JPH02232903A - 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】 ［ズ業上の利用分野］ この発明は、強制冷却方式を採用した超電導コイル装置
に関するものである． ［従来の技術］ 第４図〜第６図は、例えば、特公昭５９−１２００３号
公報に示された従来のこの種の超電導コイル装置であり
、第４図、第５図において、（１）は超電導々体、（２
）は電磁力支持構造部材、（３）は導体収納用スロット
、（４）は絶縁材、（５）は巻枠である．第６図は導体
間の電気的接続を模式的に示したものであり、（６ａ）
はフィーダ線、（６ｂ）はコイル外径側渡り線、（６Ｃ
）はコイル内径側渡り線である．第７図は、例えば、第
３５回低温工学会研究発表会（１９８６年）の予稿集、
１２０ページに示された超臨界圧ヘリウムを強制循環し
て冷却するいわゆるコンジット型と呼ばれるコンジット
型超電導々体（フ）であり、（８）は超電導素線、（９
）は多数の超電導素線を束状に撚線した撚線導体、（１
０）は例えば高強度ステンレス鋼からなるコンジットで
あり外部に対してコンジット内を気密に保っている．超
電導素線（８）間の間隙《１１》は超臨界圧ヘリウムな
どの冷媒が圧送される冷却チャンネルである．以上の構
成において、第４図に示した超電導コイルの巻線方法は
超電導々体（１）を各々絶縁材（４）でターン間絶縁を
行った後、並列に電磁力支持構造部材（２》のスロット
にはめて巻き込み、第６図のように渡り線（６ｂ）、（
６ｃ）で超電導コイルとして必要な電流が流れるように
結線する． この方法は、超電導々体（１）と電磁力支持構造部材（
２）が同時に回巻きされているため電磁力の大きな、例
えば核融合炉用の超電導コイル製作方法などに適用可能
である． 第４図、第６図の巻線方法はいわゆるパンケーキ巻と呼
ばれる方法である．第４図のコイルは４巻線から１ユニ
ットのコイルが構成されているが、通常は１ユニットを
２巻線から構成するダブルパンケーキ巻が採用されてい
る． 軸方向に長さが要求される超電導コイルの場合には、こ
のパンケーキコイルを軸方向に多数個重ね合わせて必要
なコイル長さを得る． 第７図のコンジット型超電導々体構造は、ステンレス鋼
などの高強度鋼のコンジット（１０）の内部に多数本の
超電導素線（８）を束状にした撚線導体（９）を封入し
、超電導素線（８）の間隙の冷却チャンネル（１１）に
、例えば超臨界圧ヘリウムなどの冷媒を強制循環して冷
却する．この方式の特徴は、コンジット材が電磁力に対
する強度メンバーとなるので導体自身の強度が高くとれ
ること、およびコンジット外部に冷媒が必要でないので
、冷却特性を損なうことなく確実な絶縁の施工が可能で
耐電圧性がよいこと、および超電導素線（８）の冷却面
積が大きく超電導安定性が良いことなどである。

このことから、電磁力が大きく、かつ数＋ｋＶ　級の絶
縁性が要求される核融合炉の大形コイル用として研究開
発されている． ［発明が解決しようとする課題］ 以上のような従来の超電導コイル装置は、第７図に示し
たコンジット型超電導々体ではコンジット材が高強度鋼
であるので超電導々体自身でかなりの電磁力を支持する
ことが可能である．しかしながら、その製作性の問題か
らコンジットの厚さを十分厚くすることが困難であり、
電磁力の大きな核融合炉用の大形超電導コイルではコイ
ル中に電磁力支持を分担し得る他の構造部材が必要とな
る．その候補として第４図の構造が考えられる．これら
２方式の組合せによるものは、十分な強度を有するコイ
ルが製作可能であるという特徴を有する． 第８図にトカマク型の核融合炉の超電導コイル群の必要
部分のみを示すが、トカマク型の核融合炉ではプラズマ
（１２》を磁気的に閉じ込めておくトロイダルコイル（
１３）と、プラズマを必要な形状に維持するための平衡
磁場コイル（１４ａ）〜（１４Ｆ＞、および、変流器の
原理でプラズマを加熱する変流器コイル（１５）がある
．平衡磁場コイル配置は、種々の配置方法がある．これ
らのコイルのうち変流器コイルの大きさはプラズマ実験
の内容と炉の全体寸法に大きな影響を与え、磁場発生空
間（１６）の直径は可能な限り大きく、また発生磁場は
可能な限り高くする必要がある．即ち、変流器コイル（
１５）のコイル外周側とトロイダルコイル（１３）との
間は可能な限り小さくし、変流器コイル（１５）の厚さ
は可能な限り薄くする必要がある． また変流器コイル（１５）は、軸方向に長いコイルであ
るため、電流を流して磁場を発生させるとコイル内径側
に最大磁場が発生し半径．が増加するに従って磁場は低
くなり、コイル外側では最大磁場の数分の一の磁場とな
っている． 変流器コイル（１５）の発生磁場を上げるためには超電
導線材料としては例えばＮｂ　Ｓｎなどの化合物系の材
料を使用する必要がある． しかしながらＮｂ　Ｓｎなどの高磁場用の化合物系の超
電導材料は、例えばＮｂＴｉなどの比較的低磁場用の合
金系の超電導材料に比べて脆い材料であり、技術的にＮ
ｂＴｉなどの合金系材料より信頼性が落ちる．またその
技術的取扱いの困難さからも高価になる．従って、一般
に高磁場発生コイルでは、高磁界部分のみにＮｂ　Ｓｎ
系の化合物超電導材料を使用し、低磁場部分にはＮｂＴ
ｉ系の合金超電導材料を使用し、コイル内で両者を接続
する．この方法はグレーディングと呼ばれている．超電
導線に流しうる電流は磁場の関数であり低磁場側ではよ
り大きな電流を流しうる．即ち、電流値を高磁場側と低
磁場側を一定とすると、グレーディングを行うことによ
り、低磁場側ではより小さな超電導々体が使用可能とな
り、コイルの厚さを薄くすることが可能となる． 一方、このグレーデイング法をコンジット型超電導々体
と第４図の方法との組合せに適用しようとすると、電磁
力支持構造部材（２）のスロット内の狭い空間でのコン
ジット型超電導々体の接続が必要となり、技術的に非常
に困難なものとなるという欠点を有している．従って、
上記２方式の組合せによるパンケーキ巻のコイル方式で
は、コンジット型超電導々体は内側から外側まで同一の
技術的に困難な高磁場用導体、例えばＮｂ　Ｓｎ系の化
合物超電導材料を使用することとなる．従って、上記パ
ンケーキ巻は、コイル強度は確保できるものの、技術的
信頼性が落ち、また高価なものとなるという致命的な欠
点を有している． さらに、変流器コイルはパルス運転を行うが、数ターン
の超電導々体を並列に支持する第４図の電磁力支持構造
部材は広い面積で変動磁界を経験するので渦電流にとも
なう交流損失による冷却熱負荷の増加も大きな問題とな
る． この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、コンジット型超電導々体を使用した大形コイ
ルであっても、電磁力に対して支持が可能であり、さら
にコイルのグレーディングも可能なコイル巻線方式を得
ることを目的とする．［課題を解決するための手段］ この発明に係る超電導コイル装置は、円筒状の構造材か
らコイル外周側に開口部を有するスバイラル状の電磁力
支持部材を削り出し、コンジット型超電導々体のコンジ
ット外面に絶縁を施工後、開口部に埋め込みながらスパ
イラル状に超電導コイルを巻線したものである． ［作用］ この発明における超電導コイル装置は、以上のような電
磁力支持部材を有するスパイラル巻としたため、コンジ
ット型超電導々体間の接続をコイル端部の空間で行うこ
とが可能となり、スバイラル状の電磁力支持部材で電磁
力を支持するとともに、コイルのグレーディングも容易
となり安価で信頼性のよい変流器コイルが製作可能であ
る．［実施例］ 以下、この発明の一実施例を第１図、第２図について説
明する．第１図はソレノイドコイルの１層分を示したも
のであり、（１７）は、円筒型の高強度鋼から削り出し
たスパイラル状の電磁力支持部材であり、（フ）は電磁
力支持部材（１７）の開口部（１８）にはめ込まれて回
巻きされたコンジット型超電導々体である．コンジット
型超電導々体（７）にはターン間絶縁（１９）が施され
ている．（２０）は電磁力支持部材間が接触して渦電流
損失が増加するのを防ぐための絶縁シートである． 第２図は、数層分を模式的に示したものである．内径側
は高磁場用超電導材料を使用したコンジット型超電導々
体であり、外径側は低磁場用超電導材料を使用したコン
ジット型超電導々体である．（２１）は眉間絶縁材であ
る．　（２２ａ），　（２２ｂ）は眉間の導体間の接続
部である，　（２２ｃ）は高磁場用コンジット型超電導
々体と低磁場用コンジット型超電導々体間の接続部であ
る．（２３）はスペーサ、（２４）は巻枠である，　（
２５）は最外装の電磁力支持部材であり、最外装のため
帯状の部材でよい，　（２６）は対地絶縁である．最外
層部では電磁力が弱いため、最外装の電磁力支持部材（
２５）なしで直接対地絶縁（２６）を行うことも可能な
場合もある．次に動作について説明する．磁場中にある
導体に電流が流れると、導体には、磁場×電流の電磁力
が磁場方向と電流方向と直角方向に働く．即ち円形コイ
ルではコイル拡張力となる．この拡張力となる電磁力は
、電磁力の働く導体の外周側の次の層の電磁力支持部材
で支持される．かようにして各超電導々体に発生する電
磁力は次の層の電磁力支持部材で支持されコイル全体と
して電磁力は問題なく支持される． 一方、導体間接続部は空間的に比較的余裕のあるコイル
の軸方向の端部に設けることが可能なため、パンケーキ
型コイルのように空間の利用率を悪化させることはない
． なお本実施例では、ターン間絶縁（１９）をコンジット
型超電導々体（７）に施した後、スパイラル状の電磁力
支持部材（１７）の開口部（１８）に埋め込みながらス
パイラル状に巻線する例について示したが、第３ａ図に
示すように、ターン間絶縁なしにコンジット型超電導々
体（フ》をスバイラル状の電磁力支持部材（１７》の開
口部（１８》に埋め込み、その外周部にターン間絶縁（
１９）を施すことも可能である．また、変流器コイルに
は軸方向の電磁力も働くので、第３ｂ図に示すように、
コンジット型超電導々体（７）を挿入したスバイラル状
の電磁力支持部材（１７）の開口部（１８）のコンジッ
ト型超電導々体よりさらに外周側の開口部に高強度ステ
ンレス鋼帯（２７》を挿入すれば、軸方向の電磁力に対
してもより強度を増加させることも可能である．更に本
実施例では、主として変流器コイルの空間利用に関する
導体間接続の面から利点を述べたが、かかる電磁力支持
部材は円筒から容易に旋盤のみの削り出し加工で製作で
きるという利点もある． ［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、円筒状の構造材から
コイル外径側に開口部を有するスバイラル状の電磁力支
持部材を削り出し、コンジット型超電導々体のコンジッ
ト外面に絶縁を施工後、開口部に埋め込みながらスバイ
ラル状に巻線し、導体接続部をコイルの軸方向の端部に
設けたので，スパイラル状の電磁力支持部材で電磁力を
支持するとともに、コイルのグレーディングも容易とな
り安価で信頼性のよい変流器コイルの製作が可能となる
． また、電磁力支持部材を円筒から旋盤のみで容易に削り
出し加工が可能という利点もある．

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の一実施例を示し、第１
図（ａ）は一部断面概略斜視図、同図（ｂ）は同図（＆
）の一部横断面図、第２図は数層分の一部断面図、第３
ａ図、第３ｂ図はそれぞれ他の実施例の一部横断面図，
第４図、第５図、第６図は従来の超電導コイル装置を示
し、第４図は一部断面斜視図、第５図は第４図のものの
一部斜視図、第６図は結線図である．第７図は従来の超
電導々体の横断面図、第８図は従来の超電導コイル装置
の使用例の概略横断面図である． （７）・・・コンジット型超電導々体、（１７）・・・
スパイラル状の電磁力支持部材、（１８）・・・開口部
、（１９）・・・ターン間絶縁、（２０）・・・絶縁シ
ート、（２ｌ）・・・層間絶縁材、（２７）・・・高強
度ステンレス鋼帯．なお、各図中、同一符号は同一また
は相当部分を示す． 島１図 （Ｑ） （ｂ） 代　　理　　人　　　　大　　岩　　増　　雄７：コ一
ジー，ト型８ｔｊＩ！．Ｑヰ １７：　スハ０イ５１レ収゛電朧力４杼部材１ａｌｌ’
ｌｏ静 帛４図 庫５図 第３０図 兇３ｂ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　超電導線を束状に撚線し、周囲を高強度ステンレス鋼
   でなるコンジットで覆い、前記コンジット内部に冷媒を
   強制循環して冷却するコンジット型超電導々体を円筒状
   に回巻きした超電導コイル装置において、連続回巻き方
   向を軸方向とし、前記コンジット型超電導々体をコイル
   外径側に開口部を有する高強度ステンレス鋼よりなるス
   パイラル状の電磁力支持部材の前記開口部に挿入してな
   ることを特徴とする超電導コイル装置。