JP2007089314A

JP2007089314A - 超電導回転電機の冷媒給排装置

Info

Publication number: JP2007089314A
Application number: JP2005275325A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Tsuboi; 雄一坪井; Dan Umeda; 段楳田; Takashi Mera; 孝米良; 幹生 ▲高▼畠; Mikio Takahata; Yasuo Kahata; 安雄加幡
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: JP4704869B2

Abstract

【課題】超電導回転電機に給排される冷媒を、極低温での使用を可能にし、また外部から冷媒への熱の侵入を抑制して、冷媒を再冷却するための冷却装置を比較的小型とする。
【解決手段】回転子１の端部に、第１および第２の回転真空断熱配管２，３が連結されている。第１の回転真空断熱配管２の内側には、固定真空断熱配管１２が配設され、その開放端部が第１の回転真空断熱配管２内に配置されている。第２の回転真空断熱配管３は、固定体４により回転自在に支持され、また固定軸６により包囲されている。固定軸６の内周面には、真空断熱部７が設けられており、この真空断熱部７と第２の回転真空断熱配管３との間に、フッ素樹脂からなるシール部材８および磁性流体シール９が設けられている。冷却装置１４の冷媒は、真空断熱層で囲まれた流路を流れて回転子１を冷却し、回収される。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導回転電機の冷媒給排装置に関するものである。

超電導回転電機として、回転子の界磁巻線に超電導線を利用した発電機が知られている。超電導線を用いた界磁巻線は、その超電導性を維持するために約１００Ｋ以下の極低温に冷却する必要があり、冷却媒体（冷媒）として液体ヘリウム、気体ヘリウムあるいは液体窒素などが用いられている。

超電導回転電機の冷媒給排装置は、回転子の回転軸端部に設けられ、回転軸中心に挿入された冷媒供給管から回転子内部および界磁巻線に冷媒を供給するようになっている。界磁巻線を含む回転子の発熱を吸収し、比較的高温となった冷却後の戻り冷媒は、一対のポールピース、マグネットおよび磁性流体などで構成される磁性流体シールを用いて形成された回転軸と固定体（ケーシング）間の空間を通じて、回転軸内部から固定体側に回収されるようになっている（例えば特許文献１参照）。この戻り冷媒の温度は、約２００Ｋ〜３００Ｋ程度の温度であり、磁性流体シールが使用可能な温度領域であった。
特開平８−３０８２１１号公報

ところで、近年各国で開発が進められている高温超電導回転電機では、界磁巻線を含む回転子の発熱を吸収した戻り冷媒の温度が最高でも約１００Ｋ程度の極低温になってきている。このため従来の冷媒給排装置では、磁性流体シールが凍結してしまい、極低温の戻り冷媒を回転軸内部から固定体側に回収することができないという問題があった。また従来の冷媒給排装置は、ケーシング等の固定体が常温であり、この固定体を介して外部からの熱が、回転軸内部からの戻り冷媒に侵入していたために、回収後の戻り冷媒が温度上昇し、再度極低温に冷却するための冷却装置が大型化するという問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、超電導回転電機に給排される冷媒を、極低温での使用を可能にし、また外部から冷媒への熱の侵入を抑制して、冷媒を再冷却するための冷却装置を比較的小型とすることのできる超電導回転電機の冷媒給排装置を得ることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明による超電導回転電機の冷媒給排装置は、回転子の端部に設けられ、回転軸中心に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第１の回転真空断熱配管と、前記第１の回転真空断熱配管の外周側に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第２の回転真空断熱配管と、前記第２の回転真空断熱配管の外周側に設けられ、軸受を介して前記第２の回転真空断熱配管を回転自在に支持する固定体と、この固定体の側方に連結されるとともに前記第２の回転真空断熱配管の端部の外周側に位置して設けられ、内周面に真空断熱部が形成された固定軸と、前記第１の回転真空断熱配管の内周側に設けられ、開放端部が前記第１の回転真空断熱配管内に位置する固定真空断熱配管と、この固定真空断熱配管と前記第１の回転真空断熱配管との間をシールする耐寒性の材料よりなる第１のシール部材と、前記第２の回転真空断熱配管と前記固定軸の真空断熱部との間をシールする耐寒性の材料よりなる第２のシール部材と、前記第２の回転真空断熱配管と前記固定軸の真空断熱部との間にあって、前記第２のシール部材よりも前記軸受側に位置し、前記固定軸に設けられた真空引きポートを挟むように、その両側に設けられた磁性流体シールと、前記固定軸の外部に設けられ、前記第２の回転真空断熱配管と前記固定軸の真空断熱部との間および前記固定真空断熱配管の内部空間にそれぞれ連通されて前記回転子を冷却する冷媒を供給し、かつ回収する冷却装置と、を備えてなる。

また本発明による超電導回転電機の冷媒給排装置は、回転子の端部に設けられ、回転軸中心に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第１の回転真空断熱配管と、前記第１の回転真空断熱配管の外周側に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第２の回転真空断熱配管と、前記第２の回転真空断熱配管の外周側に前記第２の回転真空断熱配管と同軸的に配置されて、その内側の空間が前記回転子の内部に連通されるとともに、先端部に間隔をおいて一対の端板が固定され、この一対の端板間の空間が真空引きされ、かつ前記先端部の内周面にベローズ構造部が形成された真空断熱回転軸と、前記第１の回転真空断熱配管と前記真空断熱回転軸との間に配設され、軸方向両側の空間を遮断しかつ断熱する第１の配管支えと、前記第２の回転真空断熱配管と前記真空断熱回転軸との間に配設され、軸方向両側の空間を遮断しかつ断熱する第２の配管支えと、一対の軸受を介して前記真空断熱回転軸を回転自在に支持し、かつ前記一対の軸受の間に位置する内周面に真空断熱部が設けられた固定体と、この固定体および前記真空断熱部ならびに前記真空断熱回転軸を貫通して形成され、前記端板と前記第１の配管支えとの間の空間に連通される第１の冷媒流通孔と、前記固定体および前記真空断熱部ならびに前記真空断熱回転軸を貫通して形成され、前記第１および第２の配管支え間の空間に連通される第２の冷媒流通孔と、前記第１の冷媒流通孔を挟むように、その両側に位置する前記真空断熱回転軸と前記固定体の真空断熱部との間の空間に設置された耐寒性の材料よりなる第１のシール部材と、前記第２の冷媒流通孔を挟むように、その両側に位置する前記真空断熱回転軸と前記固定体の真空断熱部との間の空間に設置された耐寒性の材料よりなる第２のシール部材と、これら第１および第２のシール部材の反冷媒流通孔側に位置する前記真空断熱回転軸と前記固定体の真空断熱部との間の空間にそれぞれ設置された一対の磁性流体シールと、各一対の磁性流体シール間の空間に連通するように前記固定体および前記真空断熱部を貫通して形成された真空引きポートと、前記第１および第２の冷媒流通孔に配管を介して連通されて前記回転子を冷却する冷媒を供給し、かつ回収する冷却装置と、を備えてなる。

さらに本発明による超電導回転電機の冷媒給排装置は、回転子の端部に設けられ、回転軸中心に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第１の回転真空断熱配管と、前記第１の回転真空断熱配管の外周側に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第２の回転真空断熱配管と、回転子の端部に設けられ、前記第２の回転真空断熱配管の外周側に前記第２の回転真空断熱配管と同軸的に配置されて、その先端部の内周面と前記第１の回転真空断熱配管との間に、軸方向に間隔をおいて一対の端板が固定され、この一対の端板間の空間が真空引きされ、かつ前記先端部の内周面にベローズ構造部が形成された真空断熱回転軸と、前記第２の回転真空断熱配管と前記真空断熱回転軸との間に配設され、軸方向両側の空間を遮断しかつ断熱する配管支えと、一対の軸受を介して前記真空断熱回転軸を回転自在に支持し、かつ前記一対の軸受の間に位置する内周面に真空断熱部が設けられた固定体と、この固定体および前記真空断熱部ならびに前記真空断熱回転軸を貫通して形成され、前記端板と前記配管支えとの間の空間に連通される冷媒流通孔と、この冷媒流通孔を挟むように、その両側に位置する前記真空断熱回転軸と前記固定体の真空断熱部との間の空間に設置された耐寒性の材料よりなるシール部材と、これらシール部材の反冷媒流通孔側に位置する前記真空断熱回転軸と前記固定体の真空断熱部との間の空間にそれぞれ設置された一対の磁性流体シールと、各一対の磁性流体シール間の空間に連通するように前記固定体および前記真空断熱部を貫通して形成された真空引きポートと、前記第１の回転真空断熱配管の内周側に設けられ、前記固定体の端部に取り付けられた端板を貫通して設けられ、その開放端部が前記第１の回転真空断熱配管内に位置する固定真空断熱配管と、この固定真空断熱配管および前記冷媒流通孔に配管を介して連通されて前記回転子を冷却する冷媒を供給し、かつ回収する冷却装置と、を備えてなる。

本発明によれば、冷媒の流路は、第１および第２の回転真空断熱配管などの真空断熱層で囲まれていることになり、冷媒が外部と熱交換したり、供給冷媒と回収冷媒が熱交換したりする現象を抑制することができる。また磁性流体シールにより形成される空間は、常時真空の状態に維持されることにより、外部からの熱がシール部材側に侵入するのを抑制することができ、しかも磁性流体シールは、シール部材の存在により冷媒に接触せず、また内外周が真空断熱層に挟まれて冷媒から断熱されているので、冷媒が極低温の状態であっても凍結などの不具合を発生することはない。

これにより、戻り冷媒が極低温で使用される場合であっても、磁性流体シールやシール部材が動作不能になることはなく、しかも戻り冷媒が極低温であることにより、戻り冷媒を再冷却するために冷却装置を大型化する必要もない。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による第１の実施の形態に係る超電導回転電機の冷媒給排装置の主要部を示す断面図である。図１において、１は外周に図示しない界磁巻線を有し、内部が中空に形成された回転子であり、この回転子１の端部に第１および第２の回転真空断熱配管２，３が回転子１から軸方向外側（図示左側）に向けて延びるように連結されている。この第１および第２の回転真空断熱配管２，３は、それぞれ二重管で構成され、その端部の間に栓体２ａ，３ａが取り付けられて内部が真空引きされた断熱構成を有している。

この第１および第２の回転真空断熱配管２，３は、軸方向の長さが同一で径寸法が異なり、回転軸中心５０のまわりに同軸的に配置されて、それぞれの内側の空間が後述する冷媒の通路となって回転子１の内部に連通されている。

第２の回転真空断熱配管３の外周側には、ケーシングを構成する筒状の固定体４が設けられており、この固定体４と第２の回転真空断熱配管３との間に軸受５，５が配設され、第２の回転真空断熱配管３が固定体４に回転自在に支持されている。また固定体４の軸方向端部側方には、筒状の固定軸６が連結されている。

この固定軸６の内周面には、二重管で構成された真空断熱部７が設けられており、この真空断熱部７と第２の回転真空断熱配管３との間にシール部材（第２のシール部材）８および磁性流体シール９が設けられている。シール部材８は、真空断熱部７と第２の回転真空断熱配管３との間をシールするためのものであり、テフロン（デュポン社商品名）のような耐寒性に優れ、１０Ｋ程度でも使用可能なフッ素樹脂などのシール材料により断面矩形のリング状に形成され、第２の回転真空断熱配管３の端部側に、１個または複数個が軸方向に沿って並べて配設されている。シール部材８の設置個数は、シールすべき冷媒の圧力によって決定され、圧力に応じた適切な個数が配設される。

磁性流体シール９は、一対のポールピース、マグネットおよび磁性流体により構成されており、シール部材８よりも軸受５側に位置して固定軸４に設けられた貫通孔よりなる真空引きポート１０を挟むように、その両側にそれぞれ設けられている。この磁性流体シール９，９は、真空断熱部６と第２の回転真空断熱配管３との間の空間が常時真空引きされることにより、常温にある固定体４などの外部からの熱がシール部材８側に侵入するのを抑制するためのものである。真空引きポート１０の周囲にリング状の永久磁石１１が設けられている。

固定軸６の図示左側の端部には、端板（図示せず）が設けられており、この端板を貫通して固定真空断熱配管１２が設けられている。この固定真空断熱配管１２についても、二重管で構成され、その端部の間に栓体１２ａが取り付けられて内部が真空引きされた断熱構成を有している。固定真空断熱配管１２は、回転子１側に延びるように回転軸中心５０のまわりに同軸的に配設され、その先端開口部（開放端部）が第１の回転真空断熱配管２の内部空間に位置するように配設されている。

固定真空断熱配管１２と第１の回転真空断熱配管２との間には、フッ素樹脂などのシール材料により形成されたシール部材（第１のシール部材）１３が１個または複数個配設されており、その間の空間をシールするようになっている。

固定軸６の外部であり、また固定真空断熱配管１２が貫通する端板の外部には、液体ヘリウム、気体ヘリウムあるいは液体窒素などの冷媒の冷却装置１４が設けられている。この冷却装置１４は、配管１４ａを介して固定真空断熱配管１２に連通されて固定子１の内部に冷媒を給排できるようになっている。また冷却装置１４は、配管１４ｂを介して端板の内側に位置する真空断熱部７と固定真空断熱配管１２との間の空間に連通され、さらに第１および第２の回転真空断熱配管２，３との間の空間に連通されて固定子１の内部に冷媒を給排できるようになっている。

このように構成された超電導回転電機の冷媒給排装置においては、冷却装置１４の冷媒は、実線矢印５１で示すように、固定真空断熱配管１２と固定軸６の真空断熱部７との間の空間を通り、さらに第１の回転真空断熱配管２と第２の回転真空断熱配管３との間の空間を通して界磁巻線を含む回転子１の内部に供給され、回転子１の内部からの戻り冷媒は、第１の回転真空断熱配管２の内部を通り、さらに固定真空断熱配管１２の内部を通して回収されることになる。

変形例として、上記とは逆に、点線矢印５２で示すように、冷却装置１４の冷媒を、固定真空断熱配管１２の内部から第１の回転真空断熱配管２の内部を通して回転子１の内部に供給し、回転子１の内部からの戻り冷媒を、第１の回転真空断熱配管２と第２の回転真空断熱配管３との間の空間を通し、さらに固定真空断熱配管１２と固定軸６の真空断熱部７との間の空間を通して回収するように構成することもできる。

したがって本実施の形態によれば、冷媒の流路は、第１および第２の回転真空断熱配管２，３、真空断熱部７および固定真空断熱配管１２などの真空断熱層で囲まれていることになり、冷媒が外部と熱交換したり、供給冷媒と回収冷媒が熱交換したりする現象を抑制することができる。また磁性流体シール９により形成される固定軸６と第２の回転真空断熱配管３との間の空間は、真空引きポート１０に接続されている図示しない真空ポンプにより真空引きされて常時真空の状態に維持されることにより、固定体４などの外部からの熱が冷媒側に侵入するのを抑制することができる。しかも磁性流体シール９は、シール部材８の存在により冷媒に接触せず、また内外周が第２の回転真空断熱配管３および真空断熱部７に挟まれて冷媒から断熱されているので、冷媒が極低温の状態であっても凍結などの不具合を発生することはない。

これにより、戻り冷媒が約１００Ｋ以下の温度で使用される場合であっても、磁性流体シール９やシール部材８，１３が動作不能になることはなく、しかも戻り冷媒が１００Ｋ以下の極低温であることにより、戻り冷媒を再冷却するために冷却装置１４を大型化する必要もない。

なお、シール部材８，１３を複数個設置する場合には、冷媒から遠ざかるにつれて温度が上がり、複数個のシール部材ごとに徐々に温度勾配をつけることができるので、複数個のシール部材の材質を異ならせて設置することも可能である。

図２は、本発明による第２の実施の形態に係る超電導回転電機の冷媒給排装置の主要部を示す断面図である。図２において、本実施の形態と第１の実施の形態とのおもな相違点は、冷却装置１４から超電導回転電機への冷媒の給排口を固定体１６に設けたところにある。

回転子１の端部には、第１および第２の回転真空断熱配管２２，２３が回転子１から軸方向外側（図示左側）に向けて延びるように連結されている。この第１および第２の回転真空断熱配管２２，２３は、それぞれ二重管で構成され、その端部の間に栓体２２ａ，２３ａが取り付けられて内部が真空引きされた断熱構成を有している。この第１および第２の回転真空断熱配管２２，２３は、軸方向の長さおよび径寸法が異なり、回転軸中心５０のまわりに同軸的に配置されて、それぞれの内側の空間が後述する冷媒の通路となって回転子１の内部に連通されている。

回転真空断熱配管２２．２３の外周側には、回転子１の端部に連結され、図示左側に延びる真空断熱回転軸１５が設けられている。この真空断熱回転軸１５は、二重管で構成され、その端部の間に栓体１５ａが取り付けられて内部が真空引きされた断熱構成を有している。この真空断熱回転軸１５には、第１および第２の冷媒流通孔１５ｂ，１５ｃが軸方向の位置を異ならせて設けられており、また先端部の内周面にはベローズ構造部１５ｄが設けられている。この真空断熱回転軸１５の先端部は、ベローズ構造部１５ｄを挟むように、その軸方向両側にそれぞれ端板１６，１７が気密に固定されて閉塞されており、これら一対の端板１６，１７間の空間が真空引きされた断熱構造を有している。

真空断熱回転軸１５の内周には、端板１７よりも回転子１側に位置する第１および第２の回転真空断熱配管２２，２３の開放端部の外周面との間に、それぞれ内部真空構造を有する断面箱形の第１および第２の配管支え１８，１９が全周にわたって気密に固定して配設されており、この各配管支え１８，１９により、その軸方向両側の空間が遮断され、かつ断熱されるようになっている。これにより、第１の回転真空断熱配管２２の内部空間は、端板１７と第１の配管支え１８に囲まれた空間と連通し、さらに第１の冷媒流通孔１５ｂと連通することになり、他方、第２の回転真空断熱配管２３の内部空間は、第１および第２の配管支え１８，１９に囲まれた空間と連通し、第２の冷媒流通孔１５ｃと連通することになる。

真空断熱回転軸１５の外周には、筒状の固定体２４が設けられている。固定体２４の両端部と真空断熱回転軸１５との間には、それぞれ軸受２０，２０が設けられており、これら軸受２０，２０を介して真空断熱回転軸１５が固定体２４に回転自在に支持されている。また固定体２４には、一対の軸受２０，２０の間に位置する内周面に二重管構造の真空断熱部２１が設けられている。さらに固定体２４には、軸方向に間隔をおいて、第１および第２の冷媒流通孔２４ａ，２４ｂと、第１ないし第３の真空引きポート２４ｃ，２４ｄ，２４ｅが設けられている。

第１および第２の冷媒流通孔２４ａ，２４ｂは、固定体２４の内周側開口部がそれぞれ真空断熱部２１を貫通して真空断熱回転軸１５における第１および第２の冷媒流通孔１５ｂ，１５ｃに対向するように開口されており、外周側開口部が配管１４ｃ，１４ｄを介して冷却装置１４に連通されている。

さらにこれら第１および第２の冷媒流通孔２４ａ，２４ｂを挟むように、その両側に位置する真空断熱部２１と真空断熱回転軸１５との間には、耐寒性を有するフッ素樹脂などからなる第１のシール部材２５，２６および第２のシール部材２７，２８が１個または複数個設置されている。第１ないし第３の真空引きポート２４ｃないし２４ｅは、これら第１のシール部材２５，２６および第２のシール部材２７，２８の反冷媒流通孔２４ａ，２４ｂ側（すなわち冷媒流通孔２４ａ，２４ｂから遠い側）に位置して設けられている。

第１の真空引きポート２４ｃの内周側開口部は、第１のシール部材２５の反冷媒流通孔２４ａ側（すなわち冷媒流通孔２４ａから遠い側）に位置し、真空断熱部２１を貫通して真空断熱部２１と真空断熱回転軸１５との間の空間に開口されている。第２の真空引きポート２４ｄの内周側開口部は、第１のシール部材２６の反冷媒流通孔２４ａ側および第２のシール部材２７の反冷媒流通孔２４ｂ側に位置し、真空断熱部２１を貫通して真空断熱部２１と真空断熱回転軸１５との間の空間に開口されている。第３の真空引きポート２４ｅの内周側開口部は、第２のシール部材２８の反冷媒流通孔２４ｂ側に位置し、真空断熱部２１を貫通して真空断熱部２１と真空断熱回転軸１５との間の空間に開口されている。

各真空引きポート２４ｃないし２４ｅの内周側開口部に対応する真空断熱部２１と真空断熱回転軸１５との間の空間には、それぞれ真空引きポート２４ｃないし２４ｅを挟むように、その両側にそれぞれ一対の磁性流体シール２９，３０，３１が設けられており、各真空引きポート２４ｃないし２４ｅに接続される真空ポンプにより、これらの空間が真空引きされるようになっている。

このように構成された超電導回転電機の冷媒給排装置においては、固定体２４に冷却装置１４の冷媒給排口が構成され、冷却装置１４の冷媒は、例えば実線矢印５３で示すように、第１の冷媒流通孔２４ａから端板１７と第１の配管支え１８との間の空間を通り、さらに第１の回転真空断熱配管２２の内部空間を通して回転子１の内部に供給され、回転子１の内部からの戻り冷媒は、第１および第２の回転真空断熱配管２２，２３の間の空間を通り、さらに第１および第２の配管支え１８，１９間の空間を通り、第２の冷媒流通孔２４ｂを通して回収されることになる。

変形例として、上記とは逆に、点線矢印５４で示すように、冷却装置１４の冷媒を、第２の冷媒流通孔２４ｂを通し、第１および第２の配管支え１８，１９間の空間を通し、第１および第２の回転真空断熱配管２２，２３間の空間を通して回転子１の内部に供給し、回転子１の内部からの戻り冷媒を、第１の回転真空断熱配管２２を通し、さらに端板１７と配管支え１８との間の空間を通し、第１の冷媒流通孔２４ａを通して回収するように構成することもできる。

本実施の形態によれば、冷媒の流路は、第１および第２の回転真空断熱配管２２，２３、真空断熱部７、端板１７および第１および第２の配管支え１８，１９などの真空断熱層で囲まれていることになり、冷媒が外部と熱交換したり、供給冷媒と回収冷媒が熱交換したりする現象を抑制することができる。また磁性流体シール２９ないし３１により形成される真空断熱部２１と真空断熱回転軸１５との間の空間は、常時真空の状態に維持されることにより、外部からの熱が第１のシール部材２５，２６および第２のシール部材２７，２８側に侵入するのを抑制することができる。

さらに、一対の端板１６，１７間に位置する真空断熱回転軸１５の内周側にベローズ構造部１５ｄが設けられているので、熱伝導距離が長くなり、軸方向外側に位置する端板１６からの熱の侵入を低減することができる。しかも磁性流体シール２９ないし３１は、第１のシール部材２５，２６および第２のシール部材２７，２８の存在により冷媒に接触せず、また内外周が真空断熱回転軸１５および真空断熱部２１に挟まれて冷媒から断熱されているので、冷媒が極低温の状態であっても凍結などの不具合を発生することはない。

これにより、戻り冷媒が約１００Ｋ以下の温度で使用される場合であっても、磁性流体シール２９ないし３１や第１のシール部材２５，２６および第２のシール部材２７，２８が動作不能になることはなく、しかも戻り冷媒が１００Ｋ以下の極低温であることにより、戻り冷媒を再冷却するために冷却装置１４を大型化する必要もない。

図３は、本発明による第３の実施の形態に係る超電導回転電機の冷媒給排装置の主要部を示す断面図である。図３において、本実施の形態と第１および第２の実施の形態とのおもな相違点は、冷却装置１４から超電導回転電機への冷媒の給排口を固定体３４側と端板３５側に設けたところにある。

回転子１の端部に第１および第２の回転真空断熱配管３２，３３が連結されている。この第１および第２の回転真空断熱配管３２，３３は、それぞれ二重管で構成され、その端部の間に栓体３２ａ，３３ａが取り付けられて内部が真空引きされた断熱構成を有している。この第１および第２の回転真空断熱配管３２，３３は、軸方向の長さおよび径寸法が異なり、回転軸中心５０のまわりに同軸的に配置されて、それぞれの内側の空間が後述する冷媒の通路となって回転子１の内部に連通されている。

回転真空断熱配管３２．３３の外周側には、回転子１の端部に連結された真空断熱回転軸３５が設けられている。この真空断熱回転軸３５は、二重管で構成され、内部が真空引きされた断熱構成を有している。この真空断熱回転軸３５には、冷媒流通孔３５ａが設けられており、また先端部（図示左側）の内周面にはベローズ構造部３５ｂが設けられている。この真空断熱回転軸３５の先端部には、第１の回転真空断熱配管３２の先端部の外周面との間に、ベローズ構造部３５ｂを挟むように、軸方向に間隔をおいて一対の端板３６，３７が気密に固定されており、これら一対の端板３６，３７間の空間が真空引きされた断熱構造となっている。

真空断熱回転軸３５の内周には、端板３７よりも回転子１側に位置する第２の回転真空断熱配管３３の開放端部の外周面との間に、それぞれ内部真空構造を有する断面箱形の配管支え３８が全周にわたって気密に固定して配設されており、この配管支え３８により、その軸方向両側の空間が遮断され、かつ断熱されるようになっている。これにより、第２の回転真空断熱配管３３の内部空間は、端板３７と配管支え３８に囲まれた空間と連通し、さらに冷媒流通孔３５ａと連通することになる。

真空断熱回転軸３５の外周には、筒状の固定体３４が設けられている。固定体３４の両端部と真空断熱回転軸３５との間には、それぞれ軸受３９，３９が設けられており、これら軸受３９，３９を介して真空断熱回転軸３５が固定体３４に回転自在に支持されている。また固定体３４には、一対の軸受３９，３９の間に位置する内周面に二重管構造の真空断熱部４０が設けられている。さらに固定体３４には、冷媒流通孔３４ａと、第１および第２の真空引きポート３４ｂ，３４ｃが設けられている。

冷媒流通孔３４ａは、固定体３４の内周側開口部がそれぞれ真空断熱部４０を貫通して真空断熱回転軸３５における冷媒流通孔３５ａに対向するように開口されており、外周側開口部が配管１４ｅを介して冷却装置１４に連通されている。さらに冷媒流通孔３４ａを挟むように、その両側に位置する真空断熱部４０と真空断熱回転軸３５との間には、耐寒性を有するフッ素樹脂などからなるシール部材４１，４２が１個または複数個設置されている。第１および第２の真空引きポート３４ｂおよび３４ｃは、これらシール部材４１，４２の反冷媒流通孔３４ａ側に位置して設けられている。

第１の真空引きポート３４ｂの内周側開口部は、シール部材４１の反冷媒流通孔３４ａ側に位置し、真空断熱部３９を貫通して真空断熱部４０と真空断熱回転軸３５との間の空間に開口されている。第２の真空引きポート３４ｃの内周側開口部は、シール部材４２の反冷媒流通孔３４ａ側に位置し、真空断熱部４０を貫通して真空断熱部４０と真空断熱回転軸３５との間の空間に開口されている。

各真空引きポート３４ｂおよび３４ｃの内周側開口部に対向する真空断熱部４０と真空断熱回転軸３５との間の空間には、それぞれ真空引きポート３４ｂおよび３４ｃを挟むように、その両側にそれぞれ一対の磁性流体シール４３，４４が設けられており、各真空引きポート３４ｂおよび３４ｃに接続される真空ポンプにより、これらの空間が真空引きされるようになっている。

固定体３４の図示左側の端部には、端板４５が気密に取り付けられており、この端板４５を貫通して固定真空断熱配管４６が設けられている。この固定真空断熱配管４６についても、二重管で構成され、内部が真空引きされた断熱構成を有している。固定真空断熱配管４６は、回転軸中心５０のまわりに同軸的に配設され、その先端開口部（開放端部）が回転子１側に延び、第１の回転真空断熱配管３２の内部空間に位置するように配設されている。この固定真空断熱配管４６は、冷却装置１４に配管１４ｆを介して連通されており、冷却装置１４の冷媒を第１の回転真空断熱配管３２を介して回転子１の内部に給排できるようになっている。

このように構成された超電導回転電機の冷媒給排装置においては、固定体３４および端板４５のそれぞれに冷却装置１４の冷媒給排口が構成され、冷却装置１４の冷媒は、例えば実線矢印５５で示すように、冷媒流通孔３４ａから端板３７と配管支え３８との間の空間を通り、さらに第２の回転真空断熱配管３３の内部空間を通して回転子１の内部に供給され、回転子１の内部からの戻り冷媒は、第１の回転真空断熱配管３２の内部を通り、さらに固定真空断熱配管４６の内部を通して回収されることになる。

変形例として、上記とは逆に、点線矢印５６で示すように、冷却装置１４の冷媒を、固定真空断熱配管４６の内部を通し、さらに第１の回転真空断熱配管３２の内部を通して回転子１の内部に供給し、回転子１の内部からの戻り冷媒を、第２の回転真空断熱配管３３の内部を通し、さらに端板３７と配管支え３８との間の空間を通し、冷媒流通孔３４ａを通して回収するように構成することもできる。

したがって本実施の形態によれば、冷媒の流路は、第１および第２の回転真空断熱配管３２，３３、真空断熱回転軸３５、端板３７および配管支え３８などの真空断熱層で囲まれていることになり、冷媒が外部と熱交換したり、供給冷媒と回収冷媒が熱交換したりする現象を抑制することができる。また磁性流体シール４３，４４により形成される真空断熱部４０と真空断熱回転軸３５との間の空間は、常時真空の状態に維持されることにより、外部からの熱がシール部材４１，４２側に侵入するのを抑制することができる。しかも磁性流体シール４３，４４は、シール部材４１，４２の存在により冷媒に接触せず、また内外周が真空断熱回転軸３５および真空断熱部４０に挟まれて冷媒から断熱されているので、冷媒が極低温の状態であっても凍結などの不具合を発生することはない。

これにより、戻り冷媒が約１００Ｋ以下の温度で使用される場合であっても、磁性流体シール４３，４４やシール部材４１．４２が動作不能になることはなく、しかも戻り冷媒が１００Ｋ以下の極低温であることにより、戻り冷媒を再冷却するために冷却装置１４を大型化する必要もない。

本発明による第１の実施の形態に係る超電導回転電機の冷媒給排装置の上半主要部を示す縦断面図である。本発明による第２の実施の形態に係る超電導回転電機の冷媒給排装置の上半主要部を示す縦断面図である。本発明による第３の実施の形態に係る超電導回転電機の冷媒給排装置の上半主要部を示す縦断面図である。

符号の説明

１…回転子
２，２２，３２…第１の回転真空断熱配管
３，２３，３３…第２の回転真空断熱配管
２ａ，３ａ，１２ａ，１５ａ，２２ａ，２３ａ，３２ａ，３３ａ…栓体
４，２４，３４…固定体
５，２０，３９…軸受
６…固定軸
７，２１，４０…真空断熱部
８…シール部材（第２のシール部材）
９，２９ないし３１，４３，４４…磁性流体シール
１０，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，３４ｂ，３４ｃ…真空引きポート
１１…永久磁石
１２，４６…固定真空断熱配管
１３…シール部材（第１のシール部材）
１４…冷却装置
１４ａないし１４ｆ…配管
１５，３５…真空断熱回転軸
１５ｂ，２４ａ…第１の冷媒流通孔
１５ｃ，２４ｂ…第２の冷媒流通孔
１５ｄ，３５ｂ…ベローズ構造部
１６，１７，３６，３７，４５…端板
１８…第１の配管支え
１９…第２の配管支え
２５，２６…第１のシール部材
２７，２８…第２のシール部材
３５ａ…冷媒流通孔
３８…配管支え
４１，４２…シール部材

Claims

回転子の端部に設けられ、回転軸中心に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第１の回転真空断熱配管と、
前記第１の回転真空断熱配管の外周側に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第２の回転真空断熱配管と、
前記第２の回転真空断熱配管の外周側に設けられ、軸受を介して前記第２の回転真空断熱配管を回転自在に支持する固定体と、
この固定体の側方に連結されるとともに前記第２の回転真空断熱配管の端部の外周側に位置して設けられ、内周面に真空断熱部が形成された固定軸と、
前記第１の回転真空断熱配管の内周側に設けられ、開放端部が前記第１の回転真空断熱配管内に位置する固定真空断熱配管と、
この固定真空断熱配管と前記第１の回転真空断熱配管との間をシールする耐寒性の材料よりなる第１のシール部材と、
前記第２の回転真空断熱配管と前記固定軸の真空断熱部との間をシールする耐寒性の材料よりなる第２のシール部材と、
前記第２の回転真空断熱配管と前記固定軸の真空断熱部との間にあって、前記第２のシール部材よりも前記軸受側に位置し、前記固定軸に設けられた真空引きポートを挟むように、その両側に設けられた磁性流体シールと、
前記固定軸の外部に設けられ、前記第２の回転真空断熱配管と前記固定軸の真空断熱部との間および前記固定真空断熱配管の内部空間にそれぞれ連通されて前記回転子を冷却する冷媒を供給し、かつ回収する冷却装置と、
を備えてなる超電導回転電機の冷媒給排装置。
前記冷媒は、前記固定真空断熱配管と前記固定軸の真空断熱部との間を通り、さらに前記第１および第２の回転真空断熱配管の間を通して前記回転子の内部に供給され、前記回転子の内部からの戻り冷媒は、前記第１の回転真空断熱配管を通り、さらに前記固定真空断熱配管を通して回収されることを特徴とする請求項１に記載の超電導回転電機の冷媒給排装置。
前記冷媒は、前記固定真空断熱配管を通り、さらに前記第１の回転真空断熱配管を通して前記回転子の内部に供給され、前記回転子の内部からの戻り冷媒は、前記第１および第２の回転真空断熱配管の間を通り、さらに前記固定真空断熱配管と前記固定軸の真空断熱部との間を通して回収されることを特徴とする請求項１に記載の超伝導回転電機の冷媒給排装置。
回転子の端部に設けられ、回転軸中心に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第１の回転真空断熱配管と、
前記第１の回転真空断熱配管の外周側に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第２の回転真空断熱配管と、
前記第２の回転真空断熱配管の外周側に前記第２の回転真空断熱配管と同軸的に配置されて、その内側の空間が前記回転子の内部に連通されるとともに、先端部に間隔をおいて一対の端板が固定され、この一対の端板間の空間が真空引きされ、かつ前記先端部の内周面にベローズ構造部が形成された真空断熱回転軸と、
前記第１の回転真空断熱配管と前記真空断熱回転軸との間に配設され、軸方向両側の空間を遮断しかつ断熱する第１の配管支えと、
前記第２の回転真空断熱配管と前記真空断熱回転軸との間に配設され、軸方向両側の空間を遮断しかつ断熱する第２の配管支えと、
一対の軸受を介して前記真空断熱回転軸を回転自在に支持し、かつ前記一対の軸受の間に位置する内周面に真空断熱部が設けられた固定体と、
この固定体および前記真空断熱部ならびに前記真空断熱回転軸を貫通して形成され、前記端板と前記第１の配管支えとの間の空間に連通される第１の冷媒流通孔と、
前記固定体および前記真空断熱部ならびに前記真空断熱回転軸を貫通して形成され、前記第１および第２の配管支え間の空間に連通される第２の冷媒流通孔と、
前記第１の冷媒流通孔を挟むように、その両側に位置する前記真空断熱回転軸と前記固定体の真空断熱部との間の空間に設置された耐寒性の材料よりなる第１のシール部材と、
前記第２の冷媒流通孔を挟むように、その両側に位置する前記真空断熱回転軸と前記固定体の真空断熱部との間の空間に設置された耐寒性の材料よりなる第２のシール部材と、
これら第１および第２のシール部材の反冷媒流通孔側に位置する前記真空断熱回転軸と前記固定体の真空断熱部との間の空間にそれぞれ設置された一対の磁性流体シールと、
各一対の磁性流体シール間の空間に連通するように前記固定体および前記真空断熱部を貫通して形成された真空引きポートと、
前記第１および第２の冷媒流通孔に配管を介して連通されて前記回転子を冷却する冷媒を供給し、かつ回収する冷却装置と、
を備えてなる超電導回転電機の冷媒給排装置。
前記冷媒は、前記第１の冷媒流通孔から前記端板と前記第１の配管支えとの間を通り、さらに前記第１の回転真空断熱配管を通して前記回転子の内部に供給され、前記回転子の内部からの戻り冷媒は、前記第１および第２の回転真空断熱配管の間を通り、さらに前記第１および第２の配管支えの間を通り、前記第２の冷媒流通孔を通して回収されることを特徴とする請求項４に記載の超電導回転電機の冷媒給排装置。
前記冷媒は、前記第２の冷媒流通孔から前記第１および第２の配管支えの間を通り、さらに前記第１および第２の回転真空断熱配管の間を通して前記回転子の内部に供給され、前記回転子の内部からの戻り冷媒は、前記第１の回転真空断熱配管を通り、さらに前記端板と前記第１の配管支えとの間を通り、前記第１の冷媒流通孔を通して回収されることを特徴とする請求項４に記載の超電導回転電機の冷媒給排装置。
回転子の端部に設けられ、回転軸中心に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第１の回転真空断熱配管と、
前記第１の回転真空断熱配管の外周側に同軸的に配置されて、内側の空間が前記回転子の内部に連通されている第２の回転真空断熱配管と、
回転子の端部に設けられ、前記第２の回転真空断熱配管の外周側に前記第２の回転真空断熱配管と同軸的に配置されて、その先端部の内周面と前記第１の回転真空断熱配管との間に、軸方向に間隔をおいて一対の端板が固定され、この一対の端板間の空間が真空引きされ、かつ前記先端部の内周面にベローズ構造部が形成された真空断熱回転軸と、
前記第２の回転真空断熱配管と前記真空断熱回転軸との間に配設され、軸方向両側の空間を遮断しかつ断熱する配管支えと、
一対の軸受を介して前記真空断熱回転軸を回転自在に支持し、かつ前記一対の軸受の間に位置する内周面に真空断熱部が設けられた固定体と、
この固定体および前記真空断熱部ならびに前記真空断熱回転軸を貫通して形成され、前記端板と前記配管支えとの間の空間に連通される冷媒流通孔と、
この冷媒流通孔を挟むように、その両側に位置する前記真空断熱回転軸と前記固定体の真空断熱部との間の空間に設置された耐寒性の材料よりなるシール部材と、
これらシール部材の反冷媒流通孔側に位置する前記真空断熱回転軸と前記固定体の真空断熱部との間の空間にそれぞれ設置された一対の磁性流体シールと、
各一対の磁性流体シール間の空間に連通するように前記固定体および前記真空断熱部を貫通して形成された真空引きポートと、
前記第１の回転真空断熱配管の内周側に設けられ、前記固定体の端部に取り付けられた端板を貫通して設けられ、その開放端部が前記第１の回転真空断熱配管内に位置する固定真空断熱配管と、
この固定真空断熱配管および前記冷媒流通孔に配管を介して連通されて前記回転子を冷却する冷媒を供給し、かつ回収する冷却装置と、
を備えてなる超電導回転電機の冷媒給排装置。
前記冷媒は、前記冷媒流通孔から前記端板と前記配管支えとの間を通り、さらに前記第１および第２の回転真空断熱配管の間を通して前記回転子の内部に供給され、前記回転子の内部からの戻り冷媒は、前記第１の回転真空断熱配管を通り、さらに前記固定真空断熱配管を通して回収されることを特徴とする請求項７に記載の超電導回転電機の冷媒給排装置。
前記冷媒は、前記固定真空断熱配管を通り、さらに前記第１の回転真空断熱配管間を通して前記回転子の内部に供給され、前記回転子の内部からの戻り冷媒は、前記第１および第２の回転真空断熱配管の間を通り、さらに前記端板と前記配管支えとの間を通り、前記冷媒流通孔を通して回収されることを特徴とする請求項７に記載の超電導回転電機の冷媒給排装置。