JP2016058625A - 超電導システムおよび電流リード - Google Patents

Abstract

【課題】超電導システムに用いられるコイルに電流を供給する電流リードの通電特性を向上させる技術を提供する。【解決手段】超電導システムにおいて、多段式の極低温冷凍機１０は、高温側冷却ステージ１９と低温側冷却ステージ２０とを備える。コイル７０は、低温側冷却ステージ２０と熱的に接続する。高温超電導体である電流リード８２は、高温側冷却ステージ１９と熱的に接続する高温側端子８２ａと、低温側冷却ステージ２０と熱的に接続する低温側端子８２ｂとを有し、コイル７０に電流を供給する。ヒートブリッジ８６は、第１端部８６ａと第２端部８６ｂとを有し、多段式極低温冷凍機１０と電流リード８２とを熱的に接続する。電流リード８２の第１端部８６ａは高温側冷却ステージ１９と低温側冷却ステージ２０との間で極低温冷凍機１０と熱的に接続し、第２端部８６ｂは高温側端子８２ａと低温側端子８２ｂとの間で電流リード８２と熱的に接続する。【選択図】図２

Description

本発明は、超電導システムと、その超電導システムが用いるコイルに電流を供給する電流リードに関する。

超電導システムでは、コイルを超電導状態にするために、極低温を発生する冷凍機でコイルを冷却する。このような極低温を発生する冷凍機の例として、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機（以下、「ＧＭ冷凍機」という。）が知られている。超電導システムのコイルは、極低温に冷却された状態で、電流リードを介して超電導システムの外部から大電流が供給される。このため、電流リードの通電特性をよくすることが望まれている。

特開２０１２−２８０４１号公報

本発明のある目的は、超電導システムに用いられるコイルに電流を供給する電流リードの通電特性を向上させる技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の超電導システムは、高温側冷却ステージと低温側冷却ステージとを備える多段式極低温冷凍機と、低温側冷却ステージと熱的に接続するコイルと、高温側冷却ステージと熱的に接続する高温側端子と、低温側冷却ステージと熱的に接続する低温側端子とを有し、コイルに電流を供給する電流リードと、第１端部と第２端部とを有し、多段式極低温冷凍機と電流リードとを熱的に接続するヒートブリッジとを備える。電流リードは高温超電導体であり、ヒートブリッジは、第１端部が、高温側冷却ステージと低温側冷却ステージとの間で極低温冷凍機と熱的に接続し、第２端部が、高温側端子と低温側端子との間で電流リードと熱的に接続する。

本発明の別の態様は、高温超電導体によって形成される電流リードである。この電流リードは、高温側冷却ステージと低温側冷却ステージとを備える多段式極低温冷凍機の高温側冷却ステージと熱的に接続可能な高温側端子と、多段式極低温冷凍機の低温側冷却ステージと熱的に接続可能であり、かつ多段式極低温冷凍機の低温側冷却ステージが冷却するコイルと電気的に接続可能な低温側端子とを備える。電流リードは、高温側端子と低温側端子との間で、２つの端部を有するヒートブリッジの一方の端部と接続可能であり、ヒートブリッジの他方の端部は、多段式極低温冷凍機の高温側冷却ステージと低温側冷却ステージとの間で多段式極低温冷凍機と熱的に接続されている。

本発明によれば、超電導システムに用いられるコイルに電流を供給する電流リードの通電特性を向上することができる。

図１（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る超電導システムの外観を示す図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機、コイル、および電流リードの位置関係を模式的に示す図である。 本発明のある実施の形態である極低温冷凍機を説明する図である。 スコッチヨーク機構を拡大して示す図である。 ロータリーバルブを拡大して示す分解斜視図である。 極低温冷凍機の低温側蓄冷器の温度プロファイルと、電流リードの温度プロファイルとを示す図である。 実施の形態に係る電流リードに用いる高温超電導体のＩｃ−Ｂ−Ｔ特性を示す図である。

本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

実施の形態に係る超電導システムは、極低温冷凍機を用いてコイルを冷却し、コイルを超電導状態にする。コイルに大電流を導入する導入ラインとして、高温超電導体を利用した電流リードを用いる。これにより、電流リードの電気抵抗を押さえ、ジュール熱による電流リードの発熱を抑えている。

ここで、一般に高温超電導体は温度が低いほど臨界電流値Ｉｃの値が大きくなり、電流リードに流すことができる電流の許容値が増加する。そこで実施の形態に係る超電導システムにおいては、ヒートブリッジを介して電流リードを極低温冷凍機と熱的に接続し、電流リードを冷却し、電流リードの通電特性を向上させる。

図１（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る超電導システム１００の外観を示す図である。実施の形態に係る超電導システムは、コイル７０と、１台以上の極低温冷凍機１０と、極低温冷凍機１０とコイル７０とを熱的に接続する冷却部材７２を備える。なお、極低温冷凍機１０は、例えばＧＭ冷凍機を用いて実現される。また超電導システム１００のうち、寒冷が発生する部分は、図示しない真空容器に収容される。

図１（ａ）は、極低温冷凍機１０の上方向から見た場合の配置を示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示す。図１（ａ）に示すようにコイル７０は円環状のコイルであり、図示しない真空容器内に配置される。コイル７０の軸方向の一端には冷却部材７２が設けられており、複数の極低温冷凍機１０によって冷却される。図１（ａ）−（ｂ）に示す例では、超電導システムは４台の極低温冷凍機１０を備える。しかしながら、超電導システムが備える極低温冷凍機１０の数は４台に限られず、３台以下でも５台以上であってもよい。

図１（ｂ）に示すように、４台の極低温冷凍機１０それぞれには伝熱ロッド７４が接続されている。極低温冷凍機１０が発生した寒冷は、伝熱ロッド７４を介して冷却部材７２に伝達される。極低温冷凍機１０および伝熱ロッド７４は、例えば、冷却部材７２の周方向に４等配に設けられる。なお、伝熱ロッド７４は必須の構成ではなく、極低温冷凍機１０とコイル７０とが直接接触するようにしてもよい。

図２は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０、コイル７０、および電流リード８２の位置関係を模式的に示す図である。詳細は後述するが、極低温冷凍機１０は、高温側冷却ステージ１９と低温側冷却ステージ２０とを備える多段式極低温冷凍機である。極低温冷凍機１０はまた、モータを収容するモータ収容部５、ロータリーバルブやスコッチヨーク機構等を収容するハウジング３、高温側シリンダ１１、低温側シリンダ１２も備える。

高温側冷却ステージ１９および低温側冷却ステージ２０は、それぞれ高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２内で膨張した作動ガスが発生させる寒冷を用いて、冷却対象物を冷却する。限定はしないが、一例として、高温側冷却ステージ１９の温度はおよそ４０［Ｋ］であり、低温側冷却ステージ２０の温度はおよそ４［Ｋ］である。

コイル７０は、冷却部材７２を介して低温側冷却ステージ２０と熱的に接続する。室内電流導入リード８０は、図示しない真空容器の外側から真空容器内部にコイル７０に供給するための電流を導入する。室内電流導入リード８０は、高温側熱伝導体８４ａおよび高温側熱応力緩和機構８８ａを介して、高温超電導体である電流リード８２の高温側端子８２ａと電気的に接続する。また電流リード８２の低温側端子８２ｂは、低温側熱伝導体８４ｂおよび低温側熱応力緩和機構８８ｂを介して、コイル７０と電気的に接続する。

高温側熱伝導体８４ａは、電流リード８２の高温側端子８２ａと極低温冷凍機１０の高温側冷却ステージ１９とを熱的に接続する。また低温側熱伝導体８４ｂは、電流リード８２の低温側端子８２ｂと極低温冷凍機１０の低温側冷却ステージ２０とを熱的に接続する。これにより、電流リード８２の高温側端子８２ａの温度は、極低温冷凍機１０の高温側冷却ステージ１９と同様の温度となる。また、電流リード８２の低温側端子８２ｂの温度は、ＧＭ冷凍機の低温側冷却ステージ２０の温度と同様の温度となる。

図２に示すように、電流リード８２は、支持部材９２を介して、補強部材９０によって支持される。補強部材９０は例えばパイプ等で構成され、剛性の高い部材である。このため、仮に電流リード８２低温側端子８２ｂまたは高温側端子８２ａを固定すると、電流リード８２または補強部材９０が温度変化による伸縮が吸収できないかもしれない。場合によっては、電流リード８２または補強部材９０が破損したりするかもしれない。

そこで高温側熱伝導体８４ａおよび低温側熱応力緩和機構８８ｂは、伸縮可能な弾性体（例えば、板バネ状の部材）で構成される。これにより、電流リード８２または補強部材９０が温度変化による伸縮が吸収され、電流リード８２の破損を抑制し、電気的な接続を良好に維持することができる。

ヒートブリッジ８６は、第１端部８６ａと第２端部８６ｂとを備える。ヒートブリッジ８６の第１端部８６ａは、高温側冷却ステージ１９と低温側冷却ステージ２０との間で極低温冷凍機１０と熱的に接続する。またヒートブリッジ８６の第２端部８６ｂは、高温側端子８２ａと低温側端子８２ｂとの間で電流リード８２と熱的に接続する。より具体的には、ヒートブリッジ８６の第２端部８６ｂは支持部材９２と接続し、支持部材９２を介して電流リード８２と熱的に接続する。これにより、ヒートブリッジ８６は、極低温冷凍機１０と電流リード８２とを熱的に接続する。ヒートブリッジ８６は、例えば柔軟性を持った熱伝導体を用いて実現できる。これにより、ヒートブリッジ８６の温度変化によって伸縮を吸収することができる。

検出部９４は、ヒートブリッジ８６と電流リード８２との間の電圧を検出する。検出部９４については後述する。

以下、ヒートブリッジ８６の第１端部８６ａが極低温冷凍機１０と接続する位置、およびヒートブリッジ８６の第２端部８６ｂが電流リード８２と接続する位置について説明するが、その前提として、まず極低温冷凍機１０の構成を説明する。

図３、図４、および図５は、本発明のある実施の形態である極低温冷凍機１０を説明する図である。上述したように、極低温冷凍機１０はＧＭ冷凍機である。本実施の形態に係る極低温冷凍機１０は、圧縮機１、シリンダ２、ハウジング３、およびモータ収容部５等を有している。

圧縮機１は、低圧配管１ａが接続された吸気側から低圧の冷媒ガスを回収し、これを圧縮した後に吐出側に接続された高圧配管１ｂに高圧の冷媒ガスを供給する。冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスを用いることができるが、これに限定されるものではない。

図３に例示する極低温冷凍機１０は、２段式の極低温冷凍機１０である。２段式の極低温冷凍機１０では、シリンダ２は高温側シリンダ１１と低温側シリンダ１２の二つのシリンダを有している。高温側シリンダ１１の内部には、高温側ディスプレーサ１３が挿入される。また、低温側シリンダ１２の内部には、低温側ディスプレーサ１４が挿入される。

高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は相互に連結されており、それぞれ高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２の内部で、シリンダの軸方向に往復移動可能な構成とされている。高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４の内部には、それぞれ高温側内部空間１５および低温側内部空間１６が形成されている。高温側内部空間１５および低温側内部空間１６には蓄冷材が充填されており、それぞれ高温側蓄冷器１７および低温側蓄冷器１８として機能する。

上部に位置する高温側ディスプレーサ１３は、上方（Ｚ１方向）に向けて延出する駆動軸３６に連結される。この駆動軸３６は、後述するスコッチヨーク機構３２の一部を構成する。

また、高温側ディスプレーサ１３の高温端側（Ｚ１方向側端部）には、ガス流路Ｌ１が形成されている。更に、高温側ディスプレーサ１３の低温端側（Ｚ２方向側端部）には、高温側内部空間１５と高温側膨張空間２１とを連通するガス流路Ｌ２が形成されている。

高温側シリンダ１１の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、高温側膨張空間２１が形成されている。また、高温側シリンダ１１の高温側端部（図１に矢印Ｚ１で示す方向側の端部）には、上部室２３が形成されている。

更に、低温側シリンダ１２内の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、低温側膨張空間２２が形成されている。

低温側ディスプレーサ１４は、図示しない連結機構により高温側ディスプレーサ１３の下部に取り付けられている。この低温側ディスプレーサ１４の高温側端部（図１に矢印Ｚ１で示す方向側の端部）には、高温側膨張空間２１と低温側内部空間１６とを連通するガス流路Ｌ３が形成されている。また、低温側ディスプレーサ１４の低温側端部（図１に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、低温側内部空間１６と低温側膨張空間２２とを連通するガス流路Ｌ４が形成されている。

高温側冷却ステージ１９は、高温側シリンダ１１の外周面で、高温側膨張空間２１と対向する位置に配設されている。また低温側冷却ステージ２０は、低温側シリンダ１２の外周面で低温側膨張空間２２と対向する位置に配設されている。

上記の高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は、スコッチヨーク機構３２により、それぞれ高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２内を図中上下方向（矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動する。

図３に示すように、ハウジング３はロータリーバルブ４０等を有し、モータ収容部５はモータ３１を収容する。

モータ３１、駆動回転軸３１ａ、およびスコッチヨーク機構３２は、駆動装置を構成する。モータ３１は回転駆動力を発生し、モータ３１に接続された回転軸（以下、「駆動回転軸３１ａ」という。）は、モータ３１の回転運動をスコッチヨーク機構３２に伝達する。駆動回転軸３１ａは、軸受６０によって支持される。

図４は、スコッチヨーク機構３２を拡大して示す図である。スコッチヨーク機構３２は、クランク３３とスコッチヨーク３４等を有している。このスコッチヨーク機構３２は、例えばモータ３１等の駆動手段により駆動することができる。

クランク３３は、駆動回転軸３１ａに固定される。クランク３３は、駆動回転軸３１ａの取り付け位置から偏心した位置にクランクピン３３ｂを設けた構成とされている。従って、クランク３３を駆動回転軸３１ａに取り付けると、駆動回転軸３１ａに対しクランクピン３３ｂは偏心した状態となる。この意味で、クランクピン３３ｂは、偏心回転体として機能する。なお、駆動回転軸３１ａは、その長手方向に複数の場所で回転自在に支持してもよい。

スコッチヨーク３４は、駆動軸３６ａ、駆動軸３６ｂ、ヨーク板３５、及びころ軸受３７等を有している。ハウジング３内には、収容空間が形成されている。この収容空間は、スコッチヨーク３４及び後述するロータリーバルブ４０のロータバルブ４２等を収容する気密性を持った気密容器となっている。そこで、以下本明細書においてハウジング３内の収容空間を、「気密容器４」という。気密容器４は、低圧配管１ａを介して圧縮機１の吸気口と連通している。そのため、気密容器４は常に低圧に維持される。

駆動軸３６ａは、ヨーク板３５から上方（Ｚ１方向）に延出している。この駆動軸３６ａは、ハウジング３内に設けられた摺動軸受３８ａによって支持されている。よって駆動軸３６ａは、図中上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

駆動軸３６ｂは、ヨーク板３５から下方（Ｚ２方向）に延出している。この駆動軸３６ｂは、ハウジング３内に設けられた摺動軸受３８ｂによって支持されている。よって駆動軸３６も、図中上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂが、それぞれ摺動軸受３８ａおよび摺動軸受３８ｂによって支持されることにより、スコッチヨーク３４はハウジング３内で上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

なお、本実施の形態では、極低温冷凍機の構成要素の位置関係を分かりやすく表すために、「軸方向」という用語を使用することがある。軸方向は駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂが延在する方向を表し、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４が移動する方向とも一致する。便宜上、軸方向に関して膨張空間又は冷却ステージに相対的に近いことを「下」、相対的に遠いことを「上」と呼ぶことがある。つまり、低温側端部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。なお、こうした表現は極低温冷凍機１０が取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、極低温冷凍機１０は鉛直方向に膨張空間を上向きにして取り付けられてもよい。

ヨーク板３５は、横長窓３５ａが形成されている。この横長窓３５ａは、駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂの延出する方向に対して交差する方向、例えば直交する方向（図４中、矢印Ｘ１、Ｘ２方向）に延在している。

ころ軸受３７は、この横長窓３５ａ内に配設されている。ころ軸受３７は、横長窓３５ａ内で転動可能な構成とされている。また、クランクピン３３ｂと係合する孔３７ａは、ころ軸受３７の中心位置に形成されている。横長窓３５ａは、クランクピン３３ｂおよびころ軸受３７の横方向の移動を許容する。横長窓３５ａは、横方向に延在する上枠部及び下枠部と、上枠部及び下枠部それぞれの横方向端部にて軸方向ないし縦方向に延在し上枠部と下枠部とを結合する第１側枠部及び第２側枠部と、を備える。

モータ３１が駆動し駆動回転軸３１ａが回転すると、クランクピン３３ｂは円弧を描くように回転する。これにより、スコッチヨーク３４は図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動する。この際、ころ軸受３７は、横長窓３５ａ内を図中矢印Ｘ１、Ｘ２方向に往復移動する。

高温側ディスプレーサ１３は、スコッチヨーク３４の下部に配設された駆動軸３６ｂに接続されている。よって、スコッチヨーク３４が図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動することにより、高温側ディスプレーサ１３及びこれに連結された低温側ディスプレーサ１４も高温側シリンダ１１及び低温側シリンダ１２内で矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動する。

次に、バルブ機構について説明する。実施の形態に係る極低温冷凍機１０は、バルブ機構としてロータリーバルブ４０を用いる。

ロータリーバルブ４０は、冷媒ガスの流路を切り換えるものである。このロータリーバルブ４０は、圧縮機１の吐出側から吐出された高圧の冷媒ガスを高温側ディスプレーサ１３の上部室２３に導く供給用バルブとして機能すると共に、上部室２３から冷媒ガスを圧縮機１の吸気側に導く排気用バルブとして機能する。

このロータリーバルブ４０は、図３に加えて図５に示すように、ステータバルブ４１とロータバルブ４２とを有している。ステータバルブ４１は平坦なステータ側摺動面４５を有し、ロータバルブ４２は同じく平坦なロータ側摺動面５０を有している。そして、このステータ側摺動面４５とロータ側摺動面５０が面接触することにより、冷媒ガスの漏れが防止される。

ステータバルブ４１は、ハウジング３内に固定ピン４３で固定される。この固定ピン４３で固定されることにより、ステータバルブ４１は回転が規制される。

ロータバルブ４２は、ロータバルブ軸受６２により回転可能に支持されている。ロータバルブ４２のロータ側摺動面５０と反対側に位置する反対側端面５２には、クランクピン３３ｂと係合する係合穴（図示せず）が形成されている。クランクピン３３ｂは、ころ軸受３７に挿通された際にその先端部がころ軸受３７から矢印Ｙ１方向に突出する（図１参照）。

そして、ころ軸受３７から突出したクランクピン３３ｂの先端部は、ロータバルブ４２に形成された係合穴と係合する。よって、クランクピン３３ｂが回転（偏心回転）することにより、ロータバルブ４２はスコッチヨーク機構３２と同期して回転する。

ステータバルブ４１は、冷媒ガス供給孔４４、円弧状溝４６、及びガス流路４９を有している。冷媒ガス供給孔４４は圧縮機１の高圧配管１ｂに接続されており、ステータバルブ４１の中心部を貫通するよう形成されている。

円弧状溝４６は、ステータ側摺動面４５に形成されている。この円弧状溝４６は、冷媒ガス供給孔４４を中心とした円弧形状を有している。

ガス流路４９は、ステータバルブ４１とハウジング３とにわたって形成されている。ガス流路４９のうち、バルブ側の一端部は、円弧状溝４６内に開口し開口部４８を形成している。また、ガス流路４９において、ステータバルブ４１の側面には吐出口４７が開口している。吐出口４７は、ハウジング内のガス流路４９と連通している。また、ハウジング内のガス流路４９の他端部は、上部室２３、ガス流路Ｌ１、高温側蓄冷器１７等を介して高温側膨張空間２１に接続されている。

一方、ロータバルブ４２は、長円状溝５１及び円弧状孔５３を有している。

長円状溝５１は、ロータ側摺動面５０にその中心から径方向に延在するよう形成されている。また円弧状孔５３は、ロータバルブ４２のロータ側摺動面５０から反対側端面５２まで貫通し、気密容器４と接続している。この円弧状孔５３は、ステータバルブ４１の円弧状溝４６と同一円周上に位置するよう形成されている。

上記した冷媒ガス供給孔４４、長円状溝５１、円弧状溝４６、及び開口部４８により供給弁が構成される。また、開口部４８、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３により排気弁が構成される。本実施の形態では、長円状溝５１、円弧状溝４６などのバルブの内部に存在する空間をまとめてバルブ内部空間と呼ぶことがある。

上記構成とされた極低温冷凍機１０において、モータ３１の回転駆動力が駆動回転軸３１ａを介してスコッチヨーク機構３２に伝達されてスコッチヨーク機構３２が駆動されると、スコッチヨーク３４はＺ１、Ｚ２方向に往復移動する。このスコッチヨーク３４の動作により、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は、高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２内を下死点ＬＰと上死点ＵＰとの間で往復移動する。

高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する前に、排気弁が閉じ、その後、供給弁が開く。即ち、冷媒ガス供給孔４４、長円状溝５１、円弧状溝４６、及びガス流路４９との間に冷媒ガス流路が形成される。

よって高圧の冷媒ガスは、圧縮機１から上部室２３に充填され始める。その後、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４は下死点ＬＰを過ぎて上昇を始め、冷媒ガスは高温側蓄冷器１７および低温側蓄冷器１８を上から下に通過し、高温側膨張空間２１および低温側膨張空間２２に充填されてゆく。

そして、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４が上死点ＵＰに達する際に、供給弁は閉じる。それと同時、もしくはその後、排気弁が開弁する。即ち、ガス流路４９、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３との間に冷媒ガス流路が形成される。

これにより、高圧の冷媒ガスは高温側膨張空間２１および低温側膨張空間２２内で膨脹することによって寒冷を発生させ、高温側冷却ステージ１９および低温側冷却ステージ２０を冷却する。また、寒冷を発生させた低温の冷媒ガスは、高温側蓄冷器１７および低温側蓄冷器１８内の蓄冷材を冷却しながら下から上に流れ、その後に圧縮機１の低圧配管１ａに還流する。

その後、高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する前に、排気弁が閉じ、その後、供給弁が開いて１サイクルを終了する。このようにして、冷媒ガスの圧縮、膨張のサイクルを繰り返すことによって、極低温冷凍機１０の高温側冷却ステージ１９および低温側冷却ステージ２０は極低温に冷却される。極低温冷凍機１０の高温側冷却ステージ１９および低温側冷却ステージ２０は、それぞれ高温側膨張空間２１および低温側膨張空間２２内の冷媒ガスを膨張させることにより発生した寒冷を、高温側シリンダ１１および低温側シリンダ１２の外部に伝導する。

以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷凍機１０においては、モータ３１等の駆動装置の駆動力を高温側ディスプレーサ１３および低温側ディスプレーサ１４の往復移動に変換することで寒冷を発生させる。これにより、高温側冷却ステージの温度はおよそ４０Ｋとなり、低温側冷却ステージ２０の温度はおよそ４Ｋの極低温となる。また、高温側冷却ステージ１９と熱的に接続される電流リード８２の高温側端子８２ａの温度はおよそ４０［Ｋ］となる。また低温側冷却ステージ２０と熱的に接続される電流リード８２の低温側端子８２ｂの温度は、およそ４［Ｋ］となる。

図６は、極低温冷凍機１０の低温側蓄冷器１８の温度プロファイルと、電流リード８２の温度プロファイルとを示す図である。より具体的に、図６の実線で示すグラフは、極低温冷凍機１０の高温側冷却ステージ１９の位置を０とし、低温側冷却ステージ２０の位置を１とした場合の低温側蓄冷器１８の温度プロファイルを示す。また図６の破線で示すグラフは、電流リード８２の高温側端子８２ａの位置を０とし、電流リード８２の低温側端子８２ｂの位置を１とした場合の、電流リード８２の温度プロファイルを示す。

図６の破線で示すように、電流リード８２の温度プロファイルは、高温側端子８２ａから低温側端子８２ｂに向かって直線的に温度が下がる。一方、図６の実線で示すように、低温側蓄冷器１８は高温側冷却ステージ１９側、すなわち高温端側における温度の降下率は、低温側冷却ステージ２０側、すなわち低温端側における温度の降下率よりも大きい。つまり、低温側蓄冷器１８の温度プロファイルは、下に凸な非線形なグラフとなる。このように、電流リード８２と低温側蓄冷器１８とは、それぞれ両端の温度はほぼ等しい。しかしながら、電流リード８２と低温側蓄冷器１８との中間部の温度は、それぞれ高温端からの距離が等しい位置で計測した場合、低温側蓄冷器１８の方が電流リード８２より低くなる。

図７は、実施の形態に係る電流リード８２に用いる高温超電導体のＩｃ−Ｂ−Ｔ特性を示す図である。図７は、高温超電導体の経験磁場［Ｔ］を横軸、高温超電導体の臨界電流［Ａ］を縦軸としたグラフであり、高温超電導体の温度が４［Ｋ］の場合（実線）と４０［Ｋ］の場合（破線）とをプロットしたグラフである。

図７に示すように、高温超電導体の臨界電流Ｉｃは、高温超電導体の経験磁場が大きいほど、小さな値となる。また、経験磁場は、コイルに近いほど、大きくなる。そのため、高温超電導体の安定化のためには、コイル７０に近い位置を冷却することが好ましい。限定はしないが、一例として、実施の形態に係る超電導システム１００が用いるコイル７０は、５［Ｔ］以上の磁場を発生する。仮に高温超電導体の経験磁場が２［Ｔ］であるとする。図７より、高温超電導体の温度が４［Ｋ］のとき臨界電流Ｉｃは、温度が４０［Ｋ］のときの臨界電流Ｉｃの２倍程度かそれ以上となる。なお、臨界電流Ｉｃは、数百［Ａ］から千数百［Ａ］程度の電流である。

高温超電導体を流れる電流が臨界電流Ｉｃを超過すると、高温超電導体は常伝導体に転移してしまう。一般に、電流リード８２を構成する高温超電導体の臨界電流Ｉｃの値は大きい方が、コイル７０により多くの電流をより安全に供給できるため好ましい。

そこで実施の形態に係る超電導システム１００においては、低温側蓄冷器１８と電流リード８２とをヒートブリッジ８６を介して熱的に接続する。上述したように、電流リード８２と低温側蓄冷器１８との中間部の温度は、それぞれ高温端からの距離が等しい位置で計測した場合、低温側蓄冷器１８の方が電流リード８２より低くなる。このため、低温側蓄冷器１８と電流リード８２とを熱的に接続すると、電流リード８２から低温側蓄冷器１８に向かって熱が移動し、電流リード８２の温度を下げることができる。

ここで、電流リード８２の臨界電流Ｉｃの値を大きくするためには、電流リード８２の温度はなるべく低くした方がよい。このため、ヒートブリッジ８６の第２端部８６ｂは、電流リード８２の高温側端子８２ａと低温側端子８２ｂとの中間部よりも高温側端子８２ａ側で熱的に接続する。これにより、電流リード８２の高温側端子８２ａに近いところから温度を降下させることが可能となる。

一方、低温側蓄冷器１８の低温側端部は低温側冷却ステージ２０と熱的に接続しており、低温側冷却ステージ２０はコイル７０を冷却する。このため、低温側冷却ステージ２０の温度が上昇してしまうかもしれない。そこで、ヒートブリッジ８６の第１端部８６ａは、高温側冷却ステージ１９と低温側冷却ステージ２０との中間部よりも高温側冷却ステージ１９側において低温側蓄冷器１８と熱的に接続する。これにより、低温側冷却ステージ２０の温度の上昇を抑制しつつ、電流リード８２の温度を下げることができる。

また、電流リード８２の熱が低温側蓄冷器１８に移動することにより、低温側蓄冷器１８の温度プロファイルが直線に近づく。低温側蓄冷器１８の温度プロファイルは、直線に近いほど極低温冷凍機１０の冷凍性能が向上することが知られている。この点において、低温側蓄冷器１８と電流リード８２とを熱的に接続することは、極低温冷凍機１０の冷凍性能を向上させうる。

このように、電流リード８２の温度を下げることで、電流リード８２の臨界電流Ｉｃを大きくすることができる。電流リード８２が超電導状態のとき、電流リード８２の電気抵抗は０となるため、室内電流導入リード８０から電流リード８２に高温側端子８２ａに到達した電流は、全て電流リード８２に流れる。しかしながら、何らかの理由で電流リード８２の少なくとも一部が常伝導体に転移すると、電流リード８２が電気抵抗を持つことになる。

そこで検出部９４はヒートブリッジ８６と電流リード８２の高温側端子８２ａとの間の電圧を計測する。電流リード８２が超電導状態であれば電流リード８２に電流が流れても電圧降下はないが、万が一、電流リード８２が常伝導体に転移すると抵抗のためヒートブリッジ８６と電流リード８２の高温側端子８２ａとの間に電位差が生じる。検出部９４がヒートブリッジ８６と電流リード８２との間の電圧を計測することで、電流リード８２が超電導状態であるかまたは常伝導体であるかを検知することができる。

以上説明したように、実施の形態に係る超電導システム１００によれば、電流リード８２の通電特性を向上することができる。

また、低温側蓄冷器１８の温度プロファイルを線形に近づけることができ、極低温冷凍機１０の冷凍性能を向上することもできる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

１ 圧縮機、 １ａ 低圧配管、 １ｂ 高圧配管、 ２ シリンダ、 ３ ハウジング、 ４ 気密容器、 ５ モータ収容部、 １０ 極低温冷凍機、 １１ 高温側シリンダ、 １２ 低温側シリンダ、 １３ 高温側ディスプレーサ、 １４ 低温側ディスプレーサ、 １５ 高温側内部空間、 １６ 低温側内部空間、 １７ 高温側蓄冷器、 １８ 低温側蓄冷器、 １９ 高温側冷却ステージ、 ２０ 低温側冷却ステージ、 ２１ 高温側膨張空間、 ２２ 低温側膨張空間、 ２３ 上部室、 ３０ 駆動装置、 ３１ モータ、 ３１ａ 駆動回転軸、 ３２ スコッチヨーク機構、 ３３ クランク、 ３３ｂ クランクピン、 ３４ スコッチヨーク、 ３５ ヨーク板、 ３５ａ 横長窓、 ３６ 駆動軸、 ３７ 軸受、 ３７ａ 孔、 ３８ａ，３８ｂ 摺動軸受、 ４０ ロータリーバルブ、 ４１ ステータバルブ、 ４２ ロータバルブ、 ４３ 固定ピン、 ４４ 冷媒ガス供給孔、 ４５ ステータ側摺動面、 ４６ 円弧状溝、 ４７ 吐出口、 ４８ 開口部、 ４９ ガス流路、 ５０ ロータ側摺動面、 ５１ 長円状溝、 ５２ 反対側端面、 ５３ 円弧状孔、 ６２ ロータバルブ軸受、 ７０ コイル、 ７２ 冷却部材、 ７４ 伝熱ロッド、 ８０ 室内電流導入リード、 ８２ 電流リード、 ８２ａ 高温側端子、 ８２ｂ 低温側端子、 ８４ａ 高温側熱伝導体、 ８４ｂ 低温側熱伝導体、 ８６ ヒートブリッジ、 ８６ａ 第１端部、 ８６ｂ 第２端部、 ８８ａ 高温側熱応力緩和機構、 ８８ｂ 低温側熱応力緩和機構、 ９０ 補強部材、 ９２ 支持部材、 ９４ 検出部、 １００ 超電導システム。

Claims (6)

1. 高温側冷却ステージと低温側冷却ステージとを備える多段式極低温冷凍機と、
   前記低温側冷却ステージと熱的に接続するコイルと、
   前記高温側冷却ステージと熱的に接続する高温側端子と、前記低温側冷却ステージと熱的に接続する低温側端子とを有し、前記コイルに電流を供給する電流リードと、
   第１端部と第２端部とを有し、前記多段式極低温冷凍機と前記電流リードとを熱的に接続するヒートブリッジとを備え、
   前記電流リードは高温超電導体であり、
   前記ヒートブリッジは、
   前記第１端部が、前記高温側冷却ステージと前記低温側冷却ステージとの間で前記極低温冷凍機と熱的に接続し、
   前記第２端部が、前記高温側端子と前記低温側端子との間で前記電流リードと熱的に接続することを特徴とする超電導システム。
2. 前記電流リードと熱的に接続し、前記電流リードを支持する支持部材をさらに備え、
   前記ヒートブリッジは、前記第２端部が前記支持部材と接続することを特徴とする請求項１に記載の超電導システム。
3. 前記ヒートブリッジは柔軟性を持った熱伝導体であることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導システム。
4. 前記ヒートブリッジと前記電流リードとの間の電圧を検出する検出部をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超電導システム。
5. 前記ヒートブリッジは、
   前記第１端部が、前記高温側冷却ステージと前記低温側冷却ステージとの中間部よりも前記高温側冷却ステージ側において前記極低温冷凍機と熱的に接続し、
   前記第２端部が、前記高温側端子と前記低温側端子との中間部よりも高温端子側で前記電流リードと熱的に接続することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超電導システム。
6. 高温超電導体によって形成される電流リードであって、
   高温側冷却ステージと低温側冷却ステージとを備える多段式極低温冷凍機の高温側冷却ステージと熱的に接続可能な高温側端子と、
   前記多段式極低温冷凍機の低温側冷却ステージと熱的に接続可能であり、かつ前記多段式極低温冷凍機の低温側冷却ステージが冷却するコイルと電気的に接続可能な低温側端子とを備え、
   前記電流リードは、前記高温側端子と前記低温側端子との間で、２つの端部を有するヒートブリッジの一方の端部と接続可能であり、前記ヒートブリッジの他方の端部は、前記多段式極低温冷凍機の高温側冷却ステージと低温側冷却ステージとの間で前記多段式極低温冷凍機と熱的に接続されていることを特徴とする電流リード。

Images