JPH02288308A - 超電導コイル - 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】 〔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０図において、ＩＡ、　１Ｂ、　ＩＣ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ｌ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４４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ＩＢを介して互いに隣接するコイル
５Ａ、５Ｂはその内周側で金属プレー）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
で示すパルス状のボロイダル磁界１１０が図示しないボ
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バイ
ブ１３中に多数条の超電Ｒ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Ｂ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ＩＯ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２
０ＫＶ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ｌｌ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１０
０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。

〔！ｌ！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ｗＡ録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瓦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１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０図において、トロイダルコイルは、
５Ａ、５Ｂ　２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＝６Ｎの各層コイル
５Ａ。

５Ｂ等はＩＡからＩＧまで合計７ＩＷ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５＾についてみると、層コ
イル５Ａと金属プレート１＾との間の最大電位差はコイ
ル５＾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ＩＢ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２０Ｋ
Ｖ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）ＩＡ
、ＩＢの内周側部分を例に示したものである０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ｒ８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Ｒ３２４０ＰＲ，３０本より
）複数本に熱硬化性樹脂としてポリイミド樹脂フェス　
（宇部興産社製、商品名Ｕ−フェス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ＩＢ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４
５に沿って渦巻状に配設し、その上に金属プレート１＾
を載せる。このようにして積層されたコイル支持体ｌ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）ＩＡ、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フェスがコイ
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−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）１＾、ＩＢ
、ＩＣ：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、１
２８絶縁被覆層、１７：外周側接続部（渡り部）　、２
１．２２　：給電部、３０：締付ボルト、４０．４１，
４２７プレ一ト間絶縁層、４４，４５　　：湾曲した第 図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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。