(57)【要約】【課題】超電導コイルの耐電圧を超える電圧を発生させることなく、超電導コイルに蓄積されたエネルギーを速やかに放出させることが可能なクエンチ保護回路を備えた超電導マグネット装置を提供する。【解決手段】超電導マグネット装置１００は、超電導コイル１０と、超電導コイル１０に並列に接続されたクエンチ保護回路１２０と、クエンチ保護回路１２０を制御する制御部１１４とを備える。クエンチ保護回路１２０は、ダイオードＤ１と、ダイオードＤ１と直列に接続され、抵抗値を変更可能な抵抗部１２２とを含む。制御部１１４は、抵抗部１２２の抵抗値について、遮断器３０により励磁用電源２０が遮断された時点における抵抗値を初期値として、励磁用電源２０が遮断された時点よりも遅い時点において、抵抗値を初期値よりも高い抵抗値に変更するように構成される。【選択図】図２
2017033978.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励磁用電源と、
前記超電導コイルのクエンチが検出された場合に、前記励磁用電源を前記超電導コイルから電気的に遮断するように構成された遮断器と、
前記超電導コイルに並列に接続されたクエンチ保護回路と、
前記クエンチ保護回路を制御する制御部とを備え、
前記クエンチ保護回路は、
ダイオードと、
前記ダイオードと直列に接続され、抵抗値を変更可能な抵抗部とを含み、
前記制御部は、前記抵抗部の抵抗値について、前記遮断器により前記励磁用電源が遮断された時点における抵抗値を初期値として、前記励磁用電源が遮断された時点よりも遅い時点において、抵抗値を前記初期値よりも高い抵抗値に変更するように構成される、超電導マグネット装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記励磁用電源が遮断された時点よりも順に遅くなる第１から第ｍの時点（ｍは２以上の整数）の各々において、前記抵抗部の抵抗値を、直前の時点における抵抗値よりも高い抵抗値に変更するように構成され、
前記第１から前記第ｍの時点のうちの第ｉの時点（ｉはｍ以下の整数）について、前記第ｉの時点において前記超電導コイルに発生する誘導起電圧が、前記超電導コイルの耐電圧以下となるという条件を満たすように、第（ｉ−１）の時点と前記第ｉの時点との間の時間が設定され、
前記第ｉの時点において、前記抵抗部の抵抗値を、第１の抵抗値から前記第１の抵抗値よりも高い第２の抵抗値に変更する場合、前記第ｉの時点において前記超電導コイルに発生する誘導起電圧は、前記抵抗部の抵抗値を前記第１の抵抗値と仮定したときに前記第ｉの時点において前記超電導コイルを流れる電流値と、前記第２の抵抗値とを積算することにより算出される、請求項１に記載の超電導マグネット装置。
【請求項３】
前記抵抗部は、
直列接続されたｎ個（ｎはｍより大きい整数）の抵抗と、
前記ｎ個の抵抗のうちのｍ個の抵抗に対してそれぞれ並列接続され、前記制御部からの制御信号に応じて互いに独立してオンオフが切替えられるように構成されたｍ個のスイッチとを含み、
前記制御部は、前記励磁用電源が遮断された時点ではオン状態とされている前記ｍ個のスイッチを、前記第１の時点から前記第ｍの時点において１つずつオフ状態に切替える、請求項２に記載の超電導マグネット装置。
【請求項４】
前記ｍ個の抵抗は、抵抗値が互いに異なっており、
前記ｍ個の抵抗のうちの任意の前記抵抗に並列接続される前記スイッチがオフ状態に切替えられる時点は、当該抵抗よりも抵抗値が低い別の前記抵抗に並列接続される前記スイッチがオフ状態に切替えられる時点よりも遅い、請求項３に記載の超電導マグネット装置。
【請求項５】
前記抵抗部は、可動端子の位置に応じて抵抗値が変化するように構成された可変抵抗器を含み、
前記制御部は、前記第１の時点から前記第ｍの時点の各々において、前記可動端子の位置を移動させる、請求項２に記載の超電導マグネット装置。
【請求項６】
前記初期値は、前記励磁用電源が遮断された時点において前記超電導コイルに発生する誘導起電圧が、前記超電導コイルの耐電圧以下となるという条件を満たすように設定され、
前記励磁用電源が遮断された時点において前記超電導コイルに発生する誘導起電圧は、前記励磁用電源から供給される通電電流と、前記初期値とを積算することにより算出される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導マグネット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超電導マグネット装置に関し、特に、超電導コイルのクエンチ保護回路を備えた超電導マグネット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイルがクエンチした場合、できるだけ早く励磁用電源を遮断するとともに、超電導コイルに蓄積されているエネルギーを放出させる必要がある。そのため、超電導マグネット装置には、超電導コイルに並列に接続されたクエンチ保護回路が設けられている（たとえば非特許文献１を参照）。
【０００３】
上記非特許文献１において、クエンチ保護回路は、ダイオードと、ダイオードに直列に接続される保護抵抗とから構成されている。超電導コイルがクエンチした場合には、励磁用電源が遮断されると、超電導コイル、保護抵抗およびダイオードで形成される閉回路を電流が流れることにより、超電導コイルに蓄積されているエネルギーが放出される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Yukikazu Iwasa著、「Case Studies in Superconducting Magnets Design and Operational Issues Second Edition」、Springer
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記非特許文献１に記載されるクエンチ保護回路によれば、超電導コイル、ダイオードおよび保護抵抗で形成される閉回路を流れる電流は、超電導コイルのインダクタンスと保護抵抗の抵抗値とで決まる時定数に従って減衰する。
【０００６】
このとき、閉回路に流れる電流の時間的変化に伴い、超電導コイルには自己誘導による誘導起電圧が発生する。誘導起電圧の大きさは、超電導コイルのインダクタンスと電流の時間的変化とを積算した値に等しくなる。したがって、閉回路に流れる電流を速く減衰させようとすると、電流の時間的変化が大きくなるため、超電導コイルに発生する誘導起電圧も大きくなる。その結果、インダクタンスが高い超電導コイルを用いた超電導マグネット装置においては、超電導コイルの耐電圧を超える誘導起電圧が発生することによって、超電導コイルが損傷してしまう可能性がある。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、超電導コイルの耐電圧を超える電圧を発生させることなく、超電導コイルに蓄積されたエネルギーを速やかに放出させることが可能なクエンチ保護回路を備えた超電導マグネット装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る超電導マグネット装置は、超電導コイルと、超電導コイルに電流を供給する励磁用電源と、超電導コイルのクエンチが検出された場合に、励磁用電源を超電導コイルから電気的に遮断するように構成された遮断器と、超電導コイルに並列に接続されたクエンチ保護回路と、クエンチ保護回路を制御する制御部とを備える。クエンチ保護回路は、ダイオードと、ダイオードと直列に接続され、抵抗値を変更可能な抵抗部とを含む。制御部は、抵抗部の抵抗値について、遮断器により励磁用電源が遮断された時点における抵抗値を初期値として、励磁用電源が遮断された時点よりも遅い時点において、抵抗値を初期値よりも高い抵抗値に変更するように構成される。
【発明の効果】
【０００９】
上記によれば、クエンチ保護回路を備えた超電導マグネット装置において、超電導コイルの耐電圧を超える電圧を発生させることなく、超電導コイルに蓄積されたエネルギーを速やかに放出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係る超電導マグネット装置の概略構成図である。
【図２】図１に示したクエンチ保護回路の構成例を示す回路図である。
【図３】超電導コイルを流れる電流および保護抵抗部の全体抵抗値の時間的変化を示す図である。
【図４】超電導コイルに発生する電圧および保護抵抗部の全体抵抗値の時間的変化を示す図である。
【図５】比較例に係るクエンチ保護回路の概略構成図である。
【図６】超電導コイルに流れる電流の変化を、図２に示したクエンチ保護回路と比較例とを比較した結果を示す図である。
【図７】超電導コイルに発生する電圧の変化を、図２に示したクエンチ保護回路と比較例とを比較した結果を示す図である。
【図８】保護抵抗部の全体抵抗値の制御方法を説明するための回路図である。
【図９】図１に示したクエンチ保護回路の他の構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
【００１２】
（１）本発明の一態様に係る超電導マグネット装置１００（図１参照）は、超電導コイル１０と、超電導コイル１０に電流を供給する励磁用電源２０と、超電導コイル１０のクエンチが検出された場合に、励磁用電源２０を超電導コイル１０から電気的に遮断するように構成された遮断器３０と、超電導コイル１０に並列に接続されたクエンチ保護回路１２０と、クエンチ保護回路１２０を制御する制御部１１４とを備える。クエンチ保護回路１２０は、ダイオードＤ１と、ダイオードＤ１と直列に接続され、抵抗値を変更可能な抵抗部（保護抵抗部）１２２とを含む。制御部１１４は、抵抗部１２２の抵抗値について、遮断器３０により励磁用電源２０が遮断された時点における抵抗値を初期値として、励磁用電源２０が遮断された時点よりも遅い時点において、抵抗値を初期値よりも高い抵抗値に変更するように構成される。
【００１３】
このようにすれば、超電導コイル１０に発生する誘導起電圧が超電導コイル１０の耐電圧を超えない範囲で、抵抗部１２２の抵抗値を時間的に増加させることによって、ＬＲ回路からなる閉回路における時定数が時間とともに小さくなる。これにより、超電導コイル１０に耐電圧を超える電圧が発生することを抑制しつつ、超電導コイル１０を流れる電流を速く減衰させることが可能となる。
【００１４】
（２）上記（１）に係る超電導マグネット装置において好ましくは、制御部１１４は、励磁用電源２０が遮断された時点よりも順に遅くなる第１から第ｍの時点（ｍは２以上の整数）の各々において、抵抗部１２２の抵抗値を、直前の時点における抵抗値よりも高い抵抗値に変更するように構成される。第１から第ｍの時点のうちの第ｉの時点（ｉはｍ以下の整数）について、第ｉの時点において超電導コイル１０に発生する誘導起電圧が、超電導コイル１０の耐電圧以下となるという条件を満たすように、第（ｉ−１）の時点と第ｉの時点との間の時間が設定される。第ｉの時点において、抵抗部１２２の抵抗値を、第１の抵抗値から第１の抵抗値よりも高い第２の抵抗値に変更する場合、第ｉの時点において超電導コイル１０に発生する誘導起電圧は、抵抗部１２２の抵抗値を第１の抵抗値と仮定したときに第ｉの時点において超電導コイル１０を流れる電流値と、第２の抵抗値とを積算することにより算出される。
【００１５】
このようにすれば、抵抗部１２２の抵抗値をより高い抵抗値に変更する時点において、一時的に増加に転じる電圧が、超電導コイルの耐電圧を超えることを防ぐことができる。これにより、超電導コイル１０に耐電圧を超える電圧を発生させずに、閉回路における時定数をより小さい値に変更することができる。
【００１６】
（３）上記（２）に係る超電導マグネット装置（図８参照）において好ましくは、抵抗部１２２は、直列接続されたｎ個（ｎはｍより大きい整数）の抵抗Ｒ１〜Ｒｎと、ｎ個の抵抗のうちのｍ個の抵抗に対してそれぞれ並列接続され、制御部１１４からの制御信号に応じて互いに独立してオンオフが切替えられるように構成されたｍ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷｍとを含む。制御部１１４は、励磁用電源２０が遮断された時点ではオン状態とされているｍ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷｍを、第１の時点から第ｍの時点において１つずつオフ状態に切替える。
【００１７】
このようにすれば、ｍ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷｍをオフ状態に切替えるタイミングを制御することで、超電導コイル１０に発生する誘導起電圧が超電導コイル１０の耐電圧を超えない範囲で、抵抗部１２２の抵抗値を時間的に増加させることができる。
【００１８】
（４）上記（３）に係る超電導マグネット装置において好ましくは、ｍ個の抵抗は、抵抗値が互いに異なっている。ｍ個の抵抗のうちの任意の抵抗に並列接続されるスイッチＳＷがオフ状態に切替えられる時点は、当該抵抗よりも抵抗値が低い別の抵抗に並列接続されるスイッチＳＷがオフ状態に切替えられる時点よりも遅い。
【００１９】
このようにすれば、超電導コイル１０を流れる電流Ｉが減衰する過程において、電流Ｉの減衰が進んでいない段階では、スイッチＳＷのオフによる抵抗値の変化量（増加量）を相対的に低くすることで、超電導コイル１０に発生する電圧が耐電圧を超過させないための抵抗値の細かな調整が可能となる。また、電流Ｉの減衰が進んだ段階では、電流値が小さく抵抗値の細かな調整が不要となるため、スイッチＳＷのオフによる抵抗値の変化量を相対的に高くすることで、電流Ｉを速やかに減衰させることができる。
【００２０】
（５）上記（２）に係る超電導マグネット装置（図９参照）において好ましくは、抵抗部１２２は、可動端子Ｔの位置に応じて抵抗値が変化するように構成された可変抵抗器を含む。制御部１１４は、第１の時点から第ｍの時点の各々において、可動端子Ｔの位置を移動させる。
【００２１】
このようにすれば、可動端子Ｔの位置および位置を移動させるタイミングを制御することで、超電導コイル１０に発生する誘導起電圧が超電導コイル１０の耐電圧を超えない範囲で、抵抗部１２２の抵抗値を時間的に増加させることができる。
【００２２】
（６）上記（１）〜（５）に係る超電導マグネット装置において好ましくは、抵抗値の初期値は、励磁用電源２０が遮断された時点において超電導コイル１０に発生する誘導起電圧が、超電導コイル１０の耐電圧以下となるという条件を満たすように設定される。励磁用電源２０が遮断された時点において超電導コイル１０に発生する誘導起電圧は、励磁用電源２０から供給される通電電流Ｉｏと、抵抗値の初期値とを積算することにより算出される。
【００２３】
このようにすれば、励磁用電源２０が遮断された時点およびそれ以降において、超電導コイル１０に耐電圧を超える電圧が発生することを抑制することができる。
【００２４】
[本発明の実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００２５】
［超電導マグネット装置の構成］
図１は、実施の形態に係る超電導マグネット装置の概略構成図である。
【００２６】
図１を参照して、超電導マグネット装置１００は、超電導コイル１０と、励磁用電源２０と、遮断器３０と、クエンチ検出回路１１０と、クエンチ保護回路１２０とを備える。
【００２７】
超電導コイル１０は、超電導線材が巻き回されることによって形成される。たとえば、超電導線材は、帯状の形状を有する酸化物超電導線材である。酸化物超電導線材は、その延在方向に延びるＢｉ系超電導体と、この超電導体を被覆するシースとを有する。シースは、たとえば銀または銀合金により形成されている。
【００２８】
超電導コイル１０は、図示しない冷却装置によって冷却される。冷却装置は、超電導コイル１０に熱的に接続された冷却ヘッドを有しており、超電導コイル１０を構成する超電導体の臨界温度以下の極低温を冷却ヘッドに発生させる。これにより、超電導コイル１０が極低温に冷却される。なお、冷却装置を用いずに、断熱容器内に収容された液体ヘリウムまたは液体窒素などの冷媒に超電導コイル１０を浸漬させる構成としてもよい。
【００２９】
励磁用電源２０は、超電導コイル１０に電流Ｉｏを供給する。超電導コイル１０のクエンチが発生していない正常時、電流は超電導コイル１０を流れ、クエンチ保護回路１２０には電流は流れない。
【００３０】
クエンチ検出回路１１０は、超電導コイル１０のクエンチを検出する。クエンチ検出回路１１０は、クエンチ検出方法として最も基本的な方法である、電圧による検出方法を採用する。クエンチ検出回路１１０は、電圧による検出方法に代えて、アコースティック・エミッションの検出による方法、超音波を用いた音響的方法、光ファイバを用いた光学的方法、および冷媒圧力上昇を検出する方法などの周知のクエンチ検出方法を採用してもよい。
【００３１】
遮断器３０は、励磁用電源２０と超電導コイル１０との間に接続される。遮断器３０は、クエンチ検出回路１１０の制御部１１４から与えられる異常信号に応答して導通（オン）状態から非導通（オフ）状態に駆動される。これにより、超電導コイル１０への給電が遮断される。
【００３２】
クエンチ検出回路１１０は、端子ＭＴ，ＥＴＡ，ＥＴＢと、電圧差検出部ＤＵと、電圧計１１２と、制御部１１４とを含む。端子ＭＴは、超電導コイル１０の中点ＭＰに接続される。端子ＥＴＡ，ＥＴＢは、超電導コイル１０の両端ＥＰＡ，ＥＰＢにそれぞれ接続される。超電導コイル１０のコイル導体のうち、中点ＭＰから端点ＥＰＡまでを区間ＳＧＡ、中点ＭＰから端点ＥＰＢまでを区間ＳＧＢと称する。区間ＳＧＢは、中点ＭＰに関して区間ＳＧＡと対称である。
【００３３】
電圧差検出部ＤＵは、区間ＳＧＡの両端ＥＰＡ，ＭＰにかかる電圧（すなわち、端子ＥＴＡ，ＭＴ間の電圧）と、区間ＳＧＢの両端ＥＰＢ，ＭＰにかかる電圧（すなわち、端子ＥＴＢ，ＭＴ間の電圧）とを比較し、これらの電圧差を検出する。
【００３４】
具体的には、電圧差検出部ＤＵは、可動端子Ｔ１および固定端子Ｔ２，Ｔ３を有する可変抵抗器ＰＭ１（ポテンショメータとも称される）と、電圧計１１２とを含む。固定端子Ｔ２，Ｔ３は、端子ＥＴＡ，ＥＴＢにそれぞれ接続される。電圧計１１２は、可動端子Ｔ１と端子ＭＴとの間に接続される。可動端子Ｔ１の位置に応じて、端子Ｔ１，Ｔ３間の抵抗値と、端子Ｔ２，Ｔ３間の抵抗値とが変化する。
【００３５】
可変抵抗器ＰＭ１は、可動端子Ｔ１と固定端子Ｔ２との間に接続された抵抗ＲＣと、可動端子Ｔ１と固定端子Ｔ３との間に接続された抵抗ＲＤとが直列接続されたものに置き換えることができる。可動端子Ｔ１の位置が変化することによって、抵抗ＲＣ，ＲＤの一方の抵抗値が増加し、他方の抵抗値が減少する。より一般的には、抵抗ＲＣ，ＲＤの少なくとも一方の抵抗値が調整可能であればよい。
【００３６】
クエンチが発生していない正常時において、電圧計１１２で検出される電圧が０になるように可動端子Ｔ１の位置が調整される。このようにすると、区間ＳＧＡ，ＳＧＢのいずれか一方において、超電導線材が常伝導状態に転移してクエンチが発生した場合には、電圧計１１２によって閾値を超える電圧が検出される。以下の説明において、ブリッジ間に発生する電圧（すなわち、電圧計１１２の検出値）を「バランス電圧Ｖｂ」とも称する。
【００３７】
制御部１１４は、電圧計１１２の検出電圧（バランス電圧）Ｖｂが閾値を超えたときに異常と判定し、遮断器３０に異常信号を出力する。異常信号を受けて遮断器３０がオフ状態に駆動されることにより、励磁用電源２０から超電導コイル１０への給電が遮断される。励磁用電源２０からの給電が遮断された後、クエンチ保護回路１２０は、超電導コイル１０に蓄積されたエネルギーを速やかに放出させる。これにより、クエンチによる超電導コイル１０の損傷を回避する。
【００３８】
クエンチ保護回路１２０は、超電導コイル１０に対して並列に接続される。クエンチ保護回路１２０は、ダイオードＤ１と、保護抵抗部１２２を含む。
【００３９】
保護抵抗部１２２は、ダイオードＤ１と直列に接続される。保護抵抗部１２２は、制御部１１４からの制御信号に応じて抵抗値を変更可能に構成される。すなわち、ダイオードＤ１と、可変抵抗である保護抵抗部１２２とを含む直列回路によってクエンチ保護回路１２０が構成されている。
【００４０】
このような構成とすることにより、超電導コイル１０にクエンチが発生した場合には、クエンチ検出回路１１０がクエンチを検出することで励磁用電源２０からの給電が遮断されると、超電導コイル１０、可変抵抗およびダイオードＤ１からなる閉回路を電流が流れる。これにより、超電導コイル１０に蓄積されているエネルギーが放出される。
【００４１】
ここで、超電導コイル１０、保護抵抗部１２２およびダイオードＤ１からなる閉回路においては、ＬＲ回路が形成されている。そのため、閉回路を流れる電流は、ＬＲ回路の過渡現象に従い、超電導コイル１０のインダクタンスおよび保護抵抗部１２２の抵抗値で決まる時定数に基づいて減衰する。なお、超電導コイル１０のインダクタンスをＬとし、保護抵抗部１２２の抵抗値をＲとすると、閉回路の時定数はＬ／Ｒで与えられる。
【００４２】
クエンチ保護回路においては、超電導コイルのクエンチ保護の観点から、閉回路を流れる電流の減衰が速いことが求められる。これには、保護抵抗部１２２の抵抗値Ｒを大きくすることで、閉回路の時定数Ｌ／Ｒを小さくすることが有効である。
【００４３】
その一方で、閉回路を流れる電流が減衰することに伴い、超電導コイル１０には自己誘導による誘導起電圧が発生する。閉回路を流れる電流Ｉの時間的変化をｄＩ／ｄｔとすると、超電導コイル１０に発生する誘導起電圧はＬ×ｄＩ／ｄｔで表され、保護抵抗部１２２の端子電圧Ｒ×Ｉに等しくなる。したがって、保護抵抗部１２２の抵抗値Ｒを大きくすると、誘導起電圧が増大する。このため、高いインダクタンスを有する超電導コイル１０では、電流の減衰が速くなることで、超電導コイル１０の耐電圧を超える誘導起電圧が発生する可能性がある。
【００４４】
このように、クエンチ保護回路において、閉回路を流れる電流の減衰の高速化と、超電導コイルに生じる電圧の低減とは、トレードオフの関係にある。本発明者らは、図１に示すクエンチ保護回路１２０において、保護抵抗部１２２を抵抗値を変更可能に構成することにより、保護抵抗部１２２の抵抗値を時間的に変化させることで、トレードオフを改善できることを見出した。
【００４５】
以下では、本実施の形態に係るクエンチ保護回路１２０における、保護抵抗部１２２の抵抗値の制御、およびそれによる作用効果について説明する。
【００４６】
［クエンチ保護回路の構成例］
図２は、図１に示したクエンチ保護回路１２０の構成例を示す回路図である。
【００４７】
図２を参照して、保護抵抗部１２２は、直列接続された３個の抵抗Ｒ１〜Ｒ３と、３個の抵抗Ｒ１〜Ｒ３のうちの２個の抵抗Ｒ２，Ｒ３に対してそれぞれ並列に接続された２個のスイッチＳＷ１，ＳＷ２とを含む。
【００４８】
２個のスイッチＳＷ１，ＳＷ２は、制御部１１４からの制御信号に応じて互いに独立してオン（導通）／オフ（非導通）が切替えられるように構成されている。抵抗Ｒ２に並列接続されるスイッチＳＷ１は、制御部１１４からの制御信号に応じてオンすることにより、抵抗Ｒ２を迂回するバイパス路を形成する。抵抗Ｒ３に並列接続されるスイッチＳＷ２は、制御部１１４からの制御信号に応じてオンすることにより、抵抗Ｒ３を迂回するバイパス路を形成する。
【００４９】
したがって、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を互いに独立してオンすることにより、保護抵抗部１２２全体としては、複数通りの抵抗値を実現することができる。具体的には、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２，Ｒ３とし、かつ、保護抵抗部１２２全体での抵抗値（以下、「全体抵抗値」とも称する）をＲｔｏｔすると、全体抵抗値Ｒｔｏｔは、（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）を最大値として、（Ｒ１＋Ｒ２），（Ｒ１＋Ｒ３），Ｒ１の合計４通りの値を採ることができる。
【００５０】
クエンチが発生していない正常時において、スイッチＳＷ１，ＳＷ２はいずれもオン状態とされている。よって、全体抵抗値Ｒｔｏｔは抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１に等しくなっている（Ｒｔ＝Ｒ１）。すなわち、抵抗値Ｒ１は全体抵抗値Ｒｔｏｔの初期値に相当する。
【００５１】
クエンチが検出されることで励磁用電源２０からの給電が遮断された後、制御部１１４は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を順にオフ状態とする。たとえば、制御部１１４は、最初にスイッチＳＷ１をオフ状態とし、続いてスイッチＳＷ２をオフ状態とする。これにより、保護抵抗部１２２の全体抵抗値Ｒｔｏｔは、Ｒ１（初期値）→（Ｒ１＋Ｒ２）→（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）の順に変化する。このように保護抵抗部１２２の全体抵抗値Ｒｔｏｔが時間的に変化することにより、図３に示されるように、超電導コイル１０、保護抵抗部１２２およびダイオードＤ１で形成される閉回路における時定数Ｌ／Ｒｔｏｔも時間的に変化する。
【００５２】
図３は、超電導コイル１０を流れる電流Ｉ、および保護抵抗部１２２の全体抵抗値Ｒｔｏｔの時間的変化を示す図である。
【００５３】
図３を参照して、遮断器３０がオフ状態に駆動された時刻をｔ＝０とすると、ｔ＝０において超電導コイル１０を流れる電流Ｉは、正常時に励磁用電源２０から供給されていた通電電流Ｉｏとなる。
【００５４】
電流Ｉは、通電電流Ｉｏを初期値として時間とともに減衰する曲線になる。図３において、曲線ｋ１は、保護抵抗部１２２の全体抵抗値ＲｔｏｔがＲ１のとき（Ｒｔｏｔ＝Ｒ１）の電流Ｉの変化を示す。曲線ｋ２は全体抵抗値Ｒｔｏｔ＝Ｒ１＋Ｒ２のときの電流Ｉの変化を示し、曲線ｋ３は全体抵抗値Ｒｔｏｔ＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３のときの電流Ｉの変化を示す。
【００５５】
なお、曲線ｋ１〜ｋ３の各々において、曲線の原点（ｔ＝０）における電流Ｉの勾配、すなわち、曲線の原点から引いた接線と電流Ｉ＝０の直線との交点は、対応する閉回路の時定数（Ｌ／Ｒｔｏｔ）を表している。
【００５６】
保護抵抗部１２２の全体抵抗値Ｒｔｏｔは、時刻ｔ＝０においてＲｔｏｔ＝Ｒ１（初期値）である。したがって、電流Ｉは、図中に実線で示されるように、時刻ｔ＝０以降、曲線ｋ１に沿って減衰する。
【００５７】
時刻ｔ＝０よりも遅い時刻ｔ１にてスイッチＳＷ１がオフ状態とされると、全体抵抗値ＲｔｏｔはＲ１から（Ｒ１＋Ｒ２）に変化（増加）する。これにより、電流Ｉは、図中に実線で示されるように、時刻ｔ１以降、曲線ｋ１に代えて、曲線ｋ２に沿って減衰することになる。
【００５８】
続いて、時刻ｔ１よりも遅い時刻ｔ２においてスイッチＳＷ２がオフ状態とされると、全体抵抗値Ｒｔｏｔは（Ｒ１＋Ｒ２）から（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）に変化（増加）する。よって、電流Ｉは、図中に実線で示されるように、時刻ｔ２以降、曲線ｋ２に代えて、曲線ｋ３に沿って減衰する。
【００５９】
たとえば保護抵抗部１２２の全体抵抗値Ｒｔｏｔを初期値Ｒ１に固定すると仮定した場合、閉回路の時定数はＬ／Ｒ１に固定される。そのため、時刻ｔ＝０以降、電流Ｉは曲線ｋ１に沿って減衰することになる。これに対して、本実施の形態では、保護抵抗部１２２の全体抵抗値Ｒｔｏｔを初期値Ｒ１から時間的に増加させるため、閉回路の時定数はＬ／Ｒ１を初期値として、時間とともに減少する。これにより、電流Ｉをより速く減衰させることができる。
【００６０】
図４は、超電導コイル１０に発生する電圧Ｖ、および保護抵抗部１２２の全体抵抗値Ｒｔｏｔの時間的変化を示す図である。
【００６１】
図４を参照して、図３と同様に、遮断器３０がオフ状態に駆動された時刻をｔ＝０とすると、ｔ＝０において超電導コイル１０に発生する電圧Ｖは、通電電流Ｉｏおよび全体抵抗値Ｒｔｏｔの初期値Ｒ１の積となる（Ｖ＝Ｒ１×Ｉｏ）。超電導コイル１０の耐電圧をＶｗとすると、Ｒ１×Ｉｏ≦Ｖｗという条件を満たすように、通電電流Ｉｏに基づいて抵抗値Ｒ１が設定される。
【００６２】
電圧Ｖは、Ｒ１×Ｉｏを初期値として時間とともに減衰する曲線になる。図４において、曲線ｋ１１は全体抵抗値Ｒｔｏｔ＝Ｒ１のときの電圧Ｖの変化を示す。曲線ｋ１１は、図３の曲線ｋ１に全体抵抗値Ｒｔｏｔ＝Ｒ１を乗じることにより算出される。曲線ｋ１２は全体抵抗値Ｒｔｏｔ＝Ｒ１＋Ｒ２のときの電圧Ｖの変化を示す。曲線ｋ１２は、図３の曲線ｋ２に全体抵抗値Ｒｔｏｔ＝Ｒ１＋Ｒ２を乗じることにより算出される。曲線ｋ１３は全体抵抗値Ｒｔｏｔ＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３のときの電圧Ｖの変化を示す。曲線ｋ１３は、図３の曲線ｋ３に全体抵抗値Ｒｔｏｔ＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３を乗じることにより算出される。
【００６３】
図４に示されるように、電圧Ｖは、図中に実線で示されるように、時刻ｔ＝０以降、曲線ｋ１１に沿って減衰する。そして、時刻ｔ１にてスイッチＳＷ１がオフ状態とされると、時刻ｔ１以降、曲線ｋ１１に代えて、曲線ｋ１２に沿って減衰する。さらに時刻ｔ２においてスイッチＳＷ２がオフ状態とされると、電圧Ｖは、時刻ｔ２以降、曲線ｋ１２に代えて、曲線ｋ１３に沿って減衰する。
【００６４】
ここで、時刻ｔ１では、スイッチＳＷ１をオフして全体抵抗値Ｒｔｏｔを増加させたことで、電圧Ｖが減少から増加に転じる。時刻ｔ２でも同様に、スイッチＳＷ２をオフして全体抵抗値Ｒｔｏｔを増加させたことで、電圧Ｖが減少から増加に転じる。すなわち、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオフ状態とするタイミングにおいて電圧Ｖが一時的に増加する。
【００６５】
そこで、図４に示されるように、増加した電圧Ｖが超電導コイル１０の耐電圧Ｖｗを超えないことを条件として、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオフ状態とするタイミングをそれぞれ設定する。これにより、図３の実線に沿って電流Ｉが減衰する過程において、超電導コイル１０の耐電圧Ｖｗを超える誘導起電圧が発生することを防止することができる。
【００６６】
図６には、超電導コイル１０に流れる電流Ｉの変化を、図２に示すクエンチ保護回路１２０と、図５に示す比較例とを比較した結果を示す。図７には、超電導コイル１０に発生する電圧Ｖの変化を、クエンチ保護回路１２０と比較例とを比較した結果を示す。
【００６７】
電流Ｉおよび電圧Ｖの変化は、図２に示したクエンチ保護回路１２０を用いたシミュレーションを行なうことにより算出した。シミュレーションでは、超電導コイル１０のインダクタンスＬをＬ＝１００Ｈとし、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の抵抗値をＲ１＝２５Ω、Ｒ２＝５Ω、Ｒ３＝５Ωとし、かつ、通電電流Ｉｏ＝２００Ａとした。スイッチＳＷ１をオフ状態とする時刻ｔ１＝０．６秒とし、スイッチＳＷ２をオフ状態とする時刻ｔ２＝１秒とした。
【００６８】
なお、抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１については、超電導コイル１０の耐電圧Ｖｗを５ｋＶと仮定して、Ｒ１×Ｉｏ≦Ｖｗという条件を満たすように、通電電流Ｉｏに基づいて設定した。
【００６９】
比較例におけるクエンチ保護回路１２０ｒは、図２のクエンチ保護回路１２０とは、保護抵抗部１２２に代えて、抵抗値が固定された保護抵抗ＲＰを備える点が異なっている。保護抵抗ＲＰの抵抗値は、抵抗Ｒ１の抵抗値と同じ値（２５Ω）とした。よって、比較例では、閉回路の時定数が時間によらず一定である。
【００７０】
図６において、実線はクエンチ保護回路１２０における電流Ｉの変化を示し、破線は比較例における電流Ｉの変化を示す。図６によれば、クエンチ保護回路１２０では、抵抗値が固定された保護抵抗ＲＰを有する比較例と比較して、電流の減衰が速くなっていることが分かる。
【００７１】
図７において、実線はクエンチ保護回路１２０における電圧Ｖの変化を示し、破線は比較例における電圧Ｖの変化を示す。図７に示されるように、電流Ｉが減衰する過程において超電導コイル１０に発生する電圧は、クエンチ保護回路１２０では、比較例よりも高くなる期間があるものの、超電導コイル１０の耐電圧Ｖｗである５ｋＶ以下に抑えられている。
【００７２】
以上のように、本実施の形態に係るクエンチ保護回路１２０によれば、超電導コイル１０に発生する誘導起電圧が超電導コイル１０の耐電圧Ｖｗを超えない範囲で、保護抵抗部１２２の全体抵抗値Ｒｔｏｔを時間的に増加させることにより、閉回路の時定数を時間とともに減少させる。この結果、超電導コイル１０に耐電圧Ｖｗを超える電圧が発生することを抑制しつつ、超電導コイル１０を流れる電流を速く減衰させることが可能となる。
【００７３】
［保護抵抗部１２２の全体抵抗値Ｒｔｏｔの制御］
次に、図８に示されるクエンチ保護回路１２０を用いて、保護抵抗部１２２の全体抵抗値Ｒｔｏｔの制御方法について説明する。
【００７４】
図８に示されるクエンチ保護回路１２０において、保護抵抗部１２２は、直列接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の抵抗Ｒ１〜Ｒｎと、ｎ個の抵抗Ｒ１〜Ｒｎのうちのｍ個（ｍはｎ未満の整数）の抵抗Ｒ２〜Ｒｎに対してそれぞれ並列に接続されたｍ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎ−１とを含む。以下の説明では、ｍ＝（ｎ−１）とする場合の制御方法について例示するが、これに限定されず、ｍを（ｎ−２）以下としてもよい。
【００７５】
（ｎ−１）個のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎ−１は、制御部１１４（図１）からの制御信号に応じて互いに独立してオン／オフが切替えられるように構成されている。以下、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎを「スイッチＳＷ」とも総称する。
【００７６】
クエンチが発生していない正常時において、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎ−１はいずれもオン状態とされている。よって、全体抵抗値Ｒｔｏｔは抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１に等しくなっている（Ｒｔｏｔ＝Ｒ１）。
【００７７】
時刻ｔ＝０においてクエンチが検出されることで励磁用電源２０からの給電が遮断されると、制御部１１４は、ｔ＝０よりも順に遅くなる時刻ｔ１〜時刻ｔｎ−１の各々において、全体抵抗値Ｒｔｏｔを直前の時点の抵抗値よりも高い抵抗値に変更する。
【００７８】
具体的には、制御部１１４は、時刻ｔ１〜時刻ｔｎ−１において、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎ−１を１つずつオフ状態に切替える。たとえば、制御部１１４は、スイッチの番号が若い順にオフ状態に切替える。これにより、全体抵抗値Ｒｔｏｔは、Ｒ１→（Ｒ１＋Ｒ２）→・・・→（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３・・・＋Ｒｎ）の順に変化（増加）する。
【００７９】
ここで、時刻ｔ１〜時刻ｔｎ−１のうちの時刻ｔｉ（１≦ｉ≦ｎ−１）において、スイッチＳＷｉをオフ状態とする場合を想定する。時刻ｔｉにおける全体抵抗値ＲｔｏｔをＲ（ｔｉ）とすると、Ｒ（ｔｉ）は式（１）で表わされる。
【００８０】
【数１】
2017033978.tif 000003
【００８１】
一方、時刻ｔｉの直前の時刻ｔｉ−１から時刻ｔｉまでの時間における全体抵抗値をＲ（ｔｉ−１）とすると、Ｒ（ｔｉ−１）は式（２）で表わされる。
【００８２】
【数２】
2017033978.tif 000004
【００８３】
超電導コイル１０および保護抵抗部１２２で形成される閉回路を流れる電流Ｉの時間ｔに対する変化は、Ｒｔｏｔ×Ｉ＝−ＬｄＩ／ｄｔで表わされる微分方程式を解くことで求めることができる。電流Ｉはｔ＝０でＩ＝Ｉｏとなることから、電流Ｉは式（３）のようになる。
【００８４】
【数３】
2017033978.tif 000005
【００８５】
上記式（２）および（３）によれば、時刻ｔｉ−１から時刻ｔｉまでの時間において、閉回路には式（４）で与えられる電流Ｉが流れていることになる。
【００８６】
【数４】
2017033978.tif 000006
【００８７】
すなわち、電流Ｉは、時刻ｔｉ−１から時刻ｔｉまでの時間において、全体抵抗値Ｒ（ｔｉ−１）およびインダクタンスＬで決まる時定数に基づいて減衰している。そのため、時刻ｔｉでスイッチＳＷｉをオフ状態とする直前において、閉回路には式（５）で与えられる電流Ｉ（ｔｉ）が流れていることになる。
【００８８】
【数５】
2017033978.tif 000007
【００８９】
したがって、時刻ｔｉでスイッチＳＷｉをオフ状態とした際に超電導コイル１０に発生する電圧をＶ（ｔｉ）とすると、電圧Ｖ（ｔｉ）は、時刻ｔｉにおける全体抵抗値Ｒ（ｔｉ）と電流Ｉ（ｔｉ）とを積算することにより算出される。すなわち、電圧Ｖ（ｔｉ）は、上記式（１）および（５）により、式（６）のようになる。
【００９０】
【数６】
2017033978.tif 000008
【００９１】
ここで、時刻ｔｉにおいて超電導コイル１０に発生する電圧Ｖ（ｔｉ）が超電導コイル１０の耐電圧Ｖｗを超えないためには、時刻ｔｉ−１と時刻ｔｉとの間の時間を調整することが求められる。これには、式（７）で与えられる条件を満たすように、時刻ｔｉを設定すればよい。
【００９２】
【数７】
2017033978.tif 000009
【００９３】
なお、図８に示す保護抵抗部１２２において、全体抵抗値Ｒｔｏｔの初期値は、抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１となる。上記のように、抵抗値Ｒ１は、励磁用電源２０から供給される通電電流Ｉｏと初期値Ｒ１との積Ｒ１×Ｉｏが超電導コイル１０の耐電圧Ｖｗ以下という条件を満たすように設定される。
【００９４】
これに対して、抵抗Ｒ１に対して直列に接続される、（ｎ−１）個の抵抗Ｒ２〜Ｒｎについては、抵抗値が互いに等しくてもよいし、抵抗値が互いに異なっていてもよい。
【００９５】
ただし、抵抗Ｒ２〜Ｒｎの抵抗値が互いに異なる場合には、抵抗Ｒ２〜Ｒｎのうちの任意の抵抗に並列接続されるスイッチＳＷをオフ状態に切替えるタイミングを、当該抵抗よりも抵抗値が低い別の抵抗に並列接続されるスイッチＳＷをオフ状態に切替えるタイミングよりも遅くすることが好ましい。
【００９６】
このようにすれば、超電導コイル１０を流れる電流Ｉが減衰する過程において、電流Ｉの減衰が進んでいない段階では、スイッチＳＷのオフによる全体抵抗値Ｒｔｏｔの変化量（増加量）を相対的に小さくすることで、超電導コイル１０に発生する電圧Ｖが耐電圧Ｖｗを超過させないための全体抵抗値Ｒｔｏｔの細かな調整が可能となる。また、電流Ｉの減衰が進んだ段階では、電流値が小さく全体抵抗値Ｒｔｏｔの細かな調整が不要となるため、スイッチＳＷのオフによる全体抵抗値Ｒｔｏｔの変化量を相対的に大きくすることで、電流Ｉを速やかに減衰させることが可能となる。
【００９７】
［クエンチ保護回路の他の構成例］
図８では、保護抵抗部１２２を、（ｎ−１）個のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎ−１を１つずつオフ状態に切替えることで、全体抵抗値Ｒｔｏｔを時間的に変化させる構成としているが、全体抵抗値Ｒｔｏｔを変更可能であれば、保護抵抗部１２２の構成は必ずしも図８の構成に限定されるものではない。
【００９８】
図９は、図１に示したクエンチ保護回路１２０の他の構成例を示す回路図である。図９を参照して、保護抵抗部１２２は、可動端子Ｔの位置に応じて全体抵抗値Ｒｔｏｔが変化するように構成された可変抵抗器ＰＭ２を含む。制御部１１４が、可動端子Ｔの位置を時間的に変化させることにより、全体抵抗値Ｒｔｏｔは時間的に変化する。
【００９９】
図８に示した保護抵抗部１２２では、全体抵抗値Ｒｔｏｔの細かな制御を行なうためには、直列接続される抵抗の個数を増やすとともに、抵抗に並列接続されるスイッチの個数を増やす必要がある。これに対して、図９に示すような可変抵抗器を用いた構成では、可動端子の位置を変化させることで全体抵抗値Ｒｔｏｔの細かな制御を行なうことができる。したがって、保護抵抗部１２２の回路構成を複雑化することなく、全体抵抗値Ｒｔｏｔを細かに変更することができる。
【０１００】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０１】
１０  超電導コイル
２０  励磁用電源
３０  遮断器
１１０  クエンチ検出回路
１１２  電圧計
１２０  クエンチ保護回路
１２２  保護抵抗部
Ｄ１  ダイオード
Ｒ１〜Ｒｎ  抵抗
ＲＰ  保護抵抗
ＰＭ１，ＰＭ２  可変抵抗器
ＳＷ１〜ＳＷｎ  スイッチ
【図１】
2017033978.tif 000010
【図２】
2017033978.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図５】
2017033978.tif 000014
【図６】
2017033978.tif 000015
【図７】
2017033978.tif 000016
【図８】
2017033978.tif 000017
【図９】
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