JPH04120778A - 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は、
運転中は直流電源から切り離されて永久電流スイッチで
短絡され、閉ループの中を電流が循環して長期にわたっ
て流れ続けるいわゆる永久電流モードで使用されるのが
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３図は永久電流スイッチを使用した回路を示す回路図
であり、永久１７ＪＬモード状態においては永久電流ス
イッチ４のヒータ２を加熱するためのヒータ電源２１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、永久電流スイッチ４を構成する超
電導巻線３の抵抗値Ｒ８は零であるため、超電導コイル
５の図示しない励磁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ている。

６は保護抵抗体（抵抗値Ｒ，）で、超電導コイル５の運
転中に超電導コイル５の内部に超電導状態から常電導状
態に突然変移するいわゆるクエンチか発生した場合に、
超電導コイル５が持つ磁気エスルギー　（１／２）Ｌ　
Ｉ　”　　（Ｌ　、超電導コイル５のインダクタンス、
■；雷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、冷媒である液体ヘリウムの蒸発量を低減させ
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の超電導巻線３にクエンチが発生するな
どして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の蓄積エス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の抵抗値Ｒ１は
超電導コイル５に発生する抵抗値ＲＮより大きい方がエ
ネルギー回収の面から望ましい。

また永久を流スイッチ４のオフ状態での抵抗値Ｒｓは保
護抵抗体６の抵抗値Ｒ，，より更に大きいことが永久電
流スイッチ４の保護及び超電導コイル５を励磁する際の
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Ｒｓを大きくするためには、超
電導巻ｗＡ３を構成する超電導線の長さを長くしなけれ
ばならない。

特に大を流導体においては、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
ためには細い線の場合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、ある程度の磁気工ぶルギ
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、超電導巻線３とヒータ巻線２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。

なお、永久電流モードにおいて永久電流が循環する前述
のＢＣＤＨの閉回路は超電導コイル５が収納される極低
温容器内で形成されており、したかって永久電流スイッ
チ４は極低温容器内の適当な場所に設けられる。

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４はリング状をしており
、断面が外形側に開き両端につばのあるコの字状をした
巻枠４１の中に直径が１ｌｌｌｌ程度の丸線に成形され
た超電導線からなる超電導巻線３と、直径が０．５−一
程度の丸線のヒータ線からなるヒータ巻線２とが図の上
下方向である軸方向に沿って巻枠４１に巻回されている
。超電導線にヒータ線が接触することによって、永久電
流スイッチ４４をオフ状態にするために超電導線を加熱
するときの熱伝達がよくなる構成となっている。

この図では超電導巻線３が２層、ヒータ巻線２が超電導
巻線３の２つの層に挟まれた１層からなる断面を示して
いるが、実際の永久電流スイッチでは、超電導巻線３や
ヒータ巻線２の層数は要求される仕様に基づいて決定さ
れるものであり、この図の構成にこだわるものではない
。巻枠４Ｉの巻線が巻回される部分の直径は約１００−
＋＋程度、前述のように超電導線やヒータ線の直径はＩ
ＩＩＩＩ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描いである。

巻枠４１の中の超電導巻線３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４２としてはエポキシ樹脂にアルミナ粉な
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、熱膨張係数の値を超電導線など金属のそれ
に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。

超電導巻線３やヒータ巻線２の巻線群とこれらが巻回さ
れている巻枠４１を被覆してこれらの外側に断熱層４３
が設けられて゛いる。前述のようにヒータ巻線２に電流
を流して超電導巻線３を加熱するものなので、このよう
に断熱層４３を設けて熱の放散を低減し熱効率を高める
構成となっている。この断熱層４３は巻線のモールドに
使用したと同じ播脂に充填剤を混入しないものが使用さ
れる。充増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ｍｉｓ線３の超
電導線やヒータｔＩＭ２の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４としてはオフの状
態である常電導状態での抵抗値Ｒ５を大きくするために
被覆材としての安定化鋼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
導線が使用される。

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
巻きという特殊な巻回方法が採用されている。また、ａ
ｍ導巻線３が超電導を維持している状態で、超電導線が
僅かに動くことによる摩擦熱が引き金になってクエンチ
が発生することが知られており、このような超電導線の
移動を防止するために前述のように接着剤を塗布しなが
ら巻回し、巻回後樹脂でモールドするというような対策
が講しられるとともに、巻回時には超電導線に張力をか
けて巻回し超電導線に弓っ張り応力がかかるようにする
方法もとられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、永久電流スイッチ４を超電導コイル５と同し
極低温容器内に収納する際に、永久１流スイツチ４を収
納する空間の確保が困難な場合があり、かといって極低
温容器を永久電流スイッチ４を収納することができるよ
うに大きくすることは冷媒である液体ヘリウムの使用量
の増加、侵入熱量の増加などの要因になるという問題が
あり、永久電流スイッチ４の寸法は第４図に示すように
直径が高さ寸法に略等しい円柱状をしているので、その
設置方向を変えても前述の問題は殆ど解決できない。ま
た、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すき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ＢＮ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。

この発明の目的はこのような問題を解決し、極低温容器
の寸法を大きくすることなしに超電導コイルと共通に収
納することができるとともに、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にあ
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、巻枠と、
この巻枠に超電導線が巻回されてなる超電導巻線と前記
超電導線に熱的に接触して前記超電導線を加熱するヒー
タとを備えた水久ｔｉスインチにおいて、前記巻枠が少
なくとも一方の面に渦巻き状の溝を設けた平板からなり
、前記超電導巻線がこの溝に超電導線を挿入して巻回さ
れてなり、前記ヒータがこの超電導巻線に接してこれを
覆うシート状のヒータからなるものとする。

Ｃ作用〕 この発明の構成において、少なくとも一方の面に渦巻き
状の溝を設けた平板を巻枠とし、この溝に超電導線を挿
入して巻回して超電導巻線を構成し、シート状のヒータ
を超電導巻線を覆って配置して全体を断熱層で覆うこと
によって、厚み方向寸法が小さくなるとともに、超電導
線の微動が起こりにくくなる。

【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４０の断面図、
第２図は第１図のＡ−Ａ矢視断面図であり、Ａ−Ａ面は
ソート状のヒータ２０と巻枠４４の上表面とが接触する
面に一致させであるので、断熱層４５だけが断面を表し
巻枠や溝４６に対しては矢視図となっている。

巻枠４４は円板状でその一方の面に溝４６を渦巻き状に
設けである。この溝４６は超電導巻線３０が無誘導巻に
なるように、超電導線３１を２本に折り曲げて折り曲げ
た先端が挿入できるように水滴状の溝先端部４７とこの
溝先端部４７を始端として２本の超電導線３１を並べて
巻回できる寸法になっている。

超電導線３１の折り曲げ部の曲げ半径は余り小さいとこ
の部分でクエンチが起こりやすくなることから、超電導
線３１の径の５倍以上の曲げ半径になるように溝先端部
４７の形状を設定する。超電導巻線３０として巻回する
にはこの溝先端部４７に折り曲げた超電導線３１を挿入
して巻始めとし、折り曲げられて２本となった超電導線
３１を溝４６に順次挿入していき、溝４６の最外径部か
ら外に引き出す、１電導線３１は溝４６に挿入されるの
で超電導線３工の移動が生しにくいためにクエンチが起
こりにくい構成であり、超電導線３１を溝４６に挿入し
ながら巻回する際に従来と同様に接着側を塗布しながら
作業することによって超電導線３１の固定をより確実に
なる。

これらの図では溝４６の巻回数を３としているが実際の
超電導巻ｖＡ３０の巻数はこれよりもはるかに大きく、
したがってまた満４６の渦巻きの巻数も同様である。ま
た、溝先端部４７の曲がり部の径も可能な限り大きくす
るのが実際である。

ヒータ２０はシート状に成形されたものを使用するが、
これは絶縁性フィルムの表面にアルミを蒸着したものを
同じ絶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形に構成したものである。絶縁性
フィルムに適当なものを選択することによって屈曲性に
冨みかつ張力に強いシート状ヒータとすることができる
。このようなシート状ヒータは市販されているものであ
り、これを超電導巻線３０の寸法に合わせて所定の寸法
に切断し図示しない電流端子を適切な位置に取付けて外
部に引き出せばよい、第１図ではヒータ２０や巻枠４４
の厚み寸法は横方向寸法である径寸法に対して橿端に大
きく図示してあり、永久電流スイッチ４０は図から受は
取るよりもはるかに薄い円板状なのが実際である。

巻枠４４の材質は第４図の巻枠４３と同様にＦＲＰ性で
もよいが、溝４６の加工性からは金属の方が望ましい、
金属性の場合、巻枠４６に熱が映収されることによって
クエンチが起こりにくくなるという長所がある反面、ヒ
ータ２０で超電導巻線４０を加熱する際に巻枠４０に熱
が逃げるのでヒータ’：ｉｔ源２１の所要容量が幾らか
は大きくなるという欠点もある。

実際の巻枠２０の材質の選定にあたってはこれらを総合
的に判断した上で決定される。

超電導線３１の断面形状は丸線が普通であるが、角線で
あっても差し支えない、超電導線３１に角線を採用した
場合、巻回時に常に共通の面だけが溝４６の表面に露出
するように注意する必要があるという欠点がある半面、
ヒータ２０との接触面積が丸線に比べて増大するのでヒ
ータ２０と超電導巻線３０との間の熱交換の効率が良く
なるという長所かある。

超電導巻線３０は巻枠４４の一方の平面に満４６を設け
る構成を図示したが、反対側の平面に対も溝４６と対称
に溝を設けて超電導線を挿入巻回し、両側の超電導巻線
を直列ないしは並列接続して１つの超電導巻線とする構
成も採用することができる。

このような巻枠４４の両面を活用する構成を採用しても
永久電流スイッチ４０の厚み寸法をそれほど大きくはな
らい、また、巻枠４４の形状を円板ではなく正方形や六
角形などの多角形としても差し支えない、その際の溝４
６は超電導線３１の曲げ半径の制限から、第２図と同様
に基本的に円弧を組み合わせた渦巻状とするのが妥当で
ある。

〔発明の効果〕

この発明において、少なくとも一方の面に渦巻き状の溝
を設けた平板を巻枠とし、この溝に超電導線を挿入して
巻回して超電導巻線を構成し、シート状のヒータを超電
導巻線に接して覆い全体を断熱層で覆う構成を採用する
ことによって、永久電流スイッチは薄い円板状に成形さ
れその厚みは従来の永久電流スイッチの寸法に比べ著し
く小さくできることから、超電導コイルが収納された極
低温容器の隙間に挿入配置することが容易になり永久電
流スイッチを収納するために極低温容器の寸法を大きく
する必要がなくなるという効果が得られる。また、超電
導線は巻枠の溝に挿入して巻回されるので、超電導線の
微動が起こりにい構成と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となり、スイッチとして信軌性
の高い永久電流スイッチとな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永久電流スイッチの縦
断面図、第２図は第１図のＡ−Ａ矢視断面図、第３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４図は従来の例を示す永久電流スイッチの縦断面図
である。 ４．４０・・・永久電流スイッチ、４１．４４・・・巻
枠、４２・・・モールド樹脂、４３．４５・・・断熱層
、４６・・・溝、４７・・・溝先端部、２・・・ヒータ
巻線、２０・・・ヒータ、２１・・・ヒータ電源、３．
３０・・・超電導巻線、３１・・・超電導線、５・・・
超電導コイル、６・・・保護抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）巻枠と、この巻枠に超電導線が巻回されてなる超電
   導巻線と前記超電導線に熱的に接触して前記超電導線を
   加熱するヒータとを備えた永久電流スイッチにおいて、 前記巻枠が少なくとも一方の面に渦巻き状の溝を設けた
   平板からなり、前記超電導巻線がこの溝に超電導線を挿
   入して巻回されてなり、前記ヒータがこの超電導巻線に
   接してこれを覆うシート状のヒータからなることを特徴
   とする永久電流スイッチ。