JP2005175123A - Current lead for superconducting coil - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、真空容器内に設置されて冷却される超電導コイルに対して、真空容器外部から電流を供給する電流リード、特に、電流リード本体と超電導コイルとの電気的接続部の電気絶縁構成に関する。 The present invention relates to a current lead that supplies current from the outside of a vacuum vessel to a superconducting coil that is installed and cooled in a vacuum vessel, and particularly relates to an electrical insulation configuration of an electrical connection portion between a current lead body and a superconducting coil. .
超電導コイルの冷却や電流リードの構成に関しては、種々の方式が開発されている。近年、冷凍機の冷凍能力の向上に伴って、超電導コイルに冷凍機を付設して熱伝導によって超電導コイルを冷却する方式の超電導磁石装置の開発が盛んに進められている(特許文献1および特許文献2参照)。
Various methods have been developed for the cooling of the superconducting coil and the configuration of the current leads. In recent years, with the improvement of the refrigeration capacity of refrigerators, development of superconducting magnet devices of a type in which a refrigerator is attached to a superconducting coil and the superconducting coil is cooled by heat conduction has been actively promoted (
図6は、特許文献1に開示された従来の冷凍機冷却方式の超電導磁石装置の基本構成を模式的に示す断面図で、中央部に常温の高磁界空間を備えた超電導磁石装置について中心軸を通る断面を示したものである。図6において、1は超電導線をソレノイド状に巻回して構成された超電導コイル、4は超電導コイル1の周囲に配され、外部からの熱輻射を遮断して断熱する輻射シールド、2はこれらを取り囲み内部を真空に保持して断熱する真空容器である。また、3は超電導コイル1を冷却する冷凍機、33は冷凍機3に圧縮ヘリウムガスを供給し運転制御する圧縮機、7は超電導コイル1に図示しない電源より電流を供給して励磁する電流リードである。
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a basic configuration of a conventional refrigerator-cooled superconducting magnet device disclosed in
図6に示すように、冷凍機3は、超電導コイル1を側面より支持する冷却フランジ54と輻射シールド4に接続されており、超電導コイル1を極低温に、また輻射シールド4を、例えば約80Kの低温に冷却する。超電導コイル1は円筒状の冷却ボビン55に図示しない超電導線を層状に巻回して構成されており、両側面に冷却フランジ54が、また外周に冷却板56が備えられている。冷凍機3により図中下側の冷却フランジ54の一端を冷却することにより、これに連結された冷却ボビン55、冷却板56、上部の冷却フランジ54が熱伝導により冷却され、さらにこれらに取り囲まれた超電導コイル1が熱伝導により超電導線の臨界温度以下の温度に冷却され、超電導状態に保持される。超電導状態において電流リード7を用いて超電導コイル1に電流を供給すると、強磁界が生じ、同時にインダクタンスに比例した磁気エネルギーが超電導コイル1に蓄積されることとなる。なお、静磁界として用いる場合に、超電導コイル1と電流リード7との間に超電導コイル1を短絡するスイッチ(永久電流スイッチ)を組み込んで、いわゆる永久電流モードとして使用される場合もある。
As shown in FIG. 6, the
次に、図5について述べる。図5は、図6に示す超電導磁石装置に関し、電流リード部分に着目してその詳細断面を示し、かつ説明の便宜上、他の部分は全体的に簡略化して模式的に示した図であり、図6と同一機能部材には、同一番号を付して、その詳細説明は省略する。なお、図5に示す超電導磁石装置においては、超電導コイル1の外面に、コイル絶縁5を示し、冷凍機3は、コイル絶縁5を介して超電導コイル1に接し冷却する構成を示す。また、超電導コイル1の口出しリード線6が電流リード7と接続されて、電流リード7から超電導コイル1に電流が供給される構成を示すが、本質的には図6と同一である。
Next, FIG. 5 will be described. FIG. 5 is a diagram showing a detailed cross section of the superconducting magnet device shown in FIG. 6 with a focus on the current lead portion, and the other portions are simplified and schematically shown for convenience of explanation. The same functional members as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In the superconducting magnet device shown in FIG. 5, the
図4は、図5における電流リード7の部分の詳細断面図であり、電流リード7と口出しリード線6(口出しリード線2本の内1本を図示)の接続部の詳細断面を示す。図4によれば、電流リード本体低温端子8と口出しリード線端子9はボルトにより接続されている。口出しリード線6は、リード絶縁16により被覆されている。また、電流リード7にはガラス強化樹脂(GFRP)製の電流リード本体用絶縁筒10が配設されて、電流リード本体7aの絶縁を保っている。接続部の絶縁は電流リード本体低温端子8と口出しリード線端子9とをボルト接続後に、例えばカプトンテープ等の絶縁テープを前記接続部に巻き付けて接続部絶縁11を施している。
ところで、従来の電流リード本体と超電導コイルとの電気的接続部の電気絶縁構成に関しては、下記のような問題点がある。 By the way, there are the following problems regarding the electrical insulation configuration of the electrical connection portion between the conventional current lead body and the superconducting coil.
第1の問題点は、接続部絶縁11に関わり、ボルト締め後に絶縁テープを前記接続部に巻き付けて絶縁を行う際に、ボルト部に凹凸があり、また接続部の絶縁対象部の形状が複雑なために、絶縁施行が上手く出来ず、絶縁の信頼性に問題があった。
The first problem is related to the
第2の問題点は、電流リード本体用絶縁筒10と接続部絶縁11との間に、電流リード本体の高電位部が絶縁で覆われない部分が存在することによる後述の問題点である。通常の高真空状態においては、高真空中の絶縁耐力は非常に高いので、設計上、絶縁に覆われない高電位部と最短接地電位部(例えば、近傍の幅射シールド4)との絶縁距離dを、高電圧に耐える所定寸法とすれば良い。
The second problem is a problem described later due to the existence of a portion where the high potential portion of the current lead body is not covered with insulation between the current lead
しかしながら、何らかの原因、例えば、真空容器貫通部のシール不良や真空容器自体のリーク、アウトガスによる真空度の悪化、不十分な真空引きで運転スタート等の原因で、真空度が悪くなった時、いわゆるパツシェンミニマム時には、真空中の絶縁耐力は極端に低くなり、この場合には、絶縁に覆われない高電位部と近くの接地電位部の絶縁を、前記絶縁距離dを大きくとることで絶縁を保つのは不可能となる。 However, when the degree of vacuum deteriorates due to some cause, for example, poor sealing of the vacuum vessel penetrating part, leakage of the vacuum vessel itself, deterioration of the degree of vacuum due to outgas, start of operation due to insufficient evacuation, etc., so-called At the time of the Patschen minimum, the dielectric strength in vacuum is extremely low. In this case, the insulation between the high potential portion not covered by the insulation and the nearby ground potential portion is increased by increasing the insulation distance d. It is impossible to keep.
この発明は上記の点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、電流リード本体と超電導コイルとの電気的接続部の電気絶縁の信頼性の向上、特に、真空容器内の真空度が低下した際であっても、所定の電気絶縁性能が維持可能な超電導コイル用電流リードを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points. An object of the present invention is to improve the electrical insulation reliability of the electrical connection portion between the current lead main body and the superconducting coil, in particular, the degree of vacuum in the vacuum vessel. An object of the present invention is to provide a current lead for a superconducting coil capable of maintaining a predetermined electrical insulation performance even when it is lowered.
上記課題は、以下により達成される。即ち、請求項1の発明によれば、真空容器内に設置されて冷却される超電導コイルに対して、少なくとも一部が前記真空容器を貫通して設けられ、真空容器外部から導電材料からなる電流リード本体を介して電流を供給する電流リードであって、絶縁被覆された超電導コイルの口出しリード線と電流リード本体の低温側端子との電気的接続部が、前記真空容器内に配設される超電導コイル用電流リードにおいて、前記電流リード本体の真空容器貫通部と前記電気的接続部および口出しリード線端部の外周部全体にわたって、前記真空容器内の真空層とは気密の独立空間を作るように、電気絶縁材料により包囲して、電流リードの高電位部と真空容器ないし真空容器内部材の接地電位部との間を電気的に絶縁してなることを特徴とする。 The above-mentioned subject is achieved by the following. That is, according to the first aspect of the present invention, at least a part of the superconducting coil that is installed in the vacuum vessel and is cooled is provided so as to penetrate the vacuum vessel, and a current made of a conductive material from the outside of the vacuum vessel. A current lead for supplying current through the lead body, and an electrical connection portion between the lead wire of the superconducting coil coated with insulation and the low temperature side terminal of the current lead body is disposed in the vacuum vessel. In the current lead for a superconducting coil, an airtight independent space is formed with the vacuum layer in the vacuum vessel over the entire outer periphery of the vacuum vessel penetrating portion of the current lead body and the electrical connection portion and the lead wire end portion. Further, it is characterized in that it is surrounded by an electrically insulating material and electrically insulated from the high potential portion of the current lead and the ground potential portion of the vacuum vessel or the vacuum vessel inner member.
前記構成によれば、電気的絶縁の施工が容易であり、かつ真空容器内の真空層を介しての電気的絶縁部がないので、前記パツシェンミニマム時の絶縁不良問題も解消でき、全体として絶縁の信頼性が向上する。 According to the above configuration, it is easy to perform the electrical insulation, and since there is no electrical insulation part through the vacuum layer in the vacuum vessel, it is possible to eliminate the insulation failure problem at the time of the Patschen minimum, and as a whole Insulation reliability is improved.
上記請求項1の発明の実施態様としては、下記請求項2ないし6の発明が好ましい。即ち、前記請求項1に記載のものにおいて、前記気密の独立空間は、真空容器内の真空層とは異なる真空断熱層としたことを特徴とする(請求項2)。これにより、電流リードの良好な絶縁構成と断熱構成とが実現できる。
As an embodiment of the invention of
また、前記請求項2に記載のものにおいて、前記真空断熱層は、その真空引き口を、シールオフバルブにより封じ切りとしたことを特徴とする(請求項3)。これにより、前記真空断熱層は封じ切りとなるので、封じ切り後は、当該真空断熱層の真空引き配管は取り外しが可能となる。従って、この場合、接地電位にある真空引き配管の絶縁は不要となる。
Moreover, the thing of the said
さらに、下記のような実施態様によっても、前記態様と同様の絶縁の信頼性向上が図れる。即ち、前記請求項1に記載のものにおいて、前記気密の独立空間は、その内部にプラスチックフォームを充填した非真空の断熱層としたことを特徴とする(請求項4)。例えば、独立空間に、発泡ポリウレタンを充填することにより、断熱性能の高い独立空間を構成することができる。
Further, according to the following embodiment, the same insulation reliability improvement as in the above embodiment can be achieved. That is, the airtight independent space according to
さらにまた、前記請求項1ないし4のいずれか1項に記載のものにおいて、前記電流リードの高電位部と真空容器ないし真空容器内部材の接地電位部との間を電気的に絶縁した部分は、フランジ付電流リード本体用絶縁筒と、電気接続部用絶縁筒と、口出しリード線貫通部用の塞ぎ板とから構成したことを特徴とする(請求項5)。前記各絶縁筒および塞ぎ板との間を、例えば接着剤で接合することにより、前記独立空間の組み立てが容易となり、独立空間をシンプルに構成することができる。
Furthermore, in the device according to any one of
また、前記請求項5に記載のものにおいて、前記電流リード本体は、その真空容器外の軸方向端部にベローズを介して結合された対面する2個のフランジを有し、真空容器側の一方のフランジのフランジ主面と前記フランジ付電流リード本体用絶縁筒のフランジ主面とを接合して、前記独立空間の上部を封止する構成としたことを特徴とする(請求項6)。上記構成により、導電材料からなる電流リード本体と電気絶縁材料からなる前記独立空間の組み立て体との間の熱膨張係数の差を吸収して、熱応力の緩和を図ることができる。
The current lead main body according to
この発明によれば、絶縁被覆された超電導コイルの口出しリード線と電流リード本体の低温側端子との電気的接続部が、真空容器内に配設される超電導コイル用電流リードにおいて、電流リード本体と超電導コイルとの電気的接続部の電気絶縁の信頼性の向上を図ることができ、特に、真空容器内の真空度が低下した場合であっても、所定の電気絶縁性能が維持できる。 According to the present invention, in the current lead for a superconducting coil in which the electrical connection between the lead wire of the insulation-coated superconducting coil and the low-temperature side terminal of the current lead body is disposed in the vacuum vessel, the current lead body It is possible to improve the reliability of the electrical insulation of the electrical connection between the coil and the superconducting coil. In particular, even when the degree of vacuum in the vacuum vessel is lowered, a predetermined electrical insulation performance can be maintained.
次に、この発明の実施形態に関して、図1ないし図3に基いて説明する。なお、図1ないし図3において、図4ないし図6における同一機能部材には同一番号を付してその詳細説明を省略する。まず、図1および図2について述べる。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3, the same functional members in FIGS. 4 to 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. First, FIG. 1 and FIG. 2 will be described.
図1および図2は、それぞれ、従来装置の図4および図5に対応するこの発明の実施形態に係る電流リードの詳細断面図および超電導電磁石装置の模式図を示す。図4における構成と同様に、電流リード本体低温端子8と口出しリード線端子9とはボルトにて接続され、電流リード本体7aは、GFRP製の電流リード本体用絶縁筒10により包囲されて、絶縁を保っている。
1 and 2 show a detailed sectional view of a current lead and a schematic diagram of a superconducting electromagnet device according to an embodiment of the present invention corresponding to FIGS. 4 and 5 of the conventional device, respectively. As in the configuration in FIG. 4, the current lead body low-
また、接続部の絶縁としては、電流リード本体低温端子8と口出しリード線端子9とをボルト接続後に、GFRP製の塞ぎ板12,GFRP製の電気接続部用絶縁筒13との組み立て体を、樹脂接着により、口出しリード線絶縁16と電流リード本体用絶縁筒10とに取り付ける。場合によっては、GFRP製の塞ぎ板12と電気接続部用絶縁筒13とは分割しておき、分割部も、後から樹脂接着するようにしてもよい。
As the insulation of the connection part, after the current lead body low-
電流リード7の常温側には、前述の塞ぎ板12,電気接続部用絶縁筒13,電流リード本体用絶縁筒10等で閉じられた部分の空間を真空引きする為の真空引き口14が設けられている。真空引き口14の先端には、市販品のシールオフバルブ15を設けることにより、真空引き後に、真空封じ切りができる。
On the normal temperature side of the
上記のように、接続部の絶縁を電気接続部用絶縁筒で行うことにより、ボルトの凹凸部のテーピングより遥かに絶縁の信頼性が向上できる。また、塞ぎ板12,電気接続部用絶縁筒13および電流リード本体用絶縁筒10等で閉じられた部分を形成し、電流リード本体および接続部が、電気絶縁材料なしに真空容器内の真空層を介して接地電位部に対向する部分が無いので、真空容器内の超電導コイル周りの真空が劣化しても、所望の絶縁性能を維持することができる。
As described above, by performing the insulation of the connection portion with the insulating tube for the electrical connection portion, it is possible to improve the insulation reliability far more than the taping of the uneven portion of the bolt. Further, a closed portion is formed by the closing
さらに、前記閉じられた部分の真空引き口を電流リード高電位部に設け、先端をシールオフバルブで封じ切りする構成により、接地電位にある真空引き配管との絶縁が不要となり、真空引き作業を含めた装置構成が簡単となる。 In addition, the vacuum outlet of the closed part is provided in the current lead high potential part, and the tip is sealed off with a seal-off valve, which eliminates the need for insulation from the vacuum pipe at the ground potential. The included device configuration is simplified.
なお、前記口出しリード線絶縁16は、絶縁・接着・耐真空洩れの機能を果たすようにするために、例えば、カプトンなどの高分子絶縁フィルムとエポキシ樹脂とを組み合わせた複合絶縁とするのが好ましい。また、前記閉じられた部分の空間は、上述のように真空断熱層として構成することに代えて、前述のように、前記空間の内部にプラスチックフォームを充填した非真空の断熱層とすることもできる。
The
次に、図3について述べる。図3は、請求項6に係る電流リードの模式的断面図を示す。
即ち、図3の実施形態においては、電流リード本体7aが、その真空容器外の軸方向端部に、ベローズ17を介して結合された対面する2個のフランジ7b,7cを有するものとし、真空容器側の一方のフランジ7cのフランジ主面とフランジ付電流リード本体用絶縁筒10のフランジ10aのフランジ主面とを接合して、独立真空層の上部を封止する構成としている。この構成によれば、導電材料からなる電流リード本体7aと電気絶縁材料からなるフランジ付電流リード本体用絶縁筒10等との間の熱膨張係数の差を吸収して、特に、超電導コイルおよび電流リードの冷却時に発生する熱応力の緩和を図ることができる。
Next, FIG. 3 will be described. FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a current lead according to
That is, in the embodiment of FIG. 3, the current
1 超電導コイル
2 真空容器
3 冷凍機
4 幅射シールド
6 口出しリード線
7 電流リード
7a 電流リード本体
7b,7c,10a フランジ
8 電流リード本体低温端子
9 口出しリード線端子
10 電流リード本体用絶縁筒
12 塞ぎ板
13 電気接続部用絶縁筒
14 真空引き口
15 シールオフバルブ
16 口出しリード線絶縁
17 ベローズ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記電流リード本体の真空容器貫通部と前記電気的接続部および口出しリード線端部の外周部全体にわたって、前記真空容器内の真空層とは気密の独立空間を作るように、電気絶縁材料により包囲して、電流リードの高電位部と真空容器ないし真空容器内部材の接地電位部との間を電気的に絶縁してなることを特徴とする超電導コイル用電流リード。 A current lead that is installed in the vacuum vessel and is cooled and at least part of which is provided through the vacuum vessel and supplies current from the outside of the vacuum vessel through a current lead body made of a conductive material. The electrical connection portion between the lead wire of the superconducting coil coated with insulation and the low temperature side terminal of the current lead body is a current lead for the superconducting coil disposed in the vacuum vessel.
Surrounded by an electrically insulating material so as to form an airtight independent space with the vacuum layer in the vacuum vessel over the vacuum vessel penetrating portion of the current lead body and the entire outer periphery of the electrical connection portion and the lead wire end portion. A current lead for a superconducting coil, wherein the high potential portion of the current lead is electrically insulated from the ground potential portion of the vacuum vessel or the vacuum vessel inner member.
6. The current lead main body according to claim 5, wherein the current lead main body has two flanges facing each other through a bellows at an axial end portion outside the vacuum container, and one of the flanges on the vacuum container side. A current lead for a superconducting coil, wherein a flange main surface and a flange main surface of the flanged current lead main body insulating cylinder are joined to seal an upper portion of the independent space.
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