JPS61179508A - 強制冷却超電導コイル装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は強制冷却超電導導体を用いたコイル装置に係り
、特にコイル冷却に関する。

〔発明の背景〕

金属性コンジット中に多数の細い複合超電導材（複数本
の超電導フィラメントを綱やアルミニウムのように電気
的および熱的に良週体である安定化材中に埋込んだもの
）を撚合せて挿入した強制冷却超電導導体が開発され、
この超電導導体を巻回した超電導コイルが提案されてい
る。この超電導コイルは、冷媒（例えば超臨界圧ヘリウ
ム）を超電導導体のコンジット内に流して超電導材を冷
却するものであるため、超電導コイルを冷媒に浸して冷
却する浸漬冷却方式のように冷媒槽をもつ極低温容器（
クライオスタット）を備える必要がなく、単なる真空容
器（中間温度の熱輻射シールドを有する場合もある）を
備えれば足りる利点がある。

また、浸漬冷却方式に比較して超電導コイルの耐電圧設
計が容易となり、更に冷媒が超電導材に直接触れてこれ
を冷却するので冷却特性も優れたものとなる。

このようなことから、高電圧を発生する核融合炉用超電
導ポロイダルコイルには強制冷却超電導コイル方式が有
利である。

以下図面を参照して具体的に説明する。第２図は強制冷
却超電導導体の典型的な例を示すもので、この超電導導
体１は、金属（主にステンレス鋼）のコンジット（パイ
プ）２の内部に多数の複合超電導導線３を撚合せたもの
を挿入し、その間隙を冷媒を流す流路４としたものであ
る。図示例のコンジット２の断面形状は角形であるが、
丸形やその他の形状も考えられる。

この超電導導体１を用いて構成した超電導コイルにおい
て、冷却効果を高めるためには流路４における冷媒の流
動抵抗が小さいことが必要である。

しかしながら、実際には流動抵抗が著しく大きくなる傾
向にあり、更に冷却初期には超電導導体１が常温である
ために冷媒は気化してガス状態となることから流動抵抗
が大きくなり、従って十分な量の冷媒をこの流路４に流
すことが極めて困難になる。従って、これまで、超電導
導体を装置の性能に見合った長さに分割して各分割部分
に並列的に冷媒を流す方式が提案されている。しかし、
この方式は超電導コイルへの冷媒流出口が多くなり構造
が複雑になる欠点があった。

次に、第３図を参照してこの種の強制冷却超電導コイル
装置の冷却系を説明する。圧縮機５と純ヘリウムガスボ
ンベ６とバルブ７は圧力源８を構成する。冷却用液体窒
素によってヘリウムを８０に程度まで冷却する液体窒素
槽９と、ヘリウムを５に程度まで冷却する液体ヘリウム
槽１０と、この液体ヘリウム槽１０から前記圧縮機５へ
の戻りガスでヘリウムを冷却する熱交換器１１と、超電
導コイル装置からの戻りヘリウムに含まれているガスを
液化して前記液体ヘリウム槽１０へ戻すジュール・トム
ソン弁１２と、これらを収容する真空槽１３は熱交換部
１４を構成する。なお、液体窒素槽９内の液体窒素およ
び液体ヘリウム槽１０内の液体ヘリウムは外部系より定
量を保つように補給される。

超電導コイル装置１５は、前述した強制冷却超電導導体
を巻回して構成した超電導コイル１６が真空容器１７内
に収納されて成り、この超電導コイル１６は、電気的に
は励磁電源１８に接続され、また冷却のためのヘリウム
が冷媒移送管１９ａ、１９ｂによって供給される。

以上の冷却系において、超電導コイル１６を冷却する冷
媒であるヘリウムの流れは次のようになる。

ヘリウムガスは圧縮機５で圧縮され液体窒素槽９で８０
Ｋまで冷却され、更に熱交換器１１で戻りガスにより冷
却されて液体ヘリウム槽１０に至る。ここで約５Ｋまで
冷却されて超臨界圧ヘリウム（２，２６気圧以上、５．
２に以下）となり、移送管１９ａを介して超電導コイル
１６に供給される。超電導コイル１６を通過したヘリウ
ムは移送管１９ｂを経てジュール・トムソン弁１２に送
られ、ガスは液化して液体ヘリウム槽１０に放出される
。このとき液化しなかったヘリウムガスおよび槽内の液
体ヘリウムが気化して発生したヘリウムガスは、熱交換
器１１を経て圧縮機５に戻る。そしてこのように循環す
るヘリウムガスが不足するとバルブ７が開いて純ヘリウ
１１ボンベ６から補給される。

ところで、このような冷却系において、超電導コイル１
６は冷却開始時点では常温であり、従ってこの超電導コ
イル１６内を通過するヘリウムは当然にガスになる。し
かし前述したように、巻回された強制冷却超電導導体１
はヘリウムガスに対する流動抵抗が大きく、冷媒として
のヘリウムガスはほとんど流れない。例えば、第２図に
示す超電導導体１において、コンジット２が内のりの１
辺が７ｍｎ＋の正方形であり、複合超電４導Ｉｓ！３の
直径がＩＷＩ＋で２７本が撚合されたものであるとき、
１ｍの長さ当りの圧力損失とヘリウムの質量流量は、常
温近くでは、０．３気圧、０．３ｇ／ｓ（中ｔ、７Ｑ／
ｓ）である。仮りに超電導コイル１６を構成する超電導
導体１の長さが１００ｍとすると前記質量流量を確保す
るために３０気圧の圧力が必要となり、圧縮機５の加圧
力、配管やコンジット２の耐圧もこれに相応したものに
しなければならない。しかも前記質量流量では熱交換部
１４および超電導コイル装置１５を冷却する能力は小さ
い。前述した仕様の超電導導体１を３５ｍ用いて巻回し
て構成した全重量３０ｋｇの超電導コイル１６でさえ、
常温から５Ｋに冷却するのに、圧縮機５の出力を１０気
圧に設定して連続運転しても１８時間を要する状態であ
る。

この超電導コイルを例えば核融合炉用のトロイダルコイ
ルに利用しようとすると、超電導導体の長さは数百メー
トルから数千メートル、コイルの重量は数十トンから数
百トンになり、従ってこのようなコイルを超電導状態ま
で冷却することは不可能に近い。

このような観点からは、前述したように超電導導体を分
割して、各分割部分に並列に冷媒を流す方式が有利であ
る。しかしこの分割方式は冷媒の総流量が増えるために
圧縮機５を大容量のものにする必要があると共に、前述
したように超電導コイル装！１５の構造が複雑になる欠
点がある。

第４図に従来の超電導コイル装置１５の一例を示す。真
空容器１７の内側には中間温度（２０〜８０Ｋ）断熱板
２０が配置され、その内側に超電導コイル１６が配置さ
れる。超電導コイル１６は、ボビン２１に超電導導体ｌ
を巻回し、絶縁物２２によって導体の絶縁を保つように
構成したもので、真空容器１７の上部フランジ２３にね
じ込んで取付けられて垂下する吊りボルト２４ａ、２４
ｂの下端にボビン２１を溶接することで保持される。上
部フランジ２３および中間温度断熱板２０を貫通する常
電導体のパワーリード２５ａ、２５ｂはこれらに対して
絶縁状態に保持され、両パワーリード２５ａ、２５ｂの
下端は超電導コイル１６から引出された超電導導体１の
端部１ａ、ｌｂと接続継手２６ａ、２６ｂを介して電気
的に接続される。また超電導導体端部１ａ、ｌｂは冷媒
供給のためにＡ１点およびＡ２点で分岐され、電気絶縁
継手２７ａ、２７ｂを介して冷媒注入管２８ａと冷媒排
出管２８ｂに接続される。この冷媒注入管２８ａと冷媒
排出管２８ｂは上部フランジ２３を貫通して前述の冷媒
移送管１９ａ、１９ｂに接続されるものである。

なお、前述の中間温度断熱板２０とパワーリード２５ａ
、２５ｂは適当な冷媒と冷却機によって別途冷却される
。　超電導コイル装ｍｉｓはこのように構成されるもの
であるから、超電導導体１を複数に分割して超電導コイ
ル１６から多くの冷媒供給口および排出口を導出すると
、装置の構造がいかに複雑になるか想像できよう。

なお、強制冷却超電導導体に対する冷媒供給系を開示し
た刊行物としては、特公昭５０−２４１９７号公報があ
る。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、強制冷却超電導導体を巻回した超電導
コイルの冷却、特に常温からの初期冷却効率を高め、短
時間に、しかも少ない液体ヘリウム消費で超電導コイル
を極低温まで冷却できる超電導コイル装置を提供するこ
とにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため１本発明は、流動抵抗が小さい
金属管によって・構成され超電導コイルと熱交換できる
ように真空容器内に配置させて超電導コイルと並列な冷
媒通路を形成するように接続された冷媒補助流路と、こ
の冷媒補助流路を流れろ冷媒の流量を制御する流量制御
手段とを設けることによって、超電導コイルの温度が高
く超電導コイルを形成する強制冷却超電導導体内の令媒
が気化して流れにくい初期冷却時には冷媒補助流路に多
くの冷媒を流して伝熱により超電導コイルを効果的に冷
却するようにし、更にこの冷媒補助流路内に挿入されて
この冷媒補助流路に誘起される電圧による電流を遮断す
る絶縁継手を設けることにより、冷媒補助流路として用
いる伝熱性に優れた金属管に超電導コイルの磁界変動に
よってｍ環電流が流れないようにしたことを特徴とする
。

〔発明の実施例〕

第１図に示した実施例は、第４図で説明した従来装置に
本発明を適用してこれに改良を加えた例であるので、こ
れと共通の構成部材には同一参照符号を付し、以下その
改良点を説明する。

蛇管３０は伝熱性に優れ且つ冷媒に対して流動抵抗が小
さい金属管を超電導コイル１６の外周に接近して巻回し
て構成さ九る。冷媒注入管２８ａはＢ１点において分岐
され、電気絶縁継手３１ａを介して前記蛇管３０の一端
に接続されこれに冷媒を供給する。更に冷媒排出管２８
ｂも８２点において分岐され、流量調整弁３２および電
気絶縁継手３１ｂを介して前記蛇管３０の他端に接続さ
れて蛇管３０から冷媒を排出する。蛇管３０の内側には
伝熱性に優れた冷却フィン３３が取付けられ、この冷却
フィン３３の内側は超電導コイル１６の内部に挿入され
て蛇管３０と超電導コイル１６との熱交換率が高められ
る。

冷却フィン３３は伝熱性を考慮すると金属性のものがよ
く、超電導コイル１６の磁界変動による渦電流損失を軽
減するためには、第５図および第６図に示すようにスリ
ット３４を設けてｗｅ状にするのがよい、この冷却フィ
ン３３は、蛇管３０の巻回方向には連続もしくは適当に
分割して構成されるが。

超電導コイル１６の周囲に電気的な閉回路を構成しない
ようにすべきである。

蛇管３０を超電導コイル１６の内側に設ける場合に　　
　　′は、この冷却フィン３３は蛇管３０の外側に設け
られてその外側部が超電導コイル１６内に挿入される。

以上の構成において、超電導コイル１６カｊ高温でここ
に供給される冷媒が超電導導体ｌ内で気化されてしまう
ような初期冷却時には、冷媒注入管２８ａから注入され
て冷媒排出管２８ｂから排出される冷媒の大部分は流動
抵抗の小さい蛇管３０に分流し、冷却フィン３３を介し
て超電導コイル１６を冷却する。蛇管３０に流れる冷媒
の流量は流量調整弁３２で制御され、第３図で述べた冷
却系に流れる冷媒の量が、熱交換部１４の機能を十分に
発揮できる程度に維持される。

このように蛇管３０に十分な冷媒を流すことにより初期
冷却時においても超電導コイル１６の冷却を早めること
ができる、そして超電導コイル１６の温度が低下し、超
電導導体１内での気化率が減少してその流動抵抗が減少
した段階では、冷却系に流れる冷媒の量が減少しない程
度に流量調整弁３２を絞って蛇管３０に分流する冷媒を
減少させ、超電導導体ｌに流れる冷媒の流量を増加させ
る。このようにして超電導導体ｌに流れる冷媒の流量を
除々に増加させ、超電導コイル１６が所望の温度に達し
た時点では蛇管３０への冷媒の分流を停止し、冷媒のす
べてを超電導導体１に流すようにする。

このようにして超電導コイル１６を冷却することにより
、前述した仕様の超電導コイル１６の冷却時間を６分の
１に短縮することができた。しかも冷却系に十分な冷媒
を循環させたことにより、熱交換部１４における液体ヘ
リウム槽１０の液体ヘリウムの消費量（気化して減少し
たことによる補充量）を約１０分の１に節約することが
できた。

超電導コイル１６が極低温になり超電導導体１が超電導
状態になった時点で、この超電導コイル１６はパワーリ
ード２５ａ、２５ｂを介して励磁される。

蛇管３０や冷却フィン３３は超電導コイル１６やボビン
２１から電気的に絶縁されているが、超電導コイル１Ｇ
で作られる磁界との交差は避けられない。従って、この
磁界が変動すると蛇管３０や冷却フィン３３には電圧が
誘起され、蛇管３０や冷却フィン３３が超電導コイル１
６のまわりに電気的な閉回路を構成すると循環電流や渦
電流が流れ、そのジュール熱によって超電導コイル１６
の温度を上昇させる問題がある。

しかるに本実施例においては、蛇管３０と冷媒注入管２
８ａの間および流量調整弁３２の間にそれぞれ電気絶縁
継手３１ａ、３１ｂが挿入されており、従って蛇管３０
に誘起された電圧でこの蛇管３０に循環電流が流れるこ
とはない。また超電導コイル１６に挿入される冷却フィ
ン３３もスリット３４によって櫛歯状になっているので
渦電流の発生は軽減され、従ってこれらの電流によるジ
ュール熱の発生は極めて少ないものとなる。なお、この
実施例において。

電気絶縁継手３１ａ、３１ｂは蛇管３０の両端に設けら
れているが、閉回路が構成されるのを防止するためには
１個でよい。この場合には、蛇管３０に誘起される電流
が正になる側の端部に絶縁継手を設け、負になる側は接
地すれば感電に対して安全性の高いものになる。このよ
うな意味では、流量調整弁３２は蛇管３０に対して電気
絶縁継手の外側に設けるのがよく、また電気絶縁継手は
蛇管３０の誘起電圧分布に応じてその個数と挿入位置を
決めればよい。

第７図の例は、大形の超電導コイル装置の場合において
、前述の蛇管３０の良さが増えてその流動抵抗が無視で
きない程度になる場合の対策例である。蛇管３０の長さ
が増えて流動抵抗が増加し冷媒の流量が減少すると、そ
れに伴って冷却系全体の冷媒流量が減少して熱交換部１
４の性能が低下する。

この流量減少を防止するために、この実施例は。

真空容器１７内において冷媒注入管２８ａのＣ１点と冷
媒排出管２８ｂのＣ２点の間にバイパス流路３５を設け
、このバイパス流路３５の途中にバイパス流量調整弁３
６を設けたものである。

このように構成することにより、バイパス流量調整弁３
６を操作して冷却系に流れる冷媒の流量を調節して圧力
源８および熱交換部１４の能力に相応した値にすること
により、熱交換部１４の能力を十分に発揮させることが
できる。そしてその後にバイパス流量調整弁３Ｇを操作
してバイパス流量を減じ蛇管３０に流す冷媒の流量を増
加させ１次に流量調整弁３２を操作して蛇管３０に流す
冷媒の流量を減じて超電導導体１に流す冷媒の流量を増
加させれば、全体的には超電導コイル１６を短時間で所
定の温度にまで冷却することができる。

第８図は前述した実施例において、パワーリード２５　
ａ　＊　２５　ｂと超電導導体１の端部１ａ、ｌｂとそ
の接続継手２６ａ、２６ｂの冷却を改善した例に示す。

前述の例において、端部１ａ、１ｂは接続継手２６ａ。

２６ｂの部分において袋小路となっており、従って該部
分に冷媒は流れにくく伝熱冷却となる。パワーリード２
５ａ、２５ｂは別途冷却されるが、その外端から超電導
導体１の端部１ａ、ｌｂとの接続部までその全域を直接
冷却することは困難で、その下端部は伝熱による冷却と
なる。従ってこの部分に超電導導体を配置してこれを伝
熱で冷却することは安定性の点で好ましくない、また、
接続部での発熱によって超電導導体の安定性は一層損わ
れることになる。

これらを考慮して本実施例は、前記導電性の接続継手２
６ａ、２６ｂから冷媒流路を分岐し、これを接続継手２
７ａ、２７ｂを介して冷媒注入管２８ａと冷媒排出管２
８ｂにそれぞれ接続したものである。このようにすれば
、超電導導体ｌにはその全域にわたって冷媒が流れるこ
とになり安定した特性が得られることになる。

第９図および第１０図は超電導コイルと冷媒補助流路の
間の熱交換特性を改善する例で、冷媒補助流路を構成す
る金属管を超電導コイルの内部に配置したものである。

第９図の例は、超電導導体１と冷媒補助流路である冷却
管３７を２本持ちでソレノイド巻きした例である。また
第１０図は、ダブルパンケーキ巻きコイルへの適用例で
、超電導導体１を巻回して構成したダブルパンケーキと
冷却管３７を巻回して構成したダブルパンケーキを交互
に積層したものである。

これらの２つの例は、冷却管３７は超電導コイル１６を
直接的に冷却するので、冷却フィンを用いた間接的冷却
よりも冷却効率が向上する。なお、冷却管３７の配置、
巻き方、管の寸法と形状などは適宜に設定し得る。

〔発明の効果〕

以上に述べたように１本発明は、初期冷却時には冷媒補
助流路に分流する冷媒によって超電導コイルを冷却する
ので冷却効率が向上し、短時間に少ない液体ヘリウム消
費量で超電導コイルを極低温まで冷却することができる
。しかも、冷媒補助流路中に絶縁継手を挿入したことに
よりこの冷媒補助流路に［ＩＩｊ１１！流が誘導される
のが防止され。

従って循環電流による発熱も防止できろ効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る超電導コイル装ばの縦
断側面図、第２図は強制冷却超電導導体の断面図、第３
図は従来の超電導コイル装置におけろ冷却系のブロック
図、第４図は従来の超電導コイル装置の縦断側面図、第
５図は第１図に示した装置における超電導導体と冷却フ
ィンを示す平面図、第６図は第５図のＡ−Ａ断面図、第
７および第８図は本発明の他の各実施例に係る超電導コ
イル装置の縦断側面図、第９図および第１０図は本発明
に係る超電導コイル装置における冷媒補助流路の各変形
例を示す断面図である。 ■・・・・・・強制冷却超電導導体、１６・・・・・超
電導コイル、１７・・・・・・真空容器、２８ａ・・・
・・・冷媒注入管、２．８ｂ・・・・・・冷媒排出管、
３０・・・・・・蛇管、３１ａ、３１ｂ・・・・・・絶
＃継手、３２・・・・・・流量調整弁。 第５５！！ １１９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、強制冷却超電導導体を巻回して構成した超電導コイ
   ルと、この超電導コイルを収容する真空容器と、この真
   空容器内に収容された超電導コイルに冷媒を供給する冷
   媒供給管とを備えた強制冷却超電導コイル装置において
   、流動抵抗が小さい金属管によつて構成され前記超電導
   コイルと熱交換できるように前記真空容器内に配置され
   て前記超電導コイルと並列な冷媒通路を形成するように
   接続された冷媒補助流路と、この冷媒補助流路を流れる
   冷媒の流量を制御する流量制御手段と、この冷媒補助流
   路内に挿入されこの冷媒補助流路に誘起される電圧によ
   る電流を遮断する絶縁継手とを設けたことを特徴とする
   強制冷却超電導コイル装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記冷媒補助流路
   を構成する金属管の少なくとも一部は超電導コイルの周
   面に沿つて巻回されていることを特徴とする強制冷却超
   電導コイル装置。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記冷媒補助流路
   を構成する金属管の巻回部分と超電導コイルには良熱伝
   導性材からなる櫛歯状冷却フィンが接合され、この冷却
   フィンの一部が超電導コイル内に挿入されていることを
   特徴とする強制冷却超電導コイル装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記冷媒補助流路
   を構成する金属管の少なくとも一部は巻回されて超電導
   コイル内に埋設されていることを特徴とする強制冷却超
   電導コイル装置。 ５、特許請求の範囲第２項〜第４項のうちの何れか１項
   において、絶縁継手は前記冷媒補助流路における金属管
   の巻回部分と冷媒供給管の間に設けられていることを特
   徴とする強制冷却超電導コイル装置。 ６、特許請求の範囲第１項または第５項において、流量
   制御手段は前記絶縁継手と冷媒供給管の間に設けられた
   ことを特徴とする強制冷却超電導コイル装置。