JPH0138361B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、液体冷却材により低温冷却される超
電導磁石コイル装置の超電導状態から常電導状態
への意図しない移行を保護するため、磁石コイル
装置が直列接続された複数の部分巻線に分割さ
れ、部分巻線にはそれぞれ所定の抵抗値の保護抵
抗が並列接続され、しかも隣接する部分巻線の互
いに向かい合う端子がこれらに付属する保護抵抗
の対応する端子に電気導体の共通な部分を介して
接続されている超電導磁石コイル装置の保護装置
に関する。 〔従来技術とその問題点〕 上述のような超電導磁石コイル装置の保護装置
は西独特許出願公開第2301152号明細書より公知
である。 超電導磁石コイルは、例えば公知のコイル装置
のものと同様にしばしば短絡されても運転され
る。つまり、このようなコイルの磁界は一度確立
されると、この磁界を維持するのに外部から殆ど
これ以上のエネルギーを供給しなくてもよい。コ
イルに注入された電気エネルギーを保持するため
には、そのコイルの両端をできるだけ抵抗の少な
い持続電流スイツチにより短絡すればよい（西独
特許出願公開第2521328号明細書、西独特許第
2324371号明細書参照）。この場合に電流はそのよ
うに形成されて短絡されている電流回路において
ほとんど減衰せずに流れ、コイルの低温範囲への
熱流入を減らすために、磁石コイルの励磁に必要
な電源の接続導体のような、コイルの低温範囲と
外部の室温範囲との間を経過する総ての導電接続
導体は分離するのがよい。 大きな超電導磁石コイルには、例えばMJ範囲
の著しいエネルギー量が蓄積されている。特にこ
れらの磁石コイルは超電導状態から常電導状態へ
の思わぬ移行の際に、たとえ“クエンチ”とも称
するこの移行が最初にコイルの一部にしか現れな
かつたとしても非常に危険である。何となれば、
超電導コイル導体の僅かな熱容量の結果として導
体は超電導状態から常電導状態へ移行後それによ
り条件付けられる抵抗増大によつて非常に速やか
に高温をとるからである。同時にそれの固有抵抗
も非常に急速に増大し、それによつて熱上昇が加
速される。この際に絶縁に負担をかけ不均一な加
熱を生じさせ得る過電圧に至る。 大きな超電導磁石コイル装置を過熱もしくは電
気絶縁破壊による損傷あるいは破壊から保護する
ために特別な措置が必要である。この措置として
は、例えば磁石コイルを複数の部分巻線に分割し
て、電圧制限のためにそれらの部分巻線を、それ
ぞれ保護抵抗（西独特許出願公開第2301152号明
細書参照）、半導体ダイオード（西独特許出願公
開第1614964号明細書参照）あるいは過電圧吸収
装置（西独特許出願公開第2301152号明細書参照）
で橋絡することがあげられる。 さらに超電導磁石コイルにおける温度制限のた
めに常電導範囲の広がりを加速することが知られ
ている。これはコイル巻線を通る電流か、または
渦電流により加熱されて新たな常伝導範囲を磁石
コイルに生じさせるアルミニウム製の共通な巻回
体を通る電流によつて行なわれる（1979年１月発
行、“IEEE−Transactions on Magnetics”、
Vol.MAG−15、No.第855〜859ページ参照）。さ
らに、特別なクエンチ検出器により作動させられ
て外部電源から給電される巻線電気加熱要素によ
りクエンチの広がりを促進させることもできる
（1981年９月発行、“IEEE−Transactions on
Magnetics”、Vol.MAG−17、No.５、第1815〜
1822ペース参照）。 しかしながら、信頼性の理由からしばしばかか
る磁石コイルのための受動的な保護装置が望ま
れ、この保護装置は、例えばクエンチ検出器、ス
イツチおよび外部給電されるヒータになるような
能動的な要素の操作なしに電圧および温度の制限
機能を行なう。 冒頭に述べた西独特許出願公開第2301152号明
細書による保護装置において設けられている超電
導磁石コイル部分巻線に対する並列な保護抵抗は
かかる受動的保護装置と見なせる。これらの抵抗
の保護作用は、他の巻線中に流れている電流にと
つてクエンチを発生した高抵抗の巻線に対する並
列路を形成することから、これらの抵抗の熱的負
担能力に問題がある。 大きな磁石コイルの場合にはこのような抵抗に
おけるクエンチの結果として100kW以上の電力
が変換されることがある。クエンチが他の部分巻
線に広がらなければ、磁石コイルの全蓄積エネル
ギーはこれらの保護抵抗において熱に変換され、
すなわちエネルギーの主要部はその抵抗によつた
熱上昇により吸収されなければならないであろ
う。例えば数100K（絶対温度）の所定の最高温度
までに加熱を制限するためには、各抵抗体の質量
は、例えば数Kgというような相当に大きくなる。
しかしながら、このような大きな質量の保護抵抗
は望ましくないことが多い。 〔発明の目的〕 本発明は冒頭に述べた受動的保護装置を比較的
小さい質量の保護抵抗で済むように改善すること
を目的とする。 〔発明の構成〕 この目的は本発明によれば特許請求の範囲第１
項記載の特徴事項によつて達成される。 本発明においては、超電導磁石の部分巻線は超
電導磁石コイル装置を冷却する低温媒体の排気流
中にある保護抵抗によつて橋絡される。 磁石コイル装置の直列接続されている部分巻線
を超電導持続電流スイツチにより短絡することが
好ましい。この持続電流スイツチは、特に持続電
流スイツチの常電導移行時に少なくとも運転電流
の大部分を引き受ける少なくとも１つの冷却され
る保護要素によつて運転状態において電気的に橋
絡されているとよい。 本発明による他の有利な実施態様は特許請求の
範囲第２項以下に記載されている。 〔発明の実施例〕 以下、図面を参照しながら、本発明を実施例に
ついてさらに詳細に説明する。 第１図に示されている回路は、実施例として直
列になつている６個の部分巻線もしくは部分コイ
ル３ないし８からなる超電導磁石コイル装置２を
基礎に置く。破線９で囲まれている範囲にある構
成部分を除いて、回路に示されているすべての部
分が超電導磁石コイル装置を冷却するための冷却
材として設けられている液体ヘリウムの範囲内に
ある。このためにこの部分は特に適当なクライス
タツト内の液体ヘリウム槽内に配置されている。 100H以下に及びコイル装置の比較的高いイン
ダクタンスと、絶縁技術上の理由から要求される
例えば500V迄の部分コイル内電圧制限のために、
急速にコイル装置から外部抵抗へエネルギーを抜
き取ることはできない。同様に、２次巻線による
変圧器減結合は、要求される大きな時定数でもつ
てくることがほとんどできないために省略され
る。したがつて、蓄積されたエネルギーは熱に変
換される。このため、６個の部分コイル３〜８の
それぞれは、例えば0.2〜２Ωの等しい抵抗値を
持つ保護抵抗10〜15にて橋絡されている（1963年
４月発行「The Review of Scientific
Instruments」第34巻、第４号、第368〜373ペー
ジ参照）。これらの保護抵抗１０〜１５はこれら
が付属させれている部分コイル３〜８と同様に鎖
状に直列接続されている。 保護抵抗の直列回路と部分コイルの直列回路と
の間の横接続導線１７〜２３によりそれぞれの部
分巻線への保護抵抗の並列接続が行なわれる。こ
の場合に隣接する部分コイルの互いに向かい合う
端子同士は対応する保護抵抗の該当する端子にそ
れぞれ１つの共通の導線１８〜２２を介して接続
されている。例えば両部分コイル３，４間の接続
２５から、これら部分コイルに付属する両保護抵
抗１０，１１間の接続２６へは、共通導線１８が
つながつている。これと同様に残りの導線１９〜
２２も配置されている。 磁石コイル装置２の付勢および消勢時における
６個の保護抵抗１０〜１５での損失電力を制限
し、しかも部分コイル３〜８を冷却する液体ヘリ
ウムの大量の気化を避けるために、保護抵抗をこ
の冷却材の排気流中に配置することにより、保護
抵抗１０〜１５は液体ヘリウムから熱的に分離さ
れている。このようにして、液体ヘリウムの著し
い大量消費を招くことなしにヘリウムガスのエン
タルピが十分に利用し尽される。ヘリウム排気流
の範囲は本回路においては破線９で示されてい
る。 さらに、クエンチ時における保護抵抗１０〜１
５の熱負荷も、クエンチが特別に個々の部分コイ
ルに設けられている加熱要素によりコイル装置全
体に広がることによつて制限されている。何とな
れば、その場合には全コイル電流が比較的速やか
に低下し、蓄積されたエネルギーの大部分が冷た
いかたまりの主要部である巻回体にてじゆうぶん
一様に消費されるのに対して、小部分だけが保護
抵抗へ転換される。したがつて、保護抵抗を小さ
くすることができる。 このために、本発明によれば、加熱要素のため
の供給電圧を部分コイルの直列回路と保護抵抗の
直列回路との間の低い付加抵抗から取り出すこと
によつて、加熱要素を備えた受動システムが設け
られている。したがつて、隣接すべき部分コイル
に共通な導線１８〜２２中にそれぞれ付加抵抗２
８〜３２があり、それらの抵抗値は接続されてい
る各保護抵抗１０〜１５の値の５分の１以下であ
ることが好ましい。これらの付加抵抗２８〜３２
は同時に部分コイル３〜８のための別の保護抵抗
となり、保護抵抗１０〜１５と同様にヘリウム排
気流中に配置されている。これらの付加抵抗２８
〜３２のそれぞれには２つの電気加熱要素３４，
３５；３６，３７；３８，３９；４０，４１；４
２，４３が並列接続されている。選ばれた実施例
にしたがつてそれぞれ対応する付加抵抗２８〜３
２よりも遥かに大きい、例えば少なくとも10倍の
抵抗値を持つているとよいこれらの加熱要素は、
それぞれの付加抵抗と接続されている隣接する両
部分コイルと熱接触している。例えば両部分コイ
ル３および４に共通な導線１８中にある付加抵抗
２８では、部分コイル３もしくは部分コイル４に
熱接触して配置されている２つの加熱要素３４お
よび３５のための供給電圧が取り出される。同様
にして、加熱要素３６〜４３は付加抵抗２９〜３
２により取り出された電圧を供給される。クエン
チにより部分コイル３〜８のうちの１つにおける
電流が落ち込んだ場合は、平衡化電流が該当する
付加抵抗を介して流れる。この抵抗に接続されて
いる２つの部分コイルの加熱要素がクエンチをそ
れぞれの隣接する部分コイルに伝える。 さらに、第１図による回路からわかるように、
部分コイル３〜８の直列回路は超電導持続電流ス
イツチ４５を介して短絡されている。このスイツ
チの場合には、加熱巻線４６により熱的に超電導
状態と常電導状態との間で切換えられ得る短絡ス
イツチが用いられている（西独特許出願公告第
1539825号明細書参照）。この加熱巻線は磁石コイ
ル装置の付勢および消勢段階の間のみ端子４７お
よび４８を外部の電源に接続されることが好まし
い。しかしながら、場合によつては他の超電導切
換形式も使用することができる。持続電流スイツ
チ４５も磁石コイル装置２を冷却する液体ヘリウ
ム槽内にある。この持続電流スイツチ４５は乱れ
のない運転状態では定格電流を荷い、その流れ
方向は図に太線で示された短絡回路における矢印
で示されている。このスイツチ４５についても、
常電導への偶然の移行時に損傷をまぬがれるため
に保護手段を施さなければならない。このため
に、回路には２つの保護要素が示されており、こ
れらにより持続電流スイツチ４５は運転状態では
電気的に橋絡されている。まず一つとして持続電
流スイツチ４５に機械的短絡スイツチ４９が並列
接続されている。この同様にヘリウム槽に配置す
べき短絡スイツチ４９は定格電流Ｉ到達後に端子
５０および５１にまだ電源が接続されている状態
で閉成され、超電導持続電流スイツチ４５を保護
する。そのインピーダンスにはなんら高い要求は
なされない。このスイツチ４９は磁石コイル装置
２の運転上での付勢および消勢のためにのみ、持
続電流スイツチ４５が並列の電源又は外部の放電
抵抗によつて保護されているとき開放される。 第２の可能性として、超電導持続電流スイツチ
４５は少なくとも１つの冷ダイオード５３を含む
電流路によつても橋絡することができる（1977年
６月発行、“IEEE Transactions on Nuclear
Science”、Vol.NS−24、No.３、第1318および
1319ページ参照）。この冷ダイオード５３は順方
向に運転されるが、付勢時には阻止方向に運転さ
れる。その際に約1Vの導通電圧は持続電流スイ
ツチ４５にとつて無害である。このようなダイオ
ード５３の主要な効果は、それがヘリウム温度で
順方向においても阻止状態になるところにある。
スイツチのクエンチの際にのみダイオード５３は
その際の高い電圧で熱帰還結合により数マイクロ
秒以内に導通し、それによりスイツチ４５を保護
する。しかしながら、存在する１ないし2Vの導
通電圧により持続電流スイツチ４５はもはや完全
には超電導にならず、その結果全磁気エネルギー
がダイオード５３において変換されるというよう
なことを回避するために、さらに付加的に別の加
熱要素５４を介する磁石コイル装置２におけるク
エンチ対策が用意されている。加熱要素３４〜４
３の給電に対応して、例えば部分コイル３に取付
けられた加熱要素５４は、持続電流スイツチ４５
のクエンチ時にダイオード５３と直列の小さい抵
抗５５において降下する電圧によつて給電され
る。この加熱要素５４によりまず部分コイル３が
常電導状態に移され、次に付加抵抗２８〜３２お
よび加熱要素３５〜４３により残りの部分抵抗４
〜８が常電導状態に移される。ダイオード５３お
よびこれに直列な抵抗５５は同様にヘリウム排気
流中に配置することが望ましい。 さらに第１図から分かるように、保護抵抗１０
〜１５の直列回路の中間に導線５７が接続されて
いる。この導線５７を介して、磁石コイル装置２
の付勢又は消勢段階の期間において機械式短絡ス
イツチ４９が開かれた状態で外部電源が接続され
るときにのみ、クエンチ検出器が磁石コイル装置
２に接続される。このクエンチ検出器は超電導コ
イルが超電導状態から常電導状態へ移行すると
き、すなわちいわゆるクエンチのときオーム抵抗
が飛躍的に上昇するという現象を利用するもので
従来から知られている（例えばドイツ連邦共和国
特許出願公開第2839787号、アメリカ合衆国特許
第4271443号明細書参照）。このクエンチによる抵
抗の増加は、そのコイルを流れる電流による電圧
降下の増大を伴うものであり、コイルのクエンチ
されない部分には電圧降下は生じない。クエンチ
検出器はこの抵抗の急変、ないし電圧降下の急変
を検出してクエンチが生じたことを指示すること
ができる。導線５７は端子５０，５１とともに超
電導部分コイルと抵抗との組み合わせをほぼ等し
い２つの部分に分割する。今その一方の半部、例
えば端子５１と導線５７との間に形成される左側
半部において、部分コイル３〜５の一つにクエン
チが生じたとすると、その半部の抵抗は飛躍的に
上昇し、一方右側の半部（部分コイル６〜８）の
抵抗は依然として最低値に保持される。したがつ
て、左側の半部と右側の半部の電圧降下に不平衡
を生じ、例えばホイーストンブリツジにより検出
することができ、それによつて外部電源を遮断す
る信号を発することができる。 超電導磁石コイル装置の付勢時（持続電流スイ
ツチ４５が開放ないし阻止状態のとき）、全電流
は電源から端子５０，５１を介して磁石コイル装
置２に流れるが、もしこの付勢時にクエンチが生
じると、電源はそれに付勢する電源スイツチによ
つて遮断されなければならない。この遮断操作は
上述のクエンチ検出器によつてトリツプされる
が、このトリツプはどうしてもクエンチ発生に対
し時間的に遅れて行われるから、クエンチを生じ
たコイル部分の抵抗上昇の結果、電源スイツチに
よる遮断操作までかなり高電圧を端子５０，５
１、したがつて電源そのものにも生じることにな
る。この電圧の急上昇を制限するために外部に抵
抗（いわゆる放電抵抗）を端子５０，５１間に接
続することが好ましい。この抵抗の代わりに同時
に電源を橋絡するダイオード（いわゆるフリーホ
イーリングダイオード）を設けることもできる。 第１図による実施例によれば、加熱要素３４〜
４３およびこれらに付属する付加抵抗２８〜３２
はそれぞれ互いに分離された構成部分からなつて
いる。しかしながら、場合によつては、少なくと
も部分的に加熱要素が同時に対応する付加抵抗と
して設けられてもよく、すなわち加熱要素が付加
抵抗の機能も引き受けるようにしてもよい。 第２図には、第１図による保護装置が設けられ
ている磁石コイル装置２の部分コイル巻回体パツ
ケージ６０の断面の一部が概略的に示されてい
る。この巻回体パツケージはヘリウムを透過させ
ない絶縁物６２によつて覆われているコイル巻回
体６１上にある。この巻回体パツケージの内面お
よび外面にはそれぞれ平面状の加熱要素が配設さ
れている。巻回体パツケージ６０が、例えば第１
図による部分コイル４に対応しているものと仮定
すると、これらの加熱要素は第１図に３５および
３６で示されている要素に当る。これらの要素は
異なる付加抵抗２８，２９に対して、もしくは付
加抵抗２８および冷ダイオード５３への直列抵抗
５５に対して並列接続されている。加熱要素は金
属化された合成樹脂箔の形で巻回体パツケージの
最下層の下もしくは最上層の上に接続されてい
る。この場合に配線がそれぞれ該当する巻線端と
接続されている抵抗につながつていることが重要
である。したがつて、対応する部分コイルと加熱
要素との間の電位差が一巻線層の耐圧までに、す
なわち僅かな電圧までに制限される。加熱要素３
５および３６を含む巻回体パツケージ６０のまわ
りには保護帯６３が施されている。 第１図に相応する保護装置の具体的実施例によ
れば、この装置は６つの部分コイル３〜８を備え
た磁石コイル装置２に付属されている。全体のイ
ンダクタンスが83Hであるこれらのコイルにより
2Tの磁界が生ぜしめられ、この場合に、コイル
の導体を通して約99×10⁶A／m²の平均電流密度
で382.5Aの定格電流Ｉが流れる。コイル装置に
は6.1MJのエネルギーが蓄積される。個々の保護
抵抗１０〜１５はそれぞれ約0.45オームの値を有
し、これに対して付加抵抗はそれぞれ約0.05オー
ムの値を有し、又冷ダイオード55に対して直列の
抵抗５５は約0.1オームの値を有する。抵抗の材
料としては特殊鋼が好ましい。面状の加熱要素３
４〜４３および５４は、金属化された合成樹脂フ
イルムから作られており（米国、ミネアポリス、
Minco Products Corp.社製“Thermofoil”）、そ
れぞれ約2.5オームの抵抗を有する。 この場合に、かゝる保護装置によればクエンチ
時に一つの部分コイルにかかる個別電圧は140V
以下に留まり、温度は100K（絶対温度）を上回ら
ない。 〔発明の効果〕 本発明による保護装置の構成によりもたらされ
る利点は、クエンチの際における放電が加熱要素
によるコイル装置全体へのこの移行の波及により
加速されることによつて、これらの抵抗の熱容
量、つまり質量が小さくてすむというところにあ
る。したがつて、蓄積されているエネルギーはほ
とんど一様にすべてのコイル巻線において熱に変
換される。加熱要素は部分巻線のクエンチの際に
付加抵抗における電圧降下として保護抵抗に配分
されることにより生じる内部電圧によつて給電さ
れるため、保護装置は受動的であり、決して外部
への電気接続を必要としない。それゆえ熱導入に
よる冷却材損失は相応して僅かである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超電導磁石コイル装置の
保護装置の実施例を示す接続図、第２図は第１図
における保護装置の加熱要素の構成例を部分的に
略示する断面図である。 ２……磁石コイル装置、３〜８……コイル（部
分巻線）、１０〜１５……保護装置、１８〜２２
……共通な導体部分、２８〜３２……付加抵抗、
３４〜４３……加熱要素、４５……持続電流スイ
ツチ、４６……加熱巻線、４９……短絡スイツ
チ、５３……冷ダイオード、５４……加熱巻線、
５５……直列抵抗、６０……巻回体パツケージ、
６１……コイル巻回体、６２……絶縁物、６３…
…保護帯。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体冷却材により低温冷却される超電導磁石
   コイル装置の超電導状態から常電導状態への意図
   しない移行を保護するため、磁石コイル装置が直
   列接続された複数の部分巻線に分割され、部分巻
   線にはそれぞれ所定の抵抗値の保護抵抗が並列接
   続され、しかも隣接する部分巻線の互いに向かい
   合う端子がこれらに付属する保護抵抗の対応する
   端子に電気導体の共通な部分を介して接続されて
   いる超電導磁石コイル装置の保護装置において、 (a) 保護抵抗は冷却材の排気流中に配置されてい
   ること、 (b) 隣接すべき部分巻線に共通な導体部分中には
   それぞれ付加抵抗が置かれ、これらの付加抵抗
   の抵抗値はこれらに接続されている保護抵抗の
   それぞれの値よりも小さいこと、 (c) 各付加抵抗には２つの電気加熱要素が並列接
   続され、これらの加熱要素はそれぞれの付加抵
   抗と接続されている隣接する２つの部分巻線と
   熱的に接触していること を特徴とする超電導磁石コイル装置の保護装置。 ２ 付加抵抗は冷却材の排気流中に配置されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   保護装置。 ３ 各付加抵抗の抵抗値はそれぞれに接続されて
   いる保護抵抗の抵抗値の５分の１以下であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の保護装置。 ４ 各加熱要素の抵抗値はそれぞれの付加抵抗の
   抵抗値よりも大きく、とりわけ10倍以上であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３
   項のいずれかに記載の保護装置。 ５ 付加抵抗は少なくとも部分的に加熱要素とし
   て構成されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の保護装
   置。 ６ 磁石コイル装置の直列接続されている部分巻
   線は超電導持続スイツチにより短絡されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５
   項のいずれかに記載の保護装置。 ７ 超電導持続スイツチは加熱巻線により操作で
   きる短絡スイツチであることを特徴とする特許請
   求の範囲第６項記載の保護装置。 ８ 超電導持続スイツチは磁石コイル装置の液体
   冷却材により冷却できることを特徴とする特許請
   求の範囲第６項または第７項記載の保護装置。 ９ 超電導持続スイツチは少なくとも１つの冷却
   される保護要素によつて運転状態では電気的に橋
   絡され、該保護要素は超電導持続スイツチの常電
   導移行時に運転電流の大部分を引き受けることを
   特徴とする特許請求の範囲第６項ないし第８項の
   いずれかに記載の保護装置。 １０ 冷却される保護要素は機械的な短絡スイツ
   チであることを特徴とする特許請求の範囲第９項
   記載の保護装置。 １１ 機械的な短絡スイツチは磁石コイル装置の
   液体冷却材により冷却できることを特徴とする特
   許請求の範囲第１０項記載の保護装置。 １２ 冷却される保護要素として少なくとも１つ
   のダイオードが設けられていることを特徴とする
   特許請求の範囲第９項または第１０項記載の保護
   装置。 １３ ダイオードには少なくとも１つの抵抗が直
   列接続され、該抵抗には磁石コイル装置の部分巻
   線の１つにおける大きな抵抗値を有する別の電気
   加熱要素が並列接続されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１２項記載の保護装置。 １４ ダイオードとこれに直列な抵抗は冷却材の
   排気流中に配置されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１３項記載の保護装置。 １５ 加熱要素として金属化された合成樹脂箔が
   設けられていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第１４項のいずれかに記載の保護装
   置。