JPS60764B2 - 超電導コイル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は超電導コイルに関し、特にたとえば複数の超
電導部分コイルが冷却媒体を含む低温容器に収納された
超電導コイルに関する。

一般に高磁界を発生する装置として超電導コイルが多く
使用されているが、超電導コイルは通常の電磁石と異な
り極低温、主として液体ヘリウム温度にまで冷却される
必要がある。

第１図は従来のパンケーキ形超電導コイルの一部被断斜
視図である。

この超電導コイル５川ま、超電導線１をターン間スベー
サ３を介して巻回したパンケーキコィルを複数個、層間
スベーサ４を介して巻枠２内に積雲ねて固定した構成を
有する。超電導線１はターン間・層間の両方ともターン
間スベーサ３および層間スベーサ４によって電気的に絶
縁され、かつ層間スベーサ４により、液体ヘリウムなど
の冷却媒体が流される間隙４１が形成される。この間隙
４１は超電導線１の表面に発生した冷却媒体の気泡を逃
がすと共に、冷却媒体を補給するための役割ももつ。第
２図は超電導コイルの励磁保護回路である。

超電導コイル５には第１図のパンケーキ形超電導コイル
５０が相当する。この励磁保護回路で、超電導コイル５
は冷却媒体６が貯液された低温容器７の中に浸潰され、
スイッチ８を閉じた状態で励磁電源９によって定格運転
電流Ｌまで励磁される。ところで、超電導コイル５の運
転中に、超電導コイル５がクェンチ（もとの超電導状態
に復帰しえない超電導破壊）することがある。

なお、超電導コイル５にクェンチが発生したことの検出
は、超電導コイル５に発生する抵抗性電圧が所定値に達
したことにより検知するのが普通であるが、温度上昇を
測定し、これより検知する場合もある。

超電導コイル５にクェンチが発生した場合、超電導コイ
ル５に蓄えられた磁気ェネルギを急速に取り去り、超電
導コイル５の温度上昇をある限界内（室温程度）に抑え
る必要がある。

第２図に示した励磁保護回路は、超電導コイル５にクェ
ンチが発生した場合の保護のために広く用いられている
もので、保護抵抗１０を超電導コイル５と並列に続援し
、クェンチが生じた場合にスイッチ８を開き、超電導コ
イル５に蓄えられた磁気ェネルギを急速に保護抵抗１川
こ吸収させるようにしたものである。このようにして、
超電導コイル５に蓄えられていた磁気ェネルギの多くは
保護抵抗１０で消費され、一部の磁気ェネルギが冷却媒
体中で消費されるので、超電導コイル５は焼損すること
もなく、冷却媒体の消費も少なくなる。

このような従来のパンケーキ形超電導コイル５０‘こお
いてクェンチが発生し始める場所は、例えばパンケーキ
コィル１０１の超電導線１の一部分である。

しかし、時間と共にクェンチ部分は「同一パンケーキコ
ィル１０１の超電導線１の他の部分に伝播していくだけ
でなく、クェンチによる冷却媒体の蒸発によって、パン
ケーキコィル１０１に隣接するパンケーキコイル１００
と１０２にも急速に伝播していく。クェンチが隣接する
パンケーキコィルに伝播する速度は、同一パンケーキコ
ィルの超電導線をクェンチが伝播していく速度よりも遠
い。このような従来のパンケーキ形超電導コイル５・…
．川こおいてクェンチが発生したときの超電導コイル内
のェネルギ消費を計算してみる。

パンケーキ形超電導コイル５０の一つのパンケーキコイ
ルがクヱンチしたときの抵抗Ｒｃ（ｔ〕がＲｃ，（ｔ）
＝ｒｃｔ ・・…・・・・…・・・｛１１の
ようにリニアに増加すると仮定する。

ｒｃ（Ｑノｓ）は抵抗増加率といえよう。従釆のパンケ
ーキ形超電導コイル５０では各パンケーキコィルが同時
にクェンチを開始するとみなしても近似的に成立するか
ら、ｎ個のパンケーキコイルをもつパンケーキ形超電導
コイル５０の抵抗はＲｃ（ｔ）＝ｎｒｃｔ
…”””川””【２｝で表わされる。

ｔ＝０はクェンチが開始する時刻であり、クェンチと同
時に第２図のスイッチ８を開いた場合、超電導コイル５
に流れていた電流ｌｏは保護抵抗Ｒｐに流れると共に減
衰する。このときの回路方程式はＬ群十（ＲＣ＋ｍＣｔ
）ｉ＝。……（３｝（初期条件：ｔ＝０のときｉ＝ｌｏ
） で表わされ、超電導コイル５で消費されるェネルギはＷ
ｎ＝ｎｒＣｔノ髪げｄｔ‐‐‐…‐■ になる。

ここで、Ｌは超電導コイル５のィンダクタンスである。
ここで、前記（３｝式を解くと ｉ＝１０ｅｘｐ〔一（波ｐｔ＋ｎｒｃｔ２）／幻〕．・
・．・・（５）が得られるから、 Ｗｎ＝身，零−■地．ｅＸｐ〔Ｒ２Ｐ／ｎＬｒＣ〕．Ｅ
ＭＣ（船器で）・・側ｎｒｃになる。

ｋ＝Ｒ２ｃ／Ｌｒｃ ・・・・・・・・・・
・・・・・【７’とおくと、のｎ＝Ｗｎ／（享Ｌ１亭）
‐‐‐…‐‐‐‐‐…‐■なる超電導コイル中のェネ
ルギ消費率はｗｎ＝１一２ノｋ／ｎ．ｅ×ｐ〔ｋ／ｎ〕
・Ｅｒに（ノｋ／ｎ） …■で
ある。

ここで「ＥＭＣ（幻三ノ菱ｅ ｔ２ｄｔ …
……００は誤差関数を示す。

従来のパンケーキ形超電導コイル５０について具体的な
数値計算してみる。

例えば、ィンダクタンスＬ＝１０皿、超電導コイルの抵
抗増加率ｒ＝０．０１０／ｓ、保護抵抗Ｒｐ＝１０、パ
ンケーキコィル数ｎ＝４とすると、ｋ＝１、Ｅｈｃ（０
．５）＝０．４２４９であるから、ェネルギ消費率はの
４ ＝０．４５４４になる。このように、従来のパンケ
ーキ形超電導コイル５０では、上記のような条件におい
てはェネルギ消費率は４５％であるが、この値は小さい
ものではなく、さらに改善が望まれる。

それゆえに「この発明の主たる目的は、たとえばパンケ
ーキ形超電導コイルがクェンチしたときのェネルギ消費
をより小さくし得る超電導コイルを提供することである
。

この発明は、要約すれば、低温容器内の複数個の超電導
部分コイル間に仕切板を設けて各超電導部分コイルを空
間的に独立させ、さらに各超電導部分コイル間の接続部
分に良好な熱伝導特性を有するブロック部材を接触させ
、それによってある超電導部分コイルに発生したクェン
チが他の超電導部分に伝播せず、したがって冷却媒体の
消費を少なくした超電導コイルである。

この発明の上述の目的およびその他の目的と特徴は図面
を参照して行なう以下の詳細な説明から一層明らかとな
ろう。

第３図はこの発明の一実施例を示す一部被断斜視図であ
る。

構成において、隣接するパンケーキコイル（これを超電
導部分コイルとよぶことにする）１００，１０１，１０
２の間に仕切板１１を設け、各超電導部分コイルは各々
冷却媒体に関して独立な空間を形成している。この仕切
板１１を設けることによって、ある超電導部分コイル例
えば１０１がクヱンチして冷却媒体が蒸発した場合に、
隣接する超電導部分コイル１００と１０２にクェンチが
直ちに伝播することを防止することができる。このよう
に、この発明のパンケーキ形超電導コイル５１ではクェ
ンチを一部の超電導部分コイルにとどめることができる
が、この場合のェネルギ消費率を計算してみると次のよ
うになる。

クェンチする超電導部分コイルは一つであるのでｎ＝１
であり、他の条件は従来のパンケーキ形超電導コイル５
０と同じとすると、Ｅｈｃ｛１ー＝０．１３９４である
から、ェネルギ消費率はの，＝０．２４２１、すなわち
２４％に減少する。この発明における低温容器内の仕切
板１１は完全な気密性を有する必要はないが、０．５〜
ｌｋ９／ｃ瀞程度の表圧に対する気密性を有すると共に
この程度の差圧に耐える強度を有することが望ましい。

また勺仕切板１１の材質としては、絶縁物、ステンレス
鋼・銅など種類を問わないし、金属の表面を絶縁処理し
た複合体でも良い。しかし、交流磁界中に置かれている
超電導コイルにおいては〜絶縁物の仕切板を用いること
が望ましい。この発明における社切板１１が存在する故
に一つの超電導部分コイルがクェンチして冷却媒体が蒸
発しても、その超電導部分コイルのみにクヱンチがとど
まる効果は大きいが、必ずしもその効果は完全とはいえ
ない。なぜなら、クヱンチした超電導部分コイルの超電
導線に沿ってクェンチが伝播し「隣接する超電導部分コ
イルとの接続部分を通ってその隣接する超電導部分コイ
ルがクェンチすることがあり得る。第４図は従来のパン
ケーキコィル間の接続部分１３を示す図である。

超電導線１を２本を重ねて接触している部分をＰｂ−Ｓ
ｎ等のソルダで接続している。しかし、このような接続
部分１３をもつパンケーキ形超電導コイルでは、クェン
チの伝播が一つの超電導部分コイルから他の超電導部分
コイルに伝播するのを防ぐことは非常に困難である。第
５図は上記の欠点を除いた接続部分の一実施例である。

構成において、第４図の接続部分１３の両側に金属ブロ
ック１５（例えば銅）を接触させた構造をもつ接続部分
１４である。このように、接続部分に金属ブロック１５
を設けることによって、１つの超電導線に生じたクェン
チによる温度上昇を、・金属ブロック１５の熱容量が抑
制する効果が期待でき、他の超電導線にクェンチが伝播
しない。なお、金属ブロック１６と超電導線１との接触
は「 ソルダによる接続でもよいし、機械的締付けでも
よい。さらに、この接触部分１４は、必ずしも冷却媒体
に接している必要はないが、冷却媒体に接しているほう
が接続部分１４の温度上昇をより小さくする効果をもつ
。また、この実施例の接続部分１４は接続された超電導
線１の両側に金属ブロック１５を１個ずつ有しているが
、どちらか片側に１個の金属ブロック１５が設けられて
も良いし、超電導線１の間に金属ブロック１５を置いて
接続してもよい。このように、超電導部分コイル間に仕
切板１ １を設け、その上「金属ブロック１５をもつ超
電導部分コイル間接綾部分１４を設けたパンケーキ形超
電導コイルでは、１つの超電導部分コイルで生じたクェ
ンチを、完全にその超電導部分コイルのみに限定するこ
とができるので、クェンチ時に超電導コイルが消費する
ェネルを従来の超電導コイルよりもかなり小さくするこ
とができる。

なお、上記の説明においては、超電導コイルとしてパン
ケーキ形超電導コイルを例としてあげたが、この発明は
パンケーキ形超電導コイルに限られるものではない。

第６図はこの発明の他の実施例を示す断面図である。

超電導線１をターン間スベーサ３を介して巻回したソレ
ノィドコィル５２を低温容器７に収納した超電導コイル
であり、超電導部分コイルである１層ソレノィドコイル
５００〜５０３各々の間に仕切板１１を設けている。こ
の仕切板１１によって、超電導部分コイル、例えば１層
ソレノィドコィル５００がクェンチしても２つの仕切板
１１，１１の間にある冷却媒体が蒸発するだけである。
そのため、クェンチが他の超電導部分コイルに伝播する
速度を遅くすることができ、超電導コイルで消費するェ
ネルギを減少させ得る。また、各部分コイル間の接続部
分を、第５図に示す接続部分１４にすれば、ェネルギ消
費の減少になお一層の効果がある。

なお、第６図においては、コイル巻枠・層間スベーサの
図示を略している。

さらに、第３図と第６図のこの発明においては、部分コ
イルとしてパンケーキコィル１個および１層ソレノィド
コィルをそれぞれ採用しているが、パンケーキコィル複
数個および複数層ソレノイドコィルをそれぞれ部分コイ
ルとしてもよいことはもちろんである。以上詳述したよ
うに、この発明は、複数個の超電導部分コイル間に仕切
板を設けて、各超電導部分コイルを空間的に独立させ、
さらに各超電導部分コイル間の接続部分に金属ブロック
を接触させたため、ある超電導部分コイルに発生したク
ェンチが他の超電導部分コイルに伝播することを防止し
、超電導コイルにおけるェネルギ消費をより減少させる
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のパンケーキ形超電導コイルの一部破断図
である。 第２図は超電導コイル励磁保護装置の回路図である。第
３図はこの発明の一実施例であるパンケーキ形超電導コ
イルの一部破断図である。第４図は超電導コイルの従来
の接続部分を示す。第５図はこの発明の一実施例である
接続部分を示す。第６図はこの発明の他の実施例である
超電導ソレノィドコィルの断面図である。図において、
同一符号はそれぞれ同一または相当部分を示し、１００
〜１０２，５００〜５０３は超電導部分コイル、５１は
パンケーキ形超電導コイル、５２は超電導ソレノィドコ
ィル「 ７は低温容器、１１は仕切板、１４は接続部分
、１５は金属ブロックである。第５図 第６図 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷却媒体を入れた低温容器、 前記低温容器内に収納された複数の超電導部分コイル
   、 前記各超電導部分コイルを接続する接続部、 前記
   接続部に接触させられる良好な熱伝導特性を有するブロ
   ツク部材、および 前記各超電導部分コイル相互間に配
   設されて該各超電導部分コイルを空間的に独立させる仕
   切板を備える超電導コイル。 ２ 前記ブロツク部材は金属から成る特許請求の範囲第
   １項記載の超電導コイル。