JP6170871B2 - 超電導材料からなる浮上体の冷却装置 - Google Patents
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Description
特に、大型の超電導機器などでは、超電導材料からなる浮上体の冷却に数日かかる場合があるため、超電導材料からなる浮上体の冷却時間を短縮することができる超電導材料からなる浮上体の冷却装置が望まれている。
そして、冷却源を被冷却部材に接触させて冷却を行うことができるため、従来のような希薄ガスによる冷却や、輻射による冷却と比べて、被冷却部材を効率よく冷却し、被冷却部材(超電導材料からなる浮上体)の冷却時間を大幅に短縮することができる。
このような構成とすることにより、磁力によって被冷却部材に対する冷却源の接触・離間を容易に行うことができる。
このような構成とすることにより、超音波モータによって被冷却部材に対する冷却源の接触・離間を容易に行うことができる。
このような構成とすることにより、冷却源が置かれた環境(例えば、極低温や高真空下、高磁場などの環境)では、駆動装置の駆動が不可能な場合でも、冷却源が置かれた環境の外において駆動装置が駆動可能であればよいため、冷却源が置かれた環境にかかわらず、冷却源を被冷却部材に対して接触、離間させることができる。
このような構成とすることにより、寒剤の供給によって冷却された冷却源が被冷却部材を効率よく冷却することができる。
このような構成とすることにより、冷凍機に冷却された冷却源が被冷却部材を効率よく冷却することができる。
このような構成とすることにより、被冷却部材と冷却源との接触面積が、接触面が平坦な場合と比べて大きくなるため、被冷却部材と冷却源との熱伝導を効率的に行うことができる。
このような構成とすることにより、冷却源を被冷却部材に対して確実に接触させることができる。
そして、冷却源を被冷却部材に接触させて冷却を行うことができるため、従来のような希薄ガスによる冷却や、輻射による冷却と比べて、被冷却部材を効率よく冷却し、被冷却部材(超電導材料からなる浮上体)の冷却時間を大幅に短縮することができる。
以下、本発明の第1実施形態による超電導材料からなる浮上体の冷却装置について、図1および図2に基づいて説明する。
図1および図2に示す本実施形態による超電導材料からなる浮上体の冷却装置(以下、冷却装置とする)1Aは、例えば、超電導体の完全反磁性を利用した磁気支持装置によって回転体を非接触状態で支持し、電力を回転体の運動エネルギーとして蓄積する超電導フライホイール蓄電装置などの電力貯蔵装置11に設けられている。
電力貯蔵装置11は、回転体となるフライホイール12と、フライホイール12と一体に回転する軸部(軸)13と、軸部13の下端部に固定された超電導バルク体(被冷却部材、超電導材料からなる浮上体)14と、超電導バルク体14との間に磁場を発生させる超電導コイル15と、これらが収容される真空容器16と、を有している。
なお、超電導バルク体14は、超電導コイル15との間に磁場が発生しておらず、浮上していないときは、下方に設けられたタッチダウンベアリング(不図示)等によって所定の位置に支持されている。
なお、電力貯蔵装置11には、真空排気装置(不図示)など、適宜必要な装置や部材が設けられている。
また、接触部材21が接触(当接)する超電導バルク体14の下部側、および超電導バルク体14が接触する接触部材21の上部側は、インジウム、鉛などの低融点金属や、貴金属などで形成されていたり、被覆(メッキ)されていたりしていて、超電導バルク体14と接触部材21との間の熱伝導が効率よく行われるように構成されている。
そして、寒剤22は、寒剤供給手段(不図示)によって寒剤収容部24から接触部材21へ供給されるとともに、接触部材21から寒剤収容部24へ収容されるように構成されている。
駆動用超電導バルク体31は、超電導バルク体14の下方で超電導バルク体14と対向するように配されている。これにより、駆動用超電導バルク体31と超電導バルク体14との間には、超電導コイル15の励磁により上下方向に磁気反発力が発生するように構成されている。
このため、図1(a)に示すように、超電導コイル15が励磁していない状態では、接触部材21がバネ32によって上方に付勢されて超電導バルク体14と接触し、図1(b)に示すように、超電導コイル15が励磁している状態では、接触部材21が超電導バルク体14と上下方向に離間するように構成されている。
ガイド部材33は、バネ32が内部に収容されて軸方向を上下方向とする筒状の部材で、バネ32が上下方向へ伸縮するようにガイドしている。
また、図1(b)に示すように、超電導コイル15が励磁している状態では、接触部材21が超電導バルク体14と離間するため、超電導バルク体14を浮上させて回転可能な状態に維持することができる。
第1実施形態による冷却装置1Aによれば、駆動機構3Aが接触部材21を超電導バルク体14に対して接触・離間させることができるため、超電導バルク体14の冷却を行う際は、接触部材21を超電導バルク体14に接触させた状態で超電導バルク体14の冷却を行うことができて、超電導バルク体14の冷却が完了した後には、接触部材21を超電導バルク体14から離間させることができ、超電導バルク体14を浮上させて回転可能な状態とすることができる。
そして、超電導バルク体14を接触部材21が接触して冷却することができるため、従来のような希薄ガスによる冷却や、輻射による冷却と比べて、超電導バルク体14を効率よく冷却し、超電導バルク体14の冷却時間を大幅に短縮することができる。
具体的に、重さ7kg、比熱0.4J/g・Kの冷却対象物を300Kから50Kまで冷却する場合を想定する。300Kの被冷却部材と50Kの冷却源2Aまでの距離が10mm、冷却部分の面積を8000mm2とし、超電導バルク体14と冷却源2Aとの間の熱伝導率が、50Kのガスヘリウムの熱伝導率0.144W/m・Kである場合と、50Kの銅材料の熱伝導率の1/100である4W/m・Kである場合とを仮定すると、前者の場合は、冷却に必要な時間が約43時間であるのに対し、後者の場合は、冷却に必要な時間が約1時間半であると算出される。
次に、他の実施形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第1実施形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第1実施形態と異なる構成について説明する。
図3(a)に示すように、第2実施形態による冷却装置(超電導材料からなる浮上体の冷却装置)1Bは、冷却源2Bがコールドヘッド25を有する冷凍機26で、気体ヘリウムを冷媒とし、冷媒の圧縮・膨張によってコールドヘッド25を冷却するように構成されている。コールドヘッド25は、例えば、銅やアルミニウムなどの高熱伝導部材を材料として形成されていることが好ましい。
第2実施形態では、コールドヘッド25が第1実施形態と同様の駆動機構3A(図1参照)によって超電導バルク体14へ接触、離間するように構成されている。
そして、第2実施形態では、超電導バルク体14を冷却する際には、コールドヘッド25を超電導バルク体14へ接触させ、超電導バルク体14の冷却が完了した際には、コールドヘッド25を超電導バルク体14から離間させるように構成されている。
なお、第2実施形態では、コールドヘッド25が駆動機構3Aによって超電導バルク体14へ直接接触可能に構成されているが、図3(b)に示す冷却装置1B1の冷却源2B1ように、超電導バルク体14に対して駆動機構3A(図1参照)によって接触・離間可能な接触部材21Bを設けるとともに、コールドヘッド25と接触部材21との間に、コールドヘッド25および接触部材21それぞれと接触する熱伝導体27を設けて、熱伝導体27および接触部材21Bを介してコールドヘッド25の冷熱を超電導バルク体14に伝導させるように構成されていてもよい。この場合、冷凍機26は固定されていて、接触部材21Bの移動に追従して熱伝導体27が変形することが好ましい。また、熱伝導体27は、例えば、銅やアルミニウムなどの高熱伝導部材を材料として形成されていることが好ましい。
図4に示すように、第3実施形態による冷却装置(超電導材料からなる浮上体の冷却装置)1Cは、駆動機構3Cが、超音波モータ34を有していて、この超音波モータ34によって接触部材21を超電導バルク体14へ接触および離間させるように構成されている。第3実施形態では、第1実施形態と同様の冷却源2A(図2参照)を有していて、接触部材21が冷却されるように構成されている。
なお、凹凸面の凹凸の形状については、溝状や円錐状、山型状など適宜設定されてよい。また、凹凸面の凹凸の数についても適宜設定されてよい。
図5に示すように、第4実施形態による冷却装置(超電導材料からなる浮上体の冷却装置)1Dは、駆動機構3Dが、接触部材21と真空容器16の底部16aとの間に設けられたべローズ35と、ベローズ35の内部から接触部材21を上下に移動させる機械式の駆動装置36と、を有している。第4実施形態では、第1実施形態同様の冷却源2A(図2参照)を有していて、接触部材21が冷却されるように構成されている。
また、駆動装置36は、真空容器16の外部に設けられていて、ベローズ35の内部において真空容器16の底部16aに形成された孔部16bから接触部材21を上下方向に移動させるように構成されている。
なお、真空容器16の内部におけるベローズ35の外部は、真空状態が保持されている。
また、冷却源2Aが置かれた環境(例えば、極低温や高真空下、高磁場などの環境)では、駆動装置36の駆動が不可能な場合でも、冷却源2Aが置かれた環境の外において駆動装置36が駆動可能であればよいため、冷却源2Aが置かれた環境にかかわらず、冷却源2Aを超電導バルク体14に対して接触、離間させることができる。
また、駆動装置36は、真空容器16の外部に設けられていることにより、真空容器16の内部に駆動機構を収容する場合と比べて、真空容器16の小型化を図ることができるとともに、駆動装置36の点検やメンテナンスを容易に行うことができる。
例えば、上記の第2実施形態による冷却装置1Bに、第1実施形態と同様の駆動機構3Aに代わって、第3実施形態や第4実施形態と同様の駆動機構3C,3Dが設けられていてもよい。
また、上記の第3実施形態や第4実施形態による冷却装置1C,1Dに、第1実施形態と同様の冷却源2Aに代わって、第2実施形態や、第2実施形態の変形例と同様の冷却源2B,2B1が設けられていてもよい。
また、上記の実施形態において、接触部材21やコールドヘッド25、熱伝導体27を超電導バルク体14に対して接触・離間させる駆動機構3A,3C,3D以外の駆動機構が設けられていてもよいし、超電導バルク体14を冷却する冷却源2A,2B以外の冷却源が設けられていてもよい。
また、駆動機構3A,3C,3Dは、接触部材21やコールドヘッド25を超電導バルク体14に対して接触・離間させることができれば、冷却源2A,2Bごと超電導バルク体14に対して接触・離間させてもよいし、接触部材21やコールドヘッド25のみを超電導バルク体14に対して接触・離間させてもよい。
また、接触部材21やコールドヘッド25と超電導バルク体14との接触面は、それぞれ1つの面のみに限らず、複数の面であってもよい。
また、第1実施形態および第4実施形態において、超電導バルク体14と接触部材21とが接触するそれぞれの接触面14b,21bが、それぞれ嵌合可能な凹凸を有する凹凸面に形成されていてもよい。また、第2実施形態において、超電導バルク体14とコールドヘッド25とが接触するそれぞれの接触面が、それぞれ嵌合可能な凹凸を有する凹凸面に形成されていてもよい。
また、冷却源2A,2B,2B1が冷却する被冷却部材は、超電導バルク体14以外であってもよい。
また、上記の実施形態では、電力貯蔵装置11は、超電導体の特性である磁場の完全反磁性を利用して回転体を非接触状態で支持する構成であるが、このような構成でなくてもよく、例えば、超電導体の全体積が完全反磁性を示す必要はなく、浮上の際に磁束のピン止め効果を利用するために超電導体の表面付近へ磁束が侵入している構成としても、本発明の期待される効果を発揮する条件を満足する。
2A,2B 冷却源
3A,3C,3D 駆動機構
11 電力貯蔵装置
12 フライホイール(回転体)
13 軸部
14 超電導バルク体(被冷却部材、超電導材料からなる浮上体)
14b 接触面
15 超電導コイル
21,21B 接触部材
21b 接触面
22 寒剤
23 フレキシブル配管
24 寒剤収容部
25 コールドヘッド
26 冷凍機
27 熱伝導体
31 駆動用超電導バルク体
32 バネ
33 ガイド部材
34 超音波モータ
35 ベローズ
36 機械式の駆動装置
Claims (8)
- 浮上して回転可能な回転体の回転中心となる軸の端部に設けられた超電導材料からなる被冷却部材と、
該被冷却部材との間に間隔をおいて、かつ、移動可能に設けられた冷却源と、
該冷却源を前記被冷却部材に対して接触、離間させる駆動機構と、を有することを特徴とする超電導材料からなる浮上体の冷却装置。 - 前記駆動機構は、前記被冷却部材の下方に設けられて、前記被冷却部材と前記冷却源とを互いに離れる方向へ磁力を発生させるコイルを有することを特徴とする請求項1に記載の超電導材料からなる浮上体の冷却装置。
- 前記駆動機構は、超音波モータにより前記冷却源を被冷却部材に対して接触、離間させることを特徴とする請求項1に記載の超電導材料からなる浮上体の冷却装置。
- 前記駆動機構は、前記被冷却部材、前記冷却源が置かれた環境の外に設けられた駆動装置により前記冷却源を被冷却部材に対して接触、離間されることを特徴とする請求項1に記載の超電導材料からなる浮上体の冷却装置。
- 前記冷却源は、寒剤の供給を受けて冷却される機構を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の超電導材料からなる浮上体の冷却装置。
- 前記冷却源は、冷凍機で冷却される機構を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の超電導材料からなる浮上体の冷却装置。
- 前記被冷却部材と前記冷却源との接触面は、それぞれ嵌合可能な凹凸面に形成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の超電導材料からなる浮上体の冷却装置。
- 前記駆動機構は、前記冷却源の移動方向をガイドするガイド部材が設けられていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の超電導材料からなる浮上体の冷却装置。
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