特開 2015-230981 超電導機器およびその設計方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-230981(P2015-230981A)

(43)【公開日】2015年12月21日

(54)【発明の名称】超電導機器およびその設計方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/00 20060101AFI20151124BHJP

   H01L 39/04 20060101ALI20151124BHJP

【ＦＩ】

   H01F7/22 JZAA

   H01L39/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2014-116870(P2014-116870)

(22)【出願日】2014年6月5日

(71)【出願人】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】荒川 聡

(72)【発明者】

【氏名】尾山 仁

(72)【発明者】

【氏名】新里 剛

(72)【発明者】

【氏名】中村 悠一

【テーマコード（参考）】

4M114

【Ｆターム（参考）】

4M114AA02

4M114CC03

4M114CC05

4M114CC18

4M114DA02

4M114DA07

4M114DA19

4M114DA20

4M114DA53

4M114DB02

(57)【要約】      （修正有）

【課題】外部からの熱侵入を抑制可能な電流供給部を備えた高性能な超電導機器を提供する。
【解決手段】超電導コイル１０と、超電導コイル１０を保持する容器５５と、超電導コイル１０と容器５５の外部とを電気的に接続する電流リード１と、容器５５の外部で、電流リード１と電気的に接続するハーネス２とを備え、電流リード１の高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、最高出力時の電流値Ｉ_ｍａｘ［Ａ］、熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、断面積Ａ［ｍ²］、長さＬ［ｍ］、ローレンツ数Ｌ_０を２．４５×１０^−８［ＷΩ／Ｋ^２］とした際の関係が、Ｌ／Ａ＞λ／（Ｉ_ｍａｘＬ_０^１／２）ｃｏｓ^-1（Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ）である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超電導コイルと、
前記超電導コイルを保持する容器と、
前記超電導コイルと前記容器の外部とを電気的に接続する電流リードと、
前記容器の外部で、前記電流リードと電気的に接続するハーネスとを備え、
前記電流リードの高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、最高出力時の電流値Ｉ_ｍａｘ［Ａ］、熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、断面積Ａ［ｍ²］、長さＬ［ｍ］、ローレンツ数Ｌ_０を２．４５×１０^−８［ＷΩ／Ｋ^２］とした際の関係が、Ｌ／Ａ＞λ／（Ｉ_ｍａｘＬ_０^１／２）ｃｏｓ^-1（Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ）である、超電導機器。

【請求項2】

前記ハーネスの断面積は、前記電流リードの断面積よりも大きい、請求項１に記載の超電導機器。

【請求項3】

前記ハーネスの熱容量は、前記電流リードの熱容量よりも大きい、請求項１に記載の超電導機器。

【請求項4】

前記ハーネスの放熱性能は、前記電流リードの放熱性能よりも大きい、請求項１に記載の超電導機器。

【請求項5】

前記電流リードを流れる電流値とそれぞれの電流が流れる時間から決定される電流頻度分布、および前記電流リードの断面積Ａ［ｍ²］と長さＬの比Ｌ／Ａに応じて変化する侵入熱を、任意定数Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３を用いて表わされるＣ_１×Ｌ／Ａ＋Ｃ_２×１／（Ｌ／Ａ）＋Ｃ_３という式に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより決定される前記任意定数Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３と、
前記高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、前記低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、前記最高出力時の電流値Ｉ_ｍａｘ［Ａ］、および前記ローレンツ数Ｌ_０により表わされる熱Ｑ_ｃｏｎ［Ｗ］＝Ｉ_ｍａｘ｛Ｌ_０（Ｔ_Ｈ^２−Ｔ_Ｌ^２）｝^１／２とを用いて、
前記電流リードの前記断面積と前記長さとの比Ｌ／Ａが、

【数1】

という関係式を満たす、請求項１に記載の超電導機器。

【請求項6】

超電導コイルと、
前記超電導コイルを保持する容器と、
前記超電導コイルと前記容器の外部とを電気的に接続する電流リードと、
前記容器の外部で、前記電流リードと電気的に接続するハーネスとを備え、
前記ハーネスの熱容量は、前記電流リードの熱容量よりも大きい、超電導機器。

【請求項7】

前記ハーネスは放熱部材を含む、請求項６に記載の超電導機器。

【請求項8】

前記放熱部材はブロックである、請求項７に記載の超電導機器。

【請求項9】

前記放熱部材はフィンである、請求項７に記載の超電導機器。

【請求項10】

前記ハーネスは前記フィンを一体として含む、請求項９に記載の超電導機器。

【請求項11】

前記ハーネスは凸部を含み、
前記凸部に前記フィンを有する、請求項９に記載の超電導機器。

【請求項12】

超電導コイルと、前記超電導コイルを保持する容器の外部とを電気的に接続する電流リードと、前記電流リードと電気的に接続するハーネスとを備える超電導機器の設計方法において、
前記超電導機器使用時の前記電流リードに流れる電流の値を第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）電流値（Ｉ_１、Ｉ_２、・・・、Ｉ_ｎ）とし、前記第１〜第ｎ電流値のそれぞれについて、前記超電導機器の使用時間に対する前記第１〜第ｎ電流値の前記電流が電流リードに流れる時間の割合を示す電流頻度分布α（Ｉ_ｎ）を決定する工程と、
複数の仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］を規定し、それぞれの前記仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対して、前記電流リードの断面積Ａ［ｍ²］と長さＬ［ｍ］の比（Ｌ／Ａ）を、前記電流リードの高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、前記仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］、ローレンツ数Ｌ_０を２．４５×１０^−８［ＷΩ／Ｋ^２］とした際の関係式Ｌ／Ａ＝λ／（Ｉ_ｔＬ_０^１／２）ｃｏｓ^-1（Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ）に基づき算出する工程と、
前記算出する工程で得られた、それぞれの前記仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対する前記電流リードの断面積と長さの比（Ｌ／Ａ）を用いて、前記電流リードの電気抵抗Ｒ［Ω］と、前記電流リードを流れる電流値が０のときの前記電流リードへの侵入熱Ｑ₀［Ｗ］を計算する工程と、
前記電流頻度分布α（Ｉ_ｎ）と、それぞれの前記仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対する前記電気抵抗Ｒ［Ω］および前記侵入熱Ｑ₀［Ｗ］を用いて、複数の前記仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］ごとに前記超電導機器使用時の前記電流リードへの総侵入熱Ｑ［Ｗ］を、関係式Ｑ＝｛α（Ｉ_１）×（ＲＩ_１²＋Ｑ₀）｝＋｛α（Ｉ_２）×（ＲＩ_２²＋Ｑ₀）｝＋・・・＋｛α（Ｉ_ｎ）×（ＲＩ_ｎ²＋Ｑ₀）｝に基づいて計算する工程と、
それぞれの前記仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対する前記総侵入熱Ｑ［Ｗ］のうち、最小の総侵入熱Ｑ［Ｗ］を示す前記仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に基づき決定される、前記電流リードの断面積と長さの比（Ｌ／Ａ）を、前記電流リードの断面積と長さの比の設計値として決定する工程とを備える、超電導機器の設計方法。

【請求項13】

前記電流リードの断面積と長さの比の設計値として決定する工程の後に、前記電流リードと前記ハーネスとの寸法を設計する工程をさらに備え、
前記電流リードと前記ハーネスとの寸法を設計する工程は、
前記ハーネスの断面積の暫定値と、前記電流リードの断面積と長さの比に基づき前記電流リードの断面積の暫定値を決定する工程と、
前記電流リードの断面積の暫定値と前記ハーネスの断面積の暫定値と前記超電導コイルの最高出力時の通電条件とに基づき、前記電流リードと前記ハーネスとの集合体における最高温度を算出する工程と、
前記最高温度が、設定下限温度以上、前記超電導機器を構成する部材の材料許容温度以下の設定温度範囲に入ったかどうかを判別する工程とを含み、
前記判別する工程において前記最高温度が前記設定温度範囲に入ったと判別されるまで、前記電流リードの断面積の暫定値または前記ハーネスの断面積の暫定値を変更しながら前記最高温度を算出する工程と前記判別する工程とを繰り返し実施することにより、前記設定温度範囲に前記最高温度が入ったときの前記電流リードの断面積の暫定値および前記ハーネスの断面積の暫定値を、前記電流リードの断面積の設計値および前記ハーネスの断面積の設計値として決定する、請求項１２に記載の超電導機器の設計方法。

【請求項14】

前記電流リードの断面積と長さの比の設計値として決定する工程の後に、前記電流リードと前記ハーネスとの寸法を設計する工程をさらに備え、
前記電流リードと前記ハーネスとの寸法を設計する工程は、
前記ハーネスの熱容量の暫定値と、前記電流リードの断面積と長さの比に基づき前記電流リードの熱容量の暫定値とを決定する工程と、
前記電流リードの熱容量の暫定値と前記ハーネスの熱容量の暫定値と前記超電導コイルの最高出力時の通電条件とに基づき、前記電流リードと前記ハーネスとの集合体における最高温度を算出する工程と、
前記最高温度が、設定下限温度以上、前記超電導機器を構成する部材の材料許容温度以下の設定温度範囲に入ったかどうかを判別する工程とを含み、
前記判別する工程において前記最高温度が前記設定温度範囲に入ったと判別されるまで、前記電流リードの熱容量の暫定値または前記ハーネスの熱容量の暫定値を変更しながら前記最高温度を算出する工程と前記判別する工程とを繰り返し実施することにより、前記設定温度範囲に前記最高温度が入ったときの前記電流リードの熱容量の暫定値および前記ハーネスの熱容量の暫定値を、前記電流リードの熱容量の設計値および前記ハーネスの熱容量の設計値として決定する、請求項１２に記載の超電導機器の設計方法。

【請求項15】

前記電流リードの断面積と長さの比の設計値として決定する工程の後に、前記電流リードと前記ハーネスとの寸法を設計する工程をさらに備え、
前記電流リードと前記ハーネスとの寸法を設計する工程は、
前記ハーネスの放熱性能を規定する値の暫定値と、前記電流リードの断面積と長さの比に基づき前記電流リードの放熱性能を規定する値の暫定値とを決定する工程と、
前記電流リードの放熱性能を規定する値の暫定値と前記ハーネスの放熱性能を規定する値の暫定値と前記超電導コイルの最高出力時の通電条件とに基づき、前記電流リードと前記ハーネスとの集合体における最高温度を算出する工程と、
前記最高温度が、設定下限温度以上、前記超電導機器を構成する部材の材料許容温度以下の設定温度範囲に入ったかどうかを判別する工程とを含み、
前記判別する工程において前記最高温度が前記設定温度範囲に入ったと判別されるまで、前記電流リードの放熱性能を規定する値の暫定値または前記ハーネスの放熱性能を規定する値の暫定値を変更しながら前記最高温度を算出する工程と前記判別する工程とを繰り返し実施することにより、前記設定温度範囲に前記最高温度が入ったときの前記電流リードの放熱性能を規定する値の暫定値および前記ハーネスの放熱性能を規定する値の暫定値を、前記電流リードの放熱性能を規定する値の設計値および前記ハーネスの放熱性能を規定する値の設計値として決定する、請求項１２に記載の超電導機器の設計方法。

【請求項16】

超電導コイルと、前記超電導コイルを保持する容器の外部とを電気的に接続する電流リードと、前記電流リードと電気的に接続するハーネスとを備える超電導機器の設計方法において、
前記電流リードと前記ハーネスとの熱容量を規定する値の暫定値を決定する工程と、
前記暫定値と前記超電導コイルの最高出力時の通電条件とに基づき、前記電流リードと前記ハーネスとの集合体における最高温度を算出する工程と、前記最高温度が、設定下限温度以上、前記超電導機器を構成する部材の材料許容温度以下の設定温度範囲に入ったかどうかを判別する工程とを含み、前記判別する工程において前記最高温度が前記設定温度範囲に入ったと判別されるまで、前記暫定値を変更しながら前記最高温度を算出する工程と前記判別する工程とを繰り返し実施することにより、前記設定温度範囲に前記最高温度が入ったときの前記暫定値を、前記値の設計値として決定する工程とを備える、超電導機器の設計方法。

【請求項17】

前記熱容量を規定する前記値は、前記電流リードと前記ハーネスとの線径であり、
前記暫定値を前記値の設計値として決定する工程では、前記最高温度が前記設定温度範囲の上限超えであるときには前記ハーネスの線径が太くなるように前記暫定値を変更し、前記最高温度が前記設定温度範囲の下限以下であるときには前記電流リードの線径が細くなるように前記暫定値を変更する、請求項１６に記載の超電導機器の設計方法。

【請求項18】

前記熱容量を規定する前記値は、前記電流リードの線径と前記ハーネスの放熱性能を規定する値であり、
前記暫定値を前記値の設計値として決定する工程では、前記最高温度が前記設定温度範囲の上限超えであるときには前記ハーネスの放熱性能が高くなるように前記暫定値を変更し、前記最高温度が前記設定温度範囲の下限以下であるときには前記電流リードの線径が細くなるように前記暫定値を変更する、請求項１６に記載の超電導機器の設計方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超電導機器およびその設計方法に関し、より特定的には、電流リードにおける侵入熱を低減することが可能な超電導機器およびその設計方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超電導コイルへ電流を供給する電流リードには、電気抵抗の小さい銅等の材料が用いられていた。しかし、上述した銅等の電気抵抗が小さい材料は熱伝導率が大きいため、低抵抗の電流リードは、外部から超電導コイルへの大きな熱侵入源となる。このため、萩原宏康著、「低温工学概論―超伝導技術を支えるもの」、東京電機大学出版局、１９９９年７月、ｐ．273―279には、超電導コイルの通電容量に合わせて熱侵入量が最小となるように電流リードを設計する方法が記載されている。具体的には、電流リードの低温端と高温端の温度を固定し、一定の通電電流を想定して、侵入熱が最小となるように、電流リードの線径と長さの比を決定していた。

【0003】

また、特開平１１−２１４２１５号公報には、熱侵入量が小さく、かつ短尺に構成され、超電導磁石をコンパクトに構成できる電流リードが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１１−２１４２１５号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】萩原宏康著、「低温工学概論―超伝導技術を支えるもの」、東京電機大学出版局、１９９９年７月、ｐ．273―279

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の電流リードの設計方法では、電流リードの両端の温度を低温端と高温端として固定して設計し、かつ、電流リードに接続させる周辺部材が考慮されていないため、実際の超電導機器における運転条件とは異なる条件に基づき計算することになっていた。このため、上述のような方法により設計された従来の超電導機器においては、電流リードを介した熱侵入を十分抑制できていなかった。

【0007】

この結果、従来の超電導機器は、冷却効率が悪く、大型の冷凍機が必要であった。また、超電導機器での通電電流値が変動する場合もあり、このような通電電流値の変動は従来考慮されていなかった。そのため、超電導機器の性能を十分に発揮できていなかった。

【0008】

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、通電電流値の変動する場合においても、外部からの熱侵入を抑制可能な電流供給部を備えた高性能な超電導機器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一の局面における超電導機器は、超電導コイルと、超電導コイルを保持する容器と、超電導コイルと容器の外部とを電気的に接続する電流リードと、容器の外部で、電流リードと電気的に接続するハーネスとを備え、電流リードの高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、最高出力時の電流値Ｉ_ｍａｘ［Ａ］、熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、断面積Ａ［ｍ²］、長さＬ［ｍ］、ローレンツ数Ｌ_０を２．４５×１０^−８［ＷΩ／Ｋ^２］とした際の関係が、Ｌ／Ａ＞λ／（Ｉ_ｍａｘＬ_０^１／２）ｃｏｓ^-1（Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ）である。

【0010】

本発明の他の局面における超電導機器は、超電導コイルと、超電導コイルを保持する容器と、超電導コイルと容器の外部とを電気的に接続する電流リードと、容器の外部で、電流リードと電気的に接続するハーネスとを備え、ハーネスの熱容量は、電流リードの熱容量よりも大きい。

【0011】

本発明の一の局面における超電導機器の設計方法は、超電導コイルと、超電導コイルを保持する容器の外部とを電気的に接続する電流リードと、電流リードと電気的に接続するハーネスとを備える超電導機器の設計方法において、超電導機器使用時の電流リードに流れる電流の値を第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）電流値（Ｉ_１、Ｉ_２、・・・、Ｉ_ｎ）とし、第１〜第ｎ電流値のそれぞれについて、超電導機器の使用時間に対する第１〜第ｎ電流値の電流が電流リードに流れる時間の割合を示す電流頻度分布α（Ｉ_ｎ）を決定する工程と、複数の仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］を規定し、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対して、電流リードの断面積Ａ［ｍ²］と長さＬ［ｍ］の比（Ｌ／Ａ）を、電流リードの高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］、ローレンツ数Ｌ_０を２．４５×１０^−８［ＷΩ／Ｋ^２］とした際の関係式Ｌ／Ａ＝λ／（Ｉ_ｔＬ_０^１／２）ｃｏｓ^-1（Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ）に基づき算出する工程と、電流リードの断面積と長さの比を算出する工程で得られた、それぞれの仮設計電流値に対する電流リードの断面積と長さの比に対して、電流リードの電気抵抗Ｒ［Ω］と、電流リードを流れる電流値が０のときのコイルを保持する容器側への侵入熱Ｑ₀［Ｗ］を計算する工程と、電流頻度分布α（Ｉ_ｎ）と、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対する電気抵抗Ｒ［Ω］および侵入熱Ｑ₀［Ｗ］を用いて、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］ごとに超電導機器使用時の電流リードへの総侵入熱Ｑ［Ｗ］を、関係式Ｑ＝｛α（Ｉ_１）×（ＲＩ_１²＋Ｑ₀）｝＋｛α（Ｉ_２）×（ＲＩ_２²＋Ｑ₀）｝＋・・・＋｛α（Ｉ_ｎ）×（ＲＩ_ｎ²＋Ｑ₀）｝に基づいて計算する工程と、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対する総侵入熱Ｑ［Ｗ］のうち、最小の総侵入熱Ｑ［Ｗ］を示す仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に基づき決定される、電流リードの断面積と長さの比（Ｌ／Ａ）を、電流リードの断面積と長さの比の設計値として決定する工程とを備える。

【0012】

ここで、総侵入熱Ｑ［Ｗ］とは、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］を用いて算出された電流リードの断面積と長さの比に基づき得られた電気抵抗Ｒを用いて算出される（電流リードに生じる）ジュール熱と、コイルを保持する容器側への侵入熱とを、第１〜第ｎ電流値に関して電流頻度分布α（Ｉ_ｎ）に基づき重みづけして足し合わせたものである。

【0013】

本発明の他の局面における超電導機器の設計方法は、超電導コイルと、当該超電導コイルを保持する容器の外部とを電気的に接続する電流リードと、電流リードと電気的に接続するハーネスとを備える超電導機器の設計方法において、電流リードとハーネスとの熱容量を規定する値の暫定値を決定する工程と、該暫定値を値の設計値として決定する工程とを備える。暫定値を値の設計値として決定する工程は、暫定値と超電導コイルの最高出力時の通電条件とに基づき、電流リードとハーネスとの集合体における最高温度を算出する工程と、最高温度が、設定下限温度以上、超電導機器を構成する部材の材料許容温度以下の設定温度範囲に入ったかどうかを判別する工程とを含む。暫定値を値の設計値として決定する工程では、判別する工程において最高温度が設定温度範囲に入ったと判別されるまで、暫定値を変更しながら最高温度を算出する工程と判別する工程とを繰り返し実施することにより、設定温度範囲に最高温度が入ったときの暫定値を、上記値の設計値として決定する。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る超電導機器は、超電導機器使用時の電流頻度分布を基に電流リードやハーネスを設計することができるため、外部から超電導コイルへの熱侵入を抑制可能な電流供給部を備えた高性能な超電導機器を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本実施の形態に係る超電導機器の概略図である。

【図2】図１における領域ＩＩの部分拡大図である。

【図3】図２に示した電流リードとハーネスとの集合体の変形例である。

【図4】図２に示した電流リードとハーネスとの集合体の他の変形例である。

【図5】図２に示した電流リードとハーネスとの集合体のさらに他の変形例である。

【図6】図１に示した超電導機器の変形例である。

【図7】本実施の形態に係る超電導機器の電流リードの設計フローである。

【図8】本実施の形態に係る超電導機器の電流リードとハーネスとの集合体の設計フローである。

【図9】図８に示した設計フローの工程Ｓ７０を説明する設計フローである。

【図10】図８に示した設計フローの工程Ｓ７０を説明する設計フローの変更例である。

【図11】図８に示した設計フローの工程Ｓ７０を説明する設計フローの他の変更例である。

【図12】本実施の形態に係る超電導機器の電流リードとハーネスとの集合体の設計フローの変更例である。

【図13】本実施の形態に係る超電導機器の電流リードとハーネスとの集合体の設計フローの他の変更例である。

【図14】実施例２、３における解析対象の系を説明するための概略図である。

【図15】実施例において、総侵入熱の計算結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

【0017】

[本願発明の実施形態の説明]
はじめに、本発明の実施の形態の概要について説明する。

【0018】

（１）本実施の形態の一の局面における超電導機器は、電流リード１の高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、最高出力時の通電電流値Ｉ_ｍａｘ［Ａ］、熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、断面積Ａ［ｍ²］、長さＬ［ｍ］、ローレンツ数Ｌ_０［ＷΩ／Ｋ^２］の関係が、Ｌ／Ａ＞λ／（Ｉ_ｍａｘＬ_０^１／２）ｃｏｓ^-1（Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ）である。

【0019】

このようにすれば、実際の運転条件下において超電導機器使用時の侵入熱を適切に抑制できる。

【0020】

（２）上記ハーネス２の断面積は、電流リードの断面積よりも大きくてもよい。（３）上記ハーネス２の熱容量は、電流リードの熱容量よりも大きくてもよい。（４）上記ハーネス２の放熱性能は、電流リードの放熱性能よりも大きくてもよい。このようにすれば、外槽容器６５の外部から熱を加えられても（たとえば外槽容器６５の外部の温度が、超電導コイル１０の温度に比べて充分高くなった状態であっても）、ハーネス２の温度上昇を抑制できる。つまり、電流リード１に接続する周辺部材の温度上昇を抑制することができる。ハーネス２の温度上昇を抑制することで、ハーネス２および電流リード１を介した超電導コイル１０への熱伝導による侵入熱を抑制できる。

【0021】

（５）上記電流リードを流れる電流値とそれぞれの電流が流れる時間から決定される電流頻度分布、および電流リードの断面積Ａ［ｍ²］と長さＬの比Ｌ／Ａに応じて変化する侵入熱を、任意定数Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３を用いて表わされるＣ_１×Ｌ／Ａ＋Ｃ_２×１／（Ｌ／Ａ）＋Ｃ_３という式に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより決定される任意定数Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３と、前記高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、前記低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、前記最高出力時の電流値Ｉ_ｍａｘ［Ａ］、および前記ローレンツ数Ｌ_０により表わされるＱ_ｃｏｎ［Ｗ］＝Ｉ_ｍａｘ｛Ｌ_０（Ｔ_Ｈ^２−Ｔ_Ｌ^２）｝^１／２とを用いて、上記電流リード１の断面積Ａ［ｍ²］と長さＬ［ｍ］の比（Ｌ／Ａ）が、以下の数式１を満たすように設けられていてもよい。

【0022】

【数1】

【0023】

ここで、上記Ｑ_ｃｏｎ［Ｗ］＝Ｉ_ｍａｘ｛Ｌ_０（Ｔ_Ｈ^２−Ｔ_Ｌ^２）｝^１／２は、従来の超電導機器の電流リードの設計方法において用いられている侵入熱の算出式である（非特許文献１参照）。
本発明者らは、このようにすることにより、上記式を満足する電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａの２つの値から、従来の超電導機器の電流リードの設計方法により得られる電流リードと比べて外部から超電導コイルへの侵入熱を低減できることを確認した。なお、詳細は後述する。

【0024】

（６）本実施の形態の他の局面における超電導機器は、超電導コイル１０と、超電導コイル１０を保持する容器（コイル保持容器５５）と、超電導コイル１０とコイル保持容器５５の外部とを電気的に接続する電流リード１と、コイル保持容器５５の外部で、電流リード１と電気的に接続するハーネス２とを備え、ハーネス２の熱容量は、電流リード１の熱容量よりも大きい。

【0025】

このようにすれば、熱容量の相対的に大きなハーネス２を配置することにより、電流リード１およびハーネス２の集合体である電流供給部を介して超電導コイル１０へ外部から侵入する熱量を低減できる。また、電流リード１において熱が発生した場合に、ハーネス２をヒートシンクとして利用することができるため、電流リード１の温度上昇を抑制できる。

【0026】

（７）上記ハーネス２は放熱部材（図３のブロック３、あるいは図４および図５のフィン４）を含んでもよい。（８）該放熱部材はブロック３でもよい。（９）該放熱部材はフィン４でもよい。図４に示すように、上記ハーネス２はフィン４を有してもよい。（１０）また、図５に示すように上記ハーネス２はフィン４を一体として含んでいてもよい。（１１）また、図４に示すように、上記ハーネス２は凸部５を含み、該凸部５にフィン４を有してもよい。このようなブロック３やフィン４を形成することにより、ハーネス２のヒートシンクとしての機能をより向上させることができる。

【0027】

（１２）本実施の形態の一の局面における超電導機器の設計方法は、超電導コイル１０と、超電導コイル１０を保持する容器の外部とを電気的に接続する電流リード１と、電流リード１と電気的に接続するハーネス２とを備える超電導機器の設計方法において、超電導機器使用時の電流リード１に流れる電流の値を第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）電流値（Ｉ_１、Ｉ_２、・・・、Ｉ_ｎ）とし、第１〜第ｎ電流値のそれぞれについて、超電導機器の使用時間に対する第１〜第ｎ電流値の電流が電流リード１に流れる時間の割合を示す電流頻度分布α（Ｉ_ｎ）を決定する工程と、複数の仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］を規定し、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対して、電流リード１の断面積Ａ［ｍ²］と長さＬ［ｍ］の比（Ｌ／Ａ）を、電流リード１の高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］、ローレンツ数Ｌ_０を２．４５×１０^−８［ＷΩ／Ｋ^２］とした際の関係式Ｌ／Ａ＝λ／（Ｉ_ｔＬ_０^１／２）ｃｏｓ^-1（Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ）に基づき算出する工程と、電流リード１の断面積と長さの比を算出する工程で得られた、それぞれの仮設計電流値に対する電流リード１の断面積と長さの比に対して、電流リード１の電気抵抗Ｒ［Ω］と、電流リード１を流れる電流値が０のときのコイルを保持する容器側への侵入熱Ｑ₀［Ｗ］を計算する工程と、電流頻度分布α（Ｉ_ｎ）と、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対する電気抵抗Ｒ［Ω］および侵入熱Ｑ₀［Ｗ］を用いて、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］ごとに超電導機器使用時の電流リード１への総侵入熱Ｑ［Ｗ］を、関係式Ｑ＝｛α（Ｉ_１）×（ＲＩ_１²＋Ｑ₀）｝＋｛α（Ｉ_２）×（ＲＩ_２²＋Ｑ₀）｝＋・・・＋｛α（Ｉ_ｎ）×（ＲＩ_ｎ²＋Ｑ₀）｝に基づいて計算する工程と、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対する総侵入熱Ｑ［Ｗ］のうち、最小の総侵入熱Ｑ［Ｗ］を示す仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に基づき決定される、電流リード１の断面積と長さの比（Ｌ／Ａ）を、電流リード１の断面積と長さの比の設計値として決定する工程とを備える。

【0028】

これにより、超電導機器の使用時の侵入熱を最小とすることができる、最適な電流リード１１を設計することができる。

【0029】

（１３）上記電流リード１の断面積と長さの比の設計値として決定する工程の後に、電流リード１とハーネス２との寸法を設計する工程をさらに備え、電流リード１とハーネス２との寸法を設計する工程は、ハーネス２の断面積の暫定値と、電流リード１の断面積と長さの比に基づき電流リード１の断面積の暫定値を決定する工程と、電流リード１の断面積の暫定値とハーネス２の断面積の暫定値と超電導コイル１０の最高出力時の通電条件とに基づき、電流リード１とハーネス２との集合体における最高温度を算出する工程と、最高温度が、設定下限温度以上、超電導機器を構成する部材の材料許容温度以下の設定温度範囲に入ったかどうかを判別する工程とを含み、判別する工程において最高温度が設定温度範囲に入ったと判別されるまで、電流リード１の断面積の暫定値またはハーネス２の断面積の暫定値を変更しながら最高温度を算出する工程と判別する工程とを繰り返し実施することにより、設定温度範囲に最高温度が入ったときの電流リード１の断面積の暫定値およびハーネス２の断面積の暫定値を、電流リード１の断面積の設計値およびハーネス２の断面積の設計値として決定してもよい。このようにすれば、超電導機器使用時の侵入熱を抑制し、かつ、電流リード１とハーネス２の集合体の最高温度を設計下限温度以上材料許容温度以下とすることができる、電流リード１とハーネス２を設計できる。

【0030】

（１４）上記電流リード１の断面積と長さの比の設計値として決定する工程の後に、電流リード１とハーネス２との寸法を設計する工程をさらに備え、電流リード１とハーネス２との寸法を設計する工程は、ハーネス２の熱容量の暫定値と、電流リード１の断面積と長さの比に基づき電流リード１の熱容量の暫定値とを決定する工程と、電流リード１の熱容量の暫定値とハーネス２の熱容量の暫定値と超電導コイル１０の最高出力時の通電条件とに基づき、電流リード１とハーネス２との集合体における最高温度を算出する工程と、最高温度が、設定下限温度以上、超電導機器を構成する部材の材料許容温度以下の設定温度範囲に入ったかどうかを判別する工程とを含み、判別する工程において最高温度が設定温度範囲に入ったと判別されるまで、電流リード１の熱容量の暫定値またはハーネス２の熱容量の暫定値を変更しながら最高温度を算出する工程と判別する工程とを繰り返し実施することにより、設定温度範囲に最高温度が入ったときの電流リード１の熱容量の暫定値およびハーネス２の熱容量の暫定値を、電流リード１の熱容量の設計値およびハーネス２の熱容量の設計値として決定してもよい。このようにすれば、超電導機器使用時の侵入熱を抑制し、かつ、電流リード１とハーネス２の集合体の最高温度を設計下限温度以上材料許容温度以下とすることができる、電流リード１とハーネス２を設計できる。

【0031】

（１５）上記電流リード１の断面積と長さの比の設計値として決定する工程の後に、電流リード１とハーネス２との寸法を設計する工程をさらに備え、電流リード１とハーネス２との寸法を設計する工程は、ハーネス２の放熱性能を規定する値の暫定値と、電流リード１の断面積と長さの比に基づき電流リード１の放熱性能を規定する値の暫定値とを決定する工程と、電流リード１の放熱性能を規定する値の暫定値とハーネス２の放熱性能を規定する値の暫定値と超電導コイル１０の最高出力時の通電条件とに基づき、電流リード１とハーネス２との集合体における最高温度を算出する工程と、最高温度が、設定下限温度以上、超電導機器を構成する部材の材料許容温度以下の設定温度範囲に入ったかどうかを判別する工程とを含み、判別する工程において最高温度が設定温度範囲に入ったと判別されるまで、電流リード１の放熱性能を規定する値の暫定値またはハーネス２の放熱性能を規定する値の暫定値を変更しながら最高温度を算出する工程と判別する工程とを繰り返し実施することにより、設定温度範囲に最高温度が入ったときの電流リード１の放熱性能を規定する値の暫定値およびハーネス２の放熱性能を規定する値の暫定値を、電流リード１の放熱性能を規定する値の設計値およびハーネス２の放熱性能を規定する値の設計値として決定してもよい。このようにすれば、超電導機器使用時の侵入熱を抑制し、かつ、電流リード１とハーネス２の集合体の最高温度を設計下限温度以上材料許容温度以下と１とハーネス２を設計できる。

【0032】

（１６）本実施の形態の他の局面における超電導機器の設計方法は、超電導コイル１０と、当該超電導コイル１０を保持する容器（コイル保持容器５５）の外部とを電気的に接続する電流リード１と、電流リード１と電気的に接続するハーネス２とを備える超電導機器の設計方法において、電流リード１とハーネス２との熱容量を規定する値（図１２における電流リードの線径（または断面積）と長さおよびハーネスの線径（または断面積）の値、または図１３における電流リードの線径（または断面積）と長さおよびハーネスの放熱部材の形状やサイズを規定する値）の暫定値を決定する工程（図１２の工程（Ｓ０１）〜工程（Ｓ０３）、または図１３の工程（Ｓ０１）〜工程（Ｓ０３））と、暫定値を値の設計値として決定する工程（図１２および図１３の工程（Ｓ０５）〜工程（Ｓ０９）とを備える。

【0033】

決定する工程は、最高温度を算出する工程（図１２および図１３の工程（Ｓ０４））と、判別する工程（図１２および図１３の工程（Ｓ０５）〜工程（Ｓ０９））とを含む。決定する工程（図１２および図１３の工程（Ｓ０５）〜工程（Ｓ０９）では、判別する工程（図１２および図１３の工程（Ｓ０５）〜工程（Ｓ０９））において最高温度が設定温度範囲（（周辺部材の材料許容温度―設定値）以上（周辺部材の材料許容温度）以下の温度範囲）に入ったと判別されるまで、暫定値を変更しながら最高温度を算出する工程（図１２および図１３の工程（Ｓ０４））と判別する工程（図１２および図１３の工程（Ｓ０５）〜工程（Ｓ０９））とを繰り返し実施することにより、設定温度範囲に最高温度が入ったときの暫定値を、上記値の設計値として決定する。最高温度を算出する工程（図１２および図１３の工程（Ｓ０４））では、暫定値と超電導コイル１０の最高出力時の通電条件とに基づき、電流リード１とハーネス２との集合体における最高温度を算出する。判別する工程（図１２および図１３の工程（Ｓ０５）〜工程（Ｓ０９））では、最高温度が、設定下限温度（周辺部材の材料許容温度―設定値）以上、超電導機器を構成する部材の材料許容温度（周辺部材の材料許容温度）以下の設定温度範囲に入ったかどうかを判別する。

【0034】

このようにすれば、本実施の形態による超電導機器の電流リード１およびハーネス２からなる電流供給部の構成を容易に決定できる。

【0035】

（１７）上記超電導機器の設計方法において、熱容量を規定する値は、図１２に示すように、電流リード１とハーネス２との線径（または断面積）であってもよい。決定する工程（図１２の工程（Ｓ０５）〜工程（Ｓ０９））では、最高温度が設定温度範囲の上限超えであるとき（図１２の工程（Ｓ０５）においてＹＥＳと判断された場合）にはハーネス２の線径が太くなるように暫定値を変更し（図１２の工程（Ｓ０６）参照）、最高温度が設定温度範囲の下限以下であるとき（図１２の工程（Ｓ０９）においてＮＯと判断された場合）には電流リードの線径が細くなるように暫定値を変更してもよい（図１２の工程（Ｓ０７）参照）。

【0036】

この場合、ハーネス２の線径により当該ハーネス２の熱容量を調整するような構成の、本実施の形態による超電導機器についてその構成を容易に設計できる。

【0037】

（１８）上記超電導機器の設計方法において、熱容量を規定する値は、図１３に示すように、電流リード１の線径とハーネス２の放熱性能を規定する値（ハーネス２の放熱部材の形状やサイズを規定する値）であってもよい。決定する工程（図１３の工程（Ｓ０５）〜工程（Ｓ０９））では、最高温度が設定温度範囲の上限超えであるとき（図１３の工程（Ｓ０５）においてＹＥＳと判断された場合）にはハーネス２の放熱性能が高くなるように暫定値を変更し（図１３の工程（Ｓ１６）参照）、最高温度が設定温度範囲の下限以下であるとき（図１３の工程（Ｓ０９）においてＮＯと判断された場合）には電流リード１の線径が細くなるように暫定値を変更してもよい（図１３の工程（Ｓ０７）参照）。

【0038】

この場合、ハーネス２に放熱部材を配置することにより当該ハーネス２の熱容量を調整するような構成の、本実施の形態による超電導機器についてその構成を容易に設計できる。

【0039】

なお、図８および図９に示す、電流リードとハーネスの寸法の設計方法により設計される超電導機器と、図１２および図１３に示す電流リードとハーネスの寸法の設計方法により設計される超電導機器とは、同等の構成となるため、同等の効果を有する。つまり、いずれにおいても、電流リード１のコイル保持容器側への侵入熱を低減し、電流リードのハーネス側端部での最高温度を抑制することができる。

【0040】

[本願発明の実施形態の詳細]
次に、本発明の実施の形態についてより詳細に説明する。

【0041】

以下、本実施の形態に係る超電導機器について説明する。まず、図１を参照して、本実施の形態に係る超電導機器の構成を説明する。超電導機器は、コア５３の周りに巻回した超電導コイル１０と、超電導コイル１０を冷媒１７に浸漬した状態で保持可能とするコイル保持容器５５と、コイル保持容器５５の周囲に、真空断熱層を形成するように設けられた外槽容器６５と、超電導コイル１０と外槽容器６５の外部とを電気的に接続する電流リード１とを備える。電流リード１は、外槽容器６５の外部でハーネス２と電気的に接続される。なお、コア５３が配置された位置には外槽容器６５およびコイル保持容器５５において図示しない開口部が形成されており、当該開口部の内部にコア５３が配置されている。すなわち、コア５３は外槽容器６５の外側に配置されている。このような超電導コイル１０を備えた本実施の形態による超電導機器としては、たとえば超電導モータや磁場発生装置などが挙げられる。

【0042】

本実施の形態において、ハーネス２とは、超電導コイル１０を収納する容器の外部に配設され、超電導コイル１０に供給される電流を電流リード１に供給する部材とする。ハーネス２は導電性の材料（たとえば銅、銅合金、アルミニウム、およびアルミニウム合金などの金属）により構成される。図１の例の超電導機器では、超電導コイル１０は二重の容器構造により格納されているが、コイル保持容器５５のみで超電導コイル１０を格納する単層の容器構造でもよい。この場合、ハーネス２は、コイル保持容器５５の外部に配設される。

【0043】

本実施の形態において、電流リード１とは、超電導コイル１０とハーネス２とを電気的に接続する部材とする。電流リード１は導電性の材料（たとえば銅、銅合金、アルミニウム、およびアルミニウム合金などの金属）により構成される。このとき、電流リード１は、各容器との接続部において、任意の構成を有することができる。例えば、電流リード１は、各容器に設けられた筺体固定端子等を有してもよい。この場合、たとえば外槽容器６５を貫通するように設けられた筺体固定端子とハーネス２との接続部も、電流リード１とハーネス２との接続部と言える。また、電流リード１と各容器との接続部は、気密状態を維持できるようなシール構造を有していることが好ましい。

【0044】

電流リード１とハーネス２との接続部の構造は、任意の構造を採用することができるが、たとえば図２に示すように、ハーネス２の端部に接続用の把持部を設け、当該把持部に電流リード１の端部を挟んで固定するといった構成を採用してもよい。

【0045】

電流リード１の材料は、上記のような筐体固定端子などの端子部と、実質的に一定の幅を有する線状体からなる線材部とで同一材料でなくてもよく、電気抵抗の小さい任意の材料を選択できるが、好ましくは導電性の材料（たとえば銅、銅合金、アルミニウム、およびアルミニウム合金などの金属）を用いることができる。

【0046】

図１を参照して、超電導コイル１０を有する超電導機器において、冷媒１７により転移温度Ｔ_ｃ以下に維持された超電導コイル１０と、外槽容器６５の外部とには、大きな温度差が発生する。このとき、コイル保持容器５５の周囲に外槽容器６５を設け、コイル保持容器５５と外槽容器６５との間に真空断熱領域を形成した超電導機器であっても、電流リード１は超電導コイル１０に対する熱侵入源となる。すなわち、低温端となる超電導コイル１０は、高温端となる外槽容器６５の外部から、電流リード１を通じて熱伝導による侵入熱を受ける。

【0047】

本実施の形態の超電導機器は、電流リード１の高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、最高出力時の通電電流値Ｉ_ｍａｘ［Ａ］、熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、断面積Ａ［ｍ²］、長さＬ［ｍ］、ローレンツ数Ｌ_０［ＷΩ／Ｋ^２］の関係が、Ｌ／Ａ＞λ／（Ｉ_ｍａｘＬ_０^１／２）ｃｏｓ^-1（Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ）である。従来は、通電電流が一定の場合に、電流値に応じて長さと断面積の比が決められ、それによって、電流リードの侵入熱を最小とするように設計されていた。そのため、通電電流が一定でない場合には、電流値に応じて長さと断面積の比を決めることができず、電流リードの侵入熱を最小にする設計指針は無かった。その場合に、まず考えられるのは、侵入熱が最大となる最大電流値に対して侵入熱を最小にするという設計である。しかし、この設計では最大電流値以外のときには、侵入熱を適切に抑制できていない。通電電流が一定でないため、最大電流となる時間帯は限られ、最大電流よりも低い電流値での運転時間が存在する。そして、最大電流よりも低い電流を通電している間は、常に電流リードの長さと断面積との比（Ｌ／Ａ）が最適な長さと断面積との比に対して小さい状況であることが分かる。そこで、本実施の形態の超電導機器は、以下で示すように、通電電流が変動する場合に、本実施の形態に係る超電導機器の電流リードが上記関係式を満たすことによって、実際の運転条件下において超電導機器使用時の侵入熱を適切に抑制できる。なお、電流リードの断面積は、電流リードの線径として規定してもよい。

【0048】

次に、上述した電流リード１を含む本実施の形態による超電導機器の設計方法（特に電流リード１の設計方法）を説明する。ここで、従来の設計方法では、電流リード１は、超電導コイル１０の最大通電条件と侵入熱を考慮して決定され、通電電流が変動する場合、つまり電流頻度分布を有する場合などは特に考慮されていなかった。このため、最大通電時のジュール熱を抑制するよう設計された電流リードは、最大通電時以外の通電電流に対しては適切な設計値より太く、最大通電時以外の侵入熱を十分に抑制できていなかった。一方、本実施の形態に係る超電導機器の設計方法は、電流リード１に流れる通電電流の頻度分布も考慮して設計するため、従来の超電導機器の設計方法と比較して、より適切な特性の電流リード１を設計することができる。以下、図７を参照しながら説明する。

【0049】

図７を参照して、本実施の形態に係る超電導機器の設計方法を説明する。本実施の形態に係る超電導機器の設計方法では、まず、超電導機器の使用時の電流頻度分布α（Ｉ_ｎ）を決定する工程（Ｓ１０）を実施する。超電導機器の電流頻度分布は、その超電導機器の用途や使用環境等によって、決めることができる。この工程（Ｓ１０）では、たとえば、ユーザから仕様として提出された電流頻度分布を用いてもよいし、既に同様の環境で使用している超電導機器の使用データを分析して得られた電流頻度分布を用いてもよい。たとえば、電流頻度分布α（Ｉ_ｎ）として、超電導機器使用時の前記電流リード１に流れる電流の値を第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）電流値（Ｉ_１、Ｉ_２、・・・、Ｉ_ｎ）とし、第１〜第ｎ電流値のそれぞれについて、超電導機器の使用時間に対する第１〜第ｎ電流値の電流が電流リード１に流れる時間の割合を示すデータテーブルを用いてもよい。上記の第１〜第ｎ電流値を決定するとき、第１〜第ｎ電流値の間隔は、任意に決めてもよい。例えば、任意の整数値としてもよいし、１Ａとしてもよいし、１Ａ以下としてもよい。

【0050】

次に、複数の仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］を規定し、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対して、電流リードの断面積Ａ［ｍ²］と長さＬ［ｍ］の比（Ｌ／Ａ）を、電流リードの高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］、ローレンツ数Ｌ_０を２．４５×１０^−８［ＷΩ／Ｋ^２］とした際の関係式Ｌ／Ａ＝λ／（Ｉ_ｔＬ_０^１／２）ｃｏｓ^-1（Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ）に基づき算出する工程（Ｓ２０）を実施する。ローレンツ数Ｌ_０は理論値２．４５×１０^−８［ＷΩ／Ｋ^２］を用いることができる。また、実験から求めた値として、電流リードを構成する材料が銅の場合には２．２０×１０^−８［ＷΩ／Ｋ^２］、電流リードを構成する材料がアルミニウムの場合には２．１４×１０^−８［ＷΩ／Ｋ^２］を用いることもできる。

【0051】

仮設計電流値Ｉ_ｔは、超電導機器使用時の電流頻度分布において、通電電流値の範囲内で任意に選択し、列挙してもよい。好ましくは、電流頻度分布から、最小電流値から最大電流値までの範囲で、所定の数値間隔で所定の数のデータ（仮設計電流値）を抽出する。これにより、超電導機器の電流頻度分布を、電流リードの設計により適切に利用することができる。

【0052】

電流リードの高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］は、ハーネスとの接続部側の温度となり、低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］は、冷媒に満たされた超電導コイルを保持する容器側の温度（たとえば液体窒素温度）となる。熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・Ｋ］は、電流リードの材料により決まる。つまり、上記の関係式Ｌ／Ａ＝λ／（Ｉ_ｔＬ_０^１／２）ｃｏｓ^-1（Ｔ_Ｌ／Ｔ_Ｈ）の右辺において、変数は仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］のみであり、規定した複数の仮設計電流値に対し、それぞれ電流リード１の断面積Ａ［ｍ²］と長さＬ［ｍ］の比Ｌ／Ａを算出する。これにより、電流リード１は、断面積Ａと長さＬとの比により、仮設計電流値Ｉ_ｔごとに仮設計される。

【0053】

次に、先の工程（Ｓ２０）で得られた、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔに対する電流リード１の断面積と長さの比（Ｌ／Ａ）を用いて、電流リード１の電気抵抗Ｒ［Ω］と、電流リード１を流れる電流値が０のときの電流リード１への侵入熱Ｑ₀［Ｗ］を計算する工程（Ｓ３０）を実施する。Ｌ／Ａが大きければ電気抵抗Ｒは大きくなるが、侵入熱Ｑ₀は小さくなる。

【0054】

次に、電流頻度分布α（Ｉ_ｎ）と、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対する電気抵抗Ｒ［Ω］および侵入熱Ｑ₀［Ｗ］を用いて、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］ごとに超電導機器使用時の電流リードへの総侵入熱Ｑ［Ｗ］を、関係式Ｑ＝Σ｛α（Ｉ）×（ＲＩ²＋Ｑ₀）｝に基づいて計算する工程（Ｓ４０）を実施する。関係式Ｑ＝｛α（Ｉ_１）×（ＲＩ_１²＋Ｑ₀）｝＋｛α（Ｉ_２）×（ＲＩ_２²＋Ｑ₀）｝＋・・・＋｛α（Ｉ_ｎ）×（ＲＩ_ｎ²＋Ｑ₀）｝（ここでｎは２以上の整数：以下、Ｑ＝Σ｛α（Ｉ）×（ＲＩ²＋Ｑ₀）｝とも表記する）は、ある仮設計電流値Ｉ_ｔに対して仮設計した電流リード１において、該電流リード１を流れる通電電流値Ｉを変数として、通電電流Ｉが最小電流値以上最大電流値以下の範囲（より具体的には電流頻度分布α（Ｉ_ｎ）で規定した第１電流値Ｉ_１〜第ｎ電流値Ｉ_ｎの範囲）で変動するときの各通電電流値Ｉでの侵入熱を、その通電電流値Ｉの頻度を重みとして加重平均したものであり、本実施の形態においては総侵入熱Ｑという。つまり、超電導機器使用時の通電電流値Ｉの変動とその電流頻度分布を考慮して、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔに対して仮設計した電流リード１ごとに総侵入熱Ｑを求める。総侵入熱Ｑが大きい場合には、その電流リード１は超電導機器の使用条件に適しておらず、総侵入熱Ｑが小さい場合には、その電流リード１は超電導機器の使用条件に適している。なお、侵入熱は、通電電流によるジュール熱ＲＩ²と、外部からの熱伝導による侵入熱Ｑ₀との和として計算する。

【0055】

次に、それぞれの仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に対する総侵入熱Ｑ［Ｗ］のうち、最小の総侵入熱Ｑを示す仮設計電流値Ｉ_ｔ［Ａ］に基づき決定される、電流リード１の断面積と長さの比を、電流リード１の断面積と長さの比の設計値として決定する工程（Ｓ５０）を実施する。上述のように、超電導機器使用時の通電電流の変動範囲において、総侵入熱Ｑが小さい場合には、その電流リード１は超電導機器の使用条件に適している。総侵入熱Ｑが最小となる電流リード１は、超電導機器の電流頻度分布α（Ｉ）、電流リード１の高温端温度Ｔ_Ｈ［Ｋ］、低温端温度Ｔ_Ｌ［Ｋ］、熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・ｋ］の場合に侵入熱が最小となる、最適な電流リードである。

【0056】

次に、電流リードの寸法を決定する工程（Ｓ６０）を実施する。先の工程（Ｓ５０）において決定した電流リード１の断面積Ａと長さＬとの比Ｌ／Ａの設計値を基に、電流リード１を設計する。電流リード１を設計する際には、断面積Ａまたは長さＬの少なくともいずれか一方を任意に決めることで、断面積Ａと長さＬの設計値を決定してもよい。また、超電導機器の構造等により、電流リード１の構造に制限が掛かる場合には、それを考慮して、許容される範囲内において任意に決めればよい。これにより、超電導機器の使用時の侵入熱を最小とすることができる、最適な電流リード１を設計することができる。

【0057】

本実施の形態に係る超電導機器およびその設計方法は、図１を参照して、電流リード１と電流リード１に接続したハーネス２とを考慮して、外部からの熱侵入を抑制可能とするとともに、超電導機器の最高出力時に、電流リード１に接続する周辺部材の温度上昇を抑制可能とするように設計してもよい。周辺部材としては、例えば、ハーネス２や外槽容器６５等が挙げられる。

【0058】

本実施の形態に係る超電導機器のハーネス２は、電流リード１と比較して、熱容量が大きい。これにより、外槽容器６５の外部から熱を加えられても（たとえば外槽容器６５の外部の温度が、超電導コイル１０の温度に比べて充分高くなった状態であっても）、ハーネス２の温度上昇を抑制できる。つまり、電流リード１に接続する周辺部材の温度上昇を抑制することができる。ハーネス２の温度上昇を抑制することで、ハーネス２および電流リード１を介した超電導コイル１０への熱伝導による侵入熱を抑制できる。

【0059】

また、超電導コイル１０への侵入熱としては、上述のようなハーネス２を介した熱伝導によるものの他に、電流リード１で発生したジュール熱がある。電流リード１で発生したジュール熱は、電流リード１と接続している、ハーネス２や超電導コイル１０へ伝導する。このとき、電流リード１の熱容量より、ハーネス２の熱容量を大きくすることで、ハーネス２の温度上昇が抑えられる。このため、電流リード１とハーネス２との間の温度勾配が小さくなることを抑制できるので、その分、電流リード１で発生したジュール熱をハーネス２へ効率的に伝導させることができる。つまり、本実施の形態に係る超電導機器は、外槽容器６５の外部で発生した熱に加え、電流リード１で発生した熱に対しても、超電導コイル１０への侵入を抑制することができる。なお、図６を参照して、１つのハーネス２に複数の電流リード１が接続される場合には、１つのハーネス２に接続する電流リード１の合計の熱容量を、当該ハーネス２よりも小さくすればよい。図６に示した超電導機器は、基本的には図１に示した超電導機器と同様の構成を備えるが、１つのハーネス２に複数の（図６では２本の）電流リード１が接続されている点が図１に示した超電導機器とは異なっている。複数の電流リード１はそれぞれ別の超電導コイル１０に接続されている。このような構成の超電導機器によっても、図１に示した超電導機器と同様の効果を得ることができる。

【0060】

ハーネス２は、電流リード１よりも熱容量が大きい限りにおいて、任意の形状としてもよい。図２を参照して、ハーネス２が線状体として構成される場合には、ハーネス２の線径は電流リードの線径よりも太く設けられてもよい。これにより、ハーネス２は電流リード１と比較して大きな熱容量を有することができる。

【0061】

また、ハーネス２は、放熱部材を含んでもよい。放熱部材の材料としては、熱抵抗が低い任意の材料を採用可能である。また、放熱部材の形状は、放熱性を高める任意の形状を採用可能である。例えば、図３を参照して、放熱部材を、ハーネス２の延在方向と交差する方向（たとえば垂直方向）にハーネス２から突出するように形成されたブロック３とすることができる。図３に示したハーネス２では、ハーネス２の端部に形成された把持部に上記ブロック３が形成されている。ブロック３の形状は図３に示すような直方体状の形状でもよいが、他の形状（たとえば立方体状、あるいは円盤状など）であってもよい。

【0062】

放熱部材は、電流リード１とハーネス２との接続部近傍に設けられるのが好ましい。これにより、ハーネス２はその電流導入経路からの伝導により受けた熱や、その他輻射や対流等により外部から受けた熱を、電流リード１に伝導させる手前で、放熱部材（図３のブロック３）によって外部へ放散させることができる。この結果、電流リード１を介した超電導コイル１０への侵入熱を抑制できる。さらに、ブロック３のような放熱部材を配置することによりハーネス２の温度上昇を抑制できる。したがって、電流リード１で発生したジュール熱を、ハーネス２のブロック３へ効率的に伝導させることもできる。

【0063】

上述のように、超電導コイル１０への侵入熱としては、電流リード１で発生したジュール熱とハーネス２を介した熱伝導によるものとがある。電流リード１の断面積Ａ［ｍ²］、長さＬ［ｍ］としたとき、電流リード１で発生したジュール熱はＬ／Ａに比例し、ハーネス２を介した熱伝導による侵入熱はＡ／Ｌに比例する。このとき、侵入熱はＣ_１×Ｌ／Ａ＋Ｃ_２／（Ｌ／Ａ）＋Ｃ_３の形で表すことができる。第１項（Ｃ_１×Ｌ／Ａ）は電流リード１で発生したジュール熱を表し、第２項（Ｃ_２／（Ｌ／Ａ））はハーネス２を介した熱伝導による侵入熱を表し、第３項（Ｃ_３）はこのモデルの誤差や取り入れられていない項を表す。ここで、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３は種々のＬ／Ａに対して侵入熱を計算しフィッティングして得られる。本実施の形態に係る超電導機器は、これらの和を超電導コイル１０への侵入熱として、小さくなるように設計されている。Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３は電気抵抗率ρ、熱伝導率λ、高温端温度Ｔ_Ｈ，低温端温度Ｔ_Ｌ、断面積Ａ、長さＬ、規格化された電流頻度分布α（Ｉ）などによって変わると考えられる。

【0064】

図４および図５を参照して、放熱部材は、フィン４を含んでいてもよい。図４は、フィン４をハーネス２と別体として構成した例を示す。図４を参照して、ハーネス２は凸部５を含み、凸部５にフィン４を有してもよい。異なる観点から言えば、図４に示したハーネス２は、その表面（外周側面）から突出するように形成された凸部５と、当該凸部５の表面から突出するように形成された複数のフィン４とを含む。フィン４の延在方向は、凸部５の延在方向と交差する方向（図４では垂直な方向）である。また、上記凸部５は、ハーネス２の延在方向に延びるような板状の形状を有している。当該帯状の凸部５の最も面積が大きい主面および裏面のそれぞれに、フィン４が形成されている。当該主面および裏面には複数のフィン４が形成されており、当該フィン４の数は１または２以上の任意の数とすることができる。

【0065】

図５は、フィン４をハーネス２と一体として構成した例を示す。図５を参照して、ハーネス２はフィン４を含んでもよい。異なる観点から言えば、図５に示したハーネス２は、電流リード１との接続部に連なり、相対的に大きな面積を有する主面と当該主面とは反対側に位置する裏面とを含む板状の部分（フィン形成部）を含む。当該板状の部分の主面および裏面には、それぞれフィン４が形成されている。主面および裏面のそれぞれには、複数のフィン４が形成されている。なお、フィン４の数は１または２以上の任意の数とすることができる。

【0066】

図４および図５に示した構成のいずれにおいても、フィン４は、ハーネス２と電流リード１との接続部近傍に設けられている。このため、ハーネス２が伝導等により受けた熱を、電流リード１へ伝導させる手前でよりフィン４により効率的に放熱させることができる。

【0067】

上述のように、本実施の形態に係る超電導機器において、ハーネス２の温度上昇を抑制することにより、超電導コイル１０への侵入熱を抑制し、冷却効率の低下を抑制することができる。

【0068】

また、図６を参照して、外槽容器６５は、電流リード１との接続部において、熱容量を大きくする構成としてもよい。例えば、ハーネス２と接触するように、電流リード１との接続部における外槽容器６５を厚みｔ１とし、それ以外の外槽容器６５の部分の厚みｔ２より厚く設けてもよい。これにより、外槽容器６５において電流リード１と接触する部分の熱容量を大きくでき、当該外槽容器６５の部分を熱の吸収部（あるいは緩衝部）として利用できる。そのため、外槽容器６５の外部の温度が、超電導コイル１０の温度に比べて充分高くなった状態であっても、ハーネス２の温度上昇をより効果的に抑制できる。つまり、ハーネス２の温度上昇を抑制することで、ハーネス２および電流リード１を介した超電導コイル１０への熱伝導による侵入熱を抑制できる。

【0069】

次に、上述のようにハーネスを含む構成としたときの超電導機器の設計方法を図８および図９を参照して説明する。ハーネスを含む構成としたときの超電導機器の設計方法は、基本的には図７に示した電流リードのみを設計する設計方法と同じであるが、電流リードの寸法を決定する工程（Ｓ６０）に代わり、電流リードとハーネスとの寸法を決定する工程（Ｓ７０）を実施する点で異なる。また、図９に、工程（Ｓ７０）の具体的な設計フローを示す。

【0070】

以下、図９を参照して、工程（Ｓ７０）を説明する。まず、ハーネスの断面積の暫定値と、電流リードの断面積と長さの比に基づき電流リードの断面積の暫定値を決定する工程（Ｓ７１）を実施する。この工程（Ｓ７１）において、図７の工程（Ｓ５０）で決定した電流リードの断面積Ａと長さＬとの比Ｌ／Ａを用いて上記暫定値を決定することができる。

【0071】

次に、電流リードの断面積の暫定値とハーネスの断面積の暫定値と超電導コイルの最高出力時の通電条件とに基づき、電流リードとハーネスとの集合体における最高温度を算出する工程（Ｓ７２）を実施する。通電電流および電流リードとハーネスの断面積に基づき、電流リードとハーネスとが接続された構成における最高温度を算出する。具体的には、電流リードの両端温度を固定せず、電流リードの低温端周囲の温度を冷媒温度（液体窒素温度）、高温端周囲の温度を所定の温度（たとえば室温以上の温度、より具体的にはたとえば６０℃）とする。また、通電電流については、最高出力時に想定される最大電流を考える。もっとも厳しい通電条件として、当該最大電流が許容される最大連続運転時間だけ連続通電した場合を想定する。

【0072】

次に、最高温度が、設定下限温度以上、前記超電導機器を構成する部材の材料許容温度以下の設定温度範囲に入ったかどうかを判別する工程（Ｓ７３）を実施する。この工程では、上記工程（Ｓ７２）において求めた最高温度が、設計下限温度以上であり、かつ、予め設定されている周辺部材の材料許容温度以下であるかどうかを判別する。具体的には、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の健全性を保つことが可能な温度（たとえば８０℃程度）を材料許容温度として設定することができる。

【0073】

工程（Ｓ７３）においてＹＥＳと判断された場合、このときの電流リードの断面積の暫定値およびハーネスの断面積の暫定値に基づき計算された最高温度は、設計下限温度から材許容温度までの数値範囲（設計温度範囲）に入っていることになり、該電流リードの断面積の暫定値およびハーネスの断面積の暫定値を、電流リードの断面積の設計値およびハーネスの断面積の設計値として決定する工程（Ｓ７４）を実施し、上記プロセスは終了する。

【0074】

一方、工程（Ｓ７３）においてＮＯと判断された場合、次に、最高温度が設計下限温度以下であるかどうかを判別する工程（Ｓ７５）を実施する。

【0075】

工程（Ｓ７５）において、ＹＥＳと判断された場合には、電流リードの断面積の暫定値を変更する工程（Ｓ７６）を実施することができる。具体的には、最高温度を上げるために、電流リードの断面積を小さくすることができる。暫定値を変更する際には、任意の間隔で変更すればよい。電流リードの断面積の暫定値を変更した後には、変更した電流リードの断面積の暫定値と、工程（Ｓ７１）において決定したハーネスの断面積の暫定値とに基づき、再度工程（Ｓ７２）以下の工程が、工程（Ｓ７３）においてＹＥＳと判断されるまで実施される。

【0076】

工程（Ｓ７５）において、ＮＯと判断された場合には、ハーネスの断面積の暫定値を変更する工程（Ｓ７７）を実施することができる。これは、最高温度は材料許容温度以上である場合であることから、具体的には、工程（Ｓ７７）では最高温度を下げるため、ハーネスの断面積を大きくする必要がある。このときも、ハーネスの断面積を任意の間隔で変更すればよい。ハーネスの断面積の暫定値を変更した後には、変更したハーネスの断面積の暫定値と、工程（Ｓ７１）において決定した電流リードの断面積の暫定値とに基づき、再度工程（Ｓ７２）以下の工程が、工程（Ｓ７３）においてＹＥＳと判断されるまで実施される。

【0077】

このようにして、超電導機器使用時の侵入熱を抑制し、かつ、電流リードとハーネスの集合体の最高温度を設計下限温度以上材料許容温度以下とすることができる、電流リードとハーネスを設計できる。また、電流リードの長さは上記工程（Ｓ７０）において決定された比に基づき決定することができる。

【0078】

なお、上述の設計方法では、電流リードとハーネスとの寸法を設計する際、それぞれの断面積を用いた。上述した設計方法は、たとえば図２に示した電流リード１およびハーネス２の組合せのように、特別な放熱部材（フィン４など）を備えていない構成に関する設計に適用することができる。本発明の別の実施の形態として、熱容量や放熱性能を規定する値を用いて同様の設計を行うことができる。例えば、図１０を参照して、電流リードおよびハーネスの熱容量を用いてもよいし、図１１を参照して、放熱性能を規定する値を用いてもよい。

【0079】

次に、図１２を参照して、上述した電流リード１とハーネス２とを含む本実施の形態における超電導機器の設計方法（特に電流リード１とハーネス２とを含む給電構造の設計方法）の他の例を説明する。

【0080】

図１２に示す本実施の形態に係る超電導機器の設計方法では、まず電流リードの断面積と長さの比を設計値とする工程（Ｓ０１）を実施する。この工程（Ｓ０１）は、図８に示す超電導機器の設計方法における工程（Ｓ１０）から工程（Ｓ５０）に相当する。つまり、工程（Ｓ０１）では、超電導機器使用時の電流頻度分布に基づき総侵入熱を計算し、総侵入熱が最小となるときの電流リードの線径と長さとの比を設計値とする。なお、電流リードの線径に代わり、電流リードの断面積を用いてもよい。

【0081】

ここでは、たとえば電流リードの材料として、比抵抗の小さい任意の材料を想定する。上記電流リードにおける熱平衡の式を、冷媒に満たされた超電導コイル側の低温端温度と、ハーネスとの接続部側の高温端温度とを境界条件として解くことにより、低温端への侵入熱が最小となるときの電流リードの断面積と長さの最適比を求めてもよい。このとき、従来の設計方法（非特許文献１）と同様に、低温端の温度は冷媒温度（たとえば液体窒素温度）とし、高温端の温度は室温としてもよい。また、高温端の温度は、超電導機器の使用環境等を考慮して、通電時に外槽容器の外部において想定される温度としてもよく、たとえば６０℃としてもよい。

【0082】

次に、電流リードに流れる通電電流に基づき、電流リードでの電流密度が１５Ａ／ｍｍ^２超えとなるように電流リードの線径を決める工程（Ｓ０２）を実施する。異なる観点から言えば、上記最適比から、超電導コイルの通電条件と、そのときの電流密度を考慮して、電流リードの線径の暫定値を規定する。なお、この工程（Ｓ０２）において電流リードの線径が決まれば、上記工程（Ｓ０１）で決定した線径と長さの比に基づき電流リードの長さも決まる。

【0083】

次に、ハーネスの線径＝電流リードの線径となるようにハーネスの線径を決定する工程（Ｓ０３）を実施する。この工程（Ｓ０３）において、ハーネスの線径が電流リードの線径と同じ値（暫定値）に設定される。

【0084】

次に、電流リードとハーネスの組合せに対して、通電時の最高温度を求める工程（Ｓ０４）を実施する。この工程（Ｓ０４）では、通電電流および電流リードとハーネスの線径などのサイズ情報に基づき、電流リードとハーネスとが接続された構成における最高温度を算出する。具体的には、電流リードの両端温度を固定せず、電流リードの低温端周囲の温度を冷媒温度（液体窒素温度）、高温端周囲の温度を所定の温度とする。また、通電電流については、最高出力時に想定される最大電流を考える。もっとも厳しい通電条件として、当該最大電流を許容される最大連続運転時間だけ連続通電した場合を想定する。

【0085】

次に、最高温度＞周辺部材の材料許容温度という条件が満足されるかどうかを判別する工程（Ｓ０５）を実施する。この工程（Ｓ０５）では、上記工程（Ｓ０４）において求めた最高温度が、予め設定されている周辺部材の材料許容温度より高くなっているかどうかを判別する。当該材料許容温度としては、たとえば外槽容器６５（図１参照）を構成する材料の許容温度を用いることができる。具体的には、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の健全性を保つことが可能な温度を材料許容温度として設定することができる。そして、工程（Ｓ０５）においてＹＥＳと判断された場合、ハーネスの線径を太くする工程（Ｓ０６）を実施する。この工程（Ｓ０６）では、ハーネスの線径を現在の値（暫定値）から、より大きな値へと変更する。そして、当該工程（Ｓ０６）の後、再度上記工程（Ｓ０４）を実施する。このとき、ハーネスの線径は上記工程（Ｓ０６）において以前より大きな値に変更されているため、ハーネスの熱容量が向上する、放熱特性が改善する、電気抵抗が低下してジュール熱が減少することなどから最高温度は低下する。そして、上記工程（Ｓ０５）を再度実施する。このように工程（Ｓ０４）〜工程（Ｓ０６）を、工程（Ｓ０５）においてＮＯと判断されるまで繰り返す。

【0086】

そして、工程（Ｓ０５）においてＮＯと判断された場合、電流リードを細くする工程（Ｓ０７）を実施する。この工程（Ｓ０７）では、上記最高温度を算出するために設定されている電流リードの線径を、より小さな値へと変更する。この結果、電流リードの電気抵抗値が大きくなり、結果的に最高温度が向上する。

【0087】

次に、最高温度＞周辺部材の材料許容温度という条件が満足されるかどうかを判別する工程（Ｓ０８）を実施する。この工程（Ｓ０８）では、上記工程（Ｓ０４）において求めた最高温度が、予め設定されている周辺部材の材料許容温度より高くなっているかどうかを判別する。そして、工程（Ｓ０８）においてＹＥＳと判断された場合、再度工程（Ｓ０６）を実施してハーネスの線径を太くする。そして、再度工程（Ｓ０４）および工程（Ｓ０５）を実施する。この場合、工程（Ｓ０４）〜工程（Ｓ０６）は、工程（Ｓ０５）においてＮＯと判断されるまで繰り返す。

【0088】

一方、工程（Ｓ０８）においてＮＯと判断された場合、次に、最高温度＞（周辺部材の材料許容温度―設定値）という条件が満足されるかどうかを判別する工程（Ｓ０９）を実施する。この工程（Ｓ０９）では、予め設定されている設定値を材料許容温度から減じることで、当該最高温度が設定されるべき温度範囲の下限を決定しており、当該下限より最高温度が高いかどうかを判別している。そして、工程（Ｓ０９）においてＮＯと判断された場合、再度工程（Ｓ０７）以下の各工程が実施される。

【0089】

一方、工程（Ｓ０９）においてＹＥＳと判断された場合、このときの電流リードおよびハーネスの線径に基づき計算された最高温度は、周辺部材の材料許容温度から所定の設定値を引いた下限値から材許容温度という上限値までの数値範囲に入っていることになり、上記プロセスは終了する。このときの電流リードおよびハーネスの線径の値は、求めるべき電流リードおよびハーネスの線径の設計値として決定される。

【0090】

このようにして、電流リードおよびハーネスの線径が決定される。また、電流リードの長さは上記工程（Ｓ０１）において決定された比に基づき決定することができる。上述した設計方法は、たとえば図２に示した電流リード１およびハーネス２の組合せのように、特別な放熱部材（フィン４など）を備えていない構成に関する設計に適用することができる。

【0091】

次に、図１１を参照して、本実施の形態における超電導機器の設計方法のさらに他の例を説明する。図１１に示した超電導機器の設計方法は、図３〜図５に示したようなフィン４などを備えるハーネス２および電流リード１の組合せの構成に関して適用されるものであって、基本的には図１２に示した設計方法と同様の構成を備える。ただし、図１１に示した超電導機器の設計方法では、工程（Ｓ０３）においてハーネスの線径が電流リードの線径と同じになるように設定されるとともに、フィン４などの放熱部材のサイズおよび形状など、ハーネスの熱容量（および放熱特性）を規定する値について暫定値が決定される点、および工程（Ｓ０５）においてＹＥＳと判断された場合に実施される工程が、ハーネスの放熱性能を向上する工程（Ｓ１６）である点が、図１２に示した超電導機器の設計方法と異なる。図１１に示した設計方法では、上記工程（Ｓ１６）において、ハーネスの放熱特性を向上させるように、放熱部材の構成を変更する。

【0092】

たとえば、図１３の工程（Ｓ０１）〜工程（Ｓ０５）を実施して、当該工程（Ｓ０５）においてＹＥＳと判断されたときに、工程（Ｓ１６）においてフィン４（図４、図５参照）の数を増やす、あるいはフィン４（図４、図５参照）の表面積を増大させる、あるいは放熱部材としてのブロック３（図３参照）のサイズを大きくする、さらにはフィン４またはブロック３などの放熱部材の材質を、変更前の材料よりさらに熱伝導率の高い材料に変更する、といった条件の変更を行う。この後、図１２に示した工程と同様に、工程（Ｓ０４）に戻り、工程（Ｓ０４）以降の各工程を実施する。

【0093】

このようにすれば、電流リードの線径およびハーネスの放熱性能（たとえば放熱部材の構成）に基づき計算された最高温度は、周辺部材の材料許容温度から所定の設定値を引いた下限値から材許容温度という上限値までの数値範囲に入っていることになり、このときの電流リードの線径およびハーネスの放熱特性を規定する値（放熱部材のサイズや材質など）は、求めるべき電流リードの線径およびハーネスの放熱特性を規定する値の設計値として決定される。

【0094】

（実験例）
本発明の実施の形態の効果を確認するべく、以下のようなシミュレーション実験を行った。

【0095】

＜検討方法１＞
はじめに、電流リードのみを考慮して電流リードの設計を行い、電流リードのコイル保持容器側への侵入熱を計算した。具体的には、ある電流頻度分布で運転する超電導機器に対して、電流リードの低温端温度、高温端温度、熱伝導率を同一条件として２つの設計方法により電流リードを設計した。実施例１として、図７に示す設計方法により電流リードを設計した。比較例１として、従来の設計方法により、最大電流値を用いて電流リードを設計した。設計する際には、電流リードの断面積を定め、それぞれの方法から算出した電流リードの断面積と長さの比から、電流リードの長さを求めた。こうして設計した実施例１および比較例１の二つの電流リードに対し、電流非通電時、平均電流（最大電流の２８％）通電時、最大電流通電時のそれぞれの場合で定常状態となったときの侵入熱を計算した。さらに、この超電導機器の電流頻度分布に従って、実施例１および比較例１の電流リードに通電したときの総侵入熱を計算した。

【0096】

＜結果１＞
計算の結果を下記の表１に示す。なお、総侵入熱は、比較例１での総侵入熱の値を１として比較例１に対する比率として記載した。

【0097】

【表1】

【0098】

表１から分かるように、比較例１の系では最大電流通電時の侵入熱を最小化するように設計されているため、最大電流通電時の侵入熱は実施例１と比較して小さいが、時間平均した電流値（Ｉ_ａｖｅ：最大電流の２８％）を通電させたときには、当該侵入熱は実施例１と比較して大きくなった。電流頻度分布を考慮して算出した総侵入熱は、比較例１での値を１としたとき、実施例１では０．５４と大幅に低減することができることが確認できた。

【0099】

＜検討方法２＞
次に、ハーネスも考慮して電流リードとハーネスの設計を行い、電流リードのコイル保持容器側への侵入熱および電流リードのハーネス側端部での最高温度をシミュレーションにより求めた。

【0100】

解析対象として、図１４に示すような系を設定した。図１４を参照して、電流リード１がコイル保持容器５５および外槽容器６５を貫通するように配置されている。また、電流リード１の端部（外槽容器６５の外側に位置する端部）には、ハーネス２が接続されている。ハーネス２は、ケース７５を貫通して外槽容器６５とケース７５との間の空間からケース７５の外部にまで延在するように配置されている。ケース７５とハーネス２との接続部には絶縁体７６が配置されている。

【0101】

外槽容器６５より外側は大気雰囲気である。ケース７５の外部の大気（ケース外大気）およびケース７５と外槽容器６５との間の大気（ケース内大気）は、ともに同じ温度、熱伝導率とした。

【0102】

また、外槽容器６５とコイル保持容器５５との間は真空断熱層である。コイル保持容器５５の内部には超電導コイルとともに冷媒１７としての液体窒素が配置されている。なお、図１４ではハーネス２の直径が電流リード１の直径より大きい場合を示している。

【0103】

実施例２としては、上述の実施例１と同じ寸法を有する電流リード１と、該電流リード１と同じ線径で、所定の長さを有するハーネス２とを設計した。実施例３としては、図８および図９に示す本実施の形態の超電導機器の設計方法により、電流リード１およびハーネス２を設計した。具体的には、上述の実施例１と同じ寸法を有する電流リード１の断面積と長さの比を設計値として決定した後、電流リードとハーネスの最高温度を考慮して、電流リード１とハーネス２の寸法を決定した。

【0104】

こうして設計した実施例２および実施例３の系に対して、時間平均した電流値（Ｉ_ａｖｅ：最大電流の２８％）を電流リード１およびハーネス２に流すことで定常状態にした後、最大電流で連続通電したときの、通電時間に対する電流リード１のコイル保持容器５５側への侵入熱および電流リード１のハーネス２側端部での最高温度をシミュレーションにより求めた。なお、大気温度は６０℃とした。

【0105】

＜結果２＞
シミュレーションの結果を下記の表２に示す。

【0106】

【表2】

【0107】

電流リード１のコイル保持容器５５側への侵入熱については実施例２と実施例３とは大きな差は無かった。一方で、電流リード１のハーネス２側端部での最高温度は、実施例２の系の場合に比べて、実施例３の系では、表２のように低下した。実施例３の系はより最高温度が低く、超電導機器の外槽容器６５やコイル保持容器５５等を構成する繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の健全性を保つことが可能な温度であることが分かった。このように、本発明の実施の形態に係る実施例３のように図８および図９の設計フローに従って電流リード１とハーネス２との寸法を決定し、ハーネス２の線径を電流リード１の線径より大きくする（つまりハーネスの熱容量を電流リードの熱容量より大きくする）ことによって、電流リード１のハーネス２側端部の最高温度を低減することができた。

【0108】

＜検討方法３＞
次に、電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａに応じて、電流リードのコイル保持容器側への侵入熱がどのように変化するのか計算により確認した。具体的には、電流リードの断面積と長さとの比Ｌ／Ａが異なる電流リードに対し、電流非通電時、平均電流通電時、最大電流通電時のそれぞれの場合で定常状態となったときの侵入熱を計算した。さらに、この超電導機器の電流頻度分布に従って、電流リードの断面積と長さとの比Ｌ／Ａが異なる電流リードに通電したときの総侵入熱を計算した。

【0109】

＜結果３＞
計算結果を図１５に示す。図１５の横軸は電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａ（単位：１／ｍ）を示し、縦軸は電流頻度分布を考慮して算出した電流リードのコイル保持容器側への相対総侵入熱を表わす（上記比較例１の場合を１としている）。電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａ（単位：１／ｍ）が１３４９２である点が、上記比較例１にあたる。電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａを比較例１より小さく設計した電流リードでは、電流リードのコイル保持容器側への総侵入熱が比較例１よりもさらに増していた。また、電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａを比較例１より大きく設計した電流リードでは、電流リードのコイル保持容器側への総侵入熱が比較例１よりも減少した。電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａを実施例１のように設計するとき、総侵入熱が極小となった。電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａを実施例１よりも大きくしていくと、電流リードのコイル保持容器側への総侵入熱が実施例１よりもさらに増していき、電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａがある値以上となると、比較例１での総侵入熱以上となることが分かった。

【0110】

さらに、このときの電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａに対する、電流リードのコイル保持容器側への総侵入熱は、Ｃ_１×Ｌ／Ａ＋Ｃ_２×１／（Ｌ／Ａ）＋Ｃ_３で表わされる式の曲線上にあることが確認された。ここでＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３は、設計条件に依存するパラメータであり、最小二乗法を用いたフィッティングによって最適に決定される。上記式において、第一項は電流リードにおいて生じるジュール熱成分であり、第２項は熱伝導成分と考えられる。つまり、電流リードのコイル保持容器側への侵入熱は、電流リードに通電された電流によるジュール熱成分と、コイル保持容器の外部から電流リードを介した熱伝導成分との和で説明することができることが確認された。

【0111】

上述のように、電流リードのコイル保持容器側への侵入熱はジュール熱成分と熱伝導成分との和で説明することができることが分かったが、このことから以下のことが導かれる。図１５中においてジュール熱成分と熱伝導成分とを併せて図示しているが、ジュール熱成分は電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａと比例する関係にあり、熱伝導成分は電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａと反比例する関係にある。そのため、電流リードの長さが短くかつ電流リードの断面積が大きくなるほど、該電流リードに生じるジュール熱を小さくすることができるが、該電流リードは多くの熱を伝導させる。一方、電流リードの長さが長くかつ電流リードの断面積が小さくなるほど、該電流リードを介して超電導コイルに伝導する熱量を小さくすることができるが、該電流リードに生じるジュール熱は大きくなる。電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａをある範囲内とすることにより、侵入熱を上記比較例１の場合よりも低減できることが確認された。言い換えると、電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａを変数ｘとし、電流頻度分布を考慮して算出した総侵入熱をｙとしたときに、ｙ＝Ｃ_１×ｘ＋Ｃ_２×１／ｘ＋Ｃ_３で表わされる曲線とｙ＝Ｑ_ｃｏｎで表わされる直線とが交わる点を計算する問題になる（Ｃ_１×ｘ＋Ｃ_２×１／ｘ＋Ｃ_３＝Ｑ_ｃｏｎの方程式の解）。ここで、Ｑ_ｃｏｎ＝Ｉ_ｍａｘ｛Ｌ_０（Ｔ_Ｈ^２−Ｔ_Ｌ^２）｝^１／２であり、比較例１での侵入熱にあたる。ｘはゼロではないので、両辺にｘをかけることができ、ｘについての２次方程式となる。その解は２つ存在し、以下の数式２で与えられる。該２点のうち小さい値超えであって、かつ他の大きい値未満とする数値範囲内に電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａを設けることにより、従来の超電導機器の電流リードの設計方法により得られる電流リードと比べて外部から超電導コイルへの総侵入熱を低減することができることが分かった。

【0112】

【数2】

【0113】

なお、上記関係式を満足する２点のうち１点は上述した比較例１に相当し、他の１点は比較例２とし、表３に電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａと侵入熱の計算結果を示す。

【0114】

【表3】

【0115】

比較例２は、該Ｌ／Ａ比が大きく、ジュール熱成分が寄与しない非通電時には熱伝導を効果的に抑制することができるため侵入熱を抑制できているが、最大電流通電時の侵入熱は比較例１以上に大きかった。時間平均した電流値（Ｉ_ａｖｅ：最大電流の２８％）を通電させたときには、比較例２における侵入熱は実施例１と比較して大きく、比較例１よりも小さかった。

【0116】

また、比較例１の電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａ超えであって、比較例２の電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａ未満である数値範囲内において、実施例１の電流リードの断面積と長さの比Ｌ／Ａは、電流頻度分布を考慮して算出した総侵入熱を効果的に低減することができる設計値であることが確認できた。

【0117】

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上述の実施の形態および実施例を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

【産業上の利用可能性】

【0118】

本発明は、電流リードおよびハーネスを備える超電導機器に特に有利に適用される。

【符号の説明】

【0119】

１ 電流リード、２ ハーネス、３ ブロック、４ フィン、５ 凸部、１０ 超電導コイル、１７ 冷媒、５３ コア、５５ コイル保持容器、６５ 外槽容器、７５ ケース、７６ 絶縁体。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】