(57)【要約】【課題】超電導コイルを消磁する際に高速かつ安定的に開操作できる永久電流スイッチ、このような永久電流スイッチを備えた磁場発生装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】この永久電流スイッチは、超電導線材の第１区間を含む第１スイッチ部と、超電導線材の第２区間と、第１スイッチ部より大きな熱容量を有する熱伝導体とを含み、超電導線材の第２区間と熱伝導体とが熱的に結合された第２スイッチ部と、第１スイッチ部と第２スイッチ部との間に介在し、第１スイッチ部と第２スイッチ部とを熱的に分離させる熱抵抗体と、超電導線材の第１区間を加熱可能なヒータと、超電導線材の第２区間に磁場を印加可能なマグネットとを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導線材の第１区間を含む第１スイッチ部と、
前記超電導線材の第２区間と、前記第１スイッチ部より大きな熱容量を有する熱伝導体とを含み、前記超電導線材の前記第２区間と前記熱伝導体とが熱的に結合された第２スイッチ部と、
前記第１スイッチ部と前記第２スイッチ部との間に介在し、前記第１スイッチ部と前記第２スイッチ部とを熱的に分離させる熱抵抗体と、
前記超電導線材の前記第１区間を加熱可能なヒータと、
前記超電導線材の前記第２区間に磁場を印加可能なマグネットと、
を備えることを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項２】
前記超電導線材は、希土類系超電導線材又はビスマス系超電導線材であ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】
前記第２スイッチ部は、
前記超電導線材の前記第２区間と電気的に絶縁された熱伝導線材を更に含み、前記超電導線材の前記第２区間と前記熱伝導線材とが巻枠に共に巻回されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久電流スイッチ。
【請求項４】
前記超電導線材の前記第１区間と前記第２区間とが互いに逆の巻回方向に巻回され、
前記超電導線材の前記第１区間及び前記第２区間の合成インダクタンスは、前記超電導線材の前記第１区間の自己インダクタンスと前記超電導線材の前記第２区間の自己インダクタンスとの合計より、小さいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。
【請求項５】
前記超電導線材の少なくとも一部の区間と電気的に並列接続された半導体スイッチを更に備えることを特徴とする請求項１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】
前記第１スイッチ部は、互いに熱容量が異なる第１部分と第２部分とを有し、
前記ヒータは、前記第１部分を加熱可能な第１ヒータと、前記第２部分を加熱可能な第２ヒータとを含むことを特徴とする請求項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】
互いに並列に接続された、超電導コイル、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ、保護抵抗及び電流源と、
前記超電導コイル及び前記永久電流スイッチを冷却する冷却装置と、
前記永久電流スイッチを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記超電導コイルの消磁要求に基づいて前記マグネット及び前記ヒータを作動させ、前記マグネットの磁場の作用により前記第２スイッチ部を開に切り替えた後、前記ヒータの加熱により前記第１スイッチ部を開に切り替えることを特徴とする磁場発生装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記マグネットの磁場の作用により前記第２スイッチ部を開に切り替える際に、前記電流源に電流を出力させることを特徴とする請求項７記載の磁場発生装置。
【請求項９】
互いに並列に接続された、超電導コイル、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ、保護抵抗及び電流源と、前記超電導コイル及び前記永久電流スイッチを冷却する冷却装置とを備える磁場発生装置の制御方法であって、
前記マグネット及び前記ヒータを作動させ、前記マグネットの磁場の作用により前記第２スイッチ部を開に切り替えた後、前記ヒータの加熱により前記第１スイッチ部を開に切り替えて、前記超電導コイルを消磁することを特徴とする磁場発生装置の制御方法。
【請求項１０】
前記マグネットの磁場の作用により前記第２スイッチ部を開に切り替える際、前記電流源に電流を出力させることを特徴とする請求項９記載の磁場発生装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材を用いた永久電流スイッチ、永久電流スイッチを備えた磁場発生装置、及び磁場発生装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイルを用いた磁場発生装置には、超電導コイルを含んだ閉回路の全てを超電導状態に転移させ、この超電導状態の回路（以下、「超電導回路」と呼ぶ。）に永久電流を流して定磁場を発生させるものがある。このような構成により、磁場の発生中に超電導コイルを駆動する電流源が不要となり、かつ、時間的に極めて高い安定性を有する定磁場を発生することができる。ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）分析装置又はＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置においては、磁場発生装置が発生する定磁場に時間的に極めて高い安定性が要求される。
【０００３】
永久電流で駆動される超電導コイルであっても、励磁（所定の電流値まで通電電流を上昇させる過程）の際と消磁（通電電流を減少させる過程）の際には電流源が使用される。励磁の際には、超電導回路の一部を開いた状態で、電流源から超電導コイルへ電力が供給される。そして、超電導コイルの電流が所定値まで増加したら、超電導回路が閉じられ、電流源が停止される。これにより、超電導コイルに流れる電流が永久電流となって超電導回路に流れる。消磁の際には、励磁の場合と逆の手順がとられる。このように超電導回路の一部を開いたり閉じたりする機能を担うのが、永久電流スイッチ（永久電流スイッチ２０：Persistent Current Switch）である。
【０００４】
永久電流スイッチは、超電導線材と、超電導線材を常電導状態と超電導状態とに切り替える手段とを備える。超電導線材が超電導状態となって抵抗がゼロになったときが閉の状態であり、超電導線材が常電導状態となって電気抵抗が生じたときが開の状態となる。
【０００５】
現状、磁場発生装置の超電導コイル及び永久電流スイッチは低温超電導（ＬＴＳ：Low-Temperature Superconductor）の線材によって構成されるのが通常である。以下、低温超電導の線材をＬＴＳ線材と呼び、高温超電導（ＨＴＳ：High-Temperature Superconductor）の線材をＨＴＳ線材と呼ぶ。ＬＴＳ線材を使用する第１の理由は、ＨＴＳ線材では、超電導体同士の接合、いわゆる超電導接合が難しく、回路の全てを超電導状態にすることが難しいからである。第２の理由は、ＨＴＳ線材は、超電導性が失われる臨界温度が高く、温度を昇降して永久電流スイッチを開閉する操作に時間がかかるからである。第１の理由に関しては、現在、多くの企業又は研究機関においてＨＴＳ線材の超電導接合の技術開発が進められており、近い将来、簡便な超電導接合技術が確立されることが期待される。あるいは、回路の一部に超電導状態に転移しない線材の接続部が含まれていても、わずかな電流減衰を伴う擬似的な永久電流を超電導コイルに流して、長期に渡って安定した定磁場を発生することができる。このような状況を勘案すると、第２の理由に挙げられる課題、すなわちＨＴＳ線材を用いた永久電流スイッチを高速に開閉可能とするという課題を解決することが重要と考えられる。
【０００６】
ところで、人体の検査に用いられるＭＲＩ装置には、緊急時に短時間で消磁する機能が要求される。現状のＭＲＩ装置では、ほぼ全てにおいて、ＬＴＳ線材の超電導コイルが採用され、かつ、液体ヘリウムの浸漬冷却が採用されている。ＬＴＳコイルでは、超電導コイルを加熱して人為的なクエンチを引き起こすことで緊急の消磁を行うことができる。しかしながら、この緊急消磁の方法は、大量の液体ヘリウムをガス化して失うという欠点があり、更に急激な温度上昇による超電導コイルへのダメージ蓄積のリスクがある。他方、超電導コイルに人為的なクエンチを発生させる手法は、ＨＴＳコイルを採用した磁場発生装置に適用すると、ほぼ確実に超電導コイルを焼損してしまう。したがって、超電導コイルを緊急に消磁するという目的のためには、ＨＴＳ線材を用いた構成、あるいはＬＴＳ線材を用いた構成のいずれにおいても、永久電流スイッチを高速に開操作する手段が有効である。
【０００７】
特許文献１には、本発明に関連する従来技術として、伝導冷却される超電導回路に設けられる永久電流スイッチの技術が示されている。この技術は、永久電流スイッチの巻き線部と、永久電流スイッチを含めて超電導回路の冷却を行う熱浴との間に、熱抵抗を介在させるというものである。この構成により、小さなヒータの熱量で巻き線部を高温にして永久電流スイッチを開にできる。
【０００８】
特許文献２には、本発明に関連する従来技術として、ＨＴＳ線材を用いた永久電流スイッチをより速く開状態にするための技術が提案されている。特許文献２には、超電導コイルを緊急消磁する際、永久電流スイッチにヒータと超電導コイルの磁場とを作用させることで、永久電流スイッチを短時間で開にする技術が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−１８９３２４号公報
【特許文献２】特開２０１０−７３８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＨＴＳ線材の永久電流スイッチを開閉する温度差はＬＴＳ線材のそれと比べて大きくなり、開閉操作でやり取りしなければならない熱量も大きくなる。それに対して特許文献１には、熱抵抗を用いてヒータの小さな熱量で永久電流スイッチの巻き線部を高温にする技術が示されている。
【００１１】
しかしながら、特許文献１に示される構成では、通電最中に開操作を行うと永久電流スイッチが自身の発熱により損傷するという課題が生じる。これは、次のような理由による。通常、超電導コイルを用いた磁場発生装置では、永久電流スイッチと並列接続された保護抵抗が、冷却装置の外部に設けられる。超電導コイルが励磁されているときに永久電流スイッチが開操作された場合、超電導コイルの電流は保護抵抗に流されて、超電導コイルの電流がゼロまで低減される。一方、永久電流スイッチを構成する超電導線材には、超電導層に沿って電気伝導性を有する保護層が設けられ、超電導層が常電導状態に転移したとき、保護層に電流がバイパスして超電導層の損傷の回避が図られる。よって、永久電流スイッチを開としても、永久電流スイッチの抵抗はさほど大きくならない。このため、超電導コイルの電流は、保護抵抗だけでなく、永久電流スイッチにも大きな割合で流れ、永久電流スイッチでジュール熱が発生する。ここで、特許文献１に示されるように、永久電流スイッチの超電導線材と熱浴との間に熱抵抗が設けられていると、ジュール熱の速やかな排出が阻害され、永久電流スイッチの温度を損傷させる水準まで引き上げてしまう。永久電流スイッチの加熱効率の向上と、排熱効率の向上とは、相反する課題である。
【００１２】
特許文献２に示される技術では、先に述べたように、永久電流スイッチにヒータと磁場とを作用させることで、永久電流スイッチの短時間の開操作が期待される。しかし、超電導線材に磁場を印加すると、超電導線材の臨界電流は顕著に低下するが、臨界温度はさほど低下しない。つまり、磁場が印加された永久電流スイッチは、臨界電流以上の電流が流れているときに電圧が発生するが、電流が低下すると実質的な閉状態に戻ってしまい、超電導コイルを完全に消磁することができない。完全に消磁するには、超電導線材を速やかに臨界温度以上に加熱して、超電導線材の臨界電流をゼロにする必要があるが、磁場の作用で永久電流スイッチが開となったときには、永久電流スイッチに大きなジュール熱が発生する。したがって、特許文献２の永久電流スイッチにおいても、磁場を作用させない永久電流スイッチと同様に、排熱効率の向上と加熱効率の向上という、相反する課題が残される。
【００１３】
本発明の目的は、超電導コイルを消磁する際に高速かつ安定的に開操作できる永久電流スイッチ、このような永久電流スイッチを備えた磁場発生装置及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１記載の発明は、
超電導線材の第１区間を含む第１スイッチ部と、
前記超電導線材の第２区間と、前記第１スイッチ部より大きな熱容量を有する熱伝導体とを含み、前記超電導線材の前記第２区間と前記熱伝導体とが熱的に結合された第２スイッチ部と、
前記第１スイッチ部と前記第２スイッチ部との間に介在し、前記第１スイッチ部と前記第２スイッチ部とを熱的に分離させる熱抵抗体と、
前記超電導線材の前記第１区間を加熱可能なヒータと、
前記超電導線材の前記第２区間に磁場を印加可能なマグネットと、
を備えることを特徴とする永久電流スイッチである。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記超電導線材は、希土類系超電導線材又はビスマス系超電導線材であることを特徴としている。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記第２スイッチ部は、
前記超電導線材の前記第２区間と電気的に絶縁された熱伝導線材を更に含み、前記超電導線材の前記第２区間と前記熱伝導線材とが巻枠に共に巻回されていることを特徴としている。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の永久電流スイッチにおいて、
前記超電導線材の前記第１区間と前記第２区間とが互いに逆の巻回方向に巻回され、
前記超電導線材の前記第１区間及び前記第２区間の合成インダクタンスは、前記超電導線材の前記第１区間の自己インダクタンスと前記超電導線材の前記第２区間の自己インダクタンスとの合計より、小さいことを特徴としている。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項１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において、
前記超電導線材の少なくとも一部の区間と電気的に並列接続された半導体スイッチを更に備えることを特徴としている。
【００１９】
請求項６記載の発明は、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において、
前記第１スイッチ部は、互いに熱容量が異なる第１部分と第２部分とを有し、
前記ヒータは、前記第１部分を加熱可能な第１ヒータと、前記第２部分を加熱可能な第２ヒータとを含むことを特徴としている。
【００２０】
請求項７記載の発明は、
互いに並列に接続された、超電導コイル、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ、保護抵抗及び電流源と、
前記超電導コイル及び前記永久電流スイッチを冷却する冷却装置と、
前記永久電流スイッチを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記超電導コイルの消磁要求に基づいて前記マグネット及び前記ヒータを作動させ、前記マグネットの磁場の作用により前記第２スイッチ部を開に切り替えた後、前記ヒータの加熱により前記第１スイッチ部を開に切り替えることを特徴する磁場発生装置である。
【００２１】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の磁場発生装置において、
前記制御部は、前記マグネットの磁場の作用により前記第２スイッチ部を開に切り替える際に、前記電流源に電流を出力させることを特徴としている。
【００２２】
請求項９記載の発明は、
互いに並列に接続された、超電導コイル、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ、保護抵抗及び電流源と、前記超電導コイル及び前記永久電流スイッチを冷却する冷却装置とを備える磁場発生装置の制御方法であって、
前記マグネット及び前記ヒータを作動させ、前記マグネットの磁場の作用により前記第２スイッチ部を開に切り替えた後、前記ヒータの加熱により前記第１スイッチ部を開に切り替えて、前記超電導コイルを消磁することを特徴としている。
【００２３】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の磁場発生装置の制御方法において、
前記マグネットの磁場の作用により前記第２スイッチ部を開に切り替える際、前記電流源に電流を出力させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、超電導コイルを消磁する際、マグネットの磁場の作用により超電導線材の第２区間の臨界電流を低下させ、これにより第２スイッチ部を速やかに開に切り替えられる。このとき、超電導線材の第２区間で生じたジュール熱は、大きな熱容量を有する熱伝導体に排出されるので、超電導線材の第２区間が非常に高温になることを抑えられる。一方、第２スイッチ部は、電流が臨界電流を下回ると、再び、閉に切り替わってしまう。しかし、本発明では、第１スイッチ部が第２スイッチ部より熱容量が小さく、且つ、第１スイッチ部と第２スイッチ部とは熱抵抗体により熱的に分離されている。このため、第２スイッチが開となって超電導コイルの消磁が進んでいる間に、ヒータの加熱により超電導線材の第１区間の温度を臨界温度よりも高い温度に上昇させ、第１スイッチ部を開に切り替えることができる。このとき、それ以前に第２スイッチ部が開となって超電導コイルの電流を低減させているので、第１スイッチ部に流れる電流は小さい。したがって、この電流に起因する第１スイッチ部の発熱は大きくならず、過度の温度上昇による損傷を回避できる。そしてその結果、永久電流スイッチの開の状態を安定的に維持できる。したがって、本発明によれば、超電導コイルを消磁する際に、永久電流スイッチを高速かつ安定的に開操作できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る磁場発生装置を示す構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す概念図である。
【図３】第１実施形態に係る永久電流スイッチの緊急時の開操作を説明するタイムチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す回路図である。
【図５】第２実施形態に係る永久電流スイッチの閉操作を説明するタイムチャートである。
【図６】本発明の第３実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す概念図である。
【図７】本発明の実施例１に係る永久電流スイッチを示す側面図である。
【図８】第２スイッチ部の断面を示すもので、（Ａ）は図７のＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）はその一部を拡大した断面図である。
【図９】第１スイッチ部の断面を示すもので、（Ａ）は図７のＢ−Ｂ線断面図、（Ｂ）はその一部を拡大した断面図である。
【図１０】第１スイッチ部と第２スイッチ部との接合部分を示す分解斜視図である。
【図１１】本発明の実施例２に係る永久電流スイッチを示す斜視図である。
【図１２】実施例２に係る永久電流スイッチの積層構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態に係る磁場発生装置を示す構成図である。
【００２８】
本発明の実施形態に係る磁場発生装置１は、図１に示すように、超電導コイル１１、永久電流スイッチ２０、保護抵抗１２、電流源１３、冷却装置１４及び制御部１５を備える。
【００２９】
超電導コイル１１は、永久電流又は擬似永久電流を流されて定磁場を発生させる。超電導コイル１１の材料には、ＲＥＢＣＯ線材（希土類系超電導線材）又はＢＳＣＣＯ線材（ビスマス系超電導線材）などの、ＨＴＳ線材が用いられている。ここで、永久電流とは全周が超電導状態の閉回路に流れる減衰のない電流を意味する。擬似永久電流とは、超電導線材同士を接続した接続部など、一部を除いて全周の大部分が超電導状態の閉回路に流れる減衰量の非常に少ない電流を意味する。磁場発生装置１がＮＭＲ分析装置又はＭＲＩ装置に適用される場合、超電導コイル１１は、分析対象又は被験者が配置される空間に磁場を形成する。
【００３０】
永久電流スイッチ２０は、電流経路の一端から他端にわたる超電導線材と、超電導線材を超電導状態と常電導状態とに切り替える手段を有する。永久電流スイッチ２０は、超電導線材が超電導状態に転移して電気抵抗がゼロになった状態が閉、超電導線材の少なくとも一部（ただし線材接続部など超電導化しない部位は除く）が常電導状態にあって電流経路の両端間に電気抵抗が生じた状態が開となる。永久電流スイッチ２０の超電導線材の材料には、ＲＥＢＣＯ線材又はＢＳＣＣＯ線材などの、ＨＴＳ線材が用いられている。永久電流スイッチ２０は、超電導コイル１１と直列に接続され、超電導コイル１１とともに閉回路を構成する。
【００３１】
冷却装置１４は、例えばＧＭ冷凍機による伝導冷却型のクライオスタットであり、超電導コイル１１と永久電流スイッチ２０とを含んだ閉回路を、ＨＴＳ線材が超電導状態に転移する温度まで冷却できる。
【００３２】
電流源１３は、超電導コイル１１及び永久電流スイッチ２０と並列に接続される。電流源１３は、電圧出力の調整により、自身を含む回路に所定の電流を供給する。
【００３３】
保護抵抗１２は、超電導コイル１１及び永久電流スイッチ２０と並列に接続される。保護抵抗１２は、超電導コイル１１の消磁の際に超電導コイル１１の電流を流して、超電導コイル１１に蓄積されたエネルギーを消費する。
【００３４】
制御部１５は、永久電流スイッチ２０の開閉の制御と、電流源１３の出力制御とを行う。
【００３５】
（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す概念図である。
【００３６】
永久電流スイッチ２０は、第１スイッチ部２５Ａ、第２スイッチ部２５Ｂ、熱抵抗体２６、ヒータ２８及びマグネット２９を備える。第１スイッチ部２５Ａは、超電導線材２１の第１区間２１ａと、超電導線材２１の第１区間２１ａを保持する枠２２とを有する。第２スイッチ部２５Ｂは、超電導線材２１の第２区間２１ｂと、枠２３とを有する。枠２３は、本発明に係る熱伝導体の一例に相当する。超電導線材２１は、第１区間２１ａと第２区間２１ｂにかけて連続に形成されている。超電導線材２１の第２区間２１ｂは、枠２３に保持されてもよいし、別の部材に保持されてもよい。超電導線材２１及び枠２２は、冷却装置１４の冷却部１４Ａから離れて配置される。
【００３７】
なお、超電導線材２１は、途中で折返して、枠２２と枠２３とにかけて１回又は複数回往復するように設けられてもよい。この場合、超電導線材２１を直線状に伸ばして見たとき、枠２２に保持される区間、又は枠２３に保持される区間は、複数に分断される。しかし、複数に分断されていても枠２２に保持される区間を第１区間２１ａ、枠２３に保持される区間を第２区間２１ｂと定義する。
【００３８】
枠２３は、第１スイッチ部２５Ａより大きな熱容量を有し、超電導線材２１の第２区間２１ｂと熱的に結合される。ここで、「熱的に結合」とは、詳細は後述するが、直接に接触された構成に限られず、後述する枠２３の作用が実現される程度に熱抵抗の低い部材を介して接続された構成が含まれる。枠２３は、冷却装置１４の冷却部１４Ａに接続される。
【００３９】
熱抵抗体２６は、第１スイッチ部２５Ａと第２スイッチ部２５Ｂとを熱的に分離させ、かつ、第１スイッチ部２５Ａと第２スイッチ部２５Ｂとを物理的に接続する。この接続により超電導線材２１の第１区間２１ａと第２区間２１ｂとの連なりを維持することができる。ここで、「熱的に分離」とは、詳細は後述するが、熱の移動が完全に遮断される構成に限られず、後述する熱抵抗体２６の作用が実現される程度に熱抵抗が高い状態に接続された構成を含む。
【００４０】
熱抵抗体２６の材質としては、ＦＲＰ（Fiber-Reinforced Plastics ：繊維強化プラスチック）を適用できる。これにより、高い機械強度と極低温環境における安定性とが得られる。また、熱抵抗体２６の材質としては、接続する部材との熱膨張の差を小さくするために金属とする制約がある場合、ステンレス鋼あるいは真鍮などの合金を適用できる。このような合金では、熱伝導度の温度依存性が小さく、極低温環境でも熱伝導の低い性質が得られる。
【００４１】
ヒータ２８は、制御部１５の制御によって作動と停止との切り替え及び出力の調整が可能であり、作動時に超電導線材２１の第１区間２１ａを加熱する。
【００４２】
マグネット２９は、例えば電磁石であり、制御部１５の制御によって作動と停止との切り替えが可能であり、作動時に超電導線材２１の第２区間２１ｂに磁場を印加する。
【００４３】
＜緊急時の開操作＞
続いて、永久電流スイッチ２０を開操作して緊急に超電導コイル１１を消磁する動作について説明する。緊急の消磁は、例えば超電導コイル１１に何らかの異常が検出された場合に要求される。
【００４４】
図３は、第１実施形態に係る永久電流スイッチの緊急時の開操作を説明するタイムチャートである。図３（Ａ）〜図３（Ｅ）はそれぞれ、ヒータ２８の出力、マグネット２９の作動（ＯＮ）と停止（ＯＦＦ）、電流源１３からの直流電流の出力（ＯＮ）と停止（ＯＦＦ）、第１スイッチ部２５Ａの開閉、第２スイッチ部２５Ｂの開閉を示す。図３（Ｆ）は超電導コイル１１の電流を示す。第１スイッチ部２５Ａの「開」と「閉」とは、超電導線材２１の第１区間２１ａの電流経路の少なくとも一部が常電導状態である状態と、全部が超電導状態である状態とを、それぞれ示す。第２スイッチ部２５Ｂの「開」と「閉」とは、超電導線材２１の第２区間２１ｂの電流経路の少なくとも一部が常電導状態である状態と、全部が超電導状態である状態とを、それぞれ示す。以下、超電導線材からなる永久電流スイッチあるいはその部分に対して、「開」と「閉」を同様の意味で用いる。
【００４５】
永久電流スイッチ２０の開操作前（タイミングｔ１の前）には、超電導コイル１１と永久電流スイッチ２０の超電導線材２１とは、臨界温度以下に冷却されて、超電導状態に保たれている。また、超電導コイル１１は永久電流スイッチ２０を流れる所定の大きさの永久電流又は擬似永久電流により励磁されている。
【００４６】
緊急の消磁要求があると、制御部１５は、ヒータ２８とマグネット２９とを作動させる（タイミングｔ１）。マグネット２９が作動して超電導線材２１の第２区間２１ｂに磁場が印加されると、第２区間２１ｂの臨界電流が、永久電流スイッチ２０に流れている電流を下回り、その結果電圧とそれに伴う熱が発生する。その熱で自身が加熱されることにより、第２区間２１ｂは速やかに常電導状態に転移する。これにより、永久電流スイッチ２０の第２スイッチ部２５Ｂが開となる（タイミングｔ２）。
【００４７】
なお、マグネット２９が作動して第２スイッチ部２５Ｂの臨界電流が低下しても、永久電流スイッチ２０に流れる電流がその臨界電流より小さいと、第２スイッチ部２５Ｂは開とならない。このような場合、制御部１５は、図３（Ｃ）に示すように、電流源１３から直流電流を出力させる制御を併用してもよい。電流源１３の出力は、大きなインダクタンスを有する超電導コイル１１に流れる電流をほとんど変化させず、永久電流スイッチ２０及び保護抵抗１２の電流を増加させる。これにより、永久電流スイッチ２０の電流が補われて第２スイッチ部２５Ｂの臨界電流を上回り、第２スイッチ部２５Ｂを十分に開にすることができる。電流を補う必要がなければ、図３（Ｃ）の電流源１３の制御は省略してもよい。また、第２スイッチ部２５Ｂは一時的に開となれば、後述する期間Ｔ２の第２スイッチ部２５Ｂの開の状態が得られる。このため、制御部１５は電流源１３の出力を第２スイッチ部２５Ｂが開となったタイミングｔ２ですぐに停止させてもよい。
【００４８】
第２スイッチ部２５Ｂが開に切り替わると、永久電流スイッチ２０に流れていた電流は、第２スイッチ部２５Ｂの電気抵抗値と保護抵抗１２の電気抵抗値との比に応じて永久電流スイッチ２０と保護抵抗１２とに分流される。この電流により、超電導コイル１１に蓄積されたエネルギーがジュール熱となって消費され、超電導コイル１１の電流が減衰する。
【００４９】
一方、第２スイッチ部２５Ｂが開となっても、超電導線材２１の第２区間２１ｂの電気抵抗値はさほど大きくならない。なぜなら、超電導線材２１は、超電導層の損傷を避けるために電気伝導性を有する保護層を有し、超電導層が常電導状態に転移すると電気抵抗の小さな保護層が電流をバイパスするからである。超電導線材２１の第２区間２１ｂの線長を大きくすれば電気抵抗値を大きくできるが、それでは永久電流スイッチ２０が大型化し、コストが高騰してしまう。ゆえに、第２スイッチ部２５Ｂの開状態における電気抵抗値には限界がある。このため、超電導コイル１１の電流値が高い段階では、第２スイッチ部２５Ｂに分流される電流は大きく、超電導線材２１の第２区間２１ｂにも大きなジュール熱が発生する。
【００５０】
ここで発生したジュール熱は、超電導線材２１の第２区間２１ｂと熱的に結合した熱容量の大きな枠２３に速やかに移動する。これにより、超電導線材２１の第２区間２１ｂは、損傷が生じるような温度まで上昇しない。すなわち、超電導線材２１と枠２３との「熱的な結合」とは、損傷の生じるような温度上昇が回避されるように、上記のジュール熱を超電導線材２１の第２区間２１ｂから枠２３へ速やかに逃がすことのできる結合を意味する。なお、ジュール熱は、熱抵抗体２６を介して第１スイッチ部２５Ａにも移動するが、熱抵抗体２６により、移動する熱量は少量に留まる。
【００５１】
第２スイッチ部２５Ｂでは、超電導線材２１に発生したジュール熱が速やかに枠２３へ移動し、この熱の一部が冷却部１４Ａへ逃げる。このような熱の移動により、第２スイッチ部２５Ｂの超電導線材２１及び枠２３の温度は、第２スイッチ部２５Ｂに損傷をもたらさない程度に留めることができる。そして、この温度上昇により、第２スイッチ部２５Ｂでは、開の状態が継続される。その後、超電導コイル１１の電流の減衰が進むと、第２スイッチ部２５Ｂで発生するジュール熱が低下する。これにより、第２スイッチ部２５Ｂの超電導線材２１及び枠２３の温度は臨界温度以下となる。これにより、第２スイッチ部２５Ｂは、再び閉に切り替わる（タイミングｔ４）。このような結果として、期間Ｔ２の第２スイッチ部２５Ｂの開の状態が得られる。制御部１５は、マグネット２９をタイミングｔ４で停止させればよい。あるいは、第２スイッチ部２５Ｂに電圧が発生しなくなったタイミングでマグネット２９を停止させるとより好ましい。
【００５２】
一方、第１スイッチ部２５Ａでは、タイミングｔ１より後、ヒータ２８による加熱が継続され、超電導線材２１の第１区間２１ａの温度が次第に上昇する。上述したように、第１スイッチ部２５Ａは熱抵抗体２６を介して第２スイッチ部２５Ｂと熱的に分離され、かつ、第１スイッチ部２５Ａは冷却装置１４の冷却部１４Ａから離れて配置されている。このため、ヒータ２８の熱は効率的に超電導線材２１の第１区間２１ａへ伝わり、比較的に短い期間Ｔ１で、超電導線材２１の第１区間２１ａの温度を臨界温度以上に上昇させることができる。これにより、第１スイッチ部２５Ａが開に切り替わる（タイミングｔ３）。第１スイッチ部２５Ａが開に切り替わったら、制御部１５は、超電導線材２１の第１区間２１ａの温度が臨界温度以上を維持できる程度までヒータ２８の出力を低下させる。
【００５３】
ヒータ２８の加熱開始から第１スイッチ部２５Ａが開となるまでの期間Ｔ１の長さは、第２スイッチ部２５Ｂが開を維持できる期間Ｔ２より短く設定される。すなわち、熱抵抗体２６による第１スイッチ部２１Ａと第２スイッチ部２１Ｂとの「熱的な分離」とは、この設定を満たすヒータ２８の加熱効率が得られる状態を意味する。言い換えれば、上記設定を満たすように第１スイッチ部２５Ａから第２スイッチ部２５Ｂへの熱の排出が制限される状態を意味する。
【００５４】
第１スイッチ部２５Ａが開となると、超電導線材２１の第１区間２１ａの電気抵抗により第１スイッチ部２５Ａにジュール熱が発生する。しかし、第１スイッチ部２５Ａが開となったタイミングｔ３では、超電導コイル１１の電流は既に大きく減衰している。更に、第１スイッチ部２５Ａの抵抗と第２スイッチ部２５Ｂの抵抗とが合算されて、永久電流スイッチ２０の全体の抵抗が大きくなることで、保護抵抗１２に流れる電流の分流比が大きくなる。これらによって、永久電流スイッチ２０に流れる電流は小さくなる。したがって、第１スイッチ部２５Ａで生じるジュール熱は大きくならず、超電導線材２１の第１区間２１ａは熱的に分離されていても損傷が生じるほど高温にならない。
【００５５】
なお、第１スイッチ部２５Ａが開となるタイミングが早すぎる場合には、第１スイッチ部２５Ａに流れる電流が多くなるため、好ましくない。このような場合には、ヒータ２８を作動させるタイミングを遅くすることで、適宜なタイミングに第１スイッチ部２５Ａを開にできる。
【００５６】
第１スイッチ部２５Ａが開に切り替わると、超電導コイル１１の残りの電流がゼロまで低減されて、超電導コイル１１が完全に消磁される。また、第１スイッチ部２５Ａが開となった後には、超電導コイル１１の電流が減衰して第２スイッチ部２５Ｂが再び閉となっても（タイミングｔ４）、永久電流スイッチ２０は全体では開の状態となる。このため、超電導コイル１１は最後まで消磁される。
【００５７】
以上のように、第１実施形態の永久電流スイッチ２０によれば、超電導コイル１１が励磁された状態で、速やかに永久電流スイッチ２０を開操作し、超電導コイル１１を消磁することができる。また、超電導コイル１１の消磁の間、永久電流スイッチ２０が過度の温度上昇により損傷することがない。
【００５８】
また、第１実施形態の磁場発生装置１及びその制御方法によれば、永久電流スイッチ２０を開操作した際、永久電流スイッチ２０の電流が超電導線材２１の第２区間２１ｂの臨界電流を上回らない場合に、制御部１５が電流源１３を作動する。これにより、永久電流スイッチ２０に流れる電流が増加して、第２スイッチ部２５Ｂを速やかに開に切り替えることができる。従って、上記のような場合でも、消磁要求がなされた際に、速やかに永久電流スイッチ２０を開操作して、超電導コイル１１を消磁できる。
【００５９】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す回路図である。
【００６０】
第２実施形態の永久電流スイッチ２０Ａは、第１スイッチ部２５Ａ、第２スイッチ部２５Ｂ、ヒータ２８、マグネット２９及び半導体スイッチ３１を備える。第１スイッチ部２５Ａ、第２スイッチ部２５Ｂ、ヒータ２８及びマグネット２９は、第１実施形態と同様であり、これらについての詳細な説明は省略する。第２実施形態の磁場発生装置は、図１の磁場発生装置１の永久電流スイッチ２０を第２実施形態の永久電流スイッチ２０Ａに置き換えた構成である。
【００６１】
半導体スイッチ３１は、例えばサイリスタであり、第１スイッチ部２５Ａ及び第２スイッチ部２５Ｂと並列に接続されている。半導体スイッチ３１は、制御部１５によって開閉制御される。半導体スイッチ３１は、永久電流スイッチ２０Ａの閉操作を高速化するためのものである。
【００６２】
図５は、第２実施形態に係る永久電流スイッチの、超電導コイル１１の励磁（通電）状態における閉操作を説明するタイムチャートである。図５（Ａ）〜図５（Ｅ）は、それぞれ超電導コイル１１の電流、電流源１３の出力（ＯＮ）と停止（ＯＦＦ）、半導体スイッチ３１の開閉、第１スイッチ部２５Ａの開閉、第２スイッチ部２５Ｂの開閉を示す。
【００６３】
図５は、タイミングｔ１１より前に永久電流スイッチ２０Ａが開の状態で、超電導コイル１１は電流源１３から電流を供給されて励磁されている。通常、第２スイッチ部２５Ｂは閉状態となっている。したがって、永久電流スイッチ２０Ａを開状態から閉状態へ遷移させるには第１スイッチ部２５Ａの閉操作を行えばよい。しかしながら、第１スイッチ部２５Ａは熱抵抗体２６と第２スイッチ部２５Ｂとを介して冷却部１４Ａに接続されているため、第１スイッチ部２５Ａの冷却には比較的に長い時間がかかる。
【００６４】
そこで、第２実施形態では、永久電流スイッチ２０Ａを閉状態へ遷移させたいタイミングｔ１１になったら、制御部１５は、半導体スイッチ３１を閉操作する。これにより、永久電流スイッチ２０Ａは実質的に閉状態となり、さらに電流源１３の電流出力を停止すると、超電導コイル１１を流れる電流は永久電流スイッチ２０Ａを通るようになる。
【００６５】
ただし、半導体スイッチ３１にはＰＮ接合が含まれており、閉状態でも所定の電圧降下が生じる。このため、半導体スイッチ３１に大電流が流れる状態を長時間維持することは冷却の観点から難しい。したがって、第２スイッチ部２５Ｂの閉操作の遅延はできる限り短くなるように調整されると好ましい。その後、図５のタイミングｔ１２に示すように、永久電流スイッチ２０Ａの冷却が進んで、第１スイッチ部２５Ａが閉に切り替わると、電流は超電導状態の第１スイッチ部２５Ａと第２スイッチ部２５Ｂとに優先して流れる。制御部１５は、第１スイッチ部２５Ａが閉となった後、半導体スイッチ３１を開に切り替えればよい。
【００６６】
なお、タイミングｔ１１より前に超電導コイル１１が励磁されていない状態であっても上述の操作によって永久電流スイッチ２０を閉状態に遷移させられる。また、タイミングｔ１１より前に超電導コイル１１が電流源を含まない電流回路、もしくは電流源以外の電気素子を含む電流回路で励磁されていたとしても、やはり上述の操作によって永久電流スイッチ２０を閉状態に遷移させられる。
【００６７】
以上のように、第２実施形態の永久電流スイッチ２０Ａによれば、第１実施形態と同様に速やかな開操作が可能であることに加えて、速やかな閉操作も可能となる。
【００６８】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る永久電流スイッチの構成を示す概念図である。
【００６９】
第３実施形態の永久電流スイッチ２０Ｂは、第２スイッチ部２５Ｂ、マグネット２９、熱抵抗体２６、第１スイッチ部２５Ｃ及び２つのヒータ２８ａ、２８ｂを備える。これらのうち、第２スイッチ部２５Ｂ、熱抵抗体２６及びマグネット２９は、第１実施形態と同様であり、これらについての詳細な説明は省略する。
【００７０】
第３実施形態において、第１スイッチ部２５Ｃは、超電導線材２１の第１区間２１ａを二分した第１小区間２１ａ１と第２小区間２１ａ２、熱伝導体２５、枠２４ａ及び熱抵抗体２４ｂを備える。超電導線材２１の第１小区間２１ａ１と第２小区間２１ａ２とは別々に温度制御される。超電導線材２１は第１区間（第１小区間２１ａ１と第２小区間２１ａ２）と第２区間２１ｂとにかけて連続に形成されている。
【００７１】
超電導線材２１の第２小区間は、熱抵抗体２４ｂを介して枠２４ａに保持されている。超電導線材２１の第１小区間２１ａ１は、熱伝導体２５に保持されてもよいし、別の部材に保持されてもよい。超電導線材２１の第１小区間２１ａ１及び熱伝導体２５は、本発明に係る第１スイッチ部の第１部分の一例に相当する。超電導線材２１の第２小区間２１ａ２と熱抵抗体２４ｂと枠２４ａとは、本発明に係る第１スイッチ部の第２部分の一例に相当する。
【００７２】
熱伝導体２５は、第２スイッチ部２５Ｂの枠２３に比べて小さい熱容量を有し、超電導線材２１の第１小区間２１ａ１と熱的に結合される。
【００７３】
熱抵抗体２４ｂは、ポリマーシートなどであり、少量の熱容量を有する枠２４ａと、超電導線材２１の第２小区間２１ａ２とを熱的に分離する。
【００７４】
２つのヒータ２８ａ、２８ｂは、それぞれ超電導線材２１の第１小区間２１ａ１と第２小区間２１ａ２とを独立して加熱可能に配置され、制御部１５によって互いに独立して駆動可能である。
【００７５】
＜緊急時の開操作＞
続いて、超電導コイル１１を緊急に消磁する際の開操作について説明する。
【００７６】
第３実施形態では、緊急の消磁要求があると、制御部１５は、マグネット２９と一方のヒータ２８ａとを作動させる。これにより、先ず、マグネット２９の作用により第２スイッチ部２５Ｂが速やかに開となり、第２スイッチ部２５Ｂで大きなジュール熱が発生する。このジュール熱は、熱容量の大きな枠２３に速やかに移動するため、超電導線材２１の第２区間２１ｂを含む第２スイッチ部２５Ｂが過度の温度上昇により損傷することが回避される。
【００７７】
ここで、超電導コイル１１の電流が十分に減衰する前に、第２スイッチ部２５Ｂの開の状態が維持困難となる場合を想定する。このような場合、第３実施形態では、一方のヒータ２８ａの加熱により超電導線材２１の第１小区間２１ａ１を開に切り替えることができる。第１小区間２１ａ１が開となると、超電導コイル１１の電流が未だ十分に減衰していないため、第１小区間２１ａ１で比較的に大きなジュール熱が発生する。しかし、第１小区間２１ａ１では、このジュール熱を熱伝導体２５に逃がすことで、超電導線材２１の第１小区間２１ａ１とその周辺部の過度の温度上昇による損傷を避けることができる。熱伝導体２５の熱容量は、小さすぎるとジュール熱を吸収しきれず、大きすぎると第１小区間の加熱効率が大幅に低下する。従って、これらの兼ね合いを考慮して、熱伝導体２５の熱容量が設定されるとよい。
【００７８】
超電導線材２１の第１小区間２１ａ１の開の状態は、超電導コイル１１の電流がゼロになるまで継続され、これにより超電導コイル１１が完全に消磁される。
【００７９】
＜高速な開閉操作＞
続いて、永久電流スイッチ２０Ｂに大きな電流が流れていないときに、永久電流スイッチ２０Ｂを高速に開閉操作する動作について説明する。先ず、高速に開操作する動作について説明する。
【００８０】
永久電流スイッチ２０Ｂを開操作する前の段階では、永久電流スイッチ２０Ｂの第１区間２１ａ及び第２区間２１ｂが転移温度以下に冷却されて超電導状態に転移している。永久電流スイッチ２０Ｂに大きな電流が流れる心配がない状態で、永久電流スイッチ２０Ｂを高速に開操作する場合、制御部１５は、第２のヒータ２８ｂを作動させる。ここで、制御部１５は、マグネット２９と第１のヒータ２８ａとを作動させる必要はない。
【００８１】
第３実施形態では、第１スイッチ部２５Ｃの中に熱伝導体２５を設けたため、超電導線材２１の第１小区間２１ａ１の加熱効率は比較的に低下する。一方、超電導線材２１の第２小区間２１ａ２は、熱抵抗体２４ｂを介して枠２４ａに保持されており、熱伝導体２５及び枠２４ａの熱容量と熱的に分離されている。このため、超電導線材２１の第２小区間２１ａ２の加熱効率は非常に高い。従って、第２のヒータ２８ｂが作動すると、超電導線材２１の第２小区間２１ａ２の温度は速やかに上昇し、臨界温度を超えて第２小区間２１ａ２を開とすることができる。
【００８２】
なお、このとき、電流源１３から回路に電流を供給してもよい。このときに供給される電流はインダクタンスも電気抵抗もない永久電流スイッチ２０Ｂを含む回路を流れ、その他の経路には流れない。第２小区間２１ａ２に流れる電流は臨界温度未満の温度で発熱を引き起こし、それが第２小区間２１ａ２の加熱を助けることでより短い時間での温度上昇が実現する。これにより、永久電流スイッチ２０Ｂの速やかな開操作が達成される。
【００８３】
次に、高速な閉操作について説明する。永久電流スイッチ２０Ｂを高速に閉操作するには、閉操作前の状態として、第２のヒータ２８ｂから出力される熱量を、超電導線材２１の第２小区間２１ａ２を開の状態に維持する最小熱量に近づけておく。すなわち、制御部１５は、開の状態を維持する熱量の余裕分が最小になるように制御する。これにより、超電導線材２１の第２小区間２１ａ２の温度は、臨界温度から大きく隔たることなく、臨界温度以上に維持される。さらに、閉操作する前の段階では、永久電流スイッチ２０Ｂの第２区間２１ｂ及び第１小区間２１ａ１は臨界温度以下に冷却された状態とする。
【００８４】
高速に閉操作する場合、制御部１５は、第２のヒータ２８ｂの加熱を停止する。超電導線材２１の第２小区間２１ａ２は、上述したように、小さな熱容量とも熱的に結合されていない。さらに、開操作前の状態により、超電導線材２１の第２小区間２１ａ２の温度は臨界温度から大きな隔たりなく維持されている。従って、第２のヒータ２８ｂの加熱が停止されることで、少量の熱量の移動により、超電導線材２１の第２小区間２１ａ２の温度を臨界温度以下に低下できる。熱抵抗体２４ｂ、２６によって熱の移動速度は小さくなるが、閉操作に必要な熱量が小さい分、速やかな閉操作が実現される。
【００８５】
なお、第２実施形態に示したように、第３実施形態の永久電流スイッチ２０Ｂは、半導体スイッチ（例えばサイリスタ）３１を超電導線材２１に並列接続した構成が採用されてもよい。この場合、第２実施形態と同様に半導体スイッチ３１の閉操作を併用することで、より高速な閉操作を行うことができる。
【００８６】
以上のように、第３実施形態の永久電流スイッチ２０Ｂによれば、第１実施形態と同様に超電導コイル１１を消磁するために速やかな開操作が可能であり、かつ、大きな電流が流れていない状態で高速な開閉操作を行うことが可能となる。また、高速な開閉操作の際、第２のヒータ２８ｂの出力は非常に小さくなるので、冷却装置１４に要求される冷却能力も小さく抑えることができる。
【００８７】
以上、本発明の各実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、超電導コイル１１及び永久電流スイッチ２０の超電導線材２１にＨＴＳ線材を用いた例を示した。しかし、これらはＬＴＳ線材であってもよい。また、上記実施形態の磁場発生装置１では、冷却装置１４として伝導冷却型の装置を適用した例を示した。しかし、冷却装置として浸漬冷却型の装置が適用されてもよい。この場合、永久電流スイッチ２０、２０Ａ、２０Ｂは、枠２３の部分が冷媒に浸漬され、第１スイッチ部２５Ａ、２５Ｃは冷媒から隔離されるように、配置されればよい。このような配置により、実施形態と同様の作用を得ることができる。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【実施例１】
【００８８】
次に、永久電流スイッチ２０をより具体化した実施例１について説明する。実施例１は、図２に示した第１実施形態の永久電流スイッチ２０を具現化した例である。図７は、本発明の第１実施例に係る永久電流スイッチを示す側面図である。図８（Ａ）は図７のＡ−Ａ線断面図、図８（Ｂ）はその一部を拡大した断面図である。図９（Ａ）は図７のＢ−Ｂ線断面図、図９（Ｂ）はその一部を拡大した断面図である。図１０は、第１スイッチ部２５Ａと第２スイッチ部２５Ｂとの接合部分を示す分解斜視図である。
【００８９】
＜磁場発生装置＞
実施例１の永久電流スイッチ２０が適用される磁場発生装置１（図１を参照）においては、超電導コイル１１が、１ｋｍ分のＲＥＢＣＯ線材を用いたインダクタンス１０Ｈのコイルであり、４００Ａの永久電流で駆動される。蓄積される超電導コイル１１の磁場エネルギーは０．８ＭＪとなる。超電導コイル１１と永久電流スイッチ２０とを含む超電導回路は真空チャンバー（クライオスタット）に納められ、冷却装置１４は伝導冷却により超電導回路を４０Ｋに冷却する。電流源１３と保護抵抗１２とは、真空チャンバーの外に導出された常電導線材を介して永久電流スイッチ２０と並列接続される。保護抵抗１２の電気抵抗は１Ωであり、超電導コイル１１と保護抵抗１２との直列回路において電流減衰の時定数は１０秒である。超電導コイル１１が４００Ａの定電流で駆動されている状態で、仮に永久電流スイッチ２０が瞬時に完全に開いた（電気抵抗が無限大）とする。すると、電流が保護抵抗１２に流れて超電導コイル１１の両端には誘導電圧として４００Ｖの電位差が生じ、その後、電流の減衰と共に電位差が減衰していく。実際には、開の状態で永久電流スイッチ２０の電気抵抗はさほど大きくならないため、超電導コイル１１に生じる誘導電圧はそれよりも小さくなり、電流の減衰速度も、永久電流スイッチ２０の電気抵抗が無限大となる場合より遅くなる。
【００９０】
＜永久電流スイッチの全体構造＞
実施例１の永久電流スイッチ２０は、図７〜図９に示すように、ヒータ２８（図９（Ｂ）を参照）が一体化された第１スイッチ部２５Ａと、マグネット２９に近接されている第２スイッチ部２５Ｂと、熱抵抗体２６とを備える。第１スイッチ部２５Ａは、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、円筒状の枠２２を有し、枠２２に帯状の超電導線材２１が巻回されて構成される。超電導線材２１のうち枠２２に巻回された部位を第１区間２１ａと記す。第２スイッチ部２５Ｂは、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、円筒状の枠２３を有し、枠２３に帯状の超電導線材２１が巻回されて構成される。超電導線材２１のうち枠２３に巻回された部位を第２区間２１ｂと記す。円筒状の枠２３には、冷却装置１４の冷却部１４Ａが接続されている。
【００９１】
超電導線材２１は、幅６ｍｍのＲＥＢＣＯ線材であり、超電導層の上面に厚さ５μｍの銀の保護層を有する。超電導線材２１の長さは全体で１００ｍであり、そのうち４０ｍが第２スイッチ部２５Ｂに割り当てられ、残り６０ｍが第１スイッチ部２５Ａに割り当てられる。永久電流スイッチ２０を開状態とする基本設定温度は、ＲＥＢＣＯ線材の臨界温度である９０Ｋに余裕分を付加した１００Ｋである。１００Ｋでの銀の比抵抗は、約３μΩ・ｍｍである。このＲＥＢＣＯ線材における銀の断面積は０．０３ｍｍ２であることから、１００Ｋでの単位長さ当たりの電気抵抗は０．１Ω／ｍ、１００ｍの超電導線材２１の電気抵抗は１０Ωである。緊急時以外の通常時の永久電流スイッチ２０の開操作はヒータ２８で加熱される第１スイッチ部２５Ａのみで実施される。よって、永久電流スイッチ２０の通常時における開状態の電気抵抗は６Ωである。
【００９２】
超電導線材２１は、外径φ１６ｃｍの円筒状の枠２２と、これに連結された枠２３とを巻枠として、ソレノイド状に無誘導巻きされている。無誘導巻きにより永久電流スイッチ２０のインダクタンスを小さくすることができる。枠２２の長さ（円筒形状の軸方向に沿った長さ）は８４ｃｍであり、枠２３の同方向の長さは５６ｃｍであり、両者を合わせた巻枠（２２、２３）の長さは１４０ｃｍである。枠２２と枠２３とは純銅（Ｃ１０２０）であり、ＦＲＰ製の熱抵抗体２６を介して接続されている。枠２２の円筒側壁の肉厚は０．５ｍｍ、枠２３の円筒側壁の肉厚は１０ｍｍである。枠２２の終端側面（枠２３と接続されている側面の反対側の側面）は何も接続されず真空中にあり、枠２３の終端側面は冷却装置１４の冷却部１４Ａに接続されている。以下、枠２２及び枠２３の円筒形状の中心軸に沿った方向を「軸方向」と定義し、円筒形状の中心軸と直角に交わる方向を「径方向」と定義し、それら二つともと直角をなす方向を「周方向」と定義する。
【００９３】
図１０に示すように、枠２２と枠２３とを接続する熱抵抗体２６は、枠２３の軸方向の端面と同一形状、すなわち外径φ１６ｃｍ、内径φ１４ｃｍ、厚さ１．０ｍｍの厚さが一定のリング形状である。枠２２と枠２３との互いに対向する端部には、熱抵抗体２６と同様の形状の銅製の接続部材６１が設けられている。接続部材６１は、溶接等により枠２２の端部に接合され、さらに、接続部材６１と枠２３の端部とが、熱抵抗体２６を間に挟んでボルト等により接合されている。ボルトは熱伝導性の低いものが使用される。これにより枠２２と枠２３とが熱的に分離した状態で一体的に連結される。
【００９４】
枠２２と枠２３との外周には、超電導線材２１が、厚さ５０μｍの絶縁用ポリイミドシート７１を介して、ソレノイド状に単層無誘導巻きされている。超電導線材２１は厚さが約０．０６ｍｍであり、超電導層を外周側に向けて巻かれている。すなわち、超電導線材２１が、金属基板、中間層、半導体層及び銀の保護層が順に積層されて構成される場合、金属基板を内周側に、銀の保護層を外周側に向けて巻かれている。
【００９５】
ソレノイド状の無誘導単層巻きでは、超電導線材２１が巻枠（２２、２３）の軸方向の一端（第１の端）から、逆側の端（第２の端）まで巻回され、第２の端で折り返されて、再び第１の端へ戻るように巻回される。より具体的には、超電導線材２１は、巻枠（２２、２３）の両端間を往復して巻回され、往路において超電導線材２１は隙間を開けて巻回され、復路においてこの隙間を埋めるように超電導線材２１が巻回される。往路と復路とで超電導線材２１の巻回方向は逆である。特に制限されないが、超電導線材２１の端部ｅ１、ｅ２は第２スイッチ部２５Ｂの一端に配置され、折返し部分ｅ３は第１スイッチ部２５Ａの逆側の端に配置される。巻回された超電導線材２１は、絶縁用ポリイミドシート７１、７２と後述する銅条７３及びヒータ２８と合わせてエポキシ樹脂の含浸処理及び硬化処理により固定される。
【００９６】
＜第１スイッチ部の構造＞
第１スイッチ部２５Ａの容積は、上述した寸法に基づき計算すると２１１ｃｃとなる。銅の比重を８．９６ｇ／ｃｃとすると、重量は約１．９ｋｇである。さらに、第１スイッチ部２５Ａにヒータ２８が加わると、全体の重量は約２．１ｋｇとなる。ヒータ２８は、図９（Ｂ）に示すように、超電導線材２１と同一形状（帯状）の金属条であり、材質としては電気抵抗の温度依存性が小さい合金、例えばステンレス鋼又はハステロイ（登録商標）を採用できる。ヒータ２８を構成する金属条は、電気絶縁用のポリイミドテープを挟んで超電導線材２１の外周側に巻回される。通電によりヒータ２８から発生した熱は、超電導線材２１と枠２２とを温めて、熱抵抗体２６を経由して第２スイッチ部２５Ｂの枠２３、次いで、冷却装置１４の冷却部１４Ａへと伝わる。冷却された純銅の熱伝導度は高いため、純銅製の枠の内部に大きな温度差は形成されない。熱抵抗体２６の熱の伝達方向に垂直な断面積（軸方向に垂直な断面積）は４．７×１０−３ｍ２であり、熱伝導度を０．１Ｗ／Ｋｍとすると、厚さ１．０ｍｍの熱抵抗体２６の熱抵抗は２．１Ｋ／Ｗである。ヒータ２８が完全にオフの状態では永久電流スイッチ２０の全体の温度は４０Ｋであり、ヒータ２８が発熱すると発熱量に応じて熱抵抗体２６の両端に温度差が形成される。永久電流スイッチ２０の通常の開状態では第１スイッチ部２５Ａが１００Ｋ又は１００Ｋ以上に保たれればよいので、熱抵抗体２６の両端に６０Ｋの温度差が生じればよいことになる。熱抵抗体２６の熱抵抗値を用いて換算すると、ヒータ２８が３０Ｗで発熱すれば、この状態が達成されることになる。
【００９７】
なお、上述の熱の伝わり方は、熱的に定常状態のときのものであり、ヒータ２８が加熱してすぐに上記の温度差を発生させることはできない。銅の比熱の温度依存性を考慮して計算すると、第１スイッチ部２５Ａの重量から、第１スイッチ部２５Ａを４０Ｋから１００Ｋまで加熱するのに要する熱量は約１８ｋＪとなる。よって、１００Ｋまで加熱するには、ヒータ２８の出力が３０Ｗでかつ熱の流出がない状態で６００秒を要し、ヒータ２８の出力が１０倍の３００Ｗであっても１分を要する。このように加熱により永久電流スイッチ２０を開操作するには、長い時間がかかる。同様に冷却により永久電流スイッチ２０を閉操作する場合にも時間がかかる。枠２２の板厚を薄くして熱容量を小さくすれば、加熱又は冷却に要する時間を短くすることができるが、機械的な強度の観点から薄すぎるのは好ましくない。
【００９８】
＜マグネットの構造＞
第１実施形態で示したように、超電導コイル１１に何らかの異常が検出されたときには、マグネット２９の作用により第２スイッチ部２５Ｂの開操作が行われる。円筒状の枠２３に巻回された超電導線材２１の第２区間２１ｂのすべてに一様な外部磁場を印加することは難しく、マグネット２９を作用させると超電導線材２１の第２区間２１ｂに局所的に大きさと方向の異なる外部磁場が印加されることになる。そして、大きな外部磁場が印加された領域でのみ臨界電流が低下して、電圧およびそれに伴う熱が生じる。枠２３に巻回された超電導線材２１は４０ｍであり、全ての部位が１００Ｋまで加熱されると４Ωの抵抗が生じる。この抵抗により永久電流スイッチ２０に流れる電流は４００Ａから８０Ａまで減少し、残りは保護抵抗１２に流れる。このとき、超電導線材２１の第２区間２１ｂに生じる電圧は３２０Ｖであり、ジュール熱は２５．６ｋＷとなる。しかし、外部磁場の大きさが局所的に異なり、枠２３に巻回された超電導線材２１の半分のみが常電導状態に転移し、ここからジュール熱が発生したとする。このとき、超電導線材２１の第２区間２１ｂの抵抗は２Ωとなり、永久電流スイッチ２０を流れる電流は１３３Ａ、この間に生じる電圧は２６７Ｖとなり、発熱量は３５．５ｋＷに増大する。さらに、発熱範囲は超電導線材２１の第２区間２１ｂの半分であることから、線材長さ当たりの発熱量で比較すると、全体が常電導状態に転移した場合の３倍近く発熱する部位が生じてしまう。このように線材長さあたりの発熱量が大きくなることは好ましくないため、マグネット２９は枠２３に巻回された超電導線材２１の多くの部分に磁場を印加すると好ましい。このため、マグネット２９としては、第２スイッチ部２５Ｂの軸方向に広いレーストラック型の電磁コイルが採用され、４つ又は６つのマグネット２９が枠２３の周方向に並んで配置される。レーストラック型とは、平面形状が、対向する２つの半円状の曲線部と、これらの曲線部を接続する２つの平行な直線部とを有する形状を指す。各マグネット２９は、電磁コイルの巻回中心に沿った軸方向が枠２３の径方向を向き、かつ、隣接する２つのマグネット２９が互いに逆向きの極性となるように配置される。このようなマグネット２９の配置構成は、四重極型、六重極型と呼ばれ、マグネット２９の径方向内側の広い範囲に電磁コイルの軸方向（枠２３の径方向）を向いた磁場（図３（Ａ）に矢印線で示す）を形成することができる。帯状の超電導線材２１は、線材の幅方向又は長手方向の磁場（水平磁場と呼ぶ）と比べて、線材の厚さ方向の磁場（垂直磁場と呼ぶ）の方が、臨界電流の磁場依存性が大きくなるという性質を有する。このため、上記のマグネット２９の配置構成により、小さなマグネット２９により十分に超電導線材２１の第２区間２１ｂの臨界電流を低下させる作用を及ぼすことができる。例えば、超電導層に人工ピンを導入することで磁場特性を改善した超電導線材では、４０Ｋで１Ｔの垂直磁場が印加されると無磁場の状態と比較して臨界電流が半分程度に低下する。一方、同じ超電導線材でも、４０Ｋで１Ｔの水平磁場が印加されると無磁場の状態と比較した臨界電流の低下率は３割程度に留まる。
【００９９】
＜第２スイッチ部の構造＞
上述したマグネット２９の配置構成を採用しても、枠２３に巻回された超電導線材２１の全ての部位に十分な磁場を印加することはできない。したがって、緊急の開操作の直後には、超電導線材２１の第２区間２１ｂには大きく発熱している部位とそれ以外の部位とが混在する。大きく発熱している部位では過剰な熱が生じているので、この熱を周囲の発熱量の少ない部位に移動させられれば、超電導線材２１の第２区間２１ｂの全体を温度上昇させることができる。このため、第２スイッチ部２５Ｂでは、熱をバイパスさせて超電導線材２１の第２区間２１ｂの全体に熱を拡散させる銅条７４（図８（Ｂ）を参照）が巻回されている。銅条７４は、本発明に係る熱伝導線材の一例に相当する。銅条７４は、絶縁用ポリイミドシート７２を介して超電導線材２１の外周側に巻回される。銅条７４は、超電導線材２１の第２区間２１ｂが巻回される部分の全域にわたって巻回されるとよい。銅条７４は、熱をバイパスする機能に加えて、熱応力による超電導線材２１の枠２３からの剥離の抑制を図る補強材としての機能を有する。
【０１００】
先にも述べたが、超電導線材２１は、超電導層を外周側に向けて巻かれている。これは超電導層と銀の保護層とで生じる熱が、銅条７４に伝達されやすくするためである。仮に超電導層が内周側を向いていると、熱の多くは外周側でなく内周側の枠２３へ逃げてしまい、超電導線材２１の未発熱の部位を効率的に加熱することはできない。
【０１０１】
一方、銅条７４による熱のバイパスを利用しても、短時間で熱を超電導線材２１の第２区間２１ｂの全体に拡散することは難しい。例えば、枠２３の軸方向の両端部には十分な磁場を印加できず、これらの部位にジュール熱の生じた部位から熱が伝わってくるのは、磁場の形成後かなりの時間が経過してからになる。したがって、緊急の開操作時には、枠２３に巻回されている超電導線材２１の一部は継続的に超電導状態から変化しない。したがって、以下では、第２スイッチ部２５Ｂの４０ｍの超電導線材２１のうち３０ｍのみが常電導状態に転移してジュール熱を発生する場合について説明する。
【０１０２】
第２スイッチ部２５Ｂにおいて超電導線材２１の３０ｍが常電導状態に転移した場合、１００Ｋにおける電気抵抗は３Ωとなり、永久電流スイッチ２０に流れる電流は４００Ａから１００Ａに減少する。３０ｍの超電導線材２１が熱浴である枠２３と接する面積は６ｍｍ×３０ｍ＝０．１８ｍ２であり、これらの間に挿入されている電気絶縁用のポリイミドシート７１（厚さ０．０５ｍｍ）の単位体積当たりの熱伝導度は温度によらず０．１Ｗ／Ｋｍである。この条件において、ポリイミドシート７１の形状を考慮した全体の熱伝導度は０．３６ｋＷ／Ｋとなる。界面による熱伝導の低下を考慮すると、ポリイミドシート７１の全体の熱伝導度は０．２５ｋＷ／Ｋ程度となる。このとき、熱伝導度の逆数で表される熱抵抗は４Ｋ／ｋＷとなる。また、枠２３の重量は約２４．４ｋｇ、枠２３の外周に巻回されている超電導線材２１と銅条７４の重量は０．４ｋｇよりやや大きく、第２スイッチ部２５Ｂの全体の質量は約２４．８ｋｇである。
【０１０３】
＜緊急の開操作時の挙動＞
次に、上述した条件で永久電流スイッチ２０を緊急に開操作したときの挙動について説明する。四重極型のマグネット２９を励磁して第２スイッチ部２５Ｂに磁場を印加すると、超電導線材２１の第２区間２１ｂの大部分で臨界電流が４００Ａを下回り、電圧とそれに伴う熱が生じる。この熱は超電導線材２１の第２区間２１ｂの大部分及びその周囲に広がり、ごく短時間の後に第２スイッチ部２５Ｂに３Ωの電気抵抗が生じる。これにより、永久電流スイッチ２０を流れる電流は１００Ａに減少し、第２スイッチ部２５Ｂの両端間の電圧は３００Ｖとなり、第２スイッチ部２５Ｂのジュール熱は３０ｋＷとなる。残りの電流３００Ａは保護抵抗１２を流れ、ここでの発熱量は９０ｋＷである。枠２３と超電導線材２１の第２区間２１ｂとの間には４Ｋ／ｋＷの熱抵抗があることから、超電導線材２１の第２区間２１ｂは３０ｋＷ×４Ｋ／ｋＷ＝１２０Ｋだけ枠２３よりも温度が高くなる。冷却部１４Ａと接続された枠２３は４０Ｋであるため、超電導線材２１の第２区間２１ｂの温度は１６０Ｋ程度まで上昇する。超電導線材２１の臨界温度は９０Ｋ前後であるため、この時点で第２スイッチ部２５Ｂの超電導線材２１は発熱している部位の超電導層が完全に常電導状態に転移する。超電導層が常電導状態に転移した部位では、電流は銀保護層を流れる。銀の電気伝導度には温度依存性があり、電気抵抗３Ωの計算に用いた超電導線材２１の単位長さあたりの電気抵抗０．１Ω／ｍは１００Ｋでの値である。よって、１６０Ｋまで温度が上昇した時には、第２スイッチ部２５Ｂの電気抵抗は３Ωよりも高くなっている。この場合、永久電流スイッチ２０に流れる電流は１００Ａよりも小さくなり、超電導線材２１の第２区間２１ｂの温度上昇は１２０Ｋより低い値で安定する。ここでは電気抵抗が４Ωで安定したとする。このとき永久電流スイッチ２０と保護抵抗１２との並列回路の電気抵抗は約０．８Ωとなり、超電導コイル１１の電流は時定数１２．５秒（＝１０Ｈ÷０．８Ω）の比率（１２．５秒後に元の１／ｅ≒３７％）で減衰していく。この結果、超電導コイル１１は速やかに消磁されて安全な状態へと移行する。
【０１０４】
一方、超電導コイル１１の電流の減衰に伴い、第２スイッチ部２５Ｂの発熱量は減少する。しかし、時間経過に従い発生したジュール熱は枠２３に蓄積され、枠２３の温度は高くなっている。開操作前に超電導コイル１１に蓄積されていた８００ｋＪのエネルギーのうち、仮に２割に相当する１６０ｋＪが第２スイッチ部２５Ｂの加熱により消費されたとする。すると、第２スイッチ部２５Ｂの総重量が２４．８ｋｇであるので、枠２３の温度は超電導線材２１の臨界温度である９０Ｋを上回ることになる。ここで２４．８ｋｇの銅を４０Ｋから９０Ｋに加熱するのに要する熱エネルギーは１４０ｋＪだが、熱の一部が冷却部１４Ａに逃げることを考慮している。この段階になると、第２スイッチ部２５Ｂの発熱量がなくても、しばらくの期間、超電導線材２１の第２区間２１ｂは常電導状態を維持できる。あるいは、第２スイッチ部２５Ｂの発熱量が上記の場合より小さく、枠２３の温度が超電導線材２１の臨界温度に達しなかった場合を想定する。この場合、超電導コイル１１の電流の減衰によって超電導線材２１の発熱量が低下し、ついには第２スイッチ部２５Ｂが実質的な閉状態に陥ってしまう。しかし、この場合でも、超電導コイル１１に流れる電流はその時の値を維持するだけで、上昇に転じることはない。
【０１０５】
緊急の開操作の際には、マグネット２９の駆動と並行して、ヒータ２８による第１スイッチ部２５Ａの加熱も実行されている。第１スイッチ部２５Ａの超電導線材２１を転移温度以上に加熱するには時間を要するが、上述した第２スイッチ部２５Ｂが開の状態を維持する期間があれば、臨界温度以上に加熱する時間が得られる。あるいは、第２スイッチ部２５Ｂが実質的な閉状態に陥ってから、第１スイッチ部２５Ａの超電導線材２１が臨界温度以上になってもよい。ヒータ２８の加熱により第１スイッチ部２５Ａが開に切り替わると、第１スイッチ部２５Ａでもジュール熱が発生するが、このときすでに超電導コイル１１の電流は大幅に減衰しており、第１スイッチ部２５Ａを損傷させるような過度の温度上昇は生じない。その後は、第２スイッチ部２５Ｂが実質的な閉状態に変化しても、第１スイッチ部２５Ａが開となっていることで超電導コイル１１の電流の減衰が継続されて、消磁を完了させることができる。
【実施例２】
【０１０６】
次に、永久電流スイッチ２０をより具体化した実施例２について説明する。図１１は、本発明の実施例２に係る永久電流スイッチを示す斜視図である。図１２は、実施例２の永久電流スイッチの積層構造を説明する図である。
【０１０７】
実施例２の永久電流スイッチ２０は、第１スイッチ部２５Ａ、第２スイッチ部２５Ｂ、熱抵抗体２６、ヒータ２８及びマグネット２９が、各々円筒状又はソレノイド状の層となるように、同軸上に積層されて構成される。図１２は、永久電流スイッチ２０の各層をずらして示している。
【０１０８】
実施例２の永久電流スイッチ２０には、中心側から外周側にかけて、順に、枠２３、電気絶縁シート８１、超電導線材２１の第２区間２１ｂ、熱抵抗層８２、マグネット２９を構成する第１コイル２９ａ、熱抵抗体２６、超電導線材２１の第１区間２１ａ、ヒータ２８、熱抵抗層８３、マグネット２９を構成する第２コイル２９ｂ及び熱伝導層８４が設けられている。熱抵抗体２６は第１スイッチ部２５Ａの枠２２としての機能を兼用している。超電導線材２１の第１区間２１ａと第２区間２１ｂとは連続しており、超電導線材２１の各端部ｅ４、ｅ５は永久電流スイッチ２０の軸方向の一端に配置されて回路に接続され、中間部ｅ６は永久電流スイッチ２０の軸方向の他端で折り返され、保持されている。超電導線材２１は、実施例１と同様の構造であり、幅６ｍｍのＲＥＢＣＯ線材である。
【０１０９】
最も内周寄りに配置された枠２３は、永久電流スイッチ２０の１つの熱浴としても機能する。枠２３は、外径φ１６ｃｍ、内径φ１５．２ｃｍ、肉厚０．４ｃｍ、長さ７０ｃｍの円筒形の純銅（Ｃ１０２０）である。ただし、枠２３は完全な円筒形ではなく、周方向の一部に軸方向の一端から他端にわたるスリットＳＬ１が設けられている。すなわち、枠２３は、軸方向に垂直な断面がＣ字状の形状を有する。スリットＳＬ１は、枠２３の中央の空洞部を軸方向に磁場が貫いたときに、空洞部を周回する渦電流が生じるのを防止する。枠２３の重量は１２．３ｋｇである。枠２３は、冷却装置１４の冷却部１４Ａに接続されて伝導冷却される。
【０１１０】
超電導線材２１の第２区間２１ｂは、内周側に電気絶縁シート８１を介して枠２３に単層巻回されている。超電導線材２１の寸法は実施例１と同様である。超電導線材２１の第２区間２１ｂは、巻き径が枠２３の外径と同じφ１６０ｍｍであり、一巻きの長さは０．５０ｍ、全部で９８ターン巻回されて全長が４９ｍである。超電導線材２１の第２区間２１ｂは、超電導層を内周側に向けて巻回されている。
【０１１１】
第１コイル２９ａは、絶縁層を備えた銅条を１０層に巻回した多層ソレノイドコイル（いわゆるレイヤー巻きコイル）である。第１コイル２９ａの全体の厚さは１．８ｍｍであり、１層あたりの平均厚さは０．１８ｍｍである。
【０１１２】
熱抵抗層８２と熱抵抗体２６の層とは、各々の厚さが１ｍｍであり、電気絶縁シート８１と同じ厚さ５０μｍのポリイミドシートが多層に巻回された構造を有する。実施例２の永久電流スイッチ２０は組み立て途中でパラフィンの含浸処理が施されており、多層に巻回されたポリイミドシートの間の界面にはパラフィンが充填される。パラフィンはエポキシなどの樹脂と異なり、極低温に冷却されると界面にクラックが生じる。これにより、界面の熱伝導度が低下し、厚さを大きくしなくても高い熱抵抗が実現される。また、熱抵抗は熱の伝達経路に存在する界面の数に比例して増大する。厚さ５０μｍのシートを積層して厚さ１ｍｍにした構造では、２０程度の界面が存在するので、積層方向の熱伝導度は０．００１Ｗ／Ｋｍ程度の小さい値になる。この場合、幅６ｍｍ、長さ１ｍの超電導線材２１から、熱抵抗層８２又は熱抵抗体２６の層を間に挟んで、熱が次の層へ移動する熱の伝達経路の熱抵抗は１６７Ｋ／Ｗとなる。以下、このような熱の伝達経路の熱抵抗のことを、超電導線材２１の線長１ｍ分の熱抵抗とも呼ぶ。これまでに説明した、電導線材２１の第２区間２１ｂ、熱抵抗層８２、第１コイル２９ａ及び熱抵抗体２６の合計の厚さはおよそ４ｍｍである。
【０１１３】
超電導線材２１の第１区間２１ａとヒータ２８とは、これらの間に絶縁テープ（図１２に図示されず）を挟んで積層されている。先に述べたように、超電導線材２１の第１区間２１ａと第２区間２１ｂとは連続しており、巻枠の一端で折り返して別の層に巻回されている。各層では、超電導線材２１は無誘導巻きにはなっていないが、超電導線材２１の第１区間２１ａの巻回方向と、第２区間２１ｂの巻回方向とは逆にされている。この構成により、超電導線材２１の第１区間２１ａの電流により発生する磁場と、超電導線材２１の第２区間２１ｂの電流により発生する磁場とが打消し合い、超電導線材２１の実質的な無誘導巻きが実現される。すなわち、超電導線材２１の第１区間２１ａと、第２区間２１ｂとの合成インダクタンスは顕著に小さくなる。通常の無誘導巻きは作業上の煩雑さと、設計上の煩雑さとを招くが、実施例２の実質的な無誘導巻きによれば、このような煩雑さを少なくすることができる。
【０１１４】
超電導線材２１の第１区間２１ａは、巻き径が枠２３の径より大きくφ１６８ｍｍとなり、一巻きの長さが０．５３ｍ、軸方向（７０ｃｍ）にずらして９８ターン巻回した場合、全長が５２ｍとなる。超電導線材２１の電気抵抗は１００Ｋで０．１Ω／ｍであり、５２ｍで５．２Ωの電気抵抗が生じることになる。超電導線材２１の第１区間２１ａは、第２区間２１ｂとは逆に、超電導層を外周側に向けて巻回されている。超電導線材２１は、折り返される中間部ｅ６において表裏が逆転される。
【０１１５】
外周寄りの熱抵抗層８３は、内周寄りの熱抵抗層８２と同様の構成を有する一方、厚さが０．６ｍｍとやや薄い。内周寄りの熱抵抗層８２と同様に計算すると、熱抵抗層８３の超電導線材２１の線長１ｍ分の熱抵抗は１００Ｋ／Ｗとなる。
【０１１６】
第２コイル２９ｂは、巻き径が大きいことと、積層数が少ないことを除けば、第１コイル２９ａと同じ構成を有する。第１コイル２９ａと第２コイル２９ｂとは、同じ向きに銅条が巻回され、永久電流スイッチ２０の軸方向の一端部で、互いの銅条の端部が電気的に結合されている。すなわち第１コイル２９ａと第２コイル２９ｂとは直列接続され、常に等量の電流が流れる。第１コイル２９ａと第２コイル２９ｂとの層間において、第１コイル２９ａの磁場と第２コイル２９ｂの磁場とが打消し合い、超電導線材２１の第１区間２１ａに磁場が印加されるのを防止する。第１コイル２９ａと第２コイル２９ｂとの層間以外の領域においては、第１コイル２９ａの磁場と第２コイル２９ｂの磁場とは、互いに強め合う。
【０１１７】
熱伝導層８４は、厚さ１ｍｍの銅板を円筒形に曲げて第２コイル２９ｂの外周側に取り付けたものである。ただし永久電流スイッチ２０の周方向における銅板の両辺は、電気的に接合しておらず、電気絶縁されたボルトにより締め付けられている。これにより、熱伝導層８４は、周方向の一部に軸方向に渡るスリットＳＬ２が形成された構成となる。スリットＳＬ２は、円筒状の熱伝導層８４に周方向の渦電流が生じることを防止する。熱伝導層８４の重量は３．８ｋｇである。熱伝導層８４は、枠２３と別箇に冷却装置１４の冷却部１４Ａに接続されて伝導冷却される。
【０１１８】
実施例２の永久電流スイッチ２０は、順に、径方向の内周側から外周側へと各層が組み付けられて製造される。永久電流スイッチ２０の製造工程の中盤、熱抵抗層８３が組付けられた段階において、この段階の構成がパラフィンに含浸処理される。この含浸処理の目的は、機械強度を高めるためではなく、熱的な接合を安定させることである。続いて、第２コイル２９ｂと熱伝導層８４を組付けた段階で、この段階の構成がエポキシ樹脂の含浸処理及び硬化処理により固定される。この含浸処理の目的は、第２コイル２９ｂの熱抵抗をできる限り小さくすることである。エポキシ樹脂はパラフィンと異なり極低温に冷却されても界面にクラックは生じず、界面の熱抵抗は大きくならない。エポキシ樹脂で含浸された状態では、第２コイル２９ｂの熱抵抗は銅条の周囲に形成された電気絶縁層による熱抵抗が支配的となる。第２コイル２９ｂの銅条の積層数が、例えば第１コイル２９ａの銅条の積層数の半分に該当する５積層であるとすると、第２コイル２９ｂの電気絶縁層の延べ厚さは０．４ｍｍとなる。この構成によれば、超電導線材２１の線長１ｍ分のテープ面に直交する熱の伝達経路において、第２コイル２９ｂの熱抵抗は１Ｋ／Ｗに満たない。エポキシ樹脂はパラフィンを侵すことはないので、先にパラフィンに含浸処理された熱抵抗層８３よりも内側にエポキシ樹脂が含浸することはない。
【０１１９】
＜第１スイッチ部２５Ａの開閉操作＞
永久電流スイッチ２０に大きな電流が流れない時の開閉操作は、第１スイッチ部２５Ａの温度制御によってなされる。上述のように、枠２３と熱伝導層８４とは個別に冷却部１４Ａに接続されており、通常時、４０Ｋに冷却されている。第１スイッチ部２５Ａを開に切り替えるには、超電導線材２１の第１区間２１ａの温度を１００Ｋ以上に維持すればよく、必要になる温度差は６０Ｋである。超電導線材２１の線長１ｍ分のテープ面積に直交する熱の伝達経路において、第２コイル２９ｂの熱抵抗を１Ｋ／Ｗとしても、超電導線材２１の第１区間２１ａの層から熱伝導層８４までの熱抵抗は１０１Ｋ／Ｗ程度である。超電導線材２１の第１区間２１ａの全長５２ｍで換算すると、熱抵抗は２．０Ｋ／Ｗとなる。一方、超電導線材２１の第１区間２１ａの層から最内周の枠２３までの熱の伝達経路における熱抵抗は、熱抵抗層８２と熱抵抗体２６の層とが介在しているため非常に大きくなり、超電導線材２１の１ｍの線長分で４０４Ｋ／Ｗ程度となる。この場合、６０Ｋの温度差を作るのに必要なヒータ２８の発熱量は３８Ｗとなる。このうち８割の３０Ｗ程度が外周側の熱伝導層８４へ流れ、残る２割の８Ｗ程度が内周側の枠２３へ流れる。ここで、閉状態の超電導線材２１の温度を６０Ｋと想定する。この温度は、超電導線材２１の臨界電流が通常通電電流（４００Ａ）を十分上回る温度であり、高いほうが通常時の開操作を速くできる。上記の条件において、超電導線材２１の第１区間２１ａの温度を６０Ｋから１００Ｋまで上げるのに必要な熱量は約１．６ｋＪであるので、ヒータ２８の出力を３００Ｗとすれば、５秒程度で第１スイッチ部２５Ａを開操作することができる。また、超電導線材２１の第１区間２１ａの層から枠２３と熱伝導層８４への抜熱速度は最大で３８Ｗ、温度差が小さくなるとそれに応じて抜熱速度は低下していく。このため、開の状態からヒータ２８の出力を停止することで、１００秒程度、すなわち２分程度で第１スイッチ部２５Ａを閉操作することができる。
【０１２０】
＜緊急時の開操作＞
次に、超電導コイル１１が励磁されている状態で、緊急に実施例２の永久電流スイッチ２０を開操作して超電導コイル１１を消磁する操作について説明する。緊急時の開操作は、第１コイル２９ａ及び第２コイル２９ｂの通電により開始される。通電により、第１コイル２９ａの磁場と第２コイル２９ｂの磁場とが重なり強め合って超電導線材２１の第２区間２１ｂの層へ印加される。一方、第１区間２１ａの層ではこれらの磁場が打ち消し合う。ゆえに、超電導線材２１の第２区間２１ｂの層と第１区間２１ａの層とでは臨界電流に違いが生じる。しかし、第１コイル２９ａと第２コイル２９ｂとは銅条で構成されており、超電導コイルのように大きな電流を流すことはできない。よって、数Ｔ規模の強磁場を形成することはできない。さらに、第１コイル２９ａと第２コイル２９ｂにより形成される磁場は、超電導線材２１の幅方向を向いており、この向きの磁場に対して超電導線材２１の臨界電流の磁場依存性は大きくない。このため、この磁場の印加だけでは、超電導線材２１の臨界電流を大きく低下させることはできない。すなわち、超電導線材２１の第２区間２１ｂの層と第１区間２１ａの層とで臨界電流に大きな違いを作り出すまでには至らない。
【０１２１】
そこで、実施例２では、緊急時の開操作の際、磁場の形成とともに、制御部１５は、電流源１３を作動させる。超電導コイル１１が永久電流により励磁されている期間、電流源１３は停止している。この状態で電流源１３から電流を出力すると、超電導コイル１１は大きなインダクタンスを有するため、流れる電流が余り変化せず、保護抵抗１２には電気抵抗があるため大きな電流が流れず、電流源１３の出力電流は主に永久電流スイッチ２０に流れることになる。そして、超電導線材２１の第２区間２１ｂには強くはないが磁場が印加され、第１区間２１ａには磁場がほとんど印加されていないことから、第２区間２１ｂの方が、第１区間２１ａよりも低い電流値で電圧および熱の発生を開始することになる。これにより、超電導線材２１の第２区間２１ｂが常電導状態に転移し、第２スイッチ部２５Ｂが開となる。ここでは、電流値が４００Ａから４８０Ａに増大した時点で超電導線材２１の第２区間２１ｂで電圧および熱が生じたとする。この熱は電流の大部分が流れている超電導層で生じて超電導層を真っ先に加熱するため、熱が発生した直後には、超電導層が臨界温度を超えて常電導状態へと転移し、これにより大きなジュール熱の発生が維持される。このため、制御部１５は、永久電流スイッチ２０の両端電圧がジュール熱の発生を示す電圧となった後、電流源１３の出力をゼロに戻してよい。両端電圧は、永久電流スイッチ２０の両端に接続される配線間に電圧検出部を設けておき、制御部１５に電圧検出部の検出結果を入力することで、検出することができる。
【０１２２】
実施例２では、超電導線材２１の第２区間２１ｂの各部に比較的一様の磁場が印加される。このため、上述の第２区間２１ｂの電圧および熱の発生は線材全体でほぼ同時に生じる。したがって、実施例１で述べたような熱をバイパスするための銅条などの構成を設ける必要はない。
【０１２３】
超電導線材２１の第２区間２１ｂの全長は４９ｍであり、１００Ｋでの電気抵抗は４．９Ω相当になる。しかし、第２スイッチ部２５Ｂが開に切り替わったとき、永久電流スイッチ２０の軸方向の両端部における磁場の形成が弱くなることを考慮して、４０ｍ程度の超電導線材２１のみが常電導状態に転移したとする。すると、第２スイッチ部２５Ｂの電気抵抗は４．０Ω程度になる。この場合、電流源１３の出力がゼロに戻った時点で、永久電流スイッチ２０の電流は８０Ａまで低下し、残る３２０Ａは保護抵抗１２に分流する。このときの超電導線材２１の第２区間２１ｂの発熱量は２５．６ｋＷで、この発熱量のうちほぼ全てが内周側の枠２３へ流れていく。長さ４０ｍの電気絶縁シート８１の熱伝導度は０．４８ｋＷ／Ｋであり、熱抵抗はその逆数の２．１Ｋ／ｋＷに界面の効果分を加えてそれよりやや大きく２．５Ｋ／ｋＷ程度となる。超電導線材２１の第２区間２１ｂで２５．６ｋＷの発熱があると、これらの間に６４Ｋの温度差が生じる。枠２３は当初４０Ｋなので超電導線材２１の第２区間２１ｂの温度は１０４Ｋ程度まで上昇し、超電導線材２１の第２区間２１ｂを確実に常電導状態に転移させることができる。
【０１２４】
一方、第２スイッチ部２５Ｂが開となって生じた熱量は、一部が熱伝導層８４へ向かって流れるが、これらの間の熱抵抗は、超電導線材２１の１ｍの線長分で５００Ｋ／Ｗ以上であり、線材５０ｍの線長分としても１０Ｋ／Ｗ以上になる。この熱抵抗の両側に６４Ｋの温度差が生じても流れる熱量は６Ｗ程度にとどまり、この熱量による超電導線材２１の第１区間２１ａの温度上昇は１３Ｋ程度である。温度が１３Ｋ上昇しても、超電導線材２１の第１区間２１ａの臨界電流が通電電流８０Ａを上回っていれば、第１区間２１ａに電圧およびそれに伴う熱が生じることはなく、第１スイッチ部２５Ａでは完全な閉状態が維持される。
【０１２５】
第２スイッチ部２５Ｂが開となって４Ωの電気抵抗が生じたとき、保護抵抗１２の抵抗（１Ω）と超電導コイル１１のインダクタンス（１０Ｈ）とを含めた回路全体における電流減衰の時定数は１２秒である。１２秒の間に抵抗で消費されるエネルギーは、その１２秒の始端の消費速度がそのまま１２秒間続いた量の４割程度となる（厳密には（１−ｅ−２）／２＝０．４３）。第２スイッチ部２５Ｂが開となった直後のエネルギー消費は２５．６ｋＷなので、その後の１２秒間の発熱量は約１３０ｋＪである。この熱量は、冷却部１４Ａへの脱熱を考慮しても、重量１２．３ｋｇの枠２３を４０Ｋから９０Ｋ以上に加熱するのに十分である。従って、１２秒後の時点では、超電導線材２１の第２区間２１ｂはジュール熱が生じなくても第２スイッチ部２５Ｂは安定的に開状態となっている。第２スイッチ部２５Ｂが再び閉に切り替わるには、枠２３の全体が冷却されるまで時間がかかり、その間に超電導コイル１１の通電電流は十分に減衰される。
【０１２６】
一方、超電導線材２１の第１区間２１ａでは、第２スイッチ部２５Ｂが開状態を維持する間に、ヒータ２８の作動により温度が臨界温度以上に上昇する。これにより第１スイッチ部２５Ａが開になる。このとき、超電導コイル１１の電流は十分に減衰していることから、超電導線材２１の第１区間２１ａでは大きなジュール熱は発生せず、超電導線材２１を損傷させる恐れはない。その後、第２スイッチ部２５Ｂが閉に切り替わっても、第１スイッチ部２５Ａの開状態により、超電導コイル１１を完全に消磁することができる。
【符号の説明】
【０１２７】
１  磁場発生装置
１１  超電導コイル
１２  保護抵抗
１３  電流源
１４  冷却装置
１５  制御部
２０、２０Ａ、２０Ｂ  永久電流スイッチ
２１  超電導線材
２１ａ  第１区間
２１ａ１  第１小区間
２１ａ２  第２小区間
２１ｂ  第２区間
２２  枠
２３  枠
２５Ａ  第１スイッチ部
２５Ｂ  第２スイッチ部
２６  熱抵抗体
２８、２８ａ、２８ｂ  ヒータ
２９  マグネット
３１  半導体スイッチ
７４  銅条（熱伝導線材）
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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