JPH0719691B2 - 超電導コイル - Google Patents

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３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。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
ートの積層体からなる剛性の高いコイル支持体１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を互いに接続する外周側渡り部によって直
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
複数個取り付けられ、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４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に励磁電
流を供給するが、この励磁電流を遮断する際、通常20KV
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中の超電導線14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、前記金属プレートの積層面に押圧挟持され
た熱硬化性樹脂含浸ガラス繊維ひもの硬化物からなり一
対の金属プレートを相互に絶縁するプレート間絶縁層を
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、熱硬化性樹脂含浸されたガ
ラスひも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て金属プレート間の隙間を
埋めた状態で熱硬化性樹脂を加熱硬化することにより、
熱硬化樹脂により隙間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。

〔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，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。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5A,5B等は1A
から1G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渡り部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絶縁層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
ロイダル磁界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、プレート間絶縁層について説明する。

第２図は実施例プレート間絶縁層を示す要部の拡大断面
図であり、層コイル5Aを挟む一対の金属プレート1A,1B
の内周側部分を例に示したものである。図において、各
金属プレートのコイル収納溝４相互間は曲率半径r₁なる
湾曲した積層面44として形成され、また締付ボルトが貫
通する金属プレートの内周縁，外周縁にも曲率半径r₂な
る湾曲面を含む積層面45が形成される。プレート間絶縁
層40は、コイル収納溝４間の湾曲した一対の積層面44間
の絶縁層41および金属プレート周縁部のフラット面を有
する一対の積層面45間の絶縁層42とからなり、コイル収
納溝４に沿って渦巻状に形成される。

プレート間絶縁層40の形成方法としては、ガラス系（例
えば日東紡社製，型番RS240PE,30本より）複数本に熱硬
化性樹脂としてポリイミド樹脂ワニス（宇部興産社製，
商品名Ｕ−ワニスＳタイプ）を含浸し、これを所要本数
束ねてひも状とした素材を用い、例えば金属プレート1B
のコイル収納溝４に層コイル5Aを収納した状態で上記ひ
も状の素材を積層面44および45に沿って渦巻状に配設
し、その上に金属プレート1Aを載せる。このようにして
積層されたコイル支持体１には第１図に示すように絶縁
被覆された締付ボルト30によってその積層面に所定の締
付荷重が加えられる。この締付荷重によって賦型性のよ
いひも状の素材は押しつぶされ、一対の金属プレート1
A,1Bのコイル収納溝４に超電導コイル導体が嵌合した状
態で絶縁層40の最小厚みｔが保持されるとともに、賦型
性のよいひも状の素材およびこれからしみ出たポリイミ
ド樹脂ワニスがコイル溝４と絶縁被覆12との間のくさび
状の隙間等をうずめるので、組立てられた超電導トロイ
ダル磁場コイル全体を硬化炉に収容して例えば230℃４
時間程度の加熱硬化処理を行うことにより、ボイドや空
隙等の欠陥を含まず，つかコイル導体の絶縁被覆層12と
一体化されたプレート間絶縁層40を得ることができる。
なお、ひも状の素材に含まれるガラス糸の本数は絶縁層
41および42の断面積を考慮してあらかじめ決められる
が、周縁部分の絶縁層42については素材のガラス糸本数
に余裕を持たせ、外側に押し出された部分45Aを硬化前
または硬化後に整形加工して気中沿面距離を増大するよ
う構成すれば、耐電圧性能の優れたプレート間絶縁層40
が容易に得られるとともに、金属プレートおよび層コイ
ルがプレート間絶縁層およびしみ出したポリイミド樹脂
の硬化物によって相互に接着されるので、機械的に強固
で熱伝導性にも優れたトロイダル磁場コイルを得ること
ができる。

〔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の積層面を熱硬化性樹脂
含浸ガラス繊維ひもの硬化物からなるプレート間絶縁層
により絶縁するよう構成した。その結果、パンケーキ巻
きコイル状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からコイル層数分の一に低減さ
れ、これに基づいてコイル導体の絶縁被覆厚みが縮小さ
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
きる超電導トロイダル磁場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を熱硬化性樹脂含浸ガ
ラス繊維ひもの押圧硬化物で構成したことにより、金属
プレート相互間および金属プレートとコイル導体の絶縁
被覆との隙間がプレート間絶縁層によってほぼ完全に埋
められて優れた耐電圧性能が得られるとともに、熱硬化
性樹脂によって金属プレートおよびパンケーキ巻きコイ
ルが相互に強固に接着されて機械的，熱的に優れた性能
を有する超電導トロイダル磁場コイルを提供することが
できる。さらに、金属プレートの積層面を湾曲面とする
ことによってコイルの絶縁被覆とプレート間絶縁層の境
界面や金属プレート端面の絶縁を強化でき、かつプレー
ト間絶縁層の厚みはその分コイル収納溝の深さを浅くす
ることによって吸収できるなどの利点が得られる。

【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
実施例プレート間絶縁層を示す要部の拡大断面図、第３
図は従来装置を示す斜視断面図、第４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）、1A,1B,1C:
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、12:絶縁被覆層、17:外周側接続部（渡
り部）、21,22:給電部、30:締付ボルト、40,41,42:プレ
ート間絶縁層、44,45:湾曲した積層面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、前記金属プレートの積
   層面に押圧挟持された熱硬化性樹脂含浸ガラス繊維ひも
   の硬化物からなり一対の金属プレートを相互に絶縁する
   プレート間絶縁層を備え、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てなる
   ことを特徴とする超電導コイル。