JPH11204325A

JPH11204325A - 超電導コイルの運転制御法

Info

Publication number: JPH11204325A
Application number: JP10287613A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kato; 武志加藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 1999-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】酸化物高温超電導体を用いた冷凍機伝導冷却
型超電導コイルを安定に運転できる制御方法を提供す
る。【解決手段】冷凍機とその冷却ステージに接続される
超電導コイルとの間の熱抵抗を求める。冷凍機の定格冷
却能力および熱抵抗から、温度と熱量との関係を表わす
有効冷却曲線を求める。所定の温度における超電導コイ
ルの発熱量が有効冷却曲線を上回らないよう、冷凍機に
よって冷却されながら通電される超電導コイルの運転を
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍機伝導冷却型
超電導コイルの運転を制御する方法に関し、特に、超電
導マグネットを構成する冷凍機伝導冷却型超電導コイル
をクエンチを起こさせずに安定に運転するための方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、コイルには、銅など常電導体を用
いたコイルや、液体ヘリウム温度で超電導となる金属系
超電導体を用いたコイルが使用されている。銅を用いて
高磁場を発生しようとすると、発熱が大きいため、水な
どを強制的に流して冷却する必要がある。銅などの常電
導体を用いたコイルは、消費電力が大きい、コンパクト
性に欠ける、メンテナンスが大変などの問題を抱えてい
る。

【０００３】一方、超電導コイルは、小電力で大きな磁
場を発生できるので、各種用途に有用である。しかし、
金属系超電導線をコイルに使用する場合、極低温（４Ｋ
付近）までの冷却が必要であり、冷却コストが高くな
る。また、金属系超電導体は比熱の小さい極低温下で使
用されるため、安定性が悪く、クエンチを起こしやすい
性質を持っている。

【０００４】一方、最近では、比較的高温下で使用が可
能な酸化物高温超電導コイルを用い、磁気分離、結晶引
上げなどの技術が考えられている。酸化物高温超電導コ
イルは、金属系超電導コイルに比べて比較的高温下で使
用できるため、比熱の大きな領域での使用が可能にな
り、安定性が抜群に良いことがわかってきた。酸化物高
温超電導コイルは、より使いやすいマグネットへの実用
化が期待されている。

【０００５】酸化物高温超電導体は、液体窒素温度で超
電導となるが、液体窒素温度では今のところ臨界電流密
度およびその磁場特性がそれほど良くない。このため、
酸化物高温超電導体は、低い磁場を発生するためのコイ
ルとして使用されているのが現状である。一方、酸化物
高温超電導コイルは、液体窒素温度より低い温度におい
てより高い性能を有する可能性がある。この低い温度で
の使用のため、液体ヘリウムでの冷却が考えられるが、
そのコストは高く、取扱いが煩雑である。そこで、運転
コストが比較的安くかつ取扱いが容易な冷凍機を用い
て、酸化物超電導コイルを極低温に冷却する試みがなさ
れている。

【０００６】超電導コイルの安定運転領域を求める手法
として、ロードラインを求め、そこから安定運転領域を
求める方法が一般的である。金属系超電導コイルの運転
においては、浸漬冷却型のものも冷凍機伝導冷却型のも
のも通常ロードラインから求めた運転領域を使用してい
る。

【０００７】酸化物高温超電導コイルの場合も、同様に
ロードラインを求める手法が可能である。一方、酸化物
高温超電導体は、臨界温度が高く、常電導転移が緩やか
であるために、安定性が高くクエンチしにくい。この性
質を生かして、コイルの運転において臨界電流付近まで
電流を流すことが期待できる。そして、運転コストが安
く取扱いが容易な冷凍機を用いて酸化物高温超電導コイ
ルを冷却し、できるだけ運転電流を大きくすることが期
待できる。しかしながら、今のところ、酸化物高温超電
導コイルについて冷凍機伝導冷却型コイルの挙動は十分
に明らかにされておらず、安定に運転できる領域を求め
る場合、運転実験を行なうしかなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、冷凍
機伝導冷却型超電導コイルについて、安定運転領域を求
める新しい手法を見出し、それによってコイルの運転を
安定に制御できる方法を提供することである。

【０００９】本発明のさらなる目的は、冷凍機伝導冷却
型酸化物高温超電導コイルの運転に適した制御方法を提
供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、冷凍機伝導冷
却型超電導コイルの運転を制御する方法であって、冷凍
機とその冷却ステージに接続される超電導コイルとの間
の熱抵抗を求め、冷凍機の定格冷却能力および上記熱抵
抗から温度と熱量との関係を表わす有効冷却曲線を求
め、所定の温度における超電導コイルの発熱量が上記有
効冷却曲線を上回らないよう、冷凍機によって冷却され
ながら通電される超電導コイルの運転を制御することを
特徴とする。

【００１１】本発明において、超電導コイルにおける通
電電流およびその抵抗値から発熱量を求め、該発熱量が
有効冷却曲線を上回らないよう、超電導コイルの運転電
流を制御することができる。

【００１２】本発明による制御方法は、酸化物高温超電
導体を用いた超電導コイルの運転に適している。

【００１３】また本発明の制御方法は、１０Ｋ以上の温
度領域で行なうことがより好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明では、冷凍機とそれに取付
けられる超電導コイルとの間の熱抵抗を求める。熱抵抗
の単位は、Ｋ／Ｗ（ある２点間の温度差ΔＴ／発熱差Δ
Ｗ）である。熱抵抗は、冷凍機とコイルとの間の冷却構
成（冷凍機とコイルとの間に介在する熱伝導部材の材
質、サイズ等）に依存する種々の値をとる。熱抵抗は、
そのような熱伝導部材の材質に依存する熱伝導率、熱伝
導部材の断面積および長さを考慮して計算により求める
ことができる。また、熱抵抗は、簡単な熱伝導の実験に
より実験的に求めることもできる。さらに、冷却構成か
ら、ほぼ当てはめることのできる経験値を熱抵抗として
採用してもよい。通常、冷凍機とコイルとの間の熱抵抗
は、１〜４Ｋ／Ｗ程度である。

【００１５】このようにして求められた熱抵抗と、冷凍
機の定格冷却能力とから、以下のようにして有効冷却曲
線を求めることができる。冷凍機の定格冷却能力は、冷
凍機の種類や構造によって決まっており、通常、使用す
る冷凍機固有の特性として提供されている。そのような
冷凍機冷却能力の具体例を図１に示す。図１に示す冷却
能力曲線Ｐは、冷凍機の第１冷却ステージにおいて６０
Ｗ（８０Ｋ時）、第２冷却ステージにおいて１６．５Ｗ
（２０Ｋ時）の特性を持つ冷凍機の冷却能力を示すもの
である。この図は、たとえば、５Ｗの熱が冷凍機の第２
冷却ステージに加えられた場合、その温度は約１２Ｋと
なり、１０Ｗの熱が加えられた場合その温度は約１４Ｋ
になることを示している。

【００１６】一方、上記熱抵抗については、次のような
関係式を設定することができる。熱抵抗（Ｋ／Ｗ）＝（コイル温度−冷却ステージ温度）
／コイル部の発熱この関係と、上述した冷凍機の冷却能力から、次のよう
にして有効冷却曲線を求めることができる。求められた
熱抵抗が１．５Ｋ／Ｗである場合を次に説明する。たと
えば、コイル部の発熱が５Ｗであれば、上式から、５
（Ｗ）×１．５（Ｋ／Ｗ）＝７．５（Ｋ）の温度差がコ
イルと冷却ステージとの間に生じると計算することがで
きる。冷凍機冷却能力においては、５Ｗの熱に対して温
度は約１２Ｋであるが、上記温度差を考慮すればコイル
温度は、冷却ステージの温度１２Ｋに温度差７．５Ｋを
足した１９．５Ｋになる。このような計算を行ない、有
効冷却曲線をプロットした結果を図２に示す。

【００１７】本発明では、所定の温度における超電導コ
イルの発熱量が上述した有効冷却曲線を上回らないよ
う、冷凍機によって冷却されながら通電される超電導コ
イルの運転を制御する。具体的には、超電導コイルの発
熱が、上記有効冷却曲線の下側に来るよう、運転温度お
よび／または運転電流を制御することができる。この場
合、コイル温度に対してコイル発熱量をプロットした発
熱曲線は、有効冷却曲線の下側に来るようになる。発熱
量および発熱曲線は、実測することもできるし、コイル
各部の磁場、温度を考慮することにより計算から求める
こともできる。計算により発熱量および発熱曲線を求め
る場合、コイルを分割し、それぞれの部分での温度およ
び磁場からコイルを構成する超電導線材の抵抗を計算
し、通電電流とその抵抗値から発熱量を計算し、各部の
発熱量を積算して全体のコイルの発熱量を求めることが
できる。超電導線材の抵抗は、線材の臨界電流密度（Ｊ
ｃ）をまず求め、その値から線材の抵抗を求めることが
できる。Ｊｃの計算法は、たとえば、Proceedings of t
he 8th International Workshop on CRITICAL CURRENTS
IN SUPERCONDUCTORS 27-29 May 1996, pp 471-474に記
載されているものを採用することができる。また、実験
的に発熱量および発熱曲線を求める場合、コイルの温度
と通電電流とをパラメータにして通電試験を行ない、通
電電流値とコイルの発生電圧から発熱を計算することが
できる。

【００１８】従来、超電導コイルの運転においては、コ
イル発熱がない状態で運転するのが一般的であった。し
かし、本発明によれば、コイルに発熱が生じている場合
でも、その発熱量が有効冷却曲線を十分に下回っておれ
ば、安定に運転を行なえることが確認される。このよう
にして、安定に運転できる領域を設定し、できるだけ大
きな通電電流で安定な運転を行なうことができる。有効
冷却曲線を下回る領域では、コイルのクエンチを起こさ
ずに安定に運転することができる。また、通常、超電導
コイルに発熱が生じる場合、その発熱量は温度が上昇す
るにつれて大きくなっていく。その上昇の傾向は計算に
より予測することができる。したがって、ある時点で、
発熱量が大きくなり、温度上昇に伴ってその発熱量が有
効冷却曲線を上回る可能性が予測される場合、速やかに
通電電流を小さくする等の制御を行ない、安定な運転を
維持することができる。このような本発明による制御法
は、適当な制御装置を備えた冷凍機伝導冷却型コイルの
自動制御に適用できる。

【００１９】また本発明によれば、超電導コイルに対し
て限界試験を行なうことなく、計算により安定に運転で
きる領域を求めることができる。したがって、限界試験
によるコイルの損傷等を回避することが可能である。

【００２０】本発明が適用される超電導体の種類につい
ては特に制限されるものではないが、本発明は、安定性
が高い酸化物超電導体等の高温超電導体を使用した場合
に特に有利である。本発明は、比熱が小さく外乱に左右
されやすい極低温（４Ｋ付近）においても適用すること
ができるが、より比熱が大きくなり外乱の影響が少ない
１０Ｋ以上の温度領域で特に有効に使用することができ
る。なお、本発明に用いられる超電導体の形状には、特
に制限はない。

【００２１】本発明の一局面において、超電導コイルの
運転中、超電導コイルの温度をモニタすることができ
る。モニタされる温度が、予め設定された許容限界値以
上になったとき超電導コイルの通電電流が制御される。
そのような温度の許容限界値は、たとえば次のようにし
て求めることができる。上述したように、所定の通電電
流について、計算により発熱量および発熱曲線を求め
る。得られた発熱曲線と有効冷却曲線とを同じグラフに
プロットする。そして、有効冷却曲線を下回る発熱曲線
の部分で最も高い温度（有効冷却曲線と発熱曲線との交
点の温度）を求める。得られた温度またはその近傍でそ
れより低い温度を許容限界値とすることができる。温度
の許容限界値は、通電電流の大きさによって異なってく
る。したがって、複数の通電電流に対して、それぞれ許
容限界値を求めることが好ましい。一方、概して、通電
電流が大きければ、温度の許容限界値は低くなるため、
使用可能な最大通電電流に対する温度の許容限界値のみ
を求めてもよい。実際の運転において、モニタされる温
度が許容限界値を超えなければ、超電導コイルの発熱量
は有効冷却曲線を上回らず、安定な運転を行なうことが
できる。一方、モニタされる温度が許容限界値以上にな
ったとき通電電流を制御すれば、クエンチを回避するこ
とができる。

【００２２】本発明のもう一つの局面において、超電導
コイルの運転中、超電導コイルに発生する電圧をモニタ
することができる。発生電圧はコイルの電気抵抗に起因
するものである。電磁誘導に起因する電圧は、モニタさ
れる電圧から除外される。モニタされる電圧が、予め設
定された許容限界値以上になったとき超電導コイルの通
電電流が制御される。そのような電圧の許容限界値は、
たとえば次のようにして求めることができる。上述した
ように、所定の通電電流について、計算により発熱量お
よび発熱曲線を求める。得られた発熱曲線と有効冷却曲
線とを同じグラフにプロットする。そして、有効冷却曲
線を下回る発熱曲線の部分で最も高い熱量（有効冷却曲
線と発熱曲線との交点の熱量）を求める。得られた熱量
を所定の通電電流で除すれば、対応する発生電圧が得ら
れる。得られた電圧またはその近傍でそれより低い電圧
を許容限界値とすることができる。電圧の許容限界値
は、通電電流の大きさによって異なってくる。したがっ
て、複数の通電電流に対して、それぞれ許容限界値を求
めることが好ましい。一方、概して、通電電流が大きけ
れば、電圧の許容限界値は低くなるため、使用可能な最
大通電電流に対する電圧の許容限界値のみを求めてもよ
い。実際の運転において、モニタされる電圧が許容限界
値を超えなければ、超電導コイルの発熱量は有効冷却曲
線を上回らず、安定な運転を行なうことができる。一
方、モニタされる電圧が許容限界値以上になったとき通
電電流を制御すれば、クエンチを回避することができ
る。

【００２３】本発明では、上述した温度のモニタと、上
述した電圧のモニタとを同時に行なっても良い。モニタ
される温度および／またはモニタされる発生電圧が許容
限界値以上になったとき通電電流を制御してクエンチを
回避することができる。

【００２４】超電導コイルに直流電流を流すとき、超電
導コイルの発熱量は、超電導コイルの電気抵抗に起因す
る発熱量とすることができる。一方、超電導コイルに交
流電流を流すとき、超電導コイルの発熱量は、超電導コ
イルの交流損失に起因する発熱量と、超電導コイルの電
気抵抗に起因する発熱量との和として求めることができ
る。

【００２５】交流損失は、通電試験において測定するこ
とができる。通電試験において、交流損失は、電磁誘導
による成分を除いた電圧値と、電流値との積から、また
は断熱状態における温度上昇と比熱との積から、求める
ことができる。

【００２６】一方、交流損失は、計算によって求めるこ
とができる。種々の原因によって交流損失は生じるが、
一般に、交流損失は、次式で示すように、２つの主な要
因による損失、ヒステリシス損失および結合損失の和と
して求めることができる。

【００２７】

【数１】

【００２８】

【実施例】実施例１Ｂｉ２２２３銀被覆ビスマス系超電導線材（３．６±
０．４ｍｍ×０．２３±０．０２ｍｍ）３枚バンドル
を、厚さ約１３μｍのポリイミドテープおよび厚さ約
０．１ｍｍのＳＵＳテープと共巻し、内径８０ｍｍ、外
径約３００ｍｍ、高さ約８ｍｍのダブルパンケーキコイ
ルを製作した。用いた超電導線材の銀比は２．４であ
り、その臨界電流は３５〜４５Ａ（７７Ｋ）であった。
製作したダブルパンケーキコイルを８層積層し、ジョイ
ントを行なった。ダブルパンケーキコイルの間は、厚み
０．１ｍｍのＦＲＰシートで絶縁した。図３に示すよう
に、各ダプルパンケーキコイル３１の間に銅製の冷却板
３２を挿入し、各冷却板３２を銅製の熱伝導棒３３に接
合した。１対のＦＲＰ板３４の間に積層されたダブルパ
ンケーキコイル３１を挟み、高温超電導コイルの構造体
３０を得た。得られた高温超電導コイルは、図４に示す
ように冷凍機に取付けた。冷凍機４１の冷却ステージで
ある第１ステージ４１ａおよび第２ステージ４１ｂは、
断熱容器４２内に収容されている。第２ステージ４１ｂ
には、銅板４３が固定されている。この銅板４３を介し
て高温超電導コイル３０が冷凍機４１の第２ステージ４
１ｂに取付けられる。酸化物高温超電導線材からなる電
流リード４４は、高温超電導コイル３０から第１ステー
ジ４１ａの温度アンカ部まで設けられている。電流リー
ド４４は、熱侵入を効果的に抑制する。また、第１ステ
ージ４１ａの温度アンカ部から室温までは銅製の電流リ
ード４５を用いた。高温超電導コイル３０は、輻射熱の
侵入を遮断するための熱シールド板４６によって覆われ
ている。断熱容器４２内は真空にされる。超電導コイル
３０におけるコイルパッキング率は７５％であった。

【００２９】冷凍機の第２冷却ステージと高温超電導コ
イルとの間に介在する熱伝導部材の材質およびサイズか
ら、計算によりその熱抵抗を１．５Ｋ／Ｗに設定した。
次いで、上述したように、冷凍機冷却能力曲線から１．
５Ｋ／Ｗの熱抵抗値を用いて有効冷却曲線を求めた。

【００３０】冷凍機を運転し通電試験を行なった。コイ
ルの温度は１１Ｋであった。通電電流２６０Ａ（発生中
心磁場約３．５Ｔ）における運転では、発熱曲線が有効
冷却曲線を下回り、２日以上の長時間運転が可能であっ
た。一方、通電電流３００Ａ（発生中心磁場約４Ｔ）で
は発熱曲線が有効冷却曲線を上回っており、コイル温度
は上昇し、安定に運転できなかった。コイル発熱曲線と
有効冷却曲線との関係を図５に示す。以上の実験から、
有効冷却曲線が発熱曲線を上回る領域において、コイル
は安定に運転できることが確かめられた。

【００３１】実施例２実施例１のコイルに２８０Ａの電流を流したとして、上
述したような計算により、発熱量および発熱曲線を求め
た。得られた発熱曲線を図６に示す。有効冷却曲線も同
じグラフにプロットした。有効冷却曲線と発熱曲線が交
差する点における温度は約２１．７Ｋ、熱量は約６．４
Ｗであった。また、この点における発生電圧を、６．４
Ｗ／２８０Ａ＝２２．９ｍＶと計算した。２１．７Ｋよ
り低い温度では、実際の運転において、コイルの発熱量
は有効冷却曲線を上回らないはずである。また、２２．
９ｍＶより小さい発生電圧では、実際の運転において、
コイルの発熱量は有効冷却曲線を上回らないはずであ
る。温度計測および電圧計測において誤差が生じるた
め、マージンを考慮して、２１．７Ｋから、温度の許容
限界値を２１Ｋ（マージン０．７Ｋ）に設定し、２２．
９ｍＶから、発生電圧の許容限界値を２０ｍＶ（マージ
ン２．９ｍＶ）に設定した。超電導コイルの温度および
発生電圧を測定しながら運転を行ない、かつ各々の測定
値が各々の許容限界値以上であるとき電流を速やかにゼ
ロにするシステムを構成した。このシステムにおいて、
２８０Ａまで１０分で励磁した。その結果、励磁時にコ
イル温度が少し上昇したが、クエンチは起こらず、安定
に運転できた。

【００３２】実施例３実施例１のコイルにおいて、０．００６Ｈｚの交流励磁
を行ない、交流損失を測定した。測定された交流損失は
１．５Ｗであった。例２で求めた発熱量に１．５Ｗを加
えて、交流通電における発熱量を得た。得られた発熱曲
線を図７に示す。有効冷却曲線も同じグラフにプロット
した。有効冷却曲線と発熱曲線が交差する点における温
度は約２０Ｋ、熱量は約５．４Ｗであった。また、この
点における発生電圧を、５．４Ｗ／２８０Ａ＝１９．３
ｍＶと計算した。２０Ｋより低い温度では、実際の交流
運転において、コイルの発熱量は有効冷却曲線を上回ら
ないはずである。また、１９．３ｍＶより小さい発生電
圧では、実際の交流運転において、コイルの発熱量は有
効冷却曲線を上回らないはずである。温度計測および電
圧計測において誤差が生じるため、マージンを考慮し
て、２０Ｋから、温度の許容限界値を１９Ｋ（マージン
１Ｋ）に設定し、１９．３ｍＶから、発生電圧の許容限
界値を１９ｍＶ（マージン０．３ｍＶ）に設定した。超
電導コイルの温度および発生電圧を測定しながら運転を
行ない、かつ各々の測定値が各々の許容限界値以上であ
るとき電流を速やかにゼロにするシステムを構成した。
このシステムにおいて、０．００６Ｈｚの交流励磁を１
時間連続して行なった。その結果、クエンチなしで安定
に運転できた。

【００３３】上述したように、許容限界値を設定したシ
ステムにより、超電導コイルの性能を十分に発揮させる
ことができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、超電導コイルについ
て、クエンチを起こさずに安定な運転を持続させること
ができる。特に本発明によれば、コイルに発熱が生じる
場合でも、安定な運転の条件設定が速やかに可能にな
る。本発明は、超電導マグネットの運転制御に有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷凍機冷却能力の一例を示す図である。

【図２】冷凍機冷却能力と熱抵抗とから有効冷却曲線を
求める例を示す図である。

【図３】実施例において用いられた高温超電導コイルの
構造を示す模式図である。

【図４】実施例において用いられた冷凍機と高温超電導
コイルとの接続構造を示す模式図である。

【図５】実施例１におけるコイル発熱曲線と有効冷却曲
線との関係を示す図である。

【図６】実施例２におけるコイル発熱曲線と有効曲線と
の関係を示す図である。

【図７】実施例３におけるコイル発熱曲線と有効曲線と
の関係を示す図である。

【符号の説明】

３０高温超電導コイル３１ダブルパンケーキコイル４１冷凍機４１ａ第１冷却ステージ４１ｂ第２冷却ステージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷凍機伝導冷却型超電導コイルの運転を
制御する方法であって、前記冷凍機とその冷却ステージに接続される超電導コイ
ルとの間の熱抵抗を求め、前記冷凍機の定格冷却能力および前記熱抵抗から、温度
と熱量との関係を表わす有効冷却曲線を求め、所定の温度における前記超電導コイルの発熱量が前記有
効冷却曲線を上回らないよう、前記冷凍機によって冷却
されながら通電される前記超電導コイルの運転を制御す
ることを特徴とする、方法。
【請求項２】前記超電導コイルにおける通電電流およ
びその抵抗値から、発熱量を求め、前記発熱量が前記有
効冷却曲線を上回らないよう、前記超電導コイルの通電
電流が制御されることを特徴とする、請求項１に記載の
方法。
【請求項３】前記超電導コイルに酸化物高温超電導体
が使用されていることを特徴とする、請求項１または２
に記載の方法。
【請求項４】１０Ｋ以上の温度領域で前記制御を行な
うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記
載の方法。
【請求項５】前記超電導コイルの運転中、前記超電導
コイルの温度をモニタする工程を備え、前記温度が、予め設定された許容限界値以上になったと
き前記超電導コイルの通電電流が制御されることを特徴
とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】前記超電導コイルの運転中、電気抵抗に
より前記超電導コイルに発生する電圧をモニタする工程
を備え、前記発生電圧が、予め設定された許容限界値以上になっ
たとき前記超電導コイルの通電電流が制御されることを
特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方
法。
【請求項７】前記超電導コイルに流す電流が交流電流
であり、前記超電導コイルの前記発熱量は、前記超電導コイルの
交流損失による発熱量と、前記超電導コイルの電気抵抗
による発熱量との和として求められることを特徴とす
る、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。