JP2952552B2 - 超電導機器用電流リード - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導機器用電流リード
にかかるもので、とくにクライオスタット容器などの断
熱容器内で極低温に保持された超電導コイル装置などの
超電導機器に外部電源装置から電流を供給するための超
電導機器用電流リードに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、常温環境下に置かれた励磁用
電源（外部電源装置）から、クライオスタット容器内の
液化ヘリウム（液体ヘリウム）中に浸責冷却された超電
導機器へ電流を供給するための手段として、各種の電流
リードを用いている。

【０００３】超電導機器においては、外部からの熱伝導
や輻射、および電流リードからの侵入熱により高価な液
体ヘリウムが蒸発してしまうという問題がある。通常の
超電導機器においては、電流リードからの侵入熱が侵入
熱全体の大半を占めていることは周知の通りである。

【０００４】当該電流リードとしては、各種の材料から
これを選択することが可能であるが、まず銅材料を用い
た従来の電流リードを図５にもとづき概説する。図５
は、従来の銅製電流リードを用いた超電導機器たとえば
超電導コイル装置１の概略断面図であって、超電導コイ
ル装置１は、超電導コイル２と、液体ヘリウム容器であ
るコイル容器３と、このコイル容器３内の冷媒４（たと
えば液体ヘリウム）と、断熱真空容器としたクライオス
タット容器５と、銅材からなるガス冷却型の電流リード
６と、外部電源装置７と、電源側接続線８と、電流リー
ド６を被覆している蒸発管９とを有する。

【０００５】上記電流リード６および電源側接続線８に
より、超電導コイル２を外部電源装置７に電気的に接続
するものであるが、超電導コイル側端子１０から常温側
端子１１に向かって蒸発上昇するヘリウムガス１２によ
り電流リード６を冷却し、外部からの侵入熱および通電
時のジュール熱がこの電流リード６を介してコイル容器
３内に侵入することを抑制しようとしている。

【０００６】しかしながら、上述のように、超電導コイ
ル２部分への侵入熱の大半は電流リード６の部分におけ
る侵入熱であって、この電流リード６では液体ヘリウム
４の消耗が激しいとともに、この侵入熱を低減すること
は困難である。

【０００７】しかして、当該電流リード６の全体あるい
は一部を、熱伝導度の低い高温超電導体たとえば酸化物
高温超電導体により製作することによって、この部分を
通した外部からの熱侵入量、および同部分におけるジュ
ール熱発生量を低く抑えることができる。たとえば、液
化窒素（液体窒素）温度（７７Ｋ）以上の臨界温度を有
する高温超電導材料を用いて電流リードを構成する方法
が考えられている。なお、酸化物高温超電導体として
は、ビスマス（Ｂｉ）系、イットリウム（Ｙ）系、タリ
ウム（Ｔｌ）系、ランタン（Ｌａ）系、ＢＰＢＯ系など
のものがある。

【０００８】図６は、こうした液体窒素温度（７７Ｋ）
以上の臨界温度を有する高温超電導材料を採用した電流
リードを用いた他の超電導コイル装置１３の概略断面図
である。超電導コイル装置１３は、図５にもとづいて概
説した銅材からなるガス冷却型の電流リード６およびこ
の電流リード６を被覆している蒸発管９に代えて、銅材
などによる金属製電流リード本体１４およびこの金属製
電流リード本体１４に中間接続部１５において接続して
いる高温超電導体電流リード本体１６から構成した電流
リード１７と、窒素ガス蒸発管１８と、ステンレスなど
から構成するとともに液体窒素１９を収容した液体窒素
容器２０と、ヘリウムガス蒸発管２１と、を設けてあ
る。

【０００９】すなわち、常温側端子１１から液体窒素容
器２０までのリード部分には金属製電流リード本体１４
を採用し、液体窒素容器２０から超電導コイル側端子１
０までのリード部分には高温超電導体電流リード本体１
６を採用している。

【００１０】こうした構成の超電導コイル装置１３にお
いては、高温超電導体電流リード本体１６の部分はヘリ
ウムガス１２により冷却されるとともに、中間接続部１
５側の端部が液体窒素１９により温度７７Ｋに保たれる
ので、高温超電導体電流リード本体１６は超電導状態に
維持されてこの高温超電導体電流リード本体１６の部分
においてはジュール熱は発生しない。

【００１１】また、金属製電流リード本体１４の部分
は、中間接続部１５から常温側端子１１に向かって蒸発
上昇する窒素ガス２２により冷却され、外部からの侵入
熱および通電時のジュール熱がこの銅材による金属製電
流リード本体１４を介して高温超電導体電流リード本体
１６さらにはコイル容器３内に侵入することを抑制しよ
うとしている。

【００１２】したがって、金属製電流リード本体１４、
中間接続部１５および高温超電導体電流リード本体１６
の電流リード１７からコイル容器３内に侵入する熱は熱
伝導分のみとなる。

【００１３】一方、高温超電導体電流リード本体１６は
セラミックス製のものが多く、したがって、その熱伝導
率は銅材などと比較してきわめて小さいもので、金属製
電流リード本体１４、中間接続部１５および高温超電導
体電流リード本体１６の電流リード１７からコイル容器
３への侵入熱は、図５のように銅材を用いたガス冷却型
の電流リード６の場合に比較してきわめて小さくなる。

【００１４】しかしながら、こうした構成の電流リード
１７によっても依然として、コイル容器３から蒸発して
くるヘリウムガス１２と、液体窒素容器２０内に充満し
た液体窒素１９と、その窒素ガス２２とによって電流リ
ード１７を冷却しているので、液体ヘリウム４および液
体窒素１９という冷媒の煩雑な補給は避けられないとと
もに、複雑な構造となることも避けられない。

【００１５】とくに電流リード１７の中間部に設ける液
体窒素容器２０は、クライオスタット容器５およびヘリ
ウムガス１２流路などに対して真空気密を保った圧力容
器とする必要があるので、配管などの装置構造の複雑
化、および品質試験などの煩雑化を避けることができな
い等の問題がある。

【００１６】さらに、こうした構成の電流リード１７の
長さは高温超電導体材料を用いない場合と比較しても特
別小さくなるものではないため、超電導コイル２を含む
超電導コイル装置１３全体の高さは電流リード１７の分
だけ高くなってしまい、その設置場所などに制約がある
という問題がある。

【００１７】上述のような諸問題を解消する方法とし
て、本出願人が提案した電流リード装置（「超電導装
置」、特願平５−７６１７０号）について図７にもとづ
き概説する。図７は、超電導コイル装置３０の断面図で
あり、超電導コイル装置３０は、クライオスタット容器
３１と、このクライオスタット容器３１に収容した冷媒
４と、真空容器３２と、多段冷却ステージ式の小型冷凍
機たとえばＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマフォン冷凍
機）３３と、を有する。

【００１８】外部電源装置７を、電源側接続線８および
常温側端子１１から、銅材などによる金属製電流リード
本体３４、高温超電導体電流リード本体３５、超電導コ
イル側端子３６、および超電導線材３７を介して超電導
コイル２に接続してある。

【００１９】ＧＭ冷凍機３３は、これを真空容器３２の
頭部の蓋部材３８に固定し、その第一段冷却ステージ３
３Ａを第１のセラミックス板３９を介して電気的絶縁を
保ったまま金属製電流リード本体３４に熱的に接続させ
てこれを冷却する。

【００２０】ＧＭ冷凍機３３の第二段冷却ステージ３３
Ｂを第２のセラミックス板４０を介して電気的絶縁を保
ったまま高温超電導体電流リード本体３５に熱的に接続
させてこれを冷却する。第１のセラミックス板３９およ
び第２のセラミックス板４０は、たとえば窒化アルミニ
ウムなど、低温における熱伝導率が高く、かつ電気絶縁
性が良好な材料によりこれを構成する。

【００２１】真空容器３２、ＧＭ冷凍機３３、金属製電
流リード本体３４、高温超電導体電流リード本体３５、
超電導コイル側端子３６、第１のセラミックス板３９お
よび第２のセラミックス板４０により電流リード４１を
構成してある。

【００２２】上記真空容器３２は、その容器常温側端部
３２Ａを常温側端子１１（温度約３００Ｋ）に位置さ
せ、高温側容器中間部３２ＢをＧＭ冷凍機３３の第一段
冷却ステージ３３Ａ（温度約７０Ｋ）に熱的に接触さ
せ、かつ容器底部３２ＣをＧＭ冷凍機３３の第二段冷却
ステージ３３Ｂ（温度約４〜２０Ｋ）に熱的に接触させ
てある。

【００２３】こうした構成の超電導コイル装置３０にお
いては、高温超電導体電流リード本体３５がＧＭ冷凍機
３３により冷却されるとともに、真空容器３２内に納め
られている構造であるため、常温側端子１１ないし容器
常温側端部３２Ａの温度は３００Ｋ、高温側容器中間部
３２Ｂの部分の温度は７０Ｋ、容器底部３２Ｃないし超
電導コイル側端子３６の部分の温度が４〜２０Ｋとな
り、図５の超電導コイル装置１および図６の超電導コイ
ル装置１３に比較して、液体ヘリウム４への侵入熱が大
幅に低減される。

【００２４】しかしながら、この形の超電導コイル装置
３０にも以下に述べるような欠点や短所があることが分
かってきた。第一に、冷凍機に関する現状の技術では、
ＧＭ冷凍機３３の第二段冷却ステージ３３Ｂの温度が液
体ヘリウム４の温度（４．２Ｋ）レベルのときには冷却
能力が低く、図７にもとづき説明したような構成におけ
る侵入熱量のもとでは、第二段冷却ステージ３３Ｂの温
度を実際に１０Ｋ以下に冷却することは困難であると考
えられる。

【００２５】したがって、温度が１０Ｋ以上の超電導コ
イル側端子３６から液体ヘリウム４中の超電導コイル２
までの間を熱伝導率の高い超電導線材３７によって接続
するような構成では、１０Ｋ〜４Ｋまでの温度勾配のた
め、超電導コイル２への侵入熱を十分低い値とすること
は困難であるという問題がある。

【００２６】第二に、真空容器３２の容器常温側端部３
２ＡをＧＭ冷凍機３３の第一段冷却ステージ３３Ａに熱
的に接触させている点に問題がある。すなわちこの熱的
な接触構造は、室温部から真空容器３２を通して侵入す
る熱を第一段冷却ステージ３３Ａで取り去って第二段冷
却ステージ３３Ｂには伝えないようにするためのもので
あるが、このことが逆に第一段冷却ステージ３３Ａに対
して熱負荷が発生することになる。第一段冷却ステージ
３３Ａには、このほかに室温から電流を供給している金
属製電流リード本体３４による熱負荷も加わる。

【００２７】第一段冷却ステージ３３Ａにおける熱負荷
および冷凍能力の試算を行うと、温度７０Ｋにおいて冷
凍能力６０Ｗ（すなわち、温度が７０Ｋになったとき第
一段冷却ステージ３３Ａにおいて６０Ｗの熱を加えても
この温度７０Ｋを維持することができる冷凍能力であ
り、無負荷の状態では温度４０Ｋを維持することができ
る冷凍能力）に対して、通電容量５００Ａの金属製電流
リード本体３４についてその一対からの侵入熱は約４４
Ｗで、真空容器３２からの侵入熱による熱負荷は約１２
Ｗである。

【００２８】ここで電流容量を増加しようとした場合、
第一段冷却ステージ３３Ａにおいては、６０−（４４＋
１２）＝４Ｗの余裕があるだけであるため、真空容器３
２からの侵入熱をなくし、その分の熱負荷を金属製電流
リード本体３４に分配しなければ電流容量の増加を実現
することはできない。すなわち、この超電導コイル装置
３０のような構成では、通電可能な電流容量を制限して
しまっているという問題が発生するのである。

【００２９】本出願人が提案した他の電流リード装置
（「高温超電導電流リード」、特願平５−２９９１３４
号）について図８にもとづき概説する。図８は、超電導
コイル装置５０の断面図であり、その高温超電導体電流
リード５１は、ＧＭ冷凍機３３と、銅材などによる金属
製電流リード本体５２と、中間接続部５３と、高温超電
導体電流リード本体５４と、低温側接続部５５と、第一
段サーマルアンカー部材５６と、第二段サーマルアンカ
ー部材５７と、アンカー側超電導線材５８と、酸化物超
電導体などによる超電導体電流リード５９と、コイル側
超電導線材６０と、これらを外周から被覆する断熱材容
器６１と、からこれを構成する。

【００３０】断熱材容器６１は、たとえば発泡スチロー
ル材などを採用し、その長さ方向（図中上下方向）にふ
たつ割りとして左右に分解可能とするとともに、その底
部には開口部６２を形成し、内部空間６３に蒸発ヘリウ
ムガス１２が侵入可能とするが、この内部空間６３内で
の対流は困難なようにしてある。

【００３１】断熱材容器６１は、その底部をクライオス
タット容器２１内の冷媒４の液面より下方に配置してあ
る。

【００３２】こうした構成の超電導コイル装置５０にお
いては、高温超電導体電流リード５１により液体ヘリウ
ム４への侵入熱量を大幅に低減することができるが、Ｇ
Ｍ冷凍機３３の第一段冷却ステージ３３Ａが内部空間６
３の充満ヘリウムガス１２中にあるため、ヘリウムガス
１２を介して室温部から熱が侵入してくるので、第一段
冷却ステージ３３Ａへの熱負荷が大きい。

【００３３】したがって、金属製電流リード本体５２に
よる熱負荷を減少させる必要があり、図７に示した電流
リード４１の場合と同様に、電流容量の増加が不可能と
なってしまうという問題がある。

【００３４】また、超電導体電流リード５９は機械的強
度が低いために、コイル側超電導線材６０が接続されて
いるその端部に外力が加わると破損してしまう可能性が
あるという問題がある。

【００３５】従来の電流リード６、１７、４１、５１は
いずれも、超電導コイル２などの超電導機器を極低温に
維持するために、電流リード６、１７、４１、５１およ
び真空容器３２などを介した侵入熱を低減させることに
より液体ヘリウム４の消耗を効果的に抑制することが困
難であるという問題がある。

【００３６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
諸問題にかんがみなされたもので、低温のガスや液体な
どによって冷却することなく、ＧＭ冷凍機など小型の冷
凍機を用いて単純な構造で、外部から極低温容器（クラ
イオスタット容器）内への侵入熱を大幅に低減し、高価
な液体ヘリウムなどの冷媒の蒸発量を削減することがで
きるようにした超電導機器用電流リードを提供すること
を課題とする。

【００３７】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、ＧＭ
冷凍機の第二段冷却ステージのさらに低温側（超電導機
器側）に低温端子部を追加し、この低温端子部の温度を
４Ｋ付近とするように冷却可能とすることにより超電導
機器との間に温度勾配をできるだけ少なくするようにす
ることに着目したもので、クライオスタット容器内にお
いて冷媒に浸漬した超電導機器と、クライオスタット容
器の外部に配置した外部電源装置とを電気的に接続する
ための超電導機器用電流リードであって、上記超電導機
器と上記外部電源装置との間に配置した冷凍機と、上記
外部電源装置に接続するとともにこの冷凍機の第一段冷
却ステージに熱的に接触させた金属製電流リード本体
と、この金属製電流リード本体に直列に接続するととも
に上記冷凍機の第二段冷却ステージに熱的に接触させた
高温超電導体電流リード本体と、この高温超電導体電流
リード本体と上記超電導機器との間に直列に接続する超
電導機器側端子と、上記金属製電流リード本体および上
記高温超電導体電流リード本体、ならびに上記冷凍機の
少なくとも第一段冷却ステージおよび第二段冷却ステー
ジを覆うとともに上記クライオスタット容器内に設けた
真空容器と、を有するとともに、この真空容器の側壁の
低温側容器中間部を上記冷凍機の第二段冷却ステージに
熱的に接触させ、この低温側容器中間部より高温側の高
温側容器中間部は、これを上記冷凍機の第一段冷却ステ
ージに熱的に接触させずに容器非接触部とし、かつ上記
真空容器の容器底部は、これを上記超電導機器と同一温
度としたことを特徴とする超電導機器用電流リードであ
る。

【００３８】上記真空容器の容器底部を、上記超電導機
器を浸漬する上記冷媒に浸漬し、あるいは接触させるこ
とができる。

【００３９】上記超電導機器側端子は、これを上記真空
容器の上記容器底部に設けるとともに上記超電導機器と
同一温度とすることができる。

【００４０】上記真空容器の容器底部と、上記超電導機
器を浸漬する上記冷媒との間に、冷却伝熱部材を設ける
ことができる。

【００４１】上記金属製電流リード本体は、上記クライ
オスタット容器の常温側端子から上記冷凍機の第一段冷
却ステージまでを結ぶようにすることができる。

【００４２】上記高温超電導体電流リード本体は、上記
冷凍機の第一段冷却ステージから上記超電導機器側端子
までを結ぶようにすることができる。

【００４３】上記高温超電導体電流リード本体は、その
中間部を上記冷凍機の第二段冷却ステージに熱的に接触
させることができる。

【００４４】上記高温超電導体電流リード本体は、これ
を高温側および低温側において一対とするとともに、こ
の高温側の高温超電導体電流リード本体を上記冷凍機の
第一段冷却ステージと第二段冷却ステージとの間に設
け、かつ低温側の高温超電導体電流リード本体を上記冷
凍機の第二段冷却ステージと上記超電導機器側端子との
間に設けることができる。

【００４５】上記真空容器の上記容器底部は、これを上
記超電導機器の容器に接続することができる。

【００４６】当該超電導機器用電流リードは、これを上
記超電導機器に対して、鉛直方向上部に、あるいは上記
超電導機器に対して、水平方向に並べて配置することが
できる。

【００４７】上記高温超電導体電流リード本体は、これ
を鉛直方向あるいは水平方向に配置することができる。

【００４８】上記真空容器の低温側容器中間部の温度を
約１５Ｋとすることができる。上記真空容器の容器底部
の温度を約４Ｋとすることができる。

【００４９】

【作用】本発明による超電導機器用電流リードにおいて
は、真空容器の側壁の高温側容器中間部を冷凍機の第一
段冷却ステージに熱的に接触させずに容器非接触部と
し、第一段冷却ステージには金属製電流リード本体のみ
を熱的に接触させることにより、第一段冷却ステージの
冷却能力をすべて金属製電流リード本体の冷却に使うこ
とができるので、この金属製電流リード本体の通電容量
を大きくしてもその温度を高温超電導体電流リード本体
の臨界温度以下（たとえば７０Ｋ）にすることができ
る。

【００５０】また、冷凍機の第二段冷却ステージには高
温超電導体電流リード本体を熱的に接触させ、さらに真
空容器の側壁の容器常温側端部から容器非接触部を介し
て低温側容器中間部において上記第二段冷却ステージに
熱的に接触する。冷凍機の第二段冷却ステージへの侵入
熱のほとんどがこの真空容器の側壁からの侵入熱であ
り、この侵入熱により第二段冷却ステージの温度は１５
Ｋレベルとなる。

【００５１】さらに、高温超電導体電流リード本体と超
電導機器との間に超電導機器側端子を接続するととも
に、真空容器の容器底部をＧＭ冷凍機の第二段冷却ステ
ージのさらに低温側における低温端子部として超電導機
器と同一温度（温度４Ｋ）としたので、高温超電導体電
流リード本体ないし超電導機器側端子から超電導機器へ
の温度勾配を理想的にはゼロとすることができ、超電導
機器への侵入熱を抑制することが可能となり、液体ヘリ
ウムの消耗を押さえることができる。

【００５２】

【実施例】つぎに本発明の第１の実施例による超電導機
器用電流リードを図面にもとづき説明する。ただし、図
５ないし図８と同様の部分には同一符号を付し、その詳
述はこれを省略する。

【００５３】図１は、超電導コイル装置７０の断面図で
あり、その超電導機器用電流リード７１は、ＧＭ冷凍機
３３と、銅材などによる金属製電流リード本体３４と、
高温側接続部７２と、第１の高温超電導体電流リード本
体３５と、中間接続部７３と、第２の高温超電導体電流
リード本体７４と、低温側接続部７５と、超電導コイル
側端子３６と、超電導線材３７と、冷却伝熱部材７６
と、からこれを構成する。なお、正極側および負極側が
あるので、対応部分には同一符号を付し、その一方につ
いてのみ説明する。

【００５４】高温側接続部７２は、第１のセラミックス
板３９を介してＧＭ冷凍機３３の第一段冷却ステージ３
３Ａに電気的絶縁を保ったまま熱的に接続させてこれを
冷却する。中間接続部７３は、第２のセラミックス板４
０を介してＧＭ冷凍機３３の第二段冷却ステージ３３Ｂ
に電気的絶縁を保ったまま熱的に接続させてこれを冷却
する。

【００５５】なお、真空容器３２の前記高温側容器中間
部３２Ｂ（図７）に相当する部分はＧＭ冷凍機３３の第
一段冷却ステージ３３Ａに熱的に接触させることなく、
ここを容器非接触部３２Ｄとしてある。

【００５６】真空容器３２の低温側容器中間部３２Ｅを
ＧＭ冷凍機３３の第二段冷却ステージ３３Ｂに熱的に接
触させる。

【００５７】これらの熱接触においては、電流リード部
分（金属製電流リード本体３４、第１の高温超電導体電
流リード本体３５および第２の高温超電導体電流リード
本体７４など）の熱接触とは異なり、電気的絶縁の必要
はないが、真空気密を取る必要がある。この構成として
は、第二段冷却ステージ３３Ｂと真空容器３２とを溶接
する構成や、金属製のＯリングなどを挿入して締め付け
る構成などがあるが、真空気密が保たれ、かつ熱的接触
が実現されればその他の構成であっても構わない。

【００５８】真空容器３２の前記容器底部３２Ｃ（図
７）に相当する容器底部３２Ｆは、これを低温端子部と
して、第３のセラミックス板７７を介して低温側接続部
７５に熱的に接触させるとともに、冷却伝熱部材７６を
介して液体ヘリウム４と熱的に接触させてある。したが
って、容器底部３２Ｆは超電導コイル２と同一の温度と
なり、この間における温度勾配をきわめて小さくするこ
とができる。

【００５９】ただし、真空容器３２の側壁を構成する材
料は、熱伝導率の低いステンレス鋼や繊維強化樹脂材料
（ＦＲＰ）などを用いることによって、低温側容器中間
部３２Ｅへの熱侵入を低減させる必要がある。また、低
温側容器中間部３２Ｅへの侵入熱を低減する構成として
は、薄肉のステンレス鋼などの材料から構成するととも
に、ベローズ型をした真空容器３２側壁を使用すること
により熱侵入経路を物理的に長くする構成などが有効で
ある。

【００６０】第１の高温超電導体電流リード本体３５お
よび第２の高温超電導体電流リード本体７４は、たとえ
ばＢｉ系２２２３相焼結体などの酸化物高温超電導体な
どからこれを構成する。

【００６１】銅材などによる金属製電流リード本体３４
の長さおよび断面積は、熱伝導にもとづく侵入熱および
ジュール熱にもとづく侵入熱の合計が最小となるように
これを設計することができる。なお、たとえば本出願人
による「超電導コイル装置の電流リード」（特願平５−
４１７６１号）などのように、金属製電流リード部の一
部に高温超電導線材を並列に接続することにより金属製
電流リード部からの侵入熱を低減することができる。

【００６２】第２の高温超電導体電流リード本体７４
は、使用される温度域が４〜１５Ｋであり、第１の高温
超電導体電流リード本体３５の使用温度域１５〜７０Ｋ
より低いので、臨界電流密度が第１の高温超電導体電流
リード本体３５より大きくなるため、通電に必要な断面
積は第１の高温超電導体電流リード本体３５より小さく
なる。したがって、第２の高温超電導体電流リード本体
７４が第１の高温超電導体電流リード本体３５と同じ材
料である場合には、その断面積を第１の高温超電導体電
流リード本体３５のものより小さくすることができる。

【００６３】なお本実施例では、第１の高温超電導体電
流リード本体３５および第２の高温超電導体電流リード
本体７４を直列に接続した構成となっているが、これら
を１本の高温超電導体電流リード本体に置き換えること
もできる。この場合に、その高温側端部をＧＭ冷凍機３
３の第一段冷却ステージ３３Ａに、その中間部を第二段
冷却ステージ３３Ｂに、そして低温側端部を超電導コイ
ル側端子３６にそれぞれ接続する。

【００６４】また、上記１本の高温超電導体電流リード
本体については、第二段冷却ステージ３３Ｂと超電導コ
イル側端子３６との間を結ぶ部分の断面積を、第一段冷
却ステージ３３Ａと第二段冷却ステージ３３Ｂとを結ぶ
部分の断面積より小さくなるような形状とすることがで
きる。

【００６５】超電導コイル側端子３６は、銅などの電気
伝導度の高い金属材料でこれを構成し、その形状とくに
その断面積および長さは通電時のジュール発熱をできる
だけ小さくするように決定する。また、超電導コイル側
端子３６部分にＮｂＴｉ超電導線材や銀シースＢｉ系超
電導線材など（図示せず）を並列に接続することができ
る。

【００６６】真空容器３２の容器底部３２Ｆを液体ヘリ
ウム４に直接漬けることによって（図１中仮想線による
液面を参照）、あるいはこうした直接的な浸漬構成とと
もに容器底部３２Ｆに前記冷却伝熱部材７６を取り付け
ることにより、超電導コイル２を冷却する液体ヘリウム
４により容器底部３２Ｆを冷却する。

【００６７】冷却伝熱部材７６は、銅や銀などの良熱伝
導材料によりこれを構成し、その一方の端部を液体ヘリ
ウム４に浸漬し、その他法の端部を容器底部３２Ｆに熱
的に接触させる。したがって、液体ヘリウム４が蒸発に
より減少しても、残存する液体ヘリウム４と容器底部３
２Ｆとの熱的接触状態を維持することができる。

【００６８】なお、超電導コイル側端子３６が液体ヘリ
ウム４などの冷媒によって直接冷却されない場合には、
超電導線材３７を銅などの良導体製の熱伝導部材と超電
導線材との複合体とし、この超電導線材３７により超電
導コイル側端子３６と超電導コイル２との間を接続す
る。

【００６９】こうした構成の超電導機器用電流リード７
１を用いた超電導コイル装置７０において、ＧＭ冷凍機
３３の仕様、真空容器３２側壁の材質や形状、各電流リ
ード部分の仕様（定格通電電流値など）その他によって
異なるが、ＧＭ冷凍機を用いて電流値４００Ａクラスの
超電導機器用電流リード７１を作った場合、第一段冷却
ステージ３３Ａの温度を第１の高温超電導体電流リード
本体３５の臨界温度以下のたとえば７０Ｋ、第二段冷却
ステージ３３Ｂを１５Ｋ程度とすることができ、超電導
コイル側端子３６は容器底部３２Ｆとともに液体ヘリウ
ム４によって冷却され、温度４Ｋ近くにまで冷却され
る。

【００７０】したがって、第１の高温超電導体電流リー
ド本体３５の両端部の温度は、それぞれ第一段冷却ステ
ージ３３Ａおよび第二段冷却ステージ３３Ｂと同程度と
なるのでともに臨界温度温度以下となり、第１の高温超
電導体電流リード本体３５は超電導状態となる。

【００７１】また、第２の高温超電導体電流リード本体
７４の両端部の温度は、それぞれ第二段冷却ステージ３
３Ｂおよび超電導コイル側端子３６と同程度の温度（７
〜４Ｋ）になるのでともに臨界温度以下となり、第２の
高温超電導体電流リード本体７４も超電導状態となる。

【００７２】同様にして、真空容器３２もＧＭ冷凍機３
３により冷却されるので、その温度も容器常温側端部３
２Ａから徐々に低くなり、第二段冷却ステージ３３Ｂと
熱的に接触させた低温側容器中間部３２Ｅにおいて第二
段冷却ステージ３３Ｂと同じ温度（１５Ｋ）になる。

【００７３】ところで、超電導コイル側端子３６への侵
入熱量は、ふたつの経路を通した熱伝導と、通電時の端
子部におけるジュール発熱とによって決定される。すな
わち第一の熱伝導経路は、第２の高温超電導体電流リー
ド本体７４を通してのもので、温度約１５Ｋのレベルの
第２の高温超電導体電流リード本体７４の中間接続部７
３から温度４Ｋレベルにある低温側接続部７５への熱伝
導経路である。

【００７４】第２の高温超電導体電流リード本体７４と
して、断面積Ｓ＝０．５ｃｍ²、長さＬ＝５．０ｃｍの
Ｂｉ系２２２３相焼結体を用いた場合の侵入熱量の概算
を以下に示す。図２は、Ｂｉ系２２２３相焼結体および
ステンレス鋼に関する熱伝導率の積分値の実測値を示す
グラフである（ステンレス鋼についての出典は低温工学
ハンドブック；低温工学協会編、Ｐ５８３であり、Ｂｉ
系２２２３相焼結体については本出願人による実測値で
ある）。このグラフを用いて、上記寸法の第２の高温超
電導体電流リード本体７４の正負極２本分の温度１５Ｋ
から４Ｋまでの侵入熱量Ｑ１を計算すると、侵入熱量Ｑ
１＝（２Ｓ／Ｌ）・（熱伝導率の積分値）であり、Ｂｉ
系２２２３相焼結体について温度１５Ｋから４Ｋまでの
熱伝導率の積分値はグラフから約５×１０^-2であるか
ら、Ｑ１＝（２×０．５／５）×５×１０^-2＝約１０ｍ
Ｗとなる。

【００７５】第二の熱伝導経路は、真空容器３２の低温
側容器中間部３２Ｅから容器底部３２Ｆまでの熱伝導経
路である。低温側容器中間部３２Ｅは、上述のように温
度１５Ｋであり、容器底部３２Ｆは約４Ｋである。

【００７６】真空容器３２を肉厚０．０８ｃｍ、内径１
５．０ｃｍ、長さ９．５ｃｍ、したがって断面積３．８
ｃｍ²のステンレス鋼製の筒体から形成した場合の侵入
熱量Ｑ２は、上記Ｑ１の場合と同様に図２に示すグラフ
から熱伝導率の積分値のデータを用いて計算すると、ス
テンレス鋼について温度１５Ｋから４Ｋまでの熱伝導率
の積分値はグラフから約８×１０^-2であるから、Ｑ２＝
（３．８／９．５）×８×１０^-2＝約３２ｍＷとなる。

【００７７】したがって、第２の高温超電導体電流リー
ド本体７４および真空容器３２を介した熱伝導による超
電導コイル側端子３６への侵入熱量の合計は、約４２ｍ
Ｗ（１０＋３２）となる。

【００７８】一方、上記通電時のジュール発熱について
は、超電導コイル側端子３６として超電導線材およびこ
れを囲む良導体材料を並列化することにより、接続部分
の抵抗によるものだけにすることができ、５０ｍＷ程度
にすることができる。

【００７９】したがって、第２の高温超電導体電流リー
ド本体７４および真空容器３２から超電導コイル側端子
３６への侵入熱量の総合計は、４２＋５０＝９２ｍＷと
なる。

【００８０】さて、従来型のガス冷却型の銅製電流リー
ド６（図５を参照）の侵入熱量は電流１０００Ａあた
り、１Ｗになるといわれており、４００Ａクラスの電流
リード一対では０．８Ｗとなるので、本発明による超電
導機器用電流リード７１はその約９分の１の侵入熱量
（９２ｍＷ）になることが分かる。

【００８１】なお、超電導機器用電流リード７１におい
ては、超電導コイル２との間を接続する超電導線材３７
を取り付ける端子（超電導コイル側端子３６）に外力が
加わっても、酸化物超電導体製の第２の高温超電導体電
流リード本体７４には力が加わらないので、機械的強度
が低い酸化物超電導体を用いた場合でもその破損の心配
がない。

【００８２】つぎに本発明においては、上述した第１の
実施例の場合のように、高温超電導体電流リード本体３
５、７４を鉛直方向に配置して、超電導コイル２などの
超電導機器に対して超電導機器用電流リード７１を鉛直
方向上部に配置することもできるが、たとえば図３およ
び図４に示すように、超電導コイル２に対して真空容器
３２を水平方向に並べて配置することにより容器底部３
２Ｆを液体ヘリウム４の容器の側壁や底部に取り付けた
構造とすることができる。

【００８３】すなわち図３は、本発明の第２の実施例に
よる超電導機器用電流リード８１を用いた超電導コイル
装置８０の断面図であって、この超電導コイル装置８０
は、クライオスタット容器３１内に真空容器３２および
コイル容器３を互いに左右横位置に置いたもので、コイ
ル容器３の側壁から超電導コイル側端子３６をコイル容
器３内に突出させている。

【００８４】超電導機器用電流リード８１は、前記超電
導機器用電流リード７１と事実上基本的構造は同様であ
るが、前記高温超電導体電流リード本体３５、７３を水
平方向に配置するとともに、冷却伝熱部材７６を設けず
に、真空容器３２の容器底部３２Ｆをコイル容器３の液
体ヘリウム４に熱的に接触させてある。

【００８５】こうした構成の超電導機器用電流リード８
１を用いた超電導コイル装置８０においては、真空容器
３２の容器底部３２Ｆをコイル容器３の液体ヘリウム４
に熱的にかつ直接に接触させてあるため、この容器底部
３２Ｆを超電導コイル２と同一温度に維持することが比
較的容易である。

【００８６】図４は、他の構成の超電導コイル装置９０
の断面図であって、この超電導コイル装置９０において
は、上記超電導機器用電流リード８１を縦方向に用いる
とともに、真空容器３２をコイル容器３の横でかつ液体
ヘリウム４の液面より下方において容器底部３２Ｆを液
体ヘリウム４に熱的に接触させている。

【００８７】すなわち、超電導コイル装置８０と同様に
クライオスタット容器３１内に真空容器３２およびコイ
ル容器３を互いに左右横に置いたもので、コイル容器３
の底面部から超電導コイル側端子３６をコイル容器３内
に突出させている。

【００８８】こうした構成の超電導コイル装置９０にお
いては、真空容器３２の容器底部３２Ｆをコイル容器３
の液体ヘリウム４の液面よりはるかに下方に位置させる
ことができるため、液体ヘリウム４の蒸発による消耗が
あっても、容器底部３２Ｆを超電導コイル２と同一温度
に維持することが比較的容易である。

【００８９】なお、本発明による高温超電導体電流リー
ドによって電流を供給される超電導機器としては、上述
のような液体ヘリウム内に浸漬冷却された超電導コイル
のほかに、冷凍機によって伝導冷却された超電導コイル
などもある。

【００９０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ＧＭ冷凍
機の第一段冷却ステージおよび第二段冷却ステージによ
る冷却機能に加えて、第二段冷却ステージのさらに別段
に容器底部を形成し、この容器底部部分を液体ヘリウム
により直接あるいは超電導線材などにより間接的に温度
４Ｋ付近に冷却可能とするとともに、真空容器の容器非
接触部部分を形成することとしたので、高温超電導体電
流リードを通しての外部からの侵入熱を極力低減するこ
とができ、高価な液体ヘリウムの消耗を効率的に抑える
ことができる。

【００９１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による超電導機器用電流
リード７１を用いた超電導コイル装置７０の断面図であ
る。

【図２】同、Ｂｉ系２２２３相焼結体およびステンレス
鋼に関する熱伝導率の積分値の実測値を示すグラフであ
る。

【図３】本発明の第２の実施例による超電導機器用電流
リード８１を用いた超電導コイル装置８０の断面図であ
る。

【図４】同、超電導機器用電流リード８１を用いた他の
構成の超電導コイル装置９０の断面図である。

【図５】従来の銅製電流リード６を用いた超電導機器た
とえば超電導コイル装置１の概略断面図である。

【図６】従来の液体窒素温度（７７Ｋ）以上の臨界温度
を有する高温超電導材料を採用した電流リード１７を用
いた他の超電導コイル装置１３の概略断面図である。

【図７】従来の他の構成の超電導コイル装置３０の断面
図である。

【図８】従来のさらに他の構成の超電導コイル装置５０
の断面図である。

【符号の説明】

１ 超電導コイル装置（超電導機器） ２ 超電導コイル ３ コイル容器（液体ヘリウム容器） ４ 液体ヘリウム（冷媒） ５ クライオスタット容器（断熱真空容器） ６ 銅材からなるガス冷却型の電流リード ７ 外部電源装置 ８ 電源側接続線 ９ 蒸発管 １０ 超電導コイル側端子 １１ 常温側端子 １２ ヘリウムガス １３ 超電導コイル装置 １４ 銅材などによる金属製電流リード本体 １５ 中間接続部 １６ 高温超電導体電流リード本体 １７ 電流リード １８ 窒素ガス蒸発管 １９ 液体窒素 ２０ 液体窒素容器 ２１ ヘリウムガス蒸発管 ２２ 窒素ガス ３０ 超電導コイル装置 ３１ クライオスタット容器 ３２ 真空容器 ３２Ａ 真空容器３２の容器常温側端部 ３２Ｂ 真空容器３２の高温側容器中間部 ３２Ｃ 真空容器３２の容器底部 ３２Ｄ 真空容器３２の容器非接触部 ３２Ｅ 真空容器３２の低温側容器中間部 ３２Ｆ 真空容器３２の容器底部（低温端子部） ３３ ＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機） ３３Ａ ＧＭ冷凍機３３の第一段冷却ステージ ３３Ｂ ＧＭ冷凍機３３の第二段冷却ステージ ３４ 銅材などによる金属製電流リード本体 ３５ 高温超電導体電流リード本体（第１の高温超電導
体電流リード本体） ３６ 超電導コイル側端子（超電導機器側端子） ３７ 超電導線材 ３８ 蓋部材 ３９ 第１のセラミックス板 ４０ 第２のセラミックス板 ４１ 電流リード ５０ 超電導コイル装置 ５１ 高温超電導体電流リード ５２ 銅材などによる金属製電流リード本体 ５３ 中間接続部 ５４ 高温超電導体電流リード本体 ５５ 低温側接続部 ５６ 第一段サーマルアンカー部材 ５７ 第二段サーマルアンカー部材 ５８ アンカー側超電導線材 ５９ 酸化物超電導体などによる超電導体電流リード ６０ コイル側超電導線材 ６１ 断熱材容器 ６２ 開口部 ６３ 内部空間 ７０ 超電導コイル装置（超電導機器） ７１ 超電導機器用電流リード ７２ 高温側接続部 ７３ 中間接続部 ７４ 第２の高温超電導体電流リード本体 ７５ 低温側接続部 ７６ 冷却伝熱部材 ７７ 第３のセラミックス板 ８０ 超電導コイル装置（超電導機器） ８１ 超電導機器用電流リード ９０ 超電導コイル装置（超電導機器）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坪井 時雄 神奈川県平塚市夕陽ケ丘63番30号 住友 重機械工業株式会社 平塚研究所内 (56)参考文献 特開 平６−268266（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−131079（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 39/04 ZAA H01F 6/00 ZAA H01F 6/06

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クライオスタット容器内において冷媒
   に浸漬した超電導機器と、クライオスタット容器の外部
   に配置した外部電源装置とを電気的に接続するための超
   電導機器用電流リードであって、 前記超電導機器と前記外部電源装置との間に配置した冷
   凍機と、 前記外部電源装置に接続するとともにこの冷凍機の第一
   段冷却ステージに熱的に接触させた金属製電流リード本
   体と、 この金属製電流リード本体に直列に接続するとともに前
   記冷凍機の第二段冷却ステージに熱的に接触させた高温
   超電導体電流リード本体と、 この高温超電導体電流リード本体と前記超電導機器との
   間に直列に接続する超電導機器側端子と、 前記金属製電流リード本体および前記高温超電導体電流
   リード本体、ならびに前記冷凍機の少なくとも第一段冷
   却ステージおよび第二段冷却ステージを覆うとともに前
   記クライオスタット容器内に設けた真空容器と、を有す
   るとともに、 この真空容器の側壁の低温側容器中間部を前記冷凍機の
   第二段冷却ステージに熱的に接触させ、 この低温側容器中間部より高温側の高温側容器中間部
   は、これを前記冷凍機の第一段冷却ステージに熱的に接
   触させずに容器非接触部とし、かつ前記真空容器の容器
   底部は、これを前記超電導機器と同一温度とすることを
   特徴とする超電導機器用電流リード。
2. 【請求項２】 前記真空容器の容器底部を、前記超電
   導機器を浸漬する前記冷媒に浸漬したことを特徴とする
   請求項１記載の超電導機器用電流リード。
3. 【請求項３】 前記真空容器の容器底部を、前記超電
   導機器を浸漬する前記冷媒に接触させたことを特徴とす
   る請求項１記載の超電導機器用電流リード。
4. 【請求項４】 前記超電導機器側端子は、これを前記
   真空容器の前記容器底部に設けるとともに前記超電導機
   器と同一温度とすることを特徴とする請求項１記載の超
   電導機器用電流リード。
5. 【請求項５】 前記真空容器の容器底部と、前記超電
   導機器を浸漬する前記冷媒との間に、冷却伝熱部材を設
   けたことを特徴とする請求項１記載の超電導機器用電流
   リード。
6. 【請求項６】 前記金属製電流リード本体は、前記ク
   ライオスタット容器の常温側端子から前記冷凍機の第一
   段冷却ステージまでを結ぶことを特徴とする請求項１記
   載の超電導機器用電流リード。
7. 【請求項７】 前記高温超電導体電流リード本体は、
   前記冷凍機の第一段冷却ステージから前記超電導機器側
   端子までを結ぶことを特徴とする請求項１記載の超電導
   機器用電流リード。
8. 【請求項８】 前記高温超電導体電流リード本体は、
   その中間部を前記冷凍機の第二段冷却ステージに熱的に
   接触させたことを特徴とする請求項１記載の超電導機器
   用電流リード。
9. 【請求項９】 前記高温超電導体電流リード本体は、
   これを高温側および低温側において一対とするととも
   に、 この高温側の高温超電導体電流リード本体を前記冷凍機
   の第一段冷却ステージと第二段冷却ステージとの間に設
   け、かつ低温側の高温超電導体電流リード本体を前記冷
   凍機の第二段冷却ステージと前記超電導機器側端子との
   間に設けたことを特徴とする請求項１記載の超電導機器
   用電流リード。
10. 【請求項１０】 前記真空容器の前記容器底部は、こ
    れを前記超電導機器の容器に接続したことを特徴とする
    請求項１記載の超電導機器用電流リード。
11. 【請求項１１】 前記超電導機器に対して、鉛直方向
    上部に配置したことを特徴とする請求項１記載の超電導
    機器用電流リード。
12. 【請求項１２】 前記超電導機器に対して、水平方向
    に並べて配置したことを特徴とする請求項１記載の超電
    導機器用電流リード。
13. 【請求項１３】 前記高温超電導体電流リード本体
    は、これを鉛直方向に配置したことを特徴とする請求項
    １記載の超電導機器用電流リード。
14. 【請求項１４】 前記高温超電導体電流リード本体
    は、これを水平方向に配置したことを特徴とする請求項
    １記載の超電導機器用電流リード。
15. 【請求項１５】 前記真空容器の低温側容器中間部の
    温度を約１５Ｋとしたことを特徴とする請求項１記載の
    超電導機器用電流リード。
16. 【請求項１６】 前記真空容器の容器底部の温度を約
    ４Ｋとしたことを特徴とする請求項１記載の超電導機器
    用電流リード。