(57)【要約】【課題】  液体ヘリウムの消費量を極小化して注液量を少なくするか、小型冷凍機で液体ヘリウムを消費しない装置を実現して、大型のへリウム冷凍機を不要とする超電導磁石装置を提供する。【解決手段】  真空断熱容器４に収納され、液体ヘリウム３に浸漬された超電導コイル１または液体へリウムを使用しない伝導冷却式の超電導コイルを有する超電導磁石装置において、超電導コイル１に外部電源からの電流を導く電流リードを、銅導体または銅合金導体からなる常温側電流リード１０と、高温超電導体からなる中間電流リード９ａと、高温超電導体からなる低温側電流リード８とを直列に接続して構成すると共に、中間電流リード９ａ及び低温側電流リード８は、断熱真空領域中に配置され、電流リードの内部に冷却ガスまたは液体を通すことなく、中間電流リードと低温側電流リードとの接続部１１を小型冷凍機１２で冷却する構成とする。【選択図】        図１
2006324325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空断熱容器に収納され、液体ヘリウムに浸漬された超電導コイルまたは液体へリウムを使用しない伝導冷却式の超電導コイルを有する超電導磁石装置において、上記超電導コイルに外部電源からの電流を導く電流リードを、銅導体または銅合金導体からなる常温側電流リードと、高温超電導体からなる中間電流リードと、高温超電導体からなる低温側電流リードとを直列に接続して構成すると共に、上記中間電流リード及び低温側電流リードは、断熱真空領域中に配置され、上記電流リードの内部に冷却ガスまたは液体を通すことなく、上記中間電流リードと低温側電流リードとの接続部を小型冷凍機で冷却するようにしたことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
上記中間電流リードを銅導体で構成したことを特徴とする請求項１記載の超電導磁石装置。
【請求項３】
上記中間電流リードを燐脱酸銅または銅合金導体で構成したことを特徴とする請求項１記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
上記真空断熱容器内に二重の輻射シールドを設けると共に、へリウム槽を小型冷凍機で冷却することにより、液体ヘリウムを消費しないヘリウム再凝縮型としたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の超電導磁石装置。
【請求項５】
上記常温側電流リードを断熱真空中で液体窒素配管からの熱伝導により冷却することを特徴とする請求項４記載の超電導磁石装置。
【請求項６】
上記低温側電流リードと中間電流リードとの接続部を冷却する小型冷凍機の高温側ステージから、上記中間電流リードの中間部を冷却するようにしたことを特徴とする請求項５記載の超電導磁石装置。
【請求項７】
上記常温側電流リードの冷却を大気側に設けた液体窒素配管及び伝熱体から冷却することを特徴とする請求項４または請求項６記載の超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超電導磁石装置、特に加速器用、核融合用、産業用などの超電導装置において、断熱真空容器に収納された超電導コイルに外部電源からの励磁電流を通電する電流リードの構成、冷却を含む超電導磁石装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導装置の超電導コイルは、液体ヘリウム等の極低温冷媒により冷却されるか、小型冷凍機による伝導で冷却されることにより超電導状態を保持するので、幅射シールドや多層断熱層を備えた真空断熱容器中に収納されている。この超電導コイルを励磁するためには、真空断熱容器に電流リードを組み込み、外部電源と接続して励磁電流を通電する。
【０００３】
このとき、常温部と極低温部とを連結することになるので、この電流リードを介して極低温部へ侵入する熱が多いと、高価な液体ヘリウムを大量に消費することになり、大型の超電導磁石装置では専用の大型ヘリウム冷凍機が必要となる。
【０００４】
従って、電流リードは自身による熱侵入により気化した低温のへリウムガスを利用して自己冷却され、常温側からの伝導による熱侵入、及び通電に伴うジュール発熱が極低温部へ侵入するのを極力抑制するように配慮して構成されている。
【０００５】
電流リードの導体には、一般に、銅あるいは銅合金等の良電導体の金属が使用されてきたが、高温超電導体が発見されると共に、その極めて高い臨界温度（超電導状態を保持できる上限の温度）を有効に活用すれば液体窒素温度状態でも超電導状態を保持できるため、低温部分におけるジュール発熱がゼロとなること、高温超電導体の熱伝導率が銅の1/100と小さく、熱侵入量を抑制できることが期待され、高温超電導体を用いた電流リードの開発が行われている。（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３４００２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図７は、特許文献１に示された従来の電流リードを適用した超電導装置の例を示す断面構成図である。図７において、超電導コイル１は図示しない液体ヘリウム容器に収容され、輻射シールド６が施されて断熱真空容器４内に収容されている。
【０００８】
超電導コイル１は、金属系超電導導体からなる低温側電流リード２７、高温超電導導体からなる中間リード９ａ、常温側電流リード１０を介して、図示しない外部電源に接続されている。小型冷凍機１２ａの高温ステージ２８ａは、高温側電流リード１０と中間電流リード９ａの接続部及び幅射シールド６を冷却し、低温側ステージ２８ｂは超電導コイル１及び低温側電流リード２７の低温端を冷却している。
【０００９】
上記の構成によれば、高温超電導導体の採用により、熱侵入が低減されるが、電流リードが太くなる大電流の装置においては、液体ヘリウム容器への熱侵入を十分小さく出来ず、また高温超電導導体の使用温度が高いため、通電容量が制限されるという問題点があった。
【００１０】
このため、大電流装置では小型冷凍機で冷却をまかなうことが出来ず、大型のヘリウム冷凍機が必要となり、システムの簡略化が困難であった。またヘリウムを注液する方式の超電導磁石装置においても液体ヘリウムの消費量が多く、運転に必要な液体ヘリウム費用の削減が出来ないという問題点があった。
【００１１】
この発明は、上記のような問題点を解消し、比較的電流の大きい数キロアンペアレベルあるいはそれ以上の超電導磁石装置においても、液体ヘリウムの消費量を極小化して注液量を少なくするか、小型４Ｋ冷凍機で液体ヘリウムを消費しない装置を実現して、大型のへリウム冷凍機を不要とする超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【００１２】
また、電流リード部の構造を簡略化して、この装置に適した製造方法を提供すると共に、運転保守を容易にする手段をも提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る超電導磁石装置は、真空断熱容器に収納され、液体ヘリウムに浸漬された超電導コイルまたは液体へリウムを使用しない伝導冷却式の超電導コイルを有する超電導磁石装置において、上記超電導コイルに外部電源からの電流を導く電流リードを、銅導体または銅合金導体からなる常温側電流リードと、高温超電導体からなる中間電流リードと、高温超電導体からなる低温側電流リードとを直列に接続して構成すると共に、上記中間電流リード及び低温側電流リードは、断熱真空領域中に配置され、上記電流リードの内部に冷却ガスまたは液体を通すことなく、上記中間電流リードと低温側電流リードとの接続部を小型冷凍機で冷却するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、液体ヘリウムの消費量を極小化して注液量を少なくするか、小型４Ｋ冷凍機で液体ヘリウムを消費しない装置を実現することができ、大型のヘリウム冷凍機を不要とすることができる。また、電流リード部の構造が簡略化され、運転保守が容易となるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。この図に示すように、超電導コイル１は液体ヘリウム容器２に収納され、室温からの熱侵入を減らすため、幅射シールド６で覆われ断熱真空容器４に収容されている。
【００１６】
液体ヘリウム容器２にはヘリウム槽５が結合され、液体ヘリウム液注管１６を介して液体ヘリウム３が注入されるようになっている他、ヘリウムガス排気管１７を介してヘリウムガス３Ｇが排出されるように構成されている。
【００１７】
超電導コイル１に接続された超電導線コイルリード７には、高温超電導体で構成された低温側電流リード８及び中間電流リード９ａと銅導体または銅合金導体で構成された常温側電流リード１０を直列に接続して構成された電流リードが接続されている。ヘリウム槽５には、またフィードスルー１３が設けられており、このフィードスルー１３を通して、超電導線コイルリード７が断熱真空領域１５に取り出されている。
【００１８】
低温側電流リード８は一端がこの超電導線コイルリード７と接続されている。また、低温側電流リード８と中間電流リード９ａの接続部付近は小型冷凍機１２で冷却され、液体窒素温度よりかなり低い温度（例えば１０Ｋ）まで冷却される。図１では、中間端子１１が図示されていない電気絶縁を介して、小型冷凍機１２の低温側ステージに熱的に接触している状態を例示している。
【００１９】
常温側電流リード１０はフィードスルー１３から大気側に取り出され、大気側に設けられた液体窒素ジャケット１９中の液体窒素１８とその蒸発ガスで冷却されるようになっている。２０は液体窒素ジャケット１９に設けられた液体窒素注液管、１４は常温側電流リード１０に設けられた常温側端子を示す。
【００２０】
次に、実施の形態１の動作について説明する。常温側電流リード１０と超電導線コイルリード７の間を低温側電流リード８と中間電流リード９ａで接続し、８と９ａの間を繋ぐ中間端子１１を小型冷凍機１２によって冷却している。
【００２１】
中間電流リード９ａは高温超電導体で構成されているが、使用される温度範囲が低温側電流リード８より高いため、低温側電流リード８より通電容量の大きいものが必要である。
中間電流リード９ａからの侵入熱は、小型冷凍機１２で冷却される。小型冷凍機１２の冷却能力は液体ヘリウム容器２の温度（4.5Ｋ程度）で動作した場合より、温度が高い中間端子１１の部分に取り付けて動作した場合の方が、冷却能力が大きくなり、効率的に熱を除去出来るようになる。
【００２２】
以上のように、実施の形態１によれば、低温側電流リード８の高温端（中間端子１１側）の温度が下がり、液体ヘリウム容器２への熱侵入が大幅に低下すると共に、低温側電流リード８全体の温度が下がるため、高温超電導体の性能を更に引き出すことが出来、通電容量を大きくすることが出来る。つまり、電流値が数キロアンペアまたはそれ以上となっても、低熱侵入を実現することが出来る。
【００２３】
また、実施の形態１では高温超電導体からなる低温側電流リード８を断熱真空中に配置しているので、万一損傷した場合でも、断熱真空容器４のアクセスポート（図示せず）を空け、交換などの作業を容易に行うことができる。
【００２４】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図２は、実施の形態２による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。この図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、図１における中間電流リード９ａを銅導体で構成した中間電流リード９ｂとした点である。
【００２５】
実施の形態２において、ヘリウム槽５の低温側への熱侵入量Qc2を最小にするためには、中間電流リード９ｂ（以下リード９ｂという）の長さＬとリード９ｂの断面積の比を最適化する必要がある。以下その理由を説明する。
リード９ｂの熱伝導方程式は、
【００２６】
【数１】
2006324325.tif 000003
【００２７】
と書ける。ここで，ｘはリード９ｂの長さ方向の位置、Ｔは位置xにおけるリード９ｂの温度、λ(T)は温度Tにおけるリード９ｂの熱伝導率、ρ(T)は温度Tにおけるリード９ｂの電気抵抗率、Ｉはリード９ｂに流れる電流、Ｓはリード９ｂの断面積である。λ、ρを一定として(1)式を(2)，(3)の境界条件で解くと、
低温側への熱侵入量Qc2を最小にするためにはリード９ｂの長さＬと面積Sを
【００２８】
【数２】
2006324325.tif 000004
【００２９】
とする必要があることが判る。実際、リード９ｂを銅（通常は電気銅）とした場合、目的とする温度領域（20から80ケルビン(K)）で、λ＝1000W/Km、ρ＝6×10−10Ωmであることから、  Ｌ=1.41×107S/Ｉとすればよいことが判る。
【００３０】
リード９ｂを銅(電気銅)とした場合、高温超電導体で構成する場合より大幅にコストダウンできる。液体へリウム容器２への熱侵入は、主として低温側リードによって決まるため、リード９ｂを銅とした場合でも熱侵入量をほとんど変化させずにすむ。
【００３１】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３は、図２におけるリード９ｂを燐脱酸銅または銅合金で構成したものである。図示は省略する。
実施の形態３において、ヘリウム槽５の低温側への熱侵入量Qc2を最小にするためには、リード９ｂの長さＬとリード９ｂの断面積の比を最適化する必要がある。以下その理由を説明する。リード９ｂの熱伝導方程式は、
【００３２】
【数３】
2006324325.tif 000005
【００３３】
と書ける。ここで、ｘはリード９ｂの長さ方向の位置、Ｔは位置xにおけるリード９ｂの温度、λ(T)は温度Tにおけるリード９ｂの熱伝導率、ρ(T)は温度Tにおけるリード９ｂの電気抵抗率、Ｉはリード９ｂに流れる電流、Ｓはリード９ｂの断面積である。λ、ρを一定として(5)式を(6)，(7)の境界条件で解くと、
低温側への熱侵入量Qc2を最小にするためにはリード９ｂの長さＬと面積Sを
【００３４】
【数４】
2006324325.tif 000006
【００３５】
とする必要があることが判る。燐脱酸銅とした場合、λ＝96W/Km、ρ＝3.7×10-10Ωｍであることから、Ｌ=1.76×106S/Ｉとすればよい。
【００３６】
今、装置の電流値として4000Aを考えるとき、リード９ｂの実用的な断面積400ｍm２に対して銅の場合は1.4mもの長さになるのに対して、燐脱酸銅の場合は0.18mが最適長さになる。銅の場合に比較してコンパクトで扱いやすくなるのは明白である。
なお、最適なL/Sを採用した場合の熱侵入量Qc2は
【００３７】
【数５】
2006324325.tif 000007
【００３８】
と書ける。リード９ｂを高温超電導体、銅導体、銅合金導体のいずれで構成するかは、通電電流、冷凍機の能力、製造コストなどを考慮して、それぞれの超電導磁石装置で選択し、性能と製造コストのバランスが取れた装置とすることが出来る。
【００３９】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を図にもとづいて説明する。図３は、実施の形態４による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。実施の形態１〜３においては、液体ヘリウム容器２内への侵入熱を液体ヘリウムの気化熱で吸収し、発生したヘリウムガスを放出する形として消費するヘリウム量を大きく削減したものであるが、実施の形態４は、幅射シールドを二重にし、小型冷凍機を追加することによって、液体ヘリウムの消費をさらに抑えるようにした再凝縮型の超伝導磁石装置とするものである。
【００４０】
図３において、２１は実施の形態４で追加した低温側の幅射シールド、１２ｂ、１２ｃは追加した小型冷凍機を示す。その他の構成は図１と同一であるため同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４１】
小型冷凍機の必要台数は装置の大きさにより決まり、小型装置では１２ｂの１台の追加でもよい。幅射シールド２１は小型冷凍機の高温側ステージで冷却されており、温度は３５Ｋ程度に設定される。輻射シールド６は図示されていない液体窒素、配管に流れる液体窒素で冷却されるようになっている。
【００４２】
なお、図３では液体へリウム３に浸漬された超電導コイル１について説明しているが、液体ヘリウム３を使用しない伝導冷却型の超電導コイル１を採用した装置でも同様の構造を適用することが可能である。
以上のように輻射シールドを６、２１で示すように、二重に形成し、小型冷凍機を追加することで、液体へリウム３の消費をさらに抑えた再凝縮型の超電導磁石装置とすることができる。
【００４３】
実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５を図にもとづいて説明する。図４は、実施の形態５による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。実施の形態４では、常温側電流リード１０を液体窒素ジャケット１９に溜められた液体窒素１８で冷却していたが、実施の形態５では、図４に示すように、常温側電流リード１０の大部分を断熱真空領域１５に置き、液体窒素配管２２から、伝熱体２３を介して冷却するようにしている。
【００４４】
液体窒素配管２２は常温側電流リード１０を冷却した後、輻射シールド６の冷却を行う。伝熱体２３と常温側電流リード１０は電気的に絶縁されている。
このように、真空中からの取り出しを常温で行うことにより、常温用フィードスルー２４を採用することができ、またフィードスルー周りの霜、氷結の問題を避けることが出来る。
【００４５】
実施の形態６．
次に、この発明の実施の形態６を図にもとづいて説明する。図５は、実施の形態６による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。この図において、図４と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図４と異なる点は、小型冷凍機１２の高温側ステージにサーマルアンカ２５を追加して、リード９ａの中間部を冷却することによって、より効率的な装置を実現するようにしたものである。サーマルアンカ２５は例えば銅の編組線などで構成する。
【００４６】
このように構成することにより、侵入熱を冷凍機能力の高い温度領域で除去することができ、中間端子１１の温度を下げることが出来る。これは低温側電流リード８の通電容量の増加、ヘリウム容器２内への熱侵入の低下に繋がり、より大電流の装置においてもヘリウムを消費しない超電導磁石装置の実現が可能となる。
【００４７】
実施の形態７．
次に、この発明の実施の形態７を図にもとづいて説明する。図６は、実施の形態７による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。実施の形態５及び６では、常温側電流リード１０を液体窒素配管２２から伝熱体２３を介して冷却していたが、実施の形態７では、図６に示すように常温側電流リード１０の大部分を大気側に置き、大気側で液体窒素配管２２及び伝熱体２３からの熱伝導で冷却するようにしたものである。
【００４８】
冷却部全体は結露防止材２６で覆い、結露及び氷結を防止するようにしている。
常温側電流リード１０の冷却部分を大気側に置くことにより、冷却性能の調整、当該部分の保守などが容易となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の実施の形態１による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態４による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態５による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態６による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態７による超電導磁石装置を模式化して示す断面図である。
【図７】従来の超電導磁石装置の例を示す断面構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  超電導コイル、  ２  液体ヘリウム容器、  ３  液体ヘリウム、
４  断熱真空容器、  ５  ヘリウム槽、  ７  超電導線コイルリード、
８  低温側電流リード、
９ａ、９ｂ  中間電流リード、  １０  常温側電流リード、  １１  中間端子、
１２、１２ｂ、１２ｃ  小型冷凍機、  １９  液体窒素ジャケット、
２１  低温側輻射シールド、  ２２  液体窒素配管、  ２３  伝熱体、
２４  常温用フィードスルー、  ２５  サーマルアンカ、  ２６  結露防止材。
【図１】
2006324325.tif 000008
【図２】
2006324325.tif 000009
【図３】
2006324325.tif 000010
【図４】
2006324325.tif 000011
【図５】
2006324325.tif 000012
【図６】
2006324325.tif 000013
【図７】
2006324325.tif 000014