(57)【要約】【課題】コイルの発生磁場を低く抑えることが可能な永久電流スイッチを提供する。【解決手段】この永久電流スイッチ５のコイル６は、巻枠２０と、この巻枠２０の周囲に超電導線材がソレノイド状に巻付けられることにより形成される通電体３０とを含んでいる。通電体３０は、コイル６の径方向に積層される複数の通電層３１〜３６を有するとともに、径方向内側から数えて奇数番目の通電層である奇数層の超電導線材を流れる電気の向きと径方向内側から数えて偶数番目の通電層である偶数層の超電導線材を流れる電気の向きとが互いに逆向きになるように形成されている。そして、全ての通電層が同じ軸方向長さをもつように超電導線材を巻回したときに比べて各奇数層の内側空間の体積の総和と各偶数層の内側空間の体積の総和との差が小さくなるように、偶数層の軸方向長さがその内側に隣接する奇数層の軸方向長さよりも短くなっている。【選択図】図２
2011114090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導マグネットを永久電流モードで運転するための永久電流スイッチであって、
前記超電導マグネットに電気的に接続されるコイルを備え、
前記コイルは、巻枠と、この巻枠の周囲に超電導線材がソレノイド状に巻付けられることにより形成される通電体とを含み、
前記通電体は、前記コイルの径方向に積層される複数の通電層を有するとともに、径方向内側から数えて奇数番目の通電層である奇数層の超電導線材を流れる電気の向きと径方向内側から数えて偶数番目の通電層である偶数層の超電導線材を流れる電気の向きとが互いに逆向きになるように形成され、
全ての通電層が同じ軸方向長さをもつように超電導線材を巻回したときに比べて各奇数層の内側空間の体積の総和と各偶数層の内側空間の体積の総和との差が小さくなるように、偶数層の軸方向長さをその内側に隣接する奇数層の軸方向長さよりも短くしたことを特徴とする永久電流スイッチ。
【請求項２】
外側の通電層ほどその軸方向長さが短くなるように各通電層の超電導線材が巻回されてい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】
最内層の通電層の内半径をｒ、最内層の通電層の軸方向長さをＬ１、通電層の径方向の厚みをｄとしたときに、径方向内側から数えてｎ番目の通電層の軸方向長さＬｎが以下の式（１）により求められる長さに最も近くなるような巻数で当該ｎ番目の通電層の超電導線材が巻回されていることを特徴とする請求項２に記載の永久電流スイッチ。
Ｌｎ＝ｒ２Ｌ１／｛ｒ＋（ｎ−１）ｄ｝２      ・・・式（１）
【請求項４】
各通電層の軸方向の中心が当該軸方向で一致するように各通電層が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の永久電流スイッチ。
【請求項５】
前記巻枠は、胴部と、この胴部の軸方向両端から径方向外側に互いに平行に延びる一対のフランジ部とを有し、
前記通電体は、超電導線材が前記一対のフランジ部の対向面に挟まれる領域にソレノイド状にかつ径方向に複数層に亘って巻回されることにより形成されており、
前記通電層の軸方向端部とこの端部に対向する前記フランジ部の対向面との隙間には当該隙間の軸方向長さを維持するためのスペーサが配設されていることを特徴とする請求項４に記載の永久電流スイッチ。
【請求項６】
各通電層の超電導線材が前記コイルの径方向に整列するように当該超電導線材が巻回され、
前記スペーサは、前記通電体を構成する超電導線材と同一外形の線材が前記胴部の周囲に巻付けられることにより形成されてい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】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の永久電流スイッチと、この永久電流スイッチのコイルに電気的に接続される超電導マグネットとを備えることを特徴とする超電導マグネット装置。
【請求項８】
超電導マグネットに電気的に接続されて当該超電導マグネットを永久電流モードで運転するための永久電流スイッチのコイルの製造方法であって、
超電導線材を巻回するための胴部と、この胴部の軸方向両端から径方向外側に互いに平行に延びる一対のフランジ部とを有する巻枠を準備する工程と、
前記巻枠の一対のフランジ部の対向面同士の間の領域で、当該巻枠の胴部の周囲に超電導線材をソレノイド状にかつ径方向に複数層に亘って積層するように巻付けることにより通電体を形成する工程とを備え、
前記通電体の形成工程は、
一方のフランジ部から他方のフランジ部に向けて超電導線材をソレノイド状に巻回して内側の通電層を形成する工程と、
他方のフランジ部で超電導線材を巻回方向が逆向きとなるように折返す工程と、
折返した超電導線材が折返し前の超電導線材に対して径方向外側に配されるように他方のフランジ部から一方のフランジ部に向けて超電導線材を前記内側の通電層とは周方向で逆向きにソレノイド状に巻回して外側の通電層を前記内側の通電層の径方向外側に隣接して形成する工程とを含むとともに、
前記内側の通電層を形成した後に前記外側の通電層を形成するのに先立って、コイルの軸方向に所定の厚みをもつスペーサを前記他方のフランジ部の対向面に接触させて配設する工程を含み、
前記外側の通電層を形成する工程は、当該外側の通電層の軸方向長さが前記内側の通電層の軸方向長さよりも短くなるように前記折返した超電導線材を前記スペーサの前記一方のフランジ部側の端部から巻き始める工程を有することを特徴とする永久電流スイッチのコイルの製造方法。
【請求項９】
前記超電導線材を前記コイルの径方向に複数層に亘って積層されるように巻回することで前記通電体を形成する工程は、前記超電導線材が当該径方向に整列する状態となるように超電導線材を巻回する工程を含み、
前記スペーサを配設する工程は、前記通電体を構成する超電導線材と同一外形の線材を前記巻枠の胴部の周囲に巻付ける工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の永久電流スイッチのコイルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久電流スイッチ、永久電流スイッチを備えた超電導マグネット装置、および、永久電流スイッチのコイルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導マグネット装置の超電導マグネットを永久電流モードで運転するための永久電流スイッチが知られている。
【０００３】
この永久電流スイッチは、超電導マグネットに電気的に接続されるコイルを備えており、コイルは、巻枠と通電体とで構成されている。巻枠は、胴部とこの胴部の軸方向両端から径方向外側に互いに平行に延びる一対のフランジ部とからなる。また、通電体は、胴部の周囲の一対のフランジ部の間の領域に超電導線材をソレノイド状に巻回されることで形成されており、径方向に積層される複数の通電層を有する構成となっている。
【０００４】
ところで、このような永久電流スイッチには、超電導マグネットへの磁場の影響を最小限に抑えるために、コイルの磁場をできるだけ小さくすることが要求される。
【０００５】
そこで、従来から、径方向内側から数えて奇数番目の通電層（奇数層）の超電導線材を流れる電気の向きと径方向内側から数えて偶数番目の通電層（偶数層）の超電導線材を流れる電気の向きとが互いに逆向きになるように、いわゆる無誘導巻きで超電導線材を巻回することでコイルの通電体を形成する技術が提案されている。
【０００６】
例えば、超電導線材を巻枠の一方のフランジ部から他方のフランジ部までソレノイド状に巻回することで最内層の通電層（奇数層）を形成し、その後、超電導線材を他方のフランジ部において折返すとともに既に形成した最内層の通電層の外側に他方のフランジ部から一方のフランジ部に向けて先程とは周方向で逆向きにソレノイド状に巻回することで２番目の通電層（偶数層）を形成する。この巻回動作を繰り返して通電体を形成する。
【０００７】
そして、上記コイルに電気を流すと、奇数層と偶数層とで互いに逆向きに電気が流れ、奇数層の磁気モーメントとその外側の偶数層の磁気モーメントとが互いに打消し合う（相殺する）ようになる。その結果、当該コイルにより形成される磁場が小さく抑えられ、超電導マグネットへの影響が軽減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２８７１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記構成のコイルでは、奇数層の磁気モーメントとその外側の偶数層の磁気モーメントとの相殺が十分ではない。これは、奇数層の軸方向長さと偶数層の軸方向長さとがほぼ等しいことに起因しており、奇数層で形成される磁気モーメントよりもその外側に隣接する偶数層で形成される磁気モーメントのほうが大きくなる。
【００１０】
つまり、コイルの通電層で形成される磁気モーメントは、通電層の電流密度と、通電層に囲まれる空間の体積と、通電層の径方向の寸法（厚み）との積で表される。そして、電流密度と厚みはコイルの各通電層で共通であるので、各通電層で形成される磁気モーメントの大きさは通電層の内側空間の体積に比例する。
【００１１】
そして、上記のように各通電層の軸方向長さが等しいと、各通電層の径の違いから外側の通電層ほどその内側空間の体積が大きくなる。従って、奇数層で作られる磁気モーメントよりもその外側の偶数層で作られる磁気モーメントのほうが大きくなる。
【００１２】
以上より、各奇数層で発生する磁気モーメントの総和よりも各偶数層で発生する磁気モーメントの総和のほうが大きくなり、この両者の差に起因してコイルにより磁場が形成される。そして、この磁場が超電導マグネットに作用することで、当該超電導マグネットの特性が低下する。
【００１３】
しかも、上述の課題は、超電導マグネット装置の外部電源モードでの運転時における永久電流スイッチのコイルの抵抗値を大きくするべくコイル全体の線材長さを長くする、つまり通電層の層数を増やすほどに顕著になる。
【００１４】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コイルの発生磁場を低く抑えることが可能な永久電流スイッチ、超電導マグネット装置および永久電流スイッチのコイルの製造方法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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の永久電流スイッチは、超電導マグネットを永久電流モードで運転するための永久電流スイッチであって、前記超電導マグネットに電気的に接続されるコイルを備え、前記コイルは、巻枠と、この巻枠の周囲に超電導線材がソレノイド状に巻付けられることにより形成される通電体とを含み、前記通電体は、前記コイルの径方向に積層される複数の通電層を有するとともに、径方向内側から数えて奇数番目の通電層である奇数層の超電導線材を流れる電気の向きと径方向内側から数えて偶数番目の通電層である偶数層の超電導線材を流れる電気の向きとが互いに逆向きになるように形成され、全ての通電層が同じ軸方向長さをもつように超電導線材を巻回したときに比べて各奇数層の内側空間の体積の総和と各偶数層の内側空間の体積の総和との差が小さくなるように、偶数層の軸方向長さをその内側に隣接する奇数層の軸方向長さよりも短くしたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項１に記載の永久電流スイッチによれば、偶数層の軸方向長さをその内側の奇数層の軸方向長さよりも短くして、各奇数層の内側空間の体積の総和と各偶数層の内側空間の体積の総和との差が、従来のように各通電層の軸方向長さが同じになるように通電体を形成した場合よりも小さくなるようにした。
【００１７】
ここで、コイルの通電層で形成される磁気モーメントは、通電層の電流密度と、通電層に囲まれる内側空間の体積と、通電層の径方向の寸法（厚み）との積で表される。そして、電流密度および厚みはコイルの各通電層で共通であるので、各通電層で形成される磁気モーメントは当該通電層の内側空間の体積に依存する。
【００１８】
従って、上記のように各奇数層の内側空間の体積の総和と各偶数層の内側空間の体積の総和との差が小さくなれば、各奇数層で形成される磁気モーメントの総和と各偶数層で形成される磁気モーメントの総和との差が小さくなる。これにより、奇数層の磁気モーメントと偶数層の磁気モーメントとが互いに精度良く打消し合い、コイルが通電時に形成する磁場が小さくなるとともに、コイルの磁場が超電導マグネットに与える影響も小さくなる。
【００１９】
請求項２に記載の永久電流スイッチは、上記請求項１に記載の永久電流スイッチにおいて、外側の通電層ほどその軸方向長さが短くなるように各通電層の超電導線材が巻回されていることを特徴とする。このように複数の通電層を外側のものほどその軸方向長さが短くなるように形成すれば、各通電層の内側空間の体積のばらつきが小さくなり、各通電層で形成される磁気モーメントがより均一化するので、コイルの磁場の減少がより確実になる。
【００２０】
請求項３に記載の永久電流スイッチは、上記請求項２に記載の永久電流スイッチにおいて、最内層の通電層の内半径をｒ、最内層の通電層の軸方向長さをＬ１、通電層の径方向の厚みをｄとしたときに、径方向内側から数えてｎ番目の通電層の軸方向長さＬｎが以下の式（１）により求められる長さに最も近くなるような巻数で当該ｎ番目の通電層の超電導線材が巻回されていることを特徴とする。
【００２１】
Ｌｎ＝ｒ２Ｌ１／｛ｒ＋（ｎ−１）ｄ｝２      ・・・式（１）
例えば、各通電層の軸方向長さが上記式（１）で求められる長さＬｎに一致するように構成した場合には、各通電層に囲まれる内側空間の体積が互いに等しくなり、各通電層の磁気モーメントの絶対値が互いに等しくなる。これにより、奇数層の磁気モーメントの総和の絶対値と偶数層の磁気モーメントの総和の絶対値とが一致するので、コイルが磁場を発生しない完全な無誘導状態になる。
【００２２】
従って、請求項３のように、軸方向長さが式（１）により求められる長さに最も近くなる巻数で各通電層の超電導線材を巻回することによって、奇数層の磁気モーメントの総和の絶対値と偶数層の磁気モーメントの総和の絶対値との差が十分に小さくなり、コイルの発生磁場が十分に小さくなる。
【００２３】
請求項４に記載の永久電流スイッチは、上記請求項１〜３のいずれか一項に記載の永久電流スイッチにおいて、各通電層の軸方向の中心が当該軸方向で一致するように各通電層が設けられていることを特徴とする。このように構成すれば、通電体の形状が軸方向で対称となるので、通電体の軸方向の形状の非対称性に起因してコイルにより磁場が形成されるといった不都合の発生を抑えることができる。
【００２４】
請求項５に記載の永久電流スイッチは、上記請求項４に記載の永久電流スイッチにおいて、前記巻枠は、胴部と、この胴部の軸方向両端から径方向外側に互いに平行に延びる一対のフランジ部とを有し、前記通電体は、超電導線材が前記一対のフランジ部の対向面に挟まれる領域にソレノイド状にかつ径方向に複数層に亘って巻回されることにより形成されており、前記通電層の軸方向端部とこの端部に対向する前記フランジ部の対向面との隙間には当該隙間の軸方向長さを維持するためのスペーサが配設されていることを特徴とする。このように通電層とフランジ部との間にスペーサを配設することにより、フランジ部同士の間隔よりも短い軸方向長さの通電層を一対のフランジ部の間の所定位置で確実に保持することができる。
【００２５】
請求項６に記載の永久電流スイッチは、上記請求項５に記載の永久電流スイッチにおいて、各通電層の超電導線材が前記コイルの径方向に整列するように当該超電導線材が巻回され、前記スペーサは、前記通電体を構成する超電導線材と同一外形の線材が前記胴部の周囲に巻付けられることにより形成されていることを特徴とする。このように構成されていると、通電層の軸方向端部とフランジ部との間には通電体を構成する超電導線材の直径のほぼ倍数分の隙間が形成されるようになる。従って、通電体を構成する超電導線材と同一外形の線材をその隙間に巻回することで当該隙間が確実に埋まるため、隙間を埋めるためのスペーサを簡単に準備することができる。なお、通電体と同じ超電導線材を用いることで、スペーサの準備がより簡単になる。
【００２６】
また、本発明の請求項７に記載の超電導マグネット装置は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の永久電流スイッチと、この永久電流スイッチのコイルに電気的に接続される超電導マグネットとを備えることを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項７に記載の超電導マグネット装置によれば、永久電流スイッチのコイルで発生する磁場が十分に小さいので、超電導マグネットの特性が安定する。
【００２８】
また、本発明の請求項８に記載の永久電流スイッチのコイルの製造方法は、超電導マグネットに電気的に接続されて当該超電導マグネットを永久電流モードで運転するための永久電流スイッチのコイルの製造方法であって、超電導線材を巻回するための胴部と、この胴部の軸方向両端から径方向外側に互いに平行に延びる一対のフランジ部とを有する巻枠を準備する工程と、前記巻枠の一対のフランジ部の対向面同士の間の領域で、当該巻枠の胴部の周囲に超電導線材をソレノイド状にかつ径方向に複数層に亘って積層するように巻付けることにより通電体を形成する工程とを備え、前記通電体の形成工程は、一方のフランジ部から他方のフランジ部に向けて超電導線材をソレノイド状に巻回して内側の通電層を形成する工程と、他方のフランジ部で超電導線材を巻回方向が逆向きとなるように折返す工程と、折返した超電導線材が折返し前の超電導線材に対して径方向外側に配されるように他方のフランジ部から一方のフランジ部に向けて超電導線材を前記内側の通電層とは周方向で逆向きにソレノイド状に巻回して外側の通電層を前記内側の通電層の径方向外側に隣接して形成する工程とを含むとともに、前記内側の通電層を形成した後に前記外側の通電層を形成するのに先立って、コイルの軸方向に所定の厚みをもつスペーサを前記他方のフランジ部の対向面に接触させて配設する工程を含み、前記外側の通電層を形成する工程は、当該外側の通電層の軸方向長さが前記内側の通電層の軸方向長さよりも短くなるように前記折返した超電導線材を前記スペーサの前記一方のフランジ部側の端部から巻き始める工程を有することを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項８に記載の永久電流スイッチのコイルの製造方法によれば、外側の通電層の形成に先立ってスペーサを設けることによって、そのスペーサにより外側の通電層の軸方向の形成領域が規定されるので、一対のフランジ部の対向面同士の間隔よりも短い軸方向長さの外側の通電層が当該フランジ部の対向面の間の所定位置に確実に位置決めされる。
【００３０】
請求項９に記載の永久電流スイッチのコイルの製造方法は、上記請求項８に記載の永久電流スイッチのコイルの製造方法において、前記超電導線材を前記コイルの径方向に複数層に亘って積層されるように巻回することで前記通電体を形成する工程は、前記超電導線材が当該径方向に整列する状態となるように超電導線材を巻回する工程を含み、前記スペーサを配設する工程は、前記通電体を構成する超電導線材と同一外形の線材を前記巻枠の胴部の周囲に巻付ける工程を含むことを特徴とする。このようにすれば、通電層の軸方向端部とフランジ部との間には通電体を構成する超電導線材の直径のほぼ倍数分の隙間が形成されるようになる。従って、通電体を構成する超電導線材と同一外形の線材をその隙間に巻回することで当該隙間が確実に埋まるため、隙間を埋めるためのスペーサを簡単に準備することができる。なお、通電体と同じ超電導線材を用いることで、スペーサの準備がより簡単になる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の永久電流スイッチによれば、コイルの発生磁場が小さくなるとともに、超電導マグネットの特性が安定する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態による超電導マグネット装置の全体構成を概略的に示したブロック図である。
【図２】図１に示した永久電流スイッチのコイルの概略断面図である。
【図３】図２のコイルの要部拡大断面図である。
【図４】コイルの要部拡大図である。
【図５】コイルの製造方法を説明するための図である。
【図６】コイルの製造方法を説明するための図である。
【図７】コイルの製造方法を説明するための図である。
【図８】コイルの製造方法を説明するための図である。
【図９】実施例および比較例による各コイルのパラメータを示した表である。
【図１０】実施例および比較例による各コイルによって形成される５ガウスラインの位置の対比図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３４】
本実施形態の超電導マグネット装置は、例えば高分解能ＮＭＲやＭＲＩに適用されるものである。このような超電導マグネット装置では、超電導マグネット２の発生磁場が時間的に極めて高い安定性を有することが要求される。このため、図１に示すように、超電導マグネット２を収容する低温容器１内には、冷却用媒体としての液体ヘリウムとともに本発明に係る永久電流スイッチ５が収容されている。この永久電流スイッチ５は、超電導マグネット２とともに閉ループを構成可能となっている。そして、外部電源４による超電導マグネット２の電源駆動モードでの運転から、前記閉ループによる超電導マグネット２の永久電流モードでの運転に所定のタイミングで切り替わるようになっている。
【００３５】
具体的には、超電導マグネット２は、導線部１０によって外部電源４と電気的に接続されている。外部電源４の下流位置には、スイッチ３が設けられている。そして、電源駆動モードでは、スイッチ３が「入」状態（実線で表示）となって、外部電源４による超電導マグネット２への給電が行われる。なお、電源駆動モード時の電流の経路を図１中に矢印ａで示している。
【００３６】
また、永久電流スイッチ５は、導線部１０と、この導線部１０の適所に短絡する導線部１１とによって、超電導マグネット２および外部電源４に電気的に接続されている。
【００３７】
永久電流スイッチ５は、超電導マグネット２に電気的に接続されるコイル６と、このコイル６を加温するヒータ７とを含んでいる。コイル６は、下記で詳述するが、通電中に磁場を発生しにくい構成となっている。ヒータ７は、スイッチ８とヒータ用電源９とに電気的に接続されており、スイッチ８の「入」状態（実線で表示）でコイル６を常電導転移温度以上に加温可能となっている。ちなみに、スイッチ８を「切」状態（点線で表示）にすると、コイル６は、低温容器１内の液体ヘリウムによって前記常電導転移温度未満（超電導転移温度以下）にまで冷却されるようになっている。
【００３８】
このような超電導マグネット装置では、冷却後の立上げ時には、スイッチ３が「入」状態となって外部電源４による電源駆動モードで超電導マグネット２が運転されるように構成されている。なお、この時、永久電流スイッチ５のスイッチ８は「入」状態となっており、コイル６がヒータ７により加温されることで常電導状態となっている。常電導状態では、コイル６は大きな抵抗を有するようになるため、当該コイル６には電気がほとんど流れない。従って、超電導マグネット２、外部電源４および導線部１０による経路（矢印ａ）を電気が流れるようになる。
【００３９】
そして、当該超電導マグネット装置では、所定のタイミングで電源駆動モードから永久電流モードに切り替わるようになっている。
【００４０】
すなわち、永久電流スイッチ５のスイッチ８が「切」状態に切り替わることにより、ヒータ７によるコイル６の加温が停止される。これにより、コイル６が液体ヘリウムによって超電導転移温度以下に冷却されて超電導状態となり、コイル６の電流抵抗値がほぼゼロになる。また、この時、スイッチ３が「切」状態（点線で表示）に切り替えられ、外部電源４からの給電が停止される。その結果、超電導マグネット２、コイル６および導線部１０，１１によって構成される閉ループ（図１中の矢印ｂ）を電気が流れるようになる。
【００４１】
次に、図２〜図４を参照して、本実施形態に係る永久電流スイッチ５のコイル６の具体的な構成を説明する。
【００４２】
コイル６は、図２に示すように、巻枠２０と、通電体３０と、複数のスペーサ４２Ａ〜４６Ａおよび４２Ｂ〜４６Ｂとを含んでいる。
【００４３】
巻枠２０は、円筒状外周面を有する胴部２１と、この胴部２１の軸方向両端から径方向外側に互いに平行に延びる一対のフランジ部２２，２３とを有している。
【００４４】
フランジ部２２，２３は、互いに対向する対向面２２ａ，２３ａを有している。また、図４に示すように、フランジ部２３には、通電体３０を構成する次述の超電導線材５０を支持可能な側面部２３ｃを有するボス部２３ｂが径外方向に突出するように形成されている。このボス部２３ｂの側面部２３ｃに超電導線材５０を掛け回すことで当該線材５０が軸方向に折り返されるようになっている。なお、図示していないが、フランジ部２２にも同形状の側面部を有するボス部が形成されている。
【００４５】
通電体３０は、一本の超電導線材５０がフランジ部２２，２３の間の領域で胴部２１の周囲にソレノイド状に巻回されることにより形成されている。また、この通電体３０は、超電導線材５０が径方向に複数層に亘って積層されるように巻回されることにより形成されており、コイル６の径方向に積層される複数（本実施形態では６つ）の通電層３１〜３６を有している。
【００４６】
通電体３０は、具体的に、胴部２１の外周面に接するように配される最内層の第１通電層３１と、この第１通電層３１の径方向外側に径外方向に順に配される第２通電層３２、第３通電層３３、第４通電層３４、第５通電層３５および最外層の第６通電層３６とにより構成されている。なお、以下では、径方向内側から数えて奇数番目の通電層を奇数層と呼び、径方向内側から数えて偶数番目の通電層を偶数層と呼ぶ。
【００４７】
また、通電体３０では、前記超電導線材５０を、巻枠２０の一方のフランジ部２２（２３）から他方のフランジ部２３（２２）までソレノイド状に巻回することで内側の通電層が形成され、さらに当該線材５０を上記フランジ部２３（２２）のボス部に掛け回して軸方向に折り返した後にその内側の通電層の外側に他方のフランジ部２３（２２）から一方のフランジ部２２（２３）に向けて先程とは周方向で逆向きにソレノイド状に巻回することで外側の通電層が形成される。
【００４８】
従って、通電体３０では、図３に示すように、奇数層の超電導線材５０を流れる電気の向きと偶数層の超電導線材５０を流れる電気の向きとが周方向で互いに逆向きになっている。これにより、通電時には、奇数層と偶数層とで互いに逆向きの磁気モーメントが形成され、その結果、当該コイル６により形成される磁場が小さく抑えられる。
【００４９】
ここで、本実施形態のコイル６には、通電体３０により形成される磁場をより小さく抑えるためのさらなる工夫がなされている。
【００５０】
この通電体３０では、各偶数層の軸方向長さがその径方向内側に隣接する奇数層の軸方向長さよりも短くなっている。より言うと、通電体３０は、各通電層３１〜３６の軸方向長さが外側の通電層ほど短くなるように、超電導線材５０が外側の通電層ほど少ない巻数で巻回されることにより形成されている。
【００５１】
ここで、通電体３０の通電層で形成される磁気モーメントについて説明する。通電層の磁気モーメントは、通電層の電流密度と、通電層に囲まれる内側空間の体積と、通電層の径方向の寸法（厚み）との積で表される。そして、電流密度および厚みは各通電層で共通であるので、各通電層で形成される磁気モーメントは、当該通電層の内側空間の体積に依存する。
【００５２】
従って、上記のように外側の通電層ほど軸方向長さが短くなるように構成していずれの偶数層の軸方向長さもその内側に隣接する奇数層の軸方向長さよりも確実に短くなるようにすれば、全ての通電層が同じ軸方向長さをもつように構成したときに比べて、各奇数層の内側空間の体積の総和と各偶数層の内側空間の体積の総和との差が小さくなり、奇数層の磁気モーメントと偶数層の磁気モーメントとが互いにより精度良く打消し合うようになる。その結果、コイル６が通電時に形成する磁場がより小さくなるとともに、コイル６の磁場が超電導マグネット２に与える影響もより小さくなり、超電導マグネット２の特性が安定する。
【００５３】
また、通電層３１〜３６を外側のものほどその軸方向長さが短くなるように形成すれば、各通電層の内側空間の体積のばらつきが小さくなり、各通電層で形成される磁気モーメントがより均一化するので、コイル６の磁場の減少がより確実になる。
【００５４】
具体的に、本実施形態では、各通電層３１〜３６は、各々の軸方向長さが下記の式（１）によって求められる長さに最も近くなるような巻数で超電導線材５０が巻回されることにより形成される。
【００５５】
すなわち、最内層の通電層（第１通電層３１）の内半径をｒ、最内層の通電層の軸方向長さをＬ１、通電層の径方向の厚みをｄとしたときに、径方向内側から数えてｎ番目の通電層である第ｎ通電層の軸方向長さに対応する長さＬｎは、
Ｌｎ＝ｒ２Ｌ１／｛ｒ＋（ｎ−１）ｄ｝２      ・・・式（１）
で設定される。
【００５６】
このように、各通電層３１〜３６の軸方向長さが上記式（１）で設定される長さＬｎに最も近くなるような巻数で超電導線材を巻回することにより各通電層３１〜３６を形成すれば、各通電層３１〜３６の磁気モーメントの絶対値のばらつきが十分に小さくなり、コイル６により形成される磁場が十分に小さくなる。
【００５７】
つまり、例えば各通電層の軸方向長さが上記式（１）で示された長さＬｎと一致するように構成されたコイルでは、各通電層に囲まれる内側空間の体積が互いに等しくなり、各通電層の磁気モーメントの絶対値が互いに等しくなる。これにより、奇数層の磁気モーメントの総和の絶対値と偶数層の磁気モーメントの総和の絶対値とが一致するので、コイル全体では磁気モーメントが完全に打ち消され合って、当該コイルが磁場を全く形成しない、いわゆる完全な無誘導状態となる。
【００５８】
しかし、実際の通電層３１〜３６は、所定の径の超電導線材５０を巻回することにより形成されていることから、各通電層３１〜３６の軸方向長さを上記式（１）に示す長さＬｎに完全に一致させることは極めて困難である。
【００５９】
従って、上述のように、各通電層の軸方向長さが式（１）に示す長さに最も近くなるような巻数で超電導線材を巻回することで当該通電層を形成することによって、コイル６を完全な無誘導状態とまではいかないまでもその磁場を十分に小さくすることができるのである。
【００６０】
また、通電体３０の各通電層３１〜３６は、各々の軸方向の中心位置が当該軸方向で互いに一致するように設けられている。このように構成すれば、通電体３０の形状が軸方向で対称となるので、通電体３０の軸方向の形状の非対称性に起因してコイル６により磁場が形成されるといった不都合の発生が抑えられる。
【００６１】
また、各通電層３１〜３６の超電導線材５０はコイル６の径方向に整列しており、通電体３０がいわゆる整列巻きの状態となっている。さらに、各通電層３１〜３６の巻数は、偶数および奇数のいずれかで統一されている。従って、第２通電層３２〜第６通電層３６のそれぞれにおいて、当該通電層と巻枠２０のフランジ部２２，２３の対向面２２ａ，２３ａとの各隙間は、互いにほぼ等しく、かつ、通電層を構成する超電導線材５０の倍数分の長さとなっている。
【００６２】
そして、上記各通電層３２〜３６と巻枠２０のフランジ部２２，２３との隙間には、前述のスペーサ４２Ａ〜４６Ａおよび４２Ｂ〜４６Ｂがそれぞれ配設されている。各スペーサ４２Ａ〜４６Ａおよび４２Ｂ〜４６Ｂは、対応する上記隙間の軸方向長さを維持するため、すなわち対応する通電層を一対のフランジ部２２，２３の間で確実に保持するために当該隙間を埋めるように配設されている。
【００６３】
本実施形態では、各スペーサ４２Ａ〜４６Ａおよび４２Ｂ〜４６Ｂが、図３，図４に示すように、通電体３０を構成する超電導線材５０と同一外形の線材（いわゆるダミー線材）６０により形成されている。つまり、上述のように各通電層３２〜３６の軸方向端部とフランジ部２２，２３との隙間の軸方向長さが超電導線材５０の直径の倍数分となっていることから、通電体３０を構成する超電導線材５０と同一外形のダミー線材６０をその隙間に配設すれば、当該隙間が確実に埋まる。このため、スペーサとして上記ダミー線材を用いることで、隙間を埋めるためのスペーサの準備が極めて簡単になるという効果を奏する。なお、通電体３０と同じ超電導線材５０を使用すれば、ダミー用の線材を別途で準備する必要すらなくなるので、準備がより簡単になる。
【００６４】
詳細に、上記各スペーサ４２Ａ〜４６Ａおよび４２Ｂ〜４６Ｂは、図４に示すように、複数本のダミー線材６０がコイル６の軸方向に並設されることにより形成される。ダミー線材６０の本数は、各スペーサによって異なっており、各通電層３２〜３６の軸方向長さが上述の式（１）に示す長さに最も近くなるような当該通電層の巻数に基づいて設定されている。
【００６５】
各ダミー線材６０は、通電体３０の超電導線材５０と同一ピッチで軸方向にずれるように巻枠２０の胴部２１の周囲にソレノイド状に巻き付けられている。このダミー線材６０の長さは、当該ダミー線材６０が巻付く部分の外周長さよりも少し短い寸法に設定されており、ダミー線材６０を巻付けたときには、そのダミー線材６０の長さ方向の両端同士が周方向に間隔をあけて配されるようになる。この間隔は、超電導線材５０の直径よりもわずかに大きい値に設定されている。
【００６６】
また、各スペーサ４２Ａ〜４６Ａおよび４２Ｂ〜４６Ｂを構成する複数本のダミー線材６０は、各々の前記間隔がコイル６の軸方向に連続するように位置決めされて設けられており、各スペーサ４２Ａ〜４６Ａおよび４２Ｂ〜４６Ｂは軸方向に延びる線材用通路部６１（図７参照）を有するようになっている。
【００６７】
また、ダミー線材６０の長さ方向の両端は丸みを帯びた形状に形成されており、前記線材用通路部６１内に配された超電導線材５０がダミー線材６０の端部で傷付けられることのないように構成されている。
【００６８】
なお、冷却状態でスペーサ４２Ａ〜４６Ａおよび４２Ｂ〜４６Ｂと巻枠２０および通電体３０との間に隙間を形成させないために、ダミー線材６０は、超電導線材５０の熱収縮率と同等もしくは大きい熱収縮率をもつ材質により形成されていることが好ましい。
【００６９】
また、上記ダミー線材６０に代えて、線材用通路部を有するリング状部材を用いてスペーサを形成することもできる。
【００７０】
次に、上記コイル６の製造方法について説明する。
【００７１】
まず、超電導線材５０を、巻枠２０の胴部２１の周囲にフランジ部２２の対向面２２ａからフランジ部２３の対向面２３ａまでソレノイド状に巻き付けて、最内層の第１通電層３１を形成する（図５参照）。
【００７２】
次に、図６に示すように、第１通電層３１の外周のうちダミー線材６０を巻付ける予定の部分に接着剤７０を塗布する。具体的には、第１通電層３１の軸方向両端から中央部側への各所定領域に亘ってそれぞれ接着剤７０を塗布する。なお、図ではフランジ部２３側のみを示している。
【００７３】
そして、図７に示すように、予め設定されている本数のダミー線材６０を、第１通電層３１の外周の上記所定領域に巻付ける。このとき、ダミー線材６０は、第１通電層３１の超電導線材５０に対して径方向に整列するように配設される。
【００７４】
その後、接着剤７０を乾燥させてダミー線材６０を第１通電層３１の外周面に接着固定させる。これにより、当該ダミー線材６０がスペーサ４２Ａ，４２Ｂとして機能するようになる。そして、スペーサ４２Ａ，４２Ｂによって第２通電層３２の巻線領域（軸方向長さ）が規定され、フランジ部２２，２３の対向面２２ａ，２３ａ同士の間隔よりも短い軸方向長さの第２通電層３２が当該フランジ部２２，２３の対向面２２ａ，２３ａの間の所定位置に確実に位置決めされる。
【００７５】
次に、図８に示すように、第１通電層３１の超電導線材５０の巻終り側の部位をフランジ部２３のボス部２３ｂに掛け回して当該線材５０を軸方向に折返し、スペーサ４２Ａにより形成された線材用通路部を通して当該スペーサ４２Ａのフランジ部２２側の端縁まで導く。その後、超電導線材５０を第１通電層３１とは周方向で逆向きに第１通電層３１の周囲にフランジ部２３（スペーサ４２Ａ）からフランジ部２２（スペーサ４２Ｂ）に向けてソレノイド状に巻回して、第２通電層３２を形成する。
【００７６】
第２通電層３２を形成した後は、上記と同様に、スペーサ４３Ａ，４３Ｂを配設し、その後、第３通電層３３を形成する。
【００７７】
以下、同様に繰返して、スペーサ４４Ａ〜４６Ａおよび４４Ｂ〜４６Ｂを設けるとともに第４〜第６通電層３４〜３６を形成し、これによりコイル６が形成される。
【実施例】
【００７８】
以下、上述した永久電流スイッチ５のコイル６の磁場低減効果を証明するために行った比較実験について説明する。
【００７９】
すなわち、本願発明に対応する実施例によるコイルを作製するとともに、従来技術に対応する比較例によるコイルを作製し、それらのコイルの磁場特性を比較した。
【００８０】
実施例のコイルの構成および製法は、上述のコイル６と基本的に同じである。また、比較例のコイルの実施例のコイルとの相違点は、スペーサが設けられておらず、超電導線材が一対のフランジ部の対向面の間を軸方向に往復しながら径方向に複数層に亘って積層するように巻回されることにより通電体が形成されており、各通電層の軸方向長さが同じになっている点である。
【００８１】
実施例のコイルの各パラメータは、図９の表１に示している。すなわち、このコイルは、径方向に積層される６つの通電層で構成されている。最内層の第１通電層は、内径が２０ｍｍ、外径が２２．１６ｍｍ、超電導線材の巻数が９２、軸方向長さが１００ｍｍである。第２通電層は、内径が２２．１６ｍｍ、外径が２４．３２ｍｍ、超電導線材の巻数が７４、軸方向長さが８１．５ｍｍである。第３通電層は、内径が２４．３２ｍｍ、外径が２６．４８ｍｍ、超電導線材の巻数が６２、軸方向長さが６７．６ｍｍである。第４通電層は、内径が２６．４８ｍｍ、外径が２８．６４ｍｍ、超電導線材の巻数が５２、軸方向長さが５７．０ｍｍである。第５通電層は、内径が２８．６４ｍｍ、外径が３０．８ｍｍ、超電導線材の巻数が４４、軸方向長さが４８．８ｍｍである。最外層の第６通電層は、内径が３０．８ｍｍ、外径が３２．９６ｍｍ、超電導線材の巻数が３８、軸方向長さが４２．２ｍｍである。
【００８２】
この実施例のコイルでは、当該コイルの通電体を構成する超電導線材の全長が２８．９（ｍ）であった。そして、このコイルに１０００（Ａ）の電気を流したところ、当該コイルにより形成される磁気モーメントは８．７（Ａ・ｍ２）であった。
【００８３】
一方、比較例のコイルの各パラメータは、図９の表２に示している。すなわち、このコイルは、径方向に積層される４つの通電層で構成されている。最内層の第１通電層は、内径が２０ｍｍ、外径が２２．１６ｍｍである。第２通電層は、内径が２２．１６ｍｍ、外径が２４．３２ｍｍである。第３通電層は、内径が２４．３２ｍｍ、外径が２６．４８ｍｍである。最外層の第４通電層は、内径が２６．４８ｍｍ、外径が２８．６４ｍｍである。また、超電導線材の巻数および軸方向長さは、各通電層で同じであり、それぞれ、巻数が９２、軸方向長さが１００ｍｍである。
【００８４】
この比較例のコイルでは、当該コイルの通電体を構成する超電導線材の全長が２８．１（ｍ）であった。そして、このコイルに１０００（Ａ）の電気を流したところ、当該コイルにより形成される磁気モーメントは８６．７（Ａ・ｍ２）であった。
【００８５】
以上より、実施例のコイルでは、その磁気モーメントが比較例のコイルの磁気モーメントに比べて十分に小さくなっており、実施例のコイルすなわち永久電流スイッチ５のコイル６において磁場低減効果が得られることがわかった。
【００８６】
また、磁場低減効果のさらなる証明として、実施例および比較例の各コイルにより形成される５ガウスラインの位置の比較を行った。その結果を図１０に示している。なお、図１０では、実施例のコイルのラインを実線で示し、比較例のコイルのラインを点線で示している。これによると、コイルの形成する磁場のうち５ガウスの強度をもつ磁場の範囲が、実施例のコイルの方が比較例のコイルに比べて十分に小さくなっていることがわかる。これによっても、実施例のコイルすなわち永久電流スイッチ５のコイル６において磁場低減効果が得られることがわかる。
【００８７】
なお、上記実施形態では、各通電層の軸方向長さが外側の通電層ほど短くなるように構成したが、これに限らず、少なくとも偶数層とその内側に隣接する奇数層とのペアにおいて偶数層の軸方向長さが奇数層の軸方向長さよりも短くなっていればよい。このように構成した場合でも、各奇数層の内側空間の体積の総和と各偶数層の内側空間の体積の総和との差が、各通電層の軸方向長さが同じになるように通電体を形成した場合に比べて小さくなるので、同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１  超電導マグネット装置
２  超電導マグネット
５  永久電流スイッチ
６  コイル
２０  巻枠
２１  胴部
２２，２３  フランジ部
２２ａ，２３ａ  対向面
３０  通電体
３１〜３６  通電層
４２Ａ〜４６Ａ，４２Ｂ〜４６Ｂ  スペーサ
５０  超電導線材
６０  ダミー線材
【図１】
2011114090.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】
2011114090.tif 000009
【図８】
2011114090.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2011114090.tif 000012