(57)【要約】【課題】  設置のためのスペースを要さず、質量増加も小さく、熱侵入量の小さく、かつ磁界の影響を受けない、内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置を提供する。【解決手段】  内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置において、ヘリウム浸漬冷却方式の超電導磁石装置内の荷重支持断熱材２，パワーリード３，冷媒配管５，内槽容器７及び輻射シールド８，９に光ファイバー温度センサ１１を敷設し、この光ファイバー温度センサ１１を測定器１２に接続し、前記超電導磁石装置内部の温度異常を監視する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘリウム浸漬冷却方式の超電導磁石装置内の荷重支持断熱材，パワーリード，冷媒配管，内槽容器及び輻射シールドに光ファイバー温度センサを敷設し、該光ファイバー温度センサを測定器に接続し、前記超電導磁石装置内部の温度異常を監視することを特徴とする内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置。
【請求項２】
直接冷却方式の超電導磁石装置内の荷重支持断熱材，パワーリード，輻射シールドに光ファイバー温度センサを敷設し、該光ファイバー温度センサを測定器に接続し、前記超電導磁石装置内部の温度異常を監視することを特徴とする内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置において、前記光ファイバー温度センサがブリルアン散乱光を用いた分布型測定方式であるＢＯＴＤＲ方式、ＢＯＣＤＡ方式であることを特徴とする内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置において、前記光ファイバー温度センサが多点型測定方式であるＦＢＧ方式であることを特徴とする内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置。
【請求項５】
請求項２記載の内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置において、前記光ファイバー温度センサの敷設箇所に超電導コイルを加え、該光ファイバー温度センサが多点型測定方式であるＦＢＧ方式であることを特徴とする内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置に係り、特に、浮上式鉄道や医療機器、電力貯蔵などに利用する超電導磁石について内部の発熱や熱侵入を監視できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導磁石は、超電導コイルの異常な内部発熱、冷媒の循環不良や断熱不良などによる熱侵入増大があると、超電導コイルの局部または全体が臨界温度以上に上昇し、超電導状態を維持できなくなってクエンチする。クエンチが発生すると超電導磁石としての機能を失うだけでなく、クエンチ発生箇所やその周囲が焼損し修理が必要となるなど影響が大きい。
【０００３】
このため、クエンチの予兆となる超電導磁石内部の温度上昇を事前に捉える必要があるが、温度を測定すべき箇所は超電導コイル、冷媒容器、冷媒配管、断熱材取付部など多岐にわたり、かつこれらを分布的に測定する必要がある。しかし、従来の一般的な温度センサである熱電対や抵抗式温度計でこのような温度分布を測定する場合、センサや計測配線の数が膨大になり、設置のためのスペースや質量が増すだけでなく、励消磁時における発生電圧に対する絶縁の考慮や計測配線からの熱侵入増大などの課題があった。このため、設置スペースを要さず、質量増加も小さく、熱侵入量の小さく、かつ磁界の影響を受けない、温度分布測定の方法が必要になっていた。
【０００４】
このような状況下で、内部の超電導線の温度上昇を検知できる超電導機器が提案されており（下記特許文献１参照）、その超電導機器は以下のような特徴を有している。
【０００５】
（１）超電導機器内部の超電導線付近に光ファイバーを設置して、内部の温度分布をブリルアン散乱光により測定・監視する。
【０００６】
（２）光ファイバーは１本又は２本を超電導線に共巻きする。
【０００７】
（３）光ファイバーを超電導コイルの隙間に配置する。
【０００８】
ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）方式については、本発明者らは、ＦＢＧ方式で８Ｋ程度まで、ＢＯＴＤＲ方式、ＢＯＣＤＡ方式で５０Ｋ程度まで測定が可能で、磁界の影響を受けないという確認を行った。ＦＢＧ方式のファイバーに改良を加えることにより、１５Ｋ程度まで分解能を高く測定でき、磁界の影響を受けないという実験結果がある（下記非特許文献１参照）。
【０００９】
ＦＢＧ方式は、英国の物理学者であるブラッグ氏によるブラッグの法則によっている。つまり、入射光が反射、散乱する際、互いに干渉し合って位相が合った特定の方向の反射波は強度が高く、位相を打ち消す方向の反射線は強度が小さい。ブラッグの法則は、格子間隔、光の入射角、波長の関係で成り立っている。光ファイバーに一定の周期の格子（グレーティング）を加工しておき、光を入射させると特定波長の反射光が戻ってくることを利用している。光ファイバーの温度伸縮により格子間隔が変化すると反射光の波長が変化するので、波長の変動を測定することにより温度に換算できる。このＦＢＧ方式を他の光ファイバー測定方式であるＢＯＴＤＲ方式やＢＯＣＤＡ方式と比較した場合の利点は、測定分解能が高く、測定時間が短い、測定器が安価であることである。ただし、多点測定であり分布的な測定はできない。同時に測定可能な点数は、現状では最大３０〜４０点程度となっている。  
【００１０】
これに対して、分布型であるＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）方式は、光ファイバーに光を通すと、微弱な散乱光が発生して戻ってくる性質がある。その中のブリルアン散乱光は、光ファイバーの歪みまたは温度伸縮に比例して周波数が変化する。この周波数の変化を測定することにより温度に換算できる。
【００１１】
また、入射させた光に対するブリルアン散乱光の反射時間により、測定結果に対する位置を把握することができる。位置は連続的に測定できるため、温度を分布的に測定することが可能になる。
【００１２】
ＢＯＣＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  Ｄｏｍａｉｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）方式は、ＢＯＴＤＲ方式と同様、温度変化に応じたブリルアン散乱光の周波数変化を測定する。光ファイバーの両端から予めブリルアン周波数に相当する周波数差の連続光を対向伝搬させ、誘導効果を生じさせることでブリルアン散乱を増強し、ＢＯＴＤＲ方式に比べ測定精度を高め、測定時間を短縮できる方式である。また、連続光の発振周波数を変調することで、誘導されるブリルアン散乱光が局在的に発生するため、連続光の変調周波数変化で位置を掃引することが可能であり、このため温度を分布的に測定することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−１４１７１３号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｒａｎｊｉ−Ｋｕｍａｒ，Ｍ．Ｓｕｅｓｓｅｒ，Ｋ．Ｇ．Ｎａｒａｙａｎｋｈｅｄｋａｒ，Ｇ．Ｋｒｉｅｇ，Ｍ．Ｄ．Ａｔｒｅｙ，“Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｍｅｔａｌ−ｃｏａｔｅｄ  ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｓｅｎｓｏｒｓ  ｆｏｒ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ”，Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ  ４８，（２００８），ｐｐ．１４２−１４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、超電導磁石装置の場合は、超電導磁石内部の超電導コイル、冷媒容器、冷媒配管、輻射シールド、断熱材取付部の温度を同時に分布的に測定・監視する必要がある。
【００１６】
本発明は、上記状況に鑑みて、温度分布測定の方法において、設置スペースを要さず、質量増加も小さく、熱侵入量の小さく、かつ磁界の影響を受けない、内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置において、ヘリウム浸漬冷却方式の超電導磁石装置内の荷重支持断熱材，パワーリード，ヘリウム冷媒配管，内槽容器及び輻射シールドに光ファイバー温度センサを敷設し、この光ファイバー温度センサを測定器に接続し、前記超電導磁石装置内部の温度異常を監視することを特徴とする。
【００１８】
〔２〕内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置において、直接冷却方式の超電導磁石装置内の荷重支持断熱材，パワーリード，輻射シールドに光ファイバー温度センサを敷設し、この光ファイバー温度センサを測定器に接続し、前記超電導磁石装置内部の温度異常を監視することを特徴とする。
【００１９】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置において、前記光ファイバー温度センサがブリルアン散乱光を用いた分布型測定方式であるＢＯＴＤＲ方式、ＢＯＣＤＡ方式であることを特徴とする。
【００２０】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置において、前記光ファイバー温度センサが多点型測定方式であるＦＢＧ方式であることを特徴とする。
【００２１】
〔５〕上記〔２〕記載の内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置において、前記光ファイバー温度センサの敷設箇所に超電導コイルを加え、この光ファイバー温度センサが多点型測定方式であるＦＢＧ方式であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、超電導磁石装置内部の必要箇所の温度を分布的に測定・監視できる。これにより、超電導磁石のクエンチの発生を未然に防止でき、運用中の突発的な運転停止や超電導コイルの焼損による修理の発生頻度を低減することができる。また、超電導磁石装置を常時監視することにより、より短期間の異常温度上昇を検出することが可能となり、運用中の安全な運転休止や適切な点検、修理の判断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施例を示す内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置の模式図である。
【図２】本発明の第２実施例を示す内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置の模式図である。
【図３】本発明の第３実施例を示す内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置の模式図である。
【図４】本発明のＦＢＧ方式センサによる反射波波長変移との温度実測値との相関を示した特性図である。
【図５】本発明のＢＯＣＤＡ方式センサによるブリルアン散乱光の周波数シフトと温度実測値との相関を示した特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置は、装置内部の各構成部品に沿って光ファイバー温度センサを敷設し、この光ファイバー温度センサを測定器に接続し、前記超電導磁石装置内部の温度異常を監視する。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２６】
図１は本発明の第１実施例を示す内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置の模式図である。
【００２７】
この図において、１は超電導コイル、２は超電導コイル１の荷重支持断熱材、３は超電導コイル１に接続されるパワーリード、４はヘリウム冷却配管、５は超電導コイル１を冷却するヘリウム冷媒配管、６はヘリウム冷媒配管５のサービスポート、７は超電導コイル１の内槽容器、８は内槽容器７を覆う低温輻射シールド、９は低温輻射シールド８を覆う高温輻射シールド、１０は低温輻射シールド８に接続される冷凍機、１１は荷重支持断熱材２，パワーリード３，ヘリウム冷媒配管５，内槽容器７，低温輻射シールド８および高温輻射シールド９に沿って配置される光ファイバー温度センサ、１２は光ファイバー温度センサ１１に接続された温度異常を監視する測定器である。
【００２８】
このように、光ファイバー温度センサ１１を、ヘリウム浸漬冷却方式の超電導磁石装置の荷重支持断熱材２，パワーリード３，冷媒配管５，内槽容器７，低温輻射シールド８および高温輻射シールド９に沿って敷設し、その光ファイバー温度センサ１１を測定器１２に接続して、光ファイバー温度センサ１１からの出力を測定器１２で測定することにより、超電導磁石装置内部の温度異常を監視する。
【００２９】
光ファイバー温度センサ１１としては、多点型測定方式の光ファイバー温度センサとしてのＦＢＧ方式または分布型光ファイバー温度センサとしてのＢＯＴＤＲ方式又はＢＯＣＤＡ方式が考えられる。多点型測定方式の光ファイバー温度センサの場合は、荷重支持断熱材２、ヘリウム冷媒配管５など温度を測定・監視する必要がある箇所に測定点が近接できるよう、光ファイバー温度センサ１１にあらかじめ測定点を設定して敷設する。また、分布型測定方式の光ファイバー温度センサの場合、散乱光は極低温に適用できるブリルアン散乱光を利用した方式となる。
【００３０】
この光ファイバー温度センサ１１の端子は超電導磁石装置の外部に設置し、定期点検時に測定器１２を接続することにより異常の有無の診断を行うか、または測定器１２を常時接続することにより運用中常時測定箇所の異常な温度上昇を検出する。
【００３１】
この第１実施例は、図１に示すように、液体ヘリウム浸漬冷却方式の超電導磁石装置の温度監視の構成を示している。光ファイバー温度センサは、後述するように発明者らの実験によると８Ｋないし５０Ｋ以上での分解能を有している。そこで、図１に示すように、超電導コイル１を冷却する冷媒配管５の漏洩や閉塞及び液量不足、断熱不良、輻射シールドやパワーリードなどの温度異常をＦＢＧ方式または分布型測定方式としてのＢＯＴＤＲ方式またはＢＯＣＤＡ方式光ファイバー温度センサ１１によって検出することにより、超電導コイル１の冷却異常の兆候を監視するように構成した。
【００３２】
このため、内槽容器７の表面，荷重支持断熱材２の取付箇所，冷媒配管５，パワーリード冷却配管４，低温輻射シールド８及び高温輻射シールド９に沿って光ファイバー温度センサ１１を敷設し、ＦＢＧ方式光ファイバー温度センサの場合異常時に温度変化が顕著に現れる箇所を測定点として選択して（現状では最大３０〜４０点ほど）、温度変化を測定する。これらの測定値が通常時と変化があった場合に異常と判断する。
【００３３】
図２は本発明の第２実施例を示す内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置の模式図である。
【００３４】
この図において、２１は超電導コイル、２２は荷重支持断熱材、２３はパワーリード、２４は輻射シールド、２５は冷凍機コールドヘッド２５Ａを超電導コイル２１に接続した冷凍機、２６は光ファイバー温度センサ、２７はその光ファイバー温度センサ２６に接続された測定器である。
【００３５】
この第２実施例では、冷凍機直接冷却方式の高温超電導材を利用した超電導磁石装置の温度監視の構成を示している。液体ヘリウムの浸漬冷却でなく、高温超電導線材を利用し、冷凍機２５による直接伝導冷却により超電導状態を維持する超電導コイル２１を用いた超電導磁石装置は、図１に示した液体ヘリウムの容器や配管等を省略できるが、冷凍機２５の運転状況の変動等により、局所的に温度上昇してクエンチを起こす可能性が考えられる。このため、直接冷却方式の超電導磁石装置内の荷重支持断熱材２２、パワーリード２３、輻射シールド２４に光ファイバー温度センサ２６を敷設し、この光ファイバー温度センサ２６を測定器２７に接続し、超電導磁石装置内部の温度異常を監視する。
【００３６】
光ファイバー温度センサ２６としては、多点型測定方式の光ファイバー温度センサとしてのＦＢＧ方式または分布型測定方式の光ファイバー温度センサとしてのＢＯＴＤＲ方式又はＢＯＣＤＡ方式が考えられる。多点型測定方式の光ファイバー温度センサの場合は、荷重支持断熱材２２、パワーリード２３、輻射シールド２４など温度を測定・監視する必要がある箇所に測定点が近接できるよう、光ファイバー温度センサ２６にあらかじめ測定点を設定して敷設する。また、分布型測定方式の光ファイバー温度センサの場合、散乱光はブリルアン散乱光を利用した方式となる。
【００３７】
図３は本発明の第３実施例を示す内部の温度異常を監視可能とする超電導磁石装置の模式図である。
【００３８】
この図において、３１は超電導コイル、３２は荷重支持断熱材、３３はパワーリード、３４は輻射シールド、３５は冷凍機コールドヘッド３５Ａを超電導コイル３１に接続した冷凍機、３６は光ファイバー温度センサ、３７はその光ファイバー温度センサ３６に接続された測定器である。
【００３９】
この第３実施例では、冷凍機直接冷却方式の高温超電導材を利用した超電導磁石装置の温度監視の構成を示している。液体ヘリウムの浸漬冷却でなく、高温超電導線材を利用し、冷凍機３５による直接伝導冷却により超電導状態を維持する超電導コイル３１を用いた超電導磁石装置は、図１に示した液体ヘリウムの容器や配管等を省略できるが、冷凍機３５の運転状況の変動等により、局所的に温度上昇してクエンチを起こす可能性が考えられる。このため、直接冷却方式の超電導磁石装置内の荷重支持断熱材３２、パワーリード３３、輻射シールド３４、更には超電導コイル３１に多点方式のＦＢＧ方式の光ファイバー温度センサ３６を敷設し、この光ファイバー温度センサ３６を測定器３７に接続し、超電導コイル３１および冷凍機コールドヘッド３５Ａの温度異常、断熱不良、輻射シールド３４やパワーリード３３などの温度異常を光ファイバー温度センサ３６によって検出することにより、超電導コイル３１の冷却異常の兆候を監視する。
【００４０】
このように、超電導コイル３１の周囲、荷重支持断熱材３２の取付箇所、冷凍機コールドヘッド３５Ａ、輻射シールド３４，パワーリード３３に多点方式のＦＢＧ方式の光ファイバー温度センサ３６を敷設し、測定点を設定して、これらの温度の分布について測定・監視を行う。これらの測定値が通常時と変化があった場合に異常と判断する。
【００４１】
図４は本発明のＦＢＧ方式センサによる反射波波長変移との温度実測値との相関を示した特性図、図５は本発明のＢＯＣＤＡ方式センサによるブリルアン散乱光の周波数シフトと温度実測値との相関を示した特性図である。また、どちらの図においても磁界を印加しない状態（０Ｔ）と、５Ｋまでの強磁界で測定した結果を併せて示している。
【００４２】
図４によると、ＦＢＧ方式のセンサでは、絶対温度約８Ｋから３００Ｋまで、温度実測値とＦＢＧ方式反射波波長変移との相関が見られ、この温度範囲で超電導磁石装置内部の部位の温度異常を測定、監視することが可能であることがわかる。また、強磁界下における測定結果は、磁界のない状態と比較して変化はなく、強磁界による温度測定への影響がないことが確認できる。
【００４３】
図５によると、ＢＯＣＤＡ方式のセンサでは絶対温度約５０Ｋから３００Ｋまで、温度実測値とブリルアン散乱光の周波数シフトとの相関が見られ、ブリルアン散乱光を利用したＢＯＴＤＲ方式およびＢＯＣＤＡ方式のセンサでは、この温度範囲で超電導磁石装置内部の部位の温度異常を測定、監視することが可能であることがわかる。また、強磁界下における測定結果は、磁界のない状態と比較して変化はなくＦＢＧ方式と同様、強磁界による温度測定への影響がないことが確認できる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の超電導磁石装置は、超電導磁石装置内部の必要箇所の温度を分布的に測定・監視でき、安全に運用することができる超電導磁石装置として利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１，２１，３１    超電導コイル
２，２２，３２    荷重支持断熱材
３，２３，３３    パワーリード
４    パワーリード冷却配管
５    冷媒配管（ヘリウム配管）
６    冷媒配管のサービスポート
７    内槽容器
８    低温輻射シールド
９    高温輻射シールド
１０，２５，３５    冷凍機
１１，２６，３６    光ファイバー温度センサ
１２，２７，３７    測定器
２４，３４    輻射シールド
２５Ａ    冷凍機コールドヘッド
２６    光ファイバー温度センサ
３５Ａ    冷凍機コールドヘッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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