JP6418957B2 - 永久電流スイッチ及び超電導装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導による永久電流が流れる閉回路を形成する永久電流スイッチ、及びその永久電流スイッチを備える超電導装置に関する。

一般に、ＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置やＮＭＲ（核磁気共鳴）装置など、静磁場を発生させる必要がある装置では、超電導磁石（超電導マグネット）を永久電流モードで運転することで静磁場を発生させる。永久電流モードとは、永久電流によって超電導磁石を励磁することを意味する。永久電流モードで超電導磁石を運転するには、超電導線で構成され、超電導磁石が組み込まれた閉回路に永久電流を流す必要がある。

超電導磁石が組み込まれた閉回路に永久電流を流すには、まず、閉回路を切断し、当該閉回路の一部を構成する超電導磁石に対して外部の電源から電流を供給する。そして、超電導磁石に流れる電流値が定格に達した後に再び閉回路を接続することにより、超電導磁石に供給された電流を超電導線で構成された閉回路に閉じ込める。この閉じ込められた電流が、永久電流として閉回路を流れる。前記閉回路の切断及び接続の切り替えは、閉回路において超電導磁石に接続された永久電流スイッチによって行われる。この永久電流スイッチは、超電導磁石を含む閉回路を構成するのに必要な部材である。永久電流スイッチとしては、熱式、磁気式、機械式などの方式が知られているが、作製が比較的容易であることから、熱式の永久電流スイッチが採用されることが多い。特に、ＭＲＩ装置やＮＭＲ装置のように、超電導磁石が発生させる磁場の均一度が装置の性能を律速するような場合、磁気式ではなく熱式が多用される。

具体的に、熱式の永久電流スイッチは、超電導線とこの超電導線を加熱可能なヒータとを備え、当該ヒータへの通電を制御することにより、超電導線を、超電導状態（スイッチＯＮ状態）と常電導状態（スイッチＯＦＦ状態）との間で切り換える。例えば、ヒータへの通電を停止することにより超電導線を超電導状態（スイッチＯＮ状態）にすれば、超電導磁石が組み込まれた閉回路が形成されるので、外部の電源から供給された電流が閉回路を流れ続けることによって超電導磁石が永久電流モードで励磁される。逆に、ヒータへの通電を行うことにより超電導線を常電導状態（スイッチＯＦＦ状態）にすれば、閉回路が切断されるので、永久電流モードは解消される。

このような永久電流スイッチとして、例えば、特許文献１に示すものが知られている。この永久電流スイッチは、巻枠と、巻枠に巻回された超電導線と、超電導線の周囲に巻回され当該超電導線を加熱するヒータ線と、を備えている。超電導線は、当該超電導線とともに閉回路を形成する超電導コイルに接続されている。この超電導コイル及び巻枠は、冷凍手段（冷凍機及び冷却板）によって伝導冷却される。この永久電流スイッチにおいて、ヒータ線への通電が遮断されると、超電導線は、巻枠を介して冷凍手段によって冷却され、超電導状態（スイッチＯＮ状態）となる。一方、ヒータ線への通電が行われると、超電導線が加熱され、当該超電導線が常電導状態（スイッチＯＦＦ状態）となる。このとき、ヒータ線で生じた熱が巻枠を介して冷凍手段に伝わることにより、冷凍手段の負荷が大きくなることが懸念される。このため、特許文献１に記載の永久電流スイッチでは、巻枠と超電導線との間に断熱材が巻回されている。これにより、超電導線の周囲に巻回されたヒータ線の熱が巻枠を介して冷凍手段に伝わることに起因する冷凍手段の負荷の増大が抑制されている。

特開平１０−１８９３２４号公報

特許文献１に記載の永久電流スイッチでは、巻枠と超電導線との間に断熱材が設けられているので、スイッチＯＦＦ状態にする際の冷凍手段の負荷の増大は抑制されるものの、前記断熱材は、スイッチＯＮ状態にする際における超電導線から巻枠及び冷凍手段への熱伝導、すなわち、超電導線の冷却を阻害する。このため、スイッチＯＦＦ状態からスイッチＯＮ状態とするまでに要する時間が長くなる。

本発明の目的は、スイッチＯＦＦ状態にするときの冷凍手段の負荷の増大を抑制可能で、かつ、スイッチＯＮ状態にするときの超電導線の有効な冷却が可能な永久電流スイッチを提供することである。

前記課題を解決する手段として、本発明は、超電導コイルとともに永久電流が流れる閉回路を構成しかつ当該閉回路を断続可能な永久電流スイッチであって、巻枠と、前記巻枠に巻回されており、前記超電導コイルと接続可能な超電導線と、前記超電導線の温度が当該超電導線が超電導状態から常電導状態となる臨界温度以上となるように当該超電導線を加熱可能な第１ヒータと、前記巻枠、前記超電導線及び前記第１ヒータを密封状態で収容可能な形状を有するとともに、前記超電導線の温度が前記臨界温度以下となるように当該超電導線を冷却するための冷凍手段に接続される筐体と、前記筐体内に封入されており、前記超電導線の臨界温度よりも高い凝固温度を有する動作媒体と、前記動作媒体の温度が前記凝固温度以上となるように当該動作媒体を加熱可能な第２ヒータと、を備え、前記筐体は、前記冷凍手段に対して熱的に接続される底壁と、前記底壁に接続されており当該底壁とともに前記巻枠、前記超電導線及び前記第１ヒータを密封状態で収容する形状を有するとともに、前記巻枠の下端部と前記底壁との熱的な接続を遮断可能な遮断空間が当該巻枠の下端部と当該底壁との間に形成される位置に前記巻枠を支持する支持壁と、を有し、前記動作媒体の量は、当該動作媒体の温度が凝縮温度以下になったときに当該動作媒体が液相の状態で前記遮断空間に溜まり、かつ、当該動作媒体の温度が前記凝固温度以下になったときに前記巻枠の下端部と前記底壁とを熱的に接続するように前記遮断空間を満たす形状を有する固体層を形成するのに十分な量に設定されている、永久電流スイッチを提供する。

本発明では、第１ヒータに通電することにより超電導線が超電導状態（スイッチＯＮ状態）から常電導状態（スイッチＯＦＦ状態）となり、またこのとき、第１ヒータで生じる熱が巻枠を介して遮断空間を満たしている固体層（固相の動作媒体）に伝わるとともに第２ヒータへの通電により当該第２ヒータで生じる熱が固体層に伝わることによって固体層が気化するので、巻枠の下端部と底壁との間に遮断空間が形成される（巻枠の下端部と底壁との熱的な接続が遮断される）。よって、超電導線を超電導状態から常電導状態にするときに、第１ヒータの熱が巻枠の下端部及び底壁を通じて冷凍手段へ伝わることに起因する当該冷凍手段の負荷の増大が抑制される。一方、第１ヒータへの通電及び第２ヒータへの通電を停止することにより、超電導線が超電導状態に至る前（超電導線の温度が臨界温度に至る前）に、動作媒体の温度がその凝縮温度に達して当該動作媒体が遮断空間に液相の状態で溜まり、その後、液相の動作媒体が底壁を介して冷凍手段で冷却されることによって動作媒体の温度が凝固温度に達して当該動作媒体が遮断空間を満たす形状の固体層を形成するので、巻枠の下端部と底壁とが熱的に接続される（固体層を介して巻枠の下端部と底壁との熱伝導が可能となる）。よって、超電導線を常電導状態から超電導状態にするときに、超電導線の熱が巻枠の下端部、固体層及び底壁を通じて冷凍手段へ効果的に伝わるので、換言すれば、超電導線が冷凍手段によって効果的に冷却されるので、超電導線が早期に超電導状態に至る。つまり、本発明では、超電導線を超電導状態から常電導状態にするときは、遮断空間により巻枠の下端部と底壁との熱的な接続が遮断されるので、第１ヒータから冷凍手段への熱伝導が抑制され、逆に、超電導線を常電導状態から超電導状態にするときは、固体層が遮断空間を満たすことによって巻枠の下端部と底壁とが熱的に接続されるので、超電導線から冷凍手段への熱伝導（超電導線の冷却）が促進される。

具体的に、前記支持壁の熱伝導率は、前記固体層の熱伝導率よりも低く設定されていることが好ましい。

このようにすれば、超電導線を常電導状態にするときの冷凍手段の負荷の増大（冷凍手段への入熱）を抑制しながら超電導線を超電導状態にするときに当該超電導線を有効に冷却することが、より確実に達成される。具体的に、超電導線を常電導状態にするときは、遮断空間が形成されるので、第１ヒータで生じた熱は、巻枠、支持壁及び底壁を通じて冷凍手段に伝わる一方、超電導線を超電導状態にするときは、遮断空間が固体層で満たされるので、超電導線の熱は、巻枠、固体層及び底壁を通じて冷凍手段に伝わる。本発明では、支持壁の熱伝導率が固体層のそれよりも低く設定されているため、超電導線を常電導状態にするときの第１ヒータから冷凍手段への熱伝導が有効に抑制され、かつ、超電導線を超電導状態にするときの超電導線から冷凍手段への熱伝導（超電導線の冷却）が効果的に行われる。

この場合において、前記支持壁は、当該支持壁と前記底壁との接触部分の面積を当該接触部分により取り囲まれる面積よりも小さくする形状を有することが好ましい。

このようにすれば、上記効果をより高めることができる。具体的に、支持壁と底壁との接触部分の面積が当該接触部分により取り囲まれる面積（動作媒体と底壁との接触面積）よりも小さいため、超電導線を常電導状態にするときの支持壁から底壁への入熱量を小さくしながら、超電導線を超電導状態にするときの固体層から底壁への入熱量を大きく確保することができる。よって、超電導線を超電導状態にするときの固体層を通じた超電導線の有効な冷却を確保しながら、超電導線を常電導状態にするときの冷凍手段の負荷の増大を一層低減することができる。

また、本発明において、前記支持壁は、前記巻枠の下端部が当該支持壁から離間し、かつ、前記巻枠の上端部が当該支持壁に接触した状態で前記巻枠を支持していることが好ましい。

このようにすれば、巻枠の下端部が支持壁に接触している場合に比べて、超電導線を常電導状態にするときの第１ヒータから冷凍手段への熱伝導が抑制される。具体的に、巻枠の下端部が支持壁から離間し、かつ、巻枠の上端部が支持壁と接触しているため、第１ヒータで発生した熱は、巻枠の上端部及び支持壁を介して底壁に伝わる。つまり、巻枠の下端部が支持壁に接触している場合に比べ、第１ヒータで発生した熱が支持壁を伝わる距離（熱の伝達経路）が長くなるので、第１ヒータから冷凍手段への熱伝導が抑制される。

また、本発明において、前記動作媒体を吸着及び解放することが可能な吸着体と、前記吸着体を加熱する第３ヒータと、をさらに備え、前記吸着体は、当該吸着体の温度が低くなるにしたがって前記動作媒体の吸着量が増大する性質を有する材料により形成されていることが好ましい。

このようにすれば、超電導線を超電導状態にするときに固体層で遮断空間を有効に満たしながら、超電導線を常電導状態にするときにより確実に遮断空間を形成することができる。具体的に、超電導線を常電導状態にするときに吸着体の温度を低下させることにより、第１ヒータ及び第２ヒータへの通電時に気化することによって遮断空間から退避した動作媒体が吸着体に吸着されるので、遮断空間の形成がより確実となる。一方、超電導線を超電導状態にするときは、第３ヒータへ通電することによって吸着体の温度を上昇させることにより、吸着体から解放された動作媒体が遮断空間を満たすので、有効に固体層が形成される。

この場合において、前記筐体の外側に配置され、前記吸着体を収容する吸着体容器と、前記遮断空間と前記吸着体容器内とを連通する連通管と、をさらに備え、前記第３ヒータは、前記吸着体容器に巻回されていることが好ましい。

このようにすれば、超電導線を超電導状態にするときに第３ヒータで生じる熱が筐体に伝わることが抑制されるので、吸着体容器内から連通管を通じて筐体内に流入した動作媒体が固体層を形成するのに要する時間が短縮される。

さらにこの場合において、前記連通管を通じて前記吸着体から前記筐体内に流入する動作媒体を冷却する冷却部をさらに備えることが好ましい。

このようにすれば、連通管を通じて吸着体から筐体内に流入する動作媒体が冷却されるので、遮断空間での固体層の形成に要する時間が短縮される。

また、本発明は、前記永久電流スイッチと、前記超電導コイルと、前記永久電流スイッチ及び前記超電導コイルを収容する収容容器と、前記冷凍手段と、を備える超電導装置であって、前記冷凍手段は、前記収容容器内において前記底壁及び前記超電導コイルを支持する冷却部材と、前記冷却部材及び前記収容容器を冷却する冷凍機と、を有し、前記冷凍機は、前記収容容器を冷却する第１冷却ステージと、前記冷却部材を冷却可能な第２冷却ステージと、を有し、前記第１冷却ステージは、前記第２冷却ステージの冷凍能力よりも大きな冷凍能力を有し、前記筐体の底壁は、前記冷却部材に接続されており、前記吸着体容器は、前記収容容器に接続されている、超電導装置を提供する。

本超電導装置では、吸着体容器が収容容器に接続されており、この収容容器は、相対的に冷凍能力の大きな第１冷却ステージで冷却されるので、吸着体の有効な冷却が可能となる。よって、超電導線を常電導状態とするときに筐体内で気化した動作媒体を効果的に吸着することができる。

この場合において、前記底壁と前記冷却部材との間に設けられた熱抵抗部材をさらに備え、前記熱抵抗部材の熱伝導率は、前記底壁の熱伝導率よりも低く設定されていることが好ましい。

このようにすれば、超電導線を常電導状態にするときに第１ヒータで発生した熱が、支持壁及び底壁を通じて冷却部材に伝わることが抑制されるので、超電導線を常電導状態にするときの冷凍機の負荷の増大（冷凍機への入熱）が抑制される。

また、本発明において、前記吸着体容器と収容容器との間に設けられた他の熱抵抗部材をさらに備え、前記他の熱抵抗部材の熱伝導率は、前記吸着体容器の熱伝導率よりも低く設定されていることが好ましい。

このようにすれば、第３ヒータの通電時に収容容器を介して第１冷却ステージにより吸着体容器が冷却されることが抑制されるため、吸着体がより早期に昇温される。

また、前記動作媒体は、パラ水素、ネオン及び窒素のいずれかであることが好ましい。

以上のように、本発明によれば、スイッチＯＦＦ状態にするときの冷凍手段の負荷の増大を抑制可能で、かつ、スイッチＯＮ状態にするときの超電導線の有効な冷却が可能な永久電流スイッチを提供することができる。

本発明の一実施形態の超電導装置の構成の概略を示す図である。 永久電流スイッチの断面図である。 種々の物質における温度と熱伝導率との関係を示すグラフである。 吸着体の平衡圧力と吸着量との関係を示すグラフである。 連通管の流入側の圧力とコンダクタンスとの関係を示すグラフである。

本発明の一実施形態の超電導装置１０について、図１〜図５を参照しながら説明する。この超電導装置１０は、ＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置やＮＭＲ（核磁気共鳴）装置等に用いられる装置であり、静磁場を発生させるものである。

図１に示されるように、本超電導装置１０は、永久電流スイッチ１と、超電導コイル３と、収容容器２と、真空容器４と、冷凍手段５と、を備えている。

永久電流スイッチ１は、超電導コイル３とともに閉回路（永久電流が流れる回路）を構成する。永久電流スイッチ１は、前記閉回路の断続の切り替えを行う。この永久電流スイッチ１の詳細については後述する。

超電導コイル３は、超電導体（超電導物質）からなる線材を巻回して得られるコイルである。超電導コイル３は、超電導体からなる線材を介して永久電流スイッチ１に接続されており、これにより前記閉回路が形成される。超電導コイル３は、当該超電導コイル３に電流を供給する外部の電源部（図示略）に接続可能に構成されている。超電導コイル３の温度が超電導転移温度（臨界温度）以下の状態であるときに当該超電導コイル３に電流が供給されると、その電流は、いわゆる永久電流として電気抵抗がほぼゼロ０となった超電導コイル３を流れ続ける。超電導コイル３は、この永久電流が引き起こす電磁誘導によって磁場を発生させる。

収容容器２は、永久電流スイッチ１及び超電導コイル３を収容する。本実施形態では、収容容器２は、アルミニウム等の熱伝導性の高い材料により形成されている。

真空容器４は、収容容器２を収容する容器であり、収容容器２よりも一回り大きな形状を有する。真空容器４は、大気圧下において当該真空容器４内を真空状態とすることが可能な強度を有する。本実施形態では、真空容器４は、ステンレス鋼により形成されている。この真空容器４内は、真空状態に維持される。これにより、収容容器２の大気との接触、すなわち、収容容器２外の大気の熱が収容容器２内に進入することが回避される。

冷凍手段５は、収容容器２及び超電導コイル３を冷却する手段である。本実施形態では、冷凍手段５は、冷凍機６と、可撓性熱伝導部材７と、冷却部材８と、を有する。

本実施形態では、冷凍機６として、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機などの極低温冷凍機が用いられている。この冷凍機６は、ロータリーバルブ等を含む駆動部６０と、駆動部６０に接続された第１冷却ステージ６１と、第１冷却ステージ６１に接続された第２冷却ステージ６２と、を有する。

駆動部６０は、真空容器４に接続されている。具体的に、駆動部６０は、真空容器４を貫通する状態で当該真空容器４に保持されている。

第１冷却ステージ６１は、収容容器２に接続されており、当該収容容器２を冷却する。第１冷却ステージ６１は、収容容器２の温度が４０Ｋ程度となるまで当該収容容器２を冷却可能な冷凍能力を有している。

第２冷却ステージ６２は、収容容器２内に配置されている。第２冷却ステージ６２は、可撓性熱伝導部材７を介して冷却部材８に接続されており、当該冷却部材８を冷却する。可撓性熱伝導部材７は、銅等の熱伝導率の高い材料により形成されている。第２冷却ステージ６２は、冷却部材８の温度が４Ｋ程度となるまで当該冷却部材８を冷却可能な冷凍能力を有している。本実施形態では、第１冷却ステージ６１は、第２冷却ステージ６２の冷凍能力よりも大きな冷却能力を有している。

冷却部材８は、銅等の熱伝導率の高い材料により形成されている。本実施形態では、冷却部材８は平板状に形成されている。冷却部材８の一方（図１の下方）の面には超電導コイル３が接続されている。このため、超電導コイル３は、冷却部材８及び可撓性熱伝導部材７を介して第２冷却ステージ６２により冷却される。このため、冷凍機６の駆動により、超電導コイル３の温度は、超電導転移温度以下（例えば４Ｋ）となる。

ここで、永久電流スイッチ１の詳細を説明する。図１及び図２に示されるように、永久電流スイッチ１は、本体部１Ａと、吸着槽１Ｂと、連通管１Ｃと、を有する。本体部１Ａは、冷却部材８に接続されている。吸着槽１Ｂは、収容容器２に接続されている。連通管１Ｃは、本体部１Ａと吸着槽１Ｂとを連通している。

図２に示されるように、本体部１Ａは、巻枠１２と、第１ヒータ２１と、超電導線２５と、筐体３０と、第２ヒータ４２と、動作媒体５０と、を有する。

巻枠１２は、円筒状の胴部１４と、胴部１４の上端に接続された上部フランジ１６と、胴部１４の下端に接続された下部フランジ１８と、を有する。本実施形態では、巻枠１２は、銅により形成されている。また、胴部１４の外径は、１５ｍｍに設定されている。

上部フランジ１６は、胴部１４の上端から胴部１４の径方向の外向きに突出する形状を有する。本実施形態では、上部フランジ１６は、円筒状の外周面を有する。

下部フランジ１８は、胴部１４の下端から胴部１４の径方向の外向きに突出する形状を有する。本実施形態では、下部フランジ１８は、円筒状の外周面を有する。下部フランジ１８の外径は、上部フランジ１６のそれよりも小さく設定されている。

第１ヒータ２１は、コンスタンタン線など、通電により発熱する導電性の線材により形成されている。第１ヒータ２１は、胴部１４に対して無誘電巻でコイル状に巻回されている。第１ヒータ２１は、外部の電源に接続されている。第１ヒータ２１は、超電導線２５の温度が臨界温度（超電導線２５が超電導状態から常電導状態となる温度）以上となるように当該超電導線２５を加熱可能な長さを有している。本実施形態では、第１ヒータ２１は、その両端抵抗が１００Ωに相当する長さに設定されている。

超電導線２５は、ＣｕＮｉ／ＮｂＴｉなどの超電導体の線材により形成されている。超電導線２５は、胴部１４に巻き付けられた第１ヒータ２１の上に重なるように無誘導巻でコイル状に巻き付けられる。ただし、超電導線２５が胴部１４に巻き付けられ、この超電導線２５に重なるように第１ヒータ２１が巻き付けられてもよい。超電導線２５は、超電導体の線材を介して超電導コイル３に接続されている。この超電導線２５は、臨界温度（９Ｋ程度）以下において電気抵抗がほぼゼロ０（超電導状態）となる。本実施形態では、超電導線２５は、室温時の両端抵抗が１００Ωとなる長さに設定されている。

筐体３０は、巻枠１２、超電導線２５及び第１ヒータ２１を密封状態で収容可能な形状を有する。筐体３０は、底壁３２と、巻枠１２を支持する支持壁３４と、を有する。

底壁３２は、冷却部材８に接続されている。本実施形態では、底壁３２は、冷却部材８の上面に熱抵抗部材Ｒｉ１を介して接続されている。底壁３２は、円板状に形成されている。底壁３２は、銅により形成されている。熱抵抗部材Ｒｉ１の熱伝導率は、底壁３２の熱伝導率よりも低く設定されている。

支持壁３４は、底壁３２の上面に接続されており、当該底壁３２とともに巻枠１２、超電導線２５及び第１ヒータ２１を密封状態で収容する形状を有する。支持壁３４は、巻枠１２の下部フランジ１８と底壁３２との熱的な接続を遮断可能な遮断空間が当該下部フランジ１８と当該底壁３２との間に形成される位置に巻枠１２を支持する。具体的に、支持壁３４は、円筒状の側壁３５と、側壁３５の上側の開口を閉塞する上壁３６と、を有する。支持壁３４は、銅よりも熱伝導性の低い材料（本実施形態ではステンレス）により形成されている。

側壁３５は、当該側壁３５の下端部と底壁３２の上面との接触部分の面積を当該接触部分により取り囲まれる面積よりも小さくする形状を有する。本実施形態では、側壁３５の外径は、底壁３２のそれと同じに設定されている。側壁３５の内径は、上部フランジ１６の外径と同じに設定されており、上部フランジ１６の外周面が側壁３５の内周面に接続されている。また、上部フランジ１６の上面は上壁３６の下面に接続されている。下部フランジ１８の外径は上部フランジ１６のそれよりも小さいため、支持壁３４は、上部フランジ１６の外周面が側壁３５の内周面に接触するとともに上部フランジ１６の上面が上壁３６の下面と接触し、かつ、下部フランジ１８の外周面が側壁３５の内周面から離間するとともに下部フランジ１８の下面が底壁３２の上面から上方に離間した状態で巻枠１２を支持している。

第２ヒータ４２は、第１ヒータ２１と同様に、コンスタンタン線など、通電により発熱する導電性の線材により形成されている。第２ヒータ４２は、底壁３２に設けられている。第２ヒータ４２は、前記遮断空間に存在する液相又は固相の動作媒体５０の温度が当該動作媒体５０の凝縮温度以上となるように当該動作媒体５０を加熱可能な長さを有している。

動作媒体５０は、超電導線２５の臨界温度（９Ｋ程度）よりも高い凝固温度を有する媒体である。動作媒体５０は、その温度が凝固温度以下の状態（固相の状態）において高い熱伝導率を示す。本実施形態では、動作媒体５０として、パラ水素が用いられている。ただし、動作媒体５０として、ネオン又は窒素が用いられてもよい。動作媒体５０は、筐体３０内に封入されている。

ここで、図３を参照しながら、動作媒体５０の物性について説明する。図３は、種々の物質の極低温における温度と熱伝導率との関係を示している。なお、図３では、本実施形態の動作媒体５０であるパラ水素の物性については、他の物質によりも太い線で示されている。このパラ水素の熱伝導率は、超電導コイル３の臨界温度（パラ水素の凝固温度よりも低い温度）よりも低い４Ｋ付近において極大値を示し、その値は同じ温度における銅の熱伝導率とほぼ同じの大きさである。この値（固相の動作媒体５０の熱伝導率）は、支持壁３４の熱伝導率よりも大きい。

動作媒体５０は、気相の状態で前記遮断空間（下部フランジ１８と底壁３２との間に形成される空間）からその大部分が退避している一方、液相の状態で前記遮断空間に溜まり、かつ、固相の状態で前記遮断空間を満たす。具体的に、動作媒体５０の量は、当該動作媒体５０の温度が凝縮温度以下になったときに当該動作媒体５０が液相の状態で前記遮断空間に溜まり、かつ、当該動作媒体５０の温度が前記凝固温度以下になったときに下部フランジ１８と底壁３２とを熱的に接続するように前記遮断空間を満たす形状を有する固体層を形成するのに十分な量に設定されている。すなわち、動作媒体５０の温度がその凝固温度（本実施形態では６Ｋ程度）以下となったとき、超電導線２５は、固相の動作媒体５０を介して第２冷却ステージ６２と強固に熱的に接続された状態となる。一方、動作媒体５０の温度がその気化温度以上となったとき、下部フランジ１８と底壁３２との間に遮断空間が形成されるため、下部フランジ１８と底壁３２との熱的な接続が遮断される。

図２に示されるように、吸着槽１Ｂは、吸着体７１と、吸着体容器７２と、第３ヒータ７３と、を有する。

吸着体７１は、動作媒体５０を吸着及び解放することが可能な材料により形成されている。さらに、この材料は、その温度が低くなるにしたがって次第に吸着能力（この材料単位質量当たりに吸着することが可能な動作媒体５０の質量）が増大する性質を有している。具体的に、このような材料としては、数Åサイズの非常に微細な孔を有する多孔性材料（ゼオライト等）が好適である。この多孔性材料は、その孔の中に孔のサイズ以下の分子を吸着させることができる。

図４は、吸着体７１の等温吸着線図の例を示している。図４において、横軸は、吸着体７１と気相の動作媒体５０とが接触した状態において、吸着速度と脱離速度とが平衡に達した際（平衡状態）の動作媒体５０の圧力（平衡圧力）を示し、縦軸は、平衡状態において吸着体７１の単位重量当たりに吸着された気相の動作媒体５０の質量を示している。図４に示されるように、平衡圧力が等しい場合、吸着体７１が吸着可能な気相の動作媒体５０の量は、温度が低いほど上昇する。なお、図４は、平衡状態における気相の動作媒体５０の圧力と吸着体７１による動作媒体５０の吸着量との関係を示したものであり、動作媒体５０の吸着中または解放中の状態を示したものではない。

吸着体容器７２は、筐体３０の外側に配置されており、吸着体７１を収容する形状を有する。具体的に、吸着体容器７２は、吸着体７１を側方から取り囲む円筒状の胴部を有する。吸着体容器７２は、銅により形成されている。図２に示されるように、吸着体容器７２は、収容容器２の内面に熱的に接続されている。このため、冷凍機６の駆動時には、吸着体容器７２は、収容容器２を介して第１冷却ステージ６１により４０Ｋ程度まで冷却される。本実施形態では、吸着体容器７２は、熱抵抗部材Ｒｉ２を介して収容容器２の内面に接続されている。熱抵抗部材Ｒｉ２の熱伝導率は、吸着体容器７２の熱伝導率よりも低く設定されている。

第３ヒータ７３は、第１ヒータ２１及び第２ヒータ４２と同様に、コンスタンタン線など、通電により発熱する導電性の線材により形成されている。第３ヒータ７３は、吸着体容器７２の前記胴部の周囲に巻回されている。第３ヒータ７３は、吸着体７１の温度が当該吸着体７１の吸着能力を著しく低下させる温度（１００Ｋ程度）以上となるように当該吸着体７１を加熱可能な長さを有している。

連通管１Ｃは、筐体３０内と吸着体容器７２内とを連通している。具体的に、連通管１Ｃの一端は、支持壁３４の上壁３６の略中央に接続されており、連通管１Ｃの他端は、吸着体容器７２の下部の略中央に接続されている。これにより、巻枠１２の内側に形成された空間及び連通管１Ｃを介して前記遮断空間と吸着体７１とが連通する。つまり、動作媒体５０の前記遮断空間と吸着体７１との間の移動が可能となる。連通管１Ｃは、ステンレスにより形成されている。

本実施形態では、巻枠１２の内側に形成された空間に冷却部５５が配置されている。冷却部５５は、連通管１Ｃを通じて吸着体７１から筐体３０内に流入する気相の動作媒体５０を冷却する（凝縮させる）。冷却部５５は、多孔質状でかつ銅等の熱伝導性の高い材料により形成されている。冷却部５５は、胴部１４及び上部フランジ１６の内径と同じ外径を有する円柱状に形成されている。冷却部５５は、その外周面が巻枠１２に接し、かつ、その上面が上壁３６の下面に接する状態で巻枠１２内に保持されている。

ここで、連通管１Ｃのコンダクタンス（内部を流体が通過する際の流れやすさ）について説明する。

一般に円形断面を有する直線状の流路のコンダクタンスは、当該流路を通過する流体の圧力と流路の内径との関係により、粘性流領域と分子流領域との２つに分けられる。各領域におけるコンダクタンスは、式（１）及び式（２）で表される。

ここで、ａは流路の内径、Ｌは流路の長さ、（ｐバー）は流路内の気相の流体の平均圧力、ηは流体の粘性、Ｔは気相の流体の絶対温度、Ｒは気体定数、Ｍは気相の流体の分子量である。また、（ｖバー） は、気相の流体分子の平均流速であり、分子量及び温度から決められる。

式（１）は、粘性流領域における算出式であり、式（２）は、分子流領域における算出式である。実際、この２つの領域間には中間的な領域が存在するが、ここでは簡単のため説明を省略する。両式から、粘性流領域におけるコンダクタンスが平均圧力に比例しているのに対し、分子流領域におけるコンダクタンスが流路の内径と温度のみで決まるという特徴を有することが分かる。

粘性流領域と分子流領域との境界は、概ね下記式（３）の基準圧力ｐ_ｃで決定される。気相の流体の圧力が基準圧力ｐ_ｃよりも大きい場合は式（１）が適用される一方、気相の流体の圧力が基準圧力ｐ_ｃよりも小さい場合は式（２）が適用される。

なお、現実の連通管１Ｃには、長手方向に沿って圧力分布及び温度分布が存在するため、上記式（１）〜式（３）を適用することにより単純に流路のコンダクタンスを算出するのは困難であり、温度分布を考慮した積分計算が必要となる。

図５は、連通管１Ｃの内径が１ｍｍであり、連通管１Ｃの長さが０．３ｍである場合におけるコンダクタンスの計算結果の例を示す。図５には、ケース（１）及びケース（２）の２つの例が示されている。ケース（１）は、吸着槽１Ｂから本体部１Ａへ気相の動作媒体５０が流入する場合に相当する。ケース（２）は、本体部１Ａから吸着槽１Ｂへ気相の動作媒体５０が流入する場合に相当する。ケース（１）では、連通管１Ｃの入口温度は１００Ｋ、入口圧力は２．１×１０^４（以下、「×１０^ｎ」を「ｅｎ」と表記する。）Ｐａ、出口温度は１４Ｋ、出口圧力は６．９４ｅ３Ｐａに設定されている。ケース（２）では、連通管１Ｃの入口温度は１４Ｋ、入口圧力は６．９４ｅ３Ｐａ、出口温度は４０Ｋ、出口圧力は３．１ｅ−３Ｐａに設定されている。

ここで、図５を参照しながら、連通管１Ｃにおける気相の動作媒体５０の入口圧力（Ｉｎｌｅｔ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）とコンダクタンス（Ｔｏｔａｌ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）との関係について、例を挙げて説明する。

例えば、ケース（１）において、入口圧力である吸着槽１Ｂの内圧が２．１ｅ４Ｐａ（吸着体７１に動作媒体５０が吸着された状態における吸着体容器７２の内圧）であり、出口圧力である筐体３０の内圧が４．１６ｅ−５Ｐａ（本体部１Ａの温度が４．２Ｋであるときの動作媒体５０の飽和蒸気圧）である場合、図５から、コンダクタンスは５．３ｅ−３ｍ^３／ｓｅｃとなる。なお、出口圧力が図５の設定と異なっているが、入口圧力に対し非常に小さな差であり、影響は無視可能である。一方、例えば、入口圧力が１ｅ−２Ｐａ程度であれば、気相の動作媒体５０は分子流領域にあり、そのコンダクタンスは６．６ｅ−６ｍ^３／ｓｅｃ程度となる。

以上に試算したように、上記２例のコンダクタンスの差は３桁となる。ただし、気相の動作媒体５０の質量移動速度は、入口圧力とコンダクタンスとの積であるから、標準状態（２７３．１５Ｋ）において、先の例（入口圧力が２．１ｅ４Ｐａの場合）の質量移動速度は１．１ｅ２Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃとなり、後の例（入口圧力が１ｅ−２Ｐａの場合）の質量移動速度は６．６ｅ−８Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃとなる。つまり、上記例における質量移動速度の差は、９桁となる。換言すれば、入口圧力が低くなるにしたがってコンダクタンス及び質量移動速度は急激に低下する。この入口圧力と質量移動速度との関係は、永久電流スイッチ１の動作と密接に関係する。

次に、永久電流スイッチ１の動作を説明する。以下、超電導コイル３の温度が室温の状態から、冷凍機６を駆動したときの動作（初期予冷）、永久電流スイッチ１をスイッチＯＮ状態からスイッチＯＦＦ状態に切り替えるスイッチＯＦＦ操作、永久電流スイッチ１をスイッチＯＦＦ状態からスイッチＯＮ状態に切り替えるスイッチＯＮ操作、の順に説明する。

＜初期予冷＞
まず、本体部１Ａ、吸着槽１Ｂ及び連通管１Ｃ内に気相の動作媒体５０が導入され、封止される。

次に、冷凍機６が駆動される。そうすると、第１冷却ステージ６１により収容容器２が冷却され、第２冷却ステージ６２により可撓性熱伝導部材７及び冷却部材８が冷却される。このとき、収容容器２を介した吸着槽１Ｂの冷却が進むにしたがって、筐体３０内の気相の動作媒体５０は連通管１Ｃを通じて吸着体容器７２内に流入し続け、吸着体７１による動作媒体５０の吸着量が増加する。そして、第１冷却ステージ６１の温度が最低到達温度（４０Ｋ程度）に達するとき、気相の動作媒体５０の略全量が吸着体７１に吸着された状態となっている。なお、吸着体７１の動作媒体５０の吸着量は、本体部１Ａ及び吸着槽１Ｂのそれぞれの内表面の面積及び温度により定まる。

その後、第２冷却ステージ６２の冷却に伴って超電導コイル３の温度が臨界温度（９Ｋ程度）に達した時点で第３ヒータ７３が通電される。これにより、吸着体容器７２及び吸着体７１の温度が上昇し、吸着体７１の吸着能力が低下し始める。例えば、吸着体容器７２及び吸着体７１の温度が１００Ｋ程度となるまでこれらが加熱されることにより、吸着体７１の吸着能力が著しく低下する。その結果、吸着体７１に吸着されていた動作媒体５０の大部分が吸着体７１から解放される（気体となって放出される）。なお、第３ヒータ７３への通電は、吸着体容器７２に取り付けられた温度センサＴ３の検出値に基づいて制御される。

ここで、本実施形態では、吸着体容器７２と収容容器２との間に熱抵抗部材Ｒｉ２が介在しているため、第３ヒータ７３の通電時に、収容容器２を介して第１冷却ステージ６１により吸着体容器７２及び吸着体７１が冷却されることが抑制される。よって、吸着体７１が速やかに昇温する。また、第３ヒータ７３が発生する熱に起因して第１冷却ステージ６１の熱負荷が急激に上昇することが抑制される。さらに、第３ヒータ７３は、筐体３０の外に配置されているので、当該第３ヒータ７３から筐体３０への熱伝導が抑制される。

そして、吸着槽１Ｂから放出された気相の動作媒体５０は、連通管１Ｃを通じて本体部１Ａの筐体３０内に流入する。

一方、本体部１Ａにおいては、第１ヒータ２１及び第２ヒータ４２の通電により、巻枠１２の温度及び底壁３２の温度が動作媒体５０の三重点の温度よりもわずかに高い温度（本実施形態では１４Ｋ付近）に維持される。この状態で気相の動作媒体５０が連通管１Ｃを通じて筐体３０内に流入すると、気相の動作媒体５０は、冷却部５５で冷却されることによって凝縮する。つまり、冷却部５５は、動作媒体５０の冷却時間を短縮させる。このようにして液相となった動作媒体５０は、巻枠１２の内側の空間を流下し、前記遮断空間に溜まる。なお、第１ヒータ２１への通電は、上壁３６に取り付けられた温度センサＴ１の検出値に基づいて制御される。ただし、温度センサＴ１は、下部フランジ１８に取り付けられてもよい。また、第２ヒータ４２への通電は、底壁３２に取り付けられた温度センサＴ２の検出値に基づいて制御される。

その後、前記遮断空間が液相の動作媒体５０で満たされた時点、換言すれば、液相の動作媒体５０が底壁３２の上面の全域及び下部フランジ１８の下面の全域と接触した時点で、第１ヒータ２１及び第２ヒータ４２への通電が停止される。そうすると、液相の動作媒体５０の温度は、当該液相の動作媒体５０が底壁３２及び冷却部材８を介して第２冷却ステージ６２により冷却されることによって凝固温度（約１４Ｋ）以下まで下がる。これにより、動作媒体５０は凝固して前記遮断空間を満たす形状を有する固体層（固相の動作媒体５０）を形成する。固相の動作媒体５０は、上述のように非常に高い熱伝導率を有するので、下部フランジ１８と底壁３２とが当該固体層を介して熱的に接続される（固体層を介して下部フランジ１８と底壁３２との熱伝導が可能になる）。このため、超電導線２５は、巻枠１２、固体層（固相の動作媒体５０）及び底壁３２を介して第２冷却ステージ６２により有効に冷却され、その温度が第２冷却ステージ６２の最低到達温度（４．２Ｋ程度）に達する。これにより、超電導線２５は、超電導状態となる。つまり、永久電流スイッチ１がスイッチＯＮ状態となる。なお、このとき、筐体３０内では、動作媒体５０の略全量が固体層を形成しているため、筐体３０の内圧は、４．１６ｅ−５Ｐａ程度となる。

一方、第１ヒータ２１及び第２ヒータ４２への通電の停止時に第３ヒータ７３への通電も停止される。このため、吸着槽１Ｂの温度は、第３ヒータ７３への通電が行われていた時の温度（１００Ｋ程度）から第１冷却ステージ６１の最低到達温度（４０Ｋ程度）となる。これにより、吸着体７１の温度が低下するため、吸着体７１の吸着能力が上昇する。そして、吸着体７１に吸着されている動作媒体５０の質量が減少しているため、このときの平衡圧力は、第３ヒータ７３への通電が行われていた時のそれよりも低下しており、例えば３．９７ｅ−５Ｐａ程度となる。この圧力は、筐体３０の内圧（４．１６ｅ−５Ｐａ程度）よりも低いが、上述のように、入口圧力（筐体３０の内圧）の低下に起因して連通管１Ｃのコンダクタンスが著しく低下しているため、実質的に本体部１Ａから吸着槽１Ｂへの動作媒体５０の流入（逆流）は無視可能である。つまり、吸着槽１Ｂから本体部１Ａに流入した動作媒体５０は、本体部１Ａに固定される。

＜スイッチＯＦＦ操作＞
上記初期予冷が完了した状態では、前記遮断空間が固体層（固相の動作媒体５０）により満たされている。この状態において第１ヒータ２１が通電される。そうすると、超電導線２５の温度が上昇し始め、当該温度は臨界温度以上となる。これにより、超電導線２５は、超電導状態（スイッチＯＮ状態）から常電導状態（スイッチＯＦＦ状態）となる。すなわち、超電導コイル３及び超電導線２５により形成される閉回路が遮断される。

一方、第１ヒータ２１への通電と同時に第２ヒータ４２への通電も行われ、底壁３２の温度が動作媒体５０の三重点の温度よりもわずかに高い温度（本実施形態では１４Ｋ付近）に維持される。これにより、固相の動作媒体５０は、溶解した後に蒸発する。そして、気相の動作媒体５０は、冷却部５５及び連通管１Ｃを通じて吸着槽１Ｂに流入する。このときの連通管１Ｃのコンダクタンスは、１４Ｋ（入口側である筐体３０内の温度）における動作媒体５０の飽和蒸気圧が６．９４ｅ３Ｐａであるため、図５から３．０ｅ−３ｍ^３／ｓｅｃとなる。例えば、本体部１Ａから吸着槽１Ｂへ移動する動作媒体５０の質量が７．７８ｅ−６ｋｇであれば、その移動は０．４２秒で完了する。

そして、連通管１Ｃを経由して吸着槽１Ｂに流入した気相の動作媒体５０は、吸着体７１に吸着される。このとき、吸着体容器７２内の圧力は、吸着体７１の温度と吸着体７１による動作媒体５０の吸着量とで定まる平衡圧力となる。例えば、吸着体７１の質量が５．１３ｅ−６ｋｇであり、最終的な吸着量が１．２ｅ−５ｋｇである場合、平衡圧力は、３．１３ｅ−３Ｐａである。この値は、本体部１Ａの筐体３０の内圧よりも低いため、第２ヒータ４２への通電中、本体部１Ａから吸着槽１Ｂへの動作媒体５０の移動は問題なく継続される。

続いて、本体部１Ａから吸着槽１Ｂへの動作媒体５０の移動が完了した時点（筐体３０内に動作媒体５０がほとんど残っていない状態に達した時点）で第２ヒータ４２への通電が停止される。そうすると、底壁３２の温度は、速やかに第２冷却ステージ６２の温度（４．２Ｋ程度）に達する。底壁３２の温度が４．２Ｋ程度に低下することにより、筐体３０の内圧は、４．２Ｋにおける動作媒体５０の飽和蒸気圧である４．１６ｅ−５Ｐａ程度まで低下する。この値は、吸着体容器７２内の平衡圧３．１３ｅ−３Ｐａよりも低い。つまり本体部１Ａから吸着槽１Ｂに流入した動作媒体５０が逆流しそうに思われるが、上述のように筐体３０の内圧および吸着体容器７２の内圧の低下に起因して連通管１Ｃのコンダクタンスが著しく低下しているため、実質的に吸着槽１Ｂから本体部１Ａへの動作媒体５０の流入（逆流）は無視可能である。つまり、本体部１Ａから吸着槽１Ｂに流入した動作媒体５０は、吸着槽１Ｂに固定される。

そして気相の動作媒体５０が吸着体７１に吸着されるとき、吸着体７１において吸着熱が放出されるが、吸着体容器７２は、収容容器２を介して第１冷却ステージ６１に熱的に接続されているため、前記吸着熱は速やかに取り除かれ、吸着槽１Ｂの温度は略一定に保たれる。

本体部１Ａから吸着槽１Ｂへの動作媒体５０の移動が完了した後も、第１ヒータ２１への通電は継続され、超電導線２５の温度は、臨界温度以上に維持される。これにより、スイッチＯＦＦ操作が完了する。この状態を維持しながら超電導コイル３への通電を行うことにより、安定して励磁操作を行うことができる。

ここで、スイッチＯＦＦ状態では、遮断空間により下部フランジ１８と底壁３２との熱的な接続は遮断されているものの、第１ヒータ２１への通電は継続されるため、第１ヒータ２１で生じた熱は、巻枠１２、支持壁３４及び底壁３２を介して冷却部材８及び第２冷却ステージ６２に流れ続ける。ただし、本実施形態では、下部フランジ１８が支持壁３４から離間しているので、換言すれば、支持壁３４は、下部フランジ１８が側壁３５から離間し、かつ、上部フランジ１６が側壁３５及び上壁３６に接触した状態で巻枠１２を支持しているので、下部フランジ１８が側壁３５に接触している場合に比べ、第１ヒータ２１から冷却部材８への熱伝導が抑制される。具体的に、第１ヒータ２１で発生した熱は、胴部１４、上部フランジ１６、側壁３５及び底壁３２を介して冷却部材８に伝わる。つまり、下部フランジ１８が側壁３５に接触している場合に比べ、第１ヒータ２１で発生した熱が支持壁３４を伝わる距離（熱の伝達経路）が長くなるので、第１ヒータ２１から冷却部材８を介した第２冷却ステージ６２への熱伝導が抑制される。さらに、底壁３２と冷却部材８との間に熱抵抗部材Ｒｉ１が介在しているため、第１ヒータ２１への通電時における第１ヒータ２１から第２冷却ステージ６２への熱伝導（第２冷却ステージ６２の熱負荷の増大）が一層抑制される。例えば、側壁３５の高さＨ１が０．１ｍであり、側壁３５の肉厚ｔ１が１ｍｍであり、熱抵抗部材Ｒｉ１の熱抵抗が１００Ｋ／Ｗである場合、第１ヒータ２１から第２冷却ステージ６２へ流れ込む定常熱流は、９ｍＷとなる。

＜スイッチＯＮ操作＞
スイッチＯＦＦ状態では、遮断空間が形成され、動作媒体５０が吸着体７１に吸着されており、また、第１ヒータ２１への通電が維持された状態となっている。この状態において、第３ヒータ７３が通電される。この通電は、吸着体７１が動作媒体５０のほぼ全量を放出するまで行われる。吸着槽１Ｂから放出された気相の動作媒体５０は、連通管１Ｃを通じて本体部１Ａに流入する。このとき、第２ヒータ４２が通電され、底壁３２の温度が動作媒体５０の三重点の温度よりもわずかに高い温度（１４Ｋ付近）に維持される。これ以降の操作ないし動作媒体５０の挙動は、前記初期予冷のそれと同様である。

以上のように、本実施形態の永久電流スイッチ１では、第１ヒータ２１に通電することにより超電導線２５が超電導状態（スイッチＯＮ状態）から常電導状態（スイッチＯＦＦ状態）となり、またこのとき、第１ヒータ２１で生じる熱が巻枠１２を介して遮断空間を満たしている固体層（固相の動作媒体５０）に伝わるとともに第２ヒータ４２への通電により当該第２ヒータ４２で生じる熱が固体層に伝わることによって固体層が気化するので、下部フランジ１８と底壁３２との間に遮断空間が形成される（下部フランジ１８と底壁３２との熱的な接続が遮断される）。よって、超電導線２５を超電導状態から常電導状態にするときに、第１ヒータ２１の熱が下部フランジ１８及び底壁３２を通じて第２冷却ステージ６２へ伝わることに起因する冷凍機６の負荷の増大が抑制される。一方、第１ヒータ２１への通電及び第２ヒータ４２への通電を停止することにより、超電導線２５が超電導状態に至る前（超電導線２５の温度が臨界温度に至る前）に、動作媒体５０の温度がその凝縮温度に達して当該動作媒体５０が遮断空間に液相の状態で溜まり、その後、液相の動作媒体が底壁３２を介して第２冷却ステージ６２で冷却されることによって動作媒体５０の温度が凝固温度に達して当該動作媒体５０が遮断空間を満たす形状の固体層を形成するので、下部フランジ１８と底壁３２とが熱的に接続される（固体層を介して下部フランジ１８と底壁３２との熱伝導が可能となる）。よって、超電導線２５を常電導状態から超電導状態にするときに、超電導線２５の熱が下部フランジ１８、固体層及び底壁３２を通じて第２冷却ステージ６２へ効果的に伝わるので、換言すれば、超電導線２５が第２冷却ステージ６２によって効果的に冷却されるので、超電導線２５が早期に超電導状態に至る。つまり、本実施形態では、超電導線２５を超電導状態から常電導状態にするときは、遮断空間により下部フランジ１８と底壁３２との熱的な接続が遮断されるので、第１ヒータ２１から冷凍機６への熱伝導が抑制され、逆に、超電導線２５を常電導状態から超電導状態にするときは、固体層が遮断空間を満たすことによって下部フランジ１８と底壁３２とが熱的に接続されるので、超電導線２５から冷凍機６への熱伝導（超電導線２５の冷却）が促進される。

また、本実施形態では、支持壁３４の熱伝導率は、固体層（固相の動作媒体５０）のそれよりも低く設定されているため、超電導線２５を常電導状態にするときの冷凍機６の負荷の増大（冷凍機６への入熱）を抑制しながら超電導線２５を超電導状態にするときに当該超電導線２５を有効に冷却することが、より確実に達成される。具体的に、超電導線２５を常電導状態にするときは、遮断空間が形成されるので、第１ヒータ２１で生じた熱は、巻枠１２、支持壁３４及び底壁３２を通じて冷凍機６に伝わる一方、超電導線２５を超電導状態にするときは、遮断空間が固体層で満たされるので、超電導線２５の熱は、巻枠１２、固体層及び底壁３２を通じて冷凍機６に伝わる。本実施形態では、支持壁３４の熱伝導率が固体層のそれよりも低く設定されているため、超電導線２５を常電導状態にするときの第１ヒータ２１から冷凍機６への熱伝導が有効に抑制され、かつ、超電導線２５を超電導状態にするときの超電導線２５から冷凍機６への熱伝導（超電導線２５の冷却）が効果的に行われる。

さらに、側壁３５は、当該側壁３５と底壁３２との接触部分の面積を当該接触部分により取り囲まれる面積よりも小さくする形状を有している。このため、上記効果がより高まる。具体的に、側壁３５と底壁３２との接触部分の面積が当該接触部分により取り囲まれる面積（動作媒体５０と底壁３２との接触面積）よりも小さいため、超電導線２５を常電導状態にするときの側壁３５から底壁３２への入熱量を小さくしながら、超電導線２５を超電導状態にするときの固体層から底壁３２への入熱量を大きく確保することができる。よって、超電導線２５を超電導状態にするときの固体層を通じた超電導線２５の有効な冷却を確保しながら、超電導線２５を常電導状態にするときの冷凍機６の負荷の増大を一層低減することができる。

また、本超電導装置１０では、吸着体容器７２が収容容器２に接続されており、この収容容器２は、相対的に大きな冷凍能力を有する第１冷却ステージ６１で冷却されるので、吸着体７１の有効な冷却が可能となる。よって、超電導線２５を常電導状態とするときに筐体３０内で気化した動作媒体５０が吸着体７１に効果的に吸着される。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、吸着槽１Ｂ及び連通管１Ｃは、省略されてもよい。ただし、吸着槽１Ｂ及び連通管１Ｃを備えることにより、超電導線２５を超電導状態にするときに固体層で遮断空間を有効に満たしながら、超電導線２５を常電導状態にするときにより確実に遮断空間を形成することができる。具体的に、超電導線２５を常電導状態にするときに吸着体７１の温度を低下させることにより、筐体３０内において気化することによって遮断空間から退避した動作媒体５０が連通管１Ｃを通じて吸着体容器７２内の吸着体７１に吸着されるので、遮断空間の形成がより確実となる。一方、超電導線２５を超電導状態にするときは、第３ヒータ７３へ通電することによって吸着体７１の温度を上昇させることにより、吸着体７１から解放された気相の動作媒体５０が連通管１Ｃを通じて筐体３０内に流入して遮断空間を満たすので、有効に固体層が形成される。

また、連通管１Ｃと支持壁３４との接続箇所は、上壁３６の略中央部に限られない。連通管１Ｃは、側壁３５に接続されてもよい。この場合、巻枠１２の胴部１４は、円柱状に形成されてもよい。

１ 永久電流スイッチ
２ 収容容器
３ 超電導コイル
４ 真空容器
５ 冷凍手段
６ 冷凍機
８ 冷却部材
１０ 超電導装置
１２ 巻枠
１４ 胴部
１６ 上部フランジ
１８ 下部フランジ
２１ 第１ヒータ
２５ 超電導線
３０ 筐体
３２ 底壁
３４ 支持壁
４２ 第２ヒータ
５０ 動作媒体
５５ 冷却部
６１ 第１冷却ステージ
６２ 第２冷却ステージ
７１ 吸着体
７２ 吸着体容器
７３ 第３ヒータ
１Ａ 本体部
１Ｂ 吸着槽
１Ｃ 連通管
Ｒｉ１ 熱抵抗部材
Ｒ１２ 熱抵抗部材

Claims (12)

1. 超電導コイルとともに永久電流が流れる閉回路を構成しかつ当該閉回路を断続可能な永久電流スイッチであって、
   巻枠と、
   前記巻枠に巻回されており、前記超電導コイルと接続可能な超電導線と、
   前記超電導線の温度が当該超電導線が超電導状態から常電導状態となる臨界温度以上となるように当該超電導線を加熱可能な第１ヒータと、
   前記巻枠、前記超電導線及び前記第１ヒータを密封状態で収容可能な形状を有するとともに、前記超電導線の温度が前記臨界温度以下となるように当該超電導線を冷却するための冷凍手段に接続される筐体と、
   前記筐体内に封入されており、前記超電導線の臨界温度よりも高い凝固温度を有する動作媒体と、
   前記動作媒体の温度が前記凝固温度以上となるように当該動作媒体を加熱可能な第２ヒータと、を備え、
   前記筐体は、前記冷凍手段に対して熱的に接続される底壁と、前記底壁に接続されており当該底壁とともに前記巻枠、前記超電導線及び前記第１ヒータを密封状態で収容する形状を有するとともに、前記巻枠の下端部と前記底壁との熱的な接続を遮断可能な遮断空間が当該巻枠の下端部と当該底壁との間に形成される位置に前記巻枠を支持する支持壁と、を有し、
   前記支持壁は、前記巻枠の下端部が当該支持壁から離間し、かつ、前記巻枠の上端部が当該支持壁に接触した状態で前記巻枠を支持しており、
   前記動作媒体の量は、当該動作媒体が液相の状態で前記遮断空間に溜まり、かつ、当該動作媒体の温度が前記凝固温度以下になったときに前記巻枠の下端部と前記底壁とを熱的に接続するように前記遮断空間を満たす形状を有する固体層を形成するのに十分な量に設定されている、永久電流スイッチ。
2. 請求項１に記載の永久電流スイッチにおいて、
   前記支持壁の熱伝導率は、前記固体層の熱伝導率よりも低く設定されている、永久電流スイッチ。
3. 請求項２に記載の永久電流スイッチにおいて、
   前記支持壁は、当該支持壁と前記底壁との接触部分の面積を当該接触部分により取り囲まれる面積よりも小さくする形状を有する、永久電流スイッチ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の永久電流スイッチにおいて、
   前記動作媒体を吸着及び解放することが可能な吸着体と、
   前記吸着体を加熱する第３ヒータと、をさらに備え、
   前記吸着体は、当該吸着体の温度が低くなるにしたがって前記動作媒体の吸着量が増大する性質を有する材料により形成されている、永久電流スイッチ。
5. 超電導コイルとともに永久電流が流れる閉回路を構成しかつ当該閉回路を断続可能な永久電流スイッチであって、
   巻枠と、
   前記巻枠に巻回されており、前記超電導コイルと接続可能な超電導線と、
   前記超電導線の温度が当該超電導線が超電導状態から常電導状態となる臨界温度以上となるように当該超電導線を加熱可能な第１ヒータと、
   前記巻枠、前記超電導線及び前記第１ヒータを密封状態で収容可能な形状を有するとともに、前記超電導線の温度が前記臨界温度以下となるように当該超電導線を冷却するための冷凍手段に接続される筐体と、
   前記筐体内に封入されており、前記超電導線の臨界温度よりも高い凝固温度を有する動作媒体と、
   前記動作媒体の温度が前記凝固温度以上となるように当該動作媒体を加熱可能な第２ヒータと、
   前記動作媒体を吸着及び解放することが可能な吸着体と、
   前記吸着体を加熱する第３ヒータと、を備え、
   前記筐体は、前記冷凍手段に対して熱的に接続される底壁と、前記底壁に接続されており当該底壁とともに前記巻枠、前記超電導線及び前記第１ヒータを密封状態で収容する形状を有するとともに、前記巻枠の下端部と前記底壁との熱的な接続を遮断可能な遮断空間が当該巻枠の下端部と当該底壁との間に形成される位置に前記巻枠を支持する支持壁と、を有し、
   前記動作媒体の量は、当該動作媒体が液相の状態で前記遮断空間に溜まり、かつ、当該動作媒体の温度が前記凝固温度以下になったときに前記巻枠の下端部と前記底壁とを熱的に接続するように前記遮断空間を満たす形状を有する固体層を形成するのに十分な量に設定されており、
   前記吸着体は、当該吸着体の温度が低くなるにしたがって前記動作媒体の吸着量が増大する性質を有する材料により形成されている、永久電流スイッチ。
6. 請求項４又は５に記載の永久電流スイッチにおいて、
   前記筐体の外側に配置され、前記吸着体を収容する吸着体容器と、
   前記遮断空間と前記吸着体容器内とを連通する連通管と、をさらに備え、
   前記第３ヒータは、前記吸着体容器に巻回されている、永久電流スイッチ。
7. 請求項６に記載の永久電流スイッチにおいて、
   前記連通管を通じて前記吸着体から前記筐体内に流入する動作媒体を冷却する冷却部をさらに備える、永久電流スイッチ。
8. 請求項６又は７に記載の永久電流スイッチと、
   前記超電導コイルと、
   前記永久電流スイッチ及び前記超電導コイルを収容する収容容器と、
   前記冷凍手段と、
   を備える超電導装置であって、
   前記冷凍手段は、前記収容容器内において前記底壁及び前記超電導コイルを支持する冷却部材と、前記冷却部材及び前記収容容器を冷却する冷凍機と、を有し、
   前記冷凍機は、前記収容容器を冷却する第１冷却ステージと、前記冷却部材を冷却可能な第２冷却ステージと、を有し、
   前記第１冷却ステージは、前記第２冷却ステージの冷凍能力よりも大きな冷凍能力を有し、
   前記筐体の底壁は、前記冷却部材に接続されており、
   前記吸着体容器は、前記収容容器に接続されている、超電導装置。
9. 請求項８に記載の超電導装置において、
   前記底壁と前記冷却部材との間に設けられた熱抵抗部材をさらに備え、
   前記熱抵抗部材の熱伝導率は、前記底壁の熱伝導率よりも低く設定されている、超電導装置。
10. 請求項８又は９に記載の超電導装置において、
    前記吸着体容器と収容容器との間に設けられた他の熱抵抗部材をさらに備え、
    前記他の熱抵抗部材の熱伝導率は、前記吸着体容器の熱伝導率よりも低く設定されている、超電導装置。
11. 請求項１ないし７のいずれかに記載の永久電流スイッチにおいて、
    前記動作媒体は、パラ水素、ネオン及び窒素のいずれかである、永久電流スイッチ。
12. 請求項８ないし１０のいずれかに記載の超電導装置において、
    前記動作媒体は、パラ水素、ネオン及び窒素のいずれかである、超電導装置。

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