JP2017028194A - 電流リード付きフランジユニット - Google Patents

Abstract

【課題】高真空の低温容器内に電流リードが導入される場合に対応できる電流リード付きフランジユニットを提供する。【解決手段】電流リード付きフランジユニットは、熱電冷却型の電流リードと、電流リードが挿入される貫通孔を有し、電流リードが貫通した状態で固定される固定フランジと、電流リードを前記固定フランジに対して固定する固定部と、固定フランジに対して電流リードが軸周りに回転するのを防止する回転防止部と、を備える。固定部は、電流リードに挿通され固定フランジを挟持する第１の挟持部材及び第２の挟持部材と、第１の挟持部材と固定フランジとの間に介在するシール部材と、電流リードに螺着され第１の挟持部材を固定フランジに向けて押し付ける固定ナットと、を有し、固定ナットが締め込まれることによりシール部材が押し潰され、固定フランジと電流リードとの隙間を気密に封止する。【選択図】図６

Description

本発明は、低温部に設置される超電導応用機器と常温部に設置される外部機器を接続する電流リードを備える電流リード付きフランジユニットに関し、特に熱電変換素子を用いた熱電冷却型の電流リードを電流リード固定用フランジユニットの固定フランジに固定する固定構造に関する。

近年、超電導ケーブルや超電導マグネット等、超電導を利用した超電導応用機器の分野では、実用化に向けてさかんに研究、開発が行われている。一般に、超電導応用機器は低温部（低温容器）に設置され、常温部に設置された外部機器（例えば電源）と、電流リードを介して接続される。超電導応用機器の運転は、極低温環境下で行われるため、低温部の断熱性が極めて重要となる。低温部の断熱性が悪く、低温部への熱侵入が大きいと、超電導応用機器の冷却効率が低下して超電導状態を維持するための冷却コストが増大することとなり、場合によっては超電導応用機器を運転できなくなってしまう。この低温部への熱侵入の経路としては、低温容器を伝熱する経路、又は電流リードを伝熱する経路が考えられる。

低温容器を介した熱侵入を防止するための手法としては、液体窒素等の冷媒及び超電導応用機器を収容する冷媒槽と、冷媒槽の外側に設けられる真空槽とを有する二重構造の低温容器が知られている。この低温容器によれば、真空断熱により低温部への熱侵入が低減される。

電流リードを介した熱侵入を防止するための手法としては、酸化物超電導体を用いた超電導電流リードが提案されている。酸化物超電導体は、金属導体に比較して電気抵抗が小さく、かつ熱伝導率が小さいため（銅の数１０分の１）、超電導電流リードにおけるジュール熱の発生はなく、低温部への伝熱量も極めて小さい。したがって、超電導電流リードによれば、低温部への熱侵入が低減される。しかし、超電導電流リードを採用する場合、電流リードの超電導状態を維持できる様に冷却設備を設けなければならず、冷却コストが増大してしまうという課題がある。

そこで、電流リードを介した熱侵入を防止するための他の手法として、熱電変換素子（以下「ペルチェ素子」と称する）を利用した熱電冷却型電流リードが提案されている（例えば特許文献１〜３）。熱電冷却型電流リードにおいては、低温部の超電導応用機器に接続される低温側電極と、常温部の外部機器に接続される常温側電極とが、ペルチェ素子を介して接続される。具体的には、低温側電極とペルチェ素子の一端面が半田により接合され、同様に、ペルチェ素子の他端面と常温側電極が半田により接合される。以下において、低温側電極と常温側電極を区別しない場合は、単に電極と称することとする。

ペルチェ素子は、通電したときに一端側から吸熱し、他端側から放熱する機能を有する。ペルチェ素子は、例えばＢｉＴｅ（ビスマス−テルル）系の化合物半導体で構成される。ペルチェ素子がｐ型半導体で構成される場合は、電流の流入側で吸熱が生じ、流出側で発熱が生じる。逆に、ペルチェ素子がｎ型半導体で構成される場合は、電流の流入側で発熱が生じ、流出側で吸熱が生じる。したがって、熱電冷却型電流リードにおける通電方向に応じて、ｐ型半導体又はｎ型半導体で構成されるペルチェ素子を用いることで、通電時に低温部から常温部に向けて熱を移動させることができるので、低温部への熱侵入が低減される。

特開２００４−６８５９号公報 特開２０１３−１０５９０６号公報 特開２０１４−１０３３２４号公報 特許第３１１７１７３号公報

上述した熱電冷却型の電流リードは、一般に、低温容器の蓋体となるフランジ部材（以下「固定フランジ」と称する）に固定され、電流リードが固定された電流リード付きフランジユニットとして低温容器に取り付けられる。低温容器（真空槽）の真空度が低下するのを防ぐため、電流リードと固定フランジの固定構造にはウィルソンシールが適用される（例えば特許文献４）。すなわち、固定フランジに貫通させた電流リードに、グリースを塗布したＯリングと、テーパーを有するシール金具を取り付け、固定ナットを締め付けてシール金具をＯリングに押し付け、Ｏリングを押し潰すことにより、電流リードと固定フランジの隙間が封止される。

しかしながら、低温容器内にて高い真空度を有する場合、高い気密性が必要とされ、特に、振動などによって電流リードが軸周りに回転したときに、低温容器内の真空状態が簡単に損なわれてしまう。

本発明の目的は、高真空の低温容器内に電流リードが導入される場合に対応できる電流リード付きフランジユニットを提供することである。

本発明に係る電流リード付きフランジユニットは、低温部に設置される超電導応用機器に接続される低温側電極と、常温部に設置される外部機器に接続される常温側電極と、一方の面に前記低温側電極が接合され他方の面に前記常温側電極が接合される熱電変換素子と、を有する電流リードと、
前記電流リードが挿入される貫通孔を有し、前記電流リードが貫通した状態で固定される固定フランジと、
前記電流リードを前記固定フランジに対して固定する固定部と、
前記固定フランジに対して電流リードが軸周りに回転するのを防止する回転防止部と、を備え、
前記固定部は、前記電流リードに挿通され前記固定フランジを挟持する第１の挟持部材及び第２の挟持部材と、前記第１の挟持部材と前記固定フランジとの間に介在するシール部材と、前記電流リードに螺着され前記第１の挟持部材を前記固定フランジに向けて押し付ける固定ナットと、を有し、前記固定ナットが締め込まれることにより前記シール部材が押し潰され、前記固定フランジと前記電流リードとの隙間を気密に封止することを特徴とする。

本発明によれば、固定フランジに対して電流リードが回転不能に固定されるので、高い気密性が確保される。したがって、高真空の低温容器内に電流リードが導入される場合に極めて好適である。

本発明の一実施の形態に係る電流リードを用いた超電導磁石装置の一例を示す図である。 実施の形態に係る電流リードの詳細な構成を示す図である。 ペルチェ素子、低温側電極、及び常温側電極を含む素子接合部を示す図である。 補強筒を示す図である。 低温側電極を示す図である。 電流リードと固定フランジの固定構造（固定部）を示す図である。 図６におけるＤ矢視断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る電流リード付きフランジユニットＵを用いた超電導磁石装置１を示す図である。図１に示すように、超電導磁石装置１は、低温部に設置される超電導コイル１１と、常温部に設置される電源１２と、電源１２と超電導コイル１１を電気的に接続する電流リード１０を備える。２つの電流リード１０を区別する場合は、電流リード１０Ａ、１０Ｂと称する。

超電導コイル１１は、例えば、端末容器１４内に設置された真空断熱構造を有する低温容器１３内に収容され、液体ヘリウムによって冷却される。電源１２は、超電導コイル１１を励磁するのに必要な電流を、電流リード１０を介して供給する。

電流リード１０は、ペルチェ効果を利用した熱電冷却型の電流リードである。電流リード１０は、ペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、及び常温側電極１０３を備える。低温側電極１０２、常温側電極１０３は、電気抵抗の面からＣｕ含有量が９０重量％以上であることが好ましく、例えば純度９９．９９％以上の無酸素銅で構成される。

ペルチェ素子１０１の一方の面に低温側電極１０２が接合され、他方の面に常温側電極１０３が接合される。低温側電極１０２は超電導コイル１１に接続され、常温側電極１０３は電源１２に接続される。電流リード１０と超電導コイル１１、及び電流リード１０と電源１２は、例えば銅リード１５、１６によって接続される。

ペルチェ素子１０１には、室温以下の低温において、性能指数Ｚ（＝α²／（κρ）、α：ゼーベック係数、κ：熱伝導率、ρ：比抵抗）の値が最大となるように組成が調整された半導体を使用することが好ましい。ペルチェ素子１０１は、例えばＢｉＴｅ系、ＢｉＴｅＳｂ系、又はＢｉＳｂ系の化合物半導体で構成される。

特に、熱電変換効率の面から、Ｔｅ含有量が５〜５０重量％であるＢｉＴｅ系半導体又はＢｉＴｅＳｂ系半導体が好適である。ＢｉＴｅ系半導体又はＢｉＴｅＳｂ系半導体を適用した場合、常温から２００Ｋ付近までの温度範囲で良好な冷却能力が得られる。また、ＢｉＳｂ系半導体を適用した場合、２００Ｋ付近から液体窒素温度（７７Ｋ）付近までの温度範囲で良好な冷却能力が得られる。

電源１２の正極側に接続される電流リード１０Ａのペルチェ素子１０１にはｎ型半導体が適用され、負極側に接続される電流リード１０Ｂのペルチェ素子１０１にはｐ型半導体が適用される。例えば、ＢｉＴｅ系半導体の導電型は、ＳｂＩ₃を添加することによりｎ型に制御され、ＰｂＩ₃を添加することによりｐ型に制御される。また、構成元素の量を化学量論比からわずかにずらすことによって、ＢｉＴｅ系半導体の導電型を制御することもできる。

電流リード１０Ａ、１０Ｂにおいては、ペルチェ素子１０１の低温側で吸熱が生じ、常温側で発熱が生じる。すなわち、ペルチェ素子１０１において、通電時に低温側から常温側に向けて熱が移動するので、低温部への熱侵入が低減され、超電導コイル１１を効率よく冷却することができる。

端末容器１４は、例えば有底円筒形状を有し、上部の開口に電流リード固定用フランジユニット２０（以下「フランジユニット２０」と称する）が取り付けられる。端末容器１４は密閉され、超電導磁石装置１の使用時（通電時）には、真空に排気される。

フランジユニット２０は、固定フランジ２０１、輻射熱防止板２０２（常温側バッフル板２０２Ａ、低温側バッフル板２０２Ｂ）、及びシャフト２０３（常温側バッフル板用シャフト２０３Ａ、低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂ）を有する。固定フランジ２０１には、常温側バッフル板用シャフト２０３Ａ及び低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂが垂設される。低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂは、常温側バッフル板２０２Ａの貫通穴（図示略）に挿通される。低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂの外径は、常温側バッフル板２０２Ａの貫通穴の内径よりも小さく、互いに接触しない、すなわち直接熱伝導が行われないようになっている。

常温側バッフル板用シャフト２０３Ａ及び低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂは、例えば同一円周上に等間隔で複数本設けられる。常温側バッフル板用シャフト２０３Ａの一端が固定フランジ２０１に固定され、他端には常温側バッフル板２０２Ａが固定される。低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂの一端が固定フランジ２０１に固定され、他端には低温側バッフル板２０２Ｂが固定される。

固定フランジ２０１は、電流リード１０の取り付け位置に貫通穴２０１ａ（図６、図７参照）を有する。この貫通穴に電流リード１０が挿通され、常温側電極１０３が外部に露出した状態で固定フランジ２０１に固定される。同様に、常温側バッフル板２０２Ａ及び低温側バッフル板２０２Ｂは、電流リード１０の取り付け位置に、電流リード１０の外径よりも大径の貫通穴（図示略）を有する。固定フランジ２０１に電流リード１０が取り付けられる際、電流リード１０は常温側バッフル板２０２Ａ及び低温側バッフル板２０２Ｂの貫通穴に挿通される。

ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２との接合部Ｊ１（以下「低温側接合部Ｊ１」と称する）及びペルチェ素子１０１と常温側電極１０３との接合部Ｊ２（以下「常温側接合部Ｊ２」と称する）を含む接合部Ｊは、端末容器１４内に収容される。電流リード１０とフランジユニット２０を合わせて「電流リード付きフランジユニットＵ」と称する。

常温側バッフル板２０２Ａは、低温側接合部Ｊ１よりも低温側に位置する。低温側バッフル板２０２Ｂは、常温側バッフル板２０２Ａよりも低温側に位置する。電流リード１０に通電したとき、低温側接合部Ｊ１及び常温側接合部Ｊ２においてジュール熱が生じるが、このジュール熱の低温側への輻射は常温側バッフル板２０２Ａ及び低温側バッフル板２０２Ｂにより遮断される。そして、常温側バッフル板用シャフト２０３Ａ及び低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂを通じて、固定フランジ２０１に伝達され、放熱される。

固定フランジ２０１、常温側バッフル板２０２Ａ、低温側バッフル板２０２Ｂ、常温側バッフル板用シャフト２０３Ａ、及び低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂは、例えばガラス繊維をプラスチックに混入して強度を向上させたガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）で形成される。ＧＦＲＰ製のものを用いることにより、輻射熱の流入を効果的に遮断することができる。

図２は、電流リード１０の詳細な構成を示す図である。図３は、ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２及び常温側電極１０３との接合部Ｊを示す図である。図３Ａは接合部Ｊの側面図であり、図３Ｂは図３ＡにおけるＡ矢視断面図である。図４は、補強筒１０４を示す図である。図４Ａは補強筒１０４の側面図であり、図４Ｂは図４ＡにおけるＢ矢視断面図である。図５は、低温側電極１０２を示す図である。図５Ａは低温側電極１０２の側面図（フレキシブル導体接続前）であり、図５Ｂは図５ＡにおけるＣ矢視平面図である。図５Ｃはフレキシブル導体１０６を接続した後のかしめ部１０２ｃを示す平面図である。

図２に示すように、電流リード１０は、ペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、常温側電極１０３、及び補強筒１０４を備える。電流リード１０の構成要素であるペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、及び常温側電極１０３が配列される方向（図２において上下方向）を「軸方向」、軸方向に直交する方向を「径方向」と称する。

また、電流リード１０は、低温側電極１０２のさらに低温側（軸方向下側）に、低温側補助電極１０５を備える。低温側電極１０２と低温側補助電極１０５は可撓性を有するフレキシブル導体１０６によって接続される。電流リード１０において、補強筒１０４が固定される部分、すなわちペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、常温側電極１０３、低温側補助電極１０５、及びフレキシブル導体１０６を含む部分を「素子ユニット」と称する。

ペルチェ素子１０１は、例えば複数の円柱形状又は角柱形状を有し、低温側電極１０２及び常温側電極１０３によって挟持された状態で固定される。ペルチェ素子１０１は、１つであってもよいし、複数であってもよい。ここでは、低温側電極１０２と常温側電極１０３との間に１４個のペルチェ素子１０１が配置されているものとする（図３参照）。

低温側電極１０２は、図５に示すように、略円柱形状のペルチェ固定部１０２ａ、ペルチェ固定部１０２ａよりも大径のフランジ部１０２ｂ、及びかしめ部１０２ｃを有する。ペルチェ固定部１０２ａの端面にペルチェ素子１０１の一方の面が接合される。フランジ部１０２ｂは軸方向に貫通する貫通孔１０２ｇを有し、この貫通孔１０２ｇに電極固定ボルト１０８が挿通される。

かしめ部１０２ｃは、軸方向に形成された導体挿入口１０２ｆを有する。かしめ部１０２ｃは、導体挿入口１０２ｆにフレキシブル導体１０６の一端が挿入された状態で平面加圧される。かしめ部１０２ｃが塑性変形することにより、低温側電極１０２とフレキシブル導体１０６とがかしめにより接続される。適切に平面加圧を行うためには、かしめ部１０２ｃのかしめ治具と当接する面（図５Ｂにおけるかしめ部１０２ｃの左右の面）は平坦であることが好ましい。

かしめ部１０２ｃの径方向断面（図５Ｂ参照）において、導体挿入口１０２ｆは略矩形状を有し、かしめ方向（図５Ｂの左右方向）に片寄って配置される。フランジ部１０２ｂとかしめ部１０２ｃの境界部分において、導体挿入口１０２ｆに対応する部分には、切欠溝１０２ｅが形成される。かしめ部１０２ｃの一部（導体挿入口１０２ｆが形成されている部分）は、かしめ方向と直交する方向に膨出する（図５Ｃ参照）。導体挿入口１０２ｆをかしめ方向に片寄って配置することにより、フランジ部１０２ｂとかしめ部１０２ｃの連結部分の長さを確保することができるので、切欠溝１０２ｅを形成しても、強度が著しく低下することはない。

図５Ｃに示す状態において、フレキシブル導体１０６の占積率は、５０％以上であることが好ましく、より好ましくは７０％以上である。これにより、接続抵抗が低く抑えられ、ジュール熱の発生を抑制できるので、電流リード１０を介した熱侵入を低減することができる。また、所定の接続強度が確保されるので、耐久性にも優れる。占積率とは、かしめ部１０２ｃの断面積におけるフレキシブル導体１０６が占める割合である。占積率は、例えば導体挿入口１０２ｆの形状、大きさ、及びかしめ時の加圧力により調整することができる。

また、低温側電極１０２は、ペルチェ固定部１０２ａの端面の周縁部に沿って、軸方向に突出する突出枠部１０２ｄを有する（図３参照）。すなわち、ペルチェ素子１０１が配置される部分は、凹部となっている。なお、突出枠部１０２ｄは、ペルチェ素子１０１が配置される部分を取り囲むように形成されていればよく、ペルチェ固定部１０２ａの端面の周縁部に沿って形成されていなくてもよい。

突出枠部１０２ｄの幅Ｗは、素子接合面の外径Ｄの３％よりも小さいと、突出枠部１０２ｄの強度が低く、加工性も悪くなる。一方、突出枠部１０２ｄの幅Ｗが素子接合面の外径Ｄの５％よりも大きいと、通電容量を考慮して電極径（素子接合面の外径Ｄ）を最適化した場合にペルチェ素子１０１の配置領域を確保できなくなる。したがって、突出枠部１０２ｄの幅Ｗは、低温側電極１０２の素子接合面の外径Ｄの３〜５％であることが好ましい。

突出枠部１０２ｄの高さＨは、高すぎると、強度低下に繋がり、加工性も悪くなる。また引っ掛かりやすくなるために取扱性も低下する。したがって、突出枠部１０２ｄの高さＨは、極端に高くする必要はなく、溶融半田が乗り越えて流出しない程度であればよい。

常温側電極１０３は、略円柱形状のペルチェ固定部１０３ａ、ペルチェ固定部１０３ａよりも大径のフランジ部１０３ｂ、及び胴部１０３ｃを有する。ペルチェ固定部１０３ａの端面にペルチェ素子１０１の他方の面が接合される。フランジ部１０３ｂは軸方向に貫通する貫通孔（図示略）を有し、この貫通孔に電極固定ボルト１０９が挿通される。また、フランジ部１０３ｂは、径方向に形成されるボルト固定穴（図示略）を有し、このボルト固定穴に補強筒固定ボルト１１３が螺合される。

胴部１０３ｃは、フランジユニット２０の固定フランジ２０１の貫通穴２０１ａ（図６、図７参照）に挿通され、この状態でシール金具１１４が取り付けられる。フランジ固定ナット１１５が胴部１０３ｃの雄ねじ部（図示略）に螺合され、シール金具１１４を介して固定フランジ２０１に締め付けられることにより、電流リード１０は固定フランジ２０１に固定される。電流リード１０と固定フランジ２０１の固定構造（固定部Ｆ）の詳細については、後述する。

また、常温側電極１０３は、低温側電極１０２と同様に、ペルチェ固定部１０３ａの端面の周縁部に沿って、軸方向に突出する突出枠部１０３ｄを有する（図３参照）。すなわち、ペルチェ素子１０１が配置される部分は、凹部となっている。なお、突出枠部１０３ｄは、ペルチェ素子１０１が配置される部分を取り囲むように形成されていればよく、ペルチェ固定部１０３ａの端面の周縁部に沿って形成されていなくてもよい。

ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２、及びペルチェ素子１０１と常温側電極１０３は、例えば半田付けにより接合される。この場合に用いられる半田としては、Ｓｎ含有量が９０〜９９重量％であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ（いわゆる鉛フリー半田）が耐熱性の面から好適である。半田付けにより所定の接合強度を確保するため、ペルチェ素子１０１は、両端面（低温側電極１０２及び常温側電極１０３との接合面）に、Ｎｉめっき層を有することが好ましい。また、低温側電極１０２、常温側電極１０３は、ペルチェ素子１０１との接合面に、Ａｇめっき層を有することが好ましい。

低温側電極１０２及び常温側電極１０３によってペルチェ素子１０１を挟持した状態で、低温側電極１０２の貫通孔１０２ｇに電極固定ボルト１０８が挿通され、連結スペーサー１０７に螺合される。また、常温側電極１０３の貫通孔（図示略）に電極固定ボルト１０９が挿通され、連結スペーサー１０７に螺合される。このとき、低温側電極１０２とペルチェ素子１０１との間及び常温側電極１０３とペルチェ素子１０１との間には、所定厚さの半田が配置される。

電極固定ボルト１０９と常温側電極１０３のフランジ部１０３ｂとの間には、圧縮ばね１１０及び圧縮ばね押さえ金具１１１が介在する。これにより、電極固定ボルト１０９を締め付けたときに、圧縮ばね押さえ金具１１１とフランジ部１０３ｂとの間で圧縮ばね１０９が圧縮され、付勢力が生じる。この付勢力により、接合部Ｊに適切な圧力が付与される。すなわち、圧縮ばね１１０及び圧縮ばね押さえ金具１１１により圧力調整機構が構成され、固定ボルト１０９の連結スペーサー１０７への締め込み量を調整することにより、接合部Ｊに加わる圧力を適宜に調整することができる。

低温側電極１０２と常温側電極１０３との間にペルチェ素子１０１が挟持された状態で半田接合が行われる。具体的には、ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２との接合は、突出枠部１０２ｄが上方を向くように配置し、低温側電極１０２に通電して半田の溶融温度（約２５０℃）まで加熱することにより行われる。同様に、ペルチェ素子１０１と常温側電極１０３との接合は、突出枠部１０３ｄが上方を向くように配置し、常温側電極１０３に通電して半田の溶融温度（約２５０℃）まで加熱することにより行われる。

溶融に伴い半田は接合面から押し出されるが、突出枠部１０２ｄで堰止められるので、接合面（半田層）に凹凸やボイド（微小な空隙）等の欠陥は生じない。したがって、これらの欠陥に起因して、熱伝導性が低下したり、電気抵抗が増大したりするのを防止できる。

低温側補助電極１０５は、低温側電極１０２と軸方向にほぼ対称な構造を有する。すなわち、低温側補助電極１０５は、リード固定部１０５ａ、リード固定部１０５ａよりも大径のフランジ部１０５ｂ、及びかしめ部１０５ｃを有する。リード固定部１０５ａに銅リード１５が接続される。フランジ部１０５ｂは、径方向に形成されるボルト固定穴を有し、このボルト固定穴に補強筒固定ボルト１１２が螺合される。かしめ部１０５ｃは、軸方向に形成された導体挿入口（図示略）を有する。この導体挿入口にフレキシブル導体１０６の他端が挿入された状態で平面加圧される。かしめ部１０５ｃが塑性変形することにより、低温側補助電極１０５とフレキシブル導体１０６とがかしめにより接続される。かしめ部１０５ｃの構造は、低温側電極１０２のかしめ部１０２ｃと同様であるので説明を省略する。

フレキシブル導体１０６は、例えば平編み銅線で構成される。フレキシブル導体１０６は、電流リード１０に生じる曲げや歪み、特にペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、常温側電極１０３の接合部Ｊに生じる曲げや歪みを吸収する。

補強筒１０４は、電流リード１０の設置時などに意図しない外力が働いたときに、この外力を直接受ける補強部材であり、少なくともペルチェ素子１０１と、低温側電極１０２及び常温側電極１０３との接合部Ｊの周囲を取り囲むように配置される。補強筒１０４は、補強筒固定ボルト１１２、１１３により、低温側補助電極１０５及び常温側電極１０３に固定される。

補強筒１０４には、ＧＦＲＰ製のものが好適である。ＧＦＲＰ製の補強筒１０４を用いることにより、外部からの熱の流入を遮断することができるので、補強筒１０４で覆われた内部の素子ユニットの温度上昇、及びこれに伴う機器の損傷、劣化を防止することができる。

補強筒１０４は、周面の一部に切欠窓１０４ａを有する。切欠窓１０４ａの数、形状、大きさ、及び位置は特に制限されない。補強筒１０４に切欠窓１０４ａを設けることにより、補強筒１０４を用いない場合と同様に、効率よく真空排気を行うことができる。

切欠窓１０４ａは、外部から接合部Ｊの全部を観察できるように、形状、大きさ、及び位置が設定されるのが好ましい。外部から接合部Ｊを観察する観点から、切欠窓１０４ａは、機械的な強度が確保される範囲で、大きい方が好ましい。切欠窓１０４ａの寸法は、補強筒１０４の材料と厚みを考慮して適宜に設定される。

ここでは、切欠窓１０４ａは、例えば軸方向の長さが接合部Ｊの軸方向の長さ以上である矩形窓である。また、切欠窓１０４ａは、周方向に沿って等間隔で設けられる。この場合、形成間隔（図４Ｂの角度φに相当）は中心角で９０°未満であることが好ましい。これにより、外部から接合部Ｊの全部を容易に観察することができる。

図６は、電流リード付きフランジユニットＵにおける電流リード１０と固定フランジ２０１の固定構造（固定部Ｆ）を示す図である。図７は、図６におけるＤ矢視断面図である。図７では、止め具１１６を透過した状態で示している。

図６、図７に示すように、電流リード１０の胴部１０３ｃには、回転防止ピン１１８（スプリングピン）が圧入される。回転防止ピン１１８は、全長の約１／２が胴部１０３ｃに埋め込まれる。回転防止ピン１１８は、電流リード１０の胴部１０３ｃから径方向外側に向けて突出する突出片を形成する。

回転防止ピン１１８のピン径がφ１ｍｍ未満の場合、強度不足のために、電流リード１０が回転するときの負荷によって折損し、回転防止部として機能しなくなる虞がある。ピン径がφ３ｍｍより大きい場合、電流リード１０の電極断面積が小さくなり、抵抗が高くなってしまう。したがって、回転防止ピン１１８のピン径は、φ１〜３ｍｍであることが好ましい。

固定フランジ２０１は、電流リード１０の胴部１０３ｃが挿通される貫通口２０１ａを有する。貫通孔２０１ａは、階段形状を有し、段部によってシール金具１１４が係止される。また、固定フランジ２０１は、止め具１１６と当接する面に、回転防止ピン１１８が係合される切欠溝２０１ｂを有する。

電流リード１０を固定フランジ２０１に取り付ける際に、回転防止ピン１１８が固定フランジ２０１の切欠溝２０１ｂに嵌め込まれる。この状態で固定されることにより、振動等によって電流リード１０が回転しようとしても、回転防止ピン１１８が切欠溝２０１ｂに係止される。すなわち、回転防止ピン１１８と切欠溝２０１ｂが、固定フランジ２０１に対して電流リード１０が軸周りに回転するのを防止する回転防止部Ｚとして機能する。

ここで、回転防止部Ｚは、４つより多くしても、係止力が過剰になるだけで、回転防止ピン１１８の挿着や切欠溝２０１ｂの加工が煩雑なる。また、回転防止ピン１１８が増えるため、電流リード１０の抵抗も増大する。したがって、回転防止部Ｚは、４つ以下であることが好ましい。

回転防止部Ｚを複数配置する場合は、周方向に均等分割した位置に配置することが好ましい。図７では、周方向に３分割した位置に回転防止部Ｚが配置されている。これにより、電流リード１０が軸周りに回転する際に、回転防止ピン１１８にかかる負荷が均等に分散されるので、回転防止ピン１１８の破損を防止することができる。

回転防止部Ｚにおいて、切欠溝２０１ｂの幅Ｘ２が回転防止ピン１１８の幅Ｘ１の１１０％未満である場合、回転防止ピン１１８に対して遊び部分が少ないため、取り付ける際の作業性が著しく低下する。一方、切欠溝２０１ｂの幅Ｘ２が回転防止ピン１１８の幅Ｘ１の１１５％より大きい場合、回転防止ピン１１８に対して遊び部分が大きいため、密閉状態が損なわれる程度に電流リード１０が回転する虞がある。したがって、切欠溝２０１ｂの幅Ｘ２は、回転防止ピン１１８の幅Ｘ１の１１０％以上１１５％以下であることが好ましい。

回転防止部Ｚにおいて、回転防止ピン１１８と切欠溝２０１ｂの係合長さＹが５ｍｍ未満の場合、切欠溝２０１ｂから回転防止ピン１１８が脱落する虞があるため、係合長さＹは５ｍｍ以上であることが好ましい。

図６に示すように、固定部Ｆは、シール金具１１４、止め具１１６（例えばＣ型止め輪）、Ｏリング１１７、及びフランジ固定ナット１１５を有する。

シール金具１１４は、電流リード１０の胴部１０３ｃに挿通され、止め具１１６とともに固定フランジ２０１を挟持する。シール金具１１４は、Ｏリング１１７との当接面の内周部１１４ａにテーパー形状を有する（以下「テーパー部１１４ａ」と称する）。

止め具１１６は、例えばＣ型止め輪であり、電流リード１０の胴部１０３ｃに固着される。止め具１１６は、シール金具１１４とともに固定フランジ２０１を挟持する。

Ｏリング１１７は、シール金具１１４のテーパー部１１４ａと固定フランジ２０１との間に介在する。一般的なウィルソンシール構造では、Ｏリング１１７にグリースが塗布されるが、本実施の形態では、Ｏリング１１７にグリースは塗布されない。

フランジ固定ナット１１５は、電流リード１０の胴部１０３ｃに螺着される。フランジ固定ナット１１５を締め込むことによりシール金具１１４が固定フランジ１０に向けて押圧され、Ｏリング１１７が押し潰される。これにより、固定フランジ２０１と電流リード１０との隙間が気密に封止される。すなわち、本実施の形態の固定部Ｆには、グリースレスのウィルソンシール構造が採用されている。

このように、電流リード付きフランジユニットＵは、低温部に設置される超電導コイル１１（超電導応用機器）に接続される低温側電極１０２と、常温部に設置される電源１２（外部機器）に接続される常温側電極１０３と、一方の面に低温側電極１０２が接合され他方の面に常温側電極１０３が接合される熱電変換素子１０１と、を有する電流リード１０と、電流リード１０が挿入される貫通孔２０１ａを有し、電流リード１０が貫通した状態で固定される固定フランジ２０１と、電流リード１０を固定フランジ２０１に対して固定する固定部Ｆと、固定フランジ２０１に対して電流リード１０が軸周りに回転するのを防止する回転防止部Ｚ（回転防止ピン１１８及び固定フランジ２０１の切欠溝２０１ｂ）と、を備える。固定部Ｆは、電流リード１０に挿通され固定フランジを挟持するシール金具１１４（第１の挟持部材）及び止め具１１６（第２の挟持部材）と、シール金具１１４と固定フランジ２０１との間に介在するＯリング１１７（シール部材）と、電流リード１０に螺着されシール金具１１４を固定フランジ２０１に向けて押し付けるフランジ固定ナット１１５と、を有する。フランジ固定ナット１１５が締め込まれることによりＯリング１１７が押し潰され、固定フランジ２０１と電流リード１０との隙間を気密に封止する。

電流リード付きフランジユニットＵによれば、固定フランジ２０１に対して電流リード１０が回転不能に固定されるので、固定部Ｆにグリースを使用する必要がない。したがって、端末容器１４内を高真空状態にする場合に極めて好適である。

[実施例]
実施例では、回転防止部Ｚを１つ設け、グリースレスのウィルソンシール構造により、固定フランジ２０１と電流リード１０との隙間を封止した。具体的には、固定フランジ２０１に幅Ｘ２が２．２ｍｍの切欠溝２０１ｂを設け、電流リード１０の胴部１０３ｃにピン径がφ２ｍｍの回転防止ピン１１８を装着した。回転防止ピン１１８と切欠溝２０１ｂの係合長さは４ｍｍとした。

[比較例]
比較例では、回転防止部Ｚを設けず、Ｏリング１１７にグリースを塗布した一般的なウィルソンシール構造により、固定フランジ２０１と電流リード１０との隙間を封止した。

実施例及び比較例の電流リード付きフランジユニットＵを、９０Ｌの端末容器１４に固定し、３００Ｌ／ｍｉｎの排気速度で排気した。そして、安定時における容器内の到達真空度を測定した。実施例の電流リード付きフランジユニットＵを用いた場合、到達真空度が１０^−４Ｐａであったのに対して、比較例の電流リード付きフランジユニットＵを用いた場合は、到達真空度が１０^−１Ｐａであった。これより、固定フランジ２０１に電流リード１０を固定する際に、グリースを使用しないことの有用性が確認された。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、実施の形態では、回転防止ピン１１８を電流リード１０の胴部１０３ｃに装着することにより、回転防止部Ｚとなる突出片を形成しているが、胴部１０３ｃを加工して突出片を形成してもよい。

低温側電極１０２及び常温側電極１０３の構造、並びに素子ユニットを補強筒１０４に固定する構造は、実施の形態で説明したものに限定されず、例えば特許文献３に記載の構造を適用することもできる。すなわち、低温側電極１０２を、ペルチェ素子１０１に接合される低温側コア電極と、一端側が超電導応用機器に接続され他端側がプラグ・ソケット構造により低温側コア電極に接続される低温側キャップ電極と、を有する構成とし、常温側電極１０３を、ペルチェ素子１０１に接合される常温側コア電極と、一端側が前記外部機器に接続され他端側がプラグ・ソケット構造により常温側コア電極に接続される常温側キャップ電極と、を有する構成としてもよい。

この場合、低温側コア電極と低温側キャップ電極との間、及び常温側コア電極と常温側キャップ電極との間に多点接触式の接触子を介在し、固定部材により低温側キャップ電極と常温側キャップ電極とを連結する。素子ユニットは、熱電変換素子、低温側コア電極、及び常温側コア電極を含んで構成され、軸方向端部側に隙間がある状態で低温側キャップ電極と常温側キャップ電極とに挟持され、軸方向に移動可能な状態で維持される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 超電導磁石装置
１０ 電流リード
１１ 超電導コイル
１２ 電源
１３ 低温容器
１４ 端末容器
１５、１６ 銅リード
１０１ ペルチェ素子
１０２ 低温側電極
１０３ 常温側電極
１０４ 補強筒
１０５ 低温側補助電極
１１４ シール金具（第１の挟持部材）
１１５ フランジ固定ナット
１１６ 止め具（第２の挟持部材）
１１７ Ｏリング（シール部材）
１１８ 回転防止ピン（突出片、回転防止部）
２０ 電流リード固定用フランジユニット
２０１ 固定フランジ
２０１ａ 貫通孔
２０１ｂ 切欠溝（回転防止部）
Ｆ 固定部
Ｚ 回転防止部
Ｕ 電流リード付きフランジユニット

Claims (7)

1. 低温部に設置される超電導応用機器に接続される低温側電極と、常温部に設置される外部機器に接続される常温側電極と、一方の面に前記低温側電極が接合され他方の面に前記常温側電極が接合される熱電変換素子と、を有する電流リードと、
   前記電流リードが挿入される貫通孔を有し、前記電流リードが貫通した状態で固定される固定フランジと、
   前記電流リードを前記固定フランジに対して固定する固定部と、
   前記固定フランジに対して電流リードが軸周りに回転するのを防止する回転防止部と、を備え、
   前記固定部は、前記電流リードに挿通され前記固定フランジを挟持する第１の挟持部材及び第２の挟持部材と、前記第１の挟持部材と前記固定フランジとの間に介在するシール部材と、前記電流リードに螺着され前記第１の挟持部材を前記固定フランジに向けて押し付ける固定ナットと、を有し、前記固定ナットが締め込まれることにより前記シール部材が押し潰され、前記固定フランジと前記電流リードとの隙間を気密に封止することを特徴とする電流リード付きフランジユニット。
2. 前記第１の挟持部材は、前記シール部材との当接面の内周部に、テーパー形状を有することを特徴とする請求項１に記載の電流リード付きフランジユニット。
3. 前記回転防止部は、前記固定フランジの前記第２の挟持部材と当接する面に前記貫通孔から径方向外側に向けて形成された切欠溝と、前記電流リードから径方向外側に突出し前記切欠溝に係合する突出片と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電流リード付きフランジユニット。
4. 前記回転防止部は、４つ以下であることを特徴とする請求項３に記載の電流リード付きフランジユニット。
5. 前記回転防止部が複数配置される場合、前記回転防止部は、周方向に均等分割した位置に配置されることを特徴とする請求項３又は４に記載の電流リード付きフランジユニット。
6. 前記切欠溝の幅は、前記突出片の幅の１１０％以上１１５％以下であることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の電流リード付きフランジユニット。
7. 前記切欠溝と前記突出片の係合長さは、５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の電流リード付きフランジユニット。

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