JPH01160356A - 超伝導回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超伝導回転子に関し、特にその冷媒の冷却
に関するものである。

〔従来の技術〕

第５図は、例えば低濡工学第１２巻、第２号（１９７７
）　ｆｉ４２頁に記載されている超伝導発電機の断面構
成図である。この発電機では、回転子を冷却する冷媒と
してヘリウムを用いている。

図において、゛（１）は回転子、（２）は回転子（１）
内に真空空間（３）部を設けて断熱的に支持固定した回
転ヘリウム容器、（４）は回転ヘリウム容器の真空空間
（３）に収納した超伝導線よりなる界磁巻線である。（
５）は回転子（υの中心部に設けたヘリウム供給管、（
６］は蒸発ヘリウム排出管であり、（６ａ）はその反駆
動軸側、（６ｂ）はその駆動側のそれぞれ管路である。

（７）は冷凍機であり、回転子の蒸発ヘリウムガスを液
化して再供給する。

（８）は固定子、（９）は銅線よりなる電機子巻締、Ｑ
（１は鉄心、αコは冷却油、たとえば絶縁油、υは油冷
却器、（１３ａ）は回転子の反駆動側軸受、（１３ｂ）
は回転子の駆動側軸受、（ｌａ）は液体、ヘリウム、（
ｌｂ）はヘリウムガスである。なお矢印はヘリウムの流
れを表わしている。

以上のように構成されている従来の超伝導発電機の動作
について説明する。

回転子（１）内の界磁巻線（４）は冷凍機（７）からヘ
リウム供給管（５）を経由し回転ヘリウム容器（２）に
供給される液体ヘリウムにより所定の温度に冷却される
。

回転ヘリウム容器（２）内の蒸発ヘリウムガスは回転ヘ
リウム容器（２）の両端を支持する円筒部に併設した反
駆動側及び駆動側の蒸発ヘリウムガス管路（６ａ）　、
　（６ｂ）を経由して冷凍機（７）に帰還し液化されて
再供給される。回転子（１）を定格回転数で運転し超伝
導状態の界１巻線（４）に励磁ｍ源からリード線（いず
れも図示しない）を経由して一定の〒流を通覆するとき
、固定子（８）の重機子巻線（９）に生ずる誘導起笥力
を外部に取り出しをｍ　％として機能する。雫機子巻Ｉ
Ｉ　（９）には交番磁界によるうずで流や銅線の電気抵
抗などによる発熱があり、ここでは絶縁油αＤを循環さ
せ油冷却器＠により糸外に熱を放出し固定子（８）を所
定の温度に冷却保持している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の超伝導回転子は以上のように構成でれているので
、回転子を冷却する冷媒液体を外部から移送するため、
移送中の熱侵入が大きく冷却効率が悪い。また、冷媒を
循環させる往復の管路構成にしなければならないため、
構造が複雑になり、強度が不十分であるなどの問題点が
あった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、外部から冷媒液体を移送する必要がなく、こ
のため冷却効率を向上でき、さらに構造が簡単で強度を
向上できる超伝導回転子を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る超伝導回転子は、超伝導線からなる界磁
巻線、この界磁巻線を支持し収納する回転断熱容器、界
磁巻線を冷却する冷媒、及び回転断熱容器と回転子常温
部の間に配置され、冷媒を熱交換により冷却する寒冷源
を備えたものである。

〔作用〕

この発明における寒冷源は回転子に組み込まれており、
この寒冷源によって冷媒は直接冷却されるので、冷媒の
移送を必要とせず冷却効率が良く、非常に構造が簡単に
なる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、（１）は回転子、（２）は回転子（１）内
に真空空間（３］部を設けて断熱的に支持固定した回転
断熱容器、（４）は回転断熱容器（２１に支持され収納
された超伝導線からなる界磁巻線、（５）は回転子外か
ら回転断熱容器（２）内へ冷媒気体を供給する供給管、
（１４ａ）は冷媒液体、（１４ｂ）は回転断熱容器（２
）に供給されて冷却された低温の冷却気体、（１４ｃ）
は供給管（５）を通じて回転断熱容器（２）に供給され
る常温の冷媒気体％（ト）は回転子の回転軸上で、回転
子常温部と回転断熱容器（２）の間の例えば真空空間（
３）内に配置された寒冷源、ａＳは寒冷源α９の吸熱部
、的は寒冷源（至）の放熱部である。

次に動作について説明する。この一実施例では冷媒とし
て水素を用いた例について述べる。寒冷源（至）に電気
エネルギーを電流リード（図示せず）を通して与えると
、吸熱部ａθで吸熱して、冷媒気体（１４ｃ）、回転断
熱容器（２）、界磁巻線（４）などと熱交換することに
より冷却すると同時に、放熱部Ｑっで放熱する。放熱部
αηで放熱された熱は回転子（１）の外面から大気に放
出される。この結果、回転断熱容器（２）、界磁巻線（
４）、常温の冷媒気体（１４ｃ）が冷却され所定の温度
になる。常温の冷媒気体（１４ｃ）は冷却されて低温の
冷媒気体（１４ｂ　）になり、次に冷媒液体（１４ａ　
）になる。この時、不足分の冷媒気体（１４ｃ）を供給
管（５）より供給する。この供給量は例えば液面が所定
の値になったことをセンサー（図示せず）で検出するま
で供給する。

次に、この状態を定常的に保つように、寒冷源α９の能
力を制御すれば、動作の安定した超伝導回転子が得られ
る。冷媒として水素を用いる場合、（１４ａ）は２０に
の液体水素、（１４ｂ）は２０にの水素ガス、（１４ｃ
）は３００にの水素ガスとなる。このように、寒冷源（
至）を回転子（１）の内部に設けたので冷媒の移送の必
要がないため、冷却が非常に簡単で、冷却効率が向上す
る。また、構造も非常に簡単になり、信頼性の高い超伝
導回転子を得る。

なお、上記実施例では寒冷源（至）として吸熱部αＧが
単段で構成されたものを１台用いているが、複数段の湿
度ステージで構成されたものを複数個用いてもよい。第
２図には、２段の温度ステージ、即ち吸熱部（１６ａ）
、（１６ｂ）を有する寒冷源（至）を２台用いた実施例
を示している。（至）は回転断熱容器（２）と回転子常
温部の間に投けられ、回転子常温部□からの熱放射を防
ぐ放射シールドである。２段にした寒冷源のうち温度が
高い初段吸熱部（１６ｂ）でシールド（至）を冷却する
。具体的には冷媒が水素の場合は、例えば７０に程度に
冷却する。

またこのシールド（至）を介して常温の冷媒気体（１４
ｃ）を冷却し、さらに回転断熱容器（２）の支持部を冷
却する。この後、２段吸熱部（１６ａ）で所定の温度、
例えば２０に程度まで冷却すれば、より高い冷却効率が
得られる。

また、第３図は寒冷源（至）と冷媒との熱交換部に拡大
伝熱面を設けた実施例を示す部分拡大断面図である。こ
の例では、第２図に示すシールド（至）と冷媒気体供給
管（５）との熱交換部に、拡大伝熱部員を設けたもので
、例えば拡大伝熱部ケース０１の中に銅やアルミニウム
などの熱良導体によるメツシュ板を複数枚並設したもの
である。このような構成にすれば、冷媒との熱交換率が
さらに向上する。

また、第４図に示すように、断熱回転容器（２）に内面
伝導フィン（財）を設けて拡大伝熱部を構成し、寒冷源
（至）の吸熱部αＧを内面伝導フィン（ハ）に取り付け
れば、熱交換率がさらに向上する。この内面伝導フィン
Ｑ１）は通常はチタンやステンレスの表面にアルミニウ
ムや銅などの熱良導体をコーティングして形成されてい
る。

また、寒冷源（至）の動作ガスを循環管で取り出し、こ
の循環管を内面伝導フィン（ハ）に沿うように構成すれ
ば、動作ガスと断熱回転容器（２）内の冷媒とが効率よ
く熱交換される。また、循環管ではなく、ヒートパイプ
に動作ガスを導入して冷媒と熱交換すればさらに熱交換
率を向上できる。

また、寒冷源（至）は、具体的にはスターリング冷凍機
、ヴイルミア冷凍機、ギフオード・マクマホン（ＧＭ）
冷凍機、ソルベーもしくは改良ソルベー冷凍機、クロー
ド冷凍機、エリクソン冷凍機、パルスチューブ冷凍機、
ペルチェ冷凍機、その他磁気冷凍機などの冷凍機を用い
ることができる。

また、これ゛らの冷凍機のうち可動部のシールを有スる
ものは可動部のシールをクリアランスシールとし１回転
子の回転方向と逆に回転させて地面に対して静止させ、
支持を動圧軸受で行なえば、冷凍機の長寿命化が可能に
なる。

また、寒冷源（至）を回転子（１）の回転軸上に設けた
例を示しており、これに限るものではないが、寒冷源（
至）も含めて回転子（１）全体が回転するので、遠心力
が均一に働くように構成した方が効率が良い。

また、界磁巻線（４）は超伝導線で形成しており。

この超伝導線が超伝導状態を示す温度によって、用いる
冷媒が定まるが、例えば高淵超伝導線として知られるＹ
　−Ｂａ　−Ｃｕ　−０系の超伝導線の場合、約９０に
で超伝導状態となるため、冷媒としては窒素や水素を用
いることができる。

以上、この発明を超伝導発電機の回転子に適用した例に
ついて述べたが、これに限るものではなく、例えば超伝
導モータなどの超伝導回転子にも用いられることは言う
までもない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、超伝導線からなる界
磁巻線、この界磁巻線を支持し収納する回転断熱容器、
界磁巻線を冷却する冷媒、及び回転断熱容器と回転子常
温部の間に配首され、冷媒を熱交換により冷却する寒冷
源を備えたことにより、冷却効率を向上でき、さらに構
造が簡単で、強度を向上できる超伝導回転子を得ること
ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による超伝導回転子を示す
断面構成図、第２図はこの発明の他の実施例による超伝
導回転子を示す断面構成図、第３図はこの発明のさらに
他の実施例に係る熱交換部の拡大断面図、第４図はこの
発明のさらに他の実施例に係る回転断熱容器に取り付け
られた拡大伝熱部付近を示す拡大断面図、第５図は従来
の超伝導発電機を示す断面構成図である。 （１）は回転子、（２）は回転断熱容器、（４）は界磁
巻線、（１４ａ）　、（１４ｂ）　、（１４ｃ）は冷媒
、（２）は寒冷源である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）超伝導線からなる界磁巻線、この界磁巻線を支持
   し収納する回転断熱容器、上記界磁巻線を冷却する冷媒
   、及び上記回転断熱容器と回転子常温部の間に配置され
   、上記冷媒を熱交換により冷却する寒冷源を備えた超伝
   導回転子。
2. （２）寒冷源は、回転子の回転軸上に配置されたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超伝導回転子。
3. （３）寒冷源は、複数段の温度ステージを有することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の超
   伝導回転子。
4. （４）寒冷源と冷媒の熱交換部は、拡大伝熱部を介して
   熱交換する部分を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の超伝導回転子
   。
5. （５）寒冷源の動作ガスを拡大伝熱部に流して熱交換す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の超伝導
   回転子。
6. （６）寒冷源の動作ガスをヒートパイプに導入し、上記
   ヒートパイプにより冷媒と熱交換するようにしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれ
   かに記載の超伝導回転子。
7. （７）寒冷源は、スターリング冷凍機であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに
   記載の超伝導回転子。
8. （８）超伝導線は、高温超伝導線であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の超伝導回転子。