JP3898231B2 - 冷却電気装置用の電流供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温レベルと低温レベルの間に連通する電気導体を少なくとも１個備え、その電気導体の低温端に冷却電気装置が連結される電流供給装置に関する。この種の電流供給装置は、例えば雑誌の“Cryogenics”, Vol. 25, 1985, pp.94−110に見られる。
低温システムの構成においては、例えば磁界発生用、あるいは短絡限流用、電圧変圧用、送電用等に用いられる超電導装置や半導体装置へ比較的大電流を効率的に導入することが主要課題の一つである。高温レベル、特に約300Kの室温の高温レベルと電気装置が配された例えば77Kの液体窒素LN₂温度の低温レベルとの間に連通する電流供給装置の少なくとも１個の電気導体を通して絶縁低温容器の内部へと極めて多量の熱リークが生じることがしばしばある。これらの温度レベルの間に連通する電流供給装置の電気導体が低損失となるよう構成されておらず、対応する損失熱が効果的に冷却されていない場合には、冷却経費だけで、全体システムの技術的、経済的意義が疑問視される可能性がある。
開示された従来の電流供給装置においては、特に熱伝導冷却と排出ガス冷却の構成形状が種々異なる。熱伝導冷却式の電流供給装置は、一般に低温端からの熱伝導によってのみ冷却される。比抵抗がρ(T)の導体金属でのジュール損失と温度依存性をもつ熱伝導度λ(T)によって定められる熱輸送量との総和が最小となるように寸法を最適化すると、比損失、すなわち単位電流当たりの熱侵入量は、銅の場合、それぞれ１本の電気導体当たり43(W／kA)となる。（雑誌“IEEE Transactions on Magnetics”, Vol. MAG-13, No.1, 1977, pp.690−693を参照のこと。）
排出ガス冷却式の電流供給装置においては、侵入した損失熱を対向流によって外部へ取り去るために、例えば77KのLN₂や、4.2Kの液体ヘリウムLHeの蒸発冷媒のエンタルピーが使用される。これによって、300Kと77Kとの間における比損失は、約25(W／kA)に低減され、この際１時間、１kA、１電流供給導体当たり、約0.56リットルのLN₂が蒸発することとなる。
クライオスタットへの侵入熱量によって、所定量の冷媒を貯蔵する場合には補充が必要となるまでの冷媒システムの使用可能時間が定められ、また、冷却液体を用いない場合には冷却ユニットの容量が定められることとなる。ユーザーにとっては、冷却のために備えるべき室温での必要電力が如何に大きいかが重要である。これらの電力は、例えば冷却ユニットの圧縮機においてあるいは液体冷媒の製造時に消費される。
具体的な使用に応じて、数多くの実施形態の電流供給装置が知られている（冒頭に述べた文献を参照のこと）。一般に、異なる温度レベルの間に連通する電気導体には、材料として銅あるいは真鍮が使用される。熱伝導冷却式の電流供給装置では、低温端部が、しばしばギフォード−マクマホンの原理に基づいて作動する冷凍機の低温側に、熱伝導を良好に保ち、かつ電気的に絶縁して連結される。排出ガス冷却式の電流供給装置では、蒸発した冷媒の少なくとも大部分が、可能な限り大きな表面積を備えた電気導体に沿って流れ、効率良く熱交換が行われる。
本発明の課題は、冒頭に述べた特徴を持つ電流供給装置を、低温技術の面で所要経費の少ないものに形成することにある。
本発明によれば、上記の課題は、電気導体の部品の少なくとも一つを、蓄冷器とパルスチューブを備えたパルスチューブクーラーの冷却ヘッドの少なくとも一部により構成することによって解決される。
従って本発明の電流供給装置では、パルスチューブクーラーも本装置の完全な部品である。この場合、この種のパルスチューブクーラーの冷却ヘッドが、例えばギフォードマクマホンの原理に基づいて作動する従来のクライオクーラーの低温ヘッドに比べて、機械的駆動部分の無い簡単な部品であり、製造コストが好ましい値ごろであり、さらに、他の電気的な駆動装置が無いために高電圧に対して絶縁可能であるという点を十分に活用している。これにより、本発明の電流供給装置は、熱技術的に、熱伝導冷却式の電流供給と排出ガス冷却式の電流供給の中間の形態を示し、流体状の冷媒の流れを生じないにもかかわらず、熱伝導冷却式の電流供給に比べて、熱侵入が相対的に一層少なくなる。このように、本装置は従来の二つの電流供給形態の長所を兼ね備えている。
本発明の電流供給装置の好適な形態は従属する請求項に則って形成される。
本発明とその発展形態をより詳しく説明するために、以下のごとく図面が示されている。図面においては、いずれも模式的に縦断面図として、
図１に、本発明の電流供給装置の第１の実施形態、
図２に、本発明の電流供給装置の別の実施形態、さらに、
図３〜７に、既知のパルスチューブクーラーの種々の実施形態
が示されている。
これらの図面において、同一の構成要素には同一の符号が付されている。
図1に全体として２の符号により示された、本発明の電流供給装置の実施例においては、特に室温RTにある高温側と、例えばLN₂の77Kにある低温側との電流の導通は、パルスチューブクーラーの冷却ヘッド３の部分を通して行われる。このとき、冷却ヘッド３は少なくともその低温部が、例えばクライオスタットのごとき真空容器４の真空空間Ｖ中に突出している。真空容器の真空空間に替わって、（浸漬型の）クライオスタットの内部空間に冷却ヘッド、あるいは冷却ヘッドの一部を備えることとしてもよい。低温ヘッドは蓄冷器６とパルスチューブ７を備えており、これらは、低温側の端部において通流管１５により互いに連結されている。本電流導体では、蓄冷器６の被覆管６ａ、および／あるいはパルスチューブ７の被覆管７ａを同軸構造あるいは並列構造に構成する。このとき蓄冷器とパルスチューブを互いに電気的に絶縁して、図示した実施例に採用されているように、異なった電位レベルにある2本の電気導体を形成することができる。また、これらの部分を並列接続することもできる。図においては、さらに、８ａと８ｂで高温レベルＲＴでの電流接続部が、９ａと９ｂで低温レベルＴＴでの電流接続部が、１０で真空容器あるいはクライオスタット容器４の冷却ヘッド３のための取り付け用開口部が、１１で取り付け用開口部１０の真空あるいはガス気密に配慮して冷却ヘッド３の高温端を保持し、電気絶縁するための据付フランジが、１３で蓄冷器のガス入口および／あるいはガス出口が、１４でパルスチューブのガス入口および／あるいはガス出口が、１５で例として蓄冷器とパルスチューブとの間の電気絶縁された連通管が、また、１６で熱的ブスバーへの接続部が示されている。電流接続部８ａ，８ｂに例えば外部の室温ＲＴにある電流供給ユニットが接続され、一方、電流接続部９ａ，９ｂに冷却された、通常低温ＴＴにある電気装置が連結される。電気装置としては、それぞれ超電導材料を用いた送電線、限流器、磁界発生コイル、あるいは電子部品等が取り扱われる。Nb₃SnやNbTiのごとき古典的な超伝導材料の場合には、一般に液体ヘリウム冷却技術が、また、Y-Ba-Cu-O型や(Bi,Pb)-Sr-Ca-Cu-O型のごとき、高い遷移温度（臨界温度）を有する金属酸化物超伝導材料の場合には、一般に液体窒素冷却技術が用いられる。しかしながら、この電気装置は冷却して用いる常伝導の部品や半導体の部品を有するものでもよく、厳密に温度レベルＴＴにある必要は全くない。
図2に図示されている２２で示された電流供給装置の実施形態の図1の実施形態との相違点は，パルスチューブクーラーの冷却ヘッド２３のうち蓄冷器２６の部分だけが電流導体として使用されている点にある。蓄冷器は、例えばその被覆管２６ａの内部に充填された、密接して巻回された金属ネット２６ｂのごとき金属体を電流通流部として備えている。金属ネットの替わりに、焼結金属粉末よりなる多孔質体、細いワイヤーの束、少なくとも１枚の薄い巻回した、あるいは折り重ねた薄板テープ、または多数の形薄板を使用することもできる。これらの金属体は、高温端と低温端において、例えば半田付け、溶接、あるいはプレスにより電気的に接続される。細いワイヤーの束は、ワイヤーの太さを表皮厚さに適合させることができるので、交流電流を流す場合に特に好適である。図２の実施形態の場合には、細かな金属ネットを積層した場合と逆に蓄冷器内の熱伝導を極めて高くしており、この実施形態は特に比較的大電流用に考慮されたものである。
本発明による電流供給装置においては、図１および図２に見られるように、電気絶縁は、プラスチックおよび／あるいはセラミックのごとき誘電体によって好適に保証される。低温端には、好適な高い熱伝導率をもつサファイア、BeO、あるいは窒化アルミニウムが優先的に使用される。これを介して、例えば輻射シールドや電気装置、磁気装置等の冷却すべき構成部品が、さらに熱的に連結される。望ましくは電気式の駆動弁を備える圧縮機と電流供給装置との電位の分離は、例えばプラスチック、繊維強化プラスチック、あるいはセラミック等よりなる絶縁性の連結管を用いることによって達成される。
本発明による電流供給装置に組み込まれるパルスチューブクーラーは、それ自体既に知られた実施形態に基づく

図３によれば、この種のパルスチューブクーラーは、冷却ヘッド３３を１個備えており、通常、少なくともその低温部が絶縁真空に囲まれている。この冷却ヘッドは二つの互いに連結された管を備えている。一方の管はいわゆる蓄冷器３６として形成されており、その内部空間に、ガスが含む熱を周期的に一時蓄積する物体を、例えば網目の大きさの細かな金属ネット３６ｂを積層した形態として内蔵する。図２による本発明の電流供給装置２２においては、この物体が電流導体に用いられている。これに対して、もう一方の管はいわゆるパルスチューブ３７の役割をするもので、例えば細かな銅ネットによって形成された熱交換器３８，３９が高温端と低温端にのみ備えられ、その他の部分は空洞である。これに限られないが管状に形成されたこれらの二つの部分３６，３７は、その低温ＴＴ域の終端で冷媒用の通流チャンネル４０によって連結されている。第１の供給配管４１は、通常冷却されていない、特に室温ＲＴにあるHeガス等の作動ガスを蓄冷器３６に高圧状態で、駆動弁４２ａを介して、例えば2Hzから50Hzの領域の周波数でパルス状に供給すべく働く。他方、パルスチューブクーラーの低圧相では、駆動弁４２bによって供給配管４１を介して作動ガスが排出される。パルスチューブ３７は、その室温側の端部が図示しない通流チャンネルを介して第２の供給配管へ連結されている。この供給配管は、パルスチューブクーラーの構造に従って、さらに図示しない駆動弁、あるいは、例えば数リットルの作動ガスのバッファー空間へと導かれる（図５〜７を参照のこと）。図３にはさらに圧縮機４３が示されており、高圧の作動ガス用の（高圧）弁４２ａを配した往路配管４１ａと低圧の作動ガス用の（低圧）弁４２ｂを配した復路配管４１ｂを介して、第１の供給配管４１に連結されている。
図３に示した従来のパルスチューブクーラーの冷却ヘッド３３の実施形態では、蓄冷器３６とパルスチューブ３７が空間的に並列に配置され、場合によっては直列に接続されるのに対して、図４に示した従来のパルスチューブクーラーの冷却ヘッド４５の実施形態では、パルスチューブ４７とこれを取り囲む蓄冷器４６との同心（同軸）構造を備えている。本実施形態では、作動ガスはポンプ装置４８を用いて作動ピストン４８ａにより供給される。
従来のパルスチューブクーラーを用いたこれら全ての実施形態において、作動ピストン４８ａによって、あるいは作動バルブを備えた圧縮機４３によって生じた圧力波が圧入され、蓄冷器３６あるいは４７において予冷され、パルスチューブ３７において膨張され、有効な冷凍出力を生じる。膨張した低温ガスは、パルスチューブから吹き出す際蓄冷器を冷却する。
図５〜図７は、パルスチューブの高温端の対応する移相装置の実施形態を示している。図５によれば、このために絞り弁５２をもつバッファー体積５１が備えられている。図６では、さらに追加して、蓄冷器の高温端からノズル５４を備えた配管５３を介しての第２の入口が設けられている。図７では、４個のバルブ４２ａ，４２ｂ，５５ａ，５５ｂによって対応する移相装置が形成されている。
さらに、本発明の電流供給装置においては、二段以上に変形させたパルスチューブクーラーをベースとすることもできる（雑誌“Cryogenics”, Vol. 34, 1994, pp.259−262を参照のこと）。
本発明の電流供給装置においては、当然のことながら、図１，２に示した実施形態以外の実施形態も考えられる。例えば、図１の電流供給装置２の構造の特徴と図２の電流供給装置２２の構造の特徴を組み合わせて、蓄冷器の内部と蓄冷器の被覆管の双方に電流を流すよう構成することができる。パルスチューブクーラーが如何なる形であっても、同軸構造にも、また並列構造にも構成でき、冷却ヘッドに、それぞれ電位の異なる１本、２本、あるいは複数本の電流導体を配することができる。また、複数の電流供給装置を１個の圧縮機によって運転することもできる。決まった用途に用いるための冷却ステージが不足する場合には、２個以上のステージを備えた変形構造に構成することができる。このとき、高温側ステージの低温端が、別の低温側ステージの高温端に接続される。複数の冷却ヘッドを次々に熱的に連結することによって、対応する配列が得られる。
本発明のごとく電流供給装置にパルスチューブクーラーの冷却ヘッドを少なくとも１個集積することとすれば、従来の実施形態に比べて一連の著しい長所が得られる。すなわち、
（１）熱伝導冷却方式の電流供給装置に比較して、熱損失が明らかに低減される。なんとなれば、図１の電流供給装置２は、蓄冷器６とパルスチューブ７の被覆管６ａ，７ａで、代表的な値として20barのヘリウムガスの作動圧力に耐えるように比較的厚肉に形成されている被覆管の電気伝導性を利用しているからである。例えば、肉厚が1mm、直径が20mm、長さが200mmの高級鋼の管には、最適値として32Ａの電流を通電することができ、その損失は、定格電流負荷において、パルスチューブクーラーで間接的にのみ冷却される電流供給装置の損失の１／３に低減される。電流を流さない状態では付加される熱侵入は全く無い。電流が大きい場合には、肉厚を好適に厚くするか、あるいは真鍮や青銅、あるいは銅等の比伝導率の高い金属が据え付けられる。低温の作動ガスによりもたらされる蓄冷器６とパルスチューブ７での対向流冷却効果によって、損失はさらに低減する。これらの効果をさらに高めるために、必要に応じて、例えば高さによって断面積が異なる管としたり、あるいはパルスチューブの種々の高さに熱交換器を付設する等のさらなる改良が施すことができる。また、例えば、特殊なフィンを設けたり、粗い仕上げとしたり、内面に多孔質金属を焼結したりすることによって、表面を拡大する措置を講じることもできる。図２の電流供給装置２２の場合には、最適化した蓄冷器２６はいずれにせよ大きな表面を備えており、低温の作動ガスによる冷却が特に効果的であるため、（熱損失の）節減は特に大きい。
（２）本電流供給装置では、冷却ヘッドが個別の構成部品を持たないのでコストが節約される。さらに、この集積冷却方式の電流供給装置は、相当の費用をかけて低温貯槽へ連結することが必要となるクライオスタット系への高温部品の持ち込みを全く必要としないので、冷却技術の上からも好適である。
（３）電流供給装置とパルスチューブクーラーを一緒に配列することによって、パルスチューブクーラーの冷却性能を電流供給装置の損失に対して最適に調整することができる。したがって、冷凍機の所要出力の増大に伴う損出を低減することができる。
（４）例えば77Kの低温端での冷却性能が十分大きく選定されていれば、熱輻射による損失等のその他のクライオスタットの損失も、冷却ユニットの追加や冷却流体の補充を行わなくとも補償することができる。
（５）クライオシステムの電流が不足する場合があっても、複数の電流供給装置を１個の共通の駆動弁付き圧縮機に連結したモジュール構成とすることにより、簡単な組み立てで経済的に適合させることができる。
（６）ある特定の定格電流に対して最適化された従来の電流供給装置では、電流が小さくて流入するジュール熱が少ない場合には、高温端が結露し、場合によっては結氷することもある。したがって、高電圧の電流通電の場合には耐火花閃落特性が低下する危険性がある。本発明による集積冷却式の電流供給装置においては、対応して冷却性能を低下させることによって、上記の効果を簡単に回避することができる。そのために、例えば、周期的なヘリウムの圧力波を生じる駆動弁、あるいはピストンの駆動周波数を低下させる等の措置が講じられる。

Claims (11)

1. 高温レベルと低温レベルの間に連通する電気導体を少なくとも１個備え、その電気導体の低温端に冷却電気装置が連結された電流供給装置において、前記電気導体が、パルスチューブクーラーを構成する部品でありかつ蓄冷器（６，２６）およびパルスチューブ（７，２７）を備える冷却ヘッド（３，２３）により構成されていることを特徴とする電流供給装置。
2. 蓄冷器（６）の被覆管（６ａ），および／あるいはパルスチューブ（７）の被覆管（７ａ）が電気導体の部品として備えられていることを特徴とする請求項１に記載の電流供給装置。
3. 蓄冷器（２６）の被覆管（２６ａ）の内部の金属体（２６ｂ）が電気導体の部品として備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電流供給装置。
4. 前記金属体（２６ｂ）が、金属ネット、または焼結体、または、細いワイヤーの束、または少なくとも１枚の薄板テープであることを特徴とする請求項３に記載の電流供給装置。
5. 蓄冷器（６）とパルスチューブ（７）により、互いに絶縁された２本の異なる電気導体の部品が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の電流供給装置。
6. 蓄冷器（６）とパルスチューブ（７）により、２本の電気的に並列接続された電気導体の部品が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の電流供給装置。
7. 蓄冷器（６）とパルスチューブ（７）が空間的に並列に配列されていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の電流供給装置。
8. 蓄冷器（６）とパルスチューブ（７）が空間的に同心に配列されていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の電流供給装置。
9. 冷却ヘッドが多段に形成されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の電流供給装置。
10. 冷却ヘッド（３，２３）が、少なくともその低温部分を真空容器の真空空間、あるいはクライオスタットの内部空間に突出させていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の電流供給装置。
11. 超電導装置に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の電流供給装置。

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