JPH0286106A - 電流導体を極低温冷却器に接続する熱継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は、その両端間の温度が最小になるように熱を
伝達するが、電気絶縁性である熱継手に関する。

ヘリウムのような消耗性の極低温剤を用いない超電電磁
石では、周囲環境から磁石への伝導による熱伝達を減ら
し且つ金属導体による抵抗性発熱を散逸するために、ヘ
リウムによる冷却は利用できない。再凝縮器又は極低温
冷却器を備えた磁石用極低温槽は、閉ループ系として動
作するので、何らヘリウムの損失がない。しかし、普通
ヘリウム蒸気を逃すことにより処理されていたような、
永久的に取付けられた通常の金属導線の熱損失は、再凝
縮器、及び極低温冷却器を備え且つ消耗性極低温剤を持
たない系では、長期間にわたっては許容できない。放射
及び伝導によって極低温槽内の磁石に伝わる全ての熱は
極低温冷却器によって取り去って、磁石の温度が超電電
体の転移温度以上に上昇しないようにしなければならな
い。

超電電巻線及び抵抗性継目を持つ構成の磁石では、永久
的に接続した導線を用いて、電流を一定値に維持するこ
とが出来る。しかし、永久的に接続した導線は、−層高
い温度の部位から熱伝導により、また導線自身の抵抗に
よる発熱により、磁石に熱を伝える。

極低温冷却器の冷却部を用いて導線からの熱を除去する
ことが出来る。しかし、その際、導線を相互に、また極
低温冷却器から電気的に隔離し、しかも導線に伝達され
た熱を、磁石に達する前に遮えぎることが出来るように
熱伝導は充分高くしておかなければならない。

従って、この発明の目的は、導線を極低温冷却器のヒー
ト・ステーションから電気的に絶縁し、しかも継手の両
端間の温度差が最小になるように導線から界面へ熱を伝
達する、導線と極低温冷却器のヒート・ステーションと
の間の継手を提供することにある。

発明の要約 この発明の一面によれば、液体窒素の温度以下の温度で
動作し得る、熱効率のよい電気絶縁性の継手が、電流導
体を極低温冷却器のヒート・ステーションに接続するた
めに形成される。この継手は、締付は手段と、２つのイ
ンジウム層と、セラミックのスペーサとで構成される。

スペーサのセラミック材料はベリリヤ又はアルミナのい
ずれかにすることができる。スペーサは互いに反対向き
の２つの面を持ち、各面には１つずつインジウム層が接
触して配置される。このインジウム層及びスペーサの組
合せは電流導体と極低温冷却器のヒート・ステーション
との間に配置される。締付は手段は充分な力でヒート・
ステーション及び導体を一緒に締付けて、インジウム層
を、それが接触している面に密着させる。

この発明の要旨は、特許請求の範囲に具体的に且つ明確
に記載しであるが、この発明の構成、実施方法並びにそ
の他の目的及び利点は、以下図面について説明する所か
ら最もよく理解されよう。

発明の詳細な説明 以下、この発明を第１Ａ、ＩＢ、２及び３図を参照して
説明する。図面全体にわたり、同様な部分には同じ参照
数字を用いている。ここで、第１Ａ図及び第１Ｂ図は、
この発明による界面ソケットの中にある典型的な極低温
冷却器の部分的な側面図である。この側面図が、極低温
冷却器の低温ヘッドの大体中心線に沿って分割されてお
り、第１Ａ図に右側、第１Ｂ図に左側を示している。第
１Ｂ図は界面のヒート・ステーションと完全に係合した
極低温冷却器を示しており、第１Ａ図は界面ソケットを
極低温冷却器の各段と最終的に係合する前の極低温冷却
器を示している。

図には、極低温冷却器低温ヘッド界面ソケット１１が極
低温槽１３に取付けられることが示されている。このソ
ケットは１端が閉じた内側スリーブ１５を有する。この
閉じた端が極低温槽の開口を通り、極低温槽内の支持体
に乗っかっている。

好ましい実施例では、支持体は銅で密封した巻型１７で
構成される。巻型が懸架部（図面に示してない）により
、極低温槽の外側ハウジングから支持される。内側スリ
ーブ１５は幾つかの部分に分けて作られる。閉じた端は
１個の銅の部材であって、夫々第１及び第２の直径の円
筒２１ａ、２１ｂを持ち、各々その中心が同じ軸方向の
中心線上にある。直径が小さい方の円筒２１ｂが、スリ
ーブ１５に気密に固着される。この実施例では、銅の円
筒が水素雰囲気内で、ステンレス鋼のスリーブ１５の１
端にオーブン内でろう付けされ、気密な接続部を形成す
る。直径が大きい方の円筒２１ａが、巻型１７の銅の遮
蔽体２３にボルト締めされる。スリーブ１５に軸方向の
可撓性を持たせる為、ステンレス鋼のベロ一部分２５が
内側スリーブの部分２７及び部分２９の間にステンレス
鋼のバンド３１によって結合され、このバンドがベロー
２５の両端並びに２つの部分２７．２９の端に重ねて所
定位置に溶接される。部分２９が、スリーブの壁の一部
分を形成する銅のリング形の第１段熱交換器３５の内周
にろう付けされる。リング３５の外側には等間隔の６つ
の平坦部がある。スリーブの上側部分３７がリング３５
の外面に結合され、第２図に見られる様に、スリーブの
内側に円形面４１を作る。この円形面が２つの溝孔４５
を持っていて、内側スリーブ１５の上側及び下側部分の
間で流れが連通ずる様にしている。スリーブの上側部分
３７が、中心開口を持つ第１のステンレス鋼のフランジ
４７の内周に終端する。

ステンレス鋼のベロー５３として示した軸方向に可撓性
を持つ部分を宵する外側スリーブ５１が、ステンレス鋼
のスリーブ部分５７．５９に溶接バンド５５によって接
続される。スリーブ部分５７゜５９は、極低温槽のハウ
ジング１３の外周及び第１のフランジ４７に溶接するこ
とによって固定される。外側スリーブ５１及び内側スリ
ーブ１５が第１のフランジ４７と共に、極低温槽の開口
の気密封じを作る。極低温槽を真空に引いた時の極低温
槽１３に向う方向の第１のフランジ４７の移動を制限す
る為、分割カラー６１が極低温槽の溝にはまると共に、
スリーブが極低温槽に向って軸方向に圧縮される時、第
１のフランジ４７の周縁と係合する。分割カラー６１が
外側スリーブ５１を取巻くことが示されているが、この
代りに内側及び外側スリーブ５１．１５の間に配置して
もよい。

中心開口を持つ第２のフランジ６３が第１のフランジ４
７の開口の内側に配置されていて、０リング６５が気密
な軸方向の滑りばめが出来るようにしている。極低温冷
却器７１のフランジ６７が第２のフランジ６３に固定さ
れ、２つの冷却段７３．７５を持つ極低温冷却器の低温
側の端が内側スリーブ１５の中に入る。これらの２段は
室温より低い異なる２種類の温度で動作し、第２段７５
は第１段７３よりも一層低温である。夫々の段の正確な
温度は、加えられる熱負荷に関係するが、典型的にはヒ
ート・ステーションは夫々５０　＠Ｋ及び１０”Ｋで作
用する。極低温冷却器の低温側の端の２段７３．７５は
何れも全体的に円筒形であって、同じ軸線上にある。第
２段７５は第１段よりも直径が小さく、最初にそれから
伸び出す。

第１段７３が円板形態交換器７７に終端し、その中心開
口の中を第２段が通抜ける。第２段は円板形態交換器７
９に終端する。極低温冷却器の第２段の端が、内側スリ
ーブ１５の端を封鎖する銅の円筒２１ｂと接触する。イ
ンジウムの薄板８１が、円板７９及び円筒２１ｂの間の
良好な熱接触を保証する。

Ｏリング８３が極低温冷却器のフランジ６３と第２のフ
ランジ６７の間に設けられて、気密封じを確かにし、極
低温冷却器７１が所定位置にある時、内側スリーブ１５
を真空にひくことが出来る様にする。第１のフランジに
対して第２のフランジを軸方向に動かす為の調節手段が
設けられている。この実施例では、皿形座金８７を設け
た、リング状に配列したボルト８５が、第１及び第２の
フランジ６３．４７を結合することが示されている。座
金８７は予定の圧力で平らになる様に選ばれている。座
金８７が平らになるまでボルト８５を締付けると、フラ
ンジの間に予定の力が働く。

この代りに、流体圧締付は手段（図面に示してない）を
使って、フランジを互いに軸方向に動かし、流体圧配管
の予定の流体圧力によって予定の力が加わる様にしても
よい。

第１のフランジ４７が、極低温槽１３を真空にひいたこ
とによって、分割リング６１と接触し、且つ極低温冷却
器７１がｔＪ２のフランジ６３にボルト締めされている
時、内側スリーブ１５の長さ並びに極低温冷却器の低温
側の端は、第２のフランジ６３が第１のフランジ４７に
向って移動し得る距離が、極低温冷却器の第１段熱交換
器７７と、それが坐着するリング３５の面４１との間の
隔たりよりも大きくなる様になっている。

コイル巻型１７から隔たっていてそれを取巻く遮蔽体９
１から熱を取去る為、極低温槽内で、銅の様な放出度の
低い材料のカラー９３が、遮蔽体から伸びていて、内側
スリーブ１５の内の、極低温冷却器のヒート・ステーシ
ョン７５を取巻く第２段部分を取巻き、１０°にの冷却
される面と極低温槽のハウジング１３の間の放射損失を
少なくする。カラー９３は、該カラーに沿って円周方向
に隔たっていて、それに溶接された６個の銅の編組９５
により、第１段界面熱交換器として作用するリング３５
に接続される。すなわち、各々の編組の他端が、別々の
ブロック９７まで伸び、それに溶接されている。ブロッ
クは熱交換器リング３５の周縁上の平坦部にボルト締め
される。編組９５は、熱による収縮の為、並びにボルト
８５を緩めたり締付けたりすることによって起る、内側
スリーブ１５とカラー９３の間の移動が出来る様にして
いる。極低温冷却器の第２段ヒート・ステーションと、
磁石用巻線１０１を持つコイル巻型を直接的に取巻く遮
蔽体２３の間の熱伝達が、銅の遮蔽体２３に銅の円筒２
１ａを直接的にボルト締めすることによって達成される
。内側スリーブの端を閉じる円筒２１ｂと、遮蔽体２３
にボルト締めされる円筒２１ａとは、一体の銅部材から
形成される。第２図に見られるインジウムの薄板８１が
、極低温冷却器の第２段ヒート・ステーションの端と円
筒２１ｂとの間にあって、良好な熱伝達を保証する。

永久的に取付けた抵抗性導線１０３，１０５が界面の外
側から第１のフランジ中の絶縁はめ込み材１０６を介し
て第２のスリーブ５１の内側まで伸びる。この通抜けは
気密に行なう。入って来る導線が、第２図及び第３図に
最もよく示されている様に、２つの半円形の銅の母線１
１１．１１３から伸びる突片１０７に固定される。突片
１０７が各々の半円形母線の夫々の端から半径方向に伸
びる。半円形の母線１１１，１１３が、電気絶縁体１１
５．１１６と共に、熱交換器リング３５にボルト締めさ
れ、これらの絶縁体が銅の母線１１１．１１３及びリン
グを隔てる。別の電気絶縁体１１７及びステンレス鋼の
リング１２１がボルト１２３の荷重を拡散する。インジ
ウム層１２５が絶縁体１１５の両側にあって、良好な熱
継手を保証する。絶縁体１１５はアルミナ又はベリリヤ
・セラミックで構成される。ベリリヤが、熱伝導度が一
層大きい点で好ましい。絶縁体１１５はメタライズせず
に使うことが出来る。この代りに、セラミックの両側を
銅又はニッケルでメタライズする場合、メタライズした
セラミックをインジウムはんだの様な弾性係数を持つは
んだを使って、銅のリング３５及び母線の間にはんだ付
けすることが出来、圧力継手は必要としない。このメタ
ライズは蒸着によって適用することが出来る。メタライ
ズの厚さは１ミル又はそれ未満であってよい。

セラミックが両側の銅又はニッケルを分離し、２つの面
の間の電気的な隔離を保つ。典型的な厚さは、セラミッ
クでは約３０ミルであり、直接結合の金属では５ミルで
ある。

図示の実施例では、セラミックをはんだ付けせず、ボル
ト１２３を絶縁スリーブの中に通すことにより、２つの
半円形の銅の母線を電気的に短絡することを避けている
。ボルトを締付けて、層の間に少なくとも３００ｐｓｉ
が得られる様にし、インジウム層１２５が流動して、隣
合う面の間に良好な熱伝導度を保証する様にする。

第２の１対の導線１２７，１２９が各々の半円形母線の
残りの２つの突片１０７にはんだ付けされ、導線１２７
が導線１０３と同じ母線にはんだ付けされ、導線１２９
が導線１０５と同じ母線にはんだ付けされる様にする。

その後導線１２７゜】２９を、夫々円筒２１ａ内の溝孔
の中に配置したブスバー１３１，１３３に接続する。ブ
スバーを円筒２１ａの中にボルト止めされる。ベリリヤ
又はアルナ・セラミックで構成されたセラミック絶縁体
と、その両側に２枚のインジウムの薄板を設けたものを
ブスバーと円筒の間に配置する。各々のブスバー上のス
テンレス鋼のバーがボルトの荷重を分散する。これらの
ボルトが層の間に少なくとも３００　ｐｓｉを作り、イ
ンジウムを流動させて、良好な熱継手を作る。ブスバー
は、２５０ボルトの絶縁体力を持つのに十分な距離だけ
互いに隔て＼ある。ブスバー１３１，１３３が、ボルト
継手により、磁石上の銅のブスバー１４１，１４３に結
合される。

ベリリヤ及びアルミナの継手を用いた７７’にの熱コン
ダクタンスは、５Ｗ／ｃｊ−にと云う位によいことが測
定された。こう云うセラミックの絶縁体力は、必要とす
る２５０ボルトよりもよい。

磁石の１つの設計では、第１段界面で、高温導線部分は
冷却器の第１段に２．３ワツトを持込む。

この場合熱伝達に利用し得る面積は１２平方国である。

熱フンダクタンスｈ及び面積Ａを持っていて熱Ｑを伝達
する継手の前後の温度上昇の方程式は、ΔＴ−Ｑ／　（
ｈＡ）である。従って、ブスバーと冷却器の間の温度差
を０．１　　＠に未満に保つ為には、少なくとも２Ｗ／
ｃｊ−にの熱コンダクタンスが必要である。今述べた継
手の設計は、この条件を充たす。

同じ設計の磁石は、磁石に対する熱入力が、電流導線と
無関係に０．４Ｗであり、磁石から冷却器の第２段への
熱伝達に利用し得る面積が３５平方（至）である。取外
し自在の熱継手では、７７’にで利用し得る最もよい熱
コンダクタンスは約１゜３　Ｗ　／　ｃｊ　−Ｋである
。従って、この値が温度に無関係であると仮定すると、
この継手の前後の温度差は０．００６３　＠にである。

各々の抵抗性電流導線に沿った熱の漏れが０．３１ワツ
トである。

セラミック継手の熱コンダクタンスが５Ｗ／ｃｊ−にで
あると、僅か９．８平方（至）の面積により、この継手
の前後の温度上昇は０．００６３　＠に未満に保たれる
。この位の面積は利用することが出来、従って熱は実際
に、磁石ではなく、冷却器の中へ移動する。

この界面ソケットは、最初に外側スリーブ５１を極低温
槽の開口に溶接し、外側スリーブをフランジ４７に溶接
することによって、極低温槽内に取付けることが出来る
。ブスバー１３１，１３３を所定位置に置いた状態で、
最初に銅の円筒２１ａを磁石の巻型１７にボルト締めす
ることにより、内側スリーブ１５が開口の中に取付けら
れる。導線１２７，１２９を所定位置にはんだ付けする
。

編組９５をカラー９３及びブロック９７に溶接し、カラ
ー９３を遮蔽体９１にボルト締めする。フランジ４７を
通る導線１０３．１０５を突片１０７にはんだ付けする
。

動作について説明すると、極低温槽１３を真空にひき、
外側スリーブ５１を軸方向に収縮させるが、第１のフラ
ンジ４７は分割カラー６１によって支持されている。極
低温冷却器の低温側の端を内側スリーブ１５の中に挿入
し、第２のフランジ６３にボルト締めする。内側スリー
ブ１５を真空にひいて、Ｏリング６５の直径に比例する
大気圧による空気圧の力を極低温槽の第２段ヒート・ス
テーション７５及び銅の円筒２１ｂに加える。例えばＯ
リング６５の直径が５吋であると、この結果束ずる圧力
は、極低温冷却器の第２段ヒート・ステーションと銅の
円筒２１ｂの間で１３４ｐｓｌである。

この組立て段階に於ける部品の相対的な位置が第１Ａ図
に示されている。次に、フランジ４７が分割カラー６１
から持上げられて、大気圧による外側ベロー５３に対す
る空気圧の力を極低温冷却器の第２段ヒート・ステーシ
ョンに対する下向きの力として伝達するまで、ボルト８
５を締付けることにより、界面に別の力を加え、この結
果、外側スリーブの実効直径が９・３／８吋である時、
界面の合計の圧力は４６８ｐｓｔになる。

ボルト８５を引続いて締付けると、５０　＠にのヒート
・ステーション３５が引続いて持上げられ、従って極低
温冷却器の第１段ヒート・ステーション７７とヒート・
ステージジン３５の間の界面の圧力は、皿形座金８７を
更に撓ませることにより、少なくとも３００　ｐｓｉま
で上昇する。然し、１０’にの界面は、問題の距離にわ
たるベロー２５のばね定数が低い為に、比較的影響を受
けない。

この界面圧力は、外側ベロー５３又はＯリング６５の直
径を変えることにより、又は一方或いは両方のベロー２
５．５３のばね定数を変えることによって、調節するこ
とが出来ることが理解されよう。

この発明を好ましい実施例について具体的に図示して説
明したが、当業者にはこの発明の範囲内で種々の変更が
考えられよう。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図及び第１Ｂ図は界面ソケット内に取付けた典型
的な極低温冷却器の部分的な側面図、第２図は界面ソケ
ットの内側部分の一部分切欠いた斜視図、第３図は極低
温冷却器の界面の内側スリーブ内にある第１段熱交換器
の母線部分の斜視図である。 ［主な符号の説明］ １３：極低温槽 １５：内側スリーブ ２３：遮蔽体 ２５．５３：ベロー ３５：リング ４７：第１のフランジ ５１：外側スリーブ ６３：第２のフランジ ７に極低温冷却器 ７３：その第１段 ７５：その第２段 １０３．１０５，１２７゜ １１１．１１３：銅の母線 １１５．１１５．１１７：電気絶縁体 １２１ニステンレス鋼のリング １２５：インジウム層 １２９：導線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）液体窒素の温度以下の温度で動作し得るような、
   電流導体を極低温冷却器に接続するための熱効率のよい
   電気絶縁性の継手であって、締付け手段と、２つのイン
   ジウム層と、アルミナ及びベリリヤの群から選ばれたセ
   ラミック材料で作られた、反対向きの２つの面を持つス
   ペーサとを有し、該スペーサの２つの面の各々には前記
   インジウム層が１層ずつ接触して配置されて、この組合
   せが電流導体と極低温冷却器のヒート・ステーションと
   の間に配置され、前記締付け手段によって前記ヒート・
   ステーション及び前記導体を一緒に締付けることにより
   前記インジウム層がそれに接触する面と密着しているこ
   とを特徴とする継手。