JPS623561B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超電導コイルを液体ヘリウムに浸漬し
た超電導マグネツトに関する。

近年核融合装置の開発気運が高まりつつある
が、実用炉の段階では、プラズマ閉じ込め用マグ
ネツトは超電導化しなければ実現しないといわれ
ている。つまり、通常の銅コイルでは励磁電力が
炉の出力を上まわるためで、無損失の超電導マグ
ネツトが、どうしても必要になる。

核融合装置用マグネツトの超電導化は、着手し
易いトロイダルマグネツトから始まるが、その大
きさは実験炉段階で長径は10ｍを越え、実用炉で
は20ｍにも及び、発生磁界は８〜12テスラという
高磁界を必要とするといわれている。従来技術で
達成された高エネルギー物理研究用水素泡箱の世
界最大といわれる超電導マグネツトは直径４ｍ程
度で、磁界は３〜４テスラ程度であるから、格段
に技術の飛躍が必要である。技術上の問題の主な
ものは、マグネツトの大形化に伴う冷却特性の低
下と、電磁応力の増大である。

第１図ないし第３図にそれぞれ異なる従来の環
状の超電導マグネツト断面を示す。

第１図は電磁力に対するマグネツトの剛性を高
める構造で、ステンレス鋼製の円板１に溝をほ
り、この溝の中に中空の超電導導体２が電気絶縁
３を施された状態で埋設される。一点鎖線４は円
板１を締結するボルトの位置を示す。この構造は
導体２に働くフープカ、トロイダルコイルとして
用いられる場合のコイル間の倒し力などに強く、
魅力的であるが、液体ヘリウムに浸漬して冷却す
る、いわゆる浸漬冷却では、構造上冷却しにく
く、中空導体として内部に液体ヘリウムを通す強
制冷却に向いている。

第２図は超電導導体２からなるパンケーキ状の
コイル５を中心軸方向に並べ、各コイル５間に放
射状にコイル間スペーサ６を配設して、電気絶縁
および冷却溝６ａを確保し、これを液体ヘリウム
容器７に収納し、図示しない液体ヘリウムに浸漬
したものである。この構造は、円周方向、軸方向
の両方向に対する電磁力に強い構造で、放射状に
配置されたコイル間スペーサ６に沿つて、液体ヘ
リウムの蒸発気泡がコイル５外周に離脱するの
で、冷却も比較的良く、浸漬冷却に適している。
しかし、コイル５下方からの蒸発気泡が、上側の
コイル５の冷却に悪影響を与える懸念があり、特
に核融合装置用大形コイルでは問題になる。ま
た、パンケーキ状に巻くため、超電導導体２は平
角形が望ましいが、この場合電磁力支持、電気絶
縁のため導体２の長辺側に冷却スペースをとりに
くく、冷却周長が制限される難点がある。また、
パンケーキ状コイル５では、コイル５断面形状を
変化させにくく、導体２の接続部（図示せず）も
コイル５の内側あるいは外側に位置せざるを得な
い。超電導導体２が製造能力上、長さに制限を受
ける場合、この接続部の位置が問題になる。

これらの問題を解決すべく、導体２を円筒巻き
のコイル８にして、これをコイル間スペーサ６を
介して、多重に構成したものが第３図である。こ
れは縦長の超電導導体２を円筒状に巻いているの
で接続部（図示せず）をコイル軸方向端部に設
け、図示しないが、導体２の隣接部にも導体間ス
ペーサを配置して絶縁と冷却溝を確保する。この
場合は導体２の長辺側も冷却されるから、冷却周
長が改善される。ところが、液体ヘリウムの蒸発
気泡が他の部分の冷却に悪影響を与えることは、
第２図のパンケーキ状のコイル５の場合と同様
で、冷却溝６ａの水平部が多いから、むしろ、蒸
発気泡の脱出はパンケーキコイル５より悪い。ま
た電磁力はコイル間スペーサ６を介して容器７に
伝えるので、コイル５とコイル間スペーサ６の間
に隙間が出来易く、確実に力を支持しにくい。

本発明は液体ヘリウムの蒸発気泡が滞留するこ
となく、容易にコイルから離脱し、他のコイル部
分に悪影響を与えないようなコイル構造と、コイ
ル間の隙間が少く、強固で巻線組立を容易にした
超電導マグネツトを提供することを目的とする。

以下、本発明の一実施例について第４図ないし
第７図を参照して説明する。

この実施例においては、端面に溝９を持つリン
グ状で、片端の径が他端よりも大きいすなわち片
方が僅かにラツパ状に開いたステンレス銅（ガラ
ス繊維で補強した強化プラスチツクでもよい）製
の巻枠１０を用いる。この巻枠１０の外周に、表
面に突起１１のある導体スペーサ１２および絶縁
物１３を介在させながら超電導導体２を巻回し円
筒状にコイル１４を形成する。この円筒状コイル
１４の外周に、円筒の端から端にわたつてコイル
間スペーサ６を介在させることにより気泡が脱出
する冷却溝６ａを形成し、これに次の段のラツパ
状の巻枠１０を嵌着し、これにも超電導導体２を
巻回する。これを繰返して所望の段数とし、これ
を液体ヘリウム容器７に収納する。尚ビス１６は
コイル間スペーサ６を巻枠１０に取付られるもの
である。冷却溝６ａは底を超電導導体２、上面を
巻枠１０の内周面、側面をスペーサ６で囲まれる
ことになる。そして冷却溝６ａを流れる蒸発気泡
の向きを第６図に矢印で示すが、コイル１４がラ
ツパ状であるから、コイル１４の下辺では、蒸発
気泡の流れる向きは逆になるので、図示しないそ
らせ板で蒸発気泡を案内しても良い。

このようにすると、ラツパ状巻枠１０に巻いた
円筒状コイル１４を重ねる構造のため、円筒コイ
ル１４間の嵌合が良く、容器７との間もクサビを
打込むかたちとなるので、コイル全体の剛性も高
く、コイルの電磁力も容器７に確実に伝達され、
保持される。さらに巻枠１０が鉛直方向に対し傾
斜しており、コイル間スペーサ６が超電導導体２
の長手方向に対し、ある角度を持たせてあるの
で、このコイル間スペーサ６によつて作られた冷
却溝は円筒状コイル１４の端方向に向いて傾斜し
ていることになり、液体ヘリウムの蒸発気泡が滞
留せず、コイル１４の側方に排出され、巻枠１０
の端面の溝９を通つて上部に脱出する。しかも導
体間スペーサ１２は突起１１を有して、導体２の
側面にも液体ヘリウムを接触させているので、熱
伝達特性が更に良好になる。このような構造は、
特に核融合装置用の立形の大形コイルにおいて
は、その長径が大きくなつても、コイルの軸方向
長さは、それ程大きくならないから、特に効果的
である。というのは、一般に狭い冷却溝での液体
ヘリウムの沸とう冷却では冷却溝の鉛直方向長さ
が長い程、冷却特性が低下するからである。

次に第８図に示す他の実施例について説明す
る。

これは巻枠１０をラツパ状にすることは第４図
と同様であるが、中心軸１７を水平にした場合、
巻枠１０の上下の傾斜をほぼ平行にして、発生蒸
発気泡の排出を、コイル上下とも同一方向に整流
するようにしたものである。つまり、巻枠１０全
体が、ほぼ同一角度で傾斜し、わずかに巻枠１０
の一方をラツパ状に開くことにより、コイルの嵌
合を良くし、かつ、蒸発気泡の一方への整流を完
全にしたものである。その他は第４図ないし第７
図に示した実施例と同様であるから、説明を省略
する。

尚、本発明は同一容器７内に複数個のコイル群
を収納してもよいし、コイル間スペーサ６を用い
ないで、巻枠１０の内側あるいは外側に溝を加工
して、これを冷却溝６ａに代用し、穴あきの絶縁
板を挿入して蒸発気泡を排出するようにしてもよ
い等、上記し、かつ、図面に示した実施例のみに
限定されるものではなく、その要旨を変更しない
範囲で、種々変形して実施できることは勿論であ
る。

以上説明したように、本発明によれば次のよう
な効果が得られる。

(1) マグネツトの剛性を高め、電磁力を有効に伝
達、支持できる。

(2) 液体ヘリウムの蒸発気泡が滞溜せず、コイル
の軸方向端部に整流するので、熱伝達が良好で
ある。

(3) 超電導導体の寸法、構成を比較的自由に選べ
る。つまり、パンケーキコイルのように導体を
重ね巻きする必要がなく、巻枠に直接巻くた
め、導体自体が受けもつ電磁力が少ないので、
構成が自由である。

(4) 超電導導体の接続部をコイルの任意の位置に
設けられる。つまり、パンケーキコイルだと、
パンケーキ中に接続部を設けることは困難であ
るが、円筒状コイルにして巻枠に巻いたから、
円筒の途中に接続部を設けても、コイル半径方
向寸法に影響しない。

(5) コイルの組立が簡単で、寸法の要求精度も比
較的ゆるく出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はそれぞれ異なる従来の超
電導マグネツトを示す要部断面図、第４図は本発
明の超電導マグネツトの一実施例を示す断面図、
第５図はその上辺のみを示す断面図、第６図はそ
の要部切欠拡大斜視図、第７図はそのコイルの一
部切欠上半部斜視図、第８図は他の実施例を示す
断面図である。 ２……超電導導体、６……スペーサ、６ａ……
冷却溝、１０……巻枠、１１……突起、１２……
絶縁物、１４……コイル、１７……中心軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 片方がラツパ状に開いたリング状巻枠に超電
   導導体を円筒状に巻いたものを複数個重ね合わせ
   て嵌着し、嵌着面間には円筒の端方向に向けて蒸
   発気泡が脱出する冷却溝を設け、これを液体ヘリ
   ウムに浸漬したことを特徴とする超電導マグネツ
   ト。 ２ 超電導導体の層間には突起を有する絶縁物を
   介在させ、超電導導体の側面にも液体ヘリウムが
   接触するようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の超電導マグネツト。 ３ 巻枠は中心軸を水平にした場合の上下の傾斜
   をほぼ同方向に向けたことを特徴とする特微請求
   の範囲第１項又は第２項記載の超電導マグネツ
   ト。