JPH07169617A

JPH07169617A - 超電導コイルの冷却構造

Info

Publication number: JPH07169617A
Application number: JP31361793A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Shinohara; 裕文篠原; Shoichi Mizumaki; 祥一水牧
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-12-14
Filing date: 1993-12-14
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】【目的】支持枠に複雑な溝開け加工を施すことなく、且
つ溝加工により板材の強度が低下するのを防止するとと
もに、流路の構成を簡略化すること。【構成】複数のコイル導体１２から構成された強制冷却
型超電導コイル本体１と、複数のコイル導体１２を束ね
る支持枠４，５，６と、この支持枠４，５，６の内側お
よび超電導コイル本体１の外側とそれぞれ接する伝熱金
属板１０と、この伝熱金属板１０と熱的に接触し直線状
の往復経路をなす冷媒流路９とを備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は核融合装置，超電導エネ
ルギー貯蔵装置などの装置において超電導導体を用いた
超電導コイルに係り、特に超電導コイルの支持枠やコイ
ルケースを冷却する超電導コイルの冷却構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】核融合装置，超電導エネルギー貯蔵装置
などの装置では、大型の超電導コイルを用いることによ
り、装置自体の発生ロスを減らし、効率よくエネルギー
を発生したり、または貯蔵したりしている。このために
は安定で信頼性の高い超電導コイルを製作する必要があ
る。

【０００３】超電導コイルが大型化すると、コイルにか
かる電磁力は強大なものとなり、その機械的な支持が問
題となる。また、高精度の磁場を発生させる必要のある
トカマク型，ヘリカル型，あるいはミラー型などの磁気
閉じ込め型核融合装置では、単にコイルが電磁力に耐え
るだけではなく、コイル通電中におけるコイルの変形が
小さくなるように、十分な剛性をコイル自体に持たせる
か、または外部から強固な支持を行う必要がある。

【０００４】そして、コイル自体の剛性を高め、変形し
にくいコイルを得るためには、金属製のコンジットの中
に多数の細い超電導素線を収納し、コンジット内に超臨
界ヘリウムなどの冷媒を強制的に流通させる強制冷却型
の導体が開発されており、その適用例が増加する傾向に
ある。

【０００５】ここで、強制冷却型導体を用いて超電導コ
イルを作成する場合には、コイルを２つの渦巻形に巻い
たコイル（以下、パンケーキコイルという。）を重ねて
ダブルパンケーキコイルとし、このダブルパンケーキコ
イルを１単位としてこれを１個または複数個組み合わせ
て構成する方法が多く採られている。

【０００６】図５（Ａ），（Ｂ）は強制冷却型の超電導
コイルの構成を示す平面図，正面図である。同図
（Ａ），（Ｂ）に示すように、超電導コイル本体１は複
数個のダブルパンケーキコイル３を重ねて構成され、支
持枠２によりその全体が束ねられている。また、支持枠
２は外部の支持構造と機械的に取り合って超電導コイル
本体１を支持し、超電導コイル本体１の位置精度を確保
する作用をなす。

【０００７】超電導コイル本体１を通常の外気温度から
超電導状態を維持するための低温まで冷却するには、強
制冷却コイルの導体の中に液体ヘリウム，超臨界ヘリウ
ムなどの冷媒を流通させて内部から冷却する必要があ
る。

【０００８】一方、支持枠２の材料としては、ステンレ
ス鋼、その他の非磁性の金属が用いられており、支持枠
２は超電導コイル本体１にかかる大きな電磁力や温度変
化に伴う熱応力を支える必要があるので、厚さ方向およ
び周方向の寸法が大きなものとなり、その熱容量も大き
い。そのため、支持枠２自体の冷却を十分に行わない
と、超電導コイル本体１が冷却されても、支持枠２から
超電導コイル本体１に熱が伝達され、超電導コイル本体
１の超電導状態を維持できないので、支持枠２を十分冷
却する必要がある。

【０００９】図６（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ従来の超電
導コイル用支持枠の冷却構造を示す斜視図である。同図
（Ａ）では、支持枠上板４および支持枠下板６にそれぞ
れ冷却管７を蛇行して取り付け、この冷却管７の中に液
体ヘリウムなどの冷媒を流通させて支持枠上板４および
支持枠下板６を冷却する。また、支持枠側板５は支持枠
上板４および支持枠下板６に溶接固定され、これら支持
枠上板４および支持枠下板６からの熱伝導で冷却され
る。

【００１０】また、同図（Ｂ）では、支持枠側板５にも
冷却管７を取り付け、支持枠上板４および支持枠下板６
からの間接的な冷却ではなく、支持枠側板５自体に取り
付けた冷却管７により支持枠側板５を直接冷却するよう
にしている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６
（Ａ），（Ｂ）に示す超電導コイル用支持枠の冷却構造
では、いずれも冷却管７の取り付け時、支持枠の板材に
冷却管７埋め込み用の溝を形成し、この溝内に冷却管７
を埋め込むようにしている。この溝は板材への熱伝導を
良好にするため、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように蛇行
した経路とする必要がある。このような溝を形成するこ
とは、板材に対する加工工数が増え、また強大な電磁力
や熱応力を支える支持枠の板材に溝を形成するため、支
持枠は十分な剛性が得られなくなる問題点がある。

【００１２】また、図６（Ａ），（Ｂ）に示すような冷
却管７の経路を用いると、冷却系統として無視できない
冷媒圧損を生じ、超電導コイル本体１の冷却経路とは別
に経路をとる必要性が生じるなど、冷却系の流量設計が
複雑化する不具合も発生する。

【００１３】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、支持枠に複雑な溝開け加工を施すことなく、且
つ溝加工により板材の強度が低下するのを防止するとと
もに、流路の構成を簡略化した超電導コイルの冷却構造
を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の請求項１は、複数のコイル導体から構
成された強制冷却型超電導コイル本体と、上記複数のコ
イル導体を束ねる支持枠と、この支持枠の内側および上
記超電導コイル本体の外側とそれぞれ接する伝熱金属板
と、この伝熱金属板と熱的に接触し直線状の往復経路を
なす冷媒流路とを備えたことを特徴とする。

【００１５】また、請求項２は、請求項１記載の支持枠
に代えてコイルケースを備えたことを特徴とする。

【００１６】さらに、請求項３は、請求項１または２記
載の伝熱金属板が、上記超電導コイル本体のコイル誘導
電流を切る方向に不連続であることを特徴とする。

【００１７】

【作用】上記の構成を有する本発明の請求項１において
は、支持枠の内側および超電導コイル本体の外側とそれ
ぞれ伝熱金属板が接し、この伝熱金属板と熱的に接触す
る冷媒流路が直線状の往復経路をなすことにより、冷媒
流路に流れる冷媒が伝熱金属板を介して支持枠から熱を
有効に奪ってこれらを冷却し、且つ冷媒流路の長さが最
短距離となって冷媒圧損を最低限に抑えることができ
る。

【００１８】また、支持枠に複雑な溝開け加工を施すこ
となく、溝加工による板材の強度の低下を極力防止する
ことができる。このような支持枠に適用する以外に、請
求項２に記載したようにコイルケースに適用しても同様
の作用をなす。

【００１９】また、請求項３においては、伝熱金属板が
超電導コイル本体のコイル誘導電流を切る方向に不連続
であるため、超電導コイル本体からの誘導電流の発生を
防止することができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００２１】図１は本発明に係る超電導コイルの冷却構
造の一実施例を示す斜視図である。なお、従来の構成と
同一または対応する部分には図５および図６と同一の符
号を用いて説明する。

【００２２】図１に示すように、支持枠上板４、支持枠
下板６および支持枠側板５と、強制冷却型の超電導コイ
ル本体１との間には、冷媒流路としての冷却管９および
伝熱金属板としてのアルミニウム板１０が互いに熱的に
接した状態で挟装されている。

【００２３】冷却管９は、図２に示すようにＵ字状に湾
曲形成することにより直線状の往復経路とし、流路長を
最短に形成する一方、アルミニウム板１０は支持枠上板
４および支持枠下板６の幅方向両端からそれぞれコ字状
に折曲形成することで、支持枠上板４，支持枠下板６の
みならず、支持枠側板５とも熱的に接する状態とする。

【００２４】また、アルミニウム板１０は連続した一枚
の板ではなく、複数個に分割構成されるとともに、折曲
形成した板を互いに対向させ超電導コイル本体１の軸方
向に複数並設されている。

【００２５】図３は超電導コイル本体１と支持枠を含む
詳細を示す断面図である。図３に示すように、超電導コ
イル本体１のコイル導体１２は、２段分で１組のダブル
パンケーキコイルを示す。したがって、図３に示す超電
導コイル本体１は複数（５組）のダブルパンケーキコイ
ルを重ね合わせて構成されている。この超電導コイル本
体１の最外部は対地絶縁層１３により巻回され、この対
地絶縁層１３の外側にはアルミニウム板１０が絶縁材１
１を介して上下に配置されている。

【００２６】アルミニウム板１０には冷却管９が冷却管
押え１４により係止され、これら冷却管９および冷却管
押え１４は、支持枠上板４および支持枠下板６にそれぞ
れ形成された溝１５の内部に収納・保護される。超電導
コイル本体１を含みこれら全体を、溶接部１６で互いに
固定された支持枠上板４，支持枠下板６および支持枠側
板５が覆って束ねており、支持枠上板４，支持枠下板６
および支持枠側板５の各内側はアルミニウム板１０と接
触しており、熱的、機械的に面同士で接している。

【００２７】次に、本実施例の作用について説明する。

【００２８】超電導コイル本体１の対地絶縁層１３と、
支持枠上板４，支持枠下板６および支持枠側板５との間
にアルミニウム板１０が挟装され、このアルミニウム板
１０に冷却管９が熱的に接触しているため、冷却管９に
流れる冷媒がアルミニウム板１０を介して支持枠上板
４，支持枠下板６および支持枠側板５から熱を有効に奪
ってこれらを冷却することができる。

【００２９】また、冷却管９は直線状の往復経路に形成
されているため、冷却管９の長さが最短距離となって冷
媒圧損を最低限に抑えることができる。そして、支持枠
上板４および支持枠下板６にそれぞれ形成された溝１５
は、支持枠上板４および支持枠下板６の長手方向に２条
形成されることから、板材の加工が容易になり、且つ板
材の強度の低下を防止することができる。

【００３０】さらに、アルミニウム板１０は複数個に分
割構成され、超電導コイル本体１のコイル誘導電流を切
る方向に不連続とされているため、超電導コイル本体１
からの誘導電流の発生を防止することができる。

【００３１】なお、上記実施例では、アルミニウム板１
０に冷却管９が冷却管押え１４により固定されていた
が、冷却管９自体をアルミニウム製とし、アルミニウム
板１０に冷却管９を直接溶接すれば、冷却管９とアルミ
ニウム板１０との熱伝導率を一段と良好にすることがで
きる。そして、上記実施例では、伝熱金属板としてアル
ミニウム板１０を用いたが、これ以外に熱伝導率の良好
な銅などを使用してもよい。

【００３２】また、上記実施例では、超電導コイルとし
て核融合装置、超電導エネルギー貯蔵装置などで用いら
れる円環状のコイルと扇形状の支持枠を例にして説明し
たが、それ以外の例えば加速器などで使用される他の形
状のコイルと支持枠を用いた場合でも同様の効果を得る
ことが可能である。

【００３３】ところで、本発明は超電導コイルの支持枠
のみではなく、導体の外側全体を覆うようなコイルケー
スについても上記実施例を適用すれば、同様の効果を得
ることが可能である。

【００３４】すなわち、図４は例えばミラー型核融合装
置に用いられる野球ボールの縫い目状をなす超電導コイ
ルのコイルケースを示す斜視図である。図４に示すコイ
ルケース１７は平面矩形状のものを正面コ字状に屈曲さ
せた形状を成し、コイルケース１７の内側に図１に示す
実施例と同様の冷却構造を適用することにより、良好な
冷却特性を備えたコイルケースを得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
によれば、支持枠の内側および超電導コイル本体の外側
とそれぞれ伝熱金属板が接し、この伝熱金属板と熱的に
接触する冷媒流路が直線状の往復経路をなすことによ
り、従来例のように支持枠に複雑な溝開け加工を施すこ
となく、加工工数を削減し、且つ溝加工による板材の強
度の低下を極力防止することができる。また、冷媒流路
の長さが最短距離となって冷媒圧損を最低限に抑えるこ
とができ、流路の構成が簡略化される。なお、本発明の
請求項２に記載したコイルケースに適用しても同様の効
果が得られる。

【００３６】さらに、請求項３によれば、伝熱金属板が
超電導コイル本体のコイル誘導電流を切る方向に不連続
であるため、超電導コイル本体からの誘導電流の発生を
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超電導コイルの冷却構造の一実施
例を示す斜視図。

【図２】図１の実施例における冷却管およびアルミニウ
ム板を示す斜視図。

【図３】図１の実施例における超電導コイル本体と支持
枠を含む詳細を示す断面図。

【図４】本発明を適用する超電導コイルのコイルケース
を示す斜視図。

【図５】（Ａ），（Ｂ）は強制冷却型の超電導コイルの
構成を示す平面図，正面図。

【図６】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ従来の超電導コイル
用支持枠の冷却構造を示す斜視図。

【符号の説明】

１超電導コイル本体４支持枠上板５支持枠側板６支持枠下板９冷却管（冷媒流路）１０アルミニウム板（伝熱金属板）１１絶縁材１２コイル導体１３対地絶縁層１４冷却管押え１５溝１６溶接部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のコイル導体から構成された強制冷
却型超電導コイル本体と、上記複数のコイル導体を束ね
る支持枠と、この支持枠の内側および上記超電導コイル
本体の外側とそれぞれ接する伝熱金属板と、この伝熱金
属板と熱的に接触し直線状の往復経路をなす冷媒流路と
を備えたことを特徴とする超電導コイルの冷却構造。
【請求項２】上記支持枠に代えてコイルケースを備え
たことを特徴とする請求項１記載の超電導コイルの冷却
構造。
【請求項３】上記伝熱金属板は、上記超電導コイル本
体のコイル誘導電流を切る方向に不連続であることを特
徴とする請求項１または２記載の超電導コイルの冷却構
造。