JP2883697B2 - 超電導コイル用電流リード - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、磁気浮上列車、単結晶引上装置、MRI装置
等に用いられる液体ヘリウムで冷却して使用される超電
導コイルへ常温環境下におかれた励磁用電源から電流を
供給するガス冷却方式の電流リードに関する。

（従来の技術） 磁場を利用する磁気浮上列車、単結晶引上装置、MRI
装置等においては、液体ヘリウム容器内に収納した液体
ヘリウムで冷却される超電導コイルへ励磁用電源から電
流を供給するため電流リードが使用される。この電流リ
ードには、常温部から液体ヘリウム温度（4.2k）部まで
設置されているため、外部からの侵入熱の大半を占めて
いる場合が多い。そこで液体ヘリウム温度部への侵入熱
を減少させるため、通常、蒸発したガスヘリウムによっ
て冷却される、いわゆるガス冷却方式の電流リードが使
用される。

第９図により従来の超電導コイル用電流リードの一例
を説明する。第９図において、超電導コイル１は超電導
線を巻回して構成され液体ヘリウム温度で作動する。こ
の超電導コイル１はステンレス製等の液体ヘリウムを保
持するクライオスタツト（断熱容器）３内に収納され、
＋極性および−極性の一対の電流リード５に接続される
とともに、クライオスタツト３の上部の常温部フランジ
４により支持されている。各極性をもつ電流リード５
は、電気伝導度の良い銅またはアルミニウム材から形成
され、かつ、冷却ガスヘリウム７の流路を構成するステ
ンレス等のパイプ内に挿入された冷却効果を高めるため
細い線から撚られた多数本のリード線から構成されてい
る。低温部にはヘリウム７の導入部および超電導コイル
接続端子が設けられ、また、常温部にはガスヘリウム７
の回収部および励磁電源６からの供給ラインと接続され
る供給端子が設けられている。また、常温部フランジ４
と各極性の電流リード５の常温部は電気絶縁のため絶縁
フランジ８を介して固定されている。

電流リード５に使用される銅またはアルミニウム材の
リード線の断面積合計（リード線の本数）は、通電した
時のリード線のジュール発熱をガスヘリウム７で冷却す
ることにより、電流密度を10〜20A/mm²程度に大きくし
てもジュール発熱によって焼損が発生しないようにする
ことができるようになっている。また、電流リード線の
液体ヘリウム温度部から常温部までの温度分布を考慮し
て、低温部と常温部とで温度低下による抵抗の減少に合
わせて断面積を変化させ、低温部の断面積を小さくする
等の改良もなされている。

また、磁気浮上列車の超電導コイルのように、永久電
流モードで運転され、さらにヘリウム冷凍機により冷凍
される超電導磁石システムは、非通電時の電流リードか
らの侵入熱を極力少なくする方式が必要とされている。
さらに、磁気浮上列車の超電導磁石システムは、狭い空
間に配管および電流リードを設置する必要があり、コン
パクトな電流リードが不可欠な要件となる。

（発明が解決しようとする課題） 一般にガス冷却方式の電流リードにおいては、電流リ
ード部の温度が低いほど電気抵抗が小さくなり、かつ、
通電時のジュール発熱も少なくなる。一方、冷却のため
のガスヘリウムは、温度が高いほど液体抵抗が大きく、
また、ガスヘリウムの流量の減少により冷却効果が低下
する。しかし、従来の電流リードのように、正極性、負
極性の１対の電流リードで構成された電流リードにおい
ては、その個体差のため、一方の極性の電流リードのガ
スヘリウムの流れが良い場合、ガスヘリウムによる冷却
効果のため電流リードの温度が低くなる。そして、そこ
でジュール発熱が減少するため、ガスヘリウムの流れは
ますます良くなる。これに対し、他方の極性の電流リー
ドは冷却のためのガスヘリウムの流れが減少し、電流リ
ードの冷却が悪くなり電流リードの温度上昇をもたら
す。これにより、ジュール発熱が増加してますます温度
が高くなり、ガスヘリウムの流量の減少による冷却不十
分のため温度上昇、ジュール発熱の増加をまねき、最悪
の場合、電流リードの焼損が生ずる。

さらに、電流リードの主要な構成材料である銅または
アルミニウム合金製のリード線は熱伝導が良いため、常
温部からの侵入熱が多く、非通電時でも、常時、ガスヘ
リウムを流して冷却する必要がある。このように、非通
電時にガスヘリウムで冷却した場合でも、電流リードに
は通電時の約６割の侵入熱が存在する。

また、＋−極性の１対の電流リードの場合は、電流リ
ードの電流により相互に電磁力が作用するため、電磁力
が作用しないように互に離す必要がある。この他に、超
電導コイルの発生する磁界との相互作用により電磁力が
発生するため、電磁力に対する強固な支持構造物を設け
るか、超電導コイルの磁界の弱い部分に設置する必要が
ある等の制約をうける。これらの制約は、磁気浮上列車
の超電導磁石のように、極力小型、軽量化を必要とする
超電導コイルの電流リードとしての使用を殆んど不可能
にする。

本発明の目的は、液体ヘリウムで冷却される超電導コ
イルを、使用される通電時においては焼損の危険性が少
なくして安定に動作させ、非通電時においてはガスヘリ
ウム冷却なしでも侵入熱を少なくしうるコンパクトな超
電導コイル用電流リードを提供することにある。

〔発明の構成） （課題を解決するための手段） 本発明の超伝導コイル用電流リードは、冷却冷媒によ
って冷却された容器内に収納された超伝導コイルに電流
を供給する超伝導コイル用電流リードにおいて、筒状の
パイプと、このパイプ内に配設されたリード線であっ
て、絶縁被覆され中実になされ＋極性を有する陽極リー
ド線と、パイプ内に配設されたリード線であって、絶縁
被覆され、中実になされ−極性を有する陰極リード線
と、陽極リード線及び陰極リード線の外面とパイプの内
面との間に介在された冷却冷媒とを備え、陽極リード線
と陰極リード線とが撚り合わされるとともに、陽極リー
ド線と陰極リード線が、パイプ内において、パイプの断
面視において偏りなく一様に分布していることを特徴と
している。

（作用） 超電導コイル用電流リードを前記のように構成するこ
とにより、各極性の電流リード線がガスヘリウムの冷却
部を構成するパイプ内に挿入されるため、両極のリード
線を冷却するガスヘリウムの流量、アンバランスが発生
せず、かつ、両極のジュール発熱および冷却の条件が同
一となる。

また、両極のリード線が均一に撚り合わされた状態で
同一のパイプ内に挿入されているため、リード線に発生
する電磁力は電流リード内で釣り合い、外部に対する電
磁力を発生しない。また、磁場中でも同様に電磁力が作
用しない。

（実施例） 第１図は本発明の超電導コイル用電流リードの実施例
の全体構成を示す。第１図に示すように、超電導コイル
１はクライオスタット３内に設置され、この内に収納し
た液体ヘリウム２に浸漬され、冷却される。超電導コイ
ル１へ電流を供給する電流リード５が絶縁フランジ８を
介してクライオスタット３の頂部に配設した上部フラン
ジ４に固定されている。ここで電流リード５は、低温部
端子53、常温部端子51、中間冷却部52およびそれらの間
のリード線50から構成されている。

第２図は常温部端子51の構成の詳細を示す。リード線
50は銅またはアルミニウム材から作られ、同一のパイプ
61内に撚り合わせて挿入される。リード線50は＋−極性
の両極に分けて同様に銅またはアルミニウム材から作ら
れたリード端子62にハンダ付等によって接続される。リ
ード端子62は電気絶縁のため、絶縁リング63を使用して
ガスヘリウム回収部を有する常温端子箱64に溶接等によ
って固定され、気密を保持している。

また、第３図は低温部端子53の構成の詳細に示す。低
温部端子53は常温部端子51とほぼ同様の構造を有し、か
つ同じ材料から作られている。各極性のリード線50はリ
ード端子62にハンダ付け等によって固定され、さらに超
電導コイル１にリード端子62を介して接続されている。
リード端子62は、ガスヘリウムの導入部を有する低温端
子箱65に絶縁リング63を使用して溶接等にて固定されて
いる。

第４図は電流リード５の中間部分に設けられる冷却部
52の構成の詳細を示す。両極性をもつリード線50は銅ま
たはアルミニウム材から作られた冷却用ブロツク66の両
端にハンダ付け等で固定されている。冷却用ブロツク66
には、ガスヘリウム７を流通させる孔70が設けられ、さ
らに、＋極性および−極性ブロツク66間およびその外周
の固定パイプ67間に絶縁物68が介装されている。固定パ
イプ67の外周には液体窒素を流して冷却するための液体
窒素用冷却パイプ69が螺旋状に取付けられている。

リード線50は、第６図および第７図に示されるよう
に、冷却部を構成する同一のパイプ61内に均一に撚り合
わせて挿入されている。リード線50の各線にはテフロン
（登録商標）またはホルマール等の絶縁被覆が施され、
＋極性と−極性の間を電気的に区分している。パイプ61
内でリード線50の占める断面積の割合は、ガスヘリウム
７の流路が全体の40〜50％となるように決定される。

本発明の電流リード５において、各極性のリード線50
がガスヘリウムの冷却部を構成するパイプ61内に挿入さ
れるため、両極のリード線50を冷却するガスヘリウムの
流量アンバランスは発生しない。このため、両極のジュ
ール発熱および冷却の条件は同一となる。従来の電流リ
ードにみられるような一方の電流リードのみが焼損する
ことはない。

また、両極性のリード線50が均一に撚り合わされた状
態で冷却部を構成する同一のパイプ61内に挿入されるた
め、リード線50に発生する電磁力は電流リード５内で釣
り合って外部に影響を与えない。とくに、磁界中でも電
磁力が発生しない。また磁界場中においても、磁界と電
流リードによる相対的な電磁力が発生しないため、超電
導コイルの磁場に無関係に自由な位置に設置可能であ
る。

さらに、中間に液体窒素で冷却される冷却部52を設け
ることにより、非通電時における液体ヘリウム系に入る
侵入熱を大幅に減少することができるため、高価な液体
ヘリウムの消費量が低減される。とくに冷却のためのガ
スヘリウムを流さない永久電流モードで運転される場合
には、中間の液体窒素で冷却する冷却部52の有無が侵入
熱の減少に大きく影響する。電流リードの冷却のための
ガスヘリウムを流す必要がない場合には、冷凍機による
閉サイクル冷凍運転も可能である。

第８図は本発明の電流リードの他の実施例を示す。こ
の実施例では、電流の通るリード線50を、その絶縁被覆
を黒丸で示すリード線と白丸で示すリード線に２種類に
色分けして使用したことが特徴である。例えば、黒丸で
示すリード線50は、白いテフロン被覆とし、また、白丸
で示すリード線50はホルマール被覆とする。このように
リード線50を色分けすることにより、リード線50と接続
を必要とする上下の端子部および中間部のサーマルアン
カー部においては、色の区別のみで＋極と−極の判断が
行なえ、極めて容易にリード線50の接続作業が行なわれ
る。

本発明の電流リードの基本構成は、液体ヘリウムへの
侵入熱を極力低減するために、中間に液体窒素等による
冷却部を設けているが、変型例として、この冷却部を設
けない電流リードも可能である。この場合、侵入熱は多
少増加するが、接続部が減少するため電流リードが一層
製作しやすくなる特徴を有する。また、ステンレス等の
パイプの溶接部分も減少するため、ガスヘリウムの漏洩
に対する危険性が少なくなり、一層、高信頼性を有する
ようになる。さらに、中間部で絶縁を変更しないため、
耐電圧特性も優れたものとなる。

〔発明の効果〕 本発明の電流リードにおいては、＋−両極性をもつリ
ード線を均一に撚り合わせて同一のステンレスパイプ等
に挿入し、このステンレスパイプ等に蒸発ガスヘリウム
を流すようにしたため、ヘリウムガスの調整が不要とな
り＋−両極性の冷却条件が同一で熱的なアンバランスが
発生せずかつ安定した通電特性を示すようになる。また
従来の電流リードで発生する冷却のためのガスヘリウム
流量のアンバランスによる一方の電流リードが焼損する
という事故はなくなる。

また、両極リード線が均一に撚り合わされて同一のパ
イプ内に挿入されるため、電磁力が電流リード内で釣り
合い外部に対して作用しない。とくに、磁場中において
も、磁場と電流リードによる相対的な電磁力は発生しな
いため、超電導コイルの磁場に無関係に自由な位置に電
流リードの設置が可能となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の電流リードの実施例の部分断面側面
図、第２図は第１図の部分IIの詳細図、第３図は第１図
の部分IIIの詳細図、第４図は第１図の部分IVの詳細
図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線に沿う断面図、第６図は
第１図のVI−VI線に沿う断面図、第７図は第６図の一本
のリード線の拡大断面図、第８図は本発明の電流リード
の他の実施例を示す図、第９図は超電導コイルの電流リ
ードの構成図である。 １…超電導コイル、２…液体ヘリウム、３…クライオス
タツド、４…常温部フランジ、５…電流リード、６…励
磁用電源、７…ガスヘリウム、８…絶縁フランジ、50…
リード線、51…常温部端子、52…中間冷却部、53…低温
部端子、61…パイプ、62…リード端子、63…絶縁リン
グ、64…常温端子箱、65…低温端子箱、66…冷却用ブロ
ツク、67…外周固定パイプ、68…絶縁物、69…液体窒素
用冷却パイプ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷却冷媒によって冷却された容器内に収納
   された超伝導コイルに電流を供給する超伝導コイル用電
   流リードにおいて、 筒状のパイプと、 このパイプ内に配設されたリード線であって、絶縁被覆
   され、中実になされ、＋極性を有する陽極リード線と、 前記パイプ内に配設されたリード線であって、絶縁被覆
   され、中実になされ、−極性を有する陰極リード線と、 前記陽極リード線及び前記陰極リード線の外面と前記パ
   イプの内面との間に介在された冷却冷媒と、 を備え、 前記陽極リード線と前記陰極リード線とが撚り合わされ
   るとともに、前記陽極リード線と前記陰極リード線が、
   前記パイプ内において、前記パイプの断面視において偏
   りなく一様に分布していることを特徴とする超伝導コイ
   ル用電流リード。
2. 【請求項２】前記パイプ内で前記リード線の占める割合
   は、前記パイプ内で前記冷却冷媒の流路が占める断面積
   の割合が40％から50％になるようになされていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の超伝導コイル
   用電流リード。