JPS63257203A - 超電導磁石のためのクエンチ伝播装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、少なくとも一対の超電導コイルを備えた超
電導磁石のためのクエンチ伝播装置に関する。

［従来の技術］ π故時に発生する常電導化（クエンチ）の際に、コイル
対のそれまでＪＪ３主導であった第１のコイルがこのコ
イル対の第２のコイルをも、コイルと熱的に結合された
加熱装置を用いて、超電導運転状態から常電導状態へと
移行させるようになっているかかるクエンチ伝播装置は
、欧州特許第０１１５７９７号公報から知られている。

比較的大形の超電導磁石の中には非常に大きいエネルギ
ー量を貯蔵することができ、このエネルギーは例えば磁
石ヨークの範囲に存在する。特にかかる磁石は、超電導
運転状態から常電導状態への意図しない移行の際に、「
クエンチ」とも呼ばれるこの移行がまず磁石の一部分だ
けに発生するときでさえ、大きい危険にさらされる。す
なわち磁石の超電導コイル導体の小さい熱容量のために
、かかる導体はクエンチの後にこれに起因する抵抗増加
により急速に高い温度に達する。同時にその抵抗率も急
速に増加し、それにより温度上昇は更に加速される。そ
の際過電圧を生じ、この過電圧が絶縁に負荷をかけ、ま
たフラッジオーバの際に磁石の損傷又は破壊を招くおそ
れがある。

比較的大形の超電導磁石はしばしば、複数の超電導コイ
ル又は部分コイル又は部分巻線から構成されている。こ
れらのコイルを過熱又はフラッジオーバによる損傷又は
破壊から守るために、さまざまの特殊な保護手段が用い
られる。これらの手段は特に、個々のコイルの電圧制限
のためにそれぞれオーム性の保護抵抗（ドイツ連邦共和
国特許出頭公開第２３０１１５２号公報参照）、半導体
ダイオード（ドイツ連邦共和国特許出願公開第１Ｂ１４
８６４号公報参照）又はアレスタ（ドイツ連邦共和国特
許出願公開第１７６４３８９号公報参照）により橋絡さ
れるように構成することができる。し。

かし個々のコイルのクエンチの際に、磁石の一般に直列
に接続されたコイルの電流が著しく異なる時間経過特性
を呈するおそれがある。すなわちその際クエンチを起こ
したコイルの電流が減少し、一方隣接コイルの中の電流
はかえって増加するおそれがある。かかる場合には、例
えば磁石全体を消磁するか又は熱に置換される磁気的エ
ネルギーを一様に個々のコイルに分配するために、磁石
の他のコイル又はすべてのコイルにもクエンチを誘発す
ることがしばしば望まれる。又はコイルのクエンチ中の
電流分布及び磁界分布に良い影響を与えるべきである。

このことは磁石が対として対称に構成されたコイル系で
あるときに特に重要である。すなわちコイル対ではクエ
ンチの際に、クエンチを起こさなければ対称な電流分布
従って磁界分布が非対称になる。その結果その周囲、特
にコイルを囲むクライオスタットの中に誘導される渦電
流又は例えば鉄遮蔽体のようなコイルを囲む強磁性の部
分と、コイルとの相互作用に対しても同じことが当ては
まる。そのときコイルの極低温の慧重装首に負荷を与え
る大きい磁力が発生するおそれがある。

それ故にかかるコイル対の一つのコイルのクエンチの際
に、全磁石の中の電流分布を従って周囲への力作用を対
称となるようにするために、このコイルに対称に置かれ
たコイルにも常電導状態をできるだけ速やかに誘発する
ように努められる。

そうすればコイル対上及びタライオスタット構成部分上
で支持すべき正味負荷力を減らすことができる。

多数のコイルを備えた磁石の中で常電導範囲の伝播を加
速するための手段は、例えば「アイトリプルイー　トラ
ンザクションズオン　マグネチックス（ＩＥＥＥ　Ｔｒ
ａｎｓａｃｔ１０ｎｓ　ｏｎＭａｇｎｅｔｉｃｓ　　）
　Ｊ　、第ＮＡＧ−１７巻、第５号、１９８１年９月、
第１８１５〜１８２２ページから知られている。それに
基づきコイルのそばの電気的加熱要素によりクエンチ伝
播を促進することができ、この加熱要素は特別のクエン
チ検出器により作動され外部の電源から給電される。

しかしながら信頼性の理由からしばしば、大形超電導磁
石のための「受動的な」クエンチ伝播装置が要求される
。かかる装置は、例えばクエンチ検出器、スイッチ及び
外から給電される加熱要素のような能動的な要素を採用
したり操作したすせずに、電圧、温度及び力を制限する
機能を果たすゆえに優れている。

かかる自動的なりエンチ伝播装置は、例えば「第６回国
際磁石技術委員会議事録（ＭＴ−６）」、ブラティスラ
バ（チェコスロバキア共和国）、１９７７年８月２８日
〜９月２日、第６５４〜６６２ページに記載の論文から
知られている。この装置によれば、超電導磁石を例えば
最高純度アルミニウムのような良導電性コイル枠上に又
は二次短絡＠線上に巻き付けることができる。これらは
クエンチの場合に変圧器のようにエネルギーの一部を引
き取り、かつ同時に磁石のまだ超電導の部分を加熱する
。しかしながらかかる装置では、冷却短体であるヘリウ
ムの大きい損失が正規の励磁開始及び励磁解消の際に誘
導電流に基づいて発生する。更に励磁切り換え速度が高
すぎるときには意図しないのにクエンチを誘発する危険
がある。

前記欧州特許公報から知られたクエンチ伝播装置も受動
的に作動する。複数の単独コイル又は部分コイルを備え
た超電導磁石のために用いられるこの装置は、常電導材
料から成る箔の形の特別な加熱装置を備え、この加熱装
置はそれぞれ従属するコイルと良伝熱接触状態で結合さ
れている。その際クエンチの場合に必要な加熱要素のた
めの運転電圧は、クエンチ保護抵抗の回路から取り出さ
れる。しかしながらその際クエンチを起こしたコイルか
ら他のコイルへのクエンチ進行は比較的緩慢に行われる
ので、相応の長い移行時間に対して磁石の中に電流分布
従って力作用の相応に不均一な状態が生じるおそれがあ
る。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は、一層速い磁石の消磁を可能にすることによ
り前記の危険が減少するように、前記の種類の受動的な
りエンチ伝播装置を改良することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的はこの発明に基づき、加熱装置が、所定の抵抗
率を有する常電導材料の独立した少なくとも一つの導体
から成り加熱装置にそれぞれ従属するコイルと磁気的に
密に詰合された補助巻線であり、第１の補助コイルの中
の電流方向が第２の補助コイルの中の′ｒＷ、流方向に
反対向きになるように、コイル対の両コイルに従属する
両補助巻線が相互に短絡接続されていることにより達成
される。

［作用効果コ クエンチ伝播装置のこの構成により生じる長所は特に、
コイル対のクエンチを起こしたコイルに付設された第２
のコイルが、＃別な外部の（能動的な）構成要素を必要
とせず、比較的速やかに常電導状態に移行されるという
ことにある。すなわち補助巻線とそれにそれぞれ従属す
るコイルと゛の磁気的に密な結合のために、コイル対の
一つのコイルのクエンチの場合にそのコイルの補助巻線
の中に電圧が誘導され、この′改正がコイル対の第２の
コイル上の加熱体として働く対の片方の補助巻線を通っ
て加熱電流を流し、第２のコイルでも同様にクエンチを
誘発する。その際特に、コイル対に従属する両補助巻線
の構成が準対称であること、すなわち誘導巻線の役目と
加熱巻線の役目とがクエンチ初発箇所に応じて交替する
ことが有利である。その際運転時の励磁開始及び励磁解
消のときに、両補助巻線の反対称の接続のために電圧及
び加熱出力は実際上ゼロである。すなわち急速な運転時
の励磁切り換えもクエンチを誘発するおそれがなく、極
低温の冷媒の補助巻線によって生じる損失が相応に最小
である。

この発明に基づくクエンチ伝播装置の有利な実施態様は
請求項２以下に記載されている。

［実施例］ 次にこの発明に基づくクエンチ伝播装置の二つの実施例
を示す図面により、この発明の詳細な説明する。

この発明に基づくクエンチ伝播装置は、超電導単独コイ
ルの少なくとも一対を有するすべての超電導磁石に対し
て有利に用いることができる。かかる磁石は例えば医療
技術の分野で核磁気共鳴ＣＴ設備のための基本磁界磁石
として用いられる（例えば欧州特許第００１１３３５号
公報又は欧州特許出願公開第００５８８９１号公報参照
）。かかる基本磁界磁石は一般に複数の例えば四つ又は
六つのリング状の超電導単独コイルを備え、これらの単
独コイルは中央平面に関して対を成して対称に配置され
ている。これらの超電導単独コイルはクエンチ保護抵抗
又はクエンチ保護ダイオードにより橋絡されるのが合目
的である。しかしクエンチの際に、中央平面の両側に設
けられたコイルの中の単独コイル電流の非対称性に基づ
き、これらのコイル、極低温防護板及び場合によっては
設けられた鉄遮蔽体の間に大きい軸方向力が発生するお
それがある。核磁気共鳴ＣＴ設備のための磁石コイル系
では、これらの力は端面の単独コイルでずば抜けて最大
となる。なぜならばこれらのコイルは一般に最大のター
ン数を有するからである。

かかる磁石２の端面の範囲におけるかかる二つの超電導
コイルが一実施例として第１図に斜視図で示されている
。少なくともほぼ同一構成のかつ符号３又は４で示され
たこれらのコイルは、磁石の仮想の中央平面Ｍに関して
対称に配置されている０例えばこれらのコイルは軸線Ａ
を中心とした筒形の支持体５の上に設けられ、仮想の中
央平面Ｍによる支持体の断面が破線で示されている。コ
イル対Ｐを形成するこれらのコイル３．４は更にこの発
明に基づき、両コイルのうちの一つ（例えばコイル３）
の中に発生するクエンチをできるだけ速やかにコイル対
Ｐの他のコイル（コイル４）に伝播し、それにより両コ
イルの中のなお一層対称な電流減少をもたらすことがで
きるように、クエンチ伝播ないしクエンチ進行のための
装置を備えている。すなわちそのとき渦電流力又は個々
の正味負荷力が大部分相殺され、コイルのために必要な
極低温の支持部がそれに応じて負荷を減らされる。

クエンチ伝播のためのこの発明に基づく装置は、独立の
帯状又は線状の絶縁された少なくとも一つの導体りから
成る一層の各一つの補助巻線６又は７を有する。しかし
これらの補助巻線を複数の導体から構成することもでき
る。所定の抵抗率ｐを有する常電導材料から成るこれら
の導体りを用いて、補助巻線６．７としてのそれぞれ複
数のターンＷがそれぞれ従属するコイル３又は４の上に
、それぞれのコイルに対する良好な熱接触を保証するよ
うに配置されている。自明のようにその代わりに又はそ
れに付は加えて、補助巻線のターンＷをそれに従属する
コイルの下面に又は少なくとも一端面に配置することも
できる。両補助巻線６と７は、補助巻線６の中の矢印１
１で示した電流方向が補助巻線７の中の矢印１２で示し
た電流方向に逆向きになるように、相互に接続すなわち
短絡されている。両補助巻線６と７の間の必要な軸方向
の両結合導体は図の中で符号１３と１４で示されている
。磁石２の残りの部分に対しては、補助巻線６と７から
は電気的接続が行われていない。

例えばコイル３の中でコイルのクエンチを起こした場合
には、このコイルと磁気的に密に結合された補助巻線６
の中に電圧が誘導され、この電圧が第２のコイル４の上
の補助巻線７の形を成し加熱体として働く対の片方の補
助巻線を通って加熱電流を流し、従って第２のコイルで
も同様にクエンチを誘発する。

従ってこの発明に基づくクエンチ伝播装置の構成は準対
称である。すなわち誘導巻線（例えば補助巻線６）の役
目と加熱巻線（補助巻線７）の役目とはクエンチ初発箇
所に応じて交替する。それに反して運転時の磁石の励磁
開始及び励磁解消の場合には、電圧及び加熱出力は両補
助巻線６と７の反対称な接続のために最小である。

速やかなりエンチ誘発には補助巻線の良好な導電性が必
要である。他方では温度上昇しクエンチを起こしたコイ
ル上の補助巻線の電気抵抗は、温度に基づき過度に速く
増加してはならない、なくならばそれは誘導電流を弱め
るからである。それ故に導体りに対しては、４．２Ｋに
おける抵抗率ρが１０−９〜ＩＱ−１１Ω・ｍである材
料を選ぶのが有利である。更に熱的に結合された巻線が
温度に関係する残留抵抗の範囲で作動できるように、残
留抵抗比ρ（３００Ｋ）／ρ（４，２Ｋ）の値はほぼ５
０なしい５００を超えるべきでない。各コイルのすぐ上
の帯状又は線状の銅又はアルミニウムから成る一層の補
助巻線により、上記の要求は容易に満たされる。その際
材料として超電導コイルを構成しているコイル導体の安
定化材料を用いるのが有利である。更に補助巻線の導体
りに対しては、従属するコイルの超電導体の線径に類似
した線径を選ぶのが有利である。それで良好な熱接触と
簡単な巻き付は技術が保証できる。また補助巻線はたる
み無＜’８コイルの上に巻き付けなければならない、な
ぜならばさもないとローレンツ力が加熱する側で導体を
コイルから浮き上がらせ、熱的な接触が劣化するおそれ
があるからである。その際ターン数は実際上効果に影響
しない。

すなわち密に巻かれた数ｃｍで十分〒ある。十分な熱拡
散の理由から、補助巻線が次々に密着して巻かれたター
ンから形成されるのが有利であり、その際２ｃｍの巻線
の軸方向最小幅わが用いられる。

補助巻線とこれに従属するコイルとの間の電気的絶縁に
対しては一般に通常の素線絶縁で十分であり、素線絶縁
は場合によっては更に薄い絶縁性フィルムにより補強さ
れる。他方ではクエンチの場合に補助巻線の熱出力の速
すぎる放散を防止するために、コイルを冷却する極低温
媒体であるヘリウムに対して補助巻線を十分に熱的に絶
縁しなければならない。それ故に例えばワックス又は合
成樹脂から成る数ｍｍの厚さの層により、極低温媒体に
対して補助巻線を熱絶縁することができる。

この発明に基づ〈クエンチ伝播装置の効果の大ざっばの
評価のために、コイルを貫く磁束とコイルにそれぞれ従
属する補助巻線とを貫く磁束とが、従って誘導された電
圧Ｕｉ／ターンがほぼ同じ大きさであると仮定しよう。

完全にクエンチを起こしたコイルでは、すべての電流が
コイルの超電導体の常電導である安定化材料の中を流れ
るときに、Ｕｉ　は抵抗による電圧降下Ｕｒ／ターンに
ほぼ同じである。そのとき補助巻線の中の電流密度ｊｈ
はＵ】　とρ−１とに比例する。もし補助巻線６．７の
ための材料として約（１〜２）　Ｘ　１０−１０Ω・ｍ
ｃｒ＋ｐ　（４、２Ｋ）を有する銅を選べば、そこでは
従属するＢＭ導ココイル３は４の導体の中の′ｉ！流密
度Ｊｈの約半分の値が得られる。そして加熱すべき補助
巻線から最上部のコイル層へのクエンチ伝播がほぼ、電
波密度ｊｈのコイルの中で伝播速度Ｖ、で広がるクエン
チ域が一つの層の厚さのために要する時間で行われる。

「第６回国際極低温技術委員会議事録（Ｉ　ＣＥＣ−６
）Ｊ　、グルノープル、１９７６年５月１１−１４日、
第４９２〜４９６ページ（第２図）に記載の論文によれ
ば、Ｖｒは数ｃｍ／秒である。すなわちそれに応じてク
エンチのための誘発時間は１０分の数秒である。これは
力が最大となるまでの数秒の時間に比べて十分に短いの
で、極低温のコイル支持部の負荷を効果的に減少する。

第１図に示す実施例では、磁石２が相互に対称に配置さ
れた二つのコイル３と４だけを有し、これらのコイルに
この発明に基づくクエンチ伝播袋とが付設されることを
前提とした。自明のように磁石は超電導コイルの別の対
を備えることができ、その際それぞれの別の対に対１７
又はただ一つの対だけに対し固有のクエンチ伝播装置を
設けることができる。更に磁石の部分コイル又は部分巻
線と見なすことができる多数のコイルを、これらのコイ
ルがここでも相互に対称に配置されたコイルセットの対
を形成するように、まとめることが可能である。そして
そうしてでき−Ｌがったコイルセットの対にこの発明に
基づくクエンチ伝播装置を装備することができ、その際
それぞれ一つの補助巻線を一つのコイルセットに付設で
きる。すなわち第１図に示したコイル３と４はそれ七れ
単独のコイルである必要はない、それどころかコイル３
と４はそれぞれ多数の単独コイルを一つのコイルセット
にまとめたものとすることができる。

超電導磁石が相互に対称な単独コイルの二つ以上の対を
有し、これらのコイル対のうちの一つの対が、その両コ
イルのうちの一つのコイルにクエンチを起こした場合に
、別の少なくとも一つのコイル対より著しく大きい非対
称な力を発生する場合には、大きい方の力作用を伴うコ
イル対のコイルだけに第１図に示すクエンチ伝播装置を
付設することが可能である。そのとき危険の少ない残り
のコイルは、クエンチ伝播装置の補助巻線の直列回路の
中に接続され面状に形成された抵抗性の加熱要素を用い
てクエンチを誘発することができる。超電導単独コイル
の二つの対を備えた磁石のためのかかる一実施例は第２
図に示されている。

その際第１図と同様に斜視図が選ばれている。

第２図において第１図と一致する部品は同じ符号を備え
ている。第１図と異なって第２図に示され符号２０を付
けられた磁石は、外側のコイル対Ｐを形成する端面のコ
イル３と４の間に、コイル２１と２２を備えた内側の別
のコイル対ｐ＋　を有し、これらのコイルは例えばそれ
ぞれ隣接する超電導コイル３又は４より少ないアンペア
回数を有する。この磁石２０のために用いられるクエン
チ伝播装置はここでも、従属する超電導コイル３又は４
の周りに両補助巻線６と７を備えている。

これらの両補助巻線６．７は軸方向に延びる接続導体１
３と１４＋　とにより相互に結合されており、その際所
定の電流方向が保証されている。内側のコイル対Ｐ′の
コイル２１と２２には、十分な寸法のそれ自体周知の抵
抗性の加熱要素２４と２５が良好な伝熱接触状層で取り
付けられ、これらの加熱要素は両接続導体のうちの少な
くとも一つの中に、例えば接続導体１４’　の中に直列
に接続されている。その際両顎熱要素の直列抵抗値は合
計で両補助＠線６と７の直列抵抗値の１倍ないし１０倍
とするのが有利である。外側のコイル対Ｐの両コイルの
うちの一つ３又は４がクエンチを起こした場合には、加
熱電流がクエンチを起こしたコイルにより直列回路の中
に発生され、内側のコイル対ｐ＋　の抵抗性の面状加熱
要素２４．２５に従属する両コイル２１と２２にも一緒
にクエンチを起こさせるまで、この加熱電波がこの面状
加熱要素を加熱することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれこの発明に基づくクエンチ
伝播装置の異なる実施例の斜視図である。 ２．２０・・・磁石 ３．４．２１．２２・・・コイル ６．７・・・補助巻線 １１．１２・・・電流方向 １３．１４．１４＋　・・・接続導体 ２４．２５・・・電気的加熱要素 ｂ・・・軸方向最小幅 Ｌ・・・導体 Ｍ・・・中央平面 Ｐ、　　Ｐ’　・・・コイル対

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）事故時に発生する常電導化（クエンチ）の際に、コ
   イル対のそれまで超電導であった 第１のコイルがこのコイル対の第２のコイルをも、コイ
   ルと熱的に結合された加熱装置を用いて、超電導運転状
   態から常電導状態へと移行させるようになっている、少
   なくとも 一対の超電導コイルを備えた超電導磁石のためのクエン
   チ伝播装置において、加熱装置 が、所定の抵抗率（ρ）を有する常電導材料の独立した
   少なくとも一つの導体（Ｌ）か ら成り加熱装置にそれぞれ従属するコイル （３、４）と磁気的に密に結合された補助 巻線（６、７）であり、第１の補助コイル （６）の中の電流方向（１１）が第２の補助コイル（７
   ）の中の電流方向（１２）に反対向きになるように、コ
   イル対（Ｐ）の両コイル（３、４）に従属する両補助巻
   線（６、 ７）が相互に短絡接続されていることを特徴とする超電
   導磁石のためのクエンチ伝播装 置。 ２）補助巻線（６、７）が良導電性材料の絶縁された帯
   状又は線状の少なくとも一つの導体（Ｌ）から成り、こ
   の材料の抵抗率（ρ）が４．２Ｋで１０＾−＾９〜１０
   ＾−＾１＾１Ω・ｍであることを特徴とする請求項１記
   載の装置。 ３）補助巻線（６、７）の少なくとも一つの導体（Ｌ）
   のために、残留抵抗比ρ（３００ Ｋ）／ρ（４．２Ｋ）が５０ないし５００である材料が
   用いられ、ここでρ（Ｔ）は各温度（Ｔ）における抵抗
   率であることを特徴とする請求項２記載の装置。 ４）補助巻線（６、７）の少なくとも一つの導体（Ｌ）
   が、従属する超電導コイル（３、 ４）を構成する超電導体のための安定化材料として働く
   常電導材料から成ることを特徴とする請求項１ないし３
   の一つに記載の装置。 ５）補助コイル（６、７）の少なくとも一つの導体（Ｌ
   ）が銅又はアルミニウムから成ることを特徴とする請求
   項１ないし４の一つに記載の装置。 ６）補助巻線（６、７）がそれぞれ少なくとも一つの導
   体（Ｌ）の密に巻き付けられた複数のターン（ｗ）の一
   つの層から成ることを特徴とする請求項１ないし５の一
   つに記載の装置。 ７）補助巻線（６、７）がそれぞれ従属する超電導コイ
   ル（３又は４）の範囲を覆い、この範囲が２ｃｍの軸方
   向最小幅（ｂ）を有することを特徴とする請求項１ない
   し６の一つに記載の装置。 ８）磁石（２、２０）のコイル対（Ｐ）が、中央平面（
   Ｍ）に対称に配置された及び／又は形成されたリング形
   の超電導コイル（３、 ４）から成ることを特徴とする請求項１ないし７の一つ
   に記載の装置。 ９）コイル対（Ｐ）の各超電導コイル（３、４）が複数
   の部分コイルから集成されていることを特徴とする請求
   項１ないし８の一つに記載の装置。 １０）磁石（２０）の第１のコイル対（Ｐ）の超電導コ
   イル（３、４）の間に超電導コイル （２１、２２）の少なくとも一つの別の対 （Ｐ′）が配置され、別のコイル対（Ｐ′）のこれらの
   コイル（２１、２２）には電気的加熱要素（２４、２５
   ）が良好な熱接触状態で取り付けられ、第１のコイル対
   （Ｐ）の 超電導コイル（３、４）に従属する補助巻 線（６、７）の間を走る接続導体（１３、 １４′）のうちの少なくとも一つの中に、これらの加熱
   要素（２４、２５）が接続されていることを特徴とする
   請求項１ないし９の 一つに記載の装置。 １１）加熱要素（２４、２５）の抵抗値が両補助巻線（
   ６、７）の直列抵抗値の１倍ないし １０倍であることを特徴とする請求項１０記載の装置。 １２）補助巻線（６、７）が超電導コイル（３、４）の
   冷却のために用いられる極低温媒体に対して熱的に絶縁
   されていることを特徴とする請求項１ないし１１の一つ
   に記載の装置。