JPH02201839A - 熱式永久電流スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は超電導コイルに流れる電流の開閉を行うための
熱式永久電流スイッチに関する。

（従来の技術） 従来、熱式永久電流スイッチ（以下、ＰＣ８と記す）は
、一つの例として超電導磁気浮上式鉄道用の超電導磁石
をスイッチングするときに使用している。第７図には超
電導磁石制御装置１を示しており、ＰＣ３２は車両に搭
載されるクライオスタット３に収納されている。クライ
オスタット３内にはＰＣＳ２の他に超電導磁石用の超電
導コイル４が収納されている。ＰＣ３２は、超電導コイ
ル４に並列に接続された超電導線５と、この超電導線５
の近傍に配され、超電導線５を加熱するためのヒータ線
６とを備えたものである。このヒータ線６にはスイッチ
７を通して加熱電源８が接続されている。並列に接続さ
れた超電導コイル４と超電導線５の両端からは導線９が
クライオスタット３の外側に引出されている。各導線９
にはＰＣ３２の焼断防止用の放電抵抗器１０が並列に接
続され、さらに各導線９は電源スィッチ１１を通して直
流励磁電源１２に接続されている。このようにしてクラ
イオスタット３内には、例えば液体ヘリウムを投入し、
図示しない圧縮機や冷凍機等を備えた冷却装置によりク
ライオスタット３内は超低温に保たれる。

そして、超電導コイル４のスイッチングを行うには、ス
イッチ７を開閉して加熱電圧をヒータ線６に印加したり
、遮断したりして超電導線５を超電導状態、または常電
導状態に切換えることにより行われる。

ＰＣＳ２を用いて超電導コイル４にエネルギを蓄えるに
は、まず、スイッチ７を閉状態にして加熱電圧をヒータ
線６に印加し、超電導線５を常電導抵抗Ｒｓを有する常
電導状態にしておく。次に、電源スィッチ１１を所定時
間だけ投入して直流励磁電源１２から超電導コイル４に
励磁電流が供給される。この後、スイッチ７を開状態に
すると、超電導線５が超電導状態となり、超電導線５と
超電導コイル４との間に閉回路が形成され、この閉回路
内で励磁電流の流れが持続される。

超電導線５が常電導状態のときに、超電導線５の常電導
抵抗Ｒｓの値が大きければ大きい程超電導コイル４から
流入する電流は小さくなるので、ＰＣ８２が発生するジ
ュール熱（（Ｌｌ）２／Ｒｓ）を低減できる。この結果
、高価な液体ヘリウムの蒸発量を抑制できる。このよう
なことからＰＣＳ２内に収納された超電導線５の常電導
状態における常電導抵抗Ｒｓは高抵抗にする必要があり
、このために超電導線５は線径を細くして、巻枠に多数
回巻回する構造となる。

第８図にはＰＣ３２の構造を示している。巻枠１３はエ
ポキシガラス積層板のような耐寒性の材料を円筒形で、
かつ両端面に大径部１４ａ。

１４ｂを形成する形状となっている。二〇巻枠１３には
超電導線５を巻始める時に引掛ける溝１５と、巻終わり
を外側に引出す孔１６とを有する。さらに、超電導線５
の外周面に沿って巻回されるヒータ線６が外側に引出さ
れる孔１７を有するものである。

超電導線５はＮｂＴｉ系合金をフィラメントとし、母材
にはＣｕＮｉ系合金が使用される。そして、超電導線５
はホルマールで絶縁される。ヒータ線６はコンスタンタ
ン線を使用し、その仕様は加熱電源８の電圧とＰＣＳ２
の冷却特性とから決定されるものである。即ち、ヒータ
線６の抵抗値は最少のヒータ人熱量でＰＣＳ２の常電導
抵抗値Ｒｓを得るような値に決められる。

次に、巻枠１３に超電導線５、およびヒータ線６を巻回
する方法を説明すると、まず、常電導状態の時に常電導
抵抗値Ｒｓを有する１本の超電導線５が用意される。そ
して、１本の超電導線５の中間点を曲線状に折曲げる。

この曲線部を溝１５に引掛けた後、２本の超電導線５を
巻枠１３に沿って線間を密にして巻回する。このように
巻回された超電導線５は無誘導巻きとなる。超電導線５
は巻枠１３に複数段に巻回され、巻回された段毎に超電
導線５のホルマールの損傷を防止するためにガラステー
プ１８で保護される。このように巻回され、そして巻終
わった超電導線５の２本の端部は孔１６から引出され、
この引出された一方と他方は超電導コイル４に並列に接
続される。

次に、巻終えた超電導線５の最外周面はガラステープ１
８で保護され、この上にヒータ線６が等間隔に巻回され
る。ヒータ線６は所定の抵抗値となる長さに切断された
ものであり、巻終えたヒータ線６の端部は孔１７から外
側に引出され、一方はスイッチ７に接続され、他方は加
熱電源８に接続される。このようにヒータ線６を巻終え
ると、巻枠１３の両方の大径部１４ａ、１４ｂに外筒１
９を被せてエポキシ樹脂のような耐寒樹脂で一体成形す
る。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記のヒータ線は１本のもので所定の抵
抗値を得ようとしているために、ヒータ線の長さが短く
なり、このために間隔をあけて巻回しなければならず、
ヒータ線を超電導線の複数段の中に巻回すると、密に巻
回された超電導線の巻回状態を乱すことになるのでクエ
ンチ要因となり易く、止むをえず超電導線の巻線状態に
影響が少い超電導線巻線の外周部または内周部に巻回し
ている。しかし、ヒータ線が超電導線の外周面に巻回さ
れると、熱の一部が液体ヘリウム中に吸収され、超電導
線の加熱不足となり、超電導線の常電導抵抗値Ｒｓが得
られない。この常電導抵抗値Ｒｓを得るためにはヒータ
線による入熱員を増加しなければならず、この結果、高
価な液体ヘリウムの浪費となってしまう。また、ヒータ
線による大熱量を増加することにより、超電導線を常電
導状態から超電導状態に移行させるときのヒータ線の作
動時間が長くなるので、常電導状態から超電導状態、ま
た超電導状態から常電導状態へのスイッチング動作特性
を悪化させる。さらに、ヒータ線は１本の線で構成され
ているので、断線した時にスイッチング機能が失われる
ことになる。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであ
り、ヒータ線からの大熱量を効率良く超電導線に与える
と共にヒータ線が断線しても、即時にスイッチング機能
を失うことのない熱式永久電流スイッチを提供すること
を目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明は、筒体に超電導線
を複数段に重ねて巻回し、この複数段の間に設けたヒー
タコイル段に複数本のヒータ線からなるヒータコイルを
巻回し、各ヒータ線の端部を接続して複数の並列ヒータ
回路を形成し、この複数のヒータ回路に電力を供給する
ための給電線を筒体の外側に引出したものを提供するも
のである。

（作　用） 上記のような構成の熱式永久電流スイッチは、複数段に
重ねて巻回された超電導線の間に混在するように複数の
並列接続されたヒータコイルを巻回し、この複数のヒー
タコイルにより複数のヒータ回路を形成し、この複数の
ヒータ回路からその近傍にある超電導線のそれぞれに良
好に熱を与える。

（実施例） 以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は本発明におけるＰＯ２の一実施例を示している。こ
のＰＯ２は第８図に基づいて従来の技術の項で説明した
ものと同じ構成を有するので、この構成には同じ符号を
付し、詳細な説明は省略する。第１図に示すＰＯ５２と
第８図１こ示すものとの違いは、複数段に重ねて巻回さ
れた超電導線５の中間の段に二つのヒータ回路が形成さ
れ、この二つのヒータ回路の端部が並列に接続されて、
その接続箇所から給電線が引出されたことである。

まず、第１図に示すＰＯ３２について説明すると、超電
導線５は第８図に示したものと同じように常電導抵抗値
Ｒｓになる長さに切断され、この超電導線５を二つ折り
にし、この二つ折りにされた部分を溝１５に引掛けて巻
枠１３に沿って密状態に、かつガラステープ１８で段毎
に保護しながら複数段に巻回する。この巻回が巻枠１３
の約半分の高さになると、超電導線５の巻回を一時中断
する。そして、巻回された超電導線５の外周面にガラス
テープ１８を巻付けて最外周面の超電導線５を保護する
。なお、使用される超電導線５は従来の技術の項で説明
したものと同じ材料により形成されたものである。

この後、所定の抵抗値を有するコンスタンタン線により
形成されたヒータ線６を２本用意する。

この２本のヒータ線６の中間点を二つ折りにして、この
二つ折り部分を第２図に示すように一方の大径部１４ａ
に形成された孔１６に通し、そして、溝２０に引掛ける
。このようにして４本のヒータ線６を超電導線５に沿っ
て密状態に一段だけ巻回する。４本のヒータ線６の端部
が第３図に示す他方の大径部１４ｂに到達すると、第４
図に示すように４本のヒータ線６のうち、内側の２本の
ヒータ線６を交差させて、この交差したそれぞれのヒー
タ線６の端部を外側のそれぞれのヒータ線６に接続する
。このようにして二つの接続点２１が形成されることに
より所定の抵抗値を有する二つのヒータ回路２２ａ、２
２ｂが形成される。さらに、二つの接続点２１から延び
る２本のヒータ線６が、第３図に示すように他方の大径
部１４ｂに形成された孔１７から外側に引出される。こ
の引出されたヒータ線６は第７図でも説明し、たように
一方がスイッチ７に接続され、他方が加熱電源８に接続
される。

このように巻回されたヒータ線６の外周面にはガラステ
ープ１８が巻付けられる。この後ζ中断されていた２本
の超電導線５を上記したと同じようにガラステープ１８
を巻付けながら密状態に、かつ同じ段数に巻回していく
。超電導線５の巻終えた端部は、一方の大径部１４ａに
形成された孔１６から外側に引出される。この引出され
た超電導線５の２本の端部は第７図で説明したように超
電導コイル４と並列に接続される。

第５図はヒータ回路２２ａ、２２ｂの巻回状態を示す他
の例であって、この場合は、はじめに、二つ折りにされ
たヒータ線６がヒータ線６の２本分の間隔をおいて巻回
され、次に、同じように二つ折りにされたヒータ線６を
上記の巻回で与えられた間隔に巻回する。そして、４本
のヒータ線６の端部のうち内側の２本を交差させて、そ
れぞれの端部を上記したように外側のヒータ線６にそれ
ぞれ接続する。このようにして二つのヒータ回路２２ａ
、２２ｂを形成する。

第６図は巻枠１３が円盤形のＰＣＳ２を示しており、こ
のＰＣＳ２は第１図に基づいて説明したものと同じ構成
を存するので、その構成には同じ符号を付し、詳細な説
明は省略する。この場合は巻枠１３に超電導線５を巻回
し、全体の約１７′３巻回したところでヒータ線６を巻
回し、続いて超電導線５を巻回し続け、さらに全体の約
２／３巻回したところで次のし−タ線６を巻回し、そし
て残りの約１／３に超電導線５の巻回を行う。このよう
に巻回されたヒータ線６のうち、巻枠１３の内径側のヒ
ータ線６と外径側のものとの抵抗値は異なったものであ
り、この両方のヒータ線６を他方の大径部１４ｂのとこ
ろで並列に接続することにより所定の抵抗値を有する二
つのヒータ回路２２ａ、２２ｂが形成されている。そし
て、ヒータ回路２２ａ、２２ｂからは２本のヒータ線６
が孔１７から引出されている。

なお、第６図で示した巻枠１３の内径側と外径側のヒー
タ線６の巻回は、第４図、または第５図に示したいずれ
かの巻き方で行われる。このようにヒータ線６を巻回す
ることにより超電導線５の径方向の熱伝達が良好となる
。第６図ではヒータ線６を巻枠１３の内径側と外径側の
２段に巻回したものを示したが、必要に応じて３段以上
にも巻回できる。

また、第４図、および第５図に示したヒータ線６は２本
のヒータ線６を中間のところで曲げて巻回しているが、
必要に応じて３本、４本、またはそれ以上のヒータ線６
を曲げて巻回することもできる。

次に、第１図、および第６図に示したように製作された
ＰＣ８２の動作を第７図を参考にして説明する。ヒータ
回路２２ａ、２２ｂの抵抗値をＲｈとするならば、巻枠
］３の外側に引出されたヒータ線６に電圧Ｖが印加され
ると、即ち、スイッチ７が閉状態になると、ヒータ回路
２２ａ。

２２ｂはＶ２／Ｒｈの熱を生ずる。この時、ヒータ回路
２２ａ、２２ｂは複数段に巻回された超電導線５の間の
段に形成されているので、熱は超電導線５に無駄なく伝
わり、均一に加熱される。このヒータ回路２２ａ、２２
ｂからの入熱量は超電導線５が常電導状態になる時の常
電導抵抗値Ｒｓを得るために必要な最少限度の熱量とな
る。このようにヒータ回路２２ａ、２２ｂで超電導線５
を加熱したり、しなかったりすることによって超電導線
５を超電導状態、または常電導状態に切換えて超電導コ
イル４の超電導状態、常電導状態の切換えを行う。また
、二つのヒータ回路２２ａ、２２ｂのうちの一方が断線
したとしても、他方のヒータ回路２２ａ、２２ｂに少し
だけ高めの電圧を印加すれば、通常のＰＣ３２として十
分な機能を持たせることができる。

なお、ヒータ線６の巻き方は第４図および第５図に示す
ようにヒータ線６を中間点で折り曲げて巻回することに
より無誘導巻きとするが、複数本のヒータ線６を同方向
に巻回し、この巻回された複数本のヒータ線６の端部を
並列に接続することにより複数のヒータ回路２２ａ、２
２ｂを形成することもできる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明の熱式永久電流スイッチは、複
数段に巻回された超電導線の間に設けたヒータコイル段
に複数本のヒータ線からなるヒータコイルを巻回して複
数の並列ヒータ回路を形成し、このヒータ回路から超電
導線に熱を与えながら均一に熱を与えることができる。

この結果、ヒータ回路からｔＩｉ電導線に与える熱量を
最少限度にすることができ、超電導状態にするために使
用される冷却液の消費量を低減することができる。そし
て熱量が最少限度になった結果ヒータ回路が冷え易くな
り、ヒータ回路が再起動するまでの時間を短縮すること
ができる。さらに、複数のヒータ回路を形成したので、
一方のヒータ回路が断線しても他方のヒータ回路で補う
ことができ、スイッチング機能を失うことのない熱式永
久電流スイッチが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱式永久電流スイッチの一実施例を示
す断面図、第２図は第１図に矢印Ａ−Ａにより示す側面
図、第３図は第１図に矢印Ｂ−Ｂにより示す側面図、第
４図はヒータ線が巻回された状態の一例を示す斜視図、
第５図はヒータ線が巻回された状態の他の例を示す斜視
図、第６図は熱式永久電流スイッチの他の実施例を示す
断面図、第７図は超電導磁石制御装置を示す回路図、第
８図は従来の熱式永久電流スイッチを示す断面図である
。 ２・・・熱式永久電流スイッチ（ＰＯ２）　、５・・・
超電導線、６・・・ヒータコイル（ヒータ線）、１３・
・・筒体（巻枠）、１８・・・ガラステープ、１９・・
・外筒、２０・・・溝、２２ａ、２２ｂ・・・ヒータ回
路。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第２図 第３図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、筒体に超電導線を複数段に重ねて巻回し、この複数
   段の間に設けたヒータコイル段に複数本のヒータ線から
   なるヒータコイルを巻回し、各ヒータ線の端部を接続し
   て複数の並列ヒータ回路を形成し、この複数のヒータ回
   路に電力を供給するための給電線を前記筒体の外側に引
   出したことを特徴とする熱式永久電流スイッチ。 ２、複数本のヒータコイルは無誘導巻きで巻回されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の熱式永久電流スイッチ
   。