JP2016063708A - 超電導コイル冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を用いずに、一般的な（回転可能な特殊な冷凍機でない）超電導コイルを冷却するための能力を有する冷凍機を外部に固定した状態で、ロータの超電導コイルを冷却する、超電導コイル冷却装置を提供する。【解決手段】超電導コイル冷却装置は、各超電導コイル４を内包し、内部を真空状態とする第１真空容器１１と、回転機の外部に固定された第２真空容器１２と、第２真空容器１２内部に固定されたコールドヘッド１５に取付板１６を介して取り付けられたコネクタ１７と、回転自在の状態で、第２真空容器１２内部に一部が挿入され、端面がコネクタ１７と接する継シャフト１３と、継シャフト１３の内径側に嵌合された伝熱シャフトと、伝熱シャフト１３と各超電導コイル４とに介設される冷却用伝熱部１８とを備え、取付板１６、コネクタ１７、伝熱シャフト１３、及び、冷却用伝熱部１８は、熱伝導体で構成されるものとする。【選択図】図１

Description

本発明は、ロータに超電導コイルを用いた界磁超電導回転機に関する。

界磁超電導回転機の実現に必要な低温を得る方法として、
（１）回転機全体を液体窒素などの寒剤（冷媒）に漬ける（下記特許文献１）。
（２）回転子の軸の内部に冷媒の通路を設け、ポンプで加圧して送り込む（下記特許文献２）。
（３）冷凍機で冷媒を凝固するまで冷却する（下記特許文献３）。
などの方法が開示されている。

しかしながら、上記（１）〜（３）のそれぞれの方法に課題があり、寒剤（冷媒）を使用した冷却方法では、回転子を簡便に、効率よく、高い信頼性を持って冷却することができなかった（詳細は下記特許文献４の［０００５］，［０００７］参照）。

そのため、下記特許文献４，５では、ロータと共通の中心軸を有する冷凍機を備え、この中心軸を中心にロータと一体で冷凍機を回転させる界磁超電導回転機が提案されている。

下記特許文献４，５で提案されている界磁超電導回転機では、熱伝導により効率よく冷却されるため、回転機の内部に冷媒を使用する必要がなく、効率よく、信頼性の高い冷却が可能となり、また、冷凍機の性能に応じて液体窒素の温度よりも低温での冷却が可能となる。

特開平６−１６５４７８号公報 特開２００５−２２４０２２号公報 特開２００５−２３７０６０号公報 特開２０１０−９３８８６号公報 特許３５１５１１８号公報

上記特許文献１，２で提案されている界磁超電導回転機では、冷凍機ロータと一体で回転させているが、一般的に、極低温冷凍機は対称な回転軸を有さず、回転する環境での動作に適していないため、上記特許文献２に示されるように、回転可能な特殊な冷凍機（線形モータアセンブリによって往復運動をするピストン／熱交換器によって、低温ヘッドが冷却される構造）を用いなければならない。

そこで本発明では、冷媒を用いずに、一般的な（回転可能な特殊な冷凍機でない）超電導コイルを冷却するための能力を有する冷凍機を外部に固定した状態で、界磁超電導回転機のロータに配設された超電導コイルを冷却することができる、超電導コイル冷却装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る超電導コイル冷却装置は、
界磁超電導回転機のロータに配設された複数の超電導コイルを冷却する冷却装置であって、
各前記超電導コイルを内包し、内部を真空状態とする第１真空容器と、
前記回転機の外部に固定された第２真空容器と、
前記第２真空容器内部に固定されたコールドヘッドに取付板を介して取り付けられたコネクタと、
回転自在の状態で、前記第２真空容器内部に一部が挿入され、端面が前記コネクタと接する前記回転機のシャフトに連結された継シャフトと、
前記継シャフトの内径側に嵌合された伝熱シャフトと、
前記伝熱シャフトと各前記超電導コイルとに介設される冷却用伝熱部とを備え、
前記取付板、前記コネクタ、前記伝熱シャフト、及び、前記冷却用伝熱部は、熱伝導体で構成されることを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る超電導コイル冷却装置は、
上記第１の発明に係る超電導コイル冷却装置において、
さらに、
前記第２真空容器内部における前記継シャフトの挿入部分に対応する位置に配設され、前記第２真空容器内部を真空状態に保つようにシールする、非接触式の回転シールと、
前記継シャフトの端部に配設された継シャフト延長ディスクの前記コールドヘッド側端面全体に、配設された案内板とを備え、
前記案内板は、非熱伝導体で構成されることを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る超電導コイル冷却装置は、
上記第１又は２の発明に係る超電導コイル冷却装置において、
複数の前記冷凍機が並列に配設されることを特徴とする。

本発明に係る超電導コイル冷却装置によれば、冷媒を用いずに、一般的な（回転可能な特殊な冷凍機でない）超電導コイルを冷却するための能力を有する冷凍機を固定した状態で、界磁超電導回転機のロータに配設された超電導コイルを冷却することができる。

本発明の実施例１に係る超電導コイル冷却装置を備える界磁超電導回転機の断面図である。 図１のＡ部分の拡大図である。

本発明に係る超電導コイル冷却装置は、界磁超電導回転機のロータに配設された複数の超電導コイルを冷却する冷却装置である。以下、本発明に係る超電導コイル冷却装置を、実施例により図面を用いて説明する。

［実施例１］
本発明の実施例１に係る超電導コイル冷却装置の構成について、図１，２を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係る超電導コイル冷却装置を備える界磁超電導回転機の断面図である（ただし、一部断面視でない部分もある）。また、図２は、図１のＡ部分の拡大図である。

まず、図１に示す界磁超電導回転機は、従来の、ロータコア１、シャフト２、ブラケット３ａ，３ｂ、及び、複数の超電導コイル４に加えて、本発明の実施例１に係る超電導コイル冷却装置を備えている。

本発明の実施例１に係る超電導コイル冷却装置は、第１真空容器１１、第２真空容器１２、伝熱シャフト１３、継シャフト１３ｂ、回転シール１４、コールドヘッド１５、取付板１６、コネクタ１７、冷却用伝熱部１８、及び、案内板１９を備えている。

第１真空容器１１は、界磁超電導回転機のロータに配設された各超電導コイル４を内包し、内部が真空状態となっている。また、第１真空容器１１は、熱伝導率の低いステンレス（非熱伝導体）で構成される。

第２真空容器１２は、界磁超電導回転機の軸方向外側、すなわちブラケット３ａの軸方向外側端面に固定され、内部が真空状態となっている。また、第２真空容器１２は、継シャフト延長ディスク１３ａを内包している。さらに、第２真空容器１２は、熱伝導率の低いステンレスで構成される。

伝熱シャフト１３は、ブラケット３ａを貫通するように、軸方向一端がシャフト２と同軸上に連結されており、回転自在の状態で、第２真空容器１２の内部に一部が挿入され、軸方向他端の端面が後述するコネクタ１７と接する。また、継シャフト１３ｂは、その内周側に伝熱シャフト１３を嵌合するように配置されており、熱伝導率を低くするために真空断熱した鉄で構成され、回転シール１４との間の寒冷を断熱している。

そして、伝熱シャフト１３のコネクタ１７側先端部は、円盤状に拡径された継シャフト延長ディスク１３ａが配設されている。なお、伝熱シャフト１３及び継シャフト延長ディスク１３ａは、熱伝導率の高いアルミニウム又は銅（熱伝導体）で構成される（重量を考慮するとアルミニウムの方が好ましい）。

回転シール１４は、第２真空容器１２の内部における継シャフト１３ｂの挿入部分に対応する位置に配設され、第２真空容器１２の内部を真空状態に保つようにシールする。

すなわち、回転シール１４は、固定される第２真空容器１２に対し継シャフト１３ｂを回転自在に接続する、真空用のシールであり、磁性流体シールなどの非接触式のシールが好ましい。

コールドヘッド１５は、冷凍機（図示せず）で得られた低温を熱伝導する部分で、第２真空容器１２の内部に固定されており、コネクタ１７及び取付板１６によって伝熱シャフト１３の端部と連結している。また、超電導コイル４を冷却する能力に合わせて冷凍機を複数台に併設（設置）することもできる。

取付板１６は、コールドヘッド１５にコネクタ１７を取り付けるために、コールドヘッド１５の先端に固定されており、熱伝導率の高い銅で構成される。

コネクタ１７は、伝熱シャフト１３と取付板１６との間に配置され、回転機の回転部分と固定部分とを接続する役割を担っている。すなわち、コネクタ１７は、取付板１６を介してコールドヘッド１５に取り付けられ、回転する伝熱シャフト１３（継シャフト延長ディスク１３ａ）に押し当てられて、その接点から熱伝導される。

また、コネクタ１７は、円盤形状であり、構成材料には、摩擦係数の少ないものとして、例えばカーボン（熱伝導体）がよく、さらに、熱伝導率の高いグレードのカーボンが好適である。

冷却用伝熱部１８は、伝熱シャフト１３と各超電導コイル４とに介設されており、熱伝導率の高い銅又はアルミで構成される。なお、各超電導コイル４との連結部分近傍は、第２真空容器１２の内部に挿入されている状態としてもよい（図１参照）。

本発明の実施例１に係る超電導コイル冷却装置は、上述のように、コールドヘッド１５と各超電導コイル４との間を熱伝導率の高い材料で構成し、さらに、超電導コイル４などの極低温に冷やされる部材は真空容器１１，１２の内部に格納され、コールドヘッド１５から超電導コイル４までが熱的に接続され、超電導コイル４を効率的に冷却することができ、超電導コイル４に大電流を流すことが可能となる。

また、真空容器１１，１２の内部に、コールドヘッド１５から超電導コイル４までの極低温部を格納する構造としている。この真空容器１１，１２によって、極低温部がロータコア１及びシャフト２などの常温部から熱的に隔離される。

さらに、案内板１９は、熱伝導率の低い、薄いステンレス板であり、継シャフト１３より拡径された継シャフト延長ディスク１３ａのコールドヘッド側端面全体に配設されている。これにより、図２中の白抜き矢印で示すように、寒冷の流れが曲がる構造となり、寒冷に弱い回転シール１４と極低温部となるコネクタ１７や継シャフト１３ｂとの距離を延長することができ、熱勾配を得られやすい構造としている。

上述のように、本発明の実施例１に係る超電導コイル冷却装置では、継シャフト延長ディスク１３ａに案内板１９を配設し、寒冷の流れを曲げる構造によって熱勾配を設けることで、寒冷に弱い部材（回転シール１４）の信頼性を向上することができる。

以上、本発明の実施例１に係る超電導コイル冷却装置について説明したが、本発明の実施例１に係る超電導コイル冷却装置は、上記構成とすることで、冷媒を必要とせず、冷凍機からの寒冷を熱伝導のみでロータの超電導コイルを冷却することができ、また、冷凍機を固定してロータの超電導コイルを冷却することができ、さらに、特殊な冷凍機を用いる必要がなく、一般的な（回転可能な特殊な冷凍機でない）超電導コイルを冷却するための能力を有する冷凍機を使うことができる。

また、本発明の実施例１に係る超電導コイル冷却装置は、冷凍機を軸対称に設置するなどの制約がないので、冷凍機を複数台並べることで、簡単に冷凍能力を上げることができる。また、複数台の冷凍機を並列に設置することで、界磁超電導回転機の動作を停止させずに、冷凍機のメンテナンスが可能となる。

本発明は、界磁超電導回転機の超電導コイル冷却装置として好適である。

１ ロータコア
２ シャフト
３ａ，３ｂ ブラケット
４ 超電導コイル
１１ 第１真空容器
１２ 第２真空容器
１３ 伝熱シャフト
１３ａ 継シャフト延長ディスク
１３ｂ 継シャフト
１４ 回転シール
１５ 冷凍機
１６ 取付板
１７ コネクタ
１８ 冷却用伝熱部

Claims (3)

1. 界磁超電導回転機のロータに配設された複数の超電導コイルを冷却する冷却装置であって、
   各前記超電導コイルを内包し、内部を真空状態とする第１真空容器と、
   前記回転機の外部に固定された第２真空容器と、
   前記第２真空容器内部に固定されたコールドヘッドに取付板を介して取り付けられたコネクタと、
   回転自在の状態で、前記第２真空容器内部に一部が挿入され、端面が前記コネクタと接する前記回転機のシャフトに連結された継シャフトと、
   前記継シャフトの内径側に嵌合された伝熱シャフトと、
   前記伝熱シャフトと各前記超電導コイルとに介設される冷却用伝熱部とを備え、
   前記取付板、前記コネクタ、前記伝熱シャフト、及び、前記冷却用伝熱部は、熱伝導体で構成されることを特徴とする、超電導コイル冷却装置。
2. さらに、
   前記第２真空容器内部における前記継シャフトの挿入部分に対応する位置に配設され、前記第２真空容器内部を真空状態に保つようにシールする、非接触式の回転シールと、
   前記継シャフトの端部に配設された継シャフト延長ディスクの前記コールドヘッド側端面全体に、配設された案内板とを備え、
   前記案内板は、非熱伝導体で構成されることを特徴とする、請求項１に記載の超電導コイル冷却装置。
3. 複数の前記冷凍機が並列に配設されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超電導コイル冷却装置。

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