JP2000021621A - 超電導磁石の変動磁界シールド方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、走行中や励消磁における液体ヘリ
ウムの使用量を減少し、超電導磁石を軽くし、且つ地上
コイルのピッチが現在のものよりもさらに長い場合でも
熱シールド板の変動磁界に対する遮蔽効果が減少しな
い、浮上式鉄道用超電導磁石の変動磁界シールド方法を
提供する。 【解決手段】 テープ状高温超電導体１０を平行に並べ
た物を重ね合わせて前記浮上式鉄道用超電導磁石の熱シ
ールド板３及び/又は内槽２に貼り付けている。テープ
状高温超電導体１０は、厚さ0.3mm,幅3-4mm程度のテー
プ状のものである。材質は酸化物系超伝導体として(Y-B
a-Ca-Cu-o,Bi-Sr-Ca-Cu-o等）本発明を実施する上で好
適なものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に超電導磁石の
変動磁界シールド方法に属する。

【０００２】

【従来の技術】本発明は浮上式鉄道用の超電導磁石に限
定して適用されるものではないが、従来技術の一例とし
て浮上式鉄道用超電導磁石を用いて説明する。

【０００３】図６に示されるように、浮上式鉄道用の超
電導磁石Ｇは、車両Ｍの下部に収納され、図７及び図８
に示されるように、レーストラック形状をした超電導コ
イル１及びそれを囲うような容器状構造をしていて、内
部に液体ヘリウムを溜め超電導コイル１を浸漬冷却する
ためと，超電導コイル１に作用する電磁力を外部に伝え
るための内槽２,さらにこれらを覆う形で液体窒素で約
８０Kに冷却されている熱シールド板３,そして最外層に
はこれら１，２，３の全てを覆った構造で、断熱のため
に内部を真空に保持する役割を持つ外槽４から構成され
ている。

【０００４】ところで、上記構造をした超電導磁石Ｇが
車両に搭載されてガイドウエイ内を走行する際には、図
６に示されるようにガイドウエイ内に断続的に配置され
ている浮上用コイル及び推進用地上コイルから変動磁界
を受けることになる。この時生じる現象としては、外槽
４に渦電流が誘起されるので超電導コイル１の発生する
直流磁界との相互作用により、超電導磁石Ｇが加振され
るとともに、外槽４で遮蔽し切れなかった変動磁界の一
部は熱シールド板３で遮蔽されるものの、ステンレス製
内槽２まで到達し内槽２の表面に渦電流を誘起する。そ
の結果この渦電流の二乗と内槽２材料の抵抗値の積で決
まるジュール発熱を生じて、内槽２の内部にある液体ヘ
リウムを蒸発させてしまう現象のあることが判明してい
る。

【０００５】従来、内槽２における発熱を低減するため
に、ステンレス製内槽２の表面に銅メッキを施したり、
低抵抗の純アルミ材を貼り付けたりしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術においては以下に掲げる問題点があった。従来技術で
も渦電流による発熱低減にはある程度期待出来るもの
の、励消磁時の液体ヘリウムの使用量がかえって増える
という問題点があった。その理由を以下に示す。一般
に，渦電流による発熱Ｑ[W]は，周波数ｆ[Hz](ω＝２π
f),抵抗をＲ[Ω],インダクタンスをＬ[H],起電力をＥ
[V]とすると，電流Ｉ[A]は

【０００７】

【数１】 よって発熱量Ｑ[W]は

【０００８】

【数２】 と表される。ｆが大きいときにはＲが小さい程Ｑは小さ
いので、内槽２の表面にＲの小さいものを貼るのが良い
が、励消磁のようにｆが小さいのと等価なときには

【０００９】

【数３】 となり、この時にはＲが小さいとかえってＱが大きくな
ってしまう。それ故、発熱量Ｑが高い為に液体ヘリウム
の使用量が増加することとなった。

【００１０】また、磁気シールド効果を高めるためには
熱シールド板３及び外槽４が重くなるという問題点があ
った。その理由を以下に示す。一般に導体（電気伝導率

【００１１】

【数４】 ，透磁率

【００１２】

【数５】 ）に、角振動数

【００１３】

【数６】 の変動磁界が作用すると，導体内では

【００１４】

【数７】 のように磁界が減衰する。ここでh[m]は導体表面からの
深さである。またδ[m]は

【００１５】

【数８】 で与えられるものであり、表皮厚さと呼ばれており、導
体のδが小さく、hが十分大きい程、導体によりほぼ完
全に磁気シールドできることとなる。

【００１６】それ故、内槽２に達する変動磁界を出来る
だけ小さくするには，熱シールド板３及び外槽４を肉厚
にしなければならず、超電導磁石Ｇ全体が重くなる。

【００１７】さらに浮上式鉄道建設コスト低減の観点か
ら、地上コイルのピッチが現在のものよりもさらに長く
する構想がありその場合には、外槽４の変動磁界に対す
る遮蔽効果が一層落ちることになり、上記銅メッキやア
ルミ材貼り付けの構造では対応出来ない恐れが出てき
た。浮上コイルピッチがさらに長くなると，同じ走行速
度でもωが小さくなりδが大きくなるので，熱シールド
板３や外槽４のhが同じ時に

【００１８】

【数７】の値は小さくならないからである。

【００１９】本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされた
ものであり、走行中や励消磁における液体ヘリウムの使
用量を減少し、超電導磁石を軽くし、且つ地上コイルの
ピッチが現在のものよりもさらに長い場合でも熱シール
ド板の変動磁界に対する遮蔽効果が減少しない、浮上式
鉄道用超電導磁石の変動磁界シールド方法を提供するこ
とを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本実施の形態に係る発明
は以上の課題を解決するために以下に掲げる構成をとし
た。請求項１記載の発明の要旨は、超電導磁石の変動磁
界シールド方法であって、テープ状高温超電導体を平行
に並べた物を二層以上に重ね合わせて前記超電導磁石の
熱シールド板及び／又は内槽に貼り付けることを特徴と
する超電導磁石の変動磁界シールド方法に存する。請求
項２記載の発明の要旨は、超電導磁石の変動磁界シール
ド方法であって、テープ状高温超電導体を編んだ物を前
記超電導磁石の熱シールド板及び／又は内槽に貼り付け
ることを特徴とする超電導磁石の変動磁界シールド方法
に存する。請求項３記載の発明の要旨は、超電導磁石の
変動磁界シールド方法であって、テープ状高温超電導体
を平行に並べた物及び／又は編んだ物を前記超電導磁石
における熱シールド板及び／又は内槽の外表面に巻き付
けることを特徴とする超電導磁石の変動磁界シールド方
法に存する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係る、浮上
式鉄道用超電導磁石の変動磁界シールド方法であり、図
１又は図２に示すようにテープ状高温超電導体１０を平
行に並べた物を重ね合わせて前記浮上式鉄道用超電導磁
石の熱シールド板３及び/又は内槽２に貼り付けてい
る。テープ状高温超電導体１０は、厚さ0.3mm,幅3-4mm
程度のテープ状のものである。材質は酸化物系超伝導体
として(Y-Ba-Ca-Cu-o,Bi-Sr-Ca-Cu-o等）本発明を実施
する上で好適なものである。

【００２２】テープ状高温超電導体１０を貼り付けるに
は、図３に示す如くテープ状高温超電導体１０をまず横
方向に並べてその後縦方向に並べて両者を半田等で貼り
合わせて２層になっている薄板状のものを熱シールド板
３及び/又は内槽２の表面に半田もしくは低温用接着材
により行う。内槽表面に張り付けられたテープ状高温超
電導体１０は，従来技術に記載された

【００２３】

【数２】においてＲをほぼ０にする。また、熱シールド
板に貼り付けられたテープ状高温超電導体１０は変動磁
界に対する遮蔽効果を向上させ

【００２４】

【数２】の式においてＥすなわちＩを減少させる。

【００２５】したがって、テープ状高温超伝導体は、内
槽２の表面に貼り付けて極低温に冷却された状態におい
ては超電導状態になるので、銅メッキ、アルミ等に比べ
て、従来技術にて記載した抵抗値Ｒをほぼ０に出来るの
で、発熱量Ｑを小さくすることができる。その結果、液
体ヘリウムの使用量を減少させることができる。

【００２６】また、テープ状高温超電導体１０を熱シー
ルド板表面に貼り付けた場合も超電導状態となり，テー
プ状高温超伝導体のσが極端に大きいことに相当するの
でδが無限小となり、同じｈを有する熱シールド板のテ
ープ状高温超電導体１０を貼らない場合と比較して，

【００２７】

【数７】の値は周波数ｆに依らずほぼ０になる。その結
果、内槽表面に誘起される電流Ｉも小さくなり，液体ヘ
リウムの蒸発量が少なく出来る。また熱シールド板３の
肉厚を小さく出来，超電導磁石を軽く出来る。さらに地
上コイルのピッチが現在のものよりもさらに長い場合で
も熱シールド板の変動磁界に対する遮蔽効果が減少しな
い。

【００２８】従来の高温超電導体による磁気シールド法
は、直流磁界の遮蔽用がほとんどであり、シールド材自
体セラミックスでありタイル状であることから、単体で
は大きさも小さく、形状も矩形や丸形が多かった。その
ために磁界を遮蔽すべき面積が広い場合には、タイル状
に並べて貼る方法が主体であった。さらに曲面構造のも
のには柔軟性に欠け対処出来なかった。本発明は直流磁
界は遮蔽せず、変動磁界を遮蔽するのが目的であり、テ
ープ状線材を並べて張り合わせる構造としたことによ
り、いくらでも大きくできるので大きさに制限がなく、
かつ柔軟性を有することから必ずしも貼り付ける相手が
平面構造でなくても良い。さらに液体窒素以下に冷却さ
れる部分に貼り付ければ超電導線が密なメッシュ状構成
となっていることより、変動磁界に対する遮蔽効果が優
れている。

【００２９】なお、高温超電導体も一般の超電導体と同
じく、磁界、電流密度、温度がある臨界値以上になると
超電導が破れる。浮上式鉄道の場合は直流磁界が強大
(最大5Tくらい)であり、超電導が破れ直流磁界が貫通し
てしまい遮蔽出来ていないが、その状態でも交流磁界の
方に対しては、変動磁界振幅の大きさが小さいので磁気
遮蔽できると考えられる。

【００３０】また、一般に超電導体は，方向により，超
電導が破れない電流密度の大きさに差がある。平板状の
超電導体では、平面に沿ったあらゆる方向に渦電流が流
れると考えられるので、遮蔽出来る電流の大きさは，弱
い臨界電流密度の部分で支配される。一方テープ線を並
べて作った超電導体の場合には長手方向に沿っては大き
い電流密度を有しており、これをメッシュ状にすると大
きなループ状渦電流を流すことが可能な構造となるの
で、平板状超電導体の場合よりも変動磁界の遮蔽効果が
大きくなる。

【００３１】なお、地上コイルからの変動磁界に伴う発
熱を低減出来ることを実験的にも確認している。実験結
果を図９及び図１０に示す。

【００３２】図９は、変動磁界をかけた時の熱シールド
板３の裏側の磁場を示している。網掛け三角が、図３に
示す、テープ状高温超伝導体１０を縦横２層に積層した
物（高温超伝導メッシュ）を貼付した際の実験結果を、
黒塗り菱形がシールド材としてアルミを使用したときの
実験結果を、網掛け四角がシールド材なしの状態におけ
る実験結果をそれぞれ示している。このグラフから分か
るように黒塗り三角がもっとも良くシールドしているの
が分かる。

【００３３】また、図１０は、変動磁界をかけた時の液
体ヘリウムの蒸発量を示している。黒塗り菱形は内槽２
の表面に高温超伝導メッシュを貼付した状態における実
験結果を、黒塗り四角は内槽２のままの実験結果を、白
抜き三角はステンレス製の内槽表面にＮｂＴｉの板を貼
り付け場合の実験結果をそれぞれ示している。なお、図
４に示す如くテープ状高温超電導体を縦横交差して編ん
だ物を貼り付けることもできる。図３及び図４の場合に
は、テープ状高温超電導体は縦横が交差して２層構造と
なった１枚の薄板状の物を貼り付ければよいので現場に
おける作業が極めて容易であり、短時間で処理すること
ができる。

【００３４】さらに内槽２をステンレスのままで、熱シ
ールド板３表面にのみ、このシールド板を貼り付けた場
合には、励消磁時や車両動揺といった低周波数の変動磁
界に伴う発熱自体も低減出来ることになる。内槽がステ
ンレスのままの時は内槽抵抗Ｒが高くできるので、

【００３５】

【数２】の式からわかるように周波数ｆの低い領域では
Ｒが高いほうが発熱は低くなる。ただしこのままでは高
周波数域で逆に発熱が増えてしまうので，熱シールド板
の方に超電導体を貼ることにより変動磁界に対する遮蔽
効果を上げ、高周波数域でも起電力Ｅを下げることによ
り内槽表面に誘起される電流Ｉを減らすことが出来、発
熱を小さくできる。

【００３６】なお、本実施の形態においては、本発明は
浮上式鉄道用超電導磁石に適用したが、それに限定され
ず、本発明を適用する上で好適な超電導磁石に適用する
ことができる。例えば、静置された超電導磁石の場合で
も、励消磁時における液体ヘリウムの使用量を低減出来
る。

【００３７】本発明実施の形態例を図３、図４，図５に
示すが，テープ状高温超電導体１０を平行に並べて半田
等で接着したものをさらに横縦に重ねたものが図３であ
り、図４は個々のテープを縦横に編んだものである。図
５については上記平行に並べて作った長くて幅の広い包
帯状になったものを，内槽２及び/又は熱シールド板表
面に巻いていくイメージを示している。実際には巻く方
向を変えて二層以上巻き付ける方が良い。

【００３８】また、上記図３の実施の形態においてはは
じめに横方向縦方向二層に貼り付けたものを表面に接着
したが，一層づつはじめに縦（横）方向に貼り付け、そ
の後横（縦）方向に貼り付けてもよい。また、斜めに貼
り付けることもできる。

【００３９】また、上記実施の形態においては２層であ
ったが、３層以上であってもよい。

【００４０】また、図５に示すように、テープ状高温超
電導体を平行に並べた物及び／又は編んだ物を前記超電
導磁石における熱シールド板及び／又は内槽２の外表面
に巻き付けることもできる。テープ状高温超電導体を平
行に並べた物の場合には、医療用包帯の如く折り返して
巻けば層毎に向きを変えた複数層にすることができる。

【００４１】また、上記構成部材の数、位置、形状等は
上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好
適な数、位置、形状等にすることができる。なお、各図
において、同一構成要素には同一符号を付している。

【００４２】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、以下に掲げる効果を奏する。内槽に貼り付けた時に
は，従来技術で述べた抵抗値Ｒをほぼ０に出来るので、
発熱量Ｑを小さくすることができ、液体ヘリウムの使用
量を減少することができる。また、熱シールド板に貼り
付けた時には，熱シールド板の板厚を小さくすることが
できるので、熱シールド板を軽くすることができるとと
もに，液体ヘリウムの使用量を減らせられる。また、地
上コイルのピッチが現在のものよりもさらに長い場合で
も熱シールド板の変動磁界に対する遮蔽効果が減少しな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るテープ状高温超電導
体を熱シールド板に取り付けた状態を示す斜視図であ
る。

【図２】本発明の実施の形態に係るテープ状高温超電導
体を内槽に取り付けた状態を示す斜視図である。

【図３】図１及び図２に示すテープ状高温超電導体の貼
り付け方法を示す一部破断の正面図である。

【図４】本発明の他の実施の形態に係る、テープ状高温
超電導体を編み込んだ物を示す正面図である。

【図５】本発明のその他の実施の形態に係る、テープ状
高温超電導体を管状物に巻き付けた状態を示す正面図で
ある。

【図６】従来技術に係る浮上式鉄道用の超電導磁石を示
す概念図である。

【図７】図６に示す超電導磁石の一部破断の斜視図であ
る。

【図８】図６に示す超電導磁石の斜視断面図である。

【図９】変動磁界をかけた時の熱シールド板の裏側の磁
場を示すグラフである。

【図１０】変動磁界をかけた時の液体ヘリウムの蒸発量
を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 超電導コイル ２ 内槽 ３ 熱シールド板 ４ 外槽 １０ テープ状高温超電導体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導磁石の変動磁界シールド方法であ
   って、 テープ状高温超電導体を平行に並べた物を二層以上に重
   ね合わせて前記超電導磁石の熱シールド板及び／又は内
   槽に貼り付けることを特徴とする超電導磁石の変動磁界
   シールド方法。
2. 【請求項２】 超電導磁石の変動磁界シールド方法であ
   って、 テープ状高温超電導体を編んだ物を前記超電導磁石の熱
   シールド板及び／又は内槽に貼り付けることを特徴とす
   る超電導磁石の変動磁界シールド方法。
3. 【請求項３】 超電導磁石の変動磁界シールド方法であ
   って、 テープ状高温超電導体を平行に並べた物及び／又は編ん
   だ物を前記超電導磁石における熱シールド板及び／又は
   内槽の外表面に巻き付けることを特徴とする超電導磁石
   の変動磁界シールド方法。