JP6408227B2 - 超伝導機器用着脱式電流供給部材およびこれを用いた超伝導機器 - Google Patents

Description

本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ、Nuclear Magnetic Resonance）や核磁気共鳴画像法（ＭＲＩ、magnetic resonance imaging）のような超伝導機器に用いて好適な、着脱可能な電流供給部材に関し、特に電力線用接続ソケットと電力線用接続プラグを用いた電流供給部材に関する。

核磁気共鳴装置のような超伝導機器では、冷却用に液体窒素や液体ヘリウムを大量に用いているが、この場合に電流供給部材も着脱式にして、当該電流供給部材からの熱流入を最小化する構成を採用している類型もある。即ち、この類型では、電力供給が必要な時にだけ、超伝導機器に電流供給部材のうち接続プラグを接続ソケットに接続して、液体ヘリウムの蒸発損失を最小化している。

そして、例えば特許文献１や特許文献２には、永久電流モ−ドで運転する超伝導磁石が開示されている。即ち、特許文献１には、磁気浮上式鉄道車両の超伝導磁石の消励磁のための脱着式電力線が開示されている（特許文献１の図１の符号３）。特許文献２には、ＭＲＩ用脱着式電力線の一例として、液体ヘリウム注入管と複合化されたものが開示されている（特許文献２の図６、図７の符号５８参照）。これらの従来技術においては、着脱式電力線の使用時間は精々数時間と短かったため、電流供給ソケットの接続による液体ヘリウムの気化蒸発量は、超伝導機器の管理運営上の問題となっていなかった。

しかし、液体ヘリウムの需給環境が近年大幅に悪化しており、例えば本出願人のような研究機関においては、本年度は昨年度の半分程度しか供給割当が得られていない。液体ヘリウムの供給割当には優先順位があり、医療機関向けが優先されるため、研究機関向けは劣後している。そこで、割当で得られた液体ヘリウムは貴重品である。
しかも核磁気共鳴装置のような超伝導機器の特殊事情として、クエンチと呼ばれる現象、即ち何らかの原因により、超伝導現象が消失した場合には、急激に電気抵抗が発生してしまい、発熱により超伝導体が破損する恐れがあるため、液体ヘリウムの継続的な供給確保は極めて肝要である。
そこで、電流供給ソケットの接続による液体ヘリウムの気化蒸発量を最小化することで、液体ヘリウムの需給環境の悪化という超伝導機器の管理運営上の問題を緩和する必要がある。

特許第４２５２１５６号公報 特開第２００７−５５７３号公報

本発明は、上記の課題を解決したもので、超伝導電磁石等の超伝導機器に対しての電流供給ソケットの接続による液体ヘリウムの気化蒸発量を最小化できる超伝導機器用着脱式電流供給部材を提供することにある。

本発明の超伝導機器用着脱式電流供給部材は、例えば図１に示すように、液体ヘリウム、液体窒素、液体水素、液体アルゴン又は液体酸素の少なくとも一種類を使用して冷却する超伝導機器であって、当該超伝導機器に対する電力供給が必要な時に接続される着脱式の電流供給用接続部において、前記電流供給用接続部のプラグとソケットの少なくとも一方の装着時の当接面に、Ｐｂが５〜６０質量％であり、残余がＳｎ並びに不可避的不純物からなる半田合金をメッキすると共に、前記電流供給用接続部のプラグとソケットの電気接点は２つ以上存在し、液体窒素中で回転処理後の接触電気抵抗が１０μΩ以下であることを特徴とする。

本発明の超伝導機器用着脱式電流供給部材において、好ましくは、Ｐｂが５〜６０質量％であり、残余がＳｎ並びに不可避的不純物からなる半田合金に代えて、Ｐｂ：５〜６０質量％、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂを各々または総量で１０質量％以下含み、残余がＳｎ並びに不可避的不純物からなる半田合金をメッキしてあるとよい。

本発明の超伝導機器は、例えば図１に示すように、上記の超伝導機器用着脱式電流供給部材を有する超伝導機器であって、５００Ａの通電電流で運転する超伝導電磁石を有し、液体ヘリウムの蒸発量が８０ｌ／ｈ以下であることを特徴とする。

本発明の超伝導機器用着脱式電流供給部材を用いることにより、液体ヘリウム温度（４Ｋ）や液体窒素温度（７７Ｋ）のような１００Ｋ程度以下の極低温下で着脱しても接触抵抗が増大せず、超伝導電磁石等の超伝導機器の連続運転時、および励磁／消磁時にも冷媒の蒸発を抑制でき、特に液体ヘリウムを用いる場合に好適である。

本発明の電流供給部材が装着される超伝導機器の一例であるＮＭＲ超伝導磁石の全体概要図である。 本発明の一実施の形態である単一電気接点を有する電流供給部材の構成図である。 本発明の一実施の形態である電流供給部材としてのソケットとプラグを示す全体図である。 電流供給部材に用いる電気接点の斜視状態の説明図である。 本発明の一実施の形態としての二重電気接点を有する電流供給部材の構成図である。 本発明の電流供給部材と比較例の電流供給部材の比較図である。 本発明の他の実施例としての電気接点の構成斜視図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を詳述する。
図１は、本発明の電流供給部材が装着される超伝導機器の一例であるＮＭＲ超伝導装置の全体概要図である。ＮＭＲ超伝導装置１０は、ＮＭＲ超伝導装置１０における外部磁場を発生するＮＭＲ磁石に加えて、さらにプローブを含む分光計システムから構成される。ＮＭＲ超伝導装置１０は、４Ｋ液体ヘリウムの貯蔵槽１２、破壊板１４、超伝導マグネット１６、断熱作用を有するアイソレータ１８、外槽２０、クエンチバルブ２２、超流動サブクーラー２４、液体窒素ベッセル２６、ＧＣＳ（ゲート制御式開閉器）２８、１．８Ｋベッセル３０、支持脚部３２を備えている。

このように構成された装置においては、ＮＭＲ磁石により発生される一様な磁場に置かれた試料に対して、ある周波数の電磁場を加えると、特定の原子核との間で共鳴現象（核磁気共鳴：Nuclear Magnetic Resonance）が起こる。代表的な水素の原子核の場合、２．３４８７Ｔの磁場中で１００ＭＨｚの周波数の電磁場に共鳴する。共鳴する周波数は磁場に比例する。磁場が大きくなり対応する共鳴周波数が増加すると、感度と分解能が向上するため、より微細な構造の決定や微量試料の分析が可能となる。常伝導磁石では発生できる磁場に限界があるため、高性能のＮＭＲ磁石には超伝導磁石が使用されている。

図１に示すＮＭＲ超伝導磁石は、超伝導磁石材料として、最外層がＮｂＴｉ、中間層がＮｂ_３Ｓｎコイルで、内層に磁場中の臨界電流特性が高い材料であるＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ＸやＧｄＢａ_２Ｃが用いられている。ＮｂＴｉは、安価で巻線も容易な金属系超伝導磁石材料であり、低い磁場を発生するため最外層に使用される。Ｎｂ_３Ｓｎは、１０Ｔ以上の磁場では強磁場となる磁石の内側部分に使用される金属系超伝導材料である。ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ＸやＧｄＢａ_２Ｃは、酸化物系高温超伝導線材であって、酸化物系高温超伝導磁石は３０Ｔ以上の磁場も理論的には発生できる。
超伝導磁石材料は、クライオスタット４０に収容されていている。クライオスタット４０は、ＮＭＲ磁石２０などの被冷却物を収納して、その重さと発生する力などを支持できる断熱支持構造を持った開放又は密閉構造の低温を保持する構造を有している。

図２は、本発明の一実施の形態である単一電気接点を有する電流供給部材であるソケットの構成図である。図３は、本発明の一実施の形態である電流供給部材としてのソケットとプラグを示す全体図で、（Ａ）は両者を分離した状態、（Ｂ）は両者を結合した状態、（Ｃ）は寸法参酌用のノギスを示している。図４は、電流供給部材に用いる電気接点の斜視状態の説明図で、（Ａ）は電気接点の単体、（Ｂ）は寸法参酌用のノギスを示している。
ソケット５０は、金属製の円筒部５２の内部に電気接点５４が一枚設けられており、プラグが着脱される構造となっている。ソケット材質は真鍮または純銅であり、表面に高抵抗な酸化物の抑制を主目的として金属メッキが施されている。樹脂製の絶縁体は、電気接点５４の絶縁を確保するもので、ソケット５０やプラグ６０の外周に被覆するように設けてある。ソケット５０は、ＮＭＲ超伝導装置１０に装着されているもので、プラグ６０と共に、ＮＭＲ超伝導装置１０に電力を供給する電流供給部材を構成する。
このように構成された装置においては、ＮＭＲ超伝導装置１０に電力を供給する必要があるときのみ、ＮＭＲ超伝導装置１０に装着されたソケット５０にプラグを取り付ける（図３（Ｂ）参照）。

次に、ＮＭＲ超伝導装置１０と熱的に接触するソケット５０の表面に施されるメッキ材料について説明する。メッキ材料としては、Ｓｎ−Ｐｂ系の半田を用いる。半田組成はＰｂを５〜６０質量％とし、残部をＳｎ及び不可避的不純物とするのがよい。Ｓｎ−Ｐｂ系の半田合金の状態図は公知であり、Ｓｎが６３質量％でＰｂが３７質量％のとき共晶半田となって最低溶融温度１８３℃をとる。Ｐｂを５〜６０質量％とし、残部をＳｎ及び不可避的不純物とする半田組成では、溶融温度がＳｎの溶融温度２３２℃よりも低くなり、好ましい。

この場合、Ｓｎ−Ｐｂ組成以外にＡｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂを各々または総量で１０質量％以下を含むものでもよい。共晶半田としては、Ｓｎ−３７Ｐｂが溶融温度１８３℃と好ましいが、鉛を含有する為、廃棄物処理を考慮すると鉛フリー半田も検討される。Ｐｂを含まない半田については、その硬さが非常に小さいＩｎをベースとした、たとえばＩｎ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ａｇ、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｇ等が有効である。

メッキ条件については、例えば次のようにするとよい。ソケットの半田メッキについては、メッキ液としてほうふっ酸半田メッキ浴を用いる。メッキ液の組成は、例えばＳｎ−４０％Ｐｂ組成において、Ｓｎが１５〜５０ｇ／ｌ（リットル）、Ｐｂが５〜２０ｇ／ｌ、遊離ほうふっ酸が８０〜１２０ｇ／ｌとし、光沢剤は適量を添加する。メッキ液の温度は１５〜２５℃、陰極電流密度は０．５〜３Ａ／ｄｍ^３にするとよい。
なお、Ｓｎ,Ｐｂの組成を変える場合は、Ｓｎ,Ｐｂ液濃度を変える。たとえばＳｎ−１０％Ｐｂ組成の場合は、Ｓｎが１３〜１７ｇ／ｌ、Ｐｂが１〜３ｇ／ｌにすれば良い。

図５は、本発明の一実施の形態としての二重電気接点を有する電流供給部材の構成図である。なお、図５において、前出の図２から図４と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。電気接点５５ａ、５５ｂを二重電化することで、電気接点が単一のものと比較して、接触抵抗をさらに低減できる。
図６は、本発明の電流供給部材と比較例の電流供給部材の比較図で、（Ａ）は比較例としての銀メッキ処理のソケット、（Ｂ）は一実施の形態としての単一又は二重の電気接点を有する半田メッキソケット、（Ｃ）は寸法参酌用のノギスを示している。

このように構成された装置における、液体窒素中のような極低温環境下で脱着する場合の、接触抵抗について説明する。ここでは、各種金属メッキソケットが、超伝導電磁石の脱着可能な電流リード用として使用できるかを確認するために常温下、液体窒素極低温下、極低温下で回転、着脱等の条件下での電気的特性(接触抵抗)の変化を測定している。使用したソケットは内径１８ｍｍ、挿入長さ４２ｍｍ、電気接点１枚又は２枚のものである(図２、図５、図６参照)。接触抵抗については、直流電源と微小電圧計を用いた直流４端子法で測定したものである。

表１は、ソケットがプラグと一体化した時の接触抵抗特性を示したものである。表１において、ソケットの種類として、比較例としての銀メッキ処理及びスズメッキ処理のソケット、本発明の一実施の形態としての単一電気接点を有する半田メッキソケットと二重電気接点を有する半田メッキソケットを掲げて、各ソケットの接触抵抗を示している(単位；μΩ）。

比較例としての銀メッキ処理のソケットでは、常温では、３０μΩ、液体窒素中では構成金属の電気抵抗が小さくなるので、２３μΩと減少したが、液体窒素中で回転または脱着すると２４４μΩ、２３１μΩと約１桁大きくなった。
たとえば、５００Ａの通電電流で運転する超伝導電磁石の場合、このソケット部の発熱量は約６０Ｗとなり、大きな液体ヘリウムの蒸発量となる。通電時間が短時間の場合は、大きな問題とはならない可能性はあるが、連続運転が必要な電磁石では実用に耐えない。接触抵抗の増大は、液体ヘリウム等の極低温冷媒の気化蒸発の増大という弊害をもたらす為である。

比較例としてのＳｎメッキ処理ソケットにおいては、液体窒素中で脱着する常温では、３６μΩ、液体窒素中では構成金属の電気抵抗が小さくなるので、２５μΩと減少したが、液体窒素中で回転または脱着すると４２μΩ、１９２μΩと約２倍乃至約８倍程度抵抗は大きくなった。Ｓｎメッキ処理ソケットは、銀メッキ処理ソケットほどではないが、上記の連続運転が必要な超伝導電磁石では実用に耐えない。

本発明の一実施の形態としての単一電気接点を有する半田メッキソケットでは３２μΩであり、大きな接触抵抗の増大は見られず良好な特性を示した。上記の連続運転が必要な超伝導電磁石における５００Ａ通電時の発熱量は約８Ｗであり、連続通電に十分耐えうる特性である。
尤も、単一電気接点を有する半田メッキソケットに複合する電気接点では、接触面積が小さく接触抵抗がなお大きいため、５００Ａ通電時の発熱量を更に低下させる余地がある。

本発明の一実施の形態としての二重電気接点を有する半田メッキソケットでは、接触抵抗が１０μΩであり、単一電気接点を有する半田メッキソケットの約１／３の抵抗特性となった。５００Ａ通電時の発熱量は２．５Ｗと見積もられ、極めて良好な特性である。

本発明の一実施の形態としての二重電気接点を有する半田メッキソケットでは、比較例としての銀メッキ処理のソケットを用いる場合と比較すると、発熱量が５７．５Ｗ低減される。これは、二重電気接点を有する半田メッキソケットでは、液体ヘリウム蒸発量が約８０ｌ／ｈ、１９２０ｌ／ｄａｙとなり、比較例としての銀メッキ処理のソケットを用いる場合と比較すると、大幅に低減されることになる。

なお、上記の実施の形態では、Ｐｂ−Ｓｎ半田メッキ処理をソケット本体とソケットに複合化させる電気接点に施す場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ソケット側に代えてプラグ側にＰｂ−Ｓｎ処理することも有効である。このような変形実施例においても、接触抵抗特性の改善、脱着による特性の変化の減少による特性安定化の効果が期待できる。
さらに、上記の実施の形態では、電気接点の多重化は、二重の場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、三重以上の更なる多重化をしてもよい。このような三重以上の多重化をする場合、電気接点を収容する関係でソケット挿入部の長さを適宜に延長するとよい。

また、上記の実施の形態では、電気接点として汎用部品の形状を有する場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、接触抵抗を低減するために図７に示したような双曲線形状の電気接点としてもよい。双曲線形状の電気接点にＰｂ−Ｓｎメッキを施したソケットは、極低温下で脱着するコネクターのソケットとして有効である。

本発明の電流供給部材は、永久電流モ−ドで運転するＮＭＲ、ＭＲＩおよびリニアモーターカー用の超伝導電磁石の励磁／消磁時の着脱式電流供給電力線用の電流供給部材として有用である。さらに、本発明の電流供給部材は、永久電流モ−ドで超伝導電磁石を使用する加速器２極偏向、４極収束用、核融合炉用、変圧器用、限流器用、エネルギ−貯蔵用等に用いられる。加えて、永久電流モ−ド以外でも、何らかの理由で着脱が必要となる超伝導電磁石の電力線用電流供給部材として、本発明の電流供給部材は、有用である。

１０ ＮＭＲ超伝導装置
２０ ＮＭＲ磁石
３０ プローブ
５０ ソケット
５４ 単一電気接点
５５ａ、５５ｂ 二重電気接点
６０ プラグ

Claims (2)

1. 液体ヘリウム、液体窒素、液体水素、液体アルゴン又は液体酸素の少なくとも一種類を使用して冷却する超伝導機器であって、
   前記超伝導機器に対する電力供給が必要な時に接続される着脱式の電流供給用接続部、および、５００Ａの通電電流で運転する超伝導電磁石を有し、
   前記電流供給用接続部のプラグとソケットの少なくとも一方の装着時の当接面に、Ｐｂが５〜６０質量％であり、残余がＳｎ並びに不可避的不純物からなる半田合金をメッキすると共に、
   前記電流供給用接続部のプラグとソケットの電気接点は２つ以上存在し、
   液体窒素中で回転処理後の接触電気抵抗が１０μΩ以下であり、
   液体ヘリウムの蒸発量が８０ｌ／ｈ以下であることを特徴とする超伝導機器。
2. 前記半田合金は、Ｐｂ：５〜６０質量％、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂを各々または総量で１０質量％以下含み、残余がＳｎ並びに不可避的不純物からなる半田合金であることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導機器。