JP4019014B2

JP4019014B2 - Thermoelectric cooling power lead

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Publication number: JP4019014B2
Application number: JP2003127725A
Authority: JP
Inventors: 作太郎山口
Original assignee: YYL KK
Current assignee: YYL KK
Priority date: 1994-11-21
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2007-12-05
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超伝導コイルと電源との電気的接続を行なうパワーリードに関し、特に、熱電変換（ペルチェ効果）により冷却作用を行なう熱電冷却型パワーリードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超伝導コイル装置におけるパワーリード（「電流リード」ともいう）の構成を図７を参照して説明する。図７には、従来のガス冷却型パワーリードの構成の一例が示されている。
【０００３】
図７を参照して、超伝導コイルは低温空間（極低温空間）すなわち液体Ｈｅ内（４．２Ｋ）に配置され、電源は常温空間に配設され、超伝導コイルはパワーリードの一端に接続され、パワーリードの他端は電源端子に接続されている。
【０００４】
パワーリードは、例えばＯＦＣｕ（ＯｘｙｇｅｎＦｒｅｅＣｏｐｐｅｒ）等の常伝導体から形成され、高い電気伝導度を有するが、熱伝導率も高いため、常温空間からの熱が容易に侵入し低温空間側に流入してしまうことになる。
【０００５】
このため、超伝導コイル装置においては、図７に示すように、パワーリードをガスＨｅ等の冷媒によって冷却することが必要とされる。
【０００６】
このように、低温空間から常温空間への遷移領域において低温側からガス冷媒（ガスＨｅ）を流すことにより、（１）冷却に伴うパワーリードの電気抵抗の低減によるジュール発熱の低減、（２）常温側からの熱を熱交換することによって外部に排出する等の作用をなしている。
【０００７】
そして、パワーリードは、ガス冷媒との熱交換率を向上させるために、表面積をできるだけ大きくする構成とされ、このため例えばメッシュ状又はスパイラル管状の構成とされている。なお、図７にはメッシュ状の形態（図中のパワーリードの破線部で示す）のパワーリードが示されている。
【０００８】
図７を参照して、ヒータは、液体Ｈｅを加熱してガス冷媒としてのガスＨｅをより強制的に気化させるためのものである。液体Ｈｅは供給口から供給されている。
【０００９】
更に図１６に縦断面図を示す超伝導装置を参照して、従来のガス冷却型パワーリードを以下に説明する。前述した通り、超伝導コイルは冷媒として高価な液体ヘリウムを使用して超伝導状態に保持するため、この液体ヘリウムの蒸発量を小さく抑えることが望ましく、またパワーリード（電流リード）から超伝導コイルへの熱侵入量を小さくすることも必要である。
【００１０】
図１６を参照して、低温容器１の内部に超伝導コイル２が設置されており、低温容器１の外周は、外周からの熱侵入（輻射熱）を断熱するために二重円筒型状の液体窒素シールド１３で囲繞されており、さらに液体窒素シールド１３の外周には、真空断熱層を形成するための真空容器１５が設置されている。液体窒素シールド１３の内部には、液体窒素３１と、この液体窒素３１が蒸発した低温の窒素ガス３２が収容されている。この窒素ガス３２は液体窒素シールド１３の上部に設置された窒素ガス配管１４から外部に放出される。
【００１１】
超伝導コイル２は、パワーリード３の構成要素の一つであるリード導体３ａの一端に引出し線２０を介して接続され、リード導体３ａの他端は外部の常温部端子３ｂに接続されている。一般に、通電時にリード導体３ａに発生するジュール発熱と外部の常温部から内部の極低温部への伝導による熱侵入を除去するために、液体ヘリウム２２が蒸発した低温のヘリウムガス２３を、リード導体３ａを収納するリード配管３ｃ内に導き、リード配管３ｃ内部の間隙３ｄを流通させてリード導体３ａを冷却する方法が採用されている。ヘリウムガス２３はリード導体３ａを冷却したのちリード配管３ｃの上部から分岐して電気絶縁性の管継手４によって電気的に絶縁されたガス配管５、６に入り、さらにガス配管６に結合された外部配管７より放出される。なおリード配管３ｃと真空容器１５、低温容器１とは電気絶縁体８によって電気的に絶縁されている。
【００１２】
次に、図８を参照して、高温超伝導体を用いたパワーリードを説明する。
【００１３】
これは、パワーリードにＢｉ系２２２３焼結体又はＹＣＢＯ等の高温超伝導体を用いたもので、低温空間は液体Ｈｅで冷却され（４．２Ｋ）、高温超伝導体が配置された遷移領域（常温と低温に挟まれた領域）は液体ヘリウム（ＬＨｅ）及び液体窒素にて冷却される。
【００１４】
この遷移領域はサーマルアンカーにて常温空間と区画され、高温超伝導体が超伝導特性を示す温度以下に保たれる。サーマルアンカーは熱容量の大きな材料で構成され例えばＣｕ等から成る。
【００１５】
図８に示す高温超伝導パワーリードにおいては、高温超伝導体部（約１００Ｋ以下）は通電時の発熱がないため、低温側への熱侵入量を低減できる。
【００１６】
さらに、伝導冷却により全体を高温超伝導体の臨界温度Ｔｃ以下に保ち、ガス冷却を行なわないような構成も可能とされる等の利点を有する。例えばガス冷却を用いない電流リード（パワーリード）として、低熱侵入型の酸化物超伝導電流リードの構成が提案されている（例えば、横山その他、「クライストロン用伝導冷却方式超電導磁石の開発〜酸化物超電導電流リードの設計・試験〜」、第５２回、１９９４年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、第２３５頁参照）。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示す従来のガス冷却型パワーリードにおいては、以下の問題点を有する。
【００１８】
（１）ガス冷媒の消費量が多く不経済である（高価）。
【００１９】
（２）低温側への熱侵入量を決めるパワーリードの電気抵抗分布、温度分布はガス冷媒量の関数として与えられるが、パワーリードの温度分布は逆にガス冷媒のコンダクタンスに影響するため、ガス冷媒の最適な流量調節を図ることは極めて困難である。このため、図７に示すように、ヒータを用いて強制的に液体Ｈｅを気化させている。
【００２０】
また、図１６を参照して説明した上記従来のパワーリード部の構成によれば、通電時において、極低温部への熱侵入量を大幅に低減することは困難である。
【００２１】
さらに、図８の高温超伝導体を用いたパワーリードの場合、高温側からの熱侵入を零にすることはできないため何等かの冷却手段を設けることが必要とされる。
【００２２】
そして、高温超伝導体として酸化物超伝導体を用いたパワーリードも開発されている（例えば、文献（「工業材料」、Vol.41、No.3、第33頁）等参照）が、高温超伝導体の上部の温度が７７Ｋ（液体窒素温度）で固定されているため、高温超伝導体の臨界電流値が小さく、高温超伝導体の断面積を大きくする必要がある。このため、高温超伝導体からの伝導熱により、極低温部への熱侵入量の低減にも制約があり、大幅な熱侵入量の低減は困難であった。
【００２３】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、特別な冷却手段を不要とし効率的に自ら放熱・冷却を行なうパワーリードを提供することを目的とする。また、本発明の目的は、常温部から低温容器内における低温部への熱侵入を軽減し、その結果高価な液体ヘリウムの消費量を削減すると共に経済性の高い装置の運転を可能とするパワーリードを提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の視点によれば、超伝導コイルと該超伝導コイルを駆動する電源（「第１の電源」という）を電気的に接続するパワーリードにおいて、Ｎ型熱電材料とＰ型熱電材料との対から成る熱電冷却素子を複数備え、記複数の熱電冷却素子のＮ型熱電材料とＰ型熱電材料の対は、前記超伝導コイル側において共通接続されて前記超伝導コイルに接続され、前記超伝導コイルと反対方向において、スイッチ群を介して前記第１の電源及び／又は第２の電源がそれぞれ接続され、前記超伝導コイルを励磁する際には、前記Ｐ型の熱電材料と前記Ｎ型の熱電材料を互いに並列形態に接続して少くとも前記第１の電源から前記超伝導コイルに電流を供給し、それ以外の場合には、前記スイッチ群の接続状態を切替えて前記複数の熱電冷却素子を直列形態に接続し前記第２の電源から供給される電流値を下げるようにしたことを特徴とする。
本発明は、さらに以下の各特徴を基礎とし、或いは関連して有する。
（１）超伝導コイルと該超伝導コイルを駆動する電源とを電気的に接続するパワーリードが、前記電源の正極に接続されたＮ型熱電材料と、前記電源の負極に接続されたＰ型熱電材料とから成る熱電冷却素子を含むことを特徴とする熱電冷却型パワーリード。
【００２５】
（２）超伝導コイルと該超伝導コイルを駆動する電源とを電気的に接続するパワーリードが、前記電源の正極に接続されたＮ型熱電材料と前記電源の負極に接続されたＰ型熱電材料とから成る熱電冷却素子と、前記熱電冷却素子と前記超伝導コイルとの間に接続された高温超伝導体と、を含むことを特徴とする熱電冷却型パワーリード。
【００２６】
（３）超伝導コイルと該超伝導コイルを駆動する電源とを電気的に接続するパワーリードが、前記電源の正極に接続されたＮ型熱電材料と前記電源の負極に接続されたＰ型熱電材料とから成る熱電冷却素子と、前記熱電冷却素子に一端がそれぞれ接続された金属又は半導体から成る導電体と、前記導電体と前記超伝導コイルとの間に接続された高温超伝導体と、を含むことを特徴とする熱電冷却型パワーリード。
【００２７】
（４）本発明の熱電冷却型パワーリードは、好ましくは、Ｎ型熱電材料とＰ型熱電材料とから成る熱電冷却素子を複数段接続してなることを特徴とする。
【００２８】
（５）本発明の熱電冷却型パワーリードは、好ましくは、Ｎ型熱電材料とＰ型熱電材料とから成る熱電冷却素子を複数個直列接続して成るモジュールをさらに複数段カスケード形態に構成してなることを特徴とする。
【００２９】
（６）また、本発明は、別の視点として、超伝導コイルと該超伝導コイルを駆動する電源とを電気的に接続するパワーリードにおいて、電源が交流電源からなり、Ｎ型熱電材料とＰ型熱電材料との対から成る第１及び第２の熱電冷却素子を備え、前記交流電源の一側の端子と前記第１の熱電冷却素子の間に第１のスイッチを設けると共に、前記交流電源の他側の端子と前記熱電冷却素子との間に第２のスイッチを設け、前記第１及び第２の熱電冷却素子の前記交流電源に対向する側に前記超伝導コイルを接続し、前記第１及び第２の熱電冷却素子における前記Ｎ型熱電材料が上流、前記Ｐ型熱電材料が下流に配されるようにライン周波数に応じて前記第１及び第２のスイッチを切替え制御し、前記超伝導コイルを交流駆動することを特徴とする熱電冷却型パワーリードを提供する。
【００３０】
（７）本発明の熱電冷却型パワーリードにおいては、好ましくは、前記第１及び第２の熱電冷却素子と前記超伝導コイルとの間に接続された高温超伝導体と、を含むことを特徴とする。
【００３１】
（８）本発明の熱電冷却型パワーリードにおいては、好ましくは、Ｎ型熱電材料とＰ型熱電材料から成る熱電冷却素子を前記第１及び第２の熱電冷却素子にそれぞれ複数段接続してなることを特徴とする。
【００３２】
（９）さらに、本発明は、別の視点として、超伝導コイルと該超伝導コイルを駆動する電源（「第１の電源」という）を電気的に接続するパワーリードにおいて、Ｎ型熱電材料とＰ型熱電材料との対から成る第１及び第２の熱電冷却素子を備え、前記第１及び第２の熱電冷却素子のＮ型熱電材料とＰ型熱電材料は、超伝導コイル側において互いに電気的に（共通）接続されて前記超伝導コイルに接続され、前記第１の電源側においては、前記Ｎ型熱電材料と前記Ｐ型熱電材料との間に、前記Ｎ型熱電材料が前記Ｐ型熱電材料に対して正の電圧を供給する第２の電源がそれぞれ接続され、さらに、前記超伝導コイルと前記熱電冷却素子に流れる電流とをそれぞれ監視して、最適な冷却を保持するように第１の電源及び第２の電源を制御する制御回路を備えたことを特徴とする熱電冷却型パワーリードを提供する。
（１０）この場合、好ましくは、前記第１及び第２の熱電冷却素子と前記超伝導コイルとの間に接続された高温超伝導体と、を含むことを特徴とする。
（１１）また、この場合においても、好ましくは、Ｎ型熱電材料とＰ型熱電材料とから成る熱電冷却素子を前記第１及び第２の熱電冷却素子にそれぞれ複数段接続してなることを特徴とする。
【００３３】
（１２）本発明は、さらに別の視点として、超伝導コイルと該超伝導コイルを駆動する電源とを電気的に接続するパワーリードが、前記電源の正極に接続されたＮ型熱電材料と、前記電源の負極に接続されたＰ型熱電材料とから成る熱電冷却素子を含み、前記Ｎ型熱電材料と前記Ｐ型熱電材料とが、前記電源と反対側の端部を含む所定の領域において互いに熱的に接続されると共に電気的には絶縁されていることを特徴とする熱電冷却型パワーリードを提供する。
【００３４】
（１３）そして、本発明は、真空断熱容器内に収納され液体ヘリウムに浸漬された超伝導コイルに外部電源から励磁電流を通電するパワーリードにおいて、常温側から順に、液体窒素で冷却される金属導体と、該金属導体に接続されたＮ型熱電材料又はＰ型熱電材料を含むことを特徴とする熱電冷却型パワーリードを提供する。
【００３５】
（１４）本発明の熱電冷却型パワーリードにおいては、好ましくは、前記Ｎ型熱電材料又はＰ型熱電材料と前記超伝導コイルとの間に高温超伝導体からなる電気導体を接続してなることを特徴とする。
【００３６】
（１５）また、本発明においては、常温側から順に、金属導体と、高温超伝導体と、を含み、前記金属導体の前記超伝導コイル側の端部側近傍に熱良導体を設け、熱電冷却素子が前記熱良導体を介して前記金属導体、前記高温超伝導体および前記超伝導コイルを冷却するように構成してもよい。
【００３７】
本発明によれば、熱電変換材料（ペルチェ素子）が電源に接続され、ペルチェ効果により、放熱、吸熱作用を行なうため、従来必要とされていたガス冷媒等による冷却は不要とされる。
【００３８】
本発明においては、ペルチェ素子を複数段接続した場合、冷却効果は一段と高められる。
【００３９】
そして、本発明においては、パワーリードをペルチェ素子と高温超伝導体とから構成した場合、ペルチェ素子によりＴｃ（臨界温度）にまで冷却され、液体窒素による高温超伝導体を冷却することが不要とされる。あるいは、高温超伝導体の冷却が不足する場合には、液体窒素により冷却してもよいが、高温超伝導体の超伝導コイル側はガスＨｅにより冷却される。
【００４０】
また、本発明においては、前記従来例（高温超伝導を利用したパワーリード）のように、液体ヘリウムもしくは液体窒素を利用しない時には、放熱部のみが常温大気に露出されるが、その他の部分は真空中に設置されることはいうまでもない。これによって断熱特性が向上するからである。
【００４１】
本発明によれば、熱電冷却素子を形成するＮ型とＰ型の熱電材料は、冷却側にて、熱伝導率が大で、電気的絶縁体となる材料を介して互いに接続すれば、吸熱量が制御され、低温側温度が同一に保たれる。
【００４２】
さらに、本発明の別の視点Ｉによれば、真空断熱容器内に収納され液体ヘリウムに浸漬された超伝導コイルに外部電源から励磁電流を通電するパワーリードを、常温側から順に金属導体と、該金属導体に接続されたＮ型熱電材料又はＰ型熱電材料を含むものとし、前記金属導体を例えば、液体窒素（７７Ｋ）で冷却する。これによって、前記パワーリードの金属導体は液体窒素で冷却されるとともに、熱電冷却素子によっても冷却されるので、前記金属導体を介して侵入する極低温部への熱侵入量が低減する。
【００４３】
また、上記別の視点Ｉに関連して、特に極低温側に高温超伝導体からなる電気導体を設けたパワーリードに適用することができる。即ち、高温超伝導体は１００Ｋ程度で超伝導状態となり、電気抵抗がゼロとなることから、ジュール発熱の発生がゼロとされると共に、熱伝導率も銅導体の１／１００以下とされるため、極低温部への熱侵入量が低減できる。そして、常温側の導体が液体窒素で冷却されていることから、高温超伝導体の臨界電流は、７７Ｋ近傍の値となる。さらに、本発明によれば、高温超伝導体の高温側に熱電冷却素子を設置して冷却することにより、より低温に保持できるため、臨界電流値が大きく、必要な断面積を減少でき、結果として、極低温部への熱侵入量を低減できる。
【００４４】
また、さらに別の視点IIにおいて、Ｎ型及びＰ型熱電材料を含むパワーリードに通電しない場合には、パワーリードの温度が上昇して、安定な（通電できる状態）温度分布を維持することは困難となる場合があるが、この技術的課題を解決するために、パワーリードの導体構成を、常温側から順に金属導体および高温超伝導体からなるものとし、前記金属導体の下部近傍（即ち、超伝導コイル側の端部側近傍）に熱良導体を設け、前記熱良導体を介して熱電冷却素子で金属導体、高温超伝導体および超伝導コイルを冷却する構成とする。
【００４５】
本発明の上記視点IIによれば、パワーリードに通電しない場合でも、パワーリードは低温に冷却されることから、いつでも通電可能な状態を維持できる。また、熱電冷却素子の電流を制御することにより、温度分布も最適に制御することが可能とされる。同様な観点から、第１の冷却手段により超伝導状態とされる超伝導コイルに外部電源から励磁電流を通電するパワーリードにおいて、常温側から、第２の冷却手段で所定温度に冷却される金属導体と、該金属導体に接続されたＮ型熱電材料又はＰ型熱電材料と、をこの順に含むこととする。この構成により、パワーリードに通電しない場合でもパワーリードは低温に冷却され、いつでも通電可能な状態を維持できる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明の実施の形態を以下に説明する。
【００４７】
【実施形態１】
図１は本発明の第１の実施形態の構成を説明する図である。図１を参照して、液体Ｈｅ中に配設された超伝導コイルと室温に配設された電源とを接続するパワーリードは、電源の正極側にＮ型熱電材料が、電源の負極側にＰ型熱電材料が接続されて構成されている。
【００４８】
Ｐ型、Ｎ型の熱電材料をπ型に接合し、Ｎ電極からＰ電極に直流電流を流すと、ペルチェ効果によりＰ型とＮ型の接合部で吸熱が生じ、それぞれの電極端子側で放熱が生じることにより、熱電冷却が行なわれる。
【００４９】
より詳細には低温側では、次式（１）で与えられる吸熱が行なわれる。
【００５０】
ｑN−ｑP＝（ΠN−ΠP）Ｊ …（１）
【００５１】
ここに、Ｊは電流密度、ΠN、ΠPはＮ型、Ｐ型熱電材料の絶対ペルチェ係数、ｑN、ｑPはＮ型、Ｐ型熱電材料中で電子が運ぶ熱流をそれぞれ表わしている。
【００５２】
図１を参照して、パワーリードがＮ型及びＰ型の熱電冷却素子から形成されたことにより、通電時に低温側から熱が除去されるため、常温空間から低温側への熱侵入も回避され、結果として、従来必要とされたパワーリードの冷却機構が不要とされる。
【００５３】
液体窒素温度領域において、大きな性能指数を示す熱電冷却素子として、例えば、Ｎ型のＢｉ−Ｓｂ系合金、Ｐ型材料としてＢｉ系２２２３相（焼結体）高温超伝導体が用いられる（例えば、中野その他、「高温超伝導体を用いたペルチェ冷凍（熱電冷却）」、第５０回、１９９３年度秋季低温工学・超電導学会予稿集、第２７０頁参照）。
【００５４】
なお、本実施形態においては、Ｎ型及びＰ型の熱電冷却素子を液体Ｈｅから気化したガスＨｅを用いて補助的に冷却してもよいことは勿論である。この場合、本実施形態によれば、ガスＨｅの消費量は特段に削減される。
【００５５】
【実施形態２】
図２は、本発明の第２の実施形態の構成を説明する図である。
【００５６】
図２を参照して、本実施形態に係るパワーリードにおいては、電源の正極側にＮ型熱電材料が、電源の負極側にＰ型熱電材料が接続され、これらの熱電材料には高温超伝導体が接続され、高温超伝導体が超伝導コイルに接続されている。
【００５７】
Ｎ型、Ｐ型熱電材料（熱電冷却素子）は、実質的に常温（約３００Ｋ）から冷却して温度を下げ、高温超伝導体が配設された領域において吸熱が行なわれ、好ましくは、高温超伝導体のＴｃ（臨界温度）以下に冷却維持されるが、不足の場合には、液体窒素による冷却を用いてもよい。この場合も、Ｎ型、Ｐ型材料（熱電冷却素子）により冷却効率が高められる。
【００５８】
本実施形態においては、高温超伝導体は、液体Ｈｅが気化したガスＨｅによっても冷却される。
【００５９】
本実施形態においては、パワーリードに高温超伝導体を用いたことにより、Ｔｃ以下の温度において通電時の発熱がないため、低温側への熱侵入量を大幅に低減すると共に、パワーリードが熱電冷却素子から構成されることにより、特別な冷却機構を必要とせずに高温超伝導体のＴｃ以下に容易且つ効率的に冷却維持できる。
【００６０】
また、本実施形態においては、高温超伝導体を液体窒素あるいはガスＨｅで冷却した場合にも、熱電冷却素子による冷却作用のために、液体窒素、Ｈｅの消費量は前記従来例と比較して特段に削減される。
【００６１】
【実施形態３】
図３は、本発明の第３の実施形態の構成を説明する図である。図３を参照して、本実施形態において、パワーリードは、Ｎ型、Ｐ型熱電材料、金属（又は半導体）、及び高温超伝導体から構成されている。
【００６２】
本実施形態においては、金属又は半導体を液体窒素により冷却してもよい。この場合、図３の金属部（又は半導体部）には液体窒素のバス（不図示）が設けられる。
【００６３】
本実施形態は、Ｎ型、Ｐ型熱電材料からなる熱電冷却素子のみでは高温超伝導体のＴｃ（臨界温度）以下に冷却できない場合に好適に用いられる。
【００６４】
【実施形態４】
図４は、本発明の第４の実施形態の構成を説明する図である。図４を参照して、本実施形態において、パワーリードは、Ｎ型、Ｐ型熱電材料から成る熱電冷却素子を複数段カスケード形態に接続してなるものである。図４において、各段の熱電冷却素子はそれぞれ異なった温度領域に配置され、それぞれ低温側から吸熱を、高温側にて放熱を行う。
【００６５】
本実施形態によれば、複数段（＝ｎ）の熱電冷却素子による最高温度と最低温度の温度差は、各熱電冷却素子による冷却温度差ΔＴｉ（ｉ＝１〜ｎ）の略総和程度に等しい値が期待される。このため、パワーリードの冷却が全く不要になる場合もある。
【００６６】
また、本実施形態においては、熱電冷却素子の別の態様として、図９に示すように、Ｎ型、Ｐ型熱電材料から成る熱電冷却素子をセラミック板の間に挟んで数個から十数個の直列形態に接続して構成してもよい（この構成を「１段モジュール」ともいう）。
【００６７】
図９に示すように、Ｎ型、Ｐ型熱電材料から成る熱電冷却素子の金属電極による接合部が一側になるようにアレイ状に配列されており、各熱電冷却素子についてＮ型熱電材料には電流が流れ込み、Ｐ型熱電材料からは電流が流れ出すように接続され、各熱電冷却素子はそれぞれ低温側（接合部側）から吸熱、高温側にて放熱を行なう。
【００６８】
本実施形態において、図９に示す熱電冷却モジュールを用いる場合、液体Ｈｅに配設された超伝導コイル（不図示）は、図中の吸熱側において１段モジュールの所定の熱電冷却素子の間に接続される。
【００６９】
本実施形態によれば、複数の直列に接続された熱電冷却素子による最高温度と最低温度の温度差は、直列形態に接続された熱電冷却素子の数に略比例し、冷却効果が増大する。このため、パワーリードの冷却が全く不要になる場合さえある。
【００７０】
なお、直列形態に接続された複数（＝ｎ）の熱電冷却素子は、各温度領域において最適な性能指数が得られるように、各段毎に異なる材料から構成してもよいことは勿論である。
【００７１】
また、図９に示した一段モジュールを複数段、例えば、図１０に示すように、ピラミッド型に多段（例えば６段カスケード形態）に構成する（下部側で熱電冷却素子数が大、上部側で熱電冷却素子数が小）ことによって、さらに大きな温度差を得ることができる。
【００７２】
図１７に、図１０に斜視図にて示したピラミッド型に多段構成の熱電冷却素子からなる電流リードの、超伝導コイル及び駆動電源との電気的接続の様子を模式的に示す（但し、図１７では３段カスケード形態が示されている）。図１７を参照して、高段側端部（図では３段目）のＮ型及びＰ型熱電材料から成る熱電冷却素子に超伝導コイル端部がそれぞれ接続され、１段目のアレイ状に複数配設された、Ｎ型及びＰ型熱電材料から成る熱電冷却素子に対して、Ｎ型熱電材料に電流が流れ込み、Ｐ型熱電材料からは電流が流れ出すように電源端子が接続配線され、各段の熱電冷却素子はそれぞれ低温側（図示上部接合部側）から吸熱し、高温側（図示下部接合部）にて放熱を行なう。
【００７３】
図９に示す一段モジュール構成の場合、素子接合部温度差は、一般に、Ｎ型、Ｐ型材料から成る熱電冷却素子の最大温度差（「ΔＴJM」という）を超えることはできない。従って、一段モジュールにおける個々の熱電冷却素子の温度差（ΔＴj）について、ΔＴj＝ΔＴJMの場合、低温接合部の吸収能力及び成績係数は零となる。しかしながら、図１０に示すように、モジュールを多段に積み重ね、上段モジュールの高温側発熱を下段モジュールの低温側で吸収することにより、上記制約が解消される。
【００７４】
なお、本実施形態においては、図９に示す１段モジュール、又は図１０に示す多段モジュール（不図示）から成る熱電冷却モジュールを、後に説明するように、超伝導コイルを駆動するための電源とは別の電源により駆動してもよいことは勿論である。
【００７５】
【実施形態５】
図５は、本発明の第５の実施形態の構成を説明する図である。図５を参照して、本実施形態においては、電源として、超伝導コイルを交流駆動するための交流電源が用いられ、Ｎ型、Ｐ型熱電材料から成る２つの熱電冷却素子をパワーリードとし、交流電源の一側の端子と第１の熱電冷却素子の間に第１のスイッチＳＷ１が設けられ、交流電源の他側の端子と第２の熱電冷却素子の間に第２のスイッチＳＷ２が設けられている。
【００７６】
より詳細には、図５を参照して、第１の熱電冷却素子のＮ型、Ｐ型熱電材料の一端はそれぞれ第１のスイッチＳＷ１の端子に接続され、Ｎ型、Ｐ型熱電材料の他端は超伝導コイルの端部に接続されている。また、第２の熱電冷却素子のＮ型、Ｐ型熱電材料の一端はそれぞれ第２のスイッチＳＷ２の端子に接続され、Ｎ型、Ｐ型熱電材料の他端は超伝導コイルの端部に接続されている。
【００７７】
第１及び第２のスイッチを介して、第１及び第２の熱電冷却素子におけるＮ型熱電材料は、交流電源から常に電流が流れ込み（上流に配置され）、Ｐ型熱電材料からは交流電源側電流が流れ出す（下流に配置される）ように、ライン周波数の半周期毎に切替制御され、このため、Ｎ型、Ｐ型材料は熱電冷却素子として作用する。
【００７８】
超伝導コイルの両端部と熱電冷却素子の端部とがライン周波数の半周期毎に切替制御され、超伝導コイルは交流駆動される。なお、本実施形態において、パワーリードとして、高温超伝導体を含む構成、あるいは、熱電冷却素子を多段に含むようにした構成としてもよいことは勿論である。
【００７９】
【実施形態６】
図６は、本発明の第６の実施形態の構成を説明する図である。図６を参照して、本発明の第６の実施形態を説明する。
【００８０】
Ｎ型、Ｐ型熱電材料からなる熱電冷却素子による冷却は、該素子に流す電流に依存する。
【００８１】
前記各実施形態においては、超伝導コイルを駆動するための電源と、熱電冷却素子とは直接接続されているため、冷却と超伝導コイル電流とを互いに独立に制御することはできない。
【００８２】
本実施形態は、この問題を解決するものであり、電源１は、超伝導コイルに流れる電流を供給し、電源２は熱電冷却素子（「ペルチェ素子」ともいう）に流れる電流を供給し、これらの電源は、制御装置を介して常に最適な冷却が維持されるように制御される。より詳細には、制御装置は、超伝導コイル電流と熱電冷却素子に流れる電流のそれぞれを監視しながらそれぞれの電源に制御信号を出力し、電源電流の可変に制御して冷却を最適制御する。
【００８３】
【実施形態７】
図１１は、本発明の第７の実施形態の構成を説明する図である。図１１を参照して、本発明の第７の実施形態を説明する。
【００８４】
熱電冷却素子を構成するＮ型とＰ型の熱電材料は、その特性に関して完全に対称的であることはなく、このため、冷却素子の作製時においては、性能指数が最大となるように、最適設計が行なわれる。その際、Ｎ型とＰ型の熱電材料の断面積が異なることになる。その結果、Ｎ型とＰ型の熱電材料で吸収熱量に相違が生じる。
【００８５】
一般のペルチェ素子の場合には、典型的にはΠ型で構成され、Ｎ型とＰ型の熱電材料は熱伝導率の高いＣｕ等で接続されているため、このＮ型とＰ型の熱電材料における熱吸収量の差は問題とはならないが、パワーリードとして利用する場合、Ｎ型とＰ型の熱電材料は互いに電気的に隔離されているため、Ｎ型とＰ型の熱電材料は冷却側にて温度が互いに異なることになる。
【００８６】
本実施形態は、このような問題を解消するものであり、図１１に示すように、Ｎ型とＰ型の熱電材料の冷却側を熱的に接続し、且つ電気的に絶縁したものである。すなわち、Ｎ型とＰ型の熱電材料は、冷却側において、電気的に絶縁性で且つ熱伝導率の大きな部材により互いに接続され、Ｎ型とＰ型の熱電材料は、冷却側において同一温度に維持される。
【００８７】
【実施形態８】
通常、大電流電源は高価である。特に超伝導コイルのようにインピーダンスの低い負荷には大電流低電圧の電源になるので、電源としてはあまり好ましいものではない。このため、ペルチェ素子では多くの素子を直列に接続し、低電流で適当な電圧の電源を利用している。
【００８８】
また超伝導コイルを励磁する電流は大きいので、超伝導コイル励磁用の電源の電流は大きくなり高価になる。そして超伝導コイル励磁用の電源を作動させない時に低温側に熱が入らないようにするためには、ペルチェ素子に電流を供給する電源２を設けた前記第６の実施形態（図６参照）の構成とすればよいが、電源２も大電流を出力できる電源である必要がある。
【００８９】
しかしながら、これは高価になるので、本実施形態においては、図１２に示すように、数多くのＰ型、Ｎ型の熱電材料を並列に接続する場合には、電源１で超伝導コイルを励磁し（電源からスイッチＳＷ１を介して並列に配設されたＮ型熱電材料にそれぞれ流れ込み、超伝導コイル下流の並列に配設されたＰ型熱電材料からスイッチＳＷ１を介して電源１に戻る）、それ以外の場合には、切替スイッチＳＷ１、ＳＷ２を利用して複数の熱電変換素子を直列形態に接続して、電源２の電流値を下げる。
【００９０】
【実施形態９】
図１３を参照して、本発明の第９の実施形態を説明する。図１３を参照して、本実施形態においては、図３を参照して説明した前記第３の実施形態において、Ｎ型及びＰ型熱電材料（半導体）と高温超伝導体との間に配設された導体部（Ｃｕ等）間に新たにスイッチＳＷが設けられている。
【００９１】
このスイッチＳＷは、超伝導コイル（「超伝導マグネット」ともいう）が励磁していないときで超伝導コイルを冷却しているときには閉成され、二つの導体部間を電気的に接続し電源からの電流はＮ型熱電材料、導体及びスイッチＳＷを介してＰ型熱電材料側の導体に流れることになる。これによって、超伝導コイルが磁場を発生していない時にも、低温系への熱の侵入を減らすことができる。一方、超伝導コイルを励磁する時は、当然このスイッチＳＷを開状態として電源からＮ型熱電材料、導体、高温超伝導体、超伝導コイル、高温超伝導体、導体、Ｐ型熱電材料のループに電流が流れる。
【００９２】
なお、本実施形態においては、Ｎ型及びＰ型熱電材料（半導体）にはラジエターが備えられて放熱特性を向上している。
【００９３】
【実施形態１０】
図１４を参照して、本発明の第１０の実施形態を以下に説明する。図１４において、従来の超伝導装置の説明で参照した図１６の要素と同一又は同等の機能の要素については同一の参照符号が付されている。以下では前記従来例との相違点を主に説明する。
【００９４】
本実施形態によるパワーリードと従来の高温超伝導体を用いたパワーリード（例えば、前記文献（「工業材料」、Vol.41、No.3、第33頁））との主たる相違点は、銅導体３００と高温超伝導体（酸化物超伝導体）３０１との間において直流電源５０の正極側にＮ型熱電材料２００を接続し、負極側にＰ型熱電材料２０１を接続して構成した点である。以下に詳説する。
【００９５】
真空断熱などにより断熱された低温容器１の内部に超伝導コイル２が配置され、極低温の液体ヘリウム２２により冷却される。超伝導コイル２は、接続線２１を介してパワーリード（正極：３０１、２００、３００、負極：３０１、２０１、３００で構成）に接続されている。銅導体３００の室温部はケーブル９によって直流電源５０に接続され、直流電源５０は超伝導コイル２に必要な電流を供給している。
【００９６】
パワーリードの常温部はフタ（蓋）１０１により支持されている。フタ１０１には、常温側導体（銅導体３００）を冷却するための液体窒素３１が蒸発したガス３２を外部に放出するための配管が設置され外部に室温近傍の窒素ガスが放出される。
【００９７】
銅導体３００を液体窒素３１で冷却することにより銅導体３００の下部の温度を７７Ｋ近傍に保持している。さらに、銅導体３００と高温超伝導体３０１の間に正極にＮ型熱電材料２００、負極にＰ型熱電材料２０１を接続して高温超伝導体の温度を７７Ｋ以下に冷却している。
【００９８】
なお、図１４の構成において、超伝導コイル２の線材を高温超伝導材料で形成した場合には、超伝導コイル２の温度も７７Ｋ以下に冷却すればよいので、冷媒の液体ヘリウム２２が不要になるとともに、パワーリードの内の高温超伝導体３０１も不要になり、超伝導コイル２の両端子と銅導体３００との間にＮ型熱電材料２００およびＰ型熱電材料２０１が接続されるという簡易な構成の超伝導コイル装置を提供することができる。
【００９９】
【実施形態１１】
図１５を参照して、本発明の第１１の実施形態を以下に説明する。図１４に示した前記第１０の実施形態では、超伝導コイル２に電流を通電している状態では、パワーリード３は冷却され、極低温部への熱侵入量を低減できるが、超伝導コイル２の電流をゼロにした場合、熱電冷却素子（２００、２０１）に流れる電流がゼロになるため、熱電冷却素子（ペルチェ素子）による冷却作用が無くなる。本実施形態は、上記問題を解決するために、パワーリードの構成を以下のように構成したものである。
【０１００】
図１５において、前記第１０の実施形態の説明で参照した図１４と同一又は同等の機能の要素には同一の参照符号が付されている。以下では、前記第１０の実施形態との相違点を説明する。
【０１０１】
低温容器１の内部に配置される液体ヘリウム容器１００の内部に超伝導コイル２が収容されている。超伝導コイル２は、接続線２１を介して高温超伝導体３０１に接続され、さらに銅導体３００に接続されている。
【０１０２】
そして、銅導体３００の室温部はケーブル９を介して外部電源５０に接続される。フタ１０１は、低温容器１内部を真空に封止するための気密部品である。銅導体３００はこのフタ１０１により支持されている。
【０１０３】
本実施形態においては、銅導体３００の低温部に、好ましくは電気絶縁性の熱良導体２０３を介して、Ｎ型熱電材料２００、Ｐ型熱電材料２０１からなる熱電冷却素子の共通接続部２０２を接続する。熱電冷却素子（２００、２０１）は電源５１の正極にＮ型熱電材料２００を、また負極にＰ型熱電材料２０１を接続するように配設されておりフタ１０１において所定の気密封止がされて支持されている。
【０１０４】
電源５１と熱電冷却素子（２００、２０１）はケーブルによって接続される。本実施形態に係るパワーリードにおいては、銅導体３００、高温超伝導体３０１から導体を構成しているが、それぞれの導体の内部を液体ヘリウムが蒸発した低温のガスヘリウムで冷却してもよい。
【０１０５】
また、超伝導コイル用の線材は金属系超伝導線材又は高温超伝導体線材であってよい。この場合の冷媒は液体ヘリウム又は液体窒素である。
【０１０６】
以上、上記実施形態を説明したが、本発明は、上記各形態及びその組合せにのみ限定されるものでなく、本発明の原理に準ずる各種形態を含むことは勿論である。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱電冷却素子（ペルチェ素子）が電源に接続され、ペルチェ効果により、放熱、吸熱作用を行なうため、従来必要とされていたガス冷媒等によるパワーリードの冷却は不要とされるか或いは大幅に軽減される。
【０１０８】
そして、本発明においては、パワーリードを熱電冷却素子と高温超伝導体とから構成した場合、ペルチェ素子により高温超伝導体のＴｃ（臨界温度）以下にまで冷却され、液体窒素による高温超伝導体を冷却することが不要とされ或いは軽減される。
【０１０９】
本発明においては、パワーリードを構成する高温超伝導体を液体窒素あるいはガスＨｅで冷却した場合にも、熱電冷却素子による冷却作用のために、液体窒素、Ｈｅの消費量は従来例と比較して特段に削減され、ランニングコストを大幅に低減する。
【０１１０】
あるいは、本発明においては、高温超伝導体の冷却が不足する場合には、液体窒素により冷却してもよいが、高温超伝導体の超伝導コイル側はガスＨｅにより冷却され、冷却効率が向上する。
【０１１１】
本発明においては、熱電冷却素子を複数段カスケード形態に接続した場合、冷却効果は一段と高められる。
【０１１２】
そして、本発明によれば、熱電冷却素子を含むパワーリードと交流電源との間に切替スイッチを設けることにより、熱電冷却を行ないながら超伝導コイルを交流駆動できるという利点を有する。
【０１１３】
さらに、本発明の第１の視点によれば、熱電冷却素子に電流を供給する電源を超伝導コイル電流を供給する電源とは別途設け、超伝導コイルに流れる電流と、熱電冷却素子に流れる電流をモニタして、それぞれの電源電流を制御することにより最適な冷却が達成される。即ち、電源１は、超伝導コイルに流れる電流を供給し、電源２は熱電冷却素子（「ペルチェ素子」ともいう）に流れる電流を供給し、これらの電源は、制御装置を介して常に最適な冷却が維持されるように制御される。
また本発明の第２の視点においても、導電体と高温超伝導体を超伝導コイルとの間に介在させ、スイッチを介してＰ型、Ｎ型熱電材料への通電を、開閉切替制御する利点がある。
【０１１４】
本発明によれば、熱電冷却素子を形成するＮ型とＰ型の熱電材料は、冷却側にて、熱伝導率が大で、電気的絶縁体となる材料を介して互いに接続されたことにより、Ｎ型とＰ型の熱電材料の特性の非対称性に原因する、低温側におけるＮ型とＰ型の熱電材料の温度差が解消され、これらは同一温度に保たれる。
【０１１５】
そして、本発明の別の視点Ｉによれば、真空断熱容器内に収納され液体ヘリウムに浸漬された超伝導コイルに外部電源から励磁電流を通電するパワーリードを、常温側から順に、金属導体と、該金属導体に接続されたＮ型熱電材料又はＰ型熱電材料を含むものとし、前記金属導体を液体窒素で冷却する。これによって、前記パワーリードの金属導体は液体窒素で冷却されるとともに、熱電冷却素子によっても冷却されるので、前記金属導体を介して侵入する極低温部への熱侵入量をより低減することができる。また、前記Ｎ型熱電材料またはＰ型熱電材料と前記超伝導コイルとの間に高温超伝導体からなる電気導体を接続してなる構成とすることにより、高温超伝導体が金属導体を介して液体窒素で冷却されるとともに、熱電冷却素子によっても冷却されるため、より低温に保持できることから、臨界電流値が大きくなり、必要な断面積を減少することができ、極低温部への熱侵入量を大幅に低減することができ、その結果、高価な液体ヘリウムの消費量を大幅に削減することができるという効果が得られる。
【０１１６】
また、本発明の別の視点IIによれば、真空断熱容器内に収納され液体ヘリウムに浸漬された超伝導コイルに外部電源から励磁電流を通電するパワーリードにおいて、導体の構成を常温側から順に金属導体および高温超伝導体からなるものとし、金属導体の下部近傍を熱良導体を介して熱電冷却素子で冷却することにより、高温超伝導体を超伝導状態に保持し、超伝導コイルの非通電状態時においても、パワーリードを低温に冷却することが可能とされ、さらに、熱電冷却素子用の電源の電流を制御することにより、パワーリードの温度分布も任意に制御できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成を説明する図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の構成を説明する図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の構成を説明する図である。
【図４】本発明の第４の実施形態の構成を説明する図である。
【図５】本発明の第５の実施形態の構成を説明する図である。
【図６】本発明の第６の実施形態の構成を説明する図である。
【図７】従来のガス冷却型パワーリードの構成を説明する図である。
【図８】従来の高温超伝導体を用いたパワーリードの構成を説明する図である。
【図９】直列接続された熱電冷却モジュールの構成例を説明する図である。
【図１０】多段にカスケード接続された熱電冷却モジュールの構成例を説明する図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態の構成を説明する図である。
【図１２】本発明の第８の実施形態の構成を説明する図である。
【図１３】本発明の第９の実施形態の構成を説明する図である。
【図１４】本発明の第１０の実施形態の構成を説明する図である。
【図１５】本発明の第１１の実施形態の構成を説明する図である。
【図１６】従来のパワーリードを用いた超伝導装置の縦断面を示す図である。
【図１７】図１０に示した、本発明の実施形態に係る、多段カスケード接続構成の熱電冷却素子からなる電流リードの、超伝導コイル及び駆動電源との電気的接続の様子を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１低温容器
２超伝導コイル
３パワーリード
３ａリード導体
３ｂ常温部端子
３ｃリード配管
２３ヘリウムガス
２２液体ヘリウム
３１液体窒素
３２窒素ガス
５０超伝導コイル用の電源
５１熱電冷却素子用の電源
１００ＬＮ2タンク（液体窒素タンク）
２００Ｎ型熱電材料
２０１Ｐ型熱電材料
２０３熱良導体（電気絶縁物）
３００銅導体
３０１高温超伝導体（酸化物超伝導体）
ＬＨｅ液体Ｈｅ
ＧＨｅガスＨｅ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power lead that electrically connects a superconducting coil and a power source, and more particularly to a thermoelectric cooling type power lead that performs a cooling action by thermoelectric conversion (Peltier effect).
[0002]
[Prior art]
The configuration of power leads (also referred to as “current leads”) in a conventional superconducting coil device will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows an example of the configuration of a conventional gas-cooled power lead.
[0003]
Referring to FIG. 7, the superconducting coil is disposed in a low temperature space (cryogenic space), that is, in liquid He (4.2K), the power source is disposed in the room temperature space, and the superconducting coil is connected to one end of the power lead. The other end of the power lead is connected to the power supply terminal.
[0004]
The power lead is formed from a normal conductor such as OFCu (Oxygen Free Copper) and has a high electrical conductivity, but also has a high thermal conductivity, so heat from a room temperature space can easily enter and flow into the low temperature space side. Will end up.
[0005]
For this reason, in the superconducting coil device, as shown in FIG. 7, it is necessary to cool the power lead with a refrigerant such as gas He.
[0006]
In this way, by flowing the gas refrigerant (gas He) from the low temperature side in the transition region from the low temperature space to the normal temperature space, (1) reduction of Joule heat generation due to reduction of electric resistance of the power lead accompanying cooling, (2) The heat from the room temperature side is exchanged to the outside by exchanging heat.
[0007]
And in order to improve the heat exchange rate with a gas refrigerant, a power lead is set as the structure which enlarges a surface area as much as possible, For this reason, it is set as the structure of mesh shape or spiral tube, for example. FIG. 7 shows a power lead in a mesh form (indicated by a broken line portion of the power lead in the figure).
[0008]
Referring to FIG. 7, the heater is for heating liquid He and forcibly evaporating gas He as a gas refrigerant. The liquid He is supplied from the supply port.
[0009]
Further, a conventional gas-cooled power lead will be described below with reference to a superconducting device whose longitudinal sectional view is shown in FIG. As described above, since the superconducting coil is kept in a superconducting state using expensive liquid helium as a refrigerant, it is desirable to keep the evaporation amount of this liquid helium small, and from the power lead (current lead) to the superconducting coil. It is also necessary to reduce the amount of heat penetrating into the water.
[0010]
Referring to FIG. 16, superconducting coil 2 is installed inside cryogenic container 1, and the outer periphery of cryogenic container 1 is a double cylindrical liquid to insulate heat intrusion (radiant heat) from the outer circumference. Surrounded by the nitrogen shield 13, a vacuum vessel 15 for forming a vacuum heat insulating layer is installed on the outer periphery of the liquid nitrogen shield 13. Inside the liquid nitrogen shield 13, liquid nitrogen 31 and low-temperature nitrogen gas 32 obtained by evaporating the liquid nitrogen 31 are accommodated. The nitrogen gas 32 is discharged to the outside from the nitrogen gas pipe 14 installed on the upper part of the liquid nitrogen shield 13.
[0011]
The superconducting coil 2 is connected to one end of a lead conductor 3a, which is one of the components of the power lead 3, via a lead wire 20, and the other end of the lead conductor 3a is connected to an external room temperature part terminal 3b. . Generally, in order to remove Joule heat generated in the lead conductor 3a when energized and heat penetration due to conduction from the outside normal temperature portion to the inside cryogenic portion, the low temperature helium gas 23 in which the liquid helium 22 has evaporated is used as the lead conductor. A method is adopted in which the lead conductor 3a is cooled by being guided into a lead pipe 3c that accommodates 3a and passing through a gap 3d inside the lead pipe 3c. The helium gas 23 is cooled from the lead conductor 3 a and then branched from the upper portion of the lead pipe 3 c to enter the gas pipes 5 and 6 electrically insulated by the electrically insulating pipe joint 4, and further coupled to the gas pipe 6. Released from the external pipe 7. The lead pipe 3c, the vacuum vessel 15, and the low temperature vessel 1 are electrically insulated by an electrical insulator 8.
[0012]
Next, a power lead using a high-temperature superconductor will be described with reference to FIG.
[0013]
This is a high temperature superconductor such as Bi 2223 sintered body or YCBO for the power lead. The low temperature space is cooled with liquid He (4.2K) and the transition region where the high temperature superconductor is arranged. (A region between room temperature and low temperature) is cooled with liquid helium (LHe) and liquid nitrogen.
[0014]
This transition region is partitioned from the room temperature space by a thermal anchor, and is kept below the temperature at which the high temperature superconductor exhibits superconducting properties. The thermal anchor is made of a material having a large heat capacity and is made of, for example, Cu.
[0015]
In the high-temperature superconducting power lead shown in FIG. 8, the high-temperature superconductor portion (about 100 K or less) does not generate heat when energized, and therefore the amount of heat penetration into the low-temperature side can be reduced.
[0016]
Furthermore, there is an advantage that a configuration in which the whole is kept below the critical temperature Tc of the high-temperature superconductor by conduction cooling and gas cooling is not performed is possible. For example, a low heat penetration type oxide superconducting current lead configuration has been proposed as a current lead (power lead) that does not use gas cooling (for example, Yokoyama et al., "Development of a conduction cooling system superconducting magnet for klystrons-oxides" Design and testing of superconducting current leads, ”52nd, 1994 Fall Cryogenic Engineering / Superconductivity Society Preliminary Proceedings, page 235).
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional gas-cooled power lead shown in FIG. 7 has the following problems.
[0018]
(1) The consumption of gas refrigerant is large and uneconomical (expensive).
[0019]
(2) Although the electrical resistance distribution and temperature distribution of the power lead that determines the amount of heat penetration into the low temperature side are given as a function of the amount of gas refrigerant, the temperature distribution of the power lead adversely affects the conductance of the gas refrigerant. It is extremely difficult to adjust the flow rate of the refrigerant optimally. For this reason, as shown in FIG. 7, the liquid He is forcibly vaporized using a heater.
[0020]
In addition, according to the configuration of the conventional power lead portion described with reference to FIG. 16, it is difficult to significantly reduce the amount of heat penetration into the cryogenic portion during energization.
[0021]
Further, in the case of the power lead using the high temperature superconductor of FIG. 8, it is necessary to provide some cooling means because the heat penetration from the high temperature side cannot be made zero.
[0022]
A power lead using an oxide superconductor as a high-temperature superconductor has also been developed (see, for example, literature ("Industrial Materials", Vol. 41, No. 3, page 33)). Since the temperature of the upper part of the superconductor is fixed at 77 K (liquid nitrogen temperature), the critical current value of the high-temperature superconductor is small and the cross-sectional area of the high-temperature superconductor needs to be increased. For this reason, there is a restriction in reducing the amount of heat penetration into the cryogenic part due to the conduction heat from the high-temperature superconductor, and it has been difficult to significantly reduce the amount of heat penetration.
[0023]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a power lead that eliminates the need for special cooling means and efficiently radiates and cools itself. Further, the object of the present invention is to reduce the heat intrusion from the normal temperature part to the low temperature part in the low temperature container, thereby reducing the consumption of expensive liquid helium and enabling the operation of the highly economical apparatus. It is to provide leads.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, in a power lead that electrically connects a superconducting coil and a power source for driving the superconducting coil (referred to as a “first power source”), an N-type thermoelectric material and a P-type thermoelectric A plurality of thermoelectric cooling elements comprising pairs of materials are provided, and the pairs of N-type thermoelectric material and P-type thermoelectric material of the plurality of thermoelectric cooling elements are connected in common on the superconducting coil side and connected to the superconducting coil. In the opposite direction to the superconducting coil, the first power source and / or the second power source are respectively connected via a switch group, and when exciting the superconducting coil, the P-type thermoelectric material and The N-type thermoelectric materials are connected in parallel to each other to supply current from at least the first power source to the superconducting coil, and in other cases, the connection state of the switch group is switched to change the plurality of The thermoelectric cooling element of the Characterized in that connected to form the so reduce the value of the current supplied from the second power supply.
The present invention further has the following characteristics as a basis or in connection with each other.
(1) A power lead for electrically connecting a superconducting coil and a power source for driving the superconducting coil, an N-type thermoelectric material connected to the positive electrode of the power source, and a P-type connected to the negative electrode of the power source A thermoelectric cooling type power lead comprising a thermoelectric cooling element made of a thermoelectric material.
[0025]
(2) A power lead for electrically connecting a superconducting coil and a power source for driving the superconducting coil includes an N-type thermoelectric material connected to the positive electrode of the power source and a P-type thermoelectric device connected to the negative electrode of the power source. A thermoelectric cooling type power lead comprising: a thermoelectric cooling element made of a material; and a high temperature superconductor connected between the thermoelectric cooling element and the superconducting coil.
[0026]
(3) An N-type thermoelectric material electrically connected to the superconducting coil and a power source for driving the superconducting coil is connected to the positive electrode of the power source, and a P-type thermoelectric device is connected to the negative electrode of the power source. A thermoelectric cooling element made of a material, a conductor made of a metal or a semiconductor connected at one end to the thermoelectric cooling element, a high-temperature superconductor connected between the conductor and the superconducting coil, A thermoelectric cooling type power lead comprising:
[0027]
(4) The thermoelectric cooling type power lead of the present invention is preferably characterized by comprising a plurality of stages of thermoelectric cooling elements composed of an N type thermoelectric material and a P type thermoelectric material.
[0028]
(5) Preferably, the thermoelectric cooling type power lead of the present invention further comprises a module in which a plurality of thermoelectric cooling elements made of N type thermoelectric material and P type thermoelectric material are connected in series in a multi-stage cascade form. It is characterized by becoming.
[0029]
(6) Further, according to another aspect of the present invention, in a power lead that electrically connects a superconducting coil and a power source that drives the superconducting coil, the power source is an AC power source, and an N-type thermoelectric material and P First and second thermoelectric cooling elements made of a pair with a thermoelectric material, a first switch is provided between a terminal on one side of the AC power supply and the first thermoelectric cooling element, and the AC power supply A second switch is provided between the terminal on the other side and the thermoelectric cooling element, the superconducting coil is connected to the side of the first and second thermoelectric cooling elements facing the AC power supply, In the first and second thermoelectric cooling elements, the first and second switches are switched and controlled according to the line frequency so that the N-type thermoelectric material is arranged upstream and the P-type thermoelectric material is arranged downstream, It is characterized by AC driving the conduction coil Providing a thermoelectric cooling type power lead.
[0030]
(7) The thermoelectric cooling power lead of the present invention preferably includes a high-temperature superconductor connected between the first and second thermoelectric cooling elements and the superconducting coil. And
[0031]
(8) In the thermoelectric cooling type power lead of the present invention, preferably, a thermoelectric cooling element made of an N-type thermoelectric material and a P-type thermoelectric material is connected to each of the first and second thermoelectric cooling elements in a plurality of stages. It is characterized by that.
[0032]
(9) Further, according to another aspect of the present invention, in a power lead that electrically connects a superconducting coil and a power source for driving the superconducting coil (referred to as “first power source”), First and second thermoelectric cooling elements comprising a pair with a P-type thermoelectric material are provided, and the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material of the first and second thermoelectric cooling elements are electrically connected to each other on the superconducting coil side. (Commonly) connected to the superconducting coil, and on the first power supply side, the N-type thermoelectric material is placed between the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material. A second power supply for supplying a positive voltage to the thermoelectric material is connected to each other, and the current flowing through the superconducting coil and the thermoelectric cooling element is monitored, respectively, so as to maintain optimum cooling. Control for controlling power source 1 and second power source Providing a thermoelectric cooling type power leads comprising the road.
(10) In this case, preferably, the high-temperature superconductor connected between the first and second thermoelectric cooling elements and the superconducting coil is included.
(11) Also in this case, it is preferable that a thermoelectric cooling element composed of an N-type thermoelectric material and a P-type thermoelectric material is connected to the first and second thermoelectric cooling elements in a plurality of stages. And
[0033]
(12) According to another aspect of the present invention, an N-type thermoelectric material in which a power lead that electrically connects a superconducting coil and a power source that drives the superconducting coil is connected to the positive electrode of the power source, A thermoelectric cooling element comprising a P-type thermoelectric material connected to the negative electrode of the power source, wherein the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material are mutually in a predetermined region including an end opposite to the power source. A thermoelectrically cooled power lead is provided which is thermally connected and electrically insulated.
[0034]
(13) The present invention relates to a metal that is cooled by liquid nitrogen in order from the room temperature side in a power lead that energizes an exciting current from an external power source in a superconducting coil that is housed in a vacuum heat insulating container and immersed in liquid helium. There is provided a thermoelectric cooling type power lead comprising a conductor and an N-type thermoelectric material or a P-type thermoelectric material connected to the metal conductor.
[0035]
(14) In the thermoelectric cooling type power lead of the present invention, preferably, an electric conductor made of a high-temperature superconductor is connected between the N-type thermoelectric material or P-type thermoelectric material and the superconducting coil. It is characterized by.
[0036]
(15) In the present invention, a metal conductor and a high-temperature superconductor are included in this order from the normal temperature side, a good heat conductor is provided in the vicinity of the end of the metal conductor on the superconducting coil side, and thermoelectric cooling is performed. An element may be configured to cool the metal conductor, the high-temperature superconductor, and the superconducting coil through the good thermal conductor.
[0037]
According to the present invention, since the thermoelectric conversion material (Peltier element) is connected to the power source and performs heat dissipation and heat absorption by the Peltier effect, cooling with a gas refrigerant or the like that is conventionally required is unnecessary.
[0038]
In the present invention, when a plurality of Peltier elements are connected, the cooling effect is further enhanced.
[0039]
And in this invention, when a power lead is comprised from a Peltier device and a high temperature superconductor, it is cooled to Tc (critical temperature) by a Peltier device, and it is unnecessary to cool the high temperature superconductor by liquid nitrogen Is done. Alternatively, when the high-temperature superconductor is insufficiently cooled, it may be cooled with liquid nitrogen, but the superconducting coil side of the high-temperature superconductor is cooled with the gas He.
[0040]
In the present invention, as in the conventional example (power lead using high temperature superconductivity), when liquid helium or liquid nitrogen is not used, only the heat radiating part is exposed to room temperature air, Needless to say, it is placed in a vacuum. This is because the heat insulating properties are improved.
[0041]
According to the present invention, the N-type and P-type thermoelectric materials forming the thermoelectric cooling element have a high thermal conductivity on the cooling side, and are connected to each other via a material that becomes an electrical insulator. The amount of heat is controlled and the low temperature is kept the same.
[0042]
Furthermore, according to another aspect I of the present invention, a power lead that energizes an exciting current from an external power source to a superconducting coil that is housed in a vacuum heat insulating container and is immersed in liquid helium, a metal conductor in order from the normal temperature side, An N-type thermoelectric material or a P-type thermoelectric material connected to the metal conductor is included, and the metal conductor is cooled with, for example, liquid nitrogen (77K). As a result, the metal conductor of the power lead is cooled by liquid nitrogen and is also cooled by the thermoelectric cooling element, so that the amount of heat intrusion into the cryogenic part entering through the metal conductor is reduced.
[0043]
Further, in relation to the above-mentioned another viewpoint I, the present invention can be applied to a power lead in which an electric conductor made of a high temperature superconductor is provided on the extremely low temperature side. In other words, the high-temperature superconductor becomes superconductive at about 100K, and the electrical resistance becomes zero. Therefore, the generation of Joule heat generation is zero, and the thermal conductivity is also 1/100 or less of the copper conductor. The amount of heat penetration into the cryogenic part can be reduced. Since the normal-temperature-side conductor is cooled with liquid nitrogen, the critical current of the high-temperature superconductor has a value in the vicinity of 77K. Furthermore, according to the present invention, by installing a thermoelectric cooling element on the high temperature side of the high temperature superconductor and cooling it, it can be kept at a lower temperature, so that the critical current value is large and the required cross-sectional area can be reduced, resulting in As a result, the amount of heat penetration into the cryogenic part can be reduced.
[0044]
Further, in yet another viewpoint II, when power is not supplied to a power lead containing N-type and P-type thermoelectric materials, the temperature of the power lead rises and a stable (energized) temperature distribution is maintained. Although it may be difficult, in order to solve this technical problem, the conductor configuration of the power lead is made of a metal conductor and a high-temperature superconductor in order from the normal temperature side, and near the lower part of the metal conductor (that is, A good heat conductor is provided near the end of the superconducting coil, and the metal conductor, the high-temperature superconductor, and the superconducting coil are cooled by the thermoelectric cooling element via the good heat conductor.
[0045]
According to the above-mentioned viewpoint II of the present invention, even when the power lead is not energized, the power lead is cooled to a low temperature, so that it can be always energized. Further, the temperature distribution can be optimally controlled by controlling the current of the thermoelectric cooling element. From the same point of view, in a power lead in which an excitation current is supplied from an external power source to a superconducting coil that is brought into a superconducting state by the first cooling means, the metal cooled to a predetermined temperature by the second cooling means from the normal temperature side. A conductor and an N-type thermoelectric material or a P-type thermoelectric material connected to the metal conductor are included in this order. With this configuration, even when the power lead is not energized, the power lead is cooled to a low temperature and can be energized at any time.
[0046]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0047]
Embodiment 1
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a power lead for connecting a superconducting coil disposed in liquid He and a power source disposed at room temperature has an N-type thermoelectric material on the positive side of the power source and an N-type thermoelectric material on the negative side of the power source. A P-type thermoelectric material is connected.
[0048]
When P-type and N-type thermoelectric materials are joined to π-type and a direct current is passed from the N electrode to the P-electrode, heat is absorbed at the P-type and N-type joints due to the Peltier effect, and heat is radiated at the respective electrode terminal sides. As a result, thermoelectric cooling is performed.
[0049]
More specifically, on the low temperature side, heat absorption given by the following equation (1) is performed.
[0050]
qN−qP = (ΠN−ΠP) J (1)
[0051]
Here, J is the current density, ΠN, ΠP is the absolute Peltier coefficient of the N-type and P-type thermoelectric materials, and qN and qP are the heat flows carried by the electrons in the N-type and P-type thermoelectric materials, respectively.
[0052]
Referring to FIG. 1, since the power leads are formed from N-type and P-type thermoelectric cooling elements, heat is removed from the low temperature side during energization, so that heat penetration from the room temperature space to the low temperature side is also avoided. As a result, the cooling mechanism for the power lead that is conventionally required is not required.
[0053]
As a thermoelectric cooling element exhibiting a large figure of merit in the liquid nitrogen temperature region, for example, an N-type Bi—Sb alloy and a Bi-based 2223 (sintered) high-temperature superconductor as a P-type material are used (for example, Nakano et al., “Peltier refrigeration using high-temperature superconductor (thermoelectric cooling)”, 50th, 1993 Autumn Low Temperature Engineering and Superconductivity Society Proceedings, page 270).
[0054]
In the present embodiment, it is needless to say that the N-type and P-type thermoelectric cooling elements may be supplementarily cooled using the gas He vaporized from the liquid He. In this case, according to the present embodiment, the consumption amount of the gas He is particularly reduced.
[0055]
Embodiment 2
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the second exemplary embodiment of the present invention.
[0056]
Referring to FIG. 2, in the power lead according to the present embodiment, an N-type thermoelectric material is connected to the positive electrode side of the power source, and a P-type thermoelectric material is connected to the negative electrode side of the power source. The body is connected and the high temperature superconductor is connected to the superconducting coil.
[0057]
N-type and P-type thermoelectric materials (thermoelectric cooling elements) are cooled from substantially room temperature (about 300 K) to lower the temperature, and heat is absorbed in the region where the high-temperature superconductor is disposed. Although cooling is maintained below the Tc (critical temperature) of the superconductor, cooling with liquid nitrogen may be used if insufficient. Also in this case, the cooling efficiency is enhanced by the N-type and P-type materials (thermoelectric cooling elements).
[0058]
In the present embodiment, the high-temperature superconductor is also cooled by the gas He vaporized from the liquid He.
[0059]
In this embodiment, since the high-temperature superconductor is used for the power lead, there is no heat generation during energization at a temperature of Tc or lower, so that the amount of heat penetration to the low temperature side is greatly reduced and the power lead is thermoelectric. By comprising the cooling element, the cooling can be maintained easily and efficiently below the Tc of the high-temperature superconductor without requiring a special cooling mechanism.
[0060]
In this embodiment, even when the high-temperature superconductor is cooled with liquid nitrogen or gas He, the consumption of liquid nitrogen and He is smaller than that of the conventional example because of the cooling action by the thermoelectric cooling element. Reduced significantly.
[0061]
Embodiment 3
FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of the third embodiment of the present invention. With reference to FIG. 3, in this embodiment, the power lead is composed of an N-type, P-type thermoelectric material, metal (or semiconductor), and high-temperature superconductor.
[0062]
In the present embodiment, the metal or semiconductor may be cooled with liquid nitrogen. In this case, the metal part (or semiconductor part) of FIG. 3 is provided with a liquid nitrogen bath (not shown).
[0063]
This embodiment is suitably used when cooling cannot be performed below the Tc (critical temperature) of a high-temperature superconductor by using only a thermoelectric cooling element made of an N-type or P-type thermoelectric material.
[0064]
Embodiment 4
FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the fourth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, in this embodiment, the power lead is formed by connecting thermoelectric cooling elements made of N-type and P-type thermoelectric materials in a multi-stage cascade form. In FIG. 4, the thermoelectric cooling elements at each stage are arranged in different temperature ranges, respectively, and absorb heat from the low temperature side and dissipate heat at the high temperature side.
[0065]
According to the present embodiment, the temperature difference between the maximum temperature and the minimum temperature due to the thermoelectric cooling elements in a plurality of stages (= n) is approximately equal to the sum of the cooling temperature differences ΔTi (i = 1 to n) due to the thermoelectric cooling elements. Expected value. For this reason, cooling of the power lead is sometimes unnecessary.
[0066]
Further, in the present embodiment, as another aspect of the thermoelectric cooling element, as shown in FIG. 9, several to dozens of series thermoelectric cooling elements made of N-type and P-type thermoelectric materials are sandwiched between ceramic plates. It may be configured to be connected to the form (this configuration is also referred to as “one-stage module”).
[0067]
As shown in FIG. 9, the thermoelectric cooling elements made of N-type and P-type thermoelectric materials are arranged in an array so that the joint portions by the metal electrodes are on one side. Are connected such that current flows in and current flows out from the P-type thermoelectric material, and each thermoelectric cooling element absorbs heat from the low temperature side (joint side) and dissipates heat on the high temperature side.
[0068]
In the present embodiment, when the thermoelectric cooling module shown in FIG. 9 is used, a superconducting coil (not shown) disposed in the liquid He is placed between predetermined thermoelectric cooling elements of the first-stage module on the heat absorption side in the drawing. Connected.
[0069]
According to this embodiment, the temperature difference between the highest temperature and the lowest temperature due to the plurality of thermoelectric cooling elements connected in series is substantially proportional to the number of thermoelectric cooling elements connected in series, and the cooling effect increases. For this reason, cooling of the power lead may not be necessary at all.
[0070]
Of course, the plurality of (= n) thermoelectric cooling elements connected in series may be made of different materials for each stage so that an optimum figure of merit can be obtained in each temperature region. .
[0071]
Further, the single-stage module shown in FIG. 9 is configured in a plurality of stages, for example, as shown in FIG. 10, in a multi-stage (for example, a six-stage cascade form) in a pyramid shape (the number of thermoelectric cooling elements is large on the lower side, With a smaller number of thermoelectric cooling elements, a larger temperature difference can be obtained.
[0072]
FIG. 17 schematically shows a state of electrical connection of the current lead made of the thermoelectric cooling element of the pyramid type multi-stage configuration shown in the perspective view of FIG. 10 with the superconducting coil and the driving power source (however, FIG. 17 shows a three-stage cascade configuration). Referring to FIG. 17, superconducting coil ends are connected to thermoelectric cooling elements made of N-type and P-type thermoelectric materials at the upper stage end (third stage in the figure), respectively. A plurality of arranged thermoelectric cooling elements made of N-type and P-type thermoelectric materials are connected and wired with power supply terminals so that current flows into the N-type thermoelectric material and current flows out of the P-type thermoelectric material. Each stage of the thermoelectric cooling element absorbs heat from the low temperature side (upper joint side in the figure) and radiates heat on the high temperature side (lower joint part in the figure).
[0073]
In the case of the one-stage module configuration shown in FIG. 9, the element junction temperature difference generally cannot exceed the maximum temperature difference (referred to as “ΔTJM”) of thermoelectric cooling elements made of N-type and P-type materials. Therefore, with respect to the temperature difference (ΔTj) between the individual thermoelectric cooling elements in the one-stage module, when ΔTj = ΔTJM, the absorption capability and the coefficient of performance of the low-temperature joint are zero. However, as shown in FIG. 10, the above-mentioned restriction is eliminated by stacking modules in multiple stages and absorbing the high temperature side heat generation of the upper module on the low temperature side of the lower module.
[0074]
In the present embodiment, a thermoelectric cooling module composed of a single-stage module shown in FIG. 9 or a multi-stage module (not shown) shown in FIG. 10 is used as a power source for driving a superconducting coil, as will be described later. Of course, may be driven by another power source.
[0075]
Embodiment 5
FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of the fifth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, in this embodiment, an AC power source for AC driving the superconducting coil is used as a power source, and two thermoelectric cooling elements made of N-type and P-type thermoelectric materials are used as power leads, A first switch SW1 is provided between a terminal on one side of the AC power supply and the first thermoelectric cooling element, and a second switch SW2 is provided between the terminal on the other side of the AC power supply and the second thermoelectric cooling element. It has been.
[0076]
More specifically, referring to FIG. 5, one end of each of the N-type and P-type thermoelectric materials of the first thermoelectric cooling element is connected to the terminal of the first switch SW1, and other N-type and P-type thermoelectric materials are used. The end is connected to the end of the superconducting coil. Also, one end of the N-type and P-type thermoelectric materials of the second thermoelectric cooling element is connected to the terminal of the second switch SW2, and the other end of the N-type and P-type thermoelectric materials is connected to the end of the superconducting coil. Has been.
[0077]
Through the first and second switches, the N-type thermoelectric material in the first and second thermoelectric cooling elements always flows current from the AC power supply (arranged upstream), and the P-type thermoelectric material from the AC power supply side Switching is controlled every half cycle of the line frequency so that current flows out (arranged downstream). For this reason, the N-type and P-type materials act as thermoelectric cooling elements.
[0078]
The both ends of the superconducting coil and the end of the thermoelectric cooling element are switched and controlled every half cycle of the line frequency, and the superconducting coil is AC driven. In this embodiment, as a power lead, it is needless to say that a configuration including a high-temperature superconductor or a configuration including thermoelectric cooling elements in multiple stages may be used.
[0079]
Embodiment 6
FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of the sixth embodiment of the present invention. A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0080]
Cooling by a thermoelectric cooling element made of an N-type or P-type thermoelectric material depends on the current flowing through the element.
[0081]
In each of the above embodiments, since the power source for driving the superconducting coil and the thermoelectric cooling element are directly connected, the cooling and the superconducting coil current cannot be controlled independently of each other.
[0082]
The present embodiment solves this problem. The power source 1 supplies a current that flows to the superconducting coil, and the power source 2 supplies a current that flows to a thermoelectric cooling element (also referred to as a “Peltier element”). The power source is controlled through a control device so that optimum cooling is always maintained. More specifically, the control device outputs a control signal to each power source while monitoring each of the superconducting coil current and the current flowing through the thermoelectric cooling element, and optimally controls the cooling by controlling the power source current to be variable.
[0083]
Embodiment 7
FIG. 11 is a diagram illustrating the configuration of the seventh exemplary embodiment of the present invention. A seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0084]
The N-type and P-type thermoelectric materials that make up the thermoelectric cooling element are not completely symmetric with respect to their characteristics, and are therefore optimal in order to maximize the figure of merit when producing the cooling element. Design is done. At that time, the cross-sectional areas of the N-type and P-type thermoelectric materials are different. As a result, there is a difference in the amount of heat absorbed between the N-type and P-type thermoelectric materials.
[0085]
In the case of a general Peltier element, it is typically configured in a bowl shape, and the N-type and P-type thermoelectric materials are connected by Cu or the like having a high thermal conductivity. The difference in the amount of heat absorption in the material is not a problem, but when used as a power lead, the N-type and P-type thermoelectric materials are electrically isolated from each other, so that the N-type and P-type thermoelectric materials are cooled. The temperatures will be different from each other.
[0086]
In the present embodiment, such a problem is solved. As shown in FIG. 11, the cooling sides of the N-type and P-type thermoelectric materials are thermally connected and electrically insulated. . That is, the N-type and P-type thermoelectric materials are connected to each other by a member that is electrically insulating and has high thermal conductivity on the cooling side, and the N-type and P-type thermoelectric materials are at the same temperature on the cooling side. Maintained.
[0087]
Embodiment 8
Usually, high current power supplies are expensive. In particular, a load having a low impedance such as a superconducting coil becomes a power source with a large current and a low voltage, so that it is not preferable as a power source. For this reason, in the Peltier device, many devices are connected in series, and a power source having an appropriate voltage with a low current is used.
[0088]
In addition, since the current for exciting the superconducting coil is large, the current of the power source for exciting the superconducting coil becomes large and expensive. In order to prevent heat from entering the low temperature side when the power source for exciting the superconducting coil is not operated, the power source 2 for supplying current to the Peltier element is provided in the sixth embodiment (see FIG. 6). The power source 2 needs to be a power source that can output a large current.
[0089]
However, since this is expensive, in this embodiment, as shown in FIG. 12, when a large number of P-type and N-type thermoelectric materials are connected in parallel, the superconducting coil is excited by the power source 1. (From the power source, each flows into the N-type thermoelectric material arranged in parallel via the switch SW1, and returns to the power source 1 via the switch SW1 from the P-type thermoelectric material arranged in parallel downstream of the superconducting coil), In other cases, a plurality of thermoelectric conversion elements are connected in series using the changeover switches SW1 and SW2, and the current value of the power supply 2 is lowered.
[0090]
Embodiment 9
A ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Referring to FIG. 13, in the present embodiment, the third embodiment described with reference to FIG. 3 is arranged between the N-type and P-type thermoelectric materials (semiconductors) and the high-temperature superconductor. A switch SW is newly provided between the conductor parts (Cu and the like).
[0091]
This switch SW is closed when the superconducting coil (also referred to as “superconducting magnet”) is not energized and when the superconducting coil is cooled, and the two conductors are electrically connected to each other from the power source. Current flows to the conductor on the P-type thermoelectric material side via the N-type thermoelectric material, the conductor, and the switch SW. As a result, even when the superconducting coil does not generate a magnetic field, heat penetration into the low temperature system can be reduced. On the other hand, when exciting the superconducting coil, naturally, the switch SW is opened and the loop of the N-type thermoelectric material, conductor, high-temperature superconductor, superconducting coil, high-temperature superconductor, conductor, P-type thermoelectric material from the power source. Current flows through
[0092]
In this embodiment, the N-type and P-type thermoelectric materials (semiconductors) are provided with a radiator to improve heat dissipation characteristics.
[0093]
Embodiment 10
The tenth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 14, elements having the same or equivalent functions as those in FIG. 16 referred to in the description of the conventional superconducting device are denoted by the same reference numerals. Hereinafter, differences from the conventional example will be mainly described.
[0094]
The main difference between the power lead according to the present embodiment and a power lead using a conventional high-temperature superconductor (for example, the above-mentioned literature (“Industrial Materials”, Vol. 41, No. 3, page 33)) N-type thermoelectric material 200 is connected to the positive electrode side of DC power supply 50 and P-type thermoelectric material 201 is connected to the negative electrode side between conductor 300 and high-temperature superconductor (oxide superconductor) 301. It is. The details are described below.
[0095]
A superconducting coil 2 is disposed inside a cryogenic vessel 1 that is insulated by vacuum insulation or the like, and is cooled by cryogenic liquid helium 22. The superconducting coil 2 is connected to a power lead (consisting of positive electrodes: 301, 200, 300 and negative electrodes: 301, 201, 300) via a connecting wire 21. The room temperature portion of the copper conductor 300 is connected to the DC power supply 50 by the cable 9, and the DC power supply 50 supplies a necessary current to the superconducting coil 2.
[0096]
The room temperature part of the power lead is supported by a lid (lid) 101. The lid 101 is provided with a pipe for releasing the gas 32 evaporated from the liquid nitrogen 31 for cooling the room temperature side conductor (copper conductor 300) to the outside, and nitrogen gas near room temperature is released to the outside.
[0097]
By cooling the copper conductor 300 with the liquid nitrogen 31, the temperature of the lower part of the copper conductor 300 is maintained in the vicinity of 77K. Further, an N-type thermoelectric material 200 is connected to the positive electrode and a P-type thermoelectric material 201 is connected to the negative electrode between the copper conductor 300 and the high-temperature superconductor 301 to cool the temperature of the high-temperature superconductor to 77K or lower.
[0098]
In the configuration of FIG. 14, when the wire of the superconducting coil 2 is formed of a high-temperature superconducting material, the temperature of the superconducting coil 2 may be cooled to 77K or less, so that the liquid helium 22 as a refrigerant is unnecessary. In addition, the high-temperature superconductor 301 in the power lead is not required, and the N-type thermoelectric material 200 and the P-type thermoelectric material 201 are simply connected between both terminals of the superconducting coil 2 and the copper conductor 300. A superconducting coil device having a simple structure can be provided.
[0099]
Embodiment 11
An eleventh embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. In the tenth embodiment shown in FIG. 14, the power lead 3 is cooled in a state where a current is passed through the superconducting coil 2, and the amount of heat penetration into the cryogenic part can be reduced. When the current of 2 is set to zero, the current flowing through the thermoelectric cooling elements (200, 201) becomes zero, so that the cooling action by the thermoelectric cooling elements (Peltier elements) is lost. In the present embodiment, in order to solve the above problem, the configuration of the power lead is configured as follows.
[0100]
In FIG. 15, elements having the same or equivalent functions as those in FIG. 14 referred to in the description of the tenth embodiment are denoted by the same reference numerals. Hereinafter, differences from the tenth embodiment will be described.
[0101]
A superconducting coil 2 is accommodated in a liquid helium container 100 disposed inside the cryogenic container 1. The superconducting coil 2 is connected to the high-temperature superconductor 301 via the connection line 21 and further connected to the copper conductor 300.
[0102]
The room temperature portion of the copper conductor 300 is connected to the external power supply 50 via the cable 9. The lid 101 is an airtight part for sealing the inside of the cryogenic container 1 to a vacuum. The copper conductor 300 is supported by the lid 101.
[0103]
In the present embodiment, the common connection portion 202 of the thermoelectric cooling element composed of the N-type thermoelectric material 200 and the P-type thermoelectric material 201 is connected to the low temperature portion of the copper conductor 300, preferably via the electrically insulating thermal good conductor 203. To do. The thermoelectric cooling elements (200, 201) are arranged so that the N-type thermoelectric material 200 is connected to the positive electrode of the power supply 51 and the P-type thermoelectric material 201 is connected to the negative electrode, and a predetermined hermetic seal is provided in the lid 101. It is supported.
[0104]
The power supply 51 and the thermoelectric cooling elements (200, 201) are connected by a cable. In the power lead according to the present embodiment, a conductor is constituted by the copper conductor 300 and the high-temperature superconductor 301. However, the inside of each conductor may be cooled by low-temperature gas helium from which liquid helium has evaporated.
[0105]
Further, the wire for the superconducting coil may be a metal superconducting wire or a high-temperature superconductor wire. The refrigerant in this case is liquid helium or liquid nitrogen.
[0106]
Although the above embodiment has been described above, the present invention is not limited to the above embodiments and combinations thereof, and of course includes various forms according to the principle of the present invention.
[0107]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a thermoelectric cooling element (Peltier element) is connected to a power source, and performs heat dissipation and heat absorption by the Peltier effect. Cooling is unnecessary or greatly reduced.
[0108]
In the present invention, when the power lead is composed of a thermoelectric cooling element and a high-temperature superconductor, the Peltier element cools the power lead to below the Tc (critical temperature) of the high-temperature superconductor, and the high-temperature superconductor using liquid nitrogen. Cooling is not required or reduced.
[0109]
In the present invention, even when the high-temperature superconductor constituting the power lead is cooled with liquid nitrogen or gas He, the consumption of liquid nitrogen and He is compared with the conventional example due to the cooling action by the thermoelectric cooling element. The running cost is greatly reduced.
[0110]
Alternatively, in the present invention, when the cooling of the high-temperature superconductor is insufficient, it may be cooled by liquid nitrogen, but the superconducting coil side of the high-temperature superconductor is cooled by the gas He, thereby improving the cooling efficiency. To do.
[0111]
In the present invention, when the thermoelectric cooling elements are connected in a multi-stage cascade form, the cooling effect is further enhanced.
[0112]
According to the present invention, by providing a changeover switch between the power lead including the thermoelectric cooling element and the AC power supply, there is an advantage that the superconducting coil can be AC driven while performing thermoelectric cooling.
[0113]
Further, according to the first aspect of the present invention, a power source for supplying current to the thermoelectric cooling element is provided separately from a power source for supplying superconducting coil current, and the current flowing in the superconducting coil and the current flowing in the thermoelectric cooling element The optimum cooling is achieved by controlling the respective power supply currents. That is, the power source 1 supplies a current that flows through the superconducting coil, the power source 2 supplies a current that flows through a thermoelectric cooling element (also referred to as a “Peltier element”), and these power sources are always optimal via the control device. Control is performed to maintain cooling.
Also in the second aspect of the present invention, there is an advantage in that an electric conductor and a high-temperature superconductor are interposed between the superconducting coils, and energization to the P-type and N-type thermoelectric materials is controlled to be opened and closed via a switch. There is.
[0114]
According to the present invention, the N-type and P-type thermoelectric materials forming the thermoelectric cooling element are connected to each other via a material having a large thermal conductivity and an electrical insulator on the cooling side. The temperature difference between the N-type and P-type thermoelectric materials on the low temperature side due to the asymmetry of the characteristics of the N-type and P-type thermoelectric materials is eliminated, and these are kept at the same temperature.
[0115]
According to another aspect I of the present invention, the power leads that energize the exciting current from the external power source to the superconducting coil housed in the vacuum heat insulating container and immersed in the liquid helium, in order from the normal temperature side, the metal conductor and The N-type thermoelectric material or the P-type thermoelectric material connected to the metal conductor is included, and the metal conductor is cooled with liquid nitrogen. As a result, the metal conductor of the power lead is cooled by liquid nitrogen and also by a thermoelectric cooling element, so that the amount of heat penetration into the cryogenic part entering through the metal conductor can be further reduced. it can. In addition, an electric conductor made of a high-temperature superconductor is connected between the N-type thermoelectric material or P-type thermoelectric material and the superconducting coil, so that the high-temperature superconductor is interposed via a metal conductor. Since it is cooled by liquid nitrogen and also by a thermoelectric cooling element, it can be kept at a lower temperature, so that the critical current value increases, the required cross-sectional area can be reduced, and heat penetration into the cryogenic part As a result, the amount of expensive liquid helium consumed can be greatly reduced.
[0116]
According to another aspect II of the present invention, in a power lead that energizes an exciting current from an external power source to a superconducting coil that is housed in a vacuum heat insulating container and immersed in liquid helium, the conductor configuration is sequentially changed from the normal temperature side. It consists of a metal conductor and a high-temperature superconductor, and the lower part of the metal conductor is cooled by a thermoelectric cooling element through a good thermal conductor to keep the high-temperature superconductor in a superconducting state and deenergize the superconducting coil. Even in the state, it is possible to cool the power lead to a low temperature. Further, by controlling the current of the power source for the thermoelectric cooling element, the temperature distribution of the power lead can be arbitrarily controlled.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration of a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a conventional gas-cooled power lead.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a power lead using a conventional high-temperature superconductor.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of thermoelectric cooling modules connected in series.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of thermoelectric cooling modules cascade-connected in multiple stages.
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram illustrating the configuration of an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating the configuration of a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a view showing a longitudinal section of a superconducting device using a conventional power lead.
FIG. 17 schematically shows a state of electrical connection between a superconducting coil and a driving power source of a current lead composed of a thermoelectric cooling element having a multistage cascade connection configuration according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 10; FIG.
[Explanation of symbols]
1 Cryogenic container
2 Superconducting coil
3 Power Lead
3a Lead conductor
3b Room temperature terminal
3c Lead piping
23 Helium gas
22 Liquid helium
31 Liquid nitrogen
32 Nitrogen gas
50 Power supply for superconducting coils
51 Power supply for thermoelectric cooling element
100 LN2 tank (liquid nitrogen tank)
200 N-type thermoelectric material
201 P-type thermoelectric material
203 Thermal conductor (electrical insulator)
300 Copper conductor
301 High temperature superconductor (oxide superconductor)
LHe Liquid He
GHe Gas He

Claims

In a power lead that electrically connects a superconducting coil and a power source 1 that drives the superconducting coil,
One end of the superconducting coil is provided with two thermoelectric conversion elements composed of a pair of an N-type thermoelectric material and a P-type thermoelectric material, one end of which is commonly connected,
The other end of each N-type thermoelectric material of the two thermoelectric conversion elements is connected to two terminals of the changeover switch 1, respectively.
The changeover switch 1 has two other terminals connected to the positive terminal of the power source 1 and one terminal of the power source 2, respectively.
The other end of each P-type thermoelectric material of the two thermoelectric conversion elements is connected to two terminals of the changeover switch 2;
The changeover switch 2 has another terminal connected to the other terminal of the power source 2,
The other end of the superconducting coil is provided with two other thermoelectric conversion elements composed of a pair of an N-type thermoelectric material and a P-type thermoelectric material, one end of which is commonly connected,
The other ends of the P-type thermoelectric materials of the other two thermoelectric conversion elements are respectively connected to two terminals of another changeover switch 1.
The another change-over switch 1 has two other terminals connected to the negative terminal of the power source 1 and one terminal of another power source 2, respectively.
The other end of each N-type thermoelectric material of the other two thermoelectric conversion elements is connected to two terminals of another changeover switch 2;
The another change-over switch 2 has another terminal connected to the other terminal of the another power source 2,
When exciting the superconducting coil ,
A current flows from the positive terminal of the power source 1 to each of the N-type thermoelectric materials of the two thermoelectric conversion elements via the changeover switch 1, and passes through the other end of the superconducting coil from one end of the superconducting coil. It flows to each P-type thermoelectric material of the two thermoelectric conversion elements, returns to the negative terminal of the power source 1 via the another changeover switch 1,
Otherwise,
The other end of each N-type thermoelectric material of the two thermoelectric conversion elements is connected to one terminal of the power source 2 via the changeover switch 1, and the other end of each P-type thermoelectric material of the two thermoelectric conversion elements. Is connected to the other terminal of the power source 2 via the changeover switch 2;
The other end of each P-type thermoelectric material of the other two thermoelectric conversion elements is connected to one terminal of the other power supply 2 via the other changeover switch 1, and the other two thermoelectric conversion elements The other end of each N-type thermoelectric material is connected to the other terminal of the other power source 2 via the other change-over switch 2 .