JP5130848B2 - 超電導機器の冷却容器 - Google Patents
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Description
本発明は、超電導機器の冷却容器に関し、特に、冷却性能の向上と容器の小型化を図るものである。
従来、超電導モータ等の超電導機器の冷却容器として、超電導機器を直接的または間接的に冷却する冷媒を収容した内槽と、該内槽を真空断熱空間をあけて囲む外槽とからなる二重槽の冷却容器が用いられている。
この種の二重槽の冷却容器は、内外槽ともステンレスやアルミニウム等の金属材により形成し、容器に十分な強度を付与している。
しかしながら、前記金属材からなる容器では熱伝導度が高いために、容器外の室温からの熱伝導により冷媒温度が上昇しやすい問題がある。かつ、超電導機器に交流電源を印加したときに、金属材からなる容器に渦電流が流れ、該渦電流により熱が発生し、容器内の冷媒温度が上昇して蒸発しやすくなり、超電導機器を長時間十分に冷却できず、超電導特性を維持できない問題がある。
しかしながら、前記金属材からなる容器では熱伝導度が高いために、容器外の室温からの熱伝導により冷媒温度が上昇しやすい問題がある。かつ、超電導機器に交流電源を印加したときに、金属材からなる容器に渦電流が流れ、該渦電流により熱が発生し、容器内の冷媒温度が上昇して蒸発しやすくなり、超電導機器を長時間十分に冷却できず、超電導特性を維持できない問題がある。
前記問題に対して、特開平７−７４３９９号公報（特許文献１）で提供されている冷却容器では、内槽および外槽を共にエポキシ樹脂と強化繊維とからなる熱伝導率の小さい繊維強化樹脂で形成し、かつ、内槽または外槽の外面にガス透過量を抑制できるＳｉＯ２膜を形成した真空容器が提供されている。
しかしながら、特許文献１では、内槽・外槽共に繊維強化樹脂で形成しているため、ステンレス等の金属材と同等な強度を付与するには、内槽・外槽共に槽の厚さを大とする必要があり、冷却容器が大型化しやすい問題がある。
また、ブレイド状の強化繊維にマトリクス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂で槽を形成する場合、金型による射出成形が困難であるため、該繊維強化樹脂で塊状の母材を形成し、該母材を切削加工して槽を形成する必要がある。該製造工程は金属板をプレス加工して槽を形成する場合と比較して、内外槽とも繊維強化樹脂製とすると、製造コストが高騰する問題がある。
また、ブレイド状の強化繊維にマトリクス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂で槽を形成する場合、金型による射出成形が困難であるため、該繊維強化樹脂で塊状の母材を形成し、該母材を切削加工して槽を形成する必要がある。該製造工程は金属板をプレス加工して槽を形成する場合と比較して、内外槽とも繊維強化樹脂製とすると、製造コストが高騰する問題がある。
本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、容器の大型化および製造コストの高騰を抑制しながら、冷媒温度の上昇、特に、超電導機器に交流電源を印加したときに容器に流れる渦電流によって生じる冷媒温度の上昇を抑制することを課題としている。
前記課題を解決するため、本発明は、交流電源が印加される超電導機器を冷却する冷媒を収容する内槽と、該内槽の外周を真空断熱空間をあけて囲む外槽と、を備えた超電導機器の冷却容器において、
前記内槽を形成する内槽材は、絶縁性の繊維強化樹脂材から形成される一方、
前記外槽を形成する外槽材は、前記内槽材より強度を有する金属材あるいは樹脂材からなる別材で形成され、
前記内槽材の平均肉厚より外槽材の平均肉厚が薄くされていることを特徴とする超電導機器の冷却容器を提供している。
前記内槽を形成する内槽材は、絶縁性の繊維強化樹脂材から形成される一方、
前記外槽を形成する外槽材は、前記内槽材より強度を有する金属材あるいは樹脂材からなる別材で形成され、
前記内槽材の平均肉厚より外槽材の平均肉厚が薄くされていることを特徴とする超電導機器の冷却容器を提供している。
具体的には、前記内槽材は、ガラス繊維あるいは樹脂繊維からなる絶縁性強化繊維に、エポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂からなるマトリクス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂材からなり、
前記外槽材は、ステンレス、アルミニウム、ブリキ、チタンから選択される金属材、あるいは、ポリカーボネート、ポリエチレン、アクリル樹脂、ポリアミド系樹脂から選択される樹脂材からなり、
前記内槽材および外槽材は、非透気性および非透水性とされている。
前記外槽材は、ステンレス、アルミニウム、ブリキ、チタンから選択される金属材、あるいは、ポリカーボネート、ポリエチレン、アクリル樹脂、ポリアミド系樹脂から選択される樹脂材からなり、
前記内槽材および外槽材は、非透気性および非透水性とされている。
前記構成からなる冷却容器によれば、超電導機器を冷却する冷媒を収容した内槽を繊維強化樹脂により形成しているため、超電導機器に交流電源を印加しても内槽に渦電流が発生しない。よって、内槽は発熱しないため、冷媒の温度を上昇させることなく長時間にわたって超電導機器の超電導特性を維持できる温度に冷却することができる。
また、冷却容器の外槽は金属材等により形成しているため、超電導機器に交流電源を印加すると外槽に渦電流が発生して発熱する場合もあるが、内槽と外槽との間に真空断熱空間を設けているため、外槽が発熱しても内槽内の冷媒に熱の影響を与えることがない。
特に、二重槽の冷却容器の内槽を繊維強化樹脂により形成する一方、外槽を強度の高い金属材で形成すれば、外槽を薄肉にして冷却容器の小型化を図ることができると共に、製造が容易であり、低コスト化を図ることができる。
また、冷却容器の外槽は金属材等により形成しているため、超電導機器に交流電源を印加すると外槽に渦電流が発生して発熱する場合もあるが、内槽と外槽との間に真空断熱空間を設けているため、外槽が発熱しても内槽内の冷媒に熱の影響を与えることがない。
特に、二重槽の冷却容器の内槽を繊維強化樹脂により形成する一方、外槽を強度の高い金属材で形成すれば、外槽を薄肉にして冷却容器の小型化を図ることができると共に、製造が容易であり、低コスト化を図ることができる。
前記超電導機器が超電導モータ、超電導変圧器、超電導限流器、超電導発電機、超電導リアクトル、超電導電力貯蔵装置からなり、前記冷媒が液体窒素、液体水素、液体酸素、液体ヘリウム、液体ネオンあるいは液体アルゴンからなる。
前述したように、本発明によれば、超電導機器および冷媒を収容した内槽を繊維強化樹脂により形成しているため、超電導機器に交流電源を印加しても内槽に渦電流が発生しない。よって、内槽は発熱しないため、冷媒の温度を上昇させることなく長時間にわたって超電導機器を冷却することができる。
また、冷却容器の外槽は金属材等により形成しているため、超電導機器に交流電源を印加すると外槽に渦電流が発生して発熱する場合もあるが、内槽と外槽との間に真空断熱空間を設けているため、外槽が発熱しても内槽内の冷媒に熱の影響を与えることがない。
特に、二重槽の冷却容器の内槽を繊維強化樹脂により形成する一方、外槽を強度の高い金属材で形成すれば、外槽を薄肉にして冷却容器の小型化を図ることができると共に、製造が容易であり、低コスト化を図ることができる。
また、冷却容器の外槽は金属材等により形成しているため、超電導機器に交流電源を印加すると外槽に渦電流が発生して発熱する場合もあるが、内槽と外槽との間に真空断熱空間を設けているため、外槽が発熱しても内槽内の冷媒に熱の影響を与えることがない。
特に、二重槽の冷却容器の内槽を繊維強化樹脂により形成する一方、外槽を強度の高い金属材で形成すれば、外槽を薄肉にして冷却容器の小型化を図ることができると共に、製造が容易であり、低コスト化を図ることができる。
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１に、本発明の実施形態を示す。
本実施形態の超電導機器の冷却容器１０は、交流電源が印加される超電導モータ３０を内部に収容して、液体窒素４０からなる冷媒により超電導モータ３０を冷却し、該超電導モータ３０の超電導特性を長時間維持するものである。
図１に、本発明の実施形態を示す。
本実施形態の超電導機器の冷却容器１０は、交流電源が印加される超電導モータ３０を内部に収容して、液体窒素４０からなる冷媒により超電導モータ３０を冷却し、該超電導モータ３０の超電導特性を長時間維持するものである。
前記冷却容器１０は、それぞれ断面環状で非透気性および非透水性の内槽１１と外槽１２からなる二重槽としており、内槽１１と外槽１２との間に真空断熱空間１３を設けている。
前記内槽１１は、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させた繊維強化樹脂により形成している一方、外槽１２は金属材であるステンレスからなり、繊維強化樹脂からなる内槽１１の平均肉厚よりもステンレスからなる外槽１２の平均肉厚を薄くしている。また、内槽１１と外槽１２は、真空断熱空間１３の真空状態を維持することのできる強度を有するものとし、外槽１２の強度を内槽１１の強度よりも高くしている。
前記内槽１１と外槽１２との間には、部分的に熱伝導率の低い繊維強化樹脂材からなるスペーサ１４を配置し、該スペーサ１４を内槽１１の外面および外槽１２の内面に固定して、該スペーサ１４により内槽１１を外槽１２の内部に位置決めして収容している。なお、内槽１１を外槽１２内に吊り下げて位置決めしてもよい。
前記内槽１１は、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させた繊維強化樹脂により形成している一方、外槽１２は金属材であるステンレスからなり、繊維強化樹脂からなる内槽１１の平均肉厚よりもステンレスからなる外槽１２の平均肉厚を薄くしている。また、内槽１１と外槽１２は、真空断熱空間１３の真空状態を維持することのできる強度を有するものとし、外槽１２の強度を内槽１１の強度よりも高くしている。
前記内槽１１と外槽１２との間には、部分的に熱伝導率の低い繊維強化樹脂材からなるスペーサ１４を配置し、該スペーサ１４を内槽１１の外面および外槽１２の内面に固定して、該スペーサ１４により内槽１１を外槽１２の内部に位置決めして収容している。なお、内槽１１を外槽１２内に吊り下げて位置決めしてもよい。
前記内槽１１には配管接続用の貫通穴１１ａを設けており、液体窒素タンク（図示せず）から冷媒である液体窒素４０を導入する冷媒導入管１５と、超電導モータ３０を冷却することにより気化した窒素を排出する冷媒排出管１６をそれぞれ貫通穴１１ａに挿入して内槽１１に接続している。これら冷媒導入管１５、冷媒排出管１６の外周面と貫通穴１１ａの内周面との間には、シール材１７を介在させて内槽１１内の液体窒素４０が漏れないように密閉している。
前記内槽１１に接続した冷媒導入管１５と冷媒排出管１６は、それぞれ外槽１２に設けた貫通穴１２ａを貫通させて外部に引き出しており、冷媒導入管１５、冷媒排出管１６の外周面と外槽１２の貫通穴１２ａの内周面との間にシール材１８を介在させて、内槽１１と外槽１２の間に形成した真空断熱空間１３を密閉している。
前記内槽１１に接続した冷媒導入管１５と冷媒排出管１６は、それぞれ外槽１２に設けた貫通穴１２ａを貫通させて外部に引き出しており、冷媒導入管１５、冷媒排出管１６の外周面と外槽１２の貫通穴１２ａの内周面との間にシール材１８を介在させて、内槽１１と外槽１２の間に形成した真空断熱空間１３を密閉している。
また、超電導モータ３０の回転駆動軸３１を挿通するための駆動軸挿通管１９を内槽１１と外槽１２にそれぞれ設けた貫通穴１１ｂ、１２ｂを貫通させて設けており、該駆動軸挿通管１９の外周面と貫通穴１１ｂ、１２ｂの内周面との間にシール材２０を介在させている。駆動軸挿通管１９の内端１９ａは、超電導モータ３０のケース外面に接続して、駆動軸挿通管１９内に内槽１１内の液体窒素４０が流入しないようにしている。
超電導モータ３０の回転駆動軸３１は、駆動軸挿通管１９を通して冷却容器１０の外部に突出させており、電源（図示せず）より交流電源が印加されて超電導モータ３０を稼動させたときに発生する回転駆動軸３１のトルクが駆動伝達手段３２に伝達されることにより所要の回転動力を得られる構成としている。
超電導モータ３０の回転駆動軸３１は、駆動軸挿通管１９を通して冷却容器１０の外部に突出させており、電源（図示せず）より交流電源が印加されて超電導モータ３０を稼動させたときに発生する回転駆動軸３１のトルクが駆動伝達手段３２に伝達されることにより所要の回転動力を得られる構成としている。
前記構成によれば、超電導モータ３０および液体窒素４０を収容した内槽１１を繊維強化樹脂により形成しているため、超電導モータ３０に交流電源を印加しても内槽１１に渦電流が発生しない。よって、内槽１１は発熱しないため、液体窒素４０の温度を上昇させることなく長時間にわたって超電導モータ３０を冷却することができる。
また、冷却容器１０の外槽１２は金属材であるステンレスにより形成しているため、超電導モータに交流電源を印加すると外槽１２に渦電流が発生して発熱するが、内槽１１と外槽１２との間に真空断熱空間１３を設けているため、外槽１２が発熱しても内槽１１内の液体窒素４０に熱の影響を与えることがない。
さらに、外槽１２を強度の高い金属材であるステンレスで形成しているため、外槽１２を薄肉にして冷却容器１０の小型化を図ることができると共に、内槽１１と外槽１２の両方を繊維強化樹脂で形成する場合と比較して製造が容易であり、低コスト化を図ることができる。
また、冷却容器１０の外槽１２は金属材であるステンレスにより形成しているため、超電導モータに交流電源を印加すると外槽１２に渦電流が発生して発熱するが、内槽１１と外槽１２との間に真空断熱空間１３を設けているため、外槽１２が発熱しても内槽１１内の液体窒素４０に熱の影響を与えることがない。
さらに、外槽１２を強度の高い金属材であるステンレスで形成しているため、外槽１２を薄肉にして冷却容器１０の小型化を図ることができると共に、内槽１１と外槽１２の両方を繊維強化樹脂で形成する場合と比較して製造が容易であり、低コスト化を図ることができる。
なお、本実施形態では、内槽１１をガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させた繊維強化樹脂により形成しているが、ガラス繊維あるいは樹脂繊維からなる絶縁性強化繊維にフェノール樹脂を含浸させた繊維強化樹脂材により形成してもよい。
また、外槽１２をステンレスにより形成しているが、アルミニウム、ブリキまたはチタン等の他の金属材、あるいは、ポリカーボネート、ポリエチレン、アクリル樹脂またはポリアミド系樹脂等の樹脂により形成してもよい。
また、外槽１２をステンレスにより形成しているが、アルミニウム、ブリキまたはチタン等の他の金属材、あるいは、ポリカーボネート、ポリエチレン、アクリル樹脂またはポリアミド系樹脂等の樹脂により形成してもよい。
前記実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。
本発明の超電導機器の冷却容器は、自動車等の駆動用モータや、その他発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）等の超電導機器を冷却する容器として好適に用いられるものである。
１０ 超電導機器の冷却容器
１１ 内槽
１２ 外槽
１３ 真空断熱空間
３０ 超電導モータ（超電導機器）
４０ 液体窒素（冷媒）
１１ 内槽
１２ 外槽
１３ 真空断熱空間
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４０ 液体窒素（冷媒）
Claims (2)
- 交流電源が印加される超電導機器を冷却する冷媒を収容する内槽と、該内槽の外周を真空断熱空間をあけて囲む外槽と、を備えた超電導機器の冷却容器において、
前記内槽を形成する内槽材は、絶縁性の繊維強化樹脂材から形成される一方、
前記外槽を形成する外槽材は、前記内槽材より強度を有する金属材あるいは樹脂材からなる別材で形成され、
前記内槽材の平均肉厚より外槽材の平均肉厚が薄くされていることを特徴とする超電導機器の冷却容器。 - 前記内槽材は、ガラス繊維あるいは樹脂繊維からなる絶縁性強化繊維に、エポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂からなるマトリクス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂材からなり、
前記外槽材は、ステンレス、アルミニウム、ブリキ、チタンから選択される金属材、あるいは、ポリカーボネート、ポリエチレン、アクリル樹脂、ポリアミド系樹脂から選択される樹脂材からなり、
前記内槽材および外槽材は、非透気性および非透水性とされている請求項１に記載の超電導機器の冷却容器。
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