JP4933034B2

JP4933034B2 - 超伝導コイルの保護装置、ｎｍｒ装置及びｍｒｉ装置

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Publication number: JP4933034B2
Application number: JP2004171978A
Authority: JP
Inventors: 一浩竹内; 英雄塚本; 毅和久田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2024-06-10
Also published as: JP2005353777A

Description

本発明は、複数の超伝導コイルを備えた超伝導コイルの保護装置に係り、特にクエンチ時のコイル損傷を回避できる超伝導コイルの保護装置に関する。

超伝導コイルは、電気抵抗がないことから大電流の定常保持に適し、時間変動の極めて少ない強磁場発生が可能であることから、その特性を生かしてＮＭＲ（核磁気共鳴）や
ＭＲＩ（磁気共鳴断層撮像）を構成する電磁石として実用化されている。

超伝導状態は、電流密度，磁場，温度の３条件で規定される制限を超えない範囲においてのみ実現できる。産業分野で実用化されているＮｂＴｉやＮｂ₃Ｓｎなどの超伝導線材は、超伝導状態を実現するために絶対温度４Ｋ程度の極低温にまで冷却する必要がある。このような極低温では、物質の比熱はきわめて小さく、微小な発熱により局所的に温度が上昇し、超伝導状態が壊れることがある。すると電気抵抗が発生し、大電流が流れることによるジュール発熱によりさらに温度上昇領域が拡大し、超伝導状態の破壊がコイル全体に及ぶ。この現象は、超伝導コイルのクエンチと呼ばれる。

クエンチが発生すると、コイルに蓄積された磁気エネルギが熱エネルギに変換される。これによる局所的な高温，抵抗での電圧降下に起因する高電圧、および、誘導電流による過大電磁力が、超伝導コイルを損傷する可能性がある。現在の技術では、運転時の超伝導コイルのクエンチの可能性は排除できず、超伝導コイルには、クエンチ保護装置が不可欠である。

ＮＭＲやＭＲＩなど、定常時には電源を用いない永久電流モードで長期に運転される超伝導コイルでは、クライオスタットの密封性が高い。そのため、クエンチ時には磁気エネルギをクライオスタット内部で開放する保護装置を設けることが一般的である。

クライオスタット内部で磁気エネルギを開放する方法として、計測制御を用いた能動的な方法、および、電気回路や構造物により自動的にエネルギを開放する受動的な方法がある。能動的な方法については、例えば[非特許文献]「アイイーイーイー・トランザクション・オン・アプライド・スーパーコンダクティビティ，第７巻，頁１５９から頁１６２，１９９７年(IEEE Transaction on Applied Superconductivity，Vol.7,pp159-162(1997))」に示されており、模式図を図６に示す。

図６は、４個の超伝導コイル１ａ〜１ｄおよび永久電流スイッチ２で構成する主コイル回路の電流を、外部ヒータ回路４により動作する永久電流スイッチ３をオフとすることにより、抵抗ヒータ５ａ〜５ｄに転流させ、コイル全体にクエンチを広げることにより、エネルギの局所的な集中を防止する能動的な保護回路の模式図である。超伝導コイルの励磁時および消磁時には、電流リード６ａおよび６ｂに電源をつなぎ、電圧を印加する。

また、図６には示していないが、コイル電圧などを常時監視し、何れかのコイルがクエンチした場合には、外部ヒータ回路４を作動することで永久電流スイッチ３を駆動する。

また、これとは異なる従来技術として複数存在する超伝導コイルに対して、並列にシャント抵抗を入れる技術がある。この場合、一つの超伝導コイルがクエンチするとそのコイル電流が減衰し、他のコイルは電磁誘導により電流が増加する。また、これらの電流の変動すなわち磁場変動に起因する、超伝導コイル内部で発生する交流損失発熱により、他のコイルの温度が上昇する。これら電流増加および温度上昇により、他のコイルもクエンチし、それが連鎖的に続くことにより、コイル全体をクエンチすることでエネルギの局所的な集中を受動的に防止するものである。

アイイーイーイー・トランザクション・オン・アプライド・スーパーコンダクティビティ，第７巻，頁１５９から頁１６２，１９９７年（IEEE Transaction on Applied Superconductivity，Vol.7,pp159-162(1997)）

前述した図６の従来例では、クエンチ検出のための検出装置を常時運転する必要がある。万一、検出装置および保護ヒータ駆動装置が故障した場合には、クエンチ保護動作ができずコイルを損傷する恐れがある。また、検出装置および保護ヒータ電源は常時運転およびスタンバイ状態である必要があり、超伝導コイル運転時に余計な電力消費が発生するという問題点があった。

また、超伝導コイルに対してシャント抵抗を入れる従来の技術では、図６に示した安全性の低下、および、運転時の余計な電力消費は発生しない。しかし、電磁誘導による電流増加および交流損失による温度上昇を用いた場合には、定格以上の電流による過大電磁力の発生という問題が発生してしまっていた。したがって、この方法を用いる場合には、コイル巻線およびコイル巻き枠の構造強度は、クエンチ保護時の過大電磁力に耐えるように設計する必要があり、この条件を満たすため超伝導線材の電流密度の低下や、装置構造の複雑化を引き起してしまっていた。

本発明が解決しようとする課題は、安全性の低下がなく、過大電磁力の発生と、超伝導線材への制約をした超伝導コイルの保護装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は複数の超伝導コイルと、該複数の超伝導コイルそれぞれに対応して保護回路を形成するシャント抵抗とを備えた超伝導コイルの保護装置において、前記シャント抵抗はクエンチ時に保護回路を形成する超伝導コイル以外の他の超伝導コイルを加熱することを特徴とするものである。

また、本発明の超伝導コイルの保護装置において、前記シャント抵抗は保護回路を形成する超伝導コイルに隣り合う超伝導コイルに対して、クエンチ時に加熱することを特徴とするものである。

また、本発明の超伝導コイルの保護装置において、前記シャント抵抗は分割した抵抗で構成されていることを特徴とするものである。

更に、上記課題を解決するために、本発明は複数の超伝導コイルと、該複数の超伝導コイルそれぞれに対応して保護回路を備えた超伝導コイルの保護装置において、前記保護回路として前記超伝導コイルを加熱する抵抗ヒータを備え、該抵抗ヒータはクエンチ時に保護回路を形成する超伝導コイル以外の他の超伝導コイルを加熱することを特徴とするものである。

また、本発明の超伝導コイルの保護装置において、前記抵抗ヒータは保護回路を形成する超伝導コイルに隣り合う超伝導コイルに対して、クエンチ時に加熱することを特徴とするものである。

また、本発明の超伝導コイルの保護装置において、前記抵抗ヒータは分割した抵抗体で構成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の超伝導コイルの保護装置において、前記抵抗ヒータは並列の抵抗体で構成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の超伝導コイルの保護装置において、前記抵抗ヒータに対して並列にシャント抵抗が配置されていることを特徴とするものである。

更に、上記課題を解決するために、本発明は複数の超伝導コイルと、該複数の超伝導コイルそれぞれに対応して保護回路を備えた超伝導コイルの保護装置において、前記保護回路として前記超伝導コイルを加熱する発熱体を備え、該発熱体はクエンチ時に保護回路を形成する超伝導コイル以外の他の超伝導コイルを加熱することを特徴とするものである。

また、本発明の超伝導コイルの保護装置において、前記発熱体としてシャント抵抗を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の超伝導コイルの保護装置において、前記発熱体として抵抗ヒータを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の超伝導コイルの保護装置において、前記シャント抵抗、又は抵抗ヒータは保護回路を形成する超伝導コイルに隣り合う超伝導コイルに対して、クエンチ時に加熱することを特徴とするものである。

更に、本発明はＮＭＲ装置において、上述した超伝導コイルの保護装置を採用したものである。

また、本発明はＭＲＩ装置において、上述した超伝導コイルの保護装置を採用したものである。

本発明によれば、安全性の低下がなく、過大電磁力の発生を防ぐことを可能にした超伝導コイルの保護装置が提供できるようになる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は本発明の超伝導コイルの保護装置の一実施例の回路図であって、４コイルからなる多層コイルの保護回路を示したものである。

この実施例においては発熱体に分割保護回路のシャント抵抗を保護ヒータとして用い、これを隣接するコイルに相互に設置したものである。図１において、超伝導コイル１ａ〜１ｄ，永久電流スイッチ２および電流リード６ａ，６ｂは従来例の回路と同様である。シャント抵抗として、各々２分割した抵抗１０ａ〜１０ｄを抵抗とヒータ兼用として用い、各々の抵抗ヒータを隣接する超伝導コイルに設置する。図１において、破線矢印は熱的な結合、すなわち、各抵抗ヒータに電流が流れた場合には、矢印の先のコイルを加熱することを示している。

本発明の図１の実施例では、一つの超伝導コイル、たとえば超伝導コイル１ｂがクエンチすると、保護回路のシャント抵抗及びヒータ兼用抵抗１０ｂに電流が流れ、各々が隣接する超伝導コイル１ａおよび１ｃを加熱し、これらをクエンチさせる。したがって、能動的なクエンチ検出がなくても、保護回路は確実に動作するようになる。また、電磁誘導による電流増加や交流損失による温度上昇だけでなく、ヒータによりより早くコイル温度を上昇させることができるので、過大電磁力の発生を抑制できる。また、ヒータの抵抗値や発熱密度を調整することにより、他コイルの加熱割合を調整できるので、超伝導線材の選定に制約を加える必要がなくなる。

図２は、本発明の第２の実施例であって、実施例１と同様に４コイルからなる多層コイルの保護回路を示す。図２において、超伝導コイル１ａ〜１ｄおよび永久電流スイッチ２が主回路を構成する。また、シャント抵抗８ａ〜８ｄにより分割保護回路が構成されている。ヒータ兼用抵抗１０ａ〜１０ｄは各保護回路に２個ずつ結線し、各々を隣接するコイル１ａ〜１ｄに設置している。更にシャント抵抗８ａ〜８ｄと直列に、ダイオードペア９ａ〜９ｄを設置している。

超伝導コイルの定常運転時、電流は永久電流スイッチ２と超伝導コイル１ａ〜１ｄで構成する回路を流れ、シャント抵抗８ａ〜８ｄあるいは発熱体に該当するヒータ兼用抵抗１０ａ〜１０ｄには電流は流れない。また、運転開始および終了時、すなわち、超伝導コイルの励磁時および消磁時には、電流リード６ａおよび６ｂに電源を接続してコイル両端に電圧を印加し、超伝導コイル１ａ〜１ｄおのおのの両端には電圧が発生する。ＮＭＲ用超伝導コイルでは、この電圧は超伝導コイルの大きさに応じて数Ｖ程度とするのが通常である。ダイオードペアに用いるダイオードの順方向電圧は、ダイオード１個あたり０.５〜１.０Ｖ程度であるので、必要ならばダイオードを２個以上直列に連結することにより、超伝導コイル励磁時および消磁時に発生する電圧によっても、シャント抵抗および抵抗ヒータに電流を流さないことが可能になる。

一つの超伝導コイルがクエンチした場合には、そのコイルで発生する電圧は直ちに数
１０Ｖを超え、ダイオードの順方向電圧を大きく上回るため、シャント抵抗および抵抗ヒータに電流が流れる。このとき、シャント抵抗と抵抗ヒータの大きさは、抵抗ヒータに流す所望の電流の大きさに基づいて決定する。たとえば、シャント抵抗の抵抗値よりも抵抗ヒータの抵抗値を１０倍大きくすれば、抵抗ヒータに流れる電流はシャント抵抗に流れる電流の１／１０となり、抵抗ヒータへの配線を細いものにすることが可能になる。

図２に示した多層超伝導コイルへの本発明による抵抗ヒータの取り付け図を図３に示す。図３においては、煩雑さを避けるために、超伝導コイル１ａ〜１ｃの３個のみ示し、また超伝導コイル１ｂの保護回路のみ示した。各超伝導コイルは、コイルからの立ち上げ線１２を用いた超伝導接続１１ａ〜１１ｄにより、隣接するコイルと接続されている。

超伝導コイル１ｂは、超伝導接続１１ｂおよび１１ｃにより隣接するコイルと接続され、その接続部から、配線１３により、ダイオードペア９ｂおよびシャント抵抗８ｂに接続される。２個に分かれているヒータ兼用抵抗１０ｂは、電磁誘導を小さくするため図３に示すようなＵ字型形状とし、配線１４によりシャント抵抗８ｂと並列に接続されている。

本発明の実施例によれば超伝導コイル１ｂのクエンチ時、配線１３にはコイル電流と同規模の電流が流れるため、配線１３はコイル線材と同等の超伝導線とする。ヒータ兼用抵抗１０ｂの抵抗値をシャント抵抗８ｂの値より大きくとることにより、抵抗ヒータの電流値はコイル電流値よるはるかに小さくすることができ、配線１４は取り扱いの容易な銅線とすることができる。ヒータ兼用抵抗１０ｂの材質は、抵抗値の温度依存性と磁場依存性が小さいステンレスとすることができる。

本実施例によれば、クエンチ検出が不要な受動的な保護回路を実現でき、また、ヒータ加熱により隣接するコイルを順次クエンチさせられるので、必要以上の電流の増加による過大な電磁力や、過剰な加熱による高温および高電圧を抑制することができる。

図１および図２に示す保護回路の電流減衰時定数は、当該保護回路のコイルのインダクタンス値とシャント抵抗値の比でほぼ決まるが、図２の回路では、シャント抵抗８ａ〜
８ｄと、ヒータ兼用抵抗１０ａ〜１０ｄの値を調整することにより、時定数を変更することなく、ヒータへ流す電流値を適当に選び、最適なヒータ発熱量を設定することが可能になる。

図４に本発明の第３の実施例を示す。

シャント抵抗と並列に設置した２つの抵抗ヒータは図３においては直列接続であるが、並列接続としてヒータ兼用抵抗のペア各々に流れる電流値を変えてもよい。図４に本発明の第３の実施例としてヒータ兼用抵抗のペア１０ａ〜１０ｄの２つの抵抗を、並列接続とした場合の回路図を示す。本実施例によれば、抵抗ヒータの抵抗値を相互に変えることにより、各々の抵抗ヒータの電流値を独立に設定でき、加熱するコイルに最適な電流値、従って、ヒータ発熱が発生するように制御することが可能になる。

図５に本発明の第４の実施例を示す。

図５は、左右対称な多層コイルに対して、本発明を適用した場合の回路図を示したものである。対称な位置のコイルは同一の保護回路となるように回路を構成する。これにより、クエンチ時においても、左右対称の位置にあるコイルの電流値は同じとなるので、アンバランスな電磁力は完全に相殺されるようになる。

したがって本実施例によれば、対称な位置にあるコイルの電磁力バランスが崩れることがなく、軸対象でない電磁力の発生を抑制することができ、コイル構造物を簡素化することが実現できる。

以上示したように本発明によれば、安全性が高く運転コストも抑制できる超伝導コイルの保護装置を実現できるので、複数の超伝導コイルからなる超長期運転装置であるＮＭＲ（核磁気共鳴）装置やＭＲＩ（磁気共鳴断層撮像）装置に本発明を適用することにより、安全性を高めて過大電磁力が発生することを防いだＮＭＲ装置や、ＭＲＩ装置を提供することが可能になる。

本発明の第一実施例の回路図。本発明の第二実施例の回路図。本発明の第二実施例の回路の取り付け状態と電気配線を示す図。本発明の第三実施例の回路図。本発明の第四実施例の回路図。従来例の回路図。

符号の説明

１ａ〜１ｄ…超伝導コイル、２…永久電流スイッチ、３…永久電流スイッチ、４…外部ヒータ回路、５ａ〜５ｄ…抵抗ヒータ、６ａ，６ｂ…電流リード、７ａ〜７ｄ…抵抗ヒータ駆動回路、８ａ〜８ｄ…シャント抵抗、９ａ〜９ｄ…ダイオードペア、１０ａ〜１０ｄ…抵抗、１１ａ〜１１ｄ…超伝導接続、１２…コイル立ち上げ線、１３…配線、１４…配線。

Claims

複数の超伝導コイルと、前記複数の超伝導コイルそれぞれに対応して保護回路を形成する複数のシャント抵抗とを備えた超伝導コイルの保護装置において、
前記複数の超伝導コイルのそれぞれは、左右対称の位置にあり同一の保護回路を形成する２つのコイルから構成される多層コイルであり、
前記複数のシャント抵抗は、それぞれが分割した抵抗体で構成されており、この分割した抵抗体が、クエンチ時に保護回路を形成する超伝導コイル以外の他の複数の超伝導コイルを加熱することを特徴とする超伝導コイルの保護装置。
請求項１の超伝導コイルの保護装置において、
前記複数のシャント抵抗は、各シャント抵抗の前記分割した抵抗体が、保護回路を形成する超伝導コイルに隣り合う超伝導コイルに対して、クエンチ時に加熱することを特徴とする超伝導コイルの保護装置。
複数の超伝導コイルと、前記複数の超伝導コイルそれぞれに対応して保護回路を備えた超伝導コイルの保護装置において、
前記複数の超伝導コイルのそれぞれは、左右対称の位置にあり同一の保護回路を形成する２つのコイルから構成される多層コイルであり、
前記保護回路のそれぞれが前記超伝導コイルを加熱する抵抗ヒータを備え、
前記抵抗ヒータは、それぞれが分割した抵抗体で構成されており、この分割した抵抗体が、クエンチ時に保護回路を形成する超伝導コイル以外の他の複数の超伝導コイルを加熱することを特徴とする超伝導コイルの保護装置。
請求項３の超伝導コイルの保護装置において、
前記複数の抵抗ヒータは、各抵抗ヒータの前記分割した抵抗体が、保護回路を形成する超伝導コイルに隣り合う超伝導コイルに対して、クエンチ時に加熱することを特徴とする超伝導コイルの保護装置。
請求項３又は４の超伝導コイルの保護装置において、
前記複数の抵抗ヒータは並列の抵抗体で構成されていることを特徴とする超伝導コイルの保護装置。
請求項３又は４の超伝導コイルの保護装置において、
前記複数の抵抗ヒータに対して並列にシャント抵抗が配置されていることを特徴とする超伝導コイルの保護装置。
請求項３又は４記載の超伝導コイルの保護装置を備えたことを特徴とするＮＭＲ装置。
請求項３又は４記載の超伝導コイルの保護装置を備えたことを特徴とするＭＲＩ装置。
複数の超伝導コイルと、前記複数の超伝導コイルそれぞれに対応して保護回路を備えた超伝導コイルの保護装置において、
前記複数の超伝導コイルのそれぞれは、左右対称の位置にあり同一の保護回路を形成する２つのコイルから構成される多層コイルであり、
前記保護回路のそれぞれが前記超伝導コイルを加熱する発熱体を備え、
前記発熱体は、それぞれが分割した抵抗体で構成されており、この分割した抵抗体が、クエンチ時に保護回路を形成する超伝導コイル以外の他の複数の超伝導コイルを加熱することを特徴とする超伝導コイルの保護装置。
請求項９の超伝導コイルの保護装置において、
前記発熱体としてシャント抵抗を備えたことを特徴とする超伝導コイルの保護装置。
請求項９の超伝導コイルの保護装置において、
前記発熱体として抵抗ヒータを備えたことを特徴とする超伝導コイルの保護装置。
請求項１０又は１１の超伝導コイルの保護装置において、
前記シャント抵抗、又は抵抗ヒータは保護回路を形成する超伝導コイルに隣り合う超伝導コイルに対して、クエンチ時に加熱することを特徴とする超伝導コイルの保護装置。
請求項１又は２の超伝導コイルの保護装置において、
互いに極性が逆向きになるように並列に配置したダイオードペアを、前記シャント抵抗のそれぞれと直列に設置した超伝導コイルの保護装置。
請求項３又は４の超伝導コイルの保護装置において、
互いに極性が逆向きになるように並列に配置したダイオードペアを、前記抵抗ヒータのそれぞれと直列に設置した超伝導コイルの保護装置。
請求項９の超伝導コイルの保護装置において、
互いに極性が逆向きになるように並列に配置したダイオードペアを、前記発熱体のそれぞれと直列に設置した超伝導コイルの保護装置。