JPH0494503A - 超電導コイル用電流リード - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、磁気浮上列車、単結晶引上装置、ＭＨＩ装置
等に用いられる液体ヘリウムで冷却して使用される超電
導コイルへ常温環境下におかれた励磁用電源から電流を
供給するガス冷却方式の電流リードに関する。

（従来の技術） 磁場を利用する磁気浮上列車、単結晶引上装置、ＭＨＩ
装置等においては、液体ヘリウム容器内に収納した液体
ヘリウムで冷却される超電導コイルへ励磁用電源から電
流を供給するため電流リードが使用される。この電流リ
ードには、常温部から液体ヘリウム温度（４，２ｋ）部
まで設置されているため、外部からの侵入熱の大半を占
めている場合が多い。そこで液体ヘリウム温度部への侵
入熱を減少させるため、通常、蒸発したガスヘリウムに
よって冷却される、いわゆるガス冷却方式の電流リード
が使用される。

第９図により従来の超電導コイル用電流リードの一例を
説明する。第９図において、超電導コイル１は超電導線
を巻回して構成され液体ヘリウム温度で作動する。この
超電導コイル１はステンレス製等の液体ヘリウムを保持
するクライオスタツト（断熱容器）３内に収納され、十
極性および一極性の一対の電流リード５に接続されると
ともに、クライオスタット３の上部の常温部フランジ４
により支持されている。各極性をもつ電流リード５は、
電気伝導度の良い銅またはアルミニウム材から形成され
、かつ、冷却ガスヘリウム７の流路を構成するステンレ
ス等のパイプ内に挿入された冷却効果を高めるため細い
線から撚られた多数本のリード線から構成されている。

低温部にはヘリウム７の導入部および超電導コイル接続
端子が設けられ、また、常温部にはガスヘリウム７の回
収部および励磁電源６からの供給ラインと接続される供
給端子が設けられている。また、常温部フランジ４と各
極性の電流リード５の常温部は電気絶縁のため絶縁フラ
ンジ８を介して固定されている。

電流リード５に使用される銅またはアルミニウム材のリ
ード線の断面積合計（リード線の本数）は、通電した時
のリード線のジュール発熱をガスヘリウム７で冷却する
ことにより、電流密度を１０〜２ＯＡ／ｍｍ”程度に大
きくしてもジュール発熱によって焼損が発生しないよう
にすることができるようになっている。また、電流リー
ド線の液体ヘリウム温度部から常温部までの温度分布を
考慮して、低温部と常温部とで温度低下による抵抗の減
少に合わせて断面積を変化させ、低温部の断面積を小さ
くする等の改良もなされている。

また、磁気浮上列車の超電導コイルのように、永久電流
モードで運転され、さらにヘリウム冷凍機により冷凍さ
れる超電導磁石システムは、非通電時の電流リードから
の侵入熱を極力少なくする方式が必要とされている。さ
らに、磁気浮上列車の超電導磁石システムは、狭い空間
に配管および電流リードを設置する必要かあり、コンパ
クトな電流リードが不可欠な要件となる。

（発明が解決しようとする課題） 一般にガス冷却方式の電流リードにおいては、電流リー
ド部の温度が低いほど電気抵抗か小さくなり、かつ、通
電時のジュール発熱も少なくなる。

一方、冷却のためのガスヘリウムは、温度が高いほど流
体抵抗か大きく、また、ガスヘリウムの流量の減少によ
り冷却効果が低下する。しかし、従来の電流リートのよ
うに、正極性、負極性の１対の電流リードで構成された
電流リードにおいては、その個体差のため、一方の極性
の電流リードのガスヘリウムの流れが良い場合、ガスヘ
リウムによる冷却効果のため電流リードの温度か低くな
る。

そして、そこでジュール発熱が減少するため、ガスヘリ
ウムの流れはますます良くなる。これに対し、他方の極
性の電流リードは冷却のためのガスヘリウムの流れが減
少し、電流リードの冷却が悪くなり電流リードの温度上
昇をもたらす。これにより、ジュール発熱が増加してま
すます温度が高くなり、ガスヘリウムの流量の減少によ
る冷却不十分のため温度上昇、ジュール発熱の増加をま
ねき、最悪の場合、電流リードの焼損が生ずる。

さらに、電流リードの主要な構成材料である銅またはア
ルミニウム合金製のリード線は熱伝導が良いため、常温
部からの侵入熱が多く、非通電時でも、常時、ガスヘリ
ウムを流して冷却する必要がある。このように、非通電
時にガスヘリウムで冷却した場合でも、電流リードには
通電時の約６割の侵入熱が存在する。

また、十−極性の１対の電流リードの場合は、電流リー
ドの電流により相互に電磁力が作用するため、電磁力が
作用しないように互に離す必要がある。この他に、超電
導コイルの発生する磁界との相互作用により電磁力が発
生するため、電磁力に対する強固な支持構造物を設ける
か、超電導コイルの磁界の弱い部分に設置する必要があ
る等の制約をうける。これらの制約は、磁気浮上列車の
超電導磁石のように、極力小型、軽量化を必要とする超
電導コイルの電流リードとしての使用を殆んど不可能に
する。

本発明の目的は、液体ヘリウムで冷却される超電導コイ
ルを、使用される通電時においては焼損の危険性が少な
くして安定に動作させ、非通電時においてはガスヘリウ
ム冷却なしでも侵入熱を少なくしうるコンパクトな超電
導コイル用電流リードを提供することにある。

〔発明の構成） （課題を解決するための手段） 本発明の超電導コイル用電流リードにおいては、電流リ
ードの通電部を構成する銅またはアルミニウム材のリー
ド線にエナメル絶縁被覆を施し、＋極性、−極性の両極
性をもつリード線を一体に、かつ、短いピッチで撚合わ
せたものを同じパイプに挿入する。

すなわち、本発明による電流リードは、ガスヘリウムに
よって冷却され液体ヘリウム容器内に収納された超電導
コイルに電流を供給する電流リードにおいて、エナメル
絶縁被覆された銅またはアルミの合金よりなる多数の十
−両極性をもつリード線を均一に撚り合わせてパイプ等
に挿入し、パイプにガスヘリウムを流すようにしたこと
を特徴とする。

（作　用） 超電導コイル用電流リードを前記のように構成すること
により、各極性の電流リード線がガスヘリウムの冷却部
を構成するパイプ内に挿入されるため、両極のリード線
を冷却するガスヘリウムの流量、アンバランスが発生せ
ず、かつ、両極のジュール発熱および冷却の条件が同一
となる。

また、両極のリード線が均一に撚り合わされた状態で同
一のパイプ内に挿入されているため、リード線に発生す
る電磁力は電流リード内で釣り合い、外部に対する電磁
力を発生しない。また、磁場中でも同様に電磁力が作用
しない。

（実施例） 第１図は本発明の超電導コイル用電流リードの実施例の
全体構成を示す。第１図に示すように、超電導コイル１
はクライオスタット３内に設置され、この内に収納した
液体ヘリウム２に浸漬され、冷却される。超電導コイル
１へ電流を供給する電流リード５が絶縁フランジ８を介
してクライオスタット３の頂部に配設した上部フランジ
４に固定されている。ここで電流リード５は、低温部端
子５３、常温部端子５１、中間冷却部５２およびそれら
の間のリード線５０から構成されている。

第２図は常温部端子５１の構成の詳細を示す。

リード線５０は銅またはアルミニウム材から作られ、同
一のバイブロ１内に撚り合わせて挿入される。リード線
５０は十−極性の両極に分けて同様に銅またはアルミニ
ウム材から作られたリード端子６２にハンダ付等によっ
て接続される。リード端子６２は電気絶縁のため、絶縁
リング６３を使用してガスヘリウム回収部を有する常温
端子箱６４に溶接等によって固定され、気密を保持して
いる。

また、第３図は低温部端子５３の構成の詳細を示す。低
温部端子５３は常温部端子５１とほぼ同様の構造を有し
、かつ同じ材料から作られている。

各極性のリード線５０はリード端子６２にハンダ付は等
によって固定され、さらに超電導コイル１にリード端子
６２を介して接続されている。リード端子６２は、ガス
ヘリウムの導入部を有する低温端子箱６５に絶縁リング
６３を使用して溶接等にて固定されている。

第４図は電流リード５の中間部分に設けられる冷却部５
２の構成の詳細を示す。両極性をもつリード線５０は銅
またはアルミニウム材から作られた冷却用ブロック６６
の両端にハンダ付は等で固定されている。冷却用ブロッ
ク６６には、ガスヘリウム７を流通させる孔７０が設け
られ、さらに、＋極性および一極性ブロック６６問およ
びその外周の固定パイプ６７間に絶縁物６８が介装され
ている。固定パイプ６７の外周には液体窒素を流して冷
却するための液体窒素用冷却バイブロ９が螺旋状に取付
けられている。

リード線５０は、第６図および第７図に示されるように
、冷却部を構成する同一のバイブロ１内に均一に撚り合
わせて挿入されている。リード線５０の各線にはテフロ
ン（登録商標）またはホルマール等の絶縁被覆が施され
、十極性と一極性の間を電気的に区分している。バイブ
ロ１内でリード線５０の占める断面積の割合は、ガスヘ
リウム７の流路が全体の４０〜５０％となるように決定
される。

本発明の電流リード５において、各極性のリード線５０
がガスヘリウムの冷却部を構成するパイプロ１内に挿入
されるため、両極のリード線５０を冷却するガスヘリウ
ムの流量アンバランスは発生しない。このため、両極の
ジュール発熱および冷却の条件は同一となる。従来の電
流リードにみられるような一方の電流リードのみが焼損
することはない。

また、両極性のリード線５０が均一に撚り合わされた状
態で冷却部を構成する同一のバイブロ１内に挿入される
ため、リード線５０に発生する電磁力は電流リード５内
で釣り合って外部に影響を与えない。とくに、磁界中で
も電磁力が発生しない。また磁界中中においても、磁界
と電流リードによる相対的な電磁力が発生しないため、
超電導コイルの磁場に無関係に自由な位置に設置可能で
ある。

さらに、中間に液体窒素で冷却される冷却部５２を設け
ることにより、非通電時における液体ヘリウム系に入る
侵入熱を大幅に減少することができるため、高価な液体
ヘリウムの消費量が低減される。とくに冷却のためのガ
スヘリウムを流さない永久電流モードで運転される場合
には、中間の液体窒素で冷却する冷却部５２の有無が侵
入熱の減少に大きく影響する。電流リードの冷却のため
のガスヘリウムを流す必要がない場合には、冷凍機によ
る閉サイクル冷凍運転も可能である。

第８図は本発明の電流リードの他の実施例を示す。この
実施例では、電流の通るリード線５０を、その絶縁被覆
を黒丸で示すリード線と白丸で示すリード線に２種類に
色分けして使用したことが特徴である。例えば、黒丸で
示すリード線５０は、白いテフロン被覆とし、また、白
丸で示すリード線５０はホルマール被覆とする。このよ
うにリード線５０を色分けすることにより、リード線５
０と接続を必要とする上下の端子部および中間部のサー
マルアンカ一部においては、色の区別のみで十極と一極
の判断が行なえ、極めて容易にリード線５０の接続作業
が行なわれる。

本発明の電流リードの基本構成は、液体ヘリウムへの侵
入熱を極力低減するために、中間に液体窒素等による冷
却部を設けているが、変型例として、この冷却部を設け
ない電流リードも可能である。この場合、侵入熱は多少
増加するが、接続部が減少するため電流リードが一層製
作しやすくなる特徴を有する。また、ステンレス等のバ
イブの溶接部分も減少するため、ガスヘリウムの漏洩に
対する危険性が少なくなり、−層、高信頼性を有するよ
うになる。さらに、中間部で絶縁を変更しないため、耐
電圧特性も優れたものとなる。

〔発明の効果〕

本発明の電流リードにおいては、十−両極性をもつリー
ド線を均一に撚り合わせて同一のステンレスバイブ等に
挿入し、このステンレスバイブ等に蒸発ガスヘリウムを
流すようにしたため、ヘリウムガスの調整が不要となり
十−両極性の冷却条件が同一で熱的なアンバランスが発
生せずかつ安定した通電特性を示すようになる。また従
来の電流リードで発生する冷却のためのガスヘリウム流
量のアンバランスによる一方の電流リードが焼損すると
いう事故はなくなる。

また、両極リード線が均一に撚り合わされて同一のバイ
ブ内に挿入されるため、電磁力が電流リード内で釣り合
い外部に対して作用しない。とくに、磁場中においても
、磁場と電流リードによる相対的な電磁力は発生しない
ため、超電導コイルの磁場に無関係に自由な位置に電流
リードの設置が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電流リードの実施例の部分断面側面図
、第２図は第１図の部分Ｈの詳細図、第３図は第１図の
部分■の詳細図、第４図は第１図の部分■の詳細図、第
５図は第４図のｖ−ｖ線に沿う断面図、第６図は第１図
の■−■線に沿う断面図、第７図は第６図の一本のリー
ド線の拡大断面図、第８図は本発明の電流リードの他の
実施例を示す図、第９図は超電導コイルの電流リードの
構成図である。 １・・・超電導コイル、２・・・液体ヘリウム、３・・
・クライオスタット、４・・・常温部フランジ、５・・
・電流リード、６・・・励磁用電源、７・・・ガスヘリ
ウム、８・・・絶縁フランジ、５０・・・リード線、５
１・・・常温部端子、５２・・・中間冷却部、５３・・
・低温部端子、６１・・・パイプ、６２・・・リード端
子、６３・・・絶縁リング、６４・・・常温端子箱、６
５・・・低温端子箱、６６・・・冷却用ブロック、６７
・・・外周固定パイプ、６８・・・絶縁物、６９・・・
液体窒素用冷却パイプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ガスヘリウムによって冷却され液体ヘリウム容器内に
   収納された超電導コイルに電流を供給する電流リードに
   おいて、エナメル絶縁被覆された銅またはアルミの合金
   よりなる多数の＋−両極性をもつリード線を均一に撚り
   合わせてパイプに挿入して電流リードの通電部を構成し
   、前記パイプにガスヘリウムを流すようにしたことを特
   徴とする超電導コイル用電流リード。