JP3515118B2 - 超伝導回転子 - Google Patents
超伝導回転子Info
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Classifications
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- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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- F25B2309/003—Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、電気モータの超伝導回転子に関し、更に詳
しくは、その界磁コイルを超伝導状態に維持するように
超伝導回転子を冷却することに関する。
しくは、その界磁コイルを超伝導状態に維持するように
超伝導回転子を冷却することに関する。
モータやジェネレータなどの超伝導回転機は、その回
転子の界磁構造が超伝導状態にあるように、冷却されな
ければならない。回転子の界磁コイルを冷却するための
従来のアプローチは、回転子を低温の流体の中に浸すこ
とである。例えば、従来型の低温超伝導物質を用いる回
転子は、液体ヘリウムの中に浸される。同様に、高温超
伝導物質で作られている界磁コイルを用いる回転子は、
液体窒素の中に浸される。いずれの場合にも、回転子が
発生する熱又は回転子の中に伝導する熱は、低温流体に
よって吸収されるが、この流体は気相への相変化を生じ
る。その結果、低温流体を、連続的に補給しなければな
らない。この補給は、回転子の軸に沿って回転機の中に
低温流体を与える搬送ラインを介して達成される。この
搬送ラインには、回転型の低温漏れ防止の密封が必要と
なる。回転型の密封では、漏れを防止するために相互に
極めて密着して接触した様態でスライドする表面が要求
される。表面は、こすれて摩擦により摩耗することで相
互に離間し、結果的にはギャップを生じる。室温では、
弾力性物質がこの問題を除去するために用いられるが、
低温で適切な弾力性を有する物質は知られていない。そ
の結果として、回転型の低温漏れ防止密封が専用の製品
として用いられ、頻繁な維持管理（メンテナンス）と部
品交換とが要求される。
転子の界磁構造が超伝導状態にあるように、冷却されな
ければならない。回転子の界磁コイルを冷却するための
従来のアプローチは、回転子を低温の流体の中に浸すこ
とである。例えば、従来型の低温超伝導物質を用いる回
転子は、液体ヘリウムの中に浸される。同様に、高温超
伝導物質で作られている界磁コイルを用いる回転子は、
液体窒素の中に浸される。いずれの場合にも、回転子が
発生する熱又は回転子の中に伝導する熱は、低温流体に
よって吸収されるが、この流体は気相への相変化を生じ
る。その結果、低温流体を、連続的に補給しなければな
らない。この補給は、回転子の軸に沿って回転機の中に
低温流体を与える搬送ラインを介して達成される。この
搬送ラインには、回転型の低温漏れ防止の密封が必要と
なる。回転型の密封では、漏れを防止するために相互に
極めて密着して接触した様態でスライドする表面が要求
される。表面は、こすれて摩擦により摩耗することで相
互に離間し、結果的にはギャップを生じる。室温では、
弾力性物質がこの問題を除去するために用いられるが、
低温で適切な弾力性を有する物質は知られていない。そ
の結果として、回転型の低温漏れ防止密封が専用の製品
として用いられ、頻繁な維持管理（メンテナンス）と部
品交換とが要求される。
自由流体を用いる回転システムの動的な安定性は、維
持が困難である。回転によって波動作用が起こり、その
結果、回転子に機械的な不均衡が生じる。更に、液体は
回転システムの中にあるので、回転加速度（角加速度）
により、機械の周縁部において、最大の圧力が低温流体
にかかる。この加圧により、低温流体の沸点が上昇す
る。大気圧では、液体窒素は77Kで沸騰する。しかし、3
600rpmで回転している直径が36センチメートルの回転子
では、沸点は、およそ、97Kとなり、これは、ある酸化
セラミックの高温超伝導物質の転移温度に非常に接近す
る、又は、それよりも高い。更に、そのような高温超伝
導物質に関して、その性能は、転移温度よりも低い温度
では、非常に強化されることが知られている。例えば、
酸化ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅（BSCC
O）2223システムでは、大気圧での77Kの液体窒素の場合
と比較して、超伝導物質を50Kまで冷却することによ
り、３倍大きな磁場が発生され得る。
持が困難である。回転によって波動作用が起こり、その
結果、回転子に機械的な不均衡が生じる。更に、液体は
回転システムの中にあるので、回転加速度（角加速度）
により、機械の周縁部において、最大の圧力が低温流体
にかかる。この加圧により、低温流体の沸点が上昇す
る。大気圧では、液体窒素は77Kで沸騰する。しかし、3
600rpmで回転している直径が36センチメートルの回転子
では、沸点は、およそ、97Kとなり、これは、ある酸化
セラミックの高温超伝導物質の転移温度に非常に接近す
る、又は、それよりも高い。更に、そのような高温超伝
導物質に関して、その性能は、転移温度よりも低い温度
では、非常に強化されることが知られている。例えば、
酸化ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅（BSCC
O）2223システムでは、大気圧での77Kの液体窒素の場合
と比較して、超伝導物質を50Kまで冷却することによ
り、３倍大きな磁場が発生され得る。
低温を達成する別のアプローチは、回転する環境には
ないが、低温冷凍機又は低温クーラ（cryocooler）によ
るものである。低温クーラは、ギフォード・マクマホン
（Gifford−McMahon）サイクルやスターリング（Stirli
ng）サイクルなどの、複数の熱力学的なサイクルの中の
１つで動作する。低温クーラは、例えば、磁気共鳴画像
（MRI）システムにおいて静止している磁石を冷却する
際に応用される。例えば、M.T.G.van der Laan et.a
l,"A 12k superconducting Magnet System,Cooled
via Thermal Conduction by Means of Cryocoo
lers",Advances in Cryogenic Engineering,Vol.37,
Part B,（Proceedings of the 1991 Cryogenic E
ngineering Conference）edited by R.W.Fast,page1
517、及び、G.Walker et.al,"Cryocooler for the
New High−Temperature Superconductors",Journal
of Superconductivity,Vol.1,No.2,1988を参照のこ
と。当業者には、低温クーラのよい動作は、その低温ク
ーラが動作する実際の条件に対して最適化された設計に
左右されることが広く知られている。既知の低温クーラ
は、通常は、対称な回転軸を有さず、更にそうでなけれ
ば回転する環境での動作に適しておらず、したがって、
このような応用には適当でない。
ないが、低温冷凍機又は低温クーラ（cryocooler）によ
るものである。低温クーラは、ギフォード・マクマホン
（Gifford−McMahon）サイクルやスターリング（Stirli
ng）サイクルなどの、複数の熱力学的なサイクルの中の
１つで動作する。低温クーラは、例えば、磁気共鳴画像
（MRI）システムにおいて静止している磁石を冷却する
際に応用される。例えば、M.T.G.van der Laan et.a
l,"A 12k superconducting Magnet System,Cooled
via Thermal Conduction by Means of Cryocoo
lers",Advances in Cryogenic Engineering,Vol.37,
Part B,（Proceedings of the 1991 Cryogenic E
ngineering Conference）edited by R.W.Fast,page1
517、及び、G.Walker et.al,"Cryocooler for the
New High−Temperature Superconductors",Journal
of Superconductivity,Vol.1,No.2,1988を参照のこ
と。当業者には、低温クーラのよい動作は、その低温ク
ーラが動作する実際の条件に対して最適化された設計に
左右されることが広く知られている。既知の低温クーラ
は、通常は、対称な回転軸を有さず、更にそうでなけれ
ば回転する環境での動作に適しておらず、したがって、
このような応用には適当でない。
発明の概要
本発明の１つの特徴による超伝導回転子は、超伝導転
移温度を有する超伝導物質で作られた少なくとも１つの
界磁コイルを備えた回転子を含む。低温ヘッド（cold
head）を含む低温クーラ（cryocooler）システムが、回
転子と共に回転するために、回転子上に設置される。低
温ヘッドは、界磁コイルと熱伝導関係を有するように回
転子上に設置され、界磁コイルをその転移温度よりも低
い温度まで冷却する。低温クーラは、１段又は複数段の
装置である。好適実施例では、界磁コイルと低温ヘッド
とは、共に、高い熱伝導率を有する構造と熱的に密接な
関係にある。別の実施例では、少なくとも１つの熱パイ
プが界磁コイルと低温ヘッドとの間に配置され、コイル
から熱を奪うように伝導させる。これらの実施例では、
非回転型のコンプレッサが提供され、ほぼ周囲温度にあ
る高圧の作業流体を低温ヘッドに搬送し、低圧の作業流
体を低温ヘッドから受け取る。コンプレッサと低温ヘッ
ドとは、室温にある回転ジョイントを介して、流体を交
換する関係にある。好適には、高圧の作業流体が、低圧
の作業流体も搬送する第２のライン内に配置された第１
のラインにおいて搬送される。
移温度を有する超伝導物質で作られた少なくとも１つの
界磁コイルを備えた回転子を含む。低温ヘッド（cold
head）を含む低温クーラ（cryocooler）システムが、回
転子と共に回転するために、回転子上に設置される。低
温ヘッドは、界磁コイルと熱伝導関係を有するように回
転子上に設置され、界磁コイルをその転移温度よりも低
い温度まで冷却する。低温クーラは、１段又は複数段の
装置である。好適実施例では、界磁コイルと低温ヘッド
とは、共に、高い熱伝導率を有する構造と熱的に密接な
関係にある。別の実施例では、少なくとも１つの熱パイ
プが界磁コイルと低温ヘッドとの間に配置され、コイル
から熱を奪うように伝導させる。これらの実施例では、
非回転型のコンプレッサが提供され、ほぼ周囲温度にあ
る高圧の作業流体を低温ヘッドに搬送し、低圧の作業流
体を低温ヘッドから受け取る。コンプレッサと低温ヘッ
ドとは、室温にある回転ジョイントを介して、流体を交
換する関係にある。好適には、高圧の作業流体が、低圧
の作業流体も搬送する第２のライン内に配置された第１
のラインにおいて搬送される。
本発明の更に別の側面では、コンプレッサは、低温ヘ
ッドと共に、回転子と共に回転するように設置される。
この実施例では、コンプレッサは、導電性のスリップ・
リングから電力を受け取る。
ッドと共に、回転子と共に回転するように設置される。
この実施例では、コンプレッサは、導電性のスリップ・
リングから電力を受け取る。
これらのすべての実施例で、好ましくは、低温クーラ
・システムは、それが付属されている回転子の回転軸と
一致する長軸を有する。また、好ましくは、低温クーラ
の長軸は、受け入れられる回転性能を確実にする回転に
関する対称性を有する軸ではある。主な冷却モードが界
磁コイルと低温クーラとを支持する構造を介しての熱伝
導であるときには、この構造は、高い熱伝導性を有する
軸方向に延長する長軸方向の部材によって接続された、
複数の軸方向に離間した環状の部材を含み得る。
・システムは、それが付属されている回転子の回転軸と
一致する長軸を有する。また、好ましくは、低温クーラ
の長軸は、受け入れられる回転性能を確実にする回転に
関する対称性を有する軸ではある。主な冷却モードが界
磁コイルと低温クーラとを支持する構造を介しての熱伝
導であるときには、この構造は、高い熱伝導性を有する
軸方向に延長する長軸方向の部材によって接続された、
複数の軸方向に離間した環状の部材を含み得る。
本発明の一部を形成する低温クーラは、線形モータ・
アセンブリ又はボイス・コイル・システムによって駆動
され、システムの動作の間にピストン／熱交換器（rege
nerator）の断面積上で均一である質量流量での作業流
体の通過を許容するピストン／熱交換器を含む往復ピス
トン／熱交換器を含む。この低温クーラは、ギフォード
・マクマホン・サイクルやスターリング・サイクルなど
の任意の適当な熱力学的なサイクルで動作し得る。適切
な作業流体は、ヘリウム、ネオン、窒素、水素、及び酸
素である。
アセンブリ又はボイス・コイル・システムによって駆動
され、システムの動作の間にピストン／熱交換器（rege
nerator）の断面積上で均一である質量流量での作業流
体の通過を許容するピストン／熱交換器を含む往復ピス
トン／熱交換器を含む。この低温クーラは、ギフォード
・マクマホン・サイクルやスターリング・サイクルなど
の任意の適当な熱力学的なサイクルで動作し得る。適切
な作業流体は、ヘリウム、ネオン、窒素、水素、及び酸
素である。
界磁コイルを形成する超伝導物質は、35Kよりも低い
転移温度を有するニオブ・錫（niobiumu−tin）などの
低温超伝導体であるか、又は35Kよりも高い転移温度を
有する高温超伝導体であるのかのどちらかである。界磁
コイルのための適切な高温超伝導体は、酸化ビスマス・
ストロンチウム・カルシウム・銅のファミリ、酸化イッ
トリウム・バリウム・銅のシステム、水銀ベースの物
質、及びタリウム・ベースの高温超伝導物質のメンバで
ある。低温クーラの特性は、超伝導体の転移温度よりも
低い、好ましくは、超伝導体の転移温度よりも著しく低
い回転子温度を提供するように選択される。
転移温度を有するニオブ・錫（niobiumu−tin）などの
低温超伝導体であるか、又は35Kよりも高い転移温度を
有する高温超伝導体であるのかのどちらかである。界磁
コイルのための適切な高温超伝導体は、酸化ビスマス・
ストロンチウム・カルシウム・銅のファミリ、酸化イッ
トリウム・バリウム・銅のシステム、水銀ベースの物
質、及びタリウム・ベースの高温超伝導物質のメンバで
ある。低温クーラの特性は、超伝導体の転移温度よりも
低い、好ましくは、超伝導体の転移温度よりも著しく低
い回転子温度を提供するように選択される。
本発明は回転子と共に回転するように設置される低温
クーラを用いるので、システムの動的な均衡を混乱させ
る流体のプールは存在しない。更に、熱パイプ又は熱伝
導性の大きい物質を用いることにより、界磁コイル内の
温度勾配は小さくなる。本発明は、また、低温回転ジョ
イントを不要にする。重要なことであるが、低温クーラ
は、界磁コイルを、超伝導体の転移温度よりもはるかに
低い温度まで冷却できる。
クーラを用いるので、システムの動的な均衡を混乱させ
る流体のプールは存在しない。更に、熱パイプ又は熱伝
導性の大きい物質を用いることにより、界磁コイル内の
温度勾配は小さくなる。本発明は、また、低温回転ジョ
イントを不要にする。重要なことであるが、低温クーラ
は、界磁コイルを、超伝導体の転移温度よりもはるかに
低い温度まで冷却できる。
図面の簡単な説明
図１は、本発明の超伝導回転子の断面図である。
図２は、回転子と共に回転するコンプレッサを含む、
本発明による超伝導回転子の実施例の断面図である。
本発明による超伝導回転子の実施例の断面図である。
図３は、低温クーラの概略の断面図である。
図４は、２段の回転可能な低温クーラの断面図であ
る。
る。
図５は、１段の回転可能な低温クーラの概略の断面図
である。
である。
図６は、本発明で用いられる熱パイプの断面図であ
る。
る。
図７は、本発明の好適実施例によるピストン／熱交換
器の全体図である。
器の全体図である。
好適実施例の説明
図１を参照すると、超伝導回転子10は、主軸（マンド
レル）14上に支持された界磁コイル巻線12を含む。界磁
コイル巻線12は、好ましくは、米国マサチューセッツ州
ウェストボロのアメリカン・スーパーコンダクタ・コー
ポレーションから市販されている物質のような、高温超
伝導ワイヤ物質から作られる。適切な超伝導物質のその
他の生産企業としては、米国ニューヨーク州ギルダーラ
ンドのIGC社や、日本の住友電気工業がある。適当な超
伝導体は、高温超伝導物質の既知のクラスから選択され
る。界磁コイル巻線12は、また、従来の低温超伝導体で
作ることができる。図１の実施例は、界磁コイルと界磁
コイル巻線12の巻かれている主軸14とに機械的及び熱的
に密接している複数の離間する環状の部材を含む。環状
部材16〜22と主軸14とは、共に、銅などの熱伝導率の高
い物質で作られている。主軸14と環状部材16〜22とは、
また、動作中に実質的な遠心力及び磁気的な力を受ける
コイル構造全体に対し、機械的な剛性を提供する。
レル）14上に支持された界磁コイル巻線12を含む。界磁
コイル巻線12は、好ましくは、米国マサチューセッツ州
ウェストボロのアメリカン・スーパーコンダクタ・コー
ポレーションから市販されている物質のような、高温超
伝導ワイヤ物質から作られる。適切な超伝導物質のその
他の生産企業としては、米国ニューヨーク州ギルダーラ
ンドのIGC社や、日本の住友電気工業がある。適当な超
伝導体は、高温超伝導物質の既知のクラスから選択され
る。界磁コイル巻線12は、また、従来の低温超伝導体で
作ることができる。図１の実施例は、界磁コイルと界磁
コイル巻線12の巻かれている主軸14とに機械的及び熱的
に密接している複数の離間する環状の部材を含む。環状
部材16〜22と主軸14とは、共に、銅などの熱伝導率の高
い物質で作られている。主軸14と環状部材16〜22とは、
また、動作中に実質的な遠心力及び磁気的な力を受ける
コイル構造全体に対し、機械的な剛性を提供する。
低温クーラ・アセンブリ26の低温ヘッド端部24は、角
部材22における溝（recess）の内部に配置されている。
好ましくは、低温クーラ26の対称軸は、回転子10の回転
軸28と一致する。後に更に詳細に説明するが、低温クー
ラ26は、ライン32を介して、コンプレッサ30から高圧の
作業流体を受け取る。低圧の作業流体は、ライン34を介
して、コンプレッサ30に戻される。ライン32、34は、回
転カップリング又はジャンクション36を介して、低温ク
ーラ26と流体を交換する関係にある。
部材22における溝（recess）の内部に配置されている。
好ましくは、低温クーラ26の対称軸は、回転子10の回転
軸28と一致する。後に更に詳細に説明するが、低温クー
ラ26は、ライン32を介して、コンプレッサ30から高圧の
作業流体を受け取る。低圧の作業流体は、ライン34を介
して、コンプレッサ30に戻される。ライン32、34は、回
転カップリング又はジャンクション36を介して、低温ク
ーラ26と流体を交換する関係にある。
動作の間に、低温ヘッド24は、環状部材22と、相互接
続構造の高い熱伝導性のために、界磁コイル巻線12とか
ら、熱を抽出する。この実施例においては、コンプレッ
サ30は、回転子30と共に回転することはない。
続構造の高い熱伝導性のために、界磁コイル巻線12とか
ら、熱を抽出する。この実施例においては、コンプレッ
サ30は、回転子30と共に回転することはない。
図２は、本発明の実施例を示しているが、ここでは、
低温クーラ26とコンプレッサ30とが、回転子10と共に回
転するように設置されている。導電性のスリップ・リン
グ・アセンブリ38によって、回転していない電気エネル
ギ源40からコンプレッサ30に、電気が運ばれることが可
能になる。図２の実施例は、図１の流体回転ジョイント
36を不要にしている。
低温クーラ26とコンプレッサ30とが、回転子10と共に回
転するように設置されている。導電性のスリップ・リン
グ・アセンブリ38によって、回転していない電気エネル
ギ源40からコンプレッサ30に、電気が運ばれることが可
能になる。図２の実施例は、図１の流体回転ジョイント
36を不要にしている。
理解されるように、低温クーラ26のような低温クーラ
は、圧縮された作業流体の急速な膨張によって冷却が達
成される冷却装置であり、ギフォード・マクマホン・サ
イクル、スターリング・サイクル、又はパルス・チュー
ブ・サイクルとして知られているスターリング・サイク
ルの変形などの複数の熱力学的なサイクルに従って動作
するように設計されている。所望の低い臨界温度を与え
るこれらのサイクル又は任意の他の熱力学的な原理に基
づいて動作する低温クーラが、本発明を実現するのに用
いられる。
は、圧縮された作業流体の急速な膨張によって冷却が達
成される冷却装置であり、ギフォード・マクマホン・サ
イクル、スターリング・サイクル、又はパルス・チュー
ブ・サイクルとして知られているスターリング・サイク
ルの変形などの複数の熱力学的なサイクルに従って動作
するように設計されている。所望の低い臨界温度を与え
るこれらのサイクル又は任意の他の熱力学的な原理に基
づいて動作する低温クーラが、本発明を実現するのに用
いられる。
低温クーラ26は、その概略が図３に示されている。ヘ
リウム又はネオンなどの高圧作業流体が、ライン32を介
して、回転ジョイント36を通り、低温クーラ26の内部に
供給される。ピストン／熱交換器は、線形モータ・アセ
ンブリ44によって往復運動をする。低圧の作業流体は、
ライン34を介して、コンプレッサ30に戻る。当業者であ
れば理解するように、ピストン／熱交換器42の往復の際
に、低温ヘッド24は冷却され、その周囲から熱を奪う。
米国マサチューセッツ州ウィルミントンのエドワード・
バキューム社、マサチューセッツ州マンスフィールドの
CTIクリオジェニックス社、共にニューヨーク州シラキ
ュースのクリマック・コーポレーション社及びキャリア
・コーポレーション社などの複数の製造業者から市販さ
れている低温クーラは、例えば、図３及び図４と図５と
のどちらかに記載されているように駆動構成を修正し、
更に、後に説明する図７に記載されているように流体ピ
ストン／熱交換器システムを修正すれば、本発明に従っ
て動作するように修正が可能である。
リウム又はネオンなどの高圧作業流体が、ライン32を介
して、回転ジョイント36を通り、低温クーラ26の内部に
供給される。ピストン／熱交換器は、線形モータ・アセ
ンブリ44によって往復運動をする。低圧の作業流体は、
ライン34を介して、コンプレッサ30に戻る。当業者であ
れば理解するように、ピストン／熱交換器42の往復の際
に、低温ヘッド24は冷却され、その周囲から熱を奪う。
米国マサチューセッツ州ウィルミントンのエドワード・
バキューム社、マサチューセッツ州マンスフィールドの
CTIクリオジェニックス社、共にニューヨーク州シラキ
ュースのクリマック・コーポレーション社及びキャリア
・コーポレーション社などの複数の製造業者から市販さ
れている低温クーラは、例えば、図３及び図４と図５と
のどちらかに記載されているように駆動構成を修正し、
更に、後に説明する図７に記載されているように流体ピ
ストン／熱交換器システムを修正すれば、本発明に従っ
て動作するように修正が可能である。
図４を参照すると、低温クーラ26が更に詳細に示され
ている。この低温クーラ26は、第１段の膨張部分50と第
２段の膨張部分52とを含む２段の低温クーラである。環
状の密封54、56が、ピストン／熱交換器42との密封関係
を形成する。ピストン／熱交換器42は、コネクタ60によ
って、移動コイル・アセンブリ58に固定されている。永
久磁石構造62は、その中で移動コイル58が干渉なく移動
し得る凹部（groove）64を含む。高圧作業気体（図示せ
ず）が、ライン70を介して低温クーラ26の中に導入さ
れ、低圧の戻りの作業気体は、ライン72を流れる。高圧
気体の流れは、弁74によって制御され、低圧の作業気体
の流れは、弁74によって制御される。
ている。この低温クーラ26は、第１段の膨張部分50と第
２段の膨張部分52とを含む２段の低温クーラである。環
状の密封54、56が、ピストン／熱交換器42との密封関係
を形成する。ピストン／熱交換器42は、コネクタ60によ
って、移動コイル・アセンブリ58に固定されている。永
久磁石構造62は、その中で移動コイル58が干渉なく移動
し得る凹部（groove）64を含む。高圧作業気体（図示せ
ず）が、ライン70を介して低温クーラ26の中に導入さ
れ、低圧の戻りの作業気体は、ライン72を流れる。高圧
気体の流れは、弁74によって制御され、低圧の作業気体
の流れは、弁74によって制御される。
図４の低温クーラは、異なる温度での２段の冷却を有
する。第１段の膨張部分50を用いる第１段は、高いほう
の温度で動作し熱を周囲の温度環境に捨てるのに対し、
第２段の膨張部分52を用いる第２段は、20〜80Kの温度
範囲で動作し、第１段の部分に熱を捨てる。連続的な冷
却は、ピストン／熱交換器42の振動運動と以下で説明す
る弁74、76の適当な開閉とによる、２つの膨張装置50、
52での作業気体の膨張によって達成される。
する。第１段の膨張部分50を用いる第１段は、高いほう
の温度で動作し熱を周囲の温度環境に捨てるのに対し、
第２段の膨張部分52を用いる第２段は、20〜80Kの温度
範囲で動作し、第１段の部分に熱を捨てる。連続的な冷
却は、ピストン／熱交換器42の振動運動と以下で説明す
る弁74、76の適当な開閉とによる、２つの膨張装置50、
52での作業気体の膨張によって達成される。
ピストン／熱交換器42の振動運動は、この実施例で
は、図解されているボイス（voice）コイル・アセンブ
リによって達成される。移動コイル58は、形状において
は、ソレノイドである。移動コイルは、磁化されたまま
で留まることのできる性質を有する任意の強磁性物質か
ら作られる永久磁石構造62と相互作用する。適切な物質
は、鉄、SmCo、NdCo、Ｂなどである。永久磁石構造62
は、環状の凹部64において軸方向に向いた永久磁場を有
するように磁化される。移動コイル58は、スリップ・リ
ング78を介して、交流によって励起される。移動コイル
58を通る電流と環状凹部内の磁場との積に比例する力
が、移動コイル58に加わり、結果的に、ピストン／熱交
換器42の振動運動が生じる。
は、図解されているボイス（voice）コイル・アセンブ
リによって達成される。移動コイル58は、形状において
は、ソレノイドである。移動コイルは、磁化されたまま
で留まることのできる性質を有する任意の強磁性物質か
ら作られる永久磁石構造62と相互作用する。適切な物質
は、鉄、SmCo、NdCo、Ｂなどである。永久磁石構造62
は、環状の凹部64において軸方向に向いた永久磁場を有
するように磁化される。移動コイル58は、スリップ・リ
ング78を介して、交流によって励起される。移動コイル
58を通る電流と環状凹部内の磁場との積に比例する力
が、移動コイル58に加わり、結果的に、ピストン／熱交
換器42の振動運動が生じる。
低温クーラ・アセンブリ26は、１対の同軸のパイプ7
0、72を介して、外部の圧縮気体源（図示せず）に接続
される。この同軸のパイプ構成は、１対の電気的に付勢
される弁74、76に接続され、低温クーラ26に出入りする
気体の流れを制御する。弁74、76の時間的なシーケンス
を次に説明する。
0、72を介して、外部の圧縮気体源（図示せず）に接続
される。この同軸のパイプ構成は、１対の電気的に付勢
される弁74、76に接続され、低温クーラ26に出入りする
気体の流れを制御する。弁74、76の時間的なシーケンス
を次に説明する。
ピストン／熱交換器42が最も左の位置にあるときに、
高圧気体弁74が開く。気体は、ピストン／熱交換器42を
通って低温ヘッドの中に流れ、その通過の間に温度が低
下し、膨張部分に圧力を与える。そこで、弁74が閉じ、
ピストン／熱交換器42は右側に移動し、両方の膨張部分
での気体を膨張させる。この膨張により、気体は更に温
度が下がる。次に、ピストン／熱交換器42が左に移動す
る時に、弁76が開く。気体は、熱的に接続されている超
伝導回転子から熱を吸収する。気体は、ピストン／熱交
換器42を通って流れ、次に、コンプレッサに戻る（図４
には示されていない）。サイクルがその後に反復する際
に、弁76が閉じる。アセンブリ26の全体は、共通の対称
軸を有するように作られており、それにより、静的環境
と回転する環境とでの動作が可能になる。
高圧気体弁74が開く。気体は、ピストン／熱交換器42を
通って低温ヘッドの中に流れ、その通過の間に温度が低
下し、膨張部分に圧力を与える。そこで、弁74が閉じ、
ピストン／熱交換器42は右側に移動し、両方の膨張部分
での気体を膨張させる。この膨張により、気体は更に温
度が下がる。次に、ピストン／熱交換器42が左に移動す
る時に、弁76が開く。気体は、熱的に接続されている超
伝導回転子から熱を吸収する。気体は、ピストン／熱交
換器42を通って流れ、次に、コンプレッサに戻る（図４
には示されていない）。サイクルがその後に反復する際
に、弁76が閉じる。アセンブリ26の全体は、共通の対称
軸を有するように作られており、それにより、静的環境
と回転する環境とでの動作が可能になる。
ピストン／熱交換器は、このシステムの動作の間はピ
ストン／熱交換器の断面積上で実質的に均一の質量流量
（mass flow rate）で作業流体を通過させる、１組の
軸方向に向いた通路を有する。好適実施例では、これら
の通路のサイズと間隔とは、ピストン／熱交換器の単位
面積における開口の全体の断面積が半径位置とは実質的
に逆数の関係で変動する（vary in ａ substantiall
y inverse relation）、好ましくは、ピストン／熱交
換器の対称軸から測定された通路の半径位置の４乗と実
質的に逆数の関係で変動するようになっている。例え
ば、図７に示されているように、ピストン／熱交換器42
は、熱伝導性が低く穴の開いた又は多孔性のセパレータ
102（Ａ）、（Ｂ）、・・・によって分離された熱伝導
性が高く穴の開いた又は多孔性のディスク100（Ａ）、
（Ｂ）、・・・の積み重ねとして構成されている。穴の
開いたディスクとセパレータとに関しては、穴は、ピス
トン／熱交換器を通る連続的な流体の流れのための経路
を提供するために軸方向に実質的に整列されるべきであ
る。ピストン／熱交換器42は、半径方向には熱伝導性が
高く、軸方向には熱伝導性が低い複合的な構造を与え
る。ディスク100は、銅、銀、又は他の導電性金属、ア
ルミナ、マグネシア、又は他の熱伝導性のセラミック、
キュリー温度がピストン／熱交換器の動作温度の範囲内
にある強磁性の物質などの相転移物質などの、熱伝導性
が高く熱容量が大きな任意の物質から作られ得る。セパ
レータ102は、穴の開いたマイラー（Mylar、登録商標）
又はテフロン（Teflon、登録商標）、木材、紙、又は、
他の任意の熱伝導性が低い透過性の物質から作られる。
各ディスクの開口92、94（Ａ）〜（Ｃ）、96（Ａ）〜
（Ｆ）、98（Ａ）〜（Ｈ）の間隔とサイズとは、半径10
6において開口96（Ａ）〜（Ｆ）を包囲する面積108など
の各半径における全体の流れの面積が、ピストン／熱交
換器の対称軸104から測定してその半径の４乗として実
質的に逆に減少するように、変動する。よって、回転環
境におけるピストン／熱交換器42の動作の間は、流体の
質量流量はピストン／熱交換器の断面積上で実質的に均
一である。
ストン／熱交換器の断面積上で実質的に均一の質量流量
（mass flow rate）で作業流体を通過させる、１組の
軸方向に向いた通路を有する。好適実施例では、これら
の通路のサイズと間隔とは、ピストン／熱交換器の単位
面積における開口の全体の断面積が半径位置とは実質的
に逆数の関係で変動する（vary in ａ substantiall
y inverse relation）、好ましくは、ピストン／熱交
換器の対称軸から測定された通路の半径位置の４乗と実
質的に逆数の関係で変動するようになっている。例え
ば、図７に示されているように、ピストン／熱交換器42
は、熱伝導性が低く穴の開いた又は多孔性のセパレータ
102（Ａ）、（Ｂ）、・・・によって分離された熱伝導
性が高く穴の開いた又は多孔性のディスク100（Ａ）、
（Ｂ）、・・・の積み重ねとして構成されている。穴の
開いたディスクとセパレータとに関しては、穴は、ピス
トン／熱交換器を通る連続的な流体の流れのための経路
を提供するために軸方向に実質的に整列されるべきであ
る。ピストン／熱交換器42は、半径方向には熱伝導性が
高く、軸方向には熱伝導性が低い複合的な構造を与え
る。ディスク100は、銅、銀、又は他の導電性金属、ア
ルミナ、マグネシア、又は他の熱伝導性のセラミック、
キュリー温度がピストン／熱交換器の動作温度の範囲内
にある強磁性の物質などの相転移物質などの、熱伝導性
が高く熱容量が大きな任意の物質から作られ得る。セパ
レータ102は、穴の開いたマイラー（Mylar、登録商標）
又はテフロン（Teflon、登録商標）、木材、紙、又は、
他の任意の熱伝導性が低い透過性の物質から作られる。
各ディスクの開口92、94（Ａ）〜（Ｃ）、96（Ａ）〜
（Ｆ）、98（Ａ）〜（Ｈ）の間隔とサイズとは、半径10
6において開口96（Ａ）〜（Ｆ）を包囲する面積108など
の各半径における全体の流れの面積が、ピストン／熱交
換器の対称軸104から測定してその半径の４乗として実
質的に逆に減少するように、変動する。よって、回転環
境におけるピストン／熱交換器42の動作の間は、流体の
質量流量はピストン／熱交換器の断面積上で実質的に均
一である。
図５は、ただ１つの段を有する低温クーラの実質例で
ある。この１段の装置は、図４に関して説明した２段の
実施例と同様に動作する。
ある。この１段の装置は、図４に関して説明した２段の
実施例と同様に動作する。
再び図１を参照すると、離間した環状の部材16〜22
は、複数の熱パイプ80によって相互接続され得る。代表
的な熱パイプ80の断面図は、図６に示されている。熱パ
イプ80は、その端部において密封されている熱伝導性の
高いチューブ52を含む。チューブ82に適した物質は、高
い強度を有する銅又はアルミニウム合金である。チュー
ブ84の内部壁は、多孔性の芯（wick）物質84を用いて覆
われており、チューブは、また、ヘリウム、ネオン、又
は窒素などの低温の作業流体（図示せず）を含む。好適
実施例では、芯物質84は、焼結されたセラミックであ
る。細い織られた金属メッシュ、ファイバ状の布地、又
は焼結された金属粉体などの芯物質もまた、用いられ
る。熱パイプ80の中の低温の作業流体の量は、熱パイプ
80の内部の容積の全体が与えられた際に、低温作業流体
のおよそ５〜25％が、所望の動作温度で圧縮されて液体
状態になるように選択される。
は、複数の熱パイプ80によって相互接続され得る。代表
的な熱パイプ80の断面図は、図６に示されている。熱パ
イプ80は、その端部において密封されている熱伝導性の
高いチューブ52を含む。チューブ82に適した物質は、高
い強度を有する銅又はアルミニウム合金である。チュー
ブ84の内部壁は、多孔性の芯（wick）物質84を用いて覆
われており、チューブは、また、ヘリウム、ネオン、又
は窒素などの低温の作業流体（図示せず）を含む。好適
実施例では、芯物質84は、焼結されたセラミックであ
る。細い織られた金属メッシュ、ファイバ状の布地、又
は焼結された金属粉体などの芯物質もまた、用いられ
る。熱パイプ80の中の低温の作業流体の量は、熱パイプ
80の内部の容積の全体が与えられた際に、低温作業流体
のおよそ５〜25％が、所望の動作温度で圧縮されて液体
状態になるように選択される。
動作においては、熱パイプ80の内部の作業流体は、低
温ヘッド24に隣接する端部で圧縮する。圧縮された作業
流体は、熱を吸収する芯84に沿った毛管現象によって移
動する。この流体は、蒸気状態に相転移し、熱パイプ80
の中心を通り、低温ヘッド24に隣接する冷却端部に戻
る。熱パイプ80は環状部材16〜22と熱的に密接に接触し
ているので、界磁コイル巻線12における熱は、巻線がそ
の材料である超伝導物質の臨界温度よりも低い温度に維
持されるように、除かれる。
温ヘッド24に隣接する端部で圧縮する。圧縮された作業
流体は、熱を吸収する芯84に沿った毛管現象によって移
動する。この流体は、蒸気状態に相転移し、熱パイプ80
の中心を通り、低温ヘッド24に隣接する冷却端部に戻
る。熱パイプ80は環状部材16〜22と熱的に密接に接触し
ているので、界磁コイル巻線12における熱は、巻線がそ
の材料である超伝導物質の臨界温度よりも低い温度に維
持されるように、除かれる。
図３、図４及び図５を参照すると、低温クーラ26の内
部の好適な作業流体は、ネオンである。作業流体として
ヘリウムを用いると低い温度（例えば、およそ20K）が
得られるが、それよりも重いネオン・ガスによれば、コ
ンプレッサ30とピストン／熱交換器42との動作は、より
効率的となる。更に、ネオンの原子量の方が大きいこと
により、転送カップリング36における漏れも削減され
る。窒素は、低温クーラ26に対する別の適切な作業流体
である。ネオンはまた、30〜40Kの範囲の作業温度に対
して、熱パイプの内部での好適な作業流体である。
部の好適な作業流体は、ネオンである。作業流体として
ヘリウムを用いると低い温度（例えば、およそ20K）が
得られるが、それよりも重いネオン・ガスによれば、コ
ンプレッサ30とピストン／熱交換器42との動作は、より
効率的となる。更に、ネオンの原子量の方が大きいこと
により、転送カップリング36における漏れも削減され
る。窒素は、低温クーラ26に対する別の適切な作業流体
である。ネオンはまた、30〜40Kの範囲の作業温度に対
して、熱パイプの内部での好適な作業流体である。
他の実施例では、熱伝導性の高いロッド（例えば、
銅）が、熱パイプ80に用いられる。そのようなロッド又
は熱パイプ80は、もちろん、必要であれば界磁コイル巻
線12の内部に直接に埋め込むことができ、熱伝導を向上
させる。
銅）が、熱パイプ80に用いられる。そのようなロッド又
は熱パイプ80は、もちろん、必要であれば界磁コイル巻
線12の内部に直接に埋め込むことができ、熱伝導を向上
させる。
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平１−160356（ＪＰ，Ａ)
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米国特許4209061（ＵＳ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H02K 55/04 ZAA
Claims (34)
- 【請求項１】超伝導回転子システムにおいて、 超伝導遷移温度を有する超伝導物質から成る少なくとも
１つの界磁コイルを含む回転子と、 前記回転子と共に回転るように設置された低温ヘッドを
含む低温クーラ・システムであって、前記低温ヘッド
は、前記コイルと熱伝導関係を有しており前記コイルを
その変位温度よりも低い温度まで冷却し、前記システム
の動作の間、その断面積上で実質的に均一である質量流
量での作業流体の通過を可能にするピストン／熱交換器
を有する、低温クーラ・システムと、 を備えることを特徴とする超伝導回転子システム。 - 【請求項２】超伝導回転子システムにおいて、 超伝導遷移温度を有する超伝導物質から成る少なくとも
１つの界磁コイルを含む回転子と、 前記回転子と共に回転するように設置されており低温ヘ
ッドとコンプレッサとを含む低温クーラ・システムであ
って、前記低温ヘッドは、前記コイルと熱伝導関係を有
しており前記コイルをその変位温度よりも低い温度まで
冷却し、前記システムの動作の間、その断面積上で実質
的に均一である質量流量での作業流体の通過を可能にす
るピストン／熱交換器を有する、低温クーラ・システム
と、 を備えることを特徴とする超伝導回転子システム。 - 【請求項３】請求項１又は請求項２に記載されたシステ
ムにおいて、前記コイルと前記低温ヘッドとは高い熱伝
導係数を有する構造と熱接触関係にあることを特徴とす
るシステム。 - 【請求項４】請求項１又は請求項２記載のシステムにお
いて、前記コイルと前記低温ヘッドとの間に配置された
少なくとも１つの熱パイプを更に含むことを特徴とする
システム。 - 【請求項５】請求項１記載のシステムにおいて、高圧の
作業流体を前記低温ヘッドに搬送し低圧の作業流体を前
記低温ヘッドから受け取る非回転コンプレッサを更に含
むことを特徴とするシステム。 - 【請求項６】請求項５記載のシステムにおいて、前記コ
ンプレッサと前記低温ヘッドとは、回転ジョイントを通
過して流体が連絡することを特徴とするシステム。 - 【請求項７】請求項５記載のシステムにおいて、前記高
圧の作業流体は、前記低圧の作業流体を運ぶ第２のライ
ンの内部に配置された第１のラインを運ばれることを特
徴とするシステム。 - 【請求項８】請求項３記載のシステムにおいて、前記構
造は、前記コイルを支持し、軸方向に延長する長軸部材
によって接続される複数の軸方向に離間した環状部材を
含むことを特徴とするシステム。 - 【請求項９】請求項４記載のシステムにおいて、前記熱
パイプの一部は前記コイルに埋め込まれていることを特
徴とするシステム。 - 【請求項１０】請求項２記載のシステムにおいて、前記
コンプレッサは、電気的スリップ・リング結合を介して
運ばれる電気によって電力を与えられることを特徴とす
るシステム。 - 【請求項１１】請求項１又は請求項２記載のシステムに
おいて、前記低温ヘッドと前記回転子とは、一致する長
軸を有することを特徴とするシステム。 - 【請求項１２】請求項１又は請求項２記載のシステムに
おいて、前記低温ヘッドは、線形モータ・アセンブリに
よって駆動される往復ピストン／熱交換器を含むことを
特徴とするシステム。 - 【請求項１３】請求項１又は請求項２記載のシステムに
おいて、前記低温クーラ・システムは、２段型の低温ク
ーラであることを特徴とするシステム。 - 【請求項１４】請求項１又は請求項２記載のシステムに
おいて、前記低温クーラ・システムは、１段型の低温ク
ーラであることを特徴とするシステム。 - 【請求項１５】請求項１又は請求項２記載のシステムに
おいて、前記超伝導物質は35Kよりも低い遷移温度を有
することを特徴とするシステム。 - 【請求項１６】請求項１又は請求項２記載のシステムに
おいて、前記超伝導物質は35Kよりも高い遷移温度を有
することを特徴とするシステム。 - 【請求項１７】請求項１ないし請求項16の中の任意の請
求項に記載のシステムにおいて、前記作業流体は、ヘリ
ウム、ネオン、窒素、水素及び酸素を含むグループから
選択されることを特徴とするシステム。 - 【請求項１８】請求項１ないし請求項16の中の任意の請
求項に記載のシステムにおいて、前記低温クーラ・シス
テムは、ギフォード・マクマホン・サイクル、スターリ
ング・サイクル及びパルス・チューブ（pulse tube）
サイクルを含むグループから選択されることを特徴とす
るシステム。 - 【請求項１９】超伝導回転子システムにおいて、 超伝導遷移温度を有する高温超伝導物質から成る少なく
とも１つの界磁コイルを含む回転子と、 コンプレッサと、前記システムの動作の間、その断面積
上で実質的に均一の質量流量での作業流体の通過を可能
にする往復ピストン／熱交換器を含む低温クーラの低温
ヘッドとであって、前記低温ヘッドと前記コンプレッサ
とは前記回転子と共に回転するように設置されており、
前記低温ヘッドは、前記コイルと熱伝導関係を有し前記
コイルをその転移温度よりも低い温度まで冷却する、コ
ンプレッサと低温ヘッドと、 を備えることを特徴とする超伝導回転子システム。 - 【請求項２０】請求項１、請求項２又は請求項19記載の
システムにおいて、前記低温クーラ・システムは、前記
オイルの温度を77Kよりも低く維持することを特徴とす
るシステム。 - 【請求項２１】請求項１、請求項２又は請求項19記載の
システムにおいて、前記低温クーラ・システムは、前記
コイルの温度をほぼ50Kよりも低く維持することを特徴
とするシステム。 - 【請求項２２】請求項４記載のシステムにおいて、前記
熱パイプは、その内部表面上に芯（wick）物質を含むこ
とを特徴とするシステム。 - 【請求項２３】請求項１、請求項２又は請求項19記載の
システムにおいて、前記超伝導物質は、超伝導酸化セラ
ミックであることを特徴とするシステム。 - 【請求項２４】請求項１又は請求項２記載のシステムに
おいて、前記ピストン／熱交換器は、複数の軸方向に向
けられた通路を含み、前記通路のサイズと位置とは、実
質的に断面積的に均一な作業流体の質量流量を提供する
ように選択されていることを特徴とするシステム。 - 【請求項２５】請求項24記載のシステムにおいて、半径
方向の前記通路の断面積全体は、前記ピストン／熱交換
器の対称軸から測定された前記通路の半径方向の位置に
実質的に逆の関係で変動することを特徴とするシステ
ム。 - 【請求項２６】請求項１又は請求項２記載のシステムに
おいて、前記ピストン／熱交換器は、高い半径方向の熱
伝導性と低い軸方向の熱伝導性とを有することを特徴と
するシステム。 - 【請求項２７】請求項26記載のシステムにおいて、前記
ピストン／熱交換器は、複数の高い熱伝導性のディスク
を有し、各ディスクは、低い熱伝導性のセパレータによ
って隣接するディスクから分離されていることを特徴と
するシステム。 - 【請求項２８】回転可能な低温クーラのためのピストン
／熱交換器であって、複数の軸方向に向けられた通路を
含む構造を含み、前記通路のサイズと位置とは、回転の
間、前記ピストン／熱交換器の断面積上で実質的に均一
な作業流体の質量流量を提供するように選択されている
ことを特徴とするシステム。 - 【請求項２９】請求項28記載のシステムにおいて、半径
方向の前記通路の断面積全体は、前記ピストン／熱交換
器の対称軸から測定された前記通路の半径方向の位置に
実質的に逆の関係で変動することを特徴とするシステ
ム。 - 【請求項３０】請求項28記載のシステムにおいて、前記
構造は、高い半径方向の熱伝導性と低い軸方向の熱伝導
性とを有することを特徴とするシステム。 - 【請求項３１】請求項30記載のシステムにおいて、前記
構造は、複数の高い熱伝導性のディスクを有し、各ディ
スクは、低い熱伝導性のセパレータによって隣接するデ
ィスクから分離されていることを特徴とするシステム。 - 【請求項３２】請求項31記載のシステムにおいて、前記
ディスクは、銅、銀、その他の導電率の高い金属、アル
ミナ、マグネシア、その他の熱伝導率の高いセラミッ
ク、強磁性の物質、及びその他の相転移物質を含むグル
ープから選択された物質から作られていることを特徴と
するシステム。 - 【請求項３３】請求項31記載のシステムにおいて、各セ
パレータは、プラスチック、木材、紙、及びその他の導
電率の低い透過性の物質を含むグループから選択された
物質から作られていることを特徴とするシステム。 - 【請求項３４】請求項33記載のシステムにおいて、前記
プラスチックは、穴の空いたマイラー（mylar）又はテ
フロンであることを特徴とするシステム。
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