超导线圈的运行控制方法技术

提供一种可使采用氧化物高温超导体的致冷器传导冷却型超导线圈稳定运行的控制方法。获得致冷器（４１）和与致冷器的冷却级（４１ｂ）连接的超导线圈（３０）之间的热阻。从获得的热阻和致冷器（４１）的额定冷却容量，获得代表温度和发热值之间关系的有效冷却曲线。控制在被致冷器（４１）冷却的同时被励磁的超导线圈（３０）的运行，以使超导线圈（３０）在规定温度的发热值不超过有效冷却曲线。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及对致冷器传导冷却型超导线圈运行的控制方法，更具体地讲，涉及使构成超导磁体的致冷器传导冷却型超导线圈稳定地运行并且不会急冷(quenching)的方法。通常，例如铜的一般导体和在液氦温度呈现超导性的金属基超导体已经用于线圈。准备利用铜来产生强磁场时，当产生很多热时必须通过例如强制水冷来冷却。使用一般导体例如铜形成的线圈存在功率损耗大、难以制造小型线圈和维护麻烦的问题。相反，因为可以用小功率产生强磁场，所以超导线圈在各种应用中都适用。但是，金属基超导线用做线圈时，必须冷却到低温(约4K)，结果导致冷却成本增大。而且，在比热低的低温使用金属基超导体时，其稳定性差而且易于造成急冷。近来，已经提出了例如磁分离、拉单晶法等技术，这些技术采用可以在相对高的温度使用的氧化物高温超导线圈。与金属基超导线圈相比，氧化物高温超导线圈可以在相对高的温度使用，因此，其可以在具有相对高的比热的范围使用。已经发现这种使用的稳定性非常好。氧化物高温超导线圈的实际使用期望制造更方便的磁体。氧化物高温超导体在液氮温度呈现超导性。但是在液氮温度，氧化物高温超导体目前不具备非常好的临界电流密度和磁场特性。基于此原因，目前氧化物高温超导体已经用于产生弱磁场的线圈。另一方面，氧化物高温超导线圈在低于液氮温度的温度可以具有更高的性能。对于在更低温度的使用，可以用液氦冷却。但是用液氦冷却的成本高而且操作困难。从上述来看，已经试图使用致冷器来使氧化物超导线圈冷却至低温，该致冷器应运行成本相对较低、操作简单。寻找超导线圈的稳定运行范围的通常方法，包括获得负载线和从其中发现稳定运行范围的步骤。从负载线得出的运行范围通常用于金属基超导线圈在池冷却型和致冷器传导冷却型两种情形的运行。同样，负载线法可以用于氧化物高温超导线圈。这里，氧化物高温超导体具有高的临界温度并适度变换至正常传导，因此其具有高稳定性并且不易于被急冷。可以期望的是，利用这种特性，线圈运行中的电流值几乎可以提高到临界电流值。此外，可以期望的是，在采用运行成本低而且处理容易的致冷器冷却氧化物高温超导线圈的同时，可以尽可能多地提高工作电流。但是，目前对氧化物高温超导线圈在致冷器传导冷却中的特点尚未全面认识，因此为了寻找稳定的运行范围还必须对其运行进行测试。本专利技术的目的在于寻找获得致冷器传导冷却型超导线圈的稳定运行范围的新方法，由此提供可以稳定控制线圈运行的方法。本专利技术的另一目的在于提供适合于控制致冷器传导冷却型氧化物高温超导线圈运行的方法。本专利技术旨在提供控制致冷器传导冷却型超导线圈运行的方法，包括以下步骤获得致冷器与连接于致冷器冷却级的超导线圈之间的热阻，从致冷器的额定冷却容量和热阻获得代表温度与发热量之间关系的有效冷却曲线，和控制在被致冷器冷却的同时被励磁的所述超导线圈的运行，以使所述超导线圈在规定温度的发热值不超过所述有效冷却曲线。本专利技术中，从超导线圈的励磁电流和电阻值可以获得超导线圈的发热值，而且可以控制超导线圈的工作电流以使发热值不超过有效冷却曲线。根据本专利技术的控制方法适用于采用氧化物高温超导体的超导线圈的运行。根据本专利技术的控制方法用于不低于10K的温度范围更好。通过以下结合附图对本专利技术的具体说明，将可以更加了解本专利技术的上述和其它目的、特征、方案和优点。附图说明图1展示了致冷器冷却容量的例子。图2展示了如何从致冷器冷却容量和热阻获得有效冷却曲线。图3是实施例1中所用高温超导线圈结构的示意图。图4是实施例1中所用致冷器和高温超导线圈之间连接结构的示意图。图5是实施例1中线圈发热曲线和有效冷却曲线之间的关系图。图6是实施例2中线圈发热曲线和有效冷却曲线之间的关系图。图7是实施例3中线圈发热曲线和有效冷却曲线之间的关系图。本专利技术中，获得致冷器和与其装配的超导线圈之间的热阻。热阻单位是K/W(两个确定点之间的温度差ΔT/两个确定点之间的发热值差ΔW)。热阻值随致冷器和线圈之间的冷却结构(例如，致冷器和线圈之间存在的热传导部件的材料和尺寸)而变化。通过考虑取决于热传导部件的材料、和热传导部件的截面和长度的热导率进行计算，可以获得热阻。另外，通过热传导的简单实验也可以实验地获得热阻。而且，可以采纳适当地应用于冷却结构的经验值作为热阻。致冷器和线圈之间的热阻值一般约为1～4K/W。有效冷却曲线可以按以下方式从如上获得的热阻和致冷器的额定冷却容量获得。致冷器的额定冷却容量的设定取决于致冷器的类型和结构，通常设置为所用致冷器的固有特性。致冷器冷却容量的一个具体例子如图1所示。图1所示冷却容量曲线P表示致冷器的冷却容量，其中第一冷却级的容量是60W(在80K)，第二冷却级的容量是16.5W(在20K)。该曲线表明当5W的热量施加在致冷器的第二冷却级时，温度达到约12K，当施加10W的热量时，温度达到约14K。对于上述的热阻，可以设定以下公式。热阻(K/W)=(线圈温度一冷却级的温度)/线圈部分的发热值从该关系和上述致冷器的冷却容量，按以下方式可以获得有效冷却曲线。以下将说明获得的热阻是1.5K/W的一个例子。例如，当线圈部分的发热值是5W时，线圈和冷却级之间产生的温度差可以计算为5(W)×1.5(K/W)=7.5(K)。首先，只考虑致冷器的冷却容量，5W的热量导致约12K的温度。然后考虑上述温度差，获得19.5K的线圈温度，这是冷却级的12K温度加上7.5K的温度差。图2展示了根据这种计算绘制的有效冷却曲线的结果。本专利技术中，对由致冷器冷却的同时被励磁的超导线圈的运行进行控制，以使超导线圈在规定温度的发热值不超过上述有效冷却曲线。更具体地讲，可以控制工作温度和/或工作电流，以使超导线圈的发热值处于有效冷却曲线之下。在此情形，其中线圈发热值相对于线圈温度绘制的发热曲线位于有效冷却曲线之下。可以通过测量来获得发热值和发热曲线，或者通过考虑线圈各部位的磁场和温度计算来获得。当准备通过计算来获得发热值和发热曲线时，可以把线圈分成几部分，可以从各部位的温度和磁场来计算构成线圈的超导线的电阻，可以从励磁电流和电阻值来计算发热值，然后对各部位的发热值求和来获得线圈的总发热值。当计算超导线的电阻时，可以首先获得超导线的临界电流密度(Jc)，然后从Jc获得超导线的电阻。对于计算Jc值的方法，例如可以采用在Proceedings of the 8thInternational Workshop on CRITICAL CURRENTS INSUPERCONDUCTORS 27-29 MAY 1996,PP 471-474公开的方法。当通过实验来获得发热值和发热曲线时，以线圈温度和励磁电流作为参数进行励磁测试，然后从励磁电流值和线圈产生的电压计算发热值。通常，超导线圈一般是工作于线圈不放热的条件下。但是根据本专利技术，即使在线圈处于放热条件时，证实如果发热值足够地低于有效冷却曲线则可以稳定地运行。按此方式，可以设定保证稳定运行的范围，能够以尽可能大的励磁电流执行稳定的运行。在低于有效冷却曲线的范围，可以稳定运行而不会引起线圈急冷。通常，当超导线圈中产生热量时，其发热值随温度的升高而增大。可以通过计算预测增大的趋势。因此，当发热值在一定点变高时，预计当温度升高时发热值可能超过有效冷却曲线，可以进行例如立即本文档来自技高网...

【技术保护点】
控制致冷器（４１）传导冷却型超导线圈（３０）运行的方法，包括以下步骤：获得所述致冷器（４１）与连接于所述致冷器（４１）的冷却级（４１ｂ）的超导线圈（３０）之间的热阻；从所述致冷器（４１）的额定冷却容量和所述热阻，获得代表温度与发热量 之间关系的有效冷却曲线；控制在被所述致冷器（４１）冷却的同时被励磁的所述超导线圈（３０）的运行，以使所述超导线圈（３０）在规定温度的发热值不超过所述有效冷却曲线。

【技术特征摘要】
JP 1997-10-24 292671/971．控制致冷器(41)传导冷却型超导线圈(30)运行的方法，包括以下步骤获得所述致冷器(41)与连接于所述致冷器(41)的冷却级(41b)的超导线圈(30)之间的热阻；从所述致冷器(41)的额定冷却容量和所述热阻，获得代表温度与发热量之间关系的有效冷却曲线；控制在被所述致冷器(41)冷却的同时被励磁的所述超导线圈(30)的运行，以使所述超导线圈(30)在规定温度的发热值不超过所述有效冷却曲线。2．根据权利要求1的方法，其中，包括以下步骤从所述超导线圈(30)的励磁电流和所述超导线圈(30)的电阻值获得发热值，控制所述超导线圈(30)的励磁电流，以使所述发热值不超过所述有效冷却曲线。3．根据权利要求1的方法，其中，在所述超导线圈(30)中采用氧化物高温超导体。4．根据权利要求2的方法。其中，在所述超导线圈(30)中采用氧化物高温超导...

【专利技术属性】
技术研发人员：加藤武志，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]