JP3322981B2

JP3322981B2 - 永久電流スイッチ

Info

Publication number: JP3322981B2
Application number: JP03461094A
Authority: JP
Inventors: 謙佐々木; 達視山根; 秀明前田; 昌身浦田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-03-04
Filing date: 1994-03-04
Publication date: 2002-09-09
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: JPH07245427A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に磁気浮上式鉄道等
の超電導磁石に使用される永久電流スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、磁気浮上式鉄道あるいは核磁気
共鳴イメージング（ＭＲＩ）等に用いられる超電導磁石
は、長時間に亘り一定の電流を流し続ける必要から永久
電流モードで使用される。永久電流モードとは超電導磁
石を閉ループにして電流を閉じ込めるようにした状態で
ある。つまり、超電導磁石に外部から通電した状態で該
超電導磁石を閉ループにして永久電流モードとすること
で、その超電導磁石内を電流が減衰せずに半永久的に流
れ続けて、その超電導磁石が定磁場を保持するようにな
る。このように超電導磁石を永久電流モードにしたり或
いは解除したりする開閉動作のために永久電流スイッチ
が用いられている。

【０００３】この種の永久電流スイッチは、超電導線を
用い、これをヒータにより温度調整して超電導状態と常
電導状態との間で転位させて開閉動作を行う熱式のもの
が多い。

【０００４】この熱式の永久電流スイッチの基本構造
は、巻枠に超電導線とヒータ線を巻き込み、エポキシ等
の樹脂を含浸して構成している。その超電導線はスイッ
チ開時の電気抵抗を出来るだけ大きくするために、例え
ば銅ニッケル合金（Ｃｕ−Ｎｉ合金）などの比抵抗値が
大きい金属を母材とする極細多芯線が一般に用いられて
いる。

【０００５】しかしながら、そのような永久電流スイッ
チの比抵抗値が高い母材を用いた超電導線は、ＣｕやＡ
ｌのような比抵抗値の小さい金属を母材とする超電導線
よりも、通電時にクエンチ（超電導状態から常電導状態
に転位すること）しやすいという不安定性がある。特
に、大電流を通電する目的で超電導線の断面積を大きく
すると、クエンチ電流値は高くなる反面、不安定性は増
加する傾向にある。

【０００６】そこで、磁気浮上式鉄道の超電導電磁石な
どの大電流を通電し安定性を必要とする熱式の永久電流
スイッチでは、断面積を極力小さくした超電導線を用い
て複数個のスイッチ要素（スイッチ小単体）を形成し、
これら複数個のスイッチ要素を電気的に並列接続してい
る構成のものが多い。

【０００７】図６はその熱式の永久電流スイッチ１の一
例を示すもので、複数個の円盤状のスイッチ要素２を重
合して固定ボルト３により締結固定すると共に、これら
各スイッチ要素２を電気的に並列接続した構成である。

【０００８】図７は別な熱式の永久電流スイッチ４の一
例を示すもので、複数個の円筒状のスイッチ要素５を一
束にバインダ６により結束固定すると共に、これら各ス
イッチ要素５を電気的に並列接続した構成である。

【０００９】この熱式の永久電流スイッチ４のスイッチ
要素５の一般的な基本構造を図８に示している。つま
り、巻枠７に超電導線８とヒータ線を巻き込み、エポキ
シ等の樹脂９を含浸して固定している。その超電導線８
は前述の如くスイッチ開時の電気抵抗を出来るだけ大き
くするために、銅ニッケル合金（Ｃｕ−Ｎｉ合金）など
の比抵抗値が大きい金属よりなる母材１０に、Ｎｂ−Ｔ
ｉ等の多数本の超電導体フィラメント１１を設けた極細
多芯線構造である。その超電導体フィラメント１１は母
材１０内部の斜線を入れて示す超導電部１２に一定密度
で均一に分布するように配列されている。

【００１０】こうした熱式の永久電流スイッチでは、ス
イッチ要素の並列個数をＮとし、通電電流をＩとすると
き、何らかの攪乱によりスイッチ要素のうちのＭ個がク
エンチしても、残り（Ｎ−Ｍ）個のスイッチ要素で電流
Ｉを維持することができる余裕度を持たせている場合が
多く、通常Ｍは１としている。そのスイッチ要素のＭ個
がクエンチし、これに流れていた電流が他の（Ｎ−Ｍ）
個のスイッチ要素に分流して流れ込んで、通電電流Ｉを
維持する現象を転流と呼んでいる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したよ
うな従来の熱式の永久電流スイッチでは、転流時に（Ｎ
−Ｍ）個のスイッチ要素に流れ込む電流の速度は、最高
で１０⁴ 〜１０⁵ ［Ａ／Ｓ］のレベルに達することが確
認されている。つまり、各スイッチ要素に流れる電流を
Ｉ₁ （各スイッチ要素に均等に電流が流れていると考え
るとＩ₁ ＝Ｉ／Ｎ）とすると、転流時には電流Ｉ₁ を保
持しているスイッチ要素（Ｎ−Ｍ）個に各々約Ｉ₁ ／
（Ｎ−Ｍ）の電流が通電速度１０⁴ 〜１０⁵ ［Ａ／Ｓ］
で通電したことになる。

【００１２】こうした熱式の永久電流スイッチにおける
各スイッチ要素の超電導線８は、一般に通電速度が高速
になるに従ってクエンチ電流値（臨界電流値）が低下す
る傾向にある。もし超電導線８の通電速度１０⁴ 〜１０
⁵ ［Ａ／Ｓ］のときのクエンチ電流値が、転流後のスイ
ッチ要素（Ｎ−Ｍ）個のそれぞれの電流値Ｉ₁ ＋Ｉ₁／
（Ｎ−Ｍ）と同等或いは若干高い場合、転流時に他の何
らかの攪乱がおきるとｖ転流できず、スイッチ要素全体
（永久電流スイッチ自体）がクエンチに至ってしまう虞
れがある。

【００１３】この様な場合、スイッチ要素の個数Ｎを増
やし、転流後の各スイッチ要素に流れる電流値Ｉ₁ ＋Ｉ
₁ ／（Ｎ−Ｍ）を小さくすれば良いのであるが、永久電
流スイッチ全体の外形寸法が大きくなってしまう。特に
磁気浮上式鉄道等に使用される場合は、超電導磁石の艤
装寸法制約上、永久電流スイッチ自体も寸法を余り大き
くすることは出来ない。

【００１４】また、クエンチ電流値を上げるため、超電
導線８の径を若干増やしても、通電速度が高速になるに
従ってクエンチ電流値が低下する現象は逆に著しい。そ
の原因の一つとして、自己磁界ロスが挙げられる。つま
り超電導線８はシールド作用を持つことから、自己磁界
は線材表面に限定され、電流の増加と共に磁界は外周部
から徐々に内部へと侵入していくようになるので、ロス
が生じ、超電導線８に電圧が発生する。よって電流は一
挙に超電導線断面全体に流れるのではく外周部から徐々
に内部へと侵入する。このときの磁束移動に伴う発熱を
自己磁界ロスと呼んでいる。

【００１５】この自己磁界ロスにより電流の通電速度が
高速になると、磁束の動きに伴う誘導起電力が大きくな
り、超電導線８の電圧が上昇し、それに伴い超電導線８
の温度も上昇する。

【００１６】一方、通電速度が高速になる程、熱伝導に
よる排熱の効果が弱くなってしまう。従って、通電速度
が高速になるにつれて、超電導線８の温度上昇が激し
く、電流分流温度（電流が超電導フィラメント１１から
母材１０に流れ始める限界温度）に達するのが速くな
り、クエンチ電流値が低くなってしまう。特に、通電速
度が転流のような超高速の１０⁴ 〜１０⁵ ［Ａ／Ｓ］に
なると、超電導線８内部に電流が侵入する過程で電流分
量温度に達するため、クエンチ電流値が著しく低くな
る。こうしたことから、通電速度が超高速の１０⁴ 〜１
０⁵ ［Ａ／Ｓ］にもなると、超電導線８が自己磁界ロス
により内部に電流が流れる前にクエンチに至ってしま
う。

【００１７】本発明は前記事情に鑑みなされ、その目的
とするところは、通電速度が１０⁴〜１０⁵ ［Ａ／Ｓ］
というような超高速域での超電導線のクエンチ電流値を
向上させるか、超高速域での超電導線の内部温度上昇を
小さくてクエンチ電流値の低下を押さえることにより、
転流時の各スイッチ要素の余裕度を高めて、安定性の向
上を図るようにした熱式の永久電流スイッチを提供する
ことにある。

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【課題を解決するための手段および作用】請求項１の発
明は、極低温で比抵抗値が大きい合金を用いた母材に多
数本の超電導体フィラメントを設けた多芯線構造の超電
導線を巻回してなる永久電流スイッチにおいて、前記超
電導線の母材中の断面外周部に超電導体フィラメントを
高密度で配設し、断面内周部は中空として構成し、その
中空部に通電時には液体ヘリウムを流して導体を安定化
し、スイッチオフ時にはその中空部を蒸発ヘリウムガス
にして中空部を断熱化することを特徴としている。

【００２５】このように、超電導線の内部の超電導体フ
ィラメントをなくすことにより、内部の自己磁界ロスは
なくなることになり、また内部が中空であるので、内部
冷却効果が期待できることになる。

【００２６】よって、通電速度が低速域では内部超電導
体が無い分、クエンチ電流値は、従来の超電導線に劣る
ものの、通電速度が早くなるにつれて内部のロスが無く
なる分、クエンチ電流値の減少が緩和され、１０⁴ 〜１
０⁵ ［Ａ／Ｓ］程度では従来の超電導線より高い電流ま
で流せるようになる。

【００２７】なお、前述の永久電流スイッチにおいて、
超電導線の断面外周部は、該超電導線の直径に対し５０
〜７０％の範囲内の比率で設定するのが望ましい。ま
た、前述の永久電流スイッチにおいて、超電導線の断面
内周部は、該超電導線の直径に対し３０〜５０％の範囲
内の比率で設定するのが望ましい。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の熱式の永久電流スイッチの第
１実施例を図１により説明する。なお、ここではスイッ
チの全体的構成は図６乃至図８で示しとと同様であるの
で、その説明と図面は省略し、超電導線２０の断面構造
のみ説明する。

【００２９】この実施例のスイッチに用いた超電導線２
０は、極低温で比抵抗値が大きい例えば銅とニッケル合
金（Ｃｕ−Ｎｉ合金）を用いた母材２１に、Ｎｂ−Ｔｉ
等の合金よりなる多数本の超電導体フィラメント２２を
設けた多芯線構造で、この超電導線２０の母材２１中の
断面外周部（格子線を入れて示す部分）２３の超電導体
フィラメント２２の密度を、断面内周部（斜線を入れて
示す部分）２４の超電導体フィラメント２２の密度より
も高く設定している。

【００３０】つまり、超電導体フィラメント２２の密度
が、該超電導線２０の超電導部の断面外周部２３では高
く、内周部２４では低くされている。その断面外周部２
３の超電導体フィラメント２２の密度は、内周部２４の
それに対し少なくとも１０％以上高くされている。即
ち、超電導線２０の母材２１中の断面内周部２４では超
電導体フィラメント２２の密度が従来品と同程度である
のに対し、外周部２３では超電導体フィラメント２２の
密度が１０％以上高く（密集）して構成されている。

【００３１】この構成を実現するためには、同径の超電
導体フィラメント２２の配置数を増やす方法と、フィラ
メント径を細かくして配置数を増やす方法の両方が可能
である。また、母材に対しフィラメント密度が異なる少
なくとも２種類以上の部材を別々に製作して内外で合成
してハイブリット（複合型）構造とすることで構成する
方法もある。

【００３２】なお、その超電導体フィラメント２２の密
度を高くした断面外周部２３とは、通電速度が１０⁴ 〜
１０⁵ ［Ａ／Ｓ］の超高速域でも電流が集中すると推定
される範囲、つまり該超電導線２０の直径に対し５０〜
７０％の範囲内の比率で設定されている。

【００３３】こうした構成の超電導線２０を従来同様に
巻枠に巻回してモールド樹脂により固めてスイッチ要素
を構成し、これを複数個電気的に並列接続して熱式の永
久電流スイッチを構成している。

【００３４】このように通電速度が超高速でも電流が流
れると推定される超電導線２０外周のある範囲までの断
面外周部（超電導部）２３の超電導体フィラメント２２
の密度を、内周部（超電導部）２４のそれより高密度化
したので、その超電導線２０の外周部２３での電流密度
が高くとれ、全体としての電流密度が高く保たれるた
め、従来の超電導線より通電速度の低速域から高速域の
広範囲に亘りクエンチ電流値を高くすることができるよ
うになる。

【００３５】図５は本実施例の永久電流スイッチと従来
品とのクエンチ電流値の比較図で、超電導線２０の外径
は従来と同一であるが、本実施例のクエンチ電流値Ａは
従来の超電導線のクエンチ電流値Ｂより通電速度全域に
亘り向上する。

【００３６】よって、この実施例の超電導線２０を使用
した並列接続式の永久電流スイッチは、転流時の高速通
電に対して各スイッチ要素の負荷率（スイッチ要素に流
れる電流／クエンチ電流値）が低減し、安定性が向上す
る。また低速域でのクエンチ電流値も向上するため、通
常通電時（１〜１０［Ａ／Ｓ］）での安定性も向上する
ようになる。

【００３７】図２は本発明の熱式の永久電流スイッチの
第２実施例を示すもので、ここで用いた超電導線３０の
断面構造は、極低温で比抵抗値が大きい例えば銅とニッ
ケル合金（Ｃｕ−Ｎｉ合金）を用いた母材３１に、Ｎｂ
−Ｔｉ等の合金よりなる多数本の超電導体フィラメント
３２を設けた多芯線構造であるが、その超電導線３０の
母材３１中の断面外周部３３に超電導体フィラメント３
１を前記実施例同様に高密度で配設し、内周部３４は超
電導体フィラメントを持たない全てＣｕ−Ｎｉ合金母材
３１のみで構成されている。

【００３８】こうした実施例の永久電流スイッチによれ
ば、超電導線３０は超電導体の総面積が従来品より若干
小さくでき、通電速度が低速域では、従来の超電導線よ
りクエンチ電流値は若干小さくなるが、通電速度が１０
⁴ 〜１０⁵ ［Ａ／Ｓ］の超高速域では、電流が集中する
と推定される断面外周部（外径の６〜７割程度の範囲）
３３に高密度化した超電導体フィラメント３２が存在
し、しかも内周部は母材３１のみで超電導体フィラメン
トが無い分、自己磁界ロスによる発熱が減少するので、
図５に示したように本実施例のクエンチ電流値Ｃは従来
の超電導線のクエンチ電流値Ｂより超高速域で向上す
る。よって、通電速度の（１〜１０［Ａ／Ｓ］）の低速
域では各スイッチ要素の負荷率は若干従来のものに比し
高くなるが、転流による電流増加に対しては安定性が大
幅に向上するようになる。

【００３９】また、運転電流値があまり高くない用途の
永久電流スイッチの場合は、超電導線３０の断面外周部
３３の超電導体フィラメント３２を密度を高密度化せず
に従来度同等程度にして、その超電導線３０の外径の３
〜４割程度の範囲の内周部３４をＣｕ−Ｎｉ等の合金母
材３１のみとしただけでも、自己磁界ロスによる内部発
熱が少なくなる分、転流時の安定性は従来の永久電流ス
イッチより良くなる。

【００４０】図３は本発明の熱式の永久電流スイッチの
第３実施例を示すもので、ここで用いた超電導線４０の
断面構造は、極低温で比抵抗値が大きい例えば銅とニッ
ケル合金（Ｃｕ−Ｎｉ合金）を用いた母材４１に、Ｎｂ
−Ｔｉ等の合金よりなる多数本の超電導体フィラメント
（図示省略）を設けた多芯線構造であるが、その超電導
線４０の内部の冷却効率を向上して排熱特性を向上させ
るため、超電導線４０の断面外周部４３では比抵抗値が
大きく、内周部４４では比抵抗値が小さくなる状態に、
合金含有成分率が異なる少なくとも２種類以上の母材４
１，４２を内外に配して構成されている。

【００４１】つまり、超電導線４０の超電導体フィラメ
ントを高密度で設けた断面外周部４３の母材４１ａは比
抵抗値が大きいＣｕ−３０％Ｎｉ合金とし、フィラメン
トを持たない内周部４４の母材４１ｂは比抵抗値が小さ
いＣｕ−１０％Ｎｉ合金（Ｎｉの含有成分率を少なくし
た）で構成されている。

【００４２】図４は本発明の熱式の永久電流スイッチの
第４実施例を示すもので、ここで用いた超電導線５０の
断面構造は、極低温で比抵抗値が大きい例えば銅とニッ
ケル合金（Ｃｕ−Ｎｉ合金）を用いた母材５１に、Ｎｂ
−Ｔｉ等の合金よりなる多数本の超電導体フィラメント
（図示省略）を設けた多芯線構造であるが、その超電導
線５０の内部の冷却効率を向上して排熱特性を向上させ
るため、超電導線５０の母材５１中の断面外周部５３に
超電導体フィラメントを高密度で配設し、断面内周部５
４は中空とされている。つまり、超電導線５０の断面内
周部５４がＣｕ−Ｎｉ合金母材５１を取り除いて中空と
され、全体的に断面ドーナツ形状に構成されている。

【００４３】こうした第４実施例のものでは、超電導線
５０の内周部５４が中空であるので、内部冷却効果が期
待でき、自己磁界ロスによる超電導体部最内周側の放熱
特性を向上させることができることになると共に、通電
速度が低速域では内部超電導体が無い分、クエンチ電流
値は、従来の超電導線に劣るものの、通電速度が早くな
るにつれて内部のロスが無くなる分、クエンチ電流値の
減少が緩和され、通電速度が１０⁴ 〜１０⁵ ［Ａ／Ｓ］
の超高速域では従来の超電導線より高い電流まで流せる
ようになる。

【００４４】また、この第４実施例の如く、超電導線５
０の内周部５４を中空とした場合、その中空部に液体ヘ
リウムを流すことも可能であり、大型機器の大電流用の
永久電流スイッチとして、通電時には液体ヘリウムを流
して導体を安定化し、スイッチＯＦＦ時には中空部を蒸
発ヘリウムガスにして、中空部を断熱化することが可能
である。

【００４５】なお、前述の各実施例の永久電流スイッチ
において、超電導線の断面外周部は、該超電導線の直径
に対し５０〜７０％の範囲内の比率で設定するのが望ま
しい。また、超電導線の断面内周部は、該超電導線の直
径に対し３０〜５０％の範囲内の比率で設定するのが望
ましい。

【００４６】なお、前述の永久電流スイッチにおいて、
超電導線２０〜５０の断面外周部２３〜５３は、該超電
導線の直径に対し５０〜７０％の範囲内の比率で設定す
るのが望ましい。また、超電導線２０〜５０の断面内周
部２４〜５４は、該超電導線の直径に対し３０〜５０％
の範囲内の比率で設定するのが望ましい。

【００４７】また、前記各実施例で述べた超電導線２０
〜５０は円形断面のものとして図示しているが、それ以
外に例えば矩形断面形状或いは多角形断面形状とした場
合においても前述と略同様に安定性の高い永久電流スイ
ッチを得ることができる。

【００４８】以上のような永久電流スイッチであれば、
従来に比べ高速通電時のクエンチ電流値が向上するの
で、転流時のスイッチ要素間の１０⁴ 〜１０⁵ ［Ａ／
Ｓ］と言う超高速な電流移動に対し安定性が向上する。

【００４９】また、磁気浮上強い鉄道等に使用される永
久電流スイッチは、走行時に超電導磁石が受ける振動の
影響で加振されると共に、磁場変動を受けるが、このと
き永久電流スイッチは転流が起こらなくても振動とのそ
の影響で起きる磁場変動により、スイッチ要素間の電流
移動があり、この電流移動速度も超高速的なものと考え
られる。このような場合についても、高速通電時の電流
容量を向上させた本発明の永久電流スイッチは従来のタ
イプより安定性が良いものとなる。従って非常に安定性
が向上した永久電流スイッチを構成することができて更
に超電導磁石システム全体の信頼性も高くすることがで
きる。

【００５０】

【発明の効果】本発明の永久電流スイッチは、上述の如
く構成したので、通電速度が１０⁴ 〜１０⁵ ［Ａ／Ｓ］
というような超高速域での超電導線のクエンチ電流値を
向上させることができ、或いは超高速域での超電導線の
内部温度上昇を小さくてクエンチ電流値の低下を押さえ
ることができ、転流時の各スイッチ要素の余裕度を高め
て、安定性の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の永久電流スイッチの第１実施例を示す
超電導線の断面図及びその部分拡大断面図。

【図２】本発明の永久電流スイッチの第２実施例を示す
超電導線の断面図及びその部分拡大断面図。

【図３】本発明の永久電流スイッチの第３実施例を示す
超電導線の断面図。

【図４】本発明の永久電流スイッチの第４実施例を示す
超電導線の断面図。

【図５】本発明の永久電流スイッチと従来品とのクエン
チ電流値の比較図。

【図６】一般的な円盤状スイッチ要素を複数個並列接続
した永久電流スイッチの斜視図。

【図７】一般的な円筒状スイッチ要素を複数個並列接続
した永久電流スイッチの斜視図。

【図８】同上従来の永久電流スイッチのスイッチ要素の
一部断面した斜視図及びその一部分の拡大断面図。

【符号の説明】

２０〜５０…超電導線、２１〜５１…母材、２２，３２
…超電導体フィラメント、２３〜５３…断面外周部、２
４〜４４…内周部、５４…中空内周部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山根達視東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (72)発明者前田秀明神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者浦田昌身神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献特開平５−114321（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−229610（ＪＰ，Ａ) 特開平１−140518（ＪＰ，Ａ) 特開平４−188681（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 39/02 - 39/04 H01L 39/14 - 39/20 H01B 12/00 - 12/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】極低温で比抵抗値が大きい合金を用いた
母材に多数本の超電導体フィラメントを設けた多芯線構
造の超電導線を巻回してなる永久電流スイッチにおい
て、前記超電導線の母材中の断面外周部に超電導体フィ
ラメントを高密度で配設し、断面内周部は中空として構
成し、その中空部に通電時には液体ヘリウムを流して導
体を安定化し、スイッチオフ時にはその中空部を蒸発ヘ
リウムガスにして中空部を断熱化することを特徴とする
永久電流スイッチ。
【請求項２】請求項１に記載の永久電流スイッチにおい
て、超電導線の断面外周部は、該電導線の直径に対し５
０〜７０％の範囲内の比率に設定されていることを特徴
とする永久電流スイッチ。
【請求項３】請求項１に記載の永久電流スイッチにおい
て、超電導線の断面内周部は、該電導線の直径に対し３
０〜５０％の範囲内の比率に設定されていることを特徴
とする永久電流スイッチ。