JP2015106683A - 超電導コイル機器 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導コイルのクエンチを精度良く検出することが可能な超電導コイル機器を提供する。
【解決手段】超電導コイル機器１００は、コイル部１０を含む超電導コイル９１と、超電導コイル９１のクエンチを検出するクエンチ検出装置１１０とを備える。クエンチ検出装置１１０は、コイル部１０の中点から一方端までの区間にかかる電圧と、コイル部１０の中点から他方端までの区間にかかる電圧との電圧差を検出する電圧差検出部ＤＵと、コイル部１０の通電電流を検出する電流検出部１４と、電圧差検出部ＤＵの検出値に基づいて、超電導コイル９１の異常の有無を判定する判定動作を実行する異常判定部１１４とを含む。異常判定部１１４は、電流検出部１４の検出値が、零を中心とし、かつ、上限値および下限値の絶対値がコイル部の定格通電電流値よりも小さくなるように設定された所定の範囲を超えるときにのみ、判定動作を実行する。
【選択図】図４

Description

この発明は、超電導コイル機器に関し、特に、超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出装置を備えた超電導コイル機器に関する。

超電導コイルがクエンチした場合、できるだけ早く電源電流を遮断するとともに保護抵抗を介して超電導コイルに蓄積されたエネルギーを放出させる必要がある。このために、クエンチを早期に検出する必要がある。クエンチ検出方法として、電圧による検出方法、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が知られている（社団法人 低温工学協会編、「超伝導・低温工学ハンドブック」、第１版、ｐ．６０３−６０６（非特許文献１）を参照）。

上記のクエンチ検出方法の中で電圧による検出方法は、最も基本的な方法である。この方法は、コイル導体の一部が超電導から常伝導に転移したときに、常伝導に転移した部分の常伝導抵抗によって生じる電圧降下を検出するものである。通常、常伝導電圧の測定には、超電導コイルの中点タップと両端の端子とに接続されたブリッジ回路が用いられる。これにより自己誘導による誘導電圧を除去することができる。

社団法人 低温工学協会編、「超伝導・低温工学ハンドブック」、第１版、株式会社オーム社、平成５年１１月３０日、ｐ．６０３−６０６

しかしながら、上記の電圧による検出方法においては、電磁的ノイズの抑制に課題がある。超電導コイルは、それ自身がアンテナとして機能するので、外部から到来した電磁波を確実に拾う。さらに、電磁的ノイズによって発生する電圧が、超電導コイルの通電電流に応じて変動するため、クエンチの検出精度に大きく影響する。

たとえば、遮断電流によって誘起される磁場（残留磁場）を抑える等の目的のために、コイル部の内部に磁性体を設けた超電導コイルにおいては、通電電流に応じて電磁的ノイズが一時的に著しく増加することがある。このため、電磁的ノイズの影響を除去しきれず、常伝導電圧の測定がますます困難となっていた。

この発明は、こ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、超電導コイルのクエンチを精度良く検出することが可能な超電導コイル機器を提供することである。

この発明のある局面に従った超電導コイル機器は、超電導線材が巻回されることによって形成されたコイル部を含む超電導コイルと、超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出装置とを備える。クエンチ検出装置は、コイル部の中点から一方端までの区間にかかる電圧と、コイル部の中点から他方端までの区間にかかる電圧との電圧差を検出する電圧差検出部と、コイル部の通電電流を検出する電流検出部と、電圧差検出部の検出値に基づいて、超電導コイルの異常の有無を判定する判定動作を実行する異常判定部とを含む。異常判定部は、電流検出部の検出値が、零を中心とし、かつ、上限値および下限値の絶対値がコイル部の定格通電電流値よりも小さくなるように設定された所定の範囲を超えるときにのみ、判定動作を実行する。

この発明の他の局面に従った超電導コイル機器は、超電導線材が巻回されることによって形成されたコイル部を含む超電導コイルと、超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出装置とを備える。クエンチ検出装置は、コイル部の中点から一方端までの区間にかかる電圧と、コイル部の中点から他方端までの区間にかかる電圧との電圧差を検出する電圧差検出部と、コイル部の通電電流を検出する電流検出部と、電圧差検出部の検出値に基づいて、超電導コイルの異常の有無を判定する判定動作を実行する異常判定部とを含む。異常判定部は、電圧差検出部の検出値と閾値とを比較した結果に基づいて、超電導コイルの異常の有無を判定するための判定手段と、電流検出部の検出値が、零を中心とし、かつ、上限値および下限値の絶対値がコイル部の定格通電電流値よりも小さくなるように設定された所定の範囲を超えるときには、閾値の絶対値を第１の値とする一方で、電流検出部の検出値が、当該所定の範囲内にあるときには、閾値の絶対値を第１の値よりも大きい第２の値に変更するための変更手段とを含む。

この発明によれば、超電導コイルのクエンチを精度良く検出することができる。

この発明の実施の形態１における超電導コイル機器の構成を概略的に示す断面図である。 図１の一部拡大図であり、図３の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。 図２の概略平面図である。 超電導コイルのクエンチ検出装置の構成を示すブロック図である。 電流源からコイル部へ出力される電流Ｉに応じて、コイル部に生じる電圧ＶＣＬの時間変化を示す図である。 超電導線材に流れる電流Ｉと電圧Ｖとの関係を示す図である。 コイル部の通電電流Ｉおよびバランス電圧Ｖｂの時間変化を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るクエンチ検出装置によるクエンチ検出動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係るクエンチ検出装置によるクエンチ検出動作を説明するフローチャートである。 コイル部の通電電流Ｉおよび閾値Ｖｔｈ＿Ｕ，Ｖｔｈ＿Ｌの時間波形を示す図である。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に、本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。

（１） この発明に従った超電導コイル機器は、超電導線材が巻回されることによって形成されたコイル部を含む超電導コイルと、超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出装置とを備える。クエンチ検出装置は、コイル部の中点から一方端までの区間にかかる電圧と、コイル部の中点から他方端までの区間にかかる電圧との電圧差を検出する電圧差検出部と、コイル部の通電電流を検出する電流検出部と、電圧差検出部の検出値に基づいて、超電導コイルの異常の有無を判定する判定動作を実行する異常判定部とを含む。異常判定部は、電流検出部の検出値が、零を中心とし、かつ、上限値および下限値の絶対値がコイル部の定格通電電流値よりも小さくなるように設定された所定の範囲を超えるときにのみ、判定動作を実行する。

この構成によれば、コイル部の通電電流が、零を中心とし、かつ、上限値および下限値の絶対値がコイル部の定格通電電流値よりも小さくなるように設定された所定の範囲内にあるときには、超電導コイルの異常の有無を判定する判定動作が不実行とされる。通電電流が上記所定の範囲内にあるときには、ノイズ電圧が著しく増加する一方で、超電導コイルがクエンチに至る可能性は皆無に等しい。したがって、上記所定の範囲内に限って判定動作を不実行とすることで、ノイズ電圧の影響による誤判定を防止しつつ、クエンチを精度良く検出することができる。

（２） この発明に従った超電導コイル機器は、超電導線材が巻回されることによって形成されたコイル部を含む超電導コイルと、超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出装置とを備える。クエンチ検出装置は、コイル部の中点から一方端までの区間にかかる電圧と、コイル部の中点から他方端までの区間にかかる電圧との電圧差を検出する電圧差検出部と、コイル部の通電電流を検出する電流検出部と、電圧差検出部の検出値に基づいて、超電導コイルの異常の有無を判定する判定動作を実行する異常判定部とを含む。異常判定部は、電圧差検出部の検出値と閾値とを比較した結果に基づいて、超電導コイルの異常の有無を判定するための判定手段と、電流検出部の検出値が、零を中心とし、かつ、上限値および下限値の絶対値がコイル部の定格通電電流値よりも小さくなるように設定された所定の範囲を超えるときには、閾値の絶対値を第１の値とする一方で、電流検出部の検出値が、当該所定の範囲内にあるときには、閾値の絶対値を第１の値よりも大きい第２の値に変更するための変更手段とを含む。

この構成によれば、コイル部の通電電流が、零を中心とし、かつ、上限値および下限値の絶対値がコイル部の定格通電電流値よりも小さくなるように設定された所定の範囲内にあるときには、超電導コイルの異常の有無の判定動作に用いる閾値を、ノイズ電圧よりも大きい値に増加させる。通電電流が上記所定の範囲内にあるときには、ノイズ電圧が著しく増加する一方で、超電導コイルがクエンチに至る可能性は皆無に等しい。したがって、上記所定の範囲内に限って判定動作を無効とすることで、ノイズ電圧の影響による誤判定を防止しつつ、クエンチを精度良く検出することができる。

（３） 上記超電導コイル機器において、変更手段は、コイル部の励磁速度が高くなるに従って、第２の値を増加させる。

通電電流が所定の範囲内にあるときに発生するノイズ電圧は、コイル部の励磁速度、すなわち通電電流の変化速度が高くなるほど大きくなる。そのため、励磁速度が高くなるに従って、閾値の絶対値を増加させることにより、コイル部の励磁速度に拘わらず、誤判定を確実に防止することができる。

（４） 上記超電導コイル機器において、所定の範囲は、上限値および下限値の絶対値がコイル部の定格通電電流値の２０％以下となるように設定される。

このようにすれば、通電電流が定格通電電流値に比べて十分に小さいときに判定動作が不実行となるため、ノイズの影響による誤判定を防止しつつ、クエンチを確実に検出することができる。

（５） 上記超電導コイル機器は、異常判定部が超電導コイルの異常と判定したことに応答してオフ状態にされることにより、コイル部への電流供給を遮断するスイッチと、コイル部への電流供給を遮断した後、コイル部に蓄積されたエネルギーを放出させるための抵抗とをさらに備える。

このようにすれば、クエンチ検出装置が超電導コイルのクエンチを精度良く検出することで、超電導コイルを発熱から確実に保護することができる。

（６） 上記超電導コイル機器において、超電導コイルは、コイル部の中および外の少なくとも一方に配置された磁性体をさらに含む。

コイル部に磁性体を配置した超電導コイルにおいては、通電電流が上記所定の範囲内にあるときにノイズ電圧が著しく増加するところ、この発明によれば、ノイズ電圧の影響による誤判定を防止しつつ、クエンチを精度良く検出することができる。

[本願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符号を付し、その説明については繰り返さない。

（実施の形態１）
［超電導コイル機器の構成］
図１は、この発明の実施の形態１における超電導コイル機器の構成を概略的に示す断面図である。図２は、図１の一部拡大図であり、図３の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。図３は、図２の概略平面図である。

図１を参照して、本実施の形態に係る超電導コイル機器１００は、超電導コイル９１と、断熱容器１１１と、冷却装置１２１と、ホース１２２と、コンプレッサ１２３と、ケーブル１３１と、電源１３２とを備える。断熱容器１１１は超電導コイル９１を収めている。本実施の形態においては、磁場が印加される試料（図示せず）を収めるための磁場印加領域ＳＣが、断熱容器１１１を貫くように断熱容器１１１に設けられている。冷却装置１２１は冷却ヘッド２０を含む。

図２および図３を参照して、超電導コイル９１は、コイル部１０と、パイプ部８１（磁性体）と、取付部７１とを含む。

コイル部１０は、ダブルパンケーキコイル１１および伝熱板３１を含む。ダブルパンケーキコイル１１は、コイル部１０の軸方向Ａａに沿って積層されている。径方向Ａｒは軸方向Ａａに垂直な方向に対応している。ダブルパンケーキコイル１１は、互いに積層された２つのパンケーキコイル（図示せず）を有する。２つのパンケーキコイルの各々は、帯状の形状を有する酸化物超電導線が巻き回されることによって形成されている。たとえば、酸化物超電導線は、その延在方向に延びるＢｉ系超電導体と、この超伝導体を被覆するシースとを有する。シースは、たとえば銀や銀合金により形成されている。酸化物超電導線は、帯状面に垂直な磁場が印加されるほど交流損失が増大するような特性を有する。

冷却装置１２１の冷却ヘッド２０は、ダブルパンケーキコイル１１を冷却することができるように、伝熱板３１によってダブルパンケーキコイル１１に繋がっている。伝熱板３１の材料は、非磁性体であり、具体的には１００未満の最大透磁率を有するものである。また伝熱板３１の材料は、熱伝導率および可撓性が大きい材料であることが好ましい。伝熱板３１の材料は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）である。ＡｌまたはＣｕの純度は９９．９％以上が好ましい。冷却されたダブルパンケーキコイル１１に超電導電流が流れることで磁束ＭＦが発生する。

パイプ部８１は、コイル部１０の軸方向Ａａに沿った貫通孔ＨＬを有する。好ましくは、パイプ部８１は、１ｍｍ以上の肉厚を有するパイプを含む。パイプ部８１はコイル部１０の中に配置されている。好ましくは、パイプ部８１は、パイプ部８１の中心がコイル部１０の中心ＣＰと一致するように配置されている。

パイプ部８１は、磁性体から形成されており、具体的には１００以上の最大透磁率を有する。パイプ部８１をなす磁性体は、たとえば、鉄、電磁軟鉄、電磁鋼、パーマロイ合金、またはアモルファス磁性合金である。なお、鉄の最大透磁率は一般に５０００程度である。

軸方向Ａａにおけるパイプ部８１の長さは、酸化物超電導線の帯状面の幅（図２における各ダブルパンケーキコイル１１の高さの半分）以上である。好ましくは、軸方向Ａａにおけるパイプ部８１の長さは、各ダブルパンケーキコイル１１の高さ以上である。軸方向Ａａにおけるパイプ部８１の長さは、軸方向Ａａにおけるコイル部１０の長さの半分以上であってもよい。より好ましくは、軸方向Ａａにおけるパイプ部８１の長さは、軸方向Ａａにおけるパイプ部８１の長さは、軸方向Ａａにおけるコイル部１０の長さよりも大きい。

パイプ部８１は取付部７１によってコイル部１０に取り付けられている。本実施の形態においては、パイプ部８１のうちコイル部１０から突出した部分が取付部７１によってコイル部１０に固定されている。好ましくは、取付部７１の材料は非磁性体であり、具体的には１００未満の最大透磁率を有するものである。

ここで、超電導コイル９１においては、磁場の発生を停止させることを意図してコイル部１０への電流印加を停止しても、遮断電流の影響によってコイル部１０は残留磁場を有する。本実施の形態では、パイプ部８１が設けられることで、コイル部１０への電流印加が停止された状態における磁場の大きさ、すなわち残留磁場を抑えることができる。好ましくは、磁性体は１００以上の最大透磁率を有する。これによりパイプ部８１は、残留磁場の抑制に必要な磁気的特性をより十分に有する。

［クエンチ検出装置の構成］
図４は、超電導コイル９１のクエンチ検出装置の構成を示すブロック図である。以下、図４を用いてクエンチ検出方法の基本原理を説明する。

図４を参照して、超電導コイル機器１００は、超電導コイル９１と、超電導コイル９１に電流Ｉを供給する励磁電源５と、クエンチ検出装置１１０と、電流Ｉを検出する電流検出部１４とを備える。

励磁電源５は、電流源１２と、スイッチＳＷと、抵抗体ＲＰとを含む。電流源１２は、超電導コイル９１のコイル部１０（図２）に電流Ｉを供給する。スイッチＳＷは、電流源１２と超電導コイル９１との間に接続される。スイッチＳＷは、クエンチ検出装置１１０から与えられる、クエンチ検出を示す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９１への電流供給が遮断される。

抵抗体ＲＰは、電流源１２に対して並列に接続される。抵抗体ＲＰは、超電導コイル９１への電流供給が遮断された後、コイル部１０に蓄積されたエネルギーを放出させるための保護抵抗として機能する。すなわち、スイッチＳＷおよび抵抗体ＲＰは、クエンチが生じたときに超電導コイル９１を保護するための保護回路を構成する。

クエンチ検出装置１１０は、端子ＭＴ，ＥＴＡ，ＥＴＢと、電圧差検出部ＤＵと、電流検出部１４と、異常判定部１１４とを含む。端子ＭＴはコイル部１０の中点ＭＰに接続される。端子ＥＴＡ，ＥＴＢは、コイル部１０の両端ＥＰＡ，ＥＰＢにそれぞれ接続される。コイル部１０のコイル導体のうち、中点ＭＰから端子ＥＰＡまでを区間ＳＧＡ、中点ＭＰから端子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。

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。

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ＰＭ（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，Ｔ２間の抵抗値と、端子Ｔ１，Ｔ３間の抵抗値とが変化する。

可変抵抗器ＰＭは、可動端子Ｔ１と固定端子Ｔ２との間に接続された抵抗体ＲＣと、可動端子Ｔ１と固定端子Ｔ３との間に接続された抵抗体ＲＤとが直列に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、抵抗体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、抵抗体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。

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。これにより、区間ＳＧＡ，ＳＧＢのいずれか一方でクエンチが発生したとき、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。

異常判定部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、励磁電源５内部の保護回路（スイッチＳＷ）に異常信号を出力する。異常信号を受けてスイッチＳＷがオフ状態に駆動されることにより、コイル部１０への電流供給が遮断される。保護回路は、抵抗体ＲＰを介してコイル部１０に蓄積されたエネルギーを放出させる。

異常判定部１１４は、たとえばマイクロコンピュータによって構成することができる。マイクロコンピュータに設けられた中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）は、Ａ／Ｄ（Analog-to-Digital）変換器を介して取り込んだ電圧計１１２の検出値Ｖｂに基づいて異常の有無を判定する。なお、電流源１２の出力電流や可変抵抗器ＰＭの抵抗値などもＣＰＵからの指令によって調整できるようにしてもよい。

図５は、図４の電流源１２から出力される電流Ｉに応じて、コイル部１０に生じる電圧ＶＣＬの時間変化を示す図である。

図４、図５を参照して、電流源１２から出力される電流Ｉは、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間、一定の割合で増加し、時刻ｔ１以降、定常値Ｉ１になる。この電流値の変換に伴なって、コイル部１０に生じる電圧ＶＣＬが変化する。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間における電圧Ｖ１は、自己誘導によって生じる誘起電圧、交流損失によって生じる電圧、常伝導転移した部分によって生じる電圧、およびノイズ電圧の和になる。ここで、コイル部１０のインダクタンスをＬとすると、自己誘導によって生じる誘導電圧Ｖｉｎｄは、
Ｖｉｎｄ＝Ｌ×ｄＩ／ｄｔ ・・・（１）
で表される。ノイズ電圧は、外来の電磁波や、電流源１２の出力電流のリップルなどに起因する。時刻ｔ１以降の電圧Ｖｂは、電流Ｉが一定になるため、常伝導転移した部分の電圧およびノイズ電圧などの和によって表わされる。

電流Ｉが変化する時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間帯におけるクエンチ検出が特に重要となる。この時間帯において常伝導部分の電圧を測定するためには、自己誘導による誘起電圧を取り除く必要がある。たとえば、コイル部１０のインダクタンスを１０［Ｈ］とし、励磁速度を３．２［Ａ／秒］とすると、コイル部１０には自己誘導によって３２［Ｖ］の誘起電圧が発生する。クエンチか否かを判断する基準となる常伝導電圧は数ｍＶ程度であるため、自己誘導によって生じる誘起電圧に比べて極めて小さい。コイル部１０に生じた電圧ＶＣＬから自己誘導によって生じる誘起電圧を取り除くため、図４に示したブリッジ回路が利用される。可変抵抗器ＰＭの可動端子Ｔ１は、区間ＳＧＡ，ＳＧＢの各々において生じる誘起電圧が打ち消されるように調整される。

図６は、超電導線材に流れる電流Ｉと電圧Ｖとの関係を示す図である。図６を参照して、超電導線材に電流Ｉが流れる場合、超電導線材の一部の常伝導転移した部分に電圧Ｖが発生し、これによって超電導線材に発熱が生じる。この発熱が冷却能力を超えた場合、超電導部分の多くが常伝導化してクエンチに至る。したがって、冷却能力を超える直前の値、たとえば数ｍＶに閾値Ｖｔｈを設定し、常伝導部分に生じた電圧が閾値Ｖｔｈを超えたときに異常と判定される。

この常伝導部分の電圧を測定する際に問題となるのがノイズである。特に、超電導コイル９１において、磁性体から形成されるパイプ部８１をコイル部１０に取り付けた場合、電磁的作用により、コイル部１０を流れる電流Ｉの電流値が０Ａ近傍となるときにノイズ電圧が著しく増加する。なお、このようなノイズ電圧の増加は、図２に示したように、コイル部１０の中に残留磁場抑制部としての磁性体を配置した構成以外に、コイル部１０の外部（たとえばコイル部１０までの距離が４ｍ以下の範囲内）に磁性体を配置した構成においても起こる可能性がある。

図７は、コイル部１０の通電電流Ｉおよびバランス電圧Ｖｂの時間変化を示す図である。なお、コイル部１０は、外径を６００ｍｍとし、内径を３００ｍｍとするダブルパンケーキコイル１１（図２）を１０，０００ターン（高さ５００ｍｍ）積層した構成を有している。

図７を参照して、電流源１２から出力される電流Ｉは、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間、０Ａから一定の割合で増加し、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、一定値（たとえば２５０Ａ）となる。そして、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、通電電流Ｉは一定の割合で減少し、時刻ｔ３以降、０Ａとなる。その後、通電電流Ｉは、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間、０Ａから一定の割合で減少し、時刻ｔ５以降、一定値（たとえば−２５０Ａ）となる。このようにして、通電電流Ｉは、一定時間間隔（本実施の形態では約１１分）で正の電流値と負の電流値とが交互に切り替わる。

電圧計１１２により検出されるバランス電圧Ｖｂは、クエンチが発生していない正常時において、理想的に０Ｖを示す。しかしながら、コイル部１０が外部から到来したノイズや励磁電源５が発生したノイズを拾うことにより、バランス電圧Ｖｂにはノイズ電圧が重畳する。

特に、通電電流Ｉが０Ａから正の電流値に変化するタイミング（時刻ｔ０）の前後、および通電電流Ｉが正の電流値から０Ａに変化するタイミング（時刻ｔ３）の前後において、ノイズ電圧が著しく増加する。同様に、通電電流Ｉが０Ａから負の電流値に変化するタイミング（時刻ｔ４）の前後、および通電電流Ｉが負の電流値から０Ａに変化するタイミング（図示せず）の前後においても、ノイズ電圧が著しく増加する。

異常判定部１１４は、クエンチを検出するための上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌを有しており、電圧計１１２により検出されるバランス電圧Ｖｂと上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌとの比較結果に基づいて異常の有無を判定する。上述したように、クエンチか否かを判断する基準となる常伝導電圧は数ｍＶ程度であるため、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌは常伝導電圧よりも低い電圧に設定される。本実施の形態では、たとえばＶｔｈ＿ＵおよびＶｔｈ＿Ｌを＋５０ｍＶ，−５０ｍＶにそれぞれ設定する。

一方、図７に示すように、通電電流Ｉが０Ａ近傍となるとき、バランス電圧Ｖｂには数百ｍＶに至る大きなノイズ電圧が発生する。このため、異常判定部１１４は、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕを超える（または下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌを下回る）ノイズ電圧を検出して誤って異常と判定してしまう。このようにノイズの影響を受けてクエンチの検出精度が低下する。

上述したノイズの影響を抑制するためには、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌの絶対値を、ノイズ電圧の絶対値よりも大きくすることが要求される。しかしながら、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌの絶対値を数百ｍＶ（本実施の形態では３００ｍＶ程度）にまで増加させると、もはや数ｍＶ程度の常伝導電圧を検出することが困難になる。

［クエンチ検出装置によるクエンチ検出動作］
本実施の形態では、以下に示すように、コイル部１０の通電電流Ｉが０Ａ近傍となるときには異常判定部１１４がバランス電圧Ｖｂに基づく判定動作を行なわないものとする。

具体的には、異常判定部１１４は、電流検出部１４により検出される通電電流Ｉが０Ａを中心とする所定の範囲を超えるときにのみ判定動作を実行する。この所定の範囲は、上限値ＩＵおよび下限値ＩＬの絶対値が、コイル部１０の定格通電電流値よりも十分に小さくなるように設定する。超電導コイル９１は、コイル部１０に定格通電電流値に近い電流が流れたときにクエンチが発生する可能性が高くなる。その一方で、図６に示したように、通電電流Ｉが０Ａ近傍となるときに超電導線材の一部の常伝導転移した部分に発生する電圧Ｖは閾値電圧Ｖｔｈに比べて小さいため、超電導線材がクエンチに至る可能性は皆無に等しい。したがって、電流Ｉが０Ａ近傍となるときに判定動作を不実行としても、クエンチ検出には何ら問題がない。そこで、本実施の形態では、通電電流Ｉが定格通電電流値に比べて十分に小さいときに判定動作を不実行とすることで、ノイズの影響による誤判定を防止しつつ、クエンチを確実に検出する。

たとえば、所定の範囲は、上限値ＩＵおよび下限値ＩＬの絶対値がコイル部１０の定格通電電流値の２０％以下となるように設定する。本実施の形態では、コイル部１０の定格通電電流値を２５０Ａとしたときに、上限値ＩＵおよび下限値ＩＬを＋３０Ａ，−３０Ａにそれぞれ設定する。なお、上限値ＩＵおよび下限値ＩＬの絶対値を定格通電電流値の何％とするかは、コイル部１０を形成する超電導線材の特性（たとえば図６の電流Ｉおよび電圧Ｖの関係）などに応じて設定することができる。

図８は、この発明の実施の形態１に係るクエンチ検出装置によるクエンチ検出動作を説明するフローチャートである。なお、図８に示すフローチャートは、異常判定部１１４において予め格納したプログラムを実行することで実現できる。

図８を参照して、まず、異常判定部１１４は、電流検出部１４により検出される通電電流Ｉ、および電圧計１１２により検出されるバランス電圧Ｖｂを取得する（ステップＳ０１）。

次に、異常判定部１１４は、バランス電圧Ｖｂに基づく判定動作の実行／不実行を判断するために、通電電流Ｉが所定の範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ０２）。通電電流Ｉが所定の範囲の上限値ＩＵより大きいとき、または通電電流Ｉが所定の範囲の下限値ＩＬより小さいとき（ステップＳ０２においてＹＥＳ）、すなわち通電電流Ｉが所定の範囲内にないとき、異常判定部１１４は、バランス電圧Ｖｂに基づく判定動作を実行する。

具体的には、異常判定部１１４は、バランス電圧Ｖｂと上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌとを比較する（ステップＳ０３）。バランス電圧Ｖｂが上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕを超えるとき、またはバランス電圧Ｖｂが下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌを下回るときには（ステップＳ０３においてＹＥＳ）、異常判定部１１４は内蔵する異常判定用タイマをカウントアップする（ステップＳ０４）。一方、バランス電圧Ｖｂが上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕ以下となるとき、またはバランス電圧Ｖｂが下限閾値Ｖｔｈ以上となるときには（ステップＳ０３においてＮＯ）、異常判定部１１４は、タイマのカウント値をリセットする（ステップＳ０８）。

次に、異常判定部１１４は、タイマのカウント値が予め設定された基準値Ｔｒｅｆに達したか否かを判定する（ステップＳ０５）。カウント値が基準値Ｔｒｅｆに達したとき（ステップＳ０５においてＹＥＳ）、異常判定部１１４は超電導コイル９１が異常と判定する（ステップＳ０６）。異常判定部１１４は異常信号を生成して保護回路のスイッチＳＷへ出力する。スイッチＳＷが異常信号に応答してオフ状態に駆動されることにより、超電導コイル９１への電流供給が遮断される（ステップＳ０７）。この後、保護回路は抵抗体ＲＰを介して超電導コイル９１に蓄積されたエネルギーを放出させる。

一方、カウント値が基準値Ｔｒｅｆに満たないときには（ステップＳ０５においてＮＯ）、異常判定部１１４は超電導コイル９１が正常と判定し（ステップＳ０９）、処理は最初に戻される。このようにして異常判定部１１４は、バランス電圧Ｖｂが上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕを超える状態、またはバランス電圧Ｖｂが下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌを下回る状態が一定時間継続したことを検出して超電導コイル９１の異常と判定する。これにより、断続的に発生するノイズ電圧を誤って超電導コイル９１の異常と判定するのを防止することができる。

これに対して、ステップＳ０２に戻って、通電電流Ｉが上限値ＩＵ以下となるとき、または通電電流Ｉが下限値ＩＬ以上となるとき（ステップＳ０２においてＮＯ）、すなわち通電電流Ｉが所定の範囲内にあるときには、異常判定部１１４は、ステップＳ０３〜Ｓ０９に示したバランス電圧Ｖｂに基づく判定動作を不実行とする。異常判定部１１４が判定動作を停止することにより（ステップＳ１０）、処理が最初に戻される。

この発明の実施の形態１によれば、コイル部の通電電流が、零を中心とし、かつ、上限値および下限値の絶対値がコイル部の定格通電電流値よりも小さくなるように設定された所定の範囲を超えるときにのみ、超電導コイルの異常の有無を判定する判定動作を実行する。すなわち、通電電流が上記所定の範囲内にあるときには、判定動作を不実行とする。

通電電流が上記所定の範囲内にあるときには、ノイズ電圧が著しく増加する一方で、超電導コイルがクエンチに至る可能性は皆無に等しい。したがって、上記所定の範囲内に限って判定動作を不実行とすることで、ノイズ電圧の影響による誤判定を防止しつつ、クエンチを精度良く検出することができる。

（実施の形態２）
上記の実施の形態１では、コイル部１０の通電電流Ｉが０Ａ近傍となるときには異常判定部１１４がバランス電圧Ｖｂに基づく判定動作を行なわない構成について説明したが、異常判定部１１４が判定動作に用いる閾値を変更することで、実質的に誤判定を防止するようにしてもよい。この発明の実施の形態２では、閾値を変更することで、実質的に誤判定を防止する構成について説明する。なお、この発明の実施の形態２に係る磁気コイル機器およびクエンチ検出装置の構成は、図１から図４と同様であるので詳細な説明は繰り返さない。

図９は、この発明の実施の形態２に係るクエンチ検出装置によるクエンチ検出動作を説明するフローチャートである。図９に示すフローチャートは、図８に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１０に代えてステップＳ０２１，Ｓ０２２を設けたものである。

図９を参照して、まず、異常判定部１１４は、電流検出部１４により検出される通電電流Ｉ、および電圧計１１２により検出されるバランス電圧Ｖｂを取得する（ステップＳ０１）。

次に、異常判定部１１４は、バランス電圧Ｖｂに基づく判定動作を判断するために、通電電流Ｉが所定の範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ０２）。通電電流Ｉが所定の範囲の上限値ＩＵより大きいとき、または通電電流Ｉが所定の範囲の下限値ＩＬより小さいとき（ステップＳ０２においてＹＥＳ）、すなわち通電電流Ｉが所定の範囲を超えるとき、異常判定部１１４は、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌの絶対値を通常値に設定する（ステップＳ０２１）。この通常値は、図６に示す超電導線材に流れる電流Ｉと電圧Ｖとの関係を参照して、超電導線材の発熱が冷却能力を超える直前の値に設定される。たとえば図７の場合、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌを＋５０ｍＶ、−５０ｍＶにそれぞれ設定する。

これに対して、通電電流Ｉが所定の範囲の上限値ＩＵ以下となるとき、または通電電流Ｉが所定の範囲の下限値ＩＬ以上となるとき（ステップＳ０２においてＮＯ）、すなわち通電電流Ｉが所定の範囲内にあるとき、異常判定部１１４は、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｈおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｕの絶対値を上述した通常値の絶対値よりも大きい値に変更する（ステップＳ０２２）。たとえば図７の場合、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｈおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌを＋３００ｍＶ、−３００ｍＶにそれぞれ設定する。

次に、異常判定部１１４は、ステップＳ０２１，Ｓ０２２によって設定された上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌを用いて、バランス電圧Ｖｂに基づく判定動作を実行する（ステップＳ０３〜Ｓ０９）。

このように通電電流Ｉが所定の範囲内にあるときには、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｈおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌの絶対値を増加させる。このときの上限閾値Ｖｔｈ＿Ｈおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌの絶対値を、ノイズ電圧の絶対値よりも大きい値に設定することで、バランス電圧Ｖｂと上限閾値Ｖｔｈ＿Ｈおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌとの比較動作（ステップＳ０３）では、常にバランス電圧Ｖｂが上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕ以下、またはバランス電圧Ｖｂが下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌ以上と判定されることになる（ステップＳ０３においてＮＯ）。この結果、通電電流Ｉが所定の範囲内にあるとき、異常判定部１１４は常に超電導コイル９１が正常と判定するため（ステップＳ０９）、実質的に誤判定を防止することができる。

なお、ステップＳ０２２に示す処理については、コイル部１０の励磁速度に応じて閾値Ｖｔｈ＿Ｕ，Ｖｔｈ＿Ｌを変化させる構成としてもよい。図１０は、コイル部１０の通電電流Ｉおよび閾値Ｖｔｈ＿Ｕ，Ｖｔｈ＿Ｌの時間波形を示す図である。

図１０を参照して、実線はコイル部１０の励磁速度が相対的に遅いときの通電電流Ｉおよび閾値Ｖｔｈ＿Ｕ，Ｖｔｈ＿Ｌの時間波形を示す。点線はコイル部１０の励磁速度が相対的に速いときの通電電流Ｉおよび閾値Ｖｔｈ＿Ｈ，Ｖｔｈ＿Ｌの時間波形を示す。

励磁速度が相対的に遅い場合、通電電流Ｉが所定の範囲内にあるときには（時刻ｔ１２以前の時間、時刻ｔ１３からｔ１６までの時間、時刻ｔ１７以降の時間）、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌの絶対値を、通電電流Ｉが所定の範囲内にないとき（時刻ｔ１２からｔ１３までの時間、時刻ｔ１６からｔ１７までの時間）の上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌの絶対値よりも大きい第１の値に設定する。

これに対して、励磁速度が相対的に遅い場合には、通電電流Ｉが所定の範囲内にあるときには（時刻ｔ１１以前の時間、時刻ｔ１４からｔ１５までの時間、時刻ｔ１８以降の時間）、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌの絶対値を、通電電流Ｉが所定の範囲内にないとき（時刻ｔ１１からｔ１４までの時間、時刻ｔ１５からｔ１８までの時間）の上限閾値Ｖｔｈ＿Ｕおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌの絶対値よりも大きく、かつ、上記第１の値よりも大きい第２の値に設定する。

通電電流Ｉが所定の範囲内にあるときに発生するノイズ電圧は、コイル部１０の励磁速度、すなわち通電電流Ｉの変化速度が高くなるほど大きくなる。そのため、励磁速度が高くなるに従って、上限閾値Ｖｔｈ＿Ｈおよび下限閾値Ｖｔｈ＿Ｌの絶対値を増加させることにより、コイル部１０の励磁速度に拘わらず、誤判定を確実に防止することができる。

この発明の実施の形態２によれば、コイル部の通電電流が、零を中心とし、かつ、上限値および下限値の絶対値がコイル部の定格通電電流値よりも小さくなるように設定された所定の範囲内にあるときには、超電導コイルの異常の有無の判定動作に用いる閾値を、ノイズ電圧よりも大きい値に増加させる。通電電流が上記所定の範囲内にあるときには、ノイズ電圧が著しく増加する一方で、超電導コイルがクエンチに至る可能性は皆無に等しい。したがって、上記所定の範囲内に限って判定動作を無効とすることで、ノイズ電圧の影響による誤判定を防止しつつ、クエンチを精度良く検出することができる。

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説明ではなくて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。

この発明は、超電導線材が巻回されて形成されたコイル部および該コイル部に配置された磁性体を有する超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出装置を備えた超電導コイル機器に特に有利に適用される。

５ 励磁電源
１０ コイル部
１１ ダブルパンケーキコイル
１２ 電流源
１４ 電流検出部
２０ 冷却ヘッド
３１ 伝熱板
７１ 取付部
８１ パイプ部
９１ 超電導コイル
１００ 超電導コイル機器
１１０ クエンチ検出装置
１１１ 断熱容器
１１２ 電圧計
１１４ 異常判定部
１２１ 冷却装置
１２２ ホース
１２３ コンプレッサ
１３１ ケーブル
１３２ 電源
ＰＭ 可変抵抗器
ＤＵ 電圧差検出部
ＲＣ，ＲＤ，ＲＰ 抵抗体

Claims (6)

1. 超電導線材が巻回されることによって形成されたコイル部を含む超電導コイルと、
   前記超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出装置とを備え、
   前記クエンチ検出装置は、
   前記コイル部の中点から一方端までの区間にかかる電圧と、前記コイル部の中点から他方端までの区間にかかる電圧との電圧差を検出する電圧差検出部と、
   前記コイル部の通電電流を検出する電流検出部と、
   前記電圧差検出部の検出値に基づいて、前記超電導コイルの異常の有無を判定する判定動作を実行する異常判定部とを含み、
   前記異常判定部は、前記電流検出部の検出値が、零を中心とし、かつ、上限値および下限値の絶対値が前記コイル部の定格通電電流値よりも小さくなるように設定された所定の範囲を超えるときにのみ、前記判定動作を実行する、超電導コイル機器。
2. 超電導線材が巻回されることによって形成されたコイル部を含む超電導コイルと、
   前記超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出装置とを備え、
   前記クエンチ検出装置は、
   前記コイル部の中点から一方端までの区間にかかる電圧と、前記コイル部の中点から他方端までの区間にかかる電圧との電圧差を検出する電圧差検出部と、
   前記コイル部の通電電流を検出する電流検出部と、
   前記電圧差検出部の検出値に基づいて、前記超電導コイルの異常の有無を判定する判定動作を実行する異常判定部とを含み、
   前記異常判定部は、
   前記電圧差検出部の検出値と閾値とを比較した結果に基づいて、前記超電導コイルの異常の有無を判定するための判定手段と、
   前記電流検出部の検出値が、零を中心とし、かつ、上限値および下限値の絶対値が前記コイル部の定格通電電流値よりも小さくなるように設定された所定の範囲を超えるときには、前記閾値の絶対値を第１の値とする一方で、前記電流検出部の検出値が、前記所定の範囲内にあるときには、前記閾値の絶対値を前記第１の値よりも大きい第２の値に変更するための変更手段とを含む、超電導コイル機器。
3. 前記変更手段は、前記コイル部の励磁速度が高くなるに従って、前記第２の値を増加させる、請求項２に記載の超電導コイル機器。
4. 前記所定の範囲は、前記上限値および前記下限値の絶対値が前記コイル部の定格通電電流値の２０％以下となるように設定される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイル機器。
5. 前記異常判定部が前記超電導コイルの異常と判定したことに応答してオフ状態にされることにより、前記コイル部への電流供給を遮断するスイッチと、
   前記コイル部への電流供給を遮断した後、前記コイル部に蓄積されたエネルギーを放出させるための抵抗とをさらに備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導コイル機器。
6. 前記超電導コイルは、前記コイル部の中および外の少なくとも一方に配置された磁性体をさらに含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導コイル機器。

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