(57)【要約】【課題】ヒータの通電により発生した熱の超電導コイルへの移動を低減することができる永久電流スイッチを提供すること。【解決手段】コイルを巻回するための巻枠１３と、巻枠１３にコイル状に巻回されたヒータ線１４と、巻枠１３にコイル状に巻回された超電導線と、超電導線に接続されて巻枠１３から引き出された引き出し線と、を備え、超電導の閉回路を断続する永久電流スイッチにおいて、巻枠１３は、超電導線がヒータ線１４に重なるように巻回されたスイッチ部１１と、超電導線のみを巻回することで、スイッチ部１１から引き出し線への伝熱を抑制する熱抵抗部１２と、を設ける。【選択図】図２
2014192490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルを巻回するための巻枠と、前記巻枠にコイル状に巻回されたヒータ線と、前記巻枠にコイル状に巻回された超電導線と、前記超電導線に接続されて前記巻枠から引き出された引き出し線と、を備え、超電導回路を断続する永久電流スイッチであって、
前記巻枠は、
前記超電導線が前記ヒータ線に重なるように巻回されたスイッチ部と、
前記超電導線のみを巻回することで、前記スイッチ部から引き出し線への伝熱を抑制する熱抵抗部と、
を有することを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項２】
前記スイッチ部は、無誘導巻された前記超電導線によって構成され、
前記熱抵抗部は、無誘導巻された前記超電導線によって構成される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】
前記巻枠には、
前記スイッチ部と前記熱抵抗部を熱的に仕切る仕切壁が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久電流スイッチ。
【請求項４】
前記スイッチ部で巻回された超電導線と前記熱抵抗部で巻回された超電導線は、電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の永久電流スイッチ。
【請求項５】
前記熱抵抗部で巻回された超電導線の最内径が、前記スイッチ部で巻回された超電導線又はヒータ線の最内径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の永久電流スイッチ。
【請求項６】
前記スイッチ部における前記超電導線は、前記巻枠の径方向において複数の層を形成するように巻回されると共に、前記熱抵抗部における前記超電導線は、前記巻枠の径方向において少なくとも一層を形成するように巻回され、
前記スイッチ部で巻回された超電導線の径方向に沿った最外径が、前記熱抵抗部で巻回された超電導線の最内層の外径と略同一であ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】
前記スイッチ部及び前記熱抵抗部で巻回された超電導線に対して含浸処理が施されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の永久電流スイッチ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の永久電流スイッチと、超電導線が巻回された超電導コイルと、前記超電導コイルを収納する収納容器と、前記超電導コイル及び前記収納容器の少なくとも一方を超電導点移転以下に冷却する冷凍機と、を有し、
前記永久電流スイッチが、前記収納容器内で前記冷凍機に熱的に接続されていること特徴とする超電導装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載の永久電流スイッチを有し、
前記永久電流スイッチが、液体の冷媒に浸漬されていることを特徴とする超電導装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導による永久電流が流れる閉回路を形成する永久電流スイッチ、及びその永久電流スイッチを備える超電導装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置やＮＭＲ（核磁気共鳴）装置など、静磁場を発生させる必要がある装置では、超電導磁石（超電導マグネット）を永久電流モードで運転することで静磁場を発生させる。永久電流モードとは、永久電流によって超電導磁石を励磁することを意味し、永久電流モードで超電導磁石を運転するには、超電導線で構成され、超電導磁石が組み込まれた閉回路に永久電流を流さなくてはならない。
【０００３】
超電導磁石が組み込まれた閉回路に永久電流を流すには、まず、切断された閉回路の外部の電源から超電導磁石に電流を供給し、超電導磁石に流れる電流値が定格に達した後に閉回路を接続して、供給された電流を超電導線で構成された閉回路に閉じ込める。この閉じ込められた電流が、永久電流として閉回路を流れるが、上記閉回路の切断及び接続は、閉回路において超電導磁石に接続された永久電流スイッチによって切り換えられる。この永久電流スイッチは、超電導磁石を含む閉回路を構成するのに必要な部材であり、永久電流スイッチとしては、熱式、磁気式、機械式などの方式が考案されているが、作製の容易さから「熱式の永久電流スイッチ」が主に採用されている。
【０００４】
具体的に、熱式の永久電流スイッチは、永久電流スイッチ自体の内部に組み込まれたヒータへの通電を制御することで、該永久電流スイッチを構成する超電導線を、超電導状態（スイッチＯＮ状態）又は常伝導状態（スイッチＯＦＦ状態）に切り換える。この切り換えによって超電導線を超電導状態（スイッチＯＮ状態）にすれば、超電導磁石が組み込まれた閉回路が形成されるので、外部の電源から供給された電流を閉回路に閉じ込めて超電導磁石を永久電流モードで励磁することができる。逆に、永久電流スイッチの超電導線を常伝導状態（スイッチＯＦＦ状態）にすれば、閉回路が切断されるので、永久電流モードは解消される。
【０００５】
このような永久電流スイッチはすでに周知であるが、その構成及び動作については、特許文献１，２に開示されるような様々な工夫がなされている。
特許文献１に開示の超電導コイル装置は、超電導コイルの永久電流スイッチを“金属系超電導体を動作材料とした永久電流スイッチ”とすると共に、当該永久電流スイッチと超電導コイルとの間に酸化物高温超電導体から成る電流リードを介在させたことを特徴とするものである。
【０００６】
また、特許文献２に開示の冷凍機冷却型超電導磁石は、磁場を発生する超電導コイルと、超電導材料の超電導臨界温度を利用して前記超電導コイルに外部電源から電流を供給しない永久電流モードと電流を供給する電流供給モードとを切り替える永久電流スイッチと、前記超電導コイルを冷却する第１極低温冷凍機と、前記永久電流スイッチを冷却する別の第２極低温冷凍機と、前記超電導コイルおよび前記永久電流スイッチおよび前記第１・第２極低温冷凍機の冷却ステージを真空状態で内部に格納する真空容器とを備える冷凍機冷却型超電導磁石であって、前記超電導コイルと前記永久電流スイッチとを連結する超電導線と、前記超電導線と並列に設置され長手方向に沿って電気的に結合される少なくとも１本の超電導バイパス線とを備え、前記超電導バイパス線の超電導臨界温度は、前記永久電流スイッチの超電導臨界温度よりも高いことを特徴とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１５１８２１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８３１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、例えば冷凍機によって伝導冷却するタイプの超電導磁石においては、冷凍機
の負荷を増大させる要因となるので、永久電流スイッチのヒータからの発熱量を最小限に抑えることが望ましい。
このような背景の下、特許文献１の超電導コイル装置では、永久電流スイッチから超電導コイルへ超電導線材を介して伝わる熱量を抑制すべく、永久電流スイッチと超電導コイルの間に酸化物高温超電導線材から成る電流リード線を付加している。
【０００９】
しかし、特許文献１に開示の方法では、永久電流スイッチの金属系超電導線材と酸化物系超電導線材を接続することになる。しかし、超電導線材どうしの超電導接続が困難であることから、金属系超電導線材と酸化物系超電導線材の間に接続抵抗が発生し、この接続抵抗は、永久電流モードで動作させる場合に磁場減衰の大きな要因となるおそれがある。
また、特許文献２の冷凍機冷却型超電導磁石では、永久電流スイッチと超電導コイルを結ぶ超電導線に、更に臨界温度が高い超電導線（バイパス線）を抱き合わせることによって、永久電流スイッチから超電導コイルへ伝わる熱を抑制する方法を取っている。
【００１０】
しかし、実際には永久電流スイッチのヒータが発した熱のうち、超電導線を伝わる熱の多くは超電導線を構成する銅製の安定部材を通るので、超電導線を伝わる熱が半田等により接続された超電導バイパス線を流れることはあまり期待できず、超電導バイパス線を付加することで得られる効果は非常に低いと思われる。
そこで本発明は、ヒータの通電により発生した熱の超電導コイルへの移動を低減することができる永久電流スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る永久電流スイッチは、コイルを巻回するための巻枠と、前記巻枠にコイル状に巻回されたヒータ線と、前記巻枠にコイル状に巻回された超電導線と、前記超電導線に接続されて前記巻枠から引き出された引き出し線と、を備え、超電導回路を断続する永久電流スイッチであって、前記巻枠は、前記超電導線が前記ヒータ線に重なるように巻回されたスイッチ部と、前記超電導線のみを巻回することで、前記スイッチ部から引き出し線への伝熱を抑制する熱抵抗部と、を有することを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記スイッチ部は、無誘導巻された前記超電導線によって構成され、前記熱抵抗部は、無誘導巻された前記超電導線によって構成されるとよい。
また、前記巻枠には、前記スイッチ部と前記熱抵抗部を熱的に仕切る仕切壁が形成されているとよい。
さらに、前記スイッチ部で巻回された超電導線と前記熱抵抗部で巻回された超電導線は、電気的に直列に接続されているとよい。
【００１３】
加えて、前記熱抵抗部で巻回された超電導線の最内径が、前記スイッチ部で巻回された超電導線又はヒータ線の最内径よりも大きいとよい。
ここで、前記スイッチ部における前記超電導線は、前記巻枠の径方向において複数の層を形成するように巻回されると共に、前記熱抵抗部における前記超電導線は、前記巻枠の径方向において少なくとも一層を形成するように巻回され、前記スイッチ部で巻回された超電導線の径方向に沿った最外径が、前記熱抵抗部で巻回された超電導線の最内層の外径と略同一であるとよい。
【００１４】
なお、前記スイッチ部及び前記熱抵抗部で巻回された超電導線に対して含浸処理が施されているとよい。
本発明に係る超電導装置は、上記いずれかの永久電流スイッチと、超電導線が巻回された超電導コイルと、前記超電導コイルを収納する収納容器と、前記超電導コイル及び前記収納容器の少なくとも一方を超電導点移転以下に冷却する冷凍機と、を有し、前記永久電流スイッチが、前記収納容器内で前記冷凍機に熱的に接続されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る超電導装置は、上記いずれかの永久電流スイッチを有し、前記永久電流スイッチが、液体の冷媒に浸漬されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による永久電流スイッチによれば、ヒータの通電により発生した熱の超電導コイルへの移動を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態による永久電流スイッチが設けられる超電導装置の概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態による永久電流スイッチの断面を示す図である。
【図３】巻枠の構成を示す図であり、（ａ）は巻枠の全体を示し、（ｂ）は巻枠の軸心を通る面で切断したときの断面を示す。
【図４】ヒータ線が巻回された巻枠の構成を示す図であり、（ａ）は巻枠の全体を示し、（ｂ）は巻枠の軸心を通る面で切断したときの断面を示す。
【図５】スイッチ部が巻回された巻枠の構成を示す図であり、（ａ）は巻枠の全体を示し、（ｂ）は巻枠の軸心を通る面で切断したときの断面を示す。
【図６】熱抵抗部が巻回された本実施形態による永久電流スイッチの構成を示す図であり、（ａ）は永久電流スイッチの全体を示し、（ｂ）は巻枠の軸心を通る面で切断したときの断面を示す。
【図７】熱抵抗部に層間絶縁材が挟み込まれた永久電流スイッチの全体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。従って、本発明の技術的範囲は、本実施形態に開示内容に限定されるものではない。また、以下に説明する各実施形態において、同一の構成部材には、同一の符号及び同一の名称を付すこととする。従って、同一の符号及び同一の名称が付された構成部材については、同じ説明を繰り返さない。
【００１９】
図１〜図６を参照して、本発明の実施形態による永久電流スイッチ１０について説明する。図１は、ＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置やＮＭＲ（核磁気共鳴）装置などに用いられる磁場発生装置である超電導装置１の概略構成を示す図である。本実施形態による永久電流スイッチ１０は、図１に示すような超電導装置１に設けられる。
まず、図１を参照して、永久電流スイッチ１０が設けられる超電導装置１の構成を説明する。
【００２０】
超電導装置１は、収納容器２と、収納容器２に収納された超電導コイル３と、収納容器２の外表面が室温の大気と触れないように収納容器２を内部に保持する真空容器４と、超電導コイル３を超電導転移温度以下に冷却する冷却手段５とを有する。
収納容器２は、例えば薄肉のステンレス鋼など、機械強度及び耐腐食性に優れた材料で形成された中空の容器である。収納容器２は、後に詳述する超電導コイル３を収納すると共に冷却手段５も収納し、これによって、収納容器２内の超電導コイル３が超電導転移温度以下にまで冷却される。
【００２１】
超電導転移温度とは、熱力学温度にして数Ｋ（ケルビン）といった極低温である。従って、ステンレス鋼など熱伝導性の高い材料で形成された収納容器２を室温に置いた場合、室温から収納容器２内へ熱が侵入するので、収納容器２の内部を超電導転移温度以下に保つのは困難である。そこで収納容器２は、外表面が室温の大気と触れないように、内部が真空となった後述する真空容器４内に保持される。
【００２２】
超電導コイル３は、超電導体（超電導物質）からなる線材を巻回して得られるコイルであり、収納容器２内に収容される。超電導転移温度以下で超電導コイル３に電流が供給されると、供給された電流は、いわゆる永久電流として電気抵抗がほぼゼロ０となった超電導コイル３を流れ続ける。超電導コイル３は、この永久電流が引き起こす電磁誘導によって磁場を発生する。
【００２３】
また、超電導コイル３には、該超伝導コイル３に電流を供給する電源部（外部の電源）が接続可能となっており、また、永久電流を流す閉回路（超電導回路）を形成するために、後述する永久電流スイッチ１０が超電導コイル３に接続されている。永久電流スイッチ１０のＯＮ（接続）とＯＦＦ（切断）を切り替えることで、永久電流を流す閉回路の形成と解消を切り替える（閉回路を断続する）ことができ、永久電流スイッチ１０をＯＮ（接
続）にすれば閉回路が形成され、ＯＦＦ（切断）にすれば閉回路が解消される。このとき、閉回路を形成するケーブルは、超電導コイル３と同様に超電導体から形成される。
【００２４】
真空容器４は、収納容器２と同様に、例えばステンレス鋼など、機械強度及び耐腐食性に優れた材料で形成された中空の容器であり、超電導コイル３を収納する収納容器２を内部に保持する。真空容器４は、内部が超電導転移温度以下といった極低温となる収納容器２の外表面が室温の大気と触れないように、真空に保った内部に収納容器２を保持する。言い換えれば、真空容器４は、真空の空間を隔てて収納容器２を保持している。つまり、収納容器２と真空容器４は、いわゆる魔法瓶の構造を形成しており、収納容器２と室温とは真空容器４による真空の空間を隔てて断熱される。
【００２５】
冷却手段５は、例えば、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機などの極低温冷凍機である。冷却手段５である冷凍機（以下、冷凍機５という）は、棒状かつ長尺であって、一端側に圧縮機等を含む駆動部５０が設けられ、さらに、駆動部５０から他端に向かう中途部に熱交換を行う第１段ステージ５１を有し、他端側に第２段ステージ５２を有する２段構成となっている。第１段ステージ５１は、例えば３０Ｋ程度にまで冷却可能な熱交換部であり、第２段ステージ５２は、４Ｋ程度にまで冷却可能な熱交換部である。
【００２６】
図１に示すように、冷凍機５は、真空容器４の外部から真空容器４と収納容器２を貫通して、第２段ステージ５２を収納容器２の内部で保持している。冷凍機５の駆動部５０は真空容器４の貫通孔の周囲で気密に保持され、第１段ステージ５１は収納容器２に密に接続され、第２段ステージ５２は収納容器２の内部で、熱抵抗の低い板状の冷却部材６（例えば銅製の部材）を介して超電導コイル３に接続されている。このように、超電導コイル３が第２段ステージ５２に接続されることで、例えば４Ｋといった超電導転移温度以下にまで超電導コイル３を冷却することができる。
【００２７】
上述の構成を有する超電導装置１は、さらに、永久電流スイッチ１０を有する。以下、図２〜図６を参照して、永久電流スイッチ１０の構成について説明する。
まず、本願の発明者が従来からの永久電流スイッチにおいて認識している課題について説明する。
従来から、永久電流スイッチを構成する超電導線の安定化部材として、ＣｕＮｉ材（ＣｕＮｉ安定化材）を用いたＣｕＮｉ/ＮｂＴｉ材を使用することはよく知られている。このＣｕＮｉ材はＣｕ材に比べて熱伝導率が２桁ほど小さい。具体的には、４.２Ｋ下でのＣｕ安定化材（ＯＦＨＣ）の熱伝導率が約１８０Ｗ/ｍ・Ｋであるのに対して、ＣｕＮｉ安定化材（Ｃｕ-10wt%Ｎｉ）の熱伝導率は１.２Ｗ/ｍ・Ｋである。
【００２８】
このＣｕＮｉ/ＮｂＴｉ材からなる超電導線（ＣｕＮｉ/ＮｂＴｉ線）を超電導コイルと永久電流スイッチ間のリード線として使用すれば、永久電流スイッチから超電導コイルへの熱の流れを抑制することが可能となる。ここで、ＣｕＮｉ/ＮｂＴｉ線は、スイッチＯＦＦ状態（ヒータに通電して超電導線を常伝導状態にすることで永久電流スイッチを切断（ＯＦＦ）した場合）には熱抵抗部としての効果を発揮し、永久電流スイッチから超電導コイルへの熱伝導を抑えることが出来る。
【００２９】
しかしその反面、ＣｕＮｉ/ＮｂＴｉ線は、Ｃｕ安定化のＮｂＴｉ線（Ｃｕ/ＮｂＴｉ線）に比べて安定性が低いため、スイッチＯＮ状態（ヒータへの通電を止めて超電導線を超電導状態にすることで永久電流スイッチを接続（ＯＮ）した場合）は、超電導線のクエンチのリスクが高くなる。特に、より高磁場やコンパクト化が求められるＮＭＲやＭＲＩのマグネットでは、高い電流密度が求められるので、局所的に非常に高い電磁力が超電導のリード線材に印加されることでクエンチの原因となってしまうことがある。そのため、本願の発明者は、クエンチのリスクが高いＣｕＮｉ/ＮｂＴｉ線をリード線に用いることを極力回避することと、ヒータ線の発熱の超電導コイルへの伝導を抑制することができる永久電流スイッチを発明し、永久電流スイッチ１０として例示する。  
【００３０】
そこで、図２に示すように、本実施形態による永久電流スイッチ１０は、超電導線（ＣｕＮｉ/ＮｂＴｉ線）が巻回されたスイッチ部（ＰＣＳ部）１１とは別に、永久電流スイッチ１０の引き出し線側に熱伝導率が小さいＣｕＮｉ/ＮｂＴｉ線のみを巻回した熱抵抗部１２を設けた。
この永久電流スイッチ１０は、永久電流を流す閉回路を形成するために、超電導コイル３と導線（ケーブル）によって接続されるものであり、巻枠１３、ヒータ線１４、スイッチ部１１、及び熱抵抗部１２を含んで構成される。以下、順に説明する。
【００３１】
図３を参照して、巻枠１３の構成を説明する。図３は、巻枠１３を示す図であり、図３（ａ）は巻枠１３の全体を示す図、図３（ｂ）は巻枠１３の軸心を通る面で切断したときの断面図である。巻枠１３は、円柱形状の胴部１３Ａ、胴部１３Ａより大きい径を有し胴部１３Ａに隣り合う円柱形状の胴部１３Ｂ、胴部１３Ａと胴部１３Ｂの間に設けられた仕切壁１３Ｃ、胴部１３Ａの端部に設けられた円板状の平板（フランジ）１３Ｄ、及び胴部１３Ｂの端部に設けられた円板状の平板（フランジ）１３Ｅを有している。なお、巻枠１３を構成する胴部１３Ａ，１３Ｂ、仕切壁１３Ｃ、フランジ１３Ｄ，１３Ｅは、後述するヒータ線１４による発熱の伝熱を抑制するために、例えばＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）などの熱抵抗の高い材料で構成されている。
【００３２】
胴部１３Ａは、例えば、外観が外径約３０ｍｍの円柱形状の部材であって、例えば、該円柱形状の軸心方向に沿った長さ（円柱の高さ）が、該軸心に直交する直径（円柱の直径）の数倍となるように形成されている。
胴部１３Ｂは、胴部１３Ａと同じく外観が外径約３７ｍｍの円柱形状の部材であるが、胴部１３Ａに対して、該円柱形状の軸心方向に沿った長さ（円柱の高さ）は短く、該軸心に直交する直径（円柱の直径）は大きくなるように形成されている。
【００３３】
胴部１３Ａと胴部１３Ｂは、互いの一端を対向させて各々の軸心がほぼ一直線に連続するように配置されている。
仕切壁１３Ｃは、所定の厚みを有する円板形状に形成された部材であって、胴部１３Ａ及び胴部１３Ｂの直径よりも大きな直径を有し、その厚みは胴部１３Ａ及び胴部１３Ｂの軸心方向に沿った長さよりも短くなるように形成されている。また、仕切壁１３Ｃは、該円板形状の軸心が胴部１３Ａ及び胴部１３Ｂの軸心とほぼ一直線に連続するように、胴部１３Ａと胴部１３Ｂの互いに対向する端部に接続される。さらに、この仕切壁１３Ｃは、外周部に、胴部１３Ａ側と胴部１３Ｂ側を連通する切欠き１３Ｆを形成している。
【００３４】
フランジ１３Ｄ，１３Ｅは、仕切壁１３Ｃとほぼ同様の形状を有する部材であって、仕切壁１３Ｃとほぼ同じ直径を有し所定の厚みを有する円板形状に形成されている。フランジ１３Ｄは、当該円板形状の軸心が胴部１３Ａの軸心とほぼ一直線に連続するように、仕切壁１３Ｃに接続された胴部１３Ａの端部に設けられる。また、フランジ１３Ｅは、当該円板形状の軸心が胴部１３Ｂの軸心とほぼ一直線に連続するように、仕切壁１３Ｃに接続された胴部１３Ｂの端部に設けられる。
【００３５】
さらに、フランジ１３Ｄ，１３Ｅは共に、外周部に、一方の端面と他方の端面を連通する溝状の切欠き１３Ｇ，１３Ｈを形成している。フランジ１３Ｄにおいて、２本の溝状の切欠き１３Ｇがほぼ平行に形成されることで、２本の切欠き１３Ｇの間に突起１３Ｉが形成されている。フランジ１３Ｅにおいても、２本の溝状の切欠き１３Ｈがほぼ平行に形成されることで、２本の切欠き１３Ｈの間に突起１３Ｊが形成されている。
【００３６】
図３に示すように、フランジ１３Ｄ，１３Ｅの切欠き１３Ｇ，１３Ｈは、外周面上において、仕切壁１３Ｃに形成された切欠き１３Ｆの位置に対応する位置、つまり、仕切壁１３Ｃの切欠き１３Ｆに対する回転角がほぼゼロ０°となる位置に形成されている。しかし、フランジ１３Ｅの切欠き１３Ｈは、仕切壁１３Ｃの切欠き１３Ｆに対する回転角が１８０°となる位置に形成されていてもよい。この理由は、後に説明する。
【００３７】
巻枠１３は、上述のように構成された胴部１３Ａ，１３Ｂ、仕切壁１３Ｃ、フランジ１３Ｄ，１３Ｅを有するように構成されているが、この巻枠１３は、一本の円柱から削り出された部材のように、胴部１３Ａ，１３Ｂ、仕切壁１３Ｃ、フランジ１３Ｄ，１３Ｅを一体に形成したものである。
図４を参照して、ヒータ線１４について説明する。図４は、ヒータ線１４が巻回された巻枠１３を示す図であり、図４（ａ）は巻枠１３の全体を示す図、図４（ｂ）は巻枠１３の軸心を通る面で切断したときの断面図である。
【００３８】
ヒータ線１４は、コンスタンタン線など、通電により発熱する導電性の部材であり、例
えば外径３０ｍｍの胴部１３Ａに巻幅２００ｍｍ程度で１００Ωに相当する長さが無誘導巻でコイル状に巻き付けられる。図４では、胴部１３Ａの径方向において重なり合わず一層となるように、ヒータ線が胴部１３Ａの長手方向に沿って巻回されている。なお、ヒータ線１４は、フランジ１３Ｄを通して胴部１３Ａに導入されて巻回され、フランジ１３Ｄを通して胴部１３Ａから引き出される。
【００３９】
図５を参照して、スイッチ部１１について説明する。図５は、スイッチ部１１が巻回された巻枠１３を示す図であり、図５（ａ）は巻枠１３の全体を示す図、図５（ｂ）は巻枠１３の軸心を通る面で切断したときの断面図である。
スイッチ部１１は、胴部１３Ａにおいてコイル状に巻回された超電導線であり、胴部１３Ａに巻回されたヒータ線１４の上に無誘導巻でコイル状に巻き付けられたものである。スイッチ部１１として巻回される超電導線は、例えば、径Φが１.０ｍｍのＣｕ10Ｎｉ/ＮｂＴｉ線（例えば、断面比１.３のＣｕ-10wt%Ｎｉ/ＮｂＴｉ線）である。
【００４０】
この超電導線をＵ字状に折り返して折り返し部１１Ａを形成し、形成した折り返し部１１Ａを挟んだ一方側の超電導線と他方側の超電導線の２本の超電導線を隣接させ対にする。こうすることで、折り返し部１１Ａを挟んだ一方側の超電導線から他方側の超電導線へ直流電流を流したときに、一方側の電流の向きと他方側の電流の向きが常に正反対となる。このように対にして束ねられた超電導線の折り返し部１１Ａをフランジ１３Ｄの突起１３Ｉに引っかけて、折り返し部１１Ａに近い超電導線から順に、対となった２本の超電導線の一方側と他方側が胴部１３Ａの径方向において重なり合わず、胴部１３Ａの長手方向に沿って交互に並ぶように胴部１３Ａに巻回する。これによって、スイッチ部１１の無誘導巻が実現する。
【００４１】
図５（ｂ）の断面図に示すように、本実施形態では、例えば室温時の両端抵抗が６０Ωとなる長さの超電導線を複数の層（例えば、７層）に重ねて巻回している。複数の層に重ねて巻回するときは、各層において、対となった２本の超電導線のうちどちらかを１回だけ多く巻回し、胴部１３Ａの径方向に隣接する超電導線に対しても電流の流れる方向が正反対となるように超電導線を巻回する。
【００４２】
図５（ｂ）を参照して、上述のように超電導線を巻回することで、巻回された超電導線に流れる電流の向きは、隣接する超電導線に流れる電流の向きとは反対方向となり、各々の超電導線が発する電磁力は、隣接する超電導線が発する正反対方向の電磁力と打ち消し合うことによって解消（キャンセル）される。
このように超電導線が巻回されたスイッチ部１１は、超電導転移点以下に冷却されれば、電気抵抗がほぼゼロ０となるのでＯＮ（接続）状態となり、ヒータ線１４の発熱によって超電導転移点を超えれば、電気抵抗が発生するのでＯＦＦ（切断）状態となる。
【００４３】
図６を参照して、熱抵抗部１２について説明する。図６は、熱抵抗部１２が巻回された巻枠１３を示す図であり、図６（ａ）は巻枠１３の全体を示す図、図６（ｂ）は巻枠１３の軸心を通る面で切断したときの断面図である。
まず、胴部１３Ａに超電導線を巻回してスイッチ部１１を形成した後、スイッチ部１１として巻回した超電導線の対を仕切壁１３Ｃの切欠き１３Ｆに掛け渡して、胴部１３Ｂ側に引き出す。
【００４４】
熱抵抗部１２は、この胴部１３Ｂ側に引き出された超電導線を、例えば外径３７ｍｍの胴部１３Ｂに巻幅８０ｍｍ程度で複数の層（例えば、３層）に重ねて巻回することで構成され、超電導線は、フランジ１３Ｅの切欠き（スイッチ口出し部）１３Ｈからリード線（引き出し線）として引き出される。このように、熱抵抗部１２は、スイッチ部１２と同一の超電導線で連続してコイル状に巻回されており、スイッチ部１１と電気的に直列に接続される。
【００４５】
フランジ１３Ｅから引き出されたリード線は、引き出された直後にＣｕ安定化のＮｂＴｉ線（Ｃｕ/ＮｂＴｉ線）に超電導接続され、超電導コイル３と電気的に接続される。
このとき、超電導線は、胴部１３Ｂにおいてもスイッチ部１１と同様の方法で無誘導巻によって巻回されて、各々の超電導線が発する電磁力は、隣接する超電導線が発する正反対方向の電磁力と打ち消し合うことによって解消（キャンセル）される。
【００４６】
上述したとおり、熱抵抗部１２は、永久電流スイッチ１０から外部へ伝わる熱を抑制するために設けられたものである。具体的には、熱抵抗部１２は、ヒータ線１４で発生した熱が永久電流スイッチ１０から引き出されるリード線（引き出し線）を伝わって永久電流スイッチ１０の外部へ出ないように、つまり、永久電流スイッチ１０の外部へ伝わる熱量が最小限となるように抑制することを目的とするものである。
【００４７】
この目的のためには、図２及び図６に示すように、熱抵抗部１２で巻回された超電導線の最も胴部１３Ｂ寄りの内径（最内径）が、スイッチ部１１で巻回された超電導線又はヒータ線１４の最も胴部１３Ａ寄りの内径（最内径）よりも大きいと好ましい。一例として、スイッチ部１１で巻回された超電導線の最も胴１３Ａから離れた層の外径（超電導線の径方向に沿った最外径）が、熱抵抗部１２で巻回された超電導線の最も胴部１３Ｂ寄りの層（最内層）の外径と略同一であるとよい。
【００４８】
これによって、超電導線が胴部１３Ａから引き出される位置から、胴部１３Ｂから引き出される位置（切欠き１３Ｈの位置）までの距離を大きく取ることができるので、永久電流スイッチ１０の外部へ伝わる熱量を抑制することができる。また、仕切壁１３Ｃの切欠き１３Ｆに対する回転角が１８０°となる位置に切欠き１３Ｈを形成すると、超電導線が胴部１３Ａから引き出される位置から、切欠き１３Ｈの位置までの距離をさらに大きく取ることができるので、永久電流スイッチ１０の外部へ伝わる熱量をさらに抑制することができる。
【００４９】
上述のようにスイッチ部１１及び熱抵抗部１２が形成された巻枠１３をエポキシ樹脂であるＥＰＯＮ（登録商標）などに含浸することで、巻枠１３に対してスイッチ部１１及び熱抵抗部１２を固定すれば、本実施形態による永久電流スイッチ１０が得られる。
本実施形態による永久電流スイッチ１０は、スイッチ部１１及び熱抵抗部１２で巻回された超電導線に対して、エポキシ樹脂などに含浸して固定するといった含浸処理を施すことで、超電導線が振動することによるクエンチを抑制することができる。
【００５０】
本実施形態による永久電流スイッチ１０の特徴をまとめると、以下のとおりである。ヒータ線１４が通電によって発熱すると、スイッチ部１１の超電導線は常伝導転移をする。しかし、ヒータ線１４が発する熱は、熱抵抗の高い熱抵抗部１２の超電導線（ＣｕＮｉ/ＮｂＴｉ線）によって、永久電流スイッチ１０の外部のリード線に伝わる熱移動は小さくなる。
【００５１】
次に、ヒータ線１４への通電を停めて、スイッチ部１１を超電導転移させた後は、スイッチ部１１及び熱抵抗部１２に超電導コイル３の定格運転電流が通電されるが、スイッチ部１１及び熱抵抗部１２ともに無誘導巻線によって内部の電磁力は殆ど打ち消しあっている。加えてスイッチ部１１及び熱抵抗部１２とも含浸処理によって固定されているため、超電導線の振動などによるクエンチのリスクは非常に小さくなる。
【００５２】
ここで、図１に戻って、超電導装置１内における永久電流スイッチ１０の配置について説明する。永久電流スイッチ１０は、超電導コイル３が発する磁場の影響が少ない位置で、熱抵抗の低い板状の冷却部材（例えば銅製の部材）７に物理的に接触することで支持され、この冷却部材７が冷凍機５の第２段ステージ５２と物理的に接続される。このようにして、永久電流スイッチ１０は、冷凍機５の第２段ステージ５２と熱的に接続されるので、スイッチ部１１の超電導転移点である４.２Ｋ付近にまで冷却される。
【００５３】
また、超電導装置１において超電導コイル３を液体ヘリウムなどの液体冷媒で冷却する場合は、永久電流スイッチ１１を超電導コイル３を冷却する液体冷媒に浸漬するように配置し、超電導転移点以下に冷却しても構わない。
上述のように配置された永久電流スイッチ１０の動作について説明する。
本実施形態による永久電流スイッチ１０を、図１に示すような超電導装置１における冷凍機伝導冷却型の１.５Ｔ（テスラ）ＭＲＩマグネット（超電導コイル３）内の０.５Ｔ磁場環境下に設置し、動作試験を実施した。
【００５４】
まず、ヒータ線１４に約５０ｍＷの電流を通電して発熱させ、スイッチ部１１を常伝導転移させた。このとき、スイッチ部１１の温度が約１０Ｋまで上昇したが、スイッチ口出し部１３Ｈの温度は４.２Ｋ付近であり、ヒータ線１４の発熱はスイッチ口出し部１３Ｈ
以降のリード線部まで伝わっていなかった。
次に、ヒータ部１４の通電を止めてスイッチ部１１を超電導転移させ、超電導コイル３を永久電流モードでの運転へ移行した。このとき、スイッチ部１１および熱抵抗部１２には約４００Ａの電流が流れていたが、ヒータ部１４及びスイッチ部１１はクエンチすることなく、永久電流スイッチ１０は安定して動作した。
【００５５】
最後に、図７を参照して、本実施形態による永久電流スイッチ１０の変形例を説明する。図７は、熱抵抗部１２に層間絶縁材２１が挿入された永久電流スイッチ２０の全体を示す図である。
熱抵抗部１２において超電導線を複数の層に重ねて巻回する際に、層と層の間（層間）に断熱材（層間絶縁材２１）を挟み込みながら巻回する。この層間絶縁材２１によって層間での熱の移動が抑制されるので、超電導線が胴部１３Ａから引き出される位置から、より上の層へ、つまり熱抵抗部１２の内周側から外周側への熱の移動を抑制することができ、より確実に永久電流スイッチ２０の外部へ伝わる熱量を抑制することができる。
【００５６】
ところで、今回開示された実施形態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。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００５７】
なお、スイッチ部及び熱抵抗部において無誘導巻を実現する方法は、上述の方法に限らない。スイッチ部及び熱抵抗部における電磁力を解消（キャンセル）することができれば、既知の方法を用いて無誘導巻を実現してもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１    超電導装置
２    収納容器
３    超電導コイル
４    真空容器
５    冷凍機
６，７    冷却部材
１０，２０    永久電流スイッチ
１１    スイッチ部
１１Ａ    折り返し部
１２    熱抵抗部
１３    巻枠
１３Ａ，１３Ｂ    胴部
１３Ｃ    仕切壁
１３Ｄ，１３Ｅ    フランジ
１３Ｆ，１３Ｇ    切欠き
１３Ｈ    切欠き（スイッチ口出し部）
１４    ヒータ線
２１    層間絶縁材
【図１】
2014192490.tif 000003
【図２】
2014192490.tif 000004
【図３】
2014192490.tif 000005
【図４】
2014192490.tif 000006
【図５】
2014192490.tif 000007
【図６】
2014192490.tif 000008
【図７】
2014192490.tif 000009