JPH08153618A - 超電導装置用電流リード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 極低温容器内に収納した超電導装置に電流を
供給する超電導装置用電流リードにおいて、高温超電導
体からなる電流リードのクエンチによる焼損を防止する
と共に、クエンチ検出精度を高め、機械的に強度が高
く、かつ侵入熱を低減した高性能、高信頼性の超電導装
置用電流リードを得る。 【構成】 高温超電導体からなる低温側リード７と並列
に、保護抵抗としての導電性金属棒15を配設し、この導
電性金属棒15の両端をそれぞれ低温端子４および中間端
子６に電気的に接続した。さらに導電性金属棒15にクエ
ンチ検出手段として温度センサー16を付設した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導コイル等の超電
導装置へ電流を供給するための、高温超電導体を用いた
超電導装置用電流リードの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液体ヘリウム容器内に収容した液体ヘリ
ウム中に浸漬して冷却された超電導コイルへ、常温環境
下におかれた励磁電源から電流を供給するための手段と
して電流リードが使用される。超電導コイル等の超電導
装置においては、外部からの熱伝導やふく射および電流
リードからの侵入熱によって非常に高価な液体ヘリウム
が蒸発する。このうち、電流リードからは常温部からの
熱伝導とともに、自身のジュール発熱で大きな侵入熱が
あり、全体の侵入熱量の大半を占める。

【０００３】そこで、液体窒素温度以上で超電導特性を
示す高温超電導体を用いて電流リードを構成し、ジュー
ル発熱を大巾に軽減させて侵入熱を低減する事が考えら
れている。この種の電流リードとしては例えば特開昭63
-292610 号公報が知られている。この超電導装置用電流
リードは図６に示すように、超電導線を巻回して形成し
た超電導コイル１を、液体ヘリウム容器２内に収容され
た液体ヘリウム３中に浸漬して冷却し、超電導状態に保
持する。この超電導コイル１には低温端子４を介して高
温超電導体から成る低温側リード５が接続され、さら
に、低温側リード５の他端には中間端子６を介して常温
側リード７が接続されている。また常温側リード７の他
端には、図示しない常温環境下におかれた励磁電源と接
続される常温端子８が取付けられている。なお中間端子
６の上部には液体窒素容器９が設けられており、この液
体窒素容器９に収容された液体窒素11で中間端子６およ
び低温側リード５をほぼ液体窒素温度に冷却できるよう
になっている。

【０００４】一方、液体ヘリウム容器２から蒸発したヘ
リウムガス10は、ガス流路管12を貫流し、分岐官12ａを
経て図示しないヘリウムガス回収系に回収される。な
お、これらの構成部品の内常温端子８が取付けられた常
温側リード７の一部を除いた他のすべての構成部品は、
断熱真空容器13内に収納されており、外部からの侵入熱
を極力抑制する構成になっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この様に構成された超
電導装置用電流リードにおいて、低温側リード5 は高温
超電導体から成るので、低温側リード5 そのものがクエ
ンチ( 外乱によって常電導に転移する現象) する可能性
がある。クエンチするとセラミックス系の高温超電導体
は高抵抗となり、大きなジュール発熱を生じて低温側リ
ード5 を焼損する恐れがある。一般に、超電導コイル１
等のクエンチ検出手段としては、超電導コイル１を構成
する超電導線に電圧タップを取付け、２点間の発生電圧
を測定して検出する方法が採られる。高温超電導体から
なる低温側リード５においても高温端と低温端に電圧タ
ップを取付けて同様に検出できる。しかし、電圧タップ
の取付部は異種金属接合になるため熱起電力が生じ、高
温端と低温端に生じる熱起電力の差による電圧が発生し
正確なクエンチ検出が困難であり、信頼性が低下する欠
点がある。

【０００６】また、高温超電導体は、一般に機械的に脆
く、他機器との接続時に破損する可能性を有する。さら
に、高温超電導体はセラミックス粉末を焼結法等により
製作するが、熱処理の過程で曲がりが生じる。このため
低温側リード５を低温端子４や中間端子６に固着する際
に、固着部14に大きな隙間ができ、固着のための半田の
量が必然的に増加する。その結果、固着部14の電気抵抗
が大きくなってジュール発熱が増大し、超電導コイル１
への侵入熱が増加する等の問題があった。

【０００７】本発明は上記した問題点を解決するために
なされたもので、高温超電導体からなる電流リードのク
エンチによる焼損を防止するとともに、クエンチ検出精
度を高め、機械的強度が高く、かつ侵入熱を低減できる
高性能、高信頼性の超電導装置用電流リードを提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に対応する発明は、液体窒素温度以上で超
電導特性を示す高温超電導体からなる低温側リードと並
列に、保護抵抗としての導電性金属棒を配設し、この導
電性金属棒の両端をそれぞれ低温端子および中間端子に
電気的に接続する構成にした。

【０００９】請求項２に対応する発明は、請求項１記載
の超電導装置用電流リードにおいて、導電性金属棒にク
エンチ検出手段としての温度センサーを設け、温度変化
を検出する構成にした。

【００１０】請求項３に対応する発明は、請求項１記載
の超電導装置用電流リードにおいて、導電性金属棒にク
エンチ検出手段としてのロゴスキーコイルを設け、電流
変化を検出する構成にした。

【００１１】請求項４に対応する発明は、請求項１記載
の超電導装置用電流リードにおいて、導電性金属棒の一
端を低温端子に冶金的に固着し、他端を中間端子に可撓
導体を介して電気的に接続するとともに、弾性体を介し
て中間端子に取付けた構成にした。

【００１２】請求項５に対応する発明は、請求項１又は
請求項４記載の超電導装置用電流リードにおいて、低温
側リードの端部を中間端子や低温端子に固着する際に、
前記低温側リードの端部に接続片を装着し、低温側リー
ドと接続片、接続片と低温端子や中間端子とを冶金的に
固着する構成にした。

【００１３】

【作用】請求項１および請求項２に対応する発明によれ
ば、高温超電導体からなる低温側リードがクエンチする
と、低温側リードの電気抵抗が増大し、電流が導電性金
属棒に分流するため、低温側リードの焼損を防止でき
る。また導電性金属棒は分流した電流によりジュール発
熱を生じて温度上昇する。この温度上昇を温度センサー
で検知する事により、正確なクエンチ検出が可能にな
る。

【００１４】さらに、導電性金属棒は低温側リードに比
較して機械剛性が大きいので、電流リードの機械的強度
が高くなる。請求項３に対応する発明によれば、低温側
リードのクエンチによって導電性金属棒に電流が流れ
る。ロゴスキーコイルには電流の変化に応じて電圧が誘
起されるので、正確なクエンチ検出が可能になる。請求
項４に対応する発明によれば、低温側リードと導電性金
属棒との熱膨張差を弾性体で吸収し、機械的に脆い低温
側リードに過度な荷重が加わるのを回避でき、さらに低
温側リードがクエンチした時は請求項１の発明と同様に
電流が分流して低温側リードの焼損を防止できる。

【００１５】請求項５に対応する発明によれば、高温超
電導体からなる低温側リードの曲がりに合わせて加工さ
れた接続片を装着することにより、固着時の半田の量が
少なくなる。したがって、固着部のジュール発熱が減少
し、結果として侵入熱の増加が抑制される。

【００１６】

【実施例】以下本発明の各実施例について図面を参照し
て説明する。第１実施例（請求項１および請求項２に対
応）を図１および図２に基づき説明する。

【００１７】図１において、超電導線を巻回して形成し
た超電導コイル１は、液体ヘリウム容器２に収容された
液体ヘリウム３中に浸漬して冷却され、超電導状態に保
持されている。この超電導コイル１には低温端子４を介
して高温超電導体からなる低温側リード５が接続され、
さらに、低温側リード５の他端には中間端子６を介して
常温側リード７が接続されている。常温側リード７の他
端には、図示しない常温環境下におかれた励磁電源と接
続される常温端子８が取付けられている。また低温側リ
ード５と並列に保護抵抗として、ステンレスや銅合金等
の導電性金属棒15が配設され、この導電性金属棒15の両
端はそれぞれ低温端子４および中間端子６に電気的に接
続されている。電気的接続の方法としては半田や銀ロー
を用いて冶金的に固着するか、あるいは可撓導体を用い
て接続する方法等があるが本図では、冶金的に固着した
場合を示す。

【００１８】また、中間端子６の上部には液体窒素容器
９が設けられており、この液体窒素容器９に収容された
液体窒素11で中間端子６と低温側リード５および導電性
金属棒15をほぼ液体窒素温度に冷却できるようになって
いる。

【００１９】一方、液体ヘリウム容器２から蒸発したヘ
リウムガス10はガス流路管12を貫流して、前記低温側リ
ード５や導電性金属棒15および中間端子６を冷却し、分
岐管12ａを経て図示しないヘリウムガス回収系に回収さ
れる。

【００２０】図２は図１の等価回路図であり、低温側リ
ード５に並列に電気的に接続された導電性金属棒15に温
度センサー16が付設されている。なお17は励磁電源であ
る。

【００２１】次に、本第１実施例の作用効果について説
明する。通常運転時に、励磁電源17かつ常温側リード
７、低温側リード５を経て超電導コイル１に電流を給電
すると、低温側リード５は超電導状態にあるため、電気
抵抗は極めて小さく、電気抵抗の大きい導電性金属棒15
にはほとんど電流は分流しない。

【００２２】しかし、低温側リード５がクエンチした時
には、高温超電導体からなる低温側リード５は高抵抗体
に転移する。したがって、電流の大部分は導電性金属棒
15に分流し、低温側リード５に発生するジュール発熱を
抑止して焼損を防止する。一方、導電性金属棒15は電流
によりジュール発熱を生じて温度上昇する。この温度上
昇を温度センサー16で検知する事により、正確なクエン
チ検出が可能になる。このクエンチ検出信号で励磁電源
17からの給電を停止する。さらに導電性金属棒15は延性
材料で低温側リード５よりも機械剛性が大きいので、電
流リードの機械的強度が高くなる。

【００２３】本第１実施例の他の実施例（請求項３に対
応）を図３にもとづき説明する。第１実施例ではクエン
チ検出手段として温度センサー16を用いたが、本実施例
は温度センサー16に代えてロゴスキーコイル18を設けた
ものである。低温側リード５がクエンチして導電性金属
棒15に電流が流れると、ロゴスキーコイル18には電流変
化に応じて電圧が誘起されるので、正確なクエンチ検出
が可能になる。

【００２４】本第１実施例によれば、低温側リード５の
クエンチによる焼損を防止するとともに、クエンチ検出
精度を高め、かつ機械的強度を高くする事ができる。第
２実施例（請求項４に対応）を図４に基づき説明する。

【００２５】図４において、図１と同一部分には同符号
を付してその詳細な説明は省略する。液体窒素温度以上
で超電導特性を示す高温超電導体からなる低温側リード
５と並列に、保護抵抗として、ステンレスや銅合金等の
導電性金属棒15が配設され、この導電性金属棒15の一端
を低温端子４に冶金的に固着し、かつ他端を中間端子６
に可撓導体19を介して電気的に短絡すると共に、皿ばね
あるいはコイルばね等の弾性体20を介して中間端子６に
六角ナット21で取付けられている。

【００２６】次に第２実施例の作用効果について説明す
る。低温側リード５と導電性金属棒15は異種材料で、セ
ラミックス系の高温超電導体からなる低温側リード５の
方が一般に線膨張係数は小さい。したがって、低温に冷
却されると導電性金属棒15には引張り力が、低温側リー
ド５には圧縮力が働く。しかし、導電性金属棒15は弾性
体20を介して中間端子６に取付けられているので、低温
側リード５と導電性金属棒15との熱膨張差を弾性体20が
吸収するので、低温側リード５に加わる圧縮力を大巾に
軽減できる。

【００２７】なお、低温側リード５がクエンチした時の
作用効果は、第１実施例と同様である。本実施例によれ
ば、機械的に脆い低温側リード５に過度な荷重が加わる
のを回避できる。

【００２８】なお、第１実施例又は第２実施例の他の実
施例として、導電性金属棒15を導電性金属管に代えても
よい。導電性金属管にする事により、液体ヘリウム容器
２からの蒸発ヘリウムガス10が導電性金属管の内外面を
冷却するので侵入熱をさらに軽減できる。

【００２９】また導電性金属棒15の形状は前述した実施
例の構造に限定されることなく、例えば内外面に螺線溝
を加工して熱伝達面積を増大させ冷却効率をさらに向上
させてもよい。

【００３０】さらにガス流路管12にバッフル23を取付
け、シエルアンドチューブ型熱交換器にしてもよい。第
３実施例（請求項５に対応）を図５に基づき説明する。

【００３１】本実施例は、前述の第１実施例又は第２実
施例において、低温側リード５の端部を中間端子６ある
いは低温端子４に固着する際に、低温側リード５の端部
に銅等の低電機抵抗機の接続片22を装着し、低温側リー
ド５と接続片22、接続片22と中間端子６あるいは低温端
子４とを半田や銀ロー等で冶金的に固着した。

【００３２】なお、低温側リード５が固着される接続片
22に設けられた穴22a は、低温側リード５の曲りに合わ
せて加工されている。この様な構成にした事により、固
着の際の半田の量が少なくなる。したがって固着部14の
ジュール発熱が減少して、結果的に侵入熱の増加を抑制
できる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
温超電導体からなる電流リードのクエンチによる焼損を
防止できるとともに、クエンチ検出精度を高め、機械的
強度が高く、かつ侵入熱を軽減できる高性能、高信頼性
の超電導装置用電流リードを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超電導装置用電流リードの第１実
施例を示す縦断面図。

【図２】本発明による超電導装置用電流リードの第１実
施例を示す等価回路図。

【図３】本発明による超電導装置用電流リードの第１実
施例の他の実施例を示す等価回路図。

【図４】本発明による超電導装置用電流リードの第２実
施例を示す縦断面図。

【図５】本発明による超電導装置用電流リードの第３実
施例を示す低温側リード固着部を示す縦断面図。

【図６】従来の超電導装置用電流リードの一例を示す縦
断面図。

【符号の説明】

１…超電導コイル、 ２…液体ヘリウム容器、３
…液体ヘリウム、 ４…低温端子、５…低温側リ
ード、 ６…中間端子、７…常温側リード、
８…常温端子、９…液体窒素容器、 10…ガ
ス流路管、13…断熱容器、 14…固着部、15
…導電性金属棒、 16…温度センサー、17…励磁
電源、 18…ロゴスキーコイル、19…可撓導
体、 20…弾性体、22…接続片、
23…バッフル

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 極低温容器内に収納した超電導装置に、
   常温環境下におかれた励磁電源から電流を供給する電流
   リードであって、前記超電導装置に接続された低温端子
   に一端が固着され、液体窒素温度以上で超電導特性を示
   す高温超電導体から成る低温側リードと、この低温側リ
   ードの他端と中間端子を介して一端が直列接続され、他
   端が常温環境下におかれた常温側リードと、前記中間端
   子を冷却する冷却手段とを備えた超電導装置用電流リー
   ドにおいて、前記低温側リードと並列に、保護抵抗とし
   ての導電性金属棒を配設し、この導電性金属棒の両端を
   それぞれ低温端子および中間端子に接続した事を特徴と
   する超電導装置用電流リード。
2. 【請求項２】 導電性金属棒にクエンチ検出手段として
   の温度センサーを設けた事を特徴とする請求項１記載の
   超電導装置用電流リード。
3. 【請求項３】 請求項２記載の超電導装置用電流リード
   において、温度センサーに代えてロゴスキーコイルを設
   けた事を特徴とする超電導装置用電流リード。
4. 【請求項４】 導電性金属棒の一端を低温端子に冶金的
   に固着し、他端を中間端子に可撓導体を介して電気的に
   接続するとともに、弾性体を介して中間端子に取り付け
   た事を特徴とする請求項１記載の超電導装置用電流リー
   ド。
5. 【請求項５】 低温側リードの端部を中間端子や低温端
   子に固着する際に、前記低温側リードの端部に接続片を
   装着し、低温側リードと接続片、接続片と低温端子や中
   間端子とを冶金的に固着する構成にした事を特徴とする
   請求項１又は請求項４記載の超電導装置用電流リード。