JPH11214215A - 冷凍機冷却型超電導磁石用電流リード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱侵入量が少なく、且つ短尺に構成され、超電
導磁石がコンパクトに構成できるものとする。 【解決手段】銅やアルミニウム、あるいはそれらの合金
よりなる良導電性金属部材の板に、両端より交互にスリ
ット１１，１２を入れ、微小な間隙を介して互いに平行
に配された平板状導体１３の直列接続体を構成し、その
端部に常温端子１４と低温端子１５を形成して、電流リ
ードの導体部を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強磁場を利用する
成分分析用の超電導磁石あるいはエネルギ貯蔵用の超電
導磁石等、冷凍機で超電導コイルを冷却保持する超電導
磁石用の電流リードに関する。

【０００２】

【従来の技術】冷凍機で超電導コイルを冷却保持する超
電導磁石は、冷凍機の冷凍能力の向上に伴って、近年開
発が盛んになってきている。図４は、従来の冷凍機冷却
型超電導磁石の基本構成を模式的に示す断面図である。
図において、１は超電導線を巻回してなる超電導コイ
ル、２は輻射シールド、３は内部を真空にして断熱する
真空容器、４は超電導コイル１と熱伝導性良好に結合さ
れた冷却フランジ、５は超電導コイル１を冷却するため
の冷凍機、７は図示しない電源から超電導コイル１へと
電流を供給する電流リードである。図に見られるように
冷凍機５の極低温部は冷却フランジ４に、また低温部は
輻射シールド２に熱的に連結されており、冷却フランジ
４を介して超電導コイル１を極低温に冷却保持するとと
もに、輻射シールド２を冷却して外部から侵入する輻射
熱を吸収して、超電導コイル１へ侵入する輻射熱を抑制
している。

【０００３】図５は、用いられる冷凍機５の典型的な負
荷曲線を示す特性図である。この図は定常状態における
冷凍機５に加わる熱負荷と、冷凍機５に連結された超電
導コイル１の到達温度を示すもので、長時間経過して熱
的に安定な状態となった時の超電導コイル１の保持温度
は、冷凍機５に加わる熱負荷によって決まり、熱負荷を
低減させればさせるほど超電導コイル１の温度が低く保
持されることを示している。図６は、超電導コイル１に
用いられる超電導線の温度と臨界電流との関係を例示す
る特性図である。図に見られるように、温度を低くすれ
ばするほど、超電導線の電流容量を高くすることができ
る。これらの図からわかるように、冷凍機で冷却保持す
る超電導磁石においては、冷凍機の熱負荷を低減させれ
ばさせるほど、超電導コイルの通電容量が増大し、その
結果、電流値に比例する発生磁界や電流値の２乗に比例
する蓄積エネルギー量が増大することとなる。

【０００４】冷凍機に加わる熱負荷は、電流リードを介
しての侵入熱、超電導コイルの支持部材を介しての伝導
侵入熱、輻射による侵入熱、真空容器内の残ガスを介し
ての伝導侵入熱等よりなる。このうち支持部材を介して
の伝導侵入熱は、例えば繊維強化プラスチック（ＦＲ
Ｐ）のごとき低熱伝導性材料により支持部材を構成する
ことによって微量に抑えることが可能である。また、輻
射による侵入熱は真空層に多層断熱層（Super Insulati
on）を備えることにより低減され、残ガスを介しての伝
導侵入熱は真空容器の真空度を高くすれば極微量とな
る。したがって、通常の超電導磁石においては、電流リ
ードを介しての侵入熱が冷凍機に加わる熱負荷の過半を
占め、この侵入熱を抑えることが超電導磁石の性能を左
右する重要課題となっている。

【０００５】電流リードは常温部分と極低温部分を連結
して電流を通電して用いられるので、通電に伴い生じる
ジュール発熱と熱伝導による侵入熱が電流リードを介し
て極低温部へもたらされることとなる。このうち、ジュ
ール発熱は、導体の断面積が大きく、長さが短いほど小
さくなるが、熱伝導による侵入熱は、ジュール発熱とは
逆に、導体の断面積が大きいほど、また長さが短いほど
大きくなる。したがって、実際の超電導磁石において
は、上記の関係を勘案して、ある程度長さの長い導体を
用いた電流リードを常温部から極低温部へと配して用い
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとく、従来の
冷凍機冷却型超電導磁石においては、長さの長い導体を
用いた電流リードを組み込むことによって、冷凍機に加
わる負荷の過半を占める電流リードを介しての侵入熱を
抑制している。一方、電流リードは超電導磁石の真空容
器に組み込んで用いられるので、長さの長い長尺導体を
用いた電流リードでは、必然的に真空容器の寸法も増大
し、結果的に超電導磁石が大型化し、広い据え付け面積
が必要となるとともに、コストも上昇するという難点が
ある。

【０００７】本発明の目的は、上記の長尺導体の難点を
回避し、侵入熱が少なく、かつ短尺に構成され、超電導
磁石のコンパクト化、低コスト化を可能とする冷凍機冷
却型超電導磁石用電流リードを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、真空容器に収納した超電導コ
イルを冷凍機により冷却して超電導状態に保持して用い
る超電導磁石に付設され、常温にある電源部と極低温に
ある超電導コイルとを導電接続して超電導コイルに通電
電流を供給する電流リードにおいて、 （１）導体部を、空隙を介して互いに平行に配された複
数の平板状導体からなり、かつ、それぞれの平板状導体
の端部を隣接する平板状導体の端部に順次連結して形成
される複数の平板状導体の直列接続体より構成すること
とする。

【０００９】（２）さらに（１）の平板状導体の直列接
続体を、高温側に配された平板状導体の断面積に比べて
低温側に配された平板状導体の断面積が小さくなるよう
選定して構成することとする。 （３）また、（１）、（２）の平板状導体の直列接続体
を、板状の良導電性金属部材、例えば、銅またはアルミ
ニウムあるいはそれらの合金よりなる部材に両側面より
交互に複数のスリットを形成することにより構成するこ
ととする。

【００１０】（４）また導体部を、（１）、（２）、
（３）のいずれかの平板状導体の直列接続体の低温端
に、この直列接続体の構成部材より熱伝導性の低い金属
材料よりなる低温端部材を連結して構成することとす
る。 上記の（１）のごとく、空隙を介して互いに平行に配さ
れた複数の平板状導体の直列接続体より導体部を構成す
れば、実効的な導体長さが従来と同様の長さを有するも
のにおいても、見かけ上の寸法が大幅に短縮された電流
リードが得られることとなるので、本電流リードを組み
込んだ超電導磁石はコンパクトに構成され、コストも低
減される。

【００１１】さらに（２）のごとく、高温側に比べ低温
側の平板状導体の断面積を小さくすれば、低温側では相
対的に導体の電気抵抗率が小さいのでジュール発熱の増
加は微小に抑えられるのに対して、断面積の低下により
低温端への伝熱量は効果的に減少するので、冷凍機への
熱負荷が低減されることとなる。また（３）のごとく、
例えば銅またはアルミニウムあるいはそれらの合金のよ
うな良導電性金属部材の板に、両側面より交互に複数の
スリットを形成すれば、（１）あるいは（２）のごとき
平板状導体の直列接続体を容易に得ることができる。

【００１２】また、（４）のごとく、（１）〜（３）の
平板状導体の直列接続体の低温側端部に、より熱伝導性
の低い金属材料よりなる低温端部材を連結して導体部と
すれば、極低温にある超電導コイル部への伝熱量が効果
的に減少し、冷凍機への熱負荷が低減される。

【００１３】

【発明の実施の形態】＜実施例１＞図１は、本発明の電
流リードの第１の実施例の導体部の構成を示す斜視図で
ある。本実施例の電流リードの導体部は、厚さｔの良導
電性金属部材の板に、両端、すなわち図の紙面に向かっ
て左右の端より交互にスリット１１とスリット１２を形
成し、上端と下端に常温端子１４と低温端子１５を形成
して構成されている。すなわち、本構成方法を採ること
により、隣接するスリット１１とスリット１２の間に形
成された多数の平板状導体１３を、スリット１１、１２
の幅に相当する間隙ｄを介して配置し、順次端部で連結
して形成される平板状導体１３の直列接続体により導体
部が構成されている。

【００１４】したがって、本構成では、常温端子１４と
低温端子１５との間の距離が従来の電流リードに比べて
大幅に短縮されることとなる。一方、通電される電流
は、図中に点線で示したごとく多数の平板状導体１３を
順次流れ、また、熱の伝導も同一経路により行われるこ
ととなるので、電気的、熱的には、従来の長尺のリード
と同等の特性を示すこととなる。すなわち、本構成とす
れば、短尺で低熱侵入の電流リードが得られることとな
り、超電導磁石のコンパクト化、低コスト化が可能とな
る。

【００１５】なお、導体部の構成に用いる良導電性金属
部材としては、一般に銅が用いられるが、銅合金でもよ
く、また、アルミニウム、あるいはアルミニウム合金で
もよい。 ＜実施例２＞図２は、本発明の電流リードの第２の実施
例の導体部の構成を示す斜視図である。本実施例では、
厚さがｔ₁ からｔ₂ へと連続的に減少する良導電性金属
部材の板に、両端より交互にスリット２１とスリット２
２を形成し、上端と下端に常温端子１４Ａと低温端子１
５Ａを形成して導体部を構成している。すなわち、本構
成では、スリット２１とスリット２２の間に形成された
平板状導体は、いずれも同一の厚さを有しているが、常
温端子１４Ａに近接する平板状導体１３Ａがｔ ₁ と相対
的に広い幅を持つのに対して、低温側ほど幅が減少し、
低温端子１５Ａに近接する平板状導体１３Ｂの幅はｔ₂
と小さい幅に形成されている。したがって、本実施例の
電流リードの導体部は、運転時の温度が低くなるに従い
導体の断面積が順次小さくなる構成である。

【００１６】銅やアルミニウム、あるいはそれらの合金
等の良導電性金属部材は、一般に低温になるほど電気抵
抗率が低くなり、かつ熱伝導率が上昇するので、低温側
の平板状導体の断面積を高温側に比べて小さくすること
によりジュール発熱の増大を微小に抑えて、熱伝導量を
低減させることができる。したがって、上記のごとく、
電流リードの導体部を、温度が低い部分ほど導体の断面
積が小さくなるように構成すれば、短尺の電流リードが
得られ、超電導磁石のコンパクト化が可能になるととも
に、極低温部への侵入熱がより一層減少し、冷凍機の熱
負荷が低減することとなる。

【００１７】＜実施例３＞図３は、本発明の電流リード
の第３の実施例の導体部の構成を示す斜視図である。図
１に示した第１の実施例においては、厚さｔの良導電性
金属部材の板に、同一のピッチで両端より交互にスリッ
ト１１とスリット１２を入れて同一厚さの平板状導体１
３を形成していたのに対して、本実施例では、ピッチを
変えてスリット３１とスリット３２を入れることによ
り、低温側に位置する平板状導体ほど厚さが薄くなるよ
う形成しているのが特徴である。すなわち、本構成の導
体部においては、常温端子１４Ｂに近接する平板状導体
１３Ｃから低温端子１５Ｂに近接する平板状導体１３Ｄ
へと行くに従って厚さが薄くなるよう形成されている。
したがって、本導体部も、第２の実施例と同様に、運転
時の温度が低くなるに従い導体の断面積が順次小さくな
る構成であり、本構成の導体部を用いれば、短尺の電流
リードが得られ、超電導磁石のコンパクト化が可能にな
るとともに、極低温部への侵入熱がより一層減少し、冷
凍機の熱負荷が低減することとなる。

【００１８】なお、上記の第１〜第３実施例のいずれか
の導体部で、例えば良導電性金属部材の銅を用いて形成
した導体部の低温端に、例えばりん脱酸銅や白銅（CuN
i）、あるいは黄銅（CuZn）等の、上記の導体部を構成
する良導電性金属部材より熱伝導率の低い良導電性金属
部材からなる低温端部材を接続し、これを超電導コイル
に接続することとすれば、極低温部への熱侵入量がさら
に低減するので、低熱侵入量の電流リードが得られるこ
ととなる。

【００１９】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、冷凍機
冷却型超電導磁石用電流リードを、 （１）請求項１に記載のごとく構成することとしたの
で、侵入熱が少なく、かつ短尺に構成され、超電導磁石
のコンパクト化、低コスト化を可能とする冷凍機冷却型
超電導磁石用電流リードが得られることとなった。

【００２０】（２）さらに請求項２に記載のごとく構成
することとすれば、侵入熱がより低減するので、超電導
磁石のコンパクト化、低コスト化が可能で、低侵入熱の
冷凍機冷却型超電導磁石用電流リードとして好適であ
る。 （３）また請求項３に記載のごとくとすれば、上記のご
とき構成が容易に得られることとなる。

【００２１】（４）また、請求項４に記載のごとくとす
れば、より一層熱侵入量の低減が可能となり、請求項５
に記載のごとくとすれば、低コストで、信頼性の高い冷
凍機冷却型超電導磁石用電流リードが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電流リードの第１の実施例の導体部の
構成を示す斜視図

【図２】本発明の電流リードの第２の実施例の導体部の
構成を示す斜視図

【図３】本発明の電流リードの第３の実施例の導体部の
構成を示す斜視図

【図４】従来の冷凍機冷却型超電導磁石の基本構成を模
式的に示す断面図

【図５】超電導磁石に用いられる冷凍機の典型的な負荷
曲線を示す特性図

【図６】超電導コイルに用いられる超電導線の温度と臨
界電流との関係を示す特性図

【符号の説明】

１１ スリット １２ スリット １３ 平板状導体 １３Ａ，１３Ｂ 平板状導体 １３Ｃ，１３Ｄ 平板状導体 １４ 常温端子 １４Ａ，１４Ｂ 常温端子 １５ 低温端子 １５Ａ，１５Ｂ 低温端子 ２１ スリット ２２ スリット ３１ スリット ３２ スリット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今野 雅行 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空容器に収納した超電導コイルを冷凍機
   により冷却して超電導状態に保持して用いる超電導磁石
   に付設され、常温にある電源部と極低温にある超電導コ
   イルとを導電接続して超電導コイルに通電電流を供給す
   る電流リードにおいて、 導体部が、空隙を介して互いに平行に配された複数の平
   板状導体からなり、かつ、それぞれの平板状導体の端部
   を隣接する平板状導体の端部に順次連結して形成される
   平板状導体の直列接続体よりなることを特徴とする冷凍
   機冷却型超電導磁石用電流リード。
2. 【請求項２】前記の平板状導体の直列接続体が、高温側
   に配された平板状導体の断面積に比べて低温側に配され
   た平板状導体の断面積が小さくなるよう選定された平板
   状導体の直列接続体であることを特徴とする請求項１に
   記載の冷凍機冷却型超電導磁石用電流リード。
3. 【請求項３】前記の平板状導体の直列接続体が、板状の
   良導電性金属部材に両側面より交互に複数のスリットを
   形成して構成されたものであることを特徴とする請求項
   １または２に記載の冷凍機冷却型超電導磁石用電流リー
   ド。
4. 【請求項４】導体部が、前記の平板状導体の直列接続体
   と、該直列接続体の低温端に連結された、直列接続体の
   構成部材より熱伝導性の低い金属材料よりなる低温端部
   材とにより構成されていることを特徴とする請求項１な
   いし３のいずれかに記載の冷凍機冷却型超電導磁石用電
   流リード。
5. 【請求項５】前記の良導電性金属部材が、銅またはアル
   ミニウム、あるいはそれらの合金であることを特徴とす
   る請求項３または４のいずれかに記載の冷凍機冷却型超
   電導磁石用電流リード。