JP2006108560A - 超電導装置用電流リード - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｏリング等のシール材の劣化を防ぎ、ひいては、真空断熱管内の真空度の低下や絶縁耐力の低下を防ぎ、安全かつ安定した連続運転が可能な超電導装置用電流リードを提供する。
【解決手段】 極低温容器内に設置された超電導装置に対して、室温環境下に設置された電源から電力を供給する導体１と、この導体を冷却する冷媒の流路を形成する冷媒配管２と、この冷媒配管の周囲を真空雰囲気にして断熱する真空断熱管３とを備えた電流リードであって、前記真空断熱管３の一部に計測リード引き出し用の真空ポート７を設け、この真空ポートは、計測リード引き出し部に、シール装置（１２）を有する蓋部８を設けてなる超電導装置用電流リードにおいて、前記蓋部８は、その外周部にヒータ１３を備えるものとする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、超電導エネルギー貯蔵用超電導コイルや超電導限流器、超電導ケーブル、超電導発電機、超電導変圧器などの超電導装置において、室温にある電源から極低温に冷却された超電導装置へ電力を供給する電流リードに関する。特に、温度や電圧等の計測リード引き出し用の真空ポートを設けた超電導装置用電流リードの構成に関する。

超電導エネルギー貯蔵用超電導コイルや超電導限流器、超電導ケーブル、超電導発電機、超電導変圧器などの超電導装置は、従来の常電導装置と比べ、小型、高効率などの特徴があり、実用化への期待が高まっている。図３は、前記電流リードを備えた超電導装置の模式的構成の一例を示す。図３に示す超電導装置は、極低温に冷却された超電導コイル２１と、超電導コイル２１を収納する極低温容器２２、室温にある電源２４、電源２４から超電導コイル２１へ電力を供給する電流リード２３とからなる。

超電導装置に使われる超電導線材や超電導コイルは、常温では使用できず、極低温に冷却して超電導状態になったときに初めて性能を発揮するので、極低温冷却を維持し続ける必要がある。超電導コイルの冷却方式としては、浸漬冷却方式と伝導冷却方式があり、浸漬冷却方式の場合、極低温容器内は冷媒液とその蒸発ガスで満たされ、伝導冷却方式の場合には、超電導コイルに冷媒配管が熱的に接触しており、極低温容器内は真空空間となる。

電流リードは、前記超電導線材や超電導コイルに、室温にある電源から電力を供給するために用いられ、超電導装置には不可欠なものである。電流リードの長手方向において、電源側は室温状態にあり、極低温側は、超電導装置の運転環境と電流リードの冷却方法により異なるが、概ね4.2K〜80Kである。従って、電流リードの長手方向に沿って温度分布ができ、電流リードの室温端から超電導装置の低温端に向けて熱が侵入する。

電流リードの材料としては、銅などの良導電性材料が用いられるが、電気伝導率に優れていると同時に熱伝導率も大きく、電流リードの低温端への熱侵入量が大きくなる。電流リードの熱侵入量が大きいと、極低温における熱負荷が増え、運転効率を低下させたり、侵入熱が電流リードと超電導コイルの接続部を伝わりコイルが温度上昇して、臨界電流の低下等のコイル特性に影響したりする恐れもある。上記熱侵入量の低減に加え、電流リード自体のジュール損の低減を図る対策として、電流リードの低温側の電流経路に、酸化物超電導材料からなる高温超電導線材を用いることもある（特許文献１参照）。

次に、電流リードの冷却方式や断熱構成等について述べる。電流リードの冷却方式としては、（１）超電導装置またはコイル冷却用の液冷媒もしくはその蒸発ガスを用いて冷却する方式（液冷媒冷却方式）、（２）専用の冷媒ガスを用いて冷却する方式（冷媒ガス冷却方式）、（３）冷凍機の冷却ヘッドを接続して冷却する方式（冷凍機接続方式）などがある。

上記３種類の冷却方式の内、（１）の液冷媒冷却方式は、例えば特許文献２に開示されており、電流リードの低温端が、液体ヘリウムや液体窒素に浸され、その熱伝導により冷却する方式である。さらに、液冷媒の蒸発ガスの冷熱を利用して、電流リードの長手方向に沿って冷却することも行われる。この方式の構成については、図７に基づき後述する。

次に、前記（２）の冷媒ガス冷却方式は、特許文献３の図２にも開示されているが、前記図３に示すように、導体の長手方向に沿って冷媒経路を設け、そこに冷媒ガスを流し、導体全体を冷却する構成を有する。超電導エネルギー貯蔵装置や核融合用超電導装置などの大型超電導装置では、冷却後のガスを回収し、再冷却して循環利用する。図３については、本願発明に関わる他の構成も含めて、さらに後述する。

最後に、（３）の冷凍機接続方式は、4.2K〜80Kに冷やされた冷凍機の冷却ヘッドと電流リードの低温端とを熱的に接続して、その熱伝導により冷却を行う方式であり、図示は省略する。上記３方式のいずれも、通電電流によるジュール熱と熱伝導による外部からの侵入熱を合わせた熱負荷に対し、電流リードの低温端において、前記熱負荷以上の冷凍能力が必要となる。

次に、図７について述べる。図７は、特許文献２に開示された液冷媒冷却方式の電流リードの構造の説明図であり、図７（ａ）および（ｂ）は、それぞれ特許文献２の第１図および第２図を示す。但し、図７においては、便宜上、各部番にサフィックスａを付して、特許文献２の部番を変更して示す。

図７において、１ａは電流リード、２ａは超電導コイル、３ａは液体ヘリウム貯槽、４ａは電源、５ａは電気絶縁材料、６ａは真空容器、７ａはヘリウムガスを示す。図７の電流リード１ａは、その低温端が、液体ヘリウムに浸され、熱伝導により冷却されるとともに、液体ヘリウムの蒸発ガスを利用して、電流リードの長手方向に沿って冷却される。なお、図７（ｂ）の場合には、超電導コイルの冷却用とは別に、電流リードの低温端にも、別途、液体ヘリウムが供給されるように構成されている。また、図７において、電流リード１ａと真空容器６ａとの間が、電気絶縁材料５ａによって、電気絶縁されるように構成されている。

次に、図３について述べる。図３の全体構成の概要については先に述べたので、重複する説明は省略し、主に電流リード２３の細部構成について、以下に述べる。図３においては、電流リードへの外部からの熱侵入量を抑える手段として、冷媒配管２の周囲を真空雰囲気２３にする真空断熱管３が設けられる。真空断熱管３の材料としては、機械的強度や加工性、耐食性の観点から、一般にステンレス鋼管が用いられる。

なお、図３においては、前記図７に開示されたような電流リードと真空容器との間の電気絶縁構成の図示を省略しているが、図３の場合には、真空断熱管３と、図示しない真空断熱層を有する極低温容器２２との間に電気絶縁構成が設けられる。また、図３において、冷媒配管２内における冷媒の流れの経路を、矢付線で示す冷媒の流れ方向４によって示す。

さらに、後に詳述する計測素子や計測用ポートを含む電流リード部分のみの説明図を図４に示す。図４において、図３に記載された部材と同一部材には、同一番号を付して示す。なお、図４において、部番１は導体、５は低温端、６は室温端、９は計測線端子、１１は計測素子を示す。

次に、図３および図４に基づき、電流リード２３の他の細部構成についてさらに述べる。研究開発や運転監視を目的として、電流リードに、計測線が設けられることが多い。主に、電流リード低温端や接続部での温度、発生電圧などの計測、監視用である。特に、高温超電導電流リードでは、高温超電導部材が常電導化しないように高温端温度の監視が重要となる。従って、図４に示すように、電圧タップや温度素子などの計測素子１１から信号を取り出すための計測線１０が、真空断熱管３内を通っており、密閉状態の真空断熱管３から計測線１０を外部に取り出すための真空ポート７が真空断熱管３の一部に設けられる。

この真空ポート７には、取り外し、開放が可能なように、例えばＯリング１２のようなシール材を介して蓋部８が取り付けられ、ボルト締めされている。計測線１０は、この蓋部８において、例えばハーメチックシールを有する計測線端子９によって気密に接続され、外部に別途設けた端子に電気的に接続されている。
特開平１０−１８８６９１号公報（第４−５頁、図１） 特開昭６３−２９９２１７号公報（第１−３頁、図１−２） 特開平４−９４１０５号公報（第３−４頁、図２）

前述のような従来の電流リードにおいては、下記のような問題があった。電流リードは、超電導装置の定格通電時に合わせて設計が行われ、導体形状や冷却条件が決定されている。特に、図３に示す冷媒ガス冷却方式の場合、冷媒ガスの流量や圧力、さらには電流リードに供給する冷媒ガス入口温度などが決められ、定格連続通電中においても、電流リードが温度上昇によって熱暴走せず、定常状態に落ち着くように設計されている。

ところで、超電導エネルギー貯蔵装置など、通常は待機状態にあって、瞬間的に定格電流を通電するような超電導装置の場合、待機状態では、十分な冷媒ガスが流れるため、室温端側の温度が低下し過ぎる問題がある。また、その他の超電導装置でも、初期の冷却時や夜間通電停止時には、冷媒流量を多少は絞るものの、冷却は継続しており、室温端温度が低下し過ぎる同様の問題がある。

図５は、電流リードの定格通電時と無通電時における温度分布を比較して示す模式図である。なお、図５において横軸に示したＸは、図４に示す低温端からの距離であり、Ｘ＝０は低温端、Ｘ＝Ｌは室温端を示す。図５は、定格通電時には室温端が300Kであっても、無通電時には200Kまで低下するケースを示している。

室温端の温度が零度以下になると、周囲の水分が凍りつき、所謂、結露が電流リードの室温側で発生する。図６は電流リードの結露状態を説明する図で、図６において部番１５により結露を示す。結露した部分での電流リードの温度は、前述のように、200Ｋ近くに達することがあり、この状態が計測線用のポートに及ぶと、真空ポート７および蓋部８のＯリング１２が、耐寒用であっても、シール材が冷えて凝縮して固まったり、亀裂を生じることがあり、十分なシール性能が得られなくなる。これにより、真空断熱管３内の真空度が低下し、その結果、外部からの侵入熱が増加し、冷却システムや超電導コイルに悪影響を及ぼすこととなる。また、電流リードの真空断熱部が、超電導装置の一部であるような場合、超電導装置全体の真空度の低下を招き、また絶縁耐電圧の低下にも繋がる恐れがある。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、Ｏリング等のシール材の劣化を防ぎ、ひいては、真空断熱管内の真空度の低下や絶縁耐力の低下を防ぎ、安全かつ安定した連続運転が可能な超電導装置用電流リードを提供することにある。

前述の課題を解決するため、この発明は、極低温容器内に設置された超電導装置に対して、室温環境下に設置された電源から電力を供給する導体と、この導体を冷却する冷媒の流路を形成する冷媒配管と、この冷媒配管の周囲を真空雰囲気にして断熱する真空断熱管とを備えた電流リードであって、前記真空断熱管の一部に計測リード引き出し用の真空ポートを設け、この真空ポートは、計測リード引き出し部に、シール装置を有する蓋部を設けてなる超電導装置用電流リードにおいて、前記蓋部は、その外周部にヒータを備えるものとする（請求項１の発明）。この発明によれば、ヒータによる加熱により、室温端側の温度が低下し過ぎる問題が解消され、Ｏリング等のシール材の劣化を防ぎ、ひいては、真空断熱管内の真空度の低下や絶縁耐力の低下を防ぎ、安全かつ安定した連続運転が可能となる。

また、前記請求項１に記載の超電導装置用電流リードにおいて、前記真空ポートと蓋部との間に、電気絶縁材料からなる絶縁継手を設け、前記ヒータは、前記蓋部外周部に代えて、前記絶縁継手の外周部に設けてなるものとする（請求項２の発明）。これにより、さらに、ヒータ部の絶縁性の向上を図ることができる。

この発明によれば、真空断熱管内の真空度の低下や絶縁耐力の低下を防ぎ、安全かつ安定した連続運転が可能な超電導装置用電流リードを提供することができる。

図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。

図１は本発明の実施の形態を示す超電導装置用電流リードの模式的構成を示した図であり、図３および図４に示した部材と同一部材には同一番号を付して、詳細説明を省略する。図１において、図４に示したものと異なる点は、蓋部８のフランジから張り出した筒状の外周部にヒータ１３を巻き付けた点である。

図１に示すヒータ１３は、例えばシリコーンラバーヒータのように、形状変化が容易にできるものが良い。また、棒状ヒータを、蓋部８に設けた穴に埋め込む構成としてもよい。さらに、遠赤外線ヒータのように、非接触なヒータを用いることもできる。ヒータを設けることにより、超電導装置が待機時や無通電時に、冷媒ガスによって電流リードの室温端が冷やされて結露が発生しても、ヒータによる加熱昇温により、真空ポート部のＯリング部での温度低下を防ぐことができる。ヒータは、外部電源でオン/オフ制御すればよいが、通電電流などの運転状況に連動させて、待機状態や無通電時にオン/オフさせてもよい。さらに、ヒータ付近に温度素子を取り付け、その温度監視により、オン/オフ切替や、発熱量制御を行うこともできる。

次に、図２に基づき、図１とは異なる実施形態について述べる。図２に示す電流リードは、真空ポート７と蓋部８との間に、例えば、ガラス繊維強化プラスチックなどの電気絶縁性材料からなる絶縁継手１４を配設した構成を有する。また、真空ポート７と絶縁継手１４との間、および絶縁継手１４と蓋部８との間には、それぞれ、Ｏリング１２などのシール材を設けている。

上記構成によれば、無通電時などに電流リードの室温端が室温以下となっても、絶縁継手１４が断熱部材として作用するので、蓋部８側は、比較的冷却され難い。また、絶縁継手１４の外周部にヒータ１３（例えば、シリコーンラバーヒータ）を巻きつけることにより、真空ポート７と絶縁継手１４との間にあって絶縁継手と直接接触しているＯリング１２もヒータで温められ、室温に近い状態でシール性能が維持できる。さらに、絶縁継手１４が、電気絶縁材料のため、高電圧の環境下でも、ヒータ部の絶縁が維持され、新たな絶縁対策が不要であり、高耐電圧仕様の電流リードに適用できる。

以上の実施形態によれば、Ｏリング等のシール部が劣化して真空度を低下させることなく、安全かつ安定した連続通電が可能な超電導装置用電流リードが提供できる。

本発明の実施の形態を示す超電導装置用電流リードの模式的構成図。 図１とは異なる実施の形態を示す超電導装置用電流リードの模式的構成図。 従来の電流リードを備えた超電導装置の模式的構成の一例を示す図。 図３における電流リード部の詳細説明図。 従来の電流リードの定格通電時及び無通電時の温度分布を比較した模式図。 電流リードの結露状態を説明する図。 特許文献２に開示された液冷媒冷却方式の電流リードの構造の説明図。

符号の説明

１ 導体
２ 冷媒配管
３ 真空断熱管
７ 真空ポート
８ 蓋部
９ 計測線端子
１０ 計測線
１１ 計測素子
１２ Ｏリング
１３ ヒータ
１４ 絶縁継手
２１ 超電導コイル
２２ 極低温容器
２３ 電流リード
２４ 電源

Claims (2)

1. 極低温容器内に設置された超電導装置に対して、室温環境下に設置された電源から電力を供給する導体と、この導体を冷却する冷媒の流路を形成する冷媒配管と、この冷媒配管の周囲を真空雰囲気にして断熱する真空断熱管とを備えた電流リードであって、前記真空断熱管の一部に計測リード引き出し用の真空ポートを設け、この真空ポートは、計測リード引き出し部に、シール装置を有する蓋部を設けてなる超電導装置用電流リードにおいて、前記蓋部は、その外周部にヒータを備えることを特徴とする超電導装置用電流リード。
2. 請求項１に記載の超電導装置用電流リードにおいて、前記真空ポートと蓋部との間に、電気絶縁材料からなる絶縁継手を設け、前記ヒータは、前記蓋部外周部に代えて、前記絶縁継手の外周部に設けてなることを特徴とする超電導装置用電流リード。
   
   

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