JP7621896B2

JP7621896B2 - 永久電流スイッチ、永久電流スイッチの製造方法および超電導磁石装置

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Publication number: JP7621896B2
Application number: JP2021101174A
Authority: JP
Inventors: 晋士藤田; 洋太一木; 毅和久田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2025-01-27
Anticipated expiration: 2041-06-17
Also published as: JP2023000395A

Description

本発明は、永久電流スイッチ、永久電流スイッチの製造方法および超電導磁石装置に関する。

磁気共鳴イメージング（Magnetic Resonance Imaging；ＭＲＩ）装置や核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance；ＮＭＲ）装置などの超電導機器には超電導磁石装置が用いられている。これらの超電導機器は、超電導磁石装置を構成する超電導コイルの両端を実質的に電気抵抗ゼロで短絡し、超電導コイルを永久電流運転することで運用される。また、これらの超電導機器は、必要に応じて超電導コイルで抵抗を発生させて、永久電流運転のオン／オフ動作を行っている。当該オン／オフ動作は、超電導コイルに備えられた永久電流スイッチ（Persistent Current Switch；ＰＣＳ）で行われる。

ＭＲＩ装置やＮＭＲ装置などに用いられる超電導コイルでは、運転中は直流電源から切り離してＰＣＳで超電導コイル両端を短絡し、実質的な電気抵抗ゼロの閉ループ回路を形成する。この閉ループ回路中を長期間にわたって電流が減衰することなく流れ続ける状態が永久電流モードである。一般的に、永久電流モードで超電導コイルを励磁することにより、時間的な変動がない磁場を得ることができ、また、電源と接続することなく磁場を得ることができる。このため、ＭＲＩ装置やＮＭＲ装置などの超電導コイルは永久電流モードで使用することが一般的である。そのため、超電導コイル、ＰＣＳおよびそれらをつなぐ配線については、超電導体を介して接続する技術が必須である。

図１４は、一般的な超電導磁石装置１００の構成例を示す概略図である。図１４に示すように、超電導磁石装置１００は、一般的には、クライオスタット１０１の内部に超電導コイル１０２とＰＣＳ１０３とが配置された構成となっている。超電導コイル１０２とＰＣＳ１０３とは、支持板１０４を介して、冷凍機（図示せず）によって冷却される。また、超電導コイル１０２とＰＣＳ１０３とは、超電導接続部１０６で超電導接続されている。

超電導コイル１０２を励磁する際には、室温側に配置される電源（図示せず）から低温側の超電導コイル１０２に電流リード１０５を通じて電流を供給する。ＰＣＳ１０３が超電導状態に転移すると、超電導体の電気抵抗がゼロであるため、超電導コイル１０２、ＰＣＳ１０３および超電導接続部１０６で構成される閉ループ回路において、電流の減衰がない永久電流モードを実現し、超電導磁石装置１００内の超電導コイル１０２において高い安定度を有する磁場を得ることができる。

図１５Ａから図１５Ｃはいずれも一般的な超電導磁石装置１００の電気回路構成の一例を示す回路図である。図１５Ａから図１５Ｃ中の矢印は電流の方向を示している。
図１５Ａに示すように、超電導コイル１０２を励磁する際には、ＰＣＳ１０３がオフ、すなわち、ＰＣＳ１０３が電気抵抗を有した状態で電源１０７を用いて超電導コイル１０２を励磁する。ＰＣＳ１０３がオフの状態では数Ω～数十Ω程度の電気抵抗が持つように設計される。
図１５Ｂに示すように、永久電流運転時には、ＰＣＳ１０３をオン、すわなち、ＰＣＳ１０３を超電導状態にして超電導コイル１０２の両端を電気抵抗ゼロで短絡した状態にする。
図１５Ｃに示すように、超電導コイル１０２の磁場を落とす際には、ＰＣＳ１０３をオフにして、保護抵抗１０８で超電導コイル１０２に蓄えられたエネルギーを消費する。

ＰＣＳ１０３は、超電導線材（ＰＣＳ線などと呼ばれることがある）とヒータ線とをボビンに巻回して構成されている。直流電源で励磁する際には、ヒータ線に電流を供給してＰＣＳ１０３に用いられている超電導線材が臨界温度を超える温度を保ち、超電導コイル１０２を励磁する。永久電流運転時には、ヒータ線に通電する電流をオフとすることでＰＣＳ１０３に用いられている超電導線材を臨界温度以下まで冷却し、超電導コイル１０２とＰＣＳ１０３とで構成される閉ループ回路に電流を循環させる。このように、ＰＣＳ１０３は超電導線材の臨界温度を超える温度または臨界温度以下の状態を保つことにより、ＰＣＳ１０３のオン／オフ動作を実現する。そのため、超電導線材とヒータ線とがそれぞれ密接するように巻回されている。また、超電導コイル１０２で発生する磁場の安定性を乱さぬよう、ＰＣＳ１０３は無誘導巻きで構成される。ＰＣＳ１０３の構成としては、以下の先行技術がある。

例えば、特許文献１には、巻胴の両端に鍔板を固定した巻枠と、前記巻胴上に無誘導巻きされた超電導線（ＰＣＳ線）とから成る永久電流スイッチが記載されている。また、特許文献１には、前記ＰＣＳ線が、一方の鍔板の内側内部に設けられた係止部に所定半径で中央部を係止された折返し部を固定端として無誘導巻きされている旨記載されている。

また、例えば、特許文献２には、ＰＣＳ線の無誘導巻きの巻き始めの折り返し部の曲げ半径をＰＣＳボビンの巻枠の半径に実質的に等しくする旨記載されている。特許文献２によれば、このようにすると、ＰＣＳ線の曲げ半径が小さいことによるクエンチ発生の可能性を低減できる旨記載されている。

実開昭６２－３４４０８号公報特開平３－２６１１８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術において、ＰＣＳ線の折り返し部を構成する際に、ＰＣＳ線の曲げ半径によっては、ＰＣＳ線の超電導特性が劣化してクエンチが発生しやすくなる可能性がある。

また、特許文献１および特許文献２に記載の技術において、いずれの場合も無誘導巻きを構成する際に、ＰＣＳボビンに溝を設けてＰＣＳ線の折り返し部を固定し、折り返して２本になったＰＣＳ線を同時に巻回する構成を採っている。

ここで、図１６および図１７は、一般的なＰＣＳ１０３の製造プロセスの一例を説明する概略図である。前記した構成を採る場合は、図１６に示すように、超電導線材３０１の折り返し部３０２を構成するために、一度、超電導線材３０１をＰＣＳ線ドラム３０３に巻き直す。なお、図１６中の矢印は超電導線材３０１の巻取方向を示している。
その後、図１７に示すように、超電導線材３０１の折り返し部３０２をＰＣＳコイルボビン３０４に設けた溝などに固定した後、折り返して２本になった超電導線材３をＰＣＳ線ドラム３０３から同時に送出し、ＰＣＳコイルボビン３０４に巻回することになる。なお、図１７中、ＰＣＳ線ドラム３０３近傍の矢印は超電導線材３０１の送出方向を示しており、ＰＣＳコイルボビン３０４近傍の矢印は超電導線材３０１の巻取方向を示している。

超電導線材３０１は数Ω～数十Ω程度の抵抗が必要であることから、数百ｍ～数ｋｍ程度の長尺となる。したがって、超電導線材３０１の折り返し部３０２を構成するために、ＰＣＳ線ドラム３０３に超電導線材３０１を巻回する作業が非常に煩雑となる。また、１本の超電導線材３０１を折り返してなる２本の超電導線材３０１を同時にＰＣＳコイルボビン３０４に巻回することになるため、巻き始めの作業性が悪い。

本発明は、巻回する際の作業性がよく、かつ、超電導特性が劣化しない永久電流スイッチ、永久電流スイッチの製造方法および超電導磁石装置を提供することを目的とする。

前記課題をした本発明に係る永久電流スイッチ（以下、ＰＣＳ）は、鍔部を有するボビンと、前記ボビンに巻回された複数本の超電導線材と、前記複数本の超電導線材の少なくとも一方の端部同士が超電導接続された超電導接続部と、を有し、前記超電導接続部が、前記鍔部に、前記超電導線材の巻き方向に移動可能に設けられている。

本発明によれば、巻回する際の作業性がよく、かつ、超電導特性が劣化しないＰＣＳ、ＰＣＳの製造方法および超電導磁石装置を提供できる。

第１実施形態に係るＰＣＳ１の熱処理前の一態様を示す概略図である。第１実施形態に係るＰＣＳ１の熱処理後の一態様を示す概略図である。ボビン２にＰＣＳ１を構成する超電導線材３を巻回してＰＣＳ１を製造している様子を示す概略斜視図である。ボビン２に超電導線材３およびヒータ線（図示せず）を巻回した後の状態を示す斜視図である。超電導接続部４に用いる接続容器４０の構造を示す平面図である。図５Ａのｖｂ－ｖｂ断面図である。図５Ａのｖｃ－ｖｃ断面図である。ＰＣＳ１の無誘導巻きの折り返し部となる超電導接続部４を形成するプロセスの一例を説明する概略断面図である。ＰＣＳ１の無誘導巻きの折り返し部となる超電導接続部４を形成するプロセスの一例を説明する概略断面図である。ＰＣＳ１の無誘導巻きの折り返し部となる超電導接続部４を形成するプロセスの一例を説明する概略断面図である。ＰＣＳ１の無誘導巻きの折り返し部となる超電導接続部４を形成するプロセスの一例を説明する概略断面図である。ＰＣＳ１を構成するボビン２の構造を示す概略構成図である。図１０Ａのｘｂ－ｘｂ断面図である。図１０Ｂのｘｃ－ｘｃ断面図である。第２実施形態に係るＰＣＳ１の超電導接続部４を形成するプロセスの一例を説明する概略図である。第２実施形態に係るＰＣＳ１の超電導接続部４を形成するプロセスの一例を説明する概略図である。第２実施形態に係るＰＣＳ１の超電導接続部４を形成するプロセスの一例を説明する概略図である。第３実施形態に係るＰＣＳ１の超電導接続部４に用いられるＭｇＢ_２粉体充填容器４１とボビン２の鍔部２１との固定構造を示した概略図である。図１２Ａのｘｉｉｂ－ｘｉｉｂ断面図である。本発明の第４実施形態に係る超電導磁石装置１０の構成例を示す概略図である。一般的な超電導磁石装置１００の構成例を示す概略図である。一般的な超電導磁石装置１００の電気回路構成の一例を示す回路図である。一般的な超電導磁石装置１００の電気回路構成の一例を示す回路図である。一般的な超電導磁石装置１００の電気回路構成の一例を示す回路図である。一般的なＰＣＳ１０３の製造プロセスの一例を説明する概略図である。一般的なＰＣＳ１０３の製造プロセスの一例を説明する概略図である。

以下、適宜図面を参照して本発明の一実施形態に係るＰＣＳ、ＰＣＳの製造方法および超電導磁石装置について詳細に説明する。なお、参照する図面において各要素は見易さや説明のし易さなどの観点から形状や寸法を誇張して図示している。

［永久電流スイッチ（ＰＣＳ）］
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るＰＣＳ１について、図１から図９を参照して説明する。
図１は、第１実施形態に係るＰＣＳ１の熱処理前、つまり、完成前の一態様を示す概略図である。図２は、第１実施形態に係るＰＣＳ１の熱処理後、つまり、完成後の一態様を示す概略図である。図１に示すように、熱処理前のＰＣＳ１は、超電導接続部４を鍔部２１に固定せずに取り扱うことができるが、熱処理後のＰＣＳ１は、図２に示すように、超電導接続部４が鍔部２１に固定されている。熱処理を行う前に超電導接続部４を鍔部２１に固定し、熱処理を行ってＰＣＳ１を完成させる。

図１および図２に示すように、ＰＣＳ１は、鍔部２１を有するＰＣＳコイルボビン（以下、ボビン２）と、このボビン２に巻回された複数本の超電導線材３と、これらの複数本の超電導線材３の少なくとも一方、一例としていずれか一方の端部３１同士が超電導接続された超電導接続部４とを有する。

この超電導接続部４は、超電導材料、より好ましくは、１０Ｋで超電導特性を有する高温超電導材料により形成されている。これについては後述する。また、この超電導接続部４は、ＰＣＳ１において無誘導巻きの折り返し部となる。そのため、超電導接続部４は、複数本の超電導線材３を直線的に接続するのではなく、折り返すように接続することが好ましい。
また、超電導接続部４は、図２に示すように、鍔部２１において超電導線材３が巻回されている側の面、つまり、巻枠側２４に固定させることが好ましい。このようにすると、その後の取り扱いが容易となり、超電導磁石装置１０（図１３参照）製造時等における超電導接続部４の破損を防ぐことができる。鍔部２１は、図１などに示すように、超電導線材３が巻回されるボビン２の巻枠２３（図１０Ａ参照）の両端に設けられていることが好ましいが、いずれか一方の端部に設けられていてもよい。

超電導線材３としては、ＭｇＢ_２超電導フィラメント３２（図６参照）を中心に配置し、その周囲を金属シース３３（図６参照）で被覆したＭｇＢ_２線が好適に挙げられるが、これに限定されない。例えば、超電導線材３は、ＭｇＢ_２超電導フィラメント３２に替えてイットリウム系やビスマス系などその他の超電導材料を用いて構成されたフィラメントを有するものであってもよい。

ＰＣＳ１は次のようにして製造することができる。
図３は、ボビン２にＰＣＳ１を構成する超電導線材３を巻回してＰＣＳ１を製造している様子を示す概略斜視図である。図３中、ＰＣＳ線ドラム（以下、ドラム３０）近傍の矢印は超電導線材３の送出方向を示しており、ボビン２近傍の矢印は超電導線材３の巻取方向を示している。

図３に示すように、第１実施形態におけるＰＣＳ１の巻線作業は、複数（図３に示す例では２つ）のドラム３０から超電導線材３を同時に送出し、複数本の超電導線材３をボビン２に巻回する（巻回工程）。巻回工程では、独立した複数本の超電導線材３をボビン２に巻回するので、作業性が向上する。
ボビン２に超電導線材３を巻回す際に、各層毎にヒータ線（図示せず）が挿入されるようにヒータ線を巻回し、超電導線材３とヒータ線（図示せず）とが各層毎に配置されるようにする。超電導線材３とヒータ線（図示せず）とを交互に配置することで、小さな熱量で超電導線材３を常電導転移させることができる。このとき、ヒータ線（図示せず）はシート状のものなど所望の熱量を投入できる発熱体であれば、その構造は線に限る必要はない。図４は、ボビン２に超電導線材３およびヒータ線（図示せず）を巻回した後の状態を示す斜視図である。図４に示す例では、ボビン２に２本の超電導線材３を巻回したため、超電導線材３の端部３１が、始端と終端の２か所で形成される。

そして、第１実施形態では、これら２か所のうちの一方の端部３１同士を超電導接続部４で超電導接続する（超電導接続工程）。この工程により、ＰＣＳ１を製造できる。このＰＣＳ１は超電導接続部４で超電導接続を行うことによって、無誘導巻きを具現している。また、このようにして複数本の超電導線材３を超電導接続部４で超電導接続するので、特許文献１に記載の技術のように、１本の超電導線材の中央部を所定の曲げ半径で係止部に係止させて折返し部とし、これを固定端として無誘導巻きする場合と異なり、曲げ半径の影響を受けない。そのため、超電導線材３の超電導特性が劣化しない。

図５Ａは、超電導接続部４に用いる接続容器４０の構造を示す平面図である。図５Ｂは、図５Ａのｖｂ－ｖｂ断面図である。図５Ｃは、図５Ａのｖｃ－ｖｃ断面図である。図５Ａに示すように、接続容器４０は、直方体形状のＭｇＢ_２粉体充填容器４１を有している。また、図５Ｂに示すように、ＭｇＢ_２粉体充填容器４１は、上面部４２にＭｇＢ_２粉末５０（図７参照）を充填するためのＭｇＢ_２粉体充填部４３が設けられている。ＭｇＢ_２粉体充填部４３は、上面部４２における開口部の形状が円形であり、所定の深さを有して形成されている。ＭｇＢ_２粉体充填容器４１は、加圧治具４４によって、このＭｇＢ_２粉体充填部４３の開口部が封止される。

さらに、図５Ｂに示すように、ＭｇＢ_２粉体充填容器４１は、超電導線材３（図５Ｂにおいて図示せず）をＭｇＢ_２粉体充填容器４１内に導入するための線材挿入部４５を有している。そして、この線材挿入部４５は、接続容器４０の一側面側４６からＭｇＢ_２粉体充填部４３を介して、対抗する他側面側４７にかけて連通している。

また、図５Ｃに示すように、ＭｇＢ_２粉体充填容器４１は、接続容器４０の例えば下面部４８に、超電導接続部４（接続容器４０）をボビン２の鍔部２１に固定する（一体化する）ための接続容器固定部４９を備えている。接続容器固定部４９は、図示しないネジなどにより鍔部２１に固定される。接続容器４０は、６００℃以上の熱処理に耐え、かつ、熱処理中にＭｇやＢと反応し難い材料で形成することが好ましい。そのような材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔａなどの純金属またはそれらの純金属に他の元素を含ませた合金などが好適に挙げられる。

図６から図９および図１、図２を参照して、ＰＣＳ１の無誘導巻きの折り返し部となる超電導接続部４を形成するプロセスの一例について、順を追って説明する。その際、図５Ｂも参照して説明する。なお、図６から図９は、ＰＣＳ１の無誘導巻きの折り返し部となる超電導接続部４を形成するプロセスの一例を説明する概略断面図である。

先ず、図６に示すように、ＭｇＢ_２超電導フィラメント３２を含む超電導線材３の表面の金属シース３３を切削し、ＭｇＢ_２超電導フィラメント３２を露出させる。超電導線材３の表面の金属シース３３を切削する際には、機械的な研磨や化学的なエッジング、電気的な切削などの方法を適用できる。このとき、超電導接続部４内における超電導層の生成を阻害する物質がＭｇＢ_２粉体充填部４３に露出しないような形状に切削することが好ましい。その一態様としては、例えば、金属シース３３を半周分切削することが挙げられる。また、ＭｇＢ_２超電導フィラメント３２を露出させる一態様としては、例えば、超電導線材３を斜めに切断することが挙げられる。

露出させるＭｇＢ_２超電導フィラメント３２は、ＭｇとＢが未反応の状態でも、反応済みでＭｇＢ_２が生成された状態のどちらでもよい。ＭｇとＢが未反応の場合には、超電導接続部４における超電導接続のための熱処理時に線材部分も熱処理を受けてＭｇＢ_２化する。ＭｇＢ_２超電導フィラメント３２を露出させた超電導線材３をＭｇＢ_２粉体充填容器４１に設けた線材挿入部４５から挿入し、ＭｇＢ_２超電導フィラメント３２の露出部分が、ＭｇＢ_２粉体充填部４３に位置するように配置する。

次に、図７に示すように、ＭｇＢ_２粉末５０をＭｇＢ_２粉体充填容器４１のＭｇＢ_２粉体充填部４３に充填する。なお、充填する粉末は、ＭｇＢ_２粉末でも、ＭｇとＢとの混合粉でもよい。また、Ｍｇは粉末であっても塊であってもよい。これらはいずれも超電導材料であり、１０Ｋで超電導特性を有する高温超電導材料に該当する。

次に、図８に示すように、加圧治具４４でＭｇＢ_２粉体充填部４３の開口部を塞ぐ。そして、プレス機（図示せず）などで加圧治具４４を押圧して内部のＭｇＢ_２粉末５０に圧力を加えてＭｇＢ_２粉末５０を押し固める。プレス機による圧力は、例えば、５００ＭＰａ以上などとすることができるが、これに限定されない。なお、プレス後の加圧治具４４は、ＭｇＢ_２粉体充填部４３の開口部から外さずにそのままにしておくことが好ましい。このようにすると、熱処理時にＭｇが揮発して含有量が減じてしまうのを防ぐことができる。また、加圧治具４４は、後記する熱処理後も外さずにそのままにしておくことが好ましい。このようにすると、機械的強度があまり高くないＭｇＢ_２焼結体５２（図９参照）が損壊してしまうのを防ぐことができる。

そして、図８に示すように、加圧時または加圧後に、超電導線材３と線材挿入部４５との間の間隙を封止材５１で封止する。封止材５１としては、セラミックボンドや耐火パテなどが挙げられるが、６００℃以上の熱処理に耐えられるものであることが好ましい。さらに、封止材５１には、Ｍｇと反応するような成分の含有量が少ないものを選定することがより好ましい。

その後、図９に示すように、超電導接続部４を熱処理することで２本の超電導線材３のＭｇＢ_２超電導フィラメント３２の周辺にＭｇＢ_２焼結体５２が生成される。このようにして生成されたＭｇＢ_２焼結体５２は、２本の超電導線材３のＭｇＢ_２超電導フィラメント３２を超電導接続する。
なお、ＭｇＢ_２焼結体５２の生成は、例えば、電気炉を用いてアルゴンや窒素などの不活性ガス中、５００～９００℃で加熱することで行うことができるが、誘導加熱などの方法を適用することもできる。ただし、温度が高い場合には、Ｍｇの蒸発量が多くなるため、６５０～８５０℃程度で熱処理することが好ましい。

超電導接続部４の熱処理時に、ボビン２の鍔部２１などの構造体に超電導接続部４を固定することが好ましい。このようにすると、超電導接続部４周辺の超電導線材３に応力が加わり、超電導特性が劣化することを防ぐことができる。超電導接続部４の固定の際に、セラミック製の板やワッシャなど用いてボビン２の鍔部２１と接続容器４０とを電気的に絶縁してもよい。上記のようにして製造したＰＣＳ１全体の様子を図示したものが図２である。なお、図２は鍔部２１に超電導接続部４を固定した態様を図示している。

以上のように、本実施形態で説明したＰＣＳ１は、複数本の超電導線材３を超電導接続した超電導接続部４で無誘導巻きを実現している。本実施形態ではこのようにして超電導線材３の折り返し部を構成するので、従来のように、一度、ＰＣＳ線ドラムに超電導線材３を巻き直す必要がなくなる。また、独立した複数本の超電導線材３をボビン２に巻回するので、作業性が向上する。さらに、従来のように、無誘導巻きの折り返し部で超電導線材３を曲げる必要がないため、曲げ半径の影響を受けて超電導線材３の超電導特性が劣化するということがない。また、従来のように、無誘導巻きの折り返し部で超電導線材３を曲げる必要がないため、超電導線材３の曲げ応力による超電導特性の劣化を防ぐことができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係るＰＣＳ１について、図１０Ａから図１０Ｃおよび図１１Ａから図１１Ｃを参照して説明する。なお、本実施形態は、第１実施形態の変形例であって、第１実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する場合がある。

図１０Ａは、ＰＣＳ１を構成するボビン２の構造を示す概略構成図である。図１０Ｂは、図１０Ａのｘｂ－ｘｂ断面図である。図１０Ｃは、図１０Ｂのｘｃ－ｘｃ断面図である。
図１０Ａに示すように、第２実施形態におけるボビン２は、巻枠２３と鍔部２１とを備えている。第２実施形態に係るＰＣＳ１は、このボビン２に複数本の超電導線材３（図１０Ａにおいて図示せず）が巻回されて成る。第２実施形態における鍔部２１には、無誘導巻きの折り返し部となる超電導接続部４を形成するための構造が設けられている。この超電導接続部４として、具体的には、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すように、鍔部２１にＭｇＢ_２粉体充填部４３と加圧治具４４とが設けられている。このＭｇＢ_２粉体充填部４３は、鍔部２１の巻枠側２４からその裏側の反巻枠側２５に向かって徐々に深さが深くなるとともに、平面視略Ｉ字状、略Ｊ字状（Ｊの鏡文字の形状を含む）および略Ｃ字状（Ｃの鏡文字の形状を含む）などに形成された超電導線材導入溝２６が設けられている。第２実施形態では、鍔部２１に設けられた超電導線材導入溝２６と、これに連なって鍔部２１内に設けられたＭｇＢ_２粉体充填部４３とにより、無誘導巻きの折り返し部となる超電導接続部４を具現する。
なお、本実施形態では、巻枠側２４から反巻枠側２５まで超電導線材導入溝２６が設けられている場合を示したが、巻枠側２４にＭｇＢ_２粉体充填部４３が設けられ、反巻枠側２５まで超電導線材導入溝２６が連続しない構造とすることもできる。

図１１Ａから図１１Ｃは、第２実施形態に係るＰＣＳ１の超電導接続部４を形成するプロセスの一例を説明する概略図である。
図１１Ａは、第２実施形態におけるＰＣＳ１の巻線後の様子を示している。図１１Ｂは、図１１Ａのｘｉｂｃ－ｘｉｂｃ部における断面図であり、超電導線材導入溝２６に超電導線材３を配置した様子を図示している。図１１Ｃは、図１１Ａのｘｉｂｃ－ｘｉｂｃ部における断面図であり、ボビン２を反転させ、ＭｇＢ_２粉体充填部４３にＭｇＢ_２粉末５０を充填し、加圧治具４４で塞いだ様子を図示している。

第２実施形態では、第１実施形態と同様に複数本（例えば、２本）の超電導線材３をボビン２に同時に巻回する。このようにすると、第１実施形態と同様、超電導線材３の巻き始めと巻き終わりにそれぞれ超電導線材３の端部３１が２本できる。その後、それらのうちの一方の端部３１をボビン２の鍔部２１に設けられた超電導線材導入溝２６に沿って挿入し、ＭｇＢ_２粉体充填部４３に配置する。その際、超電導線材３は、少なくともＭｇＢ_２粉体充填部４３に位置する部分の金属シース３３を一部切削（例えば、半周分切削）し、超電導線材３内のＭｇＢ_２超電導フィラメント３２を露出させた状態にする。超電導線材３の表面の金属シース３３の切削は、第１実施形態と同様に行うことができる。このとき、超電導接続部４内における超電導層の生成を阻害する物質がＭｇＢ_２粉体充填部４３に露出しないような形状に切削することが好ましい。

露出させるＭｇＢ_２超電導フィラメント３２も第１実施形態と同様、ＭｇとＢが未反応の状態でも、反応済みでＭｇＢ_２が生成された状態のどちらでもよい。ＭｇとＢが未反応の場合には、超電導接続部４における超電導接続のための熱処理時に線材部分も熱処理を受けてＭｇＢ_２化する。

そして、図１１Ｃに示すように、ＭｇＢ_２粉末５０をＭｇＢ_２粉体充填部４３に充填する。なお、図１１Ｃは、図１１Ａや図１１Ｂに示す状態からボビン２を反転させて、ＭｇＢ_２粉体充填部４３を上側に配置している。すなわち、ボビン２の巻枠側２４と反巻枠側２５は図１１Ｃに示すとおりであり、このようにすると、ＭｇＢ_２粉体充填部４３にＭｇＢ_２粉末５０を充填し易くなるので好適である。充填する粉末は、ＭｇＢ_２粉末でもよく、ＭｇとＢとの混合粉でもよい。また、Ｍｇは粉末であっても塊であってもよい。
ＭｇＢ_２粉体充填部４３にＭｇＢ_２粉末５０を充填した後、加圧治具４４でＭｇＢ_２粉体充填部４３の開口部を塞ぐ。そして、プレス機などで加圧治具４４を押圧して内部のＭｇＢ_２粉末５０に圧力を加えて押し固める。

その後、少なくとも鍔部２１の超電導接続部４を熱処理することにより、２本の超電導線材３の周辺にＭｇＢ_２焼結体５２が生成され、ＭｇＢ_２粉体充填部４３内のＭｇＢ_２超電導フィラメント３２がＭｇＢ_２焼結体５２によって超伝導接続される。ＭｇＢ_２焼結体５２の生成は、第１実施形態と同様にして行うことができる。すなわち、ＭｇＢ_２焼結体５２の生成は、例えば、電気炉を用いてアルゴンや窒素などの不活性ガス中、５００～９００℃で加熱することで行うことができるが、誘導加熱などの方法を適用することもできる。ただし、温度が高い場合には、Ｍｇの蒸発量が多くなるため、６５０～８５０℃程度で熱処理することが好ましい。

以上に説明した第２実施形態に係るＰＣＳ１は、ボビン２の鍔部２１の内部に設けられた（一体化された）超電導接続部４で複数本の超電導線材３を超伝導接続してＰＣＳ１の無誘導巻きの折り返し部を具現している。第２実施形態に係るＰＣＳ１は、このような構成としているので、超電導線材３の折り返し部を構成するにあたって、従来のように、一度、ＰＣＳ線ドラムに超電導線材３を巻き直す必要がなくなる。また、独立した複数本の超電導線材３をボビン２に巻回するので、作業性が向上する。さらに、従来のように、無誘導巻きの折り返し部で超電導線材３を曲げる必要がないため、曲げ半径の影響を受けて超電導線材３の超電導特性が劣化するということがない。また、従来のように、無誘導巻きの折り返し部で超電導線材３を曲げる必要がないため、超電導線材３の曲げ応力による超電導特性の劣化を防ぐことができる。加えて、第２実施形態に係るＰＣＳ１は、ボビン２の鍔部２１にＰＣＳ１の無誘導巻きを形成する折り返し部（超電導接続部４）が一体化しているため、コンパクトな形状で無誘導巻きの折り返し部を具現し、ＰＣＳ１を小型化できる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係るＰＣＳ１について、図１２Ａおよび図１２Ｂを参照して説明する。なお、本実施形態は、第１実施形態の変形例であって、第１実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する場合がある。

図１２Ａは、第３実施形態に係るＰＣＳ１の超電導接続部４に用いられるＭｇＢ_２粉体充填容器４１とボビン２の鍔部２１との固定構造を示した概略図である。図１２Ｂは、図１２Ａのｘｉｉｂ－ｘｉｉｂ断面図である。

なお、第３実施形態では、第１実施形態と同様、２つのドラム３０から超電導線材３を同時に供給し、ボビン２に巻回する。ボビン２に超電導線材３を巻回す際に、各層毎にヒータ線を挿入することが好適である点も第１実施形態と同様である。従って、ボビン２に２本の超電導線材３を巻回した後の状態は、第１実施形態で参照した図４と同様の構造となる。

その後、第１実施形態と同様、超電導線材３の一方の端部３１の金属シース３３を切削し、超電導線材３内のＭｇＢ_２超電導フィラメント３２を露出させ、接続容器４０の線材挿入部４５に挿入する。そして、接続容器４０に設けられたＭｇＢ_２粉体充填部４３にＭｇＢ_２粉末５０を充填し、ＭｇＢ_２粉体充填部４３の開口部を加圧治具４４で塞ぐ。その後、加圧治具４４をプレス機などで押圧し、充填したＭｇＢ_２粉末５０を押し固める。なお、このとき、充填する粉末は、ＭｇＢ_２粉末に限らず、ＭｇとＢとの混合粉であってもよい。また、Ｍｇは粉末であっても塊であってもよい。

ＭｇＢ_２粉体充填部４３にＭｇＢ_２粉末５０を加圧した後のＰＣＳ１全体の構成は、第１実施形態で参照した図１や図２と同様になる。すなわち、ボビン２に巻回された超電導線材３の一方の端部３１に無誘導巻きの折り返し部となる超電導接続部４が設けられた状態となる。第３実施形態においても熱処理時に、図２に示すように、接続容器４０をボビン２の鍔部２１などの構造体に固定することが好ましい。これは、超電導接続部４周辺の超電導線材３に応力が加わり、超電導特性が劣化することを防ぐためである。このとき、熱処理時に超電導線材３が熱伸びすること、およびその後の冷却時に縮むことを考慮して、ボビン２の鍔部２１に接続容器４０を固定する際に、超電導線材３の長手方向に接続容器４０が移動できる構造とすることが好ましい。

図１２Ａおよび図１２Ｂはその具体的な固定方法を示したものである。図１２Ａは、ボビン２の鍔部２１と接続容器４０の固定部を上面から見たものである。図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、接続容器４０は、鍔部２１に設けられた接続容器固定部長穴２７に固定される。この接続容器固定部長穴２７は、超電導線材３の長手方向が長辺となるように加工されていることが好ましい。このようにすると、超電導線材３の長手方向に接続容器固定部長穴２７の長辺が配置されているため、超電導線材３が熱伸びした際にも、接続容器４０は超電導線材３の長手方向に移動できるようになる。そのため、熱伸びによる超電導線材３の超電導特性の劣化を防ぐことができる。また、その冷却時に超電導線材３が縮んでもそれに追従して接続容器４０が移動できるので、超電導線材３の損壊等を防ぐことができる。

接続容器固定部長穴２７に接続容器４０を固定する際には、接続容器固定部材２８を用いる。接続容器固定部材２８としては、例えば、ネジやボルトが挙げられる。接続容器固定部材２８の材質としては、高温の熱処理にも耐えられるステンレスやセラミックスなどが挙げられる。接続容器固定部材２８は、鍔部２１の面で接続容器４０が長手方向に移動できる程度の強さで固定することが好ましい。また、接続容器４０を固定する際に、セラミック製の板やワッシャなど用いて、鍔部２１と接続容器４０とを電気的に絶縁してもよい。

その後、少なくとも超電導接続部４を熱処理することにより、接続容器４０内において複数本（例えば、２本）の超電導線材３周辺にＭｇＢ_２焼結体５２が生成される。このようにして生成されたＭｇＢ_２焼結体５２は、２本の超電導線材３のＭｇＢ_２超電導フィラメント３２を超電導接続することができる。ＭｇＢ_２焼結体５２の生成は、例えば、電気炉を用いてアルゴンや窒素などの不活性ガス中、５００～９００℃で加熱することで行うことができるが、誘導加熱などの方法を適用することもできる。ただし、温度が高い場合には、Ｍｇの蒸発量が多くなるため、６５０～８５０℃程度で熱処理することが好ましい。

本実施形態で説明したＰＣＳ１は、複数本の超電導線材３を超電導接続した超電導接続部４で無誘導巻きを実現している。本実施形態ではこのようにして超電導線材３の折り返し部を構成するので、従来のように、一度、ＰＣＳ線ドラムに超電導線材３を巻き直す必要がなくなる。また、独立した複数本の超電導線材３をボビン２に巻回するので、作業性が向上する。さらに、従来のように、無誘導巻きの折り返し部で超電導線材３を曲げる必要がないため、曲げ半径の影響を受けて超電導線材３の超電導特性が劣化するということがない。また、従来のように、無誘導巻きの折り返し部で超電導線材３を曲げる必要がないため、超電導線材３の曲げ応力による超電導特性の劣化を防ぐことができる。

（第４実施形態）
［超電導磁石装置］
次に、本発明の第４実施形態に係る超電導磁石装置１０について、図１３を参照して説明する。図１３は、本発明の第４実施形態に係る超電導磁石装置１０の構成例を示す概略図である。
図１３に示すように、超電導磁石装置１０は、クライオスタット１１の内部に超電導コイル１２と、第１実施形態から第３実施形態で説明したいずれかの態様のＰＣＳ１とを有している。また、このＰＣＳ１は、前述したように、ボビン２の鍔部２１に無誘導巻きの折り返し部となる超電導接続部４を有している。

超電導コイル１２とＰＣＳ１とは、支持板１３を介して冷凍機（図示せず）によって冷却される。また、超電導コイル１２の超電導線材とＰＣＳ１の超電導線材３とは、超電導接続部１４で超電導接続されている。

超電導コイル１２を励磁する際には、室温側に配置される電源（図示せず）から低温側の超電導コイル１２に電流リード１５を通じて電流を供給する。ＰＣＳ１が超電導状態に転移すると、超電導体の電気抵抗がゼロであるため、超電導コイル１２、ＰＣＳ１、超電導接続部１４で構成される閉ループ回路において、電流の減衰がない永久電流運転モードを実現することができる。そのため、超電導磁石装置１０内の超電導コイル１２において高い安定度を有する磁場を得ることができる。

本実施形態に係る超電導磁石装置１０は、前述したＰＣＳ１を有しているので、超電導磁石装置１０を製造するにあたって、ＰＣＳ１の製造時の作業性が向上する。また、超電導磁石装置１０は、ＰＣＳ１の超電導接続部４で超電導線材３を曲げる必要がないため、曲げ半径の影響を受けて超電導線材３の超電導特性が劣化するということがない。さらに、超電導磁石装置１０は、ＰＣＳ１の超電導接続部４で超電導線材３を曲げる必要がないため、超電導線材３の曲げ応力による超電導特性の劣化がない。

以上、本発明に係る永久電流スイッチ、永久電流スイッチの製造方法および超電導磁石装置について実施形態により詳細に説明したが、本発明の主旨はこれに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ＰＣＳ（永久電流スイッチ）
２ボビン
３超電導線材
４超電導接続部
１０超電導磁石装置
１１クライオスタット
１２超電導コイル
１３支持板
１４超電導接続部
１５電流リード
２１鍔部
２３巻枠
２４巻枠側
２５反巻枠側
２６超電導線材導入溝
２７接続容器固定部長穴
２８接続容器固定部材
３０ドラム
３１端部
３２ＭｇＢ_２超電導フィラメント
３３金属シース
４０接続容器
４１ＭｇＢ_２粉体充填容器
４２上面部
４３ＭｇＢ_２粉体充填部
４４加圧治具
４５線材挿入部
４６一側面側
４７他側面側
４８下面部
４９接続容器固定部
５０ＭｇＢ_２粉末
５１封止材
５２ＭｇＢ_２焼結体

Claims

鍔部を有するボビンと、
前記ボビンに巻回された複数本の超電導線材と、
前記複数本の超電導線材の少なくとも一方の端部同士が超電導接続された超電導接続部と、
を有し、
前記超電導接続部が、前記鍔部に、前記超電導線材の巻き方向に移動可能に設けられていることを特徴とする永久電流スイッチ。
請求項１において、
前記超電導接続部が、超電導材料により形成されていることを特徴とする永久電流スイッチ。
請求項１において、
前記超電導接続部が、１０Ｋで超電導特性を有する高温超電導材料により形成されていることを特徴とする永久電流スイッチ。
複数のドラムから超電導線材を送出させて、鍔部を有するボビンに複数本の前記超電導線材を巻回させる巻回工程と、
複数本の前記超電導線材の少なくとも一方の端部同士を超電導接続部で超電導接続させる超電導接続工程と、
を有し、
前記超電導接続部が、前記鍔部に、前記超電導線材の巻き方向に移動可能に設けられていることを特徴とする永久電流スイッチの製造方法。
請求項１～３のいずれか１項に記載の永久電流スイッチを用いたことを特徴とする超電導磁石装置。