JP5496573B2 - ロータコア及び該ロータコアの冷却方法、該ロータコアを具備する超電導回転機 - Google Patents

Description

本発明は、超電導回転機のロータコアの構造及び該ロータコアの冷却方法、該ロータコアを具備する超電導回転機に関するものである。

一般的に、超電導回転機は、電磁的に結合されたステータとロータとを備えている。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１つ又はそれ以上の界磁コイル巻線とを含んでいる。ロータコアは、回転軸方向に延在する透磁性の中実の部材からなり、通常、鉄等の強磁性材料で形成されている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、ロータコアに取り付けられた超電導コイルを超電導状態に保持するため、超電導コイルは、伝導冷却で例えば、３０Ｋ程度まで冷却される。この超電導コイル（ロータコア）の冷却技術としては、液体ヘリウムまたは液体窒素等の冷媒の中に超電導コイルを浸漬して冷却する技術や、冷凍機のコールドヘッドを超電導コイルに接触させ、コールドヘッドで発生した冷熱量を固体熱伝導で該超電導コイルを冷却する技術が公知である（例えば、特許文献２〜特許文献４参照。）。

特開２００３−１２５５７３号公報 特開平６−３０２８６９号公報 特開平１０−９６９６号公報 特開２００３−１５１８２２号公報

上記特許文献１に開示されているロータコアにあっては、先ず、中実の部材で形成されている重量物であるため熱容量が大きく、ロータコア全体を所定温度に均一冷却するには時間を要する。また、電磁石に超電導コイルを用いる場合には発生する磁場が高く、鉄等の磁性材料では磁場が飽和してしまい、これを用いることができない。さらに、上述したように、超電導コイルを超電導状態に保持するためには、超電導コイルを例えば、３０Ｋ程度まで冷却する必要があるが、３０Ｋの極低温度域で鉄等の炭素鋼を用いると低温脆性が起こるため、これを回避するには低温脆性を起こさない材質でロータコアを形成する必要がある。

また、上記特許文献２〜特許文献４に開示されている超電導コイル（ロータコア）の冷却技術には、次のような課題ある。すなわち、液体ヘリウムまたは液体窒素等の冷媒の中に超電導コイルを浸漬して冷却する技術においては、極低温の冷媒（液体ヘリウムまたは液体窒素）をコイル保持容器に送り込んで超電導コイルを冷却する方式であるので、極低温の冷媒を取り扱うための様々な設備や特別な注意が必要であり、設備スペ−ス、設備コスト及び取り扱い面等で不利であるだけでなく、冷却温度域の調整が難しいという難点があった。

また、冷凍機のコールドヘッドを超電導コイルに接触させて固体熱伝導で該超電導コイルを冷却する技術においては、ロータコアは回転体であるため、ロータコアに冷凍機を取り付けると、ロータコアとともに冷凍機も回転することとなる。この場合、冷凍機を回転させるためのトルクが必要となり、それを回転させるための大きなスペースが必要となるという問題がある。また、冷熱源である例えば、高圧ヘリウムガスを連続供給するため、回転する冷凍機に回転シール機構を設ける必要がある。しかしながら、実際にはシール性の優れた回転シール機構を入手することは困難であるため、冷凍機のコールドヘッドを超電導コイルに接触させる冷却技術は現実的ではない。

したがって、本発明は、上記問題点を解決することを課題としてなされたものであり、その目的とするところは、極低温度域でも低温脆性を起こすことなく超電導コイルを効率的、かつ、均一に冷却することができるロータコア及び該ロータコアの冷却方法、それらの構成を具備する超電導回転機を提供することにある。

本発明に係る超電導回転機のロータコアは、超電導回転機のロータコアにおいて、軸方向に貫通する円筒状空間を有する非磁性材料の略中空円筒体からなり、前記中空円筒体の外周面に超電導コイルを戴置する複数の凹部を有し、前記円筒状空間の外周部近傍に前記中空円筒体の基端側から末端側に貫通する少なくとも２以上の冷媒通路が形成されており、前記２以上の冷媒通路に供給される冷媒は、熱交換前の冷媒がロータ軸の基端側から供給され、熱交換後の前記冷媒が前記ロータ軸の基端側に戻される流通経路を有し、前記２以上の冷媒通路のうち、一の冷媒通路に流通する前記冷媒は、当該冷媒通路の基端側から末端側に向けて流通し、他の一の冷媒通路に流通する前記冷媒は、当該冷媒通路の末端側から基端側に向けて流通することを特徴とする。

冷媒通路内に、該冷媒通路と同軸上に軸方向に延びる中実部材が所定空間をもって内装されていてもよい。

冷媒通路の内壁面又は前記中実部材の外周面部分には、周方向に分布する冷媒の流れを乱流に形成する凸部が形成されていることが好ましい。

本発明に係る超電導回転機のロータコアにおける冷却方法は、前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の超電導回転機のロータコアにおける冷却方法であって、前記ロータコアの一の冷媒通路の基端側から末端側に向けて冷媒を供給し、前記ロータコアの他の一の冷媒通路の末端側から基端側に向けて冷媒を供給することを特徴とする。

本発明に係る超電導回転機は、電磁的に結合されたステータとロータを含む超電導回転機において、請求項１から請求項３のいずれかに記載の超電導回転機のロータコアが具備されている。

本発明に係る超電導回転機のロータコアによれば、非磁性材料（例えば、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス）の略中空円筒体から構成されているので、軽量であり、かつ、例えば、３０Ｋの極低温度域においても低温脆性を起こすことがなく、強度的に優れた超電導回転機のロータコアを提供することができる。

また、本発明に係る超電導回転機のロータコアにおける冷却方法によれば、冷媒をロータコアの基端側と末端側から対向する方向に供給するようにしたので、軸方向に延在する長尺のロータコアを均一に冷却することができる。さらに、冷媒通路内に該冷媒通路と同軸上に軸方向に延びる中実部材を、所定空間をもって内装し、冷媒通路の内壁面又は冷媒通路の内壁面に対向する中実部材の外周面部分に、冷媒の流れを乱流に形成する凹部を形成することで、熱交換効率がさらに向上する。その結果、超電導コイルを効率的、かつ、均一に冷却することができるという効果を奏する。

超電導モータの全体システムを示した概略構成図である。 本発明の実施の形態に係るロータコアの構造を模式的に示した斜視図である。 ロータコアにレーストラック型の超電導コイルを装着した状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係るロータコアの冷媒の流れ方向（供給経路及び戻り経路）を示した斜視図である。 ロータコイル内に配設された冷媒通路の詳細構成を示した横断面図である。

以下、本発明に係るロータコア及び該ロータコアの冷却方法、該ロータコアを具備する超電導回転機について、添付図面に従って説明する。以下の説明では、「基端」、「末端」、及びそれらの用語を含む用語を便宜上用いるが、これらは、発明の理解を容易にするためであり、それらの用語によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されるべきではない。

なお、本明細書では、ロータコアの各構成要素の位置規定として、冷媒給排装置側を「基端（側）」、超電導モータの出力軸側を「末端（側）」と記す。

図１は、超電導モータの全体システムを示した概略構成図であり、図２は、本発明の実施の形態に係るロータコアの構造を模式的に示した斜視図、図３は、ロータコアにレーストラック型の超電導コイルを装着した状態を示す斜視図である。また、図４は、本発明の実施の形態に係るロータコアの冷媒の流れ方向（供給経路及び戻り経路）を示した斜視図であり、図５は、ロータコイル内に配設された冷媒通路の詳細構成を示した横断面図である。

１．ロータコアの構成
図１に示すように、本実施の形態のロータコアＲＣは、超電導モータ内に組み込まれる。そして、冷媒給排装置から供給される例えば、ヘリウムガス等の冷媒（本実施の形態では、以降、「ヘリウムガス」で説明する。）によって、ロータコアＲＣ全体が冷却されるとともに、伝導冷却によりロータコアＲＣに取り付けられている超電導コイルが例えば、３０Ｋ程度まで冷却されて超電導状態に保持される。

本実施の形態のロータコアＲＣの材質は、［発明の概要］でも説明したように、（１）電磁石に超電導コイルを用いる場合には発生する磁場が高く、鉄等の磁性材料では磁場が飽和する。（２）３０Ｋの極低温度域で例えば、炭素鋼を用いると低温脆性が起こる。これらのことから、非磁性材料で低温特性の優れる例えば、ＳＵＳ３１６が用いられる。

このロータコアＲＣは、超電導モータに組み込まれて大きなトルクを伝達する必要があるため、ＳＵＳ３１６製の中実円柱体の鍛造材料を切削加工し、略中空円筒体に形成したものである。ロータコアＲＣを略中空円筒体に形成することにより、ロータコアＲＣ本体の重量を軽量化することができる。また、軽量化できることにより、従来のロータコアに比して熱容量を小さくすることができる。

図２に示すように、ロータコアＲＣは、基端側及び末端側にフランジ部１０、１１を有し、中心軸１００方向に貫通する円筒状空間２０が形成されている。また、円筒状空間２０の外周部近傍には、ロータコアＲＣの基端側から末端側に貫通する冷媒通路３０ａ，３０ｂ及び４０ａ，４０ｂが該円筒状空間２０の円周方向に９０度の間隔をあけて形成されている。さらに、ロータコアＲＣの基端側から末端側に向けて冷媒供給配管５０と冷媒戻り配管５１とが円筒状空間２０内に挿通されている。なお、冷媒供給配管５０から供給されるヘリウムガスが冷媒通路３０ａ，３０ｂ及び４０ａ，４０ｂを介して冷媒戻り配管５１に戻される、ヘリウムガスの流れ方向（供給経路及び戻り経路）については、図４を参照して詳細に説明する。

図４に示すように、冷媒供給配管５０は、供給管５３０と供給管５４０とに分岐される。供給管５３０は、冷媒給排装置側、すなわち、ロータコアＲＣの基端側で継手５５ａにより冷媒入口配管５３０ａ、５３０ｂに分岐する。冷媒入口配管５３０ａは冷媒通路３０ａの基端側に接続され、冷媒入口配管５３０ｂは冷媒通路３０ｂの基端側に接続される。

また、冷媒通路３０ａの末端側には冷媒出口配管５３１ａが接続され、冷媒通路３０ｂの末端側には冷媒出口配管５３１ｂが接続されている。冷媒出口配管５３１ａと冷媒出口配管５３１ｂとは、モータ出力軸側、すなわち、ロータコアＲＣの末端側で継手５５ｂにより集合され、ロータコアＲＣの円筒状空間２０内を貫通する戻り管５３１に接続されている。

一方、供給管５４０は、ロータコアＲＣの円筒状空間２０内を貫通して設けられ、モータ出力軸側、すなわち、ロータコアＲＣの末端側で継手５６ａにより冷媒入口配管５４０ａ、５４０ｂに分岐する。冷媒入口配管５４０ａは冷媒通路４０ａの末端側に接続され、冷媒入口配管５４０ｂは冷媒通路４０ｂの末端側に接続される。

また、冷媒通路４０ａの基端側には冷媒出口配管５４１ａが接続され、冷媒通路４０ｂの基端側には冷媒出口配管５４１ｂが接続されている。冷媒出口配管５４１ａと冷媒出口配管５４１ｂとは、冷媒給排装置側、すなわち、ロータコアＲＣの基端側で継手５６ｂにより集合され、戻り管５４１に接続されている。そして、上記戻り管５３１と戻り管５４１は、ロータコアＲＣの基端側の所定位置で合流する冷媒戻り配管５１となる。

このように、ロータコアＲＣの対向する冷媒通路３０ａ及び３０ｂは、ヘリウムガスの供給方向が冷媒供給装置側からモータ出力軸側（ロータコアＲＣの基端側から末端側）へ流れる冷媒通路の対となっており、対向する冷媒通路４０ａ及び４０ｂは、ヘリウムガスの供給方向がモータ出力軸側から冷媒供給装置側（ロータコアＲＣの末端側から基端側）へ流れる冷媒通路の対となっている。

すなわち、本実施の形態のロータコアＲＣは、ロータコアＲＣに供給されるヘリウムガスの通路を、該ロータコアＲＣの基端側で径方向に分岐してロータコアＲＣの末端側に流れるものと、ロータコアＲＣの円筒状空間２０内を貫通し、該ロータコアＲＣの末端側で径方向に分岐してロータコアＲＣの基端側に流れるものとが交互に形成されるよう、該ロータコアＲＣの円筒状空間２０の外周部に複数配置した構成としてある。換言すれば、冷媒であるヘリウムガスをロータコアＲＣの基端側と末端側から対向する方向に供給するので、軸方向に延在する長尺のロータコアＲＣを均一に冷却することが可能となる。

なお、本実施の形態では、ロータコアＲＣの円筒状空間２０の外周部に４つの冷媒通路３０ａ，３０ｂ、４０ａ，４０ｂを配置した構成で説明しているが、これに限らず、６つあるいは８つの冷媒通路を形成してもよい。

次に、冷媒通路３０ａ，３０ｂ、４０ａ，４０ｂの内部構造について、図５を参照して説明する（なお、図５では冷媒通路３０ａ，３０ｂの内部構造を示しており、冷媒通路４０ａ，４０ｂではヘリウムガスＧの流れ方向が本図とは逆となる。）。

図５に示すように、冷媒通路３０ａ（３０ｂ）の内側には、該冷媒通路３０ａ（３０ｂ）と同軸上に軸方向に延在する中実円柱体の中子９０が所定空間をもって内装されている。また、中子９０の外周部には、複数のリング状の凸部９５が軸方向に等ピッチで形成されている。なお、中子９０は、中実円柱体に限らず、パイプ状の部材を加工した中空円柱体であってもよい。

中子９０の外周部にリング状の凸部９５が複数形成されている理由は、ヘリウムガスＧが冷媒通路３０ａ（３０ｂ）内を流れる時、リング状の凸部９５がなければ、冷媒通路３０ａ（３０ｂ）の内壁面には境界層が形成され、この境界層が熱伝達を阻害して熱交換効率を下げるからである。このような構成により、冷媒通路３０ａ（３０ｂ）の内壁面の境界層の形成を抑制するとともに、乱流の発生を促進させて冷媒であるヘリウムガスＧの主流を冷媒通路３０ａ（３０ｂ）の内壁面に接触させ熱交換効率を向上させることができる。

本実施の形態では、熱交換効率を向上させる１つの手法として、中子９０の外周部に複数のリング状の凸部９５を軸方向に等ピッチで形成しているが、これに限らず、例えば、中子９０の外周部に板部材を螺旋状に取付けてもよいし、中子９０の外周部にランダムな多数の窪みを形成してもよい。また、例えば、冷媒通路の内壁面の周方向全面に分布する突起等を形成してもよく、上述した境界層の形成を抑制する構成であれば種々の変更が可能である。

図２に戻り、ロータコアＲＣのフランジ部１１の径方向には、４つの切り欠き６０が形成されている。また、各切り欠き６０と対応するロータコアＲＣの外周部には、レーストラック型の超電導コイルを戴置するコイル装着用凹部７０が形成されており、各コイル装着用凹部７０はリブ８０により隔絶されている。

コイル装着用凹部７０の底部７１に超電導コイルを戴置することにより、図３に示す状態となる。これにより、上述の冷媒通路３０ａ，３０ｂ、４０ａ，４０ｂを流れるヘリウムガスの冷熱が底部７１を含むロータコアＲＣ全体から伝導され、超電導コイルを所定温度に冷却することができる。

２．ロータコアの冷却動作
次に、上記構成からなるロータコアＲＣの冷却動作について、図２、図３、図４及び図５（主に図４、図５）を参照して説明する。先ず、例えば、２段式の冷凍機により所定温度に冷却されたヘリウムガスは、冷媒給排装置（共に図示せず）を介して冷媒供給管５０に供給される。そして、図４に示すように、冷媒供給管５０に供給されたヘリウムガスは、ロータコアＲＣの基端側の所定位置で分岐された供給管５３０と、ロータコアＲＣの円筒状空間２０内を貫通して配設されている供給管５４０に供給される。

供給管５３０を流れるヘリウムガスは、ロータコアＲＣの基端側で分岐し、径方向に延びる冷媒入口配管５３０ａ、５３０ｂにそれぞれ分流されて、冷媒通路３０ａ、３０ｂ基端側から内部に流入する。図５に示すように、冷媒通路３０ａ、３０ｂ内に流入したヘリウムガスＧは、冷媒通路３０ａ、３０ｂ内に配設されている中子９０の複数の凸部９５と衝突する。その結果、冷媒通路３０ａ、３０ｂ、の内壁面の境界層の形成が抑制されるとともに、乱流の発生が促進される。これにより、冷媒であるヘリウムガスＧの主流を冷媒通路３０ａ、３０ｂの内壁面に接触させることができ、効率よくロータコアＲＣ本体を冷却することができる。

冷媒通路３０ａ、３０ｂ内で熱交換されたヘリウムガスＧは、冷媒通路３０ａ、３０ｂ末端側から排出され、冷媒出口配管５３１ａ、冷媒出口配管５３１ｂを介してロータコアの末端側で集合し、ロータコアＲＣの円筒状空間２０内を貫通する戻り管５３１を介して冷媒戻り配管５１に戻される。

一方、供給管５４０を流れるヘリウムガスは、ロータコアＲＣの末端側で分岐し、径方向に延びる冷媒入口配管５４０ａ、５４０ｂにそれぞれ分流されて、冷媒通路４０ａ、４０ｂの末端側から内部に流入する。冷媒通路４０ａ、４０ｂ内に流入したヘリウムガスＧは、上述と同様の作用で効率よくロータコアＲＣ本体を冷却する。

冷媒通路４０ａ、４０ｂ内で熱交換されたヘリウムガスＧは、冷媒通路４０ａ、４０ｂ基端側から排出され、冷媒出口配管５４１ａ、冷媒出口配管５４１ｂを介してロータコアの基端側で集合し、冷媒戻り配管５１に戻される。

このように、本実施の形態のロータコアＲＣは、該ロータコアＲＣの基端側から末端側に向けて流れるヘリウムガスと、該ロータコアＲＣの末端側から基端側に向けて流れるヘリウムガスにより冷却される。すなわち、冷媒であるヘリウムガスをロータコアＲＣの基端側と末端側から対向する方向に供給するようにしたので、軸方向に延在する長尺のロータコアＲＣを均一に冷却することができる。

その結果、コイル装着用凹部７０の底部７１に戴置されている超電導コイルに冷媒通路３０ａ，３０ｂ及び４０ａ，４０ｂを流れるヘリウムガスの冷熱が底部７１を含むロータコイルＲＣ全体から伝導され、超電導コイルを所定温度に均一、かつ、効率的に冷却することができる。

今回、開示した実施の形態は例示であってこれに限定されるものではない。本発明は、上記で説明した範囲ではなく、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意味及び範囲での全ての変更が意図される。

１０ フランジ部
１１ フランジ部
２０ 円筒状空間
３０ａ，３０ｂ 冷媒通路
４０ａ，４０ｂ 冷媒通路
５０ 冷媒供給配管
５１ 冷媒戻り配管
６０ 切り欠き
７０ コイル装着用凹部
７１ 底部
８０ リブ
９０ 中子
９５ 凸部
１００ 中心軸
ＲＣ ロータコア

Claims (5)

1. 超電導回転機のロータコアにおいて、
   軸方向に貫通する円筒状空間を有する非磁性材料の略中空円筒体からなり、
   前記中空円筒体の外周面に超電導コイルを戴置する複数の凹部を有し、
   前記円筒状空間の外周部近傍に前記中空円筒体の基端側から末端側に貫通する少なくとも２以上の冷媒通路が形成されており、
   前記２以上の冷媒通路に供給される冷媒は、熱交換前の冷媒がロータ軸の基端側から供給され、熱交換後の前記冷媒が前記ロータ軸の基端側に戻される流通経路を有し、
   前記２以上の冷媒通路のうち、一の冷媒通路に流通する前記冷媒は、当該冷媒通路の基端側から末端側に向けて流通し、他の一の冷媒通路に流通する前記冷媒は、当該冷媒通路の末端側から基端側に向けて流通することを特徴とする超電導回転機のロータコア。
2. 前記冷媒通路内に、該冷媒通路と同軸上に軸方向に延びる中実部材が所定空間をもって内装されている請求項１に記載の超電導回転機のロータコア。
3. 前記冷媒通路の内壁面又は前記中実部材の外周面部分には、周方向に分布する冷媒の流れを乱流に形成する凸部が形成されている請求項１又は請求項２に記載の超電導回転機のロータコア。
4. 前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の超電導回転機のロータコアにおける冷却方法であって、
   前記ロータコアの一の冷媒通路の基端側から末端側に向けて冷媒を供給し、
   前記ロータコアの他の一の冷媒通路の末端側から基端側に向けて冷媒を供給することを特徴とする超電導回転機のロータコアにおける冷却方法。
5. 電磁的に結合されたステータとロータを含む超電導回転機において、前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の超電導回転機のロータコアが具備されていることを特徴とする超電導回転機。