JPH04256A

JPH04256A - 冷媒供給装置

Info

Publication number: JPH04256A
Application number: JP2284078A
Authority: JP
Inventors: Muneo Mizumoto; 宗男水本; Hisanao Ogata; 久直尾形; Tadashi Sonobe; 園部　正
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-04-06
Filing date: 1990-10-22
Publication date: 1992-01-06
Anticipated expiration: 2017-07-24
Also published as: JP3306452B2

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〕本発明は超電導発電機における液体ヘリウム等の冷媒を
回転子内に注入する冷媒供給装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の超電導発電機における液体ヘリウム等の冷媒を回
転子内に供給するための冷媒供給装置では、アドバンス
イズ　イン　クライオジェニックエンジニアリング　２
９巻（１９８４年）第８２９頁から第８３６頁（Ａｄｖ
ａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｃｒｉｏｇ−ｉｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎ
ｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏｌ、２９Ｐ８２９−８３６）に論じ
られているように、回転子先端の軸中心部にあけられた
穴に固定側から注入パイプを接触摺動しないように挿入
するペイオネット構造が一散に用いられている。

このようなペイオネット構造では、液体ヘリウムを熱効
率良く回転子内部に注入する必要があり、注入パイプ壁
を伝導して液体ヘリウムに侵入する外部からの侵入熱量
を小さく押さえる為に、注入パイプの回転子内部への挿
入長を大きくする必要がある。また注入パイプの外径と
回転子の穴内径とのギャップをできるだけ小さくしない
と、この隙間部でのガス対流による熱伝達量が大きくな
り、液体ヘリウムの移送効率が悪くなる。

しかし上記のように、狭いギャップを保ったままで固定
側の液体ヘリウム注入パイプを回転子の穴に長く挿入す
ると、注入パイプと回転子の穴内壁との接触摺動が生じ
易くなり、管壁の損傷、ひいては真空断熱層の破壊を招
き兼ねない。

したがって、液体ヘリウムを熱効率良くかつ確実に回転
子内部に注入するには、外部から液体ヘリウムへの熱侵
入量を小さく保った上で、液体ヘリウム注入パイプの挿
入長をできるだけ短くする必要がある。

〔発明が解決しようとする課題〕しかし上記の従来技術では、液体ヘリウムへの熱侵入量
を小さくするために、液体ヘリウム注入パイプの挿入長
を大きくとり過ぎ、ペイオネット部が機械的損傷を受は
易かった。

本発明の目的は、外部から液体ヘリウムへの熱侵入量を
小さく保ち、かつペイオネット部の機械的損傷を抑えて
、信頼性の高い超電導発電機用の冷媒供給装置を実現す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、冷媒を流通させる内側管
と該内側管を包囲する外套管とから構成し該内側管と外
套管の間を密閉した二重管からなる液体ヘリウム注入パ
イプの外套管を折り返して、外部から液体ヘリウムへの
熱侵入路を長くすることにより侵入熱量を小さくシ、そ
の分だけ、注入パイプの回転子穴への挿入長を短くした
。

また挿入長を短くした液体ヘリウム注入パイプの挿入部
分が回転子の穴内壁に接触摺動せず、安定して液体ヘリ
ウムを注入できるように、注入パイプ挿入部と回転子穴
の内壁間に、ガスベアリング機構、あるいは超電導材料
と磁石によるマイスナー効果を発生させる機構を設けた
。

さらに、上記の注入パイプ挿入部分を回転子の穴部に挿
入し組み立てる際に接触摺動が生じないように、スライ
ドベアリングを用いて注入パイプと回転子相互の位置決
めをした。

〔作用〕

２重管からなる液体ヘリウム注入パイプの外套管折り返
し部は、回転子先端部を隙間を介して覆うように配置さ
れ、外部から液体ヘリウム雰囲気までの熱伝導路を長く
保つことができるため、温度勾配を小さくすることがで
きる。これにより。

外部から液体ヘリウム雰囲気に侵入する熱量を小さく抑
えることができる。

また液体ヘリウム注入パイプと回転子相互の位置決め用
として用いたスライドベアリングは、上記の注入パイプ
挿入部分を回転子の穴部に挿入し組み立てる際に接触摺
動が生じないようにすることができる。

さらに上記のガスベアリング機構として、液体ヘリウム
注入パイプの先端部、即ち回転子の穴内部に挿入される
注入パイプ部分に、注入パイプの内部から外部に抜ける
小孔を複数個設ける。この小孔を通して、注入される液
体ヘリウムの１部がもれ、ガス化して注入パイプ挿入部
分と回転子穴の内壁間に充満する。上記小孔は絞りとし
て作用してガスベアリング機構を形成するため、回転子
と注入パイプが相対振動しても、接触摺動を防止するこ
とができる。

あるいは上記の液体ヘリウム注入パイプの先端部に磁石
材を、またこの磁石材と対向する回転子穴の内壁に超電
導材料を装着することにより、両者のあいだにマイスナ
ー効果によって生じる反発力を利用して接触摺動を防止
することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

第１図の回転子６の先端には、冷媒を流通させる内側管
と該内側管を包囲する外套管とから構成し該内側管と外
套管の間を密閉した２重管からなる張り出し部１ｏがあ
り、内部は真空層で断熱されている。この張り出し部１
０の中心には回転子本体２０内の超電導巻線に通じる穴
１９がおいている。この穴１９に液体ヘリウム注入パイ
プ１を一般には０．５−以下の半径ギャップを介して挿
入する。ここで液体ヘリウム注入パイプ１は回転子先端
の張り出し部１０と同様２重管でできており、内部は液
体ヘリウムに外部より熱を侵入させないように真空断熱
層２となっている。その外套管には折り返し部９が設け
られていて、液体ヘリウム注入パイプ１が回転子先端の
穴１９に挿入された際に回転子の張り出し部１０をギャ
ップをかいして覆うようになっている。

また図中の矢印のように注入パイプ１より回転子内に注
入された液体ヘリウムは、回転子本体内に設置された超
電導巻線を冷却した後、ガス化昇温しで常温ガスとなり
、ヘリウムガス戻り流路を通って再度冷媒給徘部に戻り
１図中の矢印のように給徘部の外部に複数に別れて排出
される。

このような構造では、図中のｌａ、６ａ付近は液体ヘリ
ウム温度、またｌｃ、６ｃ付近は常温となり、１ｃ→１
ｂ→１ａ、６ｃ→６ｂ→６ａというパイプ壁の経路をた
どって外部より液体ヘリウムに熱が伝導し侵入する。

しかし、第２図に示すような従来の冷媒供給装置では１
本発明のように注入パイプに折り返し部９がなく、液体
ヘリウム温度雰囲気１ａ’　、６ａと常温雰囲気１ｃ′
、６０′間の熱伝導量を減らすには注入パイプ１′の挿
入長を大きくとらねばならない。

第３図は、超電導発電機の一般的構造を示したものであ
る。従来の常電導発電機と根本的に異なる点は、回転子
６′内の回転子巻線が超電導線材でできた超電導コイル
２８からなることである。

固定子巻線２４に相対するこの超電導コイル２８を超電
導状態にするために極低温に冷却する必要があり、回転
子６′の先端に設けられたヘリウム給徘部２９を通して
、外部のヘリウム冷凍機２７からの液体ヘリウムを回転
子６′内に供給している。回転子６′内に供給された液
体ヘリウム２５は軸回転によって発生する遠心力によっ
て回転子６′内の外周側に押しやられ、第３図中の穴部
３２を通って超電導コイルを冷却する。ガス化したヘリ
ウムは再びヘリウム給排部２９に戻り、ガス排出孔を通
って外部のヘリウム冷凍機２７に送られる。また回転子
６′内は外部からの熱侵入を防止するために、真空層２
が設けられている。

このような超電導発電機では、ヘリウム給徘部２９は一
般に軸受３１′から非常に大きくオーバーハングしてい
るため、回転振動が非常に大きい。

第２図のような従来型の冷媒供給装置では、上記のよう
に注入パイプを０．５Ｗ以下の狭いギャップを介して１
００ｍ＋以上挿入しなけばならず、従って注入パイプ１
′と穴内壁間の接触摺動を生じ易い。この接触摺動によ
り穴１９の内壁の損傷が進行すると、真空層２が破れて
回転子内の液体ヘリウムの爆発的蒸発を伴った大事故に
つながる。

第１図に示す本発明の実施例によれば、上記のように液
体ヘリウム注入パイプ１に折り返し部９があるため、注
入パイプｌの挿入長を６０ｍｍ以下に小さくしても熱の
伝導路を充分長くできる。従って外部から液体ヘリウム
への熱侵入量を小さく、かつ注入パイプ１と回転子の穴
１９間の接触摺動を生じさせず、信頼性の高い冷媒供給
装置を実現することができる。

この実施例による冷媒供給装置では、液体ヘリウムだけ
でなく、液体窒素そのだの冷媒の供給装置にも適用でき
る。

第４図は第１図の２重管からなる注入パイプ１の真空断
熱層２を熱伝導率の小さい材料２３で中実にしたもので
ある。低熱伝導材料としては、ＰＴＦＥ等のプラスチッ
ク材料あるいはセラミックス材料等がある。本実施例に
よれば上記の注入パイプの機械的強度を高めることがで
き、かつ冷媒への熱侵入量を小さくできる。

第５図は第１図の注入パイプ部を拡大したものである。

本図では回転子の張り出し部１０と注入パイプの折り返
し部９で構成される外側ギャップｄが内側ギャップｄ′
よりも大きくなるように構成されている。

従来、液体ヘリウム注入パイプと回転子の穴内壁との半
径ギャップは０．５ｍｍ以下に抑えないとこのギャップ
内においてヘリウムガスの対流が激しくなり、それに伴
う熱の侵入量が増大するといわれていた。しかし我々の
計算によると、ギャップ部の対流により３００にの常温
から低ａＴｃ側へ侵入する侵入熱量は、低温側温度Ｔｃ
が約１５に以上では殆ど無視できることがわかった（第
６図参照）。この理由は、ヘリウムの粘度及び密度と温
度の関係により、Ｔｃが１５に以上の比較的高温範囲で
は対流による熱移送量が非常に小さくなるためである。

第５図に示したようにベイオネット部の構造を折り返し
タイプにすると、折り返し部１ｂ、６ｂ部の温度が１５
により充分高くなる。したがって外側ギャップ部のギャ
ップ幅ｄを多少大きくしても、対流による熱侵入量は殆
ど無視できる。

本実施例では内側ギャップｄ′を０．５画以下にしてヘ
リウムガスの対流を押さえている。外側ギャップｄを０
．５ａｎより大きくしても、対流による熱侵入量は上記
のように充分小さくできるので、液体ヘリウムへの全熱
侵入量を許容値以下におさえることは容易である。

この実施例によれば、液体ヘリウム注入パイプに折り返
し部９をもうけて挿入長を短くシ、かつ外側ギャップｄ
を大きくしであるので、注入パイプの挿入がし易くかつ
機械的信頼性が非常に向上する。

第７図から第１０図は外側ギャップ６部に摺動性が良く
かつ低熱伝導率の材料からなるブツシュをはめ込み、ギ
ャップｄを小さくしたものである。

即ち第７図では、ブツシュ１２を回転子の張り出し部１
０にはめ込み、ギャップｄを狭くして対流をおさえてい
る。ブツシュ材質としてはＰＴＦＥ。

ポリイミド等の高分子材料等の摺動性が良く熱伝導の小
さいものが適している。これにより、注入パイプの挿入
長を短くできることはもとより、外側ギャップ部での対
流による熱侵入量をより一層減少させ、万一外側ギャッ
プ間に接触摺動が生じても１機械的損耗を防止すること
ができる。

第８図は第７図におけるブツシュ１２を液体ヘリウム注
入パイプ側に装着したものである。この実施例によれば
、第５図の実施例と同様の効果が期待できるばかりでな
く、ブツシュ１２′が非回転側部材に装着されているた
め、プツシ：ｘ　１２　’の回転による破壊を防止する
こともできる。

第９図は第７図同様に低熱伝導の摺動材からなるブツシ
ュを回転子の張り出し部１０にはめ込んだものである。

但し、このブツシュ１３には同心状の突起１３ａが複数
個ついている。この同心状の突起間隔をガス対流の必要
長以下にとれば、外側ギャップｄでのガス対流を防止で
きるため、ギャップ幅ｄをより一層大きくすることがで
きる。

また万一このギャップ間に接触摺動が生じても、突起部
１３ａだけが接触するため、摺動による摩耗粉の量を少
なくでき、液体ヘリウムの汚染をおさせることができる
。

第１０図は第９図で示した同心状突起１３′ａ付きブツ
シュ１３″を非回転側である液体ヘリウム注入パイプ１
に固定したものである。この場合も第９図で示した実施
例同様の効果が期待できるばかりでなく、ブツシュ１３
′の回転力による破損を防止することもできる。

第１１図は回転子と軸受５を介して一体となっている非
回転の固定カバー１１と液体ヘリウム注入パイプ１の間
に、スライドベアリング１４を配置したものである。こ
の実施例によれば液体ヘリウム注入パイプ１を装着する
際に、上記のスライドベアリング１４がガイドとなるた
め、回転子の穴１９の内壁と液体ヘリウム注入パイプ１
との接触を防止して安全な装着が可能となる。

第１２図は液体ヘリウム注入パイプ１の挿入長Ｌ′に比
して、スライドベアリング１４のスライド長を大きくし
たものである。このようにすることにより装着作業の際
、液体ヘリウム注入パイプ１の先端部１ａが回転子の先
端部６ｂに到達する前に、スライドベアリング１４によ
り注入パイプ１がガイドされるため、より安全に装着作
業を行うことができる。

第１３図は注入パイプ１の先端部に張り出し部１６をも
うけ、そこに摺動材料からなるリング１５を取り付けた
ものである。摺動リング１５はパイプの張り出し部１６
の突起１６’　　　１６″間に取り付けられ、はずれな
いようになっている。

また摺動リング１５の外径ｄは液体ヘリウム注入パイプ
１の注入部の外径ｄ′よりも多少大きくなっている。摺
動リング１５の材質としてはＰＴＦＥ、ポリイミド等の
高分子材料あるいは金、銀等の軟質金属等が適している
。この実施例によれば、異常振動等により万一注入パイ
プ１の先端部が回転子の穴１９の内壁に接触しても、摺
動リング１５が先に接触するため、液体ヘリウム注入パ
イプ１は直接機械的損傷を受ける事無く、安全に液体ヘ
リウムを回転子内に注入することができる。

第１４図は液体ヘリウム注入パイプ１の２重管からなる
挿入部分にパイプの半径方向に連通した小孔１８を複数
個あけたものである。またこの小孔１８がおいている注
入パイプ先端部と液体ヘリウム注入パイプ１の本体とは
ベローズ１７．１７’で連結されており、注入パイプ先
端部は自在に変動可能かつこの注入パイプの２重管内は
真空層２を維持できるようになっている。この構造の場
合、液体ヘリウムは注入パイプ１を流れる途中、小孔１
８の壁を伝導して液体ヘリウムに侵入する熱によりその
一部がガス化する。ガス化したヘリウムは小孔１８を通
って注入パイプ１の内側から外側に漏れでる。小孔１８
の穴径を適当に小さくし、かつ注入パイプ１の外径と回
転子の穴内径とのギャップｄを充分小さくすれば、ギャ
ップ８部ではガスベアリングの効果が期待できる。この
構造により異常振動等により注入パイプ１と回転子の穴
内壁とに相対変動が生じても、上記のガスベアリングの
圧力効果により、両者の接触を防止して機械的損耗を防
ぐことができる。本実施例は従来型ペイオネット構造の
冷媒給徘機に使用しても当然同様の効果を発揮する。

第１５図は第１４図の実施例と同様に注入パイプ先端部
と液体ヘリウム注入パイプ１の本体とはベローズ１７．
１７’で連結されており、注入パイプ先端部は自在に変
動可能かっこの注入パイプの２重管内は真空層２を維持
できるようになっている。また上記の注入パイプの先端
部には、第１３図の場合と同様に摺動リング材料がはめ
こまれている。この構造により異常振動等により注入パ
イプ１と回転子の穴内壁とに相対変動が生じても、上記
のベローズの弾性変形により摺動リングと回転子穴の内
壁が低い接触面圧で接触し１両者の機械的損耗を防ぐこ
とができる。本実施例は従来型ペイオネット構造の冷媒
給徘機に使用しても当然同様の効果を発揮する。

第１６図は第１４．１５図と同じく、注入パイプの挿入
部と注入パイプ１の本体間をベローズ１７．１７’で結
合したものである。また上記注入パイプの先端部にはリ
ング状の磁石２２が取り付けられている。かつこのリン
グ状磁石２２と対向した、回転子の穴１８内壁部に超電
導性を有する材料２１を全周にわたって接合されている
。上記の超電導性を有する材料としては、注入される冷
媒の温度下で超電導性を発揮するものであればよく、最
近開発されている高温超電導材料でもよい。とくに液体
窒素を冷媒として使用する冷媒供給装置では、この高温
超電導材料が適している。

上記の磁石２２と超電導リング材２１との間には、マイ
スナー効果による反発力が発生するため、上記注入パイ
プ１と回転子の穴１８間に相対振動が発生しても両者の
間の接触摺動がおき難く、機械的損耗を防止できる。

上記の効果は、リング状磁石２２を回転子の穴１８内壁
に、また超電導リング材を注入パイプ１の先端にとりつ
けても同様に実現できる。

〔発明の効果〕

本発明の冷媒供給装置によれば、外部から液体ヘリウム
の熱侵入量を小さく保つことができるので、液体ヘリウ
ムを熱効率良くかつ確実に回転子内部に注入することが
でき、同時に機械部品間の接触摺動を防止してその損耗
を防止し、装置の信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の冷媒供給装置の一実施例を示す断面図
、第２図は従来の冷媒供給装置の断面図、第３図は超電
導発電機の一般的構造を示す図、第４図、第５図及び第
７図ないし第１６図はそれぞれ本発明の実施例を示す図
、第６図はペイオネット部の温度と熱侵入量の関係を示
す図である。１・・・液体ヘリウム注入パイプ２・・・真空層３・・・ヘリウムガス戻り流路４　・・・シール５・・・軸受６・・・回転子８・・・Ｏリング９・・・注入パイプの折り返し部０・・・回転子先端の張り出し部１・・・固定カバー２・・・低熱伝導率ブツシュ３・・・低熱伝導率ブツシュ４・・・スライドベアリング５・・・摺動リング６・・・注入パイプの張り出し部６′　　１６”・・・突起７・・・ベローズ８・・・小孔９・・・回転子の中心穴０・・・回転子本体１・・・超電導リング材２・・・リング状磁石２３・・・低熱伝導材２４・・・固定子巻線２５・・・液体ヘリウム２７・・・ヘリウム液化装置２８・・・超電導コイル２９・・・ヘリウム給徘部３０・・・電流リード３１・・・軸受３２・・・穴部

Claims

【特許請求の範囲】１、回転子先端の軸中心にあけられた穴に冷媒を流通さ
せる内側管と該内側管を包囲する外套管とから構成し該
内側管と外套管の間を密閉した２重管からなる注入パイ
プを挿入して冷媒を外部より該回転子内部に注入する回
転機械において、上記の軸中心にあけられた穴を有する
回転子先端部を軸中心に張り出し、上記２重管からなる
注入パイプの外套管に、中心軸に並行な折り返し部を設
け、該折り返し部が上記の回転子先端の張り出し部を覆
うようにしたことを特徴とする冷媒供給装置。２、上記の２重管からなる注入パイプの内側管と外套管
の間が真空であることを特徴とする請求項記載の冷媒供
給装置。３、上記２重管からなる注入パイプの内側管の外套管の
間を断熱材で充填したことを特徴とする請求項１記載の
冷媒供給装置。４、上記の回転子先端の軸中心にあけられた穴に挿入さ
れた上記注入パイプの外径と該穴の内径の差が、上記回
転子先端部に設けられた張り出し部の外径と該張り出し
部を覆う上記注入パイプの折り返し部の内径との差より
も小さいことを特徴とする請求項１ないし３の中のいず
れか１項に記載の冷媒供給装置。５、上記の回転子先端部に設けられた張り出し部の外周
を熱伝導率の小さい摺動材料で覆ったことを特徴とする
請求項４記載の冷媒供給装置。６、上記の注入パイプの折り返し部の内周を熱伝導率の
小さい摺動材料で覆ったことを特徴とする請求項４記載
の冷媒供給装置。７、上記の熱伝導率の小さい摺動材料の外周部に複数個
の同心円状の突起を設けたことを特徴とする請求項５記
載の冷媒供給装置。８、上記の熱伝導率の小さい摺動材料の内周部に複数個
の同心円状の突起を設けたことを特徴とする請求項６記
載の冷媒供給装置。９、上記回転子を該回転子と相対振動なく覆う非回転の
固定カバーを設け、かつ上記回転子先端部にあけられた
穴に上記注入パイプが同心状に挿入されるように、該固
定カバーと上記注入パイプ間にスライド機構を設けたこ
とを特徴とする請求項１ないし８の中のいずれか１項に
記載の冷媒供給装置。１０、上記スライド機構としてスライドベアリングを用
いたことを特徴とする請求項９記載の冷媒供給装置。１１、上記スライド機構と上記注入パイプの相対スライ
ド距離が、該注入パイプが上記の回転子先端部にあけら
れた穴に挿入される挿入距離よりも長いことを特徴とす
る請求項９記載の冷媒供給装置。１２、上記回転子の先端部にあけられた穴に挿入される
注入パイプ先端部の外径を小さくして、該小径部にリン
グ状の摺動材料を設けたことを特徴とする請求項１ない
し１１の中のいずれか１項に記載の冷媒供給装置。１３、上記注入パイプの、上記回転子にあけられた穴へ
挿入される挿入部分を、注入パイプ本体にたいしてベロ
ーズを用いて支持したことを特徴とする請求項１２記載
の冷媒供給装置。１４、上記回転子の穴へ挿入される上記注入パイプの挿
入部分に、該パイプの内側から外側に通ずる小孔を複数
個あけたことを特徴とする請求項１３記載の冷媒供給装
置。１５、上記注入パイプの挿入部分の先端に該パイプ先端
を覆うようにリング状磁石を取り付け、かつ該磁石と対
向する回転子穴の内壁円周部に超電導材料を装着したこ
とを特徴とする請求項１３記載の冷媒供給装置。１６、固定子巻線と、該固定子巻線に相対する超電導コ
イルを内蔵し該超電導コイルを冷却する極低温冷媒液体
を貯蔵する回転子とを備えた超電導発電機において、該
回転子の先端に請求項１ないし１５の中のいずれか１項
に記載の冷媒供給装置を設けたことを特徴とする超電導
発電機。