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発明の名称 超電導磁石のクエンチ予知巻線
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−151169
公開日 平成6年(1994)5月31日
出願番号 特願平4−296812
出願日 平成4年(1992)11月6日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 山本 広衛 / 黒田 邦茂 / 岡田 定五
要約 目的


構成
超電導磁石を、超電導線の絶縁被膜にカーボン膜8を設けたカーボン膜付超電導線9、あるいは超電導線を被覆する絶縁フィルムにカーボン膜8を設けたカーボン膜付絶縁フィルムで、あるいは数ターン毎形成した層コイルと層コイルの間に介在する絶縁シートにカーボン膜を設けたカーボン膜付絶縁シートを介在して巻線し、そのカーボン膜8の計測線端子に電圧検知回路24,電流回路28と、そして超電導磁石1の端子部16a,16bの主電源回路22と電圧検知回路24を電源制御操作回路30で電気的に接続して構成し、超電導磁石1の微小な温度変化を電圧変化として検知し、検知した出力電圧で超電導磁石1の主電源回路22を操作制御することによって達成される。
特許請求の範囲
【請求項1】温度検出手段を備えた超電導線、あるいは超電導線と超電導線の間に温度検出手段を設けた絶縁体を介在して巻線したことを特徴とする超電導磁石のクエンチ予知巻線。
【請求項2】冷却媒体の温度から数十Kまで急勾配で変化する温度検出手段を設けた超電導線で巻線したことを特徴とする超電導磁石のクエンチ予知巻線。
【請求項3】請求項1において、前記超電導磁石の温度検出手段にカーボン膜を用い、カーボン膜を超電導線の絶縁被覆面に長さ方向に部分的に設けたカーボン膜被覆絶縁超電導線を形成し、前記カーボン膜被覆絶縁超電導線で巻線した超電導磁石のクエンチ予知巻線。
【請求項4】請求項1において、前記超電導線を角形超電導線とし、前記角形超電導線の一面に部分的にカーボン膜を設けた、カーボン膜つき角形超電導線で巻線した超電導磁石のクエンチ予知巻線。
【請求項5】非磁性巻枠に超電導線を巻線して成る超電導磁石において、巻線する超電導線を、絶縁フィルムに温度検出手段となる電極を有したカーボン膜を部分的に設けたカーボン膜被覆絶縁フィルムで螺旋被覆した、カーボン膜被覆絶縁超電導線で巻線したことを特徴とする超電導磁石のクエンチ予知巻線。
【請求項6】請求項5において、前記非磁性巻枠に超電導線を巻線して成る超電導磁石の数ターン毎に成形して層コイルを形成し、層コイルと層コイルの間に、温度検出手段を設けた絶縁体を介在して巻線した超電導磁石のクエンチ予知巻線。
【請求項7】請求項5において、前記数ターン毎に成形した層コイルを積層して成る超電導磁石の層コイルと層コイルの間に、絶縁シートにカーボン膜を径方向と周方向に分散して設けたカーボン膜被覆絶縁シートを介在して巻線した超電導磁石のクエンチ予知巻線。
【請求項8】請求項5において、前記超電導磁石を巻線する超電導線あるいは絶縁体に設けたカーボン膜上に電極を設け、前記電極と定電流電源,電圧検知器,電源コントロール装置および超電導磁石電源装置とを接続して構成されるクエンチコントロール装置を備えた超電導磁石のクエンチ予知巻線。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導磁石の安定性維持に係り、特に、超電導磁石が熱擾乱等により常電導状態に転移しクエンチする直前の温度上昇,発生位置を検知するのに好適な超電導磁石のクエンチ予知巻線に関する。
【0002】
【従来の技術】超電導磁石は、一般に冷却媒体(液体ヘリウム等)で冷やされているが、通電され磁界が発生した際に、超電導磁石の一部分に導体の動きや含浸剤の破損等の異常が発生すると、これらが熱擾乱となって超電導導体の一部が温度上昇し常電導転移、即ちクエンチする。クエンチが発生すると巻線導体から発生した大量の熱で冷媒が沸騰し、時には巻線導体が溶断するなどの大事故につながるため超電導磁石では、このクエンチを防止することが重要な課題である。
【0003】従来、このクエンチは巻線導体となる超電導線に電圧端子線を設けることにより、常電導転移時に発生する電圧で通電電流を遮断するなどの方法で、超電導コイルの保護の視点からなされて来た。従って、必ずしもクエンチを予知したり、積極的に抑制する方法ではなかった。
【0004】その他の検知方法には、超電導線の温度を測定する方法がある、一般に温度センサとしては銅とコンスタンタンや金鉄とクロメル等の熱電対線を直接超電導線に取付け、その熱起電力から測定する場合が多い。また、カーボンを用いた温度センサとしては、薄いプラスチックフィルム上にカーボンを塗布した、幅3.4mm,長さ13.3mm,厚さ約1mmの極低温高速温度計が共和技報,276(FEB.1981年)第1937頁から1940頁に記載されている。この他、常電導転移を検出する方法として光ファイバを超電導コイル中に巻き込み、光信号の干渉の位相差から温度を検出する方法が、藤倉技報,80(1991年)第1頁から36頁に記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記巻線導体の端子電圧による方法では、超電導磁石の超電導状態が破れ常電導転移しないかぎり検出されない。即ち、巻線導体がクエンチしてしまった後でないと検出出来ない問題がある。また、この端子電圧による方法では超電導磁石の高磁界化,高電流密度化にともない、巻線導体間の電磁誘導によるノイズや電源ノイズ等が近年高いレベルに達しているので、常電導転移によって発生した微小信号を検出する方法は、その信頼性が著しく低下している。
【0006】また、超電導状態から常電導状態に転移する分流開始温度は、磁界の強さと電流密度によっても異なるが、通常は極めて微小な温度上昇である。このため、熱電対線を利用した温度センサによる方法では、熱起電力としての感度が小さいために測定不可能であった。また、温度センサによるクエンチ検知では、長尺の超電導線の温度測定には無数の温度センサが必要となり、計測上にも問題があった。
【0007】さらに、光ファイバを用いた検知方法においても温度の検出精度が悪く、常電導転移を発生する以前の微小な温度検知が不可能であった。
【0008】本発明の目的は、超電導状態にある超電導磁石が擾乱により温度上昇する際に、常電導転移する以前の微小な温度上昇を検出する手段を設けた超電導線で、あるいは絶縁体を介在して巻線することにより、クエンチ前の状態を予知し、信頼性ある安全性の高い超電導磁石を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は温度に対する電気抵抗変化率の大きいカーボン膜を超電導線の絶縁被覆に、あるいは超電導線を包囲する絶縁体に部分的に設けたカーボン膜付き絶縁体を、あるいは数ターン毎に成形した層コイルと層コイルの間に介在する絶縁シートに部分的に設けたカーボン膜付き絶縁シートを、または超電導線と超電導線の間にカーボン膜付き絶縁テープを介在して巻線することにより達成される。
【0010】
【作用】超電導線、あるいは超電導線を螺旋被覆する絶縁フィルム、または各成形した層コイルの間の絶縁シートに設けられたカーボン膜は、冷媒温度近傍の極低温領域で特に温度変化に対する感度が急激に変化するために含浸剤の破損,クラックの発生に伴って発生する微小な動きや温度上昇、即ち、超電導体が常電導転移を開始する以前からの微小な温度変化を敏感に検知できるので、クエンチする前に早目にクエンチ予知ができる。
【0011】
【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図1に本発明の一実施例を示す超電導磁石の破断斜視図を示す。図2に本発明に用いるカーボン膜温度センサの特性曲線を示す。図1,図2において、超電導磁石1は非磁性巻枠2を巻芯とし、その非磁性巻枠2の外周部にコ字形の溝を設け、その溝の上下両端に中央部近傍から放射状に広がりを持ちかつ周方向に複数の凹部3を設けた絶縁端板4a,4bと、最内周部の底部5に分割した複数個の絶縁材6を介在して巻線溝7を形成している。そして、この絶縁端板4a,4bと絶縁材6を介在して構成した巻線溝7に、例えば、内部にNbTiと安定化銅等から成る超電導線にホルマールやポリイミドの絶縁材を施した絶縁被覆超電導線に、温度変化に対して変化率の大きい、つまり、20K以下の極低温で、特に出力電圧が著しく変化する特性曲線を持つカーボン膜8を長さ方向に部分的に、そして薄膜状に塗付け又はスパッタリングしたカーボン膜8を有したカーボン膜付き超電導線9を巻線している。図2にカーボン膜の温度特性曲線を示す。図2に示す温度特性曲線Tは、カーボンペーストを超電導線の絶縁被覆の上に20〜30μmの厚さに塗り付け乾燥させた、カーボン膜について測定した温度に対する出力電圧の変化を示したもので、この出力電圧の値を検知することにより温度を容易に測定することができる。ここに、図2の温度特性曲線Tをみると、特に温度が10K以下の液体ヘリウム温度に近づくと出力電圧の値が著しく変化することが解かる。つまり、この著しい変化範囲は超電導体が常電導転移する温度領域になっているので、このカーボン膜8を温度センサとして超電導線に設けたカーボン膜付超電導線9で巻線するとクエンチを早期に予知するのに非常に好適である。このように温度センサとして好適なカーボン膜8を備えたカーボン膜付超電導線9を巻線する。巻線溝7を形成している絶縁端板4a,4bを内設した非磁性巻枠2の一方の端板10に計測線通し穴11と計測端子板12を設けている。そして巻線作業の途中で必要に応じ任意の位置のカーボン膜8に電極13を設け、その電極13に電圧端子線14と電流端子線15を溶着し、溶着固定した電圧端子線14と電流端子線15を、カーボン膜付超電導線9とカーボン膜付超電導線9の隙間と、絶縁端板4bの凹部3を介して計測線通し穴11を通し、計測端子板12に接続しながら巻線される。そして巻線したカーボン膜付超電導線9の巻始めと、巻終わりの端子部16a,16bを非磁性巻枠2の端板10の外周部17に切り欠き部18を設けて固定し、非磁性巻枠2の端板10を締め付け固定ボルト19で固定した後、カーボン膜付超電導線9の外周を熱収縮性絶縁体20で包囲硬化して構成している。そして上記のように、温度に対する抵抗変化の非常に著しいカーボン膜8を温度センサとして設けたカーボン膜付超電導線9で巻線した超電導磁石1、即ち、カーボン膜付超電導線9の端子部16a,16bには電源装置21を備えた主電源回路22が電気的に接続される。そして計測端子板12の電圧端子線14の端子には電圧検知器23を備えた電圧検知回路24を、電流端子線15の端子には定電流電源装置25,逆流防止素子26と保護抵抗器27等からなる電流回路28が電気的に接続される。また電流回路28は、定電流電源装置25を調節することにより電圧検知器23の出力電圧を任意に調節できるようになっている。また、超電導磁石1の主電源回路22は、電圧検知回路24と電源制御指令装置29を備えた電源制御操作回路30で電気的に接続される。そして主電源回路22の電源装置21は、電圧検知器23からの電圧変動信号を傍受した電源制御指令装置29の電圧変化で下降,維持もしくは遮断等の制御操作を任意にできるように構成されている。
【0012】以上のように、本実施例の超電導磁石1は、液体ヘリウム中の極微小な変化から超電導体の一部分に導体のずれや含浸剤の破損等の異常が発生した場合、つまり熱擾乱が発生して超電導体の一部が温度上昇するまでの温度変化を高い出力電圧の変化として断続的、かつ連続的に検知し、そして、この出力電圧で主電源回路22の電源入力を敏速に下降,維持あるいは遮断等の必要に応じて容易に操作制御できる電気回路を備え、早期クエンチ予知のできる温度素子を有したクエンチ予知巻線構造を提供することができる。また、早期クエンチ予知により主電源回路22を自動操作制御することにより、クエンチ防止とコイルの安定性向上を図ることができる。また、クエンチが発生した場合、各位置のカーボン膜8の出力電圧の観察から、発生位置近傍の解明が容易になり、問題解決の時間短縮が図れるなど、非常に幅広い効果を持つ超電導磁石のクエンチ予知巻線構造を提供することができる。
【0013】以上の実施例では、超電導磁石1をカーボン膜付超電導線9で巻線し、そのカーボン膜8の端子に、温度変化による出力電圧を検知する電圧検知回路24と電流回路28および、その出力電圧で超電導磁石1の主電源回路22を操作制御する電源制御操作回路30を接続し、巻線導体の温度変化をカーボン膜8の出力電圧で検知し、その出力電圧で超電導磁石1の電源回路を操作する方法について記述したが、カーボン膜を直接超電導線に設けるのではなく、超電導線と、超電導線を絶縁する絶縁体を個別にし、絶縁体にカーボン膜を部分的に設けた、カーボン膜付絶縁体で螺旋被覆しながら、あるいは巻線前に螺旋絶縁したカーボン膜付絶縁超電導線で巻線する構造としても実施例と同様の効果を得ることができる。図3に本発明の第2実施例を示す。図3に示す第2実施例は、超電導線31を螺旋被覆する絶縁フィルムにカーボン膜8を設け、巻線溝7に巻線する時に超電導線31をカーボン膜付絶縁フィルム32で螺旋被覆をしながら巻線し、その外周を絶縁体33で周回絶縁後非磁性金属材(図示しない)もしくは熱硬化性樹脂材で固定する巻線構造としたものである。
【0014】また、超電導線31に巻回するカーボン膜付絶縁フィルム32の螺旋被覆は、内周部に当たる超電導線31のカーボン膜付絶縁フィルム32と外周部に巻回する超電導線31のカーボン膜付絶縁フィルム32は、同一位置で互いに当たらないように巻回構成している。そしてカーボン膜8に設けた電極13aからの電流電圧端子線34は超電導線31に巻回したカーボン膜付絶縁フィルム32とカーボン膜付絶縁フィルム32の間の間隙35と絶縁端板4bの凹部3を縫って計測端子板12aに接続し、この計測端子板12aに実施例と同様に、ここでは図示はしないが温度変化を電圧変化として検知する電圧電流回路と、超電導磁石1の主電源回路を操作制御する電源制御操作回路を接続して構成している。
【0015】以上のように、超電導線31とカーボン膜付絶縁フィルム32を別個にし、コイル巻線をするときに超電導線31にカーボン膜付絶縁フィルム32を巻回して巻線する方法は、巻線作業時の巻線導体にかける機械的応力によるカーボン膜破損なる心配はなく、超電導線31に、必要に応じて任意に引張り応力をかけられることから、巻線導体のスプリングバックによる緩みや弛み発生がなく、寸法精度の高い超電導磁石を得ることができる。これにより、巻線導体の温度変化を電圧変化として敏感に検知できるので、早期クエンチ予測に好適で安定性維持と信頼性向上の図れる超電導磁石のクエンチ予知巻線構造を提供できる。
【0016】上記第2実施例では、巻線導体の超電導線31と、これを絶縁するカーボン膜8を備えたカーボン膜付絶縁フィルム32を別個に製作し、巻線作業時に同時に絶縁巻回しながら巻線する方法について記述したが、この方法に換えて円盤状あるいは円筒状の層コイルを形成し、層コイルと層コイルの間にカーボン膜付絶縁シートを介在して巻線する方法、または超電導線31を幅広の平角導体にし、巻線作業時に平角導体の内周面、もしくは外周面にカーボン膜付絶縁テープを接着しながら巻線する巻線構造等が考えられる。
【0017】図4に本発明の第3実施例を示す。図4に示す第3実施例は、非磁性巻枠2と、非磁性巻枠2の一方の端板10を分割してL形巻線溝36を構成し、L形巻線溝36の内周部37に複数個の絶縁板38を介在し、そして最初に、内周部に複数の凹部を有した円盤形絶縁端板39aを装着する。そしてその上に先に巻線成形した層コイル40a,40nと同一形状をなし、層コイル40a,40nを巻回している超電導導体41と密着する位置に複数のカーボン膜42を備えたカーボン膜付絶縁シート43を装着し、その上に層コイル40aを装着している。次に層コイル40aの上にカーボン膜付絶縁シート43を介在して層コイル40nを積層するといった、カーボン膜付絶縁シート43と層コイル40nを交互に積層し、最終層の層コイル40noの上に間隙スペーサ44を介在して円盤形絶縁端板39bを装着し、カーボン膜42からの計測線45を内周部の絶縁板38と絶縁板38の間隙46を介し、円盤形絶縁端板39bの凹部を通して端板10の計測線通し穴47に導いてから端板10を完全に固定し、最後に計測線45を計測端子板12bの端子に溶着して実施例と同様の電気回路を接続する巻線構造としたものである。
【0018】以上のように、先に超電導導体41で層コイル40a,40n,40noを形成し、その層コイル40a,40n,40noとカーボン膜42を備えたカーボン膜付絶縁シート43をL形巻線溝36に円盤形絶縁端板39a,39bを介して交互に積層した巻線構造としても、カーボン膜42と超電導導体41を緊密に密着して構成でき、超電導導体41の温度変化を電圧変化として敏感に検知できるので、実施例と同様に、クエンチの早期予知ができ超電導磁石の安定性維持と信頼性向上に好適な、そして解体組立が容易で巻線作業性の良いクエンチ予知巻線構造を提供できる。
【0019】また、この他図示はしないが、巻線導体を平角線にし、温度センサのカーボン膜付の絶縁テープを、巻線作業時に平角線の内周面にあるいは外周面に接着しながら巻線する方法としても、カーボン膜に損傷を与えることなく、そして巻線導体と巻線導体の間に隙間なく、寸法精度の高いコイル巻線ができるので、実施例と同様に巻線導体の温度変化を敏感に検知でき、クエンチの早期予知に好適な超電導磁石の巻線構造を提供できる。この他、巻線導体全長をカーボン膜で被覆したカーボン膜被覆超電導線、あるいはソレノイドコイルの場合にはコイルの間に、周方向に部分的にコイル幅分のカーボン膜被覆絶縁体を介在し、巻線しても前記実施例と同様の効果の得られる超電導磁石の巻線構造を提供できる。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、超電導線の絶縁被覆にあるいは介在する絶縁体にカーボン膜を設けて巻線し、そのカーボン膜からの計測端子に温度変化の検知回路を接続し、常電導転移の発生以前からの微小な温度変化を敏感に検知し、正確なクエンチ予知をしてクエンチ防止を図り、安定性維持と超電導特性の向上を図った超電導磁石を得ることができる。




 

 


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