JPH04137571A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超電導コ、イルを永久電流モードで運転す
る場合等に必要となる永久電流スイッチに関するもので
ある。

〔従来の技術〕

第５図は磁気弁口、も餘断装置（ＭＲＩ）、磁気浮上列
車あるいはある種の物理実験等に用いられる超電導装置
の構成を示す回路図である。図において、（１）は超電
導コイルで、液体ヘリウム等の冷媒（２）とともにクラ
イオスタット（３）内に収容されている。超電導コイル
（１）の両端は電流リード（２）を介してフライオスタ
ラ、）（３１の外部へ引出され、外部電源ｆ５１および
保護抵抗（６）に接続されている。（７１は引出し線８
を介して超電導コイル（１）の両端に接続された永久電
流スイッチで、同じくクライオスタット（３）内に収容
されている。

第６図は例えば第３３回低温工学研究発表会予稿集Ｐ、
１２８“永久電流スイッチの性能改善■”１．９８５．
５月に開示されたこの種従来の永久電流スイッチの構成
を示す回路図である。図において、（９）は引出し線（
８）に接続された超電導体て、永久電流スイッチとして
開閉操作の対象となる線路を構成する。α０）および（
１１）は加熱装置としての電熱線およびこの電熱線叫に
電流を供給するスイッチ用直流電源である。

この超電導体（９）には臨界温度Ｔｃ以上の常電導状態
における抵抗率の高い材料が採用されるが、第１表にこ
の導体および永久電流スイッチ（ＰＣ８）の諸元を示す
。

第１表 次に永久電流スイッチ（７）を含む超電導装置の動作に
ついて説明する。先ず、超電導コイル（１）を励磁する
には、スイッチ用直流電源（ＩＩ）から電熱線００）に
電流を流して超電導体（９）をそのＴｃ以上に加熱して
常電導状態とすることにより永久電流スイッチ（７）の
開操作を行う。ここで、外部電源（５］から超電導コイ
ル（１）に電流を供給する。この時、超電導体（９）の
抵抗Ｒおよび保護抵抗（６）の抵抗が超電導コイル（１
）のインダクタンスＬおよびそれに流れる電流の時間変
化率で決まるインピーダンスに比較して十分大きければ
外部電源（９から供給される電流の殆どが超電導コイル
（１）の励磁に費やされることになる。

所定の励磁動作か終了すると、スイッチ用直流電源（１
１）および外部電源ｆ５１を切り離す。これにより、超
電導体（９）は冷媒（２）により冷却されて超電導状態
になり永久電流スイッチ（７）の閉操作となって超電導
コイル（ｌｌは永久電流モードに移行する。そして、こ
の永久電流モードを維持するためには、永久電流スイッ
チ（７）の超電導体（９）の臨界電流　Ｉｃが超電導コ
イル（１）の最大運転電流Ｉｏｐ以上であり、且つ超電
導体（９）はＩｏｐ以下の電流で動作が安定である必要
がある。

次に、超電導コイル（１）を消磁するには、再び電熱線
００）用のスイッチ用直流電源（１１）を人にし超電導
体（９）を常電導状態にする。これにより生じた超電導
体（９）の抵抗Ｒと保護抵抗（６）とで超電導コイル（
１）の電流が減衰する。

超電導コイル（１）を永久電流モードで運転することに
より、長時間運転のコスト低減や、時間的に変動しない
磁界の発生が可能となる訳である。

〔発明か解決しようとする課題〕

従来の永久電流スイッチは以上のように構成されている
ので、その開操作時には加熱すべき超電導体（９）の他
に電熱線（１０１自体やその近傍に存在する部材も加熱
されることになり、冷媒（２）の消費量が増大し、その
分クライオスタット（３）の冷凍機の冷凍能力を大きく
する必要があり、装置自体の価格や運転コストの増大を
招くという問題点があった。

また、運転コストの低減のためには゛励消磁速度の増大
か必要となるが、この励消磁速度を増大させると超電導
コイル（１）のインピーダンスが増大するので、その分
永久電流スイッチ（７）の開操作時の超電導体（９）の
抵抗Ｒを大きくしてやる必要がある。

この場合、超電導体（９）の長さを増大すれば抵抗Ｒも
それに比例して大きくなるが、同時に超電導体（９）の
熱容量が大きくなるため結局電熱線α〔による発熱量を
増大させる必要があり上記問題点が更に拡大されること
になる。

この発明は以上のような問題点を解消するためになされ
たもので、開操作時の発熱量が少なく、また容易に高抵
抗化が可能となる永久電流スイッチを得ることを目的と
する。

〔課題を解決するための手段および作用〕この発明に係
る永久電流スイッチは、その加熱装置を、超電導体に交
流磁界を印加することにより加熱する交流磁界発生装置
で構成したものである。

この場合、超電導体は交流磁界の印加によって発生する
ヒステリシス損失によって発熱し、常電導状態に移行す
る。

また、請求項２の発明に係るものは、上記超電導体を、
単結晶の絶縁材料基板上にエピタキシャルに形成した酸
化物超電導材料て構成したものである。

交流磁界が印加されると酸化物超電導材料か直接発熱す
る。

更に、請求項３の発明に係るものは、上記酸化物超電導
材料の表面に更に絶縁材料と酸化物超電導材料とを順次
積層し、超電導体を手記絶縁材ｆ４と酸化物超電導材料
との多ｆｆ１ｌ造としたものである。

酸化物超電導材料が複数層に形成されており、交流磁界
による昇温効率か増大し、温度変化が速くなる。

また、請求項４の発明に係るものは、良熱伝導性の絶縁
膜を介して超電導体と接触する常電導金属膜を形成し、
交流磁界印加によって上記常電導金属膜に発生する交流
損失熱と上記絶縁膜を介して上記超電導体に供給するよ
うにしたものでｔ、る。

この場合、超電導体は、交流磁界による自己の発熱量と
、絶縁膜を経て超電導体に流入する常電導金属膜での発
熱量の一部との和で温度か上昇することになり、その分
昇温速度か増大する。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例による永久電流スイッチの
構成を示す回路図である。なお、超電導装置全体として
は第５図に示す構成と同一である。

第１図において、超電導体（９）は従来の第１表で示し
たと同一の導体を採用している。但し、電熱線００）は
取外しである。（１２）および（１３）は交流磁界発生
装置としてのコイルおよびスイッチ用交流電源である。

そして、コイル（１２）は外径８６ｍｍ、長さ１００ｍ
ｍのＦＲＰ製ボビンに１ｍｍ径の絶縁された銅線を１層
巻回したちのて、スイッチ用交流電源（１３）は周波数
１０ｋＨｚの電流をコイル（１２）に供給する。

超電導コイル（１）の励消磁を行う動作は従来と同様で
あり説明を省略する。但し、この実施例では、コイル（
１２）およびスイッチ用交流電源（１３）により超電導
体（９）に交流磁界を印加し、超電導体（９）にヒステ
リシス損失を発生せしめて昇温させる。

第２表は永久電流スイッチの特性を従来のものと比較し
たものである。

第２表 上表は、コイル（１２）に０．７Ａ　の電流を流した場
合のものて、開操作時のスイッチ用交流電源（１３）の
出力、即ちＯＦＦ時電力は１．ＯＷで従来の電力１．４
Ｗの約７割に低減している。これは、従来の電熱線００
）を使用した加熱方式では加熱対象の超電導体（９）以
外に電熱線αＯ）自体の発熱、またその周辺の巻枠等の
機材にも熱が放散しその分消費電力が増大するのに対し
、本実施例では熱伝導によることなく超電導体（９）が
効率的に加熱され、周辺の機材も非金属材には全く損失
が発生せず無駄な電力消費がなくなるからである。

また、以上のように超電導体（９）の加熱が効率的に行
われる結果、上表に示すように、スイッチング時間も大
幅に改善されている。

しかしながら１、Ｌ記実施例では、その超電導体（９）
に従来と同じＮｂＴｉ系の材料を使用しているため、永
久電流スイッチの特性改善には限度がある即ち、超電導
体（９）の熱容量を増加させずにしかもその抵抗Ｒを増
加させるためには、超電導材料の常電導状態における抵
抗率ρｎを高めるか臨界電流密度Ｊｃを高める必要かあ
るか、ＮｂＴｉの場合４．２Ｋ、１〜２ＴでのＪｃは５
×１０５Ａ／ＣＩＩ＋程度、また、上記ρｎは６〜８Ｘ
１０−５Ω・ｅｍ程度であり、マトリックスとの比率を
調整しても自ずと限界かある。

以下に示す各実施例は、単結晶の絶縁材料基板上に酸化
物超電導材料をエピタキシャルに成長させることにより
ρｎおよびＪｃを大幅に増大させたちのて、第１図て説
明した交流磁界印加方式の採用とあいまって高性能な永
久電流スイッチを実現することができる。

（実施例Ａ） 酸化物超電導体（９ａ）Ｙ　Ｂ　ａ２（：　ｕ３０７−
ｙをその格子定数にマツチングした格子定数をもつ単結
晶絶縁材料基板（９ｂ）ＭｇＯ上にエピタキシャルに成
長形成する。具体的には、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕのβ−ジケト
ン金属銘体原料を１１０〜２５０℃で蒸発しＡｒカスで
反応容器内に導入し、これとは別に導入された酸素ガス
と反応させ８００℃に加熱された４ｃｍ角で０　、５　
ｍｍの厚さのＭｇＯ単結晶基板（方位　１００）上にＹ
　Ｂ　ａ２ｃ　ｕｉｏ　７−Ｙの膜を厚さ４　）、ｉ　
ｍ成膜した。第２図に示すように、幅２　、５　ｍｍ、
間隔０　、４　ｍｍのパターンにエツチンク加工し、そ
の両端の４０ｍｍｘ８ｏｉｍの電極部（１４）にＡｇを
蒸着し、酸素雰囲気中で５００°Ｃ１３０分間加熱した
。

この超電導膜の電極間に定電流を流しなから、電極間に
発生する電圧の温度依存性を測定したところ、第３図（
ａ）に示すように、Ｔｃ直−Ｆの１００Ｋにおける抵抗
は１３０Ωてあり、又、９０にて抵抗は零となった。

更に、液体ヘリウム中で膜面に平行に磁界を印加し臨界
電流を測定したところ、第４図（ａ）に示す磁界依存性
を示した。ＩＴの磁界下での臨界電流は１２０ＯＡであ
り、これは１．２ｘｌｏ’Ａ／ｄの臨界電流密度に相当
する。

次に、４０ｍｍｘ１ｍｍｘ４４ｍｍのサイズの中空部の
ある外ｔ、４２ｍｍｘ　２’ｏｍｘ４４ｍｍのＦＲ，Ｐ
製のボビンに０　、５　ｍｍ径の絶縁された銅線を密に
７９５タ一ン巻いたコイル（Ｉ２）を用意しな。このコ
イル＜１２）の中空部に第２図の試料を電極部（Ｉ４）
に引出し線（８）を接続した後挿入し、第１図に示すよ
うに、コイル（１２）の両端をスイッチ用交流電源（１
３）に接続し、出来上がった永久電流スイッチｍを液体
ヘリウムを冷媒とした第５図の超電導装置に組み上けた
。スイッチ用交流電源（１３）がら周波数１０に１（ｚ
の交流電流を徐々に流したところ、振幅が約］、８Ａの
ときに電極部（２４）の間に１．３０Ωの抵抗が発生し
た。この時スイッチ用交流電源（１３）の出力電力は０
．６Ｗてあった。更に、超電導コイルの励消磁を行い、
スイッチング特性、超電導コイルの可能な励消磁速度を
測定した。結果を第３表に示す。

この場合、絶縁基板（９ｂ）が存在するが、酸化物超電
導体（９ａ）は交流磁界によって自ら、ヒステリシス損
失を発生して昇温し、しかもその熱容量が小さいので、
極めて高い速度特性が得られているものと考えられる。

但し、このヒステリシス損失は臨界温度近傍で小さくな
るので、それ以上の温度では電極部（１４）に生じる交
流損失（渦電流損失）による発熱量が絶縁基板を経て酸
化物超電導体に流入し、むしろ後者の熱量がより大きく
なっているものと推定される。

なお、上表中、Ｂ、Ｃ［はこの発明の更に他の実施例に
よる場合のデータを示し、また、Ｔｓはスイッチング時
間であり、励消磁速度は従来例を１としたときの相対値
で表している。

（実施例Ｂ） 前述の実施例Ａによる永久電流スイッチＡの超電導膜表
面に絶縁材料としてＭｇＯを０．１μｍ、更にその上に
常電導金属膜としてＡｇを０．５μｍスパッタリングに
よりコーティングした。こうして得られた永久電流スイ
ッチＢについて同Ａと同様の評価を行なったところ、第
３表Ｂ欄の結果が得られた。即ち、同Ａに比べＯＦＦ時
の電力、及び０８時のスイッチング時間は多少増えたも
ののＯＦＦ時のス、イツチング時間が約５割、短縮され
た。これは線路を構成する超電導膜の上のＡｇ膜に生じ
る渦電流損失による加熱効果が加わったために加熱効率
が上がったためと考えられる。

（実施例Ｃ） 絶縁材料基板として２ｃＩＩ＋角で０　、５　ｍｍの厚
さのＳｒＴｉＯ３（方位：　１００）を用い、最初の実
施例と同様の方法（ＣＶＤ法）で厚さ４μｍのＹ　Ｂ　
ａ２Ｃｕｘｏ　ｔ−’／膜を両面に成膜した。その上に
、両端の４ｍｍの部分を除きＳ　ｒＴ　ｉｏ　３をスパ
ッタリング法で厚さ０１μｍやはり両面に成膜し、更に
その七にＣＶＤ法てＹ　Ｂ　ａ２Ｃｕ、０７−ｙ膜を厚
さ４μｍ両面に成膜した。そのｔ麦、両面の中央部２０
　ｍｍｘ　１２ｍ　ｍの領域を第２図に示されたパター
ンと類似の幅０　、５　ｍｍ、間隔０．０８ｍｍのパタ
ーンにエツチング加工し、やはり両面の両端部２０＋ｕ
ｍｘ　４　ｍｍの電極部（１４）にＡｇを蒸着し、酸素
雰囲気中で５００″Ｃ１３０分加熱した。

この超電導多層膜の抵抗の温度依存性を第３図（ｃ）に
示す。図に示されるようにＴ　ｃは９２にであり、１０
０Ｋにおける抵抗は２００Ωである。

又、液体ヘリウム中で膜面に平行に磁界を印加した時の
臨界電流を測定し、第４図（ｃ）に示す結果を得た。こ
の場合、１丁の磁界下での臨界電流は永久電流スイッチ
Ａと同し１．２００　Ａであったが、臨界電流密度は約
２割高い１．．５　ｘ　１０７Ａ、／ｃａｒであった。

次に、電極部（１４）に引出し線（８）を接続した後、
永久電流スイッチＡで使用したコイルを用い、同様の永
久電流スイッチＣを組み立て、第５図の超電導装置に組
み上げた。本永久電流スイ・ンチＣの評価の結果を第３
表Ｃ欄に示す。永久電流スイ・ンチＡに比べ、ＯＦＦ時
電力、ＯＦＦ時スイッチング時間は殆ど変わらずに、Ｏ
ＦＦ抵抗を高め、超電導コイルの励消磁速度を更に挙げ
ることがてきた。これはＭｇＯ基板より５ｒＴｉ○３基
板の方が超電導材料との格子定数のマツチングがよく、
特性の高い膜が得られたため、超電導材料の断面積を減
らし、長さを増やすことができたためと考えられる。但
し、０８時のスイッチング時間か長くなったのは比表面
積が小さくなったため、冷却効率が下がったためと考え
られる。

なお、永久を流スイッチＣと同様の寸法で厚さ１６μｍ
の単層膜で試作した超電導膜のものでは、臨界電流に達
する前、例えば４．２Ｋ、ＩＴでは８５０Ａで常電導転
移を起こし安定性に欠けることが分かった。従って、実
施例Ｃでは酸化物超電導体を多層化することで安定性が
向上したものと考えられる。

以上の各実施例から、単結晶絶縁材料基板上にエピタキ
シャルに成長させた酸化物超電導材料の膜は、従来の永
久電流スイッチに使用されていたＮｂＴｉ合金よりも常
電導状態に置ける抵抗率が高く、しかも臨界電流密度か
高いため、交流磁界による加熱方式を併用することによ
り、著しく小型で、しかもＯＦＦ時の抵抗の高い永久電
流スイッチに利用可能であることが判明した。しかも、
膜状の超電導材料は比表面積が高いため、冷却効率か高
く、ＯＦＦ時ばかりでなく０８時のスイッチング時間も
短縮することかできる。

なお、上記実施例では、絶縁材料基板としてＭ　ｇｏ　
　、　Ｓ　ｒＴ　ｉｏ　３を使用しているが、その他Ｌ
ａＧａ○３やＬ　ａ　Ａ　１０　］等の材料を使用して
もよい。また、酸化物超電導材料としても上記実施例で
のＹ　Ｂ　ａ２　Ｃｕ　３０７−ｙに限らす、例えばＢ
　ａ　Ｐ　ｂ　ｏ　、　７　Ｂ　ｌ　ｏ　、　３０３等
の材料も使用可能である。

また、使用する冷媒は、液体ヘリウムに限らず、関連す
る材料の選択を適当にすれば、例えば液体水素等を採用
することもできる。

〔発明の効果〕

この発明は以上のように、超電導体に交流磁界を印加し
て加熱するようにしたので、開操作のために必要な電力
が減少して冷媒の消費量が大幅に減少するとともに、動
作速度が増大する。

また、超電導体を、羊結晶の絶縁材料基板上にエピタキ
シャルに形成した酸化物超電導材料で構成したちのては
、抵抗率および臨界電流密度か大幅に増大し、高い抵抗
値が得られるとともに必要電力か更に低減し動作速度も
改善される。

更に、酸化物超電導材料を所定の多層精造としたもので
は、閉時の超電導状態がより安定化する効果がある。

また、所定の絶縁膜を介して超電導体と接触する常電導
金属膜を形成したものでは、交流磁界によってこの金属
膜に生しる発熱量が超電導体に流入しその加熱効率か上
昇して特に開操作のスイッチング時間か短縮される。

【図面の簡単な説明】

第１区はこの発明の一実施例による永久電流スイッチの
構成を示す回路図、第２図は絶縁材料基板ｌ−に形成し
、た酸化物超電導材料のパターンを示す図、第３図第４
図は酸化物超電導材料の特性図、第５図は永久電流スイ
ッチを含む超電導装置の構成を示す回路図、第６図は従
来の永久電流スイッチの構成を示す回路図である。 図において、（３）は冷却装置としてのフライオスタラ
ｌ−、口は永久電流スイッチ、（９）は超電導体、（９
ａ）は酸化物超電導材料、（９ｂ）は絶縁材料基板、（
１２）および（１３）は交流磁界発生装置を構成するそ
れぞれコイルおよびスイッチ用交流電源、（１４）は常
電導金属膜としての電極部である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。 代理人　　弁理士　　大　岩　増　雄 第１図 Ｌ）１３ 第２図 ’／ｂ　　も胞トタオＸ孝１−基オ及 ７Δ　雷柚斗５ 第３図 第４図 層圧　界（丁）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）開閉操作対象線路を構成する超電導体、この超電
   導体を臨界温度下に冷却する冷却装置、および開操作で
   上記超電導体を臨界温度以上に加熱する加熱装置を備え
   たものにおいて、 上記加熱装置を、上記超電導体に交流磁界を印加するこ
   とにより加熱する交流磁界発生装置で構成したことを特
   徴とする永久電流スイッチ。
2. （２）超電導体を、単結晶の絶縁材料基板上にエピタキ
   シャルに形成した酸化物超電導材料で構成したことを特
   徴とする請求項１記載の永久電流スイッチ。
3. （３）酸化物超電導材料の表面に更に絶縁材料と酸化物
   超電導材料とを順次積層し、超電導体を上記絶縁材料と
   酸化物超電導材料との多層構造としたことを特徴とする
   請求項２記載の永久電流スイッチ。
4. （４）良熱伝導性の絶縁膜を介して超電導体と接触する
   常電導金属膜を形成し、交流磁界印加によって上記常電
   導金属膜に発生する交流損失熱を上記絶縁膜を介して上
   記超電導体に供給するようにしたことを特徴とする請求
   項１ないし３のいずれかに記載の永久電流スイッチ。