JP3569997B2 - 超電導装置用電流リード - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、極低温にある超電導コイルに室温にある電源から電流を通流する超電導装置用電流リード、とくに、低温側に高温酸化物超電導体を用いた超電導装置用電流リードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導コイルは、液体ヘリウム等の極低温冷媒によって冷却して使用することが必要であり、通常、液体窒素シールドや高真空層で熱の侵入を阻止した真空断熱容器内に設けられた液体ヘリウム容器に液体ヘリウムに浸漬した状態で収納される。電流リードは、極低温に保持された超電導コイルに室温部にある電源から励磁電流を通流するために設けられるものであり、通電に伴うジュール発熱、および常温側から極低温側へ熱伝導により侵入する熱を抑えて液体ヘリウムの蒸発量を低減するために、電流リードの内部に気化した低温のヘリウムガスを流して冷却し、除熱するように構成するのが通例である。電流リードの導体としては、銅または銅合金等の良導電性金属が一般的に用いられるが、断面積を大きくしてジュール発熱を抑えると熱伝導による侵入熱量が増大し、断面積を小さくして熱伝導による侵入熱量を抑えるとジュール発熱が増大するので、低減できる液体ヘリウムの蒸発量には限界がある。これに対し、高温酸化物超電導体を低温側リードの導体に配し、良導電性金属を導体とする高温側リードと直列に接続して構成した超電導装置用電流リード（例えば、特開昭63−292610号公報参照）が液体ヘリウムの蒸発量を飛躍的に低減するものとして注目されている。
【０００３】
図１４は、従来の超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置を模式的に示した断面図である。超電導コイル１は、真空断熱容器４の液体ヘリウム容器２に液体ヘリウム３に浸漬した状態で収納され、超電導状態に保持される。電流リード１１は、銅または銅合金等の良導電性金属導体からなる高温側リード１３と、高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２とが中間接続部１４で導電接続された直列接続体からなり、低温端子３２が超電導コイル１に連結された低温側接続導体５に接続され、常温端子３３が図示しない電源に接続されることにより、超電導コイル１に電流が供給される。また、電流リード１１は、液体ヘリウム容器２で蒸発し気化した低温のヘリウムガス３Ｇを、低温側リード１２の下端より導入して冷却される。
【０００４】
低温側リード１２の高温酸化物超電導導体として、イットリウム系やビスマス系等のセラミックス系高温超電導体を用いれば、おおよそ液体窒素温度以下で超電導状態となるのでジュール発熱がゼロになり、また、これらの熱伝導率は銅の場合に比べて２〜３桁も小さいので伝導による侵入熱も大幅に低減される。低温側リード１２の導体として適用する場合の形状としては、高温超電導材粉末を圧縮成形し熱処理したバルク型高温酸化物超電導体と、銀あるいはその合金等をシース材として圧縮成形し熱処理したシース型高温酸化物超電導体が知られている。このうちシース型高温酸化物超電導体は、バルク型高温酸化物超電導体よりも臨界電流密度が数十倍も大きく、コンパクト化には有利であるが、シース材として使用している銀あるいはその合金等の熱伝導率が大きいので、高温酸化物超電導体の低熱伝導率という特徴を生かすことができない。したがって、低温側リード１２の導体としてはバルク型高温酸化物超電導体が用いられるのが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成した電流リードでは、低温側リードでのジュール発熱が皆無となり、かつ熱伝導率が極めて小さく伝導による侵入熱も微小となるので、電流リードによる液体ヘリウムの蒸発を微量に抑制でき、超電導装置を極めて効率的なものとすることができる。
【０００６】
しかしながら、このように構成された電流リードにおいても、接続した超電導コイルに通電しているとき、何らかの原因によって低温側リードの高温酸化物超電導導体が超電導状態から常電導状態へ転移すると、常電導状態での電気抵抗は金属の１００倍以上と高いので、多大なジュール発熱を生じて導体の温度が上昇し、通電電流を瞬時に減衰させないと焼損してしまう危険性がある。
【０００７】
一方、一般的な超電導装置では、図１５に励磁回路の基本構成図を示したように、超電導コイル２１を一対の電流リード２２および２２Ａを介して電源２３に接続し励磁する回路において、超電導コイル２１に並列に保護抵抗２４が組み込まれている。超電導コイル２１が何らかの原因によって超電導状態から常電導状態への転移を生じた場合、スイッチ２５を遮断して超電導コイル２１と保護抵抗２４からなる閉回路を形成させ、励磁された超電導コイル２１に蓄積された多大な磁気エネルギーを真空断熱容器２６の外部の室温部分に配置した保護抵抗２４に取り出すことにより、超電導コイル２１および真空断熱容器２６の損傷を防止している。
【０００８】
したがって、上記のように電流リードの低温側リードの高温酸化物超電導導体が超電導状態から常電導状態へ転移したとき、これを検知してスイッチ２５を遮断しても、超電導コイル２１を流れる電流すなわち電流リードを流れる電流は超電導コイル２１のインダクタンスと保護抵抗２４の抵抗値で定まる時定数で減衰することとなり、電流リードの保護を念頭にした瞬時の減衰を行うことはできない。このため高温酸化物超電導導体の温度が急激に上昇し、焼損する可能性が高くなる。電流リードが焼損すると、図１５に示した超電導コイル２１と保護抵抗２４からなる閉回路が、電流リード２２または２２Ａにおいて開放された状態となるので、超電導コイル２１に蓄積されたエネルギーを保護抵抗２４に取り出すことが不可能となり、絶縁破壊等の超電導コイル２１の損傷や、電源２３や真空断熱容器２６に損傷を生じる危険性が高くなる。
【０００９】
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、良導電性金属を導体とする高温側リードと、高温酸化物超電導体を導体とする低温側リードの直列接続体で構成された超電導装置用電流リードにおいて、通電時に高温酸化物超電導体が何らかの原因により常電導状態へ転移することがあっても、異常温度上昇による焼損が防止され、超電導コイル、電源、あるいは断熱真空容器に損傷を生ずることなく、安全に使用できる超電導装置用電流リードを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明においては、
(1) 真空断熱容器の液体ヘリウム容器内に液体ヘリウムに浸漬した状態で収納された超電導コイルに外部電源より電流を通流する超電導装置用電流リードで、良導電性金属を導体とする高温側リードと、高温酸化物超電導体を導体とする低温側リードの直列接続体で構成され、ヘリウムガスを通流して高温酸化物超電導体を超電導状態として用いるものにおいて、低温側リードに並列に電気接続された保護導体を配設するとともに、この保護導体を、例えばブロンズ、ベリリウム銅合金、またはニッケル銅合金等からなる複数の導電性金属導体の線束から形成し、低温側リードを冷却するヘリウムガスの流通路に稠密に配することとし、低温側リードを筒状に形成し、その内面に接する空間に保護導体を稠密に配することとし、さらには、低温側リードを筒状に形成するとともに低温側リードの内部の横断面での中心部に気密な部材よりなる封止部材を配して、この封止部材と低温側リードの内面との間に、低温側リードを冷却するヘリウムガスの流通路となる空間を形成し、この空間に保護導体を稠密に配することとする。
【００１１】
(2) さらに、上記の線束を形成する導電性金属導体の、少なくとも一部の、内部に金属系超電導体、または化合物系超電導体を埋め込むこととする。
(3) また、上記の超電導装置用電流リードに、前記超電導コイルに通流する電流容量をもち良導電性金属を導体とする補助電流リードを付設し、かつこれらの電流リードの低温端子を超電導コイルに連結した低温側接続導体に電気接続することとする。
【００１２】
(4) さらに、上記のごとく超電導装置用電流リードに付設した補助電流リードを、室温部での操作により低温端子部で着脱可能に構成することとする。
【００１３】
【作用】
超電導装置用電流リードを上記(1) のように、保護導体を低温側リードに並列に電気接続して配設させるものとすれば、低温側リードの高温酸化物超電導導体が常電導転移を生じても、高温酸化物超電導導体を流れていた電流は並列接続された保護導体にバイパスされるので、超電導コイルに蓄積されていた磁気エネルギーは外部に設置された保護抵抗で確実に消費されることとなる。したがって、本構成とすれば、超電導コイルや真空断熱容器等の損傷を生じることなく安全に使用できる超電導装置用電流リードとすることができる。
【００１４】
また、保護導体を、例えばブロンズ、ベリリウム銅合金、またはニッケル銅合金等からなる複数の導電性金属導体の線束から形成し、低温側リードを冷却するヘリウムガスの流通路に稠密に配することとし、例えば、低温側リードを筒状に形成しその内面に接する空間に保護導体を稠密に配することとすれば、多数の線束から形成されることによって、保護導体の断面積当たりの表面積が大きくなり、ヘリウムガスの流通路に稠密に配置されることによって均一、かつ効率的に冷却されることとなる。したがって、定常運転時の熱侵入量が少量に抑えられ、また、高温酸化物超電導導体が常電導転移を生じた際には効果的に電流をバイパスさせることができることとなる。
【００１５】
さらに、上記(2) のように、保護導体の線束を形成する導電性金属導体の、少なくとも一部の導体の内部に金属系超電導体、または化合物系超電導体を埋め込むこととすれば、埋め込まれた超電導体の臨界温度以下の部分では保護導体も超電導状態となる。したがって、長時間の使用に伴い、例えば熱サイクルによるクラックの発生等により、低温側リードを構成する高温酸化物超電導体が破損して通電が不能となる事態が生じても、低温側リードの補修を行わずとも保護導体を介して定常運転を持続させることができ、かつ侵入熱の増大を抑制することができることとなる。
【００１６】
また、上記(3)のように、これらの電流リードに、良導電性金属を導体とする補助電流リードを付設し、それぞれの低温端子を超電導コイルに連結された低温側接続導体に電気接続することとすれば、高温酸化物超電導導体が焼損し使用不能となったとき、電源と連結する常温側の接続導体を、破損した電流リードの常温端子から補助電流リードの常温端子につなぎかえることにより、容易に超電導コイルの再励磁を可能とすることができる。
【００１７】
さらに、上記(4)のように、付設した補助電流リードを低温端子部で着脱可能な電流リードとすれば、保護導体を配設した低温側リードを用いての通常の通電操作のときには、付設した補助電流リードを取り外して使用できるので、補助電流リードでの熱伝導による侵入熱量を皆無とすることができる。また、高温酸化物超電導導体が焼損し使用不能となったときには、補助電流リードを装着し、常温側の接続導体をつなぎかえることにより、超電導コイルの再励磁を可能とすることができる。
【００１８】
【実施例】
以下、この発明の実施例および参考例を図面にもとづいて説明する。
図１は、この発明の第１の参考例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な縦断面図である。すでに説明した従来例と同一機能を有する構成部品については同一符号を付して、重複した説明は省略する。
【００１９】
この図において、ステンレス鋼材等の金属材料で形成された保護導体１５は、低温側リード１２に並列に電気接続されて配設されている。低温側リード１２を構成する高温酸化物超電導導体は、正常運転の超電導状態では電気抵抗がゼロであるので、電流リード１１Ａを流れる電流は高温酸化物超電導導体を流れ、保護導体１５には流れないが、高温酸化物超電導導体が常電導状態に転移すると、高温酸化物超電導導体はセラミックスであり絶縁体に近い極めて高い電気抵抗率を呈するので、電流リード１１Ａを流れる電流は保護導体１５にバイパスすることとなる。したがって、高温酸化物超電導導体の常電導状態への転移とともに、すでに図１５に示したように、スイッチ２５を遮断することにより超電導コイル２１を電源２３から切り離し、超電導コイル２１に貯えられた磁気エネルギーを保護抵抗２４に取り出すこととすれば、この間低温側リード１２を流れる電流はほぼゼロであるので、過大な温度上昇を生ずることなく安全に装置を停止することができる。なお、仮に低温側リード１２が破損したとしても、磁気エネルギーは保護導体を介して保護抵抗に取り出されるので、超電導コイル、電源、あるいは真空断熱容器を損傷することなく、装置を安全に停止することができる。
【００２０】
保護導体１５は、上記のごとく、超電導装置を構成する超電導コイル２１の保護方式に係わるものであり、その材料、寸法等は、超電導コイル２１の最大蓄積エネルギーや保護抵抗２４の抵抗値、低温側リード１２の正常時の許容侵入熱量、あるいは保護導体１５の許容最高温度等により決められるものである。例えば、銅あるいはその合金、アルミニウムあるいはその合金等は電気抵抗率が小さく通電電流密度が高くとれるので、保護導体１５としての寸法は小さくてすむが、これらは熱伝導率が高いので、正常時の侵入熱量が過大となるおそれがある。その点でステンレス鋼材を用いれば侵入熱量を抑制する点で有効であるが、通電時の温度上昇が過大とならないように配慮する必要がある。
【００２１】
なお、保護導体１５を筒状に形成し、低温端子３２に設けられた図示しない通流溝を通じて保護導体１５の内部へ低温のヘリウムガスを導き、中間接続部１４に設けられた図示しない通流溝を通じて高温側リード１３へと流すこととすれば、低温側リード１２を構成する高温酸化物超電導導体、さらには保護導体１５が効果的に冷却され、定常運転時の侵入熱量が効果的に低減される。
【００２２】
図２は、この発明の第２の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図である。本参考例の第１の参考例との相違点は、ステンレス鋼材で形成された保護導体１５が電気接続部に良導電性金属からなる金属膜１７Ａおよび１７Ｂを備えている点にあり、金属膜１７Ａを良導電性金属からなる中間接続体１４に、また金属膜１７Ｂを良導電性金属からなる低温端子３２にハンダ接続することにより、高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２と並列接続となるよう電気接続されている。ステンレス鋼材で形成された保護導体１５を中間接続体１４および低温端子３２へ直接電気接続するには、ハンダ接続は極めて困難であるので、溶接接続を行うことが必要となる。しかしながら、溶接接続を行うと周囲温度が高温となるので、低温側リード１２を構成する高温酸化物超電導導体が組成変化を起こして超電導特性が大幅に低下してしまう可能性が極めて高い。これに対して、本参考例のように、電気接続部に良導電性金属からなる金属膜１７Ａおよび１７Ｂを予め備えた保護導体１５を用いてハンダ接続することとすれば、高温酸化物超電導導体の特性を損なうことなく接続抵抗を微小に抑えて接続することができる。なお、ステンレス鋼材等の金属材料からなる保護導体１５の電気接続部へ良導電性金属からなる金属膜１７Ａおよび１７Ｂを形成する方法としては、めっき処理法、蒸着法、スパッタリング法あるいは溶射法等が用いられる。
【００２３】
図３は、この発明の第３の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図である。本参考例の特徴は、保護導体１５Ａが、電気接続部となる両端部に銅あるいは銅合金等からなる良導電性金属１８Ａおよび１８Ｂを配し、中央部にステンレス鋼材等からなる低熱伝導性金属１９を配して接合した直列接続体からなることにある。この構成では、電気接続部に良導電性金属１８Ａおよび１８Ｂが用いられているので、第２の参考例と同様に、中間接続体１４および低温端子３２とハンダ接続により容易に電気接続することができ、かつ中央部に低熱伝導性金属１９を配しているので、保護導体１５Ａを介して低温部へ侵入する熱量を効果的に抑制することができる。なお、良導電性金属１８Ａおよび１８Ｂと低熱伝導性金属１９との異種金属間の接合は、摩擦圧接法や電気圧着法により比較的容易に行うことができる。
【００２４】
図４は、この発明の第４の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図である。本参考例の特徴は、保護導体１５Ｂが、ベローズ状に形成された可撓性を保持したステンレス鋼材よりなることである。電流リードを超電導装置に組み込んで使用する際には、電流リードの各部は低温のヘリウムガスにより冷却されるので、構成材料の熱膨張係数ならびに冷却される温度に対応して熱収縮する。低温側リード１２と保護導体１５Ｂの間においても、構成材料の差によって熱収縮量の差が生じて互いに熱応力を及ぼすこととなり、熱応力が過大になると強度の劣る高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２が破損する恐れがある。本参考例の構成においては、保護導体１５Ｂが可撓性を保持するように構成されているので、熱収縮量に差が生じても熱応力が緩和され、上記のごとき低温側リード１２の破損は回避することができる。また、保護導体１５Ｂをベローズ状に形成したことにより、保護導体１５Ｂを介しての熱伝導による熱侵入量がより低減するという効果も得られる。なお、本構成ではステンレス鋼材よりなる保護導体１５Ｂが可撓性を保持したものを例示したが、保護導体１５Ｂが良導電性金属からなるもの、あるいは第３の参考例に示したごとく良導電性金属と低熱伝導性金属を接合した直列接続体からなるものであっても、可撓性を保持した構成とすれば同様な効果が得られることは例示するまでもない。
【００２５】
図５は、この発明の第５の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図で、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は（ａ）に用いられる低温側リードの断面図、（ｃ）は（ａ）に用いられる他の低温側リードの断面図である。本参考例においては、（ｂ）に示したようにステンレス鋼製の丸棒状の保護導体１５Ｃ、あるいは（ｃ）に示したようにステンレス鋼製の円筒状の保護導体１５Ｄを埋設した、複数の高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２Ａが、中空管２０の内部に配設され、導入されるヘリウムガスにより冷却されて超電導状態に保持される。本構成においては、保護導体１５Ｃあるいは１５Ｄと低温側リード１２Ａが上端部、下端部のみならず長手方向の全長にわたって電気的に連結されるので、並列接続体として効果的であり、さらに一体に形成されているので、本質的に脆い高温酸化物超電導導体の機械的強度がステンレス鋼製の保護導体１５Ｃあるいは１５Ｄによって補強され、低温側リード１２Ａの機械的損傷が防止される。また、（ｃ）に示した円筒状の保護導体１５Ｄを埋設した低温側リード１２Ａは、外周を流れるヘリウムガスと保護導体１５Ｄの内部を流れるヘリウムガスとにより効果的に冷却されることとなる。
【００２６】
図６は、この発明の第６の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図である。本参考例においては、複数の丸棒状のバルク型の高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２Ｂと、複数のステンレス鋼製の丸棒状の保護導体１５Ｅが、中空管２０Ａの内部に稠密に配設され、長手方向の両端部で電気的、機械的に接続されており、中空管２０Ａの内部の空隙を流れるヘリウムガスにより冷却して超電導状態に保持して使用される。
【００２７】
図７は、この発明の第７の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図である。本参考例の第６の参考例との差は、複数の丸棒状のバルク型の高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２Ｂに代わって、複数の丸棒状のシース型の高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２Ｃが使用されている点にあり、その他は同一である。
【００２８】
上記の第６の参考例および第７の参考例による超電導装置用電流リードにおいては、中空管２０Ａの内部に占める低温側リード１２Ｂ（あるいは１２Ｃ）と保護導体１５Ｅの全断面積の割合が５０％以上に選定されており、導入されるヘリウムガスは均一に分散配置された低温側リード１２Ｂ（あるいは１２Ｃ）と保護導体１５Ｅの空隙にほぼ均一に分布して流れることとなる。したがってヘリウムガスの流量が少量でも流速が高まり、熱伝達率が向上して、効果的に冷却されることとなる。
【００２９】
図８は、この発明の第１の実施例による超電導装置用電流リードの低温側部分の基本構成を拡大して示す模式断面図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は要部の横断面図である。本構成においては、（ａ）に見られるように、円筒状に形成された低温側リード１２Ｄは高温側を中間接続部１４Ａに、また低温側を低温端子３２Ｂに嵌合され半田付け接続されている。低温側リード１２Ｄの内部の中心部には気密な部材で形成された封止部材４３が配され、封止部材４３と低温側リード１２Ｄの内面との間の空間に多数本のニッケル銅合金からなる保護導体１５Ｆが組み込まれている。保護導体１５Ｆの一端は、高温側接続体４１を介して中間接続部１４Ａに、また他端は、低温側接続体４２を介して低温端子３２Ｂに導電接続されており、保護導体１５Ｆと低温側リード１２Ｄは電気的に並列接続体を構成している。また（ｂ）に見られるように、多数本のニッケル銅合金からなる保護導体１５Ｆは、封止部材４３と低温側リード１２Ｄの内面との間の空間に稠密に挿入、配置されており、（ａ）に図示したごとく低温端子３２Ｂに設けられた通流孔を通して導入され、中間接続部１４Ａに設けられた通流孔を通して高温側リードへと送られるヘリウムガス３Ｇにより冷却され、侵入熱が除去される。本構成では、封止部材４３と低温側リード１２Ｄの内面との間の空間の横断面に占める保護導体１５Ｆの断面積の割合が７０％以上に達しており、ヘリウムガス３Ｇが各部で均一に流れるので、保護導体１５Ｆおよび低温側リード１２Ｄが均一に冷却され、これらを介して低温端子３２Ｂに侵入する伝導熱が低減されることとなる。
【００３０】
図９は、この発明の第８の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図である。本実施例においては、多数本のニッケル銅合金からなる保護導体１５Ｆが、円柱状に形成された低温側リード１２Ｅと外周部のカバー４４との間の空間に稠密に挿入、配置されている。本構成においても、第１の実施例と同様に、低温側リード１２Ｅに並列接続された保護導体１５Ｆがヘリウムガスにより効果的に冷却され、侵入熱が低減されることとなる。また本構成では、低温側リード１２Ｅの外周部に保護導体１５Ｆを配置したのちカバー４４を任意に形成することができるので、保護導体１５Ｆを稠密に挿入、配置するのが容易となる利点がある。
【００３１】
図１０は、この発明の第２の実施例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図である。本実施例では、前述の第１の実施例と同様に、円筒状の低温側リード１２Ｄの内部の封止部材４３との間隙に保護導体１５Ｇを配して構成されている。本実施例の第１の実施例との差異は、保護導体１５Ｇの構成にあり、第１の実施例においては多数本のニッケル銅合金が用いられているのに対して、本実施例では、金属系超電導体の Nb-Ti合金の細線が埋め込まれた多数本のニッケル銅合金が用いられている点にある。本構成では、低温状態において Nb-Ti合金が超電導状態となるので、仮に低温側リード１２Ｄを構成する高温酸化物超電導体が劣化して通電不能となる事態となっても、低温側リード１２Ｄを補修することなく、本保護導体１５Ｇを介して定常的な通電を継続できるという利点がある。
【００３２】
なお、本実施例において、多数本のニッケル銅合金に金属系超電導体の Nb-Ti合金が埋め込まれたものを例示したが、 Nb-Ti合金は多数本のニッケル銅合金のすべてに埋め込まれている必要はなく、通電電流容量に見合って一部のニッケル銅合金にのみ埋め込まれていても同等の効果が得られる。また埋め込まれる超電導体は Nb-Ti合金に限るものではなく、Nb-Ti-Ta 合金等の金属系超電導体や、 Nb3Sn、 Nb3Al等の化合物系超電導体を用いることとしても、その超電導体の臨界温度、通電容量に対応して、同様の効果が得られることとなる。
【００３３】
図１１は、この発明の第９の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図である。本実施例では、二重円筒状に形成された低温側リード１２Ｆの間隙および最内部に、多数本のニッケル銅合金からなる保護導体１５Ｆを稠密に配して構成されている。本構成では、低温側リード１２Ｆおよび保護導体１５Ｆの断面積を相対的に大きく採ることができるので、通電電流容量の大きな超電導装置用電流リード用として効果的である。
【００３４】
なお、上述の図８〜図１１に示した第１〜第２の実施例および第８〜第９の参考例においては、保護導体として多数本のニッケル銅合金を用いることとしているが、ニッケル銅合金に限るものではなく、例えばブロンズ、ベリリウム銅合金等の導電性金属導体であれば、同等の効果が得られることは例示するまでもない。
図１２は、この発明の第３の実施例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な縦断面図である。高温側リード１３と低温側リード１２からなり、保護導体１５を低温側リード１２と電気的に並列に接続した電流リード１１Ａに、良導電性金属を導体とする補助電流リード１６が付設されており、それぞれの低温端子が超電導コイル１に連結された低温側接続導体５Ａに電気接続されている。この構成においては、低温側リード１２を構成する高温酸化物超電導導体が焼損し使用不能となったとき、電源と連結する常温側の接続導体を、破損した電流リード１１Ａの常温端子３３から補助電流リード１６の常温端子３３Ａにつなぎかえることにより、超電導コイルの再励磁が可能となる。低温側リード１２を構成する高温酸化物超電導導体が焼損し使用不能となり、これを交換するには、極低温の雰囲気下にある低温端子３２での分離、つなぎ換えが必要となり、そのためには、装置の冷却を停止し、温度を上げて低温端子３２を室温とする必要があり、極めて不経済であるが、補助電流リード１６を付設しておけば、常温側の接続導体を付け替えるだけで容易に再励磁することができる。
【００３５】
なお、補助電流リード１６を付設したことにより、電流リード１１Ａが正常に運転されている際にも、補助電流リード１６を介して熱伝導により極低温部に熱が侵入するが、この際には電流は流れていないので、ジュール発熱はなく、熱伝導による微小分を除去するように、少量の低温ヘリウムガスを流して冷却すればよい。
【００３６】
図１３は、この発明の第４の実施例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な縦断面図である。この実施例では、電流リード１１Ａに付設された補助電流リード１６が、着脱可能低温端子３１を用いて室温部での操作により着脱可能として組み込まれている。
超電導コイル１が大規模なものである場合、超電導コイル１が交流損失を伴う場合、あるいは真空断熱容器４の熱侵入量が大きい場合など、液体ヘリウムの蒸発量が多くヘリウムガス量が十分多い場合には、前述の第３の実施例による補助電流リード１６に冷却用ヘリウムガスを流すことができるが、全体的に超電導装置の熱侵入量が少ない場合には、冷却用ヘリウムガスの流量を確保することが困難となる。図１３に示した第４の実施例による超電導装置用電流リードは、このように超電導装置の熱侵入量が少なく、流量の確保が困難な場合に適するものである。
【００３７】
すなわち、この実施例では、補助電流リード１６が、低温部の着脱可能低温端子３１の部分に於いて着脱可能で、図の上部に対応する室温部分から下部へと挿入することによって超電導コイルへの接続導体に接続でき、上部の室温部分へと引き上げることによって、取り外しが可能な構成となっている。正規の運転条件においては、補助電流リード１６は外部へと取り外した状態とする。この状態では補助電流リード１６による極低温部への熱侵入はないので、とくに冷却用のヘリウムガスを流す必要はない。万が一低温側リード１２が損傷した場合、すでに述べた他の実施例および参考例と同様に、保護導体１５を介して電流が流れ、超電導装置は安全に停止される。低温側リード１２が使用不能の場合には、補助電流リード１６を挿入して着脱可能低温端子３１に装着し、常温側の接続導体を常温端子３３Ａにつなぎかえることにより、再び励磁することが可能となる。
なお、図１２および図１３に示した実施例においては、電流リード１１Ａの低温側リード１２に並列接続して組み込む保護導体として、図１の第１の参考例の保護導体１５を例示しているが、図２〜図１１にそれぞれ示した第１〜第２の実施例および第２〜第９の参考例に示した保護導体を用いても、上記と同様の効果が得られることはあらためて説明するまでもなく明らかである。
【００３８】
【発明の効果】
この発明においては、上述のように、
(1) 真空断熱容器の液体ヘリウム容器内に液体ヘリウムに浸漬した状態で収納された超電導コイルに外部電源より電流を通流する超電導装置用電流リードが、良導電性金属を導体とする高温側リードと、高温酸化物超電導体を導体とする低温側リードの直列接続体で構成され、ヘリウムガスを通流して前記高温酸化物超電導体を超電導状態にして用いるものにおいて、保護導体を低温側リードに並列に電気接続して配設させるものとしたので、低温側リードの高温酸化物超電導導体が常電導転移を生じても、あるいは破損に至っても、高温酸化物超電導導体を流れていた電流は並列接続された保護導体にバイパスして流れるので、超電導コイルに蓄積されていた磁気エネルギーは保護抵抗で確実に消費されることになり、超電導コイルや、電源、真空断熱容器等の損傷を生ずることなく、安全に使用できる超電導装置用電流リードが得られることとなった。
【００３９】
また、保護導体を、ニッケル銅合金等からなる複数の導電性金属導体の線束から形成し、低温側リードを冷却するヘリウムガスの流通路に稠密に配することとし、例えば、低温側リードを筒状に形成してその内面に接する空間に保護導体を稠密に配することとすれば、保護導体は均一にかつ効率的に冷却されて、定常運転時の熱侵入量が少量に抑えられることとなる。したがって、超電導装置を損傷することなく安全に使用できる超電導装置用電流リードとして好適である。
【００４０】
(2) さらに、保護導体の線束を形成する導電性金属導体の、少なくとも一部の導体の内部に金属系超電導体、または化合物系超電導体を埋め込むこととすれば、長時間の使用に伴い、低温側リードを構成する高温酸化物超電導体が破損して通電が不能となる事態が生じても、保護導体を介して定常運転を持続させることができることとなるので、超電導装置を損傷することなく安全に使用できる超電導装置用電流リードとして、より好適である。
【００４１】
(3) また、上記のように低温側リードに保護導体を配設した電流リードに、良導電性金属を導体とする補助電流リードを付設し、それぞれの低温端子を超電導コイルに連結した低温側接続導体に電気接続することとすれば、高温酸化物超電導導体が焼損し、低温側リードが使用不能となった場合にあっても、電源と連結する常温側の接続導体を破損した電流リードの常温端子から補助電流リードの常温端子につなぎかえることにより、容易に超電導コイルの再励磁を行うことができるようになるので、超電導装置を損傷することなく安全に使用できる超電導装置用電流リードとしてさらに好適である。
【００４２】
(4) さらに、上記の付設する補助電流リードを、低温端子部で着脱可能な電流リードとすれば、保護導体を配設した低温側リードが正常に動作しているとき、付設した補助電流リードを取り外して使用できるので、補助電流リードでの熱伝導による侵入熱量を皆無として低熱侵入の電流リードの性能を確保し、かつ、高温酸化物超電導導体が焼損し使用不能となった場合においても、補助電流リードを装着し、常温側の接続導体をつなぎかえることにより、容易に超電導コイルの再励磁を行うことができるようになるので、超電導装置を損傷することなく安全に使用できる超電導装置用電流リードとしてさらに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の参考例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な縦断面図
【図２】この発明の第２の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図
【図３】この発明の第３の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図
【図４】この発明の第４の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図
【図５】この発明の第５の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図で、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は（ａ）に用いる低温側リードの断面図、（ｃ）は（ａ）に用いる他の低温側リードの断面図
【図６】この発明の第６の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図
【図７】この発明の第７の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図
【図８】この発明の第１の実施例による超電導装置用電流リードの低温側部分の基本構成を拡大して示す模式断面図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は要部の横断面図
【図９】この発明の第８の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図
【図１０】この発明の第２の実施例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図
【図１１】この発明の第９の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図
【図１２】この発明の第３の実施例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な断面図
【図１３】この発明の第４の実施例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な断面図
【図１４】従来の超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な断面図
【図１５】一般的な超電導装置の励磁回路の基本構成図
【符号の説明】
１ 超電導コイル
２ 液体ヘリウム容器
３ 液体ヘリウム
３Ｇ ヘリウムガス
４ 真空断熱容器
５，５Ａ，５Ｂ 低温側接続導体
１１，１１Ａ 電流リード
１２，１２Ａ 低温側リード
１２Ｂ，１２Ｃ 低温側リード
１２Ｄ，１２Ｅ 低温側リード
１２Ｆ 低温側リード
１３ 高温側リード
１４，１４Ａ 中間接続部
１５，１５Ａ 保護導体
１５Ｂ，１５Ｃ 保護導体
１５Ｄ，１５Ｅ 保護導体
１５Ｆ，１５Ｇ 保護導体
１６ 補助電流リード
１７Ａ，１７Ｂ 金属膜
１８Ａ，１８Ｂ 良導電性金属
１９ 低熱伝導性金属
２０，２０Ａ 中空管
３１ 着脱可能低温端子
３２，３２Ａ 低温端子
３２Ｂ 低温端子
３３，３３Ａ 常温端子
４１ 高温側接続体
４２ 低温側接続体
４３ 封止部材
４４ カバー
【産業上の利用分野】
この発明は、極低温にある超電導コイルに室温にある電源から電流を通流する超電導装置用電流リード、とくに、低温側に高温酸化物超電導体を用いた超電導装置用電流リードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導コイルは、液体ヘリウム等の極低温冷媒によって冷却して使用することが必要であり、通常、液体窒素シールドや高真空層で熱の侵入を阻止した真空断熱容器内に設けられた液体ヘリウム容器に液体ヘリウムに浸漬した状態で収納される。電流リードは、極低温に保持された超電導コイルに室温部にある電源から励磁電流を通流するために設けられるものであり、通電に伴うジュール発熱、および常温側から極低温側へ熱伝導により侵入する熱を抑えて液体ヘリウムの蒸発量を低減するために、電流リードの内部に気化した低温のヘリウムガスを流して冷却し、除熱するように構成するのが通例である。電流リードの導体としては、銅または銅合金等の良導電性金属が一般的に用いられるが、断面積を大きくしてジュール発熱を抑えると熱伝導による侵入熱量が増大し、断面積を小さくして熱伝導による侵入熱量を抑えるとジュール発熱が増大するので、低減できる液体ヘリウムの蒸発量には限界がある。これに対し、高温酸化物超電導体を低温側リードの導体に配し、良導電性金属を導体とする高温側リードと直列に接続して構成した超電導装置用電流リード（例えば、特開昭63−292610号公報参照）が液体ヘリウムの蒸発量を飛躍的に低減するものとして注目されている。
【０００３】
図１４は、従来の超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置を模式的に示した断面図である。超電導コイル１は、真空断熱容器４の液体ヘリウム容器２に液体ヘリウム３に浸漬した状態で収納され、超電導状態に保持される。電流リード１１は、銅または銅合金等の良導電性金属導体からなる高温側リード１３と、高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２とが中間接続部１４で導電接続された直列接続体からなり、低温端子３２が超電導コイル１に連結された低温側接続導体５に接続され、常温端子３３が図示しない電源に接続されることにより、超電導コイル１に電流が供給される。また、電流リード１１は、液体ヘリウム容器２で蒸発し気化した低温のヘリウムガス３Ｇを、低温側リード１２の下端より導入して冷却される。
【０００４】
低温側リード１２の高温酸化物超電導導体として、イットリウム系やビスマス系等のセラミックス系高温超電導体を用いれば、おおよそ液体窒素温度以下で超電導状態となるのでジュール発熱がゼロになり、また、これらの熱伝導率は銅の場合に比べて２〜３桁も小さいので伝導による侵入熱も大幅に低減される。低温側リード１２の導体として適用する場合の形状としては、高温超電導材粉末を圧縮成形し熱処理したバルク型高温酸化物超電導体と、銀あるいはその合金等をシース材として圧縮成形し熱処理したシース型高温酸化物超電導体が知られている。このうちシース型高温酸化物超電導体は、バルク型高温酸化物超電導体よりも臨界電流密度が数十倍も大きく、コンパクト化には有利であるが、シース材として使用している銀あるいはその合金等の熱伝導率が大きいので、高温酸化物超電導体の低熱伝導率という特徴を生かすことができない。したがって、低温側リード１２の導体としてはバルク型高温酸化物超電導体が用いられるのが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成した電流リードでは、低温側リードでのジュール発熱が皆無となり、かつ熱伝導率が極めて小さく伝導による侵入熱も微小となるので、電流リードによる液体ヘリウムの蒸発を微量に抑制でき、超電導装置を極めて効率的なものとすることができる。
【０００６】
しかしながら、このように構成された電流リードにおいても、接続した超電導コイルに通電しているとき、何らかの原因によって低温側リードの高温酸化物超電導導体が超電導状態から常電導状態へ転移すると、常電導状態での電気抵抗は金属の１００倍以上と高いので、多大なジュール発熱を生じて導体の温度が上昇し、通電電流を瞬時に減衰させないと焼損してしまう危険性がある。
【０００７】
一方、一般的な超電導装置では、図１５に励磁回路の基本構成図を示したように、超電導コイル２１を一対の電流リード２２および２２Ａを介して電源２３に接続し励磁する回路において、超電導コイル２１に並列に保護抵抗２４が組み込まれている。超電導コイル２１が何らかの原因によって超電導状態から常電導状態への転移を生じた場合、スイッチ２５を遮断して超電導コイル２１と保護抵抗２４からなる閉回路を形成させ、励磁された超電導コイル２１に蓄積された多大な磁気エネルギーを真空断熱容器２６の外部の室温部分に配置した保護抵抗２４に取り出すことにより、超電導コイル２１および真空断熱容器２６の損傷を防止している。
【０００８】
したがって、上記のように電流リードの低温側リードの高温酸化物超電導導体が超電導状態から常電導状態へ転移したとき、これを検知してスイッチ２５を遮断しても、超電導コイル２１を流れる電流すなわち電流リードを流れる電流は超電導コイル２１のインダクタンスと保護抵抗２４の抵抗値で定まる時定数で減衰することとなり、電流リードの保護を念頭にした瞬時の減衰を行うことはできない。このため高温酸化物超電導導体の温度が急激に上昇し、焼損する可能性が高くなる。電流リードが焼損すると、図１５に示した超電導コイル２１と保護抵抗２４からなる閉回路が、電流リード２２または２２Ａにおいて開放された状態となるので、超電導コイル２１に蓄積されたエネルギーを保護抵抗２４に取り出すことが不可能となり、絶縁破壊等の超電導コイル２１の損傷や、電源２３や真空断熱容器２６に損傷を生じる危険性が高くなる。
【０００９】
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、良導電性金属を導体とする高温側リードと、高温酸化物超電導体を導体とする低温側リードの直列接続体で構成された超電導装置用電流リードにおいて、通電時に高温酸化物超電導体が何らかの原因により常電導状態へ転移することがあっても、異常温度上昇による焼損が防止され、超電導コイル、電源、あるいは断熱真空容器に損傷を生ずることなく、安全に使用できる超電導装置用電流リードを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明においては、
(1) 真空断熱容器の液体ヘリウム容器内に液体ヘリウムに浸漬した状態で収納された超電導コイルに外部電源より電流を通流する超電導装置用電流リードで、良導電性金属を導体とする高温側リードと、高温酸化物超電導体を導体とする低温側リードの直列接続体で構成され、ヘリウムガスを通流して高温酸化物超電導体を超電導状態として用いるものにおいて、低温側リードに並列に電気接続された保護導体を配設するとともに、この保護導体を、例えばブロンズ、ベリリウム銅合金、またはニッケル銅合金等からなる複数の導電性金属導体の線束から形成し、低温側リードを冷却するヘリウムガスの流通路に稠密に配することとし、低温側リードを筒状に形成し、その内面に接する空間に保護導体を稠密に配することとし、さらには、低温側リードを筒状に形成するとともに低温側リードの内部の横断面での中心部に気密な部材よりなる封止部材を配して、この封止部材と低温側リードの内面との間に、低温側リードを冷却するヘリウムガスの流通路となる空間を形成し、この空間に保護導体を稠密に配することとする。
【００１１】
(2) さらに、上記の線束を形成する導電性金属導体の、少なくとも一部の、内部に金属系超電導体、または化合物系超電導体を埋め込むこととする。
(3) また、上記の超電導装置用電流リードに、前記超電導コイルに通流する電流容量をもち良導電性金属を導体とする補助電流リードを付設し、かつこれらの電流リードの低温端子を超電導コイルに連結した低温側接続導体に電気接続することとする。
【００１２】
(4) さらに、上記のごとく超電導装置用電流リードに付設した補助電流リードを、室温部での操作により低温端子部で着脱可能に構成することとする。
【００１３】
【作用】
超電導装置用電流リードを上記(1) のように、保護導体を低温側リードに並列に電気接続して配設させるものとすれば、低温側リードの高温酸化物超電導導体が常電導転移を生じても、高温酸化物超電導導体を流れていた電流は並列接続された保護導体にバイパスされるので、超電導コイルに蓄積されていた磁気エネルギーは外部に設置された保護抵抗で確実に消費されることとなる。したがって、本構成とすれば、超電導コイルや真空断熱容器等の損傷を生じることなく安全に使用できる超電導装置用電流リードとすることができる。
【００１４】
また、保護導体を、例えばブロンズ、ベリリウム銅合金、またはニッケル銅合金等からなる複数の導電性金属導体の線束から形成し、低温側リードを冷却するヘリウムガスの流通路に稠密に配することとし、例えば、低温側リードを筒状に形成しその内面に接する空間に保護導体を稠密に配することとすれば、多数の線束から形成されることによって、保護導体の断面積当たりの表面積が大きくなり、ヘリウムガスの流通路に稠密に配置されることによって均一、かつ効率的に冷却されることとなる。したがって、定常運転時の熱侵入量が少量に抑えられ、また、高温酸化物超電導導体が常電導転移を生じた際には効果的に電流をバイパスさせることができることとなる。
【００１５】
さらに、上記(2) のように、保護導体の線束を形成する導電性金属導体の、少なくとも一部の導体の内部に金属系超電導体、または化合物系超電導体を埋め込むこととすれば、埋め込まれた超電導体の臨界温度以下の部分では保護導体も超電導状態となる。したがって、長時間の使用に伴い、例えば熱サイクルによるクラックの発生等により、低温側リードを構成する高温酸化物超電導体が破損して通電が不能となる事態が生じても、低温側リードの補修を行わずとも保護導体を介して定常運転を持続させることができ、かつ侵入熱の増大を抑制することができることとなる。
【００１６】
また、上記(3)のように、これらの電流リードに、良導電性金属を導体とする補助電流リードを付設し、それぞれの低温端子を超電導コイルに連結された低温側接続導体に電気接続することとすれば、高温酸化物超電導導体が焼損し使用不能となったとき、電源と連結する常温側の接続導体を、破損した電流リードの常温端子から補助電流リードの常温端子につなぎかえることにより、容易に超電導コイルの再励磁を可能とすることができる。
【００１７】
さらに、上記(4)のように、付設した補助電流リードを低温端子部で着脱可能な電流リードとすれば、保護導体を配設した低温側リードを用いての通常の通電操作のときには、付設した補助電流リードを取り外して使用できるので、補助電流リードでの熱伝導による侵入熱量を皆無とすることができる。また、高温酸化物超電導導体が焼損し使用不能となったときには、補助電流リードを装着し、常温側の接続導体をつなぎかえることにより、超電導コイルの再励磁を可能とすることができる。
【００１８】
【実施例】
以下、この発明の実施例および参考例を図面にもとづいて説明する。
図１は、この発明の第１の参考例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な縦断面図である。すでに説明した従来例と同一機能を有する構成部品については同一符号を付して、重複した説明は省略する。
【００１９】
この図において、ステンレス鋼材等の金属材料で形成された保護導体１５は、低温側リード１２に並列に電気接続されて配設されている。低温側リード１２を構成する高温酸化物超電導導体は、正常運転の超電導状態では電気抵抗がゼロであるので、電流リード１１Ａを流れる電流は高温酸化物超電導導体を流れ、保護導体１５には流れないが、高温酸化物超電導導体が常電導状態に転移すると、高温酸化物超電導導体はセラミックスであり絶縁体に近い極めて高い電気抵抗率を呈するので、電流リード１１Ａを流れる電流は保護導体１５にバイパスすることとなる。したがって、高温酸化物超電導導体の常電導状態への転移とともに、すでに図１５に示したように、スイッチ２５を遮断することにより超電導コイル２１を電源２３から切り離し、超電導コイル２１に貯えられた磁気エネルギーを保護抵抗２４に取り出すこととすれば、この間低温側リード１２を流れる電流はほぼゼロであるので、過大な温度上昇を生ずることなく安全に装置を停止することができる。なお、仮に低温側リード１２が破損したとしても、磁気エネルギーは保護導体を介して保護抵抗に取り出されるので、超電導コイル、電源、あるいは真空断熱容器を損傷することなく、装置を安全に停止することができる。
【００２０】
保護導体１５は、上記のごとく、超電導装置を構成する超電導コイル２１の保護方式に係わるものであり、その材料、寸法等は、超電導コイル２１の最大蓄積エネルギーや保護抵抗２４の抵抗値、低温側リード１２の正常時の許容侵入熱量、あるいは保護導体１５の許容最高温度等により決められるものである。例えば、銅あるいはその合金、アルミニウムあるいはその合金等は電気抵抗率が小さく通電電流密度が高くとれるので、保護導体１５としての寸法は小さくてすむが、これらは熱伝導率が高いので、正常時の侵入熱量が過大となるおそれがある。その点でステンレス鋼材を用いれば侵入熱量を抑制する点で有効であるが、通電時の温度上昇が過大とならないように配慮する必要がある。
【００２１】
なお、保護導体１５を筒状に形成し、低温端子３２に設けられた図示しない通流溝を通じて保護導体１５の内部へ低温のヘリウムガスを導き、中間接続部１４に設けられた図示しない通流溝を通じて高温側リード１３へと流すこととすれば、低温側リード１２を構成する高温酸化物超電導導体、さらには保護導体１５が効果的に冷却され、定常運転時の侵入熱量が効果的に低減される。
【００２２】
図２は、この発明の第２の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図である。本参考例の第１の参考例との相違点は、ステンレス鋼材で形成された保護導体１５が電気接続部に良導電性金属からなる金属膜１７Ａおよび１７Ｂを備えている点にあり、金属膜１７Ａを良導電性金属からなる中間接続体１４に、また金属膜１７Ｂを良導電性金属からなる低温端子３２にハンダ接続することにより、高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２と並列接続となるよう電気接続されている。ステンレス鋼材で形成された保護導体１５を中間接続体１４および低温端子３２へ直接電気接続するには、ハンダ接続は極めて困難であるので、溶接接続を行うことが必要となる。しかしながら、溶接接続を行うと周囲温度が高温となるので、低温側リード１２を構成する高温酸化物超電導導体が組成変化を起こして超電導特性が大幅に低下してしまう可能性が極めて高い。これに対して、本参考例のように、電気接続部に良導電性金属からなる金属膜１７Ａおよび１７Ｂを予め備えた保護導体１５を用いてハンダ接続することとすれば、高温酸化物超電導導体の特性を損なうことなく接続抵抗を微小に抑えて接続することができる。なお、ステンレス鋼材等の金属材料からなる保護導体１５の電気接続部へ良導電性金属からなる金属膜１７Ａおよび１７Ｂを形成する方法としては、めっき処理法、蒸着法、スパッタリング法あるいは溶射法等が用いられる。
【００２３】
図３は、この発明の第３の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図である。本参考例の特徴は、保護導体１５Ａが、電気接続部となる両端部に銅あるいは銅合金等からなる良導電性金属１８Ａおよび１８Ｂを配し、中央部にステンレス鋼材等からなる低熱伝導性金属１９を配して接合した直列接続体からなることにある。この構成では、電気接続部に良導電性金属１８Ａおよび１８Ｂが用いられているので、第２の参考例と同様に、中間接続体１４および低温端子３２とハンダ接続により容易に電気接続することができ、かつ中央部に低熱伝導性金属１９を配しているので、保護導体１５Ａを介して低温部へ侵入する熱量を効果的に抑制することができる。なお、良導電性金属１８Ａおよび１８Ｂと低熱伝導性金属１９との異種金属間の接合は、摩擦圧接法や電気圧着法により比較的容易に行うことができる。
【００２４】
図４は、この発明の第４の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図である。本参考例の特徴は、保護導体１５Ｂが、ベローズ状に形成された可撓性を保持したステンレス鋼材よりなることである。電流リードを超電導装置に組み込んで使用する際には、電流リードの各部は低温のヘリウムガスにより冷却されるので、構成材料の熱膨張係数ならびに冷却される温度に対応して熱収縮する。低温側リード１２と保護導体１５Ｂの間においても、構成材料の差によって熱収縮量の差が生じて互いに熱応力を及ぼすこととなり、熱応力が過大になると強度の劣る高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２が破損する恐れがある。本参考例の構成においては、保護導体１５Ｂが可撓性を保持するように構成されているので、熱収縮量に差が生じても熱応力が緩和され、上記のごとき低温側リード１２の破損は回避することができる。また、保護導体１５Ｂをベローズ状に形成したことにより、保護導体１５Ｂを介しての熱伝導による熱侵入量がより低減するという効果も得られる。なお、本構成ではステンレス鋼材よりなる保護導体１５Ｂが可撓性を保持したものを例示したが、保護導体１５Ｂが良導電性金属からなるもの、あるいは第３の参考例に示したごとく良導電性金属と低熱伝導性金属を接合した直列接続体からなるものであっても、可撓性を保持した構成とすれば同様な効果が得られることは例示するまでもない。
【００２５】
図５は、この発明の第５の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図で、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は（ａ）に用いられる低温側リードの断面図、（ｃ）は（ａ）に用いられる他の低温側リードの断面図である。本参考例においては、（ｂ）に示したようにステンレス鋼製の丸棒状の保護導体１５Ｃ、あるいは（ｃ）に示したようにステンレス鋼製の円筒状の保護導体１５Ｄを埋設した、複数の高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２Ａが、中空管２０の内部に配設され、導入されるヘリウムガスにより冷却されて超電導状態に保持される。本構成においては、保護導体１５Ｃあるいは１５Ｄと低温側リード１２Ａが上端部、下端部のみならず長手方向の全長にわたって電気的に連結されるので、並列接続体として効果的であり、さらに一体に形成されているので、本質的に脆い高温酸化物超電導導体の機械的強度がステンレス鋼製の保護導体１５Ｃあるいは１５Ｄによって補強され、低温側リード１２Ａの機械的損傷が防止される。また、（ｃ）に示した円筒状の保護導体１５Ｄを埋設した低温側リード１２Ａは、外周を流れるヘリウムガスと保護導体１５Ｄの内部を流れるヘリウムガスとにより効果的に冷却されることとなる。
【００２６】
図６は、この発明の第６の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図である。本参考例においては、複数の丸棒状のバルク型の高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２Ｂと、複数のステンレス鋼製の丸棒状の保護導体１５Ｅが、中空管２０Ａの内部に稠密に配設され、長手方向の両端部で電気的、機械的に接続されており、中空管２０Ａの内部の空隙を流れるヘリウムガスにより冷却して超電導状態に保持して使用される。
【００２７】
図７は、この発明の第７の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図である。本参考例の第６の参考例との差は、複数の丸棒状のバルク型の高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２Ｂに代わって、複数の丸棒状のシース型の高温酸化物超電導導体からなる低温側リード１２Ｃが使用されている点にあり、その他は同一である。
【００２８】
上記の第６の参考例および第７の参考例による超電導装置用電流リードにおいては、中空管２０Ａの内部に占める低温側リード１２Ｂ（あるいは１２Ｃ）と保護導体１５Ｅの全断面積の割合が５０％以上に選定されており、導入されるヘリウムガスは均一に分散配置された低温側リード１２Ｂ（あるいは１２Ｃ）と保護導体１５Ｅの空隙にほぼ均一に分布して流れることとなる。したがってヘリウムガスの流量が少量でも流速が高まり、熱伝達率が向上して、効果的に冷却されることとなる。
【００２９】
図８は、この発明の第１の実施例による超電導装置用電流リードの低温側部分の基本構成を拡大して示す模式断面図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は要部の横断面図である。本構成においては、（ａ）に見られるように、円筒状に形成された低温側リード１２Ｄは高温側を中間接続部１４Ａに、また低温側を低温端子３２Ｂに嵌合され半田付け接続されている。低温側リード１２Ｄの内部の中心部には気密な部材で形成された封止部材４３が配され、封止部材４３と低温側リード１２Ｄの内面との間の空間に多数本のニッケル銅合金からなる保護導体１５Ｆが組み込まれている。保護導体１５Ｆの一端は、高温側接続体４１を介して中間接続部１４Ａに、また他端は、低温側接続体４２を介して低温端子３２Ｂに導電接続されており、保護導体１５Ｆと低温側リード１２Ｄは電気的に並列接続体を構成している。また（ｂ）に見られるように、多数本のニッケル銅合金からなる保護導体１５Ｆは、封止部材４３と低温側リード１２Ｄの内面との間の空間に稠密に挿入、配置されており、（ａ）に図示したごとく低温端子３２Ｂに設けられた通流孔を通して導入され、中間接続部１４Ａに設けられた通流孔を通して高温側リードへと送られるヘリウムガス３Ｇにより冷却され、侵入熱が除去される。本構成では、封止部材４３と低温側リード１２Ｄの内面との間の空間の横断面に占める保護導体１５Ｆの断面積の割合が７０％以上に達しており、ヘリウムガス３Ｇが各部で均一に流れるので、保護導体１５Ｆおよび低温側リード１２Ｄが均一に冷却され、これらを介して低温端子３２Ｂに侵入する伝導熱が低減されることとなる。
【００３０】
図９は、この発明の第８の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図である。本実施例においては、多数本のニッケル銅合金からなる保護導体１５Ｆが、円柱状に形成された低温側リード１２Ｅと外周部のカバー４４との間の空間に稠密に挿入、配置されている。本構成においても、第１の実施例と同様に、低温側リード１２Ｅに並列接続された保護導体１５Ｆがヘリウムガスにより効果的に冷却され、侵入熱が低減されることとなる。また本構成では、低温側リード１２Ｅの外周部に保護導体１５Ｆを配置したのちカバー４４を任意に形成することができるので、保護導体１５Ｆを稠密に挿入、配置するのが容易となる利点がある。
【００３１】
図１０は、この発明の第２の実施例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図である。本実施例では、前述の第１の実施例と同様に、円筒状の低温側リード１２Ｄの内部の封止部材４３との間隙に保護導体１５Ｇを配して構成されている。本実施例の第１の実施例との差異は、保護導体１５Ｇの構成にあり、第１の実施例においては多数本のニッケル銅合金が用いられているのに対して、本実施例では、金属系超電導体の Nb-Ti合金の細線が埋め込まれた多数本のニッケル銅合金が用いられている点にある。本構成では、低温状態において Nb-Ti合金が超電導状態となるので、仮に低温側リード１２Ｄを構成する高温酸化物超電導体が劣化して通電不能となる事態となっても、低温側リード１２Ｄを補修することなく、本保護導体１５Ｇを介して定常的な通電を継続できるという利点がある。
【００３２】
なお、本実施例において、多数本のニッケル銅合金に金属系超電導体の Nb-Ti合金が埋め込まれたものを例示したが、 Nb-Ti合金は多数本のニッケル銅合金のすべてに埋め込まれている必要はなく、通電電流容量に見合って一部のニッケル銅合金にのみ埋め込まれていても同等の効果が得られる。また埋め込まれる超電導体は Nb-Ti合金に限るものではなく、Nb-Ti-Ta 合金等の金属系超電導体や、 Nb3Sn、 Nb3Al等の化合物系超電導体を用いることとしても、その超電導体の臨界温度、通電容量に対応して、同様の効果が得られることとなる。
【００３３】
図１１は、この発明の第９の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図である。本実施例では、二重円筒状に形成された低温側リード１２Ｆの間隙および最内部に、多数本のニッケル銅合金からなる保護導体１５Ｆを稠密に配して構成されている。本構成では、低温側リード１２Ｆおよび保護導体１５Ｆの断面積を相対的に大きく採ることができるので、通電電流容量の大きな超電導装置用電流リード用として効果的である。
【００３４】
なお、上述の図８〜図１１に示した第１〜第２の実施例および第８〜第９の参考例においては、保護導体として多数本のニッケル銅合金を用いることとしているが、ニッケル銅合金に限るものではなく、例えばブロンズ、ベリリウム銅合金等の導電性金属導体であれば、同等の効果が得られることは例示するまでもない。
図１２は、この発明の第３の実施例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な縦断面図である。高温側リード１３と低温側リード１２からなり、保護導体１５を低温側リード１２と電気的に並列に接続した電流リード１１Ａに、良導電性金属を導体とする補助電流リード１６が付設されており、それぞれの低温端子が超電導コイル１に連結された低温側接続導体５Ａに電気接続されている。この構成においては、低温側リード１２を構成する高温酸化物超電導導体が焼損し使用不能となったとき、電源と連結する常温側の接続導体を、破損した電流リード１１Ａの常温端子３３から補助電流リード１６の常温端子３３Ａにつなぎかえることにより、超電導コイルの再励磁が可能となる。低温側リード１２を構成する高温酸化物超電導導体が焼損し使用不能となり、これを交換するには、極低温の雰囲気下にある低温端子３２での分離、つなぎ換えが必要となり、そのためには、装置の冷却を停止し、温度を上げて低温端子３２を室温とする必要があり、極めて不経済であるが、補助電流リード１６を付設しておけば、常温側の接続導体を付け替えるだけで容易に再励磁することができる。
【００３５】
なお、補助電流リード１６を付設したことにより、電流リード１１Ａが正常に運転されている際にも、補助電流リード１６を介して熱伝導により極低温部に熱が侵入するが、この際には電流は流れていないので、ジュール発熱はなく、熱伝導による微小分を除去するように、少量の低温ヘリウムガスを流して冷却すればよい。
【００３６】
図１３は、この発明の第４の実施例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な縦断面図である。この実施例では、電流リード１１Ａに付設された補助電流リード１６が、着脱可能低温端子３１を用いて室温部での操作により着脱可能として組み込まれている。
超電導コイル１が大規模なものである場合、超電導コイル１が交流損失を伴う場合、あるいは真空断熱容器４の熱侵入量が大きい場合など、液体ヘリウムの蒸発量が多くヘリウムガス量が十分多い場合には、前述の第３の実施例による補助電流リード１６に冷却用ヘリウムガスを流すことができるが、全体的に超電導装置の熱侵入量が少ない場合には、冷却用ヘリウムガスの流量を確保することが困難となる。図１３に示した第４の実施例による超電導装置用電流リードは、このように超電導装置の熱侵入量が少なく、流量の確保が困難な場合に適するものである。
【００３７】
すなわち、この実施例では、補助電流リード１６が、低温部の着脱可能低温端子３１の部分に於いて着脱可能で、図の上部に対応する室温部分から下部へと挿入することによって超電導コイルへの接続導体に接続でき、上部の室温部分へと引き上げることによって、取り外しが可能な構成となっている。正規の運転条件においては、補助電流リード１６は外部へと取り外した状態とする。この状態では補助電流リード１６による極低温部への熱侵入はないので、とくに冷却用のヘリウムガスを流す必要はない。万が一低温側リード１２が損傷した場合、すでに述べた他の実施例および参考例と同様に、保護導体１５を介して電流が流れ、超電導装置は安全に停止される。低温側リード１２が使用不能の場合には、補助電流リード１６を挿入して着脱可能低温端子３１に装着し、常温側の接続導体を常温端子３３Ａにつなぎかえることにより、再び励磁することが可能となる。
なお、図１２および図１３に示した実施例においては、電流リード１１Ａの低温側リード１２に並列接続して組み込む保護導体として、図１の第１の参考例の保護導体１５を例示しているが、図２〜図１１にそれぞれ示した第１〜第２の実施例および第２〜第９の参考例に示した保護導体を用いても、上記と同様の効果が得られることはあらためて説明するまでもなく明らかである。
【００３８】
【発明の効果】
この発明においては、上述のように、
(1) 真空断熱容器の液体ヘリウム容器内に液体ヘリウムに浸漬した状態で収納された超電導コイルに外部電源より電流を通流する超電導装置用電流リードが、良導電性金属を導体とする高温側リードと、高温酸化物超電導体を導体とする低温側リードの直列接続体で構成され、ヘリウムガスを通流して前記高温酸化物超電導体を超電導状態にして用いるものにおいて、保護導体を低温側リードに並列に電気接続して配設させるものとしたので、低温側リードの高温酸化物超電導導体が常電導転移を生じても、あるいは破損に至っても、高温酸化物超電導導体を流れていた電流は並列接続された保護導体にバイパスして流れるので、超電導コイルに蓄積されていた磁気エネルギーは保護抵抗で確実に消費されることになり、超電導コイルや、電源、真空断熱容器等の損傷を生ずることなく、安全に使用できる超電導装置用電流リードが得られることとなった。
【００３９】
また、保護導体を、ニッケル銅合金等からなる複数の導電性金属導体の線束から形成し、低温側リードを冷却するヘリウムガスの流通路に稠密に配することとし、例えば、低温側リードを筒状に形成してその内面に接する空間に保護導体を稠密に配することとすれば、保護導体は均一にかつ効率的に冷却されて、定常運転時の熱侵入量が少量に抑えられることとなる。したがって、超電導装置を損傷することなく安全に使用できる超電導装置用電流リードとして好適である。
【００４０】
(2) さらに、保護導体の線束を形成する導電性金属導体の、少なくとも一部の導体の内部に金属系超電導体、または化合物系超電導体を埋め込むこととすれば、長時間の使用に伴い、低温側リードを構成する高温酸化物超電導体が破損して通電が不能となる事態が生じても、保護導体を介して定常運転を持続させることができることとなるので、超電導装置を損傷することなく安全に使用できる超電導装置用電流リードとして、より好適である。
【００４１】
(3) また、上記のように低温側リードに保護導体を配設した電流リードに、良導電性金属を導体とする補助電流リードを付設し、それぞれの低温端子を超電導コイルに連結した低温側接続導体に電気接続することとすれば、高温酸化物超電導導体が焼損し、低温側リードが使用不能となった場合にあっても、電源と連結する常温側の接続導体を破損した電流リードの常温端子から補助電流リードの常温端子につなぎかえることにより、容易に超電導コイルの再励磁を行うことができるようになるので、超電導装置を損傷することなく安全に使用できる超電導装置用電流リードとしてさらに好適である。
【００４２】
(4) さらに、上記の付設する補助電流リードを、低温端子部で着脱可能な電流リードとすれば、保護導体を配設した低温側リードが正常に動作しているとき、付設した補助電流リードを取り外して使用できるので、補助電流リードでの熱伝導による侵入熱量を皆無として低熱侵入の電流リードの性能を確保し、かつ、高温酸化物超電導導体が焼損し使用不能となった場合においても、補助電流リードを装着し、常温側の接続導体をつなぎかえることにより、容易に超電導コイルの再励磁を行うことができるようになるので、超電導装置を損傷することなく安全に使用できる超電導装置用電流リードとしてさらに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の参考例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な縦断面図
【図２】この発明の第２の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図
【図３】この発明の第３の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図
【図４】この発明の第４の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な縦断面図
【図５】この発明の第５の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図で、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は（ａ）に用いる低温側リードの断面図、（ｃ）は（ａ）に用いる他の低温側リードの断面図
【図６】この発明の第６の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図
【図７】この発明の第７の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図
【図８】この発明の第１の実施例による超電導装置用電流リードの低温側部分の基本構成を拡大して示す模式断面図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は要部の横断面図
【図９】この発明の第８の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図
【図１０】この発明の第２の実施例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図
【図１１】この発明の第９の参考例による超電導装置用電流リードの低温側部分を拡大して示す模式的な横断面図
【図１２】この発明の第３の実施例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な断面図
【図１３】この発明の第４の実施例による超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な断面図
【図１４】従来の超電導装置用電流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な断面図
【図１５】一般的な超電導装置の励磁回路の基本構成図
【符号の説明】
１ 超電導コイル
２ 液体ヘリウム容器
３ 液体ヘリウム
３Ｇ ヘリウムガス
４ 真空断熱容器
５，５Ａ，５Ｂ 低温側接続導体
１１，１１Ａ 電流リード
１２，１２Ａ 低温側リード
１２Ｂ，１２Ｃ 低温側リード
１２Ｄ，１２Ｅ 低温側リード
１２Ｆ 低温側リード
１３ 高温側リード
１４，１４Ａ 中間接続部
１５，１５Ａ 保護導体
１５Ｂ，１５Ｃ 保護導体
１５Ｄ，１５Ｅ 保護導体
１５Ｆ，１５Ｇ 保護導体
１６ 補助電流リード
１７Ａ，１７Ｂ 金属膜
１８Ａ，１８Ｂ 良導電性金属
１９ 低熱伝導性金属
２０，２０Ａ 中空管
３１ 着脱可能低温端子
３２，３２Ａ 低温端子
３２Ｂ 低温端子
３３，３３Ａ 常温端子
４１ 高温側接続体
４２ 低温側接続体
４３ 封止部材
４４ カバー
Claims (5)
- 真空断熱容器の液体ヘリウム容器内に液体ヘリウムに浸漬して収納された超電導コイルに外部電源より電流を通流する超電導装置用電流リードで、良導電性金属を導体とする高温側リードと、高温酸化物超電導体を導体とする低温側リードの直列接続体で構成され、ヘリウムガスを通流して前記高温酸化物超電導体を超電導状態として用いるものにおいて、前記低温側リードに並列に電気接続された保護導体が配設され、かつ、前記低温側リードが筒状に形成されるとともに前記低温側リードの内部の横断面での中心部に気密な部材よりなる封止部材が配されて、この封止部材と前記低温側リードの内面との間に、前記低温側リードを冷却するヘリウムガスの流通路となる空間が形成され、かつ、前記保護導体が複数の導電性金属導体の線束からなるとともに前記空間に稠密に配されてなることを特徴とする超電導装置用電流リード。
- 請求項１に記載の超電導装置用電流リードにおいて、保護導体をなす前記の線束を形成する複数の導電性金属導体の少なくとも一部が、内部に金属系超電導体、または化合物系超電導体を埋め込んでなることを特徴とする超電導装置用電流リード。
- 請求項１または２のいずれかに記載の超電導装置用電流リードにおいて、保護導体を形成する前記導電性金属導体が、ブロンズ、ベリリウム銅合金、またはニッケル銅合金のうちのいずれか一つからなることを特徴とする超電導装置用電流リード。
- 請求項１ないし３のいずれかに記載の超電導装置用電流リードにおいて、前記超電導コイルに通流する通電電流容量を有し、良導電性金属を導体とする補助電流リードが付設され、かつ各々の電流リードの低温端子が前記超電導コイルに連結された低温側接続導体に電気的に接続されていることを特徴とする超電導装置用電流リード。
- 請求項４に記載の超電導装置用電流リードにおいて、付設された補助電流リードが、室温部での操作により低温端子部で着脱可能に構成された電流リードであることを特徴とする超電導装置用電流リード。
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