JPH0715121Y2 - 超電導コイル - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は、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６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、1A,1B,1C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）5A,5B等が形成される。

また、金属プレート1Bを介して互いに隣接するコイル5
A,5Bはその内周側で金属プレート1B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が図示しないポロ
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７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中に多数条の合金系超電導線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を
流すことにより超電導線14の超電導性が保持される。

トロイダル磁界を発生させるためには、超電導コイル10
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，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
線14の占積率が低下し、その分発生するトロイダル磁界
10の磁束密度が低下する。

かかる磁束密度の低下を回避するために、各相超電導コ
イル5A,5B等を挟む一対の金属プレートの一方を外周側
渡り部に導電接続し、他方の金属プレートを内周側渡り
部に導電接続し、金属プレートに電位を与えることによ
って各相超電導コイルと金属プレートとの間の電位差を
各相超電導コイル１層分の電圧にまで低減し、これによ
り超電導コイルの絶縁被覆を薄くするとともに、金属プ
レート間にも各相コイル１層分の電位差に耐えるプレー
ト間絶縁層を設けたものが本件出願人等によってすでに
提案されている。また、プレート間絶縁層としては、金
属プレート間にあらかじめ介装された熱硬化性能樹脂含
浸ガラス繊維ひもを加熱硬化処理したもの、あるいは金
属プレート間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リシートとの重ね材
を熱硬化処理したもの、さらにはプラスチック成形材を
介装したものなどが提案されている。

〔考案が解決しようとする課題〕

超電導線材として従来の合金系超電導線材に比べて温度
の臨界値Tcが高い化合物系超電導線材，例えばニオブ３
すず，バナジウム３ガリウム等を使用することが多くな
っている。

ニオブ３すず（Nb₃Sn），バナジウム３ガリウム（V₃G
a）等の細線を銅あるいはアルミニウム等のコンジット
パイプ中に収納してなる化合物系超電導線材は、未反応
の超電導線を500ないし1000℃の高温で熱処理すること
により細線部分に超電導化合物が生成し、超電導線とし
ての機能が生ずるものであるが、このようにして生成し
た超電導化合物は機械的にもろく、巻線加工等において
線材に曲げ応力が加わることにより細線が破断したり、
あるいは超電導特性が低下するなどの不都合を生ずるた
めに、未反応の超電導線材を用いてコイルを形成し、し
かる後熱処理を行なって超電導性を賦与する必要があ
る。

ところで、あらかじめ樹脂含浸されたひもやシートを金
属プレート間に介装し、これを加熱硬化処理することに
よってプレート間絶縁層を形成する従来技術では、500
℃を超える化合物系超電導線材の熱処理によって樹脂が
劣化または熱分解してしまい、層コイル一層分の電圧
（例えば数KVオーダ）に耐えるプレート間絶縁層または
超電導コイル導体の絶縁被覆を得られないという問題が
発生する。

この考案の目的は、超電導コイル導体の熱処理による含
浸樹脂の熱劣化を回避し、耐電圧性能の優れた絶縁層を
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、この考案によれば、平板リ
ング状に形成された金属プレトの積層体と、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
からなり，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トロ
イダルコイルと、前記金属プレート相互を電気的に絶縁
するプレート間絶縁層とを備え、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た
ものにおいて、前記絶縁被覆およびプレート間絶縁層と
してシランカップリング剤処理された耐熱ガラス布を超
電導線および金属プレートの積層面にあらかじめ施し、
熱硬化性合成樹脂を真空含浸，加熱硬化することにより
前記絶縁被覆およびプレート間絶縁層が一体化してなる
絶縁層を備えてなるものとする。

〔作用〕

この考案の構成によれば、シランカップリング剤処理さ
れた耐熱ガラス布からなるテープまたはシートを用いて
トロイダルコイルの絶縁被覆およびプレート間絶縁層の
基材層をあらかじめ形成しておき、金属プレートの積層
面の端から基材層に熱硬化性合成樹脂を真空含浸し、加
熱硬化することにより、絶縁被覆とプレート絶縁層が一
体化した絶縁層を形成するよう構成したことにより、熱
硬化性合成樹脂の真空含浸処理に先立って金属プレート
の積層体を500℃を超える温度に加熱して化合物系超電
導線の熱処理を行えば、その後真空含浸される熱硬化性
合成樹脂の硬化物を熱劣化させることなく耐電圧性能の
優れた絶縁層を得ることができる。

〔実施例〕

以下この考案を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの考案の実施例になる超電導コイルの断面
図、第２図は実施例になる超電導コイルの絶縁層部分を
拡大して示す断面図、第３図は実施例における樹脂含浸
状態を示す断面図である。第１図において、トロイダル
コイルは、5A,5B2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組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5
A,5B等は1Aから1C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組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の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のコイル
５の一方のコイル5Aについてみると、層コイル5Aと金属
プレート1A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V/nと等しく、コイル5Aと金属プ
レート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20KVからその1/
6に相当する3.3KVに低減されることになる。31は上記電
圧に耐えるよう形成された絶縁層であり、その拡大断面
図を第２図に示すように、超電導コイル導体33は熱処理
前の化合物超電導線材を含む状態で、シランカップリン
グ剤処理された耐熱ガラステープ（幅30mm,厚み0.2mm）
を1/2重ねで２層巻きし、絶縁被覆の基材層32を形成す
る。また、うず巻き状のコイル収納溝を有する金属プレ
ート1A,1B等１の表面にはコイル収納溝４を含む積層面
全体を覆う厚み0.2mmの耐熱ガラスシートからなるプレ
ート間絶縁の基材層34A,34B等34があらかじめ装着さ
れ、コイル収納溝４に超電導コイルを収納した状態で金
属プレートの積層面に図示しない絶縁ボルトを用いて押
圧荷重を加えることにより、一体化した超電導コイル，
例えばトロイダルコイルが形成される。なお、耐熱ガラ
ステープまたはシートは２酸化けい素（SiO₂）を65％，
アルミナ（Al₂O₃）を23％含むＳクラスのガラス繊維を
平織りしたものが用いられる。

組み立てを終了したトロイダルコイルは熱処理炉に収納
され、温度650℃の不活性ガス雰囲気中で200時間程度加
熱処理することにより、超電導コイル導体33中の化合物
超電導線に超電導性が与えられる。熱処理を終了したト
ロイダルコイルには真空雰囲気中で金属プレートの積層
面の端から熱硬化性合成樹脂36が真空含浸され、熱硬化
処理されることにより、基材層32および34が含浸樹脂36
の硬化物によって一体化された絶縁層31が形成される。
熱硬化性合成樹脂としてエポキシ樹脂組成物，例えば日
本チバガイギー社製商品アラルダイトGY250にハードナ
ーHY918,および促進材DY-063をそれぞれ所定量添加した
ものを用いた場合、真空含浸地40℃で３気圧の窒素ガス
加圧を行い、その後150℃16時間の加熱硬化処理を行う
ことにより、絶縁層31にはその分担電圧3.3KVに充分耐
える耐電圧性能が与えられる。なお、樹脂含浸は第３図
に示すように、金属プレートの積層体１の外周側，内周
側に排気金型51および含浸金型52を気密に装着し、排気
口51Aを排気系に接続して真空排気を行い、注入口52Aか
ら含浸樹脂を注入することによって行うことができる。

このようにして得られた絶縁層31は、耐熱ガラス布から
なる基材層32および34が化合物超電導線の熱処理温度65
0℃に充分耐える優れた耐熱性を持ち、かつ熱処理修了
後に熱硬化性合成樹脂を真空含浸することによって樹脂
硬化物の熱劣化を回避できるとともに、シランカップリ
ング剤処理されたガラス繊維と樹脂硬化物とがよく接着
してき裂やポイドを含まない繊維強化プラスチック絶縁
層を形成するので、耐電圧性能および熱安定性に優れた
絶縁層を備えた超電導コイルとしてのトロイダルコイル
を得ることができる。

第４図はこの考案の異なる実施例になるプレート間絶縁
層を示す平面図、第５図はその側面図であり、プレート
間絶縁の基材44を基材としての耐熱ガラスシートに少量
の熱硬化性合成樹脂をあらかじめ含浸してコイル収納溝
に相応する湾曲部44Bを有する台形状に型加工してお
き、これを金属プレートの表面に境界面が重ならないよ
う２層重ねで配置して基材層を形成するよう構成した点
が前述の実施例と異なっている。この場合、耐熱ガラス
テープからなる絶縁被覆基材層32を有する各層コイルを
あらかじめ熱処理しておき、これをプレート間絶縁の基
材44を並べた金属プレートのコイル収納溝に収納して組
み立てを行い、その後熱硬化性合成樹脂の真空含浸およ
び熱硬化処理を行うことにより、前述の実施例と同様な
絶縁層を得ることが可能であり、プレート間絶縁の基材
層の形成およびコイルの収納作業を容易化できる利点が
得られる。なお、この実施例ではプレート間絶縁の基材
44が熱処理温度である650℃といった高温にさらされる
ことがないので、基材としてポリイミド繊維布を使用す
ることも可能であり、またガラス繊維とポリイミト繊維
の複合材を使用することも可能である。

4.考案の効果 この考案は前述のように、超電導コイル導体の絶縁被覆
およびコイルを挟持する金属プレートの積層面にシラン
カップリング剤処理した耐熱ガラス布からなる基材層を
あらかじめ施し、熱硬化性合成樹脂を真空含浸，加熱硬
化することにより絶縁被覆およびプレート間絶縁層が一
体化した絶縁層を形成するよう構成した。その結果、超
電導コイル導体に化合物系超電導線材を用いた場合必要
な500℃を超える高温の熱処理を、熱硬化性合成樹脂を
真空含浸する前に行うことが可能となり、したがって含
浸樹脂の硬化物に及ぼす熱影響を回避できるとともに、
シランカップリング剤処理された耐熱ガラス布の優れた
耐熱性および含浸樹脂との接着性とにより、耐電圧性能
の優れた超電導コイルを提供することができる。また、
トロイダルコイルを挟持する金属プレートに電位を与
え、絶縁層に加わる電圧を低減することにより、絶縁層
の耐電圧性能の向上効果と分担電圧の低減効果との相乗
効果により、絶縁層の厚みの縮小が可能となり、発生磁
束密度の高いトロイダルコイルを提供できる利点が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の実施例になる超電導コイルの断面
図、第２図は実施例になる超電導コイルの絶縁層部分を
拡大して示す断面図、第３図は実施例における樹脂含浸
状態を示す断面図、第４図はこの考案の異なる実施例に
なるプレート間絶縁層（基材層）を示す平面図、第５図
は第４図の側面図、第６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断面図、第７図は超電導コイル
導体を示す断面図である。 １……金属プレートの積層体、1A,1B,1C……金属プレー
ト、5A,5B……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……コンジットパイプ、
14……超電導線、17……外周側渡り部、21,22……給電
部、30……絶縁ボルト、31……絶縁層、32……絶縁被覆
（基材層）、34A,34B,34,44……プレート間絶縁層（基
材層）、36……熱硬化性合成樹脂（組成物）、51……排
気金型、52……含浸金型、100……トロイダル磁界、110
……ポロイダル磁界。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項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からなり，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
   列接続されてなるトロイダルコイルと、前記金属プレー
   ト相互を電気的に絶縁するプレート間絶縁層とを備え、
   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たものにおいて、前記絶縁被覆およ
   びプレート間絶縁層としてシランカップリング剤処理さ
   れた耐熱ガラス布を超電導線および金属プレートの積層
   面にあらかじめ施し、熱硬化性合成樹脂を真空含浸，加
   熱硬化することにより前記絶縁被覆およびプレート間絶
   縁層が一体化してなる絶縁層を備えたことを特徴とする
   超電導コイル。