JPH0719692B2 - 超電導コイル - Google Patents

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５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。図において、1A,1B,1C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１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溝４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1Bを介して互いに隣接するコイル5
A,5Bはその内周側で金属プレート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を互いに接続すること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
で示すパルス状のポロイダル磁界110が図示しないポロ
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６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パイプ13
中に多数条の超電導線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の超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10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20KV
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11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100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。

〔課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、前記金属プレートがその積層面に介装され
たプラスチックフィルムとその両側に配された熱硬化性
プリプレグシートとの重ね材の硬化物からなる金属プレ
ート間絶縁層により相互に絶縁かつ固着されるととも
に、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、または平板リング
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、前記金属プレートがその積層面の一方側を前記
コイル収納溝にまたがって覆うくら形状断面を有する環
状のプラスチック成形材からなる金属プレート間絶縁層
によって相互に絶縁されるとともに、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
プレート相互間の絶縁を強化する必要が生ずるので、プ
ラスチックフィルムを中央層とし、熱硬化性プリプレグ
シートを外側層とした重ね材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た状態
でプリプレグシートを加熱硬化することにより、一旦溶
融した熱硬化樹脂によりすきま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。ま
た、金属プレートの一方の積層面をコイル収納溝にまた
がって覆うプラスチック成形材を介装した場合には、コ
イル収納溝内でプラスチック成形材と超電導コイルの絶
縁被覆とが相互に重なることによってより高い耐電圧性
能が容易に得られるとともに、プラスチック成形材をそ
の両面に熱硬化性のプリプレグシート層を有する複合材
とすることにより、より高度な絶縁性能および機械的強
度を有するプレート間絶縁層を容易に形成することがで
きる。

〔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，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。図において、トロイダルコイルは、
5A,5B2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＝６層の各層コイル5A,5B等は1A
から1Gまで合計７層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接続部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5Aについてみると、層コイル5Aと金
属プレート1Aとの間の最大電位差はコイル5A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1B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20KV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被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
ロイダル磁束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、プレート間絶縁層の構成について説明する。

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、第３図はプレート間絶縁材の断面図である。使用す
る絶縁材は第３図に示すように、プラスチックフィルム
例えば厚み25μｍ程度のポリイミドフィルムを中央層42
とし、両側層43A,43Bに厚み0.1mm程度のガラスクロスま
たはガラス不織布にポリイミド樹脂ワニスを含浸，半硬
化状態とした熱硬化性のプリプレグシートを用いた重ね
材41とし、これを第２図に示す金属プレート例えば1A,1
Bのフラットな積層面に介装する。重ね材41の幅は隣接
する超電導コイル導体11の絶縁被覆12に幅方向の両端が
接する幅Ｗとし、積層面に沿って渦巻状に配設し、絶縁
被覆された締付ボルト30によって金属プレートの積層面
に締付荷重を加えた状態で、全体を所定温度例えば230
℃に加熱して２時間程度の加熱処理を行う。このとき、
半硬化状態のポリイミド樹脂が一旦溶融して流動性を増
し、金属プレート間の隙間を埋めるとともに、コイル導
体の絶縁被覆層12との隙間も埋めるので、重ね材41の硬
化絶縁層からなる金属プレート間絶縁層40は絶縁被覆層
12と一体化し、優れた耐電圧性能が得られるとともに、
隣接する金属プレートおよびコイル導体11が金属プレー
ト間絶縁層40を介して相互に固着し、機械的に強固で熱
伝導性にも優れた超電導コイルが得られる。

なお、金属プレート間に加わる電圧が大きい場合には、
両側層43を樹脂積層板とプリプレグシートとの複合材と
してもよく、また金属プレートの外周側または内周側に
突出した絶縁層の縁はあらかじめ金属プレートの側面に
沿って折り曲げるよう構成してよい。

第４図は異なる実施例金属プレート間絶縁層の構成を示
す要部の拡大断面図であり、プレート間絶縁層50をパン
ケーキ巻きコイル例えば5Aを挟む一対の金属プレートの
一方，例えば1Aをそのコイル収納溝４にまたがって覆う
プラスチック成形材51,52,53等で構成した点が前述の実
施例と異なる。すなわち、金属プレート1Aはフラットな
積層面と半円状のコイル収納溝４との境界部分に曲率半
径ｒなる丸みが収納溝４に沿って形成され、プラスチッ
ク成形材は積層面を収納溝にまたがって覆うくら形に近
い断面形状を有する環状または渦巻状にあらかじめ成形
され、収納溝内に間隙59を保持して装着される。

プラスチック成形材としては、プレート間電圧に耐える
厚みのポリイミド樹脂板，シリコーン樹脂板，あるいは
エポキシ樹脂板などの熱硬化樹脂板をヒートプレス金型
を用いて熱圧成形するか、ポリイミドフィルムを中央層
とし、ガラスクロスまたはガラス不織布基材のポリイミ
ド系プリプレグシートを両側層とする重ね材を温度150
℃程度のヒートプレスを用いてくら形状に成形加工する
ことによって半硬化状態を保って形成したものを用い、
各層コイル5A,5Bとともに金属プレートの積層体からな
るコイル支持体１に組み込むことによりプレート間絶縁
層50が形成される。ことに、半硬化状態の重ね材からな
るプラスチック成形材を用いた場合には、例えば230℃,
2時間程度の加熱硬化処理によって前述の実施例と同様
にポリイミド樹脂が隙間を埋め、絶縁被覆層12とプレー
ト間絶縁層50とが相互に重なりを保持して一体化される
ので、極めて高い耐電圧性能および機械強度を有する超
電導コイルを得ることができる。また、あらかじめ成形
された部品をコイル収納溝に沿って装着するだけの簡単
な作業でプレート間絶縁層を形成できるので、金属プレ
ートの積層作業を省力化できる利点が得られる。

〔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間絶縁層をプラスチック
フィルムと熱硬化性プリプレグシートの重ね材の硬化絶
縁層、または金属プレートの積層面をコイル収納溝にま
たがって覆うくら形状断面を有する環状のプラスチック
成形材のいずれかで形成するよう構成した。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に対してコイル層数
分の一に軽減され、これに基づいてコイル導体の被覆厚
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として重ね材を用いた場合に
は、超電導コイル全体を加熱することによって流動性を
増した熱硬化性樹脂によって積層面の隙間が埋められる
と同時にコイル導体の絶縁被覆とプレート間絶縁層が一
体化され、したがってボイドや空隙等を含まず耐電圧性
能の高いプレート間絶縁層が形成されるとともに、金属
プレートおよびパンケーキ巻きコイルがプレート間絶縁
層を介して相互に接着されるので機械的，熱的特性に優
れた超電導コイルを得ることができる。さらに、プラス
チック成形材を用いた場合には、金属プレートへの成形
材の装着が容易化され、プレート間絶縁層および金属プ
レートの組立作業が省力化されるとともに、コイル収納
溝内で成形材と導体絶縁被覆が相互に重なりを有するこ
とにより、耐電圧性能を一層高められ、かつ成形材にプ
リプレグシートを付加することによりボイドレス化され
たプレート間絶縁層を省力化された作業工程によって容
易に形成することができる。

【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
実施例装置のプレート間絶縁層を示す拡大断面図、第３
図はプレート間絶縁層の構成を示す断面図、第４図は異
なるプレート絶縁層の構成を示す拡大断面図、第５図は
従来構造を示す一部破砕断面図、第６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）、1A,1B,1C:
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、12:絶縁被覆層、17:外周側接続部（渡
り部）、21,22:給電部、30:締付ボルト、40,50:金属プ
レート間絶縁層、41:重ね材、42:中央層（プラスチック
フィルム）、43A,43B,43:両側層（プリプレグシー
ト）、51,52,53:プラスチック成形材、59:空隙。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、前記金属プレートがそ
   の積層面に介装されたプラスチックフィルムとその両側
   に配された熱硬化性プリプレグシートとの重ね材の硬化
   物からなる金属プレート間絶縁層により相互に絶縁かつ
   固着されるとともに、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。
2. 【請求項２】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、前記金属プレートがそ
   の積層面の一方側を前記コイル収納溝にまたがって覆う
   くら形状断面を有する環状のプラスチック成形材からな
   る金属プレート間絶縁層によって相互に絶縁されるとと
   もに、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。