JP5275957B2

JP5275957B2 - 超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置

Info

Publication number: JP5275957B2
Application number: JP2009251884A
Authority: JP
Inventors: 寛清野; 有気荒井; 賢長嶋; 和也池田; 均長谷川
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-11-02
Also published as: JP2011097802A

Description

本発明は、超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置に係り、特に、電力貯蔵用フライホイール蓄電装置に関するものである。

従来、本発明の発明者らは、フライホイール蓄電装置の効率を向上させる目的で、超電導磁気軸受を適用した例がある（下記特許文献１参照）。
このように、超電導バルク体と超電導磁石で構成された超電導磁気軸受は、高荷重容量のメリットがある。

特開２００８−２２８５３５号公報

フライホイール用高温超電導バルク体磁気軸受の基礎検討，鉄道総研報告，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１１，ｐｐ．３５−４０

しかしながら、上記した超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置は、以下のような課題がある。
（１）液体窒素を回転体側の回転軸内クライオスタットに入れて超電導バルク体を冷却しているために、バルク体の冷却温度が７７Ｋに限定される。
（２）液体窒素が回転による遠心力で容器上面にせり上がり、蒸発量が大きくなり、大幅な液体窒素保持時間が確保できない。

（３）フライホイール回転時の風損の影響をなくすためには、回転体を真空容器に入れる必要があるが、ころがり軸受を使用していると、潤滑油の問題から真空にできない。
さらに、超電導磁石にＮｂ−Ｔｉ合金を用いていることから、このコイルを４Ｋに冷却するのに多大な電力を要するといった問題があった（上記非特許文献１参照）。
また、従来のフライホイールでは、真空中に回転体と発電／電動機を組み込むものがあるが、この場合、電動／発電機部分の冷却が問題になる。

本発明は、上記状況に鑑みて、電磁気特性を向上するとともに、長時間の保冷を可能とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、フライホイールと、このフライホイールを回転させる回転軸と、この回転軸の下方に配置される第１の制御型磁気軸受と、この第１の制御型磁気軸受の下方に配置される第１の磁気カップリングと、前記回転軸の上方に配置される高温超電導磁石によって浮上される、内槽内に蓄冷材を有する回転軸内配置のクライオスタットと、このクライオスタットの回転軸の上方に配置される第２の制御型磁気軸受と、この第２の制御型磁気軸受の上方に配置される第２の磁気カップリングとを具備することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記高温超電導磁石は、ダブルパンケーキ巻の高温超電導線からなるコイルを備えることを特徴とする。
〔３〕上記〔２〕記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記高温超電導磁石を超電導バルク体に組み合わせ、浮上力を得ることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記回転軸内配置のクライオスタットの内槽内部に蓄冷材を封入することを特徴とする。
〔５〕上記〔４〕記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記蓄冷材とすることにより、ガスの放出をなくして密閉容器とすることができ、真空中に配置したことでフライホイール部分の風損を無くしたことを特徴とする。

〔６〕上記〔４〕又は〔５〕記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記蓄冷材が銅であることを特徴とする。
〔７〕上記〔１〕記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記クライオスタットは、前記回転軸内に配置されており、前記クライオスタット自体が回転軸であることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）クライオスタットに寒材を入れるのではなく、蓄冷材を入れることで、冷却温度を液体窒素温度より下げて、超電導バルク体の電磁気特性を向上するとともに、長時間の保冷を可能とする。また、蓄冷材としたことで、ガス放出がなくなり容器を閉じること（密閉容器）ができ、真空中に配置することができる。

（２）第１及び第２の制御型磁気軸受を使用することで、回転体を真空容器内の真空中に配置して、回転体の風損をなくすことができる。
（３）超電導磁石の線材を高温超電導化することで冷却効率を改善し、冷却に要する電力を削減することができる。
（４）上部と下部に磁気カップリング装置を二対用いる構造としたので、信頼性の向上を図ることができる。

本発明の実施例を示す超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置の模式図である。本発明の実施例を示す超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置のフライホイールを示す図である。本発明の実施例を示す超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置の回転軸内配置のクライオスタットの保冷特性を示す図である。本発明の超電導磁石の励磁電流に対する、超電導バルク体の発生浮上力の関係を示す図である。

本発明の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置は、フライホイールと、このフライホイールを回転させる回転軸と、この回転軸の下方に配置される第１の制御型磁気軸受と、この第１の制御型磁気軸受の下方に配置される第１の磁気カップリングと、前記回転軸の上方に配置される高温超電導磁石によって浮上される、内槽内に蓄冷材を有する回転軸内配置のクライオスタットと、このクライオスタットの回転軸の上方に配置される第２の制御型磁気軸受と、この第２の制御型磁気軸受の上方に配置される第２の磁気カップリングとを具備する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置の模式図、図２はその超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置のフライホイールを示す図である。
これらの図において、１はフライホイール、２はフライホイールを回転させる回転軸、３は回転軸２の下方に配置される第１の制御型磁気軸受、４は第１の制御型磁気軸受３の下方に配置される第１の磁気カップリング、５はフライホイール１の上方に配置される回転軸内配置のクライオスタット（断熱保冷容器）、５Ａはクライオスタット５の内槽（真空槽）、５Ｂはクライオスタット５内に封入される蓄冷材、５Ｃは超電導バルク体、６は超電導磁石用低温容器、７は超電導磁石用低温容器６内に配置される高温超電導磁石、７Ａは高温超電導磁石を構成する高温超電導線材のコイル、８は超電導磁石用低温容器６に取り付けられる冷凍機、９はクライオスタット５の上方に配置される第２の制御型磁気軸受、１０は第２の制御型磁気軸受９の上方に配置される第２の磁気カップリング、１１は冷却容器（外槽容器）である。

高温超電導磁石７は、ダブルパンケーキ巻の高温超電導線からなるコイル７Ａであり、そのコイル形状の試算と、この高温超電導磁石とφ１４０ｍｍ，ｔ４０ｍｍのディスク形状の超電導バルク体５Ｃとを組み合わせたときのバルク体発生浮上力の計算結果とを表１に示す。

上記形状で、おおむね３３ｋＮの浮上支持が可能である。
表１に示す高温超電導線材は電流値を１００Ａに抑えてあるため、５０Ｋ前後の冷却温度での運用が可能である。

例えば、図２に示した形状のフライホイール１（ここでは、外径が２０００ｍｍ、高さが３００ｍｍ）をこの軸受で浮上し、回転させるとすると、３０００ｒｐｍ〜１５００ｒｐｍの回転速度変化で、１０ｋＷｈ＝３６ＭＪのエネルギ放出が可能な超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置を構成することができる。
回転軸内配置のクライオスタット５の内槽（真空槽）５Ａ内部に１４０ｋｇ程度（φ１７０ｍｍ，高さ７００ｍｍ程度）の銅を蓄冷材５Ｂとして封入し、初期冷凍温度を２０Ｋとした場合のクライオスタット５内部の保冷特性を図３に示す。これは、クライオスタット５の真空槽５Ａからの輻射、荷重支持材からの熱伝導等から蓄冷材５Ｂである銅に侵入する熱量を５Ｗ一定と仮定して、２０Ｋからの銅の熱容量の温度依存性によって算出したものである。

超電導バルク体５Ｃは６０Ｋ以下でほぼ完全反磁性の状態を保持できる。
図４に超電導磁気軸受の超電導バルク体を７７Ｋに液体窒素冷却した場合（例えば、雰囲気温度７７Ｋ）、および減圧雰囲気で６５Ｋに液体窒素冷却した場合（例えば、雰囲気温度６５Ｋ）の超電導磁石の励磁電流に対する超電導バルク体５Ｃの発生浮上力の関係を示す。なお、図４における横軸はＳＣ（超電導コイル）の出力（％）、縦軸は浮上力（ｋＮ）を示している。図４におけるＣａｌｃ．は、完全反磁性とした場合の計算結果である。６５Ｋまで冷却した状態ではほぼ完全反磁性の振る舞いをしていることから、超電導バルク体５Ｃの温度を６０Ｋ以下とすることでほぼ完全反磁性の状態を保持できることがわかる。

したがって、２０Ｋに初期冷却することで、２０時間の安定浮上が可能である。
運転例であるが、１日２０時間運転し、残る４時間のメンテナンス中に外部冷凍機から蓄冷材を６０Ｋから２０Ｋに急速冷却することで、繰り返し、安定した運転を毎日実施できる。また、メンテナンス時に毎日励消磁を繰り返すことで、磁束クリープの影響は実用上は問題なくなる。

また、超電導バルク体の冷却は荷重を支持するにあたって重要であるので、以下に、その超電導バルク体の冷却方法について説明する。
本装置（図１のフライホイールを覆った容器までを含む）の外部に配置する冷凍機からヘリウムガス等の冷媒をフライホイールの入った真空槽を貫通する流路で回転軸内配置のクライオスタットに供給して、クライオスタット内を冷却する。なお、真空槽を貫通する流路は、フライホイールの入った真空槽で伸縮できる構造となっており、フライホイール運転中は、縮長状態で真空槽側外壁に配置される。冷却時は、流路が伸長し、クライオスタット側の供給ポートに接続され、冷凍機からクライオスタット蓄冷材までの冷媒流路となる。なお、流路は冷媒の往路、復路の２本配置されている。真空槽を貫通する流路の先端と、クライオスタット供給ポートはセルフシールのカップリングになっている。冷却後は、いったん冷媒流路内を真空排気してから、流路を切り離す。

また、２種類ある真空槽について説明すると、クライオスタットおよび超電導磁石には断熱のための真空槽を備えている。一方、フライホイールも真空槽の中に配置しており、これは風損をなくすためである。そのため、フライホイールにおける真空槽は、クライオスタットおよび超電導磁石の真空槽とは違い、高真空である必要はない。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置は、電磁気特性を向上するとともに、長時間の保冷を可能とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置として利用可能である。

１フライホイール
２回転軸
３第１の制御型磁気軸受
４第１の磁気カップリング
５回転軸内配置のクライオスタット
５Ａクライオスタットの内槽（真空槽）
５Ｂ蓄冷材
５Ｃ超電導バルク体
６超電導磁石用低温容器
７高温超電導磁石
７Ａ高温超電導線材のコイル
８冷凍機
９第２の制御型磁気軸受
１０第２の磁気カップリング
１１冷却容器（外槽容器）

Claims

（ａ）フライホイールと、
（ｂ）該フライホイールを回転させる回転軸と、
（ｃ）該回転軸の下方に配置される第１の制御型磁気軸受と、
（ｄ）該第１の制御型磁気軸受の下方に配置される第１の磁気カップリングと、
（ｅ）前記回転軸の上方に配置される高温超電導磁石によって浮上される、内槽内に蓄冷材を有する回転軸内配置のクライオスタットと、
（ｆ）該クライオスタットの回転軸の上方に配置される第２の制御型磁気軸受と、
（ｇ）該第２の制御型磁気軸受の上方に配置される第２の磁気カップリングとを具備することを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
請求項１記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記高温超電導磁石は、ダブルパンケーキ巻の高温超電導線からなるコイルを備えることを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
請求項２記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記高温超電導磁石を超電導バルク体に組み合わせ、浮上力を得ることを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
請求項１記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記クライオスタットの内槽内部に蓄冷材を封入することを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
請求項４記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記蓄冷材とすることにより、ガスの放出をなくして密閉容器とすることができ、真空中に配置したことでフライホイール部分の風損を無くしたことを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
請求項４又は５記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記蓄冷材が銅であることを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
請求項１記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記クライオスタットは、前記回転軸内に配置されており、前記クライオスタット自体が回転軸であることを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。