JP6353674B2 - 高温超電導磁石装置および高温超電導磁石消磁方法 - Google Patents

Description

本発明は、高温超電導線材を使用した超電導磁石装置の消磁技術に関する。

ＮｂＴｉ線材を代表とする低温超電導線材からなる低温超電導コイルでは、含浸樹脂のクラックや超電導線材の微動（ワイヤムーブメント）などによる微小な発熱で、超電導線材の一部が常電導転移する。

低温超電導コイルでは、このような局所的な常電導転移によって、瞬時に常電導転移が拡大する現象（クエンチ現象）が発生することがある。

一方、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀）線材またはＲＥＢＣＯ（（ＲＥ）Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇、ＲＥ：希土類）線材を代表とする高温超電導線材からなる高温超電導コイルでは、クエンチ現象が起こる可能性は極めて低い。
つまり、高温超電導コイルは、高温超電導線材の破損または温度上昇など外的な要因がない限り、ほとんどクエンチは発生しない。

このようなクエンチ現象の起こりやすさの違いは、超電導コイルを運用する温度帯の違いに起因する。
低温超電導コイルは４Ｋの温度帯で運用されるが、高温超電導コイルは２０Ｋ〜４０Ｋ程度、場合によっては液体窒素温度の７７Ｋの温度帯で運転される。

このような高温の温度帯における超電導線材を含む超電導磁石装置の各部材の比熱は、４Ｋの温度帯における比熱に比べて一般に２桁ほど大きく、入熱に対する各部材の温度変動が少ない。
そのため、上述したクラックなどによる数十ｍＪ／ｃｍ^３程度の発熱では、高温超電導線材の温度はほとんど上昇せず、１Ｋ程度の温度マージンで常電導転移を阻止することができる。

一方で、比熱が大きいことに起因して、高温超電導線材に局所的に常電導部分ができても、この常電導部分はほとんど拡大しない。
常電導部分ができてコイル電圧が検知されると、一般に、高温超電導コイルは、電流供給源（励磁電源）が切り離される。
そして、超電導コイルおよび保護抵抗を含む閉回路を形成して強制的に電流を消滅させることで、超電導コイルを焼損から保護している。

低温超電導コイルにおいては、常電導部分が瞬時に拡大するため、この常電導部分の抵抗および保護抵抗によって電流が急速に減衰する。
よって、低温超電導コイルでは、検知電圧や保護抵抗値を適切に選択することで、焼損させずにクエンチに対処することができる。

しかし、比熱の大きい高温超電導コイルでは、閉回路が形成されても電流が減衰するまでに非常に時間がかかり、その間大電流が常電導部分にも流れ続ける。
さらに、高温超電導コイルは、輸送できる電流密度が高いことから発熱密度も大きい。

つまり、コイル電圧を検知した時点から電流を減衰させても、高温超電導線材の焼損を避けることは極めて困難である。
また、電流供給源に接続した通常の運転では、常電導部分が存在しても、この常電導部分がほとんど広がらないため、その存在に気づかないことも多い。

ところで、冷却手段の故障などによる超電導磁石装置の温度上昇が原因で、運転されている超電導コイルが常電導転移してしまうことがある。
そこで、温度上昇による熱暴走を防止するために、超電導コイルの温度が既定の閾値を超過した場合に電流を低下させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、高温超電導コイルを永久電流スイッチと組み合わせて、高温超電導コイルを永久電流モードで運転することで、温度上昇に対処する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
永久電流モードで運転することで、温度が数十時間かけて緩やかに上昇するとともに電流が緩やかに減衰し、安全に消磁できることは計算で見出されている（非特許文献１）。

さらに、このような消磁現象は、実験によっても検証されている。
温度上昇に伴って超電導状態の超電導コイルが常電導転移する過渡期において、超電導線材のフラックスフロー抵抗が増加する。
フラックスフロー抵抗の増加は、常電導部分の発熱を促進させる一方、永久電流（循環電流）を減衰させることで逆に発熱を抑制する作用もある。

発熱を抑制する作用が促進する作用に比べて大きい場合に、上述の熱暴走に至らない安全な消磁が可能となる。
このような保護方法は、超電導特性を示す温度帯が広い高温超電導コイル特有の消磁方法である。

特開２００８−１６５５４号公報 特開２００６−３３２５５９号公報

Ｔ．Ｔｏｓａｋａ，ｅｔａｌ．："Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ−ｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｅＨＴＳｃｏｉｌｆｏｒｔｈｅＲＴ−１ｐｌａｓｍａｄｅｖｉｃｅ，"ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．１６（２００６）９１０−９１３．

しかしながら、上述した永久電流モードによる従来の技術では、高温超電導線材に流す電流密度が高い場合、常電導部分の発熱が加速してしまう。
また、高温超電導コイルのインダクタンスが大きく永久電流の減衰速度が遅い場合も、この減衰による発熱を抑制する作用が小さく、常電導部分の発熱が加速してしまう。

すなわち、高温超電導コイルの全体が常電導状態へ転移するまでの過渡期において、発熱が加速した場合、常電導部分が焼損してしまうという課題があった。
さらには、この常電導部分の発熱により高温超電導コイルが熱暴走をして、安全に消磁できないおそれがあるという課題もあった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、高温超電導コイルが常電導転移
する際に、高温超電導線材を焼損させることなく安全に消磁させることを可能とする高温
超電導磁石装置および高温超電導磁石消磁方法を提供することを目的とする。

本実施形態にかかる高温超電導磁石装置は、巻回された高温超電導線材からなる高温超
電導コイルと、前記高温超電導コイルに熱的に接触してこの高温超電導コイルを低温に維
持する冷凍手段と、前記高温超電導コイルに並列に接続されてこの高温超電導コイルの運
転モードを永久電流モードに切り替える永久電流スイッチと、巻回されて対向する前記高
温超電導線材の間隙のうち少なくとも一部に、金網状のリボンを前記高温超電導線材と共
巻にして配置され、または導電性のある含浸材によって形成されて、前記高温超電導線材
を電気的に接続する逃し経路と、を備え、前記逃し経路の電気抵抗は、前記高温超電導線
材に臨界電流が流れた場合に前記高温超電導線材に発生する抵抗値より小さな値である１
．０×１０^−６Ω／ｍ以下である。

また、本実施形態にかかる高温超電導磁石消磁方法は、巻回された高温超電導線材から
なる高温超電導コイルを低温に維持するステップと、前記高温超電導コイルの運転モード
を永久電流モードに切り替えるステップと、巻回されて対向する前記高温超電導線材の間
隙のうち少なくとも一部に、前記高温超電導線材に臨界電流が流れた場合にこの高温超電
導線材に発生する抵抗値より小さな値である１．０×１０^−６Ω／ｍ以下の電気抵抗を有
する逃し経路を、金網状のリボンを前記高温超電導線材と共巻にして配置し、または導電
性のある含浸材に含浸することで形成して前記高温超電導線材を電気的に接続するステッ
プと、を含むものである。

本発明により、高温超電導コイルが常電導転移する際に、巻回されて対向する前記高温
超電導線材の間隙に横断電流を発生させて過剰電流が常電導転移部分を迂回させることに
よって、高温超電導線材を焼損させることなく安全に消磁させることを可能とする高温超
電導磁石装置および高温超電導磁石消磁方法が提供される。

各実施形態にかかる高温超電導磁石装置で使用される高温超電導線材（以下、の構成図。 第１実施形態にかかる高温超電導磁石装置の構成を示す概略縦断面図。 第１実施形態にかかる高温超電導磁石装置で使用される高温超電導コイルの概略図である。 （Ａ）は各実施形態の高温超電導コイルで使用可能なシングルパンケーキコイルを示す図、（Ｂ）は各実施形態の高温超電導コイルで使用可能なダブルパンケーキコイルを示す図、（Ｃ）は各実施形態の高温超電導コイルで使用可能なレイヤー巻コイルを示す図。 第１実施形態にかかる高温超電導磁石装置の変形例を示す概略縦断面図。 各々のパンケーキコイルにおける線材幅方向のフラックスフローによる電界強度の分布を示す図。 第１実施形態にかかる高温超電導磁石装置の高温超電導線材の間を横断する横断電流の説明図。 第２実施形態にかかる高温超電導磁石装置の構成を示す概略縦断面図。 第１実施形態にかかる高温超電導磁石装置の使用方法を示すフローチャート。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、各実施形態にかかる高温超電導磁石装置１０（以下、単に「磁石装置１０」という）で使用される高温超電導線材２０（以下、単に「超電導線材２０」という）の構成図である。

超電導線材２０は、例えば図１に示されるように、ステンレスまたは銅などの高強度の金属材質である基板２２と、基板２２の上に形成されて基板２２と超電導層２５の熱収縮の際に起因する熱歪みを防止する中間層２４と、中間層２４を基板２２の上に配向させるマグネシウムなどからなる配向層２３と、中間層２４の上に形成される酸化物でできた超電導層２５と、銀、金または白金などで組成されて超電導層２５に含まれる酸素が超電導層２５から拡散することを防止して超電導層２５を保護する保護層２６と、銅またはアルミニウムなどの良伝導性の金属メッキであり超電導層２５への過剰電流の迂回経路となってクエンチを防止する安定化金属層２１と、から構成される。

ただし、超電導線材２０を構成する層の種類および数はこれに限定されるものではなく、必要に応じて多くても少なくてもよい。

超電導線材２０には、例えば、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀）線材またはＲＥＢＣＯ（（ＲＥ）Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇、ＲＥ：希土類）線材などの銅酸化物線材を用いることができる。
また、ＭｇＢ₂線材も超電導線材２０として好適に用いることができる。

（第１実施形態）
図２は、第１実施形態にかかる磁石装置１０の構成を示す概略縦断面図である。
また、図３は、第１実施形態にかかる磁石装置１０で使用される超電導コイル３０の概略図である。

第１実施形態にかかる磁石装置１０は、図１〜図３に示されるように、巻回された超電導線材２０からなる超電導コイル３０と、超電導コイル３０に熱的に接触してこの超電導コイル３０を低温に維持する冷凍手段１４と、超電導コイル３０に並列に接続されてこの超電導コイル３０の運転モードを永久電流モードに切り替える永久電流スイッチ１２と、巻回されて対向する超電導線材２０の間隙のうち少なくとも一部に配置されて超電導線材２０を電気的に接続する逃し経路１３と、を備える。

超電導コイル３０は、巻回された超電導線材２０（図１）から構成される。
ここで、図４は、各実施形態の超電導コイル３０で使用することができるコイル要素の例を示す図である。

超電導コイル３０のコイル要素は、巻回方法によって、例えば、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示されるように大きく３つに分けられる。

図４（Ａ）は、巻枠３２から同心円状に超電導線材２０を巻回させた、いわゆるシングルパンケーキコイルＳＰ_ｎを示している。
このシングルパンケーキコイルＳＰを単体でまたは複数積層させて超電導コイル３０として使用することができる。
各図では、このシングルパンケーキコイルＳＰを複数積層させたものを超電導コイル３０として記載している。

シングルパンケーキコイルＳＰを積層させて１つの超電導コイル３０とするときは、隣接するシングルパンケーキコイルＳＰを、その最内周または最外周で電気的に接続する必要がある。

なお、積層されるシングルパンケーキコイルＳＰ_ｎ（図３；ｎ＝１，２，…，１２）は、それぞれ絶縁物４６で絶縁処理されており、最内周または最外周でのみ隣接するシングルパンケーキコイルＳＰ_ｎと電気的に接続される。

また、図４（Ｂ）は、同一の超電導線材２０をあたかも２つのシングルパンケーキコイルＳＰ_ｎのように巻回した、いわゆるダブルパンケーキコイルＤＰを示している。
さらに、図４（Ｃ）は、巻枠（図示せず）に沿って、超電導線材２０を中心軸Ｃ方向にずらしながら巻回した、いわゆるレイヤー巻コイルＬＣを示している。
磁石装置１０では、いずれのコイル要素も適用でき、これらのコイル要素の例に限定されない。

なお、ダブルパンケーキコイルＤＰおよびレイヤー巻コイルＬＣのいずれも、図４（Ａ）で示した巻枠３２が設けられることもある。
以下、各実施形態では、図４（Ａ）のシングルパンケーキコイルＳＰ（以下、「パンケーキコイルＰ」と記載する）を用いて説明する。

図２に戻って、磁石装置１０の説明を続ける。
超電導コイル３０は、冷凍手段１４を備える真空容器３３に収容される。
磁石装置１０が、図２に示される伝導冷却方式の場合、冷凍手段１４は、ＧＭ冷凍機またはパルスチューブ型冷凍機などの冷凍機である。

冷凍機１４は、図２に示されるように、例えば２つの冷却ステージ１９（１９ａ，１９
ｂ）を備える二段冷凍機１４ａを使用することができる。
それぞれの冷却ステージ１９（１９ａ，１９ｂ）ごとに、適宜支持体３９で支持される
輻射遮蔽部材３８（３８ａ，３８ｂ）が設けられている。

冷凍機１４の先端に備えられた第２冷却ステージ１９ｂは、第２伝熱板３５ｂを介して超電導コイル３０と熱的に接触している。
一方、第１冷却ステージ１９ａは、第１伝熱板３５ａを介して伝導させて輻射遮蔽部材３８ａに熱的に接触している。

そして、第１冷却ステージ１９ａおよび第２冷却ステージ１９ｂは、それぞれ熱的に接触している輻射遮蔽部材３８ａおよび超電導コイル３０を冷却する。
各々の輻射遮蔽部材３８で外部からの熱輻射による温度上昇を防止する一方で、各々の冷却ステージ１９で冷却することで、超電導コイル３０を想定する温度に冷却する。

輻射遮蔽部材３８は、また、真空容器３３の内部の各部材から超電導コイル３０への熱輻射の局所的な照射を防止することで、超電導コイル３０に温度差が発生することも防止する。
つまり、輻射遮蔽部材３８によって、超電導コイル３０における温度差の発生によって熱暴走が起こることを防止する。

この輻射遮蔽部材３８は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウムと繊維強化プラスチックとを厚さ方向に重ね合わせた材料から構成される。
輻射遮蔽部材３８をアルミニウムで構成する場合、その純度は９９％以上であることが望ましい。

ところで、図５は、第１実施形態にかかる磁石装置１０の変形例を示す概略縦断面図である。
低温超電導コイルを用いた伝導冷却方式の超電導磁石では、冷却温度と冷凍機１４の冷凍能力との観点から、二段冷凍機１４ａを用いる必要があった。

しかし、超電導コイル３０は、上述したように一般的に２０Ｋ程度の高温な温度帯で運転される高温超電導コイルである。
よって、冷凍機１４の冷凍能力を考慮すると、冷凍機１４として、図５に示される冷却ステージ１９を１つ備える単段冷凍機１４ｂを使用することもできる。

単段冷凍機１４ｂを用いることで、磁石装置１０の構造を簡素にすることができる。
以上、熱伝導方式による冷凍手段１４について説明したが、超電導コイル３０を浸漬冷却方式で冷却してもよい。
浸漬冷却方式で冷却する場合、冷凍手段は、例えば液体窒素または液体ヘリウムなどの寒剤となる。

なお、超電導コイル３０は、内側の輻射遮蔽部材３８ｂ（３８）（図２）に、例えばコイル支持部４１を介して設置される。
コイル支持部４１は、樹脂または繊維強化プラスチックなどの熱抵抗の大きい材料が好適に用いられる。
熱抵抗の大きい材料を用いることで、熱伝導によって超電導コイル３０に局所的な温度上昇が発生して、超電導コイル３０に温度差が発生することを防止する。

永久電流スイッチ１２（各図では、「ＰＣＳ１２（Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ−ＣｕｒｒｅｎｔＳｗｉｔｃｈ）」と表記）は、超電導コイル３０に並列に接続されてこの超電導コイル３０の運転モードを永久電流モードに切り替える。

永久電流モードとは、超電導コイル３０に電流を供給する電流供給源４２を含まない閉回路を形成させることで、外部からの電流の供給を受けないで電流を流すモードである。
超電導状態にある超電導コイル３０の抵抗はほとんど０であるので、原理的には、超電導コイル３０に減衰しない永久電流Ｉ_ｏが流れ続けることとなる。

永久電流スイッチ１２には、超電導体の超電導状態と常電導状態とをヒータ加熱で切り替える超電導スイッチや、機械的な接点で切り替える機械式スイッチなどが用いられる。
なお、この永久電流スイッチ１２は、電気抵抗の大小を外部から操作でき、永久電流Ｉ_ｏを減衰させることもできる。

磁石装置１０の運転開始時には、超電導コイル３０を外部の電流供給源４２に接続して、超電導コイル３０に流れる電流量を増加させる。
そして、超電導コイル３０を流れる電流量が定常的になったとき、永久電流スイッチ１２をＯＮにして、超電導コイル３０から電流供給源４２を切り離す。

なお、超電導コイル３０の電流量が定常的になったときに、電流供給源４２を完全に切り離さないまま、永久電流モードで運転させる方法もある。
例えば、冷凍機１４に異常がなく、真空容器３３の内部温度が十分に冷却されている場合にのみ、永久電流Ｉ_ｏの減衰分だけ定期的に電流を供給することもできる。

逃し経路１３は、図３に示されるように、巻回されて対向する超電導線材２０の間隙のうち少なくとも一部に配置されて超電導線材２０を電気的に接続する。
逃し経路１３が配置されていない間隙には、エポキシ樹脂などの絶縁体２８が充填されており、対向する超電導線材２０どうしは、逃し経路１３でのみ電気的に接続される。

ここで、図６は、各々のパンケーキコイルＰ_ｎ（ｎ＝１，２，…，１２）における線材幅方向のフラックスフローによる電界強度の分布を示す図である。
超電導線材２０は第２世代の高温超電導体からなるので、超電導状態となって運転されているときも外部磁場の侵入を許容する。

この磁場は、主に自他のパンケーキコイルＰ_ｎによる発生磁場の総和である。
図６からわかるように、中心軸Ｃに沿った最端部にあるパンケーキコイルＰ_１（Ｐ_１２）が最もフラックスフローが多い。
最端部の近傍でフラックスフローが増加するのは、この近傍では、超電導線材２０の層を垂直に貫通する磁場成分が多いからである。

さらに、図６から、中心軸Ｃに沿って内側に位置するほど、フラックスフローが少なくなることもわかる。
このフラックスフローが少なく磁束ピンニングされているときは、超電導線材２０は超電導状態にある。

しかし、例えば冷凍機１４が故障して超電導コイル３０の温度が上昇すると、このフラックスフローが増加してゆき、局所的な常電導部分が発生する。
そして、この常電導部分が数十分から数日かけて徐々に広がってゆき、超電導コイル３０の全体が常電導状態になる。

常電導状態へ完全に転移する過渡期において、常電導部分の発熱が加速して熱暴走を起こすことがある。
また、熱暴走に至らなくても、常電導部分に大電流が流れ続けて、この常電導部分が焼損することがある。

そこで、図７で示されるように、逃し経路１３を、巻回された超電導線材２０のうち、このような電気的負荷率の高い箇所の間隙に配置して横断電流ｉを発生させる。
図７は、第１実施形態にかかる磁石装置１０の超電導線材２０の間を横断する横断電流ｉの説明図である。

横断電流ｉを発生させることで、超電導線材２０を流れる永久電流Ｉoは、フラックスフロー抵抗が発生した常電導部分を迂回して流れることができる。
このように常電導部分を迂回させることで、超電導線材２０を焼損させることなく永久電流Ｉoを数十分から数日かけて徐々に減衰させることができる。
このように消磁された磁石装置１０は、冷却条件を整え直すことで再度当初の出力能力で磁場を発生させることができる。

ここで、図３および図６を用いて、逃し経路１３の配置の位置について説明する。
巻回された超電導線材２０のインダクタンスの観点から、運転の開始時において、電流は周回しにくい。

よって、超電導線材２０の全ての間隙に逃し経路１３を配置すると、流れ始めた電流の多くは、横断電流ｉとして逃し経路１３を流れる。
つまり、本来の巻数に応じた磁場が発生しづらく、所定の定常電流になるまでに、非常に長い時間がかかる。

そこで、温度上昇とともにより大きなフラックスフロー抵抗、すなわち電気的負荷率が予想される箇所に限定して、部分的に逃し経路１３を配置するのが望ましい。
例えば、上述したように、中心軸Ｃに沿った最端部にあるパンケーキコイルＰ_１（Ｐ_１２）には、温度上昇とともに高い電気的負荷率がかかることが予想される。
さらに、図６より、各々のパンケーキコイルＰ_ｎのうちでは、中腹に巻回された超電導線材２０に大きな電気的負荷率がかかることもわかる。

そこで、例えば、このような電気的負荷率が高い中心軸Ｃに沿った最端部の近傍のパンケーキコイルＰ_ｎ（ｎ＝１〜２，１１〜１２）（図３のＸ部）に逃し経路１３を配置する。
そして、内側のパンケーキコイルＰ_ｎ（ｎ＝３〜１０）（図３のＹ部）は、従来どおり超電導線材２０の間隙が絶縁体２８で絶縁する。

このように逃し経路１３の位置を限定することで、少なくとも、パンケーキコイルＰ_ｎの数の比８／１２に相当する６７％の磁場は維持することができる。
なお、逃し経路１３の配置は、この例に限定されず、例えば、すべてのパンケーキコイルＰ_ｎのすべての超電導線材２０の間隙に配置してもよい。

逃し経路１３は、例えば、超電導線材２０に幅を揃えた板状または金網状のリボンを共巻にし、または導電性のある含浸材に含浸することで、形成される。
逃し経路１３の形状を金網状にすることで、対向する超電導線材２０の接触面積を調整することができる。

逃し経路１３の抵抗値は、少なくとも超電導線材２０に臨界電流が流れた場合にこの超電導線材２０に発生する抵抗値よりは小さい必要がある。
逃し経路１３の抵抗値が大きすぎると、超電導線材２０の一部に大きなフラックスフロー抵抗が発生しても、隣接する超電導線材２０に横断電流ｉが流れることができないからである。

そこで、発生電界が１μＶ／ｃｍである時の電流値を臨界電流値と定義して、逃し経路１３の抵抗値の上限を計算した結果、１ｍあたり１．０×１０^−６Ωとなった。
この計算において、幅が５ｍｍ、１００Ａ程度まで通電できる現状の超電導線材２０を想定した。

なお、逃し経路１３に超電導線材２０と同一の材料を使用、または対向する超電導線材２０を直接接触させることも可能であるので、この抵抗値は０Ωとなることもある。
ただし、この場合、逃し経路１３は、１つのパンケーキコイルＰのうち一部にのみ配置される。

この範囲の抵抗値を有して、可撓性や伝熱性に富む材料として、ステンレスまたは炭素などがあげられる。
この抵抗値は、逃し経路１３の配置される位置に応じて、異なるものとしてもよい。

例えば冷凍機１４が故障した場合、冷凍機１４に接続された伝熱板３５の付近のパンケーキコイルＰ_１などが、電気的負荷率が高くなると予想される。
そこで、このような熱侵入の起こりやすい箇所に低い抵抗値の逃し経路１３を配置して、容易に横断電流ｉが発生するように工夫することができる。

なお、パンケーキコイルＰ_ｎの製作において、巻回しながら逃し経路１３の抵抗値を変化させながら巻回するのは容易ではない。
そこで、１つのパンケーキコイルＰ_ｎの逃し経路１３の抵抗値は同一として、異なる抵抗値の逃し経路１３のパンケーキコイルＰ_ｎで、組み合わせを工夫することが望ましい。

次に、第１実施形態にかかる磁石装置１０の使用方法を図９のフローチャートを用いて説明する（適宜図２および図３を参照）。

まず、冷凍機１４で超電導コイル３０を冷却して低温に維持する（Ｓ１１）。
そして、電流を流して、超電導コイル３０を流れる電流が安定したら、超電導コイル３０の運転モードを永久電流モードに切り替えて運転する（Ｓ１２）。

超電導コイル３０の冷却に異常がなければ（Ｓ１３；ＮＯ）、永久電流Ｉ_ｏは流れ続け、安定的に磁場を発生させる（Ｓ１２へ）。
ただし、現実的には、永久電流Ｉ_ｏはわずかに減衰するので、規定どおり超電導コイル３０が冷却されていることが確保できれば、減衰した分の電流を供給してもよい。

冷凍機１４の故障など冷却に異常がある場合は（Ｓ１３；ＹＥＳ）、フラックスフロー抵抗の増加により、永久電流Ｉ_ｏは数十分から数日かけて徐々に減衰する（Ｓ１４）。
このとき、このフラックスフロー抵抗により、逃し経路１３に横断電流ｉが発生する（Ｓ１５）。
そして、フラックスフロー抵抗が大きい箇所は、隣接する超電導線材２０へ迂回され、このような箇所に大電流が流れることが防止される。

このように、超電導コイル３０の温度上昇とともに、永久電流Ｉ_ｏの減衰と迂回とを繰り返しながら超電導コイル３０は常電導転移する。

以上のように、第１実施形態にかかる磁石装置１０または高温超電導磁石消磁方法によれば、逃し経路１３を備える超電導コイル３０を永久電流モードで運転することによって、局所的な常電導部分の電流を隣接する超電導線材２０に迂回させることができる。

つまり、超電導コイル３０が常電導転移する際に、局所的な常電導部分に大電流が流れ続けることを防止し、超電導線材２０を焼損させることなく、安全に電流を減衰させることができる。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態にかかる磁石装置１０の構成を示す概略縦断面図である。

第２実施形態にかかる磁石装置１０は、図８に示されるように、巻回された超電導線材２０を径方向に熱的に接続して超電導線材２０の温度を均一にする線材均熱部１６を備える。
また、磁石装置１０は、超電導コイル３０で冷却がされづらい難冷箇所および線材均熱部１６にそれぞれ接続されて線材均熱部１６の冷熱を難冷箇所に伝導させるコイル伝導部１７を備える。

線材均熱部１６は、巻回された超電導線材２０を径方向に熱的に接続して超電導線材２０の温度を均一にする。
第１実施形態で述べたように、冷凍機１４の冷却機能の喪失などで真空容器３３が上昇した場合、超電導コイル３０の温度は局所的で不均一に上昇する。
このような温度差は、１つのパンケーキコイルＰ_ｎにおいても、径方向に発生する。

そこで、例えば図８に示されるように、線材均熱部１６を中心軸Ｃに沿った最端部のパンケーキコイルＰ_１（Ｐ_１２）の巻回の側面に配置する。
そして、侵入熱の経路となりうる例えばコイル支持部４１または伝熱板３５などを、線材均熱部１６を介して超電導コイル３０に接続させる。

このように線材均熱部１６を設けることで、外部から熱侵入があった場合および内部で局所的な温度上昇があった場合に、パンケーキコイルＰ_ｎの温度を均一に維持することができる。
なお、線材均熱部１６は、フラックスフロー抵抗で温度上昇した場合にも、発生した熱を隣接する超電導線材２０へ伝導させて、パンケーキコイルＰ_ｎの温度を均一にする。

コイル伝導部１７は、超電導コイル３０で冷却がされづらい難冷箇所および線材均熱部１６にそれぞれ接続されて線材均熱部１６の冷熱を難冷箇所に伝導させる。
例えば超電導コイル３０が複数のパンケーキコイルＰから構成されている場合、冷凍手段１４から離れている内部のパンケーキコイルＰ_ｎ（図３のＹ部）には冷熱および温熱のいずれも伝導されづらい。

そこで、コイル伝導部１７は、その一端を隣接するパンケーキコイルＰの接触面に差し込ませて、Ｙ部のパンケーキコイルＰ_ｎへ線材均熱部１６の冷熱を伝導させる。
このようにコイル伝導部１７を設けることで、超電導コイル３０の全体で温度を均一に維持しながら徐々に上昇させることができる。
同時に、熱を均熱化することで、超電導コイル３０全体の熱容量を利用できるので、局所的で急激な温度上昇を抑制することもできる。

このように超電導コイル３０の温度を均一に維持しながら上昇させることで、超電導コイル３０の臨界電流値を均一に維持しながら減衰させることができる。
すなわち、常電導部分に大電流がながれて、超電導線材２０が焼損することを防止することができる。

第２実施形態によれば、フラックスフロー抵抗による発熱または超電導コイル３０の外部からの熱侵入に対して、超電導コイル３０の全体に熱を分散させることができる。

なお、線材均熱部１６またはコイル伝導部１７で超電導コイル３０の温度を均一に維持すること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第２実施形態にかかる磁石装置１０によれば、第１実施形態の効果に加え、線材均熱部１６およびコイル伝導部１７を備えることで、超電導コイル３０の熱を分散させて、臨界電流値を均一に維持しながら減衰させることができる。

以上のべた少なくとも一つの実施形態の磁石装置１０または高温超電導磁石消磁方法によれば、逃し経路１３を備える超電導コイル３０を永久電流モードで運転することにより、超電導コイル３０が常電導転移する際に、局所的な常電導部分に大電流が流れ続けることを防止し、超電導線材２０を焼損させることなく、安全に電流を減衰させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…高温超電導磁石装置（磁石装置）、１２…永久電流スイッチ、１３…逃し経路、１４…冷凍手段（冷凍機）、１４ａ（１４）…二段冷凍機、１４ｂ（１４）…単段冷凍機、１６…線材均熱部、１７…コイル伝導部、１９（１９ａ，１９ｂ）…冷却ステージ（第１冷却ステージ，第２冷却ステージ）、２０…高温超電導線材（超電導線材）、２１…安定化金属層、２２…基板、２３…配向層、２４…中間層、２５…超電導層、２６…保護層、２８…絶縁体、３０…超電導コイル、３２…巻枠、３３…真空容器、３５（３５ａ，３５ｂ）…伝熱板（第１伝熱板，第２伝熱板）、３８（３８ａ，３８ｂ）…輻射遮蔽部材、３９…支持体、４１…コイル支持部、４２…電流供給源、４６…絶縁物、Ｃ…中心軸、ＤＰ…ダブルパンケーキコイル、Ｉ_ｏ…永久電流、ＳＰ_ｎ（ｎ＝１，２，…，１２）（Ｐ_ｎ）…シングルパンケーキコイル、ＬＣ…レイヤー巻コイル、ｉ…横断電流。

Claims (8)

1. 巻回された高温超電導線材からなる高温超電導コイルと、
   前記高温超電導コイルに熱的に接触してこの高温超電導コイルを低温に維持する冷凍手段
   と、
   前記高温超電導コイルに並列に接続されてこの高温超電導コイルの運転モードを永久電流
   モードに切り替える永久電流スイッチと、
   巻回されて対向する前記高温超電導線材の間隙のうち少なくとも一部に、金網状のリボン
   を前記高温超電導線材と共巻にして配置され、または導電性のある含浸材によって形成さ
   れて、前記高温超電導線材を電気的に接続する逃し経路と、を備え、
   前記逃し経路の電気抵抗は、前記高温超電導線材に臨界電流が流れた場合に前記高温超電
   導線材に発生する抵抗値より小さな値である１．０×１０^−６Ω／ｍ以下であることを特
   徴とする高温超電導磁石装置。
2. 前記逃し経路は、前記高温超電導コイルのうち電気的負荷率の高い箇所の前記間隙に配置
   されることを特徴とする請求項１に記載の高温超電導磁石装置。
3. 前記逃し経路の電気抵抗は、前記電気的負荷率の高さに応じて異なることを特徴とする請
   求項１または請求項２に記載の高温超電導磁石装置。
4. 前記高温超電導コイルは、複数のパンケーキコイルから構成されて、
   各々の前記パンケーキコイルの前記逃し経路の前記電気抵抗は、同一にされることを特徴
   とする請求項３に記載の高温超電導磁石装置。
5. 巻回された前記高温超電導線材を径方向に熱的に接続して前記高温超電導線材の温度を均
   一にする線材均熱部を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１項に記
   載の高温超電導磁石装置。
6. 前記高温超電導コイルで冷却がされづらい難冷箇所および前記線材均熱部にそれぞれ接続
   されて前記線材均熱部の冷熱を前記難冷箇所に伝導させるコイル伝導部を備えることを特
   徴とする請求項５に記載の高温超電導磁石装置。
7. 前記高温超電導コイルは、複数のパンケーキコイルから構成されて、
   前記コイル伝導部は、隣接する前記パンケーキコイルの接触面に差し込まれることを特徴
   とする請求項６に記載の高温超電導磁石装置。
8. 巻回された高温超電導線材からなる高温超電導コイルを低温に維持するステップと、
   前記高温超電導コイルの運転モードを永久電流モードに切り替えるステップと、
   巻回されて対向する前記高温超電導線材の間隙のうち少なくとも一部に、前記高温超電導
   線材に臨界電流が流れた場合にこの高温超電導線材に発生する抵抗値より小さな値である
   １．０×１０^−６Ω／ｍ以下の電気抵抗を有する逃し経路を、
   金網状のリボンを前記高温超電導線材と共巻にして配置し、または導電性のある含浸材に
   含浸することで形成して前記高温超電導線材を電気的に接続するステップと、を含むこと
   を特徴とする高温超電導磁石消磁方法。

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