JPH10112407A

JPH10112407A - 超伝導ケーブルシステム

Info

Publication number: JPH10112407A
Application number: JP9117586A
Authority: JP
Inventors: Sakutaro Yamaguchi; 作太郎山口
Original assignee: Y Y L KK
Current assignee: Y Y L KK
Priority date: 1996-08-16
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 1998-04-28
Anticipated expiration: 2017-04-21
Also published as: JP4201857B2

Abstract

(57)【要約】【課題】素線の偏流を完全に回避すると共に超伝導素線
の冷却を安定化し、更に電流リードの冷却特性を改善し
た超伝導ケーブルシステムの提供。【解決手段】超伝導ケーブルを構成する超伝導素線の少
なくとも一部が、液体窒素で冷却され、超伝導素線が一
体に束ねられることなく分割して独立にそれぞれコネク
タを介して対応する電流リードの絶縁された素線に接続
され、前記電流リードは電源に接続されてなり、超伝導
素線が冷却される第１の冷却槽と、前記電流リードが冷
却される第２の槽とが気密封止され、電流リードを冷却
するガスヘリウムもしくは窒素ガスの流量を制御する手
段を備え、電流リードの電圧降下を各電流リード毎に略
一定に保つように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導ケーブルシステ
ム及び超伝導システムに関し、特に超伝導ストランド及
び電流リードの構成及びシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１に、従来のケーブルインコンジット
導体（Ｃable-in-Ｃonduit Ｃable、ＣＩＣＣ、「ＣＩ
Ｃ導体」ともいう）の断面の一例を示す。

【０００３】図１を参照して、ケーブルインコンジット
導体は、ステンレスのコンジット（パイプ状のもの）の
中に超伝導の素線（Ｓtrand、ストランド）が数十本〜
数百本撚り線にして詰めてなるものである。

【０００４】ケーブルインコンジット導体において、断
面内の素線面積を除いた割合を表わすボイド率は、通常
35〜37％程度とされている（例えば、高橋その他、「ケ
ーブルインコンジット導体の結合損失へのクロムメッキ
厚依存性」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超
電導学会予稿集、Ａ３−６、第２２５頁参照、「文献
１」という）。

【０００５】これらの素線の間に液体Ｈｅ（ヘリウム）
又は超臨界Ｈｅを流し、素線を冷却することにより、素
線には超伝導状態で電流が流れることになる。

【０００６】コンジットは、導体に働く巨大な電磁力に
対抗して支持するという機能の他に、Ｈeの流路を確保
する作用をなすものである。

【０００７】図２に、この種のＣＩＣ導体の作製法の一
例を示す。

【０００８】図２を参照して、素線の径は0.76φとさ
れ、これは銅とＮbＴiやＮb3Ｓn等からなる超伝導フィ
ラメントが中心部に埋め込まれている。

【０００９】図２の例では、この素線を３本づつ撚って
一本の撚り線とし、さらにその撚り線を３本に撚って、
一本の撚り線とし、さらにこの操作を２回繰り返し、最
終的に６本のケーブルを、寸法23.0×27.6mmのコンジッ
トの中に収容する。

【００１０】結局、図２に示す例では、３×３×３×３
×６＝486本の素線が用いられていることになる。

【００１１】このように、多数の撚り線を用いることは
幾つかの理由がある。

【００１２】一の理由は、ＡＣ損（ＡＣｌｏｓｓ）を
低減させるためである。交流回路もしくは時間的に変化
する磁場中にある導体には渦電流が導体表面に流れる
（この現象を表皮効果という）。

【００１３】図２に示すように、素線の表面は銅から構
成されているため、素線表面では渦電流が流れ易く、銅
の抵抗によって発熱が生じ、超伝導コイルの安定性が損
なわれることになる。従って、渦電流損を低減するため
径の細い素線が用いられる。

【００１４】ところで、表皮効果の特性的深さ（侵入深
さ）をδ、素線径をｄとすれば、一つの設計基準は、次
式（１）で与えられる。

【００１５】ｄ＜ δ …（１）

【００１６】このような細い径の素線は、ＮbＴiなどを
フィラメント状に加工することと整合性が良い。

【００１７】また、素線を何本も撚り合せて製作する理
由は、一つにはコイルを形成するための導体であるた
め、折曲げることが必要とされるからである。

【００１８】その際、素線を撚ってないと、曲げ加工性
が悪い他、場合によっては、破断することもある。

【００１９】コイル作製時、コイルは一般に一方向に曲
げられる。そして、コイルの内径側と外径側で長さが異
なることになる。

【００２０】仮に素線が撚られていないものとすると、
外径側では素線は延び、内径側は縮むことになる。

【００２１】このような非対称構造による超伝導導体の
特性の低下を防ぐために撚り線加工が行われる。

【００２２】そして、このように製作されたＣＩＣ導体
を所定の形状に巻回することによってコイルを製作す
る。

【００２３】この時、ＡＣ回路等に用いる際には、上述
の理由によって素線間は電気的に絶縁されていることが
望ましい。これは素線の表面が電気的に接続されている
ものとすると、複数の素線は、表面積が大きく、体積も
大きな一つの導体と見なすことができ、この結果、渦電
流損Ｗが増大するからである。渦電流損は特徴的な大き
さの２乗に比例する。

【００２４】

【数１】

【００２５】ここにＷは渦電流損を表わし、ｄは特徴的
な素線径を表わしている。

【００２６】実際には接触部は一つの素線でも数多くあ
ることから、渦電流は複雑な流れ方をする。

【００２７】以上の理由によって、原子力研究所（以下
「原研」）の実証ポロイダルコイル（ＤＰＣ）計画にお
いて、ＮbＴi−30KＡ級コイル（ＤＰＣ−Ｕ）をＣＩＣ
導体で作る際に、各々の素線はフォルマル絶縁を行なっ
ている。

【００２８】すなわち、図２に示す素線の表面に絶縁材
のフォルマルを数μｍ塗布している（図３参照）。すな
わち図３に示すように、素線の表面に絶縁材を塗布する
ことによって、素線間の絶縁が完全に確保されている。

【００２９】このような構造を取ることによって、ＡＣ
損（＝渦電流損の他に、ＡＣ回路で用いる超伝導コイル
の損はヒステリシス損、近接効果損等があるが、一般に
は渦電流損が支配的である）の少ない安定した超伝導コ
イルが出来る予定であった。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、原研で
行なわれたＤＰＣの実験は、実際には以下に説明するよ
うに、うまく行かなかった。

【００３１】ＡＣ電流を通電する前に、パルス状の電流
波形で実験を行なった（図４参照）。コイルへの単独励
磁のため、コイルによって発生する磁場波形も図４と相
似となる。

【００３２】したがって、０〜ｔ1の間の磁場変化率dＢ
／dｔ（磁場の時間微分）が求まる。実験では０〜ｔ1ま
での時間及びＩ0の値を外部電源によって制御し、磁場
変化率dＢ／dｔを変え、超伝導コイルの安定性等のデー
タを取得した。

【００３３】この結果、この超伝導コイルにおいては、
安定に運転できる磁場変化率dＢ／dｔの値は当初設計値
の約１／1000となった。

【００３４】本来は磁場変化率dＢ／dｔについて世界記
録を達成することを予定したものが、結果的に、従来の
コイルよりもはるかに低い磁場変化率dＢ／dｔの値でコ
イルがクエンチを生じたのである。

【００３５】このため、原研及びメーカー、大学の研究
者の間でその原因について盛んに研究され、それは各々
の素線の電流が同じでなく大きな偏流があるためである
ことが発見された。その解析についての概要を以下に記
す。

【００３６】簡単のため素線を２本とした場合の等価回
路を図５に示す。

【００３７】図５を参照して、Ｌ1、ｒ1は素線１の自己
インダクタンス及び抵抗、Ｌ2、ｒ2は素線２の自己イン
ダクタンス及び抵抗、Ｍは相互インダクタンスを表わし
ている。

【００３８】回路網方程式は、次式（３）、（４）で与
えられる。

【００３９】Ｖ＝ｒ1・ｉ1＋ｊωＬ1・ｉ1＋ｊωＭ・ｉ2 …（３）

【００４０】Ｖ＝ｒ2・ｉ2＋ｊωＬ2・ｉ2＋ｊωＭ・ｉ1 …（４）

【００４１】ここに、ωは回路の振動周波数を、ｊはｊ
2＝−１なる虚数をそれぞれ表わしている。

【００４２】上式（３）、（４）を電流ｉ1、ｉ2につい
て解くと、次式（５）が導出される。

【００４３】

【数２】

【００４４】ここで、素線は超伝導状態にあることか
ら、上式（５）において、ｒ1＝ｒ2＝０とすると、２つ
の素線の電流比は、次式（５′）にて与えられる。

【００４５】ｉ1／ｉ2＝（Ｌ2−Ｍ）／（Ｌ1−Ｍ） …（５′）

【００４６】図２のＣＩＣ導体の製作方法の説明によっ
て容易に理解されるように、素線は互いに密に巻いてあ
るため、相互インダクタンスＭは自己インダクタンスＬ
1、Ｌ2に極めて近い値を取る。

【００４７】さらに、自己インダクタンスＬ1、Ｌ2も完
全に同じ値ではなく、互いに少しづつ異なることが一般
的である。

【００４８】原研ＤＰＣでは測定の結果自己インダクタ
ンスのばらつきは約１％以内であり、相互インダクタン
スは自己インダクタンスの99％程度であることが判明し
た。これを上式（５′）に代入すると、次式（６）が導
出される。

【００４９】ｉ1／ｉ2＝(101−99)／(100−99)＝２／１ …（６）

【００５０】このように、わずかのインダクタンスの差
が素線間の電流比を２倍にすることがわかる。

【００５１】一方、素線には臨界電流ＩCがあり、一定
以上の電流が流れるとクエンチが生じる。

【００５２】すなわち、上述した原研ＤＰＣの構成にお
いては、数本の（全部で486本の素線）素線の電流がＩC
を超せばクエンチが生じることになる。

【００５３】これが、コイル全体のクエンチを誘き、そ
の結果、当初予定の磁場変化率dＢ／dｔの値の１／1000
程度しか安定に電流を流せなかったのである。

【００５４】この現象についての解析は現在も盛んに研
究されており、その研究結果は例えば下記に示す各種文
献に記載されている。

【００５５】（１）安藤その他、「交流・パルス用超電
導撚線導体の内部に接触点があるときの偏流の解析」、
第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿
集、Ｅ１−22、第２２９頁（「文献２」という）。

【００５６】（２）小泉その他、「３０ｋＡ級ＮｂＴｉ
導体の偏流現象」、第５２回、１９９４年度秋季低温工
学・超電導学会予稿集、Ａ３−１０、第２２９頁（「文
献３」という）。

【００５７】（３）樋田その他、「交流用超電導撚線導
体における交流通電時のクエンチ特性について」、第５
２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、
Ａ３−３、第２２２頁（「文献４」という）。

【００５８】このうち、小泉その他（原研）は、前記文
献３において、クエンチ電流値の冷媒温度依存性より、
数本の素線には平均電流値の7.1倍もの電流が流れた可
能性を指摘している。そして、ＤＰＣ−Ｕ導体では素線
の自己インダクタンスの乱れは0.12％、素線長で0.06％
と見積っている。

【００５９】以上の解析結果より、最近製作されるＣＩ
Ｃ導体においては、図３に示すように素線表面に対する
フォルマン絶縁は施されず、代って、クロムメッキが施
されるように至っている。

【００６０】素線の表面をクロムメッキを行った場合、
素線間は完全には絶縁されないため、最初に説明したよ
うに、渦電流損が増大するが、しかし、銅表面のままよ
りは少ない。これは、クロムが銅に比べて電気伝導度が
低いことによる。

【００６１】一方、素線の偏流により一部の素線電流が
臨界電流を超えるとクエンチが始まる。一般にクエンチ
はその素線のある部分から始まる。

【００６２】するとクエンチが生じた部分では抵抗によ
る電圧が発生するため、クロムメッキの接触部から他の
素子に電流が転流（即ち分流）する。

【００６３】図６に、２本の素線におけるクエンチによ
る分流の様子を示す。図６において、Ｒ1は臨界電流ＩC
を超えたために発生したクエンチによる抵抗を表わし、
ＲCはクロムメッキの接触抵抗を表わしている。

【００６４】素線１を流れている電流Ｉ1は、クエンチ
部にて分流する。この大きさは抵抗Ｒ1とＲCによって決
まるが、抵抗Ｒ1が大きくなると素線２に分流する割合
が大きくなる。

【００６５】実際には多くの素線間でこの現象が生じ
る。このような分流が行なわれることによって、素線電
流が均一化され、コイルが安定に運転できるようにな
る。

【００６６】しかし、このような構造を採用すればクロ
ムメッキの厚さや、クロムメッキの厚さに応じた転流等
を検討することが必要とされ、このため解析は複雑にな
り、実験が要求される。この研究は、例えば前記文献
１、前記文献４、及び下記の文献等に記載されている。

【００６７】土岡その他、「ケーブル導体における素線
間偏流の解析」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学
・超電導学会予稿集、Ｅ１−24、第１２１頁（「文献
５」という）。

【００６８】結局、この種の研究の要旨は、渦電流損を
低減するには完全に絶縁すれば良いが、素線の偏流が生
じることから、コイルの要求仕様に応じて、クロムメッ
キ等の調整を行うことがＣＩＣ導体の最も重要な設計法
である。

【００６９】しかしながら、現状では、コイルの要求仕
様に応じて、クロムメッキ等の調整を行なうための完全
な設計法は確立されてない。

【００７０】本発明者は上記問題点を解消すべく、特願
平６−３１６０７１号にて、電流リードを形成する複数
本のリード線を束ねることなく、図７に示すように、対
応する超伝導素線にそれぞれ接続した超伝導ケーブルシ
ステム及び超伝導システムを提案した。通常コイルはダ
ブルパンケーキ状で作られることが多く、それを多数接
続して一つのコイルを作る。大型の超伝導コイルと言わ
れている大型ヘリカル装置（ＬＨＤ）のポロイダルコイ
ルのダブルパンケーキの導体の長さは〜170ｍである。
したがって調整されるべき最大長は、次式のように、0.
102ｍ程度とされる。

【００７１】170×0.06％＝0.102ｍ

【００７２】したがって、各ダブルパンケーキ毎に10cm
程度の素線の長さを接続部で調整する構造を取ることに
よって大きな偏流を押えることが出来る。

【００７３】図７を参照して、超伝導素線一本一本に長
さを変えた素線を接続し、素線はまとめられてコネクタ
ターミナルに取り付ける。超伝導コイルは低温中にあ
り、それの電源は常温にある。電気伝導の良い銅、アル
ミなどで接続されるが、常温から低温への熱伝導及び電
流による発熱は大きな研究課題である。このため、「電
流リード」と称呼される装置が用いられる。

【００７４】本発明は、上記特願平６−３１６０７１号
に提案する超伝導ケーブルシステム及び超伝導システム
を更に更に改良した構成を提案するものであり、その目
的は、素線の偏流を完全に回避すると共に超伝導素線の
冷却を安定化した超伝導ケーブルシステム及び超伝導シ
ステムを提供することにある。また、本発明の他の目的
は電流リードの冷却特性を改善した超伝導ケーブルシス
テム及び超伝導システムを提供することにある。

【００７５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、超伝導ケーブルを構成する超伝導素線が
一体に束ねられることなく、電流リードの絶縁された素
線にそれぞれ接続したことを特徴とする超伝導ケーブル
システム及び超伝導システムを提供する。

【００７６】本発明においては、超伝導ケーブルを構成
する超伝導素線の少なくとも一部が、液体窒素で冷却さ
れ、且つ前記超伝導素線が一体に束ねられることなく分
割して独立にそれぞれコネクタを介して対応する電流リ
ードの絶縁された素線に接続され、前記電流リードは電
源に接続されてなり、前記超伝導素線が冷却される第１
の冷却槽と、前記電流リードが冷却される第２の槽とが
気密封止されたことを特徴とする。

【００７７】また、本発明においては、前記電流リード
を冷却するガスヘリウムもしくは窒素ガスの流量を制御
する手段を備え、前記電流リード電圧降下を各電流リー
ド毎に略一定に保つように制御することを特徴とする。

【００７８】本発明においては、前記電流リードが前記
液体ヘリウムもしくは液体窒素槽の上方に拡延される筒
状部材内に配設され、前記筒状部材の内壁側に１又は複
数温度センサを備えた、前記温度センサの検出温度に基
づき、第２の槽における液体ヘリウムもしくは液体窒素
の蒸発してなるガスヘリウムもしくは窒素ガスの逃げ量
を制御するバルブを備えたことを特徴とする。

【００７９】本発明においては、前記第２の槽内の液体
ヘリウムもしくは液体窒素を加熱する手段を備えたこと
を特徴とする。

【００８０】本発明においては、複数本の絶縁してある
電流リードの素線を、前記素線一本に対し前記複数本の
電流リードを前記コネクタにて接続したことを特徴とす
る。

【００８１】本発明においては、複数本の超伝導素線
を、前記電流リード素線一本に対し前記複数本の超伝導
素線を前記コネクタにて接続したことを特徴とする。

【００８２】本発明においては、超伝導ケーブルの電源
と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード素線
が束ねられることなく、該電流リード素線を分岐してな
る１対の電流リードが、その電流の向きが互いに逆方向
となるようにして中空部を貫通する中空磁性体を、備え
たことを特徴とする。

【００８３】本発明においては、超伝導ケーブルの電源
と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード素線
が、電流ソース側と電流のシンク側の両方に、該電流リ
ードを分岐してなる１対の電流リードが、その電流の向
きが互いに逆方向となるようにして中空部を貫通する中
空磁性体をそれぞれ備えたことを特徴とする。

【００８４】本発明においては、前記中空磁性体に計測
線を巻回し、該計測線から電圧を測定し、前記中空部を
貫通する電流リード素線の電流の偏りを検出する、こと
を特徴とする。

【００８５】本発明においては、超伝導ケーブルの電源
と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リードの素
線が、互いに絶縁され、電流リードの低温部に高温超伝
導体を備え、該高温超伝導体を介して超伝導ケーブルを
構成する素線に接続されたことを特徴とする。

【００８６】本発明においては、超伝導ケーブルの電源
と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード素線
が、互いに絶縁され、電流リードに熱電冷却部材が挿入
されことを特徴とする。

【００８７】本発明においては、超伝導ケーブルの電源
と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード素線
が、互いに絶縁され、電流リードに熱電冷却部材が挿入
され、前記電流リードの低温部に高温超伝導体を備え、
該高温超伝導体を介して超伝導ケーブルを構成する素線
に接続されことを特徴とする。

【００８８】本発明においては、超伝導ケーブルの交流
電源と超伝導ケーブルとを電気的に接続する電流リード
素線が、互いに絶縁され、電流リードに整流手段を介し
て熱電冷却部材が挿入され、前記電流リードの低温部に
高温超伝導体を備え、該高温超伝導体を介して超伝導ケ
ーブルを構成する素線に接続されことを特徴とする。

【００８９】また、本発明は、電流リードに、高温側及
び低温側の両端が電極に接続してなる半導体素子を挿入
し、且つ前記高温側電極を冷却するための手段を備えた
ことを特徴とする。

【００９０】本発明の原理の一端を簡単に説明する。な
お、本発明の理論的な詳細は上記特願平６−３１６０７
１号が参照される。本発明によれば、超伝導素線（スト
ランド）は全て電気的に互いに絶縁され、渦電流損を減
少し、電気絶縁によって生じる素線電流の不平衡、すな
わち偏流は下記の２つの方法により解消している。

【００９１】Ａ）各素線及び素線間の自己インダクタン
ス、相互インダクタンスをコイル製作後測定を行い、バ
ランスするように各素線にそれぞれ独立のインダクタン
ス成分を接合する。

【００９２】Ｂ）各素線に抵抗成分を入れる。この抵抗
成分としては電流導入端にある抵抗を用いる。

【００９３】

【発明の実施の形態】図面を参照して、本発明の実施の
形態を以下に説明する。

【００９４】図８は、本発明の第１の実施の形態の構成
を示す図である。ケーブルコンジットコンダクタに収容
される導体すなわち超伝導素線（ｓｃストランド）２１
は、高圧の超臨界ヘリウム（ＳＨｅ）で冷却され、クラ
イオスタット２内の超臨界ヘリウム槽内に導入され、超
臨界ヘリウムはｓＨｅポンプ４を介して熱交換器６のパ
イプ内に送出され、熱交換器６の槽内には液体ヘリウム
が供給され例えば１０気圧程度で加圧してパイプの中に
ヘリウムを強制的に流し込んで得られる超臨界ヘリウム
は再び不図示の超伝導コイル側に送出され循環する。

【００９５】超臨界ヘリウムで冷却される超伝導素線２
１はシール部材２３を介して気密封止された状態で隣の
液体ヘリウム冷却槽に拡延長され（超伝導素線２２参
照）、液体ヘリウムに含浸された状態でコネクタ２４を
介して電流リードを形成する常伝導型のリード素線２５
にそれぞれ一対一に接続され、リード素線２５からなる
電流リード７は、クライオスタット２の天板上方に延在
されてなる筒状部材の内部に配設され、外部の電源と接
続する端子５に接続されている。この筒状部材に配設さ
れる電流リード７は液体ヘリウムが気化してなるガスヘ
リウムにより冷却される。

【００９６】本発明の実施の形態において、超臨界ヘリ
ウムを超伝導体素線に用いたことにより、液体ヘリウム
中に発熱があった場合に気泡が発生すると、該気泡発生
部分の冷却効果が急に悪化するが、略４Ｋ付近の絶対温
度でヘリウムを加圧して液相／気相の相が分れなくなる
超臨界ヘリウムで冷やすことによって、部分的に温度が
上昇しても気体とならないため、冷却能力が大幅に低下
することはないことによる。なお加圧する圧力は１０気
圧程度とされる。なお、電流リードの冷却は液体ヘリウ
ムでも十分であるため、大気圧と同じ一気圧程度とされ
る。これらの超臨界ヘリウム槽と液体ヘリウム槽は互い
に気密して分離される。すなわち電流リードは、ガスヘ
リウムで冷却されて、冷却に伴う電流リードの電気抵抗
の低減によるジュール発熱の低減、常温側からの熱を熱
交換することによって外部に排出する等の作用をなし、
電流リードからの熱侵入を低減している。

【００９７】また、本発明の実施の形態においては、超
伝導素線と電流リード素線の接続を簡易化するためコネ
クタ接続構造が採用されている。

【００９８】図９は、本発明の第２の実施の形態の構成
を示す図である。図８を参照して、第２の実施の形態に
おいては、ガス冷却型電流リードを冷却するガスヘリウ
ムの流量を制御する手段を備え、これにより電流リード
の端子間の電圧降下を電流リードを構成するリード素線
毎に略一定に制御するようにしたものである。すなわ
ち、図９を参照して、筒状部材内壁には温度センサ、電
圧計及び／又はガスの流量計等のセンサ８が複数取り付
けられており、センサ８の出力は制御装置９に入力さ
れ、制御装置９はクライオスタット２の液体ヘリウム槽
からのガスヘリウムの排気及び電流リード７を冷却した
ガスヘリウムの排気を制御するバルブ１０、１１の開閉
及び開度を制御する。

【００９９】電流リード部７に流れるガスヘリウムの量
があまりにも多いと、過冷却され、電気抵抗が低減し、
これにより電流のバランスがくずれる場合があり、上記
構成のもと、この第２の実施の形態は、電流リードの電
圧測定、温度測定、ガスヘリウムの流量測定、及びこれ
らの組み合わせから、バルブ１０、１１の開閉等を制御
し、電流リード部の抵抗値が一定に維持されるように制
御するものである。

【０１００】また、図９を参照すると、バルブ１０は、
クライオスタット２内の圧力が高くなりすぎ、電流リー
ド部７にガスヘリウムを流すと過度に冷却するような状
態となった時に、開状態に設定され、圧力を制御する。

【０１０１】一方、液体ヘリウムからの蒸発量が少な
く、電流リード部７の冷却が十分に行えないような時に
は、熱侵入等により超伝導コイル側の温度が高くなるお
それがある。この問題を回避すべく、液体ヘリウムのク
ライオスタット中にヒータ（不図示）を収容して加熱
し、ガスヘリウムの発生量（蒸発量）を増加させて、電
流リード部７の冷却を促すように構成してもよい。この
場合、ヒータも制御装置９によってその通電（加熱）の
有無が制御される。

【０１０２】また、図９を参照してコネクタ２４はＦＲ
Ｐ（Ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉ
ｃｓ；繊維強化プラスチック）等の絶縁材料で互いに結
合支持されている。

【０１０３】超伝導コイルの素線（超伝導素線）は、コ
イルを作るために曲げるので、その時に発生する曲げ応
力を緩和するために、より線構造を取る。例えば図２を
参照して、素線を３本より、３本のより線を３本集めて
またより、これを３回繰り返して、これを６本束ねたも
のがコンジット３の中に収容されている。このような構
造を取った時、最初の３本のより線は極めてインダクタ
ンスが良く一致するので、ほとんど偏流は存在しない。

【０１０４】一方、すべての素線をそれぞれ独立に電流
リード素線に接続することは、一面で製造作業工程を煩
雑なものとするので、インダクタンスがよく一致する素
線には、まとめて１本の電流リード素線を接続するよう
にしてもよい。これによって、構造が簡単になる。

【０１０５】逆に、電流リード素線の数を多くして、こ
れを超伝導素線に接続するような方式としてもよい。こ
れは電流リード素線間の電流の偏流を防ぐ方法でもあ
る。

【０１０６】図１０（Ａ）には、３本のより線からなる
超伝導より線のそれぞれに、互いに絶縁された電流リー
ドからの導体をそれぞれ２本ずつ接続した構成が示され
ている（超伝導素線１本に対し電流リード素線２本の構
成）。これによって、電流リード部に多少のアンバラン
ス（不平衡）があっても補償される。

【０１０７】図１０（Ｂ）には、電流リード素線１本に
対し、互いに絶縁された３本の超伝導線が並列に接続し
てある（電流リード素線１本に対し超伝導素線３本）。
超伝導素線は３本のより線を再度３本によってある。こ
のようなより線構造により冷却のバラツキを補償し、偏
流の発生を抑止低減している。

【０１０８】図１１に、本発明の第３の実施の形態の構
成を示す。第３の実施の形態においては、鉄心部が超伝
導コイルのヘリウム温度付近ではなく、電流リード部、
すなわちより高い温度部に配設されている。これによっ
て設計の柔軟性が向上し、製作も容易になる。

【０１０９】図１３に示すように、例えば２ｎ本（〜
）の電流リード素線を２行×ｎ列（図１３では、簡単
のためｎ＝４としている）のアレイ状に配設された鉄芯
コアの中空部を互いに電流の向きが逆方向となるように
対形式で貫通して配設されている。鉄芯の飽和磁束Φma
xがほぼ５．０×１０^-4ＶＳであれば、コアを貫通する
１対の電流リードに流れる電流差ΔＩABは、保磁力の範
囲内でゼロと見なすことが出来る。なお、超伝導素線に
鉄心を設けた構成の詳細は、本発明者による特願平７−
３４５６７８号の記載が参照される。

【０１１０】また図１２を参照して、鉄心部（コア部）
は２つに分けて、それぞれの電流リード部に配設するよ
うにしてもよい。このような構成とした場合、製作容易
性がさらに改善される。

【０１１１】次に図１４を参照して、鉄心を貫通し電流
の向きが逆方向の１対の電流リード素線の他に、鉄芯に
計測線を巻回し、計測線に生じる電圧を測定する。１対
の電流リード素線の電流は互いに大きさが等しく、計測
線には誘起電圧は観測されない（電圧＝０）。

【０１１２】一方、鉄心が飽和することによって、電流
のアンバランスが生じたり、超伝導素線に、超伝導状態
から常伝導状態に相転移した部分が発生したりした場
合、計測線のの電圧を測定することによってこれを検出
することが可能となる。すなわち、この実施の形態にお
いては、超伝導状態にある素線における常伝導状態の発
生を監視及び検出することができる。超伝導素線におい
て、常伝導部が拡大する場合には、制御装置を通して電
源を制御し電流値を下げ、安定した超伝導コイルの運転
を行う。

【０１１３】次に、本発明の第４の実施の形態を説明す
る。図１５を参照して、電流リードの低温部に高温超伝
導体（ＨＴＳ）を接続し、それぞれ電気的に独立に超伝
導導体（超伝導素線）に接続する。これによって低温側
への熱侵入を低減する。

【０１１４】また図１６を参照して、電流リード部に、
高温超伝導体ＨＴＳの他に熱伝半導体を接続する。すな
わち電流リードの電流流入側にはＮ型半導体が、電流流
出側にはＰ型半導体が接続され、これらの熱電半導体素
子はペルチェクーラとして作用し、低温側への熱侵入を
低減する。

【０１１５】図１７を参照して、複数のコイル用の熱伝
導導体にＨＴＳを接続し易くするために、図１５、及び
図１６に示した複数本の高温超伝導体（ＨＴＳ）を絶縁
樹脂等で封止した構造により、互いに絶縁された状態で
一体化している。これによって製作性が向上する。

【０１１６】図１８を参照して、この実施の形態におい
ては、電源として、超伝導コイルを交流駆動するための
交流電源が用いられ、Ｎ型、Ｐ型熱電半導体から成る熱
電冷却素子を２組それぞれ電流リードに接続すると共
に、交流電源の一側の端子と第１組の熱電冷却素子との
間に１対のダイオードを、交流電源の他側の端子と第２
組の熱電冷却素子との間に１対のダイオードを、それぞ
れ挿入し、ダイオードの整流作用によりＮ型及びＰ型熱
電半導体素子に流れる電流の向きを一定としている。こ
のため、熱電半導体素子は冷却素子（ヒートポンプとし
て）作用する。これにより低温側への熱侵入を低減して
いる。

【０１１７】図１９を参照して、この実施の形態におい
て、電流リードは、Ｎ型、Ｐ型熱電材料から成る熱電冷
却素子を複数段カスケード形態に接続してなるものであ
る。図１９において、各段の熱電冷却素子はそれぞれ異
なった温度領域に配置され、それぞれ低温側から吸熱
を、高温側にて放熱を行う。本実施形態によれば、複数
段（＝ｎ）の熱電冷却素子による最高温度と最低温度の
温度差は、各熱電冷却素子による冷却温度差ΔＴｉ（ｉ
＝１〜ｎ）の略総和程度に等しい値が期待される。この
ため電流リードの冷却効果が増大することになる。

【０１１８】なお、電流リード部に配設される熱電半導
体素子と高温超伝導体の各種構成については、本発明者
らは特願平７−３１８６００号にて詳細に説明してい
る。すなわち、本発明に係る超伝導ケーブルシステム及
び超伝導システムにおいても上記特願平７−３１８６０
０号に提案される熱電半導体素子と高温超伝導体の各種
構成及びその変形が適用されることは勿論である。

【０１１９】図２０を参照して、この実施の形態におい
ては、超伝導コイルは液体ヘリウム中にあり、ここで発
生するヘリウム（Ｈｅ）ガスは、電源から超電導コイル
に電流を供給する電流リード２０２を囲繞するカバー２
０１と電流リード２０２の間隙を流れて大気中に流出す
るように構成されている。この時、電流リード２０２か
ら侵入する熱及び発生するジール熱と熱交換するので、
低温部（液体ヘリウム側）への熱侵入が低減される。こ
のような構成を「ガス冷却型電流リード」と呼び、従来
から利用されている。

【０１２０】この実施の形態では、電流リード部２０２
に電極２０４、２０５を介して半導体２０３を挿入し、
ヒートポンプとして作動させることにより、低温部への
熱侵入を低減している。この時、半導体２０３は熱電効
果によって低温側（液体ヘリウム側）から高温側（大気
側）に熱を運んでいる。この熱は、温度差に対応する熱
伝導とジール発熱の２種類がある。従って、半導体２０
３の高温側に接続してある電極２０４は温度が高くな
る。すると、これにひきずられて、半導体の低温側の電
極２０５の温度も上昇し、引いては低温への熱侵入が増
大する。

【０１２１】この問題を解消するために、この実施の形
態では、Ｈｅガスを半導体高温側電極部２０４に流し
て、冷却を行う。

【０１２２】以上本発明の各実施例を説明したが、本発
明は上記各実施例の組み合わせ及び本発明の範囲内での
各種変形を含むことである。

【０１２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
伝導素線を効率的に冷却し、且つ電流リード導体及び超
伝導素線における偏流の発生を抑止低減すると共に、電
流リード部における熱侵入を低減した、高効率の超伝導
ケーブルシステム及び超伝導システムを実現したもので
あり、その実用的価値は極めて高い。

【０１２４】本発明によれば、電流リード部の電圧降下
を一定に保つようにガスヘリウムの流量を制御する手段
を備えたことにより、平衡且つ安定な状態で超伝導ケー
ブルシステム及び超伝導システムを駆動運転することが
できるという利点を有する。

【０１２５】また、本発明によれば、鉄芯を電流リード
に配設することにより、超伝導コイルにおける常伝導状
態の発生を監視検出することができるという利点を有し
ている。

【０１２６】さらに、本発明によれば、電流リードから
の低温側への熱侵入を効率的に低減すると共に、超伝導
コイルの交流駆動を可能としている。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のケーブルインコンジット導体の構成を説
明する断面図である。

【図２】素線からケーブルインコンジット導体を作製す
る工程を説明する図である。

【図３】素線の表面に電気的絶縁材を塗布した構成を示
す図である。

【図４】素線に通電される電流信号の波形の一例を示す
図である。

【図５】素線を２本とした場合の簡易モデルの等価回路
を示す図である。

【図６】２本の素線におけるクエンチによる分流の様子
を示す図である。

【図７】ダブルパンケーキ及び電極までの構成を示す図
である。

【図８】本発明の実施の形態の超伝導ケーブルシステム
及び超伝導システムを説明するための図である。

【図９】本発明の別の実施の形態の超伝導ケーブルシス
テム及び超伝導システムを説明するための図である。

【図１０】本発明の実施の形態における電流リード導体
と超伝導素線の接続の様子を示す図である。

【図１１】本発明の実施の形態を説明するための図であ
り、電流リード導体に鉄芯を配設した構成を示す図であ
る。

【図１２】本発明の実施の形態を説明するための図であ
り、電流リード導体に鉄芯を配設した構成を示す図であ
る。

【図１３】本発明の実施の形態を説明するための図であ
り、電流リードに鉄芯を配設した構成を示す図である。

【図１４】本発明の実施の形態を説明するための図であ
り、電流リードの鉄芯に計測線を配設した構成を示す図
である。

【図１５】本発明の実施の形態を説明するための図であ
り、電流リードに高温超伝導体を配設した構成を示す図
である。

【図１６】本発明の実施の形態を説明するための図であ
り、電流リードに高温超伝導体と熱電半導体素子を配設
した構成を示す図である。

【図１７】本発明の実施の形態を説明するための図であ
り、高温超伝導体を一体型とした構造を示す図である。

【図１８】本発明の実施の形態を説明するための図であ
り、交流電源で超伝導コイルを駆動するための構成を示
す図である。

【図１９】本発明の実施の形態を説明するための図であ
り、電流リードに挿入する熱電半導体の構成の変形例を
示す図である。

【図２０】本発明の実施の形態を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

２クライオスタット３コンジットコンダクタ４ｓＨｅポンプ５端子６熱交換器７ガス冷却型電流リード８センサ９制御装置１０、１１バルブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超伝導ケーブルを構成する超伝導素線が一
体に束ねられることなく、電流リードの絶縁された素線
にそれぞれ接続したことを特徴とする超伝導システム。
【請求項２】超伝導ケーブルを構成する超伝導素線の少
なくとも一部が、液体窒素で冷却され、且つ前記超伝導
素線が一体に束ねられることなく分割して独立にそれぞ
れコネクタを介して対応する電流リードの絶縁された素
線に接続され、前記電流リードは電源に接続されてな
り、前記超伝導素線が冷却される第１の冷却槽と、前記電流
リードが冷却される第２の槽とが気密封止されたことを
特徴とする超伝導システム。
【請求項３】前記電流リードを冷却するガスヘリウムも
しくは窒素ガスの流量を制御する手段を備え、前記電流
リードの電圧降下を各電流リード毎に略一定に保つよう
に制御することを特徴とする請求項１又は２記載の超伝
導システム。
【請求項４】前記電流リードが前記液体ヘリウムもしく
は液体窒素槽の上方に拡延される筒状部材内に配設さ
れ、前記筒状部材の内壁側に温度及び／又は流量センサ
を複数備え、前記センサの出力に基づき、第２の槽にお
ける液体ヘリウムもしくは液体窒素の蒸発してなるガス
ヘリウムもしくは窒素ガスを逃げ量を制御するバルブを
備えたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の超伝
導システム。
【請求項５】前記第２の槽内の液体ヘリウムもしくは液
体窒素を加熱する手段を備えたことを特徴とする請求項
１又は２記載の超伝導システム。
【請求項６】複数本の絶縁してある電流リードの素線
を、前記素線一本に対し前記複数本の電流リードを前記
コネクタにて接続したことを特徴とする請求項２記載の
超伝導システム。
【請求項７】複数本の超伝導素線を、前記電流リード素
線一本に対し前記複数本の超伝導素線を前記コネクタに
て接続したことを特徴とする請求項２記載の超伝導シス
テム。
【請求項８】超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブルと
を電気的に接続する電流リード素線が束ねられることな
く、該電流リード素線を分岐してなる１対の電流リード
が、その電流の向きが互いに逆方向となるようにして中
空部を貫通する中空磁性体を、備えたことを特徴とする
超伝導システム。
【請求項９】超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブルと
を電気的に接続する電流リード素線が、電流ソース側と
電流のシンク側の両方に、該電流リードを分岐してなる
１対の電流リードが、その電流の向きが互いに逆方向と
なるようにして中空部を貫通する中空磁性体をそれぞれ
備えたことを特徴とする超伝導システム。
【請求項１０】前記中空磁性体に計測線を巻回し、該計
測線から電圧を測定し、前記中空部を貫通する電流リー
ド素線の電流の偏りを検出する、ことを特徴とする請求
項６又は７記載の超伝導システム。
【請求項１１】超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブル
とを電気的に接続する電流リードの素線が、互いに絶縁
され、電流リードの低温部に高温超伝導体を備え、該高
温超伝導体を介して超伝導ケーブルを構成する素線に接
続されたことを特徴とする超伝導システム。
【請求項１２】超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブル
とを電気的に接続する電流リード素線が、互いに絶縁さ
れ、電流リードに熱電冷却部材が挿入されたことを特徴
とする超伝導システム。
【請求項１３】超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブル
とを電気的に接続する電流リード素線が、互いに絶縁さ
れ、電流リードに熱電冷却部材が挿入され、前記電流リ
ードの低温部に高温超伝導体を備え、該高温超伝導体を
介して超伝導ケーブルを構成する素線に接続されたこと
を特徴とする超伝導システム。
【請求項１４】超伝導ケーブルの電源と超伝導ケーブル
とを電気的に接続する電流リード素線が、互いに絶縁さ
れ、電流リードに整流手段を介して熱電冷却部材が挿入
され、前記電流リードの低温部に高温超伝導体を備え、
該高温超伝導体を介して超伝導ケーブルを構成する素線
に接続されたことを特徴とする超伝導システム。
【請求項１５】Ｎ型熱電材料とＰ型熱電材料とから成る
熱電冷却素子が複数個直列多段形態に接続してなること
を特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一に記載の超
伝導システム。
【請求項１６】前記電流リード素線が互いに絶縁され、
電流ソース側と電流のシンク側の両方に、該電流リード
を分岐してなる１対の電流リードが、その電流の向きが
互いに逆方向となるようにして中空部を貫通する中空磁
性体をそれぞれ備えたことを特徴とする請求項２〜７の
いずれか一に記載の超伝導システム。
【請求項１７】前記電流リード素線が互いに絶縁され、
電流リードの低温部に高温超伝導体を備え、該高温超伝
導体を介して超伝導ケーブルを構成する素線に接続され
たことを特徴とする請求項２〜７のいずれか一に記載の
超伝導システム。
【請求項１８】電流リードに、高温側及び低温側の両端
が電極に接続してなる半導体素子を挿入し、且つ前記高
温側電極を冷却するための手段を備えたことを特徴とす
る超伝導システム。
【請求項１９】前記高温側電極を冷却するための手段
が、前記電流リードをその長手方向に囲繞するカバーを
備え、該カバーと前記電流リードの間隙に、超電導ケーブルを
冷却するための冷媒ガスを流入するようにして、構成さ
れてなる、ことを特徴とする超伝導システム。