JP3727977B2 - 超導電回転子 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には超導電性に関し、更に具体的に言えば、同期電気機械に対する超導電回転子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転子を有している同期電気機械は、これに限らないが、発電機と、電動機とを含んでいる。超導電形でない回転子が、鉄心回転子のような密実鉄心回転子を含んでいる。鉄心回転子は約２テスラの空隙磁界強度で飽和する。公知の超導電回転子は、３テスラ又はそれよりも高い空隙磁界を達成するために空心形の設計を用いている。空心形超導電回転子は大量の超導電ワイヤを必要とするが、このことは、必要とするコイルの数、コイル支持体の複雑さ及びコストを高める。このような超導電回転子は、液体ヘリウムによって冷却されている超導電コイルを有しており、この使用済みヘリウムは、室温のガス状ヘリウムとして戻される。極低温冷却に液体ヘリウムを用いるためには、戻って来た室温のガス状ヘリウムを連続的に液化することが必要であり、この液化が信頼性にかなりの問題を投げかけると共に、相当の余分のエネルギを必要とする。必要とされているのは、約２テスラ又はそれ未満の空隙磁界強度に対して、空心形及び液体冷却形超導電回転子の欠点を有していないような超導電回転子である。
【０００３】
【発明の要約】
本発明の目的は、密実鉄心を有している超導電回転子を提供することにある。本発明の他の目的は、その超導電コイルを極低温ガスによって冷却する超導電回転子を提供することにある。
本発明の超導電回転子は、全体的に縦方向に伸びている軸線と、この軸線と全体的に同軸に整合している全体的に円筒形の密実鉄心であって、全体的に直径上で向かい合っていると共に全体的に縦方向に伸びている一対の溝孔を有している密実鉄心とを含んでいる。全体的に縦方向に伸びているレーストラック形超導電コイルが、密実鉄心を取り囲んでいると共に、溝孔内に配置されている全体的に真っ直ぐな部分を有しいる。全体的に縦方向に伸びているレーストラック形の熱遮蔽体が、超導電コイルを全体的に取り囲んでいると共に、溝孔内に配置されている全体的に真っ直ぐな部分を有している。熱遮蔽体は超導電コイル及び密実鉄心から全体的に隔たっている。一対の端軸が密実鉄心にそれぞれ取り付けられており、熱遮蔽体から全体的に隔たっている。一対の端軸のうちの一方が、極低温剤移送継手を有している。極低温剤移送継手は、ガス状極低温剤移送継手であることが好ましい。
【０００４】
本発明では、いくつかの利点及び効果が得られる。密実鉄心であることにより、２テスラ（又はそれ未満）の超導電回転子で用いられる超導電ワイヤは、空心形の超導電回転子の設計の場合に用いられる量よりの約１０分の１になる。回転子が必要とする超導電ワイヤの量がこのように大幅に減少したことにより、必要とするコイルの数が減少すると共に、コイル支持体の複雑さも低下し、これらが合わさって、（液体ヘリウムのような）液体極低温剤による代わりに、（ガス状ヘリウムのような）ガス状極低温剤による超導電コイルの冷却ができるようにする。このガス状極低温剤は、例えば離れた位置にある極低温冷却器によって低温状態に保たれている。
【０００５】
本発明の好ましい実施例が図面に示されている。
【０００６】
【実施例】
図面全体にわたり同様な部分には同じ参照番号を用いているが、図１〜図６に本発明の好ましい実施例の超導電回転子１０を示す。普通の発電機のような現存の超導電形でない電気機械は、超導電形でない回転子を超導電回転子１０に取り替えるように後から改造することができる。超導電回転子１０は、全体的に縦方向に伸びている軸線１２と、軸線１２と全体的に同軸に整合している全体的に円筒形の密実鉄心１４とを含んでいる。密実鉄心１４は高い透磁率を有しており、通常は強磁性材料で形成されている。密実鉄心１４は典型的には、鉄心である。密実鉄心１４は、全体的に直径上で向かい合っていると共に全体的に縦方向に伸びている一対の溝孔（スロット）１６及び１８を有している。超導電回転子１０は又、全体的に縦方向に伸びているレーストラック（競走場）形の超導電コイル２０と、全体的に縦方向に伸びているレーストラック形の熱遮蔽体２２（両方とも図１に破線で示され、図２及び図３に実線で示されていると共に、図４に詳しく示されている）とを含んでいる。超導電コイル２０は、密実鉄心１４を取り囲んでいると共に、溝孔１６及び１８に配設されている全体的に真っ直ぐな部分２４及び２６を有している。熱遮蔽体２２は、超導電コイル２０を全体的に取り囲んでいると共に、溝孔１６及び１８に配設されている全体的に真っ直ぐな部分２８及び３０を有している。熱遮蔽体２２は超導電コイル２０及び密実鉄心１４から全体的に隔たっている。超導電回転子１０は更に、密実鉄心１４に取り付けられていると共に熱遮蔽体２２から全体的に隔たっている一対の端軸３２及び３４を含んでいる。例えば、図３は切り欠き（ノッチ）３６を有している端軸３４を示すと共に、端軸３４から隔たって切り欠き３６内に配設されている熱遮蔽体２２（及び超導電コイル２０）を示している。一対の端軸のうちの一方の端軸３２は、極低温剤移送継手３８を有している。超導電回転子１０が運転中の電気機械の一部として回転しているときに、極低温剤移送継手３８は、当業者であれば容易にわかるように、不動部と、回転部とを有している。
【０００７】
超導電回転子１０は発電機の回転子であると共に、超導電コイル２０は発電機の界磁コイルであることが好ましい。一実施例では、端軸３２及び３４は軸受ジャーナル４０及び４２を有しており、一対の端軸のうちの他方の端軸３４は、タービン継手４４を有している。図５に示すように、好ましい実施例では、超導電コイル２０は、銅のスタビライザ５０を有しているニオブ錫超導電ワイヤ４８と対を成して一緒に巻装されたステンレス鋼の支持ワイヤ４６を含んでおり、ニオブ錫超導電ワイヤ４８及び支持ワイヤ４６のすべては、その周囲を取り巻いている硝子繊維の絶縁スリーブ５２内に封入されている。このような対を成すワイヤ４６及び４８は、特定の超導電コイル２０を形成するのに必要なターン数及び層数で一緒に巻装されている。ステンレス鋼のワイヤ４６は、超導電ワイヤ４８を構造的に支持しており、従来のコイル支持体の必要をなくしている。巻装された超導電コイル２０は、剛性及び機械的な健全性を高めるために、エポキシで含浸されていることが認められよう。
【０００８】
図４に見られるように、超導電回転子１０は又、一方の溝孔１６に接近して密実鉄心１４に取り付けられた全体的に縦方向に伸びている一対の第１の支持棒５４及び５６を含んでいる。縦方向に隔たっている複数のゴムバンド形の第１の懸架ストラップ５８（図４にはそれを１つのみ示す）が、この一方の溝孔１６内に配設されている。各々の第１の懸架ストラップ５８は、中心部が熱遮蔽体２２の上方に配置されており、末端部が第１の支持棒５４及び５６の周りにループ状に通されている。超導電回転子１０は更に、この一方の溝孔１６内に配置されており、熱遮蔽体２２に取り付けられた全体的に縦方向に伸びている一対の第２の支持棒６０及び６２を含んでいる。縦方向に相隔たっている多数のゴムバンド形の第２の懸架ストラップ６４が、この一方の溝孔１６内に配設されている。各々の第２の懸架ストラップ６４は、中心部が超導電コイル２０の上方に配置されており、末端部が第２の支持棒６０及び６２の周りに通されている。図４に見られるように、整形ハウジング６６が超導電コイル２０と第２の懸架ストラップ６４の中心部との間に配設されており、超導電コイル２０に取り付けられている。整形ハウジング６６は、超導電コイル２０に対する支持作用を改善すると共に、当業者であれば容易に理解されるように、熱伝達を減少させるために、超導電コイル２０と熱遮蔽体２２との間のストラップの距離を増加させる。他方の溝孔１８には、他の一対の第１の支持棒及び他の複数の第１の懸架ストラップ（図面には示していない）が熱遮蔽体２２を支持するために付設されている。同様に、他の一対の第２の支持棒及び他の多数の第２の懸架ストラップ（図面に示していない）が、他方の溝孔１８内に超導電コイル２０を支持するために付設されている。一方の端軸３２の切り欠き（図面に示していない）又は他方の端軸３４の切り欠き３６内で熱遮蔽体２２又は超導電コイル２０に対してこのような半径方向の支持を施す必要はない。
【０００９】
更に超導電回転子１０は、図４に見られるように、一方の溝孔１６内に配設されているスペーサ管６８及び７０と、スペーサ板７２とを含んでおり、一方の溝孔１６内で熱遮蔽体２２を正しく中心合わせすると共に、熱遮蔽体２２内で超導電コイル２０を正しく中心合わせすることが好ましい。各々のスペーサ管６８及び７０は、第１の端が密実鉄心１４に取り付けられており、第２の端が熱遮蔽体２２に向かって一方の溝孔１６に入り込んでいる。各々のスペーサ板７２は、第１の部分が熱遮蔽体２２に取り付けられており、第２の部分が超導電コイル２０に向かって伸びている。スペーサ板は整形ハウジングに跨がっていてもよい（このように跨がっていることは図面を見易くするために、図面では省略されている）。当業者であればわかるように、他方の溝孔１８内で正しく中心合わせするために、他のスペーサ管及びスペーサ板（図面には示していない）が設けられている。超導電回転子１０が電気機械内で回転しているときに、遠心力が熱遮蔽体２２をスペーサ管７０から持ち上げるので、熱伝達が一層少なくなることが認められよう。当業者であれば、適当な縦方向の捕捉点（図面には示していない）を設けて、各々の溝孔１６及び１８内で熱遮蔽体２２の縦方向の中点を縦方向に捕捉すると共に、熱遮蔽体２２内で超導電コイル２０の縦方向の中点を縦方向に捕捉することができる。スペーサ管６８と同様な他のスペーサ管（図面には示していない）及びスペーサ板７２と同様な他のスペーサ板（図面には示していない）が、一方の端軸３２の切り欠き（図面には示していない）及び他方の端軸３４の切り欠き３６内で熱遮蔽体２２の正しい横方向の中心合わせをすると共に、端軸３２及び３４の領域で、熱遮蔽体２２内で超導電コイル２０の正しい横方向の中心合わせを行う。
【００１０】
極低温剤移送継手３８は、第１の入口７４と、第２の入口７６とを有しているガス状極低温剤移送継手３８であることが好ましい。極低温冷却器低温ヘッド７８が、低温の第１段８０と、一層低温の第２段８２とを有している。第１の入口７４は、極低温冷却器低温ヘッドの第１段８０によって冷却された（ガス状ヘリウムのような）ガス状極低温剤と流体連通しており、第２の入口７６は、極低温冷却器低温ヘッドの第２段８２によって冷却された（ガス状ヘリウムのような）ガス状極低温剤と流体連通している。
【００１１】
超導電回転子１０は更に、全体的にレーストラック形の第１の冷却管８４を含んでいる。第１の冷却管８４は、超導電コイル２０と熱遮蔽体２２との間に配設されており、熱遮蔽体２２から全体的に隔たっており、超導電コイル２０と熱的に接触していると共に、ガス状極低温剤移送継手３８の第２の入口７６と流体連通している。超導電回転子１０は更に、第２の冷却管８６を含んでいる。第２の冷却管８６は、熱遮蔽体２２と密実鉄心１４との間に配設されており、密実鉄心１４から全体的に隔たっており、熱遮蔽体２２と熱的に接触していると共に、ガス状極低温剤移送継手３８の第１の入口７４と流体連通している。
【００１２】
超導電回転子１０は、全体的に管状の真空外被（エンベロープ）８８を有している。真空外被８８は、密実鉄心１４に取り付けられており、溝孔１６及び１８を覆っていると共に、熱遮蔽体２２から全体的に隔たっている。溝孔及び切り欠き内の自由な容積を真空に引いて、望ましくない熱伝達を最小限に抑えることは、当業者に容易に理解されよう。普通のアルミニウムの電磁遮蔽体９０が真空外被８８を取り巻いている。
【００１３】
一実施例では、密実鉄心１４は鉄製である。超導電コイル２０は、エポキシで含浸されており、前に説明したように、ステンレス鋼の支持ワイヤと対を成して一緒に巻装されたニオブ錫の超導電ワイヤを含んでいる。整形ハウジング６６はアルミニウム又はステンレス鋼で形成されている。熱遮蔽体２２はアルミニウムで形成されている。第１及び第２の冷却管８４及び８６はアルミニウム又はステンレス鋼で形成されている。第１及び第２の支持棒５４、５６、６０及び６２は、チタン又は焼き入れ硬化した非磁性鋼で形成されている。第１及び第２の懸架ストラップ５８及び６４は、エポキシ含浸の硝子繊維、カーボン・グラファイト又はその中心部と末端部との間の熱伝達を最小限に抑えるようなその他の熱絶縁材料で形成されている。端軸３２及び３４は透磁率の高い炭素鋼で形成されている。スペーサ管６８及び７０は硝子繊維−エポキシ複合体で形成されており、スペーサ板は、その第１及び第２の端又は部分の間の熱伝達を最小限に抑えるために、カーボン・グラファイト−エポキシ複合体で形成されている。真空外被８８はステンレス鋼製である。通常のギフォード・マクマホン極低温冷却器を、低温ヘッドの第１段８０と共に用いて熱遮蔽体２２を約４０°Ｋの温度に冷却すると共に、低温ヘッドの第２段８２と共に用いて超導電コイル２０を約１０°Ｋの温度に冷却する。組み立て易くするために、密実鉄心１４は、溝孔１６及び１８の底部を画定している大きな中心部材と、溝孔１６の側面をそれぞれ構成している一層小さな２つの部材と、溝孔１８の側面をそれぞれ構成している一層小さな他の２つの部材とで形成されていることが好ましい。このような部材（図面には個別に示していない）は一緒に結合されて、密実鉄心１４を構成している。同様に、組み立て易くするために、熱遮蔽体２２は、上側部材と、下側部材と、２つの側面部材と（図面には別々に示していない）で形成されており、これらの部材を一緒にして、溝孔１６及び１８内で溶接することは、当業者に容易に理解されよう。
【００１４】
本発明の概念に従って設計された発電機の超導電回転子の技術解析により、２００ポンドの超導電ワイヤが用いられることになるが、これに比べて、超導電形でない回転子の設計において超導電でない銅ワイヤを用いる場合には、１００００ポンドの超導電でない銅ワイヤを用いなければならないし、空心形の液体ヘリウムで冷却される超導電回転子の設計では、２０００ポンドの超導電ワイヤを用いなければならない。どの超導電回転子でも、その利点は、抵抗損失をなくすことであり、極低温冷却のため、熱サイクルの問題がなくなることである。空心形超導電回転子は大量の超導電ワイヤを必要とし、このことが、本発明の超導電回転子１０と比べたときに、必要とするコイルの数、コイル支持体の複雑さ及びコストを高める。液体ヘリウムで冷却される超導電回転子は、戻って来た室温のガス状ヘリウムの連続的な液化を必要とし、この液化が信頼性に相当の問題を招き、かなりの余分のエネルギを必要とする。本発明の超導電回転子１０では、このような冷却の問題が存在しない。
【００１５】
（その不動部及び回転部を含めた）適当なガス状極低温剤移送継手３８の詳細設計は、当業者に容易に可能であることは言うまでもない。このような詳細設計は、本発明の一部を構成するものではない。しかしながら、超導電回転子に対して低温のガス状極低温剤を供給する最善のモードは、熱絶縁した移送継手を介するものである。このような移送継手は、機能的には従来公知の液体ヘリウム移送継手と同様であるが、（１）極低温剤が冷却回路全体にわたって単相であり、従って、２相の流れに伴う難点（例えば成層、巻き込み等）がなくなり、（２）ガス状極低温剤を冷却器（極低温冷却器）の低温部に戻すことが熱力学的に有利であり、従って、最善のモードの移送継手が入力ガスと共に低温の戻りガスをも熱入力から絶縁し、そして（３）能動的に冷却される回転子の熱遮蔽体を用いることができ、独立した２つのガスの流れが移送継手に入って出て行くことを必要とし、各々のガスの流れを冷却器の熱力学的な効率を改善するために、熱入力から絶縁しなければならない点が異なっている。
【００１６】
更に、（ポンプを必要とする場合は、そのポンプを含めて、）適当なガス状極低温剤供給システムの詳細設計も、当業者に容易に成し得ることが認められよう。このような詳細設計は、本発明の一部を構成するものではない。しかしながら、極低温回転子に低温のガス状極低温剤の流れを供給する最善のモードは、不動の極低温冷却器を用いて、ガスの流れを周囲温度から極低温回転子の入口温度まで予め冷却することである。この予備冷却は、周囲温度のガスの流れを極低温ガス回路の圧力降下（圧損）に打ち勝つくらいに加圧し、回転子から戻る低温ガスから利用し得る冷却作用を用いて、ガスを予備冷却するような形でこのようなガスを循環させることによって達成することが好ましい。このようにすることにより、最高の熱力学的な効率が達成され、不動の冷却器に対する冷却条件が最小限に抑えられる。この最善のモードは、次の点で、従来公知の技術と異なっている。（１）ガスの流れを低い圧力で循環させることができ、液化を達成するためにガスを高い圧力から膨張させる必要がない。（２）回路からジュール・トンプソン膨張弁がなくなり、これにより、システムの信頼性が改善される。（３）低圧ガス状極低温剤冷却回路を冷却器のガス回路から独立したものに保つことができ、これにより、冷却器の部品の冗長性及び手入れを、低圧回路とは無関係にすることができる。
【００１７】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したのは、例示のためである。これは本発明を網羅したものではないし、本発明をここで詳しく説明した形式に制限するつもりもなく、以上の説明から、種々の改変及び変更が考えられることは当然である。例えば、２つ以上の超導電コイル２０を超導電回転子１０に用いることができるし、超導電ワイヤはニオブ錫に制限されない。本発明の要旨の範囲は、特許請求の範囲によって限定されることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超導電回転子の概略側面図である。
【図２】図１の線２−２で切った概略断面図である。
【図３】図１の線３−３で切った概略断面図である。
【図４】図２の上側部分の詳しい拡大図である。
【図５】図４に示す超導電コイルの一端の一部分の概略図であって、内部に収容されているワイヤを示すためにこの部分を切欠いてある図である。
【図６】図１に示す超導電回転子の極低温剤移送継手の概略図であって、図４に示す第１及び第２の冷却管を含んでいるガス状極低温剤冷却回路を示す図である。
【符号の説明】
１０ 超導電回転子
１２ 軸線
１４ 密実鉄心
１６、１８ 溝孔
２０ 超導電コイル
２２ 熱遮蔽体
２４、２６、２８、３０ 真っ直ぐな部分
３２、３４ 端軸
３８ 極低温剤移送継手

Claims (10)

1. （ａ） 全体的に縦方向に伸びている軸線と、
   （ｂ） 該軸線と全体的に同軸に整合している全体的に円筒形の密実鉄心であって、全体的に直径上で向かい合っていると共に全体的に縦方向に伸びている一対の溝孔を有している、全体的に円筒形の密実鉄心と、
   （ｃ） 該密実鉄心を取り囲んでおり、全体的に縦方向に伸びているレーストラック形超導電コイルであって、前記溝孔内に設けられている全体的に真っ直ぐな部分を有している、レーストラック形超導電コイルと、
   （ｄ） 前記超導電コイルを全体的に囲い込んでおり、全体的に縦方向に伸びているレーストラック形熱遮蔽体であって、該熱遮蔽体は、前記溝孔内に設けられている全体的に真っ直ぐな部分を有しており、前記超導電コイル及び前記密実鉄心から全体的に隔たっている、レーストラック形熱遮蔽体と、
   （ｅ） それぞれが前記密実鉄心に取り付けられていると共に、前記熱遮蔽体から全体的に隔たっている一対の端軸であって、該一対の端軸のうちの一方の端軸は、極低温剤移送継手を有している、一対の端軸とを備えた超導電回転子。
2. 前記極低温移送継手は、極低温冷却器低温ヘッド第１段により冷却されたガス状極低温剤と流体連通した第１の入口と、極低温冷却器低温ヘッド第２段により冷却されたガス状極低温剤と流体連通した第２の入口とを有しているガス状極低温剤移送継手である請求項１に記載の超導電回転子。
3. 前記超導電コイルと前記熱遮蔽体との間に設けられている第１の冷却管を更に含んでおり、該第１の冷却管は、前記熱遮蔽体から全体的に隔たっており、前記超導電コイルと熱的に接触していると共に、前記ガス状極低温剤移送継手の前記第２の入口と流体連通している請求項２に記載の超導電回転子。
4. 前記熱遮蔽体と前記密実鉄心との間に設けられている第２の冷却管を更に含んでおり、該第２の冷却管は、前記密実鉄心から全体的に隔たっており、前記熱遮蔽体と熱的に接触していると共に、前記ガス状極低温剤移送継手の前記第１の入口と流体連通している請求項３に記載の超導電回転子。
5. 前記密実鉄心及び前記端軸に取り付けられている全体的に管状の真空外被を更に含んでおり、該真空外皮は、前記溝孔を覆っていると共に、前記熱遮蔽体から全体的に隔たっている請求項４に記載の超導電回転子。
6. 前記溝孔のうちの一方の溝孔に接近して前記密実鉄心に取り付けられており、全体的に縦方向に伸びている一対の第１の支持棒と、
   前記一方の溝孔内に設けられており、縦方向に相隔たっている複数のゴムバンド形の第１の懸架ストラップであって、該第１の懸架ストラップの各々は、前記熱遮蔽体の上方に配置されている中心部と、前記第１の支持棒の周りにループ状に通されている末端部とを有している、第１の懸架ストラップとを更に含んでいる請求項１に記載の超導電回転子。
7. 前記一方の溝孔内に設けられている共に前記熱遮蔽体に取り付けられており、全体的に縦方向に伸びている一対の第２の支持棒と、
   前記一方の溝孔内に設けられており、縦方向に相隔たっている多数のゴムバンド形の第２の懸架ストラップであって、該第２の懸架ストラップの各々は、前記超導電コイルの上方に配置されている中心部と、前記第２の支持棒の周りにループ状に通されている末端部とを有している、第２の懸架ストラップとを更に含んでいる請求項６に記載の超導電回転子。
8. 前記一方の溝孔内に設けられているスペーサ管であって、該スペーサ管の各々は、前記密実鉄心に取り付けられている第１の端と、前記熱遮蔽体に向かって前記一方の溝孔に入り込んでいる第２の端とを有している、スペーサ管と、
   前記一方の溝孔内に設けられているスペーサ板であって、該スペーサ板の各々は、前記熱遮蔽体に取り付けられている第１の部分と、前記超導電コイルに向かって伸びている第２の部分とを有している、スペーサ板とを更に含んでいる請求項７に記載の超導電回転子。
9. 前記超導電コイルは、銅のスタビライザを有しているニオブ錫超導電ワイヤと対を成して一緒に巻装されたステンレス鋼の支持ワイヤを含んでいる請求項１に記載の超導電回転子。
10. 前記超導電コイルは、発電機の界磁コイルであり、前記一対の端軸のうちの他方の端軸は、タービン継手を有している請求項１に記載の超導電回転子。

Images