JP2668903B2 - 超伝導回転子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超伝導回転子に関し、特にその冷媒の冷
却に関するものである。 〔従来の技術〕 第５図は、例えば低温工学第12巻、第２号（1977）第
42頁に記載されている超伝導発電機の断面構成図であ
る。この発電機では、回転子を冷却する冷媒としてヘリ
ウムを用いている。 図において、（１）は回転子、（２）は回転子（１）
内に真空空間（３）部を設けて断熱的に支持固定した回
転ヘリウム容器、（４）は回転ヘリウム容器の真空空間
（３）に収納した超伝導線よりなる界磁巻線である。
（５）は回転子（１）の中心部に設けたヘリウムに供給
管、（６）は蒸発ヘリウム排出管であり、（6a）はその
反駆動軸側、（6b）はその駆動側のそれぞれ管路であ
る。（７）は冷凍機であり、回転子の蒸発ヘリウムガス
を液化して再供給する。 （８）は固定子、（９）は銅線よりなる電気子巻線、
（10）は鉄心、（11）は冷却油、たとえば絶縁油、（1
2）は油冷却器、（13a）は回転子の反駆動側軸受、（13
b）は回転子の駆動側軸受、（1a）は液体ヘリウム、（1
b）はヘリウムガスである。なお矢印はヘリウムの流れ
を表わしている。 以上のように構成されている従来の超伝導発電機の動
作について説明する。 回転子（１）内の界磁巻線（４）は冷凍機（７）から
ヘリウム供給管（５）を経由し回転ヘリウムの容器
（２）に供給される液体ヘリウムにより所定の温度に冷
却される。回転ヘリウム容器（２）内の蒸発ヘリウムガ
スは回転ヘリウム容器（２）の両端を支持する円筒部に
併設した反駆動側及び駆動側の蒸発ヘリウムガス管路
（6a），（6b）を経由して冷凍機（７）を帰還し液化さ
れて再供給される。回転子（１）を定格回転数で運転し
超伝導状態の界磁巻線（４）に励磁電源からリード線
（いずれも図示しない）を経由して一定の電流を通電す
るとき、固定子（８）の電気子巻線（９）に生ずる誘導
起電力を外部に取り出し発電機として機能する。電気子
巻線（９）には交番磁界によるうず電流や銅線の電気抵
抗などによる発熱があり、ここでは絶縁油（11）を循環
させ油冷却器（12）により系外に熱を放出し固定子
（８）を所定の温度に冷却保持している。 〔発明が解決しようとする問題点〕 従来の超伝導回転子は以上のように構成されているの
で、回転子を冷却する冷媒液体を外部から移送するた
め、移送中の熱侵入が大きく冷却効率が悪い。また、冷
媒を循環させる往復の管路構成にしなければならないた
め、構造が複雑になり、強度が不十分であるなどの問題
点があった。 この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので外部から冷媒液体を移送する必要がなく、こ
のため冷却効率を向上でき、さらに構造が簡単で強度を
向上できる超伝導回転子を得ることを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明に係る超伝導回転子は、熱伝導線からなる界
磁巻線、この界磁巻線を支持し収納する回転断熱容器、
回転断熱容器内に収容され界磁巻線を冷却する冷媒、及
び回転断熱容器と回転子常温部の間の、回転子の回転軸
上に配置され、回転断熱容器側の配設した吸熱部と回転
子常温部に配設した放熱部を有し、該吸熱部での吸熱に
より冷媒を冷却する畜冷型冷凍機による寒冷源を備えた
ものである。 〔作用〕 この発明における寒冷源は回転子に食組み込まれてお
り、この寒冷源によって冷媒は直接冷却されるので、冷
媒の移送を必要とせず冷却効率が良く、非常に構造が簡
単になる。 〔実施例〕 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図において、（１）は回転子、（２）回転子（１）内
に真空空間（３）部を設けて断熱的に支持固定した回転
断熱容器、（４）は回転断熱容器（２）に支持され収納
された超伝導線からなる界磁巻線，（５）は回転子外か
ら回転断熱容器（２）内へ冷媒気体を供給する供給管、
（14a）は冷媒液体、（14b）は回転断熱容器（２）に供
給されて冷却された低温の冷却気体、（14c）は供給管
（５）を通じて回転断熱容器（２）に供給される常温の
冷媒気体、（15）は回転子の回転軸上で、回転子常温部
と回転断熱容器（２）の間の例えば真空空間（３）内に
配置された寒冷源、（16）は寒冷源（15）の吸熱部、
（17）寒冷源（15）の放熱部である。吸熱部（16）は回
転断熱容器（２）側に配置され、放熱部（17）は回転子
常温部側に配置される。 次に動作について説明する。この一実施例では冷媒と
して水素を用いた例について述べる。寒冷源（15）に電
気エネルギーを電気リード（図示せず）を通して与える
と、吸熱部（16）で吸熱して、冷媒気体（14c）、回転
断熱容器（２）、界磁巻線（４）などと熱交換すること
により冷却する同時に、放熱部（７）で放熱する。放熱
部（17）で放熱された熱は回転子常温部側へ伝導し、回
転子（１）の外面から大気に放出される。この結果、回
転断熱容器（２）、界磁巻線（４）、常温の冷媒気体
（14c）が冷却され所定の温度になる。常温の冷媒気体
（14c）は冷却されて低温の冷媒気体（14b）になり、次
に冷媒液体（14a）になる。この時、不十分の冷媒気体
（14c）を供給管（５）により供給する。この供給量を
例えば液面が所定の値になったことをセンサー（図示せ
ず）で検出するまで供給する。 次に、この状態を定期的に保つように、寒冷源（15）
の能力を制御すれば、動作の安定した超伝導回転子が得
られる。冷媒として水素を用いる場合、（14a）は20Kの
液体水素、（14b）は20Kの水素ガス、（14c）は300Kの
水素ガスとなる。即ち、常温（300K）の水素ガス（14
c）は、供給管（５）を経由し断熱回転容器（２）に供
給され、寒冷源（15）によって冷却されて低温（20K）
の水素ガス（14b）になりさらに冷却されると低温（20
K）の液体水素（14a）になる。この低温の液体水素（14
a）によって界磁巻線（４）は所定の温度に冷却され
る。液体水素（14a）の液量が不足したときは、前述の
ように例えば液面をセンサーで検出することにより液量
不足を知り、供給管（５）から水素ガス（14c）を液量
不足が解消されるまで供給する。このように、寒冷源
（15）を回転子（１）の内部に設けたので冷媒の移送の
必要がないため、冷却が非常に簡単で、冷却効率が向上
する。また、構造も非常に簡単になり、信頼性の高い超
伝導回転子を得る。 なお、上記実施例では寒冷源（15）として吸熱部（1
6）が単段で構成されたものを１台用いているが、複数
段の温度ステージで構成されたものを複数個用いても
い。第２図には、２段の温度ステージ、即ち吸熱部（16
a）、（16b）を有する寒冷源（15）を２台用いた実施例
を示している。（18）は回転断熱容器（２）と回転子常
温部の間に設けられ、回転子常温部からの熱放射を防ぐ
放射シールドであり、２段にした寒冷源のうち温度が高
い初段吸熱部（16b）でシールド（18）を冷却する。具
体的には冷媒が水素の場合は、例えば70K程度に冷却す
る。 またこのシールド（18）を介して常温の冷媒気体（14
c）を冷却し、さらに回転断熱容器（２）の支持部を冷
却する。この後、２段吸熱部（16a）で所定の温度、例
えば20K程度まで冷却すれば、より高い冷却効率が得ら
れる。 また、第３図は寒冷源（15）と冷媒との熱交換部に拡
大伝熱面を設けた実施例を示す部分拡大断面図である。
この例では、第２図に示すシールド（18）と冷媒気体供
給管（５）との熱交換部に、拡大伝熱部（20）を設けた
もので、例えば拡大伝熱部ケース（19）の中に銅やアル
ミニウムなどの熱良導体によるメッシュ板を複数枚並設
したものである。このような構成によれば、冷媒との熱
交換率がさらに向上する。 また、第４図に示すように、断熱回転容器（２）に内
面伝導フィン（21）を設けて拡大伝熱部を構成し、寒冷
源（15）の吸熱部（16）を内面伝導フィン（21）に取り
付ければ、熱交換率がさらに向上する。この内面伝導フ
ィン（21）はアルミニウムや銅等の熱良導体で作られ
る。 また、寒冷源（15）の動作ガスを循環管で取り出し、
この循環管を内面伝導フィン（21）に沿うように構成す
れば、動作ガスと断熱回転容器（２）内の冷媒とが効率
よく熱交換される。また、循環管ではなく、ヒートパイ
プに動作ガスを導入して冷媒と熱交換すればさらに熱交
換率を向上できる。 また、寒冷源（15）は、具体的にはスターリング冷凍
機、ヴィルミア冷凍機、ギフォード・マクマホン（GM）
冷凍機、ソルベーもしくは改良ソルベー冷凍機、エリク
ソン冷凍機、パルスチューブ冷凍機などの畜冷型冷凍機
を用いることができる。 また、これらの冷凍機のうち可動部のシールを有する
ものは可動部のシールをクリアランスシールとし、回転
子の回転方向と逆に回転させて地面に対して静止させ、
支持を動圧軸受で行なえば、冷凍機の長寿命化が可能に
なる。 また、寒冷源（15）を回転子（１）の回転軸上に設け
ており、寒冷源（15）も含めて回転子（１）全体が回転
するので、遠心力が均一に働くように構成した方が効率
が良い。 また、界磁巻線（４）は超伝導線で形成しており、こ
の超伝導線が超伝導状態を示す温度によって、用いる冷
媒が定まるが、例えば高温超伝導線として知られるＹ−
Ba−Cu−Ｏ系の超伝導線の場合、約90Kで超伝導状態と
なるため、冷媒としては窒素や水素を用いることができ
る。 以上、この発明を超伝導発電機の回転子に適用した例
について述べたが、これに限るものではなく、例えば超
伝導モータなどの超伝導回転子にも用いられることは言
うまでもない。 〔発明の効果〕 以上のように、この発明によれば、超伝導線からなる
界磁巻線、この界磁巻線を支持し収納する回転断熱容
器、回転断熱容器内に収容され界磁巻線を冷却する冷
媒、及び回転断熱容器と回転子常温部の間の、回転子の
回転軸上に配置され、回転断熱容器側に配設した吸熱部
と回転子常温部側に配設した放熱部を有し、該吸熱部で
の吸熱により冷媒を冷却する畜冷型冷凍機による寒冷源
を備えたことにより、冷却効率を向上でき、さらに構造
が簡単で、強度を向上できる超伝導回転子を得ることが
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例による超伝導回転子を示す
断面構成図、第２図はこの発明の他の実施例による超伝
導回転子を示す断面構成図、第３図はこの発明のさらに
他の実施例に係る熱交換部の拡大断面図、第４図はこの
発明のさらに他の実施例に係る回転断熱容器に取り付け
られた拡大伝熱部付近を示す拡大断面図、第５図は従来
の超伝導発電機を示す断面構成図である。 （１）は回転子、（２）は回転断熱容器、（４）は界磁
巻線、（14a）、（14b）、（14c）は冷媒、（15）は寒
冷源である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．超伝導線からなる界磁巻線、この界磁巻線を支持し
   収納する回転断熱容器、上記回転断熱容器内に収容され
   上記界磁巻線を冷却する冷媒、及び上記回転断熱容器と
   回転子常温部の間の、上記回転子の回転軸上に配置さ
   れ、上記回転断熱容器側に配設した吸熱部と上記回転子
   常温部側に配設した放熱部を有し、該吸熱部での吸熱に
   より上記冷媒を冷却する畜冷型冷凍機による寒冷源を備
   えた超伝導回転子。 ２．寒冷源は、複数段の温度ステージを有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の超伝導回転子。 ３．寒冷源と冷媒の熱交換部は、拡大伝熱部を介して熱
   交換する部分を有することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の超伝導回転子。 ４．寒冷源の動作ガスに拡大伝熱部に流して熱交換する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の超伝導回
   転子。 ５．寒冷源の動作ガスにヒートパイプに導入し、上記ヒ
   ートパイプにより冷媒と熱交換するようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
   に記載の超伝導回転子。 ６．寒冷源は、スターリング冷凍機であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記
   載の超伝導回転子。 ７．超伝導線は、高温超伝導線であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の超伝導回転子。