JPH07131079A - 高温超電導体電流リード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低温のガスや液化ガスなどによって電流リ
ード本体部分を冷却することなく、単純な構造で外部か
ら極低温容器（クライオスタット容器２１）内への侵入
熱を低減し、液化ヘリウムなどの冷媒４の蒸発量を削減
することができるとともに、高温超電導体電流リード本
体２６の交換にあたってその交換作業を簡易に行うこと
ができるような高温超電導体電流リードを提供するこ
と。 【構成】 ＧＭ冷凍機２３を収容する真空容器を廃止
し、代わりにこの部分を断熱材容器４５で被覆すること
に着目したもので、冷凍機２３と、金属製電流リード本
体と、高温超電導体電流リード本体２６と、超電導線材
と、金属製電流リード本体および高温超電導体電流リー
ド本体２６ならびに冷凍機２３の少なくとも第一段冷却
ステージ２３Ａおよび第二段冷却ステージ２３Ｂを覆う
断熱材容器４５とを有するを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高温超電導体電流リード
にかかるもので、とくにクライオスタット容器などの断
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
源装置から電流を供給するための高温超電導体電流リー
ドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、常温環境下に置かれた励磁用
電源（外部電源装置）から、クライオスタット容器内の
液化ヘリウム（液体ヘリウム）中に浸責冷却された超電
導機器へ電流を供給するための手段として、電流リード
を用いている。

【０００３】超電導機器においては、外部からの熱伝
導、輻射、および電流リードからの侵入熱により高価な
液体ヘリウムが蒸発してしまうという問題がある。通常
の超電導機器においては、電流リードからの侵入熱が侵
入熱全体の大半を占めていることは周知の通りである。

【０００４】従来の電流リードを用いた超電導機器たと
えば超電導コイル装置１について図２にもとづきその一
例を説明する。図２はこの超電導コイル装置１の断面図
であって、超電導コイル装置１は、超電導コイル２と、
コイル容器３と、このコイル容器３内の冷媒４（たとえ
ば液体ヘリウム）と、断熱真空容器としたクライオスタ
ット容器５と、銅材からなるガス冷却型の電流リード６
と、外部電源装置７と、電源側接続線８と、電流リード
６を被覆している蒸発管９とを有する。

【０００５】上記電流リード６および電源側接続線８に
より、超電導コイル２を外部電源装置７に電気的に接続
するものであるが、超電導コイル側端子１０から常温側
端子１１に向かって蒸発上昇するヘリウムガス１２によ
り電流リード６を冷却し、外部からの侵入熱および通電
時のジュール熱がこの電流リード６を介してコイル容器
３内に侵入することを抑制しようとしている。

【０００６】しかしながら、上述のように、超電導コイ
ル２部分への侵入熱の大半は電流リード６の部分におけ
る侵入熱である。

【０００７】しかして、当該電流リード６の全体あるい
は一部を、熱伝導度の低い高温超電導体たとえば酸化物
高温超電導体により製作することによって、この部分を
通した外部からの熱侵入量、および同部分におけるジュ
ール熱発生量を低く抑えることができる。たとえば、液
化窒素（液体窒素）温度（７７Ｋ）以上の臨界温度を有
する高温超電導材料を用いて電流リードを構成する方法
が考えられている。なお、酸化物高温超電導体として
は、ビスマス系、イットリウム系、タリウム系などのも
のがある。

【０００８】図３はこの電流リードを用いた他の超電導
コイル装置２０の構成を示す断面図であって、超電導コ
イル装置２０は、クライオスタット容器５に相当するク
ライオスタット容器２１と、このクライオスタット容器
２１に収容した冷媒４と、真空容器２２と、小型冷凍機
たとえばＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマフォン冷凍
機）２３とを有する。

【０００９】前記外部電源装置７からの前記電源側接続
線８および常温側端子１１に接続して、銅材料などによ
る金属製電流リード本体２４と、中間接続部２５と、高
温超電導材からなる高温超電導体電流リード本体２６
と、低温側接続部２７と、超電導線材２８とを直列に設
け、この電流経路を介して外部電源装置７と前記超電導
コイル２とを電気的に接続する。

【００１０】ＧＭ冷凍機２３は、これを真空容器２２の
頭部の蓋部材２９に固定し、その第一段冷却ステージ２
３Ａを第一段サーマルアンカー部材３０を介して電気的
絶縁を保ったまま中間接続部２５に熱的に接続させてこ
れを冷却する。

【００１１】ＧＭ冷凍機２３の第二段冷却ステージ２３
Ｂを第二段サーマルアンカー部材３１を介して電気的絶
縁を保ったまま低温側接続部２７に熱的に接続させてこ
れを冷却する。

【００１２】なお高温超電導体電流リード本体２６は、
金属製電流リード本体２４との間の中間接続部２５から
の熱伝導により、その高温側を冷却される。

【００１３】高温超電導体電流リード本体２６の超電導
コイル２との間の超電導線材２８は、電気的絶縁を保っ
たまま第二段冷却ステージ２３Ｂに熱的にこれを接触さ
せる。

【００１４】上述の真空容器２２と、ＧＭ冷凍機２３
と、金属製電流リード本体２４と、中間接続部２５と、
高温超電導体電流リード本体２６と、低温側接続部２７
と、超電導線材２８と、第一段サーマルアンカー部材３
０と、第二段サーマルアンカー部材３１とにより高温超
電導体電流リード３２を構成する。

【００１５】なお、第一段冷却ステージ２３Ａと第一段
サーマルアンカー部材３０との間の熱的接触部分、およ
び第二段冷却ステージ２３Ｂと第二段サーマルアンカー
部材３１との間の熱的接触部分には電気的絶縁の必要は
ない。

【００１６】ただし、真空容器２２を構成する材料とし
ては、熱伝導率の低いステンレス鋼やＦＲＰなどを用い
ることにより第一段冷却ステージ２３Ａおよび第二段冷
却ステージ２３Ｂへの熱侵入を低減させる必要がある。

【００１７】さらに、真空容器２２の底部は、冷媒４の
液面以下に位置しているようにこれを配置してある。

【００１８】こうした構成の超電導コイル装置２０にお
いて、ＧＭ冷凍機２３による冷却作用により、金属製電
流リード本体２４および高温超電導体電流リード本体２
６部分が冷却されるため、この部分を伝導する熱侵入は
これを防止可能である。

【００１９】しかしながら、高温超電導体電流リード本
体２６は機械的強度の低い高温超電導材を使用している
ために他の部品に比較して交換の頻度が高いものであ
り、この高温超電導体電流リード本体２６を交換すると
きに、クライオスタット容器２１を分解して超電導線材
２８を切り離す必要があるとともに、さらに真空容器２
２を分解する必要があるなど、交換作業における時間お
よびコストともに損失が大きいという問題がある。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
諸問題にかんがみなされたもので、低温のガスや液化ガ
スなどによって電流リード本体部分を冷却することな
く、単純な構造で、外部から極低温容器（クライオスタ
ット容器）内への侵入熱を低減し、液化ヘリウムなどの
冷媒の蒸発量を削減することができるとともに、高温超
電導体電流リード本体の交換にあたってその交換作業を
簡易に行うことができるような高温超電導体電流リード
を提供することを課題とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、ＧＭ
冷凍機を収容する真空容器を廃止し、代わりにこの部分
を断熱材容器で被覆することに着目したもので、クライ
オスタット容器内に配置した超電導機器と、クライオス
タット容器の外部に配置した外部電源装置とを電気的に
接続可能な高温超電導体電流リードであって、上記超電
導機器と上記外部電源装置との間に配置した冷凍機と、
上記外部電源装置に接続するとともにこの冷凍機の第一
段冷却ステージに接触させた金属製電流リード本体と、
この金属製電流リード本体に直列に接続するとともに上
記冷凍機の第二段冷却ステージに接触させた高温超電導
体電流リード本体と、この高温超電導体電流リード本体
と上記超電導機器との間に直列に接続する超電導線材
と、上記金属製電流リード本体および上記高温超電導体
電流リード本体、ならびに上記冷凍機の少なくとも第一
段冷却ステージおよび第二段冷却ステージを覆う断熱材
容器と、を有することを特徴とする高温超電導体電流リ
ードである。

【００２２】上記金属製電流リード本体、上記高温超電
導体電流リード本体、および上記冷凍機とともに、上記
断熱材容器を上記クライオスタット容器から取り外し可
能とすることができる。

【００２３】上記超電導線材は、これをらせん状に形成
することができる。上記断熱材容器は、これを分割可能
とすることができる。上記断熱材容器は、その底部を上
記クライオスタット容器内の冷媒液面より下方に配置す
ることができる。

【００２４】

【作用】本発明による高温超電導体電流リードにおいて
は、ＧＭ冷凍機を収容する真空容器を廃止し、代わりに
このＧＭ冷凍機およびその第一段冷却ステージおよび第
二段冷却ステージに接続部を接触させた電流リード本体
部分を断熱材容器で被覆することとしたので、高温超電
導体電流リード本体の交換の際に真空容器の分解作業が
不要であり、この断熱容器とともにクライオスタット容
器から全体を取り出すようにすることができ、高温超電
導体電流リード本体の交換作業性の向上およびコストの
低下を図ることができる。

【００２５】さらに、高温超電導体電流リード本体の低
温側電極端子から超電導機器までの接続にらせん状にし
た超電導線材を使用すれば、電流経路の途中を切り離す
ことなく、クライオスタット容器から高温超電導体電流
リードを抜き取ることができる。

【００２６】

【実施例】つぎに本発明の一実施例による高温超電導体
電流リードを用いた超電導コイル装置４０を図１にもと
づき説明する。ただし、図２および図３と同様の部分に
は同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。

【００２７】図１は、本発明の一実施例による高温超電
導体電流リードを用いた超電導コイル装置４０の断面図
であって、当該高温超電導体電流リード４１は、ＧＭ冷
凍機２３と、金属製電流リード本体２４と、中間接続部
２５と、高温超電導体電流リード本体２６と、低温側接
続部２７と、第一段サーマルアンカー部材３０と、第二
段サーマルアンカー部材３１と、アンカー側超電導線材
４２と、超電導体電流リード４３と、コイル側超電導線
材４４と、これらを外周から被覆する断熱材容器４５と
からこれを構成する。

【００２８】高温超電導体電流リード本体２６までの冷
却構造は、図３に示した超電導コイル装置２０の構造と
同様であるが、第二段冷却ステージ２３Ｂの第二段サー
マルアンカー部材３１から超電導コイル２までのリード
部分としては、ＮｂＴｉ線などによるアンカー側超電導
線材４２と、臨界温度が１２Ｋ以上の超電導材たとえば
Ｎｂ₃Ｓｎ、Ｎｂ₃Ａｌ、あるいは酸化物系の高温超電導
材料などの超電導体電流リード４３と、ＮｂＴｉ線など
によるコイル側超電導線材４４とを使用している。

【００２９】なおコイル側超電導線材４４は、その形状
をらせん状とするか、あるいは適宜の長さの弛みを設け
ておくものとする。

【００３０】また、超電導体電流リード４３を省略し、
アンカー側超電導線材４２およびコイル側超電導線材４
４を一体化した超電導線材とすることもできる。

【００３１】断熱材容器４５は、たとえば発泡スチロー
ル材などを採用し、その長さ方向（図中上下方向）にふ
たつ割りとして分解可能とするとともに、その底部には
開口部４６を形成し、内部空間４７に蒸発ヘリウムガス
が侵入可能とするが、この内部空間４７内での対流は困
難なようにしてある。

【００３２】断熱材容器４５は、その底部をクライオス
タット容器２１内の冷媒４の液面より下方に配置してあ
る。

【００３３】こうした構成の高温超電導体電流リード４
１においては、断熱材容器４５により内部の金属製電流
リード本体２４および高温超電導体電流リード本体２６
を外部から熱的に遮断可能でＧＭ冷凍機２３の運転を保
障することができるとともに侵入熱を抑制することが可
能で、なおかつ、断熱材容器４５は従来の真空容器２２
とは異なり、容易にこれをクライオスタット容器２１か
ら取り外すことができる。

【００３４】すなわち、高温超電導体電流リード本体２
６などの交換が必要となった場合に、高温超電導体電流
リード４１を断熱材容器４５とともにクライオスタット
容器２１から図中上方に抜き外し、断熱材容器４５を左
右に分割した上で、高温超電導体電流リード本体２６を
交換可能である。

【００３５】なお、コイル側超電導線材４４の形状をら
せん状としてあるので、電流経路の途中に発熱源となる
コネクターなどを用いることなく、高温超電導体電流リ
ード４１をクライオスタット容器２１から抜き取ること
ができる。

【００３６】また、超電導体電流リード４３のコイル側
超電導線材４４との接続部が冷媒４内に突出しているの
で、断熱材容器４５を引き抜くときに、コイル側超電導
線材４４が断熱材容器４５の底部に接触するおそれはな
い。

【００３７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、高温超電
導体電流リードとして冷凍機および高温超電導体電流リ
ード本体とともにこれらを被覆する断熱材容器を採用し
たので、高温超電導体電流リード本体の交換作業を簡易
化することが可能で、コストの低減にも寄与することが
できる。

【００３８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による高温超電導体電流リー
ド４１を用いた超電導コイル装置４０の断面図である。

【図２】従来の電流リード６を用いた超電導コイル装置
１の断面図である。

【図３】従来の高温超電導体電流リード３２を用いた他
の超電導コイル装置２０の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 超電導コイル装置 ２ 超電導コイル ３ コイル容器 ４ 冷媒（液体ヘリウム） ５ クライオスタット容器 ６ 電流リード ７ 外部電源装置 ８ 電源側接続線 ９ 蒸発管 １０ 超電導コイル側端子 １１ 常温側端子 １２ ヘリウムガス ２０ 超電導コイル装置 ２１ クライオスタット容器 ２２ 真空容器 ２３ ＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマフォン冷凍機） ２３Ａ ＧＭ冷凍機２３の第一段冷却ステージ ２３Ｂ ＧＭ冷凍機２３の第二段冷却ステージ ２４ 金属製電流リード本体 ２５ 中間接続部 ２６ 高温超電導体電流リード本体 ２７ 低温側接続部 ２８ 超電導線材 ２９ 蓋部材 ３０ 第一段サーマルアンカー部材 ３１ 第二段サーマルアンカー部材 ３２ 高温超電導体電流リード ４０ 超電導コイル装置 ４１ 高温超電導体電流リード ４２ アンカー側超電導線材 ４３ 超電導体電流リード ４４ コイル側超電導線材 ４５ 断熱材容器 ４６ 断熱材容器４５の開口部 ４７ 断熱材容器４５の内部空間

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クライオスタット容器内に配置した超
   電導機器と、クライオスタット容器の外部に配置した外
   部電源装置とを電気的に接続可能な高温超電導体電流リ
   ードであって、 前記超電導機器と前記外部電源装置との間に配置した冷
   凍機と、 前記外部電源装置に接続するとともにこの冷凍機の第一
   段冷却ステージに接触させた金属製電流リード本体と、 この金属製電流リード本体に直列に接続するとともに前
   記冷凍機の第二段冷却ステージに接触させた高温超電導
   体電流リード本体と、 この高温超電導体電流リード本体と前記超電導機器との
   間に直列に接続する超電導線材と、 前記金属製電流リード本体および前記高温超電導体電流
   リード本体、ならびに前記冷凍機の少なくとも第一段冷
   却ステージおよび第二段冷却ステージを覆う断熱材容器
   と、 を有することを特徴とする高温超電導体電流リード。
2. 【請求項２】 前記金属製電流リード本体、前記高温
   超電導体電流リード本体、および前記冷凍機とともに、
   前記断熱材容器を前記クライオスタット容器から取り外
   し可能としたことを特徴とする請求項１記載の高温超電
   導体電流リード。
3. 【請求項３】 前記超電導線材は、これをらせん状に
   形成したことを特徴とする請求項１記載の高温超電導体
   電流リード。
4. 【請求項４】 前記断熱材容器は、これを分割可能と
   したことを特徴とする請求項１記載の高温超電導体電流
   リード。
5. 【請求項５】 前記断熱材容器は、その底部を前記ク
   ライオスタット容器内の冷媒液面より下方に配置したこ
   とを特徴とする請求項１記載の高温超電導体電流リー
   ド。