(57)【要約】【課題】閉状態での損失が少なく、閉状態から開状態への転移を短時間で行うことができる永久電流スイッチを提供する。【解決手段】超電導導体を巻回してなる超電導コイル１６に並列に接続され、前記超電導コイル１６の励磁時には高インピーダンスを顕わして電気的に開状態となり、定格電流に到達後に低インピーダンス状態に変化して閉状態となり前記超電導コイル１６との永久電流ループ１７を構成し、その後の消磁時には高インピーダンスを顕わし電気的に開状態となる永久電流スイッチ１８において、超電導導体によって前記超電導コイルよりも低インダクタンスに形成されたスイッチ部（１８ａ，１８ｂ）と、前記超電導コイルの消磁時に前記スイッチ部を常伝導転移させる電流を供給する電流供給手段（１９，２０）とを備えた構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導導体を巻回してなる超電導コイルに並列に接続され、前記超電導コイルの励磁時には高インピーダンスを顕わして電気的に開状態となり、定格電流に到達後に低インピーダンス状態に変化して閉状態となり前記超電導コイルとの永久電流ループを構成し、その後の消磁時には高インピーダンスを顕わし電気的に開状態となる永久電流スイッチにおいて、超電導導体を互いに逆向きに巻回した複数のコイルを並列あるいは直列に接続して無誘導に成るように構成することによって前記超電導コイルよりも低インダクタンスに形成されたスイッチ部と、前記超電導コイルの消磁時に前記スイッチ部を常伝導転移させる電流を供給する電流供給手段とを備えたことを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項２】
超電導導体を巻回してなる超電導コイルに並列に接続され、前記超電導コイルの励磁時には高インピーダンスを顕わして電気的に開状態となり、定格電流に到達後に低インピーダンス状態に変化して閉状態となり前記超電導コイルとの永久電流ループを構成し、その後の消磁時には高インピーダンスを顕わし電気的に開状態となる永久電流スイッチにおいて、超電導導体が直線に配置されかつ複数回折り返すことによって前記超電導コイルよりも低インピーダンスとなるよう形成されたスイッチ部と、前記超電導コイルの消磁時に前記スイッチ部を常伝導転移させる電流を供給する電流供給手段とを備えたことを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項３】
前記電流供給手段は、コンデンサーと遮断器を備え、定常時において前記コンデンサーに電荷を蓄えかつ前記遮断器を開状態として、前記超電導コイルの消磁時には前記遮断器を閉状態とすることで前記コンデンサーから前記スイッチ部に常伝導転移電流を流すことを特徴とする請求項１または２記載の永久電流スイッチ。
【請求項４】
前記電流供給手段は、前記スイッチ部に磁気的に結合した誘導コイルと、前記超電導コイルの消磁時に前記誘導コイルに変動電流を流す通電手段とを備えていることを特徴とする請求項１または２記載の永久電流スイッチ。
【請求項５】
前記電流供給手段は、前記スイッチ部と前記超電導コイルとの間に設けられた磁気シールドと、前記超電導コイルの消磁時に前記磁気シールドを機械的に移動する駆動機構とを備えていることを特徴とする請求項１または２記載の永久電流スイッチ。
【請求項６】
前記超電導コイルは冷凍機の冷却ステージにより冷却され、前記スイッチ部は液体窒素等の冷媒に浸漬され冷却されることを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の永久電流スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導コイルに並列に接続され、前記超電導コイルの励磁時には高インピーダンスを顕わして電気的に開状態となり、定格電流に到達後には低インピーダンス状態に変化して閉状態となって前記超電導コイルとの永久電流ループを構成し、その後の消磁時には高インピーダンスを顕わして電気的に開状態となる永久電流スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気浮上式鉄道用超電導磁石や磁気共鳴診断用超電導磁石は、超電導線を巻回してなる超電導コイルを励磁後の定常状態において、電流の減衰時間が十分に長い永久電流モードで使用する。このような超電導磁石の永久電流スイッチには、一般には熱的方式が用いられる。すなわち、超電導導体を巻回して永久電流スイッチを構成し、ヒーター等の加熱により超電導導体温度を高めて常伝導状態にすることで電気的に開状態とする。逆に加熱を中断し超電導状態に転移させることで開状態に変化させる方式である。
【０００３】
このような熱的方式の永久電流スイッチの問題点は動作時間が長いことである。これは、閉状態と開状態の転移には永久電流スイッチを構成する超電導導体の温度変化が伴うためである。典型的な応答時間は速くても３０ｓ程度である。特に閉状態から開状態への転移に速い応答を要求される超電導磁気エネルギー貯蔵（ＳＭＥＳ）等の応用では、重要な問題であり熱的方式の永久電流スイッチの適用は困難である。ＳＭＥＳに蓄えられた磁気エネルギーを放出する時定数として、〜１ｓレベルが要求されるからである。
【０００４】
図９に代表的なＳＭＥＳの系統への適応例を示す（下記特許文献１参照）。すなわち、電源１１から負荷１２へ電力を供給する電力系統１３に変圧器１４と変換器１５を介してＳＭＥＳ用の超電導コイル１６が接続されている。超電導コイル１６には並列に永久電流ループ１７が接続されている。この永久電流ループ１７に永久電流スイッチを設けるのが定常時（閉状態）の損失低減の見地から望ましい構成である。図９の例では、電源３０を介在させることで応答時間を短くしているが、電源３０の内部抵抗が定常時の損失となる。別の構成例を図１０に示す。この例では、半導体スイッチ３１を介在させることで応答時間を短くしているが、半導体スイッチ３１両端のフォーワードドロップ分が定常時の損失となる。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６２−９３９８７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の熱式応答の永久電流スイッチでは、閉状態と開状態の転移には永久電流スイッチを構成する超電導導体の温度変化が伴うため、応答時間が長いという問題がある。特に閉状態から開状態への転移に速い応答を要求される超電導磁気エネルギー貯蔵（ＳＭＥＳ）等の応用では、重要な問題であり熱的方式の永久電流スイッチの適用は困難である。
そこで本発明は、閉状態での損失が少なく、閉状態から開状態への転移を短時間で行うことができる永久電流スイッチを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、超電導導体を巻回してなる超電導コイルに並列に接続され、前記超電導コイルの励磁時には高インピーダンスを顕わして電気的に開状態となり、定格電流に到達後に低インピーダンス状態に変化して閉状態となり前記超電導コイルとの永久電流ループを構成し、その後の消磁時には高インピーダンスを顕わし電気的に開状態となる永久電流スイッチにおいて、超電導導体を互いに逆向きに巻回した複数のコイルを並列あるいは直列に接続して無誘導に成るように構成することによって前記超電導コイルよりも低インダクタンスに形成されたスイッチ部と、前記超電導コイルの消磁時に前記スイッチ部を常伝導転移させる電流を供給する電流供給手段とを備えた構成とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記スイッチ部は、超電導導体が直線に配置され、かつ複数回折り返して形成されている構成とする。
請求項３に係る発明は、前記電流供給手段は、コンデンサーと遮断器を備え、定常時において前記コンデンサーに電荷を蓄えかつ前記遮断器を開状態として、前記超電導コイルの消磁時には前記遮断器を閉状態とすることで前記コンデンサーから前記スイッチ部に常伝導転移電流を流す構成とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、前記電流供給手段は、前記スイッチ部に磁気的に結合した誘導コイルと、前記超電導コイルの消磁時に前記誘導コイルに変動電流を流す通電手段とを備えている構成とする。
【００１０】
請求項５に係る発明は、前記電流供給手段は、前記スイッチ部と前記超電導コイルとの間に設けられた磁気シールドと、前記超電導コイルの消磁時に前記磁気シールドを機械的に移動する駆動機構とを備えている構成とする。
請求項６に係る発明は、前記超電導コイルは冷凍機の冷却ステージにより冷却され、前記スイッチ部は液体窒素等の冷媒に浸漬され冷却される構成とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の第１の実施の形態の永久電流スイッチの回路図を示す。すなわち、電源１１から負荷１２へ電力を供給する電力系統１３に変圧器１４と変換器１５を介してＳＭＥＳ用の超電導コイル１６が接続されている。超電導コイル１６には並列に永久電流ループ１７が接続されている。この永久電流ループ１７に永久電流スイッチ１８を接続し定常時の損失低減を図る構成である。
【００１２】
永久電流スイッチ１８は、相互に並列接続された超電導導体からなる永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂと、これらのコイル１８ａ，１８ｂに並列接続された遮断器１９とコンデンサー２０の直列回路から構成されている。互いに逆向きの２つのコイル１８ａと１８ｂを並列に接続することで、無誘導構成としている。
【００１３】
図２は、上記のような回路構成を有する本発明の第１の実施の形態の永久電流スイッチの構造を示す図である。すなわち、超電導コイル１６と永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂは低温容器２１の中に収納され、超電導状態を保持できるよう低温環境２２に置かれ、接続線にて両者は電流ループを形成している。超電導コイル１６と永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂは、それぞれ電流リードを介して室温部と繋がれる。永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂは室温部にて遮断器１９を介してコンデンサー２０と接続されている。
【００１４】
超電導コイル１６の励磁過程言い換えれば充電過程と、定常過程、消磁過程言い換えれば放電過程を説明すると以下のようになる。励磁過程では、永久電流スイッチ１８を開状態を保つ必要がある。そのための手段は従来の永久電流スイッチ１８と変わる必要は無く、例えばヒーター加熱によりコイル１８ａ，１８ｂを常伝導状態に保てばよい。定常過程については、ヒーター加熱を切り、永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂを冷却し超電導状態に転移させることで閉状態へと移行させる。この２つの過程の間、遮断器１９は開状態のままである。さらにコンデンサー２０に所定の電荷を蓄えておく。
【００１５】
超電導コイル１６の消磁過程に本実施の形態の特徴が表われる。遮断器１９を閉とすることで、コンデンサー２０を永久電流ループ１７に接続する。典型的なインダクタンスは、超電導コイル１６が１Ｈ、あるいは１０Ｈのオーダーにあるの対し、永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂは１００μＨのレベルに抑えられる。したがって、コンデンサー２０に蓄えられていた電気エネルギーは永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂに優先的に供給される。これは、臨界電流を超える過電流として供給され、永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂに常伝導抵抗を発生させ、開状態へと移行させる。ＳＭＥＳの放電過程に適用するためには、永久電流スイッチ１８を開状態へと移行させる間に、変換器１５を制御して、電力系統１３にエネルギーを供給する。
【００１６】
コイル１８ａ，１８ｂのインダクタンスをＬ、コンデンサー２０の静電容量をＣ、コンデンサー２０の両端の印加電圧をＶとすると、遮断器１９を閉としたときに流れる電流がピークまで到達する時間ｔ、および電流ピーク値Ｉｐは次式で与えられる。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
例えば、Ｌ＝１００μＨ、Ｃ＝１ｍＦレベルとすることで、１ｍｓ以下の高速度応答が可能となる。また、印加電圧１ｋＶでＩｐ＝３ｋＡ、１０ｋＶでＩｐ＝３０ｋＡとなる。ＬとＣの値は必要とされる臨界電流値に応じて選定する。
【００１９】
本実施の形態の永久電流スイッチは、コイル１８ａ，１８ｂのインダクタンスが小さく、また、コンデンサー２０の放電によってコイル１８ａ，１８ｂを構成する超電導導体の臨界電流を超える電流を流し、常伝導抵抗を発生させ高インピーダンスすなわち開状態に転移させるので、開状態から閉状態への転移を短時間で行うことができる。また、閉状態の永久電流ループ１７は超電導状態にある超電導導体だけで構成されるので、閉状態での損失は極めて小さい。
【００２０】
図３に本発明の第２の実施の形態の永久電流スイッチを示す。この実施の形態の永久電流スイッチ１８は互いに逆向きの２つのコイル１８ａと１８ｂを備え、それらを直列に接続することで、無誘導構成としている。
【００２１】
この実施の形態の永久電流スイッチもコイル１８ａと１８ｂによるインダクタンスが極めて小さく、上記第１の実施の形態の永久電流スイッチと同様の作用を生じ、同様の効果を得ることができる。
【００２２】
図４に本発明の第３の実施の形態の永久電流スイッチを示す。この実施の形態の永久電流スイッチ１８は直線折り返し状に配置した超電導導体３２を備え、無誘導構成としている。超電導導体３２はテープ状でも良いが、基板上に成膜された酸化物超電導体を本永久電流スイッチに適用する場合に有効な構成である。
【００２３】
この実施の形態の永久電流スイッチにおいては、超電導導体３２のインダクタンスが極めて小さいので、上記第１および第２の実施の形態の永久電流スイッチと同様の作用を生じ、同様の効果を得ることができる。
【００２４】
図５に本発明の第４の実施の形態の永久電流スイッチを示す。この実施の形態は、永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂへの過電流印加回路に特徴がある。すなわち、永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂとは非接触で誘導コイル２５を備え、この誘導コイル２５には誘導コイル通電回路２６が接続されている。誘導コイル通電回路２６は例えば前記第１から第３の実施の形態と同様にコンデンサーと遮断器から構成されている。永久電流スイッチ１８を閉状態から開状態にするときには、誘導コイル通電回路２６により誘導コイル２５に過渡的な電流を流し、磁気結合された永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂに臨界電流を超える過電流を誘起させ、開状態に転移させる。
【００２５】
この実施の形態の永久電流スイッチは、永久電流ループ１７に遮断器が直接接続されていないので、遮断器の開閉に伴うノイズ等による悪影響を排除することができる。そして、閉状態から開状態への転移を短時間で行うことができる。
【００２６】
図６に本発明の第５の実施の形態の永久電流スイッチを示す。この実施の形態は図５に示した第４の実施の形態の変形例である。すなわち、誘導コイル２５の代りに磁化された磁性体２７を配置する。永久電流スイッチ１８を閉状態から開状態にするときには、駆動機構２８により磁性体２７を移動し、磁気結合された永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂに臨界電流を超える過電流を誘起させ、開状態に転移させる。
【００２７】
この実施の形態の永久電流スイッチはコイル１８ａ，１８ｂを加熱するための電源を必要としない。また、永久電流ループ１７に遮断器が直接接続されていないので、遮断器の開閉に伴うノイズ等による悪影響を排除することができる。そして、閉状態から開状態への転移を短時間で行うことができる。
【００２８】
図７に本発明の第６の実施の形態の永久電流スイッチを示す。この実施の形態も図５に示した第４の実施の形態の変形例である。誘導コイル２５の代りに超電導コイル１６を利用する。超電導コイル１６と永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂは互いに磁気結合される位置にあるが、定常時には磁気シールド２９がおかれ電磁誘導は作用しない。永久電流スイッチ１８を閉状態から開状態にするときには、駆動機構２８により磁気シールド２９を移動する。これによって、電磁誘導が作用し永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂに臨界電流を超える過電流が誘起され、開状態に転移する。
【００２９】
この実施の形態の永久電流スイッチはコイル１８ａ，１８ｂを加熱するための電源を必要としない。また、永久電流ループ１７に遮断器が直接接続されていないので、遮断器の開閉に伴うノイズ等による悪影響を排除することができる。そして、閉状態から開状態への転移を短時間で行うことができる。
【００３０】
図８に本発明の第７の実施の形態を示す。この実施の形態においては、超電導コイル１６は冷凍機の冷却ステージ３３により冷却され、前記永久電流スイッチのコイル１８ａ，１８ｂは冷媒槽３４中に収納され、液体窒素等の冷媒３５に浸漬され冷却される。超電導コイル１６は冷凍機冷却ステージによる低温環境で高パフォーマンスを維持し、永久電流スイッチ１８は冷媒浸漬により、開状態（常伝導状態）からさらに高速での超電導状態への復帰を可能にしている。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、閉状態での損失が少なく、閉状態から開状態への転移を短時間で行うことができる永久電流スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の永久電流スイッチの回路構成を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の永久電流スイッチの構造を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の永久電流スイッチの回路構成を示す図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の永久電流スイッチの回路構成を示す図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の永久電流スイッチの回路構成を示す図。
【図６】本発明の第５の実施の形態の永久電流スイッチの回路構成を示す図。
【図７】本発明の第６の実施の形態の永久電流スイッチの回路構成を示す図。
【図８】本発明の第７の実施の形態の永久電流スイッチの回路構成を示す図。
【図９】従来の永久電流スイッチの回路構成を示す図。
【図１０】従来の永久電流スイッチの他の回路構成を示す図。
【符号の説明】
１１…電源、１２…負荷、１３…電力系統、１４…変圧器、１５…変換器、１６…超電導コイル、１７…永久電流ループ、１８…永久電流スイッチ、１８ａ，１８ｂ…永久電流スイッチのコイル、１９…遮断器、２０…コンデンサー、２１…低温容器、２２…低温環境、２３…接続線、２４…電流リード、２５…誘導コイル、２６…誘導コイル通電回路、２７…磁性体、２８…駆動機構、２９…磁気シールド、３０…電源、３１…半導体スイッチ、３２…直線折り返し状に配置した超電導導体、３３…冷凍機冷却ステージ、３４…冷媒槽、３５…冷媒。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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