(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒で冷却されるロッド状の超電導導体と、金属端子と、前記ロッド状の超電導導体と前記金属端子とを接続するための接続部材と、前記ロッド状の超電導導体を収納するとともにその内周面が前記超電導導体に密に接触される管状の補強部材とを備えた超電導電流リードであって、
前記補強部材に、その内周面から外周面に向けて冷媒が流通するための冷却孔が穿孔されたことを特徴とする超電導電流リード。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導電流リードであって、
前記補強部材に、該補強部材の長手方向に沿って前記内周面に冷媒が流通するための冷却溝が形成されたことを特徴とする超電導電流リード。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超電導電流リードであって、
前記補強部材に、該補強部材の長手方向に沿って前記内周面に前記冷却溝が形成され、かつ該冷却溝の底面から前記外周面に向けて前記冷却孔が穿孔されたことにより、冷媒が前記冷却孔から前記冷却溝に向けて流通自在とされたことを特徴とする超電導電流リード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温の冷媒中に浸漬された超電導機器に給電するための超電導電流リードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、交流超電導コイル、超電導変圧器などの超電導機器は、液体ヘリウム等の極低温冷媒中に浸漬して用いられ、それらの機器から導出された超電導線は、冷媒中で外部電源から導かれた電流リード線に接続されている。
ここでの電流リード線としては、常電導性のものよりも超電導性のものの使用が望ましいとされている。
そこで、超電導電流リード線としてロッド状の超電導導体の使用が考えられており、このロッド状の超電導導体と、ロッド状の超電導導体と他の機器とを接続するためにロッド状の超電導導体の両端に設けられた金属端子を備えた超電導リードについて本発明者等は研究している。
この研究に基づく超電導電流リードを図面を参照して以下に説明する。
【０００３】
図３は本発明者等が研究用に用いている超電導電流リードの構造を示すもので、超電導電流リード１には、ロッド状の超電導導体２の一端部２ａに接続部材５を介して金属端子３を接続し、ロッド状の超電導体２の他端部２ｂに接続部材５を介して金属端子４を接続し、更にこれら金属端子３、４にこれらを連結する補強部材６をボルトなどの接合具７により固定することで構成されている。
【０００４】
接続部材５は、超電導電流リード１が液体窒素、液体ヘリウム等の極低温の冷媒中で使用されたときに、超電導導体２が収縮して、この収縮による機械的な応力が超電導導体２自体にかかって超電導導体２が損傷してしまうのを防ぐためのものであって、超電導導体２の収縮にあわせて自身が変形することにより、超電導導体２の収縮による機械的応力を吸収することができるようになっている。
接続部材５は、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ等の金属片からなるフレキシブルなものであり、接続部材５の両端部５ａ，５ｂには金属端子３、４の凸部３ａ、４ａの形状や、超電導導体２の端部２ａ、２ｂの形状に合せた曲面が形成されている。前述のような一対の接続部材５を介して超電導導体２と金属端子３、４とを接続するには、接続部材５をある程度変形させた状態で、かつ互いに曲面を対向させた状態で配設し、超電導導体２の一端部２ａ及び他端部２ｂと接続部材５の一端部５ａとをハンダ付けなどにより接続し、金属端子３、４の凸部３ａ、４ａと接続部材５の他端部５ｂとをハンダ付けなどにより接続する。
【０００５】
補強部材６は、繊維強化プラスチック等からなる管状のものであり、この補強部材６に、超電導導体２、接続部材５及び金属端子３、４の凸部３ａ、４ａを収納し、補強部材６の両端に金属端子３、４を嵌め込み、補強部材６の嵌め込み部分を貫通する接合具７、７、７、７により補強部材６と金属端子３、４とが一体化されている。
また、超電導電流リード１は、磁場中で超電流導体２に大電流が流れることにより発生するローレンツ力が超電導導体２にかかり、超電導導体２に損傷を与えてしまうことを防ぐために、超電導導体２を補強部材６に収納したときに超電導導体２と対向する内周面６ａが、超電導導体２と密に接触するように補強部材６の内径が調整されている。
【０００６】
この超電導電流リード１は、金属端子３を介して外部電源に接続され、金属端子４を介して交流超電導コイルに巻かれた超電導導線に接続されている。
【０００７】
上述の超電導電流リード１は、超電導導体２と金属端子３、４との間に接続部材５が配設されているので、超電導導体２が収縮した場合でも、これら接続部材５が伸長して超電導導体２に機械的応力がかかるのを防止し、超電導導体の損傷を防ぐことができる。
また、超電導電流リード１は、超電導導体２が補強部材６の内周面６ａに密に接触するように構成されているので、超電導電流リード１が磁場中で使用されてローレンツ力が発生しても、超電導導体２の損傷を防ぐことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の超電導電流リード１は、超電導導体２が金属端子３、４と補強部材６とで形成する空間に収納された状態であり、極低温の冷媒が超電導導体２に接触しにくく、超電導導体２を効率良く冷却することが難しいために、超電導導体２を通電状態で連続使用する場合に安定性の面で不足を生じるおそれがあるという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、極低温の冷媒による冷却効率を高めて、超電導導体の超電導特性を安定化することが可能な超電導電流リードを提供することを目的とする。
【００１０】
【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、本発明は以下の構成を採用した。
請求項１に記載の超電導電流リードは、冷媒で冷却されるロッド状の超電導導体と、金属端子と、前記ロッド状の超電導導体と前記金属端子とを接続するための接続部材と、前記ロッド状の超電導導体を収納するとともにその内周面が前記超電導導体に密に接触される管状の補強部材とを備えた超電導電流リードであって、前記補強部材に、その内周面から外周面に向けて冷媒が流通するための冷却孔が穿孔されたことを特徴とする。
また、請求項２に記載の超電導電流リードは、請求項１に記載の超電導電流リードであって、前記補強部材に、該補強部材の長手方向に沿って前記内周面に冷媒が流通するための冷却溝が形成されたことを特徴とする。
更に、請求項３に記載の超電導電流リードは、請求項１または請求項２に記載の超電導電流リードであって、前記補強部材に、該補強部材の長手方向に沿って前記内周面に前記冷却溝が形成され、かつ該冷却溝の底面から前記外周面に向けて前記冷却孔が穿孔されたことにより、冷媒が前記冷却孔から前記冷却溝に向けて流通自在とされたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１を参照して説明する。尚、この図において、前述した図３に示す構成要素と同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１２】
図１（ａ）〜（ｄ）において、超電導電流リード２１の補強部材２２は、繊維強化プラスチック等からなる管状のものであり、この補強部材２２に、超電導導体２、接続部材５及び金属端子３、４の凸部３ａ、４ａを収納し、補強部材２２の両端に金属端子３、４を嵌め込み、補強部材２２の嵌め込み部分を貫通する接合具７、７、７、７により補強部材２２と金属端子３、４とが一体化されている。
また、超電導電流リード２１は、磁場中で超電流導体２に大電流が流れることにより発生するローレンツ力が超電導導体２にかかり、超電導導体２が損傷してしまうことを防ぐために、超電導導体２を補強部材２２に収納したときに超電導導体２と対向する内周面１３ａが、超電導導体２と密に接触するように補強部材２２の内径が調整されている。
【００１３】
また、補強部材２２には、補強部材２２の長手方向に沿って超電導導体２に対向する内周面１３ａに冷媒が流通するための冷却溝２３が形成されている。
更に、補強部材２２には、超電導導体２と対向する内周面１３ａに形成された冷却溝２３の底面２３ａから、更に、超電導導体２と対向しない内周面１３ｂから、外周面１４に向けて冷媒が流通するための冷却孔１５が穿孔されている。
冷却溝２３の底面２３ａから穿孔された冷却孔１５は、冷却溝２３と連通しているので、極低温の冷媒が冷却孔１５から冷却溝２３に向けて流通自在となっている。
更に、内周面１３ｂから穿孔された冷却孔１５は、内周面１３ｂと接続部材５と金属端子３、４と超電導導体２とに囲まれた空間２４を介して、冷却溝２３と連通しているので、極低温の冷媒が、冷却孔１５から空間２４を介して冷却溝２３に向けて流通自在となっている。
【００１４】
また、図１（ｄ）において、冷却溝２３は、補強部材２２の内周面１３ａの円周に対して等間隔で４本形成されているが、これに限られるものではなく、補強部材２２の強度を低下させない範囲で必要数を設けて良いので１本以上何本でも良い。
冷却溝２３の数が多い場合には、極低温の冷媒が多量に流通して、超電導導体２をより効率よく冷却できるが、超電導導体２を支持する面積が小さくなり、超電導電流リード１を磁場中で使用した場合に発生するローレンツ力を受け止める力が弱くなる。
【００１５】
冷却孔１５は、内周面１３ａ、１３ｂから外周面１４に向けて、即ち補強部材２２の長手方向の全体に渡って穿孔されているが、内周面１３ａから穿孔された冷却孔１５のみであっても良い。
冷却孔１５の間隔および孔径は任意であるが、補強部材２２の強度が低下しない範囲で冷却孔１５の間隔と孔径が決定される。
また、冷却孔１５の形状は、丸孔、角形孔、多角形孔のいずれでも良い。
【００１６】
上述の超電導電流リード２１は、液体窒素、液体ヘリウム等の極低温の冷媒が、冷却孔１５から冷却溝２３に向けて流通することにより、冷媒がロッド状の超電導導体２と直接接触し、超電導導体２の温度をその臨界温度以下に常に冷却することが可能であり、常に安定した超電導特性を示すことができる。
【００１７】
また、図２に示す超電導電流リード１１のように、補強部材１２には、その内周面１３ａ、１３ｂから外周面１４に向けて冷媒が流通するための冷却孔１５が穿孔されたものであっても良い。
この補強部材１２には、冷却孔１５のみが穿孔され、冷却溝は形成されていないので、図１における超電導電流リード２１の補強部材２２よりもその加工が簡単である。
また、冷却孔１５に冷媒が流通して超電導導体２と冷媒が直接接触し、超電導導体２をその臨界温度以下に常に冷却できるのは、図１における超電導電流リード２１と変わることがない。
従って、図１の超電導電流リード２１よりも製造コストを低くすることが可能となる。
【００１８】
【実施例】
（実施例）
図１に示すような、ロッド状の超電導導体の一端部と他端部とにそれぞれ金属端子が一対の接続部材を介してハンダ付けにより接続され、さらにこれら両方の金属端子が補強部材にボルトにより固定された超電導電流リードを作製した。ここでの補強部材としては、長さ８０ｍｍ、外径２０ｍｍ、超電導導体と対向する内周面の内径が３ｍｍのＧＦＲＰ製の筒に、溝幅１ｍｍ、溝深さ３ｍｍの冷却溝を補強部材の長さ方向に沿ってその内周面に４本形成し、更に孔径４ｍｍの丸孔を、孔同士の間隔を１０ｍｍ以上あけて、冷却溝の底面から外周面に向けて穿孔したものを用いた。
超電導導体としては、径２．５ｍｍ、長さ１６０ｍｍの組成がＹ1Ｂa2Ｃu3Ｏ7-xの超電導導体を用いた。
また、一対の接続部材としては、２枚の長さ１００ｍｍ、厚さが０．２ｍｍのＣｕ製板をある程度変形させた状態で、かつ互いに対向させた状態で配設したものを用いた。
ついで、Ｙ1Ｂa2Ｃu3Ｏ7-xの超電導導体の上方の金属端子を外部電源に接続し、下方の金属端子を交流超電導コイルに巻かれた超電導導線に接続して超電導機器を作製した。
【００１９】
そして、実施例の超電導電流リードについて、交流電流の通電特性について試験した。
前述の交流超電導コイルと、これから導出された超電導導線と、実施例の超電導リードとを、密閉したデュワーベッセルに収容し、超電導導線と下方の金属端子との接続部と、超電導電流リード部が浸漬されるまで液体Ｈｅを充填した。
この系に上方の金属端子を通じて電圧２００Ｖ、電流５０Ａの交流を負荷した。１時間の運転期間中、超電導コイルには設計値の８０％の電流が流れて正常に作動した。
【００２０】
（比較例）
比較のため、図３のような、冷却孔及び冷却溝を設けていない補強部材を用いたこと以外は実施例と同様にして超電導電流リードを作製した。
ついで、組成がＹ1Ｂa2Ｃu3Ｏ7-xの超電導導体の一方の金属端子を外部電源に接続し、他方の金属端子を交流超電導コイルに巻かれた超電導導線に接続して超電導機器を作製した。
【００２１】
そして、比較例の超電導電流リードについて、実施例と同様にして交流電流の通電特性について試験した。その結果、超電導コイルに流れる電流は設計値の８０％程度であり、運転時間２時間で、超電導導体が超電導状態から常電導状態になるいわゆるクエンチ現象が発生し、運転が継続できなくなった。
これは、超電導導体に直接液体ヘリウムが接触しにくいため、冷却の効率が悪く、交流電流の通電により超電導導体自身が発熱して徐々に超電導導体の温度が上昇し、臨界温度以上に至ったためと考えられる。
【００２２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば本実施の形態では、接続部材が超電導導体の両端に設けられた例を示したが、超電導導体の一端に接続部材を設け、もう一端を直接金属端子に取り付けたものであってもよい。
また、本実施の形態では、接続部材は金属の板からなるものであったが、超電導導体の収縮にあわせて自身が変形することにより、超電導導体の収縮による機械的応力を吸収することができ、かつ電流を流せるものであれば、どののような形状のものでもかまわない。
【００２３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の超電導電流リードは、ロッド状の超電導導体を収納する補強部材に、その補強材の長手方向に沿って内周面に冷却溝が形成され、かつ冷却溝の底面から外周面に向けて冷却孔が穿孔されたことにより、冷媒が冷却孔から冷却溝に向けて流通自在となるように構成されているので、この超電導電流リードを極低温の冷媒に浸漬して使用した場合には、超電導導体を冷媒により効率良く冷却することが可能となり、超電導導体を常にその臨界温度以下に保つことができるので、常に安定した超電導特性を示すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態である超電導電流リードを示す図であって、（ａ）は超電導リードの平面断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線の断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線の断面図であり、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線の断面図である。
【図２】  本発明の実施の形態である超電導電流リードを示す図であって、（ａ）は超電導リードの平面断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線の断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線の断面図であり、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線の断面図である。
【図３】  従来の超電導電流リードを示す平面断面図である。
【符号の説明】
２  ロッド状の超電導導体
３  金属端子
４  金属端子
５  接続部材
１３ａ  超電導導体と対向する補強部材の内周面
１３ｂ  超電導導体と対向しない補強部材の内周面
１４  補強部材の外周面
１５  冷却孔
２１  超電導電流リード
２２  補強部材
２３  冷却溝
２３ａ  冷却溝の底面
【図１】
0003771013.tif 000002
【図２】
0003771013.tif 000003
【図３】
0003771013.tif 000004