JPS62593B2 - - Google Patents

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JPS62593B2
JPS62593B2 JP52120647A JP12064777A JPS62593B2 JP S62593 B2 JPS62593 B2 JP S62593B2 JP 52120647 A JP52120647 A JP 52120647A JP 12064777 A JP12064777 A JP 12064777A JP S62593 B2 JPS62593 B2 JP S62593B2
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JP
Japan
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current
superconducting
switch
wire
wires
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JP52120647A
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Mitsuo Tanaka
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は大電流用の永久電流スイツチに関す
るものである。
磁気浮上列車やエネルギー蓄積装置等に用いら
れる超電導コイルでは、長時間に亘つて一定電流
値で励磁し続ける必要があるため、永久電流励磁
が行われることが多く、この永久電流励磁のため
に通常永久電流スイツチが使用される。
永久電流スイツチとしては機械接触式のものも
あるが、小形、軽量、操作の容易さ等の点から超
電導式のスイツチを用いるのが一般的である。こ
れは超電導線の超電導状態(電気抵抗零)と常電
導状態(電気抵抗有限)の間の遷移を利用してス
イツチ動作を行うものである。
このような超電導式永久電流スイツチを使用す
る際最も大きな問題となるのは、超電導線の持つ
不安定性である。例えばスイツチに超電導状態で
電流を流した場合、超電導線の持つ臨界電流より
はるかに低い電流値で超電導破壊(クエンチ)を
生じてしまうことが往々にある。通常の超電導マ
グネツト等の巻線に用いられる超電導線では、こ
のような不安定性を除くために銅やアルミニウム
等、低温で電気抵抗の低い常電導金属と超電導体
を一体化することにより安定化を図つている。
しかしながら、永久電流スイツチにおいては、
常電導状態の電気抵抗(スイツチ開放時の抵抗)
を可及的に高くする必要があるため、上述したよ
うな安定化線材を用いることはできず、超電導線
をかなり不安定な状態で使用せざるを得ない。し
かも、上記のような不安定性は大電流容量を得る
ために超電導線の断面積を大きくするほど著しく
なるという傾向がある。
例えば第1図は単位素線(約60μm径のNb−
Ti線305本を集合した撚線を単位素線とする)を
複数本用いた永久電流スイツチの単位素線本数
と、単位素線1本当りの電流容量の関係を示す図
であるが、素線を何本か束ねて永久電流スイツチ
の超電導線を構成しようとした場合、素線本数が
増すほど単位素線1本当りの電流容量が低下する
ことがわかる。このことは所要電流値が大きくな
るほど飛躍的に大量の超電導線を用いなければな
らないことを意味し、小形、軽量の大電流用永久
電流スイツチの実現を困難にする。
このような難点を解決する手段としては、第2
図に示すように断面積の小さい超電導線、すなわ
ち第1図の例では少ない素線本数のスイツチ(こ
れを単位スイツチと称する)1を作製し、この単
位スイツチ1を必要個数だけ並列に接続して用い
れば良いことは極めて容易に考え得る。即ち、こ
の場合の並列接続においては、各単位スイツチ1
は磁気的にも電気的にも空間的にも完全に分離さ
れており、各単位スイツチ1の電流容量は極めて
大きい。第1図に示す特性の超電導線を例にとれ
ば、1300Aの電流容量を持つスイツチを単一のス
イツチで実現しようとすると、6本の単位素線を
必要とするが、1本の単位素線よりなる単位スイ
ツチを作製すれば、これは約470Aの許容電流を
持つから、これを3個並列に用いれば十分であ
り、単一のスイツチに比べ素線本数が1/2とな
る。
このように単位スイツチの並列使用の方式をと
れば、超電導線の使用量が少なく、小形軽量のス
イツチが実現でき、しかも常電導抵抗が高くとれ
るほか、1個の単位スイツチを設計しておけば後
は個数を増すだけで全ての電流値をカバーできる
ため、設計、製作上著しい簡略化が図れるという
利点もある。
しかるに、如上の単位スイツチを用いる方式に
も以下に述べるような大きな難点が存在する。
すなわち、複数個の単位スイツチ1を並列接続
する場合、超電導線2と、これに接続すべき導体
(例えば超電導コイルのリード線)3との接続部
4において個々の超電導線を均一な接続抵抗を持
つように接続することが極めて困難なためであ
り、以下これを詳細に述べる。
通常、超電導線の接続部では、超電導体同士を
溶接やろう付けによつて直接接続する方法は採用
されない。それはこのような接続部ではその電流
容量が他の部分より低下してしまうことが多く、
また最近一般に用いられている極細多芯超電導線
(FM線)等では常電導金属基材を除去して超電
導芯線を露出させ、これらを互いに接続するのは
技術的にも困難であり、接続部での特性が著しく
低下するおそれがある。
このため、通常、超電導線の接続は常電導金属
基材(多くは銅)で覆われたままの状態でソルダ
等によるろう付け接続が行われる。永久電流スイ
ツチに用いられる超電導線は常電導状態での高抵
抗を確保するため、低抵抗の基材を除去したもの
が用いられるが、超電導コイルのリード線等を接
続すべき両端部は、上記の理由から基材を残して
ソルダでろう付け接続するのが普通である。
第3図はこのような接続部の接続状態を示すも
のであり、超電導芯線5,5′を流れる電流は接
続部4では常電導金属基材6,6′及びソルダ7
を介して流れることになるため、この部分に電気
抵抗、いわゆる接続抵抗が存在することになる。
接続抵抗は常電導金属基材6,6′とソルダ7の
抵抗によつて決まるが、その大部分はソルダ7の
抵抗である。基材として最も多く用いられる無酸
素銅と、ソルダとして一般的なPb−60%Snハン
ダの液体ヘリウム温度での抵抗率を比較すると、
前者では1×10-8Ωcm程度、後者では5×10-7Ω
cm程度と後者は前者の約50倍の値を持つため、た
とえ基材層に比べソルダ層の厚さがかなり薄くと
もソルダ層の抵抗が支配的となる。このような相
対関係は基材金属としてアルミニウムを、ソルダ
材料として他の低融点合金等を用いてもそれほど
変わらない。
上述のように接続抵抗が主としてソルダの抵抗
によつて決まるとすると、接続抵抗値がかなり大
きなバラツキを持つことは避け難い。何故なら
ば、ソルダ層7の厚さや幅はろう付けの際の加熱
温度、超電導線の表面状態、超電導線同士の圧着
強度等により大きく変化する可能性があるためで
ある。第4図は1.6mm×3.2mmの矩形断面の無酸素
銅の基材の中に60μm径のNb−Ti超電導芯線365
本が埋込まれたFM線同士をPb−60%Snハンダで
接続した長さ5cmの接続部の接続抵抗を測定した
結果を示すものである。測定は全く同一条件で作
製された5個の試料について、通常の4端子法に
より、外部磁界5KGを印加し、500Aの電流を流
すことにより行われた。第4図のグラフからも明
らかなように全く同じように作製した試料である
にもかかわらず接続抵抗はかなり大きく変動して
おり、最大と最小で約4倍も異なつている。
次に、前述したような単位スイツチを並列接続
して使用する場合、電流がどのような割合いで単
位スイツチに流れるかを第5図に示す等価回路を
用いて考察する。第5図において、L1,L2
…,Lnは各単位スイツチの自己誘導係数、r1,r2
……,rn及びr′1,r′2,……r′nは各単位スイツチ
とこれに接続されるリード線との接続抵抗であ
る。
さて、回路に電流I0が流れると、各単位スイツ
チに流れる電流I1,I2,……,Inは定常状態では
次式で与えられる。
I1=Rt/R・I0 I2=Rt/R・I0 ……(1) 〓 In=Rt/Rn・I0 ここに、1/Rt=1/R+1/R+……+1/
Rn R1=r1+r′1、R2=r2+r′2、 ……Rn=rn−r′n 各々の単位スイツチの許容電流をIqとすると、
(1)式で与えられる分流電流のうち最も大きい値、
すなわち最も小さい接続抵抗を持つ単位スイツチ
の電流値がIqに達したときの全電流値が全体の許
容電流となる。今、仮りにIq=500Aの単スイツ
チを4個並列に用いた場合を例にとつて考える
と、4個の単位スイツチの接続抵抗R1,R2
R3,R4が全て等しい場合には電流I1,I2,I3,I4
も等しくなり、この値がIqに達したところで全体
の許容電流Iqtが決まる。従つて、Iqt=4Iq=
2000Aとなる。
一方、接続抵抗にバラツキがあり、例えば
R1:R2:R3:R4=1:2:3:4になつていた
とすると、I1:I2:I3:I4=1:1/2:1/3:1/4と
なる。I1=Iqで全体の許容電流が決まるから、
Iqt=25/12・Iq=1042Aとなり、等抵抗の場合の約 1/2になる。
以上は定常状態についてであるが、過度状態を
考えると、自己誘導係数L1,L2,……,Lnが抵
抗R1,R2,……,Rnに比べて十分大きいとすれ
ば、全電流I0が変化しているときには各電流I1
I2,……,Inは略自己誘導係数L1,L2,……,Ln
で決まる電流分布をとり、I0=一定になると抵抗
R1,R2,……,Rnで決まる電流分布に徐々に移
行する。この移行過程で最も接続抵抗の小さな単
位スイツチの電流値が単位スイツチの許容電流Iq
に達したときにクエンチする。すなわち、時間遅
れを伴つたクエンチ現象が現われる。発明者等が
行つた実験の一例では、470Aの許容電流をもつ
単位スイツチ3個を並列にして1000Aの電流を流
した場合、電流一定にして53分後にクエンチし
た。
要約すると、単位スイツチを複数個並列接続し
て大電流容量の永久電流スイツチを構成した場
合、従来の接続構造では接続抵抗のバラツキが不
可避的であるため、希望通りの電流容量を持ち、
長時間に亘つて電流を流し続け得る信頼性の高い
スイツチは簡単に得られないという欠点があつ
た。
この発明は上記の欠点を解消し、長時間安定し
て電流を流し続けることができる小形で大電流容
量の永久電流スイツチを提供することを目的とす
る。
この発明に係る永久電流スイツチは、単位スイ
ツチの超電導線として低温で高い電気抵抗を持つ
常電導金属(例えばキユプロニツケル)の基材の
中に超電導芯線が埋込まれたものを用いたことを
特徴とするものであつて、接続部での接続抵抗が
略等しくなつて各単位スイツチの電流分布が均一
化される。
すなわち、基材金属のキユプロニツケルの液体
ヘリウム温度での抵抗率は4×10-5Ωcmであり、
Pb−60%Snハンダの約80倍の大きさを持つた
め、並列接続の接続部における接続抵抗は殆んど
キユプロニツケル基材で決まるといつてもよい。
しかも、キユプロニツケル基材の抵抗は、超電導
線の幾何学的形状が同じであれば略同じ値をと
る。従つて、接続部は略等しい接続抵抗をもつて
接続することが可能となる。
第6図は0.3mm径のキユプロニツケル基材に超
電導線114本が埋込まれたFM線と、2.1mm径の銅
基材のFM線を長さ15cmに亘つてPb−60%Snハン
ダで接続した接続部の抵抗を測定した結果を示す
ものである。測定は同一条件で作製された18個の
試料について外部磁界5KG、100Aの電流で行つ
た。その結果は図示のグラフより明らかなように
接続抵抗のバラツキが12%以内に収まり、第4図
に示すものに比べて極めて小さくなる。
第7図は上記の試料と同構成の0.3mm径のキユ
プロニツケル基材FM線を6本用いた撚線で単位
スイツチを作製し、これを並列接続した場合の並
列個数と許容電流値の関係を示すものである。1
個の単位スイツチは約550Aの許容電流値を持つ
ているが、これを並列接続した場合許容電流は並
列個数に略比例して増加しており、1個当りの許
容電流の低下は見られない。また、この単位スイ
ツチ3個を用いたものに1400Aの電流を6時間以
上流し続けてもその間クエンチは起こらず、前に
述べたような時間遅れを伴つたクエンチ現象も全
くない。
なお、上記説明では単位スイツチに0.3mm径の
キユプロニツケル基材のFM線の6本撚線を用い
たが、線の数、サイズ等はその値に限定されるも
のではなく、適宜選定し得る。また、キユプロニ
ツケル基材はスイツチを構成する超電導線の全長
に亘つて被着する必要はなく、接続部のみ存在す
るだけで十分である。さらに、基材材料はキユプ
ロニツケルに限るものではなく、低温でこれと同
程度の抵抗率、すなわち10-5Ωcm以上の抵抗率を
有する金属、例えばマンガニン、コンスタンタ
ン、モネル、インコネル、オーステナイト系ステ
ンレス鋼等を用いても同様の効果が期待できる。
以上のようにこの発明によれば、キユプロニツ
ケル等、低温で10-5Ωcm以上の抵抗率を有する金
属を少なくとも単位スイツチを構成する超電導線
の並列接続部に基材として用いたので、長時間安
定して電流を通電し続けることが可能な小形軽量
で大電流容量の永久電流スイチを提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の永久電流スイツチにおける超電
導線の素線本数と素線1本当りの許容電流の関係
を示すグラフ、第2図は単位スイツチを複数個並
列接続した場合を示すブロツク図、第3図は超電
導線同士の接続状態を示す断面図、第4図は接続
部における接続抵抗のバラツキを説明するグラ
フ、第5図は単位スイツチを複数個並列接続した
場合の等価回路図、第6図はこの発明に係る永久
電流スイツチに用いるキユプロニツケル基材超電
導線の接続部における接続抵抗の均一化を説明す
るためのグラフ、第7図はこの発明における単位
スイツチの個数と許容電流の関係を示すグラフで
ある。 1……単位スイツチ、2……超電導線、3……
スイツチと接続すべき導体、4……接続部、5,
5′……超電導芯線、6,6′……常電導金属基
材、7……ソルダ。なお、図中同一符号は同一ま
たは相当部分を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 超電導線の超電導状態と常電導状態との間の
    遷移により開閉状態を得る単位スイツチを複数個
    並列接続した永久電流スイツチにおいて、前記超
    電導線は少なくとも並列接続される接続部では常
    電導金属の基材の中に超電導芯線を埋込んだ構造
    とし、前記常電導金属は上記超電導線が超電導状
    態を呈する温度で10-5Ωcm以上の電気抵抗率を有
    するものとしたことを特徴とする永久電流スイツ
    チ。
JP12064777A 1977-10-06 1977-10-06 Permanent current switch Granted JPS5454277A (en)

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JP12064777A JPS5454277A (en) 1977-10-06 1977-10-06 Permanent current switch

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JPS5454277A JPS5454277A (en) 1979-04-28
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS544836B2 (ja) * 1973-09-21 1979-03-10

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JPS5454277A (en) 1979-04-28

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