JP2008235355A - 高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器 - Google Patents

高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器 Download PDF

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Abstract

【課題】回転部分に冷却した超電導体を配置し、回転損失に対する冷却能力を向上させた信頼性の高い高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器を提供する。
【解決手段】高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、寒剤を蓄積する真空断熱容器Ａを備え、回転軸の一部として前記真空断熱容器Ａそのものが回転する軸を構成する構造部材とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、超電導磁石の強磁界を利用した磁気軸受などに用いる高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器に関するものである。
従来から超電導磁石の強磁界を利用した磁気軸受が開発されている。一例として、下記非特許文献１に開示されているような液体窒素で冷却した超電導バルク体と永久磁石を組み合わせたものがある。これは電力貯蔵用フライホイール用の磁気軸受の一部に超電導バルク体と永久磁石で構成された磁気軸受を用いたもので、回転体の冷却が困難なことから回転体側には永久磁石を、固定側には液体窒素で冷却した超電導バルク体を配置している。
一方、下記非特許文献２に開示されているような液体ヘリウムで冷却した超電導コイルと鉄の吸引力でフライホイールのスラスト荷重を支持する磁気軸受もあるが、これも冷却部分は固定側になっている。
このような従来技術の中で、下記特許文献１のような超電導バルク体と超電導コイルの組み合わせで強力な浮上力を得る方法も開示されている。この方法では伝導により回転体である超電導バルク体を冷却している。
特開２００３−２１９５８１号公報 腰塚直己 「高温超電導軸受を用いたフライホイール」，電気評論, ２００６．１２，ｐｐ．３２〜３５ 内山順仁 「超電導フライホイールシステムの開発」，電気評論, ２００６．１２，ｐｐ．３６〜３９
しかしながら、上記特許文献１に開示されている伝導による冷却の場合、回転軸が偏心したときにバルク体で発生するジュール熱による回転損失に冷却が追いつかない恐れがあり、更なる改善が必要である。
本発明は、上記状況に鑑みて、回転部分に冷却した超電導体を配置し、回転損失に対する冷却能力を向上させた信頼性の高い高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、寒剤を蓄積する真空断熱容器を備え、回転軸の一部として前記真空断熱容器そのものが回転する軸を構成する構造部材としたことを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、前記回転軸に相当する強度を有する軸の内部を中グリし、真空断熱容器外槽および回転軸の強度部材とし、前記真空断熱容器外槽の中に前記寒剤の入る真空断熱容器内槽を入れ、前記真空断熱容器外槽と前記真空断熱容器内槽の間の空隙を真空にして、断熱材を配置することにより真空断熱槽を構成することを特徴とする。
〔３〕上記〔２〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、蓋部によって前記寒剤を入れる真空断熱容器内槽が密閉され、前記蓋部に付いている寒剤供給・回収ポートから前記寒剤を供給した後に前記寒剤供給・回収ポートにつなげた真空排気装置から前記真空断熱容器内槽の内部を減圧することにより、前記寒剤の温度を下げて使用することを特徴とする。
〔４〕上記〔２〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、前記回転軸の強度は軸に相当する前記真空断熱容器外槽が担い、前記真空断熱容器外槽底面から第３の荷重支持材、前記真空断熱容器内槽底蓋部、第２の荷重支持材、高温超電導バルク体、第１の荷重支持材、蓋部と連続に配置することで前記高温超電導バルク体が発生する軸方向荷重を前記君空断熱容器外槽に伝達し、この荷重伝達経路に前記真空断熱容器内槽壁面を入れないことを特徴とする。
〔５〕上記〔２〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、前記回転軸の強度は軸に相当する前記真空断熱容器外槽が担い、高温超電導バルク体、荷重支持材、蓋部と連続に配置することで前記高温超電導バルク体が発生する軸方向荷重を前記君空断熱容器外槽に伝達し、この荷重伝達経路に前記真空断熱容器内槽壁面を入れないことを特徴とする。
〔６〕上記〔４〕又は〔５〕記載の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、前記高温超電導バルク体をリング状にして、このリング状の高温超電導バルク体の中央部を寒剤流路とすることを特徴とする。
本発明によれば、回転部分に冷却した超電導体を配置し、回転損失に対する冷却能力を向上させた信頼性の高い高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器を提供する。
本発明の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器は、寒剤を蓄積する真空断熱容器を備え、回転軸の一部として前記真空断熱容器そのものが回転する軸を構成する構造部材とした。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器を用いた電力貯蔵用フライホイール蓄電装置の模式図、図２は本発明の第１実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器の断面図、図３はその回転体用真空断熱容器の寒剤供給側の側面図である。
図１において、１は電動・発電機（Ｍ／Ｇ）、２はカップリング、３は第１の回転軸、４は第１のラジアルころがり軸受ユニット、５はフライホイール、６は真空断熱容器、６Ａはその真空断熱容器６内に設けられるリング状の高温超電導バルク体、６Ｂは真空断熱容器６の蓋部、７は異極励磁した一対の超電導コイル７Ａと７Ｂを有する超電導コイル、８は第２の回転軸、９は第２のラジアルころがり軸受ユニット、１０はバックアップスラスト軸受ユニット、１１は門型架台、１２は地面である。
第１の回転軸３と第２の回転軸８からなる回転軸を地面１２に対して垂直に配置し、超電導バルク体６Ａと異極励磁した一対の超電導コイル７Ａと７Ｂを有する超電導コイル７とを組み合わせた磁気軸受を回転軸の中央に配置して、その超電導コイル７の両端にラジアル方向荷重を支持する第１のラジアルころがり軸受ユニット４と第２のラジアルころがり軸受ユニット９とを配置する。
超電導コイル７は、異極励磁した一対の超電導コイル７Ａと７Ｂを上下方向に直列配置する。これにより、異極励磁した１対の超電導コイル７Ａと７Ｂの中央部分の磁場勾配が大きくなる。
本発明の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器は、上記した真空断熱容器６及びその真空断熱容器６内に設けられるリング状の高温超電導バルク体６Ａの構造を特徴とするものである。
本発明の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器について、図２及び図３を参照しながら、説明する。
これらの図において、Ａは真空断熱容器、Ｂはその真空断熱容器の上部に配置される蓋部である。この真空断熱容器Ａは、真空断熱容器外槽２１、その真空断熱容器外槽２１の下部のスプライン加工部２２、真空断熱容器内槽２３を備えており、その内部に配置される荷重支持材は、上部から第１の荷重支持材２４、第２の荷重支持材２５、第３の荷重支持材２６であり、さらに第２の荷重支持材２５に固定される高温超電導バルク体ホルダ２７、その高温超電導バルク体ホルダ２７内に配置されるリング状の高温超電導バルク体２８、真空断熱容器内槽２３と荷重支持材２４，２５，２６との間及び荷重支持材に開けられた穴とリング状の高温超電導バルク体２８の中央部に形成される寒剤流路２９、真空断熱容器外槽２１と真空断熱容器内槽２３との間に形成される真空断熱槽３０、真空断熱容器外槽２１に形成される真空排気ポート３１、寒剤供給・回収ポート３２、真空断熱容器Ａのデュワーフランジ３３とを備えている。
また、上部に配置される蓋部Ｂは、軸フランジ３４を有しており、この軸フランジ３４は、第１の荷重支持材２４と接続されている。
更に、真空断熱容器Ａのデュワーフランジ３３の端面と軸フランジ３４の端面との間にはＯリング３５が配置され、真空断熱容器Ａのデュワーフランジ３３と軸フランジ３４の端面は締結装置（ボルトとナット）３６により締結されて、真空断熱容器Ａに蓋部Ｂが固定されるように構成されている。
本発明では、例えば、図１に示すように、この回転体用真空断熱容器を、回転体の回転軸に組み込むことができる。
図２及び図３に示すように、回転軸に相当する強度を有する軸の内部を中グリし、真空遮断容器Ａの外壁および回転軸の強度部材として機能する真空断熱容器外槽２１を設ける。その真空断熱容器外槽２１の中に寒剤の入る容器である真空断熱容器内槽２３を設ける。この真空断熱容器内槽２３にはリング状の高温超電導バルク体２８を入れる。この真空断熱容器内槽２３は磁界中で回転させることを考慮して高抵抗の非金属材料とする。真空断熱容器外槽２１と真空断熱容器内槽２３の間には空隙を有しており、ここを真空空間にして、断熱材を配置することにより真空断熱槽３０を構成する。上部には真空断熱容器Ａの蓋部Ｂを取り付ける。真空断熱容器内槽２３を蓋部Ｂによって密閉することで液化ガスなどの寒剤を封入後に減圧して、さらに冷却温度を下げることができる。なお、温度の保持は真空断熱容器Ａ内の荷重支持材および寒剤の熱容量によって行われる。上部の蓋部Ｂには回転軸に取り付けるための軸フランジ３４を、真空断熱容器外槽２１の下部には回転軸に取り付けるためのスプライン加工部２２などの動力伝達機構を取り付ける。
回転軸の強度は軸に相当する真空断熱容器外槽２１が担い、真空断熱容器外槽２１底面から第１の荷重支持材２４，第２の荷重支持材２５，第３の荷重支持材２６と連続して配置して、高温超電導バルク体２８が発生する軸方向荷重を真空断熱容器外槽２１に伝達する。
また、回転体用真空断熱容器において、蓋部Ｂによって寒剤を入れる真空断熱容器内槽２３が密閉され、蓋部Ｂに付いている寒剤供給・回収ポート３２から寒剤を供給した後にその寒剤供給・回収ポート３２につなげた真空排気装置から真空断熱容器内槽２３の内部を減圧することにより、寒剤の沸点を下げて、大気圧における寒剤の気化温度より低い温度で使用することができる。
なお、この荷重伝達経路には真空断熱容器内槽２３の壁面が入らないように構成したので、真空断熱容器内槽２３を軽量化することができ、真空断熱容器内槽２３は寒剤の容器としての機能のみを持たせればよい。
また、高温超電導バルク体はリング状にして、このリング状の高温超電導バルク体２８の中央部を寒剤流路とする。
図４は本発明の第２実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器の断面図である。
この第２実施例は、上記した第１実施例における荷重支持材を簡素化した構造としたものである。つまり、第１実施例における第１〜第３の荷重支持材２４，２５，２６に代えて、荷重支持材４１のみで荷重伝達経路を構成するようにしている。
すなわち、この実施例では、回転軸の強度は軸に相当する真空断熱容器外槽２１が担い、高温超電導バルク体２８、荷重支持材４１、蓋部Ｂと連続して配置し、軸方向の荷重伝達経路を構成し、この荷重伝達経路には真空断熱容器内槽２３の壁面を入れないようにしている。
これにより、高温超電導バルク体２８が発生する浮上力を、荷重支持材４１から蓋部Ｂ、蓋部Ｂのデュワーフランジ３３から真空断熱容器外槽２１へ伝える。
上記したように、磁気軸受において高温超電導バルク体が浮上力のみを発揮する場合は、第３の荷重支持材、第２の荷重支持材を取り外すことができる。この場合は荷重伝達経路がより明確になり、内槽壁面には上下方向荷重が全く付与されない。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器は、回転部分に冷却した超電導体を配置し、回転損失に対する冷却能力を向上させた信頼性の高い回転体用真空断熱容器として利用可能である。
本発明の実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器を用いた電力貯蔵用フライホイール蓄電装置の模式図である。 本発明の第１実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器の断面図である。 本発明の実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器の寒剤供給側の側面図である。 本発明の第２実施例を示す高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器の断面図である。
符号の説明
１ 電動・発電機（Ｍ／Ｇ）
２ カップリング
３ 第１の回転軸
４ 第１のラジアルころがり軸受ユニット
５ フライホイール
６，Ａ 真空断熱容器
６Ａ，２８ リング状の高温超電導バルク体
６Ｂ，Ｂ 蓋部
７ 超電導コイル
７Ａ，７Ｂ 異極励磁した一対の超電導コイル
８ 第２の回転軸
９ 第２のラジアルころがり軸受ユニット
１０ バックアップスラスト軸受ユニット
１１ 門型架台
１２ 地面
２１ 真空断熱容器外槽
２２ スプライン加工部
２３ 真空断熱容器内槽
２４ 第１の荷重支持材
２５ 第２の荷重支持材
２６ 第３の荷重支持材
２７ 高温超電導バルク体ホルダ
２９ 寒剤流路
３０ 真空断熱槽
３１ 真空排気ポート
３２ 寒剤供給・回収ポート
３３ デュワーフランジ
３４ 軸フランジ
３５ Ｏリング
３６ 締結装置（ボルトとナット）
４１ 荷重支持材

Claims (6)

  1. 寒剤を蓄積する真空断熱容器を備え、回転軸の一部として前記真空断熱容器そのものが回転する軸を構成する構造部材としたことを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器。
  2. 請求項１記載の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、前記回転軸に相当する強度を有する軸の内部を中グリし、真空断熱容器外槽および回転軸の強度部材とし、前記真空断熱容器外槽の中に前記寒剤の入る真空断熱容器内槽を入れ、前記真空断熱容器外槽と前記真空断熱容器内槽の間の空隙を真空にして、断熱材を配置することにより真空断熱槽を構成することを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器。
  3. 請求項２記載の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、蓋部によって前記寒剤を入れる真空断熱容器内槽が密閉され、前記蓋部に付いている寒剤供給・回収ポートから前記寒剤を供給した後に前記寒剤供給・回収ポートにつなげた真空排気装置から前記真空断熱容器内槽の内部を減圧することにより、前記寒剤の温度を下げて使用することを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器。
  4. 請求項２記載の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、前記回転軸の強度は軸に相当する前記真空断熱容器外槽が担い、前記真空断熱容器外槽底面から第３の荷重支持材、前記真空断熱容器内槽底蓋部、第２の荷重支持材、高温超電導バルク体、第１の荷重支持材、蓋部と連続に配置することで、前記高温超電導バルク体が発生する軸方向荷重を前記真空断熱容器外槽に伝達し、この荷重伝達経路に前記真空断熱容器内槽壁面を入れないことを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器。
  5. 請求項２記載の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、前記回転軸の強度は軸に相当する前記真空断熱容器外槽が担い、高温超電導バルク体、荷重支持材、蓋部と連続に配置することで、前記高温超電導バルク体が発生する軸方向荷重を前記真空断熱容器外槽に伝達し、この荷重伝達経路に前記真空断熱容器内槽壁面を入れないことを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器。
  6. 請求項４又は５記載の高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器において、前記高温超電導バルク体をリング状にして、該リング状の高温超電導バルク体の中央部を寒剤流路とすることを特徴とする高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器。
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