KR101238516B1

KR101238516B1 - 초전도 코일 장치

Info

Publication number: KR101238516B1
Application number: KR1020117000657A
Authority: KR
Inventors: 히로시 가와시마
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2013-02-28
Also published as: EP2367179A1; WO2010067717A1; JP5364356B2; KR20110028502A; JP2010141074A; US8818471B2; US20100323900A1

Abstract

특히 대형의 초전도 코일 장치의 경우에 조립, 분해, 보수 등을 단시간화한다. 초전도 코일 장치는, 원주상에 배열되어 토로이달 형상을 형성하는 복수의 코일 유닛을 구비한다. 복수의 코일 유닛의 각각은, 진공 단열 용기와, 진공 단열 용기에 격납된 초전도 코일을 구비하고, 원주의 반경에 평행한 제1면과, 원주의 반경에 평행하고 제1면에 대해 원주상의 제1 방향측에 배치된 제2면을 갖는다. 제1면은 복수의 코일 유닛 중 한쪽에 인접하는 복수의 코일 유닛 중 하나의 제2면과 접촉한다. 제2면은, 복수의 코일 유닛 중 다른 쪽에 인접하는 복수의 코일 유닛 중 다른 하나의 제1면과 접촉한다.

Description

초전도 코일 장치{SUPERCONDUCTING COIL DEVICE}

본 발명은, 초전도 코일 장치의 구조에 관한 것이다.

초전도 상태의 코일에 전류를 흘림으로써 에너지를 저장하는 초전도 자기 에너지 저장 장치(SMES, Superconducting Magnetic Energy Storage)가 알려져 있다. SMES의 초전도 코일은, 공장 또는 현지에 있어서 진공 단열 용기에 일괄적으로 수납된다. 초전도 상태를 얻기 위해, 초전도 코일은 액체 헬륨의 강제 순환 냉각 또는 침지 냉각 방식에 의해 냉각된다.

최근, 보다 대형의 초전도 코일 장치를 실현하는 것이 기대되고 있다. 대형의 초전도 코일 장치에 있어서는, 현지에서 코일을 조립하는 작업과, 용기의 최종 조립 작업이 필요하다. 또한 조립 작업 후에 극저온 상태까지 코일을 초기 냉각하는 작업이 행해진다. 이들 작업을 위해, 현지 작업과 막대한 시간을 필요로 하여, 고비용 및 공사 기간의 장기화의 원인으로 된다.

또한, 이상 발생시나 메인터넌스시에 장치 전체를 진공 파괴하여 승온할 필요가 있어, 대형 장치의 경우, 운전 재개까지 장시간을 필요로 한다. 또한, 현지에서의 분해, 조립 작업의 공정수도 많다. 그로 인해 장기간의 장치 정지가 필요하여, 설비의 운용면에 있어서의 문제로 되는 것을 생각할 수 있다.

초전도 코일의 자기 회로로서, 멀티폴 방식, 토로이드 배치 방식 등이 있다. 멀티폴 방식의 초전도 코일 장치에서는, 초전도 코일은 원통 형상으로 권취되고, 적층되고, 또한 복수개의 코일이 배열되어 배치되어, 진공 단열 용기에 수납된다. 진공 단열 용기의 내부는 통상, 액체 헬륨에 의해 냉각된다. 진공 단열 용기의 진공조 내에, 외부로부터의 복사에 의한 열침입을 저감하기 위해 복사 실드가 설치된다. 복사 실드는, 복사열 반사면을 갖는 재료를 다층화함으로써 형성된다. 용기 내의 액체 헬륨은, 코일의 통전 또는 충방전에 의한 손실이나 외부로부터의 열침입에 의해 기화된다. 기화된 헬륨은, 단열 용기의 상부나 외부에 설치한 냉동기에 의해 냉각되어 재응축되어 액체로 복귀되어, 다시 코일의 냉각에 사용된다.

한편, 토로이달 배치의 초전도 코일 장치에서는, 요소 코일이 환 형상으로 배열됨으로써, 통전시 그 자기 회로에 의한 내향의 힘이 코일에 작용한다. 이 내향의 힘과 코일의 자중을 지지하기 위해, 요소 코일의 외경측으로부터 지지하는 지지 부재가 설치된다.

SMES에 사용되는 초전도 코일 장치는, 전기 에너지를 직류 자장의 형태로 저장하는 코일부, 코일부를 진공 중에서 극저온으로 유지하기 위한 수납 용기인 크라이오스태트, 코일부나 전류 리드부를 극저온 상태로 하기 위한 냉동기나 냉매에 의한 극저온 냉각 장치, 극저온 영역과 상온 영역 사이에서 전기의 출입을 행하기 위한 도전 회로에 사용되는 전류 리드 등에 의해 구성된다.

이 밖에, 요소 코일을 주위 방향으로 배열하여 주위 방향 자기 회로를 형성시키는 토로이달 배치 코일의 경우는, 자장에 의해 요소 코일의 각각에 의해 발생하는 중심을 향하는 내향력, 요소 코일간의 자장 언밸런스에 의해 발생하는 요소 코일끼리의 흡인, 반발력, 코일 자중의 각 힘에 대한 지지 기구가 필요하다.

여기서, 종래의 초전도 장치에는, 이하와 같은 과제가 있다.

(1) 토로이달 배치를 채용한 경우, 평면 투영 형상은 링 형상, 즉 구멍 개방된 원반 형상이다. 앞으로 대형의 장치가 제작되는 경우, 반송시의 치수나 중량의 제한에 의해 코일 용기를 분할하여 현지에서 조립하는 것이 필요해져, 현지에서의 코일의 장착, 용접 작업이나 기밀 시험을 포함하는 조립이 필요하다. 그로 인해 작업 품질 불충분, 공사 기간의 장기화, 고비용 등의 문제가 예상된다.

(2) 코일부나 내부, 주변의 기구에 부적합이 발생한 경우, 승온, 진공 파괴, 크라이오스태트의 절단 개방, 불적합품 취출, 공장 등에서의 수리, 수리품의 재조립, 크라이오스태트의 수복, 진공화, 초전도 상태를 얻기 위한 냉각이 필요해진다. 이들 작업에는 월단위의 시간과 막대한 수고를 필요로 하여, 현실적인 대응을 할 수 없다.

(3) 1개소의 문제라도 대응하기 위해 장치 전체의 정지, 개방이 필요하다. 정지, 재기동에 필요한 작업을 장치 전체에 대해 행하는 것이 필요하다. 그로 인해 작업량이 방대해진다. 냉각 작업에 대해서도, 초기 냉각 장치의 준비량이 방대해진다. 초기 냉각 장치의 양이 제한되어 있는 경우, 재기동에 장시간이 걸린다.

(4) 토로이달 배치에서는, 요소 코일이 외경측으로부터 지지되어, 요소 코일의 외경측은 소선 겹침 권취의 권선 작업의 관계로 형상의 정밀도가 나쁘다. 복수의 코일이 주위 방향으로 배열되어 배치되어 있는 경우도 있어, 각 코일 및 코일 내에서의 하중의 불균등에 의한 파손이나 특성 열화의 문제가 우려된다. 요소 코일간의 자장 언밸런스에 의해 발생되는 코일간의 흡인, 반발력의 지지에 대해, 종래는 거의 고려되어 있지 않다.

상기한 설명과 관련하여, 일본 특허 출원 공개 평10-104376(제1 종래예)에서는, 플라즈마를 가두어, 트러스 방향으로 섹터 형상으로 다분할하여 구성한 핵융합 장치용 진공 용기에 있어서, 상기 다분할한 섹터 분할 라인의 외측에 상기 분할 라인을 따라 드로스 수용부를 설치하고 있는 핵융합 장치용 진공 용기가 개시되어 있다.

또한, 일본 특허 출원 공개 제2004-179550(제2 종래예)에서는, 조합되어 내부에 자기 실드 공간을 형성하기 위해, 횡단면이 C 형상으로 되고 또한 축선 방향을 따라 소정의 길이로 되는 복수의 C형 쉐이킹 블록을 가진 분할형 원통 자기 실드 장치이며, 상기 C형 쉐이킹 블록은 축선 방향으로 연장되는 내층 및 외층이 연결된 횡단면이 C 형상으로 되는, 각형 자화 특성을 갖는 자성체로 이루어지는 자성체층과, 상기 자성체층의 내층 혹은 외층 중 적어도 일부에 권회되고, 상기 C형 쉐이킹 블록에 자기 쉐이킹 전류를 흘리기 위한 코일을 갖는 분할형 원통 자기 실드 장치가 개시되어 있다.

또한, 일본 특허 제2633876(제3 종래예)에서는, 내부에 플라즈마가 가두어지는 동시에, 기초에 지시 다리를 통해 지지되는 중공간 상태의 진공 용기와, 진공 용기를 둘러싸고, 또한 트러스 주위 방향으로 소정 감각을 갖고 복수개 배치되는 동시에, 각각이 단열 지지 기둥을 통해 기초에 지지되는 초전도 토로이달 자장 코일과, 초전도 토로이달 자장 코일과 진공 용기를 수납하는 단열 진공 용기를 구비한 핵융합 장치에 있어서, 초전도 토로이달 자장 코일과 진공 용기의 각각을 단열 진공 용기에 지지 장치로 수평 방향으로 이동 가능하게 지시하는 핵융합 장치가 개시되어 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 평10-104376호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 제2004-179550호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특허 제2633876호 공보

본 발명은 단시간에 조립, 분해, 보수 등이 가능한 초전도 코일 장치를 제공한다.

본 발명에 의한 초전도 코일 장치는, 원주상에 배열되어 토로이달 형상을 형성하는 복수의 코일 유닛을 구비한다. 복수의 코일 유닛 각각은, 진공 단열 용기와, 진공 단열 용기에 격납된 초전도 코일을 구비하고, 원주의 반경에 평행한 제1면과, 원주의 반경에 평행하고 제1면에 대해 원주상의 제1 방향측에 배치된 제2면을 갖는다. 제1면은, 복수의 코일 유닛 중 한쪽에 인접하는 복수의 코일 유닛 중 하나의 제2면과 접촉한다. 제2면은, 복수의 코일 유닛 중 다른 쪽에 인접하는 복수의 코일 유닛 중 다른 하나의 제1면과 접촉한다.

본 발명에 의한 초전도 코일 장치에 있어서, 초전도 코일에 전류가 흘려졌을 때, 초전도 코일의 전자기력에 의해 초전도 코일에 원주의 중심 방향으로의 인력이 부여된다. 복수의 코일 유닛 각각은, 인력에 의해 제1면이 한쪽에 인접하는 하나의 제2면에 압박되고, 제2면이 다른 쪽에 인접하는 다른 하나의 제1면에 압박됨으로써 원주의 반경 방향의 소정 위치에 지지된다. 원주의 중심 방향으로의 인력에 의해, 복수의 코일 유닛이 형성하는 원주의 직경이 작아짐으로써, 토로이달 형상의 전체에 대해 복수의 코일 유닛을 서로 압박하는 힘이 동시에 작용하여, 복수의 코일 유닛이 일체화된다. 본 발명에 의한 초전도 코일 장치에 있어서, 초전도 코일은, 대응하는 위치에 있어서의 원주를 중심축으로 하는 원형을 따라 권취된 선재로 이루어지는 코일이다.

본 발명에 의한 초전도 코일 장치에 있어서, 초전도 코일은 코일 지지 부재와, 코일 지지 부재에 지지된 코일 권선을 구비한다. 제1면과 제2면은 코일 지지 부재가 갖는 면이다. 본 발명에 의한 초전도 코일 장치는 또한, 복수의 코일 유닛 중 서로 인접하는 코일 유닛 각각의 코일 지지 부재의 원주의 반경 방향의 상대 위치를 제1면과 제2면에 있어서 고정하는 결합부를 구비한다. 본 발명에 의한 초전도 코일 장치는 또한, 동일한 코일 유닛에 포함되는 진공 단열 용기에 대해 초전도 코일을 진공 단열 용기 내부의 기밀성을 유지하면서 슬라이드 가능하게 접속하는 슬라이드 기구를 구비한다. 본 발명에 의한 초전도 코일 장치는 또한, 복수의 코일 유닛 각각을 원주의 중심 방향으로 압박하는 내향 하중 부여부를 구비한다. 본 발명에 의한 초전도 코일 장치에 있어서, 복수의 코일 유닛 각각은, 초전도 코일을 냉각하는 복수의 냉동기를 구비한다. 복수의 냉동기는, 대응하는 위치에 있어서의 원주를 중심으로 하는 소원주 방향에 배치된다. 본 발명에 의한 초전도 코일 장치에 있어서, 복수의 코일 유닛 각각의 진공 단열 용기의 내부에는, 서로 코일간 스페이서를 통해 결합됨으로써 상대 위치가 고정된 복수의 요소 코일이 격납된다.

본 발명에 의해, 특히 대형의 초전도 코일 장치의 경우에 조립, 분해, 보수 등을 단시간화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 초전도 코일 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 코일 유닛을 상부로부터 본 단면도이다.
도 3은 크라이오스태트를 상부로부터 본 단면도이다.
도 4는 초전도 코일을 상부로부터 본 단면도이다.
도 5는 슬라이드 기구의 확대도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 초전도 코일 장치(1)를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 초전도 코일 장치(1)를 도시한다. 본 실시 형태에 있어서, 초전도 코일 장치(1)는 SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage, 초전도 자기 에너지 저장 장치)이다. 초전도 코일 장치(1)는, 수평면 상에 원주 형상으로 배치되고, 바닥면 상에 지지된 복수의 코일 유닛(11)을 구비한다. 복수의 코일 유닛(11) 각각은, 서로 플랜지(22)에 의해 진공 기밀을 유지한 상태에서 접속 및 제거가 가능하다. 복수의 코일 유닛(11) 각각의 개략 형상은, 트러스 형상을 그 중심으로부터 보아 토로이달 방향으로 소정의 제1 각도에 위치하는 연직 방향의 평면과 제2 각도에 위치하는 연직 방향의 평면에서 절단한 절단면을 양단부면으로서 갖는 튜브 형상이다.

각각의 코일 유닛(11)은 크라이오스태트(진공 단열 용기)(2)를 구비한다. 각각의 크라이오스태트(2)의 내부에 토로이달형 코일(의 일부)을 구성하는 요소 코일(초전도 사양)(4)이 배치된다. 도 1에 있어서는 일부의 크라이오스태트(2)에 대해 도시가 생략됨으로써, 그 내부의 요소 코일(4)이 그려져 있다. 이하의 설명에 있어서, 복수의 코일 유닛(11) 각각이 구비하는 환 형상으로 권취된 요소 코일(4)의 중심을 연결하는 대원주를 장치 원주라 한다. 요소 코일(4)은, 그것이 배치된 위치에 있어서의 장치 원주를 중심축으로 하는 원형을 따라 권취된 선재로 이루어지는 코일이다.

크라이오스태트(2)의 내부에 요소 코일(4)이 배치된다. 크라이오스태트(2)의 주위에, 내부 초전도체 냉각 장치(7-1 내지 7-4)가 배치된다. 도 1에서는, 내부 초전도체 냉각 장치(7-1 내지 7-4)는 각각의 코일 유닛(11)의 장치 원주를 따른 방향으로 2개, 코일 유닛(11)에 격납되어 있는 토로이달형 요소 코일(4)의 각각의 원주(이하, 소원주라 함) 방향으로 4개 배열되어 배치되어 있다. 각각의 코일 유닛(11)의 크라이오스태트(2)의 외측에, 전류 리드 접속 단자(6)가 장착된다. 전류 리드 접속 단자(6)는 요소 코일(4)과 외부 기기를 전기적으로 접속하기 위한 단자이다. 전류 리드 접속 단자(6)에 대응하여, 전류 리드를 냉각하기 위한 전류 리드 냉각 장치(9)가 설치된다.

도 2는 초전도 코일 장치(1)를 구성하는 복수의 코일 유닛(11) 중 인접하는 2개의 코일 유닛(11)을 상부로부터 본 단면도이다. 각각의 코일 유닛(11)은, 크라이오스태트(2)와 초전도 코일(23)이 조합됨으로써 형성된다. 도 3은 크라이오스태트(2)만을 도시하고, 도 4는 초전도 코일(23)만을 도시한다.

크라이오스태트(2)는 초전도 코일 장치(1)의 장치 원주상에 배치된다. 크라이오스태트(2)는 그 장치 원주와 동심원상의 호를 대략 따른 면인 내주면(3)과 외주면(5)을 갖는다. 크라이오스태트(2)는 또한, 초전도 코일 장치(1)의 반경과 평행한 제1 단부(20a)와, 초전도 코일 장치(1)의 반경과 평행하고 제1 단부(20a)와 장치 원주 방향의 위치가 다른 제2 단부(20b)를 갖는다. 제1 단부(20a)와 제2 단부(20b)가 이루는 각도는, 360/n도[n은 초전도 코일 장치(1)를 구성하는 코일 유닛(11)의 수를 나타내는 정수]이다. 제2 단부(20b)는 제1 단부(20a)에 대해 주위 방향으로 제1 방향측에 위치한다. 크라이오스태트(2)의 제1 단부(20a)와 제2 단부(20b)는 개방되어 있다.

크라이오스태트(2)의 제1 단부(20a)측과 제2 단부(20b)측의 각각의 개구의 주위에는 플랜지(22-1, 22-2)가 설치된다. 하나의 코일 유닛(11)의 플랜지(22-2)와, 그 제1 방향측에 인접하는 코일 유닛(11)의 플랜지(22-1)는 도 1의 플랜지(22)를 구성한다. 크라이오스태트(2)의 내부는 차열 실드(19)로 덮인다. 크라이오스태트(2)는 내향 하중 부여 장치(14)를 구비한다. 내향 하중 부여 장치(14)는 초전도 코일(23)을 크라이오스태트(2)의 외주측으로부터 밀고, 내주측으로부터 잡아 당김으로써, 초전도 코일(23)에 초전도 코일 장치(1)의 중심 방향을 향하는 수평 방향의 하중을 부여한다. 내향 하중 부여 장치(14)는 조립시나 무여자(無勵磁)시의 내향 하중이 작용하지 않을 때의 초전도 코일(23)의 위치 결정이나 슬라이드 기구(25)의 진공 밀봉을 위해 사용된다.

도 4에 도시된 초전도 코일(23)은, 복수의 요소 코일(4)을 포함한다. 복수의 요소 코일(4)은 장치 원주의 주위 방향으로 배열되어 배치된다. 요소 코일(4)은 코일 코어(13)와, 거기에 권취된 초전도 선재인 코일 권선(12)으로 이루어진다. 도 2, 도 4에는 코일 권선(12)의 수평면에서의 단면이 그려져 있다. 초전도 코일(23)은 또한, 코일 지지 부재(24)를 포함한다. 코일 지지 부재(24)는 코일 코어(13)에 코일간 스페이서(8)와, 코일간 스페이서 겸 단부판(10a, 10b)이 고정됨으로써 구성된다. 동일한 코일 유닛(11)에 포함되는 복수의 요소 코일(4)의 상대 위치는, 코일간 스페이서(8)에 의해 서로의 코일 코어(13)가 고정됨으로써 고정된다.

코일간 스페이서 겸 단부판(10a)은, 코일 코어(13)에 고정되고, 코일 지지 부재(24)의 가장 제1 방향과 반대측에 위치한다. 코일간 스페이서 겸 단부판(10a)의 제1 방향과 반대측의 면인 제1면(21a)은, 초전도 코일 장치(1)가 구성되었을 때, 장치 원주의 반경 방향에 평행하다. 코일간 스페이서 겸 단부판(10b)은, 코일 코어(13)에 고정되고, 코일 지지 부재(24)의 가장 제1 방향측에 위치한다. 코일간 스페이서 겸 단부판(10b)의 제1 방향측의 면인 제2면(21b)은, 초전도 코일 장치(1)가 구성되었을 때, 장치 원주의 반경 방향에 평행하다. 제1면(21a)과 제2면(21b)이 이루는 각도는, 360/n도이다. 제1면(21a)과 제2면(21b)에 각각 결합부가 설치된다. 도 2, 도 4의 예에서는, 결합부는 결합 핀부(15)로서 그려져 있다. 각각의 결합 핀부(15)는 결합 핀(16)과 결합 핀 이동 장치(18)를 포함한다. 코일간 스페이서 겸 단부판(10a, 10b)의 요소 코일(4)이 배치되는 측, 즉 크라이오스태트(2)와 조립되었을 때에 코일 유닛(11)의 내부에 면하는 측은, 차열 실드(19)로 덮인다.

동일한 코일 유닛(11)에 속하는 코일간 스페이서 겸 단부판(10a, 10b)의 단부는, 크라이오스태트(2)의 제1 단부(20a)와 제2 단부(20b)로부터, 가이드판(30)에 의해 제1면(21a)과 제1 단부(20a), 제2면(21b)과 제2 단부(20b)가 거의 동일면으로 되도록 끼워진다. 초전도 코일(23)을 내향 하중 부여 장치(14)에 의해 크라이오스태트(2)에 대해 초전도 코일 장치(1)의 중심 방향으로 이동시킴으로써, 코일간 스페이서 겸 단부판(10a, 10b)의 1차 진공 밀봉 부품(29)을, 플랜지(22-1, 22-2)에 1차 진공 밀봉 부품(28)을 통해 장착 가이드판(30)에 접촉시킴으로써 코일간 스페이서 겸 단부판(10a, 10b)이 크라이오스태트(2)의 개방 단부를 폐색함으로써, 코일 유닛(11)의 외부의 기체가 내부에 침입하는 것을 방지하고 있다.

각각의 코일 유닛(11)의 제1 단부(20a)는, 제1 방향의 반대 방향에 인접하는 코일 유닛(11)의 제2 단부(20b)와 면 접촉한다. 이때, 제1 단부(20a)의 플랜지(22-1)와 제2 단부(20b)의 플랜지(22-2)의 조합이 도 1의 플랜지(22)를 구성한다. 플랜지(22)에는 슬라이드 기구가 설치된다. 도 5는 슬라이드 기구(25)의 확대도이다. 한쪽 코일 유닛(11)의 플랜지(22-1) 및 가이드판(30)과 다른 쪽 코일 유닛(11)의 플랜지(22-2) 및 가이드판(30)이 각각 접촉한다. 한쪽 코일 유닛(11)의 코일간 스페이서 겸 단부판(10a)의 제1면(21a)과 다른 쪽 코일 유닛(11)의 코일간 스페이서 겸 단부판(10b)의 제2면(21b)이 접촉한다. 가이드판(30)은 판 형상의 링 형상이며, 제1면(21a), 제2면(21b)의 외주 부분에 서로 평행하게 형성된 절결부가 조합됨으로써 구성되는 링 형상의 오목부에 삽입된다. 가이드판(30)이 삽입된 상태에서, 오목부의 바닥(32)에 환 형상의 간극(34)이 형성된다. 이 간극(34) 및 오목부의 바닥(32)의 폭이 대응하는 가이드판(30)의 두께보다 약간 넓게 제작됨으로써, 동일한 코일 유닛(11)을 형성하는 크라이오스태트(2)와 초전도 코일(23)은, 대응하는 위치의 소원주의 반경 방향으로 서로 슬라이드 가능하게 접속된다.

가이드판(30)과 플랜지(22-1, 22-2)의 각각의 사이에는 기체의 침입을 방지하는 1차 진공 밀봉 부품(28)이 설치된다. 가이드판(30)과 코일간 스페이서 겸 단부판(10a, 10b) 사이에는 기체의 침입을 방지하는 1차 진공 밀봉 부품(29)이 설치된다. 인접하는 플랜지(22-1, 22-2) 사이에는 기체의 침입을 방지하는 2차 진공 밀봉 부품(26)이 설치된다. 이러한 슬라이드 기구(25)에 의해, 크라이오스태트(2)와 코일 지지 부재(24)의 온도 변화에 의한 신장차가 발생한 경우라도 진공 밀봉 기능을 손상시키는 일 없이 초전도 코일(23)이 반경 방향으로 이동할 수 있음으로써 신장차에 의한 악영향을 완화할 수 있다.

크라이오스태트(2)의 플랜지(22-1, 22-2)의 2차 진공 밀봉 부품(26)에 의한 밀봉 기구는, 분할 수송시의 플랜지면에의 차열판 장착이나 토로이달 형상으로 조립 완료시의 스페이서 겸 단부판(10a, 10b) 사이의 진공 단열 및 1차 진공 밀봉의 백업에 사용한다.

이상과 같이, 초전도 코일(23)이 직경 방향으로 이동할 수 있도록 배치되고, 이 이동을 허용하도록 진공 밀봉부가 형성된 가이드판에 의해, 분할된 크라이오스태트의 양단부측으로부터 코일 코어부를 끼워, 직경 방향의 내주 방향으로 하중을 가함으로써 진공 밀봉과 위치 결정을 행한다.

이상의 구성을 구비하는 코일 유닛(11)이 장치 원주를 따라 배치됨으로써, 토로이달 형상의 초전도 코일 장치(1)가 형성된다. 상세하게는, 각각의 코일 유닛(11)의 코일간 스페이서 겸 단부판(10b)의 제2면(21b)과, 제1 방향에 인접하는 코일 유닛(11)의 코일간 스페이서 겸 단부판(10a)의 제1면(21a)이 면 접촉하도록 배치된다. n개의 코일 유닛(11)이 이와 같이 배치됨으로써, 토로이달 형상이 형성된다. 내향 하중 부여 장치(14)가 각각의 크라이오스태트(2)를 장치 원주의 중심 방향으로 가압함으로써, 인접하는 코일 유닛(11)의 접촉면에 압력이 가해져 밀착된다. 그 결과, n개의 코일 유닛(11)이 장치 원주의 반경 방향의 소정 위치에 지지된다.

다른 코일 유닛(11)의 초전도 코일의 반경 방향 상대 변위의 발생 방지와, 코일 코어의 초기 조립시의 직경 방향 위치의 오차 방지를 위해, 코일간 스페이서 겸 단부판(10a, 10b)에 설치한 삽입부나 결합 핀(16)으로, 인접하는 코일 유닛(11)의 초전도 코일의 상호의 직경 방향 위치 결정을 한다. 도 2에는 결합 핀(16)을 채용한 예가 기재되어 있다. 결합 핀 이동 장치(18)에 의해 결합 핀(16)을 이동시킴으로써, 인접하는 코일 유닛(11)의 한쪽 결합 핀부(15)의 볼록부와 다른 쪽 결합 핀부(15)의 오목부가 끼워 맞춤된다. 이 끼워 맞춤에 의해, 인접하는 코일 유닛(11)의 각각의 코일간 스페이서 겸 단부판(10)의 상대 위치가 고정된다. 특히, 장치 원주의 반경 방향의 상대 위치가 고정된다. 이러한 구성에 의해, 복수의 코일 유닛(11)의 초전도 코일의 상대 위치의 어긋남이 방지된다.

이러한 직경 방향 위치 결정 기구에 있어서, 전기나 유체압의 액추에이터로 코일 유닛(11)을 토로이달 배치 원주의 반경 방향이나 주위 방향으로 가동식으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해, 코일 조립 용기의 개개에 대해, 건설이나 보수시에 다른 용기의 설치 위치를 움직이지 않고 토로이달 배치로부터 탈착이 가능해진다.

이러한 초전도 코일 장치(1)를 운전할 때, 크라이오스태트(2)의 내부가 진공화되어, 내부 초전도체 냉각 장치(7-1 내지 7-4)에 의해 초전도 상태를 유지하기 위해 필요한 저온까지 냉각된다. 또한, 전류 리드 냉각 장치(9)에 의해 전류 리드가 냉각된다. 전류 리드 접속 단자(6)를 통해 장치 외부로부터 크라이오스태트(2)의 내부의 요소 코일(4)에 전류가 도입된다. 요소 코일(4)이 발생하는 자기력에 의해, 각각의 요소 코일(4)이 장치 원주의 내측으로 이동하는 방향, 즉 원환이 수축되는 방향으로 힘이 작용한다. 그 결과, 인접하는 코일 유닛(11)의 접촉면에 압력이 가해져 밀착된다. 요소 코일(4)이 발생하는 내측 방향의 힘은, 코일 지지 부재(24)를 통해, 인접하는 코일 유닛(11)의 접촉면에 의해 지지된다.

즉, 초전도 코일은, 기본적으로 코일 권선(12)에의 작용력이 외부의 구조계로부터 직접 개별적으로 지지될 필요는 없다. 자중의 수직 하중, 환 형상 자장에서 발생하는 토로이달 배치의 직경 방향의 내향력, 분할 코일간의 발생 자장의 불균형에 의한 장치 원주의 주위 방향력은, 코일 코어(12)에 의해 지지된다. 복수의 초전도 코일(23)은 코일간 스페이서 겸 단부판(10a, 10b)의 단부면의 웨지 구조에 의해 일체화된다.

토로이달 배열 코일의 코일 코어(13)의 단부면에 작용하는 전자기력에 의한 하중은 기본적으로 면에 수직하고, 단부면간의 어긋남의 원인이 되는 면에 평행한 방향의 하중은 이론적으로는 발생하지 않는다. 가령 형상 오차 등에 의해 면에 평행한 방향의 하중이 발생해도, 단부면간의 마찰력에 의해 상대 미끄럼에 의한 변위는 발생되지 않는다. 결합 핀부(15)가 설치되면, 변위의 방지와 코일의 중심 위치 정렬이 더욱 확실하게 행해진다.

이러한 초전도 코일 장치에서는, 복수로 분할된 토로이달 용기마다, 진공 배기, 극저온 냉동기에 의한 냉각을 행할 수 있다. 또한, 초전도 상태를 유지하기 위해 필요한 초기 냉각이 완료된 상태에서, 코일 유닛(11)의 상호간의 결합 조립 또는 분해를 할 수 있다. 분해는, 결합 핀 이동 장치(18)에 의해 결합 핀(16)의 끼워 맞춤을 해제하고, 크라이오스태트(2)의 플랜지부(22-1, 22-2)의 상호의 결합을 해제하여 코일 유닛(11)을 장치 원주의 외측 방향으로 빼냄으로써 가능해진다.

또한, 도 1에 도시한 초전도 코일 장치(1)가 가동되고 있을 때에, 그 밖에 백업용 코일 유닛(11)을 준비해 둘 수 있다. 백업용 코일 유닛(11)을 단독으로 진공화하여 냉각한 상태로 준비해 둠으로써, 초전도 코일 장치(1)의 일부를 교환하거나 메인터넌스하고자 하는 경우, 그 일부를 백업용 코일 유닛(11)으로 치환하면, 다른 코일 유닛(11)에 영향을 미치지 않고 단시간에 운전 재개가 가능하다.

코일을 코일 권선(12)의 외경측으로부터 지지하는 구조계가 불필요하므로, 코일이 다수 분할된 경우나, 비직선적으로 배치된 경우라도 용이하게 지지가 가능하다.

이러한 초전도 코일 장치에 따르면, 공장 조립 후, 출하까지, 수송 중, 조립 전 현지 보관시에, 코일 유닛 양단부의 플랜지부에의 외부로부터의 차열판의 장착, 발전기나 상용 전원에서의 극저온 냉동기의 운전에 의한 냉각 및 완료 대기에 의해, 공사 기간의 단축, 단시간의 보수 교환 및 사용 재개가 가능하다.

또한, 크라이오스태트에 코일을 내장할 때에, 최종 완성된 용기에 대해, 플랜지 개구부로부터 내부로 들어가지 않고 용이하게 작업이 가능하다.

분할 코일 유닛 단일 부재에 의한 개발, 시험 제작, 검증을 실시한 후, 토로이달 배치에 의한 최종 검증이 가능하다. 그로 인해 개발 성과의 단계를 따른 실적을 용이하게 할 수 있는 이점도 얻어진다.

Claims

원주상에 배열되어 토로이달 형상을 형성하는 복수의 코일 유닛을 구비하고,
상기 복수의 코일 유닛의 각각은,
진공 단열 용기와,
상기 진공 단열 용기에 격납된 초전도 코일을 구비하고,
상기 초전도 코일은 복수의 요소 코일과 코일 지지 부재를 포함하고,
상기 요소 코일은, 코일 코어와, 거기에 권취된 초전도 선재인 코일 권선으로 이루어지고,
상기 코일 지지 부재는, 상기 코일 코어에 코일간 스페이서와, 2개의 코일간 스페이서 겸 단부판이 고정됨으로써 구성되고,
상기 코일간 스페이서 겸 단부판은,
상기 원주의 반경에 평행한 제1면과,
상기 원주의 반경에 평행하고 상기 제1면에 대해 상기 원주상의 제1 방향측에 배치된 제2면을 갖고,
상기 제1면은, 상기 복수의 코일 유닛 중 한쪽에 인접하는 상기 복수의 코일 유닛 중 하나의 상기 제2면과 접촉하고,
상기 제2면은, 상기 복수의 코일 유닛 중 다른 쪽에 인접하는 상기 복수의 코일 유닛 중 다른 하나의 상기 제1면과 접촉하는, 초전도 코일 장치.
제1항에 있어서, 상기 초전도 코일에 전류가 흘려졌을 때, 상기 초전도 코일의 전자기력에 의해 상기 초전도 코일에 상기 원주의 중심 방향으로의 인력이 부여되고,
상기 복수의 코일 유닛 각각은, 상기 인력에 의해 상기 제1면이 상기한 한쪽에 인접하는 상기 하나의 상기 제2면에 압박되고, 또한 상기 제2면이 상기 다른 쪽에 인접하는 상기한 다른 하나의 상기 제1면에 압박됨으로써 상기 원주의 반경 방향의 소정 위치에 지지되는, 초전도 코일 장치.
제2항에 있어서, 상기 초전도 코일은, 대응하는 위치에 있어서의 상기 원주를 중심축으로 하는 원형을 따라 권취된 선재로 이루어지는 코일인, 초전도 코일 장치.
삭제
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 복수의 코일 유닛 중 서로 인접하는 코일 유닛 각각의 상기 코일 지지 부재의 상기 원주의 반경 방향의 상대 위치를 상기 제1면과 상기 제2면에 있어서 고정하는 결합부를 더 구비하는, 초전도 코일 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 동일한 복수의 상기 코일 유닛에 각각 포함되는 상기 진공 단열 용기에 대해 상기 초전도 코일을 각각의 상기 진공 단열 용기 내부의 기밀성을 유지하면서 슬라이드 가능하게 접속하는 슬라이드 기구를 더 구비하는, 초전도 코일 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 코일 유닛 각각을 상기 원주의 중심 방향으로 가압하는 내향 하중 부여부를 더 구비하는, 초전도 코일 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 코일 유닛 각각은, 상기 초전도 코일을 냉각하는 복수의 냉동기를 일체적으로 구비하고, 상기 복수의 냉동기 각각은 대응하는 위치에 있어서의 상기 원주를 중심으로 하는 소원주 방향에 배치되는, 초전도 코일 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 코일 유닛 각각의 상기 진공 단열 용기의 내부에는, 서로 코일간 스페이서를 통해 결합됨으로써 상대 위치가 고정된 복수의 요소 코일이 격납되는, 초전도 코일 장치.