特許 7452547 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】2024-03-11

(45)【発行日】2024-03-19

(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 20230101AFI20240312BHJP

   H01B 12/06 20060101ALI20240312BHJP

   H01F 6/00 20060101ALI20240312BHJP

【ＦＩ】

H10N60/30

H01B12/06

H01F6/00 160

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2021546512

(86)(22)【出願日】2020-06-25

(86)【国際出願番号】 JP2020025063

(87)【国際公開番号】W WO2021053921

(87)【国際公開日】2021-03-25

【審査請求日】2022-12-21

(31)【優先権主張番号】P 2019171570

(32)【優先日】2019-09-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【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

(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

【審査官】岩本 勉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１１７０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０６９０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０９６８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２１６４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６０８１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ６０／３０

Ｈ０１Ｆ ６／００

Ｈ０１Ｂ １２／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超電導線材と、
ヒータと、
絶縁部材とを備え、
前記超電導線材は、基材と、前記基材上に設けられている超電導層とを含み、
前記超電導層は、前記基材に対向する第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面とを含み、
前記ヒータは、前記超電導層に対して前記第２主面の側のみに配置されており、
前記絶縁部材は、前記第２主面と前記ヒータとの間に設けられている、永久電流スイッチ。

【請求項2】

前記超電導線材は、導電性を有する保護層をさらに含み、
前記保護層は、前記超電導層の前記第２主面上に設けられており、かつ、前記超電導層に接触しており、
前記絶縁部材は、前記保護層と前記ヒータとの間に設けられている、請求項１に記載の永久電流スイッチ。

【請求項3】

前記保護層及び前記超電導層は、前記基材から離間されている、請求項２に記載の永久電流スイッチ。

【請求項4】

前記超電導線材は、導電性を有する保護層をさらに含み、
前記保護層は、前記超電導層の前記第２主面上に設けられており、かつ、前記超電導層に接触しており、
前記超電導層は、前記超電導線材の長手方向に沿って、第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間にある第３部分とを含み、
前記保護層は、前記第１部分及び前記第２部分上にのみ設けられており、
前記ヒータは、前記第３部分上にのみ設けられており、かつ、前記保護層から離間されており、
前記絶縁部材は、前記ヒータと前記第３部分との間に設けられている、請求項１に記載の永久電流スイッチ。

【請求項5】

前記超電導線材は、導電性を有する安定化層をさらに含み、
前記安定化層は、前記保護層に接触しており、
前記保護層は、前記超電導層と前記安定化層との間に設けられており、
前記ヒータは、前記安定化層から離間されている、請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。

【請求項6】

前記超電導線材は、絶縁性を有する中間層をさらに含み、
前記中間層は、前記基材と前記第１主面との間に設けられている、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。

【請求項7】

前記超電導線材は、絶縁性を有する中間層をさらに含み、
前記中間層は、前記基材と前記第１主面との間に設けられており、
前記第２主面の平面視において、前記保護層の第１側縁は、前記中間層の第２側縁よりも内側に位置している、請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。

【請求項8】

前記第２主面の前記平面視において、前記超電導層の第３側縁は、前記中間層の前記第２側縁よりも内側に位置している、請求項７に記載の永久電流スイッチ。

【請求項9】

前記超電導線材は、非コイル形状を有している、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。

【請求項10】

保持部材をさらに備え、
前記超電導線材の被保持部は、前記保持部材によって保持されており、
前記ヒータは、前記被保持部の一部のみに設けられている、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。

【請求項11】

前記ヒータは、前記超電導線材の長手方向において、前記被保持部の長さの５０％以下の長さにわたって設けられている、請求項１０に記載の永久電流スイッチ。

【請求項12】

前記超電導層は、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_yで形成されており、ｙは６．０以上８．０以下であり、ＲＥは希土類元素を表す、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。

【請求項13】

請求項１から請求項１２のいずれか一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。本出願は、２０１９年９月２０日に出願した日本特許出願である特願２０１９－１７１５７０号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。

【背景技術】

【0002】

特開２０１８－１１７０４２号公報（特許文献１）は、永久電流スイッチを開示している。当該永久電流スイッチは、超電導線材と、ヒータ線材とを備えている。超電導線材とヒータ線材とは共巻きコイルを形成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１１７０４２号公報

【発明の概要】

【0004】

本開示の永久電流スイッチは、超電導線材と、ヒータと、絶縁部材とを備える。超電導線材は、基材と、基材上に設けられている超電導層とを含む。超電導層は、基材に対向する第１主面と、第１主面とは反対側の第２主面とを含む。ヒータは、超電導層に対して第２主面の側のみに配置されている。絶縁部材は、超電導層の第２主面とヒータとの間に設けられている。

【0005】

本開示の超電導装置は、本開示の永久電流スイッチと、永久電流スイッチに接続されている超電導コイルと、永久電流スイッチと超電導コイルとを収容する容器とを備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、実施形態１から実施形態４に係る超電導装置の概略図である。

【図2】図２は、実施形態１に係る永久電流スイッチの概略部分拡大図である。

【図3】図３は、実施形態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】図４は、実施形態１の第１変形例に係る永久電流スイッチの概略部分拡大図である。

【図5】図５は、実施形態１の第２変形例に係る永久電流スイッチの概略部分拡大図である。

【図6】図６は、実施形態１の第３変形例に係る永久電流スイッチの概略部分拡大図である。

【図7】図７は、超電導部材の準備工程を示す概略断面図である。

【図8】図８は、超電導部材の分割工程を示す概略断面図である。

【図9】図９は、実施形態１に係る永久電流スイッチの動作を示す超電導装置の回路図である。

【図10】図１０は、実施形態１に係る永久電流スイッチの動作を示す超電導装置の回路図である。

【図11】図１１は、実施形態１に係る永久電流スイッチの動作を示す超電導装置の回路図である。

【図12】図１２は、実施形態１に係る永久電流スイッチの動作を示す超電導装置の回路図である。

【図13】図１３は、実施形態１に係る永久電流スイッチの動作を示す超電導装置の回路図である。

【図14】図１４は、実施形態１に係る永久電流スイッチの動作を示す超電導装置の回路図である。

【図15】図１５は、実施形態１に係る永久電流スイッチ及び比較例の永久電流スイッチの、ヒータの消費電力と永久電流スイッチのオフ抵抗との関係を表すグラフを示す図である。

【図16】図１６は、実施形態２に係る永久電流スイッチの概略断面図である。

【図17】図１７は、実施形態３に係る永久電流スイッチの概略平面図である。

【図18】図１８は、実施形態３に係る永久電流スイッチの、図１７に示される断面線ＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩにおける概略断面図である。

【図19】図１９は、実施形態３に係る永久電流スイッチの、図１７に示される断面線ＸＩＸ－ＸＩＸにおける概略断面図である。

【図20】図２０は、実施形態３に係る永久電流スイッチの、図１７に示される断面線ＸＸ－ＸＸにおける概略断面図である。

【図21】図２１は、実施形態４に係る永久電流スイッチの概略断面図である。

【図22】図２２は、実施形態４の第１変形例に係る永久電流スイッチの概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

[本開示が解決しようとする課題]
永久電流スイッチにおいては、より低い消費電力で動作することが求められている。本開示の目的は、より低い消費電力で動作する永久電流スイッチ及び超電導装置を提供することである。
[本開示の効果]
本開示によれば、より低い消費電力で動作する永久電流スイッチ及び超電導装置を提供することができる。

【0008】

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

【0009】

（１）本開示の永久電流スイッチは、超電導線材と、ヒータと、絶縁部材とを備える。超電導線材は、基材と、基材上に設けられている超電導層とを含む。超電導層は、基材に対向する第１主面と、第１主面とは反対側の第２主面とを含む。ヒータは、超電導層に対して第２主面の側のみに配置されている。絶縁部材は、超電導層の第２主面とヒータとの間に設けられている。本開示では、超電導層が基材上に形成されていることは、超電導層が、基材上に直接形成されていること、または、基材上に形成されている中間層上に形成されていることを意味している。

【0010】

上記（１）の永久電流スイッチでは、ヒータは、超電導層に対して第２主面の側のみに配置されている。ヒータで発生した熱のうち基材に散逸する熱が減少する。超電導層は、ヒータで効率的に加熱され得る。また、絶縁部材は、超電導層の第２主面とヒータとの間に設けられているため、絶縁部材は、ヒータを流れる電流が超電導層に流れ込むことを防止する。そのため、永久電流スイッチを動作させるために必要なヒータの消費電力が低減される。上記（１）の永久電流スイッチは、より低い消費電力で動作し得る。

【0011】

（２）上記（１）の永久電流スイッチでは、超電導線材は、導電性を有する保護層をさらに含む。保護層は、超電導層の第２主面上に設けられており、かつ、超電導層に接触している。絶縁部材は、保護層とヒータとの間に設けられている。

【0012】

保護層は、超電導層にクエンチ（超電導状態から常電導状態に移行する現象）が発生した際に、超電導層を流れていた電流をバイパスさせる。上記（２）の永久電流スイッチでは、超電導線材の焼損が防止され得る。また、絶縁部材は、ヒータを流れる電流が超電導層及び保護層に流れ込むことを防止する。永久電流スイッチを動作させるために必要なヒータの消費電力は低減される。上記（２）の永久電流スイッチは、より低い消費電力で動作し得る。

【0013】

（３）上記（２）の永久電流スイッチにおいて、保護層及び超電導層は、基材から離間されている。

【0014】

そのため、ヒータで発生した熱が基材に散逸することが防止される。永久電流スイッチを動作させるために必要なヒータの消費電力が低減される。上記（３）の永久電流スイッチは、より低い消費電力で動作し得る。

【0015】

（４）上記（１）の永久電流スイッチでは、超電導線材は、導電性を有する保護層をさらに含む。保護層は、超電導層の第２主面上に設けられており、かつ、超電導層に接触している。超電導層は、超電導線材の長手方向に沿って、第１部分と、第２部分と、第１部分と第２部分との間にある第３部分とを含む。保護層は、第１部分及び第２部分上にのみ設けられている。ヒータは、第３部分上にのみ設けられており、かつ、保護層から離間されている。絶縁部材は、ヒータと第３部分との間に設けられている。

【0016】

保護層が第１部分及び第２部分上にのみ設けられているため、超電導線材を流れる電流は、第３部分をバイパスすることができない。超電導層の第３部分が、ヒータによって加熱されて、常電導状態になった場合に、超電導線材を流れる全ての電流は、高い電気抵抗を有する第３部分を流れる。そのため、ヒータを用いた超電導層の加熱長さまたは加熱面積がより小さくても、永久電流スイッチの高いオフ抵抗を得ることができる。永久電流スイッチを動作させるために必要なヒータの消費電力が低減される。永久電流スイッチは、より少ない消費電力で動作し得る。

【0017】

また、ヒータは、超電導層の第３部分上にのみ設けられており、かつ、保護層から離間されている。そのため、ヒータを流れる電流が、保護層に流れ込むことが防止される。永久電流スイッチを動作させるために必要なヒータの消費電力が低減される。永久電流スイッチは、より少ない消費電力で動作し得る。

【0018】

（５）上記（２）から（４）のいずれかの永久電流スイッチにおいて、超電導線材は、導電性を有する安定化層をさらに含む。安定化層は、保護層に接触している。保護層は、超電導層と安定化層との間に設けられている。ヒータは、安定化層から離間されている。

【0019】

安定化層は、超電導層にクエンチ（超電導状態から常電導状態に移行する現象）が発生した際に、超電導層を流れていた電流をバイパスさせる。上記（５）の永久電流スイッチでは、超電導線材の焼損が防止され得る。また、ヒータは、安定化層から離間されている。そのため、ヒータを流れる電流が保護層及び安定化層に流れ込むことが防止される。永久電流スイッチを動作させるために必要なヒータの消費電力が低減される。永久電流スイッチは、より少ない消費電力で動作し得る。

【0020】

（６）上記（１）から（５）のいずれかの永久電流スイッチにおいて、超電導線材は、絶縁性を有する中間層を含む。中間層は、基材と第１主面との間に設けられている。

【0021】

中間層は、ヒータを流れる電流が基材に流れ込むことを防止する。永久電流スイッチを動作させるために必要なヒータの消費電力が低減される。上記（６）の永久電流スイッチは、より低い消費電力で動作し得る。

【0022】

（７）上記（２）から（５）のいずれかの永久電流スイッチにおいて、超電導線材は、絶縁性を有する中間層を含む。中間層は、基材と第１主面との間に設けられている。超電導層の第２主面の平面視において、保護層の第１側縁は、中間層の第２側縁よりも内側に位置している。

【0023】

そのため、保護層を経由したヒータから基材への熱の散逸を低減させることができる。永久電流スイッチを動作させるために必要なヒータの消費電力が低減される。上記（５）の永久電流スイッチは、より低い消費電力で動作し得る。

【0024】

（８）上記（７）の永久電流スイッチでは、超電導層の第２主面の平面視において、超電導層の第３側縁は、中間層の第２側縁よりも内側に位置している。

【0025】

そのため、超電導層を経由したヒータから基材への熱の散逸を低減させることができる。永久電流スイッチを動作させるために必要なヒータの消費電力が低減される。上記（８）の永久電流スイッチは、より低い消費電力で動作し得る。

【0026】

（９）上記（１）から（８）のいずれかの永久電流スイッチにおいて、超電導線材は、非コイル形状を有している。本開示では、超電導線材が非コイル形状を有することは、超電導線材がコイル形状を有していないことを意味する。そして、コイル形状を有する超電導線材は、超電導線材の湾曲部の径方向において超電導線材の少なくとも一部が重なっていることを意味する。

【0027】

上記（９）の永久電流スイッチでは、永久電流スイッチから発生する磁場の大きさを小さくすることができる。永久電流スイッチの設置位置に対する制約を少なくすることができる。

【0028】

（１０）上記（１）から（９）のいずれかの永久電流スイッチは、保持部材をさらに備える。超電導線材の被保持部は、保持部材によって保持されている。ヒータは、超電導線材の被保持部の一部のみに設けられている。

【0029】

そのため、ヒータの長さが短くなる。永久電流スイッチを動作させるために必要なヒータの消費電力が低減される。上記（１０）の永久電流スイッチは、より低い消費電力で動作し得る。

【0030】

（１１）上記（８）の永久電流スイッチにおいて、ヒータは、超電導線材の長手方向において、超電導線材の被保持部の長さの５０％以下の長さにわたって設けられている。

【0031】

そのため、ヒータの長さが短くなる。永久電流スイッチを動作させるために必要なヒータの消費電力が低減される。上記（１１）の永久電流スイッチは、より低い消費電力で動作し得る。

【0032】

（１２）上記（１）から（１１）のいずれかの永久電流スイッチにおいて、超電導層は、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_yで形成されている。ｙは６．０以上８．０以下であり、ＲＥは希土類元素を表す。

【0033】

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、永久電流スイッチの冷却構造及び運転制御が簡素化され得る。また、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_yのような酸化物超電導材料で形成されている超電導層を含む超電導線材は、高磁場中でも高い臨界電流密度を有する。そのため、永久電流スイッチは、高い磁場が印加される場所に配置され得る。永久電流スイッチの設置位置に対する制約を少なくすることができる。

【0034】

（１３）本開示の超電導装置は、上記（１）から（１２）のいずれかの永久電流スイッチと、永久電流スイッチに接続されている超電導コイルと、永久電流スイッチと超電導コイルとを収容する容器とを備える。

【0035】

そのため、本開示の超電導装置は、より低い消費電力で動作し得る。
[本開示の実施形態の詳細]
図面に基づいて、実施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。

【0036】

（実施形態１）
図１を参照して、実施形態１の超電導装置１を説明する。超電導装置１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１は、超電導コイル３と、容器５と、永久電流スイッチ８とを備える。超電導コイル３は、超電導装置１による測定に用いられる磁場を発生させる。超電導コイル３は、永久電流スイッチ８に並列に接続されている。容器５は、永久電流スイッチ８と超電導コイル３とを収容している。容器５は、クライオスタットのような断熱容器である。容器５は、液体ヘリウムのような液体冷媒６を含んでいる。液体冷媒６は、超電導コイル３と、永久電流スイッチ８とを冷却している。

【0037】

図２及び図３を参照して、実施形態１の永久電流スイッチ８を説明する。永久電流スイッチ８は、超電導線材１０と、ヒータ２１と、絶縁部材２２と、保持部材３０とを備えている。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とを含んでいる。

【0038】

基材１１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と第３層１１ｃとの間に設けられている。基材１１は、導電性を有している。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。

【0039】

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、基材１１と超電導層１３の第１主面１３ｍとの間に設けられている。中間層１２は、超電導層１３及び保護層１４を、基材１１から離間させている。中間層１２は、例えば、結晶配向層である。中間層１２は、絶縁性を有している。中間層１２は、保護層１４及び超電導層１３を、基材１１から電気的に絶縁している。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）などによって構成されている。

【0040】

超電導層１３は、基材１１上に設けられている。本明細書において、超電導層１３が基材１１上に設けられていることは、超電導層１３が、基材１１上に直接形成されていること、または、基材１１上に形成されている中間層１２上に形成されていることを意味している。超電導層１３は、基材１１に対向する第１主面１３ｍと、第１主面１３ｍとは反対側の第２主面１３ｎとを含んでいる。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である。ｙは、６．０以上８．０以下である。ＲＥは、希土類元素を表し、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。

【0041】

保護層１４は、超電導層１３の第２主面１３ｎ上に設けられている。保護層１４は、超電導層１３に接触している。保護層１４は、基材１１から離間されている。保護層１４は、導電性を有している。保護層１４は、例えば、銀（Ａｇ）のような金属または合金等で形成されている。保護層１４は、超電導層１３にクエンチ（超電導状態から常電導状態に移行する現象）が発生した際に、超電導層１３を流れていた電流をバイパスさせて、超電導線材の焼損を防止する。

【0042】

図７及び図８を参照して、超電導線材１０の製造方法の一例を説明する。超電導線材１０の製造方法は、超電導部材１７を準備する工程（図７を参照）と、超電導部材１７を分割する工程（図８を参照）とを含んでいる。

【0043】

図７に示されるように、超電導部材１７を準備する工程では、超電導部材１７が形成される。超電導部材１７は、超電導線材１０と同様の積層構造を有しているが、超電導部材１７の幅は、超電導線材１０の幅よりも２倍以上広い。具体的には、基材１１上に中間層１２が形成される。中間層１２は、イオンビーム支援蒸着法（ＩＢＡＤ法）などによって形成される。それから、金属有機化合物分解法（ＭＯＤ法）などを用いて、中間層１２上に、超電導層１３が形成される。続いて、蒸着法などを用いて、超電導層１３上に保護層１４が形成される。こうして、超電導部材１７が形成される。

【0044】

図８に示されるように、超電導部材１７を分割する工程では、超電導部材１７の幅方向において、超電導部材１７が複数の超電導線材１０に分割される。超電導部材１７は、例えば、機械加工（機械スリット）、または、レーザ加工（レーザスリット）などによって分割される。こうして、超電導線材１０が得られる。

【0045】

図３に示されるように、ヒータ２１は、超電導層１３に対して、超電導層１３の第２主面１３ｎの側のみに配置されている。ヒータ２１は、超電導層１３に対して、超電導層１３の第１主面１３ｍの側には配置されていない。ヒータ２１は、例えば、電熱層、電熱シート、または、蛇行した電熱線である。電熱層、電熱シートまたは電熱線は、例えば、ニクロムで構成されている。

【0046】

絶縁部材２２は、絶縁性を有している。図３に示されるように、絶縁部材２２は、超電導層１３の第２主面１３ｎとヒータ２１との間に設けられている。絶縁部材２２は、ヒータ２１を流れる電流が超電導層１３に流れ込むことを防止する。特定的には、絶縁部材２２は、保護層１４とヒータ２１との間に設けられている。絶縁部材２２は、ヒータ２１を流れる電流が超電導層１３及び保護層１４に流れ込むことを防止する。特定的には、絶縁部材２２は、超電導線材１０の長手方向に垂直なヒータ２１の断面の全周を覆っている。絶縁部材２２は、例えば、絶縁性接着剤、または、絶縁性粘着テープであり、ヒータ２１を超電導線材１０に貼り付けている。

【0047】

図２に示されるように、超電導線材１０は、例えば、非コイル形状を有している。非コイル形状を有する超電導線材１０の他の例を、図４から図６に示す。図２及び図４から図６に示される超電導線材１０は、超電導線材の湾曲部の径方向において超電導線材１０が重なっていない。そのため、永久電流スイッチ８から発生する磁場の大きさを小さくすることができる。永久電流スイッチ８が、超電導コイル３から発生する主磁場に悪影響を及ぼすことが防止される。永久電流スイッチ８は、超電導装置１による高精度な測定を可能にする。超電導装置１内における永久電流スイッチ８の設置位置に対する制約を少なくすることができる。

【0048】

図２及び図４から図６に示されるように、超電導線材１０の被保持部は、保持部材３０によって保持されている。具体的には、超電導線材１０の被保持部は、例えば、保持部材３０に設けられた溝（図示せず）内に配置されている。あるいは、超電導線材１０の被保持部は、例えば、保持部材３０の内部に埋め込まれている。保持部材３０は、例えば、低い熱伝導率を有する材料で形成されている。保持部材３０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。

【0049】

図２に示されるように、ヒータ２１は、超電導線材１０の被保持部の一部のみに設けられている。例えば、ヒータは、超電導線材１０の長手方向において、超電導線材１０の被保持部の長さの５０％以下の長さにわたって設けられている。例えば、ヒータは、超電導線材１０の長手方向において、超電導線材１０の被保持部の長さの４０％以下の長さにわたって設けられている。例えば、ヒータは、超電導線材１０の長手方向において、超電導線材１０の被保持部の長さの３０％以下の長さにわたって設けられている。例えば、ヒータは、超電導線材１０の長手方向において、超電導線材１０の被保持部の長さの２０％以下の長さにわたって設けられている。

【0050】

図９から図１４を参照して、永久電流スイッチ８の動作を説明する。図１及び図９から図１４に示されるように、永久電流スイッチ８は、超電導コイル３に並列に接続されている。超電導コイル３及び永久電流スイッチ８は、電流源７に接続されている。

【0051】

超電導コイル３及び永久電流スイッチ８を、超電導転移温度以下の温度に冷却する。具体的には、図１に示されるように、超電導コイル３及び永久電流スイッチ８を、液体冷媒６中に浸漬する。ヒータ２１に電流が流れておらず、ヒータ２１はオフ状態にある。永久電流スイッチ８に含まれる超電導層１３は超電導状態に転移する。図９に示されるように、永久電流スイッチ８はゼロの電気抵抗を有する。永久電流スイッチ８は、オン状態になる。超電導コイル３も、超電導状態に転移する。電流源７から流れる電流Ｉは、ゼロである。

【0052】

それから、ヒータ２１に電流を流して、ヒータ２１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する。図１０に示されるように、永久電流スイッチ８の電気抵抗は、ゼロより大きくなり、永久電流スイッチ８は、オフ抵抗Ｒを有する。永久電流スイッチ８は、オフ状態になる。電流源７から流れる電流Ｉは、依然として、ゼロである。

【0053】

それから、図１１に示されるように、電流源７から電流Ｉを流し始める。電流源７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３は、インダクタンスＬを有している。電流源７から流れる電流Ｉを次第に増加させると、超電導コイル３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７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８のオフ抵抗Ｒと超電導コイル３のコイルインピーダンスＺとに応じて、永久電流スイッチ８と超電導コイル３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。

【0054】

図１２に示されるように、電流源７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３に流す運転電流Ｉ₀に達すると、電流源７から流れる電流Ｉを運転電流Ｉ₀に維持する。電流源７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３のコイルインピーダンスＺもゼロになる。これに対し、永久電流スイッチ８は、ゼロより大きいオフ抵抗Ｒを有したままである。そのため、永久電流スイッチ８を流れる電流は次第に減少し、超電導コイル３に流れる電流が次第に増加する。電流源７から流れる運転電流Ｉ₀は、もっぱら超電導コイル３に流れるようになる。こうして、超電導コイル３は、励磁される。

【0055】

ヒータ２１に電流を流すことを停止して、ヒータ２１をオフ状態とする。液体冷媒６は、ヒータ２１の残熱を吸収する。常電導状態にあった超電導線材１０（超電導層１３）の一部は、超電導状態に転移する。図１３に示されるように、永久電流スイッチ８の電気抵抗はゼロになる。永久電流スイッチ８は、オン状態になる。

【0056】

それから、図１３に示されるように、電流源７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。電流源７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８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１４に示されるように、電流源７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８と超電導コイル３とを循環する。こうして、永久電流スイッチ８は、超電導装置１を永久電流モードで動作させることができる。

【0057】

図１５を参照して、比較例の永久電流スイッチと比べながら、本実施形態の永久電流スイッチ８の作用を説明する。比較例の永久電流スイッチは、本実施形態の永久電流スイッチ８と同様の構成を備えているが、ヒータ２１及び絶縁部材２２が超電導層１３の第１主面１３ｍの側に配置されている点で異なっている。具体的には、比較例では、ヒータ２１及び絶縁部材２２は、超電導層１３の第１主面に対向する基材１１の第１表面とは反対側の基材１１の第２表面上に設けられている。比較例では、絶縁部材２２は、基材１１の第２表面とヒータ２１との間に配置されている。

【0058】

図１５から、本実施形態の永久電流スイッチ８は、比較例の永久電流スイッチよりも、低い消費電力で動作していることが分かる。その理由は、以下のとおりである。本実施形態の永久電流スイッチ８では、ヒータ２１は、超電導層１３に対して、超電導層１３の第２主面１３ｎの側のみに配置されている。そのため、本実施形態では、比較例よりも、ヒータ２１で発生した熱のうち基材１１に散逸する熱が減少する。本実施形態の永久電流スイッチ８における超電導層１３は、比較例の永久電流スイッチにおける超電導層１３よりも、ヒータ２１によって効率的に加熱され得る。より少ないヒータ２１の消費電力で、永久電流スイッチ８のオフ抵抗Ｒが増加する。

【0059】

一般に、永久電流スイッチ８のオフ抵抗Ｒが大きいほど、超電導装置１を永久電流モードで動作させるために要する時間が短縮される。そのため、本実施形態の永久電流スイッチ８は、比較例の永久電流スイッチよりも、短時間で超電導装置１を永久電流モードで動作させることができる。

【0060】

本実施形態の永久電流スイッチ８及び超電導装置１の効果を説明する。
永久電流スイッチ８は、超電導線材１０と、ヒータ２１と、絶縁部材２２とを備える。超電導線材１０は、基材１１と、基材１１上に設けられている超電導層１３とを含む。超電導層１３は、基材１１に対向する第１主面１３ｍと、第１主面１３ｍとは反対側の第２主面１３ｎとを含む。ヒータ２１は、超電導層１３に対して超電導層１３の第２主面１３ｎの側のみに配置されている。絶縁部材２２は、超電導層１３の第２主面１３ｎとヒータ２１との間に設けられている。

【0061】

ヒータ２１は、超電導層１３に対して超電導層１３の第２主面１３ｎの側のみに配置されている。ヒータ２１で発生した熱のうち基材１１に散逸する熱が減少する。超電導層１３は、ヒータ２１で効率的に加熱され得る。また、絶縁部材２２は、超電導層１３の第２主面１３ｎとヒータ２１との間に設けられているため、絶縁部材２２は、ヒータ２１を流れる電流が超電導層１３に流れ込むことを防止する。そのため、永久電流スイッチ８を動作させるために必要なヒータ２１の消費電力が低減される。永久電流スイッチ８は、より低い消費電力で動作し得る。

【0062】

超電導装置１は、永久電流スイッチ８と、永久電流スイッチ８に接続されている超電導コイル３と、永久電流スイッチ８と超電導コイル３とを収容する容器５とを備える。そのため、超電導装置１は、より低い消費電力で動作し得る。超電導装置１は、より短い時間で、永久電流モードで動作し得る。

【0063】

（実施形態２）
図１６を参照して、永久電流スイッチ８ｂを説明する。本実施形態の永久電流スイッチ８ｂは、実施形態１の永久電流スイッチ８と同様の構成を備えているが、以下の点で主に異なっている。

【0064】

超電導線材１０は、導電性を有する安定化層１５をさらに含む。安定化層１５は、例えば、銅（Ｃｕ）のような金属または合金等で形成されている。安定化層１５は、保護層１４に接触している。安定化層１５は、例えば、保護層１４よりも大きな厚さを有している。保護層１４は、超電導層１３の第２主面１３ｎと安定化層１５との間に設けられている。安定化層１５は、絶縁部材２２と保護層１４との間に設けられている。絶縁部材２２は、安定化層１５とヒータ２１との間に設けられている。ヒータ２１は、安定化層１５から離間されている。安定化層１５は、例えば、基材１１と中間層１２と超電導層１３と保護層１４とからなる積層体の外周全体を覆っている。安定化層１５は、超電導層１３にクエンチ（超電導状態から常電導状態に移行する現象）が発生した際に、超電導層１３を流れていた電流をバイパスさせて、超電導線材１０の焼損を防止する。

【0065】

図１に示されるように、実施形態２の超電導装置１は、実施形態１の永久電流スイッチ８に代えて、本実施形態の永久電流スイッチ８ｂを備えている。

【0066】

（実施形態３）
図１７から図２０を参照して、永久電流スイッチ８ｃを説明する。本実施形態の永久電流スイッチ８ｃは、実施形態１の永久電流スイッチ８と同様の構成を備えているが、以下の点で主に異なっている。

【0067】

超電導層１３は、超電導線材１０の長手方向に沿って、第１部分１３ａと、第２部分１３ｂと、第１部分１３ａと第２部分１３ｂとの間にある第３部分１３ｃとを含んでいる。保護層１４は、第１部分１３ａ及び第２部分１３ｂ上にのみ設けられている。保護層１４は、第３部分１３ｃ上に形成されておらず、超電導層１３の第３部分１３ｃは、保護層１４から露出している。第１部分１３ａ上に形成されている保護層１４と第２部分１３ｂ上に形成されている保護層１４とは、第３部分１３ｃで、超電導線材１０の長手方向において互いに分離されている。

【0068】

ヒータ２１は、第３部分１３ｃ上にのみ設けられている。絶縁部材２２は、ヒータ２１と第３部分１３ｃとの間に設けられている。ヒータ２１は、第１部分１３ａ及び第２部分１３ｂ上に設けられていない。ヒータ２１は、第１部分１３ａ及び第２部分１３ｂ上に形成されている保護層１４から離間されている。

【0069】

本実施形態の変形例では、実施形態２と同様に、保護層１４上に安定化層１５が設けられている。

【0070】

図１に示されるように、実施形態３の超電導装置１は、実施形態１の永久電流スイッチ８に代えて、本実施形態またはその変形例の永久電流スイッチ８ｃを備えている。

【0071】

本実施形態は、実施形態１の効果に加えて、以下の効果を奏する。
保護層１４は、第１部分１３ａ及び第２部分１３ｂ上にのみ設けられており、第３部分１３ｃ上には設けられていない。そのため、超電導線材１０を流れる電流は、第３部分１３ｃをバイパスすることができない。第３部分１３ｃが、ヒータ２１によって加熱されて、常電導状態になった場合に、超電導線材１０を流れる全ての電流は、高い電気抵抗を有する第３部分１３ｃを流れる。ヒータ２１を用いた超電導層１３の加熱長さまたは加熱面積がより小さくても、永久電流スイッチ８ｃの高いオフ抵抗Ｒを得ることができる。永久電流スイッチ８ｃを動作させるために必要なヒータ２１の消費電力が低減される。永久電流スイッチ８ｃは、より少ない消費電力で動作し得る。

【0072】

ヒータ２１は、保護層１４から露出している第３部分１３ｃ上にのみ設けられており、かつ、保護層１４から離間されている。そのため、ヒータ２１を流れる電流が、保護層１４に流れ込むことが防止される。永久電流スイッチ８ｃを動作させるために必要なヒータの消費電力が低減される。永久電流スイッチ８ｃは、より少ないヒータ２１の消費電力で動作し得る。

【0073】

（実施形態４）
図２１を参照して、永久電流スイッチ８ｄを説明する。本実施形態の永久電流スイッチ８ｄは、実施形態１の永久電流スイッチ８と同様の構成を備えているが、以下の点で主に異なっている。永久電流スイッチ８ｄでは、超電導層１３の第２主面１３ｎの平面視において、超電導層１３の第３側縁１３ｓと保護層１４の第１側縁１４ｓとは、中間層１２の第２側縁１２ｓよりも内側に位置している。

【0074】

超電導部材１７（図７及び図８を参照）の分割の際に、基材１１の側縁または保護層１４の第１側縁１４ｓが変形して、超電導層１３または保護層１４が基材１１に接触することがある。特に、基材１１が相対的に柔らかい銅で構成される層（第２層１１ｂ）を有しており、かつ、超電導部材１７を機械スリットによって分割する場合に、超電導層１３または保護層１４が基材１１に接触することが懸念される。超電導層１３または保護層１４が基材１１に接触すると、ヒータ２１で発生した熱が基材１１に散逸して、永久電流スイッチの消費電力が増加する。

【0075】

これに対し、永久電流スイッチ８ｄでは、超電導層１３の第３側縁１３ｓと保護層１４の第１側縁１４ｓとは、中間層１２の第２側縁１２ｓよりも内側に位置している。そのため、超電導部材１７の機械スリットに際して基材１１または保護層１４が変形しても、超電導層１３及び保護層１４は基材１１に接触せず、基材１１から離間したままである。超電導層１３または保護層１４を経由したヒータ２１から基材１１への熱の散逸を低減させることができる。永久電流スイッチ８ｄは、より低い消費電力で動作し得る。

【0076】

図２２を参照して、本実施形態の第１変形例の永久電流スイッチ８ｅでは、超電導線材１０は、超電導層１３の第２主面１３ｎの平面視において、保護層１４の第１側縁１４ｓは、中間層１２の第２側縁１２ｓよりも内側に位置している。

【0077】

超電導部材１７（図７及び図８を参照）の分割の際に、基材１１の側縁または保護層１４の第１側縁１４ｓが変形して、保護層１４が基材１１に接触することがある。特に、基材１１が相対的に柔らかい銅で構成される層（第２層１１ｂ）を有しており、かつ、超電導部材１７を機械スリットによって分割する場合に、保護層１４が基材１１に接触することが懸念される。保護層１４が基材１１に接触すると、ヒータ２１で発生した熱が基材１１に散逸して、永久電流スイッチの消費電力が増加する。

【0078】

これに対し、永久電流スイッチ８ｅでは、保護層１４の第１側縁１４ｓは、中間層１２の第２側縁１２ｓよりも内側に位置している。そのため、超電導部材１７の機械スリットに際して基材１１または保護層１４が変形しても、保護層１４は基材１１に接触せず、基材１１から離間したままである。保護層１４を経由したヒータ２１から基材１１への熱の散逸を低減させることができる。永久電流スイッチ８ｅは、より低い消費電力で動作し得る。

【0079】

本実施形態の第２変形例では、実施形態２の超電導線材１０または実施形態３の超電導線材１０において、本実施形態の永久電流スイッチ８ｄのように、超電導層１３の第３側縁１３ｓと保護層１４の第１側縁１４ｓとは、中間層１２の第２側縁１２ｓよりも内側に位置している。本実施形態の第３変形例では、実施形態２の超電導線材１０または実施形態３の超電導線材１０において、本実施形態の第１変形例の永久電流スイッチ８ｅのように、保護層１４の第１側縁１４ｓは、中間層１２の第２側縁１２ｓよりも内側に位置している。

【0080】

図１に示されるように、実施形態４の超電導装置１は、実施形態１の永久電流スイッチ８に代えて、本実施形態及び本実施形態の第１から第３変形例の永久電流スイッチ８ｄ，８ｅのいずれかを備えている。

【0081】

今回開示された実施形態１から実施形態４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形態１から実施形態４ではなく請求の範囲によって示され、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】

【0082】

１ 超電導装置、３ 超電導コイル、５ 容器、６ 液体冷媒、７ 電流源、８，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ 永久電流スイッチ、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、１２ｓ 第２側縁、１３ 超電導層、１３ａ 第１部分、１３ｂ 第２部分、１３ｃ 第３部分、１３ｍ 第１主面、１３ｎ 第２主面、１３ｓ 第３側縁、１４ 保護層、１４ｓ 第１側縁、１５ 安定化層、１７ 超電導部材、２１ ヒータ、２２ 絶縁部材、３０ 保持部材。

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】