JP2022102679A - Rotating machine cooling system, and cooling system for superconducting devices - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、回転機械の冷却システム、及び、超伝導デバイスの冷却システムに関する。 The present disclosure relates to a cooling system for rotating machinery and a cooling system for superconducting devices.
電気回路に用いられる導電体の電気抵抗値は、電気回路の性能に影響を与える重要な物性の一つである。この種の導電体の一つとして、超伝導体は極低温環境下において電気抵抗値が大きく低下するため、極めて優れた導電性を有する素材として注目されている。例えば、YBCO系やBSCCO系のような高温超伝導体は、常伝導状態から超伝導状態への転移温度が大気圧における液体窒素の沸点(77K)より高く、液体ヘリウムに比べて取り扱いが容易でコストが安い液体窒素によって超伝導状態を実現できるため、様々な用途への活用が期待されている。 The electric resistance value of a conductor used in an electric circuit is one of the important physical properties that affect the performance of the electric circuit. As one of these types of conductors, superconductors are attracting attention as materials having extremely excellent conductivity because their electric resistance values are greatly reduced in an extremely low temperature environment. For example, high-temperature superconductors such as YBCO and BSCCO have a transition temperature from the normal conduction state to the superconducting state higher than the boiling point (77K) of liquid nitrogen at atmospheric pressure, and are easier to handle than liquid helium. Since liquid nitrogen, which is inexpensive, can realize a superconducting state, it is expected to be used for various purposes.
超伝導デバイスの実現のためには、超伝導体の超伝導状態を安定的に維持するための冷却システムが必要である。この種の冷却システムの一例として、特許文献1では、液体冷媒槽に貯留された液体冷媒の一部を蒸発させることにより、潜熱を利用した冷却が可能な冷却装置が提案されている。 In order to realize a superconducting device, a cooling system for stably maintaining the superconducting state of the superconductor is required. As an example of this type of cooling system, Patent Document 1 proposes a cooling device capable of cooling using latent heat by evaporating a part of the liquid refrigerant stored in the liquid refrigerant tank.
ところで、静止系に対して回転可能な回転部を備える回転機械において、回転部に含まれる電気回路の少なくとも一部を超伝導回路で構成する超伝導デバイスでは、超伝導回路を冷却するために回転部に対して冷媒を供給する必要がある。この場合、冷媒を供給するための冷媒供給路は、静止系から回転部に至るまで設けられるため、仮に上記特許文献1のように液体状態にある冷媒を供給すると、冷媒が外部に漏洩した際に気化によって大幅に体積が膨張し、周辺構成の破損などの不具合を招く可能性がある。 By the way, in a rotating machine provided with a rotating portion that can rotate with respect to a stationary system, in a superconducting device in which at least a part of an electric circuit included in the rotating portion is composed of a superconducting circuit, the superconducting device rotates to cool the superconducting circuit. It is necessary to supply the refrigerant to the part. In this case, since the refrigerant supply path for supplying the refrigerant is provided from the stationary system to the rotating portion, if the refrigerant in a liquid state is supplied as in Patent Document 1, when the refrigerant leaks to the outside. Due to the vaporization, the volume expands significantly, which may lead to problems such as damage to the peripheral configuration.
本開示の少なくとも一態様は上述の事情に鑑みなされたものであり、冷媒が漏洩した際の不具合発生を防止しつつ、優れた冷却性能を有する回転機械の冷却システム、及び、超伝導デバイスの冷却システムを提供することを目的とする。 At least one aspect of the present disclosure has been made in view of the above circumstances, and is used to cool a rotating machine cooling system and a superconducting device, which have excellent cooling performance while preventing the occurrence of problems when a refrigerant leaks. The purpose is to provide a system.
本開示の一態様に係る回転機械の冷却システムは、上記課題を解決するために、
超伝導回路を含む回転部を有する回転機械の冷却システムであって、
液体窒素を貯留可能な第1タンクと、
前記液体窒素から生成された窒素ガスを前記超伝導回路に供給するための窒素ガス供給路と、
を備える。
The rotary machine cooling system according to one aspect of the present disclosure is to solve the above problems.
A cooling system for rotating machinery that has a rotating part that includes a superconducting circuit.
The first tank that can store liquid nitrogen and
A nitrogen gas supply path for supplying nitrogen gas generated from the liquid nitrogen to the superconducting circuit,
To prepare for.
本開示の一態様に係る超伝導デバイスの冷却システムは、上記課題を解決するために、
超伝導回路を含む超伝導デバイスの冷却システムであって、
液体窒素を貯留可能な第1タンクと、
前記液体窒素から生成された窒素ガスを前記超伝導回路に供給するための窒素ガス供給路と、
を備える。
The cooling system for the superconducting device according to one aspect of the present disclosure is to solve the above problems.
A cooling system for superconducting devices, including superconducting circuits.
The first tank that can store liquid nitrogen and
A nitrogen gas supply path for supplying nitrogen gas generated from the liquid nitrogen to the superconducting circuit,
To prepare for.
本開示の少なくとも一態様によれば、冷媒が漏洩した際の不具合発生を防止しつつ、優れた冷却性能を有する回転機械の冷却システム、及び、超伝導デバイスの冷却システムを提供できる。 According to at least one aspect of the present disclosure, it is possible to provide a cooling system for a rotating machine and a cooling system for a superconducting device, which have excellent cooling performance while preventing the occurrence of defects when a refrigerant leaks.
以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
Hereinafter, some embodiments of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described as embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present disclosure to this, and are merely explanatory examples. do not have.
For example, expressions that represent relative or absolute arrangements such as "in one direction", "along a certain direction", "parallel", "orthogonal", "center", "concentric" or "coaxial" are exact. Not only does it represent such an arrangement, but it also represents a tolerance or a state of relative displacement at an angle or distance to the extent that the same function can be obtained.
For example, expressions such as "same", "equal", and "homogeneous" that indicate that things are in the same state not only represent exactly the same state, but also have tolerances or differences to the extent that the same function can be obtained. It shall also represent the existing state.
For example, an expression representing a shape such as a square shape or a cylindrical shape not only represents a shape such as a square shape or a cylindrical shape in a geometrically strict sense, but also an uneven portion or a chamfering within a range where the same effect can be obtained. It shall also represent the shape including the part and the like.
On the other hand, the expressions "to have", "to have", "to have", "to include", or "to have" one component are not exclusive expressions that exclude the existence of other components.
まず図1を参照して、冷却システム100の冷却対象である回転機械1の全体構成について説明する。図1は一実施形態に係る回転機械1の全体構成を概略的に示す断面図である。尚、本実施形態では回転機械1の一例として超電導モータについて説明するが、回転機械1は、静止系に対して回転可能な回転部を備える任意の機器であってもよい。 First, with reference to FIG. 1, the overall configuration of the rotary machine 1 to be cooled by the cooling system 100 will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an overall configuration of a rotary machine 1 according to an embodiment. Although the superconducting motor will be described as an example of the rotary machine 1 in the present embodiment, the rotary machine 1 may be any device provided with a rotating portion that can rotate with respect to the stationary system.
回転機械1は、静止系であるステータ2と、ステータ2に対して回転可能な回転部4a(図2を参照)を含む超伝導ロータ4と、を備える。ステータ2及び超伝導ロータ4は、モータケーシング3内において、互いに所定のクリアランスを介して対向配置される。超伝導ロータ4は回転軸Cを中心に回転可能であり、図2を参照して後述するように、モータケーシング3に対して軸受6a、6b、6cによって支持される。
The rotating machine 1 includes a
図2は図1の超電導ロータ4の中心軸Cに沿った断面構造図であり、図3は図2のかご形導体13を単体で示す斜視図である。
FIG. 2 is a cross-sectional structural view along the central axis C of the
図2に示すように、超電導ロータ4は、中心軸Cに対して回転可能な回転部4aと、モータケーシング4に対して静止する静止部4bとを有する。回転部4aは、ロータコア12と、ロータコア12に取り付けられるかご形導体13とを備える。ロータコア12は、例えば鉄等の磁性体を含んで構成され、回転軸Cに垂直な端面間を貫通するように構成された複数のスロット12aを有する。複数のスロット12aは、かご形導体13が有する複数の超電導バー14がそれぞれ挿入されることで、ロータコア12に対してかご形導体13が支持される。
As shown in FIG. 2, the
ロータコア12に設けられる複数のスロット12aの内径は、複数の超電導バー14の外径より大きく形成されている。これにより、複数のスロット12aの内表面と複数の超電導バー14の外表面との間には、複数のスロット12aに挿入された複数の超電導バー14を冷却するための冷媒が流れる流路(後述の冷媒流路10c)が確保されている。
The inner diameter of the plurality of
図3に示すように、かご形導体13は、超伝導回路8の一例であり、回転軸Cに沿って延在する複数の超伝導バー14と、複数の超伝導バー14の両端をそれぞれ接続する一対の超伝導エンドリング16a、16bと、を含んで構成される。超伝導バー14及び一対の超伝導エンドリング16a、16bは、例えば、超電導材料が長尺状に成型された超伝導テープ線材が積層されることにより構成される。かご形導体13のうち複数の超伝導バー14は、図2を参照して前述したように、ロータコア12に形成された複数のスロット12aにそれぞれ挿通された状態で、複数のスロット12a内を流れる冷媒によって冷却される。また一対の超電導エンドリング16a、16bは、図2では図示が省略されているが、冷媒流路10b、10dに収容されることにより、冷媒流路10b、10dを流れる冷媒によって冷却される。
As shown in FIG. 3, the cage-
図2に戻って、かご形導体13が取り付けられたロータコア12は、中心軸Cに沿った両端側においてトルクチューブ17を介して、超電導ロータ4の外殻を構成するロータケーシング23とともに、出力軸19に連結されている。出力軸19及びロータケーシング23はそれぞれ軸受6a、6bを介して、静止系であるモータケーシング3(図1を参照)に対して回転可能に支持される。
Returning to FIG. 2, the
超伝導ロータ4は、超伝導回路8を冷却するための冷却流路10を有する。冷却流路10は、超電導ロータ4のうち回転部4aから静止部4bにわたって設けられることにより、超電導回路8を含む回転部4aに対して、外部から冷媒を供給可能に構成されている。冷却流路10には、静止部4bに設けられた窒素ガス供給路18から、低温の窒素ガスが冷媒として供給される。超伝導回路8は、冷却流路10を流れる冷媒と熱交換することにより、超伝導転移温度Tc以下に冷却される。超伝導回路8と熱交換することにより温度が上昇した窒素ガスは、窒素ガス排出路20を介して超伝導ロータ4外に排出される。
The
超電導ロータ4のうち静止部4bは、超電導ロータ4の周りに配置されたモータケーシング3に対して固定されており、窒素ガス供給路18と窒素ガス排出路20とを含んで構成される。窒素ガス供給路18は、超電導ロータ4の外部にある窒素ガスの供給源から中心軸Cに沿ってロータコア12に向けて延び、その先端が開放されることによって、ロータコア12に設けられた冷却流路10に連通する。冷却流路10から排出される冷媒は、窒素ガス排出路20を介して、超電導ロータ4の外部に排出される。
The
窒素ガス排出路20は、窒素ガス供給路18を囲むように(窒素ガス供給路18より外径側に)中心軸Cに沿って設けられた第1窒素ガス排出路20aと、第1窒素ガス排出路20aの端部(ロータコア12とは反対側の端部)に設けられた第1インナーケーシング20bと、第1インナーケーシング20bから中心軸Cに対して垂直に延在し、外部の冷媒排出先(不図示)に連通する第2窒素ガス排出路20cとを含む。第1インナーケーシング20bは、第1窒素ガス排出路20aの端部を外側から囲むように設けられ、第1窒素ガス排出路20aの外表面との間に、窒素ガスが漏れることを防止するための第1シール部材25aが配置されている。
The nitrogen
尚、窒素ガス排出路20のうち第1窒素ガス排出路20aは回転部4aに属する一方で、第1インナーケーシング20b及び第2窒素ガス排出路20cは静止部4bに属する。そのため、第1窒素ガス排出路20aは軸受6cを介して、第1インナーケーシング20bに対して回転可能に支持されている。
Of the nitrogen
また第1インナーケーシング20bの外側には、第1インナーケーシング20bを囲むように第2インナーケーシング27が設けられる。第2インナーケーシング27は、超電導ロータ4の回転部4aに含まれるロータハウジング23に対して第2シール部材25bを介して回動可能に連結される。第1インナーケーシング20bの外表面と第2インナーケーシング27の内表面との間には、真空断熱層22が設けられる。真空断熱層22は、後述するように、超電導ロータ4の回転部4a側に続いており、冷却流路10、窒素ガス供給路18及び窒素ガス排出路20を、外部から断熱することで熱侵入を抑え、冷却効果を高めるとともに、冷媒の消費量を抑える。
Further, on the outside of the first
静止部4bは、外部に配置された不図示の減圧装置(例えば真空ポンプ)に通じる減圧管26を有する。減圧管26は第2インナーケーシング27に連通することにより、減圧装置によって真空断熱層22の真空度が良好に維持される。
The
超伝導ロータ4内における冷却流路10のレイアウトは、超伝導ロータ4が有する超伝導回路8の形状に対応して設計される。図1では、レイアウトの一例として、冷却流路10が、第1流路10a~第4流路10dを含んで構成される場合が示されている。第1流路10aは、静止部4bに含まれる窒素ガス供給路18の下流側に続くように、回転軸Cに沿って超伝導ロータ4の略中心部を通って、ロータコア12の出力軸側まで延びる流路である。第2流路10bは、ロータコア12の出力軸側において第1流路10aの下流側に接続され、径方向に沿って延びる複数の分岐路を有するマニホールド流路である。第2流路10bには一方の超電導エンドリング16aが収容され、第2流路10bを流れる冷媒によって超電導エンドリング16aが冷却される。第3流路10cは、前述したようにロータコア12に設けられた複数のスロット12aによって規定される流路であり、第2流路10bが有する複数の分岐路の各々の下流側に接続され、軸方向に沿ってロータコア12の静止部4b側まで延びる。第3流路10cには超電導バー14が収容され、超電導バー14は第3流路10cを流れる冷媒によって冷却される。第4流路10dは、ロータコア12の静止部4b側において径方向に沿って延びることにより第3流路10cが有する複数の流路の各々の下流側を合流させ、窒素ガス排出路20に連通するマニホールド流路である。第4流路10dには他方の超電導エンドリング16bが収容され、第4流路10dを流れる冷媒によって超電導エンドリング16bが冷却される。
The layout of the
これにより、図2に示す冷却流路10では、窒素ガス供給路18から供給される窒素ガスは、まず第1流路10aによって超伝導ロータ4の径方向内側をロータコア12の一端側まで流れ、第2流路10bによって分岐される。第2流路10bで分岐された窒素ガスは第2流路10bに収容された一方の超電導エンドリング16aを冷却しながら、第3流路10cに至る。第3流路10cでは、窒素ガスは、第3流路10cに収容された超電導バー14を冷却しながらロータコア12の他端側まで流れ、第4流路10dに至る。第4流路10dでは、窒素ガスは、第4流路10dに収容された超電導エンドリング16bを冷却しながら窒素ガス排出路20に至る。
As a result, in the
また超伝導ロータ4の回転部4aは、前述の静止部4bから続く真空断熱層22を有する。回転部4aにおいて、真空断熱層22は、冷却流路10の少なくとも一部を囲むように構成される。図1の例では、真空断熱層22は、超電導ロータ4の内部の広い範囲にわたって及んでおり、回転部4aでは特に、冷却流路10のうち第1流路10a、第2流路10b、及び第4流路10dに加えてロータコア12を囲むことによって、これらの流路を流れる冷媒及びロータコア12に対する熱侵入を防止している。尚、真空断熱層22はこれらの流路及びロータコア12の少なくとも一部を囲むように構成されていてもよい。
Further, the rotating
(第1実施形態)
続いて上記構成を有する回転機械1を冷却するための冷却システム100について、幾つかの実施形態に基づいて具体的に説明する。図4は第1実施形態に係る回転機械1の冷却システム100Aの全体構成図である。
(First Embodiment)
Subsequently, the cooling system 100 for cooling the rotary machine 1 having the above configuration will be specifically described based on some embodiments. FIG. 4 is an overall configuration diagram of the
冷却システム100Aは、第1タンク102と、窒素ガス供給路18と、窒素ガス排出路20と、を備える。第1タンク102は、超伝導回路を冷却するための冷媒である液体窒素LNを貯留可能なタンクである。第1タンク102の容量は、第1タンク102に貯留される液体窒素LNの最大容量に対して余裕があるように十分大きく設定されている。第1タンク102には、所定の容量の液体窒素LNが貯留されており、その上層側は液体窒素の一部が蒸発することで生成された窒素ガスGNによって満たされている。
The
第1タンク102は、内部に貯留された液体窒素LNを冷却するための第1冷凍機108を有する。第1冷凍機108は不図示のコントローラによって動作状態が制御されることにより、第1タンク102に貯留される液体窒素LNの温度が予め設定された第1温度T1未満になるように調整される。第1温度T1は、例えば、大気圧における窒素(N2)の沸点である77Kである。
The
窒素ガス供給路18は、第1タンク102に貯留された液体窒素LNから生成された窒素ガスGNを超伝導回路8に供給する。第1実施形態では、窒素ガス供給路18は、上流側が第1タンク102の上部に連通することにより、第1タンク102の内部で液体窒素LNが蒸発して生成された窒素ガスGNを導入可能に構成される。窒素ガス供給路18の下流側は、図2を参照して前述したように、超伝導ロータ4が有する冷却流路10に接続される。これにより、冷却流路10には窒素ガス供給路18によって供給される窒素ガスGNが導入され、超伝導回路8は超伝導転移温度Tc未満に冷却される。
The nitrogen
このように第1実施形態では、第1タンク102内に貯留された液体窒素LNが蒸発することで生成された窒素ガスGNを、第1タンク102に接続された窒素ガス供給路18を介して、回転部である超伝導ロータ4が有する超伝導回路8に供給できる。このように超伝導ロータ4に供給される冷媒として、気体状態にある窒素ガスGNが供給されることで、仮に窒素ガスGNが冷却流路10から漏洩した場合であっても、周辺構成に不具合を発生させる可能性を効果的に低減できる。
As described above, in the first embodiment, the nitrogen gas GN generated by the evaporation of the liquid nitrogen LN stored in the
尚、冷却流路10に供給される冷媒が液体窒素LNである場合、漏洩が生じると、体積が急増することで周辺構成に不具合が生じやすい。本実施形態では、超伝導回路8は前述のように真空断熱層22によって少なくとも部分的に囲まれているため、冷却流路10から液体窒素LNが真空断熱層22に漏洩すると、液体窒素LNが急激に気化することで、体積が急増する。これは、周辺構成に不具合を発生させる要因となってしまう。
When the refrigerant supplied to the
超伝導ロータ4において超伝導回路8を冷却することにより温度が上昇した窒素ガスGNは、窒素ガス回収路106を介して第1タンク102に回収される。窒素ガス回収路106にはコンプレッサ109が設けられており、コンプレッサ109を駆動することにより超伝導ロータ4からの窒素ガスGNの排出が促進される。窒素ガス回収路106の下流側は第1タンク102に接続されており、超伝導ロータ4から排出された窒素ガスGNは第1タンク102に回収され、第1冷凍機108によって冷却されることにより液化される。これにより、超伝導回路8の冷却に用いられる窒素ガスGNを繰り返し使用することが可能になり、システム運用コストを効果的に低減できる。
The nitrogen gas GN whose temperature has risen by cooling the
(第2実施形態)
図5は第2実施形態に係る回転機械1の冷却システム100Bの全体構成図である。以下の説明において第2実施形態の冷却システム100Bのうち前述の実施形態に対応する構成については、共通の符号で示すことで重複する説明は適宜省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is an overall configuration diagram of the
冷却システム100Bは、第1タンク102と、減圧装置103と、窒素ガス供給路18と、気液分離装置105と、液体窒素回収路112と、を備える。減圧装置103は、第1タンク102に貯留された液体窒素LNを減圧する。第1タンク102及び減圧装置103は、液体窒素供給ライン110を介して接続される。液体窒素供給ライン110の上流側は、第1タンク102の比較的下部に連通することで、第1タンク102に貯留された液体窒素LNが減圧装置103に導入可能に構成される。
The
減圧装置103に導入された液体窒素LNは減圧されることにより温度が低下し、液相成分と気相成分とが混在した二相状態となる。気液分離装置105(例えば遠心分離器、デミスタ付タンク等)は、このように減圧されることで生成された二相状態から気相成分である窒素ガスGNと、液相成分である液体窒素LNとを分離する。気液分離装置105で分離された低温の窒素ガスGNは、窒素ガス供給路18を介して超伝導ロータ4に供給されることで、超伝導ロータ4が有する超伝導回路8の冷却に用いられる。
The temperature of the liquid nitrogen LN introduced into the
このように第2実施形態では、第1タンク102に貯留された液体窒素LNを減圧したものを気液分離することで生成される低温の窒素ガスGNを冷媒として、超伝導回路8に供給できる。これにより、より低温の窒素ガスGNを用いて超伝導回路8を良好に冷却できる。また第1タンク102では窒素ガスGNの生成に用いられる液体窒素LNを液体状態で貯留できるため、第1タンク102に冷媒を気体状態(窒素ガスGNの状態)で貯留する場合に比べて第1タンク102の容量が少なく済み、よりコンパクトな構成で冷却システム100Bを実現できる。
As described above, in the second embodiment, the low-temperature nitrogen gas GN generated by decompressing the liquid nitrogen LN stored in the
また気液分離装置105で分離された低温の液体窒素LNは、液体窒素回収路112を介して第1タンク102に回収される。液体窒素回収路112には、気液分離装置105で分離された液体窒素LNの流量を調整するためのポンプ111が設けられている。
Further, the low-temperature liquid nitrogen LN separated by the gas-
超伝導ロータ4において超伝導回路8を冷却することにより温度が上昇した窒素ガスGNは、窒素ガス回収路106を介して第1タンク102に回収される。窒素ガス回収路106にはコンプレッサ109が設けられており、コンプレッサ109を駆動することにより超伝導ロータ4からの窒素ガスGNの排出が促進される。窒素ガス回収路106の下流側は第1タンク102に接続されており、超伝導ロータ4から排出された窒素ガスGNは第1タンク102に回収され、第1冷凍機108によって冷却されることにより液化される。これにより、超伝導回路8の冷却に用いられる窒素ガスGNを繰り返し使用することが可能になり、システム運用コストを効果的に低減できる。
The nitrogen gas GN whose temperature has risen by cooling the
(第3実施形態)
図6は第3実施形態に係る回転機械1の冷却システム100Cの全体構成図である。以下の説明において第3実施形態の冷却システム100Cのうち前述の実施形態に対応する構成については、共通の符号で示すことで重複する説明は適宜省略する。
(Third Embodiment)
FIG. 6 is an overall configuration diagram of the
冷却システム100Cは、第1タンク102と、減圧装置103と、窒素ガス供給路18と、気液分離装置105と、液体窒素供給路114と、第2タンク116と、熱交換器118と、を備える。気液分離装置105で分離された低温の窒素ガスGNは、窒素ガス供給路18を介して超伝導ロータ4に供給されることで、超伝導ロータ4が有する超伝導回路8の冷却に用いられる。
The
気液分離装置105で分離された低温の液体窒素LNは、液体窒素供給路114を介して第2タンク116に供給される。液体窒素供給路114には、液体窒素供給路114による第2タンク116への液体窒素LNの供給量を調整するためのポンプ装置124が設けられている。第2タンク116は、気液分離装置105で分離された液体窒素LNを貯留可能なタンクである。第2タンク116の容量は、第2タンク116に貯留される液体窒素LNの最大容量に対して余裕があるように十分大きく設定されている。また第2タンク116は、内部に貯留された液体窒素LNを冷却するための第2冷凍機119を有する。第2冷凍機119は不図示のコントローラによって動作状態が制御されることにより、第2タンク116に貯留される液体窒素LNの温度が予め設定された第2温度T2未満になるように調整される。第2温度T2は前述の第1温度T1に比べて低く設定されており、例えば、約70Kである。
The low-temperature liquid nitrogen LN separated by the gas-
第2タンク116には、第2タンク116に貯留された液体窒素LNを循環させるための窒素ガス循環路120が設けられる。窒素ガス循環路120は、第2タンク116のうち比較的下部に接続されることで、第2タンク116に貯留された液体窒素LNを循環可能に構成される。また窒素ガス循環路120には、窒素ガス循環路120における液体窒素LNの循環量を調整するためのポンプ装置122が設けられている。
The
熱交換器118は、窒素ガス排出路20を流れる窒素ガスGNと、窒素ガス循環路120を流れる液体窒素LNとを熱交換可能に構成される。これにより、超伝導回路8の冷却によって温度が上昇した窒素ガス排出路20を流れる窒素ガスGNは、窒素ガス循環路120を流れる低温の液体窒素LNによって冷却される。
尚、窒素ガス排出路20を流れる窒素ガスの流量は、前述の実施形態と同様に、窒素ガス排出路20に設けられたポンプ装置109によって調整可能である。
The
The flow rate of the nitrogen gas flowing through the nitrogen
このように第3実施形態では、超伝導回路8を冷却することで温度が上昇した窒素ガスGNは、熱交換器118において窒素ガス循環路120を流れる低温の液体窒素LNと熱交換することで冷却される。これにより超伝導回路8に供給された窒素ガスGNを低温状態に保ちながら、超伝導回路8の冷却に繰り返し用いることができる。その結果、冷却システム100Cにおける冷媒消費量を低減でき、システムの運用コストを効果的に抑えることができる。
As described above, in the third embodiment, the nitrogen gas GN whose temperature has risen by cooling the
以上説明したように前述の幾つかの実施形態によれば、第1タンク102に貯留される液体窒素LNから生成された窒素ガスGNが、窒素ガス供給路18を介して超伝導回路8に供給されることにより、超伝導回路8が冷却される。このように気体状態にある窒素ガスGNを冷媒として超伝導回路8に供給することで、仮に冷媒が漏洩した場合においても周辺構成に不具合を発生させる可能性を効果的に低減しながら、良好な超伝導回路8の冷却が可能である。
As described above, according to some of the above-described embodiments, the nitrogen gas GN generated from the liquid nitrogen LN stored in the
尚、上述の実施形態では回転機械1の回転部である超伝導ロータ4側に設けられた超伝導回路8を冷却対象とした場合について述べたが、ステータ2側に設けられた超伝導回路を冷却対象としてもよい。また回転機械1とは異なる態様で超伝導回路を利用する超伝導デバイス(例えば超伝導ケーブル等)を冷却対象としてもよい。
In the above-described embodiment, the case where the
その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。 In addition, it is possible to replace the components in the above-described embodiment with well-known components as appropriate without departing from the spirit of the present disclosure, and the above-described embodiments may be combined as appropriate.
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。 The contents described in each of the above embodiments are grasped as follows, for example.
(1)一態様に係る回転機械の冷却システムは、
超伝導回路(例えば上記実施形態の超伝導回路8)を含む回転部(例えば上記実施形態の超伝導ロータ4)を有する回転機械(例えば上記実施形態の回転機械1)の冷却システム(例えば上記実施形態の冷却システム100)であって、
液体窒素を貯留可能な第1タンク(例えば上記実施形態の第1タンク102)と、
前記液体窒素から生成された窒素ガスを前記超伝導回路に供給するための窒素ガス供給路(例えば上記実施形態の窒素ガス供給路18)と、
を備える。
(1) The cooling system for the rotating machine according to one aspect is
A cooling system (for example, the above embodiment) of a rotating machine (for example, the rotating machine 1 of the above embodiment) having a rotating portion (for example, the
A first tank capable of storing liquid nitrogen (for example, the
A nitrogen gas supply path for supplying nitrogen gas generated from the liquid nitrogen to the superconducting circuit (for example, the nitrogen
To prepare for.
上記(1)の態様によれば、第1タンクに貯留される液体窒素から生成された窒素ガスが、窒素ガス供給路を介して、回転部の超伝導回路に供給されることにより、超伝導回路が冷却される。このように回転部に供給される冷媒として、気体状態にある窒素ガスが供給される。そのため、液体状態にある液体窒素を供給する場合に比べて、回転部に含まれる超伝導回路に冷媒を供給する際に漏洩した場合においても冷媒の容量変化が少なく、周辺構成に不具合を発生させる可能性を効果的に低減しながら、良好な超伝導回路の冷却が可能である。 According to the aspect (1) above, the nitrogen gas generated from the liquid nitrogen stored in the first tank is supplied to the superconducting circuit of the rotating portion via the nitrogen gas supply path, so that the superconductivity is achieved. The circuit is cooled. As the refrigerant supplied to the rotating portion in this way, nitrogen gas in a gaseous state is supplied. Therefore, compared to the case of supplying liquid nitrogen in a liquid state, even if a leak occurs when supplying the refrigerant to the superconducting circuit included in the rotating part, the capacity change of the refrigerant is small, causing a problem in the peripheral configuration. Good cooling of superconducting circuits is possible while effectively reducing the possibility.
(2)他の態様では上記(1)の態様において、
前記窒素ガス供給路は、前記第1タンクに貯留された前記液体窒素の上層側から前記窒素ガスを取得可能に前記第1タンクに接続される。
(2) In another aspect, in the above aspect (1),
The nitrogen gas supply path is connected to the first tank so that the nitrogen gas can be obtained from the upper layer side of the liquid nitrogen stored in the first tank.
上記(2)の態様によれば、第1タンク内に貯留された液体窒素が蒸発することで生成された窒素ガスを、第1タンクに接続された窒素ガス供給路を介して、回転部の超伝導回路に供給できる。 According to the aspect (2) above, the nitrogen gas generated by the evaporation of the liquid nitrogen stored in the first tank is passed through the nitrogen gas supply path connected to the first tank to the rotating portion. Can be supplied to superconducting circuits.
(3)他の態様では上記(1)又は(2)の態様において、
前記超伝導回路を冷却した後の前記窒素ガスを前記第1タンクに回収する窒素ガス回収路(例えば上記実施形態の窒素ガス回収路106)を更に備える。
(3) In another aspect, in the above aspect (1) or (2),
A nitrogen gas recovery path (for example, the nitrogen
上記(3)の態様によれば、超伝導回路を冷却することにより温度が上昇した窒素ガスが、窒素ガス回収路を介して第1タンクに回収される。これにより、超伝導回路の冷却に用いられる窒素ガスを繰り返し使用することが可能になり、システム運用コストを効果的に低減できる。 According to the aspect (3) above, the nitrogen gas whose temperature has risen by cooling the superconducting circuit is recovered in the first tank via the nitrogen gas recovery path. This makes it possible to repeatedly use the nitrogen gas used for cooling the superconducting circuit, and the system operating cost can be effectively reduced.
(4)他の態様では上記(1)の態様において、
前記第1タンクに貯留された前記液体窒素を減圧可能な減圧装置(例えば上記実施形態の減圧装置103)と、
前記減圧装置によって減圧された前記液体窒素を気液分離可能な気液分離器(例えば上記実施形態の気液分離装置105)と、
を備え、
前記窒素ガス供給路は、前記気液分離器で分離された前記窒素ガスを前記超伝導回路に供給可能である。
(4) In another aspect, in the above aspect (1),
A decompression device capable of depressurizing the liquid nitrogen stored in the first tank (for example, the
A gas-liquid separator capable of separating the liquid nitrogen decompressed by the decompression device (for example, the gas-
Equipped with
The nitrogen gas supply path can supply the nitrogen gas separated by the gas-liquid separator to the superconducting circuit.
上記(4)の態様によれば、第1タンクに貯留された液体窒素を減圧装置によって減圧することで、低温の冷媒が生成される。気液分離装置は、このように生成された低温の冷媒を気液分離することで、気相成分である低温の窒素ガスが、窒素ガス供給路を介して回転部の超伝導回路に供給される。これにより、より低温の窒素ガスを回転部に導入することができるため、超伝導回路をより効果的に冷却できる。
また第1タンクの液体窒素を減圧して回転部に供給する窒素ガスを生成できるため、第1タンクに冷媒を液体状態で貯留することができる。そのため、第1タンクに冷媒を気体状態(窒素ガスの状態)で貯留する場合に比べて第1タンクの容量が少なく済み、よりコンパクトな構成で冷却システムを実現できる。
According to the aspect (4) above, the liquid nitrogen stored in the first tank is decompressed by the decompression device to generate a low temperature refrigerant. The gas-liquid separation device separates the low-temperature refrigerant thus generated into gas-liquid, so that low-temperature nitrogen gas, which is a gas phase component, is supplied to the superconducting circuit of the rotating part via the nitrogen gas supply path. To. As a result, a lower temperature nitrogen gas can be introduced into the rotating portion, so that the superconducting circuit can be cooled more effectively.
Further, since the liquid nitrogen in the first tank can be depressurized to generate nitrogen gas to be supplied to the rotating portion, the refrigerant can be stored in the first tank in a liquid state. Therefore, the capacity of the first tank can be reduced as compared with the case where the refrigerant is stored in the first tank in a gaseous state (nitrogen gas state), and a cooling system can be realized with a more compact configuration.
(5)他の態様では上記(4)の態様において、
前記気液分離器で分離された前記液体窒素を前記第1タンクに回収する液体窒素回収路(例えば上記実施形態の液体窒素回収路112)を更に備える。
(5) In another aspect, in the above aspect (4),
A liquid nitrogen recovery path (for example, the liquid
上記(5)の態様によれば、気液分離装置で回転体に供給するための低温の窒素ガスを分離する際に生じる液体窒素が、液体窒素回収路を介して第1タンクに回収される。これにより、気液分離装置で分離された液体窒素を繰り返し使用することが可能になり、システム運用コストを効果的に低減できる。 According to the above aspect (5), the liquid nitrogen generated when the low-temperature nitrogen gas to be supplied to the rotating body is separated by the gas-liquid separation device is recovered in the first tank via the liquid nitrogen recovery path. .. This makes it possible to repeatedly use the liquid nitrogen separated by the gas-liquid separator, and the system operating cost can be effectively reduced.
(6)他の態様では上記(4)又は(5)の態様において、
前記気液分離器で分離された前記液体窒素を貯留可能な第2タンク(例えば上記実施形態の第2タンク116)と、
前記超伝導回路を冷却した後の前記窒素ガスを前記窒素ガス供給路に接続する窒素ガス循環路(例えば上記実施形態の窒素ガス循環路20)と、
前記窒素ガス循環路を流れる前記窒素ガスと、前記第2タンクに貯留された前記液体窒素とを熱交換可能な熱交換器(例えば上記実施形態の熱交換器118)と、
を備える。
(6) In another aspect, in the above aspect (4) or (5),
A second tank capable of storing the liquid nitrogen separated by the gas-liquid separator (for example, the
A nitrogen gas circulation path (for example, the nitrogen
A heat exchanger capable of exchanging heat between the nitrogen gas flowing through the nitrogen gas circulation path and the liquid nitrogen stored in the second tank (for example, the
To prepare for.
上記(6)の態様によれば、気液分離装置で分離された低温の液体窒素が第2タンクに貯留される。そして、回転部で超伝導回路を冷却することで温度が上昇した窒素ガスは、熱交換器において第2タンクに接続される窒素ガス循環路を流れる低温の液体窒素と熱交換することで冷却される。これにより、窒素ガス供給路を介して超伝導回路に供給された窒素ガスを低温状態に保ちながら、超伝導回路の冷却に繰り返し用いることができる。その結果、冷却システムにおける液体窒素の消費量を低減でき、システムの運用コストを効果的に抑えることができる。 According to the aspect (6) above, the low temperature liquid nitrogen separated by the gas-liquid separator is stored in the second tank. Then, the nitrogen gas whose temperature has risen by cooling the superconducting circuit in the rotating portion is cooled by exchanging heat with the low-temperature liquid nitrogen flowing through the nitrogen gas circulation path connected to the second tank in the heat exchanger. To. As a result, the nitrogen gas supplied to the superconducting circuit via the nitrogen gas supply path can be repeatedly used for cooling the superconducting circuit while keeping the nitrogen gas in a low temperature state. As a result, the consumption of liquid nitrogen in the cooling system can be reduced, and the operating cost of the system can be effectively suppressed.
(7)他の態様では上記(6)の態様において、
前記第2タンクに貯留される前記液体窒素は、前記第1タンクに貯留される前記液体窒素より低温である。
(7) In another aspect, in the above aspect (6),
The liquid nitrogen stored in the second tank has a lower temperature than the liquid nitrogen stored in the first tank.
上記(7)の構成によれば、液体窒素循環路を流れる液体窒素を、超伝導回路を冷却した後の窒素ガスより低温にすることで、超伝導回路に繰り返し供給される窒素ガスを好適に冷却できる。 According to the configuration of (7) above, by lowering the temperature of liquid nitrogen flowing through the liquid nitrogen circulation path to a temperature lower than that of nitrogen gas after cooling the superconducting circuit, nitrogen gas repeatedly supplied to the superconducting circuit is preferably used. Can be cooled.
(8)他の態様では上記(1)から(7)のいずれか一態様において、
前記超伝導回路は、真空断熱層(例えば上記実施形態の真空断熱層22)によって少なくとも部分的に囲まれている。
(8) In another aspect, in any one of the above (1) to (7),
The superconducting circuit is at least partially surrounded by a vacuum insulating layer (eg, the
上記(8)の態様によれば、冷却対象である超伝導回路が真空断熱層によって少なくとも部分的に囲まれることで、超伝導回路への熱侵入が抑制され、良好な冷却性能が得られる。この場合、仮に窒素ガス供給路から冷媒として液体窒素が供給されると、冷媒が真空断熱層に漏洩した際に膨張によって大幅に体積が増加することで周辺構成の破損などの不具合をもたらす可能性がある。それに対して、前述の態様のように窒素ガス供給路から冷媒として窒素ガスを供給することで、仮に冷媒が真空断熱層に漏洩した場合においても体積増加が少なく、周辺構成の破損などの不具合が発生することを効果的に抑制できる。 According to the above aspect (8), the superconducting circuit to be cooled is at least partially surrounded by the vacuum heat insulating layer, so that heat intrusion into the superconducting circuit is suppressed and good cooling performance can be obtained. In this case, if liquid nitrogen is supplied as a refrigerant from the nitrogen gas supply path, when the refrigerant leaks to the vacuum heat insulating layer, the volume increases significantly due to expansion, which may cause problems such as damage to the peripheral configuration. There is. On the other hand, by supplying nitrogen gas as a refrigerant from the nitrogen gas supply path as described above, even if the refrigerant leaks to the vacuum heat insulating layer, the volume increase is small and there are problems such as damage to the peripheral configuration. It can be effectively suppressed from occurring.
(9)他の態様では上記(1)から(8)のいずれか一態様において、
前記回転部は、ステータ(例えば上記実施形態のステータ2)に対して回転可能であり、前記ステータに対して対向配置された超伝導モータのロータである。
(9) In another aspect, in any one of the above (1) to (8),
The rotating portion is a rotor of a superconducting motor that is rotatable with respect to a stator (for example, the
上記(9)の態様によれば、超伝導モータにおいてステータに対して回転可能であり、ステータに対して対向配置されたロータに含まれる超伝導回路を好適に冷却できる。 According to the aspect (9) above, the superconducting motor can rotate with respect to the stator, and the superconducting circuit included in the rotor arranged to face the stator can be suitably cooled.
(10)一態様に係る超伝導デバイスの冷却システムは、
超伝導回路を含む超伝導デバイスの冷却システムであって、
液体窒素を貯留可能な第1タンクと、
前記液体窒素から生成された窒素ガスを前記超伝導回路に供給するための窒素ガス供給路と、
を備える。
(10) The cooling system for the superconducting device according to one aspect is
A cooling system for superconducting devices, including superconducting circuits.
The first tank that can store liquid nitrogen and
A nitrogen gas supply path for supplying nitrogen gas generated from the liquid nitrogen to the superconducting circuit,
To prepare for.
上記(10)の態様によれば、第1タンクに貯留される液体窒素から生成された窒素ガスが、窒素ガス供給路を介して超伝導回路に供給されることにより、超伝導回路が冷却される。このように冷媒として気体状態にある窒素ガスを用いることで、液体状態にある液体窒素を用いる場合に比べて、超伝導回路に冷媒を供給する際に漏洩した場合においても冷媒の容量変化が少なく、周辺構成に不具合を発生させる可能性を効果的に低減しながら、任意の超伝導デバイスが有する超伝導回路(例えば超伝導モータのステータ側に含まれる超伝導回路や、超伝導ケーブルなどの他のデバイス)を効果的に冷却できる。 According to the above aspect (10), the nitrogen gas generated from the liquid nitrogen stored in the first tank is supplied to the superconducting circuit via the nitrogen gas supply path, so that the superconducting circuit is cooled. To. By using nitrogen gas in a gaseous state as the refrigerant in this way, the capacity change of the refrigerant is small even when a leak occurs when supplying the refrigerant to the superconducting circuit, as compared with the case where liquid nitrogen in a liquid state is used. , Other superconducting circuits (eg, superconducting circuits included on the stator side of superconducting motors, superconducting cables, etc.) that any superconducting device has, while effectively reducing the possibility of causing defects in the peripheral configuration. The device) can be cooled effectively.
1 回転機械
2 ステータ
3 モータケーシング
4 超伝導ロータ
6a、6b、6c 軸受
8 超伝導回路
10 冷却流路
12 ロータコア
12a スロット
13 かご形導体
14 超伝導バー
16a,16b 超伝導エンドリング
17 トルクチューブ
18 窒素ガス供給路
19 出力軸
20 窒素ガス排出路
20a 第1窒素ガス排出路
20b 第1インナーケーシング
20c 第2窒素ガス排出路
22 真空断熱層
25a 第1シール部材
25b 第2シール部材
26 減圧管
27 第2インナーケーシング
100 冷却システム
102 第1タンク
103 減圧装置
105 気液分離装置
106 窒素ガス回収路
108 第1冷凍機
109 コンプレッサ
110 液体窒素供給ライン
112 液体窒素回収路
114 液体窒素供給路
116 第2タンク
118 熱交換器
119 第2冷凍機
120 窒素ガス循環路
1 Rotating
Claims (10)
液体窒素を貯留可能な第1タンクと、
前記液体窒素から生成された窒素ガスを前記超伝導回路に供給するための窒素ガス供給路と、
を備える、回転機械の冷却システム。 A cooling system for rotating machinery that has a rotating part that includes a superconducting circuit.
The first tank that can store liquid nitrogen and
A nitrogen gas supply path for supplying nitrogen gas generated from the liquid nitrogen to the superconducting circuit,
A rotating machine cooling system.
前記減圧装置によって減圧された前記液体窒素を気液分離可能な気液分離器と、
を備え、
前記窒素ガス供給路は、前記気液分離器で分離された前記窒素ガスを前記超伝導回路に供給可能である、請求項1に記載の回転機械の冷却システム。 A decompression device capable of decompressing the liquid nitrogen stored in the first tank, and a decompression device.
A gas-liquid separator capable of separating the liquid nitrogen decompressed by the decompression device,
Equipped with
The cooling system for a rotating machine according to claim 1, wherein the nitrogen gas supply path can supply the nitrogen gas separated by the gas-liquid separator to the superconducting circuit.
前記超伝導回路を冷却した後の前記窒素ガスを前記窒素ガス供給路に接続する窒素ガス循環路と、
前記窒素ガス循環路を流れる前記窒素ガスと、前記第2タンクに貯留された前記液体窒素とを熱交換可能な熱交換器と、
を備える、請求項4又は5に記載の回転機械の冷却システム。 A second tank capable of storing the liquid nitrogen separated by the gas-liquid separator, and
A nitrogen gas circulation path for connecting the nitrogen gas after cooling the superconducting circuit to the nitrogen gas supply path, and a nitrogen gas circulation path.
A heat exchanger capable of heat exchange between the nitrogen gas flowing through the nitrogen gas circulation path and the liquid nitrogen stored in the second tank.
The cooling system for a rotary machine according to claim 4 or 5.
液体窒素を貯留可能な第1タンクと、
前記液体窒素から生成された窒素ガスを前記超伝導回路に供給するための窒素ガス供給路と、
を備える、超伝導デバイスの冷却システム。 A cooling system for superconducting devices, including superconducting circuits.
The first tank that can store liquid nitrogen and
A nitrogen gas supply path for supplying nitrogen gas generated from the liquid nitrogen to the superconducting circuit,
A cooling system for superconducting devices.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020217551A JP2022102679A (en) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | Rotating machine cooling system, and cooling system for superconducting devices |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020217551A JP2022102679A (en) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | Rotating machine cooling system, and cooling system for superconducting devices |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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