JP2013222928A

JP2013222928A - 超電導機器

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Publication number: JP2013222928A
Application number: JP2012095454A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Oyama; 仁尾山; Takeshi Niisato; 剛新里; Satoshi Arakawa; 聡荒川; Yuichi Nakamura; 悠一中村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2013-10-28

Abstract

【課題】超電導コイルを冷却することに起因する熱収縮による超電導機器の破損を防止する。
【解決手段】超電導コイルと、超電導コイルを保持する内槽容器１と、内槽容器１を取り囲むように配置された外槽容器２と、内槽容器１を外槽容器２に対して、相対的に移動可能に支持する支持部材３とを備える。これにより、超電導コイルを冷却することに起因する、熱収縮による超電導機器の破損を防止することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、超電導機器に関し、より特定的には、超電導コイルを有する超電導機器に関する。

従来、超電導線材を巻回して構成される超電導コイルが知られている（たとえば、特開２０１１−０９１０９４号公報（特許文献１）参照）。超電導コイルが超電導状態を維持するための条件の一つとして、超電導コイルをその臨界温度Ｔｃ以下に保持する必要がある。そのため、超電導コイルを格納した容器は、臨界温度Ｔｃ以下の温度の冷媒によって満たされ、該冷媒が循環するように構成される。

冷媒として、例えば液体窒素を用いた場合には、当該冷媒の温度を液体窒素の沸点（７７Ｋ）以下とする必要があるため冷凍機等が用いられるが、同時に、冷媒で満たされた上記容器（内槽容器）を真空断熱容器（外槽容器）内で保持することにより、冷却効率を高めることができる。

特開２０１１−０９１０９４号公報

しかしながら、上記のように、冷媒に満たされ超電導コイルが格納された内槽容器と、内槽容器を真空下で保持する外槽容器の二層構造においては、内槽容器と外槽容器との温度差に起因して、内槽容器もしくは外槽容器を変形させる力が加えられる。例えば、超電導機器を製造した後、内槽容器に冷媒を注入して実使用を開始する際には、冷媒が極めて低温に冷却されているために内槽容器のみが熱収縮する。その結果、内槽容器と外槽容器とを接続する接続部材が、内槽容器と外槽容器とに固着されている場合、当該接続部材に力が加わる。力を加えられた支持部材は、場合によっては変形し、これにより支持部材が破損する懸念もあった。また、上記熱収縮に起因する力により、内槽容器や外槽容器において接続部材と接続された部分が破損するという懸念もあった。

このとき、支持部材の強度は、内槽容器および外槽容器の材質により制限される。例えば、両容器がＦＲＰ（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ）よりなる場合には、支持部材の強度を上げただけでは、容器が変形してしまう。また、支持部材と内槽容器および外槽容器との接触面積を増すことにより支持強度を得ようとする場合には、支持部材を介して外槽容器から内槽容器へ熱侵入が大きくなり、超電導機器の冷却効率を低下させてしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、超電導コイルを冷却することに起因する熱収縮による超電導機器の破損を防止することである。

また、本発明の他の目的は、冷却効率の低下を抑制可能な超電導機器を提供することにある。

本発明に係る超電導機器は、超電導コイルと、超電導コイルを保持する内槽容器と、内槽容器を取り囲むように配置された外槽容器と、内槽容器を外槽容器に対して、相対的に移動可能に支持する支持部材とを備える。これにより、超電導コイルを冷却することに起因する熱収縮による超電導機器の破損を防止することができる。

内槽容器および外槽容器は、それぞれ支持部材と接触する摺動面を含み、該摺動面は、内槽容器の重心方向に延びてもよい。これにより、内槽容器が熱収縮した場合や、外槽容器が熱膨張した場合にも、容器変形に伴う歪みが支持部材に蓄積されるのを防ぐことができる。また、支持部材は、摺動面を挟んで内槽容器の角部と外槽容器の角部とが対向する位置に設けられてもよい。これにより、摺動面が内槽容器および外槽容器の角部以外に設けられた場合よりも、構造および組立方法を簡易にすることができる。さらに、摺動面は、支持部材を保持する凹部を有してもよい。これにより、超電導機器としての超電導モータに本発明を適用したときには内槽容器にかかるトルクによるロータ軸の回転方向への、外槽容器に対する内槽容器の相対的位置ずれを抑制できる。支持部材は、円柱状の形状とすることができ、あるいは球状の形状とすることもできる。これにより、支持部材を介した外槽容器から内槽容器への熱侵入を抑制することができる。

本発明に係る超電導機器は、内槽容器と外槽容器とを相対的に移動可能に支持する支持部材を備えるため、超電導コイルを冷却することに起因する熱収縮による超電導機器の破損を防止することができる。

本実施の形態に係る超電導機器の断面を示す概略図である。本実施の形態に係る超電導機器の内槽容器および外槽容器の内部を示す概略図である。図２に示す外槽容器の外観の斜視図である。本実施の形態に係る超電導機器の内槽容器および外槽容器の概略斜視図である。図４に示す矢印の方向から見た概略図である。図４における領域ＶＩの部分拡大図である。図１〜図６に示した超電導機器の変形例を示す部分拡大図である。図１〜図６に示した超電導機器の他の変形例を示す部分拡大図である。図１〜図６に示した超電導機器の別の変形例を示す概略図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

以下、図１〜図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。まず、本実施の形態に係る超電導機器の構成を説明する。図１〜図４に、本実施の形態に係る超電導機器が、超電導モータとして構成された場合を例示する。

図１を参照して、本発明による超電導機器１００は超電導モータであって、回転子であるロータ４０と、ロータ４０の周囲に配置された固定子であるステータ５０とを備える。ロータ４０は、図１の紙面に垂直な長軸方向に延びる回転軸１１８と、当該回転軸１１８と接続され、この回転軸１１８の周囲に配置されたロータ軸１１６と、ロータ軸１１６の外表面に等間隔で配置された４つの永久磁石１２０とを含む。ロータ軸１１６の外表面は、その断面形状が円弧状になっている。ロータ軸１１６の外表面の周方向において等間隔に配置された永久磁石１２０は、その断面形状が四角形状となっている。永久磁石１２０は、図１の紙面に垂直な方向に、回転軸１１８の延在方向に沿って伸びるように配置されている。永久磁石１２０としては、たとえばネオジウム系磁石、サマリウム系磁石、フェライト系磁石などを用いることができる。

ロータ４０の周囲には、図１に示すように超電導機器１００の固定子としてのステータ５０が配置されている。ステータ５０は、ステータヨーク１２１と、このステータヨーク１２１の内周側からロータ４０に向けて突出するように形成されたステータコア１２３と、このステータコア１２３の外周を囲むように配置された超電導コイル１０と、この超電導コイル１０を内部に保持する冷却容器２０とを含む。

ステータヨーク１２１は、ロータ軸１１６の外周を取囲むように配置されている。ステータヨーク１２１の内側表面はその断面形状（回転軸１１８の延在方向に対して垂直な平面における断面形状）が円弧状になっている。超電導コイル１０はステータヨーク１２１の円弧状の内表面に沿うように配置されている。冷却容器２０は、ステータコア１２３の一部が挿入された状態とできるように、超電導コイル１０の中心部に位置する領域に開口部を有している。すなわち、超電導コイル１０は、ステータコア１２３の外周を囲むように配置されている。

冷却容器２０は、冷媒１１７と超電導コイル１０とを内部に保持する内槽容器１と、この内槽容器１の外周を囲むように配置された外槽容器２とを含む。外槽容器２と内槽容器１との間には間隙が設けられ、当該間隙の内部は実質的に真空状態になっている。つまり冷却容器２０は断熱容器となっている。

異なる観点から言えば、図１を参照して、超電導機器１００は、超電導コイル１０を格納し、冷媒１１７が満たされた内槽容器１と、該内槽容器１を真空中に保持して、内槽容器１の外周囲に真空断熱層を形成する外槽容器２との二層構造を備える。内槽容器１および外槽容器２の材料としては、例えば、金属材やＦＲＰを用いてもよい。内槽容器１および外槽容器２の材料を、電気絶縁性を有するＦＲＰとした場合には、超電導コイル１０に交流電流を通電させたときにも、内槽容器１および外槽容器２に誘導電流が流れて発熱することはなく、超電導機器１００の冷却効率を向上できる。

内槽容器１は、冷媒１１７に浸漬させた超電導コイル１０を内部に格納可能とする任意の構造を採用できるが、図１〜図３に示すように、超電導機器１００が超電導モータとして構成される場合には、ステータ５０を構成する超電導コイル１０を格納する内槽容器１と外槽容器２とを、ステータ５０内に配置することができる。該ステータ５０は、ステータヨーク１２１と、このステータヨーク１２１の内周側からロータ４０に向けて突出するように形成されたステータコア１２３とを含み、超電導コイル１０は、上述のようにステータコア１２３の外周を囲むように配置できる。図１の超電導機器１００には、６つの超電導コイル１０が、６つのステータコア１２３の外周をそれぞれ取り囲むように配置されている。ステータコア１２３は内槽容器１および外槽容器２の外部に配置されている。

図２に、内槽容器１および外槽容器２の内部構造の概略図を示す。内槽容器１は、６つの超電導コイル１０を格納するとともに、各超電導コイル１０の中空部、かつ内槽容器１の外部にステータコア１２３を配置するように、構成することができる。このとき、外槽容器２は、内槽容器１と外槽容器外部とを真空断熱可能なように、構成できる。つまり、外槽容器２は内部を真空に保った状態で、内槽容器１を支持できる。これにより、外部の温度変化に対して内槽容器１内の温度制御を容易にすることができる。

内槽容器１と外槽容器２とを接続するように配置された部材としては、例えば、超電導コイル１０と外槽容器２外部とを電気的に接続するための電流リード、内槽容器１と外部冷凍機との間で冷媒を循環させるための冷媒配管、内槽容器１と外槽容器２との相対的な位置を規定するための支持部材などが挙げられる。図３を参照して、たとえば外槽容器２の端部には、上記電流リードと電気的に接続された端子４１や、上記冷媒配管から延びた外管６７、６８が配置される。

このとき、電流リードおよび冷却配管は、内槽容器１または外槽容器２の相対的な変形を許容可能なように構成されるのが好ましい。これは、超電導機器１００の運転開始時には、内槽容器１に冷媒を注入することにより内槽容器１は収縮し、超電導機器１００外部の環境温度の変化によっては外槽容器２が熱膨張あるいは収縮するためである。よって、例えば、冷却配管としてはベローズ配管等のフレキシブル管を採用するのが好ましい。また、電流リードと内槽容器１または外槽容器２との接続部には変形可能な接続構造を採用することが考えられる。この場合、電流リードおよび冷却配管は内槽容器１を支持することが可能な強度および構成を有さない。

その結果、支持部材は、上述のような容器の変形時にも十分な支持強度を有するのが好ましい。図４〜図７を参照して、本実施の形態に係る超電導機器１００において、支持部材３は、内槽容器１と外槽容器２とを、相対的に移動可能とするように支持することができる。具体的には、支持部材３は内槽容器１と外槽容器２とのそれぞれと摺動可能に接触した状態で配置されている。支持部材３は、その外観が実質的に円柱状である。支持部材３は、その中心軸（円柱状の支持部材３の延在方向に延びる中心軸）が、内槽容器１の重心に向かう方向に沿うように配置されている。また、支持部材３の上記中心軸が、内槽容器１および外槽容器２の摺動面（支持部材３と接触する面）と平行になるように、支持部材３は配置されている。

これにより、内槽容器１に冷媒を注入して内槽容器１が熱収縮した場合や、環境温度の変化によって外槽容器２が熱膨張した場合にも、支持部材３は内槽容器１と外槽容器２とを相対的に移動可能（摺動可能）に支持することで、容器変形に伴う歪みが支持部材３に蓄積されるのを防ぐことができる。また、内槽容器１および外槽容器２と支持部材３とは固着することなく摺動可能に接触しているので、内槽容器１および外槽容器２と支持部材３とが固定されている場合のように、内槽容器１および外槽容器２と支持部材３との接続部に、上記熱収縮などに起因する応力が集中するといった問題の発生を防止できる。

さらに、内槽容器１と外槽容器２とは、支持部材３と接触して摺動する摺動面を含み、該摺動面は内槽容器１の重心に向かって延びるように設けられるのが好ましい。例えば内槽容器１が収縮した場合に、収縮する方向は重心に向かう方向となる。このとき、内槽容器１が収縮する方向である重心に向かう方向に沿って摺動面が形成されていれば、当該摺動面に沿って内槽容器１と支持部材３（および外槽容器２）とが容易に移動できる。このように内槽容器１を支持部材３および外槽容器２に対して摺動可能とすることで、支持部材３への歪みの蓄積を効果的に抑制できる。なお、内槽容器１および外槽容器２の摺動面は、内槽容器１上および外槽容器２の表面上に直接形成されてもよいし、いずれかの容器と接続される別体の部材（たとえば図５に示した摺動面部材５）によって形成されてもよい。本発明においては、別体の部材によって形成された摺動面も、その別体の部材が内槽容器１に接続していれば、「内槽容器１の摺動面」と呼び、外槽容器２に接続していれば、「外槽容器２の摺動面」と呼ぶ。

また、上記支持部材３は、内槽容器１および外槽容器２のそれぞれの摺動面を挟んで内槽容器１の角部と外槽容器２の角部とが対向する位置に設けることができる。つまり、上記摺動面は、内槽容器１の重心に向かって延びるように、かつ、内槽容器１と外槽容器２との対向する角部に設けることができる。これにより、摺動面が内槽容器１および外槽容器２の角部以外に設けられた場合よりも、構造および組立方法を簡易にすることができる。このとき、上記のように摺動面を構成できる位置は、図１〜図５に示すような構造の内槽容器１および外槽容器２を用いる場合には、２箇所存在する。

すなわち、上記摺動面を配置できる位置の一つは、図４および図５を参照して、外槽容器２の端面６５、６６と、外槽容器２の内周側側壁との接合部である角部であり、もう一つは、図８および図９を参照して、外槽容器２の外周筺体６４と、ステータコア１２３（図１参照）を配置するための開口部の側壁７１との接合部である角部である。

支持部材３と摺動面とを、図４および図５の構成としたときの、支持部材３の組立方法は、例えば次の方法を採ることができる。まず、内槽容器１と、内槽容器１の外周囲に真空断熱領域を有するように構成され、組み立てられた外槽容器２とを準備する。このとき、外槽容器２の両端面６５，６６は封止されていない状態である。次に、内槽容器１と外槽容器２とを、外槽容器２の一方の端面を底面として直立させ、頂面となった側の内槽容器１の内周角部に支持部材３を配置する。次に、支持部材３を挟んで、内槽容器１の摺動面と対向する外槽容器２の摺動面を形成するように、摺動面部材５を配置する。摺動面部材５を配置した後、端面（たとえば端面６５または端面６６）を封止する。このとき、支持部材３は、内槽容器１の摺動面または外槽容器２の摺動面の一方と固着してもよい。さらに、他方の端面に対しても同様の方法で支持部材３を組み立てることができる。

一方、支持部材３と摺動面とを、図８および図９の構成としたときの、支持部材３の組立方法は、例えば次の方法を採ることができる。まず、内槽容器１と、内槽容器１の外周囲に真空断熱領域を有するように構成され、組み立てられた外槽容器２とを準備する。このとき、外槽容器２の外周筺体６４は封止されていない状態である。次に、内槽容器１と外槽容器２とを外槽容器２の一方の端面を底面として直立させ、外槽容器２の外周筺体６４側でかつ超電導機器１００の重心側角部（外周筺体６４と側壁７１との接合部である角部）に摺動面部材５を配置する。摺動面部材５は内槽容器１の摺動面と対向する外槽容器２の摺動面を形成する。例えば、組み合わせることで円環状となる半円状の２つの摺動面部材５を用いることができる。次に、内槽容器１の摺動面と、摺動面部材５の摺動面との間に、支持部材３を配置する。支持部材３を配置した後、外槽容器２の外周筺体６４を封止する。このときも、支持部材３は、内槽容器１の摺動面または外槽容器２の摺動面の一方と固着してもよい。さらに、他方の端面に対しても同様の方法で支持部材３を組み立てることができる。

なお、摺動面部材５の材料としては、任意の材料を採用できるが、好ましくは、外槽容器２と熱膨張係数が同等な材料とする。これにより、上述のような容器の熱収縮または熱膨張が起きた際に、外槽容器２と摺動面部材５との界面での応力発生を抑制することができる。

支持部材３は、好ましくは、上述のように円柱状の形状を有する。この場合、円柱の軸方向は、すでに述べたように上記摺動面と並行に、かつ、超電導機器１００の重心に向かう方向に向くよう設けられることが好ましい。また、図７を参照して、支持部材３は、球状の形状を有してもよい。これにより、支持部材３と、内槽容器１および外槽容器２との接触面積を小さく抑え、支持部材３を介して外槽容器２から内槽容器１への熱侵入を抑制することができる。

さらに、図６および図７を参照して、上記摺動面は、支持部材３を保持する凹部４を有してもよい。凹部４は、内槽容器１の摺動面および外槽容器２の摺動面の少なくとも一方に設けてもよい。凹部４は、支持部材３の形状に合わせて、内槽容器１の重心方向への内槽容器１と外槽容器２との相対的な摺動を妨げず、かつ、摺動可能な方向に対し垂直方向には支持部材３が移動できないように設けることができる。特に、本実施の形態のように、超電導機器１００としての超電導モータに本発明を適用したときには内槽容器１にトルクがかかるが、凹部４を設けることにより、ロータ軸１１６の回転方向への、外槽容器２に対する内槽容器１の相対的位置ずれを抑制できる。

以上のように、本実施の形態に係る超電導機器は、内槽容器１と外槽容器２とを摺動可能に支持する支持部材を備えることにより、支持部材の変形を抑制し、支持部材の強度低下を抑制できる。さらに、内槽容器１と外槽容器２の摺動面は、内槽容器１の重心方向に延びているため、熱変形に起因して支持部材や内槽容器１、外槽容器２などに応力が加えられることを抑制できる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲のすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の超電導機器は、超電導モータに、特に有利に適用される。

１内槽容器、２外槽容器、３支持部材、４凹部、５摺動面部材、１０超電導コイル、２０冷却容器、４０ロータ、５０ステータ、６４外周筺体、６５，６６端面、６７，６８外管、７１側面、１１６ロータ軸、１１７冷媒、１１８回転軸、１２０永久磁石、１２１ステータヨーク、１２３ステータコア。

Claims

超電導コイルと、
前記超電導コイルを保持する内槽容器と、
前記内槽容器を取り囲むように配置された外槽容器と、
前記内槽容器を前記外槽容器に対して、相対的に移動可能に支持する支持部材とを備える、超電導機器。
前記内槽容器および前記外槽容器は、それぞれ前記支持部材と接触する摺動面を含み、
前記摺動面は、前記内槽容器の重心方向に延びる、請求項１に記載の超電導機器。
前記支持部材は、前記摺動面を挟んで前記内槽容器の角部と前記外槽容器の角部とが対向する位置に設けられた、請求項２に記載の超電導機器。
前記摺動面は、前記支持部材を保持する凹部を有する、請求項２または請求項３に記載の超電導機器。
前記支持部材は、円柱状の形状を有する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の超電導機器。
前記支持部材は、球状の形状を有する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の超電導機器。