JP4703545B2 - 超電導装置および電流リード - Google Patents

Description

本発明は、酸化物超電導導体を用いた電流リードと、かかる電流リードを有する超電導装置に関するものである。

超電導現象の最大の特徴は、臨界温度で超電導導体の電気抵抗がゼロになるため、通電しても熱が発生せず、そのため無損失で大電流を流すことができるということである。超電導電力貯蔵システムに使用される超電導マグネット装置は、この超電導現象を応用したその代表的な装置である。

従来の典型的な超電導マグネット装置においては、超電導マグネットをクライオスタットと称する真空断熱容器の熱シールド内に収納され、真空断熱容器に取り付けられた冷凍機で超電導マグネットを冷却する構成になっている（特許文献１参照）。この超電導マグネット装置には、室温に設置された電源から極低温下に設置された超電導マグネットまで電流を供給する電流リードが必要である。電流リードは、良導電性金属からなる常伝導電流リードと酸化物超電導体からなる超電導電流リードが接続されている。電流リードは冷凍機や冷却媒体により冷却される構造になっている。

近年では、超電導マグネットシステムにおいて、同一クライオスタット内に複数のマグネットを収納したマルチあるいはハイブリット構成などの多段マグネット構成システムが開発されている。

同時に超電導マグネットに適用するための高温酸化物超電導導体の開発が進められてきており、Ｂｉ系酸化物導体を用いたマグネットも製作されている。また次世代マグネット適用を睨み、数１００μｍの低熱伝導金属基板上に数μｍの薄膜状Ｙ系酸化物超電導材を形成した酸化物超電導薄膜テープ線材の開発が行われており、この酸化物超電導薄膜テープ線材の臨界電流値は数１００Ａという高い性能を持っている。
特開２００４−１１１５８１号公報

近年開発が行われている超電導マグネット装置の中には、大電流を通電する超電導コイルで構成されるものがあり、特に超電導電力貯蔵装置システムに使用される超電導マグネット装置は、その１つである。

数個のマグネットからなる多段マグネット構成システムにおいては、電流リードシステムがマグネットごとに必要であり、システムが複雑化し、コスト高になる。また同一容器内に収納する場合、設置スペースの問題が生じてくる。

これまでに開発され、種々の装置に適用されてきているＢｉ系酸化物超電導導体やＹ系バルク状酸化物超電導導体を用いた酸化物超電導電流リードにおいて、取り扱いが比較的簡単で、１本で大電流通電に対応できる酸化物電流リードは少なく、現状の酸化物超電導電流リードは高価なものが多い。また、次世代線材として薄膜状Ｙ系酸化物超電導材の開発が進められており、超電導マグネット以外の適用も考えられている。しかしこの導体は薄膜状態による薄膜劣化や良導電性金属体など異材との接合が難しいという問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、複数の超電導機器を共通の真空断熱容器内に収容した超電導装置において適用可能で、酸化物超電導材を用いた、小形で製造容易な電流リード、および、これを採用した超電導装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る超電導装置は、低温に冷却されて超電導状態に置かれる複数の超電導機器と、前記複数の超電導機器を共通して収容する真空断熱容器と、前記真空断熱容器の外側の電源と前記複数の超電導機器とを接続し、前記真空断熱容器とは電気的に絶縁された電流リードと、を有する超電導装置において、前記電流リードは、前記真空容器を貫通し良導電性金属からなり、前記複数の超電導機器に共通の常伝導電流リード部と、良導電性金属からなり、前記真空容器内に配置されて前記常伝導電流リード部が接続された、前記複数の超電導機器に共通の高温端側電極と、前記高温端側電極と前記複数の超電導機器とを個々に接続する複数の酸化物超電導導体と、を有すること、を特徴とする。

また、本発明に係る電流リードは、共通の真空断熱容器内に収容され低温に冷却されて超電導状態に置かれる複数の超電導機器と、前記真空断熱容器の外側の電源と、を接続し、前記真空断熱容器とは電気的に絶縁された電流リードであって、前記真空容器を貫通し良導電性金属からなり、前記複数の超電導機器に共通の常伝導電流リード部と、良導電性金属からなり、前記真空容器内に配置されて前記常伝導電流リード部が接続された、前記複数の超電導機器に共通の高温端側電極と、前記高温端側電極と前記複数の超電導機器とを個々に接続する複数の酸化物超電導導体と、を有すること、を特徴とする。

本発明によれば、複数の超電導機器を共通の真空断熱容器内に収容した超電導装置において適用可能で、酸化物超電導材を用いた、小形で製造容易な電流リード、および、これを採用した超電導装置を提供することができる。

以下に、本発明に係る超電導装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係る電流リードとその周辺を示す立面図である。この図に示すように、一つの共通の真空断熱容器２内に複数の超電導機器（たとえば超電導マグネット）３が収容されている。超電導機器３に電流を供給するための電源３０は真空断熱容器２の外に配置されている。電流導入端子８が、真空断熱容器２の上部を貫通して配置され、電流導入端子８を介して真空断熱容器２内の常伝導電流リード１ａと電源３０が電気的に接続されている。常伝導電流リード１ａは良導電性金属からできている。常伝導電流リード１ａおよび電源３０は、電流導入端子８で、真空断熱容器２に対しては電気的に絶縁されている。

真空断熱容器２内で、常伝導電流リード１ａの下端が高温端側電極１１ａに接続されている。高温端側電極１１ａは、水平方向に延びる棒状であって、良導電性金属からできていて、超電導機器３の上方に配置されている。高温端側電極１１ａには複数の酸化物超電導導体１０が接続されている。酸化物超電導導体１０は、それぞれが互いに平行に鉛直方向に延び、それぞれの上端が高温端側電極１１ａに接続され、下端は、それぞれが個別に対応する低温端側電極１１ｂを介して各超電導機器３に接続されている。酸化物超電導導体１０は、たとえば、酸化物超電導バルク材あるいは酸化物超電導薄膜テープ線材である。この実施形態では、各酸化物超電導導体１０は互いに同一形状、同一寸法である。

高温端側電極１１ａには伝熱板６が取り付けられ、伝熱板６は絶縁板７を介して冷凍機５に接続されている。冷凍機５は真空断熱容器２に取り付けられている。高温端側電極１１ａは、伝熱板６および絶縁板７を通じて冷凍機５と熱的に接続されて冷却される。超電導機器３の冷却は、この冷凍機５によってもよいし、図示しない別の冷凍機によって超電導機器３を直接冷却してもよい。

この実施形態によれば、１系統の電源３０から電流を供給して、これを真空断熱容器２内部で分岐するので、装置の小型化が可能であり、製造も容易であり、コストダウンになる。

［第２の実施形態］
図２は本発明の第２の実施形態に係る電流リードを示す立面図である。この実施形態では、高温端側電極１１ａの下部に複数のスリット（切り欠き）１２が形成され、互いに隣接する二つのスリットに挟まれた部分それぞれが下方に延びる突出部３２になっている。そして、各突出部３２の下端部に一つずつの酸化物超電導導体１０が接続されている。この実施形態では、各突出部３２は互いに同一形状、同一寸法である。その他の部分の構成は第１の実施形態と同様である。

この実施形態によれば、第１の実施形態による作用・効果に加えて、各超電導機器３に流れる電流を均一化することができる。すなわち、高温端側電極１１ａの各突出部３２が互いに同一形状、同一寸法であることから、各突出部３２に流れる電流が均一化される。これは、超電導部分ではその形状にかかわりなく電気抵抗がゼロになることから、高温端側電極１１ａの中で電流が分岐している各突出部３２での電気抵抗の比が電流の分配比に対して支配的影響があることによる。

［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施形態に係る電流リードを示す立面図である。この実施形態は第２の実施形態の変形であって、高温端側電極１１ａの各突出部３２の長さＬが互いに異なるものである。この実施形態では、各突出部３２の長さＬが互いに異なることから、この部分の電気抵抗に差が生じる。すなわち、突出部３２の長さＬが長い部分ほど電気抵抗が大きくなる。このため、突出部３２の長さＬが長い部分ほど電流が小さくなる。

この実施形態によれば、各超電導機器３に流れる電流の分配を必要に応じて積極的に不均一にすることができる。なお、図３の例では突出部３２の長さＬの違いに合わせて、Ｌが大きいものほど酸化物超電導導体１０を短くしているが、各酸化物超電導導体１０の電気抵抗はその長さにかかわりなくゼロであるから、酸化物超電導導体１０の長さは互いに同じでも違っていてもよい。

［第４の実施形態］
図４は本発明の第４の実施形態に係る電流リードを示す立面図であり、図５は図４の電流リードのＶ−Ｖ線矢視水平断面図である。この実施形態は第２または第３の実施形態の変形であって、高温端側電極１１ａの各突出部３２の長さＬは互いに等しいが、その厚さが互いに異なるものである。これにより、各突出部３２の横断面積が互いに相違し、それによってこの部分の電気抵抗が相違することになる。これにより、第３の実施形態と同様に、各超電導機器３に流れる電流の分配を必要に応じて積極的に不均一にすることができる。

［第５の実施形態］
図６は本発明の第５の実施形態に係る電流リードを示す立面図である。この実施形態は第２または第３の実施形態の変形であって、高温端側電極１１ａの各突出部３２の長さＬは互いに等しいが、各突出部３２と、これに接続される酸化物超電導導体１０との接触面積が互いに異なるものである。これにより、各接触面での電気抵抗が相違することになる。これにより、第３および第４の実施形態と同様に、各超電導機器３に流れる電流の分配を必要に応じて積極的に不均一にすることができる。

［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば第４の実施形態（図４、図５）では、各突出部３２の厚さが互いに異なることとしたが、各突出部３２の太さ（横断面積）が異なればよいのであって、複数の突出部３２の配列方向の幅が互いに異なるようにしても同様の効果が得られる。

また、第３、第４および第５の実施形態（図３〜図６）の特徴を組み合わせることもできる。すなわち、たとえば、高温端側電極１１ａの各突出部３２の長さＬと太さ、さらには各突出部３２と酸化物超電導導体１０との接触面積を種々に変えて組み合わせてもよい。

また、上記実施形態では真空断熱容器内に収容する超電導機器として超伝導マグネットを例にとって説明したが、その他の超電導機器であってもよい。

また、上記実施形態の説明における上下関係は説明の便宜のためであって、本発明は重力の方向にかかわりなく適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る電流リードとその周辺を示す立面図。 本発明の第２の実施形態に係る電流リードを示す立面図。 本発明の第３の実施形態に係る電流リードを示す立面図。 本発明の第４の実施形態に係る電流リードを示す立面図。 図４の電流リードのＶ−Ｖ線矢視水平断面図。 本発明の第５の実施形態に係る電流リードを示す立面図。

符号の説明

１・・・電流リード
１ａ・・・常伝導電流リード
２・・・真空断熱容器
３・・・超電導マグネット（超電導機器）
５・・・冷凍機
６・・・伝熱板
７・・・絶縁板
８・・・電流導入端子
１０・・・酸化物超電導導体
１１ａ・・・高温端側電極
１１ｂ・・・低温端側電極
１２・・・スリット（切り欠き）
３０・・・電源
３２・・・突出部

Claims (7)

1. 低温に冷却されて超電導状態に置かれる複数の超電導機器と、
   前記複数の超電導機器を共通して収容する真空断熱容器と、
   前記真空断熱容器の外側の電源と前記複数の超電導機器とを接続し、前記真空断熱容器とは電気的に絶縁された電流リードと、
   を有する超電導装置において、
   前記電流リードは、
   前記真空容器を貫通し良導電性金属からなり、前記複数の超電導機器に共通の常伝導電流リード部と、
   良導電性金属からなり、前記真空容器内に配置されて前記常伝導電流リード部が接続された、前記複数の超電導機器に共通の高温端側電極と、
   前記高温端側電極と前記複数の超電導機器とを個々に接続する複数の酸化物超電導導体と、
   を有すること、を特徴とする超電導装置。
2. 前記酸化物超電導導体は、酸化物超電導バルク材あるいは酸化物超電導薄膜テープ線材で構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の超電導装置。
3. 前記高温端側電極は、前記複数の酸化物超電導導体のそれぞれが接続された複数の分岐部を有すること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導装置。
4. 前記高温端側電極の複数の分岐部の長さが、前記複数の超電導機器の各所要電流の大きさに応じて互いに異なること、を特徴とする請求項３に記載の超電導装置。
5. 前記高温端側電極の複数の分岐部の太さが、前記複数の超電導機器の各所要電流の大きさに応じて互いに異なること、を特徴とする請求項３または請求項４に記載の超電導装置。
6. 前記高温端側電極と前記複数の酸化物超電導導体の各接触面積が、前記複数の超電導機器の各所要電流の大きさに応じて互いに異なること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の超電導装置。
7. 共通の真空断熱容器内に収容され低温に冷却されて超電導状態に置かれる複数の超電導機器と、前記真空断熱容器の外側の電源と、を接続し、前記真空断熱容器とは電気的に絶縁された電流リードであって、
   前記真空容器を貫通し良導電性金属からなり、前記複数の超電導機器に共通の常伝導電流リード部と、
   良導電性金属からなり、前記真空容器内に配置されて前記常伝導電流リード部が接続された、前記複数の超電導機器に共通の高温端側電極と、
   前記高温端側電極と前記複数の超電導機器とを個々に接続する複数の酸化物超電導導体と、
   を有すること、を特徴とする電流リード。

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