JP2010060245A - 超電導機器の電流リード - Google Patents

Abstract

【課題】電流リードから超電導機器への熱侵入を十分に抑制することのできる、パルス管冷凍機を用いた超電導機器の電流リードを提供する。
【解決手段】電流を通電するためのリード導体と、この導体を冷却するためのパルス管冷凍機を備えた超電導機器の電流リードにおいて、前記リード導体をパルス管冷凍機のパルス管の中にその高温端と低温端を貫通させて配置し、このパルス管の外側にこのパルス管と連通させかつ同心的に前記パルス管冷凍機の蓄冷管を配置し、さらに、前記パルス管と蓄冷管との間に真空層を設けるとともに、この真空層内に輻射熱遮断体を配置することで、前記パルス管と蓄冷管とを熱的に絶縁する。
【選択図】図１

Description

この発明は、超電導電磁石や超電導電力貯蔵装置等の超電導機器と外部機器との間で電流の供給を行う電流リードに関する。

超電導機器は、常電導機器に比べると小形軽量で高効率にすることができるが、超電導状態を維持するために、液体窒素温度（７７Ｋ）や液体へリウム温度（４Ｋ）などの低温状態に保持する必要がある。

超電導機器を低温に保持するためには、冷却装置を設けてこれにより冷却する必要がある。この冷却装置の冷却能力は、理論的には、冷却装置への入力エネルギーの１〜１０％程度となってしまう。換言すると、１Ｗの冷凍能力を発揮するために、１０〜１００Ｗ程度の入力エネルギーが必要になる。冷却に要するエネルギーは超電導機器の効率に直結するので、このエネルギーの抑制、すなわち低温部分への熱侵入量低減が重要な技術となる。

低温下の超電導機器と室温におかれた電源などの外部機器とを接続して電流を供給するのに電流リードが使用される。電流リードの導体に使用される銅等の高導電性金属材は、一般的に熱伝導率も高いので、電流リードを介して室温の外部から低温の超電導機器内部へ高温の熱がより多く伝わり、超電導機器の冷却装置の熱負荷の増大を招く。

このため、熱伝導率の高い銅等の高導電性金属導体により構成された電流リードの場合は、この電流リードの導体を冷却したり、電流リードの導体を熱伝導率の低い超電導材により構成したりすることにより、電流リードから超電導機器への熱侵入を抑制することが従来から行われている。

図２は、特許文献１等により従来から知られているパルス管冷凍機を冷却手段とした超電導機器の電流リードの構成を示すものである。

図２において、１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、電力貯蔵設備の超電導材により構成された電力蓄積体２０の両端に接続されたパルス管冷凍機であり、電力蓄積体２０への通電を行うための電流リード１を構成するものである。パルス管冷凍機１０の高温側を除く略全体および電力蓄積体２０が真空容器で構成されたチャンバー３０内に収められ、通常はコイル状とされた電力蓄積体２０とパルス管冷凍機１０との接続部２８およびは電力蓄積体２０全体がパルス管冷凍機１０によって冷却されるように構成されている。

パルス管冷凍機１０は、それ自身を電流リードとして使用するため、パルス管１３と蓄冷管１４とを同心的に２重に配置し、パルス管１３内に上端の高温端と下端の低温端を貫通して銅等の高電導性材で形成したリード導体１２を配設して構成される。蓄冷管１４の上部に設けたフランジ１５の作動ガスの流入出口１５Ａに圧力振動発生手段４０が接続され、ここから管１３，１４間の隙間にヘリウムガス等の作動ガスが流入出される。パルス管１３と蓄冷管１４との間の隙間には、上方から順に蓄冷管上部フローストレーナ１６、金網を円筒状に形成してなるメッシュパイプ１７、蓄冷管下部フローストレーナ１８が配置され、蓄冷管１４の下端は、下部フランジ１９で塞がれ、さらに下部フランジ１９のリード導体１２の貫通部分がシールキャップ２１で塞がれている。フローストレーナ、およびメッシュパイプは、作動ガスの流れを整流する機能および熱伝導する機能を有するものである。

蓄冷管下部フローストレーナ１８の下端部とパルス管１３の低温端となる下端部との間に蓄冷器として機能する熱交換器２２が配置され、その上端側にはパルス管下部フローストレーナ２３が配置され、管１３と１４の間の隙間を流れる作動ガスが、蓄冷管下部フローストレーナ１８から熱交換器２２およびパルス管下部フローストレーナ２３を通してパルス管１３内へ流入出できるように構成されている。一方、パルス管１３の高温端となる上端側には、パルス管上部フローストレーナ２４が配置され、また、このパルス管上部フローストレーナ２４を覆うように上部フランジ２５が設けられている。この上部フランジ２５には連通孔２５Ａが設けられており、これを介してパルス管１３を図示しないバッファタンクまたは、圧力振動発生手段４０に接続する。また、上部フランジ２５には放熱フィン２６が取り付けられており、パルス管１３の高温端をも貫通するリード導体１２の熱をパルス管上部フローストレーナ２４から上部フランジ２５に伝達し、放熱フィン２６から外気に放熱している。従って、パルス管上部フローストレーナ２４は、本来の整流機能の他、リード導体１２から熱を奪う熱交換器としても機能する。さらに、リード導体１２の高温端が貫通する部分も、作動ガスが漏れないようにシールキャップ２７で塞がれている。

このようなパルス管冷凍機１０を構成する各部材は、磁気特性や機械強度などを考慮してステンレスにより形成されるが、リード導体１２を、導電性を考慮して高導電性の銅で形成して、パルス管冷凍機１０に通電された電流は、その殆どがパルス管１３や蓄冷管１４ではなく、リード導体１２を通して流れるようにしている。

このようなパルス管冷凍機１０で構成された電流リード１によれば、リード導体１２と電力蓄積体２０との接続部２８がパルス管冷凍機により直接的に冷却されるから、リード導体１２を介して侵入する熱を効果的に抑えることができるため、電力蓄積体２０等の超電導機器の熱効率を高めることができる。また、パルス管冷凍機１０を貫通したリード導体１２が銅により形成され電流の通電を一手に負担することから、パルス管冷凍機１０を形成する部材は、導電性等は考慮せず冷凍機として要求される耐久性など優先してステンレス等の材料で形成できるため、良好な通電性能を確保しつつ、冷凍機としての信頼性も確実に得ることができる。

前記したように従来のパルス管冷凍機を用いた電流リードは、多くの利点を有するが、パルス管冷凍機のパルス管と蓄冷管を同心的に２重に配置した構成では、両方の管の間の熱絶縁が十分でないため、パルス管冷凍機の運転を定常的に安定に維持することが困難な場合が生じる問題がある。

すなわち、中心にリード導体を配置し、その外側にパルス管を配置し、さらにその外側に蓄冷管を配置した多重構成のパルス管冷凍機を運転した場合、それぞれの管における管の長さ方向の温度勾配が大きく異なるためである。蓄冷管の温度勾配は、高温端側から低温端側へほぼ直線的な変化となるが、パルス管の内部においては、作動ガスのガスピストンの構成によって温度勾配が急激に変化する部分が生じる。これによりパルス管と蓄冷管の共有する管壁の内側と外側での作動ガスの温度差が大きくなり、パルス管側から蓄冷管側へ、またはその逆の方向への熱侵入が発生し大きな熱損失を招くだけでなく、この急激な温度差がパルス管冷凍機内部の振動流に大きな影響を及ぼすことになる。つまり、パルス管冷凍機の内部では、作動ガスの温度・圧力が２Ｈｚ程度の速度で変動しているが、この変動の周期を乱して安定した冷却サイクルを維持できず、不安定な運転状態に陥る可能性が生じるのである。この結果、パルス管冷凍機の所期の冷却性能が得られず、電流リードから超電導機器への熱侵入を十分に抑制することができないという問題が生じる。

この問題を解決するためになされた改良が、非特許文献１に示されている。図３は、この非特許文献１に示された電流リードの構成を示す縦断面図である。この図３において、図２に示す従来装置と機能の同じ要素は、同一の符号を付して示す。

図３に示すように、この文献におけるパルス管冷凍機１０は、図２と同じく、パルス管１３の外側に蓄冷管１４を同心的に多重に配置して構成されている。非特許文献１の電流リードにおいては、さらに、パルス管１３と蓄冷管１４の間に真空層５０を形成するために、パルス管１３の外周に第１の断熱管５１と第２の断熱管５２を配置している。これにより、パルス管１３と蓄冷管１４は共有する管壁が無くなり、真空層５０を介して並列することになる。この結果、パルス管１３と蓄冷管１４は熱的に断熱されたことになり、これら相互の熱の作用がなくなり、各管の温度分布が独立して形成され、パルス管冷凍機としての運転が良好になる。
特許第４０００３６４号公報 Advances in Cryogenic Engineering, Vol.51B, P1711-1718, 2006

前記の特許文献1の電流リードを改良した非特許文献１の電流リードは、パルス管と蓄冷管とを熱的に絶縁する目的でなされたものである。この熱的に絶縁するために真空断熱効果を利用しているが、真空により断熱できるのは、真空断熱層内の対流による伝熱に対してのみであり、室温からの輻射による伝熱については有効ではない。図３に示すように、蓄冷管とパルス管の長さが異なるため、長さ方向の温度分布も異なり、蓄冷管の高温側の位置が、パルス管では低温側近傍に位置しており、この部分で蓄冷管からパルス管へ輻射による伝熱があることになる。この輻射による伝熱により、パルス管壁の温度が上昇し、所定の温度分布が得られなくなる可能性が生じる。結果として蓄冷管とパルス管の熱絶縁が不完全なものとなり、所期の冷却性能を発揮できなくなる。

この発明は、前記の問題を解決して、電流リードから超電導機器への熱侵入を十分に抑制することのできる、パルス管冷凍機を用いた超電導機器の電流リードを提供することを課題とするものである。

この発明は、前記の課題を解決するため、電流を通電するためのリード導体と、この導体を冷却するためのパルス管冷凍機を備えた超電導機器の電流リードにおいて、前記リード導体をパルス管冷凍機のパルス管の中にその高温端と低温端を貫通させて配置し、このパルス管の外側にこのパルス管と連通させかつ同心的に前記パルス管冷凍機の蓄冷管を配置し、さらに、前記パルス管と蓄冷管との間に真空層を設けるとともに、この真空層内に輻射熱遮断体を配置することにより、前記パルス管と蓄冷管とを熱的に絶縁したことを特徴とするものである。

また、この発明においては、前記輻射熱遮断体を前記真空層内の前記蓄冷管の上端付近に限定して配置することができる。

この発明によれば、リード導体の貫通された２重管構成のパルス管冷凍機におけるパルス管と蓄冷管との間に、内部に輻射熱遮断体を配置した真空層を設けることにより、パルス管と蓄冷管とを熱的に絶縁したので、対流による伝熱だけでなく、輻射による伝熱を阻止できるため、パルス管および蓄冷管内の温度勾配が相違していても、両管相互間における熱侵入が阻止され、パルス管冷凍機の運転を安定に維持することができる。このためリード導体およびこのリード導体に接続された超電導機器を良好に冷却することができ、リード導体を介する熱侵入を抑制することができる。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１は、この発明の実施例の電流リードの構成を示す縦断面図である。この図１において、図２および図３に示す従来装置と機能の同じ要素は、同一の符号を付して示す。

図１に示すように、この発明の実施例におけるパルス管冷凍機１０は、従来装置と同じく、パルス管１３の外側に蓄冷管１４を同心的に多重に配置して構成されている。パルス管１３の高温端となる上端は放熱器となる上部フランジ２５で閉塞され、蓄熱管１４の低温端となる下端は下部フランジ１９で閉塞される、上部フランジ２５、パルス管１３および下部フランジ１９を貫通させて電流を通電するための銅等の高電導性材で形成されたリード導体１２を配置する。下部フランジ１９および上部フランジ２５のリード導体１２の貫通部は、それぞれシール体２１および２７によってシールされる。

蓄冷管１４の上端に結合された蓄冷管フランジ１５およびパルス管１３に結合されたパルス管フランジ２５には、ヘリウムガス等の作動ガスを流入出させるためにそれぞれの管内に連通された作動ガス流入出口１５Ａおよび２５Ａが設けられ、これらの作動ガス流入出口に作動ガス圧縮機４０から作動ガスが供給される。

蓄冷管１４内には、上からガス流の整流機能を有する上部フローストレーナ１６、蓄冷機能を有する金網で構成したメッシュパイプ１７、および下部フローストレーナ１８が収められている。蓄冷管１４の下端部とパルス管１３の下端部との間に、蓄冷器となる熱交換器２２が設けられる。熱交換器２２は作動ガスの流通が可能なように構成されているため、蓄冷管１４とパルス管１３とはこの熱交換器２２を介して連通されている。パルス管１３内の下端部および上端部にはそれぞれ作動ガス流を整流するためのフローストレーナ２３および２４が設けられている。

パルス管１３と蓄冷管１４との間に真空層５０を形成するためにパルス管１３の外周に第１の断熱管５１と第２の断熱管５２を配設している。第１の断熱管５１はパルス管１３と蓄冷管１４とが重なる部分に設けられており、上端部が蓄冷管フランジ１５のパルス管１３の貫通する貫通孔１５Ｂの外周壁に気密的に結合され下端部が封止体５３を介してパルス管１３の下端部に気密的に結合される。

また第２の断熱管５２は、パルス管１４の蓄冷管１４と重ならない部分の外周に配設されている。この第２の断熱管５２の下部のフランジ５４を蓄冷管１４のフランジ１５に結合ボルト５６によりＯリング等のパッキン材を介して締め付けることにより、気密的に結合される。そして上部のフランジ５５が締付ボルト３７および３８により中間フランジ５８を介してパルス管１３の上部フランジ２５にＯリング等のパッキン材を介して気密的に締付結合される。断熱管５１と５２の内部は互いに連通されている。

これにより、パルス管１３の外周に断熱管５１および５２により囲まれて形成される２つの空所は１つに連通した気密的な空所５０となる。この空所５０の中の空気を真空に引き抜くことにより、蓄冷管１４とパルス管１３との間に真空層５０が形成される。この真空層５０により蓄冷管１４とパルス管１３との間の対流が防止され、両管相互間の対流による熱の侵入を阻止することができる。

パルス管冷凍機１０のここまでの構成は、図３に示した従来のパルス管冷凍機の構成とほぼ同じである。

本発明では、蓄冷管１４とパルス管１３との間の真空層５０内に、輻射熱遮断体６０を配置する。この輻射熱遮断体６０は、表面にアルミニウムを蒸着して輻射熱反射面を有するプラスチックフィルムを円筒状に多層に重ねて構成することができる。この輻射熱遮断体６０は、プラスチックフィルムによる輻射熱の反射作用により輻射熱の遮断を行うものであるので、その断熱効果は一般的に重ねたフィルムの枚数に比例するため、輻射熱遮断体６０は、より多くの枚数のプラスチックフィルムを積層して構成するのがよい。

また、この輻射熱遮断体６０は、必ずしも真空層５０の全長にわたって配置する必要はなく、図１に示すように、断熱管５１と５２の結合部付近に配置すればよい。これにより、蓄冷管１４からパルス管１３への輻射による伝熱が最も大きくなる蓄冷管１４の上端付近での輻射による伝熱が遮断されることになるので、輻射熱の侵入を効果的に阻止できる。

このように構成された電流リード１は、従来の電流リードと同様に、パルス管冷凍機１０を、図示しない超電導機器の収められたチャンバー３０に電気的な絶縁材で構成された絶縁フランジ３５を介して気密的に取付け、リード導体１２の先端を超電導機器の接続端子（図示せず）に接続して使用する。

パルス管冷凍機１０は、圧縮機４０から供給される作動ガスが蓄冷管１４およびパルス管１３内において振動変位することにより、パルス管１３の下端の低温端において冷熱が発生し、パルス管１３の上端の高温端において温熱を発生する。

パルス管１３の下端に設けた熱交換器２２は冷熱を蓄積して蓄冷管１４の下部フランジ１９に伝達する。これにより、熱交換器２２およびフランジ１９に貫通結合されているリード導体１２がこの冷熱により冷却される。

また、パルス管１３の上端部に発生する温熱は、パルス管１３、フランジ５５、５８等を介して放熱器を兼ねたパルス管フランジ２５に伝達され、ここからフランジ２５に形成された放熱フィン２５Ｂを介して外気へ放熱し、パルス管１３およびリード導体１２を冷却する。

このようにパルス管冷凍機１０とともに超電導機器を収容するチャンバー３０の外部から内部へ引き込まれたリード導体１２は、外部の室温の温熱をチャンバー３０内へ伝達するが、低温端の熱交換器２２およびフランジ１９の冷熱により冷却されるので、チャンバー３０内へ温熱が侵入するのを阻止することができ、超電導機器への電流リードを介する熱侵入が抑制される。

そして、パルス管冷凍機１０におけるパルス管１３と蓄冷管１４との間に真空層５０を設け、かつ、その中に輻射熱遮断体６０を配置することにより、両方の管の間における対流および輻射による伝熱が遮断され、パルス管１３と蓄冷管１４とが熱的に絶縁されて切り離される。このため、パルス管１３と蓄冷管１４との相互間の熱の侵入を抑制することができるようになることにより、パルス管１３と蓄冷管１４とが多重構成されていても、両管は熱的に独立し、相手方の作動ガスの温度分布の変動に影響されなくなるので、パルス管冷凍機としての冷却サイクルを常に安定に維持することができ、所期の冷却性能を維持することができる。

したがって、この発明の電流リードによれば、超電導機器への外部からの熱侵入を抑制することができ、超電導機器の熱効率を向上することができる。

この発明の実施例による電流リードの構成を示す縦断面図である。 電流リードの第１の従来例の構成を示す縦断面図である。 電流リードの第２の従来例の構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１ ：電流リード
１０：パルス管冷凍機
１２：リード導体
１３：パルス管
１４：蓄冷管
５０：真空層
６０：輻射熱遮断体

Claims (2)

1. 電流を通電するためのリード導体と、この導体を冷却するためのパルス管冷凍機を備えた超電導機器の電流リードにおいて、前記リード導体をパルス管冷凍機のパルス管の中にその高温端と低温端を貫通させて配置し、このパルス管の外側にこのパルス管と連通させかつ同心的に前記パルス管冷凍機の蓄冷管を配置し、さらに、前記パルス管と蓄冷管との間に真空層を設けるとともに、この真空層内に輻射熱遮断体を配置することにより、前記パルス管と蓄冷管とを熱的に絶縁したことを特徴とする超電導機器の電流リード。
2. 請求項１に記載の超電導機器の電流リードにおいて、前記輻射熱遮断体を前記真空層内の前記蓄冷管の上端付近に限定して配置したことを特徴とする超電導機器の電流リード。

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