JPH05335144A - 超電導体システム、及び電流リード導体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超電導磁石を励磁又は消磁するときに用いら
れる電流リードからの侵入熱を減少させ、電流リード導
体を小型化した超電導体システムの提供。 【構成】 電流リード導体１５の通電導体２２の外面に
フィン２３を一体形成し、通電導体２２の伝熱面積を大
幅に増加する。通電導体２２と絶縁管２４の間はシール
材２６に挟まれた螺旋状の冷却流路２７を形成する。更
に冷却流路２７は高温側ほど冷却流路断面積を大きくし
て冷却ガスの流速の増加を抑え、流動圧力損失を小さく
している。 【効果】 フィンにより冷却面積は大きくかつ螺旋状の
冷却流路も長くなり、蒸発ガスと導体の熱交換を十分に
行え、冷却性能が向上し、電流リード導体が小型化で
き、更に侵入熱を小さくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導体システム及び電
流リード導体に係り、特に、超電導磁石を励磁または消
磁するときに用いられる電流リードからの侵入熱を減少
させ、小型化するのに好適な構造の超電導体システム及
び電流リード導体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超電導体システムにおいては、例
えば電機学会通信教育会著「超電導工学」（電機学会発
行）の第１７０頁に記載のように、電流リードの侵入熱
を減少させるために、蒸発したヘリウムガスの顕熱で電
流リード導体を冷却する方式を採用していた。電流リー
ドの導体の冷却には超電導磁石を収納したヘリウム容器
からの蒸発ガスを利用し、蒸発ガスを通す単管のガス配
管を電流リード導体の外側に螺旋状に巻いて導体を冷却
するか、導体内に円筒状の冷却流路を形成して導体を冷
却していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術では、ガス配管や円筒状の冷却流路の伝熱面積を
大きくとれなかった。伝熱面積を大きくとるためには、
ガス配管を密に巻き付けるか、円筒状の冷却流路を内蔵
した導体の長さを長くする必要があった。しかし、この
ような処置では導体の小型化ができないと言う問題があ
った。

【０００４】本発明の目的は、極低温冷媒槽への電流リ
ード部からの侵入熱を減少させ、電流リード導体を小型
化した超電導体システムを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明は、超電導体と、該超電導体を極低温冷媒内に
収納する極低温冷媒容器と、該超電導体を外界から熱的
に遮断する真空容器と、該超電導体に電流を供給し或い
は該超電導体から電流を回収するための電流リードとを
備えた超電導体システムにおいて、前記電流リードの一
部もしくは全長にわたって冷却流路を形成し、該冷却流
路内に該電流リード導体と熱的に一体化したフィンを配
置したことを特徴とするものである。

【０００６】

【作用】上記構成によれば、冷却流路内を流動する冷却
ガスは、流路内のフィンと接触しながら電流リード導体
の外面に設けたフィンを冷却し、電流リード導体本体を
冷却する。このとき、フィンを設けることによって冷却
面積は大きくなり冷却性能が向上し、かつ、冷却流路を
例えば螺旋状に形成することにより冷却流路の延長も長
くなり、蒸発ガスと電流リード導体との熱交換を十分に
行うことができ、冷却性能を向上させることができる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明のいくつかの実施例を、図面を
参照して説明する。本発明の第１の実施例を図１〜図４
により説明する。図１は、本発明による電流リードを備
え、超電導コイルを液体ヘリウムで冷却し、蒸発したヘ
リウムガスを小型ヘリウム冷凍機の凝縮器で再液化する
方式を採用した超電導磁石システムの実施例の構成を示
す縦断面図である。図２は電流リード導体１５の縦断面
図で、図３はその一部の鳥観図である。図４は電流リー
ド導体１５のサーマルアンカー１５ｃ部の縦断面図であ
る。

【０００８】図１に示すように本実施例のシステムは、
超電導コイル１、液体ヘリウム２、小型ヘリウム冷凍機
３、凝縮器４等からなる。この方式は、超電導磁石の液
体ヘリウム容器５に液体ヘリウム２を最初に注入するだ
けで良く、冷凍機３を運転している間は液体ヘリウム２
を補給する必要の無いクローズドサイクルである。

【０００９】中間シールド６、８０Ｋシールド７など
は、それぞれ冷凍機３により冷却され、液体ヘリウム容
器５に入射しようとする輻射熱を遮蔽している。シール
ド６、７は、アルミニュウムまたは銅からなり、表面の
赤外線反射率を高くしてある。積層断熱材８は真空容器
９からの輻射熱を防ぐものである。液体ヘリウム注入管
１０の注入口は、冷凍機３が運転中はフタ１０ａで塞が
れている。ヘリウムガス吐出管１１の先は２方向すなわ
わち逆止弁１２とバルブ１３とに分岐している。逆止弁
１２は、液体ヘリウム容器５の内圧が大気よりも低くな
った場合には閉じて大気からの空気の混入を防ぎ、逆に
高くなった場合には開いてヘリウムガスを大気に放出す
る。その動作にいたる圧力差は任意に設定することがで
きる。

【００１０】超電導コイル１を励磁するための電源１４
は、本発明の対象である電流リード導体１５を介して、
超電導コイル１に通電する。電流リード導体１５には、
高温側の電気端子１５ａ、低温側の電気端子１５ｂが設
けられ、また、サーマルアンカー１５ｃは８０Ｋシール
ド７の冷熱を利用し、フレキシブルな熱伝導体１５ｄで
電流リード導体１５の所定の位置を冷却するものであ
る。各電流リード導体１５の導体は電気伝導体でできて
いるので、冷却配管１９および取付フランジ２０は電気
絶縁性の高いアルミナセラミック等で形成している。冷
却配管１９は逆止弁２１を介して大気と連通している。

【００１１】図２、図３に示すように、電流リード導体
１５の通電導体２２は電気伝導性の高い例えば銅製の管
であり、その外面には、角柱状、角錐状、円錐状、針状
または円柱状等のフィン２３を管より直接切り起こすか
又は半田等で冶金的に一体化している。このため、通電
導体２２の伝熱面積は通常の単管に比べ大幅に増加す
る。フィン２３の外周にはフレキシブルな電気絶縁管２
４をかぶせ、その外側に剛性のある保護管２５を挿入す
る。冷却配管１９は電気絶縁性の高いアルミナセラミッ
ク等で形成し、電気端子１５ａ、保護管２５との接合部
は気密一体化している。通電導体２２と絶縁管２４の間
は冷却流体の流路となり、螺旋状にシール材２６を配置
し、シール材２６に挟まれた螺旋状の冷却流路２７を形
成している。さらに、冷却流路２７は高温側ほど冷却流
路断面積を大きくしている。冷却流路内を流動するヘリ
ウムガスは高温側においてガス密度が小さくなるため体
積流量が増し、冷却流路断面積を大きくして流速の増加
を抑え、流動圧力損失を小さくすることができる。

【００１２】導体の冷却ガスの液体ヘリウム２の蒸発ガ
スは、絶縁管２４の低温側に設けた流路口２８より流入
し、螺旋状に上昇しながらフィン２３と熱交換し、加温
された蒸発ガスは、高温側に設けた流路口２９、冷却配
管１９より流出する。通電導体２２の中空部３０は真空
またはヘリウムガス充填されるか、熱伝導率の小さな物
質を充填して高温側から低温側に熱が侵入するのを防い
でいる。

【００１３】いっぽう、図４に示すようにサーマルアン
カー１５ｃ部は、熱良導体の銅製のサーマルアンカー１
５ｃを通電導体２２に冶金的に一体化し、サーマルアン
カー１５ｃの端部は、端子３１を介してフレキシブルな
熱伝導体１５ｄと一体化している。サーマルアンカー１
５ｃは蒸発ガスの通過口３２を有し、電気絶縁管３３を
介して保護管２５に接続している。

【００１４】電流リード導体の通電時に導体にジュール
発熱が発生する。このジュール熱は、電流リード導体１
５を通って液体ヘリウム容器５に流れ、液体ヘリウム２
を蒸発させるため、できるだけ小さくする必要がある。

【００１５】いっぽう、冷凍機３の熱負荷（侵入熱）が
大きいと運転する電力が大きくなるので、侵入熱に見合
った冷凍機を組み込まなければならないが、例えば、可
搬型医療用超電導磁石の場合は、冷凍機３の熱負荷の余
裕を余り大きくすると全体の大きさおよび重量の増加を
招き、実際的でない。この意味でも、電流リード導体１
５から液体ヘリウム容器５への侵入熱を小さくする必要
がある。

【００１６】電流リード１５の接続方式には、通電時以
外の時、超電導コイルからはずしてしまう着脱方式があ
る。しかし、可搬型医療用超電導磁石の場合は、 （ａ） 診療所から次の診療所への移動時に消磁して磁
場を無くし、漏れ磁場の影響を無くすること。 （ｂ） 励磁、消磁の度に電流リードを取り付け、取り
外しの作業を無くすること。 （ｃ） （ｂ）における作業時に空気の混入を避けるこ
と。 などの理由から、超電導磁石に電流リード１５を常に取
り付けたままで用いている。

【００１７】電流リード１５からの侵入熱を小さくする
ためには、熱電導率が小さく、断面積が小さく、長い導
体を用いるが、しかし、断面積が小さく長いと、電流リ
ード１５の電気抵抗が大きくなりジュール発熱量が大き
くなる。また、一般の金属では、熱伝導率と電気抵抗率
との関係が、ヴィーデマン・フランツの法則に従い、熱
伝導率が電気抵抗率に反比例するので、侵入熱を小さく
すればするほど、ジュール発熱量が大きくなる。

【００１８】いっぽう、純金属の電気抵抗率ｒは、ｒ＝
ａＴ（ａ：定数、Ｔ：温度）の関係があるので、電流リ
ード１５を冷却すれば導体の電気抵抗が小さくなり、導
体のジュール発熱量は小さくなる。したがって、導体の
冷却効率を増加させれば、ジュール発熱量を小さくでき
るとともに、発生したジュール熱を容器外に持ち去り、
電流リード導体１５を通って液体ヘリウム容器５に流れ
込む侵入熱を小さくできる。

【００１９】本実施例によれば、冷却流路を螺旋状に形
成し、通電導体２２の外面の伝熱面積は、全フィン２３
の外表面積の総和であり、単管に比べ数倍の伝熱面積を
確保できる。このため、熱交換効率は大幅に向上し、通
電導体２２の長さが短くても十分に冷却でき、侵入熱を
小さくできる。また、フィン形状は針状または円柱状で
あるため、各フィンでの熱通過率は単管の平坦面に比べ
大幅に大きく、さらに、冷却性能が向上する。なお、フ
ィンの配置を流体流路内で蒸発ガスの流動方向に対し千
鳥状に配置することでさらに冷却性能が向上する。

【００２０】いっぽう、冷却流路２７は高温側ほど冷却
流路断面積を大きくしている。冷却流路内を流動するヘ
リウムガスは高温側においてガス密度が小さくなるの
で、フィンとの熱伝達率は低温側に比べて小さくなる。
このため、高温部で冷却流路断面積を大きくすることで
冷却流路内の伝熱面積を大きくし、高温部での冷却性能
の低下を防止することができる。また、高温側の冷却流
路２７の冷却流路断面積を大きくして、高温側において
ガス密度が小さくなるために生じる流速の増加を抑え、
蒸発ガスの流動圧力損失を小さくすることができる。

【００２１】フィン先端を電気絶縁管２４挿入方向に若
干倒すことによって、電気絶縁管２４の挿入作業を容易
にすることができるとともに、電気絶縁管２４を傷つけ
ることがなく絶縁性能を確保することができる。なお、
本実施例ではサーマルアンカーの冷却に小型ヘリウム冷
凍機の寒冷を間接的に利用したが、小型ヘリウム冷凍機
の代わりに液体窒素等の冷媒を利用しても同等の効果が
生じる。

【００２２】本発明の他の実施例の要部を図５に示す。
本実施例では高温側の冷却流路２７内のフィン３４の設
置密度を大きくして伝熱面積を拡大し、流路面積を大き
くして蒸発ガスの流速を小さくした場合でも、熱交換量
を確保して良好な冷却を行うことができる効果がある。

【００２３】本発明の更に他の実施例の要部を図６に示
す。本実施例では通電導体２２のサーマルアンカー部よ
り低温側の部分を、例えば、Ｙ−Ｂａ系の酸化物高温超
電導体３５で構成した場合の断面図の一部を示たもので
ある。両通電導体の接合面には、例えば、銀等の金属を
介在して一体化している。本実施例では、温度約８０Ｋ
以下の低温度域で高温超電導体３５は超伝導状態になり
電気抵抗が零となって、ジュール発熱が無くなる。この
ため、冷却用のフィンは必要なく、構造を簡単にできる
とともに、熱侵入量を小さくすることができる。なお、
酸化物高温超電導体３５は、非常に脆いためステンレス
鋼製の管３６に巻き付けて設置すれば、耐衝撃性が改善
され、信頼性が向上する。

【００２４】本発明の更に他の実施例の要部を図７に示
す。本実施例では、銅製の通電導体２２の長手方向の数
カ所に、熱伝導率が銅よりも小さな、例えば、ステンレ
ス鋼製の熱遮断リング２２ａを挿入し、冶金的に一体化
した構造の断面の一部を示している。本実施例によれ
ば、通電導体２２の長手方向に移動する熱量を遮断でき
るので、熱侵入量をさらに小さくすることができる。な
お、本実施例の効果は、酸化物高温超電導体３５を使用
しない場合でも生じる。

【００２５】本発明の更に他の実施例の要部を図８の
（ａ）、（ｂ）に示す。本実施例では、通電導体２２に
円盤状のフィン３７を設けた場合を示すもので、図中の
（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、円周方向に１８０度異なっ
た方向からみた一部断面図である。本実施例では、
（ａ）、（ｂ）の両断面に開口切り欠き３８、３９を有
したフィン３７と図８（ａ）、図８（ｂ）のいずれか一
方の断面に切り欠き４０を有したフィン４１を複数段組
合わせたもので、冷却ガスは、切り欠き３８、３９、お
よび、フィン３７群間を流動にしながらフィン３７を冷
却し、切り欠き４０に集合してさらに上段のフィン群３
７に上昇して冷却を行う。フィン４１間の一段ごとのフ
ィン群３７の配置数は、高温側の段で多くなるように構
成されている。本実施例によれば、円盤フィンの一部を
機械加工等により削除するのみで流体流路を構成できる
ので製作コストを低くすることができる。また、本実施
例ではフィン形状が螺旋、円盤状であっても、冷却性能
を単管の場合よりも向上させることができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、冷却流路内に電流リー
ド導体と一体化したフィンを設け、フィンを含む冷却流
路を螺旋状に形成し、螺旋状に形成した冷却流路を冷却
ガスを流動させることにより、冷却ガスは流路内のフィ
ンと接触しながら電流リード導体の外面に設けたフィン
を冷却し、電流リード導体本体を冷却する。フィンを設
けることによって冷却面積は大きくなり冷却性能が向上
し、かつ、冷却流路を例えば螺旋状に形成することによ
って、冷却流路の延長も長くなるため、蒸発ガスと導体
の熱交換を十分に行うことができ、冷却性能が向上す
る。したがって、電流リードからの侵入熱を減少させ、
電流リードを小型化できるので超電導体システムを小型
化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す縦断面図。

【図２】本実施例の電流リード導体の縦断面図。

【図３】本実施例の電流リード導体の縦断面鳥瞰図。

【図４】本実施例の電流リード導体のサーマルアンカー
部の縦断面図。

【図５】本発明の他の実施例になる電流リード導体の縦
断面図。

【図６】本発明の更に他の実施例になる電流リード導体
の縦断面図。

【図７】本発明の更に他の実施例になる電流リード導体
の縦断面図。

【図８】本発明の更に他の実施例になる電流リード導体
の縦断面図。

【符号の説明】

１ 超電導コイル ２ 液体ヘリウム ３ 小型ヘリウム冷凍機 ４ 凝縮器 ５ ヘリウム容器 ６ 中間シールド ７ ８０Ｋシールド ８ 積層断熱材 ９ 真空容器 １０ 液体ヘリウム注入管 １０ａ フタ １１ ヘリウムガス吐出管 １２ 逆止弁 １３ バルブ １４ 電源 １５ 電流リード導体 １５ａ 高温側電気端子 １５ｂ 低温側電気端子 １５ｃ サーマルアンカー １５ｄ 熱伝導体 １９ 冷却配管 ２０ 取付フランジ ２１ 逆止弁 ２２ 通電導体 ２２ａ 熱遮断リング ２３ フィン ２４ 電気絶縁管 ２５ 保護管 ２６ シール材 ２７ 冷却流路 ２８、２９ 流路口 ３０ 中空部 ３１ 端子 ３２ 通過口 ３３ 電気絶縁管 ３４ フィン ３５ 高温超電導体 ３６ ステンレス鋼管 ３７ 円盤状フィン ３８、３９、４０ 切り欠き ４１ フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 滝沢 照広 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導体と、該超電導体を極低温冷媒内
   に収納する極低温冷媒容器と、該超電導体を外界から熱
   的に遮断する真空容器と、該超電導体に電流を供給し或
   いは該超電導体から電流を回収するための電流リードと
   を備えた超電導体システムにおいて、 前記電流リードの一部もしくは全長にわたって冷却流路
   を形成し、該冷却流路内に該電流リード導体と熱的に一
   体化したフィンを配置したことを特徴とする超電導体シ
   ステム。
2. 【請求項２】 前記冷却流路を前記電流リード導体に沿
   って、螺旋状または階段状に形成したことを特徴とする
   請求項１記載の超電導体システム。
3. 【請求項３】 前記冷却流路の高温側の流路断面積を低
   温側の流路断面積より大きくしたことを特徴とする請求
   項１又は２記載の超電導体システム。
4. 【請求項４】 前記冷却流路内の高温側のフィンの伝熱
   面積を低温側のフィンの伝熱面積より大きくしたことを
   特徴とする請求項１、２又は３記載の超電導体システ
   ム。
5. 【請求項５】 前記フィンの先端を、前記電流リードの
   長手方向に、もしくは、螺旋、円周方向に傾けたことを
   特徴とする請求項１ないし４のうちいずれかに記載の超
   電導体システム。
6. 【請求項６】 前記電流リード導体の長手方向の高温端
   と低温端との途中に中間温度のサーマルアンカーを設
   け、該サーマルアンカーにその両端の冷却流路に連通す
   る通気孔を設けたことを特徴とする請求項１ないし５の
   うちいずれかに記載の超電導体システム。
7. 【請求項７】 前記電流リード導体の外側に電気絶縁管
   を配置し、該電流リード導体の外側と電気絶縁管の内側
   との間に前記冷却流路を形成したことを特徴とする請求
   項１ないし６のうちいずれかに記載の超電導体システ
   ム。
8. 【請求項８】 前記電流リード導体の長手方向の低温側
   に、低温にて超伝導状態となる導体を設けたことを特徴
   とする請求項１ないし７のうちいずれかに記載の超電導
   体システム。
9. 【請求項９】 前記電流リード導体の長手方向の高温端
   と低温端との途中に、該電流リード導体よりも熱伝導率
   の小さな導体を一箇所以上配置したことを特徴とする請
   求項１ないし８のうちいずれかに記載の超電導体システ
   ム。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし９のうちいずれかに記
    載の超電導体システムに用いられる電流リード導体。