JP2012528291A - 超電導機械の冷却装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、液体冷媒（３）を充填することができ、前記液体冷媒（３）を蒸発させるための蒸発器（４）を有する閉鎖形熱サイホンシステム（２）を備えた超電導機械（１）の冷却装置に関する。この装置の冷却能力を改善するために、本発明によれば、液体冷媒（３）に接することのできる蒸発器（４）の表面（５）を拡大するための手段（７，８）が設けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は超電導機械を冷却するための装置に関する。この冷却装置は、液体冷媒を充填することができ、かつ、その液体冷媒を蒸発させるための蒸発器を有する閉鎖形熱サイホンを備えている。

特許文献１は機械ハウジング内に回転子と固定子とを備えた機械を開示しており、その機械ハウジングはこのハウジング内の部材を冷却するための装置を含んでいる。この冷却装置は、機械の少なくとも一方の端面側に、ハウジング外にある凝縮器と、ハウジング内にある蒸発器と、凝縮器と蒸発器との間に延在する接続管とを備えており、このシステム内において熱サイホン効果に基づく冷媒循環が行なわれる。

独国特許出願公開第１０２４４４２８号明細書

本発明の基礎をなす課題は、超電導機械を冷却するための装置の冷却能力を改善することにある。

この課題は、液体冷媒を充填することができ、前記液体冷媒を蒸発させるための蒸発器を有する閉鎖形熱サイホンを備えた超電導機械の冷却装置において、液体冷媒に接することのできる蒸発器表面を拡大するための手段を設けたことによって解決される。

本発明は、超電導機械の冷却装置において必要な冷却能力を得るためには、使用可能な液体冷媒の絶対量が重要ではなくて、液体冷媒に接することのできる蒸発器表面の大きさが重要であるという認識に基づいている。液体冷媒に接することのできる蒸発器表面が大きいほど、ますます多くの冷媒が蒸発し、即ちますます多くの熱エネルギーが、この自由になる接液面を介して蒸発冷媒に伝達される。それゆえ、蒸発器の接液面の拡大によって超電導機械の冷却装置の使用可能な冷却能力を増大させることができる。

本発明による装置の有利な実施態様は従属請求項からもたらされる。

本発明の有利な実施態様によれば、蒸発器が超電導機械の回転子の内部に配置されている。従って、過剰の熱エネルギーを直接的に回転子から排出することができる。本発明によって達成される液体冷媒に接することのできる蒸発器表面の拡大は、本発明の特にこの実施態様の場合に有利である。何故ならば、一般的には、回転子の相対的に小さい寸法によって回転子の内部にある蒸発器の容積が制限され、従ってその蒸発器の表面積も制限されているからである。

蒸発器は、一般に空洞として構成されており、その空洞の境界を蒸発器表面として使用することができる。従って、液体冷媒の充填率に応じて、より大きな又はより小さな蒸発器表面を液体冷媒の蒸発のために使用することができる。この液体冷媒に接することのできる表面を、液体冷媒量を増す必要性なしに拡大するために、本発明の他の有利な実施態様によれば、液体冷媒に接することのできる蒸発器表面を拡大するための手段が、液体冷媒を押しのけるための少なくとも１つの押しのけ部材を有することが提案されている。それにより液体冷媒に接することのできる蒸発器表面を拡大すると同時に冷媒が節約される。

構造上の利点は、本発明の他の有利な実施態様に従って、蒸発器および少なくとも１つの押しのけ部材が筒状、特に円筒状に形成されていることによって得られる。このような形成は製造が簡単であり、それにもかかわらず液体冷媒を押しのけるために有効である。

本発明の他の実施態様によれば、液体冷媒に接することのできる蒸発器の表面が、熱伝達のために実際に利用可能な表面が拡大されるように形成された表面構造を有することが提案されている。それによって、液体冷媒に接することのできる蒸発器表面の格別に著しい拡大が達成されると同時に、構造的に少ない費用ですむ。

その場合に、本発明の他の有利な実施態様によれば、１次元の、特に溝状又は畝状の要素を有する表面構造が製造技術的に格別に簡単に実現可能である。

冷却能力をもっと高めるために、本発明の他の有利な実施態様によれば、表面構造が２次元の、特に孔状又はとげ状の要素を有する。

本発明の他の実施態様によれば、液体冷媒がネオンである。ネオンは、例えば高温超電導導体の冷却の場合に、格別に有利な動作点を可能にするが、しかし相対的に高価であるので、本発明によって達成される冷媒の低減が特に効力を発揮する。

以下において、概略的に図示された実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。

図１は超電導機械ならびに超電導機械の冷却装置の断面を概略図で示す。 図２は従来技術による蒸発器を概略図で示す。 図３は液体冷媒を押しのける押しのけ部材を備えた本発明よる装置の実施例を示す。 図４は熱伝達のために実際に使用可能な蒸発器表面が拡大された本発明による装置の他の実施例を示す。 図５は液体冷媒に接することのできる表面を拡大するための複数の異なる手段が使用されている本発明による装置の実施例を示す。

図１は、超電導機械１ならびにこの超電導機械１の冷却装置を概略図で示す。超電導機械１の縦軸に沿った断面が示されている。図１による実施例に示された超電導機械１は、回転電機、特に同期機、例えば電動機又は発電機である。これは固定子１０ならびに回転子６を有する。更にこれは固定子１０の収納および回転子６の支持のためのハウジング１１を有する。超電導機械１は閉鎖形熱サイホンによって冷却され、この熱サイホンは蒸発器４、凝縮器９、ならびに蒸発器４と凝縮器９との接続部材、例えば管継手を有する。蒸発器４、接続部材および凝縮器９は、液体冷媒３を収容するために設けられて閉鎖された容積部の境界をなす。蒸発器４は、液体冷媒３に接することのできる表面５を有し、この表面５を介して、回転子内で発生する排出されるべき熱エネルギーが冷媒３へ伝達される。その際に一般には冷媒３が、伝達された熱エネルギーによって、液体状態からガス状態へ移行させられ、即ち冷媒３が蒸発もしくは沸騰する。ガス状冷媒のより小さい密度に基づいてガス状冷媒は接続部材を介して測地学的により高い所に置かれた凝縮器９へ上昇し、そこで、吸収された熱エネルギーの放出によって再びガス状状態から液体状態へ移行させられる。このようにして再び液状にされた冷媒３が、重力に基づいて再び蒸発器４、特に蒸発器４における冷媒３に接することのできる表面３に還流する。従って、この種の冷却システムは、いわゆる熱サイホン効果を利用する。この冷却回路は上述の密度差もしくは重力によってのみ維持される。

図２は機械停止状態における超電導機械の蒸発器４の軸断面を示す。機械の他の部分は図２には示されていない。図２による蒸発器４は円筒状の横断面を有する。図示の蒸発器４は従来技術から公知である。蒸発器４は少なくとも部分的に液体冷媒３を充填されている。蒸発器４における液体冷媒３に接することのできるもしくは接している表面が参照符号５により示されている。

熱サイホンシステムにより超電導機械１を冷却する際に、必要な冷却能力を達成するためには、蒸発器４の或る定められた最小面積が液体冷媒３に接しなければならない。冷却段階中にしばしば膜沸騰によって制限される熱伝達と関連する蒸発器４の詳細なジオメトリに依存して、実際に設計された超電導機械においては、比較的多量の液体冷媒（例えば、ネオン、窒素等）が必要とされる。

今日において、この問題は一般に、単純に（通常水平方向に配置されている）円筒状に形成された蒸発器４内において十分な大きさの表面が冷媒と接し得る相応な量の冷媒３が充填されることによって解決される。一回限り充填されて閉鎖される熱サイホンシステムの構想を同時に維持する場合、この方法は室温環境において比較的大きな緩衝容器（圧力容器）を必要とする。冷却の遮断又は故障時に徐々に蒸発する冷媒３を、許容される圧力上昇のもとで、この緩衝容器内に吸収することができる。代替として、もちろん、冷媒の充填量を少なくすることによって、冷却過程が本来必要であるよりも長く続くことをあきらめることもできる。

図３は本発明による装置の実施例の蒸発器４を示す。蒸発器４は少なくとも部分的に液体冷媒３を充填されている。付加的な（有利であるのは円筒状の）押しのけ部材７によって、同じ蒸発器表面に接するために必要な液体量を著しく低減することができる。この装置は、蒸発器４における液体冷媒３に接することのできる表面５を拡大するための手段７，８として、液体冷媒３を押しのけるための押しのけ部材７を有する。押しのけ部材７によって、冷媒３に実際に接する蒸発器４の表面５が拡大されるように、蒸発器４内の液体冷媒３のために使用できる容積が制限される。

図４は本発明による装置の他の実施例の蒸発器４を示す。図３の実施例に対する代替又は追加として、適切な表面構造８を設けることによって、蒸発器表面自体の実際に有効な表面積を著しく拡大することができる。有利な実施態様は１次元の溝又は畝に似た構造であり、これにより簡単なやり方で表面を著しく拡大することができる（３〜５倍）。図示された実施例によれば、蒸発器４における液体冷媒３に接することのできる表面５を拡大するための手段７，８が、蒸発器表面の表面構造８としてとして形成されており、この表面構造８は熱伝達のために実際に利用可能な表面５が拡大されるように形成されている。図示された実施例における表面構造８は、１次元の、この場合には溝状又は畝状の要素を有する。２次元の若干複雑に形成された表面拡大のための代案（例えば、孔の形成又はとげ状構造）も有利であり、これらは有効表面のなおも大きな拡大を可能にする。

図５は、液体冷媒３に接することのできる蒸発器４の表面５を拡大するための組み合わせ手段７，８を有する本発明による装置の蒸発器４の他の実施例を示す。図５による実施例によれば、蒸発器４における液体冷媒３に接することのできる表面５を拡大するための図３による手段、即ち押しのけ部材７も、図４による手段、即ち表面構造８も組み合わされている。

この図示の本発明実施態様は、熱サイホン冷却回路の一部としての蒸発器４の或る定められた最小表面積に接するために必要な液体量の低減を可能にする。利点は、直接的にそれに付随して得られる、必要な緩衝容積の縮小化（典型的には数百リットルを約１０分の１にする）にあり、そしてそれにともなう占有スペースおよびコストの節減にある。熱サイホンシステムの実際の充填にかかるコストもそれによって低減される（より少ない冷媒３）。

要約するならば、本発明は、液体冷媒３を充填することができ、前記液体冷媒３を蒸発させるための蒸発器４を有する閉鎖形熱サイホンシステム２を備えた超電導機械の冷却装置１に関する。この装置の冷却能力を改善するために、液体冷媒３に接することのできる蒸発器４の表面５を拡大するための手段７，８が設けられている。

１ 超電導機械
２ 熱サイホンシステム
３ 液体冷媒
４ 蒸発器
５ 表面
６ 回転子
７ 押しのけ部材
８ 表面構造
１０ 固定子
１１ ハウジング

特許文献１は機械ハウジング内に回転子と固定子とを備えた機械を開示しており、その機械ハウジングはこのハウジング内の部材を冷却するための装置を含んでいる。この冷却装置は、機械の少なくとも一方の端面側に、ハウジング外にある凝縮器と、ハウジング内にある蒸発器と、凝縮器と蒸発器との間に延在する接続管とを備えており、このシステム内において熱サイホン効果に基づく冷媒循環が行なわれる。
特許文献２は、軸を中心として回転する回転子を有する機械を開示しており、その回転子の超電導巻線が、固定配置されて回転子空所内に突出する熱伝導体の中央冷媒空間に、巻線支持体および熱接触ガスを介して熱伝導結合されている。その冷媒空間は、それの側方に配置された管部材および機械の外側にある冷凍ユニットの凝縮器空間と共に、冷媒が熱サイホン効果に基づいて循環する管システムを構成している。回転子の斜め傾いた姿勢においても中央冷媒空間への冷媒供給を維持するために、冷媒空間には高い熱伝導性の多孔性材料、とりわけ焼結材料からなる内張が設けられている。

独国特許出願公開第１０２４４４２８号明細書 国際公開第２００６／０８２１９４号パンフレット

この課題は請求項１による特徴を有する装置によって解決される。即ち、「液体冷媒（３）を充填することができ、前記液体冷媒（３）を蒸発させるための蒸発器（４）を有する閉鎖形熱サイホン（２）を備えた超電導機械（１）の冷却装置において、液体冷媒（３）に接することのできる蒸発器（４）の表面（５）を拡大するための手段（７，８）を設け、前記手段（７，８）を、液体冷媒（３）を押しのけるための少なくとも１つの押しのけ部材（７）として構成したことを特徴とする装置。」によって解決される。

本発明は、超電導機械の冷却装置において必要な冷却能力を得るためには、使用可能な液体冷媒の絶対量が重要ではなくて、液体冷媒に接することのできる蒸発器表面の大きさが重要であるという認識に基づいている。液体冷媒に接することのできる蒸発器表面が大きいほど、ますます多くの冷媒が蒸発し、即ちますます多くの熱エネルギーが、この自由になる接液面を介して蒸発冷媒に伝達される。それゆえ、蒸発器の接液面の拡大によって超電導機械の冷却装置の使用可能な冷却能力を増大させることができる。
蒸発器は、一般に空洞として構成されており、その空洞の境界を蒸発器表面として使用することができる。従って、液体冷媒の充填率に応じて、より大きな又はより小さな蒸発器表面を液体冷媒の蒸発のために使用することができる。液体冷媒に接することのできる表面を、液体冷媒量を増す必要性なしに拡大するために、液体冷媒に接することのできる蒸発器表面を拡大するための手段が、液体冷媒を押しのけるための少なくとも１つの押しのけ部材を有することが提案されている。それにより液体冷媒に接することのできる蒸発器表面の拡大と同時に冷媒が節約される。

Claims (8)

1. 液体冷媒（３）を充填することができ、前記液体冷媒（３）を蒸発させるための蒸発器（４）を有する閉鎖形熱サイホン（２）を備えた超電導機械（１）の冷却装置において、液体冷媒（３）に接することのできる蒸発器（４）の表面（５）を拡大するための手段（７，８）を設けたことを特徴とする装置。
2. 蒸発器（４）を超電導機械（１）の回転子（６）の内部に配置したことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 液体冷媒に接することのできる蒸発器の表面を拡大するための手段（７，８）を、液体冷媒（３）を押しのけるための少なくとも１つの押しのけ部材（７）として構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 蒸発器（４）および少なくとも１つの前記押しのけ部材（７）を筒状、特に円筒状に形成したことを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 液体冷媒（３）に接することのできる蒸発器（４）の表面（５）を拡大するための手段（７，８）を、液体冷媒（３）に接することのできる蒸発器（４）の表面（５）の表面構造（８）として構成し、その表面構造（８）を、熱伝達のために実際に利用可能な表面が拡大されるように形成したことを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置。
6. 表面構造（８）が１次元の、特に溝状又は畝状の要素を有することを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 表面構造（８）が２次元の、特に孔状又はとげ状の要素を有することを特徴とする請求項５又は６記載の装置。
8. 液体冷媒（３）がネオンであ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。

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