JP4847811B2 - 永久電流スイッチ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、永久電流を流して高磁場を形成する超伝導コイルに関連する技術分野において、特に、この永久電流の入切を行う永久電流スイッチ(Persistent Current Switch)に関するものである。

近年、医療機器であるＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)装置において、高精度化を目的として高磁場型の製品の開発が進められている。このような高磁場型のＭＲＩ装置にあっては、磁場発生部に超伝導コイルが採用され、高磁場を発生させるために超伝導コイルに大電流を流せるようにすることが命題となっている。

ここで、永久電流スイッチとは、そのような超伝導コイルに接続され、コイル内を流れる電流の入切を行うものである。この永久電流スイッチは、コイル状に巻回され超伝導コイルと同じ大電流が流れる超伝導素線と、同じようにコイル状に巻回されたヒータ線と、を構成に含むものである。そして、永久電流スイッチは、超伝導コイルと直列に接続した回路を形成し、共に極低温(4K)の液体ヘリウム内に没するように構成されている。

このように構成される状態で、前記ヒータ線を発熱させなければ、永久電流スイッチは超伝導状態にあり、永久に電流は超伝導コイルに流れることとなる。一方、前記ヒータ線を発熱させれば、永久電流スイッチは常伝導状態に切り替わり、超伝導コイルに流れる電流は遮断されることになる。

ところで、高磁場型のＭＲＩでは、前記したように超伝導コイルのみならず永久電流スイッチにも大電流が流れるため、永久電流スイッチに巻回されている前記超伝導素線は、誘導磁場の影響を受けて移動しないよう強固に固定される必要がある。
そのように永久電流スイッチの超伝導素線を固定する方法として、コイル状に巻回した素線間に樹脂を含浸させる方法がある。この樹脂含浸法によれば、コイル状に巻回した素線間の絶縁も確保することができる。

ところで、この樹脂含浸法を採用した永久電流スイッチにおいて、含浸させた樹脂内に空間(ボイド)が存在すると、そこから樹脂割れを起こしその破壊エネルギーにより局部的に温度が上昇し、クエンチ(予期しない超伝導から常電導への移行)するきっかけになることが指摘されている。このクエンチが発生すると、液体ヘリウムを瞬時に蒸発させ、ＭＲＩ装置の内部構造物の損傷を引き起こす原因になる。このため、永久電流スイッチは、超伝導素線を固定する樹脂内に空間(ボイド)が存在し無い構造にする必要がある。

このように、空間(ボイド)が存在し無いような構造を有する永久電流スイッチ構造を得るための次のような技術が公知となっている。
すなわち、永久電流スイッチの製造方法として、大気圧中で液状樹脂中に永久電流スイッチを没し、0.1mmHg(13Pa)以下に減圧した後、超高圧(300〜600kg/cm²)をかけて液状樹脂を含浸させ、その後で液状樹脂を加熱硬化させる工程を含む技術。そして、永久電流スイッチ構造として、ボビン内側にコイル状のヒータ線を配置し、その上に多層の超伝導素線をコイル状に配置し、各層間に無機繊維(ガラス繊維など)を設け、コイルを上下から挟み込むＦＲＰ円筒に液状樹脂が含浸し易いように複数の縦溝を設ける技術、等が公知になっている（例えば、特許文献１）。
特開平７−３３５９４８号公報

しかし、前記した公知技術によれば、液状樹脂を減圧して含浸させる工程において、液状樹脂に溶存する気体がボイドとして新たに大量に発生することとなる。このようにボイドが混合した状態で液状樹脂がコイル間及び無機繊維内に含浸されることとなれば、次に超高圧で圧縮されて体積を減じたとしてもボイドはそのまま永久電流スイッチ内に残留することになる。

このように樹脂内に残留したボイドは、集合して肥大化すればなおさら、クエンチするリスクが高まることが問題である。さらに、超高圧を付与する設備(第１種圧力容器の法規制有り)が不可欠となれば、設備コストが高くなり、減圧工程から超高圧を付与する工程を、永久電流スイッチの移動を伴うこと無く、連続的に行えない等、製造コストも高くなる問題がある。

さらに、永久電流スイッチの構造にあっては、多層に巻回された超伝導素線の層間に設けられた無機繊維は、液状樹脂を隅々まで行きわたらせるには流動抵抗が非常に大きいため、前記したような超高圧を付与する工程が不可欠である。また、前記したようにして発生したボイドが、この無機繊維を取っ掛かりにして残留し集合すれば、強度低下を引き起こし、前記した樹脂割れの発生が容易になる問題がある。

本発明は、永久電流スイッチにおいて、ボイドが残留しにくい構造をとるとともに、超高圧を付与する工程を経なくても、樹脂を含浸させることができる技術を提供するものである。

前記した課題を解決するために本発明は、超伝導体に流れる永久電流を制御する永久電流スイッチにおいて、前記超伝導体に接続するとともにボビン本体に巻回する超伝導素線と、前記超伝導素線を加熱して超伝導状態／常伝導状態を切り替えるヒータ線と、前記ボビン本体に巻回する前記超伝導素線又は前記ヒータ線の層間に設けられ複数の細孔を有する仕切壁と、前記細孔並びに前記超伝導素線及びヒータ線の間隙に含浸しこれらを固定する固定層と、を備え、前記超伝導素線又は前記ヒータ線はその断面視で正方配列するように前記ボビン本体に巻回され、前記細孔は前記正方配列の単位領域の略中心に位置するよう仕切壁に設けられていることを特徴とする。
発明がこのような構成を有することにより、液体樹脂の含浸時の圧力損失が小さくなる構造を永久電流スイッチが備えることになる。

本発明によれば、永久電流スイッチ内のボイド残留を回避し、超伝導素線が強固に固定され、クエンチレスな永久電流スイッチが提供される。

以下、図面を参照して、本発明の永久電流スイッチの実施形態について説明を行う。
図１に示すように、本実施形態に係る永久電流スイッチ１０は、フランジ１１，１１と、ボビン本体２０と、コイル部３０と、ナット１２，１２と、スペーサ１３，１３と、を含んで構成される。なお、図１に示される永久電流スイッチ１０は、後記する固定層３８が含浸される前状態の永久電流スイッチ１０の構成を示し、中心線から右半分はその断面を示している。なお、以下においてこのような「固定層が含浸される前状態の永久電流スイッチ１０」のことを「含浸前スイッチ１０」のように記載する場合がある。

このように構成される永久電流スイッチ１０は、コイル部３０から引き出される超伝導素線３１が、図示しない超伝導コイル（超伝導体）に接続し永久電流を制御するものである。
すなわち、液体ヘリウム等の冷媒に永久電流スイッチ１０及び超伝導コイルを共に浸漬した状態とすれば超伝導状態が維持されて永久電流は減衰しないが、ヒータ線３２に通電して加熱すれば永久電流スイッチ１０のコイル部３０のみが常伝導状態に切り替わり永久電流が減衰するわけである。

ボビン本体２０は、巻線部２１と終端部２２，２２とを有し、ステンレス素材から構成されるものである。
巻線部２１は、その表面に被覆された電気絶縁材２３（図２参照）の上に、コイル部３０が設けられる部位である。そして、終端部２２，２２は、フランジ１１，１１が固定される部位である。

このフランジ１１，１１は、ボビン本体２０の両側から挿入されて終端部２２，２２に螺合するナット１２，１２で固定されている。このように構成されるフランジ１１，１１は、コイル部３０の両端を挟みこんで、これを支持するものである。なお、このフランジ１１及びコイル部３０の接触面には、後記するスペーサ１３，１３が配置されている。ここで、フランジ１１，１１は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などの材質で構成され、ナット１２はボビン本体２０と同じステンレス素材から構成されている。

コイル部３０は、図１のＡ断面視部を拡大した図２に示すように、超伝導素線３１（３１Ｌ，３１Ｒ）と、ヒータ線３２と、仕切壁３３，３４と、熱絶縁膜３５と、多孔質層３６と、外枠３７と、固定層３８と、を含んで構成される。このように構成されるコイル部３０は、超伝導コイルに接続して永久電流を制御する永久電流スイッチ１０の要部をなしている。
ここで、固定層３８は、仕切壁３４，３３の細孔３３ｈ（図３参照）並びに超伝導素線３１及びヒータ線３２の間隙に樹脂等が含浸しこれらを固定するようにして最終的に構成される部位である。しかし、含浸前スイッチ１０は、これらの間隙にまだ何も含浸されていない状態となっている。

超伝導素線３１（３１Ｌ，３１Ｒ）は、超伝導コイル（超伝導体）に接続するとともにボビン本体２０の巻線部２１に巻回されるものである。ここで、ボビン本体２０に接する第１層の超伝導素線３１Ｌと、その外周に巻回される第２層の超伝導素線３１Ｒとは、互いに巻方向が逆となるように無誘導巻きとなっている。このように、超伝導素線３１が無誘導巻きされているために、発生したそれぞれの誘導磁場が互いに打ち消うこととなり、永久電流スイッチ１０に永久電流が流れても、外部に磁場が漏洩しないことになる。
本実施形態において超伝導素線３１は、第１層及び第２層からなる二層構造のものを例示したが、これに限定されるものでなく、一般化されて第ｎ層（ｎは自然数）からなる場合もある。

ヒータ線３２は、超伝導素線３１の層のさらに外周に巻回されるものであって、図示しない外部電源から通電されることにより発熱し、超伝導素線３１を加熱して超伝導状態から常伝導状態に切り替えるものである。
本実施形態においてヒータ線３２は、二層構造のものを例示しているが、これに限定されるものでなく、また無誘導巻きにする必要も特に無い。

仕切壁３３，３４は、ボビン本体２０に巻回する超伝導素線３１又はヒータ線３２の層間に設けられるものである。さらに仕切壁３３，３４は、表面を貫通する複数の細孔３３ｈが設けられている。
この仕切壁３３（３３ａ，３３ｂ）は、電気絶縁材として機能するとともに、図３（ａ）（ｂ）に示すように、超伝導素線３１（３１Ｌ，３１Ｒ）が断面視で正方配列するように巻回し易くするものである。

さらに、細孔３３ｈは、この正方配列の単位領域の略中心に位置するよう仕切壁（３３ａ，３３ｂ）に設けられている。表現を変えれば、細孔３３ｈは、超伝導素線３１の巻きピッチの中間位置、又は、超伝導素線３１の谷の部分に設けられているともいえる。
ここで、図３（ａ）では超伝導素線３１の各列毎に細孔３３ｈを設けるものを例示し、図３（ｂ）では、１列置きに細孔３３ｈを設けるものを例示している。これら細孔３３ｈの穴数については、後記する液状樹脂の含浸時間を調整するために適宜設定される。

このように仕切壁３３が配置されることにより、前記した無誘導巻きが行い易くなる。さらに超伝導素線３１を断面視で正方配列させて巻回することも容易とし、このように正方配列した場合は、コイル部３０（図２参照）の端部で打ち消されずに漏洩する誘導磁場の発生が防止される。
そして、この仕切壁３３に細孔３３ｈが設けられていることにより、後記する固定層３８の硬化前の液状体（以下、「硬化前液状体」という）の流動抵抗を減少させその含浸が促進される。これにより、液状体を含浸させるのに必要な圧力を低く抑えることが可能となり、例えば、一般的なエアコンプレッサで達成しうる0.93MPa以下で短時間に含浸させることが可能になる。
さらに、この液状体が硬化した後は、細孔３３ｈを介して、仕切壁３３，３４、超伝導素線３１、ヒータ線３２が一体化し、より強固な構造となる。また、硬化後の固定層３８と、仕切壁３３，３４、超伝導素線３１、ヒータ線３２との間で発生する剥離も抑制できる。

なお仕切壁３３の説明において、超伝導素線３１が巻回される層間に配置されるものを代表して説明したが、ヒータ線３２が巻回される層間に配置する仕切壁３４の場合であっても同様であり、超伝導素線３１とヒータ線３２との層間に配置するものであっても同様である。また、超伝導素線３１の断面視における配列が正方配列であることを、例示して説明したが、これに限定されるものではなく、千鳥配列である場合も取り得る。

図２に戻って説明を続ける。
熱絶縁膜３５は、ヒータ線３２の層の外周に設けられているものであって、ヒータ線３２の発熱が外側に伝達するのを抑制し、熱伝達を超伝導素線３１の側に集中させるものである。この熱絶縁膜３５にも、前記したような多数の細孔が設けられているが、その配置位置はランダムで良い。この熱絶縁膜３５に設けられている多数の細孔は、前記同様の、硬化前液状体の含浸を向上させる効果がある。そして、この熱絶縁膜３５に挟まれて配置する多孔質層３６における硬化前液状体の含浸を向上させると共に、熱絶縁膜３５と多孔質層３６との一体性を向上させより強固な構造にする。

多孔質層３６は、最終的に形成される永久電流スイッチ１０のコイル部３０の最外層部を成すものであって、超伝導素線３１やヒータ線３２をボビン本体２０に対し抑え込むように機能するものである。この多孔質層３６は、ガラス繊維テープ等の多孔質シートを多層に巻き付けて構成される。さらに熱絶縁膜３５との関係においては、この熱絶縁膜３５と多孔質シートとを交互に巻くことにより固定層３８の一部を形成させる。

外枠３７は、固定層３８となる部分の外周に設けるものであって、硬化前液状体が含浸する際に機能するものであって、含浸した液状体が硬化して固定層３８が形成された後に除去されるものである。この外枠３７は、テフロン（登録商標）シートのような部材により構成されるものである。
この外枠３７の両端面には（図２では片端面のみ記載）、注入間隙３７Ｇが設けられ、ここから硬化前液状体が注入される。
つまり、注入間隙３７Ｇは、外枠３７の寸法をコイル部３０の全長より若干短くし、フランジ１１との間に隙間を有するように構成する。このように構成されることにより、コイル部３０の上下端の全周から固定層３８となる部分に硬化前液状体が流入して、超伝導素線３１、ヒータ線３２、仕切壁３３，３４、多孔質層３６の隙間部分にこの液状体が含浸し易くなる。

スペーサ１３は、ボビン本体２０に巻回する超伝導素線３１及びヒータ線３２の両端面に接するように配置されるものである。このスペーサ１３には、図４（ａ）に上面視するように、中心に向かって刻設された複数の注入溝１３Ｇが設けられている。
この注入溝１３Ｇに沿って、硬化前液状体が固定層３８となる部分に注入されることになる。つまり、コイル部３０を上下から挟み込むフランジ１１，１２の接触面に、注入溝１３Ｇが設けられているので、超伝導素線３１、ヒータ線３２、多孔質層３６の間隙への硬化前液状体の注入が促進されることになる。なお、この注入溝１３Ｇの本数や断面形状等を適宜調節することにより、含浸時間を調整することが可能となる。

以上、図１から図４を参照して説明したような構造を永久電流スイッチ１０が有することにより、内部の圧力損失が小さくなり、含浸圧力が低くても、充填性を高くすることが可能になる。さらに、この充填性が高い状態で液状体が硬化することにより、超伝導素線３１、ヒータ線３２、仕切壁３３，３４、熱絶縁膜３５、多孔質層３６が一体化し、より強固な構造となることで、クエンチの発生しにくい永久電流スイッチ１０が得られる。

次に、図５を参照して、本発明に係る永久電流スイッチの製造装置の実施形態について説明する。
電流スイッチの製造装置９０は、脱気室４０と、含浸室５０と、輸送管６０と、空気圧回路７０と、静電容量計測器８０と、を含んで構成されるものである。
このように構成される電流スイッチの製造装置９０は、含浸前スイッチ１０（適宜、図１参照）に熱硬化性樹脂を含浸させて永久電流スイッチを製造するものである。

脱気室４０は、撹拌器４１と、のぞき窓４２と、真空容器４３と、樹脂溜容器４４と、温調器４５とを含んで構成されるものである。このように構成される脱気室４０は、後記する含浸室５０の上部に位置し、固定層３８（適宜図２参照）を形成する硬化前液状体を減圧してこれに溶存する気体を脱気するものである。なお以下において、「硬化前液状体」は、主剤と硬化剤の二液が混合された液状樹脂であって、これを加熱すると硬化する熱硬化性樹脂であるとする。

樹脂溜容器４４は、主剤と硬化剤の二液を混合した液状樹脂を保持する容器であり、この液状樹脂の温度を計測する温度計Ｔ１が設けられている。
撹拌器４１は、樹脂溜容器４４に保持されている液状樹脂に回転翼を浸漬して撹拌し、液状樹脂に溶存する気体の脱気を促進させるものである。
のぞき窓４２は、樹脂溜容器４４に保持されている液状樹脂の脱気状況を監視するためのものである。
真空容器４３は、その内部に樹脂溜容器４４を載置して、雰囲気を真空に保つ容器であって、後記する空気圧回路７０に接続されている。
温調器４５は、樹脂溜容器４４に保持されている液状樹脂を、脱気が最適に行われる温度に調節するものである。この温度調節は、前記した温度計Ｔ１の計測値に基づいて制御がなされるものである。

含浸室５０は、圧力容器５１と、樹脂受樋５２と、含浸容器５３と、加熱器５４とを含んで構成されるものである。このように構成される含浸室５０は、脱気室４０のの下部に位置し、含浸前スイッチ１０を配置して減圧し、液状樹脂を含浸させたのち硬化させるものである。

含浸容器５３は、その内部に予め、含浸前スイッチ１０を配置して、脱気室４０から輸送管６０を通じて輸送される液状樹脂を注入して、液没させる容器である。この含浸容器５３には、各部の温度を計測する温度計Ｔ２〜Ｔ４が設置さてれいる。

樹脂受樋５２は、含浸容器５３の内壁に取り付けられているものであって、輸送管６０の先端から滴下する液状樹脂をその内壁を経由して底部又は液面に誘導するためのもので

加熱器５４は、含浸容器５３の一部に接するように設けられ（図では底面に接している）、含浸容器５３に注入された液状樹脂を永久電流スイッチ１０とともに加熱してこれらを硬化させるものである。なお、加熱器５４による加熱は温度計Ｔ２〜Ｔ４の計測値に基づいて制御がなされるものである。

圧力容器５１は、その内部空間を大気圧よりも減圧・加圧した状態に保持することができるものであって、この内部空間に含浸容器５３を載置するものである。そして、圧力容器５１には、その内部空間と連通するように後記する空気圧回路７０、含浸容器５３に注入された液状樹脂の液面の高さを計測する液面計Ｌが接続されている。
さらに、圧力容器５１には、後記する静電容量計測器８０に接続させる超伝導素線３１からの引出線の取出口、ボビン本体２０に一端が蝋接された引出線２４の取出口が設けられている。

ここで、圧力容器５１は、好ましくは、6Pa以下の真空力と0.93MPa以上の加圧力に耐えられるものとする。なお、圧力容器５１の容積は、「ボイラー及び圧力容器安全規則」の小型圧力容器で規制される次式（１）で導出した容積V(m³)以下であるとする。

容積V(m³)=0.2/使用圧力(kg/cm²G) （１）

輸送管６０は、脱気室４０と含浸室５０とを連通し液状樹脂（液状体）を輸送するものである。そして、輸送管６０は、脱気した液状樹脂を大気に触れさせずに、そのまま減圧状態で脱気室４０から含浸室５０へ直接注入できるように構成されている。

空気圧回路７０は、減圧弁７１と、昇圧弁７２と、第１配管７３と、第２配管７４とを含んで構成されるものである。このように構成される空気圧回路７０は、脱気室４０の内部空間を減圧させたり、含浸室５０の内部空間を減圧／昇圧させたりするものである。

第１配管７３は、一端が真空容器４３に連通し、他端が減圧弁７１に接続し、その途中経路に第１開閉弁７３Ｂ及び圧力計Ｐ１が設けられている。このように構成される第１配管７３は、脱気室４０の内部空間を減圧するものであり、その圧力値が圧力計Ｐ１で常時計測されるとともに、第１開閉弁７３Ｂにより適宜その圧力値が調節されるものである。

第２配管７４は、一端が圧力容器５１に連通し、他端が減圧弁７１及び昇圧弁７２に接続し、その途中経路に第２開閉弁７４Ｂ及び圧力計Ｐ２が設けられている。このように構成される第２配管７４は、含浸室５０の内部空間を減圧／大気開放／加圧するものであり、その圧力値が圧力計Ｐ２で常時計測されるとともに、第２開閉弁７４Ｂ、減圧弁７１及び昇圧弁７２が適宜動作してその圧力値が調節されるものである。

なお空気圧回路７０は、脱気室４０から含浸室５０へ液状樹脂を輸送する際は、両者の内部空間の真空度が同一になるように調節される。これは、液状樹脂の上から下への移動が重力の作用のみでスムーズに進行させるためと、含浸容器５３に注入した液状樹脂から溶存気体が析出しないようにするためである。

静電容量計測器８０は、ボビン本体２０に導通する引出線２３と、超伝導素線３１（図２適宜参照）からの引出線とを接続して静電容量を計測するものである。このように構成される静電容量計測器８０は、永久電流スイッチ１０に液状樹脂が含浸する度合に対応して変化する静電容量値を計測することにより、その含浸状態を把握するものである（適宜図７、静電容量Ｃ参照）。

以上述べたように、製造装置９０が構成されることにより、次のような効果が導き出される。すなわち、脱気室４０と含浸室５０は、輸送管６０を介して一体化している。さらに、空気圧回路７０により、脱気室４０と含浸室５０の内部空間を同一値の減圧状態に保つことができる。これにより、液状樹脂の注入を重力の作用のみで行うことが可能になり、液状樹脂を空気に触れさせることなく注入を実行することが可能になる。
よって、液状樹脂中への空気の溶け込みを防止するとともに、永久電流スイッチ１０に液状樹脂を含浸させる際に、溶存気体が析出することが無いので永久電流スイッチ中へのボイドの混入が抑制される。

しかし、液状樹脂の溶存気体を全て完全に取り除くことは不可能であり、含浸室５０に注入された液状樹脂を減圧下で長時間放置すると、溶存気体の析出の発生が避けられない。ここに、永久電流スイッチ１０が液状樹脂が含浸し易い構造をとり、短時間で含浸が飽和状態に達することの利点が得られることになる。さらに、静電容量計測器８０により、液状樹脂の含浸状況をリアルタイムで計測することを可能にした。
これにより、液状樹脂の含浸速度が低下する時点を認識することができ、この時点で昇圧させれば、短時間で含浸を完了させることができる。

次に、図５，図６を参照して、本実施形態に係る永久電流スイッチの製造装置の動作説明を説明し、これを本発明に係る永久電流スイッチの製造方法の実施形態の説明として援用する。

脱気室４０におけるプロセスＡと含浸室５０におけるプロセスＢに分けて説明する。
まず脱気室４０おけるプロセスＡでは、液状樹脂を構成する主剤と硬化剤を混合した樹脂溜容器４４を真空容器４３に搬入する（ステップＳ１１、以下「Ｓ１１」と表記する）。搬入後、第１配管７３の第１開閉弁７３Ｂ、減圧弁７１を開いて真空容器４３を6Pa以下まで減圧する（Ｓ１２）。それと同時に温調器４５を動作させて液状樹脂の温度調節を行い（Ｓ１３）、撹拌器４１を動作させて液状樹脂の撹拌を開始する（Ｓ１４）。これら（Ｓ１２）から（Ｓ１４）の工程は、順不同であるがこれにより液状樹脂を脱気して溶存気体の排出を十分に行う。そのための最適条件（温度、真空度）は適宜設定される。
のぞき窓４２から液状樹脂の脱気状態を監視しボイド発生が観測されないことを確認したところで脱気終了とする（Ｓ１５）。

次に、含浸室５０おけるプロセスＢでは、含浸前スイッチ１０を含浸容器５３にセットし圧力容器５１の内部に搬入する（Ｓ２１）。次にボビン本体２０からの引出線２３と超伝導素線３１とを静電容量計測器８０に接続する（Ｓ２２）。そして、第２配管７４の第２開閉弁７４Ｂ、減圧弁７１を開いて減圧を開始する（Ｓ２３）。この状態で、加熱器５４を動作させて硬化時の最大温度まで加熱し、含浸前スイッチ１０を真空加熱乾燥する（Ｓ２４）。以上が、樹脂を含浸前スイッチ１０に含浸させる前準備となる。

次に、含浸前スイッチ１０を含む含浸容器５３の温度を、樹脂含浸温度、すなわち脱気室４０で液状樹脂が設定されている温度にまで低下させ、それとともに変動する圧力容器５１の圧力も脱気室４０と同じになるように温度・圧力の調節を行う（Ｓ２５，Ｓ２６：Ｎｏ）。そして、脱気室４０と含浸室５０とにおける温度・圧力の条件が一致したところで（Ｓ２６：Ｙｅｓ）、脱気室４０から、脱気した液状樹脂を含浸室５０に注入するために輸送管６０を開いて輸送開始となる（Ｓ２７）。またこれと同時に、静電容量計測器８０による静電容量の計測が開始される（Ｓ２８）。

以降は、図７も参照しつつ説明を続ける。
注入される液状樹脂は含浸容器５３の樹脂受樋５２を経由いて内壁を伝わり滴下してその液面が上昇するが、その液面高さが液面計Ｌにより計測されている。そして、含浸前スイッチ１０の液没が確認されるまで液状樹脂が注入される（Ｓ２９、図７の液位Ｌ参照）。なお、液状樹脂の注入速度は、可能な限り速いことが好ましく、短時間で含浸前スイッチ１０が液没する規定の液位に到達するようにする。これは、減圧下で液状樹脂の溶存気体が析出するリスクを回避するためである。そして、含浸前スイッチ１０の液没が確認後、直ちに圧力容器５１内を大気圧開放する（Ｓ３０、図７の含浸圧力Ｐ２参照）。

この状態では、含浸前スイッチ内部の含浸領域の圧力と樹脂圧とでは、約1気圧の差圧が生じており、この含浸領域へ液状樹脂が流入し、含浸が進行することになる（図７の静電容量ＣのＳ３０以降の立ち上がりを参照）。なお、この含浸領域の圧力損失が小さい構造を有する含浸前スイッチでは、この１気圧の圧力差でも早く樹脂含浸が完了することになる（すなわち、図７の静電容量ＣのＳ３０以降の立ち上がりの傾斜が大きく、Ｓ３２以降のような平坦領域に早く到達できる。）

さらに樹脂含浸を早く完了させるために、空気圧回路７０の昇圧弁７２を開いて含浸室５０の圧力容器５１内の加圧を開始する（Ｓ３１、図７の含浸圧力Ｐ２参照）。すると、含浸前スイッチ内部の含浸領域への液状樹脂の含浸がさらに加速される（図７の静電容量ＣのＳ３１以降の傾斜が大きくなっている）。
ここで、Ｓ３２のサブルーチンについて説明する。このように加圧開始（Ｓ３１）しても、図７の静電容量Ｃの傾斜が小さいときは（すなわち、含浸速度が所定値以下の場合（Ｓ４２：Ｎｏ））、さらに加圧力を増大させて（Ｓ４２）、この含浸速度を所定値より早くする（Ｓ４２：Ｙｅｓ）。そして、図７の静電容量ＣのＳ４３以降に示すように変化が停止（すなわち、含浸速度が０）したところで（Ｓ４３）、液状樹脂の含浸終了が確認される（リターン、Ｓ３２）。これによって、含浸前スイッチ内部の含浸領域にいる液状樹脂が減圧状態にさらされる時間を短縮でき、溶存気体の析出が防止される。なお、このような加圧を行わなくても充分に早く樹脂含浸が完了するのであれば、Ｓ３１工程を省略して破線のようにＳ３０からＳ３２に直接ジャンプしてもよい。

このように、液状樹脂の含浸の終了が確認されたら、加熱器５４を動作させて液状樹脂の温度を上昇させて硬化温度に設定する（Ｓ３３）。そして、含浸室５０の内部を大気圧開放して温度を常温に戻した後（Ｓ３４）、含浸容器５３を含浸室５０から搬出し、周囲の余分な硬化樹脂を剥し、永久電流スイッチ１０を取り出して（Ｓ３５）一連の動作が終了する（エンド）。

ところで、構造が同じである永久電流スイッチ１０を量産する場合は、最初に生産される永久電流スイッチ１０に対してだけ、静電容量計測器８０による計測を適用し（Ｓ２２，Ｓ２８）、含浸に要する時間を確定する。そして、２番目以降に生産される永久電流スイッチ１０に対しては静電容量の計測を実施せず（Ｓ２２，Ｓ２８排除）、最初の生産で確立された含浸時間に従って樹脂含浸を行うことができる。

つまり、永久電流スイッチの量産化の前に、試作品により含浸圧力をパラメータとして含浸試験を実施し、樹脂含浸の最適条件を探り出し、量産化に適した製造プロセスを策定する。このような量産用の製造プロセスにおいては、静電容量計測は不要である。よって、本装置を多数設置する場合は、１つの装置のみに静電容量計測器８０を設置すればよく、その他のものに設置する必要はない。

図８は、そのような樹脂含浸の最適条件を探り出すための樹脂含浸圧力と含浸時間との関係を導出した結果である。ここに示す樹脂含浸時間は、粘性が23mPa・sの樹脂を用いた場合の結果である。これから、樹脂含浸圧力が10MPaでは26(s)程度で含浸し、大気圧の0.1MPaでは220(s)程度で含浸し、一般的なエアコンプレッサの最大圧力である0.93MPaでは70(s)程度で含浸することが分かる。
通常、樹脂含浸・硬化工程は時間単位の工程であり、それからすればこの含浸時間は、分、秒単位の短時間であることが分かる。

以上の結果より、本発明に係る永久電流スイッチが実施形態に示すような構造を有することにより、高圧な含浸圧力を必要とせず、大気圧レベルの加圧でも樹脂含浸が可能であることが分かる。ただし、永久電流スイッチの構造（コイルのターン数、層数等）および液状樹脂の変更で流動抵抗が増す場合にも配慮して、本実施形態に係る製造装置９０では加圧力を付与する機構も備える構成とした。なお、本発明において、付与される加圧力は、一般的なエアーコンプレッサーの最大圧力である0.93MPaを上限とする大気圧〜0.93MPaを含浸圧力の制御範囲とする。

本発明に係る永久電流スイッチの実施形態を示す全体構成／部分断面図である。 図１の永久電流スイッチのＡ断面視部の詳細図である。 本実施形態に係る永久電流スイッチに採用される超伝導素線の層間に設置する仕切壁とそれに設けられた細孔を示す図である。 本実施形態に係る永久電流スイッチに採用されるフランジとコイル部の間に設けられるスペーサの（ａ）上面図（ｂ）側面図である。 本発明に係る永久電流スイッチの製造装置の実施形態を示す全体構成図である。 本発明に係る永久電流スイッチの製造方法の実施形態を示すフローチャートである。 本実施形態に係る永久電流スイッチの製造装置における樹脂含浸プロセスを表す計測結果である。 本実施形態に係る永久電流スイッチの製造装置における樹脂含浸圧力と含浸時間との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 永久電流スイッチ（含浸前スイッチ）
１１ フランジ
１２ ナット
１３ スペーサ
１３Ｇ 注入溝
２０ ボビン本体
２３ 電気絶縁材
３０ コイル部
３１（３１Ｌ，３１Ｒ） 超伝導素線
３２ ヒータ線
３３，３４ 仕切壁
３３ｈ 細孔
３６ 多孔質層
３７ 外枠
３７Ｇ 注入間隙
３８ 固定層
４０ 脱気室
５０ 含浸室
６０ 輸送管
７０ 空気圧回路
７１ 減圧弁
７２ 昇圧弁
８０ 静電容量計測器
９０ 永久電流スイッチの製造装置

Claims (4)

1. 超伝導体に流れる永久電流を制御する永久電流スイッチにおいて、
   前記超伝導体に接続するとともにボビン本体に巻回する超伝導素線と、
   前記超伝導素線を加熱して超伝導状態／常伝導状態を切り替えるヒータ線と、
   前記ボビン本体に巻回する前記超伝導素線又は前記ヒータ線の層間に設けられ複数の細孔を有する仕切壁と、
   前記細孔並びに前記超伝導素線及びヒータ線の間隙に含浸しこれらを固定する固定層と、
   を備え、
   前記超伝導素線又は前記ヒータ線はその断面視で正方配列するように前記ボビン本体に巻回され、
   前記細孔は前記正方配列の単位領域の略中心に位置するよう仕切壁に設けられていることを特徴とす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、
   前記ボビン本体に巻回する前記超伝導素線及び前記ヒータ線の両端面に接するように配置され前記固定層の硬化前の液状体が注入される注入溝をさらに設けることを特徴とする永久電流スイッチ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の永久電流スイッチにおいて、
   前記固定層となる部分の外周に設けた外枠の両端面に前記固定層の硬化前の液状体が注入される注入間隙が設けられていることを特徴とする永久電流スイッチ。
4. 超伝導体に接続するとともにボビン本体に巻回する超伝導素線と、
   前記超伝導素線を加熱して超伝導状態／常伝導状態を切り替えるヒータ線と、
   前記ボビン本体に巻回する前記超伝導素線又は前記ヒータ線の層間に設けられ複数の細孔を有する仕切壁と、
   前記細孔並びに前記超伝導素線及びヒータ線の間隙に含浸しこれらを固定する固定層と、
   を備え、前記超伝導体に流れる永久電流を制御する永久電流スイッチにおいて、当該永久電流スイッチを製造する永久電流スイッチの製造方法であって、
   前記超伝導素線又は前記ヒータ線の前記層間に、前記細孔を有する前記仕切壁を設けつつ、前記超伝導素線又は前記ヒータ線を、その断面視で正方配列するように、かつ、前記細孔が前記正方配列の単位領域の略中心に位置するように前記ボビン本体に巻回し、
   前記巻回の後に、減圧下で液状樹脂を含浸させ、
   前記含浸の後に、前記液状樹脂を硬化させる
   ことを特徴とする永久電流スイッチの製造方法。

Images