超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ
【課題】 低温領域で良好な動作を行う超磁歪素子を採用し、スイッチとしての即応性が高い超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチを提供する。
【解決手段】 超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、低温領域１１内に配置されるとともに、磁場を印加することによって長さ寸法が変化する超磁歪素子１５（３２）を備え、その長さ寸法の変化により永久電流スイッチ１２の開閉を行って、超電導コイル２２への電流のオフ状態又は超電導コイル２２の永久電流モードを生成するようにした。
【解決手段】 超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、低温領域１１内に配置されるとともに、磁場を印加することによって長さ寸法が変化する超磁歪素子１５（３２）を備え、その長さ寸法の変化により永久電流スイッチ１２の開閉を行って、超電導コイル２２への電流のオフ状態又は超電導コイル２２の永久電流モードを生成するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ（機械式ＰＣＳ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久電流スイッチは、超電導コイルに永続的に電流を流し続けるために必要とされる部分であり、その制御方式として機械式、熱式が良く知られている。
図１４は従来の機械式永久電流スイッチによる永久電流モードの作り方の説明図である。
図１４において機械式永久電流スイッチ１００は、接点１０１とこの接点１０１を駆動ロッド１０２を介して駆動させるハンドル１０３からなり、ハンドル１０３を回すことにより接点１０１を開閉する構造となっている。
【０００３】
この永久電流スイッチの励磁時（永久電流スイッチＯＦＦ）には接点１０１は開になっており、コイル電源１０４から徐々に超電導コイル１０５に電流を流して励磁した後に、永久電流スイッチのハンドル１０３を回すことにより、接点１０３を閉にする（永久電流スイッチＯＮ）。すると、コイル電源１０４からの電流を下げても、超電導コイル１０５に電流は流れ続けて永久電流スイッチモードとなる。その後、コイル電源１０４を切り離す。
【０００４】
図１５は従来の熱式永久電流スイッチによる永久電流モードの作り方の説明図であり、図１５（ａ）は超電導コイルの励磁時（永久電流スイッチＯＦＦ）、図１５（ｂ）は永久電流モード運転時（永久電流スイッチＯＮ）を示している。
図１５において、２０１は永久電流スイッチ、２０２は超電導線、２０３はヒータ線、２０４はヒータ線２０３に接続されるヒータ電源、２０４Ａはヒータ電源２０４のスイッチ、２０５は定電流源、２０６は定電流源２０５のスイッチ、２０７は超電導コイルであり、図１５（ａ）のように、超電導コイルの励磁時（永久電流スイッチＯＦＦ）には、ヒータ電源２０４により加熱されるヒータ線２０３が導通状態となり、超電導線２０２は温められて不導通状態となるため、定電流源２０５からの電流により超電導コイル２０７が励磁され、励磁が終了すると、図１５（ｂ）のように、ヒータ電源２０４を開として加熱を止めて超電導線２０２が導通状態となり、定電流源２０５のスイッチ２０６がＯＦＦにされても超電導コイル２０７は永久電流モードとなる。
【０００５】
なお、ＮｂＴｉ超電導コイルの場合には、比熱も小さいため熱式が良く使われる。一方、高温超電導コイルの場合は、比熱が大きいことから熱式だと応答性が悪くなるので、機械式が使われる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ａ．Ｍａｖａｎｕｒ ｅｔ ａｌ，“ＭＡＧＮＥＴＯＳＴＲＩＣＴＩＶＥ ＴＵＮＥＲＳ ＦＯＲ ＳＲＦ ＣＡＶＩＴＩＥＳ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２００３ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．１４０７−１４０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１４に示した従来の機械式永久電流スイッチは、手動でスイッチを動作させることにしていたが、駆動ロッドからの熱侵入が大きいという問題があった。また、図１５に示した熱式永久電流スイッチは、前述のように特に高温超電導コイルに適用する場合には、比熱の関係により応答性が悪いという問題があった。
本発明は、上記状況に鑑みて、低温領域で良好な動作を行う超磁歪素子を採用し、スイッチとしての即応性が高い超磁歪素子を用いた機械式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】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、低温領域内に配置されるとともに、磁場を印加することによって長さ寸法が変化する超磁歪素子を備え、その長さ寸法の変化により永久電流スイッチの開閉を行って、超電導コイルへの電流のオフ状態又は超電導コイルの永久電流モードを生成することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記低温領域内に配置される永久電流スイッチ用コイルを備え、この永久電流スイッチ用コイルから印加される磁場によって前記超磁歪素子を伸長または収縮させて、接触子の接点を駆動することにより、超電導コイルの永久電流モードを生成することを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）であることを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｂ−Ｄｙであることを特徴とする。
〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｂ−Ｄｙ−Ｚｎであることを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＫｅｌｖｉｎＡｌｌ（登録商標）であることを特徴とする。
【００１１】
〔７〕上記〔１〕から〔６〕の何れか１項記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超電導コイルが高温超電導コイルであることを特徴とする。
〔８〕上記〔２〕から〔６〕の何れか１項記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記磁場を印加するための永久電流スイッチ用コイルが高温超電導コイルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）低温領域で良好な動作を行う超磁歪素子による永久電流スイッチを構成することができる。
（２）従来は駆動ロッドからの熱侵入も大きいが、本発明によれば、熱侵入は駆動コイルへの配線からだけなので、熱侵入を低減することができる。
【００１３】
（３）超磁歪素子の駆動速度が速いため、スイッチとしての即応性が高い。
（４）部品点数が少なく、信頼性の向上と軽量化を図ることができる。
（５）永久電流スイッチ用コイルを高温超電導コイルとすることにより、発熱を伴わずに強力な磁場を得ることが可能となる。
（６）超電導コイルが高温超電導コイルである場合にも、好適な永久電流スイッチとしての機能を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明で用いる超磁歪素子の性質を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その１）である。
【図３】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その２）である。
【図４】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その３）である。
【図５】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その４）である。
【図６】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その５）である。
【図７】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その６）である。
【図８】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その１）である。
【図９】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その２）である。
【図１０】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その３）である。
【図１１】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その４）である。
【図１２】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その５）である。
【図１３】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その６）である。
【図１４】従来の機械式永久電流スイッチによる永久電流モードの作り方の説明図である。
【図１５】従来の熱式永久電流スイッチによる永久電流モードの作り方の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチは、低温領域内に配置されるとともに、磁場を印加することによって長さ寸法が変化する超磁歪素子を備え、その長さ寸法の変化により永久電流スイッチの開閉を行って、超電導コイルへの電流のオフ状態又は超電導コイルの永久電流モード状態を生成する。
【実施例】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、本発明の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチで使用する超磁歪素子の材料としては、上記非特許文献１で言及されているような材料を含み、例えば、（ｉ）Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）、（ii）Ｔｂ−Ｄｙ、（iii)Ｔｂ−Ｄｙ−Ｚｎ、（iv) ＫｅｌｖｉｎＡｌｌ（登録商標）を用いることができる。Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）は、米国海軍兵器研究所で開発されたＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金超磁歪材料であり、その組成は、Ｔｂ0.27Ｄｙ0.73Ｆｅ1.9 である。また、ＫｅｌｖｉｎＡｌｌは高温から絶対零度近傍まで磁歪特性を示す材料であり、特に、室温でＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄに匹敵する磁歪を示し、その磁歪は低温領域で増加する。
【００１７】
図１は本発明で用いる超磁歪素子の性質を示す模式図である。
この図に示すように、超磁歪素子１は、励磁コイル２や磁石等によりその長手方向へ印加される外部磁界に応じて、ｎｓｅｃ〜μｓｅｃの速さで寸法が変化する素子である。寸法変化の方向としては、磁場をかけると伸長する素子もあれば、反対に収縮する素子もあり、両者を適宜選択してスイッチ開閉機構を構築することができる。また、この超磁歪素子１には、低温下でより寸法変化が大きい素子もある。
【００１８】
上記したような超磁歪材料を用いた超磁歪素子１を使用することで、特に低温領域を良好な動作を行う永久電流スイッチを提供できる。
次に、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いる場合について説明する。
図２〜図７は本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その１〜その６）である。
【００１９】
これらの図において、１１は低温領域、１２は低温領域１１内に配置されるＰＣＳ（永久電流スイッチ）、１３は低温領域１１外に配置されるＰＣＳ用電源、１３ＡはＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ、１４はＰＣＳ１２内に配置されるＰＣＳ用高温超電導コイル、１５はＰＣＳ用高温超電導コイル１４からの磁場によって伸長するタイプの超磁歪素子、１６は超磁歪素子１５の固定部、１６Ａは超磁歪素子１５の固定部１６に形成された穴、１７は超磁歪素子１５の可動部、１８は超磁歪素子１５の固定部１６に形成された穴１６Ａを貫通するとともに可動部１７と可動接触子２０の基部１９とを連結するロッド、２１は固定接触子、２０Ａは可動接触子２０の接点、２２は超電導コイル、２３は低温領域１１外に配置されるコイル用電源、２３Ａはコイル用電源２３の開閉部である。
【００２０】
まず、図２に示すように、超電導コイル２２の励磁を開始する前の状態として、ＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ１３ＡがＯＮとなっている。この状態では、ＰＣＳ用高温超電導コイル１４が励磁されているので、ＰＣＳ用高温超電導コイル１４からの磁場によって伸長するタイプの超磁歪素子１５は伸長した状態となっている。超磁歪素子１５は固定部１６に一端が固定されているので、超磁歪素子１５の伸長に伴い、超磁歪素子１５の他端に結合されている可動部１７も固定部１６から離れた方向（図では左側）に移動している。可動部１７はロッド１８を介して可動接触子２０の基部１９とも結合しているため、可動部１７の移動に伴って可動接触子２０も左側に移動し、可動接触子２０と固定接触子２１は離れた状態となっており、すなわちＰＣＳ１２がＯＦＦになっている。
【００２１】
次に、図３に示すように、コイル用電源２３を超電導コイル２２に接続することで超電導コイル２２の励磁の準備をし、図４に示すように、通電を開始して通電電流（矢印）を上昇させる。
次に、図５に示すように、所定の通電電流となったところで、ＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ１３ＡをＯＦＦにする。すると超磁歪素子１５に印加されていた磁場がなくなるので、伸長していた超磁歪素子１５は元の長さに戻り、これに伴い可動部１７は右側に移動し、ロッド１８は可動接触子２０の基部１９を右側に押し出すので、可動接触子２０は固定接触子２１に接触し、ＰＣＳ１２がＯＮとなる。
【００２２】
次に、図６に示すように、コイル用電源２３からの通電電流（矢印）を下降させていき、図７に示すように、通電電流を０にして、コイル用電源２３の開閉部２３Ａを切り離す。この状態では、可動接触子２０は固定接触子２１に接触しているので、通電電流は永久電流Ｉとなり、超電導コイル２２の永久電流モードを生成することができる。
次に、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いる場合について説明する。
【００２３】
図８〜図１３は本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その１〜その６）である。
これらの図において、１１は低温領域、１２は低温領域１１内に配置されるＰＣＳ（永久電流スイッチ）、１３は低温領域１１外に配置されるＰＣＳ用電源、１３ＡはＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ、２２は超電導コイル、２３は低温領域１１外に配置されるコイル用電源、２３Ａはコイル用電源２３の開閉部、３１はＰＣＳ１２内に配置されるＰＣＳ用高温超電導コイル、３２はＰＣＳ用高温超電導コイル３１からの磁場によって収縮するタイプの超磁歪素子、３３は超磁歪素子３２の固定部、３４は超磁歪素子３２の可動基部、３５は可動接触子、３５Ａは可動接触子３５の接点、３６は固定接触子である。
【００２４】
まず、図８に示すように、超電導コイル２２の励磁を開始する状態として、ＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ１３ＡがＯＮとなっている。この状態ではＰＣＳ用高温超電導コイル３１が励磁されているので、ＰＣＳ用高温超電導コイル１４からの磁場によって収縮するタイプの超磁歪素子３１は収縮した状態となっている。これに伴い、超磁歪素子３２に超磁歪素子３２の可動基部３４を介して固定されている可動接触子３５は固定接触子３６から離れ、ＯＦＦの状態にあり、ＰＣＳ１２がＯＦＦとなっている。
【００２５】
次に、図９に示すように、コイル用電源２３を超電導コイル２２に接続することで超電導コイル２２の励磁の準備をし、図１０に示すように、通電を開始して通電電流（矢印）を上昇させる。
次に、図１１に示すように、所定の通電電流となったところで、ＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ１３ＡをＯＦＦにする。すると、超磁歪素子３２に印加されていた磁場がなくなるので、収縮していた超磁歪素子３２は元の長さに戻り、これに伴い可動接触子３５は固定接触子３６に接触し、ＰＣＳ１２がＯＮとなる。
【００２６】
次に、図１２に示すように、コイル用電源２３からの通電電流（矢印）を下降させていき、図１３に示すように、通電電流を０にして、コイル用電源２３の開閉部２３Ａを切り離す。この状態では、可動接触子３５は固定接触子３６に接触しているので、通電電流は永久電流Ｉとなり、超電導コイル２２の永久電流モードを生成することができる。
なお、この超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの諸元の例について説明すると、接点２０Ａ，３５Ａの接触面積は１１６２ｍｍ2 （０．１ｍｍのＩｎメッキ）、ＯＮ−ＯＦＦストロークは１ｍｍ（現状は２ｍｍ）、スイッチ予圧縮力は３７ｋｇｆ、面圧換算は３．１８ｋｇｆ／ｃｍ2 である。
【００２７】
このように、本発明の機械式永久電流スイッチによれば、（１）低温領域で良好な動作を行う超磁歪素子による永久電流スイッチを構成することができる。（２）熱侵入は駆動コイルへの配線からだけなので、熱侵入を低減することができる。（３）超磁歪素子の駆動速度が速いため、スイッチとしての即応性が高い。（４）部品点数が少なく、信頼性の向上と軽量化を図ることができる。
【００２８】
また、永久電流スイッチ用コイルを高温超電導コイルとすることにより、発熱を伴わずに強力な磁場を得ることが可能となる。
さらに、超電導コイルが高温超電導コイルである場合にも、好適な永久電流スイッチとしての機能を果たすことができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチは、低温領域での使用に好適な超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチとして利用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１ 超磁歪素子
２ 励磁コイル
１１ 低温領域
１２ ＰＣＳ（永久電流スイッチ）
１３ ＰＣＳ用電源
１３Ａ ＰＣＳ用電源の開閉スイッチ
１４，３１ ＰＣＳ用高温超電導コイル
１５ ＰＣＳ用高温超電導コイルからの磁場によって伸長するタイプの超磁歪素子
１６，３３ 超磁歪素子の固定部
１６Ａ 超磁歪素子の固定部に形成された穴
１７ 超磁歪素子の可動部
１８ ロッド
１９ 可動接触子の基部
２０，３５ 可動接触子
２０Ａ，３５Ａ 可動接触子の接点
２１，３６ 固定接触子
２２ 超電導コイル
２３ コイル用電源
２３Ａ コイル用電源の開閉部
３２ ＰＣＳ用高温超電導コイルからの磁場によって収縮するタイプの超磁歪素子
３４ 超磁歪素子２の可動基部
Ｉ 永久電流
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ（機械式ＰＣＳ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久電流スイッチは、超電導コイルに永続的に電流を流し続けるために必要とされる部分であり、その制御方式として機械式、熱式が良く知られている。
図１４は従来の機械式永久電流スイッチによる永久電流モードの作り方の説明図である。
図１４において機械式永久電流スイッチ１００は、接点１０１とこの接点１０１を駆動ロッド１０２を介して駆動させるハンドル１０３からなり、ハンドル１０３を回すことにより接点１０１を開閉する構造となっている。
【０００３】
この永久電流スイッチの励磁時（永久電流スイッチＯＦＦ）には接点１０１は開になっており、コイル電源１０４から徐々に超電導コイル１０５に電流を流して励磁した後に、永久電流スイッチのハンドル１０３を回すことにより、接点１０３を閉にする（永久電流スイッチＯＮ）。すると、コイル電源１０４からの電流を下げても、超電導コイル１０５に電流は流れ続けて永久電流スイッチモードとなる。その後、コイル電源１０４を切り離す。
【０００４】
図１５は従来の熱式永久電流スイッチによる永久電流モードの作り方の説明図であり、図１５（ａ）は超電導コイルの励磁時（永久電流スイッチＯＦＦ）、図１５（ｂ）は永久電流モード運転時（永久電流スイッチＯＮ）を示している。
図１５において、２０１は永久電流スイッチ、２０２は超電導線、２０３はヒータ線、２０４はヒータ線２０３に接続されるヒータ電源、２０４Ａはヒータ電源２０４のスイッチ、２０５は定電流源、２０６は定電流源２０５のスイッチ、２０７は超電導コイルであり、図１５（ａ）のように、超電導コイルの励磁時（永久電流スイッチＯＦＦ）には、ヒータ電源２０４により加熱されるヒータ線２０３が導通状態となり、超電導線２０２は温められて不導通状態となるため、定電流源２０５からの電流により超電導コイル２０７が励磁され、励磁が終了すると、図１５（ｂ）のように、ヒータ電源２０４を開として加熱を止めて超電導線２０２が導通状態となり、定電流源２０５のスイッチ２０６がＯＦＦにされても超電導コイル２０７は永久電流モードとなる。
【０００５】
なお、ＮｂＴｉ超電導コイルの場合には、比熱も小さいため熱式が良く使われる。一方、高温超電導コイルの場合は、比熱が大きいことから熱式だと応答性が悪くなるので、機械式が使われる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ａ．Ｍａｖａｎｕｒ ｅｔ ａｌ，“ＭＡＧＮＥＴＯＳＴＲＩＣＴＩＶＥ ＴＵＮＥＲＳ ＦＯＲ ＳＲＦ ＣＡＶＩＴＩＥＳ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２００３ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．１４０７−１４０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１４に示した従来の機械式永久電流スイッチは、手動でスイッチを動作させることにしていたが、駆動ロッドからの熱侵入が大きいという問題があった。また、図１５に示した熱式永久電流スイッチは、前述のように特に高温超電導コイルに適用する場合には、比熱の関係により応答性が悪いという問題があった。
本発明は、上記状況に鑑みて、低温領域で良好な動作を行う超磁歪素子を採用し、スイッチとしての即応性が高い超磁歪素子を用いた機械式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】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、低温領域内に配置されるとともに、磁場を印加することによって長さ寸法が変化する超磁歪素子を備え、その長さ寸法の変化により永久電流スイッチの開閉を行って、超電導コイルへの電流のオフ状態又は超電導コイルの永久電流モードを生成することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記低温領域内に配置される永久電流スイッチ用コイルを備え、この永久電流スイッチ用コイルから印加される磁場によって前記超磁歪素子を伸長または収縮させて、接触子の接点を駆動することにより、超電導コイルの永久電流モードを生成することを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）であることを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｂ−Ｄｙであることを特徴とする。
〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｂ−Ｄｙ−Ｚｎであることを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＫｅｌｖｉｎＡｌｌ（登録商標）であることを特徴とする。
【００１１】
〔７〕上記〔１〕から〔６〕の何れか１項記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超電導コイルが高温超電導コイルであることを特徴とする。
〔８〕上記〔２〕から〔６〕の何れか１項記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記磁場を印加するための永久電流スイッチ用コイルが高温超電導コイルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）低温領域で良好な動作を行う超磁歪素子による永久電流スイッチを構成することができる。
（２）従来は駆動ロッドからの熱侵入も大きいが、本発明によれば、熱侵入は駆動コイルへの配線からだけなので、熱侵入を低減することができる。
【００１３】
（３）超磁歪素子の駆動速度が速いため、スイッチとしての即応性が高い。
（４）部品点数が少なく、信頼性の向上と軽量化を図ることができる。
（５）永久電流スイッチ用コイルを高温超電導コイルとすることにより、発熱を伴わずに強力な磁場を得ることが可能となる。
（６）超電導コイルが高温超電導コイルである場合にも、好適な永久電流スイッチとしての機能を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明で用いる超磁歪素子の性質を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その１）である。
【図３】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その２）である。
【図４】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その３）である。
【図５】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その４）である。
【図６】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その５）である。
【図７】本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その６）である。
【図８】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その１）である。
【図９】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その２）である。
【図１０】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その３）である。
【図１１】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その４）である。
【図１２】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その５）である。
【図１３】本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その６）である。
【図１４】従来の機械式永久電流スイッチによる永久電流モードの作り方の説明図である。
【図１５】従来の熱式永久電流スイッチによる永久電流モードの作り方の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチは、低温領域内に配置されるとともに、磁場を印加することによって長さ寸法が変化する超磁歪素子を備え、その長さ寸法の変化により永久電流スイッチの開閉を行って、超電導コイルへの電流のオフ状態又は超電導コイルの永久電流モード状態を生成する。
【実施例】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、本発明の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチで使用する超磁歪素子の材料としては、上記非特許文献１で言及されているような材料を含み、例えば、（ｉ）Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）、（ii）Ｔｂ−Ｄｙ、（iii)Ｔｂ−Ｄｙ−Ｚｎ、（iv) ＫｅｌｖｉｎＡｌｌ（登録商標）を用いることができる。Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）は、米国海軍兵器研究所で開発されたＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金超磁歪材料であり、その組成は、Ｔｂ0.27Ｄｙ0.73Ｆｅ1.9 である。また、ＫｅｌｖｉｎＡｌｌは高温から絶対零度近傍まで磁歪特性を示す材料であり、特に、室温でＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄに匹敵する磁歪を示し、その磁歪は低温領域で増加する。
【００１７】
図１は本発明で用いる超磁歪素子の性質を示す模式図である。
この図に示すように、超磁歪素子１は、励磁コイル２や磁石等によりその長手方向へ印加される外部磁界に応じて、ｎｓｅｃ〜μｓｅｃの速さで寸法が変化する素子である。寸法変化の方向としては、磁場をかけると伸長する素子もあれば、反対に収縮する素子もあり、両者を適宜選択してスイッチ開閉機構を構築することができる。また、この超磁歪素子１には、低温下でより寸法変化が大きい素子もある。
【００１８】
上記したような超磁歪材料を用いた超磁歪素子１を使用することで、特に低温領域を良好な動作を行う永久電流スイッチを提供できる。
次に、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いる場合について説明する。
図２〜図７は本発明の第１実施例を示す、磁場を印加すると伸長する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その１〜その６）である。
【００１９】
これらの図において、１１は低温領域、１２は低温領域１１内に配置されるＰＣＳ（永久電流スイッチ）、１３は低温領域１１外に配置されるＰＣＳ用電源、１３ＡはＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ、１４はＰＣＳ１２内に配置されるＰＣＳ用高温超電導コイル、１５はＰＣＳ用高温超電導コイル１４からの磁場によって伸長するタイプの超磁歪素子、１６は超磁歪素子１５の固定部、１６Ａは超磁歪素子１５の固定部１６に形成された穴、１７は超磁歪素子１５の可動部、１８は超磁歪素子１５の固定部１６に形成された穴１６Ａを貫通するとともに可動部１７と可動接触子２０の基部１９とを連結するロッド、２１は固定接触子、２０Ａは可動接触子２０の接点、２２は超電導コイル、２３は低温領域１１外に配置されるコイル用電源、２３Ａはコイル用電源２３の開閉部である。
【００２０】
まず、図２に示すように、超電導コイル２２の励磁を開始する前の状態として、ＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ１３ＡがＯＮとなっている。この状態では、ＰＣＳ用高温超電導コイル１４が励磁されているので、ＰＣＳ用高温超電導コイル１４からの磁場によって伸長するタイプの超磁歪素子１５は伸長した状態となっている。超磁歪素子１５は固定部１６に一端が固定されているので、超磁歪素子１５の伸長に伴い、超磁歪素子１５の他端に結合されている可動部１７も固定部１６から離れた方向（図では左側）に移動している。可動部１７はロッド１８を介して可動接触子２０の基部１９とも結合しているため、可動部１７の移動に伴って可動接触子２０も左側に移動し、可動接触子２０と固定接触子２１は離れた状態となっており、すなわちＰＣＳ１２がＯＦＦになっている。
【００２１】
次に、図３に示すように、コイル用電源２３を超電導コイル２２に接続することで超電導コイル２２の励磁の準備をし、図４に示すように、通電を開始して通電電流（矢印）を上昇させる。
次に、図５に示すように、所定の通電電流となったところで、ＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ１３ＡをＯＦＦにする。すると超磁歪素子１５に印加されていた磁場がなくなるので、伸長していた超磁歪素子１５は元の長さに戻り、これに伴い可動部１７は右側に移動し、ロッド１８は可動接触子２０の基部１９を右側に押し出すので、可動接触子２０は固定接触子２１に接触し、ＰＣＳ１２がＯＮとなる。
【００２２】
次に、図６に示すように、コイル用電源２３からの通電電流（矢印）を下降させていき、図７に示すように、通電電流を０にして、コイル用電源２３の開閉部２３Ａを切り離す。この状態では、可動接触子２０は固定接触子２１に接触しているので、通電電流は永久電流Ｉとなり、超電導コイル２２の永久電流モードを生成することができる。
次に、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いる場合について説明する。
【００２３】
図８〜図１３は本発明の第２実施例を示す、磁場を印加すると収縮する超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの模式図（その１〜その６）である。
これらの図において、１１は低温領域、１２は低温領域１１内に配置されるＰＣＳ（永久電流スイッチ）、１３は低温領域１１外に配置されるＰＣＳ用電源、１３ＡはＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ、２２は超電導コイル、２３は低温領域１１外に配置されるコイル用電源、２３Ａはコイル用電源２３の開閉部、３１はＰＣＳ１２内に配置されるＰＣＳ用高温超電導コイル、３２はＰＣＳ用高温超電導コイル３１からの磁場によって収縮するタイプの超磁歪素子、３３は超磁歪素子３２の固定部、３４は超磁歪素子３２の可動基部、３５は可動接触子、３５Ａは可動接触子３５の接点、３６は固定接触子である。
【００２４】
まず、図８に示すように、超電導コイル２２の励磁を開始する状態として、ＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ１３ＡがＯＮとなっている。この状態ではＰＣＳ用高温超電導コイル３１が励磁されているので、ＰＣＳ用高温超電導コイル１４からの磁場によって収縮するタイプの超磁歪素子３１は収縮した状態となっている。これに伴い、超磁歪素子３２に超磁歪素子３２の可動基部３４を介して固定されている可動接触子３５は固定接触子３６から離れ、ＯＦＦの状態にあり、ＰＣＳ１２がＯＦＦとなっている。
【００２５】
次に、図９に示すように、コイル用電源２３を超電導コイル２２に接続することで超電導コイル２２の励磁の準備をし、図１０に示すように、通電を開始して通電電流（矢印）を上昇させる。
次に、図１１に示すように、所定の通電電流となったところで、ＰＣＳ用電源１３の開閉スイッチ１３ＡをＯＦＦにする。すると、超磁歪素子３２に印加されていた磁場がなくなるので、収縮していた超磁歪素子３２は元の長さに戻り、これに伴い可動接触子３５は固定接触子３６に接触し、ＰＣＳ１２がＯＮとなる。
【００２６】
次に、図１２に示すように、コイル用電源２３からの通電電流（矢印）を下降させていき、図１３に示すように、通電電流を０にして、コイル用電源２３の開閉部２３Ａを切り離す。この状態では、可動接触子３５は固定接触子３６に接触しているので、通電電流は永久電流Ｉとなり、超電導コイル２２の永久電流モードを生成することができる。
なお、この超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチの諸元の例について説明すると、接点２０Ａ，３５Ａの接触面積は１１６２ｍｍ2 （０．１ｍｍのＩｎメッキ）、ＯＮ−ＯＦＦストロークは１ｍｍ（現状は２ｍｍ）、スイッチ予圧縮力は３７ｋｇｆ、面圧換算は３．１８ｋｇｆ／ｃｍ2 である。
【００２７】
このように、本発明の機械式永久電流スイッチによれば、（１）低温領域で良好な動作を行う超磁歪素子による永久電流スイッチを構成することができる。（２）熱侵入は駆動コイルへの配線からだけなので、熱侵入を低減することができる。（３）超磁歪素子の駆動速度が速いため、スイッチとしての即応性が高い。（４）部品点数が少なく、信頼性の向上と軽量化を図ることができる。
【００２８】
また、永久電流スイッチ用コイルを高温超電導コイルとすることにより、発熱を伴わずに強力な磁場を得ることが可能となる。
さらに、超電導コイルが高温超電導コイルである場合にも、好適な永久電流スイッチとしての機能を果たすことができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチは、低温領域での使用に好適な超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチとして利用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１ 超磁歪素子
２ 励磁コイル
１１ 低温領域
１２ ＰＣＳ（永久電流スイッチ）
１３ ＰＣＳ用電源
１３Ａ ＰＣＳ用電源の開閉スイッチ
１４，３１ ＰＣＳ用高温超電導コイル
１５ ＰＣＳ用高温超電導コイルからの磁場によって伸長するタイプの超磁歪素子
１６，３３ 超磁歪素子の固定部
１６Ａ 超磁歪素子の固定部に形成された穴
１７ 超磁歪素子の可動部
１８ ロッド
１９ 可動接触子の基部
２０，３５ 可動接触子
２０Ａ，３５Ａ 可動接触子の接点
２１，３６ 固定接触子
２２ 超電導コイル
２３ コイル用電源
２３Ａ コイル用電源の開閉部
３２ ＰＣＳ用高温超電導コイルからの磁場によって収縮するタイプの超磁歪素子
３４ 超磁歪素子２の可動基部
Ｉ 永久電流
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温領域内に配置されるとともに、磁場を印加することによって長さ寸法が変化する超磁歪素子を備え、その長さ寸法の変化により永久電流スイッチの開閉を行って、超電導コイルへの電流のオフ状態又は超電導コイルの永久電流モードを生成することを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記低温領域内に配置される永久電流スイッチ用コイルを備え、該永久電流スイッチ用コイルから印加される磁場によって前記超磁歪素子を伸長または収縮させて、接触子の接点を駆動することにより、超電導コイルの永久電流モードを生成することを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）であることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項４】
請求項１又は２記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｂ−Ｄｙであることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項５】
請求項１又は２記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｂ−Ｄｙ−Ｚｎであることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項６】
請求項１又は２記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＫｅｌｖｉｎＡｌｌであることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超電導コイルが高温超電導コイルであることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項８】
請求項２から６の何れか１項記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記磁場を印加するための永久電流スイッチ用コイルが高温超電導コイルであることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項１】
低温領域内に配置されるとともに、磁場を印加することによって長さ寸法が変化する超磁歪素子を備え、その長さ寸法の変化により永久電流スイッチの開閉を行って、超電導コイルへの電流のオフ状態又は超電導コイルの永久電流モードを生成することを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記低温領域内に配置される永久電流スイッチ用コイルを備え、該永久電流スイッチ用コイルから印加される磁場によって前記超磁歪素子を伸長または収縮させて、接触子の接点を駆動することにより、超電導コイルの永久電流モードを生成することを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）であることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項４】
請求項１又は２記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｂ−Ｄｙであることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項５】
請求項１又は２記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＴｂ−Ｄｙ−Ｚｎであることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項６】
請求項１又は２記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超磁歪素子の材料がＫｅｌｖｉｎＡｌｌであることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記超電導コイルが高温超電導コイルであることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【請求項８】
請求項２から６の何れか１項記載の超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチにおいて、前記磁場を印加するための永久電流スイッチ用コイルが高温超電導コイルであることを特徴とする超磁歪素子を用いた機械式永久電流スイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−５８６４８（Ｐ２０１３−５８６４８Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９６６２７（Ｐ２０１１−１９６６２７）
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（０００１７３７８４）公益財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（０００１７３７８４）公益財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
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