(57)【要約】【課題】異常時に超電導コイルの破壊や損傷を抑制することが可能な超電導コイル装置及び超電導コイルの保護方法を提供する。【解決手段】超電導コイル１２と、超電導コイル１２に電流を供給する電源１１と、超電導コイル１２に並列に接続され、抵抗値が可変の保護抵抗１７と、超電導コイル１２のクエンチを検出する検出手段１５と、クエンチが検出された後に、電源１１を超電導コイル１２から切り離す遮断手段１６と、クエンチが検出された後に、超電導コイル１２に作用する電圧が設定値以下となるように、保護抵抗１７の抵抗値を制御する制御手段１８と、を備える。【選択図】図１
2018163930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、
前記超電導コイルに電流を供給する電源と、
前記超電導コイルに並列に接続され、抵抗値が可変の保護抵抗と、
前記超電導コイルのクエンチを検出する検出手段と、
前記クエンチが検出された後に、前記電源を前記超電導コイルから切り離す手段と、
前記クエンチが検出された後に、前記超電導コイルに作用する電圧が設定値以下となるように、前記保護抵抗の抵抗値を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記クエンチが検出された後に、前記保護抵抗の抵抗値を徐々に増加させることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記超電導コイルに作用する電圧が一定となるように、前記保護抵抗の抵抗値を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導コイル装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記保護抵抗の抵抗値の初期値をＲ０、前記超電導コイルのインダクタンスをＬとして、時間ｔに対し、前記保護抵抗の抵抗値を次の式（１）に従って変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導コイル装置。
Ｒ＝Ｌ／（Ｌ／Ｒ０−ｔ）  ・・・  （１）
【請求項５】
超電導コイルに、抵抗値が可変の保護抵抗が並列に接続された状態で、電源から電流を供給して前記超電導コイルを運転し、
前記超電導コイルのクエンチが検出された後に、前記電源を前記超電導コイルから切り離すとともに、前記超電導コイルに作用する電圧が設定値以下となるように、前記保護抵抗の抵抗値を制御することを特徴とする超電導コイルの保護方法。
【請求項６】
前記クエンチが検出された後に、前記保護抵抗の抵抗値を徐々に増加させることを特徴とする請求項５に記載の超電導コイルの保護方法。
【請求項７】
前記超電導コイルに作用する電圧が一定となるように、前記保護抵抗の抵抗値を制御することを特徴とする請求項５又は６に記載の超電導コイルの保護方法。
【請求項８】
前記保護抵抗の抵抗値の初期値をＲ０、前記超電導コイルのインダクタンスをＬとして、時間ｔに対し、前記保護抵抗の抵抗値を次の式（１）に従って変化させることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の超電導コイルの保護方法。
Ｒ＝Ｌ／（Ｌ／Ｒ０−ｔ）  ・・・  （１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイル装置及び超電導コイルの保護方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイル装置は、主として、極低温を維持するための低温容器と、低温容器内に収容される超電導コイルと、超電導コイルに電流を供給する電源から構成されている。超電導コイルに何らかの異常があった場合、コイル電圧や温度等により異常を検知し、スイッチにより電源を超電導コイルから切り離し、超電導コイルに並列に接続された保護抵抗により、超電導コイルに蓄えられているエネルギーを回収する保護方法が一般的である（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−９５８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超電導コイルの異常が検出された後、電源を超電導コイルから切り離した際、超電導コイルに作用する電圧Ｖ０は、超電導コイルに流れている電流Ｉ０と、保護抵抗の抵抗値Ｒとの積（Ｖ０＝Ｉ０Ｒ）である。保護抵抗の抵抗値Ｒが大きい場合、超電導コイルに流れる電流を迅速に減衰させることができるが、電圧Ｖ０が非常に大きくなり、超電導コイルが絶縁破壊されるおそれがある。超電導コイルのインダクタンスＬが大きい場合、保護抵抗の抵抗値Ｒが小さいと、電流の減衰が遅くなり、異常が進行して超電導コイルが損傷するおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、異常時に超電導コイルの破壊や損傷を抑制することが可能な超電導コイル装置及び超電導コイルの保護方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は、超電導コイルと、前記超電導コイルに電流を供給する電源と、前記超電導コイルに並列に接続され、抵抗値が可変の保護抵抗と、前記超電導コイルのクエンチを検出する検出手段と、前記クエンチが検出された後に、前記電源を前記超電導コイルから切り離す手段と、前記クエンチが検出された後に、前記超電導コイルに作用する電圧が設定値以下となるように、前記保護抵抗の抵抗値を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする超電導コイル装置を提供する。
【０００７】
前記制御手段は、前記クエンチが検出された後に、前記保護抵抗の抵抗値を徐々に増加させてもよい。
前記制御手段は、前記超電導コイルに作用する電圧が一定となるように、前記保護抵抗の抵抗値を制御してもよい。
前記制御手段は、前記保護抵抗の抵抗値の初期値をＲ０、前記超電導コイルのインダクタンスをＬとして、時間ｔに対し、前記保護抵抗の抵抗値を次の式（１）に従って変化させてもよい。
Ｒ＝Ｌ／（Ｌ／Ｒ０−ｔ）  ・・・  （１）
【０００８】
また、本発明は、超電導コイルに、抵抗値が可変の保護抵抗が並列に接続された状態で、電源から電流を供給して前記超電導コイルを運転し、前記超電導コイルのクエンチが検出された後に、前記電源を前記超電導コイルから切り離すとともに、前記超電導コイルに作用する電圧が設定値以下となるように、前記保護抵抗の抵抗値を制御することを特徴とする超電導コイルの保護方法を提供する。
【０００９】
前記保護方法において、前記クエンチが検出された後に、前記保護抵抗の抵抗値を徐々に増加させてもよい。
前記保護方法において、前記超電導コイルに作用する電圧が一定となるように、前記保護抵抗の抵抗値を制御してもよい。
前記保護方法において、前記保護抵抗の抵抗値の初期値をＲ０、前記超電導コイルのインダクタンスをＬとして、時間ｔに対し、前記保護抵抗の抵抗値を次の式（１）に従って変化させてもよい。
Ｒ＝Ｌ／（Ｌ／Ｒ０−ｔ）  ・・・  （１）
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、異常時に超電導コイルの破壊や損傷を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る超電導コイル装置の一例を示す模式的な回路図である。
【図２】実施例における電流、電圧、抵抗値の時間変化を示すグラフである。
【図３】比較例における電流、電圧、抵抗値の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
【００１３】
図１に、本実施形態の超電導コイル装置の一例を示す。本実施形態の超電導コイル装置は、電源１１と、超電導コイル１２と、保護抵抗１７を含む。電源１１は、超電導コイル１２に電流Ｉを供給する直流電源である。電源１１に対して、超電導コイル１２と保護抵抗１７とは、並列に接続されている。すなわち、超電導コイル１２の正常な運転時には、超電導コイル１２と保護抵抗１７とが並列に接続された状態で、電源１１から電流が供給される。
【００１４】
超電導コイル１２は、低温容器１３に収容されている。低温容器１３に用いられる冷媒としては、液体窒素、液体ヘリウム等が挙げられる。超電導コイル１２に用いられる超電導体しては、特に限定されず、酸化物超電導体、金属超電導体等が挙げられる。
酸化物超電導体としては、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ（Ｂｉ２２１２）、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ（Ｂｉ２２２３）、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（ＲＥ１２３）等が挙げられる。ＲＥとしては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の１種又は２種以上の希土類元素が挙げられる。
金属超電導体としては、ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎ等が挙げられる。
【００１５】
本実施形態の超電導コイル装置は、超電導コイル１２のクエンチを検出する検出手段１５を有する。検出手段１５としては、例えば超電導コイル１２の両端部及び中間部にそれぞれ電圧入力部１４を設け、検出手段１５の内部に設けた抵抗器（図示せず）と合わせてブリッジ回路を構成し、バランス電圧に基づいてクエンチを検出する構成が挙げられる。検出手段１５におけるクエンチ検出の方式は特に限定されず、低温容器１３内の超電導コイル１２や冷媒等について、電気的変化、磁気的変化、熱的変化などの変化に基づき、クエンチを検出してもよい。
【００１６】
本実施形態の超電導コイル装置は、電源１１を超電導コイル１２から切り離す手段として遮断手段１６を有する。遮断手段１６の一例として、繰り返しの開閉が可能な遮断スイッチが挙げられる。遮断手段１６は、超電導コイル１２及び保護抵抗１７の並列回路と電源１１との間に配置されている。遮断手段１６により電源１１が超電導コイル１２から切り離された状態では、保護抵抗１７が超電導コイル１２に接続された状態となる。
【００１７】
本実施形態では、保護抵抗１７として、抵抗値が可変の抵抗器が用いられる。また、保護抵抗１７の抵抗値を制御する制御手段１８が設けられている。制御手段１８は、検出手段１５によりクエンチが検出されたとき、遮断手段１６の制御信号１８ａにより、遮断手段１６を動作させ、電源１１を超電導コイル１２から切り離す。また、制御手段１８は、検出手段１５によりクエンチが検出されたとき、保護抵抗１７の制御信号１８ｂにより、保護抵抗１７の抵抗値を変化させる。
【００１８】
制御手段１８は、超電導コイル１２に作用する電圧が設定値以下となるように、保護抵抗１７の抵抗値を制御する。制御手段１８は、制御に必要なデータ、プログラム等を格納した記録装置、演算装置等を有してもよい。
【００１９】
電源１１を超電導コイル１２から切り離した後における回路の状態は、遮断手段１６を開いたときの過渡現象として解析することができる。遮断手段１６が閉じている定常運転時は、保護抵抗１７の抵抗値に比べて、超電導コイル１２の抵抗値は無視できるほど小さいので、電流は超電導コイル１２を含む経路を流れ、保護抵抗１７を含む経路には実質的に電流が流れていないと解することができる。
【００２０】
遮断手段１６を開くと、超電導コイル１２を含む回路は、保護抵抗１７が超電導コイル１２と直列に接続された閉ループになる。保護抵抗１７を超電導コイル１２と接続する配線部の抵抗値を無視した場合、閉ループに沿って向きを一方向にとれば、保護抵抗１７に作用する電圧と、超電導コイル１２に作用する電圧との合計は０になる。つまり、超電導コイル１２に作用する電圧は、保護抵抗１７に作用する電圧と正負の符号が反対となり、それぞれの電圧の絶対値は略同等となる。
【００２１】
遮断手段１６の遮断動作の直後では、閉ループに流れる電流が多い。このため、保護抵抗１７の抵抗値が大きいと、保護抵抗１７に作用する電圧が増大し、超電導コイル１２に作用する電圧も大きくなる。保護抵抗１７の抵抗値を小さくすることで、超電導コイル１２に作用する電圧を抑制することができる。また、超電導コイル１２に流れる電流が減衰した場合、保護抵抗１７の抵抗値を大きくすることで、超電導コイル１２に作用する電圧が過大になることなく、電流の減衰を促進することができる。
【００２２】
保護抵抗１７の抵抗値の変化は、時間的に連続的な変化でもよく、段階的な変化でもよい。例えば、制御手段１８は、クエンチが検出された後に、保護抵抗１７の抵抗値を徐々に増加させてもよい。クエンチ後の超電導コイル１２に作用する電圧の時間的変化は、超電導コイル１２の性能等に応じた設定値以下で推移すればよい。例えば、超電導コイル１２に作用する電圧が設定値以下の一定値としてもよい。
【００２３】
コイルの自己誘導によれば、電流Ｉの時間微分ｄＩ／ｄｔとインダクタンスＬとの積に応じて、超電導コイル１２に電圧が生じる。このことから、電流Ｉが時間ｔに対して略一定の割合で減少すると、超電導コイル１２に作用する電圧を略一定にすることができる。保護抵抗１７の電圧Ｖは、電流Ｉと抵抗値Ｒの積となる。電流Ｉを時間ｔの一次式で減少させるには、時間ｔの一次式に反比例するように、保護抵抗１７の抵抗値Ｒを増加させてもよい。
【００２４】
例えば、時間ｔに対し、保護抵抗１７の抵抗値Ｒを下記の式（１）に従って変化させてもよい。
【００２５】
【数１】
2018163930.tif 000003
【００２６】
なお、式（１）において、保護抵抗１７の抵抗値の初期値をＲ０、超電導コイル１２のインダクタンスをＬとする。電流Ｉが十分に減衰された段階で、保護抵抗１７の抵抗値Ｒの増加をやめてもよい。保護抵抗１７の抵抗値の最大値をＲｍａｘとするとき、次の式（２）に示すように、Ｒ＜Ｒｍａｘの間だけ、式（１）と同様に抵抗値Ｒを変化させてもよい。
【００２７】
【数２】
2018163930.tif 000004
【００２８】
保護抵抗１７の抵抗値を時間的に変化させる際、時間ｔの原点は、超電導コイル１２のクエンチを検出した時点でもよく、電源１１を超電導コイル１２から切り離した時点でもよい。遮断手段１６又は保護抵抗１７の動作や制御にタイムラグが生じる場合もあるが、超電導コイル１２の耐久性等に応じて、短時間で保護を実施することが好ましい。
【００２９】
以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【００３０】
超電導コイル装置は、超電導コイルの状態を表示する手段、クエンチの発生を警報や通信等により報告する手段などを備えてもよい。
【実施例】
【００３１】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、この実施例のみに限定されるものではない。
【００３２】
（実施例）
本実施例は、超電導コイルのインダクタンスＬが１０Ｈ（ヘンリー）であり、クエンチ時に超電導コイルに流れている電流値Ｉ０が１００Ａである場合に、超電導コイルに作用する電圧の最大値Ｖ０が１００Ｖ以下となる例を想定した。
【００３３】
超電導コイルの異常をコイル電圧で検知し、超電導コイルと電源を切り離した後、保護抵抗の抵抗値Ｒを、初期値Ｒ０が１Ω、最大値Ｒｍａｘが１００Ωとなる範囲で、式（１）のように変化させた。時間ｔに対する超電導コイルの電圧Ｖ、電流Ｉの変化を、保護抵抗の抵抗値Ｒの変化とともに、図２に示す。グラフでは、電圧Ｖの値を負とした。超電導コイルに作用する最大電圧は１００Ｖであり、電流は約１０秒で完全に減衰する。
【００３４】
（比較例）
本比較例では、保護抵抗の抵抗値Ｒを、実施例における抵抗値の初期値Ｒ０と同じく、１Ωで一定にした。抵抗値Ｒ以外の条件は実施例と同様にした。時間ｔに対する超電導コイルの電圧Ｖ、電流Ｉの変化を、保護抵抗の抵抗値Ｒとともに、図３に示す。超電導コイルに作用する最大電圧を１００Ｖとした場合、電流は時定数１０秒で減衰する。抵抗値ＲとインダクタンスＬからなるＲＬ回路の時定数τは、τ＝Ｌ／Ｒで表される。電流は指数関数的に減衰し、３０秒経過しても、完全には減衰していない。
【符号の説明】
【００３５】
１１…電源、１２…超電導コイル、１３…低温容器、１４…電圧入力部、１５…検出手段、１６…遮断手段、１７…保護抵抗、１８…制御手段、１８ａ…遮断手段の制御信号、１８ｂ…保護抵抗の制御信号。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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