JP3120482B2 - 超電導磁石装置の電流リード - Google Patents
超電導磁石装置の電流リードInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、極低温にある超電導
コイルに室温にある電源からの電流を通流する電流リー
ド、ことに低温側リードに酸化物系超電導導体を用いた
電流リードの主に高温側リード側の冷却構造に関する。
コイルに室温にある電源からの電流を通流する電流リー
ド、ことに低温側リードに酸化物系超電導導体を用いた
電流リードの主に高温側リード側の冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に超電導コイルは液体ヘリウム等の
極低温冷媒によって冷却されるため、液体窒素シールド
や高真空などで熱の侵入を阻止した断熱真空容器内に設
けられた液体ヘリウム容器に液体ヘリウムに浸漬した状
態で収納される。電流リードは極低温に保持された超電
導電磁石としての超電導コイルに常温側から励磁電流を
通流するために設けられるものであり、リードで発生す
るジュール熱および常温側から極低温側に伝導により侵
入する熱を低減するために、電流リードの内部に気化し
た低温のヘリウムガスを流すよう構成したものが知られ
ている。この場合、電流リードの材料としては銅または
銅合金のような常電導体を用いるのが一般的であるが、
その熱伝導率が高く侵入熱を低減する効果が期待できな
い。そこで、電流リードを常電導リ−ドと酸化物系超電
導体を用いた超電導リ−ドとの直列接続体とし、中間接
続部に液体窒素容器を設けて超電導リ−ドを液体窒素温
度（７７．３５Ｋ）近傍に保ち、超電導リ−ドを超電導
状態とするよう構成したものが、特開昭６３−２９２６
１０号公報に開示されている。また、液体窒素による冷
却構造を改善したものが、特願平２−２１１３０７号，
特願平３−１０１０６２号に開示されている。
極低温冷媒によって冷却されるため、液体窒素シールド
や高真空などで熱の侵入を阻止した断熱真空容器内に設
けられた液体ヘリウム容器に液体ヘリウムに浸漬した状
態で収納される。電流リードは極低温に保持された超電
導電磁石としての超電導コイルに常温側から励磁電流を
通流するために設けられるものであり、リードで発生す
るジュール熱および常温側から極低温側に伝導により侵
入する熱を低減するために、電流リードの内部に気化し
た低温のヘリウムガスを流すよう構成したものが知られ
ている。この場合、電流リードの材料としては銅または
銅合金のような常電導体を用いるのが一般的であるが、
その熱伝導率が高く侵入熱を低減する効果が期待できな
い。そこで、電流リードを常電導リ−ドと酸化物系超電
導体を用いた超電導リ−ドとの直列接続体とし、中間接
続部に液体窒素容器を設けて超電導リ−ドを液体窒素温
度（７７．３５Ｋ）近傍に保ち、超電導リ−ドを超電導
状態とするよう構成したものが、特開昭６３−２９２６
１０号公報に開示されている。また、液体窒素による冷
却構造を改善したものが、特願平２−２１１３０７号，
特願平３−１０１０６２号に開示されている。
【０００３】図５は従来の超電導磁石装置の電流リード
の冷却構造を模式化して示す断面図である。図におい
て、超電導コイル１は断熱真空容器４の液体ヘリウム容
器２内に液体ヘリウム３に浸漬した状態で収納され、超
電導状態が保持される。電流リード１１は銅等の良導電
性金属導体からなる高温側リード１３と、酸化物系超電
導導体からなる低温側リード１２とが中間接続部１４で
導電接続された直列接続体からなり、低温端子１２Ａが
超電導コイル１に接続され、常温端子１３Ａが図示しな
い電源に接続されることにより、超電導コイル１に電流
が供給される。また、電流リード１１は液体窒素容器１
５を備え、中間接続部１４を含む高温側リード１３が液
体窒素１６中に所定の深さ浸漬されて液体窒素冷却され
るとともに、気化した低温の窒素ガス１６Ｇが外管１７
と高温側リード１３との間に形成された冷却通路１８を
通って上部に排出される過程で高温側リード１３がガス
冷却される。また、低温側リード１２は液体ヘリウム容
器内で気化した低温のヘリウムガス３Ｇによりガス冷却
される。
の冷却構造を模式化して示す断面図である。図におい
て、超電導コイル１は断熱真空容器４の液体ヘリウム容
器２内に液体ヘリウム３に浸漬した状態で収納され、超
電導状態が保持される。電流リード１１は銅等の良導電
性金属導体からなる高温側リード１３と、酸化物系超電
導導体からなる低温側リード１２とが中間接続部１４で
導電接続された直列接続体からなり、低温端子１２Ａが
超電導コイル１に接続され、常温端子１３Ａが図示しな
い電源に接続されることにより、超電導コイル１に電流
が供給される。また、電流リード１１は液体窒素容器１
５を備え、中間接続部１４を含む高温側リード１３が液
体窒素１６中に所定の深さ浸漬されて液体窒素冷却され
るとともに、気化した低温の窒素ガス１６Ｇが外管１７
と高温側リード１３との間に形成された冷却通路１８を
通って上部に排出される過程で高温側リード１３がガス
冷却される。また、低温側リード１２は液体ヘリウム容
器内で気化した低温のヘリウムガス３Ｇによりガス冷却
される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述の電流リードにお
いて、酸化物系超電導導体としてイットリウム（Ｙ），
バリウム（Ｂａ），銅（Ｃｕ），酸素（Ｏ）を含むセラ
ミック系高温超電導体を用いた場合、液体窒素温度以下
で超電導常態を示し、ジュ−ル熱が零になるとともに、
その熱伝導率が銅のそれより２〜３桁も小さく伝導によ
る侵入熱を大幅に低減することができる。従って、高価
な酸化物系超電導導体を用いることにより得られる侵入
熱の低減と、これに伴う液体ヘリウムの消費量の低減効
果を発揮するためには、良導電体であると同時に良熱伝
導体でもある高温側リード１３の熱伝導による侵入熱，
および電流により発生するジュ−ル熱（併せて侵入熱と
呼ぶ）を、液体窒素容器１５中の液体窒素１６が吸収
し、中間接続部１４の温度を液体窒素温度近くに保持す
ることが求められる。ところが、銅棒からなる高温側リ
ードの外周面を液体窒素冷却する従来の冷却方式では、
侵入熱を吸収するに十分な熱交換面積を得られないこと
が多く、かつ十分な熱交換面積を得ようとすると液体窒
素容器が大型化するという問題があり、十分な液体窒素
冷却効果が得られないために低温側リード１２への侵入
熱が大きく、酸化物系超電導導体を超電導状態に維持で
きないという問題があった。
いて、酸化物系超電導導体としてイットリウム（Ｙ），
バリウム（Ｂａ），銅（Ｃｕ），酸素（Ｏ）を含むセラ
ミック系高温超電導体を用いた場合、液体窒素温度以下
で超電導常態を示し、ジュ−ル熱が零になるとともに、
その熱伝導率が銅のそれより２〜３桁も小さく伝導によ
る侵入熱を大幅に低減することができる。従って、高価
な酸化物系超電導導体を用いることにより得られる侵入
熱の低減と、これに伴う液体ヘリウムの消費量の低減効
果を発揮するためには、良導電体であると同時に良熱伝
導体でもある高温側リード１３の熱伝導による侵入熱，
および電流により発生するジュ−ル熱（併せて侵入熱と
呼ぶ）を、液体窒素容器１５中の液体窒素１６が吸収
し、中間接続部１４の温度を液体窒素温度近くに保持す
ることが求められる。ところが、銅棒からなる高温側リ
ードの外周面を液体窒素冷却する従来の冷却方式では、
侵入熱を吸収するに十分な熱交換面積を得られないこと
が多く、かつ十分な熱交換面積を得ようとすると液体窒
素容器が大型化するという問題があり、十分な液体窒素
冷却効果が得られないために低温側リード１２への侵入
熱が大きく、酸化物系超電導導体を超電導状態に維持で
きないという問題があった。
【０００５】すなわち、電流リード１１の定格電流を１
ｋＡ，高温側リード１３の電流密度を１０Ａ／ｍｍ
2 （銅棒の断面積１００ｍｍ2 ），その長さを５００ｍ
ｍ，その温度差を２２０Ｋとした場合、熱伝導率４００
Ｗ／ｍ−Ｋの銅材からなる高温側リードの伝導熱量Ｑｃ
は１８Ｗとなり、電流の通流により発生するジュ−ル熱
は銅の体積抵抗率を１．１Ω−ｍとすると５５Ｗとな
り、両者の和からなる高温側リードの侵入熱は７３Ｗと
なる。また、高温側リードの下端部５０ｍｍを液体窒素
に浸漬して沸騰冷却する場合、液体窒素冷却面における
熱流束ｑは４１ｋＷ／ｍ2 となる。
ｋＡ，高温側リード１３の電流密度を１０Ａ／ｍｍ
2 （銅棒の断面積１００ｍｍ2 ），その長さを５００ｍ
ｍ，その温度差を２２０Ｋとした場合、熱伝導率４００
Ｗ／ｍ−Ｋの銅材からなる高温側リードの伝導熱量Ｑｃ
は１８Ｗとなり、電流の通流により発生するジュ−ル熱
は銅の体積抵抗率を１．１Ω−ｍとすると５５Ｗとな
り、両者の和からなる高温側リードの侵入熱は７３Ｗと
なる。また、高温側リードの下端部５０ｍｍを液体窒素
に浸漬して沸騰冷却する場合、液体窒素冷却面における
熱流束ｑは４１ｋＷ／ｍ2 となる。
【０００６】図６は大気圧における液体窒素の沸騰冷却
特性線図であり、熱流束ｑを４１ｋＷ／ｍ2 とした場
合、核沸騰する液体窒素と高温側リードとの間に７°Ｃ
に近い温度差ΔＴが生ずるため、中間接続部１４におけ
る電流リードの温度は８４Ｋ程度迄しか低下せず、低温
側リード１２の上端部分もこの温度となるため、イット
リウム系超電導導体の臨界電流は臨界温度におけるそれ
の１／２程度に落ちてしまい、高価な酸化物系超電導導
体を用いた効果を十分に発揮できないという問題が発生
する。また、上記効果を発揮させるためには熱流束ｑを
下げる必要があり、高温側リードの断面積の増大や、液
体窒素への浸漬深さの増大など、電流リードの大型化や
液体窒素容器の大型化を招く悪影響が発生する。
特性線図であり、熱流束ｑを４１ｋＷ／ｍ2 とした場
合、核沸騰する液体窒素と高温側リードとの間に７°Ｃ
に近い温度差ΔＴが生ずるため、中間接続部１４におけ
る電流リードの温度は８４Ｋ程度迄しか低下せず、低温
側リード１２の上端部分もこの温度となるため、イット
リウム系超電導導体の臨界電流は臨界温度におけるそれ
の１／２程度に落ちてしまい、高価な酸化物系超電導導
体を用いた効果を十分に発揮できないという問題が発生
する。また、上記効果を発揮させるためには熱流束ｑを
下げる必要があり、高温側リードの断面積の増大や、液
体窒素への浸漬深さの増大など、電流リードの大型化や
液体窒素容器の大型化を招く悪影響が発生する。
【０００７】この発明の目的は、電流リードや液体窒素
容器を大型化することなく液体窒素冷却面積を拡張する
ことにより、低温側リード側への侵入熱を低減すること
にある。
容器を大型化することなく液体窒素冷却面積を拡張する
ことにより、低温側リード側への侵入熱を低減すること
にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、真空断熱容器内に設けられた液
体ヘリウム容器内に液体ヘリウムに浸漬した状態で収納
された超電導コイルに外部より電流を通流する電流リー
ドが、良導電性金属からなる高温側リードと、酸化物系
超電導導体からなる低温側リードとの直列接続体で構成
されたものにおいて、前記高温側リードと低温側リード
との中間接続部に介装されて両者を導電接続するととも
に液体窒素冷却される熱交換ブロックと、前記高温側リ
ードを前記熱交換ブロック内で気化した低温の窒素ガス
により冷却する冷却通路とを備えてなるものとする。ま
た、前記熱交換ブロックが電流リードの定格電流１ｋＡ
当たり５０cm2 以上の液体窒素冷却される冷却表面積を
保持するよう形成されてなるものとする。
に、この発明によれば、真空断熱容器内に設けられた液
体ヘリウム容器内に液体ヘリウムに浸漬した状態で収納
された超電導コイルに外部より電流を通流する電流リー
ドが、良導電性金属からなる高温側リードと、酸化物系
超電導導体からなる低温側リードとの直列接続体で構成
されたものにおいて、前記高温側リードと低温側リード
との中間接続部に介装されて両者を導電接続するととも
に液体窒素冷却される熱交換ブロックと、前記高温側リ
ードを前記熱交換ブロック内で気化した低温の窒素ガス
により冷却する冷却通路とを備えてなるものとする。ま
た、前記熱交換ブロックが電流リードの定格電流１ｋＡ
当たり５０cm2 以上の液体窒素冷却される冷却表面積を
保持するよう形成されてなるものとする。
【０００９】また、熱交換ブロックは、中空に形成され
てその内部に液体窒素室を形成するとともに、この液体
窒素室に連通して高温側リードを包囲する外管により高
温側リードの冷却通路が形成されてなるもの、または、
液体窒素室が熱交換ブロックを覆う外被により中空部の
外部まで拡張されるとともに、外管の下端部が前記外被
に連結されて高温側リードの冷却通路が形成されてなる
ものとする。
てその内部に液体窒素室を形成するとともに、この液体
窒素室に連通して高温側リードを包囲する外管により高
温側リードの冷却通路が形成されてなるもの、または、
液体窒素室が熱交換ブロックを覆う外被により中空部の
外部まで拡張されるとともに、外管の下端部が前記外被
に連結されて高温側リードの冷却通路が形成されてなる
ものとする。
【００１０】さらに、高温側リードが棒状の良導電性金
属からなり、その外周面に冷却通路に突出した冷却フィ
ンを備えてなるもの、あるいは、高温側リードが外管内
に充填された良導電性金属線の束からなり、熱交換ブロ
ックに分散して導電接続されるとともに、良導電性金属
線の隙間に冷却通路が形成されてなるものとする。
属からなり、その外周面に冷却通路に突出した冷却フィ
ンを備えてなるもの、あるいは、高温側リードが外管内
に充填された良導電性金属線の束からなり、熱交換ブロ
ックに分散して導電接続されるとともに、良導電性金属
線の隙間に冷却通路が形成されてなるものとする。
【００１１】
【作用】この発明の構成において、良導電性金属からな
る高温側リードと、酸化物系超電導導体からなる低温側
リードとの直列接続体で構成される電流リードに、高温
側リードと低温側リードとの接続部に介装されて両者を
導電接続するとともに液体窒素冷却される熱交換ブロッ
クと、高温側リードを熱交換ブロック内で気化した低温
の窒素ガスにより冷却する冷却通路とを設けるよう構成
したことにより、熱交換ブロックが高温側リードの一部
を兼ね、その形状の決め方により高温側リードの断面積
や熱交換ブロックを大型化することなく液体窒素による
広い冷却面積を確保することに役立つので、冷却面にお
ける熱流束を低減する機能が得られ、中間接続部の温度
を液体窒素温度近くに保持して酸化物系超電導導体から
なる低温側リードを超電導状態に安定して保つことがで
きる。また、熱交換ブロックが電流リードの定格電流１
ｋＡ当たり５０cm2 以上の液体窒素冷却される冷却表面
積を保持するよう形成すれば、核沸騰状態の液体窒素と
の温度差を３Ｋ以下に保持し、高温側リードの侵入熱を
効率よく液体窒素に伝達できる冷却性能を有する電流リ
ードが得られる。
る高温側リードと、酸化物系超電導導体からなる低温側
リードとの直列接続体で構成される電流リードに、高温
側リードと低温側リードとの接続部に介装されて両者を
導電接続するとともに液体窒素冷却される熱交換ブロッ
クと、高温側リードを熱交換ブロック内で気化した低温
の窒素ガスにより冷却する冷却通路とを設けるよう構成
したことにより、熱交換ブロックが高温側リードの一部
を兼ね、その形状の決め方により高温側リードの断面積
や熱交換ブロックを大型化することなく液体窒素による
広い冷却面積を確保することに役立つので、冷却面にお
ける熱流束を低減する機能が得られ、中間接続部の温度
を液体窒素温度近くに保持して酸化物系超電導導体から
なる低温側リードを超電導状態に安定して保つことがで
きる。また、熱交換ブロックが電流リードの定格電流１
ｋＡ当たり５０cm2 以上の液体窒素冷却される冷却表面
積を保持するよう形成すれば、核沸騰状態の液体窒素と
の温度差を３Ｋ以下に保持し、高温側リードの侵入熱を
効率よく液体窒素に伝達できる冷却性能を有する電流リ
ードが得られる。
【００１２】また、熱交換ブロックを中空に形成してそ
の内部に液体窒素室を形成するとともに、この液体窒素
室に連通して高温側リードを包囲する外管により高温側
リードの冷却通路を形成すれば、熱交換ブロックが液体
窒素容器を兼ね、その内壁面を熱交換面として高温側リ
ードの侵入熱を排熱でき、かつ気化した窒素ガスで高温
側リードをガス冷却することができる。また、熱交換ブ
ロックに外被を設けて液体窒素室を中空部の外部まで拡
張すれば、より広い冷却表面積を確保して熱流束を低減
し、中間接続部の温度を液体窒素温度近くに保持して低
温側リードへの侵入熱を低減する機能が得られる。
の内部に液体窒素室を形成するとともに、この液体窒素
室に連通して高温側リードを包囲する外管により高温側
リードの冷却通路を形成すれば、熱交換ブロックが液体
窒素容器を兼ね、その内壁面を熱交換面として高温側リ
ードの侵入熱を排熱でき、かつ気化した窒素ガスで高温
側リードをガス冷却することができる。また、熱交換ブ
ロックに外被を設けて液体窒素室を中空部の外部まで拡
張すれば、より広い冷却表面積を確保して熱流束を低減
し、中間接続部の温度を液体窒素温度近くに保持して低
温側リードへの侵入熱を低減する機能が得られる。
【００１３】さらに、高温側リードが棒状の良導電性金
属からなり、その外周面に冷却通路に突出した冷却フィ
ンを設ければ、高温側リードのガス冷却性能の向上によ
り、熱交換ブロック側への侵入熱量を低減する機能が得
られる。また、高温側リードを外管内に挿入された良導
電性金属線の束で構成し、その端末を液体窒素室内で熱
交換ブロックに分散して導電接続するとともに、良導電
性金属線相互の隙間を冷却通路とすれば、高温側リード
と液体窒素，窒素ガスとの接触面積を大幅に拡張し、効
率の高いガス冷却を行うことができる。
属からなり、その外周面に冷却通路に突出した冷却フィ
ンを設ければ、高温側リードのガス冷却性能の向上によ
り、熱交換ブロック側への侵入熱量を低減する機能が得
られる。また、高温側リードを外管内に挿入された良導
電性金属線の束で構成し、その端末を液体窒素室内で熱
交換ブロックに分散して導電接続するとともに、良導電
性金属線相互の隙間を冷却通路とすれば、高温側リード
と液体窒素，窒素ガスとの接触面積を大幅に拡張し、効
率の高いガス冷却を行うことができる。
【００１４】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図１はこの発明の実施例になる超電導磁石装置の電
流リードを示す断面図であり、従来技術と同じ構成部分
には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省
略する。図において、２２は厚肉の銅材からなる中空の
熱交換ブロックであり、その中空部に供給口２２Ａを介
して液体窒素１６を供給することにより、中空部は液体
窒素室２３として利用される。また、熱交換ブロック２
２の下面側の中間接続部２４Ｂには酸化物系超電導導体
の例えばバルク焼結体からなる低温側リード１２が導電
接続され、上面側の中間接続部２４Ａには銅棒等の良導
電性金属で構成される高温側リード１３の下端部が導電
接続されるとともに、高温側リードを同心状に包囲して
高温側リードとの間に冷却通路２７を画成する外管２５
の下端部が気密に結合され、熱交換ブロックで気化した
低温の窒素ガス１６Ｇが冷却通路２７を通って排出口２
５Ａから外部に排出される。さらに、高温側リード１３
はその外周面から冷却通路にスパイラル状に突出した冷
却フィン２６を備え、冷却通路での高温側リードのガス
冷却性能を向上するよう構成される。
る。図１はこの発明の実施例になる超電導磁石装置の電
流リードを示す断面図であり、従来技術と同じ構成部分
には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省
略する。図において、２２は厚肉の銅材からなる中空の
熱交換ブロックであり、その中空部に供給口２２Ａを介
して液体窒素１６を供給することにより、中空部は液体
窒素室２３として利用される。また、熱交換ブロック２
２の下面側の中間接続部２４Ｂには酸化物系超電導導体
の例えばバルク焼結体からなる低温側リード１２が導電
接続され、上面側の中間接続部２４Ａには銅棒等の良導
電性金属で構成される高温側リード１３の下端部が導電
接続されるとともに、高温側リードを同心状に包囲して
高温側リードとの間に冷却通路２７を画成する外管２５
の下端部が気密に結合され、熱交換ブロックで気化した
低温の窒素ガス１６Ｇが冷却通路２７を通って排出口２
５Ａから外部に排出される。さらに、高温側リード１３
はその外周面から冷却通路にスパイラル状に突出した冷
却フィン２６を備え、冷却通路での高温側リードのガス
冷却性能を向上するよう構成される。
【００１５】上述のように構成された実施例になる電流
リード２１においては、熱交換ブロック２２が高温側リ
ードの一部としての電流通路の機能と、液体窒素容器と
しての機能とを兼ね、その液体窒素室２３の内壁面が液
体窒素による核沸騰冷却の熱交換面として機能する。そ
こで、熱交換ブロックの液体窒素による冷却表面積を１
３０ｃｍ2 とし、高温側リードの侵入熱を前述の従来例
と同じ７３Ｗと仮定する。この条件での熱流束は５．６
ｋＷ／ｍ2 となり、核沸騰する液体窒素との温度差ΔＴ
を図６から求めると約３Ｋとなり、中間接続部２４Ｂに
おける熱交換ブロックの温度，言い換えれば低温側リー
ドの上端部の温度を８０Ｋ程度に迄下げることができ、
低温側リード１２の酸化物系超電導導体の臨界電流の低
下を抑制できるとともに、液体窒素室の液深を５ｃｍと
した場合、熱交換ブロックを内径５７ｍｍ程度の円筒形
とすることで必要な冷却表面積を確保できるので、小型
な熱交換ブロックにより低温側リードへの侵入熱量の小
さい電流リードを得ることができる。
リード２１においては、熱交換ブロック２２が高温側リ
ードの一部としての電流通路の機能と、液体窒素容器と
しての機能とを兼ね、その液体窒素室２３の内壁面が液
体窒素による核沸騰冷却の熱交換面として機能する。そ
こで、熱交換ブロックの液体窒素による冷却表面積を１
３０ｃｍ2 とし、高温側リードの侵入熱を前述の従来例
と同じ７３Ｗと仮定する。この条件での熱流束は５．６
ｋＷ／ｍ2 となり、核沸騰する液体窒素との温度差ΔＴ
を図６から求めると約３Ｋとなり、中間接続部２４Ｂに
おける熱交換ブロックの温度，言い換えれば低温側リー
ドの上端部の温度を８０Ｋ程度に迄下げることができ、
低温側リード１２の酸化物系超電導導体の臨界電流の低
下を抑制できるとともに、液体窒素室の液深を５ｃｍと
した場合、熱交換ブロックを内径５７ｍｍ程度の円筒形
とすることで必要な冷却表面積を確保できるので、小型
な熱交換ブロックにより低温側リードへの侵入熱量の小
さい電流リードを得ることができる。
【００１６】また、冷却フィンを有する高温側リードの
ガス冷却効果を考慮すると、熱交換ブロックで気化した
液体窒素の自己充足流量（液体窒素の蒸発量０．１２５
ｇ／ｓ）において高温側リードの侵入熱量を２５Ｗ程度
に低減できる。したがって、熱交換ブロックの冷却表面
積を１３０ｃｍ2 に保てば、温度差ΔＴを２°Ｃ以下に
抑制して酸化物系超電導導体の臨界電流の低下をさらに
縮小できる。また、熱流束ｑを５ｋＷ／ｍ2 以下に抑え
れば液体窒素との温度差を３°Ｃ以下とすることができ
る。さらに、電流リードの定格電流が異なっても、電流
リードの寸法を最適化すれば通電電流当たりの侵入熱を
２５Ｗ／ｋＡに保持できるので、熱交換ブロックの冷却
表面積を５０ｃｍ2 以上とすることにより、低温側リー
ド上端部の温度を８０Ｋ以下に保って液体ヘリウム損失
の少ない電流リードを得ることができる。
ガス冷却効果を考慮すると、熱交換ブロックで気化した
液体窒素の自己充足流量（液体窒素の蒸発量０．１２５
ｇ／ｓ）において高温側リードの侵入熱量を２５Ｗ程度
に低減できる。したがって、熱交換ブロックの冷却表面
積を１３０ｃｍ2 に保てば、温度差ΔＴを２°Ｃ以下に
抑制して酸化物系超電導導体の臨界電流の低下をさらに
縮小できる。また、熱流束ｑを５ｋＷ／ｍ2 以下に抑え
れば液体窒素との温度差を３°Ｃ以下とすることができ
る。さらに、電流リードの定格電流が異なっても、電流
リードの寸法を最適化すれば通電電流当たりの侵入熱を
２５Ｗ／ｋＡに保持できるので、熱交換ブロックの冷却
表面積を５０ｃｍ2 以上とすることにより、低温側リー
ド上端部の温度を８０Ｋ以下に保って液体ヘリウム損失
の少ない電流リードを得ることができる。
【００１７】図２はこの発明の異なる実施例になる電流
リードを示す断面図であり、中空部に複数の貫通孔３４
を有する熱交換ブロック３２が、液体窒素の供給口２２
Ａを有する外被３５に覆われ、液体窒素室３３が中空部
の内外に拡張されるとともに、高温側リード１３を同心
状に覆う外管２５の下端部が外被に連結され、液体窒素
室で気化した低温の窒素ガスによる冷却通路２７を形成
するよう構成された点が前述の実施例と異なっている。
このように構成された電流リード３１においては、熱交
換ブロック３２の表面を液体窒素の核沸騰に寄与する冷
却面として活用できるので、高温側リードの侵入熱をよ
り高度に排除して低温側リード１２の酸化物系超電導導
体を超電導常態に安定して保持できるとともに、電流リ
ード３１の定格電流の増大に対して熱交換ブロックを大
型化することなく、侵入熱を排熱できる利点が得られ
る。
リードを示す断面図であり、中空部に複数の貫通孔３４
を有する熱交換ブロック３２が、液体窒素の供給口２２
Ａを有する外被３５に覆われ、液体窒素室３３が中空部
の内外に拡張されるとともに、高温側リード１３を同心
状に覆う外管２５の下端部が外被に連結され、液体窒素
室で気化した低温の窒素ガスによる冷却通路２７を形成
するよう構成された点が前述の実施例と異なっている。
このように構成された電流リード３１においては、熱交
換ブロック３２の表面を液体窒素の核沸騰に寄与する冷
却面として活用できるので、高温側リードの侵入熱をよ
り高度に排除して低温側リード１２の酸化物系超電導導
体を超電導常態に安定して保持できるとともに、電流リ
ード３１の定格電流の増大に対して熱交換ブロックを大
型化することなく、侵入熱を排熱できる利点が得られ
る。
【００１８】図３はこの発明の他の実施例になる電流リ
ードの要部を示す断面図、図４は図３におけるＡ−Ａ位
置の断面図である。図において、高温側リード４３は丸
銅線４５の束として外管２５内に挿入され、その下端部
分は複数組に分割されて熱交換ブロック４２に導電接続
されて高温側リードと熱交換ブロックの中間接続部４４
を形成する。このように構成された電流リード４１にお
いては、液体窒素１６中に浸漬された高温側リードの端
末部分が広い冷却表面積を持ち、液体窒素による侵入熱
の排熱が容易化されるとともに、丸銅線４５相互の隙間
で構成される冷却通路４７のガス冷却表面積が大きく、
この部分での熱交換も活性化されるので、低温側リード
１２の上端部分の温度を液体窒素温度により近づけるこ
とができ、したがって高価な液体ヘリウムの気化損失が
極めて少ない電流リードを備えた超電導磁石装置を得る
ことができる。
ードの要部を示す断面図、図４は図３におけるＡ−Ａ位
置の断面図である。図において、高温側リード４３は丸
銅線４５の束として外管２５内に挿入され、その下端部
分は複数組に分割されて熱交換ブロック４２に導電接続
されて高温側リードと熱交換ブロックの中間接続部４４
を形成する。このように構成された電流リード４１にお
いては、液体窒素１６中に浸漬された高温側リードの端
末部分が広い冷却表面積を持ち、液体窒素による侵入熱
の排熱が容易化されるとともに、丸銅線４５相互の隙間
で構成される冷却通路４７のガス冷却表面積が大きく、
この部分での熱交換も活性化されるので、低温側リード
１２の上端部分の温度を液体窒素温度により近づけるこ
とができ、したがって高価な液体ヘリウムの気化損失が
極めて少ない電流リードを備えた超電導磁石装置を得る
ことができる。
【００１９】
【発明の効果】この発明は前述のように、良導電性金属
からなる高温側リードと、酸化物系超電導導体からなる
低温側リードとの直列接続体で構成される電流リード
に、高温側リードと低温側リードとの接続部に介装され
て両者を導電接続するとともに液体窒素冷却される熱交
換ブロックと、高温側リードを熱交換ブロック内で気化
した低温の窒素ガスにより冷却する冷却通路とを設ける
よう構成した。その結果、熱交換ブロックが高温側リー
ドの一部を兼ね、その形状の決め方により高温側リード
の断面積や熱交換ブロックを大型化することなく液体窒
素による広い冷却表面積を確保することに役立つので、
従来技術での問題点が排除され、冷却面における熱流束
を低減し、中間接続部の温度を液体窒素温度近くに保持
して酸化物系超電導導体からなる低温側リードを超電導
常態に安定して維持し、高価な液体ヘリウムの消費量の
少ない電流リードを備えた超電導磁石装置を提供するこ
とができる。また、熱交換ブロックが電流リードの定格
電流１ｋＡ当たり５０cm2 以上の液体窒素冷却される冷
却表面積を保持するよう形成すれば、核沸騰状態の液体
窒素との温度差を３Ｋ以下に保持し、酸化物系超電導導
体の臨界電流の低下を抑制できる電流リードを備えた超
電導磁石装置を提供することができる。
からなる高温側リードと、酸化物系超電導導体からなる
低温側リードとの直列接続体で構成される電流リード
に、高温側リードと低温側リードとの接続部に介装され
て両者を導電接続するとともに液体窒素冷却される熱交
換ブロックと、高温側リードを熱交換ブロック内で気化
した低温の窒素ガスにより冷却する冷却通路とを設ける
よう構成した。その結果、熱交換ブロックが高温側リー
ドの一部を兼ね、その形状の決め方により高温側リード
の断面積や熱交換ブロックを大型化することなく液体窒
素による広い冷却表面積を確保することに役立つので、
従来技術での問題点が排除され、冷却面における熱流束
を低減し、中間接続部の温度を液体窒素温度近くに保持
して酸化物系超電導導体からなる低温側リードを超電導
常態に安定して維持し、高価な液体ヘリウムの消費量の
少ない電流リードを備えた超電導磁石装置を提供するこ
とができる。また、熱交換ブロックが電流リードの定格
電流１ｋＡ当たり５０cm2 以上の液体窒素冷却される冷
却表面積を保持するよう形成すれば、核沸騰状態の液体
窒素との温度差を３Ｋ以下に保持し、酸化物系超電導導
体の臨界電流の低下を抑制できる電流リードを備えた超
電導磁石装置を提供することができる。
【００２０】また、熱交換ブロックを中空に形成してそ
の内部に液体窒素室を形成するとともに、この液体窒素
室に連通して高温側リードを包囲する外管により高温側
リードの冷却通路を形成すれば、熱交換ブロックが液体
窒素容器を兼ね、その内壁面を熱交換面として高温側リ
ードの侵入熱を排熱でき、かつ気化した窒素ガスで高温
側リードをガス冷却することができるので、小型化した
熱交換ブロックを用いて酸化物系超電導導体を安定して
超電導常態に維持できる電流リードが得られる。また、
熱交換ブロックに外被を設けて液体窒素室を中空部の外
部まで拡張すれば、より広い熱交換面積を確保して高温
側リードの侵入熱を排除できる電流リードを提供するこ
とができる。
の内部に液体窒素室を形成するとともに、この液体窒素
室に連通して高温側リードを包囲する外管により高温側
リードの冷却通路を形成すれば、熱交換ブロックが液体
窒素容器を兼ね、その内壁面を熱交換面として高温側リ
ードの侵入熱を排熱でき、かつ気化した窒素ガスで高温
側リードをガス冷却することができるので、小型化した
熱交換ブロックを用いて酸化物系超電導導体を安定して
超電導常態に維持できる電流リードが得られる。また、
熱交換ブロックに外被を設けて液体窒素室を中空部の外
部まで拡張すれば、より広い熱交換面積を確保して高温
側リードの侵入熱を排除できる電流リードを提供するこ
とができる。
【００２１】さらに、高温側リードが棒状の良導電性金
属からなり、その外周面に冷却通路に突出した冷却フィ
ンを設ければ、高温側リードのガス冷却性能の向上によ
り、高温側リードの侵入熱を従来の１／２以下に低減で
きるので、より高い冷却性能を有する電流リードを提供
することができる。また、高温側リードを外管内に挿入
された良導電性金属線の束で構成し、良導電性金属線の
隙間を冷却通路とすれば、液体窒素および窒素ガスとの
冷却表面積を大幅に拡張でき、熱交換ブロックの温度を
液体窒素の臨界温度に一層近づけ、酸化物系超電導導体
の臨界電流の低下を阻止できる電流リードを備えた超電
導磁石装置を提供することができる。
属からなり、その外周面に冷却通路に突出した冷却フィ
ンを設ければ、高温側リードのガス冷却性能の向上によ
り、高温側リードの侵入熱を従来の１／２以下に低減で
きるので、より高い冷却性能を有する電流リードを提供
することができる。また、高温側リードを外管内に挿入
された良導電性金属線の束で構成し、良導電性金属線の
隙間を冷却通路とすれば、液体窒素および窒素ガスとの
冷却表面積を大幅に拡張でき、熱交換ブロックの温度を
液体窒素の臨界温度に一層近づけ、酸化物系超電導導体
の臨界電流の低下を阻止できる電流リードを備えた超電
導磁石装置を提供することができる。
【図１】この発明の実施例になる超電導磁石装置の電流
リードを示す断面図
リードを示す断面図
【図２】この発明の異なる実施例になる電流リードを示
す断面図
す断面図
【図３】この発明の他の実施例になる電流リードの要部
を示す断面図
を示す断面図
【図４】図３におけるＡ−Ａ位置の断面図
【図５】従来の超電導磁石装置の電流リードの冷却構造
を模式化して示す断面図
を模式化して示す断面図
【図６】大気圧における液体窒素の沸騰冷却特性線図
１ 超電導コイル ２ 液体ヘリウム容器 ３ 液体ヘリウム ４ 真空断熱容器 １１ 電流リード １２ 低温側リード（酸化物系超電導導体） １３ 高温側リード（良導電性金属導体） １４ 中間接続部 １５ 液体窒素容器 １６ 液体窒素 １６Ｇ 窒素ガス １７ 外管 １８ 冷却通路 ２１ 電流リード ２２ 熱交換ブロック ２３ 液体窒素室 ２４ 中間接続部 ２６ 冷却フィン ２７ 冷却通路 ３１ 電流リード ３２ 熱交換ブロック ３３ 液体窒素室 ３４ 貫通孔 ３５ 外被 ４１ 電流リード ４２ 熱交換ブロック ４３ 高温側リード ４４ 接続部 ４５ 銅線 ４７ 冷却通路 ｑ 液体窒素冷却面の熱流束 ΔＴ 液体窒素との温度差
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−299217（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−292610（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−25473（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−94105（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−332105（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 39/02 - 39/04 H01L 39/14 - 39/16 H01L 39/20 H01F 6/00
Claims (6)
- 【請求項１】真空断熱容器内に設けられた液体ヘリウム
容器内に液体ヘリウムに浸漬した状態で収納された超電
導コイルに外部より電流を通流する電流リードが、良導
電性金属からなる高温側リードと、酸化物系超電導導体
からなる低温側リードとの直列接続体で構成されたもの
において、前記高温側リードと低温側リードとの中間接
続部に介装されて両者を導電接続するとともに液体窒素
冷却される熱交換ブロックと、前記高温側リードを前記
熱交換ブロック内で気化した低温の窒素ガスにより冷却
する冷却通路とを備えてなることを特徴とする超電導磁
石装置の電流リード。 - 【請求項２】熱交換ブロックが電流リードの定格電流１
ｋＡ当たり５０cm2以上の液体窒素冷却される冷却表面
積を保持するよう形成されてなることを特徴とする請求
項１に記載の超電導磁石装置の電流リード。 - 【請求項３】熱交換ブロックが中空に形成されてその内
部に液体窒素室を形成するとともに、この液体窒素室に
連通して高温側リードを包囲する外管により高温側リー
ドの冷却通路が形成されてなることを特徴とする請求項
１または請求項２のいずれかに記載の超電導磁石装置の
電流リード。 - 【請求項４】液体窒素室が熱交換ブロックを覆う外被に
より中空部の外部まで拡張されるとともに、外管の下端
部が前記外被に連結されて高温側リードの冷却通路が形
成されてなることを特徴とする請求項３に記載の超電導
磁石装置の電流リード。 - 【請求項５】高温側リードが棒状の良導電性金属からな
り、その外周面に冷却通路に突出した冷却フィンを備え
てなることを特徴とする請求項３または請求項４のいず
れかに記載の超電導磁石装置の電流リード。 - 【請求項６】高温側リードが外管内に挿入された良導電
性金属線の束からなり、熱交換ブロックに分散して導電
接続されるとともに、良導電性金属線の隙間に冷却通路
が形成されてなることを特徴とする請求項３または請求
項４のいずれかに記載の超電導磁石装置の電流リード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03205321A JP3120482B2 (ja) | 1991-08-16 | 1991-08-16 | 超電導磁石装置の電流リード |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03205321A JP3120482B2 (ja) | 1991-08-16 | 1991-08-16 | 超電導磁石装置の電流リード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0548156A JPH0548156A (ja) | 1993-02-26 |
| JP3120482B2 true JP3120482B2 (ja) | 2000-12-25 |
Family
ID=16505011
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03205321A Expired - Fee Related JP3120482B2 (ja) | 1991-08-16 | 1991-08-16 | 超電導磁石装置の電流リード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3120482B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103616623A (zh) * | 2013-11-28 | 2014-03-05 | 上海三原电缆附件有限公司 | 超导终端电流引线试验装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101356641B1 (ko) * | 2011-10-11 | 2014-02-03 | 삼성전자주식회사 | 초전도 전자석 장치 |
| KR101356642B1 (ko) * | 2011-10-11 | 2014-02-03 | 삼성전자주식회사 | 초전도 전자석 장치 |
| CN107978414A (zh) * | 2018-01-11 | 2018-05-01 | 合肥中科离子医学技术装备有限公司 | 一种用于连接液氦温区和常温温区的氦气通道结构 |
-
1991
- 1991-08-16 JP JP03205321A patent/JP3120482B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN103616623A (zh) * | 2013-11-28 | 2014-03-05 | 上海三原电缆附件有限公司 | 超导终端电流引线试验装置 |
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|---|---|
| JPH0548156A (ja) | 1993-02-26 |
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