JPH04335582A - 変圧器式超電導永久電流スイッチ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】超電導エネルギー貯蔵装置や核磁
気共鳴装置に用いられる超電導マグネットは永久電流モ
ードで運転される。かかる超電導マグネットにおいては
永久電流スイッチが不可欠となる。本発明はその永久電
流スイッチに係るものである。

【０００２】

【従来の技術】超電導マグネットを永久電流モードで運
転するために、古くから永久電流スイッチの開発が行な
われてきた。Ｌ．Ｊ．Ｄｏｎａｄｉｃｕ　ａｎｄ　Ｄ．
Ｊ．Ｒｏｓｅ；Ｐｒｏｃ．ｏｆ　Ｉｎｔｒ　Ｃｏｎｆｏ
ｎ　Ｈｉｇｈ　Ｍａｇｎｃｔｉｃ　Ｆｉｅｌｄｓ　ＭＩ
Ｔ　Ｐｒｅｓｓ（１９６１）　Ｐ３５８。この結果、基
本的な永久電流スイッチの種類は、図４〜６に示す方式
に絞られる。この３方式を従来技術として引用しながら
、以下発明の背景を述べる。

【０００３】図４は熱式永久電流スイッチと呼ばれる方
式である。ゲート線１は高抵抗金属（例えばＣｕ−Ｎｉ
合金）母材中に超電導フィラメント（例えばＮｂ−Ｔｉ
）が埋め込まれたものである。このゲート線１にヒータ
２を隣接して配線し、電源３をｏｎ　ｏｆｆすることに
よって、ゲート線１を加熱したり除熱して、それを超電
導（電気抵抗無し）と常電導（電気抵抗有り）の間で状
態変化させ、すなわちスイッチ動作を行なわすものであ
る。この方式ではヒータ２において熱を発生させるため
、熱損失を伴ない、熱現象であるためスイッチ動作が緩
慢になる欠点がある。

【０００４】図５は磁気式永久電流スイッチと呼ばれる
方式である。ゲート線１に、超電導コイル４で発生する
磁界を印加したり除去することによって、超電導と常電
導の間で状態を変えスイッチ動作を行なわすものである
。超電導コイル４の発生する磁界の大きさは、ゲート線
１の臨界磁界より大きいことが必要である。この方式の
欠点の強磁界を発生する超電導コイル４が必要になる点
にある。

【０００５】図６は機械式永久電流スイッチと呼ばれる
方式である。ゲート線１の途中に１対の低抵抗接触片５
を設け、これを機械的に接触させたり離すことによって
スイッチ動作を行なわすものである。この方式の欠点は
接触抵抗が残ることにあり、本方式で完全な永久電流モ
ードを達成することはできないといわれている。

【０００６】以上から、最も単純で安価で確実な方式は
熱式永久電流スイッチと考えられ、今日最も多く採用さ
れている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の各方式における
欠点をまとめると、熱損失の発生、スイッチ動作の緩慢
，強磁界発生用超電導コイルの必要性と残留抵抗があげ
られる。これらの欠点を解消できれば、理想に近い永久
電流スイッチを得ることができる。本発明は、特に永久
電流スイッチのスイッチング動作を早めることを主眼と
し、さらに低熱損失化、コンパクト化を計ることを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に採用した技術的手段は、ゲート線１にその臨界電流よ
り大きい誘導電流を誘起させることによって超電導状態
を破り常電導（抵抗）状態に転移させる方法である。す
なわち、変圧器の原理を応用した新しい方法である。こ
の原理による方式を以下変圧器式超電導永久電流スイッ
チと呼ぶことにする。

【０００９】本方式において、ゲート線１を変圧器の２
次巻線とし、この２次巻線に適当な負荷を接続して２次
回路を構成し、１次巻線に交流またはパルス電流を印加
することにより、１次と２次の巻線比を適切に選んでお
けば、ゲート線１の臨界電流以上の電流を２次回路に誘
起させることができる。

【００１０】本方式によれば、ヒータを使用しないため
熱損失の発生はなく、熱現象を伴なわないためスイッチ
動作は緩慢でなく、強磁界を使わないため超電導コイル
を必要とせず、接触部がないため残留抵抗もないことに
なり、従来方式にみられる欠点をことごとく解消するこ
とができる。

【００１１】

【作用】本変圧器式超電導永久電流スイッチの基本構成
とその働きについて詳細に説明する。変圧器は強磁性体
コアを有するものが望ましいが、外部磁界中に設置され
る場合には空心にしてもよい。変圧器の１次巻線はジュ
ール発熱を避けるために超電導線を使用した方が好まし
いが、ジュール発熱量が大きくない場合には通常の導線
を使用してもよい。２次巻線には当然超電導線を使用し
なければならないが、常電導状態になったときの電気抵
抗を大きくするため、超電導線の母材に高抵抗金属（例
えばＣｕ−Ｎｉ合金）を使うことが望ましい。この２次
巻線は、変圧器が鉄コアを有する場合には、複数個に分
割され、鉄コア上に分散配置したり、交互に逆方向に巻
線するなどして、局部的に鉄コアの飽和を抑制し、かつ
インピーダンスを小さくするよう工夫される。１次また
は２次巻線に使用される超電導線の超電導材料は金属系
超電導体または酸化物系超電導体のいずれであってもよ
いことは云うまでもない。２次巻線に接続される負荷は
低インピーダンスであることが望ましく、かつ発熱を伴
なわないものが望まれる。しかし発熱が憂慮される場合
は負荷を極低温雰囲気外に設置すればよい。また、１次
巻線を励磁する交流電源及び位相制御器などは当然のこ
とながら極低温雰囲気外に設置される。本方式の永久電
流スイッチを超電導マグネットと組み合わす場合、ゲー
ト線と並列にゲート線の両端部に超電導マグネットとそ
れを励磁するための直流電源を接続し、ゲート線と直流
電源との間に並列保護抵抗、電流遮断機が設置される。 特に、２次巻線からの交流またはパルス脈動が直流電源
に影響を及ぼす場合にはゲート線と直流電源の間にリア
クトルが設置される。

【００１２】問題のスイッチ動作は下記の２通りの現象
によって行なわすことができる。その一つは、変圧器作
用、すなわち１次側の微小な交流電流によって２次側の
超電導巻線にその臨界電流より大きな電流を誘起させ、
超電導状態から常電導状態に転移させる方法である。も
う一つは、上記２次側の超電導線に予め直流電流を流し
ておいて、１次側に微小な交流電流を流すことにより、
更に容易に２次側の超電導線を超電導状態から常電導状
態に転移させる方法である。一般に超電導線の臨界電流
は直流に対するより交流に対する方が低く、かつ直流電
流を流した状態で交流電流を重畳させると不安定性が一
層高まり常電導状態に転移し易くなる性質がある。上記
２方法はこれらの性質を利用したものである。

【００１３】

【実施例】本発明にかかる基本的な変圧器超電導永久電
流スイッチの実施例を図１〜３に示す。図１は強磁性体
コアを有する場合で、ゲート線１を２次巻線とし、この
２次巻線に変圧器６の負荷８を接続し２次回路を構成す
る。変圧器６の１次巻線７が交流電源９によって励磁さ
れる時、２次回路には変圧器作用によって誘導電流が流
れる。この誘導電流がゲート線１の臨界電流値を越える
よう回路条件を設定しておけば超電導状態から常電導状
態に転移させることができる。すなわち、スイッチ動作
を行なわすことができる。

【００１４】ゲート線１は通常高抵抗金属を母材とする
超電導線を用いられ、通電容量の大きさと常電導状態で
要求される抵抗の大きさによってその仕様と線長が決め
られる。変圧器６の２次側負荷には、可制御素子（例え
ばトライアック，サイリスタなど）、受動素子（例えば
ダイオードなど）、機械的スイッチ、そしてコンデンサ
などを用いることができる。これら素子の発熱が憂慮さ
れたり、極低温での損傷が問題になる場合は常温部に設
置される。変圧器６の１次巻線７には低抵抗金属を母材
とする超電導線、または近年開発が進められている交流
用超電導線を用いることができる。いうまでもなく、１
次，２次巻線用超電導線の超電導材料は金属系，酸化物
系を問わない。

【００１５】図２に本発明の変圧器式超電導永久電流ス
イッチの他の実施例を示す。通常永久電流スイッチは超
電導マグネットと一緒に用いられ、その磁界を浴びるこ
とになる。図１のように変圧器のコア（強磁性体）を用
いると磁界の影響をうけやすい。これを避けるために考
案されたのが本実施例である。すなわち、変圧器を空心
としたものである。

【００１６】図３は、図１を改良した本発明のもう一つ
の実施例である。運転される永久電流が大きくなると２
次巻線自体の起磁力が大きくなり、強磁性体コアが飽和
する可能性が生じる。これを避けるために、２次巻線を
２分割し、かつそれらを互に逆方向に巻回したものであ
る。当然のことながら分割数は勿論、分割した各２次巻
線のコア上の配置の他方にも任意性がある。

【００１７】図７に本発明の他の実施例を示す。特に、
本図は、図３を実証するための実験回路でもある。１次
回路に位相制御器１０として零クロス型ソリッドステー
ト・リレーを、２次回路には直流電源１１，リアクトル
１２，保護抵抗１３，電流遮断機１４をそれぞれ附加し
、変圧器６の２次側負荷８としてサイリスタを用いた。

【００１８】超電導線として１次巻線に、直径０．５７
ｍｍ　、マトリックス比Ｎｂ−Ｔｉ：Ｃｕ：Ｃｕ−Ｎｉ
＝１：０．８：３．７なる３相構造の、臨界電流が磁界
２テスラで１６６Ａのものを、一方、２次巻線に、直径
０．６８ｍｍ　、マトリックス比Ｎｂ−Ｔｉ：Ｃｕ−Ｎ
ｉ＝１：１、臨界電流が磁界２テスラで８５０Ａのもの
を用いた。なお、リアクタンス１２は６０ｍＨのものを
用いた。

【００１９】図８は、上記（図７）実験回路で行なった
結果の一例を示す。本図はゲート線１に直流電源１１よ
り５０Ａを通電した状態で、１次側に６０Ｈｚ，６０Ｖ
の電圧を印加した場合の一次側の電圧ｖＰ　，電流ｉＰ
　及びゲート線１に流れる電流ｉＳ　の時間変化を示し
たものである。１次回路が起動し、ｖＰ　が５２Ｖ（ｉ
Ｐ　が４０Ａ）に達した時点でｉＳ　が、直流分５０Ａ
と交流分７５Ａの計１２５Ａで超電導状態から常電導状
態に転移し、スイッチ動作が行なわれ、ゲート線１に流
れていた直流５０Ａなる電流も遮断されている。この間
の時間は約５ｍＳであった。スイッチ動作が行なわれた
時点以後で、ｉＰ　は２次側のインピーダンス上昇のた
め数Ａしか流れないが、ｖＰ　は６０Ｖ一定で、ｉＳ　
は０を保持しつづけている。すなわち、１次側に交流電
圧が印加されている間はゲート線１は常電導状態を保持
しつづける。ここでは、ゲート線１に予め直流電流５０
Ａが流れていた状態で実験が行なわれたが、直流電流が
零であっても１次側の交流電圧を増加し、ゲート線１の
交流、臨界電流以上の電流を誘起することによりスイッ
チ動作を行なわすことができる。実用的にはゲート線１
に予め直流電流を流しておいてから交流電流を重畳する
のが有利である。この理由は既述しておいた通りである
。

【００２０】本実験結果からわかるように、従来の熱式
超電導永久電流スイッチの秒に及ぶスイッチング時間に
比べ約千分の１程度に短縮され、本発明の効果は極めて
著るしいといえる。また、図７に示す変圧器式超電導永
久電流スイッチの変圧器部分の全容積は３０ｍｍ×３０
ｍｍ×３０ｍｍで、常電導状態で示す抵抗が２０Ωとし
たとき熱式超電導永久スイッチに比べ約１／２であり、
熱発生量は約１／２０の２５ｍＷであり、容積、熱損失
の点からも、最も多用されている熱式超電導永久スイッ
チに比べ優れているといえる。

【００２１】図９に本発明にかかる他の実施例を示す。 本図は図７の実験回路に超電導コイル１５を附加したも
のである。すなわち、ゲート線１の両端において、超電
導−超電導接続により、超電導コイル１５を接続し、永
久電流回路を形成したものである。超電導−超電導接続
は、ゲート線１の両端部と超電導コイル両口出し端部の
超電導Ｎｂ−Ｔｉフィラメントをスポット溶接する方法
で行なわれた。超電導コイル１５はインダクタンスが６
Ｈ、通電容量５０Ａ、発生磁界７：０Ｔのコイルである
。保護抵抗１３は１０Ω、リアクトル１２は６０ｍＨで
ある。なお、リアクトル１２は直流電源１１と保護抵抗
１３，電流遮断機１４が作る回路内に設置した。

【００２２】永久電流を流すまでの操作手順は以下の方
法によった。先ず電流遮断機１４を閉じ、直流電源１１
でゲート線１に直流５Ａを通電した状態で、交流電源９
より変圧器６の１次巻線７に６０Ｈｚ−７５Ａの交流電
流を印加する。スイッチング時間５ｍＳを過ぎると、直
流５Ａは超電導コイル１５に流入する。１次巻線７に交
流電流を印加したまま、直流電源１１の出力を上昇し、
超電導コイル１５が所定の電流５０Ａに達した時点で交
流電源９をｏｆｆ　し、引き続き直流電源１１の出力を
零に下げれば、５０Ａの永久電流が超電導コイル１５と
ゲート線１のなす閉回路内に保持されることになる。

【００２３】上記操作手順に従って、永久電流になるま
での所要時間は５分であり、この間の熱損失は７．５Ｊ
　であった。この熱損失は変圧器６の２次巻線すなわち
ゲート線１を液体ヘリウム雰囲気内で常電導状態に保持
する熱量と２次巻線７における交流損失及び鉄心コアの
渦損失の和であると考えられる。上記規模の超電導コイ
ルに熱式超電導永久スイッチを適用した場合１００〜１
５０Ｊの熱損失を見込む必要がある。

【００２４】図１０に本発明にかかる他の実施例を示す
。２分割されたゲート線１と１′に、それぞれ超電導コ
イル１５，１５′を接続し、共通の１次巻線７と１台の
直流電源１１で永久電流励磁が可能となるよう構成した
ものである。永久電流に達するまでの操作手順、各回路
素子の動作は図９の場合と変らない。複数個の超電導コ
イルを同時に永久電流励磁する場合極めて効率のよい方
式となる。

【００２５】

【発明の効果】請求項１〜３，５〜８に関し、ゲート線
を超電導状態から常電導状態に転移させる手段として、
変圧器作用を利用して電流の逓倍と超電導線の交流電流
に対する不安定現象を利用すれば、従来技術、例えば熱
式超電導永久スイッチに比べ、熱損失で１／２０以下、
スイッチング時間で１／１０００以下、容積で１／２以
下に低減でき、その工業的効果は極めて大きい。

【００２６】請求項４に関し、１次巻線の損失が問題に
ならない場合には常電導線で巻線することによって、コ
スト低減、超電導線にみられる不安定現象を避けること
ができ信頼性の向上にもつながる。

【００２７】請求項９，１０に関し、本発明を超電導コ
イルに適用すれば、変圧器式超電導永久スイッチの設置
場所に自由度があり、かつ液体ヘリウムの蒸発量も軽減
され、超電導コイル技術の向上に寄与するところ大であ
る。

【００２８】請求項全般に関し、例えば熱式超電導永久
電流スイッチでしばしば遭遇するヒータ線の断線事故な
どが解消され、永久電流スイッチの信頼性の向上に寄与
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる変圧器式超電導永久スイッチの
基本構成であり、変圧器に強磁性体コアを有するもの。

【図２】本発明にかかる変圧器式超電導永久スイッチの
基本構成であり、変圧器が空心のもの。

【図３】本発明にかかる変圧器式超電導永久スイッチの
基本構成であり、変圧器にコアを有し２次巻線を分割配
置したものである。

【図４】従来例の機械式永久電流スイッチの基本構成を
示す。

【図５】従来例の磁気式永久電流スイッチの基本構成を
示す。

【図６】従来例の熱式永久電流スイッチの基本構成を示
す。

【図７】本発明にかかる１実施例で図３を実回路に適用
したものである。

【図８】図７の回路で実験を行なった結果である。

【図９】本発明にかかる他の実施例を示し、超電導コイ
ルと組合わせた場合の回路結線図である。

【図１０】本発明にかかる他の実施例を示し、超電導コ
イルと組合わせた場合の回路結線図である。

【符号の説明】

１，１′…ゲート線（超電導線による変圧器の２次巻線
）、２…ヒータ、３…電源、４…磁界印加用超電導コイ
ル、５…低抵抗接触片、６…変圧器、７…１次巻線、８
…変圧器６の負荷、９…交流またはパルス電源、１０…
位相調整器、１１…直流電源、１２…リアクトル、１３
…保護抵抗、１４…電流遮断機、１５，１５′…永久電
流励磁される超電導コイル。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属系超電導体または酸化物系超電導体と
   高抵抗金属からなる超電導線を２次巻線とし、該２次巻
   線に負荷を並列に接続し、金属系超電導体または酸化物
   系超電導体と低抵抗金属からなる超電導線を１次巻線と
   し、該１次巻線に交流またはパルス電流を印加したとき
   、２次巻線と負荷が形成する２次回路に２次巻線である
   超電導線の臨界電流以上の電流が誘起できるようにした
   ことを特徴とする変圧器式超電導永久電流スイッチ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記変圧器を空心とし
   たことを特徴とする変圧器式超電導永久電流スイッチ。
3. 【請求項３】請求項１と２において、前記２次巻線に並
   列に接続される負荷を機械的スイッチ，可制御素子（例
   えばトライアック，サイリスタ等）、受動素子（例えば
   ダイオード等）、またはコンデンサーで構成することを
   特徴とした変圧器式超電導永久電流スイッチ。
4. 【請求項４】請求項１と２において、前記１次巻線を常
   電導線で構成したことを特徴とする変圧器式超電導永久
   電流スイッチ。
5. 【請求項５】請求項１において、前記２次巻線を複数に
   分割し、それぞれに負荷を並列に接続し、分散配置し、
   かつ交互に巻線方向を変えたことを特徴とする変圧器式
   超電導永久電流スイッチ。
6. 【請求項６】請求項１〜５において、前記１次回路内に
   、交流またはパルス電源に直列に位相制御回路を設けた
   ことを特徴とする変圧器式超電導永久電流スイッチ。
7. 【請求項７】請求項１〜６において、前記２次巻線に直
   流電源を接続し、２次巻線に直列にリアクトルと電流遮
   断機を設け、２次巻線に並列に保護抵抗を設けたことを
   特徴とする変圧器式超電導永久電流スイッチ。
8. 【請求項８】請求項１〜７において、前記２次巻線に予
   め直流電流を通電することを特徴とした変圧器式超電導
   永久電流スイッチ。
9. 【請求項９】請求項１〜８において、前記２次巻線に超
   電導コイルを接続したことを特徴とする変圧器式超電導
   永久スイッチ。
10. 【請求項１０】請求項１〜８において、前記２次巻線を
    複数に分割し、分割された個々の２次巻線にそれぞれ超
    電導コイルを接続し、１台の交流電源と１台の直流電源
    で永久電流励磁ができるようにしたことを特徴とする変
    圧器式超電導永久電流スイッチ。
11. 【請求項１１】請求項９及び１０において、前記超電導
    マグネットを超電導エネルギー貯蔵用超電導マグネット
    、核磁気共鳴装置の超電導マグネットに適用したことを
    特徴とする変圧器式超電導永久電流スイッチ。