JPS6348165B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超電導コイル、及びその製作方法に係
り、特に超電導導体を巻回してパンケーキ状に形
成する超電導コイル、及びその製造方法に関す
る。

近年、超電導コイルは核融合実験装置用トロイ
ダルコイルや加速器、磁気浮上列車、MHD発
電、及び超電導同期機線輪等、その応用範囲が広
くなつてきており、さかんに開発が行なわれてい
るが、それに伴い、超電導コイルも大形のものが
要求されるようになつてきた。

例えば、トカマク型核融合実験装置に採用され
るトロイダルコイルにあつても、増々大形化、大
容量化しつつあるのが現状である。

トロイダルコイルは、従来、常電導導体を巻回
して製作していたが、これに強磁界を発生させる
と膨大なジユール発熱損失があり、装置の大型化
に伴い大きな問題であつた。このため、発熱損失
の少い、所謂、超電導コイルを採用するようにな
つてきたのであるが、超電導コイルを採用するこ
とにより、コイルを極低温に維持せねばならず、
このための冷却エネルギーが必要となる。しか
し、前述したジユール発熱損失とこの冷却エネル
ギーを比較すると、一般的には冷却エネルギーの
方が桁違いに小さなものであり、極低温超電導ト
ロイダルコイルが実用化されつつあるのである。

ところで、この超電導トロイダルコイルであつ
ても、今までの小規模な超電導コイルでは、超電
導導体と安定化銅を組合せた丸線、又は平角線を
連続的に巻回してコイルを形成していたが、装置
の大規模化に伴い、超電導導体のサイズも大きく
なるため、平角安定化銅に穴加工や溝加工して超
電導線を埋込み半田処理して平角安定化銅と一体
化した、所謂平角超電導導体を採用せざるを得な
くなつてきた。

しかし、平角超電導導体を構成する安定化銅
は、大きなコイルを製作しようとすると、製造能
力の面から制約を受け、導体を連続的に巻回して
コイルを形成するような安定化銅を供給すること
が出来ないのが現状である。

従つて、大形状の超電導コイルにおいては、平
角超電導導体を構成する安定化銅の製造能力範囲
内で超電導導体を巻回し、パンケーキ状コイルを
製作しなければならない。

すなわち、パンケーキ状コイルは、一般的には
第１図の如き、コイル受け板１上に固定した巻型
２の周囲に、平角超電導導体３を層間絶縁物４を
入れながら順次巻回される。巻回方法としては、
コイルが受ける電磁力や、ヘリウム冷却表面積等
を考慮してフラツトワイズ巻きや、エツジワイズ
巻きが適宜選択される。

巻回回数は数回から数拾回におよぶものもあ
り、超電導導体重量で数トンにもなる。

かくして巻回されたコイルを加熱圧縮して、超
電導導体３と層間絶縁４を接着して１ケのパンケ
ーキ状コイルが形成される。尚、層間絶縁物４
は、あらかじめ樹脂を含浸塗布したガラステープ
などを用いる。

かくして形成されたパンケーキ状コイル同志の
間には、コイルを極低温に維持するためのヘリウ
ム冷却用の流路を確保する必要がある。

ヘリウムによる冷却には、大別して浸漬冷却
と、強制的に圧送されるヘリウムで冷却される強
制冷却方式の二つに分けられるが浸漬冷却を例に
とつて記述する。

浸漬冷却は、パンケーキ状コイルを所定員数積
み重ねたものを巻枠容器の中の液体ヘリウムに浸
漬されているもので、励磁時、あるいは外部から
のパルス磁界などによる各種電気損失や、常電導
に転移する時のジユール発熱などを沸騰熱伝達の
かたちで吸収・冷却する。

従つて、このタイプのコイルにおいては、通常
パンケーキ状コイル間に第２図、及び第３図の如
く、クーリングスペーサー５を放射状に配置し、
パンケーキ状コイル８ａ，８ｂを積み重ね、この
クーリングスペーサー５に囲まれた狭い空間が冷
却流路６として用いられる。

このヘリウムの冷却流路６となるパンケーキ状
コイル８ａ，８ｂ間の隙間は、巻線の空間的制約
により、せいぜい数mmに制限される場合が多い
が、このクーリングスペーサー５の厚み寸法は電
気絶縁としての適正な距離をもつものでもある。

クーリングスペーサー５はガラス繊維強化プラ
スチツク等の積層板類を短冊状、例えば厚さ約３
mm、長さ約500mm、巾約20mmなどの形状で、パン
ケーキ状コイル８ａ，８ｂの片面、又は両面に接
着剤や接着コンパンド等の接着層７によつて接
着・固定されるのが通例である。

かくして得られたパンケーキ状コイルを巻枠
２、すなわちパンケーキ状コイル８ａ，８ｂおよ
び液体ヘリウムを収納するための極低温容器内に
複数個以上積み重ねて超電導コイルを形成する。
しかるのち巻枠とコイルとの間隙、すなわち巻枠
内壁とコイル外周側、内周側、側面間隙には通常
コイルを機械的に強固に固定するための固定用ス
ペーサー（図示せず）が挿入するのが通例であ
る。固定用スペーサーのうち、巻枠内壁とコイル
内周、外周間隙に挿入されるスペーサーは、テー
パ状のくさびとなつており、強固に打ち込まれ固
定する。また、コイル巻枠側面に設置される固定
用スペーサーは、巻枠側面から締付・固定される
場合が多い。従つてパンケーキ状コイル８ａ，８
ｂは、パンケーキ状コイル８ａ，８ｂ自身の導体
間接着力と、固定用スペーサーのみによつて後述
の電磁力に対して巻枠に固定される。

このようにして製作された超電導コイルにあつ
ては、運転状態には超電導導体３に大きな、か
つ、複雑な電磁力が作用する。例えば相対パンケ
ーキ状コイル８ａ，８ｂ間では吸引電磁力が、ま
た、パンケーキ状コイル８ａ，８ｂの半径方向で
は膨張電磁力が超電導導体３に働き、導体同志の
動きなどによる発熱の恐れがあり、クエンチ（こ
こでいうクエンチとは、電磁力などによつて超電
導導体３の動き等々で発熱し、発熱部分の超電導
コイルが常電導化し、これが拡がりコイル全体が
常電導化する現象を云う。）の心配があつた。更
に、これらの電磁力によつてクーリングスペーサ
ー５とパンケーキ状コイル８ａ，８ｂの導体との
間の接着層７で遂には剥離し、クーリングスペー
サー５がずれて狭いヘリウム冷却流路６を塞ぎ冷
却効果を著しく悪くしクエンチする心配があり、
しかも、クーリングスペーサー５のずれは、超電
導導体３の変形や移動を誘起し、やはりクエンチ
に至る心配があつた。このクエンチは、超電導コ
イルの特性劣化や絶縁劣化、あるいは焼損をもた
らす恐れがあり、超電導コイルでは最も恐れられ
ている事故の一つである。従つてクエンチを防止
するため、コイルを強固に固定することは極めて
重要な課題である。またパンケーキ状コイル８
ａ，８ｂの製作時の寸法ばらつきにより各々のパ
ンケーキ状コイル８ａ，８ｂ内外周面寸法は同一
ではなく、これらのパンケーキ状コイル８ａ，８
ｂを複数個積み重ねてコイルを形成する場合に
は、コイル内周面や外周面は同一面にはならず、
それぞれくい違いが生じてしまい、前記のテーパ
ー状くさびを打ち込んで固定しようとしても、巻
枠内の有効なスペースで機械的な強度に対する固
定も不充分である等種々問題があつた。

本発明は上述の点に鑑み成されたもので、その
目的とするところは、超電導導体を巻回して形成
するパンケーキ状コイルの導体間をより強固に緊
縛、固定しクエンチの心配がなく、しかも、機械
的強度も十分な超電導コイル、及びその製作方法
を提供するにある。

本発明はコイル受け板上に固定された巻型の周
囲に、超電導導体を層間絶縁物を介在させながら
所定数巻回して形成されるパンケーキ状コイル上
に、放射状に複数介在され、その間で冷却流路を
形成するスペーサを、パンケーキ状コイルの外表
面に半硬化状プリプレグテープが所定数巻回さ
れ、これを加熱圧縮硬化せしめて形成してなる超
電導コイル、及びコイル受け板上に固定された巻
型の周囲に、超電導導体を層間絶縁物を介在させ
ながら所定数巻回してパンケーキ状コイルを形成
すると共に、該パンケーキ状コイル外表面の径方
向周囲の複数個所に、放射状となるよう半硬化状
プリプレグテープを所定数巻回し、しかる後に加
熱圧縮硬化させて形成するパンケーキ状コイルを
軸方向に複数積層する超電導コイルの製作方法と
することにより、所期の目的を達成するようにな
したものである。

以下図面の実施例に基づいて本発明を詳細に説
明する。尚、符号は従来と同一のものは同符号を
使用する。

第４図は本発明の一実施例である超電導コイル
の超電導導体３同志の外表面を強固に、しかも緊
縛に固定するとともに、クーリングスペーサーを
兼ねそなえた所謂緊縛スペーサー９付パンケーキ
状コイル８ａの平面図を示し、第５図はその緊縛
スペーサー付パンケーキコイル８ａの製作過程を
示す。

すなわち、本実施例によればパンケーキ状コイ
ル８ａ自体は、超電導導体３を従来と同様にして
製作されるが、そのパンケーキ状コイル８ａ外表
面に任意のスペーサー配置寸法ピツチで、即ち、
外表面の径方向周囲の複数個所に放射状となるよ
うガラス繊維等の半硬化状プリプレグテープ１０
を巻回する。半硬化状プリプレグテープ１０は、
抗張力の高いガラス繊維等の強化材を多数縦方向
に平行に、かつ密に並べ、横方向に粗に織り、ポ
リエステル樹脂やエポキシ樹脂などの含浸材を含
浸し、細幅のテープ状に半硬化プリプレグ化した
もので、厚みが均等で適当な粘着性と柔軟性をも
ち、均一な電気絶縁性を有するものである。

半硬化状プリプレグテープ１０の厚みは約0.2
〜0.5mm程度、巾約20〜30mm程度のものであつて、
パンケーキ状コイル８ａ外表面に巻回する時には
適度の張力を与えて巻回される。

プリプレグテープ１０を所定回数巻回後、第５
図の如く、コイル受け板１上に固定された巻芯２
にパンケーキ状コイル８ａを設置し、そのパンケ
ーキ状コイル８ａの内外周に寸法調整用内外周ス
ペーサー１１ａ，１１ｂを取付け押し板１２にて
締付・加熱圧縮硬化させて、強固なガラス繊維強
化プラスチツク層、すなわち緊縛スペーサー９を
形成させる。勿論、第５図において前記プリプレ
グテープ１０は接触するコイル受け板１や、内外
周ガイドスペーサー１１ａ，１１ｂ押し板１２面
はシリコーンオイル等を塗布するなどの離型処理
をあらかじめ施しておくことは云うまでもない。
また、前記プリプレグテープ１０の厚み・巾寸
法・巻回数を適宜選択することによつて任意の寸
法の緊縛スペーサー９を形成することも可能であ
る。尚、電磁力の程度によつては、一般的なガラ
ステープに前記樹脂を含浸し半硬化状にしたプリ
プレグテープを使用してもよいし、前記樹脂をガ
ラステープや、ガラスロービングに含浸しながら
パンケーキ状コイル８ａの外表面に巻回し第５図
に示す如く方法で加熱圧縮硬化せしめてもよい。

このように本実施例では、パンケーキ状コイル
８ａの半径方向の外表面に、任意の配置寸法ピツ
チで半硬化状プリプレグテープを所定回数巻回
し、加熱圧縮硬化せしめて緊縛スペーサー９を形
成しているため、パンケーキ状コイル８ａの半径
方向の機械的強度が著しく向上し、パンケーキ状
コイル８ａ自体も強固に緊縛化することが出来
る。しかも、ここで形成された硬化物は、所定の
厚み、巾寸法をもつガラス繊維等強化プラスチツ
クスであり、クーリングスペーサーとして兼ねる
ことは勿論、適正な電気絶縁性と絶縁距離をもつ
絶縁性スペーサーでもあることを特徴とするもの
である。またパンケーキ状コイル８ａの導体の半
径方向の外表面を強固なガラス繊維等強化プラス
チツクスの連続した強化層によつて緊縛・固定さ
れているので、電磁力による超電導導体同志の動
きを拘束することが出来る。更にパンケーキ状コ
イル８ａ表面間との接着面積が増加し、しかも上
記の如く超電導導体３間の動きが拘束されている
こともあつて接着面で剥離することもないし、ず
れることもないのでヘリウム冷却流路６を塞ぎ冷
却効果を減ずることもなくこれらの原因によつて
クエンチすることもない。

また、従来、超電導導体３を巻回してパンケー
キ状コイル８ａを製作する段階で巻回段差が生じ
るため、これにクーリングスペーサを接着、固定
するためには、クーリングスペーサ面を導体面段
差に合わせて加工する必要が生じ、多大な合せ加
工時間を要していたが、本実施例によれば、超電
導導体３の巻回時に生じる導体間の段差に対して
も、半硬化状プリプレグテープを加熱・圧縮・硬
化せしめる時に含浸した樹脂や１部のガラス繊維
などが流れて段差を埋めることが出来るので、従
来の如く導体段差に合せ加工する必要もなくする
ことが出来る。

又、パンケーキ状コイル８ａとしての機械的強
度が著しく向上したので、運搬や其の他の取扱い
で超電導導体と層間絶縁物との間で剥離すること
もなくなり、取扱いが極めて容易になる効果もあ
る。

尚、本実施例による緊縛スペーサー付パンケー
キ状コイル８ａを数ケ、又はそれ以上の員数の積
み重ねて超電導コイルを形成する場合には、緊縛
スペーサー９の配置位置寸法ピツチを同一にして
積み重ねてもよいし、1/2ピツチだけずらして積
み重ねてもよい。更にはパンケーキ状コイル２ケ
を組合せて１ケのワンパンケーキと呼称するよう
な場合にも適用出来ることは云うまでもない。ま
た、本実施例による緊縛スペーサーと、従来の短
冊状のスペーサーを併用してパンケーキ状コイル
を製作出来ることは勿論であるし、オーバル型の
パンケーキ状コイル、すなわち非円形状のパンケ
ーキ状コイルにも適用出来ることは云うまでもな
い。

以上説明した本発明の超電導コイル、及びその
製作方法によれば、コイル受け板上に固定された
巻型の周囲に、超電導導体を層間絶縁物を介在さ
せながら所定数巻回して形成されるパンケーキ状
コイル上に、放射状に複数介在され、その間で冷
却流路を形成するスペーサを、パンケーキ状コイ
ルの外表面に半硬化状プリプレグテープが所定数
巻回され、これを加熱圧縮硬化せしめて形成して
なる超電導コイル、及びコイル受け板上に固定さ
れた巻型の周囲に、超電導導体を層間絶縁物を介
在させながら所定数巻回してパンケーキ状コイル
を形成すると共に、該パンケーキ状コイル外表面
の径方向周囲の複数個所に、放射状となるよう半
硬化状プリプレグテープを所定数巻回し、しかる
後に加熱圧縮硬化させて形成するパンケーキ状コ
イルを軸方向に複数積層する超電導コイルの製作
方法としたものであるから、超電導導体を巻回し
て形成するパンケーキ状コイルを、半硬化状プリ
プレグテープを巻回し、加熱圧縮硬化せしめたス
ペーサで強固に緊縛・固定することができ、電磁
力による超電導導体同志の動きを拘束しずれがな
くクエンチの恐れがなくなり、しかも、パンケー
キ状コイルの導体間も強固に緊縛固定されている
ため半径方向の機械的強度も著しく向上し、此種
超電導コイルに採用する場合には非常に有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超電導コイルの製作過程を示す
断面図、第２図はそれにクーリングスペーサー取
付けた平面図、第３図は第２図Ａ−Ｏ−A′線部
の断面図、第４図は本発明の超電導コイルの一実
施例を示し、完成した緊縛スペーサー付超電導コ
イルの平面図、第５図は本発明の超電導コイル製
作過程を示す断面図である。 １……コイル受け板、２……巻型、３……超電
導導体、４……層間絶縁物、５……クーリングス
ペーサ、６……冷却流路、７……接着層、８ａ，
８ｂ……パンケーキ状コイル、９……緊縛スペー
サ、１０……プリプレグテープ、１１ａ……内周
ガイドスペーサ、１１ｂ……外周ガイドスペー
サ、１２……押し板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コイル受け板上に固定された巻型の周囲に、
   超電導導体を層間絶縁物を介在させながら所定数
   巻回して形成されるパンケーキ状コイルと、該パ
   ンケーキ状コイル上に放射状に複数介在され、そ
   の間で冷却流路を形成するスペーサとを備え、該
   スペーサを介して前記パンケーキ状コイルを複数
   積層してなる超電導コイルにおいて、前記スペー
   サは、前記パンケーキ状コイルの外表面に半硬化
   状プリプレグテープが所定数巻回され、これを加
   熱圧縮硬化せしめて形成されることを特徴とする
   超電導コイル。 ２ 前記半硬化状プリプレグテープは、抗張力の
   高い強化材を、縦方向には平行で、かつ密に複数
   並べ、横方向には粗に織ると共に、これに含浸材
   を含浸してなることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の超電導コイル。 ３ コイル受け板上に固定された巻型の周囲に、
   超電導導体を層間絶縁物を介在させながら所定数
   巻回してパンケーキ状コイルを形成すると共に、
   該パンケーキ状コイル外表面の径方向周囲の複数
   個所に、放射状となるよう半硬化状プリプレグテ
   ープを所定数巻回し、しかる後に加熱圧縮硬化さ
   せて形成するパンケーキ状コイルを軸方向に複数
   積層することを特徴とする超電導コイルの製作方
   法。 ４ 前記半硬化状プリプレグテープは、抗張力の
   高い強化材を、縦方向には平行で、かつ密に複数
   並べ、横方向には粗に織ると共に、これに含浸材
   を含浸してなることを特徴とする特許請求の範囲
   第３項記載の超電導コイルの製作方法。 ５ 前記半硬化プリプレグテープ巻回後のパンケ
   ーキ状コイルの内外周に寸法調整用スペーサを配
   置し、しかる後に押し板にて締付け加熱圧縮硬化
   することを特徴とする特許請求の範囲第３項記載
   の超電導コイルの製作方法。