JPH04578B2 - - Google Patents
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- JPH04578B2 JPH04578B2 JP23260585A JP23260585A JPH04578B2 JP H04578 B2 JPH04578 B2 JP H04578B2 JP 23260585 A JP23260585 A JP 23260585A JP 23260585 A JP23260585 A JP 23260585A JP H04578 B2 JPH04578 B2 JP H04578B2
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- superconducting magnet
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Landscapes
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する技術分野〕
この発明は超電導磁石装置における永久電流ス
イツチがクエンチした場合の保護方法に関する。
イツチがクエンチした場合の保護方法に関する。
超電導線を用いた超電導磁石は、電流密度を高
くすることができるので広い空間に強磁界をコン
パクトな磁石でしかも比較的小さな電力で発生す
ることができる。現在実用化されている超電導線
は高純度の銅やアルミニウムなどの金属（これら
を安定化材と称する）中に超電導材の細線を埋め
込んだ複合超電導線である。銅やアルミニウムは
超電導材（NbTiやNb3Snなど）が超電導状態を
維持できる液体ヘリウム温度（１気圧のもとで約
4.2K）においても超電導状態にはならない。し
かしこれら安定化材は4.2Kなる温度においては
非常に低い抵抗率を持つているため超電導体が何
らかの原因により超電導状態を失つて高抵抗状態
になつた場合（いわゆるクエンチ現象）、超電導
体を流れている電流をバイパス回路に導きジユー
ル発熱を減少させ超電導線の焼損を防ぐ。
くすることができるので広い空間に強磁界をコン
パクトな磁石でしかも比較的小さな電力で発生す
ることができる。現在実用化されている超電導線
は高純度の銅やアルミニウムなどの金属（これら
を安定化材と称する）中に超電導材の細線を埋め
込んだ複合超電導線である。銅やアルミニウムは
超電導材（NbTiやNb3Snなど）が超電導状態を
維持できる液体ヘリウム温度（１気圧のもとで約
4.2K）においても超電導状態にはならない。し
かしこれら安定化材は4.2Kなる温度においては
非常に低い抵抗率を持つているため超電導体が何
らかの原因により超電導状態を失つて高抵抗状態
になつた場合（いわゆるクエンチ現象）、超電導
体を流れている電流をバイパス回路に導きジユー
ル発熱を減少させ超電導線の焼損を防ぐ。
複合超電導線における安定化材と超電導体の比
（これを一般に銅比と称する）は製作される磁石
の使用時の冷却状態、磁石の大きさおよび運転方
法に依存する。一般に蓄積エネルギーの大きな超
電導磁石は複合超電導線の銅比も大きく電流密度
も小さくなる。したがつて大きな著積エネルギー
を持つ超電導磁石をできるだけ高い電流密度で運
転することが最も好ましい。
（これを一般に銅比と称する）は製作される磁石
の使用時の冷却状態、磁石の大きさおよび運転方
法に依存する。一般に蓄積エネルギーの大きな超
電導磁石は複合超電導線の銅比も大きく電流密度
も小さくなる。したがつて大きな著積エネルギー
を持つ超電導磁石をできるだけ高い電流密度で運
転することが最も好ましい。
磁石のクエンチ時には蓄積されている磁気エネ
ルギーが前述した安定化材のジユール発熱として
消費されるが、このジユール発熱によつて磁石の
温度が上昇する。この温度の最高値TMは TM∝JO 2・τ …(1) で表わされる。ここでJOは安定化材中の電流密
度、τは減衰時定数でτ≡Ｌ／Ｒ（Ｌは磁石のイ
ンダクタンス、Ｒは回路の抵抗値でこの場合は超
電導磁石に発生する抵抗値が支配的）である。こ
の最高温度TMは磁石を保護する上からは小形の
もので約300K、中規模のもので200〜100K、ク
エンチを許す大形のものでは約70Kとして設計さ
れるのが通常である。回路の抵抗はコイル自身の
抵抗による場合と第５図に示すように磁石１のク
エンチ検出後回路遮断器４を開いて磁石１を電源
５より切離し、磁石１と直列に保護抵抗体２を挿
入して磁石１の蓄積エネルギーの一部を常温領域
(A)に設置した保護抵抗体で消費させ、クエンチ後
の磁石１の最高温度を抑制したり、もしくはより
高い電流密度で運転される磁石を提供できる保護
方式がしばしば用いられる。なお第５図における
３は磁石１に励磁電流を供給する電流供給リード
を示し、(L)は極低温領域を示す。
ルギーが前述した安定化材のジユール発熱として
消費されるが、このジユール発熱によつて磁石の
温度が上昇する。この温度の最高値TMは TM∝JO 2・τ …(1) で表わされる。ここでJOは安定化材中の電流密
度、τは減衰時定数でτ≡Ｌ／Ｒ（Ｌは磁石のイ
ンダクタンス、Ｒは回路の抵抗値でこの場合は超
電導磁石に発生する抵抗値が支配的）である。こ
の最高温度TMは磁石を保護する上からは小形の
もので約300K、中規模のもので200〜100K、ク
エンチを許す大形のものでは約70Kとして設計さ
れるのが通常である。回路の抵抗はコイル自身の
抵抗による場合と第５図に示すように磁石１のク
エンチ検出後回路遮断器４を開いて磁石１を電源
５より切離し、磁石１と直列に保護抵抗体２を挿
入して磁石１の蓄積エネルギーの一部を常温領域
(A)に設置した保護抵抗体で消費させ、クエンチ後
の磁石１の最高温度を抑制したり、もしくはより
高い電流密度で運転される磁石を提供できる保護
方式がしばしば用いられる。なお第５図における
３は磁石１に励磁電流を供給する電流供給リード
を示し、(L)は極低温領域を示す。
超電導線を使用した永久電流スイツチを用いて
超電導磁石の両端子を短絡したいわゆる永久電流
モードで運転する超電導磁石は磁石の励磁、減磁
以外の定常使用状態では電流供給リードは引き抜
かれて使用されるのが普通である。永久電流モー
ド状態でもし永久電流スイツチがクエンチして高
抵抗状態になつた場合、磁石の蓄積エネルギーは
永久電流スイツチ部分に集中し、スイツチの焼損
につながる。それがため第６図に示すように保護
抵抗体２をスイツチ６と並列に接続して使用する
ことが知られている。この場合保護抵抗体２の抵
抗値R2の値はスイツチ６のOFF状態の時すなわ
ち常電導抵抗値RSより充分小さくする必要があ
るが、これらの値は磁石の蓄積エネルギーや実用
的な励磁時間を考慮して決定される。また保護抵
抗体２は磁石より十分離し、たとえば冷媒のガス
空間Ｌ２に設置され、磁石励磁の妨げとならない
ように構成されなければならない。磁石とスイツ
チは冷媒の液領域に設置されるものとする。
超電導磁石の両端子を短絡したいわゆる永久電流
モードで運転する超電導磁石は磁石の励磁、減磁
以外の定常使用状態では電流供給リードは引き抜
かれて使用されるのが普通である。永久電流モー
ド状態でもし永久電流スイツチがクエンチして高
抵抗状態になつた場合、磁石の蓄積エネルギーは
永久電流スイツチ部分に集中し、スイツチの焼損
につながる。それがため第６図に示すように保護
抵抗体２をスイツチ６と並列に接続して使用する
ことが知られている。この場合保護抵抗体２の抵
抗値R2の値はスイツチ６のOFF状態の時すなわ
ち常電導抵抗値RSより充分小さくする必要があ
るが、これらの値は磁石の蓄積エネルギーや実用
的な励磁時間を考慮して決定される。また保護抵
抗体２は磁石より十分離し、たとえば冷媒のガス
空間Ｌ２に設置され、磁石励磁の妨げとならない
ように構成されなければならない。磁石とスイツ
チは冷媒の液領域に設置されるものとする。
永久電流スイツチとその保護抵抗体の設計に際
しては、スイツチのOFFすなわち常電導時の抵
抗値をRSとすると、 Ｗ・RS∫〓m 4.2CSdθ≧RS／R2＋RS・Ｅ …(2) を満足しなければならない。ここでＷ：スイツチ
を構成している材料の１Ωあたりの質量〔Kg／
Ω〕、∫〓m 4.2CSdθ：スイツチが最高温度θm(K)まで
に
達したときのエンタルピー増加〔Ｊ／Kg〕、Ｅ：
超電導磁石の蓄積エネルギー(J)である。すなわち
スイツチで吸収できるエネルギーとスイツチの最
高温度θMは(2)式を満たす必要があり、かつθmは
300Kを越えることが望ましい。蓄積エネルギー
が大きくなれば永久電流スイツチも大形化して耐
熱負荷も大きくしなければならないという問題が
生じ、さらにスイツチの大形化はON−OFFの応
答性を悪くするという問題を生じる。
しては、スイツチのOFFすなわち常電導時の抵
抗値をRSとすると、 Ｗ・RS∫〓m 4.2CSdθ≧RS／R2＋RS・Ｅ …(2) を満足しなければならない。ここでＷ：スイツチ
を構成している材料の１Ωあたりの質量〔Kg／
Ω〕、∫〓m 4.2CSdθ：スイツチが最高温度θm(K)まで
に
達したときのエンタルピー増加〔Ｊ／Kg〕、Ｅ：
超電導磁石の蓄積エネルギー(J)である。すなわち
スイツチで吸収できるエネルギーとスイツチの最
高温度θMは(2)式を満たす必要があり、かつθmは
300Kを越えることが望ましい。蓄積エネルギー
が大きくなれば永久電流スイツチも大形化して耐
熱負荷も大きくしなければならないという問題が
生じ、さらにスイツチの大形化はON−OFFの応
答性を悪くするという問題を生じる。
この発明は大きな磁気蓄積エネルギーを有する
超電導磁石を永久電流モードで運転する場合にそ
の永久電流スイツチのクエンチに対して、スイツ
チを大形化することなしに、スイツチの保護を十
分安全に行なえるような超電導磁石装置を提供す
ることを目的とする。
超電導磁石を永久電流モードで運転する場合にそ
の永久電流スイツチのクエンチに対して、スイツ
チを大形化することなしに、スイツチの保護を十
分安全に行なえるような超電導磁石装置を提供す
ることを目的とする。
この発明は永久電流スイツチを用いて運転され
る超電導磁石において、スイツチの保護抵抗体を
超電導磁石の極く近傍に設置することにより永久
電流スイツチのクエンチにより保護抵抗体に流れ
る電流のジユール発熱により超電導磁石を加熱し
磁石自体もクエンチさせるようにし、蓄積エネル
ギーの消費を磁石内部でも行なわせてスイツチに
おけるエネルギー消費を抑え、これによつて永久
電流スイツチを小形化させようとするものであ
る。
る超電導磁石において、スイツチの保護抵抗体を
超電導磁石の極く近傍に設置することにより永久
電流スイツチのクエンチにより保護抵抗体に流れ
る電流のジユール発熱により超電導磁石を加熱し
磁石自体もクエンチさせるようにし、蓄積エネル
ギーの消費を磁石内部でも行なわせてスイツチに
おけるエネルギー消費を抑え、これによつて永久
電流スイツチを小形化させようとするものであ
る。
第１図はこの発明の実施例を示す超電導装置の
電気回路図で、従来の電気回路たる第５図、第６
図と同一部分には同一の符号を付し説明を省略す
る。永久電流スイツチ６の保護抵抗２は、励磁・
減磁時に発生する電圧によつて保護抵抗２に電流
が流れることを防止するために設けたダイオード
７と直列に接続され、この回路が超電導磁石１と
永久電流スイツチ６に対しそれぞれ電気的に並列
接続されかつ位置的に超電導磁石１に近接して設
置される。この場合、超電導磁石の励磁・減磁時
の電圧は極めて小さいのでダイオード７の順耐圧
（約数ボルト）により保護抵抗体には電流は流れ
ない。またダイオードが逆並列接続されているの
は回路の極性（＋、−）がどちらになつても対応
できるようにするためである。永久電流スイツチ
６のクエンチにより発生する抵抗値RSと保護抵
抗体２の抵抗値R2との合成抵抗値R2S（R2S＝１／RS ＋１／R2）により端子af間に電圧が誘起されダイオ ード７がターンオンし、永久電流モードでは
bcdeを流れていた電流のほとんどが保護抵抗体
２回路を含むac dfなる回路を流れる。そこで保
護抵抗体２にはジユール発熱を生じ近接している
超電導磁石１が熱せられて、クエンチを導く。
電気回路図で、従来の電気回路たる第５図、第６
図と同一部分には同一の符号を付し説明を省略す
る。永久電流スイツチ６の保護抵抗２は、励磁・
減磁時に発生する電圧によつて保護抵抗２に電流
が流れることを防止するために設けたダイオード
７と直列に接続され、この回路が超電導磁石１と
永久電流スイツチ６に対しそれぞれ電気的に並列
接続されかつ位置的に超電導磁石１に近接して設
置される。この場合、超電導磁石の励磁・減磁時
の電圧は極めて小さいのでダイオード７の順耐圧
（約数ボルト）により保護抵抗体には電流は流れ
ない。またダイオードが逆並列接続されているの
は回路の極性（＋、−）がどちらになつても対応
できるようにするためである。永久電流スイツチ
６のクエンチにより発生する抵抗値RSと保護抵
抗体２の抵抗値R2との合成抵抗値R2S（R2S＝１／RS ＋１／R2）により端子af間に電圧が誘起されダイオ ード７がターンオンし、永久電流モードでは
bcdeを流れていた電流のほとんどが保護抵抗体
２回路を含むac dfなる回路を流れる。そこで保
護抵抗体２にはジユール発熱を生じ近接している
超電導磁石１が熱せられて、クエンチを導く。
第２図は永久電流スイツチの保護抵抗体の具体
的設置方法を示す縦断面図で、円筒体の両端にフ
ランジを有する巻枠８にソレノイド状に巻かれた
超電導巻線１ａの外周面に密着して永久電流スイ
ツチ６を介して保護抵抗体２が巻回される。この
保護抵抗体２は銅あるいはステンレス等で形成す
るが、この場合保護抵抗体がインダクタンスを持
たないように保護抵抗体２ａ層と２ｂ層を流れる
電流の向きは逆方向となるように接続する。また
超電導巻線の外側に密着して設置した保護抵抗体
は電磁力を抑える作用も同時に備えもつ利点を有
する。
的設置方法を示す縦断面図で、円筒体の両端にフ
ランジを有する巻枠８にソレノイド状に巻かれた
超電導巻線１ａの外周面に密着して永久電流スイ
ツチ６を介して保護抵抗体２が巻回される。この
保護抵抗体２は銅あるいはステンレス等で形成す
るが、この場合保護抵抗体がインダクタンスを持
たないように保護抵抗体２ａ層と２ｂ層を流れる
電流の向きは逆方向となるように接続する。また
超電導巻線の外側に密着して設置した保護抵抗体
は電磁力を抑える作用も同時に備えもつ利点を有
する。
第３図は第２図の保護抵抗体２ａ，２ｂ層に通
常運転時における超電導巻線１ａの冷却を促進す
る冷却用孔９を設けた状態を示す斜視図である。
常運転時における超電導巻線１ａの冷却を促進す
る冷却用孔９を設けた状態を示す斜視図である。
第４図はスイツチの保護抵抗体を超電導巻線１
ａの内側に設置した他の実施例を示す縦断面図で
ある。
ａの内側に設置した他の実施例を示す縦断面図で
ある。
この発明によれば永久電流スイツチのクエンチ
に対する保護抵抗体を超電導磁石巻線に密接して
配置する構造としたので、スイツチのクエンチ後
は保護抵抗体が通電され、それによる発熱により
超電導磁石もクエンチするため、解放される磁気
エネルギーを分散して消費できる。これがため永
久電流スイツチの耐熱容量を小さくできる。した
がつて大きな蓄積エネルギーを持つ超電導磁石に
対しても小形の永久電流スイツチで対応できとく
に熱式永久電流スイツチにおいてはON−OFFの
応答性の向上や、より少ない超電導線でスイツチ
の製作が可能なため磁気的安定性も向上する。
に対する保護抵抗体を超電導磁石巻線に密接して
配置する構造としたので、スイツチのクエンチ後
は保護抵抗体が通電され、それによる発熱により
超電導磁石もクエンチするため、解放される磁気
エネルギーを分散して消費できる。これがため永
久電流スイツチの耐熱容量を小さくできる。した
がつて大きな蓄積エネルギーを持つ超電導磁石に
対しても小形の永久電流スイツチで対応できとく
に熱式永久電流スイツチにおいてはON−OFFの
応答性の向上や、より少ない超電導線でスイツチ
の製作が可能なため磁気的安定性も向上する。
さらにエネルギー消費部が分散されることによ
り、保護抵抗体自体も小形化でき、また保護抵抗
体によつて生じるクエンチは、磁石の局部的クエ
ンチでなく短時間で磁石全体におよぶ傾向を持つ
ため、磁石の局部的な温度上昇を防止できる。
り、保護抵抗体自体も小形化でき、また保護抵抗
体によつて生じるクエンチは、磁石の局部的クエ
ンチでなく短時間で磁石全体におよぶ傾向を持つ
ため、磁石の局部的な温度上昇を防止できる。
第１図はこの発明による超電導磁石装置の電気
回路図、第２図はこの発明の第１の実施例として
外側に保護抵抗体を設置した超電導磁石の縦断面
図、第３図はこの発明の第２の実施例として第２
図における保護抵抗体に冷却用孔を設けた超電磁
石の斜視図、第４図はこの発明の第３の実施例と
して保護抵抗体を内側に設置した超電導磁石の縦
断面図、第５図、第６図は夫々従来の超電導磁石
の保護回路を示す図である。 １：超電導磁石、２，２ａ，２ｂ：保護抵抗
体、６：永久電流スイツチ、７：ダイオード、
８：巻枠、９：冷却用孔。
回路図、第２図はこの発明の第１の実施例として
外側に保護抵抗体を設置した超電導磁石の縦断面
図、第３図はこの発明の第２の実施例として第２
図における保護抵抗体に冷却用孔を設けた超電磁
石の斜視図、第４図はこの発明の第３の実施例と
して保護抵抗体を内側に設置した超電導磁石の縦
断面図、第５図、第６図は夫々従来の超電導磁石
の保護回路を示す図である。 １：超電導磁石、２，２ａ，２ｂ：保護抵抗
体、６：永久電流スイツチ、７：ダイオード、
８：巻枠、９：冷却用孔。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 永久電流スイツチを用いて運転する超電導磁
石において；永久電流スイツチのクエンチに対す
る保護抵抗体を超電導巻線に密着して設け、かつ
この保護抵抗体は電気的に逆並列されたダイオー
ドと直列接続されるとともに前記超電導巻線とは
並列接続となるように構成したことを特徴とする
超電導磁石装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の超電導磁石装置
において；円筒体の両端にフランジを有する巻枠
に超電導巻線を巻回し、この外周部に偶数層に分
割された保護抵抗体を巻回して構成したことを特
徴とする超電導磁石装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の超電導磁石装置
において；円筒体の両端にフランジを有する巻枠
に偶数層に分割された保護抵抗体を巻回し、この
外周部に超電導巻線を巻回して構成したことを特
徴とする超電導磁石装置。 ４ 特許請求の範囲第２項および第３項記載の超
電導磁石装置において；偶数層に分割されて巻回
された保護抵抗体は各層それぞれに流れる電流の
向きが逆方向となるように接続されたことを特徴
とする超電導磁石装置。 ５ 特許請求の範囲第２項記載の超電導磁石装置
において；偶数層に分割されて巻回された保護抵
抗体は各層を貫通する複数個の冷却用孔を有する
ことを特徴とする超電導磁石装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23260585A JPS6292416A (ja) | 1985-10-18 | 1985-10-18 | 超電導磁石装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23260585A JPS6292416A (ja) | 1985-10-18 | 1985-10-18 | 超電導磁石装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6292416A JPS6292416A (ja) | 1987-04-27 |
| JPH04578B2 true JPH04578B2 (ja) | 1992-01-08 |
Family
ID=16941969
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23260585A Granted JPS6292416A (ja) | 1985-10-18 | 1985-10-18 | 超電導磁石装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6292416A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8780510B2 (en) * | 2009-09-23 | 2014-07-15 | General Electric Company | Passive quench protection circuit for superconducting magnets |
| JP2013251516A (ja) * | 2012-06-04 | 2013-12-12 | Hitachi Ltd | 超電導磁石装置 |
-
1985
- 1985-10-18 JP JP23260585A patent/JPS6292416A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6292416A (ja) | 1987-04-27 |
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