JPH0510809B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は超電導コイルの冷却装置に係り、例え
ば核融合炉用超電ボロイダルコイルなどに好適な
強制冷却式超電導コイルの冷却装置に関する。

〔発明の背景〕

近年、第４図に示すような、超電導体フイラメ
ントを複数本銅やアルミニユウムのような安定化
材中に埋め込んだ複合多心超電導線２の複数本を
コンジツト（パイプ）３中に挿入し、コンジツト
３の内部空間を冷媒通路４として、超臨界圧ヘリ
ウムなどの冷媒を強制的に流して冷却する強制冷
却方式の超電導導体（以下これを導体と略称す
る）１が開発され、これを用いて超電導コイルを
製作する機運が高まりつつある。

この方式の超電導コイルは、冷媒が導体１すな
わちコンジツト３内を流れるため、コンジツト３
を電気的に絶縁することによつてコイルの耐電圧
特性を高めることができ、かつ浸漬冷却方式のよ
うにコイルを冷却（液体ヘリウム）中に浸漬する
ための冷媒容器を必要としないため、装置全体の
構成が単純となり、さらに冷媒を超電導線２の周
りに強制的に流すため、冷却特性が向上する、な
どの理由により、従来の浸漬冷却方式に取つて代
ろうとしている。そして、その応用としては高電
圧を発生する核融合炉用超電導ポロイダルコイル
などが考えられ、現在各所でその開発が進められ
ている。

ところで、この種導体を巻回して超電導コイル
を製作した場合、冷媒の流れ抵抗が著しく大きく
なるという問題が生じる。この冷媒の流れ抵抗
は、冷媒通路の断面積に反比例し、冷媒通路の長
さに比例するため、特に冷媒通路の断面積が小さ
く、かつ冷媒通路つまり導体の長さが長くなる
と、著しく大きくなり、冷媒を流通させることが
極めて困難になる。そのため、従来は導体を短か
くし、これと並列に冷媒を流通させる冷却方式が
採用される。

このような従来の冷却方式を第５図および第６
図に示す。導体１をソレノイド状または螺旋状に
巻回することによつて構成された強制冷却方式の
超電導コイル（以下これをコイルと略称する）５
は、初期冷却から超電導状態が保持できる温度ま
で、冷媒供給源（図示せず）から連続的に冷媒６
が圧送されて徐々に冷却される。コイル５での流
通圧力損失が小さい場合には、第５図に示すよう
に、冷媒通路４は１ルートで構成されるが、流通
圧力損失が大きい場合には、第６図に示すよう
に、冷媒通路４は複数の部分通路４Ａ，４Ｂ，…
……４Ｎに区分され、これらの各部分通路が互い
に並列に接続される。そして、いずれの場合に
も、電流７は励磁電源（図示せず）より１ルート
で供給される。なお、コイル５は一般には数百ｍ
〜数Kmの導体１の巻回からなり、その冷媒６の流
通圧力損失が大きいので、第６図の冷却方式が採
用される場合が多い。

また、このような強制冷却方式を採用した場合
には、前述したようにクライオスタツト（図示せ
ず）は、従来の浸漬冷却方式を採用した場合と違
つて、単なる真空容器となるため、他の冷媒、例
えば液体窒素で予冷することができない構造とな
る。したがつて、コイル５は常温から冷却が始め
られる。冷媒供給源から圧送される冷媒６は、そ
の温度が冷却の初期と終期で適切に選択される場
合もあるが、いずれにしても初期冷却時にはコイ
ル５を流通するうちにその温度が上昇して流れ抵
抗が著しく高くなり、冷媒供給源の供給圧力が上
限に達しても殆んど冷媒を流すことができず、冷
却に膨大な時間を必要とし、実験室的な時間尺度
では冷却不可能となる場合がある。そこで前述し
たように、冷媒通路を複数に区分して短かくし、
これらを互に並列に接続する冷却方式が採用され
るが、それでもコイル５が300K〜100Kの温度に
ある場合には、事情は幾分緩和されるものの、か
なりの冷却時間を必要とする。また、このような
並列接続の冷却方式を採用する場合には次のよう
な問題点も発生する。その第１点は、冷媒通路が
並列であるため冷媒供給源からの冷媒流量が増大
し、冷媒供給源の容量を大きくしなければならな
いので、直接コストアツプにつながる。第２点
は、並列接続された各冷媒通路の相互間で冷媒流
量のアンバランスが生じるため、これをバランス
させるための制御が必要となり、コイル５の運転
が複雑となる。さらに第３点は、コイル５を構成
している導体１の区分された各部分を冷媒６に対
して並列に、電流７に対して直列に接続するため
の分岐が多数必要となり、コイル製作上極めて厄
介な作業となるばかりでなく、コイルの信頼性を
も低下させる原因となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を
解決し、強制冷却方式の超電導コイルを効率よく
短時間に冷却し得る冷却装置を提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、本発明は、強制冷却
方式の超電導コイルと熱交換できるように熱交換
用冷媒通路を設けることにより、導体内部とは別
に導体外部からも間接的に冷却し得るようにした
ことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明す
る。

第１図は導体内部の冷媒通路４が１ルートで構
成されたコイルに適用した場合と実施例である。
導体１を巻回してなるコイル５と十分に熱交換可
能な状態でかつ導体内部の冷媒通路４と並列に、
導体外部からコイル５を間接的に冷却する熱交換
用冷媒通路８が設けられている。この熱交換用冷
媒通路８は、その流れ抵抗が冷媒通路４の流れ抵
抗よりもはるかに小さく形成されており、その入
口側にはバルブ９が設けられる。また、この熱交
換用冷媒通路８は、コイル５に対してその内部に
設置してもよいし、コイル５の表面に当接して設
置してもよい。さらに、その構造も、単なる管状
のもの、冷却フインのついた管状のもの、あるい
は冷媒６を貯めることができる容器状のものなど
を採用することができる。

このように構成された冷却装置では、初期冷却
時まずバルブ９を開いた状態で冷媒供給源から冷
媒６を圧送すると、コイル５は温度が高く、その
流れ抵抗が極めて大きいので、冷媒６は殆んどす
べてが熱交換用冷媒通路８に流入し、コイル５を
間接的に冷却する。これに伴つてコイル５は温度
が下り、その流れ抵抗が次第に小さくなつてくる
ので、冷媒６は導体内部の冷媒通路４側にも分流
するようになり、冷却が早められる。コイル５が
十分に冷却されて、その温度が50〜100Kになつ
たら、バルブ９を閉じて冷媒６をすべて冷媒通路
４に流す。これによりコイル５はその温度が急激
に下がり、コイル５を通電し得る状態、つまり超
電導状態にすることができる。なお、この実施例
において、バルブを熱交換用冷媒通路８だけでな
く、冷媒通路４の入口にも設けることができる。

また、第２図は導体内部の冷媒通路４が並列接
続された複数ルートで構成されたコイルに適用し
た場合の実施例である。第１図の実施例と同様に
１ルートの熱交換用冷媒通路８が設けられている
が、これを並列接続された複数ルートにすること
もできる。しかし、この複数ルートはできるだけ
小さい数にするのがよい。

第３図にその構造をより具体にした本発明の実
施例を示す。この実施例は、導体１をダブルパン
ケーキ状に巻回した例である。導体１の各ターン
間およびパンケーキ間は絶縁物１２で電気的に絶
縁されるとともに、パンケーキ間には銅、アルミ
ニユウムなどの熱良導体からなる冷却フイン１０
が絶縁された状態で挿入され、かつ冷却フイン１
０の外周に熱交換用冷媒通路８が螺旋状に巻回さ
れた状態で取り付けられた上、これらがボビン１
１に装着されている。

この第３図に示す超電導コイル５を試作し、熱
交換用冷媒通路８のない場合とある場合について
実験した結果の概略を説明する。

導体１として冷媒通路断面７mm角のコンジツ３
中に直径１mmの超電導線２を30本挿入して構成さ
れた第４図に示す構造の導体を用い、コイル内径
100mm、外径200mm、高さ200mm、巻数72ターンと
コイル５を製作した。また、冷媒供給源としては
コンプレツサと熱交換器を組合せたものを用い
た。最初、熱交換用冷媒通路８のない場合につい
て冷却実験を行なつたところ、常温から冷却を開
始し、導体１内に超臨界圧ヘリウムが流れるよう
になるまでに18時間かかり、そして熱交換器内で
使用する液体ヘリウムは1500を消費した。これ
に対して、熱交換用冷媒通路８と冷却フイン１０
を第３図のように設けた場合について冷却実験を
行なつたところ、時間は６分の１に短縮され、液
体ヘリウムの消費量は10分の１に低減することが
できた。

なお、第３図の実施例では、導体１をパンケー
キ状に巻回しているため、冷却フイン１０をコイ
ル５の巻軸に対して直交するように配置している
が、導体１をソレノイド状に巻回した場合には、
冷却フイン１０をコイル５の巻軸に対して平行に
配置し、その外部突出端に熱交換用冷媒通路８を
渦巻状に巻回した状態で取り付ければよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、導体内
部に冷媒通路を有する強制冷却方式の超電導コイ
ルと熱交換できるように熱交換用冷媒通路を設け
て、導体内部とは別に導体外部からも間接的に冷
却し得るようにしたので、強制冷却方式の超電導
コイルを効率よく短時間に冷却することができ
る。その結果、例えば初期冷却時間を著しく短縮
し、また冷却に要する冷媒の消費量も大幅に節減
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ異なる本発明の
各実施例に係る冷却装置の基本構成を示す系統
図、第３図は本発明の一実施例に係る冷却装置の
具体的構成を示す断面図、第４図は強制冷却超電
導導体の断面図、第５図および第６図はそれぞれ
異なる従来の強制冷却式超電導コイルの冷却装置
の基本構成を示す系統図である。 １……導体、４……導体内部の冷媒通路、５…
…超電導コイル、６……冷媒、８……熱交換用冷
媒通路、９……バルブ、１０……冷却フイン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導体内部に冷媒通路を有する超電導導体を巻
   回してなる超電導コイルにおいて、この超電導コ
   イルと熱交換できるように熱交換用冷媒通路を設
   けたことを特徴とする超電導コイルの冷却装置。 ２ 導体内部に冷媒通路を有する超電導導体を巻
   回してなる超電導コイルにおいて、前記超電導導
   体の複数ターンと伝熱的に接触する冷却フインを
   設け、この冷却フインに熱交換用冷媒通路を伝熱
   的に接続したことを特徴とする超電導コイルの冷
   却装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の超電導コイルの
   冷却装置において、前記熱交換用冷媒通路を流通
   する冷媒の流量を制御する手段を設けたことを特
   徴とする超電導コイルの冷却装置。