JPH10270765A - 超電導スイッチ - Google Patents
超電導スイッチInfo
- Publication number
- JPH10270765A JPH10270765A JP9074881A JP7488197A JPH10270765A JP H10270765 A JPH10270765 A JP H10270765A JP 9074881 A JP9074881 A JP 9074881A JP 7488197 A JP7488197 A JP 7488197A JP H10270765 A JPH10270765 A JP H10270765A
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- JP
- Japan
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- superconducting
- wire coil
- superconducting wire
- heater
- state
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- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 OFF状態からON状態への転移のみなら
ず、ON状態からOFF状態への転移も高速な超電導ス
イッチを提供する 【解決手段】 超電導線材コイルを冷却して常電導状態
から超電導状態に転移させることをON動作、ヒーター
で超電導線材コイルを加熱して超電導状態から常電導状
態に転移させることをOFF動作とする超電導スイッチ
において、超電導線材コイルの外面の一つにヒーターが
配置されており、ヒーターが超電導線材コイルに接触し
ている部分の面積が、ヒーターが配置されている超電導
線材コイルの外面よりも小さいことを特徴とする超電導
スイッチ。
ず、ON状態からOFF状態への転移も高速な超電導ス
イッチを提供する 【解決手段】 超電導線材コイルを冷却して常電導状態
から超電導状態に転移させることをON動作、ヒーター
で超電導線材コイルを加熱して超電導状態から常電導状
態に転移させることをOFF動作とする超電導スイッチ
において、超電導線材コイルの外面の一つにヒーターが
配置されており、ヒーターが超電導線材コイルに接触し
ている部分の面積が、ヒーターが配置されている超電導
線材コイルの外面よりも小さいことを特徴とする超電導
スイッチ。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超電導スイッチに関
し、特に浮上式鉄道や、超電導電磁推進船において用い
るのに好適な超電導スイッチに関するものである。
し、特に浮上式鉄道や、超電導電磁推進船において用い
るのに好適な超電導スイッチに関するものである。
【0002】
【従来の技術】超電導スイッチは、例えば、所定の磁場
まで励磁した超電導コイルマグネットの両端を短絡し、
電源が無くとも超電導コイルマグネットに永久電流が還
流する回路を形成するのに用いられる。図1に従来より
用いられている超電導スイッチの断面図を示す。この超
電導スイッチは、SUS製の巻枠1に例えばNb3 Sn
のような超電導線材を無誘導に巻いて超電導線材コイル
3を構成し、その外周にヒーター5を配置し、ヒーター
5及び超電導線材コイル3をG−FRPのような断熱材
で形成された断熱層4で覆った構造となっている。そし
てこの超電導スイッチは、超電導線材コイル3を構成す
る超電導線材の臨界温度を越える加熱あるいは冷却によ
って、超電導線材コイル3を常電導状態(OFF状態)
あるいは超電導状態(ON状態)に制御するものであ
る。
まで励磁した超電導コイルマグネットの両端を短絡し、
電源が無くとも超電導コイルマグネットに永久電流が還
流する回路を形成するのに用いられる。図1に従来より
用いられている超電導スイッチの断面図を示す。この超
電導スイッチは、SUS製の巻枠1に例えばNb3 Sn
のような超電導線材を無誘導に巻いて超電導線材コイル
3を構成し、その外周にヒーター5を配置し、ヒーター
5及び超電導線材コイル3をG−FRPのような断熱材
で形成された断熱層4で覆った構造となっている。そし
てこの超電導スイッチは、超電導線材コイル3を構成す
る超電導線材の臨界温度を越える加熱あるいは冷却によ
って、超電導線材コイル3を常電導状態(OFF状態)
あるいは超電導状態(ON状態)に制御するものであ
る。
【0003】図2に、この超電導スイッチを用いて超電
導コイルに永久電流を還流する際の回路図の一例を示
す。図2において、11は超電導コイルマグネット、1
3は外部電源、9は図1に示した超電導スイッチであ
る。そして図2の回路において、電源13によって超電
導コイルマグネット11に通電した後、超電導スイッチ
9を冷却して超電導状態(ON状態)にし、超電導コイ
ルマグネット11の両端を短絡すれば、電源13を切り
離しても超電導コイルマグネット11には超電導スイッ
チ9を経由する永久電流が還流する。
導コイルに永久電流を還流する際の回路図の一例を示
す。図2において、11は超電導コイルマグネット、1
3は外部電源、9は図1に示した超電導スイッチであ
る。そして図2の回路において、電源13によって超電
導コイルマグネット11に通電した後、超電導スイッチ
9を冷却して超電導状態(ON状態)にし、超電導コイ
ルマグネット11の両端を短絡すれば、電源13を切り
離しても超電導コイルマグネット11には超電導スイッ
チ9を経由する永久電流が還流する。
【0004】このような超電導スイッチには、OFF状
態からON状態への切り替え動作(ON動作)、ON状
態からOFF状態への切り替え動作(OFF動作)の高
速化が要求される。
態からON状態への切り替え動作(ON動作)、ON状
態からOFF状態への切り替え動作(OFF動作)の高
速化が要求される。
【0005】特開昭61−289680号公報には、巻
線中心に熱伝導性の良い銅の平編線を導入し、その一部
が超電導線材コイルを取り囲む銅ケースにはんだ付けで
熱的接触した構造の超電導スイッチが記載されている。
この超電導スイッチでは、銅の平編線と銅ケースとによ
って超電導線材コイルの均熱化を図ることで、超電導線
材コイルを効率よく冷却し、ON動作を迅速化するもの
である。
線中心に熱伝導性の良い銅の平編線を導入し、その一部
が超電導線材コイルを取り囲む銅ケースにはんだ付けで
熱的接触した構造の超電導スイッチが記載されている。
この超電導スイッチでは、銅の平編線と銅ケースとによ
って超電導線材コイルの均熱化を図ることで、超電導線
材コイルを効率よく冷却し、ON動作を迅速化するもの
である。
【0006】しかし、この特開昭61−289680号
公報に記載の超電導スイッチでは、ON動作は迅速化さ
れるが、逆にOFF動作の際には超電導線材コイル全体
を均一に加熱することになるため昇温に時間がかかり、
OFF動作は容易ではない。
公報に記載の超電導スイッチでは、ON動作は迅速化さ
れるが、逆にOFF動作の際には超電導線材コイル全体
を均一に加熱することになるため昇温に時間がかかり、
OFF動作は容易ではない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、超電導線材
コイルを局部的に温度上昇させることによりOFF動作
の高速な超電導スイッチを提供することを目的とする。
さらに本発明は、前述のOFF動作のみならず、冷却効
率が高くON動作も高速な超電導スイッチを提供するこ
とを目的とする。
コイルを局部的に温度上昇させることによりOFF動作
の高速な超電導スイッチを提供することを目的とする。
さらに本発明は、前述のOFF動作のみならず、冷却効
率が高くON動作も高速な超電導スイッチを提供するこ
とを目的とする。
【0008】
【課題を解決する手段】本発明は、以下の通りである。
【0009】(1)超電導線材コイルを冷却して常電導
状態から超電導状態に転移させることをON動作、ヒー
ターで超電導線材コイルを加熱して超電導状態から常電
導状態に転移させることをOFF動作とする超電導スイ
ッチにおいて、超電導線材コイルの外面の一部に、超電
導線材コイルを局部的に加熱できるヒーターを配置した
ことを特徴とする超電導スイッチ。
状態から超電導状態に転移させることをON動作、ヒー
ターで超電導線材コイルを加熱して超電導状態から常電
導状態に転移させることをOFF動作とする超電導スイ
ッチにおいて、超電導線材コイルの外面の一部に、超電
導線材コイルを局部的に加熱できるヒーターを配置した
ことを特徴とする超電導スイッチ。
【0010】(2)超電導線材コイルを冷却して常電導
状態から超電導状態に転移させることをON動作、ヒー
ターで超電導線材コイルを加熱して超電導状態から常電
導状態に転移させることをOFF動作とする超電導スイ
ッチにおいて、超電導線材コイルの外面の一部に、超電
導線材コイルを局部的に加熱できるヒーターを配置し、
超電導線材コイルのヒーターが配置されていない外面を
均熱部材で囲んだことを特徴とする超電導スイッチ。
状態から超電導状態に転移させることをON動作、ヒー
ターで超電導線材コイルを加熱して超電導状態から常電
導状態に転移させることをOFF動作とする超電導スイ
ッチにおいて、超電導線材コイルの外面の一部に、超電
導線材コイルを局部的に加熱できるヒーターを配置し、
超電導線材コイルのヒーターが配置されていない外面を
均熱部材で囲んだことを特徴とする超電導スイッチ。
【0011】(3)超電導線材コイルにヒーターが接触
している部分の面積が、超電導線材コイルのヒーターが
配置された外面の面積の10〜30%であることを特徴
とする(1)又は(2)記載の超電導スイッチ。
している部分の面積が、超電導線材コイルのヒーターが
配置された外面の面積の10〜30%であることを特徴
とする(1)又は(2)記載の超電導スイッチ。
【0012】(4)OFF動作の際に、超電導線材コイ
ルの一部のみをヒーターの加熱によって常電導状態と
し、その後は常電導状態となった部分から発生するジュ
ール熱によって超電導線材コイルを加熱することを特徴
とする(1)、(2)又は(3)記載の超電導スイッ
チ。
ルの一部のみをヒーターの加熱によって常電導状態と
し、その後は常電導状態となった部分から発生するジュ
ール熱によって超電導線材コイルを加熱することを特徴
とする(1)、(2)又は(3)記載の超電導スイッ
チ。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。超電導線材コイルの材質としては、例えばNb3
Sn線材、NbTi、Nb3Al等が適している。Nb
3 Snの臨界温度は約18K、NbTiの臨界温度は約
9K、Nb3 Alの臨界温度は約15Kであり、液体ヘ
リウム温度で超電導状態となる。
する。超電導線材コイルの材質としては、例えばNb3
Sn線材、NbTi、Nb3Al等が適している。Nb
3 Snの臨界温度は約18K、NbTiの臨界温度は約
9K、Nb3 Alの臨界温度は約15Kであり、液体ヘ
リウム温度で超電導状態となる。
【0014】このような超電導線材を巻軸に無誘導に巻
いて、超電導線材コイルとする。巻軸の材質がステンレ
ス等の場合には絶縁処理を行うが、材質がG−FRP等
のような絶縁体の場合にはそのまま用いてもよい。
いて、超電導線材コイルとする。巻軸の材質がステンレ
ス等の場合には絶縁処理を行うが、材質がG−FRP等
のような絶縁体の場合にはそのまま用いてもよい。
【0015】超電導スイッチでは、OFF状態での抵抗
値を大きくすることが望ましい。このため、コイルを形
成する超電導線材の長さは、超電導スイッチに要求され
るOFF状態での抵抗値に応じて長くする必要がある。
例えば、径0.87mmのNb3 Sn線材を用いた超電導
スイッチのOFF状態での抵抗値を20Ω以上にするた
めには、Nb3 Sn線材を220m以上用いて超電導線
材コイルを構成するとよい。但し、超電導線材を過度に
長くすると超電導スイッチのコンパクト化が図れなくな
るため、好ましくない。
値を大きくすることが望ましい。このため、コイルを形
成する超電導線材の長さは、超電導スイッチに要求され
るOFF状態での抵抗値に応じて長くする必要がある。
例えば、径0.87mmのNb3 Sn線材を用いた超電導
スイッチのOFF状態での抵抗値を20Ω以上にするた
めには、Nb3 Sn線材を220m以上用いて超電導線
材コイルを構成するとよい。但し、超電導線材を過度に
長くすると超電導スイッチのコンパクト化が図れなくな
るため、好ましくない。
【0016】また、超電導線材コイルは細長い円筒形状
とし、超電導線材の層数が少なくなるようにする。超電
導線材コイルに生じる巻乱れをできるだけ少なくし、超
電導線材の微小滑りを防止するためである。
とし、超電導線材の層数が少なくなるようにする。超電
導線材コイルに生じる巻乱れをできるだけ少なくし、超
電導線材の微小滑りを防止するためである。
【0017】このような超電導線材コイルにヒーターを
配置した超電導スイッチでは、従来は図1に示すように
超電導線材コイルの外周面全体にヒーターを配置してお
り、ヒーターが外周面全体を加熱してOFF動作させる
ように構成されていた。これに対して本発明は、まずヒ
ーターで超電導線材コイルを局部的に昇温して常電導状
態とし、ついで常電導状態になった部分に発生するジュ
ール熱によって超電導線材コイルの他の部分の温度を上
昇させるという従来とは異なるプロセスによって、より
高速にOFF動作を行う超電導スイッチである。
配置した超電導スイッチでは、従来は図1に示すように
超電導線材コイルの外周面全体にヒーターを配置してお
り、ヒーターが外周面全体を加熱してOFF動作させる
ように構成されていた。これに対して本発明は、まずヒ
ーターで超電導線材コイルを局部的に昇温して常電導状
態とし、ついで常電導状態になった部分に発生するジュ
ール熱によって超電導線材コイルの他の部分の温度を上
昇させるという従来とは異なるプロセスによって、より
高速にOFF動作を行う超電導スイッチである。
【0018】このため本発明では、超電導線材コイルの
外面の一部に、超電導線材コイルを局部的に加熱できる
ヒーターを配置している。ここで超電導線材コイルの外
面の一つとは、外周面、内周面、上面、下面のうちのい
ずれか一面をいうものとする。また、超電導線材コイル
を局部的に加熱するには、例えば小型のヒーターを用い
て外面の一部のみを加熱するようにすればよい。
外面の一部に、超電導線材コイルを局部的に加熱できる
ヒーターを配置している。ここで超電導線材コイルの外
面の一つとは、外周面、内周面、上面、下面のうちのい
ずれか一面をいうものとする。また、超電導線材コイル
を局部的に加熱するには、例えば小型のヒーターを用い
て外面の一部のみを加熱するようにすればよい。
【0019】表1に、内径64mm,外形84mm,高さ1
12mmに形成した0.87mm径Nb3 Sn線材コイルの
外周面中央部に幅20〜112mmの円筒状ヒーターコイ
ルを接触させた構造の超電導スイッチを構成し、ヒータ
ー熱量10WでOFF動作させた場合の5%OFF時間
と10%OFF時間とのシミュレーション結果を示す。
なお、5%OFF時間とは超電導線材コイルの5%が常
電導状態に転移して電気抵抗を発生するのに要する時間
のことをいい、10%OFF時間とは超電導線材コイル
の10%が同じく常電導状態に転移するのに要する時間
のことをいう。
12mmに形成した0.87mm径Nb3 Sn線材コイルの
外周面中央部に幅20〜112mmの円筒状ヒーターコイ
ルを接触させた構造の超電導スイッチを構成し、ヒータ
ー熱量10WでOFF動作させた場合の5%OFF時間
と10%OFF時間とのシミュレーション結果を示す。
なお、5%OFF時間とは超電導線材コイルの5%が常
電導状態に転移して電気抵抗を発生するのに要する時間
のことをいい、10%OFF時間とは超電導線材コイル
の10%が同じく常電導状態に転移するのに要する時間
のことをいう。
【0020】
【表1】
【0021】表1に示されるように、超電導線材コイル
の外面の一つにヒーターを配置し、ヒーターが超電導線
材コイルに接触している部分の面積が、ヒーターが配置
されている超電導線材コイルの外面よりも小さくなるよ
うにすることで、5%OFF時間、10%OFF時間の
いずれもが短縮できる。特に、ヒーターが超電導線材コ
イルに接触している部分の面積が、ヒーターを配置した
超電導線材コイルの外面面積の10〜30%であるとよ
い。
の外面の一つにヒーターを配置し、ヒーターが超電導線
材コイルに接触している部分の面積が、ヒーターが配置
されている超電導線材コイルの外面よりも小さくなるよ
うにすることで、5%OFF時間、10%OFF時間の
いずれもが短縮できる。特に、ヒーターが超電導線材コ
イルに接触している部分の面積が、ヒーターを配置した
超電導線材コイルの外面面積の10〜30%であるとよ
い。
【0022】このように、ヒーターを本発明のごとく局
所的に配置することで、外周面全体にヒーターを配置し
た場合よりも、速やかに超電導線材の一部を常電導状態
にすることができる。そして、常電導状態となった部分
に流れる電流によって、その部分にジュール熱が発生す
る。浮上式鉄道用超電導磁石用の超電導スイッチにおい
て用いられるヒーターは、コンパクト化、冷却機構への
負担の軽減等のため、1〜20W程度のものを用いるの
が一般的である。これに対して、前記常電導部分に発生
するジュール熱は例えば10%OFFの状態で100W
程度と高い。したがって、このジュール熱を利用すれ
ば、ヒーターからの加熱のみを利用する場合よりも、迅
速にOFF動作を行うことができる。
所的に配置することで、外周面全体にヒーターを配置し
た場合よりも、速やかに超電導線材の一部を常電導状態
にすることができる。そして、常電導状態となった部分
に流れる電流によって、その部分にジュール熱が発生す
る。浮上式鉄道用超電導磁石用の超電導スイッチにおい
て用いられるヒーターは、コンパクト化、冷却機構への
負担の軽減等のため、1〜20W程度のものを用いるの
が一般的である。これに対して、前記常電導部分に発生
するジュール熱は例えば10%OFFの状態で100W
程度と高い。したがって、このジュール熱を利用すれ
ば、ヒーターからの加熱のみを利用する場合よりも、迅
速にOFF動作を行うことができる。
【0023】ヒーターの材質としては、ニクロム線、コ
ンスタンタン線、マンガニン線等の抵抗発熱体を用い
る。これらの材質を用いたヒーターは外部電源より電流
を供給することで容易に発熱し、また発熱量の制御も容
易だからである。また、ヒーターは超電導線材コイルに
接触するように配置するが、両者の間には絶縁材料が介
在していてもよい。
ンスタンタン線、マンガニン線等の抵抗発熱体を用い
る。これらの材質を用いたヒーターは外部電源より電流
を供給することで容易に発熱し、また発熱量の制御も容
易だからである。また、ヒーターは超電導線材コイルに
接触するように配置するが、両者の間には絶縁材料が介
在していてもよい。
【0024】さらに、超電導線材コイルのヒーターを配
置していない面を均熱部材で囲んだ構造としてもよい。
具体的には、例えば超電導線材コイルの外周面にヒータ
ーが配置されている場合には、超電導線材コイルの内周
面,上面,下面を囲むように均熱部材を配置する。この
ような構成とすることで、超電導線材コイルの冷却効率
を向上させ、超電導スイッチのON動作を迅速化するこ
とが可能である。均熱部材としては、例えば薄銅板等の
ような良熱伝導体があげられる。
置していない面を均熱部材で囲んだ構造としてもよい。
具体的には、例えば超電導線材コイルの外周面にヒータ
ーが配置されている場合には、超電導線材コイルの内周
面,上面,下面を囲むように均熱部材を配置する。この
ような構成とすることで、超電導線材コイルの冷却効率
を向上させ、超電導スイッチのON動作を迅速化するこ
とが可能である。均熱部材としては、例えば薄銅板等の
ような良熱伝導体があげられる。
【0025】均熱部材を配置する場合には、ヒーターの
熱が均熱部材に伝導しにくいようにする必要がある。ヒ
ーターの熱が均熱部材に容易に伝導してしまうと、超電
導線材コイルの一部を速やかに常電導状態に転移させる
ことができないからである。この観点から、超電導線材
コイルのヒーターを配置した面には、均熱部材を配置し
ない。また、ヒーターと均熱部材はできるだけ離れてい
ることが好ましい。
熱が均熱部材に伝導しにくいようにする必要がある。ヒ
ーターの熱が均熱部材に容易に伝導してしまうと、超電
導線材コイルの一部を速やかに常電導状態に転移させる
ことができないからである。この観点から、超電導線材
コイルのヒーターを配置した面には、均熱部材を配置し
ない。また、ヒーターと均熱部材はできるだけ離れてい
ることが好ましい。
【0026】
【発明の効果】以上のように、本発明によればON動
作、OFF動作ともに高速な超電導スイッチを得ること
ができる。その結果、超電導コイルマグネットの励消磁
の時間を短縮し、作業性が向上する。また、励消磁時の
液体ヘリウムの消費量を低減できるためコスト的にも有
利である。
作、OFF動作ともに高速な超電導スイッチを得ること
ができる。その結果、超電導コイルマグネットの励消磁
の時間を短縮し、作業性が向上する。また、励消磁時の
液体ヘリウムの消費量を低減できるためコスト的にも有
利である。
【図1】従来の超電導スイッチの断面図である。
【図2】超電導スイッチと超電導コイルマグネットとの
接続を示す概略図である。
接続を示す概略図である。
【図3】本発明の一実施例である超電導スイッチの断面
図である。
図である。
1 巻枠 3 超電導線材コイル 4 断熱層 5 ヒーター 7 均熱部材 9 超電導スイッチ 11 超電導コイルマグネット 13 外部電源
フロントページの続き (72)発明者 菅原 一美 東京都港区虎ノ門一丁目15番16号船舶振興 ビル財団法人シップ・アンド・オーシャン 財団内
Claims (4)
- 【請求項1】 超電導線材コイルを冷却して常電導状態
から超電導状態に転移させることをON動作、ヒーター
で超電導線材コイルを加熱して超電導状態から常電導状
態に転移させることをOFF動作とする超電導スイッチ
において、超電導線材コイルの外面の一部に、超電導線
材コイルを局部的に加熱できるヒーターを配置したこと
を特徴とする超電導スイッチ。 - 【請求項2】 超電導線材コイルを冷却して常電導状態
から超電導状態に転移させることをON動作、ヒーター
で超電導線材コイルを加熱して超電導状態から常電導状
態に転移させることをOFF動作とする超電導スイッチ
において、超電導線材コイルの外面の一部に、超電導線
材コイルを局部的に加熱できるヒーターを配置し、超電
導線材コイルのヒーターが配置されていない外面を均熱
部材で囲んだことを特徴とする超電導スイッチ。 - 【請求項3】 超電導線材コイルにヒーターが接触して
いる部分の面積が、超電導線材コイルのヒーターが配置
された外面の面積の10〜30%であることを特徴とす
る請求項1又は2記載の超電導スイッチ。 - 【請求項4】 OFF動作の際に、超電導線材コイルの
一部のみをヒーターの加熱によって常電導状態とし、そ
の後は常電導状態となった部分から発生するジュール熱
によって超電導線材コイルを加熱することを特徴とする
請求項1、2又は3記載の超電導スイッチ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9074881A JPH10270765A (ja) | 1997-03-27 | 1997-03-27 | 超電導スイッチ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9074881A JPH10270765A (ja) | 1997-03-27 | 1997-03-27 | 超電導スイッチ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10270765A true JPH10270765A (ja) | 1998-10-09 |
Family
ID=13560153
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9074881A Pending JPH10270765A (ja) | 1997-03-27 | 1997-03-27 | 超電導スイッチ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10270765A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116779375A (zh) * | 2022-03-09 | 2023-09-19 | 中国航天科工飞航技术研究院(中国航天海鹰机电技术研究院) | 一种用于高温超导磁体的热控式超导开关 |
-
1997
- 1997-03-27 JP JP9074881A patent/JPH10270765A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116779375A (zh) * | 2022-03-09 | 2023-09-19 | 中国航天科工飞航技术研究院(中国航天海鹰机电技术研究院) | 一种用于高温超导磁体的热控式超导开关 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070501 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20070904 |