JPH0418774A - 超電導磁石装置の電流リード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、真空断熱容器内で液体ヘリウム温度に冷却
された超電導コイルに、外部電源から励磁電流全通流す
るために、超電導磁石装置に設けられる電流リードの構
造に関する。

〔従来の技術〕

一般に超電導電磁石は貞、空所熱容器の内部に収納され
た超電導コイルからなり、液体ヘリウム等の極低温冷媒
によって冷却され極低温に保持される。電流リードは極
低温に保持された超電導コイルに常藺部から電力を供給
するもので、一般に導体に発生するジュール熱と外部の
常幅部から内部の（セ低淵部へ伝導により侵入する侵入
熱を低減するために、液体ヘリウムガスが蒸発した低温
のヘリウムガス全電流リードに導き電流リードの導体と
の熱交換によって冷却する方法が採られている。

この場合極低１Ｍ部へのｆ、２人熱が増大すると高師な
液体ヘリウムの消費量が増加するとともに、超電導ＭＬ
磁石の特性知悪影響を及ぼすおそれもある。

そのため、電流リードには導体と冷却用ヘリウムガスと
の熱交換が良好であることが求められる。

第３１シＩｌけ超電導磁石装置Ｒの一般的な構造を簡略
化して／Ｊ＜す＃ＩＵ　ｌ所面図である。図において、
貞′４！断熱容器１は真空容器１Ａと、その蓋板部分に
サービスポート１Ｄを介して連結されたヘリウム容器１
Ｂと、真空空間内に配されて液体窒素１Ｎによって冷却
される液体♀素ンールドＩＣ全持ち、かつ液体窒素シー
ルド１Ｃやヘリウム容器１Ｂが図示しない多層断熱層で
覆われて真空容器１人側からの１も１射＠全遮断するこ
とにより、ヘリウム容器Ｉ　Ｂへの侵入熱が極めて代か
になり、ヘリウム容器１Ｂに収容された液体ヘリウム１
Ｈの気化損失が最小限に保持される。

超’Ｆｔ［コイル２はヘリウム容５１Ｂ内に液体ヘリウ
ム１Ｈに浸漬した状態で収納されて液体ヘリウム温度（
約４゜２Ｋ）に保持され、その両端末は接傍リード４全
介して一対の電流リード５の下端部に接続はれる。電流
リード６はサービスポート１Ｄを通り、その蓋板ＩＥＫ
絶縁支持された状態でその上端部が外部に引き出され、
端子板３Ａが図示しない外部電源に導電接続され、電流
ＩＪ−ドろを介して超電導コイル２に直流大電流を供給
して励磁すれば、超電導コイルは高磁界を発生するとと
もに、この状態で超電導コイル２の両端末を短絡すれば
、超電導コイルには永久電流が流れ、大きな電力を磁気
エネルギーとして蓄える超電導磁石装置としての機能を
発揮する。

第４図は第３図における電流３を示す横断面図であり、
電流リード３は、金属製の中空管６の内部にα数条の導
体５をちゅう密に挿入し、中空管６の外周側を絶縁層７
によって被穆するよう構成される。捷だ、複数の導体５
相互間の隙間および導体と中空管との間の隙間はヘリウ
ムガス１Ｇによる冷却通路８として有用され、ヘリウム
容器１Ｂ中で気化した低温のヘリウムガス１Ｇが、′電
流リード５の下端から冷却通路８に人シ、電流リードの
上端から外部に放出されるか、あるいけ回収されること
により、導体５け低温のヘリウムガス１Ｇによって冷却
され、導体５内に励磁電流によって発生するジュール熱
が低減され、かつ外部からの侵入熱およびジュール熱が
極低部側へ伝導することが阻止されるので、液体ヘリウ
ムの気化損失を低減することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

・招電導電磁石装置には装置の小型化、４￥量化が求め
られており、真空断熱容器１を小型化するためにそのサ
ービスボー）ＩＤの深さにも制約が生ずる。棒状の従来
の電流リード３はその長さがサービスポートの縦方向の
深さによって制約全骨ける。このため、常温側からの侵
入熱を抑さえるためｔ／ｃｔｒｉ屯流リード３の導体１
析而槓を縮小する他なく、これが原因で電流リード６の
熱容量が小さくなる。このことは、冷却系の故障などに
よってへリウムガス１Ｇの流通１１が減少または一時的
に停止した場合、導体５の温度が短時間で上昇し、電流
リードが損傷する事態に結び付ぐ危険性がある。

また、一対の導体には互いに逆向きの往復電流が流れる
ので、それぞれの電流リート°全周廻する方向に発生す
る電流磁界が互いに逆向きとなり、相互に電流磁界を打
ち消すよう機能するが、一対の電流リード間の距離が離
れていると、電流磁界の打ち消し作用が不十分になり、
超電導コイル２によって生ずる磁界分布に悪影響を及は
すという問題が発生する。

この発明の目的は、侵入熱およびジュール熱が少く、適
度の熱容量を保持して安定性があり、かつ電流磁界の発
生が少い電流リード金得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課朗全解決するために、この発明によれば、真空断
熱容器内に設けら７７、たヘリウム容器に？−ビスポー
トを介して挿入され、前記ヘリウム容器に液体ヘリウム
とともに収容した超電導コイルの両端末に接続リードを
介して導電接続され、外部主弁からの励磁電流を通流す
るものにおいて、低熱伝導４Ｊからなる中空の心材の表
面にら旋状に巻装された第１の導体と、＠記心材全同軸
状に包囲する低熱伝導材からなる外筒の内側にら旋状に
巻装された第２の導体と、前記第１の導体と第２の導体
との間に保持されたヘリウムガス冷却通路とを備え、前
記第１の導体および第２の導体が相互に絶縁されて前記
超電導コイルの両端末に接続リードを介して接続されて
なるもの、捷たは第１の導体と第２の導体が心材の表面
に互いに並列なら旋状に巻装されてなるものとし、かつ
第１の導体および第２の導体が が酸化物系超電４線材からなるもの、または第１の導体
および第２の導体が常電導線材からなるものとする。

〔作用〕

この発明の構成において、低熱伝導材からなる心材と、
これ全ＬＩＪＪ軸状に包νＢする外筒との１ｉＪｊ　藻
中に仏いに逆向きの往復電流が流れる第１の導体および
第２の導体をそれぞれら旋状に巻装して配置し、内導体
の間にヘリウムガス冷却通路を保持するよう構成したこ
とにより、まず従来別体であった一対の電流リードが一
体化さ九、省スペース化できるとともに、互いに逆向き
の電流が流れる第１、第２の導体が近接して電流磁界の
打ち消し効果金高める機能が得られる。また、内導体が
心材廿たは外筒に密接したら旋状に巻装されることによ
り、サービスポートの深さに比べて導体の長さ全大幅に
延長することが可能となり、常温側からの侵入熱を大幅
に低減する機能が得られる。さらに、導体を臨界温度Ｔ
ｃの高い酸化物系超電導線材で構成することにより、ジ
ュール熱全零に近づけることができるので、−層ヘリウ
ム損失の少い電流リードが得られ、かつ超電導線材の安
定化材の熱容量およびこれと密接した心材、外筒の熱容
量金利用してヘリウムガスの通流異常に対するクエンチ
の阻止機能を得ることができる。をらにまた、導体を銅
、アルミニウムあるいはこれらの合金等の常電導線材で
構成することも可能であり、導体長ざの延長に比例して
導体断面ｆｔ′ｆｉ：大きくしても侵入熱は増大せず、
これによってジュール熱の増大も阻止できるので、熱損
失が少く、かつヘリウムガスの通流異常に対する安定性
に優れた電流リードを得ることができる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例になる超電導磁石装置の電流
リードの要部を示す縦破砕断面図である。

図において、電流リード３０は、中空部３３Ａが真空に
保たれた円管状の心材３３と、これ全同軸状に包囲する
外筒３４とで構成される隙き間に、心付３３の外周部に
ら旋状に巻装された第１の導体３１と、外筒３４の内周
面に密接してら旋状に巻装された第２の導体３２とを収
容した構造となっておｐ１両導体の間に低温のヘリウム
ガス１Ｇが図中矢印の方向に流れるヘリウニガス冷却通
路３５が保持される。また一対の導体３１および３２は
電流リードの下端部で第３図に示したと同様に接続リー
ド４を介して超電導コイル２の両端末にそれぞれ導電接
続され、励磁電流が互いに逆向きに流れる従僕導体が一
体化した電流リードを形成する。

心材３３および外筒３４け、低熱伝導性金属としてのス
テンレス鋼、マンガン鋼、ニクロム鋼カ、あるｂは繊維
強化プラスチック村などの絶縁材のいずれかで構成され
、金属を用いた場合、６月３５と外筒３４け図示しない
絶縁ヌペーサなどによって電気的に絶縁される。

一方一対の導体３１および′５２は、常電導体である鋼
材やアルミニウム材、または酸化物系超電導体であるイ
ツトリウム系、ビスマス系などの銅酸化物高温超電導体
やバリウム系酸化物超電導体などのいずれかで構成され
る。

導体に鋼材を用いた場合、電流を工、導体の長さをり、
導体の断面ｆｊｔ′！ｉ−８とした場合、Ｉ　ｘＬ／Ｓ
−一定なる条件を（両足するよう形状決定を行うことに
より、常温側からの侵入熱と導体で発生するジュール熱
との和が最小となる条件が成り立つことが知られており
、導体５１および３２全それぞルら旋状とすることによ
って導体長さＬが延長された分、導体断面積を増しても
熱損失は増加せず、また電流工の増加に比例して導体断
面積Ｓを増すことにより最適形状全保持できる。したが
って、高価な液体ヘリウムの気化損失全低減した最適設
；？１を保持した状態で導体そのものの熱容量を大きく
することが可能になり、ヘリウムガスの通流シ゛４常に
対する導体の温度ト昇を鈍らせる熱安定性が得られる。

なお、心材および外筒を熱伝導率が導体より１けた以上
低い低熱伝導材で構成することによって侵入熱に及ぼす
影響は僅かになり、かつ心材および外筒の熱容量がこれ
と密着した導体の熱容量を補償する方向に寄与するので
、より高い熱な定性が得られる。

一方、導体に酸化物系超電導材を用いる場合、心材また
外筒に酸化物系超ｉ４材全焼結法により１７ｉ接的に結
合する方法々、銀などの安定化材で被覆されたら旋状の
超電導線材全心材または外筒に焼きばめする方法とがあ
るが、いずれもヘリウムガス冷却通路６８を通る低温の
ヘリウムガス１ＧによってＴｃの高い酸化物系超電導体
が超電導状態となり、ジュール熱がほとんど零になるこ
とによって熱損失が大幅釦低減されるとともに、長さの
延長によって侵入熱も減少する。１次、心材および外筒
の熱容量ヲ利用でへるので、ヘリウムガスの通流異常に
対する熱安定性が得られるとともに、安定化材を用いる
場合にはヘリウムガスの通流異常を考慮して銅線を用い
た場合と同様に安定化材の最適設計を行うことができる
。

さらに、往復電流が流れる一対の導体３１および３２が
同軸状に近接して配されることによって電流磁界の打ち
消し効果全高度（（発揮できるので、超電導コイルが発
する主磁界への悪影響全１・牙とんど排除することがで
きるととも例、従来一対の電流リードが１本に一体化さ
れることにより、サービスポート内における電流リード
の配役スペースが省スペース化され、電流リードの軽量
化と併せて真空断熱容器の小型化、軽量化、および低熱
損失化に貢献できる。

第２図はこの発明の異なる実施例を示す要部の断面図で
あり、中空部が真空状態の心材４３の外周面に電流工が
互いに逆向きに流れる第１の導体４１と第２の導体４２
とが交互に並ぶよう各ターン間に間隔をおいてら旋状に
巻装し、その外側を外筒４４で檀い、導体４１と４２の
間をら旋状に周廻するヘリウムガス冷却通路４５を形成
するよう構成した点が前述の実施例と異なっており、調
料、゛また（１超電導材で構成される一対の導体４１．
４２は図では省略した絶縁材によって相互に絶縁される
。

このように構成された電流リードは、一対の導体４１．
４２の長さがほぼ等しく、かつその径が等しいので、電
流磁界の打ち消し効果が高い。また、一対の導体全心材
４３の外周面にあらかじめ固定できるので、製作を容易
化することができ、必要に応じて電流リードの外径全縮
小できる利点が得られる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、電流が互いに逆向きに流れる
一対の導体をら旋状にし、低熱伝導材からなる円筒状の
心材とこれを同軸状に覆り外筒との間に並列または異な
る径の同軸状に配し、かつ一対の導体間の空間をヘリウ
ムガス冷却通路とするよう構成した。その結果、導体を
ら旋状としたことによって電流リードの直線的な長さの
短縮と、導体長さの延長が同時に可能になるので、サー
ビスポートの深さを縮小して真空断熱容器を小型化、軽
−数比する効果と、常温側からの侵入熱の低減効果とを
同時に得ることができ、したがって従来技術で問題とな
った超電導磁石装置を小型化することによって電流リー
ドの侵入熱が増加するという問題が排除され、小型軽蓋
でヘリウム消費の少い超電導コイル＃を提供することが
できる。

また、導体長さの延長に比例して導体断面積音大きくし
ても侵入熱とジュール熱の和を最小に保持する最適設計
が可能なので、常電導導体を用いて熱損失の少い電流リ
ードが得られるとともに、導体断面積の拡張によって導
体の熱容量が増すので、直線状の従来の電流リードでそ
の長さが制約されることによって問題となったヘリウム
ガスの通流異常による導体の湯度上ＪＡ、を抑制するこ
とが”Ｊ　＃Ｍとなり、したがって熱安定性に優れかつ
長さ〃電豆縮された電流リードを提供することができる
。

ざら（′ζ、導体に臨界濁度Ｔｃが高い酸化物系超電導
線材を用いれば、低温のヘリウムガスを冷媒として超電
導状態とすることができ、ジュール熱全零に近づけられ
るのでさらにヘリウム損失の少い電流リードが得られる
とともに、心材および外筒の熱容量や安定化材の熱容量
を利用して熱安定性にも優れた電流リードを提供するこ
とができる。

さらに寸だ、従来一対の電流リードが一体化されてナー
ビスポート内の配役スペースが小さくてすみ、かつその
支持構造金も簡素化でき、超電導材の使用や並列配置な
どの構造改善によって電流リードの径やＭＬ葉の低減も
可ｆｉｌなので、超電導磁石装置を小型化、イφ証化す
ることに貢献できる利点が得られる。また、一対の導体
が近接したら旋状に形成されて電流磁界の打ち消し効果
が高まるので、超電導磁石の磁界分布への悪影響を排除
できる利点も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例になる超電導磁石装置にの電
流リードの要部金示す縦破砕断面図、第２図はこの発明
の異なる実施例を示す断面図、第３図は超電導磁石装置
の一般的構造を示す断面図、第４図は従来の電流リード
を示す横断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）真空断熱容器内に設けられたヘリウム容器にサービ
   スポートを介して挿入され、前記ヘリウム容器に液体ヘ
   リウムとともに収容した超電導コイルの両端末に接続リ
   ードを介して導電接続され、外部電源からの励磁電流を
   通流するものにおいて、低熱伝導材からなる中空の心材
   の表面にら旋状に巻装された第１の導体と、前記心材を
   同軸状に包囲する低熱伝導材からなる外筒の内側にら旋
   状に巻装された第２の導体と、前記第１の導体と第２の
   導体との間に保持されたヘリウムガス冷却通路とを備え
   、前記第１の導体および第２の導体が相互に絶縁されて
   前記超電導コイルの両端末に接続リードを介して接続さ
   れてなることを特徴とする超電導磁石装置の電流リード
   。 ２）第１の導体と第２の導体が心材の表面に互いに並列
   なら旋状に巻装されてなることを特徴とする請求項１記
   載の超電導磁石装置の電流リード。 ３）第１の導体および第２の導体が酸化物系超電導線材
   からなることを特徴とする請求項１または請求項２のい
   ずれかに記載の超電導磁石装置の電流リード。 ４）第１の導体および第２の導体が常電導線材からなる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか記
   載の超電導磁石装置の電流リード。