JP5959062B2

JP5959062B2 - 電流リード装置

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Publication number: JP5959062B2
Application number: JP2012538735A
Authority: JP
Inventors: 山口　作太郎; 作太郎山口
Original assignee: Chubu University Educational Foundation
Current assignee: Chubu University Educational Foundation
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: WO2012050205A1; CN103262373A; JPWO2012050205A1; US20130263606A1; DE112011103478T5

Description

［関連出願についての記載］
本発明は、日本国特許出願：特願２０１０−２３１９８９号（２０１０年１０月１４日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、超伝導用電流リードに関する。

超伝導線が接続される低温側端子と常温側端子を接続する電流リードの熱侵入対策として、本願発明者は、ペルチェ電流リード（ＰＣＬ）を用いて熱侵入量を低減する研究を行ってきた。この種の電流リードについては以下の特許文献等が参照される。

しかしながら、電流リードには、更なる熱侵入低減が求められている。

図１は、関連技術の電流リードを説明する図であり、常温端（３００Ｋ）と低温端（７７Ｋ）の間を銅ワイヤー（電流リード）で結んでいる。

温度勾配によって熱が流れるため、銅リード内で発生するオーム発熱は、全て、７７Ｋの低温端に入る。

銅ワイヤーの断面を太くするかワイヤー長を短くすると、電流によるオーム発熱は減少するが、熱伝導による低温への熱侵入は増大する。

一方、銅ワイヤーの断面積を小さくするか、ワイヤー長を長くすると、熱伝導による熱侵入は低減するが、オーム発熱は増大する。

したがって、ワイヤーの長さと、断面積には最適値が存在することになる。

このため、電流リードの設計では、熱流束の方程式を解き、最適解を求めることが必要になる。本発明者は、このようなソフト開発を行い、複数の論文を発表している。

特開平０８−２３６３４２号公報特開２００３−５１６２５号公報特開２００３−４６１５０号公報特開２００４−６８５９号公報特開２００３−２１７７３５号公報

R. Bromberg et al, "Current Lead Optimaization for Cryogenic Operation at Intermediate Temperature", PSFC/JA-09-23, MIT Plasma Science and Fusion Center, Sept. 22, 2009. インターネット＜URL:http://www.sankikeiso.co.jp/TechnicalInformation/Informationrefrigeratingcycle.html＞

上記特許文献１−５及び非特許文献１の全開示内容はその引用をもって本書に繰込み記載する。
以下に、関連技術の分析を与える。

図１に対応する最適解をリードの長さ方向に対する温度分布を図２に、熱流束を図３に示す。図２において、横軸は銅リードの規格化された長さ、縦軸は温度［Ｋ］、図３において、横軸は銅リードの規格化された長さ、縦軸は熱流束［Ｗ］である。ここでは、電流値を１００Ａとしている。リード長は７７Ｋ側が原点であり、ゼロにしていて規格化を行い、３００Ｋに対応する長さが１となっている。温度が３００Ｋに近づくと温度分布の微係数がゼロに近づく。これは、外部からの熱伝導による熱侵入を最小化する。銅リードに電流を流すと発熱するが、温度勾配のため、この発熱は、全て低温側へ流れていく。図３にはこのことが示されている。

このため、低温側の熱流束が大きくなる。したがって、常温端での熱侵入と電流リード全体の発熱の和が全て７７Ｋの冷凍機への熱負荷となる。

最適設計の結果、電流当たりの熱侵入量は、Ｑ_０＝４２．５Ｗ／ｋＡであるが、通常の設計値では５０Ｗ／ｋＡとして行うことが一般的である。したがって、電流が１ｋＡでは、７７Ｋへの熱侵入は５０Ｗ（４２．５Ｗ）であり、７７Ｋでの改良型冷凍機のＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：１Ｗあたりの冷却／加熱能力）を０．１とすると、この熱を常温側に組み上げるためには、５０／０．１＝５００［Ｗ］の電力を消費する（ＣＯＰを＝０．０６７のスターリング冷凍機（アイシン精機社製）では５０／０．０６７＝７４６［Ｗ］）。

したがって、本発明の目的は、低温側への熱侵入の低減を図る電流リードを提供することにある。

本発明によれば、低温側端子と常温側端子間に接続される電流リードを囲むパイプに冷媒ガスを低温側から高温側に流して熱交換させ、常温側で排出された冷媒ガスを複数段の冷凍機を介して前記パイプの低温側に循環させる、電流リードが提供される。

本発明によれば、前記電流リードが、電流が流れることによって吸熱するペルチェ素子を、前記電流リードの常温側、又は、常温側と低温側に備えている。

本発明によれば、低温側への熱侵入の低減を図ることができる。

関連技術の電流リードの構成を示す図である。リード長に対する温度分布を示す図である。リード長に対する熱流速分布を示す図である。関連技術の２段電流リードの構成を示す図である。銅リードの熱流速と温度の関係を示す図である。３段電流リードの構成を示す図である。本発明の実施形態の一例（ガス熱交換型３段電流リード）を示す図である。本発明の実施形態の一例（ガズ熱交換型２段ペルチェ電流リード）を示す図である。冷凍機の原理を説明する図である。本発明の実施形態の一例（電流リード組む込み型冷凍機）を示す図である。関連技術の多段プレイトンサイクル冷凍機（並列型）の構成を示す図である。本発明の実施形態の一例（多段プレイトンサイクル冷凍機の電流リードへの組み込み）を示す図である。本発明の実施形態の一例（冷凍機を組み込んだペルチェ電流リード）を示す図である。

以下では、まず、本発明の前提を説明し、つづいて実施形態を説明する。ＭＩＴ（マサチューセッツ工科大学）のＭｉｎｅｒｖｉｎｉ等のチームでは、現在、多段電流リード（Ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｇｅＣｕｒｒｅｎｔＬｅａｄ）の検討を進めている。図４に、現在検討されている構造を示す（非特許文献１）。これは、電流リードの途中に熱アンカー（ｔｈｅｒｍａｌａｎｃｈｏｒ：ＴＡ）を設置し、そこに冷凍ガス（液体）を循環させる方式である。この例では、１５０ＫにＴＡを置き、そこには、別の冷凍機から、１５０Ｋのガスを供給し、少し温度が上がったガスを循環させ、再度冷凍機で冷やし、温度を一定に保っている。この構造では、ＴＡより高温側からの熱侵入は全てこのＴＡで吸収され、冷凍機２の熱負荷になる。

そして、この温度より低い電流リードの部分でのオーム発熱よる熱侵入が７７Ｋの冷凍機への熱負荷となる。したがって、７７Ｋの冷凍機への熱負荷は減少する。

温度が下がると、銅の電気抵抗は下がるので、１５０Ｋ以下の発熱は３００Ｋ以下の発熱に比べてかなり小さくなる。

一方、１５０Ｋへの熱侵入量Ｑ２と７７Ｋへの熱侵入量Ｑ１と、図１での７７Ｋへの熱侵入量Ｑ０の関係は、
Ｑ０＝Ｑ１＋Ｑ２・・・（１）
となる。

２つの冷凍機が吸収する熱負荷の和は変化しないが、冷凍温度の高い冷凍機のＣＯＰは大きくなるので、２つの冷凍機の消費電力の和は減少する。この効果を実際に見積もってみる。図５に、電流リードの熱流束に対する温度の関係を示す。横軸が温度であり、縦軸は熱流束である。図５は、図２、図３のデータを書き直して得たものである。図５において、
７７Ｋでの電流あたりの熱流束は４２．５Ｗ／ｋＡであり、
１２３Ｋでの電流あたりの熱流束は４０．７Ｗ／ｋＡである。

このため、電流を１ｋＡとすると、冷凍機１には１．８Ｗ（＝４２．５−４０．７）の熱負荷となる。冷凍機２には４０．７Ｗの熱負荷となる。冷凍機のＣＯＰは温度によって異なり、温度が高いと、ＣＯＰは大きくなる。

例えば冷凍機型番ＭＤＦ−１１５６ＡＴ（三洋電機社製）は、−１５２℃（＝１２３Ｋ）まで冷却可能であり、ＣＯＰ＝０．２２１となっている。また、型番ＭＤＦ−７９３では−８５℃（＝１８８Ｋ）まで冷却可能であり、ＣＯＰ＝０．７５となっている。このため、図５には、それぞれの温度での熱流束を記入した。

図４では、ＴＡ（ＴｈｅｒｍａｌＡｎｃｈｏｒ）温度を１５０Ｋとしているが、２つのケース（ＴＡ温度が１２３Ｋと１８８Ｋの２つ）について検討を行う。

ケース１（ＴＡ温度＝１２３Ｋの場合）、
前提条件として、７７Ｋまで冷却する冷凍機はスターリング冷凍機とし、ＣＯＰ＝０．０６７とする。図５から、１２３Ｋまでの熱流束は４０．７Ｗであるので、これを常温まで汲み上げるために必要な電力は、４０．７／０．２２１＝１８４．２Ｗとなる。

また、７７Ｋへの熱負荷は１．８Ｗであるため、この冷凍機の消費電力は１．８／０．０６７＝２６．９Ｗとなる。したがって、その合計は２１１．１Ｗの電力が消費される。

７７Ｋ冷凍機のみで冷却（単段冷却）を行うと、４２．５／０．０６７＝６３４．４Ｗとなる。図４の場合の消費電力２１１．１Ｗは、単段冷却の場合の消費電力６３４．４Ｗのほぼ１／３になる。

ケース２（ＴＡ温度＝１８８Ｋの場合）
１８８Ｋまでの熱流束は３５．２Ｗであるので、これを常温まで汲み上げるために必要な電力は、３５．２／０．７５＝４６．９Ｗとなる。

また、７７Ｋへの熱負荷は７．３Ｗであるため、この冷凍機の消費電力は、７．３／０．０６７＝１０９Ｗとなる。したがって、合計は１５５．６Ｗの電力が消費される。すなわち、消費電力は単段冷却の場合の２４．５％程度にまで減少する。

したがって、段数を増やせば、消費電力の低減に、より効果的であることが期待できる。

以下では、３段構成について説明する。つまり、ＴＡ（ＴｈｅｒｍａｌＡｎｃｈｏｒ）を電流リード２カ所に取り付ける。

＜実施形態１＞
図６は、３段電流リードの構成を示す図である。つまり、３つの冷凍機１、２、３を用いる。この場合、冷凍機１（７７Ｋ）への熱負荷は、１．８Ｗであり、消費電力は２６．９Ｗである。冷凍機３（１８８Ｋ）への熱負荷は３５．２Ｗであり、消費電力は４６．９Ｗである。

そして、冷凍機２（１２３Ｋ）の熱負荷は５．５Ｗであり、消費電力は２４．９Ｗ（＝５．５／０．２２１）となる。したがって、消費電力合計は９８．７Ｗを得る。

これは、現状の電流リードからの熱を常温に組み上げるために使われる消費電力の１５％となる。

このように、多段化することによって、実効的に熱侵入を低減することができる。

ガス冷却電流リードは、１９７０年代に提案されたものであり、これによって初めて実験室レベルでも超伝導マグネットが使えるようになった。電流リードからの熱侵入によって超伝導マグネット等を冷却している液体冷媒が気化し、そのガスが電流リード内を流れて常温部から外に排出されるシステムになっている。このため、常に冷媒を供給する必要があるため実験用の機器に使えても、送電線のようなシステムには利用できなかった。

しかし、このガスを再度、冷却に回せば、定常システムとして利用できる。更に、この考えは、電流リードは電位が高くなるため、熱交換器であるＴＡは、冷凍機との電気絶縁を行うために構造が複雑化するが、このような問題は対応可能である。特に、３段以上のシステムでは対応可能となる。

＜実施形態２＞
図７は、本発明によるガス熱交換型３段電流リードの構成を示す図である。図７において、冷凍機２からの冷媒ガスは、電流リード１１を囲んでいるパイプ１２中を低温側から高温側に流れ、その間で熱交換をして、常温（３００Ｋ）で排出される。それが、冷凍機３を経て、冷凍機２に至る経路で循環する。すると、冷凍機３は、少なくとも電気絶縁処理をガス冷却路で行う必要がなく、新たにＴＡ（サーマルアンカー）を高圧の電流リードに設ける必要がない。このため、電流リードの構造が単純化される。更に、冷媒ガスは常温まで温度が上がってから冷却する。よって、冷凍機２、冷凍機３の熱交換器が小型になる。このため、熱侵入量は、図６と同等であるが、システム全体は工学的に容易になる。

以上のガス循環システムの他の特徴は、電流に応じて循環ガス量を制御することにより、電流に応じた最適運転が可能になることである。

電圧は一定に保持されるが、電流は機器の負荷によって変化するのが一般的である。このため、電流リードから低温側に入る熱量は、電流によって変化する。これを循環ガス量を変えることによって、常に最適運転を行うことができるようになる。

＜実施形態３＞
ペルチェ電流リード（ＰＣＬ）に対しても適用できる。図８に、その一例（ガス熱交換型２段ペルチェ電流リード）を示す。電流リード１１の常温部には、ペルチェ材料（ＰｅｌｔｉｅｒＭａｔｅｒｉａｌ）１３が配設されている。この部分（ペルチェ材料部）を通じて電流が流れ、ペルチェ効果により熱侵入が低減できる。この構成において、冷却ガス循環させるのである。これによって、ペルチェ電流リード（ＰＣＬ）に熱侵入を低減することができる。なお、図７、図８について、電流値に応じて循環ガスの流量調整を行うシステムを組み込み、電流値に応じてガス量の増減を制御する機構を導入してもよい。これによって、システム全体の効率を向上させる。

この場合には、ペルチェ材料１３は薄く作られる。しかし、温度差は、１００Ｋ程度発生する。ここで、十分にガスが熱交換するのは困難になる可能性が高い。この問題を避けるためには、循環ガスを液体にすることが良い。液体は、気体に比べて熱伝達率が２桁近く高いからである。具体的にはフロン系や炭化水素系等の冷媒を加圧して利用する手段が一般的になろう。図４に示す構造では、１５０Ｋで冷却したガス（ＣｏｌｄＧａｓ）の行き先が書かれていない。つまり、今までに発表されてきた論文、例えばＭＩＴの論文では、ガス循環については記述がない。このため、冷媒ガス循環について、図７、図８で具体的に示してきた。しかし、このような循環は、冷凍機それ自身の内部で行われている。

＜冷凍機＞
ここで、本発明で用いられる冷凍機の一例について説明する。図９に、関連技術の冷凍機の原理を示す。冷凍機は、圧縮機、膨張弁及び２つの熱交換器からなっている。圧縮機で高温高圧のガスが生成される。これが熱交換器を通じて高圧常温に冷却される。次に、膨張弁で高圧ガスが低圧になると同時に温度が下がる。等エンタルピー過程と言われ、断熱膨張過程である。そして、低温になったガスが熱交換器を通じて冷却対象物を冷却する。尚、図９では、「熱の移動」と書かれている矢印の方向が逆である。このような冷凍機の問題点は、低温側で熱交換した低圧ガスはまだ温度が低いにもかかわらず、圧縮機で高温高圧ガスになることである。可能なら常温まで使いたいのであるが、これでは通常は冷凍機の役割に合わない。このため、ここでは、エクセルギー損失があり、冷凍機システムの効率を下げる。しかしながら、図７及び図８をその観点で見ると、冷凍機への入力は、常温ガスになっている。

したがって、冷凍機の循環冷媒を直接電流リードに循環させると、上記したような問題は生じない。このため、効率が高くなる。さらに、冷凍機で利用している熱交換器が不要となるため、熱交換器損失が減少し、システムの全体の効率を向上させる。

＜実施形態４＞
図１０に、本発明の実施形態４の一例を示す。図１０では、冷凍機自身が電流リード内に組み込まれていることが分かる。つまり、低温側の熱交換器１５自体が電流リードでの熱交換器を兼ねており、常温端から出てきた冷媒ガスは、圧縮機１４で高温高圧になり、熱交換器１５で温度が下がる。そして、膨張弁１６で、低圧低温ガスになり、電流リード１１のパイプ１２に導かれる。例えば、高圧窒素ガスボンベからの高圧常温ガスを市販のＪＴ弁（ジュール・トムソン弁）と呼ばれる膨張弁に導くと容易に−１２０℃程度の低温ガスを作ることができる。このため、圧縮機は市販されている窒素ガスボンベに貯める程度の機器で良い。

図１０には、図示されていないが、熱交換器から膨張弁の間に、高圧ガスボンベ等のガス・リザーバー等のガス貯蔵設備を設け、更に、常温端からのガスもリザーバーを設けると、圧縮機は常に稼動させる必要が無く、システム全体の信頼性を向上させることができる。なお、図１０では、電流リードに入るガス温度が１８８Ｋであるが、実際には、冷凍機のＣＯＰ及び電流リードの熱侵入等を考慮して決められる。また膨張弁１６は、電流によって制御する機構を取り付けてもよいことは勿論である。すなわち、電流値によって変化する熱流束に合わせて冷媒循環量を変化させる。これによって、システムの全体の効率を向上させる。

以上では、冷凍機１と電流リード冷却用の冷凍機が別々としていたが、効率の良い冷凍機に多段ブレイトン冷凍機がある。

＜多段ブレイトン冷凍機＞
図１１に多段ブレイトン冷凍機の一例を示す。図１１は、並列型と呼ばれるタイプで、Ｑｒが低温で吸熱を行う熱交換器部分である。また、放熱器も熱交換器である。膨張機は２つあり、低温用と中温用であり、これによって最適化を行う。極低温の冷凍機では、低温熱交換器を通じてＱｒ熱量を吸収した後の循環ガス温度はまだ低温のため、これを熱交換器（３）、（２）、（１）を通じて、膨張を行う前の高圧ガスを冷却する。

これによって冷凍機の熱効率を向上させている。つまり、冷凍機と言っても、内部には複数の温度で熱交換を行う構成になっていて、低温用の冷凍機はこの様な構成が一般的である。

＜実施形態５＞
そこで、本発明の実施形態５として、図１２のような冷凍機を提案する。図１２は、多段プレイトンサイクル冷凍機の電流リードへの組み込みを示す図である。膨張機（２）では、液体窒素温度まで冷却を行い、電流リードの低温端から超伝導ケーブルを含むシステムを冷却するために用いる。つまり、図６において、冷凍機１に対応させる。

一方、中間温度の熱交換器（２）と熱交換器（１）については、冷凍機２、冷凍機３にそれぞれ対応させる。熱交換器を少し大きくして、この部分に、電流リードの中間ステージ（ＴＡ：サーマルアンカー）冷却用の冷凍機を兼ねる。具体的には、電流リード１１のＴＡ（サーマルアンカー）と、熱交換器の間で冷媒を循環させる。

他の方法としては、ブレイトンサイクル冷凍機内の作動ガスをそのまま電流リードのＴＡ（サーマルアンカー）に流し込むようにして循環させるようにしてもよい。この場合、構成上、一台の冷凍機で、図６に示した複数の冷凍機を兼ねることができる。

上記したように、熱交換器（２）は、膨張機（１）によって、低温ガス量が増えているので、この部分で熱吸収は大きくすることができる。このため、工学的な合理性が高くなる。

本実施形態では、並列型ブレイトンサイクル冷凍機を例に説明したが、直列型や膨張機の他にＪＴ弁を利用した多段子予冷型クロードサイクル冷凍機（コリンズ型）等の冷凍機もある。

＜実施形態６＞
本発明の実施形態６においては、低温でのみ性能が向上するペルチェ材料として、低温での性能指数の高いＢｉＳｂを用いる（超格子を利用した材料が知られている）。このような構成は、流すガス量を変化させることによって最適設計が可能になる。図１３は、本実施形態の構成を示す図である。図１３に示すように、電流リード１１の低温側にペルチェ材料２（１７）を備えている。その他の構成は図８と同様であり、電流リード１１の常温側にペルチェ材料１（１３）を備えている。

なお、上記の特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

１１電流リード
１２パイプ
１３、１７ペルチエ材料
１４圧縮機
１５熱交換器
１６膨張弁
Ｑ０〜Ｑ４、Ｑ６熱流速

Claims

電流リード装置内に組み込まれた電流リード冷却用冷凍機と、
電流リードの低温端と超伝導ケーブルを液体窒素の沸点温度７７Ｋに冷却する第１の冷凍機と、
を備え、
前記電流リード冷却用冷凍機は、
圧縮機、熱交換器、膨張機、又は、これらに加えてさらに第２の冷凍機を含み、
前記第１の冷凍機により前記液体窒素の沸点温度７７Ｋで冷却される前記低温端と常温端３００Ｋ間に接続される前記電流リードを、一端を前記常温端３００Ｋとし、他端を前記常温端と前記低温端の間の７７Ｋよりも高い所定温度相当の箇所まで延在されたパイプで囲み、
前記パイプの前記他端から窒素ガスを前記パイプの前記一端側に流し、前記パイプの前記一端側からの前記窒素ガスを、前記圧縮機で圧縮して前記熱交換器で熱交換させ、さらに前記膨張機で膨張させた上で、直接又はさらに前記第２の冷凍機を介して前記パイプの前記他端に循環させ前記所定温度の窒素ガスを前記パイプの前記他端から流す、電流リード装置。
前記電流リードが、ペルチェ素子を、前記電流リードの常温側に備えている請求項１記載の電流リード装置。
前記電流リードが、長手方向の前記パイプの前記一端と前記他端に対応する位置に、それぞれ第１、第２のペルチェ素子を備えている請求項１記載の電流リード装置。
前記第１の冷凍機と前記電流リード冷却用冷凍機を併せた冷凍機を、圧縮機と、複数段の熱交換器、複数の膨張機を備えた並列型冷凍機で構成してなる、請求項１記載の電流リード装置。