JPH04176174A - 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、超電導磁石装置等に使用される永久電流スイ
ッチに関する。

（従来の技術） 磁気浮上列車やＭＨＩ等の超電導磁石装置に用いられる
超電導磁石は、通常、永久電流モードで使用される。永
久電流モードは、 （１）電磁石を励磁した後に、電源を切り離すことがで
きるため、省電力化が図れる。

（２）磁石と電源を完全に切り離すことができるため、
磁石を収容するクライオスタットへの熱侵入を著しく低
減することができる。

（３）電源の変動に起因する磁界変動をなくすことがで
きる。

等の利点を有している。

このような永久電流モードて超電導磁石を運転する際に
は、通常、電源から超電導磁石に電流を供給している状
態と、永久電流で超電導磁石を動作させている状態とを
切り替えるために、永久電流スイッチが使用される。

永久電流スイッチは、機械式と熱式とに大別されるが、
機械式は脱着動作の信頼性に乏しく、接触抵抗が大きい
等の問題があった。

また、熱式の永久電流スイッチとは、化合物系等の超電
導体をスイッチ素子として用いたものである。このよう
な永久電流スイッチの動作原理は、以下の通りである。

すなわち、スイッチかオン状態に対応する抵抗零のスイ
ッチの超電導体に電流が流れている際に、ヒータ等で超
電導体を臨界温度以上に加熱することによって、超電導
体を常電導状態とする。これにより、抵抗が発生して電
流は減衰し始める。これがスイッチのオフ状態に対応す
る。つまり、ヒータを作動させることによりスイッチを
オフにし、ヒータによる加熱を停止ｌ−することにより
スイッチをオンにすることかできる。

このような動作原理によって熱式永久電流スイッチはオ
ン・オフ動作を行うため、常電導状態における超電導体
もしくはその７トリソクスの抵抗が小さいと、電流の減
衰は緩やかになり、オフ状態でもかなりの電流が流れ続
けるため、オフ状態での電気抵抗は高いほうがスイッチ
のオフ性能を向上さぜることかてきる。

そこて、常電導状態て高抵抗体となる酸化物超電導体を
、スイッチ素子として使用することが試みられている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、酸化物超電導体を用いた場合には、液体
窒素が７７に以下であり、酸化物超電導体の臨界温度が
１００に以」二であるため、温度マージンが大きくなる
。このため、酸化物超電導体を使用した熱式永久電流ス
イッチでは、臨界温度以上に加熱して常電導状態（オフ
状態）とするために、多量の冷媒を消費するばかりでな
く、オン／オフ制御の応答性が悪くなるという問題があ
った。また、ヒータを酸化物超電導体と共に配置する際
に、ヒータによる熱の拡散を防ぐために、エポキシ樹脂
等の断熱的な働きをする材料の中にモールドする必要が
ある等、作製工程が繁雑になるという問題があった。

このように、酸化物超電導体を用いて従来の永久電流ス
イッチを構成する場合は、信頼性が低く、応答性が遅く
、冷媒の消費が多く、製造工程が繁雑になる等の問題が
あった。

本発明は、このような課題に対処するためになされたも
ので、常電導状態で高抵抗体となる酸化物超電導体の利
点を生かすことによって応答性を向」ニさせ、かつ信頼
性を高めると共に冷媒の消費を低減し、さらに容易に製
造することを可能にした永久電流スイッチを提（杖する
ことを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち本発明の永久電流スイッチは、酸化物超電導体
からなるスイッチ素子と、このスイッチ素子に磁界を印
加する磁界発生装置とを具備し、前記酸化物超電導体を
前記磁界発生装置からの磁界の印加のＨ無によって超電
導状態もしくは常電導状態とし、前記スイッチ素子をオ
ン／オフさせるよう構成したことを特徴としている。

（作　用） 本発明の永久電流スイッチにおいては、液体窒素温度レ
ベルで酸化物超電導体からなるスイッチ素子に作かな磁
界を印加するたけで、スイッチ素子を超電導状態から常
電導状態に遷移させることができるため、高速でオン／
オフ制御を行うことが口■能となる。これは、現在の酸
化物超電導体＝　５− が液体窒素温度レベルで臨界磁界が低いことを利用した
ものである。また、スイッチ素子のオン／オフ制御を磁
界の印加の有無によって行っており、熱侵入がないため
、冷媒を消費することもない。

さらに、構造自体も簡単であるため、製造行程の簡略化
と信頼性の向上が図れる。なお、従来のＮｂ＋Ｓｎ等の
化合物超電導体においては、臨界磁界が高いため、磁界
の印加のａ無でスイッチを構成すると、磁界発生装置か
大掛かりとなり、現実的ではない。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は、超電導コイルを永久電流モードで運転する際
の超電導回路に、本発明の一実施例の永久電流スイッチ
を適用した状態を示す図である。

同図において、１は本発明の一実施例の永久電流スイッ
チである。この永久電流スイッチ１は、酸化物超電導体
からなるスイッチ素子２と、このスイッチ素子２に対し
て磁界を印加するように配置された磁界発生装置３とか
ら構成されており、上記スイッチ素Ｔ″−２は酸化物超
電導体か超電導状態を保持し？１ｉる温度に冷却するこ
とが可能な冷却機構４、例えば液体窒素による冷却機ｈ
Ｘ’ｉ内に配置されている。

上記スイッチ索子２となる酸化物超電導体としては、常
電導状態において十分な抵抗かｉすられるものであれば
特に限定されるものではなく、例えば希土類元素含有の
Ｉ？　Ｅ−Ｂ　ａ　−Ｃｕ　−０系（ＲＥはＹ笠の希土
類元素）酸化物超電導体や、旧−３ｒ−Ｃａ　−ｅｕ−
０系、Ｂ１−Ｐｂ−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、Ｔ　ｌ−
Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、さらにはこれらの置換体等の
各種の酸化物超電導体を使用することか可能である。

上記希土類元素含有の酸化物超電導体としては、ペロブ
スカイト構造を有し、超電導状態を実現できるものであ
ればよく、例えばＲＥ　Ｍ２　ＣＵ３０７−Ｊ系　（Ｒ
Ｅは　Ｙ、　Ｉ、ａ、　Ｓｃ、　Ｎｄ、　Ｓｍ、　　Ｅ
ｕ、　Ｇｄ、　Ｄｙｓ　　ｌｌｏ、Ｐ、ｒ、Ｔｍｓ　Ｙ
ｂｓ　Ｉ−ｕ等の希土類元素から選ばれた少なくとも　
１種の元素を、ＭはＢａ５Ｓｒｓ　Ｃａから選ばれた少
なくとも　１種の元素を、δは酸素欠陥を表し通常１以
下の数、Ｃｕの一部はＴ１、Ｖ　％　Ｃｒ、Ｍｎ５Ｆｅ
。

Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｚｎなどで置換可能）の酸化物等が例
示される。

これら酸化物超電導体は、常電導状態において通常のセ
ラミックス部材と同様に、大きな電気抵抗を示すため、
電流減衰効果が大きい。

上記スイッチ素Ｔ−２の構造としては、常電導状態にお
いて適度の抵抗が得られるようにコイル状とすることが
好ましく、例えば線状の酸化物超電導５体を無誘導巻き
したもの等が例示される。

このようなスイッチ素子２は、例えば酸化物超電導体粉
末とバインダとの混合物からグリーンシートを作製し、
このグリーンシートから線状体を切り出し、これを無誘
導巻きした後に焼結させることによって得られる。また
、酸化物超電導体粉末を銀製等の被覆管内に充填した超
電導線材を無誘導巻きすることによっても得られる。

また、スイッチ素子２としては、第２図に示すように、
平板状の酸化物超電導体にスリットを形成してミアンダ
構造としたもの等を用いることも可能である。上記ミア
ンダ構造４造におけるスリットは、グリーンシート状態
で形成してもよいし、焼成した後にレーザ等で形成する
ことも可能である。

さらに、第３図に示すように、円筒状に加工した高温酸
化物超電導体にコイルとして作用するようなスリット加
工を施したもの等を用いることも可能である。

」１記磁界発生装置３は、スイッチ素子２にス、■する
磁界の印加の自“無を制御することが可能であればよく
、例えば電磁石や永久磁石によって磁界発生装置３を構
成する。電磁石によって磁界発生装置３を構成する場合
には、電磁石への電流の供給を制御することにより、磁
界の印加の釘無を制御する。また、永久磁石によって磁
界発生装置３を構成する場合には、永久磁石を機械的に
動かずことによって、磁界の印加の有無を制御する。

」１記永久電流スイッチ］は、酸化物超電導体からなる
スイッチ索子２をその臨界温度以下、例えば液体窒素温
度以下に冷却して、酸化物超電導体を超電導状態とし、
かつ磁界発生装置３による磁界の印加を行わなければ、
オン状態となる。また、液体窒素温度近傍では、酸化物
超電導体は数千ガウスの磁界の印加によって、超電導が
破れ常電導状態に転移して高低抗体となり、永久電流ス
イッチ１はオフ状態となる。

上記構成の永久電流スイッチ］は、永久電流モードで運
転する超電導マグネット５と、この超電導マグネット５
に対して電流を供給する外部電源６どを接続する電流リ
ード７の間に装着される。

また、永久電流スイッチ１と超電導マグネット５とを結
ぶ閉回路内は、永久電流モードでの運転が可能なように
、この閉回路内の電流リード７は超電導リード７ａとさ
れている。

上記したような永久電流スイッチ１を用いた超電導コイ
ルの動作は、以下に示す通りである。

すなわちまず、例えば銅線を巻回してコイル状とした電
磁石からなる磁界発生装置３に通電し、数千ガウスの磁
界を臨界温度以下に冷却された酸化物超電導体（２）に
印加することによって、スイッチ素子２を常電導状態に
する。つまり、永久電流スイッチ１をオフ状態とする。

この状態で、外部電源６から電流を流せば（図中矢印Ａ
）、超電導マグネット５に電流が流れる。

次に、所定の電流値に達したとき、磁界発生装置３への
通電を止め、印加磁界を除去することによって、酸化物
超電導体（２）を超電導状態に復帰させる。つまり、永
久電流スイッチ１をオン状態とする。このような状態と
することによって、超電導マグネット５と永久電流スイ
ッチ１とを結ぶ閉回路内で電流が流れる（図中矢印Ｂ）
。

この際、外部電源６からの電流を零にすれば、超電導マ
グネット５と永久電流スイッチ１とを結ぶ閉回路内で永
久電流が流れ、超電導マグネット５は永久電流モードで
運転される。

上記した実施例によれば、数Ｑｍ程度の小さな空間に数
千ガウス程度の小磁界を印加することが可能な磁界発生
装置を酸化物超電導体の近傍に配置するだけで、永久電
流スイッチとしての機能が得られる。したがって、構造
および製造工程が簡＋１１゜で、かつオン／オフ制御は
磁界発生装置３への通型操作のみで行うことができるた
め、応答性が早くかつスイッチのオン／オフ時に冷媒を
ほとんど消費しない永久電流スイッチを製作することが
できた。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の永久電流スイッチによれ
ば、酸化物超電導体と磁界発生装置とを組み合わせるこ
とにより、簡便で信頼性が高く、構造および製造工程が
簡単で、応答性が早く、冷媒をほとんど消費しない永久
電流スイッチを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の永久電流スイッチを超電導
コイルの超電導回路に適用した状態を示す図、第２図お
よび第３図は本発明の永久電流スイッチに用いるスイッ
チ素子の他の構造例をそれぞれ示す図である。 １・・・・・・永久電流スイッチ、２・・・・・・酸化
物超電導体からなるスイッチ素子、３・・・・・・磁界
発生装置、５・・・・・・超電導マグネット、６・・・
・・・外部電源、７・・・・・・電流リード。 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− 第２図 ＩＩ 〜／。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　酸化物超電導体からなるスイッチ素子と、このスイッ
   チ素子に磁界を印加する磁界発生装置とを具備し、前記
   酸化物超電導体を前記磁界発生装置からの磁界の印加の
   有無によって超電導状態もしくは常電導状態とし、前記
   スイッチ素子をオン／オフさせるよう構成したことを特
   徴とする永久電流スイッチ。