(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼の円筒の両端部にＦＲＰで形成された円筒を嵌着したものを超電導線の巻枠として使用し、前記ＦＲＰで形成された二つの円筒のうちの一方の円筒の外周面に形成された螺旋溝に前記超電導線の口出し線を埋め込み、該口出し線は素線絶縁を施さず、かつ表面を露出させて前記螺旋溝に埋め込まれてなる永久電流スイッチ。
【請求項２】
前記口出し線を銅製の角線に形成された溝部に埋め込み、これを前記螺旋溝に埋め込んだことを特徴とする請求項１に記載の永久電流スイッチ。
【請求項３】
前記銅製の角線に形成された溝部に、前記口出し線と共に銅マトリクスの超電導線を埋め込んだことを特徴とする請求項１に記載の永久電流スイッチ。
【請求項４】
超電導線の巻き始め部の端部を、前記ＦＲＰで形成された二つの円筒のうちの他方の円筒に植設された銅製のピンにハンダにより固定したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の永久電流スイッチ。
【請求項５】
超電導線の巻き始め部の巻線を、銅製の角線に形成された溝部に埋め込み、これを前記ＦＲＰで形成された二つの円筒のうちの他方の円筒の外周面に形成された螺旋溝に埋め込んだことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の永久電流スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
本発明は、超電導磁石等に使用される熱式永久電流スイッチに関する。
【従来の技術】
【０００１】
超電導磁石を永久電流モードで運転するために永久電流スイッチが用いられる。その代表的なものは特願平3-241689に示されるような構造のもので、巻枠に銅・ニッケル合金をマトリクスとする超電導線を巻き線し、ヒーターによりスイッチ動作をさせるものである。
【０００２】
この永久電流スイッチに用いられる銅・ニッケル合金を使用した超電導線の問題点は、通常の銅マトリクス超電導線より許容電流が少ないことと、安定性が悪いことである。これは常伝導になった時高い抵抗を持つという必要性のためやむを得ない面もあるが、この特性が永久電流スイッチになると更に顕著に現れる。
【０００３】
即ち、従来の永久電流スイッチは、使用できる電流が低い上に非常に不安定なため、時には、クエンチ（常伝導転移）が起こるという問題があり、この点の改善のために様々な提案がなされて来た。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように、従来の永久電流スイッチでは使用できる電流値（上限値）が低い。大略、使用している超電導線（巻枠に巻いていない状態で）のクエンチ電流の５０〜６０％が限度である。
【０００５】
また、時としてその更に１／２程度の電流でもクエンチが起こる事があった。この原因が従来は解明されていなかったため、有効な解決策がなかったわけであるが、最近の我々の研究により、これらの問題がほぼ次のような原因によることが明らかになった。
【０００６】
（１）永久電流スイッチの巻き始め部、口出し部などでは、超電導線のフィラメント間を渡る電流のため常にわずかな発熱があり、この発熱により超電導線の温度が上昇し、許容値を越えた場合クエンチが起こる。
【０００７】
（２）巻線時の張力により超電導線の動きが抑えられているが、張力が緩んだ部分があると、その部分は電磁力により僅かに動く。このとき摩擦による発熱が起こり、温度上昇が許容値を越えるとクエンチがおこる。
【０００８】
本発明は、この２つの原因に注目し、これを解決するために、超電導線の「冷却」と「固定」の両方について、大幅に向上させた構造を提案し、通常の運転中、クエンチの起こらな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】
【０００９】
本発明の永久電流スイッチは、ステンレス鋼の円筒の両端部にＦＲＰで形成された円筒を嵌着したものを超電導線の巻枠として使用し、前記ＦＲＰで形成された二つの円筒のうちの一方の円筒の外周面に形成された螺旋溝に前記超電導線の口出し線を埋め込み、該口出し線は素線絶縁を施さず、かつ表面を露出させて前記螺旋溝に埋め込まれてなることを特徴とする。
【００１０】
また本発明の永久電流スイッチは、ＦＲＰの強化繊維がアラミド繊維とすることができる。
【００１１】
更に本発明の永久電流スイッチは、ステンレス鋼の円筒の両端部にセラミックで形成された円筒を嵌着したものを超電導線の巻枠として使用することができる。
【００１２】
更に本発明の永久電流スイッチは、前記口出し線を銅製の角線に形成された溝部に埋め込み、これを前記螺旋溝に埋め込むように構成したことを特徴とする。
【００１３】
また本発明の永久電流スイッチは、前記銅製の角線に形成された溝部に、前記口出し線と共に銅マトリクスの超電導線を埋め込むように構成したことを特徴とする。
【００１４】
更に本発明の永久電流スイッチは、超電導線の巻き始め部の端部を、前記ＦＲＰで形成された二つの円筒のうちの他方の円筒に植設された銅製のピンにハンダにより固定したことを特徴とする。
【００１５】
また本発明の永久電流スイッチは、超電導線の巻き始め部の巻線を、前記ＦＲＰで形成された二つの円筒のうちの他方の円筒の外周面に形成された螺旋溝に埋め込むように構成することができる。
【００１６】
更に本発明の永久電流スイッチは、超電導線の巻き始め部の巻線を、銅製の角線に形成された溝部に埋め込み、これを前記ＦＲＰで形成された二つの円筒のうちの他方の円筒の外周面に形成された螺旋溝に埋め込むように構成したことを特徴とする。
【００１７】
また本発明の永久電流スイッチは、前記ＦＲＰで形成された二つの円筒の外径を、超電導線の巻き線部の外径より大きくしておき、前記ＦＲＰで形成された二つの円筒の外周を利用して前記超電導線の巻き線部を包囲する保護カバーを設けることができる。
【００１８】
すなわち、本発明では、第１に、発熱部の冷却効果を向上させるために、巻き始め部、口出し線部等の発熱部を永久電流スイッチの外周部に設け、常に冷媒に接触しているようにする。このとき、電気絶縁を保つ必要があるため、この部分の巻枠は絶縁物であるほうが良い。
【００１９】
更に、冷却効果を向上させるためには、絶縁物に溝を設け、溝に超電導線を埋め込み、一部を露出させる。この場合は素線絶縁をせずに直接導線と冷媒を接触させることができる。
【００２０】
また本発明では、第２に、超電導線の固定を強化する手段として、巻き線時の張力を冷却時にも保つように、巻枠の材料を、超電導線に近い収縮率のものを選定する。
【００２１】
例えば、ステンレス鋼は、超電導線に近い材料である。また、絶縁物ではＦＲＰで繊維配向を適正に選ぶことにより超電導線に近い熱収縮率の材料が得られる。
【００２２】
また、特に緩み易い部分の固定には、絶縁物に植設したピンにハンダづけを行う事が有効である。
【作用】
【００２３】
上記構成において、巻枠に金属を使用するのは、巻き線時の張力に耐える強度を有し、冷却時の収縮率が超電導線に近い特性を利用するためで、ステンレス鋼、銅及び銅合金などが適しているがその他の金属でも良い。
【００２４】
巻枠の両端にＦＲＰ製の円筒を嵌着し、この絶縁性を利用してここに巻き始め部と、口出し部を巻き付ける。
【００２５】
このＦＲＰの熱収縮率も、巻き線が緩まないために超電導線に近い方が良い。一般に、ＦＲＰ等の絶縁物の熱収縮率は超電導線の２倍以上であるが、カーボン繊維、アルミナ繊維等のＦＲＰでは繊維配向を適正に選ぶと、繊維方向について超電導線に近い収縮率が得られる。
【００２６】
特別な例では、アラミド繊維を使用したＦＲＰは超電導線より小さい収縮率が得られる。これを利用すると、冷却時に張力が増加する効果が期待できる。
【００２７】
このことは、収縮率の小さいセラミックなどの材料を使用した場合も同じである。
【００２８】
口出し線を冷却効果が上がるようにＦＲＰの外周に巻き付けるとき、通常は線間の絶縁のために素線絶縁を施すので、冷却が阻害される。そこでＦＲＰに螺旋状の溝を設け、その溝に導体を埋め込む構造にすると、溝が絶縁距離を保つので素線絶縁が不要になり、導体表面を露出させることができる。
【００２９】
このときは、冷媒に導体が直接接触するので冷却効果が非常に大きい。
【００３０】
また超電導線が細い場合は、十分な冷却面積が確保できない事があるが、このときは、銅線に溝を設けその中に超電導線を埋め込んだものをＦＲＰの溝に埋め込むようにする。これにより銅線の太さに相当する冷却面積が確保できる。
【００３１】
このとき銅線は、角線の方が溝内の安定が良い。
【００３２】
一方、巻き始め部は、巻き線時最初に張力が加わり、永久電流スイッチが完成した後もその張力を保っていなければならない重要な部分であるが、従来のピンどめ方式等では、材料のクリープ等のために時として緩みが生じる事があった。  このような緩みが生じた場合超電導線が動かないように、超電導線を銅などのピンにハンダで固定しておくことは有効である。
【００３３】
また、口出し部と同じようにＦＲＰの溝の中に超電導線を埋め込むことは、線を固定する上で効果がある。
【００３４】
更に、口出し部と同じに銅線に溝部を形成し、その中に超電導線を埋め込み、これをＦＲＰの溝に埋め込む事にすると、固定と冷却の両方に効果がある。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００３６】
図１には、本発明に係る永久電流スイッチの一実施例の断面が示されている。同図において、ステンレス鋼の円筒１の外周に電気絶縁２を施し、その両端にＦＲＰの円筒３、４が嵌着されている。これを巻枠としてヒーター線５及び超電導線８を巻回し、永久電流スイッチを構成する。ここで巻枠に金属を使用するのは、巻き線時の張力に耐える強度を有し、冷却時の収縮率が超電導線に近い特性を利用するためで、ステンレス鋼、銅及び銅合金などが適しているがその他の金属でも良い。
【００３７】
巻枠の両端にＦＲＰ製の円筒３、４を嵌着し、この絶縁性を利用してここに巻き始め部と、口出し部を巻き付ける。
【００３８】
このＦＲＰの熱収縮率も、巻き線が緩まないために超電導線に近い方が良い。一般に、ＦＲＰ等の絶縁物の熱収縮率は超電導線の２倍以上であるが、カーボン繊維、アルミナ繊維等のＦＲＰでは繊維配向を適正に選ぶと、繊維方向について超電導線に近い収縮率が得られる。
【００３９】
特別な例では、アラミド繊維を使用したＦＲＰは超電導線より小さい収縮率が得られる。これを利用すると、冷却時に張力が増加する効果が期待できる。
【００４０】
このことは、収縮率の小さいセラミックなどの材料を使用した場合も同じである。
【００４１】
巻始め部は、ＦＲＰ４の外周に螺旋溝を設けてあり、この溝に沿って超電導線を巻き付けている。巻始め部をこのような構造にすると、溝が絶縁距離を保つので素線絶縁が不要になり、導体表面を露出させることができる。したがって、超電導線が直接冷媒に接するので、冷却効果を向上させることができる。
【００４２】
また巻始めは、ＦＲＰ４に植設された銅製のピン６に超電導線７を引っかける。ピン６と超電導線７は、ハンダで固定する。巻き始め部は、巻き線時最初に張力が加わり、永久電流スイッチが完成した後もその張力を保っていなければならない重要な部分であるが、従来のピンどめ方式等では、材料のクリープ等のために時として緩みが生じる事があった。
【００４３】
このような緩みが生じた場合超電導線が動かないように、超電導線を銅などのピンにハンダで固定しておくことは有効である。
【００４４】
次に巻き始め部の外観を図４に示す。同図に示すように巻終わり、即ち口出し部も、巻き始め部と同じくＦＲＰ３に螺旋溝を設け、口出し線９をその中におさめている。
【００４５】
口出し部の外観を図２に、口出し線９の断面を図３に、それぞれ示す。銅の角線９ａに溝部を形成し、その溝部の中に超電導線９ｂを埋め込み、ハンダで固定する。角線９ａは螺旋溝にしっくり嵌まる寸法とし、接着により溝に固定する。
【００４６】
口出し線９の表面は、直接冷媒に接するように絶縁しない。
【００４７】
この構成により超電導線９ｂについて銅線９ａの太さに相当する冷却面積を確保できると共に、口出し部の「固定」と「冷却」の両方の効果を上げることができる。尚、銅線は角線の方が構内の安定がよい。
【００４８】
また、角線９ａの溝の中に銅マトリクスの超電導線９ｃを超電導線９ｂと一緒に埋め込むことは、接続抵抗を減らし、発熱を低減する効果がある。
【００４９】
更に巻き始め部も、口出し部と同じようにＦＲＰの溝の中に超電導線を埋め込むことは、線を固定する上で効果がある。
【００５０】
更に、口出し部と同じに銅線に溝部を形成し、その中に超電導線を埋め込み、これをＦＲＰの溝に埋め込む事にすると、固定と冷却の両方に効果がある。
【００５１】
以上のような構成の永久電流スイッチにおいて実用上巻き線部を保護する必要がある場合がある。このときはＦＲＰ３、４の外径を同じにして、巻き線部８より若干大きくすると、円筒状の保護カバー１０を取りつけるのに好適となる。
【００５２】
この保護カバーを設けることにより、永久電流スイッチの巻き線部を特に、製造段階で損傷するのを防止できると共に、保護カバーをＡｌ、Ｃｕ等の導電体で形成することにより変動磁場に対するシールド効果が得られる。
【発明の効果】
【００５３】
以上に述べたように、本発明によれば超電導線の「冷却」と「固定」の両方について、向上させることができるのでクエンチしにくい永久電流スイッチを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】  本発明に係る永久電流スイッチの一実施例の構造を示す断面図である。
【図２】  図１に示した永久電流スイッチの口出し部を示す外観図である。
【図３】  図２に示した口出し部巻線構造を示す断面図である。
【図４】  図１に示した永久電流スイッチの巻き始め部を示す外観図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  巻枠
２  絶縁
３  ＦＲＰ
４  ＦＲＰ
５  ヒーター
６  ピン
７  巻き始め（超電導線）
８  巻線部
９  口出し線
９ａ  銅線
９ｂ  超電導線
９ｃ  銅マトリクス超電導線
１０  保護カバー
【図１】
0003765040.tif 000002
【図２】
0003765040.tif 000003
【図３】
0003765040.tif 000004
【図４】
0003765040.tif 000005