JPH0778712A - 超電導装置の電流リード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電流リードを冷却するための液体ヘリウム容器
の圧力調整のために、外部にヘリウムガスを排出するた
めの圧力調整管の構成を簡素で安価なものにする。 【構成】圧力調整管14A を、液体ヘリウム容器11A の底
壁111 を貫通し真空断熱容器２内を通り外部に引き出さ
れるヘリウムガス排出配管に接続する構成を採用するこ
とによって、液体ヘリウム容器11のふた部13B を圧力調
整管14A が貫通しなくなるので、ふた部13B と真空断熱
容器２との間を気密に保つために設けられるＯリング22
が過度に低温になることを防ぐために圧力調整管をベロ
ーズ付の二重管構造にする必要がなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超電導装置の真空断
熱容器内の液体ヘリウム容器に収納されて液体ヘリウム
に浸漬された超電導コイルと、この超電導コイルに励磁
電流を供給する外部電源とを電気的に接続するための電
流リード、特に電流リードを冷却するための液体ヘリウ
ム容器が設けられて直接液体ヘリウムで冷却されるタッ
プ切換器付静止誘導電器に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導コイルは冷媒として高価な液体ヘ
リウムを使用して超電導状態を保持するため、この液体
ヘリウムの蒸発量を小さく抑えて液体ヘリウムの消費量
を低減し超電導装置の運転コストを低減することが望ま
しく、そのためには電流リードから超電導コイルへの熱
侵入量を小さくすることが必要である。

【０００３】通常、極低温に保たれた超電導コイルに常
温の外部電源から励磁電流を供給する電流リードは、銅
又は銅合金のような良導電性金属で構成されるが、この
ような良導電性金属は同時に熱良伝導体の特性を持って
いる。そのため、常温部から極低温部への伝導熱が侵入
する。超電導装置全体の熱負荷の大半は電流リードで占
めるため、電流リードの低熱侵入化は超電導装置の経済
的な運転を実現するための重要な課題となっている。導
体で発生するジュール熱と常温部からの熱伝導による熱
侵入を低減するために、液体ヘリウムが蒸発して生成し
た低温のヘリウムガスを低温端子から流入させて導体部
を冷却構成が採用され、更には直接液体ヘリウムで電流
リードを冷却する方式が採用されることがある。

【０００４】図５は超電導装置の略示的な断面図であ
り、電流リードとして電流リードを冷却するための液体
ヘリウム容器と電流リードとを一体構造としたもので、
この発明と同じ出願人による特開昭63-299217 号公報に
よるものである。この図において、真空断熱容器２の中
に液体ヘリウム容器３が設けられその中に超電導コイル
４が液体ヘリウム９に浸漬された状態で収納されてい
る。

【０００５】電流リード１は往と復の電流が流れる２本
が設けられていて、外部リード101を介して外部電源100
に接続されている。２本の電流リード１は電流の方向
が反対方向という点が異なるだけで構成は全く同じなの
で図の右側の電流リードだけに符号をつけ詳しい説明を
する。電流リード１は液体ヘリウム容器11、この中を貫
通する電流リード本体12、その下部の低温側リード121
、上部の高温側リード122 、高温側リード122 に設け
られている液体ヘリウム11のふた部13、高温側リード12
2 の常温側の上先端部の常温端子16、及びヘリウムガス
出口配管15からなっている。常温端子16が外部リード10
1 に直接接続される。低温側リード121 は超電導コイル
４に接続される。

【０００６】液体ヘリウム容器３と11には液体ヘリウム
９が封入されていて、これが気化してヘリウムガス91と
なるときの気化熱が容器内の熱を奪うことによって超電
導コイル４や低温側リード121 が冷却される。蒸発によ
って液体ヘリウム９は減少するので、略示的に図示する
液体ヘリウム供給配管７によって最初に液体ヘリウムを
注入するときはもちろん運転中の減少を補うために適宜
補給される。

【０００７】ふた部13は真空断熱容器２のフランジ21に
気密にボルト締めで取付けられている。ふた部13には液
体ヘリウム容器11内の圧力が上昇したときに排気するた
めの圧力調整配管14が設けられている。容器内の圧力上
昇は超電導導体がクエンチを起こして超電導状態から常
温状態に変移するときに液体ヘリウム９が急激に蒸発す
るとき、あるいは高温側リード122 内を流れるヘリウム
ガス91の流量をしぼったときなどに生ずる。前者の場合
は常時生ずるものではないが、後者は条件によっては継
続的に生じて圧力調整管14からは運転中に継続してヘリ
ウムガス91が流れ出す場合がある。

【０００８】液体ヘリウム容器３の中で生成したヘリウ
ムガス91は略示的に二重線で示したヘリウムガス排出配
管６によって真空断熱容器２の外部に引き出される。圧
力調整管14、ヘリウムガス出口配管15及びヘリウムガス
排出配管６から出たヘリウムガス91は単に外気に放出さ
れる簡単な構成の場合もあるが、ヘリウムは高価なもの
なので一括して冷凍機に導き再度液化して液体ヘリウム
供給配管６に供給する方式が採用されることが多い。

【０００９】電流リード１の液体ヘリウム容器11内の液
体ヘリウム９が蒸発して生成されたヘリウムガス91は高
温側電流リード122 の内部を通って内部の導体を冷却し
ながら上昇しヘリウムガス排出管15から排出される。な
お、この図では真空断熱容器２と液体ヘリウム容器３及
び11との間に何も記載していないが、実際に複数層の対
流・ふく射防止板が設けられて常温部からの熱侵入を低
減する構成が採用されている。また、液体窒素で冷却さ
れる層が設けられる場合もある。

【００１０】図６は図５の電流リード１だけを拡大して
示す部分拡大断面図である。この図において、液体ヘリ
ウム容器11を貫通する電流リード本体12の高温側リード
122は外径側から順に、真空外管123 、真空内管124 及
びリード導体125 からなっていて、真空外管123 と真空
内管124 との間は密封空間になっていて真空に維持され
ている。真空外管123 に設けられている波状の部分は熱
伝導による熱侵入を低減するためのベローズである。

【００１１】真空外管123 の符号を付けない下部の金具
の穴から入ったヘリウムガス91は真空内管124 の中、す
なわちリード導体125 が通る管の中を通りリード導体12
5 を冷却しながら上昇して前述のようにヘリウムガス出
口配管15から排出される。リード導体125 は低温側リー
ド121 と導電結合される符号を付さない金具と上部の常
温端子金具16との間を電気的に連結するものである。

【００１２】液体ヘリウム容器11の上部には前述した液
体ヘリウム容器３と真空断熱容器２との間と同様に、対
流・ふく射防止板17が設けられている。この対流・ふく
射防止板17はふた部13からロッドを介して吊り下げて支
持されているもので支持のためのロッドなどの構造の図
示は省略している。圧力調整管14は２層になっていて、
内側の内管141 、外側の外管142 及び外管142 の途中に
設けられているベローズ部143 からなっている。ベロー
ズ部143 はふた部13に対して大気側と真空断熱容器２側
にそれぞれ設けられている。これが設けられるのは真空
外管123 のそれと同様に熱侵入を低減するためのもので
あり、同時に、真空外管123 と真空内管124 との熱侵入
の差による寸法変化の差を吸収して熱応力を低減する機
能も果たしている。このような二重構造が採用されるの
は内管141 を通る低温のヘリウムガスとふた部13とを熱
的に遮断するためである。ふた部13はフランジ21にボル
ト締めで取付けられるが真空断熱容器２内の真空を長期
にわたって維持するための高度の気密性を確保するため
にＯリング22が設けられている。ふた部13が低温になる
とそれが原因でこのＯリング22の温度も低下して特性が
劣化し気密の保持が困難になるという問題が生ずる。そ
のため前述のように圧力調整管１４にはベローズ付の二
重構造が採用されているのである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前述のように圧力調整
管14にベローズ付の二重構造が採用されいるので、構造
が複雑で高価にもなっているという問題がある。この発
明の目的はこのような問題を解決し、電流リードを冷却
するための液体ヘリウム容器に設けられる圧力調整管
を、簡素な構造でしたがって安価なものにした超電導装
置の電流リードを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、液体ヘリウム容器とこの液体ヘ
リウム容器を貫通する電流リード本体とからなる超電導
装置の電流リードにおいて、液体ヘリウム容器内の圧力
を調整する圧力調整管が液体ヘリウム容器の底壁を貫通
し液体ヘリウム容器が収納される真空断熱容器内を通り
外部に引き出されるヘリウムガス排出配管に連通してな
るものとする。また、圧力調整管が液体ヘリウム容器内
の液体ヘリウムに直接触れてなるものとし、又は、一方
の開口部が液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムの液面を
越え、他方の開口部が液体ヘリウム容器の底壁に到達す
る管が設けられ、この管の底壁に面した開口部が底壁に
液密に取付けられ、この管の中を圧力調整管か通り液体
ヘリウム容器底壁を貫通してなるものとする。また、真
空断熱容器に収納された液体ヘリウム容器とこの液体ヘ
リウム容器を貫通する電流リード本体からなる超電導装
置の電流リードにおいて、液体ヘリウム容器が電流リー
ド本体によって真空断熱容器の上面から吊り下げられて
なり、液体ヘリウム容器内の圧力を調整する圧力調整管
が液体ヘリウム容器の上壁を貫通して真空断熱容器内を
通り外部に引き出されるヘリウムガス排出配管に連通し
てなるものとする。

【００１５】

【作用】この発明の構成において、電流リード本体が貫
通して冷却される液体ヘリウム容器内の圧力を調整する
圧力調整管を、液体ヘリウム容器の底壁を貫通し真空断
熱容器内を通り外部に引き出されるヘリウムガス排出配
管に連通する構成とすることによって、圧力調整管はこ
の液体ヘリウム容器のふた部を貫通しなくなるので、ふ
た部と真空断熱容器との間を気密に保つために設けられ
るＯリングなどのシール材が過度に低温になることがな
い。また、圧力調整管が直接液体ヘリウムに接する構成
を採用して構成を簡単にすることができる。又は、液体
ヘリウム内を通る部分に別の管を設けてその中を圧力調
整管を通して直接液体ヘリウムが圧力調整管に触れない
構成を採用して、圧力調整管を流れるヘリウムガスの温
度が高いときにこのヘリウムガスを冷却するために液体
ヘリウムの蒸発量が増えることが抑制される。また、電
流リードの液体ヘリウム容器を真空断熱容器に直接取付
ける構成ではなく、電流リード本体によって吊り下げる
構成を採用することによって、真空断熱容器の上面と液
体ヘリウム容器の上面との間に空間を確保できるので、
圧力調整管を液体ヘリウム容器の上壁に取付けてしかも
従来のようにベローズ付の二重管構造にする必要がな
い。

【００１６】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施例を示す電流リードの部分拡大断
面図であり、図６と同じ部材には共通の符号を付け、類
似の部材については添字Ａを付けて詳しい説明を省く。
この図において、圧力調整管14A は図６の圧力調整管14
の下部の開口部と略同じ位置に上の開口部を持ち、対流
・ふく射防止板17を貫通し液体ヘリウム９の中を通って
液体ヘリウム容器1Aの底壁111 を貫通して後述のヘリウ
ムガス排出配管6Aに接続される。

【００１７】圧力調整管14A はふた部13A を貫通しない
ので、ふた部13A を冷却することはない。したがって、
ベローズ付の二重構造を採用する必要がなく、構成が簡
素になって価格低減に寄与する。圧力調整管14A を底壁
111 を貫通するのではなく側壁を貫通させる構成を考え
ることができるが、このとき、貫通部に設ける配管口が
液体ヘリウム容器11A から出っ張るために、超電導装置
を組み立てる際に電流リード1Aを上部から真空断熱容器
２内に挿入するときに配管口の出っ張りが邪魔にならな
いようフランジ21の径を大きくしておかなければならな
いという問題が生ずる。フランジ21の大きさには種々の
理由から限界があって、結局圧力調整管14A を側壁を貫
通させる構成は採用できないというのが実際である。

【００１８】図２は図１の電流リードが使用された超電
導装置の略示的な断面図であり、図５と同じ部材には共
通の符号を付けて詳しい説明を省く。この図において、
圧力調整管14A は電流リード1Aの液体ヘリウム容器11A
の底壁111 から出てヘリウムガス排出配管6Aに接続さ
れ、もう一方の電流リードの圧力調整管及び図５に示し
た液体ヘリウム容器３からの排出配管６に相当する配管
と一緒になって超電導装置の外部に引き出される。な
お、ヘリウムガス排出配管6Aの図示の構成は略示的なも
のであってこれにこだわるものではない。

【００１９】図３はこの発明の別の実施例を示す電流リ
ードの部分拡大断面図であり、図１と同じ部材には共通
の符号を付け、類似の部材については添字Ｂを付けて詳
しい説明を省く。この図において、圧力調整管14B が液
体ヘリウム９の中を通る部分に管112 を設けて圧力調整
管14B が直接液体ヘリウム９に触れないようにした構成
を示している。なお、この図では対流・ふく射防止板を
図示していないが、実際には図１と同様の対流・ふく射
防止板17が設けられている。

【００２０】管112 を設けて圧力調整管14B が直接液体
ヘリウム９に触れない構成にしたので、圧力調整管14B
に流れるヘリウムガスが比較的温度の高い場合でも、そ
の熱を液体ヘリウムが奪って蒸発することがなくなり、
液体ヘリウム９の消費量が増えるのを抑えることができ
る。圧力調整管14B に温度の高いヘリウムガス91が流れ
るのは、圧力調整管14B のヘリウムガス91が流入する上
の開口部の位置がふた部13A に近い位置にある場合であ
る。逆に開口部の位置が低い位置にあるときには圧力調
整管14B に流入するヘリウムガス91の温度は液体ヘリウ
ム９の温度である４Ｋに近い温度なのでこのヘリウムガ
ス91を冷却するために必要な液体ヘリウム９の消費は僅
かであることから、管112 を設ける必要はななく、より
構成が簡素な図１の構成が妥当である。

【００２１】なお、管112 にベローズ部を設ける必要が
ないので図６の圧力調整管14に比べてはるかに構造が簡
単でこの管112 を設けるための価格上昇も僅かである。
圧力調整管14A 又は14B の開口部をどの位置にするかは
圧力調整機能を考慮して決定される。たとえば、クエン
チなどによる急激な液体ヘリウム９の蒸発を充分考慮す
る必要があるときにはなるべく下にしてヘリウムガス91
の流体抵抗をなるべく小さくした方が良いし、定常的な
圧力調整のために常時ヘリウムガスを流して圧力調整機
能を働かせるだけなのであれば開口部をなるべく高い位
置にして高い温度のヘリウムガスを排出することによっ
て熱効率を僅かでも改善する方が適している。

【００２２】図４はこの発明のもう一つ別の実施例を示
す電流リードの部分拡大断面図であり、図１や図３と同
じ部材については共通を符号を付け、類似の部材につい
ては添字Ｃを付けて詳しい説明を省く。この図におい
て、高温側リード122Cはふた部13C と液体ヘリウム容器
11C との間の真空外管123 を省略して、ふた部13C の上
部の外管123Cと液体ヘリウム容器11C 内の真空外管123
に相当する外管126 だけを残した構成としたものであ
る。真空内管124Cの外側は図１、図３及び図６の場合も
真空空間であるが、図４の場合も同様であるから、リー
ド導体125 の熱絶縁のための真空層は形は変わっても存
在しており、リード導体125 が通る真空内管124 はその
まま残っていてその中をヘリウムガス91が通るので、リ
ード導体125の冷却性能が前述の実施例に比べて異なる
ことはない。

【００２３】液体ヘリウム容器11C は真空内管124Cだけ
によって吊り下げられた構成になっているので真空内管
124Cにはこれに耐えるだけの機械的強度が必要であると
いう点で真空内管124Cは前述の実施例での真空内管124
とは異なる。このような構成によってふた部13C と液体
ヘリウム容器11C の上部との間に真空の空間が生じたの
で圧力調整管14C は図示のように液体ヘリウム容器11C
の上面に設けることができる。また、液体ヘリウム容器
11C 内に対流・ふく射防止板を設ける必要もなくなる。
その代わり、真空容器２と図２の液体ヘリウム容器３と
の間に設けられる図示しない対流・ふく射防止板がふた
部13C と液体ヘリウム容器11C との間の空間にまで延ば
して設けられることになる。ヘリウムガス排出配管は図
２のヘリウムガス排出配管６Ａと当然異なった配置にな
るが、配管の引き回しに支障が生ずる要因はない。圧力
調整管14C を液体ヘリウム容器11C の上部に設けたので
底壁を貫通して下部に出す構成よりも簡素になる。

【００２４】

【発明の効果】この発明は前述のように、圧力調整管を
電流リードの液体ヘリウム容器の底壁を貫通してヘリウ
ムガス排出配管に接続する構成を採用することによっ
て、液体ヘリウム容器のふた部が圧力調整管によって低
温になり、気密に保つためのシール材が過度に低温にな
って特性が劣化することがなくなるので、信頼性が向上
するとともに、圧力調整管として複雑なベローズを設け
た二重管構造を採用する必要がないので装置の価格低減
にも貢献するという効果が得られる。

【００２５】また、圧力調整管を液体ヘリウム内に浸る
状態のまま直接液体ヘリウム容器の底壁を貫通させる構
成を採用することによって、構成が簡単になり、価格低
減に貢献する。この構成は圧力調整管を通るヘリウムガ
スの温度が液体ヘリウムの温度に近いときに有効であ
る。ヘリウムガスの温度が高いときには、液体ヘリウム
内を通る部分に別の管を設けてその中を圧力調整管を通
して液体ヘリウム容器の底壁を貫通させる構成を採用す
ることによって、圧力調整管は液体ヘリウムに直接触れ
なくなるので高温のヘリウムガスを冷却するために液体
ヘリウムが消費されることがなくなり、高価な液体ヘリ
ウムの消費の増大を抑制できるという効果が得られる。
また、電流リードの液体ヘリウム容器を真空断熱容器に
直接取付ける構成ではなく、電流リード本体によって吊
り下げる構成を採用することによって、真空断熱容器の
上面と液体ヘリウム容器の上面との間に空間を確保でき
るので、圧力調整管を液体ヘリウム容器の上壁に取付け
て外部に引き出す構成を採用することができ、しかも従
来のようにベローズを持った二重管構造にする必要はな
いので、構成が簡単になりしたがって安価になるという
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す電流リードの部分拡大
断面図

【図２】図１の電流リードが使用された超電導装置の略
示的な断面図

【図３】この発明の別の実施例を示す電流リードの部分
拡大断面図

【図４】この発明のもう一つ別の実施例を示す電流リー
ドの部分拡大断面図

【図５】従来の超電導装置の略示的な概略断面図

【図６】図５の電流リードだけを拡大して示す部分拡大
断面図

【符号の説明】

１，１Ａ 電流リード １１，１１Ａ 液体ヘリウム容器 １１１ 底壁 １１２ 管 １２ 電流リード本体 １２２ 高温側リード １２３ 真空外管 １２４，１２４Ｃ 真空内管 １２３Ｃ 外管 １２５ リード導体 １２６ 外管 １３，１３Ａ ふた部 １４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ 圧力調整管 ２ 真空断熱容器 ３ 液体ヘリウム容器 ４ 超電導コイル ６，６Ａ ヘリウムガス排出配管 ９ 液体ヘリウム ９１ ヘリウムガス

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体ヘリウム容器とこの液体ヘリウム容器
   を貫通する電流リード本体とからなる超電導装置の電流
   リードにおいて、液体ヘリウム容器内の圧力を調整する
   圧力調整管が液体ヘリウム容器の底壁を貫通し液体ヘリ
   ウム容器が収納される真空断熱容器内を通り外部に引き
   出されるヘリウムガス排出配管に連通してなることを特
   徴とする超電導装置の電流リード。
2. 【請求項２】圧力調整管が液体ヘリウム容器内の液体ヘ
   リウムに直接触れてなることを特徴とする請求項１記載
   の超電導装置の電流リード。
3. 【請求項３】一方の開口部が液体ヘリウム容器内の液体
   ヘリウムの液面を越え、他方の開口部が液体ヘリウム容
   器の底壁に到達する管が設けられ、この管の底壁に面し
   た開口部が底壁に液密に取付けられ、この管の中を圧力
   調整管が通り液体ヘリウム容器底壁を貫通してなること
   を特徴とする請求項１記載の超電導装置の電流リード。
4. 【請求項４】真空断熱容器に収納された液体ヘリウム容
   器とこの液体ヘリウム容器を貫通する電流リード本体か
   らなる超電導装置の電流リードにおいて、液体ヘリウム
   容器が電流リード本体によって真空断熱容器の上面から
   吊り下げられてなり、液体ヘリウム容器内の圧力を調整
   する圧力調整管が液体ヘリウム容器の上壁を貫通して真
   空断熱容器内を通り外部に引き出されるヘリウムガス排
   出配管に連通してなることを特徴とする超電導装置の電
   流リード。