JPH0474401A - 超電導磁石 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は核融合装置用超電導磁石や電力貯蔵用エネルギ
蓄積超電導磁石等の大形超電導磁石に関する。

（従来の技術） 超電導磁石は、超電導導体の外表面を液体ヘリウムで冷
却する浸漬冷却形のものと、超電導導体内部を液体ヘリ
ウムまたはガスヘリウムで冷却する内部冷却形の強制冷
却形に大別される。

浸漬冷却形は超電導導体間は絶縁スペーサではさみ込む
様な形でコイルが巻回されており、絶縁強度が弱く、か
つ機械的剛性も劣る。

一方、内部冷却形の強制冷却超電導磁石は素線絶縁が可
能で、超電導導体間の密着性が良いことから絶縁強度が
高く、かつ機械的剛性も高い。そのような利点から核融
合装置に用いられ′るトロイダルコイル、ポロイダルコ
イル、ヘリカルコイルや、エネルギ蓄積に用いられるコ
イルには内部冷却形の強制冷却超電導コイルが使用され
つつある。

第５図に、このような従来の強制冷却超電導磁石を採用
した１つのコイル縦断面図を示す。強制冷却導体（２３
）はコイル状に巻回され、対地絶縁部材（イ）を設け、
コイル枠（ハ）に納められている。また超電導コイルの
構成には、例えば特開平１−１７３６０４号公報の様な
、「超電導素線を中空部に収容した肉薄のシー入管と、
コイル状に加工されるとともに軸方向に沿って分割可能
に構成され且つ内部に沿って上記シース管が収容される
補強容器と、上記補強容器を囲むように設けられる絶縁
層とを具備したことを特徴とする超電導コイル。」の構
造が採用されている。

またこれらの導体内には、加圧ヘリウムガスを冷媒とし
て流すことが通例であった。その冷却は第５図に示す様
に、熱交換器（１７）によって冷却された冷媒を冷媒通
路入口（２１）を通して強制冷却導体（２３）に流して
冷却し、また冷媒通路出口（２２）を通してその冷媒を
回収するシステムであった。このような冷却システムに
よれば、各冷媒通路入口（２１）の温度はほぼ一定であ
り、コイル内の温度もほぼ一様であると考えられる。

一方、コイル内磁場分布は第７図に示すようになり、コ
イル内径（ＲＩ）側に磁場の高い所が生じ、コイル外径
（ＲＯ）側に向かって磁場は徐々に減衰する。

一方、超電導導体の臨界電流密度（最高電流）は磁場を
パラメータとした場合、磁場とコイル温度依存性が第６
図に示すように給体温度Ｔ　（Ｋ）が低い程、大になる
傾向がある。

従って従来技術では、コイル内径側で設計条件が与えら
れ、コイル内径側の設計条件がより厳しく、外径側では
裕度のある設計となっている。

また、従来の技術では強制冷却超電導磁石では冷却温度
は４．２に前後であり、またコイル断面内の温度分布も
ほぼ一定であった。

（発明が解決しようとする課題） 最近の核融合実験装置やエネルギ蓄′積用超電導磁石は
、よりコンパクトで強磁場が要求されつつある。

本発明は、より小形で発生磁場を高くさせた強制冷却超
電導磁石を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明においては、極低温
冷媒を強制的に循環することにより超電導コイルを冷却
する超電導磁石において、超電導コイルを縦断面にて内
径側から外径側へと複数のコイルブロックに分け、各コ
イルブロックへの冷媒温度をコイル入口にて外径側より
内径側を順次低くする。

（作　用） 上記のようにすれば、内側のコイルブロックをより低い
温度にし、磁場の低い外側のブロックは従来並の温度に
することにより、従来のものよりも、よりコンパクトで
強磁場を発生することができる。

（実施例） 実施例１ 以下、本発明の第１の実施例について第１図ないし第３
図を参照して説明する。

超電導磁石を形成するコイルは、縦断面にて第１図に示
すように内径側から外径側へと複数（この場合３個）に
分割し、内径側コイルブロック■。

中間コイルブロック■、外径側コイルブロック（３）と
する。

各々のコイルブロック■、■、■は対地絶縁部材（イ）
および層間絶縁部材急によって仕切られている。

また、コイルは外側冷却パイプωによって冷却されたコ
イル枠■で覆われている。また、コイル導体（３０）の
−本いつぼんば第２図に示すような構成であり、シー入
管（９）内に多数の超電導素Ｉｍ（８）が納められてい
る。シース管（９）内には内側冷却パイプ（１１）が設
けられる。またシース管（９）の外側には導体絶縁部材
（１０）が設けられ、これ等を巻回してコイルが形成さ
れる。ところで冷媒はシース管（９）内及び導体冷却パ
イプ（１１）内を流れ、超′電導素線（８）を冷却する
ことによって超電導状態を保つ。

第３図は本実施例１の冷却系統を示す例であり、内径側
、中間、外径側のコイルブロック■、■。

（３）に対し、それぞれ順に温度の高い冷媒を供給する
ための第１．第２．第３の熱交換器（１５）、　（１６
）。

（１７）を有し、それぞれの系から冷媒を冷媒流路入口
（２１）より供給し、コイル導体を冷却したのち冷却流
路出口（２２）へ戻し、冷凍システム側へ循環させる。

次に上記実施例１の作用を説明する。

一般のコイルは第７図に示すようにコイル内径（ＲＩ）
で最大磁場０３ｍａｘ）を経験し、コイル外径（ＲＯ）
でその磁場（Ｂ）は小さくなる。従って、コイル内径側
で超電導導体の設計条件が決定される。

本実施例１は、第７図に示す臨界電流の温度依存性に着
目したもので、すなわち従来の４．２Ｋ（液体ヘリウム
温度）よりも低い温度にし、臨界電流密度を高くとるこ
とを考えたものである。かつ、コイル断面内を複数のコ
イルブロックに分け、内側コイルブロックをより低い温
度にし、磁場の低い外側のコイルブロックは従来能の温
度とするものである。こうすることによって、全コイル
断面を一様に低い温度にする従来のものよりも、より小
形で強磁場を発生し、冷媒供給システムがより経済的に
なる効果がある。

次に実施例１の効果を作用原理に従って説明する。

第１図のコイル断面構成で、例えば、内径側コイルブロ
ック■は第７図に示す様にコイル内径側（ＲＩ）で最大
磁場を経験することから、従来の液体ヘリウム温度４．
２にでは電流密度に限度がある。

設計上は電流密度は臨界電流の数分の１にとるが、その
値は臨界電流密度に温度依存性があることから冷媒の温
度を下げることにより高くとれる。例えば、第６図によ
れば、同じ８Ｔ（テスラ）を実現しようと考えた時は４
．２Ｋから２に程度に冷却すれば、臨界電流密度が２倍
近くとれることがわかる。

また逆に言えば臨界型ｆＬ密度を一定と考えれば、より
低い磁場しか実現できなかったもの′が、高い磁場を実
現できることになる。

例えば第６図で１０００　Ａ　／　ｍ２の臨界電流密度
の超電導導体は従来の４．２にでは８Ｔを経験できなか
ったものが３．５に以下にすれば８Ｔを経験できるよう
になる。

ここで１．８に以下の液体ヘリウムをヘリウム■と言う
。ヘリウム■は超流動ヘリウムとも言われ特別な性質を
有する。その超流動ヘリウムの特徴は従来のヘリウム（
ヘリウムＩ）に比べ粘性はほとんどなく、超流動の名前
もそこからくる。また、熱伝達特性にすぐれ、絶縁距離
も大きくとれる利点がある。いいかえれば、超電導導体
（例えば第２図）に超流動ヘリウムを流すことにより圧
力損失も極力少なくできるし、冷媒により除熱効果も太
きいと言う利点が生ずる。

第３図は、各々のコイルブロック■、■、（３）に対応
して第１ないし第３の各熱交換器（１５）、　（１６）
。

（１７）があり、例えば１．８に、３に、４．２にのよ
うに異なった冷媒を供給でき、それぞれの経験する磁場
強度を高くするシステムの例である。このようにして高
い磁場を得る。各々の熱交換器（１５）。

（１６）、　（１７）の全体容量はコイル全体を１．８
Ｋにしたものより小さくできる。このことは同じ磁場強
度を得るマグネットに対し、経済的な冷却系を供給する
ことになる。

実施例２ 第４図は第２の実施例であり、コイル内径側への熱侵入
をなくすため、強制冷却超電導導体からなる内径側コイ
ルブロック■に対地絶縁部材（イ）を施した上に、さら
に良熱伝導体からなる冷却板（１２）でコイルブロック
の周囲な覆い、冷却板（１２）の一部に冷却板冷却パイ
プ（１３）を設ける。

さらにコイル枠■に納める時は冷却板（１２）の間に断
熱材からなる断熱層（２４）を挿入する。

また、このように低い温度に保つには除熱も必要であり
、その説明をより具体的に各部の温度を仮に設定して説
明する。

コイル枠■は外側冷却パイプωによって液体ヘリウム温
度の４．２Ｋに冷却されているとし、コイル内側の強制
冷却導体である内径側コイルブロック■は、超流動ヘリ
ウム（１，８Ｋ）によって冷却されているとする。ここ
で超流動ヘリウム温度の１．８Ｋを達成するためには、
　内径側コイルブロック■への入熱を極力減らすことが
必要であり、内径側コイルプロｙり■のまわりを対地絶
縁部材（イ）で覆う。絶縁部材（イ）は熱伝導性が極め
て悪く、入熱を減らす目的にも使える。さらに入熱をへ
らすため高純度アルミニウム等の良熱伝導体の冷却板（
１２）で覆い冷却板冷却パイプ（１３）の中に１．８に
と４．２にの間の冷媒（例えば２．５Ｋ）を流す。他は
実施例１と同様である。

次に実施例２の作用を説明する。

上記のようにすることにより、冷却板（１２）はほとん
どその冷媒温度になる。この冷却板（１２）はコイル枠
■からの入熱を一部除去する。また冷却板（１２）とコ
イル枠０の間にも熱伝導性の悪い断熱層（２４）を設け
ることにより、冷却板■に入る熱量を下げる。このよう
にして、より低い温度（４，２Ｋ）以下で冷媒を流すこ
とができる。このことは、より高い磁場が発生できるこ
とを意味する。

また、このようにコイルの一部をより低い温度にするこ
とは全体をその温度に冷却する場合に比ベコイル枠０か
ら入る入熱はその断面の差により小さくなる。すなわち
、入熱面積の割合で小さくなることは明らかであり、熱
交換器等の容量が小さくなることもあきらかである。

このようにコイル断面内を複数ブロックに分け、内径側
を低い温度にすることにより、より高い磁場を発生でき
る超電導磁石を提供可能にする。

また、外径側に位置するコイルブロック■、（３）等に
対しては、内側コイルブロック■より順次温度の高いブ
ロックとすると、従来の、全体を一様に冷却し全体を内
側のコイル温度レベルにするものよりも冷却動力を減ら
すことができ、熱交換器（１５）、　（１６）、　（１
７）等の容量も小さくなり、冷却系を経済的にできる。

このようにして高い磁場を経済的に発生させることが可
能になる。

また内側のコイルブロックに対し超流動ヘリウムを冷媒
として流すことにより、超電導導体の除熱能力も向上し
、かつ、冷媒の圧力損失も小さくなり、コイルの性能向
上、また、低温ポンプの容量を小さくするという利点が
生ずる。

（他の実施例） 第１．第２の実施例では限られたコイルブロック（３個
）で示したがこのブロック数は任意であり温度も任意に
設定可能である。

また、より低温側のコイルブロックから出した冷媒を、
温度の高いコイルブロックやコイル枠などにシリーズに
流すことも可能である。

また、より内側のコイルブロックから出た冷媒はより高
い冷媒の入口と熱交換するシステムも可能である。

また、本発明の複数のコイルブロックに対応した電源を
独立に有するようにすることにより、各コイルブロック
の温度に準じて、許容される電流を流すことも可能であ
る。尚、内側冷却パイプ（１１）は用いないで超電導素
線（８）間のみに冷媒を流してもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、ホ形でより高い磁
場を提供できる強制冷却超電導磁石を得られるので、核
融合装置のプラズマ保持用電磁石を実現可能にし、また
、エネルギ蓄積用マグネットはそのエネルギが磁場の２
乗に比例することから、よりエネルギの高いものが提供
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例シ示すコイル縦断面図、
第２図は第１図のコイル導体の拡大断面図、第３図は第
１図のコイルの冷却システムの系統図、第４図は本発明
の第２の実施例を示すコイル内径側縦断面図、第５図は
従来例を示す系統図、第６図は臨界電流密度の温度依存
性を磁場をパラメータとして示す曲線図、第７図はコイ
ル内磁場分布を示す曲線図である、 １・・内径側コイルブロック、 ２　中間コイルブロック、 ３・・外径側コイルブロック、 ４　・対地絶縁部材、　５・・コイル枠、６・−層間絶
縁部材、　　７　外側冷却パイプ、２１・・冷媒通路入
口、　２２−冷媒通路出口、３０・コイル導体。 代理人　弁理士　　大　胡　典　夫 内イｌす〕々去νパイフ。 第 図 第 図 ２に ３に ４に ５に ６に ７に ８に →絶対５２度Ｔ＋に＋ 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　極低温冷媒を強制的に循環することにより超電導コイ
   ルを冷却する超電導磁石において、超電導コイルを縦断
   面にて内径側から外径側へと複数のコイルブロックに分
   け、各コイルブロックへの冷媒温度をコイル入口にて外
   径側より内径側を順次低くしたことを特徴とする超電導
   磁石。