JP2004312003A - 強制冷却部を備えた同軸線 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ物理学の領域に特定された使用は、同軸線により１ＭＷ以上のＨＦ−出力の供給を必要とするが、冷却のためのガス状媒体の流速は任意に高めることができない。流体ヘリウムも使用されたが、コストの嵩む補助装置が必要となる。
【解決手段】改良された冷却によって連続運転においても１ＭＷ以上のＨＦ−出力が伝達されることができる同軸線は、冷却媒体が貫流可能な内側導体３を有する。冷却媒体は、中空の絶縁材料管５を介して給排されることができる。特に、冷却流体の使用において、内側導体３中小さい直径の管７が配設されかつ冷却媒体がこの管７と内側導体３との間のリング室のみを通って流れるようにした場合には、実質的に冷却効率の低下なしに著しい重量節約が達成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、管状内側導体と、外側導体と、内側導体と外側導体との間の絶縁材接続管と、導体中に冷却媒体を通すために接続管とを備えた同軸線に関するものである。

例えば、プラズマ物理学の領域に特定された使用は、その直径が機械的及び又はＨＦ−技術上の理由から、 任意の大きさに造られることができない同軸線により１ＭＷ以上のＨＦ−出力の供給を必要とする。従って、特に、連続運転（Ｄａｕｅｒｓｔｒｉｃｈｂｅｔｒｉｅｂ）においては、内側導体では特にオーム損失のために及び絶縁材接続管の領域では、特に誘電損失のために、強制冷却が必要な程、単位時間当たり大きな熱量が発生する。技術水準によれば、強制冷却のために、ガス状媒体が内側導体と外側導体との間のリング空間を通過させられる。しかし、この方法で搬出可能な損失熱量は制限され、 圧力、従ってガス状冷却媒体の流速は多くの理由から任意には高められることができない。超伝導同軸線の冷却のために、既に流体ヘリウムも使用されたが、 そのためには多くのかつコストの嵩む補助装置が必要である。

本発明は、改善された冷却能力を有する同軸線を創造することである。

この課題は、本発明によれば、冷却媒体が内側導体を通過可能であることによって解決される。
そのために、所定の導体直径では、従来よりもパルス運転でも連続運転でも、導体を介して著しく高いＨＦ−出力が伝達され、このことは、特に流体冷却媒体の利用の際に著しい。

本質的に熱的に僅かしか負荷されない外側導体の冷却は、本発明の目的物ではない。外側導体の冷却は、外側導体上に取り付けられた冷却リブ、冷却蛇管等によってそれ自体公知の措置によって行われる。

好ましくは、冷却媒体は、少なくともいくつかの絶縁材料管に形成されたダクトを介して供給及び排出可能である（請求項２）。

これらの絶縁材料管は、外側導体を通って外方に向かう管として形成されることができる（請求項３）。ラジアル平面当たり一般に３つ又は４つの、それぞれ１２０°又は９０°ずらされて配設されている絶縁材料管で十分である。必要な冷却媒体貫流に依存して、冷却媒体の供給及び排出のためにこれらの絶縁材料管の一部分を使用するだけで十分である。絶縁材料管の好適な構造的構成によって、周囲方向におけるＨＦ−電界の追加的なゆがみが発生しないことが確保される。

例えば、導体を縦密な部材で連結するために、選択的に、絶縁材料管はラジアルダクトを備えた中空管としても形成されることができる（請求項４）。

好ましくは、絶縁材料管のダクトは管状の内側導体の端で内側導体連結部材の室中に通じている《請求項５）。内側導体連結部材は、同時に管状の内側導体の各端用の軸受を形成する。

同軸線の好適な実施形態は、管状内側導体に、その両端で端面を閉じる小さな直径の管が同軸的に配設されており、この管と管状内側導体との間のリング空間が絶縁材料管のダクトと連通していることによって解決される（請求項６）。冷却媒体は管状の内側導体と、これによって取り囲まれかつ合理的に同様にその端で当接する内側導体連結部に支承された直径の小さい管との間のリング隙間又はリング空間を通ってのみ流動する。リング横断面積を十分大きくすれば、冷却作用は実際上変わらず、同時に導体の一層著しく小さい重量及び冷却媒体循環に必要な補助装置のための小さいコストが得られる。

合理的に、管は端面で内側導体連結部材に形成されたフランジによって閉鎖されている（請求項７）。

その代わりに、管は端面でそれぞれ内側導体連結部材に軸線方向及びラジアル方向に浮動的に支承されたフランジを介しても閉鎖されることができる（請求項８）。特に、軸線方向の遊びは、製作公差のために、また、管及びこれを取り囲む管状内側導体の熱による長さ変化の相違があっても、軸線方向の強制力の発生を防止する。

追加的に、管は，その外周に管状内側導体の内壁にに対して支持される心立て要素を有する（請求項９）。それによって、管状内側導体とこれによって取り囲まれた管との間のリング隙間又はリング空間の横断面積が、周囲方向において一定に保持され、また、同軸線が一括して縦方向において僅かな湾曲を描く場合でも、同様である。

心立て要素は、巻回に沿って、即ち、管の回りにらせん状に配設されることができ（請求項１０）、また、個々に互いに間隔を隔てた要素としても配設されることができる。

その代わりに、心立て要素は、軸線方向に延びるウエブから成る（請求項１１）。このことは、巻回に沿う配列よりも流動技術的に好適である。

全ての実施形態において、心立て要素は、管と一体である（請求項１２）。このことは、管が金属ではなく樹脂から成る場合に特別に製造技術的に有利である。

選択的に、管状の内側導体はその周囲に絶縁材料管のダクトに通じる軸線方向のダクトを有する（請求項１３）。そのような内側導体は、例えば、アルミニウムから押し出し成形によって製造されることができる。

大きな長さでは、同軸線は、互いに分離された冷却可能で、電気的及び機械的に互いに結合された部分から成る（請求項１４）。

この場合、互いに境界を接する部分の管状内側導体は、補完的なプラグ接続部を介して相互に最適に連結可能である（請求項１５）。

そのような補完的なプラグ接続部は、軸線方向に延びている第１リング部分を備え、各内側導体連結部材の室を閉鎖するフランジプレートから成ることができ、第１リング部分は、接続する導体部分のフランジプレートにある第２リング部分を把持しかつ冠状ばね接点座から軸線方向に延びかつ第２リング部分を同軸線的に取り囲むばね接点が、接触状態に把持される（請求項１６）。第１リング部分は、いわばプラグを形成し、第２プラグ接続部は、ばね接点冠座と共に補完的カップラーを形成する。

合理的に、ばね接点冠座のばね接点の自由端は、第２リング部分の端面を含むラジアル平面に対してアキシャル方向に後退しているラジアル平面内に位置する（請求項１７）。
それによって、２つの導体部材の並列の際に、予備心立てが達成され、 その際第１リン
グ部分の端面がばね接点に下に位置する前に、第１リング部分が第２リング部分を把持す
る。それによって、同列ばねのために、ばね接点の損傷に至り、従って、数１０００アン
ペアの電流の伝導の際にも過熱及び場合によっては、 接触面の燃焼に至る周囲に渡って不
均一な接触に至る、不均一な接触が反射及び相互変調結果の発生に至る。

合理的に、接触するリング部分を支持するフランジプレートは、所属の内側導体連結部材とねじ結合される（請求項１８）。このことは、カップリングに対するプラグの連結個所の取り付け及び取り外しを容易にする。更に、 ばね接点冠座は、このために最も好適な材料から成る単一部材として製造されることができる。ばね接点冠座は、その根元に、フランジプレートを溶接されている。

管状内側導体は冷却しても外側導体よりも本質的に熱的に高く負荷されるので、発生する熱膨張が考慮されねばならない。このために、絶縁材料管は、外側導体を通ってアキシャル方向に浮動的に案内されることができる（請求項１９）。

これに関する可能性は、絶縁材料管の外側導体を通る端は、案内フランジによって取り囲まれ，案内フランジは、外側導体の凹部にアキシャル方向に浮動的に保持され、外側導体に対してラジアル方向に弾性的にシールされかつ外側導体とラジアル方向に弾性的に接触していることにある（請求項２０）。ラジアル方向のシールは、ｏ−リングによって行われ、かつラジアル方向の接触は、らせん状に巻回されかつリング状に閉じた接触要素、いわゆるひも状接点によって実現されることができる。

その代わりに、管状絶縁材料管の各々も、その内方にある端によって内側導体連結部材中に、また、その外方に位置する端によって外側導体壁中のアキシャル平面内に傾倒可能に支承されることができる（請求項２１）。傾倒可能な支承部は、例えば、リング膨隆部によって絶縁材料管の当接する端で球欠状の対抗軸受と関連して内側導体連結部材の当接する収容部及び外側導体の壁を通る貫通部によって実現される。

図中に本発明による同軸線の実施例が示されている。即ち、

図１は、−縦方向を短縮してー非常に高いＨＦ−出力の伝達のための冷却可能な同軸線の１部分を示す。導体は、その両端に連結フランジ２を備えた外側導体１を有する。外側導体１の直径は、１２０ｍｍ以上の範囲にされ得る。外側導体１は、その両端に内側導体連結部材４を備えた管状内側導体３を同軸的に取り囲む。内側導体連結部材４の各々は、好適な誘電材料、好ましくはセラミック材料から成る絶縁材料管５を介して相応する連結フランジ２に支承されているか、若しくは図２に示すように、この実施例ではそれぞれ４つの絶縁材料管５を介して支承されている。絶縁材料管５は、管状に形成されており、 かつ連結フランジ２によって外方に向かって案内されている。その内方に位置する端は、内側導体連結部材４の凹部にシールされて支持されている（ｏ−リングの収容のための図示の溝参照）。

内側導体連結部材４には、６．１のような孔を介して絶縁材料管５のダクト５．１と連通している室６が形成されている。内側導体連結部材４は、内側導体管３の各端によって把持される第１フランジ４．１を有する。このフランジプ４．１と内側導体３の当接する端は、好ましくは周囲溝を介して連続して溶接されている。選択的に、フランジ４．１の周囲と内側導体３の端との間に、ｏ−リングが設けられている（図示しない）。

それから、追加的にフランジ４．１と内側導体管３との間のＨＦ−技術的に完全な接触が必要である。第１フランジ４．１からアキシャル方向に間隔を隔てて内側導体連結部材４が小さい直径の第２フランジ４．２を有する。第２フランジは、内側導体管３中に同軸的に配設されている直径の小さい管７の各端によって把持されている。この管７は、電界の充満した空間にはなく従って金属製ではない。管状の内側導体３と管７との間の同軸的なリング室８は、孔６．３、破口６．２を介して各内側導体連結部材４の室６と連通している（図２参照）。

絶縁材料管５の外方への接続部を介して、導体部分の一端に好ましくは流体冷却媒体、例えば、水が供給され、水は、リング室８を貫流しかつ絶縁材料管５を介して導体部分の他端に引き取られる。この方法で管状内側導体３と内側導体連結部４とは内方から冷却される。

管状の内側導体３の各端から離れた位置で、各室６が、ねじ９を介して内側導体連結部材４と連結されたフランジプレート１０若しくは１１によって閉鎖されている。内側導体３の一端（図１の左）のフランジプレート１０は、内径ｄ１のアキシャル方向に向いたリング部分１０．１を有する。導体部分の他端（図１の右）のフランジプレート１１は、ｄ１よりも小さい直径のリング部分１１．１を有する。リング部分１１．１を同軸的に取り囲む冠状ばね接点１１．２は、フランジプレート１１と連結されている。ばね接点の自由端は、リング部分１１．１の端面を含むラジアル平面からアキシャル距離ａだけ引っ込んだラジアル平面に位置する。

図３は、リング部分１０．１のそのような２つの導体部分Ａ及びＢの連結の際に、プラグ要素とリング部分１１．１が接触ばね接点１１．２と共に、互いにセットされた導体部分ＡとＢの管状内側導体３の間の接触連結の実現のためのカップリング要素を形成することを示す。その横密な接触連結のために、連結フランジ２の間に図４に示されたように周囲が多数の羽状に割れたリング２０が挿入されている。

図５には、導体部分Ａ及びＢが互いに連結された状態で表されている。外側導体連結フランジ２は、通常のようにアンカボルト２１を介して互いにねじ連結されている。リング部分１０．１及び１１．１は、冠状ばね接点座１１．２と共に、管状内側導体のための補完的プラグ接続を形成する。この内側導体連結部材１０．１，１１．１、１１．２の領域においても、十分な冷却が確保されるために、内側導体連結部材はアキシャル長さを短くされ、良好な伝熱材料から成りかつ十分な材料強度に造られている。

導体の縦方向における方向変化は、原理的には図１のように直線の導体部分と同様な構成を有する湾曲部又は導体湾曲部によって実現される。図６において、９０°湾曲部が表されている。更に自由度を得るために、この場合に外側導体連結フランジ２は、追加的にそれ自体公知の方法で玉軸受２１を備える。内側導体連結部材には、他の措置は必要ない、そのわけは、プラグ部分１０．１及びカップリング部分１１．１、１１．２は、互いに任意に回動可能であるからである。

外側導体と内側導体との間の電界に満ちた空間が導体の運転中ガス、例えば、Ｎ₂ によって圧力を受けるべき又は圧力を受けねばならない場合、導体の所定の個所に縦密な連結が必要である。その場合に、管状絶縁材料管の代わりに、図７に表されるように、セラミックから成る中実円盤が使用される。中実円盤は、冷却媒体の給排のための十分な数のラジアルダクト５７．１を有する。ダクト５７．１は、外周でリングダクト５７．２とかつ内周でリングダクト６．４と連通しており、リングダクトは、孔６．３を介して内側導体連結部材４の室６と連通している。

導体の運転中、その内側導体は、冷却にもかかわらず外側導体よりも多く伸びる。図１にΔ１で表されたこの伸びを受け止める第１の可能性は、絶縁材料管５が外側導体の壁を通って浮動的に案内されることにある。図８は、そのようなシールされかつＨＦ−密な貫流部を示す。管状絶縁材料管５は、アキシャル方向遊隙Δ２によってシールされてｏ−リング５２を介して案内スリーブ５１内に収容され、案内スリーブは、足部フランジ５３によって外側導体連結フランジ２の壁に支持された案内スリーブ５１中に収容される。足部フランジ５３の厚さは、凹部の深さよりも幾分小さい。足部フランジ５３の溝中に、ラジアル方向に弾性的ないわゆるひも状接点５４が収容されている。ひも状接点は、ｏーリング５５によって取り囲まれている。隙間Δ３が残されている。案内スリーブ５１の足部フランジ５３は、押さえ板５６によって凹部２．１に係留される。図平面に対して垂直に、例えば、導体の縦方向に凹部２．１が、長穴状に形成される場合、絶縁材料管５は、案内スリーブ５１を含めて、外側導体１に対する管状内側導体３の熱に依存する長さの変化Δ１を生じ得かつ強制力は発生しない。同時にこの種の貫通部は、ラジアル方向における絶縁材料管５の熱に依存する長さ変化も許容する。

図９及び図１０は、外側導体に対する内側導体の熱に依存する長さ変化による強制力の発生を防止する他の簡単な可能性を示す。絶縁材料管５は、内側導体連結部材４及び案内スリーブ５１中に旋回可能に収容され、かつ内側導体連結部材４中及び外側導体連結フランジ２の壁の十分大きな寸法の凹部を関連したその両端の球欠状の形状によって、又はこれを補完して、一方では内側導体連結部材４における及び他方では案内スリーブ５１（図１０）における絶縁材料管５の端の収容部の相応したリング膨隆部の形状によって旋回可能に収容されている。両ケースにおいて、絶縁材料スリーブは、小さい角度αだけ点Ｍの回りに傾倒され得る。

これまでに記載した実施形態では、比較的に薄い管状内側導体３が、小さい直径の管７によって形成されるリング空間８を通って流れる冷却媒体によって冷却される（図１）。これに対して選択的に、内側導体は多数の、狭い間隔で隣接したアキシャルダクト３１を備えた壁厚の厚い管３０として実施されることができる。図１１は、相応した横断面を示す。そのような管は、特に、アルミニウムから押し出し成形によって非常に簡単に製造されることができる。

図１２には、図１に対して変形された実施形態が示されている。管状内側導体３によって取り囲まれた管７は、その両端でフランジ７１によって閉鎖され、 その中各々が１つの中心の軸首７１．１を有し、軸首によって、フランジは、内側導体連結部材４１の凹部４１．１に特に遊隙をもってアキシャル方向に、しかしラジアル方向にも支持される。ラジアル方向遊びは、明確のために過剰に大きく表されている。管７は、それによって内側導体連結部材４１の間に浮動的に支承される。管状内側導体３と管７との間の空間８は、軸首７１．１の凹部７１．２及び各フランジ７１とこれと向かい合う内側導体連結部材４１の端面との間でラジアル方向に接続する周囲隙間を介して内側導体連結部材４１の各室６と連通する（図１３）。リング空間８の横断面が周囲に渡って一定であるように、管７と管状内側導体３との間に、間隔部材又は心立て要素７２が配設されている。これらは、図１２に示された方法で、管７を取り囲むことができる。それにより、空間８における冷却媒体の流動は、同様に巻回状又はらせん状に行われる。これが回避されるべき場合には、心立て要素７２は、長く連続したものではなく短い部分の形で配設される。その代わりに、心立て要素は、図１３に示すように、アキシャル方向に延びるウエブ７２．１からも成ることができる、それによって冷却媒体の流動は、アキシャル方向に向けられた状態に保たれる。

短縮して表された導体部分の縦断面図である。 部分断面で表された正面図である。 相次いで配置される２つの導体部分の相互の連結のために特定された端領域を示す。 外側導体の連結部フランジの間の、図３及び５に表されたシールー及び接触リングの正面図である。 連結部の形成のための図３に表されたと同様な端領域を表す図である。 ９０°の湾曲部として実施された導体部分の部分断面で表された側面図である。 絶縁材料管の選択的な実施形態を備えた導体部分の端部領域の縦断面図である。 外側導体を通る絶縁材料管の貫通部であって、特に、拡大された正面断面図である。 絶縁材料管の貫通部の他の実施形態の拡大縦断面図である。 図９とは異なる実施形態を表す図である。 内側導体の他の実施形態の正面図である。 導体部分の図１に類似した、しかしこれとは異なる実施形態を示す図である。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う断面図である。

符号の説明

１ 外側導体
３ 内側導体
４ 内側導体連結部
４．２ フランジ
５ 絶縁材料管
５．１ ダクト
６ 室
７ 管
８ リング室
１０ フランジプレート
１０．１ 第１リング部分
１１ フランジプレート
１１．１ 第２リングプレート
１１．２ 冠状ばね接点座
３０ 管状内側導体
３１ アキシャルダクト
４１．１ 浮動的支承部
５１ 案内フランジ
５７ 絶縁材料管
５７．１ ラジアルダクト
７１．１ 浮動的支承部
７２ 芯立て要素
７２．１ ウエブ
Ａ 部分
Ｂ 部分

Claims (21)

1. 管状の内側導体（３）と、外側導体（１）と、内側導体と外側導体との間の絶縁材料管（５）と、導体中を冷却媒体を通すための接続部とを備えた同軸線において、
   冷却媒体は、内側導体（３）を貫流可能であることを特徴とする、前記同軸線。
2. 冷却媒体が、絶縁材料管（５）の少なくともいくつかに形成されたダクト（５．１）を介して供給及び排出可能であることを特徴とする請求項１に記載の同軸線。
3. 絶縁材料管が、外側導体（１）中を通って外方に案内される管（５）として形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の同軸線。
4. 絶縁材料管が、ラジアルダクト（５７．１）を備えた中実ディスク（５７）として形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の同軸線。
5. 絶縁材料管（５；５７）のダクト（５．１；５７．１）が、管状の内側導体（３）の端で内側導体連結部材（４）中に通じていることを特徴とする請求項１から４までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。
6. 管状内側導体（３）中に、その両端で端面を閉鎖された小さい直径の管（７）が、同軸的に配設されておりかつこの管（７）と管状の内側導体（３）との間のリング室（８）が、ダクト（５．１；５７．１）によって絶縁材料管（５；５７）に連通していることを特徴とする請求項１から５までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。
7. 管（７）が、端面で、内側導体連結部（４）に形成されたフランジ（４．２）によって閉鎖されていることを特徴とする請求項１から５までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。
8. 管が、端面でフランジ（７１）を介して閉じられており、フランジは、各内側導体連結部材にアキシャル方向及びラジアル方向に浮動的に支承（４１．１，７１．１）されていることを特徴とする請求項６に記載の同軸線。
9. 管（７）が、その凹部に、管状内側導体（３）の内壁を支持する心立て要素（７２）を有することを特徴とする請求項６から８までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。
10. 心立て要素（７２）が、管（７）の回りに巻回に沿って（らせん状に）配設されていることを特徴とする請求項６から９までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。
11. 心立て要素が、アキシャル方向に延びるウエブ（７２．１）から成ることを特徴とする請求項６から９までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。
12. 心立て要素が、管（７）と一体的であることを特徴とする請求項６から１１までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。
13. 管状の内側導体（３０）が、アキシャル方向ダクト（３１）をその周囲面に有し、これらのダクトはダクトによって絶縁材料管と連通していることを特徴とする請求項１から１２までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。
14. 同軸線が互いに別個に冷却可能で電気的及び機械的に互いに連結された部分（Ａ，Ｂ）から成ることを特徴とする請求項１から１３までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。
15. 導体の互いに境を接する部分（Ａ，Ｂ）の管状の内側導体（３，３０）が、補完的プラグ接続を介して互いに連結可能であることを特徴とする請求項１４に記載の同軸線。
16. 補完的プラグ接続が、アキシャル方向に延びる第１リング部分（１０．１）を備えかつ内側導体連結部材（４）の室を閉鎖するフランジプレート（１０）から成り、第１リング部分は接続する導体部分のフランジプレート（１１）の第２リング部分（１１．１）を把持し、そして冠状ばね接点（１１．２）からアキシャル方向に延びかつ第２リング部分（１１．１）を同軸的に取り囲むばね接点が接触状態に把持されることを特徴とする請求項１４に記載の同軸線。
17. 冠状ばね接点座（１１．２）のばね接点の自由端が、第２リング部分（１１．１）の端面を含むラジアル平面に対してアキシャル方向に引っ込められたラジアル平面内に位置することを特徴とする請求項１６に記載の同軸線。
18. フランジプレート（１０，１１）が、内側導体連結部材（４）とねじ結合されていることを特徴とする請求項１７に記載の同軸線。
19. 絶縁材料管（５）が、外側導体（１）を通ってアキシャル方向に浮動的に案内されていることを特徴とする請求項１から１８までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。
20. 各絶縁材料管（５）の外側導体（１）を貫通する端が、案内フランジ（５１）によって取り囲まれ、 案内フランジが、外側導体の凹部にアキシャル方向に浮動的に保持され、外側導体に対してラジアル方向に負荷されてシールされかつ外側導体とラジアル方向に負荷されて弾性的に接触していることを特徴とする請求項１から１９までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。
21. 各絶縁材料管（５）が、その内方に位置する端で内側導体連結部材（４）でかつその接続する端で外側導体壁（１）にアキシャル平面内で傾倒可能に支承されていることを特徴とする請求項１から２０までのうちのいずれか１つに記載の同軸線。

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