JPH06268266A - 超電導装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超電導機器に適用する電流供給リードにおい
て、単純な構造で扱いの容易な冷却手段を得て、外部か
ら極低温容器内への侵入熱を低減し、液化ヘリウム等の
冷媒の蒸発量を削減する。 【構成】 常温側を金属製リードで、低温側を高温超電
導材製リードで構成される電流供給リードを、ＧＭ冷凍
機等のステージ冷却式冷凍機を用いて、電気絶縁を保ち
ながら冷却する。より低温の冷却ステージには高温超電
導材製リードの極低温側端を、他の冷却ステージには金
属製リードと高温超電導材製リードの接続部付近を、絶
縁を保持したまま、熱的接触させて冷却する。電流供給
リードを収容する真空容器についても、一端をより低温
の冷却ステージ、中央付近を他の冷却ステージに熱的接
触させて冷却することにより、冷却効率の向上を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、断熱容器内で極低温状
態に保持された超電導機器に外部電源より電流を供給す
るための超電導機器用電流リードを用いた超電導装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液化ヘリウム容器内に収容した液
化ヘリウム中に浸漬冷却された超電導機器へ常温環境下
におかれた励磁用電源から電流を供給するための手段と
して、電流供給リードが使用されている。超電導機器外
部からの熱伝導、輻射及び電流リードからの侵入熱によ
る機器内の温度上昇を阻止するため、高価な液化ヘリウ
ムが大量に蒸発している。このため侵入熱等を抑制し、
液化ヘリウムの消費量を減らすことが、超電導機器の開
発当初からの課題となっている。

【０００３】図１に従来の電流供給リードを適用した超
電導機器の一例の断面構成図を示す。超電導機器は、断
熱真空容器５に収められた構成となっている。銅材から
なる電流供給リード６の超電導機器側端子１５は、液化
ヘリウム容器１０中の液化ヘリウム９に浸漬された超電
導コイル１と接続している。電流供給リード６を、ガス
管８内を常温側端子１１に向かって上昇するガスヘリウ
ム７を利用して冷却することにより、通電時のジュール
熱が液化ヘリウム容器に侵入することを抑制している。
それにもかかわらず、通常の超電導機器においては電流
供給リードからの侵入熱が全体の大半を占めることは周
知の事実である。

【０００４】一方、液化窒素温度（７７Ｋ）以上の臨界
温度を持つ高温超電導材を用いて電流供給リードを構成
する方法も考えられている。図２は高温超電導材で構成
される従来の電流供給リードを適用した超電導機器の一
例の断面構成図である。図１の一例と同様に、断熱真空
容器５の液化ヘリウム容器１０中で、液化ヘリウム９に
浸漬された超電導コイル１に電流供給を行う例について
示している。

【０００５】常温側端子１１から超電導機器側端子１５
にかけて設けられたガス管８のほぼ中央部に液化窒素３
が収容され、電流供給リード１６が貫通して設けられる
ステンレスなどからなる液化窒素容器４を設置してい
る。電流供給リード１６は、その常温側端子１１から液
化窒素容器４までの金属製リード１２の部分には銅材を
用い、液化窒素容器４から超電導機器側端子１５までの
間には高温超電導材を用いて、高温超電導材製リード１
４とする構成を有する。それぞれのリードの部分の反対
側端子を液化窒素容器４内の中間接続部１３で接続して
いる。

【０００６】以上のように構成された電流供給リードに
おいて、高温超電導材からなるリード部分は超電導状態
に保たれるので、ジュール発熱は生じない。このため、
電流供給リードから液化ヘリウム容器内に侵入する熱は
熱伝導分のみとなる。

【０００７】一方、高温超電導材はセラミックスである
ことから、熱伝導率が銅材などと比較して極めて小さ
い。電流供給リードから液化ヘリウム容器への侵入熱は
銅材のみを用いたものと比べて極めて小さくなっている
ため、熱侵入等が低減され、液化ヘリウムの蒸発量の抑
制に効果を上げている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来、超
電導機器に適用する電流供給リードは、超電導機器で消
費されたガスヘリウムによって冷却し、温度勾配に応じ
て一部を高温超電導材に置き換える等、冷却効率の改善
に努めている。しかし、冷媒の消費量は、それほど抑制
できず、ガスヘリウムとなって消費された分、冷媒の補
給を欠かすことが出来ない。

【０００９】高温超電導材で低温部を構成した電流供給
リードには、液化窒素による冷却も必要となる。液化窒
素容器は当然、真空断熱容器に対してもヘリウムガス流
路に対しても真空気密を保持できる圧力容器を用いるた
め、配管や構造がさらに複雑となり、通電条件の安定が
容易でなく、冷媒の管理が煩雑であるといった問題があ
る。

【００１０】超電導機器の周辺装置では、温度勾配の大
きい環境下で侵入熱を防ぐため、電流供給リード部分
が、装置の他の箇所と比べて突出した形態となりがちで
ある。熱伝導率の小さい高温超電導材を用いても、短い
電流供給リードで構成することが出来ず、その結果、超
電導機器等が大型であるため、設置にも不便なうえ、冷
媒の消費を増す原因となっている。

【００１１】本発明は、超電導機器に適用する電流供給
リードを用いる超電導装置において、低温ガスや液化ガ
スによる冷却システムに代わって、単純な構造の冷却手
段を得て、外部から極低温容器内への侵入熱を低減し、
液化ヘリウム等の冷媒の蒸発量を削減することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明では、常温側を金属製リードで、低温側を高
温超電導材製リードで構成される電流供給リードを、ギ
フォード・マクマフォン冷凍機等のステージ冷却式冷凍
機を用いて、電気絶縁を保ちながら冷却する。

【００１３】より低温の冷却ステージには高温超電導材
製リードの極低温側端を、他の冷却ステージには金属製
リードと高温超電導材製リードの接続部付近を、絶縁を
保持したまま、熱的接触させて冷却する。また、電流供
給リードを収容する真空容器についても、一端をより低
温の冷却ステージ、中央付近を他の冷却ステージに熱的
接触させて冷却することにより、冷却効率の向上を図る
ことが出来る。

【００１４】図３は、本発明の電流供給リードの一例の
断面概念図であって、冷凍機として小型のギフォード・
マクマフォン冷凍機（以下ＧＭ冷凍機と記する）を用い
て冷却する例について示している。ＧＭ冷凍機２０によ
って真空容器３０内に配置された銅等の金属製リード２
２及び高温超電導材製リード２４を冷却する。リードの
中間接続部２３をＧＭ冷凍機２０の第１段冷却ステージ
１７に電気絶縁を保ったまま、熱的に接触させて冷却す
る。

【００１５】中間接続部２３からの熱伝導によって金属
製リード２２及び高温超電導材製リード２４を冷却す
る。一方、高温超電導材製リード２４の超電導機器側端
子２５との接続部はＧＭ冷凍機２０の第２段冷却ステー
ジ１８に電気絶縁を保ったまま熱的に接触される。各々
の接続部と冷却ステージとの間の熱接触は、それらの間
に低温における熱伝導率が高く、かつ、電気伝導性がな
いセラミックス板３２を挟み入れることによって電気絶
縁を保ったままで実現できる。低温における熱伝導率が
高く、かつ、電気絶縁性の優れた材料としては、例えば
窒化アルミニウムを用いることが出来る。

【００１６】金属製リード部の長さと断面積は、熱伝導
に基づく侵入熱と、ジュール発熱に基づく侵入熱の合計
が最小となるように設計することが出来るのは周知の通
りである。金属製リード部のジュール発熱が大きい場合
には、第１段冷却ステージに中間接続部近傍の金属製リ
ード部そのものを上述と同様の方法によって熱的に接触
させて冷却し、金属製リード部からの侵入熱を低減する
ようにすることも出来る。

【００１７】以上に述べた電流供給リードの構成要素
は、以下に述べるような形で真空容器内に納められる。
即ち、図３に示すように、真空容器中間部２８を冷凍機
の第１段冷却ステージ１７と、真空容器底部２９を冷凍
機の第２段冷却ステージ１８とに、それぞれ、熱的に接
触させる。この熱接触においては、上述の熱接触とは異
なり、電気絶縁の必要はないが、真空気密を確保する必
要がある。その方法としては、冷却ステージと真空容器
とを溶接する方法や、金属製のＯリング等を介して締め
付ける方法等が考えられるが、真空気密が保たれ、か
つ、熱的接触が実現されればその他の方法であっても構
わない。但し、真空容器側壁を構成する材料は熱伝導率
の低いステンレス鋼や繊維強化樹脂材料（ＦＲＰ）等を
用いることによって、冷却ステージへの熱侵入を低減さ
せる必要がある。

【００１８】図４は、本発明の他の一例の電流供給リー
ドの断面概念図を示しており、電流供給リードの構成要
素は図３に示したものとほぼ同じであるが、真空容器に
ベローズ型真空容器３３を用いている。冷却ステージへ
の侵入熱を低減する方法としては、薄肉のステンレス鋼
等の材料から成り、図４に示すようなベローズ型をした
真空容器側壁を使用することなどが有効であると考えら
れる。

【００１９】

【実施例】以下に、本発明の電流供給リードを、液化ヘ
リウムに浸漬冷却された超電導コイルを有する超電導シ
ステムに適用した実施例を図面と共に説明する。図５は
本発明の実施例として電流供給リードを適用した超電導
システムの断面概念図である。図中の符号は１７−第１
段冷却ステージ、１８−第２段冷却ステージ、１９−液
化ヘリウム、２５−超電導機器側端子、２６−電流供給
リード、２７−真空容器常温側端部、２９−真空容器底
部、３０−真空容器、３１−超電導コイルである。

【００２０】冷凍機の仕様や、真空容器側壁の材質や形
状、定格通電電流値等のリードの仕様などによって異な
るが、ＧＭ冷凍機を用いて３００Ａクラスの電流供給リ
ードを作った場合、冷凍機の第１段冷却ステージを４０
〜８０Ｋ、第２段冷却ステージを４〜２０Ｋ程度とする
ことが出来る。高温超電導材からなるリード部の両端部
の温度はそれぞれ第１段、第２段冷却ステージと等しく
なるので、両端部は共に臨界温度以下の超電導状態を得
る。

【００２１】また、真空容器も同様に冷凍機によって冷
却されるので、その温度も常温側端部から徐々に低くな
り、超電導コイル側端子が接続するもう一方の端部にお
いて冷凍機第２段冷却ステージと同じ温度になる。超電
導コイル側端子の温度も冷凍機第２段冷却ステージの温
度（４〜２０Ｋ）と等しくなるので、液化ヘリウムの温
度（４．２Ｋ）との温度差が非常に小さくなり、超電導
コイル側端子と超電導コイルとの間を超電導線で接続し
た際の、伝導による液化ヘリウム中への熱侵入は極く僅
かなもので済む。

【００２２】超電導コイルにＮｂＴｉ線材を用いている
ような場合には、超電導コイル側端子の温度、即ち、冷
凍機第２段冷却ステージの温度（４〜２０Ｋ）が超電導
コイルに用いている超電導線材の臨界温度（ＮｂＴｉの
臨界温度は約９Ｋ）より高い、もしくは、その温度にお
ける臨界電流が所定の通電電流に満たないというような
問題が生じることがある。その場合には、超電導コイル
側端子と超電導コイルとの間を、より臨界温度の高い他
の超電導線材、たとえばＮｂ3Ｓｎや高温超電導材等を
用いて接続することによって液化ヘリウム中への熱侵入
の低減を実現することが出来る。電流供給の対象となる
超電導機器としては、これまでに述べたような液化ヘリ
ウム等の冷媒中に浸漬冷却_された超電導コイルの他、冷
凍機によって伝導冷却された超電導コイルなどもある。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明は、電流供給リード
の冷却に冷凍機を用いているため、電流供給リード冷却
用の液化ガスが不要となる。冷媒の管理に伴う煩雑さも
解消する。電流供給リード用の液化窒素容器等が要らな
くなるため、装置の構造も操作も簡単で安全なものとな
る。

【００２４】ステージ冷却式の冷凍機で電流供給リード
とあわせて真空容器を冷却しているため、常温部から極
低温部までの温度勾配に対応しており、熱侵入は極僅か
なものとなる。電流供給リードを直線的に配置しなくて
も、充分熱侵入を抑えられるため、超電導機器および周
辺装置は、電流供給リード部分の突出が解消し、超電導
機器等の小型化を図ることが出来る等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の電流供給リードを適用した超電導機器の
一例の断面構成図である。

【図２】高温超電導材で構成される従来の電流供給リー
ドを適用した超電導機器の一例の断面構成図である。

【図３】本発明の電流供給リードの一例の断面概念図で
ある。

【図４】本発明の他の一例の電流供給リードの断面概念
図である。

【図５】本発明の実施例として電流供給リードを適用し
た超電導システムの断面概念図である。

【符号の説明】

１ 超電導コイル ２ ガス窒素 ３ 液化窒素 ４ 液化窒素容器 ５ 断熱真空容器 ６ 電流供給リード ７ ガスヘリウム ８ ガス管 ９ 液化ヘリウム １０ 液化ヘリウム容器 １１ 常温側端子 １２ 金属製リード １３ 中間接続部 １４ 高温超電導材製リード １５ 超電導機器側端子 １６ 電流供給リード １７ 第１段冷却ステージ １８ 第２段冷却ステージ １９ 液化ヘリウム ２０ ＧＭ冷凍機 ２１ 常温側端子 ２２ 金属製リード ２３ 中間接続部 ２４ 高温超電導材製リード ２５ 超電導機器側端子 ２６ 電流供給リード ２７ 真空容器常温側端部 ２８ 真空容器中間部 ２９ 真空容器底部 ３０ 真空容器 ３１ 超電導コイル ３２ セラミックス板 ３３ ベローズ型真空容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 敏美 神奈川県平塚市夕陽ヶ丘63番30号住友重機 械工業株式会社平塚研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 常温側が導電性金属材料、極低温端側が
   高温超電導材料で構成された超電導電流リードを用いた
   超電導装置において、複数の冷却ステージを備えた冷凍
   機のより低温の冷却ステージに対して超電導電流リード
   と超電導機器との接続部を接触させる手段、前記冷却ス
   テージより高温の冷却ステージに対して電流リードの導
   電性金属材料部と高温超電導材料部の接続部を接触させ
   る手段を備えたことを特徴とする超電導装置。
2. 【請求項２】 超電導装置を収容する真空容器に対して
   前記冷凍機の冷却ステージを接触させる手段を備えたこ
   とを特徴とする請求項１記載の超電導装置。