JP6320955B2

JP6320955B2 - 液化システム及び発電システム

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Publication number: JP6320955B2
Application number: JP2015046253A
Authority: JP
Inventors: 井上　憲一; 憲一井上; 一功斉藤; 享司財津; 井上　浩司; 浩司井上; 伊藤　聡; 聡伊藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Japan Superconductor Technology Inc
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Japan Superconductor Technology Inc
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2018-05-09
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Description

本発明は、超電導モータを用いた液化システム及び発電システムに関する。

超電導モータは、超電導磁石を利用して回転子を回転させるモータである。超電導モータは、超電導磁石を構成する超電導材料の臨界温度以下に超電導磁石が冷却された状態で使用される。超電導磁石の冷却には、臨界温度以下の沸点をもつ冷媒が用いられ、超電導磁石を冷却した後の冷媒は、冷却回路によって臨界温度以下に冷却され、再び、超電導磁石の冷却に用いられる。

超電導材料の臨界温度が、液体窒素の沸点より高いとき、冷媒として液体窒素を用いることができる。液体窒素の沸点は、７７Ｋであり、液化天然ガスの沸点（１１１Ｋ）との差が比較的小さいので、冷媒（液体窒素）と液化天然ガスとの熱交換を利用して、超電導磁石を冷却した後の冷媒を冷却すれば、冷媒の温度を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる。このような技術は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００７−８３８５１号公報

天然ガスを液化する工程で用いられる圧縮機を、超電導モータで駆動させる場合に、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができれば、天然ガスを液化する工程でのコストを下げることができる。液化天然ガスのコストの大部分は、天然ガスを液化する工程で発生するので、この工程のコストを下げることができれば、液化天然ガスのコストを大きく下げることができる。

同様に、タンクから取り出された液化天然ガスを気化させて生じた天然ガスを、燃焼させて生じるエネルギーを利用して回転するタービンと、タービンの回転により駆動されて発電する超電導発電機と、を備える発電システムにおいて、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことできれば、発電コストを下げることができる。

本発明は、超電導モータの超電導磁石を臨界温度以下に冷却する冷媒について、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる液化システム及び発電システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の局面に係る液化システムは、室温以下の沸点を有する物質を液体状態で貯留する貯留部と、所定の超電導材料で構成された超電導磁石を含む超電導モータと、前記超電導モータによって駆動され、気体状態の前記物質を圧縮する第１の圧縮部と、前記第１の圧縮部によって圧縮された前記物質を膨張させることにより、前記物質を気体状態から液体状態に変える第１の膨張部と、を含み、前記貯留部に貯留される液体状態の前記物質を生成する液化機と、前記超電導モータによって前記第１の圧縮部が駆動されているときに、前記超電導モータによって駆動され、冷媒を圧縮する第２の圧縮部と、前記貯留部に貯留されている前記物質と前記第２の圧縮部によって圧縮された前記冷媒とで熱交換させることにより、前記冷媒を冷却する第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部によって冷却された前記冷媒を膨張させることにより、前記冷媒を前記超電導材料の臨界温度以下にする第２の膨張部と、前記貯留部に貯留されている前記物質と前記超電導磁石を冷却した後の前記冷媒とで熱交換させることにより、前記冷媒の冷熱を前記物質に与える第２の熱交換部と、を含み、前記第２の膨張部で前記臨界温度以下にされた前記冷媒を前記超電導モータに送り、前記超電導磁石を前記臨界温度以下に冷却する冷却回路と、を備える。

本発明の第１の局面に係る液化システムにおいて、第１の熱交換部が、圧縮された冷媒と貯留部内の物質とで熱交換させることで冷媒を冷却するので、冷媒から貯留部内の物質に熱が与えられる。一方、第２の熱交換部は、超電導磁石を冷却した後の冷媒と貯留部内の物質とで熱交換させることにより、冷媒の冷熱を貯留部内の物質に与える。これにより、第１の熱交換部での熱交換によって貯留部内の物質の温度が上昇することを抑えることができる。

また、本発明の第１の局面に係る液化システムにおいて、液化機の第１の圧縮部を駆動させる超電導モータの動力の一部のみを用いて、第２の圧縮部を駆動させる。

以上より、本発明の第１の局面に係る液化システムによれば、冷却回路の第２の圧縮部を駆動させるための別のモータを設けないので、超電導モータの超電導磁石を臨界温度以下に冷却する冷媒について、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる。

上記構成において、前記貯留部は、前記物質が貯留され、かつ、前記第１の熱交換部及び前記第２の熱交換部が配置される第１の空間部と、前記超電導モータ、前記第２の圧縮部及び前記第２の膨張部が配置され、前記第１の空間部と隔離された第２の空間部と、を含む。

第１の空間部及び第２の空間部は、貯留部内にあるので、第２の空間部へ外部から侵入する熱を第１の空間部にある物質によって小さくすることが可能となる。従って、この構成によれば、超電導モータ並びに冷却回路の第２の圧縮部及び第２の膨張部が収容される第２の空間部への熱侵入量を小さくすることができるため、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる。

上記構成において、前記貯留部外で前記貯留部に取り付けら、前記超電導モータ、前記第２の圧縮部及び前記第２の膨張部を収容する断熱密閉容器をさらに備え、前記第１の熱交換部及び前記第２の熱交換部は、前記貯留部内に配置されている。

断熱密閉容器に、超電導モータ並びに冷却回路の第２の圧縮部及び第２の膨張部を収容することにより、その容器内の温度を貯留部内の物質の温度と同じ程度にすることができる。

第１の熱交換部と第２の圧縮部との距離、及び、第１の熱交換部と第２の膨張部との距離が大きくなると、冷媒を冷却する効率が悪くなる。この構成によれば、断熱密閉容器を貯留部外で貯留部に取り付けるので、第１の熱交換部と第２の圧縮部との距離、及び、第１の熱交換部と第２の膨張部との距離を近くできる。

以上により、この構成によれば、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる。

上記構成において、前記第２の圧縮部は、スクリュロータである圧縮雌ロータと、前記圧縮雌ロータに噛み合うスクリュロータである圧縮雄ロータとを有するスクリュ式圧縮機であり、前記第２の膨張部は、スクリュロータである膨張雌ロータと、前記膨張雌ロータに噛み合うスクリュロータである膨張雄ロータとを有するスクリュ式膨張機であり、前記圧縮雌ロータと前記膨張雌ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、前記圧縮雄ロータと前記膨張雄ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、前記超電導モータは、前記膨張雌ロータ及びそれに連結された前記圧縮雌ロータを含む一方の回転体と、前記膨張雄ロータ及びそれに連結された前記圧縮雄ロータを含む他方の回転体とのうち少なくとも一方の回転体を回転させる。

この構成によれば、第２の圧縮部により圧縮された冷媒が第１の熱交換部で熱交換された後、第２の膨張部で断熱膨張される際、当該圧縮冷媒の空圧エネルギ（圧力）が膨張雌ロータと膨張雄ロータを回転させるように作用する。ここで、当該液化システムでは、膨張雌ロータと圧縮雌ロータとが一体的に回転可能となるように互いに連結されているとともに、膨張雄ロータと圧縮雄ロータとが一体的に回転可能となるように互いに連結されているため、空圧エネルギーに起因する膨張雌ロータの回転力は圧縮雌ロータに伝達され、空圧エネルギーに起因する膨張雄ロータの回転力は圧縮雄ロータに伝達される。このため、超電導モータが各ロータを回転させるために消費する電力を大幅に削減することができる。

本発明の第２の局面に係る発電システムは、室温以下の沸点を有する物質を液体状態で貯留する貯留部と、前記貯留部から供給される前記物質を燃焼させることにより生じたエネルギーを利用して回転するタービンと、回転軸及び所定の超電導材料で構成された超電導磁石を含み、前記タービンの回転によって前記回転軸が回転されることにより発電する超電導発電機と、前記回転軸の回転によって駆動され、冷媒を圧縮する圧縮部と、前記貯留部に貯留されている前記物質と前記圧縮部によって圧縮された前記冷媒とで熱交換させることにより、前記冷媒を冷却する第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部によって冷却された前記冷媒を膨張させることにより、前記冷媒を前記超電導材料の臨界温度以下にする膨張部と、前記貯留部に貯留されている前記物質と前記超電導磁石を冷却した後の前記冷媒とで熱交換させることにより、前記冷媒の冷熱を前記物質に与える第２の熱交換部と、を含み、前記膨張部で前記臨界温度以下にされた前記冷媒を前記超電導発電機に送り、前記超電導磁石を前記臨界温度以下に冷却する冷却回路と、を備える。

本発明の第２の局面に係る発電システムにおいて、第１の熱交換部が、圧縮された冷媒と貯留部内の物質とで熱交換させることで冷媒を冷却するので、冷媒から貯留部内の物質に熱が与えられる。一方、第２の熱交換部は、超電導磁石を冷却した後の冷媒と貯留部内の物質とで熱交換させることにより、冷媒の冷熱を貯留部内の物質に与える。これにより、第１の熱交換部での熱交換によって貯留部内の物質の温度が上昇することを抑えることができる。

また、本発明の第２の局面に係る発電システムにおいて、タービンの回転によって超電導発電機の回転軸が回転されて発電しているときに、その回転軸の回転のみによって圧縮部を駆動させる。

以上より、本発明の第２の局面に係る発電システムによれば、冷却回路の圧縮部を駆動させるための別のモータを設けないので、超電導発電機の超電導磁石を臨界温度以下に冷却する冷媒について、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる。

上記構成において、前記貯留部は、前記物質が貯留され、かつ、前記第１の熱交換部及び前記第２の熱交換部が配置される第１の空間部と、前記超電導発電機、前記圧縮部及び前記膨張部が配置され、前記第１の空間部と隔離された第２の空間部と、を含む。

第１の空間部及び第２の空間部は、貯留部内にあるので、第２の空間部へ外部から侵入する熱を第１の空間部にある物質によって小さくすることが可能となる。従って、この構成によれば、超電導発電機並びに冷却回路の圧縮部及び膨張部が収容される第２の空間部への熱侵入量を小さくすることができるため、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる。

上記構成において、前記貯留部外で前記貯留部に取り付けら、前記超電導発電機、前記圧縮部及び前記膨張部を収容する断熱密閉容器をさらに備え、前記第１の熱交換部及び前記第２の熱交換部は、前記貯留部内に配置されている。

断熱密閉容器に、超電導発電機並びに冷却回路の圧縮部及び膨張部を収容することにより、その容器内の温度を貯留部内の物質の温度と同じ程度にすることができる。

第１の熱交換部と圧縮部との距離、及び、第２の熱交換部と膨張部との距離が大きくなると、冷媒を冷却する効率が悪くなる。この構成によれば、断熱密閉容器を貯留部外で貯留部に取り付けるので、第１の熱交換部と圧縮部との距離、及び、第２の熱交換部と膨張部との距離を近くできる。

上記構成において、前記圧縮部は、スクリュロータである圧縮雌ロータと、前記圧縮雌ロータに噛み合うスクリュロータである圧縮雄ロータとを有するスクリュ式圧縮機であり、前記膨張部は、スクリュロータである膨張雌ロータと、前記膨張雌ロータに噛み合うスクリュロータである膨張雄ロータとを有するスクリュ式膨張機であり、前記圧縮雌ロータと前記膨張雌ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、前記圧縮雄ロータと前記膨張雄ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、前記膨張雌ロータ及びそれに連結された前記圧縮雌ロータを含む一方の回転体と、前記膨張雄ロータ及びそれに連結された前記圧縮雄ロータを含む他方の回転体とのうち少なくとも一方の回転体は、前記タービンの回転によって前記回転軸が回転されることにより、回転する。

この構成によれば、圧縮部により圧縮された冷媒が第１の熱交換部で熱交換された後、膨張部で断熱膨張される際、当該圧縮冷媒の空圧エネルギ（圧力）が膨張雌ロータと膨張雄ロータを回転させるように作用する。ここで、当該発電システムでは、膨張雌ロータと圧縮雌ロータとが一体的に回転可能となるように互いに連結されているとともに、膨張雄ロータと圧縮雄ロータとが一体的に回転可能となるように互いに連結されているため、空圧エネルギーに起因する膨張雌ロータの回転力は圧縮雌ロータに伝達され、空圧エネルギーに起因する膨張雄ロータの回転力は圧縮雄ロータに伝達される。このため、超電導発電機が各ロータを回転させるために消費する電力を大幅に削減することができる。

本発明によれば、超電導モータの超電導磁石を臨界温度以下に冷却する冷媒について、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる。

第１実施形態に係る液化システムの構成を示す構成図である。第１実施形態の変形例に係る液化システムの構成を示す構成図である。第２実施形態に係る発電システムの構成を示す構成図である。超電導モータの構成を示す断面図である。膨張後の冷媒の温度と圧縮圧力との関係を示すグラフである。比較例に係る液化システムの構成を示す構成図である。図１〜図３に示す第２の圧縮部及び第２の膨張部の横断面図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、第１実施形態に係る液化システム１ａの構成を示す構成図である。液化システム１ａは、タンク２、超電導モータ３、液化機４、冷却回路５、第３の熱交換部６及び起動用モータ７を備える。

タンク２は、断熱密閉構造を有しており、液化天然ガス（ＬＮＧ）を貯留している。タンク２は、室温以下の沸点を有する物質を液体状態で貯留する貯留部の一例である。室温以下の沸点を有する物質として、天然ガスを例にして説明するが、他の例として、例えば、窒素、水素がある。室温とは、例えば、２５℃である。

タンク２は、隔壁２０によって、第１の空間部２１と第２の空間部２２とに分けられている。第１の空間部２１と第２の空間部２２とは、隔壁２０によって隔離されている。第１の空間部２１には、液化天然ガスが貯留される。第１の空間部２１内の液化天然ガスの一部は、ＢＯＧ（boil off gas）になっている。ここでのＢＯＧは、天然ガスである。

第２の空間部２２には、超電導モータ３及び冷却回路５の一部（第２の圧縮部５０、第２の膨張部５２）が配置される。タンク２の外壁には、第２の空間部２２につながる貫通穴が形成されており、超電導モータ３の回転軸３０の一方側３１は、その貫通穴を通り、第２の空間部２２からタンク２の外部に延びている。その貫通穴は、シール部材２３で埋められている。

液化対象となる天然ガス（ＮＧ）は、第３の熱交換部６に送られる。第３の熱交換部６は、天然ガスとタンク２の第１の空間部２１から送られてきたＢＯＧとで熱交換させる熱交換器である。熱交換後のＢＯＧは、熱交換前の天然ガスに合流される。

液化機４は、第１の圧縮部４０、第４の熱交換部４１及び第１の膨張部４２を備え、ジュールトムソン過程によって、タンク２に貯留される液化天然ガス（液体状態の物質）を生成する。第１の圧縮部４０は、第３の熱交換部６と接続されている。第１の圧縮部４０と第４の熱交換部４１とが接続されている。第４の熱交換部４１と第１の膨張部４２とが接続されている。第１の膨張部４２とタンク２の第１の空間部２１とが接続されている。

第１の圧縮部４０は、第３の熱交換部６で熱交換された天然ガス（気体状態の物質）を圧縮する圧縮機である。

第４の熱交換部４１は、第１の圧縮部４０で圧縮された天然ガスと冷却水とで熱交換させる熱交換器である。これにより、圧縮された天然ガスが冷却される。

第１の膨張部４２は、第４の熱交換部４１で冷却された天然ガスを膨張させる膨張機である。これにより、天然ガスは、液化天然ガスに変化する。このように、第１の膨張部４２は、第１の圧縮部４０によって圧縮された物質を膨張させることにより、物質を気体状態から液体状態に変える。液化天然ガスは、第１の膨張部４２からタンク２の第１の空間部２１に送られ、第１の空間部２１に貯留される。

第１の圧縮部４０及び第１の膨張部４２は、超電導モータ３の回転軸３０の一方側３１を介して伝達される回転力によって、それぞれ駆動される。第１の圧縮部４０及び第１の膨張部４２の構成は、冷却回路５に備えられる第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２の構成と同じであり、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２の構成を説明することで、第１の圧縮部４０及び第１の膨張部４２の構成の説明を省略する。なお、第１の膨張部４２は、モータによって駆動されるタイプに限定されず、圧縮された天然ガスを膨張できる装置であればよい（例えば、膨張弁）。

冷却回路５は、第２の圧縮部５０、第１の熱交換部５１、第２の膨張部５２及び第２の熱交換部５３を備え、ジュールトムソン過程を応用した冷凍機である。冷却回路５によって、超電導モータ３に含まれる超電導磁石が、この磁石を構成する超電導材料の臨界温度以下に冷却される。超電導磁石とは、例えば、超電導コイルと、これが巻かれた磁性体芯とで構成される磁石や、超電導バルク磁石である。第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２は、超電導モータ３の回転軸３０の他方側３２を介して伝達される回転力によって、それぞれ駆動される。

冷却回路５は、冷媒を超電導材料の臨界温度以下の状態にして、この状態の冷媒を超電導モータ３に送り、超電導磁石を臨界温度以下に冷却する。超電導材料が、例えば、Ｂｉ系（Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ）又はＹ系（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７）のとき、液体窒素（沸点７７Ｋ）を冷媒として用いることができる。液体窒素は、それらの超電導材料の臨界温度より沸点が低いからである。冷媒として液体窒素を例にして説明する。なお、液化天然ガスの沸点（１１１Ｋ）は、Ｂｉ系やＹ系の超電導材料の臨界温度よりも高い。

第１の熱交換部５１及び第２の熱交換部５３は、第１の空間部２１に配置され、第２の圧縮部５０と第２の膨張部５２とは、第２の空間部２２に配置されている。

第２の圧縮部５０は、気体状態の窒素（冷媒）を等温圧縮する圧縮機である。第２の圧縮部５０は、超電導モータ３によって第１の圧縮部４０及び第１の膨張部４２が駆動されているときに、超電導モータ３によって駆動され、窒素を圧縮する。第２の圧縮部５０は、第１の熱交換部５１と接続されており、圧縮された窒素は、第１の熱交換部５１に送られる。

第１の熱交換部５１は、タンク２の第１の空間部２１に貯留されている液化天然ガスと第２の圧縮部５０によって圧縮された窒素とで熱交換させることにより、圧縮された窒素を冷却する熱交換器である。このように、第１の熱交換部５１は、貯留部に貯留されている物質と第２の圧縮部５０によって圧縮された冷媒とで熱交換させることにより、冷媒を冷却する機能を有する。第１の熱交換部５１は、第２の膨張部５２と接続されており、第１の熱交換部５１で冷却された窒素は、第２の膨張部５２に送られる。

第２の膨張部５２は、超電導モータ３によって第１の圧縮部４０及び第１の膨張部４２が駆動されているときに、超電導モータ３によって駆動され、第１の熱交換部５１によって冷却された窒素を断熱膨張させることにより、窒素を気体状態から液体状態にする膨張機である。このように、第２の膨張部５２は、第１の熱交換部５１によって冷却された冷媒を膨張させることにより、冷媒を超電導材料の臨界温度以下にする機能を有する。第２の膨張部５２で液体状態にされた窒素（すなわち、液体窒素）は、超電導モータ３に送られ、超電導磁石を冷却した後、第２の熱交換部５３に送られる。

第２の膨張部５２と第２の圧縮部５０とは、ロータ軸１６６を共有している。第２の膨張部５２は、超電導モータ３の回転軸３０の他方側３２を介して伝達される回転力によって、駆動される。その回転力はロータ軸１６６に伝達されて、ロータ軸１６６が回転することにより、第２の圧縮部５０が駆動される。なお、第２の膨張部５２は、モータによって駆動されるタイプに限定されず、圧縮された天然ガスを膨張できる装置であればよい（例えば、膨張弁）。

第２の熱交換部５３は、タンク２の第１の空間部２１に貯留されている液化天然ガスと超電導磁石を冷却した後の窒素とで熱交換させることにより、窒素の冷熱を液化天然ガスに与える熱交換器である。このように、第２の熱交換部５３は、貯留部に貯留されている物質と超電導磁石を冷却した後の冷媒とで熱交換させることにより、冷媒の冷熱を物質に与える機能を有する。

第２の熱交換部５３は、第２の圧縮部５０と接続されており、第２の熱交換部５３で熱交換された窒素（気体状態の窒素）は、第２の圧縮部５０に送られる。

以上説明したように、冷却回路５は、第２の圧縮部５０による冷媒の圧縮、第１の熱交換部５１による冷媒の冷却、第２の膨張部５２による冷媒の膨張、第２の熱交換部５３による冷媒の冷熱の放出を繰り返すことにより、超電導磁石を臨界温度以下に冷却する。

起動用モータ７は、常電導モータであり、第１の圧縮部４０、第１の膨張部４２、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２を駆動させるモータである。液化システム１ａを立ち上げるとき、タンク２の第１の空間部２１内には液化天然ガスがないので、第１の熱交換部５１及び第２の熱交換部５３で熱交換に用いられる液化天然ガスが存在しない。

そこで、起動用モータ７によって液化システム１ａを助走運転させる。すなわち、起動用モータ７によって、液化機４の第１の圧縮部４０及び第１の膨張部４２を駆動させて、液化機４により液化天然ガスを生成し、タンク２の第１の空間部２１内に液化天然ガスを貯める。起動用モータ７によって第１の圧縮部４０及び第１の膨張部４２を駆動させると、起動用モータ７の駆動力は、超電導モータ３の回転軸３０を介して、第２の膨張部５２及び第２の圧縮部５０に伝達されて、第２の膨張部５２及び第２の圧縮部５０も駆動される。これにより、冷却回路５が作動する。

タンク２の第１の空間部２１内に所定量の液化天然ガスが溜まり、液化天然ガスの冷熱によって、第２の空間部２２の温度が液化天然ガスの温度まで下がったとき、液化システム１ａの運転者は、起動用モータ７を停止させて、液化システム１ａの助走運転を停止し、超電導モータ３を作動させて液化システム１ａを定常運転に切り換える。

第１実施形態の主な効果を説明する。第１実施形態に係る液化システム１ａにおいて、第１の熱交換部５１が、圧縮された窒素（冷媒）と第１の空間部２１（タンク２）内の液化天然ガスとで熱交換させることで窒素を冷却するので、窒素から第１の空間部２１内の液化天然ガスに熱Ｑ１が与えられる。一方、第２の熱交換部５３は、超電導磁石を冷却した後の窒素と第１の空間部２１内の液化天然ガスとで熱交換させることにより、冷媒の冷熱Ｑ２を第１の空間部２１内の液化天然ガスに与える。これにより、第１の熱交換部５１での熱交換によって第１の空間部２１内の液化天然ガスの温度が上昇することを抑えることができる。なお、熱Ｑ３は、超電導モータ３、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２が作動することにより第２の空間部２２に発生する熱であり、熱Ｑ３は、第２の空間部２２から第１の空間部２１に伝達される。

また、第１実施形態に係る液化システム１ａにおいて、液化機４に備えられる第１の圧縮部４０及び第１の膨張部４２を駆動させる超電導モータ３の動力の一部のみを用いて、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２を駆動させる。

以上より、第１実施形態に係る液化システム１ａによれば、冷却回路５に備えられる第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２を駆動させるための別のモータを設けないので、超電導モータ３の超電導磁石を臨界温度以下に冷却する冷媒について、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる。

また、第１の実施形態に係る液化システム１ａの冷凍効率は、冷媒の熱を液化天然ガスに放出するので、７０％程度にすることができる。

７７Ｋ（液体窒素の沸点）÷１１０Ｋ（液化天然ガスの温度）×１００＝７０％
比較として、冷却回路５を室温環境（２５°＝３００Ｋ）に設置した場合、冷凍効率は、約２５％となる。

７７Ｋ÷３００Ｋ×１００≒２５％
従って、第１の実施形態に係る液化システム１ａによれば、冷凍効率が高い冷却回路５を実現することができる。

第１の実施形態に係る液化システム１ａは、さらに、以下の効果を有する。第１の空間部２１及び第２の空間部２２は、タンク２内にあるので、第２の空間部２２へ外部から侵入する熱を第１の空間部２１にある物質（液化天然ガス）によって小さくすることが可能となる。従って、第１の実施形態に係る液化システム１ａによれば、超電導モータ３並びに冷却回路５の第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２が収容される第２の空間部２２への熱侵入量を小さくすることができるため、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる。

第１実施形態の変形例を説明する。図２は、第１実施形態の変形例に係る液化システム１ｂの構成を示す構成図である。液化システム１ｂの構成のうち、図１に示す液化システム１ａと同じ構成については、同一番号を付すことにより説明を省略する。

液化システム１ｂは、断熱密閉容器８を備える。断熱密閉容器８は、タンク２の外壁に取り付けられている。すなわち、断熱密閉容器８は、タンク２外でタンク２に取り付けられている。断熱密閉容器８は、超電導モータ３並びに冷却回路５の第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２を収容している。このため、タンク２内に超電導モータ３、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２を収容する空間である第２の空間部２２が不要なので、図１に示す隔壁２０は、タンク２に設けられていない。第１の熱交換部５１及び第２の熱交換部５３は、液化天然ガスが貯留されているタンク２内に配置されている。

断熱密閉容器８に、超電導モータ３並びに冷却回路５の第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２を収容することにより、その容器内の温度をタンク２内の液化天然ガスの温度と同じ程度にすることができる。

第１の熱交換部５１と第２の圧縮部５０との距離、及び、第１の熱交換部５１と第２の膨張部５２との距離が大きくなると、冷媒（液体窒素）を冷却する効率が悪くなる。変形例によれば、断熱密閉容器８をタンク２外でタンク２に取り付けるので、第１の熱交換部５１と第２の圧縮部５０との距離、及び、第１の熱交換部５１と第２の膨張部５２との距離を近くできる。

以上により、変形例によれば、冷媒（液体窒素）を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる。

また、変形例によれば、超電導モータ３、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２を断熱密閉容器８に収容することにより、これらをユニット化し、このユニットをタンク２の外壁に取り付けている。従って、図１に示すように、超電導モータ３、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２がタンク２内に収容されている液化システム１ａに比べて、変形例は、冷却回路５の組み立て作業、超電導モータ３、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２の保守作業、並びに、超電導モータ３、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２の点検作業を容易にすることができる。

図１に示す液化システム１ａ又は図２に示す液化システム１ｂにおいて、第１の膨張部４２の次に、精留塔を設けたシステムである液化天然ガスの製造プラントにすれば、以下の効果を有する。これによれば、液化システム１ａ又は液化システム１ｂを用いることにより、小型、軽量及び高効率なプラントにすることができる。従って、陸地から遠く離れた海域や水域に存在するガス田の真上に、浮かせたプラントを実現できる。このようなプラントでは、天然ガスの採掘現場において、液化天然ガスを生産し、かつ、生産した液化天然ガスをＬＮＧタンカーに載せることができるので、液化天然ガスのコストを下げることができる。

第２実施形態を説明する。図３は、第２実施形態に係る発電システム１ｃの構成を示す構成図である。発電システム１ｃの構成のうち、図１に示す液化システム１ａと同じ構成については、同一番号を付すことにより説明を省略する。発電システム１ｃにおいて、超電導モータ３は、超電導発電機として機能する。

発電システム１ｃは、タンク２内（第１の空間部２１内）に貯留されている液化天然ガスを用いて発電する火力発電プラントである。発電システム１ｃは、図１に示す液化機４及び第３の熱交換部６に替えて、ガスタービン９、蒸気タービン１０、排熱回収ボイラ１１及び第５の熱交換部１２を備える。

発電システム１ｃは、ガスタービン９と蒸気タービン１０とを組み合わせて、コンバインドサイクル発電をする。ガスタービン９のタービン１３と蒸気タービン１０のタービン１４とは、回転軸１５によって接続されている。蒸気タービン１０のタービン１４と超電導モータ３の回転軸３０とは、回転軸１６によって接続されている。

タンク２内（第１の空間部２１内）に貯留されている液化天然ガスは、第５の熱交換部１２に送られる。第５の熱交換部１２は、液化天然ガスと温水とで熱交換させる熱交換器である。この熱交換により、液化天然ガスが天然ガスに変わる。第５の熱交換器は、ガスタービン９と接続されている。

ガスタービン９は、第５の熱交換器から送られてきた天然ガスを燃焼させて、この燃焼で生じるガスによりタービン１３を回転させる。タービン１３の回転は、回転軸１５、タービン１４、回転軸１６を介して、超電導モータ３の回転軸３０に伝達される。

ガスタービン９の排熱は、排熱回収ボイラ１１に送られ、排熱回収ボイラ１１は、その排熱を利用して蒸気を発生させる。この蒸気により、蒸気タービン１０のタービン１４を回転させる。タービン１４の回転は、回転軸１６を介して、超電導モータ３の回転軸３０に伝達される。

タービン１３及びタービン１４は、タンク２（第１の空間部２１）から供給される液化天然ガスを燃焼させることにより生じたエネルギーを利用して回転するタービンとして機能する。

タービン１３及びタービン１４の回転力が回転軸３０に伝達されて、回転軸３０が回転することにより、超電導モータ３は発電をする。

また、回転軸３０の回転することにより、第２の膨張部５２及び第２の圧縮部５０が駆動され、冷却回路５が作動する。これにより、臨界温度以下の状態にされた冷媒（液体窒素）が超電導モータ３に送られ、超電導モータ３の超電導磁石が臨界温度以下に冷却される。

第２実施形態の主な効果を説明する。第２実施形態に係る発電システム１ｃにおいて、第１の熱交換部５１が、圧縮された窒素（冷媒）と第１の空間部２１（タンク２）内の液化天然ガスとで熱交換させることで窒素を冷却するので、窒素から第１の空間部２１内の液化天然ガスに熱が与えられる。一方、第２の熱交換部５３は、超電導磁石を冷却した後の窒素と第１の空間部２１内の液化天然ガスとで熱交換させることにより、冷媒の冷熱を第１の空間部２１内の液化天然ガスに与える。これにより、第１の熱交換部５１での熱交換によって第１の空間部２１内の液化天然ガスの温度が上昇することを抑えることができる。

また、第２実施形態に係る発電システム１ｃにおいて、タービン１３，１４の回転によって超電導モータ３の回転軸３０を回転させて発電しているときに、その回転軸３０の回転のみによって第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２を駆動させる。

以上より、第２実施形態に係る発電システム１ｃによれば、冷却回路５に備えられる第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２を駆動させるための別のモータを設けないので、超電導モータ３の超電導磁石を臨界温度以下に冷却する冷媒について、冷媒を臨界温度以下にするためのエネルギーを減らすことができる。

発電システム１ｃは、超電導モータ３で発電をするので小型化できる。このため、発電システム１ｃを海上の浮遊体に設置した海上火力発電プラントを実現することができる。また、液化天然ガスを輸送するＬＮＧタンカーに発電システム１ｃを搭載し、タンカーを動かす推進スクリュを、発電システム１ｃが発電した電力によって駆動させることができる。

第２実施形態に係る発電システム１ｃは、第１実施形態に係る液化システム１ａと同様の変形例がある。すなわち、図２に示すように、超電導モータ３、並びに、冷却回路５の第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２を収容した断熱密閉容器８をタンク２の外部に取り付けた変形例である。

次に、図１に示す第１実施形態に係る液化システム１ａ、図２に示す第１実施形態の変形例に係る液化システム１ｂ、及び、図３に示す第２実施形態に係る発電システム１ｃに共通に適用される事項［１］〜［１１］を説明する。

［１］図４は、超電導モータ３の構成を示す断面図である。超電導モータ３は、回転軸３０、第１の固定子３３ａ、第２の固定子３３ｂ、第３の固定子３３ｃ、第１の回転子３４ａ、第２の回転子３４ｂ、第３の回転子３４ｃ及び第４の回転子３４ｄを備える。第１の圧縮部４０から第２の圧縮部５０に向かって、間隔をあけて、第１の固定子３３ａ、第２の固定子３３ｂ、第３の固定子３３ｃが配置されている。図１〜図３と比較して、図４は、第１の圧縮部４０の位置と第１の膨張部４２の位置とを逆にし、第２の圧縮部５０の位置と第２の膨張部５２の位置とを逆にして示されている。なお、図３に示す発電システム１ｃの場合、第２の圧縮部５０の替わりに、タービン１４となる。

第１の固定子３３ａは、Ｗ相を生成するための固定子である。第１の固定子３３ａは、断熱容器３５、軸受３６、超電導コイル３７及び隔壁３８を備える。

断熱容器３５の材料は、非磁性金属材である。断熱容器３５は、円盤形状を有する。断熱容器３５の中央部に軸受３６が配置されている。軸受３６は、回転軸３０を回転自在に保持する。

断熱容器３５は、中空の構造を有する。断熱容器３５内には、超電導コイル３７が、軸受３６を囲んで配置されている。超電導コイル３７は、断熱容器３５内に固定されている磁性体芯（不図示）に巻かれている。この磁性体芯と超電導コイル３７とにより超電導磁石が構成される。断熱容器３５内は、図１〜図３に示す冷却回路５で生成された臨界温度以下の冷媒（液体窒素）で満たされている。

断熱容器３５は、超電導コイル３７と対向する箇所に、環状の貫通穴を有する。隔壁３８によって、貫通穴が塞がれている。隔壁３８は、断熱性、非磁性及び絶縁性、又は、断熱性、非磁性及び高抵抗の性質を有する。隔壁３８の材料は、例えば、硬質ガラス、セラミックス、硬質プラスチックである。

隔壁３８が断熱性を有するのは、冷媒で満たされた断熱容器３５内と、低温大気又は真空である断熱容器３５外とを断熱するためである。隔壁３８が、非磁性を有するのは、超電導コイル３７及びこれが巻かれている磁性体芯（不図示）と、永久磁石６１，６３とを磁気的に結合させるためである。隔壁３８が、絶縁性又は高抵抗性を有するのは、隔壁３８に渦電流が発生しないようにするためである。上記磁気的結合が原因で発生する変動磁場によって、隔壁３８に渦電流が発生すれば、隔壁３８が発熱するからである。

第２の固定子３３ｂは、Ｖ相を生成するための固定子であり、第３の固定子３３ｃは、Ｕ相を生成するための固定子である。第２の固定子３３ｂ及び第３の固定子３３ｃの構成は、第１の固定子３３ａの構成と同じなので、説明を省略する。

第１の固定子３３ａ、第２の固定子３３ｂ及び第３の固定子３３ｃがそれぞれ備える超電導コイル３７の構成は、例えば、特開２０１４−５４０９２号公報に開示された固定子に備えられるコイルと同じ構成を採用することができる。

第１の圧縮部４０から第２の圧縮部５０に向かって、間隔をあけて、第１の回転子３４ａ、第２の回転子３４ｂ、第３の回転子３４ｃ、第４の回転子３４ｄが配置されている。第１の固定子３３ａは、第１の回転子３４ａと第２の回転子３４ｂとによって、所定の間隔をあけて挟まれている。第２の固定子３３ｂは、第２の回転子３４ｂと第３の回転子３４ｃとによって、所定の間隔をあけて挟まれている。第３の固定子３３ｃは、第３の回転子３４ｃと第４の回転子３４ｄとによって、所定の間隔をあけて挟まれている。

回転軸３０は、第１の回転子３４ａ、第２の回転子３４ｂ、第３の回転子３４ｃ、第４の回転子３４ｄのそれぞれの中心部に固定されており、第１の回転子３４ａ、第２の回転子３４ｂ、第３の回転子３４ｃ、第４の回転子３４ｄが回転することにより、回転軸３０が回転する。

第１の回転子３４ａは、磁性材ヨーク６０及び永久磁石６１を備える。磁性材ヨーク６０は、円盤形状を有する。第１の固定子３３ａと対向する、磁性材ヨーク６０の面には、永久磁石６１が配置されている。永久磁石６１は、回転軸３０を囲み、かつ、第１の固定子３３ａに備えられる隔壁３８及び超電導コイル３７と対向して配置されている。

第２の回転子３４ｂは、構造部材６２及び永久磁石６３を備える。構造部材６２は、円盤形状を有する。構造部材６２の周面に、永久磁石６３が配置されている。永久磁石６３は、回転軸３０を囲み、かつ、第１の固定子３３ａに備えられる隔壁３８及び超電導コイル３７、並びに、第２の固定子３３ｂに備えられる隔壁３８及び超電導コイル３７と対向して配置されている。

第３の回転子３４ｃは、第２の回転子３４ｂと同じ構成を有する。第３の回転子３４ｃの永久磁石６３は、回転軸３０を囲み、かつ、第２の固定子３３ｂに備えられる隔壁３８及び超電導コイル３７、並びに、第３の固定子３３ｃに備えられる隔壁３８及び超電導コイル３７と対向して配置されている。

第４の回転子３４ｄは、第１の回転子３４ａと同じ構成を有する。第４の回転子３４ｄの永久磁石６１は、回転軸３０を囲み、かつ、第３の固定子３３ｃに備えられる隔壁３８及び超電導コイル３７と対向して配置されている。

永久磁石６１，６３は、例えば、希土類系永久磁石である。希土類系永久磁石は、強力な保磁力を有するので、第１実施形態及びその変形例では、高トルク密度の超電導モータ３を実現でき、第２実施形態では、高性能の発電機（超電導モータ３）を実現できる。

近年、バルク状の酸化物超電導体のピン止め効果を利用して、その内部に磁束を閉じ込めることにより強力な永久磁石を実現する研究が進められている。該永久磁石を、超電導バルク磁石としてもよい。超電導バルク磁石は、従来の永久磁石以上の高い保磁力を有するので、これを従来の永久磁石に替えることにより高効率な超電導モータ３を実現できる。

回転軸３０の方向に沿って、第１の管部６４ａ、第２の管部６４ｂ、第３の管部６４ｃが配置されている。第１の管部６４ａは、第１の固定子３３ａの断熱容器３５と第２の固定子３３ｂの断熱容器３５とを接続する。第１の管部６４ａを介して、第１の固定子３３ａの断熱容器３５の内部と第２の固定子３３ｂの断熱容器３５の内部とが連通している。第２の管部６４ｂは、第２の固定子３３ｂの断熱容器３５と第３の固定子３３ｃの断熱容器３５とを接続する。第２の管部６４ｂを介して、第２の固定子３３ｂの断熱容器３５の内部と第３の固定子３３ｃの断熱容器３５の内部とが連通している。

第３の管部６４ｃは、一端が第３の固定子３３ｃと接続されている。輸送管６５は、第３の管部６４ｃの他端から第３の管部６４ｃに入り、第３の固定子３３ｃの断熱容器３５の内部、第２の管部６４ｂ、第２の固定子３３ｂの断熱容器３５の内部、第１の管部６４ａ、第１の固定子３３ａの断熱容器３５の内部に通されている。冷媒は、第２の圧縮部５０から輸送管６５を通り、第１の固定子３３ａ、第２の固定子３３ｂ及び第３の固定子３３ｃのそれぞれの断熱容器３５に送られる。これらの断熱容器３５に送られた冷媒は、不図示の輸送管を通り、第２の熱交換部５３に送られる。このように、冷媒は、冷却回路５と、第１の固定子３３ａ、第２の固定子３３ｂ及び第３の固定子３３ｃのそれぞれの断熱容器３５との間で循環している。

第１の管部６４ａ、第２の管部６４ｂ及び第３の管部６４ｃは、気密性が要求されるため、通常、金属で構成される。超電導モータ３は、常温環境で組み立てられ、臨界温度以下の環境で使用される。このため、第１の管部６４ａ、第２の管部６４ｂ及び第３の管部６４の熱変形を吸収するために、これらの管部は、蛇腹構造を有する。

［２］図１〜図３に示す第２の圧縮部５０は、第２の熱交換部５３から供給された大気圧（１気圧）の冷媒を４気圧まで圧縮する。即ち、第２の圧縮部５０の圧縮比は４である。この圧縮比により、冷却回路５が冷媒の温度を、１１３Ｋ（液化天然ガスの沸点）から７７Ｋ（液体窒素の沸点）まで下げることができることを説明する。

第２の膨張部５２による膨張前後の冷媒の圧力Ｐ１、Ｐ２、及び、膨張前後の冷媒の温度Ｔ１、Ｔ２の関係は、ジュールトムソン関係式より以下の式（１）によって表される。

Ｃｐは定圧比熱であり、Ｃｖは定積比熱である。なお、断熱膨張前の冷媒の温度Ｔ１は、１１３Ｋである。

図５は、この関係をグラフ化したものである。横軸は、圧縮圧力を示し、縦軸は、膨張後の冷媒の温度を示す。符号１〜５は、膨張後の冷媒の圧力を示す。符号１に示すように、圧縮後の冷媒の圧力が１の場合、圧縮圧力を４（圧縮比を４）にすれば、冷媒の温度を１１３Ｋから７７Ｋに下げることができることが分かる。

［３］第１実施形態及び変形例、並びに、第２実施形態によれば、天然ガスを液化するために投入されるエネルギーについて、冷却回路５を追加することにより増加する量とモータを超電導モータ３にすることより減少する量との関係が、増加量＜減少量を成立させることができる。これについて、図１に示す液化システム１ａとその比較例とを用いて、詳しく説明する。

図６は、比較例に係る液化システム１０００の構成を示す構成図である。液化システム１０００の構成のうち、図１に示す液化システム１ａと同じ構成については、同一番号を付すことにより説明を省略する。液化システム１０００は、超電導モータ３の替わりに、常電導モータ１００１を備え、冷却回路５の替わりに、モータ冷却設備１００２を備える。常電導モータ１００１は、室温環境下に置かれている。モータ冷却設備１００２は、常電導モータ１００１から発生した熱を冷却する。

まず、図１に示す液化システム１ａにおいて、下記のような第０次近似仮定条件の場合を考える。

１）超電導モータ３は、発熱ゼロ（銅損ゼロ、機損も十分小さい）である。

２）冷却回路５の熱負荷は、超電導モータ３の筐体を構成する適切な断熱構造壁を通して、進入する熱のみである（液化天然ガス：１１０Ｋ→筐体内：７７Ｋ）。

３）第２の圧縮部５０は、液化天然ガスで冷却され、第２の膨張部５２は、液体窒素で冷却されている。

４）第２の圧縮部５０、超電導モータ３、第２の膨張部５２は、断熱性の軸で連結されている。

５）超電導モータ３の筐体内で気化した窒素は、第２の熱交換部５３で液化天然ガスに冷熱を逃がし（言い換えれば、第２の熱交換部５３で液化天然ガスに暖められて）、第２の圧縮部５０に送られる。

６）第２の圧縮部５０で圧縮された窒素は、第１の熱交換部５１で液化天然ガスに圧縮熱を逃がし（言い換えれば、第１の熱交換部５１で液化天然ガスにより冷却されて）、第２の膨張部５２に送られる。

なお、第２の圧縮部５０、超電導モータ３及び第２の膨張部５２等の機損は、第１次近似で考慮することにする。

理想的には、５）と６）との熱量差は、２）の侵入熱に、ヒートポンプ効率を乗じた値となる。

図１に示す液化システム１ａと図６に示す液化システム１０００とにおいて、（常電導モータ１００１の銅損＋モータ冷却設備１００２の運転電力）＞冷却回路５の運転電力、が成立する。現実のシステムでは、十分成り立つ設計条件である。図１に示す液化システム１ａの概念は、いわゆるエクセルギー再生の方式、又は、いわゆる自己熱再生熱循環モジュール（自己冷熱再生冷熱循環モジュール）の方式とみなすことができる。これらの方式の効率は、通常の冷凍システムのようなヒートポンプに比べて、非常に大きいことが理論的に証明されている（８０〜９０％）。

上述した関係（（常電導モータ１００１の銅損＋モータ冷却設備１００２の運転電力）＞冷却回路５の運転電力）を成立させる条件式を、熱力学的な理論考察から導出する。

超電導化のために窒素液化サイクルを追加する。窒素液化サイクルは、冷凍効率を確保するために、温端温度を液化天然ガスの温度（１１０Ｋ）とする。つまり、窒素液化サイクルは液化天然ガスの中にあり、窒素液化サイクルからのロスもしくは排熱は、一旦液化天然ガスに与えることになる。液化天然ガスに与えられた熱は、液化天然ガスを気化させる熱となるから、窒素液化サイクルを付加する場合、ＢＯＧの量が幾らか増加する。これによるロスよりも、超電導モータ３を用いることによるエネルギーの減少量が大きくなければ、超電導モータ３を用いるメリットが生じない。

可逆的な冷凍サイクルの理想効率（カルノー効率）は、ＣＯＰ（Coefficient of Performance）として、式（２）で示される。

Ｔ_ｈは、高熱源の温度であり、Ｔ_ｃは、低熱源の温度である。

よって、熱量Ｑの冷凍を発生させるために必要な仕事Ｗは、式（３）で示される。

但し、式（３）に、駆動するモータの効率ηを乗じる必要があるので、式（４）となる。

よって、熱量Ｑを得るための仕事Ｗは、式（５）で示される。

非超電導モータの効率をη_ｎとする。熱量ＱのＬＮＧ冷凍を発生させるために、式（６）で示す仕事Ｗ_ｎを投入する必要がある。

一方、超電導モータ３の効率をη_ｓとする。熱量ＱのＬＮＧ冷凍を発生させるために、式（７）で示す仕事Ｗ_ｓを投入する必要がある。

従って、式（８）が超電導モータ３を用いることにより節約可能なエネルギーである。

一方、超電導モータ３の温度を７７Ｋにして超電導状態にした状態で、超電導モータ３を駆動するためには、窒素循環式の独立した冷凍系が必要になる。モータの超電導化によってモータ効率の向上が図れるが、それでも有限の効率が残る。また、独立した冷凍系は、液化天然ガスのなかに断熱層を介して配置されるため、動力軸やシール機構を介した熱侵入が発生する。さらに、第２の圧縮部５０で生じる圧縮発熱は、液化天然ガスで冷却される（液化天然ガスは、常温に配置された圧縮機で用いられるアフタークーラーに相当することになる）。これらのロスを以下のように表記する。

超電導モータ３におけるモータロス・・・Ｑ_{Ｎ２−ｍｏｔｏｒ}
超電導モータ３のハウジングの熱侵入ロス・・・Ｑ_{Ｎ２−ｈｅａｔ}
（ただし、Ｑ_{Ｎ２−ｈｅａｔ}は、液化天然ガスに対して冷却作用となる）
第２の圧縮部５０の圧縮発熱によるロス・・・Ｑ_{Ｎ２−ｃｏｍｐ}
超電導モータ３を用いた場合、それらのロスの合計（Ｑ_{Ｎ２−ｍｏｔｏｒ}＋Ｑ_{Ｎ２−ｈｅａｔ}＋Ｑ_{Ｎ２−ｃｏｍｐ}）が、液化天然ガスに対する新たな熱負荷となる。

従って、図１に示す液化システム１ａにおいて、エネルギーを節減するには、式（９）の関係が成立しなければならない。

例えば、η_ｎ＝０．９、η_ｓ＝０．９５、Ｔ_ｈ＝３００Ｋ、Ｔ_ｃ＝１１０Ｋとすれば、式９の右辺は、式（１０）で示される。

よって、（Ｑ_{Ｎ２−ｍｏｔｏｒ}＋Ｑ_{Ｎ２−ｈｅａｔ}＋Ｑ_{Ｎ２−ｃｏｍｐ}）＜０．１０Ｑとなる。これは、超電導モータ３による総発熱が、液化天然ガスの冷凍出力の１０％以下であれば、超電導モータ３を用いることによるメリットが得られることを示している。

なお、実際には、冷凍サイクルを形成するうえでの種々損失が存在するから、上記で仮定したカルノーサイクルが成立しないことは、エネルギー保存則からも明らかである。よって、式（９）の右辺に、様々な効率を乗じる必要がある。

［４］図７は、図１〜図３に示す第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２の横断面図である。第２の圧縮部５０は、容積型圧縮機の一種であるスクリュ式圧縮機であり、第２の膨張部５２は、容積型膨張機の一種であるスクリュ式膨張機である。第２の圧縮部５０は、互いに噛み合う雌雄一対のスクリュロータ１８２，１８３を備え、第２の膨張部５２は、互いに噛み合う雌雄一対のスクリュロータ１５６，１５７を備える。

第２の圧縮部５０と第２の膨張部５２とは、共通の一体型ケーシング１５０を備える。ケーシング１５０内に、第２の圧縮部５０のスクリュロータ１８２，１８３と第２の膨張部５２のスクリュロータ１５６，１５７とがそれぞれ回転可能となるように収容されている。以下、第２の圧縮部５０の一対のスクリュロータ１８２，１８３のうちの一方のスクリュロータである雌ロータ１８２を圧縮雌ロータ１８２と称し、もう一方のスクリュロータである雄ロータ１８３を圧縮雄ロータ１８３と称する。第２の膨張部５２の一対のスクリュロータ１５６，１５７のうちの一方のスクリュロータである雌ロータ１５６を膨張雌ロータ１５６と称し、もう一方のスクリュロータである雄ロータ１５７を膨張雄ロータ１５７と称する。

圧縮雌ロータ１８２と膨張雌ロータ１５６とは、それらの間の中間のロータ軸１５８を共有しており、圧縮雄ロータ１８３と膨張雄ロータ１５７とは、それらの間の中間のロータ軸１６６を共有している。すなわち、圧縮雌ロータ１８２と膨張雌ロータ１５６とは、同一の回転軸回りに一体的に回転可能となるように同軸に配置され且つロータ軸１５８を介して互いに連結されている。また、圧縮雄ロータ１８３と膨張雄ロータ１５７とは、同一の回転軸回りに一体的に回転可能となるように同軸に配置され且つロータ軸１６６を介して互いに連結されている。このような構成により、第２の圧縮部５０と第２の膨張部５２とが、互いに独立して作動するものではなく、連動して作動するようになっている。

圧縮雌ロータ１８２から膨張雌ロータ１５６と反対側へ延びるようにロータ軸１６１が設けられ、膨張雌ロータ１５６から圧縮雌ロータ１８２と反対側へ延びるようにロータ軸１６３が設けられている。一方のロータ軸１６１は、ケーシング１５０内に設けられた対応する軸受１６２によって回転可能となるように支持され、他方のロータ軸１６３は、ケーシング１５０内に設けられた対応する軸受１６４によって回転可能となるように支持されている。

圧縮雄ロータ１８３から膨張雄ロータ１５７と反対側へ延びるようにロータ軸１６７が設けられ、膨張雄ロータ１５７から圧縮雄ロータ１８３と反対側へ延びるようにロータ軸１６９が設けられている。一方のロータ軸１６７は、ケーシング１５０内に設けられた対応する軸受１６８によって回転可能となるように支持され、他方のロータ軸１６９は、ケーシング１５０内に設けられた対応する軸受１７０によって回転可能となるように支持されている。圧縮雌ロータ１８２、膨張雌ロータ１５６及びロータ軸１５８，１６１，１６３からなる回転体と、圧縮雄ロータ１８３、膨張雄ロータ１５７及びロータ軸１６６，１６７，１６９からなる回転体とは、それらのロータ軸１５８，１６１，１６３とロータ軸１６６，１６７，１６９とが互いに平行となるように配置されている。

ロータ軸１６９は、超電導モータ３の回転軸３０の他方側３２と連結されている。これにより、回転軸３０が回転すると、膨張雄ロータ１５７、圧縮雄ロータ１８３及びロータ軸１６６，１６７，１６９からなる回転体が回転する。回転軸３０の他方側３２は、ケーシング１５０内に設けられた対応する軸受１７１によって回転可能となるように支持されている。

膨張雌ロータ１５６と膨張雄ロータ１５７とは、それらのロータが噛み合いながら共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有する。すなわち、膨張雌ロータ１５６と膨張雄ロータ１５７は、回転時に当該両ロータ１５６，１５７の歯面（外面）同士の間に微小な隙間が維持されるような歯形をそれぞれ有する。さらに、好ましくは、圧縮雌ロータ１８２と圧縮雄ロータ１８３とは、それらのロータが噛み合いながら共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有する。

ケーシング１５０は、圧縮雌ロータ１８２、膨張雌ロータ１５６及びロータ軸１５８，１６１，１６３からなる回転体と、圧縮雄ロータ１８３、膨張雄ロータ１５７及びロータ軸１６６，１６７，１６９からなる回転体とを囲んでいる。ケーシング１５０は、図１及び図３の場合、タンク２内の第２の空間部２２に配置されているので、ケーシング１５０の温度は、液化天然ガスの温度と同じ程度に保たれている。

超電導モータ３により膨張雄ロータ１５７が圧縮雄ロータ１８３と一体的に回転され、かつ、膨張雌ロータ１５６が圧縮雌ロータ１８２と一体的に回転された状態において、図１〜図３に示す第２の熱交換部５３から排出された冷媒は、ケーシング１５０に形成された圧縮機吸込ポート（不図示）を通って第２の圧縮部５０内に吸い込まれる。第２の圧縮部５０内に吸い込まれた冷媒は、圧縮雌ロータ１８２及び圧縮雄ロータ１８３とケーシング１５０の内面との間に形成される閉じ込み空間に導入されるとともに、圧縮雌ロータ１８２と圧縮雄ロータ１８３が互いに逆方向に回転して閉じ込み空間が縮小されるに従って圧縮される。この際、圧縮雄ロータ１８３は、時計回りに回転し、圧縮雌ロータ１８２は、反時計回りに回転する。圧縮された冷媒は、ケーシング１５０に形成された圧縮機吐出ポート（不図示）から吐出され、図１〜図３に示す第１の熱交換部５１を通って、ケーシング１５０に形成された膨張機吸込ポート（不図示）に供給される。

膨張機吸込ポートを通って第２の膨張部５２内に吸い込まれた冷媒は、膨張雌ロータ１５６及び膨張雄ロータ１５７とケーシング１５０の内面との間に形成される空間に閉じ込められる。そして、膨張雌ロータ１５６と膨張雄ロータ１５７とが回転していることにより、膨張雌ロータ１５６及び膨張雄ロータ１５７とケーシング１５０の内面との間の空間が拡大し、その空間に閉じ込められた冷媒が膨張される。膨張した冷媒は、ケーシング１５０に形成された膨張機吐出ポート（不図示）から吐出され、超電導モータ３へ供給される。

上記のように膨張雌ロータ１５６及び膨張雄ロータ１５７とケーシング１５０の内面との間の空間に閉じ込められる冷媒は、第２の圧縮部５０で圧縮された冷媒であるため、その冷媒の空圧エネルギ（圧力）が膨張雌ロータ１５６及び膨張雄ロータ１５７とケーシング１５０の内面との間の空間を拡大させる方向に作用する。このため、この冷媒から膨張雌ロータ１５６と膨張雄ロータ１５７にそれらのロータ１５６，１５７を互いに逆方向へ回転させる力が作用する。この力は、膨張雌ロータ１５６に連結された圧縮雌ロータ１８２と膨張雄ロータ１５７に連結された圧縮雄ロータ１８３に伝達されるため、圧縮雌ロータ１８２及び圧縮雄ロータ１８３を回転させるための動力として寄与する。このようにして、第２の圧縮部５０での冷媒の圧縮によって生成された空圧エネルギーが回生され、超電導モータ３の消費電力が大幅に削減される。例えば、このようなエネルギーの回生が行われない場合に超電導モータ３が圧縮雌ロータ１８２及び圧縮雄ロータ１８３を回転させる際の消費電力の５０％以下に消費電力が削減される。

第２の圧縮部５０と第２の膨張部５２とで、ロータ軸１５８，１６６を共有させることにより、上記回生を実現しているが、第２の圧縮部５０のロータ軸と第２の膨張部５２のロータ軸とをギヤで連結しても、上記回生を実現することができる。

［５］図１〜図３に示す冷却回路５として、気液２相型の冷凍機を用いる。すなわち、超電導モータ３の超電導磁石を冷却した後の冷媒（液体窒素）が、第２の熱交換部５３で気体（気相）となり、第２の圧縮部５０で圧縮され、第１の熱交換部５１で冷却され、第２の膨張部５２で膨張されて液体（液相）となるように、冷媒の封入圧力、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２の構造、並びに、ロータ（図７に示す膨張雌ロータ１５６、膨張雄ロータ１５７、圧縮雌ロータ１８２、圧縮雄ロータ１８３）の回転数が設計されている。

気相と液相との相変化において、大きな潜熱の出入りがあるので、冷凍能力を大きくすることができる。

気液２相型の冷凍機によれば、冷媒の液相部分が、図７に示すケーシング１５０とロータの歯先、及び、ツインロータ間のシール液体となるので、第２の圧縮部５０の圧縮性能及び第２の膨張部５２の膨張性能を向上させることができる。以下詳しく説明する。

室温で動作させる一般的な圧縮機において、可動部と固定シリンダとの摺動部に、一定の隙間をあけ、隙間を低粘性のオイルで埋めることにより、シール性を確保する。低温（例えば、１１０Ｋ）の環境で使用する圧縮機に使えるオイル物質は、一般に存在しない。そこで、１１０Ｋから酸化物系の超電導の臨界温度（窒素の沸点７７Ｋ以下の温度）までの温度域において、気液２相状態を有するように、冷媒（液体窒素）のベース圧力（１気圧以上）を選べば、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２の中の冷媒に液相窒素が混ざった状態となる。液相窒素の粘性は、室温オイルの約１／１０であるため、液相窒素は、理想的な潤滑液及びシール液となる。

［６］図７に示す第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２は、液相冷媒を液体シールとする無給油式ツイン・スクリュ型である。これにより、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２の摩擦抵抗を最小限にできるので、超電導モータ３を作動させるのに必要な電力を節約できる。図７に示すスクリュ式は、ケーシング１５０及びロータ（膨張雌ロータ１５６、膨張雄ロータ１５７、圧縮雌ロータ１８２、圧縮雄ロータ１８３）の材質を、熱膨張率の観点から適切に選択すれば、低温（例えば、１１３Ｋ）の雰囲気においても、摩擦がなく連続的な圧縮動作及び膨張動作が可能となる。

［７］図７に示すツイン・スクリュ型の第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２において、ケーシング１５０の材料の熱膨張率が、ロータ（膨張雌ロータ１５６、膨張雄ロータ１５７、圧縮雌ロータ１８２、圧縮雄ロータ１８３）の材料の熱膨張率より大きくし、冷却回路５の稼動温度において、ケーシング１５０とロータの歯先との隙間が適正になるように、ケーシング１５０及びロータを収縮させる。

低温（例えば、１１０Ｋ〜７７Ｋ）の環境で作動させるスクリュ式の圧縮機及び膨張機の設計と組み立てをする場合、ケーシング１５０とロータとの間、ロータとロータとの間のクリアランス（隙間）について、上記低温を考慮する必要がある。ケーシング１５０の材料の熱膨張率を、ロータの材料の熱膨張率より大きくする。常温で、上記隙間を大きくして、スクリュ式の圧縮機及び膨張機を組立てる。スクリュ式の圧縮機及び膨張機を使用するとき（つまり、低温環境下に置いたとき）、ケーシング１５０がロータより縮むので、隙間が小さくなり、隙間を適切な大きさにできる。

［８］図４に示す超電導モータ３に用いる軸受、並びに、図７に示す第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２に用いる軸受（軸受１６２，１６４，１６８，１７０，１７１）として、窒化珪素セラミックベアリングを用いる。

スクリュ式の圧縮機及び膨張機の軸受には、相当の偏芯加重がかかるので、潤滑油で焼き付防止をしているベアリングを用いる必要がある。しかしながら、低温（１１０Ｋ以下）で使える潤滑油は存在しない。液体酸素を供給するポンプに使用される窒化珪素セラミックス製のベアリングは、極低温（−１９６℃）の環境下で優れた耐性を示す。セラミックスは、殆ど潤滑を必要としない特性を有する。

［９］図１〜図３に示すシール部材２３は、回転軸３０を回転可能に支持する軸受の機能、超電導モータ３が設置されている空間と外部との間を断熱する機能、及び、超電導モータ３が設置されている空間と外部との間で空気の出入りを遮断する機能を有する回転伝動機構である。

超電導モータ３の回転軸３０は、超電導モータ３が設置されている空間から外部に延びている。超電導モータ３の温度は、液体窒素の温度であり、外部の温度は、常温である。シール部材２３を上記回転伝動機構にすることにより、高効率の液化システム及び発電システムを実現できる。

［１０］上記回転伝動機構は、非接触の回転伝動機構（例えば、磁気カップリング機構）であり、超電導モータ３は、密閉容器内に収容されている。

超電導状態を得るためには冷却が必要である。冷却方式として、冷却回路５の冷熱を熱伝導性に優れる金属を介して超電導モータ３に伝える無冷媒方式と、冷媒液体に超電導モータ３を浸漬して冷却する冷媒方式がある。超電導モータ３から外部設備に機械的な接触で動力を伝達する場合、無冷媒方式では高真空状態の維持、冷媒方式では冷媒の漏洩防止対策が必要となる。超電導モータ３の回転軸３０に対して真空封止及び冷媒封止をする必要がある。これらには高度な技術が必要である。

そこで、非接触の回転伝動機構を採用すれば、超電導モータ３を密閉容器内に設置した状態で、超電導モータ３の動力を外部に伝達することができる。これによれば、シール部材２３が不要となる。また、超電導モータ３の故障等が発生することにより、超電導モータ３、第２の圧縮部５０及び第２の膨張部５２からなるモジュールを交換するとき、モジュールの交換が容易となる。

［１１］超電導モータ３は、超電導材料により構成されたかご形コイル（かご形電極）が配置された回転子を備える誘導モータである。

特開２０１４−５４０９２号公報に開示されアキシャルギャップ型モータにおいて、そのモータの回転子には、円盤形状の永久磁石が配置されている。超電導コイルを、アキシャルギャップ型モータを用いた場合、円盤形状の永久磁石の替わりに、かご形コイルが配列される。かご形コイルは、上記公報に開示されたかご形コイルと同じ構成を採用することができる。

超電導モータ３が、固定子及びかご形コイルが配置された回転子を、冷媒である液体窒素に浸す構造を有する場合、液体窒素の粘性は小さいので、回転子に対する液体窒素の粘性抵抗が小さい。このため、回転子が回転することによる機械損が小さいので、上記構造を有する超電導モータ３を実現することができる。

１ａ，１ｂ液化システム
１ｃ発電システム
２タンク（貯留部）
３超電導モータ（超電導発電機）
４液化機
５冷却回路
８断熱密閉容器
９ガスタービン
１０蒸気タービン
２０隔壁
２１第１の空間部
２２第２の空間部
３０回転軸
４０第１の圧縮部
４２第１の膨張部
５０第２の圧縮部
５１第１の熱交換部
５２第２の膨張部
５３第２の熱交換部

Claims

室温以下の沸点を有する物質を液体状態で貯留する貯留部と、
所定の超電導材料で構成された超電導磁石を含む超電導モータと、
前記超電導モータによって駆動され、気体状態の前記物質を圧縮する第１の圧縮部と、前記第１の圧縮部によって圧縮された前記物質を膨張させることにより、前記物質を気体状態から液体状態に変える第１の膨張部と、を含み、前記貯留部に貯留される液体状態の前記物質を生成する液化機と、
前記超電導モータによって前記第１の圧縮部が駆動されているときに、前記超電導モータによって駆動され、冷媒を圧縮する第２の圧縮部と、前記貯留部に貯留されている前記物質と前記第２の圧縮部によって圧縮された前記冷媒とで熱交換させることにより、前記冷媒を冷却する第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部によって冷却された前記冷媒を膨張させることにより、前記冷媒を前記超電導材料の臨界温度以下にする第２の膨張部と、前記貯留部に貯留されている前記物質と前記超電導磁石を冷却した後の前記冷媒とで熱交換させることにより、前記冷媒の冷熱を前記物質に与える第２の熱交換部と、を含み、前記第２の膨張部で前記臨界温度以下にされた前記冷媒を前記超電導モータに送り、前記超電導磁石を前記臨界温度以下に冷却する冷却回路と、
を備える液化システム。
前記貯留部は、前記物質が貯留され、かつ、前記第１の熱交換部及び前記第２の熱交換部が配置される第１の空間部と、前記超電導モータ、前記第２の圧縮部及び前記第２の膨張部が配置され、前記第１の空間部と隔離された第２の空間部と、を含む請求項１に記載の液化システム。
前記貯留部外で前記貯留部に取り付けら、前記超電導モータ、前記第２の圧縮部及び前記第２の膨張部を収容する断熱密閉容器をさらに備え、
前記第１の熱交換部及び前記第２の熱交換部は、前記貯留部内に配置されている請求項１に記載の液化システム。
前記第２の圧縮部は、スクリュロータである圧縮雌ロータと、前記圧縮雌ロータに噛み合うスクリュロータである圧縮雄ロータとを有するスクリュ式圧縮機であり、
前記第２の膨張部は、スクリュロータである膨張雌ロータと、前記膨張雌ロータに噛み合うスクリュロータである膨張雄ロータとを有するスクリュ式膨張機であり、
前記圧縮雌ロータと前記膨張雌ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、
前記圧縮雄ロータと前記膨張雄ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、
前記超電導モータは、前記膨張雌ロータ及びそれに連結された前記圧縮雌ロータを含む一方の回転体と、前記膨張雄ロータ及びそれに連結された前記圧縮雄ロータを含む他方の回転体とのうち少なくとも一方の回転体を回転させる請求項１〜３のいずれか一項に記載の液化システム。
室温以下の沸点を有する物質を液体状態で貯留する貯留部と、
前記貯留部から供給される前記物質を燃焼させることにより生じたエネルギーを利用して回転するタービンと、
回転軸及び所定の超電導材料で構成された超電導磁石を含み、前記タービンの回転によって前記回転軸が回転されることにより発電する超電導発電機と、
前記回転軸の回転によって駆動され、冷媒を圧縮する圧縮部と、前記貯留部に貯留されている前記物質と前記圧縮部によって圧縮された前記冷媒とで熱交換させることにより、前記冷媒を冷却する第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部によって冷却された前記冷媒を膨張させることにより、前記冷媒を前記超電導材料の臨界温度以下にする膨張部と、前記貯留部に貯留されている前記物質と前記超電導磁石を冷却した後の前記冷媒とで熱交換させることにより、前記冷媒の冷熱を前記物質に与える第２の熱交換部と、を含み、前記膨張部で前記臨界温度以下にされた前記冷媒を前記超電導発電機に送り、前記超電導磁石を前記臨界温度以下に冷却する冷却回路と、
を備える発電システム。
前記貯留部は、前記物質が貯留され、かつ、前記第１の熱交換部及び前記第２の熱交換部が配置される第１の空間部と、前記超電導モータ、前記圧縮部及び前記膨張部が配置され、前記第１の空間部と隔離された第２の空間部と、を含む請求項５に記載の発電システム。
前記貯留部外で前記貯留部に取り付けら、前記超電導発電機、前記圧縮部及び前記膨張部を収容する断熱密閉容器をさらに備え、
前記第１の熱交換部及び前記第２の熱交換部は、前記貯留部内に配置されている請求項５に記載の発電システム。
前記圧縮部は、スクリュロータである圧縮雌ロータと、前記圧縮雌ロータに噛み合うスクリュロータである圧縮雄ロータとを有するスクリュ式圧縮機であり、
前記膨張部は、スクリュロータである膨張雌ロータと、前記膨張雌ロータに噛み合うスクリュロータである膨張雄ロータとを有するスクリュ式膨張機であり、
前記圧縮雌ロータと前記膨張雌ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、
前記圧縮雄ロータと前記膨張雄ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、
前記膨張雌ロータ及びそれに連結された前記圧縮雌ロータを含む一方の回転体と、前記膨張雄ロータ及びそれに連結された前記圧縮雄ロータを含む他方の回転体とのうち少なくとも一方の回転体は、前記タービンの回転によって前記回転軸が回転されることにより、回転する請求項５〜７のいずれか一項に記載の発電システム。