JPH08168234A - 超電導回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】回転子内のガス圧力が異常に上昇した場合には
速やかに機内冷媒ガスの排出を行い、且つ常時の侵入熱
の増加を与えないようにすることにある。 【構成】中心部に冷媒液を貯蔵する中空孔３を有し、且
つ超電導界磁巻線２が取付けられた巻線取付軸１の一方
の端部軸内に冷媒放出路を巻線取付軸内に連通させて中
心軸方向に設けると共に、この冷媒放出路を軸端部に設
けられた排気孔より前記巻線取付軸の中空孔で発生する
冷媒ガスを回転子外部へ放出させるようにした超電導回
転電機の回転子において、冷媒放出路内に２つの安全弁
9a,9b を設け、その１つの安全弁9aを冷媒放出路と巻線
取付軸の中空孔とを連通する部分の低温側に配置し、且
つ２つの安全弁間から径方向に大気側に連通させて真空
排気管14を設け、この真空排気管に仕切弁15を設けてこ
れら２つの安全弁9a,9b と仕切弁15とによって区画され
た空間を通常運転時には真空状態に保持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導回転電機の回転子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、超電導線を回転界磁巻線として利
用した超電導発電機が開発されている。この場合、超電
導界磁巻線は、その超電導性を維持するために４Ｋ程度
の極低温に冷却しなければならず、そのために冷却冷媒
として液体ヘリウムが用いられる。

【０００３】ここで、超電導発電機の構成例を図５によ
り説明する。図５において、１は超電導界磁巻線２が取
付けられた巻線取付軸で、この巻線取付軸１はその中心
部に液体ヘリウムを貯蔵する中空孔３を有し、その両端
には界磁巻線への熱の侵入を低減するために巻線取付軸
１内で気化したヘリウムガスを流して冷却を行う熱交換
器４がそれぞれ取付けられている。

【０００４】また、５は巻線取付軸１を包囲するように
熱交換器４にそれぞれ支持させて設けられた輻射シール
ド、６は回転子の外筒を形成し、且つ巻線取付軸１、熱
交換器４及び輻射シールド５全体を収容する真空容器を
兼ねたダンパ機能を有する常温ダンパである。

【０００５】この常温ダンパ６の一端にはタービン側端
部軸１１、他端にはヘリウム・トランスファ・カップリ
ング（ＨＴＣ）側端部軸１２がそれぞれ取付られてい
る。上記タービン側端部軸１１の中心軸方向には、緊急
排気管１０が巻線取付軸１内に連通させて設けられ、ま
たこの緊急排気管１０と連通し且つ径方向に抜ける排気
孔に安全弁９が設けられている。

【０００６】また、上記ＨＴＣ側端部軸１２の端部に有
するヘリウム・トランスファ・カップリング８を介して
巻線取付軸１の中空孔３に対して液体ヘリウムの供給お
よび蒸発ガスヘリウムの回収を行うヘリウム給排管１３
が配置され、その外径側に電流リード１４が配設されて
いる。この電流リード１４は機内側が超電導界磁巻線２
と接続され、軸端側はＨＴＣ側端部軸１２の外周面に取
付けられたコレクタリング７に接続されている。

【０００７】このような構成の超電導発電機において、
通常の運転時には超電導界磁巻線２はほとんど熱損失を
発生させない上、外部からの侵入熱も常温ダンパ６によ
る真空断熱、輻射シールド５、熱交換器４による冷却等
により極力低減させているため、回転子内部での液体ヘ
リウムの蒸発量は少ない。

【０００８】しかし、外乱による超電導界磁巻線２の常
電導転移、あるいは真空破壊等による侵入熱の増加等、
異常状態が生じた場合、回転子内部で液体ヘリウムが急
激に蒸発し、通常のヘリウム・トランスファ・カップリ
ング８に至るヘリウム給排管１３を通してのガスヘリウ
ム流路では排気しきれず、回転子内部の圧力が急激に増
大する危険がある。

【０００９】そのため、通常のガスヘリウム流路とは別
に緊急排気管１０と連通し且つタービン側端部軸１１の
端部に有する径方向に抜ける排気孔に設けられた安全弁
９を動作させて直接回転子外部にヘリウムガスを放出さ
せている。この場合、緊急放出管１０はその断面積が大
きい方がより効果的に異常上昇したガスヘリウムを放出
することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような超
電導発電機の回転子において、前述したように回転子内
部のガス圧力が異常上昇した場合に備えて設けられた緊
急放出管１０は、その一端が回転子外部、すなわち常温
部に連通しているため、巻線取付軸１への侵入熱の増加
の原因となる。

【００１１】この場合、緊急放出管そのものの熱伝導に
よる侵入熱は管の薄肉化と軸方向の距離をある程度確保
することによって改善されるが、緊急放出管１０内のガ
スの対流によって熱伝達される侵入熱は緊急排出管１０
の断面積の増大によって増加するため、これによって緊
急排出管の断面積は制限を受ける。

【００１２】そこで、この緊急放出管からの侵入熱の問
題を解消する手段として、特開昭５６−９８３５５号公
報においては熱交換器４のヘリウムガス出口部より緊急
放出管を引出すことにより侵入熱の低減を図っている
が、このような構成にすると熱交換器部の流路抵抗が大
きくなり、排気容量を増大させるため、問題解決には至
っていない。

【００１３】また、特開昭６３−１９８５７４号公報に
おいては、緊急排出管をその中間温度部において外径側
にＵ字形の湾曲部を設け、管内の対流による侵入熱の低
減を図っているが、対流防止は完全なものとは言えな
い。

【００１４】一方、ＨＴＣ側端部軸１２側において、図
６及び図７にその詳細を示すようにＨＴＣ側端部軸１２
内に配設され、フレキシブル銅帯１６及び接続スタッド
２３を介して超電導界磁巻線２に接続された電流リード
１４の冷却は、自己の侵入熱による蒸発したガスヘリウ
ムにより自己の構成要素を冷却するという自己調整冷却
方式を採用している。

【００１５】この自己調整冷却方式を良好に果たせるよ
うに各要素の侵入熱毎にそれに見合う蒸発ガスヘリウム
を各要素の排気経路に導くようにしているが、電流リー
ド１４の低温端にあるフレキシブル銅帯１６は巻線取付
軸１内にあり、フレキシブル銅帯１６の給気管１７から
液体ヘリウムへ伝えられた侵入熱が熱交換され、ガスヘ
リウムに気化し、電流リード１４の排気経路１８へと流
れるが、一部はフレキシブル銅帯１６端から外側へ伝え
られ、気化したガスヘリウムはガスヘリウム排気管１９
を通して排気されることを余儀なくされていた。

【００１６】なお、図中２０はガスヘリウム給気ブロッ
ク、２１は接続ブロック、２２はフレキシブル板であ
る。本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたもの
で、回転子内のガス圧力が異常に上昇した場合には速や
かに機内冷媒ガスの排出を行い、且つ常時の侵入熱の増
加を抑えることの可能な緊急排出機構を有する超電導回
転電機の回転子を提供することを第１の目的とする。

【００１７】また、本発明は電流リード自身の冷却を良
好にすると共に、電流リードの熱収縮にも影響されるこ
となく本来の自己調整冷却機能を十分に果たすことがで
きるフレキシブル銅帯を有する超電導回転電機の回転子
を提供することを第２の目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記第１の目的
を達成するため、次のような手段により超電導回転電機
の回転子を構成するものである。請求項１に対応する発
明は、中心部に冷媒液を貯蔵する中空孔を有し、且つ超
電導界磁巻線が取付けられた巻線取付軸の一方の端部軸
内に冷媒放出路を巻線取付軸内に連通させて中心軸方向
に設けると共に、この冷媒放出路を軸端部に設けられた
排気孔より前記巻線取付軸の中空孔で発生する冷媒ガス
を回転子外部へ放出させるようにした超電導回転電機の
回転子において、前記冷媒放出路内に２個の安全弁を設
け、その１つの安全弁を冷媒放出路と巻線取付軸の中空
孔とを連通する部分の低温側に配置し、且つ２つの安全
弁間から径方向に大気側に連通させて真空排気管を設
け、この真空排気管に仕切弁を設けてこれら２つの安全
弁と仕切弁とによって区画された空間を通常運転時には
真空状態に保持する。

【００１９】請求項２に対応する発明は、請求項１に対
応する発明の２つの安全弁のうち、低温側に設置された
一方の安全弁の放出圧力設定値を他方の安全弁のそれよ
りも高くする。

【００２０】請求項３に対応する発明は、請求項１に対
応する発明の巻線取付軸内に連通させて中心軸方向に設
けられる冷媒放出路を、その流路断面積が低温側から軸
端部に向って拡大させる。

【００２１】請求項４に対応する発明は、中心部に冷媒
液を貯蔵する中空孔を有し、且つ超電導界磁巻線が取付
けられた巻線取付軸の他方の端部軸内に超電導界磁巻線
に電流を供給する電流リードの常温側を巻線取付軸内の
中心軸方向に挿通し、且つ低温側を電流リードの熱収縮
を吸収するフレキシブル銅帯を介して超電導界磁巻線に
接続してなる超電導回転電機の回転子において、フレキ
シブル銅帯部の外表面を熱絶縁物で被覆する。

【００２２】請求項５に対応する発明は、請求項４に対
応する発明のフレキシブル銅帯の熱絶縁物を電流リード
接続側と超電導界磁巻線の接続スタッド側で独立した熱
絶縁とし、この単独熱絶縁物と全体の熱絶縁物との間で
電流リードの熱収縮に追従できるスライド機構を設け
る。

【００２３】

【作用】請求項１及び請求項２に対応する発明の超電導
回転電機の回転子にあっては、冷媒放出路内に設けられ
た２つの安全弁と仕切弁とによって区画された空間を通
常運転時に真空状態に保持することにより、冷媒放出路
内においては対流による侵入熱が殆どなくなるため、冷
媒放出路の断面積を増大させても弊害がなく、従って十
分な排出容量を有する緊急排出が可能となり、異常時の
回転子内の圧力上昇を低く押さえることができる。

【００２４】請求項３に対応する発明の超電導回転電機
の回転子にあっては、上記と同様に常用運転時の侵入熱
を増加させることなく、冷媒放出路の断面積を増大さ
せ、排気容量を増加させることができる。また、冷媒放
出路をその流路断面積が低温側から軸端部に向って拡大
するようにしているので、低温側の安全弁より排出した
冷媒ガスが冷媒放出路内で膨脹し、より排出速度を高め
ることができる。

【００２５】請求項４に対応する発明の超電導回転電機
の回転子にあっては、電流リードからの侵入熱をフレキ
シブル銅帯の給気管内の液体ヘリウムの気化に殆どが用
いられ、電流リードを冷却するので、ガスヘリウム排気
管へ気化したガスヘリウムが導かれることは殆どなくな
る。

【００２６】請求項５に対応する発明の超電導回転電機
の回転子にあっては、ガスヘリウム給気ブロックと、接
続ブロックは独立した熱絶縁をしており、電流リードの
熱収縮にも追従できるので、電流リード自身の冷却を良
好にすると共に、電流リードの熱収縮にも影響されるこ
となく、本来の自己冷却機能の良好なフレキシブル銅帯
となし得る。

【００２７】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。図１は本発明による超電導回転電機の回転子の第１
の実施例の要部を示す断面図であり、図５と同一部分に
は同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる
点について述べる。

【００２８】第１の実施例では、図１に示すように中心
部に液体ヘリウムを貯蔵する中空孔３を有し、且つ超電
導界磁巻線２が取付けられた巻線取付軸１のタービン側
端部軸１１より中心軸方向に巻線取付軸１内に連通させ
て設けられた緊急排気管１０の低温側、つまり巻線取付
軸１側に安全弁９ａを設け、またこの緊急排気管１０の
端部軸１１側に連通し且つ径方向に抜ける排気孔に安全
弁９ｂを設ける。これら２つの安全弁９ａ，９ｂのう
ち、低温側安全弁９ａの放出圧力設定値は従来構造の安
全弁プラス真空圧力分とし、大気側安全弁９ｂの放出圧
力設定値はそれよりも十分小さい圧力値に設定されてい
る。

【００２９】また、緊急排気管１０の安全弁９ａ，９ｂ
とに挟まれた区間１０ａには径方向に大気側と連通する
真空排気管１３が設けられると共に、この真空配管１３
に仕切弁１５を設け、大気としゃ断している。

【００３０】このような構成の超電導発電機の回転子に
おいて、静止状態にあるとき仕切弁１５を開いて真空排
気管１３より緊急排気管１０の区間１０ａを真空状態に
保持しておく。

【００３１】従って、このような状態で運転されても緊
急排気管１０内の対流は起こらないので、緊急排気管１
０から巻線取付軸１に対する侵入熱はなくなり、緊急排
気管１０の熱伝導によるものだけである。

【００３２】この熱伝導による侵入熱は、従来の構成例
で述べたように緊急排気管１０の薄肉化並びに軸方向寸
法をある程度長くすることにより容易に改善されるた
め、常用運転時の侵入熱を増加させることなく、緊急排
気管の内径を増加させ、排気容量を増加させることがで
きる。したがって、超電導界磁巻線の常電導転移や回転
子内の真空破壊と言った異常状態における急激な回転子
内圧力の上昇を大きな排出容量で速やかに排除できるた
め、回転子各部に作用する最高圧力値を低減でき、回転
子の保護が十分に行われ、安全な運転の再開が容易とな
る。

【００３３】なお、運転の再開には、緊急排出管１０の
区間１０ａを再度真空にする必要があるが、一般に緊急
排気が行われるような事象の後は回転子の停止操作が行
われると考えられるので、区間１０ａの際に真空引きを
支承なく実施することができる。

【００３４】図２は本発明の第２の実施例の要部を示す
断面図であり、図５と同一部分には同一符号を付してそ
の説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。第
２の実施例では、図２に示すように中心部に液体ヘリウ
ムを貯蔵する中空孔３を有し、且つ超電導界磁巻線２が
取付けられた巻線取付軸１の端面とタービン側端部軸１
１との間に大気側に向って断面積が増加するテーパ形状
の緊急排気管２０を設けると共に、この緊急排気管２０
の低温側端を巻線取付軸１内に連通させる。そして、こ
の緊急排気管２０の低温側に安全弁９ａを設け、またこ
の緊急排気管２０の大気側で端部軸１１の径方向に抜け
る孔に連通する部分に安全弁９ｃを設ける。これら２つ
の安全弁９ａ，９ｃのうち、大気側安全弁９ｃは低温側
安全弁９ａに比べて口径の大きな弁が設けられる。

【００３５】また、緊急排気管２０の安全弁９ａ，９ｃ
とに挟まれた区間２０ａには径方向に大気側と連通する
真空排気管１３が設けられると共に、この真空配管１３
に仕切弁１５を設け、大気としゃ断している。

【００３６】このような構成の超電導回転電機の回転子
とすれば、第１の実施例と同様に常用運転時の侵入熱を
増加させることなく、緊急排出管の内径を増加させ、排
気容量を増加させることができる。特に緊急排出管２０
を大気側に向って断面積が増加するテーパ形状にして、
緊急時安全弁９ａより排出した極低温のヘリウムガスが
緊急排出管１５内で膨脹するようにしてあるので、より
排出速度を早めることができる。したがって、超電導界
磁巻線の常電導転移や回転子内の真空破壊と言った異常
状態における急激な回転子内圧力の上昇を大きな排出容
量で速やかに排除できるため、回転子各部に作用する最
高圧力値を低減でき、回転子の保護が十分に行われ、安
全な運転の再開が容易となる。

【００３７】図３は本発明による超電導回転電機の回転
子の第３の実施例におけるフレキシブル銅帯を示す断面
図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。図
３及び図４において、電流リード１４の低温端側で接続
されたガスヘリウム給気ブロック２０の外周の全体を熱
絶縁物２４で被覆し、且つ接続ブロック２１、電流リー
ド１４の熱収縮を吸収するフレキシブル板２２及び熱絶
縁されたガスヘリウム給気ブロックの外周全体を熱絶縁
物２４で被覆する。

【００３８】この場合、電流リード１４の熱収縮により
ガスヘリウム給気ブロック２０がスライドするが、ガス
ヘリウム給気ブロック２０の熱絶縁物２４の外周面と接
続ブロック２１の熱絶縁物２４の内周面間でスライドす
る構造となっている。

【００３９】このような構成のフレキシブル銅帯を備え
た超電導回転子にあっては、電流リードからの侵入熱を
フレキシブル銅帯１６の給気管１７内の液体ヘリウムの
気化に殆どが用いられ、電流リード１４を冷却するの
で、ガスヘリウム排気管１５へ気化したガスヘリウムが
導かれることは殆どなくなる。

【００４０】勿論、ガスヘリウム給気ブロック２０と、
接続ブロック２１は独立した熱絶縁をしており、電流リ
ード１４の熱収縮にも追従できる。上記のように第３の
実施例によれば、電流リード自身の冷却を良好にすると
共に、電流リードの熱収縮にも影響されることなく、本
来の自己冷却機能の良好なフレキシブル銅帯となし得
る。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、回転
子内のガス圧力が異常に上昇した場合には速やかに機内
冷媒ガスの排出を行い、且つ常時の侵入熱の増加を抑え
る緊急排出機構とすることができ、また電流リード自身
の冷却を良好にすると共に、電流リードの熱収縮にも影
響されることなく本来の自己調整冷却機能を十分に果た
すことができるフレキシブル銅帯とすることができる超
電導回転電機の回転子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超電導回転電機の回転子の第１の
実施例の要部を示す断面図。

【図２】本発明の第２の実施例の要部を示す断面図。

【図３】本発明の第３の実施例におけるフレキシブル銅
帯を示す断面図。

【図４】図３のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図。

【図５】従来の超電導回転電機の回転子を示す断面図。

【図６】同回転子のＨＴＣ側軸端部の詳細を示す断面
図。

【図７】同ＨＴＣ側軸端部のフレキシブル銅帯の詳細を
示す断面図。

【符号の説明】

１……巻線取付軸、２……超電導界磁巻線、３……中空
孔、４……熱交換器、５……常温ダンパ、６……輻射シ
ールド、７……コレクタリング、８……ヘリウムトラン
スファカップリング、９ａ，９ｂ，９ｃ……安全弁、１
０……緊急排気管、１１……タービン側端部軸、１２…
…ＨＴＣ側端部軸、１３……真空排気管、１４……電流
リード、１５……仕切弁、１６……フレキシブル銅帯、
１７……給気管、１８……排気経路、１９……ガスヘリ
ウム排気管、２０……ガスヘリウム給気ブロック、２１
……接続ブロック、２２……フレキシブル板、２３……
接続スタッド、２４……熱絶縁物。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心部に冷媒液を貯蔵する中空孔を有
   し、且つ超電導界磁巻線が取付けられた巻線取付軸の一
   方の端部軸内に冷媒放出路を巻線取付軸内に連通させて
   中心軸方向に設けると共に、この冷媒放出路を軸端部に
   設けられた排気孔より前記巻線取付軸の中空孔で発生す
   る冷媒ガスを回転子外部へ放出させるようにした超電導
   回転電機の回転子において、 前記冷媒放出路内に２つの安全弁を設け、その１つの安
   全弁を冷媒放出路と巻線取付軸の中空孔とを連通する部
   分の低温側に配置し、且つ前記２つの安全弁間から径方
   向に大気側に連通させて真空排気管を設け、この真空排
   気管に仕切弁を設けてこれら２つの安全弁と仕切弁とに
   よって区画された空間を通常運転時には真空状態に保持
   するようにしたことを特徴とする超電導回転電機の回転
   子。
2. 【請求項２】 冷媒放出路内に設けられた２つの安全弁
   のうち、低温側に設置された一方の安全弁の放出圧力設
   定値を他方の安全弁のそれよりも高くしたことを特徴と
   する請求項１記載の超電導回転電機の回転子。
3. 【請求項３】 巻線取付軸内に連通させて中心軸方向に
   設けられる冷媒放出路を、その流路断面積が低温側から
   軸端部に向って拡大したことを特徴とする請求項１記載
   の超電導回転電機の回転子。
4. 【請求項４】 中心部に冷媒液を貯蔵する中空孔を有
   し、且つ超電導界磁巻線が取付けられた巻線取付軸の他
   方の端部軸内に前記超電導界磁巻線に電流を供給する電
   流リードの常温側を巻線取付軸内の中心軸方向に挿通
   し、且つ低温側を電流リードの熱収縮を吸収するフレキ
   シブル銅帯を介して前記超電導界磁巻線に接続してなる
   超電導回転電機の回転子において、 前記フレキシブル銅帯部の外表面を熱絶縁物で被覆した
   ことを特徴とする超電導回転電機の回転子。
5. 【請求項５】 フレキシブル銅帯の熱絶縁物を電流リー
   ド接続側と超電導界磁巻線の接続スタッド側で独立した
   熱絶縁とし、この単独熱絶縁物と全体の熱絶縁物との間
   で電流リードの熱収縮に追従できるスライド機構を設け
   たことを特徴とする請求項４記載の超電導回転電機の回
   転子。