JP4808474B2 - 高温超電導電流リード基礎特性試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温超電導電流リード（ＨＴＳリード）基礎特性試験装置に係り、特に、ＨＴＳリードの電気的特性、熱的特性等の基礎特性を評価するための装置に関するものである。

ＨＴＳリードは低発熱かつ低熱侵入といった特長を有しており、常温から低温環境下へ電流を供給する際の、電流入出経路の一部として応用が進んでいる。
より具体的には、図９及び図１０に示すように、ＨＴＳリードを組み込んだ磁場発生装置が提案されている（非特許文献１参照）。すなわち、図９に示すように、樹脂含浸により機械的強度を向上した高温超電導体を用いたＨＴＳリード１０１が超電導コイル１０２の接続部に配置されるようになっている。なお、１０３は冷凍機、１０４はタンク外槽、１０５は液体ヘリウム溜の熱シールド、１０６は液体ヘリウム溜、１０７はパワーリード、１０８は８０Ｋアンカー、１０９は超電導コイル１０２の熱シールド、１１０は超電導コイル１０２の外槽である。

また、図１０は樹脂含浸ＨＴＳリードの平面図を示しており、２００はＨＴＳリード、２０１は高温側端子、２０２は低温側端子、２０３は樹脂部分、２０４は高温超電導体を示している。
低温工学 ３９巻３号 ２００４年 ｐｐ８０−８４

しかしながら、かかるＨＴＳリードは過酷な雰囲気にあるため、そのＨＴＳリードの信頼性を確保するには、十分なＨＴＳリード基礎特性試験が必要である。
本発明は、上記状況に鑑みて、迅速、かつ的確にＨＴＳの基礎特性を試験できるＨＴＳリード基礎特性試験装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ＨＴＳリード基礎特性試験装置において、熱シールド本体と、この熱シールド本体に支持される電磁石と、この電磁石による磁場内に配置される高温超電導電流リード試験体と、この高温超電導電流リード試験体にリード接続部を介して印加される温度を設定する温度設定手段とを具備する高温超電導電流リード基礎特性試験装置であって、前記電磁石が前記高温超電導電流リード試験体と直列に接続されることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記電磁石が超電導磁石であることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記高温超電導電流リード試験体はリードアダプタを付設し、このリードアダプタの付け替えにより、各種の高温超電導電流リードの試験および前記高温超電導電流リード試験体の熱侵入量の試験を可能にすることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記高温超電導電流リード試験体に直列に通電用高温超電導電流リードを配置することを特徴とする。
〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記温度設定手段が前記高温超電導電流リードにリード接続部を介して印加される温度を調整可能なヒータ温度調整付き冷凍機であることを特徴とする。

〔６〕上記〔５〕記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記温度設定手段による温度設定範囲が２Ｋ〜１００Ｋであることを特徴とする。
〔７〕上記〔５〕記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記高温超電導電流リードの温度が４Ｋ〜８０Ｋであることを特徴とする。
〔８〕上記〔５〕記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記冷凍機が前記高温超電導電流リード試験体の第１の接続リードの温度を設定する第１の冷凍機と、前記高温超電導電流リード試験体の第２の接続リードの温度を設定する第２の冷凍機からなることを特徴とする。

〔９〕上記〔８〕記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記第１の接続リードの温度が５０〜１００Ｋ、第２の接続リードの温度が２０Ｋ以下であることを特徴とする。
〔１０〕上記〔８〕又は〔９〕記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記第２の接続リードに伝熱板を接続し、この伝熱板と熱流束計を用い熱侵入量を測定することを特徴とする。

〔１１〕上記〔８〕又は〔９〕記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記第１の接続リードと前記第２の接続リードにヒータを取り付けて高温超電導電流リードの温度調整を可能にすることを特徴とする。
〔１２〕上記〔１〕〜〔１１〕の何れか一項記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記リード接続部に電気絶縁性が高く熱伝導性が良い窒化アルミニウムを用いることを特徴とする。

〔１３〕上記〔２〕記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記電磁石を熱アンカに固定することを特徴とする。

本発明によれば、迅速、かつ的確にＨＴＳリード基礎特性試験を行うことができる。

本発明のＨＴＳリード基礎特性試験装置は、熱シールド本体と、この熱シールド本体に支持される電磁石と、この電磁石による磁場内に配置される高温超電導電流リード試験体と、この高温超電導電流リード試験体にリード接続部を介して印加される温度を設定する温度設定手段とを具備する高温超電導電流リード基礎特性試験装置であって、前記電磁石が前記高温超電導電流リード試験体と直列に接続される。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
ＨＴＳリードは低発熱かつ低熱侵入といった特長を有しており、常温から低温環境下へ電流を供給する際の、電流入出経路の一部として応用が進んでおり、その特性試験の信頼度を高める必要がある。
図１は本発明の第１実施例を示すＨＴＳリード基礎特性の試験装置（両端温度差あり）の模式図である。

この図において、１は断熱容器、２はＨＴＳリード（試験体）、３は電磁石、４は低温側電流リード、４Ａは低温側電流リード接続部、５は高温側電流リード、５Ａは高温側電流リード接続部、６は冷却用冷凍機、６Ａは冷却用冷凍機６のコールドヘッド、７は試験体の低温側温度調整用ヒータ、８は試験体の高温側温度調整用ヒータ、１０Ａは第１の常温電流端子、１０Ｂは第２の常温電流端子である。

このように、本発明のＨＴＳリード基礎特性の試験装置は、断熱容器１と、この断熱容器１に支持される電磁石３と、この電磁石３による磁場内に配置されるＨＴＳリード試験体２と、このＨＴＳ試験体２にリード接続部を介して印加される温度を設定する温度設定手段とを備えている。
ここで、低温側電流リード接続部４Ａの温度をＴ_SL、高温側電流リード接続部５Ａの温度をＴ_SHとすると、Ｔ_SL≦Ｔ_SHであり、例えば、４Ｋ＜Ｔ_SL＜８０Ｋ、８０Ｋ＜Ｔ_SH＜３００Ｋである。

図２は本発明の第２実施例を示すＨＴＳリード基礎特性の試験装置（両端温度差あり）の断面図、図３は図２のＡ−Ａ矢視図、図４は図２のＢ−Ｂ矢視図（試験体の配置部分の平面図）、図５はそのＨＴＳリード基礎特性の試験装置の上面図である。
これらの図において、１１は熱シールド本体、１２はＨＴＳリード（試験体）、１２Ａは通電用ＨＴＳリード（保護リード付）、１３は電磁石、１３Ａは電磁石固定フレーム、１４は第１の低温側電流リード、１４Ａは第１の低温側電流リード接続部、１５は第２の低温側電流リード、１５Ａは第２の低温側電流リード接続部、１６は伝熱板、１７は第２の冷却用冷凍機、１８は第２の冷却用冷凍機１７のコールドヘッド、１９は常温側電流リード、２０は熱シールド冷却伝熱板、２１は熱シールド支持体、２２は取付フランジ、２３は第１の冷却用冷凍機、２３Ａは冷却ベース、２４は第１の冷却用冷凍機２３のコールドヘッド、２５は第１の常温電流端子、２６は第２の常温電流端子、２７は排気ポート、２８は計測ポート、２９は真空計である。

ここで、本発明のＨＴＳリード基礎特性試験装置の主要性能としては、（１）最大通電電流が１，０００Ａ、（２）最大印加磁場が０．５Ｔ以上、（３）設定温度範囲は、ＨＴＳリードの高温側端子が５０〜１００Ｋ、低温側端子が２０Ｋ以下である。
また、本発明のＨＴＳリード基礎特性試験の内容は、超電導特性確認試験の場合、次の３条件を組み合わせ、超電導状態を満足する限界条件を確認する。

（１）任意の電流条件（１，０００Ａ以下）
（２）任意の磁場条件（ゼロ磁場あるいは０．５Ｔ以上のある一定値のいずれか）
（３）任意の温度条件（両端の温度差あり又は均一温度条件）
次に、熱侵入量測定試験においては、ＨＴＳリードそのものの熱侵入量を測定する。
本発明のＨＴＳリード基礎試験装置については以下の点に留意する必要がある。

（１）電流リード及び回路
ローレンツ力の働く向きを考慮して磁気回路を構成する。また、リードアダプタの付け替えにより種々のＨＴＳリード（例：Ｙ系、Ｄｙ系、Ｇｄ系、Ｂｉ系他）の評価を可能にする。
図４に示すように、ＨＴＳリードを２本として、通電余裕が大小のものを組み合わせできるようにする（通電余裕の少ない方の限界性能評価を行う）。また、図４に示すように、保護リード（金属系）付きの通電用ＨＴＳリード１２Ａを取り付け、試験用ＨＴＳリード１２と分離する。さらに、バイパス回路（保護リード等）を設ける。なお、保護リード材料としては、例えば、ＳＵＳを用いる。常温側電流リード（液体窒素温度より高温側で使用する部分で銅合金あるいは真鍮製）１９を取替え可能にする。また、熱容量型の常温側電流リードとする。

また、常温側電流リード１９と、ＨＴＳ（液体窒素温度より低温側で使用する部分）電流リードの交換は可能であり、試験体に応じた常温側電流リードとＨＴＳリードの評価ができる。
さらに、非定常無冷却タイプの常温側電流リードの温度測定ができる。
（２）温度調節機構
限界温度（ＨＴＳリードの通電可能温度）の試験をする。限界温度測定を種々のタイプのＨＴＳリードに対して行うことができる。例えば、Ｙ系，Ｄｙ系電流リードは４Ｋ〜９０Ｋの間で使用する。冷凍機を用いて温度設定が容易にできる。

雰囲気ガス（例：ヘリウム、窒素等）による冷却も可能である。
リードの両端を独立に温度制御可能である。
冷凍機１台でＨＴＳリード低温端の温度を制御、高温端の温度は液体窒素等で補償することもできる。
冷凍機複数台で電流リードの両端温度を独立に温度制御することができる。

熱アンカ分離、熱シールド分離を行う。
電流リード接続部に窒化アルミニウムを用いて、伝熱と電気絶縁を同時に実現する。
（３）非一定温度での試験装置
図２〜図５に示すように、冷凍機２台（第１の冷凍機２３と第２の冷凍機１７）により、ＨＴＳリードの両端の温度調整が可能である。温度差の評価のために保護リード有無のＨＴＳリード２本を配置する。

（４）一定温度での試験装置
図６〜図７に示すように、ＨＴＳリードの温度を一定の状態に維持して測定する。つまり、伝熱板（アンカ板）によって温度を一定に保持して測定する。試料スペースを冷凍機に直付けして、温度差を小さくできる。試験台の熱容量を小さくして温度の均一性を高めることができる。リードにヒータを取り付けてＨＴＳリード温度調節を行う。

（５）熱侵入量測定装置
伝熱板と熱流束計を用い熱侵入量を測定できる。さらに、アダプター付け替えによりＨＴＳリードの熱侵入量測定が可能である。
（６）支持機構
冷却ステージと磁石固定フレームを分離して支持できる吊り下げ構造とする。

（７）電磁石
第２実施例では、電磁石１３を用いた磁気回路構造（サンプルホルダ付）とした。また、電磁石１３として超電導バルク磁石を用いることもできる。
そして、電磁石１３を用いてＨＴＳリード１２に磁場を印加する。なお、鉄ヨークを用いて磁場を集中させてＨＴＳリード１２に磁場を印加することができる。その場合、ＦＲＰで熱絶縁するサンプルホルダ構成とする。電磁石に流す電流を変えることによって印加磁場に変化を与えることができる。そのことにより、ＨＴＳリードの耐磁場特性を把握することができる。ＨＴＳリードの支持では、歪み、撓みを防止する構成となっている。

次に、ＨＴＳリード（試験体）に対する印加磁石を、脱着可能な電磁石で構成することができる。また、超電導コイルで磁場を印加するように構成することができる。
次に、ＨＴＳリード（試験体）の試験に際しては、
（１）熱暴走監視システムを設ける。
（２）電磁石表面にホール素子を付けて中心磁場を予測する。

（３）電圧タップを引出して、超電導状態を監視する。
（４）温度センサをＨＴＳリードの端子部に取り付ける。
（５）電圧、温度によるＨＴＳリードの劣化の検知を行う。
（６）ＨＴＳリードに電圧端子を設ける。
また、ＨＴＳリード（試験体）の温度コントロールは通常（Ｃｕ）リード発熱のキャンセルを行うことによって行う。電導−超電導転移の検知（サーチコイル）を配置する。

上記したように、第１及び第２実施例では、
（１）通電電流の試験は、電気抵抗がゼロ状態のままＨＴＳリード（試験体）１２に流れる電流と電圧の関係を測定することにより、ＨＴＳリード（試験体）１２の通電電流特性を試験することができる。
（２）印加磁場の試験は、電磁石１３によるＨＴＳリード（試験体）１２への磁場の印加により行う。

（３）温度の試験は、ＨＴＳリード（試験体）１２の高温側端子を、高温ステージを５０Ｋ〜１００Ｋ、低温側端子を２０Ｋ以下へと種々設定することができる。つまり、第１の冷却用冷凍機２３と第２の冷却用冷凍機１７のそれぞれの冷凍条件を変化させることにより、一端は例えば８０Ｋ、他端は例えば４Ｋとすることにより、ＨＴＳリード（試験体）１２の温度勾配を与えた場合の通電特性の試験を行うことができる。

図６は本発明の第３実施例を示すＨＴＳリードの試験装置（両端温度一定）の断面図、図７は図６のＣ−Ｃ矢視図である。
これらの図において、３１は熱シールド本体、３２はＨＴＳリード（試験体）、３３は電磁石、３３Ａは電磁石固定フレーム、３４，３５は低温側電流リード、３７は冷却ベース、３８は高温側電流リード、３９は熱シールド冷却伝熱板、４０は熱シールド支持体、４１は取付フランジ、４２は冷却用冷凍機、４３は冷却用冷凍機４２のコールドヘッド、４４は第１の常温電流端子、４５は第２の常温電流端子である。

このように構成したので、
（１）通電電流の試験は、ＨＴＳリード（試験体）３２に流れる電流と電圧との関係を測定することにより、ＨＴＳリード（試験体）３２の通電電流特性を試験することができる。
（２）印加磁場の試験は、電磁石３３によるＨＴＳリード（試験体）３２への磁場の印加により行う。

（３）温度の試験は、ＨＴＳリード（試験体）３２の設定温度範囲を、冷却用冷凍機４２の冷凍条件を変化させることにより、ＨＴＳリード（試験体）３２の印加温度を変化させて試験を行うことができる。
次に、印加磁石としてコイルを用いる場合について説明する。
図８は本発明の第４実施例を示すＨＴＳリードの試験装置の模式図である。

この図に示すように、熱シールド本体５１内に磁場発生装置（コイル）５２と直列にＨＴＳリード（試験体）５３を接続して、磁場発生装置（コイル）５２の第１の常温電流端子５４とＨＴＳリード（試験体）５３の第２の常温電流端子５５との間に電源５６を接続するようにしている。また、５７は外槽、５８は冷凍機であり、磁場発生装置（コイル）５２は冷凍機５８により冷やされるように構成されている。

（１）通電電流の試験は、ＨＴＳリード（試験体）５３に流れる電流と電圧の関係を測定することにより、ＨＴＳリード（試験体）５３の通電電流特性を試験することができる。
（２）印加磁場の試験は、図８に示すように、ＨＴＳリード（試験体）５３の通電電流に対応した磁場をＨＴＳリード（試験体）５３に印加することができる。その通電電流を変化させることにより、ＨＴＳリード（試験体）５３の印加磁場の試験を行うことができる。

（３）温度の試験は、図示していないが、上記第１及び第２実施例と同様に実施することができる。
したがって、ＨＴＳリード（試験体）５３に流す電流を用いて磁場発生装置（コイル）５２により磁場を発生させることにより、ＨＴＳリード（試験体）５３の磁気特性を広範囲に試験することができる。

また、ＨＴＳリードの実施例としては、磁気浮上式鉄道車両に搭載された電流リードがあり、この電流リードが通電されるのは、超電導磁石装置の励磁、消磁動作の時であり、この時に超電導磁石装置が発生する磁場の大きさが変化する。それを本実施例では模擬することができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のＨＴＳリード基礎特性試験装置は、磁気浮上式鉄道車両に搭載される超電導磁石装置に組み込まれるＨＴＳリードの高信頼性の試験装置として利用可能である。

本発明の第１実施例を示すＨＴＳリード基礎特性の試験装置（両端温度差あり）の模式図である。 本発明の第２実施例を示すＨＴＳリードの基礎特性試験装置（両端温度差あり）の断面図である。 図２のＡ−Ａ矢視図である。 図２のＢ−Ｂ矢視図（試験体の配置部分の平面図）である。 本発明の第２実施例を示すＨＴＳリード基礎特性試験装置の上面図である。 本発明の第３実施例を示すＨＴＳリード基礎特性試験装置（両端温度一定）の断面図である。 図６のＣ−Ｃ矢視図である。 本発明の第４実施例を示すＨＴＳリード基礎特性試験装置の模式図である。 従来のＨＴＳリードを組み込んだ磁場発生装置の模式図である。 従来の樹脂含浸ＨＴＳリードの平面図である。

１ 断熱容器
１１，３１，５１ 熱シールド本体
２，１２，３２，５３ ＨＴＳリード（試験体）
３，１３，３３ 電磁石
４，３４，３５ 低温側電流リード
４Ａ 低温側電流リード接続部
５，１９，３８ 高温側電流リード
５Ａ 高温側電流リード接続部
６，４２ 冷却用冷凍機
６Ａ，４３ 冷却用冷凍機のコールドヘッド
７ 試験体の低温側端子温度調整用ヒータ
８ 試験体の高温側端子温度調整用ヒータ
１０Ａ，２５，４４，５４ 第１の常温電流端子
１０Ｂ，２６，４５，５５ 第２の常温電流端子
１２Ａ 通電用ＨＴＳリード（保護リード付）
１３Ａ，３３Ａ 電磁石固定フレーム
１４ 第１の低温側電流リード
１４Ａ 第１の低温側電流リード接続部
１５ 第２の低温側電流リード
１５Ａ 第２の低温側電流リード接続部
１６ 伝熱板
１７ 第２の冷却用冷凍機
１８ 第２の冷却用冷凍機のコールドヘッド
２０，３９ 熱シールド冷却伝熱板
２１，４０ 熱シールド支持体
２２，４１ 取付フランジ
２３ 第１の冷却用冷凍機
２３Ａ，３７ 冷却ベース
２４ 第１の冷却用冷凍機のコールドヘッド
２７ 排気ポート
２８ 計測ポート
２９ 真空計
５２ 磁場発生装置（コイル）
５６ 電源
５７ 外槽
５８ 冷凍機

Claims (13)

1. 熱シールド本体と、該熱シールド本体に支持される電磁石と、該電磁石による磁場内に配置される高温超電導電流リード試験体と、該高温超電導電流リード試験体にリード接続部を介して印加される温度を設定する温度設定手段とを具備する高温超電導電流リード基礎特性試験装置であって、
   前記電磁石が前記高温超電導電流リード試験体と直列に接続されることを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
2. 請求項１記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記電磁石が超電導磁石であることを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
3. 請求項１又は２記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記高温超電導電流リード試験体はリードアダプタを付設し、該リードアダプタの付け替えにより、各種の高温超電導電流リードの試験および前記高温超電導電流リード試験体の熱侵入量の試験を可能にすることを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
4. 請求項１又は２記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記高温超電導電流リード試験体に直列に通電用高温超電導電流リードを配置することを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
5. 請求項１又は２記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記温度設定手段が前記高温超電導電流リードにリード接続部を介して印加される温度を調整可能なヒータ温度調整付き冷凍機であることを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
6. 請求項５記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記温度設定手段による温度設定範囲が２Ｋ〜１００Ｋであることを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
7. 請求項５記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記高温超電導電流リードの温度が４Ｋ〜８０Ｋであることを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
8. 請求項５記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記冷凍機が前記高温超電導電流リード試験体の第１の接続リードの温度を設定する第１の冷凍機と、前記高温超電導電流リード試験体の第２の接続リードの温度を設定する第２の冷凍機からなることを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
9. 請求項８記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記第１の接続リードの温度が５０〜１００Ｋ、第２の接続リードの温度が２０Ｋ以下であることを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
10. 請求項８又は９記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記第２の接続リードに伝熱板を接続し、該伝熱板と熱流束計を用い熱侵入量を測定することを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
11. 請求項８又は９記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記第１の接続リードと前記第２の接続リードにヒータを取り付けて高温超電導電流リードの温度調整を可能にすることを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
12. 請求項１〜１１の何れか一項記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記リード接続部に電気絶縁性が高く熱伝導性が良い窒化アルミニウムを用いることを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。
13. 請求項２記載の高温超電導電流リード基礎特性試験装置において、前記電磁石を熱アンカに固定することを特徴とする高温超電導電流リード基礎特性試験装置。