JPH0832129A - 超電導装置及びその運転方法並びにその永久電流スイッチ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】機械的、熱的および電磁気的に高安定性で、か
つ信頼性の高い超電導装置およびその運転方法、またそ
れに使用する永久電流スイッチ装置を提供する。 【構成】超電導装置の超電導コイルに並列に配置されて
いる永久電流スイッチ装置を、高剛性巻芯部と、この巻
芯部に巻回され、かつ熱処理によって線材レベルの臨界
電流を低下させた超電導線材からなる超電導巻線部と、
この巻線部の外周に配置され、かつその壁部にヘリウム
が流通可能な冷却穴が多数設けられた巻線締め付け部と
から形成するとともに、さらにこの巻線締め付け部の外
周にヘリウム流路部を形成するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導装置およびその運
転方法並びにその永久電流スイッチ装置に係り、特に永
久電流スイッチ装置が高抵抗マトリックスを有する超電
導線を備えている超電導装置およびその運転方法並びに
その永久電流スイッチ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に、例えば超電導電力貯蔵装置
（ＳＭＥＳ）、核磁気共鳴装置（ＭＲＩ）あるいは磁気
浮上列車などに採用されている超電導装置は、超電導コ
イルを永久電流（循環電流）モードで使用するために、
超電導コイルと並列に永久電流スイッチ装置が接続され
る。

【０００３】この永久電流スイッチ装置は、形状、重量
および操作（制御）性などの観点から、高抵抗マトリッ
クスを有する超電導線と、この超電導線を超電導状態か
ら常電導状態に転移するスイッチとを備え、このスイッ
チによって超電導線の電流、温度または磁束密度を制御
して超電導線を超電導状態（オン状態）または常電導状
態（オフ状態）とする構成である。

【０００４】図５にはこのような永久電流スイッチ装置
を備えた超電導装置が線図で示されている。超電導装置
は、その内部に液体ヘリウム１３が満たされた冷却容器
１２を備え、そしてこの冷却容器１２の内部に、超電導
コイル８および永久電流スイッチ装置１０が配置されて
いる。なお、９は超電導装置の電源で、この電源より液
体ヘリウムに浸されている超電導コイル８に電流が供給
される。

【０００５】超電導装置の給電時には、永久電流スイッ
チ装置１０をオフ状態にするため、スイッチ１４によっ
て超電導線２に臨界電流以上の電流を通電するか、臨界
温度以上の熱を与えるか、あるいは上部臨界磁界以上の
磁界を印加してこの超電導線２を常電導状態にし、この
永久電流スイッチ装置１０をオフ状態にする。

【０００６】一方超電導コイル８に流れている励磁電流
を永久電流スイッチ装置１０を介して循環する永久電流
とするためには、前記スイッチ１４による超電導線２の
制御をやめ、超電導線２を周囲の液体ヘリウム１３で冷
却して超電導状態にし、この永久電流スイッチ装置１０
をオン状態にする。

【０００７】一般に永久電流スイッチの高性能なオン・
オフ特性を実現するために、この永久電流スイッチ装置
を構成している超電導線には、ＮｂＴｉ合金などを超電
導材として使用し、またオフ状態で大きい抵抗値を得る
ために、例えばＣｕＮｉ合金などの比抵抗の大きい金属
をマトリックスとする極細多芯線が用いられている。

【０００８】このような比抵抗の大きいマトリックスを
有する超電導線は、一般の超電導線、すなわちＣｕやＡ
ｌなどのように比抵抗の小さい金属をマトリックスとし
ている超電導線に比べて、熱的にも電磁的にも不安定で
ある。したがって、不安定性の原因となる永久電流スイ
ッチの超電導線と低抵抗体の接続部におけるジュール発
熱を回避するために、例えば特開平４−１８６８０６号
公報に記載されているように、接続部の接続抵抗を小さ
くすることが行われている。

【０００９】また、永久電流スイッチを構成している超
電導線の機械的な動きも不安定性の原因である発熱とな
るため、この超電導線の機械的な動きを回避する必要が
ある。この機械的な動きを回避するために、例えば実開
平５−５７８６２号公報や特開平５−８２８４４号公報
にも記載されているように、超電導巻線部を樹脂などで
含浸一体化することも行われている。

【００１０】さらに永久電流スイッチ装置の熱的安定性
を高めるために、巻線部とこの巻線部の芯となる円筒状
部材との間に空隙部を形成したり、また外筒の一部また
は全部を熱伝導の良好な材料で形成するようなことも行
われている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成、すなわち特開平４−１８６８０６号公報記載
のように、接続部の接続抵抗を小さくするだけでは、永
久電流スイッチ全体の超電導線の機械的、熱的および電
磁気的安定性のすべてを満足することは困難であり、ま
た、永久電流スイッチの機械的安定性を高めるために、
超電導巻線部に樹脂を含浸するようにしたものでは、機
械的には安定なものとなるものの超電導巻線の冷却は、
熱伝導率の低い含浸樹脂を介して行われることになり、
間接的にしか液体ヘリウムに冷却されない。したがっ
て、このものでは熱的安定性が低下する嫌いがある。

【００１２】なお、この場合巻線部と円筒状部材との間
に空隙部を形成したり、外筒の一部または全部を熱伝導
の良好な材料で形成しても、巻線部がエポキシ樹脂など
で含浸しされていては、液体ヘリウムによる冷却は充分
ではなく、熱的安定性が相変わらずよくないという問題
がある。このように従来の超電導装置に使用される永久
電流スイッチ装置では、機械的、熱的および磁気的安定
性の全てを満足することは難しかった。

【００１３】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、機械的、熱的および電磁気的に高
安定性で、かつ信頼性の高いこの種超電導装置およびそ
の運転方法、またそれに使用する永久電流スイッチ装置
を提供するにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、超電
導装置の超電導コイルに並列に配置されている永久電流
スイッチ装置を、高剛性巻芯部と、この巻芯部に巻回さ
れ、かつ熱処理によって線材レベルの臨界電流を低下さ
せた超電導線材からなる超電導巻線部と、この巻線部の
外周に配置され、かつその壁部にヘリウムが流通可能な
冷却穴が多数設けられた巻線締め付け部とから形成する
とともに、さらにこの巻線締め付け部の外周にヘリウム
流路部を形成するようになし所期の目的を達成するよう
にしたものである。

【００１５】

【作用】すなわちこのように形成され超電導装置である
と、永久電流スイッチの超電導線が熱処理によって線材
レベルの臨界電流を低下させ、従来の商用超電導線の臨
界電流の半分以下にすることによって、Ｂ−ｌｃ特性に
おいて安定したフラックス・フロー特性となり電磁気的
に高安定となる。また、永久電流スイッチの巻芯部がＳ
ＵＳなどの高剛性金属で形成され、これに超電導巻線部
が巻回され、かつその外周部がヘリウム冷却穴を多数設
けた例えばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）に
よって締め付けられることから、冷却良好にして超電導
線の機械的な動きは防止され、したがって機械的、熱的
および電磁気的に高安定性で、かつ信頼性の高いこの種
超電導装置またこれに使用する永久電流スイッチ装置を
得ることができる。

【００１６】

【実施例】以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細
に説明する。図１にはその永久電流スイッチ装置が断面
で示されている。図中１ａは円筒状をなした１層目のＳ
ＵＳ巻芯で、１ｂは、前記１層目のＳＵＳ巻芯と同心状
に配置された２層目のＳＵＳ巻芯である。このＳＵＳ巻
芯には巻線２が巻回される。巻線２は、５００℃−３時
間の熱処理を施した高抵抗マトリックスＣｕ−３０重量
％Ｎｉを有するＮｂＴｉ超電導極多芯線である。

【００１７】３ａは前記巻線をその外周部から締め付け
る１層目の締め付け部、３ｂは２層目の締め付け部であ
る。この締め付け部は、Ａｌなどの熱伝導率の高い、す
なわち低抵抗金属か、または線材の冷却面積が１／６以
上となるようヘリウム冷却穴を多数設けたガラス繊維強
化プラスチック（ＧＦＲＰ）から形成される。いずれの
場合も同様の機械的締め付けおよび液体ヘリウムによる
冷却の効果がある。

【００１８】４は１層目のヘリウム流路部であり、巻線
２が３層のときには同様のヘリウム流路部が２層目の締
め付け部３ｂの外周に構成され、４層、５層と多層にな
っても同様のヘリウム流路部が構成される。図中下方部
に配置されている５は巻芯支え部で、この巻芯支え部５
の前記ヘリウム流路部４と接するところには液体ヘリウ
ムが流入できるように多数穴が空いている。

【００１９】６は巻線２の口出し部に設けられた低抵抗
体Ｃｕスリーブであり、７は低抵抗体Ｃｕマトリックス
超電導線である。高抵抗マトリックス超電導線である巻
線２と低抵抗マトリックス超電導線７は、その結合端部
近傍は各々マトリックスが溶解除去され、ＮｂＴｉ超電
導フィラメントが露出された状態で、Ｃｕスリーブ６で
加締められる。

【００２０】図２は本発明の１実施例を示す超電導コイ
ル装置の主要構成要素の配置を示したもので、超電導コ
イル８の両端の口出し線８ａ，８ｂは低抵抗体１１ａ，
１１ｂに半田付けにより接続される。励磁電源９からこ
の超電導コイル８に励磁電流を供給するための励磁用電
流線９ａ，９ｂもこの低抵抗体１１ａ，１１ｂに半田付
けにより接続される。超電導コイル８に対して並列回路
を構成するために例えば３個（少なくとも１個）の永久
電流スイッチ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃが前記低抵抗
体１１ａ，１１ｂ間に並列接続される。

【００２１】永久電流スイッチ装置１０ａ〜１０ｃは図
１で示した永久電流スイッチと同様な構成であり、高剛
性巻芯部と超電導巻線部と熱伝導率が高い低抵抗金属締
め付け部とヘリウム流路部の４層構造を少なくとも一つ
備え、超電導巻線部は５００℃−３時間の熱処理を施し
た高抵抗マトリックスＣ−３０重量％Ｎｉを有するＮｂ
Ｔｉ超電導極細多芯線で構成され、この超電導線を常電
導転移する手段（図示せず）を備えている。

【００２２】また、永久電流スイッチ装置１０ａ〜１０
ｃの口出し線部分に相当する７ａ−１から７ｃ−２は低
抵抗体Ｃｕマトリックス超電導線であり、２ａ−１から
２ｃ−２は高抵抗マトリックス超電導線、６ａ−１〜６
ｃ−２は低抵抗体Ｃｕスリーブである。Ｃｕマトリック
ス超電導線７ａ−１から７ｃ−２と高抵抗マトリックス
超電導線２ａ−１から２ｃ−２とは各々マトリックスを
溶解除去し、ＮｂＴｉ超電導フィラメントを露出させ、
Ｃｕスリーブ６ａ−１〜６ｃ−２を被せて圧着接続し、
このＣｕスリーブ６ａ−１〜６ｃ−２およびＣｕマトリ
ックス超電導線７ａ−１から７ｃ−２を低抵抗体１１
ａ，１１ｂに半田付けで接続される。

【００２３】図３に本発明の永久電流スイッチを構成す
る５００℃−３時間の熱処理を施した高抵抗マトリック
スＣｕ−３０重量％Ｎｉを有するＮｂＴｉ超電導極細多
芯線と従来の永久電流スイッチ（ＰＣＳ）用超電導線の
通電電流−発生電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示した。従来
の商用ＰＣＳ超電導線のＩ−Ｖ特性はｌｇが高いものの
電磁気的不安定性のため、安定したフラックス・フロー
（磁束流）特性が得られず、急激な電圧発生に伴う常電
導転移（フラックス・ジャンプ）が見られた。しかしな
がら、５００℃−３時間の熱処理を施すことによって、
ｌｃは低下するものの電磁気的安定性が向上し、安定し
たフラックス・フロー（磁束流）特性が得られたことが
わかる。

【００２４】図４に本発明の永久電流スイッチを構成す
る５００℃−３時間の熱処理を施した高抵抗マトリック
スＣｕ−３０重量％Ｎｉを有するＮｂＴｉ超電導極細多
芯線と従来の永久電流スイッチ（ＰＣＳ）用超電導線の
臨界電流の外部磁界依存性（Ｂ−ｌｃ特性）を示した。
図４から、５００℃−３時間の熱処理を施すことによっ
て、臨界電流値ｌｃが従来の７０％以下に低下している
ことがわかる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明は、熱処
理によって永久電流スイッチを構成する超電導線の線材
レベルの臨界電流を低下させた一方、線材の臨界電流の
外部磁界依存特性において安定した磁束流特性を有する
ようにし、この超電導線材部の冷媒による冷却を良好に
すると同時にこの超電導線材部の固定を強固にすること
により機械的、熱的および電磁気的に高安定で高信頼な
超電導装置およびこの超電導装置に使用する永久電流ス
イッチを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の永久電流スイッチ装置の一実施例を示
す縦断側面図である。

【図２】本発明の超電導コイル装置の一実施例を示す主
要構成線図である。

【図３】本発明の永久電流スイッチを構成する高抵抗マ
トリックスを有する超電導多芯線と従来の永久電流スイ
ッチ用超電導線の通電電流−発生電圧特性図である。

【図４】本発明の永久電流スイッチを構成する超電導多
芯線と従来の永久電流スイッチ用超電導線の臨界電流の
外部磁界依存性の関係を示す図である。

【図５】従来の超電導装置の主要構成を示す線図であ
る。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ…ＳＵＳ巻芯、２…高抵抗マトリックス超電
導線、３ａ，３ｂ…締め付け部、４…ヘリウム流路部、
６…Ｃｕスリーブ、７…低抵抗マトリックス超電導線、
８…超電導コイル、９…励磁電源、１０，１０ａ，１０
ｂ，１０ｃ…永久電流スイッチ、１１ａ，１１ｂ…低抵
抗体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 潔 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 本間 仁 宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番１号 東北電力株式会社電力技術研究所内 (72)発明者 田附 匡 宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番１号 東北電力株式会社電力技術研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導コイルと、該超電導コイルに並列
   に結合され、かつ高抵抗マトリックスを有する超電導線
   および該超電導線を常電導転移する手段を備えている永
   久電流スイッチ装置とを備えた超電導装置において、 前記永久電流スイッチ装置が、高剛性巻芯部と、該巻芯
   部に巻回され、かつ熱処理によって線材レベルの臨界電
   流を低下させた超電導線材からなる超電導巻線部と、該
   巻線部の外周に配置され、かつその壁部にヘリウムが流
   通可能な冷却穴が多数設けられた巻線締め付け部と、該
   巻線締め付け部の外周に形成されたヘリウム流路部とを
   備えていることを特徴とする超電導装置。
2. 【請求項２】 超電導コイルと、該超電導コイルに並列
   に結合され、かつ高抵抗マトリックスを有する超電導線
   および該超電導線を常電導転移する手段を備えている永
   久電流スイッチ装置とを備えた超電導装置において、 前記永久電流スイッチ装置が、同芯円状に所定の間隔を
   持って配置された複数個の高剛性巻芯部と、該複数個の
   巻芯部に跨って巻回され、かつ熱処理によって線材レベ
   ルの臨界電流を低下させた超電導線材からなる超電導巻
   線部と、該夫々の巻芯部に巻回されている巻線部の外周
   に夫々配置され、かつヘリウム冷却穴が多数設けられた
   硝子繊維強化プラスチック製の巻線締め付け部とを備
   え、かつ前記夫々の巻線締め付け部の外周部にヘリウム
   流路部を形成するようにしたことを特徴とする超電導装
   置。
3. 【請求項３】 超電導コイルと、該超電導コイルのコイ
   ル端部に設けられた低抵抗体部と、前記該超電導コイル
   に、前記低抵抗体部を介して並列に結合され、かつ高抵
   抗マトリックスを有する超電導線および該超電導線を常
   電導転移する手段を備えている永久電流スイッチ装置と
   を備えた超電導装置において、 前記永久電流スイッチ装置が、高剛性巻芯部と、該巻芯
   部に巻回され、かつ熱処理によって線材レベルの臨界電
   流を低下させた超電導線材からなる超電導巻線部と、該
   巻線部の外周に配置され、かつその壁部にヘリウムが流
   通可能な冷却穴が多数設けられた巻線締め付け部と、該
   巻線締め付け部の外周に形成されたヘリウム流路部とを
   備え、前記超電導線と前記低抵抗体部との接続が、高抵
   抗マトリックスを除去した超電導材露出部分およびこの
   露出部分に嵌合された低抵抗材スリーブを介して行うよ
   うにしたことを特徴とする超電導装置。
4. 【請求項４】 前記超電導巻線部の超電導線材は、熱処
   理によって線材レベルの臨界電流が熱処理前における臨
   界電流の７０％以下に形成されてなる請求項１、２若し
   くは３記載の超電導装置。
5. 【請求項５】 前記巻線締め付け部は、高剛性巻芯部と
   超電導巻線部と線材の冷却面積率が１／６以上となるよ
   うにヘリウム冷却孔を多数設けたガラス繊維強化プラス
   チックで形成されてなる請求項３記載の超電導装置。
6. 【請求項６】 超電導コイルに並列に結合され、かつ高
   抵抗マトリックスを有する超電導線を備え、該超電導線
   を超電導状態から常電導状態に若しくはその逆に転移す
   る超電導装置の永久電流スイッチ装置において、 前記装置に、高剛性巻芯部と、該巻芯部に巻回され、か
   つ熱処理によって線材レベルの臨界電流を低下させた超
   電導線材からなる超電導巻線部と、該巻線部の外周に配
   置され、かつその壁部にヘリウムが流通可能な冷却穴が
   多数設けられた巻線締め付け部と、該巻線締め付け部の
   外周に形成されたヘリウム流路部とを備えていることを
   特徴とする超電導装置の永久電流スイッチ装置。
7. 【請求項７】 超電導コイルと、該超電導コイルに並列
   に結合され、かつ高抵抗マトリックスを有する超電導線
   および該超電導線を常電導状態に転移する手段を備えて
   いる永久電流スイッチ装置とを備え、前記超電導線に電
   流を流すことにより前記超電導線を超電導状態から常電
   導状態に転移するようにした超電導装置の運転方法にお
   いて、 前記永久電流スイッチ装置を、高剛性巻芯部と、該巻芯
   部に巻回され、かつ熱処理によって線材レベルの臨界電
   流を低下させた超電導線材からなる超電導巻線部と、該
   巻線部の外周に配置され、かつその壁部にヘリウムが流
   通可能な冷却穴が多数設けられた巻線締め付け部と、該
   巻線締め付け部の外周に形成されたヘリウム流路部とか
   ら形成するとともに、前記超電導線に臨界電流以上の電
   流を流すことにより前記超電導線を常電導状態に転移さ
   せるようにしたことを特徴とする超電導装置の運転方
   法。
8. 【請求項８】 超電導コイルと、該超電導コイルに並列
   に結合され、かつ高抵抗マトリックスを有する超電導線
   および該超電導線を常電導状態に転移する手段を備えて
   いる永久電流スイッチ装置とを備え、前記永久電流スイ
   ッチ装置により前記超電導線を超電導状態から常電導状
   態に転移するようにした超電導装置の運転方法におい
   て、 前記永久電流スイッチ装置を、高剛性巻芯部と、該巻芯
   部に巻回され、かつ熱処理によって線材レベルの臨界電
   流を低下させた超電導線材からなる超電導巻線部と、該
   巻線部の外周に配置され、かつその壁部にヘリウムが流
   通可能な冷却穴が多数設けられた巻線締め付け部と、該
   巻線締め付け部の外周に形成されたヘリウム流路部とか
   ら形成するとともに、前記超電導線に臨界温度以上の熱
   を与えることにより前記超電導線を常電導状態に転移さ
   せるようにしたことを特徴とする超電導装置の運転方
   法。
9. 【請求項９】 前記超電導線に与える熱に代え、上部臨
   界磁界以上の外部磁界を与えることにより前記超電導線
   を常電導状態に転移させるようにした請求項８記載の超
   電導装置の運転方法。