JP2007251224A - 超伝導ケーブルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】素線の偏流を完全に回避すると共に超伝導素線の冷却を安定化し、更に電流リードの冷却特性を改善した超伝導ケーブルシステムの提供。
【解決手段】超伝導ケーブルを構成する超伝導素線の少なくとも一部が、液体窒素で冷却され、超伝導素線が一体に束ねられることなく分割して独立にそれぞれコネクタを介して対応する電流リードの絶縁された素線に接続され、前記電流リードは電源に接続されてなり、超伝導素線が冷却される第１の冷却槽と、前記電流リードが冷却される第２の槽とが気密封止され、電流リードを冷却するガスヘリウムもしくは窒素ガスの流量を制御する手段を備え、電流リードの電圧降下を各電流リード毎に略一定に保つように制御する。
【選択図】図９

Description

本発明は、超伝導ケーブルシステム及び超伝導システムに関し、特に超伝導ストランド及び電流リードの構成及びシステムに関する。

図１に、従来のケーブルインコンジット導体（Ｃable-in-Ｃonduit Ｃable、ＣＩＣＣ、「ＣＩＣ導体」ともいう）の断面の一例を示す。

図１を参照して、ケーブルインコンジット導体は、ステンレスのコンジット（パイプ状のもの）の中に超伝導の素線（Ｓtrand、ストランド）が数十本〜数百本撚り線にして詰めてなるものである。

ケーブルインコンジット導体において、断面内の素線面積を除いた割合を表わすボイド率は、通常35〜37％程度とされている（例えば、高橋その他、「ケーブルインコンジット導体の結合損失へのクロムメッキ厚依存性」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、Ａ３−６、第２２５頁参照、「文献１」という）。

これらの素線の間に液体Ｈｅ（ヘリウム）又は超臨界Ｈｅを流し、素線を冷却することにより、素線には超伝導状態で電流が流れることになる。

コンジットは、導体に働く巨大な電磁力に対抗して支持するという機能の他に、Ｈeの流路を確保する作用をなすものである。

図２に、この種のＣＩＣ導体の作製法の一例を示す。

図２を参照して、素線の径は0.76φとされ、これは銅とＮbＴiやＮb3Ｓn等からなる超伝導フィラメントが中心部に埋め込まれている。

図２の例では、この素線を３本づつ撚って一本の撚り線とし、さらにその撚り線を３本に撚って、一本の撚り線とし、さらにこの操作を２回繰り返し、最終的に６本のケーブルを、寸法23.0×27.6mmのコンジットの中に収容する。

結局、図２に示す例では、３×３×３×３×６＝486本の素線が用いられていることになる。

このように、多数の撚り線を用いることは幾つかの理由がある。

一の理由は、ＡＣ損（ＡＣ ｌｏｓｓ）を低減させるためである。交流回路もしくは時間的に変化する磁場中にある導体には渦電流が導体表面に流れる（この現象を表皮効果という）。

図２に示すように、素線の表面は銅から構成されているため、素線表面では渦電流が流れ易く、銅の抵抗によって発熱が生じ、超伝導コイルの安定性が損なわれることになる。従って、渦電流損を低減するため径の細い素線が用いられる。

ところで、表皮効果の特性的深さ（侵入深さ）をδ、素線径をｄとすれば、一つの設計基準は、次式（１）で与えられる。

ｄ ＜ δ …（１）

このような細い径の素線は、ＮbＴiなどをフィラメント状に加工することと整合性が良い。

また、素線を何本も撚り合せて製作する理由は、一つにはコイルを形成するための導体であるため、折曲げることが必要とされるからである。

その際、素線を撚ってないと、曲げ加工性が悪い他、場合によっては、破断することもある。

コイル作製時、コイルは一般に一方向に曲げられる。そして、コイルの内径側と外径側で長さが異なることになる。

仮に素線が撚られていないものとすると、外径側では素線は延び、内径側は縮むことになる。

このような非対称構造による超伝導導体の特性の低下を防ぐために撚り線加工が行われる。

そして、このように製作されたＣＩＣ導体を所定の形状に巻回することによってコイルを製作する。

この時、ＡＣ回路等に用いる際には、上述の理由によって素線間は電気的に絶縁されていることが望ましい。これは素線の表面が電気的に接続されているものとすると、複数の素線は、表面積が大きく、体積も大きな一つの導体と見なすことができ、この結果、渦電流損Ｗが増大するからである。渦電流損は特徴的な大きさの２乗に比例する。

ここにＷは渦電流損を表わし、ｄは特徴的な素線径を表わしている。

実際には接触部は一つの素線でも数多くあることから、渦電流は複雑な流れ方をする。

以上の理由によって、原子力研究所（以下「原研」）の実証ポロイダルコイル（ＤＰＣ）計画において、ＮbＴi−30KＡ級コイル（ＤＰＣ−Ｕ）をＣＩＣ導体で作る際に、各々の素線はフォルマル絶縁を行なっている。

すなわち、図２に示す素線の表面に絶縁材のフォルマルを数μｍ塗布している（図３参照）。すなわち図３に示すように、素線の表面に絶縁材を塗布することによって、素線間の絶縁が完全に確保されている。

このような構造を取ることによって、ＡＣ損（＝渦電流損の他に、ＡＣ回路で用いる超伝導コイルの損はヒステリシス損、近接効果損等があるが、一般には渦電流損が支配的である）の少ない安定した超伝導コイルが出来る予定であった。

しかしながら、原研で行なわれたＤＰＣの実験は、実際には以下に説明するように、うまく行かなかった。

ＡＣ電流を通電する前に、パルス状の電流波形で実験を行なった（図４参照）。コイルへの単独励磁のため、コイルによって発生する磁場波形も図４と相似となる。

したがって、０〜ｔ1の間の磁場変化率dＢ／dｔ（磁場の時間微分）が求まる。実験では０〜ｔ1までの時間及びＩ0の値を外部電源によって制御し、磁場変化率dＢ／dｔを変え、超伝導コイルの安定性等のデータを取得した。

この結果、この超伝導コイルにおいては、安定に運転できる磁場変化率dＢ／dｔの値は当初設計値の約１／1000となった。

本来は磁場変化率dＢ／dｔについて世界記録を達成することを予定したものが、結果的に、従来のコイルよりもはるかに低い磁場変化率dＢ／dｔの値でコイルがクエンチを生じたのである。

このため、原研及びメーカー、大学の研究者の間でその原因について盛んに研究され、それは各々の素線の電流が同じでなく大きな偏流があるためであることが発見された。その解析についての概要を以下に記す。

簡単のため素線を２本とした場合の等価回路を図５に示す。

図５を参照して、Ｌ1、ｒ1は素線１の自己インダクタンス及び抵抗、Ｌ2、ｒ2は素線２の自己インダクタンス及び抵抗、Ｍは相互インダクタンスを表わしている。

回路網方程式は、次式（３）、（４）で与えられる。

Ｖ＝ｒ1・ｉ1＋ｊωＬ1・ｉ1＋ｊωＭ・ｉ2 …（３）

Ｖ＝ｒ2・ｉ2＋ｊωＬ2・ｉ2＋ｊωＭ・ｉ1 …（４）

ここに、ωは回路の振動周波数を、ｊはｊ2＝−１なる虚数をそれぞれ表わしている。

上式（３）、（４）を電流ｉ1、ｉ2について解くと、次式（５）が導出される。

ここで、素線は超伝導状態にあることから、上式（５）において、ｒ1＝ｒ2＝０とすると、２つの素線の電流比は、次式（５´）にて与えられる。

ｉ1／ｉ2＝（Ｌ2−Ｍ）／（Ｌ1−Ｍ） …（５´）

図２のＣＩＣ導体の製作方法の説明によって容易に理解されるように、素線は互いに密に巻いてあるため、相互インダクタンスＭは自己インダクタンスＬ1、Ｌ2に極めて近い値を取る。

さらに、自己インダクタンスＬ1、Ｌ2も完全に同じ値ではなく、互いに少しずつ異なることが一般的である。

原研ＤＰＣでは測定の結果自己インダクタンスのばらつきは約１％以内であり、相互インダクタンスは自己インダクタンスの99％程度であることが判明した。これを上式（５´）に代入すると、次式（６）が導出される。

ｉ1／ｉ2＝(101−99)／(100−99)＝２／１ …（６）

このように、わずかのインダクタンスの差が素線間の電流比を２倍にすることがわかる。

一方、素線には臨界電流ＩCがあり、一定以上の電流が流れるとクエンチが生じる。

すなわち、上述した原研ＤＰＣの構成においては、数本の（全部で486本の素線）素線の電流がＩCを超せばクエンチが生じることになる。

これが、コイル全体のクエンチを誘き、その結果、当初予定の磁場変化率dＢ／dｔの値の１／1000程度しか安定に電流を流せなかったのである。

この現象についての解析は現在も盛んに研究されており、その研究結果は例えば下記に示す各種文献に記載されている。

（１）安藤その他、「交流・パルス用超電導撚線導体の内部に接触点があるときの偏流の解析」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、Ｅ１−22、第２２９頁（「文献２」という）。

（２）小泉その他、「３０ｋＡ級ＮｂＴｉ導体の偏流現象」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、Ａ３−１０、第２２９頁（「文献３」という）。

（３）樋田その他、「交流用超電導撚線導体における交流通電時のクエンチ特性について」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、Ａ３−３、第２２２頁（「文献４」という）。

このうち、小泉その他（原研）は、前記文献３において、クエンチ電流値の冷媒温度依存性より、数本の素線には平均電流値の7.1倍もの電流が流れた可能性を指摘している。そして、ＤＰＣ−Ｕ導体では素線の自己インダクタンスの乱れは0.12％、素線長で0.06％と見積っている。

以上の解析結果より、最近製作されるＣＩＣ導体においては、図３に示すように素線表面に対するフォルマン絶縁は施されず、代って、クロムメッキが施されるように至っている。

素線の表面をクロムメッキを行った場合、素線間は完全には絶縁されないため、最初に説明したように、渦電流損が増大するが、しかし、銅表面のままよりは少ない。これは、クロムが銅に比べて電気伝導度が低いことによる。

一方、素線の偏流により一部の素線電流が臨界電流を超えるとクエンチが始まる。一般にクエンチはその素線のある部分から始まる。

するとクエンチが生じた部分では抵抗による電圧が発生するため、クロムメッキの接触部から他の素子に電流が転流（即ち分流）する。

図６に、２本の素線におけるクエンチによる分流の様子を示す。図６において、Ｒ1は臨界電流ＩCを超えたために発生したクエンチによる抵抗を表わし、ＲCはクロムメッキの接触抵抗を表わしている。

素線１を流れている電流Ｉ1は、クエンチ部にて分流する。この大きさは抵抗Ｒ1とＲCによって決まるが、抵抗Ｒ1が大きくなると素線２に分流する割合が大きくなる。

実際には多くの素線間でこの現象が生じる。このような分流が行なわれることによって、素線電流が均一化され、コイルが安定に運転できるようになる。

しかし、このような構造を採用すればクロムメッキの厚さや、クロムメッキの厚さに応じた転流等を検討することが必要とされ、このため解析は複雑になり、実験が要求される。この研究は、例えば前記文献１、前記文献４、及び下記の文献等に記載されている。

土岡その他、「ケーブル導体における素線間偏流の解析」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、Ｅ１−24、第１２１頁（「文献５」という）。

結局、この種の研究の要旨は、渦電流損を低減するには完全に絶縁すれば良いが、素線の偏流が生じることから、コイルの要求仕様に応じて、クロムメッキ等の調整を行うことがＣＩＣ導体の最も重要な設計法である。

しかしながら、現状では、コイルの要求仕様に応じて、クロムメッキ等の調整を行うための完全な設計法は確立されてない。

本発明者は上記問題点を解消すべく、特願平６−３１６０７１号にて、電流リードを形成する複数本のリード線を束ねることなく、図７に示すように、対応する超伝導素線にそれぞれ接続した超伝導ケーブルシステム及び超伝導システムを提案した。通常コイルはダブルパンケーキ状で作られることが多く、それを多数接続して一つのコイルを作る。大型の超伝導コイルと言われている大型ヘリカル装置（ＬＨＤ）のポロイダルコイルのダブルパンケーキの導体の長さは〜170ｍである。したがって調整されるべき最大長は、次式のように、0.102ｍ程度とされる。

170×0.06％＝0.102ｍ

したがって、各ダブルパンケーキ毎に10cm程度の素線の長さを接続部で調整する構造を取ることによって大きな偏流を押えることが出来る。

図７を参照して、超伝導素線一本一本に長さを変えた素線を接続し、素線はまとめられてコネクタターミナルに取り付ける。超伝導コイルは低温中にあり、それの電源は常温にある。電気伝導の良い銅、アルミなどで接続されるが、常温から低温への熱伝導及び電流による発熱は大きな研究課題である。このため、「電流リード」と称呼される装置が用いられる。

本発明は、上記特願平６−３１６０７１号に提案する超伝導ケーブルシステム及び超伝導システムを更に更に改良した構成を提案するものであり、その目的は、素線の偏流を完全に回避すると共に超伝導素線の冷却を安定化した超伝導ケーブルシステム及び超伝導システムを提供することにある。また、本発明の他の目的は電流リードの冷却特性を改善した超伝導ケーブルシステム及び超伝導システムを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、超伝導ケーブルを構成する超伝導素線が一体に束ねられることなく、電流リードの絶縁された素線にそれぞれ接続したことを特徴とする超伝導ケーブルシステム及び超伝導システムを提供する。

本発明においては、超伝導ケーブルを構成する超伝導素線の少なくとも一部が、液体窒素で冷却され、且つ前記超伝導素線が一体に束ねられることなく分割して独立にそれぞれコネクタを介して対応する電流リードの絶縁された素線に接続され、前記電流リードは電源に接続されてなり、前記超伝導素線が冷却される第１の冷却槽と、前記電流リードが冷却される第２の槽とが気密封止されたことを特徴とする。

また、本発明においては、前記電流リードを冷却するガスヘリウムもしくは窒素ガスの流量を制御する手段を備え、前記電流リード電圧降下を各電流リード毎に略一定に保つように制御することを特徴とする。

本発明においては、前記電流リードが前記液体ヘリウムもしくは液体窒素槽の上方に拡延される筒状部材内に配設され、前記筒状部材の内壁側に１又は複数温度センサを備えた、前記温度センサの検出温度に基づき、第２の槽における液体ヘリウムもしくは液体窒素の蒸発してなるガスヘリウムもしくは窒素ガスの逃げ量を制御するバルブを備えたことを特徴とする。

本発明においては、前記第２の槽内の液体ヘリウムもしくは液体窒素を加熱する手段を備えたことを特徴とする。

本発明においては、複数本の絶縁してある電流リードの素線を、前記素線一本に対し前記複数本の電流リードを前記コネクタにて接続したことを特徴とする。

本発明においては、複数本の超伝導素線を、前記電流リード素線一本に対し前記複数本の超伝導素線を前記コネクタにて接続したことを特徴とする。

本発明においては、超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード素線が束ねられることなく、該電流リード素線を分岐してなる１対の電流リードが、その電流の向きが互いに逆方向となるようにして中空部を貫通する中空磁性体を、備えたことを特徴とする。

本発明においては、超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード素線が、電流ソース側と電流のシンク側の両方に、該電流リードを分岐してなる１対の電流リードが、その電流の向きが互いに逆方向となるようにして中空部を貫通する中空磁性体をそれぞれ備えたことを特徴とする。

本発明においては、前記中空磁性体に計測線を巻回し、該計測線から電圧を測定し、前記中空部を貫通する電流リード素線の電流の偏りを検出する、ことを特徴とする。

本発明においては、超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リードの素線が、互いに絶縁され、電流リードの低温部に高温超伝導体を備え、該高温超伝導体を介して超伝導ケーブルを構成する素線に接続されたことを特徴とする。

本発明においては、超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード素線が、互いに絶縁され、電流リードに熱電冷却部材が挿入されことを特徴とする。

本発明においては、超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード素線が、互いに絶縁され、電流リードに熱電冷却部材が挿入され、前記電流リードの低温部に高温超伝導体を備え、該高温超伝導体を介して超伝導ケーブルを構成する素線に接続されことを特徴とする。

本発明においては、超伝導ケーブルの交流電源と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード素線が、互いに絶縁され、電流リードに整流手段を介して熱電冷却部材が挿入され、前記電流リードの低温部に高温超伝導体を備え、該高温超伝導体を介して超伝導ケーブルを構成する素線に接続されことを特徴とする。

また、本発明は、電流リードに、高温側及び低温側の両端が電極に接続してなる半導体素子を挿入し、且つ前記高温側電極を冷却するための手段を備えたことを特徴とする。

本発明の原理の一端を簡単に説明する。なお、本発明の理論的な詳細は上記特願平６−３１６０７１号が参照される。本発明によれば、超伝導素線（ストランド）は全て電気的に互いに絶縁され、渦電流損を減少し、電気絶縁によって生じる素線電流の不平衡、すなわち偏流は下記の２つの方法により解消している。

Ａ）各素線及び素線間の自己インダクタンス、相互インダクタンスをコイル製作後測定を行い、バランスするように各素線にそれぞれ独立のインダクタンス成分を接合する。

Ｂ）各素線に抵抗成分を入れる。この抵抗成分としては電流導入端にある抵抗を用いる。

以上説明したように本発明によれば、超伝導素線を効率的に冷却し、且つ電流リード導体及び超伝導素線における偏流の発生を抑止低減すると共に、電流リード部における熱侵入を低減した、高効率の超伝導ケーブルシステム及び超伝導システムを実現したものであり、その実用的価値は極めて高い。

本発明によれば、電流リード部の電圧降下を一定に保つようにガスヘリウムの流量を制御する手段を備えたことにより、平衡且つ安定な状態で超伝導ケーブルシステム及び超伝導システムを駆動運転することができるという利点を有する。

また、本発明によれば、鉄芯を電流リードに配設することにより、超伝導コイルにおける常伝導状態の発生を監視検出することができるという利点を有している。

さらに、本発明によれば、電流リードからの低温側への熱侵入を効率的に低減すると共に、超伝導コイルの交流駆動を可能としている。

図面を参照して、本発明の実施の形態を以下に説明する。

図８は、本発明の第１の実施の形態の構成を示す図である。ケーブルコンジットコンダクタに収容される導体すなわち超伝導素線（ｓｃストランド）２１は、高圧の超臨界ヘリウム（ＳＨｅ）で冷却され、クライオスタット２内の超臨界ヘリウム槽内に導入され、超臨界ヘリウムはｓＨｅポンプ４を介して熱交換器６のパイプ内に送出され、熱交換器６の槽内には液体ヘリウムが供給され例えば１０気圧程度で加圧してパイプの中にヘリウムを強制的に流し込んで得られる超臨界ヘリウムは再び不図示の超伝導コイル側に送出され循環する。

超臨界ヘリウムで冷却される超伝導素線２１はシール部材２３を介して気密封止された状態で隣の液体ヘリウム冷却槽に拡延長され（超伝導素線２２参照）、液体ヘリウムに含浸された状態でコネクタ２４を介して電流リードを形成する常伝導型のリード素線２５にそれぞれ一対一に接続され、リード素線２５からなる電流リード７は、クライオスタット２の天板上方に延在されてなる筒状部材の内部に配設され、外部の電源と接続する端子５に接続されている。この筒状部材に配設される電流リード７は液体ヘリウムが気化してなるガスヘリウムにより冷却される。

本発明の実施の形態において、超臨界ヘリウムを超伝導体素線に用いたことにより、液体ヘリウム中に発熱があった場合に気泡が発生すると、該気泡発生部分の冷却効果が急に悪化するが、略４Ｋ付近の絶対温度でヘリウムを加圧して液相／気相の相が分れなくなる超臨界ヘリウムで冷やすことによって、部分的に温度が上昇しても気体とならないため、冷却能力が大幅に低下することはないことによる。なお加圧する圧力は１０気圧程度とされる。なお、電流リードの冷却は液体ヘリウムでも十分であるため、大気圧と同じ一気圧程度とされる。これらの超臨界ヘリウム槽と液体ヘリウム槽は互いに気密して分離される。すなわち電流リードは、ガスヘリウムで冷却されて、冷却に伴う電流リードの電気抵抗の低減によるジュール発熱の低減、常温側からの熱を熱交換することによって外部に排出する等の作用をなし、電流リードからの熱侵入を低減している。

また、本発明の実施の形態においては、超伝導素線と電流リード素線の接続を簡易化するためコネクタ接続構造が採用されている。

図９は、本発明の第２の実施の形態の構成を示す図である。図９を参照して、第２の実施の形態においては、ガス冷却型電流リードを冷却するガスヘリウムの流量を制御する手段を備え、これにより電流リードの端子間の電圧降下を電流リードを構成するリード素線毎に略一定に制御するようにしたものである。すなわち、図９を参照して、筒状部材内壁には温度センサ、電圧計及び／又はガスの流量計等のセンサ８が複数取り付けられており、センサ８の出力は制御装置９に入力され、制御装置９はクライオスタット２の液体ヘリウム槽からのガスヘリウムの排気及び電流リード７を冷却したガスヘリウムの排気を制御するバルブ１０、１１の開閉及び開度を制御する。

電流リード部７に流れるガスヘリウムの量があまりにも多いと、過冷却され、電気抵抗が低減し、これにより電流のバランスがくずれる場合があり、上記構成のもと、この第２の実施の形態は、電流リードの電圧測定、温度測定、ガスヘリウムの流量測定、及びこれらの組み合わせから、バルブ１０、１１の開閉等を制御し、電流リード部の抵抗値が一定に維持されるように制御するものである。

また、図９を参照すると、バルブ１０は、クライオスタット２内の圧力が高くなりすぎ、電流リード部７にガスヘリウムを流すと過度に冷却するような状態となった時に、開状態に設定され、圧力を制御する。

一方、液体ヘリウムからの蒸発量が少なく、電流リード部７の冷却が十分に行えないような時には、熱侵入等により超伝導コイル側の温度が高くなるおそれがある。この問題を回避すべく、液体ヘリウムのクライオスタット中にヒータ（不図示）を収容して加熱し、ガスヘリウムの発生量（蒸発量）を増加させて、電流リード部７の冷却を促すように構成してもよい。この場合、ヒータも制御装置９によってその通電（加熱）の有無が制御される。

また、図９を参照してコネクタ２４はＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ；繊維強化プラスチック）等の絶縁材料で互いに結合支持されている。

超伝導コイルの素線（超伝導素線）は、コイルを作るために曲げるので、その時に発生する曲げ応力を緩和するために、より線構造を取る。例えば図２を参照して、素線を３本より、３本のより線を３本集めてまたより、これを３回繰り返して、これを６本束ねたものがコンジット３の中に収容されている。このような構造を取った時、最初の３本のより線は極めてインダクタンスが良く一致するので、ほとんど偏流は存在しない。

一方、すべての素線をそれぞれ独立に電流リード素線に接続することは、一面で製造作業工程を煩雑なものとするので、インダクタンスがよく一致する素線には、まとめて１本の電流リード素線を接続するようにしてもよい。これによって、構造が簡単になる。

逆に、電流リード素線の数を多くして、これを超伝導素線に接続するような方式としてもよい。これは電流リード素線間の電流の偏流を防ぐ方法でもある。

図１０（Ａ）には、３本のより線からなる超伝導より線のそれぞれに、互いに絶縁された電流リードからの導体をそれぞれ２本ずつ接続した構成が示されている（超伝導素線１本に対し電流リード素線２本の構成）。これによって、電流リード部に多少のアンバランス（不平衡）があっても補償される。

図１０（Ｂ）には、電流リード素線１本に対し、互いに絶縁された３本の超伝導線が並列に接続してある（電流リード素線１本に対し超伝導素線３本）。超伝導素線は３本のより線を再度３本によってある。このようなより線構造により冷却のバラツキを補償し、偏流の発生を抑止低減している。

図１１に、本発明の第３の実施の形態の構成を示す。第３の実施の形態においては、鉄心部が超伝導コイルのヘリウム温度付近ではなく、電流リード部、すなわちより高い温度部に配設されている。これによって設計の柔軟性が向上し、製作も容易になる。

図１３に示すように、例えば２ｎ本（（１）〜（８））の電流リード素線を２行×ｎ列（図１３では、簡単のためｎ＝４としている）のアレイ状に配設された鉄芯コアの中空部を互いに電流の向きが逆方向となるように対形式で貫通して配設されている。鉄芯の飽和磁束Φmaxがほぼ５．０×１０^-4ＶＳであれば、コアを貫通する１対の電流リードに流れる電流差ΔＩABは、保磁力の範囲内でゼロと見なすことが出来る。なお、超伝導素線に鉄心を設けた構成の詳細は、本発明者による特願平７−３４５６７８号の記載が参照される。

また図１２を参照して、鉄心部（コア部）は２つに分けて、それぞれの電流リード部に配設するようにしてもよい。このような構成とした場合、製作容易性がさらに改善される。

次に図１４を参照して、鉄心を貫通し電流の向きが逆方向の１対の電流リード素線の他に、鉄芯に計測線を巻回し、計測線に生じる電圧を測定する。１対の電流リード素線の電流は互いに大きさが等しく、計測線には誘起電圧は観測されない（電圧＝０）。

一方、鉄心が飽和することによって、電流のアンバランスが生じたり、超伝導素線に、超伝導状態から常伝導状態に相転移した部分が発生したりした場合、計測線の電圧を測定することによってこれを検出することが可能となる。すなわち、この実施の形態においては、超伝導状態にある素線における常伝導状態の発生を監視及び検出することができる。超伝導素線において、常伝導部が拡大する場合には、制御装置を通して電源を制御し電流値を下げ、安定した超伝導コイルの運転を行う。

次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図１５を参照して、電流リードの低温部に高温超伝導体（ＨＴＳ）を接続し、それぞれ電気的に独立に超伝導導体（超伝導素線）に接続する。これによって低温側への熱侵入を低減する。

また図１６を参照して、電流リード部に、高温超伝導体ＨＴＳの他に熱伝半導体を接続する。すなわち電流リードの電流流入側にはＮ型半導体が、電流流出側にはＰ型半導体が接続され、これらの熱電半導体素子はペルチェクーラとして作用し、低温側への熱侵入を低減する。

図１７を参照して、複数のコイル用の熱伝導導体にＨＴＳを接続し易くするために、図１５、及び図１６に示した複数本の高温超伝導体（ＨＴＳ）を絶縁樹脂等で封止した構造により、互いに絶縁された状態で一体化している。これによって製作性が向上する。

図１８を参照して、この実施の形態においては、電源として、超伝導コイルを交流駆動するための交流電源が用いられ、Ｎ型、Ｐ型熱電半導体から成る熱電冷却素子を２組それぞれ電流リードに接続すると共に、交流電源の一側の端子と第１組の熱電冷却素子との間に１対のダイオードを、交流電源の他側の端子と第２組の熱電冷却素子との間に１対のダイオードを、それぞれ挿入し、ダイオードの整流作用によりＮ型及びＰ型熱電半導体素子に流れる電流の向きを一定としている。このため、熱電半導体素子は冷却素子（ヒートポンプとして）作用する。これにより低温側への熱侵入を低減している。

図１９を参照して、この実施の形態において、電流リードは、Ｎ型、Ｐ型熱電材料から成る熱電冷却素子を複数段カスケード形態に接続してなるものである。図１９において、各段の熱電冷却素子はそれぞれ異なった温度領域に配置され、それぞれ低温側から吸熱を、高温側にて放熱を行う。本実施形態によれば、複数段（＝ｎ）の熱電冷却素子による最高温度と最低温度の温度差は、各熱電冷却素子による冷却温度差ΔＴｉ（ｉ＝１〜ｎ）の略総和程度に等しい値が期待される。このため電流リードの冷却効果が増大することになる。

なお、電流リード部に配設される熱電半導体素子と高温超伝導体の各種構成については、本発明者らは特願平７−３１８６００号にて詳細に説明している。すなわち、本発明に係る超伝導ケーブルシステム及び超伝導システムにおいても上記特願平７−３１８６００号に提案される熱電半導体素子と高温超伝導体の各種構成及びその変形が適用されることは勿論である。

図２０を参照して、この実施の形態においては、超伝導コイルは液体ヘリウム中にあり、ここで発生するヘリウム（Ｈｅ）ガスは、電源から超電導コイルに電流を供給する電流リード２０２を囲繞するカバー２０１と電流リード２０２の間隙を流れて大気中に流出するように構成されている。この時、電流リード２０２から侵入する熱及び発生するジール熱と熱交換するので、低温部（液体ヘリウム側）への熱侵入が低減される。このような構成を「ガス冷却型電流リード」と呼び、従来から利用されている。

この実施の形態では、電流リード部２０２に電極２０４、２０５を介して半導体２０３を挿入し、ヒートポンプとして作動させることにより、低温部への熱侵入を低減している。この時、半導体２０３は熱電効果によって低温側（液体ヘリウム側）から高温側（大気側）に熱を運んでいる。この熱は、温度差に対応する熱伝導とジール発熱の２種類がある。従って、半導体２０３の高温側に接続してある電極２０４は温度が高くなる。すると、これにひきずられて、半導体の低温側の電極２０５の温度も上昇し、引いては低温への熱侵入が増大する。

この問題を解消するために、この実施の形態では、Ｈｅガスを半導体高温側電極部２０４に流して、冷却を行う。

以上本発明の各実施例を説明したが、本発明は上記各実施例の組み合わせ及び本発明の範囲内での各種変形を含むことである。

従来のケーブルインコンジット導体の構成を説明する断面図である。 素線からケーブルインコンジット導体を作製する工程を説明する図である。 素線の表面に電気的絶縁材を塗布した構成を示す図である。 素線に通電される電流信号の波形の一例を示す図である。 素線を２本とした場合の簡易モデルの等価回路を示す図である。 ２本の素線におけるクエンチによる分流の様子を示す図である。 ダブルパンケーキ及び電極までの構成を示す図である。 本発明の実施の形態の超伝導ケーブルシステム及び超伝導システムを説明するための図である。 本発明の別の実施の形態の超伝導ケーブルシステム及び超伝導システムを説明するための図である。 本発明の実施の形態における電流リード導体と超伝導素線の接続の様子を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するための図であり、電流リード導体に鉄芯を配設した構成を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するための図であり、電流リード導体に鉄芯を配設した構成を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するための図であり、電流リードに鉄芯を配設した構成を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するための図であり、電流リードの鉄芯に計測線を配設した構成を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するための図であり、電流リードに高温超伝導体を配設した構成を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するための図であり、電流リードに高温超伝導体と熱電半導体素子を配設した構成を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するための図であり、高温超伝導体を一体型とした構造を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するための図であり、交流電源で超伝導コイルを駆動するための構成を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するための図であり、電流リードに挿入する熱電半導体の構成の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するための図である。

符号の説明

２ クライオスタット
３ コンジットコンダクタ
４ ｓＨｅポンプ
５ 端子
６ 熱交換器
７ ガス冷却型電流リード
８ センサ
９ 制御装置
１０、１１ バルブ

Claims (12)

1. 超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード素線が束ねられることなく、該電流リード素線を分岐してなる１対の電流リードが、その電流の向きが互いに逆方向となるようにして中空部を貫通する中空磁性体を、備えたことを特徴とする超伝導システム。
2. 超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード素線が、電流ソース側と電流のシンク側の両方に、該電流リードを分岐してなる１対の電流リードが、その電流の向きが互いに逆方向となるようにして中空部を貫通する中空磁性体をそれぞれ備えたことを特徴とする超伝導システム。
3. 前記中空磁性体に計測線を巻回し、該計測線から電圧を測定し、前記中空部を貫通する電流リード素線の電流の偏りを検出する、ことを特徴とする請求項１又は２記載の超伝導システム。
4. 超伝導ケーブルを構成する超伝導素線の少なくとも一部が、液体窒素で冷却され、且つ前記超伝導素線が一体に束ねられることなく分割して独立にそれぞれコネクタを介して対応する電流リードの絶縁された素線に接続され、前記電流リードは電源に接続されてなり、前記超伝導素線が冷却される第１の冷却槽と、前記電流リードが冷却される第２の槽とが気密封止され、
   前記電流リード素線が互いに絶縁され、電流ソース側と電流のシンク側の両方に、該電流リードを分岐してなる１対の電流リードが、その電流の向きが互いに逆方向となるようにして中空部を貫通する中空磁性体をそれぞれ備えたことを特徴とする超伝導システム。
5. 前記電流リードを冷却するガスヘリウムもしくは窒素ガスの流量を制御する手段を備え、前記電流リードの電圧降下を各電流リード毎に略一定に保つように制御することを特徴とする請求項４記載の超伝導システム。
6. 前記電流リードが前記液体ヘリウムもしくは液体窒素槽の上方に拡延される筒状部材内に配設され、前記筒状部材の内壁側に温度及び／又は流量センサを複数備え、前記センサの出力に基づき、前記第２の槽における液体ヘリウムもしくは液体窒素の蒸発してなるガスヘリウムもしくは窒素ガスを逃げ量を制御するバルブを備えたことを特徴とする請求項４記載の超伝導システム。
7. 前記第２の槽内の液体ヘリウムもしくは液体窒素を加熱する手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の超伝導システム。
8. 複数本の絶縁してある電流リードの素線を、前記素線一本に対し前記複数本の電流リードを前記コネクタにて接続したことを特徴とする請求項４記載の超伝導システム。
9. 複数本の超伝導素線を、前記電流リード素線一本に対し前記複数本の超伝導素線を前記コネクタにて接続したことを特徴とする請求項４記載の超伝導システム。
10. 前記電流リード素線が互いに絶縁され、電流リードの低温部に高温超伝導体を備え、該高温超伝導体を介して超伝導ケーブルを構成する素線に接続されたことを特徴とする請求項４〜９のいずれか一に記載の超伝導システム。
11. 前記電流リードに、高温側及び低温側の両端が電極に接続してなる半導体素子を挿入し、且つ前記高温側電極を冷却するための手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の超伝導システム。
12. 前記高温側電極を冷却するための手段が、前記電流リードをその長手方向に囲繞するカバーを備え、該カバーと前記電流リードの間隙に、超電導ケーブルを冷却するための冷媒ガスを流入するようにして、構成されてなる、ことを特徴とする請求項１１記載の超伝導システム。

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