JP5544410B2 - 電流リード - Google Patents
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Description
超電導応用機器の運転は、極低温環境下で行われるため、低温部の断熱性が極めて重要となる。低温部の断熱性が悪く、低温部への熱侵入が大きいと、超電導応用機器の冷却効率が低下して超電導状態を維持するための冷却コストが増大することとなり、場合によっては超電導応用機器を運転できなくなってしまう。この低温部への熱侵入の経路としては、低温容器を伝熱する経路、又は電流リードを伝熱する経路が考えられる。
なお、特許文献2〜4は、酸化物超電導体を利用した電流リードであるが、ペルチェ素子を利用した電流リードにおいても同様の構成が採用される。
さらには、ペルチェ素子と電極が半田接続されるため、電流リードが適用されている機器の設計変更があった場合や、電流リード自体に不具合があった場合等に、容易に交換することができない。
熱電変換素子の低温部側に低温側コア電極が接合され、前記熱電変換素子の常温部側に常温側コア電極が接合されてなる素子ユニットと、
一端側が前記超電導応用機器に接続され、他端側がプラグ・ソケット構造により前記低温側コア電極に接続される低温側キャップ電極と、
一端側が前記外部機器に接続され、他端側がプラグ・ソケット構造により前記常温側コア電極に接続される常温側キャップ電極と、
前記低温側コア電極と前記低温側キャップ電極との間、及び前記常温側コア電極と前記常温側キャップ電極との間に介在する多点接触式の接触子と、
前記低温側キャップ電極と前記常温側キャップ電極とを連結する固定部材と、を備え、
前記素子ユニットは、軸方向端部側に隙間がある状態で前記低温側キャップ電極と前記常温側キャップ電極とに挟持され、軸方向に移動可能な状態で維持されることを特徴とする。
図1は、本発明の一実施の形態に係る電流リードを用いた超電導磁石装置を示す図である。
図1に示すように、超電導磁石装置1は、低温部20に設置される超電導コイル21と、常温部30に設置される電源31と、電源31と超電導コイル21を電気的に接続する2つの電流リード10を備えている。2つの電流リード10を区別する場合は、電流リード10A、10Bと称する。
また、ペルチェ素子11には、室温以下の低温において、性能指数Z(=α2/(κρ)、α:ゼーベック係数、κ:熱伝導率、ρ:比抵抗)の値が最大となるように組成が調整された半導体を使用することが望ましい。
何れの電流リード10A、10Bにおいても、ペルチェ素子11の低温側で吸熱が生じ、常温側で発熱が生じる。すなわち、ペルチェ素子11において、通電時に低温側から常温側に向けて熱が移動するので、低温部への熱侵入が低減されるとともに、超電導コイル21を効率よく冷却することができる。
図2に示すように、本実施の形態では、低温側電極12が、ペルチェ素子11の低温部側の端面に接合される低温側コア電極121と、超電導コイル21(超電導応用機器)に接続される低温側キャップ電極122とで構成される。また、常温側電極13が、ペルチェ素子11の常温部側の端面に接合される常温側コア電極131と、電源31(外部機器)に接続される常温側キャップ電極132とで構成される。
すなわち、電流リード10は、電流リード10のコア部となる素子ユニットDUと、素子ユニットDUを超電導コイル21又は電源31に接続するためのキャップ部となる低温側キャップ電極122、常温側キャップ電極132を備える。本明細書において、電流リード10の構成要素であるペルチェ素子11、低温側電極12、及び常温側電極13が配列される方向(図1において上下方向)を「軸方向」、軸方向に直交する方向を「径方向」と称する。
付勢部材15と低温側キャップ電極122との間に両者を電気的に絶縁する絶縁部材(図示略)を介在させるようにしてもよい。これにより、大きな押圧力が得られる金属製の付勢部材15を用いることができる。
常温側コア電極131の周面には、多点接触式の接触子18(いわゆるマルチラムバンド)が配置される。接触子18は、径方向において、常温側コア電極131と常温側キャップ電極132との間に介在し、これらを電気的に接続する。多点接触式の接触子18は、接触抵抗が非常に小さく抵抗発熱による温度上昇を抑制することができるので、導通を確保できるとともに、外部からの熱侵入を低減することができる。
具体的には、固定部材17は、低温側キャップ電極122と常温側キャップ電極132を電気的に絶縁する保護カバー171と、保護カバー171を低温側キャップ電極122及び常温側キャップ電極132に固定するボルト172で構成される。
さらに好ましくは、保護カバー171は、熱伝導率の小さい材料で構成される。これにより、外部からの熱の侵入を防止することができるので、電流リードとしての性能が確保される。
ここで、所定の押圧力は、好ましくは0.2〜20.0MPa、より好ましくは7.0〜10.0MPaである。素子ユニットDU(ペルチェ素子11)に加わる圧力が20.0MPaより大きいとペルチェ効果が低下し、さらにはペルチェ素子11が損傷してしまう虞があるためである。また、素子ユニットDUに加わる圧力が0.2MPaより小さいと素子ユニットDUを安定した姿勢で保持するのが困難となるためである。
また、低温側キャップ電極122と低温側コア電極121、及び常温側キャップ電極132と常温側コア電極131とが、多点接触式の接触子14、18を介して電気的に接続されるので、導通を確保しつつ、外部からの熱侵入を防止することができる。
図3は、応用例に係る電流リード10を示す図である。図3Aは電流リード10の縦断面図、図3Bは図3AにおけるA−A断面図である。
図3に示す電流リード10は、5個の素子ユニットDU1〜DU5を有し、これらが低温側キャップ電極122と常温側キャップ電極132とにより狭持されている。なお、素子ユニットDU1〜DU5の構成は実施の形態の素子ユニットDUと同様であり、また個々の素子ユニットDU1〜DU5の低温側キャップ電極122及び常温側キャップ電極132への装着態様も実施の形態と同様である。
例えば、実施の形態では、低温側コア電極121及び常温側コア電極131がプラグを構成し、低温側キャップ電極122及び常温側キャップ電極132がソケットを構成するが、プラグ・ソケット構造は逆であってもよい。
10 電流リード
11 ペルチェ素子
12 低温側電極
121 低温側コア電極
122 低温側キャップ電極
13 常温側電極
131 常温側コア電極
132 常温側キャップ電極
14、18 接触子
15 付勢部材
17 固定部材
171 保護カバー
172 ボルト
20 低温部
21 超電導コイル
22 低温容器
30 常温部
31 電源
DU、DU1〜DU5 素子ユニット
Claims (9)
- 低温部に設置される超電導応用機器と常温部に設置される外部機器とを接続する電流リードであって、
熱電変換素子の低温部側に低温側コア電極が接合され、前記熱電変換素子の常温部側に常温側コア電極が接合されてなる素子ユニットと、
一端側が前記超電導応用機器に接続され、他端側がプラグ・ソケット構造により前記低温側コア電極に接続される低温側キャップ電極と、
一端側が前記外部機器に接続され、他端側がプラグ・ソケット構造により前記常温側コア電極に接続される常温側キャップ電極と、
前記低温側コア電極と前記低温側キャップ電極との間、及び前記常温側コア電極と前記常温側キャップ電極との間に介在する多点接触式の接触子と、
前記低温側キャップ電極と前記常温側キャップ電極とを連結する固定部材と、を備え、
前記素子ユニットは、軸方向端部側に隙間がある状態で前記低温側キャップ電極と前記常温側キャップ電極とに挟持され、軸方向に移動可能な状態で維持されることを特徴とする電流リード。 - 前記固定部材は、前記素子ユニットの外周を覆うことを特徴とする請求項1に記載の電流リード。
- 前記素子ユニットを前記低温側キャップ電極又は前記常温側キャップ電極に向けて押圧する付勢部材を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の電流リード。
- 前記低温側キャップ電極又は前記常温側キャップ電極と前記付勢部材を電気的に絶縁する絶縁部材を備えることを特徴とする請求項3に記載の電流リード。
- 前記付勢部材による押圧力が0.2〜20MPaであることを特徴とする請求項3又は4に記載の電流リード。
- 前記付勢部材による押圧力が7〜10MPaであることを特徴とする請求項5に記載の電流リード。
- 複数の前記素子ユニットを有し、前記複数の素子ユニットが一組の前記低温側キャップ電極と前記常温側キャップ電極とにより狭持されることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の電流リード。
- 前記複数の素子ユニットが、同一円周上に均等に配置されることを特徴とする請求項7に記載の電流リード。
- 前記固定部材が、前記低温側キャップ電極と前記常温側キャップ電極を電気的に絶縁するカバー部材と、前記カバー部材を介して前記低温側キャップ電極と前記常温側キャップ電極とを接続するボルトと、で構成されることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の電流リード。
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