(57)【要約】【課題】クエンチを高感度で検出することができる超電導コイルのクエンチ検出装置を提供する。【解決手段】超電導コイル５のクエンチ検出装置１において、第１の超電導コイル３と第２の超電導コイル４とは、同一の形状をなしており、第１の超電導コイル３の第１の軸線Ｌ１と第２の超電導コイル４の第２の軸線Ｌ２とは、同一の位置および同一の方向に配置されると共に、その方向における第１の超電導コイルの位置３と第２の超電導コイル４の位置とは同一であり、第１の超電導コイル３の巻線３ａの長さと第２の超電導コイル４の巻線４ａの長さとは同一である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとを備え、
前記第１の超電導コイルと前記第２の超電導コイルとは、同一の形状をなしており、
前記第１の超電導コイルの第１の軸線と前記第２の超電導コイルの第２の軸線とは、同一の位置および同一の方向に配置されると共に、前記方向における前記第１の超電導コイルの位置と前記第２の超電導コイルの位置とは同一であり、
前記第１の超電導コイルの巻線の長さと前記第２の超電導コイルの巻線の長さとは同一である、超電導コイルのクエンチ検出装置。
【請求項２】
前記第１の超電導コイルと前記第２の超電導コイルとの間には、中間タップが設けられている、請求項１記載の超電導コイルのクエンチ検出装置。
【請求項３】
前記第１の超電導コイルの巻線と前記第２の超電導コイルの巻線とは、隣り合っている、請求項１または２記載の超電導コイルのクエンチ検出装置。
【請求項４】
前記第１の超電導コイルの巻線と前記第２の超電導コイルの巻線とは、共巻きされている、請求項３記載の超電導コイルのクエンチ検出装置。
【請求項５】
前記第１の超電導コイルの巻線と前記第２の超電導コイルの巻線とは、扁平状をなしており、互いに重ね合わされている、請求項４記載の超電導コイルのクエンチ検出装置。
【請求項６】
前記第１の超電導コイルの巻線と前記第２の超電導コイルの巻線とは、径方向における位置が途中で入れ替わっている、請求項５記載の超電導コイルのクエンチ検出装置。
【請求項７】
前記第１の超電導コイルの巻線と前記第２の超電導コイルの巻線とは、断面円形状をなしており、互いに撚り合わされている、請求項４記載の超電導コイルのクエンチ検出装置。
【請求項８】
前記第１の超電導コイルの巻線と前記第２の超電導コイルの巻線とは、複数のパンケーキコイルが前記方向に交互に積層されてなる、請求項３記載の超電導コイルのクエンチ検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルのクエンチ検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導コイルのクエンチ検出装置として、たとえば特許文献１に記載された装置が知られている。この装置の超電導コイルは、直列に接続された第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとから構成されている。第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとは、超電導コイルの中点、すなわちコイル全体の中点で接続されている。そして、第１の超電導コイルの端子間の電圧と、第２の超電導コイルの端子間の電圧とを測定し、これらの測定値の偏差を求めることにより、クエンチに伴って発生する微小電圧を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−８４２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の装置では、超電導コイルの近傍に鉄などの磁性体があると、この磁性体が外乱の要因となり得る。磁性体の存在によって超電導コイルの端子間の電圧が影響を受けた場合、クエンチが発生していない状態においても、第１の超電導コイルの端子間の電圧と、第２の超電導コイルの端子間の電圧とがキャンセルされずに（偏差がゼロにならずに）、電圧が残ってしまう。その結果、クエンチを検出できる電圧の偏差の下限値が大きくなり、クエンチの検出感度が悪化してしまう。
【０００５】
クエンチの検出感度の悪化により、クエンチの検出が遅れ、超電導コイルの焼損リスクが高まる。このように、従来、クエンチを高感度で検出することは困難であった。
【０００６】
本発明は、クエンチを高感度で検出することができる超電導コイルのクエンチ検出装置を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の超電導コイルのクエンチ検出装置は、直列に接続された第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとを備え、第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとは、同一の形状をなしており、第１の超電導コイルの第１の軸線と第２の超電導コイルの第２の軸線とは、同一の位置および同一の方向に配置されると共に、その方向における第１の超電導コイルの位置と第２の超電導コイルの位置とは同一であり、第１の超電導コイルの巻線の長さと第２の超電導コイルの巻線の長さとは同一である。
【０００８】
この超電導コイルのクエンチ検出装置では、第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとは、同一の形状をなしている。さらに、第１の超電導コイルの第１の軸線と第２の超電導コイルの第２の軸線とは、同一の位置および同一の方向に配置されると共に、その方向における第１の超電導コイルの位置と第２の超電導コイルの位置とは同一である。このように、第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとは、幾何学形状が同一であり、それぞれの軸線および位置が一致している。さらに、第１の超電導コイルの巻線の長さと第２の超電導コイルの巻線の長さとは同一である。よって、第１および第２の超電導コイルの近傍に磁性体が存在している場合であっても、磁性体によって第１および第２の超電導コイルに及ぼされる影響は、ほぼ等しくなる。よって、第１の超電導コイルの端子間の電圧と、第２の超電導コイルの端子間の電圧との偏差において、磁性体による外乱の影響がほぼ相殺される。そのため、クエンチを検出できる電圧の偏差の下限値が小さくなり、クエンチを高感度で検出することができる。
【０００９】
また、第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとの間には、中間タップが設けられていてもよい。この構成によれば、第１の超電導コイルの端子間の電圧と、第２の超電導コイルの端子間の電圧との偏差を簡易な構成で測定することができる。
【００１０】
また、第１の超電導コイルの巻線と第２の超電導コイルの巻線とは、隣り合っていてもよい。この構成によれば、磁性体によって第１および第２の超電導コイルに及ぼされる影響が、より良く一致する。よって、外乱の影響を精度良く相殺することができ、クエンチを検出する電圧の偏差の下限値をさらに小さくできる。
【００１１】
また、第１の超電導コイルの巻線と第２の超電導コイルの巻線とは、共巻きされていてもよい。簡易な製造方法により、クエンチを高感度で検出することができる。
【００１２】
また、第１の超電導コイルの巻線と第２の超電導コイルの巻線とは、扁平状をなしており、互いに重ね合わされていてもよい。
【００１３】
また、第１の超電導コイルの巻線と第２の超電導コイルの巻線とは、径方向における位置が途中で入れ替わっていてもよい。
【００１４】
また、第１の超電導コイルの巻線と第２の超電導コイルの巻線とは、断面円形状をなしており、互いに撚り合わされていてもよい。
【００１５】
また、第１の超電導コイルの巻線と第２の超電導コイルの巻線とは、複数のパンケーキコイルが超電導コイルの軸線方向に交互に積層されてなってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、クエンチを高感度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るクエンチ検出装置の一実施形態の構成を示す回路図である。
【図２】図１中の超電導コイルにおける巻線の配置関係を示す図である。
【図３】第１の超電導コイル、第２の超電導コイル、超電導コイルにおける幾何学的形状等の説明図である。
【図４】高温超電導と低温超電導とにおける電圧特性を示す図である。
【図５】（ａ）は第２実施形態の超電導コイルにおける巻線の配置関係を示す図、（ｂ）は第３実施形態の超電導コイルにおける巻線の配置関係を示す図である。
【図６】第４実施形態の超電導コイルにおける巻線の配置関係を示す図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、従来の巻線の配置関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
図１〜図３を参照して、第１実施形態のクエンチ検出装置１について説明する。まず、図１を参照して、クエンチ検出装置１の回路構成について説明する。クエンチ検出装置１は、直流電圧を出力する直流電源２と、直流電源２に接続された第１の超電導コイル３および第２の超電導コイル４とを備えている。第１の超電導コイル３と第２の超電導コイル４とは、直列に接続されている。第１の超電導コイル３と第２の超電導コイル４は、たとえばイットリウムを含む銅酸化物などの高温超電導導体からなる、高温超電導コイルである。第１の超電導コイル３および第２の超電導コイル４によって、超電導コイル５が構成されている。超電導コイル５は、超電導マグネット装置に搭載されて、主に電磁石として利用される。
【００２０】
第１の超電導コイル３の一方の端子６には、電圧タップ１６が接続されている。第１の超電導コイル３と第２の超電導コイル４との中間の端子７には、電圧タップ（中間タップ）１７が接続されている。第２の超電導コイル４の他方の端子には、電圧タップ１８が接続されている。
【００２１】
クエンチ検出装置１は、超電導コイル５におけるクエンチを検出するための検出器１０を備えている。検出器１０は、電圧タップ１６に接続される入力端子１１と、電圧タップ１７に接続される入力端子１２と、電圧タップ１８に接続される入力端子１３とを有している。検出器１０は、第１の超電導コイル３の端子６，７間の第１の電圧Ｖａを測定する。検出器１０は、第２の超電導コイル４の端子７，８間の第２の電圧Ｖｂを測定する。検出器１０は、クエンチの発生を判定するための閾値ＶＴＨを記憶している。検出器１０は、第１の電圧Ｖａと第２の電圧Ｖｂとの偏差に基づいて、クエンチの発生の有無を判定する。
【００２２】
より詳しくは、検出器１０は、下記式（１）が満たされた場合に、超電導コイル５にクエンチが発生したと判定する。
｜Ｖａ−Ｖｂ｜＞ＶＴＨ・・・（１）
【００２３】
図２に示されるように、第１の超電導コイル３および第２の超電導コイル４に用いられる巻線３ａ，４ａは、扁平状をなしている。言い換えれば、巻線３ａ，４ａは、シート状の超電導導体からなる。巻線３ａと巻線４ａとは、その厚さ方向が軸線Ｌに直交する状態で、互いに重ね合されている。すなわち、巻線３ａと巻線４ａとは、径方向に隣り合った状態で、共巻きされている。
【００２４】
図３に示されるように、共巻きされた巻線３ａと巻線４ａとを概念的に分離して考えた場合、巻線３ａによって形成される第１の超電導コイル３と、巻線４ａによって形成される第２の超電導コイル４とは、同一の形状をなしている。すなわち、第１の超電導コイル３の直径Ｗ１と、第２の超電導コイル４の直径Ｗ２とは等しく、直径Ｗ１と直径Ｗ２のそれぞれは、第１の超電導コイル３と第２の超電導コイル４とによって形成される超電導コイル５の直径Ｗに等しい。第１の超電導コイル３の高さＨ１と、第２の超電導コイル４の高さＨ２とは等しく、直径Ｈ１と直径Ｈ２のそれぞれは、第１の超電導コイル３と第２の超電導コイル４とによって形成される超電導コイル５の高さＨに等しい。
【００２５】
さらに、第１の超電導コイル３の第１の軸線Ｌ１と、第２の超電導コイル４の第２の軸線Ｌ２とは、同一の位置および同一の方向に配置される。すなわち、第１の軸線Ｌ１と第２の軸線Ｌ２とは、位置および方向が一致する。第１の軸線Ｌ１と第２の軸線Ｌ２とは、第１の超電導コイル３と第２の超電導コイル４とによって形成される超電導コイル５の軸線Ｌに一致する。軸線Ｌの方向における第１の超電導コイル３の位置と第２の超電導コイル４の位置とは同一である。言い換えれば、第１の超電導コイル３によって形成される外形（または領域）と、第２の超電導コイル４によって形成される外形（または領域）とは同一であり、これらの超電導コイル３，４は、空間的に一致する。
【００２６】
第１の超電導コイル３の巻線３ａの長さと第２の超電導コイル４の巻線４ａの長さとは、同一である。言い換えれば、図１に示す端子６から端子７までの巻線３ａの長さと、端子７から端子８までの巻線４ａの長さは、等しくなっている。第１の超電導コイル３と第２の超電導コイル４とは、同一のインダクタンスを有する。超電導コイル５において、巻線３ａの占積率と巻線４ａの占積率とは、等しくなっている。
【００２７】
超電導コイル５のクエンチ検出装置１によれば、第１の超電導コイル３と第２の超電導コイル４とは、幾何学形状が同一であり、それぞれの軸線Ｌ１，Ｌ２および位置が一致している。さらに、第１の超電導コイル３の巻線３ａの長さと第２の超電導コイル４の巻線４ａの長さとは同一である。よって、第１および第２の超電導コイル３，４の近傍に磁性体が存在している場合であっても、磁性体によって第１および第２の超電導コイル３，４に及ぼされる影響は、ほぼ等しくなる。よって、第１の超電導コイル３の端子６，７間の電圧Ｖａと、第２の超電導コイル４の端子７，８間の電圧Ｖｂとの偏差において、磁性体による外乱の影響がほぼ相殺される。そのため、クエンチを検出する電圧の偏差の下限値ＶＴＨが小さくされ、クエンチを高感度で検出することができる。その結果として、クエンチを素早く検出することができ、コイルの超電導コイルの焼損リスクを低減することができる。
【００２８】
一般に、高温超電導コイルにおいては、低温超電導コイルに比して、電圧の変化が表れにくい。図４に示されるように、ニオブチタンなどを導体に用いる低温超電導コイルでは、電流の増加に伴って、電圧値は劇的に上昇する。一方、高温超電導コイルでは、電流が増加しても、電圧値は電圧の変化は緩やかであり、電圧値は漸増する程度である。このような高温超電導コイルでは、クエンチを検出する電圧の偏差の下限値が大きいと、クエンチが検出されたときには、クエンチ箇所の温度が非常に高くなっており、巻線が焼き切れるおそれがある。
【００２９】
たとえば、図７（ａ）に示されるように、外周側コイル１０３と内周側コイル１０４とを有する従来の超電導コイル１００では、鉄等の強磁性体５０が周囲に存在する場合、コイル１０３，１０４が同一のインダクタンスを有する場合であっても、外周側コイル１０３が強磁性体５０によって受ける影響と、内周側コイル１０４が強磁性体５０によって受ける影響は異なる。これは、外周側コイル１０３と内周側コイル１０４との幾何学的形状および位置が異なるからである。また、図７（ｂ）に示されるように、上段コイル２０３と下段コイル２０４とを有する従来の超電導コイル２００では、鉄等の強磁性体５０が周囲に存在する場合、コイル２０３，２０４が同一のインダクタンスを有する場合であっても、上段コイル２０３が強磁性体５０によって受ける影響と、下段コイル２０４が強磁性体５０によって受ける影響は異なる。これは、上段コイル２０３と下段コイル２０４との幾何学的形状が同じであっても、強磁性体５０に対する相対位置関係が異なるからである。
【００３０】
よって、従来の超電導コイル１００または超電導コイル２００では、強磁性体５０による外乱の影響が大きく、「Ｖａ−Ｖｂ」の絶対値がゼロにならず、一定の値を示してしまう。よって、クエンチを検出する電圧の偏差の下限値を大きくせざるを得ず、クエンチの検出感度が悪かった。
【００３１】
クエンチ検出装置１によれば、高温超電導コイルの場合でも、強磁性体５０による外乱の影響を小さくすることができ、クエンチの検出感度が高められる。
【００３２】
また、第１の超電導コイル３と第２の超電導コイル４との間には、中間タップ１７が設けられているため、第１の超電導コイル３の端子６，７間の電圧Ｖａと、第２の超電導コイル４の端子７，８間の電圧Ｖｂとの偏差を簡易な構成で測定することができる。
【００３３】
また、第１の超電導コイル３の巻線３ａと第２の超電導コイル４の巻線４ａとは、隣り合っているため、磁性体によって第１および第２の超電導コイル３，４に及ぼされる影響が、より良く一致する。よって、外乱の影響を精度良く相殺することができ、クエンチを検出する電圧の偏差の下限値ＶＴＨをさらに小さくできる。
【００３４】
また、第１の超電導コイル３の巻線３ａと第２の超電導コイル４の巻線４ａとは、共巻きされているため、簡易な製造方法により、クエンチを高感度で検出することができる。
【００３５】
次に、図５および図６を参照して、超電導コイルの他の実施形態について説明する。
【００３６】
図５（ａ）に示されるように、第２実施形態の超電導コイル５Ａが第１実施形態の超電導コイル５と違う点は、第１の超電導コイル３の巻線３ａと第２の超電導コイル４の巻線４ａとの径方向における位置が、途中で入れ替わっている点である。すなわち、第１の超電導コイル３の巻線３ａと第２の超電導コイル４の巻線４ａとは、互いに重ね合された状態で、所定の点Ｐにおいて１８０度捻られている。このような超電導コイル５Ａによっても、超電導コイル５と同様の作用・効果が奏される。また、共巻きされる巻線３ａと巻線４ａとにおいて、内周側の巻線の長さが外周側の巻線の長さよりも短くなってしまうことを回避できるので、巻線３ａと巻線４ａとの長さを一致させやすい。所定の点Ｐは、１箇所に設けられてもよく、複数箇所に設けられてもよい。
【００３７】
図５（ｂ）に示されるように、第３実施形態の超電導コイル５Ｂが第１実施形態の超電導コイル５と違う点は、扁平状の巻線３ａ，４ａに代えて、断面円形状をなす第１の超電導コイル３の巻線１３ａおよび第２の超電導コイル４の巻線１４ａを用い、これらの巻線１３ａ，１４ａを互いに撚り合わせた点である。このような超電導コイル５Ｂによっても、超電導コイル５と同様の作用・効果が奏される。
【００３８】
図６に示されるように、第４実施形態の超電導コイル５Ｃが第１実施形態の超電導コイル５と違う点は、共巻きされた扁平状の巻線３ａ，４ａに代えて、複数のパンケーキコイル２３ａ，２４ａからなる第１の超電導コイル２３および第２の超電導コイル２４を用い、これらのパンケーキコイル２３ａ，２４ａを軸線Ｌ方向に交互に積層した点である。第１の超電導コイル２３と第２の超電導コイル２４とにおいても、パンケーキコイル２３ａの巻線とパンケーキコイル２４ａの巻線とが、軸線Ｌ方向において隣り合っている。このような超電導コイル５Ｃによっても、超電導コイル５と同様の作用・効果が奏される。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。たとえば、上記実施形態では、第１の超電導コイル３および第２の超電導コイル４が高温超電導コイルである場合について説明したが、低温超電導コイルであってもよい。第１の超電導コイル３および第２の超電導コイル４を構成する巻線の形状は、上記各実施形態とは異なってもよい。第１の超電導コイル３の巻線３ａと第２の超電導コイル４の巻線４ａとが共巻きされる場合に限られず、同一領域内において同一の占積率になっていれば、共巻きされていなくてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１…クエンチ検出装置、３…第１の超電導コイル、３ａ…巻線、４…第２の超電導コイル、４ａ…巻線、５…超電導コイル、Ｌ１…第１の軸線、Ｌ２…第２の軸線。
【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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【図６】
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【図７】
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