JP2510650B2 - 超電導スイツチ素子 - Google Patents

超電導スイツチ素子

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JP2510650B2
JP2510650B2 JP63016967A JP1696788A JP2510650B2 JP 2510650 B2 JP2510650 B2 JP 2510650B2 JP 63016967 A JP63016967 A JP 63016967A JP 1696788 A JP1696788 A JP 1696788A JP 2510650 B2 JP2510650 B2 JP 2510650B2
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    • H10N60/00Superconducting devices
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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導スイツチ素子に係り、特にフラツクス
ポンプ,超電導整流器,永久電流スイツチ等に使用する
に好適な超電導スイツチ素子に関する。
〔従来の技術〕
従来、この種の超電導スイツチ素子としては、第2図
に示すものがあつた。即ち、第2図(a)において、1
はNb、あるいはNb−1%Zr合金の超電導線でできたスイ
ツチ部材、2は磁界印加用コイルである。そして、通
常、超電導スイツチ素子は液体ヘリウム中に浸漬された
状態で使用される。
第2図(b)は第2図(a)に使用される超電導線1
の一例として、Nb−1%Zrの磁界−臨界電流密度の特性
で示したもので、この曲線3の原点側が超電導状態にあ
り電気抵抗が零である。これがON状態に対応する。ま
た、磁界印加用コイル2に通電し、曲線3の外側になる
ように磁界を印加すると常電導状態になり有限の電気抵
抗が発生する。これがOFF状態に対応する。磁界印加用
コイル2の通電をやめると、再びON状態に復帰する。以
上のようにして、ON−OFFのスイツチ動作が行われる。
尚、この種の装置に関連するものとしては、例えば特
開昭59−111381号公報が挙げられる。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の超電導スイツチ素子は、以上のように構成され
ていたので、スイツチ部材1の常電導状態の電気比抵抗
が5〜20μΩcmと小さく、良好なスイツチング効果が得
られにくかつた。電気抵抗を高くするには超電導線の長
さを長くすればよいが、そうするとスイツチ部材1の体
積が大きくなり、かつ磁界印加用コイル2の寸法も大き
なものを必要とする欠点があつた。また、スイツチ部材
1の臨界磁界が0.4〜0.81Tと大きく、常電導転移をさせ
るために大きな磁界印加用コイル2を必要とする欠点も
あつた。
本発明は上述の点に鑑み成されたもので、その目的と
するところは、小さい印加磁界で良好なスイツチング動
作をする超電導スイツチ素子を提供するにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的はスイツチ部材として従来の超電導線のかわ
りに、高い臨界温度を持ち、かつ、常電導状態で大きな
電気比抵抗を有する酸化物系超電導体を用いることによ
り、達成される。
〔作用〕
本発明は、高い臨界温度を有する酸化物系超電導体の
磁界−臨界電流密度特性を詳細に測定した結果、はじめ
て見つかつた新しい種類の特性をスイツチ素子に適用す
るものである。
第1図に今回得られた磁界−臨界電流密度特性を示
す。試料はY1Ba2Cu3O7−δで示される酸化物系超電導体
で、Y2O3,CuO,BaCO3原料粉末を攪拌混合しプレス成型後
焼成した円板状の焼結体から切り出したものである。測
定は試料を液体窒素中に浸漬し、外部の磁界発生装置で
磁界を印加した。磁界発生装置にはNb−Ti極細多芯線で
巻いた超電導マグネツトを使用した。第1図によれば、
最初磁界零で23A/cm2の臨界電流密度を示したが、磁界
を印加して行くと、破線で示すように急激に臨界電流密
度が低下し、7mTの磁界中で臨界電流密度はほぼ零にな
つた。ついで磁界を減少して行くと、実線で示すように
磁界電流密度が増大し、3mT近辺でピークを示した後再
び臨界電流密度が低下し、外部磁界を零にしても、臨界
電流密度は非常に低いレベルになつてしまう。その後磁
界を増減しても臨界電流密度は実線で示した曲線上を推
移した。このような特性は従来の超電導体では見られ
ず、今回、酸化物系超電導体で初めて見つかつた現象で
ある。なお第1図の横軸の磁界は超電導マグネツトの通
電電流から換算した値で示した。このような現象を示す
理由については、焼結体試料中に磁束線がトラツプされ
るため、あるいは超電導マグネツトシステムに誘導され
た残留磁界のためと考えられるが現在のところ明確な結
論は得られていない。
本発明の超電導スイツチ素子では第1図の実線で示し
た磁界−臨界電流密度特性を適用する。そのためには、
スイツチング動作を始める前に、スイツチ部材に臨界磁
界以上の磁界を経験させておく必要がある。これは、ス
イツチ素子を構成している磁界印加用コイルに通電する
ことにより容易にできる。
第1図で磁界−臨界電流密度特性曲線の上方が常電導
状態であり、下方が超電導状態であるので、本発明では
ON状態、すなわち超電導状態にするには例えばA点で示
したようにある磁界を印加しておけば良い。逆にOFF状
態、すなわち常電導状態にするには、たとえばB点のよ
うに、さらに印加磁界を増加させることもできるし、逆
にC点のように印加磁界を零にしてもできる。
特にC点のように印加磁界を零にしてスイツチ動作が
可能となつたことは、従来の超電導体では予測もつかな
かつたことで、本発明で初めて可能となつた。
このことは、超電導−常電導転移の制御を行う場合
に、制御コイルへの通電ONとOFFの2つの状態のいずれ
の場合にもスイツチ部材のONとOFFの状態を可能とする
ことに大きな意味を持つ。そして、スイツチ動作に要す
る印加磁界も従来の数十分の一の小さな磁界で可能であ
る。
また、第1図に用いた試料と同一のものを4端子抵抗
法で臨界温度の測定を行つた。その結果、超電導開始点
が91K、転移の中点が89K、転移の終了点が88Kであり、
超電導開始点での電気比抵抗は1.2mΩcmであつた。この
電気比抵抗の値は、従来の超電導体にくらべ2桁以上も
大きなものである。
〔実施例〕
[実施例1] 以下、本発明の実施例を説明する。
前述の第1図に用いたのと同一の円板状の焼結体か
ら、幅が2mm,厚みが1mm,長さが45mmの平角の棒状体を切
り出してスイツチ部材とした。このスイツチ部材に金属
インジウムで超音波半田ゴテを用いて電極を形成させ
た。ついで、磁界印加用コイルとして直径5mmの空間を
有し、長さが50mmの電磁石をエナメル銅線をソレノイド
巻きにして作り、スイツチング部材を、この磁界印加用
コイルに挿入固定してスイツチ素子とした。
このスイツチ素子を液体窒素中に浸漬し、スイツチ動
作の確認を行つた。最初に、磁界印加用コイルに直流電
源をつなぎ、10mTの磁界を発生させ、その後磁界を零に
した。ついで、スイツチ部材に直流電源をつなぎ、0.2A
の一定電流を通電し、その状態で印加磁界を掃引し、ス
イツチ部材に発生する電圧を測定した。その結果を第3
図に示す。第3図で、磁界が零の時、12mVの電圧が発生
し、磁界を上昇して行くと徐々に電圧が低下し1.3mTで
電圧が零になつた。さらに磁界を大きくして行くと、3m
Tで再び電圧発生が見られた。電圧零が超電導状態であ
り、第1図に示した磁界−臨界電流密度特性に対応した
超電導−常電導転移が確認できた。
つぎに、スイツチング速度を見るために、スイツチ部
材に0.2Aを通電した状態で、磁界を0mT→2mT→8mT→2mT
→0mTとパルス的に変化させて電圧の変化を観察した。
その結果を第4図に示すが、磁界の変化に対応して電圧
が変化しており、スイツチングの時間遅れもほとんど見
られず良好なスイツチング特性が得られた。
ところで、本実施例では、液体窒素中でのスイツチン
グ動作について説明したが、液体ヘリウム中においても
同様の機能を確認した。
また、本実施例ではスイツチ部材として酸化物系超電
導体をそのまま用いたが、機械的な補強のためには、金
属,合金等の導電体、あるいは絶縁体と複合化させて用
いることもできるし、また、線材形状のものをコイル状
にして用いることもできる。
さらに、磁界印加用コイルとして、超電導コイルを用
いることもできるし、そのコイル形状も特にこだわらな
い。スイツチ部材に直接コイル巻線を行つても良い。
[実施例2] 実施例1と同様にして作られたスイツチ部材を、直径
5mmの空間を有し長さが50mmで、同軸に巻いた2個の電
磁石に挿入し、スイツチ素子を作つた。2個の電磁石の
内径側をバイアス磁界発生用とし、外径側を超電導−常
電導転移の制御用とした。この2個の電磁石は個々に電
源に接続し、発生磁界が互いに逆向きになるようにセツ
トした。
バイアス磁界発生用電磁石を設けたことで、前述の第
1図に示した臨界電流密度がピークを持つ磁界の位置を
容易に制御することができた。
[実施例3] 内径が5mmで外径が15mm、長さ50mmの永久磁石円筒の
エナメル銅線を巻いて電磁石を構成させた。この中に実
施例1と同様のスイツチ部材を挿入しスイツチ素子を作
つた。
永久磁石円筒内の磁界の強さは2mTとし、外側の電磁
石は、永久磁石とは逆の向きの磁界を発生させるように
回路を組んだ。
本実施例によれば、永久磁石を用いているので、バイ
アス磁界発生のための制御回路が不要となる利点があ
る。
[実施例4] 実施例2と同様のスイツチ素子2個を作り、双方の超
電導−常電導転移の制御用電磁石を直列に接続し1つの
電源回路につないだ。バイアス磁界発生用電磁石は個々
の電源に接続し、1個は前述の第1図A点になるよう
に、他の1個はC点になるようにバイアス磁界を設定し
た。この状態で、制御用電磁石回路に通電すると、1個
のスイツチ素子はON状態,他方のスイツチ素子はOFF状
態となり、制御用電磁石回路の通電を止めると、各々の
スイツチ素子はOFF状態,ON状態に変化した。
このように、本実施例によれば、スイツチ素子のスイ
ツチ部材に酸化物系超電導体を用いるので、常電導状態
の電気比抵抗が大きく、かつ、小さな印加磁界で作動す
るので、従来にくらべ小型のものが得られる。また、臨
界温度が高いので、従来は不可能であつた液体窒素中で
の使用ができる。
従来のものときわだつた大きな差違は、本発明では、
印加磁界が零の時に常電導状態すなわち、スイツチOFF
状態にすることができるところにある。また、本発明を
用いればON状態とOFF状態の複数個のスイツチ素子を一
つの制御回路で同時に制御することができ、本発明のス
イツチ素子を組込んだ各種超電導装置の効率,制御性の
改善に著しい効果がある。
〔発明の効果〕
以上説明した本発明の超電導スイツチ素子によれば、
スイツチ部材として従来の超電導線のかわりに、高い臨
界温度を持ち、かつ、常電導状態で大きな電気比抵抗を
有する酸化物系超電導体、特に、この酸化物系超電導体
が零でないある範囲の磁界中では超電導状態にあり、あ
る範囲外の磁界中で常電導状態にあるものであるから、
小さい印加磁界で良好なスイツチング動作をする此種超
電導スイツチ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を説明する酸化物系超電導体の磁界−臨
界電流密度を示す特性図、第2図(a)は従来のスイツ
チ素子を示す模式図、第2図(b)は従来のNb−1%Zr
超電導線材の磁界−臨界電流密度を示す特性図、第3図
は本発明の酸化物系超電導体における磁界−電圧特性
図、第4図は本発明のスイツチ部材に0.2Aを通電した状
態で磁界をパルス的に変化させた場合の電圧の変化を示
す特性図である。 1……スイツチ部材、2……磁界印加用コイル、3……
磁界−臨界電流密度曲線。
フロントページの続き (72)発明者 荻原 正弘 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 高力 勝男 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴木 保夫 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超電導線からなるスイツチ部材と、該スイ
    ツチ部材に生ずる超電導−常電導転移を制御する磁界発
    生部とを備えた超電導スイツチ素子において、前記スイ
    ツチ部材として、高い臨界温度をもち、かつ、常電導状
    態で大きな電気比抵抗を有する酸化物系超電導体を用い
    ることを特徴とする超電導スイツチ素子。
  2. 【請求項2】超電導線からなるスイツチ部材と、該スイ
    ツチ部材に生ずる超電導−常電導転移を制御する磁界発
    生部とを備えた超電導スイツチ素子において、前記スイ
    ツチ部材は、零でないある範囲の磁界中では超電導状態
    にあり、ある範囲外の磁界中では常電導状態にある酸化
    物系超電導体であることを特徴とする超電導スイツチ素
    子。
  3. 【請求項3】酸化物系超電導体からなるスイツチ部材
    と、該スイツチ部材にバイアス磁界を印加するコイルと
    超電導−常電導転移を制御する磁界発生用コイルとを備
    え前記バイアス磁界印加用コイルと磁界発生部コイルと
    で磁界の極性を逆にしたことを特徴とする超電導スイツ
    チ素子。
  4. 【請求項4】酸化物系超電導体からなるスイツチ部材
    と、該スイツチ部材にバイアス磁界を印加する永久磁石
    と、超電導−常電導転移を制御する磁界発生部コイルと
    を備え、前記永久磁石と磁界発生部コイルとで磁界の極
    性を逆にしたことを特徴とする超電導スイツチ素子。
  5. 【請求項5】酸化物系超電導体からなる複数個のスイツ
    チ部材と、該スイツチ部材の少なくとも1個のバイアス
    磁界を印加するバイアス磁界発生部と、前記スイツチ部
    材の超電導−常電導転移を制御する磁界発生部コイルと
    を備えたことを特徴とする超電導スイツチ素子。
JP63016967A 1988-01-29 1988-01-29 超電導スイツチ素子 Expired - Lifetime JP2510650B2 (ja)

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