【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、
超電導体における温度異常の発生を検出する温度異常検出方法であって、
(A) 一端を密封し、他端に圧力計を備え、加熱下で所定の作動流体を過熱液体とできるよう内径が設定された細管内に、前記圧力計側に気液界面が存在するよう該作動流体を封入するステップと、
(B) 前記細管を検出対象となる超電導体に接触した状態で保持するステップと、
(C) 前記圧力計で検出される圧力のステップ状の変化に基づいて前記超電導体の温度異常を検出するステップとを備える温度異常検出方法と構成することができる。
【0006】
超電導体にクエンチが発生するなど種々の要因で温度異常が生じると、熱伝達によって細管に封入された作動流体が加熱される。一般に作動流体は十分に細い管内で静止した状態で加熱されると、沸点以上に加熱された液体、即ち過熱液体となる。そして、過熱液体が、さらに加熱されると、ある時点で爆発的な沸騰、いわゆる突沸に至り蒸気となるのである。この蒸気が発生すると、作動流体は一気に体積が膨張するため、細管内の気液界面を移動させ、気相部分を圧縮する。この体積膨張は、爆発的に生じるため、気相の圧縮に伴う圧力上昇は、ステップ関数的に急激に上昇する。従って、この圧力変化を検出することにより、超電導体の温度異常を検出することができる。
【0007】
特に、特許文献1が蒸気圧を検出しているのに対して、本発明では、突沸によって気相に生じる圧力変化を検出している点で大きく相違する。突沸という爆発的な現象による顕著な圧力変化を検出するため、比較的容易に、かつ精度良く検出することが可能となる。しかも、局所的な温度異常であっても顕著な圧力変化が生じるため、精度良く検出できる利点がある。
【0008】
また、本発明では、一端を密封している点も、検出に大きく作用している。即ち、一端を密封しているからこそ、突沸による体積変化が、細管の両端に分散することなく、圧力計のある気相側にのみ顕著に表れるのである。
【0009】
これらの作用により、本発明では、上述した温度異常の検出を達成することができる。圧力は細管内の液体の中を音速で伝わるため、本発明は、遠方の温度異常も瞬時に検出できる利点がある。例えば、数キロメートルの長さのある超電導送電ケーブルに発生した温度異常の検出も可能となる。
また、細管と圧力計という非常に簡易な構成で実現できる利点もある。
【0010】
本発明は、この他、超電導コイル、これらを活用した超電導磁石、超電導モータに適用してもよい。超電導コイルでは、超電導体が巻回されており、その内部で温度異常が生じた場合などは非常に検出が困難となるが、本発明によれば、細管を沿わせることが可能な部位であれば、コイル内部であっても支障なく温度異常を検出することが可能となる。
さらに、本発明では、圧力を検出するため、超電導体の抵抗による電圧を検出する場合のように電磁的なノイズの影響を受けるおそれがないという利点もある。
【0011】
本発明において、作動流体は、超電導体が使用される温度では液体、超電導体の加熱によって過熱限界まで達する種々の液体を利用することができる。作動流体の例を挙げれば、液体水素(過熱限界温度28K)、液体ネオン(過熱限界温度38K)、液体窒素(過熱限界温度110K)、液体アルゴン(過熱限界温度130K)、液体酸素(過熱限界温度134K)、液体メタン(過熱限界温度170K)、液体クリプトン(過熱限界温度187K)、液体キセノン(過熱限界温度257K)などが挙げられる。このように液体の種類によって、過熱限界温度は決まっているから、検出すべき温度範囲と同等の過熱限界温度となるものを選択すればよい。
例えば、作動流体として液体窒素を利用する場合を考える。液体窒素の過熱限界温度は110K(摂氏マイナス163℃)であり、沸点の77K付近で使われる高温超電導機器に利用すれば、約30℃(=110−77)の温度異常を検出することが可能となる。
【0012】
本発明において、細管は、種々の素材で形成することができる。超電導体からの熱伝達を考慮すると、金属製とすることが好ましい。
【0013】
本発明において、
前記細管の内径は、1ミリメートル以下であるものとしてもよい。
【0014】
細管の内径は、作動流体を過熱状態にすることができる範囲で任意に設定可能であり、作動流体に応じて決めればよい。もっとも、内径を1ミリメートル以下にすると、再現性良く、過熱状態、突沸現象が確認できた。この点で、上記内径とすることが好ましい。
【0015】
本発明において、
前記圧力計は、前記超電導体に対する冷却を要しない常温空間に設置されているものとしてもよい。
【0016】
こうすることにより、極低温で作動する圧力計を用いる必要がなく、また圧力計測も容易になるという利点がある。本発明では、細管内に、作動流体が全て液体で封入されているのではなく、気液界面を生じているため、かかる配置が可能となるものである。
【0017】
本発明において、
前記工程(A)は、前記細管内に前記作動流体を、その飽和蒸気圧を上回る圧力で導入するものとしてもよい。
【0018】
超電導体は、低温状態で利用されるため、導入した作動気体は、この低温領域に到達すると液化する。この結果、低温領域と常温領域の間に気液界面ができることになる。そして、圧力調整器によって飽和蒸気圧より上回る圧力で作動流体を導入すると、液化した作動流体は過冷却状態となり、液体の蒸発が止まる。上記態様によれば、このように過冷却状態の作動流体の液体と、その気相とが分離し静止した状態を比較的容易に得ることが可能となる利点がある。
上記態様において、作動流体を導入する圧力は任意に決めることができるが、液面の蒸発を防止できれば良いから、飽和蒸気圧を若干上回る程度で構わない。
【0019】
本発明において、上述した種々の特徴は必ずしも全てを備えている必要はなく、適宜、その一部を省略したり組み合わせたりしてもよい。また、本発明は、上述した温度異常検出方法に限らず、以下に示すように、温度異常検出装置として構成することもできる。
【0020】
例えば、
超電導体における温度異常の発生を検出する温度異常検出装置であって、
前記温度異常を検出するための所定の作動流体と、
前記超電導体に接触して配置されるための一端を密封した細管と、
前記細管の他端に設置された圧力計とを備え、
前記作動流体は、前記細管内に封入されており、
前記細管の内径は、加熱下で前記作動流体を過熱液体とできるよう設定されている温度異常検出装置としてもよい。
【0021】
上記温度異常検出装置によれば、先に述べた温度異常検出方法を実現することができる。上記温度異常検出装置に対しても、先に説明した種々の特徴を適宜、適用することも可能である。
【0022】
また、上記温度異常検出装置においては、
前記細管は、前記密封された一端と圧力計との間に前記作動流体を導入するための分岐管を有しており、
該分岐管には、開閉するためのバルブと、
封入する前記作動流体の圧力を調整するための圧力調整器とを備えるものとしてもよい。
【0023】
こうすることにより、圧力調整器で作動流体の圧力を調整しながら導入した上で、バルブによって封入することが可能となる。即ち、作動流体を、その飽和蒸気圧を上回る圧力で細管内に封入するという態様を比較的容易に実現することが可能となる。
【0024】
また、温度異常検出装置においては、
さらに、前記圧力計の圧力がステップ状に変化したときに前記超電導体への通電を停止する制御装置を備えるものとしてもよい。
【0025】
こうすることにより、温度異常を検出した時点で、速やかに超電導体への通電を停止することができ、さらなる温度異常の発生を抑止することができる。
制御回路は、例えば、コンピュータに上記機能を実現するコンピュータプログラムをインストールしてソフトウェア的に構築することもできるし、専用のハードウェアによって構成することも可能である。
【0026】
本発明は、
前記超電導体は、高温超電導体である場合に特に有用性が高い。
【0027】
高温超電導体とは、一般に77ケルビンよりも臨界温度が高い物質を言う。高温超電導体では、従来、クエンチによる温度異常を検出する有効な技術がほとんど見いだされていなかったが、本発明によれば、クエンチの検出が可能である。また、高温超電導体では、その性質上、クエンチを検出できる頃には、焼損が生じるほどに常伝導部分が拡大してしまうという問題が生じ得るため、早期のクエンチ検出が特に重要となるが、かかる点についても、本発明によれば速やかに検出することができるため、有用性が高い。