JP5284158B2 - 電流リード - Google Patents

Description

本発明は、超電導機器に用いられる電流リードに関するものである。

従来、超電導機器においては、液体窒素などにより冷却された超電導コイルと、室温に置かれた電源とを接続する必要がある。このため、低温領域と室温領域とを電気的に接続する電流リードが用いられる。

このような電流リードには、通電時の電気抵抗が小さく、大電流を流すことができることが可能であるとともに、電流が流れていない時、もしくは電流が小さい場合には、低温領域への熱の侵入を防止する必要がある。

しかしながら、大きな電流を流すためには、通常、導体の断面積を大きくしたり、導体の長さを短くするなど電気抵抗を小さくする必要があるが、熱の侵入を抑えるためには、逆に導体の断面積を小さくし、導体を長くする必要があり、両者の性能を併せ持つことは困難である。

このような、大電流が通電可能で、かつ、熱侵入が少ない電流リードとしては、例えば、スパイラル形状の正の線膨張係数を有する電流リード導体の周囲に、負の線膨張係数を有する材料を配置した電流リードがある（特許文献１）。

特開２００７−２５０９７２号公報

しかし、特許文献１に記載の電流リードでは、導体の形状をスパイラル形状やミアンダ状にする必要があり、構造が複雑となる。このため、電流リードの加工や導体同士の間隔（スパイラル状のピッチなど）の設定などが困難であるという問題がある。

また、例えばスパイラル状の導体は、無通電時には互いに離れることで、導体の経路長さが長くなり、かつ断面積は小さくなるが、熱が導体内を熱伝導により伝わることには変わりなく、例えば電気抵抗の小さな銅を用いたのでは、銅は熱伝導も良いため、熱の侵入をより抑えるためには、非常に細かなスパイラル形状にするなどの必要があり、製造上の問題や精度の問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、大電流を流すことが可能であるとともに、無通電時または電流の小さな時には、極めて効率良く熱の侵入を防止することができる電流リードを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、第１の発明は、両端に設けられる一対の端子部と、一対の前記端子部間に隙間部を介して設けられる導体と、前記端子部同士を接続し、前記導体よりも線膨張係数の小さい低線膨張部材と、を具備し、前記低線膨張部材は、導電性を有し、前記端子同士を導通することを特徴とする電流リードである。

前記導体の電気抵抗および熱抵抗は前記低線膨張部材の電気抵抗および熱抵抗よりも小さいことが望ましい。前記低線膨張部材は、負の線膨張係数を有する部材と、前記部材内に設けられ、前記端子同士と接触可能な導線と、を有してもよく、この場合、前記部材は、負の線膨張係数を有する繊維または負の線膨張係数を有する繊維を含む複合体であってもよい。

前記導体と前記低線膨張部材とが接触してもよい。ただし、この場合、導体と低線膨張部材とが互いに拘束されず摺動可能である必要がある。

前記導体は柱状の導電部材であり、前記低線膨張部材は、少なくとも前記導体の外周の一部に設けられてもよく、また、前記導体は筒状の導電部材であり、前記低線膨張部材は、少なくとも前記導体の内周の一部に設けられてもよい。

前記電流リードの内周および／または外周には断熱構造が設けられることが望ましい。

第１の発明によれば、一対の端子部が低線膨張部材により接続されているため、無通電時には、熱が熱伝導率の低い低線膨張部材のみによって伝わる。このため、低温側への熱の侵入を効率良く防止することができる。また、大電流が流されると、発熱により導体が大きく膨張する（伸びる）ことで、隙間がなくなるため、端子同士と導体とが接触し、導体を通じて大電流を流すことができる。

特に、導体の熱抵抗および電気抵抗が低線膨張部材よりも小さければ、導体と端子が接触して導体を通じて大電流を流すことが可能であるとともに、無通電時（または低電流時）には、熱は低線膨張部材のみを伝わるため、熱の侵入を効率良く抑えることができる。

また、低線膨張部材と導体とが接触していれば、低線膨張部材への通電による発熱を効率良く導体に伝えることができる。このため、導体の熱膨張および低線膨張部材が負の線膨張係数を有していれば低線膨張部材の収縮によって、確実に導体と端子とを接触させることができる。

また、電流リードの内外を覆うように断熱構造が設けられれば、低線膨張部材への通電により生じる熱が周囲に逃げず、効率良く導体へ伝えることができ、また、周囲から熱が侵入することを防止することができる。

本発明によれば、大電流を流すことが可能であるとともに、無通電時または電流の小さな時には、極めて効率良く熱の侵入を防止することができる電流リードを提供することができる。

電流リード１を示す斜視断面図。 電流リード１を示す図で、（ａ）は側方断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 電流リード１に対し、電流が流れる状態を示す図。 電流リード１の温度と電気抵抗の関係を示す概念図。 電流リード２０を示す斜視断面図。 電流リード２０を示す図で、（ａ）は側方断面図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ線断面図。 電流リード１ａ、２０ａを示す側方断面図。 電流リード１ｂ、２０ｂを示す断面図。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、電流リード１を示す斜視断面図であり、図２（ａ）は電流リード１の側方断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。電流リード１は、主に端子３ａ、３ｂ、低線膨張部材５、導体７等から構成される。

端子３ａ、３ｂは、それぞれ超電導コイルおよび励磁電源に接続される。すなわち、一方の端子（例えば端子３ａ）は、室温に設置される電源と接続され、他方の端子（例えば端子３ｂ）は、低温側である超電導コイルと接続される。なお、端子３ａ、３ｂはいずれを電源側、超電導コイル側としてもよい。

一対の端子３ａ、３ｂ同士は、低線膨張部材５で接合される。低線膨張部材５は、略円形の端子３ａ、３ｂの側面を覆い、両端子間にまたがるよう設けられる。

図２（ｂ）に示すように、低線膨張部材５は、低線膨張材料１３と低線膨張材料１３内設けられる導線１５で構成される。低線膨張材料１３は、導体７よりも線膨張係数が小さな材料であり、望ましくは負の線膨張係数を有する材料である。負の線膨張係数を有する材料としては、例えば負の線膨張係数を有する繊維などが用いられ、この場合、繊維単体のみでなく、繊維と樹脂等の複合体を用いることができる。このような材料としては、例えば、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾールを結晶紡糸した東洋紡績社製の「ザイロン」（登録商標）や、超高分子量ポリエチレンである東洋紡績社製「ダイニーマ」（登録商標）などを使用することができる。

導線１５としては、導電性を有すれば良く、例えば銅線が使用できる。なお、導線１５は端子３ａ、３ｂと導通している。

なお、低線膨張部材５としては、この他にも例えばカーボン製などが使用できる。カーボンを使用した場合、導体としてカーボンよりも線膨張係数が大きな金属等を使用すればよく、また、カーボン自体が導電性を有するため、導線を用いる必要がない。この場合には、例えば低線膨張部材５と導体７との間を絶縁しておくことが望ましい。

低線膨張部材５の内部には、円柱状の導体７が設けられる。すなわち、導体７の外周には導体７を覆うように低線膨張部材５が設けられる。導体７は、電気抵抗が小さく、かつ線膨張係数が大きな材料であることが望ましく、例えば銅製である。なお、導体７の断面積は導線１５の断面積と比較して極めて大きく、このため、低線膨張部材５に対して電気抵抗および熱抵抗が極めて小さい。

導体７の一方の端部は、端子３ｂと接触している。導体７の他方の端部は端子３ａと隙間１１をあけて設けられる。すなわち、導体７は端子３ａ、３ｂ間に亘って隙間１１を介して設けられる。なお、隙間１１は、導体７と低線膨張部材５との線膨張係数の差や、導体７等の長さ、電流リード１に流される電流と当該電流による低線膨張部材５（導線１５）の発熱量等により設定される。すなわち、所定量以下の電流では隙間１１が維持され、所定量以上の電流が流れた際に、隙間１１がなくなるように設定される。通電による隙間１１の変化については後述する。

導体７は、導体７の外周部が低線膨張部材５と接触するように設けられる。なお、低線膨張部材５内の導線１５と導体７とは接触せず、低線膨張部材５と導体７とは絶縁状態であることが望ましい。また、導体７と低線膨張部材５との接触面は接合されておらず、導体７の外周面と低線膨張部材５の内周面とは互いに摺動可能である。

低線膨張部材５の外周部には必要に応じて断熱構造としての断熱材９が設けられる。断熱材９は、低線膨張部材５から発生する熱が外部へ逃げることを防止するとともに、外部から低線膨張部材５等へ熱が侵入することを防止する。断熱材９を用いる場合には、絶縁性を有し熱伝導率の低い材質であり、接触する低線膨張部材５等に影響を与えず、各部材の動きを妨げない材質とすれば良い。また、断熱材９に代えて、真空断熱層としてもよく、または全体を真空中に設置することもできる。

次に、電流リード１の機能について説明する。図３は電流リード１に電流を流した場合に、流れる電流の経路等を示す図である。まず、図３（ａ）に示すように、無通電状態の電流リード１に対し端子３ａから低電流を流した場合、電流は端子３ａから（図中矢印Ｂ）低線膨張部材５を通過して（図中矢印Ｃ）、端子３ｂ側に流れる（図中矢印Ｄ）。

低電流であれば、導線１５のみによって通電可能であるため、電流リード１はそのままの状態で使用できる。この場合、導体７と端子３ａとは隙間１１が設けられ、導体７と端子３ａとが接触しないため、導体７は電気および熱を端子３ａ、３ｂ間で伝えることがない。したがって、端子３ａ、３ｂ間は低線膨張部材５のみによって導通されており、端子間の熱も低線膨張部材５を介して伝わる。低線膨張部材５は、導体７と比較して極めて熱抵抗が大きいため、低温側の超電導コイルへの熱の侵入を抑えることができる。

低線膨張部材５内の導線１５は線径が小さく、導線１５の電気抵抗が大きいため、導線１５に大きな電流が流れると、導線１５が発熱する。すなわち、低線膨張部材５の温度が上昇する。低線膨張部材５の温度が上昇すると、図３（ｂ）に示すように、負の線膨張係数を有する低線膨張部材５は収縮する（図中矢印Ｅ）。

一方、低線膨張部材５より発生した熱は、導体７に伝わる。すなわち、導体７の温度が上昇する。導体７の温度が上昇すると、図３（ｂ）に示すように、導体７が膨張する（図中矢印Ｆ）。すなわち、導体７は低線膨張部材５に対して膨張する（軸方向へ伸びる）。

なお、低線膨張部材５の線膨張係数が正である場合には、低線膨張部材５の温度上昇に伴い、低線膨張部材５も膨張する（例えば導体７の図中矢印Ｆと同じ）。しかし、少なくとも、低線膨張部材５の線膨張係数が、導体７の線膨張係数よりも小さければ、低線膨張部材５よりも、導体７の方が、相対的に膨張量が大きくなる。したがって、導体７は低線膨張部材５に対して相対的に矢印Ｆ方向に膨張する（軸方向へ伸びる）。

低線膨張部材５の膨張（負の膨張も含む）に対する導体７の膨張量が、無通電時における隙間１１の間隔よりも大きくなると、図３（ｃ）に示すように、隙間１１がなくなり、導体７は端子３ａと接触する。この状態では、端子３ａより流れる電流（図中矢印Ｂ）は、電気抵抗のより小さい導体７中を流れ（図中矢印Ｇ）、端子３ｂへ流れる（図中矢印Ｄ）。導体７は低線膨張部材５（導線１５）に対して電気抵抗が十分に小さいため、大電流を流すことができる。

通電がなくなると（または低電流になると）、低線膨張部材５（導線１５）の発熱量がなくなり（または小さくなり）、これに伴い、導体７の温度が低下する。したがって、低線膨張部材５に対して導体７は収縮する。導体７の収縮により、導体７と端子３ａとの間に隙間１１が生じ、導体７を伝わる熱伝導の経路が断たれる。したがって、低温側への熱の侵入が防止できる。

図４は、電流リード１の温度と電気抵抗との関係を示す図である。電気抵抗は、所定温度以下で極めて大きく、所定温度を超えると急激に小さくなる。すなわち、電流リード１が常温（通常の使用方法で使用される際の無通電時の電流リード温度）では、極めて大きな電気抵抗を示す。この状態では、導体７と端子３ａとの間に隙間１１が形成されているため、電流は低線膨張部材５の導線１５のみにより流れる（図３（ａ））。

電流リード１（低線膨張部材５および導体７）の温度が上昇し、ある所定温度以上となると、電流リード１の電気抵抗は急激に低下する。この状態では、導体７が低線膨張部材５に対して膨張し、端子３ａ、３ｂが導体７によって導通する。したがって、電流は、導体７を流れる（図３（ｃ））。

このように、電流リード１に通電し、通電により低線膨張部材５（導線１５）が発熱する状態よりも低温側では、電気抵抗は高い状態を維持する。また、電流リード１にわずかに電流を流した場合でも、電気抵抗を高いままである。電流リード１に所定以上の電流を流すことで、低線膨張部材５（導線１５）に大きな発熱を生じると、電流リード１の抵抗値は急激に低下し、大電流を流すことができる。

以上説明したように、第１の実施形態にかかる電流リード１によれば、無通電時や低電流通電時においては、導体７と端子３ａとの間に隙間１１が形成されるため、低線膨張部材５のみによって熱が伝わり、低温側への熱の侵入を防止することができる。

また、大電流が流された場合には、線径が細く、大きな電気抵抗を有する低線膨張部材５（導線１５）が発熱し、これによって導体７が低線膨張部材５に対して膨張するため、導体７と端子３ａとが接触して、導体７内を電流が流れる。このため、電流リード１の電気抵抗が小さくなり、大電流を流すことが可能である。

また、低線膨張部材５（低線膨張材料１３）と導体７とが接触しているため、低線膨張部材５（導線１５）の発熱による熱が、効率良く導体７へ伝わり、導体７を確実に膨張させることができる。

また、低線膨張部材５の外周に断熱材が設けられるため、低線膨張部材５からの熱が外部に逃げることがなく、また、外部から低線膨張部材５を経由して端子３ａ等の低温側に熱が侵入することがない。

次に、第２の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態において、図１〜図３に示す電流リード１と同一の機能を果たす構成要素には、図１〜図３と同一番号を付し、重複した説明を避ける。

図５は、第２の実施の形態にかかる電流リード２０を示す斜視断面図であり、図６（ａ）は電流リード２０の側方断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＨ−Ｈ線断面図である。電流リード２０は、電流リード１に対して、導体７と低線膨張部材５の位置関係が異なる。

端子３ａ、３ｂの対向面はそれぞれ低線膨張部材５と接合される。図６（ｂ）に示すように、低線膨張部材５内には導線１５が設けられ、端子３ａ、３ｂが導通する。

低線膨張部材５の外周には低線膨張部材５を覆うように、円筒状の導体７が設けられる。すなわち、円筒状の導体７の内周全面を覆うように、低線膨張部材５が設けられ、導体７と低線膨張部材５とは接触する。導体７の一方の端部は端子３ｂと接触する。導体７の他方の端部は端子３ａと接触せず、隙間１１が形成される。すなわち、端子３ａ、３ｂ間に亘って導体７が隙間１１を介して設けられる。

低線膨張部材５の内面には必要に応じて断熱構造としての断熱材９ａが設けられる。断熱材９ａは低線膨張部材５より発生した熱が逃げることを防止し、効率良く導体７に熱を伝えるためのものである。なお、断熱材９ａに代えて、低線膨張部材５内を断熱構造としての真空構造とすることもできる。また、低線膨張部材５を円柱状とすれば、内部の断熱材９ａは不要である。

導体７の外周には必要に応じて断熱材９ｂが設けられる。断熱材９ｂは、低線膨張部材５より導体７に伝わった熱が外部へ逃げることを防止するとともに、外部から導体７を通じて端子３ｂ等へ熱が侵入することを防止する。なお、断熱材９ｂに代えて、断熱構造としての真空断熱層としてもよく、または全体を真空中に設置することもできる。

第２の実施の形態にかかる電流リード２０によれば、電流リード１と同様の効果を得ることができる。また、低線膨張部材５の内面に断熱材９ａが設けられるため、低線膨張部材５の熱を効率良く導体７へ伝えることができ、また、導体７の外周に断熱材９ｂを設けることで、導体７から熱が逃げることや、外部から導体７を介して熱が端子３ａ等へ侵入することを防止することができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば、図７（ａ）に示す電流リード１ａのような態様でも良い。すなわち、電流リード１のように低線膨張部材５と導体７とが接触しておらず、隙間があいていてもよい。この場合でも、低線膨張部材５と導体７とは端子３ｂを介して熱が伝導し、さらに低線膨張部材５と導体７との隙間が小さければ、低線膨張部材５から導体７へ熱が伝達される。

同様に、図７（ｂ）に示す電流リード２０ａのような態様でも良い。すなわち、電流リード２０のように低線膨張部材５と導体７とが接触しておらず、隙間があいていてもよい。この場合でも、低線膨張部材５と導体７とは端子３ｂを介して熱が伝導し、さらに低線膨張部材５と導体７との隙間が小さければ、低線膨張部材５から導体７へ熱が伝達される。

また、図８（ａ）に示す電流リード１ｂのような態様でも良い。すなわち、電流リード１のように低線膨張部材５が導体７の周囲全体を覆うように設けられておらず、導体７の外周の一部にのみ設けられてもよい。この場合でも、低線膨張部材５は端子３ａ、３ｂと接続され、導体７へ熱を伝えることができればよい。

同様に、図８（ｂ）に示す電流リード２０ｂのような態様でも良い。すなわち、電流リード２０のように低線膨張部材５が導体７の内周面全体を覆うように設けられておらず、導体７の内周の一部にのみ設けられてもよい。この場合でも、低線膨張部材５は端子３ａ、３ｂと接続され、導体７へ熱を伝えることができればよい。

また、以上説明した電流リードは全て円断面形状であったが、矩形断面形状など他の断面形状であってもよい。この場合、電流リードの断面形状に応じて、導体７の断面形状や低線膨張部材の配置を変更すれば良い。

また、隙間１１は必ずしも端子３ａと導体７との間に設けられる必要はない。例えば、導体７を２分割し、それぞれの導体７、７の両端を端子３ａ、３ｂと接触させ、一対の導体７、７間に隙間１１を設けてもよい。すなわち、端子３ａ、３ｂ間に導体７が隙間を介して配置されていれば、隙間１１が導体７、７同士の間に設けられてもよい。さらに、例えば電流リードを横置きした場合などにおいては、導体７と端子３ａ、３ｂそれぞれの間に隙間１１を複数箇所設けてもよい。

１、１ａ、１ｂ、２０、２０ａ、２０ｂ………電流リード
３ａ、３ｂ………端子
５………低線膨張部材
７………導体
９、９ａ、９ｂ………断熱材
１１………隙間
１３………低線膨張材料
１５………導線

Claims (8)

1. 両端に設けられる一対の端子部と、
   一対の前記端子部間に隙間部を介して設けられる導体と、
   前記端子部同士を接続し、前記導体よりも線膨張係数の小さい低線膨張部材と、
   を具備し、
   前記低線膨張部材は、導電性を有し、前記端子同士を導通することを特徴とする電流リード。
2. 前記導体の電気抵抗および熱抵抗は前記低線膨張部材の電気抵抗および熱抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の電流リード。
3. 前記低線膨張部材は、
   負の線膨張係数を有する部材と、
   前記部材内に設けられ、前記端子同士と接触可能な導線と、
   を有す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電流リード。
4. 前記部材は、負の線膨張係数を有する繊維または負の線膨張係数を有する繊維を含む複合体であることを特徴とする請求項３記載の電流リード。
5. 前記導体と前記低線膨張部材とが接触することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流リード。
6. 前記導体は柱状の導電部材であり、前記低線膨張部材は、少なくとも前記導体の外周の一部に設けられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流リード。
7. 前記導体は筒状の導電部材であり、前記低線膨張部材は、少なくとも前記導体の内周の一部に設けられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流リード。
8. 前記電流リードの内周および／または外周には断熱構造が設けられることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の電流リード。

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