专利名称：超导线圈的运行控制方法
技术领域：
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明中，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。
根据本发明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。
根据本发明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发明的具体说明，将可以更加了解本发明的上述和其它目的、特征、方案和优点。
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。
本发明中，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。
本发明中，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。但是根据本发明，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，可以进行例如立即降低励磁电流的控制，以便保持稳定运行。如上所述的本发明控制方法，可以应用于装配有适当的控制装置的致冷器传导冷却型线圈的自动控制。
而且，根据本发明，通过计算可以获得能够稳定运行的范围，而无需进行超导线圈的临界测试。因此，可以避免临界测试对线圈的损害。
对本发明中所用超导体类型并无特别限制。但是，当采用例如具有高稳定性的氧化物高温超导体的高温超导体时本发明尤为有利。尽管本发明可以应用于比热小而且扰动更为明显的低温(4K左右)，但是在比热大而且扰动的影响较小的不低于10K的温度范围中本发明特别有利。适用于本发明的超导体的形状并无特别的限制。
根据本发明的方案，在超导线圈运行的同时可以监视超导线圈的温度。当被监视的温度变成不低于预先设定的可以允许的限制值时，控制超导线圈的励磁电流。通过例如以下方式可以获得温度的这种可允许的限制值。如上所述，通过计算上述励磁电流可以获得发热值和发热曲线。获得的发热曲线和有效冷却曲线绘制在同一幅图上。获得了在低于有效冷却曲线的发热曲线部分的最高温度(位于有效冷却曲线和发热曲线的交叉点的温度)。所获得的温度或附近低于该温度的温度可以用做可允许限制值。可允许限制值随励磁电流的幅度而变。因此，最好对多种励磁电流中的每一种获得可允许限制值。另一方面，通常由于励磁电流越大，则温度的可允许限制值越低，可以仅获得针对最大可得励磁电流的温度可允许限制值。在实际运行中，当监视的温度不超过可允许限制值时，超导线圈中的发热值不超过有效冷却曲线，因此可以稳定地运行。当监视的温度未超过温度可允许限制值时，通过控制励磁电流可以可以避免急冷。
根据本发明的另一方案，在超导线圈运行的同时可以监视超导线圈中产生的电压。产生的电压由线圈的电阻得出。从电磁感应产生的电压不包括在监视电压之内。当监视的电压不低于预定可允许限制值时，控制超导线圈的励磁电流。通过例如以下方式可以获得电压的可允许限制值。如上所述，针对前述励磁电流可以获得发热值和发热曲线。获得的发热曲线和有效冷却曲线标绘在同一幅图上。获得在发热曲线低于有效冷却曲线的部位的最高热量(在有效冷却曲线和发热曲线的交叉点的热量)。通过将获得的热量除以前述励磁电流，可以获得对应的产生电压。所获得的电压或附近低于该电压的电压可以用做可允许限制值。电压的可允许限制值随励磁电流的幅度而变。因此，最好对多种励磁电流中的每一种获得可允许限制值。另一方面，通常由于励磁电流越大，则电压的可允许限制值越低，可以仅获得针对最大可得励磁电流的电压可允许限制值。在实际运行中，当监视的电压不超过可允许限制值时，超导线圈中的发热值不超过有效冷却曲线，因此可以稳定地运行。当监视的电压未超过可允许限制值时，通过控制励磁电流可以避免急冷。
本发明中，可以同时进行上述的温度监视和电压的监视。当监视的温度和/或监视的产生电压不低于可允许限制值时，通过控制励磁电流可以避免急冷。
当对超导线圈施加直流电流时，可把超导线圈的发热值视为由超导线圈的电阻产生的发热值。当对超导线圈施加交流电流时，可以作为由超导线圈的交流损耗产生的发热值和由超导线圈的电阻产生的发热值的总和，获得超导线圈的发热值。
可以通过励磁测试来测量交流损耗。在励磁测试中，从不包括电磁感应产生的部分的电压值和电流值的乘积获得交流损耗，或者从在绝热状态下的温度增量和比热的乘积获得交流损耗。
也可以通过计算获得交流损耗。尽管交流损耗产生于各种原因，交流损耗通常可以作为两个主要因素引起的损耗的总和而获得，亦即磁滞损耗和耦合损耗，如以下公式所示。
P=Phf+PcfPhf=2μ0H2mβf/3(β＜1)Phf=2dμ0JcHm(1-2/3β)f(β＞1)β=Hm/Hp,Hp=JcdPcf=Γc·μ0H2m·2πf2τs/2{(2πfτs)2+1}τs=(μ0/2ρn)·(l/2)2P交流损耗[w/m3]Phf磁滞损耗[w/m3]Pcf耦合损耗[w/m3]μ0真空下磁导率Hm超导体表面上的最大磁场Jc超导体的临界电流密度d超导体的厚度的一半f频率[Hz]Γc常数τs时间常数ρn正常导体金属的电阻率l正常导体金属的宽度实施例1用厚度约为13μm的聚酰亚胺带和厚度约为0.1mm的SUS带，缠绕三束Bi2223银铠装的铋基超导线束(3.6±0.4mm×0.23±0.02mm)，制造双扁平线圈，内径是80mm，外径约是300mm，高度约是8mm。超导线的银比例取为2.4，其临界电流是35～45A(77K)。把八个制造的双扁平线圈叠置成层并结合。双扁平线圈用厚0.1mm的FRP片相互绝缘。如图3所示，在每对双扁平线圈31之间插入冷却铜板32，每个冷却板32与热传导铜条33结合。叠置的双扁平线圈31置于一对FRP板34之间，由此制成高温超导体线圈结构30。制成的高温超导线圈装配于致冷器，如图4所示。作为致冷器41冷却级的第一级41a和第二级41b容纳于绝热容器42内。铜板43固定在第二级41b。高温超导线圈30通过铜板43装配在致冷器41的第二级41b。设置氧化物高温超导线的电流引线44，从高温超导线圈30延伸到第一级41a的热锚。电流引线44有效地抑制了热进入。铜制电流引线45用在从第一级41a的热锚到室温。高温超导线圈30用热屏蔽板46覆盖，用于阻止热辐射的进入。绝热容器42抽成真空。超导线圈30的线圈致密比例是75％。
根据存在于致冷器第二冷却级和高温超导线圈之间的热传导部件的材料和尺寸，通过计算把热阻设定为1.5K/W。然后，使用1.5K/W的热阻值，如上所述，从致冷器的冷却容量曲线获得有效冷却曲线。
驱动致冷器并进行励磁测试。线圈温度是11K。在260A励磁电流的运行中(产生的中央磁场约为3.5T)，发热曲线低于有效冷却曲线，运行能够保持多于2天的长时间。另一方面，在300A励磁电流的运行中(产生的中央磁场约为4T)，发热曲线在有效冷却曲线之上，线圈温度升高，以致不能进行稳定的运行。线圈发热曲线和有效冷却曲线之间的关系如图5所示。从上述实验来看，已经证实了线圈能够在有效冷却曲线位于发热曲线之上的范围内稳定运行。
实施例2假设对实施例1的线圈施加280A的电流，利用上述计算获得发热值和发热曲线。获得的发热曲线如图6所示。有效冷却曲线也标绘在同一图中。在有效冷却曲线和发热曲线的交叉点的温度约为21.7K，在该点的发热量约为6.4W。在该点产生的电压计算为6.4W/280A=22.9mV。如果温度低于21.7K，则在实际运行中线圈的发热值将不超过有效冷却曲线。同样，如果产生的电压小于22.9mV，则在实际运行中线圈的发热值将不超过有效冷却曲线。由于在温度和电压的测量中会存在误差，因此考虑裕度，温度的可允许限制值设定为21.9K～21K(裕度是0.7K)，产生的电压的可允许限制值设定为22.9mV-20mV(裕度是2.9mV)。构成的系统在运行的同时测量超导线圈的温度和产生的电压，其中当每个测量值达到不低于每个可允许限制值时，电流迅速降低至0。在此系统中，励磁至280A需要十分钟。结果，尽管线圈温度在励磁时稍有上升，但是不会发生急冷而且能够稳定运行。
实施例3在实施例1的线圈中，进行0.006Hz的交流励磁，测量交流损耗。测量的交流损耗是1.5W。通过在实施例2获得的发热值中增加1.5W，获得在交流励磁下是发热值。获得的发热曲线如图7所示。有效冷却曲线也标绘在同一图中。在有效冷却曲线和发热曲线的交叉点的温度约为20K，在该点的发热量约为5.4W。在该点产生的电压计算为5.4W/280A=19.3mV。如果温度低于20K，则在实际的交流运行中线圈的发热值将不超过有效冷却曲线。同样，如果产生的电压小于19.3mV，则在实际的交流运行中线圈的发热值将不超过有效冷却曲线。由于在温度和电压的测量中会存在误差，因此考虑裕度，温度的可允许限制值设定为20K～19K(裕度是1K)，产生的电压的可允许限制值设定为19.3mV～19mV(裕度是0.3mV)。构成的系统在运行的同时测量超导线圈的温度和产生的电压，其中当每个测量值达到不低于每个可允许限制值时，电流迅速降低至0。在此系统中，连续进行1小时的0.006Hz的交流励磁。结果，能够稳定运行而不发生急冷。
如上所述，利用设定可允许限制值的系统，超导线圈可以呈现全面的性能。
根据本发明，超导线圈可以连续稳定运行而不引起急冷。特别是，根据本发明，即使在线圈中产生热量，也可以立即设定稳定运行的条件。本发明适用于超导磁体的运行控制。
虽然已经具体说明和展示了本发明，但是应该了解这仅是展示和举例，并不是限制于此，本发明的精髓和范围仅由附加的权利要求书来限制。
权利要求
1．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体。
5．根据权利要求1的方法，其中，在不低于10K的温度范围内进行所述控制。
6．根据权利要求2的方法，其中，在不低于10K的温度范围内进行所述控制。
7．根据权利要求3的方法，其中，在不低于10K的温度范围内进行所述控制。
8．根据权利要求1的方法，其中，包括以下步骤在所述超导线圈(30)运行的同时，监视所述超导线圈(30)的温度；当所述温度变得不低于规定的可允许限制值时，控制所述超导线圈(30)的励磁电流。
9．根据权利要求1或8的方法，其中，包括以下步骤在超导线圈(30)运行的同时，监视由所述超导线圈(30)的电阻产生的电压；当所述产生的电压变得不低于规定的可允许限制值时，控制所述超导线圈(30)的励磁电流。
10．根据权利要求1的方法，其中，对所述超导线圈(30)施加的励磁电流是交流电流；作为由所述超导线圈(30)的交流损耗产生的发热值和由所述超导线圈(30)的电阻产生的发热值的总和，获得所述超导线圈(30)的所述发热值。
全文摘要
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。
文档编号H01F6/00GK1215899SQ98122338
公开日1999年5月5日 申请日期1998年10月24日 优先权日1997年10月24日
发明者加藤武志 申请人:住友电气工业株式会社