(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温環境に冷却される超電導素子と、
この超電導素子を収容する低温容器と、
この低温容器に取り付けられてその低温容器の内部を冷却するための冷凍機と、
前記低温容器の壁を貫通して前記超電導素子に電気的に接続され、前記低温容器の外から供給される電流を前記超電導素子に供給するための電流リードと、
前記低温容器の壁と電流リードとの間に介在するように配置され、前記低温容器の壁と電流リードの間を電気的に絶縁する絶縁端子と、
前記電流リードのうちの前記低温容器の外側部分である電流リード室温端の周囲に配置されて電気絶縁された加熱器と、
を有することを特徴とする超電導装置。
【請求項２】
前記加熱器は電気ヒーターであって、
前記超伝導素子へ供給される電流が小さいときに前記電気ヒーターの発熱量が増大するように電気ヒーターを制御する制御装置をさらに有すること、
を特徴とする請求項１に記載の超電導装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温環境に冷却される超電導素子（超電導コイルを含む。以下、同様）を有する超電導装置であって、室温側の電源あるいは電力系統から超電導素子に対して電流を供給するための電流リードを具備する超電導装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導は、抵抗ゼロで大電流を流せるという特長を有するため、産業応用、医療応用、電力応用などさまざまな応用に向けた開発が進められている。従来の典型的な超電導装置において、超電導素子は、液体窒素、液体ヘリウムなどの冷媒に浸漬して冷却される（たとえば特許文献１参照）。また、冷媒を使用せずに冷凍機の冷却ステージへの熱伝導により冷却する方式もありうる。冷媒容器は、室温に置かれる断熱容器中に真空などの断熱空間を介して配置している。超電導素子を、常温側に置かれる電源あるいは電力系統と接続するために、電流リードが配置されている。
【０００３】
このような超電導装置を設計する上で、電流リードは重要な部品である。その理由は、熱設計の見地と絶縁設計の見地の両方にある。前者の熱設計での重要性は、電流リードが低温側、すなわち冷媒容器内部への熱侵入源となるからである。電流リードは室温側と低温側を結ぶため、通常銅などの金属が使用される。オーミック発熱（電気抵抗による発熱）を抑制するために電流リードの断面積を大きくし電気抵抗を小さくすると、オーミック発熱は減少するが、室温からの熱伝導による熱侵入が増加する。逆に、電流リードの断面積を小さくすると、室温からの熱伝導による熱侵入は低減するが、オーミック発熱が増加する。したがって、電流リードの断面積には最適値がある。
【０００４】
厳密には、定格電流値、電流リードの室温端から低温端までの長さ、断面積について、（電流値）×（長さ）／（断面積）を最適化する考え方が良く知られている。（電流値）×（長さ）／（断面積）を最適化した場合、室温端から低温端への電流リードによる熱侵入は、定格電流値１Ａの電流リードで、１本当たり０．０４５Ｗであり、この値は定格電流値に比例する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−３１２３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さて、このように設計された電流リードは、超電導機器に良く使われているが、以下に示す問題がある。
【０００７】
ここで取り上げる問題を一言で集約すると、電流リードの室温端が着霜しやすい、ということである。確かに、電流リードは、室温端は設計上文字通り室温付近の温度と考えて良いのだが、現実の運用では温度が低下してしまい、大気中の水分を凝縮させ、電流リード表面に水滴が付着することがある。特にこの現象は、電流リードに流れる電流が定格電流値よりも小さくなった場合に生じやすい。一般に、定格電流値は、想定される最大電流値を考えるが、実際の超電導装置の運用では、定格電流値よりも小さい電流が流れる状況が多いからである。
【０００８】
極端なケースでは、超電導コイルを極低温環境に冷却保持しておきながら、通電していない場合である。この状態でも、電流リードは室温端と低温端をつないでいるため、熱伝導により低温端に入熱がある。この熱侵入は、定格電流値１Ａの電流リードで、１本当たり約０．０３Ｗである。定格通電時と、定格未満の電流値の通電（最も極端なケースは非通電）時の違いは、前者の場合は電流リードのオーミック発熱が低温端への熱源になるのに対し、後者の場合には室温端から低温端へ熱伝導が熱源になることである（極端なケースである非通電時は、すべて熱伝導による入熱）。室温端から常時入熱するということは、電流リードの室温端表面で、大気より入熱していることになる。この状態は次のような式（１）で表わされる。
【０００９】
Ｑ  ＝  ｈＡ（Ｔａｉｒ  −  Ｔｌｅａｄ）      （１）
ここで、Ｑは入熱量［Ｗ］であり、非通電時では定格電流値１Ａの電流リードで、１本当たり約０．０３Ｗである。ｈは電流リード表面での対流熱伝達率［Ｗ／ｍ２・Ｋ］を表す。Ａは伝熱面積［ｍ２］、Ｔａｉｒは大気温度（室温）［Ｋ］、Ｔｌｅａｄは電流リードの室温端の温度［Ｋ］である。
【００１０】
上述した電流リード表面に水滴または霜が付着する現象は、式（１）で示す伝熱が充分でない場合、Ｔｌｅａｄで示される電流リードの室温端の温度が低下することで起きると考えられる。
【００１１】
電流リード表面に水滴または霜が付着すると、次のような問題を生ずる。
【００１２】
第一は、電流リード絶縁の低下の問題である。一般に電流リードの課電部は、対地電位にある容器室温部と何らかの絶縁物を介して繋がっている。その絶縁物表面を絶縁沿面とし、必要な距離を確保する必要がある。ところが、電流リード表面に水滴が着き、その水滴が絶縁沿面にまで滴ると、絶縁強度が低下する。乾燥状態よりも湿った状態の方が、絶縁耐力が低下するからである。
【００１３】
第二は、電流リード材料の腐食の問題である。電流リードの通電部は、銅などの金属を材料としている。電流リード表面に水滴または霜が付着する状態が長時間続くと、リード材料が錆を帯びるなどの問題を生ずる。
【００１４】
第三に、電流リード以外の材料の腐食の問題である。電流リード表面の水滴が、超電導装置の容器の表面に滴った場合、上記と同じく、金属材料が錆を帯びる問題を生ずる。さらには、容器表面から滴り落ち、床等に水滴が回った時、床材量が金属であれば、同様の問題を生ずる。
【００１５】
以上述べたように電流リード表面に水滴または霜が付着することは、超電導装置の長期信頼性を著しく欠く問題である。
【００１６】
本発明は、このようなに課題に鑑みてなされたものであり、超電導装置の電流リード表面に水滴または霜が付着することを抑制し、超電導装置の長期信頼性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明に係る超電導装置は、極低温環境に冷却される超電導素子と、この超電導素子を収容する低温容器と、この低温容器に取り付けられてその低温容器の内部を冷却するための冷凍機と、前記低温容器の壁を貫通して前記超電導素子に電気的に接続され、前記低温容器の外から供給される電流を前記超電導素子に供給するための電流リードと、前記低温容器の壁と電流リードとの間に介在するように配置され、前記低温容器の壁と電流リードの間を電気的に絶縁する絶縁端子と、前記電流リードのうちの前記低温容器の外側部分である電流リード室温端の周囲に配置されて電気絶縁された加熱器と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、超電導装置の電流リード表面に水滴または霜が付着することが抑制され、超電導装置の長期信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る超電導装置の第１の実施形態の模式的立断面図。
【図２】本発明に係る超電導装置の第２の実施形態の模式的立断面図。
【図３】本発明に係る超電導装置の第３の実施形態の模式的立断面図。
【図４】本発明に係る超電導装置の第４の実施形態の模式的立断面図。
【図５】本発明に係る超電導装置の第５の実施形態の模式的立断面図。
【図６】本発明に係る超電導装置の第６の実施形態の模式的立断面図。
【図７】本発明に係る超電導装置の第７の実施形態の模式的立断面図。
【図８】本発明に係る超電導装置の第８の実施形態の模式的立断面図。
【図９】図８のIX-IX線矢視拡大平断面図。
【図１０】本発明に係る超電導装置の第９の実施形態の模式的立断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る超電導装置の種々の実施形態に関して図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００２２】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る超電導装置の第１の実施形態の模式的立断面図である。低温容器４０は断熱容器１２とその内側の冷媒容器１４を有している。断熱容器１２と冷媒容器１４の間は真空１３になっていて、冷媒容器１４内に、液体ヘリウムなどの冷媒１５が収容されている。
【００２３】
冷媒１５内に浸漬されるように冷却ステージ１７が配置され、この冷却ステージ１７を冷却する冷凍機１６の冷却部４１が低温容器４０に取り付けられている。冷凍機１６は、低温容器４０の外側に配置された圧縮機２１および、冷却部４１と圧縮機２１とを連絡する配管２３ａ、２３ｂを含む。冷凍機１６はさらに、圧縮機２１で発生した熱を大気に排出するための空冷放熱器２２を有する。空冷放熱器２２は、好ましくは冷却ファン（図示せず）を有するが、自然対流による空冷であってもよい。
【００２４】
冷媒１５内に浸漬されるように超電導コイルなどの超電導素子１１が配置され、超電導素子１１に電流を供給するための電流リード１８ａ、１８ｂが冷媒容器１４および断熱容器１２の壁を貫通して低温容器４０の外側の電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂに延びている。電流リード１８ａ、１８ｂが断熱容器１２の壁を貫通する部分には絶縁端子１９が配置され、電流リード１８ａ、１８ｂと断熱容器１２の間の電気的絶縁を保持するとともに断熱容器１２の気密を保持する構造になっている。
【００２５】
この実施形態では、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの近傍に空冷放熱器２２が配置され、空冷放熱器２２で加熱された空気が電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂを加熱するように構成されている。空冷放熱器２２がファン（図示せず）を有する場合は、このファンによる空気の流れを考慮して空冷放熱器２２の下流側に電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂが位置するようにすればよい。
【００２６】
この実施形態によれば、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの周囲の空気温度が大気温度よりも高くなるので、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ表面の着霜を防止または抑制することができる。
【００２７】
［第２の実施形態］
図２は、本発明に係る超電導装置の第２の実施形態の模式的立断面図である。この第２の実施形態は第１の実施形態に比べて、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ表面にフィン４３を取り付けた点が異なる。フィン４３は、表面積を大きくするものであって、多数の板状や多数の針金状突起など種々のものがありうる。板状の場合は、空気の流れに沿って延びるものが好ましく、図２の例では、空気の流れがほぼ水平になるので、フィン４３は水平方向に延びる板状が好ましい。板状のフィン４３の形状は、たとえば電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの軸心を中心とする円板状である。電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ同士が近接している場合は、フィン４３同士の干渉を避けるために非軸対称形状としてもよい。
【００２８】
この実施形態によれば、第１の実施形態に比べて電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの表面積が増大するので空気から電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂへの入熱がさらに増えて電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの温度を高めることができるので、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ表面の着霜を防止または抑制する効果をさらに高めることができる。
【００２９】
［第３の実施形態］
図３は、本発明に係る超電導装置の第３の実施形態の模式的立断面図である。この第３の実施形態は、第１の実施形態（図１）における冷媒容器１４および冷媒１５を用いず、超電導素子１１と冷却ステージ１７とを伝熱板２６によって熱的に直接接続するものである。このような例であっても、第１の実施形態と同様に、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの近傍に空冷放熱器２２を配置し、空冷放熱器２２で加熱された空気が電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂを加熱するように構成することができる。
【００３０】
これにより、第１の実施形態と同様に、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの周囲の空気温度が高くなるので、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ表面の着霜を防止または抑制することができる。
【００３１】
［第４の実施形態］
図４は、本発明に係る超電導装置の第４の実施形態の模式的立断面図である。この第４の実施形態では、低温容器４０、冷凍機１６、電流リード１８ａ、１８ｂおよび絶縁端子１９を含む全体が収納容器２４内に収容されている。収納容器２４には空気出入り口２５が設けられている。この実施形態では、圧縮機２１および空冷放熱器２２の位置は、収納容器２４内であればどこでもよく、図４の例では、低温容器４０と並列して床面上に配置されている。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００３２】
この実施形態によれば、圧縮機２１の運転により収納容器２４内の環境温度が、大気温度に比べて高くなるので、これによって、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ表面の着霜を防止または抑制することができる。
【００３３】
［第５の実施形態］
図５は、本発明に係る超電導装置の第５の実施形態の模式的立断面図である。この第５の実施形態では、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂおよび絶縁端子１９が箱２７に覆われている。空冷放熱器２２で加熱された空気が、吹き込み口２８を通じて箱２７に導入され、その後、排出口２９を通じて排出されるように構成されている。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００３４】
この実施形態によれば、空冷放熱器２２によって加熱された空気が確実に電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ周辺に供給されるので、第１の実施形態に比べて、より確実に電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ周辺の空気温度を高めることができる。これによって、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ表面の着霜を、より確実に防止または抑制することができる。
【００３５】
［第６の実施形態］
図６は、本発明に係る超電導装置の第６の実施形態の模式的立断面図である。この第６の実施形態では、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの周囲に加熱器３０ａ、３０ｂが配置されている。加熱器３０ａ、３０ｂは、たとえば電気ヒーターである。電気ヒーターは、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂに対して電気絶縁する必要があり、たとえば絶縁被覆されたシーズヒーターを用いることができる。図６に示す例では加熱器３０ａ、３０ｂは電気ヒーターであって、加熱器電源５０に接続されている。加熱器電源５０は加熱器制御装置５１によって制御される。
【００３６】
この実施形態によれば、加熱器３０ａ、３０ｂにより、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの温度を高めることができる。これによって、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ表面の着霜を防止または抑制することができる。
【００３７】
特に本構成では、加熱器制御装置５１によって、電流リード１８ａ、１８ｂの通電電流の増減に従い、加熱器３０ａ、３０ｂの発熱量を変化させることができる。すなわち、定格電流値通電時に比べて通電電流が小さいとき、熱侵入量が減少した分を加熱器３０ａ、３０ｂの発熱で補えばよい。これにより、加熱器３０ａ、３０ｂによる電力消費および、電流リード１８ａ、１８ｂを通じて低温容器４０内に流入する熱量を必要最小限に抑制することができる。
【００３８】
［第７の実施形態］
図７は、本発明に係る超電導装置の第７の実施形態の模式的立断面図である。この第７の実施形態では、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの表面が絶縁体３１ａ、３１ｂでコーティングされている。絶縁体３１ａ、３１ｂは、電気絶縁材であるとともに熱伝導率の低い材料であって、たとえばエポキシ樹脂、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などである。
【００３９】
この実施形態によれば、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの表面が絶縁体３１ａ、３１ｂで覆われているので、ここでの着霜は回避できる。しかも、熱伝導率の低い絶縁体３１ａ、３１ｂ内部で温度勾配ができるため、絶縁体３１ａ、３１ｂ表面の温度は比較的高くなり、絶縁体３１ａ、３１ｂ表面および絶縁端子１９表面への着霜を抑制することができる。
【００４０】
［第８の実施形態］
図８は、本発明に係る超電導装置の第８の実施形態の模式的立断面図である。また、図９は、図８のIX−IX線矢視拡大平断面図である。
【００４１】
この第８の実施形態では、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの外側にフィン５３が取り付けられている。フィン５３は、表面積を大きくするものであって、多数の板状や多数の針金状突起など種々のものがありうる。板状の場合は、一般に空気の流れに沿って延びるものが好ましい。この実施形態では、フィン５３は周囲の空気よりも低温になるのでフィン５３周辺では下方へ向かう空気の自然対流が生じる。したがって、フィン５３は、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの外側に向かって放射状に鉛直方向に延びる形状が好ましい。通常は、複数のフィン５３が周方向に等間隔で軸対称に配列されるのが好ましい。しかし、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ同士が近接している場合は、フィン５３同士の干渉を避けるために非軸対称の配置としてもよい。
【００４２】
この実施形態によれば、フィン５３がない場合に比べて、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの実効的表面積が増大するので空気から電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂへの入熱が増え、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの温度を高めることができる。これにより、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂ表面の着霜を防止または抑制することができる。
【００４３】
式（１）において、たとえば、電流リード１８ａ、１８ｂの通電定格値１Ａあたり０．００１平方メートルとし、自然対流の熱伝達率ｈの代表的な値として約３Ｗ／ｍ２．Ｋとすると、通電定格値１Ａあたり、非通電時の熱侵入量が０．０３Ｗなので、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの表面積（フィン５３の表面積を含む）を通電定格値１Ａあたり０．００１平方メートル以上確保すれば、大気と電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂとの温度差を１０Ｋ以下にすることができる。この結果、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの表面温度低下を抑制でき、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの表面が着霜することを抑制することができる。
【００４４】
［第９の実施形態］
図１０は、本発明に係る超電導装置の第９の実施形態の模式的立断面図である。この第９の実施形態では、電流リード１８ａ、１８ｂが断熱容器１２の壁を貫通する部分に、絶縁端子３３ａ、３３ｂが配置され、電流リード１８ａ、１８ｂと断熱容器１２の間の電気的絶縁を保持するとともに断熱容器１２の気密を保持する構造になっている。絶縁端子３３ａ、３３ｂの室温部すなわち断熱容器１２の上面から突出した部分は、全体が円錐面状に傾斜している。
【００４５】
この実施形態によれば、電流リード室温端１１８ａ、１１８ｂの表面に水滴が付き、その水滴が絶縁端子３３ａ、３３ｂに滴り落ちても、傾斜により断熱容器１２側に落とすことができ、これにより、絶縁端子３３ａ、３３ｂ表面に水が付着することによる沿面絶縁の低下を抑制できる。
【００４６】
［他の実施形態］
以上、本発明に係る超電導装置の種々の実施形態について説明したが、これらは単なる例示であって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００４７】
また、上述の実施形態の特徴を種々に組み合わせることも可能である。
【００４８】
たとえば、第２の実施形態（図２）のフィン４３を第３〜第５の実施形態に適用することも可能である。また、第２および第４〜第８の実施形態はいずれも第１の実施形態と同様の冷媒容器１４と冷媒１５とを用いる場合についての例であるが、第２および第４〜第８の実施形態の特徴を第３の実施形態と同様の伝熱板２６を用いる場合に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１１…超電導素子（超電導コイル）
１２…断熱容器
１３…真空
１４…冷媒容器
１５…冷媒
１６…冷凍機
１７…冷却ステージ
１８ａ，１８ｂ…電流リード
１９…絶縁端子
２１…圧縮機
２２…空冷放熱器
２３ａ，２３ｂ…配管
２４…収納容器
２５…空気出入り口
２６…伝熱板
２７…箱
２８…ガス吹き込み口
２９…ガス排出口
３０ａ，３０ｂ…加熱器
３１ａ，３１ｂ…絶縁体
３３ａ，３３ｂ…絶縁端子
４０…低温容器
４１…冷却部
４３…フィン
５０…加熱器電源
５１…加熱器制御装置
５３…フィン
１１８ａ，１１８ｂ…電流リード室温端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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