特許 6824983 超伝導体の磁化を変化させる装置および方法

(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】6824983

(24)【登録日】2021年1月15日

(45)【発行日】2021年2月3日

(54)【発明の名称】超伝導体の磁化を変化させる装置および方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/00 20060101AFI20210121BHJP

【ＦＩ】

   H01F6/00 180

   H01F6/00 150

   H01F6/00 160

【請求項の数】35

【全頁数】33

(21)【出願番号】特願2018-524562(P2018-524562)

(86)(22)【出願日】2016年5月23日

(65)【公表番号】特表2018-530926(P2018-530926A)

(43)【公表日】2018年10月18日

(86)【国際出願番号】GB2016051484

(87)【国際公開番号】WO2017021674

(87)【国際公開日】20170209

【審査請求日】2019年5月10日

(31)【優先権主張番号】1513597.3

(32)【優先日】2015年7月31日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】518032487

【氏名又は名称】マグニファイ リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＭＡＧＮＩＦＹＥ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100169904

【弁理士】

【氏名又は名称】村井 康司

(74)【代理人】

【識別番号】100181021

【弁理士】

【氏名又は名称】西尾 剛輝

(72)【発明者】

【氏名】ジエンジャオ ガン

(72)【発明者】

【氏名】ティモシー アーサー クームス

【審査官】 井上 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０３９５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０２６４８０１３（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ ６／００

Ｈ０１Ｌ ３９／１２

Ｈ０１Ｌ ３９／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

充電ループと、
超伝導体を含む負荷ループと、
前記充電ループの一部でありかつ同時に前記負荷ループの一部である超伝導接続部と、
第１の伝導性状態と第２の伝導性状態との間で前記接続部の状態を制御するコントローラと
を含む超伝導回路であって、前記第１および第２の状態の両方において、前記接続部が超伝導状態にあり、前記超伝導接続部の抵抗またはインピーダンスが前記第１の伝導性状態において前記第２の伝導性状態におけるよりも高く、
それにより、前記超伝導回路が、前記接続部が前記第１の伝導性状態にあるときに前記充電ループと前記負荷ループとの間に磁束フローを誘導するように構成され、かつ前記接続部が前記第２の伝導性状態にあるときに前記充電ループと前記負荷ループとの間で磁束フローを阻止するように構成される、超伝導回路。

【請求項2】

前記超伝導接続部が前記第１の伝導性状態で磁束フローレジームにおいて動作する、請求項１に記載の超伝導回路。

【請求項3】

前記コントローラが前記超伝導接続部の電流を周期的に制御するように構成され、それにより、電流サイクルの第１の部分中、前記超伝導接続部の前記電流が第２の閾値レベル未満にとどまりながら第１の閾値レベルを超過して、前記第１の伝導性状態で前記超伝導接続部が常伝導状態になることなく前記超伝導接続部を磁束フローレジームに維持し、かつそれにより、前記電流サイクルの第２の部分中、前記超伝導接続部の前記電流が前記第１の閾値レベル未満であり、前記第２の伝導性状態で前記磁束フローレジームを回避し、前記超伝導接続部の抵抗が前記第１の伝導性状態で磁束フロー抵抗を含み、かつ前記第２の伝導性状態で実質的にゼロである、請求項１または２に記載の超伝導回路。

【請求項4】

前記コントローラが、前記電流サイクルの波形を制御する電流コントローラを含み、それにより、前記電流波形の全サイクルにわたって前記電流波形のｄｃ成分が実質的にゼロである、請求項３に記載の超伝導回路。

【請求項5】

前記充電ループおよび前記負荷ループの一方または両方が、前記超伝導接続部に電気的に接続された超伝導ループ素子を含み、それにより、前記超伝導接続部が前記超伝導ループ素子をブリッジし、前記超伝導接続部のいずれかの端部と、前記超伝導ループ素子との間の接合が有限抵抗を有し、それにより、前記電流波形のゼロではないｄｃ成分が実質的にゼロに減衰される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の超伝導回路。

【請求項6】

前記コントローラが、前記超伝導接続部に動的抵抗を誘導するＡＣ磁場を生成するＡＣ磁場発生器を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の超伝導回路。

【請求項7】

変化する磁束を前記充電ループにおいて誘導する第２の磁場発生器をさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の超伝導回路。

【請求項8】

一次および二次巻線を有する変圧器を含み、前記充電ループが前記変圧器の前記二次巻線を形成し、前記コントローラが、前記変圧器の前記一次巻線の電流を制御する制御電流発生器を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の超伝導回路。

【請求項9】

前記充電ループ、前記負荷ループ、および前記超伝導接続部の２つ以上が単一の超伝導部材と一体化している、請求項１〜８のいずれか一項に記載の超伝導回路。

【請求項10】

前記超伝導接続部が、磁性材料に隣接して超伝導体を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の超伝導回路。

【請求項11】

超伝導体の磁化を制御する方法であって、
充電ループと、超伝導体を含む負荷ループと、前記充電ループの一部でありかつ同時に前記負荷ループの一部である超伝導接続部とを提供するステップと、
第１の伝導性状態と、第２の伝導性状態との間で前記超伝導接続部の状態を制御するステップであって、前記第１および第２の状態の両方において、前記接続部が超伝導状態にあり、前記超伝導接続部の抵抗またはインピーダンスが前記第１の伝導性状態において前記第２の伝導性状態におけるよりも高い状態である、ステップとを
を含み、
前記接続部が前記第１の伝導性状態にあるときに前記充電ループと前記負荷ループとの間に磁束フローが誘導され、前記接続部が前記第２の伝導性状態にあるときに前記充電ループと前記負荷ループとの間で磁束フローが阻止され、
前記超伝導体の前記磁化が前記充電ループと前記負荷ループとの間の前記磁束フローを制御することによって制御される、方法。

【請求項12】

前記超伝導接続部が前記第１の伝導性状態で磁束フローレジームにおいて動作する、請求項１１に記載の超伝導回路。

【請求項13】

前記制御するステップが、前記超伝導接続部の電流を周期的に制御するステップを含み、それにより、電流サイクルの第１の部分中、前記超伝導接続部の前記電流が第２の閾値レベル未満にとどまりながら第１の閾値レベルを超過して、前記第１の伝導性状態で前記超伝導接続部が常伝導状態になることなく前記超伝導接続部を磁束フローレジームに維持し、かつそれにより、前記電流サイクルの第２の部分中、前記超伝導接続部の前記電流が前記第１の閾値レベル未満であり、前記第２の伝導性状態で前記磁束フローレジームを回避し、前記超伝導接続部の抵抗が前記第１の伝導性状態で磁束フロー抵抗を含み、かつ前記第２の伝導性状態で実質的にゼロである、請求項１１または１２に記載の方法。

【請求項14】

前記制御するステップが、実質的にゼロであるように電流波形のｄｃ成分を制御するステップを含む、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

前記接続部の前記状態を制御する前記ステップが、
前記接続部に印加された磁場の周波数を制御するステップと、
背景磁場を制御するステップと、
前記接続部の長さを制御するステップと、
前記磁場が印加される前記接続部の一部を制御するステップと
の１つまたは複数により、前記接続部の伝導性を動的に制御するステップを含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

前記第１の伝導性状態が、前記第２の伝導性状態よりも大きい電気抵抗またはインピーダンスを有する抵抗性状態を含む、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の回路または方法。

【請求項17】

超伝導体の磁化を変化させる方法であって、
充電ループおよび超伝導負荷ループであって、各ループの一部を含む超伝導ブリッジを共有する充電ループおよび負荷ループを含む超伝導回路を提供するステップと、
前記充電ループで循環する交流（ａｃ）電流を制御するステップであって、それにより、前記ａｃ電流のサイクルの第１の部分中、前記超伝導ブリッジが超伝導にとどまりながら磁束フローレジームに駆動され、かつそれにより、前記サイクルの残り部分中、前記超伝導ブリッジが実質的にゼロの抵抗を有する超伝導であり、
それにより、それぞれの前記サイクル中、正味磁束が前記ブリッジにわたって前記負荷ループへ流れる、ステップと
を含む方法。

【請求項18】

前記充電ループの前記ａｃ電流が、非対称の正および負のピークと、実質的にゼロの平均値とを有する、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

充電ループおよび超伝導負荷ループであって、各ループの一部を含む超伝導ブリッジを共有する充電ループおよび超伝導負荷ループ含む超伝導回路と、
前記充電ループで循環する交流（ａｃ）電流を制御するコントローラであって、それにより、前記ａｃ電流のサイクルの第１の部分中、前記超伝導ブリッジが超伝導にとどまりながら磁束フローレジームに駆動され、かつそれにより、前記サイクルの残り部分中、前記超伝導ブリッジが実質的にゼロの抵抗を有する超伝導であり、
それにより、それぞれの前記サイクル中、正味磁束が前記ブリッジにわたって前記負荷ループへ流れる、コントローラと
を含む磁束ポンプ。

【請求項20】

前記負荷ループが高温超伝導体被覆導体を含む、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の磁束ポンプまたは方法。

【請求項21】

前記超伝導ブリッジが、フェライト層または磁心を有する高温超伝導体を含む、請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の磁束ポンプまたは方法。

【請求項22】

前記充電ループおよび前記超伝導負荷ループが連続的な超伝導ループを含み、前記超伝導ブリッジが前記連続的な超伝導ループにわたって接続され、前記超伝導ブリッジおよび前記連続的な超伝導ループが、異なるそれぞれの材料および／または構造の超伝導体を含む、請求項１７〜２１のいずれか一項に記載の磁束ポンプまたは方法。

【請求項23】

持続モードの高温超伝導体に結合されている、請求項１７〜２２のいずれか一項に記載の磁束ポンプ。

【請求項24】

超伝導体の磁化を変化させるための磁束をポンピングする方法であって、
超伝導回路であって、
第１および第２の充電ループ接続部を有する第１の充電ループと、
前記第１および第２の充電ループ接続部にそれぞれ結合された第１および第２の負荷ループ接続部を有する第２の負荷ループと、
前記第１および第２の負荷ループ接続部にわたって結合されたブリッジと
を含み、
前記ブリッジの少なくとも部分が第１の低インピーダンスまたは伝導性状態と第２の高インピーダンスまたは抵抗性状態との間で切り替え可能である、超伝導回路を形成するステップと、
交流磁場成分であって、前記充電ループにおいて第１の電流方向に電流が誘導される第１の時間間隔中、第１の磁場成分方向を有し、かつ前記充電ループにおいて第２の逆の電流方向に電流が誘導される第２の時間間隔中、第２の磁場成分方向を有する交流磁場成分を有する磁場を前記充電ループに印加するステップと、
前記交流磁場成分と共時的に前記ブリッジを制御するステップであって、それにより、前記第１の時間間隔中、前記ブリッジが前記高インピーダンスまたは抵抗性状態にあり、および前記誘導された電流が前記負荷ループを通って流れ、かつ前記第２の時間間隔中、前記ブリッジが前記低インピーダンスまたは伝導性状態にあり、および前記誘導された電流が前記ブリッジを通って流れる、ステップと
を含む方法。

【請求項25】

前記第２の時間間隔中、前記負荷ループからのさらなる電流が、前記ブリッジを通って、前記充電ループからの前記誘導された電流と同じ方向に流れる、請求項２４に記載の方法。

【請求項26】

前記が、ブリッジ切り替え磁場を前記ブリッジの前記切り替え可能な部分に印加するステップと、前記交流磁場成分と共時的に前記ブリッジ切り替え磁場を変調して、前記第１の状態と前記第２の状態との間で前記ブリッジの前記部分を切り替えるステップとをさらに含む、請求項２４または２５に記載の方法。

【請求項27】

前記ブリッジ切り替え磁場が、交流電流によって発生された磁場を含む、請求項２６に記載の方法。

【請求項28】

前記ブリッジの前記切り替え可能な部分の前記低インピーダンスまたは伝導性状態が前記ブリッジの前記切り替え可能な部分の超伝導状態である、請求項２４〜２７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項29】

超伝導回路であって、
第１および第２の充電ループ接続部を有する第１の充電ループと、
前記第１および第２の充電ループ接続部にそれぞれ結合された第１および第２の負荷ループ接続部を有する第２の負荷ループと、
前記第１および第２の負荷ループ接続部にわたって結合されたブリッジと
を含み、
前記ブリッジの少なくとも部分が第１の低インピーダンスまたは伝導性状態と第２の高インピーダンスまたは抵抗性状態との間で切り替え可能である、超伝導回路と、
交流磁場成分であって、前記充電ループにおいて第１の電流方向に電流が誘導される第１の時間間隔中、第１の磁場成分方向を有し、かつ前記充電ループにおいて第２の逆の電流方向に電流が誘導される第２の時間間隔中、第２磁場成分方向を有する交流磁場成分を有する磁場を前記充電ループに印加する磁場発生器と、
前記交流磁場成分と共時的に前記ブリッジを制御するステップを制御するブリッジコントローラであって、それにより、前記第１の時間間隔中、前記ブリッジが前記第２の状態にあり、および前記誘導された電流が前記負荷ループを通って流れ、かつ前記第２の時間間隔中、前記ブリッジが前記第１の状態にあり、かつ前記誘導された電流が前記ブリッジを通って流れる、ブリッジコントローラと
を含む超伝導磁束ポンプ。

【請求項30】

ブリッジ切り替え磁場を前記ブリッジの前記切り替え可能な部分に印加し、かつ前記交流磁場成分と共時的に前記ブリッジ切り替え磁場を変調して、前記第１の状態と前記第２の状態との間で前記ブリッジの前記部分を切り替えるブリッジ磁場発生器をさらに含む、請求項２９に記載の超伝導磁束ポンプ。

【請求項31】

前記ブリッジ切り替え磁場が、交流電流によって発生された磁場を含む、請求項３０に記載の超伝導磁束ポンプ。

【請求項32】

前記ブリッジの前記切り替え可能な部分の前記第１の状態が前記ブリッジの前記切り替え可能な部分の超伝導状態である、請求項２９〜３１のいずれか一項に記載の超伝導磁束ポンプ。

【請求項33】

第１および第２の電気的接続部と、
前記第１および第２の電気的接続部にわたって結合されたブリッジと、
第１の超伝導状態と第２の抵抗性状態との間で切り替え可能な前記ブリッジの少なくとも部分に、交流電流によって発生された磁場を印加するａｃ磁場発生器と、
前記交流電流によって発生された磁場を変調して、前記超伝導状態と前記抵抗性状態との間で前記ブリッジの前記部分を切り替える磁場変調器と
を含む超伝導切り替えデバイス。

【請求項34】

前記負荷ループの磁場からエネルギーを抽出するシステムであって、前記充電ループの磁束を変化させて、それにより、前記負荷ループの前記磁場に蓄積された前記エネルギーによって電力供給された前記充電ループに交流起電力を誘導するために、異なる抵抗またはインピーダンスの超伝導状態間または超伝導状態と非超伝導状態との間で前記ブリッジまたは超伝導接続部を切り替える切り替え機構を含むシステムをさらに含む、請求項２４又は２９に記載の方法、磁束ポンプ、デバイスまたは回路。

【請求項35】

請求項３４に記載の磁束ポンプまたは回路を含む、超伝導磁気エネルギー蓄積および抽出デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概して、磁束をポンピングして超伝導体の磁化を変化させる方法およびデバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

高Ｔ_ｃ超伝導被覆導体超伝導テープの製造の発展のため、高Ｔ_ｃ超伝導（ＨＴＳ）コイルは、例えば、ＭＲＩ（磁気共鳴画像）、モーター巻線などの磁石用に徐々に一般的に使用されつつある。ＨＴＳコイルは、外部電源によって電力供給され得、または永久電流モードで動作し得る。高Ｔ_ｃ超伝導（ＨＴＳ）被覆導体（ＣＣ）は、高Ｔ_ｃ超伝導体の臨界磁場が高いだけでなく、ＣＣの機械的物性が優れているため、高磁場での使用に理想的な候補である。しかしながら、ＣＣ磁石自体が持続的なモードで作用することができないという事実が妨げとなり、ＣＣ磁石は幅広く用いられていない。この原因は、高Ｔ_ｃ超伝導体中の磁束クリープおよび接合抵抗のために、閉じた超伝導回路の電流の減衰が避けられないからである。この問題を解決する方法の１つは、外部電源を用いて磁石を動作させることであるが、高電流を流すには太い電流リードを用いなければならず、それは相当な熱損失を誘発する。これに代わる解決策は、磁束ポンプを用いることである。磁束ポンプは、電気接点のない超伝導回路に直流電流を注入することが可能なデバイスである。これらは、超伝導磁石を真の永久電流モードで動作させるのに役立つ可能性がある。数十年間にわたり、低Ｔ_ｃ超伝導体用の磁束ポンプがいくつか実現されている。これらの磁束ポンプの重要な点は、熱または高磁場のいずれかにより、超伝導体の一部を常伝導状態に駆動することである。このような磁束ポンプの一例がＨ．Ｌ．Ｌａｑｕｅｒ，Ｋ．Ｊ．ＣａｒｒｏｌｌおよびＥ．Ｆ．Ｈａｍｍｅｌ，Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ．２１，３９７（１９６６）に記載されている。

【0003】

ＹＢＣＯ（イットリウムバリウム銅酸化物）などの高温（Ｔ_ｃ）超伝導体について、その上部臨界磁場が非常に高いため、高磁場を用いて常伝導状態に駆動することは困難である。熱を用いて超伝導体を常伝導状態に駆動することも同様に、応答速度が遅いだけでなく熱損失のために現実に使用するには困難な課題である。近年、進行磁気波に基づくＨＴＳ磁束ポンプのいくつかは、開発が成功している。

【0004】

従来の磁束ポンプは、通常、２つのスイッチを用いており、そこではスイッチは完全に開かれている。すなわち、磁束が最初に１つのループに引き込まれ、次に第２の行き先のループに引き込まれるにつれて、スイッチが順番に常伝導状態に送られる。従来技術の概説は、例えば、Ｌ．Ｊ．Ｍ．ｖａｎ ｄｅ ＫｌｕｎｄｅｒｔおよびＨ．Ｈ．Ｊ ｔｅｎ Ｋａｔｅ，Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ ２１，１９５（１９８１）ならびにＬ．Ｊ．Ｍ．ｖａｎ ｄｅ ＫｌｕｎｄｅｒｔおよびＨ．Ｈ．Ｊ ｔｅｎ Ｋａｔｅ，Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ ２１，２６７（１９８１）に見出すことができる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、認識され得るように、超伝導磁束ポンプをさらに改良する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

したがって、本発明の第１の態様によれば、磁束をポンピングして超伝導体の磁化を変化させる方法であって、超伝導回路であって、第１および第２の充電ループ接続部を有する第１の充電ループと、前記第１および第２の充電ループ接続部にそれぞれ結合された第１および第２の負荷ループ接続部を有する第２の負荷ループと、前記第１および第２の負荷ループ接続部にわたって結合されたブリッジとを含み、前記ブリッジの少なくとも部分が第１の低インピーダンスまたは伝導性状態と第２の高インピーダンスまたは抵抗性状態との間で切り替え可能である、超伝導回路を形成するステップと、交流磁場成分であって、前記充電ループにおいて第１の電流方向に電流が誘導される第１の時間間隔中、第１の磁場成分方向を有し、かつ前記充電ループにおいて第２の逆の電流方向に電流が誘導される第２の時間間隔中、第２磁場成分方向を有する前記交流磁場成分を有する磁場を前記充電ループに印加するステップと、前記交流磁場成分と共時的に前記ブリッジを制御するステップであって、それにより、前記第１の時間間隔中、前記ブリッジが前記高インピーダンスまたは抵抗性状態にあり、および前記誘導された電流が前記負荷ループを通って流れ、かつ前記第２の時間間隔中、前記ブリッジが前記低インピーダンスまたは伝導性状態にあり、および前記誘導された電流が前記伝導性ブリッジを通って流れる、ステップとを含む方法が提供される。

【0007】

本方法の実施形態は、製造が簡単かつ単純であり、従来の磁束ポンプ／方法よりも容易に実践的なデバイスに組み込まれる。

【0008】

いくつかの好適な実施形態では、第２の時間間隔中、負荷ループからのさらなる電流が、充電ループからの誘導された電流と同じ方向に伝導性ブリッジを通って流れる。すなわち、実施形態では、ブリッジは、ａｃサイクルのフライバック位相が後に続くａｃサイクルの磁束ポンプ位相を有効にするように作用し、このフライバック位相では、ブリッジが充電ループおよび負荷ループの両方から電流を流す（これにより、負荷ループがａｃサイクルの第２の位相によって放電されないようにする）。

【0009】

動作するために、２つの異なる伝導性状態間、より具体的には、ブリッジが概して伝導性である（または比較的低インピーダンスを有する）第２の状態と、ブリッジ（またはその一部分）が概して抵抗性である（または比較的高インピーダンスを有する）第１の状態との間で単にブリッジを切り替えるのみでよい。それにもかかわらず、いくつかの好適な実施形態では、システムは、ブリッジがその第２の伝導性状態において実質的に超伝導である場合に最も良く機能する。

【0010】

いくつかの好適な実施形態では、ブリッジは、磁場を印加することにより、より具体的には、高振幅と低振幅との間で変調されるａｃ磁場を印加することにより、伝導性状態（実施形態ではオンおよびオフ）間で切り替えられ、ブリッジの抵抗またはインピーダンスを切り替える。

【0011】

したがって、好適な実施形態では、ブリッジは、超伝導体、特にＨＴＳを含み、ブリッジは、本方法の動作全体にわたって超伝導にとどまる。（これは、印加されたａｃ磁場を用いる本発明の後述する態様および実施形態にも該当する）。ａｃ磁場を用いて、たとえ超伝導体が超伝導のままであったとしても、印加磁場が印加磁場と相互作用して電流の流れに抵抗するブリッジの動的抵抗の状態を誘導することにより、これが実現される。典型的には、これは、（材料に依存する）閾値磁場（より具体的には、電流の流れ方向に垂直な磁場成分）が印加され、抵抗がａｃ周波数に（実質的に直線的に）依存する場合に生じる。動的抵抗は、超伝導体（ブリッジ）の電流密度ならびに超伝導体構造および幾何形状によって影響を受ける場合もある。任意の特定の材料および幾何形状が与えられる場合、印加されるａｃ磁場の選択は、特定の実装形態に特有の当業者にとって日常的な測定および実験の問題である。

【0012】

当業者にはわかるように、超伝導体は概して損失がないと考えられているが、これはＤＣにおいてのみ当てはまり（ただし、正確に言えば、ＤＣであっても当てはまらない）、ＡＣ電流では、超伝導体は、磁束の変化が電流と相互作用して磁化損失をもたらす磁束フローレジームで動作する。したがって、本発明の実施形態では、ブリッジは、超伝導（通常、常伝導状態に駆動されない）のままであることができるが、超伝導体の実効抵抗は、特に（ＡＣ）磁場を印加することによって変化する。したがって、実施形態では、ブリッジの第１および第２の状態は、それぞれブリッジの超伝導状態を含み、これは、後述する下記のシステムの態様および実施形態にも該当する。

【0013】

関連する一態様では、本発明は、超伝導回路であって、第１および第２の充電ループ接続部を有する第１の充電ループと、前記第１および第２の充電ループ接続部にそれぞれ結合された第１および第２の負荷ループ接続部を有する第２の負荷ループと、前記第１および第２の負荷ループ接続部にわたって結合されたブリッジとを含み、前記ブリッジの少なくとも部分が第１の低インピーダンスまたは伝導性状態と第２の高インピーダンスまたは抵抗性状態との間で切り替え可能である、超伝導回路と、交流磁場成分であって、前記充電ループにおいて第１の電流方向に電流が誘導される第１の時間間隔中、第１の磁場成分方向を有し、かつ前記充電ループにおいて第２の逆の電流方向に電流が誘導される第２の時間間隔中、第２の磁場成分方向を有する前記交流磁場成分を有する磁場を前記充電ループに印加する磁場発生器と、前記交流磁場成分と共時的に前記ブリッジを制御するブリッジコントローラであって、それにより、前記第１の時間間隔中、前記ブリッジが前記第２の状態にあり、および前記誘導された電流が前記負荷ループを通って流れ、かつ前記第２の時間間隔中、前記ブリッジが前記第１の状態にあり、および前記誘導された電流が前記伝導性ブリッジを通って流れる、ブリッジコントローラとを含む超伝導磁束ポンプを提供する。

【0014】

前述したように、本明細書に記載された態様／実施形態のすべてにおいて、ブリッジ（または以下で呼ぶように超伝導接続部）は、それが伝導性状態／抵抗性状態のいずれにあっても、超伝導のままである超伝導ブリッジ／接続部であることが好ましい。１つの手法では、前述したように、超伝導体が超伝導のままであるが、ａｃ磁場が印加され、それにより超伝導体が動的抵抗を示す。

【0015】

別の手法では、超伝導体は、超伝導のままであるが、（超伝導体および／または超伝導体にわたる電圧／電場を通る電流を制御することによって）磁束フローレジームで動作するように制御される。広義には、磁束フローレジームは、磁束渦が超伝導体に浸透するレジームである（超伝導体は、第２種超伝導体であり得、または好適な実施形態ではＨＴＳ超伝導体であり得る）。巨視的な輸送電流密度は、磁束線を電流の流れに垂直に動かす傾向があるが、欠陥および粒界のような渦のピン止め個所は、この動きを阻止する傾向がある。単純化して言えば、磁束渦の動きは、磁束フロー抵抗率として現れるエネルギー散逸を生じる。磁束フロー臨界電流（超伝導体の「従来の」臨界電流と混同しないようにされたい）よりも大きい電流が超伝導体を流れると、磁束フローレジームにアクセスする。磁束フロー臨界電流での磁束フローレジームへの移行は、磁場（不可逆性磁場）と関連しており、また、関連する「不可逆曲線」は、温度に伴うこの磁場の変化を図示し、かつ（上部臨界磁場および下部臨界磁場と異なり）温度の上昇につれて減少する凹面であることを特徴的とする。

【0016】

本発明のいくつかの好適な態様および実施形態は、上記のデバイスおよび方法の動作中、この磁束フロー抵抗率を活用する。この手法とＨＴＳの使用との間には特定の相乗作用がある。なぜなら、ＨＴＳとしての超伝導ブリッジ／接続部は、通常、磁束のピン止めがそこで生じ得る多数の粒界を有するからである。加えて、磁束フロー抵抗率は、これらの領域で遭遇する可能性がある局所電場が高いため、ＨＴＳ内の粒界でエネルギーを散逸させる支配的なメカニズムである。

【0017】

この手法は、以下の本発明の態様／実施形態において用いられることが好ましい。

【0018】

したがって、本発明の関連する一態様では、充電ループと、超伝導体を含む負荷ループと、前記充電ループの一部でありかつ同時に前記負荷ループの一部である超伝導接続部と、第１の伝導性状態と第２の伝導性状態との間で前記接続部の状態を制御するコントローラとを含む超伝導回路であって、前記接続部の抵抗が前記第１の伝導性状態において前記第２の伝導性状態におけるよりも高く、それにより、前記超伝導回路が、前記接続部が前記第１の伝導性状態にあるときに前記充電ループと前記負荷ループとの間に磁束フローを誘導するように構成され、かつ前記接続部が前記第２の伝導性状態にあるときに前記充電ループと前記負荷ループとの間で磁束フローを阻止するように構成される、超伝導回路が提供される。

【0019】

好適な実施形態では、超伝導接続部は、第１および第２の伝導性状態の両方において超伝導である（かつそれ以外のときには常に超伝導にとどまる）。いくつかの好適な実施形態では、コントローラは、充電ループに結合している変圧器によって接続部の状態を制御する。より具体的には、実施形態では、充電ループは変圧器二次側を含む。次に、充電ループの電流は、変圧器一次側の電流（または電圧）を制御することによって制御することができる。したがって、実施形態では、コントローラは、好ましくは、変圧器一次側用の（所定の）駆動波形を生成して、超伝導接続部ブリッジを通る電流（または電圧）を制御し、接続部／ブリッジを（常に）超伝導状態に維持しながら磁束フローレジームへおよび磁束フローレジームから接続部／ブリッジを切り替えるように構成された（または構成可能な）電流ドライバまたは電圧ドライバを含むことがある。

【0020】

広義には、コントローラ／制御するステップは、回路を制御し、それにより、接続部／ブリッジの正味電流は、接続部／ブリッジの超伝導を維持しながら、回路の動作のサイクル（２つの状態間の）における１つまたは複数の点で接続部／ブリッジに磁束フローを誘導するのに十分である。広義には、実施形態では、コントローラ／制御するステップは、回路、より具体的には充電ループの電流（ｉ_ｐ）を制御することができ、これにより、ブリッジ電圧がサイクルのポンピング位相中にほぼ一定になる。

【0021】

当業者にはわかるように、特定の電流（または電圧）波形は、使用される材料の詳細、回路の幾何形状などに依存することになる。いくつかの好適な実施形態では、充電ループは、超伝導ループ、例えばＨＴＳループであるが、これは必須ではない。変圧器一次回路は、通常、超伝導ではない。

【0022】

上記で概説したように、本発明者らは、充電ループの一部でありかつ同時に負荷ループの一部である超伝導接続部（ブリッジ）の伝導性状態を制御することにより、接続部が異なる伝導性を有する（少なくとも）２つの状態間で接続部の伝導性状態を切り替えることにより、負荷ループの超伝導体の磁化を増減させる（または動的に変化させる）ことが実現可能であることを認識した。

【0023】

第１の伝導性状態（すなわち高抵抗状態）の接続部の両端点間の抵抗は有限であることに留意されたい。換言すれば、接続部は、充電ループの一部でありかつ同時に負荷ループの一部でもあるスイッチとして作用することができる。これにより、接続部は、開スイッチ（無限抵抗）または閉スイッチのいずれかである一般的なスイッチと区別することができる。対照的に、本明細書に記載された実施形態では、接続部は、充電ループの一部でありかつ同時に負荷ループの一部である。すなわち、接続部は、充電ループを完結すると同時に負荷ループも同様に完結し、接続部の抵抗は、第１および第２の伝導性状態の両方において有限（かつ別々）とすることができる。

【0024】

本明細書全体にわたって、抵抗という記載は、インピーダンス、例えば接続部のインピーダンスも指すと理解され得ることに留意されたい。

【0025】

上記で概説したように、接続部の抵抗を変化させることにより、すなわち、第１の伝導性状態と第２の伝導性状態との間で接続部の伝導性状態を制御することにより、負荷ループの超伝導体の磁化を制御することができる。これを実現することにより、第１および第２の伝導性状態の両方が有限の抵抗を有することができる。あるいは、接続部は第１の伝導性状態で有限の抵抗を有するが、第２の伝導性状態は超伝導状態とすることができる。

【0026】

いくつかの実施形態では、接続部（ブリッジ）は、超伝導状態と、外部磁場によって磁束フローが誘導されて接続部（ブリッジ）の抵抗を増大させる状態との間で切り替えられ得る。磁束フロー自体が（さらなる）抵抗率をもたらす場合がある。これにより、超伝導接続部（ブリッジ）が常伝導状態にならない場合がある。

【0027】

いくつかの実施形態では、接続部（ブリッジ）は、全体にわたって公称抵抗率を有する場合があり、磁束フローの発生中に追加の抵抗率が存在する場合がある。

【0028】

したがって、いくつかの実施形態では、接続部（ブリッジ）は、例えば、切り替え超伝導体、切り替え抵抗、または可変インダクタンスもしくはキャパシタンスなどの可変インピーダンスとすることができるが、これらに限定されない。

【0029】

したがって、超伝導回路の好適な一実施形態では、第２の伝導性状態は超伝導状態である。

【0030】

さらに下記で説明するように、接続部の状態は、例えば、印加磁場を介して制御することができる。これにより、接続部に印加された磁場を除去することにより、超伝導状態を得ることができる。コントローラは、第１の伝導性状態と第２の伝導性状態との間で接続部の状態を制御するために、具体的には、例えば、前述したような磁場発生器、ａｃ磁場発生器を含む場合がある。

【0031】

いくつかの実施形態では、超伝導接続部は、フェライト材などの磁性材料に隣接して超伝導体を含む。これにより、実施形態では、超伝導接続部が磁場の影響を受けやすくなる。フェライトにより、周波数が非常に高い（例えば、周波数が０．１、１または１０ＭＨｚを超える）磁場が使用し易くなる。このいくつかの実施形態および本発明の前述した態様または後述する態様では、超伝導体（ブリッジ）は、フェライト磁心および／またはフェライトオーバー層を有する場合がある。加えてまたは代わりに、ＢＳＣＣＯのような磁場の影響を特に受けやすい超伝導体を使用してもよい。

【0032】

第１の時間間隔中に充電ループと負荷ループとの間に磁束フローを誘導し、第２の時間間隔中に充電ループと負荷ループとの間で磁束フローを阻止すること等が好ましい場合がある。これにより、例えば、ある一定の時間間隔で充電ループと負荷ループとの間に磁束フローを受け入れかつ磁束フローを阻止するサイクルを繰り返すことにより、超伝導体を１Ｔ、２Ｔ、５Ｔまたはそれを超えて充電することが可能になる。

【0033】

したがって、超伝導回路の好適な一実施形態では、磁場発生器はＡＣ磁場発生器である。

【0034】

この実施形態では、充電ループの電流が周期関数によって誘導され、したがって半サイクル間でその方向が反転し得ることが理解されるであろう。接続部が依然として抵抗性であれば、電流は、接続部を迂回して、再び負荷ループから流出することがある。その結果、第１のサイクル後に負荷ループの電流が増加しないことがある。しかしながら、充電ループ電流が符号を変えたときに接続部が再び超伝導になる（または抵抗が低くなる）ことを可能にすることにより、接続部は負荷ループを短絡させることができる。これにより、負荷ループを迂回することができ、負荷ループの電流が充電ループ電流の分だけ減少させないことが可能である。

【0035】

さらなる好適な一実施形態では、超伝導回路は、変化する磁束を充電ループにおいて誘導する第２の磁場発生器をさらに含む。第２の磁場発生器は、例えば、変圧器、電磁石または可動永久磁石とすることができる。

【0036】

超伝導回路の好適な一実施形態では、第１の伝導性状態と第２の伝導性状態との間で接続部の状態を制御する第２の磁場発生器およびコントローラは、単一の磁場発生器ユニットに一体化している。これにより、超伝導回路設計を単純化することができる。

【0037】

超伝導回路のさらなる好適な一実施形態では、充電ループ、負荷ループ、および超伝導接続部の２つ以上が、単一の超伝導部材に一体化している。これにより、例えば、磁束を超伝導部材の第１の側に誘導し、磁場、例えば振動磁場を超伝導部材の中間区域に印加し、その後、電流を、超伝導部材の中間区域から見て第１の側の反対側である超伝導部材の第２の側に誘導することができる。この実施形態により、超伝導回路の単純な設計が可能になり、またこの実施形態を用いて、例えば、超伝導部材の１つの側で１Ｔ、２Ｔ、５Ｔまたはそれを超える磁化を得ることができる。

【0038】

本発明の関連する一態様では、超伝導体の磁化を制御する方法であって、充電ループと、超伝導体を含む負荷ループと、前記充電ループの一部でありかつ同時に前記負荷ループの一部である超伝導接続部とを提供するステップと、第１の伝導性状態と第２の伝導性状態との間で前記接続部の状態を制御するステップであって、前記接続部の抵抗が前記第１の伝導性状態において前記第２の伝導性状態におけるよりも高い、ステップとを含み、前記接続部が前記第１の伝導性状態にあるときに前記充電ループと前記負荷ループとの間に磁束フローが誘導され、かつ前記接続部が前記第２の伝導性状態にあるときに前記充電ループと前記負荷ループとの間に磁束フローが阻止され、および前記超伝導体の前記磁化が前記充電ループと前記負荷ループとの間の前記磁束フローを制御することによって制御される、方法が提供される。

【0039】

上記で概説したように、概して、接続部（ブリッジ）は、第１および第２の状態の両方において超伝導である。

【0040】

実施形態では、本方法／コントローラは、電流サイクルの第１の部分中、超伝導接続部の電流が第２の閾値レベル未満にとどまりながら第１の閾値レベルを超過するように、超伝導接続部の電流を周期的に制御するように構成されている。したがって、本方法／コントローラは、第１の伝導性状態で超伝導接続部が常伝導状態になることなく超伝導接続部を磁束フローレジームに維持する。電流サイクルの第２の部分中、超伝導接続部の電流が第１の閾値レベル未満であり、第２の伝導性状態で磁束フローレジームを回避する。したがって、超伝導接続部の抵抗は、第１の伝導性状態で磁束フロー抵抗を含み、かつ前記第２の伝導性状態で実質的にゼロである。

【0041】

電流波形のｄｃ成分が実質的にゼロであるように制御されることが好ましい。これは、超伝導接続部に電気的に接続された超伝導ループ素子から充電ループおよび／または負荷ループを製造し、その結果、超伝導接続部が超伝導ループ素子をブリッジして、充電ループおよび／または負荷ループを形成することによって容易になる場合がある。このとき、超伝導接続部の一方の端と、超伝導ループ素子との間の接合部の有限抵抗が、前記電流波形のゼロでないｄｃ成分のすべてを実質的にゼロに減衰させるのに役立つ。

【0042】

実施形態では、本方法／システムは、充電ループが変圧器の二次巻線を形成する変圧器を使用する。このとき、変圧器の一次巻線の電流は、充電ループの電流波形を制御するように制御することができる。

【0043】

充電ループ電流が充電ループに誘導されるのと実質的に同じ周波数で、接続部の動的伝導性をオンおよびオフに切り替える（または変える）ことが好ましい場合がある。

【0044】

したがって、本方法の好適な一実施形態では、接続部の状態の制御は、接続部に印加された磁場の周波数を制御するステップと、接続部の磁束フロー臨界電流、特に背景磁場を制御することによって制御するステップと、接続部の長さを制御するステップと、前記磁場が印加される接続部の一部および／または磁束フロー臨界電流が制御される接続部の一部を制御するステップとの１つまたは複数により、接続部の伝導性を動的に制御するステップを含む。磁束フローレジーム内でこれを維持するように接続部を制御する必要がない場合、システムは、接続部の温度を制御することさえ可能である。本方法の実施形態を用いて接続部の伝導性を動的に制御することにより、第１の伝導性状態と第２の伝導性状態との間で接続部の状態を制御することができる。

【0045】

ここで、磁束フローレジームにアクセスするかどうかを決定する磁束フロー臨界電流と、超伝導体が常伝導状態に駆動される電流である「常伝導」臨界電流（単に臨界電流とのみ呼ばれる場合が多い）とを区別することが重要である。

【0046】

原則として、制御可能な超伝導状態ブリッジは、上述した磁束ポンピングシステムとは独立して用いることができる。

【0047】

したがって、さらなる一態様では、本発明は、第１および第２の電気的接続部と、前記第１および第２の電気的接続部にわたって結合されたブリッジと、第１の超伝導状態と第２の抵抗性状態との間で切り替え可能な前記ブリッジの少なくとも部分にａｃ磁場を印加するａｃ磁場発生器と、前記ａｃ磁場を変調して、前記超伝導状態と前記抵抗性状態との間で前記ブリッジの前記部分を切り替える磁場変調器とを含む超伝導切り替えデバイスを提供する。

【0048】

本発明は、超伝導体、特に高温超伝導体の磁化を変化させる方法であって、充電ループおよび超伝導負荷ループであって、各ループの一部を含む超伝導ブリッジを共有する充電ループおよび負荷ループを含む超伝導回路を提供するステップと、前記充電ループで循環する交流（ａｃ）電流を制御するステップであって、それにより、前記ａｃ電流のサイクルの第１の部分中、超伝導ブリッジが超伝導にとどまりながら磁束フローレジームに駆動され、かつ前記サイクルの残り部分中、超伝導ブリッジが実質的にゼロの抵抗を有する超伝導であり、それにより、それぞれの前記サイクル中、正味磁束が前記ブリッジにわたって前記負荷ループへ流れる、ステップとを含む方法をさらに提供する。

【0049】

充電ループのａｃ電流は、非対称な正および負のピークと、実質的にゼロの平均値とを有することが好ましい。

【0050】

関連する一態様では、本発明は、充電ループおよび超伝導負荷ループであって、各ループの一部を含む超伝導ブリッジを共有する充電ループおよび超伝導負荷ループを含む超伝導回路と、前記充電ループで循環する前記ａｃ電流を制御するコントローラであって、それにより、交流（ａｃ）電流のサイクルの第１の部分中、超伝導ブリッジが超伝導にとどまりながら磁束フローレジームへ駆動され、かつ前記サイクルの残り部分中、超伝導ブリッジが実質的にゼロの抵抗を有する超伝導であり、それにより、それぞれの前記サイクル中、正味磁束が前記ブリッジにわたって前記負荷ループへ流れる、コントローラとを含む磁束ポンプをさらに提供する。

【0051】

本発明のさらなる関連する一態様では、上述したような方法、磁束ポンプ、デバイスまたは回路は、超伝導エネルギー蓄積および抽出デバイス／システムとして用いることができる。このようなデバイス／方法は、上述したような超伝導ブリッジまたは接続部、および上述したような切り替えシステム（例えば、コントローラ）を用いて、（例えば、磁束フローレジームへのおよび磁束フローレジームからの）抵抗またはインピーダンスの異なる超伝導状態間で超伝導ブリッジまたは超伝導接続部を制御して、（負荷ループの）磁場に蓄積されたエネルギーを抽出する。超伝導状態ブリッジまたは超伝導接続部は、このプロセス中、超伝導にとどまることが好ましいが、本技法の実施形態は、代わりに超伝導状態と非超伝導状態との間でブリッジまたは接続部を切り替えることができる。いずれの場合にも、（例えば、変圧器誘導によって）充電ループに充電電流が駆動されないと、負荷ループから超伝導ブリッジ／接続部にわたって充電ループへ磁束が流出することになる。その手順は、充電ループの電流を変化させるブリッジにわたって磁束フローを誘導する。変化する磁束、ｄΦ／ｄｔは、充電ループに起電力（ｅｍｆ）を誘導する。すなわち、２つの状態間でブリッジ／接続部を切り替えることにより、充電ループにａｃ起電力が生じ、負荷ループの磁場に蓄積されたエネルギーによって電力供給されたａｃ電力出力をもたらす。

【0052】

前述した技法のいずれも、異なる状態間で超伝導ブリッジ／接続部を切り替えるために用いることができる。ａｃ電力は、様々な方法、例えば、前述したような充電ループに結合している変圧器によって抽出／利用することができる。同じ変圧器を用いて、充電ループの磁場にエネルギーを蓄積すること、および蓄積されたエネルギーをａｃ電力出力の形態でループから抽出することがいずれも可能である。

【0053】

ここで、添付の図面を参照して、例としてのみ、本発明のこれらの態様および他の態様をさらに説明する。なお、図面では、同様の数字がすべての図面を通して同様の部分を表す。

【図面の簡単な説明】

【0054】

【図1a】本発明の実施形態による磁束ポンピング機構の概略図を示す。

【図1b】本発明の実施形態による磁束ポンピング機構の概略図を示す。

【図2】本発明の実施形態による実験的システムの概略図を示す。

【図3】時間に対する充電ループ電流、印加磁場および負荷ループ電流を示す。

【図4】充電ループ電流サイクルに対する充電ループ電流、負荷ループ電流およびブリッジ電流を示す。

【図5】充電ループ電流サイクルに対する負荷ループに注入された磁束を示す。

【図6】本発明の実施形態によるシステムの概略図を示す。

【図7】電流および磁場の制御シーケンスを示す。

【図8】時間に対する二次電流および磁場をそれぞれ示す。

【図9】時間に対する様々な磁場についての負荷ループ電流を示す。

【図10】時間に対する印加磁場の様々な周波数についての負荷ループ電流を示す。

【図11】時間に対する様々な二次電流についての負荷ループ電流を示す。

【図12】時間に対する様々な二次電流周波数についての負荷ループ電流を示す。

【図13】本発明の実施形態による磁束ポンプの概略図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0055】

上記で概説したように、本明細書に記載の装置および方法の実施形態を用いて、特に磁束を蓄積または縮小する超伝導回路を用いて磁場を生成することができる。実施形態を用いて、高磁場、例えば１Ｔ、２Ｔ、５Ｔ以上の範囲の磁場を生成し易くすることができる。超伝導体を用いて磁場を「蓄積」することができる。超伝導体にとって磁気モーメントおよび磁化が同義であることが理解されるであろう。

【0056】

本明細書に記載の実施形態は、超伝導体を磁化もしく消磁するのに用いてもよく、または超伝導体の磁化を動的に変化させるために用いてもよい。

【0057】

永久電流モードで動作する高Ｔ_ｃ超伝導（ＨＴＳ）磁石は、超伝導体の磁束クリープおよび接合抵抗により電流減衰を受ける。磁束ポンプは、超伝導回路に直流電流を注入して、電流リードによる熱損失なしに電流減衰を補償することが可能である。本明細書に記載の実施形態は、ＨＴＳコイルでの磁束ポンピングに特に適している。以下の説明では、数理モデルおよび実験的検証が提供される。

【0058】

本明細書に記載のいくつかの実施形態は、超伝導体に垂直磁場が印加されるとトリガされる磁束フローを活用することができる。

【0059】

超伝導体にＪｃを上回る輸送電流または不可逆曲線を上回る磁場が印加されると、磁束フローが生じる場合がある。あるいは、印加磁場と輸送電流との組み合わせにより磁束フローが生じる場合がある。磁束フロー領域では、超伝導体は依然として超伝導であると見なすことができる。しかしながら、磁束の動きは、損失と、したがって暗黙的抵抗とにつながる場合がある。この抵抗は、本明細書に記載の実施形態で活用することができる。

【0060】

直流電流が流れている第２種超伝導体またはＨＴＳ超伝導体に、電流方向に対して垂直な成分を有するａｃ電流磁場が印加されると、輸送損失が生じる。超伝導体は超伝導にとどまっているが、これは動的抵抗と考えることができる。超伝導テープの動的抵抗は、以下の式を用いて計算することができる（高磁場の場合、動的抵抗は、流れている電流の大きさに実質的に左右されない）。

【数1】

式中、ａはテープ幅の半分であり、ｌは磁場が印加されたテープの長さであり、ｆは磁場の周波数であり、Ｉ_ｃ０はテープの（常伝導）臨界電流であり、Ｂ_ａは印加磁場の大きさであり、ｃは磁場−臨界電流間の関係を表す因数である。ビーンモデル（Ｂｅａｎ’ｓ ｍｏｄｅｌ）に関して、ｃは０である。

【0061】

磁束フローが生じると、超伝導体は抵抗を得る。これは、オーム抵抗自体でないが、電流または磁界がサイクルされるとき、各サイクルで磁化にヒステリシス損失があるために生じる等価抵抗である。したがって、式１からわかるように、損失と、したがって等価抵抗とは、１秒当たりのサイクル数または抵抗の関数である。

【0062】

図１は、本明細書に記載の実施形態による磁束ポンプ機構を用いる超伝導回路１００の概略図を示す。

【0063】

この例では、ＡＣ磁場が磁場発生器１０８（例えば、電磁石）を介してＨＴＳテープに印加され、それにより、磁束が抵抗性ブリッジ１０６を通って負荷ループ１０４に流れる。

【0064】

用いられる原理は、磁束フローが存在するとき、充電ループ１０２に誘導された電流Ｉｐがブリッジ１０６を迂回して負荷ループ１０４（図１ａ）に直接流れることができるというものである。Φは、充電ループ１０２に注入された磁束の瞬時値を表示する。

【0065】

しかしながら、充電ループ１０２の電流は周期関数によって誘導されることがあるため、後のある時点で電流Ｉｐの向きが逆転する場合がある。ブリッジ１０６が依然として抵抗性であれば、電流は、負荷ループ１０４からブリッジ１０６を再び迂回して流れることになり、正味の効果は、第１のサイクル後に負荷ループ電流ＩＬが増加しないということになる。Ｉｐが符号を変えたとき（図１ｂ）、ブリッジ１０６が再び超伝導になることを可能にすることで、ブリッジ１０６が負荷ループ１０４を短絡し、負荷ループ１０４がこのとき迂回されるため、ＩＬがＩｐ分だけ減少することがなくなる。ＡＣ磁場が除去されると、負荷ループ１０４はＨＴＳテープ１０６によって短絡される。

【0066】

印加ブリッジ磁場がＡＣ磁場であるのに対して、負荷ループの電流ＩＬは、全体にわたって同じ方向に流れたままであるため、充電電流Ｉｐは、図１ａと図１ｂとでその方向が逆転している。ブリッジは電流経路を交互に変えられるようになっているため、これが可能である。

【0067】

したがって、スイッチとして機能するブリッジは、充電回路のためのフライバックループを提供することができる。ブリッジが抵抗性（またはブリッジが伝導性である第１の状態）である間、電流は充電ループから負荷ループに流れる。ブリッジが超伝導（またはブリッジが伝導性である第２の状態であって、これによりブリッジの抵抗が第２の状態で小さくなっている状態）である間、充電ループの電流を負荷ループに影響を及ぼさずに低減することができる。

【0068】

充電ループの電流が負荷ループの電流よりも大きい場合、電流が負荷ループに流れる。超伝導ブリッジの存在は、電流が負荷ループの電流よりも小さいとき、充電電流が負荷電流よりも大きいときに得られた利得を帳消しにする逆転が観察されないことを意味する。

【0069】

したがって、ＩＬは、連続的なサイクルごとに増加させることができ、磁束ポンピングを実現することができる。

【0070】

上記で概説したように、好適な実施形態では、デバイスは、超伝導体の追加区域によって短絡される超伝導体のループを含む超伝導回路１００を使用し、これにより、２つのループ、すなわち充電ループ１０２および負荷ループ１０４が生じる（図１の例示的な構成を参照されたい）。図１に示された回路の表現は、最も単純なレベルのものである。複数の充電ループおよび／または複数の負荷ループが使用可能であることが理解されるであろう。加えて、超伝導体の短絡区域１０６は、例えば、テープ、薄膜もしくは厚膜、電線または他の任意のタイプの超伝導体とすることができるが、これらに限定するものではない。

【0071】

充電ループに変化する磁束を誘導する方法が必要となる場合がある。これは変圧器、電磁石または移動永久磁石から可能であろう。当然のことながら、多くの他の方法が当業者に想到されるであろう。

【0072】

加えて、磁束フローをトリガするために、変化する磁束を超伝導体の短絡区域（またはブリッジ１０６）に印加する方法が必要となる場合がある。これを行うことが可能な多数の方法が当業者に知られている。

【0073】

超伝導ループおよびブリッジループは、すべて単一の超伝導体から形成することができる。磁束が左側半分（これは、この場合、図１の充電ループ１０２に対応する）に誘導される矩形の超伝導テープを考えてみると、振動磁場は、超伝導体の中間区域（これは、この場合、図１のブリッジ１０６に対応する）に印加され、このとき、図１の負荷ループ１０４に対応する右側半分に電流を誘導することができる。当然のことながら、多くの他の変形例が当業者に想到されるであろう。

【0074】

いくつかの実施形態では、２つの別個の供給源（１つは充電ループ１０２用の電流源、およびもう１つはブリッジ１０６用の磁束源）が存在するのではなく、単一の供給源が使用可能である場合がある。

【0075】

実施形態では、２つの別個の供給源がそこに存在することが有利である。１つは駆動電流を供給するためのもの、および１つは磁束フローを誘導するためのものである。なぜなら、充電速度が２つの供給源の相対的な位相、周波数および大きさの関数になるからである。動的抵抗および入力電流を別個に変えることが有利な場合もある。動的抵抗は、輸送電流および印加磁場の両方に依存し、負荷ループ１０４の電流が増大するにつれて、動的抵抗を動的に制御するために、ブリッジ１０６に印加される磁場を変化させることが有利になる。

【0076】

上記の式１からわかるように、動的抵抗は、周波数ｆの関数であり、また振動磁場の振幅Ｂａであり、また（常伝導）臨界電流の関数である。（常伝導）臨界電流は、背景磁場にも依存する。したがって、追加の制御または変調を用いてブリッジ１０６に磁場Ｂ_ａを印加することが有利な場合がある。この追加の制御または変調は、背景磁場（したがって、式（１）の（常伝導）臨界電流）を制御すること、および振動磁場の振幅Ｂ_ａを制御することのいずれかまたは両方により行うことができる。このように、磁場Ｂ_ａは、高周波数磁場をもたらし、動的抵抗は、振幅Ｂ_ａを変化させることおよび／または背景磁場の値を変化させることによって制御することができる。

【0077】

システムの効率は、動的抵抗の相対的な大きさと、システムのインダクタンスと、システムの任意の接合部の抵抗との関数とすることができる。

【0078】

以下に、システムの挙動を説明する分析モデルおよび実験結果を示す。

【0079】

システムの特性は、（例えば、ブリッジの加温／冷却により、または背景磁場１０６の印加により、その変調周波数またはその（常伝導）臨界電流を変化させることによって）、動的抵抗、およびブリッジ１０６がオンである期間とオフである期間との相対的比率を調節することにより、動作中に効率を変えることができるようなものである。

【0080】

動的抵抗は、磁場発生器１０８による磁場発生器のブリッジ１０６の長さの関数とすることもできるため、その値は、異なる長さのブリッジ１０６を有すること、またはブリッジ磁場を印加するブリッジ１０６を増減させることのいずれかにより変えることができる。例えば、ブリッジ作動磁石であれば２つの区域にすることも可能であろう。

【0081】

上述したシステムは、単一のスイッチを用いて磁束ポンピングを実現する。本明細書に記載の実施形態を第２のスイッチと並行して用いて、磁束ポンピングを実現することができる。

【0082】

分析モデル
図１を参照して、ポンプの動作を以下の通り説明することができる。ここで用いられる記号は、次の通りである。
ｉ_ｐ：充電ループ電流
Ｉ_ｐ：ｉ_ｐの平均値
Ｂ_ａ：ブリッジに印加された磁場
Ｔ：ｉ_ｐの期間
Ｒ_Ｌ：負荷ループの磁束フロー抵抗率（なお、負荷ループ抵抗という語句は、本明細書全体にわたって同様の意味で用いられる場合がある）
Ｒ_ｄｙｎ：ブリッジの動的抵抗
ｉ_Ｌ：負荷電流
ｐ：Ｂ_ａが印加されている時間Ｔの割合。

【0083】

Ｂ_ａが印加されると、ブリッジ１０６で磁束フローがトリガされる。この間に負荷に注入された磁束は以下の通りである。
△Φ_ｏｎ＝（Ｉ_ｐ−ｉ_Ｌ）Ｒ_ｄｙｎｐＴ−ｉ_ＬＲ_ＬｐＴ （２）

【0084】

Ｂ_ａを取り除くと、負荷は、超伝導ブリッジ１０６によって短絡される（図１（ｂ））。超伝導ループから流れる磁束は以下の通りである。
△Φ_ｏｆｆ＝−ｉ_ＬＲ_Ｌ（１−ｐ）Ｔ （３）

【0085】

したがって、それぞれのｉ_ｐサイクル中、超伝導負荷の正味磁束増加は以下のように表現することができる。
△Φ＝△Φ_ｏｎ＋△Φ_ｏｆｆ＝Ｉ_ｐＲ_ｄｙｎｐＴ−ｉ_ＬＴ（Ｒ_ｄｙｎｐ＋Ｒ_Ｌ） （４）

【0086】

負荷を充電するプロセス全体と比較して、Ｔが非常に短時間であることを考慮して、ｉ_ｐサイクルにおけるｉ_Ｌの変動は無視されている。したがって、式（４）は、以下のような微分方程式の形式で記述することができる。

【数2】

式中、Ｌは負荷インダクタンスである。

【0087】

式（５）の解は以下の通りである。

【数3】

【0088】

式（６）によれば、最終的な負荷電流は、充電回路の電流Ｉｐに比例する。したがって、負荷コイルの磁化は、充電ループ１０２に誘導された電流の大きさの関数である。それはまた、ブリッジ１０６に印加された磁場の相対的な位相、動的抵抗、およびＢａが印加されている期間の割合の関数でもある。

【0089】

本方法は、Ｂａの値ではなく動的抵抗に依存する。このため、Ｂａを完全に取り除かなくても、Ｂａを調整して動的抵抗も調整するようにすれば十分な場合がある。これらのパラメータを適宜変えることにより、デバイスを用いてコイルの出力電流と、したがって生じる磁場とを変えることができる。

【0090】

したがって、装置は、充電ループ１０２の電流Ｉｐおよび超伝導ブリッジ１０６に印加される磁場Ｂａを制御する制御システムを含むことが好ましい。

【0091】

実施形態では、３つの部分からなる超伝導磁束ポンプ装置が提供され、この装置は、超伝導体を含む第１の部分と、超伝導体の磁化を変化させる充電部および／または放電部であって、少なくとも磁場の変化の発生源を含む充電部／放電部を含む第２の部分とを含む。第３の部分は、上述した超伝導体の充電に用いられる駆動電流を提供する。

【0092】

超伝導体は，好ましくはＹＢＣＯ（イットリウムバリウム銅酸化物）など、いわゆる銅酸化物超伝導体のような高温（Ｔ_ｃ）超伝導体を含むことが好ましい。しかしながら、本明細書に記載の方法およびデバイスは、すべての超伝導体、低温超伝導体および高温超伝導体のいずれにも適用される。

【0093】

実験的検証
図２は、本明細書に記載の超伝導回路の実施形態による実験的システムの概略図を示す。

【0094】

この例では、図２に描かれているように、負荷ループ１０４は、両端部がはんだで接合された、Ｓｕｐｅｒｐｏｗｅｒ製６ｍｍ幅ＹＢＣＯテープ２０２から巻回されたダブルパンケーキコイルであった。コイルインダクタンスおよび（常伝導）臨界電流は、７７Ｋにおいてそれぞれ０．３８８ｍＨおよび８１Ａと測定された。接合抵抗は１．２×１０^−７Ωと測定された。充電ループ１０２は、長さ１ｍの別の同一タイプのＹＢＣＯテープによって形成され、このテープの両端部を負荷ループの超伝導体の一部にはんだで接合した。比率２００：２の変圧器２１２を用いて充電ループ１０２にｉ_ｐを誘導した。１ｍｍの空隙を有する断面が、３５×１２ｍｍの鉄心を有する３６ｍＨの電磁石１０８によってＢ_ａが生成された。２つの電流ループによって共有されているテープ１０６は、１ｍｍの空隙の中心に置くことでテープ１０６の広い表面に垂直にＢ_ａが印加されるようにした。磁場が印加された有効面積は、３５×６ｍｍ^２であった。ＹＢＣＯテープは、（１０^−４Ｖ／ｍ判定基準で）７７Ｋにおいて空隙での（常伝導）臨界電流測定値が１２３Ａであった。Ｋｅｐｃｏ製電源２０８ａによって変圧器２１２に電力を供給した。別のＫｅｐｃｏ製電源２０８ｂによって電磁石１０８に電力を供給した。電源はいずれも電流モードで作動した。２個のＫｅｐｃｏ製電源２０８ａ、２０８ｂを制御する信号がＬａｂｖｉｅｗソフトウェアによって生成され、ＮＩ−ＵＳＢ６００２ＤＡＱカード２１０によって出力された。充電ループ電流ｉ_ｐは、ホール効果（Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ）開ループ電流センサ２０６によって測定した。負荷電流ｉ_Ｌは、コイルの中心に固定されたホールセンサ（Ｈａｌｌ ｓｅｎｓｏｒ）２０４によって測定した。印加磁場Ｂ_ａは、界磁を供給する電流を測定することによりモニタリングした。超伝導システムは、液体窒素（７７Ｋ）中で作動した。

【0095】

図３は、充電ループ電流ｉ_ｐ、印加磁場Ｂ_ａ、および負荷ループ電流ｉ_Ｌの、本例では充電の最初の３サイクル中の波形を示す。

【0096】

ｉ_ｐは、本例では、大きさが約９０Ａであり、周波数が２Ｈｚであった。Ｂ_ａは、周波数が２０Ｈｚで、０．６５Ｔの大きさであった。各ｉ_ｐサイクルにおいて、Ｂ_ａを０．０５秒間印加した。図３から、ブリッジ超伝導体にＢ_ａを印加するたびに負荷ループ１０４の電流が増加したことが明らかである。図３の結果は、電流を流しているＨＴＳテープのＡＣ磁場トリガ磁束フローにより、磁束ポンピングが実現可能であることを根本的に証明した。ブリッジ超伝導体の輸送電流ｉ_Ｂは、２ＨｚのＡＣ成分を有していたが、Ｂ_ａの継続時間中、極性が変化しなかったことにより、磁束フローは単方向であった。

【0097】

図４は、充電プロセス全体中の電流の波形を示す。それぞれのｉ_ｐサイクル中に外部磁場を経験する平均輸送電流はＩ_Ｂ＝Ｉ_ｐ−ｉ_Ｌである。

【0098】

充電プロセス中、Ｉ_ｐの値は、この例では７４Ａのままであった。負荷電流ｉ_Ｌは、この例では、ｉ_Ｌ＝５７．５（１−ｅ^{−ｔ／２４}）で良好にあてはめることができ、これは式（６）で予測されたものと同じ形式を有する。式（６）に従って計算すると、Ｒ_ｄｙｎは０．１３１ｍΩであり、またＲ_Ｌは３．７３μΩである。また、２０Ｈｚ、０．６５Ｔの印加磁場でのＤＣ輸送電流下のＲ_ｄｙｎの値も測定したところ、測定値は０．１０６ｍΩであった。磁束ポンプのＲ_ｄｙｎの値は、ＤＣ輸送電流条件におけるよりもわずかに大きい。これは、Ｂ_ａが一時的なものであることにより、図３の中央部に示されるように、実際の周波数が２０Ｈｚ〜３０Ｈｚになったためである。ビーンモデルを用いて計算したＲ_ｄｙｎの値は０．０４４ｍΩであり、それは、ブリッジ超伝導体の磁場臨界電流依存性が原因で０．１０６ｍΩの半分未満である。

【0099】

しかしながら、Ｒ_Ｌの値は、１．２×１０^−７Ωの接合抵抗よりもはるかに大きい。この現象を理解するために、△Φ_ｏｎおよび△Φ_ｏｆｆが式２および式３に従って負荷電流波形から抽出される。

【0100】

図５ａは、平均的なブリッジ電流と比較した、各ｉ_ｐサイクルにおいて負荷に注入され、負荷で消費された磁束である。

【0101】

図５（ａ）に示されるように、各ｉ_ｐサイクルにおいて、△Φ_ｏｎはＩ_Ｂにほぼ比例し、それは、Ｒ_ｄｙｎが充電プロセス中に一定であることを示す。Ｒ_ｄｙｎがＲ_Ｌよりもはるかに大きいため、その値は、およそ△Φ_ｏｎ／Ｉ_ＢｐＴ＝０．１２９ｍΩによって計算することができ、それは式（６）によって計算された値０．１３１ｍΩに近い。−△Φ_ｏｆｆは、初めは非常に小さい値にとどまっていたが、ｉ_ｐサイクルが５０回を超えると急速に増加した。各ｉ_ｐサイクルにおけるＲ_Ｌは、−△Φ_ｏｆｆおよびｉ_Ｌを用いて式（３）によって計算される。図５ｂは、サイクル回数に対する負荷ループ抵抗の瞬時値を示す。図５（ｂ）に示されるように、ｉ_ｐサイクルが５０回を超えると、５０回目のｉ_ｐサイクル後にｉ_Ｌが３５Ａを超過したため、Ｒ_Ｌが０．４μΩから安定した値約４μΩまで急激に増加した。

【0102】

上記で概説したように、第２種超伝導体またはＨＴＳ超伝導体のような超伝導体は、電流が流れているときに同時に磁場が印加されると抵抗を示すことになる。

【0103】

本明細書に記載の実施形態は、３つの部分、すなわち電流変圧器と、超伝導コイルと、ブリッジとを含む変圧器超伝導磁束ポンプとして用いることができる。

【0104】

図６は、本明細書に記載の実施形態による変圧器超伝導磁束ポンプの概略図を示す。

【0105】

本例では、電流変圧器の一次側は、巻き数が約２００回の銅線で構成されている。一次側は、ＡＣ電流源によって励起される。電流変圧器の二次側は、超伝導テープであり、このテープは、数回巻かれている（１回の巻回数で十分な場合もある）。図６に示されるように、二次側の両端部は、負荷コイルのテープの一部にはんだで接合されている。超伝導負荷は、閉ループコイルであり、両端部がはんだで接合された超伝導テープで構成されている。２つのはんだ接合個所間のテープは、超伝導ブリッジとして機能する。このブリッジに制御可能な磁場が印加される。

【0106】

以下の表は、本例において用いられる実験的システムのパラメータを示す。

【0107】

【表1】

【0108】

二次コイルに通電し、ブリッジを動作させる時間系列を制御することが重要である。ブリッジに磁場が印加されないとき、ブリッジは超伝導である。ＡＣ磁場がブリッジテープの表面に垂直に印加されると、ブリッジは抵抗を示す。そのため、二次コイルの電流がブリッジに流れており、同時に、ブリッジが抵抗を示せばブリッジにわたって電圧が生じることになり、これにより超伝導負荷を通電することになる。二次側のＡＣ電流がプラスである（またはより厳密に言えば、ある正の値よりも大きい）ときにブリッジがオンであり（抵抗を示し）、そうでないときにオフである（超伝導である）ように、ブリッジを制御すれば、ブリッジにわたって疑似ＤＣ電圧成分が得られることで、最終的に閉じた負荷コイルに磁束（電流）をポンピングすることになる。

【0109】

図７は、本例において図６に示されているシステムを動作させるために用いられる磁場および電流の時間系列を示す。

【0110】

本例では、一次電流と二次電流とは同期している。ブリッジ磁場は、本例では、一次電流の符号がプラスであり、ゼロを上回っている間隔中、一次電流の周波数と比較してより高周波数で印加されている。図７の最下部に示されているブリッジ電圧は、ブリッジ磁場が印加されている期間中、ゼロを超えて一定している。平均ブリッジ電圧は図７の最下部に示されている。

【0111】

図８は、図７に示されている例示的なシーケンスを用いて制御され、測定されるような二次電流および印加ブリッジ磁場の波形を示す。

【0112】

実験において制御可能な変数には、例えば、二次電流の大きさ、二次電流の周波数、ブリッジ磁場の大きさ、ブリッジ磁場の周波数、ブリッジ磁場の継続時間、および二次電流とブリッジ磁場との間の相対的な位相が含まれる。これらのパラメータを変えることにより、最適化されたポンピング性能を実現することができる。

【0113】

図９は、負荷ループ電流に及ぼすブリッジ磁場の強度の影響を示し、ブリッジに印加された様々な磁場について、時間に対してグラフ化されている。

【0114】

本例では、ブリッジ磁場周波数は２０Ｈｚに設定され、二次電流周波数は２Ｈｚ、二次電流の大きさはおよそ１４０Ａ、ブリッジ磁場の継続時間は二次電流波形の周期の１０％であり、かつ二次電流と同相である。ブリッジ磁場の強度は０．２９Ｔ〜０．６６Ｔで変動する。

【0115】

得られた負荷ループ電流は、時間が経過するにつれて増加し、測定が行われた最初の２００秒〜２５０秒の期間中、ブリッジに印加された磁場が大きいほど大きくなっていることがわかる。ブリッジに印加された磁場０．６６Ｔについて、ほぼ６０Ａの負荷ループ電流が得られる。

【0116】

ブリッジに印加された磁場に応じて、これらの例では、およそ１００秒〜２００秒の期間を過ぎると負荷ループ電流は横ばいになる。

【0117】

図１０は、負荷ループ電流に及ぼすブリッジ磁場周波数の影響を示し、様々なブリッジ磁場周波数について、時間に対してグラフ化されている。

【0118】

本例では、二次電流周波数は２Ｈｚ、二次電流の大きさはおよそ１４０Ａ、ブリッジ磁場継続時間は二次電流波形の周期の１０％である。ブリッジ磁場の強度は０．６６Ｔである。ブリッジ磁場周波数は、本例では、１０Ｈｚ〜４０Ｈｚで変動する。

【0119】

図からわかるように、負荷ループ電流は、時間が経過するにつれて増加し、測定が行われた最初の１５０秒〜２５０秒の期間中、ブリッジ磁場周波数が大きくなるほど増加している。ブリッジ磁場周波数４０Ｈｚについて、本例では、最初のほぼ１００秒の時間間隔中、負荷ループ電流はほぼ６０Ａまで増加した。

【0120】

図１１は、負荷ループ電流に及ぼす二次電流の大きさの影響を示し、様々な二次電流について、時間に対してグラフ化されている。

【0121】

本例では、ブリッジ磁場周波数は４０Ｈｚに設定され、また二次電流周波数は２Ｈｚである。ブリッジ磁場の継続時間は二次電流波形の周期の１０％であり、かつ二次電流と同相である。ブリッジ磁場の強度は０．４９Ｔである。二次電流の大きさは、本例では、１０３Ａ〜１５４Ａで変動する。

【0122】

図からわかるように、ポンプ速度は二次電流の大きさに比例しているが、負荷ループ電流は二次電流の大きさに比例していない。これは、二次電流によりブリッジに損失が生じ、これが負荷電流の減衰をもたらしているからである。

【0123】

図１２は、負荷ループ電流に及ぼす二次電流周波数の影響を示し、様々な二次電流周波数について、時間に対してグラフ化されている。

【0124】

本例では、ブリッジ磁場周波数は８０Ｈｚに設定され、また磁場の強さは０．２５Ｔである。ブリッジ磁場の継続時間は二次電流波形の周期の１０％であり、かつ二次電流と同相である。二次電流の大きさは１３７Ａである。二次電流周波数は、本例では、２Ｈｚ〜８Ｈｚで変動する。

【0125】

図からわかるように、負荷ループ電流は、時間が経過するにつれて増加し、測定が行われた最初のおよそ１５０秒の期間中、二次電流周波数が小さくなるほど増加している。

【0126】

二次電流によって引き起こされたＡＣ損失がブリッジに生じている。本例では、８Ｈｚの二次電流周波数に対して８０Ｈｚのブリッジ磁場周波数を用いているため、振動を得るために二次電流および磁場を同相に保つことは、低周波数、例えば２Ｈｚの二次電流周波数の場合よりもさらに困難である。

【0127】

これらの例では、継続時間が二次電流波形の周期の１０％であるブリッジ磁場は、継続時間が二次電流波形の周期の２０％のリッジ磁場よりもポンピング性能が優れていることがわかった。ポンピング性能は、二次電流の波形自体によってさらに決まる場合がある。これらの例では、印加ブリッジ磁場および二次電流が（図８に示されているような）同相であるとき、磁束のポンピング性能が向上した。

【0128】

計算
以下の計算は図１３に関する。この図は、本明細書に記載の実施形態による磁束ポンプの等価回路を簡略化して概略図を示す。

【0129】

ブリッジがオン状態であるときに損失がなく、かつ電流変圧器が十分に強力であり（ブリッジがオンであるときおよびブリッジがオフであるときに二次電流が一次電流に比例し）、かつ等価ブリッジ抵抗Ｒ_ｅｆｆに平均二次電流Ｉが印加されると仮定すると、以下の通りである。

【数4】

【0130】

式（７）から、時定数はＬ_ｃｏｉｌに比例し、Ｒ_ｅｆｆに反比例する。また、最終的な負荷電流は、（Ｉが（常伝導）臨界電流を超過していなければ）Ｉに近似している。

【数5】

式中、Ｓはブリッジの面積であり、ｆはブリッジ磁場周波数であり、Ｂ_ａはブリッジ磁場の強さであり、また、Ｐはブリッジがオンのときの継続時間である。標準的な値Ｓ＝２．４＊１０^−４、ｆ＝３０、Ｉ_ｃ０＝１８０、（Ｂ_ａ＋Ｂ_ａ^２／Ｂ_０）＝３、ｐ＝０．１の場合、Ｒは１．６＊１０^−５オームと計算される。

【0131】

Ｉ＝１００Ａと仮定すると、当初、ポンピング速度は２．４＊１０^−３／Ｌ_ｃｏｉｌＡ／ｓである。１ｍＨのコイルでは、ポンピング速度は約２．４Ａ／ｓである。

【0132】

ブリッジの面積、磁場の強さ、磁場周波数、および／または印加磁場の継続時間を増やすことにより、性能を向上させることができる。

【0133】

ブリッジ抵抗は、ポンピング速度および最終的な負荷電流にとって重要であることが示された。抵抗値が大きいほど高速のポンピング速度を実現し得る。以下の要因が抵抗値に影響を及ぼす場合がある。それらは、印加磁場の強度、周波数、および印加磁場の継続時間である。

【0134】

二次電流の大きさは、磁束ポンピングでも重要な役割を果たす場合がある。必ずしも二次電流が大きい方が良いとは限らない。その理由は、二次電流が大き過ぎるために、ブリッジにかなりの損失が生じる場合があり、これにより負荷電流の減衰が起こり得るからである。

【0135】

相対的な低周波（およそ１Ｈｚ未満）が原因で電流変圧器が飽和していない限り、二次電流周波数がポンピング性能に及ぼす影響は軽微である。

【0136】

二次電流および印加磁場の電流ノイズが大き過ぎると、ブリッジに大きいＡＣ損失を生じる場合があり、これは最小限に抑えなければならない。

【0137】

超伝導体
好適な超伝導体は、高温超伝導体、例えばＹＢＣＯのような銅酸化物などであるが、これは薄膜、厚膜、テープ、電線としてまたはバルク材料として調製することができる。銅酸化物は、Ｔ_ｃ（臨界温度）が比較的高く、高磁場を捕捉することができるが、原則として、任意の第２種超伝導体を用いてもよい。本明細書で用いられる場合、高温超伝導体は、超伝導転移温度Ｔ_ｃが３０Ｋ（ＢＣＳ理論によって認められた理論的最大値）を超える超伝導体、好ましくは７７Ｋ以上の超伝導体とすることができる。

【0138】

イットリウムが、例えばガドリニウムまたはルビジウムのような他の希土類に置き換えられているＹＢＣＯの変形物がある（これらは一般にＲｅＢＣＯと呼ばれる）。他の候補としては、２２１２もしくは２２２３のいずれかの形式のＢＳＣＣＯ、または非常に安価でありながら、Ｔ_ｃが低い（３０ケルビン台半ば）という長所がある二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）でもよい。使用できる材料が他にもいろいろあり、例えばランタニド、または水銀もしくはタリウム系化合物であるが、これらに限定されない。

【0139】

有機超伝導体として記述することが可能な多数の材料も存在する。これらには、例えば、いずれも例えばＫａｐｐａ−ＢＥＤＴ−ＴＴＦ_２Ｘ、ｌａｍｂｄａ−ＢＥＴＳ_２Ｘおよび黒鉛層間化合物などの準１次元および準２次元材料であるＢｅｃｈｇａａｒｄ塩およびＦａｂｒｅ塩、ならびに例えばアルカリドープされたフラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）などの３次元材料が含まれる。

【0140】

銅酸化物の候補のリストは、Ｈｏｔｔ，Ｒｏｌａｎｄ；Ｋｌｅｉｎｅｒ，Ｒｅｉｎｈｏｌｄ；Ｗｏｌｆ，Ｔｈｏｍａｓらの“Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ−ａ ｔｏｐｉｃａｌ ｏｖｅｒｖｉｅｗ”（２００４−０８−１０）ｏａｉ：ａｒＸｉｖ．ｏｒｇ：ｃｏｎｄ−ｍａｔ／０４０８２１２に見出すことができる。それらは、高温超伝導ファミリー、例えばＢｉ−ＨＴＳ（Ｂｉ−ｍ^２（ｎ−１）ｎ，ＢＳＣＣＯ）；Ｔ１−ＨＴＳ（Ｔ１−ｍ^２（ｎ−１）ｎ，ＴＢＣＣＯ）；Ｈｇ−ＨＴＳ（Ｈｇ−ｍ^２（ｎ−１）ｎ，ＨＢＣＣＯ）；Ａｕ−ＨＴＳ（Ａｕ−ｍ^２（ｎ−１）ｎ）；１２３−ＨＴＳ（ＲＥ−１２３，ＲＢＣＯ）；Ｃｕ−ＨＴＳ（Ｃｕ−ｍ^２（ｎ−１）ｎ）；Ｒｕ−ＨＴＳ（Ｒｕ−１２１２）；Ｂ−ＨＴＳ（Ｂ−ｍ^２（ｎ−１）ｎ）；２１４−ＨＴＳ（ＬＳＣＯ“０２０２”）；（電子ドープされたＨＴＳ ＰＣＣＯ ＮＣＣＯ）；（“０２（ｎ−１）ｎ”）；無限層ＨＴＳ（電子ドープされたＩ．Ｌ．）を含む。

【実施例】

【0141】

ここで、Ｅ−Ｊ曲線の磁束フロー領域に駆動されるＨＴＳ、例えばＨＴＳ被覆導体（ＨＴＳ ＣＣ）を用いることが（必須ではないが）好ましいシステムの実施形態のいくつかのさらなる例について説明する。

【0142】

図１４ａを参照する。様々な磁場が、超伝導分岐ａｂを含むループに印加されている。ループを循環する交流電流ｉ（ｔ）が磁場によって誘導されている。磁場は、ループの抵抗およびインダクタンスならびに印加磁場の変化速度を考慮に入れて、ｉ（ｔ）のＤＣ成分がゼロである間、ｉ（ｔ）が非対称であるように変えることができる。（後述する変圧器による駆動の場合、これは、単に電流波形が非対称である一次側を駆動するのみである）。分岐ａｂのＶ−Ｉ曲線および循環電流ｉ（ｔ）の波形は、図１４ｂでともにグラフ化されている。ｉ（ｔ）の負のピーク値は分岐ａｂの磁束フロー臨界電流よりも小さい。したがって、電圧は分岐ａｂにわたって誘導されない。しかしながら、正の半サイクルでは、そのピーク値は、分岐の磁束フロー臨界電流を超過する。正のピーク前後の短期間で超伝導体はこのように磁束フロー領域に駆動される。したがって、それぞれのサイクル中に正味磁束が分岐ａｂにわたって流れており、分岐ａｂにわたるｄｃ電圧はゼロではない。超伝導負荷インダクタが分岐ａｂに接続されているのであれば、徐々に充電されることになる。

【0143】

図２に戻って参照すると、前述したように、ａｃ磁場を印加することに加えてまたは印加することに代えて、超伝導接続部（ブリッジ）を磁束フローレジームに駆動することができる。このように、超伝導接続部（ブリッジ）は、超伝導にとどまりながら（すなわち、絶対に常伝導になることなく）、実質的にゼロの抵抗状態と抵抗性状態との間で制御することができる。したがって、例示的な一実施形態では、（図２に示されているような）対称形の駆動波形を用いるのではなく、非対称形の駆動波形を用いて、変圧器の二次巻線に非対称形の電流を生成することができる。

【0144】

これは、磁束ポンプシステムの等価回路を示す図１５に概略的に描かれており、図では、Ｒ_ｊは接合抵抗を表示し、Ｒ_Ｂはブリッジ超伝導体の磁束フロー抵抗を表示する。また、Ｒ_Ｌは、（接合抵抗損失および他の損失を含む）負荷ループの等価抵抗であり、Ｌは、負荷インダクタンスである。ブリッジインダクタンスは、小さ過ぎるために考慮に入れない。したがって、ここで、Ｒ_Ｂの源は、高Ｔ_ｃ超伝導体内の磁束フローである。磁束フロー方向も回路に示されている。接合抵抗Ｒ_ｊは、二次巻線のあらゆる直流電流成分を減衰させるのに重要である（そうでない場合、変圧器の鉄心が飽和する可能性がある）。１つの実験では、合計接合抵抗はＲ_ｊ＝１０μΩであると推定された。好適な実施形態では、ブリッジの電流容量は二次／負荷巻線よりも小さい。二次電流ｉ_２（先にｉ_ｐとも呼ばれていた）がブリッジの磁束フロー臨界電流を超過すると、磁束がブリッジを介して負荷（Ｌ）へ流れる。

【0145】

図１６を参照すると、これは、１つの好適なブリッジ構造１６００の一例の横断面（左側の図）および縦断面（右側の図）を示す。本例の構造は、フェライト磁心１６０４上に巻回されたＨＴＳ被覆導体のコイル、例えば、超伝導テープを含む。任意選択的に、同軸のフェライトシリンダが磁心およびテープを包囲し、フェライト磁心とフェライトシリンダとの間に、ＨＴＳ導体への表面に対して垂直に放射状に延びる磁場が存在するようにしてもよい。

【0146】

実験的システムの一例では、１００：１変圧器を用いて二次巻線に大規模な交流電流を誘導した。二次巻線は、合計臨界電流が３６０Ａの並列ＹＢＣＯテープで作られたものである。二次巻線の両端部が別のＹＢＣＯテープを介してはんだで接合され、ブリッジを形成した。ブリッジの長さは１０ｃｍであり、ブリッジの臨界電流は１８０Ａであった。ブリッジは、ＹＢＣＯのダブルパンケーキ負荷コイルを短絡するためにも用いられた。コイルのインダクタンスは０．３８８ｍＨであった。また、コイルの臨界電流は８１Ａであった。（これらの臨界電流値は、Ｅ_０＝１０^−４Ｖ／ｍの基準で７７ｋの温度において測定された）。超伝導システム全体を液体窒素（ＬＮ_２）に浸漬した。

【0147】

ＫＥＰＣＯ製ＢＯＰ ２０２０電力増幅器により、変圧器の一次巻線に電力を供給した。ＫＥＰＣＯは、ＬａｂＶＩＥＷからプログラム可能な出力アナログ信号を有するＮＩ−ＵＳＢ ６００２データ収集カードによって制御された。ＫＥＰＣＯは、出力電流が入力信号に比例する電流モードで作動した。このように、いかなる所望の一次電流でも生成することができる。一次電流ｉ_１は、０．５オームの抵抗器を介して測定され、二次電流ｉ_２は、開ループホール効果電流センサによってモニタリングされ、負荷電流ｉ_Ｌは、負荷コイルの中心に固定された事前に較正されたホールセンサによって測定された。アナログ信号は、すべて４００ＨｚのサンプリングレートでＮＩ−ＵＳＢ ６００２カードによってサンプリングされた。負荷電流データは、５つの連続したサンプルごとに平均化することによりフィルタリングされた。

【0148】

一次電流の設定および充電の詳細
１つの実験では、一次電流ｉ_１として交流三角波信号を用いた。ｉ_１が正である期間中、ｉ_１は、一定の割合でピーク値Ｉ_１ｐｐまで増加し、その後、同じ割合でゼロまで減少する。ｉ_１が負である期間中、ｉ_１は、負のピーク値−Ｉ_１ｎｐまで減少し、その後、同じ割合でゼロまで再び増加する。負の期間の長さに対して正の期間の長さがＩ_１ｐｐ／Ｉ_１ｎｐに反比例することにより、ｉ_１のｄｃ成分がゼロに等しくなる。すなわち、以下の通りである。

【数6】

【0149】

制御可能なパラメータには、電流の正のピーク値Ｉ_１ｐｐ、負のピーク−Ｉ_１ｎｐ、および電流の周波数ｆが含まれる。図１７は、同じピーク値を有するが、周波数が異なる（ｆ＝０．５Ｈｚおよびｆ＝２Ｈｚ）２つの一次電流波形を示す。

【0150】

図１８は、ブリッジ電流ｉ_Ｂの波形および負荷電流ｉ_Ｌの波形の詳細を示す。磁束フロー臨界電流ｉ_ｃは破線で表示されている。ｉ_Ｂの正のピーク電流は約２５０Ａであり、ｉ_Ｂの負のピーク値はおよそ１００Ａである。ブリッジ超伝導体ｉ_ｃの磁束フロー臨界電流は、１８０Ａであり、正のピーク値と負のピーク値との中間である。図１８からわかるように、ブリッジ電流がｉ_ｃを超過する周期ごとに、負荷電流が約３Ａ分だけ増加している。ｉ_Ｂサイクルの残りの期間中、負荷電流はほとんど安定した状態のままである。ブリッジにわたる平均電圧は、以下のように表現することができる。

【数7】

式中、Ｔ_ｆｆは、ブリッジ超伝導体が各電流サイクルの磁束フロー領域にある継続時間（図１８では約０．１秒）を表し、△ｉ_Ｌは各サイクルの電流増加を表示し、電流増加は３Ａであると推定される。Ｌは負荷のインダクタンスであり、この実験では０．３８８ｍＨであった。

【0151】

上記値から、電圧Ｖは１１．６４ｍＶであると推定され、このとき、電界は１．１６ｍＶ／ｃｍであると計算される。この電界は、同じ電流を流す並列の銅層の電界よりもはるかに小さく、したがって超伝導体が常伝導状態からかけ離れていることがわかる。

【0152】

様々な大きさの一次電流下における負荷電流
理想的な変圧器では、二次電流ｉ_２は一次電流ｉ_１に常に比例する。しかしながら、現実の変圧器では、負荷インピーダンスが高い場合、出力電圧は、二次電流が一次電流に追従することができないと限界に達する場合がある。ブリッジ抵抗は、元来、一次電流に依存するため、本節では、一次電流の大きさが負荷電流に及ぼす影響について考察する。

【0153】

一次電流Ｉ_１ｐｐの正のピークが低過ぎてブリッジ電圧が限界に達しない場合、二次電流は１００：１の比率で一次電流に比例する。図１９は、充電プロセス中の充電曲線、より詳細にはブリッジ電流ｉ_Ｂの波形および負荷電流ｉ_Ｌを示す。一次電流が低いことで、ブリッジ電流ｉ_Ｂが、負荷電流が増加するにつれて減少するようになっている。負荷電流は、コイルの臨界電流に到達せず、ブリッジ電流の正のピーク値がブリッジの磁束フロー臨界電流にほぼ等しいレベルで安定する。

【0154】

充電プロセスの開始時、負荷電流ｉ_Ｌがゼロであるため、二次電流ｉ_２はブリッジ電流ｉ_Ｂに等しい。ｉ_Ｌが増加するにつれて、ｉ_Ｂは徐々に反対方向に偏っていく。この場合、ブリッジｄｃ電圧は、負荷電流の増加につれて低下する。したがって、負荷電流は、一次回路の充電曲線に類似した曲線を有する。Ｉ_１ｐｐが低過ぎてブリッジを磁束フロー領域に駆動することができないと、負荷電流は負荷コイルの臨界電流よりも低い値で飽和する傾向がある。

【0155】

対照的に、一次電流レベルが高過ぎると、ブリッジ電圧は限界に達する。これは、各サイクルのブリッジｄｃ電圧がほぼ一定のままであることを意味する。この場合、図２０に示されるように、ブリッジ電流の正のピーク値は、全充電プロセス中、実質的に一定のままである。より詳細には、図２０は、充電プロセス中のブリッジ電流ｉ_Ｂの波形および負荷電流ｉ_Ｌを示す。一次電流が高いことで、充電プロセス中、ブリッジ電圧が変圧器の容量によって制限されるようになっている。負荷電流曲線は、負荷コイルの臨界電流に達するまでほぼ直線である。それぞれのサイクル中に負荷電流が同じ割合で増加し、したがって、負荷電流は、負荷コイルの電流、本例では８１Ａに達するまでほぼ直線である。一次電流が高いか低いかにかかわらず、ブリッジ電流の負のピーク値（絶対値）は、負荷電流の増加につれて増加することに留意されたい。本例では、負荷コイル臨界電流は８１Ａであり、また、ブリッジの磁束フロー臨界電流は１８０Ａであった。ブリッジ電流の負のピーク値が１８０Ａを超過しないようにするために、二次電流の負のピーク値は、９９Ａ未満でなければならない。図２０は、負荷電流が臨界値に達している場合を示し、図では、ブリッジ電流の負のピーク値はブリッジの磁束フロー臨界電流に達している。

【0156】

図２１は、様々な大きさ（一次電流Ｉ_１ｐｐの正のピーク値）の一次電流下における負荷電流曲線を示す。すべての場合で一次電流Ｉ_１ｎｐの負のピーク値は１Ａに設定された。一次電流の周波数は０．５Ｈｚであった。

【0157】

様々な周波数の一次電流下における負荷電流
ここで、充電性能の周波数依存性について検討する。各測定中、一次電流の形状は固定されていた。一次電流の周波数は０．５Ｈｚ〜１６Ｈｚで変動した。一次電流の波形は図１７に示されており、図ではＩ_１ｎｐ＝１Ａ、Ｉ_１ｐｐ＝３．３Ａである。

【0158】

図２２は、様々な周波数の一次電流についての負荷電流曲線を示すが、この図から、負荷電流はすべて負荷コイルの臨界電流あたりで飽和しているが、飽和するまでの時間が若干異なっていることがわかる。充電が最も速いのは０．５Ｈｚの波形であり、その次に１Ｈｚの場合が続き、他の曲線はほぼ重なり合っている。理論上、ブリッジ超伝導体のｖ−ｉ関係が電流周波数に依存しない場合、曲線はすべて重なり合うはずである。これは、一次電流の波形が周波数を除いて同じであるため、それは、負荷への磁束フローの量が同じ期間中に同じはずであることを意味する。しかしながら、実際には、ブリッジ超伝導体のｖ−ｉ関係は温度に依存する。時間周期Ｐ中の磁束フローは、以下のように表すことができる。

【数8】

式中、Φは負荷への磁束フローであり、ｖ（ｉ，Ｔ）は、ブリッジ電流ｉおよび温度Ｔに依存する瞬間ブリッジ電圧を表示し、時間周期Ｐは、２秒の倍数（周期が０．５Ｈｚの信号）である。それぞれのａｃサイクル中、超伝導体が磁束フロー領域にあるとき、周波数の低い方が連続時間が長くなり、したがってブリッジに熱が蓄積して、温度上昇を引き起こし易いことが理解できる（これは、ブリッジ超伝導体が７７Ｋでブリッジのａｃ電流のピーク値と同じ大きさのｄｃ電流を流すことができないためである）。温度上昇は、磁束フローを促進し、ｖ−ｉ曲線をシフトさせる。したがって、周波数が低いほど、Φについての上記式の積分値が大きくなり、磁束のポンピングが速くなる。

【0159】

これまで説明した磁束ポンプの実施形態は、磁束ポンピングを実現するために単一の変圧器のみを必要とする。極低温システムの外部に変圧器の一次巻線および鉄心を配置することは難しくないため、このようにして損失を大幅に低減することができる。磁束ポンプの実施形態は、大型磁石の電流を高速でポンピングするのに特に適している。この磁束ポンプのポンピング速度の主な制限は、変圧器の容量である。

【0160】

それにもかかわらず、ブリッジ超伝導体のＶ−Ｉ曲線が急であるために、ブリッジ電流の少量のノイズがブリッジ電圧に大きい誤差を誘発し、磁場安定性に影響を及ぼす可能性があるため、ブリッジ電圧を効果的に制御することが困難な場合がある。この問題に対処するために、磁束フロー抵抗および（印加されたａｃ磁場によって誘導された）動的抵抗の両方の組み合わせに基づいて磁束ポンプを動作させることができる。より具体的には、このようなアプローチの実施形態では、超伝導ブリッジ／接続部の制御は、負荷電流／磁場の最初の上昇中、（電流を制御してブリッジ／接続部を磁束フローレジームへ駆動する）磁束フロー抵抗を用いることができ、次に動的抵抗（印加磁場）によって超伝導ブリッジ／接続部を制御して、このように実現された（最終的な）磁場を調整／安定化することができる。

【0161】

簡単に言えば、ＨＴＳ磁束ポンプについて説明してきた。それは、いくつかの実施形態では、１個のＨＴＳ（例えば、ＹＢＣＯ）被覆導体（ブリッジ）によって短絡された超伝導二次巻線を有する変圧器を含む。変圧器は、正のピーク値が負のピーク値よりもはるかに大きい高二次電流を生成する。それぞれのサイクル中、二次電流の正のピーク付近でブリッジ超伝導体は（超伝導）磁束フロー領域に駆動される。サイクルの残りの間、ブリッジは、実質的にゼロの抵抗を有する。次に、磁束が負荷に蓄積される。その性能は、一次電流の大きさに依存し、電流周波数にそれほど依存しない。したがって、負荷電流は臨界値まで容易に充電することができる。

【0162】

したがって、これまで説明してきたシステムのいくつかの実施形態は、高Ｔ_ｃ超伝導体をＥ−Ｊ曲線の磁束フロー領域に駆動することにより、ＨＴＳ磁束ポンプを提供する。磁束ポンプの実施形態は、ＨＴＳ（例えば、ＹＢＣＯ）被覆導体ブリッジによって短絡された超伝導二次巻線を有する変圧器を含む。正のピーク値が負のピーク値よりも（はるかに）大きい、（比較的大きい）交流電流が二次巻線に誘導される。電流は、その正のピーク値付近でのみ、磁束フロー領域にブリッジ超伝導体を駆動する結果、磁束ポンピングが生じる。

【0163】

上述したシステムのいくつかの好適な実施形態は、全体にわたって（すなわち変圧器の二次側で）、ＨＴＳを使用する。しかしながら、変圧器ループは、超伝導である必要はなく、原則として、ブリッジは、ＭＯＳＦＥＴまたはＧＡＮ ＦＥＴのような切り替え可能な電子デバイスを用いることも可能であろう。ＨＴＳが変圧器ループに好適であるが、第２種超伝導体を用いることも可能であろう。当業者であればわかるように、負荷ループ、すなわち充電された超伝導コイルは、任意の種類の超伝導体とすることが可能である。

【0164】

当然のことながら、当業者には多くの他の有効な代替形態が想到されるであろう。本発明は、説明された実施形態に限定されず、また当業者に明らかであり、かつ本明細書に添付された特許請求の範囲の趣旨および範囲内にある修正形態を包含することを理解されたい。

【図1a】

【図1b】

【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16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】