(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導体における温度異常の発生を検出する温度異常検出方法であって、
（Ａ）  一端を密封し、他端に圧力計を備え、加熱下で所定の作動流体を過熱液体とできるよう内径が設定された細管内に、前記圧力計側に気液界面が存在するよう該作動流体を封入するステップと、
（Ｂ）  前記細管を検出対象となる超電導体に接触した状態で保持するステップと、
（Ｃ）  前記圧力計で検出される圧力のステップ状の変化に基づいて前記超電導体の温度異常を検出するステップとを備える温度異常検出方法。
【請求項２】
請求項１記載の温度異常検出方法であって、
前記細管の内径は、１ミリメートル以下である温度異常検出方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の温度異常検出方法であって、
前記圧力計は、前記超電導体に対する冷却を要しない常温空間に設置されている温度異常検出方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか記載の温度異常検出方法であって、
前記工程（Ａ）は、前記細管内に前記作動流体を、その飽和蒸気圧を上回る圧力で導入する温度異常検出方法。
【請求項５】
超電導体における温度異常の発生を検出する温度異常検出装置であって、
前記温度異常を検出するための所定の作動流体と、
前記超電導体に接触して配置されるための一端を密封した細管と、
前記細管の他端に設置された圧力計とを備え、
前記作動流体は、前記細管内に封入されており、
前記細管の内径は、加熱下で前記作動流体を過熱液体とできるよう設定されている温度異常検出装置。
【請求項６】
請求項５記載の温度異常検出装置であって、
前記細管は、前記密封された一端と圧力計との間に前記作動流体を導入するための分岐管を有しており、
該分岐管には、開閉するためのバルブと、
封入する前記作動流体の圧力を調整するための圧力調整器とを備える温度異常検出装置。
【請求項７】
請求項５または６記載の温度異常検出装置であって、
さらに、前記圧力計の圧力がステップ状に変化したときに前記超電導体への通電を停止する制御装置を備える温度異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導体に生じた温度異常を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体は、一定の臨界温度を超えると超電導性を失う性質を有している。超電導体に通電する際に、何らかの原因で局所的に臨界温度を超え常伝導状態が生じることがある。かかる現象をクエンチという。クエンチが生じると、超電導体の抵抗が局所的に増大するため、局所的な加熱を生じることがあり、熱応力による破損や焼損に至ることもある。かかる状態を回避するため、超電導体の利用においては、クエンチを早期に検出することが重要な課題の一つとなっている。
クエンチを検出するための技術として、超電導体の抵抗を電圧として検出する方法も知られているが、局所的な温度異常では検出すべき電圧が小さいことや、電磁的なノイズの影響を受けやすいことなどが課題となっていた。別の技術として、特許文献１は、超電導コイルに対して、超流動ヘリウムなどの作動流体を密封した密封管を沿わせて配置し、クエンチ発生時の熱によって作動流体に生じる蒸気圧の変化を検出する方法を開示している。他にも、電流・電圧等の計測によってクエンチを検出する方法などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−０９６８３３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、特許文献１においては、蒸気圧の変化によってクエンチの発生が検出可能とされているものの、現実には、蒸気圧の変化は精度良く安定して検出することができず、クエンチの発生も検出できるとは限らなかった。特に、長距離離れた地点で、クエンチを検出しようとしても、蒸気圧の変化を捉えることは非常に困難であることが確認された。
また、蒸気圧の変化は、作動流体全体の温度上昇に依存して生じるものであるから、局所的な変化に対して検出までに時間遅れが生じるという課題もあった。さらに、特許文献１の方法では、管の両端に設置された２つの圧力計を用いるとされているが、現実には、双方の圧力計で検出される作動流体の圧力が交互に揺れ動く現象が生じ、かえって安定した検出を阻害することがあった。従って、超電導体のクエンチを安定して精度良く検出できる方法は見つかっていなかった。かかる課題は、必ずしもクエンチの発生に限らず、超電導体の温度異常の検出一般に共通の課題であった。
本発明は、かかる課題に鑑み、超電導体における温度異常を精度良く検出する技術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】
【０００５】
本発明は、
超電導体における温度異常の発生を検出する温度異常検出方法であって、
（Ａ）  一端を密封し、他端に圧力計を備え、加熱下で所定の作動流体を過熱液体とできるよう内径が設定された細管内に、前記圧力計側に気液界面が存在するよう該作動流体を封入するステップと、
（Ｂ）  前記細管を検出対象となる超電導体に接触した状態で保持するステップと、
（Ｃ）  前記圧力計で検出される圧力のステップ状の変化に基づいて前記超電導体の温度異常を検出するステップとを備える温度異常検出方法と構成することができる。
【０００６】
超電導体にクエンチが発生するなど種々の要因で温度異常が生じると、熱伝達によって細管に封入された作動流体が加熱される。一般に作動流体は十分に細い管内で静止した状態で加熱されると、沸点以上に加熱された液体、即ち過熱液体となる。そして、過熱液体が、さらに加熱されると、ある時点で爆発的な沸騰、いわゆる突沸に至り蒸気となるのである。この蒸気が発生すると、作動流体は一気に体積が膨張するため、細管内の気液界面を移動させ、気相部分を圧縮する。この体積膨張は、爆発的に生じるため、気相の圧縮に伴う圧力上昇は、ステップ関数的に急激に上昇する。従って、この圧力変化を検出することにより、超電導体の温度異常を検出することができる。
【０００７】
特に、特許文献１が蒸気圧を検出しているのに対して、本発明では、突沸によって気相に生じる圧力変化を検出している点で大きく相違する。突沸という爆発的な現象による顕著な圧力変化を検出するため、比較的容易に、かつ精度良く検出することが可能となる。しかも、局所的な温度異常であっても顕著な圧力変化が生じるため、精度良く検出できる利点がある。
【０００８】
また、本発明では、一端を密封している点も、検出に大きく作用している。即ち、一端を密封しているからこそ、突沸による体積変化が、細管の両端に分散することなく、圧力計のある気相側にのみ顕著に表れるのである。
【０００９】
これらの作用により、本発明では、上述した温度異常の検出を達成することができる。圧力は細管内の液体の中を音速で伝わるため、本発明は、遠方の温度異常も瞬時に検出できる利点がある。例えば、数キロメートルの長さのある超電導送電ケーブルに発生した温度異常の検出も可能となる。
また、細管と圧力計という非常に簡易な構成で実現できる利点もある。
【００１０】
本発明は、この他、超電導コイル、これらを活用した超電導磁石、超電導モータに適用してもよい。超電導コイルでは、超電導体が巻回されており、その内部で温度異常が生じた場合などは非常に検出が困難となるが、本発明によれば、細管を沿わせることが可能な部位であれば、コイル内部であっても支障なく温度異常を検出することが可能となる。
さらに、本発明では、圧力を検出するため、超電導体の抵抗による電圧を検出する場合のように電磁的なノイズの影響を受けるおそれがないという利点もある。
【００１１】
本発明において、作動流体は、超電導体が使用される温度では液体、超電導体の加熱によって過熱限界まで達する種々の液体を利用することができる。作動流体の例を挙げれば、液体水素（過熱限界温度２８Ｋ）、液体ネオン（過熱限界温度３８Ｋ）、液体窒素（過熱限界温度１１０Ｋ）、液体アルゴン（過熱限界温度１３０Ｋ）、液体酸素（過熱限界温度１３４Ｋ）、液体メタン（過熱限界温度１７０Ｋ）、液体クリプトン（過熱限界温度１８７Ｋ）、液体キセノン（過熱限界温度２５７Ｋ）などが挙げられる。このように液体の種類によって、過熱限界温度は決まっているから、検出すべき温度範囲と同等の過熱限界温度となるものを選択すればよい。
例えば、作動流体として液体窒素を利用する場合を考える。液体窒素の過熱限界温度は１１０Ｋ（摂氏マイナス１６３℃）であり、沸点の７７Ｋ付近で使われる高温超電導機器に利用すれば、約３０℃（＝１１０−７７）の温度異常を検出することが可能となる。
【００１２】
本発明において、細管は、種々の素材で形成することができる。超電導体からの熱伝達を考慮すると、金属製とすることが好ましい。
【００１３】
本発明において、
前記細管の内径は、１ミリメートル以下であるものとしてもよい。
【００１４】
細管の内径は、作動流体を過熱状態にすることができる範囲で任意に設定可能であり、作動流体に応じて決めればよい。もっとも、内径を１ミリメートル以下にすると、再現性良く、過熱状態、突沸現象が確認できた。この点で、上記内径とすることが好ましい。
【００１５】
本発明において、
前記圧力計は、前記超電導体に対する冷却を要しない常温空間に設置されているものとしてもよい。
【００１６】
こうすることにより、極低温で作動する圧力計を用いる必要がなく、また圧力計測も容易になるという利点がある。本発明では、細管内に、作動流体が全て液体で封入されているのではなく、気液界面を生じているため、かかる配置が可能となるものである。
【００１７】
本発明において、
前記工程（Ａ）は、前記細管内に前記作動流体を、その飽和蒸気圧を上回る圧力で導入するものとしてもよい。
【００１８】
超電導体は、低温状態で利用されるため、導入した作動気体は、この低温領域に到達すると液化する。この結果、低温領域と常温領域の間に気液界面ができることになる。そして、圧力調整器によって飽和蒸気圧より上回る圧力で作動流体を導入すると、液化した作動流体は過冷却状態となり、液体の蒸発が止まる。上記態様によれば、このように過冷却状態の作動流体の液体と、その気相とが分離し静止した状態を比較的容易に得ることが可能となる利点がある。
上記態様において、作動流体を導入する圧力は任意に決めることができるが、液面の蒸発を防止できれば良いから、飽和蒸気圧を若干上回る程度で構わない。
【００１９】
本発明において、上述した種々の特徴は必ずしも全てを備えている必要はなく、適宜、その一部を省略したり組み合わせたりしてもよい。また、本発明は、上述した温度異常検出方法に限らず、以下に示すように、温度異常検出装置として構成することもできる。
【００２０】
例えば、
超電導体における温度異常の発生を検出する温度異常検出装置であって、
前記温度異常を検出するための所定の作動流体と、
前記超電導体に接触して配置されるための一端を密封した細管と、
前記細管の他端に設置された圧力計とを備え、
前記作動流体は、前記細管内に封入されており、
前記細管の内径は、加熱下で前記作動流体を過熱液体とできるよう設定されている温度異常検出装置としてもよい。
【００２１】
上記温度異常検出装置によれば、先に述べた温度異常検出方法を実現することができる。上記温度異常検出装置に対しても、先に説明した種々の特徴を適宜、適用することも可能である。
【００２２】
また、上記温度異常検出装置においては、
前記細管は、前記密封された一端と圧力計との間に前記作動流体を導入するための分岐管を有しており、
該分岐管には、開閉するためのバルブと、
封入する前記作動流体の圧力を調整するための圧力調整器とを備えるものとしてもよい。
【００２３】
こうすることにより、圧力調整器で作動流体の圧力を調整しながら導入した上で、バルブによって封入することが可能となる。即ち、作動流体を、その飽和蒸気圧を上回る圧力で細管内に封入するという態様を比較的容易に実現することが可能となる。
【００２４】
また、温度異常検出装置においては、
さらに、前記圧力計の圧力がステップ状に変化したときに前記超電導体への通電を停止する制御装置を備えるものとしてもよい。
【００２５】
こうすることにより、温度異常を検出した時点で、速やかに超電導体への通電を停止することができ、さらなる温度異常の発生を抑止することができる。
制御回路は、例えば、コンピュータに上記機能を実現するコンピュータプログラムをインストールしてソフトウェア的に構築することもできるし、専用のハードウェアによって構成することも可能である。
【００２６】
本発明は、
前記超電導体は、高温超電導体である場合に特に有用性が高い。
【００２７】
高温超電導体とは、一般に７７ケルビンよりも臨界温度が高い物質を言う。高温超電導体では、従来、クエンチによる温度異常を検出する有効な技術がほとんど見いだされていなかったが、本発明によれば、クエンチの検出が可能である。また、高温超電導体では、その性質上、クエンチを検出できる頃には、焼損が生じるほどに常伝導部分が拡大してしまうという問題が生じ得るため、早期のクエンチ検出が特に重要となるが、かかる点についても、本発明によれば速やかに検出することができるため、有用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例としての温度異常検出装置の構成を示す説明図である。
【図２】温度異常検出の原理を示す説明図である。
【図３】温度異常検出の実験結果を示す説明図である。
【図４】温度検出の作業工程および圧力監視処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施例について説明する。
図１は、実施例としての温度異常検出装置の構成を示す説明図である。温度異常検出装置は、超電導体１において、クエンチなどによって発生する温度異常を検出するための装置である。超電導体１としては、超電導送電ケーブル、超電導コイル、超電導磁石、超電導モータなどが挙げられるが、これらに限られるものではない。また、本実施例では、超電導体１は、７７ケルビン以上で動作する高温超電導体とした。これよりも低温の超電導体を対象としても差し支えない。
【００３０】
超電導体１には、細管１０が沿わせてある。細管１０は、超電導体１に発生した温度異常の熱が効率的に伝達されるよう、超電導体１に隙間なく沿わせるとともに、接着等されていることが好ましい。
細管１０は、ステンレスその他の金属で形成されており、本実施例では、内径１ミリメートル以下である。細管１０の内径は、後述する作動流体に過熱状態を生じさせることができる範囲で任意に決めればよい。内径１ミリメートル以下としておけば、過熱状態が生じやすいことが確認されている。
【００３１】
細管１０の一端は、キャップ１１で密封されている。溶接など他の方法で密封しても良い。
細管１０の他端には、圧力計１２が設置されている。圧力計１２は、超電導体１に温度異常が生じたときに細管１０内で生じる圧力変化を検出するためのものであり、これが検出可能な計測範囲、分解能を有するものを利用する必要がある。超電導体１は、低温状態に維持されているが、圧力計１２は常温領域に設置されている。
細管１０の圧力計１２の手前には、圧力が異常に上昇した場合に備え、分岐１０ｂが設けられており、過剰な圧力を逃がすための安全弁１５が取り付けられている。
細管１０には、さらに分岐１０ａが設けられており、バルブ１３、圧力調整器１４が取り付けられている。細管１０内を予め真空にするための真空ポンプをさらに設けても良い。
【００３２】
本実施例では、細管１０内に温度異常を検出するための作動流体として液体窒素を封入した。液体窒素は、沸点７７Ｋ、過熱限界温度１１０Ｋという流体である。本実施例では、後述する通り作動流体が過熱状態で生じる突沸を利用して温度異常を検出する。従って、液体窒素を作動流体として用いる場合は、超電導体１の通常状態の運転時の温度（７７Ｋ）から約３０℃の温度上昇を検出することができることになる。このように、作動流体は、検出すべき温度に応じて、それと同等の過熱限界温度を有する流体を選択すればよい。
【００３３】
作動流体としての液体窒素は、圧力調整器１４から導入される。圧力調整器１４は、液体窒素を、その飽和蒸気圧よりも若干高い圧力に調整して導入する。圧力計１２は常温領域に設置されているから、細管１０内に導入された液体窒素は、いずれかの箇所で気化し、気相を形成する。一方、圧力調整器１４で、飽和蒸気圧よりも高い圧力に調整されているから、全てが気化してしまうことはなく、図示するように、細管１０内のいずれかの箇所で、液面（気相と液相との境界面）を形成する。温度異常の検出精度を確保する目的からは、少なくとも超電導体１に接触している流域では、作動流体が液体となっているよう、導入時の圧力を調整することが好ましい。
【００３４】
圧力計１２の出力は、制御装置２０に入力される。制御装置２０は、細管１０内の圧力がステップ状に変化したのを検知すると、超電導体１に温度異常が発生したものと判断し、その通電を停止する処理を行う。これと併せて、音声での警報、警告表示、所定の宛先に対する緊急メールの送信などの警告処理を行ってもよい。
制御装置２０は、内部にＣＰＵ、メモリを有するコンピュータに上記機能を実現するためのコンピュータプログラムをインストールすることでソフトウェア的に構築してもよいし、ＡＳＩＣその他専用のハードウェアによって構築してもよい。
【００３５】
図１には本実施例における温度異常検出装置の構成例を示した。温度異常検出装置は、例えば、超電導体１に対して、異なる作動流体を封入した細管１０を並列に設けても良い。こうすることにより、多段階での温度異常検出を実現することもできる。
【００３６】
図２は、温度異常検出の原理を示す説明図である。図１の温度異常検出装置の構成を模式的に示した。超電導体の中央に作動流体を封入した細管が描かれているが、細管の周囲を超電導体が被覆しているということではなく、両者が単に接触していることを表している。
【００３７】
超電導体にクエンチが発生するなど種々の要因で図示するように局所温度上昇が生じると、熱伝達によって細管に封入された作動流体が加熱される。作動流体は十分に細い管内で静止した状態で加熱されると、沸点以上に加熱された液体、即ち過熱液体となる。そして、過熱液体が、さらに加熱されると、ある時点で、図示するように、爆発的な沸騰、いわゆる突沸に至り蒸気となるのである。この蒸気が発生すると、液体窒素の場合は一気に約２０倍に体積が膨張するため、図中の矢印Ａのように、細管内の液相を移動させ、さらに矢印Ｂのように液面を押し上げ、気相部分を圧縮する。この体積膨張は、爆発的に生じるため、気相の圧縮に伴う圧力上昇は、ステップ関数的に急激に上昇する。圧力計は、この圧力変化を検出することにより、超電導体の温度異常を検出することができる。
突沸による作動流体および液面の移動、気相の圧縮は、局所的な温度上昇が生じた部分と気相とが離れている場合でも、細管内をほぼ音速で伝わるため、瞬時に温度異常の発生を検出することができる。本実施例の温度異常検出装置は、かかる原理によって、超電導体の温度異常の発生を検出することができるのである。
【００３８】
図３は、温度異常検出の実験結果を示す説明図である。
図３（ａ）には、実験装置を模式的に示した。温度異常検出装置の細管に対応するものとして、外径１／１６インチ（１．５９ｍｍ）、内径０．９９ｍｍ、長さ１６ｍのステンレス製配管をコイル状に巻いたものを用いた。一端は、キャップで密封してある。他端には、圧力計を取り付けてある。また、超電導体による温度異常を模擬的に発生させるため、密封してある端に近い箇所にヒーターを取り付けた。
【００３９】
ステンレス製配管は、超電導体に沿わせている状態を模擬するため、大部分が液体窒素を充填したデュワー内に浸漬されている。圧力計は、デュワー外部の室温空間に設置されている。また、デュワー外部には、図１で説明したのと同様、安全弁を取り付けた分岐、およびガス導入バルブと圧力調整器を取り付けた分岐が設けられている。圧力調整器に至る分岐には、さらに、真空ポンプも設置されている。
【００４０】
図３（ａ）の実験装置においても、作動流体として液体窒素を用いた。まず、ステンレス製配管内を真空ポンプによって真空にする。その後、圧力調整器で飽和蒸気圧よりも若干高い０．１５ＭＰａで窒素ガスを導入する。こうすることで、ステンレス製配管内の窒素ガスの一部が液化し、管内に液面が形成される。管内の圧力が一定となった後、ガス導入バルブを閉めた。こうすることで、ステンレス製配管内に作動流体としての液体窒素を封入した温度異常検出装置が構成される。
【００４１】
この状態で、ヒーターにステップ状に通電し、超電導体の温度異常を模擬的に生じさせた。図３（ｂ）は、ヒーターの温度、および圧力計の圧力の測定結果の時間変化を示すグラフである。破線が温度変化を示し、実線が圧力変化を示している。
加熱を開始してから約２５秒後に約１１０Ｋに達した時点で、圧力が０．１６ＭＰａから０．２９ＭＰａまでステップ状に増大していることが確認される。ステンレス配管内に作動流体として封入された液体窒素の過熱限界温度は１１０Ｋであるから、この圧力変化は、作動流体に生じた突沸によるものと言える。こうして、図２で示した温度異常検出の原理が確認された。
図示する通り、突沸によって生じる圧力変化は、急激なものであり、また、温度が１１０Ｋに達した直後に発生していることから、温度異常が生じた後、ほとんど時間遅れなく、精度良く温度異常を検出可能であると言える。
【００４２】
図４は、温度検出の作業工程および圧力監視処理のフローチャートである。
左側に、検出前に行う検出準備工程を示した。これらの工程は、温度異常検出装置の設置工程でもあり、作業員が行うものである。
まず、この工程では、真空ポンプで細管１０内を真空にする（ステップＳ１０）。そして、飽和蒸気圧よりも若干高い圧力で作動流体を導入する（ステップＳ１１）。本実施例では、窒素を導入することになる。窒素は、導入時は気体であっても差し支えない。細管１０内で液化するからである。
作動流体の導入が完了すると、バルブを閉鎖する（ステップＳ１２）。こうすることで、細管１０の内部に作動流体が気相と液相に別れて安定して封入された状態となる。
かかる状態が準備できたら、超電導体１の運転を開始する（ステップＳ１３）。
【００４３】
図の右側には、圧力監視処理のフローチャートを示した。制御装置２０が実施する処理であり、超電導体１の運転中に継続して行う処理である。
この処理を開始すると、制御装置２０は、圧力計の出力する圧力を読み込む（ステップＳ２０）。そして、先に図３で示したようなステップ状の変化の有無を判断する（ステップＳ２１）。
ステップ状の変化が生じていないときは、異常なしと判断し、上記処理（ステップＳ２０、Ｓ２１）を繰り返し実行する。
【００４４】
ステップ状の変化を検出したときは、温度異常が発生したものと判断し、制御装置２０は、超電導体１の運転を停止する信号を出力する（ステップＳ２４）。これと併せて、種々の警報処理を行っても良い。
【００４５】
以上で説明した実施例の温度異常検出装置およびそれによって実現される温度異常検出方法によれば、超電導体１に発生した温度異常を、遅れなく精度良く検出することができる。また、細管に圧力計という簡易な構成でこれを実現することができる。さらに、突沸という現象を利用しているため、数キロにわたる遠方で生じた温度異常も遅れなく、精度良く検出することが可能である。
そして、制御装置２０を備えることにより、温度異常が検出されたときには、速やかに超電導体の運転を停止することが可能である。
【００４６】
本実施例は、上述の種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を適宜、省略したり組み合わせたりしてもよい。
また、本発明は、実施例の装置構成および処理に限らず、種々の変形例を構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、超電導体に生じた温度異常を検出するために利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０   細管
１０ａ 分岐
１０ｂ 分岐
１１   キャップ
１２   圧力計
１３   バルブ
１４   圧力調整器
１５   安全弁
２０   制御装置
【要約】
【課題】  超電導体に生じたクエンチを速やかに精度良く検出可能とする。
【解決手段】  超電導体１に金属製の内径1ｍｍ以下の細管１０を、超電導体１に隙間なく沿わせて配置する。細管１０の一端は、キャップ１１で密封し、他端には圧力計１２を設置する。細管１０内には温度異常を検出するための作動流体として液体窒素を封入する。超電動体１に温度異常が生じると、熱伝達によって細管１０に封入された作動流体が加熱され、過熱液体となるが、さらに加熱され突沸に至ると、蒸気となり、一気に体積が膨張する。この結果、細管内の気液界面を移動させ、気相部分を圧縮するため、気相部分の圧力がステップ関数的に上昇する。この圧力変化を検出することにより、超電導体の温度異常を検出することができる。
【選択図】  図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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