(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイアもしくはＹＳＺを母材とする絶縁物基板の表面に形成されたＹＢＣＯの超電導膜と、前記絶縁物基板の裏面側に積層された冷却板及びスイッチ切替用の加熱手段とで永久電流スイッチ単位体を構成し、
前記永久電流スイッチ単位体を１枚もしくは複数枚積層して並列化し、前記１枚もしくは複数枚の永久電流スイッチ単位体それぞれの超電導膜側を離形処理し、前記永久電流スイッチ単位体の１枚もしくは複数枚積層して並列化したものをエポキシ樹脂もしくはフィラー入りエポキシ樹脂で固めて一体化して永久電流スイッチを構成し、
前記永久電流スイッチと高温超電導コイルとを真空容器に収容し、前記永久電流スイッチと高温超電導コイルとを超電導線にて電気的に接続し、前記真空容器に、前記高温超電導コイルを冷却する冷凍機を設置し、前記１枚もしくは複数枚の永久電流スイッチ単位体それぞれの冷却板と前記冷凍機とを熱的に接続させる熱スイッチ伝熱板であって、アルミ、銅、銀、又はそれらの少なくとも１つを含む合金を素材とし、かつ、断面積÷長さの値を０．００５ｍｍ以上、かつ体積を１０ｃｍ3 以下にした熱スイッチ伝熱板を前記真空容器内に配設してその一部を前記冷凍機に接続して超電導マグネットを構成し、
前記超電導マグネットにおける前記永久電流スイッチ単位体の並列数、前記永久電流スイッチと高温超電導コイルとを電気的に接続する前記超電導線の本数又はその両者を、巻線された高温超電導テープ線材の並列本数と同数、その整数倍もしくは整数分の１にしたことを特徴とする超電導マグネット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導機器に使用される高温超電導永久電流スイッチを利用した超電導マグネットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導線は電気抵抗が無いため、閉回路を形成し、永久電流により磁場を発生することが可能である。永久電流運転を行なうには、永久電流スイッチを用いる方法が一般的に用いられる。永久電流スイッチは超電導線と、超電導線の超電導状態と常電導状態を切り替えるための手段から構成される。永久電流スイッチは、超電導コイルが閉回路になるように接続される。永久電流スイッチがオフ状態すなわち超電導線が常電導状態なると電気抵抗が発生し、永久電流スイッチと並列に接続された励磁電源により超電導コイルを励磁する。励磁中には、永久電流スイッチの両端に電圧が発生するが、常電導状態の超電導線には有限の抵抗があるために分流し、永久電流スイッチは発熱することになる。永久電流スイッチは、常電導状態での電気抵抗すなわちオフ抵抗が大きいほど発熱が少なくなり、励磁速度を速くすることができる。そこで、永久電流スイッチの電気抵抗を大きくするために、絶縁物基板上に超電導膜を形成し、さらに高温超電導膜の安定性を保持するために、超電導膜側に絶縁物を介して冷却板を配設した構造が考案されている。
【０００３】
図１１は、従来の永久電流スイッチ１である。高温超電導膜２側に絶縁物７を介在させて冷却板４を配設してある。この構造では、高温超電導膜２を効率良く冷却することが可能であるが、高温超電導膜２に直接絶縁物７と冷却板４を接着させるため、高温超電導膜２にダメージを与える可能性がある。
【０００４】
また、冷凍機による伝導で超電導コイル、永久電流スイッチを冷却する場合、永久電流スイッチのオン／オフの時聞は、冷凍機および永久電流スイッチの間に熱スイッチを設置することで大きく改善するが、従来の熱スイッチは制御が複雑で、設置に関しても空間的、重量的に難しい場合が多い。
【０００５】
また、永久電流回路を形成するために、永久電流スイッチと超電導コイルは、高温超電導線等で接続するが、この接続部の抵抗は、永久電流減衰の原因となるので、できるだけ接続抵抗を減らす構成が必要となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、高温超電導膜の安定性を保持するために、超電導膜側に冷却板を配設していたため、冷却時の熱収縮率差により超電導膜が劣化する場合があった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、超電導膜にダメージを与えず、安定性が高く、熱容量の小さな高温超電導永久電流スイッチを提供し、永久電流運転が容易な高温超電導マグネットを提供することである。
【０００８】
また、伝導冷却超電導マグネットにおいて、制御が簡単で小さく、軽量な熱スイッチを提供することである。また、永久電流スイッチに偏流が起こりにくい高温超電導マグネットを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、サファイアもしくはＹＳＺを母材とする絶縁物基板の表面に形成されたＹＢＣＯの超電導膜と、前記絶縁物基板の裏面側に積層された冷却板及びスイッチ切替用の加熱手段とで永久電流スイッチ単位体を構成し、前記永久電流スイッチ単位体を１枚もしくは複数枚積層して並列化し、前記１枚もしくは複数枚の永久電流スイッチ単位体それぞれの超電導膜側を離形処理し、前記永久電流スイッチ単位体の１枚もしくは複数枚積層して並列化したものをエポキシ樹脂もしくはフィラー入りエポキシ樹脂で固めて一体化して永久電流スイッチを構成し、前記永久電流スイッチと高温超電導コイルとを真空容器に収容し、前記永久電流スイッチと高温超電導コイルとを超電導線にて電気的に接続し、前記真空容器に、前記高温超電導コイルを冷却する冷凍機を設置し、前記１枚もしくは複数枚の永久電流スイッチ単位体それぞれの冷却板と前記冷凍機とを熱的に接続させる熱スイッチ伝熱板であって、アルミ、銅、銀、又はそれらの少なくとも１つを含む合金を素材とし、かつ、断面積÷長さの値を０．００５ｍｍ以上、かつ体積を１０ｃｍ3 以下にした熱スイッチ伝熱板を前記真空容器内に配設してその一部を前記冷凍機に接続して超電導マグネットを構成し、前記超電導マグネットにおける前記永久電流スイッチ単位体の並列数、前記永久電流スイッチと高温超電導コイルとを電気的に接続する前記超電導線の本数又はその両者を、巻線された高温超電導テープ線材の並列本数と同数、その整数倍もしくは整数分の１にした超電導マグネットを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。なお、本発明は下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施し得るものである。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す永久電流スイッチ１の断面図を示したものである。高温超電導膜２は、絶緑物基板３の上に形成されている。この絶縁物基板３には、高温超電導膜の結晶成長を促進させる中間層がその表面に配設される場合がある。高温超電導膜２は、絶縁物基板３側に配設した冷却板４により冷却される。さらに、ヒータ５が具備されており、永久電流スイッチ１は、ヒータ５を加熱することでオフ状態になる。電流は、端子６を介して高温超電導膜２に通電される。
【００２０】
本実施の形態の永久電流スイッチ１は、図２に示すように、ヒータ５と冷却板４の位置を変えてもよい。また、高温超電導膜２は、図３に示すように絶縁物基板３の表面に回路状に電流経路として形成してもよい。
【００２１】
図４は本実施の形態の永久電流スイッチ１の外観を示す図である。図３に示す絶緑物基板３の裏面側に冷却板４とヒータ５とを配設し、超電導コイルと接続するための端子６を具備している。
【００２２】
本実施の形態の永久電流スイッチ１において、高温超電導膜２の材料としては、Ｂｉ２２１２，Ｂｉ２２２３，ＭｇＯ，ＹＢＣＯが適している。ＹＢＣＯは、臨界電流密度が高く、抵抗率を高く設計することが可能であるので、特に適している。また、これらの高温超電導膜２を成膜する母材としては熱伝導率が高く、また強度が強いサファイアもしくはＹＳＺが適している。
【００２３】
本実施の形態によれば、高温超電導膜２を劣化させることなく、速やかに熱を分散する冷却板５を配設しているため、オフ抵抗が大きく、熱容量が小さく、かつ安定牲の高い永久電流スイッチを提供できる。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態の永久電流スイッチ１の断面図である。性能が高い高温超電導膜２を形成する目的で、絶縁物基板３には一般的に単結晶が用いられるため、強度的に弱い。そこで本実施の形態では、図４に示した構造の第１の実施の形態の永久電流スイッチを含浸ケース８の中に収納し、エポキシ樹脂９で含浸することによって剛性を強化した構造にしている。ここで、エポキシ樹脂９は、ガラスやセラミックス等のフィラー入りでも良い。含浸ケース８には、強度部材としての役割も持たせることができる。
【００２５】
高温超電導膜２は、他の部材と接着すると、冷却時の熱歪みでダメージを受ける可能性があるので、エポキシ樹脂９を含浸する際に高温超電導膜２の面が接着されないように、離形処理するとなお良い。図６は離形処理した場合の永久電流スイッチ１の構成であり、符号１０が離形部位である。
【００２６】
なお、含浸ケース８は、含浸後に取り外すことも可能である。図７は、エポキシ樹脂を含浸した後に含浸ケース８を除去した構成の永久電流スイッチ１の断面を示している。
【００２７】
また、電流容量を増やすために、複数の高温超電導膜２を含浸ケース８に収納し、含浸しても良い。図８はその場合の永久電流スイッチ１の構成を示している。
【００２８】
本実施の形態によれば、強度的に弱い絶縁物基板３をエポキシ樹脂９で含浸しているので、剛性が強化され、振動などに強い永久電流スイッチ１が提供できる。
【００２９】
（第３の実施の形態）
図９は、本発明の第３の実施の形態の超電導マグネットの構成を示している。本実施の形態の超電導マグネットは、前述した図１乃至図８のいずれかの構造の永久電流スイッチ１と、高温超電導コイル１１およびそれらを冷却する冷凍機１２、さらにそれら全体を包囲する輻射シールド１３と真空容器１４から構成される。図９は、永久電流スイッチ１の例として、図４に示す永久電流スイッチ１を搭載した場合の構成を示している。
【００３０】
高温超電導コイル１１は、伝熱板１５を介して冷凍機１２によって冷却される。永久電流スイッチ１は、熱スイッチ伝熱板１６を介して冷凍機１２によって冷却される。永久電流スイッチ１と高温超電導コイル１１とが永久電流回路を構成するために、永久電流スイッチ１の端子６に、高温超電導線１７が接続されている。この永久電流回路と並列に励磁電源１８が接統されており、永久電流スイッチ１と共に永久電流運転を行う。
【００３１】
永久電流スイッチ１をオン状態、すなわち超電導状態に保つ場合には超電導転移温度以下、かつ、コイル運転温度とほぼ同じ温度、例えば２０Ｋ程度になるように冷却する必要がある。一方、永久電流スイッチ１をオフ状態、すなわち常電導状態に保つ場合には超電導転移温度以上、例えば１００Ｋ程度に維持する必要がある。
【００３２】
熱スイッチ伝熱板１６として、２０Ｋで熱伝導率が大きく、１００Ｋで熱伝導率が小さな材質のものを用いると、当該熱スイッチ伝熱板１６に熱スイッチの機能を持たせることができ、なおかつ、熱スイッチとしての動作を確実に行わせることができる。熱スイッチ伝熱板１６の材質としては、アルミ、銅、銀もしくはそれらの少なくとも１つを含んだ合金が適している。
【００３３】
永久電流スイッチ１のオフ状態とオン状態を切り替える時間、すなわち、永久電流スイッチ１の約１００Ｋの状態と約２０Ｋの状態を切り替える時間は、熱スイッチ伝熱板１６の断面積と長さに影響される。断面積÷長さの値が大きければｌ００Ｋから２０Ｋへの冷却特性は向上し、逆に２０Ｋから１００Ｋへの加熱には時間がかかる。断面積÷長さの値が小さい場合には、１００Ｋから２０Ｋへの冷却時間は長くなるが、２０Ｋから１００Ｋへの加熱は容易になる。一方、熱スイッチ伝熱板１６の材質として２０Ｋで熱伝導率が大きく、１００Ｋで熱伝導率が小さな材質を用いると、永久電流スイッチ１をオフ状態からオン状態に切り替える時間は、それらの条件とともに、熱スイッチ伝熱板１６の熱容量が大きく影響する。これは、熱スイッチ伝熱板１６自体の温度が下がらないと熱伝導率が大きくならないためである。
【００３４】
これを考慮し、熱スイッチ伝熱板１６を設計し、実験により検証したところ、断面積÷長さの値を０．００５ｍｍ以上、かつ体積を１０ｃｍ3 以下の条件とした場合に切替時間が数秒〜数分となり、熱スイッチ伝熱板１６として適していることが分かった。
【００３５】
本実施の形態によれば、安定性の高い永久電流スイッチ１および熱スイッチの機能を有する伝熱板１６を用いているので、永久電流運転が容易な超電導マグネットを提供できる。
【００３６】
（第４の実施の形態）
図１０は、本発明の第４の実施の形態の永久電流回路の接続図である。高温超電導コイル１１は、電流容量に合わせてテープ線材を複数本束ねて巻かれることがある。同様に永久電流スイッチ１も、電流容量に合わせて並列化する必要がある場合がある。永久電流回路において、回路が並列化された場合、僅かな抵抗の差で偏流する。偏流は、永久電流スイッチ１の容量を低下させ、クエンチしやすくする。
【００３７】
図１０の超電導マグネットでは、高温超電導コイル１１の線材並列数と永久電流スイッチ１の並列数を一致させており、それぞれを高温超電導線１７で接続した構成にしている。この接続方式であれば、接続数および接続条件を並列回路のそれぞれの回路同士で同じにすることができるので、偏流が起こりにくくなる。
【００３８】
なお、高温超電導コイル１１の線材並列数、永久電流スイッチ１の並列数、そしてそれらを結ぶ高温超電導線１７の数は全く同数である必要はなく、整数倍もしくは整数分の１であっても良い。
【００３９】
本実施の形態によれば、接続構成を並列回路同士で均一にすることが可能で、永久電流スイッチ１の偏流が少なく、安定牲の高い超電導マグネットを提供できる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の超電導マグネットによれば、永久電流運転が容易であり、永久電流スイッチの偏流が少なく、安定性の高い超電導マグネットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の永久電流スイッチの断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の永久電流スイッチの変形例の断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態における高温超電導膜の形状を示す説明図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の永久電流スイッチの斜視図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の永久電流スイッチの断面図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の永久電流スイッチの変形例の断面図。
【図７】本発明の第２の実施の形態の永久電流スイッチの別の変形例の断面図。
【図８】本発明の第２の実施の形態の永久電流スイッチのさらに別の変形例の断面図。
【図９】本発明の第３の実施の形態の超電導マグネットの回路図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態の超電導マグネットの回路図。
【図１１】従来例の永久電流スイッチの断面図。
【符号の説明】
１  永久電流スイッチ
２  高温超電導膜
３  絶縁物基板
４  冷却板
５  ヒータ
６  端子
８  含浸ケース
９  エポキシ樹脂
１０  離形部位
１１  高温超電導コイル
１２  冷凍機
１４  真空容器
１６  熱スイッチ伝熱板
１７  高温超電導線
【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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