JP2002093615A - 超電導電流リード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】中間ガス冷却方式の超電導電流リードを対象
に、電気的，熱的特性に優れ、しかも低温側リード部に
対する真空封止を確実に保持できるようにした信頼性の
高い超電導電流リードを提供する。 【解決手段】複数本の銅素線を束ねた高温側の銅リード
３ａと、酸化物超電導線材からなる低温側の超電導リー
ド４ｂと、銅リードと超電導リードとの間に介装した中
間接続金具５とからなり、銅リードはその先端部分を中
間接続金具に穿孔した銅リード接続穴５ａに嵌挿して電
気的，機械的に接合した超電導電流リードにおいて、銅
リードの先端部分を中間接続金具の銅リード接続穴に嵌
挿した状態で、銅リードの先端側から溶接を施して銅リ
ード接続穴の開口端部を気密封止し、残る領域で銅リー
ドを中間接続金具に半田付けして電気的に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、室温側の外部電源
より極低温状態に冷却された超電導マグネット等の超電
導機器へ電流を供給する超電導電流リードの構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】よく知られているように、超電導マグネ
ットは物性研究用や磁気共鳴装置などに適用されてお
り、将来的には磁気浮上列車，核融合炉，超電導エネル
ギー貯蔵装置などへの応用が期待されている。

【０００３】ところで、液体ヘリウムなどを冷媒とする
クライオスタットに収容して極低温中に置かれた超電導
マグネットに対して室温側の外部電源から電流リードを
通じて電流を供給すると、外部電源に接続した高温側の
電流リード（銅などの良導電性金属）を伝熱経路として
室温側から極低温領域のクライオスタットに熱が侵入す
る問題がある。この場合に、１Ｗの熱侵入により蒸発し
た液体ヘリウムを再液化するために要する冷凍機の入力
は冷凍機の理想的な状態でも４００Ｗ程度を要し、実用
的には冷凍機の入力が１０００Ｗにも達する。このため
に、電流リードを介して室温側から極低温側に侵入する
熱量が多くなるとクライオスタットの冷媒使用量が多く
なってランニングコストが増すほか、クライオスタット
の付属機器である冷凍機が大型，大容量化する。したが
って、超電導機器用の電流リードの開発に当たっては、
室温側からの熱侵入量をできる限り低く抑えられるよう
にすることが重要な課題となっている。

【０００４】一方、近年発見されたビスマス系，イット
リウム系などの酸化物超電導材は、液体窒素温度（〜７
７Ｋ）の比較的高い温度まで超電導状態を保持できてジ
ュール発熱がなく、かつこの温度領域での熱伝導率も銅
の１／１００以下と極めて小さい。そこで、この酸化物
超電導材を超電導機器用の電流リードの低温側リード部
に適用すれば、極低温部への熱侵入を低く抑えて超電導
機器を効率的に運転できるものと期待され、その研究，
開発が進められている。

【０００５】ここで、酸化物超電導線材と銅線材を組合
せた超電導コイル用の超電導電流リードの従来例構造を
図３ないし図５に示す。まず、図３において、１は液体
ヘリウムＨｅに浸漬した超電導マグネット、２は室温側
の電源に接続する常温端子であり、常温端子２と超電導
マグネット１のコイルリード１ａとの間が、銅などの良
導電性金属を材料とする高温側リード部３と、酸化物超
電導材をリード材料とする低温側リード部４と、高温側
リード部３と低温側リード部４の間に介装した中間接続
金具（銅製）５とで構成した超電導電流リードで接続さ
れている。

【０００６】ここで、高温側リード部３は、図４で示す
ように多数本の銅素線を束ねた銅リード３ａを外被ケー
ス３ｂで包囲した構成になり、銅リード３ａの下端を中
間接続金具５をその板厚方向に貫通した銅リード接続穴
５ａに嵌挿した上で中間接続金具５との間を電気的，機
械的に接合している。なお、中間接続金具５に穿孔した
銅リード接続穴５ａを貫通穴としているのは、銅リード
３ａと中間接続金具５との接触長さ（接触面積）を大き
くして両者間の接触抵抗を低く抑えること、および銅リ
ード接続穴５ａに嵌挿した銅リード３ａの接合を中間接
続金具５の裏面側から行い易くするためである。

【０００７】一方、低温側リード部４については、テー
プ状の超電導リードを用いたもの、あるいは棒状の超電
導リードを用いたものなど各種構造のものが提案されて
おり、ここではその一例としてテープ状の超電導リード
を用いたものを図５で示す。すなわち、ステンレス鋼，
ニッケル合金，チタン合金などの熱伝導率が低い金属材
料で作られた円筒状支持部材４ａの周面上に、ビスマス
系，イットリウム系のテープ状酸化物超電導材で作られ
た複数本の超電導リード４ｂをそのテープ面が円筒座標
系における周方向と平行に配置し、さらに各超電導リー
ド４ｂの相互間に磁性材料片４ｃを介挿して自己磁界に
よる臨界電流密度の低下を防止するようにした構成にな
り、図４で示すように超電導リード４ｂの上端を中間接
続金具５にはんだなどにより接合し、同様に下端を低温
側端子６に接合して組立てている。なお、かかる構成の
低温側リードは、本発明と同一出願人より先に出願した
特開平１１−２６０１６２号公報に詳しく述べられてい
る。

【０００８】また、中間接続金具５および低温側端子６
には冷媒ガスの通流穴５ｂ，６ａを開口し、超電導機器
を浸漬した液体ヘリウムから蒸発した低温のヘリウムガ
スを前記のガス通流穴５ｂ，６ａを通じて低温側リード
４，および高温側リード３に流して電流リードを冷却す
るようにしている。

【０００９】前記構成の超電導電流リードは、冷媒であ
るヘリウムガスを低温側リード部４から中間接続部５を
貫流して高温側リード部３に流す全長冷却方式となって
おり、この方式は図３のように超電導マグネット１を液
体ヘリウムに浸漬して冷却しているような超電導装置に
は有効である。

【００１０】これに対して核融合炉，超電導エネルギー
貯蔵装置等に代表される大型超電導機器では、マグネッ
トコイルの超電導導体を金属管内に収納した上でその金
属管内に液体ヘリウムを強制循環させるいわゆる強制冷
却方式を採用し、かつ超電導コイル自身は大形の真空容
器に収納して周囲との間を真空断熱するような構成であ
る。そのために、超電導コイルに接続して常温側に引き
出す超電導電流リードについても、特に低温側リード部
は真空の雰囲気中に配置した構成となる。

【００１１】図６は上記のような強制冷却方式の超電導
コイルに採用する超電導電流リードとして開発された従
来例の構成図である。この構成においては、低温側リー
ド部４はその内外雰囲気が真空であり、大気側に配置さ
れる高温側リード部３に対しては、銅リード３ａの外被
ケース３ｂに設けた冷媒ガス導入口３ｃを通じて窒素あ
るいはヘリウムガスなどの冷媒ガスを通流して銅リード
３ａを冷却するようにした中間ガス冷却方式を採用して
いる。また、高温側リード部３と低温側リード部４との
間に介装した中間接続金具５，および低温側端子６には
図４で述べたガス通流穴５ｂ，６ａを設けずに、低温側
端子６に連通穴６ｂを穿孔して低温側リード部の内外雰
囲気（真空）を連通するようにしている。さらに、図６
の構造では、中間接続金具５の銅リード接続穴５ａを通
じて高温リード部３側から真空雰囲気の低温リード部４
側に冷媒ガスが侵入することがないようにするために、
銅リード接続穴５ａに嵌挿した銅リード３ａの先端を中
間接続金具５に溶接（溶接接合部を符号Ｗで表す）して
この部分を気密封止するようにしている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図６で述べ
た超電導電流リードの従来構成では次記のような解決す
べき課題が残る。すなわち、低温側リード部４の周囲雰
囲気を真空とし、高温側リード部３に対してのみ冷媒ガ
スを通流して銅リード３ａを冷却するようにした中間ガ
ス冷却方式では、図４に示した全長冷却方式とは異な
り、中間接続金具５が冷媒ガスで積極的に冷却されな
い。このことから、極低温側への熱侵入を低く抑えるに
は、通電に伴って中間接続金具５と銅リード３ａとの接
続部分に発生する発熱を極力小さく抑えることが必要で
ある。

【００１３】一方、銅の温度特性として、その電気抵抗
率は温度が低下するに従って小さくなることが知られて
おり、例えば室温（２７３Ｋ）から液体窒素温度（７７
Ｋ）のレベルまで温度を下げると銅の電気抵抗率は１／
７〜１／８に低減する。

【００１４】しかしながら、図６で述べたように中間接
続金具５に穿孔した銅リード接続穴５ａに溶接を施して
封止するために、該リード接続穴に嵌挿した銅リード３
ａの先端部分を溶接温度である１０００℃近傍まで加熱
すると、前記した電気抵抗率の特性が失われ、銅リード
３ａを液体窒素温度（７７Ｋ）まで温度を下げても溶接
部分に比較的大きな残留抵抗が残って電気抵抗率が期待
通りに低下しなくなることが認められる。その理由は十
分には解明されてないが、高温加熱処理により銅の結晶
構造に欠陥が生じたためと推測される。したがって、こ
のままでは、通電時に中間接続金具５と銅リード３ａと
の接合部分での電気抵抗によるジュール発熱が原因とな
って極低温側への熱侵入量が増加するようになる。

【００１５】かかる点、銅リード３ａと中間接続金具５
との接合法として、溶接よりも低温条件で接合が可能な
半田付け法を採用すれば、銅リード３ａに対して前記の
ような結晶構造の欠陥による電気抵抗特性が損なわれず
に済むが、半田付け接合は溶接接合に比べて真空封止に
対する信頼性が低く、また超電導コイルへの通電時に高
温側リード部３を冷却する冷却ガスの供給が停止するな
どの不測な事態が生じた場合には銅リード３ａの発熱に
より半田付け箇所で半田が再溶融して中間接続金具５の
銅リード接続穴５ａにおける真空封止機能が喪失してし
まうおそれがある。

【００１６】本発明は上記の点に鑑みなされたものであ
り、前記した中間ガス冷却方式の超電導電流リードを対
象に、銅リードの低温時における電気的特性を損なうこ
となく銅リードと中間接続金具との間を電気的に接合
し、しかも低温側リード部に対する真空封止を確実に保
持できるようにした信頼性の高い超電導電流リードを提
供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、複数本の銅素線を束ねた高温側の
銅リードと、酸化物超電導線材からなる低温側の超電導
リードと、銅リードと超電導リードとの間に介装した中
間接続金具とからなり、銅リードはその先端部分を中間
接続金具に穿孔した銅リード接続穴に嵌挿して電気的，
機械的に接合した超電導電流リードにおいて、第１の発
明では、前記銅リードと中間接続金具との間を半田付け
と溶接を併用して接合する（請求項１）ものとし、具体
的には銅リードの先端部分を中間接続金具の銅リード接
続穴に嵌挿した状態で、銅リードの先端側から溶接を施
して銅リード接続穴の開口端部を気密封止し、残る領域
で銅リードを中間接続金具に半田付けして接合する（請
求項２）。

【００１８】かかる構成によれば、銅リードと中間接続
金具との間の接合部において、溶接接合部が高温側リー
ド部と低温側リード部との間の真空封止を分担し、半田
付け部が銅リードの各素線と中間接続金具との間の電気
的接続を分担することになる。しかも、半田付け部は溶
接部のように直接高温加熱されることがないので、室温
（２７３Ｋ）から液体窒素温度（７７Ｋ）のレベルまで
温度を下げると銅の電気抵抗率が減少するようになり、
通電中でも銅リードと中間接続金具との接合部分の発熱
が低く抑えられる。

【００１９】これにより、銅リードと中間接続金具との
接合部における電気抵抗を小さくして通電による発熱を
低く抑え、超電導部側への熱侵入を極力低めることがで
きると同時に、低温側リード部に対して信頼性の高い真
空封止が確保できる。

【００２０】また、第３の発明では、銅リードを中間接
続金具の銅リード接続穴に嵌挿した状態で両者間を半田
付けするとともに、銅リード接続穴の開口端側に閉塞板
を重ね、その周縁を中間接続金具に溶接接合して気密封
止する（請求項３）。

【００２１】この構成により、銅リードと中間接続金具
との電気的な接合を半田付け部が分担し、閉塞板の溶接
接合部が真空封止を分担する。これにより、第１の発明
と同様に銅リードと中間接続金具との接合部における電
気抵抗を小さく抑えつつ、低温側リード部に対して信頼
性の高い真空封止が確保できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図示
実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図
６に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略
する。

【００２３】〔実施例１〕まず、本発明の請求項１，２
に対応した超電導電流リードの組立構造を図１(a),(b)
に示す。この実施例においては、多数本の銅素線を束ね
た銅リード３ａの先端部分を中間接続金具５に開口した
銅リード接続穴５ａに嵌挿した状態で、銅リード３ａの
先端側，つまり中間接続金具５の下面側から溶接を施し
（溶接接合部を符号Ｗで表す）、銅リード３ａを中間接
続金具５に強固に結合する同時に、銅リード接続穴５ａ
の開口端部を気密封止する。なお、この溶接により銅リ
ード３ａの先端一部は１０００℃程度まで高温加熱され
るが、溶接箇所から外れた上位部分は極低温における電
気抵抗率の温度特性が損なわれるほど高温に加熱される
ことはない。続いて、中間接続金具５の上面側から銅リ
ード３ａと中間接続金具５との間を半田付けして両者間
を電気的に接合する。なお、低温側リード部４の構造に
ついては図６と同じ構造であり、ここではその説明は省
略する。

【００２４】前記の構成により、銅リード３ａと中間接
続金具５との間の接合部において、溶接接合部Ｗが高温
側リード部３と低温側リード部４との間を真空封止し、
半田接合部Ｓで銅リード３ａの各素線と中間接続金具５
とを電気的に接続する。

【００２５】これにより、銅リード３ａと中間接続金具
５との接合部において、銅リードの各素線と中間接続金
具との電気的接触抵抗を小さくし、通電による該部での
ジュール発熱を低く抑えて超電導部側への熱侵入を極力
低めることができると同時に、低温側リード部に対して
確実な真空封止を確保できる。

【００２６】〔実施例２〕図２は本発明の請求項３に対
応する実施例を示すものである。この実施例において
は、中間接続金具５の銅リード接続穴５ａに高温側リー
ド部３の銅リード３ａの先端部を嵌挿した状態で、その
嵌挿部分の全域を半田付け（符号Ｓ）して電気的に接合
する。また、中間接続金具５に対してその銅リード接続
穴５ａの開口端を覆って低温リード部４側から閉塞板
（銅板）７を重ね合わせ、その周縁を溶接（符号Ｗ）し
て気密封止する。

【００２７】この構成によれば、中間接続金具５と閉塞
板７との溶接接合部Ｗが低温側リード部４と高温側リー
ド部３との間を真空封止し、半田接合部Ｓが銅リード３
ａと中間接続金具５の間を低抵抗で電気的に接続する。
これにより、先記実施例１と同様に銅リード３ａの各素
線と中間接続金具５との間の電気的な接続抵抗を小さく
し、通電による発熱を低く抑えて超電導部側への熱侵入
を極力低めることができると同時に、低温側リード部に
対して信頼性の高い真空封止が確保できる。

【００２８】なお、図示実施例では低温側リード部４の
超電導リード４ａとして、図５に示したようにテープ状
の酸化物超電導線材を用いて構成しているがこれに限定
されるものではなく、低温側リード部の超電導リードに
棒状リードを採用したものについても同様に実施するこ
とができる。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、複
数本の銅素線を束ねた高温側の銅リードと、酸化物超電
導線材からなる低温側の超電導リードと、銅リードと超
電導リードとの間に介装した中間接続金具とからなり、
銅リードはその先端部分を中間接続金具に穿孔した銅リ
ード接続穴に嵌挿して電気的，機械的に接合した超電導
電流リードにおいて、請求項１または２の発明では、前
記銅リードと中間接続金具との間を半田付けと溶接を併
用して接合し、具体的には銅リードの先端部分を中間接
続金具の銅リード接続穴に嵌挿した状態で、銅リードの
先端側から溶接を施して銅リード接続穴の開口端部を気
密封止し、残る領域で銅リードを中間接続金具に半田付
けして接合したことにより、銅リードと中間接続金具と
の接合部における電気抵抗を小さくし、通電による発熱
を低く抑えて超電導部側への熱侵入を極力低めることが
できると同時に、低温側リード部に対して信頼性の高い
真空封止が確保できる。

【００３０】また、請求項３の発明では、銅リードを中
間接続金具の銅リード接続穴に嵌挿した状態で両者間を
半田付けするとともに、銅リード接続穴の開口端側に閉
塞板を重ね、その周縁を中間接続金具に溶接接合して気
密封止することにより、請求項１または２の発明と同様
に銅リードと中間接続金具との接合部における電気抵抗
を小さく抑えつつ、低温側リード部に対して信頼性の高
い真空封止が確保できる。

【００３１】これにより、超電導マグネットの超電導導
体を金属管内に収納した上でその金属管内に液体ヘリウ
ムを強制循環させるいわゆる強制冷却方式を採用し、か
つ超電導コイル自身は大形の真空容器に収納して周囲と
の間を真空断熱するような構成の大形超電導機器に適用
する超電導電流リードとして、特に低温側リード部は真
空の雰囲気中に配置し、高温側リード部にのみ冷媒ガス
を流して冷却する中間ガス冷却方式のものを対象に電気
的特性に優れ、しかも低温側リード部との間の真空封止
を確実に保持できる高信頼性の超電導電流リードを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る超電導電流リードの構
成図であり、(a) はリード全体の縦断面図、(b) は(a)
図の要部拡大図

【図２】本発明の実施例２に係る超電導電流リードの要
部構造の断面図

【図３】超電導コイルに適用した超電導電流リード全体
の略示構成図

【図４】全長冷却方式の超電導電流リードの従来構造を
表す縦断面図

【図５】図４における低温側リード部の横断拡大図

【図６】中間冷却方式の超電導電流リードの従来構造を
表す縦断面図

【符号の説明】

１ 超電導コイル ３ 高温側リード部 ３ａ 銅リード ４ 低温側リード部 ４ｂ 超電導リード ５ 中間接続金具 ５ａ リード接続穴 ７ 閉塞板 Ｓ 半田接合部 Ｗ 溶接接合部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数本の銅素線を束ねた高温側の銅リード
   と、酸化物超電導線材からなる低温側の超電導リード
   と、銅リードと超電導リードとの間に介装した中間接続
   金具とからなり、銅リードはその先端部分を中間接続金
   具に穿孔した銅リード接続穴に嵌挿して電気的，機械的
   に接合した超電導電流リードにおいて、前記銅リードと
   中間接続金具との間を半田付けと溶接を併用して接合し
   たことを特徴とする超電導電流リード。
2. 【請求項２】請求項１記載の超電導電流リードにおい
   て、銅リードの先端部分を中間接続金具の銅リード接続
   穴に嵌挿した状態で、銅リードの先端側から溶接を施し
   て銅リード接続穴の開口端部を気密封止し、残る領域で
   銅リードを中間接続金具に半田付けして接合したことを
   特徴とする超電導電流リード。
3. 【請求項３】複数本の銅素線を束ねた高温側の銅リード
   と、酸化物超電導線材からなる低温側の超電導リード
   と、銅リードと超電導リードとの間に介装した中間接続
   金具とからなり、銅リードはその終端を中間接続金具の
   銅リード接続穴に嵌挿して電気的，機械的に接合した超
   電導電流リードにおいて、銅リードを中間接続金具の銅
   リード接続穴に嵌挿した状態で両者間を半田付けすると
   ともに、銅リード接続穴の開口端側に閉塞板を重ね、そ
   の周縁を中間接続金具に溶接接合して気密封止したこと
   を特徴とする超電導電流リード。