(57)【要約】【課題】超電導コイルの近傍に設置しても、通電容量の低下や局部加熱が回避され、安定して運転できるものを得る。【解決手段】良導電性金属材料を用いた室温側リード７と、テープ状酸化物超電導線よりなる複数のユニット導体４の並列接続体を用いた低温側リード８とからなる電流リード１において、複数のユニット導体４をその幅広面を同一方向に向けて支持部材５の溝中に埋設して低温側電流経路を構成し、上記のユニット導体４が超電導コイル２の発生磁界を幅広面に平行に受けるよう配置して、超電導コイル２に連結することとする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温に冷却された超電導機器に室温にある電源より電力を供給する超電導装置用電流リードで、室温側電流経路と低温側電流経路との直列接続体よりなり、室温側電流経路が良導電性金属材料により構成され、低温側電流経路がテープ状酸化物超電導線よりなる複数本のユニット導体の並列接続体により構成された超電導装置用電流リードにおいて、
複数本のユニット導体のテープ状酸化物超電導線が幅広面を同一方向に向けて配置されていることを特徴とする超電導装置用電流リード。
【請求項２】
超電導コイルに電力を供給する超電導装置用電流リードで、複数本のユニット導体のテープ状酸化物超電導線が、その幅広面を前記ソレノイド型超電導コイルの半径方向に略一致するように配置して組込まれていることを特徴とする請求項１に記載の超電導装置用電流リード。
【請求項３】
低温側電流経路を構成する複数本のユニット導体が、低熱伝導性金属材料よりなる支持部材に設けられた溝中に埋設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導装置用電流リード。
【請求項４】
前記ユニット導体が、外表面に金属薄膜を形成した支持部材の溝中に、金属薄膜を介してはんだ付け接続されていることを特徴とする請求項３に記載の超電導装置用電流リード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導エネルギー貯蔵用超電導コイルや超電導限流器、超電導ケーブル、超電導発電機、超電導変圧器などの超電導装置において、室温にある電源から極低温に冷却された超電導機器へと電力を供給する電流リードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導コイルは、物性研究用装置や磁気共鳴装置などに利用されており、磁気浮上列車や核融合用磁気閉じ込め装置等にも応用されつつある。しかしながら、超電導コイルは極低温中に置かれて使用され、室温に置かれた電源より電力を供給して運転されるので、電力を供給する電流リードを介して極低温域に侵入する熱を抑えることが重要課題となっている。すなわち、冷媒としてしばしば用いられる液体ヘリウムは、１リットルの値段が約１０００円にもなる高価な液体であり、また、１Ｗの侵入熱により蒸発した液体ヘリウムを冷凍機により再液化するために必要な冷凍機入力は、理想的な条件においても約４００Ｗ、実際には約１０００Ｗに達する。したがって、電流リードを介しての侵入熱が多いと、液体ヘリウムの購入等に伴うコストが上昇するばかりでなく、再液化に用いる冷凍機が大型化、大容量化するので、超電導装置の利点である小型化、少電力化を実現させるには、電流リードの低熱侵入化が重要課題となる。
【０００３】
このため、各種の超電導装置の開発に際し、その実用化の可能性を左右するものとして低熱侵入の電流リードの開発が進められ、いわゆる高温超電導材料の発見に伴い、これを低温側の電流経路に用いた高温超電導電流リードが開発されてきている。
図２は、従来の高温超電導電流リードを用いた超電導磁石装置の縦断面図である。極低温容器３の内部に超電導コイル２が収納され、図示しない液体ヘリウム等の冷媒により冷却されている。超電導コイル２には室温部に配された図示しない電源より電力を供給するための一対の電流リード１が組込まれている。この電流リード１は、いわゆる高温超電導電流リードで、良導電性金属材料を電流経路とする室温側リード７と高温超電導材料を電流経路とする低温側リード８との直列接続体により構成されている。図３は、図２に組み込まれた電流リード１のＹ−Ｙ断面図、すなわち高温超電導材料を電流経路とする低温側リード８の断面図である（例えば、特許文献１、あるいは特許文献２を参照）。図３に見られるように、低温側リード８は、銀シース型のテープ状高温超電導線材からなる複数本のユニット導体４Ａを円筒状の支持部材６の表面に幅広面が円筒座標系の周方向と平行になるように配置して構成されている。ユニット導体４Ａとして用いられているテープ状高温超電導線材の臨界電流値は磁界の影響を受け、特に幅広面に垂直方向の磁界を受けると臨界電流値が著しく低下する。このため、上記のごとくユニット導体４Ａを配列することによって、電流リード１で生じる自己磁界の方向と幅広面とを平行にし、垂直方向の磁界成分を少なくして臨界電流値の低下を抑えている。なお、室温側リード７には、良導電性金属材料である銅線を複数本束ねて構成した銅製リードがしばしば用いられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１８８６９１号公報
【特許文献２】
特開平１１−２６０１６２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来の高温超電導電流リードでは、円筒状の支持部材の表面に複数のテープ状高温超電導線材を幅広面が円筒座標系の周方向と平行になるように配置して低温側リードを構成し、自己磁界による臨界電流値の低下を抑えている。しかしながら、このように構成した高温超電導電流リードにおいても、例えば図２に示したごとく超電導コイル２に接続して用いれば、超電導コイル２の発生する磁界の影響を受けて不具合が生じる危険性がある。すなわち、図２に示したごとき超電導コイル２においては、コイルの内側に、例えば図中の上方向への磁界が生じ、コイルの外側にその逆方向、例えば図中の下方向への磁界が生じ、コイルの巻線の上端、下端には径方向の磁界が生じる。したがって、図２に示されたごとく配置された電流リード１の低温側リード８には、図３に矢印付き細線で示したごとき超電導コイル２からの磁界が加わることとなる。このため、図３中にＡで示した領域の近傍（領域Ａ）に配されたユニット導体４Ａのテープ状高温超電導線材は、超電導コイル２からの磁界を幅広面に平行に受け、図３中にＢで示した領域の近傍（領域Ｂ）に配されたユニット導体４Ａのテープ状高温超電導線材は、超電導コイル２からの磁界を垂直に受けることとなる。既に述べたように、テープ状高温超電導線材においては、幅広面に垂直方向の磁界を受けると臨界電流値が著しく低下するので、領域Ａのユニット導体４Ａは超電導コイル２からの磁界の影響を受けないが、領域Ｂのユニット導体４Ａは超電導コイル２からの磁界により臨界電流値が著しく低下する。このため、領域Ａのユニット導体４Ａには電流が多く流れ、領域Ｂのユニット導体４Ａにはあまり流れないという偏流が生じることとなる。このように偏流が生じると、電流リードとしての通電容量が低下するばかりでなく、室温側リード７との接続部の接続抵抗による発熱にバラツキが生じ、局部的な加熱を引起す危険性がある。
【０００６】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題点を考慮してなされたもので、テープ状高温超電導線材からなる複数のユニット導体を用いて構成される低温側リードが超電導コイルの近傍に設置されるものにおいても、複数のユニット導体間の偏流の発生が防止され、かつ通電容量の低下や接続抵抗による局部的加熱が回避され、安定して運転できる超電導装置用電流リードを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
極低温に冷却された超電導機器に室温にある電源より電力を供給する超電導装置用電流リードで、室温側電流経路と低温側電流経路との直列接続体よりなり、室温側電流経路が良導電性金属材料により構成され、低温側電流経路がテープ状酸化物超電導線よりなる複数本のユニット導体の並列接続体により構成された超電導装置用電流リードにおいて、
（１）上記の複数本のユニット導体のテープ状酸化物超電導線を、幅広面を同一方向に向けて配置することとし、
（２）超電導コイルに電力を供給する超電導装置用電流リードにおいては、複数本のユニット導体のテープ状酸化物超電導線が、その幅広面を超電導コイルの半径方向に略一致するように配置して組込むこととする。
【０００８】
（３）また、上記の（１）、（２）において、低温側電流経路を構成する複数本のユニット導体を、低熱伝導性金属材料よりなる支持部材に設けられた溝中に埋設することとし、さらに、
（４）ユニット導体を、外表面に金属薄膜を形成した支持部材の溝中に、金属薄膜を介してはんだ付け接続することとする。
上記（１）のごとく電流リードを構成すれば、ユニット導体のテープ状酸化物超電導線の幅広面が超電導機器の発生磁界に平行となるように配して組込むことによって、超電導機器の発生磁界によるテープ状酸化物超電導線の臨界電流の低下が抑えられ、ユニット導体間の偏流を生じることなく、各ユニット導体に均等に電流が流れることとなる。例えば、超電導コイルに電力を供給する超電導装置用電流リードにおいては、上記の（２）のごとく配置して組込むことにより、テープ状酸化物超電導線の臨界電流の低下が抑えられ、偏流を生じることなく各ユニット導体に均等に電流が流れることとなる。
【０００９】
また、上記の（３）のごとくユニット導体を支持部材の溝中に埋設すれば、磁界との相互作用により働く電磁力が安定に支持されるとともに、万が一何らかの要因によりテープ状酸化物超電導線がクエンチ（常伝導遷移）を生じても、電流が支持部材にバイパスして通流するので破損が回避される。なお、支持部材は低熱伝導性金属材料によって形成されているので、本支持部材を介しての侵入熱は微量に抑えられる。特に、上記の（４）のごとくとすれば、支持部材がはんだ付けの困難なステンレスやチタン等の金属材料で形成されている場合においても、ユニット導体と支持部材とを電気的にも、また機械的にも強力に接合することができるので、電磁力の支持とクエンチ時の電流バイパスが安定して行われる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を例を挙げて詳しく説明する。なお、本発明は、この実施例に制限されるものではなく、同一の基本理念に基づく構成に広く適用される。
図１は、本発明の実施例の構成図で、（ａ）は、本発明の超電導装置用電流リードを組込んだ超電導磁石装置の縦断面図、（ｂ）は、（ａ）に示された超電導装置用電流リードの低温側電流経路のＸ−Ｘ面の断面図である。図１（ａ）に見られるように、本超電導磁石装置においては、極低温容器３の内部に超電導コイル２が収納され、その超電導コイル２へ図示しない電源から電力を供給する電流リード１が組込まれている。電流リード１は、電流経路が良導電性金属材料により構成された室温側リード７と、電流経路がテープ状酸化物超電導線よりなるユニット導体４で構成された低温側リード８との直列接続体として構成されている。このうち、低温側リード８は、図１（ｂ）に見られるように、複数本の銀シース型のテープ状酸化物超電導線からなるユニット導体４をステンレス材料よりなる支持部材５の溝中に埋設し、はんだ付け接続して構成されており、本構成の低温側リード８の特徴は、複数のユニット導体４が幅広面を同一方向に向けて配列されていることにある。また、図１（ａ）に示した超電導磁石装置の特徴は、上記の電流リード１が、低温側リード８のユニット導体４の幅広面を超電導コイル２の半径方向とほぼ一致するように配置して組込まれていることにある。
【００１１】
したがって、本装置では、電流リード１の低温側リード８が超電導コイル２に近接して配置されているが、超電導コイル２の発生する磁界の方向は低温側リード８のユニット導体４の幅広面と平行な方向になるため、ユニット導体４のテープ状酸化物超電導線の臨界電流の低下は微小に抑えられる。また、複数のユニット導体４に加わる磁界の強さはほぼ同一となるので、各ユニット導体４にほぼ均等に電流が流れ、偏流を生じる恐れはない。したがって、従来の電流リードに見られたような、外部磁界による低温側リードのユニット導体間の通電電流の偏流に起因する通電容量の低下や局部的加熱を生じることなく、安定して使用することができる。
【００１２】
なお、上記の低温側リード８のユニット導体４が埋設されている支持部材５は、電磁力等のユニット導体４に加わる力を支持する役割を果す。したがって、剛性の高いステンレス材料により構成すれば効果的に支持され、特に図１（ｂ）に示したごとく溝中にユニット導体４を埋設すれば、より効果的に支持される。また、ステンレス材料は低熱伝導性の材料であるため、支持部材を介しての侵入熱を微小に抑えることができる。
また、支持部材５は、何らかの要因でユニット導体４のテープ状酸化物超電導線がクエンチを生じた際には、安全を確保するために電流をバイパスして流す役割を持つ。このため、本実施例の構成では、銀シース型のテープ状酸化物超電導線からなるユニット導体４と支持部材５とをはんだ付け接続して電気的にも良好に接着している。なお、このステンレス材料やチタン等の金属材料のように直接はんだ付けをすることが困難な材料からなる支持部材５を用いる場合には、あらかじめその接着面に銅や銅合金の薄膜を形成し、その薄膜面とユニット導体４とをはんだ付けして構成することによって、強固な接着が得られる。
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、
極低温に冷却された超電導機器に室温にある電源より電力を供給する超電導装置用電流リードを、
（１）請求項１に記載のごとく構成することとしたので、低温側リードを構成するユニット導体のテープ状酸化物超電導線の幅広面が超電導機器の発生磁界に平行となるように配して組込むことによって、超電導機器の発生磁界によるテープ状酸化物超電導線の臨界電流の低下が抑えられることとなったので、複数のユニット導体間の偏流の発生が防止され、かつ通電容量の低下や接続抵抗による局部的加熱が回避され、安定して運転できる超電導装置用電流リードが得られることとなった。
【００１４】
（２）また、請求項２のごとく構成すれば、超電導コイルを用いる超電導機器用として特に好適な超電導装置用電流リードが得られる。
（３）また、請求項３のごとく構成すれば、低温側リードを構成するユニット導体に加わる電磁力が安定に支持されるとともに、万が一何らかの要因によりテープ状酸化物超電導線がクエンチを生じても、電流が支持部材にバイパスして破損が回避されるので、通電容量の低下や接続抵抗による局部的加熱が回避され、安定して運転できる超電導装置用電流リードとして好適である。
（４）また、請求項４のごとく構成すれば、ユニット導体と支持部材とが電気的、機械的にも強力に接合され、電磁力の支持とクエンチ時の電流バイパスが安定して行われるので、通電容量の低下や接続抵抗による局部的加熱が回避され、安定して運転できる超電導装置用電流リードとしてより好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の超電導装置用電流リードを組込んだ超電導磁石装置の縦断面図、（ｂ）は、（ａ）に示された超電導装置用電流リードの低温側電流経路のＸ−Ｘ面の断面図
【図２】従来の高温超電導電流リードを用いた超電導磁石装置の縦断面図
【図３】図２に組み込まれた電流リードのＹ−Ｙ断面での断面図
【符号の説明】
１    電流リード
２    超電導コイル
３    極低温容器
４    ユニット導体
５    支持部材
７    室温側リード
８    低温側リード
【図１】
2004335160.tif 000003
【図２】
2004335160.tif 000004
【図３】
2004335160.tif 000005