JPH0482205A - 超電導コイル装置 - 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、コンジット内部に冷媒を強制循環して超電
導線を冷却するコンジット型超電導導体を巻回した超電
導コイル装置に関するものである。

［従来の技術］ 第５図〜第７図は、例えば、特公昭５９−１２００３号
公報に示された従来のこの種の超電導コイル装！であり
、第５図、第６図において、（１）は超電導導体、（２
）は電磁力支持部材、（３）は導体収納用スロット、（
４）は超電導導体（１）を囲っている絶縁材、（５）は
巻枠である。第６図は超電導導体（１）間の電気的接続
を模式的に示したものであり、（６ａ）はフィーダ線、
（６ｂ）はコイル外径側渡り線、（６ｃ）はコイル内径
側渡り線である。

以上の構成において、第５図に示した超電導コイルの巻
線方法は超電導導体（１）を各々絶縁材（４）でターン
間絶縁を行った後、並列に電磁力支持部材（２）のスロ
ットにはめて巻き込み、その後第７図のように渡り１Ｍ
　（６ｂ）　、　（６ｃ）で超電導コイルとして必要な
電流が流れるように結線する。

この方法は、超電導導体（１）と電磁力支持部材（２）
が同時に回巻きされているため電磁力の大きな、例えば
核融合炉用の超電導コイル製作方法などに適用可能であ
る。

第５図、第７図の巻線方法はいわゆるパンケーキ巻と呼
ばれる方法である。第５図のコイルは４巻線から１ユニ
ツトのコイルが構成されているが、通常は１ユニツトを
２巻線から構成するダブルバンケーキ巻が採用されてい
る。

軸方向に長さが要求される超電導コイルの場合には、こ
のパンケーキコイルを軸方向に多数個重ね合わせて必要
なコイル長さを得る。

第８図は、例えば、第３５回低温工学会研究発表会（１
９８６年）の予稿集、１２０ページに示された超臨界圧
ヘリウムを強制循環して冷却するいわゆるコンジット型
と呼ばれるコンジット型超電導導体（７）であり、（８
）は超電導素線、（９）は多数の超電導素線（８）を束
状に撚線した撚線導体、（１０）は例えば高強度ステン
レス鋼からなるコンジットであり、外部に対してコンジ
ット（１０）内を気密に保っている。超電導素線（８）
間の間隙（１１）は超臨界圧ヘリウムなどの冷媒が圧送
される冷却チャンネルである。

第８図のコンジット型超電導導体構造は、ステンレス鋼
などの高強度鋼のコンジフト（１０）の内部に多数本の
超電素線（８）を束状にした撚線導体（９）を封入し、
超電導素線（８）の間隙の冷却チャンネル（１１）に、
例えば超臨界圧ヘリウムなどの冷媒を強制循環して冷却
する。この方式の特徴は、コンジット材が電磁力に対す
る強度メンバーとなるので導体自身の強度が高くとれる
こと、およびコンジット（１０）の外部に冷媒が必要で
ないので、冷却特性を損なうことなく確実な絶縁の施工
が可能で耐電圧性がよいこと、および超電導素線（８）
の冷却面積が大きく超電導安定性が良いことなどである
。このことから、電磁力が大きく、かつ数＋ｋＶ級の絶
縁性が要求される核融合炉の大形コイル用として研究開
発されている。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のような従来の超電導コイル装置は、第８図に示し
たコンジット型超電導導体ではコンジット材が高強度鋼
であるので超電導導体自身でかなりの電磁力を支持する
ことが可能である８しかしながら、コンジット（１０）
の製作時において突き合せ溶接の点からコンジット（１
０）の厚さを十分厚くすることが困難であり、電磁力の
大きな核融合炉用の大形超電導コイルではコイル中に電
磁力支持を分担し得る他の構造部材が必要となる。その
候補として第５図の構造が考えられる。これら２方式の
組合せによるものは、十分な強度を有するコイルが製作
可能であるという特徴を有する。

第９図にトカマク型の核融合炉の超電導コイル群の必要
部分のみを示すが、トカマク型の核融合炉ではプラズマ
（１２）を磁気的に閉じ込めておくトロイダルコイル（
１３）、プラズマを必要な形状に維持するための平衡磁
場コイル（１４ａ）〜（１４ｆ）および変流器の原理で
プラズマを加熱する変流器コイル（１５）を有している
。平衡磁場コイル（１４ａ）〜（１４ｆ　）の配！は、
種々の配置方法がある。これらのコイルのうち変流器コ
イル（１５）の大きさはプラズマ実験の内容と炉の全体
寸法に大きな影響を与え、磁場発生空間（１６）の直径
は可能な限り大きく、また発生磁場は可能な限り高くす
る必要がある。即ち、変流器コイル（１５）のコイル外
周側とトロイダルコイル（１３）との間は可能な限り小
さくし、変流器コイル（１５）の半径方向の厚さは可能
な限り薄くする必要がある。

丈な、変流器（１５）は、軸方向に長いコイルであるた
め、を流を流して磁場を発生させると変流器コイル（１
５）の内径側に最大磁場が発生し半径が増加するに従っ
て磁場は低くなり、変流器コイル（１５）の外側では最
大磁場の数分の−の磁場となっている。

変流器コイル（１５）の発生磁場を上げるためには超電
導縁材料としては例えばＮｂ３Ｓｒなどの化合物系の材
料を使用する必要がある。

しかしながら、Ｎｂ、Ｓｎなどの高磁場用の化合物系の
超電導材料は、例えばＮｂＴｉなどの比較的低磁場用の
合金系の超電導材料に比べて脆い材料であり、技術的に
ＮｂＴｉなどの合金系材料より信頼性が落ちる。丈な、
その技術的取扱いの困難さからも高価になる。従って、
一般に高磁場発生コイルでは、高磁界部分のみにＮｂ５
Ｓｎ系の化合物超電導材料を使用し、低磁場部分にはＮ
ｂＴｉ系の合金超電導材料を使用し、コイル内で両者を
接続するにの方法はグレーディングと呼ばれている。

超電導線に流しうるｔ流は磁場の関数であり低磁場側で
はより大きなｔ流を流しうる。即ち、電流値を高磁場側
と低磁場側を一定とすると、グレーディングを行うこと
により、低磁場側ではより小さな超電導導体が使用可能
となり、コイルの厚さを薄くすることが可能となる。

一方、このグレーディング法をコンジット型超電導導体
と第５図のものとを組合せたものに適用しようとすると
、電磁力支持構造部材（２）のスロ・ント内の狭い空間
でのコンジット型超電導導体の接続が必要となり、技術
的に非常に困難なものとなるという欠点を有している。

従って、上記２方式の組合せによるパンケーキ巻のコイ
ル方式では、コンジット型超電導導体は内側から外側ま
で同一の技術的に困難な高磁場用導体、例えばＮｂ、Ｓ
ｎ系の化合物超電導材料を使用することとなる。従って
、上記パンケーキ巻は、コイル強度は確保できるものの
、技術的信頼性が落ち、また高価なものとなるという致
命的な欠点を有している。

さらに、変流器コイル（１５）はパルス運転を行うが、
数ターンの超電導導体を並列に支持する第５図の電磁力
支持部材（２）は広い面積で変動磁界を経験するので渦
電流にともなう交流損失による冷却熱負荷の増加も大き
な問題点となる。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、コンジット型超電導導体を使用した大形コ
イルであっても、電磁力に対して支持が可能であり、ま
たコイルのグレーディングも可能で、かつ交流損失の小
さい超電導コイル装置を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る超電導コイル装置は、コンジット型超電
導導体を電磁力支持部材の開口部に嵌着し、電磁力支持
部材を開口部が内径側に位置するように巻回してなるも
のである。

［作　用］ この発明における超電導コイル装置は、コンジット型超
電導導体間の接続をコイル端部の空間で行うことが可能
となり、また電磁力支持部材で電磁力支持部材で電磁力
を支持する。さらに、電磁力支持部材で生じる渦電流に
ともなう交流損失が減少する。

［実施例コ 以下、この発明の一実施例を第１図、第２図について説
明する。第１図（ａ）　、　（ｂ）は軸方向に連続して
巻回されたソレノイドコイルの１層分を示したものであ
り、（１７）は円筒型の高強度鋼から削り出したスパイ
ラル状の電磁力支持部材であり、（７）は電磁力支持部
材（１７）の開口部（１８）にはめ込まれて回巻きされ
たコンジット型超電導導体である。コンジット型超電導
導体（７）にはターン間絶縁（１９）が施されている。

（２０）は電磁力支持部材（１７）間が接触して渦電流
損失が増加するのを防ぐための絶縁シートである。

第２図は数層分を模式的に示したものである。

内径側は高磁場用超電導材料を使用したコンジ・ント型
超電導導体（７）であり、外径側は低磁場用超電導材料
を使用したコンジット側超電導導体（７）である。（２
１）は眉間絶縁材、（２２ａ）　、　（２２ｂ）は眉間
の導体間の接続部、（２２ｃ）は高磁場用コンジット型
超電導導体と低磁場用コンジット型超電導導体間との接
続部、（２３）はスペーサ、（２４）は巻枠である。　
（２５）は最外装の電磁力支持部材であり、最外装のた
め帯状の部材でよい。（２６）は対地絶縁である。最外
層部では電磁力が弱いため、最外装の電磁力支持部材（
２５）なしで直接対地絶縁（２６）を行うことも可能な
場合もある。

次に、動作について説明する。磁場中にある導体に電流
が流れると、導体には、磁場×電流の電磁力が磁場方向
と電流方向と直角方向に働く、即ち、円形コイルではコ
イル拡張力となる。この拡張力となる電磁力は、電磁力
の働く導体を支持する電磁力支持部材（１７）およびそ
の外周側の次の層の電磁力支持部材（１７）で支持され
、コイル全体として電磁力は問題なく支持される。

一方、導体間の接続部（２２ａ）　、　（２２ｂ）は空
間的に比較的余裕のあるコイルの軸方向の端部に設ける
ことが可能なため、パンケーキ型コイルのように空間の
利用率を悪化させることはない。

なお、本実施例では、ターン間絶縁（１９）をコンジッ
ト型超電導導体（７）に施した後、スパイラル状の電磁
力支持部材（１７）の開口部（１８）に埋め込みながら
スパイラル状に巻線する例について示したが、第３ａ図
に示すように、ターン開絶縁なしにコンジット型超電導
導体（７）をスパイラル状の電磁力支持部材（１７）の
開口部（１８）に埋め込み、その外周部にターン間絶縁
〈１９）を施すことも可能である。

また、変流器コイル（１５）には軸方向の電磁力も働く
ので、第３ｂ図に示すように、コンジット型超電導導体
（７）を挿入したスパイラル状の電磁力支持部材（１７
）の開口部（１８）のコンジット型超電導導体よりさら
に外周側の開口部に高強度ステンレス鋼帯（２７）を挿
入すれば、軸方向の電磁力に対してもより強度を増加さ
せることも可能である。

さらに、本実施例では、主として変流器コイル（１５）
の空間利用に関する導体間接続の面から利点を述べたが
、かかる電磁力支持部材（１７）は円筒から容易に旋盤
のみの削り出し加工で製作できるという利点もある。

なお、上記実施例では軸方向に連続的に巻回した、いわ
ゆるソレノイド巻きされた超電導コイルについて説明し
たが、第４図に示すように巻回方向を周方向としたいわ
ゆるパンケーキ巻きの超電導コイルであっても同様の効
果を奏する。

「発明の効果コ 以上説明したように、この発明の超電導コイル装置によ
れば、コンジット型超電導導体を電磁力支持部材の開口
部に嵌着し、電磁力支持部材を開口部が内径側に位置す
るように巻回したことにより、電磁力支持部材で電磁力
による拡張力は有効に支持されるという効果がある。ま
た、超電導導体間の接続をその端部の空間で行なうこと
が可能となり、コイルのグレーティングも容易となり安
価で信頼性が向上するという効果もある。さらに、交流
損失が減少し冷却熱負荷が減少するという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の一実施例を示し、第１
図（ａ）は一部断面概略斜視図、同図（ｂ）は同図（ｂ
）の一部断面図、第２図は数層外の一部断面図、第３ａ
図、第３ｂ図はそれぞれ他の実施例の一部断面図、第４
図はさらに他の実施例を示す一部断面図、第５図、第６
図、第７図は従来の超電導コイル装置を示し、第５図は
一部断面斜視図、第６図は第５図のものの一部斜視図、
第７図は結線図、第８図は従来の超電導導体の断面図、
第９図は従来の超電導コイル装置の使用例の概略断面図
である。 図において、（７）は超電導導体、（８）は超電導素線
、（１０）はコンジット、（１７）は電磁力支持部材、
（１８）は開口部である。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 第１図 （ａ （ｂ））

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超電導素線を束状に撚線し、周囲をコンジットで覆い、
   前記コンジット内部に冷媒を強制循環して超電導素線を
   冷却するコンジット型超電導導体を、電磁力支持部材の
   開口部に嵌着し、前記電磁力支持部材を前記開口部が内
   径側に位置するように巻回してなることを特徴とする超
   電導コイル装置。