JP2000502842A - 高温超伝導体リード組立体 - Google Patents

高温超伝導体リード組立体

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JP2000502842A JP09524533A JP52453397A JP2000502842A JP 2000502842 A JP2000502842 A JP 2000502842A JP 09524533 A JP09524533 A JP 09524533A JP 52453397 A JP52453397 A JP 52453397A JP 2000502842 A JP2000502842 A JP 2000502842A
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アンソニー ジェイ ローデンブッシュ
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Abstract

(57)【要約】 低温冷却マグネットシステム(10)への熱漏れを減少させるための高温超伝導体リード組立体(20)は、超伝導体(42)と、この超伝導体(42)の第1の端部に結合される第1のリードコネクタ(44)とを備える。このリードコネクタは、該コネクタを冷却するための機械的低温冷却装置(14)に取り付けるための電気的に絶縁性であり且つ熱的に伝導性のセラミックマウントを含む。超伝導体は、リボンスタックの形にある。超伝導体は、電気的且つ熱的に絶縁性の支持体に取り付けられる。低温冷却マグネットシステム(10)は、温端部(16)および冷端部(18)を有する機械的低温冷却装置(14)と、低温冷却装置(14)の冷端部(18)の温度に維持される超伝導体マグネット(12)と、2つの超伝導体リード(20)と、超伝導体リードへ電力を供給するための2つの電流通電リード(28)とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 高温超伝導体リード組立体 発明の背景 本発明は、高温超伝導体リードに関するものであり、特に、超伝導体マグネッ トへ電流を流すための高温超伝導体リードに関するものである。 大電流が流れるときに通常の銅リードによって発生される抵抗加熱は、低温冷 却された超伝導体マグネットシステムに対して、相当量の熱漏れを生ずる。超伝 導体を所望の低温度に維持するためには、このようなシステムへの熱漏れを克服 するため付加的な冷却が必要とされる。 超伝導体セラミックの純粋なコーティングの形、一般的には、金属エンドキャ ップを有したロッドまたはチューブの形のバルク超伝導体リードが、非超伝導体 リードから超伝導体マグネットへと電力を供給するのに使用される。これらのバ ルクリードは、取り扱いが難しい。何故ならば、純粋なセラミックは、低温度で はもろいものであるからである。また、バルク材料と金属エンドカップとの間の 接触に伴う抵抗熱があり、その結果として、低温冷却された超伝導体マグネット システムに対して熱漏れが生ずる。 バルク超伝導体リードは、超伝導体リードおよび低温冷却装置へ電力を供給す る銅リードの間にヒートシンクを含んでいた。第1図に示されるように、従来の バルク超伝導体リード2は、低温冷却装置8の冷端部5に接続された超伝導体マ グネット4へ電流を流す。銅リード6は、筐体1を貫通しており、低温冷却装置 8の温端部7への接続3を含む。低温冷却装置に対するヒートシンクは、バルク 材料とリードの金属エンドキャップ9との間の接触領域の温側(銅リード6の側 )からなされる。したがって、セラミック材料とキャップとの間の接触に伴う抵 抗熱は、依然として、低温冷却された超伝導体マグネットシステムへと漏れる。 約5500アンペアを流しているバルクリードの抵抗熱は、リード対当たり約1 .15w/kA程の高いものとなりうる。この抵抗熱漏れと、対当たり約0.0 4w/kAの伝導熱漏れとのために、対当たり約595w/kAの付加的 な冷却が必要とされる(4ケルビンで、低温冷却されたシステムへの熱漏れのワ ット当たり、約500wの冷却が必要とされる。)。 冷却がなされないような状況下において、超伝導体マグネットが損傷してしま わないようにするために、熱安定装置を設けることができる。超伝導体リードを 熱的に安定させるためには、バルクリードでも、重ねた複合リードでも、そのリ ードを、低熱伝導率を有する材料、例えば、ステンレス鋼または黄銅ワイヤまた はロッドまたはバーに対してプレスしたり、はんだ付けする。こうすることによ り、マグネットは、超伝導体リードが故障する前に、放電させられる。別の仕方 としては、リードの超伝導体性が失われるか、リードが壊れるかする場合におい て、マグネットの放電を行えるようにするために、その超伝導体リードと並列に 電気的バイパス路を設けておくことができる。 発明の概要 本発明は、低温冷却されたマグネットシステムへの熱漏れを減少させた高温超 伝導体リード組立体に関する。高温超伝導体リード組立体は、超伝導体と、この 超伝導体の第1の端部に結合された第1のリードコネクタとを含む。このリード コネクタは、マウントによって、このコネクタを冷却するための機械的低温冷却 装置に取り付けられる。 本発明の特定の実施例においては、超伝導体は、リボンスタックの形、または 、複数のリボンスタックの形にある。超伝導体は、電気的且つ熱的絶縁支持体に 取り付けられる。外側支持体が、超伝導体を取り巻き、リードコネクタに接続さ れる。マウントは、酸化ベリリウムまたは窒化アルミニウムのごとき電気的に絶 縁性で且つ熱伝導性のセラミックである。この組立体は、超伝導体リードを電源 に接続するための電流ラグを有したリードコネクタを含む。超伝導体の第2の端 部に結合される第2のリードコネクタは、そのリードコネクタを超伝導体マグネ ットへと取り付けるためのマウントを含む。この超伝導体マグネットは、低温冷 却装置の第1のリードコネクタへの取り付け点での温度よりも低い温度にある。 本発明の別の観点によれば、低温冷却されるマグネットシステムは、温端部お よび冷端部を有する機械的低温冷却装置と、この低温冷却装置の冷端部の温度に 維持される超伝導体マグネットと、機械的低温冷却装置の温端部に取り付けるた め のマウントを含む2つの超伝導体リードと、各々超伝導体リードに接続されて電 源から超伝導体リードへ電力を供給するための2つの電流通電リードとを備える 。 本発明の特定の実施例においては、電流通電リードは、銅ブロックである。銅 ストラップにより、超伝導体リードマウントは、機械的低温冷却装置の温端部に 接続される。機械的低温冷却装置の温端部は、約60ケルビンであり、機械的低 温冷却装置の冷端部は、約10ケルビンである。 このようなシステムの効果としては、次のようなものがある。超伝導体リード は、機械的に安定であり、取り扱いが容易である。超伝導体リードを低温冷却装 置へ取り付けるために、熱伝導性であるが電気的に絶縁されるマウントが超伝導 体リードに設けられる。スタックにおける超伝導体リボンの数およびリードにお けるスタックの数を、所望の電流通電容量とするために調整することができる。 図面の簡単な説明 本発明のその他の目的、特徴および効果は、添付図面を参照してなされる次の 説明から明らかとなろう。 第1図は、従来の低温冷却されるマグネットシステムの概略図である。 第2図は、本発明による低温冷却されるマグネットシステムの概略図である。 第3図は、超伝導体リードの概略図である。 第3A図は、第3図の3A−3A線にそってとった横断面図である。 第3B図および第3C図は、超伝導体リードにおける磁場の向きを示す概略図 である。 第4図は、超伝導体リードの別の実施例を示す第3A図と同様の横断面図であ る。 第4A図は、第4図の超伝導体リードにおける磁場の向きを示す概略図である 。 第5図は、超伝導体リードのための熱安定装置の概略図である。 第5A図は、第5図の5A−5A線にそってとった横断面である。 第6図は、超伝導体リードのための熱安定装置の別の実施例を示す概略図であ る。 第6A図は、第6図の6A−6A線にそってとった横断面図である。 好ましい実施例の説明 第2図を参照するに、磁気共鳴イメージングシステムおよびその他の同様のアプ リケーションに使用されるような低温冷却されるマグネットシステムが示されて おり、このマグネットシステムは、低温または高温超伝導体マグネット12、Cr yomech,Syracuse,NY.から手に入るGB37の如き温端部16および冷端部1 8を有する二段機械的低温冷却装置14、温端部22および冷端部24を有する 超伝導体リード20および、上方段、例えば、電源(図示していない)から筐体壁 を貫通して超伝導体リード20の温端部22に取り付く銅ブロック28を含む筐 体11を備える。超伝導体リード20の温端部22は、例えば、銅ストラップ2 6によって低温冷却装置14の温端部16に取り付けられ、冷端部24は、例え ば、銅ストラップ26aによって超伝導体マグネット12に取り付けられる。低 温超伝導体マグネットの場合には、低温冷却装置14の温端部16は、一般的に は、約40から100ケルビンの範囲にあり、好ましくは、約60から80ケル ビンの範囲にあり、冷端部18は、一般的には、約4から20ケルビンの範囲に あり、最も好ましくは、約4ケルビンである。高温超伝導体マグネットの場合に は、低温冷却装置14の温端部16は、約40から100ケルビンの範囲にあり 、好ましくは、約60から80ケルビンの範囲にあり、冷端部18は、一般的に は、約4から60ケルビンの範囲にある。これらの温度は、特定のマグネットの 温度要件にしたがって選択される。 第3図を参照するに、超伝導体リード20は、高温複合超伝導体42が取り付 けられる内側支持体40(例えば、エポキシを用いて、その全長にそって連続的 に、または、その長さ方向にそって所々にて取り付けられている)と、温端部リ ードコネクタ44と、冷端部リードコネクタ46と、外側支持体48とを備える 。外側支持体48は、その外径が約3/8″から1.0″の範囲にあり、その内 径が外径より小さい約1/8″であり、リード20の取り扱いを容易としている ものであって、リードの機能としては必要とされていないものである。 内側および外側支持体40、48は、例えば、ファイバーガラスエポキシ複合 チューブの如き良好な電気的且つ熱的絶縁体で形成される。Spaulding Composit es,Rochester,NH によってガロライト(GAROLITE)として製造されているG10 チューブが適当な材料である。G10チューブは、経糸および充填方向における 熱伝導率が、.0035w/cm−Kであり、織りに直角な方向における熱伝導 率が、.0027w/cm−Kであり、破壊電圧が10kV/mmであり、低 温でもろくなく、通常の工具で機械加工でき、しかも、システムに対して熱負荷 をあまりかけないものである。G10チューブの総合熱収縮は、300Kから7 7Kで約0.23%であり、超伝導体42の熱収縮に近いものである。G10チ ューブは、また、超伝導体リード20の取り扱いを容易とするに十分な強度を有 している(G10チューブのヤング率は、低温動作温度、例えば、77Kで、織 り方向において36GPaであり、充填方向において、31GPaであり、織り に垂直な方向において23GPaである。) 温端部リードコネクタ44は、上方段の銅ブロック28に取り付けるための電 流ラグ50と、低温冷却装置14の温端部16に接続する銅ストラップ26を取 り付けるためのマウント、例えば、熱コンタクト52とを備える。冷端部リード コネクタ46は、マグネット12へ接続する銅ストラップ26aを取り付けるた めの電流ラグ54を備える。リードコネクタ44および46は、例えば、ETP の4ブロック、他の銅合金または銀から形成される。銅合金は、腐食を避けるた めに4ニッケルめっきされるとよいが、こうすると、銅ブロック28に対するリ ードコ4ネクタ44および46の接続抵抗が増大してしまう。熱コンタクト52 は、例え4ば、約1016Ω−cmより大きい抵抗率を有し且つ約6w/cm℃より 大きい熱4伝導率を有した電気的に絶縁性であり熱的に伝導性であるセラミック で形成される。適当な材料としては、酸化ベリリウムおよび窒化アルミニウムが ある。 温端部熱コンタクト52を低温冷却装置14へ接続することにより、銅ブロッ ク28に対する超伝導体リード20の温端部22の電気的接続の超伝導体側、ま たは冷端部側に相当なヒートシンクが与えられ、その接続の抵抗加熱を伝導によ って流すことができる。冷端部温度でなく、温端部で熱を流すことにより、冷却 を相当に節約することができる。例えば、温端部(約60ケルビン)で1wの熱を 流すには、必要な冷却は約50wでよいのに対して、冷端部(約10ケルビン) で1wの熱を流すのには、約500wの冷却が必要である。したがって、超伝導 体リード20の温端部から低温冷却装置の温端部への接続を与えるのが好ましい 。何故ならば、より高い温度で銅ブロック28からリード20への接続の抵抗熱 を流す方が実質的に電力が少なくてすむからである。4ケルビンで動作するマグ ネットの場合には、第2図および第3図に例示したような構造の場合における低 温 冷却されたマグネットへの熱漏れは、リード対当たり約200mW/kAだけで ある。約25%は、抵抗加熱からのものであり、残りは、伝導加熱からのもであ る。冷端部で必要とされる付加的な冷却は、対当たり約100W/kAだけであ る。 第3A図から第3C図に示されているように、複合超伝導体42の多重スタッ ク(4つのスタックが図示されている)が、内側支持体40のチャンネル58内 に配置されている。複合超伝導体42の異方性のために、超伝導体の良またはb 方向を、外部磁場F1および自己磁場F2と整列させると効果的である。自己磁場 は超伝導性能を劣化させるが、その影響は、それが超伝導体の良方向と整列され るときに、弱められる。第3B図を参照するに、スタック42bおよび42dは 、外部磁場F1と整列されており、4つのすべてのスタック42a−42dは、 自己磁場F2と整列されている。第3C図を参照するに、4つのすべてのスタッ ク42a′−42d′は、外部磁場F1と整列されており、スタック42b′お よび42d′は、自己磁場F2と整列されている。 第4図および第4A図を参照するに、チャンネル58内に配置された1つのス タック複合超伝導体42は、印加された磁場と整列されうるという効果を有して いるが、悪影響のある垂直自己磁場がより大きくなるという欠点を有している。 もし、超伝導体リードが低い磁気環境、例えば、約64Kの温端部温度で焼く2 000ガウス以下で動作する場合には、第3B図の構成が好ましい。何故ならば 、自己磁場が優勢であるからである。もし、超伝導体リードが高い磁気環境にお いて動作する場合には、第3C図の4スタック構成の方が第3B図の構成よりも 好ましいが、第4図の1スタック構成の方が、一般的には、多重スタック構成よ りも好ましい。これは、同じ電流通電容量の場合には、1スタック構成は、製造 が容易であり、且つスタックの個々のリボンの数が多くなり、したがって、その スタックをより頑丈なものとし且つ取り扱いの容易なものとすることができるか らである。 本発明の例示した実施例では、高温複合超伝導体42は、約10ミルの厚さで 170ミルの幅で、且つ約10cmから80cmの長さの超伝導リボン素子で形 成されている。これらの素子は、超伝導体異方性の効果を利用するために、重 ねられ、焼結されるのが好ましい。複合超伝導体42は、低い熱伝導率、例えば 、4から60Kの範囲において約0.45w/cm−Kを有し、その動作温度、 電流および磁場で、または、それ以下において、実際的に抵抗加熱を生じない。 チャンネル58の数および深さ、およびスタックにおけるリボン素子の数は、必 要とされる電流通電容量によって決定され、例えば、77K温端部の場合には、 後述するような16テープのスタックは、磁場の印加されていない状態において 、約500Aを流すことができる。 例えば、支持マトリックスにおいて酸化物、硫化物、セレン化物、テルル化物 、窒化物、炭化ホウ素、オキシ炭酸塩型の超伝導体セラミックを使用することが できる。超伝導動酸化物が好ましく、例えば、希土(RBCO)類の酸化物超伝 導体、ビスマス(BSCCO)類の酸化物超伝導体、タリウム(TBCCO)類 の酸化物超伝導体、または、水銀(HBCCO)類の酸化物超伝導体を使用する ことができる。超伝導体セラミックを支持しまたは結合するマトリックスのため の好ましい材料としては、銀およびその他の貴金属がある。Al23−Agの如 き酸化物分散増強(ODS)銀を含む実質的に貴金属からなる合金を使用するこ とができる。ここで、用語「貴」の意味は、超伝導体セラミックおよび前駆体に 対して且つ製造および使用の予想される条件(温度、圧力、雰囲気)のものとで それらを形成するのに必要とされるガスに対して実質的に非反応性であるという ことである。好ましい貴金属としては、銀(Ag)、金(Au)、プラチナ(Pt)、 およびパラジウム(Pd)がある。1から15原子パーセントの範囲の、好まし くは、3原子パーセントのAu/Agマトリックスが好ましいマトリックスであ る。 超伝導体リード20は、一般的に、50から2000アンペアの電流通電容量 を有するシステムにおいて使用される。これらの電流では、マグネットの冷却が 失われないようにするために熱安定装置は必要とされない。何故ならば、これら のシステムにおける小さなマグネットは、数秒にて損傷せずに停止されうるから である。第5図および第5A図を参照するに、必要ならば、熱安定装置は、リー ドの温端部で冷却が失われる場合において、急激な温度上昇を阻止する熱質量を そのリードに加えるためにステンレスまたは黄銅バーを超伝導体42へ結合する ことによって与えられる。超伝導体42は、その超伝導体の全長に亘って伸びて いるバー70に(第5図および第5A図)、または、超伝導体の長さの一部分にそ ってのみ、例えば、温端部から約半分のところまでしか延長していないバー72 (第6図および第6A図)に半田付けされうる。第6図の実施例が好ましい。何 故ならば、この実施例では、第5図の安定化リードよりも、冷端部へ伝導される 熱を少なくして温端部を安定化することができるからである。組立て中に、例え ば、エポキシでバー70は、チャンネル58に取り付けられる。バー72は、同 様にして、チャンネル58における超伝導体の長さ部分の残部に沿って延び且つ そこに結合されるバー72と同じ構成を有するG10材料の付加的部片を用いて チャンネルに取り付けられる。 再び、第2図を参照するに、超伝導体リード20の構成によれば、低温冷却さ れたマグネットシステム10へ容易に設置することができる。電流ラグ50およ び54は、それぞれ銅ブロック28および銅ストラップ26aへ取り付けるため のボルト穴26aを定めている。また、熱コンタクト52は、銅ストラップ26 への接続点を与えている。 超伝導体リード20を組み立てるために、超伝導体42は、例えば、エポキシ でもって内側支持体40に結合される。この場合において、超伝導体に対して曲 げ力を発生するマグネットによって生ぜしめられる背景磁場において、超伝導体 に掛かる力が内側支持体40に伝達される、超伝導体の損傷が阻止され且つ性能 の低下が阻止されるように、少なくとも、内側支持体40の長さ部分にそってい くつかの点で結合されるのがよい。超伝導体を内側支持体40に結合することに より、超伝導体に掛かる歪みをその臨界値以下に維持することができる。それか ら、リードコネクタ44、46が、約180℃で超伝導体42に半田付けされ、 低抵抗接続が形成される(超伝導体42は、損傷せずに、約200℃まで加熱さ れうる。)それから、外側支持体48がその組立体の上に滑り込まされる。 温端部リードコネクタ44は、例えば、エポキシによって外側支持体48に取 り付けられる。冷端部リードコネクタ46は、ピン62とスロット63との構成 により、外側支持体48内に滑動しうるように軸的に取り付けられる。したがっ て、温度が低下されるにつれて、外側支持体のG−10チューブと超伝導体42 との間の熱収縮の差は、外側支持体48内でリードコネクタ46が滑動すること により吸収される。別の仕方としては、両方のリードコネクタ44および46を 外側支持体48に取り付けるのが好ましい。 設置中において、ユーザは、超伝導体リードを銅ブロック28および銅ストラ ップ26aにボルト止めする。銅ストラップ26aは、それから、マグネット1 2に接続される。また、銅ストラップ26aは、熱コンタクト52へ予め半田付 けされてもよいし、低温冷却装置14への設置および接続中に、ユーザによって 熱コンタクト52に半田付けされてもよい。銅ストラップ26を熱コンタクトへ 予め半田付けすることにより、ユーザは、超伝導体リードをボルト止めするだけ でよく、200℃より高い温度での半田付けによって生ずることのありうるよう な超伝導体の損傷を避け、また、前に半田付け接続した部分の溶融を避けること ができる。 別の仕方として、半田付けはボルト止めよりも抵抗の低い接続となるので、超 伝導体リードは、銅ブロック28および銅ストラップ26aに予め半田付けされ うるか、または、設置中にユーザによって半田付けされうる。組立て後の半田付 けは、180℃以下、好ましくは、120℃以下でなされるべきである。 本請求の範囲の中で、本発明の例示した実施例の種々な変形態様が考えうるこ とは当業者には明らかであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローデンブッシュ アンソニー ジェイ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 01752 マルボロー トンプソン ドライ ヴ 21 (72)発明者 ブロッケンボロー ウィリアム イー アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 02135 ブライトン コモンウェルス ア ベニュー 1961 アパートメント 4

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.超伝導体と、該超伝導体の第1の端部に結合された第1のリードコネクタと を備えており、前記リードコネクタは、該コネクタを冷却するための機械的低 温冷却装置に取り付けるためのマウントを含むことを特徴とする高温超伝導体 リード組立体。 2.前記超伝導体は、リボンの形にある請求項1記載の組立体。 3.前記超伝導体は、リボンスタックを備える請求項2記載の組立体。 4.前記超伝導体は、複数のリボンスタックを備える請求項3記載の組立体。 5.前記超伝導体を取り付ける支持体を含む請求項1記載の組立体。 6.前記支持体は、電気的且つ熱的絶縁体を備える請求項5記載の組立体。 7.前記超伝導体を取り巻く外側支持体を含み、該外側支持体は、前記リードコ ネクタに接続される請求項1記載の組立体。 8.前記マウントは、電気的に絶縁性で且つ熱的に伝導性の材料からなる請求項 1記載の組立体。 9.前記機械的マウントは、酸化ベリリウムからなる請求項8記載の組立体。 10.前記機械的マウントは、窒化アルミニウムからなる請求項8記載の組立体。 11.前記リードコネクタは、さらに、前記超伝導体リードを電源に接続するため の機械的マウントを含む請求項1記載の組立体。 12.前記超伝導体の弟2の端部に結合された第2のリードコネクタを含み、該第 2のリードコネクタは、該リードコネクタを超伝導体マグネットに取り付ける ためのマウントを含み、前記超伝導体マグネットは、前記低温冷却装置の前記 第1のリードコネクタへの取付け点での温度よりも低い点にある請求項1記載 の組立体。 13.超伝導体と、該超伝導体の第1の端部に結合される第1のリードコネクタで あって、機械的低温冷却装置に取り付け且つ該超伝導体リードを電源に接続す るためのマウントを含む第1のリードコネクタと、前記超伝導体の第2の端部 に結合される第2のリードコネクタであって、前記低温冷却装置の前記第1の リードコネクタへの取り付け点での温度よりも低い温度にある超伝導体マグネ ットへ前記超伝導体リードを接続するためのマウントを含む第2のリードコネ クタと、前記超伝導体が取り付けられる電気的且つ熱的絶縁体からなる支持体 と、前記超伝導体を取り巻き、前記リードコネクタへ接続される外側支持体と を備えることを特徴とする高温超伝導体リード組立体。 14.温端部および冷端部を有する機械的低温冷却装置と、該低温冷却装置の前記 冷端部の温度に維持される超伝導体マグネットと、2つの超伝導体リードとを 備えており、該超伝導体リードの各々は、超伝導体と、前記超伝導体の第1の 端部に結合される第1のリードコネクタであって、前記機械的低温冷却装置の 前記温端部に取り付けるためのマウントを含む第1のリードコネクタとを含ん でおり、さらに、各々が前記超伝導体リードの1つに接続される2つの電流通 電リードを備えており、該電流通電リードは、電源からの電力を前記超伝導体 リードへと供給するためのものであることを特徴とする低温冷却マグネットシ ステム。 15.前記電流通電リードは、銅ブロックを備える請求項14記載の低温冷却マグ ネットシステム。 16.前記超伝導体リードマウントを前記機械的低温冷却装置の前記温端部に接続 するための銅ストラップを含む請求項14記載の低温冷却マグネットシステム 。 17.前記マウントは、酸化ベリリウムからなる請求項14記載の低温冷却マグネ ットシステム。 18.前記マウントは、窒化アルミニウムからなる請求項14記載の低温冷却マグ ネットシステム。 19.前記超伝導体の第2の端部に結合される第2のリードコネクタを含み、該第 2のリードコネクタは、前記超伝導体マグネットへ取り付けるためのマウント を含む請求項14記載の低温冷却マグネットシステム。 20.前記機械的低温冷却装置の温端部は、約60ケルビンである請求項14記載 の低温冷却マグネットシステム。 21.前記機械的低温冷却装置の冷端部は、約10ケルビンである請求項14記載 の低温冷却マグネットシステム。
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