JPH0481355B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は超電導システムで使うための電気スイ
ツチに関するものである。更に詳しくは、本発明
は特に持続電流ループの形で高レベルの電気的及
び磁気的エネルギを蓄積する超電導システムで使
うためのスイツチに関するものである。

持続電流ループが存在する従来の超電導電気シ
ステムでは、超電導導体の一部をその遷移温度よ
り高い点にまで加熱することによつて電流を停止
させるのが普通であつた。一旦電流ループの一部
が有限の抵抗値を示すと、周知の電力消費のI²R
則に従つて電気エネルギが消費される。ここでＩ
は電流であり、Ｒは回路の抵抗値である。発生し
た熱により導体の隣接領域も素早く抵抗性状態に
入り、非常に短時間で持続電流が止められる。し
かし、持続ループの電流レベルが高いときは、大
レベルの電気エネルギが短時間に小さな体積の中
で消散されなければならない。この場合、巻線電
流をオフにするため抵抗性状態に切り替えると、
超電導材、特にスイツチに損傷が生じることがあ
る。また、超電導ワイヤのスイツチ部分がその抵
抗性状態で所要の電気抵抗を持つようにするため
には、用途によつてはスイツチ導体は極めて長く
なければならず、代表的な長さは457ｍ（1500フ
イート）である。この長さのワイヤをコンパクト
かつ堅固に支持しなければならない。と云うの
は、超電導導体が少し動くと、これらの導体が許
容できない低電流レベルで通常の抵抗性状態に切
り替えられるからである。更に、高レベルのエネ
ルギを消散しなければならないので、スイツチに
用いる材料は抵抗性状態へ遷移させたとき電流ル
ープのエネルギを消散するのに充分な熱質量を有
していなければならない。更に、スイツチ構造に
損傷を与えるようなホツトスポツト（過熱点）が
形成されないようにスイツチの熱伝導度は充分に
高くなければならない。しかし、スイツチは持続
的な超電導電流ループの一部であるので、スイツ
チは遷移点より低い温度に維持しなければならな
い。超電導性を示すもので現在利用できる殆んど
の材料では、遷移温度はもつと高いものもあるが
約10°K以下であるのが普通である。従つて超電
導回路は液体ヘリウム等の冷却液の中に入れなけ
ればならない。しかし、このような冷却液の中に
超電導スイツチがあると、許容できない程大量の
液体ヘリウムが沸騰することがある。普通、沸騰
したヘリウム蒸気は大気中に放出される。従つ
て、スイツチ内の超伝導導体とスイツチをその中
に配置する冷却液との間に熱絶縁物を設けること
が非常に望ましい。更に、スイツチは通常約
4.2°Kの温度の浴の中に入れられるので、スイツ
チに使うすべての材料が冷却液およびその環境内
の温度範囲に確実に適合するようにしなければな
らない。従つて、使用する材料の熱膨脹係数は重
要な検討事項である。スイツチには熱絶縁ジヤケ
ツトを設けて、スイツチ本体の温度がスイツチが
浸漬されている冷却液の温度より高くなつてもよ
いようにしなければならない。熱絶縁ジヤケツト
を通して液体ヘリウムが比較的少量漏れても、許
容できない程大きな熱損失が生じることがある。
熱伝導度が希望通り低いナイロン、ポリテトラフ
ルオロエチレン（PTFE）等の使用可能な絶縁材
料は液体ヘリウムの温度で高度の収縮性を示し、
漏洩を起しがちである。従つて、高レベルの電気
エネルギを通す超電導電流ループで使うスイツチ
は、超電導性を示すだけでなく、熱的に過酷で変
化する環境内に於いて有限レベルの抵抗値を示す
ように慎重に設計しなければならずまたスイツチ
を抵抗性にしたとき過熱点を作ることなく大量の
電気的および熱的エネルギを消散できるようにし
なければならない。

発明の概要 本発明の好ましい一態様による高エネルギ超電
導回路用の持続電流スイツチは、コンパクトな容
積の中に配置された所定長さの超電導導体ワイ
ヤ、この容積を熱的に絶縁する手段、およびその
容積の中に配置されて超電導導体の少なくとも一
部を加熱する手段を含む。スイツチは更に熱伝導
性材料の部材を含み、これは超電導導体のかなり
の部分と熱的に接触していて、スイツチ材料の抵
抗性状態への遷移を急速に行なわせ、また将来の
スイツチ動作に悪影響を与える恐れのある局部的
な過熱点の形成を防止するように働く。更に、本
発明によるスイツチの超電導導体はガラス繊維と
エポキシ製の中心の円柱形コアのまわりに２本
（bifilar）巻きとして配置することが好ましい。
更に、スイツチはアルミニウム外被によつて囲む
ことが好ましい。超電導巻線コアは銅等の材料と
熱的に接触させて配置することが好ましい。但
し、薄い電気絶縁層が超電導材料と銅との間に配
置され、銅は絶縁されたスイツチの容積全体にわ
たつて迅速、一様な熱消散を行なう手段として働
く。

従つて、本発明の１つの目的は通常の抵抗性状
態で比較的高い電気抵抗値を示す超電導スイツチ
を提供することである。

本発明のもう１つの目的は充分な熱質量と熱拡
散率を持つていて、抵抗性状態への遷移の結果と
して大量の電気エネルギを消散する超電導スイツ
チを提供することである。

本発明の更にもう１つの目的はスイツチが浸漬
されている冷却液媒体から熱的に絶縁された超電
導スイツチを提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は液体ヘリウム等
の冷却液の中の不利な環境で動作することができ
る高持続電流レベル用の超電導スイツチを提供す
ることである。

本発明の更にもう１つの目的は熱膨張収縮によ
つて生じる問題が比較的起りにくい超電導スイツ
チを提供することである。

発明と考えられる事項は請求範囲に明確に記載
してあるが、本発明の構成および実施方法、並び
に上記以外の目的および利点は図面を参照した以
下の説明により一層明らかとなろう。

発明の具体的な説明 第１図は本発明のスイツチを使用する代表的な
回路を示す概略電気回路図である。この回路に於
いて、コイル１００，１０１および１０２、なら
びにスイツチ２０はニオビウムとチタニウムの合
金等の超電導材料で作られている。環状電流ルー
プ内でコイル１００，１０１，１０２およびスイ
ツチ２０を接続する導体も超電導材料で作られて
いる。これらの回路要素は通常、液体ヘリウム等
の冷却液浴の中に配置され、その温度が超電導の
臨界温度（代表的には約10°K）以下に保たれる。
更にいくつかの結合点、即ち節点１２０ａ，１２
０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄおよび１２０ｅとして
示した結合点は特に超電導材料間の結合点と呼ば
れ、実際にこれらの結合点自体が適当な温度でゼ
ロ抵抗特性を示す。第１図の回路内の他の節点、
即ち節点１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃおよび１
３０ｄは必らずしも超電導結合点である必要はな
い。超電導コイル１００，１０１および１０２は
通常の抵抗素子１１０，１１１および１１２とそ
れぞれ並列接続することが好ましい。これらの通
常の抵抗素子は、スイツチ不動作時に対応するコ
イルが抵抗性状態即ちオーミツク状態に入つて持
続電流スイツチへのエネルギ転送を制限する場合
に、被保護回路素子に並列に電流回路を提供する
ことによつてコイル内のエネルギを消散する手段
となる。

通常の始動状態に於いては、コイル１００，１
０１および１０２，ならびにどの相互接続ワイヤ
もそれらの臨界温度より低い温度に冷却される。
このとき、直流電源１４０がスイツチ１４１を介
して回路に接続され、電源からの電流が徐々に増
加して所望の動作電流レベルI_Oに達する。本発明
で想定している用途ではI_Oは典型的には約500ア
ンペアと、2000アンペアの間にある。この最終定
常状態の電流値に遷移する間、コイル１００，１
０１、および１０２の直列接続体の両端間の電圧
Ｖ（即ち、節点１３０ａと１３０ｄとの間の電圧）
はＶ＝Ldi／dtの関係式に従う。ここで、Ｖは電
圧、Ｌは３つのコイルの等価インダクタンス、ｉ
はコイルを通る電流である。この遷移期間中、ス
イツチ１０の中の素子２０は普通まだ通常の抵抗
性状態にあり、したがつてV²／Ｒの割合でエネ
ルギを消散することが必要となる。ここでＲは、
この素子２０がオーム性状態のとき即ち超電導状
態にないときの素子２０の抵抗値である。従つて
始動時のスイツチ１０の電力消費を最小限にする
ため抵抗値Ｒは適当な大きさの値にしなければな
らないことがわかる。di／dtがゼロになり、そし
てスイツチ１０の超電導素子が臨界温度より低い
温度に達したとき、スイツチ１０の両端間の電圧
および電流ループに沿つたすべての電圧降下がゼ
ロとなり、回路から電源１４０を除去することが
できる。

第１図の回路は特に核磁気共鳴（NMR）イメ
ージング用の高強度で一様な磁界を作るのに有用
である。詳しく言えば、このような用途の磁界強
度は約0.04テラスから約1.5テスラ以上までの範
囲にある。これらの用途で重要なことは、超電導
ループ内の導体により発生される磁界がコイル１
００，１０１、および１０２によつて発生される
磁界の一様さを損なう恐れのある漂遊磁界を作ら
ないことである。従つてこのような用途ではスイ
ツチ１０の素子２０を２本巻きにして漂遊磁界の
発生を最小限にするか、またはスイツチ１０を主
巻線コイル１００，１０１および１０２から充分
離れた位置に置かなければならない。しかし、こ
の後者の配置は一般に好ましくない。と云うの
は、超電導回路のすべての素子を１つの冷却液浴
の中に配置することが望ましいからである。

従つて第１図の回路の必要条件から超電導回路
素子２０の通常抵抗値は大きくなければならない
ことがわかる。一般に抵抗性回路素子の抵抗値は
材料、その長さ、またはその断面積を変えること
によつて制御することができる。現在の状況で
は、素子２０の材料はそれが少なくとも部分的に
超電導材料を含まなければならないという必要条
件によつて既に決定されている。この形式の超電
導体は銅、アルミニウム、稀には銅ニツケル合金
等の通常の導電材料のマトリツクスに超電導合金
のフイラメントを埋込んだ複合体である。マトリ
ツクスの断面積を最小限にするかまたは抵抗率を
大きくすることによつて通常の抵抗値を高くする
ことができる。マトリツクス／超電導体の比の実
用的な下限は約１：１であるが、約1.5：１の比
を用いると銅マトリツクス・ワイヤの場合に許容
できるスイツチが得られる。（銅ニツケル合金の
ように）比が小さく抵抗率が大きいマトリツクス
材料ではスイツチングの効率が向上するが、リー
ド線の設計に注意を払つて高レベルの電流密度で
安定性が得られるようにしなければならない。こ
こで想定している回路に対する通常のスイツチ抵
抗の許容値は約0.03オームである。特定の設計で
は、この抵抗値にするには約457ｍ（1500フイー
ト）の導体長が必要である。断面積の小さい導体
を使うことによつて素子２０の抵抗値を制御する
ことも理論的には可能であるが、この設計法は実
用的でない。と云うのは、スイツチ動作中に局部
過熱点が形成されることがあるからである。従つ
て、抵抗値Ｒとして所望の比較的大きな値を得る
ためにスイツチ１０の素子２０は比較的長い導体
で構成しなければならないことがわかる。ここで
想定している回路の抵抗値Ｒは典型的には約0.03
オームである。この抵抗値Ｒの値は約457ｍ
（1500フイート）の導体長で得られる。

上記の説明の多くは、スイツチ１０をターンオ
ンして、素子２０、コイル１００，１０１、およ
び１０２、ならびにそれらに対応して隣接してい
る導線および超電導結合点１２０ａ乃至１２０ｅ
で構成された高強度電流ループを形成することに
関連したものである。スイツチ１０をターンオフ
したいとき、即ち素子２０を抵抗性状態に切り替
えたいときは、リード線３１ａおよび３１ｂを介
して比較的少量のエネルギを加熱コイル３０に与
えるだけでよい。普通、コイル３０で１秒間約
2.5ワツトを電力消費すれば、超電導状態から抵
抗性状態への遷移を生じさせるのに充分である。
しかし、遷移の結果としてスイツチ１０の中で消
費される比較的高レベルのエネルギによつて破壊
的な過熱点が形成されないようにスイツチ１０を
設計しなければならない。このため、素子２０の
超電導導体をコンパクトな構成に配置して熱拡散
を促進することが望ましい、同時に、素子２０の
各ターンの間を確実に電気絶縁しなければならな
い。更に、超電導体の僅かな動きによつて超電導
性が特に局部的に失なわれるので、構造全体に対
して堅固な支持を行なうことも望ましい。従つ
て、スイツチ１０の超電導ワイヤの配置は、その
各部分が堅固な構造の中で相互に電気的に絶縁さ
れているが同時に緊密に熱接触を維持するように
行なわなければならないことが明らかである。更
に、スイツチ１０は最小限の漂遊磁界しか発生し
ないような構造の素子２０も持たなければならな
い。

更に、スイツチ１０はたとえば4.2°Kの冷却液
の中に配置することが望ましく、かつスイツチを
ターンオフするためにスイツチの温度を臨界温度
以上に上げなければならないので、加熱電力を最
小限にし、通常の導電性状態への遷移開始の時間
遅れを最小限にするためにスイツチの超電導体を
冷却浴から熱絶縁しなければならない、しかし、
絶縁効果が過大になると超電導状態への再冷却が
許容できない程遅れて後続のスイツチ・オン状態
までのサイクル時間が伸びてしまうので、熱絶縁
の程度は慎重に設定しなければならない。

これらの基準をすべて満たすスイツチが第２図
乃至第４図に例示されている。第２図は本発明に
よるスイツチの断面図である。超電導素子２０は
ガラス繊維／エポキシのコア６０の周りに配置さ
れた円筒状のコイルとして示されている。リード
線３１ａおよび３１ｂをそなえた加熱素子として
のコイル３０がコア６０と超電導巻線層すなわち
コイル２０との間にらせん状に配置されている。
巻線層すなわちコイル２０は漂遊磁界の発生を最
小限にするため導体の２本巻き構成になつてい
る。更に、ナイロンまたはポリテトラフルオロエ
チレン（PTFE）等の材料で形成された熱絶縁ス
リーブ４０が環状の超電導巻線すなわちコイル２
０を取り囲んで配置されている。更に、熱絶縁体
すなわちスリーブ４０と超電導巻線すわなちコイ
ル２０の間に革（レザー）またはセルロース等の
材料からなる圧縮可能な層４４を配置することが
好ましい。最後に、熱絶縁ジヤケツト又はスリー
ブ４０は熱膨脹係数の高い材料で形成するのが好
ましいジヤケツト４５で囲むことが好ましい。こ
のような材料は冷却液浴の低温を受けると収縮し
て、スイツチの各素子を熱的に緊密に接触した状
態に保つような力を生じる傾向がある。円筒状の
スイツチ１０の各端には類似の構造が同様に設け
られている。詳しく云う、と革またはセルロース
等の柔軟な材料からなる平らな環状円板またはワ
ツシヤー４３が図示の如くコイル２０の両端に配
置されている。スリーブ４０と同様の材料即ちナ
イロンまたはポリテトラフルオロエチレンのよう
な材料からなる熱絶縁円板４１ａおよび４１ｂに
よつてスイツチ両端に対する付加的な熱絶縁が与
えられる。最後に、円筒状スイツチ１０の各端は
環状金属（好ましくはアルミニウム）の円板また
はキヤツプ４６ａ，４６ｂによつておおわれてい
る。ボルト４７とナツト４８によつてスイツチ構
造は少なくとも部分的に一緒に保持されている。
ボルト４７は円板４６ａ，４１ａ，４１ｂ、およ
び４６ｂ中央開口を通つて配置されている。更
に、ボルト４７のシヤフトがコア６０の中央の穴
を通つている。コア６０としてはガラス繊維とエ
ポキシの構造で形成するのが好ましく、この構造
内にはボルト４７の長手方向に対して直角に配向
されたガラス層が設けられる。円板４１ａおよび
４６ａには、また、超電導巻線（コイル２０）と
一体の超電導リード線２１ａおよび２１ｂを通す
開口が設けられていると共に、らせん状加熱素子
３０に接続された通常の抵抗性リード線３１ａお
よび３１ｂを通す開口が設けられている。加熱素
子３０は典型的にはニクロム線で構成される。上
述の構造により、動作温度が低いときでもスイツ
チ１０の内部とスイツチ１０が入つている冷却液
浴との間に良好な熱絶縁が得られる。

第３図は第２図のスイツチの端面図である。第
３図に示すように、ジヤケツト４５にはフランジ
４９を設けることができる。このフランジ４９に
ボルト４９ａ通し、ナツト４９ｂを調整して絶縁
スリーブ４０まわりの正しい位置にジヤケツト４
５を保持することができる。

また、柔軟な材料で作つた円筒状のシユルまた
は層４４を超電導巻線２０のまわりに配置できる
ことも明らかである。

第４図は超電導巻線すなわちコイル２０の一部
２０′を示している。熱伝導性材料のシート５０
の上に超電導巻線または導体２５が配置されてい
る。シート５０は銅等の高熱伝導度材料で作るこ
とが好ましい。シート５０は軸方向の低熱インピ
ーダンス径路を作るだけでなく。磁石コイル１０
０，１０１および１０２から放出される蓄積され
た磁気エネルギを吸収する熱質量を提供ずる。絶
縁された各超電導導体２５は銅アルミニウム、ま
たは銅ニツケル合金等の導電性材料のマトリツク
スの中に配置された複数のニオビウム・チタニウ
ムのフイラメントまたはワイヤで構成するのが好
ましい。通常、マトリツクスと超電導導体との断
面積の比は約１から約２の範囲にある。更に、熱
伝導性材料で作られた各々のシート５０の上には
絶縁層５１ａおよび５１ｂが配置されており、こ
れらの絶縁層は巻線の各ターン相互間と巻線層相
互間に所望の電気絶縁を与える。超電導性は少な
くとも部分的に構造の堅固さによつて左右される
ので、コイル２０はエポキシ等の硬化可能な組成
物の中にポツテイング（potting）により埋込む
ことが好ましい。このような組成物は隣接した巻
線間の間隙２６を充たし、コイル２０の層間に配
置されたガラス繊維布（絶縁層５１ａ，５１ｂを
形成）の中に浸入する。シート５０の厚さは典型
的には約0.0254cmから約0.0508cm（約0.01インチ
から約0.02インチ）である。ガラス繊維布すなわ
ち絶縁層５１ａ，５１ｂの厚さは典型的には僅か
約0.0254mm（２ミル）である。シート５０の両側
にはフオーメツクス（Formex；登録商標）等の
絶縁物を被覆して、組み立て前にコイル２０に真
空含浸させるエポキシ樹脂に対して良好な接着が
得られるようにすることが好ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明の持続
電流スイツチはこのようなスイツチとして望まし
い特性を提供する。特に、スイツチは長い超電導
材料を収容できるように製造、構成することがで
きる。上記の説明は超電導巻線すなわちコイル２
０を環状の２本巻きコイルとして配置する構成に
ついて行なつたが、コイルの巻線が相互に緊密に
熱接触するように配置すれば他の構成を用いるこ
ともできる。この場合、一般に比較的コンパクト
な容積内に配置する必要がある。本発明のスイツ
チはこの比較的長い超電導材料に対してコンパク
トで堅固な支持を与えるので、ワイヤの動きによ
りスイツチが許容できない程低レベルの電流で抵
抗性状態に入る傾向がなくなる。更に本発明のス
イツチは抵抗性状態への遷移の際、励振された超
電導ソレノイドに伴なうエネルギを消散するため
に比較的大きい熱質量を有することがわかる。ま
た、本発明のスイツチはこのような遷移の際に充
分な熱伝導度を有するので、スイツチ内に過熱点
が発生しないことがわかる。また、本発明のスイ
ツチの熱絶縁構造によればスイツチの温度をスイ
ツチが入つている冷却液の温度より高くできるの
で、冷却液に対して許容できない程大きい熱伝達
が生じないことがわかる。更に、本発明のスイツ
チの材料はスイツチがさらされる過酷な温度と条
件に良く適合してちることがわかる。

以上、本発明をそのいくつかの好ましい実施例
を参照して詳細に説明してきたが、当業者はこれ
に対して多数の変形や変更を加えることができ
る。このため、特許請求の範囲は本発明の趣旨と
範囲内に入るこのようなすべての変形と変更を包
含するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のスイツチを使う代表的なシス
テムを表わす概略電気回路図である。第２図は本
発明による持続電流超電導スイツチの側面断面図
である。第３図は第２図に示すスイツチの端面図
である。第４図は第２図に示す超電導巻線の１つ
の層の一部の側面断面図である。 （主な符号の説明）、１０……スイツチ、２０
……超電導コイル、２５……超電導巻線、２６…
…巻線間間隙、３０……加熱素子（コイル）、４
０……熱絶縁スリーブ、４１ａ，４１ｂ……熱絶
縁円板、４５……金属ジヤケツト、５０……シー
ト、５１ａ，５１ｂ……ガラス繊維布、６０……
コア。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高エネルギ超電導回路用の持続電流スイツチ
   に於いて、高熱伝導材料のシート５０と熱的に接
   触しかつ電気的に絶縁された５１ａ，５１ｂ所定
   の長さの超電導導体２５を有する超伝導コイル２
   ０と、前記超電導導体の近くに配置され前記電導
   導体の少なくとも一部を加熱する手段３０と、前
   記コイルを囲む外被とを有し、前記外被は前記超
   電導コイル２０の回りに配置された内側熱絶縁ジ
   ヤケツト４０を囲む、高熱膨脹係数材料の外側ジ
   ヤケツト４５を有していて、前記スイツチが沈漬
   される液体冷却媒体中で熱絶縁作用をし、前記外
   被内で前記スイツチによつて発生される熱が、前
   記外被内の内部容積全体にわたつて迅速かつ一様
   に放散する、持続電流スイツチ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の持続電流スイツ
   チに於いて、上記超電導導体が中央の円柱状コア
   のまわりに巻線として配置されている持続電流ス
   イツチ。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の持続電流スイツ
   チに於いて、上記巻線が２本巻きになつている持
   続電流スイツチ。 ４ 特許請求の範囲第２項記載の持続電流スイツ
   チに於いて、コアがガラス繊維とエポキシとで構
   成されている持続電流スイツチ。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の持続電流スイツ
   チに於いて、上記熱絶縁手段がナイロンとポリテ
   トラフルオロエチレンからなる群から選択された
   材料で構成されている持続電流スイツチ。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の持続電流スイツ
   チに於いて、上記熱絶縁手段が上記超電導導体の
   まわりに配置された円筒状材料を含んでいる持続
   電流スイツチ。 ７ 特許請求の範囲第１項記載の持続電流スイツ
   チに於いて、上記外側ジヤケツトがアルミニウム
   からなる持続電流スイツチ。 ８ 特許請求の範囲第１項記載の持続電流イツチ
   に於いて、上記外側ジヤケツトが円筒形である持
   続電流スイツチ。 ９ 特許請求の範囲第１項記載の持続電流スイツ
   チに於いて、上記加熱手段が上記超電導導体に近
   接して配置された少なくとも１つの抵抗性導体で
   構成されている持続電流スイツチ。 １０ 特許請求の範囲第１項記載の持続電流スイ
   ツチに於いて、上記シート状材料が銅からなる持
   続電流スイツチ。 １１ 特許請求の範囲第１項記載の持続電流スイ
   ツチに於いて、上記シート状材料が上記超電導導
   体からガラス繊維材料の層によつて隔てられてい
   る持続電流スイツチ。 １２ 特許請求の範囲第１項記載の持続電流スイ
   ツチに於いて、上記超電導導体がエポキシのマト
   リツクスの中に配置されている持続電流スイツ
   チ。