JPH07106644A - 超電導永久電流装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 永久電流を使用する超電導装置において、永
久電流スイッチに安定して流すことのできる電流値を増
加させる。 【構成】 超電導コイルの発生する磁場中に配置される
永久電流スイッチにおいて、接続用超電導線２と永久電
流スイッチ用超電導線１との接続部３における臨界電流
値が、超電導線１の全長の中で最も低くなるように、永
久電流スイッチを設置する。 【効果】 超電導永久電流スイッチに、安定して通電で
きる電流値を大きくできる。また、複数の超電導永久電
流スイッチを、並列接続して使用する超電導装置では、
使用する永久電流スイッチの数を減少させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、わずかな電流減少が許
容される永久電流を使用する超電導永久電流装置に係
り、特に、永久電流のＯＮ−ＯＦＦを行なう超電導永久
電流スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】永久電流状態を使用する超電導永久電流
装置（以下、超電導装置と呼ぶ）では、通常、超電導永
久電流スイッチ（以下、永久電流スイッチと呼ぶ）と超
電導コイルとを接続して用いる。

【０００３】永久電流スイッチに使用する永久電流スイ
ッチ用超電導線は、ＯＦＦ時の電気抵抗を大きくするた
め、キュプロニッケルなど、比抵抗の高い金属基材の中
に、多数の超電導フィラメントを埋め込んだものが用い
られることが多い。このような超電導線は、金属基材の
熱伝導率が、銅などの低抵抗金属に比べて極めて小さ
い。そのため、このような超電導線では、極く僅かな外
乱により金属基材に流れる電流が増加すると、その電流
により熱が生じ、局部的に温度を上昇させる。この温度
上昇により、急激な常電導転移（クエンチ）が起こりや
すいものとなっている。

【０００４】超電導線に関しては、クエンチ等を引き起
こす不安定性の改善のため、多くの発明がなされてい
る。特に、永久電流スイッチの接続部分に関するものと
しては、特開昭59-96786号公報、特開昭60-7781号公
報、特開昭60-22383号公報、特開昭60-37790号公報、特
開昭60-46084号公報等が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、いず
れも、永久電流スイッチの接続部分を、機械的に強固に
固定し、接続部分の動きに伴う摩擦発熱によるクエンチ
の発生を防止するものである。

【０００６】しかし、永久電流スイッチの接続部分で
の、後述するような、磁場の強さおよび方向によって変
化する超電導特性や、この変化によって生じるクエンチ
の防止については、考慮されていない。その接続部の設
置の方法によっては、目的とする電流量が、通電できな
い可能性がある。

【０００７】本発明の目的は、永久電流スイッチにおけ
る超電導線の接続部分に加わる磁場の強さおよび方向を
最適化することで、クエンチの発生を防止し、永久電流
スイッチに安定して流すことのできる電流値を、増加さ
せることにある。また、本発明の他の目的は、１個の超
電導永久電流スイッチに流すことができる電流値を増加
させることにより、１つの超電導装置に並列して使用さ
れる永久電流スイッチの数を減少させることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、超電導コイ
ルと、超電導コイルが発生する磁場中に配置される、永
久電流スイッチ用超電導線を巻いてなる超電導永久電流
スイッチとを有する超電導永久電流装置において、超電
導永久電流スイッチは、当該超電導線とそれ以外の導線
とが接合される、永久電流スイッチに内蔵または固着さ
れている、接続部分における当該超電導線の臨界電流値
が、他の部分での当該超電導線の臨界電流値に比べ、最
も低くなる位置および方向に設置されることを特徴とす
る超電導永久電流装置によって達成される。

【０００９】上記目的は、また、超電導コイルと、超電
導コイルが発生する磁場中に配置される、永久電流スイ
ッチ用超電導線を巻いてなる超電導永久電流スイッチと
を有する超電導永久電流装置において、当該超電導線と
それ以外の導線とが接合される、永久電流スイッチの外
部にある接続部分は、その部分における当該超電導線の
臨界電流値が、他の部分での当該超電導線の臨界電流値
に比べ、最も低くなる位置および方向に設置されること
を特徴とする超電導永久電流装置によって達成される。

【００１０】上記目的は、また、超電導コイルと、超電
導コイルが発生する磁場中に置かれる、永久電流スイッ
チ用超電導線を有する超電導永久電流スイッチとを備え
た超電導永久電流装置において、超電導永久電流スイッ
チは、加わる磁場の強さおよび方向によって変化する、
当該超電導線の各部分における臨界電流値が、当該超電
導線全部分の中で、最も低い部分に、放熱部を備えるこ
とを特徴とする超電導永久電流装置によって達成され
る。

【００１１】上記目的は、また、超電導コイルと、超電
導コイルが発生する磁場中に置かれる、永久電流スイッ
チ用超電導線を有する超電導永久電流スイッチとを備え
た超電導永久電流装置において、超電導永久電流スイッ
チは永久電流スイッチ用超電導線による口出し線を備
え、口出し線は、それに用いられる超電導線全長の中
で、加わる磁場の強さおよび方向によって変化する、当
該超電導線の各部分における臨界電流値が、最も低い部
分に、放熱部を備えることを特徴とする超電導永久電流
装置により達成される。

【００１２】

【作用】超電導線の臨界電流値が、超電導線に加わる磁
場の大きさと方向によって、大きく変化することは、タ
イプ ツー スーパーコンダクティビィティー、パーガ
モン プレス(1969)第261頁から第263頁(TYPE II SUPER
CONDUCTIVITY : PERGAMON PRESS(1969)PP261-263)等で
知られている。すなわち、図１に示すように、超電導線
の長さ方向に対し平行に磁場が加わるときは、２テスラ
程度の磁場で臨界電流が最も大きくなる。超電導線の長
さ方向に対して垂直に磁場が加わるときは、磁場がゼロ
のときに臨界電流が最も大きく、磁場の増加と共に減少
する。

【００１３】ここで、臨界電流とは、電流を増加させた
とき、超電導線の超電導状態が破れ、常電導状態へ変化
するときの電流値である。

【００１４】永久電流スイッチに使用される超電導線
は、比抵抗の高い金属基材の中に多数の超電導フィラメ
ントが埋め込まれた構造になっているため、金属基材を
通って、超電導フィラメント間に電流が流れると、発熱
が大きく、温度上昇によってクエンチが発生する。一
方、熱伝導の良い電極、あるいは、比抵抗の低い金属基
材を用いた超電導線との接続部では、発熱しても温度が
上昇しないため、クエンチは発生しない。

【００１５】次に、超電導線の臨界電流と磁場との関係
を、図１および図２を用いて説明する。

【００１６】永久電流スイッチ用超電導線１は、接続用
超電導線２と半田によって接続され、図２に示すよう
に、Ｕ字型に曲げられて均一磁場（図１のＨで示した強
さ、図２の矢印で示した方向）の中に配置されている。
永久電流スイッチ用超電導線１は、接続部を含むac間お
よびfh間で、磁場の方向と平行になり、図１の曲線Ａで
示す特性を有する。この時の臨界電流の値をIcAとす
る。また、de間は、磁場の方向に対して垂直となり、図
１の曲線Ｂで示す特性となる。この時の臨界電流の値を
IcBとする。なお、cd間およびef間では、場所によって
磁場の方向が変化しており、曲線Ａと曲線Ｂとの中間の
特性を示すことになる。

【００１７】ここで簡略化のため、図２に示す超電導線
１に含まれる超電導フィラメントの数を４本とし、外部
からこの超電導線１に流す電流を、IcBの値まで増加さ
せることを考える。

【００１８】電流が、IcBの1/4に達するまでは、４本の
超電導フィラメントのうち、最も電流の流れやすい１本
にのみ、電流が流れる。電流が増加して、IcBの1/4以上
になると、今度は、cd、ef間で、比抵抗の高い金属基材
を通して、電流が、他のフィラメントへ流れ込む。これ
は、de間の電流が流れている１本のフィラメントの臨界
電流がIcB/4のため、１本のフィラメントには、これ以
上電流を流すことができず、比抵抗の高い金属基材を通
して電流が流れ、熱が発生し温度が上昇する。したがっ
て、超電導線１は、IcBの1/4の電流値、すなわちIcBを
超電導フィラメントの数で割った値の電流値を越えたと
ころで、クエンチしてしまう。

【００１９】以上説明した条件は、最も厳しいものであ
る。実際には、永久電流スイッチ用超電導線１内の各超
電導フィラメントのインダクタンスの差、および、接続
部における接続用超電導線２と各超電導フィラメント間
の電気抵抗の差によって電流の分散が起き、上記のよう
に１本の超電導フィラメントのみに電流が流れることは
ない。IcBの電流値まで通電可能となるためには、各々
の超電導フィラメントに、均一に電流を分散させる必要
がある。しかし、一般的に用いられる永久電流スイッチ
用超電導線１では、断面構造上不可能である。このた
め、通常は、超電導フィラメントの数にかかわらず、Ic
Bの値の1/2程度の電流値でクエンチが発生する。

【００２０】本発明の作用を説明するため、本発明にお
ける永久電流スイッチの超電導線全体を、図２における
超電導線１によって代表する。本発明による永久電流ス
イッチは、図２において示される磁場の方向を、90°変
えて、接続部３に垂直に磁場が加わるようにし、さら
に、接続部３に加わる磁場の強さが、永久電流スイッチ
用超電導線１に加わる磁場の中で最も強くなるようにし
たものである。

【００２１】この構成によれば、接続部３のab、gh間の
永久電流スイッチ用超電導線１の特性は、図１の曲線Ｂ
となる。ここで、接続部３に加わる磁場の強さをＨとす
ると、臨界電流の値は、図１に示されるIcBとなる。b
c、fg間も、やはり曲線Ｂの特性となるが、磁場の強さ
がＨよりも低いので、臨界電流はIcBよりも大きくな
る。

【００２２】また、cd、ef間は、磁場の方向が垂直から
平行へ変化しており、かつ、磁場の強さがＨより低いの
で、臨界電流はIcBより大きくなる。さらに、de間で
は、磁場の方向が平行であるので、臨界電流はIcBより
大きくなる。

【００２３】したがって、電流をIcBまで増加させると
き、超電導線１に含まれる１本の超電導フィラメントの
電流が臨界に達し、他のフィラメントに電流が流れ込む
場所は、接続部３、すなわちab、gh間となる。このた
め、前述した理由によりIcB以下の電流では、クエンチ
は発生せず、最大IcBの電流値を流すことができる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を適用した超電導装置の第一の
実施例を、図３を用いて説明する。

【００２５】本実施例は、接続部３が超電導永久電流ス
イッチ５に内蔵されている場合で、かつ、超電導永久電
流スイッチ５を、空間的に比較的自由に配置できるとき
に、適用することができる例である。

【００２６】本実施例は、図３に示されるような超電導
永久電流スイッチ５と、図示されない超電導コイルとを
備えた超電導装置である。永久電流スイッチ５は、永久
電流スイッチ用超電導線１を備えている。超電導線１
は、超電導コイルへ接続される接続用超電導線２と、接
続部３（ａｂ間）で接続されている。

【００２７】ここで、実際の超電導永久電流スイッチ５
は樹脂で含浸されており、接続部３や永久電流スイッチ
用超電導線１などは外部から見えないが、図３では内部
の配置がわかるように描いてある。また、もう一方の接
続部は、図３では見えないが、超電導永久電流スイッチ
５の中心軸に対し、本図に示されている接続部３と対称
な位置に取り付けられている。

【００２８】本実施例では、超電導コイル等により設定
される磁場は、図３の中で太い矢印で示した方向であ
り、二ヶ所の接続部３（ａｂ間）に対し、ほぼ垂直とな
っている。さらに、永久電流スイッチ用超電導線１の全
長の中で、接続部３での臨界電流値が最も低くなるよう
な磁場の強さの位置に、接続部３を設置している。

【００２９】本実施例では、永久電流スイッチ用超電導
線１の全長の内、接続部３で臨界電流値が最低となる。
したがって、永久電流スイッチ５に通電される場合、接
続用超電導線２から超電導線１へ、接続部３での臨界電
流値まで電流が流される場合、超電導線１内部におい
て、１本の超電導フィラメントが臨界に達し、金属基材
を通して、他のフィラメントへ電流が流れ込むのは、接
続部３（ａｂ間）においてだけである。

【００３０】本実施例では、比抵抗が低く熱伝導のよい
金属基材を用いた、接続用超電導線２を用いているの
で、接続部３で発熱しても温度が上昇しない。したがっ
て、永久電流スイッチ５は、クエンチを発生することな
く、接続部３における臨界電流値まで、電流を流すこと
ができる。

【００３１】なお、本実施例では、永久電流スイッチ用
超電導線１を超電導永久電流スイッチ５の外部まで引き
出している。これは、接続用超電導線２を機械的に補強
するために使用しているものであって、２本の線を固定
するため、半田または樹脂のいずれで固定してもかまわ
ない。

【００３２】半田を用いた場合は、引き出し部のｘａ間
でも電流が永久電流スイッチ用超電導線１に流れ込むこ
とになるが、最終的には、接続部３すなわちａｂ間で電
流が各超電導フィラメントに分散する。これは、接続部
３において、臨界電流が最低になるためである。機械的
な補強が必要でないときは、永久電流スイッチ用超電導
線１を、外部まで引き出す必要はない。

【００３３】次に、本発明を適用した第２の実施例を、
図４を用いて説明する。

【００３４】本実施例は、超電導永久電流スイッチ５を
設置する空間に制約があり、第一の実施例が使用できな
い場合に用いることができる例である。

【００３５】本実施例は、上記実施例と同じ構成であ
る。ただし、本実施例の接続部３は、超電導永久電流ス
イッチ５の外部に配置されている。接続部３まで引き出
されている、永久電流スイッチ用超電導線１には、補強
用高抵抗金属線４が沿えてある。これらの線１、４は、
図４に示すように、接続部３において、接続用超電導線
２に半田付けされている。

【００３６】ここで、接続部３に対し、超電導コイル
（図示せず）により発生された磁場が垂直に加わるよう
に、接続部３は配置されている。さらに、永久電流スイ
ッチ用超電導線１の全長の中で、接続部３での臨界電流
値が最も小さくなるように、永久電流スイッチ５および
接続部３が設置されている。

【００３７】本実施例の作用は、上記実施例と同じであ
る。接続用超電導線２から超電導線１へ、接続部３での
臨界電流値まで電流が流される場合、超電導線１内部に
おいて、１本の超電導フィラメントが臨界に達し、金属
基材を通して、他のフィラメントへ電流が流れ込むの
は、接続部３（ａｂ間）においてだけである。したがっ
て、永久電流スイッチ５では、クエンチを発生すること
なく、接続部３における臨界電流値まで、電流を流すこ
とができる。

【００３８】なお、補強用高抵抗金属線４は、引き出さ
れている部分の永久電流スイッチ用超電導線１を機械的
に補強するために用いるもので、電流を流すためのもの
ではない。本実施例では、この補強用高抵抗金属線４と
して、永久電流スイッチ用超電導線１の金属基材と同程
度の比抵抗をもつマンガニン線を使用する。これは、補
強用に銅などの比抵抗の低い金属を用い、永久電流スイ
ッチ用超電導線１と半田付けで固定すると、接続部３が
延長されたことになり、本発明の作用が失われるためで
ある。

【００３９】本実施例によれば、超電導線１の全長の中
で、接続部３での臨界電流値が最低になるように、磁場
の強さと方向を考慮した場所に、超電導永久電流スイッ
チ５よりも体積の小さい接続部３を設置すればよいの
で、永久電流スイッチ５の設置場所の自由度が増すこと
ができる。

【００４０】次に、本発明を適用した第３の実施例を、
図５を用いて説明する。

【００４１】本実施例は、第１の実施例と同じ条件で用
いられる。ただし、永久電流スイッチ５の構造が異なっ
ている。本実施例は、第１の実施例の構成に加えて、図
５に示すように、発生する熱を発散させる放熱部６を、
永久電流スイッチ５内部に備えるものである。

【００４２】放熱部６は、永久電流スイッチ用超電導線
１の全長の中で、図中矢印で示された磁場により、臨界
電流値が最も低くなる部分、すなわち超電導フィラメン
ト間で電流の分散が起こる部分に、例えば、銅板等、熱
伝導率の高い部材を超電導線１に半田付けしたものであ
る。また、図５では見えないが、超電導永久電流スイッ
チ５の中心軸に対し、本図に示されている放熱部６と対
称な位置に、もう一方の放熱部が取り付けられている。

【００４３】本実施例において、永久電流スイッチ５の
設置位置および方向により決定される、つまり、加わる
磁場の強さおよび方向により決定される、超電導線１各
部の臨界電流値は、ａｂ間の部分において最も低くな
る。したがって、超電導線１の金属基材を通って、超電
導フィラメント間で電流の分散が起こるのは、ａｂ間の
みに限定される。この部分に、放熱部６を設け、熱の発
散を行ない、温度の上昇を防ぐことで、クエンチが防止
され、安定して電流を流すことができる。本実施例にお
いて、流すことのできる最大電流は、ａｂ間における臨
界電流値にほぼ等しい。

【００４４】本実施例では、第１の実施例のように、口
出し部分の機械的補強は、特に設けられていない。しか
し、必要があれば、接続用超電導線２を超電導永久電流
スイッチ５まで延長するなどして、補強することができ
る。

【００４５】また、本実施例では、放熱部６を２つ（一
方は図示されない）だけ設けているが、最低の臨界電流
を有する部分が複数あれば、それぞれに対応した放熱部
を設けてることもできる。

【００４６】次に、本発明を適用した第４の実施例を、
図６を用いて説明する。

【００４７】本実施例は、第２の実施例と同じ条件で用
いられる場合であるが、接続部３の設置位置が異なって
いる。本実施例の構成は、第３の実施例と同じである。

【００４８】本実施例では、永久電流スイッチ用超電導
線１の口出し線の全長の中で、最も臨界電流値の低くな
る部分、すなわち、超電導フィラメント間で電流の分散
が起こる部分に放熱部６として、銅板を半田付けしてあ
る。

【００４９】本実施例の作用は、第３の実施例と同じで
ある。本実施例では、口出し部分の機械的補強は特に行
わなかったが、必要があれば、接続用超電導線２を放熱
部６まで延長するか、または、放熱部６と超電導永久電
流スイッチ５の間に高抵抗金属線を添わせる等を行って
補強することもできる。

【００５０】以上の実施例のいずれの場合も、接続部３
または放熱部６における臨界電流値の近くまで、安定し
て通電することができる。この電流値は、磁場の方向を
考慮せずに、超電導永久電流スイッチ５を設置した場合
に比べて大きい。さらに、前もって、その値を予測する
ことができるため、超電導装置の設計が容易となる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、永久電流スイッチに、
実際に、安定して通電できる電流値を大きく取ることが
できる。また、本発明によれば、永久電流スイッチの電
流容量を増大できるため、１つの超電導装置に、複数の
永久電流スイッチを並列して使用する場合、永久電流ス
イッチの使用数を減少することができる。

【００５２】

【図面の簡単な説明】

【図１】超電導線の磁場の強さおよび方向に対する臨界
電流特性を示すグラフ。

【図２】加わる磁場の方向により変化する、超電導線の
特性を説明する説明図。

【図３】本発明を適用した一実施例を説明する説明図。

【図４】本発明を適用した他の一実施例を説明する説明
図。

【図５】本発明を適用した他の一実施例を説明する説明
図。

【図６】本発明を適用した他の一実施例を説明する説明
図。

【符号の説明】

１・・・永久電流スイッチ用超電導線、２・・・接続用超電導
線、３・・・接続部、４・・・補強用高抵抗金属線、５・・・超
電導式永久電流スイッチ、６・・・放熱部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導コイルと、超電導コイルが発生する
   磁場中に配置される、永久電流スイッチ用超電導線を巻
   いてなる超電導永久電流スイッチとを有する超電導永久
   電流装置において、 超電導永久電流スイッチは、当該超電導線とそれ以外の
   導線とが接合される、超電導永久電流スイッチに内蔵ま
   たは固着されている、接続部分における当該超電導線の
   臨界電流値が、他の部分での当該超電導線の臨界電流値
   に比べ、最も低くなる位置および方向に設置されること
   を特徴とする超電導永久電流装置。
2. 【請求項２】超電導コイルと、超電導コイルが発生する
   磁場中に配置される、永久電流スイッチ用超電導線を巻
   いてなる超電導永久電流スイッチとを有する超電導永久
   電流装置において、 当該超電導線とそれ以外の導線とが接合される、超電導
   永久電流スイッチの外部にある接続部分は、その部分に
   おける当該超電導線の臨界電流値が、他の部分での当該
   超電導線の臨界電流値に比べ、最も低くなる位置および
   方向に設置されることを特徴とする超電導永久電流装
   置。
3. 【請求項３】超電導コイルと、超電導コイルが発生する
   磁場中に置かれる、永久電流スイッチ用超電導線を有す
   る超電導永久電流スイッチとを備えた超電導永久電流装
   置において、 超電導永久電流スイッチは、加わる磁場の強さおよび方
   向によって変化する、当該超電導線の各部分における臨
   界電流値が、当該超電導線全部分の中で、最も低い部分
   に、放熱部を備えることを特徴とする超電導永久電流装
   置。
4. 【請求項４】超電導コイルと、超電導コイルが発生する
   磁場中に置かれる、永久電流スイッチ用超電導線を有す
   る超電導永久電流スイッチとを備えた超電導永久電流装
   置において、 超電導永久電流スイッチは当該超電導線による口出し線
   を備え、 口出し線は、それに用いられる超電導線全長の中で、加
   わる磁場の強さおよび方向によって変化する、当該超電
   導線の各部分における臨界電流値が、最も低い部分に、
   放熱部を備えることを特徴とする超電導永久電流装置。