JP6239397B2 - 超電導導体の冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、冷却機構により冷却された内槽を貫通して導出される電流リードを備えた超電導導体の冷却構造に関する。

従来から、高温超電導コイルを伝導冷却するにあたって、コイルの電流リードからの侵入熱を減少させるため、電流リードにサーマルアンカーを設け、サーマルアンカーを良好に冷却することで、コイルへの侵入熱を減少させる手段が採用されている。
その際には、電流リードとサーマルアンカーは、熱接触が良好であり、かつ、電気絶縁が良好である必要がある。これらの課題を解決するための構成としては、電流リードとサーマルアンカーをボルトで固着し、ボルトの材質を適切な絶縁体とすることで、熱接触と電気絶縁を両立させる電流リードの冷却構造が提案されている（特許文献１参照）。

特開平１０−５０５１５号公報

しかしながら、従来の電流リードの冷却構造では、電流リードとサーマルアンカーを平板で熱接触させているため、十分な冷却能力を得ようとする場合、電流リードとサーマルアンカーとの接触面積を多くする必要がある。そのため、従来の構造では、高温超電導コイルを収納するクライオスタット全体が大きくなり、装置全体の大型化、高コスト化を免れないという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、例えば高温超電導コイルを収納するクライオスタット全体の小型化、低コスト化が図れる超電導導体の冷却構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、超電導導体を内包した内槽と、前記超電導導体に接続され、前記内槽を貫通して導出された電流リードと、前記内槽及び前記電流リードの間に配された絶縁体と、前記内槽を冷却する冷却機構とを有し、前記内槽及び前記電流リードは互いに対向する面に凹凸部を備えており、前記絶縁体を介して各凹凸部が結合されたことを特徴とする。
この場合において、前記各凹凸部がボルトによって結合されていてもよい。
この発明では、内槽及び電流リードが凹凸部を備え、絶縁体を挟んで、凹凸部を結合したため、内槽及び電流リードの接触面積が増大する。
したがって、内槽を冷却する冷却機構からの冷熱により、電流リードを通じた超電導導体への熱侵入を抑制できる。

前記電流リードの凹凸部が基体部とフィン部を有し、前記基体部の両端にリード導体を備えてもよい。
この発明では、超電導導体の電流リードが、一端のリード導体と、基体部と、他端のリード導体とにより一体的に形成されてもよい。このとき、一端のリード導体が基体部の一端側に接続され、他端のリード導体が基体部の他端側に接続されることが好ましい。
基体部全体で電流リードが冷却されることで、電流リードがより効率的に冷却される。
前記凹凸部の凹部及び凸部が台形状であってもよい。
この発明では、内槽及び電流リードの接触部に容易に圧力をかけられるため、熱接触がよくなり、冷却が効率化する。

絶縁体は、柔らかい素材、例えば、前記絶縁体の室温での引張弾性率が１０ＧＰａ以下であってもよい。具体的には、前記絶縁体がカプトン（登録商標）、テフロン（登録商標）の何れかであってもよい。このような柔らかい素材を用いることで、電流リード及び内槽との接触熱抵抗を低減することができ、結合をより強固にすることができる。
また、絶縁体は硬い素材を用いることもでき、例えば、前記絶縁体のヤング率が２００ＧＰａ以上であってもよい。具体的には、前記絶縁体がサファイア、アルミナ、窒化アルミニウムの何れかであってもよい。このような硬い素材を用いることで、熱伝導率を高くすることができ、より冷却を効果的に行うことができる。
前記超電導導体が超電導コイルであってもよい。

本発明によれば、内槽及び電流リードが凹凸部を備え、絶縁体を挟んで、凹凸部を結合したため、熱接触が良好であり、かつ、電気絶縁が良好であり、内槽及び電流リードの接触面積が増大する。
したがって、内槽を冷却する冷却機構からの冷熱により、電流リードを通じた超電導導体への熱侵入を抑制できる。また、例えば高温超電導コイルを収納するクライオスタット全体を小型化できる。

超電導フライホイール電力貯蔵装置の概略構成図である。 超電導磁気軸受の概略構成を示す部分拡大図である。 本実施の形態に係る電流リード冷却部の模式図である。 本実施の形態に係る電流リード冷却部の模式図である。 本実施の形態に係る電流リード冷却部の模式図である。 本実施の形態に係る電流リード冷却部の模式図である。 本実施の形態に係る電流リード冷却部の模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、超電導フライホイール電力貯蔵装置（以下、電力貯蔵装置という。）の概略構成図である。
電力貯蔵装置１は、モータ／発電機１１と、フライホイール１３と、このフライホイール１３の回転軸１４を回転自在に支持する超電導磁気軸受１５とを有し、電力によりモータ／発電機１１を回転させることによりフライホイール１３を回転させ、電力を回転力に変換して蓄え、また、フライホイール１３の回転力によりモータ／発電機１１を回転させて発電することにより回転力を電力に変換して出力するように構成されている。

この電力貯蔵装置１はケース体１７を有し、このケース体１７内にフライホイール１３及び回転軸１４が格納されている。ケース体１７の上面部には、モータ／発電機１１が配置されている。このモータ／発電機１１と回転軸１４の上端１４Ａ（他端）との間には、非接触式（空隙式）の電磁クラッチ装置１９が配置され、両者間に非接触で回転が伝達されるように構成されている。
ケース体１７は、ベース板２１上に脚片部２３を介して配置されており、ベース板２１とケース体１７との間の空間に超電導磁気軸受１５が配置されている。
具体的には、ケース体１７の下方には冷却容器２５が取り付けられ、この冷却容器２５内に超電導磁気軸受１５が格納される。冷却容器２５は、断熱性の高い材料を用いて形成され、電力貯蔵装置１が設置された空間の雰囲気温度が超電導磁気軸受１５に伝達されることを抑制している。

つぎに、超電導磁気軸受１５を説明する。
図２は、この超電導磁気軸受１５を模式的に示している。
超電導磁気軸受１５は、回転軸１４の下端１４Ｂ（一端）に設けられる超電導バルク体３１と、この超電導バルク体３１の周囲を囲むように配置される超電導コイル（超電導導体）３３と、この超電導コイル３３を内包する内槽３５と、この内槽３５に接続されて回転軸１４の外周を覆うように延材する筒状のスロート部３７とを備える。
超電導コイル３３には、電流リード５１が接続され、電流リード５１は、内槽３５を貫通し、電流リード冷却部５０を通り、電源（不図示）に接続されている。
なお、電流リード５１が内槽を貫通する箇所には、電流リード５１の周囲に絶縁リング６５が設けられている。

内槽３５は、冷却容器２５の底面に不図示の支持部材によって支持されており、この支持部材は、熱侵入が極力防止し、かつ十分な強度を持つ材質、形態が選択される。
超電導バルク体３１は、超電導コイル３３に対して浮上状態となるように配置されるため、図１参照の超電導バルク体３１が設けられた回転軸１４及びフライホイール１３は、超電導コイル３３と非接触状態で回転することができるように構成される。

超電導磁気軸受１５には、超電導コイル３３を臨界温度以下に冷却するための熱伝導型の冷却装置４１（冷却源）が取り付けられている。この冷却装置４１は、図１に示すように、例えばＨｅ圧縮器４２とＨｅ冷却器等の極低温冷却器４３とを備えて構成され、極低温冷却器４３は、冷却容器２５内に配置されて、内槽３５の冷却と共に、熱伝導部材３４を介して超電導コイル３３と伝熱可能となっている。
ここで、内槽３５内には、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）ガスが充填されている。これにより、超電導バルク体３１は、臨界温度以下に冷却された超電導コイル３３からの輻射熱で冷却されると共に、ヘリウムガスを介して伝熱によって冷却されるため、超電導バルク体３１を効率良く冷却することができる。

図３は、電流リード冷却部５０の模式図である。
電流リード冷却部５０は、電流リード５１と、内槽３５とを熱的に結合し、冷却された内槽３５の冷熱で、電流リード５１を通じて侵入する熱を冷却する。
電流リード５１には、電流リード５１の裏面５１ｂから垂直方向に、凹凸部５２が設けられている。凹凸部５２は、交互に繰り返す、複数の凸部５２ａ、５２ａ…と、複数の凹部５２ｂ、５２ｂ…を備えている。また、内槽３５には、凹凸部５３が設けられている。凹凸部５３は、交互に繰り返す、複数の凸部５３ａ、５３ａ…と、複数の凹部５３ｂ、５３ｂ…を備えている。
各凹凸部５２、５３の凹凸は、図３に示すように、絶縁体５５を挟んで嵌合されて、複数のボルト６０Ａ、６０Ｂにより結合されている。凹凸部５２、５３の凹及び凸は、台形状とすることで、凹凸部５２、５３の接触面積が増大する。

上記構成では、超電導コイル３３を囲む内槽３５を基体部とし、そこに直接、凹凸部５３を設けたが、これに限定されず、例えば、図４に示すように、内槽３５とは別に冷却ステージ３６を設け、冷却ステージ３６に凹凸部５３を設けてもよい。冷却ステージ３６と凹凸部５３は一体に形成してもよい。
図４における構成では、電流リード５１の凹凸部５２が、基体部５２Ｘと凸部（フィン部）５２ａ、５２ａ…を備え、基体部５２Ｘの両端にリード導体５１Ｘ、５１Ｙが接続されている。したがって、電流リード冷却部５０では、基体部５２Ｘの両端にリード導体５１Ｘ、５１Ｙが接続されることで、基体部５２Ｘ及び凸部（フィン部）５２ａの全長に亘って熱交換が促進し、電流リード５１を通じた侵入熱（熱流）を効率よく冷却できる。

図５は、図３、図４とはさらに別の実施形態を示す。
この実施形態では、電流リード５１の凹凸部５２の凹凸形状、および内槽３５の凹凸部５３の凹凸形状が、いわば平行フィンの形状である。
この実施の形態では、各凹凸部５２、５３の凹凸形状が、平行フィンの形状であるため、容易に表面の平坦性を確保することができる。
したがって、絶縁体５５を挟んだ状態で、各凹凸部５２、５３の熱接触を増大することができる。この場合に、図４の変形例は適用が可能である。

絶縁体５５の材質として、サファイア、アルミナ、窒化アルミニウム等の硬いが熱伝導率の高い物質を選択することもできるが、本構成では、望ましくはカプトン、テフロン等、熱伝導率が低いが柔らかい物質が選択できる。
絶縁体５５の柔らかさを引張弾性率（≒ヤング率）で規定すると、カプトンの引張弾性率は、３．５ＧＰａであり、他のテフロン等の柔らかい樹脂の引張弾性率は、数ＧＰａの範囲である。絶縁体５５の引張弾性率が、１０ＧＰａ以下の場合には、凹凸部５２、５３の結合時に、絶縁体５５が凹凸の隙間に馴染み易く、接触面積の増大が確認されている。なお組立工程は室温で行うので、室温での引張弾性率として規定する。
なお、サファイア、アルミナ、窒化アルミニウム等の硬いが熱伝導率の高い物質については、絶縁体５５には、少なくとも２００ＧＰａより高いヤング率の物質が選択できる。例えば、サファイアのヤング率は３３０ＧＰａである。

絶縁体５５の厚さＬの最小値は、コイルが生じる最大電圧と、絶縁体５５の絶縁破壊電圧で決まる。
通常、コイルは微小な電圧しか生じないが、たとえば強制消磁を行う場合に比較的大きな電圧が生じうる。この最大電圧をＶとする。コイルの通電電流をＩ、保護抵抗をＲとした場合に、最大ＩＲの電圧が生じる。通電電流２００Ａ、保護抵抗２Ωの場合、最大電圧は０．４ｋＶである。
また、絶縁体５５の絶縁破壊電圧は、（厚みあたりの絶縁破壊電圧）×（絶縁体５５の厚さ）と計算できる。
例えば、カプトンの厚みあたりの絶縁破壊電圧はおよそ４００ｋＶ／ｍｍである。最大電圧０．４ｋＶのとき、絶縁体５５の厚さＬを（０．４／４００）＝０．００１ｍｍ以上にすれば、絶縁破壊を生じない。

絶縁体５５の厚さＬの最大値および接触面積は、熱抵抗と熱設計で制限される。電流リード５１と、サーマルアンカー（内槽３５）の間に許容される温度差ΔＴは、機器の設計により規定される。通常、温度差ΔＴは１Ｋ程度となることが望ましい。温度差ΔＴが大きすぎると、冷凍機の能力をコイル冷却に生かせないだけでなく、コイル温度上昇によるクエンチの危険も増すためである。
また、電流リード５１からサーマルアンカー３５への熱流Ｑも、機器の設計により規定される。これは、冷凍機の能力や、クライオスタット・冷却系の構造によって設計されるものである。
ここで、ΔＴ＝Ｒｔｈ×Ｑと書くことができる。
Ｒｔｈは熱抵抗であり、この熱抵抗は、Ｒｔｈ＝Ｒ＿ｂｕｌｋ＋Ｒ＿ｃｏｎｔａｃｔ と分けられる。

Ｒ＿ｂｕｌｋは絶縁体５５の熱伝導率λを反映した、バルクの熱抵抗である。接触面積Ｓ、絶縁体５５の厚さＬとすると、
Ｒ＿ｂｕｌｋ＝Ｌ／Ｓ／λと書ける。
λは、サファイア、アルミナ、窒化アルミニウムのような硬い物質で高く、カプトン、テフロンのようなやわらかい物質で低い。ただし、λが大きく、硬い物質は、加工しにくく、力を加えると割れ易い。
硬い物質は、例えば、凹凸部５２、５３の金属材料が柔らかい場合（銅でなくアルミニウムを使用している場合）や、凹凸部５２、５３の金属材料および絶縁体５５の面の平坦度が高い場合に使用できる。
具体的には凹凸部５２、５３の凹凸が、図５に示すように、並行フィンの形状である場合や、凹凸部５２、５３の金属材料を分厚くでき、平坦度を確保できる設計の場合などに使用できる。

Ｒ＿ｃｏｎｔａｃｔは、絶縁体５５と電流リード５１もしくはサーマルアンカー３５の間の接触熱抵抗である。この値は一概には決定できないが、表面がなめらかであるほど、凹凸部５２、５３の固着時の圧力が大きいほど、また絶縁体５５が柔らかいほど、小さくなる傾向がある。カプトン、テフロンのような柔らかい物質であれば、接触熱抵抗を下げることができる。
上記の式で、絶縁体５５の厚さＬを大きくしてゆくと、どこかの時点で温度差ΔＴが閾値（１Ｋ程度）を超える。
温度差ΔＴが閾値（１Ｋ程度）を超えたときの値が、絶縁体５５の厚さＬの値の最大値となる。熱抵抗は接触面積Ｓに反比例する。そのため、接触面積Ｓを増やし、温度差ΔＴを小さくすることが望ましい。
内槽３５の表面積が大きいと、それだけ輻射による侵入熱が増加するので、いかなる場合でもコンパクト化が要求される。風力発電向けコイルや、磁気浮上式鉄道では、特にコンパクト化に意義がある。

つぎに、２つの実施例を説明する。
図３に示すように、電流リード５１およびサーマルアンカー３５に、波型の嵌めあい構造を作成した。それらの間に、絶縁体５５としてカプトンフィルムを挟み込み、ボルトを用いて固着した。電流リード５１およびサーマルアンカー３５は、無酸素銅製である。カプトンフィルムの厚さは０．０５ｍｍである。また、サーマルアンカー３５と電流リード５１の接触面積は、１００００ｍｍ²となるよう形成した。この場合、絶縁耐圧１９ｋＶであり、電流リード５１およびサーマルアンカー３５間の温度差ΔＴは０．５Ｋ以下となる。コイルの通電電流は１００Ａ、最大電圧は１ｋＶ、運転温度を３０Ｋ、電流リード１本あたりによる熱負荷を５Ｗと想定した。
この実施例１では、凹凸部５２、５３の熱接触が良好に保てるため、電流リード５１から超電導コイル３３への侵入熱が減少し、超電導コイル３３の温度上昇が抑えられ、超電導コイル３３の運転温度を低く保つことができた。

図５に示すように、電流リード５１およびサーマルアンカー３５に、平板状のフィンをとりつけ、それらの間に、絶縁体５５としてアルミナ平板を挟み込み、ボルト（不図示）で固着した。電流リード５１およびサーマルアンカー３５は、無酸素銅製である。アルミナ平板の厚さは０．５ｍｍである。
サーマルアンカー３５と電流リード５１の接触面積は、１００００ｍｍ²となるように形成した。この場合、絶縁耐圧２５ｋＶであり、電流リード５１およびサーマルアンカー３５間の温度差は０．５Ｋ以下となる。コイルの通電電流は１００Ａ、最大電圧は１ｋＶ、運転温度を３０Ｋ、電流リード１本あたりによる熱負荷を５Ｗと想定した。
この実施例２でも、凹凸部５２、５３の熱接触が良好に保てるため、電流リード５１から超電導コイル３３への侵入熱が減少し、超電導コイル３３の温度上昇が抑えられ、超電導コイル３３の運転温度を低く保つことができた。

以上説明したように、本実施の形態に係る電流リード５１の冷却構造によれば、電流リード５１とサーマルアンカー３５は、絶縁体５５を互いの凹凸部５２，５３間に挟み、嵌め込まれるため、電流リード５１とサーマルアンカー３５の各々の凹凸部５２、５３は、接触面積が増大する。
したがって、電流リード５１とサーマルアンカー３５とを接触させるためのスペースを小さくでき、ひいては、高温超電導コイル３３を収納するクライオスタット全体を小型化することができる。

図６は、別の実施形態を示す。
この実施形態では、外側容器１２１の内側に内側容器１２２が配置され、内側容器１２２の内側に内槽１２３が配置されている。
この内槽１２３の内部と、内側容器１２２の内部は真空である。内槽１２３の内部にはコイル１２４が配置されている。コイル１２４には電流リード１２５が接続されている。電流リード１２５は内槽１２３を貫通し、電流リード冷却部１２６を経て、外側容器１２１の蓋体１２７を貫通して導出されている。
上記の内槽１２３は、冷却装置１２８により冷却されている。この冷却装置１２８は、上記の内槽１２３を冷却すると共に、熱伝導部材１２９を介してコイル１２４と伝熱可能となっている。

電流リード冷却部１２６は、図７に示すように、電流リード１２５と、内槽１２３を熱的に結合し、冷却された内槽１２３の冷熱により、電流リード１２５を通じて侵入する熱を冷却する。
電流リード１２５には、凹凸部１３２が設けられている。凹凸部１３２は、交互に繰り返す、複数の凸部１３２ａ、１３２ａ…と、複数の凹部１３２ｂ、１３２ｂ…を備えている。また、内槽１２３には、凹凸部１３３が設けられている。凹凸部１３３は、交互に繰り返す、複数の凸部１３３ａ、１３３ａ…と、複数の凹部１３３ｂ、１３３ｂ…を備えている。
各凹凸部１３２、１３３の凹凸は、絶縁体１３５を挟んで嵌合されて、複数のボルト１３６Ａ、１３６Ｂ、１３６Ｃ、１３６Ｄにより結合されている。凹凸部１３２、１３３の凹及び凸は、台形状とすることで、凹凸部１３２、１３３の接触面積が増大する。

本実施の形態に係る電流リード１２５の冷却構造によれば、電流リード１２５と内槽１２３は、互いの凹凸部１３２、１３３間に絶縁体１３５を挟むことで、嵌め込まれるため、電流リード１２５と内槽１２３の各々の凹凸部１３２、１３３における接触面積が増大する。したがって、電流リード１２５と内槽１２３を接触させるためのスペースを小さくでき、ひいては、装置全体を小型化できる。

１５ 超電導磁気軸受
３１ 超電導バルク体
３３ 超電導コイル（超電導導体）
３５、１２３ 内槽（内槽）
４１、１２８ 冷却装置
４２ Ｈｅ圧縮器
４３ 極低温冷却器
５０、１２６ 電流リード冷却部
５１、１２５ 電流リード
５１Ｘ、５１Ｙ リード導体
５２、５３、１３２、１３３ 凹凸部
５２ａ、５３ａ、１３２ａ、１３３ａ 凸部
５２ｂ、５３ｂ、１３２ｂ、１３３ｂ 凹部
５２Ｘ 基体部
５５ 絶縁体

Claims (9)

1. 超電導導体を内包した内槽と、
   前記超電導導体に接続され、前記内槽を貫通して導出された電流リードと、
   前記内槽及び前記電流リードの間に配された絶縁体と、
   前記内槽を冷却する冷却機構とを有し、
   前記内槽及び前記電流リードは互いに対向する面に凹凸部を備えており、前記絶縁体を介して各凹凸部が結合されたことを特徴とする超電導導体の冷却構造。
2. 前記各凹凸部がボルトによって結合されたことを特徴とする請求項１に記載の超電導導体の冷却構造。
3. 前記電流リードの凹凸部が基体部とフィン部を有し、前記基体部の両端にリード導体を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導導体の冷却構造。
4. 前記凹凸部の凹部及び凸部が台形状であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の超電導導体の冷却構造。
5. 前記絶縁体の室温での引張弾性率が１０ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の超電導導体の冷却構造。
6. 前記絶縁体のヤング率が３３０ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の超電導導体の冷却構造。
7. 前記絶縁体の材質がカプトン、テフロンの何れかであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の超電導導体の冷却構造。
8. 前記絶縁体の材質がサファイア、アルミナ、窒化アルミニウムの何れかであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の超電導導体の冷却構造。
9. 前記超電導導体が超電導コイルであることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の超電導導体の冷却構造。

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