JPH08321416A - 超電導装置用電流リード - Google Patents
超電導装置用電流リードInfo
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- JPH08321416A JPH08321416A JP7071120A JP7112095A JPH08321416A JP H08321416 A JPH08321416 A JP H08321416A JP 7071120 A JP7071120 A JP 7071120A JP 7112095 A JP7112095 A JP 7112095A JP H08321416 A JPH08321416 A JP H08321416A
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Abstract
が常電導に転移しても、リードの焼損、超電導コイルや
真空断熱容器の破損を引き起こさないものとする。 【構成】良導電性金属を導体とする高温側リード13と
高温酸化物超電導体を導体とする低温側リード12を中
間接続部14を介して直列接続し、低温側の低温端子3
2を、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に浸漬された超電導コイル1と接続し、高温側の
常温端子33を、外部電源と接続し、かつ低温のヘリウ
ムガス3Gを内部に流して冷却するように構成された電
流リード11Aにおいて、低温側リード12に並列に電
気接続された保護導体15を配設し、高温酸化物超電導
導体が常電導に転移したとき、通流する電流が保護導体
15にバイパスするようにする。
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
励磁回路の基本構成図を示したように、超電導コイル2
1を一対の電流リード22および22Aを介して電源2
3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2
1および真空断熱容器26の損傷を防止している。
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。
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。
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こととする。
し、その内部に低温側リードを配置することとする。 (3) さらに、上記の保護導体の電気接続部分の表面に、
良導電性金属、例えば金または金の合金、銀または銀の
合金、あるいは銅または銅の合金等からなる金属膜を形
成することとする。
テンレス鋼やチタンのような低熱伝導性金属と、その両
端に接合された例えば銅あるいは銅合金のような良導電
性金属との直列接続体として形成することとする。 (5) さらに、これらの保護導体を、可撓性を有する形状
に形成することとする。
ドの内部に埋設することとする。 (7) あるいは、(1) の保護導体と低温側リードを、同一
の中空管の内部に配することとし、さらに、保護導体と
低温側リードが中空管の内部に占める断面積の割合が5
0%以上85%以下となるように選定することとする。 (8) また、(1) 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
体を稠密に配するか、あるいは、低温側リードを柱状に
形成し、その外側に配置される外カバーと低温側リード
と空間に保護導体を稠密に配するか、あるいは、低温側
リードを多重円筒状に形成し、その空隙に保護導体を稠
密に配することとする。
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。 (10)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。
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。
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。
状に形成し、その内部に低温側リードを配置することと
すれば、低温端子の通流孔を通して低温のヘリウムを保
護導体の内部に導くことにより、保護導体は、低温側リ
ードを電気的に保護するのみならず、同時に低温側リー
ドを冷却する低温のヘリウムガスのガイド管の機能をは
たし、さらには保護導体自身も筒内壁より確実に冷却さ
れる。したがって、低温側リードの高温酸化物超電導導
体の常電導転移が抑えられ、かつ仮に常電導転移が生じ
ても、電流は確実に保護導体にバイパスされ、低温側リ
ードは保護されることとなる。
気接続部分の表面に、良導電性金属、例えば金または金
の合金、あるいは銀または銀の合金、あるいは銅または
銅の合金等からなる金属膜を形成することとすれば、保
護導体が良導電性の金属で形成されている場合は勿論の
こと、ステンレス鋼のように導電性の劣る金属で形成さ
れている場合においても、保護導体をハンダ接続により
容易に電気接続することができ、接続抵抗を極めて低く
抑えることができる。したがって、低温側リードに並列
接続される保護導体の回路の抵抗を低い値に抑えること
が可能となるので、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た際に、保護導体へ大電流がバイ
パスされることとなる。
えばステンレス鋼、チタンのような低熱伝導性金属とそ
の両端に接合された例えば銅のような良導電性金属との
直列接続体として形成することとすれば、良導電性金属
をハンダ接続することにより接続抵抗の極めて低い電気
接続が可能となり、かつ低熱伝導性金属を介在させたこ
とにより極低温部への伝導熱量の少ない保護導体が得ら
れるので、定常運転時には熱侵入量が少なく、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
をバイパスすることとなる。
撓性を有する形状に形成することとすれば、低温側リー
ドの高温酸化物超電導導体とこれに並列接続した保護導
体との熱膨張係数の差により熱収縮量に差が生じても、
加わる熱応力が緩和されることとなるので、相対的に強
度の劣る高温酸化物超電導導体の破損が防止されること
となる。
側リードの内部に埋設することとすれば、保護導体は上
端部、下端部のみならず長手方向の全体に渡って低温側
リードと接し、電気的に連結されるので、並列接続体と
して極めて効果的である。さらに、保護導体と低温側リ
ードとが一体に形成されているので、保護導体として、
例えばステンレス鋼を用いれば、低温側リードの強度補
強部材としての役割も同時にはたすこととなる。
側リードを、同一の中空管の内部に配することとすれ
ば、この中空管の内部へ低温のヘリウムガスを導入する
ことにより保護導体と低温側リードが同時に冷却される
こととなる。特に、複数の保護導体と複数の高温酸化物
超電導導体からなる低温側リードを中空管の内部に組み
込み、中空管の内部に占める断面積の割合を略50%以
上となるように選定すれば、保護導体と低温側リードが
中空管の内部にほぼ均一に分散して配置されるので、中
空管の内部へ導かれたヘリウムガスは保護導体と低温側
リードとの空隙を偏ることなく流れることとなり、また
上記の断面積の割合を略85%以下となるように選定す
れば、中空管の内部に適度の流路の空隙が残存するの
で、過大な圧力損失を生じることなくヘリウムガスを通
流することができる。したがって、低温側リードと保護
導体が少量のヘリウムガスで効率的に冷却されるので定
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。
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か、ある
いは、低温側リードを柱状に形成しその外側の空間に保
護導体を稠密に配するか、あるいは、低温側リードを多
重円筒状に形成しその空隙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。
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。
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。
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。
説明する。図1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。
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1
2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11
A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。
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。
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。
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。本実施例の第1の実施例との相違
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17
B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、本実施例のよ
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。
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。本実施例の特徴は、保護導体15
A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の実施例と同様に、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。
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。本実施例の特徴は、保護導体15
B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。本実施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の実施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。
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。本実施例
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12
A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。
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、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。
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。本実施例の第6の実施例との差
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。
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。
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32
Bに嵌合され半田付け接続されている。低温側リード1
2D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1
2D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32
Bに侵入する伝導熱が低減されることとなる。
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8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。
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8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8の実施例との差異は、保護導
体15Gの構成にあり、第8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。
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。
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1
2F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。
第11の実施例においては、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
12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11
A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。
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。
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1
1A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12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13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。
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と同様に、保護導体1
5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1
1A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の実施例の保護導体15を例示し
ているが、図2〜図11にそれぞれ示した第2〜第11
の実施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。
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。
の内部に低温側リードを配置することとすれば、保護導
体は、低温側リードを電気的に保護するのみならず、同
時に低温側リードを冷却する低温のヘリウムガスのガイ
ド管の機能をはたす。したがって、低温側リードの高温
酸化物超電導導体の常電導転移が抑えられ、かつ仮に常
電導転移が生じても、電流は確実に保護導体にバイパス
され、低温側リードは保護されることとなるので、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好適である。
面に、良導電性金属、例えば金または金の合金、あるい
は銀または銀の合金、あるいは銅または銅の合金等から
なる金属膜を形成することとすれば、保護導体をハンダ
接続により容易に電気接続することができるので、低温
側リードの高温酸化物超電導導体の特性を損なうことな
く、接続抵抗を極めて低く抑えることができる。したが
って、低温側リードに並列接続される保護導体の回路の
抵抗が確実に所定値に抑えられ、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、保護導体へ大
電流がバイパスされることとなるので、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
ドとして好適である。
鋼のような低熱伝導性金属とその両端に接合された例え
ば銅のような良導電性金属との直列接続体として形成す
ることとすれば、良導電性金属をハンダ接続することに
より接続抵抗の極めて低い電気接続が可能となり、かつ
低熱伝導性金属を介在させたことにより極低温部への伝
導熱量の少ない保護導体が得られるので、定常運転時に
は熱侵入量が少なく、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た際には効果的に電流がバイパ
スされるので、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。
状に形成することとすれば、低温側リードの高温酸化物
超電導導体とこれに並列接続した保護導体との熱膨張係
数の差により熱収縮量に差が生じても、加わる熱応力が
緩和され、相対的に強度の劣る高温酸化物超電導導体の
破損が防止されるので、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。
に埋設することとすれば、保護導体は長手方向の全体に
渡って低温側リードと接して電気的に連結されるので、
並列接続体として極めて効果的であり、さらに保護導体
と低温側リードが一体に形成されるので、保護導体が低
温側リードの強度を補強し損傷を防止するので、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
電流リードとして好適である。
一の中空管の内部に配することとすれば、この中空管の
内部へ低温のヘリウムガスを導入することにより保護導
体と低温側リードが同時に冷却されることとなり、特
に、保護導体と低温側リードが中空管の内部に占める断
面積の割合を50%以上85%以下となるように選定す
れば、過大な圧力損失を生じることなく、低温側リード
が効果的に冷却され、ヘリウムガスの流量が少量でも高
温酸化物超電導導体が超電導状態に保持され、かつ定常
運転時の熱侵入量が微小に抑制されることとなる。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、より好適である。
からなる複数の導電性金属導体の線束から形成し、低温
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か、あるい
は、低温側リードを柱状に形成しその外側の空間に保護
導体を稠密に配するか、あるいは、低温側リードを多重
円筒状に形成しその空隙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。
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。
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。
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。
流リードを組み込んだ超電導装置の模式的な縦断面図
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
超電導装置の模式的な断面図
Claims (19)
- 【請求項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、前記保護導体が筒状に形成されてなり、その
内部に前記低温側リードが配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3】請求項1または2に記載の超電導装置用電
流リードにおいて、前記保護導体が、電気接続部分の表
面に良導電性金属からなる金属膜を形成してなることを
特徴とする超電導装置用電流リード。 - 【請求項4】請求項3に記載の超電導装置用電流リード
において、前記金属膜の形成に用いられる良導電性金属
が、金または金の合金、銀または銀の合金、あるいは銅
または銅の合金のいずれかであることを特徴とする超電
導装置用電流リード。 - 【請求項5】請求項1ないし4のいずれかに記載の超電
導装置用電流リードにおいて、前記保護導体が、低熱伝
導性金属と、その両端に接合された良導電性金属との直
列接続体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6】請求項5に記載の超電導装置用電流リード
において、前記低熱伝導性金属が、ステンレス鋼あるい
はチタン材料のいずれかであることを特徴とする超電導
装置用電流リード。 - 【請求項7】請求項5に記載の超電導装置用電流リード
において、前記良導電性金属が、銅または銅の合金のい
ずれかであることを特徴とする超電導装置用電流リー
ド。 - 【請求項8】請求項1ないし7のいずれかに記載の超電
導装置用電流リードにおいて、前記保護導体が、可撓性
を有する形状に形成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9】請求項1に記載の超電導装置用電流リード
において、前記保護導体が、前記低温側リードの内部に
埋設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10】請求項1に記載の超電導装置用電流リー
ドにおいて、前記保護導体と前記低温側リードが同一の
中空管の内部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11】請求項10に記載の超電導装置用電流リ
ードにおいて、前記中空管の内部の断面積に占める保護
導体と低温側リードの断面積の割合が50%以上85%
以下に選定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12】請求項1に記載の超電導装置用電流リー
ドにおいて、前記保護導体が、複数の導電性金属導体の
線束からなり、かつ前記低温リードを冷却するヘリウム
ガスの流通路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13】請求項12に記載の超電導装置用電流リ
ードにおいて、前記低温側リードが筒状に形成され、そ
の内面に接する空間に前記保護導体が稠密に配されてな
ることを特徴とする超電導装置用電流リード。 - 【請求項14】請求項12に記載の超電導装置用電流リ
ードにおいて、前記低温側リードが柱状に形成され、そ
の外側に配置される外カバーと低温側リードとの間の空
間に前記保護導体が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15】請求項12に記載の超電導装置用電流リ
ードにおいて、前記低温側リードが多重円筒状に形成さ
れ、その空隙に前記保護導体が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16】請求項12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17】請求項12乃至16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18】請求項1ないし17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19】請求項18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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