JPH0774400A - 熱式永久電流スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 不均一な磁場において、外形サイズを大きく
することなく、負荷率がほぼ一定となる熱式永久電流ス
イッチを構成する。 【構成】 この発明の熱式永久電流スイッチは、超電導
コイルの発生する磁場の強い側に位置するスイッチ要素
に臨界電流特性が高いものを、超電導コイルの発生する
磁場の弱い側に位置するスイッチ要素に臨界電流特性が
低いものを用いることにより、外形サイズを大きくせず
に、負荷率をスイッチ全体でほぼ一定にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超電導磁石に使用さ
れる複数のスイッチ要素から成る熱式永久電流スイッチ
に関する。

【０００２】

【産業上の利用分野】磁気浮上式鉄道、あるいは核磁気
共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）などに用いられる超電
導磁石は長時間にわたって一定の電流を流し続ける必要
から、永久電流モードで使用される。この永久電流モー
ドとは、超電導磁石を閉ループにして電流を閉じ込める
ようにした状態である。

【０００３】そして永久電流スイッチは、このような超
電導磁石を永久電流モードにする、あるいはその解除を
行なうときに使用されるスイッチであり、永久電流モー
ドにすると超電導磁石に流れる電流は半永久的に流れ続
け、超電導磁石は定磁場を保持することができるように
なる。

【０００４】このような永久電流スイッチには、一般
に、超電導線をヒータによって温度調節することによっ
て超電導状態と常電導状態との間で転位させて開閉動作
を行なうようにした熱式永久電流スイッチが使用されて
いる。

【０００５】この熱式永久電流スイッチの基本的な構造
は、巻枠に超電導線とヒータ線とを巻き込み、エポキシ
樹脂のような合成樹脂を含浸させたものにしている。

【０００６】そして、熱式永久電流スイッチの超電導線
には、スイッチ開時の電気抵抗をできるだけ大きくする
ために、例えばＣｕ−Ｎｉ合金などの比抵抗が大きい金
属を基材とする極細多芯線が一般的に用いられている
が、比抵抗の大きい基材は超電導線の安定化にはつなが
らず、このような基材の超電導線は、Ｃｕ，Ａｌのよう
な比抵抗の小さい金属を基材とする超電導線より通電時
に常電導状態に転位しやすいという不安定性がある。特
に、大電流を通電する目的で超電導線の断面積を大きく
し過ぎると、断面積が大きい方が臨界電流値（超電導線
が超電導状態を維持できる限界電流値）が高くなる反
面、この不安定性も高くしてしまう。

【０００７】そこで、磁気浮上式鉄道などの大電流を必
要とする熱式永久電流スイッチでは、断面積の大きい線
材を用いた単体構造にすると不安定になってしまうため
に、極力、超電導線の断面積を小さくした複数個のスイ
ッチ要素を並列接続した熱式永久電流スイッチが使用さ
れる。

【０００８】この熱式永久電流スイッチに使用される超
電導線の断面積は、スイッチの通電電流値、艤装スペー
スなどを考慮して適当な大きさのものが選ばれるが、上
述のように大きくし過ぎると不安定になるために、一般
に、１０^-2〜１ｍｍ² （直径φ０．１〜φ１．２ｍｍ）
の範囲で選択される。

【０００９】図５および図６はこのような従来の熱式永
久電流スイッチの構造を示している。図５に示す熱式永
久電流スイッチは、同じサイズの円盤状のスイッチ要素
１を複数個並べて、電流リード２の位置で並列に接続
し、固定ボルト３によって連結して固定した構造であ
る。また図６に示す熱式永久電流スイッチは、同じサイ
ズの円筒状のスイッチ要素１をバインダ４によって一束
にまとめて結束し、電流リード２によって並列に接続し
た構造である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来の熱式永久電流スイッチでは、次のような問題点が
あった。すなわち、磁気浮上式鉄道などに使用される熱
式永久電流スイッチは超電導コイルの近くに設置される
ために、超電導コイルから発生する強力な磁場からの磁
力線を常に受けることになる。例えば、起磁力７００ｋ
Ａ級の超電導コイルでは、コイル巻線より外周側３０ｍ
ｍの位置での磁場の強さは２．５Ｔ程度であり、１３０
ｍｍの位置では０．５１Ｔ程度、約１／５まで低減す
る。したがって、永久電流スイッチを超電導コイルから
できるだけ離した位置に配置することが望ましいが、実
際には超電導コイルとの接続が必要であること、また構
造上の制約の面から永久電流スイッチの経験磁場は通
常、０．１〜１．５Ｔの範囲で一定でないことが多い。

【００１１】ところで、図２に示すように、超電導線は
一般に、受ける磁場からの磁力線が強くなるほど臨界電
流値を低下させる特性があり、各スイッチ要素１の負荷
率（＝スイッチ要素１に流れる電流／超電導線の臨界電
流値）は、受ける磁場の強さが増すに伴って上昇し、こ
の負荷率が上昇すれば永久電流スイッチの安定性に対す
る余裕度が低下する。

【００１２】そこで従来から、超電導線の断面積を少し
大きくし、臨界電流値を上げてスイッチ要素全体の負荷
率を下げる方法が提案されている。しかしながら、この
場合には、スイッチ閉時の抵抗値を各スイッチ要素間で
同じにする目的で超電導線の断面積を大きくしようとす
ると、その比抵抗値が下がるので超電導線の巻込み長さ
が長くなり、永久電流スイッチの外形サイズが大きくな
ってしまう。しかしながら、磁気浮上式鉄道などの超電
導磁石に使用される熱式永久電流スイッチの艤装スペー
スは限られていて小さいものであるため、スイッチの外
形サイズを大きくすることができず、超電導線の断面積
を大きくしてスイッチ要素全体の負荷率を下げる方法は
採用できない問題点があった。

【００１３】この発明はこのような従来の問題点に鑑み
てなされたもので、強い磁界位置にあるスイッチ要素
は、それが弱い位置にあるスイッチ要素よりも大きい断
面積の超電導線を巻込み、または安定性を高めた比抵抗
の小さい金属を基材とする超電導線を巻込むことによ
り、あるいは、強い磁界位置にあるスイッチ要素の超電
導線として、弱い磁界位置にあるスイッチ要素の超電導
線より臨界電流特性が高い異なる超電導材によって構成
される超電導線を巻込むことにより、スイッチ全体の外
形サイズをあまり大きくせずに、スイッチ全体でほぼ一
定の負荷率を示す熱式永久電流スイッチを提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、複数
のスイッチ要素を並列接続した熱式永久電流スイッチに
おいて、超電導コイルの発生する磁場の強い側に位置す
るスイッチ要素に臨界電流特性が高いものを、超電導コ
イルの発生する磁場の弱い側に位置するスイッチ要素に
臨界電流特性が低いものを用い、負荷率をスイッチ全体
でほぼ一定にしたものである。

【００１５】請求項２の発明は、請求項１の熱式永久電
流スイッチにおいて、複数のスイッチ要素各々に巻き込
む超電導線として、磁場の強さに応じて臨界電流特性の
異なる種類のものを用い、負荷率をスイッチ全体でほぼ
一定にしたものである。

【００１６】請求項３の発明は、請求項１の熱式永久電
流スイッチにおいて、複数のスイッチ要素各々に巻き込
む超電導線として、磁場の強さに応じて導体径の異なる
ものを用い、負荷率をスイッチ全体でほぼ一定にしたも
のである。

【００１７】請求項４の発明は、請求項１の熱式永久電
流スイッチにおいて、複数のスイッチ要素各々に巻き込
む超電導線として、磁場の強さに応じて比抵抗値の異な
る金属を素材とするものを用い、負荷率をスイッチ全体
でほぼ一定にしたものである。

【００１８】

【作用】請求項１の発明の熱式永久電流スイッチでは、
超電導コイルの発生する磁場の強い側に位置するスイッ
チ要素に臨界電流特性が高いものを、超電導コイルの発
生する磁場の弱い側に位置するスイッチ要素に臨界電流
特性が低いものを用いることにより、外形サイズを大き
くせずに、負荷率をスイッチ全体でほぼ一定にする。

【００１９】請求項２の発明の熱式永久電流スイッチで
は、複数のスイッチ要素各々に巻き込む超電導線とし
て、磁場の強さに応じて臨界電流特性の異なる種類のも
のを用いることにより、外形サイズを大きくせずに、負
荷率をスイッチ全体でほぼ一定にする。

【００２０】請求項３の発明の熱式永久電流スイッチで
は、複数のスイッチ要素各々に巻き込む超電導線とし
て、磁場の強さに応じて導体径の異なるものを用いるこ
とにより、外形サイズを大きくせずに、負荷率をスイッ
チ全体でほぼ一定にする。

【００２１】請求項４の発明の熱式永久電流スイッチで
は、複数のスイッチ要素各々に巻き込む超電導線とし
て、磁場の強さに応じて比抵抗値の異なる金属を素材と
するものを用いることにより、外形サイズを大きくせず
に、負荷率をスイッチ全体でほぼ一定にする。

【００２２】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説
する。図１は請求項１および請求項３の発明の共通する
実施例の構造を示している。この実施例の熱式永久電流
スイッチは、円盤状の６個のスイッチ要素を、電流リー
ド２の位置で並列接続し、固定ボルト３によって連結固
定した構造である。そして６個のスイッチ要素のうち、
超電導コイルの強い磁場５ａを受ける位置のスイッチ要
素１ａについては、断面積が大きい超電導線として、φ
０．５ｍｍ径のＣｕ−Ｎｉ（基材）／Ｎｂ−Ｔｉ（超電
導体）製の超電導線を巻き込んだものが用いられ、超電
導コイルの比較的弱い磁場５ｂを受ける位置のスイッチ
要素１ｂについては、断面積が小さい超電導線として、
φ０．３ｍｍ径の同じくＣｕ−Ｎｉ（基材）／Ｎｂ−Ｔ
ｉ（超電導体）製の超電導線を巻き込んだものが用いら
れている。

【００２３】この実施例の熱式永久電流スイッチでは、
各スイッチ要素１ａ，１ｂに流れる電流を約１００Ａと
し、スイッチ要素１ａの受ける磁場５ａを最大２Ｔ、ス
イッチ要素１ｂの受ける磁場５ｂを最大１Ｔとした場
合、図２に示す臨界電流値特性グラフより、スイッチ要
素１ａの臨界電流値は約１９０Ａ、スイッチ要素１ｂの
臨界電流値は約１７０Ａとなり、スイッチ要素１ａの負
荷率（＝スイッチ要素に流れる電流／超電導線の臨界電
流値）は約５３％、スイッチ要素１ｂの負荷率は約５７
％となり、両者がほぼ一定の値となる。

【００２４】もしここで、すべてのスイッチ要素とし
て、断面積が小さい超電導線、φ０．３ｍｍ径のＣｕ−
Ｎｉ／Ｎｂ−Ｔｉ製の超電導線を巻き込んだものを用い
て永久電流スイッチを構成すれば、最大２Ｔの強い磁場
５ａの位置に存在するスイッチ要素の負荷率は約７７％
（＝１００／１３０＊１００％）となり、負荷率が極端
に不均一となる。また全体を断面積の大きい超電導線、
φ０．５ｍｍ径のＣｕ−Ｎｉ／Ｎｂ−Ｔｉ製の超電導線
を巻き込んだものを用いて永久電流スイッチを構成すれ
ば、負荷率は低減できるが、スイッチ全体の外形サイズ
が大きくなりすぎ、限られた艤装スペースに配置するの
が困難となる恐れがある。しかしながら、この実施例の
熱式永久電流スイッチの場合には、外形サイズをあまり
大きくせずに、不均一な磁場におかれても負荷率をスイ
ッチ要素間でほぼ一定にすることができるのである。

【００２５】次に、請求項１〜請求項３の発明の共通す
る実施例について、図３に基づいて説明する。この実施
例の熱式永久電流スイッチは、３個の円筒状のスイッチ
要素をバインダ４によって一束に結束し、電流リード２
の位置で各スイッチ要素間を並列接続した構造のもので
ある。そして、超電導コイルの強い磁場５ａを受ける位
置のスイッチ要素１ｃには、断面積が大きく、また臨界
電流特性が大きい超電導線として、φ０．９ｍｍ径のＣ
ｕ−Ｎｉ／Ｎｂ₃ Ｓｎ製の超電導線を巻き込んだものを
用い、超電導コイルの比較的弱い磁場５ｂを受ける位置
のスイッチ要素１ｄには、断面積が小さく、また臨界電
流特性が小さい超電導線として、φ０．３ｍｍ径のＣｕ
−Ｎｉ／Ｎｂ−Ｔｉ製の超電導線を巻き込んだものを用
いている。

【００２６】この実施例の熱式永久電流スイッチでは、
図４に示すように、φ０．９ｍｍ径のＣｕ−Ｎｉ／Ｎｂ
₃ Ｓｎ製の超電導線を巻き込んだスイッチ要素１ｃの臨
界電流値は、φ０．３ｍｍ径のＣｕ−Ｎｉ／Ｎｂ−Ｔｉ
製の超電導線を巻き込んだスイッチ要素１ｄの臨界電流
値よりもはるかに高い値を示す。したがって、負荷率を
大幅に下げることができ、また負荷率を約５０〜６０％
で使用する場合にはスイッチ要素の数を減らすことがで
き、全体として外形サイズを小さくして、負荷率をほぼ
一定とすることができるようになる。

【００２７】この実施例の場合、すべてのスイッチ要素
としてＣｕ−Ｎｉ／Ｎｂ₃ Ｓｎ製の超電導線を巻き込ん
だスイッチ要素１ｃを使用することも可能であるが、Ｎ
ｂ₃Ｓｎが化合物超電導体であり、巻線後に熱処理を行
なう必要があるため、金属製の巻枠６に巻き付けなけれ
ばならないために質量が大きく、一方、合金超電導体で
あるＮｂ−Ｔｉを使用した超電導線を巻き込んだスイッ
チ要素１ｄの場合に、ＦＲＰ製の巻枠７に超電導線を巻
き付けることができるために質量が小さい。したがっ
て、必要な位置に必要な数だけのスイッチ要素１ｃを設
け、他はスイッチ要素１ｄとする方が、外形サイズの小
形、軽量化が図れることになる。

【００２８】なお、この発明は上記の両実施例に限定さ
れることはなく、図１、図３それぞれに示した電流スイ
ッチにおいて、熱的撹乱にある程度強い特性を持つ比抵
抗値の低い金属、例えばＮｉ含有量の少ないＣｕ合金を
基材とする超電導線を巻き込んだスイッチ要素を超電導
コイルの強い磁場を受ける位置にスイッチ要素１ａ，１
ｃに代えて配置することによっても、それらの実施例と
同じ効果を奏することができる。

【００２９】またすべてのスイッチ要素を同じ構成の超
電導線を巻き込んだもので構成する場合でも、それらの
スイッチ要素の超電導線の材料の割合を若干異ならせる
ことによって臨界電流値が異なるものとし、強い磁場を
受ける位置には臨界電流値の大きい超電導線を巻き込ん
だスイッチ要素を配置し、比較的弱い磁場を受ける位置
には臨界電流値の小さい超電導線を巻き込んだスイッチ
要素を配置することによって、上記の各実施例と同じよ
うに外形サイズを大きくすることなく、負荷率をほぼ一
定にして安定性のある永久電流スイッチを構成すること
ができるようになる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明によれば、
超電導コイルの発生する磁場の強い側に位置するスイッ
チ要素に臨界電流特性が高いものを、超電導コイルの発
生する磁場の弱い側に位置するスイッチ要素に臨界電流
特性が低いものを用いているので、外形サイズを大きく
せずに、負荷率をスイッチ全体でほぼ一定にすることが
できる。

【００３１】請求項２の発明によれば、複数のスイッチ
要素各々に巻き込む超電導線として、磁場の強さに応じ
て臨界電流特性の異なる種類のものを用いているので、
外形サイズを大きくせずに、負荷率をスイッチ全体でほ
ぼ一定にすることができる。

【００３２】請求項３の発明によれば、複数のスイッチ
要素各々に巻き込む超電導線として、磁場の強さに応じ
て導体径の異なるものを用いているので、外形サイズを
大きくせずに、負荷率をスイッチ全体でほぼ一定にする
ことができる。

【００３３】請求項４の発明によれば、複数のスイッチ
要素各々に巻き込む超電導線として、磁場の強さに応じ
て比抵抗値の異なる金属を素材とするものを用いている
ので、外形サイズを大きくせずに、負荷率をスイッチ全
体でほぼ一定にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１および請求項３の発明の共通する実施
例の斜視図。

【図２】上記実施例の臨界電流値特性を示すグラフ。

【図３】請求項１〜請求項３の発明の共通する実施例の
斜視図。

【図４】上記実施例の臨界電流値特性を示すグラフ。

【図５】従来例の斜視図。

【図６】他の従来例の斜視図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ スイッチ要素 ２ 電流リード ３ 固定ボルト ４ バインダ ５ａ 強い磁場 ５ｂ 比較的弱い磁場

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山根 達視 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のスイッチ要素を並列接続した熱式
   永久電流スイッチにおいて、 超電導コイルの発生する磁場の強い側に位置するスイッ
   チ要素に臨界電流特性が高いものを、前記超電導コイル
   の発生する磁場の弱い側に位置するスイッチ要素に臨界
   電流特性が低いものを用い、負荷率をスイッチ全体でほ
   ぼ一定にして成ることを特徴とする熱式永久電流スイッ
   チ。
2. 【請求項２】 前記複数のスイッチ要素各々に巻き込む
   超電導線として、磁場の強さに応じて臨界電流特性の異
   なる種類のものを用い、負荷率をスイッチ全体でほぼ一
   定にして成ることを特徴とする請求項１に記載の熱式永
   久電流スイッチ。
3. 【請求項３】 前記複数のスイッチ要素各々に巻き込む
   超電導線として、磁場の強さに応じて導体径の異なるも
   のを用い、負荷率をスイッチ全体でほぼ一定にして成る
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱式永久電流スイッ
   チ。
4. 【請求項４】 前記複数のスイッチ要素各々に巻き込む
   超電導線として、磁場の強さに応じて比抵抗値の異なる
   金属を素材とするものを用い、負荷率をスイッチ全体で
   ほぼ一定にして成ることを特徴とする請求項１に記載の
   熱式永久電流スイッチ。