(57)【要約】      （修正有）【課題】大型の超電導磁石装置において、遮蔽電流磁場を低減するとともに、発生磁場の再現性を改善することのできる超電導磁石装置を提供する。【解決手段】内部に超電導線材とは異なる熱良導体１９、１６が配置された超電導コイル１０１と、超電導コイル１０１に接続される励磁回路１５と、熱良導体１９、１６と伝熱経路を形成する伝熱部材と、伝熱部材に接続された冷却装置１０３と、伝熱部材に接続された加熱装置１０２と、励磁回路１５、冷却装置１０３および加熱装置１０２を制御する制御装置２５と、を少なくとも備える。制御装置２５は、励磁回路１５から超電導コイル１０１に対する供給電流を下げ始めた後に加熱装置１０２を駆動する。【選択図】図１
2019145543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導磁石装置であって、
内部に超電導線材とは異なる熱良導体が配置された超電導コイルと、
前記超電導コイルに接続される励磁回路と、
前記熱良導体と伝熱経路を形成する伝熱部材と、
前記伝熱部材に接続された冷却装置と、
前記伝熱部材に接続された加熱装置と、
前記励磁回路、前記冷却装置および前記加熱装置を制御する制御装置と、
を少なくとも備え
前記制御装置は、前記励磁回路から前記超電導コイルに対する供給電流を下げ始めた後に前記加熱装置を駆動する
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記超電導コイルは超電導線材が少なくとも２層以上に巻き回されて形成され、
前記熱良導体は前記超電導線材からなる層の間に設けられる
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された超電導磁石装置であって、
前記熱良導体が超電導コイルの周方向において不連続部が形成されている
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された超電導磁石装置であって、
前記熱良導体の前記不連続部に絶縁体を配置した
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された超電導磁石装置であって、
前記熱良導体がメッシュ形状を有する
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された超電導磁石装置であって、
前記超電導コイルの巻芯の軸長が前記超電導コイルの巻線部の軸長よりも短い
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載された超電導磁石装置であって、
前記熱良導体が前記超電導コイルを形成する超電導線材を覆っている
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載された超電導磁石装置であって、
前記超電導コイルの巻線部の温度または発生磁場との少なくとも一方を計測するセンサを有し、
前記制御装置は前記センサの計測に基づき遮蔽電流磁場をモニタリングする
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の超電導磁石装置であって、
前記熱良導体は内部に冷媒流路を有する
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導電磁石装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
銅酸化物をはじめとした高温超電導体がキロメートル級の長さの線材として製作可能となっておきており、超電導磁石の構成材料として使われるようになりつつある。高温超電導線材の多くはその製作上の理由から幅広で薄い、テープ形状を有している。高温超電導線材を同心円状にコイルとして巻いたコイルでは、通電時に発生するテープ面垂直方向の磁束により、本来発生させたい磁場と逆向きの磁場（遮蔽電流磁場）が発生することが多くの先行研究により知られている。その遮蔽電流磁場は、磁束クリープとよばれる現象により、時間の対数に比例して減衰することもまた知られている（非特許文献１）。そのため、時間的に安定な磁場が必要となる超電導磁石装置では安定磁場を得るためにいくつかの解決方法が採られている。
【０００３】
例えば、特開２０１７−３３９７７号公報（特許文献１）には、「超電導コイルを励磁する工程において、超電導コイルを第一の目標温度に加熱し、励磁後、運転電流を保持する工程で超電導コイルの温度を第一の目標温度よりも低い第二の目標温度に冷却する工程を含む、超電導磁石装置の運転方法」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−３３９７７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】宮副  照久、青木  学、安藤  竜弥著、「伝導冷却型ビスマス系超電導コイルを用いた励磁中温度変化計算手法の評価」電気学会  金属・セラミックス／超電導機器合同研究会資料、ＭＣ−１７−０１０，ＡＳＣ−１７−０２７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１にあるように、励磁後、通電電流を遮断した後も、遮蔽電流磁場は超電導コイルに残存する。残存磁場は特許文献１記載の様に時間とともに減衰する。この残存磁場の大きさによって、次に励磁したときの磁場履歴が変化し、磁場の再現性が得られないという課題がある。
【０００７】
そこで本発明の目的は磁場の再現性が高い超電導磁石装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「超電導磁石装置であって、内部に超電導線材とは異なる熱良導体が配置された超電導コイルと、前記超電導コイルに接続される励磁回路と、前記熱良導体と伝熱経路を形成する伝熱部材と、前記伝熱部材に接続された冷却装置と、前記伝熱部材に接続された加熱装置と、前記励磁回路、前記冷却装置および前記加熱装置を制御する制御装置と、を少なくとも備え、前記制御装置は、前記励磁回路から前記超電導コイルに対する供給電流を下げ始めた後に前記加熱機構を駆動すること」を特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、磁場の再現性が高い超電導磁石装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第一の実施例における超電導磁石装置を概念的に示した図
【図２】本発明の第一の実施例における超電導コイルの断面構成の一例を示した図
【図３】本発明の第一の実施例における超電導コイル巻線部の構成を上から見た一例を示す図
【図４】本発明の第一の実施例において超電導磁石を、冷却して励消磁後、再励磁する          フローを示した図
【図５】本発明の第二の実施例における超電導コイルの断面構成の一例を示した図
【図６】本発明の第三の実施例における超電導コイルの断面構成の一例を示した図
【図７】本発明の第四の実施例における超電導磁石装置の構成を示した図
【図８】本発明の第四の実施例における超電導コイルの断面構成の一例を示した図
【図９】本発明の第四の実施例において超電導磁石を、冷却してから励消磁し、再励磁するまでのフローを示した図
【図１０】本発明の超電導磁石装置を動作させるための統合制御装置の一例を示した図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施例を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本実施例の超電導磁石装置１００の構成を示す断面図の例である。以下、本実施例の超電導磁石装置１００の主な構成を説明する。
【００１３】
超電導磁石装置１００は超電導コイル１０１を収納する真空容器２７、励磁回路１５、加熱装置１０２、冷却装置１０３、それらの装置と接続される信号線２４、２３、２２と統合制御装置２５を少なくとも構成として有する。
【００１４】
次に、上記に述べた各構成の役割と詳細な構成例を示す。
【００１５】
真空容器２７は容器外と超電導コイル１０１とを断熱する役割を担っている。図示していないが、真空容器２７は、真空ポンプで真空にするためのバルブを有しており、容器内を高真空（０．１Ｐａ以下）の気圧にして用いられる。真空容器２７はステンレスやアルミ合金などの金属、または強化繊維プラスチック（ＦＲＰ）などから成り、クライオスタットと呼ばれる公知の極低温用真空容器を用いることができる。このような真空容器２７の内部に、真空容器２７の内壁に対して固定された荷重支持体２６が設けられ、この荷重支持体２６によってボビン１２が支持される。超電導コイル１０１はボビン１２に巻き回されて設置されており、ボビン１２を介して真空容器２７の内部に固定される。また図示していないが、真空容器外からの輻射熱による超電導コイル１０１への熱侵入を低減するために、輻射シールドを用いた構成としてもよい。
【００１６】
励磁回路１５は、超電導磁石装置１００を励磁する役割を担っている。励磁回路１５には、励磁用の電源や超電導コイル１０１と並列な保護抵抗やダイオードなど、公知の超電導磁石装置用励磁回路を用いることができる。また、図１において励磁回路１５は真空容器２７の外側に記載されているが、励磁回路１５の一部が真空容器２７の内部に配置されていてもよい。この励磁回路１５は励磁用配線を介して真空容器２７の内部に収容された超電導コイル１０１と通電可能に構成される。図１にその態様の一つとして、励磁ケーブル接続部１３、および励磁ケーブル１４を介して超電導コイル１０１に接続された場合を示す。
【００１７】
励磁ケーブル接続部１３は、真空容器２７の外からの熱侵入を抑制するために、高温超電導体で形成されたパワーリード（高温超電導パワーリード）を用いることができる。高温超電導パワーリードは、希土類系銅酸化物のバルク体やテープ形状線材からなる公知のものを用いるとよい。
【００１８】
冷却装置１０３は少なくとも冷凍機２０とその駆動装置２１を構成に有する。このうち冷凍機２０は、超電導コイル１０１を冷却するための冷却機構を有し、第一の熱良導体１９および第二の熱良導体１６とから形成される伝熱経路（伝熱部材）を介して超電導コイル１０１と接続される。熱良導体１９は冷凍機２０と熱良導体１６に締結もしくは接着されており、熱良導体１６は熱良導体１９を介して冷却される。なお、図１に示す熱良導体１９と熱良導体１６との接続態様は一例であり、熱良導体１６の複数個所に熱良導体１９が接続されてよい。また熱良導体１６や熱良導体１９はそれぞれ単一の部材であってもよいし、複数の熱良導体から形成される部材を組み合わせて構成したものであってもよく、この伝熱経路は必要に応じて任意の態様をとってよい。また熱良導体１９の剛性は要求仕様に応じて任意であり、超電導コイル１０１を冷却した際に熱収縮によって生じる熱応力を抑制するためにある程度の曲率で曲げられたフレキシブル導体などを用いることもできる。
【００１９】
冷凍機２０は公知の冷凍機、例えばギンツブルグ−マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）やスターリング冷凍機、パルス管冷凍機などを含んだ構成であり、冷凍機駆動配線を介して駆動装置２１によって駆動される。
【００２０】
冷凍機２０の駆動装置２１には公知の冷凍機に付随した圧縮機や電源、制御装置などが含まれ、冷凍機駆動配線にはガス冷媒線や信号線が含まれる。冷凍機２０の駆動装置２１は信号線２２を介して統合制御装置２５によって駆動される。また冷却装置１０３が有する冷凍機２０や駆動装置２１は複数個が設けられたものであってもよく、求める冷却性能に応じて適宜設置台数等を調整可能である。
【００２１】
加熱装置１０２については、少なくともヒータ１７とヒータ用電源１８とを有し、超電導コイル１０１を加熱し、超電導コイル１０１の温度を上昇させる役割を担っている。ヒータ用電源１８はシリーズ型やスイッチング型の公知の直流電源を用いることができる。ヒータ用電源１８から出力された電流は配線を介して、真空容器２７の内部に設置されたヒータ１７（電熱部）に供給される。
【００２２】
ヒータ１７は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であり、熱良導体１６に接着もしくは圧着されており、超電導コイル１０１を加熱できる構成となっている。なお図に示すヒータ１７の設置は一例であって、熱良導体１６に対して複数のヒータ１７が設けられてよく、あるいはさらに超電導コイル１０１に対する伝熱経路上のいずれかの箇所に設けられるものでもよい。固定方法も、接着や締結に限らず熱良導体１６に巻きつけるように設けてもよい。また、ヒータ用電源１８とヒータ１７の間には熱侵入を抑制するために、高温超電導パワーリードを設置してもよい。
【００２３】
ヒータ用電源１８の出力は超電導コイル１０１の温度をフィードバックして、信号線２３を介して制御される。例えば、超電導コイル１０１の表面に温度センサ７を取り付け、この温度センサ７で測定される温度が統合制御装置２５に読みこまれ、ＰＩＤ制御などでヒータ用電源１８の出力電流が制御される。温度センサ７はクロメル・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、公知の温度センサを用いることができる。また加熱装置１０２が有するヒータ１７やヒータ用電源１８は複数個が設けられたものであってもよく、求める加熱性能に応じて適宜設置台数等を調整可能である。
【００２４】
続いて超電導コイル１０１の断面構造について詳述する。図２は、超電導コイル１０１の超電導コイル巻線部１１に関する断面例を示す。超電導コイル巻線部１１は、ボビン１２に対して超電導線材１が同心円状に巻きつけられた多層構成となっている。超電導線材１には、銅酸化物からなる高温超電導線材、二ホウ化マグネシウム線材といった公知の超電導線材を用いることができ、ポリイミドやエナメルなどの公知の絶縁被覆がなされていてもよい。このような線材を用いて形成された巻線部において、径方向を巻線の層方向、軸方向を列方向とすると、本実施例では列方向に超電導線材１が隣接しており、層方向においては隣り合う超電導線材１の間（層間）に熱良導体２もしくは絶縁体３が配置された構成となっている。
【００２５】
この熱良導体２（第三の熱良導体）は熱良導体１６と接着もしくは締結されており、超電導コイル巻線部１１の内部の温度を一様にする役割を担っている。また図２に示すように、超電導コイル１０１の一部を構成する部材であって、例えば後述する図８のように超電導線材１のシース状の部材として形成されている、あるいは超電導線材１からなる層同士の間に配置される層間構造物として配置されてもよい。なお、熱良導体１６とボビン１２との間には冷却時の熱収縮により熱良導体１６が径方向に勾配がつくのを抑制するために、間隙（ｄ）を形成しておくことが望ましい。この間隙は、ボビン１２の軸方向の熱収縮量が巻線部の熱収縮量を超えるように設計されるものであり、その範囲で充填物があってもよい。
【００２６】
図３は本実施例の超電導コイル巻線部１１を上から見た例を示す。熱良導体２は周方向に４箇所の不連続部を形成し、この不連続部を充てんするように絶縁体３は配置され、スペーサの役割を担っている。このように絶縁体３および熱良導体２が交互にコイル巻線方向に配置されることによって、熱良導体２および絶縁体３から形成された一つの層が形成される。
【００２７】
熱良導体２は極低温において、熱伝導率の高い純アルミや無酸素銅などの金属を用いることができる。超電導コイル１０１を励磁する過程において、熱良導体２は変動磁界にさらされるため、電磁誘導により渦電流発熱が発生するが、図３に示すような不連続な領域を有することによって、その発熱量を数分の１から数十分の１に抑制することができる。図中では周方向は４つに分割されているが、一周の中で不連続部があればいくつあってもよい。
【００２８】
また、超電導線材にはひずみに対する耐性が０．２％から０．５％と小さいものも存在するが、熱良導体２を上記のように分割したとしても、スペーサとして絶縁体３を設けることで超電導線材に生じるひずみを抑制できる。なお、ひずみ抑制の目的から、絶縁体３は熱良導体２と同程度の熱収縮量となる材料が望ましい。例えば、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）などから成る。また、線材の熱収縮ひずみに余裕があればエポキシ樹脂などの有機材料やアルミナ、窒化ホウ素などのセラミクスも用いることができる。
【００２９】
さらに、超電導線材１の層間に配置する熱良導体２や絶縁体３は、超電導コイル１０１の巻線部の温度制御や渦電流の低減の他に、コイル巻線部の遮蔽電流磁場そのものを減らす作用がある。１ターンの超電導線材１が発生する遮蔽電流磁場を一つの磁気モーメントとすると、その磁気モーメントが周囲に及ぼす磁場は距離の３乗に反比例して減衰し、遮蔽電流磁場の相互作用は低下する。そのため、超電導線材１の層間にスペーサとして、熱良導体２や絶縁体３があることで遮蔽電流磁場を減らす効果がある。
【００３０】
また、熱良導体２として、金属を用いると、超電導コイル１０１の励磁中に超電導線材１の層間に配置された熱良導体２が周方向に一様に渦電流で発熱し、励磁中、温度が増加する。定格電流到達時に熱良導体２内の渦電流が減衰し、渦電流発熱がゼロとなることから冷凍機による除熱が行われ、特許文献１と同様の励磁方法が実現でき、定格電流到達時の磁場の時間的安定性を向上させる効果を持つ。
【００３１】
熱良導体１６は純アルミや無酸素銅などの金属やアルミナや窒化アルミなどのセラミクスであり、コイル巻線部の熱収縮時にはがれにくい熱収縮量の近い材料が用いられる。なお、熱良導体１６は熱良導体２と同様に、超電導コイル１０１を励磁時に生じる渦電流発熱を抑制する観点から周方向に分割された構造となっている。
【００３２】
ボビン１２は極低温において電気伝導率が小さい材料からなる。例えば、ステンレスやアルミ合金などの金属、または強化繊維プラスチック（ＦＲＰ）などである。
【００３３】
超電導コイル１０１の最外層表面には磁場計測センサ１０が配置される。磁場計測センサ１０は超電導コイル１０１が励磁された際に発生する磁場を測定し、その値を統合制御装置２５に送る役割を担っている。統合制御装置２５は、励磁回路１５から供給される電源電流による発生磁場を演算し、測定磁場から演算によって求めた磁場を差し引いた結果を遮蔽電流磁場の値として保存・集約する。なお磁場計測センサ１０や温度センサ７は、信号計測部と通信線およびマイコン等から構成され、計測信号を統合制御装置２５に対して出力する。
【００３４】
統合制御装置２５は、図１０に示すように、少なくとも、プロセッサ２５ａ、記憶装置２５ｂ、入力装置２５ｃ、表示装置２５ｄ（出力装置）を備える。また励磁回路１５、ヒータ用電源１８および冷凍機２０の駆動装置２１との通信部２５ｅを有する。入力装置２５ｃは操作者からの操作指示を受け取るための機器であり、キーボードや制御ボタン等である。表示装置２５ｄは操作者に対して超電導磁石装置１００を動作させるために必要な情報、例えば温度センサ７によって計測された温度情報、磁場計測センサ１０によって計測された磁場の情報、励磁回路１５、加熱装置１０２、冷却装置１０３の運転に関する情報、を提示する装置である。通信部２５ｅは温度センサ７や磁場計測センサ１０の計測結果の受信や、加熱装置１０２や冷却装置１０３、励磁回路１５との通信を担う。
【００３５】
また統合制御装置２５の記憶装置２５ｂは、計測装置や各制御対象機器から受信した信号を記憶する他に超電導磁石装置１００を励磁するために用いられる制御情報が記憶される。この制御情報には、図４や図９に開示する各ステップを実行するための情報が含まれる。例えば、温度センサ７による計測温度と目標温度との差分から、加熱装置１０２や冷却装置１０３に対する出力指令との関係式や、フィードバック制御時に適用するゲインの情報などが含まれる。プロセッサ２５ａは、記憶装置２５ｂに記憶された上記のような情報を読み出し、表示装置２５ｄに表示させる、あるいは制御対象機器に対する動作指令の作成、出力等を実行する。
【００３６】
次に、本実施例において、遮蔽電流磁場を低減することが可能な構成を持つ超電導磁石装置１００に対して、統合制御装置２５を用いて、発生磁場の再現性を改善することのできる励磁方法を説明する。
【００３７】
超電導磁石装置１００を室温から冷却し、一度励磁した後、際励磁するまでのフローを図４に示す。
【００３８】
まず超電導コイル１０１を冷却し超伝導状態とするために、統合制御装置２５から信号線２２を介して冷却装置１０３の駆動装置２１に対し運転開始の制御信号が伝達される。運転開始の指令を受けた駆動装置２１は運転を開始し、冷凍機２０に接続された熱良導体１９、超電導コイル１０１に対して固定された熱良導体１６、熱良導体１６と接するように設けられた熱良導体２を介して、真空容器２７の内部に配置された超電導コイル１０１を冷却する（Ｓ１０１）。なお冷却装置１０３は、この時点から運転停止の指示が出力されるまで、出力状態を維持し温度制御は加熱装置１０２を主に実行されるものとしてもよいし、冷却装置１０３の制御もＰＩＤ制御によって温度制御へ関与するものとしてもよい。
【００３９】
統合制御装置２５から冷却装置１０３に対する運転開始の指令が出力されると、統合制御装置２５は温度センサ７に対して計測の開始指令を出力する。温度センサ７は超電導コイル１０１の温度をモニタリングし、その結果を統合制御装置２５に対して周期的に出力する。超電導コイル１０１の温度（Ｔｉ）を取得した統合制御装置２５は、この温度Ｔｉと記憶装置２５ｂに記憶された励磁開始温度Ｔ１とを比較する。なお、より正確な温度を得るために、統合制御装置２５は必要に応じて温度センサ７の出力を補正してもよい。
【００４０】
Ｔ１とＴｉとを比較した後、統合制御装置２５はその結果に基づき、加熱装置１０２に対する運転指示を更新する。この際の指令は信号線２３を介して出力され、運転の開始・停止の他に出力の上昇・低下の指示が含まれ、この指令に基づき温度調節が行われる（Ｓ１０２）。ヒータ１７の出力制御には公知のＰＩＤ制御などが用いられ、ヒータ用電源１８の出力を制御することでヒータ１７の発熱量が制御される。
【００４１】
超電導コイル１０１が所定の運転温度Ｔ１に到達した後、統合制御装置２５は信号線２４を介して励磁回路１５に対して駆動開始の指示を出力する。励磁回路１５は、超電導コイル１０１に対して通電を開始し、ゼロＡから定格電流に達するまで徐々に通電量を増大する。通電量が定格電流に到達した後、統合制御装置２５は磁場計測センサ１０の測定磁場に基づく遮蔽電流磁場（Ｂｓ）を取得する。この測定後に励磁回路１５に対して通電量を低下する指示を出力する。この際、通電量の低下指示の前に一定時間通電量を保持する指示が出されてもよい。通電量の低下指示を受けた励磁回路１５は、超電導コイル１０１に対する通電電流を徐々に下げて０Ａにする（Ｓ１０３）。
【００４２】
励磁回路１５から超電導コイル１０１に対する通電が０Ａとなった後、統合制御装置２５は加熱装置１０２に対して出力を上げるよう指示を出す。指示を受け取った加熱装置１０２はヒータ用電源１８の出力を上げ、ヒータ１７の発熱量を増大させて、超電導コイル１０１の温度がＴ２（Ｔ２＞Ｔ１）となるよう加温する（Ｓ１０４）。この加温の制御は、Ｓ１０１の冷却時と同様に、温度センサ７の計測結果と目標温度であるＴ２との比較に基づくＰＩＤ制御などのフィードバック制御によって実行される。
【００４３】
また統合制御装置２５は、励磁回路１５の通電停止後のＴ１からＴ２への温度移行期間にわたって磁場変化を磁場計測センサ１０で計測し続ける。当該期間における磁場は、励磁回路１５による通電が停止されているため、基本的に遮蔽電流による遮蔽電流磁場となる。なお、Ｓ１０４はＳ１０３の後ではなく、消磁途中、すなわちＳ１０３における電源供給電流を下げている間にＳ１０４が開始されてもよい。
【００４４】
ここでＴ２の決定方針について説明する。Ｔ２を決定するにあたって、統合制御装置２５は、磁場計測センサ１０による磁場の計測値より遮蔽電流磁場ＢＳを求める。さらに遮蔽電流磁場Ｂｓ、真空の透磁率μ０、超電導線材１の線幅ｗから遮蔽電流密度Ｊｓを求めると、Ｊｓ＝（２ＢＳ／（μ０ｗ））が得られる。そして、超電導線材１の超電導臨界電流密度ＪＣに着目し、Ｊｃ＜Ｊｓ＝（２ＢＳ／（μ０ｗ））となるような温度をＴ２とする。Ｔ２の温度環境下では、遮蔽電流密度が臨界電流密度を越えてしまうため、必然的に超電導線材１は常伝導に転移する。
【００４５】
このように励磁回路１５の通電停止後の加熱制御により、超電導コイル１０１の温度をＴ１からＴ２へ移行させる、すなわち遮蔽電流磁場ＢＳを目標磁場以下に減衰させたところで、統合制御装置２５は加熱装置１０２に対して出力を低下するよう指令を出し、超電導コイル１０１の温度を再びＴ１に低下させる。（Ｓ１０５）。
【００４６】
Ｔ２の設定値によって本実施例の効果は定量的に異なるが、例えばＴ２を超電導コイル１０１の臨界温度以上に設定すると、残存する遮蔽電流磁場Ｂｓは０テスラになり、励磁回路１５を用いて超電導コイル１０１を温度Ｔ１の条件下で再励磁した際、原則的にＳ１０２の際と同じ磁場が発生する（Ｓ１０６）。
【００４７】
また本実施例とは異なり、層間が密に詰まっている場合、超電導コイルの内部における温度が一様となりづらいため、非特許文献１にあるように最大発生磁場が約０．７テスラに対して、０．１テスラ程度の遮蔽電流磁場による発生磁場のずれが生じる。しかし本実施例のように、層間に熱良導体２や絶縁体３を配置することによって、本実施例ではそのずれを最大で約０テスラにまで抑制することが可能である。
【実施例２】
【００４８】
本実施例では、コイル巻線部内部の温度をより均一にすることが可能であり、製作時の巻線作業がより容易にできる超電導磁石装置の例を説明する。
【００４９】
図５は、実施例２における超電導コイル２０１を示す構成図の例である。図５の超電導コイル２０１のうち、既に説明した図１および図２に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明および図の一部を省略する。
【００５０】
本実施例の超電導磁石装置では、超電導コイル線材周囲の構成が実施例１の超電導磁石装置１００の構成と異なり、熱良導体２に代わり、超電導線材１を覆うように形成された熱良導体３１を第三の熱良導体として利用する。
【００５１】
熱良導体３１で覆われた超電導線材１がボビン１２に、同軸上かつ層方向に巻線される。図５はシングルパンケーキ巻で巻線したときの断面構成例を示す。また、シングルパンケーキの間、すなわち超電導線材１の列間には熱良導体１６に代わり熱良導体３２が第二の熱良導体として配置されており、その熱良導体３２は熱良導体３３によってヒータ３４と接続されている。図示していないが、熱良導体３２は熱良導体を介して真空容器２７に取り付けられた冷凍機２０と接続されている。この冷凍機２０と熱良導体３２の間の熱良導体は熱良導体３３を用いてもよいし、別の熱良導体を設けてもよい。
【００５２】
熱良導体３１は例えば、無酸素銅の金属メッシュやアルミナ繊維やガラス繊維をはじめとするクロス形状の部材である。また熱良導体３１は超電導線材１の巻線前にプリプレグテープやポリイミドテープなどを用いて、超電導線材１に巻きつけられシースのように形成されていてもよい。
【００５３】
熱良導体３２と熱良導体３１の間は巻線後に樹脂含浸して接着してもよい。また、図示していないが、熱良導体３２どうしを軸方向に加圧する構造を設け、接触熱抵抗を減少させることもできる。
【００５４】
超電導線材１が熱良導体３１によって周囲を覆われており、層間および列間に熱良導体３１が配置されることで巻線部内の温度をより均一にすることができる。また、熱良導体３１は巻線作業前に事前に超電導線材１に巻きつけておくことができるため、巻線時の作業が容易となる。
【実施例３】
【００５５】
本実施例では、コイル巻線部内部の熱ひずみをより低下させることが可能であり、信頼性の高い超電導磁石装置の例を説明する。
【００５６】
図６は、実施例３における超電導コイル３０１の断面を示す構成図の例である。図６の超電導コイル３０１のうち、既に説明した図１および図２に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明および図の一部を省略する。
【００５７】
本実施例の超電導磁石装置では、超電導コイル線材周囲の構成が実施例１の超電導磁石装置１００の構成と異なる。
【００５８】
この超電導コイル３０１では、超電導線材１の外周側に、熱良導体２に代わり熱良導体５が第三の熱良導体として配置されている。熱良導体５は周方向に連続した構成となっており、軸方向上側で熱良導体１６と接触した構成となっている。熱良導体５と、熱良導体１６の間は樹脂等で接着された構成となっていてもよいし、軸方向に加圧できる構成となっていてもよい。
【００５９】
熱良導体５にはアルミナやガラス、窒化ホウ素などの絶縁体を用いることができる。また、これらを繊維形状にして樹脂で固めた構成を採用してもよい。
【００６０】
実施例１の場合と比べて、巻線部内を超電導線材１と、熱良導体５だけで構成することができるので、局所的な熱ひずみが生じにくく、超電導線材１への局所的な高応力の発生を抑制することができる。
【実施例４】
【００６１】
本実施例では、冷媒を循環することでコイル巻線部を冷却し、冷却速度が向上する超電導磁石装置４００の例を説明する。
【００６２】
図７は、実施例４における超電導磁石装置４００を示す構成図の例である。図７の超電導磁石装置４００のうち、既に説明した図１および図２に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明および図の一部を省略する。
【００６３】
本実施例の超電導磁石装置４００では、超電導コイル４０１を冷却する熱良導体を冷媒で冷却させる方法と、それを実現する構成が実施例１の超電導磁石装置１００の構成と異なる。図８にその詳細を示す。
【００６４】
超電導コイル４０１は、巻線部内の超電導線材１の層間に熱良導体２に代わり熱良導体４８が配置される。第三の熱良導体として配置されるこの熱良導体４８は、中空筒状の部材であり、中空部を冷媒流路４９として利用可能な構成となっている。このような利用にあたり、熱良導体４８には無酸素銅からなるホローコンダクタなどの金属を利用するとよい。
【００６５】
また冷媒流路４９は、冷媒循環装置４５、４６、冷媒流路４２、４６、バルブ４３、４７と接続され、冷媒の循環機構を構成している。
【００６６】
冷媒流路４２は真空容器外からガイド４１に沿って挿入できる構成となっており、ガイド４１は熱良導体４８と締結された構成となっている。冷媒として、例えば液体窒素や液体ネオン、液体水素、液体ヘリウムなどの公知の極低温用冷媒を用いることができる。
次に、超電導磁石装置４００の熱良導体４８に冷媒を循環させて冷却し、励磁するまでのフローを図９に示す。
【００６７】
バルブ４３、４７を開放した後、統合制御装置２５を用いて冷媒循環装置４４、４５を駆動して超電導コイル４０１を冷却する（Ｓ４０１）。
【００６８】
温度センサ７をモニタリングし続け、超電導コイル４０１の励磁開始温度Ｔ１となるよう、ヒータ１７と冷媒循環装置４４、４５を駆動し、統合制御装置２５でヒータ１７の熱量と冷媒循環量を調整して温度調節を行う（Ｓ４０２）。
【００６９】
所定の運転温度Ｔ１に到達後、励磁回路１５を駆動して、定格電流まで通電し、定格電流到達後、一定時間保持ももしくは減磁を行い、電源からの通電電流を０Ａにする（Ｓ４０３）。
【００７０】
その後、ヒータ１７の加熱と冷媒循環量を調節し、超電導コイルの温度がＴ２（Ｔ２＞Ｔ１）となるよう、加温する（Ｓ４０４）。このときの磁場変化を磁場計測センサ１０で計測し続ける。
【００７１】
次に、Ｔ２の決定方針について説明する。統合制御装置２５を使って、磁場の計測値より遮蔽電流磁場ＢＳを求める。超電導線材１の超電導臨界電流密度ＪＣが２ＢＳ／（μ０ｗ）よりも小さくなる温度をＴ２とする。ここで、μ０は真空の透磁率、ｗは超電導線材１の幅である。
【００７２】
消磁後の温度がＴ２となり、遮蔽電流磁場ＢＳを目標磁場以下に減衰させたところで、コイル温度をＴ１に低下させるために、ヒータ発熱量を減らし、冷媒循環量を増加させるよう統合制御装置２５から信号を送る（Ｓ４０５）。
【００７３】
超電導コイル４０１の温度がＴ１に到達した後、電源から再励磁を開始する（Ｓ４０６）。
【００７４】
冷凍機２０は冷媒循環冷却の補助的な役割を果たす。例えば、超電導コイル４０１を通電しない状態で一定時間保持するときなどに駆動することで、冷媒循環量を低減することができる。
【００７５】
冷媒循環冷却を使った方が、冷凍機からの伝導で冷却することよりも冷却速度が大きくなるのは公知の技術であり、本実施例では冷却が速く、再励磁までの時間を短くできる超電導磁石装置４００を提供することができる。
【００７６】
以上、本発明について複数の実施形態を挙げて説明した。なお本発明はこれらの実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を越えない限りにおいて、適宜構成の変更や部材の追加・削減、材料の変更、追加が認められるものである。またそれぞれの実施形態を適宜組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１  超電導線材
２、５、１６、１９、３１、３２、３３、４８  熱良導体
３  絶縁体
７  温度センサ
１０  磁場計測センサ
１１  超電導コイル巻線部
１２  ボビン
１３  励磁ケーブル接続部
１４  励磁ケーブル
１５  励磁回路
１７、３４  ヒータ
１８  ヒータ用電源
２０  冷凍機
２１  駆動装置
２２、２３、２４  信号線
２５  統合制御装置
２５ａ  プロセッサ
２５ｂ  記憶装置
２５ｃ  入力装置
２５ｄ  表示装置
２５ｅ  通信部
２６  荷重支持体
２７  真空容器
４１  ガイド
４２、４６、４９  冷媒流路
４３、４７  バルブ
４４、４５  冷媒循環装置
１００、４００  超電導磁石装置
１０１、２０１、３０１、４０１  超電導コイル
１０２  加熱装置
１０３  冷却装置
【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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