JP2005116921A - 超電導スイッチング素子および超電導式インバータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超電導式インバータとして、直流電源Eと、交流出力を取り出す1対の出力端L1と、Q値の高いLC共振回路とを備え、前記直流電源Eを前記出力端L1を介して前記LC共振回路の任意の素子に接続すると共に、前記LC共振回路のコイルLおよびコンデンサCと直列に酸化物超電導薄膜で作られた超電導スイッチング素子rを接続したことを特徴とする。
【選択図】図4
Description
第1の手段は、超電導スイッチング素子として、電磁特性の異方性の高いビスマス系またはタリウム系からなる大面積の酸化物超電導薄膜の膜面に垂直に磁界を印加することによって電気抵抗を制御することを特徴とする。
図1は、本発明の超電導式インバータの超電導スイッチング素子として用いられるクライオトロンの構成を示す図であり、図2は図1に示した超電導薄膜の部分をを拡大して示した短冊状の積層された酸化物超電導薄膜を示す図である。
この酸化物超電導薄膜は、結晶構造・電子物性の2次元性が強く、超電導性を示す平面に平行な方向(ab面)と垂直な方向(c軸方向)とで、電気的・磁気的特性(電磁特性)が大きく異なる、いわゆる、異方性を有する。このため大電流が流れるようにab面を膜面に平行にそろえた薄膜で、膜面に平行に磁界を印加しても臨界電流はほとんど低下しないが、膜面に垂直に磁界を印加すると臨界電流は急激に減少する。さらに高い磁界を印加すると臨界電流はゼロとなり、磁束フロー状態と言われる、見かけ上常電導状態と同様の様態となる。
従って、上記のような高異方性の酸化物超電導体の大面積薄膜を用い、膜面に垂直な磁界をオン/オフすることによって臨界電流の大きな状態(磁界ゼロ)と磁束フロー状態(磁界印加)とを切り換えることにより、効率的な超電導スイッチング素子(クライオトロン)を得ることができる。
ここで問題となるのは、通電電流によって生じる発生磁界がある。これは、例えば、単一の短冊状薄膜を用いて一方向に通電すると、短冊の端部で垂直磁界成分が生じ、それによって臨界電流が減少する。そのため、通電電流によって生じる発生磁界ができるだけ膜面に平行になるようにすることが必要である。それを実現する方法としては、図2に示すように、超電導薄膜を、短冊状の薄膜を垂直に積み重ね、互い違いに電流を流し、端部における垂直磁界成分が打ち消し、磁界をほぼ膜面に平行にするように構成するとよい。図3は積み重ねた薄膜に同方向に電流を流した場合と逆方向に電流を流した場合の、通電による自己磁界の分布で、膜面に対する垂直方向成分の磁界の分布を模式的に示したものである。交互通電により、磁界の垂直方向成分が1/6以下になる事がわかった。典型的な大きさとして幅2cm、長さ20cmの短冊状基板(厚さ0.5mm)の両面(または片面)に異方性の高いビスマス系またはタリウム系の酸化物超電導薄膜を成膜したものを積層して用いる。
通常、酸化物超電導体は、金属超電導体に比べて常電導状態における抵抗率が大きく、クライオトロンに用いるのに適している。スイッチング素子として十分機能させるためには、S−N転移後の高い抵抗特性と、S−N転移後に速やかに超電導状態に復帰する高速応答性とが必要であるが、高速応答性を持たせるためには、薄膜形状の酸化物超電導として構成する必要がある。
同図において、Eは直流電源、Dはダイオード、rc1は変圧器Tの1次側コイルL1の抵抗成分、Tは交流出力を得るための変圧器、Rは負荷抵抗、CはLC共振回路を構成するコンデンサ、Lは超電導コイル(または低巻線抵抗を有するコイル)からなるLC共振回路を構成するコイル、rc2はコイルLの抵抗成分、rはクライオトロンである。
i2(t)=Ae−atsin(ωt)・・・(1)
で表される。従って、LC共振回路の固有周波数fは、f=√(1−C0r0 2/4L0)/2π√(L0C0)となる。
(1)式において、L0およびC0が固有値であっても、固有抵抗r0を変化させると、固有振動数fは変動する。LC共振回路内の固有抵抗r0はほぼクライオトロンrの抵抗とコイルLの抵抗の和として表せるが、固有抵抗r0は、コイルLは交流超電導コイルを用いるのでほぼ抵抗ゼロとなるため、クライオトロンrの抵抗に左右されることになる。この固有抵抗r0を固有振動数と同じ周期で変化させると、パラメトリック発振器となり、振動電流は外部の直流電源Eからエネルギーをもらいながら徐々に成長し持続振動する。そのため、直流電源EからLC共振回路に流れ込む電流(エネルギー)も正弦波振動となり、変圧器Tを介して振動電流のみを取り出すことができ、負荷抵抗Rに交流電流を得ることができる。即ち、直流から交流に変換する電力変換器(インバータ)が得られることになる。
また、コンデンサCは低温での動作が可能なものもあるので、インバータ全体を液体窒素中に構成することができ、その場合、直流電源Eに相当する直流超電導送電ケーブルと低温で直結することができ、常温部との温度差による熱浸入に起因する冷凍機負荷を大幅に抑えることが可能となる。そのため、本発明のインバータは、従来、ビル内配線系統網やデータ・センター用の配電系として有望視されていたが、実用化が困難であった直流超電導送電ケーブルを本格的に実用化させる上で不可欠の電力変換器となる。
同図に示すように、クライオトロンrの抵抗値は矩形波状に変化し、常電導状態において10(Ω)であり、出力電流は、電源投入から1秒後には、最大振幅80(mA)に達して定常状態となっている。
同図に示すように、共振電流が小さな時期ではクライオトロンrは抵抗状態にある。そのため、スイッチング損失は小さくなり、従来の超電導インバータに比べて、インバータ変換効率を格段に改善することができる。なお、共振回路において共振を成長させるためには、ブランコ漕ぎの原理と同様に、共振電流が減少する半サイクル間では若干低めにし、電流が増加する半サイクル間では若干高めに共振周波数を摂動すればよい。
同図においては、クライオトロンrの抵抗を変えた場合、最適運転条件は負荷抵抗R、コンデンサC、クライオトロンrを常電導化するタイミング等で微妙に影響され、必ずしも最大効率を示していないが、大凡の傾向を知ることはできる。また、同図に示すように、半導体素子を使ったインバータ並の70%以上の効率を得るためには、クライオトロンrを500(Ω)以上にする必要があるが、これは超電導薄膜にミアンダ・パターン(距離を稼ぐための模様)を形成するか、超電導薄膜の電流密度を向上させ、更には薄膜化等の方法により抵抗率を上げる等によって対応可能である。
D ダイオード
rc1 変圧器Tの1次側コイルL1の抵抗成分
T 変圧器
R 負荷抵抗
C LC共振回路を構成するのコンデンサ
L LC共振回路を構成するコイル
rc2 コイルLの抵抗成分
r クライオトロン
Claims (5)
- 電磁特性の異方性の高いビスマス系またはタリウム系からなる大面積の酸化物超電導薄膜の膜面に垂直に磁界を印加することによって電気抵抗を制御することを特徴とする超電導スイッチング素子。
- 直流電源と、交流出力を取り出す1対の出力端と、Q値の高いLC共振回路とを備え、前記直流電源を前記出力端を介して前記LC共振回路の任意の素子に接続すると共に、前記LC共振回路のコイルLおよびコンデンサCと直列に酸化物超電導薄膜で作られた超電導スイッチング素子を接続したことを特徴とする超電導式インバータ。
- 前記コイルLを超電導コイルで構成したことを特徴とする請求項2に記載の超電導式インバータ。
- 前記直流電源と前記LC共振回路間にダイオードを設けたことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の超電導式インバータ。
- 前記酸化物超電導薄膜で作られた超電導スイッチング素子として、請求項1に記載の超電導スイッチング素子を用いたことを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれか1つの請求項に記載の超電導インバータ。
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