專利名稱：超導(dǎo)磁鐵裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)磁鐵裝置，可在激勵(lì)之后通過開關(guān)的轉(zhuǎn)換將自身切換到持久電流模式。
背景技術(shù)：
隨著超導(dǎo)金屬絲性能方面的眾多改進(jìn)和利用這種金屬絲的線圈制作工藝方面的眾多進(jìn)展，以及諸如隔熱容器和冷凍機(jī)等相關(guān)裝置方面的各種技術(shù)研發(fā)，已經(jīng)創(chuàng)制了多種類型的超導(dǎo)磁鐵和采用這些磁鐵的應(yīng)用設(shè)備。其中，有一種類型是工作在持久電流模式之中。用于磁共振成像系統(tǒng)(MRI)和用于磁懸浮列車(Maglev)的超導(dǎo)磁鐵裝置是這種類型的業(yè)已投入使用的一些實(shí)例。這些超導(dǎo)磁鐵裝置從外部激勵(lì)電源供應(yīng)電流給被冷卻到極低溫度的線圈。在生成了所需的磁場時(shí)，線圈的繞線起點(diǎn)和各端部由超導(dǎo)開關(guān)予以分流，而這就使裝置運(yùn)行在持久電流模式之中，其中電流在沒有電源的情況下繼續(xù)流進(jìn)線圈。圖5表明這些傳統(tǒng)超導(dǎo)磁鐵裝置中的激勵(lì)電路。
如圖5所示，超導(dǎo)開關(guān)140連接于傳統(tǒng)超導(dǎo)磁鐵裝置101中的超導(dǎo)線圈110的繞線起點(diǎn)部分和繞線終點(diǎn)部分各端上，而超導(dǎo)線圈110安放在超導(dǎo)磁鐵裝置101內(nèi)部的極低溫度區(qū)域(大約4.2K)。具有低導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)電電流引線132也連接于此超導(dǎo)線圈110的每一端。伸向超導(dǎo)磁鐵裝置101外表面的此標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)電電流引線132的另一端連接于常溫域(大約300K)之中的外部激勵(lì)電源151。
通常，一種熱超導(dǎo)開關(guān)，當(dāng)處于接通時(shí)其電阻為零并具有簡單結(jié)構(gòu)，其一直主要用作前述的超導(dǎo)開關(guān)140。不過，一種機(jī)械超導(dǎo)開關(guān)、以及一種包括如圖5所示并聯(lián)的熱超導(dǎo)開關(guān)141和機(jī)械超導(dǎo)開關(guān)142的超導(dǎo)開關(guān)是一直被提出的(例如，見專利文件1和非專利文件1)。
未經(jīng)審查的日本專利公開No.6-350148[非專利文件1]
“超導(dǎo)性研究與開發(fā)手冊(Handbook of Research and Development ofSuperconductivity)”，國際超導(dǎo)性技術(shù)中心(International SuperconductivityTechnology Center)，奧姆莎(Ohmsha)有限公司出版(1991)，第160-163頁。
不過，傳統(tǒng)的各種超導(dǎo)磁鐵裝置當(dāng)每一超導(dǎo)開關(guān)被采用在激勵(lì)電路中時(shí)具有以下一些問題。
在單獨(dú)采用熱超導(dǎo)開關(guān)的情況下，缺點(diǎn)是要花時(shí)間在接通(ON)狀態(tài)(超導(dǎo)狀態(tài))與斷開狀態(tài)(常導(dǎo)狀態(tài))之間冷卻或加熱。換句話說，要花時(shí)間從接通狀態(tài)改變到斷開狀態(tài)以及相反，由于這利用了熱現(xiàn)象。尤其是在利用具有高超導(dǎo)臨界溫度的超導(dǎo)線圈以及為超導(dǎo)開關(guān)采用具有高超導(dǎo)臨界溫度的材料以便將超導(dǎo)狀態(tài)保持在持久電流模式下的情況下，要花較長的時(shí)間從接通狀態(tài)改變到斷開狀態(tài)以及相反，由于接通狀態(tài)與斷開狀態(tài)之間的溫差較大和熱容量較大。后果是，在超導(dǎo)磁鐵裝置被切換到持久電流模式的激勵(lì)期間，電流引線的激發(fā)時(shí)間變得較長而焦耳熱增加，從而導(dǎo)致的問題是，用于冷卻超導(dǎo)磁鐵裝置內(nèi)部的外部冷凍機(jī)的負(fù)荷增大。
在單獨(dú)采用機(jī)械超導(dǎo)開關(guān)的情況下，有可能即時(shí)將其接通和斷開，但在接通狀態(tài)下難以充分地降低接觸電阻，所以接觸電阻會(huì)導(dǎo)致一些問題，諸如當(dāng)開關(guān)連接于超導(dǎo)線圈時(shí)的電流衰減和熱量生成。其次，缺點(diǎn)在于，來自可將觸片驅(qū)入接觸或非接觸狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的相當(dāng)大的侵入熱量會(huì)增大超導(dǎo)線圈的熱負(fù)荷。
如圖5所示，在并聯(lián)熱超導(dǎo)開關(guān)和機(jī)械超導(dǎo)開關(guān)的情況下，與單獨(dú)采用機(jī)械超導(dǎo)開關(guān)的情況中一樣，同樣的缺點(diǎn)是，來自驅(qū)動(dòng)觸片的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的侵入熱量增大了超導(dǎo)線圈的熱負(fù)荷。同樣存在的問題是，機(jī)械超導(dǎo)開關(guān)的接觸電阻導(dǎo)致熱量生成，直至熱超導(dǎo)開關(guān)在被接通時(shí)已經(jīng)完成切換為止。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上各種問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種超導(dǎo)磁鐵裝置，能夠防止或控制在切換轉(zhuǎn)換時(shí)熱侵入裝置的內(nèi)部，從而減小外部冷凍機(jī)的冷卻負(fù)荷，并且能夠快速的轉(zhuǎn)換操作。
為了達(dá)到以上目的，權(quán)利要求1中所述的一種超導(dǎo)磁鐵裝置包括真空容器，該真空容器包括其中形成低溫域并容放超導(dǎo)線圈的內(nèi)罐，覆蓋內(nèi)罐并在其中形成溫度高于低溫域的中間溫度域的隔熱屏，以及裝有隔熱屏以便使隔熱屏隔開環(huán)境空氣并形成溫度高于中間溫度域的常溫域的外罐；電流引線，該電流引線的一端連接于超導(dǎo)線圈，而另一端連接于導(dǎo)線，該導(dǎo)線引向設(shè)置在真空容器外面的外部激勵(lì)電源；開關(guān)，其接通和斷開以便分流或斷開超導(dǎo)線圈的兩端；以及開關(guān)裝置，其接通或斷開該開關(guān)。
“低溫域”指的是一種所謂的極低溫域，具有幾乎與超導(dǎo)線圈的冷卻溫度相同的溫度；“常溫域”指的是一種具有幾乎與室溫相同溫度的溫度域；而“中間溫度域”指的是這樣一種溫度域，具有的溫度高于低溫域的溫度而低于超導(dǎo)電流引線的臨界溫度。
“隔熱屏”指的是一種屏蔽，稱作輻照屏蔽或放射屏蔽或隔熱屏。
“低溫域”，如上所述，是被冷卻到極低溫度的區(qū)域，并有若干冷卻系統(tǒng)，諸如一種是，其中像液氮這樣的冷卻介質(zhì)從外部冷凍機(jī)供向內(nèi)罐的內(nèi)部，而另一種是，其中冷卻是由來自外部冷凍機(jī)的熱傳導(dǎo)所造成的。類似地，關(guān)于“中間溫度域”，有若干冷卻系統(tǒng)，諸如一種用于通過從外部冷凍機(jī)供給像液氮這樣的冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻，而另一種用于通過來自外部冷凍機(jī)的熱傳導(dǎo)進(jìn)行冷卻。
通過在開關(guān)被斷開的情況下經(jīng)由電流引線從外部激勵(lì)電源向超導(dǎo)線圈供給電流而使超導(dǎo)裝置切換到持久電流模式，從而導(dǎo)致超導(dǎo)線圈生成必需的磁場，而后通過接通開關(guān)而分流超導(dǎo)線圈的兩端。
具體地說，電流引線包括第一電流引線，在一端處連接于低溫域中的超導(dǎo)線圈的一端；以及第二電流引線，其一端連接于中間溫度域中的第一電流引線的另一端并在另一端連接于常溫域中的導(dǎo)線，至少第一電流引線包括在中間溫度域中成為超導(dǎo)狀態(tài)的超導(dǎo)電流引線。
另外，開關(guān)包括熱超導(dǎo)開關(guān)，其連接于超導(dǎo)線圈的兩端以分流在低溫域中的超導(dǎo)線圈；以及機(jī)械開關(guān)，其平行于熱超導(dǎo)開關(guān)而連接于第一電流引線的兩端并能夠分流中間溫度域中的超導(dǎo)線圈。換句話說，當(dāng)設(shè)置在低溫域中的熱控開關(guān)(超導(dǎo)開關(guān))包括被切換到持久電流模式的超導(dǎo)開關(guān)時(shí)，設(shè)置在中間溫度域中的機(jī)械開關(guān)可以是超導(dǎo)開關(guān)或是常導(dǎo)開關(guān)。
機(jī)械開關(guān)經(jīng)由設(shè)置在中間溫度域中并由開關(guān)裝置驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)予以接通和斷開。
“熱超導(dǎo)開關(guān)”一詞指的是這樣一種開關(guān)，即，當(dāng)由加熱裝置(諸如加熱器)加熱時(shí)過渡到常導(dǎo)狀態(tài)而導(dǎo)致的電阻使之?dāng)嚅_；而“機(jī)械開關(guān)”指的是一種由機(jī)械機(jī)構(gòu)使之接通的開關(guān)。
根據(jù)以上的結(jié)構(gòu)，當(dāng)開關(guān)被接通而切換到在受激狀態(tài)下的持久電流模式時(shí)，要花一定量的時(shí)間來完成切換過程，由于熱超導(dǎo)開關(guān)利用了熱現(xiàn)象，但外部電源的輸出電流可以通過機(jī)械開關(guān)的即時(shí)切換而立即被減弱(切斷)。后果是，由于電流引線的電流載送時(shí)間縮短和熱量生成減少，所以可以減小冷卻電流引線的冷凍機(jī)的負(fù)荷。
在采用以上結(jié)構(gòu)的情況下，由于機(jī)械開關(guān)安放在中間溫度域中，所以即使經(jīng)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)生成熱負(fù)荷，也不必將機(jī)械開關(guān)冷卻到極低溫度。簡單地說，生成在機(jī)械開關(guān)的觸點(diǎn)處的熱量和經(jīng)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的熱侵入都不供向低溫域，而是供向中間溫度域，以致外部冷凍機(jī)可以容易地吸收熱負(fù)荷。結(jié)果，冷凍機(jī)的容量相比于將機(jī)械開關(guān)安放在低溫域中的傳統(tǒng)情況來說是可以減小的。
當(dāng)前述第二電流引線是由常導(dǎo)材料制成的常導(dǎo)電流引線時(shí)，超導(dǎo)磁鐵裝置可以以低于第二電流引線是由超導(dǎo)材料制成時(shí)的成本予以生產(chǎn)。不過，一部分或全部第二電流引線可以是由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)電流引線。
另外，機(jī)械開關(guān)不必由超導(dǎo)材料制成，由于經(jīng)由機(jī)械開關(guān)的熱負(fù)荷在某種程度上是被允許的。
因此，如權(quán)利要求2中所述，如果由常導(dǎo)材料制成的常導(dǎo)開關(guān)構(gòu)成以上的機(jī)械開關(guān)，則可以以較低成本生產(chǎn)超導(dǎo)磁鐵裝置。
此外，如以上提及，即使不及超導(dǎo)材料昂貴的常導(dǎo)材料構(gòu)成第二電流引線和機(jī)械開關(guān)時(shí)，在不應(yīng)用權(quán)利要求1中提及的結(jié)構(gòu)的情況下，該結(jié)構(gòu)有效利用了中間溫度域，外部冷凍機(jī)的負(fù)荷不能在保持作為超導(dǎo)磁鐵裝置的固有功能的同時(shí)被減小。
在熱超導(dǎo)開關(guān)達(dá)到給定的超導(dǎo)狀態(tài)并且向持久電流模式的過渡完成時(shí)，機(jī)械開關(guān)可以由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及熱超導(dǎo)開關(guān)保持接通。
在以上的結(jié)構(gòu)中，如果某種熱擾動(dòng)施用于持久電流模式中的熱超導(dǎo)開關(guān)以導(dǎo)致向常導(dǎo)狀態(tài)的暫時(shí)轉(zhuǎn)移，則超導(dǎo)線圈可以保持激勵(lì)狀態(tài)，由于電流經(jīng)由機(jī)械開關(guān)造成了迂回。簡單地說，機(jī)械開關(guān)將不由熱擾動(dòng)使之?dāng)嚅_，而是當(dāng)熱擾動(dòng)被除去時(shí)熱超導(dǎo)開關(guān)返回到超導(dǎo)狀態(tài)。因此，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電流載送以便返回持久電流模式。
在熱超導(dǎo)開關(guān)的電流載送可以相對于熱擾動(dòng)完全被穩(wěn)定下來而向常導(dǎo)狀態(tài)的過渡是不可能的情況下，如權(quán)利要求3中所述，在開始切換到持久電流模式時(shí)前述開關(guān)裝置接通機(jī)械開關(guān)和熱超導(dǎo)開關(guān)，并當(dāng)熱超導(dǎo)開關(guān)達(dá)到給定超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)斷開機(jī)械開關(guān)。
由于以上結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)繼續(xù)施加驅(qū)動(dòng)力以便保持機(jī)械開關(guān)接通而驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生能量損失(即，熱量)的情況下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過斷開機(jī)械開關(guān)而停止生成熱量，并且冷卻這些開關(guān)和機(jī)構(gòu)所安放的中間溫度域的外部冷凍機(jī)的負(fù)荷可以更加減小。
如權(quán)利要求4中所述，以上驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是這樣一種機(jī)構(gòu)，它利用通過與超導(dǎo)線圈生成的磁場相互作用而生成電磁力的常導(dǎo)螺線管，并通過依靠電磁力閉合或斷開機(jī)械開關(guān)的觸片而接通和斷開機(jī)械開關(guān)。該機(jī)構(gòu)的示例作為下文所述的實(shí)施例予以說明。
根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，通過有效地利用超導(dǎo)線圈生成的磁場和借助簡單的結(jié)構(gòu)，可以切換機(jī)械開關(guān)。
或者，如權(quán)利要求5所述，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是這樣一種機(jī)構(gòu)，它采用壓電器件，并通過借助激發(fā)或解除激發(fā)該壓電器件來閉合或斷開機(jī)械開關(guān)的觸片而接通和斷開機(jī)械開關(guān)。
具體地說，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以設(shè)計(jì)得借助壓電器件(諸如壓電陶瓷)的伸展/收縮動(dòng)作來前后移動(dòng)，此器件回應(yīng)于施加的電壓而伸展并被做得按照激發(fā)控制而伸展/收縮，以及借此閉合或斷開機(jī)械開關(guān)。
以上壓電器件較少受到磁場的影響，所以超導(dǎo)磁鐵裝置中的磁場分布并不限制壓電器件的配置。另外，即使當(dāng)磁場由于例如改變超導(dǎo)線圈的磁動(dòng)勢而被改變時(shí)，也可以可靠地驅(qū)動(dòng)機(jī)械開關(guān)。
或者，如權(quán)利要求6所述，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是一種包括利用壓電陶瓷的超聲馬達(dá)的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)。
當(dāng)停止供電時(shí)，以上超聲馬達(dá)停止，同時(shí)保持此時(shí)的狀態(tài)。因而，當(dāng)停止供電而機(jī)械開關(guān)處于接通時(shí)，機(jī)械開關(guān)被保持在接通狀態(tài)下。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)機(jī)械開關(guān)應(yīng)當(dāng)被保持在接通狀態(tài)下以防止熱超導(dǎo)開關(guān)過渡至常導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，由于不需要為保持接通狀態(tài)而繼續(xù)供電，這就提供了一種節(jié)電特性。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的超導(dǎo)磁鐵裝置的示意性構(gòu)成的說明圖；圖2是示出根據(jù)該第一實(shí)施例的超導(dǎo)磁鐵裝置的電氣構(gòu)成的說明圖；圖3是示出一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意性構(gòu)成的說明圖，此機(jī)構(gòu)組成第一實(shí)施例的超導(dǎo)磁鐵裝置；圖4是示出一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意性構(gòu)成的說明圖，此機(jī)構(gòu)組成第二實(shí)施例的超導(dǎo)磁鐵裝置；以及圖5是示出一種傳統(tǒng)的超導(dǎo)磁鐵裝置的電氣構(gòu)成及其各種問題的說明圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例以進(jìn)一步闡明用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的模式。
該實(shí)施例說明一種根據(jù)本發(fā)明的Maglev的超導(dǎo)磁鐵裝置。圖1是示出超導(dǎo)磁鐵裝置的示意性構(gòu)成的說明圖(剖面視圖)。圖2是示出超導(dǎo)磁鐵裝置的示意性電氣構(gòu)成的說明圖。
如圖1所示，該實(shí)施例的超導(dǎo)磁鐵裝置1包括真空容器20，在真空容器20內(nèi)部容放超導(dǎo)線圈10；以及電流引線30，其安放在真空容器20中，用于從外部激勵(lì)電源51供給電流給超導(dǎo)線圈10。
真空容器20包括內(nèi)罐21，其中形成低溫域并安放超導(dǎo)線圈10；隔熱屏22，其覆蓋內(nèi)罐21，在其中形成溫度高于低溫域的中間溫度域；以及外罐23，隔熱屏22容納其中從而隔開環(huán)境空氣并形成高溫域，其溫度高于中間溫度域。
在該實(shí)施例中，由于NbTi超導(dǎo)合金絲用作超導(dǎo)線圈10，上述的“低溫域”被設(shè)定為大約5K或更低。在采用一種臨界電流的溫度依賴性不同于NbTi的超導(dǎo)金屬絲(例如Nb3Sn超導(dǎo)金屬絲)的情況下，上述的“低溫域”可以設(shè)定為大約15K或更低；而在應(yīng)用Bi-系統(tǒng)超導(dǎo)金屬絲的情況下，它可以設(shè)定為大約60K或更低。此外，如稍后所述，如果該實(shí)施例采用臨界溫度為大約90K的Y-系統(tǒng)超導(dǎo)金屬絲的高溫超導(dǎo)電流引線作為部分電流引線30，則“中間溫度域”被設(shè)定為大約80K或更低?！俺赜颉笔蔷哂写蠹s300K溫度的溫度域，這與外罐的溫度、即室溫是一樣的。
內(nèi)罐21充滿液氦，以便將超導(dǎo)線圈10冷卻至極低溫度(大約4.2K)，而液氦可以相應(yīng)地從外部冷凍機(jī)(未示出)供應(yīng)。從外部冷凍機(jī)供應(yīng)的液氮將隔熱屏22冷卻至中等溫度(大約80K)。因此，這可以減少從形成常溫域(大約300K)的外罐23到形成低溫域的內(nèi)罐21的輻射熱(熱侵入)。
電流引線30的一端連接于超導(dǎo)線圈10，而另一端連接于導(dǎo)線55，該導(dǎo)線引向設(shè)置在真空容器20外面的外部激勵(lì)電源51。這一電流引線30由第一電流引線31和第二電流引線32組成，其中第一電流引線是高溫超導(dǎo)電流引線，該高溫超導(dǎo)電流引線由在中間溫度域處變成超導(dǎo)的前述Y-系統(tǒng)超導(dǎo)金屬絲構(gòu)成；第二電流引線是常導(dǎo)電流引線，該常導(dǎo)電流引線由諸如銅和黃銅的常導(dǎo)金屬構(gòu)成。
第一電流引線31在一端處連接于低溫域之中超導(dǎo)線圈10的一端。另一方面，第二電流引線32在一端處連接于中間溫度域之中第一電流引線31的另一端并在另一端處連接于真空容器外面的導(dǎo)線55。因此，第一電流引線31具有一熱梯度，從靠近內(nèi)罐21的大致極低溫度(大約4.2K)到靠近隔熱屏22的大致中等溫度(大約80K)。過渡到超導(dǎo)狀態(tài)是在大約80K或更低的溫度下達(dá)到的。此外，第二電流引線32具有一熱梯度，從靠近隔熱屏22的大致中等溫度(大約80K)到靠近外罐23的大致常溫(大約300K)。
連接于超導(dǎo)線圈10的兩端并將其分流的熱超導(dǎo)開關(guān)41設(shè)置在低溫域中，而平行于熱超導(dǎo)開關(guān)41而連接于第一電流引線31的兩端并能夠分流超導(dǎo)線圈10的機(jī)械開關(guān)42設(shè)置在中間溫度域中。
當(dāng)加熱裝置，諸如加熱器，停止加熱熱超導(dǎo)開關(guān)41時(shí)，熱超導(dǎo)開關(guān)41受到冷卻，并在零電阻的情況下過渡至超導(dǎo)狀態(tài)，并因而完全接通。另一方面，設(shè)置在中間溫度域中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60使機(jī)械開關(guān)42接通和斷開。設(shè)置在超導(dǎo)磁鐵裝置1外面的未示出的控制單元(開關(guān)裝置)控制通向加熱裝置(諸如前述加熱器)的電流，并控制向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60供應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流。
圖3示出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60的示意性結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60包括短路元件61，該短路元件沿著從真空容器20的殼體(未示出)伸出的底座部分中的導(dǎo)引件71設(shè)置并設(shè)置得以致它可以在趨向或離開第一電流引線31的方向上被前后移動(dòng)。短路元件61包括在導(dǎo)引件71的導(dǎo)引下滑動(dòng)的主體件62；細(xì)長的支承件63，該支承件設(shè)置得從第一電流引線31一側(cè)上的主體件62的表面中間伸向第一電流引線31；以及連接于支承件63的端部的板狀接觸件64。常導(dǎo)螺線管65設(shè)置在主體件62的內(nèi)部而螺旋彈簧67的一端經(jīng)由連接件66連接于接觸件64的外緣。螺旋彈簧67以另一端固定于底座件，該螺旋彈簧在與第一電流引線31相反的方向上偏壓于接觸件64。另一方面，相應(yīng)各個(gè)接觸按鈕31a、31a從一對第一電流引線31的相應(yīng)各端伸向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60的一側(cè)。
因此，當(dāng)超導(dǎo)線圈因激勵(lì)而生成磁場，以及外部驅(qū)動(dòng)電源52向常導(dǎo)螺線管65供給電流時(shí)，常導(dǎo)螺線管65通過與由超導(dǎo)線圈10生成的磁場相互作用而生成磁力。這種磁力克服螺旋彈簧67的偏壓力而將主體件62推向第一電流引線31。此后，接觸件64接觸兩個(gè)接觸按鈕31a、31a并相應(yīng)地分流超導(dǎo)線圈10。在此情況下，當(dāng)外部驅(qū)動(dòng)電源52停止供給電流時(shí)，前述的磁力消失而主體件62向回移動(dòng)，而后超導(dǎo)線圈10從短路狀態(tài)中被解脫出來。
根據(jù)上述本實(shí)施例的超導(dǎo)磁鐵裝置，在向持久電流模式過渡中，熱超導(dǎo)開關(guān)41和機(jī)械開關(guān)42被斷開，而后外部激勵(lì)電源51經(jīng)由第二電流引線32和第一電流引線31向超導(dǎo)線圈10供給電流。在圍繞超導(dǎo)線圈10生成所需的磁場之后，這些開關(guān)都被接通，而超導(dǎo)線圈10的兩端被短路。
在此情況下，雖然利用熱現(xiàn)象的熱超導(dǎo)開關(guān)41要求一定量的時(shí)間以完成切換，但機(jī)械開關(guān)可以立即予以接通或斷開，然后外部激勵(lì)電源51的輸出電流可以被切斷或是被減弱。這就導(dǎo)致兩條電流引線的激發(fā)時(shí)間減少。因而，各引線中的熱量生成減少了，而后使它們冷卻的外部冷凍機(jī)的負(fù)荷降低了。
如果熱超導(dǎo)開關(guān)41由于熱擾動(dòng)而暫時(shí)過渡到持久電流模式中的常導(dǎo)狀態(tài)，則超導(dǎo)線圈10可以在機(jī)械開關(guān)42處于接通時(shí)保持激勵(lì)狀態(tài)而電流旁通至機(jī)械開關(guān)42。換句話說，由于機(jī)械開關(guān)42因熱擾動(dòng)之故而未被斷開，而當(dāng)熱擾動(dòng)被除去時(shí)熱超導(dǎo)開關(guān)41返回到超導(dǎo)狀態(tài)，所以可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激發(fā)而返回到持久電流模式。
在該實(shí)施例的超導(dǎo)磁鐵裝置中，由于機(jī)械開關(guān)42設(shè)置在中間溫度域中，所以即使經(jīng)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60生成了熱負(fù)荷，也不必將機(jī)械開關(guān)42冷卻到極低溫度。換句話說，在機(jī)械開關(guān)42觸點(diǎn)處的熱量生成以及來自驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60的熱侵入都不加入低溫域而是加入中間溫度域，以及外部冷凍機(jī)可以容易地吸收熱負(fù)荷。因此，冷凍機(jī)容量小于以傳統(tǒng)方式將機(jī)械開關(guān)42設(shè)置在低溫域之中的情況下的容量。
此外，由于超導(dǎo)線圈10和機(jī)械開關(guān)42經(jīng)由第一電流引線31連接起來，第一電流引線31在中間溫度下過渡到超導(dǎo)狀態(tài)，所以如果機(jī)械開關(guān)42在切換到持久電流模式期間被接通，則可防止或限制來自超導(dǎo)線圈10的電流衰減，并且可順利完成到持久電流模式的切換。
再次，在該實(shí)施例中，其中機(jī)械開關(guān)42設(shè)置在中間溫度域中，熱負(fù)荷可以被允許高于將其設(shè)置在低溫域中的情況下的熱負(fù)荷，如上所述。因此，如上所述，機(jī)械開關(guān)42可以由廉價(jià)的常導(dǎo)材料制成。同樣，第二電流引線32可以由廉價(jià)的常導(dǎo)材料制成。
結(jié)果，超導(dǎo)磁鐵裝置可以以較低的價(jià)格生產(chǎn)出來，同時(shí)保持其最初的功能。
同樣，在該實(shí)施例中，第一電流引線31是一種由Y-系統(tǒng)超導(dǎo)體制成的高溫超導(dǎo)電流引線，但Y-系統(tǒng)超導(dǎo)體可以用一種在低于中間溫度的溫度下切換到超導(dǎo)狀態(tài)的裝置代替。因而，例如，可以采用Bi-系統(tǒng)高溫超導(dǎo)電流引線或Ti-系統(tǒng)高溫超導(dǎo)電流引線。
在以上第一實(shí)施例中，利用常導(dǎo)螺線管65的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60被用作一種接通和斷開機(jī)械開關(guān)42的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本實(shí)施例采用一種不同于第一實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖4是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖，對應(yīng)于第一實(shí)施例中的圖3。本實(shí)施例的超導(dǎo)磁鐵裝置的基本構(gòu)成、供給電能的方式等基本上在原則上等同于第一實(shí)施例中的那些。因此，等同的各部件有同樣的標(biāo)號(hào)而不再重復(fù)其說明。
如圖4所示，在該實(shí)施例中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)80包括滑動(dòng)機(jī)構(gòu)81，該滑動(dòng)機(jī)構(gòu)通過從外部驅(qū)動(dòng)電源52向超聲馬達(dá)提供給定電壓以驅(qū)動(dòng)該超聲馬達(dá)而實(shí)現(xiàn)滑移運(yùn)動(dòng)。
滑動(dòng)機(jī)構(gòu)81包括超聲馬達(dá)82，該超聲馬達(dá)包括壓電陶瓷并固定在底座件72上，該底座件設(shè)置在真空容器20的殼體(未示出)上；滾珠螺桿83，連接于超聲馬達(dá)82的轉(zhuǎn)動(dòng)軸并伸展在軸向；以及短路元件91，由滾珠螺桿83的轉(zhuǎn)動(dòng)予以驅(qū)動(dòng)并在第一電流引線31的方向上前后移動(dòng)。
短路元件91包括主體件92，由導(dǎo)引件73予以導(dǎo)引而滑動(dòng)在底座件72上；縱向支承件93，設(shè)置成從第一電流引線31一側(cè)上的主體件92的表面中間伸出；以及板狀接觸件94，連接于支承件93的端部。螺絲孔92a沿著主體件92中滾珠螺桿83的軸線設(shè)置。嚙合滾珠螺桿83的螺紋的陰螺紋形成在螺絲孔92a之中。
在切換到持久電流模式時(shí)，電壓首先從外部驅(qū)動(dòng)電源52供向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)80，而超聲馬達(dá)82被驅(qū)動(dòng)以轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠螺桿83。結(jié)果，主體件92受到導(dǎo)引件73的導(dǎo)引而滑動(dòng)，并朝向第一電流引線31移動(dòng)，而后接觸件94與接觸按鈕31a、31a形成接觸并最終分流超導(dǎo)線圈10。
在完成向持久電流模式的切換之后，接觸件94可以退出而通過從外部驅(qū)動(dòng)電源52開始提供電壓并與以上反向地驅(qū)動(dòng)超聲馬達(dá)82而使超導(dǎo)線圈10從分流狀態(tài)脫開?；蛘撸谕瓿上虺志秒娏髂Ｊ降那袚Q之后，超導(dǎo)線圈10可以通過停止從外部驅(qū)動(dòng)電源52提供電壓而被保持在短路狀態(tài)下。
如以上提及，當(dāng)供電停止時(shí)，超聲馬達(dá)82停止維持此時(shí)的狀態(tài)。因此，當(dāng)供電停止而同時(shí)保持機(jī)械開關(guān)42接通時(shí)，接通狀態(tài)可以維持。從節(jié)約能量的角度來看，這對上述結(jié)構(gòu)是有利的，在此結(jié)構(gòu)中，機(jī)械開關(guān)被保持在接通狀態(tài)下以便防止熱超導(dǎo)開關(guān)41過渡到常導(dǎo)狀態(tài)，這是由于不必為了保持接通狀態(tài)而保持電流供給。
此外，由于包括壓電陶瓷(壓電器件)的超聲馬達(dá)82用于其中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)80較少受到磁場的影響，以致超導(dǎo)磁鐵裝置中的磁場分布將不會(huì)限制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)80的配置。即使磁場例如由于超導(dǎo)線圈10改變磁動(dòng)勢而改變，機(jī)械開關(guān)42也肯定可被驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明的各實(shí)施例以上已作說明。不過，本發(fā)明的實(shí)施例不應(yīng)當(dāng)限于以上各實(shí)施例，而其他一些變型在不偏離本發(fā)明技術(shù)范疇的情況下也是可能的。
在以上第二實(shí)施例中，包括壓電陶瓷的超聲馬達(dá)被稱作包括壓電器件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。壓電器件(諸如壓電陶瓷)在施加電壓時(shí)會(huì)伸展。利用由激發(fā)控制而造成的壓電器件的伸展/收縮，機(jī)械開關(guān)42的觸片可以設(shè)計(jì)得通過前后移動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而被閉合或斷開。作為壓電器件，除了壓電陶瓷之外，可以采用壓電單晶和壓電有機(jī)物質(zhì)。
在以上各實(shí)施例中，例如，第二電流引線32和機(jī)械開關(guān)42是由廉價(jià)的常導(dǎo)材料制成的。不過，它們的確可以由超導(dǎo)材料制成。
此外，在以上各實(shí)施例中，作為用作內(nèi)罐21中低溫域的冷卻系統(tǒng)，外部冷凍機(jī)將冷卻介質(zhì)(諸如液氦)供入內(nèi)罐以便冷卻低溫域。不過，它也可以由來自外部冷凍機(jī)的熱傳導(dǎo)來冷卻。類似地，外部冷凍機(jī)將冷卻介質(zhì)(諸如液氮)作為冷卻系統(tǒng)供給隔熱屏22的中間溫度域。不過，它可以由來自外部冷凍機(jī)的熱傳導(dǎo)來冷卻。
工業(yè)應(yīng)用性根據(jù)本發(fā)明，有可能提供一種超導(dǎo)磁鐵裝置，例如Maglev的超導(dǎo)磁鐵裝置，能夠防止或限制侵入裝置中的熱量并在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)減少外部冷凍機(jī)的致冷負(fù)荷；還能夠從事快速的轉(zhuǎn)換操作。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)磁鐵裝置，包括真空容器，該真空容器包括其中形成低溫域并容放超導(dǎo)線圈的內(nèi)罐，覆蓋內(nèi)罐并在其中形成溫度高于低溫域的中間溫度域的隔熱屏，以及裝有隔熱屏以便使隔熱屏隔開環(huán)境空氣并形成溫度高于中間溫度域的常溫域的外罐；電流引線，該電流引線的一端連接于超導(dǎo)線圈，而另一端連接于導(dǎo)線，該導(dǎo)線引向設(shè)置在真空容器外面的外部激勵(lì)電源；開關(guān)，其接通和斷開以便分流或斷開超導(dǎo)線圈的兩端；以及開關(guān)裝置，其接通和斷開該開關(guān)，通過在開關(guān)斷開的情況下經(jīng)過電流引線從外部激勵(lì)電源向超導(dǎo)線圈供給電流而使超導(dǎo)裝置切換到持久電流模式，從而使超導(dǎo)線圈生成必需的磁場，而后通過接通開關(guān)而分流超導(dǎo)線圈的兩端，超導(dǎo)裝置通過在開關(guān)被斷開的情況下經(jīng)由電流引線從外部激勵(lì)電源向超導(dǎo)線圈供給電流而被切換到持久電流模式，從而導(dǎo)致超導(dǎo)線圈生成一必需的磁場，而后通過接通開關(guān)而分流超導(dǎo)線圈的兩端，其中電流引線包括第一電流引線，其在一端處連接于低溫域中的超導(dǎo)線圈的一端；以及第二電流引線，其一端連接于中間溫度域中的第一電流引線的另一端并在另一端連接于常溫域中的導(dǎo)線，至少第一電流引線包括在中間溫度域中成為超導(dǎo)狀態(tài)的超導(dǎo)電流引線，并且其中開關(guān)包括熱超導(dǎo)開關(guān)，其連接于超導(dǎo)線圈的兩端以分流在低溫域中的超導(dǎo)線圈；以及機(jī)械開關(guān)，其平行于熱超導(dǎo)開關(guān)而連接于第一電流引線的兩端并能夠分流中間溫度域中的超導(dǎo)線圈，該機(jī)械開關(guān)經(jīng)由設(shè)置在中間溫度域中并由開關(guān)裝置驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)予以接通和斷開。
2.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁鐵裝置，其中機(jī)械開關(guān)是由常導(dǎo)材料制成的常導(dǎo)開關(guān)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)磁鐵裝置，其中開關(guān)裝置在開始切換到持久電流模式時(shí)接通機(jī)械開關(guān)，并當(dāng)熱超導(dǎo)開關(guān)成為規(guī)定的超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)斷開機(jī)械開關(guān)。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的超導(dǎo)磁鐵裝置，其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括這樣的機(jī)構(gòu)，其利用通過與超導(dǎo)線圈生成的磁場相互作用而生成電磁力的常導(dǎo)螺線管，并通過依靠電磁力閉合或斷開機(jī)械開關(guān)的觸片而接通和斷開機(jī)械開關(guān)。
5.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的超導(dǎo)磁鐵裝置，其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括采用壓電器件的機(jī)構(gòu)，并通過借助激發(fā)或解除激發(fā)該壓電器件來閉合或斷開機(jī)械開關(guān)的觸片而接通和斷開機(jī)械開關(guān)。
6.如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)磁鐵裝置，其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用包括壓電器件的超聲馬達(dá)的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)。
全文摘要
一種超導(dǎo)磁鐵裝置，其中在向持久電流模式轉(zhuǎn)換時(shí)通過防止或限制熱侵入磁鐵而降低外部冷凍機(jī)的致冷負(fù)荷，并可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換操作。在超導(dǎo)磁鐵裝置(1)中，在向持久電流模式轉(zhuǎn)換中，布置在低溫域中的熱超導(dǎo)開關(guān)(41)和布置在中間溫度域中的機(jī)械開關(guān)(42)接通。由于機(jī)械開關(guān)(42)布置在中間溫度域中，即使通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(60)生成熱負(fù)荷，也不需要將機(jī)械開關(guān)再冷卻到極低的溫度。換言之，由于生成在機(jī)械開關(guān)(42)接觸點(diǎn)處的熱量和來自驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(60)的熱侵入都不作用于低溫域，而是作用于中間溫度域，所以外部冷凍機(jī)可以容易地吸收熱負(fù)荷，由此冷凍機(jī)容量可以減小。
文檔編號(hào)H01L39/20GK1757122SQ20038011009
公開日2006年4月5日 申請日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月6日
發(fā)明者根本薰, 五十嵐基仁 申請人:東海旅客鐵道株式會(huì)社