JP3667954B2 - 超電導マグネットのクエンチ保護回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導マグネットのクエンチ保護回路に関し、詳細には種々の物性測定装置、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置、ＮＭＲ断層映像装置などに用いられている超電導マグネットにおいて、その超電導マグネットがクエンチを発生した場合に、そのクエンチによって超電導コイルが破損するのを防ぐ、超電導マグネットのクエンチ保護回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導マグネットは、一般に、NbTi合金（以下単にNbTiと言う）、 Nb3Sn化合物（以下単に Nb3Snと言う）などの超電導線を巻いた空心マグネットであって、超電導状態を維持するために冷却容器（クライオスタット）に入れて使用される。また超電導マグネットは、高い磁場を大きな空間に確保でき、その臨界磁場（超電導性を保持できる最高磁場) は、通常、NbTi線で11Ｔ（テスラ) 、 Nb3Sn線で23Ｔである。
【０００３】
ところで、上記超電導マグネットにおいては、機械的な擾乱等（電磁力による超電導線間の動き等の物理的な要因）によって超電導状態が破れる現象（クエンチ）を生じることが知られている。このようなクエンチが発生すると、電気抵抗を持った常電導部分が超電導マグネットのコイル内に生じることになる。例えば、図５に示すような回路構成の超電導マグネットにおいてクエンチが発生した場合、超電導マグネット11のインダクタンスがクエンチを発生した部分の超電導コイル12部分の電気抵抗値に比べて非常に大きいと、超電導マグネット11に流れている電流の減衰が遅くなる。その結果、超電導コイル12の常電導部分がジュール発熱によって熱暴走し焼損するおそれが生じることになる。なお、図５において、符号13は超電導コイル12に並列に接続した保護抵抗、14は電源をそれぞれ示す。
【０００４】
そこで、上記の問題を避けるために、従来は図６に示すように超電導マグネット11の超電導コイル12を複数のセクションａ〜ｃに分割し、その各々のセクションａ、ｂ、ｃに保護抵抗13を並列に接続した回路構成を採用している。この回路構成とすることによって、超電導コイル12のクエンチが発生した部分の電流は、クエンチした部分の電気抵抗値と、そのクエンチした部分を含んでいるセクションａ（又はｂ又はｃ）が持つインダクタンスの比に応じて減衰するが、超電導マグネット11全体のインダクタンスに比べて各セクションａ、ｂ、ｃのそれぞれが持つインダクタンスは小さいので、超電導コイル12のクエンチした部分の電流値の減衰は図５の回路構成の時よりも早くなり、クエンチした部分の焼損を防ぐことができる。クエンチしたセクションａ以外のセクションｂ、ｃでは、セクションａに蓄えられていた電磁エネルギーが電磁誘導によって転送され、セクションｂ、ｃの電流値が上昇する。また、クエンチ中の磁場変動による交流損失によってセクションｂ、ｃの超電導状態の部分が温度上昇を起こし、臨界電流値が減少する。その結果、セクションｂ、ｃで誘導によって増加した電流値が、交流損失による温度上昇で減少した臨界電流値を超えると、セクションｂ、ｃでもクエンチが発生し、セクションｂ、ｃにおいても電流値はセクションａと同等の早さで減衰することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来より用いられている２種類以上の異なる線種（例えばNbTi線と Nb3Sn線など）を組合せた超電導マグネットの場合には、上述した図６に示すようなセクション化を採用しても、線種間に温度マージンの差があるため、温度マージンの大きいセクションではクエンチの発生が他の温度マージンの小さいセクションよりも遅くなることになり、温度マージンの小さいセクション内にクエンチが発生した場合、温度マージンの大きいセクションに過度の誘導電流が流れることになる。その結果、温度マージンの大きいセクションに大きな電磁力がかかり機械的に破損することになる。なお、ここで言う温度マージンとは使用中の極低温温度から臨界温度までの温度差を意味する。
【０００６】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を改善するためになしたものであって、その目的は、２種類以上の異なる線種を組合わせた超電導マグネットを対象として、超電導マグネットにクエンチが発生しても、そのクエンチによって超電導コイルが機械的に破損したり、焼損することのない、超電導マグネットのクエンチ保護回路を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路は、複数の線種の超電導コイルからなる超電導マグネットを複数のセクションに分割し、セクション毎の超電導コイルに保護抵抗を並列に接続してなる超電導マグネットのクエンチ保護回路において、線種が異なり且つ線種間に温度マージンの差を有する超電導コイルの１部ずつが、線種の異なる超電導コイルのセクション内に含まれるように接続され、更に、並列に接続されている保護抵抗にダイオードを直列に接続してなるものである。
【０００８】
本発明では、複数の線種の超電導コイルからなる超電導マグネットにおいて、温度マージンが高い線種と低い線種が同一のセクション内に接続されているので、そのセクション内では、温度マージンの高い線種の部分がクエンチを起こさなくても、温度マージンの低い線種の部分が早期にクエンチを起こすので、そのセクション内に電気抵抗が生じ、これにより、そのセクションに過度の電流が誘起されなくなり、そのセクション内の温度マージンの高い線種の超電導コイルが電磁力によって機械的に破損するのを防ぐことができる。
【０００９】
上記本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路においては、並列に接続されている保護抵抗にダイオードを直列に接続している。このようにダイオードを接続すると、次のような更なる作用効果が期待される。すなわち、超電導マグネットを励磁するとき、超電導マグネットの両端及び分割した各セクションの両端に、励磁速度に応じて電位差が生じる。それ故、保護抵抗を単に並列に接続している場合は、保護抵抗にも励磁中は電流が流れており、保護抵抗でジュール発熱が起きる。その結果、超電導マグネットの冷却に用いている液体ヘリウム等の寒剤の蒸発が増加することになる。これに対して、保護抵抗とダイオードを直列に接続した場合、励磁中に超電導マグネットの両端及び分割した各セクションの両端に電位差が生じても、その電位差がダイオードのオン電圧以下であるならば保護抵抗に電流は流れないので、寒剤の蒸発が増加することを防ぐことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路の説明図である。この図示の回路において、超電導マグネット１は、液体ヘリウム中で10Ｔ以上の磁場を発生させるために、超電導コイル２の内層側に20Ｔを越す臨界磁場を有する Nb3Sn線を巻線した Nb3Snコイル部３を、その外層側に臨界磁場の低いNbTi線を巻線したNbTiコイル部４を配置して構成した。そして更に、 Nb3Snコイル部３は１つのセクションａのみで、またNbTiコイル部４は４つのセクションｂ〜ｅに分割して構成すると共に、 Nb3Snコイル部３のセクションａとNbTiコイル部４のセクションｂのそれぞれに、セクションａにはNbTiコイル部４のNbTi線コイルの１部分５を、セクションｂには Nb3Snコイル部３の Nb3Sn線コイルの１部分６を含むように接続し、更にセクションａ〜ｅの各セクションの超電導コイルに保護抵抗７を並列に接続した回路構成となっている。なお、図において、符号８は電源をそれぞれ示す。
【００１１】
次に、上記回路構成からなる超電導マグネット１を用い、定格の磁場まで励磁すると共に、外層側のセクションｅの部分を強制クエンチヒータ（図示せず）によってクエンチさせ、その時の各セクションａ〜ｅの電流値を測定した。また、比較のため、図２に示す従来方式によってセクションａ〜ｅに分割して接続した回路を備える超電導マグネット11の各セクションａ〜ｅの電流値を、同様にして測定した。本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路の場合の測定結果を図３に、従来方式によってセクション分割して接続した回路の場合の測定結果を図４にそれぞれ示す。
【００１２】
本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路の場合には、図３より明らかなように、セクションｅを強制的にクエンチさせても、他のセクションａ〜ｄの電流値のピークは、初期電流値（時間０の時の電流値）よりも高くなるが、その値は低く、特に Nb3Sn線コイルとNbTi線コイルとを含むように構成したセクションａとセクションｂでもそれ程高くならないことが分かる。従って、このようにセクションａ、ｂに過度の電流が誘起されなかったことから、温度マージンの高い Nb3Sn線コイルを含むセクションａ、ｂにおいて、温度マージンの高い Nb3Sn線コイルが電磁力によって機械的に破損するのを防ぐことができた。
【００１３】
これに対して、従来方式によってセクション分割して接続した回路の場合には、図４より明らかなように、セクションｅを強制的にクエンチさせた場合、温度マージンの低いNbTi線コイルからなるセクションｂ〜ｃにおいてはその電流値のピークは、初期電流値（時間０の時の電流値）よりも高くなるものの、その値は低い。しかし、温度マージンの高い Nb3Sn線コイルからなるセクションａでは２倍以上の電流値が誘起されていることが分かる。従って、この場合には、Nb3Sn 線コイルからなるセクションａに働く電磁応力は、定常時の約２倍になったため、この過大な電磁応力によってセクションａ内のNb3Sn 線コイルが塑性変形を起こし、機械的に損傷を受けていた。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路によれば、超電導マグネットがクエンチを発生しても、特定のセクションに過度の電流が誘起されないことから、そのクエンチによって超電導コイルが機械的に破損したり、焼損するのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路の説明図である。
【図２】従来方式によってセクション分割して接続した回路の説明図である。
【図３】本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路の場合のクエンチ時の電流変化を示すグラフ図である。
【図４】従来方式によってセクション分割して接続した回路の場合のクエンチ時の電流変化を示すグラフ図である。
【図５】従来のセクション分割しない場合の超電導マグネットの回路の説明図である。
【図６】従来のセクション分割した場合の超電導マグネットの回路の説明図である。
【符号の説明】
１：超電導マグネット ２：超電導コイル ３： Nb3Snコイル部
４：NbTiコイル部 ５：NbTiコイル部のNbTi線コイルの１部分
６： Nb3Snコイル部の Nb3Sn線コイルの１部分 ７：保護抵抗
８：電源
ａ〜ｅ：超電導コイルを分割して接続したセクション
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導マグネットのクエンチ保護回路に関し、詳細には種々の物性測定装置、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置、ＮＭＲ断層映像装置などに用いられている超電導マグネットにおいて、その超電導マグネットがクエンチを発生した場合に、そのクエンチによって超電導コイルが破損するのを防ぐ、超電導マグネットのクエンチ保護回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導マグネットは、一般に、NbTi合金（以下単にNbTiと言う）、 Nb3Sn化合物（以下単に Nb3Snと言う）などの超電導線を巻いた空心マグネットであって、超電導状態を維持するために冷却容器（クライオスタット）に入れて使用される。また超電導マグネットは、高い磁場を大きな空間に確保でき、その臨界磁場（超電導性を保持できる最高磁場) は、通常、NbTi線で11Ｔ（テスラ) 、 Nb3Sn線で23Ｔである。
【０００３】
ところで、上記超電導マグネットにおいては、機械的な擾乱等（電磁力による超電導線間の動き等の物理的な要因）によって超電導状態が破れる現象（クエンチ）を生じることが知られている。このようなクエンチが発生すると、電気抵抗を持った常電導部分が超電導マグネットのコイル内に生じることになる。例えば、図５に示すような回路構成の超電導マグネットにおいてクエンチが発生した場合、超電導マグネット11のインダクタンスがクエンチを発生した部分の超電導コイル12部分の電気抵抗値に比べて非常に大きいと、超電導マグネット11に流れている電流の減衰が遅くなる。その結果、超電導コイル12の常電導部分がジュール発熱によって熱暴走し焼損するおそれが生じることになる。なお、図５において、符号13は超電導コイル12に並列に接続した保護抵抗、14は電源をそれぞれ示す。
【０００４】
そこで、上記の問題を避けるために、従来は図６に示すように超電導マグネット11の超電導コイル12を複数のセクションａ〜ｃに分割し、その各々のセクションａ、ｂ、ｃに保護抵抗13を並列に接続した回路構成を採用している。この回路構成とすることによって、超電導コイル12のクエンチが発生した部分の電流は、クエンチした部分の電気抵抗値と、そのクエンチした部分を含んでいるセクションａ（又はｂ又はｃ）が持つインダクタンスの比に応じて減衰するが、超電導マグネット11全体のインダクタンスに比べて各セクションａ、ｂ、ｃのそれぞれが持つインダクタンスは小さいので、超電導コイル12のクエンチした部分の電流値の減衰は図５の回路構成の時よりも早くなり、クエンチした部分の焼損を防ぐことができる。クエンチしたセクションａ以外のセクションｂ、ｃでは、セクションａに蓄えられていた電磁エネルギーが電磁誘導によって転送され、セクションｂ、ｃの電流値が上昇する。また、クエンチ中の磁場変動による交流損失によってセクションｂ、ｃの超電導状態の部分が温度上昇を起こし、臨界電流値が減少する。その結果、セクションｂ、ｃで誘導によって増加した電流値が、交流損失による温度上昇で減少した臨界電流値を超えると、セクションｂ、ｃでもクエンチが発生し、セクションｂ、ｃにおいても電流値はセクションａと同等の早さで減衰することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来より用いられている２種類以上の異なる線種（例えばNbTi線と Nb3Sn線など）を組合せた超電導マグネットの場合には、上述した図６に示すようなセクション化を採用しても、線種間に温度マージンの差があるため、温度マージンの大きいセクションではクエンチの発生が他の温度マージンの小さいセクションよりも遅くなることになり、温度マージンの小さいセクション内にクエンチが発生した場合、温度マージンの大きいセクションに過度の誘導電流が流れることになる。その結果、温度マージンの大きいセクションに大きな電磁力がかかり機械的に破損することになる。なお、ここで言う温度マージンとは使用中の極低温温度から臨界温度までの温度差を意味する。
【０００６】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を改善するためになしたものであって、その目的は、２種類以上の異なる線種を組合わせた超電導マグネットを対象として、超電導マグネットにクエンチが発生しても、そのクエンチによって超電導コイルが機械的に破損したり、焼損することのない、超電導マグネットのクエンチ保護回路を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路は、複数の線種の超電導コイルからなる超電導マグネットを複数のセクションに分割し、セクション毎の超電導コイルに保護抵抗を並列に接続してなる超電導マグネットのクエンチ保護回路において、線種が異なり且つ線種間に温度マージンの差を有する超電導コイルの１部ずつが、線種の異なる超電導コイルのセクション内に含まれるように接続され、更に、並列に接続されている保護抵抗にダイオードを直列に接続してなるものである。
【０００８】
本発明では、複数の線種の超電導コイルからなる超電導マグネットにおいて、温度マージンが高い線種と低い線種が同一のセクション内に接続されているので、そのセクション内では、温度マージンの高い線種の部分がクエンチを起こさなくても、温度マージンの低い線種の部分が早期にクエンチを起こすので、そのセクション内に電気抵抗が生じ、これにより、そのセクションに過度の電流が誘起されなくなり、そのセクション内の温度マージンの高い線種の超電導コイルが電磁力によって機械的に破損するのを防ぐことができる。
【０００９】
上記本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路においては、並列に接続されている保護抵抗にダイオードを直列に接続している。このようにダイオードを接続すると、次のような更なる作用効果が期待される。すなわち、超電導マグネットを励磁するとき、超電導マグネットの両端及び分割した各セクションの両端に、励磁速度に応じて電位差が生じる。それ故、保護抵抗を単に並列に接続している場合は、保護抵抗にも励磁中は電流が流れており、保護抵抗でジュール発熱が起きる。その結果、超電導マグネットの冷却に用いている液体ヘリウム等の寒剤の蒸発が増加することになる。これに対して、保護抵抗とダイオードを直列に接続した場合、励磁中に超電導マグネットの両端及び分割した各セクションの両端に電位差が生じても、その電位差がダイオードのオン電圧以下であるならば保護抵抗に電流は流れないので、寒剤の蒸発が増加することを防ぐことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路の説明図である。この図示の回路において、超電導マグネット１は、液体ヘリウム中で10Ｔ以上の磁場を発生させるために、超電導コイル２の内層側に20Ｔを越す臨界磁場を有する Nb3Sn線を巻線した Nb3Snコイル部３を、その外層側に臨界磁場の低いNbTi線を巻線したNbTiコイル部４を配置して構成した。そして更に、 Nb3Snコイル部３は１つのセクションａのみで、またNbTiコイル部４は４つのセクションｂ〜ｅに分割して構成すると共に、 Nb3Snコイル部３のセクションａとNbTiコイル部４のセクションｂのそれぞれに、セクションａにはNbTiコイル部４のNbTi線コイルの１部分５を、セクションｂには Nb3Snコイル部３の Nb3Sn線コイルの１部分６を含むように接続し、更にセクションａ〜ｅの各セクションの超電導コイルに保護抵抗７を並列に接続した回路構成となっている。なお、図において、符号８は電源をそれぞれ示す。
【００１１】
次に、上記回路構成からなる超電導マグネット１を用い、定格の磁場まで励磁すると共に、外層側のセクションｅの部分を強制クエンチヒータ（図示せず）によってクエンチさせ、その時の各セクションａ〜ｅの電流値を測定した。また、比較のため、図２に示す従来方式によってセクションａ〜ｅに分割して接続した回路を備える超電導マグネット11の各セクションａ〜ｅの電流値を、同様にして測定した。本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路の場合の測定結果を図３に、従来方式によってセクション分割して接続した回路の場合の測定結果を図４にそれぞれ示す。
【００１２】
本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路の場合には、図３より明らかなように、セクションｅを強制的にクエンチさせても、他のセクションａ〜ｄの電流値のピークは、初期電流値（時間０の時の電流値）よりも高くなるが、その値は低く、特に Nb3Sn線コイルとNbTi線コイルとを含むように構成したセクションａとセクションｂでもそれ程高くならないことが分かる。従って、このようにセクションａ、ｂに過度の電流が誘起されなかったことから、温度マージンの高い Nb3Sn線コイルを含むセクションａ、ｂにおいて、温度マージンの高い Nb3Sn線コイルが電磁力によって機械的に破損するのを防ぐことができた。
【００１３】
これに対して、従来方式によってセクション分割して接続した回路の場合には、図４より明らかなように、セクションｅを強制的にクエンチさせた場合、温度マージンの低いNbTi線コイルからなるセクションｂ〜ｃにおいてはその電流値のピークは、初期電流値（時間０の時の電流値）よりも高くなるものの、その値は低い。しかし、温度マージンの高い Nb3Sn線コイルからなるセクションａでは２倍以上の電流値が誘起されていることが分かる。従って、この場合には、Nb3Sn 線コイルからなるセクションａに働く電磁応力は、定常時の約２倍になったため、この過大な電磁応力によってセクションａ内のNb3Sn 線コイルが塑性変形を起こし、機械的に損傷を受けていた。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路によれば、超電導マグネットがクエンチを発生しても、特定のセクションに過度の電流が誘起されないことから、そのクエンチによって超電導コイルが機械的に破損したり、焼損するのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路の説明図である。
【図２】従来方式によってセクション分割して接続した回路の説明図である。
【図３】本発明に係る超電導マグネットのクエンチ保護回路の場合のクエンチ時の電流変化を示すグラフ図である。
【図４】従来方式によってセクション分割して接続した回路の場合のクエンチ時の電流変化を示すグラフ図である。
【図５】従来のセクション分割しない場合の超電導マグネットの回路の説明図である。
【図６】従来のセクション分割した場合の超電導マグネットの回路の説明図である。
【符号の説明】
１：超電導マグネット ２：超電導コイル ３： Nb3Snコイル部
４：NbTiコイル部 ５：NbTiコイル部のNbTi線コイルの１部分
６： Nb3Snコイル部の Nb3Sn線コイルの１部分 ７：保護抵抗
８：電源
ａ〜ｅ：超電導コイルを分割して接続したセクション
Claims (2)
- 複数の線種の超電導コイルからなる超電導マグネットを複数のセクションに分割し、セクション毎の超電導コイルに保護抵抗を並列に接続してなる超電導マグネットのクエンチ保護回路において、線種が異なり且つ線種間に温度マージンの差を有する超電導コイルの１部ずつが、線種の異なる超電導コイルのセクション内に含まれるように接続され、更に、並列に接続されている保護抵抗にダイオードを直列に接続してなることを特徴とする超電導マグネットのクエンチ保護回路。
- 複数の線種の超電導コイルからなる超電導マグネットを複数のセクションに分割し、セクション毎の超電導コイルに保護抵抗を並列に接続してなる超電導マグネットのクエンチ保護回路において、線種が異なり且つ線種間に温度マージンの差を有する超電導コイルの１部ずつが、線種の異なる超電導コイルのセクション内に含まれるように接続されてなるとともに、複数の線種がＮｂＴｉ合金とＮｂ ３ Ｓｎ化合物であることを特徴とする超電導マグネットのクエンチ保護回路。
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-
1997
- 1997-09-29 JP JP26368097A patent/JP3667954B2/ja not_active Expired - Lifetime
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