(57)【要約】【課題】励磁電源から定格電流を供給する定常時に超電導コイルに異常が発生して電流の供給を緊急遮断した際に超電導コイルの健全性を確保できること。【解決手段】高温超電導線材にて構成された高温超電導コイル１３と、高温超電導コイルへ電流を供給する励磁電源１６と、高温超電導コイルに電気的に並列に接続され、高温超電導コイルと共に閉ループ２３を形成し、高温超電導材にて構成された永久電流スイッチ１４と、永久電流スイッチに直列に且つ高温超電導コイルに並列にそれぞれ電気的に接続された微小抵抗体１５と、励磁電源１６に電気的に並列に接続され、抵抗値が微小抵抗体１５よりも大きく且つ常伝導状態の永久電流スイッチ１４よりも小さく設定された保護抵抗１７とを有する超電導磁石装置であって、微小抵抗体１５が永久電流スイッチ１４に熱的に接続されて構成されたものである。【選択図】図１
2020068293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導線材にて構成され、電流の供給により磁場を形成する超電導コイルと、
前記超電導コイルへ電流を供給して前記超電導コイルを励磁する励磁電源と、
前記超電導コイルに電気的に並列に接続されて前記超電導コイルと共に閉ループを形成し、超電導材にて構成された永久電流スイッチと、
前記永久電流スイッチに直列に且つ前記超電導コイルに並列にそれぞれ電気的に接続され、前記励磁電源からの電流を前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとに分流する分流比を決定する微小抵抗体と、
前記励磁電源に電気的に並列に接続され、抵抗値が前記微小抵抗体よりも大きく且つ常伝導状態の前記永久電流スイッチよりも小さく設定されて、前記超電導コイルの磁気エネルギを消費可能な保護抵抗と、を有する超電導磁石装置であって、
前記微小抵抗体が前記永久電流スイッチに熱的に接続されて構成されたことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
前記永久電流スイッチは、独立して作動する昇温用ヒータの加熱により昇温されて常伝導状態へ移行するよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項３】
前記永久電流スイッチは、テープ形状の超電導線材がパンケーキ状に巻かれたパンケーキコイルが、偶数個積層されて無誘導コイルとして構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
前記永久電流スイッチは、テープ形状の２本の超電導線材が絶縁テープを介在させて束ねて同時に巻かれたパンケーキコイルであり、２本の前記超電導線材における内側の端部が互いに接続され、外側の端部が電極になり、２本の前記超電導線材に逆向きに電流が流れることで無誘導コイルとして構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導磁石装置。
【請求項５】
前記永久電流スイッチ及び前記微小抵抗体は、テープ形状の超電導線材とテープ形状の常伝導金属線材とが絶縁テープを介在させて束ねて巻かれたパンケーキコイルであり、前記超電導線材が永久電流スイッチとして、前記常伝導金属線材が微小抵抗体としてそれぞれ構成され、
前記超電導線材と前記常伝導金属線材における内側の端部が互いに接続され、外側の一方の端部が前記永久電流スイッチの電極になり、外側の他方の端部が前記微小抵抗体の端部になり、
前記超電導線材と前記常伝導金属線材に逆向きに電流が流れることで、前記永久電流スイッチが無誘導コイルとして構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導磁石装置。
【請求項６】
前記永久電流スイッチの常伝導状態の抵抗値は、超電導線材の保護層の材質及び厚さの少なくとも1つが変更されることで調整され、前記微小抵抗体の抵抗値は、常伝導金属線材の材質、純度及び厚さの少なくとも1つが変更されることで調整されよう構成されたことを特徴とする請求項５に記載の超電導磁石装置。
【請求項７】
超電導線材にて構成され、電流の供給により磁場を形成する超電導コイルと、
前記超電導コイルへ電流を供給して前記超電導コイルを励磁する励磁電源と、
前記超電導コイルに電気的に並列に接続されて前記超電導コイルと共に閉ループを形成し、前記超電導線材にて構成された永久電流スイッチと、
前記永久電流スイッチに直列に且つ前記超電導コイルに並列にそれぞれ電気的に接続され、前記励磁電源からの電流を前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとに分流する分流比を決定する微小抵抗体と、
前記励磁電源に電気的に並列に接続され、抵抗値が前記微小抵抗体よりも大きく且つ常伝導状態の前記永久電流スイッチよりも小さく設定されて、前記超電導コイルの磁気エネルギを消費可能な保護抵抗と、を有する超電導磁石装置であって、
超電導コイルが形成する磁場を検出する磁場センサを備え、
前記微小抵抗体または前記保護抵抗は、前記励磁電源から前記超電導コイルに流れる電流の電流値が一定になるように、前記磁場センサの検出値に基づいて抵抗値を調整可能に構成されたことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項８】
前記超電導コイルは、高温超電導線材にて構成された高温超電導コイルであり、前記永久電流スイッチは、高温超電導材にて構成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超電導コイルに永久電流スイッチ及び微小抵抗体が電気的に並列に接続された超電導磁石装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超電導線材の開発により、超電導機器は、従来の金属系超電導線材を用いた機器から高温超電導線材を用いた機器に置き換わりつつある。また、超電導機器には、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や核磁気共鳴測定装置（ＮＭＲ）等のように、均一の磁場及び磁場の時間的安定性が求められる機器がある。このような機器では、例えば永久電流スイッチを使って永久電流モードにすることで、電源の時間的安定性に関係なく、高温超電導コイルに安定した磁場を発生させることが可能になる。
【０００３】
高温超電導コイルを構成する高温超電導線材では、線材自身の電気抵抗がゼロ(０)になるものの、現状では線材を接続する箇所において微小な抵抗が存在し、永久電流モードにおいても、通電電流には有限の減衰が生ずる。このため、高温超電導コイルが発生する磁場の時間的変化を低減するために、電源供給モードで磁場を発生させる必要がある。その場合、電源自体から出力される電流の時間的安定性が、そのまま発生磁場の時間的安定性に影響してしまうので、電源には出力電流に時間的変動が少ない安定性が必要になる。
【０００４】
電源の出力電流の時間的変動を、超電導コイルを流れる通電電流に対して伝えにくくする方法の１つとして、超電導コイルに並列な回路(後述)を設け、電源の出力電流を分流させ、この出力電流の時間的変動分を並列回路で補償(抑制)する構成が知られている。図８は、この並列回路を設けた従来の高温超電導磁石装置１００を示す。
【０００５】
この高温超電導磁石装置１００では、高温超電導線材にて構成された高温超電導コイル１０１に励磁電源１０２が電気的に接続され、高温超電導コイル１０１に永久電流スイッチ１０３及び微小抵抗体１０４が電気的に並列に接続され、励磁電源１０２に保護抵抗１０５が電気的に並列に接続され、永久電流スイッチ１０３及び微小抵抗体１０４が電気的に直列に接続されている。永久電流スイッチ１０３は高温超電導材で構成され、この永久電流スイッチ１０３を昇温させる昇温ヒータ１０６が、永久電流スイッチ１０３に熱的に接続されている。
【０００６】
高温超電導コイル１０１、永久電流スイッチ１０３、微小抵抗体１０４及び昇温ヒータ１０６は、真空容器１０７内に設けられた輻射シールド１０８内に配置され、冷凍機１０９により２０Ｋレベル以下に冷却される。また、励磁電源１０２及び保護抵抗１０５は、真空容器１０７外の室温領域に設置されている。尚、高温超電導コイル１０１には、接続抵抗などに起因する抵抗成分１１０が存在する。
【０００７】
微小抵抗体１０４は、励磁電源１０２から高温超電導コイル１０１へ定格電流が供給される定常時に、この定常時の電流を自身（微小抵抗体１０４）に分流させたい電流値となるような抵抗値に設定される。定常時に励磁電源１０２からの電流が微小抵抗体１０４に分流することで、励磁電源１０２から出力される電流の時間的変動が微小抵抗体１０４により吸収されて、高温超電導コイル１０１に、電流値が一定の電流が流れる。
【０００８】
定常時に遮断器１１１が遮断して励磁電源１０２が遮断された直後には、永久電源スイッチ１０３が臨界温度未満にあって超電導状態（ＯＮ）にあるため、高温超電導コイル１０１を流れる電流の大半は、保護抵抗１０５ではなく微小抵抗体１０４及び永久電流スイッチ１０３へ流れて、高温超電導コイル１０１（抵抗成分１１０を含む）、微小抵抗体１０４及び永久電流スイッチ１０３から形成される閉ループ１１２に流れる。
【０００９】
一方、遮断器１１１による励磁電源１０２の遮断後速やかに昇温ヒータ１０６が永久電流スイッチ１０３を昇温して、この永久電流スイッチ１０３を臨界温度以上の常伝導状態（ＯＦＦ）とした時点で、高温超電導コイル１０１を流れる電流が保護抵抗１０５へ導かれる。これにより、高温超電導コイル１０１の磁気エネルギが保護抵抗１０５により消費されて、高温超電導コイル１０１を流れる電流が減衰し、この結果、高温超電導コイル１０１の焼損や劣化が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−４１９６６号公報
【特許文献２】特開２００５−２５９８２６号公報
【特許文献３】特開２００４−１７９４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、遮断器１１１による励磁電源１０２の緊急遮断時に、ヒータ電源１１３が昇温ヒータ１０６に電流を供給してから昇温ヒータ１０６により永久電流スイッチ１０３が常伝導状態（ＯＦＦ）に移行するまでの時間は、昇温ヒータ１０６の最大加熱量や永久電流スイッチ１０３の熱容量、昇温ヒータ１０６と永久電流スイッチ１０３間の伝熱特性などにより決定される。
【００１２】
しかしながら、定常時における遮断器１１１による励磁電源１０２の緊急遮断時に、永久電流スイッチ１０３が常伝導状態(ＯＦＦ)に移行するまでの時間が長くなると、高温超電導コイル１０１を流れる電流が閉ループ１１２を流れ続けることなので、高温超電導コイル１０１の異常発生箇所に電流が継続して流れて、高温超電導コイル１０１に焼損や劣化が進行する恐れがある。
【００１３】
また、昇温ヒータ１０６が万一故障して使用できなくなった場合にも、遮断器１１１による励磁電源１０２の緊急遮断時に高温超電導コイル１０１を流れる電流が閉ループ１１２を流れ続けることになので、高温超電導コイル１０１の焼損や劣化が進行する恐れがある。これを回避するために、昇温ヒータ１０６に対してバックアップ用のヒータを設けると、高温超電導磁石装置１００の装置構成が複雑になってしまう。
【００１４】
本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、励磁電源から超電導コイルへ定格電流を供給する定常時に超電導コイルに異常が発生して電流の供給を緊急遮断した際に、超電導コイルの磁気エネルギを早期に消費して超電導コイルの健全性を確保できる超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明の実施形態は、超電導コイルが形成する磁場を長期間に亘って安定化できる超電導磁石装置を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の実施形態における超電導磁石装置は、超電導線材にて構成され、電流の供給により磁場を形成する超電導コイルと、前記超電導コイルへ電流を供給して前記超電導コイルを励磁する励磁電源と、前記超電導コイルに電気的に並列に接続されて前記超電導コイルと共に閉ループを形成し、超電導材にて構成された永久電流スイッチと、前記永久電流スイッチに直列に且つ前記超電導コイルに並列にそれぞれ電気的に接続され、前記励磁電源からの電流を前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとに分流する分流比を決定する微小抵抗体と、前記励磁電源に電気的に並列に接続され、抵抗値が前記微小抵抗体よりも大きく且つ常伝導状態の前記永久電流スイッチよりも小さく設定されて、前記超電導コイルの磁気エネルギを消費可能な保護抵抗と、を有する超電導磁石装置であって、前記微小抵抗体が前記永久電流スイッチに熱的に接続されて構成されたことを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の実施形態における超電導磁石装置は、超電導線材にて構成され、電流の供給により磁場を形成する超電導コイルと、前記超電導コイルへ電流を供給して前記超電導コイルを励磁する励磁電源と、前記超電導コイルに電気的に並列に接続されて前記超電導コイルと共に閉ループを形成し、前記超電導線材にて構成された永久電流スイッチと、前記永久電流スイッチに直列に且つ前記超電導コイルに並列にそれぞれ電気的に接続され、前記励磁電源からの電流を前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとに分流する分流比を決定する微小抵抗体と、前記励磁電源に電気的に並列に接続され、抵抗値が前記微小抵抗体よりも大きく且つ常伝導状態の前記永久電流スイッチよりも小さく設定されて、前記超電導コイルの磁気エネルギを消費可能な保護抵抗と、を有する超電導磁石装置であって、超電導コイルが形成する磁場を検出する磁場センサを備え、前記微小抵抗体または前記保護抵抗は、前記励磁電源から前記超電導コイルに流れる電流の電流値が一定になるように、前記磁場センサの検出値に基づいて抵抗値を調整可能に構成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の実施形態によれば、励磁電源から超電導コイルへ定格電流を供給する定常時に超電導コイルに異常が発生して電流の供給を緊急遮断した際に、超電導コイルの磁気エネルギを早期に消費して超電導コイルの健全性を確保できる。また、本発明の実施形態によれば、超電導コイルが形成する磁場を長期間に亘って安定化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置を示す電気回路図。
【図２】第２実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置を示す電気回路図。
【図３】第３実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置の永久電流スイッチを示す斜視図。
【図４】第４実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置の永久電流スイッチを示し、（Ａ）がその斜視図、（Ｂ）が束ねて巻かれる前の高温超電導テープ線材等の斜視図。
【図５】第５実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置の永久電流スイッチ及び微小抵抗体を示し、（Ａ）がその斜視図、（Ｂ）が束ねて巻かれる前の高温超電導テープ線材及び常伝導金属テープ線材などの斜視図、（Ｃ）が高温超電導テープ線材等の断面図、（Ｄ）が常伝導金属テープ線材の断面図。
【図６】第６実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置を示す電気回路図。
【図７】図６の高温超電導磁石装置の変形形態を示す電気回路図。
【図８】従来の高温超電導磁石装置を示す電気回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１）
図１は、第１実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置を示す電気回路図である。この図１に示す超電導磁石装置としての高温超電導磁石装置１０は、断熱真空槽である真空容器１１と、この真空容器１１内に設けられた輻射シールド１２内に配置された超電導コイルとしての高温超電導コイル１３、永久電流スイッチ１４及び微小抵抗体１５と、真空容器１１外の室温領域に設置された励磁電源１６及び保護抵抗１７と、真空容器１１に設置された冷凍機１８と、を有して構成される。
【００２１】
冷凍機１８は、第１段冷却ステージ１８Ａにより輻射シールド１２を例えば５０Ｋレベルに冷却し、第２段冷却ステージ１８Ｂにより伝熱板１９を介して高温超電導コイル１３を、伝熱板１９及び２０を介して永久電流スイッチ１４をそれぞれ例えば２０Ｋレベル以下に冷却する。ここで、伝熱板１９は、熱伝導率の高い金属で構成される。また、伝熱板２０は、伝熱板１９に比べて熱抵抗の高い金属で構成される。この伝熱板２０の熱抵抗は、永久電流スイッチ１４の温度上昇時にこの永久電流スイッチ１４から高温超電導コイル１３への熱流入量が小さくなり、且つ永久電流スイッチ１４の再冷却時に冷凍機１８による再冷却時間が短かくなるような最適な値に設定される。
【００２２】
励磁電源１６は、高温超電導コイル１３に電流リード２１を介して接続され、高温超電導コイル１３へ電流を供給してこの高温超電導コイル１３を励磁する。また、高温超電導コイル１３は、高温超電導線材にて構成され、励磁電源１６からの電流の供給により磁場を形成する。高温超電導線材としては、例えばＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０線材やＲＥＢａＣｕＯ７線材が挙げられる。また、高温超電導コイル１３には、高温超電導線材の接続抵抗などに起因する電気抵抗が抵抗成分２２として存在する。
【００２３】
永久電流スイッチ１４は、高温超電導コイル１３に電気的に並列に接続されて、高温超電導コイル１３及び微小抵抗体１５（後に詳説）と共に閉ループ２３を形成する。また、この永久電流スイッチ１４は高温超電導材にて構成され、好ましくは高温超電導コイル１３と同様な高温超電導線材にて構成される。
【００２４】
永久電流スイッチ１４には昇温ヒータ２４が、電気的には絶縁されているが、熱的に接続されている。この昇温ヒータ２４は、電流リード２５を介して電気的に接続されたヒータ電源２６から電流が供給されることで独立してＯＮ作動し、永久電流スイッチ１４を加熱して臨界温度以上に昇温させる。これにより、永久電流スイッチ１４が超電導状態(ＯＮ)から常伝導状態(ＯＦＦ)へ移行する。ここで、昇温ヒータ２４は輻射シールド１２内に配置され、ヒータ電源２６は真空容器１１外の室温領域に配置される。
【００２５】
微小抵抗体１５は、永久電流スイッチ１４に電気的に直列に接続されると共に、高温超電導コイル１３に電気的に並列に接続される。この微小抵抗体１５は、励磁電源１６から高温超電導コイル１３へ定格電流が供給される定常時に、励磁電源１６から出力される電流を高温超電導コイル１３側と永久電流スイッチ１４側とに分流する分流比を決定する。つまり、微小抵抗体１５は、定常時に自身（微小抵抗体１５）に分流させたい電流値となるような抵抗値で且つ高温超電導コイル１３の抵抗成分２２よりも大きな抵抗値に設定される。定常時に励磁電源１６から出力される電流が微小抵抗体１５に分流して流れることで、励磁電源１６から出力される電流に時間的変動がある場合でも、その変動分を微小抵抗体１５が吸収して、高温超電導コイル１３に流れる電流の電流値を一定にする。
【００２６】
保護抵抗１７は励磁電源１６、及びこの励磁電源１６に電気的に直列に接続された遮断器２７に電気的に並列に接続される。保護抵抗１７の抵抗値は、微小抵抗体１５の抵抗値よりも大きく、且つ常伝導状態(ＯＦＦ)の永久電流スイッチ１４の抵抗値よりも小さく設定される。これにより、定常時に高温超電導コイル１３に異常が発生して遮断器２７が励磁電源１６を緊急遮断した際に、永久電流スイッチ１４が常伝導状態(ＯＦＦ)へ移行している場合には、高温超電導コイル１３を流れる電流が保護抵抗１７に導かれて、この保護抵抗１７が高温超電導コイル１３の磁気エネルギを消費する。尚、遮断器２７は、真空容器１１外の室温領域に配置されている。また、図１中の符号２８は熱アンカーを示す。
【００２７】
ところで、本第１実施形態では、微小抵抗体１５は、永久電流スイッチ１４に電気的に直列に接続されると共に、この永久電流スイッチ１４に熱的に接続されて、微小抵抗体１５に電流が流れた際の発熱が永久電流スイッチ１４に伝熱されるように構成されている。つまり、遮断器２７による励磁電源１６の緊急遮断時には、永久電流スイッチ１４が未だ超電導状態(ＯＮ)にあるので、高温超電導コイル１３に流れる電流は閉ループ２３を流れる。また、高温超電導コイル１３に流れる電流は、定格電流に近い電流であるため、閉ループ２３の微小抵抗体１５に流れることで、この微小抵抗体１５が発熱する。そして、微小抵抗体１５の熱が永久電流スイッチ１４に伝熱されることで、この永久電流スイッチ１４を超電導状態(ＯＮ)から常伝導状態(ＯＦＦ)へと早期に且つ迅速に移行させることが可能になる。
【００２８】
次に、高温超電導磁石装置１０の作用を説明する。
高温超電導コイル１３の励磁時には昇温ヒータ２４がＯＮ作動して、永久電流スイッチ１４は昇温されて常伝導状態(ＯＦＦ)にある。この状態では、励磁電源１６からの電流は永久電流スイッチ１４側には分流せず、高温超電導コイル１３のみへ流れて、この高温超電導コイル１３が磁場を形成する。
【００２９】
高温超電導コイル１３へ定格電流を流す定常時には昇温ヒータ２４がＯＦＦ作動して、永久電流スイッチ１４は超電導状態(ＯＮ)にある。この状態では、励磁電源１６からの電流は、微小抵抗体１５の抵抗値によって定められた分流比に従って、高温超電導コイル１３(抵抗成分２２を含む)と永久電流スイッチ１４及び微小抵抗体１５とへ分流して流れる。これにより、高温超電導コイル１３に電流値が一定の電流が流れて、この高温超電導コイル１３が安定した磁場を形成する。
【００３０】
定常時に高温超電導コイル１３に異常が発生して遮断器２７が励磁電源１６を緊急遮断した際には、昇温ヒータ２４がＯＮ作動して永久電流スイッチ１４が加熱される。ところが、この永久電流スイッチ１４が加熱されて常伝導状態（ＯＦＦ）になるまでは、高温超電導コイル１３に流れる電流(定格電流の電流値に近い電流)は、超電導状態(ＯＮ)の永久電流スイッチ１４の抵抗値が保護抵抗１７よりも小さいので、高温超電導コイル１３（抵抗成分２２を含む）、永久電流スイッチ１４及び微小抵抗体１５を備えた閉ループ２３を流れる。
【００３１】
このとき、閉ループ２３の微小抵抗体１５で生じた熱が永久電流スイッチ１４を加熱するので、永久電流スイッチ１４が常伝導状態（ＯＦＦ）へ移行するまでの時間を短縮させることが可能になる。これにより、昇温ヒータ２４による加熱と相俟って、遮断器２７による励磁電源１６の緊急遮断時に永久電流スイッチ１４が迅速に常伝導状態（ＯＦＦ）になり、高温超電導コイル１３を流れる電流は保護抵抗１７へ早期に流れる。この保護抵抗１７により永久電流スイッチ１４の磁気エネルギが消費されて、高温超電導コイル１３を流れる電流は減衰する。
【００３２】
以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。
（１）励磁電源１６から高温超電導コイル１３へ定格電流を供給する定常時に高温超電導コイル１３に異常が発生して励磁電源１６を緊急遮断した際には、未だ臨界温度未満で超電導状態(ＯＮ)にある永久電流スイッチ１４に電気的に直列接続された微小抵抗体１５に定格電流に近い電流値の電流が流れて、微小抵抗体１５は急速に温度が上昇して発熱する。このとき、微小抵抗体１５が永久電流スイッチ１４に熱的に接続されているので、この微小抵抗体１５の発熱が永久電流スイッチ１４に伝熱されて、永久電流スイッチ１４は早期に昇温され、昇温ヒータ２４による加熱と相俟って、短時間に臨界温度以上になって常伝導状態(ＯＦＦ)になる。
【００３３】
この常伝導状態の永久電流スイッチ１４の抵抗値が保護抵抗１７より大きく設定されていることから、高温超電導コイル１３を流れる電流は、保護抵抗１７へ迅速に流れて、この保護抵抗１７により高温超電導コイル１３の磁気エネルギが早期に消費されて上記電流が減衰する。この結果、高温超電導コイル１３の焼損や劣化を確実に防止でき、高温超電導コイル１３の健全性を確保できる。
【００３４】
（２）微小抵抗体１５が永久電流スイッチ１４に熱的に接続されて、この微小抵抗体１５により永久電流スイッチ１４が昇温されるので、永久電流スイッチ１４を昇温させる昇温ヒータ２４が故障の場合でも対処でき、バックアップヒータが不要になって、永久電流スイッチ１４の構成を簡素化できる。
【００３５】
（Ｂ）第２実施形態（図２）
図２は、第２実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置を示す電気回路図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００３６】
本第２実施形態における超電導磁石装置としての高温超電導磁石装置３０が第１実施形態と異なる点は、永久電流スイッチ１４を昇温させる昇温ヒータ２４、並びにこの昇温ヒータ２４へ電流を供給する電流リード２５及びヒータ電源２６が省略され、永久電流スイッチ１４の昇温が微小抵抗体１５のみにより実施される点である。
【００３７】
高温超電導磁石装置３０における高温超電導コイル１３の励磁時には、高温超電導コイル１３へ供給される電流が徐々に増大するので、高温超電導コイル１３のインダクタンスにより誘導電圧が発生する。このため、抵抗成分２２を含む高温超電導コイル１３の両端電圧が大きくなり、微小抵抗体１５に大電流が流れて微小抵抗体１５が発熱する。永久電流スイッチ１４は、この微小抵抗体１５の発熱により昇温されて常伝導状態（ＯＦＦ）になり、励磁電源１６からの電流は、永久電流スイッチ１４側へは分流せずに高温超電導コイル１３のみに流れ、高温超電導コイル１３が磁場を形成する。
【００３８】
高温超電導コイル１３へ定格電流が流れる定常時には、高温超電導コイル１３に誘導電圧が発生せず、また、永久電流スイッチ１４は超電導状態（ＯＮ）にある。従って、励磁電源１６からの電流は、微小抵抗体１５の抵抗値によって定められた分流比に従って、高温超電導コイル１３（抵抗成分２２を含む）と永久電流スイッチ１４及び微小抵抗体１５とへ分流して流れる。これにより、高温超電導コイル１３へ電流値が一定の電流が流れて、高温超電導コイル１３が安定した磁場を形成する。
【００３９】
定常時に高温超電導コイル１３に異常が発生して遮断器２７が励磁電源１６を緊急遮断した際には、高温超電導コイル１３に流れる電流は、微小抵抗体１５の抵抗値が保護抵抗１７よりも小さいので、永久電流スイッチ１４及び微小抵抗体１５を含む閉ループ２３に流れる。このとき、微小抵抗体１５には、定格電流に近い大電流が流れることになるので、微小抵抗体１５は発熱して永久電流スイッチ１４を昇温させ、この永久電流スイッチ１４を常伝導状態（ＯＦＦ）とする。これにより、高温超電導コイル１３に流れる電流が保護抵抗１７へ流れ、この保護抵抗１７により高温超電導コイル１３の磁気エネルギが消費されて、高温超電導コイル１３を流れる電流は減衰する。
【００４０】
以上のように、本第２実施形態においても第１実施形態の効果（１）と同様な次の効果（３）を奏するほか、効果（４）を奏する。
【００４１】
（３）微小抵抗体１５が永久電流スイッチ１４と熱的に接続され、遮断器２７による励磁電源１６の緊急遮断時に微小抵抗体１５の発熱が永久電流スイッチ１４を早期に昇温させて常伝導状態（ＯＦＦ）とし、高温超電導コイル１３に流れる電流を迅速に保護抵抗１７へ導いて減衰させる。この結果、高温超電導コイル１３の焼損や劣化を防止でき、高温超電導コイル１３の健全性を確保できる。
【００４２】
（４）本第２実施形態によれば、第１実施形態に比べて、昇温ヒータ２４、電流リード２５及びヒータ電源２６が省略されたことで、永久電流スイッチ１４の構成を簡素化でき、高温超電導磁石装置３０の取扱いの簡便性を向上させることができる。
【００４３】
［Ｃ］第３実施形態（図３）
図３は、第３実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置の永久電流スイッチを示す斜視図である。この第３実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００４４】
本第３実施形態の超電導磁石装置としての高温超電導磁石装置３３が第１実施形態と異なる点は、高温超電導磁石装置３３の永久電流スイッチ３４が、テープ形状の高温超電導テープ線材３５を巻き回して高温超電導パンケーキコイル３６を形成し、この高温超電導パンケーキコイル３６を偶数個積層して無誘導コイルとして構成された点である。
【００４５】
各高温超電導テープ線材３５の端部は、図３に示すように高温超電導パンケーキコイル３６が２個積層された場合には、高温超電導テープ線材３５の内側端部が接続板３７により電気的に接続される。また、高温超電導パンケーキコイル３６が偶数個積層されたことで、各高温超電導パンケーキコイル３６の高温超電導テープ線材３５に電流が流れたときに、対となる高温超電導パンケーキコイル３６にそれぞれ生ずる磁場Ｂが逆向きになって相殺され、永久電流スイッチ３４は、誘導電圧が発生しない無誘導コイルになる。
【００４６】
以上のように構成されたことから、本第３実施形態の永久電流スイッチ３４によれば、次の効果（５）及び（６）を奏する。
（５）永久電流スイッチ３４が、高温超電導テープ線材３５を巻き回して形成される高温超電導パンケーキコイル３６にて構成されたので、高温超電導テープ線材３５の長さを自由に設定できる。このため、永久電流スイッチ３４が常伝導状態(ＯＦＦ)になるときの永久電流スイッチ３４の抵抗値を自由に設定できるので、永久電流スイッチ３４を様々な仕様の高温超電導コイル１３に適合させて設計することができる。
【００４７】
（６）永久電流スイッチ３４が、偶数個の高温超電導パンケーキコイル３６を積層して無誘導コイルに構成されたことから、永久電流スイッチ３４に流れる電流値を変化させた際にも誘導電圧が発生しない。このため、永久電流スイッチ３４が超電導状態(ＯＮ)になる動作と常伝導状態(ＯＦＦ)になる動作とを短時間に切り替えることができる。更に、永久電流スイッチ３４が無誘導コイルに構成されたことで、永久電流スイッチ３４は、高温超電導コイル１３に近い位置に設置された場合であっても、この高温超電導コイル１３に発生する磁場から受ける力を相殺することができる。
【００４８】
［Ｄ］第４実施形態（図４）
図４は、第４実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置の永久電流スイッチを示し、（Ａ）がその斜視図、（Ｂ）が束ねて巻かれる前の高温超電導テープ線材等の斜視図である。この第４実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００４９】
本第４実施形態の超電導磁石装置としての高温超電導磁石装置４０が第１実施形態と異なる点は、高温超電導磁石装置４０の永久電流スイッチ４１が、テープ形状の２本の高温超電導テープ線材（内側高温超電導テープ線材４２、外側高温超電導テープ線材４３）を、一端を接続し、絶縁テープ４４を介在させて束ねて同時に巻き回した高温超電導パンケーキコイル４５として構成された点である。
【００５０】
つまり、図４（Ｂ）に示すように、内側高温超電導テープ線材４２及び外側高温超電導テープ線材４３は、それぞれの一端を接続して接続端部４６とし、この接続端部４６を内側にし且つ絶縁テープ４４を介在させて、束ねて同時にパンケーキ状に巻き回して図４(Ａ)に示す高温超電導パンケーキコイル４５を形成し、この高温超電導パンケーキコイル４５を永久電流スイッチ４１として構成する。
【００５１】
この高温超電導パンケーキコイル（永久電流スイッチ４１）では、内側高温超電導テープ線材４２と外側高温超電導テープ線材４３のそれぞれにおける接続端部４６と反対の外側の端部が電極４７、４８になる。高温超電導パンケーキコイル４５（永久電流スイッチ４１）は、内側高温超電導テープ線材４２と外側高温超電導テープ線材４３とに逆向きに電流Ｉが流れることになるので、無誘導コイルとして構成される。
【００５２】
以上のように構成されたことから、本第４実施形態の永久電流スイッチ４１によれば、第３実施形態の効果（５）及び（６）と同様な効果を奏するほか、次の効果（７）を奏する。
【００５３】
（７）永久電流スイッチ４１が一層の高温超電導パンケーキコイル４５にて構成されたので、構成を簡素化できると共に、永久電流スイッチ４１が複数層の高温超電導パンケーキコイルから構成される場合に比べて、微小抵抗体１５または昇温ヒータ２４による温度制御を容易化できる。即ち、永久電流スイッチ４１が一層の高温超電導パンケーキコイル４５にて構成される場合には、この高温超電導パンケーキコイル４５を形成する内側高温超電導テープ線材４２及び外側高温超電導テープ線材４３を微小抵抗体１５または昇温ヒータ２４により均一に加熱することができる。このため、内側高温超電導テープ線材４２及び外側高温超電導テープ線材４３の温度の不均一が抑制されて、高温超電導パンケーキコイル４５（永久電流スイッチ４１）を容易に温度制御できる。
【００５４】
［Ｅ］第５実施形態（図５）
図５は、第５実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置の永久電流スイッチ及び微小抵抗体を示し、（Ａ）がその斜視図、（Ｂ）が束ねて巻かれる前の高温超電導テープ線材及び常伝導金属テープ線材などの斜視図、（Ｃ）が高温超電導テープ線材等の断面図、（Ｄ）が常伝導金属テープ線材の断面図である。この第５実施形態において、第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００５５】
本第５実施形態の超電導磁石装置としての高温超電導磁石装置５０が第１実施形態と異なる点は、高温超電導磁石装置５０の永久電流スイッチ５１が、微小抵抗体１５の機能を備えた微小抵抗体５２と一体化された点である。
【００５６】
つまり、永久電流スイッチ５１及び微小抵抗体５２は、テープ形状の高温超電導テープ線材５３と、テープ形状の常伝導金属テープ線材５４とが、絶縁テープ５５を介在させて束ねて同時に巻かれたパンケーキコイル５６であり、高温超電導テープ線材５３が永久電流スイッチ５１として、常伝導金属テープ線材５４が微小抵抗体５２とし、それぞれ構成される。
【００５７】
具体的には、図５（Ｂ）に示すように、高温超電導テープ線材５３及び常伝導金属テープ線材５４は、それぞれの一端を接続して接続端部５７とし、この接続端部５７を内側にし且つ絶縁テープ５５を介在させて、束ねて同時にパンケーキ状に巻き回して図５（Ａ）に示すパンケーキコイル５６を形成する。高温超電導テープ線材５３及び常伝導金属テープ線材５４の外側の一方の端部（つまり高温超電導テープ線材５３の外側の端部）が永久電流スイッチ５１の電極５８になり、高温超電導テープ線材５３及び常伝導金属テープ線材５４の外側の他方の端部（つまり常伝導金属テープ線材５４の外側の端部）が微小抵抗体５２の端部５９となる。
【００５８】
更に、永久電流スイッチ５１は、高温超電導テープ線材５３と常伝導金属テープ線材５４とに逆向きに電流Ｉが流れることになるので、無誘導コイルとして構成される。
【００５９】
また、永久電流スイッチ５１を構成する高温超電導テープ線材５３は、図５（Ｃ）に示すように基材６０に貼着され、この基材６０と共に保護層６１により覆われて構成される。永久電流スイッチ５１の常伝導導状態(ＯＦＦ)の抵抗値は、保護層６１の材質（例えば、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）など）及び保護層６１の厚さＴの少なくとも１つが変更されることで調整される。また、微小抵抗体５２の抵抗値は、図５（Ｄ）に示すように、常伝導金属テープ線材５４の材質（例えば、銅（Ｃｕ）やステンレス鋼など）、その材質の純度、常伝導金属テープ線材５４の厚さＵ及び常伝導金属テープ線材５４の長さの少なくとも１つが変更されることで調整される。
【００６０】
以上のように構成されたことから、本第５実施形態によれば、第３及び第４実施形態の効果（５）、（６）及び（７）と同様な効果を奏するほか、次の効果（８）及び（９）を奏する。
【００６１】
（８）微小抵抗体５２を構成する常伝導金属テープ線材５４が、永久電流スイッチ５１を構成する高温超電導テープ線材５３に、絶縁テープ５５を介在させて面接触しているので、微小抵抗体５２がヒータとして機能する際には、常伝導金属テープ線材５４が高温超電導テープ線材５３を全長に亘って均一に昇温させることができる。このため、永久電流スイッチ５１及び微小抵抗体５２の構成を簡素化できると共に、永久電流スイッチ５１の熱容量を低減でき、永久電流スイッチ５１が超電導状態(ＯＮ)になる動作と常伝導状態(ＯＦＦ)になる動作とを短時間に切り替えることができる。
【００６２】
（９）永久電流スイッチ５１の常伝導状態（ＯＦＦ)の抵抗値が調整可能に構成され、更に、微小抵抗体５２の抵抗値が調整可能に構成されたので、様々な種類、大きさ、磁場強度の高温超電導コイル１３に適合した永久電流スイッチ５１及び微小抵抗体５２を設計することができる。
【００６３】
［Ｆ］第６実施形態（図６、図７）
図６は、第６実施形態に係る超電導磁石装置が適用された高温超電導磁石装置を示す電気回路図である。また、図７は、図６の高温超電導磁石装置の変形形態を示す電気回路図である。この第６実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００６４】
本第６実施形態の超電導磁石装置としての高温超電導磁石装置６５が第１実施形態と異なる点は、高温超電導コイル１３が形成する磁場を検出する磁場センサ６６を備え、図６に示すように、微小抵抗体１５として機能する可変抵抗６７の抵抗値を、磁場センサ６６の検出値に基づいて、励磁電源１６から高温超電導コイル１３に流れる電流の電流値が一定になるように調整可能に構成した点である。または、図７に示すように、保護抵抗１７に電気的に直列接続されて保護抵抗１７として機能する可変抵抗６８の抵抗値を、磁場センサ６６の検出値に基づいて、励磁電源１６から高温超電導コイル１３に流れる電流の電流値が一定になるように調整可能に構成してもよい。
【００６５】
微小抵抗体１５としての可変抵抗６７または保護抵抗１７としての可変抵抗６８のそれぞれの抵抗値の調整は、例えば抵抗値の温度依存性を利用して、図示しないヒータによる加熱または図示しない伝熱板を介した冷凍機１８による冷却によって、可変抵抗６７または６８を温度変化させることで実施される。また、図６及び図７内に示す微小抵抗体１５、及び微小抵抗体１５としての可変抵抗６７は、第１実施形態と同様に永久電流スイッチ１４に熱的に接続されてもよい。
【００６６】
以上のように構成されたことから、微小抵抗体１５が永久電流スイッチ１４に熱的に接続された場合には、第１実施形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（１０）を奏する。
【００６７】
（１０）高温超電導コイル１３が形成する磁場が長期間に亘って様々な要因で変化する状況においても、この磁場を磁場センサ６６が検出し、この検出値に基づいて、微小抵抗体１５としての可変抵抗６７または保護抵抗１７としての可変抵抗６８のそれぞれの抵抗値が調整されることで、励磁電源１６から超電導コイル１３に流れる電流の電流値を一定に制御できる。この結果、高温超電導コイル１３が形成する磁場を長期間に亘って安定化できる。
【００６８】
以上、本発明のいくつかの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、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。
【符号の説明】
【００６９】
１０…高温超電導磁石装置（超電導磁石装置）、１３…高温超電導コイル（超電導コイル）、１４…永久電流スイッチ、１５…微小抵抗体、１６…励磁電源、１７…保護抵抗、２３…閉ループ、２４…昇温ヒータ、２７…遮断器、３０…高温超電導磁石装置（超電導磁石装置）、３３…高温超電導磁石装置（超電導磁石装置）、３４…永久電流スイッチ、３５…高温超電導テープ線材（超電導テープ線材）、３６…高温超電導パンケーキコイル（超電導パンケーキコイル）、４０…高温超電導磁石装置（超電導磁石装置）、４１…永久電流スイッチ、４２…内側高温超電導テープ線材（内側超電導テープ線材）、４３…外側高温超電導テープ線材（外側超電導テープ線材）、４４…絶縁テープ、４５…高温超電導パンケーキコイル（超電導パンケーキコイル）、５０…高温超電導磁石装置（超電導磁石装置）、５１…永久電流スイッチ、５２…微小抵抗体、５３…高温超電導テープ線材（超電導線材）、５４…常伝導金属テープ線材(常伝導金属線材)、５５…絶縁テープ、５６…パンケーキコイル、５７…接続端部、５８…電極、５９…端部、６１…保護層、６５…高温超電導磁石装置（超電導磁石装置）、６６…磁場センサ、６７、６８…可変抵抗
【図１】
2020068293.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020068293.tif 000009
【図８】
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