JPH0963830A

JPH0963830A - 超電導並列回路およびそのクエンチモニタ方法

Info

Publication number: JPH0963830A
Application number: JP7218952A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Mukoyama; 晋一向山; Kazutomi Miyoshi; 一富三好; Hirokazu Tsubouchi; 宏和坪内
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1995-08-28
Filing date: 1995-08-28
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】効率的な超電導回路のクエンチモニタ方法を
実現すること。【解決手段】３個以上が並列接続された超電導体１０
〜１３の内の２個にリード線３０を取り付けで電圧測定
すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超電導体を複数個並
列接続した超電導回路に適用され、その超電導回路のク
エンチをモニタする技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＭＲＩや磁気浮上列車等に超電導
線を用いた超電導機器が応用されつつある。超電導体
（超電導線の形態が多い）としては大別して金属系のも
のとセラミック系のものが知られている。金属系の超電
導体としてＮｂＴｉ系やＮｂ₃Ｓｎ系等のものが代表的
である。これらの超電導体の使用に際しては、超電導状
態を実現するために低温下に置かれることになる。代表
的な超電導体であるＮｂＴｉ超電導線の場合、通常、液
体ヘリウム（冷媒）中に配置され使用される。

【０００３】ところで超電導体は特定の条件（温度等）
のとき超電導状態を実現する。従って例えばＮｂＴｉ超
電導線等の超電導体は特定の条件下にないときは常伝導
状態にある。従って室温下にあるときには常伝導状態で
ある。しかしこれらは通例、室温下でもＮｂＴｉ超電導
線、超電導体等と呼ばれることが多い。

【０００４】一般に超電導体には臨界電流値と呼ばれる
限界値があり、超電導状態であっても無制限に電流を流
すことはできない。この臨界電流値を越えるとその超電
導体は超電導状態が崩れて常伝導状態になってしまう。
従って１本の超電導体（線）に流せる超電導電流には限
度があるので、大きな電流値を流す用途に適用する超電
導回路（マグネット等）を作る場合には並列回路を採用
することが多い。具体的には超電導線或いは超電導ケー
ブルの回路を並列に複数設けるのである。その他、１本
１本の超電導線を絶縁して集合した（例えば撚線）超電
導ケーブルを用いてコイル巻きすれば並列回路になる。

【０００５】超電導体の臨界電流値はこれを越えると超
電導体が常伝導状態になる電流の限界値を指すが、実際
にはこの臨界電流値以下で運転している場合であっても
超電導体が常伝導状態になることがある。温度条件の変
動や電磁的撹拌、機械的振動等によっても超電導体の常
伝導転移（これをクエンチと称する）が誘起されること
があるからである。例えば機械的振動の場合、これが磁
場変動を引き起こしたり、振動による摩擦熱等を起こ
し、その結果、超電導体のクエンチを発生させると考え
られている。このようなクエンチは突然起こることも多
い。

【０００６】ところで複数の超電導体が並列接続された
超電導並列回路において、その内の１本のみが常伝導転
移した場合、その他の超電導体のクエンチが誘発されて
結局、超電導並列回路の系全体がクエンチしてしまうこ
とがある。なお、クエンチという用語は個々の超電導体
が常伝導状態に転移する場合の他、超電導並列回路の系
全体が常伝導状態になった状態に対しても使用される用
語である。

【０００７】回路全体がクエンチすると、常伝導状態に
転移した超電導体に流れる電流によってジュール熱が発
生する。すると冷媒（液体ヘリウム等）の大量蒸発を起
こすことがあるばかりか、超電導体が焼き切れたりする
こともある。そこで回路全体がクエンチした場合、或い
はクエンチする兆候にある場合は、速やかに運転を停止
するか回路に流れる電流を速やかに下げる等の措置を講
ずることになる。そしてクエンチした超電導体が再び冷
却され超電導状態に回復すれば運転を再開するのであ
る。なおクエンチは運転開始時から回路に電流を励磁す
る段階で起きやすいものであるが、永久電流モードでの
運転中であっても突然起きることがある。

【０００８】そこで超電導回路の運転に際しては、その
クエンチをモニタしておく必要が生ずる。図２を参照し
ながら従来のクエンチモニタの方法を説明する。図２は
超電導体１０、１１、１２、１３の４個を並列接続した
回路の一部を示す模式図である。この超電導体の内の１
本（例えば超電導体１０）に電流タップ２１を取り付
け、リード線３１を介して電圧測定器４２に接続してあ
る。電流タップ２１を取り付けた超電導体１０が超電導
状態にあれば図示する左右の電流タップ２１間の電圧値
は理想的には零になる（但し実際には外部電磁場の乱れ
や測定器のノイズ等があるため、多少の電圧は検知され
る）。さて超電導体１０がクエンチすると抵抗が生ずる
ので、電圧測定器４２で電圧が検知される。予め検知さ
れる電圧値の規定値（しきい値）を設定しておき、その
検知した電圧値が規定値以上になったとき回路がクエン
チしたと判定すればよい。かくしてクエンチがモニタで
きる。

【０００９】なお前記規定値は回路のインダクタンスや
通電する電流値等から決定する。具体的には、例えばＬ
（ｄＩ／ｄｔ）の値を参考に設定するが、その他電圧測
定器のノイズや精度等も考慮する。さて図２の回路の運
転中、取り付けた電流タップ２１間に規定値以上の電圧
が発生すれば、回路はクエンチ状態、或いはその前段階
と判定して、速やかに運転を停止する等の処置を講ずる
ことになる。こうして回路全体のクエンチを未然に防ぐ
か、或いは回路全体のクエンチに至った場合でも、超電
導体が焼き切れることを防止したり、高価な冷媒（液体
ヘリウム等）の蒸発を抑制するのである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】再び図２を参照しなが
ら説明する。例えば超電導体１１にクエンチが発生した
場合、その超電導体１１に抵抗が発生するのでその超電
導体１１に流れていた電流の大半が他の３個の超電導
体、即ち超電導体１０、１２、１３に転流することにな
る。すると他の３個の超電導体にはそれまで流れていた
電流より大きな電流が流れることになるので、これらの
超電導体のクエンチが誘発される可能性が高まる。つま
り回路全体のクエンチを招く可能性が高まる。

【００１１】しかし通常の運転では、各超電導体の臨界
電流値に対しある程度低い電流値が流れるように設定し
てあるので、４個の内の１本がクエンチしても他の３個
の超電導体がクエンチするとは限らない。他の３個がク
エンチしなければ回路全体のクエンチには至らず、クエ
ンチした超電導体が再び超電導状態に回復する。かくし
て超電導並列回路の正常な運転が維持される。従って４
個の内の１本がクエンチした段階で、即、回路の運転を
停止することは必ずしも効率的な運転方法とは言えな
い。

【００１２】ところが従来のクエンチモニタの方式では
複数の超電導体の内の１個に電流タップを取り付けて電
圧測定することで行っているので次のような問題があっ
た。図２を例に説明すると、電流タップ２１を取り付け
た超電導体１０にクエンチが発生し、その段階では他の
３個の超電導体１１、１２、１３が未だクエンチに至っ
ていない場合、従来の方式ではこの段階で、回路のクエ
ンチ発生、或いはその前段階と判定してしまっていたの
である。

【００１３】このため従来のクエンチモニタの方式で
は、電流タップ２１を取り付けた超電導体１０がクエン
チしたとき回路がクエンチしたと判定してしまうので、
必ずしも効率的な運転方法ができるとは言えなかったの
である。即ち、回路全体のクエンチには至らず、いずれ
超電導体１０が超電導状態に自然に回復する場合であっ
ても、回路の運転を停止（或いは電流値を下げる措置を
講ずる）してしまうのであるから、それだけ運転コスト
の増大を招く結果となる。またその結果、部品の交換等
を不必要に招くことにもなりかねず、交換部品代や交換
作業代が高くなる等の問題も生ずる。

【００１４】このような問題に対処するため、図３に示
すように超電導体１０〜１３の全てにリード線３２を取
り付ける方法が考えられる。この方法によれば、例えば
超電導体１０がクエンチした場合でも、他の超電導体１
１〜１３がクエンチしているか否かが測定できるので、
回路全体がクエンチに至るか否かの判定がより正確に行
える利点がある。従って不必要な回路の運転停止措置や
電流値を下げる措置等を講ずることがなく経済的であ
る。しかしこの方法によっても次のような問題があっ
た。

【００１５】図３の方式では従来に比べ電流タップ２２
からリード３２を介して冷媒域と外部との接続箇所が増
えている。従ってそれだけ極低温を維持するための冷媒
内に外部の熱が侵入しやすくなる。外部からの熱の侵入
量が増えればそれだけ冷媒の蒸発消費量が増え運転コス
トの増大につながる。特に現在一般に使用される冷媒は
高価な液体ヘリウムであるから、その蒸発量の増大はコ
スト面はもちろん有効資源の保護の観点でも望ましくな
い。

【００１６】加えて電圧タップの取り付け箇所が多い
と、当然その費用やその取り付け作業費が増大する問題
もある。また超電導機器内のタップを取り付ける空間、
或いはその取り付け作業に必要な空間も必要になり、超
電導機器設計上の自由度を制限することになりかねな
い。

【００１７】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は効率的な
クエンチモニタが可能な超電導並列回路を提供すること
を目的とする。即ち、並列接続された３個以上の超電導
体の内の少なくとも２個の超電導体に電圧測定用のリー
ドが取り付けられた超電導並列回路を提供する。また効
率的なクエンチモニタの方法として、並列接続された３
個以上の超電導体の内の少なくとも２個の超電導体に電
圧測定用のリードを取り付けて電圧測定し、少なくとも
２個の超電導体で同時に発生している電圧を測定する方
法を提供する。

【００１８】本発明の超電導並列回路は、超電導コイ
ル、永久電流スイッチ、超電導限流器等の用途で、３個
以上の超電導体で並列接続された回路を対象にしてい
る。またそのような超電導回路のクエンチの発生をモニ
タする方法を提供する。

【００１９】並列接続された３個以上の超電導体の内の
少なくとも２個にリード線を取り付け、そのリード線を
介してリード線を取り付けた超電導体に発生する電圧を
モニタするのであるが、その測定する電圧値に対し、予
め設定した規定値との大小を比較する。その規定値は測
定器の精度やノイズ、或いは外部電磁場の乱れ等を考慮
して適宜設定する。そして電圧測定している超電導体の
内、少なくとも２個の超電導体で規定値以上の電圧を生
じているときに、回路がクエンチした、或いはその前段
階であると判定する。従って電圧測定する超電導体の
内、１個のみが規定値以上の電圧を発生している場合に
は回路がクエンチしたとは判定しない。

【００２０】

【発明の実施の形態】一例として４個の超電導体が並列
接続された超電導並列回路を挙げる。図１は超電導回路
の並列部分を示す概念図である。ここでは超電導体１
０、１１、１２、１３は例えば超電導コイルを指し、そ
の４個のコイルが接続部６０、６１で電気的に並列接続
されている。その接続方法は半田接続、固相接続、圧着
等による。

【００２１】電流は接続部６０、６１間でそれぞれ４個
の超電導体に分流している。４個の超電導体が同じもの
であれば理想的には分流は各々４分の１ずつに等分にな
る。しかし実際には各々の超電導体１０〜１３に流れる
電流値は等しくならない。接続抵抗の微小な相違が現実
には存在するからである。なお超電導回路の場合、極め
て微小な抵抗値の相違であっても分流に与える影響は大
きい。

【００２２】超電導体１０、１１の、左右の接続部６
０、６１の内側にそれぞれ電流タップ２０を設けリード
線３０を接続する。超電導体１０とリード線３０との接
続は半田接続等による。このリード線３０は冷媒（液体
ヘリウム）内から室温空間に引き出され、電圧測定器４
０、４１に接続される。

【００２３】さて超電導体１０〜１３が超電導状態にあ
るときは超電導体１０、１１には電圧は発生しない。こ
の状態で例えば超電導体１２がクエンチしたとすると超
電導体１２には電圧が発生する。すると超電導体１２に
流れていた電流の大部分は、他の超電導体１０、１１、
１３に分流されることになる。但し各々の超電導体１
０、１１、１３の接続抵抗が存在しているので、超電導
体１２にも微小な電流は流れる。

【００２４】このように超電導体１２に流れていた電流
が分流される分、他の超電導体に流れる電流が大きくな
る。しかしそれでも各々の超電導体の臨界電流値を越え
なければ超電導体１０、１１、１３はクエンチしない。
この場合、これらの超電導体はクエンチに至らず正常な
運転を維持し、結局、超電導体１２も再び超電導状態に
復帰する。これは航空器や電機機器の分野でいう、冗長
性と同様なものである。

【００２５】上記のような場合、電圧測定器４０、４１
には規定値以上の電圧が発生しないから、クエンチ発生
と判定されない。従って不必要な回路運転の停止措置等
を防げる。一方、超電導体１２に流れていた電流が他の
超電導体に分流された結果、他の超電導体のいずれかが
クエンチしたとすると、その２回目のクエンチにより更
に電流の分配が起こる。この場合、クエンチに至ってい
ない超電導体の残り数が更に少なくなるので、２回目の
クエンチによる分流を受ける残りの超電導体の負担はそ
れだけ大きくなる。このため１個の超電導体のクエンチ
が更に２個目のクエンチを誘起した場合、更に３回目の
クエンチを誘発する可能性が高く、結局回路全体のクエ
ンチに至る可能性が高くなる。

【００２６】従って電圧測定器４０、４１で同時に規定
値以上の電圧が検知された場合、回路全体のクエンチが
発生する可能性が非常に高いことを意味している。そこ
で本発明では、この時点で回路のクエンチ発生、或いは
その兆候あり、と判定するのである。その判定は電圧測
定器４０、４１の観察によって作業者が認知してもよい
が、電圧測定器４０、４１の双方で同時に規定値以上の
電圧が検知されている状態を判定する論理回路を設けて
おけば、自動検知も可能である。

【００２７】上述の説明では、超電導体１２にクエンチ
が発生した場合を考えたが、電圧測定器４０（或いは４
１）と接続している超電導体１０（或いは１１）でクエ
ンチが発生することも当然ありえる。この場合、超電導
体１０のクエンチが超電導体１１〜１３のクエンチを誘
発しなければ、電圧測定器４１には超電導体１１のクエ
ンチは検知されない。従って電圧測定器４０、４１が同
時にクエンチを検知せず、回路全体のクエンチと判定し
ない。この状態であれば超電導体１１〜１３はクエンチ
せず超電導状態を維持するのであるから、超電導体１０
はいずれ超電導状態に回復され正常な運転は維持される
ことになり、回路の運転を停止したりする措置を講ずる
必要は生じない。

【００２８】超電導体１０のクエンチが超電導体１１〜
１３のいずれかのクエンチを誘発した場合、回路全体の
クエンチに至る可能性が高いことは上述した通りである
が、この場合、いずれ超電導体１１のクエンチが検知さ
れることになるので、電圧測定器４０、４１はいずれ超
電導体１０、１１のクエンチを同時に検知することにな
る。この段階で回路全体のクエンチを判定すればよい。

【００２９】このように並列接続された超電導体１０〜
１３の内、任意の２個の電圧を測定しておけば回路のク
エンチが効率的に検知できる。もちろん、電圧測定する
超電導体を２個以上にしても構わないが、電流タップの
取り付け数が多くなる上、冷媒内に外部の熱が侵入しや
すくなるので、電圧測定する超電導体の数はあまり多く
ない方がよい。ただし回路によっては、並列接続された
超電導体の２個で同時にクエンチが発生していても、回
路全体としてクエンチに至らず回復することもある。例
えば臨界電流値に対し十分に低い電流を流す回路の場合
である。または並列接続する超電導体の数が相当に多
く、その内の一部がクエンチしても残りの超電導体の数
が多く余裕が大きい場合である。これらの場合は、並列
接続された超電導体の内の３個、若しくはそれ以上の超
電導体から電圧測定を行えばよい。ただしこの場合で
も、並列接続された超電導体の全てに電流タップ、リー
ド線を取り付け電圧測定を行う必要はない。

【００３０】このように、本発明の超電導並列回路のク
エンチモニタ方法は、効率的で経済的なモニタ方法であ
り、不必要な回路運転の停止措置等を防げる。また多く
の電流タップを取り付ける必要がないので、その取り付
け作業費が節約できる。また装置内に電流タップを取り
付ける空間、或いはその作業空間を余分に必要としな
い。その他、超電導体に接続するリードの数が少なくて
済むので、外部熱の侵入による冷媒の蒸発等を抑制でき
経済的である。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の超電導並列
回路は効率的なクエンチモニタを可能にし、そのクエン
チモニタ方法は効率的な運転を可能にし経済的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のクエンチモニタ方法を示す概念図であ
る。

【図２】従来のクエンチモニタ方法を示す概念図であ
る。

【図３】従来のクエンチモニタ方法を示す概念図であ
る。

【符号の説明】

１０、１１、１２、１３超電導体２０、２１、２２電流タップ３０、３１、３２リード線４０、４１、４２電圧測定器４３、４４、４５、４６電圧測定器５０、５１超電導体６０、６１接続部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】並列接続された３個以上の超電導体の内
の少なくとも２個の超電導体に電圧測定用のリードが取
り付けられた超電導並列回路。
【請求項２】並列接続された３個以上の超電導体の内
の少なくとも２個の超電導体に電圧測定用のリードを取
り付けて電圧測定し、少なくとも２個の超電導体で同時
に発生している電圧を測定する超電導並列回路のクエン
チモニタ方法。