JP4001365B2 - 高温超伝導界磁巻線を有するロータのための極低温冷却システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に高温超伝導（ＨＴＳ）コイルを備えたロータを有する同期機械のための極低温冷却システムに関する。より具体的には、本発明は、ロータに極低温流体を供給し、かつロータから戻る使用済み冷却流体を再冷却する気化冷却システムに関する。
【０００２】
【発明の背景】
高温超伝導発電機は、商品性を持たせるためには、信頼性の高い低コストの極低温冷却装置を必要とする。現存の極低温冷却装置で高い信頼性を達成するためには、過剰な極低温冷却機の部品が必要となる。これらの部品に十分な信頼性がないことと、ＨＴＳロータが絶えず冷却流体を供給されることとにより、ＨＴＳロータのための極低温冷却システムは更に過剰な部品を必要とする。
【０００３】
しかしながら、過剰な極低温冷却機の部品を要するが故に、極低温冷却システムのコストは著しく増大する。その上に、現存の極低温冷却システムは、それらの不十分な信頼性とシステムの冗長さの故に、頻繁な保守点検を必要とする。従って、これらのシステムの運転コストは比較的高価である。
【０００４】
現存の極低温冷却システムの購入及び運転コストは、ＨＴＳロータを有する機械のコストに更に大きなコストを追加することになる。かかるコスト高の故に、商業的に販売できる同期機械にＨＴＳロータを組み込むことは、商業的にはこれまで実現不可能であった。従って、より廉価で運転コストが安く、しかもＨＴＳロータに極低温冷却流体を高い信頼性で供給できる極低温冷却システムに対するこれまでにない大きな必要性が存在する。
【０００５】
界磁コイル巻線を有する同期電気機械は、それに限定するわけではないが、回転発電機、回転モータ及びリニアモータを含む。これらの機械は、一般的に、電磁的に結合されたステータとロータとを備える。ロータは、多極ロータコアと、ロータコアに取り付けられたコイル巻線とを含むことができる。ロータコアは、鉄鍛造品のような、透磁性の中実材料を含むことができる。
【０００６】
従来の銅巻線が、同期電気機械のロータに一般に使用されている。しかしながら、銅巻線の電気抵抗は、（従来の尺度では小さいが）ロータの大きな加熱の一因となり、機械の出力効率を減少させる程である。近年、ロータのための超伝導（ＳＣ）コイル巻線が開発されてきた。ＳＣ巻線は、実効的には抵抗を持たず、非常に有利なロータのコイル巻線である。
【０００７】
鉄製コア（鉄心）ロータは、約２テスラの空隙磁界強度で飽和する。公知の超伝導ロータは、ロータ内に鉄がない空コア設計を利用して３テスラ又はそれ以上の空隙磁界を達成し、この高い空隙磁界は、電気機械の出力密度を増大させ、機械の重量と寸法の著しい減少をもたらす。しかしながら、空コア超伝導ロータは、多量の超伝導線を必要し、このことが、所要コイル数を増加させ、コイル支持体を複雑にし、コストを増加させる。
【０００８】
超伝導ロータは、液体ヘリウムによって冷却される超伝導コイルを有し、使用済みのヘリウムは、室温の気体ヘリウムとして戻される。極低温冷却に液体ヘリウムを使用するには、戻された室温の気体ヘリウムを連続的に再液化することが必要であり、このような再液化は、信頼性に関する大きな問題を提起し、大きな補助出力を必要とする。従って、ロータから戻される高温の使用済み流体を液化する極低温冷却システムに対する必要性が存在する。液化された冷却流体は、その後ＨＴＳロータの冷却流体として再使用できなければならない。
【０００９】
【発明の概要】
高い信頼性の極低温冷却システムが、同期機械のＨＴＳロータのために開発された。この冷却システムは、ＨＴＳロータに対して冷却流体を安定して供給する。更に、この冷却システムは、その構造と作動において経済的である。冷却システムの高度の信頼性と経済性は、商業的に販売可能なＨＴＳロータを備える同期機械の開発を助長する。
【００１０】
この極低温冷却システムは、高温超伝導（ＨＴＳ）ロータのための重力供給式閉ループ気化冷却システムである。このシステムは、高い位置に置かれた極低温剤貯蔵タンクと、液体極低温冷却剤をロータに供給し、蒸気を貯蔵タンクへ戻す、真空ジャケットで被われた移送管と、貯蔵タンクの蒸気空間内の、蒸気を再凝縮させる極低温冷却機とを含む。極低温冷却機は、単段のギフォード・マクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）極低温冷却機、あるいは別個の又は一体の圧縮機を備えたパルスチューブとすることができる。極低温流体は、ネオン、水素、又はそのような他の冷却流体とすることができる。
【００１１】
第１の実施形態において、本発明は、高温超伝導ロータに極低温冷却流体を供給するための冷却流体システムであって、該冷却流体システムは、液体極低温冷却流体を貯える極低温剤貯蔵タンクと、貯蔵タンクをロータに接続して、液体冷却流体をタンクからロータへ流すための通路を形成する入口移送管とを含み、貯蔵タンクがロータより高い位置に置かれて、液体冷却流体が重力によってロータへ供給される。
【００１２】
別の実施形態において、本発明は、同期機械の高温超伝導ロータと極低温冷却流体源とに連結された冷却流体システムであって、該冷却流体システムは、ロータよりも高い位置に置かれた極低温貯蔵タンクと、タンク内に貯えられた極低温冷却流体の供給源と、タンクとロータとの間の冷却流体のための通路を形成する入口管と、ロータとタンクとの間の冷却流体のための通路を形成する戻り管と、貯蔵タンク内の流体を冷却する極低温冷却機とを含む。
【００１３】
更に別の実施形態において、本発明は、高い位置に置かれた極低温剤貯蔵装置を使用して、同期機械のロータの超伝導界磁巻線コイルを冷却するための方法であって、該方法は、ロータより高い位置に置かれたタンク内に極低温冷却流体を貯える段階と、冷却流体を重力によりタンクからロータへ流す段階と、冷却流体で界磁巻線コイルを冷却する段階と、冷却流体をタンクへ戻す段階とを含む。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本明細書に関連する添付図面に、本発明の実施形態を記載する。
【００１５】
図１は、ステータ１２とロータ１４とを有する例示的な同期発電機械１０を示す。ロータは、ステータの円筒形のロータ真空キャビティ１６内に嵌まる界磁巻線コイル３４を含む。ロータ１４は、ステータのロータ真空キャビティ１６内に嵌まる。ロータがステータ内で回転すると、ロータとロータコイルによって発生する磁界１８（点線で示す）はステータを通って移動し、ステータのコイル巻線１９に電流を生じさせる。この電流は、発電機によって電力として出力される。
【００１６】
ロータ１４は、ほぼ長さ方向に延びる軸線２０と、全体的に中実のロータコア２２とを有する。中実のコア２２は、大きな透磁率を有し、鉄のような強磁性材料で形成するのが普通である。低電力密度の超伝導機械では、ロータの鉄心を使用して、起磁力（ＭＭＦ）を減少させ、従ってコイル巻線の使用を最小にする。例えば、ロータの鉄は、約２テスラの空隙磁界強度で磁気的に飽和させることができる。
【００１７】
ロータ１４は、ほぼ長さ方向に延びるレーストラック形の高温超伝導（ＨＴＳ）コイル巻線を支持する。別の構成では、ＨＴＳコイル巻線は、サドル形コイルにしてもよく、或いは、特定のＨＴＳロータ設計に適した幾つかの他のコイル巻線形状を有してもよい。本明細書に開示する冷却システムは、中実コアのロータに取り付けられたレーストラック形コイル以外のコイル巻線及びロータ形態に適合させることができる。
【００１８】
ロータは、コア２２を支え、軸受２５によって支持される端シャフト２４、３０を含む。コレクタ端シャフト２４は、ロータのＳＣコイル巻線を冷却するのに使用される極低温冷却流体の源への極低温剤移送継手２６を有する。極低温剤移送継手２６は、極低温剤冷却流体の源に連結される固定セグメントと、ＨＴＳコイルに冷却流体を供給する回転セグメントとを有する。コレクタ端シャフトはまた、ロータコイル３４を外部電気装置又は電源に接続するためのコレクタリング７８を含む。駆動端シャフト３０は、発電タービン継手３２とすることができる。
【００１９】
図２は、例示的なＨＴＳレーストラック形の界磁コイル巻線３４を示す。ロータのＳＣ界磁巻線３４は、高温超伝導コイル３６を含む。各々のＨＴＳコイルは、固体状エポキシ含浸巻線複合材料で積層されたＢＳＣＣＯ（Ｂｉ_xＳｒ_xＣａ_xＣｕ_xＯ_x）導線のような、高温超伝導体を含む。例えば、一連のＢＳＣＣＯ２２２３線を、積層し、互いに接着し、巻いて中実のエポキシ含浸コイルとすることができる。
【００２０】
ＨＴＳ線は、脆くて、傷つき易い。ＨＴＳコイルは、一般的に、ＨＴＳテープで巻かれ、次にエポキシ含浸された層である。ＨＴＳテープは、厳密な寸法公差を得るために、精密なコイル形態に巻かれている。テープは螺旋に巻かれ、レーストラック形ＳＣコイル３６を形成する。
【００２１】
レーストラック形コイルの寸法は、ロータコアの寸法で決まる。一般的に、各々のレーストラック形コイルは、ロータコアの磁極を囲み、ロータ軸線に対して平行である。ＨＴＳコイル巻線は、レーストラックの周りで連続している。コイルは、ロータコアの周り及び該コアの磁極の間に、無抵抗の電流路を形成する。
【００２２】
極低温冷却流体のための流路３８が、コイル巻線３４に含まれる。これらの流路は、ＳＣコイル３６の外縁部の周りに延びることができる。流路は、コイルに極低温冷却流体を供給し、それらコイルから熱を除去する。冷却流体は、ＳＣコイル巻線において、該コイルに電気抵抗がない場合を含む超伝導状態をもたらすのに必要とされる低温、例えば２７°Ｋを維持する。冷却路は、ロータコアの一端に入口及び出口ポート３９を有する。これらのポート３９は、ＳＣコイル上の冷却路３８を、極低温剤移送継手２６に接続する。
【００２３】
図３は、ＨＴＳ発電機１０のための極低温冷却システム５０の概略図である。極低温剤貯蔵タンク５２又はジュワーは、液体極低温剤を貯蔵する。このタンクは、ＨＴＳ発電機よりも高い位置に設置される。ロータより高いタンクの高さは、ロータに流入する冷却流体に必要な圧力に正比例し、また冷却流体の密度に反比例する。タンクの高さ故に、重力により冷却流体は冷却タンクからロータの継手２６内へ、そしてＳＣコイル３４内へ強制的に流れる。重力には故障がなく、保守点検も必要とせず、しかもただである。従って、重力によって供給される冷却システムは信頼性が高くしかも経済的である。
【００２４】
この冷却システムは閉ループシステムである。タンク５２からの冷却流体は、タンクをロータの継手２６に接続する入口移送管５６を通って流れる。冷却流体は、端シャフト２４内の真空ジャケットで被われた冷却通路、及びＳＣコイル３６の周りの冷却通路３８を通過する。冷却流体は、気化冷却によりコイルを極低温に維持して、コイルが超伝導状態で作動するのを保証する。典型的には低温の気体である使用済み冷却流体は、冷却通路３８を介してコイルから出て、端シャフト内の真空ジャケットで覆われた通路、そして冷却継手２６を通って流れる。戻り移送管５８は、ロータから戻る冷却流体を貯蔵タンク５２へ運ぶ。入口移送管と戻り移送管とは真空ジャケットで被われており、従って厳しく断熱されている。移送管の真空断熱は、冷却流体がタンクからロータへ、又ロータからタンクへ流れる時に、冷却流体の熱伝達損失を最少化する。
【００２５】
冷却流体は、ネオン又は水素の如く通常不活性である。ＨＴＳ超伝導体に適した温度は、一般に３０°Ｋより低く、好ましくはほぼ２７°Ｋである。ＨＴＳロータのＳＣコイルを冷却するのに最も適した極低温流体は、コイルを２０°Ｋまで冷却できる水素、及びＳＣコイルを２７°Ｋに冷却できるネオンである。液体ネオンは、例えばほぼ２７°Ｋの温度で極低温冷却機のタンク５２を出る。液体極低温剤は、ＨＴＳロータに液体冷却流体を供給するために、一般に貯蔵タンク５２内で使用される。真空ジャケットで被われた入口移送管は、貯蔵タンクからの液体冷却流体がタンクを離れた時と実質的に同じ温度でロータに入ることを保証する。
【００２６】
冷却流体は、それがＳＣコイルの周りを流れる時に気化する。冷却流体の気化はＳＣコイルを冷却して、コイルが超伝導状態で作動するのを保証する。気化された冷却流体は、ＨＴＳロータから低温のガスとして流出し、戻り管５８を介して冷却タンク５２へ戻る。戻り管は、低温の冷却ガスがロータからタンク５２の上部蒸気領域６０内へ流入するような寸法とされている。タンクの蒸気領域は、タンクの液体領域６２の垂直方向上方にある。タンクの蒸気領域と液体領域とは、タンク内の単一の連続容積であってもよいし、あるいは互に流体連通した別個の区画であってもよい。
【００２７】
貯蔵タンク内の気体冷却流体の再液化は、冷却ヘッド再凝縮器６４によって行われる。再凝縮器は、気体冷却流体がその液体形態に凝縮して、タンクの液体領域内へ流れ落ちるように、タンクの気体冷却流体から熱を取り去る。タンクがＨＴＳロータに供給する液体冷却流体を有する時には、再凝縮器は連続的に作動させる必要はない。タンク内の液体冷却流体は、ＨＴＳロータに対して絶え間なく液体冷却流体を供給する。従って、ＨＴＳ発電機が絶え間なく稼動し続けている間でも、再凝縮器を整備することができる。再凝縮器が一時的に故障して、これが修理されている間も、ＨＴＳロータを停止させる必要はない。通常の整備のためにＨＴＳロータが停止された場合、タンクは整備用スタック６６を介して整備することができる。
【００２８】
極低温冷却機６４は、ＨＴＳロータ冷却容量を満たすための必要に応じて、１つ又はそれ以上のギフォード・マクマホン又はパルスチューブ冷却ヘッドユニットを含むことができる。極低温冷却機は、蒸気を液体へと凝縮させる再凝縮器であってもよい。一般に過剰な低温冷却機ユニットは必要ではない。極低温剤貯蔵タンクは、ロータの作動に影響を与えることなく凝縮冷却ユニット６４をその保守点検又は交換のために停止させることができるほど十分な液体冷却流体の貯蔵容量を有しているから、過度な容量の極低温冷却機は必要でない。
【００２９】
タンクの貯蔵容量は、再凝縮器が停止されている期間、例えば１日の間に、ロータに十分な液体を供給できるような大きさにされ、この場合、ＨＴＳロータをネオンで冷却する場合の典型的な貯蔵容量は約１００リットルである。極低温冷却機が停止される期間中は、冷却システムは開ループで作動し、ロータから戻される冷却流体の蒸気は、整備用スタック通気口６６を通して外部大気中に放出される。失われた極低温剤液体は、極低温冷却機が再び作動し始めた後に、貯蔵タンクに再充填することにより補充される。
【００３０】
作動中には、液体極低温剤は、貯蔵タンクの液体領域６２から真空ジャケットで被われた入口移送管５６を介して超伝導ロータの移送継手２６へ、重力によって供給される。冷却液体は、ＨＴＳコイルの外側に接触した熱交換配管３８を通って循環し、沸騰熱伝達によりコイル３６を冷却する。気体冷却蒸気は、ロータの移送継手２６から真空ジャケットで被われた戻り移送管５８を通って貯蔵タンクの頂部（蒸気領域６０）へ戻される。閉ループ系内で冷却流体を循環させる駆動力は、軽い戻り気体柱高さ５４と比べた重い入口液体柱高さ５４により生じる圧力差である。
【００３１】
極低温冷却機の冷却ヘッド６４は、貯蔵タンクの蒸気空間６０内で作動して蒸気を再凝縮する。冷却流体を再凝縮することにより、流体はタンクの液体領域へ戻り、ＨＴＳロータを冷却するために再使用できる。このシステムは、冷却流体を再使用して、流体の漏れを回避する閉ループシステムである。しかしながら、極低温冷却機が作動していない場合には、このシステムは開ループシステムとして作動させることができる。更に、ここに提案したロータ冷却システムは、急速冷却の必要に応じて、貯蔵タンクの蒸気領域を加圧してロータに強制的により多くの液体を流すことによって、開ループ作動モードにおいてロータを効果的に冷却するために使用することもできる。
【００３２】
冷却システム５０は経済的でありかつ信頼性が高い。このシステムは、安価な方法で冷却流体を絶えず供給するために、重力と冷却流体タンクとに依存している。連続稼動のために頻繁な保守点検を要する極低温冷却装置のようなシステムを必要としないことにより、このシステムは更に故障の可能性が最少化される。
【００３３】
本発明を、現在最も実用的で好ましいと思われる実施形態に関連して、説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想に含まれる全ての実施形態を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ステータ内に示された概略的な超伝導(ＳＣ)ロータの概略側面図。
【図２】 冷却ガス通路を有するレーストラック形ＳＣコイルの概略斜視図。
【図３】 ＳＣロータに冷却流体を供給するための極低温冷却システムの概略図。
【符号の説明】
１０ 同期発電機械
１２ ステータ
１４ ロータ
１６ ロータキャビティ
１９ ステータのコイル巻線
２０ ロータ軸線
２２ ロータコア
２４ コレクタ端シャフト
２６ 極低温剤移送継手
３０ 駆動端シャフト
３２ 動力継手
３４ 超伝導コイル巻線
７８ コレクタリング

Claims (4)

1. 高い位置に置かれた極低温剤貯蔵装置を使用して、同期機械のロータの超伝導界磁巻線コイルを冷却するための方法であって、
   ａ．前記ロータより高い位置に置かれたタンク内に極低温冷却流体を貯える段階と、
   ｂ．該冷却流体を重力により前記タンクから前記ロータへ流す段階と、
   ｃ．前記冷却流体で前記界磁巻線コイルを冷却する段階と、
   ｄ．前記冷却流体を前記タンクへ戻す段階と、
   ｅ．前記タンク内又は前記戻り管内の冷却流体の蒸気部分を凝縮させる段階と、
   ｆ．該段階（ｅ）を中断して、前記冷却流体の蒸気部分を凝縮させることを中止する段階と、
   ｇ．該段階（ｆ）の間に、前記タンクから前記ロータへの冷却流体の流れを続行させる段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記タンクの貯蔵容量は約１００リットルであり、前記段階（ｆ）の間に、前記蒸気部分を放出させる段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ｈ．前記段階（ｆ）の間に、前記タンク内の冷却流体の圧力を増大させる段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記段階（ｈ）が、前記ロータの冷却運転中に行われることを特徴とする、請求項３に記載の方法。

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