JP2014183138A - 超電導装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機が停止したときに、真空容器内に侵入した熱が、超電導コイルに伝達されることを抑制可能な超電導装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、超電導装置１は、真空容器５に収容された超電導コイル１０と、超電導コイル１０を伝導冷却により冷却する冷凍機７と、超電導コイル１０を覆う固体断熱層１１と、固体断熱層１１を覆うコイルケース１２と、冷凍機７からの冷熱をコイルケース１２に伝達する伝熱部材２０と、導入端子３０と、超電導フィーダ４０とを有している。冷凍機７が停止したときに、コイルケース１２と超電導コイル１０との間における熱伝達は、固体断熱層１１により抑制される一方、導入端子３０と超電導コイル１０との間における熱伝達は、熱伝導率が低い超電導フィーダ４０により抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、真空容器内に収容された超電導コイルを伝導冷却により冷却する超電導装置に関する。

超電導コイルを冷却する方法には、熱伝導率が比較的高い部材を介して冷凍機が発生させた冷熱を超電導コイルに伝達して冷却する、いわゆる伝導冷却（conduction cooling）がある。また、伝導冷却以外にも、超電導コイルを冷却する手法として、超電導コイルを液体ヘリウム等の冷媒に浸し、当該冷媒を超電導コイルの周囲に流すことにより冷却する浸漬冷却（対流冷却とも称する）がある。伝導冷却は、浸漬冷却に比べて比較的簡素な構成で実現することができ、超電導コイルの運転温度の制御が比較的容易であるという利点がある。

伝導冷却により超電導コイルを冷却する場合、超電導コイルは、一般的に、真空容器内に収容される。この場合、真空容器内には、冷凍機が発生した冷熱を超電導コイルに伝達する部材（以下、伝熱部材と記す）として、熱伝導率が比較的高い部材が配設されることが多い。また、真空容器内には、一般的に、真空容器外から超電導コイルに電流を流す部材、いわゆる「フィーダ」が配設される。フィーダは、一般的に、真空容器内に電流を導入する端子に接続される。下記の特許文献１には、当該フィーダを、酸化物超電導体を含んで構成された酸化物超電導電流リードとして構成する技術が提案されている。

このような超電導コイルを備えた装置（以下、超電導装置と記す）においては、冷凍機が停止したときに、真空容器の外からの熱が、上述した伝熱部材やフィーダを介して、超電導コイルに伝達されることがある。伝達された熱により超電導コイルの温度が上昇して臨界温度を超えると、超電導コイルが超電導状態から常電導状態に遷移する現象、いわゆるクエンチが生じることがある。

なお、冷凍機が停止したときに、超電導コイルへの熱伝達を抑制する技術として、超電導コイルを樹脂で覆う技術や、さらに、その周囲を金属製の輻射遮蔽層で覆う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２３７０２号公報

ところで、上述した従来技術においては、冷凍機からの冷熱を超電導コイルに伝達する伝熱部材が、超電導コイルに直接に接続されている。このため、冷凍機が停止したときには、真空容器内に侵入した熱が、伝熱部材から超電導コイルに直接伝達される。加えて、上述したフィーダも、電極等を介して超電導コイルに結合されているため、真空容器内に侵入した熱が、当該フィーダから超電導コイルに伝達される。このように、冷凍機が停止したときに、真空容器の外から侵入した熱が、伝熱部材及びフィーダから超電導コイルに伝達されると、超電導コイルの温度が急速に上昇するという問題が生じる。超電導コイルの温度が急速に上昇すると、再び冷凍機を作動させて超電導コイルを冷却しても、臨界温度以下に冷却するのに時間を要してしまう。

そこで、本発明の実施形態は、冷凍機が停止したときに、真空容器の外からの熱が、超電導コイルに伝達されることを抑制可能な超電導装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の超電導装置は、内部が真空の状態に保たれた容器である真空容器と、前記真空容器内に収容された超電導コイルと、前記超電導コイルを伝導冷却により冷却する冷凍機と、電気絶縁体で構成されており、前記超電導コイルを覆う固体断熱層と、金属で構成されており、前記固体断熱層を覆うコイルケースと、前記冷凍機からの冷熱を前記コイルケースに伝達可能な部材である伝熱部材と、前記真空容器外からの電流を前記超電導コイルに向けて流す導入端子と、超電導体を含んで構成されており、前記導入端子に接続されて、当該導入端子からの電流を、前記超電導コイルに向けて流す超電導フィーダを備えることを要旨とする。

本発明の実施形態によれば、冷凍機が停止したときに、真空容器外からの熱が、伝熱部材を介してコイルケースに伝達されるが、コイルケースと超電導コイルとの間における熱伝達は、固体断熱層により抑制される。一方、導入端子に侵入した熱は、超電導フィーダを介して超電導コイルに向けて伝達されるが、導入端子と、超電導コイルとの間における熱伝達は、熱伝導率が低い超電導フィーダにより抑制することができる。これにより、冷凍機が停止したときに、超電導コイルの温度が急速に上昇することを抑制することができる。

第１の実施形態の超電導装置の構成を示す模式図である。 超電導コイルの周辺構造を示す斜視図である。 第１の実施形態の超電導フィーダである電流リードの構成を説明する縦断面図である。 第１の実施形態の変形例の超電導フィーダを説明する斜視図である。 第２の実施形態の超電導装置の構成を示す模式図である。 第３の実施形態の超電導装置の構成を示す模式図である。 第４の実施形態の超電導装置の構成を示す模式図である。 第５の実施形態の超電導装置の構成を示す模式図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

〔第１の実施形態〕
第１の実施形態の超電導装置の概略構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態の超電導装置の構成を示す模式図である。図２は、超電導コイルの周辺構造を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施形態の超電導装置１は、超電導体を含んで構成された超電導コイル１０と、内部が真空の状態に保たれた容器であり、超電導コイル１０を収容する真空容器５と、超電導コイル１０を伝導冷却により冷却する冷凍機７とを有している。冷凍機７は、冷凍サイクルを用いた冷凍機、いわゆる２段冷凍機で構成されている。冷凍機７は、真空容器５に結合され、真空容器５外から真空容器５内に突出して設けられている。

また、超電導装置１は、真空容器５に対して、超電導コイル１０を支持する部材（以下、支持部材と記す）９を有している。超電導コイル１０は、支持部材９により支持されて、当該真空容器５内に収容されている。

真空容器５内において、超電導コイル１０の外側には、電気絶縁体で構成されており、超電導コイル１０を覆う層（以下、固体断熱層と記す）１１と、金属で構成されており、固体断熱層１１を覆い、超電導コイル１０及び固体断熱層１１を収容するケース（以下、単に「コイルケース」と記す）１２とを有している。

固体断熱層１１は、エポキシ樹脂や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の電気絶縁体で構成されている。固体断熱層１１は、図２に示すように、超電導コイル１０の断面の外側において超電導コイル１０を覆うように設けられている。固体断熱層１１は、コイルケース１２と超電導コイル１０との間における熱伝達を抑制するよう構成されている。

コイルケース１２は、アルミニウムやステンレス鋼等の金属で構成されている。コイルケース１２は、固体断熱層１１の断面の外側において固体断熱層１１を覆うように設けられている。

超電導コイル１０には、当該超電導コイル１０に電気的に接続されて、超電導コイル１０に供給される電流を受ける電極（以下、口出し電極と記す）１４が結合されている。口出し電極１４は、超電導コイル１０から、固体断熱層１１及びコイルケース１２を貫通して、当該コイルケース１２の外側に突出している。口出し電極１４には、コイルケース１２の外面１２ａに沿って後述する導入端子３０に向けて延びており、且つ導電性が良好な部材（以下、単に「導電性部材」と記す）１６が結合されている。

また、超電導装置１には、冷凍機７とコイルケース１２とを接続し、冷凍機７からの冷熱をコイルケース１２に伝達する部材（以下、伝熱部材と記す）２０が設けられている。伝熱部材２０は、冷凍機７が発生させた冷熱を、真空容器５内において冷凍機７から超電導コイル１０に向けて伝達する部材である。

伝熱部材２０は、銅、真鍮、アルミニウム等で構成されている。伝熱部材２０は、一方の端部２１が、冷凍機７のうち最も低温な端（以下、低温端と記す）７ｃに結合されており、他方の端部２２が、コイルケース１２に結合されている。伝熱部材２０は、冷凍機７が発生させた冷熱を端部２１で受けて、端部２２からコイルケース１２に伝達する。コイルケース１２に伝達された冷熱により、超電導コイル１０は冷却される。

また、超電導装置１には、真空容器５外にある電源（図示せず）から供給される電流を、真空容器５内に導入する端子（以下、単に「導入端子」と記す）３０が設けられている。導入端子３０は、真空容器５外から真空容器５内に延びており、電源（図示せず）からの電流を、超電導コイル１０に向けて流す部材である。

導入端子３０は、銅やアルミ等、導電性が高い金属で構成されている。導入端子３０は、真空容器５内を延びており、その真空容器５内の端部３３には、後述する超電導フィーダ４０が結合される。すなわち、導入端子３０は、真空容器５外にある電源からの電流を、真空容器５内において超電導フィーダ４０から超電導コイル１０に向けて流す。

本実施形態の超電導装置１は、超電導体を含んで構成されており、導入端子３０からの電流を、超電導コイル１０の口出し電極１４に向けて流すフィーダ（以下、超電導フィーダと記す）４０を有している。超電導フィーダ４０は、口出し電極１４に結合された導電性部材１６と、導入端子３０の端部３３とを電気的に接続する。これにより、超電導フィーダ４０は、導入端子３０からの電流を、超電導コイル１０に向けて流すことが可能となる。

超電導フィーダ４０の詳細な構成について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態の超電導フィーダである電流リードの構成を説明する縦断面図である。

図３に示すように、本実施形態の超電導フィーダ４０は、いわゆる電流リードとして構成されており、平らで長い帯状（以下、テープ状と記す）をなしており、超電導体で構成された超電導層（図示せず）を有するテープ線材（以下、超電導テープ線材と記す）４４を複数備えている。各超電導テープ線材４４は、金属製のテープ基板（図示せず）と、超電導体で構成された超電導層（図示せず）とを含んでいる。超電導層は、例えば、酸素を構成元素として含む酸化物超電導体で構成することができる。加えて、超電導層は、例えば２５Ｋ以上の臨界温度を有する超電導体、いわゆる高温超電導体として構成することも好適である。

加えて、本実施形態の超電導フィーダ４０において、超電導テープ線材４４の両端には、銅等の導電性金属で構成された電極４６，４７がそれぞれ結合されている。さらに、超電導テープ線材４４と、電極４６，４７の一部は、超電導テープ線材４４を機械的に補強するための部材（以下、補強材と記す）４８により覆われている。補強材４８は、樹脂等の電気絶縁体で構成されている。

このように構成された超電導フィーダ（電流リード）４０は、図示しない超電導層により電流を流すように構成されている。加えて、超電導フィーダ４０は、樹脂等の電気絶縁体で構成された補強材４８を含むことにより、熱抵抗が比較的大きい部材として構成されている。超電導フィーダ４０の熱抵抗［℃／Ｗ］は、上述した伝熱部材２０の熱抵抗に比べて大きな値に設定されている。すなわち、超電導フィーダ４０は、伝熱部材２０に比べて熱抵抗が大きくなるよう構成されている。超電導フィーダ４０は、導入端子３０や、口出し電極１４、導電性部材１６に比べて、電流が流れることにより生じるジュール発熱が小さく、且つ熱伝導率が低いものとして構成されている。

次に、本実施形態の超電導装置１において、冷凍機７が停止した場合の熱の伝達（侵入）について、図１を参照して説明する。

冷凍機７が停止すると、真空容器５外からの熱が、冷凍機７の低温端７ｃから伝熱部材２０を介してコイルケース１２に伝達される。コイルケース１２と超電導コイル１０との間には、固体断熱層１１が設けられており、コイルケース１２と超電導コイル１０との間における熱伝達を抑制している。このため、伝熱部材２０からコイルケース１２に伝達された熱により、超電導コイル１０の温度が急速に上昇することはない。

加えて、真空容器５外の熱は、導入端子３０からも、超電導フィーダ４０を介して超電導コイル１０の口出し電極１４に向けて伝達される。本実施形態において、導入端子３０の端部３３と、超電導コイル１０の口出し電極１４は、上述した超電導フィーダ４０を介して直列に接続されているため、導入端子３０の端部３３に伝達された熱は、超電導フィーダ４０を介して、超電導コイル１０の口出し電極１４に伝達される。

超電導フィーダ４０は、上述したように、導入端子３０、口出し電極１４及び導電性部材１６に比べて熱伝導率が低い部材で構成されているため、導入端子３０の端部３３が直接に口出し電極１４又は導電性部材１６に結合されている場合に比べて、導入端子３０からの熱が、急速に超電導コイル１０に伝達されることを抑制することができ、超電導コイル１０の温度が急速に上昇することを抑制することができる。

なお、本実施形態において、超電導フィーダ４０は、超電導テープ線材４４と、その両端に電極４６，４７が結合され、超電導テープ線材４４が補強材４８で覆われた、いわゆる電流リードであるものとしたが、本発明に係る超電導フィーダの形態は、このような電流リードに限定されるものではない。例えば、図４に示す変形例の超電導フィーダ４０Ｂのように、銅やアルミニウム、真鍮等で構成された金属板４１の上に、高温超電導体を含んで構成された超電導テープ線材４４Ｂを貼り合わせて構成されたものとすることもできる。

〔第２の実施形態〕
第２の実施形態の超電導装置について、図３及び図５を用いて説明する。図５は、本実施形態の超電導装置の構成を示す模式図である。本実施形態の超電導装置は、さらに、導入端子に高温超電導体で構成された電流リードが設けられている点で、第１の実施形態と異なっており、以下に詳細を説明する。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態の超電導装置１Ｃにおいて、真空容器５外の電源からの電流を超電導コイル１０に向けて導入する導入端子３１には、上述した高温超電導体を含んで構成された電流リード４０Ｃの一端（高温側の端）が結合されている。電流リード４０Ｃは、図３に示す超電導フィーダ（電流リード）４０と同様に構成されている。電流リード４０Ｃの他端（低温側の端）には、導入端子３１と同じ金属で構成された導電性部材３２が結合されている。導電性部材３２の端部３３には、上述した超電導フィーダ４０の高温側が結合されている。つまり、電流リード４０Ｃは、導入端子３１と超電導フィーダ４０との間に、電気的に直列に接続されている。

本実施形態において、電流リード４０Ｃは、導入端子３１と導電性部材３２との間に設けられている。すなわち、本実施形態において、導入端子３１と、超電導コイル１０との間においては、高温側から、電流リード４０Ｃ、導電性部材３２、端部３３、超電導フィーダ（電流リード）４０、導電性部材１６、及び口出し電極１４が、直列に接続されている。

冷凍機７が停止すると、導入端子３１に伝達された熱は、電流リード４０Ｃ及び超電導フィーダ（電流リード）４０を介して、超電導コイル１０の口出し電極１４に伝達される。このため、上述した導入端子３０（図１参照）が超電導フィーダ（電流リード）４０のみを介して口出し電極１４に接続されている場合に比べて、導入端子３０からの熱が、急速に超電導コイル１０に侵入することを抑制することができ、超電導コイル１０の温度が、急速に上昇することを抑制することができる。

〔第３の実施形態〕
第３の実施形態の超電導装置について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態の超電導装置の構成を示す模式図である。本実施形態の超電導装置は、冷凍機が、単段冷凍機である点で、第１の実施形態と異なっている。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態の超電導装置１Ｅは、超電導コイル１０を伝導冷却により冷却する冷凍機として、２段冷凍機に比べると到達温度が高くなるが能力を高くすることが容易な、いわゆる単段冷凍機７Ｅを有している。単段冷凍機７Ｅは、３０Ｋ近傍での冷凍能力が、上述した２段冷凍機に比べて高い。このため、超電導コイル１０を効率良く冷却することができる。

〔第４の実施形態〕
第４の実施形態の超電導装置について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態の超電導装置の構成を示す模式図である。本実施形態の超電導装置は、コイルケースの冷熱を超電導フィーダより高温側にある部材に伝達可能な部材が設けられている点で、第３の実施形態と異なっている。なお、第３の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態の超電導装置１Ｇは、超電導フィーダ４０の高温側にある部材、すなわち超電導フィーダ４０より導入端子３０側にある端部３３にコイルケース１２の冷熱を伝達可能な部材（以下、熱アンカー部材と記す）５０を有している。熱アンカー部材５０は、超電導フィーダ４０が結合された導入端子３０の端部３３、すなわち超電導フィーダ４０より高温側と、冷凍機７Ｅからの冷熱が伝熱部材２０を介して伝達されるコイルケース１２とを結合させている。熱アンカー部材５０は、熱伝導率が高い部材、例えば、銅やアルミニウムで構成されている。コイルケース１２の冷熱を超電導フィーダ４０の高温側にある端部３３に伝達可能となっている。

冷凍機７Ｅが作動している場合、熱アンカー部材５０は、冷凍機７Ｅから伝熱部材２０を介してコイルケース１２に伝達された冷熱を、超電導フィーダ４０より導入端子３０側にある端部３３に伝達する。これにより、冷凍機７Ｅからの冷熱により超電導フィーダ４０を冷却することができる。

一方、冷凍機７Ｅが停止したとき、熱アンカー部材５０は、コイルケース１２と超電導フィーダ４０より導入端子３０側にある端部３３とを、ほぼ等しい温度にすることができる。すなわち、導入端子３０に侵入した熱を、端部３３から熱アンカー部材５０を介してコイルケース１２に伝達させることができる。これにより、冷凍機７Ｅが停止したときには、導入端子３０に侵入した熱が、超電導フィーダ４０から口出し電極１４を経て超電導コイル１０に伝達されることを抑制することができる。

〔第５の実施形態〕
第５の実施形態の超電導装置について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態の超電導装置の構成を示す模式図である。本実施形態の超電導装置は、超電導フィーダより低温側（超電導コイル側）にある部材を、絶縁物で構成された固定部材によりコイルケースに固定する点で、第４の実施形態と異なっている。なお、第４の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図８に示すように、本実施形態の超電導装置１Ｈは、超電導フィーダ４０の低温側にある導電性部材１６と、コイルケース１２に固定する部材（以下、固定部材と記す）６０を複数有している。固定部材６０は、例えば、樹脂や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の電気絶縁体で構成されており、コイルケース１２や導電性部材１６、口出し電極１４等に比べて熱伝導率が低い部材で構成されている。

本実施形態において、導電性部材１６は、超電導コイル１０の口出し電極１４から、コイルケース１２に沿って、当該コイルケース１２と所定の間隔をあけて超電導フィーダ４０まで延びている。固定部材６０は、コイルケース１２と導電性部材１６との間に設けられ、導電性部材１６をコイルケース１２に固定する。

これにより、導電性部材１６が結合されている口出し電極１４が揺動することや、口出し電極１４とコイルケース１２が熱的に接続されてしまうことを防止することができる。冷凍機７Ｅが停止したときには、コイルケース１２からの熱が、導電性部材１６及び口出し電極１４を介して超電導コイル１０に伝達されることを抑制することができる。

〔他の実施形態〕
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明と均等の範囲に含まれる。

１，１Ｃ，１Ｅ，１Ｇ，１Ｈ 超電導装置
５ 真空容器
７ 冷凍機（２段冷凍機）
７Ｅ 冷凍機（単段冷凍機）
１０ 超電導コイル
１１ 固体断熱層
１２ コイルケース
１４ 口出し電極
１６ 導電性部材
２０ 伝熱部材
３０ 導入端子
３１ 導入端子
３２ 導電性部材
３３ 端部
４０，４０Ｃ 超電導フィーダ（電流リード）
４０Ｂ 超電導フィーダ
４４，４４Ｂ 超電導テープ線材
４６，４７ 電極
４８ 補強材
５０ 熱アンカー部材
６０ 固定部材（電気絶縁体）

Claims (7)

1. 内部が真空の状態に保たれた容器である真空容器と、
   前記真空容器内に収容された超電導コイルと、
   前記超電導コイルを伝導冷却により冷却する冷凍機と、
   電気絶縁体で構成されており、前記超電導コイルを覆う固体断熱層と、
   金属で構成されており、前記固体断熱層を覆うコイルケースと、
   前記冷凍機からの冷熱を前記コイルケースに伝達可能な部材である伝熱部材と、
   前記真空容器外からの電流を前記超電導コイルに向けて流す導入端子と、
   超電導体を含んで構成されており、前記導入端子に接続されて、当該導入端子からの電流を、前記超電導コイルに向けて流す超電導フィーダと、
   を備えることを特徴とする超電導装置。
2. 前記超電導フィーダは、前記伝熱部材に比べて熱抵抗が大きくなるよう構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超電導装置。
3. 前記超電導フィーダは、
   テープ状をなしており、且つ超電導体で構成された超電導層を有する部材である超電導テープ線材を含み、当該超電導テープ線材が、電気絶縁体で覆われた電流リードである
   ことを特徴とする請求項２に記載の超電導装置。
4. 前記導入端子と前記超電導フィーダとの間において直列に接続され、
   テープ状をなしており、且つ超電導体で構成された超電導層を有する部材である超電導テープ線材を含んで構成された電流リードを
   さらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超電導装置。
5. 前記冷凍機は、冷凍サイクルを用いた単段冷凍機である
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の超電導装置。
6. 前記超電導フィーダより前記導入端子側にある部材に、前記コイルケースの冷熱を伝達可能な熱アンカー部材を、
   さらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の超電導装置。
7. 前記超電導フィーダより前記超電導コイル側には、当該超電導コイルの電極と、当該超電導フィーダとを接続して、当該超電導フィーダからの電流を超電導コイルに流す導電性部材を有し、
   当該導電性部材は、前記コイルケースに沿って延びており、
   当該コイルケースと当該導電性部材との間には、当該導電性部材をコイルケースに固定する固定部材が設けられている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の超電導装置。

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