特許 6021791 永久電流スイッチ及びこれを備える超電導装置

(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】6021791

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月9日

(54)【発明の名称】永久電流スイッチ及びこれを備える超電導装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 39/20 20060101AFI20161027BHJP

   H01F 6/04 20060101ALI20161027BHJP

【ＦＩ】

   H01L39/20ZAA

   H01F6/04

【請求項の数】9

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2013-245952(P2013-245952)

(22)【出願日】2013年11月28日

(65)【公開番号】特開2014-209543(P2014-209543A)

(43)【公開日】2014年11月6日

【審査請求日】2015年9月1日

(31)【優先権主張番号】特願2013-69190(P2013-69190)

(32)【優先日】2013年3月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100061745

【弁理士】

【氏名又は名称】安田 敏雄

(74)【代理人】

【識別番号】100120341

【弁理士】

【氏名又は名称】安田 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】寺尾 泰昭

(72)【発明者】

【氏名】三木 孝史

【審査官】 綿引 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭４９−０３３５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０６８５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２３９８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５１３６７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０９０９２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ ６／０４

Ｈ０１Ｌ ３９／００−２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コイルを巻回するための巻枠と、前記巻枠にコイル状に巻回されたヒータ線と、前記ヒータ線に重なるようにコイル状に巻回された超伝導線と、前記巻枠を支持する筐体とを備え、冷凍機で冷却される超電導装置内に設けられた超電導コイルを含む超電導回路を断続する永久電流スイッチであって、
前記永久電流スイッチは、前記筐体の内部と外部とを連通させ且つ前記筐体の内部に気体及び/又は液体の冷媒を供給する導入口を有し、
前記巻枠が、伝熱量を制限する伝熱制限部材を介して前記冷凍機の冷却部材上に支持されている
ことを特徴とする永久電流スイッチ。

【請求項2】

前記筐体が、前記冷凍機と熱的に接続するように構成されている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】

前記筐体が、前記筐体の内部に存在する気体の冷媒を液体に凝縮する凝縮部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の永久電流スイッチ。

【請求項4】

前記伝熱制限部材が、前記巻枠と前記冷却部材との間に空間を形成するように、前記冷却部材上に前記巻枠を支持する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5】

前記巻枠が、軸心方向を上下に向けて前記冷却部材に対して縦置きされており、
前記伝熱制限部材が、前記巻枠の上端側又は下端側を支持することで、前記巻枠の下端側に前記空間を形成することを特徴とする請求項４に記載の永久電流スイッチ。

【請求項6】

前記伝熱制限部材が、前記筐体を兼ねて構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の永久電流スイッチ。

【請求項7】

請求項１〜６のいずれかに記載の永久電流スイッチを有し、
前記永久電流スイッチの筐体の外部から前記筐体の導入口に冷媒を供給する冷媒供給源を有することを特徴とする超電導装置。

【請求項8】

前記筐体の内部の冷媒を、前記筐体の導入口から前記筐体の外部へ排出する排出手段を有することを特徴とする請求項７に記載の超電導装置。

【請求項9】

前記超電導装置は、前記超電導コイルを冷却する液体ヘリウムを有し、
前記冷媒供給源は、前記液体ヘリウムであることを特徴とする請求項７に記載の超電導装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超電導による永久電流が流れる閉回路を形成する永久電流スイッチ、及びその永久電流スイッチを備える超電導装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置やＮＭＲ（核磁気共鳴）装置など、静磁場を発生させる必要がある装置では、超電導磁石（超電導マグネット）を永久電流モードで運転することで静磁場を発生させる。永久電流モードとは、永久電流によって超電導磁石を励磁することを意味し、永久電流モードで超電導磁石を運転するには、超電導線で構成され、超電導磁石が組み込まれた閉回路に永久電流を流さなくてはならない。

【0003】

超電導磁石が組み込まれた閉回路に永久電流を流すには、まず、切断された閉回路の外部の電源から超電導磁石に電流を供給し、超電導磁石に流れる電流値が定格に達した後に閉回路を接続して、供給された電流を超電導線で構成された閉回路に閉じ込める。この閉じ込められた電流が、永久電流として閉回路を流れるが、上記閉回路の切断及び接続は、閉回路において超電導磁石に接続された永久電流スイッチによって切り換えられる。この永久電流スイッチは、超電導磁石を含む閉回路を構成するのに必要な部材であり、永久電流スイッチとしては、熱式、磁気式、機械式などの方式が考案されているが、作製の容易さから「熱式の永久電流スイッチ」が主に採用されている。

【0004】

具体的に、熱式の永久電流スイッチは、永久電流スイッチ自体の内部に組み込まれたヒータへの通電を制御することで、該永久電流スイッチを構成する超電導線を、超電導状態（スイッチＯＮ状態）又は常伝導状態（スイッチＯＦＦ状態）に切り換える。この切り換えによって超電導線を超電導状態（スイッチＯＮ状態）にすれば、超電導磁石が組み込まれた閉回路が形成されるので、外部の電源から供給された電流を閉回路に閉じ込めて超電導磁石を永久電流モードで励磁することができる。逆に、永久電流スイッチの超電導線を常伝導状態（スイッチＯＦＦ状態）にすれば、閉回路が切断されるので、永久電流モードは解消される。

【0005】

このような永久電流スイッチはすでに周知であるが、その構成及び動作については、特許文献１〜３に示すような様々な工夫がなされている。
特許文献１に開示の永久電流スイッチは、冷凍機によって伝導冷却される超電導コイルと並列に接続され、前記冷凍機によって伝導冷却されて前記超電導コイルに流れる電流のスイッチングを行う永久電流スイッチにおいて、スイッチ用超電導線が巻回された巻き線部と、該巻き線部を加熱するヒータと、巻き線部に当接する断熱材とを含むとともに、巻き線部を断熱材を介して伝導冷却する冷却部材を配置したことを特徴とするものである。

【0006】

また、特許文献２に開示の永久電流スイッチは、冷却源で冷却されて超電導状態となる超電導コイルに接続され、前記冷却源より伝導で冷却されて前記超電導コイルに流れる電流のスイッチングを行う永久電流スイッチにおいて、前記超電導コイルに接続されるスイッチ用超電導線が巻枠に巻かれたスイッチ巻線部を有するスイッチ部と、前記スイッチ巻線部を加熱するための加熱手段と、前記スイッチ部を固定してそのスイッチ巻線部を伝導冷却するスイッチ支持部材と、前記冷却源より伝導によって冷却されている低温ステージと、前記スイッチ支持部材と前記低温ステージとを熱的に短絡および切り離しするための熱スイッチとを備えたことを特徴とするものである。

【0007】

さらに、特許文献３に開示の永久電流スイッチは、巻枠上に巻回された超電導線およびヒータ線とからなるコイルを備えた永久電流スイッチにおいて、前記コイルの外側に離間して円筒状部材を配置し、前記コイルと前記円筒状部材との間に形成される筒状空隙部の一側を開放するとともに、他側を閉塞し、この閉塞部に複数の貫通孔を設けたことを特徴とするものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平１０−１８９３２４号公報

【特許文献2】特開平８−１３８９２８号公報

【特許文献3】特開昭６３−８１８７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ところで、特許文献１に開示の永久電流スイッチは、スイッチとして機能する超電導線を、熱抵抗の高い断熱材と冷却部材の間に挟むように設けている。斯かる構成を有する特許文献１の永久電流スイッチでは、ヒータ線の熱による冷凍機への負荷を低減することはできるかもしれないが、ヒータ線の発熱を止めて超電導線の超電導状態への復帰を行う場合には、ヒータ線と断熱材に挟まれた超電導線の冷却に過剰な時間が必要となるおそれがある。

【0010】

また、特許文献２に開示の永久電流スイッチは、スイッチがＯＦＦとなった時、つまり、加熱手段であるヒータの温度が高いときには物理的に冷凍機と永久電流スイッチの間を切り離して、熱的なコンタクトを避ける。また、この永久電流スイッチは、スイッチをＯＮする時、つまり、スイッチ用超電導線を冷却する必要があるときには、冷凍機と永久電流スイッチを物理的に再度接続させる。

【0011】

このような特許文献２の永久電流スイッチでは、熱スイッチにおける物理的接続（つまり、機械的接続）の精度を、繰り返し行われる接続と切り離しの中で常に一定に保つことは困難であり、接続する度に接続の精度が異なってしまう。加えて、物理的接続の精度は、熱スイッチの個体差にも大きく影響される。さらには、接続と切り離しを繰り返すことで、熱スイッチの機械的な接続部の磨耗等によって熱伝達特性（つまり、冷却特性）が劣化してしまうおそれがある。

【0012】

さらに、特許文献３に開示の永久電流スイッチは、超電導線によるコイルの外周を囲むように筒状空隙部を設けていて、液体ヘリウム中に浸漬されている。筒状空隙部は、一側を開放し、他側に貫通孔を形成しているので、永久電流スイッチが液体ヘリウム中に浸漬されている限り、筒状空隙部には、一側の開放部分から液体ヘリウムが常に流入する構成となっている。つまり、永久電流スイッチは、ヒータ線の加熱によって液体ヘリウムが蒸発しても、気体となったヘリウムは貫通孔から逃散してゆくので、液体ヘリウムの流入を抑制する手段を備えていない筒状空隙部へは液体ヘリウムが流入し続ける。従って、筒状空隙部は、常に冷却部として作用させることはできても、断熱部として作用させることは非常に困難である。

【0013】

以上のように、従来の永久電流スイッチでは、スイッチの接続と切断を所望のタイミングで安定的かつ自在に切り換えることが困難であり、また、スイッチを切断するためのヒータの熱が、超電導コイルを冷却するための冷凍機に大きな負荷をかけたり、不要な液体ヘリウムの蒸発を起こしている。
そこで本発明は、スイッチの接続と切断を所望のタイミングで安定的かつ自在に切り換えることができ、且つスイッチを切断するためのヒータの熱によって超電導コイルを冷却するための冷凍機にかかる負荷や液体ヘリウムの蒸発量を抑制する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。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る永久電流スイッチは、コイルを巻回するための巻枠と、前記巻枠にコイル状に巻回されたヒータ線と、前記ヒータ線に重なるようにコイル状に巻回された超伝導線と、前記巻枠を支持する筐体とを備え、冷凍機で冷却される超電導装置内に設けられた超電導コイルを含む超電導回路を断続する永久電流スイッチであって、前記永久電流スイッチは、前記筐体の内部と外部とを連通させ且つ前記筐体の内部に気体及び/又は液体の冷媒を供給する導入口を有することを特徴とする。

【0015】

ここで、前記筐体が、前記冷凍機と熱的に接続するように構成されているとよい。
また、前記筐体が、前記筐体の内部に存在する気体の冷媒を液体に凝縮する凝縮部を有するとよい。
さらに、前記巻枠が、伝熱量を制限する伝熱制限部材を介して前記冷凍機の冷却部材上
に支持されているとよい。

【0016】

また、前記伝熱制限部材が、前記巻枠と前記冷却部材との間に空間を形成するように、前記冷却部材上に前記巻枠を支持するとよい。
ここで、前記巻枠が、軸心方向を上下に向けて前記冷却部材に対して縦置きされており、前記伝熱制限部材が、前記巻枠の上端側又は下端側を支持することで、前記巻枠の下端側に前記空間を形成するとよい。

【0017】

さらに、前記伝熱制限部材が、前記筐体を兼ねて構成されていてもよい。
本発明に係る超電導装置は、上述のいずれかの永久電流スイッチを有し、前記永久電流スイッチの筐体の外部から前記筐体の導入口に冷媒を供給する冷媒供給源を有することを特徴とする。
ここで、前記筐体の内部の冷媒を、前記筐体の導入口から前記筐体の外部へ排出する排出手段を有するとよい。

【0018】

さらに、前記超電導装置は、前記超電導コイルを冷却する液体ヘリウムを有し、前記冷媒供給源は、前記液体ヘリウムであるとよい。
なお、本発明にかかる永久電流スイッチの最も好ましい形態は、コイルを巻回するための巻枠と、前記巻枠にコイル状に巻回されたヒータ線と、前記ヒータ線に重なるようにコイル状に巻回された超伝導線と、前記巻枠を支持する筐体とを備え、冷凍機で冷却される超電導装置内に設けられた超電導コイルを含む超電導回路を断続する永久電流スイッチであって、前記永久電流スイッチは、前記筐体の内部と外部とを連通させ且つ前記筐体の内部に気体及び/又は液体の冷媒を供給する導入口を有し、前記巻枠が、伝熱量を制限する伝熱制限部材を介して前記冷凍機の冷却部材上に支持されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明による永久電流スイッチによれば、スイッチの接続と切断を所望のタイミングで安定的かつ自在に切り換えることができ、且つスイッチを切断するためのヒータの熱によって超電導コイルを冷却するための冷凍機にかかる負荷や液体ヘリウムの蒸発量を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１実施形態の永久電流スイッチが設けられる超電導装置の構成を示す図である。

【図2】永久電流スイッチの断面を示す図である。

【図3】凝縮部を備えた永久電流スイッチの断面を示す図である。

【図4】第２実施形態の永久電流スイッチが設けられる超電導装置の構成を示す図である。

【図5】第３実施形態による永久電流スイッチの内部の構成を示す断面図である。

【図6】第４実施形態による永久電流スイッチの内部の構成を示す断面図である。

【図7】第５実施形態による永久電流スイッチの内部の構成を示す断面図である。

【図8】第６実施形態による永久電流スイッチの内部の構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。従って、本発明の技術的範囲は、本実施形態に開示内容に限定されるものではない。また、以下に説明する各実施形態において、同一の構成部材には、同一の符号及び同一の名称を付すこととする。従って、同一の符号及び同一の名称が付された構成部材については、同じ説明を繰り返さない。

【0022】

［第１実施形態］
図１及び図２を参照して、本発明の第１実施形態による永久電流スイッチ１Ａについて説明する。図１は、ＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置やＮＭＲ（核磁気共鳴）装置などに用いられる磁場発生装置である超電導装置１０の概略構成を示す図である。図２は、永久電流スイッチ１Ａの内部の構成を示す断面図である。

【0023】

まず、図１を参照して、永久電流スイッチ１Ａが設けられる超電導装置１０の構成を説明する。
超電導装置１０は、収納容器２と、収納容器２に収納された超電導コイル３と、収納容器２の外表面が室温の大気と触れないように収納容器２を内部に保持する真空容器４と、超電導コイル３を超電導転移温度以下に冷却する冷却手段５とを有する。

【0024】

収納容器２は、例えば薄肉のステンレス鋼など、機械強度及び耐腐食性に優れた材料で形成された中空の容器である。収納容器２は、後に詳述する超電導コイル３を収納すると共に冷却手段５も収納し、これによって、収納容器２内の超電導コイル３が超電導転移温
度以下にまで冷却される。
超電導転移温度とは、熱力学温度にして数Ｋ（ケルビン）といった極低温である。従って、ステンレス鋼など熱伝導性の高い材料で形成された収納容器２を室温に置いた場合、室温から収納容器２内へ熱が侵入するので、収納容器２の内部を超電導転移温度以下に保つのは困難である。そこで収納容器２は、外表面が室温の大気と触れないように、内部が真空となった後述する真空容器４内に保持される。

【0025】

超電導コイル３は、超電導体（超電導物質）からなる線材を巻回して得られるコイルであり、収納容器２内に収容される。超電導転移温度以下で超電導コイル３に電流が供給されると、供給された電流は、いわゆる永久電流として電気抵抗がほぼゼロ０となった超電導コイルを流れ続ける。超電導コイル３は、この永久電流が引き起こす電磁誘導によって磁場を発生する。

【0026】

また、超電導コイル３には、該超伝導コイル３に電流を供給する電源部（外部の電源）が接続可能となっており、また、永久電流を流す閉回路を形成するために、後述する永久電流スイッチ１Ａが超電導コイル３に接続されている。永久電流スイッチ１ＡのＯＮ（接続）とＯＦＦ（切断）を切り替えることで、永久電流を流す閉回路の形成と解消を切り替えることができ、永久電流スイッチ１Ａを接続すれば閉回路が形成され、切断すれば閉回路が解消される。このとき、閉回路を形成するケーブルは、超電導コイル３と同様に超電導体から形成される。

【0027】

真空容器４は、収納容器２と同様に、例えばステンレス鋼など、機械強度及び耐腐食性に優れた材料で形成された中空の容器であり、超電導コイル３を収納する収納容器２を内部に保持する。真空容器４は、内部が超電導転移温度以下といった極低温となる収納容器２の外表面が室温の大気と触れないように、真空に保った内部に収納容器２を保持する。言い換えれば、真空容器４は、真空の空間を隔てて収納容器２を保持している。つまり、収納容器２と真空容器４は、いわゆる魔法瓶の構造を形成しており、収納容器２と室温とは真空容器４による真空の空間を隔てて断熱される。

【0028】

冷却手段５は、例えば、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機などの極低温冷凍機（以下、単に冷凍機という）である。冷却手段５である冷凍機（以下、冷凍機５という）は、棒状かつ長尺であって、一端側に圧縮機等を含む駆動部５０が設けられ、さらに、駆動部５０から他端に向かう中途部に熱交換を行う第１段ステージ５１を有し、他端側に第２段ステージ５２を有する２段構成となっている。第１段ステージ５１は、例えば３０Ｋ程度にまで冷却可能な熱交換部であり、第２段ステージ５２は、４Ｋ程度にまで冷却可能な熱交換部である。

【0029】

図１に示すように、冷凍機５は、真空容器４の外部から真空容器４と収納容器２を貫通して、第２段ステージ５２を収納容器２の内部で保持している。冷凍機５の駆動部５０は真空容器４の貫通孔の周囲で気密に保持され、第１段ステージ５１は収納容器２に密に接続され、第２段ステージ５２は収納容器２の内部で、熱抵抗の低い板状の冷却部材６（例えば銅製の部材）を介して超電導コイル３に接続されている。ここで、冷却部材６は、第２段ステージ５２の延長であると見ることができる。図１に示すように、超電導コイル３が第２段ステージ５２に接続されることで、例えば４Ｋといった超電導転移温度以下にまで超電導コイル３を冷却することができる。

【0030】

上述の構成を有する超電導装置１０は、さらに、永久電流スイッチ１Ａを有する。以下、図１及び図２を参照して、永久電流スイッチ１Ａについて説明する。
永久電流スイッチ１Ａは、上述したように、永久電流を流す閉回路を形成するために、超電導コイル３に導線（ケーブル）によって接続されるものであり、巻枠１１、ヒータ線１２、スイッチ部１３、及びこれらを内部に格納する筐体（外筒部材）１４を含んで構成される。

【0031】

巻枠１１は、例えば外径１５ｍｍ程度の円柱形状の胴部Ｍを有する部材であり、後述するヒータ線１２による発熱の伝熱を抑制するために、例えばＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）などの熱抵抗の高い材料で構成されている。巻枠１１は、円柱形状の胴部Ｍの両端に円板状の平板（フランジ）Ｆ１，Ｆ２を有し、いわゆるボビンとして構成されて
いる。巻枠１１の一方のフランジＦ１には、胴部Ｍと重ならない位置に胴部Ｍの長手方向に沿った導入口（貫通孔Ｔ）が設けられている。

【0032】

ヒータ線１２は、コンスタンタン線など、通電により発熱する導電性の部材であり、例えば外径１５ｍｍ巻枠に巻幅１００ｍｍ程度で１００Ωに相当する長さが無誘導巻でコイル状に巻き付けられる。
スイッチ部１３は、例えばＣｕＮｉ/ＮｂＴｉなどの超電導体で構成される超電導線であり、室温時の両端抵抗が１００Ωとなる長さが、巻枠１１に巻き付けられたヒータ線１２の上に重なるように無誘導巻でコイル状に巻き付けられる。このスイッチ部１３は、超電導転移点以下に冷却されれば、電気抵抗がほぼゼロ０となるのでＯＮ（接続）状態となり、ヒータ線１２の発熱によって超電導転移点を超えれば、電気抵抗が発生するのでＯＦＦ（切断）状態となる。

【0033】

外筒部材１４は、例えば銅などの熱抵抗の低い材料で構成された円筒形状の部材であって、ヒータ線１２及びスイッチ部１３が巻回された巻枠１１を円筒内に内包し、巻枠１１のフランジＦ１，Ｆ２と気密に接続することで巻枠１１を保持するものである。このとき外筒部材１４は、スイッチ部１３との間に所定の間隔の空間Ｓを確保できる程度の内径を有している。

【0034】

上述の通り、ヒータ線１２及びスイッチ部１３が巻回された巻枠１１を外筒部材１４内に保持することで、図２に示すような断面構成を有する永久電流スイッチ１Ａが構成されるが、ヒータ線１２及びスイッチ部１３の端部は、永久電流スイッチ１Ａの外に引き出され、ヒータ線１２は超電導装置１０の外部の電源に接続されている。
さらに、永久電流スイッチ１Ａは、巻枠１１のフランジＦ１，Ｆ２に形成された貫通孔Ｔに、永久電流スイッチ１Ａの内部と外部を連通するための銅製の導管Ｐが設けられている。この導管Ｐによって、永久電流スイッチ１Ａの内部に気体及び/又は液体の冷媒を供給することができ、また、永久電流スイッチ１Ａの内部を排気することができる。この冷媒の供給及び排気については、永久電流スイッチ１Ａの動作として後述する。

【0035】

再び図１を参照して、超電導装置１０内における永久電流スイッチ１Ａの配置について説明する。永久電流スイッチ１Ａは、超電導コイル３が発する磁場の影響が少ない位置で、外筒部材（筐体）１４が熱抵抗の低い板状の冷却部材（例えば銅製の部材）７に物理的に接触することで支持され、この冷却部材７が冷凍機５の第２段ステージ５２と物理的に接続される。ここで、冷却部材７は、第２段ステージ５２の延長であると見ることができる。このようにして、永久電流スイッチ１Ａは、冷凍機５の第２段ステージ５２と熱的に接続されるので、スイッチ部１３の超電導転移点である４.２Ｋ付近にまで冷却される。

【0036】

その上で、巻枠１１のフランジＦ１に設けられた銅製の導管Ｐには、超電導装置１０の外部に設けられた排気ポンプ８と、冷媒供給源９が接続されている。排気ポンプ８は、永久電流スイッチ１Ａの内部を排気するポンプ（排気手段）であり、冷媒供給源９は、永久電流スイッチ１Ａの内部にヘリウムガスを供給する供給源である。冷媒供給源９とフランジＦ１に設けられた導管Ｐを接続する配管は、ヘリウムガスが永久電流スイッチ１Ａへの到達時に極力４.２Ｋ付近となるように、収納容器２の内部において冷却機５に対して熱アンカを取る構造を有している。さらに排気ポンプ８及び冷媒供給源９の配管には、それぞれ開閉バルブＶ１又はＶ２が設けられている。

【0037】

上述の構成を有する永久電流スイッチ１Ａの動作について、以下に説明する。
まず、超電導コイル３が冷凍機５によって超電導転移点以下に冷却されて且つ励磁されていない状態から、超電導コイル３に永久電流を流して励磁する過程を説明しながら永久電流スイッチ１Ａの動作を説明する。
まず、超電導装置１０は、超電導コイル３が４.２Ｋといった超電導転移点以下に冷却された状態で、永久電流スイッチ１Ａのヒータ線１２に通電してスイッチ部１３の温度を超電導転移点より上に維持している。これによって永久電流スイッチ１Ａは、スイッチ部１３がＯＦＦ（切断）状態となり、超電導コイル３に永久電流を流す閉回路が解消された状態である。このとき、永久電流スイッチ１Ａの内部は、排気ポンプ８によってほぼ真空に排気されており、ヒータ線１２と永久電流スイッチ１Ａの外筒部材１４は真空の空間Ｓ
によって断熱される。従って、永久電流スイッチ１Ａの外筒部材１４は、冷凍機５によって冷却されて超電導転移点以下の温度に保たれている。

【0038】

この状態から、周知の方法によって、超電導装置１０の外部の電源から超電導コイル３に電流を供給し、超電導コイル３を励磁する。超電導コイル３に流れる電流が定格に達した後、ヒータ線１２への通電を止め、排気ポンプ８側の開閉バルブＶ１を閉じると共に、冷媒供給源９側の開閉バルブＶ２を開け、ヘリウムガスを永久電流スイッチ１Ａ内に流入させる。なお、流入するヘリウムガスによって永久電流スイッチ１Ａの外筒部材１４の温度が若干上昇し、冷凍機５の熱負荷が上昇してしまう。しかし、このとき既に超電導コイル３は定格磁場を発生しており、励磁操作時の主な熱源となる超電導コイル３の交流発熱は収まっているため、流入するヘリウムガスの熱負荷が冷凍機５へ加わっても大きな負荷とはならない。しかし、冷凍機５への負荷を更に下げるために、冷媒供給源９で事前にヘリウムガスを冷却しても良い。

【0039】

永久電流スイッチ１Ａ内に流入したヘリウムガスは、外筒部材１４の内壁に触れることで４.２Ｋ以下に冷却されて液体ヘリウムに再凝縮し、外筒部材１４内に貯まる。このように永久電流スイッチ１Ａ内に存在するヘリウムガス及び液体ヘリウムによってヒータ線１２が冷却されて、スイッチ部１３が超電導転移点以下に冷却される。このとき、冷媒供給源９から供給されるヘリウムガスは、永久電流スイッチ１Ａに至るまでに液化するように冷却されるとより好ましい。

【0040】

スイッチ部１３が超電導転移点以下に冷却されると、永久電流スイッチ１Ａのスイッチ部１３がＯＮ（接続）状態となり、超電導コイル３に永久電流を流す閉回路が形成されるので、超電導コイル３に電流を供給した外部の電源を超電導コイル３から切り離す。この一連の動作を経て、超電導コイル３は永久電流が流れる永久電流モードで運転され、磁場を発生し続けることができる。

【0041】

超電導コイル３の運転を停止するには、冷媒供給源９側の開閉バルブＶ２を閉じると共に、排気ポンプ８側の開閉バルブＶ１を開けて、永久電流スイッチ１Ａの内部を真空に排気する。その排気と同時又は排気後にヒータ線１２に通電して、スイッチ部１３の温度を超電導転移点を超える温度にまで上昇させる。スイッチ部１３の温度が超電導転移点を超えれば、スイッチ部１３がＯＦＦ（切断）状態となり、超電導コイル３に永久電流を流す閉回路が解消されるので、超電導コイル３へは永久電流が流れなくなり、超電導コイル３は磁場の発生を停止する。このとき、永久電流スイッチ１Ａ内の空間Ｓは、内部に貯まっていた液体ヘリウムがヒータ線１２の熱によって気化した熱抵抗の高いヘリウムガスで満たされるので、ヒータ線１２及びスイッチ部１３と外筒部材１４とは空間Ｓによってほぼ断熱された状態となる。

【0042】

上述のように、永久電流スイッチ１Ａ内の内部には液体ヘリウムが貯まるので、液体ヘリウムによるスイッチ部１３の冷却効果を高めるなど液体ヘリウムを効率的に利用するためには、図１及び図２に示すように、巻枠１１の胴部Ｍの長手方向が重力方向に対してほぼ垂直方向となるように（つまり、胴部Ｍが水平となるように）、永久電流スイッチ１Ａを横置きにするのが好ましい。

【0043】

本実施形態で説明した永久電流スイッチ１Ａを用いれば、永久電流スイッチ１ＡをＯＦＦ状態とする際に、永久電流スイッチ１Ａの内部を、熱抵抗の高いヘリウムガス等で満たしたり真空状態に排気したりといった断熱状態で保持することができる。これによって、永久電流スイッチ１Ａの発熱部分と冷凍機５間での熱的な抵抗を増やすことができ、冷凍機５への負荷を低減することができる。また、永久電流スイッチ１ＡをＯＮ状態とする際には、永久電流スイッチ１Ａの内部で液体に凝縮された液体ヘリウムによってヒータ線１２の熱を吸収し、スイッチ部１３を超電導状態に保つことができる。このような構成を有することで、永久電流スイッチ１Ａは、ＯＦＦ状態（スイッチ部１３が常伝導状態）において、永久電流スイッチ１Ａの内部を断熱状態で保持することができるので、ヒータ線１２の通電による発熱を冷凍機５側へ伝えることはほとんど無い。また、永久電流スイッチ１Ａは、ＯＮ状態（スイッチ部１３が超電導状態）において、液体ヘリウム等の冷媒によってスイッチ部１３が冷却されて超電導状態を維持できるため、安定したスイッチング動
作を実現することが出来る。

【0044】

最後に、永久電流スイッチ１Ａ内に導入されたヘリウムガスは、外筒部材１４の内壁に触れることで４.２Ｋ以下に冷却されて液体ヘリウムに再凝縮すると説明したが、この再凝縮の速度を上げるために、図３に示すように外筒部材（筐体）１４の内壁に凝縮部１５を形成した永久電流スイッチ１Ｂを用いてもよい。凝縮部１５は、具体的には外筒部材の内壁に形成された溝であり、このような溝を形成することで外筒部材１４の内壁の表面積を大きくとることができ、ヘリウムガスと外筒部材１４の内壁の間の熱交換が容易となる。

【0045】

［第２実施形態］
図４を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、ＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置やＮＭＲ（核磁気共鳴）装置などに用いられる磁場発生装置である超電導装置２０の概略構成を示す図である。本実施形態において、超電導装置２０は、第１実施形態で説明した超電導装置１０とほぼ同様の構成を有し、同じく第１実施形態で説明した永久電流スイッチ１Ａ又は１Ｂを設けている。

【0046】

図４を参照して、永久電流スイッチ１Ａが設けられる超電導装置２０の構成を説明する。
超電導装置２０では、超電導コイル３は、液体ヘリウムＨに浸漬されている。また、冷凍機５の第２段ステージ５２は、液体ヘリウムＨに浸漬されることなく、収納容器２内で気化したヘリウムガスを再凝縮するためのフィン５３が設けられている。また、収納容器２と真空容器４の間には、超電導装置２０の外部から収納容器２内に侵入する輻射による熱を遮蔽するための遮蔽シールド１６が設けられている。

【0047】

このような構成の超電導装置２０において、永久電流スイッチ１Ａは、第１実施形態と同様に冷却部材７によって支持されると共に、冷凍機５の第２段ステージ５２と熱的に接続されて冷却されている。その上で、永久電流スイッチ１Ａの巻枠１１のフランジＦ１に設けられた導管Ｐは、冷凍機５の第２段ステージ５２に設けられたフィン５３の近傍に開口が配置されるように取り回されて配管されている。

【0048】

永久電流スイッチ１Ａを、超電導装置２０内において本実施形態のように用いても、第１実施形態における永久電流スイッチ１Ａと同様の効果を得ることができる。つまり、本実施形態における永久電流スイッチ１ＡをＯＦＦ状態とするとき、ヒータ線１２が発熱しているため永久電流スイッチ１Ａの内部は比較的温度の高いヘリウムガスで満たされて、外筒部材１４とヒータ線１２及びスイッチ部１３との間の熱絶縁性を向上させることができる。このとき、永久電流スイッチ１Ａの内部は、ヒータ線１２の発熱による温度上昇に伴って圧力が上昇し、内部のヘリウムガスが永久電流スイッチ１Ａから排出される。しかし、排出されたヘリウムガスは、冷凍機５の第２段ステージ５２に設けられた再凝縮用のフィン５３付近に排出されるので、フィン５３によって液体ヘリウムに再凝縮される。

【0049】

また、永久電流スイッチ１ＡをＯＮ状態とするとき、ヒータ線１２は発熱していないので、永久電流スイッチ１Ａは冷凍機５により４.２Ｋ以下に冷却される。この冷却によって、永久電流スイッチ１Ａの内部の圧力は永久電流スイッチ１Ａの外部に比べて低くなるので、この圧力差によって、第２段ステージ５２に設けられたフィン５３近傍の比較的低温のヘリウムガスが、フランジＦ１に設けられた導管Ｐを通して永久電流スイッチ１Ａの内部に導入される。永久電流スイッチ１Ａの内部に導入されたヘリウムガスは、外筒部材１４の内壁に触れることで４.２Ｋ以下に冷却されて液体ヘリウムに再凝縮し、永久電流スイッチ１Ａの内部に貯まる。

【0050】

本実施形態で説明したように、超電導コイル３が液体ヘリウムＨに浸漬されて冷却される構成の超電導装置２０の場合、永久電流スイッチ１Ａに対して第１実施形態で説明したような排気ポンプ８や冷媒供給源９を接続しなくともよい。収納容器２内の液体ヘリウムＨ乃至はこの液体ヘリウムＨから蒸発したヘリウムガスを冷媒供給源９の代わりに用いるように永久電流スイッチ１Ａの導管Ｐを構成すれば、例えば永久電流スイッチ１ＡをＯＦＦ状態とする際に、永久電流スイッチ１Ａの内部を、熱抵抗の高いヘリウムガス等で満たすといった断熱状態で保持することができる。これによって、永久電流スイッチ１Ａの発
熱部分と冷凍機５の間での熱的な抵抗を増やすことができ、冷凍機５への負荷を低減することができる。また、永久電流スイッチ１ＡをＯＮ状態とする際には、永久電流スイッチ１Ａの内部で液体に凝縮された液体ヘリウムによってヒータ線１２の熱を吸収し、スイッチ部１３を超電導状態に保つことができる。このような構成を有することで、永久電流スイッチ１Ａは、ＯＦＦ状態（スイッチ部１３が常伝導状態）において、永久電流スイッチ１Ａの内部を断熱状態で保持することができるので、ヒータ線１２の通電による発熱を冷凍機５側へ伝えることはほとんど無い。また、永久電流スイッチ１Ａは、ＯＮ状態（スイッチ部１３が超電導状態）において、液体ヘリウム等の冷媒によってスイッチ部１３が冷却されて超電導状態を維持できるため、安定したスイッチング動作を実現することが出来る。

【0051】

［第３実施形態］
図５を参照しながら、本発明の第３実施形態について説明する。
図５は、本実施形態による永久電流スイッチ１Ｃの内部の構成を示す断面図である。本実施形態による永久電流スイッチ１Ｃは、第１実施形態による超電導装置１０や第２実施形態による超電導装置２０などの超電導装置で用いられる永久電流スイッチであり、上述の永久電流スイッチ１Ａ，１Ｂと同様に、ＯＮ（接続）とＯＦＦ（切断）を切り替えることで、永久電流を流す閉回路の形成と解消を切り替えることができる。以下の説明では、一例として、永久電流スイッチ１Ｃを超電導装置１０に設ける場合を説明する。

【0052】

図５を参照し、永久電流スイッチ１Ｃの構成を説明する。尚、本実施形態以降の各実施形態では、冷却部材７において永久電流スイッチが載置される面である載置面からほぼ垂直に離れる方向を上方といい、その反対に載置面にほぼ垂直に近づく方向を下方という。図５の永久電流スイッチ１Ｃを図１に示す超電導装置１０のように配置した場合、下方が重力方向に対応する。

【0053】

永久電流スイッチ１Ｃは、上述のように、永久電流を流す閉回路を形成するために、導線（ケーブル）によって超電導コイル３に接続されるものである。この永久電流スイッチ１Ｃは、巻枠１１と、ヒータ線１２と、スイッチ部１３と、これらを内部に格納する筐体１４Ａと、筐体１４Ａ内で巻枠１１を支持する支持部１７と、筐体１４Ａ内にヘリウムガスを導入し筐体１４Ａ内からヘリウムガスを排出する導管Ｐ１と、筐体１４Ａ内へ導入されるヘリウムガスの温度を計測する温度センサ１８とを備える。本実施形態において、巻枠１１は銅で構成されているが、ステンレス鋼などの金属やＧＦＲＰで構成されてもよい。

【0054】

巻枠１１、ヒータ線１２、及びスイッチ部１３は、第１実施形態で説明した永久電流スイッチ１Ａ，１Ｂにおける構成とほぼ同様の構成を有する。しかし、本実施形態において、巻枠１１のフランジＦ１には、貫通孔Ｔは設けられていない。
筐体１４Ａは、例えば、直方体形状、立方体形状及び円柱形状など、冷凍機５の冷却部材７上に配置可能な形状で、ヒータ線１２及びスイッチ部１３が巻回された巻枠１１である熱スイッチを格納可能な大きさを有する中空の容器であり、例えば薄肉のステンレス鋼など、機械強度及び耐腐食性に優れた材料で形成されている。図５に示すように、冷却部材７上に配置される筐体１４Ａは気密な容器であるが、筐体１４Ａの内部と外部を連絡すると共に後述する導管Ｐ１が接続される貫通孔Ｔ１が、冷却部材７から十分に離れた位置で、内部に溜まった液体ヘリウムが筐体１４Ａ外へ漏れ出さない位置に形成されている。

【0055】

支持部１７は、図５に示すように、筐体１４Ａ内で、巻枠１１を筐体１４Ａと接することのないように支持すると共に筐体１４Ａに対して位置決めするものであって、巻枠１１を支持する強度を有する柱状又はブロック（塊）状の部材である。この支持部１７は、金属よりも熱伝導率の低いＧＦＲＰなどの樹脂で構成される。
支持部１７は、筐体１４Ａ内で、胴部Ｍが冷却部材７とほぼ平行となるように配置された巻枠１１のフランジＦ１，Ｆ２を支持することで巻枠１１を位置決めする。支持部１７は、例えば、フランジＦ１の上方と下方において、フランジＦ１と筐体１４Ａの間に挟み込まれるように配置されて、筐体１４Ａに対してフランジＦ１を支持する。支持部１７は、フランジＦ１と同様にフランジＦ２も支持することで、巻枠１１の全体を筐体１４Ａ内
で支持し位置決めする。このとき、支持部１７は、巻枠１１を、筐体１４Ａの上下の壁面からほぼ等しく間隔（空間）を空けると共に、左右の壁面からほぼ等しく間隔（空間）を空けるように、筐体１４Ａ内のほぼ中央付近に支持すると好ましい。

【0056】

このような支持部１７は、例えば、円板状のフランジＦ１，Ｆ２の各円周面の下方の２点を２つの支持部１７で支持し、同じくフランジＦ１，Ｆ２の各円周面の上方の２点を２つの支持部１７で支持する。つまり、フランジＦ１，Ｆ２のそれぞれは、各円周面が上下あわせて４つの支持部１７を用いて４点で支持される。このとき、支持部１７は、その強度が許す限り小さな面積でフランジＦ１，Ｆ２及び筐体１４Ａと接する形状に構成されるのが好ましい。フランジＦ１，Ｆ２及び筐体１４Ａとの接点の面積を可能な限り小さくすることで、フランジＦ１，Ｆ２と筐体１４Ａとの間の伝熱量を可能な限り小さくすることができる。

【0057】

上述の構成の支持部１７は、フランジＦ１，Ｆ２と筐体１４Ａの間の伝熱量を制限する伝熱制限部材でもあり、この伝熱制限部材である支持部１７を介して、巻枠１１を筐体１４Ａ内で冷凍機５の冷却部材７上に支持することができる。伝熱制限部材である支持部１７は、上述のように巻枠１１を冷却部材７上に支持して、巻枠１１と冷却部材７との間に空間Ｓを形成する。筐体１４Ａ内を真空に排気して巻枠１１と冷却部材７との間の空間Ｓを真空にしたときに、巻枠１１と筐体１４Ａ（冷却部材７）の間に真空の断熱層が形成される。従って、巻枠１１と筐体１４Ａの間の伝熱は、フランジＦ１，Ｆ２と筐体１４Ａの間の伝熱制限部材を介しての伝熱にほぼ限られるので、巻枠１１と筐体１４Ａ（冷却部材７）の間を効果的に断熱することができる。

【0058】

導管Ｐ１は、図５に示すように、筐体１４Ａの上方に設けられた貫通孔Ｔ１に接続され、筐体１４Ａの内部と外部を連通するためのステンレス鋼からなる管体である。導管Ｐ１は、第１実施形態による導管Ｐと同様に、超電導装置の外部に設けられた排気ポンプ８と、冷媒供給源９に接続される。筐体１４Ａの内部と外部を連通する導管Ｐ１が排気ポンプ８及び冷媒供給源９に接続されていることによって、筐体１４Ａの内部、つまり永久電流スイッチ１Ｃの内部にヘリウムガス及び/又は液体ヘリウムを供給することができ、また、永久電流スイッチ１Ｃの内部を排気することができる。

【0059】

しかし、液体ヘリウムなどの液体の冷媒を、導管Ｐ１を通して永久電流スイッチ１Ｃの内部に円滑に供給することは困難であるため、通常、導管Ｐ１には気体のヘリウムガスが供給される。導管Ｐ１を通じて筐体１４Ａの内部に流入したヘリウムガスは、冷却部材７と接する筐体１４Ａによって冷却されて液化し、液体ヘリウムとなって筐体１４Ａの内部（永久電流スイッチ１Ｃの内部）に溜まる。

【0060】

そこで、導管Ｐ１を流通するヘリウムガスの液化を防ぐために、導管Ｐ１は所定の温度に保たれる必要があり、導管Ｐ１にはヒータ線１２と同様に電流によって発熱するヒータ線１９が巻き付けられている。ヒータ線１９の発熱によって導管Ｐ１を所定温度に維持すれば、導管Ｐ１を流通するヘリウムガスが導管Ｐ１の途中で液化して導管Ｐ１を塞ぐ栓となるのを防ぐことができる。

【0061】

導管Ｐ１を熱伝導率の高い銅で構成すると導管Ｐ１内でヘリウムガスが液化し易くなるので、金属の中でも熱伝導率の低いステンレス鋼を用いて導管Ｐ１を構成するのが好ましい。
温度センサ１８は、導管Ｐ１を流通するヘリウムガスの温度を計測するセンサである。温度センサ１８は、図５に示すように、筐体１４Ａにおいて導管Ｐ１と筐体１４Ａの接合部である貫通孔Ｔ１の近傍に設けられ、導管Ｐ１を通って筐体１４Ａ内に流入する直前、又は流入した直後のヘリウムガスの温度を計測する。

【0062】

尚、温度センサ１８が設けられる位置は、図５で示す位置に限らず、導管Ｐ１上であってもよい。
図５では、筐体１４Ａにおいて巻枠１１のフランジＦ１側の上方に導管Ｐ１が設けられているが、導管Ｐ１と同様の破線で示す導管Ｐ２を、筐体１４Ａにおいて巻枠１１のフランジＦ２側の上方に設けてもよい。つまり、筐体１４Ａにおいて、巻枠１１を挟んで導管Ｐ１とは反対側に、筐体１４Ａ内のヘリウムガスを排気するための導管Ｐ２を設ける。

【0063】

導管Ｐ２の経路の途中に筐体１４Ａから外部への流出は許すが外部から筐体１４Ａへの流入を制限する逆止弁を設けて、この逆止弁を有する導管Ｐ２を排気ポンプ８に接続すれば、導管Ｐ１から筐体１４Ａ内に流入したヘリウムガスを筐体１４Ａ内から導管Ｐ２へ流出させる一方通行の流路を形成することができ、ヘリウムガスの導入及び排出を円滑に行うことができる。

【0064】

本実施形態による永久電流スイッチ１Ｃを用いれば、ヒータ線１２及びスイッチ部１３が巻回された巻枠１１である熱スイッチと冷凍機５の冷却部材７の間の高い断熱性が、支持部１７及び巻枠１１と冷却部材７との間の空間Ｓによって得られるので、ヒータ線１２の発熱が冷却部材７へ逃げることがほとんど無くなる。これにより、より少ないヒータ線１２の発熱によって永久電流スイッチ１ＣをＯＦＦにする（切断する）ことができる。

【0065】

尚、上述の説明では、永久電流スイッチ１Ｃを超電導装置１０に設けた場合について説明したが、永久電流スイッチ１Ｂと同様に、永久電流スイッチ１Ｃを排気ポンプ８及び冷媒供給源９を備えない超電導装置２０に設けることもできる。
［第４実施形態］
図６を参照しながら、本発明の第４実施形態について説明する。

【0066】

図６は、本実施形態による永久電流スイッチ１Ｄの内部の構成を示す断面図である。本実施形態による永久電流スイッチ１Ｄは、第１実施形態による超電導装置１０や第２実施形態による超電導装置２０などの超電導装置で用いられる永久電流スイッチであり、上述の永久電流スイッチ１Ａ〜１Ｃと同様に、ＯＮ（接続）とＯＦＦ（切断）を切り替えることで、永久電流を流す閉回路の形成と解消を切り替えることができる。以下の説明では、一例として、永久電流スイッチ１Ｄを超電導装置１０に設けた場合を説明する。

【0067】

図６を参照し、永久電流スイッチ１Ｄの構成を説明する。
図６に示すように、永久電流スイッチ１Ｄは、上述の実施形態で説明した巻枠１１とほぼ同様の構成の巻枠１１Ａと、ヒータ線１２及びスイッチ部１３が巻回された巻枠１１Ａ（熱スイッチ）を冷却部材７上に支持する支持部１７Ａとを備えている。永久電流スイッチ１Ｄは、冷却部材７において永久電流スイッチ１Ｄが載置される面である載置面に対して、巻枠１１Ａを縦置きする構成を有している。つまり、巻枠１１Ａは、巻枠１１Ａの軸心が上下方向に沿って当該載置面に対してほぼ垂直となるように配置され、支持部１７Ａによって冷却部材７上に支持される。

【0068】

巻枠１１Ａは、巻枠１１とほぼ同様の構成であって、胴部Ｍと２つの円板状の平板であるフランジＦ１ａ，Ｆ２を備えている。巻枠１１Ａにおいて巻枠１１と異なる構成は、フランジＦ１ａの形状である。
フランジＦ１ａは、フランジＦ２よりも大きな径を有する円板状の平板で胴部Ｍ及びフランジＦ２と同心状あって、巻枠１１Ａが冷却部材７上に配置される際に、フランジＦ２よりも上方に配置される。フランジＦ２よりも大径のフランジＦ１ａを、フランジＦ２と冷却部材７の間に空間Ｓを確保しつつ下方から支持することによって、巻枠１１Ａは、冷却部材７に対して縦置きされる。

【0069】

支持部１７Ａは、図６に示すように、巻枠１１ＡのフランジＦ１ａ（つまり、巻枠１１Ａの上端側）を下方から支持する部材であって、フランジＦ１ａとほぼ同径の円筒状に形成されたステンレス鋼の筒体である。支持部１７Ａは、巻枠１１Ａの軸心方向の長さよりも大きな全長を有する薄肉の筒体であり、その筒体（支持部１７Ａ）の一端の開口を、冷却部材７において永久電流スイッチ１Ｄが載置される面である載置面に気密に固定し、該筒体（支持部１７Ａ）の他端の開口側で、筒体（支持部１７Ａ）内にフランジＦ２側から挿入された巻枠１１ＡのフランジＦ１ａを支持する。支持部１７Ａの他端の開口側と巻枠１１ＡのフランジＦ１ａを気密に接着又は接合すれば、巻枠１１Ａを、円筒状の支持部１７Ａ内で気密に保持することができる。

【0070】

上述の構成の支持部１７Ａは、フランジＦ１ａと冷却部材７の間の伝熱量を極力小さくするためにその強度が許す限り薄肉に形成され、伝熱制限部材として働く。このような構成の支持部１７Ａによって、巻枠１１ＡのフランジＦ２は、支持部１７Ａの全長のうち巻枠１１Ａの軸心方向に沿った長さより長い分だけ冷却部材７から離れて、フランジＦ２の
下方（つまり、巻枠１１Ａの下端側）に空間Ｓが形成される。

【0071】

このような支持部１７Ａは、その内部に巻枠１１Ａを格納して支持することに加えて、該内部が真空に排気されることで、巻枠１１Ａと支持部１７Ａ及び冷却部材７との間に空間Ｓを含む真空層（断熱層）を形成するので、伝熱制限部材としての働きに加えて、第３実施形態における筐体１４Ａの働きも実現する。従って、伝熱制限部材である支持部１７Ａは、筐体を兼ねて構成されているといえる。

【0072】

ここで、図６に示すように、支持部１７Ａの上方に、第３実施形態で説明した貫通孔Ｔ１及び導管Ｐ１を設けて排気ポンプ８及び冷媒供給源９に接続し、支持部１７Ａ内へのヘリウムガスの導入及び排気を行うことができる。
このとき、導管Ｐ１は、フランジＦ１ａと支持部１７Ａが接着又は接合する部位の近傍であれば好ましい。導管Ｐ１には、第３実施形態と同様に、ヒータ線１９を巻き付けてもよい。また、支持部１７Ａに、第３実施形態で説明した導管Ｐ２を設けて排気ポンプ８に接続することもできる。さらに、貫通孔Ｔ１及び導管Ｐ１の近傍に温度センサ１８を設けて、支持部１７Ａ内に流入する直前、又は流入した直後のヘリウムガスの温度を計測することもできる。

【0073】

上述の構成を有する永久電流スイッチ１Ｄを用いれば、熱伝導率の低い薄肉の支持部１７Ａの伝熱量が非常に小さいので、フランジＦ１ａから支持部１７Ａを通って冷却部材７に至る熱パスの伝熱量を非常に小さく抑えることができる。これに加えて、ヒータ線１２及びスイッチ部１３が巻回された巻枠１１Ａと冷凍機５の冷却部材７の間の高い断熱性が支持部１７Ａ及び巻枠１１Ａと冷却部材７との間の空間Ｓによって得られるので、ヒータ線１２の発熱が冷却部材７へ逃げることがほぼ無くなる。これにより、より少ないヒータ線１２の発熱によってスイッチ動作をＯＦＦにする（切断する）ことができる永久電流スイッチ１Ｄを、伝熱制限部材と筐体を兼ねた支持部１７Ａを用いた簡易な構成で実現することができる。

【0074】

尚、上述の説明では、永久電流スイッチ１Ｄを超電導装置１０に設けた場合について説明したが、永久電流スイッチ１Ｂと同様に、永久電流スイッチ１Ｄを排気ポンプ８及び冷媒供給源９を備えない超電導装置２０に設けることもできる。
［第５実施形態］
図７を参照しながら、本発明の第５実施形態について説明する。

【0075】

図７は、本実施形態による永久電流スイッチ１Ｅの内部の構成を示す断面図である。本実施形態による永久電流スイッチ１Ｅは、第１実施形態による超電導装置１０や第２実施形態による超電導装置２０などの超電導装置で用いられる永久電流スイッチであり、上述の永久電流スイッチ１Ａ〜１Ｄと同様に、ＯＮ（接続）とＯＦＦ（切断）を切り替えることで、永久電流を流す閉回路の形成と解消を切り替えることができる。以下の説明では、一例として、永久電流スイッチ１Ｅを超電導装置１０に設けた場合を説明する。

【0076】

図７を参照し、永久電流スイッチ１Ｅの構成を説明する。
図７に示すように、永久電流スイッチ１Ｅは、上述の実施形態で説明した巻枠１１と、ヒータ線１２及びスイッチ部１３が巻回された巻枠１１（熱スイッチ）を冷却部材７上に支持する支持部１７Ｂとを備えている。永久電流スイッチ１Ｅは、永久電流スイッチ１Ｄと同様に、冷却部材７において永久電流スイッチ１Ｅが載置される面である載置面に対して、巻枠１１を縦置きする構成を有している。つまり、巻枠１１は、巻枠１１の軸心が上下方向に沿って当該載置面に対してほぼ垂直となるように配置され、支持部１７Ｂを介して、つまり支持部１７Ｂを挟んで冷却部材７上に支持されている。図７において巻枠１１は、フランジＦ１が上方となるように縦置きされているが、フランジＦ２が上方となるように縦置きされてもよい。

【0077】

支持部１７Ｂは、縦置きされた巻枠１１の下方（つまり、巻枠１１の下端側）のフランジ（例えば、フランジＦ２）に固定されると共に、冷却部材７上に固定されることによって、巻枠１１と冷却部材７の間に空間Ｓを確保しつつ巻枠１１の下端側を冷却部材７に対して支持するものである。支持部１７Ｂは、例えば、円板状のフランジＦ２とほぼ同じ大きさ及び形状の底面を有する円柱形状で、内部が中空となった部材であって、ステンレス
鋼等の金属で構成される。

【0078】

このような構成を有する円柱形状の支持部１７Ｂは、一方の底面（端面）で巻枠１１の下端側であるフランジＦ２と接し、他方の底面（端面）で冷却部材７と接する。このとき、支持部１７Ｂ内部の中空の部分は、巻枠１１のフランジＦ２を冷却部材７から隔てる空間Ｓを形成し、この空間Ｓが真空に排気されることでフランジＦ２と冷却部材７の間に真空の断熱層を形成する。この断熱層によって、巻枠１１と冷却部材７の間を効果的に断熱することができる。尚、真空となった空間Ｓによる断熱効果を効果的に得るためには、支持部１７Ｂは、銅よりも熱伝導率の低いステンレス鋼を用いるのが好ましく、可能な限り薄肉となるように構成するとよい。

【0079】

ここで、図７に示すように、支持部１７Ｂの上方に、第３実施形態で説明した貫通孔Ｔ１及び導管Ｐ１を設けて排気ポンプ８及び冷媒供給源９に接続し、支持部１７Ｂ内へのヘリウムガスの導入及び排気を行うことができる。
このとき、導管Ｐ１は、支持部１７ＢとフランジＦ２が接着又は接合する部位の近傍であれば好ましい。導管Ｐ１には、第３実施形態と同様に、ヒータ線１９を巻き付けてもよい。また、支持部１７Ｂに、第３実施形態で説明した導管Ｐ２を設けて排気ポンプ８に接続することもできる。さらに、貫通孔Ｔ１及び導管Ｐ１の近傍に温度センサ１８を設けて、支持部１７Ｂ内に流入する直前、又は流入した直後のヘリウムガスの温度を計測することもできる。

【0080】

上述の構成を有する永久電流スイッチ１Ｅを用いれば、巻枠１１と冷凍機５の冷却部材７の間の高い断熱性が支持部１７Ｂ内の空間Ｓによって得られると共に、熱伝導率の低い薄肉の支持部１７Ｂの伝熱量が非常に小さいので、フランジＦ２から支持部１７Ｂを通って冷却部材７に至る熱パスの伝熱量を非常に小さく抑えることができる。これにより、熱スイッチであるヒータ線１２及びスイッチ部１３が巻回された巻枠１１を気密に覆う筐体を必要とせず、より少ないヒータ線１２の発熱によってスイッチ動作をＯＦＦにする（切断する）ことができる永久電流スイッチ１Ｅを、簡易な構成で実現することができる。

【0081】

尚、上述の説明では、永久電流スイッチ１Ｅを超電導装置１０に設けた場合について説明したが、永久電流スイッチ１Ｂと同様に、永久電流スイッチ１Ｅを排気ポンプ８及び冷媒供給源９を備えない超電導装置２０に設けることもできる。
［第６実施形態］
図８を参照しながら、本発明の第６実施形態について説明する。

【0082】

図８は、本実施形態による永久電流スイッチ１Ｆの内部の構成を示す断面図である。本実施形態による永久電流スイッチ１Ｆは、第５実施形態による永久電流スイッチ１Ｅの変形例である。従って、第１実施形態による超電導装置１０や第２実施形態による超電導装置２０などの超電導装置で用いられて、永久電流を流す閉回路の形成と解消を切り替えることができる。以下の説明では、一例として、永久電流スイッチ１Ｆを超電導装置１０に設けた場合を説明する。

【0083】

図８を参照し、永久電流スイッチ１Ｆの構成を説明する。
図８に示すように、永久電流スイッチ１Ｆは、上述の実施形態で説明した巻枠１１とほぼ同様の構成を有し、内部に貫通孔を有すると共に縦置きされる巻枠１１Ｂと、ヒータ線１２及びスイッチ部１３が巻回された巻枠１１Ｂ（熱スイッチ）を冷却部材７上に支持する支持部１７Ｃとを備えている。永久電流スイッチ１Ｆは、永久電流スイッチ１Ｅと同様に、冷却部材７において永久電流スイッチ１Ｆが載置される面である載置面に対して、巻枠１１Ｂを縦置きする構成を有している。つまり、巻枠１１Ｂは、巻枠１１Ｂの軸心が上下方向に沿って当該載置面に対してほぼ垂直となるように配置され、支持部１７Ｃを介して、つまり支持部１７Ｃを挟んで冷却部材７上に支持されている。図８において巻枠１１Ｂは、フランジＦ１が上方となるように縦置きされているが、フランジＦ２が上方となるように縦置きされてもよい。

【0084】

巻枠１１Ｂは、上述の実施形態で説明した巻枠１１と同様に、フランジＦ１、胴部Ｍ及びフランジＦ２によって構成されるが、フランジＦ１、胴部Ｍ、フランジＦ２を巻枠１１の軸心位置で貫通する貫通孔を有する。巻枠１１Ｂは、銅などの金属で構成される。
支持部１７Ｃは、縦置きされた巻枠１１Ｂの下方（つまり、巻枠１１Ｂの下端側）のフランジ（例えば、フランジＦ２）に固定されると共に、冷却部材７上に固定されることによって、巻枠１１Ｂと冷却部材７の間に空間Ｓを確保しつつ巻枠１１Ｂの下端側を冷却部材７に対して支持するものである。支持部１７Ｃは、例えば、円板状のフランジＦ２とほぼ同じ大きさ及び形状の底面を有する円柱形状で、内部が中空となった第１支持部と、巻枠１１Ｂの軸心位置に形成された貫通孔に対応する円柱形状で、内部が中空となった第２支持部とが一体となった部材であって、ステンレス鋼等の金属で構成される。第１支持部は第５実施形態による支持部１７Ｂに対応し、第１支持部内の中空の部分は、空間Ｓに相当する。円柱形状の第２支持部は、同じく円柱形状の第１支持部とほぼ同軸となるように第１支持部と一体となっており、第２支持部の中空の部分と第１支持部の空間Ｓは連通している。

【0085】

支持部１７Ｃの第２支持部は、巻枠１１Ｂの軸心方向に沿った長さとほぼ同じ長さを有し、フランジＦ２側から巻枠１１Ｂの貫通孔に挿入される。第２支持部は、巻枠１１Ｂの貫通孔と密に接し、第１支持部と共に巻枠１１Ｂを支持する。
ここで、図８に示すように、支持部１７Ｃの第２支持部の上方に、第３実施形態で説明した貫通孔Ｔ１及び導管Ｐ１を設けて排気ポンプ８及び冷媒供給源９に接続し、支持部１７Ｃ内へのヘリウムガスの導入及び排気を行うことができる。

【0086】

このとき、貫通孔Ｔ１及び導管Ｐ１は、第２支持部がフランジＦ１の上端面から露出した部分に設けられる。導管Ｐ１には、第３実施形態と同様に、ヒータ線１９を巻き付けてもよい。さらに、貫通孔Ｔ１及び導管Ｐ１の近傍に温度センサ１８を設けて、支持部１７Ｃ内に流入する直前、又は流入した直後のヘリウムガスの温度を計測することもできる。
上述の構成の巻枠１１Ｂ及び支持部１７Ｃを有する永久電流スイッチ１Ｆによれば、巻枠１１Ｂを構成する金属の量を、支持部１７Ｃの第２支持部が挿入される貫通孔の分だけ減らすことができるので、巻枠１１Ｂ、ひいては永久電流スイッチ１Ｆの熱容量を減少させることができる。また、熱容量の小さい巻枠１１Ｂは、より小さなヒータ線１２の発熱によって容易に温度が上昇すると共に、貫通孔に挿入された第２支持部に導入されるヘリウムガスによって効果的に冷却されるので、スイッチ動作のＯＮ（接続）とＯＦＦ（切断）を迅速に切り換えることができる永久電流スイッチ１Ｆを、簡易な構成で実現することができる。

【0087】

尚、上述の説明では、永久電流スイッチ１Ｆを超電導装置１０に設けた場合について説明したが、永久電流スイッチ１Ｂと同様に、永久電流スイッチ１Ｆを排気ポンプ８及び冷媒供給源９を備えない超電導装置２０に設けることもできる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

【0088】

具体的に、上述した第１実施形態及び第２実施形態において、永久電流スイッチ１Ａ及び１Ｂでは、巻枠１１の一方のフランジＦ１には、胴部Ｍと重ならない位置に胴部Ｍの長手方向に沿った導入口（貫通孔Ｔ）が設けられると説明したが、この貫通孔Ｔの数は１つとは限らない。フランジＦ１とフランジＦ２に１つずつ貫通孔Ｔが設けられてもよいし、フランジＦ１とフランジＦ２のいずれかに複数の貫通孔Ｔが設けられてもよい。このように、複数の貫通孔Ｔが設けられた場合でも、各貫通孔Ｔを通じて永久電流スイッチ１Ａ及び１Ｂ内に気体及び/又は液体の冷媒を供給することができ、また、永久電流スイッチ１Ａ及び１Ｂの内部を排気することができる。

【符号の説明】

【0089】

１Ａ〜１Ｆ 永久電流スイッチ
２ 収納容器
３ 超電導コイル
４ 真空容器
５ 冷凍機
６，７ 冷却部材
８ 排気ポンプ
９ 冷媒供給源
１０，２０ 超電導装置
１１，１１Ａ，１１Ｂ 巻枠
１２，１９ ヒータ線
１３ スイッチ部
１４，１４Ａ 筐体（外筒部材）
１５ 凝縮部
１６ 遮蔽シールド
１７，１７Ａ〜１７Ｃ 支持部
１８ 温度センサ
５０ 駆動部
５１ 第１段ステージ
５２ 第２段ステージ
５３ フィン
Ｆ１，Ｆ１ａ，Ｆ２ フランジ
Ｈ 液体ヘリウム
Ｔ，Ｔ１ 貫通孔
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２ 導管
Ｍ 胴部
Ｓ 空間
Ｖ１，Ｖ２ 開閉バルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図6】

【図7】

【図8】

【図5】