JP3160348B2 - 高周波加熱装置の障壁窓 - Google Patents
高周波加熱装置の障壁窓Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電子サイクロトロン周波
数（ＥＣＲＦ）帯、例えば数十ＧＨｚ〜数百ＧＨｚの高
周波数の電磁波で核融合炉のプラズマの生成加熱を行う
高周波加熱装置の障壁窓に係り、特に障壁窓の冷却構造
の改良に関するものである。
数（ＥＣＲＦ）帯、例えば数十ＧＨｚ〜数百ＧＨｚの高
周波数の電磁波で核融合炉のプラズマの生成加熱を行う
高周波加熱装置の障壁窓に係り、特に障壁窓の冷却構造
の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】核融合炉を運転するためには炉心プラズ
マの生成加熱を必要とするが、その一手法として高周波
加熱法がある。この加熱法は、高周波数の電磁波エネル
ギーを炉心のプラズマに入射し、プラズマの共鳴加熱や
電流駆動によってプラズマ温度を上げる方法である。
マの生成加熱を必要とするが、その一手法として高周波
加熱法がある。この加熱法は、高周波数の電磁波エネル
ギーを炉心のプラズマに入射し、プラズマの共鳴加熱や
電流駆動によってプラズマ温度を上げる方法である。
【０００３】この高周波加熱法を用いた加熱装置の一種
類であるＥＣＲＦ高周波加熱装置の従来例を図３に示
す。同図に示す加熱装置は、高出力の電磁波を発振する
ジャイロトロン等の高周波発振器１と、この高周波発振
器１の出力電磁波を核融合炉２内部のプラズマ３に伝搬
させる伝送路としての導波管４と、この導波管４の途中
に挿入された障壁窓５とを備えている。なお、核融合炉
２および伝送炉４は高真空に保たれている。
類であるＥＣＲＦ高周波加熱装置の従来例を図３に示
す。同図に示す加熱装置は、高出力の電磁波を発振する
ジャイロトロン等の高周波発振器１と、この高周波発振
器１の出力電磁波を核融合炉２内部のプラズマ３に伝搬
させる伝送路としての導波管４と、この導波管４の途中
に挿入された障壁窓５とを備えている。なお、核融合炉
２および伝送炉４は高真空に保たれている。
【０００４】上記障壁窓５は、トリチウム等の核融合反
応の生成物が外部に拡散するのを防止するものであり、
具体的には図４に示すように、円形導波管４の途中に介
挿させた円形のセラミックス板からなる窓板６ａ，６ｂ
と、この窓板６ａ，６ｂを囲むように設置された冷却ボ
ックス７とを備えている。この内、窓板６ａ，６ｂは例
えば高強度、高熱伝導率のアルミナで形成されると共
に、電磁波Ｄの伝搬方向に直交し、且つ所定距離ｄだけ
離して平行に配された状態で、円形導波管４の切断端面
に気密に冶金接合され、これにより核融合反応の生成物
がシールされる。この２枚の窓板６ａ，６ｂ間の距離ｄ
はインピーダンスのミスマッチングを打ち消すことので
きる最適寸法に設定される。冷却ボックス７の供給ポー
ト７ａおよび排出ポート７ｂは図示しない冷却源に連結
してあり、２枚の窓板６ａ，６ｂ間に冷却媒体Ｃを流す
ようになっている。このため、プラズマ加熱用の電磁波
が窓板６を透過し、この板の誘電体損失により発生した
熱は側面および外周面の冷却により除かれる。
応の生成物が外部に拡散するのを防止するものであり、
具体的には図４に示すように、円形導波管４の途中に介
挿させた円形のセラミックス板からなる窓板６ａ，６ｂ
と、この窓板６ａ，６ｂを囲むように設置された冷却ボ
ックス７とを備えている。この内、窓板６ａ，６ｂは例
えば高強度、高熱伝導率のアルミナで形成されると共
に、電磁波Ｄの伝搬方向に直交し、且つ所定距離ｄだけ
離して平行に配された状態で、円形導波管４の切断端面
に気密に冶金接合され、これにより核融合反応の生成物
がシールされる。この２枚の窓板６ａ，６ｂ間の距離ｄ
はインピーダンスのミスマッチングを打ち消すことので
きる最適寸法に設定される。冷却ボックス７の供給ポー
ト７ａおよび排出ポート７ｂは図示しない冷却源に連結
してあり、２枚の窓板６ａ，６ｂ間に冷却媒体Ｃを流す
ようになっている。このため、プラズマ加熱用の電磁波
が窓板６を透過し、この板の誘電体損失により発生した
熱は側面および外周面の冷却により除かれる。
【０００５】また、図５には上記障壁窓の別の例とし
て、構造がより簡単な外周冷却形の障壁窓を示す。な
お、図４と同一の構成部材については同一符号を付して
ある。同図に示す障壁窓１０は、一枚の円形の窓板１１
と、この窓板１１を囲うように設置された冷却ボックス
７とを有し、この窓板１１を円形導波管４の途中にコバ
ール等の封着リング１２を介して、冶金手法を用いて気
密に接合されている。窓板１１は電磁波Ｄの伝搬方向に
直交させている。このため、冷却ボックス７の供給ポー
ト７ａから供給された冷却媒体Ｃは、封着リング１２の
外周を通りながら排出ポート７ｂから冷却源に戻り、そ
の途中で封着リング１２の外周面を冷却し、窓板１１の
温度を下げるようにしている。上記発熱の原因となる誘
電体損失Ｌは下記式により表される。 Ｌ＝２πｚＰtan δｆε0 εr ｔ ……（１）
て、構造がより簡単な外周冷却形の障壁窓を示す。な
お、図４と同一の構成部材については同一符号を付して
ある。同図に示す障壁窓１０は、一枚の円形の窓板１１
と、この窓板１１を囲うように設置された冷却ボックス
７とを有し、この窓板１１を円形導波管４の途中にコバ
ール等の封着リング１２を介して、冶金手法を用いて気
密に接合されている。窓板１１は電磁波Ｄの伝搬方向に
直交させている。このため、冷却ボックス７の供給ポー
ト７ａから供給された冷却媒体Ｃは、封着リング１２の
外周を通りながら排出ポート７ｂから冷却源に戻り、そ
の途中で封着リング１２の外周面を冷却し、窓板１１の
温度を下げるようにしている。上記発熱の原因となる誘
電体損失Ｌは下記式により表される。 Ｌ＝２πｚＰtan δｆε0 εr ｔ ……（１）
【０００６】ここで、Ｐは伝送電力、ｆは周波数、ε0
は真空の誘電率であり、ｚ、tan δ、εr 、ｔはそれぞ
れ窓窓の特性インピーダンス、誘電体正接、誘電率、板
厚である。
は真空の誘電率であり、ｚ、tan δ、εr 、ｔはそれぞ
れ窓窓の特性インピーダンス、誘電体正接、誘電率、板
厚である。
【０００７】伝送電力Ｐは電界の約２乗に比例するの
で、損失Ｌも電界の２乗に比例する。円形導波管４内の
電界分布は図４、図５中の点線で示すように窓板６ａ，
６ｂの中心部程電界強度が高いので、その中心部での損
失Ｌも大きくなる。また、加熱装置の使用周波数ｆは例
えば１００ＧＨｚと高いので、これに比例して誘電体損
失Ｌが大きくなる。さらに、静電正接tan δは窓板６
ａ，６ｂの絶対温度の１．９６乗に比例する。
で、損失Ｌも電界の２乗に比例する。円形導波管４内の
電界分布は図４、図５中の点線で示すように窓板６ａ，
６ｂの中心部程電界強度が高いので、その中心部での損
失Ｌも大きくなる。また、加熱装置の使用周波数ｆは例
えば１００ＧＨｚと高いので、これに比例して誘電体損
失Ｌが大きくなる。さらに、静電正接tan δは窓板６
ａ，６ｂの絶対温度の１．９６乗に比例する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た誘電体損失Ｌの一例を、伝送電力Ｐ＝１ＭＷ、温度＝
４００Ｋ、周波数ｆ＝１１０ＧＨｚ、誘電率εr ＝９．
４、板厚ｔ＝１．３mmとして算出して見ると、Ｌ＝約２
ｋＷにもなり、この損失による発熱量も多くなることか
ら、図４の窓板６ａ，６ｂ、図５の窓板１１の温度を下
げないと、今度は損失Ｌが増加し、温度上昇と損失増加
の悪循環に陥る。このため、近年における加熱パワーの
大電力化、即ち電磁波エネルギーの増大や運転時間の長
期化、即ち単パルス運転（〜ｍｓ）から長パルス運転
（〜１０ｓ）或いは連続運転の要求に対し、比較的単純
な構造および流路を備えた従来の障壁窓の冷却構造は以
下のような種々の問題を有し、その対応に苦慮してい
た。
た誘電体損失Ｌの一例を、伝送電力Ｐ＝１ＭＷ、温度＝
４００Ｋ、周波数ｆ＝１１０ＧＨｚ、誘電率εr ＝９．
４、板厚ｔ＝１．３mmとして算出して見ると、Ｌ＝約２
ｋＷにもなり、この損失による発熱量も多くなることか
ら、図４の窓板６ａ，６ｂ、図５の窓板１１の温度を下
げないと、今度は損失Ｌが増加し、温度上昇と損失増加
の悪循環に陥る。このため、近年における加熱パワーの
大電力化、即ち電磁波エネルギーの増大や運転時間の長
期化、即ち単パルス運転（〜ｍｓ）から長パルス運転
（〜１０ｓ）或いは連続運転の要求に対し、比較的単純
な構造および流路を備えた従来の障壁窓の冷却構造は以
下のような種々の問題を有し、その対応に苦慮してい
た。
【０００９】まず、第１の問題は冷却流路の形状に起因
している。誘電体損失Ｌは、前述したように絶対温度の
１．９６乗に比例して増加する。しかし、図４に示した
従来の冷却構造では、冷却ボックスの下部から供給され
た冷却媒体Ｃの内、多量の媒体が流路抵抗のより少ない
窓板６ａ，６ｂの両側を迂回してしまうので、窓板６
ａ，６ｂ間、特にその中心部を流れる量が減少し、これ
により冷却効率が低く、誘電体損失Ｌが大きいという問
題があった。一方、図５に示した従来の冷却構造では、
窓板１１における表面積の小さい外周面のみを冷却する
ものであるため、構造は簡単であるが、図４の構造のも
のよりも冷却効率がさらに低下し、誘電体損失がより大
きくなるという問題があった。
している。誘電体損失Ｌは、前述したように絶対温度の
１．９６乗に比例して増加する。しかし、図４に示した
従来の冷却構造では、冷却ボックスの下部から供給され
た冷却媒体Ｃの内、多量の媒体が流路抵抗のより少ない
窓板６ａ，６ｂの両側を迂回してしまうので、窓板６
ａ，６ｂ間、特にその中心部を流れる量が減少し、これ
により冷却効率が低く、誘電体損失Ｌが大きいという問
題があった。一方、図５に示した従来の冷却構造では、
窓板１１における表面積の小さい外周面のみを冷却する
ものであるため、構造は簡単であるが、図４の構造のも
のよりも冷却効率がさらに低下し、誘電体損失がより大
きくなるという問題があった。
【００１０】第２の問題は発熱分布に起因している。上
記冷却効率の低さをカバーする対策として、冷却媒体Ｃ
の質量流量を増やして除熱量を大きくし、損失Ｌを少な
くするという手法が考えられるが、そのためには冷却媒
体Ｃの圧力を上げる必要がある。一般に冷却媒体Ｃとし
ては媒体自身の誘電体損失を少なくするため、気体を用
いており、従来の小電力、単パルス運転では１気圧程度
の圧力で済んでいた。しかし、大電力、連続運転におい
て、質量流量を増やすためには、例えば１０気圧程度の
圧力が必要であり、そのように圧力を上げると、窓板６
ａ，６ｂ，１１が受ける力も当然に大きくなる。
記冷却効率の低さをカバーする対策として、冷却媒体Ｃ
の質量流量を増やして除熱量を大きくし、損失Ｌを少な
くするという手法が考えられるが、そのためには冷却媒
体Ｃの圧力を上げる必要がある。一般に冷却媒体Ｃとし
ては媒体自身の誘電体損失を少なくするため、気体を用
いており、従来の小電力、単パルス運転では１気圧程度
の圧力で済んでいた。しかし、大電力、連続運転におい
て、質量流量を増やすためには、例えば１０気圧程度の
圧力が必要であり、そのように圧力を上げると、窓板６
ａ，６ｂ，１１が受ける力も当然に大きくなる。
【００１１】これに加えて、窓板６ａ，６ｂ，１１の中
心部と外周部とでは発熱量（温度差）が大きいので、中
心部と周辺部とに大きい熱応力差が生じ、窓板６ａ，６
ｂ，１１に曲げモーメントが発生し、窓板６ａ，６ｂ，
１１が破損する問題があった。
心部と外周部とでは発熱量（温度差）が大きいので、中
心部と周辺部とに大きい熱応力差が生じ、窓板６ａ，６
ｂ，１１に曲げモーメントが発生し、窓板６ａ，６ｂ，
１１が破損する問題があった。
【００１２】第３は電磁波の周波数が高いことに起因し
ている。高周波加熱装置の使用周波数は前述の如く例え
ば１００ＧＨｚと高いので、自由空間波長は３mmと短
く、上述したように冷却媒体Ｃの圧力を上げた場合、そ
の高圧に起因した窓板６ａ，６ｂの間隔ｄが拡がり、電
力反射量が増加し、プラズマの生成加熱の効率が低下す
る問題がある。
ている。高周波加熱装置の使用周波数は前述の如く例え
ば１００ＧＨｚと高いので、自由空間波長は３mmと短
く、上述したように冷却媒体Ｃの圧力を上げた場合、そ
の高圧に起因した窓板６ａ，６ｂの間隔ｄが拡がり、電
力反射量が増加し、プラズマの生成加熱の効率が低下す
る問題がある。
【００１３】さらに、第４に、上述した応力差による曲
げモーメントや変形量を軽減するには、前述した（１）
式から分かるように板厚を増加させることも想定される
が、そのようにすると今度は板厚によって誘電体損失Ｌ
が増加し、発熱量が増えるという相反する問題があっ
た。
げモーメントや変形量を軽減するには、前述した（１）
式から分かるように板厚を増加させることも想定される
が、そのようにすると今度は板厚によって誘電体損失Ｌ
が増加し、発熱量が増えるという相反する問題があっ
た。
【００１４】本発明は、電磁波の伝搬特性を良好に保持
する一方、窓板の機械的強度を下げることなく、冷却効
率を向上させて窓板の温度上昇を抑制し、又は積極的に
窓板の温度を低下させ、誘電体損失を小さくしてプラズ
マ加熱効率を向上させると共に、窓板の変形量や曲げモ
ーメントの発生を抑制して窓板の破損を防止し、信頼性
を格段に向上させることができる高周波加熱装置の障壁
窓を提供することを目的とする。
する一方、窓板の機械的強度を下げることなく、冷却効
率を向上させて窓板の温度上昇を抑制し、又は積極的に
窓板の温度を低下させ、誘電体損失を小さくしてプラズ
マ加熱効率を向上させると共に、窓板の変形量や曲げモ
ーメントの発生を抑制して窓板の破損を防止し、信頼性
を格段に向上させることができる高周波加熱装置の障壁
窓を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するたの手段】本発明は上記の目的を達成
するため、核融合炉内のプラズマに高周波の電磁波を伝
播させる伝送路の途中に窓板を介挿した高周波加熱装置
の障壁窓において、前記窓板の外周側両面に固着された
第１の短絡体と、この第１の短絡体の内周側で窓板の両
側を気密に把持する封着リングと、前記第１の短絡体が
固着された窓板を内包し且つ前記封着リングを第１の断
熱体を介して気密に支持する略筒状の第２の短絡体と、
この第２の短絡体を内包し且つ前記第２の短絡体を第２
の断熱体を介して気密に支持すると共に、前記伝送路に
気密に接続した外周容器と、前記第１の短絡体を第１の
低温に冷却する第１の冷却源と、前記第２の短絡体を第
１の低温よりも高い温度の第２の低温に冷却する第２の
冷却源とを備える。
するため、核融合炉内のプラズマに高周波の電磁波を伝
播させる伝送路の途中に窓板を介挿した高周波加熱装置
の障壁窓において、前記窓板の外周側両面に固着された
第１の短絡体と、この第１の短絡体の内周側で窓板の両
側を気密に把持する封着リングと、前記第１の短絡体が
固着された窓板を内包し且つ前記封着リングを第１の断
熱体を介して気密に支持する略筒状の第２の短絡体と、
この第２の短絡体を内包し且つ前記第２の短絡体を第２
の断熱体を介して気密に支持すると共に、前記伝送路に
気密に接続した外周容器と、前記第１の短絡体を第１の
低温に冷却する第１の冷却源と、前記第２の短絡体を第
１の低温よりも高い温度の第２の低温に冷却する第２の
冷却源とを備える。
【００１６】
【作用】このような構成の高周波加熱装置の障壁窓にあ
っては、窓板は伝送路および外周容器からの輻射熱や第
２の断熱体からの伝導熱が第２の短絡体を介して第２の
冷却源により除熱される所謂クライオスタット構造によ
る２段階で冷却されるので、第２の低温（例えば８０
Ｋ）に保持される。
っては、窓板は伝送路および外周容器からの輻射熱や第
２の断熱体からの伝導熱が第２の短絡体を介して第２の
冷却源により除熱される所謂クライオスタット構造によ
る２段階で冷却されるので、第２の低温（例えば８０
Ｋ）に保持される。
【００１７】また、第２の短絡体からの輻射熱や第１の
断熱体からの伝導熱および窓板に生じる誘電体損失によ
る熱は第１の短絡体を介して第１の冷却源により除熱さ
れ、第１の低温（例えば２０Ｋ）で平行状態となる。こ
のように窓板の温度を積極的に第１の低温まで下げるこ
とができ、例えば第１の低温を２０Ｋとすると、４００
Ｋでの常温での運転と比べて誘電体損失を約１／４００
にすることができる。また、第１の短絡体は窓板に直接
固着されているため、熱抵抗を小さくできる。さらに、
封着リングを薄くできるので、侵入熱が小さく、且つ製
造時に窓板に生じる熱応力を小さくできる。
断熱体からの伝導熱および窓板に生じる誘電体損失によ
る熱は第１の短絡体を介して第１の冷却源により除熱さ
れ、第１の低温（例えば２０Ｋ）で平行状態となる。こ
のように窓板の温度を積極的に第１の低温まで下げるこ
とができ、例えば第１の低温を２０Ｋとすると、４００
Ｋでの常温での運転と比べて誘電体損失を約１／４００
にすることができる。また、第１の短絡体は窓板に直接
固着されているため、熱抵抗を小さくできる。さらに、
封着リングを薄くできるので、侵入熱が小さく、且つ製
造時に窓板に生じる熱応力を小さくできる。
【００１８】したがって、プラズマ生成加熱効率の向上
は勿論、温度上昇や温度分布も格段に低くなり、熱応力
が無視できる。しかも従来のように冷却媒体を窓板の側
面に沿って流す場合とは異なり、冷却媒体の圧力による
変形や曲げモーメントを生じることはない。
は勿論、温度上昇や温度分布も格段に低くなり、熱応力
が無視できる。しかも従来のように冷却媒体を窓板の側
面に沿って流す場合とは異なり、冷却媒体の圧力による
変形や曲げモーメントを生じることはない。
【００１９】
【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。
する。
【００２０】図１は本発明による高周波加熱装置の障壁
窓の構成例を一部破断し、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う
矢視断面図を示すものである。図１および図２におい
て、２０は高周波加熱装置の円形の常温導波管であり、
この常温導波管２０の途中に障壁窓２１が取付けられ、
この窓としてのセラミックスからなる窓板２２が設けら
れている。
窓の構成例を一部破断し、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う
矢視断面図を示すものである。図１および図２におい
て、２０は高周波加熱装置の円形の常温導波管であり、
この常温導波管２０の途中に障壁窓２１が取付けられ、
この窓としてのセラミックスからなる窓板２２が設けら
れている。
【００２１】この障壁窓２１は、軸方向両端の常温導波
管２０に取付けられた外周容器としての筒状の常温の真
空容器２４と、この容器２４の外側に取付けられた冷却
装置２５とを有し、常温真空容器２４の内部に冷却装置
２５によって窓板２２を冷却する冷却機構が設けられて
いる。
管２０に取付けられた外周容器としての筒状の常温の真
空容器２４と、この容器２４の外側に取付けられた冷却
装置２５とを有し、常温真空容器２４の内部に冷却装置
２５によって窓板２２を冷却する冷却機構が設けられて
いる。
【００２２】窓板２２は例えば円形で所定厚さのサファ
イヤで形成されている。この窓板２２の外周側両面には
ドーナツ状の短絡リング２９が低熱接触抵抗になるよう
に固着され、これら２枚の短絡リング２９は第１の短絡
体を形成している。この短絡リング２９の内周側で窓板
２２の両側に封着リング２８が気密に冶金接合されてい
る。
イヤで形成されている。この窓板２２の外周側両面には
ドーナツ状の短絡リング２９が低熱接触抵抗になるよう
に固着され、これら２枚の短絡リング２９は第１の短絡
体を形成している。この短絡リング２９の内周側で窓板
２２の両側に封着リング２８が気密に冶金接合されてい
る。
【００２３】窓板２２の軸方向両側には、各々所定の隙
間を介して低温導波管３０が配置され、この低温導波管
３０はその外周面の略中間位置に一体に立設したフラン
ジ３０ａを有し、このフランジ３０ａにより分割される
図１における右側面と封着リング２８とがベローズを有
する第１の断熱体としての断熱リング３１を介して気密
に、且つ熱侵入の少ない状態で接合されている。
間を介して低温導波管３０が配置され、この低温導波管
３０はその外周面の略中間位置に一体に立設したフラン
ジ３０ａを有し、このフランジ３０ａにより分割される
図１における右側面と封着リング２８とがベローズを有
する第１の断熱体としての断熱リング３１を介して気密
に、且つ熱侵入の少ない状態で接合されている。
【００２４】低温導波管３０の両側のフランジ３０ａ間
には円筒状の低温シールド体３２が熱的に接続された状
態で取付けられており、これにより窓板２２、第１の短
絡体、第１の断熱体等が内包される。
には円筒状の低温シールド体３２が熱的に接続された状
態で取付けられており、これにより窓板２２、第１の短
絡体、第１の断熱体等が内包される。
【００２５】低温シールド体３２は、吊持部材３３を介
して短絡リング２９および窓板２２等を保持している。
なお、低温導波管３０、低温シールド体３２は第２の短
絡体を形成する。
して短絡リング２９および窓板２２等を保持している。
なお、低温導波管３０、低温シールド体３２は第２の短
絡体を形成する。
【００２６】低温導波管３０のフランジ３０ａにより分
割される図１の左側面と常温真空容器２４の内周面とが
第２の断熱体としてのベローズを有する断熱リング３５
を介して気密に、且つ熱侵入の少ない状態で接合されて
いる。常温真空容器２４はその両端側の内壁上部から吊
持部材３６を介して断熱リング３５および第２の短絡体
を保持している。常温真空容器２４の軸方向両端は各々
常温導波管２０に気密に連結されている。
割される図１の左側面と常温真空容器２４の内周面とが
第２の断熱体としてのベローズを有する断熱リング３５
を介して気密に、且つ熱侵入の少ない状態で接合されて
いる。常温真空容器２４はその両端側の内壁上部から吊
持部材３６を介して断熱リング３５および第２の短絡体
を保持している。常温真空容器２４の軸方向両端は各々
常温導波管２０に気密に連結されている。
【００２７】常温真空容器２４および吊持部材３６は外
周容器を形成する。冷却装置２５は第１の低温（ここで
は約２０Ｋ）の第１の冷却部３８と、この第１の冷却部
３８と前記短絡リング２９とを熱的に接続する第１のサ
ーマルアンカー３９と、第１の低温よりも高い第２の低
温（ここでは約８０Ｋ）の第２の冷却部４０と前記低温
シールド体３２とを熱的に接続する第２のサーマルアン
カー４１とを備えた２段ステージの冷凍機を構成する。
ここで、第１の冷却部３８および第１のサーマルアンカ
ー３９が第１の冷却源を形成し、第２の冷却部４０およ
び第２のサーマルアンカー４１が第２の冷却源を形成し
ている。さらに、本実施例では予冷時に窓板２２を加熱
するためのヒータ４２を短絡リング２９に付設してい
る。次に上記のように構成された高周波加熱装置の障壁
窓の作用を述べる。
周容器を形成する。冷却装置２５は第１の低温（ここで
は約２０Ｋ）の第１の冷却部３８と、この第１の冷却部
３８と前記短絡リング２９とを熱的に接続する第１のサ
ーマルアンカー３９と、第１の低温よりも高い第２の低
温（ここでは約８０Ｋ）の第２の冷却部４０と前記低温
シールド体３２とを熱的に接続する第２のサーマルアン
カー４１とを備えた２段ステージの冷凍機を構成する。
ここで、第１の冷却部３８および第１のサーマルアンカ
ー３９が第１の冷却源を形成し、第２の冷却部４０およ
び第２のサーマルアンカー４１が第２の冷却源を形成し
ている。さらに、本実施例では予冷時に窓板２２を加熱
するためのヒータ４２を短絡リング２９に付設してい
る。次に上記のように構成された高周波加熱装置の障壁
窓の作用を述べる。
【００２８】常温導波管２０および常温真空容器２４か
らの伝導熱は、その殆どが断熱リング３５によってしゃ
断されると共に、それら導波管２０および常温真空容器
２４からの輻射熱の大部分は低温導波管３０および低温
シールド体３２により吸収され、この吸収熱は第２のサ
ーマルアンカー４１を介して第２の冷却部４０にて除熱
される。
らの伝導熱は、その殆どが断熱リング３５によってしゃ
断されると共に、それら導波管２０および常温真空容器
２４からの輻射熱の大部分は低温導波管３０および低温
シールド体３２により吸収され、この吸収熱は第２のサ
ーマルアンカー４１を介して第２の冷却部４０にて除熱
される。
【００２９】さらに、断熱リング３１および吊持部材３
３からの伝導熱は、短絡リング２９を介して第１のサー
マルアンカー３９に伝わり、除熱される。このため、窓
板２２に外部から到達する熱は、ほぼ低温導波管３０か
らの輻射熱のみの僅かな熱となる。
３からの伝導熱は、短絡リング２９を介して第１のサー
マルアンカー３９に伝わり、除熱される。このため、窓
板２２に外部から到達する熱は、ほぼ低温導波管３０か
らの輻射熱のみの僅かな熱となる。
【００３０】そこで、この輻射熱および誘電体損失によ
る発熱は、直接短絡リング２９を介して第１のサーマル
アンカー３９に伝わり、第１の冷却部３８により除熱さ
れるので、窓板２２の熱と冷却とが平衡し、窓板２２の
温度は第１の低温値約２０°Ｋに保持される。このた
め、窓板２２に発生する誘電体損失は常温時に比べて約
１／４００になるので、従来の値に比べて数Ｗと極めて
小さくなる。このように窓板２２を１枚とし、その外周
部を極低温（約２０Ｋ）に冷却する、所謂クライオ構造
を採用しているので、誘電体損失を著しく減少させてプ
ラズマ生成加熱効率を上げることができる。
る発熱は、直接短絡リング２９を介して第１のサーマル
アンカー３９に伝わり、第１の冷却部３８により除熱さ
れるので、窓板２２の熱と冷却とが平衡し、窓板２２の
温度は第１の低温値約２０°Ｋに保持される。このた
め、窓板２２に発生する誘電体損失は常温時に比べて約
１／４００になるので、従来の値に比べて数Ｗと極めて
小さくなる。このように窓板２２を１枚とし、その外周
部を極低温（約２０Ｋ）に冷却する、所謂クライオ構造
を採用しているので、誘電体損失を著しく減少させてプ
ラズマ生成加熱効率を上げることができる。
【００３１】これと共に、窓板２２をサファイヤで形成
しているため、サファイヤの熱伝導率の温度変化をうま
く取込むことができる。即ち、サファイヤの熱伝導率
は、温度が３０Ｋで最大値３００Ｗ／cmＫ、２０Ｋでも
１００Ｗ／cmＫであり、３００Ｋ時の０．４Ｗ／cmＫに
比して格段に向上するから、上述したように極低温に冷
却することにより、窓板２２の中心部の発熱が効率良く
外周部に伝わり、窓板２２の半径方向の温度差が極めて
小さくなる。したがって、温度上昇による誘電体損失や
熱応力の増加があっても、その増加分を相殺できる。ま
た、窓板２２の外周部分の冷却であり、与圧された冷却
媒体による表面冷却ではないから、径方向の応力差が殆
ど発生しない。
しているため、サファイヤの熱伝導率の温度変化をうま
く取込むことができる。即ち、サファイヤの熱伝導率
は、温度が３０Ｋで最大値３００Ｗ／cmＫ、２０Ｋでも
１００Ｗ／cmＫであり、３００Ｋ時の０．４Ｗ／cmＫに
比して格段に向上するから、上述したように極低温に冷
却することにより、窓板２２の中心部の発熱が効率良く
外周部に伝わり、窓板２２の半径方向の温度差が極めて
小さくなる。したがって、温度上昇による誘電体損失や
熱応力の増加があっても、その増加分を相殺できる。ま
た、窓板２２の外周部分の冷却であり、与圧された冷却
媒体による表面冷却ではないから、径方向の応力差が殆
ど発生しない。
【００３２】さらに、短絡リング２９は窓板２２の外周
側両面に直接固着され、気密のための封着リング２８は
断熱リング３１と気密に接合し、断熱経路を形成してい
るため、封着リング２８を薄くしたり、長くして剛性を
下げても冷却上問題はなく、伝導による侵入熱の減少に
むしろ効果がある。また、封着リング２８の剛性を下げ
ることにより、窓板２２と封着リング２８を冶金的に接
合するときの窓板に生じる残留応力を軽減できる。
側両面に直接固着され、気密のための封着リング２８は
断熱リング３１と気密に接合し、断熱経路を形成してい
るため、封着リング２８を薄くしたり、長くして剛性を
下げても冷却上問題はなく、伝導による侵入熱の減少に
むしろ効果がある。また、封着リング２８の剛性を下げ
ることにより、窓板２２と封着リング２８を冶金的に接
合するときの窓板に生じる残留応力を軽減できる。
【００３３】また、本実施例では予冷時に、ヒータ４２
で窓板２２を低温導波管３０の第２の低温以上に加熱
し、窓板２２に水分が氷結するのを防止しているため、
そのような氷結による誘電体損失の増加を排除して、本
運転時に安定した効率の良いプラズマ生成加熱を行うこ
とができる。尚、この氷結防止策としては、高周波発振
器からマイクロ波を送信しながら予熱してもよい。な
お、本発明の第１、第２の断熱体３１，３５は、多重円
筒であってもよい。また、窓板２２は高強度、低誘電体
損失のものであればガラスも使用できる。
で窓板２２を低温導波管３０の第２の低温以上に加熱
し、窓板２２に水分が氷結するのを防止しているため、
そのような氷結による誘電体損失の増加を排除して、本
運転時に安定した効率の良いプラズマ生成加熱を行うこ
とができる。尚、この氷結防止策としては、高周波発振
器からマイクロ波を送信しながら予熱してもよい。な
お、本発明の第１、第２の断熱体３１，３５は、多重円
筒であってもよい。また、窓板２２は高強度、低誘電体
損失のものであればガラスも使用できる。
【００３４】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、第１
の冷却源に接続された第１の短絡体および第２の冷却源
に接続された第２の短絡体による所謂クライオスタット
構造を用いて、内包する窓板を冷却媒体を用いずに例え
ば２０Ｋ（第１の低温）に冷却しているので、従来の冷
却媒体を用いて常温付近まで冷却して使用する構造のも
のに比べて、誘電体損失を例えば数百分の一まで小さく
でき、電磁波によるプラズマの加熱効率を格段に向上さ
せて、近年の大電力化および連続運転の要請に応えるこ
とができる。また、窓板は従来のような冷却媒体の圧力
を受けないこと、および全体に均一温度であることによ
って応力差による曲げや変形とは殆ど無縁になり、機械
的破損等を排除できる。さらに、窓板の冷却経路と気密
部を別にしたことにより、封着リングの剛性を低くでき
るので、製造時に生じる応力を軽減できる等、高性能、
高信頼性の高周波加熱装置の障壁窓を提供できる。
の冷却源に接続された第１の短絡体および第２の冷却源
に接続された第２の短絡体による所謂クライオスタット
構造を用いて、内包する窓板を冷却媒体を用いずに例え
ば２０Ｋ（第１の低温）に冷却しているので、従来の冷
却媒体を用いて常温付近まで冷却して使用する構造のも
のに比べて、誘電体損失を例えば数百分の一まで小さく
でき、電磁波によるプラズマの加熱効率を格段に向上さ
せて、近年の大電力化および連続運転の要請に応えるこ
とができる。また、窓板は従来のような冷却媒体の圧力
を受けないこと、および全体に均一温度であることによ
って応力差による曲げや変形とは殆ど無縁になり、機械
的破損等を排除できる。さらに、窓板の冷却経路と気密
部を別にしたことにより、封着リングの剛性を低くでき
るので、製造時に生じる応力を軽減できる等、高性能、
高信頼性の高周波加熱装置の障壁窓を提供できる。
【図１】本発明に係る高周波加熱装置の障壁窓の一実施
例を一部破断して示す正面図。
例を一部破断して示す正面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図。
【図３】高周波加熱装置の概略を示す構成図。
【図４】従来の高周波加熱装置の障壁窓の構成例を示す
断面図。
断面図。
【図５】従来の高周波加熱装置の障壁窓の別の構成例を
示す断面図。
示す断面図。
２０ａ，２０ｂ……導波管、２１……障壁窓、２２……
窓板、２４……真空容器、２５……冷却装置、２８……
封着リング、２９……短絡リング、３０……低温導波
管、３１，３５……断熱体、３２……低温シールド体、
３３，３６……吊持部材、３８，４０……第１、第２の
冷却部、３９，４１……第１、第２のサーマルアンカ
ー、４２……ヒータ。
窓板、２４……真空容器、２５……冷却装置、２８……
封着リング、２９……短絡リング、３０……低温導波
管、３１，３５……断熱体、３２……低温シールド体、
３３，３６……吊持部材、３８，４０……第１、第２の
冷却部、３９，４１……第１、第２のサーマルアンカ
ー、４２……ヒータ。
フロントページの続き (72)発明者 永島 孝 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の １ 日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者 坂本 慶司 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の １ 日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者 伊藤 孝治 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番 地 株式会社東芝京浜事業所内 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G21B 1/00
Claims (1)
- 【請求項１】 核融合炉内のプラズマに高周波の電磁波
を伝播させる伝送路の途中に窓板を介挿した高周波加熱
装置の障壁窓において、前記窓板の外周側両面に固着さ
れた第１の短絡体と、この第１の短絡体の内周側で窓板
の両側を気密に把持する封着リングと、前記第１の短絡
体が固着された窓板を内包し且つ前記封着リングを第１
の断熱体を介して気密に支持する略筒状の第２の短絡体
と、この第２の短絡体を内包し且つ前記第２の短絡体を
第２の断熱体を介して気密に支持すると共に、前記伝送
路に気密に接続した外周容器と、前記第１の短絡体を第
１の低温に冷却する第１の冷却源と、前記第２の短絡体
を第１の低温よりも高い温度の第２の低温に冷却する第
２の冷却源とを備えたことを特徴とする高周波加熱装置
の障壁窓。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02258592A JP3160348B2 (ja) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | 高周波加熱装置の障壁窓 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02258592A JP3160348B2 (ja) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | 高周波加熱装置の障壁窓 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05215876A JPH05215876A (ja) | 1993-08-27 |
| JP3160348B2 true JP3160348B2 (ja) | 2001-04-25 |
Family
ID=12086935
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02258592A Expired - Fee Related JP3160348B2 (ja) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | 高周波加熱装置の障壁窓 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3160348B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2833512B1 (en) * | 2012-03-30 | 2019-06-05 | Ube Industries, Ltd. | Method and device for power transmission and resonance device used in same |
-
1992
- 1992-02-07 JP JP02258592A patent/JP3160348B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05215876A (ja) | 1993-08-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |