(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０Ｋ以下の低温域で定格電流Ｉ0で実運転される超電導コイルの金属系超電導線材からなるコイルを実機システムに組み込む前に検査する際に、
まず、初期試験として、
試験１：被検査コイル単体を液体ヘリウムで冷却し、直流通電試験でクエンチ電              流を評価する
を行い、
次いで、耐試験として、
試験２：冷却された単体の前記被検査コイルに、この被検査コイルの発生磁場Ｂｓ              と実運転時に前記被検査コイルに加わる外部磁場Ｂａとの関係から次の条 件で求まる負荷係数ｃに基づき、通電電流ｃ・Ｉ0のパルス電流を通電す              る
Ｂａ＜Ｂｓのとき、ｃ＝｛１.０+（Ｂａ／Ｂｓ）｝×（Ｉ1＋Ｉ0）
Ｂａ＞Ｂｓのとき、ｃ＝｛（Ｂａ＋Ｂｓ）／Ｂｓ｝×（Ｒｂ／Ｒａ）
但し、Ｉ0＜Ｉ1、Ｉ1は実運転時に前記被検査コイルの負荷として想定さ            れる異常電流、Ｒａは前記被検査コイルの内径、Ｒｂは同外径
を行い、
その後、再度、試験１を行い、耐試験前後のクエンチ電流の変化の有無から耐試験による前記被検査コイルの特性の変化の有無を調べることを特徴とする超電導コイルのパルス通電検査方法。
【請求項２】
上記試験２は、液体ヘリウムで冷却された被検査コイルにコンデンサーバンク型の電源で発生したパルス電流を通電し、このコンデンサーバンク電源から放出するエネルギが、断熱状態の超電導線材が４．２Ｋから許容温度に温度上昇するのに要する熱エネルギに等しいＱ値以下となるように定めることを特徴とする請求項１記載の超電導コイルのパルス通電検査方法。
【請求項３】
上記パルス電流の通電を複数回繰り返すことを特徴とする請求項１又は２記載の超電導コイルのパルス通電検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導コイルに使用されるコイルの耐電磁力固定補強の検査に係り、特に、実機システムの断熱容器にコイルを組込む前にコイルの耐電磁力固定補強の十分さを診断できる超電導コイルのパルス通電検査に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
数テスラの磁場を発生するデバイスとして超電導線材を巻線した超電導コイルがある。超電導コイルを用いた実機システムの一例を図４に示す。このシステムは、４つのコイル１，２，３，４から構成されている。そして、例えばコイル１が磁場Ｂ１＝９Ｔを発生し、コイル２が磁場Ｂ２＝４Ｔを発生し、コイル３が磁場Ｂ３＝８Ｔを発生し、コイル４が磁場Ｂ４＝３Ｔを発生し、合計でＢ＝Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３＋Ｂ４＝２４Ｔの磁場を発生する仕組みとなっている。
【０００３】
これらのコイル１，２，３，４は、断熱容器５内に置かれる。そして、超流動液体ヘリウム６、液体ヘリウム７、液体窒素８で断熱容器５が冷却される。このようなコイルには、コイル線材の通電電流密度をＪ、発生磁場をＢ、コイル半径をｒとすると、電磁力Ｆ＝Ｊ・Ｂ・ｒが加わる。超電導コイルは、この電磁力で歪まないようにコイルを補強固定する必要がある。通常は、コイル巻線の際に、耐力の大きな素材を補強材として超電導線材と共巻し、巻線完了後にエポキシ樹脂でコイルごと含浸する手法が採られている。このようなコイルの固定補強対策は超電導コイルの重要課題の一つである。具体的には、エポキシ樹脂の含浸方法の改善、巻線方法の改善、高強度補強材の開発、超電導線材の高強度化などが対策として検討されている。
【０００４】
超電導コイルとして完成されたものは、通常、実運転環境下と同じ冷却環境、外部磁場環境下において通電試験が行われる。図４の最内層コイルが被検査コイルの場合は、図４のような大型装置の環境に被検査コイルを置いて通電試験が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
超電導コイルの作製完成後に、コイルの固定補強が運転時の電磁力に対して十分なのか、不十分なのかを判断するには通電しないと分からない。しかし、通電試験を行うにはコイルを運転温度まで冷却する必要がある。図４に示すような大型装置の場合は、コイルを断熱容器に組込む前の予備検査としての定格電流の通電試験が事実上不可能である。また、超電導コイルがクエンチしたときは、定格電流通電時より大きな電流がコイル線材に一瞬流れる場合もあり、その時は定格通電時より大きな電磁力がコイルに加わる。設計上はこのような異常時も含めた最大電磁力に耐えることを保証できる補強構造としなければならない。しかし、このような異常通電電流を模擬的にコイルに負荷する検査は通常行われていない。その理由は、検査のためにコイルを冷却せねばならず、液体ヘリウム等の費用と手間とを要するからである。
【０００６】
図４のようなシステムの場合、４つのコイルでそれぞれ異なる線材を用いており、それぞれの手法の異なる固定補強対策が必要である。しかし、実運転と同じ電磁力をコイルに与えるには４つのコイルを同時に通電して初めて可能になる。仮に、コイル４単独に通電した場合では磁場がＢ４＝３Ｔしか発生しない。しかし、実際の運転時には、コイル４は最大磁場２１Ｔ中に置かれる。コイル４単独通電の場合、同じ定格通電試験を行っても、その時に加わる電磁力は実際に加わる電磁力の約３÷（２１＋３）＝１／８である。
【０００７】
また、通電による電磁力はコイルを破損させるものであるが、破損は外観上明らかな場合もあるが、見掛け上特に異常が見当たらず、微小なクラックのみ生じている場合もある。外観上の変化が観測されない場合は、実運転を数回繰り返すことによって、劣化が進行して行く場合もある。このような耐電磁力対策の不備はコイル自体の問題であるが、コイル単体の合理的な診断手段が今のところ提案されていない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、実機システムの断熱容器にコイルを組込む前にコイルの耐電磁力固定補強の十分さを診断できる超電導コイルのパルス通電検査方法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、５０Ｋ以下の低温域で定格電流Ｉ0で実運転される超電導コイルの金属系超電導線材からなるコイルを実機システムに組み込む前に検査する際に、
まず、初期試験として、
試験１：被検査コイル単体を液体ヘリウムで冷却し、直流通電試験でクエンチ電              流を評価する
を行い、
次いで、耐試験として、
試験２：冷却された単体の前記被検査コイルに、この被検査コイルの発生磁場Ｂｓ              と実運転時に前記被検査コイルに加わる外部磁場Ｂａとの関係から次の条 件で求まる負荷係数ｃに基づき、通電電流ｃ・Ｉ0のパルス電流を通電す              る
Ｂａ＜Ｂｓのとき、ｃ＝｛１.０+（Ｂａ／Ｂｓ）｝×（Ｉ1＋Ｉ0）
Ｂａ＞Ｂｓのとき、ｃ＝｛（Ｂａ＋Ｂｓ）／Ｂｓ｝×（Ｒｂ／Ｒａ）
但し、Ｉ0＜Ｉ1、Ｉ1は実運転時に前記被検査コイルの負荷として想定さ れる異常電流、Ｒａは前記被検査コイルの内径、Ｒｂは同外径
を行い、
その後、再度、試験１を行い、耐試験前後のクエンチ電流の変化の有無から耐試験による前記被検査コイルの特性の変化の有無を調べるものである。
【００１０】
上記試験２は、液体ヘリウムで冷却された被検査コイルにコンデンサーバンク型の電源で発生したパルス電流を通電し、このコンデンサーバンク電源から放出するエネルギが、断熱状態の超電導線材が４．２Ｋから許容温度に温度上昇するのに要する熱エネルギに等しいＱ値以下となるように定めてもよい。
【００１１】
上記パルス電流の通電を複数回繰り返してもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。ここでは、一つの被検査コイル（被診断コイル）を実機システムに組込む前に検査する形態とする。図１は、被検査コイル単体を検査する装置の概要を示したものである。この検査装置は、主に、被検査コイル９を格納すると共に液体ヘリウム１８が収容される断熱容器５と、被検査コイルに直流通電を行う直流定電流電源１４と、被検査コイルにパルス通電を行うパルス電流発生電源１５と、クエンチ電流及び通電電流の評価を行う評価手段２０とから構成されている。
【００１３】
この検査装置は、被検査コイル９が実運転時に受けるのと同じ最大電磁力を与えるようなパルス電流を被検査コイル９に通電し、このパルス通電試験の前後に液体ヘリウム温度におけるクエンチ電流を測定して、パルス通電試験に対するクエンチ電流の変化の有無を調べるものであり、被検査コイル９を実運転温度に冷却することなく、また、実機システムに組込むことなく、被検査コイル９の耐電磁力固定補強の十分さを診断することができる。
【００１４】
検査の手順は、次の試験１と試験２とを数回繰り返すことであり、試験２を経ることによるクエンチ電流の変化を調べ、これによってパルス電流負荷回数当たりのコイルの劣化を知ることができる
試験１：被検査コイル９を液体ヘリウム含浸で冷却し、直流通電試験でクエンチ電流を評価（測定）する。
【００１５】
試験２：液体ヘリウム１８で冷却された被検査コイル９に最大通電電流がｃ・Ｉ０  のパルス電流を数回通電する。ｃは負荷係数である。
【００１６】
次に、パルス電流の最大通電電流の決定方法（負荷係数ｃの決定方法）を説明する。被検査コイル９単体としての発生磁場をＢＳ  （Ｔ）、実運転時に被検査コイル９に加わる外部磁場をＢａ（Ｔ）、実運転時の被検査コイル９の定格電流をＩ０  （Ａ）、実運転時の被検査コイル９の負荷として想定される異常電流をＩ１  （Ａ）、但し、Ｉ０  ＜Ｉ１  とする。
【００１７】
（１）ケース１：Ｂａ＜ＢＳ  のとき
ｃ＝｛１．０＋（Ｂａ／ＢＳ  ）｝・Ｉ１  ／Ｉ０          （１）
とする。
【００１８】
（２）ケース２：Ｂａ＞ＢＳ  のとき
被検査コイル９の内径がＲａ、外径がＲｂとすると、
ｃ＝｛（Ｂａ＋ＢＳ  ）／ＢＳ  ×（Ｒｂ／Ｒａ）        （２）
とする。
【００１９】
なお、負荷係数ｃは、１．０以上の値をとる。
【００２０】
このように、負荷係数ｃは、被検査コイル９の発生磁場ＢＳ  と実運転時に被検査コイル９に加わる外部磁場Ｂａとの関係から決まる。負荷係数ｃが決まれば、パルス電流の最大通電電流ｃ・Ｉ０  が決まる。
【００２１】
次に、被検査コイル９へのパルス電流供給方法を説明する。パルス電流の発生には、コンデンサーバンク型の電源を用いる。被検査コイルの線材の許容温度を１００Ｋに設定し、この線材が４．２Ｋから許容温度に達するまでに要する熱エネルギ（Ｊ）を予め計算しておく。この熱エネルギの計算は、線材の長さあたりの熱容量と線材長との積を４．２Ｋから許容温度の１００Ｋまで積分する計算である。この熱エネルギの値をＱ値とする。コンデンサーバンク電源から放出する電気エネルギは、このようにして計算されたＱ値以下又はＱ値を越えない値とする。
【００２２】
図２は、超電導コイルで構成される実機システムを示したものである。この実機システムは、コイル９が断熱容器５内に格納され、超流動液体ヘリウム１０で冷却されるものである。本実施形態では、実機システムにおけるコイル９を被検査コイルと考え、実機システムに組込む前に図１の検査装置で検査した。表１は、被検査コイル９即ちコイル９の実運転時の使用環境を示したものである。表２は、被検査コイル９のコイル用線材の仕様を示したものである。表３は、被検査コイル９の仕様を示したものである。
【００２３】
【表１】
0003584673.tif 000002
【００２４】
【表２】
0003584673.tif 000003
【００２５】
【表３】
0003584673.tif 000004
【００２６】
図１に示されるように、断熱容器５に格納された被検査コイル９の端子には、通電するための電流リード１１（銅リードの断面積は２０ｍｍ２  程度）とコイル端子間の電圧を測定するための電圧リード１２とを取り付ける。コイル端子間と電流リード１１とはパルス通電時に高電圧下に置かれるので、アース接地された断熱容器５とこれらのリード線とは、５ｋＶの耐圧を有する絶縁体１３を介して電気的に絶縁されている。電流リード１１には、シャント抵抗１６を介して直流定電流電源１４とパルス電流発生電源１５とが接続されており、それぞれの電源ラインには、スイッチ２１，２２が挿入されている。評価手段２０として、シャント抵抗１６の両端間電圧と電圧リード１２間電圧とを測定する電圧評価装置１７が設けられている。そして、検査の際には、断熱容器５に液体ヘリウム１８が収容され、被検査コイル９は液体ヘリウム浸漬冷却される。
【００２７】
まず、初期試験として、試験１を行う。スイッチ２１により被検査コイル９に直流定電流電源１４を接続し、液体ヘリウム温度におけるクエンチ電流を評価する。実測では、クエンチ電流の値が３００Ａであった。
【００２８】
初期試験終了後、スイッチ２１により直流定電流電源１４を切り離し、スイッチ２２により被検査コイル９にパルス電流発生電源１５を接続する。パルス電流発生電源１５は、コンデンサーバンク型のもので、蓄積エネルギが１０ｋＪのものである。実運転時の外部磁場Ｂａが零（表３）なので、パルス電流の最大値は、式（１）より実運転時の異常電流Ｉ１  と等しく７００Ａ（表１）である。
【００２９】
耐試験として試験２を行う。パルス通電は、コンデンサーバンクの蓄積エネルギを徐々にあげながら、最大瞬間通電電流が７００Ａになるまで、複数回行う。ちなみに、７００Ａ通電時の端子間の発生電圧は約２ｋＶ、通電時間は数ｍｓｅｃであった。通電電流値の計測は、シャント抵抗１６の両端間電圧をオシロスコープ（電圧評価装置１７）で評価して行った。パルス電流発生電源１５のコンデンサ放出エネルギを４ｋＪに設定したとき、最大通電電流が７００Ａと評価された。本コイルの場合、温度４．２Ｋから許容温度１００Ｋまで温度が上昇するのに要する熱エネルギ（Ｑ値）が、
【００３０】
【数１】
0003584673.tif 000005
【００３１】
であり、４ｋＪはＱ値より小さい。よって、４ｋＪに設定することは、パルス通電のジュール発熱による線材の焼き切れは起らない条件であると考えられる。
【００３２】
パルス通電による耐試験終了後、再度、試験１を行い、クエンチ電流を評価する。測定結果として、パルス通電回数（パルス電流負荷回数）とクエンチ電流測定値とを表４に示す。
【００３３】
【表４】
0003584673.tif 000006
【００３４】
クエンチ電流の初期値は３００Ａであったが、パルス通電回数を経ることで値が若干上昇することが分かった。これは、被検査コイル９のトレーニング効果によるものと考えられる。７００Ａのパルス通電時は、被検査コイル９に計算上１００ＭＰａの電磁力が瞬間的にかかっていることになる。複数回のパルス通電後もクエンチ電流の変化がないことから、この被検査コイル９は瞬間的な電磁力に対しては全く影響を受けないことが確認できた。
【００３５】
以上の検査の終了後、図２の実機システムに被検査コイル９を組み込み、超流動液体ヘリウム１０で冷却し、定格電流５００Ａの通電試験を実施したところ、被検査コイル９が破損しないことが最終的に確認された。
【００３６】
次に、他の実施形態を説明する。
【００３７】
図３は、超電導コイルで構成される実機システムを示したものである。このシステムのように被検査コイル９が外層コイル１９による外部磁場下で使用される場合、図１の検査装置においては、パルス電流の最大値は式（２）を用いて決定する。ここでは、外部磁場Ｂａ＝１５Ｔ、発生磁場Ｂｓ＝７．４Ｔであるとする。この場合、負荷係数ｃ＝５である。従って、パルス電流の最大値は２５００Ａである。端子間の発生電圧は約８ｋＶ、コンデンサ―バンクの蓄積エネルギーは１６ｋＪである。図４の最内層コイル４や、別な層のコイル３、２等が検査対象の場合も夫々同様に検査を行う。
【００３８】
実機システムの冷却環境は様々であり、液体ヘリウムで冷却される以外では、冷凍機冷却、超流動ヘリウム、超臨界ヘリウム、液体ネオン、液体水素等が考えられる。検査装置の冷却環境においても、これらの冷却物質を使用して良いことは勿論である。
【００３９】
上記実施形態では、実機システムの断熱容器に被検査コイルを組込む前に検査を行ったが、これに限らず、例えば、実機システムの運転使用後の再検査としても本発明の方法を適用可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００４１】
（１）被検査コイルを実機システムに組込む前に実機システムによる検査と同等の電磁力を付加する検査ができる。
【００４２】
（２）実機システムでは困難な異常電流を流す検査ができる。
【００４３】
（３）液体ヘリウム冷却を用いるので、超流動ヘリウム冷却を用いるのに比べて簡易に行うことができる。
【００４４】
（４）実機システムに組立て前に被検査コイルの異常を発見できる。
【００４５】
（５）パルス通電によるトレーニング効果が得られるので、検査と同時にトレーニングができることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す検査装置の構成図である。
【図２】超電導コイルで構成される実機システムの構成図である。
【図３】超電導コイルで構成される実機システムの構成図である。
【図４】超電導コイルで構成される実機システムの構成図である。
【符号の説明】
９  コイル（被検査コイル）
１４  直流定電流電源
１５  パルス電流発生電源
１８  液体ヘリウム
２０  評価手段
【図１】
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【図２】
0003584673.tif 000008
【図３】
0003584673.tif 000009
【図４】
0003584673.tif 000010