JP6860754B1 - 大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材 - Google Patents
大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材を公開する。【解決手段】ステンレススチールのダイバータを備え、ステンレススチールのダイバータの両端がそれぞれ高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドに真空ろう付けされ、ステンレススチールのダイバータ、高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドの外周面にそれぞれ凹溝が設けられ、凹溝内に高温超電導スタックが取り付けられ、高温超電導スタック外に第１層のポリイミドテープが取り巻かれ、高温端銅ヘッドの内部に測定線部材が貫通され、第１層のポリイミドテープの外側に第２層のポリイミドテープが取り巻かれ、ガラスフィラメントが取り巻かれて被覆され、高温端銅ヘッドにスリーブ支持リングが半田付けされ、スリーブ支持リングに部材全体外に嵌装されるためのスリーブが半田付けされる。本発明は、ユーザーによる加工や取り付けのプロセスを簡単化し、作動コストを節約するだけではなく、且つ低温での冷たいヘリウムガスによる熱伝達によって、電流リード線の高温超電導部材の高温端の温度を６５Ｋ以下に安定して制御し、高温超電導電流リード線の作動安全を効果的に保証することができる。【選択図】図１
Description
本発明は、大型熱核融合装置又は他の大型電磁装置の超電導（超伝導とも呼ばれる）マグネットの供電部材の分野に関し、主に、大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材に関する。
高温超電導電流リード線は、室温電源と低温超電導マグネットを接続して室温から液体ヘリウムの温度領域へ移行させるための電気的接続装置である。超電導マグネットについては、常規の電流リード線は、熱が低温システムへ漏洩する主な熱源である。Ｂｉ−２２２３及びＹＢＣＯ等の高温超電導材料は、液体窒素の温度領域において、ゼロ抵抗率及び低熱伝導率の特徴を有するため、高温超電導電流リード線に適用されると、低温システムの約半分の冷熱消費を低減し、更に低温システムの建設投資及び作動費用を効果的に低減することができる。
高温超電導材料は、超電導状態で、抵抗がゼロであり、ジュール熱を発生しなく、且つその熱伝導率がステンレススチールに相当し、その熱の伝導や漏洩も大いに低下する。高温超電導材料が超電導状態を達成させるには、低温環境で動作しなければならないため、本電流リード線高温超電導部材の所在位置は、液体ヘリウムが蒸発する低温ヘリウムガス領域である。
電流リード線は、超電導装置における肝心な部品の１つであり、超電導マグネットの安定した動作及び低温システムのコストに対して、重要な意味を持つ。安定性、及び熱漏洩の最小化に対する追求は、常に電流リード線の設計の主要な目的である。そのため、本製品の設計には、金属部分の材料、構造、接触抵抗、高温超電導材料の性能等の要素の間の結合や関連の特性を合わせて、構造をモジュール化して、プロセスを簡単にし、且つ取り付けしやすくする。高温超電導部材の低温端と低温超電導セグメントとは一体として、低温超電導セグメントが液体ヘリウムに浸漬され、高温超電導部材全体が液体ヘリウムの蒸発する低温ヘリウムガス環境で動作し、これにより、高温超電導部材の安定した低温作動環境が効果的に保証され、システム構造が簡単化され、高温超電導部材の高温端が熱交換器部分につながり、高温端の温度を低温ヘリウムガスの流量によって安定して制御することができ、ユーザーによる取り付けや運用メンテナンスも非常に便利である。
本発明の目的は、従来の技術の欠点を改善するために、構造がモジュール化され、熱漏洩が低く、電流負荷能力が強く、安全性が高いこと等の特性を有する大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材を提供する。
ステンレススチールのダイバータ、高温超電導スタック、高温端銅ヘッド、低温端銅ヘッド、測定線部材及びスリーブを備え、前記ステンレススチールのダイバータの両端がそれぞれ高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドに真空ろう付けされ、前記ステンレススチールのダイバータ、高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドの外周面にそれぞれ凹溝が設けられ、前記凹溝内に高温超電導スタックが取り付けられ、前記高温超電導スタック外に第１層のポリイミドテープが取り巻かれ、前記高温端銅ヘッドの内部に測定線部材が貫通され、且つ測定線部材の挿入端が第１層のポリイミドテープの外側に取り付けられ、前記第１層のポリイミドテープの外側に第２層のポリイミドテープが取り巻かれ、前記第２層のポリイミドテープ外にエポキシ含浸のガラスフィラメントにより取り巻かれ被覆され、前記高温端銅ヘッドにスリーブ支持リングが半田付けされ、前記スリーブ支持リングに部材全体外に嵌装されるためのスリーブが半田付けされる大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材を提供する。
前記の高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドの内端部に、それぞれステンレススチールのダイバータを係着するための段差が設けられ、且つステンレススチールのダイバータと高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドとの間は真空ろう付けによって一体化される。
前記の高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドの中部にそれぞれ排気通孔が設けられ、且つ高温端銅ヘッドの側壁に排気通孔に連通する側部排気口が設けられる。
前記のステンレススチールのダイバータ、高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドの外周面に、凹溝が均一に配置される。
前記の高温超電導スタックは、それぞれ対応する凹溝内に真空半田付けされる。
前記の高温超電導スタックは、多層のＢｉ−２２２３／ＡｇＡｕ超電導テープによって真空半田付けされる。
前記の高温端銅ヘッドの側壁に、測定線部材を貫通させるための貫通孔が設けられる。
前記の測定線部材内外側には、それぞれ絶縁保護層が取り付けられる。
前記のスリーブ支持リングに、複数の排気孔が配置される。
上記電流リード線の高温超電導部材は、主に、高温超電導スタックを、ステンレススチールのダイバータが両端の銅ヘッドに真空ろう付けされた溝に半田付けることでなり、電流リード線の高温超電導部材は５Ｋの冷たいヘリウムガスによって対流熱伝達を行う。
前記測定線部材は、測定線部材が破損して短絡することを防止すると共に、測定線部材を固定及び保護するために、第１層のポリイミドテープと第２層のポリイミドテープとの間に位置する。また、高温超電導スタックを保護するために、ガラステープを取り巻く。ステンレススチールのダイバータによって、高温超電導スタックの構造を支持し、その自体の熱漏洩が小さく、クエンチ条件で電流の分流及び温度上昇速度を遅らせるという作用を果たして、高温超電導部材の安全作動を保証することができる。前記高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドは、超電導スタックの両端継手部に対する支持、熱安定、分流作用を果たし、両端がそれぞれ電流リード線熱交換器部分及び低温超電導セグメントに接続される。
本発明のメリットは、下記の通りである。
本発明は、構造設計が合理的であり、ユーザーによる加工や取り付けのプロセスを簡単化し、作動コストを節約するだけではなく、且つ低温での冷たいヘリウムガスによる熱伝達によって、電流リード線の高温超電導部材の高温端の温度を６５Ｋ以下に安定して制御し、高温超電導電流リード線の作動安全を効果的に保証することができる。
本発明は、構造設計が合理的であり、ユーザーによる加工や取り付けのプロセスを簡単化し、作動コストを節約するだけではなく、且つ低温での冷たいヘリウムガスによる熱伝達によって、電流リード線の高温超電導部材の高温端の温度を６５Ｋ以下に安定して制御し、高温超電導電流リード線の作動安全を効果的に保証することができる。
本発明の目的、技術案及びその有益な技術をより明確にするために、以下、添付図面及び具体的な実施形態に合わせて本発明を更に詳しく説明する。
ステンレススチールのダイバータ４、高温超電導スタック（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｓｔａｃｋ）１０、高温端銅ヘッド１、低温端銅ヘッド５、測定線部材６及びスリーブ３を備え、前記ステンレススチールのダイバータ４の両端がそれぞれ高温端銅ヘッド１及び低温端銅ヘッド５に真空ろう付けされ、前記ステンレススチールのダイバータ４、高温端銅ヘッド１及び低温端銅ヘッド５の外周面にそれぞれ凹溝１１が設けられ、前記凹溝１１内に高温超電導スタック１０が取り付けられ、前記高温超電導スタック１０外に第１層のポリイミドテープ７が取り巻かれ、前記高温端銅ヘッド１の内部に測定線部材６が貫通され、且つ測定線部材６の挿入端が第１層のポリイミドテープ７の外側に取り付けられ、前記第１層のポリイミドテープ７の外側に第２層のポリイミドテープ８が取り巻かれ、前記第２層のポリイミドテープ８外にエポキシ含浸のガラスフィラメント９により取り巻かれ被覆され、前記高温端銅ヘッド１にスリーブ支持リング２が半田付けされ、前記スリーブ支持リング２に部材全体外に嵌装されるためのスリーブ３が半田付けされ、前記スリーブ３に２つのセンサー交換用窓があることを特徴とする大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材である。
前記の高温端銅ヘッド１及び低温端銅ヘッド５の内端部に、それぞれステンレススチールのダイバータ４を係着するための段差が設けられ、且つステンレススチールのダイバータ４と高温端銅ヘッド１及び低温端銅ヘッド５との間は真空ろう付けによって一体化される。
前記の高温端銅ヘッド１及び低温端銅ヘッド５の中部にそれぞれ排気通孔１２が設けられ、且つ高温端銅ヘッドの側壁に排気通孔１２に連通する側部排気口１３が設けられる。
前記のステンレススチールのダイバータ４、高温端銅ヘッド１及び低温端銅ヘッド５の外周面に、凹溝１１が均一に配置される。
前記の高温超電導スタック１０は、それぞれ対応する凹溝１１内に真空半田付けされる。
前記の高温超電導スタック１０は、多層のＢｉ−２２２３／ＡｇＡｕ超電導テープによって真空半田付けされる。
前記の高温端銅ヘッド１の側壁に、測定線部材６を貫通させるための貫通孔１４が設けられる。
前記の測定線部材６の内外側には、それぞれ絶縁保護層が取り付けられる。
前記のスリーブ支持リング２に、複数の排気孔１５が配置される。
上記解決策は、数万レベルの高温超電導電流リード線に適用されることができる。その主要な特徴は、高温超電導スタックを搭載及び保護し、クエンチ条件で電流の分流及び温度上昇速度を遅らせるという作用を果たして、高温超電導部材の安全作動を保証することができる。実験結果によれば、前記高温超電導部材は、構造が強固であり、高温端の作動温度が約４０Ｋであり、１３ｋＡのキャリア流量で安定して作動し、低温端の熱負荷が２Ｗよりも小さく、冷却機能喪失のセキュア時刻が３０分間を超え、過熱時間が６０秒間を超える。
具体的に使用する場合の過程としては、低温端銅ヘッド５の下方のテーパー面以下が液体ヘリウムに垂直に浸漬され、蒸発した冷たいヘリウムガスは、一部が高温超電導スタック１０の外側を通過してスリーブ３のキヤビティ内で上向きに流れ、スリーブ支持リング２に配置される排気孔１５から排出されるが、他の一部が低温端銅ヘッド５の真ん中の排気孔からステンレススチールのダイバータ４のキヤビティ内部に入って、上向きに流れ、高温端銅ヘッド１の排気通孔１２から排出されることで、高温超電導スタック１０の内外側の何れも冷たいヘリウムガスの冷却環境にあるようにする。
上記は単に本発明の設計の好適な実施例であるが、本発明の設計を限定するためのものではない。本発明の設計の精神や原則で加えた如何なる修正や均等な交換、改善等も、本発明の設計の保護範囲内に属する。
１ 高温端銅ヘッド
２ スリーブ支持リング
３ スリーブ
４ ステンレススチールのダイバータ
５ 低温端銅ヘッド
６ 測定線部材
７ 第１層のポリイミドテープ
８ 第２層のポリイミドテープ
９ エポキシ含浸のガラスフィラメント
１０ 高温超電導スタック
１１ 凹溝
１２ 排気通孔
１３ 側部排気口
１４ 貫通孔
１５ 排気孔
２ スリーブ支持リング
３ スリーブ
４ ステンレススチールのダイバータ
５ 低温端銅ヘッド
６ 測定線部材
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Claims (9)
- ステンレススチールのダイバータ、高温超電導スタック、高温端銅ヘッド、低温端銅ヘッド、測定線部材及びスリーブを備え、前記ステンレススチールのダイバータの両端がそれぞれ高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドに真空ろう付けされ、前記ステンレススチールのダイバータ、高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドの外周面にそれぞれ凹溝が設けられ、前記凹溝内に高温超電導スタックが取り付けられ、前記高温超電導スタック外に第１層のポリイミドテープが取り巻かれ、前記高温端銅ヘッドの内部に測定線部材が貫通され、且つ測定線部材の挿入端が第１層のポリイミドテープの外側に取り付けられ、前記第１層のポリイミドテープの外側に第２層のポリイミドテープが取り巻かれ、前記第２層のポリイミドテープ外にエポキシ含浸のガラスフィラメントにより取り巻かれ被覆され、前記高温端銅ヘッドにスリーブ支持リングが半田付けされ、前記スリーブ支持リングに部材全体外に嵌装されるためのスリーブが半田付けされることを特徴とする大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材。
- 前記の高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドの内端部に、それぞれステンレススチールのダイバータを係着するための段差が設けられ、且つステンレススチールのダイバータと高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドとの間は真空ろう付けによって一体化されることを特徴とする請求項１に記載の大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材。
- 前記の高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドの中部にそれぞれ排気通孔が設けられ、且つ高温端銅ヘッドの側壁に排気通孔に連通する側部排気口が設けられることを特徴とする請求項１に記載の大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材。
- 前記のステンレススチールのダイバータ、高温端銅ヘッド及び低温端銅ヘッドの外周面に、凹溝が均一に配置されることを特徴とする請求項１に記載の大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材。
- 前記の高温超電導スタックは、それぞれ対応する凹溝内に真空半田付けされることを特徴とする請求項１及び４に記載の大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材。
- 前記の高温超電導スタックは、多層のＢｉ−２２２３／ＡｇＡｕ超電導テープによって真空半田付けされることを特徴とする請求項１に記載の大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材。
- 前記の高温端銅ヘッドの側壁に、測定線部材を貫通させるための貫通孔が設けられることを特徴とする請求項１に記載の大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材。
- 前記の測定線部材内外側には、それぞれ絶縁保護層が取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材。
- 前記のスリーブ支持リングに、複数の排気孔が配置されることを特徴とする請求項１に記載の大電流高温超電導電流リード用のヘリウム冷却型高温超電導部材。
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