特許 7280571 永久電流スイッチ及び超電導装置

(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】

(24)【登録日】2023-05-16

(45)【発行日】2023-05-24

(54)【発明の名称】永久電流スイッチ及び超電導装置

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/30 20230101AFI20230517BHJP

   H01F 6/00 20060101ALI20230517BHJP

   H01B 12/02 20060101ALI20230517BHJP

   H10N 60/81 20230101ALI20230517BHJP

【ＦＩ】

H10N60/30 ZAA

H01F6/00 160

H01B12/02

H10N60/81

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019171567

(22)【出願日】2019-09-20

(65)【公開番号】P2021048365

(43)【公開日】2021-03-25

【審査請求日】2021-09-07

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、未来社会創造事業「高温超電導線材接合技術の超高磁場ＮＭＲと鉄道き電線への社会実装」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】502147465

【氏名又は名称】ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山口 高史

(72)【発明者】

【氏名】大木 康太郎

(72)【発明者】

【氏名】永石 竜起

(72)【発明者】

【氏名】▲柳▼澤 吉紀

(72)【発明者】

【氏名】▲濱▼田 衞

【審査官】恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６３－２８３４３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１４２７４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１０７３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０６９０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０６９３５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－００６４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－２１４５８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ６０／３０

Ｈ０１Ｆ ６／００

Ｈ１０Ｎ ６０／８１

Ｈ０１Ｂ １２／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超電導線材と、
前記超電導線材の一部に設けられているヒータと、
前記超電導線材を保持する保持部材と、
前記保持部材の周囲に第１空間を空けて配置されている第１ケースと、
前記第１空間に連通している液体冷媒流入管と、
前記液体冷媒流入管に設けられている弁と、
前記第１空間に連通している液体冷媒流出管と、
前記液体冷媒流出管に設けられている逆止弁とを備え、
前記超電導線材の前記一部及び前記ヒータは、前記第１ケースの内部空間の鉛直方向における上部に配置されており、
前記液体冷媒流出管は、前記鉛直方向における前記第１ケースの下部に配置されている、永久電流スイッチ。

【請求項2】

超電導線材と、
前記超電導線材の一部に設けられているヒータと、
前記超電導線材を保持する保持部材と、
前記保持部材の周囲に第１空間を空けて配置されている第１ケースと、
前記第１空間に連通している液体冷媒流入管と、
前記液体冷媒流入管に設けられている弁と、
前記第１空間に連通している液体冷媒流出管と、
前記液体冷媒流出管に設けられている逆止弁と、
前記第１ケースの周囲に第２空間を空けて配置されている第２ケースとを備え、
前記液体冷媒流入管及び前記液体冷媒流出管は、前記第２空間から流体的に分離されている、永久電流スイッチ。

【請求項3】

前記第２ケースは、樹脂で形成されている、請求項２に記載の永久電流スイッチ。

【請求項4】

前記第２ケースは、第２樹脂固定部材を用いて、前記第１ケースに固定されている、請求項２または請求項３に記載の永久電流スイッチ。

【請求項5】

前記超電導線材は、超電導層を含み、
前記超電導層は、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y（６．０≦ｙ≦８．０、ＲＥは希土類元素を表す）で形成されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の永久電流スイッチ。

【請求項6】

前記超電導線材は、前記超電導層を覆う保護層をさらに含み、
前記超電導線材の前記一部において、前記超電導層は前記保護層から露出しており、
前記ヒータは、前記保護層から露出している前記超電導層上に設けられている、請求項５に記載の永久電流スイッチ。

【請求項7】

超電導線材と、
前記超電導線材の一部に設けられているヒータと、
前記超電導線材を保持する保持部材と、
前記保持部材の周囲に第１空間を空けて配置されている第１ケースと、
前記第１空間に連通している液体冷媒流入管と、
前記液体冷媒流入管に設けられている弁と、
前記第１空間に連通している液体冷媒流出管と、
前記液体冷媒流出管に設けられている逆止弁とを備え、
前記超電導線材は、超電導層と、前記超電導層を覆う保護層とを含み、
前記超電導層は、ＲＥ ₁ Ｂａ ₂ Ｃｕ ₃ Ｏ _y （６．０≦ｙ≦８．０、ＲＥは希土類元素を表す）で形成されており、
前記超電導線材の前記一部において、前記超電導層は前記保護層から露出しており、
前記ヒータは、前記保護層から露出している前記超電導層上に設けられている、永久電流スイッチ。

【請求項8】

前記第１ケースは、樹脂で形成されている、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の永久電流スイッチ。

【請求項9】

前記保持部材は、第１樹脂固定部材を用いて、前記第１ケースに固定されている、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の永久電流スイッチ。

【請求項10】

請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の前記永久電流スイッチと、
前記永久電流スイッチに接続されている超電導コイルと、
前記永久電流スイッチと前記超電導コイルとを収容する容器とを備える、超電導装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、永久電流スイッチ及び超電導装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２００４－４００３６号公報（特許文献１）は、永久電流スイッチを開示している。特許文献１に開示された永久電流スイッチは、超電導コイルとともに、冷却容器の中に収容されており、液体ヘリウムによって冷却されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００４－４００３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の一態様の目的は、より低い消費電力でかつより高速に動作し得る永久電流スイッチを提供することである。本発明の一態様の目的は、このような永久電流スイッチを含む超電導装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様に係る永久電流スイッチは、超電導線材と、ヒータと、保持部材と、第１ケースと、液体冷媒流入管と、弁と、液体冷媒流出管と、逆止弁とを備える。ヒータは、超電導線材の一部に設けられている。保持部材は、超電導線材を保持している。第１ケースは、保持部材の周囲に第１空間を空けて配置されている。液体冷媒流入管は、第１空間に連通している。弁は、液体冷媒流入管に設けられている。液体冷媒流出管は、第１空間に連通している。逆止弁は、液体冷媒流出管に設けられている。

【0006】

本発明の一態様に係る超電導装置は、本発明の一態様に係る永久電流スイッチと、この永久電流スイッチに接続されている超電導コイルとを備える。

【発明の効果】

【0007】

上記によれば、永久電流スイッチ及び超電導装置は、より低い消費電力でかつより高速に動作し得る。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１及び実施の形態２に係る超電導装置の概略図である。

【図2】実施の形態１に係る永久電流スイッチ（オン状態）の概略部分断面図である。

【図3】実施の形態１に係る永久電流スイッチの、図２に示される断面線ＩＩＩ－ＩＩＩにおける概略断面図である。

【図4】実施の形態１に係る永久電流スイッチの、図２に示される断面線ＩＶ－ＩＶにおける概略断面図である。

【図5】実施の形態１に係る永久電流スイッチ（オフ状態）の概略部分断面図である。

【図6】実施の形態１に係る超電導装置の回路図である。

【図7】実施の形態１に係る超電導装置の回路図である。

【図8】実施の形態１に係る超電導装置の回路図である。

【図9】実施の形態１に係る超電導装置の回路図である。

【図10】実施の形態１に係る超電導装置の回路図である。

【図11】実施の形態１に係る超電導装置の回路図である。

【図12】実施の形態２に係る永久電流スイッチ（オン状態）の概略部分断面図である。

【図13】実施の形態２に係る永久電流スイッチ（オフ状態）の概略部分断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

【0010】

（１）本発明の一態様に係る永久電流スイッチ１，１ｂは、超電導線材１０と、ヒータ１６と、保持部材２０と、第１ケース２４と、液体冷媒流入管３０と、弁３２と、液体冷媒流出管３４と、逆止弁３６とを備える。ヒータ１６は、超電導線材１０の一部に設けられている。保持部材２０は、超電導線材１０を保持している。第１ケース２４は、保持部材２０の周囲に第１空間２２を空けて配置されている。液体冷媒流入管３０は、第１空間２２に連通している。弁３２は、液体冷媒流入管３０に設けられている。液体冷媒流出管３４は、第１空間２２に連通している。逆止弁３６は、液体冷媒流出管３４に設けられている。

【0011】

永久電流スイッチ１，１ｂをオン状態からオフ状態に切り替えるために、超電導線材１０の一部がヒータ１６によって加熱される。第１空間２２内にある液体冷媒３の少なくとも一部もまた、ヒータ１６によって加熱されて、ガス５になる。第１空間２２の少なくとも一部が、ガス５で充填される。ガス５の熱伝導率は、液体冷媒３の熱伝導率よりも低い。ガス５は、第１ケース２４とヒータ１６との間の熱伝導率を下げる。ガス５は、ヒータ１６で発生した熱が第１ケース２４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。永久電流スイッチ１，１ｂに含まれる超電導線材１０（超電導層１３）の一部は、より少ない被加熱量でかつより短時間で、超電導状態から常電導状態に転移する。そのため、永久電流スイッチ１，１ｂは、より低い消費電力でかつより高速に、オン状態からオフ状態に切り替わる。

【0012】

永久電流スイッチ１，１ｂをオフ状態からオン状態に切り替えるために、弁３２を開いて、液体冷媒３を第１空間２２内に流入させる。第１空間２２内に流入した液体冷媒３は、ヒータ１６の残熱を吸収する。超電導線材１０（超電導層１３）の一部は、短時間で、超電導状態に転移する。そのため、永久電流スイッチ１，１ｂは、より高速に、オフ状態からオン状態に切り替わる。こうして、永久電流スイッチ１，１ｂは、より低い消費電力でかつより高速に動作する。

【0013】

（２）上記（１）に係る永久電流スイッチ１，１ｂでは、超電導線材１０の一部及びヒータ１６は、第１ケース２４の内部空間２３の鉛直方向における上部に配置されている。液体冷媒流出管３４は、鉛直方向における第１ケース２４の下部に配置されている。

【0014】

ヒータ１６の周りで発生したガス５は、鉛直方向における上方に向けて、第１空間２２内を移動する。超電導線材１０の一部及びヒータ１６は、第１ケース２４の内部空間２３の鉛直方向における上部に配置されているため、ガス５が第１ケース２４の上側内表面に到達するまでの距離が短くなる。ガス５が、第１ケース２４の上側内表面に到達するまでの間に、第１空間２２内にある液体冷媒３によって冷却されて、再び液体冷媒３に戻る可能性が減少され得る。液体冷媒流出管３４は、鉛直方向における第１ケース２４の下部に配置されているため、第１空間２２内にガス５が発生したときに、ガス５よりも、第１空間２２内にある液体冷媒３が、液体冷媒流出管３４から優先的に排出される。ガス５は、第１空間２２内に溜まりやすい。ガス５は、ヒータ１６で発生した熱が第１ケース２４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。そのため、永久電流スイッチ１，１ｂは、より低い消費電力でかつより高速に、オン状態からオフ状態に切り替わる。

【0015】

（３）上記（１）または（２）に係る永久電流スイッチ１，１ｂでは、第１ケース２４は、樹脂で形成されている。一般的に、樹脂は、金属よりも低い熱伝導率を有する。樹脂製の第１ケース２４は、ヒータ１６で発生する熱が第１ケース２４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。永久電流スイッチ１，１ｂは、より低い消費電力でかつより高速に動作する。

【0016】

（４）上記（１）から（３）のいずれかに係る永久電流スイッチ１，１ｂでは、保持部材２０は、第１樹脂固定部材２５を用いて、第１ケース２４に固定されている。一般的に、樹脂は、金属よりも低い熱伝導率を有する。第１樹脂固定部材２５は、ヒータ１６で発生する熱が第１ケース２４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。永久電流スイッチ１，１ｂは、より低い消費電力でかつより高速に動作する。

【0017】

（５）上記（１）から（４）のいずれかに係る永久電流スイッチ１，１ｂでは、超電導線材１０は、超電導層１３を含む。超電導層１３は、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y（６．０≦ｙ≦８．０、ＲＥは希土類元素を表す）で形成されている。一般的に、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_yのような酸化物超電導材料は、ＮｂＴｉのような金属超電導材料よりも、高い超電導転移温度を有している。そのため、永久電流スイッチ１，１ｂの冷却構造及び運転制御がより簡素化され得る。また、高磁場中における超電導線材１０の臨界電流が大きいため、永久電流スイッチ１，１ｂの設置位置に対する制約を少なくすることができる。

【0018】

（６）上記（５）に係る永久電流スイッチ１，１ｂでは、超電導線材１０は、超電導層１３を覆う保護層１４をさらに含む。超電導線材１０の一部において、超電導層１３は保護層１４から露出している。ヒータ１６は、保護層１４から露出している超電導層１３上に設けられている。そのため、超電導線材１０の一部が超電導状態から常電導状態に転移したときに、超電導層１３を流れていた電流が保護層１４にバイパスされることなく、超電導層１３を流れ続ける。ヒータ１６で発生する熱によって、永久電流スイッチ１，１ｂの抵抗を、より短い時間で、より高くすることができる。

【0019】

（７）上記（１）から（６）のいずれかに係る永久電流スイッチ１ｂは、第２ケース４４をさらに備える。第２ケース４４は、第１ケース２４の周囲に第２空間４２を空けて配置されている。液体冷媒流入管３０及び液体冷媒流出管３４は、第２空間４２から流体的に分離されている。第１ケース２４と第２ケース４４との間の第２空間４２は、ヒータ１６で発生した熱が第２ケース４４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。そのため、永久電流スイッチ１ｂは、より低い消費電力でかつより高速に、オン状態からオフ状態に切り替わる。

【0020】

（８）上記（７）に係る永久電流スイッチ１ｂでは、第２ケース４４は、樹脂で形成されている。一般的に、樹脂は、金属よりも低い熱伝導率を有する。樹脂製の第２ケース４４は、ヒータ１６で発生する熱が第２ケース４４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。永久電流スイッチ１ｂは、より低い消費電力でかつより高速に動作する。

【0021】

（９）上記（７）または（８）に係る永久電流スイッチ１ｂでは、第２ケース４４は、第２樹脂固定部材４５を用いて、第１ケース２４に固定されている。一般的に、樹脂は、金属よりも低い熱伝導率を有する。第２樹脂固定部材４５は、ヒータ１６で発生する熱が第２ケース４４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。永久電流スイッチ１ｂは、より低い消費電力でかつより高速に動作する。

【0022】

（１０）本発明の一態様に係る超電導装置５０は、上記（１）から（９）のいずれかに係る永久電流スイッチ１，１ｂと、超電導コイル４０と、容器５１とを備える。超電導コイル４０は、永久電流スイッチ１，１ｂに接続されている。容器５１は、永久電流スイッチ１，１ｂと超電導コイル４０とを収容している。そのため、超電導装置５０は、より低い消費電力でかつより高速に動作し得る。

【0023】

[本発明の実施形態の詳細]
図面に基づいて、実施の形態の詳細を以下説明する。なお、図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。以下に記載する実施の形態の少なくとも一部の構成を任意に組み合わせてもよい。

【0024】

（実施の形態１）
図１を参照して、実施の形態１の超電導装置５０を説明する。超電導装置５０は、例えば、超電導マグネット、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置または磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置などである。超電導装置５０は、永久電流スイッチ１と、超電導コイル４０と、容器５１とを備える。超電導コイル４０は、永久電流スイッチ１に並列に接続されている。容器５１は、永久電流スイッチ１と超電導コイル４０とを収容している。容器５１は、クライオスタットのような断熱容器である。容器５１は、液体ヘリウムのような液体冷媒３を含んでいる。液体冷媒３は、超電導コイル４０と、永久電流スイッチ１とを冷却している。

【0025】

図２に示されるように、実施の形態１の永久電流スイッチ１は、超電導線材１０と、ヒータ１６と、保持部材２０と、第１ケース２４と、液体冷媒流入管３０と、弁３２と、液体冷媒流出管３４と、逆止弁３６とを主に備える。

【0026】

図３及び図４に示されるように、超電導線材１０は、基材１１と、中間層１２と、超電導層１３と、保護層１４とを含む。

【0027】

基材１１は、好ましくは、第１層１１ａと、第２層１１ｂと、第３層１１ｃとを含んでいる。第２層１１ｂは、第１層１１ａ上に形成されている。第３層１１ｃは、第２層１１ｂ上に形成されている。第１層１１ａは、例えば、ステンレス鋼またはハステロイ（登録商標）で構成されている。第２層１１ｂは、例えば、銅（Ｃｕ）または銅合金で構成されている。第３層１１ｃは、ニッケル（Ｎｉ）で構成されている。本実施の形態では基材１１は三層基材であるが、基材１１は、単層基材または二層基材であってもよい。

【0028】

中間層１２は、基材１１（第３層１１ｃ）上に形成されている。中間層１２は、絶縁材料で構成されている。中間層１２は、特に限定されないが、例えば、安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ランタンマンガン（ＬａＭｎＯ_３）、ジルコン酸ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｚｒ₂Ｏ₇）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）からなる群から選ばれた少なくとも一つによって構成されている。

【0029】

超電導層１３は、中間層１２上に形成されている。超電導層１３は、例えば、酸化物超電導体により構成されている。超電導層１３は、例えば、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y（６．０≦ｙ≦８．０）である。希土類元素ＲＥは、例えば、イットリウム（Ｙ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロビウム（Ｅｕ）、ガドリウム（Ｇｄ）、ホルミウム（Ｈｏ）またはイッテルビウム（Ｙｂ）からなる群から選ばれた少なくとも一つの元素である。

【0030】

保護層１４は、超電導層１３を覆っている。特定的には、保護層１４は、基材１１とは反対側の超電導層１３の主面を覆っている。ただし、超電導線材１０の一部において、超電導層１３は保護層１４から露出している。特定的には、超電導線材１０の一部において、基材１１とは反対側の超電導層１３の主面は、保護層１４から露出している。超電導線材１０の長手方向において、保護層１４は、超電導線材１０の一部で分断されている。超電導線材１０の一部は、超電導線材１０の長手方向における超電導線材１０の両端部以外の部分である。保護層１４は、例えば、銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）等の金属または合金等で構成されている。

【0031】

図２及び図４に示されるように、ヒータ１６は、超電導線材１０の一部に設けられている。ヒータ１６は、例えば、保護層１４から露出している超電導層１３上に設けられている。具体的には、ヒータ１６は、絶縁シート１７上に設けられている。ヒータ１６は、例えば、蛇行した電熱線である。電熱線は、例えば、ニクロム線で構成されている。絶縁シート１７は、接着部材（図示せず）を用いて、超電導線材１０に貼り付けられてもよい。本実施の形態の変形例では、ヒータ１６は、絶縁膜で被覆された電熱線であり、超電導線材１０の周りに巻き付けられてもよい。超電導線材１０の一部及びヒータ１６は、第１ケース２４の内部空間２３の鉛直方向（ｚ方向）における上部に配置されている。本明細書において、鉛直方向（ｚ方向）は、重力方向を意味する。

【0032】

図２に示されるように、保持部材２０は、超電導線材１０を保持している。超電導線材１０は、例えば、保持部材２０に設けられた溝（図示せず）内に配置されている。超電導線材１０は、保持部材２０の内部に埋め込まれてもよい。保持部材２０は、例えば、巻枠であってもよく、超電導線材１０は巻枠に巻回されてもよい。保持部材２０は、低い熱伝導率を有する材料で形成されている。保持部材２０は、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）のような繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成されている。

【0033】

第１ケース２４は、保持部材２０の周囲に第１空間２２を空けて配置されている。第１空間２２は、第１ケース２４の内部空間２３の一部である。第１ケース２４は、低い熱伝導率を有する樹脂で形成されている。第１ケース２４は、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）のような繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成されている。保持部材２０は、第１樹脂固定部材２５を用いて、第１ケース２４に固定されている。第１樹脂固定部材２５は、例えば、エポキシ樹脂で形成されている。第１ケース２４には、超電導線材１０が貫通する孔が設けられている。孔は、第１封止部材２６で封止されている。第１封止部材２６は、エポキシ樹脂、パラフィン樹脂またはシリコーン樹脂のような樹脂で形成されている。

【0034】

液体冷媒流入管３０は、第１空間２２に連通している。液体冷媒流入管３０は、鉛直方向（ｚ方向）における第１ケース２４の上部に配置されている。具体的には、液体冷媒流入管３０は、第１ケース２４の上面に接続されている。弁３２は、液体冷媒流入管３０に設けられている。弁３２が開状態にあるとき、弁３２は、第１ケース２４の外側にある液体冷媒３が、液体冷媒流入管３０を通って、第１空間２２内に流入することを可能にする。弁３２が閉状態にあるとき、弁３２は、第１ケース２４の外側にある液体冷媒３が、液体冷媒流入管３０を通って、第１空間２２内に流入することを阻止する。

【0035】

液体冷媒流出管３４は、第１空間２２に連通している。液体冷媒流出管３４は、鉛直方向（ｚ方向）における第１ケース２４の下部に配置されている。具体的には、液体冷媒流出管３４は、第１ケース２４の下面に接続されている。逆止弁３６は、液体冷媒流出管３４に設けられている。逆止弁３６は、第１ケース２４の外側にある液体冷媒３が、液体冷媒流出管３４を通って、第１空間２２内に流入することを防止する。逆止弁３６は、第１空間２２内の圧力が所定の圧力を超えると、第１空間２２内に充填されていた液体冷媒３を、液体冷媒流出管３４から排出させるように構成されている。

【0036】

図２及び図５から図１１を参照して、永久電流スイッチ１の動作を説明する。図６から図１１に示されるように、永久電流スイッチ１は、超電導コイル４０に並列に接続されている。超電導コイル４０及び永久電流スイッチ１は、電流源３９に接続されている。

【0037】

超電導コイル４０及び永久電流スイッチ１を、超電導転移温度以下の温度になるように冷却する。具体的には、図２に示されるように、超電導コイル４０及び永久電流スイッチ１を、液体ヘリウムのような液体冷媒３中に浸漬する。弁３２を開いて、液体冷媒流入管３０から、液体冷媒３を第１空間２２内に流入させる。第１空間２２が液体冷媒３によって充填されると、弁３２を閉じる。ヒータ１６に電流が流れておらず、ヒータ１６はオフ状態にある。永久電流スイッチ１に含まれる超電導層１３は超電導状態に転移し、永久電流スイッチ１はゼロの電気抵抗を有する（永久電流スイッチ１のオン状態、図６を参照）。超電導コイル４０も、超電導状態に転移する。電流源３９から流れる電流Ｉは、ゼロである。

【0038】

それから、ヒータ１６に電流を流して、ヒータ１６をオン状態（発熱状態）とする。超電導線材１０（超電導層１３）の一部は、常電導状態に転移し、永久電流スイッチ１はＲの電気抵抗を有する（永久電流スイッチ１のオフ状態、図７を参照）。電流源３９から流れる電流Ｉは、依然として、ゼロである。

【0039】

図５に示されるように、ヒータ１６をオン状態（発熱状態）とすると、第１空間２２内にある液体冷媒３（例えば、液体ヘリウム）の少なくとも一部は、ヒータ１６によって加熱されて、ガス５（例えば、ヘリウムガス）になる。第１空間２２の上端部から第１空間２２の下端部に向けて、第１空間２２の少なくとも一部が、ガス５で充填される。ガス５の熱伝導率は、液体冷媒３の熱伝導率よりも低い。ガス５は、第１ケース２４とヒータ１６との間の熱伝導率を下げる。ガス５は、ヒータ１６を第１ケース２４から断熱してもよい。

【0040】

また、ガス５の体積は、ガス５に気化される前の液体冷媒３の体積よりもはるかに大きい。そのため、ガス５は、第１空間２２内の圧力を上昇させる。第１空間２２内の圧力が所定の圧力を超えると、逆止弁３６は、第１空間２２内に充填されていた液体冷媒３の少なくとも一部を、液体冷媒流出管３４から排出させる。逆止弁３６は、第１空間２２内の液体冷媒３の少なくとも一部が気化されてガス５になるときに、第１ケース２４が破裂することを防止する。

【0041】

それから、図８に示されるように、電流源３９から電流Ｉを流し始める。電流源３９から流れる電流Ｉを、ゼロから、電流Ｉの時間変化ΔＩ／Δｔで次第に増加させる。超電導コイル４０は、インダクタンスＬを有している。電流源３９から流れる電流Ｉを次第に増加させると、超電導コイル４０に、電流Ｉの時間変化ΔＩ／Δｔに応じたコイルインピーダンスＺが発生する。電流源３９から流れる電流Ｉのゼロからの増加電流は、永久電流スイッチ１の電気抵抗Ｒ及び超電導コイル４０のコイルインピーダンスＺに応じて永久電流スイッチ１と超電導コイル４０とに分配されて、永久電流スイッチ１と超電導コイル４０とに流れる。この増加電流は、電流Ｉの時間変化ΔＩ／Δｔの時間積分ΣΔＩ／Δｔで与えられる。

【0042】

図９に示されるように、電流源３９から流れる電流Ｉが、永久電流モードにおいて超電導コイル４０に流す運転電流Ｉ₀に達すると、電流源３９から流れる電流Ｉを運転電流Ｉ₀に維持する。電流源３９から流れる電流Ｉの時間変化ΔＩ／Δｔはゼロとなり、超電導コイル４０のコイルインピーダンスＺもゼロになる。永久電流スイッチ１を流れる電流は次第に減少し、超電導コイル４０に流れる電流が次第に増加する。電流源３９から流れる運転電流Ｉ₀は、もっぱら超電導コイル４０に流れるようになる。こうして、超電導コイル４０は、励磁される。

【0043】

ヒータ１６に電流を流すことを停止して、ヒータ１６をオフ状態とする。図２に示されるように、弁３２を開いて、液体冷媒流入管３０から、液体冷媒３を第１空間２２内に流入させる。ガス５は、弁３２または逆止弁３６から排出される。第１空間２２が液体冷媒３によって充填されると、弁３２を閉じる。第１空間２２内に流入した液体冷媒３は、ヒータ１６の残熱を吸収する。超電導線材１０（超電導層１３）の一部は、超電導状態に転移し、永久電流スイッチ１はゼロの電気抵抗を有する（永久電流スイッチ１のオン状態、図１０を参照）。

【0044】

図１０に示されるように、電流源３９から流れる電流Ｉを、電流Ｉの時間変化－ΔＩ／Δｔで運転電流Ｉ₀から次第に減少させる。図１０における電流Ｉの時間減分－ΔＩ／Δｔの絶対値は、図８における電流Ｉの時間増分ΔＩ／Δｔに等しくてもよいし、異なってもよい。電流源３９から流れる電流Ｉの運転電流Ｉ₀からの減少電流は、永久電流スイッチ１に流れる。この減少電流は、電流Ｉの時間変化－ΔＩ／Δｔの時間積分－ΣΔＩ／Δｔで与えられる。図１１に示されるように、電流源３９から流れる電流をゼロにすると、運転電流Ｉ₀は、永久電流スイッチ１と超電導コイル４０とを循環する。こうして、永久電流スイッチ１は、超電導装置５０を永久電流モードで動作させることができる。

【0045】

本実施の形態の永久電流スイッチ１及び超電導装置５０の効果を説明する。

【0046】

本実施の形態の永久電流スイッチ１は、超電導線材１０と、ヒータ１６と、保持部材２０と、第１ケース２４と、液体冷媒流入管３０と、弁３２と、液体冷媒流出管３４と、逆止弁３６とを備える。ヒータ１６は、超電導線材１０の一部に設けられている。保持部材２０は、超電導線材１０を保持している。第１ケース２４は、保持部材２０の周囲に第１空間２２を空けて配置されている。液体冷媒流入管３０は、第１空間２２に連通している。弁３２は、液体冷媒流入管３０に設けられている。液体冷媒流出管３４は、第１空間２２に連通している。逆止弁３６は、液体冷媒流出管３４に設けられている。

【0047】

永久電流スイッチ１をオン状態からオフ状態に切り替えるために、超電導線材１０の一部がヒータ１６によって加熱される。第１空間２２内にある液体冷媒３の少なくとも一部もまた、ヒータ１６によって加熱されて、ガス５になる。第１空間２２の少なくとも一部が、ガス５で充填される。ガス５の熱伝導率は、液体冷媒３の熱伝導率よりも低い。ガス５は、第１ケース２４とヒータ１６との間の熱伝導率を下げる。ガス５は、ヒータ１６で発生した熱が第１ケース２４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。永久電流スイッチ１に含まれる超電導線材１０（超電導層１３）の一部は、より少ない被加熱量でかつより短時間で、超電導状態から常電導状態に転移する。そのため、永久電流スイッチ１は、より低い消費電力でかつより高速に、オン状態からオフ状態に切り替わる。逆止弁３６は、第１空間２２内の液体冷媒３の少なくとも一部が気化されてガス５になるときに、第１ケース２４が破裂することを防止する。

【0048】

永久電流スイッチ１をオフ状態からオン状態に切り替えるために、弁３２を開いて、液体冷媒３を第１空間２２内に流入させる。第１空間２２内に流入した液体冷媒３は、ヒータ１６の残熱を吸収する。超電導線材１０（超電導層１３）の一部は、短時間で、超電導状態に転移する。そのため、永久電流スイッチ１は、より高速に、オフ状態からオン状態に切り替わる。こうして、永久電流スイッチ１は、より低い消費電力でかつより高速に動作する。

【0049】

本実施の形態の永久電流スイッチ１では、超電導線材１０の一部及びヒータ１６は、第１ケース２４の内部空間２３の鉛直方向（ｚ方向）における上部に配置されている。液体冷媒流出管３４は、鉛直方向（ｚ方向）における第１ケース２４の下部に配置されている。

【0050】

ヒータ１６の周りで発生したガス５は、鉛直方向（ｚ方向）における上方に向けて、第１空間２２内を移動する。超電導線材１０の一部及びヒータ１６は、第１ケース２４の内部空間２３の鉛直方向（ｚ方向）における上部に配置されているため、ガス５が第１ケース２４の上側内表面に到達するまでの距離が短くなる。ガス５が、第１ケース２４の上側内表面に到達するまでの間に、第１空間２２内にある液体冷媒３によって冷却されて、再び液体冷媒３に戻る可能性が減少され得る。液体冷媒流出管３４は、鉛直方向（ｚ方向）における第１ケース２４の下部に配置されているため、第１空間２２内にガス５が発生したときに、ガス５よりも、第１空間２２内にある液体冷媒３が、液体冷媒流出管３４から優先的に排出される。ガス５は、第１空間２２内に溜まりやすい。ガス５は、ヒータ１６で発生した熱が第１ケース２４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。そのため、永久電流スイッチ１は、より低い消費電力でかつより高速に、オン状態からオフ状態に切り替わる。

【0051】

本実施の形態の永久電流スイッチ１では、第１ケース２４は、樹脂で形成されている。一般的に、樹脂は、金属よりも低い熱伝導率を有する。樹脂製の第１ケース２４は、ヒータ１６で発生する熱が第１ケース２４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。永久電流スイッチ１は、より低い消費電力でかつより高速に動作する。

【0052】

本実施の形態の永久電流スイッチ１では、保持部材２０は、第１樹脂固定部材２５を用いて、第１ケース２４に固定されている。一般的に、樹脂は、金属よりも低い熱伝導率を有する。第１樹脂固定部材２５は、ヒータ１６で発生する熱が第１ケース２４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。永久電流スイッチ１は、より低い消費電力でかつより高速に動作する。

【0053】

本実施の形態の永久電流スイッチ１では、超電導線材１０は、超電導層１３を含む。超電導層１３は、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y（６．０≦ｙ≦８．０、ＲＥは希土類元素を表す）で形成されている。一般的に、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_yのような酸化物超電導材料は、ＮｂＴｉのような金属超電導材料よりも、高い超電導転移温度を有している。そのため、永久電流スイッチ１の冷却構造及び運転制御がより簡素化され得る。また、高磁場中における超電導線材１０の臨界電流が大きいため、永久電流スイッチ１の設置位置に対する制約を少なくすることができる。超電導装置５０の構造が簡素化されて、小型化され得る。

【0054】

本実施の形態の永久電流スイッチ１では、超電導線材１０は、超電導層１３を覆う保護層１４をさらに含む。超電導線材１０の一部において、超電導層１３は保護層１４から露出している。ヒータ１６は、保護層１４から露出している超電導層１３上に設けられている。そのため、超電導線材１０の一部が超電導状態から常電導状態に転移したときに、超電導層１３を流れていた電流が保護層１４にバイパスされることなく、超電導層１３を流れ続ける。ヒータ１６で発生する熱によって、永久電流スイッチ１の抵抗を、より短い時間で、より高くすることができる。永久電流スイッチ１は、永久電流スイッチ１を流れていた電流を、より短い時間で、超電導コイル４０に移行させることを可能にする。

【0055】

本実施の形態の超電導装置５０は、永久電流スイッチ１と、超電導コイル４０と、容器５１とを備える。超電導コイル４０は、永久電流スイッチ１に接続されている。容器５１は、永久電流スイッチ１と超電導コイル４０とを収容している。そのため、超電導装置５０は、より低い消費電力でかつより高速に動作し得る。

【0056】

（実施の形態２）
図１を参照して、実施の形態２の超電導装置５０ｂを説明する。本実施の形態の超電導装置５０ｂは、実施の形態１の超電導装置５０と同様の構成を備えているが、実施の形態１の永久電流スイッチ１に代えて、実施の形態２の永久電流スイッチ１ｂを備えている。

【0057】

図１２及び図１３を参照して、実施の形態２の永久電流スイッチ１ｂを説明する。本実施の形態の永久電流スイッチ１ｂは、実施の形態１の永久電流スイッチ１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なる。

【0058】

永久電流スイッチ１ｂは、第２ケース４４をさらに備える。第２ケース４４は、第１ケース２４の周囲に第２空間４２を空けて配置されている。第２空間４２は、閉鎖空間である。室温において、第２空間４２の雰囲気は、空気雰囲気であってもよいし、真空のような減圧雰囲気であってもよい。第２ケース４４は、低い熱伝導率を有する樹脂で形成されている。第２ケース４４は、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）のような繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成されている。第２ケース４４は、第２樹脂固定部材４５を用いて、第１ケース２４に固定されている。第２樹脂固定部材４５は、例えば、エポキシ樹脂で形成されている。第２ケース４４には、超電導線材１０が貫通する孔が設けられている。孔は、第２封止部材４６で封止されている。第２封止部材４６は、エポキシ樹脂のような樹脂で形成されている。

【0059】

液体冷媒流入管３０及び液体冷媒流出管３４は、第２空間４２に連通しておらず、第２空間４２から流体的に分離されている。液体冷媒流入管３０は、鉛直方向（ｚ方向）における第２ケース４４の上部に配置されている。具体的には、液体冷媒流入管３０は、第２ケース４４の上面に接続されている。液体冷媒流出管３４は、鉛直方向（ｚ方向）における第２ケース４４の下部に配置されている。具体的には、液体冷媒流出管３４は、第２ケース４４の下面に接続されている。

【0060】

本実施の形態の永久電流スイッチ１ｂ及び超電導装置５０ｂの効果を説明する。本実施の形態の永久電流スイッチ１ｂは、実施の形態１の永久電流スイッチ１の効果に加えて、以下の効果を奏する。

【0061】

永久電流スイッチ１ｂは、第２ケース４４をさらに備える。第２ケース４４は、第１ケース２４の周囲に第２空間４２を空けて配置されている。液体冷媒流入管３０及び液体冷媒流出管３４は、第２空間４２から流体的に分離されている。第１ケース２４と第２ケース４４との間の第２空間４２は、ヒータ１６で発生した熱が第２ケース４４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。そのため、永久電流スイッチ１ｂは、より低い消費電力でかつより高速に、オン状態からオフ状態に切り替わる。

【0062】

本実施の形態の永久電流スイッチ１ｂでは、第２ケース４４は、樹脂で形成されている。一般的に、樹脂は、金属よりも低い熱伝導率を有する。樹脂製の第２ケース４４は、ヒータ１６で発生する熱が第２ケース４４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。永久電流スイッチ１ｂは、より低い消費電力でかつより高速に動作する。

【0063】

本実施の形態の永久電流スイッチ１ｂでは、第２ケース４４は、第２樹脂固定部材４５を用いて、第１ケース２４に固定されている。一般的に、樹脂は、金属よりも低い熱伝導率を有する。第２樹脂固定部材４５は、ヒータ１６で発生する熱が第２ケース４４の外側にある液体冷媒３に放散されることを抑制する。永久電流スイッチ１ｂは、より低い消費電力でかつより高速に動作する。

【0064】

本実施の形態の超電導装置５０ｂは、永久電流スイッチ１ｂと、超電導コイル４０と、容器５１とを備える。超電導コイル４０は、永久電流スイッチ１ｂに接続されている。容器５１は、永久電流スイッチ１ｂと超電導コイル４０とを収容している。そのため、超電導装置５０ｂは、より低い消費電力でかつより高速に動作し得る。

【0065】

今回開示された実施の形態１から実施の形態３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。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0066】

１，１ｂ 永久電流スイッチ
３ 液体冷媒
５ ガス
１０ 超電導線材
１１ 基材
１１ａ 第１層
１１ｂ 第２層
１１ｃ 第３層
１２ 中間層
１３ 超電導層
１４ 保護層
１６ ヒータ
１７ 絶縁シート
２０ 保持部材
２２ 第１空間
２３ 内部空間
２４ 第１ケース
２５ 第１樹脂固定部材
２６ 第１封止部材
３０ 液体冷媒流入管
３２ 弁
３４ 液体冷媒流出管
３６ 逆止弁
３９ 電流源
４０ 超電導コイル
４２ 第２空間
４４ 第２ケース
４５ 第２樹脂固定部材
４６ 第２封止部材
５０，５０ｂ 超電導装置
５１ 容器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】