JP2007221082A - 永久電流スイッチシステム - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチングの速さとオン時の抵抗値の低さとを両立させた永久電流スイッチシステムを提供する。
【解決手段】指令信号を受け、オン／オフ作動を行うＭＯＳ−ＦＥＴから構成されるバイパススイッチ３０を熱式永久電流スイッチ２０に並列に接続する。そして、制御装置６０から熱式永久電流スイッチ２０及びバイパススイッチ３０に指令信号を出力することにより熱式永久電流スイッチ２０及びバイパススイッチ３０のオン／オフ制御を行う。ＭＯＳ−ＦＥＴは、熱式永久電流スイッチ２０よりもスイッチング速度が速く、かつ、並列化されたり冷却されたりすると抵抗値が低下する。したがって、熱式永久電流スイッチ２０をオンすると共にバイパススイッチ３０をオンすると、熱式永久電流スイッチ２０の抵抗値がゼロになるまでの間、超電導コイル１０を流れる電流はバイパススイッチ３０の方を流れるので、スイッチング速度が速くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導コイルに永久電流を流すための永久電流スイッチシステムに関する。

超電導コイルに永久電流が流れる永久電流モードで超電導コイルを運転するためには、超電導コイルの端子間を短絡する永久電流スイッチが必要であり、次のようなものが知られている。

（１）熱式永久電流スイッチ
超電導材料からなる永久電流スイッチを加熱し、超電導材料を熱的に常電導転移させることで、永久電流スイッチに抵抗を発生させてオフとする。逆に、冷却して超電導材料を超電導転移させてオンとする（例えば、特許文献１参照）。

（２）機械式永久電流スイッチ
超電導材料からなる接点部を外部から機械的に駆動して、接点の接続、切り離しを行うことでオン、オフの作動を行う（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−１３８９２８号公報 特開平１０−３３５７１１号公報

ところが、熱式永久電流スイッチは、オン時に抵抗がゼロになるものの、加熱を停止してから抵抗がゼロになるまでに時間がかかる、つまり、スイッチング速度が遅いという特性がある。また、機械式永久電流スイッチは、逆にスイッチング速度は速いが、オン時に素子の機械的な接触抵抗がある。

したがって、永久電流スイッチはスイッチング速度とオン時の抵抗値とのトレードオフで選択されていた。つまり、超電導コイルを永久電流モードで運転する場合、スイッチング速度の速さを犠牲にして、オン時の抵抗がゼロであるという特性を重視し、抵抗による、電流の減衰や発熱を避けるために熱式永久電流スイッチを用いるか、オン時に接触抵抗があり、減衰や発熱があることを犠牲にして、スイッチング速度の速い機械式永久電流スイッチを用いるかの何れかを選択するしかなかったのである。

また、機械式永久電流スイッチは、駆動機構が必要となるため、その駆動機構からスイッチに伝わる熱負荷が増加したり、構造が複雑になるなどの問題があり、普及してこなかった。

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、スイッチングの速さとオン時の抵抗値の低さとを両立させた永久電流スイッチシステムを提供することを目的とする。

かかる問題を解決するためになされた請求項１に記載の永久電流スイッチシステム（５：この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための最良の形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。）は、熱式永久電流スイッチ（２０）と、熱式永久電流スイッチ（２０）よりもスイッチング速度が速く、かつ、並列化されること又は冷却されることの少なくとも何れかにより抵抗値が低下する半導体素子から形成され、熱式永
久電流スイッチ（２０）に並列接続されたバイパススイッチ（３０）と、熱式永久電流スイッチ（２０）及びバイパススイッチ（３０）のオン／オフの制御を行う制御手段（６０）と、を備えたことを特徴とする。

このような永久電流スイッチシステム（５）によれば、従来の熱式永久電流スイッチや機械式永久電流スイッチでは得られなかったスイッチングの速さと抵抗の低さとを有する永久電流スイッチシステム（５）が得られる。

これを、説明するために、熱式永久電流スイッチ、機械式永久電流スイッチ、半導体素子の特性を整理する。
まず、機械式永久電流スイッチはスイッチング速度は速いものの、機械的な接触があるので、極低温に冷却しても接触抵抗があるという特性を有する。

次に、熱式永久電流スイッチは、極低温に冷却すると抵抗はゼロになるが、オン指令信号を受けてから抵抗がゼロになる、つまりオン状態になるまでの時間が長いという特性がある。換言すれば、スイッチング速度が遅いという特性がある。

また、半導体素子は冷却すると抵抗値が増加するという特性を有するものが多いが、冷却すると抵抗値が下がるものもある。さらに、半導体素子の抵抗値は非線形特性を有しているため、複数の半導体素子を並列接続しても抵抗値が減少するとは限らないが、並列接続するとそれに伴って抵抗値が減少するものもある。

そこで、上記のように、熱式永久電流スイッチ（２０）よりもスイッチング速度が速く、かつ、並列化されること又は冷却されることの少なくとも何れかにより抵抗値が低下する半導体素子で形成されるバイパススイッチ（３０）を、熱式永久電流スイッチ（２０）に並列に接続する。

そして、制御装置（６０）からの指令信号により、熱式永久電流スイッチ（２０）をオンすると共にバイパススイッチ（３０）をオンする。すると、バイパススイッチ（３０）は、熱式永久電流スイッチ（２０）よりもスイッチング速度が速いので、熱式永久電流スイッチ（２０）の抵抗値がゼロになるまでの間、超電導コイル（１０）を流れる電流はバイパススイッチ（３０）の方を流れる。したがって、超電導コイル（１０）には、熱式永久電流スイッチ（２０）のみを用いた場合に比べより早く所定の電流が流れる。

すなわち、請求項１に記載の永久電流スイッチシステム（５）は、従来の熱式永久電流スイッチよりもスイッチング速度が速く、瞬時に切り替わる。
また、従来の機械式永久電流スイッチは接触抵抗があるのに対し、請求項１の永久電流スイッチシステム（５）では、所定の電流が流れるようになったときには、熱式永久電流スイッチ（２０）の抵抗が０になる。

以上のように、請求項１に記載の永久電流スイッチシステム（５）では、従来の熱式永久電流スイッチや機械式永久電流スイッチでは得られなかったスイッチングの速さと抵抗の低さとを有するものとなるのである。

このように、スイッチング速度が速く、かつ低抵抗の永久電流スイッチシステム（５）によれば、以下の（ア）〜（ウ）に示す効果も得られる。
（ア）超電導コイル（１０）の励磁時にリード線への通電時間が短縮されるので、発熱を低減して冷凍負荷を低減できる。

すなわち、通常、超電導コイル（１０）に永久電流が流れる永久電流モードにする（以
下、超電導コイル（１０）の励磁と称する。）時に直流電源（５０）から超電導コイル（１０）に入力される電流が運転電流に到達したら永久電流スイッチを永久電流モードに切り替え、つまり永久電流スイッチをオンし、超電導コイル（１０）に永久電流を流すことによって超電導コイル（１０）の励磁を行う。

ところが、永久電流スイッチを熱式永久電流スイッチ（２０）のみで構成した場合、前述したように、オンに切り替えるために加熱を停止してから実際に抵抗がゼロになるまでに時間がかかる。その間電源からは電流が供給され続けるので、電源と超電導コイル（１０）とを接続するリード線から発熱がある。したがって、その発熱を抑制するために冷却し続ける必要がある。

そこで、熱式永久電流スイッチ（２０）と並列に上記バイパススイッチ（３０）を設け、熱式永久電流スイッチ（２０）をオンすると共にそのバイパススイッチ（３０）をオンする。

バイパススイッチ（３０）は、熱式永久電流スイッチ（２０）よりもスイッチング速度が速いので、熱式永久電流スイッチ（２０）の抵抗値がゼロになる間、超電導コイル（１０）を流れる電流はバイパススイッチ（３０）の方を流れる。

また、バイパススイッチ（３０）は、抵抗値が低いので、バイパススイッチ（３０）を流れる電流の減衰が少ない。したがって、バイパススイッチ（３０）をオンすると共に直流電源（５０）からの電流供給を停止することができる。

つまり、熱式永久電流スイッチ（２０）の抵抗値がゼロになるまでの間直流電源（５０）から電流を供給する必要がなくなるので、その間リード線からの発熱もなくなる。よって、リード線の発熱を低減することができ、かつ、リード線を冷却するための冷却負荷を軽減することができる。

さらにバイパススイッチ（３０）を並列化したり、冷却温度を変えることによってバイパススイッチ（３０）の抵抗も低下させることができるので、必要に応じてそれらの条件を設定すれば励磁時の電流の減衰量を必要な値に抑制することができる。

これは、従来の機械式スイッチを並列化しても得られない効果である。なぜならば、機械式永久電流スイッチを熱式永久電流スイッチに並列接続した場合、つまり、機械式永久電流スイッチをバイパススイッチとして用いた場合には、スイッチング速度が速いので、たしかに請求項１に記載のバイパススイッチ（３０）と同じように電流は機械式永久電流スイッチを流れる。

ところが、機械式永久電流スイッチは、接触抵抗が大きいので、機械式永久電流スイッチで発熱し、熱式永久電流スイッチの抵抗値がゼロになる間に電流が減衰してしまう。したがって、機械式永久電流スイッチをバイパススイッチとして用いても上記の効果は得られないのである。

（イ）永久電流モードでの運転中に熱式永久電流スイッチ（２０）をオフに切り替える際、バイパススイッチ（３０）を先行して一時的にオンに切り替える。これにより、熱式永久電流スイッチ（２０）両端の電圧を制限できるため、熱式永久電流スイッチの焼損を防止できる。

つまり、例えば、ビスマス系のような高温超電導材料を使用した熱式永久電流スイッチ（２０）をオフするためにヒータで加熱しても、均一に加熱することが困難であるので、
加熱初期段階で熱式永久電流スイッチに局所的に抵抗が発生するという現象が起こる。したがって、抵抗が発生した局所部分にジュール加熱による発熱が集中し焼損してしまうのである。

そこで、熱式永久電流スイッチ（２０）にバイパススイッチ（３０）を設け、永久電流を遮断する際には、まずバイパススイッチ（３０）をオンしてから熱式永久電流スイッチ（２０）をオフする。

すると、熱式永久電流スイッチ（２０）をオフした状態では、超電導コイル（１０）には、熱式永久電流スイッチ（２０）とバイパススイッチ（３０）とが並列接続された状態になる。

この状態では、超電導コイル（１０）を流れている電流は、熱式永久電流スイッチ（２０）とバイパススイッチ（３０）との抵抗値に逆比例した大きさで、熱式永久電流スイッチ（２０）とバイパススイッチ（３０）とを流れる。

つまり、オン状態となったバイパススイッチ（３０）は、極めて小さい抵抗を有しているので、熱式永久電流スイッチ（２０）をオフする前にバイパススイッチ（３０）をオンしてバイパススイッチ（３０）を熱式永久電流スイッチ（２０）に並列接続することにより、熱式永久電流スイッチ（２０）をオフして局所的に抵抗が発生している間に熱式永久電流スイッチ（２０）を流れる電流を制限することができるようになる。

その後、熱式永久電流スイッチ（２０）に発生した抵抗が拡大し、例えば、直流電源内部又は超電導コイル（１０）に並列接続されている保護抵抗よりも十分大きくなった段階でバイパススイッチ（３０）をオフに切り替えると、今度は、保護抵抗に電流が流れ、熱式永久電流スイッチ（３０）を流れる電流を制限することができる。

熱式永久電流スイッチ（２０）に流れる電流を制限することができるので、熱式永久電流スイッチ（２０）をオフしたときに局所的に発生する抵抗による発熱で永久電流スイッチ（２０）が焼損してしまうということがなくなる。

（ウ）熱式永久電流スイッチ（２０）の問題の一つである熱擾乱等により発生する不安定性により誤作動が発生した時にも超電導コイルシステムを安定化することができる。
すなわち、超電導コイル（１０）が永久電流モード状態にあるときに熱式永久電流スイッチ（２０）が何らかの偶発的な事由により一時的に発熱し、熱式永久電流スイッチ（２０）の抵抗値が上昇して一時的にオフになった場合、熱式永久電流スイッチ（２０）を冷却して超電導状態に復帰させることが難しい。

つまり、超電導コイル（１０）を流れている電流の値が大きいので熱式永久電流スイッチ（２０）に一時的に抵抗が発生した場合、その大電流と抵抗とによるジュール加熱で発熱し、抵抗値が更に上昇して発熱が進むというサイクルに入ってしまう。したがって、偶発的事由により発熱した熱式永久電流スイッチ（２０）を冷却により超電導状態に復帰させることが難しいのである。

そこで、熱式永久電流スイッチ（２０）が偶発的事由により発熱した場合に、熱式永久電流スイッチ（２０）よりもスイッチング速度の速いバイパススイッチ（３０）をオンにすれば、電流は速やかにバイパススイッチ（３０）を流れるので、熱式永久電流スイッチ（２０）に流れる電流を少なくすることができる。

そして、熱式永久電流スイッチ（２０）に流れる電流が小さければ、ジュール加熱による発熱量が少なくなるので、熱式永久電流スイッチ（２０）を冷却して超電導状態に復帰
させることができる。

なお、ここでは、超電導コイル（１０）が永久電流モードであるときには、バイパススイッチ（３０）をオフするものとして説明しているが、超電導コイル（１０）が永久電流モードであるときにバイパススイッチ（３０）をオンしたままにしておいても上記と同じ効果が得られる。

ところで、半導体素子は、前述したように、冷却すると抵抗値が増加するという特性を有するものが多く、また、半導体素子の抵抗値は非線形特性を有しているため、複数の半導体素子を並列接続しても抵抗値が減少するとは限らない。

ところが、ＭＯＳ−ＦＥＴは、冷却すれば抵抗値が下がり、並列接続するとそれに伴って抵抗値が減少する。したがって、請求項２に記載のように、半導体素子をＭＯＳ−ＦＥＴとするとよい。

このようにすると、熱式永久電流スイッチ（２０）よりもスイッチング速度が速く、かつ、並列化されること又は冷却されることの少なくとも何れかにより抵抗値が低下するバイパススイッチ（３０）を構成することができる。

ところで、ＭＯＳ−ＦＥＴのソースとドレイン間には、寄生ダイオード（３０ｃ，３０ｄ）が存在する。したがって、超電導コイル（１０）を励磁する際に一方向のみに励磁する場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴをオフ状態にできるので問題ない。ところが、逆向きに励磁する場合、つまり、超電導コイル（１０）をどちらの方向からも励磁できるようにする場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴに逆極性の電圧が印加されるので、寄生ダイオード（３０ｃ，３０ｄ）に電流が流れ、ＭＯＳ−ＦＥＴがオフ状態とならない場合がある。したがって、超電導コイル（１０）を励磁できない状況が発生する。

そこで、請求項３に記載のように、半導体素子を、ソース又はドレイン同士が結合されることによって直列接続されたＭＯＳ−ＦＥＴ（３０ａ，３０ｂ）とするとよい。
このようにすると、超電導コイル（１０）をどちらの方向に励磁しても、つまり、直列接続されたＭＯＳ−ＦＥＴ（３０ａ，３０ｂ）にどちらの向きの電圧が印加されても、どちらかの寄生ダイオード（３０ｃ，３０ｄ）が電流を制止する向きに接続されているので、ＭＯＳ−ＦＥＴを確実にオフすることができる。つまり、超電導コイル（１０）をどちらの方向からも励磁できるようになる。

ところで、超電導コイル（１０）を励磁する方法としてフラックスポンプ（２）がある。このフラックスポンプ（２）は、少量の磁束を超電導コイル（１０）を含む超電導回路へ反復導入し、結果として磁束を蓄積して大電流を超電導コイル（１０）に誘導させるものである。

そのために、少量の磁束を発生する永久磁石（８２）等を超電導回路に反復導入するとともに、永久電流スイッチを切り替え、磁束を蓄積して超電導コイル（１０）に大電流を誘導させている。

したがって、上記のように熱式永久電流スイッチ（２０）にバイパススイッチ（３０）を並列接続してスイッチング速度を速くした永久電流スイッチを適用してフラックスポンプ（２）を構成するとよい。すなわち、請求項４に記載のように、超電導コイル（１０）と、磁束を発生させるための磁束発生手段（８２）と、超電導コイル（１０）に並列接続された複数の永久電流スイッチ（６，７）と、超電導コイル（１０）に複数の永久電流スイッチ（６，７）が並列接続され、各永久電流スイッチ（６，７）がオンされたときに形
成される回路の内側及び外側に磁束発生手段（８２）を移動させる磁束移動手段と、前記磁束移動手段を制御して磁束発生手段（８２）を複数の回路の内側及び外側に移動させると共に複数の永久電流スイッチ（６，７）のオン／オフの制御を行う制御手段（６２）と、を備えたフラックスポンプ（２）であって、複数の永久電流スイッチ（６，７）は、熱式永久電流スイッチ（２２，２４）と、熱式永久電流スイッチ（２２，２４）よりもスイッチング速度が速く、かつ、並列化されること又は冷却されることの少なくとも何れかにより抵抗値が低下する半導体素子から形成され、熱式永久電流スイッチ（２２，２４）に並列接続されたバイパススイッチ（３２，３４）とを備え、制御手段（６２）は、熱式永久電流スイッチ（２２，２４）及びバイパススイッチ（３２，３４）のオン／オフの制御を行うことを特徴とするフラックスポンプ（２）とするのである。

このような構成のフラックスポンプ（２）によれば、請求項１に記載の永久電流スイッチシステム（５）における説明と同様に、永久電流スイッチ（６，７）のスイッチング速度が速いので、フラックスポンプ（２）のポンピング速度を向上させることができる。

なお、ここで「回路の内側」とは、永久電流スイッチがオンのときに超電導コイルと永久電流スイッチとで形成される回路により囲まれる側を意味し、「回路の外側」とは、永久電流スイッチがオンのときに超電導コイルと永久電流スイッチとで形成される回路により囲まれない側を意味する。

さらに、フラックスポンプ（２）の永久電流スイッチ（６．７）を構成するバイパススイッチ（３２，３４）を形成する半導体素子を請求項５に記載のように、ＭＯＳ−ＦＥＴで構成すると、請求項２に記載の永久電流スイッチシステム（５）における説明と同様に、熱式永久電流スイッチ（２２，２４）よりもスイッチング速度が速く、かつ、並列化されること又は冷却されることの少なくとも何れかにより抵抗値が低下するバイパススイッチ（３２，３４）を構成することができるので、並列化や冷却により容易に抵抗値を低下させることができるフラックスポンプ（２）とすることができる。

また、半導体素子を請求項６に記載のように、ソース又はドレイン同士が結合されることによって直列接続されたＭＯＳ−ＦＥＴ（３０ａ，３０ｂ）とすると、超電導コイル（１０）の励磁方向を問わないフラックスポンプ（２）とすることができる。

以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

［第１実施形態］
（全体構成の説明）
図１は、永久電流スイッチシステム５を適用した超電導コイルシステム１の概略構成を示すブロック図である。

超電導コイルシステム１は、図１に示すように、超電導コイル１０、熱式永久電流スイッチ２０、バイパススイッチ３０、第１切替スイッチ４０、第２切替スイッチ４２、リード線４４，４６、直流電源５０、制御装置６０等から構成される。

（構成要素の説明）
超電導コイル１０は、電力を磁気エネルギーとして貯蔵するものであり、ビスマス系の超電導材料で形成されており、液体窒素や液体ヘリウム等で冷却されて超電導状態となる。

超電導コイル１０の一端は、第１切替スイッチ４０を介してリード線４４により直流電源５０のプラス端子に接続され、他端は、第２切替スイッチ４２を介してリード線４６により直流電源５０のマイナス端子に接続されている。

熱式永久電流スイッチ２０は、超電導材料に図示しないヒータが設けられたものであり、超電導コイル１０と共に極低温に冷却された状態で使用される。つまり、ヒータによって超電導材料を加熱しなければ、冷却されているので極低温状態になっている。したがって、抵抗が０の超電導状態となって永久電流が流れる。この状態をオンという。逆に、ヒータによって加熱すれば、超電導状態が崩れ、抵抗が発生し永久電流が遮断される。この状態をオフという。この、熱式永久電流スイッチのオン／オフ、つまり、ヒータの加熱／非加熱の制御は、制御装置６０からのオン／オフ指令信号によって行われる。

また、熱式永久電流スイッチ２０の両端は、図１に示すように超電導コイル１０の両端に接続されており、オンのときに超電導コイル１０の両端を短絡して閉回路（以下、超電導回路とも称する。）を作って超電導コイル１０に永久電流を流すように構成されている。逆に、オフのときには閉回路をオープンにし、超電導コイル１０に流れている永久電流を遮断する。

バイパススイッチ３０は、ＭＯＳ−ＦＥＴで構成されており、熱式永久電流スイッチ２０と並列に接続、つまり、ソースとドレインとが各々熱式永久電流スイッチ２０の両端に接続されている。

そして、バイパススイッチ３０を構成するＭＯＳ−ＦＥＴのゲートに制御装置６０からの制御ラインが接続され、その制御線を介して制御装置６０からゲートにオン／オフ指令信号が入力され、そのオン／オフ指令信号によりソース−ドレイン間が短絡・開放、つまりオン／オフ作動がなされる。

このＭＯＳ−ＦＥＴで構成されたバイパススイッチ３０は、熱式永久電流スイッチ２０よりもスイッチング速度が速く、かつ、並列化されたり、或いは冷却されたりすることにより抵抗値が低下するという特性を有している。

第１切替スイッチ４０及び第２切替スイッチ４２は、制御装置６０からのオン／オフ指令信号に基づいて、直流電源５０から供給される電流を超電導コイル１０に供給／遮断するためのスイッチである。

第１切替スイッチ４０及び第２切替スイッチ４２は、制御装置６０からのオン指令信号を受けオンとなり、直流電源５０から超電導コイル１０に電流を供給し、オフ指令信号を受けオフとなって、直流電源５０からの電流を遮断する。

直流電源５０は、超電導コイル１０に電流を供給するための装置であり、第１切替スイッチ４０及び第２切替スイッチ４２を介してリード線４４，４６によりプラス端子とマイナス端子とが各々超電導コイル１０の両端に接続されている。

リード線４４，４６は、第１切替スイッチ４０及び第２切替スイッチ４２を介して直流電源５０を超電導コイル１０に接続するための銅合金のような常電導線で形成された電力線である。

制御装置６０は、熱式永久電流スイッチ２０、バイパススイッチ３０、第１切替スイッチ４０及び第２切替スイッチ４２にオン／オフ指令信号を出力し、熱式永久電流スイッチ
２０、バイパススイッチ３０、第１切替スイッチ４０、第２切替スイッチ４２をオン／オフさせるものである。

冷却部７０は、超電導コイル１０、熱式永久電流スイッチ２０、バイパススイッチ３０を冷却するための容器である。そして、内部には、液体窒素や液体ヘリウムなどの冷却媒体が充填され、その冷却媒体に超電導コイル１０、熱式永久電流スイッチ２０、バイパススイッチ３０が浸され、超電導状態になるように冷却される。

また、冷却部７０の冷却媒体は、図示しない冷却装置、例えば、パルス管冷却装置により冷却され、超電導コイル１０等を超電導状態に冷却する。
（超電導コイルの励・消磁）
以上のように構成された超電導コイルシステム１において、超電導コイル１０を励磁及び消磁する際の超電導コイルシステム１の作動について図２に基づいて説明する。図２は、励磁時の超電導コイルシステム１の作動を説明するための作動説明図である。なお、図２においては、制御装置６０を省略している。

また、本明細書において、超電導コイル１０へ電流を供給することを励磁と呼び、超電導コイル１０から電流を除去することを消磁と呼ぶ。また、超電導状態にある超電導コイル１０に流れる電流を永久電流と呼ぶ。

まず、制御装置６０から第１切替スイッチ４０及び第２切替スイッチ４２へオン指令信号を出力し、第１切替スイッチ４０及び第２切替スイッチ４２をオンすると共に熱式永久電流スイッチ２０及びバイパススイッチ３０にオフ指令信号を出力して熱式永久電流スイッチ２０及びバイパススイッチ３０をオフにする。このようにして、直流電源５０と超電導コイル１０とからなる閉回路を構成する。

次に、直流電源５０から超電導コイル１０へ電流を供給し、図２（ａ）に示すように超電導コイルに電流を流す。電流が目的の値に達したら直流電源５０から電流を供給したまま、制御装置６０から熱式永久電流スイッチ２０及びバイパススイッチ３０へオン指令信号を出力し、バイパススイッチ３０及び熱式永久電流スイッチ２０をオンにする。

すると、図２（ｂ）に示すように、超電導コイル１０と熱式永久電流スイッチ２０とからなる超電導回路が形成され、その超電導回路と熱式永久電流スイッチ２０と直流電源５０とからなる閉回路に電流が流れる。

そして、熱式永久電流スイッチ２０の抵抗値がゼロになったら、直流電源５０からの電流供給を停止し、制御装置６０から第１切替スイッチ４０、第２切替スイッチ４２、バイパススイッチ３０にオフ指令信号を出力し、第１切替スイッチ４０、第２切替スイッチ４２、バイパススイッチ３０をオフする。すると、図２（ｃ）に示すように、超電導回路のみに電流、つまり永久電流が流れる。

なお、熱式永久電流スイッチ２０の抵抗がゼロになったら、バイパススイッチ３０にオフ指定信号を出力してバイパススイッチ３０をオフしているが、オフしなくてもよい。すなわち、熱式永久電流スイッチ２０の抵抗がゼロであるので、微少の抵抗を有するバイパススイッチ３０をオンしたままにしておいても超電導回路のみに永久電流が流れる。

また、熱式永久電流スイッチ２０の抵抗値がゼロになったか否かは、熱式永久電流スイッチ２０に温度計を設け、臨界温度以下になったことで判断する。
または、熱式永久電流スイッチ２０にオン指令信号を出力してから実際に熱式永久電流スイッチ２０の抵抗値が０になるまでの時間を計測しておき、以降は、オン指令信号の出
力からその時間が経過したら抵抗値が０になったと判定するようにしてもよい。

このように、熱式永久電流スイッチ２０と共にバイパススイッチ３０をオンすることにより、超電導コイル１０の励磁時間を短縮することができる。
つまり、熱式永久電流スイッチ２０は、熱式永久電流スイッチであるので、オフ状態からオン状態にするために冷却時間が必要であり、スイッチング速度が遅い。一方、バイパススイッチ３０はＭＯＳ−ＦＥＴで構成されているので、熱式永久電流スイッチ２０よりもスイッチング速度が速く、瞬時に切り替わる。

したがって、熱式永久電流スイッチ２０と共にバイパススイッチ３０をオンにするとバイパススイッチ３０は、熱式永久電流スイッチ２０よりも早くオン状態になる。つまり、励磁時に電流は、まずバイパススイッチ３０を流れ、その後熱式永久電流スイッチ２０を流れる。

このように熱式永久電流スイッチ２０の抵抗値が０になる前に超電導回路に電流が流れ始めるので、励磁時間を短縮することができるのである。
さらに、励磁時間を短縮することができると、冷却部７０における冷却負荷を減少させることができるという利点もある。

つまり、冷却部７０に配置された構成要素がすべて超電導状態になっている訳ではない。すなわち、直流電源５０と超電導コイル１０とを接続しているリード線４４，４６は冷却部７０の外部から内部へ配線されているので、当然外部の温度から極低温まで温度勾配を有している。したがって、外部温度に近い領域では超電導転移が期待できないので、リード線には銅合金のような常電導線を使用せざるを得ない。

超電導コイル１０には、一般的に大電流を通電する。したがって、励磁時には常電導線にも大電流が流れるので、通電時間が長いと常電導線における発熱が多くなり熱的な損失が大きい。この発熱を低減させるために常電導線を太くすると、発熱は少なくなるが、常電導線を介して熱伝導により常に冷却部７０に侵入する熱が大きくなり、これも大きな損失となる。

したがって、ＭＯＳ−ＦＥＴで構成されたバイパススイッチ３０を用いることによって励磁時間を短縮することができるとリード線４４，４６における発熱が少なくなるので、それを冷却するための冷却負荷を減少させることができるのである。

なお、上記励磁手順を逆に進めることで消磁を行うことができる。
（超電導回路の不安定性の解消）
次に、励磁が完了した超電導回路において、熱式永久電流スイッチ２０が偶発的な事由により発熱し、超電導回路が不安定になった場合に、その不安定性を解消する際の超電導コイルシステム１の作動について、図３に基づき説明する。

図３は、超電導回路の不安定性を解消する際の超電導コイルシステム１の作動を説明するための作動説明図である。なお、図３においては、制御装置６０を省略している。
励磁が完了した超電導回路では、図３（ａ）に示すように永久電流が流れている。この状態で何らかの偶発的な事由により熱が発生し、熱式永久電流スイッチ２０が一時的にオフ状態、つまり抵抗が発生した状態になった場合、超電導回路には大電流が流れているため、熱式永久電流スイッチ２０で発生した抵抗におけるジュール加熱による発熱で、更に加熱が促進される。

つまり、熱式永久電流スイッチ２０に偶発的な事由による発熱があると、抵抗が発生し
、その抵抗により更に加熱されるというサイクルに入ってしまうので、冷却により熱式永久電流スイッチ２０を超電導状態、つまりオン状態に復帰させることが難しい。

したがって、偶発的な事由により熱式永久電流スイッチ２０が発熱すると、超電導回路に流れる電流が急激に減衰する。
そこで、偶発的な事由により熱式永久電流スイッチ２０が発熱した場合、制御装置６０からバイパススイッチ３０へオン指令信号を出力し、バイパススイッチ３０をオンする。すると、発熱により熱式永久電流スイッチ２０に発生した抵抗値よりもバイパススイッチ３０の抵抗の方が小さいので、図３（ｂ）に示すように電流は、ほとんどバイパススイッチ３０を流れる（抵抗に逆比例した値の電流が流れる。）。

つまり、熱式永久電流スイッチ２０には、電流がほとんど流れなくなるので、ジュール加熱による発熱がなくなる。したがって、熱式永久電流スイッチ２０を発熱させる偶発的な事由が解消され、冷却能力が熱式永久電流スイッチ２０の発熱量を上回って熱式永久電流スイッチ２０が所定の温度以下に冷却されれば、熱式永久電流スイッチ２０を速やかに超電導状態、すなわちオン状態を回復させることができる。

このようにして熱式永久電流スイッチ２０をオン状態に回復させた後、制御装置６０からバイパススイッチ３０へオフ指令信号を出力し、バイパススイッチ３０をオフする。
（永久電流スイッチの損傷防止）
超電導コイル１０の消磁について、通常の場合においては前述した。しかし、第１切替スイッチ４０及び第２切替スイッチ４２をオフ状態にし、超電導コイル１０から直流電源５０を切り離して超電導回路単独で運転中の場合（図２（ｃ）参照）、何らかの理由によりそのままの状態で消磁をする場合がある。

この場合、制御装置６０から熱式永久電流スイッチ２０へオフ指令信号を出力し、熱式永久電流スイッチ２０をオフすることで消磁することとなる。ところが、常電導状態つまり抵抗がある状態の熱式永久電流スイッチ２０に大電流が流れることになるので、熱式永久電流スイッチ２０においてジュール加熱による発熱のため熱式永久電流スイッチ２０が焼損するおそれがある。

この現象は、例えば、ビスマス等の高温超電導材料で形成された熱式永久電流スイッチ２０に発生する現象であり、熱式永久電流スイッチ２０をオフするためにヒータで加熱しても、均一に加熱することが困難であるので、加熱初期段階で熱式永久電流スイッチ２０に局所的に抵抗が発生する。したがって、抵抗が発生した局所部分にジュール加熱による発熱が集中し焼損してしまうのである。

このような熱式永久電流スイッチ２０の損傷を避けるために、高温超電導材料で構成された超電導コイル１０を消磁するときに、制御装置６０からまずバイパススイッチ３０へオン指令信号を出力し、次に熱式永久電流スイッチ２０へオフ指令信号を出力する。

すると、熱式永久電流スイッチ２０がオフ状態になる前にバイパススイッチ３０がオン状態になる。このとき、オンで抵抗値が極めて小さいバイパススイッチ３０が熱式永久電流スイッチ２０に並列接続された状態となる。

したがって、熱式永久電流スイッチ２０をオフした直後、つまり加熱初期段階では、熱式永久電流スイッチ２０の抵抗値とバイパススイッチ３０の抵抗値とに逆比例する大きさの電流がバイパススイッチ３０を流れる。すなわち、熱式永久電流スイッチ２０には、熱式永久電流スイッチ２０を構成する高温超電導材料を損傷させるほどの電流が流れなくなるので、熱式永久電流スイッチ２０が焼損することがなくなる。

その後、加熱が進み、熱式永久電流スイッチ２０のオフ抵抗が十分に大きくなった段階でバイパススイッチ３０もオフに切り替えることにより、電流は、超電導コイル１０の両端に接続されている図示しない保護抵抗を流れて減衰し、超電導コイル１０の消磁が行われる。

［第２実施形態］
次に、フラックスポンプ２について図４に基づいて説明する。図４は、フラックスポンプ２の作動を説明するための作動説明図である。

フラックスポンプ２は、超電導コイル１０、第１永久電流スイッチ６、第２永久電流スイッチ７、制御装置６２、冷却部７０、永久磁石８２、図示しない永久磁石移動装置等から構成される。なお、図４では、冷却部７０等は省略してあり、図４（ｂ）〜図４（ｅ）では制御装置６２を省略してある。

超電導コイル１０は、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。
第１永久電流スイッチ６は、熱式永久電流スイッチ２２、熱式永久電流スイッチ２２に並列接続されたバイパススイッチ３２、制御装置６２等から構成される。

第１永久電流スイッチ６の両端は、各々超電導コイル１０の両端に接続され、第１永久電流スイッチ６と超電導コイル１０とで超電導回路が形成される。この超電導回路を第１ループと呼ぶ。

また、第２永久電流スイッチ７も、熱式永久電流スイッチ２４、熱式永久電流スイッチ２４に並列接続されたバイパススイッチ３４、制御装置６２等から構成される。
そして、第２永久電流スイッチ７の両端は、各々超電導コイル１０の両端に接続される。つまり、第２永久電流スイッチ７は、第１永久電流スイッチ６と並列に超電導コイル１０に接続され、第２永久電流スイッチ７と超電導コイル１０とで超電導回路が形成される。この超電導回路を第２ループと呼ぶ。

なお、制御装置６２は第１永久電流スイッチ６及び第２永久電流スイッチ７とで共通化されており、１つの制御装置６２で、第１永久電流スイッチ６と第２永久電流スイッチ７とを制御する。

永久磁石８２は、磁束を発生させるためのものであり、図示しない永久磁石移動装置は、制御装置６２からの制御信号に基づいて、永久磁石８２を第１ループと第２ループとの間を移動させることができるように構成されている。

制御装置６２は、第１永久電流スイッチ６及び第２永久電流スイッチ７にオン／オフ指令信号、つまり、第１及び第２永久電流スイッチ６，７を構成する熱式永久電流スイッチ２２，２４及びバイパススイッチ３２，３４に第１実施形態で説明したように所定の順序でオン／オフ信号を出力して、それら（第１及び第２永久電流スイッチ６．７）のオン／オフ制御を行うと共に永久磁石移動装置へ移動信号を出力して永久磁石８２の移動制御を行う。

フラックスポンプ２は、少量の磁束を超電導コイル１０を含む超電導回路へ反復導入し、結果として磁束を蓄積して大電流を超電導コイル１０に誘導させるものである。フラックスポンプ２において、磁束を超電導回路へ反復導入する作動について以下の（オ）〜（サ）に説明する。

（オ）まず、図４（ａ）に示すように制御装置６２から第１永久電流スイッチ６にオン指令信号、第２永久電流スイッチ７へオフ指令信号を出力し、第１永久電流スイッチ６をオン、第２永久電流スイッチ７をオフする。

（カ）この状態で制御装置６２から永久磁石移動装置へ永久磁石８２を第２ループの内側に移動させる旨の制御信号を出力し、永久磁石８２を第２ループの内側に移動させる。
（キ）次に、図４（ｂ）に示すように、制御装置６２から第２永久電流スイッチ７へオン指令信号を出力し、第２永久電流スイッチ７をオンする。この状態で、制御装置６２から第１永久電流スイッチ６へオフ指令信号を出力し、図４（ｃ）に示すように、第１永久電流スイッチ６をオフする。

（ク）次に、図４（ｄ）に示すように、制御装置６２から永久磁石移動装置へ永久磁石８２を第１ループの内側へ移動させる旨の制御信号を出力し、永久磁石８２を第１ループの内側へ移動させる。

（ケ）次に、図４（ｅ）に示すように、制御装置６２から永久磁石移動装置へ永久磁石８２を第１ループ及び第２ループの外側へ、第２ループを経由しないで移動させる旨の制御信号を出力し、永久磁石８２を第１ループ及び第２ループの外側へ移動させる。

このように、第１永久電流スイッチ６をオフ、第２永久電流スイッチ７をオンとした状態で、第２ループを経由しないで、永久磁石８２を第１ループ及び第２ループの外側へ移動させると、第２ループに磁束の変化を妨げる向きに電流が誘起される。第２ループは、超電導回路であるので、誘起された電流は減衰せず、永久電流として流れ続ける。

（コ）次に、この状態から、制御装置６２から第１永久電流スイッチ６へオン指令信号を出力し、第１永久電流スイッチ６をオンにする（図４（ｂ）参照）。
（サ）その後、制御装置６２から第２永久電流スイッチ７にオフ指令信号を出力し、第２永久電流スイッチ７をオフにする（図４（ａ）参照）。

このように、第２ループに永久電流を誘起させた状態で、第１永久電流スイッチ６をオンし、続いて第２永久電流スイッチ７をオフすると、第２ループに誘起された永久電流は、第１ループに流れることになる。

このとき、（コ）項で示すように、図４（ｅ）に示す状態から図４（ｂ）に示す状態としたときには、超電導コイル１０での電流変化はない。また、この状態では、フラックスポンプ２の有するエネルギーは、第１ループと第２ループが各々有するエネルギーの和となる。

次に、（サ）項に示すように、図４（ａ）に示す状態にすると、第１ループの電流値及びエネルギーに変化はないが、第２ループの電流値及びエネルギーは０となる。この、第２ループで失われるエネルギーはロスとなって消失する。

この消失分のエネルギーと永久磁石８２による追加磁束分が等しくなったときが飽和状態であり、それ以上のエネルギー、つまり電流は増加しない。
以上のようにして、永久磁石８２を第１ループ及び第２ループへ反復導入することにより、永久磁石８２が発生する磁束を蓄積して、大電流を超電導コイル１０に誘導させる。

このとき、第１永久電流スイッチ６及び第２永久電流スイッチ７には、各々バイパススイッチ３２，３４が備えられており、第１永久電流スイッチ６及び第２永久電流スイッチ７がオン／オフされるときには、第１実施形態で説明したのと同様に、各々の熱式永久電流スイッチ２２，２４がオン／オフされる前に各々のバイパススイッチ３２，３４がオン／オフされるので、スイッチング作動が従来の永久電流スイッチよりも速い。

したがって、本発明に係る第１永久電流スイッチ６及び第２永久電流スイッチ７を適用したフラックスポンプ２は、従来のフラックスポンプよりも早く所定の永久電流を流すことができる。

［第３実施形態］
次に、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂにより構成されたバイパススイッチ３０を有する永久電流スイッチシステム５を適用した超電導コイルシステム３について図５に基づいて説明する。

本超電導コイルシステム３は、バイパススイッチ３０が２つのＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂにより構成されていることを除けば第１実施形態の超電導コイルシステム１と同じであるので、バイパススイッチ３０以外の説明は省略する。

バイパススイッチ３０は、図５に示すように、２つのＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ、３０ｂはソース同士が結合されることによって直列接続されている。
すなわち、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａのソースとＭＯＳ−ＦＥＴ３０ｂのソースとが結合され、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａのドレインが熱式永久電流スイッチ２０の一端に接続され、さらに、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ｂのドレインが熱式永久電流スイッチ２０の他端に接続されている。

なお、図５中でＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂのソース・ドレイン間のダイオード３０ｃ，３０ｄは、各々のＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂの寄生ダイオード３０ｃ，３０ｄを示している。

このように、２つのＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂのソース同士を結合した状態でＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂの各々のドレインを熱式永久電流スイッチ２０の両端に接続する、つまり、２つのＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂを逆極性に直列接続して、熱式永久電流スイッチ２０に並列接続することにより、各々のＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂが有している各々の寄生ダイオード３０ｃ，３０ｄが逆極性に直列接続される。

各々の寄生ダイオード３０ｃ，３０ｄが逆極性に直列接続されるとは、各寄生ダイオード３０ｃ，３０ｄのアノード同士が接続され、カソードが熱式永久電流スイッチ２０の両端に接続されるということを意味している。

２つの寄生ダイオード３０ｃ，３０ｄが逆極性に直列接続されていれば、熱式永久電流スイッチ２０にどちらの向きに電圧が印加されたとしても、２つの寄生ダイオード３０ｃ，３０ｄの両端（各々のカソードとカソード）に電圧が印加されることになるので、２つの寄生ダイオード３０ｃ，３０ｄのうちどちらかによって他方の寄生ダイオード３０ｃ，３０ｄに流れる電流を制止することができる。

つまり、寄生ダイオード３０ｃ，３０ｄによる電流の流れを防止して、２つのＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂでのオフ動作を確実に行うことができるようになるのである。
なお、２つのＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂのソース同士を結合する代りに、ドレイン同士を結合し、各々のソースを熱式永久電流スイッチ２０の両端に接続するようにしても同様である。

［第４実施形態］
次に、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂにより構成されたバイパススイッチ３０を有する永久電流スイッチシステム５に、２段伝導冷却冷凍機を用いて、超電導コイル１０、熱式永久電流スイッチ２０及びＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂを冷却するようにした超電導コイルシステム１２について図６及び図７に基づいて説明する。

図６は、ＭＯＳ−ＦＥＴのオン抵抗値の温度特性の一例を示す図であり、横軸はＭＯＳ−ＦＥＴの温度を示しており、縦軸は、２７８ＫにおけるＭＯＳ−ＦＥＴのオン抵抗値を１とした場合のＭＯＳ−ＦＥＴのオン抵抗の比を示している。このＭＯＳ−ＦＥＴでは、２７８Ｋから約５０Ｋ〜７０Ｋまでは、温度が下がるにしたがってオン抵抗値も徐々に下がる。ところが、約５０Ｋ未満においては逆に冷却するとオン抵抗が上昇する。

このような特性を有したＭＯＳ−ＦＥＴを４〜４０Ｋで運転する超電導コイルと組み合わせて使用する場合は、４〜４０Ｋの温度域ではＭＯＳ−ＦＥＴのオン抵抗値が十分に小さくならず効率のよい超電導コイルシステムとすることができなくなることも考えられるが、そのようなときは以下に示すような構成によって、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂの運転温度が５０Ｋ以上となるようにすればよい。

超電導コイルシステム１２は、２段伝導冷却冷凍機を用いて、超電導コイル１０を約４Ｋ、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂを約５０Ｋに保つようにしたもので、図７はその概略構成を示すブロック図である。超電導コイルシステム１２は、第３実施形態の冷却部７０（図５参照）を第１冷却部７０ａと第２冷却部７０ｂとに分割し、２段伝導冷却冷凍機９０を用いて第１冷却部７０ａ及び第２冷却部を別の温度にするように構成した以外は第３実施形態の超電導コイルシステム３と同じである。したがって、第１冷却部７０ａ、第２冷却部７０ｂ及び２段伝導冷却冷凍機９０以外の説明は省略する。

２段伝導冷却冷凍機９０は、例えばギフォード・マクマホン式冷却機（以下、ＧＭ式冷却機とも呼ぶ。）であり、伝導冷却冷凍機本体９０ａ、１段ヘッド９０ｂ、２段ヘッド９０ｃから構成される。

伝導冷却冷凍機本体９０ａは、ヘリウムガスを圧縮するための図示しない圧縮機、ディスプレーサの上下運動を司る図示しないモータ等から構成される。１段ヘッド９０ｂ、２段ヘッド９０ｃは、シリンダ状に形成されている。

シリンダ内には、図示しない蓄冷器と一体型のベークライト製のディスプレーサが１段ヘッド９０ｂ、２段ヘッド９０ｃに一体に組み込まれ、１段ヘッド９０ｂの蓄冷器には銅メッシュは、２段ヘッド９０ｃの蓄冷器には金属の球体が各々蓄冷材として充填されている。

圧縮機で圧縮された高圧ヘリウムガスはモータによって往復駆動されるディスプレーサが上死点に位置し、蓄冷器との間の空間が最大となる状態において、その膨張空間内で断熱的に膨張することにより低温が発生するようになっている。このようにして、冷却される１段ヘッド９０ｂは約５０Ｋ、２段ヘッドは約４Ｋとなる。

第１冷却部７０ａは、超電導コイル１０及び熱式永久電流スイッチ２０を内蔵しており、一端が２段伝導冷却冷凍機９０の２段ヘッド９０ｃに接触するように形成されている。また、第２冷却部７０ｂは、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂを内蔵しており、一端が２段伝導冷却冷凍機９０の１段ヘッド９０ｂに接触するように形成されている。

このように構成された超電導コイルシステム１２では、超電導コイル１０及び熱式永久電流スイッチ２０を冷却するための第１冷却部７０ａが２段ヘッド９０ｃに接触しているので、２段ヘッド９０ｃが約４Ｋに冷却されると第１冷却部も約４Ｋとなって、超電導コイル１０及び熱式永久電流スイッチ２０は超電導状態になる。

また、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂを冷却するための第２冷却部７０ｂは、１段ヘッド９０ｂに接触しているので、１段ヘッド９０ｂが約５０Ｋに冷却されると第２冷却部７０ｂも約５０Ｋとなる。

第２冷却部７０ｂが約５０ＫになるとＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂのオン抵抗値が最も低くなるので、超電導コイルシステム１２を最も効率のよい超電導コイルシステムとすることができる。

［第５実施形態］
次に、２段伝導冷却冷凍機９０を使用する代りに、第２冷却部７０ｂをリード線に接触させるようにした超電導コイルシステム１３について図８に基づき説明する。

図８は、超電導コイルシステム１３の概略構成を示すブロック図である。超電導コイルシステム１３は、熱式永久電流スイッチ２０と第１切替スイッチ４０の端子４０ａとを接続するリード線４４ａ及び熱式永久電流スイッチ２０と第２切替スイッチ４２の端子４２ａとを接続するリード線４６ａを熱伝達部材９２により第２冷却部７０ｂに接触させている。

また、第４実施形態と異なり、第２冷却部７０ｂは、冷却装置を必要としない。
リード線４４ａ，４６ａは、熱式永久電流スイッチ２０との接続点２０ａ，２０ｂから第１切替スイッチ４０及び第２切替スイッチ４２の端子４０ａ，４２ａに向かって温度が上昇するように温度勾配を有している。つまり、熱式永久電流スイッチ２０との接続点２０ａ、２０ｂでは、リード線の温度は約４Ｋであるのに対し、第１切替スイッチ４０及び第２切替スイッチ４２の端子４０ａ，４２ａでは常温になるように温度勾配を有している。

したがって、リード線４４ａ，４６ａを熱伝達部材９２を介して第２冷却部７０ｂに接触させると、端子４０ａ，４２ａ側から伝わる熱によって第２冷却部７０ｂは、第１冷却部７０ａに比べて温度が高くなる。この温度の変化は、熱式永久電流スイッチ２０とリード線４４ａ，４６ａとの接続点２０ａ，２０ｂから熱伝達部材９２までの長さαで決まるので、この長さαを適宜設定することにより、第１冷却部７０ａが約４Ｋに冷却されているときに第２冷却部７０ｂの温度を約５０Ｋとすることができる。

なお、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂから熱式永久電流スイッチ２０の両端に至るリード線を、熱伝達部材９２に沿わせて、もしくは、熱伝達部材９２そのものとして、リード線４４ａ，４６ａに接続してもよい。

第２冷却部７０ｂが約５０Ｋであると、第４実施形態の説明において述べたように、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂのオン抵抗値が最も低くなるので、超電導コイルシステム１３を最も効率のよい超電導コイルシステムとすることができる。

［第６実施形態］
次に、リード線４４ａ、４６ａを第２冷却部７０ｂに接触させる代りに、荷重支持材を第２冷却部７０ｂに接触させるようにした超電導コイルシステム１４について図９に基づき説明する。

図９は、超電導コイルシステム１４の概略構成を示すブロック図である。超電導コイルシステム１４は、第１冷却部７０ａが荷重支持材９５で、超電導コイルシステム１４が格納されている外槽などの常温部９６に支持されている。つまり、第１冷却部７０ａに荷重支持材９５の一端が接触されており、荷重支持材９５の他端が常温部９６に接触されている。

第２冷却部７０ｂは、第５実施形態と同様に冷却装置を必要としない。荷重支持材９５は、第１冷却部７０ａとの接触点９５ａから常温部９６と接触点９５ｂに向かって温度が上昇するように温度勾配を有している。つまり、第２冷却７０ｂとの接触点９５ａでは極低温（例えば４Ｋ）であり、常温部９６との接触点９５ｂでは常温となるような温度勾配を有している。

荷重支持材９５がこのような温度勾配を有しているので、荷重支持材９５に接触点９４ｂで接触している高熱伝導率の伝熱材９４を介して、第２冷却部７０ｂの温度は、荷重支持材９５から伝わる熱により第１冷却部７０ａよりも高くなる。この荷重支持材９５の温度勾配は、荷重支持材９５における高熱伝導率の伝熱材９４との接触点９４ｂの位置によって決まる。したがって、この接触点９４ｂの位置を適宜選定することにより、第１冷却部７０ａが約４Ｋに冷却されているときに、第２冷却部７０ｂの温度を約５０Ｋとすることができる。

第２冷却部７０ｂが約５０Ｋであると、第４実施形態の説明において述べたように、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂのオン抵抗値が最も低くなるので、超電導コイルシステム１４を最も効率のよい超電導コイルシステムとすることができる。

［第７実施形態］
次に、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂをヒータによって加熱するようにした超電導コイルシステムについて図１０に基づいて説明する。

図１０は、超電導コイルシステム１５の概略構成を示すブロック図である。超電導コイルシステム１５は、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂを加熱するためのＦＥＴヒータ３０ｅが第２冷却部７０ｂに設けられている。なお、図１０においては、熱式永久電流スイッチ２０を加熱することによってオン／オフすることを明確にするため、永久電流スイッチ用ヒータ２１を図示している。

第１冷却部７０ａ及び第２冷却部７０ｂは、図示しない１台の冷却装置により冷却されている。第１冷却部７０ａは、図示しない冷却装置により約４Ｋに保たれているので、第１冷却部７０ａ内に配置されている超電導コイル１０及び熱式永久電流スイッチ２０は約４Ｋに保たれ、超電導状態となっている。

ＦＥＴヒータ３０ｅは、第２冷却部７０ｂを加熱するためのヒータであり、制御装置６０からの電流供給を受けて作動する。このＦＥＴヒータ３０ｅに制御装置６０から供給する電流を適宜決定することにより、第２冷却部７０ｂを約５０Ｋに保つことができる。

なお、永久電流スイッチ用ヒータ２１に制御装置６０から電流供給を行い、熱式永久電流スイッチ２０の温度を上昇させることによって熱式永久電流スイッチ２０をオフする。
このように、ＦＥＴヒータ３０ｅによって第２冷却部７０ｂを約５０Ｋにすることで、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂのオン抵抗値が最も低くなるので、超電導コイルシステム１５を最も効率のよい超電導コイルシステムとすることができる。

［第８実施形態］
次に、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂの温度を永久電流スイッチ２０のヒータによって最適値にするようにした超電導コイルシステムについて図１１に基づいて説明する。

図１１は、超電導コイルシステム１６の概略構成を示すブロック図である。超電導コイルシステム１６は、第７実施形態に説明した超電導コイルシステム１５（図１０参照）と異なり、熱式永久電流スイッチ２０を加熱するための永久電流スイッチ用ヒータ２１のみを備えており、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂを加熱するためのヒータは備えていない。

また、第２冷却部７０ｂは、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂだけでなく、熱式永久電流スイッチ２０及び永久電流スイッチ用ヒータ２１をも内蔵するように形成されている。
また、超電導コイルシステム１６では、超電導コイル１０は、高温超電導材で構成されている。したがって、第１冷却部７０ａは、図示しない冷却装置によって約２０Ｋに冷却されている。

この状態で、制御装置６０から永久電流スイッチ用ヒータ２１に電流を供給することによって、熱式永久電流スイッチ２０をオフに切り替える際に、確実に第２冷却部７０ｂが約５０Ｋになるように永久電流スイッチ用ヒータ２１を加熱する。

このようにして第２冷却部７０ｂを約５０Ｋにすることによって、ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂを約５０Ｋにすることができる。ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂが５０Ｋになれば、ＭＯＳ−ＦＥＴのオン抵抗値は最も低い値となるので、超電導コイルシステム１６を最も効率のよい超電導コイルシステムとすることができる。そして、熱式永久電流スイッチ２０のオンからオフへの動作時における局所的な発熱や、ひいては損傷を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるもの
ではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、第２実施形態では、永久磁石８２を用いて磁束を発生させていたが、電磁石を用いて磁束を発生させてもよい。

また、第３実施形態では、２つのＭＯＳ−ＦＥＴを直列接続しているが、ソース又はドレイン同士が結合されて直列接続されていれば、２つには限定されず、多数個のＭＯＳ−ＦＥＴで構成されていてもよい。

永久電流スイッチシステム５を適用した超電導コイルシステム１の概略構成を示すブロック図である。 励磁時の超電導コイルシステム１の作動を説明するための作動説明図である。 超電導回路の不安定性を解消する際の超電導コイルシステム１の作動を説明するための作動説明図である。 フラックスポンプ２の作動を説明するための作動説明図である。 ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂにより構成されたバイパススイッチ３０を有する永久電流スイッチシステム５を適用した超電導コイルシステム３の概略構成図である。 ＭＯＳ−ＦＥＴ３０ａ，３０ｂのオン抵抗値の温度特性を示す図である。 超電導コイルシステム１２の概略構成を示すブロック図である。 超電導コイルシステム１３の概略構成を示すブロック図である。 超電導コイルシステム１４の概略構成を示すブロック図である。 超電導コイルシステム１５の概略構成を示すブロック図である。 超電導コイルシステム１６の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，３，１２，１３，１４，１５，１６…超電導コイルシステム、２…フラックスポンプ、５…永久電流スイッチシステム、６…第１永久電流スイッチ、７…第２永久電流スイッチ、１０…超電導コイル、２０，２２，２４…熱式永久電流スイッチ、２０ａ，２０ｂ…接続点、２１…永久電流スイッチ用ヒータ、３０，３２，３４…バイパススイッチ、３０ａ，３０ｂ…ＭＯＳ−ＦＥＴ、３０ｃ，３０ｄ…寄生ダイオード、３０ｅ…ＦＥＴヒータ、４０…第１切替スイッチ、４０ａ，４２ａ…端子、４２…第２切替スイッチ、４４，４４ａ，４６，４６ａ…リード線、５０…直流電源、６０，６２…制御装置、７０…冷却部、７０ａ…第１冷却部、７０ｂ…第２冷却部、８２…永久磁石、９０…２段伝導冷却冷凍機、９０ａ…伝導冷却冷凍機本体、９０ｂ…１段ヘッド、９０ｃ…２段ヘッド、９２…熱伝達部材、９４…高熱伝導率の伝熱材、９４ａ，９４ｂ…高熱伝導率の伝熱材の接触点、９５…荷重支持材、９５ａ，９５ｂ…接触点、９６…常温部。

Claims (6)

1. 熱式永久電流スイッチと、
   前記熱式永久電流スイッチよりもスイッチング速度が速く、かつ、並列化されること又は冷却されることの少なくとも何れかにより抵抗値が低下する半導体素子から形成され、前記熱式永久電流スイッチに並列接続されたバイパススイッチと、
   前記熱式永久電流スイッチ及び前記バイパススイッチのオン／オフの制御を行う制御手段と、
   を備えたことを特徴とする永久電流スイッチシステム。
2. 請求項１に記載の永久電流スイッチシステムにおいて、
   前記半導体素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とする永久電流スイッチシステム。
3. 請求項２に記載の永久電流スイッチシステムにおいて、
   前記半導体素子は、ソース又はドレイン同士が結合されることによって直列接続されたＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とする永久電流スイッチシステム。
4. 超電導コイルと、
   磁束を発生させるための磁束発生手段と、
   前記超電導コイルに並列接続された複数の永久電流スイッチと、
   前記超電導コイルに前記複数の永久電流スイッチが並列接続され、前記各永久電流スイッチがオンされたときに形成される回路の内側及び外側に前記磁束発生手段を移動させる磁束移動手段と、
   前記磁束移動手段を制御して前記磁束発生手段を前記複数の回路の内側及び外側に移動させると共に前記複数の永久電流スイッチのオン／オフの制御を行う制御手段と、
   を備えたフラックスポンプであって、
   前記複数の永久電流スイッチは、
   熱式永久電流スイッチと、
   前記熱式永久電流スイッチよりもスイッチング速度が速く、かつ、並列化されること又は冷却されることの少なくとも何れかにより抵抗値が低下する半導体素子から形成され、前記熱式永久電流スイッチに並列接続されたバイパススイッチとを備え、
   前記制御手段は、
   前記熱式永久電流スイッチ及び前記バイパススイッチのオン／オフの制御を行うことを特徴とするフラックスポンプ。
5. 請求項４に記載のフラックスポンプにおいて、
   前記半導体素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とするフラックスポンプ。
6. 請求項５に記載のフラックスポンプにおいて、
   前記半導体素子は、ソース又はドレイン同士が結合されることによって直列接続されたＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とするフラックスポンプ。