JP2009290988A - 超電導回転電機の冷媒給排装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子コイルに高温超電導体を採用し、これに気相冷媒を通流して回転子コイルを冷却する冷媒供給方式の適用も想定し、その冷媒回収通路に配した磁性流体シールの機能安定確保が図れるようにした超電導回転電機の冷媒給排装置を提供する。
【解決手段】回転軸１の軸端部に配した固定ケーシング３に冷媒導入管４，冷媒回収管５を接続し、回転軸側には回転子内部のコイル容器に通じる冷媒供給管路６，冷媒排出管路７を配管し、固定ケーシング３の内周側には冷媒回収管５および冷媒排出管路７の開口ポートを挟んでその両側に磁性流体シール９を設けたものにおいて、回転軸１に配管した冷媒排出管路７の途中に、該管路を通じて排出する冷媒ガスを磁性流体の動作温度範囲に加熱する冷媒昇温ヒータ９を設け、回転子内部から回収する冷媒を回転軸側で加熱昇温した状態で磁性流体シール部に通流させて磁性流体の凍結，シール機能喪失を回避する。
【選択図】図１

Description

この発明は、超電導回転電機の冷媒給排装置に関し、詳しくは回転電機の回転子側から回収する冷媒の通路をシールする磁性流体シールの機能保護対策に係わる。

周知のように、超電導回転電機（回転界磁形）では回転子に収容する界磁巻線に超電導線を用いており、この超電導コイルの超電導性を維持するために、従来の超電導回転電機では回転子内部に設けた冷媒貯槽に冷媒給排装置を通じて外部から液体ヘリウム，液体窒素などの冷却媒体を供給し、この冷媒で超電導コイルを転移温度以下の極低温に冷却するようにしている。また、界磁巻線を含む回転子の発熱を吸熱して蒸発した冷媒（ガス）は、冷媒貯槽から冷媒給排装置を経て回収し、冷凍機などにより液化して再び回転子の冷媒貯槽に導入するようにしている。

ここで、前記の冷媒給排装置は回転子の軸端部に装備し、該装置の固定ケーシングに外部接続した冷媒導入管から回転子軸（中空軸）の軸中心に配管した冷媒供給管路を経て前記冷媒貯槽に液冷媒を供給する。また、冷媒貯槽内部で蒸発して該貯槽から排出する戻り冷媒を回収するために、冷媒貯槽から引出した冷媒排出管路の出口端を回転子軸の周上に開口し、かつこの開口ポートに対向して冷媒給排装置の固定ケーシングの周上に冷媒回収管を接続するとともに、固定ケーシングの内周側には前記配管の開口ポートを左右両側から挟んで回転子軸の周面との間に磁性流体シールを設けて冷媒排出管路の出口端から冷媒回収管に通じる冷媒通路を両側からシールするようにしている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。

一方、前記冷媒給排装置の磁性流体シールに用いる磁性流体は、その動作温度（使用温度）が通常０℃以上であるのに対して、回転子の冷媒貯槽から排出する冷媒ガスは極低温に近い温度であることから、このままでは低温の冷媒ガスが磁性流体シールに触れて磁性流体が凝固（凍結）してシール機能を発揮できなくなるおそれがある。

そこで、磁性流体の凍結防止策として、磁性流体シールの近傍に配して冷媒給排装置の固定ケーシングの内部にヒータ（電熱ヒータ）を設け、このヒータの加熱により回転子軸側の冷媒排出管路から磁性流体シール部に流入した低温の冷媒ガスを磁性流体の動作温度範囲（常温に近い温度）に昇温させてシール機能を維持するようにした冷媒給排装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開昭６１−９８１５５号公報（図２，図３） 特開平８−３０８２１１号公報（図７） 特開昭５４−１０４５０８号公報（図２，図３）

ところで、前記した磁性流体の凍結防止策として、特許文献３のように冷媒給排装置の固定ケーシングの内部に冷媒加熱用のヒータを設けた構成では次記のような課題が残る。

すなわち、回転子の内部から排出する低温の冷媒ガスは、回転子軸側の冷媒排出管路を通じて左右の磁性流体シール間に挟まれた空間に吐き出した後に、この空間内でヒータ加熱を受けて昇温するが、昇温した冷媒ガスはそのまま磁性流体シール間の空間を通過して系外に排出，回収される。また、ヒータより固定ケーシング側に伝熱した熱は、磁性流体シールの構成部材である永久磁石，磁極片から回転子軸の周面に接する磁性流体を経て回転軸側に伝熱するようになる。これに対して、回転子の内部から排出される極低温に近い低温の冷媒ガスは回転軸側から固定ケーシング側に向けて磁性流体シール部を流れることから、冷媒の排出流量が多い場合には冷媒からの伝熱により回転軸の表面も低温となり、このために回転軸の周面に接する磁性流体が回転軸側からの冷熱により冷却されて前記ヒータの加熱による磁性流体の昇温効果が充分に発揮できない。

特に、近年になり研究,開発の進展が著しい高温超電導体（例えば、イットリウム（Y）系酸化物超電導体）を回転子の界磁巻線に採用すれば、従来液化して使用する液体ヘリウムの代わりに、液体ヘリウムよりも高温なガスヘリウムを液化せずに気相のまま回転子内部に供給して超電導コイルを超電導状態に冷却することも可能で、これにより冷媒の管理，回転子内部のコイル冷却構造を簡易化できるが、その場合には顕熱により超電導コイルを冷却するために、当然のことながら回転子の内部を通流する冷媒の流量は液体ヘリウムに比べ増加することになる。したがって、先記のように冷媒昇温ヒータを固定側に設けた従来構造の冷媒給排装置をそのまま採用した場合には、シール部を通過する低温の冷媒ガス流量も増大して磁性流体シールの機能維持がますます難しくなる。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、前記した従来方式の課題を解消し、さらに回転子コイルに高温超電導体を採用し、これに合わせてコイル冷却用の冷媒を液相冷媒から気相冷媒に代えて回転子コイルを冷却する冷媒供給方式への適用も想定して、その冷媒回収通路に配した磁性流体シールの機能を安定維持できるように改良した超電導回転電機の冷媒給排装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明によれば、超電導コイルを収容するコイル容器を備えた回転子の軸端に装備し、冷媒導入管，冷媒回収管を通じて外部よりコイル冷却用の冷媒を回転子のコイル容器に給排する超電導回転電機の冷媒給排装置であり、前記回転子の軸端部を包囲して配置した固定ケーシングの端面，および周面にそれぞれ冷媒導入管，冷媒回収管を接続し、かつ該冷媒導入管，冷媒回収管の開口端に対向して回転子の軸側には前記コイル容器に通じる冷媒供給管路，冷媒排出管路を配管するとともに、前記固定ケーシングの内周側には前記冷媒回収管および冷媒排出管路の開口ポートを挟んでその左右両側に磁性流体シールを設けたものにおいて、
回転子の軸側に配管した前記冷媒排出管路の途中に、該管路を通じてコイル容器から排出する冷媒ガスを磁性流体の動作温度範囲に加熱する冷媒昇温ヒータを設け、回転子内部から回収する冷媒を回転軸側で加熱昇温した状態で磁性流体シール部に通流させるようにする(請求項1)。

ここで、前記の冷媒昇温ヒータは、具体的に冷媒排出管路の外周に密着して巻装したヒータ線と、該ヒータ線の周域を覆う伝熱カバーとで構成する(請求項２)。

また、外部から回転子内部に供給する冷媒については、冷媒導入管を通じて外部から極低温の気相冷媒を回転子のコイル容器に連続供給し、回転子内部を通流した後に冷媒回収管を通じて回収する（請求項３）。あるいは、冷媒導入管を通じて外部から液相冷媒を回転子のコイル容器に供給し、回転子の内部で蒸発した気相冷媒を冷媒回収管を通じて回収する（請求項４）ことができる。

上記構成によれば、回転子の内部から排出される冷媒ガスは、回転子軸側の冷媒排出管路の途上に配した冷媒昇温ヒータの加熱により昇温した状態で冷媒排出管路の開口端から磁性流体シール部に吐出してシール空間を通過する。しかも、冷媒昇温ヒータのヒータ線は冷媒排出管路の周面に伝熱的に密着して巻装されているので高い伝熱効率で冷媒を加熱昇温できる。また、前記ヒータ，およびヒータにより加熱，昇温した冷媒からの伝熱により磁性流体が接する回転子軸の周面も同時に加温される。これにより、冷媒昇温ヒータを冷媒給排装置の固定ケ-シング側に配した従来の冷媒加熱方式と比べて、より少ないヒータ消費電力で効果的に磁性流体の凍結を防止して安定したシール機能の維持が図れる。

また、上記した排出冷媒のヒータ加熱方式は、液体ヘリウム，液体窒素などを外部から回転子内部に供給して超電導コイルを冷却する液相冷媒供給方式は勿論のこと、回転子に高温超電導コイルを採用した上で、冷媒として液化しない極低温のガスヘリウムなどを外部から回転子内部に連続供給する気相冷媒供給方式にも適用して磁性流体シールの機能を安定維持できる。

以下、この発明の実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１は冷媒給排装置の全体構成図、図２は図１における冷媒昇温ヒータの詳細図である。

図１において、１は超電導回転電機の回転軸（回転子軸ともいう。）、２は回転軸１の軸端部（反駆動側）に装備した冷媒給排装置である。ここで、冷媒給排装置２は、回転軸１（中空軸）の軸端部を包囲して固定側に配置したキャップ状の固定ケ-シング３に対して、その端面の軸中心部には冷媒導入管４が、また周面上には冷媒回収管５が外部接続されている。また、この冷媒導入管４，冷媒回収管５にそれぞれ対向して回転軸１には、回転子本体（トルクチューブ）に設けて超電導コイルを収容したコイル容器（不図示）に通じる冷媒供給管路６，および冷媒排出管路７が軸中心およびその外周側に配管されており、冷媒排出管路７はその引出端が回転軸１の周面上に開口している。なお、４ａは冷媒導入管４と冷媒供給管路６との間の配管シール、８は冷媒供給管路６を包囲してその外周側に配した輻射シールドで、該輻射シールド８の一端は回転子本体の内部で冷媒により冷却される。

また、固定ケ-シング２の内周側には、前記した冷媒排出管路７の開口ポート７ａを左右両側から挟んで回転軸１の周面との間に磁性流体シール９を設け、該磁性流体シール９で冷媒排出回路７から冷媒回収管５に通じる冷媒排出通路の空間をシールしている。なお、この磁性流体シール９の構造は特許文献３で詳しく述べられているように、永久磁石と、その両端に結合してその内周面を回転軸１の周面と細隙を隔てて対峙させた環状の磁極片と、該磁極片の先端面と回転軸１の周面との間の細隙に充填した磁性流体とからなる。なお、磁性流体シール９の側方には軸受１０を設けて回転軸１の軸端部を固定ケ-シング３に軸支し、磁性流体シール９の磁極片内周面と回転軸１の周面との間の細隙を保持するようにしている。

さらに、図示実施例では、前記磁性流体シール９の近傍に位置して回転軸１に配管した冷媒配管管路７には図２に詳細構造を示す冷媒昇温ヒータ１１が配置されている。この冷媒昇温ヒータ１１は、図２で示すように冷媒排出管路７の周面に形成した螺旋状の凹溝７ｂに沿ってヒータ線１１ａを密着状態に巻装した上で、その周域を伝熱カバー１１ｂで覆い、この伝熱カバー１１ｂを冷媒排出管路７と伝熱的に接触させてヒータの発熱を効率よく冷媒排出管路に伝えるようにしている。なお、伝熱カバー１１ｂは例えば伝熱性の高い平形の銅編組線を採用するのがよい。また、ヒータ線１１ａは回転軸１の周上に設けたスリップリング１２を介して電源に接続されている。

上記構成において、回転子コイルの通電期間，および回転子の予冷を含めたコイル通電の前後時間には、前記冷媒昇温ヒータ１１に通電した上で、冷媒導入管４を通じて外部から供給した極低温の冷媒を回転子内部のコイル容器に通流して超電導コイルを冷却する。

また、冷媒の供給に伴い、コイル容器から冷媒排出管路７を通じて排出する戻り冷媒は、その排出経路の途上で冷媒昇温ヒータ１１の加熱を受けて常温近い温度に昇温し、この状態で出口ポート７ａより固定ケ-シング３と磁性流体シール９とで囲まれた空間に吐出した後、固定ケ-シング３に外部接続した冷媒回収管５を通じて回収される。同時に冷媒昇温ヒータ１１の発熱の一部は回転軸１にも伝熱して磁性流体シール９の磁性流体と接する軸端部周面を加温する。

これにより、磁性流体シール９の磁性流体が凍結，凝固してシール機能を喪失する事態の発生を回避できる。しかも、冷媒昇温ヒータ１１は冷媒排出管路７の周面に伝熱的に直接巻装されていてヒータと冷媒との間で高い熱交換効率が得られるので、冷媒の排出流量が多い場合でも磁性流体の凍結を効果的に防ぐことができ、かつ従来の方式（特許文献３参照）に比べてヒータ消費電力も節減できる。

なお、上記構成の冷媒給排装置２は、冷媒導入管４を通じて外部から液体ヘリウム，液体窒素などの液相冷媒を回転子のコイル容器に供給し、回転子の内部で蒸発した気相冷媒を冷媒回収管５を通じて回収する冷媒供給方式のほか、次記のような気相冷媒供給方式にも同様に適用できる。

すなわち、回転子コイルを高温超電導体で構成し、これに合わせて外部から回転子内部のコイル容器に供給する冷媒として、液体ヘリウム（沸点：４．２Ｋ（ケルビン温度））の代わりに、４０〜５０Ｋ程度の極低温に冷却したガスヘリウムなどの気相冷媒を冷媒導入管４を通じて回転子内部のコイル容器に連続供給して回転子コイルを冷却し、コイル容器を通流した後に冷媒回収管を通じて回収するようにした超電導回転電機でも同様に適用できる。なお、この気相冷媒供給方式では、冷媒と回転子コイルとの熱交換は顕熱によるために冷媒流量は液相冷媒供給方式に比べて多くなるが、先記のように回転子内部から回収する戻り冷媒を回転軸側の冷媒排出管路７に配した冷媒昇温ヒータ１１により加熱昇温させた上で、固定ケ-シング３と磁性流体シール９で囲まれた冷媒排出通路の空間に吐き出すようにしたことで、磁性流体の凍結を効果的に回避してそのシール機能を安定維持できる。また、気相冷媒供給方式の採用により、回転子内部に構築したコイル容器も液相冷媒供給方式と比べて簡易な構造で対応でき、さらに冷媒を液化する必要がなくてランニングコストの低減化が可能となる。

この発明の実施例による冷媒給排装置全体の構成断面図 図１における冷媒昇温ヒータ部分の詳細構造図

符号の説明

１ 回転軸
２ 冷媒給排装置
３ 固定ケ-シング
４ 冷媒導入管
５ 冷媒回収管
６ 冷媒供給管路
７ 冷媒排出管路
７ａ 出口ポート
９ 磁性流体シール
１１ 冷媒昇温ヒータ
１１ａ ヒータ線
１１ｂ 伝熱カバー

Claims (4)

1. 超電導コイルを収容するコイル容器を備えた回転子の軸端に装備し、冷媒導入管，冷媒回収管を通じて外部よりコイル冷却用の冷媒を回転子のコイル容器に給排する超電導回転電機の冷媒給排装置であり、前記回転子の軸端部を包囲して配置した固定ケーシングの端面，および周面にそれぞれ冷媒導入管，冷媒回収管を接続し、かつ該冷媒導入管，冷媒回収管の開口端に対向して回転子の軸側には前記コイル容器に通じる冷媒供給管路，冷媒排出管路を配管するとともに、前記固定ケーシングの内周側には前記冷媒回収管および冷媒排出管路の開口ポートを挟んでその左右両側に磁性流体シールを設けたものにおいて、
   回転子の軸側に配管した前記冷媒排出管路の途中に、該管路を通じてコイル容器から排出する冷媒ガスを磁性流体の動作温度範囲に加熱する冷媒昇温ヒータを設けたことを特徴とする超電導回転電機の冷媒給排装置。
2. 請求項１に記載の冷媒給排装置において、冷媒昇温ヒータが冷媒排出管路の外周に密着して巻装したヒータ線と、該ヒータ線の周域を覆う伝熱カバーとからなることを特徴とする超電導回転電機の冷媒給排装置。
3. 請求項１に記載冷媒給排装置において、冷媒導入管を通じて外部から極低温の気相冷媒を回転子のコイル容器に連続供給し、回転子内部を通流した後に冷媒回収管を通じて回収することを特徴とする超電導回転電機の冷媒給排装置。
4. 請求項１に記載冷媒給排装置において、冷媒導入管を通じて外部から液相冷媒を回転子のコイル容器に供給し、回転子の内部で蒸発した気相冷媒を冷媒回収管を通じて回収することを特徴とする超電導回転電機の冷媒給排装置。

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