JP4064721B2 - 超伝導コイルを備えたロータへの極低温気体移送継手を有する同期機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、同期回転機械における超伝導コイルに関する。より具体的には、本発明は、極低温流体の源と機械のロータとの間の極低温気体継手に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
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、鉄製コア（鉄心）ロータのような、透磁性の中実材料を含むことができる。
【０００３】
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。
【０００４】
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、それにより、電気機械の出力密度を増大させ、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とし、このことは、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。
【０００５】
高温ＳＣコイル界磁巻線は、脆性の超伝導材料で形成されており、超伝導を達成しこれを維持するためには、例えば２７°Ｋの臨界温度又はそれ以下の温度まで冷却しなければならない。ＳＣ巻線は、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ_xＳｒ_xＣａ_xＣｕ_xＯ_x）ベースの導体のような、高温超伝導材料で形成することができる。
【０００６】
超伝導コイルは、液体ヘリウムによって冷却されてきた。ロータのコイル巻線を通過した後に、高温のヘリウムは、室温の気体ヘリウムとして巻線から戻される。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る。この再液化は、信頼性に関する大きな問題を提起し、極低温冷却のために大きな補助出力を必要とする。
【０００７】
従来の冷却技術は、エポキシ含浸したＳＣコイルを極低温冷却機からの固体伝導路を介して冷却することを含む。別の手法では、ロータの冷却チューブが、液体及び／又は気体の極低温剤の流れに浸漬した多孔質のＳＣコイル巻線に、液体及び／又は気体の極低温剤流を送るようにすることができる。浸漬冷却は、界磁巻線及びロータ構造体全体を極低温にすることを必要とし、その結果、極低温における鉄の脆性性質のため、ロータの磁気回路に鉄を使用することができない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
固定の極低温冷却ユニットをロータ及びそのＳＣコイルに連結するために、冷却流体継手が必要とされる。継手は、入口及び出口冷却流体を固定の源とロータの回転端シャフトとの間で移送しなければならない。一般に、ロータ及び他の回転構成部品に連結された極低温冷却システム用の移送継手において、接触型シールが使用される。接触型シールは、摩擦損失を増大させ、このことが、極低温冷却機の容量を低下させ、シールの磨耗により継手の寿命と信頼性を制限していた。相対運動間隙シールもまた、ロータへの冷却流体の移送継手に用いられてきた。しかしながら、相対運動間隙シールは、熱伝達損失が大きい。極低温気体への熱伝達損失を減らし、極低温冷却機の容量を向上させるために、相対運動間隙の熱的隔離長さを長くすることが行われてきた。しかしながら、この熱的隔離長さを長くすることは、長いオーバーハング状チューブをもたらし、該オーバーハング状チューブは、過度に振動し、発電機のロータと摩擦接触するようになるおそれがある。従って、ロータとのより良い極低温気体継手への必要性が、長い間にわたり感じられてきた。
【０００９】
ＨＴＳコイル用の極低温気体冷却システムに関する熱伝達損失は、好ましくは冷却力を保持するために最小限に抑えられなければならない。固定の極低温気体の源と同期機械のロータとの間の継手は、極低温気体の漏れの原因になる可能性がある。継手における気体の漏れを最小限にするために、入口気体流と戻り気体流との間の漏れが最小限にされ、極低温気体と大気温度の周囲構成部品との間に適切な熱絶縁が行なわれることが望ましい。さらに、移送継手の作動寿命及び高い信頼性は、同期電気機械の期待される寿命及び信頼性に見合ったものにしなければならない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
極低温気体(又は、冷却流体)の供給源を、同期電気機械のロータのシャフトに接続するために、冷却気体継手が開発されてきた。冷却された極低温気体（又は、他の流体）は、固定の極低温冷却機から、固定差込みを通ってＨＴＳコイル巻線を有するロータと共に回転するチューブへと移送される。冷却気体の移送は、ロータのコレクタ端部に取り付けられた極低温気体の移送ジョイントを用いて行われる。差込み継手の周りの間隙シールにより形成された相対運動間隙は、入口冷却気体の低圧の戻り気体への漏れを制限し、回転戻りチューブの長さにわたる相対運動間隙により、戻り極低温気体に対する熱絶縁を行なう。
【００１１】
第１の実施形態において、本発明は、超伝導巻線を有する同期機械のロータ及び極低温冷却流体の源へ、冷却流体を供給するための冷却流体継手である。流体継手は、ロータ内で該ロータの軸線に対して同軸に、入口冷却チューブと出口冷却チューブとを備える。入口冷却チューブは、極低温冷却流体の源から入口冷却流体を受けるように連結された入口ポートを有する。出口冷却チューブは、冷却流体をロータから源へ戻すように連結された出口ポートを有する。回転運動間隙シールは、継手の入口ポートと出口ポートとを隔てる。
【００１２】
別の実施形態において、本発明は、同期機械のロータと極低温冷却流体の源との間の冷却流体継手である。この継手は、（ｉ）ロータ内で該ロータの軸線に対して同軸に、回転入口冷却チューブと回転出口冷却チューブとを備え、（ii）入口冷却チューブは、極低温冷却流体の源から入口冷却流体を受けるように連結され、（iii）出口冷却チューブは、冷却流体をロータから源へ戻すように連結され、（iv）回転運動間隙シールが、入口冷却チューブを出口冷却チューブ内に支持する。
【００１３】
更に別の実施形態において、本発明は、同期機械のロータと極低温冷却流体の源との間の冷却流体継手である。この継手は、（ｉ）ロータ内で該ロータの軸線に対して同軸に、回転入口冷却チューブと回転出口冷却チューブとを備え、（ii）入口冷却チューブは、極低温冷却流体の源から入口冷却流体を受けるように連結され、（iii）出口冷却チューブは、冷却流体をロータから源へ戻すように連結され、(iv)回転非接触式運動間隙シールが、入口冷却チューブを出口冷却チューブ内に支持し、（ｖ）軸受によって支持された固定の第３チューブが、出口冷却チューブを囲み、（vi）界磁シールが出口冷却チューブを固定の第３チューブ内に支持する。
【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。ロータは、ステータの真空の円筒形キャビティ内に嵌まる。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（点線で示される）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少限にする。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３４を支持する。ＨＴＳコイル巻線は、サドル形の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。ここに開示される冷却継手は、中実のロータコア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の形態に適合させることができる。
【００１８】
ロータは、コア２２を支える一対の端シャフト２４、３０を含み、該端シャフトは、軸受２５によって支持される。コレクタ端シャフト２４は、回転ＳＣコイル巻線に電気的に接続するコレクタリング３５を備える。コレクタ端シャフトは、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、極低温冷却流体の源に結合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。駆動端シャフト３０を、駆動タービンによって動力継手３２を介して駆動することができる。
【００１９】
図２は、例示的なＨＴＳレーストラック形のＳＣ界磁巻線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テープで積層されたＢＳＣＣＯ（Ｂｉ_xＳｒ_xＣａ_xＣｕ_xＯ_x）導線のような、高温超伝導導体を含む。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】
ＳＣコイルは、一般的に、エポキシ含浸されたＳＣテープが巻かれた層である。ＳＣ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ＳＣ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。コイル巻線は、レーストラックの周りで連続している。ＳＣ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。コイルは、該コイルをコレクタ３５に電気的に接続する電気接点３７を有する。
【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、該コイルから熱を除去する。ヘリウムのような冷却流体は、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ポート３９と出口ポート４１とを有する。これらのポートは、ＳＣコイル上の冷却路３８、及び端シャフト２４の反対端の極低温剤移送継手２６に接続される。
【００２３】
図３は、高温超伝導コイルのためのロータコア２２及びコイル支持システムの分解図を示す。支持システムは、コイルハウジング４４に連結されたテンションロッド４２を備える。ハウジングは、ロータ内にコイル巻線３４の側部分４０を保持し、支持する。一つのテンションロッド及び溝ハウジングが示されているが、一般的に、コイル支持システムは、一連のテンションロッドを含み、その各々が該ロッドの両端にコイル支持ハウジングを有する。テンションロッド及び溝ハウジングは、ロータ作動中のコイル巻線の損傷を防ぎ、遠心力及び他の力に対してコイル巻線を支持し、該コイル巻線に防護のための遮蔽を与える。
【００２４】
ＨＴＳコイル巻線及び構造支持体構成部品は、極低温状態にあり、これに対して、ロータコアは、周囲の「高」温度状態にある。コイル支持体は、熱がロータコアからＨＴＳコイルに到達するのを許す熱伝導源となる可能性がある。ロータは、作動時に高温になる。コイルを極低温状態に保持しようとすると、コイルへの熱伝導を回避しなければならない。ロッドは、ロータの導管４６を貫通して延びるが、ロータと接触しない。このように接触しないことにより、ロータからテンションロッド及びコイルへの熱伝導を減少させる。
【００２５】
コイルへの熱伝達を減少させるため、コイル支持体を最小にして、ロータコアのような熱源から支持体を通る熱伝導を減少させる。一般的に、超伝導巻線のための支持体については２つのカテゴリー、即ち、（ｉ）「常温」支持体と（ii）「低温」支持体がある。常温支持体では、支持構造体は、冷却されたＳＣ巻線から熱的に隔離されている。常温支持体については、超伝導（ＳＣ）コイルの機械的荷重の大部分は、低温の部材から常温の部材に跨る構造部材によって支持される。
【００２６】
低温支持システムでは、支持システムは、ＳＣコイルの冷たい極低温又はその付近にある。低温支持体では、ＳＣコイルの機械的荷重の大部分は、極低温又はその付近にある構造部材によって支持される。ここに開示される例示的なコイル支持システムは、テンションロッド及び該テンションロッドをＳＣコイル巻線に連結する関連するハウジングが、極低温又はその付近に維持されるので、低温支持体である。支持部材が低温なので、これらの部材は、例えばロータの他の「高温」構成部品からロータコアを通る非接触導管によって、熱的に隔離される。断熱チューブ５２が、テンションロッド４２をロータコアの導管壁から隔てる。これらのチューブが、各々の導管４２の両端に挿入される。テンションロッドは、チューブの中心を貫通して延びる。断熱チューブ５２は、テンションロッドを導管の中心に位置させ、高温のロータコアから低温のテンションロッドへと熱が伝わるのを防ぐ。
【００２７】
個々の支持部材は、テンションロッド４２（バーと該バーの両端における一対のボルトとしてもよい）、溝ハウジング４４、及び該ハウジングをテンションロッド端部に連結する止めピン８０によって構成される。各々の溝ハウジング４４は、テンションロッドに連結される脚部とコイル巻線３４を受ける溝とを有するＵ形ブラケットである。Ｕ形溝ハウジングは、コイルのための支持システムの精密で便利な組み立てを可能にする。一連の溝ハウジングを、コイル巻線の側部に沿って端から端まで配置することができる。溝ハウジングは、全体として、各々のコイルの側部分４０のほぼ全体にわたってコイルに作用する力、例えば遠心力を分散させる。
【００２８】
止めピン８０は、溝ハウジング及びテンションロッドの孔を貫通して延びる。重さを軽くするために、止めピンは中空としてもよい。ロックナット８４を、止めピンの両端にねじ込み、又は取り付けて、ハウジング４４を固定し、該ハウジングの両側面が、荷重を受けて別々に広がるのを防ぐ。止めピンは、高強度のインコネル又はチタン合金で作ることができる。コイルハウジング及びコイル幅に適合させるように、端部に２つの平坦部８６を有するように機械加工した拡径端部８２が、テンションロッドに設けられる。テンションロッドの平坦部８６は、ロッド、コイル及びハウジングが互いに組み立てられるとき、ＨＴＳコイルの内面に当接する。このコイル支持組立体は、止め具を受けるテンションロッドの孔における応力集中を減少させる。
【００２９】
ロータ端シャフトは、一般的には、ステンレス鋼のような非磁性材料で作られるが、ロータコア２２は、一般的に、鉄のような磁性材料で作られる。端シャフト２４、３０をステンレス鋼で形成してもよい。一般的に、ロータコア及び端シャフトは、組み立てられ、かつボルト止め又は溶接のいずれかによって互いに固定的に接合されている別々の構成部品である。
【００３０】
鉄製ロータコア２２は、ステータ１２のロータキャビティ１６内で回転するのに適したほぼ円筒形状を有する。コイル巻線３４を受けるために、ロータコアは平らな又は三角形の領域又はスロットのような凹状の表面を有する。これらの表面４８は、円筒形のコアの湾曲した表面５０に形成され、ロータコアを横切って長さ方向に延びる。コイル巻線３４は、凹状の領域４８に隣接してロータに取り付けられる。コイルは、一般的に、凹状の領域の外表面に沿って長さ方向に、かつロータコアの両端の周りに延びる。ロータコアの凹状の表面４８は、コイル巻線を受ける。凹状の領域の形状は、コイル巻線に一致している。例えば、コイル巻線が、サドル形状又は何らかの他の形状を有する場合には、ロータコアの凹みは、巻線の形状を受けるように構成されることになる。
【００３１】
コイル巻線３４の端部分５４は、ロータコアの対向した端部５６に隣接している。分割型クランプ５８は、コイル巻線の端部分の各々をロータ内に保持する。各々のコイル端部５４における分割型クランプは、コイル巻線３４を間に挟む一対の対向するプレートを含む。クランププレートの表面は、コイル巻線及び該巻線への接続部１１２、１１４を受けるための溝を備える。
【００３２】
分割型クランプ５８は、アルミニウム又はインコネル合金のような非磁性材料で形成することができる。同じ又は同様の非磁性材料を使用して、テンションロッド、溝ハウジング、及びコイル支持システムの他の部分を形成することができる。強磁性材料は、キュリー転移温度以下の温度では脆性になり、荷重支持構造体として使用することができないので、コイル支持システムは、極低温で延性を保持するために非磁性体であるのが好ましい。
【００３３】
分割型クランプ５８は、各端シャフトのカラー６２に囲まれているが、該カラーとは接触していない。図３には１つのカラーだけが示されているが、ロータコア２２の両端にカラー６２が取り付けられる。カラーは、ロータのシャフトを形成する材料と同じ又は類似のステンレス鋼のような非磁性材料の厚いディスクである。
【００３４】
カラーは、ロータ軸線と直交し、分割型クランプ５８を受け、かつ通過させるのに十分広いスロット６４を有する。スロット付きカラーの高温の側壁６６は、低温の分割型クランプから離間して配置され、それらは互いに接触状態になることはない。
【００３５】
図４及び図５は、ロータの断面図であり、ここで図５は、平面図においてロータコア周りのコイル巻線を示し、図４は、図５と直交する方向に見た図を示す。図６、図７及び図８は、コレクタ端シャフト２４の拡大断面図である。具体的には、これらの図は、ロータのコレクタ端シャフト２４を貫通して延びる導管７６を示す。この導管７６は、ＳＣ巻線に接続する冷却チューブ及び電気接点のための通路を提供する。導管７６は、端シャフト２４を貫通して、カラー６２から冷却継手２６のシャフトの反対端まで延びる。図６及び図７は、ロータコア２２及び端シャフト２４の近くの導管７６を示す。図８は、コイル巻線の冷却路３８に連結する冷却入口ポート及び出口ポート３９、４１の拡大図を示す。
【００３６】
コイル巻線３４からの電気接続部３７は、端シャフト２４の長さ方向にコレクタリング３５に向かって延びる電線に接続される。電線は、シャフトの導管７６を貫通して延び、薄壁チューブ１７４内に支持される。
【００３７】
コイルからの冷却入口及び出口ポート３９、４１は、端シャフトの長さ方向に延びる入口及び出口冷却チューブ１５６、１６６に接続される。入口チューブ１５６は、ロータの軸と同軸の入口ポート３９まで延びる。冷却気体出口ポート４１は、ロータの軸からオフセットしており、気体移送ハウジングを通って環状の出口チューブ１６６に連結される。出口チューブ１６６は、入口チューブ１５６と同軸であり、該入口チューブの外側にある。
【００３８】
図９は、回転シャフト構成部品１５０と該シャフト構成部品を囲む固定構成部品１５２を有する例示的な移送継手２６を示す。移送継手は、ロータの端シャフト２４を、ロータのＳＣコイル巻線を冷却するために用いられる極低温冷却流体の固定された源に連結する。
【００３９】
低温の極低温気体は、固定の極低温冷却機１９０（概略的に示す）から、固定差込み１５４を通って、ロータシャフト２４と共に回転する入口チューブ１５６へと移送される。右向き矢印１５７は、継手を通り過ぎ、ＨＴＳコイルに向かってロータの軸線２０に沿って流れる入口冷却気体を示す。差込み１５４は、ロータの軸線２０と同軸である。差込みの端部１５８は、入口チューブ１５６との非接触型シールを提供する。差込みの反対端は、極低温冷却機に連結された可撓性チューブ１６０に連結され、入口冷却ヘリウムガスの源を提供する。差込みの周りの間隙シールを有する回転相対運動間隙シール１６２が、入口冷却ガスの低圧戻りガスへの漏れを制限する。
【００４０】
高温冷却ガス（左向き矢印１６４により示される）は、冷却入口チューブ１５６と冷却出口チューブ１６６の間に形成された、入口チューブと同軸の環状空間の中を流れる。高温冷却ガスは、ＨＴＳコイル巻線を通過し、該巻線から熱を除去する。
【００４１】
高温冷却気体は、回転出口チューブ１６６を出て、間隙シール１６２と該間隙シールを囲む固定円筒形ケーシング１６８の間を通る。ケーシングの端ディスク１６９は、高温冷却気体をロータから極低温冷却機１９０に移送する戻り可撓性チューブ１７０に連結された、ロータの軸線からオフセットした出口ポートを有する。高温冷却気体は、極低温冷却機に連結された可撓性チューブ１７０に入る。可撓性チューブは、ロータの軸線２０からオフセットしている。
【００４２】
全ての極低温気体移送チューブ１５６、１６６は、真空ジャケット１７２で囲まれており、気体への熱伝達が最小限にされる。戻りガス流１６４は、相対運動のための小さな間隙（薄壁チューブ１７４と回転真空ジャケットチューブ１６６との間の）をもつ薄壁チューブ１７４の長さにより、周囲温度から熱的に隔離され、対流熱伝達を最小にする。薄壁チューブ１７４と円筒形ハウジング１８４との間の間隙に適用される真空によって、更に別の熱的隔離が与えられる。
【００４３】
シャフト１７４端部の磁性流体シール１７６は、加圧気体システムの積極的な非接触型シールを提供する。空気流１７７が、外部源から供給され、軸受１７８のオイルを磁性シールの磁性流体から隔てるバッファとして働くので、該軸受オイルは、磁性流体と接触することはない。
【００４４】
極低温気体移送継手２６は、精密な軸受１７８によってロータシャフト上に支持されており、該軸受は、シール間及び相対運動のための間隙での擦れ合いを防ぐために、オーバーハング状チューブの振動及び回転振れを制限する。オイル噴射ノズル１８０が、軸受に潤滑油を供給する。オイルドレン１８２が、使用済みの余分の軸受オイルを除去することを可能にする。ラビリンスシール１８４が、軸受からのオイルの漏れを防ぐ。
【００４５】
円筒形ハウジング１８６は、冷却移送継手２６の差込み端部及び可撓性チューブ１６０、１７０を囲む。ハウジングは、極低温冷却機１９０に連結された可撓性の円筒形蛇腹１８８に取り付けられる。真空がハウジング１８６内で維持され、周囲温度と可撓性チューブ及び気体移送継手との間の熱的隔離を与える。
【００４６】
磁性流体シール１７６は、円筒形ハウジング１９６内に入れられ、戻りガスの漏れを防ぐために、継手２６の非回転構成部品に対してＯリング１９８でシールされている。
【００４７】
回転チューブ１５６、１６６は、真空ジャケット１７２によって互いに熱的に隔離される。冷却気体入口チューブ１５６は、固定の運動間隙シール１６２（及び、真空ジャケットで囲まれた入口気体チューブ１５６の二重壁）によって、気体の出口から分離して維持される。同様に、二重壁の外側回転チューブ（冷却出口チューブ１６６）は、真空ジャケット１７２を設けられており、更に薄壁の固定チューブ１７４内に収められる。これらの入口及び出口チューブ１５６、１６６は、継手からＨＴＳコイル巻線の入口及び出口ポート３９、４１まで延びる。
【００４８】
継手２６の回転部品と固定部品の間においてガス流に対するシールを提供するために、精密な軸受及び狭い相対運動間隙を有する短いオーバーハング状のチューブと共に、非接触型の間隙シール及び磁性流体シールが使用される。気体移送継手２６のこれらの特徴は、摩擦熱を防ぐものである。このような摩擦熱は、擦れ合い、或いは振動のために、接触型シールシステムにおいて生じる。非接触型シールシステムの他の利点は、気体継手の長い継手寿命、高い信頼性の気体シール、及び低い熱損失である。
【００４９】
作動において、移送継手２６の差込みチューブ１５４は、可撓性チューブ１６０を介して極低温冷却流体源に連結される。同様に、出口チューブ１６６及び気体シールのためのケーシング１６８は、可撓性の出口チューブ１７０に連結される。極低温のシールハウジング１８６は、移送継手２６の円筒形ハウジングに連結される。真空がハウジング１８６内及び回転チューブの真空ジャケット１７２内に確立される。
【００５０】
冷却気体は、通常、ヘリウム、ネオンのような不活性ガス、或いは水素である。ＨＴＳ超伝導体に適した温度は、通常、３０°Ｋより低く、約２７°Ｋが好ましい。極低温剤流体は、約２７°Ｋの温度で極低温冷却機を出て行く。冷却流体（矢印１５７）は、可撓性入口チューブ１６０から、差込みチューブ１５４及び入口チューブ１５６を通って、ロータ及びＨＴＳコイル巻線３４へ流れる。
【００５１】
冷却された極低温流体は、ロータの導管を通ってＨＴＳコイル３６の冷却通路３８内へ流れる。冷却気体は、ＨＴＳコイルから熱を除去し、該コイルを十分低温に維持し、該コイルの超伝導特性を達成する。冷却導管は、冷却流体継手２６に連結するロータコアの一端に、入口及び出口ポート３９、４１を有する。
【００５２】
冷却力を保持し、かつ、ＳＣコイルに必要とされる低い作動温度を維持するため、極低温気体への熱伝達損失は最小限にされる。熱損失は、冷却流体の漏れを最小限にすること、及び極低温冷却流体への熱伝達を最小限にすることによって、最小にされる。
【００５３】
相対運動間隙シール１６２が、差込みチューブ１５４の周りに間隙シールを備える形で形成され、該間隙シールは、外を流れる戻りガス（矢印１６４）の低い圧力に向かっての入口極低温気体（矢印１５７）の漏れを制限する。冷却流体の漏れは、冷却システムに不要な熱エネルギーが移される作用を有する。従って、極低温冷却システム２６の熱絶縁及び全体冷却効率を増加させるために、冷却流体の漏れが減らされる。
【００５４】
冷却流体の漏れに加えて、熱的非効率の第２の源は、ロータ周囲の構成部品からの熱伝導である。極低温気体への熱伝達を最小限にするため、極低温冷却気体と、それを取り巻く大気温度の構成部品との間に、適切な熱絶縁が与えられる。例えば、極低温気体の移送チューブ１５６、１６６は、高い熱絶縁を保証するために、真空ジャケット１７２で囲まれる。
【００５５】
さらに、戻りガス流（矢印１６４）は、薄壁チューブ１７４と小さな相対運動間隙（固定チューブ１７４と回転真空ジャケットチューブ１７２との間の）を有する真空ジャケットチューブ１７２とによって、大気温度から熱的に隔離され、対流熱伝達を最小限にする。例えば、チューブ間の真空ジャケットが形成された間隙といったこれらの相対運動間隙の隔離長さが、極低温流体への熱伝達を減少させ、（熱損失を減少することによって）極低温冷却機の容量を向上させる。熱的隔離長さを長くすると、オーバーハング状のチューブが長くなり、該チューブが過度に振動し摩擦接触するようになる可能性がある。
【００５６】
極低温気体移送継手２６の支持システムは、チューブの振動に関連した問題を減らすように設計される。継手２６は、オーバーハング状チューブの振動と振れを制限する精密な軸受１７８によってロータのシャフト上に支持される。
【００５７】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関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、それとは逆に、特許請求の範囲の技術思想内の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。
【００５８】
特許請求の範囲において示される参照符号は、本発明の範囲を限定するものではなく、それらを容易に理解できるようにすることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 超伝導ロータ及びステータを有する同期電気機械の概略側面図。
【図２】 冷却気体通路を有するレーストラック形ＳＣコイルの概略図。
【図３】 レーストラック形ＳＣコイル巻線を有するロータの一部を破断して示した概略図。
【図４】 レーストラック形ＳＣコイル巻線及び端シャフトを有するロータの断面図。
【図５】 レーストラック形ＳＣコイル巻線及び端シャフトを有するロータの断面図。
【図６】 ロータのコレクタ端シャフトの断面図。
【図７】 ロータのコレクタ端シャフトの断面図。
【図８】 ロータのコレクタ端シャフトの断面図。
【図９】 極低温気体の移送継手組立体の概略断面図。
【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
３５ コレクタリング

Claims (19)

1. 同期機械（１０）のためのロータ（１４）と極低温冷却流体の源（１９０）との間の冷却流体継手（２６）であって、
   前記ロータ内で該ロータの軸線（２０）に対して同軸に、回転入口冷却チューブ（１５６）と回転出口冷却チューブ（１６６）とを備え、
   前記入口冷却チューブ（１５６）は、前記極低温冷却流体の源（１９０）から入口冷却流体を受けるように連結された入口ポートを有し、
   前記出口冷却チューブは、冷却流体を前記ロータから前記源へ戻すように連結された出口ポートを有し、
   シール（１６２）が、前記入口冷却チューブ（１５６）と前記出口冷却チューブ（１６６）とを隔てる、
   ことを特徴とする冷却流体継手。
2. 前記出口冷却チューブを囲み、該出口冷却チューブと同軸の固定チューブ（１７４）を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の冷却流体継手。
3. 前記固定チューブ（１７４）を支持する軸受と、前記入口冷却チューブを前記出口冷却チューブ内に支持するシール（１６２）とを更に備えることを特徴とする、請求項２に記載の冷却流体継手。
4. 同期機械（１０）のためのロータ（１４）と極低温冷却流体の源（１９０）との間の冷却流体継手（２６）であって、前記ロータ内で該ロータの軸線（２０）に対して同軸に、回転入口冷却チューブ（１５６）と回転出口冷却チューブ（１６６）とを備え、
   前記入口冷却チューブは、前記極低温冷却流体の源から入口冷却流体を受けるように連結され、
   前記出口冷却チューブは、冷却流体を前記ロータから前記源へ戻すように連結され、
   シール（１６２）が、前記入口冷却チューブを前記出口冷却チューブ内に支持する、
   ことを特徴とする冷却流体継手。
5. 同期機械（１０）のためのロータ（１４）と極低温冷却流体の源（１９０）との間の冷却流体継手（２６）であって、
   前記ロータ内で該ロータの軸線に対して同軸に、回転入口冷却チューブ（１５６）と回転出口冷却チューブ（１６６）とを備え、
   前記入口冷却チューブは、前記極低温冷却流体の源から入口冷却流体を受けるように連結され、
   前記出口冷却チューブは、冷却流体を前記ロータから前記源へ戻すように連結され、
   シール（１６２）が、前記入口冷却チューブを前記出口冷却チューブ内に支持し、
   固定チューブが、前記出口冷却チューブを囲む、
   ことを特徴とする冷却流体継手。
6. 前記入口冷却チューブ内に延び、前記極低温冷却流体の源に連結された差込みチューブを更に備えることを特徴とする、請求項１又は請求項５に記載の冷却流体継手。
7. 前記極低温冷却流体が、ヘリウムガスであることを特徴とする、請求項１又は請求項５に記載の冷却流体継手。
8. 前記ロータの軸線からオフセットし、前記出口冷却チューブに連結された可撓性チューブと、該第１のチューブに隣接し、前記入口冷却チューブに連結された第２の可撓性チューブとを更に備え、該第２の可撓性チューブが、前記ロータの軸線と同軸であることを特徴とする、請求項１又は請求項５に記載の冷却流体継手。
9. 前記固定チューブと前記出口冷却チューブとの間に真空ジャケットを更に備えることを特徴とする、請求項７に記載の冷却流体継手。
10. 前記入口冷却チューブと前記出口冷却チューブとの間に真空ジャケットを更に備えることを特徴とする、請求項１又は請求項５に記載の冷却流体継手。
11. 同期機械（１０）のロータ（１４）において、
    前記ロータは、ロータコア（２２）と超伝導コイル巻線（３４）と少なくとも一つのテンションロッド（４２）と断熱チューブ（５２）とを有し、
    前記コアは、該コアを貫通して延びる少なくとも一つの導管（４６）を備え、
    前記超伝導コイル巻線は、前記ロータコアの少なくとも一部の周りに延び且つ前記ロータコアの対向する側部領域（４８）に隣接する一対の側部分（４０）を備え、
    前記テンションロッドは、前記コイル巻線の前記一対の側部分（４０）間を延びており且つ前記少なくとも一つの導管を貫通しており、
    前記断熱チューブは、前記導管内に設けられて前記テンションロッドを前記ロータから断熱する
    ことを特徴とするロータ。
12. 前記ロータコアが中実のコアであり、前記導管が該コアを貫通する請求項１１項に記載のロータ。
13. 前記断熱チューブが前記導管内に挿入され前記コアを保持する請求項１１又は１２に記載のロータ。
14. 前記断熱チューブを前記コア内の導管に固定するロックナット（８４）を更に有する請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のロータ。
15. 前記テンションロッドは、高強度で非磁性の合金から形成されている請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載のロータ。
16. 前記テンションロッドは、インコネル合金から形成されている請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載のロータ。
17. 前記少なくとも一つのテンションロッドはそれぞれ前記コア内の各導管を貫通して延びており、前記少なくとも一つの断熱チューブが各々の導管の両端に挿入されている請求項１１乃至１６のいずれか１項に記載のロータ。
18. 前記断熱チューブによって、前記テンションロッドが前記ロータコアの導管壁から隔てられている請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載のロータ。
19. コイル巻線の側部分を保持し、前記テンションロッドの両端に取り付けられたコイルハウジング（４４）を更に有する請求項１１乃至１８のいずれか１項に記載のロータ。

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