JP2004507200A - 回転する超伝導巻線を冷却するための低温ユニットを備える超伝導装置 - Google Patents

Abstract

超伝導装置（２）は、熱伝導性の巻線支持体（９）の中の超伝導巻線（１０）を備える、回転軸線（Ａ）を中心として回転可能なロータ（５）を含んでいる。巻線支持体（９）は中央の円筒状の中空室（１２）を有している。ロータ（５）の外部にある、低温ユニットの低温ヘッド（１６）は、巻線支持体（９）の中空室（１２）に定置の状態で突入する熱伝達体（１８）に熱伝導的に結合されている。巻線支持体（９）と熱伝達体（１８）の間の環状隙間（１９）は熱を伝導する接触ガス（１２）を充填されている。

Description

【０００１】
本発明は、回転軸線を中心として回転可能に支承され、少なくとも１つの超伝導巻線を有し、この超伝導巻線の導体が熱を伝導するように構成された巻線支持体内に配置されているロータと、超伝導巻線に熱的に結合された少なくとも１つの低温ヘッドを有する低温ユニットとを備える超伝導装置に関する。このような装置は米国特許第５，４８２，９１９号明細書から公知となっている。
【０００２】
非常に低い遷移温度Ｔ_Ｃを有しているために低温（Ｌｏｗ）Ｔ_Ｃ超伝導材料またはＬＴＳ材料と呼ばれる、例えばＮｂＴｉやＮｂ_３Ｓｎのような以前から知られている金属の超伝導材料に加えて、１９８７年以来、７７Ｋを超える遷移温度をもつ金属酸化物の超伝導材料が知られている。後者の材料は、高温（Ｈｉｇｈ）Ｔ_Ｃ超伝導材料またはＨＴＳ材料とも呼ばれ、液体窒素（ＬＮ_２）を用いた冷却技術を原理的に可能にするものである。
【０００３】
このようなＨＴＳ材料を利用した導体によって、超伝導巻線を製作することが試みられている。しかしながら、これまで知られている導体は、テスラ領域のインダクションを備える磁場では電流容量が比較的低いことが判明している。そのためにこのような巻線の導体は、使用している材料の遷移温度自体が高いにもかかわらず、７７Ｋ以下の低い温度レベル、例えば１０〜５０Ｋの間に保って、数テスラの電界強度でかなりの電流に耐えることができるようにすることが必要になる場合が少なくない。このような温度レベルは、一方では、Ｎｂ_３Ｓｎのような公知の金属超伝導材料を冷却する液体ヘリウム（ＬＨｅ）の沸騰温度である４．２Ｋよりは明らかに高い。しかし他方では、ＬＮ_２による冷却は導体損失が大きいので不経済である。沸騰温度が２０．４Ｋの水素や、沸騰温度が２７．１Ｋのネオンといった他の液状化ガスは、危険性があったり利用性に欠けたりしているので考慮の対象にならない。
【０００４】
そこで、ＨＴＳ導体を備える巻線を前述した温度領域で冷却するには、閉じたＨｅ圧縮ガス循環路をもつ極低温冷凍機の形態の低温ユニットが好んで用いられる。このような極低温冷凍機は、特にギホード・マクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）型またはスターリング型であり、あるいは、いわゆるパルス管冷凍機として構成されている。さらにこのような冷却ユニットはいわばボタンを押すだけで冷却能力を利用することができ、利用者は極低温の液体を取り扱わなくてすむという利点がある。このような冷却ユニットを使う場合、例えば磁気コイルや変圧器巻線といった超伝導装置は、冷凍機の低温ヘッドに熱伝導することによって間接的に冷却するしかない（例えば「ｒｏｃ．１６ｔｈ　Ｉｎｔ．Ｃｒｙｏｇ．Ｅｎｇｎｇ．Ｃｏｎｆ．（ＩＣＥＣ１６）」，Ｋｉｔａｋｙｕｓｈｕ，ＪＰ，２０．−２４．０５．１９９６，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ出版社、１９９７、１１０９から１１２９頁参照）。
【０００５】
このような冷却技術は、冒頭に挙げた米国特許明細書から読み取ることができる電気機械の超伝導ロータ用としても意図されている。このロータはＨＴＳ導体からなる回転する巻線を含んでおり、この巻線は、スターリング冷凍機またはギホード・マクマホン冷凍機またはパルス管冷凍機として構成された低温ユニットによって、３０〜４０Ｋの間の所望の動作温度に保たれるのが望ましい。そのために低温ユニットは、１つの特別な実施例では、同明細書には詳しくは説明されていない一緒に回転する低温ヘッドを含んでおり、この低温ヘッドの低温側が、熱伝導部材を介して巻線に間接的に熱的に結合されている。さらに、公知の機械の低温ユニットはロータの外部にあるコンプレッサユニットを含んでおり、このコンプレッサユニットは、相応の転移ユニットの詳しくは説明されていない回転するカップラを介して、必要な作動ガスを低温ヘッドに供給する。このカップラはさらに２つのスリップリングを介して、低温ヘッドに組み込まれている低温ユニットの弁駆動部にも、必要な電気エネルギーを供給する。このような設計では、転移ユニットに少なくとも２つのガス配管を同軸線に通すとともに、少なくとも２つの電気的なスリップリングを設けることが必要になる。そのうえ、必要な保守作業のときにロータケーシングを開けなくてはならないので、低温ユニットの一緒に回転する部分への接近性、特に機械のロータ内部にある弁駆動部への接近性が妨げられる。さらに、従来の弁駆動部の機能は、同期電動機や発電機で与えられるような高速の回転時には保証されない。
【０００６】
本発明の課題は、以上の従来技術を前提としたうえで、７７Ｋ以下の温度領域で装置コストを比較的抑えながら、ロータの停止時にも回転時にも確実で経済的な低温ユニットの運転が保証されるように、冒頭に述べた構成要件を備える装置を構成することである。
【０００７】
この課題は本発明によれば請求項１に記載の特徴事項によって解決される。すなわちこの超伝導装置は、回転軸線を中心として回転可能に支承され、少なくとも１つの超伝導巻線を有し、この超伝導巻線の導体が熱を伝導するように構成された巻線支持体内に配置されているロータと、巻線に熱的に結合された少なくとも１つの低温ヘッドを有する低温ユニットとを備えている。このとき超伝導装置は次の構成要件を有しているのが望ましく、すなわち、
巻線支持体が、軸線方向に延びる中央の円筒状の中空室を備え、
低温ヘッドが、ロータの外部で定置に設けられ、巻線本体の中空室に中空円筒状の環状隙間を残しながら突入する熱伝達シリンダに固定的かつ熱を伝導するように結合され、
環状隙間が、少なくとも巻線支持体の領域で、巻線支持体と熱伝達シリンダとの間で熱伝達をするための接触ガスを充填されて気密に密閉されている。
【０００８】
このように本発明による超伝導装置の構成では、可動部分を備えている場合にはこれも含めた低温ユニット全体がロータの外部で定置に配置され、従っていつでも容易に接近できる。冷却能力ないしは熱転移の準備は、低温ヘッドに良く熱を伝導するように結合された熱伝達シリンダの形態の定置の冷却フィンガにより、回転する巻線支持体への接触ガスのガス流によって行われる。このとき、接触ガスの強制循環運動が利用されるのではなく、接触ガスに遠心力を生じさせるロータの回転がガスの対流を引き起こすと好ましい。さらにロータの停止時にも、接触ガスに生じている対流に基づいて室温を低温へ冷却することが可能であり、もしくは、ロータ内部の低温状況を維持することが可能である。このことは、環状隙間を残しながら円筒状の中空室に挿入された熱伝達シリンダからなる構成という、選択された幾何学形態の結果である。この構成では、熱転移ないしは冷却能力の準備が格別に簡単かつ経済的であるが、その主な理由は環状隙間の比較的簡単な密閉しか必要としないことにある。
【０００９】
本発明による超伝導装置の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。
【００１０】
例えば、中空室の一方の側面が巻線支持体によって閉鎖され、低温ヘッド側に位置する側面に、一緒に回転する部分をもつシール装置が設けられていると、環状隙間を格別に簡単に密閉することができる。この場合、シール装置としては、強磁性流体シール、ラビリンスシール、ダイヤフラムシールの中から少なくとも１つのシール材を選ぶのが好ましい。
【００１１】
低温ユニットとしては、事前設定された温度レベルになっているべき低温ヘッドを有していれば、実質的にどの型式のものでも用いることもできる。特に、閉じたＨｅ圧縮ガス循環路を備える極低温冷凍機が好ましい。なぜならこれは簡単な構造を有しており、本発明の超伝導装置の場合のような間接的な冷却技術に格別に適しているからである。再生式極低温冷凍機とも呼ばれるこのような冷凍機は、極低温冷凍機の通常の分類によれば、再生用熱交換器ないしは再生式の作業サイクルを有している（例えば前掲の会議録の３３〜４４頁を参照）。
【００１２】
格別に好ましくは、低温ヘッドが多段式に構成されていてよい。この場合、その第１段では電流供給の部分または熱的な放射線シールドが比較的高い中間温度に設定される。このように設計された低温ヘッドにより、簡単に、超伝導装置の定置の部分も、それぞれ効率的な冷却のために好都合な温度レベルで保つことができる。
【００１３】
さらに、冷却されるべき巻線およびこれに伴うその超伝導材料が低温ヘッドによって７７Ｋ以下の温度に保たれ、ＨＴＳ材料を使用する場合には特に２０〜５０Ｋの温度に保たれると、有利であると考えられる。すなわち公知のＨＴＳ材料は、比較的限定された冷却コストで守られるべきこのような温度領域で、通常の利用に十分な臨界電流密度を有している。本発明による超伝導装置では、必要な冷却能力を容易に調達することができる。この冷却能力は、例えば機械的出力が約１〜２０ＭＷの規模の同期機については、２０Ｋ〜３０Ｋのときに数１０Ｗ前後である。
【００１４】
次に、本発明に基づく超伝導装置の有利な実施例について、図面を参照しながら詳しく説明する。図面はそれぞれ模式図である。
図１は、ロータおよび付設の低温ユニットを備える超伝導装置の第１実施例を示す縦断面図である。
図２および図３は、図１のロータの動作モードないしはは冷却モードを示す縦断面図ないしは横断面図である。
図４および図５は、ロータと低温ユニットとを備える超伝導装置の２通りの別の実施例を示すそれぞれ縦断面図である。
各図では、対応する部分には同一の符号が付してある。
【００１５】
以下に図を参照して説明する本発明の超伝導装置の各実施例は、それぞれ特に同期電動機または発電機であってよい。超伝導装置はＬＴＳ材料またはＨＴＳ材料の使用が原理的に可能である、回転する超伝導巻線を含んでいる。以下の説明については後者の材料を選択することにする。巻線はコイルで構成されていてよく、または２極、４極、あるいは多極の構造をもつコイルシステムで構成されていてもよい。例えば同期機を構成するこのような超伝導装置の原理的な構造は図１から明らかであり、ここでは、このような機械の公知の実施例を前提としている（例えば冒頭に挙げた米国特許明細書を参照）。全体に符号２を付されている装置は、固定子巻線４を備え室温の状態にある定置の外側ケーシング３を含んでいる。外側ケーシングの内部で固定子巻線４によって取り囲まれるように、ロータ５が回転軸線Ａを中心として回転可能に軸線受６で支承されている。ロータは真空容器７を有しており、その内部には、例えば中空円筒状のトルク伝達をする懸架部材８に、ＨＴＳ巻線１０を備える巻線支持体９が保持されている。この巻線支持体９の中には、回転軸線Ａと同心的に、軸線方向に延びる円筒状の中空室１２がある。巻線支持体９はこの中空室１２に対して気密に構成されている。中空室１２は、外側ケーシング３の外部の領域まで軸線方向に延びているのが好ましい。その役目を果たすのが、軸線と同心的に配置された気密のネック管１３であり、このネック管は、巻線支持体の領域から外方に向かって通じており、巻線支持体と反対を向いている高温の側に、長さ補正のための伸縮ベローズ１４を備えている。
【００１６】
さらに超伝導装置２は、熱伝導部材を介して巻線１０を間接的に冷却するために低温ユニット１５を有しており、そのうち低温ヘッド１６だけが図示されている。この低温ユニットは、特にギホード・マクマホン型の極低温冷凍機であってよい。再生式の極低温冷凍機としては、パルス管冷凍機またはスプリット・スターリング（Ｓｐｌｉｔ−Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）冷凍機を選択するのが好ましい。このとき、低温ヘッド１６およびこれに伴う低温ユニット１５のすべての主要な別の部品は、ロータ５および外側ケーシング３の外部にある。使用されるべき低温ヘッドを備える低温ユニットのために必要となる追加部品、例えば高温の圧力調整容器、充填毛管、加熱時の過圧に対してシステムを防護するための過圧弁などは、図には示していないが一般に周知である。図示している低温ヘッド１６の低温部分は、特に円筒状の熱伝達体１８に良く熱を伝導するように結合されているのが望ましい。この熱伝達体はネック管１３を貫通し、巻線支持体９の中空室１２まで突入しており、ネック管の壁部１３ａおよび中空室の壁部９ａに対して中空円筒状の環状隙間１９が残されている。この環状隙間は、巻線支持体の領域で、ネック管の領域よりも明らかに大きい断面積を有している。環状隙間を気密に密閉するために、巻線支持体１９の中空室１２の、低温ヘッド１６とは反対側に位置する側面が、巻線支持体自身によって閉じられている。中空室は、ネック管１３を介して外側ケーシング３を通り、外方に向かって低温ヘッド１６の領域まで延びているので、そこでも環状隙間の密閉が可能であるのが好ましい。そのために、図には詳しくは図示しない、強磁性流体シールおよび／またはラビリンスシールおよび／またはダイヤフラムシールであってよい少なくとも１つのシール材を備えるシール装置２０が設けられている。環状隙間１９は接触ガス２１、特にヘリウム、または３０Ｋの動作温度以上の温度については例えばネオンを充填されている。その圧力は例えば１０〜１０００ｍｂａｒの間である。この接触ガスを通じて、熱伝達体１８と、中空室１２を仕切っている巻線体９の壁部との間の熱接触が成立している。巻線体は十分に熱を伝導するように構成されるのが望ましく、すなわち巻線体は良く熱を伝導する部分を壁部９ａと巻線１０との間に有している。このようにして、巻線は巻線体９と、接触ガス２１と、熱伝達体１８とを介して、簡単に低温ユニットの低温ヘッド１６に熱的に結合されている。熱伝達体１８と巻線支持体９との間の熱伝達性を向上させるために、場合により、接触ガス２１に関する熱交換面を増やすための手段、例えば、壁部９ａまたはこれに対向する熱伝達体１８の外面に円周方向のリブが設けられていてよい。
【００１７】
円筒状の熱伝達体１８の材料としては、ＡｌやＣｕのような熱良導性材料が考慮の対象となる。モータないしはその外側ケーシング３の内部空間に、許容されない渦電流加熱を生じる比較的広い領域がある場合には、その対応策を講じるのが好ましい。そのために熱伝達体１８は非導電性材料、例えばセラミックス、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、単結晶サファイア材料でできていてよい。熱伝達体は、相互に電気絶縁されて互いにプレスされて接着されほぼ一次元で軸線方向に延びる部材でできていてよい。このような部材はテープ、薄板、Ｃｕエナメル線のような線材、編組した素線であってよい。
【００１８】
図２には、熱伝達体１８と巻線支持体９の内面との間の回転時の熱伝達の様子が示されている。十分に熱を伝導する巻線支持体９から出た熱は、その内側の、中空室１２を仕切っている壁に、使用するＨＴＳ材料に応じて約１０〜７０Ｋで到達する。そこでは、周辺層で一緒に回転している接触ガス２１への熱伝達が行われ、接触ガスが加熱される。加熱されるガスの密度が低く、遠心力が低いために、回転軸線Ａに向かう方向に浮揚が行われる。そこでガスは温度の低い熱伝達体１８に当り、冷やされながら熱を放出する。このときにガスは密度が高くなり、それにより遠心力が大きくなることによって再び外方に向かって送られる。図に示しているこのような対流渦２３はこのとき円周方向に進む。さらに図には、発生している熱流が矢印付きの線２４で示されている。
【００１９】
図３には、図２に示すロータ５の切断線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った横断面図が、ロータが停止状態または冷却モードの状態にあり、従って遠心力が生じていないケースについて示されている。このときには、室温の冷却またはロータのスタンバイモード時の低温維持を可能にする、図示している対流渦または対流セル２５が軸線方向に接触ガス内に生成される。
【００２０】
図１に準じて図４に示されている超伝導装置２８は、実質的に、中央の熱伝達体が構成されていることによってのみ図１の超伝導装置２と異なっている。ここでは、全体に符号３０を付されているこの熱伝達体は、軸線方向に相前後して配置された２つの部分に区分されており、中実部分３１は低温ヘッド１６に接するとともに、外側ケーシング３の内部空間にわずかだけ突入している。熱伝導体３０は、少なくとも巻線支持体９の領域で、例えば薄壁のＶＡ容器、真鍮容器、Ｃｕ容器、またはＡｌ容器として実質的に内部を中空に構成され、熱輸送をするために、「ヒートパイプ」原理または「サーモサイホン」原理に基づく熱パイプ３２として構成されている。そのために熱パイプ３２は、例えばＮｅのような熱輸送ガス３３を充填されている。このとき熱は、例えばネオンを使用した場合には２７Ｋで熱輸送ガスが気化、凝結することによって運ばれ、この凝結は中実部分３１と熱パイプ３２との間の境界面３４で行われる。パイプ３２の内部における液相の送出を向上させるために、パイプは公知のように、芯の形態の内蔵部品、例えば特殊鋼の線状海綿を備えていてよい。
【００２１】
つまり、図４に示すこの超伝導装置２８の実施例では、接触ガス２１による熱転移が、巻線支持体壁９ａと、低温装置の低温ヘッド１６に熱的に結合された熱伝達体の中実部分３１との間で、実質的に直接的にではなく行われる。むしろ熱転移経路に熱輸送ガス３３が組み込まれているので、冷たい中実部分３１による接触ガス２１の間接的な冷却が意図されている。
【００２２】
接触ガスのこのような間接的な冷却を行う図４の超伝導装置の発展例が図５に示されている。符号３５を付されているこの超伝導装置では、中空軸からなる低温ユニットの低温ヘッド１６が、例えば０，５ｍから数メートルだけ側方に引き出されている。巻線１０の領域にある熱パイプ３６は、ヒートパイプ原理に基づいてＮｅのような熱輸送ガス３３を充填されている。この熱パイプは側方で、外側ケーシング３の外部のシール装置３８まで、真空絶縁された支持パイプ３７によって延長されている。この支持パイプは、同心的に配置された追加のパイプとともに薄いガス隙間４２を形成しており、このガス隙間４２を通って接触ガス２１がシール装置３８まで達するので、そこでは接触ガス２１を収容する環状隙間１９の密閉も行われる。熱パイプ３６の内部空間へ熱輸送ガス３３を供給するために、シール装置３８に挿通された薄い定置の接続配管３９が設けられている。この真空絶縁された接続配管は外方に向かって凝縮器４０まで通じており、この凝縮器４０は、熱伝達体４１を介して、低温ユニットの低温ヘッド１６に熱的に接触している。このようにして、熱パイプ３６の中にある熱輸送ガス３３の部分と、低温ヘッド１６との間の熱的な結合が、熱伝達体４１、凝縮器４０、および接続配管３９の中にある熱輸送ガスの部分とを介して成立している。図にさらに示されているように、熱パイプ３６と固定的に連結された比較的長い支持パイプ３７の振動を防ぐために、支持軸線受４４が設けられていてよい。超伝導装置のこのような構成の利点は、低温ヘッドを任意の個所に組付け可能であり、保守作業が容易であり、シール装置３８が小型に構成されるという点に見ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ロータおよび低温ユニットとを備える超伝導装置の第１実施例を示す縦断面図
【図２】
図１のロータの動作モードないしはは冷却モードを示す縦断面図
【図３】
図１のロータの動作モードないしはは冷却モードを示す横断面図
【図４】
ロータと低温ユニットとを備える超伝導装置の別の実施例を示す縦断面図
【図５】
ロータと低温ユニットとを備える超伝導装置の別の実施例を示す縦断面図
【符号の説明】
２　　　　超伝導装置
３　　　　外側ケーシング
４　　　　固定子巻線
６　　　　軸受
９　　　　巻線支持体
１０　　　　ＨＴＳ巻線
１２　　　　中空室
１３　　　　ネック管
１４　　　　伸縮ベローズ

Claims (13)

1. 回転軸線を中心として回転可能に支承され、少なくとも１つの超伝導巻線を有し、この超伝導巻線の導体が熱を伝導するように構成された巻線支持体内に配置されているロータと、
   超伝導巻線に熱的に結合された少なくとも１つの低温ヘッドを有する低温ユニットとを備えている超伝導装置において、
   ａ）巻線支持体（９）が、軸線方向に延びる中央の円筒状の中空室（１２）を備え、
   ｂ）低温ヘッド（１６）が、ロータ（５）の外部で定置に設けられ、巻線支持体（９）の中空室（１２）内に中空円筒状の環状隙間（１９）を残しながら突入する特に円筒状の熱伝達体（１８、３０）に固定的かつ熱を伝導するように結合され、
   ｃ）環状隙間（１９）が、少なくとも巻線支持体（９）の領域で、巻線支持体（９）と熱伝達体（１８、３０）との間で熱伝達をするための接触ガス（２１）を充填されて気密に密閉されていることを特徴とする超伝導装置。
2. 中空室（１２）の一方の側面が巻線支持体（９）によって閉鎖され、環状隙間（１９）の、低温ヘッド（１６、３０）側に位置する側面が、一緒に回転する部分をもつシール装置（２０、３８）によって密閉されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. シール装置が、強磁性流体シール、ラビリンスシール、ダイヤフラムシールのうちの少なくとも１つのシール材を有していることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 熱伝達体（３０）が少なくとも巻線支持体（９）の領域でヒートパイプの形式の熱パイプ（３２、３６）として構成され、この熱パイプが、低温ヘッド（１６）と、環状隙間（１９）の内部で巻線支持体（９）の領域にある接触ガス（２１）との間の熱的な結合のために設けられた熱輸送ガス（３７）を充填されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の装置。
5. 熱伝達体（３０）が、ロータ内に突入する中実部分（３１）と、熱パイプ（３２）とを有していることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 熱パイプ（３６）が少なくともロータの内部では熱伝達体の軸線方向の長さ全体を占め、ロータの外部には、低温ヘッド（１６）と熱パイプ（３６）との間に熱輸送ガス（３３）のための接続配管（３９）が設けられていることを特徴とする請求項４記載の装置。
7. 熱輸送ガス（３３）が、接続配管（３９）の凝縮器（４０）を介して低温ヘッド（１６）と熱的に結合されていることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 低温ユニット（１５）が、少なくとも１つの特に再生式の極低温冷凍機を有していることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の装置。
9. 極低温冷凍機がパルス管冷凍機またはスプリット・スターリング冷凍機またはギホード・マクマホン冷凍機であることを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 低温ヘッドが多段式に構成されていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の装置。
11. 低温ヘッドが２つの低温段を有し、第１段は電流供給部または放射線シールドに熱的に結合され、第２段は熱伝達体に熱的かつ固定的に結合されていることを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 超伝導巻線が低温ヘッドによって７７Ｋ以下の温度に保たれることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の装置。
13. 巻線の導体が、金属の低温超伝導材料または金属酸化物の高温超伝導材料を含んでいることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の装置。