JPH0745420A - 超電導機器の電流リード - Google Patents

超電導機器の電流リード

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JPH0745420A
JPH0745420A JP18653493A JP18653493A JPH0745420A JP H0745420 A JPH0745420 A JP H0745420A JP 18653493 A JP18653493 A JP 18653493A JP 18653493 A JP18653493 A JP 18653493A JP H0745420 A JPH0745420 A JP H0745420A
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JP
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current
superconducting
lead
coil
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JP18653493A
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English (en)
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Kazuyuki Tsurunaga
和行 鶴永
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】外部から浸入する熱を減らし、超電導機器の小
形化を図る。 【構成】電流リード5を燃線による並列無誘導コイルと
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導機器に係り、特
に、この超電導機器に接続された超電導機器の電流リー
ドに関する。
【0002】
【従来の技術】超電導技術の応用分野のなかには、直流
永久電流による発生磁界あるいは電磁エネルギを利用し
た機器やシステムがある。例えば、直流超電導磁石によ
る磁界を利用して人体の断層画像撮影を行う磁気共鳴イ
メージング装置(MRI)や、超電導コイルに電流を出
し入れしながら、その電力を系統安定化などに利用する
超電導エネルギ貯蔵(SEMS)などがそれである。
【0003】一般に、超電導機器の内部とこの超電導機
器の外周の常温部に取り付けられた外部接続用の端子を
接続する導体を電流リードと呼び、従来は、図3の超電
導機器の縦断図に示すような銅材の丸棒を任意の形状に
加工したものが多用されてきた。
【0004】図3において、1はクライオスタット、2
はクライオスタットの内部の冷却容器1aに収納された
超電導コイル、3は冷媒容器1aの内部に注入された冷
媒、4は永久電流スイッチ、15は前述した電流リード、
6は冷凍機、7は常温端子、8は励磁用電源、9は支柱
である。
【0005】図3において、超電導コイル2は、クライ
オスタット1の内部の冷媒容器1aの中の冷媒3に浸漬
された状態で冷却されており、超電導コイル2の図示し
ない端子間は、永久電流スイッチ4で接続されている。
この永久電流スイッチ4は、図示しない制御コイルによ
って超電導状態と高抵抗状態の二つの状態を得ることが
できる超電導スイッチであり、励磁用電源8から超電導
コイル2へ電流を注入するときには高抵抗状態に、ま
た、電流の注入が完了し永久電流モードで運転するとき
には、超電導状態に制御される。一方、電流リード15
は、クライオスタット1の上端に設けられた常温端子7
と極低温領域にある超電導コイル2の間を接続するため
の導体である。支柱9は、強化プラスチックス(FR
P)などの低温構造材で製作された低温容器1aをクラ
イオスタット1に支持するための断熱支持材である。
【0006】このように構成された超電導機器において
は、電流リード15やクライオスタット1及び冷媒容器1
a、支柱9などの構造部材を介して冷媒容器1aの内部
に侵入する熱によって冷媒3が気化されるため、この気
化した冷媒の再液化が必要となる。冷凍機6は、この気
化した冷媒を冷却して凝縮させるために設けられてお
り、この冷凍機6の容量、すなわち、外形と所用動力
は、前述した侵入熱量によって決まる。この侵入熱量の
大部分は、熱伝導度の高い電流リード15を介して外部か
ら侵入するので、冷凍機6の容量は、電流リード15の特
性で決まることになる。したがって、電流リード15に
は、通電電流による発生する損失を減らすために、やむ
を得ず無酸素銅が多用されている。
【0007】この電流リード15には、超電導機器によっ
て、常時通電されるものと、超電導コイルへ電流を注入
するときのみ通電されるものの2種類がある。このう
ち、前者は電流リードの長さ(L)と通電断面積(S)
には、低温領域への侵入熱量を最小限に抑えるための最
適比(L/S)があり、その値は次式により求められ
る。
【0008】 L/S=(l/τ)・cos-1(Tc/Th)…(1) 但し、τ=I・(α/λ)0.5 I:通電電流(A) α:ρ/T ρ:電流リードの固有抵抗(Ω・m) T:電流リードの温度(K) λ:熱伝導率(W/m・K) Tc:電流リード低温端温度(K) Th:電流リード恒温端温度(K) 一例として、通電電流 100Aで、常温( 293K)と低温
( 4.2K)間を接続する銅棒の電流リードの場合、 τ=I・(α/λ)0.5 = 100(1.72×10-8/ 372)0.5 = 6.8×10-4 …(2) L/S=(l/τ)・cos-1(Tc/Th) =(1/ 6.8×10-4)cos-1( 4.2/ 293) =131145 …(3) 電流リードの長さを1mと規定すれば、電流リードの断
面積Sは、 S=L/131145 =l/131145 = 7.6×10-6(m2 ) …(4) 電流リードの直径Dは、 D=(4×S/π)0.5 = 3.1×10-3(m) …(5) また、リード長さを 0.5mと規定すれば、リード断面積
Sは、 S=L/131145 = 0.5/131145 =3.81×10-6(m2 ) …(6) リードの直径Dは、 D=(4×S/π)0.5 = 2.2×10-3(m) …(7) となり、このようにして電流リードの最適設計を行った
後に、低温領域への侵入熱量を見積ることになる。
【0009】これに対し、一般の超電導コイルは、永久
電流モードと呼ばれる運転方式が殆どであり、この場
合、電流が電流リードを流れる時間は、超電導コイルに
電流を注入するときの数分間程度である。つまり、一
旦、超電導コイルへの電流注入が完了すれば、超電導コ
イルの端子間を永久電流スイッチによって短絡し、その
電磁エネルギを様々な形で利用する。したがって、電流
リードには、常時は殆ど電流は流れないので、このよう
な用途の電流リードでは、通電していないときの浸入熱
量を最小限にするように設計される。
【0010】通電していないときの浸入熱量は、電流リ
ードの熱伝導率λと電流リードの断面積Sに比例し、電
流リードの長さLに反比例するので、通常は電流リード
の実装空間が許される限り、あるいは、電流リードの抵
抗値やインダクタンスが許容できる範囲で、電流リード
の長さを極力長くして、低温領域への浸入熱量を抑える
方法が採られている。この結果、低温領域へ浸入した熱
によって気化した冷媒を再液化するための冷凍機の容量
を減らすことができ、システム全体を小形化することが
できる。
【0011】しかし、電流リードの熱抵抗を増やすと、
電流リード自体の外形が大きくなり、それだけ、クライ
オスタットの外形も大きくなるので、この電流リードを
長くして浸入熱量を減らす方法は採用できない。
【0012】次に、超電導限流器のような交流超電導コ
イル用の電流リードにおいては、周知のように、直流と
異なって、表皮効果が生じる。この導体の表皮効果(電
流の浸透深さδ)は、周知のように、導電率κが高くな
るほど顕著となる。すなわち、 δ=(2/ωμκ)0.5 (m) …(8) 但し、δ:電流の浸透深さ ω:2πf f:電流の周波数(Hz) μ:リード材の透磁率 κ:リード材の導電率 因みに、無酸素銅の交流50Hzにおける表皮効果は、 300
Kにおいてκ= 5.8×107 ,μ=4π×10-7,ω= 100
π,故にδ= 9.33mm となる。 4.2Kにおいては、κ=
6.25×109 となるため、浸透深さδは 0.9mmとなる。
【0013】したがって、前述した電流リードのような
直径の大きい銅棒では、表皮効果によって電流の通電断
面積が実質的に減少し抵抗が増加して、発生する熱量が
増える反面、外部からの熱の浸入断面積は変らないた
め、超電導機器にとっては、効率の悪い電流リードとな
る。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の電
流リードにおいては、銅材の棒を折り曲げて必要な長さ
を確保しているので、次のような問題がある。 (1) 永久電流モード用の電流リードにおいては、所定の
長さを確保するために比較的大きな収納スペースを必要
とし、クライオスタットのコンパクト化の障害となる。
【0015】(2) 交流用電流リードにおいては、表皮効
果によって冷媒容器に浸入する熱量が増える。そこで、
本発明の目的は、外部から浸入する熱量を低減させるこ
とができ、超電導機器の外形を小形化することのできる
電流リードを提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、超電導機器の外壁に設けられた端子と超電導機器の
内部で冷却される超電導部を接続する超電導機器の電流
リードにおいて、この電流リードをコイル状としたこと
を特徴とする。
【0017】また、請求項2に記載の発明は、超電導機
器の外壁に設けられた端子と超電導機器の内部で冷却さ
れる超電導部を接続する超電導機器の電流リードにおい
て、この電流リードを並列無誘導コイルとしたことを特
徴とする。
【0018】
【作用】請求項1に記載の発明においては、電流リード
は、超電導機器の内部に占める空間を低減できるととも
に、従来と同一の長さとなる。また、請求項2に記載の
発明においては、超電導機器の内部に占める空間を低減
できるとともに、通電による熱の発生も減少する。
【0019】
【実施例】本発明の電流リードを用いた超電導機器の一
実施例を図1に示す。図1において、図3と同様に、1
はクライオスタット、2はクライオスタット内に配され
た超電導コイル、3は冷媒、4は永久電流スイッチ、5
は電流リード、6は冷凍機、7は常温端子、8は励磁用
電源、9は支柱である。
【0020】また、図2は、電流リード5の構成を示す
拡大詳細図である。図2において、5aは端子、5bは
電極、5cは高熱抵抗材(例えばFRP製)の絶縁ボビ
ン、5dは右巻きの導体、5eは左巻の導体を表す。
【0021】図2に示すように、本発明の電流リード
は、高熱抵抗の絶縁ボビン5cに左右逆巻きでほぼ同じ
直径を有するコイル状の導体5d,5eを任意回数巻装
して、その両端を各々電極5b上で短絡する構造となっ
ている。なお、図1において、電流リード5と超電導コ
イル2を接続する電線には超電導線(例えば、ニオブチ
タンの極細多芯線)を用いる。
【0022】このように構成された電流リードにおいて
は、導体5d,5eは、前述したように、磁気的に負と
なるように構成しているので各々の導体5d,5eに流
れる電流は互いに合成インダクタンスが最小となるよう
に分流してほぼ同じ値となる。その結果、導体5d,5
eは、並列無誘導コイルとなり、励磁用電源8が直流の
場合でも交流の場でも、そのインピーダンスは、導体5
d,5e自体の抵抗分のみとなる。
【0023】また、熱的には、常温と低温領域間の熱抵
抗は絶縁ボビン5cの熱抵抗と導体5d,5eの熱抵抗
との合成値となる。しかし、絶縁ボビン5cの熱抵抗
は、導体5d,5eの熱抵抗と比べて極めて大きく、低
温領域への熱浸入の殆どは導体5d,5eを介して行わ
れる。
【0024】以下、詳細に説明する。表1に、同一通電
断面積の電流リードを規定のスペースで構成したとき
の、本発明の電流リードと従来の電流リードと特性を対
比して示す。
【0025】
【表1】
【0026】本発明の電流リードでは、表1に示すよう
に直径0.91mmの細線を7本燃線して断面積を9.08mm2
した電流リードとなっており、その断面積は従来の単線
の電流リードと同一である。このような構成の導体を用
いて、図2に示すような構造の電流リードを製作する
と、表1に示すように、リード長さ6.28mの電流リード
が得られる。
【0027】また、本発明の電流リードは、コイル状と
なっており、強い磁界の発生を防ぎ周辺の構造材に渦電
流損失などを発生させないように並列無誘導のコイル構
造となっている。
【0028】このように構成された本発明の電流リード
に用いる無酸素鋼の熱伝導率を 372W/m・Kとすれ
ば、常温( 293K)から極低温( 4.2K)間の熱抵抗は
1860K/wとなり、 293K領域から 4.2K領域への浸入
熱量は、電流リード1本当たり、0.16Wとなる。 4.2K
へ0.16Wの熱量が浸入すれば、その熱量に応じたヘリウ
ムの蒸発が生じるので、その再液化が必要となる。 4.2
Kに冷却する冷凍機の効率は、一般的には1/1000と非
常に低く、 4.2Kで、0.16Wの液化能力を得るための冷
凍機の所用動力は、約 160Wとなる。これに対し、従来
の電流リードでは、0.98Wの浸入熱量があることから、
所用動力は 980W必要である。
【0029】このように、本発明の電流リードによれ
ば、従来の電流リードと同一の占有空間における電流リ
ードの長さを、従来の電流リードの6倍にできるだけで
なく、燃線を用いて素線に発生する表皮効果による熱の
発生を解消したので、冷却に要する冷凍機の動力を1/
6以下に減らすことができる。
【0030】
【発明の効果】以上、請求項1に記載の発明によれば、
超電導機器の外壁に設けられた端子と超電導機器の内部
で冷却される超電導部を接続する超電導機器の電流リー
ドにおいて、この電流リードをコイル状とすることで、
電流リードは、超電導機器の内部に占める空間を低減す
るとともに、従来と同一の長さとしたので、外部から浸
入する熱を減らし、超電導機器の外形を減らすことので
きる超電導機器の電流リードを得ることができる。
【0031】また、請求項2に記載の発明によれば、超
電導機器の外壁に設けられた端子と超電導機器の内部で
冷却される超電導部を接続する超電導機器の電流リード
において、この電流リードを並列無誘導コイルとするこ
とで、超電導機器の内部に占める空間を低減できるとと
もに、通電による熱の発生も減少させたので、外部から
浸入する熱を減らし、超電導機器の外形を減らすことの
できる超電導機器の電流リードを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超電導機器の電流リードとこの電流リ
ードが組み込まれた超電導機器の一実施例を示す縦断面
図。
【図2】図1の部分拡大詳細図。
【図3】従来の超電導機器の電流リードとこの電流リー
ドが組み込まれた超電導機器の一例を示す縦断面図。
【符号の説明】
1…クライオスタット、2…超電導コイル、3…冷媒、
4…永久電流スイッチ、5…電流リード、5a…端子、
5b…電極、5c…絶縁ボビン、5d,5e…導体、6
…冷凍機、7…常温端子、8…励磁用電源、9…支柱。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超電導機器の外壁に設けられた端子と前
    記超電導機器の内部で冷却される超電導部を接続する超
    電導機器の電流リードにおいて、この電流リードをコイ
    ル状としたことを特徴とする超電導機器の電流リード。
  2. 【請求項2】 超電導機器の外壁に設けられた端子と前
    記超電導機器の内部で冷却される超電導部を接続する超
    電導機器の電流リードにおいて、この電流リードを並列
    無誘導コイルとしたことを特徴とする超電導機器の電流
    リード。
JP18653493A 1993-07-29 1993-07-29 超電導機器の電流リード Pending JPH0745420A (ja)

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