JP2011222959A - 超伝導マグネット向けの電流リードアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】電流リードの低温端部を有効に冷却すること並びに冷却システムを電流リードから電気的に絶縁することの両方を行うような目下利用可能なアセンブリと異なる冷却システムを備えた電流リードアセンブリを提供する。
【解決手段】電流リードアセンブリ１４は１つの端部２４を有する電流リード１６、１８と、該端部と熱的に結合させた少なくとも１つのヒートステーション３０ａ、３０ｂと、該ヒートステーション内を通過して延びると共に少なくとも１つの接続部３８ａ，３８ｂ、４０ａ，４０ｂを備えた冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂと、該接続部を介して該冷媒フロー経路と流体結合させた冷媒生成源４２と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、超伝導マグネット向けの電流リードアセンブリに関し、またより具体的には超伝導マグネットと電気的に結合させたその端部を冷却するための冷却システムを有する電流リードアセンブリに関する。

超伝導マグネットは、本明細書の以下において「超伝導温度」と呼ぶ適当なある低い温度にマグネットが維持されている限りにおいて、事実上のゼロ抵抗で電気を伝える。したがって、超伝導マグネットを確実に超伝導温度で動作させるために冷媒システムが使用される。

超伝導マグネットは一般に超伝導コイルを備えており、この超伝導コイルに電流を送るために電流リードを介して電源と電気的に結合させている。これらの電流リードの各々は、超伝導コイルと電気的に結合させた一端部と、電源と電気的に結合させた別の端部と、を備える。当然のことながら、電流リードから発生したジュール熱（または、オーム性の熱）は不可避的に超伝導コイルに伝播することがあり得る。したがって、電流リードの超伝導コイルと電気的に結合させた端部（本明細書の以下において「低温端部」と呼ぶ）を冷却するために冷却用装置が使用される。もう一方の端部（本明細書の以下において「常温端部」と呼ぶ）は、電源と電気的に結合させている。

電流リードに使用される冷却用装置の一タイプは、電流リードの低温端部と熱的に接触させているが電気的には隔絶させたヒートステーションを含む。このヒートステーションは通常、電流リードからクライオクーラへの熱伝導経路を形成するように良好な熱伝導率を有する例えば純粋な銅やアルミニウムなどの金属材料を含む。この熱伝導経路は、１つまたは複数のセラミックパッドなどの隔絶用構成要素によって電気的に分離させている。これらのセラミックパッドは、電気的隔絶を提供すると共に、熱抵抗を最小化するようにヒートステーションにはんだ付けされている。しかし、セラミックパッドの熱抵抗は、熱伝導経路の温度が下がるに連れてより高くなる。さらに、セラミックパッドとヒートステーションの結合は通常、はんだ付けによって実現されている。結合が機械的応力や熱応力のために破壊されることがあるとこれが信用できなくなる。

電流リードの低温端部を有効に冷却すること並びに冷却システムを電流リードから電気的に絶縁することの両方を行うような目下利用可能なアセンブリと異なる冷却システムを備えた電流リードアセンブリがあることが望ましい。

一実施形態では、電流リードアセンブリを提供する。電流リードアセンブリは、１つの端部を有する電流リードと、該端部と熱的に結合させた少なくとも１つのヒートステーションと、該ヒートステーション内を通過して延びると共に少なくとも１つの接続部を備えた冷媒フロー経路と、該接続部によって該冷媒フロー経路と流体結合させた冷媒生成源と、を含む。

別の実施形態による超伝導マグネットシステムは、正及び負の超伝導マグネット端子を備えた少なくとも１つの超伝導コイルと、その各々が該正及び負の超伝導マグネット端子の対応する端子と電気的に結合させた端部を有する正及び負の電流リードと、冷却システムと、を含む。この冷却システムは、正及び負の電流リードの該端部と物理的かつ熱的に結合させた少なくとも１つのヒートステーションと、該ヒートステーション内を通過して延びる冷媒フロー経路と、を含む。

さらに別の実施形態による冷却方法は、導電性の電流リードの１つの端部にヒートステーションを物理的かつ熱的に結合させるステップと、該ヒートステーション内の貫通孔に少なくとも１つの接続チューブを結合させ該貫通孔と接続チューブ内に冷媒フロー経路を形成するステップと、接続チューブを通して貫通孔内に液体冷媒を流し込むステップと、を含む。

本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

ボビン上に巻き付けた超伝導コイルを備える例示的な超伝導マグネットの図である。 本発明の一実施形態による冷却システムを含んだ電流リードアセンブリを有する超伝導マグネットシステムの図である。 本発明の別の実施形態による冷却システムを含んだ電流リードアセンブリを有する超伝導マグネットシステムの図である。 本発明のさらに別の実施形態による冷却システムを含んだ電流リードアセンブリを有する超伝導マグネットシステムの図である。

本発明の実施形態は超伝導マグネット向けの電流リードアセンブリに関する。本電流リードアセンブリは、少なくとも１つの正の電流リードと、少なくとも１つの負の電流リードと、冷却システムと、を備える。正及び負の電流リードの各々は、電源と電気的に結合させた１つの端部（「常温端部」）と、超伝導マグネットと電気的に結合させた別の端部（「低温端部」）と、を有する。冷却システムは、電流リードの低温端部と熱的に接触させたヒートステーションと、該ヒートステーション内を通過して延びる冷媒フロー経路と、を備える。冷媒フロー経路内には流体冷媒が流れており、またこの流体冷媒が気体に変換されることによって低温端部から熱が除去される。したがって電流リードの低温端部はある低い温度に維持され、また超伝導マグネットに熱が伝わらない。電流は、電流リードから低温端部にある超伝導コイルの正及び負の端子まで伝達される。ヒートステーションは、コイル端子の超伝導動作が保証されるように電流リードの低温端部を超伝導温度に維持する。

図１を参照すると例示的な超伝導マグネット１２（「マグネット１２」）は、ボビン１２２などの支持部材上に巻き付けられた少なくとも１つの超伝導マグネットコイル１２０を備える。図示した実施形態では、超伝導マグネットコイル１２０は電流を受け取るために正及び負のマグネット端子１２４、１２６を備える。ある種の実施形態ではその超伝導マグネットコイル１２０は、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ、ＭｇＢ_２、ＢＳＣＣＯ、ＹＢＣＯなどの超伝導材料を含むと共に、超伝導臨界温度未満（例えば、約５ケルビン（Ｋ）〜約７Ｋなど）に維持されている。したがって超伝導マグネットコイルは、非常に小さい電気抵抗で電気を伝達させる。ある種の実施形態ではそのマグネット１２は、所望の磁場及び／または磁気エネルギーを得るようにボビン上に巻き付けられた複数の超伝導コイルを備えることがある。ある種の実施形態ではそのマグネット１２はさらに、超伝導コイルの周りに巻き付けられた外側保護層（図示せず）を備えることがある。

図２を参照すると、例示的な超伝導マグネットシステム１０は、マグネット１２と本発明の一実施形態による冷却システム２８を有する電流リードアセンブリ１４とを備える。図示を簡略とするために図２〜４では、マグネット１２の超伝導コイル１２２及びボビン１２４は省略してある。図示した実施形態では電流リードアセンブリ１４は、少なくとも１つの正の電流リード１６と少なくとも１つの負の電流リード１８とを備える。正及び負の電流リード１６、１８の各々は、電源２２と電気的に結合させた常温端部２０と、電源２２からマグネット１２まで電流を送るためにマグネット１２の対応するマグネット端子１２４、１２６と電気的に結合させた低温端部２４と、を有する。ある種の実施形態ではその正及び負の電流リード１６、１８は、銅、アルミニウム、真鍮、ステンレス鋼、あるいはＢＳＣＣＯやＹＢＣＯなどの何らかの高温超伝導材料を含む。図示した実施形態では、電流リードシステム１４は正と負の電流リード１６、１８の間に電気絶縁体２６を備える。ある種の実施形態ではその電気絶縁体２６は、ガラス繊維複合材またはプラスチック材料を含む。別の実施形態ではその正と負の電流リード１６、１８は、互いに離間されていると共に、こうした実施形態では絶縁体は不要である。図示した実施形態では電流リードアセンブリ１４はさらに、正及び負の電流リード１６、１８の低温端部２４をある低い温度に維持するための電流リード冷却システム２８（「冷却システム２８」）を備える。

図示した実施形態では冷却システム２８は、正及び負の電流リード１６、１８の低温端部２４と熱的に結合させた少なくとも１つのヒートステーション３０ａ、３０ｂと、該ヒートステーション３０ａ、３０ｂのそれぞれ内を通過して延びる少なくとも１つの冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂと、を備える。冷媒フロー経路内には流体冷媒が流れており、またこの流体冷媒が気体に変換されることによって低温端部２４から熱が除去される。したがって正及び負の電流リード１６、１８の低温端部２４はある低い温度に維持され、またマグネット１２には熱が伝わらない。ある種の実施形態ではその少なくとも１つの冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂ内を流れる液体冷媒は、窒素、ネオン、水素、ヘリウム、あるいは低温端部２４から十分な熱を引き出すことが可能な適当な別の任意の冷媒を含む。

図２に示した実施形態では少なくとも１つのヒートステーション３０ａ、３０ｂは、熱伝導率と導電率の両方が高い金属または金属合金を含む。こうした材料の例としては、銅、アルミニウム、銀及び真鍮が含まれる。図示した実施形態では冷却システム２８は、正の電流リード１６と熱的に結合させた第１のヒートステーション３０ａと、負の電流リード１８と熱的に結合させた第２のヒートステーション３０ｂと、を備える。一実施形態ではそのヒートステーションと電流リードを、はんだ付け、ろう付けまたは溶接によって結合させることがある。別の実施形態では、その第１のヒートステーション３０ａを正の電流リード１６と一体となった一部とすることがあり、また第２のヒートステーション３０ｂを負の電流リード１８と一体となった一部とすることがある。

図２に示した実施形態では冷却システム２８は、第１のヒートステーション３０ａ内を通過して延びる第１の冷媒フロー経路３２ａと、第２のヒートステーション３０ｂ内を通過して延びる第２の冷媒フロー経路３２ｂと、を備える。上で言及したように、フロー経路３２ａ、３２ｂは冷媒を送っていると共に、それぞれ第１及び第２のヒートステーション３０ａ、３０ｂに熱的に結合されている。図示した実施形態では第１及び第２の冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂの各々は対応するヒートステーション３０ａ、３０ｂ内の貫通孔３４を通過しており、またこの貫通孔３４の両方の端部に対して接続チューブ３６がはんだ付け、溶接またはろう付けされている。したがって冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂ内の液体冷媒が貫通孔３４内でヒートステーション３０ａ、３０ｂに直に接触しており、有効な冷却を実現することが可能である。別の実施形態ではその第１及び第２の冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂの各々は、対応するヒートステーション３０ａ、３０ｂの対応する貫通孔３４を通過して延びる一体の接続チューブを備える。ある種の実施形態ではその接続チューブ３６は、例えばステンレス鋼、銅または真鍮などの金属材料を含む。

ある種の実施形態ではその第１及び第２の冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂは各々、液体冷媒を該経路内に導入するための少なくとも１つの接続部を備える。図２に示した実施形態ではその第１及び第２の冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂは各々、第１の接続部３８ａ、３８ｂと、該フロー経路３２ａ、３２ｂの反対側端部にある第２の接続部４０ａ、４０ｂと、を備える。したがって第１及び第２のヒートステーション３０ａ、３０ｂは、第１及び第２の冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂを通って流れる液体冷媒によって冷却される。

図示した実施形態では冷却システム２８は、第１及び第２の冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂの第１及び第２の接続部３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂとそれぞれ流体結合させた冷媒生成源４２ａ、４２ｂを備える。一実施形態ではその冷媒生成源は、液体冷媒を蓄積するための冷媒コンテナー４２ａ、４２ｂを含む。液体冷媒は冷媒コンテナー４２ａ、４２ｂから第１の接続部３８ａ、３８ｂで冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂ内に流れ込み、気体は第２の接続部４０ａ、４０ｂから第１及び第２の冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂを出る。図示した実施形態では第１及び第２の冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂの上側に冷媒コンテナー４２ａ、４２ｂが位置決めされている。したがって液体冷媒は、重力の力で冷媒コンテナー４２ａ、４２ｂから流れ出る。

図示した実施形態では第１及び第２の冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂは、異なる冷媒コンテナーから液体冷媒を受け取っている。図示した実施形態では、第１及び第２の冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂの第１及び第２の接続部３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂは冷媒コンテナー４２ａ、４２ｂと流体結合されている。別の実施形態では、液体冷媒を受け取るために第１の接続部３８ａ、３８ｂだけを冷媒コンテナー４２ａ、４２ｂと流体結合させることがあり、また第１及び第２の冷媒フロー経路３２ａ、３２ｂから出力された気体を蓄積するために第２の接続部４０ａ、４０ｂを別のコンテナーに結合させること、または気体を液体冷媒にするように再凝縮させるための再凝縮器に結合させること、あるいは排気させること、がある。

図３を参照すると、本発明の別の実施形態による冷却システム４４は、第１と第２のヒートステーション３０ａ、３０ｂ内を通過して延びると共に冷媒コンテナー４２と流体結合させた少なくとも１つの接続部３８、４０を有する冷媒フロー経路４６を備える。したがって、正及び負の両方の電流リード１６、１８の低温端部２４を冷却するために冷媒フロー経路４６内に液体冷媒を流している。図示した実施形態では冷媒フロー経路４６は、第１と第２のヒートステーション３０ａ、３０ｂの間に電気絶縁を形成するために第１と第２のヒートステーション３０ａ、３０ｂの間に少なくとも１つの電気絶縁性のチューブ区画４８を備える。ある種の実施形態では、この電気絶縁性のチューブ区画４８はセラミック材料を含むことがある。こうした電気絶縁性チューブ区画４８の一例は、例えば溶接やろう付けによる隣接する接続チューブ３６の接合を容易にするために、セラミック部分と該セラミック部分の反対側端部にあるステンレス鋼コーティングとを備えることがある。図示した実施形態では冷媒フロー経路４６は、冷媒コンテナー４８を電流リード１６、１８から電気的に絶縁するために冷媒コンテナー４２と各ヒートステーション３０ａ、３０ｂの間に少なくとも１つの電気絶縁性のチューブ区画４８を備える。

図４を参照すると本発明のさらに別の実施形態による冷却システム５０は、第１と第２のヒートステーション３０ａ、３０ｂ内を通過して延びる冷媒フロー経路５２と、冷媒フロー経路５２と流体結合させた冷媒生成源５４と、を備える。図示した実施形態では冷媒生成源５４は、ある低い温度まで冷却するための冷凍機５６と関連付けされた再凝縮器を備えている。したがって冷媒生成源５４は、ボイルオフ気体をその液体状態まで戻すように再凝縮するための低温表面５５を提供する。図示した実施形態では冷媒生成源５４は、１つのチューブ５８だけを通して冷媒フロー経路５２と流体連通させている。別の実施形態ではその冷媒生成源５４は、２本以上のチューブを通して冷媒フロー経路５２と結合させることがある。

冷却システムのスタートアップ時に、冷媒フロー経路５２に対してインレット（図示せず）からある量の冷媒が導入されており、このインレットは適当な冷媒を冷媒フロー経路５２内に導入し終えた後に閉じられる。一実施形態では、冷媒フロー経路５２内に導入される冷媒は液体冷媒である。別の実施形態では、冷媒フロー経路５２内に導入される冷媒は気体であり、これが液体冷媒になるように冷媒生成源５４によって連続して変換される。冷却システム５０の通常の冷却動作の間に、冷媒フロー経路５２内に液体冷媒を流している。ある種の実施形態では第１及び第２のヒートステーション３０ａ、３０ｂ内の貫通孔３４は、電流リードの低温端部２４をある低い温度に維持するために冷却システム５０の通常の冷却動作の間において液体冷媒で満たされている。電流リード１６、１８の低温端部２４からの熱を吸収するために、冷媒フロー経路３２内の液体冷媒の一部は気体としてボイルオフされる。このボイルオフ気体は冷媒生成源５４まで流れて液体冷媒になるように変換され、これを冷媒フロー経路５２内に流し戻している。したがって、液体冷媒と気体の変換は冷却システム内部で自動で実行される。

本明細書に記載した実施形態は、本発明の特許請求の範囲に記載した要素に対応する要素を有する組成、構造、システム及び方法に関する例である。ここに記載した説明によって当業者は本発明の特許請求の範囲に記載した要素に同様に対応する別の要素を有する実施形態の製作及び利用が可能となろう。したがって本発明の範囲は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない組成、構造、システム及び方法を含み、かつさらに本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない別の構造、システム及び方法を含む。本明細書ではある種の特徴及び実施形態についてのみ図示し記載しているが、当業者によれば多くの修正形態や変形形態がなされよう。添付の特許請求の範囲は、こうした修正形態や変形形態をすべて包含するものである。

１０ 超伝導マグネットシステム
１２ 超伝導マグネット
１４ 電流リードアセンブリ
１６ 正の電流リード
１８ 負の電流リード
２０ 電流リードの常温端部
２２ 電源
２４ 電流リードの低温端部
２６ 電気絶縁体
２８ 冷却システム
３０ａ 第１のヒートステーション
３０ｂ 第２のヒートステーション
３２ａ 第１の冷媒フロー経路
３２ｂ 第２の冷媒フロー経路
３４ 貫通孔
３６ 接続チューブ
３８ 冷媒フロー経路の第１の開口部
４０ 冷媒フロー経路の第２の開口部
４２ 冷媒生成源
４４ 冷却システム
４６ 冷媒フロー経路
４８ 電気絶縁性のチューブ区画
５０ 冷却システム
５２ 冷媒フロー経路
５４ 再凝縮器
５５ 低温表面
５６ 冷凍機
５８ チューブ
１２０ 超伝導コイル
１２２ ボビン
１２４ 正のマグネット端子
１２６ 負のマグネット端子

Claims (10)

1. １つの端部（２４）を有する電流リード（１６、１８）と、
   前記端部と熱的に結合させた少なくとも１つのヒートステーション（３０ａ、３０ｂ）と、
   前記ヒートステーション内を通過して延びると共に少なくとも１つの開口部（３８、４０）を備えた冷媒フロー経路（３２ａ、３２ｂ、４６、５２）と、
   前記開口部を通して前記冷媒フロー経路と流体結合させた冷媒生成源（４２、５４）と、
   を備える電流リードアセンブリ（１４）。
2. 前記ヒートステーションが前記電流リードの一体の一部分である請求項１に記載のアセンブリ。
3. 正及び負の電流リードを備えると共に、それぞれに該正及び負の電流リードのうちの対応する一方と熱的に結合させた第１及び第２のヒートステーションを備える請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記正と負の電流リードの間に電気絶縁体を備える請求項３に記載のアセンブリ。
5. それぞれ前記第１及び第２のヒートステーション内を通過して延びる第１及び第２の冷媒フロー経路を備える請求項３に記載のアセンブリ。
6. 前記第１及び第２のヒートステーションの両方を通過して延びる１つの冷媒フロー経路を備える請求項３に記載のアセンブリ。
7. 前記冷媒フロー経路は第１と第２のヒートステーションの間に少なくとも１つの電気絶縁性のチューブ区画を備える、請求項６に記載のアセンブリ。
8. 前記冷媒生成源が液体冷媒コンテナーである請求項１乃至７のいずれかに記載のアセンブリ。
9. 前記冷媒生成源が冷媒フロー経路と流体連通する低温表面を有する再凝縮器である請求項１乃至７のいずれかに記載のアセンブリ。
10. 正及び負の超伝導マグネット端子を備えた少なくとも１つの超伝導コイルと、
    その各々が前記正及び負の超伝導マグネット端子のうちの対応する一方と電気的に結合させた端部を有する正及び負の電流リードと、
    冷却システムであって、
    前記正及び負の電流リードの端部と物理的かつ熱的に結合させた少なくとも１つのヒートステーションと、
    前記ヒートステーション内を通過して延びる冷媒フロー経路と、
    を備えた冷却システムと、
    を備える超伝導マグネットシステム。

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