JPWO2015111201A1

JPWO2015111201A1 - 超電導磁石装置

Info

Publication number: JPWO2015111201A1
Application number: JP2015558694A
Authority: JP
Inventors: 照久宮副; 武中山; 学青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2017-03-23
Also published as: WO2015111201A1; US10056178B2; US20160343491A1

Abstract

本発明の目的は超電導コイル巻線内の接続や線の取り出しを削減し、永久電流モードで運転する超電導コイルにおける温度上昇時または常伝導転移時に速やかに超電導コイルの磁気エネルギー消費を開始させる超電導磁石装置を提供することである。励磁用電源に接続される超電導コイルと、前記超電導コイルに接続される永久電流スイッチと、前記永久電流スイッチの温度を制御するヒータと、前記永久電流スイッチに並列に接続され、前記励磁用電源と異なる極性を有する電流源と、前記ヒータおよび前記電流源と接続される駆動回路と、前記駆動回路に信号を入力する信号入力手段と、を含み、前記駆動回路は、前記信号が入力されると、前記ヒータおよび前記電流源を作動させる超電導磁石装置を提供する。

Description

本発明は、超電導磁石装置に関する。

本技術分野において、超電導磁石装置に利用する超電導コイルを、クエンチ等による破損の可能性を低減させる技術としては特開２０１２−０２３１６８号公報（特許文献１）がある。この公報には、「永久電流モードで運転中の超電導マグネットにおいて、クエンチが発生した場合に、局所的な温度上昇による焼損を防ぐことが可能な超電導コイル、超電導マグネットおよびその運転方法を提供することを目的として、複数の超電導線材を束ねて並列導体とし、前記並列導体をコイル状に巻いた超電導コイルであって、クエンチ発生時に前記並列導体の超電導線材間を往復する電流を供給する電流の供給源が接続されていることを特徴とする超電導コイルを提供する。」と記載されている。
また、特開２０１２−２０９３８１号公報（特許文献２）がある。この公報には、「冷凍機の異常時においても、超電導コイルの温度上昇を抑制することを目的として、超電導コイルと、前記超電導コイルとの間の伝熱路を介して前記超電導コイルを冷却する冷凍機と、前記超電導コイルと前記冷凍機とを収容する真空容器と、前記冷凍機が定常運転状態であるかまたは異常状態であるかを検知し、定常運転状態が検知された場合、伝熱路を形成し、異常状態が検知された場合、前記超電導コイルと前記冷凍機との間を断熱させる検知装置とを備えた超電導磁石装置を提供する。」と記載されている。

特開２０１２−０２３１６８号公報特開２０１２−２０９３８１号公報

しかしながら、複数の超電導線材を束ねて並列導体とし、これをコイル状に加工しようとすると、高温超電導コイルの場合、巻線内の配線によって生じる歪によってその特性が低下してしまうことがある。例えば高温超電導線材の一つであるビスマス系超電導線材は0.3%以上の歪が生じると、コイル性能が劣化する可能性がある。そのため、巻線内における半田付けなどの接続による線の配置は接続位置で生じる歪により、高温超電導コイルを劣化させる可能性がある。

また、冷凍機異常や冷凍機と超電導コイルとの間の伝熱熱抵抗増加による超電導コイルの温度上昇時に伴う常伝導転移時には速やかに超電導コイル内の磁気エネルギーを消費させる必要がある。永久電流モードで動作する超電導コイルでは永久電流スイッチをヒータで加熱し、永久電流スイッチが常伝導転移した後、磁気エネルギーの消費が開始するが、高温超電導体を使った永久電流スイッチでは運転温度から常伝導転移温度に達するまでの熱容量が大きく、磁気エネルギー消費の開始に時間を要する。

本発明の目的は超電導コイル巻線内の接続や線の取り出しを削減し、永久電流モードで運転する超電導コイルにおける温度上昇時または常伝導転移時に速やかに超電導コイルの磁気エネルギー消費を開始させる超電導磁石装置を提供することである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「励磁用電源に接続される超電導コイルと、前記超電導コイルに接続される永久電流スイッチと、前記永久電流スイッチの温度を制御するヒータと、前記永久電流スイッチに並列に接続され、前記励磁用電源と異なる極性を有する電流源と、前記ヒータおよび前記電流源と接続される駆動回路と、前記駆動回路に信号を入力する信号入力手段と、を含み、前記駆動回路は、前記信号が入力されると、前記ヒータおよび前記電流源を作動させる」ことを特徴とする。

本発明によれば、超電導コイルの磁気エネルギー消費開始を早めることが可能な超電導磁石装置を提供することができる。

本発明の実施例１に関する超電導磁石装置の構成図である。本発明の実施例１に関する超電導磁石装置の回路図である。本発明の実施例２に関する超電導磁石装置の構成図である。本発明の実施例２に関する超電導磁石装置の回路図である。本発明の実施例３に関する超電導磁石装置の構成図である。本発明の実施例４に関する超電導磁石装置の構成図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

本実施例では、伝導冷却型超電導磁石装置100（以下、超電導磁石装置100と呼ぶ）の例を説明する。
図１は、本実施例の超電導磁石装置100の構成図の例である。以下、本実施例の超電導磁石装置100の構成を説明する。

図１に示すように、本実施例の超電導磁石装置100は、パルス電源16ａが永久電流スイッチ11に接続される。

超電導磁石装置100は、断熱真空容器22と、断熱真空容器22内に収納した超電導コイル10（インダクタンス：L）および永久電流スイッチ11、永久電流スイッチ11を冷却するための冷凍機18を構成に含む。なお、永久電流スイッチ11は、良導体21を介して冷凍機18と接続されており、本実施例の超電導磁石装置100は伝導冷却方式を採用した装置である。超電導コイル10は永久電流スイッチ11および保護回路13（抵抗値：R）と並列して接続されている。超電導コイル10は、例えば高温超電導線材を巻きまわして形成される高温超電導コイルである。永久電流スイッチ11は、例えば超電導薄膜または無誘導巻きで巻かれた超電導線材である。冷凍機18は、例えばＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機などの公知の冷凍機を利用することができる。

次に、超電導磁石装置100を永久電流運転モードへと遷移させる手法について説明する。

超電導コイル10は励磁される際、スイッチ27が閉となる。励磁用電源14と超電導コイル10は閉回路を形成する。このとき励磁用電源14から超電導コイル10へ電流が供給され、超電導コイル10が磁気エネルギーを蓄積する。励磁用電源14から超電導コイル10に供給される電流が増加し、超電導コイル10が所定の磁場を発生させるまで、永久電流スイッチ11は、取り付けられたヒータ17の発熱によって常伝導状態に保たれる。

超電導コイル10に流れる電流が、所定の磁場を発生させるために必要な電流、すなわち定格電流I_opに達した後、ヒータ17の発熱は0 Wとされる。一方、永久電流スイッチ11は、良導体21を介して冷凍機18に接続しているため、この冷凍機18のはたらきにより冷却され超電導状態に遷移する。永久電流スイッチ11を超電導状態に遷移させるとともに、励磁用電源11が供給する電流を低下させると、超電導コイル10と永久電流スイッチ11とで形成される閉ループ内で電流が循環し、超電導磁石装置100は永久電流モードで運転する。

次に永久電流モードで運転する超電導磁石装置が、何らかの異常が発生した際に、停止するための構成とプロセスについて説明する。

図２は、本実施例において永久電流スイッチ11が超電導状態となり、永久電流モードで運転する超電導磁石装置100の等価回路図の例を示す。

本実施例においては、例えばリレー回路からなる永久電流スイッチ駆動回路15（以降、駆動回路15と呼ぶ）が、信号線25によってヒータ用電源12と接続され、信号線26によってパルス電源16aと接続されている。駆動回路15は、これらの信号線を通じて、ヒータ用電源12およびパルス電源16aを制御する。

また、駆動回路15には、信号線23、24、29が接続されており、これらを通じて伝達される信号によって駆動回路15は制御される。信号線23は超電導コイル10の温度もしくは常伝導転移による発生電圧を示す信号を伝達する。発生電圧はバランス電圧法等によって検出可能である。また、信号線23は超電導コイル10に取り付けられた温度計や電圧端子に接続されている。温度計としては例えば、抵抗温度計や熱電対などが挙げられる。信号線24は冷凍機18の運転の正常、異常を示す信号を伝達し、冷凍機18に接続されている。信号線29は断熱真空容器22の真空度を示す信号を伝達する。例えば、信号線29は断熱真空容器22に取り付けられた真空計に接続されている。

この他に、超電導磁石装置100を緊急的に停止させるべき事象、例えば停電等を検知する信号線を接続してもよい。駆動回路15は、超電導磁石装置100を停止させるべき異常事象をセンサ等により検出し、検出結果を入力信号として駆動できればよい。また、これら異常事象を検出する異常検出手段の具体例は、先に挙げた抵抗温度計や熱電対、真空計などであるが、これに限定されるものでなく、各種のセンサ等が利用できることは当然である。

本実施例の超電導磁石装置100では冷凍機18の異常や断熱真空容器22の真空度低下による超電導コイル10の温度上昇が生じた場合、冷凍機18の不具合を伝達する信号線24、信号線27または超電導コイル10の温度上昇および常伝導転移による発生電圧を伝達する信号線23によって、駆動回路15にそれらを示す信号がもたらされる。すなわち、これらの信号線は駆動回路15に対する信号入力手段である。

その駆動回路15は、信号線23、24、29によってもたらされる信号を受信したら、永久電流スイッチ11に並列に接続されたパルス電源16aに対して電流を出力するよう信号を送信する。パルス電源16aが駆動すると、、パルス電源16aによる供給電流I_pと超電導コイル10に流れている定格電流I_opとの和の電流が、永久電流スイッチ11に流れ込む。なお、パルス電源16aは、供給電流I_pが定格電流I_opと同じ向きに流れるように出力し、かつ、供給電流I_pと定格電流I_opとの和の電流が、永久電流スイッチ11の超電導臨界電流を超えるように供給電流I_pを通電する。したがって、パルス電源16aは超電導コイル10を励磁する際に利用する励磁用電源14と異なる極性の電流を流す電流源ということができる。

また、超電導磁石100では、供給電流I_pの通電とともに、駆動回路15がヒータ用電源12を駆動させ、ヒータ17を発熱させる。ヒータ17の発熱は、超電導コイル10の通電電流が減衰するまで継続させればよい。ヒータ17を一定期間にわたり発熱させることにより、パルス電源16ａから出力される供給電流I_pの通電によって常伝導転移した永久電流スイッチ11が、再度超電導状態に転移することを防止することが可能となる。

永久電流スイッチ11は、良導体21を介して冷凍機18に接続されるため、供給電流I_pの通電によって一旦常伝導状態に転移したとしても、冷凍機18の冷却能力によっては、常伝導転移することで発生する熱量以上の冷却を受け、超電導状態に復帰してしまう可能性があるためである。供給電流I_pの通電とともに、駆動回路15がヒータ用電源12を駆動させ、ヒータ17を発熱させることにより、より確実に超電導磁石装置100を停止させることが可能となる。

以上説明した本実施例の超電導磁石装置100において、永久電流スイッチ11が常伝導転移した場合、永久電流運転モードから停止モードへの移行は以下のように進む。
超電導磁石装置100または外部環境に何らかの異常が生じると、駆動回路15に対して各信号線を通じて信号が入力される。入力を受けた駆動回路15は、パルス電源16aを作動させる信号を出力し、これを受けたパルス電源16aは、永久電流スイッチ11に既に流れている電流、すなわち超電導コイル10に流れる電流と同じ向きに流れるような電流を出力する。

永久電流スイッチ11は、供給電流I_pと定格電流I_opとの和の電流が通電することによって、臨界電流を超え常伝導転移する。この常伝導転移によって永久電流スイッチ11に抵抗R_sが生じた後、超電導コイル10に蓄積されていた磁気エネルギーが、L(R_s+R)/R_sRの時定数によって減少する。

ここで、例えばヒータ17の発熱が1 W、永久電流運転モード下における永久電流スイッチ11の運転温度から常伝導転移する温度までの熱容量をCとすると、ヒータ17の発熱のみの場合、永久電流スイッチ駆動回路15の動作後、永久電流スイッチ11の常伝導転移に達する時間はC秒となる。
一方で、本実施例では常伝導転移までの所要時間はパルス電源16aが駆動する時間のみであり、ほぼ0秒となる。したがって、本実施例の超電導磁石装置100であれば、従来のヒータ発熱による場合よりも、数倍の速さで永久電流スイッチを常伝導状態に移行させることが可能である。
このことは、特に高温超電導体を使った永久電流スイッチでは重要な意味をもつ。高温超電導体は、永久電流運転モード下における運転温度から常伝導転移温度に達するまでの熱容量が大きく、磁気エネルギー消費の開始に時間を要するためである。磁気ネルギー消費開始までの時間が長くなるということは、例えば、超電導コイルに異常が発生しているような場合であっても、減衰していない磁気エネルギーが超電導コイルに作用することとなり、超電導コイルを破損させるような負荷を生じさせかねない。
しかし、本実施例の超電導磁石装置100は、永久電流運転モード下における永久電流スイッチ11に対して、臨界電流を超えるような電流を異常時に流す機構を備えることによって、上記のような過負荷が生じる前に、迅速に常伝導転移して磁気エネルギーを消費させることができるため、超電導磁石装置の健全性を向上させることを可能としている。

本実施例では、永久電流運転中に永久電流スイッチ11に電流を供給する回路が断熱真空容器22に収納されている超電導磁石装置の例を説明する。
図３は、実施例２における超電導磁石装置２００を示す構成図の例である。

図３の超電導磁石装置２００のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

超電導磁石装置200では、断熱真空容器22にコンデンサ19が収納されている。駆動回路15は切り替えスイッチ28と接続されている。

直流電源16bは、超電導コイル10の励磁中にコンデンサ19と接続され、コンデンサ19は充電される。超電導磁石装置200が永久電流モードで運転している場合は、直流電源16bはコンデンサ19と切り離される。切り離すことによって、断熱真空容器22への侵入熱が低下し、超電導磁石装置200の動作の安定性を高めることができる。

図４は、本実施例においてコンデンサ19に充電された電荷が放電されるときの超電導磁石装置200の等価回路図の例を示す。

冷凍機18、断熱真空容器22の真空度低下による超電導コイル10の温度上昇が生じた場合、冷凍機が不具合を生じた場合、その様な異常を示す信号が信号線24、信号線29信号線23によって駆動回路15にもたらされる。信号を受け取った駆動回路15は、切り替えスイッチ28を切り替え、コンデンザ19が蓄積した電荷が電流として永久電流スイッチ11に放電される。ここでコンデンサ19の容量を、定格電流との和が臨界電流を超えるように設定しておけば、コンデンサ19の放電時には臨界電流を超える電流が永久電流スイッチ11に通電され、永久電流スイッチ11は常伝導転移し、それとともに駆動回路15によって作動させられたヒータ17の発熱により、その常伝導転移が持続され、超電導磁石装置200は迅速に磁気エネルギーを消費し、機器の健全性を維持しながら、永久電流運転モードから停止モードへと移行することができる。

本実施例では、永久電流スイッチ11への電流が供給されるとともに、冷凍機との伝熱路を操作する弾性体を備えた超電導磁石装置の例を説明する。
図５は、実施例３における超電導磁石装置３００を示す構成図の例である。

図５の超電導磁石装置３００のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
本実施例では、永久電流スイッチ11が荷重支持体33によって接続され、超電導コイル10と異なる良導体31によって冷凍機18に接している。良導体31は弾性体32によって位置を操作される。
冷凍機18の異常、断熱真空容器22の真空度低下による超電導コイル10の温度上昇が生じた場合、冷凍機の不具合を示す信号線24、信号線29または超電導コイルの温度上昇および常伝導転移による発生電圧を示す信号線23によって駆動回路15にそれらを示す信号がもたらされる。
駆動回路15は、信号線34を通して弾性体32の駆動機構(図示せず)へ信号を送り、良導体31が良導体21と離れるように駆動機構を制御する。結果、良導体31と永久電流スイッチ11とが物理的に離れるため、永久電流スイッチ11への伝熱路が低減される。換言すると、冷凍機18と接続された良導体21と、永久電流スイッチ11と接続された良導体31とを異常発生時には分離させることで、冷凍機18の冷却を永久電流スイッチ11が受けないようにして吸熱量を低下させ、パルス電流を通電後、再び永久電流スイッチ11が超電導状態になることを抑制させる。本実施例によれば、永久電流スイッチ11は、臨界電流を超える電流が通電された後に、常伝導転移により生じうる抵抗熱が冷凍機18により吸熱されないため、超電導状態への復帰は更に起こり難くなり、超電導磁石装置300の健全性が高められる。

本実施例では、冷凍機を使った伝導冷却による超電導磁石装置だけでなく、液体の冷媒を使って冷却した超電導磁石装置の例を説明する。
図６は、実施例４における超電導磁石装置４００を示す構成図の例である。

図６の超電導磁石装置４００のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
断熱真空容器22に収納された超電導コイル10および永久電流スイッチ11が液体の冷媒43によって侵漬されており、断熱真空容器22に冷媒43の量を計測する計測素子である液面計41が備わっている。液体の冷媒43は例えば、液体ヘリウム、液体ネオン、液体水素、液体窒素である。液面計41が所要の残量以下となった場合に信号線42または超電導コイル10が常伝導転移に相当する電圧を発生した場合に信号線23に流れる信号により、永久電流スイッチ駆動回路15に永久電流スイッチ11に電流供給源16とヒータ17を駆動する信号が入力される。

１００、２００、３００、４００超電導磁石装置
１０超電導コイル
１１永久電流スイッチ
１２ヒータ用電源
１３保護回路
１４励磁用電源
１５永久電流スイッチ駆動回路
１６永久電流スイッチへの電流供給源
１６a パルス電源
１６b 直流電源
１７ヒータ
１８冷凍機
１９コンデンサ
２１、３１良導体
２２断熱真空容器
２３、２４、２５、２６、２９、３４、４２信号線
２７、２８スイッチ
３２弾性体
３３荷重支持体
４１液面計
４３冷媒

Claims

励磁用電源に接続される超電導コイルと、
前記超電導コイルに接続される永久電流スイッチと、
前記永久電流スイッチの温度を制御するヒータと、
前記永久電流スイッチに並列に接続され、前記励磁用電源と異なる極性を有する電流源と、
前記ヒータおよび前記電流源と接続される駆動回路と、
前記駆動回路に信号を入力する信号入力手段と、を含み、
前記駆動回路は、前記信号が入力されると、前記ヒータおよび前記電流源を作動させる超電導磁石装置。
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記超電導コイルに接触する良導体と、
前記良導体と接続される冷凍機と、
を備えることを特徴とする超電導磁石装置。
請求項１または請求項２に記載された超電導磁石装置であって、
前記超電導コイルに配置された異常検出手段を備え、
前記異常検出手段は、前記信号入力手段と接続されることを特徴とする超電導磁石装置。
請求項２に記載された超電導磁石装置であって、
前記冷凍機に接続された前記良導体の一部あるいは全部に駆動機構を備え、
前記良導体と前記冷凍機とが分離可能なことを特徴とする超電導磁石装置。
請求項1から請求項４のいずれか１項に記載された超電導磁石装置であって、
冷媒によって前記超電導コイルまたは前記永久電流スイッチが冷却されることを特徴とする超電導磁石装置。
請求項５に記載された超電導磁石であって、
前記冷媒の冷媒量を計測する計測素子を備えたことを特徴とする超電導磁石装置。