JP4937563B2 - 超電導回転機を冷却するシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、超電導回転機用冷却システムに関し、詳細には、密閉型熱サイホン冷却システム、およびそうしたシステムを用いた超電導回転子コイルを冷却する方法に関する。

超電導体は、臨界温度より低く冷却されたとき抵抗なしで電気を伝導する元素、金属間合金、または化合物である。超電導は、スズ、およびアルミニウムなどの元素、様々な金属合金、いくつかの高濃度半導体ならびに、ある種のセラミック化合物を含む、広範囲の材料内で発生する。従来の超電導体では、フォノンの交換から生じるある種の伝導電子の間の引力によって超電導が引き起こされ、その結果、伝導電子の流体によって相関する電子の組からなる超流体相（ｓｕｐｅｒ ｆｌｕｉｄ ｐｈａｓｅ）が示される。

超電導体は、磁気共鳴映像システム、ならびにモータおよび発電機などの発電および配達システムを含む様々な適用分野で有用である。超電導体内で電気抵抗がなくなると、これらのデバイスがはるかに高い効率を有して動作可能になる。高温超電導コイル磁界巻き線は、脆性であることができ、また超電導性を達成し維持するために臨界温度以下の温度に冷却される必要がある超電導材料から形成される。

超電導コイルは、ヘリウム、ネオン、窒素、水素および同種のもの、などの低温液体によって冷却されてきた。しかし、超電導コイルの周囲にある液体寒剤の量を精密に制御するのは困難である。コイルの周囲にある液体寒剤の量が少なすぎる、またはその温度が十分に低くない場合、不十分なコイルの冷却が起こる。コイルの周囲にある液体寒剤の量が多すぎる、またはその望ましい温度範囲より低く、コイルの周囲に不均等に配分された場合、機械の中で回転の不均衡が発生する可能性がある。ある種の用途において回転が高速で半径がかなり大きいとすると、これにより、大きな径方向振動が引き起こされ、機械を破損する可能性がある。さらに、こうした機械のための現行の低温冷却システムでは、機械の電気的な運転を停止せずに冷却ユニットを修理可能にするのに十分な寒剤が冷却システム内に貯蔵されておらず、それによって超電導性が損失し、その結果複合体が停止し、始動の手順を行うことになる。
特開２００３−１４８８４４号公報

したがって、超電導コイルの周囲にある液体寒剤の均等な配分を可能にする技術が必要になる。さらに、超電導コイルの効率的な冷却をもたらす貯蔵容量を有する冷却システムも望まれる。

本技術の一態様によれば、超電導回転機のための冷却用システムが提供される。

このシステムは、超電導コイルに隣接した回転子の周囲の釣合位置に配置された複数の密閉されたサイホン管を備える。密閉された各サイホン管は、管状の本体、および超電導コイルから熱を抽出するために、機械の操作中に相変化を受ける管状の本体内に配置された伝熱媒体を備える。サイホン熱交換器は、機械の動作中にサイホン管から熱を抽出するために、サイホン管に熱的に結合されている。

本技術の別の態様によれば、超電導回転機を冷却する方法が提供される。この方法は、回転子超電導コイル（ｒｏｔｏｒ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｃｏｉｌ）の周囲の釣合位置に複数の密閉されたサイホン管を配置し、密閉されたサイホン管内に配置された熱伝達媒体を介して超電導コイルから熱を抽出することを含む。熱は、サイホン熱交換器を介して機械の動作中にサイホン管から抽出される。

本発明のこれらのならびにその他の特徴、態様、および利点は、図を通じて同じ符号が同じ部分を表す添付図を参照して以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されるであろう。

図１を参照すると、超電導回転電気機械１２用熱サイホン冷却システム１０が示され、そのシステムは一般にはモータまたは発電機である。さらに、この技術は、医療用イメージングシステムなど超電導を利用したその他のシステムに使用することができる。熱サイホン冷却システム１０は、極低温冷凍システム１４、寒剤トランスファーイン管１６、寒剤トランスファーアウト管１８、トランスファー結合部２０、サイホン熱交換器２２、および複数の密閉サイホン管２４を備える。図示の実施形態では、回転電気機械１２は、発電機である。この実施形態では、発電機１２は、回転子コア２８上に配置された超電導回転子コイル２６を有する。超電導回転子コイル２６は、それが電源（図示せず）から受け取る電気から磁界を形成する。超電導回転子２６の温度が臨界電流を超えると、コイル２６は、その超電導性を失う可能性があり、超電導回転子コイル２６内のクエンチ状態（ｑｕｅｎｃｈ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）が生じる可能性がある。熱サイホン冷却システム１０は、超電導回転子コイル２６を冷却し、コイル２６内のそのような過剰な温度を回避するために設けられる。

極低温冷凍システム１４は、極低温冷凍機３０で凝縮された低温液体３４の容器を保持するために設けられた第１槽３２上に装着された極低温冷凍機３０を備える。当分野の技術者には理解されるように、極低温冷凍機３０は、Ｇｉｆｆｏｒｄ‐ＭｃＭａｈａｎ型、パルス管型、またはその他の適切な冷凍システムを備えることができ、低温液体は、窒素、ネオン、水素、ヘリウム、またはそうした流体の組み合わせ、あるいは発電機１２、特にコイル２６から十分な熱を回収することができるその他の適切な流体であることができる。第１槽３２内に貯蔵された液体寒剤３４は、極低温冷凍機３０から冷却がまったく利用可能でない場合、発電機１２の故障状態の間、または電力停止状態の間、上昇した熱負荷を吸収するための熱緩衝部を設ける。液体寒剤３４のそれ自体の独立の供給を伴う第２槽３６は、中間熱交換器３８を介して第１槽３２に連結されている。

複数の密閉されたサイホン管２４は、超電導回転子コイル２６の周囲の釣合位置に配置されている。例示の実施形態では、２つの密閉されたサイホン管２４が超電導回転子コイル２６の周囲の直径の両側の位置に配置されている。例示の実施形態では、２つの密閉されたサイホン管２４か示されているが、任意の数のサイホン管が想定できる。別の実施形態では、サイホン管２４はヒートパイプを備える。熱伝達媒体４０は、サイホン管２４内に配置され、超電導コイル２６から熱を抽出するために、発電機１２の動作中に相変化を受けるように構成されている。例示の実施形態では、熱伝達媒体４０は、二相の低温液体（すなわち液相４２および気相４４）を有する。サイホン管２４は、それらの両端部で密封されている。サイホン熱交換器２２は、発電機１２の動作中にサイホン管２４から熱を抽出するためにサイホン管２４に熱的に結合されている。サイホン熱交換器２２の動作は、下記に詳細に説明される。

寒剤トランスファーイン管１６および寒剤トランスファーアウト管１８は、第２槽３６に結合されている。寒剤トランスファーイン管１６および寒剤トランスファーアウト管１８は、トランスファー結合部２０を介してサイホン熱交換器２２に結合されている。寒剤トランスファーイン管１６は、液体寒剤３４を第２槽３６からサイホン熱交換器２２に供給するように構成されている。その結果、サイホン熱交換器２２は、低温液体３４によって冷却される。寒剤トランスファーアウト管１８は、サイホン熱交換器２２から第２槽３６に低温蒸気４６の流れのための通路を形成するように構成されている。一例では、寒剤トランスファーイン管１６は、寄生性の熱取得を最小限に抑えるために寒剤トランスファーアウト管１８の内部に配置することができる。

第２槽３６内の低温蒸気４６は、第１槽３２内の低温液体３４の容器に熱を伝達することによって再凝縮される。中間熱交換器３８は、第２槽３６内の低温蒸気４６と第１槽３２内の寒剤流体３４の間にサーマルインターフェース（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）をもたらす。第１槽３２内の液体寒剤により、第２槽３６内にある低温蒸気４６が冷却され凝縮される。この第２槽３６内の低温蒸気４６の凝縮により、低温液体の寒剤トランスファーイン管１６およびアウト管１８内への重力送り、およびトランスファーイン管１６およびアウト管１８内の流体の一定温度の維持が容易になる。

他の実施形態では、低温液体は、ヘリウムガスなどの単相流体でもよく、インペラを使用して押されてチューブ１６、１８を通って流れることもできる。このような場合、低温液体の流量および極低温の性質は、サイホン熱交換器２２から中間熱交換器３８に熱伝達させるのに十分である。

極低温冷凍システム１４、寒剤トランスファーイン管１６、寒剤トランスファーアウト管１８、トランスファー結合部２０、サイホン熱交換器２２、複数の密閉サイホン管２４、および発電機１２は、真空エンクロージャ４８の内部に配置される。真空エンクロージャ４８は、エンクロージャ４８の内側に囲まれた構成要素に対して断熱をもたらすように構成されている。真空エンクロージャ４８は、構築を容易にするために必要とされるような数個の個別になった真空部から構成されてもよい。

図２を参照すると、熱サイホン冷却システム１０の詳細図が示されている。上記に示すように、２つの密閉された熱サイホン管２４が超電導回転子コイル２６の周囲の直径の両側の位置で配置されている。密閉された熱サイホン管２４内の低温液体は、超電導回転子コイル２６の冷却を促進させるため気化および凝縮を受ける。

熱伝導シート５０が、超電導回転子コイル２６と密閉された熱サイホン管２４の間に設けられる。熱伝導シート５０は、高熱伝導性材料を含む。例示の実施形態では、熱伝導シート５０は、銅シートを備える。当分野の技術者には理解されるように、その他の適切な熱伝導性シートも想定される。熱伝導性シート５０により、回転子コイル２６と密閉熱サイホン管２４の間の温度勾配が最小限に抑えられる。熱伝導性シート５０は、また、回転子コイル２６からサイホン管２４への熱の伝達を促進させ、回転子コイル２６の長さに沿って熱が均等に広がるのを助ける。サーマルバス５２が、熱伝導シート５０とサイホン熱交換器２２の間に設けられる。サーマルバス５２は、熱伝導シート５０とサイホン熱交換器２２の間でサーマルインターフェースをもたらすように構成されている。

図３を参照すると、密閉されたサイホン管２４が示されている。図示のように、二相の低温液体４０（すなわち液相４２および気相４４）が、サイホン管２４の内部に配置されている。上記に論じたように、各サイホン管２４は、その両端部で密封されている。寒剤トランスファーイン管１６およびアウト管１８と接触するサイホン管２４の端部は、寒剤トランスファーイン管１６内でサイホン管２４から低温液体３４に熱を伝達するように構成されているサイホン熱交換器２２によって密閉されている。その結果、サイホン管２４内の低温蒸気４４は凝縮される。回転子コア２８の回転およびそうした回転によって発生した遠心力によって、サイホン管２４内で長手方向および径方向に沿った液体寒剤４２の流れが生じる。コイル２６から発生した熱により、サイホン管２４内の液体寒剤が蒸発し、その液体が気相に変換されることで、その液体の比較的低い密度によりサイホン熱交換器２２に向かって逆流する。サイホン管２４に沿った軸方向温度は、ほぼ一定に維持され、液体の蒸発温度に等しい。これにより、超電導回転子コイル２６からの熱の伝達、および概して等温のコイル温度の維持も促進される。

上記に示された実施形態では、熱サイホン冷却システム１０は、コイルの冷却、静止動作、回転動作などの発電機の３つの動作モードのために冷却をもたらすことが可能である。発電機１２のコイル２６の冷却中、第１槽３２内の低温液体は、第２槽３６および寒剤トランスファーアウト管１８内の低温蒸気を冷却し凝縮させるのに使用される。寒剤トランスファーイン管１６内の低温液体は、熱伝導シート５０に結合されたサーマルバス５２と熱的に接触し、コイル２６の伝導冷却を行う。静止動作モード中は、下側のサイホン管内のみでコイル２６の蒸発冷却が発生する。コイルの上側は、熱伝導シート５０によって冷却される。熱伝導シート５０は、コイルの上方の区域から下方のサイホン管に熱を伝達し、コイルを冷却する。回転動作モード中は、低温液体がサイホン管の外側に押しやられるように、回転力がサイホン管内の低温液体上に径方向外側の力を発生させる。コイルから発生した熱は、サイホン管内の低温液体を蒸発させる。低温蒸気は、サイホン熱交換器２２に向かって流れる。サイホン管内の低温液体の蒸発および凝縮により、コイルの効果的な冷却が促進される。

上記の熱サイホン冷却システム１０により超電導コイル２６の受動的冷却がもたらされる。その結果、液体寒剤がコイル２６の周囲に均等に配分され、それによって機械内の回転の不均衡を除去する。能動制御システムが発電機内への液体寒剤の流れを監視し制御する必要がなくなる。

図４を参照すると、高温超電導回転子５６用の閉ループ蒸発冷却システム５４が示される。冷却システム５４は、極低温冷凍システム５８、寒剤トランスファー管６０、トランスファーカプリング６２、および複数の直接冷却管６４を備える。冷却システム５４は、コールドヘッド６６によって凝縮された低温液体７０の容器を保持するために設けられた２つのチャンバデュワ（ｃｈａｍｂｅｒ ｄｅｗｅｒ）６８に装着されたクライオクーラ（ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ）再凝縮器コールドヘッド６６を備える。例示の実施形態では、単一のコールドヘッド６６が示されるが、複数のコールドヘッドも想定できる。２つのチャンバデュワ６８は、第１チャンバ７２、第２チャンバ７４、および第１チャンバ７２と第２チャンバ７４の間に設けられた熱交換器７６を備える。例示の実施形態では、熱交換器７６は、複数のフィン８０を備えた銅プレート７８を備える。

超電導回転子５６は、回転子コア８４の周囲に配列された超電導回転子コイル８２を備える。複数の直接冷却管６４は、超電導回転子コイル８２の周囲の釣合位置に配置されている。例示の実施形態では、２つの直接冷却管６４が超電導回転子コイル８２の周囲の直径の両側の位置に配置されている。熱伝達媒体８６は、直接冷却管６４内に配置され、超電導コイル８２から熱を抽出するために発電機の動作中に相変化を受けるように構成されている。例示の実施形態では、熱伝達媒体８６は、二相の低温液体を含む。銅はく８８は、直接冷却管６４と超電導コイル８２の間に設けられ、回転子コイル８２と直接冷却管６４の間の温度勾配を最小限に抑えるように構成されて、回転子コイル８２の冷却を促進させる。

寒剤トランスファー管６０は、第２デュワチャンバ７４に結合されている。寒剤トランスファー管６０は、トランスファーカプリング６２を介して直接冷却管６４に結合されている。寒剤トランスファー管６０は、液体寒剤７０を第２デュワチャンバ７４から直接冷却管６４に供給するように構成されている。寒剤トランスファー管６０は、直接冷却管６４から第２デュワチャンバ７４への低温蒸気９０の流れの通路を形成するようにも構成されている。

第２デュワチャンバ７４内の低温蒸気９０は、第１チャンバ７２内の低温液体７０の容器に熱を移動させることによって再凝縮される。熱交換器７６は、第２デュワチャンバ７４内の低温蒸気９０と第１デュワチャンバ７２内の低温流体７０との間でサーマルインターフェースをもたらす。第１デュワチャンバ７２内の液体寒剤７０により、第２デュワチャンバ７４内の低温蒸気９０が冷却され凝縮される。例示の実施形態では、第２デュワチャンバ７４内の圧力は、第１デュワチャンバ７２内の圧力より高い。

第１デュワチャンバ７２によって、コールドヘッド６６で維持された液体寒剤の大量の貯蔵がもたらされる。これにより、機械を停止する必要なしにコールドヘッドの修理が可能になる。

図５は、超電導回転機の冷却に関係する例示的なステップを示す流れ図である。一般的な冷却過程が参照番号９２によって示されている。ステップ９４では、複数の密閉されたサイホン管が、回転子コアの周囲に設けられた超電導回転子コイルの周りに釣合位置で配置されている。一般には、２つの密閉されたサイホン管が、コイルの周囲の半径方向に相対する位置に配置される。ステップ９６では、低温流体の容器が、極低温システムの極低温冷凍機を介して第１槽内に維持される。低温液体の収蔵能力によって、サーマルトランジエント（ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）状態または電力停止中、あるいは冷却システムが停止した場合に、回転子コイル２６の超電導性が維持されるように冷却を維持することが可能になる。

ステップ９８では、極低温冷凍システムの第２槽内に貯蔵された液体寒剤が、トランスファー管を介して密閉されたサイホン管に結合されたサイホン熱交換器に移送される。機械の動作中に、電流が超電導コイルを通って流れ、磁界が発生する。コイルは、その環境および動作によって熱に曝される。この熱は、参照番号１００で示されるようなサイホン管内に配置された熱伝達媒体を介して抽出される。図示のように、熱伝達媒体は、低温液体である。低温液体は、コイルから熱を抽出中に相変化を受ける。サイホン熱交換器は、密閉されたサイホン管の蒸気とトランスファー管内の低温液体との間でサーマルインターフェースとして働く。蒸気は、密閉されたサイホン管内でトランスファー管内で低温液体に熱を伝達することにより凝縮される。ステップ１０２では、発生した低温蒸気は、寒剤トランスファー管を介してサイホン熱交換器から第２槽に移送される。ステップ１０４では、液体寒剤により第２槽内で低温蒸気が冷却され凝縮される。中間熱交換器は、第１槽内の液体寒剤と第２槽内の低温蒸気の間でサーマルインターフェースとして働く。これにより、寒剤トランスファー管を介して第２槽からサイホン熱交換器に低温液体を重力送りすることが可能になる。

本発明のいくつかの特徴のみを本明細書に例示し説明してきたが、多くの変更形態および変更が当分野の技術者には思いつくであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本技術の例示の実施形態に従った超電導回転機用熱サイホン冷却システムを図解した図である。 図１の態様に従った超電導コイル用熱サイホン冷却システムを図解した図である。 図１の態様に従った密閉サイホン管を図解した図である。 本技術の別の例示の実施形態に従った高温超電導回転子用閉ループ蒸発冷却システムを図解した図である。 超電導回転機の冷却に伴う例示のステップを図示した流れ図である。

符号の説明

１０ 熱サイホン冷却システム
１２ 超電導回転電気機械（発電機）
１４ 極低温冷凍システム
１６ 寒剤トランスファーイン管
１８ 寒剤トランスファーアウト管
２０ トランスファー結合部
２２ サイホン熱交換器
２４ 密閉サイホン管
２６ 超電導回転子コイル
２８ 回転子コア
３０ 極低温冷凍機
３２ 第１槽
３４ 低温液体（液体寒剤）
３６ 第２槽
３８ 中間熱交換器
４０ 低温液体（熱伝達媒体）
４２ 液体寒剤（液相）
４４ 低温蒸気（気相）
４６ 低温蒸気
４８ 真空エンクロージャ
５０ 熱伝導シート
５２ サーマルバス
５４ 冷却システム
５６ 高温超電導回転子
５８ 極低温冷凍システム
６０ 寒剤トランスファー管
６２ トランスファーカプリング
６４ 直接冷却管
６６ コールドヘッド
６８ チャンバデュワ
７０ 低温液体
７２ 第１チャンバ
７４ 第２チャンバ
７６ 熱交換器
７８ 銅プレート
８０ フィン
８２ 超電導回転子コイル
８４ 回転子コア
８６ 熱伝達媒体
８８ 銅はく
９０ 低温蒸気
９２ 冷却過程
９４ ステップ
９６ ステップ
９８ ステップ
１００ ステップ
１０２ ステップ
１０４ ステップ

Claims (10)

1. 超電導回転機（１２）を冷却するシステム（１０）であって、
   超電導コイル（２６）に隣接した回転子（２８）の周囲の釣合位置に配置された複数の密閉サイホン管（２４）であって、前記密閉サイホン管（２４）の各々が、管状の本体、および前記超電導コイル（２６）から熱を抽出するために前記機械（１２）の動作中に相変化を受ける前記管状の本体に配置された熱伝達媒体（４０）を含む複数の密閉サイホン管と、
   前記機械（１２）の動作中に前記サイホン管（２４）から熱を抽出する前記サイホン管（２４）に熱的に結合されたサイホン熱交換器（２２）と
   を備えるシステム。
2. 前記超電導回転子コイル（２６）の周囲の径方向に相対する位置に配置された２つの密封されたサイホン管（２４）を備える、請求項１記載のシステム（１０）。
3. 前記熱伝達媒体（４０）が二相の寒剤流体を含む、請求項１又は請求項２記載のシステム（１０）。
4. 前記サイホン熱交換器（２２）が寒剤流体（３４）によって冷却される、請求項１記載のシステム（１０）。
5. 寒剤流体（３４）を液体状態に維持する極低温冷凍システム（１４）であって、前記極低温冷凍システム（１４）が、寒剤流体（３４）の容器を保持するように構成された第１槽（３２）と、前記サイホン熱交換器（２２）を冷却する第２槽（３６）とを備え、前記第２槽（３６）内の蒸気（４６）が、寒剤流体（３４）の前記容器に熱を伝達することによって再凝縮される極低温冷凍システムをさらに備える、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシステム（１０）。
6. 前記極低温冷凍システム（１４）が、前記第２槽（３６）内の蒸気（４６）と前記第１槽（３２）内の寒剤流体（３４）とのサーマルインターフェースをもたらす中間熱交換器（３８）をさらに備えている、請求項５記載のシステム（１０）。
7. 液体状態の寒剤（３４）を前記第２槽（３６）から前記サイホン熱交換器（２２）に供給するように構成された寒剤トランスファーイン管（１６）をさらに備える、請求項５又は請求項６記載のシステム（１０）。
8. 前記サイホン熱交換器（２２）から前記第２槽（３６）に蒸気（４６）の流れの通路を形成するように構成された寒剤トランスファーアウト管（１８）をさらに備える、請求項７記載のシステム（１０）。
9. 前記超電導コイル（２６）と前記密閉サイホン管（２４）の間に熱伝導シート（５０）が設けられている、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のシステム（１０）。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項のシステム（１０）を備える超電導回転機（１２）。

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