIt/dIc)の最大値Zが1よりも大きくならないように、PCS電流値Itを制御する。
Next, the superconducting wire of the load factor of the permanent
即ち、本実施形態では、時間tにおける永久電流スイッチ3に流れる電流の値をIt(t)とし、時間tにおける永久電流スイッチ3の温度をT(t)とし、温度Tにおける永久電流スイッチの臨界電流の値をIC(T)とした場合に、永久電流スイッチ3の温度を下げるときに、It(t)<IC(t)とし、かつ時間変化率を(dIt/dIC)≦1となるように制御を行っている。
That is, in this embodiment, the value of the current flowing through the permanent
このようにすれば、永久電流スイッチ3に流れる電流が臨界電流密度JCを超えないように、永久電流スイッチ3の温度を下げることができる。また、超電導線材の外周Qから内側へ通電領域Sが形成されたときの電流密度分布は、その後に超電導線材の温度を低下させても直ぐに変化しない。従って、通電領域Sの内半径rSを内側へと広げることなく、PCS電流値Itを増加させることで、通電領域S(伝導領域)を臨界電流密度JCに達していない状態を継続させることができる。これにより、クエンチが生じる確率を低減させることができる。
By doing so, the temperature of the permanent
一方、従来技術では、図9のグラフに示すように、永久電流スイッチ3の超電導線材の電流増加率(dIt/dIc)の最大値Zが6以上となっている。この従来技術では、クエンチが生じる確率が増大するという課題があるが、本実施形態では、このような課題を解決することができる。 Meanwhile, in the prior art, as shown in the graph of FIG 9, the maximum value Z of the current increase rate of the superconducting wire of the permanent current switch 3 (dI t / dI c) is in the 6 or more. This conventional technique has a problem that the probability of occurrence of quenching increases, but in the present embodiment, such a problem can be solved.
なお、PCS電流値Itの時間変化率が極端に大きいと、超電導線材の交流損失によって発熱を生じてしまう。そこで、本実施形態では、例えば、PCS電流値Itを毎分20Aで増加させる場合に、永久電流スイッチ3の温度を毎分1K以下の速度で冷却する。このようにすれば、毎分1K以下のゆっくりとした低下速度で永久電流スイッチ3の温度が下がるので、クエンチの発生を低減させることができる。また、通電領域Sの電流密度Jに対して、その部分の臨界電流密度JCを相対的に高くした状態を維持することができる。
Incidentally, when the time rate of change of the PCS current value I t is extremely large, it occurs the heat by AC loss of the superconducting wire. Therefore, in this embodiment, for example, in the case of increasing per minute 20A the PCS current value I t, cooled per minute 1K speeds less than the temperature of the permanent
本実施形態では、図8のグラフに示すように、永久電流スイッチ3の温度が定常運転温度T1に到達する時間t7よりも前の時間t6のタイミングで、PCS電流値Itが定常運転時の値(最大値)になる。つまり、主電源4による電流の供給が停止される。本実施形態では、定常運転温度T1に対して、PCS電流値Itが定常運転時の値になるときの温度T2が高くなるように制御される。このようにすれば、永久電流スイッチ3に流れる電流が定常運転時の値になった後に、さらに永久電流スイッチ3の温度を低下させることができる。
In the present embodiment, as shown in the graph of FIG. 8, at the timing of time t6 before the time t7 when the temperature of the permanent
これに対して従来技術では、図9のグラフに示すように、永久電流スイッチ3の温度が定常運転温度T1に到達する時間t7が、PCS電流値Itが定常運転時の値(最大値)になる時間t6と一致している。この場合にクエンチが発生し易くなる。
Against the prior art, as shown in the graph of FIG. 9, the time t7 when the temperature of the permanent
本実施形態では、永久電流スイッチ3に流れる電流が定常運転時の値になったときの永久電流スイッチ3の温度T2を、さらに0.3K以上低下させて定常運転に移行するようにしている。このようにすれば、定常運転時に永久電流スイッチ3に流れる電流に余裕が生じるようになるので、永久電流モードの運転中に永久電流スイッチ3の温度が変動しても、クエンチが発生し難くなる。
In the present embodiment, the temperature T2 of the permanent
PCS電流値Itが定常運転時の値になったときの永久電流スイッチ3の温度T2と定常運転温度T1との温度差(T2−T1)と、クエンチが発生するまでの時間tQとの関係を試験した結果を図11のグラフに示す。図11のグラフ中の黒点は、試験結果に基づいてプロットされている。そして、温度差とクエンチ発生時間とに対して近似的に求めたラインを示している。このラインから推定されるように、温度差を大きくするに従って、クエンチが発生するまでの時間が延びることが分かる。
The temperature difference between the temperature T2 and the steady operating temperature T1 of the permanent
超電導磁石装置1においては、1年程度毎、即ち1万時間程度毎の頻度でメンテナンスを行う必要がある。よって、1万時間程度毎に運転が中断されるまで、安定して運転ができることが望ましい。図11のグラフを参照すると、約0.36Kの温度差(T2−T1)で1万時間が達成される。つまり、0.3K以上の温度差があれば、実質的に必要とされる運転時間を満たすことができる。なお、この温度差は、1K以上であっても良いし、永久電流スイッチ3の臨界温度を超えない範囲で増やしても良い。
In the
また、PCS電流値Itが定常運転時の値になったときの永久電流スイッチ3の温度T2が、定常運転温度の変動範囲の最大値よりも高い温度となっている。このようにすれば、定常運転中に永久電流スイッチ3の温度が変動しても、超電導線材が飽和状態にならずに済む。
The temperature T2 of the permanent
さらに、本実施形態では、図6に示すように、永久電流スイッチ3の温度の低下開始時(t4)から低下完了時(t7)までの期間よりも、永久電流スイッチ3に流れる電流の増加開始時(t5)から増加完了時(t6)までの期間が短くなっている。このようにすれば、永久電流スイッチ3の温度が変動する期間が、永久電流スイッチ3に流れる電流が変動する期間よりも長いので、永久電流スイッチ3の電流の制御に余裕を持たせることができる。つまり、電流の増加開始時(t5)または増加完了時(t6)の近傍で、クエンチの発生を抑制することができる。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, the current flowing through the permanent
次に、本実施形態の永久電流スイッチ3の配置について図12および図13を用いて説明する。図12は、本実施形態の超電導コイル2と永久電流スイッチ3の配置を示す図である。図13(A)は、本実施形態の永久電流スイッチ3と磁力線Mの関係を示す図である。図13(B)は、比較例(悪い例)の永久電流スイッチ3と磁力線Mの関係を示す図である。
Next, the arrangement of the permanent
図12に示すように、超電導コイル2および永久電流スイッチ3は、それぞれに対応する超電導線材を巻回した円筒形を成す。なお、永久電流スイッチ3は、超電導コイル2よりも小型のコイルである。この永久電流スイッチ3は、超電導コイル2の近傍に配置される。
As shown in FIG. 12, the
この永久電流スイッチ3は、無誘導巻のコイルである。例えば、1本の長い超電導線材を中間部分で折り曲げて、その後に巻回するようにしている。そのため、巻回された状態において、隣り合う超電導線材を流れる電流が互いに逆方向となるので、互いのインダクタンスを打ち消すようになり、磁極の無い無誘導のコイルとなる。
The permanent
本実施形態では、超電導コイル2の円筒の軸X1が延びる方向と、永久電流スイッチ3の円筒の軸X2が延びる方向とが同一方向となっている。つまり、超電導コイル2の軸X1と永久電流スイッチ3の軸X2が互いに平行を成す。また、軸方向において、超電導コイル2の中央位置Vに永久電流スイッチ3が配置される。つまり、超電導コイル2のN極とS極の中央位置Vに永久電流スイッチ3が配置される。なお、超電導コイル2と永久電流スイッチ3の中央位置Vが互いに一致している。
In the present embodiment, the direction in which the axis X1 of the cylinder of the
超電導コイル2から発生する磁力線M(漏れ磁場)は、永久電流スイッチ3を通過する。本実施形態では、永久電流スイッチ3の軸X2が延びる方向を超電導コイル2から生じる磁力線Mが流れる方向に一致させた状態で、永久電流スイッチ3が配置される。つまり、超電導コイル2の漏れ磁場の水平成分よりも垂直成分の方が大きくなるように、永久電流スイッチ3が配置されている。
The magnetic field line M (leakage magnetic field) generated from the
このようにすれば、永久電流スイッチ3の周方向に巻回される超電導線材のいずれの部分であっても、この超電導線材が延びる方向に対して垂直方向から超電導コイル2の磁力線Mが通過するようになり、超電導線材が受ける磁場の影響を各部分で均等にすることができる。そのため、永久電流スイッチ3でクエンチの発生を低減させることができる。
In this way, the magnetic field line M of the
例えば、図13(A)に示すように、永久電流スイッチ3を周方向に均等に4つの領域A〜Dで分けて説明する。永久電流スイッチ3の軸X2が延びる方向と超電導コイル2から生じる磁力線Mが流れる方向とが一致している場合には、4つの領域A〜Dの超電導線材が延びる方向に対して垂直方向に磁力線Mが通過する。そのため、永久電流スイッチ3の超電導線材が磁力線Mから受ける影響が、4つの領域A〜Dでほぼ同じになる。そのため、磁場の分布に起因する磁気的不安定性を排除して安定した運転を行うことができる。
For example, as shown in FIG. 13A, the permanent
一方、図13(B)に示すように、超電導コイル2から生じる磁力線Mが流れる方向に対し、永久電流スイッチ3の軸X2’が延びる方向が直角となる場合には、領域Bおよび領域Dでは、超電導線材が延びる方向に対してほぼ垂直方向に磁力線Mが通過するが、領域Aおよび領域Cでは、超電導線材が延びる方向に対してほぼ同一方向に磁力線Mが通過する。そのため、永久電流スイッチ3の超電導線材が磁力線Mから受ける影響が、領域Bおよび領域Dと、領域Aおよび領域Cとで異なるようになる。このような場合に、磁力線Mの揺らぎによってクエンチが発生する確率が高まってしまうという課題があるが、本実施形態では、このような課題を解決することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 13B, when the direction in which the axis X2'of the permanent
次に、超電導磁石装置1の運転方法について図14のフローチャートを用いて説明する。なお、図2に示すブロック図を適宜参照する。以下のフローチャートの各ステップの説明にて、例えば「ステップS11」と記載する箇所を「S11」と略記する。
Next, the operation method of the
図14に示すように、まず、解析部12に永久電流スイッチ3の超電導線材の材質などの各種データが入力される。そして、解析部12は、超電導線材の臨界電流密度JCと温度Tとの対応関係を解析する(S11)。なお、実験によってえられた対応関係が解析部12に入力されても良い。この取得された対応関係により、永久電流モードの開始時に永久電流スイッチ3の温度を制御するための温度制御設定が決定される。そして、解析部12から出力される温度制御設定が制御装置11に入力される。
As shown in FIG. 14, first, various data such as the material of the superconducting wire material of the permanent
次に、制御装置11の設定記憶部18は、解析部12が決定した温度制御設定を記憶する(S12)。次に、冷却制御部17は、冷却部5の動作を開始することで、超電導コイル2と永久電流スイッチ3の冷却を開始する(S13)。なお、冷却が開始されると、超電導コイル2と永久電流スイッチ3が定常運転温度T1まで冷却され、超電導状態に転移される。
Next, the setting
次に、冷却部5による冷却が継続される状態で、ヒータ制御部16は、ヒータ8の動作を開始する。そして、ヒータ制御部16は、ヒータ8を用いて永久電流スイッチ3を加熱して臨界温度T3よりも高い温度にする。すると、永久電流スイッチ3が高電気抵抗の常電導状態(OFF状態)に転移される(S14)。
Next, the
次に、主電源制御部14は、主電源4を制御して電流供給を開始し、超電導コイル2に電流を流し始める(S15)。そして、超電導コイル2に流れる電流が定常運転時の値になる。
Next, the main power
次に、ヒータ制御部16は、ヒータ電源9を制御してヒータ8の出力を調整することで、永久電流スイッチ3の温度を臨界温度T3よりも低い定常運転温度T1に向けて下げ始める(S16)。ここで、永久電流スイッチ3の温度が臨界温度T3以下になると、永久電流スイッチ3が電気抵抗の無い超電導状態(ON状態)に転移される。
Next, the
次に、温度制御部15は、設定記憶部18に記憶された温度制御設定に基づいて、永久電流スイッチ3の温度の低下率の制御を行う(S17)。この低下率の制御は、温度センサ10が検出した永久電流スイッチ3の温度に応じて行われる。さらに、この温度の低下率に応じてヒータ制御部16がヒータ8の出力を制御する。
Next, the
次に、主電源制御部14は、主電源4を制御して電流の供給量を下げ始める(S18)。そして、主電源4の電流の供給量の低下に対応して、永久電流スイッチ3に流れる電流が増加し始める。
Next, the main power
次に、主電源制御部14は、主電源4の電流の供給量の低下率を調整する制御を行う(S19)。ここで、主電源制御部14は、永久電流スイッチ3の温度の低下に対応して増加する臨界電流を超えない範囲で永久電流スイッチ3に流れる電流を増加させる制御を行う。なお、主電源制御部14は、永久電流スイッチ3の温度の低下率に対応して主電源4の制御を行う。そして、温度制御部15は、永久電流スイッチ3に流れる電流の増加率に対応する低下率で永久電流スイッチ3の温度が下がるように温度調整を行う。
Next, the main power
次に、永久電流スイッチ3の温度が定常運転温度T1に到達する前に、主電源4から供給される電流の値がゼロになる。つまり、主電源4が停止する(S20)。ここで、永久電流スイッチ3に流れる電流が定常運転時の値になる。また、超電導コイル2と永久電流スイッチ3とで閉ループLが完成し、永久電流モードが開始される。
Next, the value of the current supplied from the main power supply 4 becomes zero before the temperature of the permanent
次に、永久電流スイッチ3の温度がさらに低下する(S21)。なお、本実施形態では、永久電流スイッチ3の温度を、主電源4が停止したときの温度T2よりも0.3K以上低下させる。次に、ヒータ制御部16は、ヒータ電源9による電流供給を停止し、永久電流スイッチ3の温度を定常運転温度T1まで低下させることで、定常運転を開始する(S22)。
Next, the temperature of the permanent
なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。 Although the flowchart of the present embodiment illustrates a mode in which each step is executed in series, the context of each step is not necessarily fixed, and even if the context of some steps is exchanged. good. Also, some steps may be executed in parallel with other steps.
本実施形態の制御装置11は、専用のチップ、FPGA(Field Programmable Gate Array)、GPU(Graphics Processing Unit)、またはCPU(Central Processing Unit)などのプロセッサを高集積化させた制御部と、ROM(Read Only Memory)またはRAM(Random Access Memory)などの記憶装置と、HDD(Hard Disk Drive)またはSSD(Solid State Drive)などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスまたはキーボードなどの入力装置と、通信I/Fとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。
The
なお、本実施形態の制御装置11で実行されるプログラムは、ROMなどに予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでCD−ROM、CD−R、メモリカード、DVD、フレキシブルディスク(FD)などのコンピュータで読み取り可能な非一過性の記憶媒体に記憶されて提供するようにしても良い。
The program executed by the
また、制御装置11で実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしても良い。また、この制御装置11は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。
Further, the program executed by the
なお、超電導コイル2および永久電流スイッチ3は、1個の冷却部5で冷却しなくても良い。例えば、超電導コイル2を冷却する冷却部と、永久電流スイッチ3を冷却する冷却部との複数の冷却部を設けても良い。
The
なお、本実施形態では、超電導コイル2および永久電流スイッチ3を冷却する方式として伝導冷却方式を例示しているが、その他の態様であっても良い。例えば、液体ヘリウムを冷媒として用いたヘリウム冷却方式であっても良い。また、液体窒素を用いた冷却方式であっても良い。
In this embodiment, the conduction cooling method is exemplified as a method for cooling the
図15の変形例を用いて極低温の液体の冷却媒体(冷却部)を用いた含浸冷却型の超電導磁石装置1Aを説明する。この超電導磁石装置1Aは、第1真空断熱容器31と、この第1真空断熱容器31の内部に配置される第2真空断熱容器32と、第1真空断熱容器31の上部の開口を閉鎖する第1蓋33と、第2真空断熱容器32の上部の開口を閉鎖する第2蓋34と、この第2蓋34の下部に設けられた断熱部材35と、第2真空断熱容器32の内部空間の対流を防ぐための複数枚のバッフル板36と、第2蓋34から超電導コイル2および永久電流スイッチ3を吊り下げる吊具37とを備える。
An impregnated cooling type
第1真空断熱容器31の内部には、液体窒素38が収容されている。さらに、第2真空断熱容器32の内部には、液体ヘリウム39が収容されている。超電導コイル2および永久電流スイッチ3は、第2真空断熱容器32の内部の液体ヘリウム39に浸されている。この液体ヘリウム39により超電導コイル2および永久電流スイッチ3を想定する温度に冷却する。
なお、液体ヘリウムまたは液体窒素に永久電流スイッチ3が浸されると温度センサを用いて永久電流スイッチ3の温度を検出することが困難になる。そのため、実際に運転を開始する前に、液体ヘリウムまたは液体窒素に浸された永久電流スイッチ3をヒータで制御しながら温度低下させた場合のデータを取得しておく。そして、実際に運転を行うときに、この取得したデータに基づいて永久電流モード移行時のヒータの制御を行うようにする。
If the permanent
なお、本実施形態の臨界温度T3は、電流分流温度とほぼ一致している。電流分流温度とは、永久電流スイッチ3が備える複数本の超電導フィラメントの材質の臨界温度以下の温度であって、各超電導フィラメントに分流される電流が臨界電流密度に達する温度である。なお、一般に超電導技術で用いられている臨界温度(転移温度)が、超電導フィラメントを形成する超電導物質の物性に応じて一義的に決定される温度であるのに対して、本実施形態の電流分流温度は、主電源4により供給される電流の値に応じて予め決定される温度である。つまり、電流分流温度は、主電源4の設定に応じて適宜変更される温度である。前述の実施形態では、臨界温度T3に基づいて各種制御を行っているが、電流分流温度に基づいて各種制御を行うようにしても良い。
The critical temperature T3 of this embodiment is substantially the same as the current shunt temperature. The current diversion temperature is a temperature equal to or lower than the critical temperature of the material of the plurality of superconducting filaments included in the permanent
以上説明した実施形態によれば、永久電流スイッチに流れる電流の増加率に対応する低下率で永久電流スイッチの温度を下げることにより、クエンチの発生を低減して安定的に運転することができる。 According to the embodiment described above, by lowering the temperature of the permanent current switch at a rate of decrease corresponding to the rate of increase of the current flowing through the permanent current switch, the occurrence of quenching can be reduced and stable operation can be performed.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof, as are included in the scope and gist of the invention.
1(1A)…超電導磁石装置、2…超電導コイル、3…永久電流スイッチ、4…主電源、5…冷却部、6…伝導部、7…真空容器、8…ヒータ、9…ヒータ電源、10…温度センサ、11…制御装置、12…解析部、13…主制御部、14…主電源制御部、15…温度制御部、16…ヒータ制御部、17…冷却制御部、18…設定記憶部、19…計時部、21…輻射シールド、23…シールド用伝導部、24…第1冷却ステージ、25…第2冷却ステージ、31…第1真空断熱容器、32…第2真空断熱容器、33…第1蓋、34…第2蓋、35…断熱部材、36…バッフル板、37…吊具、38…液体窒素、39…液体ヘリウム、IC…超電導線材の臨界電流値、Im…超電導コイル電流値、IOP…電源出力値、It…PCS電流値、J…電流密度、JC…臨界電流密度、L…閉ループ、M…磁力線、P…超電導線材の中心、Q…超電導線材の外周、rS…通電領域の内半径、rW…超電導線材の半径、S…通電領域、t…時間、T…PCS温度、V…超電導コイルの中央位置、X1…超電導コイルの軸、X2…本実施形態の永久電流スイッチの軸、X2’…比較例の永久電流スイッチの軸、Z…電流増加率の最大値。 1 (1A) ... Superconducting magnet device, 2 ... Superconducting coil, 3 ... Permanent current switch, 4 ... Main power supply, 5 ... Cooling unit, 6 ... Conduction unit, 7 ... Vacuum container, 8 ... Heater, 9 ... Heater power supply, 10 ... Temperature sensor, 11 ... Control device, 12 ... Analysis unit, 13 ... Main control unit, 14 ... Main power supply control unit, 15 ... Temperature control unit, 16 ... Heater control unit, 17 ... Cooling control unit, 18 ... Setting storage unit , 19 ... Measuring part, 21 ... Radiation shield, 23 ... Shielding conduction part, 24 ... First cooling stage, 25 ... Second cooling stage, 31 ... First vacuum insulation container, 32 ... Second vacuum insulation container, 33 ... first lid, 34 ... second lid, 35 ... heat insulating member, 36 ... baffle plate, 37 ... load block, 38 ... liquid nitrogen, 39 ... liquid helium, I C ... critical current value of a superconducting wire, I m ... superconducting coil current value, I OP ... power supply output value, I t ... PCS current value, J ... current density, J C ... critical current density, L ... closed loop, M ... magnetic field lines, P ... center of the superconducting wire, Q ... outer periphery of the superconducting wire , R S ... inner radius of the current-carrying region, r W ... radius of the superconducting wire, S ... time, T ... PCS temperature, V ... center position of the superconducting coil, X1 ... shaft of the superconducting coil, X2 ... The axis of the permanent current switch of the embodiment, X2'... the axis of the permanent current switch of the comparative example, Z ... the maximum value of the current increase rate.
Claims (13)
前記冷却部による冷却を継続しつつ、ヒータを用いて前記永久電流スイッチを臨界温度よりも高い温度にして常電導に転移させるステップと、
主電源を用いて前記超電導コイルに電流を供給するステップと、
前記ヒータを制御して前記永久電流スイッチの温度を前記臨界温度よりも低い定常運転温度に向けて下げ始めるステップと、
前記主電源から供給される電流を下げ始めることにより、前記超電導コイルを流れる電流を前記永久電流スイッチに流し始めるステップと、
を含む超電導磁石装置の運転方法。 The step of cooling the superconducting coil and the permanent current switch using the cooling unit and transferring them to superconductivity,
A step of using a heater to raise the permanent current switch to a temperature higher than the critical temperature and transferring it to normal conduction while continuing cooling by the cooling unit.
The step of supplying current to the superconducting coil using the main power supply,
A step of controlling the heater to start lowering the temperature of the permanent current switch toward a steady-state operating temperature lower than the critical temperature.
A step of starting to flow the current flowing through the superconducting coil to the permanent current switch by starting to reduce the current supplied from the main power supply.
How to operate a superconducting magnet device including.
前記永久電流スイッチの温度の低下に対応して増加する前記臨界電流を超えない範囲で前記永久電流スイッチに流れる電流を増加させるステップと、
を含む請求項1または請求項2に記載の超電導磁石装置の運転方法。 Steps to obtain the correspondence between the critical current and temperature of the permanent current switch by experimenting or analyzing in advance, and
A step of increasing the current flowing through the permanent current switch within a range not exceeding the critical current, which increases in response to a decrease in the temperature of the permanent current switch.
The method for operating a superconducting magnet device according to claim 1 or 2, comprising the above.
時間tにおける前記永久電流スイッチの温度をT(t)とし、
温度Tにおける前記永久電流スイッチの臨界電流の値をIC(T)とした場合に、
前記永久電流スイッチの温度を下げるときに、It(t)<IC(t)とし、かつ時間変化率を(dIt/dIC)≦1とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の超電導磁石装置の運転方法。 The value of the current flowing to the permanent current switch and I t (t) at time t,
Let T (t) be the temperature of the permanent current switch at time t.
The value of the critical current of the permanent current switch at the temperature T in the case of the I C (T),
When lowering the temperature of the permanent current switch, any of claims 1 to 5 and I t (t) <I C (t), and that the time rate of change and (dI t / dI C) ≦ 1 The method of operating the superconducting magnet device according to item 1.
永久電流スイッチと、
前記超電導コイルおよび前記永久電流スイッチを冷却して超電導に転移させる冷却部と、
前記冷却部による冷却を継続しつつ、前記永久電流スイッチを臨界温度よりも高い温度にして常電導に転移させるヒータと、
前記超電導コイルに電流を供給する主電源と、
前記ヒータを制御して前記永久電流スイッチの温度を前記臨界温度よりも低い定常運転温度に向けて下げ始めるヒータ制御部と、
前記主電源から供給される電流を下げ始めることにより、前記超電導コイルを流れる電流を前記永久電流スイッチに流し始める主電源制御部と、
前記永久電流スイッチに流れる電流の増加率に対応する低下率で前記永久電流スイッチの温度を下げる温度制御部と、
を備える超電導磁石装置。 With a superconducting coil,
With a permanent current switch,
A cooling unit that cools the superconducting coil and the permanent current switch and transfers them to superconductivity.
A heater that shifts the permanent current switch to a temperature higher than the critical temperature and transfers it to normal conduction while continuing cooling by the cooling unit.
The main power supply that supplies current to the superconducting coil,
A heater control unit that controls the heater and starts lowering the temperature of the permanent current switch toward a steady-state operating temperature lower than the critical temperature.
A main power supply control unit that starts to flow the current flowing through the superconducting coil to the permanent current switch by starting to reduce the current supplied from the main power supply.
A temperature control unit that lowers the temperature of the permanent current switch at a rate of decrease corresponding to the rate of increase in the current flowing through the permanent current switch.
A superconducting magnet device equipped with.
前記温度センサにて検出した温度に基づいて、前記主電源制御部が前記永久電流スイッチに流れる電流の増加率を制御し、前記温度制御部が前記永久電流スイッチの温度の低下率を制御する請求項9に記載の超電導磁石装置。 A temperature sensor for detecting the temperature of the permanent current switch is provided.
Based on the temperature detected by the temperature sensor, the main power supply control unit controls the rate of increase in the current flowing through the permanent current switch, and the temperature control unit controls the rate of decrease in the temperature of the permanent current switch. Item 9. The superconducting magnet device according to Item 9.
前記円筒形の軸の方向を前記超電導コイルから生じる磁力線の方向に一致させた状態で前記永久電流スイッチが配置される請求項9または請求項10に記載の超電導磁石装置。 The permanent current switch forms a cylindrical shape in which a superconducting wire is wound without induction.
Superconducting magnet apparatus according to direction of the cylindrical axis to claim 9 or claim 1 0 wherein the permanent current switch in a state that is aligned with the direction of the magnetic force lines are arranged arising from the superconducting coil.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017222119A JP6983629B2 (en) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | How to operate the superconducting magnet device and the superconducting magnet device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017222119A JP6983629B2 (en) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | How to operate the superconducting magnet device and the superconducting magnet device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019096648A JP2019096648A (en) | 2019-06-20 |
JP6983629B2 true JP6983629B2 (en) | 2021-12-17 |
Family
ID=66972026
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017222119A Active JP6983629B2 (en) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | How to operate the superconducting magnet device and the superconducting magnet device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6983629B2 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102372158B1 (en) * | 2019-11-28 | 2022-03-08 | 조선대학교산학협력단 | Fault current blocking system |
JP7458274B2 (en) | 2020-09-09 | 2024-03-29 | 株式会社東芝 | superconducting electromagnet |
JP2023086180A (en) * | 2021-12-10 | 2023-06-22 | 株式会社日立製作所 | Superconducting coil device |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06120573A (en) * | 1992-10-05 | 1994-04-28 | Mitsubishi Electric Corp | Exciting device for superconductive coil |
JPH10247753A (en) * | 1997-03-05 | 1998-09-14 | Toshiba Corp | Superconducting device and control method thereof |
JP2000068567A (en) * | 1998-08-24 | 2000-03-03 | Showa Electric Wire & Cable Co Ltd | Conduction cooling perpetual current switch |
JP2003037303A (en) * | 2001-07-24 | 2003-02-07 | Hitachi Ltd | Superconducting coil with permanent current switch using magnesium diboride superconducting wire material and its manufacturing method |
JP6732529B2 (en) * | 2016-05-11 | 2020-07-29 | 株式会社東芝 | Conduction cooling device and conduction cooling method |
-
2017
- 2017-11-17 JP JP2017222119A patent/JP6983629B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2019096648A (en) | 2019-06-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20210018581A1 (en) | Magnetic resonance imaging system capable of rapid field ramping | |
JP6983629B2 (en) | How to operate the superconducting magnet device and the superconducting magnet device | |
US8134434B2 (en) | Superconducting quick switch | |
JP6120993B2 (en) | Superconducting magnet, MRI and NMR | |
US11482358B2 (en) | Control method for superconducting magnet apparatus and superconducting magnet apparatus | |
JP2015079846A (en) | Superconducting magnetic device | |
JP6590573B2 (en) | Operation method of superconducting magnet device | |
JP2016143733A (en) | Method for operating superconducting coil | |
JP4028917B2 (en) | Quench protection method and quench protection circuit for superconducting magnet device | |
JP6682399B2 (en) | Operating method of superconducting magnet device and superconducting magnet device | |
JP3667954B2 (en) | Quench protection circuit for superconducting magnet | |
US20220157501A1 (en) | Transport current saturated hts magnets | |
JP2011155096A (en) | Superconducting electromagnet device | |
JP3734630B2 (en) | Conduction-cooled superconducting magnet system | |
WO2014096798A1 (en) | Control of a switch for a superconducting magnet | |
JP2023158672A (en) | Superconducting magnet and operational method of the superconducting magnet | |
KR101372822B1 (en) | Apparatus for cooling superconductivity wind-turbine and method for cooling thereof | |
EA045101B1 (en) | CURRENT-SATURED HTSC MAGNETS | |
JP2022049059A (en) | Superconducting magnet device | |
Seo et al. | Evaluation of Stability of NbTi Multi-Strand Conductor by Induced-Current Methods |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200225 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210511 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210701 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20211026 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20211124 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6983629 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |