JP7675668B2 - 超電導回転電機の冷却媒体給排機構および超電導回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超電導回転電機の冷却媒体給排機構および超電導回転電機に関する。

回転子コイルに高温超電導線を採用した超電導回転電機において、回転子コイルは、超電導状態を維持するために３０Ｋ程度の極低温状態に維持される必要がある。そのため、ヘリウムガスや液体ヘリウム、液体水素等の冷却媒体を、回転子コイルのある回転子内部に供給し、冷却媒体が回転子コイル等を冷却した後に、その冷却媒体を回転子の内部から排出させるための冷却媒体給排機構が、超電導回転電機に備えられる。

図３及び図４に、従来の冷却媒体給排機構を含む超電導回転電機の一例を示す。図３は、一般的な超電導回転電機の主要部の外形の例を示しており、図４は、同じ超電導回転電機の中の冷却媒体給排機構を含む領域の断面形状の例を示している。なお、図４中のグレーのハッチングで示された部分は、その部分が真空であることを表している。

図３に示されるように、超電導回転電機は、固定子１００、回転子１０１、真空ケーシング５、磁性流体シール部９などを含む。回転子１０１は、ベアリング１０２－１，１０２－２に支持される。一方、真空ケーシング５は、冷却媒体排出ラインを形成する継手（例えば、バイオネット継手）１０３－１および冷却媒体供給ラインを形成する継手（例えば、バイオネット継手）１０３－２を備える。磁性流体シール部９（以下、シール部９と略称）は、磁性流体を用いてシールを行うものであり、真空ケーシング５側の配管のフランジ部５ａに接合されるとともに、回転子１０１側の配管の外周面と磁性流体を介して接するように設けられる。

また、図４に示されるように、ケーシング５は、二重円筒構造を構成する第１の固定配管３と第２の固定配管４とを備える。一方、回転子１０１は、二重円筒構造を構成する第１の回転配管１と第２の回転配管２とを備える。シール部９は、第２の固定配管４のフランジ部５ａに接合されるとともに、第２の回転配管２の外周面と磁性流体を介して接するように設けられる。このシール部９は、第２の回転配管２の外周面と第２の固定配管４の端部もしくはフランジ部５ａとの間から冷却媒体が外部に漏れることを防止する（漏れないように間隙をシールする）。

上記冷凍機から送られてくる冷却媒体は、継手１０３－２内の冷却媒体供給ライン７から第１の固定配管３を通って第１の回転配管１に供給され、第１の回転配管１によって回転子コアに供給された後、回転子コイル１０１ａを冷却しながら回転子コア内のらせん状の溝を通り、第１の回転配管１の外周面と第２の回転配管２の内周面との間隙を通る。この間隙を通った冷却媒体は、第２の回転配管２の冷却媒体排出口２ａから出て第２の固定配管４に入り、第２の固定配管４の排出口４ａから継手１０３－１内の冷却媒体排出ライン６を通って排出される。

特開２００７－０８９３１４号公報 特開平０３－０４０７５０号公報

従来の超電導回転電機の冷却媒体給排機構では、第２の回転配管２の冷却媒体排出口２ａから出て第２の固定配管４に入る冷却媒体により、シール部９が冷却されて磁性流体が凍結すると、シール部９のシール機能が失われ、冷却媒体のリークが生じる可能性がある。

この問題を解決するためには、冷却媒体を昇温させてから排出する構造を設ける（方策１）、あるいはシール部９の周囲にヒーターや温水パイプなどの昇温機構を設ける（方策２）等を行うことが考えられる。

しかしながら、方策１のように冷却媒体を昇温させてから排出する構造では、冷却媒体を再冷却して再利用する際の交換熱量が増大するため、冷凍機を大規模化させる必要がある。また冷却冷媒として液体ヘリウム等を用いた場合は、冷却媒体を再利用することが困難になる。方策２のようにシール部９の周囲に昇温機構を設けた場合は、シール部９周辺の機構が複雑化し、また、昇温されたシール部９から冷却媒体に熱が伝わり、結局、冷却媒体が昇温することとなり、方策１と同様な問題が生じる。

本発明が解決しようとする課題は、簡易な構成により、冷却媒体の昇温を抑えつつ、シール部が過度に冷却されることを抑えることを可能にする、超電導回転電機の冷却媒体給排機構および超電導回転電機を提供することにある。

実施形態による超電導回転電機の冷却媒体給排機構は、冷却媒体の供給に使用される第１の固定配管と、冷却媒体の排出に使用され、前記第１の固定配管の少なくとも一部を内包するように配置される第２の固定配管と、を備えるケーシングと、前記第１の固定配管から供給される冷却媒体を回転子コイルのある空間へ送る第１の回転配管と、前記第１の回転配管の少なくとも一部を内包するように配置され、前記回転子コイルを通った冷却媒体を前記第２の固定配管へ送る第２の回転配管と、を備える回転子と、前記第２の回転配管と前記第２の固定配管の端部との間から冷却媒体が外部に漏れることを防ぐ磁性流体シール部と、を具備する。前記第２の固定配管は、前記第２の回転配管の一部を内包するように配置され、当該内包される前記第２の回転配管の一部と前記第２の固定配管の一部と前記磁性流体シール部とに囲まれた領域に、冷却媒体以外のものが存在することなく冷却媒体のみが滞留する冷却媒体滞留空間が形成され、前記第１の回転配管の冷却媒体排出口側の端部よりも、前記第２の回転配管の冷却媒体排出口側の端部の方が、前記磁性流体シール部から遠い位置にある。

本発明によれば、簡易な構成により、冷却媒体の昇温を抑えつつ、シール部が過度に冷却されることを抑えることが可能になる。

第１の実施形態に係る超電導回転電機の中の冷却媒体給排機構を含む領域の断面形状の例を示す図。 第２の実施形態に係る超電導回転電機の中の冷却媒体給排機構を含む領域の断面形状の例を示す図。 一般的な超電導回転電機の主要部の外形の例を示す図。 一般的な超電導回転電機の中の冷却媒体給排機構を含む領域の断面形状の例を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
最初に、前述した図３及び図４を参照すると共に図１を参照して、第１の実施形態について説明する。

なお、第１の実施形態に係る超電導回転電機の主要部の外形は、前述した図３に示されるものと同じとなる。

すなわち、図３に示される通り、本実施形態に係る超電導回転電機は、固定子１００、回転子１０１、真空ケーシング５、磁性流体シール部９などを含む。回転子１０１は、ベアリング１０２－１，１０２－２に支持される。一方、真空ケーシング５は、冷却媒体排出ラインを形成する継手（例えば、バイオネット継手）１０３－１および冷却媒体供給ラインを形成する継手（例えば、バイオネット継手）１０３－２を備える。磁性流体シール部９（以下、シール部９と略称）は、磁性流体を用いてシールを行うものであり、真空ケーシング５側の配管のフランジ部５ａに接合されるとともに、回転子１０１側の配管の外周面と磁性流体を介して接するように設けられる。

図１は、第１の実施形態に係る超電導回転電機の中の冷却媒体給排機構を含む領域の断面形状の例を示す図である。なお、図１中のグレーのハッチングで示された部分は、その部分が真空であることを表している。また、図１では、前述した図４と共通する要素に同一の符号を付している。

図１に示されるように、ケーシング５は、二重円筒構造を構成する第１の固定配管３と第２の固定配管４とを備える。具体的には、第１の固定配管３の外径は第２の固定配管４の内径よりも小さく、第１の固定配管３と第２の固定配管４とは同心円状に配置される。

第１の固定配管３は、冷却媒体の回転子１０１側への供給に使用されるものである。冷却媒体は、図示しない冷凍機から継手１０３－２内の冷却媒体供給ライン７を通って第１の固定配管３へ供給される。

第２の固定配管４は、冷却媒体の真空ケーシング５からの排出に使用されるものである。この第２の固定配管４は、第１の固定配管３の少なくとも一部を内包するように配置される。第２の固定配管４内の冷却媒体は、継手１０３－１内の冷却媒体排出ライン６を通って上記冷凍機へ送られる。

一方、回転子１０１は、二重円筒構造を構成する第１の回転配管１と第２の回転配管２とを備える。具体的には、第１の回転配管１の外径は第２の回転配管２の内径よりも小さく、第１の回転配管１と第２の回転配管２とは同心円状に配置される。第１の回転配管１と第２の回転配管２とは、それぞれ、内側に真空断熱層を有する。

第１の回転配管１は、第１の固定配管３と連絡するように配置され、第１の回転配管１と第１の固定配管３との間には、図示しないシールが施される。第１の回転配管１は、第１の固定配管３から供給される冷却媒体を回転子コイル（超電導コイル）１０１ａがある空間へ送る。

第２の回転配管２は、第１の回転配管１の少なくとも一部を内包するように配置され、回転子コイル１０１ａを通った冷却媒体を第２の固定配管４へ送る。

冷却媒体給排機構の組立てにおいては、第１の回転配管１の内径より小さな外径を有する第１の固定配管３が、第１の回転配管１の内側に間隙をもって収まるように軸方向に挿入される。また、第２の回転配管２の外径より大きな内径を有する第２の固定配管４が、第２の回転配管２の外側に間隙をもって収まるように軸方向に挿入される。

シール部９は、第２の固定配管４のフランジ部５ａに接合されるとともに、第２の回転配管２の外周面と磁性流体を介して接するように設けられる。このシール部９は、第２の回転配管２の外周面と第２の固定配管４の端部もしくはフランジ部５ａとの間から冷却媒体が外部に漏れることを防止する（漏れないように間隙をシールする）。第２の固定配管４の外側は真空ケーシング５によって覆われて真空断熱されるように構成される。

このような冷却媒体給排機構で使用される冷却媒体としては、使用後に廃棄される液体ヘリウム等が採用されてもよいが、ここでは廃棄せずに再利用する（機内を再循環させる）ことが可能なヘリウムガス等の気体が採用されるものとする。

上記冷凍機から送られてくる冷却媒体は、継手１０３－２内の冷却媒体供給ライン７から第１の固定配管３を通って第１の回転配管１に供給され、第１の回転配管１によって回転子コアに供給された後、回転子コイル１０１ａを冷却しながら回転子コア内のらせん状の溝を通り、第１の回転配管１の外周面と第２の回転配管２の内周面との間隙を通る。この間隙を通った冷却媒体は、第２の回転配管２の冷却媒体排出口２ａから出て第２の固定配管４に入り、第２の固定配管４の排出口４ａから継手１０３－１内の冷却媒体排出ライン６を通って排出される。

冷却媒体排出ライン６を通って排出される冷却媒体は、冷凍機に入って再冷却され、再び継手１０３－２内の冷却媒体供給ライン７から第１の固定配管３に送られて機内を再循環することになる。

第１の実施形態に係る冷却媒体給排機構が従来の冷却媒体給排機構と異なる主な点は、第２の回転配管２と第２の固定配管４とが、当該第２の回転配管２と第２の固定配管４との間に、冷却媒体が滞留する冷却媒体滞留空間（間隙）８が存在するように構成されていることである。この冷却媒体滞留空間８の配管の径方向の幅は、第１の回転配管１の外周面と第２の回転配管２の内周面との径方向の間隙に比べて狭く、軸方向には長くなるように構成される。

具体的には、第２の固定配管４は、第２の回転配管２の一部を内包するように配置され、当該内包される第２の回転配管２の一部と第２の固定配管４の一部との間に冷却媒体が滞留する冷却媒体滞留空間８が形成される。この場合、第２の固定配管４のシール部９側の端部と第２の回転配管２の冷却媒体排出口２ａ側の端部との間には、軸方向に一定以上の距離があるものとする。また、第２の固定配管４の冷却媒体排出口４ａは、第２の回転配管２の冷却媒体排出口２ａから冷却媒体が排出される方向の所定の位置にあるものとする。

このように構成することにより、第２の回転配管２の冷却媒体排出口２ａから排出される冷却媒体は、シール部９には流れ込みにくく、そのまま第２の固定配管４の冷却媒体排出口４ａに流れ込みやすい。第２の回転配管２の冷却媒体排出口２ａから排出される冷却媒体がシール部９には流れ込むためには、流れの向きを変えて（Ｕターンをして）冷却媒体滞留空間８に侵入しなければならない。冷却媒体が冷却媒体滞留空間８に侵入してもその流れは停滞し、冷却媒体滞留空間８内の冷却媒体（特にシール部９周辺の冷却媒体）は滞留する。このとき、冷却媒体滞留空間８においては、第２の回転配管２の冷却媒体排出口２ａ側の端部付近から、シール部９に至るまでに、温度勾配が生じている。シール部９周辺の冷却媒体の温度は、第２の回転配管２の冷却媒体排出口２ａから排出される冷却媒体の温度よりも高く、磁性流体が凍結しない程度の高温状態に維持される。一方、第２の回転配管２の冷却媒体排出口２ａから排出される冷却媒体の温度は、冷凍機が負担なく再冷却を行えるような低温状態が維持される。

すなわち、第２の固定配管４の冷却媒体排出口４ａから排出される冷却媒体は、従来のように直接的にシール部９を冷却するのではなく、間接的に冷却媒体滞留空間８を介してシール部９を冷却するため、シール部が過度に冷却されることが抑制される。また、シール部９から当該冷却媒体に伝わる熱は、従来のように直接的に伝わるのではなく、間接的に冷却媒体滞留空間８を介して伝わるため、当該冷却媒体の昇温が抑制される。

このように冷却媒体の昇温が抑制されるため、冷却媒体を再冷却して再利用するに際の交換熱量が少なく、冷凍機の負担が軽くなり、冷凍機の小規模化が可能となる。そのため、冷却媒体としてヘリウムガス等の気体を採用して機内を再循環させることにより、冷却媒体を廃棄せずに効率的な運転を行える。

（第２の実施形態）
次に、前述した各図を参照すると共に図２を参照して、第２の実施形態について説明する。

なお、第２の実施形態に係る超電導回転電機の主要部の外形は、前述した図３に示されるものと同じとなるため、その説明を省略する。

図２は、第２の実施形態に係る超電導回転電機の中の冷却媒体給排機構を含む領域の断面形状の例を示す図である。なお、図２中のグレーのハッチングで示された部分は、その部分が真空であることを表している。また、図２では、前述した図１と共通する要素に同一の符号を付している。以下では、前述した図１と異なる部分を中心に説明する。

第２の実施形態に係る冷却媒体給排機構が第１の実施形態に係る冷却媒体給排機構と異なる主な点は、シール部９の過冷却をより抑制させるための処置を第２の固定配管４や第２の回転配管２に施していることにある。

例えば、第２の固定配管４は、少なくともその内面が、伝熱性の低いＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）４’で形成されているか、もしくは、樹脂系の断熱材４’で覆われる。また、第２の固定配管４と真空ケーシング５との間は、樹脂系の断熱材のОリング１０を用いてシールされる。

また、第２の回転配管２は、その外面のうち、少なくとも冷却媒体滞留空間８に接する面が、樹脂系の断熱材１２で覆われる。図２の例では、さらに第２の回転配管２の冷却媒体排出口２ａ側の端部も断熱材１２で覆われ、かつ、その端部において第２の回転配管２の内側（真空断熱層）と外側との間が樹脂系の断熱材のキャップ（断熱キャップ）１１を用いてシールされる。

このように構成することにより、配管を介した伝熱を抑え、上述した温度勾配を補強するが可能になるので、シール部９の過冷却をより抑制することができ、また、冷却媒体の昇温をより抑制することができる。

以上詳述したように実施形態によれば、簡易な構成により、冷却媒体の昇温を抑えつつ、シール部が過度に冷却されることを抑えることが可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…第１の回転配管、２…第２の回転配管、２ａ…冷却媒体排出口、３…第１の固定配管、４…第２の固定配管、４ａ…冷却媒体排出口、４’…ＦＲＰまたは断熱材、５…真空ケーシング、５ａ…フランジ部、６…冷却媒体排出ライン、７…冷却媒体供給ライン、８…冷却媒体滞留空間、９…磁性流体シール部、１０…Ｏリング、１１…断熱キャップ、１２…断熱材、１００…固定子、１０１…回転子、１０１ａ…回転子コイル（超電導コイル）、１０２－１，１０２－２…ベアリング、１０３－１，１０３－２…継手。

Claims (9)

1. 冷却媒体の供給に使用される第１の固定配管と、冷却媒体の排出に使用され、前記第１の固定配管の少なくとも一部を内包するように配置される第２の固定配管と、を備えるケーシングと、
   前記第１の固定配管から供給される冷却媒体を回転子コイルのある空間へ送る第１の回転配管と、前記第１の回転配管の少なくとも一部を内包するように配置され、前記回転子コイルを通った冷却媒体を前記第２の固定配管へ送る第２の回転配管と、を備える回転子と、
   前記第２の回転配管と前記第２の固定配管の端部との間から冷却媒体が外部に漏れることを防ぐ磁性流体シール部と、
   を具備し、
   前記第２の固定配管は、前記第２の回転配管の一部を内包するように配置され、当該内包される前記第２の回転配管の一部と前記第２の固定配管の一部と前記磁性流体シール部とに囲まれた領域に、冷却媒体以外のものが存在することなく冷却媒体のみが滞留する冷却媒体滞留空間が形成され、
   前記第１の回転配管の冷却媒体排出口側の端部よりも、前記第２の回転配管の冷却媒体排出口側の端部の方が、前記磁性流体シール部から遠い位置にある、
   超電導回転電機の冷却媒体給排機構。
2. 前記第２の固定配管の前記磁性流体シール部側の端部と前記第２の回転配管の冷却媒体排出口側の端部との間には、軸方向に一定以上の距離がある、
   請求項１に記載の超電導回転電機の冷却媒体給排機構。
3. 前記第２の固定配管の冷却媒体排出口は、前記第２の回転配管の冷却媒体排出口から冷却媒体が排出される方向の所定の位置にある、
   請求項１又は２に記載の超電導回転電機の冷却媒体給排機構。
4. 前記冷却媒体給排機構において使用される冷却媒体は、廃棄せずに再利用することが可能な気体である、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導回転電機の冷却媒体給排機構。
5. 前記第２の固定配管は、少なくともその内面が、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）で形成されている、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導回転電機の冷却媒体給排機構。
6. 前記第２の固定配管は、少なくともその内面が、断熱材で覆われている、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導回転電機の冷却媒体給排機構。
7. 前記第２の回転配管は、その外面のうち、少なくとも前記冷却媒体滞留空間に接する面が、断熱材で覆われている、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超電導回転電機の冷却媒体給排機構。
8. 前記第２の回転配管は、当該第２の回転配管の冷却媒体排出口側の端部が、断熱材で覆われている、
   請求項７に記載の超電導回転電機の冷却媒体給排機構。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の冷却媒体給排機構を備える超電導回転電機。