特許 6862382 高温超電導磁石装置、その運転制御装置及び方法

(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】6862382

(24)【登録日】2021年4月2日

(45)【発行日】2021年4月21日

(54)【発明の名称】高温超電導磁石装置、その運転制御装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/00 20060101AFI20210412BHJP

   H01F 6/06 20060101ALI20210412BHJP

【ＦＩ】

   H01F6/00 180

   H01F6/06 500

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2018-40370(P2018-40370)

(22)【出願日】2018年3月7日

(65)【公開番号】特開2019-160818(P2019-160818A)

(43)【公開日】2019年9月19日

【審査請求日】2020年3月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩井 貞憲

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 寛史

(72)【発明者】

【氏名】小柳 圭

【審査官】 井上 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５２２８１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０１５９２８０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０１３６６０９３（ＣＮ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０７４０９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開昭６２−１６９３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１２０５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−０６５８０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−０６７７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４７６３２２１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２５１５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０３５７４９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０３４５６４５４（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特許第４８９６６２０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００３−０６９０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１４７０８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公昭４７−０３８９４８（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】 特開昭６０−１７３８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１１００１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１０６６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−０５７５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１８６８０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１３０７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１８２９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０６５１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１７９４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０２−０１７８０８（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ ６／００ − ６／０６

Ｈ０１Ｂ １２／０６

Ｈ０１Ｌ ３９／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高温超電導コイルと、
前記高温超電導コイルに接続されて電流を供給する励磁電源と、
前記励磁電源と接続され、前記高温超電導コイルと並列に電気的に接続された超電導スイッチとを具備し、
前記励磁電源と前記超電導スイッチとの接続経路において、前記超電導スイッチよりも熱容量が小さい区間に温度制御部を設けたことを特徴とする高温超電導磁石装置。

【請求項2】

前記温度制御部は、前記超電導スイッチよりも熱容量が小さい区間に熱的に接続されたヒータによる加熱機構と、冷凍機と熱的に接続された伝熱板による冷却機構と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の高温超電導磁石装置。

【請求項3】

前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間は、前記超電導スイッチから引き出された高温超電導線と、前記励磁電源から引き出された常電導金属からなる電流フィーダ線との接続部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温超電導磁石装置。

【請求項4】

前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間は、前記超電導スイッチから引き出された高温超電導線であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温超電導磁石装置。

【請求項5】

前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間は、前記超電導スイッチから引き出された高温超電導線と、前記励磁電源から引き出された常電導金属からなる電流フィーダ線に電気的に接続された第２の高温超電導線との接続部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温超電導磁石装置。

【請求項6】

前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間は、前記超電導スイッチから引き出された前記高温超電導線と、前記励磁電源から引き出された常電導金属からなる電流フィーダ線から引き出された前記第２の高温超電導線との双方の高温超電導線に接続された第３の高温超電導線に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の高温超電導磁石装置。

【請求項7】

前記第３の高温超電導線は、前記高温超電導コイル及び前記超電導スイッチに接続される前記高温超電導線よりも安定化銅が相対的に薄いか又は安定化銅を有しないことを特徴とする請求項６に記載の高温超電導磁石装置。

【請求項8】

高温超電導コイルと、前記高温超電導コイルに接続されて電流を供給する励磁電源と、前記励磁電源と接続され、前記高温超電導コイルに並列に電気的に接続された超電導スイッチとを具備し、前記励磁電源と前記超電導スイッチとの接続経路において、前記超電導スイッチよりも熱容量が小さい区間に温度制御部を設けた高温超電導磁石装置の運転を制御する高温超電導磁石装置の運転制御装置であって、
前記高温超電導コイルの発生磁場を測定する磁場測定部と、
前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間の抵抗値に対応する温度を測定する温度測定部と、
前記発生磁場が定格電流値の下限に対応する磁場に近づいた際、前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間の抵抗値が、前記高温超電導コイルの抵抗値よりも高くなるまで抵抗値を増加させるように制御する制御部と、
を備えることを特徴とする高温超電導磁石装置の運転制御装置。

【請求項9】

高温超電導コイルと、前記高温超電導コイルに接続されて電流を供給する励磁電源と、前記励磁電源と接続され、前記高温超電導コイルに並列に電気的に接続された超電導スイッチとを具備し、前記励磁電源と前記超電導スイッチとの接続経路において、前記超電導スイッチよりも熱容量が小さい区間に温度制御部を設けた高温超電導磁石装置の運転を制御する高温超電導磁石装置の運転制御方法であって、
前記高温超電導コイルの発生磁場を測定する磁場測定工程と、
前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間の抵抗値に対応する温度を測定する温度測定工程と、
前記発生磁場が定格電流値の下限に対応する磁場に近づいた際、前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間の抵抗値が、前記高温超電導コイルの抵抗値よりも高くなるまで抵抗値を増加させるように制御する制御工程と、
を有することを特徴とする高温超電導磁石装置の運転制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、高温超電導コイルと、この高温超電導コイルに並列に接続された超電導スイッチを備えた高温超電導磁石装置、その運転制御装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

核磁気共鳴測定装置（ＮＭＲ: Nuclear Magnetic Resonance）や磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ: Magnetic Resonance Imaging）等の超電導機器では、長時間にわたって発生する磁場に対しｐｐｍオーダーの極めて高い時間安定度が求められる。そのため、超電導コイルと並列に永久電流スイッチと呼ばれる電気的なスイッチを接続することがある。

【0003】

永久電流スイッチは、一般に超電導線材で作製された超電導スイッチである。この超電導スイッチは、超電導転移温度以下に冷却された状態では、原理的には電気抵抗ゼロの閉ループとなるため、電流減衰（磁場減衰）のない非常に安定した磁場を発生させることができる。

【0004】

このようにして運転することは、永久電流モードと呼ばれている。上記閉ループを形成するための超電導スイッチは、温度変化を利用して切り替え（オン、オフ）られる。例えば、励磁時には、超電導スイッチへの分流を防いで超電導コイル本体に電流を供給するため、ヒータ等を用いて常電導転移温度以上に加熱して超電導スイッチを高抵抗（オフ）にする方法が採られている。この場合、励磁後に閉ループを形成して定常運転に移行するためには、上記ヒータ等をオフにして冷却し、超電導スイッチを超電導状態（オン）に戻せばよい。

【0005】

なお、超電導コイルと超電導スイッチとの接続部等のように、接続部において抵抗成分Ｒが生じてしまうと、超電導コイルのインダクタンスＬで定まる回路の時定数Ｌ／Ｒで電流減衰（磁場減衰）してしまう。そのため、例えば超電導素線（フィラメント）同士を、圧接やスポット溶接、熱処理等により直接接続することで、１Ｅ−１０Ω乃至１Ｅ−１３Ωオーダーの極めて低抵抗に接続する、いわゆる超電導接続技術が用いられている。

【0006】

このような超電導コイルに使用する超電導素線の線材としては、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０-δ線材やＲＥＢ_２Ｃ_３Ｏ_７-δ線材といった酸化物高温超電導の線材（高温超電導線材）を適用することが近年、盛んに研究されている。

【0007】

高温超電導線材を用いた超電導コイルでは、従来のＮｂＴｉ等の低温超電導線材に比べ、２０Ｋ〜５０Ｋといった高い温度でも高い臨界電流密度を有するため、高電流密度運転によるコイルの小型化が可能となる。超電導スイッチに用いられる超電導線材についても、上記超電導コイルと同じ運転温度で設計した方が、冷却構造をより簡素化できるため、同様の高温超電導線材を用いて作製されることが好ましい。

【0008】

ただし、このような高温超電導線材は、超電導層が非常に脆い酸化物の薄膜であるため、前述したような超電導接続技術が現状では確立されていない。そのため、ハンダを介した一般的なハンダ接続で接続される。このハンダ接続は、超電導接続よりも大きな抵抗成分を生じるため、電流が減衰してしまい、永久電流モードでの運転は困難となる。

【0009】

一方、超電導スイッチを並列に接続せずに、通常の超電導磁石のように常時電源駆動で運転する方法もあるが、電源の電流リップルにより時間安定度が悪化してしまう。

【0010】

そこで、例えば特許文献１又は２は、高温超電導コイルに並列に接続された超電導スイッチと、上記高温超電導コイルに電流を供給するための電源回路と、を具備する。これらの文献では、上記超電導スイッチと直列に、上記高温超電導コイルの抵抗成分の１〜１０００倍程度大きい抵抗値を有する補償抵抗体を接続する方法が提案されている。この方法によれば、上記高温超電導コイルの抵抗成分で生じる電圧降下を補償し、電源駆動でも時間的に高安定な磁場を発生させることができるとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特許４２９１５６０号公報

【特許文献2】特許４８９６６２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

しかしながら、前述した方法では、超電導スイッチ及び補償抵抗体の抵抗成分と、高温超電導コイルの抵抗成分との抵抗比で分流する電流が常時、補償抵抗体に流れることになる。そのため、電源の通電電流値を磁場発生に必要な電流値よりも増加させ、その余剰電流を電源から供給しなければならなかった。

【0013】

一方、補償抵抗体を用いない場合、余剰電流の供給は不要となるものの、励磁後に超電導スイッチをオンにすると、回路の時定数Ｌ／Ｒで徐々に超電導スイッチに分流していく。そのため、前述した永久電流モードでの運転と同様に、高温超電導コイルへの通電電流値が減少し、電流減衰（磁場減衰）してしまうという課題があった。

【0014】

超電導スイッチに分流した電流を高温超電導コイルに戻す手段としては、例えば超電導スイッチをヒータ等で常電導転移温度以上に加熱し、高抵抗状態にする方法がある。

【0015】

しかしながら、この方法では、その後、運転を再開するために超電導スイッチを再冷却しなければならず、超電導スイッチの熱容量が大きければ大きいほど、再運転するまでの待機時間が必要となってしまう課題があった。

【0016】

本実施形態が解決しようとする課題は、余剰電流の供給を必要とすることなく、かつ短時間で電流減衰（磁場減衰）を補償可能な高温超電導磁石装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上記課題を解決するために、本実施形態に係る高温超電導磁石装置は、高温超電導コイルと、前記高温超電導コイルに接続されて電流を供給する励磁電源と、前記励磁電源と接続され、前記高温超電導コイルと並列に電気的に接続された超電導スイッチとを具備し、前記励磁電源と前記超電導スイッチとの接続経路において、前記超電導スイッチよりも熱容量が小さい区間に温度制御部を設けたことを特徴とする。

【0018】

本実施形態に係る高温超電導磁石装置の運転制御装置は、高温超電導コイルと、前記高温超電導コイルに接続されて電流を供給する励磁電源と、前記励磁電源と接続され、前記高温超電導コイルに並列に電気的に接続された超電導スイッチとを具備し、前記励磁電源と前記超電導スイッチとの接続経路において、前記超電導スイッチよりも熱容量が小さい区間に温度制御部を設けた高温超電導磁石装置の運転を制御する高温超電導磁石装置の運転制御装置であって、前記高温超電導コイルの発生磁場を測定する磁場測定部と、前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間の抵抗値に対応する温度を測定する温度測定部と、前記発生磁場が定格電流値の下限に対応する磁場に近づいた際、前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間の抵抗値が、前記高温超電導コイルの抵抗値よりも高くなるまで抵抗値を増加させるように制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

【0019】

本実施形態に係る高温超電導磁石装置の運転制御方法は、高温超電導コイルと、前記高温超電導コイルに接続されて電流を供給する励磁電源と、前記励磁電源と接続され、前記高温超電導コイルに並列に電気的に接続された超電導スイッチとを具備し、前記励磁電源と前記超電導スイッチとの接続経路において、前記超電導スイッチよりも熱容量が小さい区間に温度制御部を設けた高温超電導磁石装置の運転を制御する高温超電導磁石装置の運転制御方法であって、前記高温超電導コイルの発生磁場を測定する磁場測定工程と、前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間の抵抗値に対応する温度を測定する温度測定工程と、前記発生磁場が定格電流値の下限に対応する磁場に近づいた際、前記温度制御部が設けられている前記接続経路の区間の抵抗値が、前記高温超電導コイルの抵抗値よりも高くなるまで抵抗値を増加させるように制御する制御工程と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0020】

本実施形態によれば、余剰電流の供給を必要とすることなく、かつ短時間で電流減衰（磁場減衰）を補償可能な高温超電導磁石装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１実施形態の高温超電導磁石装置を示す回路図である。

【図2】第１実施形態の高温超電導磁石装置の接続部を示す拡大断面図である。

【図3】第１実施形態の高温超電導磁石装置に用いられる高温超電導線の一例を示す構成図である。

【図4】第１実施形態の高温超電導磁石装置の通電パターンの一例を示すタイミングチャートである。

【図5】第２実施形態の高温超電導磁石装置を示す回路図である。

【図6】第３実施形態の高温超電導磁石装置を示す回路図である。

【図7】第３実施形態の高温超電導磁石装置の接続部を示す拡大断面図である。

【図8】第４実施形態を示す高温超電導磁石装置の接続部を示す拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本実施形態に係る高温超電導磁石装置、その運転制御装置及び方法について、図面を参照して説明する。

【0023】

（第１実施形態）
（構 成）
図１は第１実施形態の高温超電導磁石装置を示す回路図である。図２は第１実施形態の高温超電導磁石装置の接続部を示す拡大断面図である。図３は第１実施形態の高温超電導磁石装置に用いられる高温超電導線の一例を示す構成図である。図４は第１実施形態の高温超電導磁石装置の通電パターンの一例を示すタイミングチャートである。

【0024】

本実施形態の高温超電導磁石装置は、図１に示すように高温超電導コイル１と、この高温超電導コイル１に常時電流を供給するための励磁電源５とが電気的に接続されている。高温超電導コイル１には、超電導スイッチ２が並列に電気的に接続されている。

【0025】

超電導スイッチ２には、温度変化によって抵抗値を変化させるため加熱機構であるヒータ３が電気的には絶縁されているものの、熱的に接続されている。

【0026】

超電導スイッチ２は、ヒータ３の発熱によって超電導転移温度Ｔｃ以上に昇温されることで、常電導状態（オフ）になり高抵抗を発生する。一方、超電導スイッチ２は、ヒータ３の発熱がない状態では、図示しない冷却機構としての冷凍機と熱的に接続された伝熱板によって高温超電導コイル１と同じ温度まで冷却されることで、超電導状態（オン）になり低抵抗を発生する。ここで、超電導スイッチ２は、再冷却する場合、少なくとも超電導転移温度Ｔｃ未満まで冷却され、実際には運転温度まで冷却される。

【0027】

励磁電源５と高温超電導コイル１との接続経路の一部において、励磁電源５からは、図２に示すように金，銀，銅，鉄，ステンレス鋼，アルミニウム，銅合金，鉄合金等の常電導金属、又はこの常電導金属に超電導線を貼り合せてなる電流フィーダ線１１が引き出される。

【0028】

励磁電源５と高温超電導コイル１との接続経路では、高温超電導コイル１との接続部１２ａ，１２ｂが少なくとも１箇所以上（本実施形態では２箇所）存在する。すなわち、励磁電源５と高温超電導コイル１は、接続部１２ａ，１２ｂを介して電気的に接続されている。これらの接続部１２ａ，１２ｂは、ハンダ接続や圧接、スポットウェルディング等の接続手段によって形成されて有限の接続抵抗を生じる。

【0029】

また、励磁電源５と超電導スイッチ２は、接続部１３ａ，１３ｂを介して電気的に接続されている。励磁電源５と超電導スイッチ２との接続経路の一部の区間においても、接続部１２ａ，１２ｂと同様に接続部１３ａ，１３ｂで接続抵抗が生じる。

【0030】

本実施形態の高温超電導磁石装置では、図２に示すように励磁電源５から引き出された電流フィーダ線１１と、超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１との間は、ハンダ層６を介した接続部１３ａによって接続されている。

【0031】

接続部１３ａには、抵抗値を変化させるための温度制御部としてのヒータ４が電気的に絶縁されているものの、熱的に接続された構成となっている。温度制御部であるヒータ４が設けられる一部の区間の長さは、超電導スイッチ２よりも熱容量が小さくなるように設定されている。

【0032】

本実施形態では、超電導スイッチ２に設けられたヒータ３と同様に、ヒータ４の発熱がない状態では、図示しない冷凍機と熱的に接続された伝熱板によって、接続部１３ａが高温超電導コイル１と同じ温度まで冷却されることが好ましい。なお、図１では温度制御部としてヒータ４のみを図示しているが、その他の加熱機構の他、冷凍機と熱的に接続された伝熱板による冷却機構を含むものとする。

【0033】

また、接続部１３ａは、ハンダ接続でなく、前述したように圧接、スポットウェルディング等の接続法によって形成してもよい。

【0034】

次に、本実施形態の運転制御系の構成について説明する。

【0035】

図１に示すように高温超電導コイル１の発生磁場は、ホール素子やＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance, 核磁気共鳴）プローブ等の磁場測定部７によって測定される。ヒータ４が設けられている励磁電源５と超電導スイッチ２との接続経路の区間の温度は、抵抗温度計等の温度測定部８によって測定される。この温度測定部８によって測定される温度は、上記接続経路の区間の抵抗値に対応している。

【0036】

磁場測定部７によって測定された磁場を示す磁場測定信号と、温度測定部８によって測定された温度を示す温度測定信号は、それぞれ制御部９に出力される。制御部９は、これらの信号を得てヒータ４の抵抗値を制御することで、後述するように高温超電導磁石装置の運転を制御している。

【0037】

制御部９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、記録媒体としてのＲＯＭ（Read Only Memory）、Ｉ／Ｏ(Input / Output)等を備えた周知のマイクロコンピュータを中心に構成された制御装置である。

【0038】

このうち、上記ＲＯＭは、電源を切断しても記憶内容を保持する必要のあるデータやプログラムを記憶する。上記ＲＡＭは、データを一時的に格納する。上記ＣＰＵは、上記ＲＯＭにインストールされているプログラムを実行することで各機能を実現する。

【0039】

次に、図３を用いて高温超電導線２１の構成を説明する。

【0040】

図３に示すように、高温超電導線２１は、全体がテープ状に形成されている。高温超電導線２１は、例えば金属製のテープ基板２４の上に中間層２５、及び超電導層２６、さらに保護層２９、さらにその両面を安定化層２７で被覆された、いわゆるコーティッド・コンダクターと呼ばれる薄膜高温超電導線である。

【0041】

高温超電導線２１は、必要に応じて、テープ基板２４と中間層２５との間に配向層２８が設けられることもある。テープ基板２４は、例えばステンレス鋼、ハステロイ等のニッケル合金、銀合金等の材質で形成される。

【0042】

中間層２５は、拡散防止層であり、例えば、酸化セリウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ：Yttria-Stabilized Zirconia）、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、バリウムジルコニア等の材質からなり、テープ基板２４上に形成される。

【0043】

超電導層２６は、例えば、ＲＥ_１２３系の組成（ＲＥＢ_２Ｃ_３Ｏ_７-δ等）を有する酸化物超電導体薄膜からなる。なお、「ＲＥＢ_２Ｃ_３Ｏ_７-δ」の「ＲＥ」は希土類元素（例えば、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ），ホルミニウム（Ｈｏ），サマリウム（Ｓｍ）等）及びイットリウム元素の少なくともいずれかを、「Ｂ」はバリウム（Ｂａ）を、「Ｃ」は銅（Ｃｕ）を、「Ｏ」は酸素（Ｏ）を意味している。

【0044】

安定化層２７は、超電導層２６に過剰に電気が流れた場合に超電導層２６が燃焼するのを防止する目的で設けられ、例えば導電性の銅や銀等から形成される。

【0045】

配向層２８は、テープ基板２４上に中間層２５を配向させて形成する目的で設けられ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等から形成される。なお、配向層２８は、配向した基板を用いる場合には省略することができる。

【0046】

保護層２９は、超電導層２６が空気中の水分に触れて劣化するのを防止する等の目的で設けられ、銀等から形成される。なお、保護層２９も超電導層２６に過剰に電気が流れた場合に超電導層２６が燃焼するのを防止する役割も果たす。

【0047】

このような多層からなる高温超電導線２１のテープ幅ｗは、例えば４〜１２ｍｍ、テープ厚さは０．１〜０．２ｍｍと非常に薄く、高温超電導線単体であれば超電導転移温度Ｔｃ以上における単位断面積あたりの抵抗値が電流フィーダ線１１よりも高い特徴がある。

【0048】

なお、本実施形態では、高温超電導線２１の周囲をポリイミドやポリイミドアミドのような絶縁材で被覆した絶縁被覆高温超電導線としてもよい。また、本実施形態の高温超電導線２１は、必ずしも安定化層２７を設けなくてもよい。

【0049】

（運転制御方法）
次に、図１及び図４に示す通電パターンを用いて、本実施形態における高温超電導磁石装置の運転制御方法を説明する。

【0050】

高温超電導コイル１は、図１に示す回路図においてインダクタンスＬと、コイル内部で高温超電導線が発生するフラックスフロー抵抗、コイル内の高温超電導線同士の接続抵抗、及び複数のコイルからなる場合にはコイル間の接続抵抗とからなる抵抗成分Ｒとの和で等価的に表すことができる。

【0051】

まず、超電導スイッチ２がオフ（ヒータ３がオン）、接続経路のヒータ４がオフの状態で励磁電源５による高温超電導コイル１の励磁を開始する。この場合、超電導スイッチ２は、超電導転移温度Ｔｃ以上のため高抵抗となっており、励磁電源５からの電流は、ほぼ全て高温超電導コイル１側に供給され、図４に示すように定格電流値Ｉ_０に達して励磁が完了する。

【0052】

この時、超電導スイッチ２に求められるオフ時の高抵抗は、励磁速度にもよるものの、励磁時の誘導電圧Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）による分流を制限するのに十分な高抵抗でなければならない。また、緊急時に励磁電源５を遮断した際、コイルが蓄積する磁気エネルギーを保護抵抗で消費させる緊急遮断動作の観点からは、保護抵抗よりも高い数百ｍΩから数十Ωオーダーの抵抗値が求められる。

【0053】

そこで所望の抵抗値を得るには、超電導線の長さを長く設定する必要があり、超電導スイッチ２は、無誘導巻のコイルで構成されることが一般的である。

【0054】

その後、超電導スイッチ２のヒータ３がオフになり、超電導スイッチ２は冷却されて超電導状態（オン）になり運転開始となる。この時、励磁電源５の出力する電流値は一定であっても、高温超電導コイル１の抵抗成分と、その他の接続部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの抵抗成分の総和で計算される回路抵抗Ｒとによって定まる回路の時定数Ｌ／Ｒによって、高温超電導コイル１に流れる通電電流値Ｉは定格電流値Ｉ_０から図４の波線の比較例で示すように徐々に減衰していく。

【0055】

本実施形態の運転制御方法では、通電電流値Ｉが定格電流値の下限に設定した電流値に近づいた際、制御部９は接続経路のヒータ４を発熱させるように制御することで、接続部１３ａの抵抗値を高温超電導コイル１の抵抗成分よりも高くなるように上昇させる。

【0056】

高温超電導コイル１と接続部１２ａ，１２ｂからなる抵抗成分Ｒcoilと、超電導スイッチ２と接続部１３ａ，１３ｂからなる抵抗成分Ｒｓとしたとき、高温超電導コイル１に流れる通電電流値Ｉは、
Ｉ＝Ｉ_０×（Ｒｓ／（Ｒｓ＋Ｒcoil））＝Ｉ_０×（１／（１＋（Ｒcoil／Ｒｓ））
である。したがって、通電電流値Ｉは、抵抗成分Ｒｓの上昇によって定格電流値Ｉ_０に復帰する。

【0057】

接続経路のヒータ４の発熱は、冷却システムへの熱負荷となるため、復帰後は接続経路のヒータ４をオフにする。そして再度、通電電流値Ｉが定格電流値の下限に設定した電流値に近づいた際には、上記と同様のプロセスを繰り返すことで、電流減衰（磁場減衰）が補償される。

【0058】

このように制御部９は、磁場測定部７によって測定された発生磁場が定格電流値の下限に対応する磁場に近づいた際、ヒータ４が設けられている接続経路の区間の抵抗値が、高温超電導コイル１の抵抗値よりも高くなるまで抵抗値を増加させるように制御している。この場合、ヒータ４が設けられている接続経路の区間の抵抗値は、温度測定部８によって測定された温度に対応している。

【0059】

なお、通電電流値Ｉは、いわゆるシャント抵抗による測定手段としてもよいが、回路抵抗Ｒを増加させてしまうこととなる。そのため、通電電流値Ｉに比例する高温超電導コイルの発生磁場は、前述したホール素子やＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance, 核磁気共鳴）プローブといった磁場測定部７によってモニタし、逆算して求めることが好ましい。

【0060】

（作 用）
このように構成された本実施形態において、励磁電源５と超電導スイッチ２との接続経路の一部において温度制御が可能となる。また、接続部１３ａの抵抗成分は、超電導スイッチ２のように緊急遮断の観点から保護抵抗よりも高い抵抗値とする必要はない。

【0061】

接続経路に設置されたヒータ４が設けられる区間の長さは、超電導スイッチ２よりも熱容量が小さくなるように設定されている。そのため、超電導スイッチ２を加熱するよりも少ない加熱量で、高温超電導コイル１よりも高い抵抗成分を発生させることができるとともに、超電導スイッチ２を再冷却するよりも短時間での復帰が可能となる。

【0062】

（効 果）
本実施形態によれば、従来のように補償抵抗体を設置する必要がないため、励磁電源１から余剰電流の供給は不要となる。また、本実施形態によれば、短時間で電流減衰（磁場減衰）を補償可能な高温超電導磁石装置を提供することができる。

【0063】

なお、本実施形態では、接続部１３ａ，１３ｂのうち、接続部１３ａに温度制御部としてのヒータ４を熱的に接続した例について説明したが、これに限らず接続部１３ｂにヒータ４を熱的に接続してもよい。この場合でも上記実施形態と同様の作用及び効果が得られる。

【0064】

（第２実施形態）
（構 成）
図５は第２実施形態の高温超電導磁石装置を示す回路図である。

【0065】

なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図５では磁場測定部７、温度測定部８、及び制御部９を含む運転制御系の図示を省略している。

【0066】

本実施形態の高温超電導磁石装置は、第１実施形態の励磁電源５から引き出された電流フィーダ線１１と、超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１との間にハンダ層６を介した接続部１３ａに温度制御部としてのヒータ４が熱的に接続された構成を以下のように替えている。

【0067】

図５に示すように、本実施形態の高温超電導磁石装置は、超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１ａにおいて、抵抗を変化させるための温度制御部としてのヒータ４ａが電気的に絶縁されているものの、熱的に接続された構成となっている。

【0068】

なお、高温超電導線２１ａの構成は、図３に示す高温超電導線２１と同様であるので、その説明を省略する。また、図５では温度制御部としてヒータ４ａのみを図示しているが、その他の加熱機構の他、冷凍機と熱的に接続された伝熱板による冷却機構を含むものとする。

【0069】

（作 用）
このように構成された本実施形態において、抵抗を変化させるための温度制御部としてのヒータ４ａが設置されている励磁電源５と超電導スイッチ２との接続経路の一部の区間は、超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１ａである。

【0070】

そのため、ハンダによる接続部１３ａに温度制御部としてのヒータ４ａを熱的に接続した第１実施形態と比べて、単位長さあたりの熱容量を小さくすることができる。

【0071】

なお、本実施形態の運転制御方法は、第１実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

【0072】

（効 果）
本実施形態によれば、抵抗を変化させるための温度制御部としてのヒータ４ａが設置されている励磁電源５と超電導スイッチ２との接続経路の一部の区間における単位長さあたりの熱容量は、第１実施形態よりも小さくすることができる。

【0073】

そのため、一段と少ない加熱量で高温超電導コイル１よりも高い抵抗成分を発生させることができるとともに、より短時間での復帰が可能な高温超電導磁石装置を提供することができる。

【0074】

なお、本実施形態において、ヒータ４ａが設置されている区間は、高温超電導線２１ａの長手方向に延長されてもよく、またヒータ４ａを分割して複数設けてもよい。

【0075】

（第３実施形態）
（構 成）
図６は第３実施形態の高温超電導磁石装置を示す回路図である。図７は第３実施形態の高温超電導磁石装置の接続部を示す拡大断面図である。

【0076】

なお、第１、第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図６では、図５と同様に磁場測定部７、温度測定部８、及び制御部９を含む運転制御系の図示を省略している。

【0077】

本実施形態の高温超電導磁石装置は、第２実施形態の高温超電導線２１ａに替えて、図６及び図７に示すように超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１ｂと、電流フィーダ線１１に電気的に接続された第２の高温超電導線３２との接続部において、抵抗を変化させるための温度制御部としてヒータ４ｂが熱的に接続されて構成となっている。

【0078】

なお、第２の高温超電導線３２の構成は、図３に示す高温超電導線２１と同様であるので、その説明を省略する。また、図６では温度制御部としてヒータ４ｂのみを図示しているが、第１、第２実施形態と同様に、その他の加熱機構の他、冷凍機と熱的に接続された伝熱板による冷却機構を含むものとする。

【0079】

（作 用）
このように構成された本実施形態において、抵抗を変化させるための温度制御部としてのヒータ４ｂが設置されている励磁電源５と超電導スイッチ２との接続経路の一部は、超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１ｂと、電流フィーダ線１１に電気的に接続された第２の高温超電導線３２との接続部である。

【0080】

これにより、本実施形態では、単位長さあたりの熱容量は第２実施形態よりも大きくなるものの、抵抗値は第２の高温超電導線３２の抵抗とハンダ層との接続抵抗が追加されるため、単位長さあたりの抵抗を第２実施形態よりも高くすることができる。

【0081】

なお、本実施形態の運転制御方法は、第１実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

【0082】

（効 果）
本実施形態によれば、単位長さあたりの熱容量は第２実施形態よりも大きくなるが、単位長さあたりの抵抗は第２実施形態よりも高くすることができる。そのため、より省スペースに高温超電導コイル１よりも高い抵抗成分を発生可能な高温超電導磁石装置を提供することができる。

【0083】

なお、本実施形態においてヒータ４ｂが設置されている区間は、高温超電導線２１ｂと第２の高温超電導線３２との接続部からそれぞれ高温超電導線２１ｂ，第２の高温超電導線３２の長手方向に延長されてもよく、またヒータ４ｂを分割して複数設けてもよい。

【0084】

（第４実施形態）
（構 成）
図８は第４実施形態を示す高温超電導磁石装置の接続部を示す拡大断面図である。なお、第１〜第３実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0085】

本実施形態の高温超電導磁石装置は、第２実施形態の超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１ａや、第３実施形態の超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１ｂと、電流フィーダ線１１に電気的に接続された第２の高温超電導線３２との接続部の構成を以下のように替えている。

【0086】

図８に示すように、本実施形態の高温超電導磁石装置は、超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１ｃと、電流フィーダ線１１から引き出された第２の高温超電導線３２の双方に接続された第３の高温超電導線３４に、抵抗を変化させるための温度制御部としてのヒータ４ｃが熱的に接続された構成となっている。

【0087】

ここで、第３の高温超電導線３４は、高温超電導コイル１に使用されている高温超電導線、及び超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１ｃと異なる構成となっている。具体的には、第３の高温超電導線３４は、安定化層２７の安定化銅が相対的に薄いか、もしくは安定化銅を有しない構成である。

【0088】

（作 用）
このように構成された本実施形態において、抵抗を変化させるための温度制御部としてのヒータ４ｃが設置されている励磁電源５と超電導スイッチ２との接続経路の一部は、超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１ｃと電流フィーダ線１１から引き出された第２の高温超電導線３２の双方に接続された第３の高温超電導線３４である。

【0089】

第３の高温超電導線３４は、高温超電導コイル１に使用されている高温超電導線、及び前記超電導スイッチ２から引き出された高温超電導線２１ｃよりも安定化層２７の安定化銅が相対的に薄いか、又は安定化銅を有しない高温超電導線である。そのため、第２実施形態及び第３実施形態よりも単位長さあたりの熱容量をさらに小さくすることができる。

【0090】

なお、本実施形態の運転制御方法は、第１実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

【0091】

（効 果）
本実施形態によれば、抵抗を変化させるための温度制御部としてのヒータ４ｃが設置されている励磁電源５と超電導スイッチ２との接続経路の一部は、第２実施形態〜第３実施形態よりも単位長さあたりの熱容量をさらに小さくすることができる。そのため、一段と少ない加熱量で高温超電導コイル１よりも高い抵抗成分を発生させることができるとともに、より短時間での復帰が可能な高温超電導磁石装置を提供することができる。

【0092】

なお、本実施形態においてヒータ４ｃが設置される区間は、高温超電導線２１ｃ，第２の高温超電導線３２と第３の高温超電導線３４との接続部からそれぞれの長手方向に延長されてもよく、またヒータ４ｃを分割して複数設けてもよい。

【0093】

（その他の実施形態）
本発明の各実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【0094】

なお、第１実施形態乃至第４実施形態の説明における回路図では、高温超電導コイル１を１つのインダクタンスと１つの抵抗成分で示しているが、複数の高温超電導コイル１を直列、又は並列に電気的に接続するような高温超電導コイルにおいても適用可能である。その場合、超電導スイッチ２のオン、オフ、及び抵抗を変化させるための温度制御部は、複数設けることも可能である。

【符号の説明】

【0095】

１…高温超電導コイル、２…超電導スイッチ、３…ヒータ、４，４ａ，４ｂ，４ｃ…ヒータ（温度制御部）、５…励磁電源、６…ハンダ層、７…磁場測定部、８…温度測定部、９…制御部、１１…電流フィーダ線、１２ａ，１２ｂ…接続部、１３ａ，１３ｂ…接続部、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…高温超電導線、２４…テープ基板、２５…中間層、２６…超電導層、２７…安定化層、２８…配向層、２９…保護層、３２…第２の高温超電導線、３４…第３の高温超電導線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】