JPH02278802A - モノヘリックス型コイル - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は強磁界発生のためのハイブリッドマグネットに
用いる水冷マグネット用モノヘリックス型コイルに関す
る。

（従来の技術） 磁気閉じ込め核融合装置に必要とされる磁界は、ｌＯ〜
２０テスラ以上であろうと予想されている。

これまでの各種該融合装置では、常電導導体（鋼線）の
コイルを用いているために膨大な電力を消費している。

このため電力の消費のない超電導線材によるコイルの開
発が不可欠である。

強磁界に耐える超電導導体の開発のためには、各種導体
を開発して、強磁界発生装置の中に入れ、臨界ｒｄ流密
度（Ｊｃ）　、上部臨界磁界、交流損等を調べる必要が
ある。

このために強磁界発生装置が必要であり、２０テラス以
上の磁界を発生させるためには、第５図に示すように、
超電導マグネット（１）（外側）と水冷マグネット（２
）（内側）を磁界中心部（３）が一致するように組合せ
て両者の磁界の和を発生できるハイブリッドマグネット
が用いられる。

この水冷マグネットコイルには、ポリへリックス型、ビ
ッタ−型及びモノへリックス型の３つの型があるが本発
明は、モノヘリックス型コイルの構造に関するものであ
る。

モノヘリックス型コイルは、第６図（Ａ）　、　（Ｂ）
に示すように、中実円筒のインゴット（４）の中心部に
中心孔（５）を設けた中空厚肉円筒の厚肉部にスパイラ
ル状溝（８）を機械加工してコイル導体（７）を形成し
、そのコイル導体（７）のターン間を絶縁すると同時に
、図示しない絶縁物間に放射状の隙を作り、冷却水が中
心孔（５）から半径方向へ流れるための通路を設けた構
造か一般に採用されている。

水冷マグネット（２）のスパイラル状コイル導体（７）
が独立に支持されているとすれば、スパイラル状コイル
導体（７）に生ずる円周方向の引張り応力は、電流密度
、コイルの半径及び磁界の積に比例する。水冷マグネッ
ト（２）単独の場合には、その円周方向の応力分布は、
第７図の曲線（ａ）に示すような単独水冷マグネットの
ようになり、中心磁界部の最内線が最大の応力値となり
、外周部の応力は殆んど零に近くなる。

しかしながら、第５図に示すようなハイブリッドマグネ
ット、すなわち、水冷マグネット（２）の外側に超電導
マグネット（１）を配設した構成になると、例えば、水
冷マグネット（２）で２６テスラ、超電導マグネットで
１４テスラの磁界を発生し、磁界中心部（３）は両者の
和の４０テスラを発生するとすれば、水冷マグネット（
２）はその外側から磁力を受けるため、水冷マグネット
（２）のコイル導体（７）内の円周方向の応力分布は単
独水冷マグネット（２）の場合と大きく異なり、第７図
の曲線（ｂ）に示すような高い応力値の分布になる。

従って、コイル導体（７）としては、できるだけ円周方
向の強度、特に耐力が高く、発生するジュール熱を低く
シ、コンパクト化するには導電率の大きな導体が要求さ
れる。

これらのコイル仕様の対象としての鋼及び鋼合金は数多
くある。例えば、析出強化型のクローム鋼、クローム・
ジニルコニウム鋼等が高導電率、高強度材として考えら
れるが、鍛造によって強度の向上を図っても、第７図に
示す最大円周方向応力の仕様を満足するのに要する０、
２％耐力としての４５〜４７ｋｇ／龍２を維持すること
は大変難しい。

一方、ｍ８図に示すアルミナ粒子分散強化鋼は、アルミ
ナの含有量を増すことにより、０．２％耐力は曲線（ａ
）のように比例的に増加し、一方、導電率は曲線（ｂ）
のように反比例的に減少するという傾向があるが、パイ
ブリッドマグネット用モノへリックス型水冷マグネット
材料としての強度特性を十分満足する材料である。

第７図に示す最大応力値に対する材料の仕様は、安全率
を加味して、４５〜４７ｋｇ／＋ｕ２になる。従って、
第８図に示すアルミナ分散強化鋼のアルミナ含有量は約
１ｖｔ％程度必要であり、このときの導電率は７７％（
ＩＡＣ９）となる。このため、通電によって発生するジ
ュール熱は導電率の逆数に比例するため、冷却路を大き
くするなどの工夫が必要である。これにより、水冷マグ
ネットの効率が低下するばかりでなく、小型化しにくい
という問題点があった。

（発明が解決しようとする課題） このようにハイブリッドマグネットにおいて強磁界、例
えば４０〜５０テスラを得ようとするとモノへリックス
型コイルの水冷マグネットに作用する周囲方向の応力は
非常に高く、最内周縁では約５０ｋｇ／龍２の耐力を満
足しなければならない。さらにコンパクト化、発生する
ジュール熱を低くするには、平均的な導電率として８５
％（ＩＡＣ８）以上が要求される。

本発明の目的は、平均的により高強度、高導電率な特性
を有するモノへリックス型コイルを提供することにある
。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明では、モノへリック
ス型コイル導体の円周方向の応力値に応じて、マトリッ
クス材の強化材料である短繊維、ウィスカ、粒子等の含
を量を調整するか、あるいは異なった金属系材料を用い
て、最内部近傍は高強度、低導電率、外周部は低強度、
高導電率材から構成されるような多層円筒とする。

（作　用） このようにすると、コイル導体の応力分布に応じて、段
階的に半径方向の強度を下げ、逆に導電率を上げること
により、強度に対する安全率が一定となり、その発熱量
を最小限にすることが可能である。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について、第１図ないし第４図
を参照して説明する。

第１図は製品を示し、第２図と第３図に本実施例の製造
工程とその状態図を示す。本実施例では、アルミナ分散
強化鋼を用いている。

第３図（Ａ）に示すように純銅円筒（１１）の内側にア
ルミナの含有量が１ｗｔ％のアルミナ粒子混合銅粉（９
ａ）と０．４ｖｔ％のアルミナ粒子混合銅粉（１０ａ）
が多層円筒状になるように、配置して、第２図の工程に
従い、上下からピストン（１２）、　（１３）により約
２００気圧の力で冷間加圧形成する。

次に第３図（Ｂ）に示すように純銅円筒（１１）と共に
熱間加圧形成機（２１）に入れ、ヒータ（１４）により
８５０〜９５０℃で１〜２時間、上下のピストン（１２
）。

（１３）を用いて２００〜４００気圧で加圧することに
より、各アルミナ粒子混合銅粉（９ａ）、　（１０ａ）
間と純銅円筒（１１）壁間は完全に拡散接合され、−像
化される。このようにすると、各アルミナ粒子混合銅粉
（９ａ）、　（１０ａ）は固相化され、それぞれアルミ
ナ粒子混合銅体層（９）　、　（１０）となる。この−
像化された第３図（Ｃ）に示すインゴット素材（１５ａ
）を熱間加圧形成機（２１）から取り出し第３図（Ｄ）
に示すようなインゴット（１５）の所定の寸法に外表面
を機械加工する。

ただし、外周部は焼鈍された純銅で構成されているため
、その耐力は５〜６　ｋｇ　／　ｆｆ１ｒｓ　２程度で
ある。

そこで第２図に示す鍛造工程（１８）で、コイル導体の
外周部と２０〜３０％小さくなるように鍛造して、その
耐力を高くする。その後、更に外周部の切削加工、中心
孔（５）の旋削加工、スパイラル状のコイル加工を機械
加工あるいは放電加工により行い、第１図に示すような
外観のモノへリックス型コイル（２ａ）であるところの
水冷マグネット（２）を製造する。

次に作用を説明する。本実施例では、熱間加圧成形機（
２１）を用いているため、各アルミナ粒子混合銅粉（９
ａ）、　（１０ａ）と純銅円筒（１１）は完全に一体化
されるが、外周部の円筒の耐力が著しく低くなるという
欠点がるため、鍛造工程（１８）を設けた。

第４図はこれによる硬度分布の変化を示した図である。

鍛造によって外周部の硬度が鍛造前より約２倍程度向上
し、同時にその内側の各アルミナ粒子混合銅体層（９）
　、　（１０）部も若干上昇することが判る。

また鍛造することにより導電率が０．５〜１％（ＩＡｃ
ｓ）低下するが、コイル導体の性能上大きな問題となる
ことはない。

本実施例では、アルミナの含有量がｌｖｔ％で導体径は
第４図に示すように直径５０１１１％　　０．４ｗｔ％
の導体径は、８０ｍｍ、純銅の最外径は１８０ｍｍであ
る。

ｌｖｔ％のアルミナ粒子混合銅体層（９）の導電率は約
７７％（ＩＡｃｓ）であるが、本実施例の材料構成にす
ると平均的な導電率は９５．７％（ＩＡＣ９）となり、
従来よりも２５％向上する。従ってジュール熱により導
体に発生する発熱口は２５％低下する。これにより発熱
損失が減少するばかりでなく、冷却装置の小形化、更に
は、導体のコンパクト化が可能になった。

上記実施例では、アルミナ粒子混合銅体層（９）。

（１０）を用いたコイル導体（ア）を製造したが、短繊
維、ウィスカ等を混入した銅合金、更には、異質材の金
属系合金を用いても同様の効果を得ることができる。ま
た熱間加圧成形のために高温等方加圧（ＩＩＩＰ）装置
を用いても同様の一体化が可能である。

上記実施例では、外周部から鍛造を行ったが、中心孔を
明けた後、中心部を拡管し、その近傍の材料強度を上げ
ることも可能である。

〔発明の効果〕

本発明では、モノへリックス型コイルの導体の円周方向
の応力分布の特徴を活かして、高応力域には高強度、低
導電率材を、また抵応力域には低強度、高導電率材を設
けた多層円筒構造を採用しているため、半径方向に沿う
材料の安全裕度を一定に取ることが可能であり、これに
より、コイル導体外周部の導電率が高く取れ、全体とし
ての平均的導電率を大幅に高くできる。この結果、ジュ
ール熱による発熱量を低くでき、水冷装置の小形化、コ
イル全体のコンパクト化が可能になると同時にコンパク
トなハイブリッドマグネット用のモノへリックス型コイ
ルを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のモノへリックス型コイルを示す斜視図
、第２図は第１図のコイルを製造する工程を示す工程図
、第３図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）　、　（Ｄ）
は第２図の工程順に示したインゴットの製造状態を示す
縦断面図および斜視図、第４図は第３図（Ｄ）のインゴ
ットの硬度を示す曲線図、第５図は従来および本発明の
対象とするバイブリッドマグネットを示す縦断面図、第
６図（Ａ）および（Ｂ）は従来のモノへリックス型コイ
ル用インゴットおよび製造されたモノへリックス型コイ
ルの斜視図、第７図はモノへリックス型コイルの一般的
な円周方向応力を示す特性曲線図、第８図はアルミナの
含有量に対する耐力および導電率の特性を示す曲線図で
ある。 ２・・・水冷マグネット ２ａ・・・モノへリックス型コイル ５・・・中心孔　　　　　　６・・・スパイラル状溝７
・・・コイル導体 ９・・・ｉｖｔ％のアルミナ粒子混合胴体層１０・・・
０．４ｖｔ％のアルミナ粒子混合胴体層１１・・・純銅
円筒 代理人　弁理士　大　胡　典　夫 ＠　　１　図 Ｍ　　２　　図 ５３図 ４゜ 溝イ末のイ〉ニー２Ｆ牛ネＥ （ｍｍ） 第 図 ノトンシマプネット ア 図 （Ａ） ＣＢ） 萬 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ハイブリッドマグネット用モノヘリックス型水冷マグ
   ネットのコイルにおいて、コイル導体の強度特性を半径
   方向に段階的に弱く、導電率を半径方向に段階的に高く
   して、コイル導体材料特性を多層円筒構成にしたことを
   特徴とするモノヘリックス型コイル。