JP2010066211A - Support structure for plasma equilibrium magnetic field coil - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、核融合装置用のプラズマ平衡磁場コイル(EFコイル)を挟んで一対のクランプを配置し、プラズマ平衡磁場コイルの側方への各クランプの延出部分に締付力を付与してプラズマ平衡磁場コイルを挟み込み、トロイダル磁場コイル(TFコイル)に対してプラズマ平衡磁場コイルを支持するプラズマ平衡磁場コイルの支持構造に関する。 In the present invention, a pair of clamps are arranged with a plasma equilibrium magnetic field coil (EF coil) for a fusion device interposed therebetween, and a clamping force is applied to the extension part of each clamp to the side of the plasma equilibrium magnetic field coil. The present invention relates to a support structure of a plasma equilibrium magnetic field coil that sandwiches a plasma equilibrium magnetic field coil and supports the plasma equilibrium magnetic field coil with respect to a toroidal magnetic field coil (TF coil).
この種のプラズマ平衡磁場コイルの支持構造は、下記の特許文献1に開示されている。特許文献1では、TFコイルに設けられた支持座に、EFコイルを保持するホルダが固定されている。ホルダは、支持座のホルダ固定面に固定された支持構造体に、一対の板ばねを介してクランプ部を吊り下げて構成されている。クランプ部は、各板ばねに接続された受け板と、締付ボルトで受け板に連結された締付板とを、締付ボルトで互いが近づく向きに締め付けることで、EFコイルを挟み込んで支持している。
A support structure for this kind of plasma equilibrium magnetic field coil is disclosed in
上記特許文献1に記載の支持構造では、EFコイルの左右の側方に延びた左右の端部に締付力を付与された受け板及び締付板が、左右方向の中央部を上方に撓ませることから、EFコイルの左右の端部に機械的圧力が集中し、この圧力集中部に振動等が加わってこすれが生じると、絶縁劣化の生じる虞があった。
In the support structure described in
本発明は、上記した点に鑑み、EFコイルに対して分散させて締付力を加えることのできるプラズマ平衡磁場コイルの支持構造を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a support structure for a plasma equilibrium magnetic field coil that can be dispersed with respect to an EF coil and applied with a tightening force.
このような課題を解決するために、本発明のプラズマ平衡磁場コイルの支持構造は、核融合装置用のプラズマ平衡磁場コイルを挟んで一対のクランプを配置し、各前記クランプの前記プラズマ平衡磁場コイルの両側方への延出部分に締付力を付与して、前記
を挟み込み、トロイダル磁場コイルに対して前記プラズマ平衡磁場コイルを支持するプラズマ平衡磁場コイルの支持構造であって、各前記クランプの両前記延出部分間に配置されて各前記クランプと前記プラズマ平衡磁場コイルとの間に介装される一対の圧力緩和板を備え、前記圧力緩和板が、最も肉厚を有した肉厚部から、前記クランプの前記延出部分の延出方向の両端部にかけて一主面を傾斜させて徐々に肉厚を薄くする断面形状を有しており、平坦な他主面を前記プラズマ平衡磁場コイル側に向け、前記一主面を前記クランプ側に向けて介装されることを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力緩和板の前記一主面が、所定の締付力を付与されて前記プラズマ平衡磁場コイル側に撓んだ前記クランプの前記一主面への接触面と等しく湾曲傾斜していることを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力緩和板の前記肉厚部が、前記クランプの両前記延出部分間の中央部と向かい合う前記圧力緩和板の中央部に設けられていることを特徴とする。
In order to solve such a problem, the plasma equilibrium magnetic field coil support structure of the present invention has a pair of clamps sandwiched between plasma equilibrium magnetic field coils for a fusion apparatus, and the plasma equilibrium magnetic field coils of each of the clamps. A support structure of a plasma equilibrium magnetic field coil that supports the plasma equilibrium magnetic field coil with respect to a toroidal magnetic field coil by applying a clamping force to the extending portions on both sides of the A pair of pressure relief plates disposed between the extended portions and interposed between each of the clamps and the plasma equilibrium magnetic field coil, wherein the pressure relief plate has the thickest wall portion To the both ends in the extending direction of the extending portion of the clamp, and has a cross-sectional shape in which one main surface is inclined to gradually reduce the thickness, and the other flat main surface is flattened with the plasma balanced magnetism. Toward the coil side, said one main surface, characterized in that it is interposed toward the clamping side.
Further, according to the present invention, the one principal surface of the pressure relaxation plate is curved in the same manner as a contact surface to the one principal surface of the clamp that has been given a predetermined clamping force and bent toward the plasma equilibrium magnetic field coil side. It is characterized by being inclined.
Further, the present invention is characterized in that the thick portion of the pressure relief plate is provided at a central portion of the pressure relief plate facing a central portion between both the extended portions of the clamp.
本発明によれば、クランプとプラズマ平衡磁場コイルとの間に介装される一対の圧力緩和板が、湾曲したクランプを傾斜面の広い範囲で受けることから、プラズマ平衡磁場コイルに対して分散させて締付力を加えることができる。 According to the present invention, since the pair of pressure relief plates interposed between the clamp and the plasma equilibrium magnetic field coil receive the curved clamp over a wide range of inclined surfaces, it is distributed to the plasma equilibrium magnetic field coil. Tightening force can be applied.
以下、図面を参照して、本発明の最良の形態を説明する。図1は、本実施形態の核融合装置が備えるTFコイル(トロイダル磁場コイル)1の斜視図である。なお、以下の説明で用いる上下,前後,左右の各方向は説明に用いる各図に示している。この上下,前後,左右は説明のために記載したもので、実際の配置と異なってよいことはもちろんである。 Hereinafter, the best mode of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a TF coil (toroidal magnetic field coil) 1 included in the fusion device of the present embodiment. In addition, each direction of the up-down, front-back, left-right used in the following description is shown in each figure used for description. The top, bottom, front, back, left and right are described for explanation, and of course may be different from the actual arrangement.
核融合装置は、円筒状を呈して上下方向に延びたセンターソレノイド(不図示)の外周に、図1に示すD型の外観形状を有したTFコイル1を等間隔で円環状に配設し、円環状を呈した複数(本実施形態では6つ)のEFコイル(プラズマ平衡磁場コイル)2を、各TFコイル1の備える支持座12a〜12fにそれぞれクランプ装置3で支持して構成される。
In the fusion device, a
TFコイル1は、NbTi,Nb3Sn,Nb3Al等の超伝導材料からなる線材を、ケースに収容して構成されている。EFコイル2は、NbTi等の超伝導材料をステンレス鋼に含有させて形成されており、外周を絶縁材料で覆われている。TFコイル1及びEFコイル2は、各TFコイル1の内側に配置されてセンターソレノイドの周方向に沿って延びる環状の真空容器(不図示)内にプラズマを閉じこめるのに用いられる。
The
クランプ装置3を用いた支持座12a〜12fへのEFコイル2の支持構造の一例として、支持座12fへの支持構造を説明する。図2は、クランプ装置3の外観を示す斜視図である。
As an example of a support structure of the
支持座12fにEFコイル2を支持するクランプ装置3は、図2に示すように、EFコイル2を互いで上下方向に挟み込むクランプ31,33と、クランプ31とクランプ33とを連結してクランプ31及び33にEFコイル2を挟み込むための締付力を付与するテンションロッド34と、クランプ31を各支持座12fに支持する一対の支持板バネ32とを備えている。
As shown in FIG. 2, the
クランプ33は、略矩形の平板状を呈しており、前縁部及び後縁部からはそれぞれ延出板331が延出している。延出板331は、クランプ33の前後の側面の下端部から前後方向に延びており、下面をクランプ33の下面と一致させ、先端側にかけて上面を下降傾斜させて徐々に肉薄にする断面形状を有している。
The
各延出板331は、クランプ33の前側の延出板331から後側の延出板331にかけてのクランプ33の下面で挟み込んだEFコイル2の上面の左右の縁部(EFコイル2の上面の内縁及び外縁)に、その左右の縁部を向かい合わせる平面形状を有している。
Each
クランプ33の左右の両端部には、テンションロッド34を挿通する複数(図に示す例では4つ)の挿通孔332が、前後方向に等間隔で直線状に配列されている。左右の各挿通孔332は、向かい合う縁部の挿通孔332と前後位置を揃えて配置されており、上端に拡開部を備えている。
A plurality of (four in the example shown in the figure)
クランプ31は、クランプ33よりも広い左右の幅を有した略矩形の平板状を呈しており、クランプ33と同様に前後の縁部から延びた延出板311と、テンションロッド34を挿通する挿通孔312とを備えている。挿通孔312は、上端から下端にかけて等しい径で延びている。挿通孔312よりも外側に位置するクランプ31の左右の端部には、それぞれ支持板バネ32が固定される。
The
支持板バネ32は、主面を左右に向けて上下方向に延びた平板状の板バネ部322と、板バネ部322の上下の両端部に備えられて前後方向に延びた略四角ブロック状の固定部321とを備えている。板バネ部322の前後の両側面の左右方向の中央部には、板バネ部322を前後方向に貫通した貫通孔323が、板バネ部322の上端部から下端部にかけて直線状に延びて開口している。支持板バネ32の下側の固定部321はクランプ31の左右の端部に、上側の固定部321は支持座12fにそれぞれ固定される。
The
テンションロッド34は、上下の両端部に拡径部を備えた丸棒状を呈しており、上側の拡径部には頭部34aを、下側の拡径部には雄ネジ部34bをそれぞれ備えている。テンションロッド34は、上下の各拡径部を挿通孔312及び挿通孔332にそれぞれ挿通させて、頭部34aを挿通孔332の拡開部に収容され、挿通孔312の下端開口部から延出した雄ネジ部34bにナット35(図3参照)を螺着されて、クランプ31とクランプ33とを連結する。
The
図3は、クランプ31及び33でEFコイル2を挟み込んで支持する支持方法を説明する図である。図4は、クランプ31及び33でEFコイル2を挟み込む際に用いられる圧力緩和板4を示す図であり、(a)は斜視図,(b)は平面図,(c)は(b)のB−B線断面図である。図5は、圧力緩和板4の断面形状を説明する図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a support method for sandwiching and supporting the
図3に示すように、クランプ31及び33は、それぞれ圧力緩和板4を介してEFコイル2を上下方向に挟み込んで支持する。クランプ31及び33とEFコイル2との間に介装される圧力緩和板4について説明する。
As shown in FIG. 3, the
クランプ33とEFコイル2との間に介装される圧力緩和板4は、図4に示すように、クランプ33の前端側の延出板331の前縁から後端側の延出板331の後縁にかけてのEFコイル2の上面形状とほぼ等しい平面形状を有した平板体であり、クランプ33と同じ材質で形成されている。圧力緩和板4は、最も肉厚を有した肉厚部を左右の幅方向の中央部に備え、この肉厚部から左右の両端にかけて上面を下側に後退させて傾斜させ、徐々に肉薄にする断面形状を有している。
As shown in FIG. 4, the
本実施形態では、圧力緩和板4の上面は、テンションロッド34から締付力を付与されたクランプ33が、圧力緩和板4の肉厚部との当接箇所を支点として撓ませた下面の断面形状と一致する断面形状を有して湾曲傾斜している。具体的には、図5に示すように、圧力緩和板4の肉厚部の上面を原点0,この原点0を通って圧力緩和板4の下面と平行に延びる軸をX軸として、X軸に対する上面の下面側への後退量(距離)δが、以下の(式1)で表される関係を満たすように定められる。
δ=W(3Lx2−x3)/(6EI)・・・(式1)
ここで、W:テンションロッド34からクランプ33に付与される締付力,L:クランプ33に対する締付力の付与位置の原点0からのX軸上での距離,x:圧力緩和板4の上面の原点0からのX軸上での距離,E:クランプ33のヤング係数,I:距離xでのクランプ33の断面二次モーメントである。なお、図5では、圧力緩和板4の肉厚部から左側の断面形状について説明しているが、左側の断面形状も右側と同様の条件で定められる。
In the present embodiment, the upper surface of the
δ = W (3Lx 2 −x 3 ) / (6EI) (Formula 1)
Here, W: tightening force applied from the
また、クランプ31とEFコイル2との間に介装される圧力緩和板4は、クランプ31の前側の延出板311の前縁から後側の延出板311の後縁にかけてのEFコイル2の下面形状とほぼ等しい平面形状を有しており、左右の幅方向の中央部に位置する肉厚部から両端にかけての下面を、上述したクランプ33とEFコイル2との間に介装される圧力緩和板4の上面と同様の条件で定めた断面形状に形成されている。
Further, the
次に、圧力緩和板4を用いてEFコイル2を挟み込むクランプ装置3の動作を、図6を用いて説明する。
Next, operation | movement of the
図6(a)に示すように、クランプ31の下方に突出したテンションロッド34の雄ネジ部34bにナット35が螺着されると、クランプ31及び33には、テンションロッド34の頭部34a及びナット35から互いが近づく向きの締付力が付与される。テンションロッド34の頭部34a及びナット35から締付力を付与されたクランプ31及び33は、圧力緩和板4を介してEFコイル2を上下方向に挟み込むと、図6(b)に示すように、圧力緩和板4の肉厚部との接触箇所を支点として、締付力を付与された方向に左右の両端側を撓ませる。
As shown in FIG. 6A, when a
テンションロッド34の雄ネジ部34bに対するナット35の締付量が、EFコイル2の運転時に、冷却及び鉛直方向電磁力荷重によって、EFコイル2、クランプ31,33、圧力緩和板4の間に空隙が生じるのを防止できる所定の締付量に達すると、クランプ31及び33は、圧力緩和板4を介してEFコイル2を挟み込む上面及び下面を、向き合わせた圧力緩和板4の湾曲傾斜した上面又は下面に沿わせて湾曲させる。これにより、圧力緩和板4の肉厚部を支点として撓んだクランプ31及び33が、接触した圧力緩和板4の上面又は下面の左端から右端のほぼ全面に、接触面を密着させる。
The amount of tightening of the
本実施形態によれば、肉厚部から左右の端部にかけて徐々に肉厚を薄くする断面形状を有した一対の圧力緩和板4が、平坦面をEFコイル2側に向け、傾斜面をクランプ31,33側に向けて各クランプ31,33とEFコイル2との間に介装されることで、クランプ31及び33の圧力緩和板4との接触面を、圧力緩和板4の肉厚部との接触箇所を支点として撓ませ、圧力緩和板4の傾斜面の形状に沿わせて湾曲させることができる。従って、EFコイル2の左右の両端部だけでなく中央部にも表面圧力を分散させて加え、EFコイル2に加えられる表面圧力の最大値を小さく抑えることができる。
According to the present embodiment, the pair of
また、本実施形態によれば、クランプ31,33側を向いた圧力緩和板4の傾斜面が、EFコイル2、クランプ31,33、圧力緩和板4の間にEFコイル2の運転に伴い空隙が生じるのを防止できるだけの締付力を加えられて撓んだクランプ31,33の傾斜面への接触面と等しく湾曲傾斜していることから、EFコイル2の左右の両端部間に、表面圧力をより効果的に分散させることができる。
Further, according to the present embodiment, the inclined surface of the
以下、本発明の実施例を説明する。図7は、クランプ31,33で挟み込まれたEFコイル2の上下の表面に加わる表面圧力の左右の幅方向での分布を示す図である。図8は、圧力緩和板4の断面形状とEFコイル2の上下の表面に加わる最大表面圧力との関係を比較して示す図である。
Examples of the present invention will be described below. FIG. 7 is a diagram showing the distribution in the left-right width direction of the surface pressure applied to the upper and lower surfaces of the
まず、クランプ31,33に締付力を付与してEFコイル2を挟み込む際に、クランプ31,33とEFコイル2との間に圧力緩和板4を介装した実施例と、圧力緩和板4を介装せずにクランプ31,33で直接EFコイル2を挟み込んだ比較例とで、EFコイル2の上下の表面に加わる表面圧力の左右の幅方向での分布を、有限要素法を用いて解析した。解析結果を図7に示す。
First, when the clamping force is applied to the
図7に示すように、クランプ31及び33でEFコイル2を直接挟み込んだ比較例では、EFコイル2の左右の両端部に大きな表面圧力が加えられ、左右方向の中央部にはほとんど加えられていないことを確認できる。これに対し、圧力緩和板4を介装させた実施例では、EFコイル2の左右の両端部間に表面圧力が分散して加えられており、左右の両端部に比較例ほどの大きな表面圧力が加えられていないのを確認できる。
As shown in FIG. 7, in the comparative example in which the
このように、クランプ31及び33とEFコイル2との間に圧力緩和板4を介装させてEFコイル2を挟み込むことで、クランプ31及び33でEFコイル2を直接挟み込む場合に比べ、EFコイル2の左右の両端部間に表面圧力を分散させて、左右の両端部に加えられる最大表面圧力を小さく抑えられるのを確認できた。
Thus, by inserting the
次に、圧力緩和板4のクランプ31,33との接触面の断面形状と、EFコイル2に加わる最大表面圧力との関係を、有限要素法を用いて解析した。解析には、図8(a)に示すように、原点からX軸方向に向けてのクランプ31,33との接触面の断面形状を平坦に形成した圧力緩和板40a,及び曲面1〜曲面4に形成した圧力緩和板40b〜40eを用いた。解析結果を図8(b)に示す。
Next, the relationship between the cross-sectional shape of the contact surface of the
図8(b)に示すように、クランプ31,33との接触面が平坦な圧力緩和板40aでEFコイル2の最大表面圧力が最も大きく、肉厚部の左右の幅が徐々に狭くなる曲面1〜曲面3の順で最大表面圧力が小さくなり、締付力を付与されて撓んだクランプ31,33の接触面と等しく傾斜面を湾曲傾斜させた曲面3で最大表面圧力が最も小さくなることを確認できる。また、締付力を付与されて撓んだクランプ31,33の接触面よりも傾斜面を大きく湾曲傾斜させた曲面4では、曲面3に比べて最大表面圧力が大きくなることを確認できる。
As shown in FIG. 8 (b), the
このように、締付力を付与されて撓んだクランプ31,33の接触面の断面形状に圧力緩和板4の断面形状を近づけることで、EFコイル2の左右の両端部間に表面圧力を効果的に分散させて、EFコイル2に加えられる最大表面圧力を小さく抑えられるのを確認できた。また、EFコイル2側に撓んだクランプ31,33の接触面と等しく圧力緩和板4の傾斜面を湾曲傾斜させることで、このような効果をより効果的に得られることを確認できた。
In this way, by bringing the cross-sectional shape of the
上記実施形態では、圧力緩和板4が備える傾斜面の平坦面側への後退量(距離)を、(式1)で表される関係を満たすように定めた場合について説明した。しかしながら、圧力緩和板4は、最も肉厚を有した肉厚部から左右の両端部にかけてクランプ31,33との接触面を傾斜させて、徐々に肉厚を薄くする断面形状を有しており、平坦面をEFコイル2側に向け、傾斜面をクランプ31,33側に向けて介装されるのであれば、その傾斜面の断面形状は任意である。
In the said embodiment, the case where the retreating amount (distance) to the flat surface side of the inclined surface with which the
例えば、上述した例では、上記(式1)で定める関係の他に、EFコイル2等の冷却収縮やEFコイル2に生じる鉛直方向電磁力荷重等を必要に応じて考慮して、締付力を付与されてEFコイル2側に撓んだクランプ31,33の接触面と等しく傾斜面を湾曲傾斜させることができる。
For example, in the above-described example, in addition to the relationship defined in (Equation 1), the cooling force of the
また、上記実施形態では、圧力緩和板4の肉厚部が、左右方向の中央部に設けられている場合について説明したが、肉厚部の形成位置は中央部に限られず、左右方向の任意の位置に定めることができる。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the thick part of the
上記実施形態では、圧力緩和板4をクランプ31,33と同じ材質で形成した場合について説明したが、圧力緩和板4の材質はクランプ31,33と同じである必要はなく、クランプ31,33と異なる材質で形成してもよい。この場合、クランプ31,33と圧力緩和板4の間の熱収縮差により生じる空隙を抑えるように、圧力緩和板4の傾斜面を湾曲傾斜させることで、表面圧力の集中を避けることができる。
Although the case where the
また、上記実施形態では、クランプ31,33の左右の両端部に形成された挿通孔312,332が、前後方向に等間隔で直線状に配列されている場合について説明した。しかしながら、図9に示すように、各挿通孔312,332が、クランプ31,33に挟持されるEFコイル2の上面又は下面の左右の縁部に沿って配列されている構成としてもよい。
In the above embodiment, the case where the insertion holes 312 and 332 formed at the left and right ends of the
1 TFコイル
12a〜12f 支持座
2 EFコイル
3 クランプ装置
31,33 クランプ
312,332 挿通孔
32 支持板バネ
34 テンションロッド
4 圧力緩和板
DESCRIPTION OF
Claims (3)
各前記クランプの両前記延出部分間に配置されて各前記クランプと前記プラズマ平衡磁場コイルとの間に介装される一対の圧力緩和板を備え、
前記圧力緩和板は、最も肉厚を有した肉厚部から、前記クランプの前記延出部分の延出方向の両端部にかけて一主面を傾斜させて徐々に肉厚を薄くする断面形状を有しており、平坦な他主面を前記プラズマ平衡磁場コイル側に向け、前記一主面を前記クランプ側に向けて介装されることを特徴とするプラズマ平衡磁場コイルの支持構造。 A pair of clamps are arranged with a plasma equilibrium magnetic field coil for a fusion device interposed therebetween, and a clamping force is applied to an extension portion of each of the clamps on both sides of the plasma equilibrium magnetic field coil, thereby the plasma equilibrium magnetic field coil Is a support structure of a plasma equilibrium magnetic field coil that supports the plasma equilibrium magnetic field coil with respect to a toroidal magnetic field coil,
A pair of pressure relief plates disposed between the extended portions of each of the clamps and interposed between each of the clamps and the plasma equilibrium magnetic field coil;
The pressure relief plate has a cross-sectional shape in which one main surface is inclined from the thickest portion having the largest thickness to both ends in the extending direction of the extending portion of the clamp to gradually reduce the thickness. A support structure for a plasma equilibrium magnetic field coil, wherein the other main surface is flat and faces the plasma equilibrium magnetic field coil side, and the one main surface faces the clamp side.
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