JPH0626094B2 - 熱式永久電流スイツチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、超電導磁気浮上車等に用いる超電導磁気用熱
式永久電流スイッチ（以下永久電流スイッチと略称す
る）に関する。

〔発明の技術的背景〕

一般に永久電流スイッチ１は第１図に示すように超電導
コイル２と閉ループ回路を構成するように接続したもの
で、その構成は第２図に示すように超電導線３と、ヒー
タ４とを断熱層のＦＲＰ製の枠体５に巻込んだもので、
前記超電導コイル２と接続するために前記超電導線３の
一部を口出し線６として引出している。なお図中７は電
源である。

この永久電流スイッチ１はヒータ４に通電して超電導線
３を熱することにより、この超電導線３を常電導状態に
し、電気抵抗を発生させ、通常のスイッチを開いた状態
（オフ状態）と同じ機能を発揮し、また逆に、ヒータ４
への通電を止めることにより、周囲の液体ヘリウム（図
示せず）で超電導線３を冷却すれば電気抵抗ゼロとなる
超電導状態にし、通常のスイッチを閉じた状態（オン状
態）と同じ機能を発揮するようになっている。

つまり、第１図に示す永久電流スイッチ１はヒータ４と
液体ヘリウムとにより加熱冷却制御すれば、この閉ルー
プを開閉し、超電導コイル２に永久電流を発生させたり
消滅させたりするものである。

〔背景技術の問題点〕

ところが、従来の永久電流スイッチ１は、ヒータ４を通
電して常電導状態を作ろうとすると、永久電流スイッチ
１の巻線部分全体を熱することになり、また超電導線３
を冷却して超電導状態を作ろうと、同様に巻線部分全体
を冷却しなければならない構成になっているために、こ
の永久電流スイッチのいわゆるオンオフする動作時間が
長くなり、そのためヒータ入熱量も液体ヘリウム消費量
も増大するという欠点がある。

この点をさらに第３図につき詳述する。

第３図は第１図に示すような回路での超電導コイル３の
励磁、消磁時の超電導コイル２に流れるコイル電流と永
久電流スイッチ１のヒータ入熱の１例を示すもので、グ
ラフ（Ａ）はコイル電流と時間の関係を、グラフ（Ｂ）
はヒータ入熱と時間の関係を表わしている。励磁の場
合、時刻t₁でヒータ４に通電を開始し、時刻t₂で永久電
流スイッチ１の常電導転位が完了し、永久電流スイッチ
１はオフ状態となる。このt₁からt₂までの時間T₁をスイ
ッチのオフ動作時間という。永久電流スイッチ１がオフ
状態になったところで、電源を掃引し超電導コイル２に
電流を流し始める。コイル電流が設定電流に達したとこ
ろ時刻t₃で電源の掃引を停止し、ヒータ４の通電を切
る。すると永久電流スイッチ１は液体ヘリウムによって
冷却され、時刻t₄で永久電流スイッチ１全体が超電導状
態、すなわちオン状態となり、超電導コイル２との閉ル
ープ回路が形成され永久電流モードとなる。この時刻t₃
から時刻t₄までの時間T₂を永久電流スイッチ１のオン動
作時間という。グラフ（Ａ）での２点鎖線は電源電流を
示し、時刻t₄で永久電流モードになった後、下がり、電
源電流が０になる時刻t₅で超電導コイル２の励磁は完了
する。時刻t₁からt₅までの時間T₅を励磁時間という。

同様に消磁の場合は、時刻t₆で電源電流の掃引を開始
し、設定電流に達した後、時刻t₇でヒータ４に通電を始
める。時刻t₈で永久電流スイッチ１の常電導転位が完了
し、永久電流スイッチ１はオフ状態となる。時刻t₇から
時刻t₈までの時間T₁を励磁の場合と同様にオフ動作時間
という。永久電流スイッチ１がオフ状態となった後、コ
イル電流は下がり、このコイル電流が０になった時刻t₉
でヒータ４を切る。すると、永久電流スイッチ１は冷却
が進み、時刻t₁₀ で永久電流スイッチ１はオン状態とな
る。この時刻t₉から時刻t₁₀ までの時間も励磁の場合と
同様にオン動作時間という。時刻t₆から t₁₀までの時間
T₆を消磁時間という。

ところで、永久電流スイッチ１をオフ動作させるためヒ
ータ４に通電して、超電導線３の温度を上昇させ常電導
転位を起こさせるには、熱容量の大きい永久電流スイッ
チ１の巻線部全体を熱することにより、全体の温度が上
昇するまでの時間すなわち永久電流スイッチ１のオフ動
作時間T₁が長くかかる。またヒータ４入熱量も熱容量の
大きい永久電流スイッチ１の巻線部全体の温度を上昇さ
せるため多く必要となる。したがって、液体ヘリウムの
消費量も多くなる。

また、同様に永久電流スイッチ１のオン動作時間も熱容
量の大きい巻線部分を冷却するため多量の液体ヘリウム
を消費するという欠点がある。特に永久電流スイッチ１
の高抵抗化が進むにつれ、超電導線３の巻込量が多くな
り、巻線部分の熱容量が大きくなってきており、動作時
間の延長は大きな問題となりつつある。

〔発明の目的〕

本発明は上述した永久電流スイッチのヒータ入熱による
オン−オフ動作時間を短縮し、少ないヒータ入熱量でス
イッチ動作を行うことが可能な永久電流スイッチを提供
することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成させるために、超電導磁気浮
上車等の超電導磁気を発生させる超電導コイルと閉ルー
プ回路を構成するように接続した超電導線を有し、この
超電導線を加熱冷却制御することにより、前記閉ループ
回路を開閉し、永久電流状態を生じるようにした熱式永
久電流スイッチにおいて、前記超電導コイルに接続する
超電導線の口出し線にヒータを取付けることにより部分
的な常電導転位を発生させ、それを高速伝播させること
により、永久電流スイッチ全体を常電導転位させて、ス
イッチ動作時間を短縮し、口出し線のヒータのみの加熱
で、少ないヒータ入熱量および液体ヘリウムの消費量の
低減を達成したものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面につき詳細に説明する。

第４図は本発明の一例を示す側面図であり、第１、２図
に示す部材と同一部材には同一符号を付してある。

この永久電流スイッチ10は概説すれば超電導コイル１に
接続する超電導線３の口出し線６の一部分にヒータ11を
設け、このヒータ11の熱が直接超電導線３に入熱するよ
うにしたものである。

すなわち、永久電流スイッチ10から導出した超電導線３
の一部である口出し線６にヒータ11を直接この超電導線
３に接触するように取付ける。このヒータ11と枠体５の
口出し部５ａとの距離l₁はヒータ11の入熱により作られ
る常電導転位部が、その間の液体ヘリウムの冷却に妨げ
られずに伝播できるよう離間し過ぎないようにすること
が必要である。また、ヒータ11と超電導コイル２との距
離l₂は常電導転位部が超電導コイル２に伝播しないよ
う、液体ヘリウムにより口出し線６が充分冷却されるだ
け離間しておく必要がある。

しかして、ヒータ11は２本ある口出し線６の一方だけに
取付けるよりも両方に取付けるほうが、スイッチ動作が
確実となり、さらに両方から常電導転位が伝播するので
永久電流スイッチ全体を常電導転位させる時間すなわち
スイッチのオフ動作時間をさらに短縮させることができ
る。

また、ヒータ11を断熱材12で覆うと、ヒータ効率が上が
り、スイッチ動作に必要な熱量が減り液体ヘリウムの消
費量をさらに低減することができる。

次に作用を説明する。

第５図、第６図は本発明の超電導コイル２の励消磁時の
コイル電流と永久電流スイッチのヒータ入熱の一例を示
すもので、第５図は励磁時、第６図は消磁時の場合を示
したものである。なお、グラフ（Ａ）はコイル電流と時
間の関係、グラフ(B)は従来の永久電流スイッチのヒー
タ入熱と時間の関係、グラフ(Ｃ)は本発明に係る永久電
流スイッチのヒータ入熱と時間の関係をそれぞれ表わし
ている。記号等の表記は第３図と同じ意味を持つが本発
明のものの場合には、ダッシュを付けて示すことによ
る。

まず、励磁の場合（第５図）、本発明による永久電流ス
イッチ10では、グラフ(Ｃ)に見られるように、時刻t₁で
ヒータに通電すると、ヒータ11の熱容量が小さいため、
このヒータ部分はすぐに常電導転位を完了し、この常電
導転位は高速で永久電流スイッチ10の内部に伝播してい
く。その時刻t₂で電源７を掃引きコイル電流を上げ始め
る。時刻t₂の時点で必ずしも永久電流スイッチ10全体が
常電導転位しているとは限らないが、コイル電流の一部
が流れて、すでに常電導転位を起こした部分の抵抗によ
り発熱を起こし、自動的にかつ加速的に常電導転位部が
拡がり、永久電流スイッチ10全体の常電導転位を完了さ
せ、スイッチオフ状態になり、超電導コイル２に通電す
ることができることになる。この場合、常電導転位速度
が高速であり、かつ熱容量の小さい口出し線６をヒータ
11で常電導転位の発生を行っているため、ヒータ加熱時
間が短くてよく、オフ動作時間をＴ１′に短縮できる。
また、口出し線６、ヒータ11の熱容量が小さいので、必
要なヒータ入熱量も動作時間の短縮と合せて、Q₁′（従
来の入熱量Ｑよりも著じるしく小さい）に減少できる。

同様のオン動作時間も、冷却を必要とする加熱部分が熱
容量の小さい部分（口出し線６、ヒータ11）だけである
ので、冷却も早く時間Ｔ′_２に短縮できる。さらに、加
熱部の口出し線６、ヒータ11の熱容量が小さいので、冷
却に要する熱量もQ₂′（従来の入熱量Ｑよりも著じるし
小さい）に減少できる。

これにより、従来の励磁時間T5をT5′というきわめて短
い時間に短縮できる。

消磁時の場合（第６図）も同様で、本発明の永久電流ス
イッチ10では、グラフ(Ｃ)に見られるように、口出し線
６、ヒータ11の部分の熱容量が小さいため、スイッチオ
ン動作時間ならびに、オン動作時間はそれぞれT1′，T
2′に短縮される。また、ヒータ11に入熱する熱量なら
びに、加熱部の冷却容量もそれぞれQ₁′，Q₂′のように
減少できる。これにより、消磁時間も従来のＴ６からＴ
６′に短縮できる。

上述した永久電流スイッチの作用効果をさらに高めるた
めには、次のような操作方法をとることもできる。まず
励磁の場合は、第５図のグラフ(Ｃ)において、時刻t₂か
ら時刻t₃の間は連続してヒータ11を投入しておく必要は
なく、電流掃引時の高電流域においては、永久電流スイ
ッチ10に流れる分流電流による発熱が、永久電流スイッ
チ10のオフ状態を自己保持できるだけ起っているので、
途中でヒータ11を切ることができる。このように途中で
ヒータ11をカットするという操作をすれば、液体ヘリウ
ムの消費量をさらに減らすことができる。消磁の場合も
同様に途中ヒータカットにより同様の効果を得ることが
できることはいうまでもない。

また、第７図に示すようにヒータ11を永久電流スイッチ
10の口出し部５ａの部分に埋設しても、同様の効果が得
られるが、この場合、口出し部５ａが第４図の断熱材12
と同様の作用をしており、ヒータ効率が向上し、スイッ
チ動作に必要な熱量が減り、液体ヘリウムの消費量も低
減でき、しかもヒータ11の周囲の加工を必要としない簡
単な構造となり、さらに超電導磁気を用いる装置への組
込みも容易になる。

〔発明の効果〕

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、永久
電流スイッチのオフ動作に常電導転位の素速い伝播を利
用していることと、その常電導転位の発生を熱容量の小
さい部分（口出し線、ヒータ部分）に起こして、必要ヒ
ータ加熱時間を少くしたことにより、永久電流スイッチ
のオフ動作時間を短縮することができ、また、永久電流
スイッチのオン動作においては冷却を必要とする加熱部
分を同様に熱容量の小さい部分にしたため、冷却時間す
なわちオン動作時間を短縮することができ、さらに、永
久電流スイッチの動作時間の短縮に伴い、スイッチ動作
に必要な熱量が減り、液体ヘリウムの消費量が低減でき
る。

さらには、ヒータを口出し部とは別巻構成とすれば、ヒ
ータを超電導線といっしょに巻込まなくてもよく、構造
が簡単となり組立ても容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は超電導磁石を永久電流コイルとして使用する回
路図、第２図は従来の永久電流スイッチの一部破断した
斜視図、第３図は従来の永久電流スイッチにおける励消
磁時のコイル電流とヒータ入熱状態を示すグラフ、第４
図は本発明による永久電流スイッチの正面図、第５図は
従来の永久電流スイッチと、本発明のものとの励磁時の
コイル電流とヒータ入熱状態を示すグラフ、第６図は同
消磁時状態を示すグラフ、第７図は本発明の他の実施例
を示す永久電流スイッチの一部破断正面図である。 ２……超電導コイル、３……超電導線、６……口出し
線、10……永久電流スイッチ、11……ヒータ、12……断
熱材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導磁気浮上車等の超電導磁気を発生さ
   せる超電導コイルと閉ループ回路を構成するように接続
   した超電導線を有し、この超電導線を加熱冷却制御する
   ことにより前記閉ループ回路を開閉し、永久電流状態を
   生じるようにした熱式永久電流スイッチにおいて、前記
   超電導コイルに接続する超電導線の口出し線にヒータを
   取付けたことを特徴とする熱式永久電流スイッチ。
2. 【請求項２】前記ヒータは、断熱材により覆ってなる特
   許請求の範囲第１項に記載の熱式永久電流スイッチ。