JPS626410B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気機械に関し、殊に詳しくは低温冷
却装置を備えた電気機械に関する。

本発明は原子、蒸気及びその他の型式の発電所
は勿論のこと輸送機関や航空用に使用する電動
機、発電機、動力計のような電気機械に適用され
る。本発明は宇宙飛行機の動力装置や其の他回転
巻線を冷却して超伝導状態にする必要のある各種
装置に適用すると極めて有効であることが知られ
ている。

通常、低温冷却装置付電気機械は中空状回転子
即ち回転式低温保持装置内に取付けた超伝導用界
磁巻線を備える。

界磁巻線の超伝導状態は該巻線を約4.5〓の超
低温度に冷却することにより維持される。上記は
通常液体ヘリウムである冷却剤の助けにより達成
される。

超伝導巻線の温度即ち超伝導体の温度が低下す
ると電流が大きくなり又超伝導巻線の許容磁界強
さが大きくなり、従つて該電気機械の効率が高ま
る。超伝導巻線の温度が１度ないし３度上昇する
と機械の効率がかなり低下する。

従来から、界磁巻線を液体ヘリウムに浸漬する
ことによつて回転界磁巻線の超伝導状態を維持す
るようにした種々の型式の超伝導電気機械が知ら
れている。

公知の低温冷却装置付電気機械の一つは母線を
接続した超伝導界磁巻線を備えている。超伝導界
磁巻線を回転子の空所に設け、該空所を冷却剤で
満たす。巻線を回転子のシヤフトに取付け、シヤ
フトの一端には超伝導界磁巻線に冷却剤を供給す
るための軸方向の溝を備える。回転子のシヤフト
の両端には冷却剤排出用の別の溝を備える。

回転空所に設けられているので液体ヘリウムは
遠心力の影響を受ける。このため液体ヘリウムの
温度及び圧力が上昇し、冷却剤の２相混合物を形
成し、かつ混合物中の蒸気成分を増大する。この
場合回転子の周速度が大きく又その半径が大きく
なればなるほど液体ヘリウムの温度及び圧力が上
昇する。液体ヘリウムの温度が上昇すること、従
つて回転式超伝導界磁巻線の温度が上昇すること
は、現在製造される超伝導装置及び超伝導巻線が
５〓以下の温度でのみ充分に機能を発揮するので
望しいことではない。

超伝導巻線の温度は巻線とシヤフト間の接触部
の熱伝導により定まるので本論の機械にとつても
不利益である。超伝導界磁巻線がシヤフトに及ぼ
す圧縮力により圧縮応力が増加すると液体ヘリウ
ムが圧縮され、該圧縮によつて液体ヘリウムの温
度が上昇し、従つて超伝導界磁巻線の温度が上昇
する。上記圧縮力は超伝導巻線から駆動装置にト
ルクを伝えるのに不可欠である。超伝導巻線を所
定の位置に取付けて冷却する方法では表面方向及
び半径方向の両方を均一な温度領域に保つことは
困難である。もし回転子の内部空所が液体ヘリウ
ムで完全に満たされている場合は、該空所からヘ
リウムの気相を除去することは困難である。又冷
却液の熱損失及び温度上昇が生ずる。上記は遠心
力領域におけるヘリウム２相間の摩擦と圧縮に原
因するものである。

本発明の目的は超伝導界磁巻線の熱的保護が極
めて効果的であり従つて効率の高い低温冷却装置
付電気機械を提供することである。

上述の目的は、低温冷却装置付電気機械であつ
て、母線を接続した超伝導界磁巻線を冷却剤で満
たした回転子の空所内に設けかつ該巻線を回転子
のシヤフトに直接取付け、上記シヤフトの一端に
冷却剤を超伝導界磁巻線に供給する軸線方向のチ
ヤンネルを設け、またシヤフトの両端に冷却剤排
出用チヤンネルを設け、超伝導界磁巻線をその全
長に亘つて回転子のシヤフトに取付ける箇所に室
を軸線に平行に設け、上記室は冷却剤供給用チヤ
ンネルと、超伝導界磁巻線内に設けた半径方向の
チヤンネルとに連通され、又上記室はシヤフトの
他端において回転子のシヤフトの軸線に沿つて設
けられた気相冷却剤排出用チヤンネルと、超伝導
界磁巻線の全長に亘つて該巻線の外面に設けられ
て回転子の空所から気相冷却剤を排出する長手方
向のチヤンネルとに連通されていることを特徴と
する低温冷却装置付電気機械によつて達成され
る。

本発明の目的と利益は添付図面を参照して適宜
実施例についての以下の詳細な説明を読めば容易
に理解されるであろう。

本発明によれば、低温冷却装置付電気機械は空
所状回転子１（第１図）を備え、該回転子１のシ
ヤフト２は密封した架構５の両端壁４に設置した
軸受装置３により担持される。架構５の内側面に
固定子巻線６を設ける（固定子巻線６の詳細説明
は省略する）。

回転子１と密封した架構５間の空間を真空状態
に保つて回転子１を熱的に絶縁する。真空は端壁
４内に設置した回転式真空密封部材７により保た
れる。空所状の回転子１は回転子１のシヤフト２
上に設けかつ殻９内に配設した超伝導界磁巻線を
備え、上記殻９は冷却剤１０で満した回転子１の
空所を形成する。界磁巻線８は超低温において超
伝導装置となり得る材料、例えば純銅のマトリツ
クスで固定したニオブ・チタン・ワイヤから製造
する。温度が4.2〓の液体ヘリウムである冷却剤
１０を用いて界磁巻線８を超伝導状態になるまで
冷却する。

界磁巻線８には冷却用に半径方向のチヤンネル
１１を設ける。このチヤンネルの数は超伝導界磁
巻線の構造的強度によつてのみ制限を受ける。超
伝導界磁巻線８は公知の方法、例えばガラス薄片
の帯金によりシヤフト２に固定する（図には巻線
８の固定を便宜上示す）。界磁巻線８を回転子１
のシヤフト２に取付ける個所に、シヤフト２上に
回転子１の軸に平行でまた界磁巻線８の全長に亘
つて延びる室１２を設ける。室１２を青銅のよう
な熱伝導性材料でできた弓形部材１３で被覆す
る。弓形部材１３は超伝導界磁巻線８のチヤンネ
ル１１と整合する開口部を備えている。

回転子１のシヤフト２の両端部をねじ結合した
同軸心の管１４及び１５で形成し、両管間の〓間
は冷却剤１０排出用チヤンネル１６の働らきをす
る。上記チヤンネル１６は回転子１の空所と連通
している。

界磁巻線８に冷却剤１０を供給するために、回
転子１のシヤフト２に軸方向のチヤンネル１７を
設け、該チヤンネルはシヤフト２の一端に向つて
延びる真空が漏らない管状に形成される。上記と
反対側の他端に向つて回転子１のシヤフト２の軸
に沿つて冷却剤１０排出用チヤンネル１８が延び
ている。チヤンネル１７と同様にチヤンネル１８
も真空が漏らない管で形成される。

冷却剤１０供給用チヤンネル１７と冷却剤排出
用チヤンネル１８は室１２で連通する。チヤンネ
ル１６及び１８を通過した冷却剤１０はシヤフト
２の端部に配設したガス集収器１９に取入れられ
る。界磁巻線は銅製の母線により付勢される。母
線２０を冷却剤１０排出用チヤンネル１８内に設
け又冷却剤１０排出用チヤンネル１８側において
シヤフト２上に設けた集電リング２１に接続す
る。

第２図に示す如く界磁巻線８は２セクシヨンか
らなる２極巻線である。室１２の数はセクシヨン
の数に等しい。本発明の場合室１２は２個であ
る。

種々の極数を有する界磁巻線８において巻線の
各セクシヨンの下に室１２を設ける。室１２の幅
と深さはシヤフト２の強さ特性によつて定まる。

界磁巻線８の極相互間に電気的及び熱的絶縁材
料の例えば雲母からなる挿入部材２２（第２図）
が介在する。

界磁巻線８（第１図）には、半径方向のチヤン
ネル１１と極間の挿入部材２２（第２図）とに長
手方向のチヤンネル２３を設け、該チヤンネル２
３は殻９と界磁巻線８間の〓間とチヤンネル２３
の全長に亘つた半径方向の開口を介して連通す
る。

冷却剤１０排出用チヤンネル１８（第１図）は
２個の同軸心管２４及び２５（第３図）からな
る。夫々の母線２０は内側管２４内に収めた異つ
た極性の銅製の２本の導線からなる。管２４は管
２５内部に配置され、また電気的及び熱的に絶縁
した材料で作つたアーチ型支持部材２６で担持す
る。外側管２５をシヤフト２の軸方向の内腔に配
置し、電気的及び熱的に絶縁した材料、例えば
Al₂O₃製の球状支持部材２７で担持する。

第１ないし第３図において、冷却剤１０の循環
径路を矢印で示す。

本発明にかかる低温冷却装置付電気機械の界磁
巻線８（第１図）は下記の如くにして冷却され
る。

冷却剤１０（第１図）の液体ヘリウムを加圧し
て冷凍機械（図示せず）からチヤンネル１７を介
して回転子１の空所に送り込む。最初冷却剤１０
がシヤフト２の室１２に到達し、そこで遠心力に
より冷却剤の液相を弓形部材１３の内面に向けて
駆動する。一方遠心力による圧縮と摩擦により発
生した気相をシヤフトの軸方向に駆動する。遠心
力及び圧力によつて駆動されて冷却剤１０の液相
は弓形部材１３に設けた開口をさらには界磁巻線
８のチヤンネル１１を通つて回転子１の内部空間
に進入する。殻９の内側面上で冷却剤１０は再び
液相と気相に分離する。液相は殻９の内側面に留
まり、他方気相は半径方向の開口及び長手方向の
ガス用チヤンネル２３（第２図）を通つて前進し
て殻９の端面及び界磁巻線８により形成した環状
〓間に到達する。この場所から気相はシヤフト２
の両端において冷却剤を排出するためのチヤンネ
ル１６に向い、ガス集収器１９内に収集される。
上記の進行中に室１２内にあつた冷却剤１０の気
相は冷却剤排出用のチヤンネル１８に進入し母線
２０を冷却した後ガス集収器１９に送り込まれ
る。ガス集収器１９よりガス状冷却剤を図示せぬ
冷凍機械に送り込む。

本発明の電気機械によつて回転子の超伝導巻線
の有効な冷却が得られるので、巻線の温度は冷却
剤の温度より上昇することがない。尚遠心力によ
る溝内の圧縮は温度に顕著な影響を及ぼさない。
本発明による巻線冷却装置により液体ヘリウムを
加圧して又低温状態で使用することができる。従
つて超伝導巻線の熱的保護をさらに効率化でき、
電気機械の効率を高める。その結果本発明を用い
た電気機械の出力を同一寸法の従来機械に比較し
て50％高めることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる低温冷却装置を備えた
電気機械の縦断面図、第２図は本発明にかかる低
温冷却装置を備えた電気機械の第１図の―線
に沿つた回転子の拡大横断面図、第３図は本発明
にかかる電気機械の要部で、母線の配置を示した
冷却剤排出用チヤンネルの部分拡大縦断面図であ
る。 １…回転子、２…回転子のシヤフト、８…超伝
導界磁巻線、１０…冷却剤、１１…半径方向のチ
ヤンネル、１２…室、１６…冷却剤排出用チヤン
ネル、１７…冷却剤供給用チヤンネル、１８…冷
却剤排出用の別のチヤンネル、２０…母線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低温冷却装置付電気機械であつて、母線２０
   を接続した超伝導界磁巻線８を冷却剤１０で満た
   した回転子１の空所内に設けかつ該巻線を回転子
   １のシヤフト２に直接取付け、上記シヤフト２の
   一端に冷却剤１０を超伝導界磁巻線８に供給する
   軸線方向のチヤンネル１７を設け、またシヤフト
   ２の両端に冷却剤１０排出用チヤンネル１６を設
   け、超伝導界磁巻線８をその全長に亘つて回転子
   １のシヤフト２に取付ける箇所に室１２を軸線に
   平行に設け、上記室１２は冷却剤１０供給用チヤ
   ンネル１７と、超伝導界磁巻線８内に設けた半径
   方向のチヤンネル１１とに連通され、又上記室１
   ２はシヤフト２の他端において回転子１のシヤフ
   ト２の軸線に沿つて設けられた気相冷却剤１０排
   出用チヤンネル１８と、超伝導界磁巻線８の全長
   に亘つて該巻線の外面に設けられて回転子１の空
   所から気相冷却剤を排出する長手方向のチヤンネ
   ル２３とに連通されていることを特徴とする低温
   冷却装置付電気機械。 ２ 母線２０が、室１２から気相冷却剤１０の排
   出用の軸線方向のチヤンネル１８内に設けられた
   特許請求の範囲第１項記載の低温冷却装置付電気
   機械。