JPH02138711A - 超電導コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、環状の強制冷却型超電導コイル、ことに核
融合炉における超電導トロイダル磁場コイルに関する。

〔従来の技術〕

核融合炉においては、ドーナツ状の真空容器内にプラズ
マを閉じ込めるために、真空容器を包囲する環状に形成
された超電導トロイダル磁場コイル（以下トロイダルコ
イルと略称する）複数個をドーナツ状に配列して真空容
器内をドーナツ状に周回する高い磁束密度のトロイダル
磁場を発生させる。

第５図はトロイダルコイルの従来の概略構造を示す一部
破砕側面図である。図において、ＩＡ　ＩＢＩＣは剛性
の高い金属材料からなる複数層の金属プレートであり、
中央部にドーナツ状の真空容器が貫通する孔２を有する
平板リング状に形成され、その内周側および外周側にそ
れぞれ複数個形成された締付ボルトの挿通孔３を介して
各金属プレートの積層方向に締付荷重を加えることによ
り、金属プレートの積層体１からなる剛性の高いコイル
支持体が形成される。また、各金属プレートの積層面に
はその両側の金属プレートにまたがるコイル収納溝４が
積層面に沿って孔２を周回する渦巻状に形成され、この
溝４に超電導コイル導体が渦巻状に納められることによ
り、複数層のコイル（層コイル）５＾、５Ｂ等が形成さ
れる。

また、金属プレートＩＢを介して互いに隣接するコイル
５Ａ、５Ｂはその内周側で金属プレートＩＢを貫通する
孔を通る内周側渡り部６によって直列接続され、通称ダ
ブルパンケーキ巻きと呼ばれる２層コイル５を形成する
。さらに、各層コイルの外周側の端末は金属プレートを
半径方向に貫通する孔を通して外側に引き出され、引出
し部７が形成される。複数組のダブルパンケーキ巻きコ
イル５は引出し部７を互いに接続することによって直列
接続され、複数組のダブルパンケーキ巻きコイル５が直
列接続された超電導コイル１０が形成される。

なお、このように構成されたトロイダルコイルは図示し
ない強固なコイル容器に収納され、同じく図示しない真
空容器に複数個取付けられ、真空容器内に図中矢印で示
すトロイダル磁界１００を発生する。

なお、トロイダルコイルの各金属プレートには図中矢印
で示すパルス状のボロイダル磁界１１０が図示しないボ
ロイダル磁界コイルから印加されるので、この磁界変化
によって金属プレートに発生する渦流損を少なくするた
めに、各積層面には薄い絶縁層が形成される。

第６図は超電導コイル導体を示す断面図であり、超電導
コイル導体１１は、絶縁被覆１２を有するコンジットパ
イプ１３中に多数条の起電導線１４が収納されており、
絶縁被覆１２によって金属プレートと電気的に絶縁され
るとともに、コンジットパイプ１３に冷媒としてのヘリ
ウムを流すことにより超電導線１４の超電導性が保持さ
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

トロイダル磁界を発生させるためには、超電導コイル１
０に数１０ＫＡオーダの例えば直流大電流を供給する必
要があり、その端子電圧も高くなると同時に、超電導コ
イルに万一クエンチが発生して電流が急減するか、ある
いは超電導コイルの励磁を急停止する場合には高い異常
電圧が発生する。そこでこれらコイルに印加されるか１
発生する電圧を考慮して超電導コイルと金属プレートと
の間に耐電圧性能を少なくとも２０ＫＶ以上とすること
が求められる。従来装置においては、金属プレートの積
層体５は大地電位に保持されるので、起電導コイル導体
１１はその絶縁液Ｆ１１２をその全長にわたって２０に
ν以上の電圧に耐える厚みとして超電導コイル１０とコ
イル支持体としての金属プレートの積層体５との間の耐
電圧性能を保持する必要がある。

このように構成されたトロイダルコイルにおいては、コ
イル収納溝４に占める絶縁被覆１２の断面積が太き（な
り、これが原因で超電導コイル導体１１中の起電導線１
４の占積率が低下し、その分発生するトロイダル磁界１
００の磁束密度が低下してしまうという欠点がある。

この発明の目的は、超電導コイル導体の絶縁被覆厚を縮
小し、その分用電導線の占積率を高めることにより、装
置を大型化せずにトロイダル磁界の磁束密度を高めるこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記！！ＩＩ題を解決するために、この発明によれば、
平板リング状に形成された金属プレートの積層体と、そ
の積層面に沿って渦巻状に形成されたコイル収納溝と、
このコイル収納溝に収納された絶縁被覆を有する複数層
のコイルとを備え、互いに隣接する各層コイルが内周側
渡り部および外周側渡り部により交互に直列接続されて
なるものにおいて、前記金属プレート相互を電気的に絶
縁する絶縁手段を備え、各層コイルを挟む一対の金属プ
レートの一方が前記外周側渡り部と同電位に保持され、
他方が前記内周側渡り部と同電位に保持されてなるもの
とし、さらに金属プレートの積層体がその外周部および
内周部を積層方向に貫通する締付ボルトにより、絶縁部
材を介して複数個所で締結されてなるものまたは金属プ
レートの積層体が絶縁手段を介して互いに隣接するそれ
ぞれ一対の金属プレートを貫通する締付ボルトにより少
なくとも一方の金属板との間に絶縁材を介させて複数個
所で締結されてなるものを組合わせる。

〔作用〕

上記手段において、各層コイルを挟む一対の金属プレー
トの電位を各層コイル両端末の渡り部および引出し部の
電位と等しくしたことにより、各層コイルと一対の金属
プレートとの間の電位差は各層コイルの分担電圧と同等
な値に低減される。

すなわち、超電導コイルに印加または発生する電圧を■
、ココ４層数をｎとした場合には超電導コイル導体の絶
縁被覆が負担する最大電位差は従来装置におけるそれの
１／ｎに低減される。したがって、超電導コイル導体の
絶縁被覆厚の大幅な縮小が可能となり、この分超電導線
の占積率を上げることができるので、トロイダル磁界の
磁束密度を上げることができる。一方、金属プレートに
電位差を持たせたことにより金属プレート相互間の絶縁
を強化する必要が生ずるが、絶縁強化による積層厚みの
増大はコイル収納溝を浅（することによりほとんど吸収
できる。また、金属プレートの積層体とこれを積層方向
に貫通する締付ボルトとの間の電位差は締付ボルトの両
端部で全電圧■に等しくなるので、締付ボルトにはこの
電圧に耐える絶縁部材を設ける必要があるが、これによ
りトロイダル磁界の磁束密度が制約されることはないの
で、トロイダルコイルの性能に悪影響を及ぼすことなく
所望の絶縁性能を得ることができる。さらに、締付ボル
トの長さを短縮して互いに隣接する一対の金属プレート
を締付けるよう構成すれば、金属プレートと締付ボルト
との間の電位差を各層コイルと金属プレートとの電位差
Ｖ／ｎに低減できるので、締付ボルトの絶縁部材を筒素
化することができる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例トロイダルコイルの要部を簡
略化して示す断面図であり、従来装置と同じ構造１機能
を有する部分には同一参照符号を用いることにより詳細
な説明を省略する０図において、トロイダルコイルは、
５Ａ、５８２層のコイルが内周側の渡り部６　（図では
破線で簡略化して示す）により直列接続されたダブルパ
ンケーキ巻きコイル５を３Ｍｉ積み重ねて超電導コイル
１０を形成した例を示しており、ｎ＝６層の各層コイル
５Ａ。

５Ｂ等はＩＡからＩＧまで合計７層の金属プレートの積
層体１の各積層面に沿って渦巻き状に形成されたコイル
収納溝４に収納される。また、３＆ｌｌのダブルパンケ
ーキ巻きコイル５は外周側引出し部７を相互に導電接続
する外周側接続部１７により直列接続され、両端子間に
電圧■が印加される超電導コイル１０が形成される。

また、２１は外周側の引出し部７または接続部１７と金
属プレートとを同電位にするための給電部、２２は内周
側の渡り部６と金属プレートとを同電位にするための給
電部であり、互いに隣接する金属プレートが互いに外周
側、内周側交互に超電導コイルｌＯに導電接続されるこ
とにより、各層コイルとその両側の金属プレートとの間
の最大電位差（絶縁被覆１２の負担電圧）は各層コイル
の分担電圧と等しくなる。すなわち、ダブルパンケーキ
巻きコイル５の一方のコイル５Ａについてみると、層コ
イル５Ａと金属プレー）ＩＡとの間の最大電位差はコイ
ル５Ａの内側端末部でコイル５Ａの分担電圧ν／ｎと等
しく、コイル５Ａと金属プレー）ＩＢとの間の最大電位
差はコイル５Ａの外側端末部でコイル５Ａの分担電圧Ｖ
／ｎと等しくなる。

このように、各層コイルとこれを挟む一対の金属プレー
トとの間の最大電位差は従来装置のそれの１／ｎに低減
される。すなわち、実施例装置において両端子間電圧Ｖ
を２０ＫＶとすれば、超電導コイル導体１１の絶縁被覆
１２に求められる耐電圧性能は、従来装置における２０
ＫＶからその１／６に相当する３、３１’ｉＶに低減さ
れることになり、絶縁被覆の厚みを大幅に縮小できる。

したがって、コイル収納溝の大きさを変えることなくコ
ンジフトパイプ１３の径が増大され、これに収納される
超電導線１４の１，８断面積が増大し、これに比例して
トロイダル磁界１００の磁束密度が増大する。

一方、各金属プレートに超電導コイルの電位を与えたこ
とにより、互いに隣接する金属プレート間にもコイル１
層分の電位差が発生し、また連結ボルト３０と各金属プ
レートとの間には電圧Ｖに相当する電位差が発生する。

そこで、各金属プレートの積層面に電位差に耐える絶縁
手段としての絶縁シート２３を介装するとともに、第２
図に要部の断面図を示すように、金属プレー）　ＩＡ、
　１８．　ＩＣ等の積層体１を貫通する締付ボルト３０
に絶縁液Ｆ！１３２つば付施縁リング３３等からなる絶
縁部材３１を被着することにより耐電圧を保持する。そ
の結果、絶縁シート２３の厚みが従来渦流）員を防ぐた
めに施された絶縁皮膜のそれに比べて厚くなるが、その
分金属プレートに渦巻状に形成されるコイル収納溝の深
さを縮小しても溝の断面積を従来と同等に保持できるの
で、金属プレートの機械的強度を低下させることなく、
かつ金属プレートの積層体１の寸法を従来通りに保持し
て高い磁束密度のトロイダル磁界を発生できる超電導ト
ロイダルコイルを得ることができる。なお、実施例トロ
イダルコイルは図示しない接地された容器との間に絶縁
材を介在させた状態で収納されることはいうまでもない
ことである。

第３図および第４図はこの発明の異なる実施例を示す要
部の側面図および断面図であり、第３図は金属プレート
の積層体を外周面側または内周面側から見六側面図、第
４図はそのＡ−Ａ方向の断面図である。図において、積
層体１の絶縁シート２３を挟んで互いに隣接する各一対
の金属プレート例えばＩＡとＩＢ、　１ＢとＩＣ等には
締付ボルト４０および絶縁部材としてのっぽ付施縁リン
グ４１とが貫通する貫通孔４３と、締付ボルト４０の締
付作業を積層体１の外周側または内周側から行うための
凹溝４４とが設けられ、つば付施縁リング４１を介して
一対の金属プレート間に締付荷重が加えられ、かつ例え
ば金属プレートＩＡとＩＢの締付位置と金属プレートＩ
ＢとＩＣの締付位置とが金属プレートの周方向に互いに
位置をずらせてそれぞれ複数個所で行われることにより
、積層体が強固に一体化される。また、締付ボルト４０
は一対の金属プレートとの間をつば付施縁リング４１お
よび凹溝４４内の空気ギャップによって絶縁し、他方の
金属プレートと同電位に保持することにより、つば付施
縁リングが負担する電位差は絶縁シート２３におけると
同様にコイル−層分、すなわち全電圧７００分の１に低
減され、したがって前述の実施例における絶縁部材３１
に比べて絶縁厚を縮小かつ簡素な構成とすることが可能
となり、かつ絶縁の信転性をも向上させることができる
。すなわち、つば付施縁リングを筒状部とワッシャ一部
に分離し、締付ボルト４０の表面に厚み２５１程度のポ
リイミドフィルムを１７２重ねで３回巻回して筒状の絶
縁部とし、これに繊維強化ポリイミド樹脂製の絶縁ワッ
シャーを組み合わせることにより、十分な絶縁信転性を
有する絶縁部材を得ることができる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、渦巻状の層コイルの内周側お
よび外周側端末を、このコイルを収納する二つの金属プ
レートそれぞれに導電接続するよう構成した。その結果
、各店コイルとその両側の金属プレートとの間の最大電
位差が従来装置のそれの層コイル数分の−に低減される
ので、従来全電圧に耐える耐電圧性能が要求された超電
導コイル導体の絶縁被覆の厚みをその層数分の−の耐電
圧性能を有する厚みに縮小することが可能になり、コイ
ル収納溝の大きさを従来寸法に保持して超電導線の断面
積が増大され、これに伴って核融合炉の最も重要な課題
の一つであるトロイダル磁界の磁束密度を増大すること
ができる。また、各金属プレートに電位を持たせること
によって積層面の絶縁を強化する必要があるが、これに
基づく寸法増加はコイル収納溝の深さを減らすことによ
ってほとんど吸収される。したがって超電導コイルを大
型化することなく高いトロイダル磁界を発生できる高性
能化された超電導コイルを提供することができる。さら
に、金属プレートの積層体を貫通する締付ボルトと積層
体との間には全電圧に相当する電位差が発生するが、締
付ボルトを互いに隣接する一対の金属プレートごとに分
割するよう構成することにより、締付ボルトと金属プレ
ートとの間の最大電位差を眉コイルー層分の電圧、いい
かえれば互いに隣接する金属プレート間の電位差にまで
低減することが可能であり、全体として各部均等に電圧
分担が低減されることにより構成が簡素で高い絶縁部や
■性を有する絶縁構造を持った超電導コイルを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例装置の要部を簡略化して示す
断面図、第２図は実施例装置の締付構造を示す要部の拡
大断面図、第３図および第４図はこの発明の異なる実施
例装置の要部を示す側面図およびそのＡ−Ａ方向の断面
図、第５図はトロイダル磁場コイルの従来構造を示す一
部破砕断面図、第６図は超電導コイル導体を示す断面図
である。 ｌ：金属プレートの積層体、ＩＡ、１Ｂ、・・・ＩＧ：
金属プレート、５Ａ、５１１層コイル、５：ダブルパン
ケーキ巻きコイル、２：貫通孔、３．４３：締付ボルト
孔、４：コイル収納溝、６：内周側渡り部、７：引出し
部、９：冷却媒体、１０；超電導コイル、１１：超電導
コイル導体、１２：絶縁被覆、１３：コンジオドパイブ
、１４ｚ超電導線、１７：外周側渡り部、２１．２２：
給電部、２３；絶縁手段（絶縁シート）３０．４０：締
付ボルト、３１：絶縁部材、３２：絶縁被覆、３３，４
１：つば付絶縁リング、４４：凹溝、１ｏＯニドロイダ
ル磁界、１１０：ボロイダル磁界。 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）平板リング状に形成された金属プレートの積層体と
   、その積層面に沿って渦巻状に形成されたコイル収納溝
   と、このコイル収納溝に収納された絶縁被覆を有する複
   数層のコイルとを備え、互いに隣接する各層コイルが内
   周側渡り部および外周側渡り部により交互に直列接続さ
   れてなるものにおいて、前記金属プレート相互を電気的
   に絶縁する絶縁手段を備え、各層コイルを挟む一対の金
   属プレートの一方が前記外周側渡り部と同電位に保持さ
   れ、他方が前記内周側渡り部と同電位に保持されてなる
   ことを特徴とする超電導コイル。 ２）金属プレートの積層体がその外周部および内周部を
   積層方向に貫通する締付ボルトにより、絶縁部材を介し
   て複数個所で締結されてなることを特徴とする請求項１
   記載の超電導コイル。 ３）金属プレートの積層体が絶縁手段を介して互いに隣
   接するそれぞれ一対の金属プレートを貫通する締付ボル
   トにより少なくとも一方の金属板との間に絶縁材を介さ
   せて複数個所で締結されてなることを特徴とする請求項
   １記載の超電導コイル。