JP2736469B2

JP2736469B2 - 推力発生装置

Info

Publication number: JP2736469B2
Application number: JP51184389A
Authority: JP
Inventors: 栄一多田
Original assignee: KOATSU GASU KOGYO KK; Hiroi Masao
Current assignee: KOATSU GASU KOGYO KK; Hiroi Masao
Priority date: 1989-11-10
Filing date: 1989-11-10
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2013-04-02

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は推力発生装置に関し、船舶推進、海上ステー
ションの位置保持、電磁ポンプ等用の超電導電磁推進力
発生装置とするのに適し、またMHD発電機や揚水発電機
等用のポンプや発電機として使用するのに適するものに
関する。

背景技術従来、上述のような用途に使用される超電導電磁推進
力発生装置としては、ダイポール型やくら型、若しくは
レーストラック型の超電導コイルを用いるものが広く知
られている。

しかしながら、上述した従来の推力発生装置は実機と
して採用可能な程度の推進力を得るためには非常に大き
な規模のものになるという問題がある。

例えば電磁推進船等に用いられる電磁推進装置であっ
ては、実船に使用できる推進効率を得るためには10〜20
Tの強磁界を必要とするとされている。ところが、スペ
ースが限られている船体に設置するために、装置のサイ
ズ、重量等が制限され、そのような要求される条件を満
足する装置が現在のところ出現しておらず、この点が電
磁推進船の開発設計上の問題点となっている。

発明の開示本発明は上記従来の問題にかんがみ、高磁場の電磁力
を発生でき、軽量かつ省スペースな推力発生装置を提供
することを目的とするものである。

本発明に係る超電導電磁推進力発生装置は、ソレノイ
ドコイル型の超電導マグネットの中空内部に、蔓巻状の
推進ダクトを挿通させ、該推進ダクトの内面の一側に正
電極を、他側に負電極を夫々連続的に配置して対向させ
ると共に、該推進ダクトの入側及び出側開口部を上記超
電導マグネットの中心軸線に添わせて開口させてなる。

上記ダクト内を流れる流体が海水等の場合、負電極に
水素ガスが発生して有効面積を減らすことになるので、
上記正電極を上記ダクトの内径側の面に、上記負電極を
上記ダクトの外径側の面に設けるようにする。

上記ダクトは外形と内径の比を略1:3.5にするともっ
とも大きな推力を発生する。

また、上記ダクトを矩形断面を有する形状としてスペ
ース効率を良くすることができる。

更に、上述の推力発生装置を並設し、発生磁界を連環
させれば、装置全体としての発生磁界を強力なものにで
きる。

また、上述の推力発生装置を複数直列に連結し、かつ
二列並設して発生磁界を連環させれば、更に強力な磁界
を生じさせることができ、大推力を発生できるようにな
る。

そして推力発生装置の列の端部に超電導材からなるシ
ールド体を取付けて磁束の漏れを少なくし、高磁場を発
生できる。

図面の簡単な説明第１図は、本発明の一実施例を一部破断して示す斜視
図、第２図は第１図中の矢印II−II線に沿う部分断面図、第３図は電磁推進船の推進装置として第１図の推力発
生装置を用いた例で、装置を船体外部に取付ける例を示
す側面図、第４図は第３図の正面図、第５図は第４図に示す水中翼の側面断面図、第６図は第４図に示す翼で揚力を発生させるための超
電動コイルによる推力の発生状況を示す斜視図、第７図は第３図相当の図で、推力発生装置を船体内部
に収めた例の側面図、第８図は第７図の正面図、そして第９図は本発明者等の行なったシュミレーションにお
ける推進装置の配置態様を示す平面図である。

発明を実施するための最良の形態以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本実施例の推力発生装置は、主にソレノイドコイル型
の超電導マグネット１及び推進ダクト２から構成され
る。

超電導マグネット１は、詳細には図示せぬが勿論クラ
イオスタットとしての構造を有するもので、内部には超
電導コイル３が巻き回してあり、中空部４内に磁場を発
生させるようになっている。磁界の方向は図中矢印Ｂで
示してある。なお、超電動コイル３へ電流を流すための
発電機は図示を省略してある。また超電動コイル３の形
はレイヤー巻でもパンケーキ巻でもいずれでもよい。

推進ダクト２は、断面が矩形の中空ダクトを蔓巻状に
してなるもので、入側端部５及び出側端部６は夫々超電
導マグネット１の中心軸線1aに沿って伸び、先端の開口
７、８を外部に向けている。図示せぬが、超電導マグネ
ット１の両端は勿論閉塞され、推進ダクト２は入側端部
５及び出側端部６のみが外部に露出している。なお、本
発明においては、ダクトの形状はこの例の推進ダクト２
の形状に限定されず、円筒形等他の形状であってもよ
い。

推進ダクト２の内面には、正、負の電極9a、9bが貼り
付けてある。図示の例では、推進ダクト２内を流れる海
水等の電磁流体10によって負電極9bに水素ガスが発生
し、有効面積を減らすことを勘案して正電極9aを推進ダ
クト２の内径側に、負電極9bを外径側に配してある。本
発明は、勿論この配置態様に限定されることはない。

即ち、超電導マグネット１により発生する磁界Ｂ、正
負電極9a、9b間に流れる電流Ｊ、及び力ｆは、第１図中
に夫々矢印で示す方向に向く。このため、電磁流体10は
入側端部５の開口７から推進ダクト２内に入って、推進
ダクト２内で連続的にローレンツ力ｆを受けて加速さ
れ、出側端部６の開口８から外部に噴出し、その噴出力
の反力が推力となる。

なお、推進ダクト２の外径r_oと内径r_i（負電極9bと正
電極9a間距離）とがr_o3.5r_iの時にもっとも大きな推
力が得られる。

ここで電極電流、電極間抵抗の初期値をそれぞれ
J_s0、V_s0とすると、これらはそれぞれ下式で表される。

J_s0＝j_c（２πr_c・ｂ）ｎ＝j_c（２πr_c）１ V_s0＝〔（r_c・j_c）／σ〕・1n（r_o／r_i）そして投入電力P_eの初期値P_e0はJ_s0XV_s0であるから、 P_e0＝j_c ²・（r_c ²／σ）・２π１・1n（r_o／r_i） ‥‥（１）となる。

ただし、 j_c：代表半径r_cにおける電流密度（A/m²） r_c：代表半径（ｍ）＝（r_o＋r_i）/2 b:推進ダクト２のセルの長さ（ｍ） n:推進ダクト２のセルの数 1:推進ダクトの長さ σ：海水導電率（S/m）である。

するとローレンツ力F_Lの初期値F_L0は、 F_L0＝j_c・Ｂ・V_E ＝j_c・Ｂ・（r_o ²−r_i ²）πbn ＝j_c・Ｂ・（r_o ²−r_i ²）π１ ‥‥（２）（２）式に（１）を代入すると、投入電力の初期値は両辺を２乗すると、ここで、PeσB²π1/2＝Ａとすると上式は、となり、F_L0の極値はδF_L0 ²／δr_i＝０のときである。

これを数値的に解くと下記の表１のようになり、r_o
3.5r_iのときに最大ローレンツ力発生寸法となる。

即ち、第３図ないし第６図は、本実施例に係る電磁推進力発
生装置（以下EMTユニットという。）を半没水双胴船の
推進装置として用いた場合の例を示す図である。

この例は、図に示すように２基のEMTユニット20、20
を船体21の船底下部外側に並列に取付けてある。またEM
Tユニット20、20間は船体21に浮上力を与えるための翼2
2で連結してある。

この翼22は、第４図に示す用に内部にレーストラック
型の超電導コイル23を収納し、上面に電極24を配したも
ので、上面を流れる流体を加速して揚力Ｌを発生させる
ようにしたものである。第５図は、この揚力Ｌを発生さ
せるための超電導コイル23による推力ｆ′の発生状況を
示し、図中矢印Ｂは磁場の方向、Ｊは海水電流を示す。
即ち、翼22の上面側を流れる流体に推力ｆ′が加えら
れ、翼22の上面22a側と下面22b側で流体に速度差を生じ
させることによって揚力Ｌを発生させる。

ここで単位長さ当りの揚力Ｌは、Ｌ＝ρＵΓ＝ρＵ（Uu−Ud）・１（N/m） ρ：海水の密度（Kg/_m3）Ｕ：船の絶対速度（m/s） Γ：循環（渦の総量） Uu：翼上面の流速（m/s） Ud：翼下面の流速（m/s）１：翼の長さ（ｍ）として規定され、揚力Ｌと速度差ΔＵ（Uu−Ud）は下記
の表２の関係となる。

ところで、従来より翼を有する船としては水中翼船が
あり、また水中翼により潜航する潜水船も種々開発され
ている。しかし、従来の水中翼船においては、翼に生じ
る揚力は船体の推進に伴って翼の上面と下面とに生じる
速度差によるもののみである。従って、船体を十分浮上
させるには船体の割には大きな原動機が必要である。ま
た、水中翼で潜航する潜水船においても同様である。

即ち、小さな原動機による船体に対する大きな推進力
の発生が実現されておらず、実用化に至らないものとな
っている。ところが、上述の実施例のように推進装置を
構成すれば高推力の発生と船体の軽量化を図れ、上記従
来の問題を十分に解決でき、しかも高速化も実現させる
ことができる。

第７図及び第８図は、２基のEMTユニット20、20を船
体21の船底下部内側に並列に取付けた例を示す。船体21
の船底外部には一対の翼25、25が突設してある。この翼
25は、第４図に示すものと同様のものである。

次に本発明者等の行なったシュミレーションによる実
船電磁推進船の性能について説明する。

本シュミレーションについての諸元は下記の通りであ
る。

（１）性能 1.船 200トン 2.航海速力 45ノット 3.EMTユニットソレノイドコイル型×２基（２）重量 1.船殻重量 80トン 2.超電導マグネット 30x2＝60トン 3.冷却システム５トン 4.原動機 25トン 5.パワーシステム 15トン 6.その他 15トン以上合計 200トン（３）要素技術 1.超電導マグネットソレノイドコイル型 10〜12T 直径1.6m、全長6m 2.浮上装置第４図に示す翼 3.燃料電池液体水素を利用した
もの 4.電極極性切換可、低塩素発生電極 5.船型低抵抗高速型（半没
水型） 6.パワーサプライシステム超電導材（HTCまた
は従来型）を用いたパワーエレクトロニクス回路 7.冷却システム He冷凍システム上記諸元によるシュミレーション結果と現在最速と言
われるボーイングジェットフォイル船との性能比較は下
記の表３の通りで、本シュミレーション船は高船速、高
推進エネルギー効率が得られている。

次に本発明者等の行なったシュミレーションによる大
型実船電磁推進船の性能について説明する。

本シュミレーションについての諸元は下記の通りであ
る。

（１）性能 1.船 5000トン 2.航海速力 50ノット 3.EMTユニットソレノイドコイル×12基（２）重量 1.船殻重量 2000トン 2.超電導マグネット１、200トン（100トン/1基） 3.冷却システム 200トン 4.原動機 600トン 5.パワーシステム 400トン 6.その他 600トン以上合計５、000トン（３）要素技術 1.超電導マグネットソレノイドコイル型 10〜12T 直径5m、全長15m 2.浮上装置第４図に示す翼 3.燃料電池液体水素を利用した
もの 4.電極極性切換可、低塩素発生電極 5.船型低抵抗高速型（半没
水型） 6.パワーサプライシステム超電導材（HTCまた
は従来型）を用いたパワーエレクトロニクス回路 7.冷却システム He冷凍システムなお、本シュミレーションにおけるEMTユニットは、1
2基のEMTユニット30を第９図に示すように１列３基直列
として４列を並列に並べ、両端に超電導材からなる半環
状のシールド体31でシールドしたもので、隣合う２列ず
つ組合わせて磁界が図示のように一周するようにして、
磁束の漏れを少なくし、高磁場を発生できるようにした
ものである。シールド体31は超電導材による薄膜材、板
材、コイル材のいずれでも製作することができる。

産業上の利用可能性本発明に係る推力発生装置は、推力を水平に発生させ
るようにすれば船舶等の推進装置として用いることがで
き、また水平及び垂直に推力を発生させれば海上ステー
ションの位置保持装置として使用できる。

また、推力発生装置を固定してダクト中の電磁流体に
電流が流れるようにすればローレンツ力により電磁流体
がダクトから噴射されるので大容量海水ポンプ等として
使用できる。さらに推力発生原理を逆ににしてダクト中
に電磁流体を流せば発電が可能になるので、海流MHD発
電装置等の大容量発電機としてもにも使用できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者多田栄一大阪府和泉市光明台３―15―２ (56)参考文献特開平２−46159（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ソレノイドコイル型の超電導マグネットの
中空内部に、蔓巻状のダクトを挿通させ、該ダクトの内
面の一側に正電極を、他側に負電極を夫々連続的に配置
して対向させると共に、上記ダクトの入側及び出側開口
部を上記超電導マグネットの中心軸線に添わせて開口さ
せてなる推力発生装置。
【請求項２】請求項１の推力発生装置を並設し、発生磁
界を連環させた推力発生装置。
【請求項３】請求項１の推力発生装置を複数直列に連結
し、かつ二列並設し、発生磁界を連環させた推力発生装
置。
【請求項４】上記推力発生装置の列の端部に超電導材か
らなるシールド体を取付けた請求項２または３の推力発
生装置。