特許 7558679 永久電流スイッチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-20

(45)【発行日】2024-10-01

(54)【発明の名称】永久電流スイッチ

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/355 20230101AFI20240924BHJP

   H10N 60/20 20230101ALI20240924BHJP

【ＦＩ】

H10N60/355

H10N60/20

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020085691

(22)【出願日】2020-05-15

(65)【公開番号】P2021180280

(43)【公開日】2021-11-18

【審査請求日】2023-02-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】楊 叶

(72)【発明者】

【氏名】小柳 圭

(72)【発明者】

【氏名】中村 英之

(72)【発明者】

【氏名】高見 正平

【審査官】杉山 芳弘

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１０／１４０３９８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－２２１０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－０７４８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３２７０４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ６０／３５５

Ｈ１０Ｎ ６０／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁場を発生させる主コイルと閉回路を形成する無誘導巻コイルと、
前記無誘導巻コイルの超電導状態／常電導状態を切り替えるヒータ部と、
前記無誘導巻コイルからの口出し線の長手方向に沿って電気的に導通し両端が電気的に開放されている添接ワイヤと、を備える永久電流スイッチにおいて、
前記添接ワイヤは、超電導線であり、
前記添接ワイヤの安定化体は、前記口出し線の安定化体よりも高い電気伝導率を持つ、永久電流スイッチ。

【請求項2】

磁場を発生させる主コイルと閉回路を形成する無誘導巻コイルと、
前記無誘導巻コイルの超電導状態／常電導状態を切り替えるヒータ部と、
前記無誘導巻コイルからの口出し線の長手方向に沿って電気的に導通し両端が電気的に開放されている添接ワイヤと、を備える永久電流スイッチにおいて、
前記口出し線と前記添接ワイヤは、ハンダでロウ付け接合されている永久電流スイッチ。

【請求項3】

請求項２に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記添接ワイヤは、超電導線である永久電流スイッチ。

【請求項4】

請求項１又は請求項２に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記添接ワイヤの超電導体は、前記口出し線の超電導体よりも同等または高い臨界電流値を持つ、永久電流スイッチ。

【請求項5】

請求項２に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記添接ワイヤの安定化体は、前記口出し線の安定化体よりも高い電気伝導率を持つ、永久電流スイッチ。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の永久電流スイッチにおいて、
ボビンに巻回される前記無誘導巻コイルの超電導線は、電気絶縁被膜で表面コーティングされており、
前記口出し線は、前記超電導線から前記表面コーティングが除去されている、永久電流スイッチ。

【請求項7】

請求項１に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記口出し線と前記添接ワイヤは、ハンダでロウ付け接合されている永久電流スイッチ。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記無誘導巻コイルが巻回するボビンのフランジ側に、前記口出し線と前記添接ワイヤを案内する案内溝が設けられ、樹脂で固定している、永久電流スイッチ。

【請求項9】

請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記口出し線と前記添接ワイヤは、撚り線構造を持つ永久電流スイッチ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、超電導磁石の永久電流スイッチに関する。

【背景技術】

【0002】

永久電流スイッチ（ＰＣＳ：Persistent Current Switch）は、一般的に、超電導線を無誘導方式で巻回したコイルとヒータとから構成されている。そしてＰＣＳは、ヒータで無誘導巻コイルの温度を制御しその超電導／常電導の相転移を切り替えて、主コイルと成す閉回路のＯＮ／ＯＦＦ動作をする。

【0003】

またＰＣＳの無誘導巻コイルの材質は、超電導磁石の主コイルの材質とは異なるものが用いられている。超電導磁石の主コイルの材質には、ＮｂＴｉ等の超伝導体と無酸素銅（Ｃｕ）の安定化体が一般的に使用されている。これに対しＰＣＳではスイッチ機能を維持するため、安定化体として、Ｃｕに対し低温でも高い電気抵抗を持つ銅ニッケル合金（ＣｕＮｉ）が一般的に使用されている。

【0004】

ＰＣＳの無誘導巻コイルは、ＣｕＮｉを安定化体としたことで、安定化体としてＣｕを用いている一般の超電導磁石の主コイルより、熱拡散が遅いという性質を持っている。このため、巻き線同士の摩擦熱などの擾乱の発生により、ＮｂＴｉ超電導体を流れる電流の一部がＣｕＮｉ安定化体に移り、ジュール発熱に対する熱拡散の遅さにより、超電導から常電導に不可逆的な相転移する場合がある。よって、ＰＣＳは、僅かな擾乱に対し、クエンチが発生しやすいという性質を持つ。

【0005】

ＣｕＮｉ／ＮｂＴｉ超伝導線を安定化させる第１の公知技術として、ＭｇＯ等の絶縁体で超伝導線をコーティングするものがある。この公知技術によれば、ＣｕＮｉ／ＮｂＴｉ超伝導線は、線断面の等価熱伝導率が向上するために、クエンチ安定性の指標である最小クエンチエネルギー(ＭＱＥ：Minimum Quench Energy)が、約１０００倍増加する。

【0006】

また第２の公知技術として、ＣｕＮｉ／ＮｂＴｉ超電導線よりも細くかつ絶縁された複数本の熱良導体の線を、この超電導線の周囲に螺旋状に巻き付けるものがある。いずれの公知技術も、ＣｕＮｉ／ＮｂＴｉ超電導線の全長に亘って高熱伝導率の材料を沿わせることで、擾乱による発生熱を、超電導線の長手方向に熱拡散させている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【文献】S. Yokohama, S. Yamamoto, S. Nakamura, T. Yamada, “Stabilization of CuNi/NbTi superconductors by MgO powder”, Cryogenics, 31(7), 1991, 521-523.

【特許文献】

【0008】

【文献】特開平１０－１１６７２２公報

【文献】特許第３０２０１４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

超電導磁石の冷却方式として、ＧＭ冷凍機等を用いる伝導冷却方式や液体ヘリウムを用いる浸漬冷却式がある。このうち伝導冷却方式における主コイルとＰＣＳの冷却は、冷凍機で低温保持した伝熱板に、両者を支持することにより達成される。このため、伝導冷却方式は、浸漬冷却式に比べて冷却安定性が低いといわれている。

【0010】

ところで、伝導冷却方式の超電導磁石に対し発生したクエンチの位置を調査した結果、多くのケースにおいて、永久電流スイッチの無誘導巻コイルの口出し線がクエンチの起点になっていることが見出された。これは、永久電流スイッチの無誘導巻コイルの口出し線は、伝熱板からの冷熱供給が不十分で、擾乱によるＣｕＮｉ／ＮｂＴｉ超電導線のクエンチ耐性が低下しているためと考えられる。

【0011】

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、クエンチ耐性の高い永久電流スイッチを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

永久電流スイッチにおいて、磁場を発生させる主コイルと閉回路を形成する無誘導巻コイルと、前記無誘導巻コイルの超電導状態／常電導状態を切り替えるヒータ部と、前記無誘導巻コイルからの口出し線の長手方向に沿って電気的に導通し両端が電気的に開放されている添接ワイヤと、を備え、前記添接ワイヤは、超電導線であり、前記添接ワイヤの安定化体は、前記口出し線の安定化体よりも高い電気伝導率を持つか、もしくは、前記口出し線と前記添接ワイヤは、ハンダでロウ付け接合されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明の実施形態により、クエンチ耐性の高い永久電流スイッチが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る永久電流スイッチの回路図。

【図2】実施形態に係る永久電流スイッチの口出し線及び添接ワイヤの断面図。

【図3】実施形態に係る永久電流スイッチの斜視図。

【図4】実施形態に係る永久電流スイッチの断面図。

【図5】実施形態に係る永久電流スイッチにおける口出し線及び添接ワイヤの配線図。

【図6】永久電流スイッチの他の形態を示す斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る永久電流スイッチ１０の回路図である。このように、永久電流スイッチ１０は、磁場Ｂを発生させる主コイル２１と閉回路を形成する無誘導巻コイル１１と、この無誘導巻コイル１１の超電導状態／常電導状態を切り替えるヒータ部１２と、無誘導巻コイル１１からの口出し線１７（１７ａ，１７ｂ）の長手方向に沿って電気的に導通し両端が電気的に開放されている添接ワイヤ１８（１８ａ，１８ｂ）と、を備えている。

【0016】

そして、主コイル２１、永久電流スイッチ１０及びこれらに接触する構造部材は、外界温度から遮断されて超電導転移の分流温度Ｔｃｓ以下に保たれる必要があるため、断熱容器２２に収容されている。

【0017】

超電導電磁石２０は、主コイル２１と無誘導巻コイル１１とで構成される閉回路を冷却して超電導状態にしたうえで永久電流Ｉを循環させ、主コイル２１から磁場Ｂを発生させるものである。この閉回路を超電導状態にするための冷却方式は、液体ヘリウムによる浸漬方式や、極低温冷凍機からの冷熱供給による熱伝導方式がある。

【0018】

なお、冷却方式が熱伝導方式である場合、主コイル２１及び無誘導巻コイル１１は、熱伝導性の高い支持部材（図示略）により支持されており、極低温冷凍機からの冷熱の供給を受ける。上述した二つの冷却方式のいずれであっても、超電導電磁石２０に永久電流Ｉを循環させる起動時に、永久電流スイッチ１０（ＰＣＳ）を用いたＯＦＦ／ＯＮ動作がなされる。なお、永久電流スイッチ１０のＯＦＦ／ＯＮ動作を伴う永久電流Ｉの起動方法については、一般的な方法が採用されるので、説明を省略する。

【0019】

主コイル２１は、超電導線が一方向に巻回して構成され、永久電流Ｉが流れることで磁場Ｂを生成する。永久電流スイッチ１０の無誘導巻コイル１１は、超電導線がそれぞれ逆方向に巻回された二つのコイルが直列に接続され、永久電流Ｉが流れても誘導磁場を生成しない。

【0020】

主コイル２１の一対の引出し線２７（２７ａ，２７ｂ）の終端は、接続部材１６（１６ａ，１６ｂ）に接続されている。また無誘導巻コイル１１の一対の口出し線１７（１７ａ，１７ｂ）の終端も、接続部材１６に接続されている。このように主コイル２１と永久電流スイッチ１０は、双方の終端が接続部材１６（１６ａ，１６ｂ）において相互に接続し、閉回路を形成している。

【0021】

そして永久電流スイッチ１０のヒータ部１２は、無誘導巻コイル１１に近接配置される電気抵抗体２５と、この電気抵抗体２５に電力を供給して発熱させ超電導状態の無誘導巻コイル１１を常電導状態に切り替える電力制御器２６と、を有している。

【0022】

添接ワイヤ１８（１８ａ，１８ｂ）は、無誘導巻コイル１１からの口出し線１７（１７ａ，１７ｂ）の長手方向に沿って電気的に導通し両端が電気的に開放されている。このように添接ワイヤ１８が配置されることで、何らかの原因で口出し線１７に擾乱が発生しても、添接ワイヤ１８を介して分流・放熱されるために、口出し線１７が超電導状態から常電導状態へ転移（クエンチ）することを抑制できる。

【0023】

図２は実施形態に係る永久電流スイッチ１０の口出し線１７（１７ａ，１７ｂ）及び添接ワイヤ１８（１８ａ，１８ｂ）の断面図である。なおボビン１９（図３）に巻回される無誘導巻コイル１１の超電導線は、電気絶縁被膜（図示略）で表面コーティングされているが、口出し線１７はこの表面コーティングが除去されている。そして、口出し線１７は、温度によって超電導状態と常電導状態とが切り替わる第１超電導体３１と、温度によらず常電導状態を示す第１安定化体４１とから構成されている。

【0024】

この第１超電導体３１は、広く実用化されているＮｂＴｉ合金が例示されるが、これに限定されることは無い。なお、第１超電導体３１と第１安定化体４１とは、断面視において層状に形成されているが、このような構造に限定されることはなく例えば海島状に形成される場合もある。

【0025】

ところで、図示を省略するが、主コイル２１の引出し線２７（図１）も、断面視において、永久電流スイッチ１０の口出し線１７（図２）と同様の形態を有している。そして、無誘導巻コイル１１の第１超電導体３１と同様に、主コイル２１の超電導体もＮｂＴｉ合金が適用されている。

【0026】

一方において、主コイル２１の安定化体は電気抵抗値の小さい無酸素銅で構成されるのに対し、無誘導巻コイル１１の第１安定化体４１は無酸素銅よりも電気抵抗値の大きい銅合金で構成されている。このように第１安定化体４１の電気抵抗値を大きくする理由は、永久電流Ｉの循環起動時に永久電流スイッチ１０がＯＦＦ動作する際、無誘導巻コイル１１の電気抵抗が十分大きな値を示す必要があるためである。

【0027】

このように主コイル２１では安定化体に無酸素銅が用いられているのに対し、無誘導巻コイル１１では第１安定化体４１に高抵抗の銅ニッケル合金（ＣｕＮｉ）が用いられている。このＣｕＮｉを安定化体とする超電導線は、無酸素銅を安定化体とする超電導線と比べて安定性が低く、磁気的不安定性によってクエンチが生じ易い。このため超電導電磁石２０では、永久電流スイッチ１０及びその周辺にクエンチ発生のリスクを抱えているといえる。

【0028】

添接ワイヤ１８（図２）の直径は、口出し線１７の直径と同じかもしくはそれよりも小さく設定される。また添接ワイヤ１８は、超電導線で構成することもできる。この場合、添接ワイヤ１８は、温度によって超電導状態と常電導状態とが切り替わる第２超電導体３２と、温度によらず常電導状態を示す第２安定化体４２とから構成されている。第１超電導体３１及び第２超電導体３２、並びに第１安定化体４１及び第２安定化体４２は、それぞれ同じ材質を用いることができる。また添接ワイヤ１８（図２）は、第２安定化体４２を用いずに第２超電導体３２のみの素線で構成することもできる。

【0029】

一方において、添接ワイヤ１８の第２安定化体４２は、口出し線１７の第１安定化体４１よりも高い電気伝導率を持つ材質を選択してもよい。具体的には、第１安定化体４１が銅合金（ＣｕＮｉ）で構成される口出し線１７に対し、添接ワイヤ１８として、第２安定化体４２が純銅で構成される主コイル２１の超電導線を用いてもよい。

【0030】

ところで、高い電気伝導率を持つ金属は高い熱伝導率を持つことは周知である。このため、添接ワイヤ１８の第２安定化体４２が上述した特徴を有することで、何らかの原因で口出し線１７に擾乱が発生しても、添接ワイヤ１８を介して分流・放熱されるために、口出し線１７の超電導状態から常電導状態への転移（クエンチ）を効果的に抑制できる。

【0031】

また添接ワイヤ１８の第２超電導体３２は、口出し線１７の第１超電導体３１よりも高い臨界電流値を持つ材質を選択してもよい。具体的には、第１超電導体３１がＮｂＴｉであった場合、第２超電導体３２としてＭｇＢ₂やＮｂ₃Ｓｎを採用することが考えられる。

【0032】

このため、添接ワイヤ１８の第２超電導体３２が上述した特徴を有することで、何らかの原因で口出し線１７に擾乱が発生しても、電流が隣の添接ワイヤ１８の第２超電導体３２へ迂回する。これにより、口出し線１７の第１安定化体４１で発生するジュール発熱を低減させ、口出し線１７の超電導状態から常電導状態への転移（クエンチ）を効果的に抑制できる。

【0033】

また口出し線１７及び添接ワイヤ１８は、ハンダ３５でロウ付け接合されている。この接合は、口出し線１７及び添接ワイヤ１８の双方において表面の絶縁コーティングを剥がし、全面ハンダメッキする。その後、口出し線１７に添接ワイヤ１８を添わせて、両者の隙間を全部埋めるようハンダ３５で接合する。ハンダ３５はＳｎ含量が多く、熱伝導率が高いものが適している。

【0034】

ハンダ３５でロウ付け接合された後、口出し線１７及び添接ワイヤ１８は、絶縁テープ３６で電気的に絶縁される。この絶縁テープ３６は、超耐寒性を持つポリイミドフィルム等を使用する他にプレプレグテープなど電気絶縁性を有するものが好適に採用される。ここで、口出し線１７の第１安定化体４１を構成するＣｕＮｉの熱伝導率は、４Ｋにおいて約１Ｗ／ｍ／Ｋである。

【0035】

これに対し、ハンダ３５（Ｓｎ６４％－Ｐｂ）の熱伝導率は１２００Ｗ／ｍ／Ｋであり、ＣｕＮｉ第１安定化体４１の約１０００倍である。このようにハンダ３５で口出し線１７及び添接ワイヤ１８を全面メッキすることで、何らかの原因で口出し線１７に擾乱が発生しても、ハンダ３５を介して放熱されるために、口出し線１７の超電導状態から常電導状態への転移（クエンチ）を効果的に抑制できる。

【0036】

図３は実施形態に係る永久電流スイッチ１０の斜視図であり、図４はその断面図である。このように永久電流スイッチ１０は、無誘導巻コイル１１が巻回するボビン１９と、無誘導巻コイル１１及びボビン１９の界面における電気絶縁性を確保する絶縁層３７と、ボビン１９の両端にあるフランジの一方の内側に配置される絶縁板３９と、無誘導巻コイル１１の外周面に接し冷凍機又は冷媒からの冷熱や電気抵抗体２５（図１）からの発熱を伝達する伝熱板３８と、を具備している。

【0037】

図５は実施形態に係る永久電流スイッチ１０における口出し線１７及び添接ワイヤ１８の配線図である。このように永久電流スイッチ１０には、無誘導巻コイル１１が巻回するボビン１９（図４）のフランジ側に配置された絶縁板３９に、口出し線１７と添接ワイヤ１８を案内する案内溝４６が設けられている。また、この絶縁板３９には、無誘導巻コイル１１の超電導線の巻回方向を反転させる反転部材４５が設けられている。

【0038】

案内溝４６は、口出し線１７と添接ワイヤ１８が全部埋没する程度の十分な深さを有し、案内された口出し線１７と添接ワイヤ１８を樹脂で固定する。一般的なコイルの口出し線は、冷熱が供給されにくい位置に配置されていることが多く、擾乱でクエンチの起点となりやすい。

【0039】

しかし、ボビン１９のフランジ側に設けられた案内溝４６に口出し線１７と添接ワイヤ１８が樹脂で固定配置されることで、口出し線の動きによる機械的な擾乱を封じる効果がある。また線の周囲にある樹脂が熱容量を持ち、口出し線の熱安定性を向上させることが期待できる。擾乱が発生しても口出し線１７の超電導状態から常電導状態への転移（クエンチ）を効果的に抑制できる。

【0040】

図６は永久電流スイッチ１０の他の形態を示す斜視図である。この形態においては、口出し線１７と添接ワイヤ１８は、撚り線構造を持つところに特徴がある。一般に、電流と垂直する横磁界は、フィラメント内の電流密度の不均一度を緩和する。このため、フィラメント径を小さくすれば、超電導線は横磁界に対し、安定となる。しかし、電流と平行する縦磁界をかけると、縦磁界の大きさと向きによって、フィラメント内の電流分布の飽和領域が変化しやすくなり、自発的な磁束跳躍、磁気的不安定性が起こってしまう。

【0041】

そこで、口出し線１７と添接ワイヤ１８が撚り線構造を持つことで、電流と磁界の向きをずらすことができ、縦磁界に対する超電導線の磁気的不安定性を緩和させることができる。撚り線構造をとることで、口出し線１７の電気接続の容易性を損なうことなく、磁気擾乱を効果的に抑制することができる。また口出し線１７との熱接触面積が増え、熱的に安定化させる効果がある。

【0042】

以上述べた少なくともひとつの実施形態の永久電流スイッチによれば、口出し線の長手方向に沿って添接ワイヤが設けられることにより、クエンチ耐性を高くすることが可能となる。

【0043】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0044】

１０…永久電流スイッチ、１１…無誘導巻コイル、１２…ヒータ部、１６…接続部材、１７（１７ａ，１７ｂ）…口出し線、１８（１８ａ，１８ｂ）…添接ワイヤ、１９…ボビン、２０…超電導電磁石、２１…主コイル、２２…断熱容器、２５…電気抵抗体、２６…電力制御器、２７（２７ａ，２７ｂ）…引出し線、３１…第１超電導体、３２…第２超電導体、３５…ハンダ、３６…絶縁テープ、３７…絶縁層、３８…伝熱板、３９…絶縁板、４１…第１安定化体、４２…第２安定化体、４２…安定化体、４５…反転部材、４６…案内溝、Ｂ…磁場、Ｉ…循環電流。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】