JPH0719693B2 - 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２図はトロイダルコイルの概略構造を示す斜視断面図
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18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
は引き出し部７を互いに接続する外周側渡り部17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の真空雰囲気中に収納され、同じく
図示しない環状の真空容器に複数個取付けられ、真空容
器内に図示矢印で示すトロイダル磁界100を発生する。

第３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。

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間にうず電流が発生するのを防ぐた
めに、金属プレートを相互に絶縁する薄い絶縁層が介装
される。このように構成された装置でトロイダル磁界を
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。第２図に示す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20
KV以上の異常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。

そこで、第４図に改良された従来のトロイダルコイルの
断面図を示すように、21は外周側の引出し部７または渡
り部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を互
いに外周側，内周側交互に超電導コイル10に導電接続す
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）を各層コイ
ルの分担電圧と等しくするとともに、金属プレート相互
間に各層コイルの分担電圧に相当する電位差に耐える金
属プレート間絶縁層40を設け、異常電圧を超電導コイル
導体の絶縁被覆層12と複数の金属プレート間絶縁層40と
で分担するよう構成したものが本願出願人等によってす
でに提案されている。

このように構成されたトロイダルコイルにおいては、超
電導コイル導体の絶縁被覆が分担する電圧がコイル層数
分の一に低減されるので、その分超電導線14の占積率を
高めることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術において金属プレート間絶縁層40としては、ポ
リイミドフィルム等のプラスチックフィルムを中央層と
し、ガラス繊維基材の熱硬化性プリプレグシートを両側
層とする重ね材を金属プレートの積層面に介装し、トロ
イダルコイル全体を加熱することにより重ね材の硬化層
からなる金属プレート間絶縁層40を形成するもの、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
うくら形断面を有する環状のプラスチック成形材，ある
いは両面にプリプレグシート層を有するプラスチック成
形材を用いて金属プレート間絶縁層を形成するものなど
が提案されている。このようにして形成された金属プレ
ート間絶縁層40は、例えばプリプレグシートに含浸され
た半硬化樹脂が加熱硬化工程で一旦流動性を増し、金属
プレート間の隙間や各層コイル絶縁被覆層との間の隙間
を埋め、硬化時点では空隙を含まず耐電圧性能の優れた
金属プレート間絶縁層を形成する。しかしながら、金属
プレートの内周縁，外周縁，あるいは絶縁ボルト31の挿
通孔３の周縁部分は一対の金属プレートのエッジ部が薄
い金属プレート間絶縁層を挟んでギャップを構成するこ
とになる。ギャップ間の火花電圧は固体絶縁物からなる
金属プレート間絶縁層の絶縁破壊電圧に比べて低いの
で、この部分の火花電圧によって金属プレート間の耐電
圧性能が左右されるという問題が発生する。

この発明の目的は、金属プレートのエッジ部におけるフ
ラッシオーバ電圧を高めることにより、金属プレート相
互間の耐電圧性能を向上することにある。

〔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、前記金属プレートを相互に絶縁する金属プレート
間絶縁層および金属プレートを相互に連結する絶縁ボル
トとを備え、互いに隣接する各相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、各コイ
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
に保持されたものにおいて、互いに隣接する金属プレー
トの外周縁，内周縁，および前記絶縁ボルトの貫通孔の
周縁を両者の積層面に対してほぼ対称に切り欠いてなる
凹溝と、この凹溝内に前記金属プレート間絶縁層を延長
してなる絶縁隔壁部とを備えてなるものとする。

〔作用〕

上記手段において、平板リング状の互いに隣接する金属
プレートの内外周および絶縁ボルトの貫通孔それぞれの
エッジ部を所望の半径または角度で切り欠いて凹溝を形
成し、金属プレート間絶縁層を凹溝内に延長して絶縁隔
壁部を形成したことにより、金属プレートエッジ部の電
界緩和作用によって凹溝中のギャップ間の火花電圧を向
上できるとともに、絶縁隔壁部のバリヤ効果によって火
花放電のストリーマの進展が阻止されるので、金属プレ
ート相互間のフラッシオーバー電圧を向上することがで
きる。また、絶縁隔壁部が凹溝内に納まり、金属プレー
トの積層体の外側に突出しないので、絶縁隔壁が外部に
突出することによる大型化や絶縁隔壁の損傷を防止する
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を示すトロイダルコイルの断
面図であり、従来装置と同じ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。図は説明を簡単
化するために、層コイル5A,5Bからなるダブルパンケー
キ巻きコイル５を３枚の金属プレート1A,1B,1Cで挟持
し、挿通孔３に挿入された絶縁ボルト31で締め付けて一
体化したトロイダルコイルを例に示したものであり、各
金属プレートは層コイル5A,5Bの内周側および外周側渡
り部と交互に導電接続され、互いに隣接する金属プレー
ト1A,1B間および1B,1C間には層コイル5Aまたは5Bの分担
電圧に相当する異常電圧が発生するものと仮定し、金属
プレート間には、例えばプラスチック成形材からなる厚
みｔなる金属プレート間絶縁層40A,40Bが設けられる。

各金属プレートの直径Φなる内周側の角部，外周側の角
部，および絶縁ボルト31の挿通孔３の角部は、金属プレ
ートの積層面に対して角部Θなる切り欠きが周縁に沿っ
て形成され、角度２Θなる凹溝が形成される。また、金
属プレート間絶縁層40A,40Bは凹溝41に向けて延長され
て絶縁隔壁部42を形成する。なお、図では金属プレート
の角部を角度Θで切り欠いて凹溝を形成した例を示した
が、切り欠き部に半径ｒなる四分円からなる丸みを持た
せて凹溝を形成してよいことはいうまでもないことであ
る。

このように形成された実施例トロイダルコイルにおいて
は、絶縁隔壁42によって二つに画成された凹溝41内のギ
ャップ中の電界が角度Θで広がるギャップ長の増加によ
って緩やかに弱まり、角部が直角である場合に比べてギ
ャップ間の電界集中が大幅に緩和されるので、ギャップ
間の火花電圧を大幅に高めることができる。また最も電
界が高くなる凹溝の奥部（ギャップ長が最も小さい部
分）でギャップが小さな火花放電を発生しても、絶縁隔
壁42が火花放電の進展を阻止するバリヤ効果を持つの
で、絶縁隔壁部42を放電ストリーマが橋絡して耐電圧性
能が低下するに至るフラッシオーバ電圧を一層高い値と
することができる。したがって、切り欠きの角度Θや凹
溝の深さ，または切り欠きの曲率半径等を金属プレート
間に発生する異常電圧に対応して決めることにより、金
属プレート間絶縁層の耐電圧性能と、金属プレート周縁
部やボルト挿通孔部分のギャップのフラッシオーバー電
圧とのバランスのとれた絶縁システムを得ることができ
る。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、金属プレートの角部をその積
層面で切り欠いて凹溝を形成し、かつ金属プレート間絶
縁層を凹溝内に延長して絶縁隔壁部を形成するよう構成
した。その結果、凹溝を形成したことによる金属プレー
ト角部の電界緩和効果と、絶縁隔壁部によるバリヤ効果
とによって金属プレート間絶縁層の周縁部のフラッシオ
ーバー電圧を金属プレート間に発生する異常電圧値に対
応して高めることが可能となり、優れた耐電圧性能を有
する金属プレート間絶縁層を備えた超電導コイル，こと
に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、絶縁隔壁部が凹溝内に位置して機械的損傷を
回避できるとともに、金属プレートの外側に絶縁層が突
出することによって生ずる装置の大型化や取扱い難さを
回避できる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す要部の断面図、第２図
は従来構造を示す斜視断面図、第３図は超電導コイル導
体の断面図、第４図は改良された従来構造を示す断面図
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……孔、３……締付ボルトの挿
通孔、４……コイル収納溝、5A,5B……層コイル、５…
…ダブルパンケーキ巻きコイル、6,17……渡り部、10…
…超電導コイル、21,22……給電部、30……締付ボル
ト、31……絶縁ボルト、40……金属プレート間絶縁層、
41……凹溝、42……絶縁隔壁部、Θ……切り欠き角度、
ｔ……金属プレート間絶縁層の厚み、Φ……貫通孔２の
直径（金属プレートの内径）。

Claims (1)

【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、前記金属プレートを相互に絶
   縁する金属プレート間絶縁層および金属プレートを相互
   に連結する絶縁ボルトとを備え、互いに隣接する各相コ
   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、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たものにおいて、互い
   に隣接する金属プレートの外周縁，内周縁，および前記
   絶縁ボルトの貫通孔の周縁を両者の積層面に対してほぼ
   対称に切り欠いてなる凹溝と、この凹溝内に前記金属プ
   レート間絶縁層を延長してなる絶縁隔壁部とを備えてな
   ることを特徴とする超電導コイル。