JP3065429B2 - 永久電流スイッチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超電導線の常電導状
態と超電導状態との間の状態転移を利用して開閉動作を
行う永久電流スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は例えば実開平３−１５５１号公報
に示された従来の永久電流スイッチを示す正面図であ
る。図において、１は巻枠であり、２ａ，２ｂはこの巻
枠１の一方の端部に取り付けられた固定金属部である。
３は巻枠１に無誘導巻きされたスイッチ用超電導線であ
り、３ａ，３ｂはそれぞれ固定金属部２ａ，２ｂにろう
付けされたスチッチ用超電導線３の端部である。４ａ，
４ｂはそれぞれ固定金属部２ａ，２ｂにろう付けされて
スイッチ用超電導線３の端部３ａ，３ｂに接続される、
図示を省略した超電導コイルへの電流リード用超電導線
の端部である。５はスイッチ用超電導線３の巻線部分を
覆う熱絶縁材である。

【０００３】次に動作について説明する。ここで、図６
はこの発明および従来の永久電流スイッチの動作を説明
するための結線図であり、図において、６は加熱によっ
て当該永久電流スイッチのオン・オフを制御するための
ヒータ、７はこの永久電流スイッチのスイッチ用超電導
線３がその両端に接続された超電導コイル、８は超電導
コイル７に接続された電源である。

【０００４】電源８から超電導コイル７に電流が供給さ
れる際に、ヒータ６で加熱してスイッチ用超電導線３を
常電導状態に転移させて抵抗を発生させることにより、
この永久電流スイッチをオフ状態にする。超電導コイル
７の電流値が所定値になった時点でヒータ６による加熱
を停止すると、永久電流スイッチはスイッチ用超電導線
３が超電導状態に転移してオン状態となる。その後、電
源８からの電流を下げる永久電流スイッチのスイッチ用
超電導線３に電流が流れはじめ、電源８の電流がゼロに
なっても超電導コイル７には所定の値の電流が流れ続け
る（永久電流状態）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の永久電流スイッ
チは以上のように構成されているので、無誘導巻きによ
り極めて低インダクタンスとなっているスイッチ用超電
導線３の各超電導フィラメントの電流分布は、それぞれ
の接続抵抗の分布によって決まってしまい、このスイッ
チ用超電導線３に、直径数＋ミクロン程度のＮｂＴｉ
（ニオブ・チタン）の数百から数万本の超電導フィラメ
ントを、ＣｕＮｉ（銅・ニッケル）のような高抵抗母材
で取り囲んだ一般的なものを用いた場合、この高抵抗母
材を介した接続によって各超電導フィラメントの電流分
布は大きくばらつくものと考えられ、印加電流を上昇さ
せると、電流分担の大きな超電導フィラメントの電流値
が臨界電流を越えて超電導状態が破壊（以下クエンチと
いう）し、それによりＣｕＮｉの高抵抗母材にも電流が
流れて発熱し、その熱によるクエンチが永久電流スイッ
チ全体に波及しやすくなるばかりか、スイッチ用超電導
線３の端部３ａ，３ｂを一点で固定しているため応力が
この固定部に集中し、巻張力を高くすることが困難であ
り、また、スイッチ用超電導線３の端部３ａ，３ｂと電
流リード用超電導線の端部４ａ，４ｂとの接続部分にお
いて両者の間で電流が渡るため、クエンチを防止するた
めに頑丈な固定が必要となって、取り扱いにくいものと
なるなどの問題点があった。

【０００６】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたものであり、通電可能電流を向上させ、
クエンチを防止して、取り扱いやすい永久電流スイッチ
を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る永
久電流スイッチは、スイッチ用超電導線を巻枠に誘導巻
きし、スイッチ用超電導線と超電導接続した電流リード
用超電導線と、前記巻枠の端部に電気的に絶縁して設け
られ、スイッチ用超電導線の端部が電気的に接続されて
固定され、その一部が電気的に切断されたリング状の金
属板とを備えるものである。

【０００８】また、請求項２の発明に係る永久電流スイ
ッチは、そのリング状の金属板を複数枚、電気的に短絡
しないよう配置したものである。

【０００９】また、請求項３の発明に係る永久電流スイ
ッチは、金属板を螺旋状にしたものである。

【００１０】また、請求項４の発明に係る永久電流スイ
ッチは、スイッチ用超電導線の巻線部とその端部を固定
している金属板とを熱的に絶縁したものである。

【００１１】また、請求項５の発明に係る永久電流スイ
ッチは、金属板に超電導接続部と電流リード用超電導線
の端部とを電気的に接続して固定したものである。

【００１２】

【作用】請求項１の発明における永久電流スイッチは、
スイッチ用超電導線を巻枠に誘導巻きして、電流リード
用超電導線と超電導接続し、巻枠の端部に配したリング
状の金属板にスイッチ用超電導線の端部を接続・固定
し、そのリング状の金属板の一部を電気的に切断するこ
とにより、スイッチ用超電導線内の超電導フィラメント
に流れる電流の分布を均一にして、クエンチしにくく、
通電可能電流も向上するとともに、スイッチ用超電導線
の巻張力を保つことができ、半田付け等により広い面積
で固定するので応力が集中することがないことからもク
エンチしにくくなり、端部の一部がクエンチした場合に
も金属板に電流が分流して安定化材として作用し、永久
電流スイッチ全体にクエンチが波及するのを防止する。

【００１３】 また、請求項２の発明における永久電流ス
イッチは、複数のリング状の金属板を電気的に短絡しな
いように配置し、スイッチ用超電導線の端部長を長くと
ることにより、超電導接続部付近でのクエンチを伝播し
にくくし、また、超電導接続の際の作業をしやすいもの
にする。

【００１４】 また、請求項３の発明における永久電流ス
イッチは、金属板を螺旋状にすることにより、スイッチ
用超電導線の端部を電気的に切れることなく連続的に半
田付けして固定し、クエンチの発生をさらに確実に防止
する。

【００１５】 また、請求項４の発明における永久電流ス
イッチは、スイッチ用超電導線の巻線部と金属板との間
に熱絶縁部材を配置することにより、ヒータの熱が金属
板に 逃げるのを防止して、スイッチング時間を短縮す
る。

【００１６】 また、請求項５の発明における永久電流ス
イッチは、スイッチ用超電導線を巻枠に誘導巻きして、
電流リード用超電導線と超電導接続し、この超電導接続
部と電流リード用超電導線の端部とを、半田付け等によ
って金属板に接続・固定することにより、スイッチ用超
電導線内の超電導フィラメントに流れる電流の分布を均
一にして、クエンチしにくく、通電可能電流も向上する
とともに、超電導接続部が動きにくいものとし、クエン
チしても金属板に電流を分流させて超電導安定性の向上
をはかり、さらに永久電流スイッチからは、引き回しが
容易な低抵抗母材の電流リード用超電導線を引き出し
て、その取り扱いを容易なものにする。

【００１７】

【実施例】実施例１． 以下、この発明の実施例１を図について説明する。図１
は請求項１，４および５に記載された発明の一実施例を
示す断面図であり、図２はその端部の構成を示す斜視図
である。なお、図１では対称な下側半分の図示を省略し
ている。図において、１は巻枠、４ａ，４ｂは電流リー
ド用超電導線の端部、５は熱絶縁部材であり、図７に同
一符号を付した従来のそれらと同一、あるいは相当部分
であるため詳細な説明は省略する。また、６は図６に同
一符号を付したものと同等のヒータである。

【００１８】 また、９は多数の超電導フィラメントをＣ
ｕＮｉなどの高抵抗母材で取り囲んで形成したスイッチ
用超電導線、９ａ，９ｂはその端部であるが、巻枠１に
無誘導巻きではなく、誘導巻きで巻線されている点で図
７に符号３を付したものとは異なっている。１０ａ，１
０ｂは巻枠１の両側の端部に互いに電気的に絶縁されて
固定され、スイッチ用超電導線９の端部９ａ，９ｂ、お
よび電流リード用超電導線の端部４ａ，４ｂが半田付け
によってそれぞれ電気的に接続されて固定されるリング
状の金属板であり、当該永久電流スイッチもしくは外部
磁界の変化によって渦電流が生ずることのないように、
その一部が電気的に切断されている。１１ａ，１１ｂは
スイッチ用超電導線９の端部９ａ，９ｂと電流リード用
超電導線の端部４ａ，４ｂとを、それぞれの母材を化学
的に溶かすなどで除去した後、互いの超電導フィラメン
トを圧着して超電導接続した超電導接続部であり、金属
板１０ａ，１０ｂに半田付けにて電気的に接続・固定さ
れている。１２ａ，１２ｂは巻枠１と一体的に形成さ
れ、スイッチ用超電導線９の巻線部と金属板１０ａ，１
０ｂとの間を熱的に絶縁する熱絶縁部材である。

【００１９】 次に動作について説明する。このように構
成された永久電流スイッチは、従来の場合と同様に、図
６に示す如く超電導コイル７の両端に接続され、電源８
からの電流が超電導コイル７に供給される際に、ヒータ
６でスイッチ用超電導線９を加熱して常電導状態に転移
させ、抵抗を発生させることによって永久電流スイッチ
をオフ状態にする。超電導コイル７の電流値が所定値に
なった状態で、ヒータ６の加熱を止め、永久電流スイッ
チを超電導状態にしてオン状態にした後に、電源８の電
流を下げると永久電流スイッチに電流が流れ始め、電源
８の電流がゼロになっても超電導コイル７の電流は所定
の電流値を保ったままになる（永久電流状態）。

【００２０】 このような永久電流スイッチにおいて、ス
イッチ用超電導線９の端部９ａ，９ｂのＣｕＮｉ母材を
化学的に溶かし超電導フィラメントだけを露出させ、同
様に露出させた電流リード用超電導線の端部４ａ，４ｂ
の超電導フィラメントと、例えば圧着により超電導接続
した超電導接続部１１ａ，１１ｂを設ける。例えば、１
０００Ａ級の３Ωの永久電流スイッチでは、誘導巻によ
るインダクタンスは約０．１ｍＨであり、超電導接続部
１１ａ，１１ｂの抵抗は圧着接続により１０^-14 Ω以下
であるので、電流を印加時の超電導フィラメント間の電
流分布はほとんどインダクタンスのばらつきによって決
まることになるが、このインダクタンスのばらつきは非
常に小さなものである。また、電流が一定の状態になっ
た場合でも、それが接続抵抗のばらつきの分布になるま
での時定数１０¹⁰秒（約３２０年）以上であり、通常の
使用状態では超電導フィラメント間の電流分布のばらつ
きはほとんど問題とならない。従って、永久電流スイッ
チの電流を上昇させた場合、超電導フィラメントの電流
分担が均一になって、通電可能電流が向上する。

【００２１】 図３は、この実施例１における永久電流ス
イッチと従来の永久電流スイッチのクエンチ電流の磁界
依存性を示した特性図であり、図中、１３がスイッチ用
超電導線と電流リード用超電導線とを超電導接続した。
この実施例による永久電流スイッチの特性を示し、１４
がそれらを半田接続した従来の永久電流スイッチの特性
を示している。図３のグラフからわかるように、この実
施例１における永久電流スイッチは、特に１．５Ｔ以下
の外部磁界においてクエンチ電流の値が大きく向上して
いる。

【００２２】 また、上記実施例１の永久電流スイッチに
おいて、例えば、上記の３Ωの永久電流スイッチの電流
５００Ａを１分で印加した場合、約０．０２Ｔ／秒の変
動磁界を金属板１０ａ，１０ｂが受けることになるが、
この金属板１０ａ，１０ｂに銅製の電気的に閉じたリン
グ（内面積０．０１ｍ² ）を用いた場合、リングの抵抗
値が０．１μΩであるとすると、０．４Ｗもの渦電流損
失が生じ、断熱されている場合には、２４Ｊの熱を受け
ることとなる。ここで、銅の比熱は４から１０Ｋで約５
×１０^-4Ｊ／ｇ・Ｋなので、リングの質量が１００ｇと
すると８Ｋもの温度上昇があり、超電導フィラメントは
クエンチしてしまう。そのため、上記の実施例１におい
ては、リング状の金属板１０ａ，１０ｂの一部を電気的
に切断することによって渦電流の発生を抑止しており、
これによって渦電流損失による熱の影響はほとんどなく
なり、電流の印加によって超電導線がクエンチするよう
なことはなくなる。

【００２３】 なお、上記実施例において、金属板１０
ａ，１０ｂとして例えば真鍮のような比較的抵抗値の高
い金属を用いた場合には、この切断部による効果はさら
に大きなものとなる。

【００２４】 また、上記実施例１の永久電流スイッチ
は、超電導接続部１１ａ，１１ｂが金属板１０ａ，１０
ｂに半田付けで固定されているので、母材が取り除かれ
て超電導フィラメントだけになっているため、最もクエ
ンチしやすい超電導接続部１１ａ，１１ｂがクエンチし
ても、金属板１０ａ，１０ｂに電流が分流するため全体
にクエンチが波及するようなことはない。さらに、電流
リード用超電導線の端部４ａ，４ｂも金属板１０ａ，１
０ｂに半田付けで固定されていて、この永久電流スイッ
チからは電流リード用超電導線が引き出されており、こ
の電流リード用超電導線は母材として低抵抗の例えば銅
を用いており、クエンチしにくい線材であるので非常に
取り扱いやすいものとなる。

【００２５】 また、上記実施例１の永久電流スイッチ
は、巻枠１に一体的に設けられた熱絶縁部材１２ａ，１
２ｂが、スイッチ用超電導線９の巻線部との金属板１０
ａ，１０ｂとの間を熱的に絶縁しているので、スイッチ
用超電導線９の巻線部をヒータ６で加熱しても、熱が逃
げやすい金属板１０ａ，１０ｂに熱が伝わりにくいの
で、ヒータ６の電力が小さくて良く、スイッチング時間
も短くなる。また、前記巻線部の熱絶縁を低下させるこ
となく、端部固定部のみを冷却することが可能となっ
て、クエンチしやすい各超電導線の端部の安定性が向上
し、クエンチしにくくなる。

【００２６】 実施例２． なお、上記実施例１では、スイッチ用超電導線９の端部
９ａ，９ｂと電流リード用超電導線の端部４ａ，４ｂと
の間の超電導接続を圧着によって実現する場合について
示したが、スポット溶接やパット溶接、さらには真空蒸
着等の超電導製膜などによる超電導接続であってもよ
く、上記実施例と同様の効果を奏する。

【００２７】 実施例３． 次に、この発明の実施例３を図に基づいて説明する。図
４は請求項２に記載の発明の一実施例を示す斜視図であ
り、永久電流スイッチの端部の構成を示している。この
実施例３の永久電流スイッチにおいては、スイッチ用超
電導線９の端部９ａ，９ｂを接続・固定するためのリン
グ状の金属板１０ａが複数枚、互に電気的に絶縁されて
並べて配置されている。この場合、図示のように各金属
板１０ａの電気的に切れている部分がずれた配置になっ
ているので、スイッチ用超電導線９の端部９ａ，９ｂの
長さを長くとることができ、超電導接続部１１ａ付近で
のクエンチが伝播しにくく、また、超電導接続の際の作
業がしやすくなる。また、スイッチ用超電導線９の端部
９ａをこの金属板１０ａに半田付けしてもスイッチ用超
電導線９の端部９ａは電気的に閉ループを作らないの
で、変動磁界により渦電流を生じることはなく、クエン
チしにくいものとなる。

【００２８】 実施例４． 次に、この発明の実施例４を図に基づいて説明する。図
５は請求項３に記載の発明の一実施例を示す斜視図であ
り、永久電流スイッチの金属板のみを示している。この
実施例４の永久電流スイッチにおいては、金属板１０ａ
（１０ｂ）が図示のように螺旋状になっているので、変
動磁界により渦電流を生ずることはなく、そこに固定さ
れたスイッチ用超電導線９の端部９ａ（９ｂ）がクエン
チしない。また、上記実施例３においてはスイッチ用超
電導線９の端部９ａの一部が金属板１０ａに固定されな
い箇所があるため、この部分はクエンチしやすくなる
が、この実施例４の場合にはスイッチ用超電導線９の端
部９ａは連続して金属板１０ａに半田付けにて固定され
るので、クエンチしやすい部分がなくなる。

【００２９】 実施例５． なお、上記各実施例では、スイッチ用超電導線および電
流リード用超電導線の端部や超電導接続部の金属板への
電気的接続および固定を、半田付けによって行う場合に
ついて説明したが、例えばろう付けなどの他の方法で行
ってもよく、上記実施例と同様の効果を奏する。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の発明に
よれば、誘導巻きしたスイッチ用超電導線と電流リード
用超電導線とを超電導接続し、一部を電気的に切断した
リング状の金属板を設け、スイッチ用超電導線の端部を
そこに電気的に接続して固定するように構成したので、
スイッチ用超電導線の各超電導フィラメントを流れる電
流分布が均一化され、通電可能電流が大きく、クエンチ
しにくい永久電流スイッチが得られる効果があるととも
に、スイッチ用超電導線の巻張力が保て、また、広い面
積で固定されるので応力が分散されてクエンチしにくく
なり、スイッチ用超電導線の端部にクエンチが発生して
もこの金属板に電流が分流して、クエンチが永久電流ス
イッチ全体に波及することがなくなるばかりか、この金
属板の切断部によって渦電流の発生が抑止されるので、
渦電流損失の熱によるクエンチも防止できる効果があ
る。

【００３１】 また、請求項２に記載の発明によれば、リ
ング状の金属板を複数枚、互いに電気的に絶縁して配置
するように構成したので、スイッチ用超電導線の端部を
超距離にわたって金属板に固定することが可能となり、
超電導接続付近でのクエンチが伝播しにくくなり、超電
導接続の際の処理が容易となる効果がある。

【００３２】 また、請求項３に記載の発明によれば、金
属板を螺旋状に構成したので、スイッチ用超電導線の端
部は連続的にこの金属板に接続・固定されて、電気的に
切れることがなくなり、より確実なクエンチ発生の防止
が可能となる効果がある。

【００３３】 また、請求項４に記載の発明によれば、ス
イッチ用超電導線の巻線部と金属板の間に熱絶縁部材を
配置するように構成したので、両者が熱的に絶縁され
て、ヒータの電力が小さくてよくなって、スイッチング
時間も短縮され、さらに、クエンチしやすい各超電導線
の端部の安定性が向上してクエンチしにくくなるなどの
効果がある。

【００３４】 また、請求項５に記載の発明によれば、誘
導巻きしたスイッチ用超電導線と電流リード用超電導線
とを超電導接続し、この超電導接続部と電流リード用超
電導線の端部を金属板に接続・固定するように構成した
ので、スイッチ用超電導線の各超電導フィラメントを流
れる電流分布が均一化され、通電可能電流が大きく、ク
エンチしにくい永久電流スイッチが得られる効果がある
とともに、最もクエンチしやすい超電導接続部が動きに
くくなり、クエンチが発生しても金属板に電流が分流す
るため超電導安定性が向上し、さらに、永久電流スイッ
チからは引き回しが容易な電流リード用超電導線が引き
出されてその取り扱いが容易なものとなるなどの効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す断面図である。

【図２】上記実施例の端部の構成を示す斜視図である。

【図３】上記実施例の永久電流スイッチのクエンチ電流
の磁界依存性を従来の永久電流スイッチのそれと比較し
てグラフに示した特性図である。

【図４】この発明の実施例３における永久電流スイッチ
の端部における斜視図である。

【図５】この発明の実施例４における金属板を示す斜視
図である。

【図６】この発明のおよび従来の永久電流スイッチの動
作を説明するための結線図である。

【図７】従来の永久電流スイッチを示す正面図である。

【符号の説明】

１ 巻枠 ４ａ，４ｂ 電流リード用超電導線の端部 ９ スイッチ用超電導線 ９ａ，９ｂ スイッチ用超電導線の端部 １０ａ，１０ｂ 金属板 １１ａ，１１ｂ 超電導接続部 １２ａ，１２ｂ 熱絶縁部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−71178（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−46084（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−272670（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−206529（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 39/20 ZAA H01F 6/00 ZAA

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 巻枠に誘導巻きされた、高抵抗母材を有
   するスイッチ用超電導線と、前記スイッチ用超電導線の
   両側の端部にそれぞれ超電導接続された、低抵抗母材を
   有する電流リード用超電導線と、前記巻枠の端部に電気
   的に絶縁して設けられ、前記スイッチ用超電導線の端部
   が電気的に接続されて固定され、その一部が電気的に切
   断されたリング状の金属板とを備えた永久電流スイッ
   チ。
2. 【請求項２】 複数の前記金属板を、それぞれの電気的
   に切断された部分が重ならないように互いに電気的に絶
   縁して、前記巻枠の端部のそれぞれに配置したことを特
   徴とする請求項１に記載の永久電流スイッチ。
3. 【請求項３】 前記金属板が螺旋状であることを特徴と
   する請求項１又は請求項２に記載の永久電流スイッチ。
4. 【請求項４】 前記スイッチ用超電導線の巻線部と前記
   金属板との間を熱絶縁部材にて熱的に絶縁したことを特
   徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記
   載の永久電流スイッチ。
5. 【請求項５】 巻枠に誘導巻きされた、高抵抗母材を有
   するスイッチ用超電導線と、前記スイッチ用超電導線の
   両側の端部にそれぞれ超電導接続された、低抵抗母材を
   有する電流リード用超電導線と、前記巻枠の端部に電気
   的に絶縁して設けられ、前記スイッチ用超電導線と前記
   電流リード用超電導線との超電導接続部と、前記電流リ
   ード用超電導線の端部とが電気的に接続されて固定さ
   れ、その一部が電気的に切断されたリング状の金属板と
   を備えた永久電流スイッチ。