特別研究費に係る論文

成蹊大学理工学研究報告
J. Fac. Sci. Tech., Seikei Univ.
Vol.44 No.２ (2007) pp.39-42（特別研究費に係る論文）

フェライトコアを用いた一次常温/二次低温型低熱侵入変圧器の試作と試験
石郷岡

猛*1，二ノ宮晃*2，普天間太地*3

Manufacture of Low Heat In-leak Ferrite Core Transformer with Room Temperature Primaryand Low Temperature Secondary
Takeshi ISHIGOHKA*1, Akira NINOMIYA*2, Taichi FUTEMMA*3(Received October １, 2007)

１．はじめにの測定には，ロゴスキーコイル型電流計を使用した。鉄の飽和の影響や温度特性を避けるため，巻芯には非磁性超電導マグネットの励磁には，常温にある電源から低の材料を用いた。ロゴスキーコイルの較正は常温におい温領域まで大電流を供給しなければならない。しかし，て行った。ロゴスキーコイルの外観を図 1 に，較正回路導線を使って供給する場合，太い導線による熱侵入によを図２に示す。

る冷媒の蒸発が問題となる，そこで今回その解決策のひ

図２の回路を使用してロゴスキーコイル型電流計の較とつとしてフェライトを鉄心に用いた変圧器を利用して，正グラフを作成した。二次側の電流を 0 から 120Ａまで一次側(銅線)常温，二次側(超電導線)低温の状態で電流を操作，この二次側電流により誘導されたロゴスキーコイ供給することを考案した。すなわち，鉄心を介してエネルの電圧を測定して，図３に示す較正グラフを作成した。

ルギーを常温部より低温部に輸送する方式であり，鉄心一次，二次電流の間にはほぼ線形の関係が得られた。にはセラミックスであるため熱伝導率が小さいフェライトを用いて，常温部より低温部への熱侵入を抑制するものである。この方式を用いれば，一次側，二次側共に低温部に配置する場合に比べ，①一次巻線への電流リードによる熱侵入がない，②一次巻線の銅損が常温部のみで発生するため，冷媒の蒸発が低減する，③鉄心の半分のみが低温部に配置されるため，低温領域で発生する鉄損が半減し冷媒の蒸発が低減する，というメリットが期待できる。本稿では，小型の装置を試作し，原理確認の実験を行ったので，その概要を報告する。
図１

ロゴスキーコイル

２．予備実験
2. 1

ロゴスキーコイル型電流計

一般に超電導マグネットの励磁は極めて低電圧で行われる。本実験では，原理確認を目的としたため，変圧器の二次側は直接短絡して実験を行った。二次側は低温領域に置かれているため直接電流計を挿入することはできない。また，出来るだけ二次回路の抵抗を低減するため，シャント抵抗の挿入を避ける必要があるので，二次電流
図２*1：エレクトロメカニクス学科教授 (ishigoka@st.seikei.ac.jp)*2：エレクトロメカニクス学科助手*3：2006 年度電気電子工学科卒研学生－39－

ロゴスキーコイル較正回路

図３
2. 2

ロゴスキーコイル形電流計較正曲線
図６

フェライト鉄心の B-H 特性の測定

フェライトコアの熱伝導率測定装置使用した TDK 社製の鉄心 PC40 の B-H 特性を測定した。
図４の回路を組み一次側に交流 50Hz の交流を印加し，すなわち，密閉した断熱容器の中に，両端を 10mm 残その電流値 I，二次側電圧 V2 を測定し，それらの値を基し発泡ウレタンで覆って断熱した棒状のフェライトを収に，鉄心の磁束密度Ｂ，磁界Ｈを求め，B-H 曲線を求め納した。このときフェライトの上部は容器から８mm 程た。

度出るようにし，下部は液体窒素中に浸漬するようにし

PC40 の常温および低温での測定結果を図５に示す。図た。フェライト上部にマンガニン線のヒーターで熱を加５より，常温時に比べ低温時では最大磁束密度が増加しえ熱電対で温度を一定に保ち，この状態で蒸発した気体ている事が判る。の蒸発量をガス流量計により測定し熱伝導率を算出した。

なお，使用した鉄心の仕様は，断面積 S ＝13mm×－42

なお，フェライト上部の温度が安定するように銅ブロッ－212mm＝1.56×10 ［m ］，磁路長ｌ=17.56×10 [m]であクで覆い，その温度を熱電対で測定した。得られた測定る。また，コイル巻数は一次，二次共に 150 ターンであ結果を表１示す。

る。
表１

フェライト PC40 の熱伝導率測定データ

フェライト棒上部温度

250 K

フェライト棒下部温度

77K

室温

297K

窒素ガス蒸発量

0.9 L/min

フェライト棒の長さ40.5 mm

フェライト棒の断面積133 mm2以下に熱伝導率を求める式を示す。標準状態(273Ｋ)における毎秒蒸発したガスの体積は
図５

V0 ℃＝VT ×

ＰC40 の B-H 曲線

273 1×T 60[m3/s]

ここでＶＴは室温での気体の毎分蒸発量[m3/min]，T は2. 3

熱伝導率測定試験

測定した室温[K]である。次に毎秒の液体窒素の蒸発量

本方式の変圧器においては，一次側が常温，二次側が[m3/s]をエネルギー流に換算すると液体窒素中に置かれており，鉄心の上半分が常温，下半分が 77K であるため，フェライトコアを通る伝導熱が重W in= V0゜C × d × q × 10 -3 [W]

要になる。このため，図６に示す熱伝導率測定装置を用

ここで，q は液体窒素の蒸発潜熱で 199[kJ/kg]，d は窒素いてフェライトの熱伝導率を測定した。

ガスの標準状態(0℃，1atm)における密度で 1.251 [kg/m3]である。熱伝導率は次式で求められる。

－40－

k=l・Win[W/m･K]
S ⋅ (T − T0 )ｌは液面から常温部までのフェライトの長さ[m]，Ｓはフェライトの断面積[m2]，Ｔ0 は液体窒素温度[K]である。
上式に数値を代入すると PC40 の熱伝導率として 3.48[W/m･K]が得られた。
図９

測定回路

３．実 験
本研究で作成した変圧器は，一次側 0.3mmφの銅線実験は，図９に示す回路で，変圧器の一次/二次側共に1000 ターン，二次側ビスマス系高温超電導線 10 ターン

液体窒素に浸漬した場合と，二次のみ液体窒素に浸漬しである。二次側の超電導線は，巻線作業時の曲げ応力にた場合の二種類行なった。

より劣化しないよう，直径 50ｍｍの巻枠を作製し巻き付けた。その外観を図７に示す。

3. 1

また，鉄心には図７に示すように，TDK PC40I コア四一次/二次共に液体窒素に浸漬した場合

この実験では，変圧器全体を断熱容器内に収め密封し，本を「口」の字型に組み立てたものを使用した。

一次/二次共に液体窒素に浸漬した。
実験は，一次側の電流を 0 から 1Ａまで 0.05Ａごとに設定し，その時のロゴスキーコイル型電流計の電圧を測定した。このロゴスキーコイル型電流計の電圧値を予備実験で測定した較正グラフに照らし合わせ二次側電流を求めた。また，電流を０から２Ａまで 0.25Ａごとに設定し，その時の液体窒素の蒸発量を測定した。
3. 2

一次常温/二次低温型実験

変圧器の二次側のみを断熱容器に密封し低温領域内に配置し，一次側は容器の外で常温の状態にした。
測定は一次/二次低温実験と同様に，蒸発量とロゴスキーコイル型電流計の電圧を測定した後，較正グラフから図７二次電流を求めた。

試作した変圧器

以上の測定結果を図 10 および 11 に示す。

図 10
図８

使用したフェライトコアの寸法－41－

一次電流対二次電流する熱が上昇することも考えられる。予備実験で測定したフェライト PC40 の熱伝導率から推定すると，これによる熱侵入による窒素ガスの蒸発量は 0.2 [l/min]程度と見積もられ十分小さい。

５．結 論
本実験により，一次常温/二次低温型変圧器の方が，全体を低温領域内に配置する一次/二次低温型変圧器に比
図 11べ，大電流になるほど熱侵入の点では優れていることが蒸発量測定結果確認された。

４．考 察

一次常温/二次低温型でも，電流の増加と共に一次側のジュール損失が増加するが，フェライトの熱伝導率が十4. 1分小さいため，液体窒素の蒸発量の増加には大きく影響二次側電流値についてしないことがわかった。

一次/二次低温の場合，および一次常温/二次低温の場
合共に一次電流に対し，二次電流が巻数の逆比より若干また，今後は負荷試験を実施すべきであるがその場合低かった。これは，一次電流に含まれる励磁電流の割合鉄損も影響してくる。その場合でも，鉄心の下端のみ液が大きかったためと考えられる。

体窒素に浸漬している本方式は液体窒素の蒸発量の増加は抑制されるものと思われる。

また，一次/二次低温型よりも一次常温/二次低温の場
合の方が，同一の一次電流に対する二次電流が小さい。

なお，予備実験で示した様にフェライトの特性は温度

これは，図５に示すように，低温の方がフェライトコアに依存している。そのため一次常温/二次低温型の場合，の等価的透磁率が高く，鉄心全体を低温に浸漬した場合フェライト鉄心の中で異なる温度が混在している特殊なの方が，励磁電流の割合が小さかったためと考えられる。

状況になる。それによる機械的歪みの問題などについては今後検討が必要であろう。

4. 2

蒸発量について

参考文献

一次/二次低温型の実験の場合，一次側巻線の抵抗による発熱が原因で蒸発量が上昇すると推定される。
本実験で使用した変圧器では，およそ 0.9Ａを超えると，(1) 普天間 太地，平成 18 年度成蹊大学工学部電気電子

一次常温/二次低温型の方が一次常温/二次低温の場合よ工学科卒業論文「フェライトコアを用いた一次常温りも熱侵入が少なくなることが分かった。この値はフェ二次低温型低熱侵入変圧器の試作」，2007 年 3 月

ライトのサイズ，一次巻線に使用する銅線の太さ，ターン数による抵抗値の増減に影響を受けるため装置により異なるが，基本的に電流が増加すると一次常温/二次低温型の方が熱侵入が小さくなることが確認できた。
今回の実験では流量計の測定可能範囲を超えたため図11 で示した値までしか測定できなかったが，蒸発の原因が主に一次巻線(銅線)の抵抗によるものと思われるので，ジュール損失の特性から一次電流の二乗で蒸発量が上昇していくものと考えられ，大電流域では，本方式のメリットはより大きくなるものと思われる。
一次常温/二次低温型実験では，外部からの熱侵入に関係するものがフェライトだけになる。この実験でも一次側の巻線の発熱は観測されたが，これは空気中に放散されるため液体窒素の蒸発の増加に及ぼす影響は小さい。
なお，一次巻線の発熱によりフェライトを通して侵入－42－