(57)【要約】【課題】信頼性の高い超電導磁石装置を提供する。【解決手段】真空容器の内部に配置され、所定の軸を中心として、超電導線材が巻芯に対して同心円状に巻回される超電導コイルと、前記超電導コイルに供給する励磁電流を生成する励磁回路と、前記超電導コイルを冷却する冷却装置と、前記超電導コイルの常伝導転移が発生する位置に配置される温度計測素子と、前記温度計測素子によって計測された計測温度に基づいて、前記励磁回路及び前記冷却装置を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2019212748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器の内部に配置され、所定の軸を中心として、超電導線材が巻芯に対して同心円状に巻回される超電導コイルと、
前記超電導コイルに供給する励磁電流を生成する励磁回路と、
前記超電導コイルを冷却する冷却装置と、
前記超電導コイルの常伝導転移が発生する位置に配置される温度計測素子と、
前記温度計測素子によって計測された計測温度に基づいて、前記励磁回路及び前記冷却装置を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
前記温度計測素子は、
前記冷却装置から前記超電導コイルへの伝熱経路と離れた位置に配置される、
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】
前記超電導コイルは、熱良導体を備え、
前記熱良導体は、
少なくとも一つ以上の不連続箇所を備える、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
前記巻芯の内径側における前記超電導線材の密度は、前記巻芯の外径側における前記超電導線材の密度より低い、
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超電導磁石装置。
【請求項５】
前記超電導コイルは、
隣接する超電導線材と超電導線材との間に配置されるスペーサを、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超電導磁石装置。
【請求項６】
前記超電導コイルは、
最外層の前記超電導線材に配置される電圧端子線を、更に備える、
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超電導磁石装置。
【請求項７】
前記電圧端子線は、
最外層の前記超電導線材と並列に巻回される、
ことを特徴とする請求項６に記載の超電導磁石装置。
【請求項８】
前記巻芯は、熱良導体である、
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
【請求項９】
前記温度計測素子は、
前記超電導コイルに複数配置される、
ことを特徴とする請求項８に記載の超電導磁石装置。
【請求項１０】
前記超電導コイルは、
外径側表面に配置される第二の熱良導体を、更に備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の超電導磁石装置。
【請求項１１】
前記第二の熱良導体は、前記巻芯と締結される、
ことを特徴とする請求項１０に記載の超電導磁石装置。
【請求項１２】
前記第二の熱良導体は、貫通孔を備える、
ことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の超電導磁石装置。
【請求項１３】
前記巻芯の外径側における前記超電導コイルの常伝導転移までの温度裕度は、前記巻芯の内径側における前記超電導コイルの常伝導転移までの温度裕度より小さい、
ことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一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】
本発明は、超電導磁石装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、銅酸化物をはじめとする高温超電導体は、キロメートル級の長さを有する高温超電導線材として、高温超電導磁石装置に利用されつつある。高温超電導磁石装置は、低温超電導磁石装置と比較して、超電導状態を維持できる温度範囲が広いため、より高温で動作させることが可能である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、高温超電導コイルと、高温超電導コイルを冷却するための冷却手段と、高温超電導コイルを励磁するための電源と、高温超電導コイルの少なくとも一部の近傍の温度を計測する温度計測手段と、温度計測手段により計測された温度に応じて高温超電導コイルに流れる電流を制御する電流制御手段とを備える高温超電導コイル装置が開示されている。
【０００４】
例えば、特許文献２には、所定空間をあけて対向配置された第一、第二の容器、上記第一、第二の容器内に同軸となるように配列収納され、上記第一、第二の容器の間に均一磁界を発生する、環状に巻回しされた複数の超電導コイルよりなる第一、第二のコイル群を備え、少なくとも一つの上記超電導コイルは、上記第一、第二の容器の対向面から遠ざかるにつれて、その巻回し高さが小さくなるように形成される超電導磁石装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４８２５６０５号公報
【特許文献２】特許第４２２９７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、高温超電導磁石装置では、超電導コイルの常伝導転移までの温度裕度が大きく、常伝導転移の伝播が緩やかであるため、超電導コイルの両端電圧を計測しても、常伝導転移が検知され難いという問題があった。
このため、高温超電導磁石装置は、低温超電導磁石装置と比較して、信頼性が低いという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、信頼性の高い超電導磁石装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するために、本発明に係る超電導磁石装置は、真空容器の内部に配置され、所定の軸を中心として、超電導線材が巻芯に対して同心円状に巻回される超電導コイルと、前記超電導コイルに供給する励磁電流を生成する励磁回路と、前記超電導コイルを冷却する冷却装置と、前記超電導コイルの常伝導転移が発生する位置に配置される温度計測素子と、前記温度計測素子によって計測された計測温度に基づいて、前記励磁回路及び前記冷却装置を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、信頼性の高い超電導磁石装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る超電導磁石装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】第１実施形態に係る超電導磁石装置における超電導コイルの一例を示す断面図である。
【図３】第１実施形態に係る超電導磁石装置における超電導コイルの一例を示す上面図である。
【図４】第１実施形態に係る超電導磁石装置における制御装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図５】第１実施形態に係る超電導磁石装置が発生させる磁場分布の一例を示すグラフである。
【図６】第１実施形態に係る超電導磁石装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図７】第１実施形態に係る超電導磁石装置における制御装置の制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態に係る超電導磁石装置における超電導コイルの一例を示す断面図である。
【図９】第２実施形態に係る超電導磁石装置における超電導コイルの一例を示す上面図である。
【図１０】第３実施形態に係る超電導磁石装置における超電導コイルの一例を示す断面図である。
【図１１】第３実施形態に係る超電導磁石装置における超電導コイルの一例を示す上面図である。
【図１２】第４実施形態に係る超電導磁石装置における超電導コイルの一例を示す断面図である。
【図１３】第４実施形態に係る超電導磁石装置における超電導コイルの一例を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）に係る超電導磁石装置について説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、例えば平面図とその断面図において、各部材のスケールや間隔が一致しない場合もある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一又は同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略することとする。
【００１２】
≪第１実施形態≫
〔超電導磁石装置の構成〕
まず、図１乃至図５を参照して、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００の構成の一例について説明する。図１は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００の構成の一例を示す概略図である。図２は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００における超電導コイル１０の一例を示す断面図である。図３は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００における超電導コイル１０の一例を示す上面図である。図４は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００における制御装置４０の構成の一例を示すブロック図である。図５は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００が発生させる磁場分布の一例を示すグラフである。
【００１３】
図１に示すように、超電導磁石装置１００は、超電導コイル１０、励磁回路２０、冷却装置３０、制御装置４０、温度計測素子５０、真空容器６０、伝熱部材７０、などを備えている。超電導コイル１０と制御装置４０とは、信号線７１を介して接続され、励磁回路２０と制御装置４０とは、信号線７２を介して接続され、冷却装置３０と制御装置４０とは、信号線７３を介して接続されている。
【００１４】
超電導コイル１０は、コイル巻線部１１、巻芯１２、熱良導体１３、などを備えており、荷重支持体６１によって支持されて真空容器６０の内部に配置されている。コイル巻線部１１は、所定の軸（例えば、軸ＣＬ）を中心として、超電導線材１１１、スペーサ１１２、などが巻芯１２に対して同心円状に巻回されることで形成される。
【００１５】
超電導線材１１１は、その構成が特に限定されるものではないが、例えば、銅酸化物系の高温超電導物質(YBa2Cu307-δ、Bi2Sr2Ca2Cu3010、など)からなる線材、ニオブ・チタン（NbTi）材、ニホウ化マグネシウム(MgB2)材、などによって形成されることが好ましい。なお、超電導線材１１１は、その表面が、例えば、ガラスなどの耐熱性材料、絶縁性材料で被覆されていてもよい。
【００１６】
超電導線材１１１は、図２に示すように、配置されることが好ましい。即ち、超電導線材１１１は、巻芯１２の内径側Ａ（軸ＣＬに近い側）における超電導線材１１１の密度が、巻芯１２の外径側Ｂ（軸ＣＬから遠い側）における超電導線材１１１の密度より低くなるように、配置されることが好ましい。
また、超電導線材１１１は、巻芯１２の内径側Ａにおいて隣接する超電導線材１１１と超電導線材１１１との間の距離が、巻芯１２の外径側Ｂにおいて隣接する超電導線材１１１と超電導線材１１１との間の距離より長くなるように、配置されることが好ましい。
【００１７】
詳細は後述するが、内径側Ａにおける超電導線材１１１の密度が外径側Ｂにおける超電導線材１１１の密度より低くなるように、超電導線材１１１が配置されることで、内径側Ａの磁場を、外径側Ｂの磁場より弱くすることが可能になる。すなわち、外径側Ｂにおける超電導コイル１０の常伝導転移までの温度裕度を、内径側Ａにおける超電導コイル１０の常伝導転移までの温度裕度より小さくすることが可能になる。即ち、超電導線材１１１が、図２に示すように、配置されることで、外径側Ｂにおいて常伝導転移が開始され、それに伴う発熱を発生させることが可能になる。
つまり、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する位置を、温度計測し難い巻芯１２の内径側Ａではなく、温度計測し易い巻芯１２の外径側Ｂへとずらすことができるため、超電導磁石装置１００において、超電導コイル１０の常伝導転移が検知され易くなる。なお、本明細書において、「常伝導転移が発生する位置」とは、超電導コイル１０において、磁場、温度、歪み、などが高く、臨界電流が小さくなる位置を意味するものとする。
【００１８】
スペーサ１１２は、熱収縮率が超電導線材１１１と同程度の材料で形成されることが好ましい。このような材料としては、例えば、アルミナ、窒化ホウ素などのセラミクス、ガラスやアルミナ繊維などを樹脂で固めた強化繊維プラスチック（ＦＲＰ）、などが挙げられる。なお、超電導線材１１１の熱収縮率が大きい場合には、スペーサ１１２に、エポキシ樹脂などの有機材料も適用することも可能である。
【００１９】
スペーサ１１２は、図２に示すように、配置されることが好ましい。即ち、スペーサ１１２は、巻芯１２の内径側Ａにおけるスペーサ１１２の密度が、巻芯１２の外径側Ｂにおけるスペーサ１１２の密度より高くなるように、配置されることが好ましい。
例えば、スペーサ１１２は、巻芯１２の内径側Ａでは、隣接する超電導線材１１１と超電導線材１１１との間において、多層構造を有する。また、例えば、スペーサ１１２は、巻芯１２の外径側Ｂでは、隣接する超電導線材１１１と超電導線材１１１との間において、単層構造を有する。巻芯１２の内径側Ａでスペーサ１１２が積層構造を有することで、超電導線材１１１の歪みに対する耐性が０．２％〜０．５％程度であっても、超電導線材１１１に発生する歪みを抑制することが可能になる。
【００２０】
巻芯１２は、超電導線材１１１及びスペーサ１１２が巻回される巻胴部と、この巻胴部の両端から、軸ＣＬを中心に、径方向の外側に伸びるフランジ部と、を備えている。本明細書において、「径方向」とは、軸ＣＬを中心とする円の半径方向を意味するものとする。
巻芯１２は、熱良導体で形成されることが好ましく、例えば、ステンレス、鉄、アルミニウムなどの非磁性金属材料、などによって形成されることが好ましい。なお、巻芯１２と超電導線材１１１との間には、電気絶縁を目的とした絶縁板などが設けられていてもよい。
【００２１】
熱良導体１３は、周方向に一様に配置される。熱良導体１３は、伝熱部材７０に締結或いは接着されており、伝熱部材７０を介して、冷却装置３０と接続される。熱良導体１３は、コイル巻線部１１の上面全体に接して形成されていてもよいし、コイル巻線部１１の一部に接して形成されていてもよい。本明細書において、「周方向」とは、軸ＣＬを中心とする円の円周方向を意味するものとする。
【００２２】
熱良導体１３は、冷却装置３０によって冷却されるため、極低温状態において熱伝導率の高い材料で形成されることが好ましい。このような材料としては、例えば、純アルミ、無酸素銅、などの金属材料、などが挙げられる。なお、熱良導体１３は、単一の材料で構成されていてもよいし、複数の材料を組み合わせて構成されていてもよい。
【００２３】
熱良導体１３は、図３に示すように、少なくとも１つ以上の不連続箇所１３１（１３１ａ，１３１ｂ）を備えている。不連続箇所１３１は、例えば、樹脂、セラミクス、ＦＲＰ、などの絶縁性材料で形成される。不連続箇所１３１は、個数や形状が特に限定されるものではなく、適宜調整されることが好ましい。熱良導体１３に不連続箇所１３１を設けることで、励磁中に超電導コイル１０に発生する渦電流発熱を抑制することができる。
【００２４】
なお、熱良導体１３には、温度調節をするためのヒータや温度計測素子が設けられていてもよい。ヒータや温度計測素子は、接着若しくは圧着などによって、熱良導体１３に固定される。温度計測素子によって計測された計測結果は、制御装置４０へと送信され、フィードバック制御される。ヒータとしては、例えば、ニクロム線やステンレス線など、公知の極低温用高抵抗線を適用することができる。
【００２５】
励磁回路２０は、励磁ケーブル接続部２１（２１ａ，２１ｂ）及び励磁ケーブル２２（２２ａ，２２ｂ）を介して、超電導コイル１０と接続される。また、励磁回路２０は、信号線７２を介して、制御装置４０と接続される。
【００２６】
励磁回路２０は、公知の構成を適用することが可能であり、例えば、励磁用の電源、超電導コイル１０と並列に配置される保護抵抗及びダイオード、などを備えている。励磁回路２０は、設置される位置が特に限定されるものではなく、真空容器６０の外部に設けられていてもよいし、真空容器６０の内部に設けられていてもよい。なお、保護抵抗やダイオードの個数は、超電導コイル１０の蓄積エネルギーに応じて適宜設定される。
【００２７】
励磁回路２０は、信号線７２を介して制御装置４０から入力される制御信号に基づいて、超電導コイル１０に供給する励磁電流を生成する。また、励磁回路２０は、超電導コイル１０が常伝導転移する際には、信号線７２を介して制御装置４０から入力される制御信号に基づいて、超電導コイル１０に供給する電流を減少させる、或いは、励磁用の電源を遮断することによって、超電導コイル１０を保護する。
【００２８】
励磁ケーブル接続部２１（２１ａ，２１ｂ）は、例えば、真空容器６０の外部から超電導コイル１０への熱侵入を抑制するために、高温超電導体を使用した高温超電導パワーリードを備えることが好ましい。高温超電導パワーリードとしては、公知の構成を適用することが可能であり、例えば、希土類系銅酸化物のバルク体、希土類系銅酸化物のテープ形状線材、などを用いることができる。
【００２９】
冷却装置３０は、駆動装置３１、冷凍機駆動配線３２、冷凍機３３、公知の圧縮機、電源装置、制御装置、などを備えており、超電導コイル１０を冷却する。冷却装置３０は、その個数が特に限定されるものではなく、要求される冷却性能に応じて、適宜調整される。
【００３０】
駆動装置３１は、冷凍機駆動配線３２を介して、冷凍機３３と接続される。駆動装置３１は、信号線７３を介して制御装置４０から入力される制御信号に基づいて、冷凍機３３を駆動させる。駆動装置３１は、その個数が特に限定されるものではなく、単数であってもよいし、複数であってもよい。冷凍機駆動配線３２は、例えば、ガス冷媒線、信号線、などを備えており、駆動装置３１と冷凍機３３との間に配置される。
【００３１】
冷凍機３３は、冷凍機駆動配線３２を介して、駆動装置３１と接続され、伝熱部材７０を介して、超電導コイル１０と接続される。冷凍機３３は、駆動装置３１から入力される駆動信号に基づいて駆動し、超電導コイル１０を冷却する。冷凍機３３は、その個数が特に限定されるものではなく、単数であってもよいし、複数であってもよい。
冷凍機３３は、公知の構成を適用することが可能であり、例えば、ギンツブルグ−マクマホン冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機、などの冷凍機を適用することができる。
なお、冷凍機３３の先端部分（冷凍機３３と真空容器６０とが接触する部分）には、温度調節をするためのヒータや温度計測素子が設けられていてもよい。ヒータや温度計測素子によって計測された計測結果は、制御装置４０へと送信され、フィードバック制御される。
【００３２】
制御装置４０は、図４に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１、記憶装置４２、入力装置４３、表示装置４４、通信部４５、などを備えている。
【００３３】
ＣＰＵ４１は、制御装置４０の中枢として機能し、記憶装置４２に記憶される制御プログラムを読み出して、ワークエリアに展開し、当該制御プログラムを実行することで、各構成要素を制御する。また、ＣＰＵ４１は、記憶装置４２に記憶される各種情報を読み出し、表示装置４４に表示させる。
ＣＰＵ４１は、温度計測素子５０によって計測された計測温度に基づいて、制御対象機器（例えば、励磁回路２０、冷却装置３０、など）を制御するための制御信号を生成する。例えば、ＣＰＵ４１は、制御信号を励磁回路２０へと出力し、励磁回路２０から超電導コイル１０へと供給される電流を制御する。また、例えば、ＣＰＵ４１は、制御信号を冷却装置３０へと出力し、超電導コイル１０を冷却するか否かを制御する。また、例えば、ＣＰＵ４１は、ヒータへの入力電圧・電流を制御し、超電導コイル１０の温度を制御する。
【００３４】
記憶装置４２は、ＣＰＵ４１が制御プログラムを実行するための、作業用記憶領域として用いられる。記憶装置４２は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、などで構成され、超電導コイル１０を励磁するための制御情報、励磁回路２０、冷却装置３０、温度計測素子５０、などと通信するための信号、ＣＰＵ４１によって実行される制御プログラム、制御プログラムの実行に必要な各種データ、などを記憶する。制御情報としては、例えば、目標温度と計測温度との差分に基づいた制御対象機器に対する動作指令の関係式、フィードバック制御の際に使用するゲインの情報、などが挙げられる。なお、記憶装置４２は、必ずしも制御装置４０の内部に構成されている必要はなく、外部記憶装置としてもよい。
【００３５】
入力装置４３は、操作者による入力操作を受け付ける機能を備えており、例えば、キーボード、カメラ、マウス、タッチパネル、音声入力を受け付けるマイク、などで構成される。操作者は、入力装置４３を操作することで、表示装置４４に所望の画像を表示させて、例えば、超電導コイル１０の常伝導転移を検知することができる。
【００３６】
表示装置４４は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、などである。表示装置４４は、例えば、超電導コイル１０を励磁するための制御情報、温度計測素子５０によって計測された計測温度、励磁回路２０及び冷却装置３０の動作に関する情報、超電導コイル１０に常伝導転移が発生しているか否かを示す情報、などを表示する。
【００３７】
通信部４５は、信号線７１を介して、温度計測素子５０と通信し、例えば、温度計測素子５０によって計測された計測温度を、温度計測素子５０から受信する。また、通信部４５は、信号線７２を介して、励磁回路２０と通信し、例えば、励磁回路２０から超電導コイル１０へと供給される電流を制御する制御信号を、励磁回路２０へと送信する。また、通信部４５は、信号線７３を介して、冷却装置３０と通信し、例えば、超電導コイル１０を冷却するか否かを制御する制御信号を、冷却装置３０へと送信する。
【００３８】
温度計測素子５０は、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する位置に配置される。温度計測素子５０は、樹脂などによって、超電導コイル１０に接着され、信号線７１を介して制御装置４０と接続される。接着方法は、特に限定されるものではなく、ばね等で押し当てられる圧着でもよい。
温度計測素子５０は、公知の構成を適用することが可能であり、例えば、クロメル・コンスタンタンや金鉄熱電対、抵抗測定型温度センサ、などを適用することができる。
【００３９】
温度計測素子５０は、図３に示すように、温度計測し難い超電導コイル１０の内径側表面ではなく、温度計測し易い超電導コイル１０の外径側表面に配置される。また、温度計測素子５０は、図３に示すように、冷却装置３０から超電導コイル１０への伝熱経路（伝熱部材７０）と離れた位置に配置される。
温度計測素子５０が、図３に示すような位置に配置されることで、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する確率が最も高い位置の温度を、温度計測素子５０によって計測することが可能になる。これにより、超電導コイル１０の常伝導転移を速やかに検知することができるため、超電導磁石装置１００の信頼性を向上させることができる。
【００４０】
温度計測素子５０は、超電導コイル１０に複数配置されていてもよい。温度計測素子５０が超電導コイル１０に複数配置されることで、超電導コイル１０の常伝導転移に対する検知精度を高めることができる。
【００４１】
真空容器６０は、超電導コイル１０を内部に収納する。真空容器６０は、外部から超電導コイル１０への、熱侵入を低減させる役割を担っている。真空容器６０は、内部に輻射シールドを備えることが好ましい。これにより、外部から超電導コイル１０への、輻射熱による熱侵入を効果的に低減させることが可能になる。
真空容器６０は、内壁に対して固定された荷重支持体５１、内部を高真空の気圧にするバルブ、などを備えている。荷重支持体５１は、冷却時において、超電導コイル１０の熱収縮を吸収できるように、弾性変形可能な構造であることが好ましい。
【００４２】
真空容器６０は、クライオスタットと呼ばれる公知の極低温用真空容器などを適用することが可能であり、例えば、ステンレスやアルミ合金などの金属、強化繊維プラスチック（ＦＲＰ：Fiber-Reinforced Plastics）などで形成される。
【００４３】
伝熱部材７０は、冷却装置３０と超電導コイル１０との間に配置され、冷却装置３０から超電導コイル１０への伝熱経路を構成している。伝熱部材７０は、冷却装置３０が備える冷凍機３３及び超電導コイル１０が備える熱良導体１３に、締結或いは接着されている。なお、伝熱部材７０と、冷凍機３３及び熱良導体１３との接続態様は、特に限定されるものではない。
【００４４】
伝熱部材７０は、熱良導体で形成されることが好ましく、例えば、銅、銀、アルミニウム、鉄、などで形成されることが好ましい。伝熱部材７０は、単一の熱良導体で形成されていてもよいし、複数の熱良導体を組み合わせて形成されていてもよく、必要に応じて任意の態様をとることが可能である。
伝熱部材７０は、例えば、ある程度の曲率で曲げられたフレキシブル導体などで形成されることが好ましく、要求仕様に応じて、その剛性が任意に設定されることが可能である。伝熱部材７０の剛性が適切に調整されることで、超電導コイル１０を冷却した際の熱収縮によって超電導コイル１０に発生する熱応力を抑制することができる。
【００４５】
〔磁場分布〕
ここで、図５を参照して、超電導コイル１０に発生する磁場の一例について説明する。図５において、横軸は、超電導コイル半径［ｍｍ］を示しており、縦軸は、磁場強度［Ｔ］を示している。
【００４６】
図５に示すように、超電導コイル１０の内径側表面には、負の値の磁場が発生し、超電導コイル１０の外径側表面には、正の値の磁場が発生している。
また、超電導コイル１０の内径側表面に発生する磁場（１．６［Ｔ］より若干小さい）の絶対値は、超電導コイル１０の外径側表面に発生する磁場（１．６［Ｔ］より若干大きい）の絶対値より小さい。
つまり、図５から、超電導コイル１０の内径側表面、超電導コイル１０の外径側表面には、向きが逆であり、且つ、強度が、超電導コイル１０の内径側表面より超電導コイル１０の外径側表面で強い磁場が発生していることがわかる。
【００４７】
巻芯１２の内径側における超電導線材１１１の密度が、巻芯１２の外径側における超電導線材１１１の密度より低くなるように、超電導線材１１１が配置されることで、超電導コイル１０の内径側表面に発生する磁場を、超電導コイル１０の外径側表面に発生する磁場より弱くすることが可能になる。
【００４８】
加えて、超電導コイル１０は、真空容器６０の外部からの輻射熱による熱侵入の影響で、外径側表面の温度が内径側表面の温度より高くなる。そのため、磁場の絶対値が同じであれば、外径側表面における超電導コイル１０の常伝導転移までの温度裕度は、内径側表面における超電導コイル１０の常伝導転移までの温度裕度より小さくなる。
従って、巻芯１２の内径側における超電導線材１１１の密度が、巻芯１２の外径側における超電導線材１１１の密度より低くなるように、超電導線材１１１が配置されることで、外径側表面で超電導コイル１０の常伝導転移が発生する確率を、内径側表面で超電導コイル１０の常伝導転移が発生する確率より高くすることが可能になる。
【００４９】
つまり、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００によれば、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する確率が最も高い位置の温度を計測することが可能になるため、外径側表面の発熱に基づいて、超電導コイル１０の常伝導転移を速やかに検知することが可能になる。これにより、信頼性の高い超電導磁石装置１００を実現できる。
【００５０】
〔超電導磁石装置の製造方法〕
次に、図６を参照して、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００の製造方法の一例について説明する。
【００５１】
ステップＳ２０１において、超電導線材１１１の前駆体を含む所定のシース、及びスペーサ１１２は、軸ＣＬを中心として、巻芯１２に対して同心円状に巻回される。超電導線材１１１の前駆体を含む所定のシース、及びスペーサ１１２は、時計回りに巻回されてもよいし、反時計回りに巻回されてもよい。
【００５２】
ステップＳ２０２において、超電導線材１１１の前駆体を含む所定のシース、及びスペーサ１１２は、例えば、６００℃〜９００℃で、数時間、熱処理されて、コイル巻線部１１が生成される。熱処理温度、熱処理時間、熱処理中の雰囲気、などは、特に限定されるものではなく、超電導線材１１１の種類、超電導コイル１０の形状などに依って任意に設定可能である。なお、ステップＳ２０１の工程とステップＳ２０２の工程とは、順序を入れ替えてもよい。
【００５３】
ステップＳ２０３において、コイル巻線部１１は、励磁ケーブル２２（２２ａ，２２ｂ）と接続される。接続方法は、特に限定されるものではなく、例えば、半田によって、コイル巻線部１１と励磁ケーブル２２とを接続してもよいし、機械的に圧着することによって、コイル巻線部１１と励磁ケーブル２２とを接続してもよい。
【００５４】
ステップＳ２０４において、コイル巻線部１１は、含浸材（例えば、エポキシ樹脂など）で樹脂含浸される。含浸材としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、など公知の樹脂を使用することが可能である。なお、ステップＳ２０３の工程とステップＳ２０４の工程とは、順序を入れ替えてもよい。
【００５５】
ステップＳ２０５において、温度計測素子５０は、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する位置、即ち、超電導コイル１０の外径側表面に取り付けられる。なお、ステップＳ２０５の工程は、ステップＳ２０４の工程の中で、実施することも可能である。
【００５６】
〔超電導磁石装置の励磁方法〕
次に、図７を参照して、制御装置４０によって、超電導磁石装置１００を励磁する方法について、説明する。
【００５７】
ステップＳ３０１において、制御装置４０は、温度計測素子５０へと制御信号を送信し、温度計測素子５０を駆動させる。そして、制御装置４０は、温度計測素子５０によって計測された計測温度を、温度計測素子５０から受信する。
【００５８】
ステップＳ３０２において、制御装置４０は、温度計測素子５０によって計測された計測温度を、記憶装置４２に記憶させる。更に、制御装置４０は、温度計測素子５０によって計測された計測温度に基づいて、冷却装置３０へと制御信号を送信し、冷却装置３０を駆動させて、超電導コイル１０を冷却する。この際、制御装置４０は、目標温度と計測温度とを比較して、計測温度が目標温度より高くなっていないか否かを確認しながら、超電導コイル１０の冷却を制御する。
【００５９】
ステップＳ３０３において、制御装置４０は、励磁回路２０へと制御信号を送信し、励磁回路２０を駆動させて、励磁用の電源から超電導コイル１０へと電流を供給する。そして、制御装置４０は、電流を定格励磁電流まで徐々に増加させて、超電導コイル１０の励磁を制御する。
【００６０】
ステップＳ３０４において、制御装置４０は、温度計測素子５０から受信した超電導コイル１０の計測温度に基づいて、超電導コイル１０の温度（超電導コイル１０の外径側表面の温度）が、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する温度以上であるか否か、或いは、上昇傾向であるか否かを判定する。
制御装置４０は、超電導コイル１０の温度が、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する温度以上である、或いは、超電導コイル１０の温度が、上昇傾向である、と判定する場合、ステップＳ３０５の処理へと進む。
制御装置４０は、超電導コイル１０の温度が、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する温度より小さい、且つ、超電導コイル１０の温度が、上昇傾向でない、と判定する場合、ステップＳ３０３の処理へと進む。
【００６１】
ステップＳ３０５において、制御装置４０は、励磁回路２０へと制御信号を送信し、励磁回路２０を駆動させて、励磁回路２０を駆動させて、励磁用の電源から超電導コイル１０へと供給する電流を定格励磁電流から徐々に減少させる、或いは、遮断する。
【００６２】
上述の励磁方法を適用し、超電導コイル１０の外径側表面に存在する常伝導転移起点の温度を、温度計測素子５０により計測することで、超電導磁石装置１００は、超電導コイル１０の常伝導転移を速やかに検知する。これにより、信頼性の高い超電導磁石装置１００を実現することができる。
【００６３】
≪第２実施形態≫
〔超電導磁石装置の構成〕
次に、図８乃至図９を参照して、第２実施形態に係る超電導磁石装置２００の構成の一例について説明する。図８は、第２実施形態に係る超電導磁石装置２００の超電導コイル１０の一例を示す断面図である。図９は、第２実施形態に係る超電導磁石装置２００の超電導コイル１０の一例を示す上面図である。なお、第２実施形態において、第１実施形態と、共通する部分については、重複した説明を省略する。
【００６４】
第２実施形態に係る超電導磁石装置２００が、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００と異なる点は、第２実施形態に係る超電導磁石装置２００は、最外層に配置される超電導線材１１１が、電圧端子線８１，８２を備える点である。
【００６５】
電圧端子線８１，８２は、超電導コイル１０における最外層の超電導線材１１１に配置される。一方の電圧端子線（例えば、電圧端子線８２）は、超電導コイル１０の最外層の一端に設けられ、他方の電圧端子線（例えば、電圧端子線８１）は、超電導コイル１０の外周に沿って、最外層の超電導線材と並列に巻回されて、超電導コイル１０の最外層の他端に配置される。これにより、超電導コイル１０の最外層の両端において、インダクタンス成分がキャンセルされるため、より高精度に電圧を測定することが可能となる。
【００６６】
制御装置４０は、電圧端子線８１，８２を介して、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する位置の電圧を計測し、計測電圧に基づいて、超電導コイル１０の常伝導転移を検知する。
また、制御装置４０は、電圧端子線８１，８２を介して、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する位置の電圧を計測し、計測電圧に基づいて、制御対象機器（例えば、励磁回路２０、冷却装置３０、など）を制御するための制御信号（例えば、動作指令、など）を生成する。制御装置４０は、生成した制御信号を、制御対象機器へと出力し、この制御対象機器を制御する。
【００６７】
第２実施形態に係る超電導磁石装置２００によれば、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する位置の温度のみならず、超電導コイル１０の電圧を計測することで、超電導コイル１０の常伝導転移を確実に検知することができる。即ち、超電導コイル１０の常伝導転移をより確実に同定することができるため、超電導コイル１０の常伝導転移を確実且つ速やかに検知し、信頼性の高い超電導磁石装置２００を実現できる。
【００６８】
〔超電導磁石装置の製造方法〕
次に、第２実施形態に係る超電導磁石装置２００の製造方法の一例について説明する。
第２実施形態に係る超電導磁石装置２００の製造方法は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００の製造方法において、ステップＳ２０２の工程と、ステップＳ２０３の工程との間に、電圧端子線８１，８２を取り付ける工程を加える点が異なるのみで、この工程以外の全ての工程（ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５）は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００の製造方法と同様である。
【００６９】
〔超電導磁石装置の励磁方法〕
次に、制御装置４０によって、超電導磁石装置２００を励磁する方法について、説明する。
第２実施形態に係る超電導磁石装置２００の励磁方法は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００の励磁方法におけるステップＳ３０３の工程及びステップＳ３０４の工程が異なる。これらの工程以外の全ての工程（ステップＳ３０１の工程、ステップＳ３０２の工程、ステップＳ３０５の工程）は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００の励磁方法と同様である。
【００７０】
即ち、第２実施形態では、ステップＳ３０３において、制御装置４０は、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する位置の電圧を、電圧端子線８１，８２を介して計測しながら、超電導コイル１０を励磁する。
【００７１】
ステップＳ３０４において、制御装置４０は、温度計測素子５０から受信した超電導コイル１０の計測温度に基づいて、超電導コイル１０の温度（超電導コイル１０の外径側表面の温度）が、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する温度以上であるか否か、或いは、上昇傾向であるか否か、更に、電圧端子線８１と電圧端子線８２との間に、電圧が発生しているか否かを判定する。
制御装置４０は、超電導コイル１０の温度が、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する温度以上である、或いは、超電導コイル１０の温度が、上昇傾向である、ことに加えて、電圧端子線８１と電圧端子線８２との間に、電圧が発生していないと判定する場合、ステップＳ３０５の処理へと進む。
制御装置４０は、超電導コイル１０の温度が、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する温度より小さい、且つ、超電導コイル１０の温度が、上昇傾向でない、ことに加えて、電圧端子線８１と電圧端子線８２との間に、電圧が発生していると判定する場合、ステップＳ３０３の処理へと進む。
【００７２】
上述の励磁方法を適用し、超電導コイル１０の外径側表面に存在する常伝導転移起点の温度を、温度計測素子５０により計測することで、超電導磁石装置２００は、超電導コイル１０の常伝導転移を確実且つ速やかに検知する。これにより、信頼性の高い超電導磁石装置２００を実現することができる。更に、温度計測素子５０の位置ずれが生じた場合などであっても、確実に常伝導転移を検知することが可能な超電導磁石装置２００を実現することができる。
【００７３】
≪第３実施形態≫
〔超電導磁石装置の構成〕
次に、図１０乃至図１１を参照して、第３実施形態に係る超電導磁石装置３００の構成の一例について説明する。図１０は、第３実施形態に係る超電導磁石装置３００の超電導コイル１０の一例を示す断面図である。図１１は、第３実施形態に係る超電導磁石装置３００の超電導コイル１０の一例を示す上面図である。なお、第３実施形態において、第１実施形態と、共通する部分については、重複した説明を省略する。
【００７４】
第３実施形態に係る超電導磁石装置３００が、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００と異なる点は、第３実施形態に係る超電導磁石装置３００は、熱良導体１３が巻芯としての役割を担う点、温度計測素子５０が複数箇所の温度を計測できる点、である。
【００７５】
熱良導体１３は、周方向に一様に配置される。また、熱良導体１３は、巻芯としての役割を担っており、巻芯の内径側Ａ（軸ＣＬに近い側）から巻芯の外径側Ｂ（軸ＣＬから遠い側）へと、超電導コイル１０を冷却する。
この場合、巻芯（熱良導体１３）の外径側Ｂから巻芯（熱良導体１３）の内径側Ａにかけて、熱流束がコイル巻線部１１の内部を通過するため、径方向の温度勾配が大きくなる。即ち、超電導コイル１０における外径側表面の温度は、超電導コイル１０における内径側表面の温度より高くなる。即ち、超電導コイル１０の常伝導転移までの温度裕度は、巻芯（熱良導体１３）の内径側より巻芯（熱良導体１３）の外径側の方で小さくなる。
つまり、超電導コイル１０の常伝導転移が発生する位置を、巻芯１２の内径側Ａではなく、巻芯１２の外径側Ｂへと、容易にずらすことが可能になるため、超電導磁石装置３００において、常伝導転移に伴う発熱をより容易且つ速やかに検知することが可能になる。
【００７６】
温度計測素子５０は、周方向に一様に配置される。温度計測素子５０は、超電導コイル１０の外径側表面において、複数箇所の温度を計測する。温度計測素子５０は、公知の構成を適用することが可能であり、例えば、光ファイバ式温度センサ、などを用いることができる。熱電対や抵抗温度計を複数設置してもよい。
熱良導体１３が周方向に一様に配置されることで、周方向における温度分布は小さくなる。このため、熱良導体１３と同様に周方向に一様に配置される温度計測素子５０によって、超電導コイル１０の外径側表面における複数箇所の温度を計測することで、計測精度を高めることができる。
【００７７】
第３実施形態に係る超電導磁石装置３００によれば、径方向におけるコイル巻線部１１の内部の温度勾配を大きくすることで、超電導コイル１０の外径側表面に、常伝導転移の起点が存在する確率を高めることができる。更に、周方向に一様に配置される温度計測素子５０によって、速やかに常伝導転移の検知が可能になるため、信頼性の高い超電導磁石装置３００を実現できる。また、超電導コイル１０の外径側表面における常伝導転移をより確実に同定することが可能になるため、信頼性の高い超電導磁石装置３００を実現できる。
【００７８】
≪第４実施形態≫
〔超電導磁石装置の構成〕
次に、図１２及び図１３を参照して、第４実施形態に係る超電導磁石装置４００の構成の一例について説明する。図１２は、第４実施形態に係る超電導磁石装置４００の超電導コイル１０の一例を示す断面図である。図１３は、第４実施形態に係る超電導磁石装置４００の超電導コイル１０の一例を示す正面図である。なお、第４実施形態において、第１実施形態と、共通する部分については、重複した説明を省略する。
【００７９】
第４実施形態に係る超電導磁石装置４００が、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００と異なる点は、第４実施形態に係る超電導磁石装置４００は、超電導コイル１０の外径側表面に、第２の熱良導体４３１を備える点、冷凍機３３と第２の熱良導体４３１とを接続する伝熱経路として、第２の伝熱部材４３２を備える点である。
【００８０】
第２の熱良導体４３１は、超電導コイル１０の外径側表面に配置され、ボルト等によって巻芯１２に締結される。励磁中において、超電導コイル１０には、図１２に示すように、電磁力Ｃが発生する。第２の熱良導体４３１は、この電磁力Ｃが発生する方向と反対の方向に、押し付けられるように配置される。これにより、制御装置４０が、電流を定格励磁電流まで徐々に増加させて、超電導コイル１０を励磁する際、コイル巻線部１１と第２の熱良導体４３１との間の圧力を増大させて、接触熱抵抗を低下させることができる。つまり、超電導コイル１０の外径側表面おいて、除熱量を増大させることができる。
【００８１】
また、第２の熱良導体４３１は、構造強化材としての役割を担っており、電磁力Ｃによって超電導線材１１１に生じる引っ張り歪みを抑制させることが可能である。これにより、超電導コイル１０の外径側表面で、常伝導転移が発生したとしても、超電導コイル１０の内部での常伝導転移の伝播を抑制することができる。
【００８２】
また、第２の熱良導体４３１は、図１３に示すように、貫通孔を備えている。貫通孔を介して、温度計測素子５０と超電導コイル１０の内径側表面とが接触することで、超電導磁石装置４００においても、常伝導転移に伴う発熱を確実に検知することが可能になる。
【００８３】
〔超電導磁石装置の製造方法〕
次に、第４実施形態に係る超電導磁石装置４００の製造方法の一例について説明する。
第４実施形態に係る超電導磁石装置４００の製造方法は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００の製造方法において、ステップＳ２０１の工程と、ステップＳ２０２の工程との間に、第２の熱良導体４３１を配置する工程を加える点が異なるのみで、この工程以外の全ての工程（ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５）は、第１実施形態に係る超電導磁石装置１００の製造方法と同様である。
【００８４】
第４実施形態に係る超電導磁石装置４００によれば、超電導コイル１０の外径側表面における常伝導転移を確実に同定することが可能であることに加えて、常伝導転移の伝播を抑制することが可能である。これにより、信頼性の高い超電導磁石装置４００を実現できる。
【００８５】
以上、発明を実施するための形態により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変などしたものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８６】
１０                  超電導コイル
１２                  巻芯
１３                  熱良導体
２０                  励磁回路
３０                  冷却装置
４０                  制御装置
５０                  温度計測素子
６０                  真空容器
７０                  伝熱部材
８１，８２            電圧端子線
１００                超電導磁石装置
１１１                超電導線材
１１２                スペーサ
１３１ａ，１３１ｂ    不連続箇所
２００                超電導磁石装置
３００                超電導磁石装置
４００                超電導磁石装置
４３１                第２の熱良導体
Ａ                    内径側
Ｂ                    外径側
【図１】
2019212748.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】
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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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【図１３】
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