特許 7346091 永久電流スイッチ、超電導磁石装置、および超電導磁石装置の運転方法

(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】

(24)【登録日】2023-09-08

(45)【発行日】2023-09-19

(54)【発明の名称】永久電流スイッチ、超電導磁石装置、および超電導磁石装置の運転方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/20 20230101AFI20230911BHJP

   H01F 6/00 20060101ALI20230911BHJP

   H01H 35/42 20060101ALI20230911BHJP

【ＦＩ】

H10N60/20 Z

H01F6/00 180

H01H35/42 Z ZAA

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019106901

(22)【出願日】2019-06-07

(65)【公開番号】P2020202240

(43)【公開日】2020-12-17

【審査請求日】2022-02-01

(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】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小柳 圭

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 寛史

(72)【発明者】

【氏名】岩井 貞憲

(72)【発明者】

【氏名】高見 正平

【審査官】上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０２２７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１９２４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２８３１８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１０７３３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／０９６７９８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ６０／２０

Ｈ０１Ｆ ６／００

Ｈ０１Ｈ ３５／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

巻回されたコイル要素と前記コイル要素の両外側の非巻回部を有し、互いに並列に配された複数のスイッチコイル用超電導フィラメントと前記複数のスイッチコイル用超電導フィラメントを保持するスイッチコイル用マトリクス材を有するスイッチコイル用超電導線材が用いられるスイッチコイルと、
前記非巻回部に沿って配されて前記スイッチコイル用超電導線材より熱伝導率の高い高熱伝導材と、
互いに並列に配された複数の外側接続部用超電導フィラメントと前記複数の外側接続部用超電導フィラメントを保持する外側接続部用マトリクス材を有し、前記複数のスイッチコイル用超電導フィラメントに対する前記スイッチコイル用マトリクス材の割合に比べて、前記複数の外側接続部用超電導フィラメントに対する前記外側接続部用マトリクス材の割合が小さな低マトリクス比超電導線材が用いられる外側接続部と、
前記コイル要素を加熱するヒータと、
を有することを特徴とする永久電流スイッチ。

【請求項2】

前記スイッチコイル用超電導線材および前記低マトリクス比超電導線材のそれぞれの断面において、前記複数の外側接続部用超電導フィラメントの断面積の総和が、前記スイッチコイル用超電導線材の前記複数のスイッチコイル用超電導フィラメントの断面積の総和よりも大きい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】

前記低マトリクス比超電導線材は、無誘導に巻回された低マトリクス比超電導線材コイルを有することを特徴とする請求項１または２に記載の永久電流スイッチ。

【請求項4】

前記低マトリクス比超電導線材コイルは、樹脂で含浸されていることを特徴とする請求項３に記載の永久電流スイッチ。

【請求項5】

前記高熱伝導材は、長手方向の熱伝導率よりも幅方向の熱伝導率のほうが高いことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。

【請求項6】

前記高熱伝導材は、複数の炭素繊維と前記複数の炭素繊維を保持するマトリクス材とを有し、
前記複数の炭素繊維は、前記高熱伝導材の長手方向に対して傾きを有するように配向していることを特徴とする請求項５に記載の永久電流スイッチ。

【請求項7】

前記請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の永久電流スイッチと、
主コイルと、
前記主コイルおよび前記永久電流スイッチを熱伝導により冷却する極低温冷凍機と、
を備えることを特徴とする超電導磁石装置。

【請求項8】

請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の永久電流スイッチをオフ状態で、主回路を冷却する主回路冷却ステップと、
励磁電源から主コイルに所定のレベルまで電力を供給する電力上昇ステップと、
前記永久電流スイッチを冷却してオン状態とし、前記主コイルより高い温度に維持するスイッチコイル冷却ステップと、
前記励磁電源の出力を低下させ永久電流モードに移行する永久電流モード移行ステップと、
を有することを特徴とする超電導磁石装置の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、永久電流スイッチ、これを用いた超電導磁石装置、および超電導磁石装置の運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

長時間にわたって安定した磁場の発生が求められるＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置やＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）マグネットなどの超電導応用機器では、一般に超電導線材を無誘導に巻回した永久電流スイッチ（ＰＣＳ：Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈ）が多く使用される。超電導コイル（主コイル）とＰＣＳとにより超電導の閉回路を構成して電流減衰を抑制することにより、極めて高い磁場の時間的安定性を得ている。

【0003】

ＰＣＳは、主コイルを予め励磁電源で励磁する際には常電導状態（オフ状態）とし、主コイルが定常的に磁場を発生する間は超電導状態（オン状態）にする必要があり、ヒータで超電導状態から常電導状態へと遷移させる熱的なオンオフ切り替え方式が一般的である。

【0004】

また、このような永久電流モード（ＰＣモード）運転の超電導マグネットでは、マトリクス（母材）に高抵抗のたとえばＣｕＮｉ合金を用いた超電導線材を使って、ＰＣＳを構成するのが一般的である。

【0005】

ＣｕＮｉマトリクス線材を使うことで、オフ状態のＰＣＳは高い電気抵抗を有することができ、主コイル励磁時にＰＣＳへの電流分流を抑制することができる一方、ＣｕＮｉマトリクス線材は一般的な銅マトリクスの超電導線材と比べると安定性が低く、磁気的不安定性によって常電導転移（クエンチ）を生じ易いという問題がある。特に、このＰＣＳ用線材のようにマトリクスにＣｕＮｉ合金を使った線材あるいは機械的な補強の目的でマトリクスに合金を付与して純銅の断面積比を減らしたような超電導線材を冷凍機伝導冷却方式で設計しようとすると、線材の不安定性は液体ヘリウム浸漬冷却の場合よりもさらに顕著になり、機器の定格に満たない低い電流値でクエンチしてしまうリスクが高まる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１６－１１９４３１号公報

【文献】特開２０１８－０６０９２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

前述のように、主コイル励磁時にＰＣＳへの電流分流を抑制することが要請される一方、永久電流モード運転する伝導冷却式の超電導マグネットにおいて、ＰＣＳの熱磁気不安定性によるクエンチの発生を抑制する必要があるという課題があった。

【0008】

本発明の実施形態は、上記実情に鑑みてなされたものであり、超電導磁石装置の信頼性を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る永久電流スイッチは、巻回されたコイル要素と前記コイル要素の両外側の非巻回部を有し、互いに並列に配された複数のスイッチコイル用超電導フィラメントと前記複数のスイッチコイル用超電導フィラメントを保持するスイッチコイル用マトリクス材を有するスイッチコイル用超電導線材が用いられるスイッチコイルと、前記非巻回部に沿って配されて前記スイッチコイル用超電導線材より熱伝導率の高い高熱伝導材と、互いに並列に配された複数の外側接続部用超電導フィラメントと前記複数の外側接続部用超電導フィラメントを保持する外側接続部用マトリクス材を有し、前記複数のスイッチコイル用超電導フィラメントに対する前記スイッチコイル用マトリクス材の割合に比べて、前記複数の外側接続部用超電導フィラメントに対する前記外側接続部用マトリクス材の割合が小さな低マトリクス比超電導線材が用いられる外側接続部と、前記コイル要素を加熱するヒータと、を有することを特徴とする。

【0010】

また、本実施形態に係る超電導磁石装置は、上述の永久電流スイッチと、主コイルと、前記主コイルおよび前記永久電流スイッチを熱伝導により冷却する極低温冷凍機と、を備えることを特徴とする。

【0011】

また、本実施形態に係る超電導磁石装置の運転方法は、上述の永久電流スイッチをオフ状態で、主回路を冷却する主回路冷却ステップと、励磁電源から主コイルに所定のレベルまで電力を供給する電力上昇ステップと、前記永久電流スイッチを冷却してオン状態とし、前記主コイルより高い温度に維持するスイッチコイル冷却ステップと、前記励磁電源の出力を低下させ永久電流モードに移行する永久電流モード移行ステップと、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明の実施形態によれば、超電導磁石装置の信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１の実施形態に係る超電導磁石装置の構成を示す概念的な縦断面図である。

【図2】第１の実施形態に係る超電導磁石装置の構成を示す回路図である。

【図3】第１の実施形態に係る超電導磁石装置の永久電流スイッチのスイッチコイルに用いるスイッチコイル用超電導線材の構成を示す横断面図である。

【図4】第１の実施形態に係る超電導磁石装置の永久電流スイッチの外側接続部に用いる低マトリクス比超電導線材の構成を示す横断面図である。

【図5】第１の実施形態に係る超電導磁石装置の永久電流スイッチの外側接続部に用いる低マトリクス比超電導線材の変形例の構成を示す横断面図である。

【図6】第１の実施形態に係る超電導磁石装置の主回路超電導材部に用いられる主回路用超電導線材の構成を示す横断面図である。

【図7】第１の実施形態に係る超電導磁石装置の運転方法の手順を示すフロ―図である。

【図8】第１の実施形態に係る永久電流スイッチがオン状態のときの永久電流スイッチ内の温度分布を示すグラフである。

【図9】第１の実施形態に係る永久電流スイッチがオフ状態のときの永久電流スイッチ内の温度分布を示すグラフである。

【図10】第２の実施形態に係る超電導磁石装置の構成を示す回路図である。

【図11】第２の実施形態に係る永久電流スイッチがオフ状態のときの永久電流スイッチ内の温度分布を示すグラフである。

【図12】第３の実施形態に係る超電導磁石装置の構成を示す回路図である。

【図13】第３の実施形態に係る超電導磁石装置の永久電流スイッチの非巻回部に沿って設けられた高熱伝導材の構成を示す縦断面図である。

【図14】第３の実施形態に係る永久電流スイッチがオフ状態のときの永久電流スイッチ内の温度分布を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る永久電流スイッチ、これを用いた超電導磁石装置、および超電導磁石装置の運転方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。

【0015】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る超電導磁石装置１０の構成を示す概念的な縦断面図である。

【0016】

超電導磁石装置１０は、主コイル１１、永久電流スイッチ（ＰＣＳ：Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈ）１００、極低温冷凍機１５、および冷凍容器１８を有する。

【0017】

主コイル１１および永久電流スイッチ１００は、冷凍容器１８内に収納されている。極低温冷凍機１５は、冷凍容器１８に取り付けられており、冷凍容器１８の外部から内部に貫通している。主コイル１１と極低温冷凍機１５とは、伝導材１６で接続されており、主コイル１１は伝導材１６を介して熱伝導により冷却される。永久電流スイッチ１００と極低温冷凍機１５とは、伝導材１７で接続されており、永久電流スイッチ１００は伝導材１７を介して熱伝導により冷却される。

【0018】

図２は、第１の実施形態に係る超電導磁石装置１０の構成を示す回路図である。

【0019】

超電導磁石装置１０の主コイル１１に励磁電力を供給する励磁電源１が、冷凍容器１８の外側に設けられている。励磁電源１は、直流電源であり、たとえば、調整装置を有する蓄電池、交直変換機と調整装置の組み合わせなどを用いることができる。

【0020】

主コイル１１および永久電流スイッチ１００は、励磁電源１に対して互いに並列に接続されている。主コイル１１と励磁電源１を含む主回路１２は、主回路超電導材部１２ａと主回路常電導材部１２ｂとを有する。

【0021】

主回路超電導材部１２ａと主回路常電導材部１２ｂとの接続部１２ｃは、冷凍容器１８の外側に設けられている。したがって、主回路常電導材部１２ｂは全て冷凍容器１８の外側に配されている。また、冷凍容器１８の内部に配されているのは、全て主回路超電導材部１２ａの範囲の部分である。

【0022】

主回路超電導材部１２ａのケーブルには、主回路用超電導線材１３（図６）が使用されている。また、主コイル１１と永久電流スイッチ１００が互いに並列に接続されていることから、後述するように超電導状態における主コイル１１と永久電流スイッチ１００を永久電流が流れる閉回路が形成可能な構成である。

【0023】

永久電流スイッチ１００は、スイッチコイル１１０および外側接続部１３０を有する。

【0024】

スイッチコイル１１０は、コイル要素１１０ａおよびコイル要素１１０ｂと、これらの外側に配されて巻回されていない非巻回部１１１を有する。コイル要素１１０ａおよびコイル要素１１０ｂは、互いに逆向きに同じ巻き数が巻かれて電気的には互いに直列に配されている。この結果、スイッチコイル１１０は、無誘導に、すなわち、スイッチコイル１１０の外側には磁場が生じないように形成されている。コイル要素１１０ａ、１１０ｂと非巻回部１１１とは一体に、すなわち、互いに連続して形成されている。

【0025】

コイル要素１１０ａ、１１０ｂおよび非巻回部１１１には、スイッチコイル用超電導線材１１２（図３）が用いられている。

【0026】

コイル要素１１０ａ、１１０ｂの近傍には、ヒータ１１５が設けられている。ここで、近傍とは、ヒータ１１５がコイル要素１１０ａ、１１０ｂのいずれかの箇所に接触しているか、あるいは、ヒータ１１５がオン状態の場合にヒータ１１５で生じた熱がスイッチコイル１１０の状態を変化させる位置にあることを言う。すなわち、スイッチコイル１１０が超電導状態から常電導状態に移行、すなわちクエンチするようにスイッチコイル１１０の温度が上昇する程度に、ヒータ１１５がスイッチコイル１１０に近いことをいうものとする。

【0027】

非巻回部１１１に沿って、高熱伝導材１２１が配されている。高熱伝導材１２１には、たとえば、Ｃｕ、Ａｌあるいはこれらの合金など、スイッチコイル用超電導線材１１２に比べて熱伝導率が高い材料が用いられている。高熱伝導材１２１を配する形態は、たとえば、Ｗｉｒｅ ｉｎ Ｃｈａｎｎｅｌ方式、すなわち、高熱伝導材１２１に長手方向に延びた溝を形成し、その溝に非巻回部１１１のスイッチコイル用超電導線材１１２を嵌めこむ方式によってもよい。あるいは、非巻回部１１１のスイッチコイル用超電導線材１１２に高熱伝導材１２１をたとえばらせん状に巻きつける方式でもよい。この結果、非巻回部１１１の温度はコイル要素１１０ａ、１１０ｂの温度に速く追従する。すなわち、スイッチコイル１１０は、コイル要素１１０ａ、１１０ｂおよび非巻回部１１１が実質的に一体となった熱的挙動を示すことになる。

【0028】

それぞれの非巻回部１１１のコイル要素１１０ａおよび１１０ｂとの接続側とは反対側の端部は、接続部１４１において外側接続部１３０と接続している。それぞれの外側接続部１３０の、接続部１４１とは反対側の端部は、接続部１４２において主回路１２と接続されている。外側接続部１３０には、低マトリクス比超電導線材１３１（図４）が用いられている。

【0029】

図３は、第１の実施形態に係る超電導磁石装置１０の永久電流スイッチ１００のスイッチコイル１１０に用いるスイッチコイル用超電導線材１１２の構成を示す横断面図である。

【0030】

スイッチコイル１１０に用いるスイッチコイル用超電導線材１１２は、図３に示すように、互いに並列に配された複数のスイッチコイル用超電導フィラメント１１２ａと、スイッチコイル用超電導フィラメント１１２ａを保持するスイッチコイル用マトリクス材１１２ｂを有する。ここで、スイッチコイル用超電導フィラメント１１２ａとしては、たとえば、ＮｂＴｉ線材またはＮｂ_３Ｓｎ線材を用いることができる。

【0031】

また、スイッチコイル用マトリクス材１１２ｂとしては、ＣｕＮｉ合金を用いることができる。ＣｕＮｉ合金を用いるのは、前述のように、Ｃｕに比べて電気抵抗の大きなＣｕＮｉ合金を使うことで、オフ状態すなわち常電導状態で高い電気抵抗を有し、励磁電源１により主コイル１１を励磁して主回路１２で電流を流す際に、永久電流スイッチ１００側への電流分流を抑制することができることによる。

【0032】

図４は、第１の実施形態に係る超電導磁石装置１０の永久電流スイッチ１００の外側接続部１３０に用いる低マトリクス比超電導線材１３１の構成を示す横断面図である。外側接続部１３０に用いる低マトリクス比超電導線材１３１は、図４に示すように、互いに並列に配された複数の外側接続部用超電導フィラメント１３１ａと、外側接続部用超電導フィラメント１３１ａを保持する外側接続部用マトリクス材１３１ｂを有する。ここで、外側接続部用超電導フィラメント１３１ａとしては、たとえば、ＮｂＴｉ線材またはＮｂ_３Ｓｎ線材を用いることができる。また、外側接続部用マトリクス材１３１ｂとしては、永久電流モードでの運転の安定性を考慮してたとえば熱伝導性の良いＣｕを用いることができる。

【0033】

低マトリクス比超電導線材１３１の断面においては、スイッチコイル用超電導線材１１２の断面に比べて、マトリクス部分、すなわち外側接続部用マトリクス材１３１ｂの断面が小さくなっている。すなわち、外側接続部用超電導フィラメント１３１ａの断面積の総和に対する外側接続部用マトリクス材１３１ｂの断面積の割合が、スイッチコイル用超電導フィラメント１１２ａの断面積の総和に対するスイッチコイル用マトリクス材１１２ｂの断面積の割合に比べて小さい。

【0034】

長手方向の熱伝導は、主にマトリックス部分が担っていることから、外側接続部用マトリクス材１３１ｂの断面積の割合を小さくすることにより低マトリクス比超電導線材１３１の熱抵抗を大きくし、外側接続部１３０における熱伝導を低減することができる。

【0035】

図５は、低マトリクス比超電導線材の変形例の構成を示す横断面図である。当該変形例における低マトリクス比超電導線材１３２においては、外側接続部用超電導フィラメント１３２ａがより多く設けられており、その分、外側接続部用マトリクス材１３２ｂが減っている。このように、外側接続部用マトリクス材１３２ｂの断面積の割合を小さくすることにより、同様に、外側接続部１３０における熱伝導を制限することができる。さらに、本変形例の場合は、外側接続部用超電導フィラメント１３２ａがより多く設けられていることによって、低マトリクス比超電導線材１３２の負荷率を下げることができる。この結果、クエンチの発生に対する裕度を確保することができる。

【0036】

図６は、第１の実施形態に係る超電導磁石装置１０の主回路超電導材部１２ａに用いられる主回路用超電導線材１３の構成を示す横断面図である。主回路超電導材部１２ａに用いられる主回路用超電導線材１３についても、互いに並列に配された複数の主回路用超電導フィラメント１３ａと、主回路用超電導フィラメント１３ａを保持する主回路用マトリクス材１３ｂを有する。ここで、主回路用超電導フィラメント１３ａとしては、たとえば、ＮｂＴｉ線材またはＮｂ_３Ｓｎ線材を用いることができる。また、主回路用マトリクス材１３ｂとしては、Ｃｕ合金を用いることができる。

【0037】

なお、スイッチコイル用超電導線材１１２、低マトリクス比超電導線材１３１、１３２、および主回路用超電導線材１３について、超電導線材の種類が互いに異なっていてもよい。

【0038】

図７は、第１の実施形態に係る超電導磁石装置１０の運転方法の手順を示すフロ―図である。

【0039】

最初に、超電導磁石装置１０の停止状態からの起動ステップＳ１０について説明する。

【0040】

まず、永久電流スイッチ１００をオフ状態とし、極低温冷凍機１５により主回路１２を冷却する（ステップＳ１１）。詳細には、ヒータ１１５をオンとしてヒータ１１５により永久電流スイッチ１００を加熱して、永久電流スイッチ１００をオフ状態すなわち常電導状態とする。また、極低温冷凍機１５を起動して、主コイル１１を含む主回路１２を冷却する。

【0041】

次に、主コイル１１に励磁電源１から電力を供給し、所定のレベルまで電力量を徐々に増加する（ステップＳ１２）。すなわち、励磁電源１により主コイル１１を励磁し、主回路１２に電流が流れる状態とする。その後、所定のレベルまで励磁電力を上昇させる。所定のレベルとしては、定格電力の場合、あるいは部分電力の場合もある。この状態においては、永久電流スイッチ１００側のスイッチコイル１１０のスイッチコイル用マトリクス材１１２ｂがＣｕＮｉ合金であり電気抵抗が十分に高いため、主回路１２側から永久電流スイッチ１００側への分流は十分に抑えられる。

【0042】

次に、永久電流スイッチ１００を冷却しオン状態とし、主回路１２側の温度より高い温度に維持する（ステップＳ１３）。具体的には、ヒータ１１５の出力を下げて、永久電流スイッチ１００を極低温冷凍機１５により冷却して温度を下げ、永久電流スイッチ１００をオン状態とする。

【0043】

図８は、永久電流スイッチ１００がオン状態のときの永久電流スイッチ１００内の温度分布を示すグラフである。

【0044】

永久電流スイッチ１００がオン状態で、超電導状態にある主コイル１１および永久電流スイッチ１００を含む回路で運転される永久電流モードにおいては、永久電流スイッチ１００の温度がヒータ１１５により制御され、主コイル１１の温度より高くなるように設定されている。

【0045】

超電導材料の定圧比熱は、超電導材料の温度が低下すると急激に小さくなり、単位熱量増加あたりの温度上昇が大きくなる。このため、主コイル１１に比べて、一般的にクエンチを生じやすい永久電流スイッチ１００については、定圧比熱を極端に低くしないように、たとえば、主コイル１１の温度Ｔｐｃを４Ｋとする場合は、スイッチコイル１１０の温度Ｔｍを、これより高い温度、たとえば５Ｋに近い温度とする。このように設定することにより、何らかの擾乱により、永久電流スイッチ１００の超電導線材（スイッチコイル用超電導線材１１２および低マトリクス比超電導線材１３１）の温度上昇を抑え、永久電流スイッチ１００のこれらの超電導線材がクエンチを生じやすいという状態を回避する。

【0046】

この後、励磁電源１の出力を順次低下させ、永久電流スイッチ１００側の電流を増加させる（ステップＳ１４）。励磁電源１の出力を順次低下させると、主コイル１１を流れる電流は変わらず、励磁電源１を流れていた電流が減少する分だけ、永久電流スイッチ１００に流れる電流が増加する。

【0047】

最終的に、超電導状態にある主コイル１１および永久電流スイッチ１００を含む回路を流れる永久電流モードでの運転状態に移行する（ステップＳ１５）。励磁電源１の出力を順次低下させ、最終的に、励磁電源１の出力をゼロとした段階で、電流が主回路１２を流れていた状態から、主コイル１１と永久電流スイッチ１００を含む回路を流れる永久電流モードに移行する。すなわち、ここで、全て超電導状態にある主コイル１１と永久電流スイッチ１００を含む回路を、永久電流が流れている状態となる。

【0048】

次に、超電導磁石装置１０において永久電流モードから、永久電流スイッチ１００をオフとしての停止状態への移行、すなわち停止ステップＳ２０を説明する。

【0049】

まず、励磁電源１の出力を順次増加させ、主回路１２側の運転に移行させる（ステップＳ２１）。すなわち、励磁電源１の出力を順次増加させると、主コイル１１を流れる電流は変わらず、励磁電源１を流れる電流が増加する分だけ、永久電流スイッチ１００に流れていた電流が減少する。最終的に、永久電流スイッチ１００側の電流をほぼゼロとする。

【0050】

次に、永久電流スイッチ１００を加熱しオフ状態に移行させる（ステップＳ２２）。この移行は、ヒータ１１５をオンとすることにより行われる。すなわち、ヒータ１１５をオンとすることにより、永久電流スイッチ１００のスイッチコイル１１０を加熱し、クエンチを発生させ、永久電流スイッチ１００側の抵抗を増大させる。

【0051】

図９は、永久電流スイッチ１００がオフ状態のときの永久電流スイッチ１００内の温度分布を示すグラフである。

【0052】

本第１の実施形態においては、コイル要素１１０ａ、１１０ｂの両側に配された非巻回部１１１には、これに沿って高熱伝導材１２１が設けられているため、前述のように、コイル要素１１０ａ、１１０ｂがヒータ１１５により加熱されてオフ状態となった状態で、コイル要素１１０ａ、１１０ｂと非巻回部１１１の温度は、接続部１４１までほぼ同様の温度となってしまう。しかしながら、接続部１４１から先の外側接続部１３０には、熱抵抗を大きくした低マトリクス比超電導線材１３１が用いられており、熱移動速度が抑制され、実質的に、低マトリクス比超電導線材１３１により熱が遮断される。

【0053】

すなわち、図９に示すように、２つの接続部１４１の間に配されたコイル要素１１０ａ、１１０ｂおよびその両側の非巻回部１１１は、ほぼ均一の温度Ｔｐｈとなっている。また、接続部１４１から接続部１４２に移るにつれて、温度が急激に低下し、接続部１４２において温度Ｔｍとなる。温度Ｔｍについての、永久電流モードでの運転時の温度からの温度上昇は、主コイル１１側に影響しない程度に十分に低く抑えられる。このように、永久電流スイッチ１００のオフ時の主回路１２側との熱絶縁を確保することができる。

【0054】

次に、超電導磁石装置１０を待機状態に移行する（ステップＳ２３）。すなわち、励磁電源１の出力を徐々に減少させ、主コイル１１を含む主回路１２を流れる電流を減少させ、主コイル１１に蓄積されたエネルギーを励磁電源１側に回収する。最終的に、主回路１２を待機状態とする。

【0055】

この後、図示はしていないが、必要に応じて、極低温冷凍機１５を停止して、主回路１２の温度を常温として超電導磁石装置１０を停止状態とする、あるいは、超電導磁石装置１０を再起動する。

【0056】

以上のような本実施形態に係る超電導磁石装置１０の構成および運転方法によって、以下のような効果を有する。

【0057】

永久電流モード運転における運転の安定性については、以下の点が言える。

【0058】

第１には、非巻回部１１１に高熱伝導材１２１を設けることにより、比較的クエンチが発生しやすい非巻回部１１１をコイル要素１１０ａ、１１０ｂと熱的に一体化させることにより、非巻回部１１１が起点となるクエンチのリスクを低減している。

【0059】

第２には、ヒータ１１５によって、永久電流スイッチ１００の温度Ｔｍを主コイル１１の温度Ｔｐより高い温度に維持することにより定圧比熱を確保し、何らかの擾乱によっても、永久電流スイッチ１００の超電導線材の温度上昇を抑え、永久電流スイッチ１００の超電導線材がクエンチを生じやすいという状態を回避している。

【0060】

さらに、変形例として示した低マトリクス比超電導線材１３２においては、外側接続部用超電導フィラメント１３２ａがより多く設けられていることによって、低マトリクス比超電導線材１３２の負荷率を下げることができる。この結果、永久運転モードで運転されている状態において、外側接続部１３０が起点となるクエンチのリスクを低減することができる。

【0061】

また、停止中の段階においては、次の点が言える。

【0062】

すなわち、接続部１４１から先の外側接続部１３０に熱抵抗の大きな低マトリクス比超電導線材１３１または低マトリクス比超電導線材１３２を用いることにより、スイッチコイル１１０がヒータ１１５により加熱されオフ状態にあるときにおいて、接続部１４２を介して主回路１２側への熱の移動をほぼ遮断し、超電導磁石装置１０の停止過程における主コイル１１からのエネルギー回収を乱すような影響が抑制される。このように、永久電流スイッチ１００側の温度上昇が主回路１２との接続部１４２の温度を上昇させないようにすることにより、主回路１２側に影響を与えずに、この主コイル１１に蓄積されたエネルギーの励磁電源１側への回収ステップの運転をスムーズに行うことができる。

【0063】

以上のように、本実施形態による超電導磁石装置１０においては、永久電流運転状態においての永久電流スイッチ１００の安定化と、停止段階においての、常電導状態にある永久電流スイッチ１００側と主回路１２側との熱絶縁とを実現し、超電導磁石装置１０の信頼性を向上させることができる。

【0064】

［第２の実施形態］
図１０は、第２の実施形態に係る超電導磁石装置１０の構成を示す回路図である。

【0065】

本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態の永久電流スイッチ１００ａは、接続部１４１および接続部１４２を接続する外側接続部１３０において、低マトリクス比超電導線材１３１（図４）の一部が無誘導に巻回され、互いに反対方向に巻回された２つのコイルからなる低マトリクス比超電導線材コイル１３５が形成されている。このように形成することにより低マトリクス比超電導線材１３１（図４）の十分な長さが確保される。

【0066】

低マトリクス比超電導線材コイル１３５は、エポキシ樹脂，フェノール樹脂，メラミン樹脂，ポリエステル樹脂，シリコーン樹脂，パラフィンのいずれかあるいはこれらを含む樹脂で含浸された構造となっている。この場合、樹脂が、低マトリクス比超電導線材コイル１３５内の互いに隣接する層の間に充填されるようにする。

【0067】

以上のように構成された本実施形態の作用を説明する。

【0068】

低マトリクス比超電導線材コイル１３５が樹脂で含浸されたことにより、巻回されている部分での層間の熱移動を抑制し、熱伝導の経路を、実質的に、低マトリクス比超電導線材コイル１３５の長手方向のみに制限する。

【0069】

図１１は、第２の実施形態に係る永久電流スイッチ１００ａがオフ状態のときの永久電流スイッチ内の温度分布を示すグラフである。

【0070】

コイル要素１１０ａ、１１０ｂの両側の非巻回部１１１に高熱伝導材１２１が配されているため、スイッチコイル１１０がヒータ１１５により加熱されてオフ状態となった状態で、高熱伝導材１２１がスイッチコイル１１０からの熱拡散を促進するように作用する。この結果、接続部１４１まではほぼ均一の温度となってしまう。一方、接続部１４１から外側の外側接続部１３０には、低マトリクス比超電導線材コイル１３５が用いられ、さらに、低マトリクス比超電導線材コイル１３５の長さの効果が発揮されることにより、接続部１４２に至るまでに温度は十分に低減する。

【0071】

この結果、本第２の実施形態に係る超電導磁石装置１０においては、第１の実施形態における効果に加えて、主回路１２との接続部１４２においての温度が殆ど上昇せず、永久電流モードでの運転状態時の温度とほぼ変わらない温度が維持される。すなわち、低マトリクス比超電導線材コイル１３５が形成された低マトリクス比超電導線材１３１（図４）により熱をほとんど遮断することができる。

【0072】

これにより、超電導磁石装置１０の停止過程において、永久電流スイッチ１００側から主コイル１１側への負荷を軽減し、超電導磁石装置１０の信頼性を向上させることができる。

【0073】

［第３の実施形態］
図１２は、第３の実施形態に係る超電導磁石装置１０の構成を示す回路図である。

【0074】

本第３の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第３の実施形態における永久電流スイッチ１００ｂは、第１の実施形態における高熱伝導材１２１に代えて、高熱伝導材１２２を有する。

【0075】

図１３は、第３の実施形態に係る超電導磁石装置１０の永久電流スイッチ１００ｂの非巻回部１１１に沿って設けられた高熱伝導材１２２の構成を示す縦断面図である。

【0076】

高熱伝導材１２２は、第１の実施形態における高熱伝導材１２１と同様に、非巻回部１１１に沿って設けられている。高熱伝導材１２２は、基材１２２ｂと、基材１２２ｂ中に配された複数の炭素繊維１２２ａを有する。基材１２２ｂとしては、たとえば、ポリエステルなどの樹脂を用いることができる。

【0077】

それぞれの炭素繊維１２２ａは、高熱伝導材１２２の長手方向に対して傾きを有するように配向して、基材１２２ｂを貫通している。この場合、炭素繊維１２２ａは、図１３に示すように互いに平行となるように配されている。たとえば、高熱伝導材１２２の幅をｄとするとき、垂直方向に対しての傾きがθ（長手方向に対する傾きが（９０度－θ））である場合、炭素繊維１２２ａの長さＬは直線で（ｄ／ｃｏｓθ）となる。傾きθが４５度なら炭素繊維の長さＬは、約１．４ｄとなる。その分、炭素繊維１２２ａの熱容量は増加する。

【0078】

なお、炭素繊維１２２ａは、必ずしも、互いに平行である必要はなく、傾きθに分布があってもよい。また、同じ方向である必要はなく、傾きθがプラスのもの、マイナスのものが混在していてもよい。

【0079】

このような構成においては、炭素繊維１２２ａの熱伝導率の方が、基材１２２ｂの熱伝導率よりも大きいため、高熱伝導材１２２は、熱伝導率に異方性を有する。すなわち、高熱伝導材１２２の幅方向の熱伝導率のほうが、長手の熱伝導率よりも高くなる。

【0080】

図１４は、第３の実施形態に係る永久電流スイッチ１００ｂがオフ状態のときの永久電流スイッチ１００ｂ内の温度分布を示すグラフである。

【0081】

ヒータ１１５により加熱されたコイル要素１１０ａ、１１０ｂからの熱が、非巻回部１１１および高熱伝導材１２２を、長手方向に伝導する際に、その側面からの放熱を伴い、一方、長手方向の熱伝導は抑制される。この結果、接続部１４１に至るまでの放熱によって、接続部１４１における温度は、コイル要素１１０ａ、１１０ｂにおける温度より低くなっている。

【0082】

すなわち、本第３の実施形態に係る超電導磁石装置１０においては、第１の実施形態における効果に加えて、高熱伝導材１２２が、コイル要素１１０ａ、１１０ｂおよび非巻回部１１１からの放熱を促進するように作用する一方で、高熱伝導材１２２の幅方向の熱伝導率より長手方向の熱伝導率が低いため、スイッチコイル１１０側から接続部１４１側への熱を遮断するように作用する。

【0083】

これにより、超電導磁石装置１０の停止過程において、永久電流スイッチ１００側から主コイル１１側への負荷を軽減し、超電導磁石装置１０の信頼性を向上させることができる。

【0084】

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。

【0085】

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、外側接続部１３０に低マトリクス比超電導線材コイル１３５が形成されている第２の実施形態の特徴と、非巻回部１１１に熱的に異方性のある高熱伝導材１２２が取り付けられている第２の実施形態の特徴とを組み合わせてもよい。

【0086】

さらに、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、変更を行うことができる。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。

【符号の説明】

【0087】

１…励磁電源、１０…超電導磁石装置、１１…主コイル、１２…主回路、１２ａ…主回路超電導材部、１２ｂ…主回路常電導材部、１２ｃ…接続部、１３…主回路用超電導線材、１３ａ…主回路用超電導フィラメント、１３ｂ…主回路用マトリクス材、１５…極低温冷凍機、１６、１７…伝導材、１８…冷凍容器、１００、１００ａ、１００ｂ…永久電流スイッチ、１１０…スイッチコイル、１１０ａ、１１０ｂ…コイル要素、１１１…非巻回部、１１２…スイッチコイル用超電導線材、１１２ａ…スイッチコイル用超電導フィラメント、１１２ｂ…スイッチコイル用マトリクス材、１１５…ヒータ、１２１、１２２…高熱伝導材、１２２ａ…炭素繊維、１２２ｂ…基材、１３０…外側接続部、１３１…低マトリクス比超電導線材、１３１ａ…外側接続部用超電導フィラメント、１３１ｂ…外側接続部用マトリクス材、１３２…低マトリクス比超電導線材、１３２ａ…外側接続部用超電導フィラメント、１３２ｂ…外側接続部用マトリクス材、１３５…低マトリクス比超電導線材コイル、１４１、１４２…接続部

【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】

【図14】