特許 7573914 直流磁場用超電導コイル電源装置

(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】2024-10-18

(45)【発行日】2024-10-28

(54)【発明の名称】直流磁場用超電導コイル電源装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/00 20060101AFI20241021BHJP

   H01F 6/06 20060101ALI20241021BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20241021BHJP

【ＦＩ】

H01F6/00 180

H01F6/06 130

H01F6/06 510

H02M3/155 W

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2023523952

(86)(22)【出願日】2021-11-30

(86)【国際出願番号】 JP2021043991

(87)【国際公開番号】W WO2022249514

(87)【国際公開日】2022-12-01

【審査請求日】2023-10-26

(31)【優先権主張番号】P 2021090691

(32)【優先日】2021-05-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000133939

【氏名又は名称】テラル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(72)【発明者】

【氏名】河島 裕

(72)【発明者】

【氏名】杉本 志郎

(72)【発明者】

【氏名】伊東 徹也

【審査官】五貫 昭一

(56)【参考文献】

【文献】中国実用新案第２０１３０２８９３（ＣＮ，Ｙ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ６／００

Ｈ０１Ｆ ６／０６

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超電導コイルと、
直流電圧を供給可能な電源装置と、
前記電源装置の一端と前記超電導コイルの一端との間に並列に接続された複数のチョッパ回路と、
前記チョッパ回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記超電導コイルを充電する際、前記複数のチョッパ回路を時分割で動作させ、
前記チョッパ回路は、
前記電源装置の一端と前記超電導コイルの一端とを直列に接続する、第１スイッチ及びインダクタと、
前記第１スイッチと前記インダクタとの間のノードと、グランドとを接続する第２スイッチと、を備え、
前記グランドは、前記電源装置の他端と前記超電導コイルの他端とを接続するノードである、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項2】

請求項１に記載の直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記制御部は、１周期の間に前記各チョッパ回路を１回ずつ動作させる、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチは、ＭＯＳＦＥＴである、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記制御部は、前記チョッパ回路を動作させる際のデューティ比を調整可能である、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項5】

超電導コイルと、
直流電圧を供給可能な電源装置と、
前記電源装置の一端と前記超電導コイルの一端との間に並列に接続された複数のチョッパ回路と、
前記チョッパ回路を制御する制御部と、
前記超電導コイルの両端を短絡可能な低抵抗スイッチと、を備え、
前記制御部は、前記超電導コイルを充電する際、前記複数のチョッパ回路を時分割で動作させ、
前記制御部は、前記超電導コイルに流れる電流が所定の閾値以上になると、前記低抵抗スイッチをオンに制御して前記超電導コイルの両端を短絡させる、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項6】

請求項５に記載の直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記低抵抗スイッチは、ＭＯＳＦＥＴとダイオードの並列回路が複数並列に接続された構成である、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項7】

超電導コイルと、
直流電圧を供給可能な電源装置と、
前記電源装置の一端と前記超電導コイルの一端との間に並列に接続された複数のチョッパ回路と、
前記チョッパ回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記超電導コイルを充電する際、前記複数のチョッパ回路を時分割で動作させ、
前記超電導コイル及び前記複数のチョッパ回路は、冷却容器の内部に設置されており、
前記冷却容器は、第１領域と、前記第１領域よりも冷却温度の設定が低い第２領域を有し、
前記チョッパ回路は、前記第１領域に設置され、
前記超電導コイルは、前記第２領域に設置されている、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記電源装置の２つの出力端子にそれぞれ接続される２つの第１リードをさらに備える、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項9】

請求項１から４のいずれか一項に記載の直流磁場用超電導コイル電源装置において、
並列に接続された複数の前記超電導コイルを備え、
前記直流磁場用超電導コイル電源装置は、
前記複数の超電導コイルの各々の超電導コイルと、前記複数のチョッパ回路との間に接続された、複数の選択スイッチと、
前記複数のチョッパ回路と前記複数の選択スイッチとの間のノードと、前記グランドとを接続する還流ダイオードと、をさらに備える、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項10】

請求項９に記載の直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記還流ダイオードと並列に接続された第３スイッチをさらに備える、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項11】

請求項１から４のいずれか一項に記載の直流磁場用超電導コイル電源装置において、
並列に接続された複数の前記超電導コイルを備え、
前記直流磁場用超電導コイル電源装置は、前記複数の超電導コイルの各々の超電導コイルと、前記複数のチョッパ回路との間に接続された、複数の選択スイッチをさらに備え、
前記チョッパ回路は、前記インダクタと並列に接続された還流ダイオードをさらに備える、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項12】

請求項１１に記載の直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記還流ダイオードと並列に接続された第４スイッチをさらに備える、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【請求項13】

請求項９から１２のいずれか一項に記載の直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記複数の超電導コイルの各々の超電導コイルの一端と、前記直流磁場用超電導コイル電源装置の外部に設けられた負荷の一端とを接続する複数の電流ブロックダイオードと、
前記複数の超電導コイルの各々の超電導コイルの他端と、前記負荷の他端とを接続する複数の第５スイッチと、をさらに備える、直流磁場用超電導コイル電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、直流磁場用超電導コイル電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超電導コイルを用いた直流磁場発生装置が知られている。超電導コイルを用いた直流磁場発生装置によって高磁場を発生させるためには、超電導コイルに大電流を流す必要がある。

【0003】

超電導コイルに大電流を流す技術として、超電導コイルに流す電流を徐々に増やして超電導コイルを充電し、超電導コイルに大電流を流す技術が知られている。

【0004】

例えば特許文献１は、電流を供給可能な励磁トランスと超電導マグネットとの間に設置されているスイッチのオン／オフを繰り返すことで、超電導マグネットに流す電流を徐々に増やす技術を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２０１１／０７４０９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

超電導コイルを充電する際、通常、電源装置からリードを介して超電導コイルに電流を供給する。この際、大電流を供給する必要があるため、電源装置及びリードは大電流に対応可能とする必要があるが、大電流に対応可能な電源装置及びリードはコストが高い。

【0007】

本開示の目的は、超電導コイルを用いた直流磁場発生装置に用いられる直流磁場用超電導コイル電源装置を低コストで実現することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置は、
超電導コイルと、
直流電圧を供給可能な電源装置と、
前記電源装置の一端と前記超電導コイルの一端との間に並列に接続された複数のチョッパ回路と、
前記チョッパ回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記超電導コイルを充電する際、前記複数のチョッパ回路を時分割で動作させる。

【0009】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記制御部は、１周期の間に前記各チョッパ回路を１回ずつ動作させてもよい。

【0010】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記チョッパ回路は、
前記電源装置の一端と前記超電導コイルの一端とを直列に接続する、第１スイッチ及びインダクタと、
前記第１スイッチと前記インダクタとの間のノードと、グランドとを接続する第２スイッチと、を備え、
前記グランドは、前記電源装置の他端と前記超電導コイルの他端とを接続するノードであってもよい。

【0011】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチは、ＭＯＳＦＥＴであってもよい。

【0012】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記制御部は、前記チョッパ回路を動作させる際のデューティ比を調整可能であってもよい。

【0013】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記超電導コイルの両端を短絡可能な低抵抗スイッチをさらに備え、
前記制御部は、前記超電導コイルに流れる電流が所定の閾値以上になると、前記低抵抗スイッチをオンに制御して前記超電導コイルの両端を短絡させてもよい。

【0014】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記低抵抗スイッチは、ＭＯＳＦＥＴとダイオードの並列回路が複数並列に接続された構成であってもよい。

【0015】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記超電導コイル及び前記複数のチョッパ回路は、冷却容器の内部に設置されていてもよい。

【0016】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記冷却容器は、第１領域と、前記第１領域よりも冷却温度の設定が低い第２領域を有し、
前記チョッパ回路は、前記第１領域に設置され、
前記超電導コイルは、前記第２領域に設置されていてもよい。

【0017】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記電源装置の２つの出力端子にそれぞれ接続される２つの第１リードをさらに備えてもよい。

【0018】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
並列に接続された複数の前記超電導コイルを備え、
前記直流磁場用超電導コイル電源装置は、
前記複数の超電導コイルの各々の超電導コイルと、前記複数のチョッパ回路との間に接続された、複数の選択スイッチと、
前記複数のチョッパ回路と前記複数の選択スイッチとの間のノードと、前記グランドとを接続する還流ダイオードと、をさらに備えてもよい。

【0019】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記還流ダイオードと並列に接続された第３スイッチをさらに備えてもよい。

【0020】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
並列に接続された複数の前記超電導コイルを備え、
前記直流磁場用超電導コイル電源装置は、前記複数の超電導コイルの各々の超電導コイルと、前記複数のチョッパ回路との間に接続された、複数の選択スイッチをさらに備え、
前記チョッパ回路は、前記インダクタと並列に接続された還流ダイオードをさらに備えてもよい。

【0021】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記還流ダイオードと並列に接続された第４スイッチをさらに備えてもよい。

【0022】

本開示に係る直流磁場用超電導コイル電源装置において、
前記複数の超電導コイルの各々の超電導コイルの一端と、前記直流磁場用超電導コイル電源装置の外部に設けられた負荷の一端とを接続する複数の電流ブロックダイオードと、
前記複数の超電導コイルの各々の超電導コイルの他端と、前記負荷の他端とを接続する複数の第５スイッチと、をさらに備えてもよい。

【発明の効果】

【0023】

本開示によれば、超電導コイルを用いた直流磁場用超電導コイル電源装置を低コストで実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本開示の一実施形態に係る直流磁場用超電導コイル電源装置の構成を示す図である。

【図2】チョッパ回路の構成の一例を示す図である。

【図3】低抵抗スイッチの構成の一例を示す図である。

【図4】チョッパ回路のスイッチのオン／オフのタイミングの一例を示すタイミングチャートである。

【図5】本開示の一実施形態に係る直流磁場用超電導コイル電源装置の動作の一例を示すフローチャートである。

【図6】冷却容器が第１領域及び第２領域を有する構成の一例を示す図である。

【図7】本開示の第１の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置の構成を示す図である。

【図8】本開示の第２の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置の構成を示す図である。

【図9】本開示の第３の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置の構成を示す図である。

【図10】本開示の第４の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置の構成を示す図である。

【図11】本開示の第５の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。

【0026】

図１は、本開示の一実施形態に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１の構成を示す図である。

【0027】

直流磁場用超電導コイル電源装置１は、電源装置１１と、第１リード１２－１～１２－２と、チョッパ回路１３－１～１３－８と、低抵抗スイッチ１４と、電流センサ１５と、第２リード１６－１～１６－２と、超電導コイル１７と、制御部１８とを備える。

【0028】

以後、第１リード１２－１～１２－２については、特に区別する必要がない場合、単に「第１リード１２」と称して説明する場合がある。

【0029】

以後、チョッパ回路１３－１～１３－８については、特に区別する必要がない場合、単に「チョッパ回路１３」と称して説明する場合がある。

【0030】

以後、第２リード１６－１～１６－２については、特に区別する必要がない場合、単に「第２リード１６」と称して説明する場合がある。

【0031】

第１リード１２、チョッパ回路１３、低抵抗スイッチ１４、電流センサ１５、第２リード１６、超電導コイル１７及び制御部１８は、冷却容器５の内部に設置されている。

【0032】

冷却容器５は、内部を低温に冷却することが可能な装置である。例えば、冷却容器５は、内部を２０Ｋ程度まで冷却することが可能である。

【0033】

電源装置１１は、直流電圧を供給可能な装置である。電源装置１１は、例えば、商用電源などから供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換器を備えていてよい。電源装置１１が供給する直流電圧は、例えば６Ｖ程度であってよい。

【0034】

電源装置１１の２つの出力端子には、第１リード１２－１及び第１リード１２－２が接続されている。電源装置１１の一方の出力端子は、第１リード１２－１を介して、複数のチョッパ回路１３－１～１３－８に接続されている。電源装置１１の他方の出力端子は、第１リード１２－２を介して、低抵抗スイッチ１４及び第２リード１６－２に接続されている。また、第２リード１６－２及び低抵抗スイッチ１４は各チョッパ回路１３のグランドに接続されている。

【0035】

第１リード１２は、電流を流すことが可能な導体である。第１リード１２は、例えば、常電導の電流リードであってよい。

【0036】

複数のチョッパ回路１３－１～１３－８は、電源装置１１の一端と、超電導コイル１７の一端との間に並列に接続されている。なお、本実施形態において、「接続されている」との用語は、直接接続されていることだけでなく、間接的に接続されていることも意味する。

【0037】

並列に接続された複数のチョッパ回路１３－１～１３－８の一方は、第１リード１２－１を介して、電源装置１１の一端と接続されている。また、並列に接続された複数のチョッパ回路１３－１～１３－８の他方は、電流センサ１５及び第２リード１６－１を介して、超電導コイル１７の一端と接続されている。また、各チョッパ回路１３のグランドは、低抵抗スイッチ１４と接続され、第２リード１６－２を介して超電導コイル１７の他端と接続されている。

【0038】

本実施形態においては、８つのチョッパ回路１３－１～１３－８が並列に接続される構成を例に挙げて説明するが、並列に接続されるチョッパ回路１３の個数は、８つに限定されない。並列に接続されるチョッパ回路１３の個数は、２つ以上の任意の個数であってよい。

【0039】

チョッパ回路１３－１は、第１スイッチＳＡ１と、第２スイッチＳＢ１と、インダクタＬ１とを備える。同様に、チョッパ回路１３－２は、第１スイッチＳＡ２と、第２スイッチＳＢ２と、インダクタＬ２とを備える。同様に、チョッパ回路１３－８は、第１スイッチＳＡ８と、第２スイッチＳＢ８と、インダクタＬ８とを備える。図１においては、チョッパ回路１３－３～１３－７の図示は省略している。

【0040】

チョッパ回路１３－１～１３－８は同じ構成であるため、チョッパ回路１３－１を例に挙げて説明する。

【0041】

チョッパ回路１３－１の第１スイッチＳＡ１及びインダクタＬ１は、電源装置１１の一端と超電導コイル１７の一端とを直列に接続する。第２スイッチＳＢ１は、第１スイッチＳＡ１とインダクタＬ１との間のノードと、グランドとを接続する。

【0042】

チョッパ回路１３－１は、第１スイッチＳＡ１がオンで第２スイッチＳＢ１がオフであるときに、電源装置１１から供給される電流によって、超電導コイル１７及びインダクタＬ１を充電する。チョッパ回路１３－１は、第１スイッチＳＡ１がオフで第２スイッチＳＢ１がオンであるときに、インダクタＬ１が放電して、超電導コイル１７に電流を供給する。

【0043】

チョッパ回路１３－１の第１スイッチＳＡ１及び第２スイッチＳＢ１は、制御部１８によって制御される。

【0044】

図２に、チョッパ回路１３－１の回路構成の一例を示す。第１スイッチＳＡ１及び第２スイッチＳＢ１は、図２に示すように、ＭＯＳＦＥＴであってよい。第１スイッチＳＡ１は、ＮチャネルのＭＯＳＦＥＴであってよい。第２スイッチＳＢ１は、ＮチャネルのＭＯＳＦＥＴであってよい。

【0045】

第１スイッチＳＡ１及び第２スイッチＳＢ１がＭＯＳＦＥＴである場合、ＭＯＳＦＥＴのゲートが制御部１８によって制御される。

【0046】

第１スイッチＳＡ１及び第２スイッチＳＢ１をＭＯＳＦＥＴとすることにより、第１スイッチＳＡ１及び第２スイッチＳＢ１の動作速度を速くすることができる。また、第１スイッチＳＡ１及び第２スイッチＳＢ１をＭＯＳＦＥＴとすると、ＭＯＳＦＥＴはオン抵抗が小さいため、第１スイッチＳＡ１及び第２スイッチＳＢ１の通電損失を低減することができる。

【0047】

チョッパ回路１３－１は冷却容器５の内部に設置されているため、第１スイッチＳＡ１及び第２スイッチＳＢ１のオン抵抗は、常温に設置されている場合に比べて小さくなる。また、チョッパ回路１３－１は冷却容器５の内部に設置されているため、インダクタＬ１の直列抵抗値は、常温に設置されている場合に比べて小さくなる。

【0048】

低抵抗スイッチ１４は、超電導コイル１７の両端を短絡可能なスイッチである。低抵抗スイッチ１４の一端は、電流センサ１５及び第２リード１６－１を介して、超電導コイル１７の一端に接続される。低抵抗スイッチ１４の他端は、第２リード１６－２を介して、超電導コイル１７の他端に接続される。

【0049】

なお、低抵抗スイッチ１４が超電導コイル１７の両端を短絡するとは、完全に短絡することを意味するのではなく、低抵抗スイッチ１４が所定の抵抗値以下の抵抗値で超電導コイル１７の両端を接続することを意味する。所定の抵抗値は、例えば、０．０１～０．１ｍΩ程度であってよい。

【0050】

低抵抗スイッチ１４のオン／オフは、制御部１８によって制御される。超電導コイル１７が充電されている間、低抵抗スイッチ１４はオフとなっている。すなわち、超電導コイル１７が充電されている間、低抵抗スイッチ１４は、超電導コイル１７の両端を短絡しない。超電導コイル１７の充電が完了すると、低抵抗スイッチ１４はオンとなる。すなわち、超電導コイル１７の充電が完了すると、低抵抗スイッチ１４は、超電導コイル１７の両端を短絡する。

【0051】

超電導コイル１７の充電が完了し、低抵抗スイッチ１４がオンすると、低抵抗スイッチ１４、電流センサ１５、第２リード１６－１、超電導コイル１７及び第２リード１６－２を接続する閉ループに電流が流れる。この状態において、超電導コイル１７は、所望の直流磁場を発生することができる。

【0052】

図３に、低抵抗スイッチ１４の回路構成の一例を示す。低抵抗スイッチ１４は、ＭＯＳＦＥＴ１４１とダイオード１４２の並列回路が複数並列に接続された構成であってよい。低抵抗スイッチ１４は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ１４１とダイオード１４２の並列回路が１０個並列に接続された構成であってよい。なお、ＭＯＳＦＥＴ１４１は、スイッチとして機能することが可能であれば、ＭＯＳＦＥＴ以外の他の種類の回路素子であってもよい。

【0053】

低抵抗スイッチ１４は冷却容器５の内部に設置されているため、ＭＯＳＦＥＴ１４１のオン抵抗は、常温に設置されている場合に比べて小さい。

【0054】

このように、低抵抗スイッチ１４が低損失のＭＯＳＦＥＴ１４１を含む構成とすることにより、超電導コイル１７に閉ループで電流を流している際の損失を低減することができる。

【0055】

電流センサ１５は、超電導コイル１７に流れる電流を検出する。電流センサ１５は、例えば、ＣＴ（Current Transformer）であってよい。

【0056】

第２リード１６は、電流を流すことが可能な導体である。第２リード１６は、例えば、超電導の電流リードであってよい。超電導の電流リードは抵抗値が低く断熱性が高いため、超電導コイル１７に熱が伝わることを抑制することができる。

【0057】

超電導コイル１７は、高温超電導線材によって形成されたコイルを含んでよい。超電導コイル１７は、例えば、コイル形状の高温超電導線材の間に比較的抵抗の高い常電導材料の金属テープを挟み込んだ、無絶縁コイルであってよい。超電導コイル１７を無絶縁コイルとすると、超電導コイル１７の機械的な特性の劣化を防止することができる。また、超電導コイル１７を無絶縁コイルとすると、超電導コイル１７の熱暴走を抑制し安定性を向上させることができる。

【0058】

制御部１８は、チョッパ回路１３の動作を制御する。制御部１８は、第１スイッチＳＡ１～ＳＡ８及び第２スイッチＳＢ１～ＳＢ８を制御することによって、チョッパ回路１３－１～チョッパ回路１３－８の動作を制御する。

【0059】

制御部１８は、超電導コイル１７を充電する際、複数のチョッパ回路１３－１～１３－８を時分割で動作させる。制御部１８による複数のチョッパ回路１３－１～１３－８の制御の詳細については後述する。

【0060】

制御部１８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサを含まず、ロジックＩＣを含む構成であってよい。あるいは、制御部１８は、ＣＰＵのようなプロセッサを含む構成であってもよい。

【0061】

制御部１８がＣＰＵのようなプロセッサを含まない構成とすると、制御部１８の信頼性を向上させることができる。あるいは、制御部１８がＣＰＵのようなプロセッサを含む構成とすると、制御部１８は、高度な処理をすることが可能となる。

【0062】

続いて、直流磁場用超電導コイル電源装置１が超電導コイル１７を充電する動作について詳細に説明する。

【0063】

超電導コイル１７の充電を開始する際、制御部１８は、低抵抗スイッチ１４をオフに制御する。

【0064】

続いて、制御部１８は、複数のチョッパ回路１３を時分割で動作させて、超電導コイル１７を充電する。

【0065】

複数のチョッパ回路１３を時分割で動作させるとは、１周期の時間をチョッパ回路１３の個数で分割し、分割した各時間において１つのチョッパ回路１３を動作させることを意味する。すなわち、制御部１８は、１周期の間に各チョッパ回路１３を１回ずつ動作させる。

【0066】

図１に示す例においては、チョッパ回路１３の個数は８個である。チョッパ回路１３の個数が８個である場合の制御部１８によるチョッパ回路１３－１～１３－８の制御について、図４に示すタイミングチャートを参照して説明する。

【0067】

制御部１８は、１周期の時間を８分割し、図４に示す例では、１／８周期分の時間ごとに、各チョッパ回路１３を順番に動作させる。１周期は、ｔ１～ｔ１７までの時間である。制御部１８は、ｔ１～ｔ３の時間にチョッパ回路１３－１を動作させる。制御部１８は、ｔ３～ｔ５の時間にチョッパ回路１３－２を動作させる。制御部１８は、ｔ１５～ｔ１７の時間にチョッパ回路１３－８を動作させる。なお、図４に示すタイミングチャートにおいて、チョッパ回路１３－３～１３－７の制御については省略している。

【0068】

制御部１８は、ｔ１～ｔ２において、チョッパ回路１３－１の第１スイッチＳＡ１をオンに制御し、第２スイッチＳＢ１をオフに制御する。この際、制御部１８は、その他のチョッパ回路１３－２～１３－８の第１スイッチＳＡ２～ＳＡ８はオフに制御し、第２スイッチＳＢ２～ＳＢ８はオンに制御している。

【0069】

この制御により、ｔ１～ｔ２において、電源装置１１から供給される電流によって、チョッパ回路１３－１のインダクタＬ１及び超電導コイル１７が充電される。

【0070】

続いて、制御部１８は、ｔ２～ｔ３において、チョッパ回路１３－１の第１スイッチＳＡ１をオフに制御し、第２スイッチＳＢ１をオンに制御する。この際、制御部１８は、その他のチョッパ回路１３－２～１３－８の第１スイッチＳＡ２～ＳＡ８はオフに制御し、第２スイッチＳＢ２～ＳＢ８はオンに制御している。

【0071】

この制御により、ｔ１～ｔ２において充電されたインダクタＬ１が放電され、インダクタＬ１から超電導コイル１７に電流が供給される。

【0072】

続いて、制御部１８は、ｔ３～ｔ４において、チョッパ回路１３－２の第１スイッチＳＡ２をオンに制御し、第２スイッチＳＢ２をオフに制御する。この際、制御部１８は、その他のチョッパ回路１３－１及び１３－３～１３－８の第１スイッチＳＡ１及びＳＡ３～ＳＡ８はオフに制御し、第２スイッチＳＢ１及びＳＢ３～ＳＢ８はオンに制御している。

【0073】

この制御により、ｔ３～ｔ４において、電源装置１１から供給される電流によって、チョッパ回路１３－２のインダクタＬ２及び超電導コイル１７が充電される。

【0074】

続いて、制御部１８は、ｔ４～ｔ５において、チョッパ回路１３－２の第１スイッチＳＡ２をオフに制御し、第２スイッチＳＢ２をオンに制御する。この際、制御部１８は、その他のチョッパ回路１３－１及び１３－３～１３－８の第１スイッチＳＡ１及びＳＡ３～ＳＡ８はオフに制御し、第２スイッチＳＢ１及びＳＢ３～ＳＢ８はオンに制御している。

【0075】

この制御により、ｔ３～ｔ４において充電されたインダクタＬ２が放電され、インダクタＬ２から超電導コイル１７に電流が供給される。

【0076】

制御部１８は、このような処理を、チョッパ回路１３－３～１３－８に対して順次繰り返す。チョッパ回路１３－８の動作が終了すると、すなわち、図４に示すｔ１７まで達すると、制御部１８は、チョッパ回路１３－１を動作させる処理に戻り、同様の処理を繰り返す。

【0077】

このようにして、制御部１８は、図４のｔ１～ｔ１７に示す処理を繰り返して超電導コイル１７を充電する。

【0078】

制御部１８は、超電導コイル１７を充電している間、超電導コイル１７に流れる電流の値を、超電導コイル１７の電流を検出している電流センサ１５から取得している。制御部１８は、超電導コイル１７に流れる電流が所定の閾値以上になったと判定すると、超電導コイル１７の充電処理を終了する。また、制御部１８は、超電導コイル１７に流れる電流が所定の閾値以上になったと判定すると、低抵抗スイッチ１４をオンに制御して、超電導コイル１７の両端を短絡させる。

【0079】

所定の閾値は、所定の直流磁場を発生するために超電導コイル１７に流すことが必要な電流の値であってよい。所定の閾値は、例えば３００Ａ程度であってよい。

【0080】

低抵抗スイッチ１４がオンすると、低抵抗スイッチ１４、電流センサ１５、第２リード１６－１、超電導コイル１７及び第２リード１６－２を接続する閉ループに電流が流れる。この状態において、超電導コイル１７は、所望の直流磁場を発生する。

【0081】

本実施形態に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１は、このように、並列に接続された８個のチョッパ回路１３によって、超電導コイル１７を充電する。そのため、超電導コイル１７に３００Ａの電流が流れるように超電導コイル１７を充電する場合、１つのチョッパ回路１３に流れる電流の平均は、３００Ａ／８＝３７．５Ａである。

【0082】

チョッパ回路１３－１～１３－８は時分割で動作するため、電源装置１１は、平均で３７．５Ａ程度の電流を供給することが可能であればよい。したがって、電源装置１１は、３００Ａを供給可能な電源装置に比べて低コストの電源装置とすることができる。

【0083】

また、第１リード１２も、超電導コイル１７に３００Ａの電流が流れるように超電導コイル１７を充電する場合、平均で３７．５Ａ程度の電流を流せればよい。したがって、第１リード１２は、３００Ａを流すことが可能な電流リードに比べて断面積を小型化することが可能となる。第１リード１２の断面積を小型化することによって、冷却容器５の外部から第１リード１２を介して冷却容器５の内部へ侵入する熱量を低減することができる。

【0084】

また、チョッパ回路１３も、１つのチョッパ回路１３は、平均で３７．５Ａ程度の電流を流せればよい。したがって、チョッパ回路１３は、３００Ａを流すことが可能なチョッパ回路に比べて小型化することが可能となる。これにより、チョッパ回路１３を冷却容器５の内部に設置することが容易になる。

【0085】

制御部１８は、超電導コイル１７の充電処理を終了すると、チョッパ回路１３－１～１３－８の第１スイッチＳＡ１～ＳＡ８及び第２スイッチＳＢ１～ＳＢ８をオフに制御してよい。

【0086】

あるいは、制御部１８は、超電導コイル１７の充電処理を終了すると、チョッパ回路１３－１～１３－８の第１スイッチＳＡ１～ＳＡ８はオフに制御し、チョッパ回路１３－１～１３－８の第２スイッチＳＢ１～ＳＢ８はオンに制御してもよい。

【0087】

チョッパ回路１３－１～１３－８の第２スイッチＳＢ１～ＳＢ８をオンに制御すると、インダクタＬ１と第２スイッチＳＢ１の直列構成、インダクタＬ２と第２スイッチＳＢ２の直列構成、・・・インダクタＬ８と第２スイッチＳＢ８の直列構成が並列に低抵抗スイッチ１４に接続された構成となり、低抵抗スイッチ１４がオンしているときの低抵抗スイッチ１４の両端の抵抗値をさらに低減することができる。例えばインダクタＬ１～Ｌ８が超電導コイル化されている場合などのように、インダクタＬ１～Ｌ８と第２スイッチＳＢ１～ＳＢ８がオン状態での直並列構成の抵抗値が小さい場合は、低抵抗スイッチ１４を省略してもよい。

【0088】

制御部１８は、チョッパ回路１３を動作させる際、デューティ比を調整可能である。チョッパ回路１３－１を例に挙げて説明すると、デューティ比は、チョッパ回路１３－１が動作している時間における、第１スイッチＳＡ１がオンとなっている時間の比率である。すなわち、図４において、チョッパ回路１３－１が動作している時間であるｔ１からｔ３までの時間をＴＡ、第１スイッチＳＡ１がオンしている時間であるｔ１からｔ２までの時間をＴＢとすると、デューティ比は、ＴＢ／ＴＡで表される。

【0089】

制御部１８は、デューティ比を調整することで、超電導コイル１７に対する充電能力を調整することができる。制御部１８は、例えば、１００％に近いデューティ比とすることにより、超電導コイル１７への充電能力を最大にすることができる。

【0090】

図５に示すフローチャートを参照して、直流磁場用超電導コイル電源装置１の動作について説明する。

【0091】

超電導コイル１７の充電を開始すると、制御部１８は、低抵抗スイッチ１４をオフに制御する。また、制御部１８は、図４に示したタイミングチャートのように、チョッパ回路１３－１～１３－８の第１スイッチＳＡ１～ＳＡ８及び第２スイッチＳＢ１～ＳＢ８を制御する（ステップＳ１０１）。

【0092】

制御部１８は、超電導コイル１７を充電している間、電流センサ１５が検出した超電導コイル１７に流れている電流の値を、電流センサ１５から取得している（ステップＳ１０２）。

【0093】

制御部１８は、超電導コイル１７に流れている電流が所定の閾値以上であるか判定する（ステップＳ１０３）。

【0094】

超電導コイル１７に流れている電流が所定の閾値未満である場合（ステップＳ１０３のＮｏ）、制御部１８は、ステップＳ１０２に戻る。

【0095】

超電導コイル１７に流れている電流が所定の閾値以上である場合（ステップＳ１０３のＹｅｓ）、制御部１８は、低抵抗スイッチ１４をオンに切り替える制御をする（ステップＳ１０４）。また、制御部１８は、チョッパ回路１３－１～１３－８による超電導コイル１７の充電動作を停止する。

【0096】

＜超電導コイルの端子電圧の抑制回路＞
直流磁場用超電導コイル電源装置１は、充電時に超電導コイル１７の端子間に高電圧がかかることを抑制する回路をさらに備えていてもよい。

【0097】

直流磁場用超電導コイル電源装置１は、超電導コイル１７の端子間に高電圧がかかることを抑制する回路として、例えば、超電導コイル１７と並列に接続された抵抗を備えていてもよい。あるいは、直流磁場用超電導コイル電源装置１は、超電導コイル１７の端子間に高電圧がかかることを抑制する回路として、例えば、超電導コイル１７と並列に接続されたダイオードを備えていてもよい。

【0098】

あるいは、直流磁場用超電導コイル電源装置１は、低抵抗スイッチ１４が図３に示すようなＭＯＳＦＥＴ１４１を含む構成である場合、低抵抗スイッチ１４に含まれるＭＯＳＦＥＴ１４１を、超電導コイル１７と並列に接続された抵抗として機能させてもよい。例えば、制御部１８は、超電導コイル１７の充電時に、低抵抗スイッチ１４に含まれるＭＯＳＦＥＴ１４１のゲートに、ＭＯＳＦＥＴ１４１をオンさせるときよりも低い電圧を印加して、ＭＯＳＦＥＴ１４１のドレイン－ソース間の抵抗値を所望の抵抗値とし、ＭＯＳＦＥＴ１４１を、超電導コイル１７と並列に接続された抵抗として機能させてもよい。

【0099】

あるいは、直流磁場用超電導コイル電源装置１は、低抵抗スイッチ１４が図３に示すようなＭＯＳＦＥＴ１４１を含む構成である場合、低抵抗スイッチ１４に含まれる複数のＭＯＳＦＥＴ１４１のうちの一部を逆向きの接続とし、逆向きに接続したＭＯＳＦＥＴ１４１を超電導コイル１７と並列に接続されたダイオードとして機能させてもよい。

【0100】

＜冷却容器の２段階冷却＞
冷却容器５は、冷却温度の設定が異なる２つの領域を有していてもよい。例えば、冷却容器５は、図６に示すように、冷却温度の設定が異なる第１領域及び第２領域を有してよい。この際、第２領域の方が第１領域よりも冷却温度の設定が低くてよい。例えば、第１領域の冷却温度の設定が４５Ｋ程度であり、第２領域の温度設定が２０Ｋ程度であってもよい。

【0101】

第２領域の方が第１領域よりも冷却温度の設定が低い場合、チョッパ回路１３は、第１領域に設置されてよい。また、超電導コイル１７は、第２領域に設置されてよい。

【0102】

このように、冷却温度の設定を２つに分けることで、超電導コイル１７の冷却のために必要な極低温の温度まで他の回路を冷却する必要がなくなるため、冷却容器５の冷却負荷を低減することができる。

【0103】

上述のように、本実施形態に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１は、電源装置１１の一端と超電導コイル１７の一端との間に並列に接続された複数のチョッパ回路１３と、チョッパ回路１３を制御する制御部１８と、を備える。そして、制御部１８は、超電導コイル１７を充電する際、複数のチョッパ回路１３を時分割で動作させる。このように、複数のチョッパ回路１３を時分割で動作させて超電導コイル１７を充電することにより、電源装置１１が供給する必要がある最大の電流を低減することができる。例えば、複数のチョッパ回路１３の個数がＮ個である場合、電源装置１１が供給する必要がある平均電流を１／Ｎ程度に低減することができる。これにより、電源装置１１を低コストの電源装置とすることができる。また、電源装置１１が供給する電流が低減されることにより、電源装置１１と超電導コイル１７とを接続する第１リード１２を小型化することができるため、第１リード１２を低コストの電流リードとすることができる。したがって、本実施形態に係る構成によれば、超電導コイル１７を用いた直流磁場用超電導コイル電源装置１を低コストで実現することができる。

【0104】

＜複数の超電導コイル＞
図１においては、直流磁場用超電導コイル電源装置１が１つの超電導コイル１７を備える構成を説明した。以下、他の実施形態として、直流磁場用超電導コイル電源装置が、複数の超電導コイル１７を備える場合について説明する。直流磁場用超電導コイル電源装置が複数の超電導コイル１７を備える構成として、第１の構成例～第５の構成例を、図７～図１１を参照して説明する。

【0105】

（第１の構成例）
図７は、本開示の第１の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ａの構成を示す図である。

【0106】

直流磁場用超電導コイル電源装置１ａは、電源装置１１と、第１リード１２－１～１２－２と、チョッパ回路１３－１～１３－８と、制御部１８と、超電導コイルユニット１９－１～１９－３と、選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３と、還流ダイオード２０とを備える。

【0107】

第１の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ａの説明においては、図１に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１との相違点について主に説明し、図１に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１と共通する部分については適宜説明を省略する。

【0108】

以後、超電導コイルユニット１９－１～１９－３については、特に区別する必要がない場合、単に「超電導コイルユニット１９」と称して説明する場合がある。

【0109】

以後、選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３については、特に区別する必要がない場合、単に「選択スイッチＳＣ」と称して説明する場合がある。

【0110】

各々の超電導コイルユニット１９は、低抵抗スイッチ１４と、電流センサ１５と、第２リード１６－１～１６－２と、超電導コイル１７とを備える。超電導コイルユニット１９が備える低抵抗スイッチ１４、電流センサ１５、第２リード１６－１～１６－２及び超電導コイル１７は、図１に示した低抵抗スイッチ１４、電流センサ１５、第２リード１６－１～１６－２及び超電導コイル１７と同様の機能を有する。

【0111】

すなわち、第１の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ａは、図１に示した低抵抗スイッチ１４、電流センサ１５、第２リード１６－１～１６－２及び超電導コイル１７のまとまりが複数個並列に接続された構成である。

【0112】

このような構成であることにより、第１の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ａは、並列に接続された複数の超電導コイル１７を備える。

【0113】

本実施形態においては、３つの超電導コイルユニット１９－１～１９－３が並列に接続される構成を例に挙げて説明するが、並列に接続される超電導コイルユニット１９の個数は、３つに限定されない。並列に接続される超電導コイルユニット１９の個数は、２つ以上の任意の個数であってよい。なお、図７においては、超電導コイルユニット１９－２の図示を省略している。

【0114】

各々の超電導コイルユニット１９は、選択スイッチＳＣを介して複数のチョッパ回路１３－１～１３－８と接続されている。具体的には、超電導コイルユニット１９－１は、選択スイッチＳＣ－１を介して複数のチョッパ回路１３－１～１３－８と接続されている。超電導コイルユニット１９－２は、選択スイッチＳＣ－２を介して複数のチョッパ回路１３－１～１３－８と接続されている。超電導コイルユニット１９－３は、選択スイッチＳＣ－３を介して複数のチョッパ回路１３－１～１３－８と接続されている。

【0115】

還流ダイオード２０は、複数のチョッパ回路１３－１～１３－８と複数の選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３との間のノードと、グランドとを接続する。

【0116】

制御部１８は、選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３のうちのいずれかの選択スイッチＳＣをオンとし、その他の選択スイッチＳＣをオフとすることで、どの超電導コイル１７を充電するかを選択することができる。

【0117】

例えば、制御部１８が、選択スイッチＳＣ１をオンし、選択スイッチＳＣ２～ＳＣ３をオフすると、選択スイッチＳＣ１に接続されている超電導コイルユニット１９－１の超電導コイル１７が充電される。

【0118】

制御部１８が、いずれかの選択スイッチＳＣをオンさせて、充電する超電導コイル１７を選択した場合、その後の超電導コイル１７を充電させる動作は、図１に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１において超電導コイル１７を充電する動作と同様である。

【0119】

制御部１８は、オンさせる選択スイッチＳＣを切り替えることで、どの超電導コイル１７を充電するかを選択することができるが、仮に直流磁場用超電導コイル電源装置１ａが還流ダイオード２０を備えていないとすると、選択スイッチＳＣを切り替えた際に過電圧が発生しうる。

【0120】

過電圧は、「チョッパ回路１３－１～１３－８に流れる電流」と、選択スイッチＳＣにより選択された「超電導コイル１７に流れる電流」とが一致しない場合に発生しうる。また、「チョッパ回路１３－１～１３－８に流れる電流」が有意な値をもつ状態において、選択スイッチＳＣによりいずれの「超電導コイル１７」も選択されていない場合にも過電圧は発生しうる。

【0121】

還流ダイオード２０は、上述のような電流の不一致が発生する場合に、差分電流の行先をつくることにより、過電圧が発生することを抑制することができる。

【0122】

図７に示すように、直流磁場用超電導コイル電源装置１ａが還流ダイオード２０を備えていると、「チョッパ回路１３－１～１３－８に流れる電流」は、選択スイッチＳＣにより選択された「超電導コイル１７に流れる電流」と「還流ダイオード２０に流れる電流」との和に一致する。これにより、還流ダイオード２０は、選択スイッチＳＣを切り替えた際に過電圧が発生することを抑制することができる。

【0123】

（第２の構成例）
図８は、本開示の第２の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ｂの構成を示す図である。

【0124】

直流磁場用超電導コイル電源装置１ｂは、電源装置１１と、第１リード１２－１～１２－２と、チョッパ回路２１－１～２１－８と、制御部１８と、超電導コイルユニット１９－１～１９－３と、選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３とを備える。

【0125】

第２の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ｂは、図７に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ａと比べて、還流ダイオード２０の代わりに、チョッパ回路２１－１～２１－８が、それぞれ、還流ダイオードＤ１～Ｄ８を備える点で相違する。

【0126】

図８に示すように、例えば、チョッパ回路２１－１は、インダクタＬ１と並列に接続された還流ダイオードＤ１を備える。チョッパ回路２１－２～２１－８も、チョッパ回路２１－１と同様に、インダクタＬ２～Ｌ８と並列に接続された還流ダイオードＤ２～Ｄ８をそれぞれ備える。

【0127】

このように、チョッパ回路２１－１～２１－８が、それぞれ、還流ダイオードＤ１～Ｄ８を備える構成とした場合も、第１の構成例の場合と同様に、選択スイッチＳＣを切り替えた際に過電圧が発生することを抑制することができる。

【0128】

（第３の構成例）
図９は、本開示の第３の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃの構成を示す図である。

【0129】

直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃは、電源装置１１と、第１リード１２－１～１２－２と、チョッパ回路１３－１～１３－８と、制御部１８と、超電導コイルユニット１９－１～１９－３と、選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３と、還流ダイオード２０と、第３スイッチＳＤとを備える。

【0130】

第３の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃは、図７に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ａと比べて、還流ダイオード２０と並列に接続された第３スイッチＳＤをさらに備える点で相違する。

【0131】

このように、第３スイッチＳＤを備えることで、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃは、選択スイッチＳＣを切り替えた際に、電流の不一致に起因する差分電流が、還流ダイオード２０を経由することによって低減することを抑制することができる。より具体的には、選択スイッチＳＣを切り替える際に、差分電流が還流ダイオード２０を経由するように通電される時間において、第３スイッチＳＤをオンすることにより、差分電流は還流ダイオード２０より低損失の第３スイッチＳＤを経由するため、還流ダイオード２０によって差分電流が低減することを抑制することができる。差分電流の低減が抑制されると、選択スイッチＳＣによって次に選択された超電導コイル１７の充電に差分電流を多少利用することが可能となる。

【0132】

また、第３スイッチＳＤを備えることで、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃは、超電導コイル１７を再充電する際に、超電導コイル１７の再充電の開始時に超電導コイル１７に流れる電流が一時的に低減することを抑制することもできる。

【0133】

直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃが有する上記効果について、図７に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ａと対比して説明する。

【0134】

図７に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ａにおいて、超電導コイルユニット１９－１～１９－３に含まれている３つの超電導コイル１７の充電が全て完了しているとき、選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３は全てオフになっている。また、超電導コイルユニット１９－１～１９－３に含まれている３つの低抵抗スイッチ１４は全てオンになっている。これにより、超電導コイルユニット１９－１～１９－３においては、低抵抗スイッチ１４、電流センサ１５、第２リード１６－１、超電導コイル１７及び第２リード１６－２を接続する閉ループに電流が流れている。

【0135】

また、超電導コイルユニット１９－１～１９－３に含まれている３つの超電導コイル１７の充電が全て完了し、一定時間以上経過している状態においては、チョッパ回路１３－１～１３－８に電流は流れていない。

【0136】

例えば、超電導コイル１７に流すことが必要な電流の値が３００Ａである場合、電流が２９８Ａなどに減ると、超電導コイル１７を再充電する必要がある。

【0137】

超電導コイルユニット１９－１に含まれている超電導コイル１７を再充電する場合、制御部１８は、超電導コイルユニット１９－１に含まれている低抵抗スイッチ１４をオフし、選択スイッチＳＣ１をオンにする。

【0138】

このとき、超電導コイルユニット１９－１に含まれている超電導コイル１７に流れている電流の一部は、チョッパ回路１３－１～１３－８に分配される。そのため、超電導コイルユニット１９－１に含まれている超電導コイル１７に流れる電流が少し低減する。

【0139】

上記を回避するため、超電導コイル１７を再充電する前に、還流ダイオード２０を経由して、チョッパ回路１３－１～１３－８を予め充電する手法があるが、還流ダイオード２０への通電時損失が発生する。

【0140】

図９に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃは、上記の還流ダイオード２０への通電時損失を低減するために、還流ダイオード２０と並列に第３スイッチＳＤを備える構成としている。以下、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃの動作について説明する。

【0141】

図９に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃにおいて、超電導コイルユニット１９－１～１９－３に含まれている３つの超電導コイル１７の充電が全て完了しているとき、選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３は全てオフになっている。また、超電導コイルユニット１９－１～１９－３に含まれている３つの低抵抗スイッチ１４は全てオンになっている。これにより、超電導コイルユニット１９－１～１９－３においては、低抵抗スイッチ１４、電流センサ１５、第２リード１６－１、超電導コイル１７及び第２リード１６－２を接続する閉ループに電流が流れている。

【0142】

また、超電導コイルユニット１９－１～１９－３に含まれている３つの超電導コイル１７の充電が全て完了し、一定時間以上経過している状態においては、チョッパ回路１３－１～１３－８に電流は流れていない。

【0143】

超電導コイルユニット１９－１に含まれている超電導コイル１７を再充電する場合、制御部１８は、まず、第３スイッチＳＤをオンにする。

【0144】

続いて、制御部１８は、第１スイッチＳＡ１をオンして、チョッパ回路１３－１のインダクタＬ１を充電する。インダクタＬ１を充電すると、制御部１８は、第１スイッチＳＡ１をオフし且つ第２スイッチＳＢ１をオンしてインダクタＬ１に流れる電流を保持し、第１スイッチＳＡ２をオンして、チョッパ回路１３－２のインダクタＬ２を充電する。このような動作を繰り返し、制御部１８は、チョッパ回路１３－１～１３－８のインダクタＬ１～Ｌ８を充電する。

【0145】

インダクタＬ１～Ｌ８の充電が完了すると、制御部１８は、第３スイッチＳＤをオフする。また、制御部１８は、超電導コイルユニット１９－１に含まれている低抵抗スイッチ１４をオフし、選択スイッチＳＣ１をオンにする。

【0146】

このように、チョッパ回路１３－１～１３－８が予め充電された状態で選択スイッチＳＣ１をオンにすると、超電導コイルユニット１９－１に含まれている超電導コイル１７に流れている電流は、チョッパ回路１３－１～１３－８に分配されず、予め充電されていたチョッパ回路１３－１～１３－８によって超電導コイル１７が再充電される。そのため、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃは、超電導コイル１７を再充電する際に、超電導コイル１７に流れる電流が低減することを抑制することができる。

【0147】

（第４の構成例）
図１０は、本開示の第４の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ｄの構成を示す図である。

【0148】

直流磁場用超電導コイル電源装置１ｂは、電源装置１１と、第１リード１２－１～１２－２と、チョッパ回路２２－１～２２－８と、制御部１８と、超電導コイルユニット１９－１～１９－３と、選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３とを備える。

【0149】

第４の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ｄは、図９に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃと比べて、還流ダイオード２０の代わりに、チョッパ回路２２－１～２２－８が、それぞれ、還流ダイオードＤ１～Ｄ８を備える点で相違する。また、第４の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ｄは、図９に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃと比べて、第３スイッチＳＤの代わりに、チョッパ回路２２－１～２２－８が、それぞれ、第４スイッチＳＥ１～ＳＥ８を備える点で相違する。

【0150】

図１０に示すように、例えば、チョッパ回路２２－１は、インダクタＬ１と並列に接続された還流ダイオードＤ１及び第４スイッチＳＥ１を備える。チョッパ回路２２－２～２２－８も、チョッパ回路２２－１と同様に、インダクタＬ２～Ｌ８と並列に接続された還流ダイオードＤ２～Ｄ８及び第４スイッチＳＥ２～ＳＥ８をそれぞれ備える。

【0151】

このように、チョッパ回路２２－１～２２－８が、それぞれ、還流ダイオードＤ１～Ｄ８及び第４スイッチＳＥ１～ＳＥ８を備える構成とした場合も、第３の構成例の場合と同様の効果を得ることができる。

【0152】

（第５の構成例）
図１１は、本開示の第５の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅの構成を示す図である。

【0153】

直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅは、電源装置１１と、第１リード１２－１～１２－２と、チョッパ回路１３－１～１３－８と、制御部１８と、超電導コイルユニット１９－１～１９－３と、選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３と、還流ダイオード２０と、電流ブロックダイオード２３－１～２３－３と、第５スイッチＳＦ１～ＳＦ３と、第３リード２４－１～２４－２とを備える。

【0154】

以後、電流ブロックダイオード２３－１～２３－３については、特に区別する必要がない場合、単に「電流ブロックダイオード２３」と称して説明する場合がある。

【0155】

以後、第５スイッチＳＦ１～ＳＦ３については、特に区別する必要がない場合、単に「第５スイッチＳＦ」と称して説明する場合がある。

【0156】

以後、第３リード２４－１～２４－２については、特に区別する必要がない場合、単に「第３リード２４」と称して説明する場合がある。

【0157】

図１１においては図示を省略しているが、図１１に示す超電導コイルユニット１９は、図７に示す超電導コイルユニット１９と同様に、低抵抗スイッチ１４と、電流センサ１５と、第２リード１６－１～１６－２と、超電導コイル１７とを備える。

【0158】

第５の構成例に係る直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅは、図７に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ａと比べて、電流ブロックダイオード２３－１～２３－３と、第５スイッチＳＦ１～ＳＦ３と、第３リード２４－１～２４－２とを備える点で相違する。

【0159】

図１１に示す負荷３０は、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅの外部に設けられた負荷である。負荷３０は、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅから電力を供給されて電力を消費する任意の負荷であってよい。

【0160】

電流ブロックダイオード２３は、超電導コイルユニット１９に含まれる超電導コイル１７の一端と、負荷３０の一端とを第３リード２４－１を介して接続する。より具体的には、電流ブロックダイオード２３－１は、超電導コイルユニット１９－１に含まれる超電導コイル１７の一端と、負荷３０の一端とを第３リード２４－１を介して接続する。また、電流ブロックダイオード２３－２は、超電導コイルユニット１９－２に含まれる超電導コイル１７の一端と、負荷３０の一端とを第３リード２４－１を介して接続する。また、電流ブロックダイオード２３－３は、超電導コイルユニット１９－３に含まれる超電導コイル１７の一端と、負荷３０の一端とを第３リード２４－１を介して接続する。

【0161】

第５スイッチＳＦは、超電導コイルユニット１９に含まれる超電導コイル１７の他端と、負荷３０の他端とを第３リード２４－２を介して接続する。より具体的には、第５スイッチＳＦ１は、超電導コイルユニット１９－１に含まれる超電導コイル１７の他端と、負荷３０の他端とを第３リード２４－２を介して接続する。また、第５スイッチＳＦ２は、超電導コイルユニット１９－２に含まれる超電導コイル１７の他端と、負荷３０の他端とを第３リード２４－２を介して接続する。また、第５スイッチＳＦ３は、超電導コイルユニット１９－３に含まれる超電導コイル１７の他端と、負荷３０の他端とを第３リード２４－２を介して接続する。

【0162】

第３リード２４は、電流を流すことが可能な導体である。第３リード２４は、例えば、常電導の電流リードであってよい。

【0163】

制御部１８は、選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３を順次オンにして充電することで、超電導コイルユニット１９－１～１９－３に含まれている３つの超電導コイル１７を全て充電することができる。

【0164】

３つの超電導コイル１７が全て充電された状態においては、制御部１８は、選択スイッチＳＣ１～ＳＣ３をオフに制御している。

【0165】

この状態で、制御部１８が第５スイッチＳＦ１～ＳＦ３を全てオンにすると、超電導コイルユニット１９－１～１９－３に含まれる３つの超電導コイル１７に流れる電流を合成して、負荷３０に供給することができる。例えば、１つの超電導コイル１７に３００Ａの電流が流れている場合、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅは、９００Ａの電流を負荷３０に供給することができる。なお、負荷３０に電流を供給する際、各超電導コイルユニット１９は、低抵抗スイッチ１４をオフとする。

【0166】

この場合、電源装置１１が供給することが必要な電流は、負荷３０に流れる電流９００Ａを、チョッパ回路１３の個数と超電導コイルユニット１９の個数との積で割った電流である。すなわち、図１１に示す例の場合、９００Ａ／（８×３）＝３７．５Ａである。より一般的には、チョッパ回路１３の個数がＮ個で、超電導コイルユニット１９の個数がＭ個である場合、電源装置１１は、負荷３０に供給される電流の１／（Ｎ×Ｍ）倍の電流を供給できればよい。

【0167】

なお、図１１においては、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅが、図７に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ａに、電流ブロックダイオード２３－１～２３－３と、第５スイッチＳＦ１～ＳＦ３と、第３リード２４－１～２４－２とを付加した構成である場合を説明したが、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅの構成はこれに限定されない。直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅは、図８に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ｂに、電流ブロックダイオード２３－１～２３－３と、第５スイッチＳＦ１～ＳＦ３と、第３リード２４－１～２４－２とを付加した構成であってもよい。または、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅは、図９に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ｃに、電流ブロックダイオード２３－１～２３－３と、第５スイッチＳＦ１～ＳＦ３と、第３リード２４－１～２４－２とを付加した構成であってもよい。または、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅは、図１０に示した直流磁場用超電導コイル電源装置１ｄに、電流ブロックダイオード２３－１～２３－３と、第５スイッチＳＦ１～ＳＦ３と、第３リード２４－１～２４－２とを付加した構成であってもよい。

【0168】

また、直流磁場用超電導コイル電源装置１ｅは、電流ブロックダイオード２３と並列に接続されたスイッチを備えていてもよい。

【0169】

本開示は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、ブロック図に記載の複数のブロックを統合してもよいし、又は１つのブロックを分割してもよい。その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。

【0170】

例えば、上述の実施形態において、８個のチョッパ回路１３が並列に接続されている場合を例に挙げて説明したが、並列に接続されるチョッパ回路１３の個数は２個以上の任意の個数であってよい。

【0171】

例えば、上述の実施形態において、制御部１８が冷却容器５の内部に設置されている場合を例に挙げて説明したが、制御部１８は、冷却容器５の外部に設置されていてもよい。あるいは、制御部１８の一部を冷却容器５の内部に設置し、制御部１８の他の部分を冷却容器５の外部に設置するというように、制御部１８の設置場所を分散してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0172】

本開示の直流磁場用超電導コイル電源装置は、超電導コイルを用いて直流磁場を発生する用途に好適なものである。

【符号の説明】

【0173】

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ 直流磁場用超電導コイル電源装置
５ 冷却容器
１１ 電源装置
１２ 第１リード
１３ チョッパ回路
１４ 低抵抗スイッチ
１５ 電流センサ
１６ 第２リード
１７ 超電導コイル
１８ 制御部
１９ 超電導コイルユニット
２０ 還流ダイオード
２１ チョッパ回路
２２ チョッパ回路
２３ 電流ブロックダイオード
２４ 第３リード
３０ 負荷
１４１ ＭＯＳＦＥＴ
１４２ ダイオード
Ｄ１～Ｄ８ 還流ダイオード
Ｌ１～Ｌ８ インダクタ
ＳＡ１～ＳＡ８ 第１スイッチ
ＳＢ１～ＳＢ８ 第２スイッチ
ＳＣ１～ＳＣ３ 選択スイッチ
ＳＤ 第３スイッチ
ＳＥ１～ＳＥ８ 第４スイッチ
ＳＦ１～ＳＦ３ 第５スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】