JP2014180176A

JP2014180176A - 超伝導回転機

Info

Publication number: JP2014180176A
Application number: JP2013053870A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Okumura; 暢朗奥村
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-25

Abstract

【課題】運転開始時における起動不良の発生を防止する超伝導回転機を提供する。
【解決手段】このような超伝導回転機１００は、ステータコイル１１を支持するステータ１０と、超伝導材料を有し、ステータ１０に対して回転可能に設けられるロータ２０と、ステータ１０とロータ２０とを収容すると共に、ステータコイル１１及び超伝導材料を冷却する冷媒を収容する収容室３１を形成するインナーケース３０と、当該インナーケース３０を内包するように設けられ、インナーケース３０を真空断熱するアウターケース４０と、ロータ２０と一体回転するロータ軸２１をアウターケース４０に対して相対回転可能に支持する軸受部５０と、当該軸受部５０を支持するアウターケース４０の軸受支持部４６に接し、アウターケース４０の外側を向くフィン６１を有する熱交換部６０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導材料を有する超伝導回転機に関する。

従来、高効率及び小型化の観点から超伝導材料を有する超伝導回転機が用いられてきた。超伝導回転機にあっては、運転中、超伝導材料を超伝導状態にするために冷却しておく必要がある。このような超伝導材料の冷却を行う方法の一つとして、冷媒（例えば液体窒素）を用いる方法がある。ここで、冷媒を用いて超伝導材料を効率良く冷却するためには、冷媒が外気から断熱されるように構成しておくと好適である。このような技術として下記に出展を示す特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載の超電導回転電機（以下「超伝導回転機」とする）は、基体に保持された固定子と、固定子に対して回転可能に設けられ超電導材料（以下「超伝導材料」とする）を有する回転子と、回転子を保持する回転軸と、固定子を冷却させる冷却部と、固定子及び回転子を収容すると共に冷熱媒体を収容する収容室を形成する低温容器と、収容室の外側に配置され収容室を真空断熱させる真空断熱室と、基体のうち収容室以外で且つ大気を含む雰囲気に対面する部位に設けられ回転軸を回転可能に支持する軸受とを備えて構成される。これにより、冷媒を外部に逃がすことなく少ない熱侵入量で回転体から動力を取り出すことが可能となる。

特開２０１１−６７００６号公報

ここで、超伝導回転機は常時動作するシステムにおいて利用されるだけでなく、間欠動作するシステムにおいて利用することも想定される。このような間欠動作するシステムに特許文献１に記載の技術を用いると、回転体の停止中に、回転軸を介した熱伝導によりシール部及び軸受部が結露して凍結し、シール部のシールオイルや軸受の軸受グリスが凝固する可能性がある。係る場合、回転開始時における起動トルクが過大となり、超伝導回転機が起動不良となる可能性もある。また、凍結したシールオイル等によりシール部が損傷し、これにより超伝導回転機が故障する可能性もある。そこで、回転体の停止中においては、シール部や軸受を電気ヒータ等を用いて加熱しておくことが考えられるが、電力損失が大きくなり、高効率の観点から利用される超伝導回転機のメリットが低減する。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、運転開始時における起動不良の発生を防止する機能を備えた超伝導回転機を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超伝導回転機の特徴構成は、ステータコイルを支持するステータと、超伝導材料を有し、前記ステータに対して回転可能に設けられるロータと、前記ステータと前記ロータとを収容すると共に、前記ステータコイル及び前記超伝導材料を冷却する冷媒を収容する収容室を形成するインナーケースと、前記インナーケースを内包するように設けられ、前記インナーケースを真空断熱するアウターケースと、前記ロータと一体回転するロータ軸を前記アウターケースに対して相対回転可能に支持する軸受部と、前記軸受部を支持する前記アウターケースの軸受支持部に接し、前記アウターケースの外側を向くフィンを有する熱交換部と、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、超伝導回転機の運転停止時においては、熱交換部が収容室内の冷媒よりも暖かい外気に接するので、外気を利用して軸受部を温めることができる。このため、冷媒が結露することにより軸受部が固着したり、軸受部の軸受グリスが凝固したりすることを防止できる。したがって、超伝導回転機の運転開始時に起動トルクが過大とならないので、起動不良の発生を抑制できる。一方、超伝導回転機の運転時においては、軸受部に摩擦熱が発生する。このような摩擦熱が生じる軸受部は、運転中においては熱交換部を介して外気で冷却することができるので、軸受部の焼き付きを防止できる。このように本願発明にあっては、熱交換部が運転停止中の凍結防止と運転中の放熱とを両立し、これらに外気が利用されるので超伝導回転機の効率を悪化させることもない。

また、前記熱交換部が前記ロータ軸の軸方向両側に設けられ、前記フィンが前記ロータ軸の軸方向外側に向いていると好適である。

このような構成とすれば、軸受部とアウターケースの外側とを最短経路で接続することができるので、熱伝達経路を短くすることができる。したがって、軸受部の凍結防止効果及び放熱効果を高めることが可能となる。

また、前記熱交換部は、前記フィンが鉛直方向に延在するように形成されてあると好適である。

このような構成とすれば、熱交換後の冷たい空気がフィンに沿って下降し易くなり、暖かい空気が上昇し易くなる。したがって、熱交換後の空気の流れがフィンにより妨げられることがないので、熱交換効率が低下することを抑制できる。

超伝導回転機の断面図である。熱交換部の斜視図である。熱交換部の斜視図である。

本発明に係る超伝導回転機は、運転開始時における起動不良の発生を防止する機能を備えて構成される。以下、本実施形態の超伝導回転機１００について詳細に説明する。図１には、超伝導回転機１００の断面図が示される。超伝導回転機１００は、ステータ１０、ロータ２０、インナーケース３０、アウターケース４０、軸受部５０、熱交換部６０を備えて構成される。

ステータ１０は、ステータコイル１１を支持する。ステータコイル１１は、超伝導材料からなる線材をステータ１０の歯部（図示せず）に巻き回して形成され、外部に設けられる通電装置により通電されることで磁界を発生する。超伝導材料は臨界温度以下に冷却されると電気抵抗が大幅に低減する超伝導状態となる材料である。本実施形態では、超伝導材料として所謂「高温超伝導」が用いられ、臨界温度は液体窒素により実現される。このようなステータコイル１１を支持するステータ１０は、インナーケース３０の内壁面に固定される。

ロータ２０は、超伝導材料を有し、ステータ１０に対して回転可能に設けられる。ロータ２０は円板状の鋼板を軸方向に積層して円筒状に構成される。このように円筒状にした積層鋼板を軸方向にロッド２２が貫通され、軸方向両側からロータ支持板２３を介してナット２４により締結固定される。このような円筒状のロータ２０の径方向中央部には、当該ロータ２０を軸方向に貫通するロータ軸２１が設けられる。ロータ２０はロータ軸２１と一体回転するようロータ軸２１と同軸心上に固定される。

本実施形態では、ロータ軸２１は、ステンレス（例えばオーステナイト系ステンレス）からなる第１ロータ軸２１Ａと、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）からなる第２ロータ軸２１Ｂとを同軸心上に軸方向に延長して構成される。具体的には、ロータ２０の径方向中央部には機械的強度の観点から第１ロータ軸２１Ａが貫通される。ロータ２０の軸方向端面から後述するアウターケース４０までは熱伝導を低減させることを目的として第２ロータ軸２１Ｂが用いられる。アウターケース４０の外側では、機械的強度の観点から第１ロータ軸２１Ａが用いられる。このようにしてロータ軸２１が形成される。

ロータ２０における第１ロータ軸２１Ａよりも径方向外側の部分には、ロータ２０を軸方向に貫通し、ロータ２０の周方向に沿って所定の間隔を有して棒状の超伝導材料（超伝導磁石）２７が配置される。もちろん、ロータ２０自体を超伝導材料で形成することも可能である。このようなロータ２０は、ステータ１０の径方向内側であって、ステータ１０に対して所定のギャップを有して回転可能に設けられる。

インナーケース３０は、ステータ１０とロータ２０とを収容すると共に、ステータコイル１１及び超伝導材料を冷却する冷媒を収容する収容室３１を形成する。インナーケース３０は内側に空間を有する。この空間が収容室３１に相当する。ステータ１０とロータ２０とは当該収容室３１内に配置される。この収容室３１の中央部にはロータ軸２１が貫通するように設けられる。ここで、上述のようにロータ軸２１は回転する回転系となるが、インナーケース３０は回転しない静止系となる。このため、インナーケース３０においてロータ軸２１が貫通する部位にあっては、インナーケース３０とロータ軸２１（第２ロータ軸２１Ｂ）との間には所定の隙間を有するように構成される。もちろん、ロータ軸２１がインナーケース３０に対して回転可能なようにシール部材等を用いて構成することも可能である。

このような収容室３１の内部には、ステータ１０が支持するステータコイル１１及びロータ２０に設けられる超伝導材料を冷却する冷媒が導入される。本実施形態では、冷媒は上述の液体窒素が用いられる。これにより、ステータコイル１１及びロータ２０に設けられる超伝導材料を臨界温度以下に冷却しつつ、液体窒素を収容室３１内に滞留させ易くすることができる。なお、インナーケース３０には、外部から液体窒素を導入しつつ、気化した窒素を外部に排出する冷媒供給装置に接続される配管（図示せず）が設けられる。

アウターケース４０は、インナーケース３０を内包するように設けられ、インナーケース３０を真空断熱する。「インナーケース３０を内包するように」とは、収容室３１にステータ１０及びロータ２０を収容した状態のインナーケース３０を、外側から覆うことを意味する。また、アウターケース４０の内壁の天井部４１及び底部４２には、インナーケース３０を鉛直方向に支持する、断熱性の優れた材料からなる支持部４３，４４が設けられる。これにより、インナーケース３０をアウターケース４０に対して位置決めすることが可能となる。

ここで、図１に示されるようにロータ軸２１は、インナーケース３０から第２ロータ軸２１Ｂが突出するように設けられる。このようにインナーケース３０から突出して設けられる第２ロータ軸２１Ｂの一方に連結固定された第１ロータ軸２１Ａが、更にアウターケース４０から突出して設けられる（図１における左側部）。これにより、ロータ２０の回転に基づく回転力を外部に出力することが可能となる。

なお、インナーケース３０から突出して配置される第２ロータ軸２１Ｂの径方向外側には、第２ロータ軸２１Ｂが回転可能に第２ロータ軸２１Ｂの外周面に対して所定の隙間を有して円環状の円環状部７０，７１が設けられる。このような円環状部７０，７１によりインナーケース３０及びアウターケース４０がロータ軸２１の軸方向においても連結される。インナーケース３０、アウターケース４０、支持部４３，４４、及び円環状部７０，７１で囲まれた空間４９が形成され、当該空間４９は真空状態とされる。これにより、インナーケース３０内の収容室３１をアウターケース４０の外側（外気）に対して断熱することが可能となる。したがって、収容室３１に導入された液体窒素を気化し難くすることができるので、ステータ１０のステータコイル１１及びロータ２０の超伝導材料の冷却効果を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、ステータコイル１１に通電するためのリード線９１がアウターケース４０の外側から一旦空間４９に導入され、当該空間４９からインナーケース３０を挿通してステータコイル１１に接続される。このため、リード線９１がアウターケース４０を挿通する孔部４５はシール部材４７により液蜜的に封止され、リード線９１がインナーケース３０を挿通する孔部３３はシール部材３９により液蜜的に封止される。これにより、空間４９の真空状態を維持することが可能となる。

軸受部５０は、ロータ軸２１をアウターケース４０に対して相対回転可能に支持する。上述のようにインナーケース３０からロータ軸２１（第２ロータ軸２１Ｂ）が突出して設けられる。また、ロータ軸２１はロータ２０と一体回転する。一方、アウターケース４０は静止系であるインナーケース３０に固定される。このため、ロータ軸２１が、静止系となるアウターケース４０に対して相対回転できるように、アウターケース４０とロータ軸２１の外周面との間に軸受部５０が設けられる。本実施形態では、図１におけるロータ軸２１の軸方向右側にあっては軸受部５１が設けられ、図１におけるロータ軸２１の軸方向左側にあっては軸受部５２が設けられている例が示される。

熱交換部６０は、軸受部５０を支持するアウターケース４０の軸受支持部４６に接し、アウターケース４０の外側を向くフィン６１を有して構成される。アウターケース４０の軸受支持部４６とは、軸受部５０を支持するアウターケース４０の部位であり、具体的には軸受部５０のアウターレースが対向する部位である。本実施形態では、熱交換部６０はロータ軸２１の軸方向両側に設けられる。以下では、図１におけるロータ軸２１の軸方向左側に設けられる熱交換部６０には符号「６０Ｌ」を付して説明し、図１におけるロータ軸２１の軸方向右側に設けられる熱交換部６０には符号「６０Ｒ」を付して説明する。

なお、図１においては、熱交換部６０Ｌは軸受支持部４６がロータ軸２１の軸方向に沿って延在し、当該軸受支持部４６が熱交換部６０と一体的に形成されている例が示される。また、熱交換部６０Ｒはアウターケース４０にボルト９８により締結固定される例が示される。

図２には熱交換部６０Ｌの斜視図が示され、図３には熱交換部６０Ｒの斜視図が示される。夫々の熱交換部６０Ｌ，６０Ｒには、ロータ軸２１の軸方向外側を向いてフィン６１が形成されている。これにより、外気に対する熱交換部６０Ｌ，６０Ｒの表面積を大きくできるので、熱交換効率を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、熱交換部６０Ｌ，６０Ｒは、フィン６１が鉛直方向に延在するように形成される。ここで、空気は暖かい場合には鉛直上方へ移動し、冷えている場合には鉛直下方へ移動する。このため、フィン６１が鉛直方向に沿って立設しているので、空気の移動を妨げることがない。したがって、熱交換効率を向上させることが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、熱交換部６０がロータ軸２１の軸方向両側に設けられているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。熱交換部６０をロータ軸２１の軸方向一方の側にのみ設ける構成とすることも当然に可能である。

上記実施形態では、熱交換部６０のフィン６１が鉛直方向に延在するように形成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。フィン６１を鉛直方向以外の方向に延在するように形成することも当然に可能である。

上記実施形態では、熱交換部６０のフィン６１がアウターケース４０の外側を向いて設けられ、外気と熱交換を行うとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、熱交換部６０に、上記実施形態で説明したインナーケース３０に液体窒素を導入しつつ、インナーケース３０内の気化した窒素を外部に排出する冷媒供給装置のヒートポンプ部に金属プレートで接続するように構成することも可能である。冷媒供給装置は、超伝導回転機１００の停止中も液体窒素を液化しておくために動作状態とされるので、この熱を利用して熱交換を行うことが可能となる。

本発明は、超伝導材料を有する超伝導回転機に用いることが可能である。

１０：ステータ
１１：ステータコイル
２０：ロータ
２１：ロータ軸
３０：インナーケース
３１：収容室
４０：アウターケース
４６：軸受支持部
５０：軸受部
６０：熱交換部
６１：フィン
１００：超伝導回転機

Claims

ステータコイルを支持するステータと、
超伝導材料を有し、前記ステータに対して回転可能に設けられるロータと、
前記ステータと前記ロータとを収容すると共に、前記ステータコイル及び前記超伝導材料を冷却する冷媒を収容する収容室を形成するインナーケースと、
前記インナーケースを内包するように設けられ、前記インナーケースを真空断熱するアウターケースと、
前記ロータと一体回転するロータ軸を前記アウターケースに対して相対回転可能に支持する軸受部と、
前記軸受部を支持する前記アウターケースの軸受支持部に接し、前記アウターケースの外側を向くフィンを有する熱交換部と、
を備える超伝導回転機。
前記熱交換部が前記ロータ軸の軸方向両側に設けられ、前記フィンが前記ロータ軸の軸方向外側に向いている請求項１に記載の超伝導回転機。
前記熱交換部は、前記フィンが鉛直方向に延在するように形成されてある請求項１又は２に記載の超伝導回転機。