JP2000068567A - 伝導冷却式永久電流スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】伝導冷却式永久電流スイッチにおいて良好な熱
伝導による冷却を可能とし、少ないヒータ入熱でＯＦＦ
動作が行え、かつ短時間でＯＮ、ＯＦＦ動作ができるこ
とを課題とする。 【解決手段】実質的に境目のない単一の素材で構成さ
れ、太径中実円柱状または太径肉厚円筒状の巻き胴部を
もつ巻枠と、上記巻き胴部の周囲に密着する薄肉円筒状
の巻き線部を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超電導磁石を永久電
流モードで励磁するために用いる永久電流スイッチにお
いて、特に小型冷凍機等を用いて熱伝導により冷却され
る永久電流スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超電導磁石を永久電流モードで励磁する
ためのスイッチとして、熱式の永久電流スイッチが従来
より用いられている。

【０００３】熱式の永久電流スイッチを用いた超電導磁
石装置の等価回路図を図４に示す。超電導磁石２１と永
久電流スイッチ２２は、共にクライオスタット２３に収
納され、そのクライオスタット２３内で液体ヘリウムに
浸漬されて冷却される。上記超電導磁石２１は金属系又
は酸化物系の超電導導体を用いたコイルであり、上記永
久電流スイッチ２２は、無誘導巻された超電導線２６と
その超電導線２６を常電導転移させるためのヒータ２５
を備えている。上記超電導磁石２１は上記永久電流スイ
ッチ２２の上記超電導線２６と並列に励磁用電源２４に
接続される。この励磁用電源２４から上記超電導磁石２
１に電流を供給して励磁を行う際に、上記永久電流スイ
ッチ２２の上記ヒータ２５に通電して上記超電導線２６
を加熱すると、その超電導線２６は常電導状態に転移し
抵抗を生じるために、上記永久電流スイッチ２２は抵抗
のあるＯＦＦ状態となる。この状態では上記励磁用電源
２４からの電流は主に上記超電導磁石２１に流れ、超電
導磁石２１の励磁が行われる。

【０００４】上記超電導磁石２１が所定の電流値まで励
磁された状態で上記ヒータ２５への通電を止めると、上
記永久電流スイッチ２２は上記クライオスタット２３内
で周囲の液体ヘリウムにより冷却され、上記超電導線２
６は超電導状態に転移する。これにより上記永久電流ス
イッチ２２は抵抗の無いＯＮ状態となり、上記超電導磁
石２１の両端は超電導的に短絡される。この状態で上記
励磁電源２４からの電流の供給を減少していくと、上記
超電導磁石２１の電流は上記永久電流スイッチ２２との
間で形成される超電導ループを循環して流れ、上記超電
導磁石２１が永久電流モードで励磁された状態となる。

【０００５】上述のように液体ヘリウムに浸漬冷却され
た状態で用いられる、従来の熱式の永久電流スイッチの
構造の一例を示す縦断面図を図５に示す。超電導線３１
は、その中心で折返すようにして二本巻きにした無誘導
巻で巻枠３３に巻付けられている。上記超電導線３１の
内側又は外側にはヒータ線３２が巻付けられている。場
合により、上記ヒータ線３２は上記超電導線３１の層間
に巻付けられることもある。上記巻枠３３はＦＲＰ等よ
りなる円筒状の巻胴３４の両端に、同じくＦＲＰ等より
なる円盤状の巻き鍔３５が固定され、ボビン形状となっ
ている。上記超電導線３１の巻き線部の周囲には、ＦＲ
Ｐ等からなる外筒３６が被せられている。上記超電導線
３１は、ヒータ線３２により暖められ常電導転移した際
に高い抵抗が発生する必要がある。そのため比抵抗が通
常用いられている銅に比べて高い銅−ニッケル合金など
を母材とし、この母材に超電導フィラメントを埋込んだ
極細多芯超電導線が用いられている。

【０００６】ところで近年超電導磁石を冷却するに際し
上記のように液体ヘリウムに浸漬するのではなく、小型
冷凍機の冷却端に熱的に接続することで熱伝導により冷
却し超電導状態を得る、いわゆる伝導冷却型超電導磁石
の開発が盛んになっている。この伝導冷却型超電導磁石
においても、永久電流モードでの励磁が検討されてお
り、それに用いる永久電流スイッチの熱伝導による冷却
についても検討が行われつつある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の永久電流スイッ
チは冷媒となる液体ヘリウムに浸漬された状態で使用さ
れるのが通常であった。この場合、永久電流スイッチは
常に周囲から液体ヘリウムにより充分に冷却されてい
る。このため、ヒータにより昇温した常電導のＯＦＦ状
態から、超電導状態であるＯＮ状態への冷却は速やかに
行われ、特に困難は生じなかった。しかし永久電流スイ
ッチを液体ヘリウムに浸漬せずに熱伝導により冷却した
場合、次の問題が生じる。

【０００８】（イ）熱伝導による冷却は液体ヘリウムへ
の浸漬による冷却に比べ冷却速度が遅いために、ヒータ
により昇温したＯＦＦ状態から、超電導であるＯＮ状態
への冷却には長い時間がかかる。

【０００９】（ロ）永久電流スイッチでのヒータの発熱
は永久電流スイッチを温めるだけでなく、冷却に用いる
冷凍機や永久電流運転される超電導磁石に熱伝導により
伝達される。伝導冷却型超電導磁石の冷却に用いる小型
冷凍機の４Ｋ付近での冷却能力は数ワット以下に限られ
るのが普通である。そのため、永久電流スイッチのヒー
タによる発熱は冷凍機に対して大きな熱負荷となる。ま
た過度の発熱は永久電流スイッチだけでなく超電導磁石
の温度上昇にもつながり、冷凍機の冷却が追いつかない
場合は超電導磁石が常電導転移する事態も生じる。

【００１０】永久電流スイッチの冷凍機への熱的な接続
を良好にし冷凍機への熱はけを良くした場合、上記
（イ）の冷却時間の問題は改善される半面、上記（ロ）
の冷凍機に対する熱負荷は増大することになる。永久電
流スイッチの冷却において両者は裏腹の関係となるた
め、永久電流スイッチを冷凍機による伝導冷却で用いる
際の問題となっている。

【００１１】この問題を解決するために特開平８−１３
８９２８号公報に記載の発明の様に、冷凍機からつなが
る冷却ステージと永久電流スイッチの間の熱伝導を断続
する可動式の熱スイッチを備えたシステムなどが提案さ
れている。しかし、極低温における可動式の装置の動作
には問題も多く、複雑な可動部分を用いない、シンプル
かつ伝導冷却に適した永久電流スイッチが望まれてい
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第１の手段は、伝導冷却
式永久電流スイッチにおいて、永久電流スイッチの巻枠
が外部の冷却源に熱伝導による冷却可能に接続され、か
つその巻枠は実質的に境目のない単一の素材により成形
されていることである。

【００１３】従来の浸漬冷却による永久電流スイッチで
は、製作上の容易さから巻枠は上述のようにパイプ状の
巻胴の両端に円盤状の巻き鍔を接続し、ボビン状に組立
てる構造が普通であった。この場合、巻胴と巻き鍔の間
には継目が存在し、必ずしも熱的な接触が確保されてい
なかった。本発明では単一のＦＲＰ素材から機械加工に
より削り出すなどの方法により、巻枠を境目の無い単一
の素材で成形する。これにより巻枠における熱伝導特性
を向上し、また大量生産した場合にも熱伝導特性がばら
つくことがなくなる。この巻枠は冷凍機の冷却ヘッドに
熱的に接続され、この巻枠における熱伝導により、永久
電流スイッチの超電導巻き線部全体が良好に熱伝導によ
り冷却される。

【００１４】第２の手段は、伝導冷却式永久電流スイッ
チにおいて、冷却源に接続される巻枠は熱流を確保すべ
く太径中実円柱状または太径肉厚円筒状の巻胴部を備
え、超電導巻き線部は前記巻胴部の周囲に密着する薄肉
円筒状をなしていることである。

【００１５】前述のように伝導冷却式永久電流スイッチ
では、ＯＦＦ状態ではヒータにより超電導線の巻き線部
が臨界温度以上に昇温される必要があり、ＯＮ状態では
超電導線の巻き線部は熱伝導により臨界温度以下に冷却
される必要がある。ここで、ＯＮ状態への冷却に必要な
時間を短縮し、かつ冷凍機への冷却負荷の増大を押える
ためには、ＯＦＦ動作時には超電導巻き線部全体が温度
差の少ない均一な温度の状態で臨界温度直上までヒータ
により昇温され、ＯＮ動作時には超電導巻き線部全体が
均一に臨界温度以下になるまで冷却されることが重要で
ある。超電導巻き線部に温度差が生じる場合、ＯＦＦ動
作時には、超電導巻き線部の温度の最も低い部分が臨界
温度以上になるようにヒータ入熱を行う必要があるた
め、必要なヒータ入熱の量が増大し、冷凍機の冷却負荷
の増大につながる。また、ＯＮ動作時には超電導巻き線
部の最も温度の高い部分が臨界温度以下に冷却されるま
で完全なＯＮ状態とならず、冷却に長い時間がかかるこ
とになる。

【００１６】本発明においては、永久電流スイッチの巻
枠は熱流を確保すべく太径中実円柱状または太径厚肉円
筒状の巻胴部を備えることで、この巻胴を介して永久電
流スイッチの超電導巻き線部全体が熱伝導により充分に
冷却され、巻胴部における充分な熱伝導により超電導巻
き線部における巻枠軸方向の温度勾配が小さくなる。ま
た超電導巻き線部は上記巻胴部の周囲に密着する薄肉円
筒状をなしているために、超電導巻き線部における半径
方向の温度差も必然的に小さなものとなる。したがって
超電導巻き線部全体の温度差が少なく、均一な温度で冷
却が可能となる。これによりＯＮ動作時の冷却に必要な
時間を短縮することができる。

【００１７】本発明においては、薄肉円筒状の超電導巻
き線部の周囲に円筒状のヒータ部を同心状に近接して備
えることが望ましい。これにより、薄肉円筒状の超電導
巻き線部はその周囲に備えられたヒータ部により均一に
暖められることになり、最小限のヒータ入熱でＯＦＦ動
作が可能になり、冷凍機の冷却負荷を低減することがで
きる。

【００１８】本発明において充分な効果を得るために
は、巻胴部の太さは、巻胴部の線が巻かれる部分の軸方
向の長さの０．５倍以上であることが望ましい。冷却特
性の面からは巻胴部の太さの上限は制限されないが、永
久電流スイッチを必要以上に大きなものとしないために
は、巻き胴部の太さは、巻き胴部の線が巻かれる部分の
軸方向の長さの２倍以下とするのが適当である。

【００１９】また、上記第１の手段及び第２の手段は、
共に伝導冷却式永久電流スイッチの巻枠部分の熱伝導に
関するものであり、両手段を同時に実施することでより
高い効果が得られる。

【００２０】第３の手段は、伝導冷却式永久電流スイッ
チに用いる上記超電導線として、超電導材料のフィラメ
ントを銅−３０％ニッケル合金からなる母材に埋込んだ
極細多芯超電導線を用いる事である。

【００２１】従来の永久電流スイッチ用の超電導線材と
しては、超電導材料のフィラメントを比抵抗の高い銅−
ニッケル合金の母材に埋込んで極細多芯線としたものが
用いられている。この銅−ニッケル合金としては、市場
における入手のし易さ、物性、加工性の点から銅−１０
％ニッケル合金が広く用いられている。また、特に永久
電流スイッチの小型化が求められる場合には、より比抵
抗の高い銅−３０％ニッケル合金が用いられる事もあ
る。通常の銅−３０％ニッケル合金は銅基材に概略２９
〜３３％のニッケルと若干の不純物元素を含むものであ
る。

【００２２】伝導冷却式永久電流スイッチにおいて、上
記第２の手段を採用し、巻き線部を薄肉円筒状にした場
合、永久電流スイッチの外形寸法に比して線材の占める
体積が相対的に少なくなり、巻き線できる超電導線の長
さが短くなる。しかし常電導転移時に要求される高い抵
抗値を得るためには、巻き線部をある程度厚くし、充分
な超電導線の長さを確保したいという要求が生じる。銅
−３０％ニッケル合金を超電導線の母材に用いた場合は
銅−１０％ニッケル合金を用いたものに比べおよそ２倍
の抵抗が得られるため、同じ抵抗を得るのに必要な超電
導線の長さが短くて済み、巻き線部の薄肉化を図ること
ができる。したがって、上記の巻き線部を均一に冷却で
きる作用がより顕著に得られ、冷凍機の冷却負荷の低減
と冷却に必要な時間の短縮の点で特に効果が大きい。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例における永久電
流スイッチの縦断面図を図１に示す。

【００２４】ＦＲＰからなる巻枠１には、超電導線２
が、その中心部分で折返して無誘導にソレノイド巻され
て、巻き線部を構成している。本実施例では巻き線部に
おける巻き線の層数は２層、１層あたりの巻き線回数は
８４ターンであり、巻き線部は全体として薄肉円筒状の
形状をなしている。上記超電導線２の巻き線長さは１１
ｍである。上記超電導線２は銅−３０％ニッケル合金の
マトリックスにニオブ−チタン合金のフィラメントを約
７００本埋込んだ極細多芯線であり、外形０．３ｍｍの
素線にホルマールによる絶縁が施されている。上記超電
導線２の巻き線部の周りにはガラスファイバ製のテープ
が巻付けられ、さらにエポキシ樹脂をぬりこむことで内
部絶縁層３が形成されている。内部絶縁層３の周囲には
ヒータ線４がソレノイド巻され、さらにその周りにはガ
ラスファイバ製のテープが巻付けられエポキシ樹脂を塗
り込むことで外部絶縁層５が形成されている。これら巻
枠１、超電導線２、内部絶縁層３、ヒータ線４、外部絶
縁層５により本発明による永久電流スイッチ６が構成さ
れ、巻枠１は外部の冷凍機によって冷却される極低温冷
却ステージ７に熱伝導が可能に接触して取付けられ、金
具８により固定されている。

【００２５】図２は、本実施例に用いた上記巻枠１の斜
視図である。

【００２６】上記巻枠１は単一のＦＲＰブロックの円柱
から切削加工を行うことで成形され、上記超電導線２の
巻き線が行われることになる、切削加工により細く加工
された巻胴部１ａと、巻胴部１ａの両端に位置する巻き
鍔１ｂ、１ｃより構成されている。上記巻胴部１ａの太
さの直径は２０ｍｍ、軸方向の長さは３０ｍｍ、上記巻
き鍔１ｂ、１ｃの部分の太さの直径は２６ｍｍであり、
巻枠全体の軸方向の長さは４２ｍｍである。図２中下側
に位置する上記巻き鍔１ｃには無誘導に上記超電導線２
を巻き線する際に、超電導線２の中間が折返えされるた
めの溝９が設けられている。この実施例においては、上
記巻枠１の中心軸上には直径４mmの貫通孔１０が設けら
れており、巻胴部１ａは太径肉厚円筒状となる。

【００２７】本実施例による永久電流スイッチの超電導
磁石装置への適用状況を示す断面模式図を図３に示す。

【００２８】超電導磁石装置の筐体をなす真空容器１１
には小型冷凍機１２が取付けられている。上記真空容器
１１の内部には冷却シールド１３が設けられ、さらにそ
の内部に超電導磁石１４及び、本実施例による永久電流
スイッチ６が取付けられている。上記超電導磁石１４及
び上記永久電流スイッチ６は熱伝導性の良い金属部材か
らなる極低温冷却ステージ７に熱伝導可能に接触して固
定されており、この極低温冷却ステージ７は上記小型冷
凍機１２の極低温冷却ヘッド１２ｂに接続されて４Ｋ付
近に冷却される。また上記冷却シールド１３も上記小型
冷凍機１２の低温冷却ヘッド１２ａに接続されて冷却さ
れ、内部への輻射熱の浸入を低減している。

【００２９】

【実施例】本実施例による永久電流スイッチについて伝
導冷却状態で各種特性の試験を行った。

【００３０】１．通電容量試験 上記ヒータ線４に通電しない状態で上記超電導線２への
通電試験を行った。外部磁界を印加しない条件で最大２
１２Ａの通電電流まで超電導線２の常電導への転移は生
じなかった。また通電電流８２Ａで１３０分の連続運転
試験においても常電導転移は生じず安定な運転が行え、
上記巻枠１を介した伝導冷却が有効に作用していること
を確認した。

【００３１】２．ヒータ動作試験 上記超電導線２に１ｍＡの電流で通電をした状態で、上
記ヒータ線４の動作試験を行った。上記超電導線２を常
電導に転移させＯＦＦ状態とするための最小ヒータ加熱
は５６．４ｍＷであった。最小ヒータ加熱は、上記超電
導線２が完全に常電導転移した状態の９０％以上の抵抗
を発生した点で定義した。この最小ヒータ加熱の値は通
常の小型冷凍機の４Ｋ付近での冷却容量に比して十分小
さく、冷凍機による冷却を行う際に過度の冷却負荷とな
らないことが確認できた。またヒータ加熱１３５ｍＷ、
加熱時間５秒とした場合に、永久電流スイッチのＯＦＦ
転移に要する時間、ＯＮ転移に要する時間はそれぞれ最
短の１０秒となった。巻胴部を太径厚肉円筒状とし、巻
き線部を巻胴部の周囲に密着する薄肉円筒状としたこと
で、少ないヒータ加熱量でＯＦＦ動作が可能となり、き
わめて迅速にＯＦＦ動作、ＯＮ動作が行えることが確認
できた。

【００３２】また本実施例による永久電流スイッチの上
記超電導線２は、伝導冷却下で常電導転移したＯＦＦ状
態で４６Ω、常温では５８．４Ωの抵抗を発生した。銅
−３０％ニッケルを用いたことにより、超電導巻き線部
を巻き線層数の少ない薄肉円筒状とした場合でも、永久
電流スイッチとして用いるのに充分な大きさの抵抗を確
保できた。

【００３３】なお、本発明は上記実施例にとらわれるも
のではない。上記実施例では、上記巻枠１に固定のため
の上記貫通孔１０を設けたことで、上記巻枠１の巻胴１
ａを太径肉厚円筒状としたが、貫通孔を備えず、巻胴が
太径中実円柱状となるようにしても良い。上記実施例で
は、超電導線２としてニオブ−チタン合金の極細多芯線
を用いたが、ニオブ−スズ等の金属間化合物や酸化物超
電導体による超電導線を用いても良い。上記実施例にお
いては、超電導線２の巻き線部の巻き線層数は２層であ
るが、超電導巻き線部の厚みが巻胴部の直径に比べて十
分小さく、超電導巻き線部全体として薄肉円筒状を構成
するのであれば、数層から十数層の巻き線層数であって
も同様の効果が発揮できる。

【００３４】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、伝導冷却
式永久電流スイッチにおいて、巻枠の熱伝導特性を向上
することで超電導巻き線部が良好に冷却され、熱伝導に
よる冷却条件においても超電導状態が不安定になること
なく充分な通電容量が得られる。さらに巻き線部分が均
一に昇温、冷却されるので、少ないヒータ入熱でＯＦＦ
動作ができることで冷凍機の冷却負荷が低減され、また
短い時間でのＯＮ、ＯＦＦ動作が可能となるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による永久電流スイッチの実施例の縦断
面図である。

【図２】本発明による永久電流スイッチの実施例に用い
た巻枠の斜視図である。

【図３】本発明による永久電流スイッチの超電導磁石装
置への適用状況を示す断面模式図である。

【図４】永久電流スイッチを用いた超電導磁石装置の等
価回路図である。

【図５】従来の永久電流スイッチの構造の一例を示す縦
断面図である。

【符号の説明】

１ 巻枠 ２ 超電導線 ４ ヒータ線 ６ 永久電流スイッチ ７ 極低温冷却ステージ １２ 小型冷凍機 １４ 超電導磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 伸夫 神奈川県川崎市川崎区小田栄２丁目１番１ 号 昭和電線電纜株式会社内 Ｆターム(参考） 4M114 AA01 AA15 AA21 AA30 CC03 CC11 DB13 DB17 DB29

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】巻枠と、その巻枠に巻かれた超電導線より
   なる超電導巻き線部と、前記超電導線を常電導に転移さ
   せるためのヒータとを備え、外部の冷却源により熱伝導
   にて冷却される伝導冷却式永久電流スイッチにおいて、
   前記巻枠は前記冷却源に熱伝導にて冷却されるように接
   続され、かつ実質的に境目のない単一の素材により成形
   されていることを特徴とする伝導冷却式永久電流スイッ
   チ。
2. 【請求項２】巻枠と、その巻枠に巻かれた超電導線より
   なる超電導巻き線部と、前記超電導線を常電導に転移さ
   せるためのヒータとを備え、外部の冷却源により熱伝導
   にて冷却される伝導冷却式永久電流スイッチにおいて、
   前記巻枠は前記冷却源に熱伝導にて冷却されるように接
   続され、かつ熱流を確保すべく太径中実円柱状または太
   径肉厚円筒状の巻胴部を備え、前記超電導巻き線部は前
   記巻胴部の周囲に密着する薄肉円筒状をなすことを特徴
   とする伝導冷却式永久電流スイッチ。
3. 【請求項３】前記巻枠は熱流を確保すべく太径中実円柱
   状または太径肉厚円筒状の巻胴部を備え、前記超電導巻
   き線部は前記巻胴部の周囲に密着する薄肉円筒状をなす
   ことを特徴とする請求項１に記載の伝導冷却式永久電流
   スイッチ。
4. 【請求項４】前記超電導線は超電導材料からなるフィラ
   メントを銅−３０％ニッケル合金からなる母材に埋込ん
   だ極細多芯超電導線である請求項１乃至３のいずれかに
   記載の伝導冷却式永久電流スイッチ。