JPH02288309A - 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概略構造を示す一部破砕側
面図である０図において、ＬＡ、　ＩＢ、　ＩＣ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からなる剛性の高いコイル支
持体ｌ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）５Ａ、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）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
で示すパルス状のポロイダル磁界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中に多数条の超電導線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９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するには超電導コイル１０に励１
ｉｔｉ流を供給するが、この励磁電流を遮断する際、通
常２０にＶを超える異常電圧が発生する。従来装置にお
いては、金属プレートの積層体１は大地電位に保持され
るので、超電導コイル導体１１はその絶縁被覆１２をそ
の全長にわたって２０ＫＶ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１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の断面積が大きく
なり、これが原因で超電導コイル導体１１中の超電導＆
１１４の占積率が低下し、その分発生するトロイダル磁
界１００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、異常電圧の一部を金属プレート間に
負担させることにより超電導コイル導体の絶縁被覆層の
厚みを縮小するとともに、金属プレート間の負担電圧に
耐える絶縁性能を有する施工容易な金属プレート間絶縁
層を得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課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、前記金属プレートがその積層面に介装され
たプラスチックフィルムとその両側に配された熱硬化性
プリプレグシートとの重ね材の硬化物からなる金属プレ
ート間絶縁層により相互に絶縁かつ固着されるとともに
、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、または平板リング状
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、前記金属プレートがその積層面の一方側を前記コ
イル収納溝にまたがって覆うくら形状断面を有する環状
のプラスチック成形材からなる金属プレート間絶縁層に
よって相互に絶縁されるとともに、各層コイルを挟む一
対の金属プヒ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
てなるものとする。

〔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。

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ので、プ
ラスチックフィルムを中央層とし、熱硬化性プリプレグ
シートを外側層とした重ね材を金属プレートの積層面に
介装し、金属プレートの積層体に締付荷重を加えた状態
でプリプレグシートを加熱硬化することにより、−旦溶
融した熱硬化樹脂によりすきまのない硬化絶縁層が形成
されるとともに、金属プレート相互および超電導コイル
導体が相互に固着されるので、優れた耐電圧性能および
機械的強度を有するプレート間絶縁層が得られる。また
、金属プレートの一方の積層面をコイル収納溝にまたが
って覆うプラスチック成形材を介装した場合には、コイ
ル収納溝内でプラスチック成形材と超電導コイルの絶縁
被覆とが相互に重なることによってより高い耐電圧性能
が容易に得られるとともに、プラスチック成形材をその
両面に熱硬化性のプリプレグシート層を有する複合材と
することにより、より高度な絶縁性能および機械的強度
を存するプレート間絶縁層を容易に形成することができ
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、５Ｂ　２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３＆ｌｌ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−６７！Ｉ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＆ｕ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Ｖ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１０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（旦電圧）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５＾についてみると、層
コイル５Ａと金属プレートＩＡとの間の最大電位差はコ
イル５Ａの内側端末部９でコイル５Ａの分担電圧Ｖ／ｎ
と等しく、コイル５Ａと金属プレー）１Ｂ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に
Ｖからその１／６に相当する３、３ＫＶ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ッ
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の総断面積が増大し、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
レートとの間にも電位差が発生する。そこで、各金属プ
レートの積層面に電位差に耐えるプレート間＃ｊＡａ層
４０を介装するとともに、締付ボルト３０に絶縁を施す
などの絶縁手段が設けられる。プレート間絶縁層４０の
厚みが従来渦流損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４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、かつコイル支持体である金
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束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。

つぎに、プレート間絶縁層の構成について説明する。

第２図は実施例プレート間ｗＡｕ層を示す要部の拡大断
面図、第３図はプレート間絶縁材の断面図である。使用
する絶縁材は第３図に示すように、プラスチックフィル
ム例えば厚み２５μ程度のポリイミドフィルムを中央層
４２とし、両側層４３Ａ、４３Ｂに厚み０．１重程度の
ガラスクロスまたはガラス不織布にポリイミド樹脂フェ
スを含浸、半硬化状態とした熱硬化性のプリプレグシー
トを用いた重ね材４１とし、これを第２図に示す金属プ
レート例えばＩＡ、ＩＢのフラットな積層面に介装する
０重ね材４Ｉの幅は隣接する超電導コイル導体１１の絶
縁被覆１２に幅方向の両端が接する輻Ｗとし、積層面に
沿って渦巻状に配設し、絶縁被覆された締付ボルト３０
によって金属プレートの積層面に締付前型を加えた状態
で、全体を所定温度例えば２３０℃に加熱して２時間程
度の加熱処理を行う、このとき、半硬化状態のポリイミ
ド樹脂が一旦溶融して流動性を増し、金属プレート間の
隙間を埋めるとともに、コイル導体の絶縁被覆層１２と
の隙間も埋めるので、重ね材４１の硬化絶縁層からなる
金属プレート間絶縁ｒｆＪ４０は絶縁被覆層１２と一体
化し、優れた耐電圧性能が得られるとともに、隣接する
金属プレートおよびコイル導体１１が金属プレート間絶
縁層４０を介して相互に固着し、機械的に強固で熱伝導
性にも優れた超電導コイルが得られる。

なお、金属プレート間に加わる電圧が大きい場合には、
両側層４３を樹脂積層板とプリプレグシートとの複合材
としてもよく、また金属プレートの外周側または内周側
に突出した絶縁層の縁はあらかじめ金属プレートの側面
に沿って折り曲げるよう構成してよい。

第４図は異なる実施例金属プレート間絶縁層の構成を示
す要部の拡大断面図であり、プレート間絶縁層５０をパ
ンケーキ巻きコイル例えば５Ａを挟む一対の金属プレー
トの一方１例えばＩＡをそのコイル収納溝４にまたがっ
て覆うプラスチック成形材５１．５２．５３等で構成し
た点が前述の実施例と異なる。

すなわち、金属プレー）ＩＡはフラットな積層面と半円
状のコイル収納溝４との境界部分に曲率半径ｒなる丸み
が収納溝４に沿って形成され、プラスチック成形材は積
層面を収納溝にまたがって覆うくら形に近い断面形状を
有する環状または渦巻状にあらかじめ成形され、収納溝
内に間隙５９を保持して装着される。

プラスチック成形材としては、プレート間電圧に耐える
厚みのポリイミド樹脂板、シリコーン樹脂板、あるいは
エポキシ樹脂板などの熱硬化樹脂板をヒートブレス金型
を用いて熱圧成形するか、ポリイミドフィルムを中央層
とし、ガラスクロスまたはガラス不織布基材のポリイミ
ド系プリプレグシートを両側層とする重ね材を温度１５
０℃程度のヒートプレスを用いてくら形状に成形加工す
ることによって半硬化状態を保って形成したものを用い
、各層コイル５Ａ、５Ｂとともに金属プレートの積層体
からなるコイル支持体１に組み込むことによりプレート
間絶縁層５０が形成される。ことに、半硬化状態の重ね
材からなるプラスチック成形材を用いた場合には、例え
ば２３０℃、２時間程度の加熱硬化処理によって前述の
実施例と同様にポリイミド樹脂が隙間を埋め、ｗ！ｉ緑
被覆層１２とプレート間絶縁層５０とが相互に重なりを
保持して一体化されるので、極めて高い耐電圧性能およ
び機械強度を有する超電導コイルを得ることができる。

また、あらかじめ成形された部品をコイル収納溝に沿っ
て装着するだけの簡単な作業でプレート間絶縁層を形成
できるので、金属プレートの積層作業を省力化できる利
点が得られる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、パンケーキ巻きコイルを挟持
する金属プレートにコイル渡り部の電位を与えるととも
に、電位の異なる金属プレート間絶縁層をプラスチック
フィルムと熱硬化性プリプレグシートの重ね材の硬化絶
縁層、または金属プレートの積層面をコイル収納溝にま
たがって覆うくら形状断面を有する環状のプラスチック
成形材のいずれかで形成するよう構成した。その結果、
パンケーキ巻きコイルとこれを挟持する一対の金属プレ
ートとの間の電位差が従来の全電圧に対してコイル層数
分の−に軽減され、これに基づいてコイル導体の被覆厚
が縮小され、その分超電導コイル導体の断面積の拡大が
可能になり、したがって高い磁束密度のトロイダル磁場
を発生できる超電導コイルを提供することができる。ま
た、金属プレート間絶縁層として重ね材を用いた場合に
は、超電導コイル全体を加熱することによって流動性を
増した熱硬化性樹脂によって積層面の隙間が埋められる
と同時にコイル導体の絶縁被覆とプレート間絶縁層が一
体化され、したがってボイドや空隙等を含まず耐電圧性
能の高いプレート間絶縁層が形成されるとともに、金属
プレートおよびパンケーキ巻きコイルがプレート間絶縁
層を介して相互に接着されるので機械的、熱的特性に優
れた超電導コイルを得ることができる。さらに、プラス
チック成形材を用いた場合には、金属プレートへの成形
材の装着が容易化され、プレート間絶縁層および金属プ
レートの組立作業が省力化されるとともに、コイル収納
溝内で成形材と導体絶縁被覆が相互に重なりを有するこ
とにより、耐電圧性能を一層高められ、かつ成形材にプ
リプレグシートを付加することによりボイドレス化され
たプレート間絶縁層を省力化された作業工程によって容
易に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例装置を示す断面図、第２図は
実施例装置のプレート間絶縁層を示す拡大断面図、第３
図はプレート間絶縁層の構成を示す断面図、第４図は異
なるプレート絶縁層の構成を示す拡大断面図、第５図は
従来構造を示す一部破砕断面図、第６図は超電導コイル
導体の断面図である。 １：コイル支持体（金属プレートの積層体）ＩＡ、ＩＢ
、ＩＣ：金属プレート、２：貫通孔、４：コイル収納溝
、５Ａ、５Ｂ　＋パンケーキ巻きコイル、５：ダブルパ
ンケーキ巻きコイル、６：内周側渡り部、７：引き出し
部、１０：超電導コイル、１１：超電導コイル導体、１
２：絶縁液１１ＪＩ、１７：外周側接続部（Ｉｘす部）
　、２１，２２　：給電部、３０：締付ホルト、４０．
５０　：金属プレート間絶縁層、４１ｊ重ね材、４２：
中央層　（プラスチックフィルム）　、４３Ａ　４３Ｂ
４３：両側層　（プリプレグシート）　、５１，５２．
５３４プラスチツク成形材、５９：空隙。

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、前記金属プレートがその積層面
   に介装されたプラスチックフィルムとその両側に配され
   た熱硬化性プリプレグシートとの重ね材の硬化物からな
   る金属プレート間絶縁層により相互に絶縁かつ固着され
   るとともに、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）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、前記金属プレートがその積層面
   の一方側を前記コイル収納溝にまたがって覆うくら形状
   断面を有する環状のプラスチック成形材からなる金属プ
   レート間絶縁層によって相互に絶縁されるとともに、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
   。