超電導破壊の早期予測と超伝導コイルの高度安定化に関する熱工学的研究

1992 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 03452126
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 相原 利雄 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90006172)
• 研究分担者: 小原 拓 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (40211833) ; 谷 順二 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30006192) ; 高橋 秀明 東北大学, 工学部付属破壊力学応用研究施設, 教授 (10005267)
• キーワード: 超伝導体 / 熱的安定性 / 浸漬冷却 / 強制冷却 / 熱伝達

研究概要

超電導コイルの高度安定化に最も重要な超電導破壊(クエンチ)の早期予測に関して、本年度は極めて重要な成果が得られた。以下にそれらを要約する。
(1)クライオスタットにおいて液体ヘリウム中で浸漬冷却されるパンケーキ巻き超電導コイルについて、その超電導破壊(クエンチ)の高速伝播を可視化することに成功した。超電導破壊に伴うジュール熱の発生によって液体ヘリウムに急激な温度変化が生じ、ヘリウムの光学特性に不均一が発生するためである。この現象を利用して、超電導コイルに人為的な熱擾乱を加えて超電導破壊を発生させ、これを高速度ビデオを用いて撮影した。この結果、超電導コイルの微小部分に発生した常電導転移が主としてコイルの円周方向に拡大してゆき、これに先駆けて熱的な衝撃波が発生することが明らかとなった。この熱衝撃波を検知することによって、常電導転移をその前段状態で検出することができるものと考えられるが、その発生原理については今後解析を継続する必要がある。
(2)超電導体の熱的安定性を精密に解析するためには、冷却材である液体ヘリウムの過渡沸騰熱伝達特性について信頼性の高いデータを得ることが必要である。そこで、実用超電導線に近い状態を実現するため、ステンレス箔ヒータにPVF絶縁層及び温度測定用カーボンペーストを被覆したテストピースを作成し、過渡沸騰熱伝達特性について実験を行った。得られた測定値を数値解析し、被覆層の熱容量と温度分布を考慮した補正を加え、ヒータにステップ状の熱入力を印加した場合の急速過渡沸騰熱伝達特性の詳細を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] 岡田 定五,相原 利雄,: "浸漬冷却単一パンケーキ巻超電導コイルの安定限界に関する数値解析" P-SC185複合系の伝熱制御調査研究分科会成果報告書. 28-39 (1992)
• [文献書誌] 相原 利雄,: "浸漬冷却超電導コイルのクエンチ伝播現象の高速撮影" 春季低温工学・超電導学会講演概要集. 150-150 (1992)
• [文献書誌] 相原 利雄,: "超電導コイルの熱的安定性" 平成4年度空気調和・衛生工学会学術講演会. (1992)
• [文献書誌] T.Aihara,: "Heat-Transfer Control : Principal Focuson Japanese Research" Appl.Mech.Reviews.45-4. 129-153 (1992)
• [文献書誌] 相原 利雄,: "急速な非定常熱伝達と伝熱制御" 日本機械学会第69期通常総会講演会論文集 Vol.D. 86-88 (1992)
• [文献書誌] 相原 利雄,: "HeIにおける鉛直被覆ストリップからの急速過渡沸騰熱伝達" 春季低温工学・超電導学会. (1993)
• [文献書誌] 相原 利雄,: "浸漬冷却形超電導コイルのクエンチ現象の可視化原理" 春季低温工学・超電導学会. (1993)