JP6666274B2

JP6666274B2 - 高温超電導永久電流スイッチ及び高温超電導磁石装置

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Publication number: JP6666274B2
Application number: JP2017006724A
Authority: JP
Inventors: 貞憲岩井; 大谷　安見; 安見大谷; 寛史宮崎
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2037-01-18
Also published as: JP2018117042A

Description

本発明の実施形態は、高温超電導永久電流スイッチ及び高温超電導磁石装置に関する。

ＮＭＲ（核磁気共鳴装置）やＭＲＩ（磁気共鳴画像診断装置）等の超電導応用機器で用いられる超電導線材は、超電導状態を維持できる電流密度、温度、磁場のそれぞれについて、いわゆる臨界電流密度、臨界温度、臨界磁場が存在する。

このため、超電導状態、すなわち電気抵抗がほぼゼロの状態においても、超電導線材に無限量の電流を流すことはできない。電流密度、温度および磁場のいずれかが、対応する臨界値を越えると、常電導状態への転移現象、すなわちクエンチが発生する。このようなクエンチによって常電導状態に転移すると、常電導状態への転移箇所において発生するジュール熱によって、超電導コイルは瞬時に熱暴走し、最悪の場合、超電導コイルが焼損に至る危険性がある。

このため、超電導磁石装置においては、クエンチに対して超電導コイルを保護する必要がある。クエンチに対して超電導コイルを保護する技術として、例えば、超電導コイルに並列に保護抵抗を接続する技術が知られている。当該技術では、常電導状態への転移に伴うコイル電圧またはコイル温度の上昇をトリガーとして、励磁電源を緊急遮断する。

そして、励磁電源の遮断後には、超電導コイルおよび保護抵抗によって閉回路が形成されることで、室温部に配置された保護抵抗のジュール発熱によって、超電導コイルに蓄積された磁気的エネルギーが消費される。こうして、常電導状態の超電導コイルに流れる電流を減衰させることができる。

ところで、ＮＭＲやＭＲＩ等の超電導応用機器においては、通常運転時に生成される磁場に高い時間的安定度が求められる。このため、超電導コイルと並列に、永久電流スイッチと呼ばれる電気的なスイッチを接続することがある。永久電流スイッチは、一般的に、超電導線材を基礎的構成要素として含む。永久電流スイッチは、超電導転移温度以下に冷却された状態では、超電導コイルと原理的には電気抵抗がゼロの閉ループを形成するため、電流減衰のない非常に安定した磁場を生成することができる。

このような永久電流スイッチの切り替え（すなわち、オンからオフへの切り替え、あるいは、オフからオンへの切り替え）は、温度変化を利用して行われる。例えば、励磁時（超電導磁石装置を始動させる時）には、別途設けた加熱手段等により永久電流スイッチを常電導転移温度以上に加熱し、永久電流スイッチを高抵抗状態とする。これにより、電流が永久電流スイッチ側に流れることを抑制し、超電導磁石装置の超電導コイルに電流を集中的に供給する。

他方、励磁後（超電導磁石装置の始動後）に、永久電流スイッチと超電導コイルとによって構成される閉ループを用いて超電導磁石装置の通常運転を行う場合には、加熱手段をオフにし、永久電流スイッチをクライオスタット（極低温冷却装置）により冷却することにより、永久電流スイッチを超電導状態に戻せばよい。

上述したように、クエンチに対する超電導コイルの保護手段として、励磁電源を緊急遮断し、室温部に配置した保護抵抗に電流を流すことによって超電導コイルに蓄積されたエネルギーを消費させている。しかしながら、保護抵抗に電流を流すためには、永久電流スイッチを強制的にクエンチさせ、永久電流スイッチの電気抵抗を保護抵抗の電気抵抗よりも大きくし、常電導状態に転移させる必要がある。そのため、永久電流スイッチに対してもクエンチに対する保護が必要となる。

上述した超電導コイルに使用する超電導線材として、例えば、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０線材やＲＥ_１Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７線材といった高温超電導線材が用いられている。これらの高温超電導線材を用いた超電導コイルは、ＮｂＴｉなどの低温超電導線材を用いた超電導コイルに比べ、２０Ｋ〜５０Ｋ（ケルビン）といった高い温度でも臨界電流密度は高いため、高電流密度運転が可能となり、コイルの小型化を図ることができる。

また、永久電流スイッチに用いられる超電導線材としては、通常運転時に超電導コイルと同じ運転温度で作動するように設計した方が、冷却構造、運転制御がより簡素化するため、超電導コイルと同じ高温超電導線材を用いることが好ましい。

しかしながら、永久電流スイッチに高温超電導線材を用いる場合、２０Ｋ〜５０Ｋの温度範囲において高温超電導線材の比熱は大きいため、クエンチの起点となる常電導転移領域の拡大が遅く、また、高温超電導線材には、高電流密度の電流が流れているため、常電導転移に伴い、数ミリ秒から数秒のオーダーで高温超電導線材が瞬間的に焼損してしまい、クエンチの検知後に遮断しても保護抵抗によるエネルギー回収が間に合わないという問題があった。
そのため、高温超電導線材と一緒にヒーター線を共巻することで、永久電流スイッチ内部の高温超電導線材を均一かつ迅速に温度上昇させる手段が提案されている。

図８（ａ）、（ｂ）は、従来の超電導線材と共にヒーター線を共巻した２層のパンケーキコイル６０ａ、６０ｂからなる永久電流スイッチ６０の構成例で、各パンケーキコイル６０ａ、６０ｂは、高温超電導線材１と、テープ状のヒーター線材８と、高温超電導線材１とヒーター線材８の間に配置された絶縁テープ５５とが、巻枠１０の周囲に共巻されている。

特開２００４−０３９５９１号公報特開２０１６−０５１８３３号公報

ところで、従来の超電導コイルにおいて、高温超電導線材とヒーター線材を共巻する場合、高温超電導線材とヒーター線材との間の絶縁のために絶縁テープも共巻する必要がある。しかしながら、絶縁テープは超電導線材やヒーター線よりも熱拡散が悪いため、絶縁テープの厚みを可能な限り薄くする必要があるが、高温超電導線材、絶縁テープ及びヒーター線材を共巻していく際に、絶縁テープには張力が作用するため、絶縁テープの厚みが薄すぎると絶縁テープが損傷する可能性がある。

したがって、巻回する際の絶縁テープの損傷を防止するためには、絶縁テープの厚みを数１０μｍ以上にする必要があるが、その厚みのために、仮に永久電流スイッチ内部の高温超電導線材が全て均一に温度上昇したとしても、クエンチ時のジュール発熱が十分拡散されず、保護抵抗によるエネルギーを回収している間に永久電流スイッチが熱暴走してしまい、焼損を防止できなくなるという課題があった。

本発明に係る実施形態は、上記課題を解決するためになされたもので、高温超電導永久電流スイッチがクエンチした場合でも、高温超電導永久電流スイッチの熱暴走を抑制し、高温超電導線材の焼損を防止することができる高温超電導永久電流スイッチおよび高温超電導磁石装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る高温超電導永久電流スイッチは、高温超電導線材とヒーター線材とが共巻された共巻コイルを有する高温超電導永久電流スイッチであって、前記ヒーター線材の周囲を第１絶縁材からなる絶縁層で被覆するとともに、当該絶縁層の厚みを前記高温超電導線材が許容最高温度に達しない温度浸透厚さ以下としたことを特徴とする。
また、本発明の実施形態に係る高温超電導永久電流スイッチは、高温超電導線材とヒーター線材とが共巻された共巻コイルを有する高温超電導永久電流スイッチであって、前記ヒーター線材の周囲を第１絶縁材からなる絶縁層で被覆するとともに、当該第１絶縁材に高熱伝導性物質を含有させたことを特徴とする。

また、本発明の実施形態に係る高温超電導磁石装置は、本発明の実施形態に係る高温超電導永久電流スイッチに並列に接続された高温超電導コイルと、前記超電導コイルに接続された励磁電源及び保護抵抗を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、高温超電導永久電流スイッチがクエンチした場合でも、高温超電導永久電流スイッチの熱暴走を抑制し、高温超電導線材の焼損を防止することができる。

第１の実施形態に係る高温超電導線材の切欠き断面図。第１の実施形態に係る高温超電導永久電流スイッチの模式図。第１の実施形態に係る共巻コイルの部分断面図。第２の実施形態に係る共巻コイルの部分断面図。第３の実施形態に係る共巻コイルの部分断面図。第４の実施形態に係る高温超電導磁石装置の構成図。第５の実施形態に係る高温超電導磁石装置の構成図。（ａ）は従来の高温超電導永久電流スイッチの模式図、（ｂ）はその共巻コイルの部分断面図。

以下、本発明に係る高温超電導永久電流スイッチ及び高温超電導磁石装置の実施形態にについて、図面を参照して説明する。
なお、以下の説明において、同一又は類似の構成には同じ符号を付し、重複説明を省略する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る高温超電導永久電流スイッチについて、図１〜図３を用いて説明する。

（高温超電導線材）
まず、本実施形態に係る高温超電導線材１について説明する。
高温超電導線材１は、複数の層からなる薄膜状（テープ状）の積層体からなり、その厚さＤ１は、例えば約０．１ｍｍ〜０．２ｍｍであり、幅Ｗ１は、例えば約４ｍｍ〜１２ｍｍである。

高温超電導線材１は、図１に示すように、基層２と、配向層６と、中間層３と、超電導層４と、保護層７と、を有し、これらの層は、その両面が安定化層５によって被覆されている。
なお、図１の例では、基層２と中間層３との間に配向層６が配置されているが、配向層６は適宜省略してもよい。また、安定化層５も片面のみでもよいし、省略してもよい。

基層２は、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）等のニッケル合金、あるいは、銀合金等を含む金属材料から構成される。
中間層３は拡散防止層であり、基層２中の材料が、超電導層４中に拡散するのを防止する。中間層３の材質は、例えば、酸化セリウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、または、バリウムジルコニア等からなり、基層２上に直接形成されている。

超電導層４は、例えば、ＲＥ１２３系の組成（ＲＥ_１Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７等）を有する超電導体薄膜からなる。なお、「ＲＥ_１Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_７」中の「ＲＥ」は希土類元素（例えば、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、または、サマリウム（Ｓｍ）等）およびイットリウム元素のうちの少なくとも１つを意味する。また、「Ｂ」はバリウム（Ｂａ）を意味し、「Ｃ」は銅（Ｃｕ）を意味し、「Ｏ」は酸素（Ｏ）を意味している。図１の例では、超電導層４は、中間層３上に直接形成されている。

安定化層５は、超電導層４に過剰に電流が流れた場合に超電導層４が燃焼（焼損）するのを防止する目的で設けられる。このため安定化層５は、高導電性材料によって構成される。安定化層５は、例えば、導電性を有する銅、または、銀を含む。図１の例では、安定化層５は、保護層７を介して超電導層４上に形成されているが、超電導層４上に直接形成してもよい。また、図１の例では、下側の安定化層５は、基層２の下面に接触配置されている。

配向層６は、配向層を介して基層２上に中間層３を配向させて形成する（成膜する）目的で設けられる。配向層６は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等からなる。なお、基層２が配向した基層である場合には、配向層６を省略することが可能である。

保護層７は、超電導層４が空気中の水分に触れて劣化するのを防止する等の目的で設けられる。保護層７は銀等からなる。なお、保護層７は、超電導層４に過剰に電流が流れた場合に、超電導層４が燃焼（焼損）するのを防止する機能も有する。

図１に示す例では、高温超電導線材１の幅Ｗ１は４．０ｍｍであり、厚さＤ１は０．１ｍｍであるが、これに限定されず、幅Ｗ１は例えば４ｍｍ〜１２ｍｍ程度であってもよく、厚さＤ１は０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度であってもよい。なお、高温超電導線材１は積層体であるため、長手方向の機械強度が高い一方、厚さ方向の引張応力（剥離応力）には脆弱である。
また、高温超電導線材１の周囲をポリエステル、ポリウレタン、ポリイミド、ポリイミドアミド等の絶縁材で被覆し、絶縁被覆付き高温超電導線材としてもよい。

（高温超電導永久電流スイッチ）
第１の実施形態における高温超電導永久電流スイッチ５０は、図３に示すように、高温超電導線材１、テープ状のヒーター線材８、及び高温超電導線材１とヒーター線材８との電気的絶縁を確保するための第１絶縁材９が共巻された共巻コイル１１ａ、１１ｂから構成される。

第１絶縁材９は、例えば、ポリビニルホルマール、ポリビニルブチラール、ポリイミドアミド、ポリイミド、フッ素樹脂等の電気絶縁樹脂等からなり、塗布等によりヒーター線材８に被覆されるか、ヒーター線材８を電気絶縁樹脂中に含浸させることにより被覆される。なお、第１絶縁材９を接着剤によりヒーター線材８に接着被覆させるようにしてもよい。この第１絶縁材９の厚みは、１０μｍ以下とすることが好ましい。

第１絶縁材９で被覆されたヒーター線材８と高温超電導線材１を、互いに重ね合わされた状態で巻枠１０の周囲に巻回すると、図２に示すように、共巻コイル１１が形成される。この共巻コイル１１の全体形状が平板形状である場合には、パンケーキコイルとも呼ばれる。なお、図２に示す例では、高温超電導永久電流スイッチ５０は２層のパンケーキコイル状の共巻コイル１１ａ、１１ｂから構成されている。
巻枠１０は、例えば、ガラス繊維強化プラスチック、補強型ＰＴＦＥ（補強型ポリテトラフルオロエチレン）、又は絶縁被覆された金属等によって構成される。

ヒーター線材８の材質としては、電気抵抗が比較的高い金属材料が好ましく、例えば、ステンレス銅合金、ニッケルクロム合金、鉄クロム合金、マンガンニン（登録商標）等が用いられる。このヒーター線材８に電流を流すことにより、高温超電導線材１を加熱することが可能である。高温超電導線材１の温度が常電導転移温度を超えると、高温超電導線材１は、超電導状態から常電導状態に転移する。

このように第１絶縁材９をヒーター線材８に密着被覆したことで、第１絶縁材９によって被覆されたヒーター線材８に引っ張り張力（例えば、巻枠１０にヒーター線材８を巻き付けることにより生じる張力）が作用した場合、当該引っ張り張力は、ヒーター線材８によって支持されるため、第１絶縁材９が破断するおそれはない。

また、本第１の実施形態では、第１絶縁材９によって被覆されたヒーター線材８と高温超電導線材１との間隙Ｇに、エポキシ樹脂等からなる電気絶縁材（以下、「第２絶縁材」という）２０を充填するようにしてもよい。第２絶縁材２０は、例えば、共巻コイル１１の全体又は一部を、エポキシ樹脂中に含浸させるか、又は必要部分をエポキシ樹脂で塗布することで形成される。

したがって、高温超電導線材１とヒーター線材８とは、所定の厚みを有する第１絶縁材９と第２絶縁材２０を介して隣接することになる。この第１絶縁材９と第２絶縁材２０を合わせて絶縁層３０ともいうが、さらに、第１絶縁材９のみを絶縁層３０という場合もある。

図２に示す例では、２つのシングルパンケーキコイルからなる共巻コイル１１ａ、１１ｂが示されている。一方の共巻コイル１１ａと、他方の共巻コイル１１ｂとは、中心軸Ｃに沿って積層されており、コイル最内周もしくは最外周で電気的に接続されている。また、各共巻コイル１１ａ、１１ｂの間に、コイル間絶縁層を設けてもよい（図示せず）。

さらに、共巻コイル１１ａと共巻コイル１１ｂを、コイル最内周を起点とした際の巻方向が同方向となるように巻回することによって、共巻コイル１１ａにおいて発生するインダクタンスと、共巻コイル１１ｂにおいて発生するインダクタンスとを互いにキャンセルすることが可能となり、高温超電導永久電流スイッチに不要な誘導電圧が発生するのを抑制することができる。
なお、各共巻コイル１１ａ、１１ｂの外周面及び／又は側面に、温度を均一化するための無酸素銅または高純度アルミニウム等の高熱伝導部材（例えば、高熱伝導板材）を配置してもよい。

（作用）
上述したように、第１絶縁材９をヒーター線材８に密着被覆したことで、従来の絶縁テープ線を共巻する場合と比較して、第１絶縁材９を含む絶縁層３０の厚さを薄くすることができる。これにより高温超電導永久電流スイッチ５０を強制的にクエンチさせた場合でも、ジュール発熱はより短時間で隣接する高温超電導線材１又はヒーター線材８に拡散することができるので熱暴走を抑制することが可能となる。

（効果）
以上説明したように、本第１の実施形態によれば、第１絶縁材９をヒーター線材８に密着被覆したことで、第１絶縁材を破損することなく巻回することができる。これにより第１絶縁材９を含む絶縁層３０の厚さを薄く形成することが可能となるため、高温超電導永久電流スイッチ５０を強制クエンチさせ、高温超電導線材１を常電導状態に転移させる場合、高温超電導線材１から発生するジュール発熱は、より短時間で隣接する高温超電導線材１又は隣接するヒーター線材８に拡散することが可能となる。その結果、高温超電導永久電流スイッチ５０の熱暴走を、より確実に防止することが可能となる。

なお、第１の実施形態では、ヒーター線材８を第１絶縁材９によって絶縁被覆する例を説明したが、ヒーター線材８に絶縁被覆する代わりに、高温超電導線材１を第１絶縁材９によって絶縁被覆してもよい。
また、第１の実施形態では、共巻コイル１１間のインダクタンスを互いにキャンセルするために、２つの共巻コイル１１ａ、１１ｂを積層する例について説明したが、これに限定されず、共巻コイルの数を、４、６、８等、２以上の偶数としてもよい。

また、第１の実施形態では、各共巻コイル１１ａ、１１ｂがシングルパンケーキコイルである例について説明したが、１つの共巻コイルをダブルパンケーキコイルとしてもよい。ダブルパンケーキコイルは、積層状態の２層のコイルが、一度に作られたコイルである。ダブルパンケーキコイルにおいては、最内周部に、別途、電気接続部材を配置する必要がない。

また、第１の実施形態では、高温超電導線材１とヒーター線材８とが、渦巻き状に共巻される例を説明したが、高温超電導線材１とヒーター線材８とを螺旋状に共巻するいわゆるレイヤー巻によって巻回してもよい。
さらに、第１の実施形態では、高温超電導永久電流スイッチ５０の形状が円板形状である例について説明したが、レーストラック型、鞍型、楕円型等のように非円形形状であってもよく、さらに任意の３次元形状であってもよい。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る高温超電導永久電流スイッチについて、図４を用いて説明する。
本第２の実施形態では、高温超電導線材１とヒーター線材８との間に配置された絶縁層３０の層厚Ｔｈを、温度浸透厚さδ以下になるように設定することを特徴とする。

なお、図４に示す例では、説明の便宜上、共巻コイル１１における一巻きの高温超電導線材１及びヒーター線材８と、その間の絶縁層３０のみを図示し、かつ絶縁層３０が第１絶縁材９のみからなる例について説明する。なお、絶縁層３０は第１絶縁材９と第２絶縁材２０によって構成されてもよい。その場合、絶縁層３０全体の層厚Ｔｈは、第１絶縁材９の層厚に第２絶縁材２０の層厚を加算したものとなる。

第２の実施形態では、高温超電導線材１が常電導転移温度から許容最高温度に達するまでの時間をｔ、絶縁層３０の熱拡散係数をａとしたとき、層厚Ｔｈを、下記の式２で求められる温度浸透厚さδ以下、すなわち√( １２ k t / (ρc) )以下に設定する。

（温度浸透厚さδ）
常電導転移温度は高温超電導線材１の材料に依存するが、許容最高温度は少なくとも高温超電導線材１又は共巻コイル１１が損傷しない温度に設定される。また、熱拡散係数ａ (ｍ^２／ｓｅｃ)は、絶縁層３０を構成する材料の物性値から決定される熱伝導率ｋ(Ｗ／(ｍ・Ｋ))、比重ρ(ｋｇ／ｍ^３)、及び比熱ｃ (Ｊ／(ｋｇ・Ｋ))に基づいて、下記式１により求められる。
ａ = ｋ／(ρｃ) ・・・（式１）

したがって、温度浸透厚さδ (ｍｍ)は、式２のように表すことができる。
δ ＝ √(１２ｋｔ／(ρｃ) ) ＝ √(１２ａｔ) ・・・（式２）

なお、許容最高温度は、焼損を防止するため共巻コイル１１を構成する材料の最も低い融点以下、共巻コイル１１を構成する材料に許容される熱応力から許容される最高温度以下、又は復旧後の再冷却時間から許容される最高温度以下に設定するか、あるいはこれらの温度のうち、最も低い温度を許容最高温度として採用することが好ましい。例えば、最高許容温度を、室温相当の３００Ｋ以下に設定すれば、少なくとも巻線部を構成する全ての材料の融点以下とすることができる。

また、絶縁層３０の中に熱拡散係数が異なる複数の電気絶縁材料が含まれる場合、最も熱拡散係数の小さな材料の熱拡散係数を用いて温度浸透厚さδを求めるようにしてもよい。

（作用）
一例として、通常運転時の電流値が２００Ａ、常電導転移温度が５０Ｋ、高温超電導線材１の幅が４ｍｍであり、高温超電導線材１を構成する層として安定化層が含まれておらず、また、保護層７の厚さが２μｍである場合を想定する。

この場合、常電導部材である保護層７の断面積は、４ｍｍに２μｍを乗じることにより得られる８×１０^−９ｍ^２となる。よって、保護層７を流れる電流の密度は、２５０００ＭＡ／ｍ^２となる。そして、保護層７の材質が銀である場合には、保護層におけるジュール熱の発熱密度ｑは約８ＴＷ／ｍ^３となる。

高温超電導線材１およびヒーター線材８のほとんどは、金属材料によって構成されているため、高温超電導線材１およびヒーター線材８における熱拡散は、絶縁層３０における熱拡散と比べて十分に速い。したがって、熱拡散において考慮すべき層は絶縁層３０である。

絶縁層３０の材質が、例えばエポキシ樹脂であり、エポキシ樹脂の比熱ｃを９００Ｊ／(ｋｇ・Ｋ)、比重ρを１４００ｋｇ／ｍ^３とすると、下記式３から、時間ｔ秒後の高温超電導線材１の温度Ｔ’が求まる。
Ｔ’＝５０＋ｑｔ／ (ρc) …（式３）

すなわち、高温超電導線材１が許容最高温度３００Ｋまで上昇するのに要する時間ｔは、約０．０４ミリ秒となる。
そして、上述の式２に、エポキシ樹脂の熱伝導率（例えば、０．１８Ｗ／(ｍ・Ｋ)）と、時間ｔ、比熱ｃ、比重ρの値を代入すると、０．０４ミリ秒後の温度浸透厚さδ（＝８μｍ）が得られる。

よって、本例では絶縁層３０の厚さを８μｍ以下とするのが好ましい。絶縁層３０の厚さを８μｍ以下とすることにより、高温超電導線材１の温度が許容最高温度３００Ｋに達する前に、高温超電導線材１の熱が、隣接するヒーター線材８または隣接する高温超電導線材１に到達する。

（効果）
第２の実施形態によれば、高温超電導線材１とヒーター線材８との間に配置された絶縁層３０の層厚Ｔｈを、許容最高温度に到達しないような温度浸透厚さδ以下になるように設定することで、高温超電導永久電流スイッチを強制クエンチさせても、高温超電導線材１の温度が許容最高温度に達しない。すなわち、高温超電導線材１の温度が許容最高温度に達する前に、高温超電導線材１の熱が、隣接するヒーター線材８又は高温超電導線材１に到達するため、高温超電導永久電流スイッチ全体にジュール発熱を拡散させることができる。これにより、高温超電導線材１に局所的に熱がこもって、高温超電導線材１が熱暴走したり焼損したりするのを未然に防止することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る高温超電導永久電流スイッチ５０について、図５を用いて説明する。
本第３の実施形態では、図５に示すように、高温超電導線材１とヒーター線材８との間に配置される絶縁層３０に、例えば粒子状の高熱伝導性セラミックス、高熱伝導性プラスチック及び高熱伝導性有機化合物のうちの少なくとも１つからなる粒子状の高熱伝導性物質３１を含有させる構成としている。

なお、図５に示す例では、説明の便宜上、共巻コイル１１における一巻きの高温超電導線材１及びヒーター線材８と、その間の絶縁層３０のみを図示し、かつ絶縁層３０が第１絶縁材９と第２絶縁材２０によって構成される例について説明する。なお、絶縁層３０の層厚Ｔｈは、第１絶縁材９の層厚に第２絶縁材２０の層厚を加算したものとなる。また、絶縁層３０は第１絶縁材９のみによって構成されてもよく、その場合は絶縁層３０の層厚Ｔｈは第１絶縁層材の層厚になる。

粒子状の高熱伝導性物質３１は、絶縁層３０を構成する主材料よりも熱伝導率が高いものが用いられる。これにより絶縁層３０の熱伝導率が向上する。高熱伝導性物質３１の形状は粒子状に限らず、例えば、粉末形状（略球形状）、フレーク形状（扁平形状）、繊維形状（細長形状）又はそれらの組み合わせであってもよい。
また、高熱伝導性物質３１は、第１絶縁材９及び第２絶縁材２０のうちのいずれか一方又は両方に含まれていてもよい。

（作用）
第３の実施形態では、絶縁層３０の中に、複数の粒子状の高熱伝導性物質３１を含有させることにより、絶縁層３０の熱伝導率を向上させることができる。

（効果）
第３の実施形態によれば、絶縁層３０に高熱伝導性物質３１を含有させることで、熱拡散係数を高くすることが可能となるため、高温超電導永久電流スイッチを強制クエンチさせても、ジュール発熱をより短時間で隣接するヒーター線材８または隣接する高温超電導線材１に拡散させることができる。したがって、第３の実施形態では、第１の実施形態または第２の実施形態と比較して、高温超電導永久電流スイッチの熱暴走をより短時間で抑制することが可能である。

［第４の実施形態］
第４の実施形態における高温超電導磁石装置７０について、図６を用いて説明する。
第４の実施形態における高温超電導磁石装置７０は、高温超電導永久電流スイッチ５０と、有限のインダクタンスを有し磁場を発生する高温超電導コイル４０と、励磁電源４２と、高温超電導コイル４０を保護する保護抵抗４４とを備える。高温超電導永久電流スイッチ５０は、上述の第１乃至第３の実施形態のいずれかにおける高温超電導永久電流スイッチによって構成される。

図６に示す例では、高温超電導コイル４０と高温超電導永久電流スイッチ５０は、極低温冷却装置（クライオスタット）９０内に配置され、励磁電源４２および保護抵抗４４は温度が高い常温部（室温部）内に配置されている。

また、高温超電導永久電流スイッチ５０と高温超電導コイル４０とは電気的に並列接続され、また、高温超電導永久電流スイッチ５０と保護抵抗４４とは電気的に並列接続されている。

なお、図６に示す例では、高温超電導コイル４０と電気的に並列接続される高温超電導永久電流スイッチ５０の数は１個であるが、２個以上であってもよい。また、高温超電導コイル４０の数も２個以上としてもよい。

本第４の実施形態によれば、高温超電導永久電流スイッチ５０として上述した第１乃至第３の実施形態の高温超電導永久電流スイッチを用いたことで、高温超電導永久電流スイッチ５０のクエンチ時における高温超電導永久電流スイッチ５０の熱暴走を確実に防止することが可能となる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る高温超電導磁石装置７０について、図７を用いて説明する。
第５の実施形態では、電気的特性が異なる２つの高温超電導永久電流スイッチ５０ａ、５０ｂが、高温超電導コイル４０と電気的に並列接続されている点で、第４の実施形態と異なる。その他の点では第４の実施形態と同様である。

第５の実施形態における高温超電導磁石装置７０の高温超電導永久電流スイッチ５０は、図７に示すように、直列に接続された電気的特性が異なる２つの高温超電導永久電流スイッチ５０ａ、５０ｂから構成される。
２つの高温超電導永久電流スイッチ５０ａ、５０ｂは、高温超電導線材１における安定化層の有無又は厚さが異なっている点で、電気的特性が相違している。

例えば、一方の高温超電導永久電流スイッチ５０ａでは、高温超電導線材１の安定化層を省略するか薄くし、通常運転時に高温超電導永久電流スイッチ５０ａを温度変化させる際に使用される。
また、他方の高温超電導永久電流スイッチ５０ｂでは、高温超電導線材１の安定化層は厚く、強制クエンチ時に用いられる。

（作用）
第５の実施形態では、高温超電導磁石装置７０の通常運転時には、温度を変化させる際に安定化層が無いか又は薄い高温超電導永久電流スイッチ５０ａを使用し、他方、緊急遮断のために高温超電導永久電流スイッチを強制クエンチする際には、安定化層がより厚い高温超電導永久電流スイッチ５０ｂを使用し、高温超電導線材１の温度上昇を小さくする。このように、電気的特性の異なる２つの高温超電導永久電流スイッチ５０ａ、５０ｂを使い分けることにより、高温超電導磁石装置７０の様々な制御に好適に対応させることが可能となる。

（効果）
第５の実施形態によれば、強制クエンチ時には、安定化層がより厚い高温超電導永久電流スイッチ５０ｂを使用することで、高温超電導線材１において発生する発熱密度を低くすることができる。したがって、高温超電導永久電流スイッチを強制クエンチさせても、高温超電導線材１の温度上昇を小さくすることができる。
また、通常運転時には、安定化層が無いか又は薄い高温超電導永久電流スイッチ５０ａを使用し、これにより、高温超電導永久電流スイッチの熱暴走をより確実に防止することが可能となる。

以上、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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１…高温超電導線材、２…基層、３…中間層、４…超電導層、５…安定化層、６…配向層、７…保護層、８…ヒーター線材、９…第１絶縁材、１０…巻枠、１１、１１ａ、１１ｂ…共巻コイル、２０…第２絶縁材、３０…絶縁層、３１…高熱伝導性物質、４０…高温超電導コイル、４２…励磁電源、４４…保護抵抗、５０、５０ａ、５０ｂ…高温超電導永久電流スイッチ、５５…絶縁テープ、７０…高温超電導磁石装置、９０…クライオスタット（極低温冷却装置）

Claims

高温超電導線材とヒーター線材とが共巻された共巻コイルを有する高温超電導永久電流スイッチであって、
前記ヒーター線材の周囲を第１絶縁材からなる絶縁層で被覆するとともに、当該絶縁層の厚みを前記高温超電導線材が許容最高温度に達しない温度浸透厚さ以下としたことを特徴とする高温超電導永久電流スイッチ。
高温超電導線材とヒーター線材とが共巻された共巻コイルを有する高温超電導永久電流スイッチであって、
前記ヒーター線材の周囲を第１絶縁材からなる絶縁層で被覆するとともに、当該第１絶縁材に高熱伝導性物質を含有させたことを特徴とする高温超電導永久電流スイッチ。
前記第１絶縁材からなる絶縁層及び前記高温超電導線材の周囲の少なくとも一部にエポキシ樹脂からなる第２絶縁材を充填したことを特徴とする請求項１又は２記載の高温超電導永久電流スイッチ。
前記第１絶縁材及び前記第２絶縁材からなる絶縁層の厚みを、前記高温超電導線材が許容最高温度に達しない温度浸透厚さ以下とすることを特徴とする請求項３記載の高温超電導永久電流スイッチ。
前記第２絶縁材に高熱伝導性物質を含有させたことを特徴とする請求項３又は４記載の高温超電導永久電流スイッチ。
前記温度浸透厚さは、前記高温超電導線材が常電導転移温度から許容最高温度に達するまでの時間をｔ、前記絶縁層の熱拡散係数をａとしたとき、√（１２ａｔ）であることを特徴とする請求項１又は４記載の高温超電導永久電流スイッチ。
前記共巻コイルを軸方向に複数積層するとともに、各共巻コイルは相互のインダクタンスがキャンセルするように巻回されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の高温超電導永久電流スイッチ。
前記ヒーター線材の代わりに高温超電導線材の周囲を第１絶縁材からなる絶縁層で被覆したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の高温超電導永久電流スイッチ。
請求項１乃至８のいずれかに記載の高温超電導永久電流スイッチに並列に接続された高温超電導コイルと、前記高温超電導コイルに接続された励磁電源及び保護抵抗を有することを特徴とする高温超電導磁石装置。
電気的特性の異なる複数の高温超電導永久電流スイッチを直列に配置したことを特徴とする請求項９記載の高温超電導磁石装置。