JP2003125555A - 超伝導界磁巻線のための開ループ形短期冷却を有する極低温冷却システムと方法 - Google Patents
超伝導界磁巻線のための開ループ形短期冷却を有する極低温冷却システムと方法Info
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- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温超伝導機械へ極低温冷却流体を高い信頼
で供給するための冷却流体システムを提供する。 【解決手段】 該システムは、主冷却システム（５２、
８８）及び第２の冷却システム（５４）を含み、該第２
の冷却システムは、第１の極低温流体（７０）を有する
貯蔵装置（７４）と、該貯蔵装置からの第１の極低温流
体と主冷却システムを通って流れる第２の極低温流体と
に流体連通している少なくとも一つの冷却継手（８２）
とを含む。極低温剤ライン（８０）には、ベント（８
４）を更に備える。これにより、主冷却システムが作動
していない際にも、高温超伝導機械へ極低温冷却流体を
供給できる。
で供給するための冷却流体システムを提供する。 【解決手段】 該システムは、主冷却システム（５２、
８８）及び第２の冷却システム（５４）を含み、該第２
の冷却システムは、第１の極低温流体（７０）を有する
貯蔵装置（７４）と、該貯蔵装置からの第１の極低温流
体と主冷却システムを通って流れる第２の極低温流体と
に流体連通している少なくとも一つの冷却継手（８２）
とを含む。極低温剤ライン（８０）には、ベント（８
４）を更に備える。これにより、主冷却システムが作動
していない際にも、高温超伝導機械へ極低温冷却流体を
供給できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に、高温超
伝導（ＨＴＳ）部品を備えたロータを有する同期機械の
ための極低温冷却システムに関する。より具体的には、
本発明は、極低温流体をＨＴＳ機械のロータに供給し、
ロータから戻された使用済みの冷却流体を再冷却するた
めの冷却システムに関する。
伝導（ＨＴＳ）部品を備えたロータを有する同期機械の
ための極低温冷却システムに関する。より具体的には、
本発明は、極低温流体をＨＴＳ機械のロータに供給し、
ロータから戻された使用済みの冷却流体を再冷却するた
めの冷却システムに関する。
【０００２】
【発明の背景】超伝導ロータは、その超伝導コイルが液
体ヘリウムによって冷却され、使用済みのヘリウムは室
温の気体ヘリウムとして戻される。極低温冷却のために
液体ヘリウムを使用することは、戻された室温の気体ヘ
リウムの連続的な再液化を必要とする。従って、再液化
は、重大な信頼性の問題を提起し、ヘリウム冷却システ
ムに対してかなりの補助電源を必要とする。従って、ロ
ータから戻された、高温の使用済み冷却流体を再液化す
る極低温冷却システムへの必要性がある。再液化された
冷却流体は、その後、ＨＴＳロータを連続的に冷却する
ために再使用に供される。
体ヘリウムによって冷却され、使用済みのヘリウムは室
温の気体ヘリウムとして戻される。極低温冷却のために
液体ヘリウムを使用することは、戻された室温の気体ヘ
リウムの連続的な再液化を必要とする。従って、再液化
は、重大な信頼性の問題を提起し、ヘリウム冷却システ
ムに対してかなりの補助電源を必要とする。従って、ロ
ータから戻された、高温の使用済み冷却流体を再液化す
る極低温冷却システムへの必要性がある。再液化された
冷却流体は、その後、ＨＴＳロータを連続的に冷却する
ために再使用に供される。
【０００３】超伝導電気機械のための極低温冷却システ
ムは、極低温に冷却し、伝導性ロータコイルのような機
械の部品の超伝導特性を維持するために、冷却流体を提
供するものである。経済的理由のために、電気機械は、
高い可用性及び信頼性を有することが期待される。しか
しながら、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷却システ
ムのコールドヘッド及び圧縮機のような幾つかの極低温
冷却部品は、磨耗のために作動寿命が短く、冷却システ
ムの部品の機械的な往復運動の結果として冷却流体の漏
れに遭遇する。コールドヘッド及びギフォード・マクマ
ホン・システムの信頼性は、一部の機械、特に発電機の
ような工業用動力機械の高信頼性の要求に対しては、十
分なものではない。
ムは、極低温に冷却し、伝導性ロータコイルのような機
械の部品の超伝導特性を維持するために、冷却流体を提
供するものである。経済的理由のために、電気機械は、
高い可用性及び信頼性を有することが期待される。しか
しながら、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷却システ
ムのコールドヘッド及び圧縮機のような幾つかの極低温
冷却部品は、磨耗のために作動寿命が短く、冷却システ
ムの部品の機械的な往復運動の結果として冷却流体の漏
れに遭遇する。コールドヘッド及びギフォード・マクマ
ホン・システムの信頼性は、一部の機械、特に発電機の
ような工業用動力機械の高信頼性の要求に対しては、十
分なものではない。
【０００４】高温超伝導発電機は、信頼性が高くてコス
トが低く、かつ商業用製品として使用可能な極低温冷却
装置を必要とする。既存の極低温冷却装置を用いて高い
信頼性を達成するために、これまで余分の極低温冷却機
部品が用いられてきた。個々の冷却部品の不十分な信頼
性、及びＨＴＳロータに冷却流体の連続的供給を確保す
るという必要条件により、これまで、ＨＴＳロータ用の
極低温冷却システムには、余分な部品を含むことが必要
とされてきた。
トが低く、かつ商業用製品として使用可能な極低温冷却
装置を必要とする。既存の極低温冷却装置を用いて高い
信頼性を達成するために、これまで余分の極低温冷却機
部品が用いられてきた。個々の冷却部品の不十分な信頼
性、及びＨＴＳロータに冷却流体の連続的供給を確保す
るという必要条件により、これまで、ＨＴＳロータ用の
極低温冷却システムには、余分な部品を含むことが必要
とされてきた。
【０００５】冷却システムは、超伝導部品を有する機械
において連続的に作動しなければならない。極低温冷却
部品が故障した場合には、冷却流体が機械に適切に流れ
ることができなくなり、該機械の超伝導部品の温度が上
がる。これらの暖められた部品は、その超伝導特性を失
い、超伝導性を失うことによって機械の作動が中断され
る。従って、不十分な信頼性しかもたない冷却システム
は、予期せず、望ましくない機械の停止を引き起こすこ
とになる。システムの可用性を維持するために、一般的
には、これまで完全に余分な冷却システム経路を用いて
冷却システムの信頼性を向上させてきた。余分なシステ
ム部品によって、超伝導機械のための極低温冷却システ
ムのコストは、ほぼ倍増される。
において連続的に作動しなければならない。極低温冷却
部品が故障した場合には、冷却流体が機械に適切に流れ
ることができなくなり、該機械の超伝導部品の温度が上
がる。これらの暖められた部品は、その超伝導特性を失
い、超伝導性を失うことによって機械の作動が中断され
る。従って、不十分な信頼性しかもたない冷却システム
は、予期せず、望ましくない機械の停止を引き起こすこ
とになる。システムの可用性を維持するために、一般的
には、これまで完全に余分な冷却システム経路を用いて
冷却システムの信頼性を向上させてきた。余分なシステ
ム部品によって、超伝導機械のための極低温冷却システ
ムのコストは、ほぼ倍増される。
【０００６】極低温冷却システムのコストは、余分な極
低温冷却機部品への必要性のために実質的に増加される
ことになる。更に、不十分な信頼性及びシステムの冗長
性のために、既存の極低温冷却システムは、頻繁な保守
を必要とするようになる。従って、これらの極低温冷却
システムの初期コスト及び作動コストは、相対的に高い
ものとなる。
低温冷却機部品への必要性のために実質的に増加される
ことになる。更に、不十分な信頼性及びシステムの冗長
性のために、既存の極低温冷却システムは、頻繁な保守
を必要とするようになる。従って、これらの極低温冷却
システムの初期コスト及び作動コストは、相対的に高い
ものとなる。
【０００７】２０゜ケルビン（Ｋ）から３０゜ケルビン
（Ｋ）までの範囲の温度に対する一般的な極低温冷却機
装置は、ギフォード・マクマホンのコールドヘッド技術
に基づいており、該技術は、冷却機の容量を制限し、お
よそ年に１度の保守を必要とするものである。システム
の容量と信頼性を増加させるために、増加するコストを
犠牲にして、多数の装置を組み合わせることが可能であ
る。多数の（余分な）コールドヘッドに加えて、閉ルー
プの循環システムは、低温の再循環ファン、或いは向流
式の高効率熱交換器を備えた室温の外部再循環ファンの
いずれかを必要とする。高い信頼性のための冗長性が要
求される場合には、全ての部品を６シグマの標準偏差の
品質で作ることができない限り、これらの部品は、コス
トを増し、システムに複雑さを付加することになる。
（Ｋ）までの範囲の温度に対する一般的な極低温冷却機
装置は、ギフォード・マクマホンのコールドヘッド技術
に基づいており、該技術は、冷却機の容量を制限し、お
よそ年に１度の保守を必要とするものである。システム
の容量と信頼性を増加させるために、増加するコストを
犠牲にして、多数の装置を組み合わせることが可能であ
る。多数の（余分な）コールドヘッドに加えて、閉ルー
プの循環システムは、低温の再循環ファン、或いは向流
式の高効率熱交換器を備えた室温の外部再循環ファンの
いずれかを必要とする。高い信頼性のための冗長性が要
求される場合には、全ての部品を６シグマの標準偏差の
品質で作ることができない限り、これらの部品は、コス
トを増し、システムに複雑さを付加することになる。
【０００８】既存の極低温冷却システムの購入及び作動
コストは、ＨＴＳロータを有する機械のコストを著しく
増加させる。これらの高コストは、市場で販売できる同
期機械にＨＴＳロータを組み入れることは、商業的に実
用的でないとすることの原因になってきた。従って、よ
り費用がかからず、作動が安価で、ＨＴＳロータに極低
温冷却流体の供給を高い信頼で行う極低温冷却システム
への、本質的かつこれまで対処されなった必要性があ
る。
コストは、ＨＴＳロータを有する機械のコストを著しく
増加させる。これらの高コストは、市場で販売できる同
期機械にＨＴＳロータを組み入れることは、商業的に実
用的でないとすることの原因になってきた。従って、よ
り費用がかからず、作動が安価で、ＨＴＳロータに極低
温冷却流体の供給を高い信頼で行う極低温冷却システム
への、本質的かつこれまで対処されなった必要性があ
る。
【０００９】界磁コイル巻線を有する同期電気機械に
は、それに限定するわけではないが、回転発電機、回転
モータ及びリニアモータが含まれる。これらの機械は、
一般的に、電磁的に結合されたステータとロータとを備
える。ロータは、多極ロータコアと、ロータコアに取り
付けられたコイル巻線とを含むことができる。ロータコ
アは、鉄の鍛造品のような、透磁性の中実材料を含むこ
とができる。
は、それに限定するわけではないが、回転発電機、回転
モータ及びリニアモータが含まれる。これらの機械は、
一般的に、電磁的に結合されたステータとロータとを備
える。ロータは、多極ロータコアと、ロータコアに取り
付けられたコイル巻線とを含むことができる。ロータコ
アは、鉄の鍛造品のような、透磁性の中実材料を含むこ
とができる。
【００１０】
【発明の概要】超伝導機械のための短期的な一時的冷却
システムが開示される。この一時的冷却システムは、主
冷却システムの部品の保守又は故障の間、主冷却システ
ムが整備されて作動できる状態になるまで作動するもの
である。一時的冷却システムは、従来の余分な冷却経路
システムのコストと比較して、初期コスト及び寿命期間
中における作動コストが低い。
システムが開示される。この一時的冷却システムは、主
冷却システムの部品の保守又は故障の間、主冷却システ
ムが整備されて作動できる状態になるまで作動するもの
である。一時的冷却システムは、従来の余分な冷却経路
システムのコストと比較して、初期コスト及び寿命期間
中における作動コストが低い。
【００１１】一時的冷却システムは、ＳＣ機械を通過す
る冷却流体に、数時間、極低温冷却を与えることができ
る。主冷却システムが少なくとも部分的に作動している
状態であるこれらの冷却時間により、超伝導機械の連続
作動が可能になる。一時的冷却システムが作動している
間、確立された超伝導機械のサービス・ネットワークに
より、故障した主冷却システムの部品を修理し、主冷却
システムの作動を行うようにすることができなくてはな
らない（次いで、一時的冷却システムを停止する）。従
って、一時的冷却システムは、数時間のような定められ
た期間の間、ＳＣ機械に対して連続して極低温冷却流体
を供給するものである。
る冷却流体に、数時間、極低温冷却を与えることができ
る。主冷却システムが少なくとも部分的に作動している
状態であるこれらの冷却時間により、超伝導機械の連続
作動が可能になる。一時的冷却システムが作動している
間、確立された超伝導機械のサービス・ネットワークに
より、故障した主冷却システムの部品を修理し、主冷却
システムの作動を行うようにすることができなくてはな
らない（次いで、一時的冷却システムを停止する）。従
って、一時的冷却システムは、数時間のような定められ
た期間の間、ＳＣ機械に対して連続して極低温冷却流体
を供給するものである。
【００１２】第１の実施形態において、本発明は、高温
超伝導機械に極低温冷却流体を供給するための冷却流体
システムであり、このシステムは、主冷却システム（５
２、８８）と、第２の冷却システムとを含み、該第２の
冷却システムは、第１の極低温流体を有する貯蔵装置
と、該貯蔵装置からの第１の極低温流体と、主冷却シス
テムを通って流れる第２の極低温流体とに流体連通する
少なくとも一つの冷却継手とを備え、また、該第２の冷
却システムは、第１の極低温流体が少なくとも一つの冷
却継手を通って流れない第１の作動モードと、第１の極
低温流体が少なくとも一つの冷却継手を通って流れる第
２の作動モードとを有し、主冷却システムにおいて故障
が発生した場合に、第１の作動モードから第２の作動モ
ードへ切り替えられる。
超伝導機械に極低温冷却流体を供給するための冷却流体
システムであり、このシステムは、主冷却システム（５
２、８８）と、第２の冷却システムとを含み、該第２の
冷却システムは、第１の極低温流体を有する貯蔵装置
と、該貯蔵装置からの第１の極低温流体と、主冷却シス
テムを通って流れる第２の極低温流体とに流体連通する
少なくとも一つの冷却継手とを備え、また、該第２の冷
却システムは、第１の極低温流体が少なくとも一つの冷
却継手を通って流れない第１の作動モードと、第１の極
低温流体が少なくとも一つの冷却継手を通って流れる第
２の作動モードとを有し、主冷却システムにおいて故障
が発生した場合に、第１の作動モードから第２の作動モ
ードへ切り替えられる。
【００１３】別の実施形態において、本発明は、同期機
械のための高温超伝導ロータに連結された冷却流体シス
テムであり、該システムは、再循環圧縮機と、再循環圧
縮機からロータへ流れる第２の冷却流体のための流路を
提供する入口ラインとを更に含む主冷却システムを備
え、該入口ラインは、コールドヘッド装置を通過してお
り、第１の極低温剤流体のための貯蔵タンクと、貯蔵タ
ンク及び入口ラインと流体連通している少なくとも一つ
の熱交換器と、タンクと少なくとも一つの熱交換器との
間にある弁とを更に含む一時的冷却システムが設けら
れ、該弁は、第１の極低温剤流体がタンクから少なくと
も一つの熱交換器へ流れるのを許容する開位置と、第１
の極低温剤流体を少なくとも一つの熱交換器から遮断す
る閉位置とを有し、該弁の開位置は、コールドヘッド装
置が作動不能の場合に選択され、該弁の閉位置は、コー
ルドヘッド装置が第２の極低温剤冷却流体を冷却するた
めに作動している場合に選択される。
械のための高温超伝導ロータに連結された冷却流体シス
テムであり、該システムは、再循環圧縮機と、再循環圧
縮機からロータへ流れる第２の冷却流体のための流路を
提供する入口ラインとを更に含む主冷却システムを備
え、該入口ラインは、コールドヘッド装置を通過してお
り、第１の極低温剤流体のための貯蔵タンクと、貯蔵タ
ンク及び入口ラインと流体連通している少なくとも一つ
の熱交換器と、タンクと少なくとも一つの熱交換器との
間にある弁とを更に含む一時的冷却システムが設けら
れ、該弁は、第１の極低温剤流体がタンクから少なくと
も一つの熱交換器へ流れるのを許容する開位置と、第１
の極低温剤流体を少なくとも一つの熱交換器から遮断す
る閉位置とを有し、該弁の開位置は、コールドヘッド装
置が作動不能の場合に選択され、該弁の閉位置は、コー
ルドヘッド装置が第２の極低温剤冷却流体を冷却するた
めに作動している場合に選択される。
【００１４】更に別の実施形態において、本発明は、主
冷却システムと一時的冷却システムを用いて超伝導機械
を冷却するための方法であり、該方法は、第１の極低温
冷却流体を一時的冷却システム内に貯蔵する段階と、第
２の極低温冷却流体を主冷却システムと機械との間で循
環させて、機械の超伝導部品を極低温に冷却する段階
と、主冷却システム内の冷却装置を用いて第２の極低温
剤冷却流体を冷却し、同時に、第１の極低温冷却流体を
第２の極低温剤冷却流体から熱的に隔離する段階と、冷
却装置が作動不能である間、第１の極低温冷却流体が第
２の冷却流体を極低温に冷却できるようにする段階とを
含む。
冷却システムと一時的冷却システムを用いて超伝導機械
を冷却するための方法であり、該方法は、第１の極低温
冷却流体を一時的冷却システム内に貯蔵する段階と、第
２の極低温冷却流体を主冷却システムと機械との間で循
環させて、機械の超伝導部品を極低温に冷却する段階
と、主冷却システム内の冷却装置を用いて第２の極低温
剤冷却流体を冷却し、同時に、第１の極低温冷却流体を
第２の極低温剤冷却流体から熱的に隔離する段階と、冷
却装置が作動不能である間、第１の極低温冷却流体が第
２の冷却流体を極低温に冷却できるようにする段階とを
含む。
【００１５】
【発明の実施の形態】本明細書に関連する添付図面に、
本発明の実施形態を記載する。
本発明の実施形態を記載する。
【００１６】図１は、ステータ１２とロータ１４とを有
する例示的な同期発電機械１０を示す。ロータは、ステ
ータの円筒形のロータ真空キャビティ１６内に嵌まる界
磁巻線コイル３４を含む。ロータ１４は、ステータのロ
ータ真空キャビティ１６内に嵌まる。ロータがステータ
内で回転すると、ロータとロータコイルによって発生す
る磁界１８（点線で示される）はステータを通って移動
／回転し、ステータのコイル巻線１９に電流を生じさせ
る。この電流は、発電機によって電力として出力され
る。
する例示的な同期発電機械１０を示す。ロータは、ステ
ータの円筒形のロータ真空キャビティ１６内に嵌まる界
磁巻線コイル３４を含む。ロータ１４は、ステータのロ
ータ真空キャビティ１６内に嵌まる。ロータがステータ
内で回転すると、ロータとロータコイルによって発生す
る磁界１８（点線で示される）はステータを通って移動
／回転し、ステータのコイル巻線１９に電流を生じさせ
る。この電流は、発電機によって電力として出力され
る。
【００１７】ロータ１４は、ほぼ長さ方向に延びる軸線
２０と、全体的に中実のロータコア２２とを有する。中
実のコア２２は、大きな透磁率を有し、鉄のような強磁
性材料で形成するのが普通である。低電力密度の超伝導
機械では、ロータの鉄心を使用して、起磁力（ＭＭＦ）
を減少させ、従ってコイル線の使用量を最小にする。例
えば、ロータの鉄心は、約２テスラの空隙磁界強度で磁
気的に飽和させることができる。
２０と、全体的に中実のロータコア２２とを有する。中
実のコア２２は、大きな透磁率を有し、鉄のような強磁
性材料で形成するのが普通である。低電力密度の超伝導
機械では、ロータの鉄心を使用して、起磁力（ＭＭＦ）
を減少させ、従ってコイル線の使用量を最小にする。例
えば、ロータの鉄心は、約２テスラの空隙磁界強度で磁
気的に飽和させることができる。
【００１８】ロータ１４は、ほぼ長さ方向に延びるレー
ストラック形の高温超伝導（ＨＴＳ）コイル巻線を支持
する。別の構成では、ＨＴＳコイル巻線は、サドル形に
してもよく、或いは、特定のＨＴＳロータ設計に適した
幾つかの他のコイル巻線形状を有してもよい。ここに開
示される冷却システムは、中実のロータコア上に取り付
けられるレーストラック形コイル以外のコイル巻線及び
ロータ形態に適合させることができる。
ストラック形の高温超伝導（ＨＴＳ）コイル巻線を支持
する。別の構成では、ＨＴＳコイル巻線は、サドル形に
してもよく、或いは、特定のＨＴＳロータ設計に適した
幾つかの他のコイル巻線形状を有してもよい。ここに開
示される冷却システムは、中実のロータコア上に取り付
けられるレーストラック形コイル以外のコイル巻線及び
ロータ形態に適合させることができる。
【００１９】ロータは、端シャフト２４、３０を含み、
これらの端シャフトは、コア２２を支え、軸受２５によ
って支持される。コレクタ端シャフト２４は、ロータの
ＳＣコイル巻線を冷却するのに用いられる極低温冷却流
体の源への極低温剤移送継手２６を有する。極低温剤移
送継手２６は、極低温剤冷却流体の源に結合される固定
セグメントと、ＨＴＳコイルに冷却流体を供給する回転
セグメントとを含む。例示的な極低温剤移送継手が、本
出願人による係属中の日本特許出願第２００２−１３７
９６２号（米国特許出願第０９／８５４，９３１号）に
おいて開示されており、その全体が参考文献として本明
細書に組み込まれる。コレクタ端シャフトはまた、ロー
タコイル３４を外部の電気装置又は電源装置に接続する
ためのコレクタリング２７を含む。駆動端シャフト３０
は、出力タービン継手３２であってもよい。
これらの端シャフトは、コア２２を支え、軸受２５によ
って支持される。コレクタ端シャフト２４は、ロータの
ＳＣコイル巻線を冷却するのに用いられる極低温冷却流
体の源への極低温剤移送継手２６を有する。極低温剤移
送継手２６は、極低温剤冷却流体の源に結合される固定
セグメントと、ＨＴＳコイルに冷却流体を供給する回転
セグメントとを含む。例示的な極低温剤移送継手が、本
出願人による係属中の日本特許出願第２００２−１３７
９６２号（米国特許出願第０９／８５４，９３１号）に
おいて開示されており、その全体が参考文献として本明
細書に組み込まれる。コレクタ端シャフトはまた、ロー
タコイル３４を外部の電気装置又は電源装置に接続する
ためのコレクタリング２７を含む。駆動端シャフト３０
は、出力タービン継手３２であってもよい。
【００２０】図２は、例示的なＨＴＳレーストラック形
の界磁コイル巻線３４を示す。ロータのＳＣ界磁巻線３
４は、高温超伝導コイル３６を含む。各々のＨＴＳコイ
ルは、固体状エポキシ含浸巻線複合材料で積層されたＢ
ＳＣＣＯ（ＢｉxＳｒxＣａxＣｕxＯx）導線のような、
高温超伝導導体を含む。例えば、一連のＢＳＣＣＯ２２
２３線を、積層し、互いに接着し、巻いて中実のエポキ
シ含浸コイルとすることができる。
の界磁コイル巻線３４を示す。ロータのＳＣ界磁巻線３
４は、高温超伝導コイル３６を含む。各々のＨＴＳコイ
ルは、固体状エポキシ含浸巻線複合材料で積層されたＢ
ＳＣＣＯ（ＢｉxＳｒxＣａxＣｕxＯx）導線のような、
高温超伝導導体を含む。例えば、一連のＢＳＣＣＯ２２
２３線を、積層し、互いに接着し、巻いて中実のエポキ
シ含浸コイルとすることができる。
【００２１】ＨＴＳ線は、脆くて、傷つきやすい。ＨＴ
Ｓコイルは、一般的に、ＨＴＳテープが巻かれ、次いで
エポキシ含浸された層である。ＨＴＳテープは、厳密な
寸法公差を得るために、精密なコイルの形態に巻かれて
いる。テープは螺旋に巻かれ、レーストラック形ＳＣコ
イル３６を形成する。
Ｓコイルは、一般的に、ＨＴＳテープが巻かれ、次いで
エポキシ含浸された層である。ＨＴＳテープは、厳密な
寸法公差を得るために、精密なコイルの形態に巻かれて
いる。テープは螺旋に巻かれ、レーストラック形ＳＣコ
イル３６を形成する。
【００２２】レーストラック形コイルの寸法は、ロータ
コアの寸法で決まる。一般的に、各々のレーストラック
形コイルは、ロータコアの磁極を囲み、ロータ軸線に対
して平行である。ＨＴＳコイル巻線は、レーストラック
の周りで連続している。コイルは、ロータコアの周り及
び該コアの磁極の間に、無抵抗の電流路を形成する。
コアの寸法で決まる。一般的に、各々のレーストラック
形コイルは、ロータコアの磁極を囲み、ロータ軸線に対
して平行である。ＨＴＳコイル巻線は、レーストラック
の周りで連続している。コイルは、ロータコアの周り及
び該コアの磁極の間に、無抵抗の電流路を形成する。
【００２３】極低温冷却流体のための流路３８が、コイ
ル巻線３４に含まれる。これらの流路は、ＳＣコイル３
６の外縁部の周りに延びることができる。流路は、コイ
ルに極低温冷却流体を供給し、これらコイルから熱を除
去する。冷却流体は、ＳＣコイル巻線において、該コイ
ルに電気抵抗がない場合を含む超伝導状態をもたらすの
に必要とされる低温、例えば２７°Ｋを維持する。冷却
路は、ロータコアの一端に入口及び出口ポート３９を有
する。これらポート３９は、ＳＣコイル上の冷却路３８
を、極低温剤移送継手２６に接続する。
ル巻線３４に含まれる。これらの流路は、ＳＣコイル３
６の外縁部の周りに延びることができる。流路は、コイ
ルに極低温冷却流体を供給し、これらコイルから熱を除
去する。冷却流体は、ＳＣコイル巻線において、該コイ
ルに電気抵抗がない場合を含む超伝導状態をもたらすの
に必要とされる低温、例えば２７°Ｋを維持する。冷却
路は、ロータコアの一端に入口及び出口ポート３９を有
する。これらポート３９は、ＳＣコイル上の冷却路３８
を、極低温剤移送継手２６に接続する。
【００２４】図３は、ＨＴＳ発電機１０のための極低温
冷却システム５０の概略図である。このシステムは、主
極低温剤冷却システム５２と、一時的冷却システム５４
とを含む。主冷却システムは、冷却流体を電気機械を通
って循環させるもので、冷却流体を極低温に冷却するた
めのコールドヘッド装置５６を有する。コールドヘッド
が故障したり、或いは保守のために停止する場合には、
一時的冷却システムが、コールドヘッド装置の機能を実
行し、主冷却システムを循環する冷却流体を冷却する。
冷却システム５０の概略図である。このシステムは、主
極低温剤冷却システム５２と、一時的冷却システム５４
とを含む。主冷却システムは、冷却流体を電気機械を通
って循環させるもので、冷却流体を極低温に冷却するた
めのコールドヘッド装置５６を有する。コールドヘッド
が故障したり、或いは保守のために停止する場合には、
一時的冷却システムが、コールドヘッド装置の機能を実
行し、主冷却システムを循環する冷却流体を冷却する。
【００２５】高温超伝導（ＨＴＳ）ロータのための極低
温剤気体再循環冷却システム５０が、開発された。この
冷却システムは、例えば再循環冷却システムのような主
システム５２と、一時的冷却システム５４とを含む。一
般に、主冷却システムは、再循環圧縮機５８と、向流式
熱交換器６４と、コールドヘッド装置５６とを含む。主
冷却システムにおいて、極低温剤冷却流体は、再循環圧
縮機から熱交換器及びコールドヘッド装置（ここで、流
体が極低温に冷却される）を通って、ロータ１４及びそ
の超伝導コイル３４へと流れる。使用済み冷却流体は、
ロータから戻され、熱交換器（ここで、ロータへ通る加
圧冷却流体からの熱が、使用済みの気体に伝達される）
を通り、再び再循環圧縮機を通って入口ラインに入り、
循環する。
温剤気体再循環冷却システム５０が、開発された。この
冷却システムは、例えば再循環冷却システムのような主
システム５２と、一時的冷却システム５４とを含む。一
般に、主冷却システムは、再循環圧縮機５８と、向流式
熱交換器６４と、コールドヘッド装置５６とを含む。主
冷却システムにおいて、極低温剤冷却流体は、再循環圧
縮機から熱交換器及びコールドヘッド装置（ここで、流
体が極低温に冷却される）を通って、ロータ１４及びそ
の超伝導コイル３４へと流れる。使用済み冷却流体は、
ロータから戻され、熱交換器（ここで、ロータへ通る加
圧冷却流体からの熱が、使用済みの気体に伝達される）
を通り、再び再循環圧縮機を通って入口ラインに入り、
循環する。
【００２６】一時的冷却システム５４は、数時間のよう
な限られた作動期間を有するものとすることができる。
一時的冷却システムは、コールドヘッド装置を修理し、
再始動するのに適当な期間を超える一時期、主システム
５２の冷却流体を冷却するように設計されている。従っ
て、コールドヘッド装置が一時的に故障したり、或いは
停止した場合でも、一時的冷却システムが、機械１０の
継続的作動を可能にする。
な限られた作動期間を有するものとすることができる。
一時的冷却システムは、コールドヘッド装置を修理し、
再始動するのに適当な期間を超える一時期、主システム
５２の冷却流体を冷却するように設計されている。従っ
て、コールドヘッド装置が一時的に故障したり、或いは
停止した場合でも、一時的冷却システムが、機械１０の
継続的作動を可能にする。
【００２７】主極低温剤冷却システム５２は、再循環圧
縮機５８と、冷却流体を供給し、主システムを介して冷
却流体を循環させる冷却流体貯蔵タンク６０とを含む。
再循環システムにおける極低温剤流体は、ヘリウムであ
るのが好ましいが、ＨＴＳロータの作動温度が、７７°
Ｋ、２７°Ｋ、又は２０°Ｋより下に下がらない場合に
は、それぞれ窒素、ネオン、又は水素とすることもでき
る。
縮機５８と、冷却流体を供給し、主システムを介して冷
却流体を循環させる冷却流体貯蔵タンク６０とを含む。
再循環システムにおける極低温剤流体は、ヘリウムであ
るのが好ましいが、ＨＴＳロータの作動温度が、７７°
Ｋ、２７°Ｋ、又は２０°Ｋより下に下がらない場合に
は、それぞれ窒素、ネオン、又は水素とすることもでき
る。
【００２８】主冷却システムは、冷却流体が、該主冷却
システムと、ロータと、コイル巻線とを通って循環する
という点で、閉ループのシステムである。冷却流体は、
再循環圧縮機を出て、該圧縮機と向流式熱交換器６４と
の間の入口ライン６２を通過するとき、高圧であり、３
００°Ｋのような周囲温度であるか、或いはそれに近
い。戻りライン６６を通って機械１０から再循環圧縮機
５８へ戻る使用済み冷却流体が流れる。熱交換器を通過
する戻りライン内の使用済み冷却流体は、依然として比
較的低温であり、再循環圧縮機で行われる加圧によって
も周囲温度までは加熱されていない。低温の使用済み冷
却流体は、圧縮機を出ていく冷却流体を冷却するのに用
いられる。熱交換器は、圧縮機から流れる冷却流体の熱
を、戻りライン内の使用済み冷却流体に伝達する。従っ
て、入口ライン６２内の冷却流体は、周囲温度よりかな
り低い温度で熱交換器を出ていく。
システムと、ロータと、コイル巻線とを通って循環する
という点で、閉ループのシステムである。冷却流体は、
再循環圧縮機を出て、該圧縮機と向流式熱交換器６４と
の間の入口ライン６２を通過するとき、高圧であり、３
００°Ｋのような周囲温度であるか、或いはそれに近
い。戻りライン６６を通って機械１０から再循環圧縮機
５８へ戻る使用済み冷却流体が流れる。熱交換器を通過
する戻りライン内の使用済み冷却流体は、依然として比
較的低温であり、再循環圧縮機で行われる加圧によって
も周囲温度までは加熱されていない。低温の使用済み冷
却流体は、圧縮機を出ていく冷却流体を冷却するのに用
いられる。熱交換器は、圧縮機から流れる冷却流体の熱
を、戻りライン内の使用済み冷却流体に伝達する。従っ
て、入口ライン６２内の冷却流体は、周囲温度よりかな
り低い温度で熱交換器を出ていく。
【００２９】入口ライン内の冷却流体は、熱交換器か
ら、コールドヘッド装置５６を有する冷却コイル継手６
８へ流れる。主冷却システム内を循環する冷却流体は、
窒素ガス又は液体、ネオンガス又は液体、或いは水素ガ
ス又は液体とすることができる。冷却流体は、コールド
ヘッド装置の出口において液体であり、気体としてロー
タから戻るようにすることができる。コールドヘッド装
置は、入口ライン内の冷却流体を、例えば３０°Ｋ或い
はそれより下の極低温まで冷却する。極低温冷却流体
は、入口温度（Ｔｉｎ）でＨＴＳ発電機に供給され、Ｈ
ＴＳロータ巻線を冷却する。ロータからの戻り気体は、
温度（Ｔｏｕｔ）で出て、向流式熱交換器６４を通って
進み、再循環圧縮機５８に戻る。
ら、コールドヘッド装置５６を有する冷却コイル継手６
８へ流れる。主冷却システム内を循環する冷却流体は、
窒素ガス又は液体、ネオンガス又は液体、或いは水素ガ
ス又は液体とすることができる。冷却流体は、コールド
ヘッド装置の出口において液体であり、気体としてロー
タから戻るようにすることができる。コールドヘッド装
置は、入口ライン内の冷却流体を、例えば３０°Ｋ或い
はそれより下の極低温まで冷却する。極低温冷却流体
は、入口温度（Ｔｉｎ）でＨＴＳ発電機に供給され、Ｈ
ＴＳロータ巻線を冷却する。ロータからの戻り気体は、
温度（Ｔｏｕｔ）で出て、向流式熱交換器６４を通って
進み、再循環圧縮機５８に戻る。
【００３０】冷却流体は、液体としてロータ１４に入る
が、ロータのＳＣコイル巻線３４の冷却流路３８を通っ
て流れるときに蒸発することができる。流路３８におけ
る冷却流体の蒸発により、ＳＣコイルが冷却され、該コ
イルが超伝導状態で作動することが保証される。蒸発し
た冷却流体は、低温の気体としてＨＴＳロータから、戻
りライン６６を通って流れる。戻りラインは、ロータか
ら再循環圧縮機まで低温の冷却気体が通るような大きさ
にされている。
が、ロータのＳＣコイル巻線３４の冷却流路３８を通っ
て流れるときに蒸発することができる。流路３８におけ
る冷却流体の蒸発により、ＳＣコイルが冷却され、該コ
イルが超伝導状態で作動することが保証される。蒸発し
た冷却流体は、低温の気体としてＨＴＳロータから、戻
りライン６６を通って流れる。戻りラインは、ロータか
ら再循環圧縮機まで低温の冷却気体が通るような大きさ
にされている。
【００３１】コールドヘッド５６装置は、極低温冷却機
であってもよく、単段のギフォード・マクマホン式極低
温冷却器、或いは単段に取り付けられた再凝縮器装置を
有する別個の又は一体の極低温冷却器圧縮機を備えたパ
ルス管とすることができる。単一又は多数の極低温冷却
機のコールドヘッド装置（図３では一つだけが示され
る）を、ロータ１４及びそのＳＣ巻線３４の冷却流路へ
の入口における極低温（Ｔｉｎ）まで冷却流体を冷却す
るために用いることができる。
であってもよく、単段のギフォード・マクマホン式極低
温冷却器、或いは単段に取り付けられた再凝縮器装置を
有する別個の又は一体の極低温冷却器圧縮機を備えたパ
ルス管とすることができる。単一又は多数の極低温冷却
機のコールドヘッド装置（図３では一つだけが示され
る）を、ロータ１４及びそのＳＣ巻線３４の冷却流路へ
の入口における極低温（Ｔｉｎ）まで冷却流体を冷却す
るために用いることができる。
【００３２】コールドボックス７２は、熱交換器と、コ
ールドヘッド装置と、ロータへの入口ライン及びロータ
からの戻りラインとを囲み、断熱することができる。こ
のコールドボックスは、主冷却システムの極低温部品を
真空状態で断熱し、該冷却システムへの熱伝導を最小に
する。冷却ボックスは、真空ジャケットをもつ冷却流体
ラインと、熱交換器及びコールドヘッド内の断熱された
部品とを含むことができる。コールドボックスは、ロー
タへの冷却システム継手２６まで延び、熱が不必要に冷
却システム内に伝達されず、かつ冷却流体の極低温を維
持することを保証する。
ールドヘッド装置と、ロータへの入口ライン及びロータ
からの戻りラインとを囲み、断熱することができる。こ
のコールドボックスは、主冷却システムの極低温部品を
真空状態で断熱し、該冷却システムへの熱伝導を最小に
する。冷却ボックスは、真空ジャケットをもつ冷却流体
ラインと、熱交換器及びコールドヘッド内の断熱された
部品とを含むことができる。コールドボックスは、ロー
タへの冷却システム継手２６まで延び、熱が不必要に冷
却システム内に伝達されず、かつ冷却流体の極低温を維
持することを保証する。
【００３３】主冷却システムの入口及び戻りラインは、
ロータ１４における冷却移送継手２６に連結される。移
送継手及びロータにおいて、冷却流体は、端シャフト２
４の真空ジャケットをもつ冷却流路、及びＳＣコイル３
６周りの冷却流路３８を通過する。冷却流体は、ロータ
のＳＣコイル３６を蒸発冷却によって極低温に維持し、
該コイルが超伝導状態で作動することを保証する。
ロータ１４における冷却移送継手２６に連結される。移
送継手及びロータにおいて、冷却流体は、端シャフト２
４の真空ジャケットをもつ冷却流路、及びＳＣコイル３
６周りの冷却流路３８を通過する。冷却流体は、ロータ
のＳＣコイル３６を蒸発冷却によって極低温に維持し、
該コイルが超伝導状態で作動することを保証する。
【００３４】一般的には低温気体の形態の使用済み冷却
流体は、コイルの冷却流路３８を出て、端シャフトの真
空ジャケットをもつ流路を通り、冷却継手２６を通って
ロータ１４を出る。戻り移送ライン６６は、ロータから
熱交換器６４を通って再循環圧縮機５８への戻り冷却流
体のための流路を提供する。コールドボックス７２内の
入口及び戻りラインは、真空ジャケットをもち、強く断
熱されている。入口ラインと戻りラインの、及びコール
ドボックスによる真空断熱は、冷却流体が主冷却システ
ムとロータとの間を循環する際に、冷却流体における熱
伝達損失を最小にする。コールドボックスと再循環圧縮
機との間のラインに真空ジャケットを設ける必要はな
い。流量弁７６が、主冷却システム５２の冷却流体の流
量を制御する。
流体は、コイルの冷却流路３８を出て、端シャフトの真
空ジャケットをもつ流路を通り、冷却継手２６を通って
ロータ１４を出る。戻り移送ライン６６は、ロータから
熱交換器６４を通って再循環圧縮機５８への戻り冷却流
体のための流路を提供する。コールドボックス７２内の
入口及び戻りラインは、真空ジャケットをもち、強く断
熱されている。入口ラインと戻りラインの、及びコール
ドボックスによる真空断熱は、冷却流体が主冷却システ
ムとロータとの間を循環する際に、冷却流体における熱
伝達損失を最小にする。コールドボックスと再循環圧縮
機との間のラインに真空ジャケットを設ける必要はな
い。流量弁７６が、主冷却システム５２の冷却流体の流
量を制御する。
【００３５】循環主冷却システム５２は、ＨＴＳロータ
への冷却流体の安定供給をもたらすものである。さら
に、この循環主冷却システムは、大規模な余分の冷却シ
ステムを必要としないという点で、構成及び作動が経済
的である。主冷却システムのコールドヘッド装置が故障
した場合でも、冷却機能を提供し続ける一時的冷却シス
テムによって、冷却システムの全体的な信頼性が高めら
れる。冷却システムの信頼性及び経済性により、商業的
に使用可能な、ＨＴＳロータを有する同期機械の開発が
容易になる。
への冷却流体の安定供給をもたらすものである。さら
に、この循環主冷却システムは、大規模な余分の冷却シ
ステムを必要としないという点で、構成及び作動が経済
的である。主冷却システムのコールドヘッド装置が故障
した場合でも、冷却機能を提供し続ける一時的冷却シス
テムによって、冷却システムの全体的な信頼性が高めら
れる。冷却システムの信頼性及び経済性により、商業的
に使用可能な、ＨＴＳロータを有する同期機械の開発が
容易になる。
【００３６】一時的冷却システム５４は、主冷却システ
ムが十分に作動している間、特にコールドヘッド５６が
作動可能である間は、停止したままである。作動してい
ない間は、一時的冷却システムは、主冷却システムを通
って循環する冷却流体を冷却することはない。該一時的
冷却システムは、極低温剤貯蔵タンク７４と該一時的冷
却システム５４を主冷却システム５２内の冷却流体に熱
的に連結する熱交換器８２との間の流量弁７８によっ
て、該主システムから隔離される。極低温剤貯蔵タンク
は、冷却流体のための通常の長期隔離用貯蔵タンクであ
る。
ムが十分に作動している間、特にコールドヘッド５６が
作動可能である間は、停止したままである。作動してい
ない間は、一時的冷却システムは、主冷却システムを通
って循環する冷却流体を冷却することはない。該一時的
冷却システムは、極低温剤貯蔵タンク７４と該一時的冷
却システム５４を主冷却システム５２内の冷却流体に熱
的に連結する熱交換器８２との間の流量弁７８によっ
て、該主システムから隔離される。極低温剤貯蔵タンク
は、冷却流体のための通常の長期隔離用貯蔵タンクであ
る。
【００３７】一時的冷却システム５４は、極低温冷却流
体７０（「一時的冷却流体」）の貯蔵タンク７４と、該
貯蔵タンクから、主冷却システムの入口ライン６２に熱
的に連結された第２の熱交換器８２まで延びる流体ライ
ン８０と、ベント８４とを含む。貯蔵タンク内の冷却流
体は、主冷却システム内の再循環冷却流体と分離されて
おり、混合はされない。一時的冷却流体は、主システム
のコールドヘッド装置の故障に対応する際など一時的冷
却システムが作動されるまで、タンク内に貯蔵される。
体７０（「一時的冷却流体」）の貯蔵タンク７４と、該
貯蔵タンクから、主冷却システムの入口ライン６２に熱
的に連結された第２の熱交換器８２まで延びる流体ライ
ン８０と、ベント８４とを含む。貯蔵タンク内の冷却流
体は、主冷却システム内の再循環冷却流体と分離されて
おり、混合はされない。一時的冷却流体は、主システム
のコールドヘッド装置の故障に対応する際など一時的冷
却システムが作動されるまで、タンク内に貯蔵される。
【００３８】主冷却システムの正常作動中には、極低温
剤流体は、一時的貯蔵タンク内で使用されずに極低温の
ままである。ＨＴＳロータが、ロータ継手２６（Ｔｉ
ｎ）において８０°Ｋまで冷却されなければならない場
合には、開回路の一時的冷却システムにおいて、液体窒
素を一時的極低温剤流体として用いることができる。Ｈ
ＴＳロータが、Ｔｉｎにおいて約３０°Ｋまで冷却され
なければならない場合には、液体ネオンを一時的貯蔵タ
ンク内の極低温剤流体として用いることができ、該ロー
タが、Ｔｉｎにおいて約２０°Ｋまで冷却されなければ
ならない場合には、液体水素又はヘリウムを極低温剤流
体として用いることができる。
剤流体は、一時的貯蔵タンク内で使用されずに極低温の
ままである。ＨＴＳロータが、ロータ継手２６（Ｔｉ
ｎ）において８０°Ｋまで冷却されなければならない場
合には、開回路の一時的冷却システムにおいて、液体窒
素を一時的極低温剤流体として用いることができる。Ｈ
ＴＳロータが、Ｔｉｎにおいて約３０°Ｋまで冷却され
なければならない場合には、液体ネオンを一時的貯蔵タ
ンク内の極低温剤流体として用いることができ、該ロー
タが、Ｔｉｎにおいて約２０°Ｋまで冷却されなければ
ならない場合には、液体水素又はヘリウムを極低温剤流
体として用いることができる。
【００３９】作動させられたとき、一時的冷却流体は、
タンク７４から流体ライン８０を通って少なくとも一つ
の熱交換器８２まで流れ（排出され）、そこで、主シス
テム内の冷却流体を極低温まで冷却する。また、一時的
冷却流体は、主システム内の熱交換器６４を通って流
れ、循環冷却流体が主システムの再循環圧縮機を出てい
く際に、該循環冷却流体を冷却することもできる。一つ
又はそれ以上の熱交換器を通過した後、一時的冷却流体
は、ベント８４によって一時的冷却システムから排出さ
れる。貯蔵タンク内には、一時的冷却システムが開ルー
プモードで数時間の間作動するために十分な一時的冷却
流体がある。開ループモードで作動した後、一時的シス
テムの作動中に使用されて排出された流体を補充するた
めに、追加の一時的冷却流体を貯蔵タンクに加えること
ができる。
タンク７４から流体ライン８０を通って少なくとも一つ
の熱交換器８２まで流れ（排出され）、そこで、主シス
テム内の冷却流体を極低温まで冷却する。また、一時的
冷却流体は、主システム内の熱交換器６４を通って流
れ、循環冷却流体が主システムの再循環圧縮機を出てい
く際に、該循環冷却流体を冷却することもできる。一つ
又はそれ以上の熱交換器を通過した後、一時的冷却流体
は、ベント８４によって一時的冷却システムから排出さ
れる。貯蔵タンク内には、一時的冷却システムが開ルー
プモードで数時間の間作動するために十分な一時的冷却
流体がある。開ループモードで作動した後、一時的シス
テムの作動中に使用されて排出された流体を補充するた
めに、追加の一時的冷却流体を貯蔵タンクに加えること
ができる。
【００４０】一時的冷却システムは、主冷却システムの
コールドヘッド装置が故障した場合、又は他のことで停
止した場合、或いは冷却への必要性が高いロータの初期
冷却の間、又は幾つかの他の特別な事情が主冷却システ
ムにおいて生じ、ロータへの入口ライン６２内の冷却流
体が過熱し、ロータ１４のＳＣ巻線３４を適切に冷却で
きなくなった場合に、作動状態に切り換え（遮断用流量
弁７８を開けることによって）られる。遮断用流量弁７
８は、手動で作動させてもよく、或いは、機械又は冷却
システムのためのコンピュータ化された制御システムに
よって自動的に開けるようにしてもよい。
コールドヘッド装置が故障した場合、又は他のことで停
止した場合、或いは冷却への必要性が高いロータの初期
冷却の間、又は幾つかの他の特別な事情が主冷却システ
ムにおいて生じ、ロータへの入口ライン６２内の冷却流
体が過熱し、ロータ１４のＳＣ巻線３４を適切に冷却で
きなくなった場合に、作動状態に切り換え（遮断用流量
弁７８を開けることによって）られる。遮断用流量弁７
８は、手動で作動させてもよく、或いは、機械又は冷却
システムのためのコンピュータ化された制御システムに
よって自動的に開けるようにしてもよい。
【００４１】一時的冷却システム５４は、開ループモー
ドで作動する。作動中に極低温剤流体は、一時的貯蔵タ
ンクから極低温剤ライン８０を介して開放弁７８を通っ
て流れ、一時的冷却システムを主冷却システム内の循環
冷却流体に熱的に連結する熱交換器８２を通過する。一
時的冷却熱交換器８２は、初期冷却、及びコールドヘッ
ド装置の故障のような冷却部品の停止の間を除く正常作
動中は、隔離されている。極低温剤流体が向流式熱交換
器を通って一方向に流れると、該極低温剤流体は主冷却
システムの入口ライン６２を冷却し、それによって再循
環する冷却流体から一時的冷却システム内の極低温剤流
体へ熱が伝達される。
ドで作動する。作動中に極低温剤流体は、一時的貯蔵タ
ンクから極低温剤ライン８０を介して開放弁７８を通っ
て流れ、一時的冷却システムを主冷却システム内の循環
冷却流体に熱的に連結する熱交換器８２を通過する。一
時的冷却熱交換器８２は、初期冷却、及びコールドヘッ
ド装置の故障のような冷却部品の停止の間を除く正常作
動中は、隔離されている。極低温剤流体が向流式熱交換
器を通って一方向に流れると、該極低温剤流体は主冷却
システムの入口ライン６２を冷却し、それによって再循
環する冷却流体から一時的冷却システム内の極低温剤流
体へ熱が伝達される。
【００４２】ベント８４は、暖められた極低温剤流体を
大気又は他の環境に放出するもので、そこで暖かい極低
温剤流体（例えば、水素又はヘリウム気体）を安全に放
出することができる。排出された極低温剤液体は、コー
ルドヘッド装置のような主冷却システムが正常の作動に
戻った後、貯蔵タンクを再び満たすことによって補充さ
れる。極低温剤流体は、一時的熱交換器と向流式主熱交
換器を通過することによって、冷却流体が機械内を通る
ときに、主冷却システム内の循環冷却流体の極低温作動
温度を維持する。
大気又は他の環境に放出するもので、そこで暖かい極低
温剤流体（例えば、水素又はヘリウム気体）を安全に放
出することができる。排出された極低温剤液体は、コー
ルドヘッド装置のような主冷却システムが正常の作動に
戻った後、貯蔵タンクを再び満たすことによって補充さ
れる。極低温剤流体は、一時的熱交換器と向流式主熱交
換器を通過することによって、冷却流体が機械内を通る
ときに、主冷却システム内の循環冷却流体の極低温作動
温度を維持する。
【００４３】一時的極低温剤貯蔵タンク７４は、コール
ドヘッド装置５６が保守又は交換のために停止している
間、冷却流体７０を極低温に冷却させるのに十分な貯蔵
容量を有する。例えば、貯蔵タンクは、５時間から１０
時間までといった数時間の機械１０の正常作動の間冷却
流体を冷却するために、１００リットルなどの十分な極
低温剤流体を有することができる。
ドヘッド装置５６が保守又は交換のために停止している
間、冷却流体７０を極低温に冷却させるのに十分な貯蔵
容量を有する。例えば、貯蔵タンクは、５時間から１０
時間までといった数時間の機械１０の正常作動の間冷却
流体を冷却するために、１００リットルなどの十分な極
低温剤流体を有することができる。
【００４４】一時的冷却システムは、信頼性があり、簡
単で、かつ安価な補助的冷却システムである。余分のコ
ールドヘッド装置及び他の高価な余分の装置が、冷却シ
ステムにおいて必要とされる。開放回路の一時的冷却シ
ステム５４が、ロータの作動に影響することなくコール
ドヘッド装置を保守又は交換のために停止させることが
できる程十分な冷却容量を有しているので、信頼性を確
保するために余分な通常冷却容量を必要とはしない。従
って、ＨＴＳ冷却システム５０（主冷却システム５２及
び一時的システム５４）は、低コストで余分な部品を有
さず、高い冷却信頼性を有するものである。
単で、かつ安価な補助的冷却システムである。余分のコ
ールドヘッド装置及び他の高価な余分の装置が、冷却シ
ステムにおいて必要とされる。開放回路の一時的冷却シ
ステム５４が、ロータの作動に影響することなくコール
ドヘッド装置を保守又は交換のために停止させることが
できる程十分な冷却容量を有しているので、信頼性を確
保するために余分な通常冷却容量を必要とはしない。従
って、ＨＴＳ冷却システム５０（主冷却システム５２及
び一時的システム５４）は、低コストで余分な部品を有
さず、高い冷却信頼性を有するものである。
【００４５】図４は、極低温冷却システム８６の第２の
実施形態の概略図である。第２の冷却システム８６にお
ける、第１の冷却システム５０と共通の部品は、図３及
び図４において共通の参照番号で識別される。特に、第
２の実施形態における一時的冷却システム５４は、冷却
システムの第１の実施形態における一時的冷却システム
５４と概念上同じである。
実施形態の概略図である。第２の冷却システム８６にお
ける、第１の冷却システム５０と共通の部品は、図３及
び図４において共通の参照番号で識別される。特に、第
２の実施形態における一時的冷却システム５４は、冷却
システムの第１の実施形態における一時的冷却システム
５４と概念上同じである。
【００４６】図４に示される主冷却システム８８は、使
用済み冷却流体を戻りライン６６から入口ライン６２内
にポンピングするエゼクタ９０を更に含む。戻りライン
からエゼクタを通って入口ラインに再入する冷却流体
は、再循環圧縮機５８及び熱交換器６４をバイパスす
る。従って、圧縮機及び熱交換器にかかる流体負荷は、
エゼクタを使用する場合には減少される。エゼクタ９０
により、エゼクタを有さない主冷却システム５２におい
て必要とされるよりも小さな熱交換器及び圧縮機を主冷
却システム８８において使用することが可能になる。
用済み冷却流体を戻りライン６６から入口ライン６２内
にポンピングするエゼクタ９０を更に含む。戻りライン
からエゼクタを通って入口ラインに再入する冷却流体
は、再循環圧縮機５８及び熱交換器６４をバイパスす
る。従って、圧縮機及び熱交換器にかかる流体負荷は、
エゼクタを使用する場合には減少される。エゼクタ９０
により、エゼクタを有さない主冷却システム５２におい
て必要とされるよりも小さな熱交換器及び圧縮機を主冷
却システム８８において使用することが可能になる。
【００４７】図５は、基本的には冷却流体用の静止ポン
プであるエゼクタ９０の詳細な概略図を示す。エゼクタ
は、第１の収斂−拡開ノズル９２と、ディフューザ区域
９４と、第２の収斂−拡開ノズル９６とを含む。第１の
ノズルへの入口９８は、入口ライン６２に連結され、熱
交換器６４からの高圧の冷却流体流を受ける。高圧の流
れは、第１のノズル９２を通過する際に、比較的低い静
圧で該ノズルの出口１００からディフューザ９４内に射
出されるため、その流れの速度は大幅に増加する。この
低圧のディフューザが、使用済みの冷却流体を戻りライ
ン６６から入口ポート１０２を介してディフューザ９４
内に引き込む。入口ポート１０２を、ディフューザの軸
線と位置合わせすることができる。
プであるエゼクタ９０の詳細な概略図を示す。エゼクタ
は、第１の収斂−拡開ノズル９２と、ディフューザ区域
９４と、第２の収斂−拡開ノズル９６とを含む。第１の
ノズルへの入口９８は、入口ライン６２に連結され、熱
交換器６４からの高圧の冷却流体流を受ける。高圧の流
れは、第１のノズル９２を通過する際に、比較的低い静
圧で該ノズルの出口１００からディフューザ９４内に射
出されるため、その流れの速度は大幅に増加する。この
低圧のディフューザが、使用済みの冷却流体を戻りライ
ン６６から入口ポート１０２を介してディフューザ９４
内に引き込む。入口ポート１０２を、ディフューザの軸
線と位置合わせすることができる。
【００４８】ポート１０２に入る使用済み冷却流体は、
ディフューザ９４において、第1のノズルからの冷却流
体噴流と共に運ばれる。双方の冷却流体流は、混合冷却
流体流を形成し、比較的大きい直径の出口１０４を有す
る第２の収斂−拡開ノズル９６を通過する。第２のノズ
ルは、第１ノズル（今は戻り流体を含む）からの噴流を
減速させ、エゼクタの出口１０４における入口ライン６
２に再び入る際における、流れの圧力を（ディフューザ
及び戻りラインの圧力より大きい圧力まで）増加させ
る。ディフューザの下流にある入口ライン６２内の冷却
剤の圧力は、該冷却剤をコールドヘッド装置、ロータ、
ＳＣコイル巻線及び戻りラインを通って移動させるのに
十分な程である。
ディフューザ９４において、第1のノズルからの冷却流
体噴流と共に運ばれる。双方の冷却流体流は、混合冷却
流体流を形成し、比較的大きい直径の出口１０４を有す
る第２の収斂−拡開ノズル９６を通過する。第２のノズ
ルは、第１ノズル（今は戻り流体を含む）からの噴流を
減速させ、エゼクタの出口１０４における入口ライン６
２に再び入る際における、流れの圧力を（ディフューザ
及び戻りラインの圧力より大きい圧力まで）増加させ
る。ディフューザの下流にある入口ライン６２内の冷却
剤の圧力は、該冷却剤をコールドヘッド装置、ロータ、
ＳＣコイル巻線及び戻りラインを通って移動させるのに
十分な程である。
【００４９】再循環圧縮機からの比較的少量の高圧冷却
流体流を用いて、エゼクタに、戻りラインから入口ライ
ンへ大量の流体をポンピングさせるようにすることがで
きる。入口ラインにおいて、熱交換器６４からの高圧流
体流は、第１の収斂−拡開ノズル９２に流入する。ノズ
ルの排出口１００及びディフューザ９４内において、流
体流の圧力は低く、その速度は速い。ディフューザ内の
低圧が、使用済み流体を戻りラインから入口ポート１０
２を通してエゼクタに流入させることになる。
流体流を用いて、エゼクタに、戻りラインから入口ライ
ンへ大量の流体をポンピングさせるようにすることがで
きる。入口ラインにおいて、熱交換器６４からの高圧流
体流は、第１の収斂−拡開ノズル９２に流入する。ノズ
ルの排出口１００及びディフューザ９４内において、流
体流の圧力は低く、その速度は速い。ディフューザ内の
低圧が、使用済み流体を戻りラインから入口ポート１０
２を通してエゼクタに流入させることになる。
【００５０】エゼクタ内の流体の運動量は、エゼクタを
通る冷却流体流として（摩擦による損失を除いて）保存
される。入口ラインの冷却剤流の高圧力は、第１のノズ
ルにおいて高速度流に変換される。エゼクタの軸線（ｘ
軸）に沿ったこの流れの運動量は、保存される。ディフ
ューザに流入する戻りラインの冷却流体流は、第１のノ
ズルから出る高速度流と合流する。２つの流れの全体の
運動量は、エゼクタの軸線に沿った２つの流れの各運動
量のほぼ合計になる。全体の運動量が、この合流を広径
の出口１０４を有する第２のノズル９６を通って押し進
め、流れの速度を圧力に変換させる。出口流の圧力が、
エゼクタの下流にある入口ライン内の冷却流体を、コイ
ル、ロータ及び戻りラインを通って移動させる。
通る冷却流体流として（摩擦による損失を除いて）保存
される。入口ラインの冷却剤流の高圧力は、第１のノズ
ルにおいて高速度流に変換される。エゼクタの軸線（ｘ
軸）に沿ったこの流れの運動量は、保存される。ディフ
ューザに流入する戻りラインの冷却流体流は、第１のノ
ズルから出る高速度流と合流する。２つの流れの全体の
運動量は、エゼクタの軸線に沿った２つの流れの各運動
量のほぼ合計になる。全体の運動量が、この合流を広径
の出口１０４を有する第２のノズル９６を通って押し進
め、流れの速度を圧力に変換させる。出口流の圧力が、
エゼクタの下流にある入口ライン内の冷却流体を、コイ
ル、ロータ及び戻りラインを通って移動させる。
【００５１】一般的には、第１のノズル９２を通る流れ
は、エゼクタを通ってポンピングされる流れ及び抽出器
を出る混合流の一部分となる。熱交換器からの入口ライ
ン６２における流れの高圧力は、比較的少量の流れで十
分な運動量を生成し、戻りライン内の冷却流体の大部分
を引き込み、エゼクタからの冷却流体の混合流を主冷却
システム８８の残りの部分を通して押し進める。
は、エゼクタを通ってポンピングされる流れ及び抽出器
を出る混合流の一部分となる。熱交換器からの入口ライ
ン６２における流れの高圧力は、比較的少量の流れで十
分な運動量を生成し、戻りライン内の冷却流体の大部分
を引き込み、エゼクタからの冷却流体の混合流を主冷却
システム８８の残りの部分を通して押し進める。
【００５２】第１のノズルにおいては、比較的少量の冷
却流体が必要とされるので、再循環ポンプ及び熱交換器
を通る冷却流体流は、ＨＴＳロータを通る冷却流体の循
環流の一部分でしかない。その結果、熱交換器の大きさ
が相当減少され、その効率は、主冷却システム全体の効
率に対して重要ではなくなる。同様に、再循環圧縮機を
小さなものとすることができ、エゼクタなしの主システ
ムにおける圧縮機よりも少ない電力しか必要としないよ
うにすることができる。このように、主システムにおい
てエゼクタを使用することの一つの利点は、熱交換器及
び圧縮機の大きさ及びコストの著しい減少と、熱交換器
の損失及び圧縮機の所要電力の減少による高いシステム
効率にある。
却流体が必要とされるので、再循環ポンプ及び熱交換器
を通る冷却流体流は、ＨＴＳロータを通る冷却流体の循
環流の一部分でしかない。その結果、熱交換器の大きさ
が相当減少され、その効率は、主冷却システム全体の効
率に対して重要ではなくなる。同様に、再循環圧縮機を
小さなものとすることができ、エゼクタなしの主システ
ムにおける圧縮機よりも少ない電力しか必要としないよ
うにすることができる。このように、主システムにおい
てエゼクタを使用することの一つの利点は、熱交換器及
び圧縮機の大きさ及びコストの著しい減少と、熱交換器
の損失及び圧縮機の所要電力の減少による高いシステム
効率にある。
【００５３】本発明を、現在最も実用的で最も好ましい
実施形態と考えられるものに関して説明してきたが、本
発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、
それとは逆に、添付する特許請求の範囲の技術思想に含
まれる全ての実施形態を保護しようとしていることを理
解されたい。
実施形態と考えられるものに関して説明してきたが、本
発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、
それとは逆に、添付する特許請求の範囲の技術思想に含
まれる全ての実施形態を保護しようとしていることを理
解されたい。
【図１】 ステータ内に概略的に示される超伝導（Ｓ
Ｃ）ロータの概略側面図。
Ｃ）ロータの概略側面図。
【図２】 冷却気体流路を有するレーストラック形ＳＣ
コイルの概略斜視図。
コイルの概略斜視図。
【図３】 冷却流体をＳＣロータに供給するための極低
温冷却システムの概略図。
温冷却システムの概略図。
【図４】 極低温冷却システムの第２の実施形態の概略
図。
図。
【図５】 第２の実施形態の構成部品であるエゼクタの
概略図。
概略図。
１０ 機械
１４ ロータ
２６ 冷却システム継手
３４ 超伝導コイル
３８ 冷却流路
５０ 極低温冷却システム
５２ 主冷却システム
５４ 一時的冷却システム
５６ コールドヘッド装置
５８ 再循環圧縮機
６０ 冷却流体貯蔵タンク
６２ 入口ライン
６４ 熱交換器
６６ 戻りライン
７２ コールドボックス
７４ 一時的極低温剤貯蔵タンク
７６ 流量弁
７８ 遮断用流量弁
８２ 第２の熱交換器
８４ ベント
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ロバート・アドルフ・アッカーマン
アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ
クタデイ、コンソール・ロード、4125番
(72)発明者 ユー・ワン
アメリカ合衆国、ニューヨーク州、クリフ
トン・パーク、スプルース・ストリート、
28番
Ｆターム(参考） 3L044 BA01 BA06 BA07 CA16 DB03
HA05 KA02 KA03
5H609 BB03 BB07 BB19 PP07 PP09
QQ06 QQ09 RR30 RR46 RR56
RR68 SS18
5H655 BB01 BB04 BB09 CC30 DD22
EE03 GG36
Claims (18)
- 【請求項１】 主冷却システムと、第２の冷却システム
とを含み、極低温冷却流体を高温超伝導機械に供給する
ための冷却流体システムであって、前記第２の冷却シス
テムが、 第１の極低温流体を有する貯蔵装置と、 該貯蔵装置からの前記第１の極低温流体と、前記主冷却
システムを通って流れる第２の極低温流体とに流体連通
している少なくとも一つの冷却継手と、を備え、 前記第２の冷却システムは、前記第１の極低温流体が前
記少なくとも一つの冷却継手を通って流れない第１の作
動モードと、前記第１の極低温流体が前記少なくとも一
つの冷却継手を通って流れる第２の作動モードとを有
し、 前記主冷却システムにおいて故障が発生した場合に、前
記第１の作動モードから前記第２の作動モードへ切り替
えられる、ことを特徴とする冷却流体システム。 - 【請求項２】 前記第２の冷却システムが、前記貯蔵装
置から前記冷却継手への前記第１の極低温流体の流路を
提供する極低温剤ラインを更に備え、該ラインが、該ラ
インを通る第１の極低温流体の流れを阻止する第１の弁
位置と、該ラインを通る第１の極低温流体の流れに対し
て開放された第２の弁位置とを有する弁を含むことを特
徴とする、請求項１に記載の冷却流体システム。 - 【請求項３】 前記少なくとも一つの冷却継手が、少な
くとも一つの熱交換器であることを特徴とする、請求項
１に記載の冷却流体システム。 - 【請求項４】 前記少なくとも一つの冷却継手が、第１
の熱交換器及び第２の熱交換器であり、該第１の熱交換
器は、前記第２の作動モードにおいては作動可能である
が前記第１の作動モードにおいては作動不能であり、該
第２の熱交換器は、前記第１及び第２の作動モード双方
において作動可能であることを特徴とする、請求項１に
記載の冷却流体システム。 - 【請求項５】 前記第２の冷却システムが、前記極低温
剤ラインに、ベントを更に備えることを特徴とする、請
求項２に記載の冷却流体システム。 - 【請求項６】 前記第１の極低温冷却流体が、窒素、水
素、ネオン、及びヘリウムからなる群から選択されるこ
とを特徴とする、請求項１に記載の冷却流体システム。 - 【請求項７】 同期機械のための高温超伝導ロータに連
結された冷却流体システムであって、 主冷却システムを備え、該主冷却システムが、 再循環圧縮機と、 コールドヘッド装置を通過し、前記再循環圧縮機から前
記ロータへ流れる第２の冷却流体のための流路を提供す
る入口ラインと、を備え、 一時的冷却システムが設けられ、該一時的冷却システム
が、 第１の極低温剤流体のための貯蔵タンクと、 該貯蔵タンク及び前記入口ラインと流体連通する少なく
とも一つの熱交換器と、 前記タンクと前記少なくとも一つの熱交換器との間の弁
と、を備え、 該弁は、前記第１の極低温剤流体が前記タンクから前記
少なくとも一つの熱交換器へ流れるのを許容する開位置
と、前記第１の極低温剤流体を前記少なくとも一つの熱
交換器から遮断する閉位置とを有し、 前記弁の前記開位置は、前記コールドヘッド装置が作動
不能の場合に選択され、前記弁の前記閉位置は、前記コ
ールドヘッド装置が前記第２の極低温剤冷却流体を冷却
するために作動している場合に選択される、ことを特徴
とする冷却流体システム。 - 【請求項８】 前記主冷却システムが、前記ロータと再
循環圧縮機との間の、前記第２の冷却流体のための流路
を提供する戻りラインを更に備えることを特徴とする、
請求項７に記載の冷却流体システム。 - 【請求項９】 前記一時的冷却システムが、前記貯蔵装
置から前記少なくとも一つの熱交換器への、前記第１の
極低温流体のための流路を提供する極低温剤ラインを更
に備えることを特徴とする、請求項７に記載の冷却流体
システム。 - 【請求項１０】 前記少なくとも一つの熱交換器が、第
１の熱交換器及び第２の熱交換器であり、該第１の熱交
換器は、前記第２の作動モードにおいては作動可能であ
るが前記第１の作動モードにおいては作動不能であり、
該第２の熱交換器は、前記第１及び第２の作動モード双
方において作動可能であることを特徴とする、請求項７
に記載の冷却流体システム。 - 【請求項１１】 前記一時的冷却システムが、前記極低
温剤ラインに、ベントを更に備えることを特徴とする、
請求項９に記載の冷却流体システム。 - 【請求項１２】 前記第１の極低温冷却流体が、窒素、
水素、ネオン、及びヘリウムからなる群から選択される
ことを特徴とする、請求項７に記載の冷却流体システ
ム。 - 【請求項１３】 主冷却システムと一時的冷却システム
を用いて超伝導機械を冷却するための方法であって、 ａ．第１の極低温冷却流体を前記一時的冷却システム内
に貯蔵する段階と、 ｂ．第２の極低温冷却流体を前記主冷却システムと前記
機械との間で循環させて、前記機械の超伝導部品を極低
温に冷却する段階と、 ｃ．前記主冷却システム内の冷却装置を用いて前記第２
の極低温冷却流体を冷却し、同時に、前記第１の極低温
冷却流体を該第２の極低温冷却流体から熱的に隔離する
段階と、 ｄ．前記冷却装置が作動不能である間、前記第１の極低
温冷却流体が前記第２の冷却流体を極低温に冷却できる
ようにする段階と、を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項１４】 前記機械の作動中に、前記第２の極低
温冷却流体が、該機械を通って連続的に循環されること
を特徴とする、請求項１３に記載の方法。 - 【請求項１５】 前記第２の冷却流体を冷却した後、前
記第１の極低温冷却流体を排出する段階を更に含むこと
を特徴とする、請求項１３に記載の方法。 - 【請求項１６】 前記一時的冷却システムが、貯蔵タン
クと、少なくとも一つの熱交換器とを備え、前記第１の
極低温冷却流体は、前記タンク内に貯蔵され、前記少な
くとも一つの熱交換器通って流れるときに前記第２の極
低温冷却流体を冷却することを特徴とする、請求項１３
に記載の方法。 - 【請求項１７】 前記少なくとも一つの熱交換器が、第
１の熱交換器及び第２の熱交換器であり、該第１の熱交
換器は、前記段階（ｃ）の間には作動可能であるが前記
段階（ｄ）の間には作動不能であり、該第２の熱交換器
は、前記段階（ｃ）及び（ｄ）において作動可能である
ことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。 - 【請求項１８】 前記第１の極低温冷却流体が、窒素、
水素、ネオン、及びヘリウムからなる群から選択される
ことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/902586 | 2001-07-12 | ||
| US09/902,586 US6442949B1 (en) | 2001-07-12 | 2001-07-12 | Cryongenic cooling refrigeration system and method having open-loop short term cooling for a superconducting machine |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003125555A true JP2003125555A (ja) | 2003-04-25 |
| JP2003125555A5 JP2003125555A5 (ja) | 2005-10-27 |
| JP4151757B2 JP4151757B2 (ja) | 2008-09-17 |
Family
ID=25416067
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002203357A Expired - Fee Related JP4151757B2 (ja) | 2001-07-12 | 2002-07-12 | 超伝導界磁巻線のための開ループ形短期冷却を有する極低温冷却システムと方法 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6442949B1 (ja) |
| EP (1) | EP1275914B1 (ja) |
| JP (1) | JP4151757B2 (ja) |
| KR (1) | KR100874303B1 (ja) |
| AT (1) | ATE401538T1 (ja) |
| DE (1) | DE60227613D1 (ja) |
| RU (1) | RU2298137C2 (ja) |
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| JP2021532854A (ja) * | 2018-07-23 | 2021-12-02 | 山前（珠海）医療科技有限公司 | 冷凍アブレーション装置及び冷凍アブレーション方法 |
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