JPH03224279A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は核磁気共鳴装置や磁気浮上列車などの超電導
コイルを永久電流モードで運転する際にこの超電導コイ
ルの両端を実質的に抵抗値が零の状態で短絡し、必要に
応じて実質的に電流遮断状態にする永久電流スイッチに
関する。

〔従来の技術〕

核磁気共鳴装置や磁気浮上列車などの超電導コイルでは
、運転中は直流電源から切り離して永久電流スイッチで
短絡し、閉ループの中を電流が循環して長期に渡って流
れ続けるいわゆる永久電流モードで使用するのが一般で
ある。超電導コイルを構成する超電導線は極低温におい
ては超電導状態になって電気抵抗値が零になっており、
理論的には永久に電流が流れ続けることになる。

第４図は従来の永久電流スイッチの断面図である。この
図において、永久電流スイッチはリング状をしており、
図の水平方向の図示しない直線を対称軸とした軸対称構
造になっている。断面が外形側に開いたコの字状をした
巻枠４１の中に超電導巻線３が巻回されている。この趨
電導巻ｋａ３は丸線に成形されている超電導線を図の左
右方向である軸方向に沿って巻枠４１に沿って巻回し、
その上に丸線のヒータ線からなるヒータ巻線２を巻回し
て１層を構成し、このような層を所定の数だけ半径方向
に積み重ねて超電導巻線３とヒータ巻線２を形成する。

この図では１層分と超電ＸＳ線３の数ターンだけを図示
しであるが、巻枠４１の中を一杯になるように積み重ね
て巻回される０図の下部の断面には超電導巻線３やヒー
タ巻線２の断面を記載していないが、当然のことながら
上下で対称な断面構造となっている。また、超電導線や
ヒータ線は実際はもっと細いのが普通であるが、判りや
すい図とするために実際よりもはるかに大きな径で図示
しである。

巻枠４１の中のａｉｉｓ線やヒータ線の隙間には巻回作
業が終了した後にモールド樹脂を含浸して加熱硬化する
。更にその外側に断熱層４３を設けて後述のようにヒー
タ巻線２に電流を流して超電導巻線３を加熱する際の効
率を高める構成としている。

なお、超電導巻線３の超電導線やヒータ巻線２を構成す
るヒータ線はいずれも絶縁被覆が施されであるがその図
示は省略しである。この絶縁被覆によって超電導線やヒ
ータ線の間の絶縁が確保されている。

超電導巻線３は、永久電流スイッチとしてはオフの状態
である常電導状態での抵抗値を大きくするために安定化
銅を除去した超電導体だけのもの、あるいは、銅より２
桁以上も抵抗率の大きなキュプロニッケル合金（Ｃｕ−
Ｎ１）を被覆して使用する。

このような超電導線では何らかの理由で突然超電導状態
から常電導状態に移行するいわゆるクエンチが生じ易く
なるので、超電導線近傍の磁界の強度を低減することを
目的として永久電流スイッチ４の超電導巻線３は無誘導
に巻く特殊な巻回方法が採用されている。

第５図は永久電流スイッチ４を使用した回路を示すもの
で、永久電流モード状態においては永久を流スイッチ４
へのヒータ電１１２１はオフされており永久電流スイッ
チ４としてはオンの状態にある。

すなわち、永久電流スイッチ４の抵抗値Ｒ３は零である
ため、図示しないｔａからいったん供給されたｔ流は超
電導コイル５を含むＢＣＤＥなる回路を流れ続ける。６
は保Ａｌｌ抵抗体（抵抗（ＩＲ，）で、超電導コイル５
の運転中に超電導コイル５の内部に常電導状態が発生す
るクエンチが発生した場合に、超電導コイル５が持つ磁
気エネルギー（１／２）　Ｌ　ｌ”　　（Ｌ；超電導コ
イル５のインダクタンス、Ｉ；電流〕を超電導コイル５
以外すなわち保護抵抗体６の抵抗値Ｒ１で消費させて超
電導コイル５の温度の上昇を防止し、冷媒の蒸発量を軽
減させる働きをするとともに、永久電流モードで運転中
に永久電流スイッチ４が何らかの理由で突然オフ状態に
なり高抵抗状態になったときに超電導コイル５の蓄積エ
ネルギーの集中によるスイッチの焼損を防ぐという保護
の役目をする。

第５図の回路において、コイルクエンチに際しては保護
抵抗体６の抵抗値Ｒ，は超電導コイル５に発生する抵抗
値Ｒ８より大きい方ガエネルギー回収の面から望ましい
、また永久電流スイッチ４のオフ状態での抵抗値Ｒ５は
前記保護抵抗体６の抵抗値Ｒ２より更に大きいことが永
久電流スイッチ４の保護及び励磁時間の短縮のために要
求される。永久電流スイッチ４がオフのときの抵抗値を
大きくするためには、超電導巻線３の超電導線の長さを
長くしなければならない、特に大電流導体においては、
導体断面積が大きくなる関係上抵抗値が小さくなる傾向
にあるため、高抵抗化するためには細い線により多くの
長さを必要とする。また大きな蓄積エネルギーを持つ超
電導コイル５のための永久電流スイッチ４は、ある程度
の磁気エネルギーを吸収できるように容積を大きくする
必要がある。一方、永久電流スイッチ４は超電導巻線３
をヒータｔ！’＆Ｉ２で加熱し、そのヒータパワーと冷
媒への熱伝達のバランスによって超電導体の温度を臨界
温度以上又は以下に保ちながらスイッチのオン、オフを
行うのであるから、超電導コイル５にクエンチが発生し
た場合速やかに永久電流スイッチ４をスイッチ作用にす
ることが要求される。この要求を満足するために第４図
に示したように超電導巻線３とヒータ巻線２とが密接す
るように巻回する構成をとっている。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 ところで、第４図に示す超電導巻線３とヒータ巻線２と
を密接に配置するために、半径方向に積み重ねて密に巻
回する構成を採用しているが、超電導線とヒータ線との
径は等しくなく、また、巻数が一部するものでもないの
で、超電導線とヒータ線との間に巻き乱れが発生し易い
という問題がある。前述のように電線間の隙間はモール
ド樹脂で充填して加熱硬化させて電線が動くことによる
クエンチの発生を防止する構成を採用しているのである
が、巻き乱れがあるために超電導線の微動が起こり易く
、これが引き金になってクエンチが生ずる可能性の高い
不安定な超電導巻線になるという問題がある。

この発明は、このような問題を解決し、巻き乱れが生じ
に＜＜、安定した通電状態を確保することのできる超電
導１！！締を持った永久電流スイッチを提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するためにこの発明によれば、巻枠に超
電導線を巻回してなる超電導巻線とヒータ線を巻回して
なるヒータ巻線とを樹脂モールドして一体化するととも
に断熱層で被覆してなる永久電流スイッチにおいて、前
記ヒータ巻線が前記巻枠に巻回された超電導Ｓ線の軸方
向寸法に実質的に等しい幅の薄膜状金属を絶縁性フィル
ムで挟んでなるものとする。あるいは前記巻枠の外径側
表面に溝を設けこの溝に超電導線断面の一部を挿入して
前記超電導巻線を巻回し、この超電導巻線の外径側に周
方向に少なくとも２つに分割可能の円筒状で内径側表面
に溝を設けた押え金具を設け、この溝に前記超電導線断
面の一部を挿入し、この押え金具の外径側表面に前記ヒ
ータ巻線を巻回するものとする。更にあるいは前記超電
導線の直径と前記ヒータ線の直径を略同一寸法とし、前
記超電導巻線および前記ヒータ巻線は軸方向にそれぞれ
密に巻回された超電導線とヒータ線とが半径方向に交互
に積層されてなるようにする。

〔作用〕

この発明の永久電流スイッチにおいて、まず、請求項１
）の構成において、ヒータ巻線を、巻回された超電導！
’線の軸方向寸法に実質的に等しい幅の薄膜状金属をｍ
ｕ性フィルムで挟んで構成し、このヒータパワーを超電
導線を１層巻回後にその上に巻回すると、このヒータ電
線は超電導線を加熱する従来の働きの他に、先に巻回さ
れている超電導線を外径側から圧迫して安定させる働き
を持ち、更に、軸方向に並べて巻回された超電導線の表
面の お凸凹をならして次の層の超電導線の位置が乱れないよ
うにする働きも生ずる。

また、請求項２）の構成において、巻枠の外径側表面に
設けた溝に超電導線断面の一部を挿入して前記超電導巻
線を巻回し、この超電導巻線の外径側に周方向に分割可
能の円筒状の押え金具を設けこの押え金具の内径側表面
に設けた溝に超電導線断面の一部を挿入して押え金具で
締付けることにより、超電導巻線は内径側、外径側とも
溝に挿入されて固定されるので、超電導巻線に電流が流
れて電磁力が働いても超電導線が微動することがなく、
超電導線の微動が原因で生ずるクエンチが生じなくなる
。ヒータ巻線は押え金具の外径側表面に巻回することに
より押え金具を介して超電導巻線を一様に加熱すること
ができるので、永久電流スイッチとしてのスイッチ作用
が安定する。

更にまた、請求項３）の構成において、超電導線の直径
とヒータ線の直径を略同一寸法とし、超電導巻線および
ヒータ巻線は軸方向にそれぞれ密に巻回された超電導線
とヒータ線とが半径方向に交互に積層されてなるように
したので、超電導線とヒータ線とは確実に重なり、かつ
、張力を掛けながら巻回することで超電導線とヒータ線
とは強く接触するとともに確実に固定され、永久電流ス
イッチとしてのスイッチ作用が安定する。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。第１図〜第
３図はそれぞれこの発明の実施例を示す永久電流スイッ
チの断面図であり、第４図と共通の部材については同じ
参照符号を付けることにより詳しい説明は省略し、また
、機能が共通の部材については第４図の参照符号にイン
デックスＡ〜Ｃを付けて示しである。第１図において、
超電導巻線３Ａの超電導線を巻枠４１にまず１１回し、
その上にヒータ巻線２＾のシート状のヒータ帯を巻回す
る。ヒータ巻線２＾のヒータ帯の幅寸法は巻枠４２の軸
方向の内寸法に略−杯の寸法にしてあり、超電導＆１１
１層分の全体を覆うように巻回される。したがって、張
力を掛けながら巻回することでヒータ巻線２Ａは超電導
線の１層分を一様に外径側から圧迫しこのＩＮ分の超電
導線を安定させる働きをするとともに、凸凹の超電導線
の外径表面をならす働きもする。次に巻回する超電導線
の１層はこのヒータ巻線２Ａの外径側に巻回されるが、
ヒータ巻線２Ａ５＜＠回されているために、前述のよう
に凸凹がならされてこの上に巻回される層の超電導線の
内径が一部になり巻き乱れが生じに（くなる。

ｔｍの超電導線とその上に１回巻回するし−タｔｌＩ＆
ｌ１２＾の１枚のヒータ帯とを１つの層として、これを
半径方向に積み重ねて巻回して巻枠４３の中を一杯にし
て永久電流スイッチ４Ａの巻線が形成される。

ヒータＳ＆ｉ１２＾のヒータ帯は絶縁性フィルムの表面
にアルミを蒸着したものを同じ＜ｍ縁性フィルムで覆う
ことによってアルミ薄膜を絶縁性フィルムで挟んだ構成
としたものである。絶縁性フィルムに適当なものを選択
することにより屈曲性に富みかつ張力に強いヒータ帯と
することができる。

このようなヒータ帯は市販されているものであり、これ
を超電導ｔ！ｖＡ３の寸法に合わせて所定の幅に切断し
て使用する。

前述のように、１層の超電導線と１枚のヒータ帯からな
る１つの層を所定の層数だけ積み重ねて超電導巻線３Ａ
とヒータ巻線２Ａを形成した後、従来技術と同じように
モールド樹脂４２を含浸して加熱硬化させ、断熱層４３
で覆って永久電流スイッチ４＾を構成する。

超電溝巻ｍ３Ａを構成す４１層の超電導線の外径側表面
は凸凹しているが、その上にヒータ巻線２Ａのヒータ帯
を巻回することによりこの凸凹がならされて、この上に
更に巻回される次の層の超電導線は巻枠４１に直接巻回
するときに近い＠回し易い状態になり巻き乱れが生じに
くい構成となる。超電導線とヒータ帯とは密着している
ので、ヒータ帯に電流を流して加熱してときの超電導線
への熱伝達は速やかに行われるので、永久電流スイッチ
としての機能は充分果たすことができる。

巻き乱れが生じにくい巻線構成なので、超電導線の微小
な移動などが発生しに＜＜シたがってこれが起因になっ
て生ずるクエンチも起こりにくくなり、安定な通電状態
を維持することのできる超電導巻線３Ａとなる。

次に、第２図において、巻枠４１には超電導＠線３Ｂの
超電導線の内径側の一部を挿入する溝を設けてあり、超
電導＠線３Ｂの外径側には押え金具４４を設けて超電導
巻線３Ｂを外径側から押え付ける構成としている。この
押え金具にも溝が設けてあって超電導巻線３Ｂの超電導
線の断面の外径側の一部を挿入している。したがって、
超電導巻線３Ｂは巻枠４１と押え金具４４のそれぞれの
溝に挟まれて固定された構成になっている。ただ、超電
導線の外径とこれらの溝の面とが完全に一部するもので
はないので、モールド樹脂を含浸させて隙間を埋めるこ
とにより機械的に強固にして超電導巻線３Ｂが微動する
ことのないようにしているとともに、巻枠４１、押え金
具４４と超電導巻線３Ｂとの間の熱伝導を良好にして超
電導巻線３Ｂの温度分布に偏りの生じないようにしてい
る。

ヒータ巻＆Ｉ２Ｂは押え金具４４の外径表面に巻回して
あり、図では超電導巻線３Ｂの場合と同様に押え金具４
４の外径側表面に設けた溝に挿入して巻回しであるが、
これは押え金具４４との間の熱伝導をよくするためであ
る。ヒータ＠ｍ２ｎも超電導＠４Ｉ３Ｂと同様に樹脂モ
ールドして押え金具４４との熱的結合を密接にする構成
とするので、押え金具４４にはヒータ巻線２Ｂ用の溝を
設けず単に表面にヒータ線を巻回するだけでも実用上問
題無い場合が多い。

これら巻枠４１、超電導巻線３Ｂ、押え金具４４、ヒー
タｔ１ｖＡ２Ｂは前述のように樹脂モールドされた上で
絶縁層４３で被覆されてヒータ巻１２Ｂによる加熱の際
の加熱電力の節減とこれに伴う液体ヘリウム消費の節約
に責している。

第４図に示した従来の永久電流スイッチ４の場合は、超
電４壱Ｍ４２やヒータ巻線２を多層に巻回しであるが、
この発明による永久電流スイッチ４Ｂは第２図に示すよ
うに１層で形成している。押え金具４４で押える構成と
したのでこのように１層で構成する方が構造が簡単にな
って実用的である。

ただ、１層にしたことによって図の左右方向の軸方向長
さが長くなるが、この永久電流スイッチ４Ａを挿入する
空間は充分あるので、長さが長くなったことによる実用
上の問題は生じない。

ヒータ巻線２Ｂを押え金具４４の外径側表面に巻回した
ので、超電導巻線３Ｂとはこの押え金具４４を介して熱
的に接続されることになるので、従来の永久電流スイッ
チ４に比べて起電導巻線３Ｂを加熱する効果が低下する
ことが考えられるが、押え金具４４はアルミなどの良熱
伝導材料を使用し、かつその厚みを薄くすることによっ
て実際上問題にはならない、むしろ押え金具４４によっ
て温度分布が一様になることから、超電導ｔｉ線３Ｂの
加熱は安定するという効果が得られる。

押え金具４４は周方向に２分割した構成を採用している
。実際の製作の順序は巻枠４１に起電導巻線３Ｂを巻回
した後押え金具４４を外径側から被せてヒータＳ線を巻
回するに邪魔にならない両端にバインド線を巻いて締付
け、その後ヒータ巻線２Ａを押え金具４４の外径側表面
に巻回する。このようにすることにより、起電導巻線３
Ｂは巻枠４１と押え金具４４とによって圧力がかけられ
て挟まれた状態になるので、前述のようにモールドされ
ることともあいまって強固に固定されることになり、電
磁力が働いても微動もしない構成となり、永久電流モ−
ド状態において超電導状態にある超電導巻線３ｎがクエ
ンチを起こす可能性の非常に小さい安定した永久電流ス
イッチとすることができる。

更に、第３図において、起電導ｔ’１３ｃの超電導線の
直径とヒータ巻線２Ｃのヒータ線の直径を路間−寸法と
し、前記超電導線を巻枠４１にまず１層を軸方向に密に
巻回し、その上に前記ヒータ線を軸方向に密に巻回する
。起電導線およびヒータ線の直径は路間−であるので、
起電導線の上にヒータ線が確実に重なり、かつ、張力を
掛けながら巻回することでヒータ線は一層目の超電導線
を外径側から圧迫しこの一層目の超電導線を・安定させ
る働きをするとともに、このヒータ線自体も外径表面の
凸凹がならされる０次に巻回する超電導線はこの一層目
のヒータ線の外径側に巻回されるが、このヒータ線は前
述のように外径表面の凸凹がならされており、この上に
、巻回される超電導線はヒータ線の上に確実に重なり巻
き乱れが生じにくくなる。

１層の超電導線と１層のヒータ線を半径方向に交互に所
定の暦数を積み重ねて巻回し超電導巻線３Ｃとヒータ巻
線２Ｃを形成した後、従来技術と同じようにモールド樹
脂４２を含浸して加熱硬化させ、断熱層４３で覆って永
久電流スイッチ４Ｃを構成する。

超電導線とヒータ線の直径を路間−寸法とし、超電導＠
線およびヒータ巻線は軸方向にそれぞれ密に巻回された
超電導線とヒータ線とが半径方向に交互に積層されてな
るようにしたので、超電導線とヒータ線とは確実に重な
り、かつ、張力を掛けながら巻回することで起電導線と
ヒータ線とは強く接触するとともに確実に固定され、永
久電流スイッチとしてのスイッチ作用が安定する。

また、一般に、超電導線の直径とヒータ線の直径は等し
くないのが普通であるがこの実施例のように超電導線の
直径とヒータ線の直径を路間−寸法とした場合、当然、
ヒータ＠腺の抵抗値が変化する。これに対して、所定の
ヒータ出力を得るにはヒータ巻線に印加する電圧を調整
するようにする。

〔発明の効果〕

この発明の永久電流スイッチにおいては、第１図の実施
例において、ヒータｊＩｐ、ｖＡを、超電導巻線の軸方
向寸法に略等しい幅のＦｉｌ状金属を絶縁性フィルムで
挟んで構成し、このヒータ巻線を超電導線を１層巻回後
にその上に巻回すると、このヒータ巻線は超電導線を加
熱する従来の働きの他に、先に巻回されている超電導線
を外形から圧迫して安定させる働きを持ち、更に、軸方
向に並べて巻回された超電導線の表面の凸凹をならして
次の層の超電導線の位置が乱れないようにする働きも生
ずる。

また、第２図の実施例において、巻枠の外径側表面に設
けた溝に超電ｉ線断面の一部を挿入して前記超電導巻線
を巻回し、この超電導Ｓ！ｌｌｉの外径側に円筒状の押
え金具を設けこの押え金具の内径側表面に設けた溝に超
電導線断面の一部を挿入することにより、超電導巻線は
内径側、外径側とも溝に挿入されて固定されるので、超
電導＠線に電流が流れて電磁力が働いても超電導線が動
くことがなくなる。

更にまた、第３図の実施例において、超電導線の直径と
ヒータ線の直径を路間−寸法とし、超電導巻線およびヒ
ータ巻線は軸方向にそれぞれ密に巻回された超電導線と
ヒータ線とが半径方向に積層されてなるようにしたので
超電導線とヒータ線とは確実に重なり、かつ、張力を掛
けながら巻回することで超電導線とヒータ線とは強く接
触するとともに確実に固定される。

以上述べた構成によって、超電導線の移動が原因で生ず
るクエンチが生じなくなる。その結果、永久電流モード
の状態にあって永久電流スイッチの超電導ａ線が超電導
状態にあるときに発生するクエンチが発生する可能性が
非常に小さな安定した信鯨性の高い永久電流スイッチと
なり、この永久電流スイッチを装着した超電導コイルの
信顧性の向上にも資するという効果が得られる。更に、
超電導線とヒータ線が、直接あるいは押え板を介し強く
接触し、これらの間の熱抵抗が低下するので、８ｉｗａ
ｉｔ線は一様に加熱され、スイッチ作用が安定するとと
もに、ヒータの出力は軽減が可能となり、液体ヘリウム
の消費量を低減できる。液体ヘリウムは非常に高価であ
り、この効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す永久電流スイッチの
断面図、第２図はこの発明の異なる実施例を示す永久電
流スイッチの断面図、第３図はこの発明の更に異なる実
施例を示す永久電流スイッチの断面図、第４図は従来の
永久電流スイッチの断面図、第５図は永久電流スイッチ
を含む超電導コイルの運転中の回路図である。 ４．４Ａ、４Ｂ、４Ｃ：永久電流スイッーチ、４１；巻
枠、４２：モールド樹脂、４３：断熱層、２，２Ａ、２
Ｂ、２Ｃ：ヒータ巻線、３，３Ａ、３Ｂ、３ＣＣ超超電
導線、４４：押え金具。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）巻枠に超電導線を巻回してなる超電導巻線とヒータ
   線を巻回してなるヒータ巻線とを樹脂モールドして一体
   化するとともに断熱層で被覆してなる永久電流スイッチ
   において、 前記ヒータ巻線が前記巻枠に巻回された超電導巻線の軸
   方向寸法に実質的に等しい幅の薄膜状金属を絶縁性フィ
   ルムで挟んでなることを特徴とする永久電流スイッチ。 ２）巻枠に超電導線を巻回してなる超電導巻線とヒータ
   線を巻回してなるヒータ巻線とを樹脂モールドして一体
   化するとともに断熱層で被覆してなる永久電流スイッチ
   において、 前記巻枠の外径側表面に溝を設けこの溝に超電導線断面
   の一部を挿入して前記超電導巻線を巻回し、この超電導
   巻線の外径側に周方向に少なくとも２つに分割可能の円
   筒状で内径側表面に溝を設けた押え金具を設け、この溝
   に前記超電導線断面の一部を挿入し、この押え金具の外
   径側表面に前記ヒータ巻線を巻回したことを特徴とする
   永久電流スイッチ。 ３）巻枠に超電導線を巻回してなる超電導巻線とヒータ
   線を巻回してなるヒータ巻線とを樹脂モールドして一体
   化するとともに断熱層で被覆してなる永久電流スイッチ
   において、 前記超電導線の直径と前記ヒータ線の直径を略同一寸法
   とし、前記超電導巻線および前記ヒータ巻線は軸方向に
   それぞれ密に巻回された超電導線とヒータ線とが半径方
   向に交互に積層されてなることを特徴とする永久電流ス
   イッチ。