JPH03261184A - 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
に応して実質的に電流遮断状態にする永久電流スインチ
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ｉｔ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。超電導コイルを槽底する超電導線は極低温にお
いては超ｔｓ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図は永久電流スイッチ４を使用した回路を示すもの
で、永久を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ａＺ＋はオフになっ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、永久電源ス
イッチ４の抵抗値Ｒ５は零であるため、図示しない超電
導コイル５の励ｒＩｔｉ電源から供給されていた電流は
超電導コイル５を含むＢＣＤＥなる回路を流れ続ける。

６は保護抵抗体（抵抗＋［Ｒ，）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
いわゆ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　Ｉ　ｔ　　（Ｌ　。

超電導コイル５のインダクタンス、■；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Ｒ，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永久電流スイッチ４の焼
損を防ぐという保護の役目をする。

コイルクエンチに際しては保護抵抗体６の抵抗［Ｒ，は
超電導コイル５に発生する抵抗値Ｒ，より大きい方がエ
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ｇｉＲ，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ｔｆＬスインチ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を構成する超電導
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
よりも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をヒータ巻線２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つことによりスイッチ
のオン、オフを行うのであるから、超電１巻線３とヒー
タ巻ｍ２とのそれぞれの線が密接するように巻回する構
成がとられている。

第５図は従来の永久ｔｆＬ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４はリング状をしてお
り、断面が外形側に開き両端にっば４４のあるコの字状
をした巻枠４１の中に超電導巻線３が巻回−されている
。直径が０．５　ｖｂ−程度の丸線のヒータ線からなる
ヒータ巻線２を図の上下方向である軸方向に沿って巻枠
４１に巻回し、その外径側に直径が１ｍ−程度の丸線に
底形された超電導線を巻回しである。この図では先にヒ
ータ巻線２を巻回しその上に超電導巻線３を巻回した構
成を示しであるが、巻回の順序をこの逆にする場合もあ
る。

また、この図ではヒータ巻線２、超電溝巻ｗＡ３はそれ
ぞれ１層だけで構成されているが、層を重ねて多層構造
をとる場合もある。巻枠４１の巻線が巻回される部分の
直径は約１００　ｍ−程度であり、前述のように超電導
線やヒータ線の直径は１曙ないしそれ以下であり、この
図ではこれら丸線の寸法を実際よりも大きく措いである
。

巻枠４１の中の超電溝巻ｗａ３やヒータ巻線２は接着剤
を塗布しながら巻回するとともに、巻回作業終了後にモ
ールド樹脂４２を含浸して加熱硬化して一体化する。こ
のモールド樹脂としてはエポキシ樹脂にアルξす籾など
の充填剤を混入したものが使用される。充填剤を混入す
る理由は、超電導線など金属との熱膨張係数の値を近く
して極低温に冷却したときの熱応力の発生を低減すると
ともに、熱伝導係数を小さくして超電導巻線３とヒータ
巻線２との間の熱結合をより良好にするためである。

超電導８１１３やヒータ巻１２の巻線群の更にその外側
に断熱層４３を設け、前述のようにヒータ巻線２に１を
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。この断熱層４３は巻線のモールドに使用
したと同し樹脂に充填剤を混入しないものを使用する。

充填剤を混入しない理由は、充填剤を混入すると前述の
ように熱伝導係数が小さくなり断熱層としての機能に支
障が生ずるからである、なお、超電４壱１３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ｔ、Ｓ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例えばキュプロニッケル合金
（Ｃｕ−Ｎｉ）を被覆材とした超電導線を使用する。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し易くな
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は無誘導巻
きという特殊な巻回方法が採用されている。

無誘導巻きは、超電導線を２本に折り返して先端の折り
曲げ部を巻枠に設けた溝に挿入固定した上で２本単位に
巻回して行くもので（例えば、実開昭６２−３４４０８
号公報）、超電１線に流れる電流は常にこの２本の超電
導線を反対方向に流れて互いに磁場を打ち消し合うこと
になる構成である。無誘導巻きを採用する１つの理由は
、周知のように超電導線は磁場が強いほど臨界電流が低
下するという特性を持っているので、超電導巻線３が生
起する磁場の強度を低減するためであり、もう１つの理
由は第４図の超電導コイル５が生起する磁場を乱さない
ようにするためである。

巻き始めの超電導線の折り返し部の曲げ半径は超電導線
の半径のｌＯ倍程度が必要とされており、余り小さな曲
げ半径で曲げると超電導線内の応力などによってクエン
チが起こり易くなることが知られている。

発明が解決しようとする課題］ 前述のように、超電導巻線３を無誘導巻きする際の巻き
始めは、超電導線を折り返してその曲げ部を巻枠４１に
所定の形状に設けられた溝に挿入し接着剤４７で固定し
たものであり、このｕｋ、２本の超電導線を同時に巻回
して行くものであり、折り曲げ部の曲げ半径は超電導線
の半径の１０倍前後にとられている。この程度の曲げ半
径を確保すればクエンチ発生の原因にはならないと考え
られていた。

しかし、製作された永久電流スイッチでクエンチが発生
することが多く、その原因を追求した結果この折り返し
部の曲げ半径が小さいことによってクエンチが発生する
確率が高くなることが分かった。また、第５図に示す超
電４壱ｗＡ３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、前述のように超電導線とヒータ線との径は等しく
なく、また、巻数が一致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４２
で充填して加熱硬化させて１ｔＮｓ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っているという問題がある。更に
、巻線に含浸したモールド樹脂４２には充填剤が混入さ
れており、断熱１１４３に使用される樹脂には充填剤が
混入されていないために双方の間に熱膨張係数に差が生
して、永久電流スイッチを極低雇にまで冷却した状態で
はモールド樹脂４２と断熱層４３との境界面に熱応力が
発生し、ときに亀裂が発生してこれが超電導巻線３に影
響してクエンチの引き金になることがあるという問題が
ある。このようなりエンチは特に最初の励磁のときに多
発することが知られており、したがって、実際に第４図
に示すような回路に組み込んで使用する前に永久電流ス
イッチ単独で励磁することによるスクリーニングを行っ
て安定化させるという処理を行っているのが実際であり
、このときでもクエンチが起こると冷媒が蒸発して消費
してしまうという問題がある。

この発明はこれらの問題を解決し、クエンチの起こりに
くい安定した通電状態を確保することのできる永久電流
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、円筒状の
巻枠に超電導線を無誘導巻きで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、前記超電導巻線の巻き始めの折り返
し部の折り曲げ半径が、前記巻枠の半径に実質的に等し
いものとし、また、円筒状の巻枠に超電導線を無誘導巻
きで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
電導巻線の隣接する超電導線間に生ずる溝部に前記ヒー
タ線を巻回してなるものとし、更に、円筒状の巻枠に超
電導線を無誘導巻きで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、前記断熱層と前記超電導巻線及びヒータ巻線
とからなる巻線群との間にはく離層を設けるものとする
。

〔作用］ 二の発明の構成において、超電導巻線の無誘導巻きのｔ
Ｉき始めの折り返し部の曲げ半径を巻枠の半径に実質的
に等しくすることにより、超電導巻線の超電導線の曲げ
半径はどの位置でも概ね巻枠の半径と同程度の大きな値
になって、超電導線の曲げ半径が小さいことによるクエ
ンチ発生の可能性を低減することができる。折り返し部
の曲げ半径を巻枠の半径より余り大きくしても実際に超
電導線の曲げ半径は大きくならず、逆に、折り返し部の
曲げ半径を小さくするとその部分の曲げ半径が最小曲げ
半径になってこの部分でクエンチが起こる可能性が高く
なることになる。したがって、折り返し部の曲げ半径を
巻枠の半径に略等しくするのが最も合理的である。また
、超電導巻線の隣接する超電導線間に生ずる溝部にヒー
タ巻線のヒータ線をはめこんで巻回することにより、超
電導線とヒータ線とが確実に接触するのでヒータ巻線に
よる超電導巻線の加熱を効率よく行うことができる。超
電導線に接触しないヒータ線はなくなりヒータ巻線のＳ
ｍも少なくすることができるので、ヒータ線の必要量が
低減する他、ヒータ巻線の電源容量の低減も可能となる
。更に、断熱層と超電導巻線及びヒータ巻線などのＳｍ
群との間にはく離層を設けたことにより、永久電流スイ
ッチを極低温に冷却したときに巻線群をモールドしてい
るモールド樹脂と断熱層との間に熱膨張係数の差に起因
するずれが生しても、これら樹脂層とはく離層との間で
滑ることによって内部応力や亀裂の発生が防止できるの
で、超電導巻線にクエンチが起こり易くなるような影響
を与えることがなくなる。

（実施例） 以下この発明を実施例に基づいて説明する。第１図はこ
の発明の実施例を示す永久電流スイッチの超電導巻線３
０の巻き始めの折り返し部を示す巻枠表面を展開した平
面図である。４４はつばであり、超電導巻線３０はこの
つば４４に沿った位置から巻き始められる。折り返し部
３１は図に示すようにつば４４に接する超電５ｗＡ３２
がつば４４に直角に半径Ｒ１で直角に折り曲げられその
後半＠　Ｒ’　ｔで同じ方向に半周折り曲げられた上で
半径Ｒ１で反対方向に直角に折り曲げられて超電導線３
３として超電導線３２に沿う位置に到り、この後は超電
導３２．３３を一緒にまとめて軸方向に並べた状態で巻
回される。

第２図は第１図の＾−＾断面図である。折り返し部３１
は巻枠４１に設けられた溝４６に挿入し接着剤４７で固
定しこの接着剤４７が固化したところで巻回を開始する
。溝４６の深さは折り返し部３１の超電導線が巻枠の表
面からはみ出さないよう少なくとも超電導線の直径以上
の深さを持っており、その断面形状は図では底を半円と
しであるが、この底を平面として長方形断面としても差
し支えない。この溝４６は超電導線３２．３３が平行に
なった位置から徐々に浅くなって深さがＯになったとこ
ろで終わる。

折り返し部３工の３つの曲げ半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１は同
時に溝４６の半径でもあるが、これらの半径Ｒ＋　、Ｒ
ｇ　、Ｒｓの大きさは概ね巻枠４１の超電導線が巻回さ
れる表面の曲率半径Ｒと同しにする。

もともと超電導線はこの巻枠４１の表面上に巻回される
のであるからその曲げ半径はＲ以上になることはない、
したがって折り返し部３１の曲げ半径Ｒ１，Ｒｔ、Ｒｓ
を巻枠の半径Ｒより大きくしても超電導線の曲げ半径が
Ｒより大きくなることはなく、超電導線の曲げに起因す
るクエンチ発生の可能性を小さくする効果は期待できな
い。したがって、実用上は折り返し部３１の曲げ半径Ｒ
。

Ｒｔ、Ｒｚは、前述のように巻枠４１の半径Ｒに略一致
させるのが妥当である。これ以上小さな半径にするのは
溝４６の全長が短くなって溝加工が容易になるという利
点はあるが、クエンチ発生という超電Ｓ＠線にとって重
大な問題を解決する効果と比較して取るに足りないこと
である。

折り返し部３１の形状は第１図のようにゴルフクラブの
ウッドの先端に似た形状にするのが巻枠４１の端から巻
き始めるのに最もよい形状であるが、Ｒ１やＲ２の曲げ
部の角度を厳密に直角にする必要はなく、またＲ３の曲
げ部も厳密に半周である必要はない、おおよその形状が
図示のようなものであり、曲げ半径が前述の条件を満足
するものであればこの発明の目的を遠戚することができ
る。

第３図はこの発明の別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一の
参照符号を付けることにより詳細な説明を省略する。こ
の図において、巻枠４１の軸方向に沿って密に巻回され
た超電４巻、１１３０の隣同士の超電導線の間に生ずる
溝にはまるようにヒータ線を巻回してヒータ巻線２０を
槽底したものである。超電導巻線３０は前述のように、
２本の超電導線を同時に巻回して行くので、ヒータ線も
２本を同時に平行して巻回して行くことによって図のよ
うに超電導巻線３０とヒータ巻線２０とのそれぞれの線
の位置関係を実現することができる。ヒータ巻＠２０の
断面図に現れる数としての巻数は超電導巻線３０に略一
致するという制約が生じ、第５図に示すように巻枠４１
の軸方向−杯に巻回するのに比べて巻数は少なくなる。

このことは、ヒータ線の直径が超電導線の直径よりも小
さいという前提に立っているのであるが、ヒータ線はそ
れほど大きな断面を持つ必要はなく、前述のように０．
５■程度の直径のものが使用されるが、超電導線は第４
図の超電導コイル５と同し電流が永久電流スイッチ４の
超電導線にも流れることから、超電導コイル５の電流値
に応して超電導巻線３０の超電導線の断面寸法は変わる
ことになる。しかし、前述の超電導の直Ｆ＋　Ｉ　Ｍ−
というのは超電導線としては細い方であり、核磁気共鳴
装置の超電導マグネットのように高度に均一な磁場を形
成させるために、アンペアターンの分布を高精度で設定
するする必要があることからこのような細い超電導線か
使用されるものであ。このような特殊の場合でもヒータ
線の方が断面寸法が小さいので、−ａ的に永久電流スイ
ッチの超電導巻線の超電導線の断面寸法に比べてヒータ
線の断面寸法の方が小さいという条件が成立していると
考えてよい。

前述のようにヒータ巻線２０の巻数は超電導巻線３０の
それに略一致するという制約が生ずるが、本来ヒータ巻
線２０は超電導巻線３０を加熱するものであり、隣合う
超電導線の間に生ずる溝にはまるようにヒータ線を巻回
する槽底とすることにより超電導線とヒータ線との接触
が確実になり、超電導線に接触しないヒータ線は存在し
なくなるので、たとえヒータ巻線２０の巻数か従来のヒ
ータ巻線２゜に比べて少なくなっても超電導！！ｗ！３
０を加熱するという効果が何ら劣ることはない、逆にヒ
ータ巻線２０の巻数が減少することからヒータ線の必要
量が減少するとかヒータ巻線２０のｔａの容量を低減す
ることができるなどの効果が生ずる。

第３図に示すように超電導巻線３０とヒータ巻線２０と
を整然と巻回した構成とすることにより、巻き乱れが生
じないことから、電磁力などによって超電導線が微小移
動する可能性が小さくなり、巻回方法に起因するクエン
チが起こりにくくなる。

この図において、超電導巻線３０とヒータ巻線２０とか
らなる巻線群の更にその外径側にはく離層４５を設け、
その上に断熱層４３を設けるＩＩＩ威としている。はく
離層４５は、例えば０．１３厚のぶつ化樹脂製のテープ
をハーフラップで軸方向全長にわたって巻回して形成し
たもので、ぶつ化樹脂の非接着性を利用してはく離層を
形成したものである。他の適当な樹脂製テープを使・用
し、はく離性を持たせるためにこのテープの両面にはく
離削を塗布しておくという構成でもよい、このは＜１Ｉ
ｉＮ４５の上に断熱層４３が設けられる。断熱層４３は
前述のように充填材を混入しないモールド樹脂４２でモ
ールドすることによって形成するか、モールド樹脂を充
填したガラステープをハーフラップで所定の厚さになる
まで複数層巻回して形成する。

巻線群をモールドしたアルミナ粉などの充填材を混入し
たモールド樹脂４２は充填材が混入されたことによって
その熱膨張係数が小さくなっており、一方、断熱層４３
を構成する樹脂は樹脂そのものはモールド樹脂４２と同
じ樹脂であるが充填材を混入していないのでその熱膨張
係数は樹脂そのものの値である。永久電流スイッチ４０
を極低温にまで冷却したときに巻線群のモールド樹脂４
２と断熱層４３との間に熱膨張係数の差に応したずれが
生ずるが、はく離層４５を設けであるために、このはく
離層４５とモールド樹脂４２、又は断熱層４３との接触
面で滑ることによって内部応力や亀裂が生したりするこ
とがなく、そのため、クエンチの引き金になることもな
い。

〔発明の効果） この発明は前述のように、超電導巻線の巻き始めの折り
返し部の曲げ半径を巻枠の半径に実質的に等しくするこ
とにより、超電導巻線の超電導線の曲げ半径はどの位置
でも概ね巻枠の半径と同程度の値を持つことになって、
超電導線の曲げ半径が小さいことによるクエンチ発生の
可能性を低減することができる。折り返し部の曲げ半径
を巻枠の半径より余り大きくしても実質的に超電導線の
曲げ半径は大きくならず、逆に折り返し部の曲げ半径を
小さくするとその部分の曲げ半径が最小曲げ半径になっ
てこの部分でクエンチが起こる可能性が高くなることに
なる。したがって、折り返し部の曲げ半径を巻枠の半径
に略等しくするのが最も合理的である。このように、実
質的に超電導線の曲げ半径を可能な限り大きくすること
によって超電導線を曲げることに起因するクエンチの発
生の可能性を小さくすることができ、安定な永久電流ス
イッチとになるという効果が得られる。また、隣接する
超電導線間に生ずる渭部にヒータ線をはめこんでヒータ
巻線を巻回することにより、超電導線とヒータ線とが確
実に接触する構成となり一一夕巻線による超電導巻線の
加熱を効率よく行うことができることから、回路の遮断
が確実に行える信頼性の高い永久電流スイッチとするこ
とができるという効果が得られるとともに、超電導線に
接触しないヒータ線がなくなりヒータＩ！線の巻数も少
なくすることができるので、ヒータ線の必要量が低減す
る他、ヒータ巻線の電源容量の低減も可能となり、永久
電流スイッチとしての価格低減が可能になるという効果
も得られる。更に、断熱層と超電導巻線及びヒータ’！
線などの巻線群との間にはく離層を設けたことにより、
永久電流スイッチを極低温に冷却したときに巻線群をモ
ールドしたモールド樹脂と断熱層との間に熱膨張係数の
差に起因するずれが生しても、これら樹脂層とはく離層
との間で滑ることによって内部応力や亀裂の発生が防止
できるので、超電導巻線にクエンチが起こり易くなるよ
うな影響を与えることがなく、よりクエンチ発生の可能
性の小さな安定した永久電流スイッチとすることができ
るという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す超電導巻線の折り返し
部の平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図は
この発明の実施例を示す水久電漬スイッチの断面図、第
４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、第５図は従来の例を示す永久ｔｆＬスイッチの
断面図である。 ２．２０・・・ヒータ巻線、３．３０・・・超電導巻線
、３１・・・折り返し部、３２．３３・・・超電導線、
４．４０・・・永久電流スイッチ、４１・・・巻枠、４
２・・・モールド樹脂、４３・・・断熱層、４４・・・
つば、４５・・・はく離層、４６・・・溝、４７・・・
接着剤。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）円筒状の巻枠に超電導線を無誘導巻きで巻回してな
   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、前記超電導巻線の巻き
   始めの折り返し部の折り曲げ半径が、前記巻枠の半径に
   実質的に等しいことを特徴とする永久電流スイッチ。 ２）円筒状の巻枠に超電導線を無誘導巻きで巻回してな
   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、前記超電導巻線の隣接
   する超電導線間に生ずる溝部に前記ヒータ線を巻回して
   なることを特徴とする永久電流スイッチ。 ３）円筒状の巻枠に超電導線を無誘導巻きで巻回してな
   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、前記断熱層と前記超電
   導巻線及びヒータ巻線とからなる巻線群との間にはく離
   層を設けたことを特徴とする永久電流スイッチ。