JPS6114742B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気機器、特に低温流体によつて冷却
される機器に関する。

本発明は、電気機器、例えば、車輛輸送および
航空機におけると同様に、原子力、火力その他の
発電所においても使用されるモータ、発電機、お
よび変換器といつたものに採用される。本発明
は、軸が冷却部から大気中に出現するような他の
装置においてもまた使用することが便宜的であ
る。

現在、電気機器であつて、電気的回路の抵抗が
零に近づくという、超電導現象が実現されている
ものの開発のための多くの考察がなされている。
絶対零度に近い温度でこの現象が実現し得る物質
が存在する。そのことが、超電導になる温度（通
常約５〓）にまで電気的巻線を冷却するために、
低温液体、例えば液体ヘリウムが上記機器におい
て使用される理由である。

通常の回路を使用する、流体によつて冷却され
る電気機器は、超電導巻線を具備し、該超電導巻
線は回転子の中に確保され、該回転子は堅固な熱
的絶縁殻に包納され、該絶縁殻中に保護手段が備
えられている。超電導励磁巻線は流体による冷却
システムを有する。超電導励磁巻線の低温度領域
は大気中の媒体から熱的に絶縁されねばならなか
つた。機械駆動システムの完全な絶縁は不可能で
ある。なぜならば、少なくとも回転子軸の駆動端
は外部に延長されねばならないからである。該軸
はトルクを授受しなければならないために、通常
は固体である。この場合における該軸は、熱が超
電導巻線に流入する主要な構成要素（50％まで）
になる。このことの関連において、回転子軸にそ
つて巻線にまで伝ぱする熱量を限定するという熱
的抵抗器を巻線と回転子軸の間に築き上げる、回
転子軸冷却問題が存在する。

知られている、低温流体によつて冷却される電
気機器（ソ連発明者証出願第448548号）、が存在
し、その中で、軸にそつて回転子の超伝導巻線へ
流入する熱を減少させるために、回転子の中空空
間から冷却剤を除去するように設計された複数の
開口部が所々に作られ、そこにおいて回転子の中
心部が軸に結合している。冷却剤の除去される流
れは同時に回転子軸の両端を冷却する働きをす
る。

この設計では冷却効率が低いという点で十分で
はない。なぜならば、熱の移動面積は小さく、ま
た、回転子軸の強度を保つ必要性のために、単に
開口部の数を増すことによつて面積を大きくする
ことはできないからである。

低温流体によつて冷却される電気機器におい
て、超電導励磁巻線を伴い電源母線導体が結合さ
れている中空回転子と、冷却剤を超電導励磁巻線
に引き渡すための通路で構成され回転軸にそつて
配置されている冷却システムと、回転子軸の両端
を冷却する手段と、冷却剤を超電導巻線から除去
するための通路とを備えた機械がやはり知られて
いる（ソ連発明者証出願第476638号および第
262240号）。

回転子軸の両端を冷却する手段は、中空の回転
子の中心部に設置された熱的絶縁プラグであり、
該中心部において該プラグは回転子軸に連結され
ている。熱的絶縁プラグおよび回転子の中心部の
嵌合面はらせん状に配置されたリブを備えられて
いる。

低温の気体又は液体（冷却剤）は、回転子軸に
そつて作られた通路を通つて該軸の両端から超電
導励磁巻線に供給される。

回転子の中空からの熱は冷却剤を気化させ、そ
の結果としての蒸気は回転子の中心部の内面と熱
的絶縁プラグの外面との間の間隙に入る。冷たい
気体はリブの間の間隙にそつて冷却剤除去通路に
向い、外部から侵入した熱を軸の突出する両端か
ら除去する。

この機器においては、しかし、回転子の両端の
冷却は非効率的である。なぜならば、かなりの熱
量が所々の回転子の中空に送られ、そこでは軸の
両端は回転子の中心部に確保され、外部の熱の流
入に対する保護が与えられ得ない。

回転子軸の両端を冷却する付加的手段である熱
的絶縁プラグは電気機器の設計をより複雑かつ大
型にする。

さらに、上記設計は、気体がリブの間の間隙を
通るときおよび冷却剤を除去するための通路を通
るときに加熱されるという欠点を有する。なぜな
らば、上記設計は使用済の冷却剤を集める手段を
有しないからである。

本発明の目的は、電気機器の超電導励磁巻線に
対する熱流入を従来の設計に比較して少なくとも
３分の１に減少させることにある。

この目的は、超電導励磁巻線を具備し、超電導
励磁巻線に電源母線導体が接続され、超電導励磁
巻線は中空回転子の中空内部を貫通する中空軸の
中央部外側に直接取付けて配置され、中空回転子
の軸の中空内部には超電導励磁巻線に冷却剤を引
き渡すための軸方向の通路を備えている、液体に
よつて冷却される電気機器において、本発明によ
つて軸の両端は少なくとも２つの同軸管で作られ
ており、この同軸管は互いにねじ山で結合され、
回転子の外殻に固着されており、同軸管のねじ山
の間隙は中空回転子内の超電導励磁巻線からの冷
却剤を除去し該回転子の軸の両端を冷却するとと
もに電源母線導体を収容するように設計されてい
ることを特徴とする、低温流体によつて冷却され
る電気機器によつて達成される。

軸の両端を冷却しそれにより使用済の冷却剤を
除去するために、該両端のねじ山は互いに反対方
向に作られねばならない。

より急速な気体の移動による熱の除去を増大さ
せるために、間隙が冷却剤を除去するために使用
されているねじ山の方向は移動気体の方向に一致
しなければならない。

電源母線導体を介する熱の流入を防ぐことによ
り冷却効率を向上させるために、電源母線導体は
ねじ山の断面内に作られたみぞ穴の中に設置され
ることが望ましい。

軸の両端の同軸管は多条ねじによつて結合さ
れ、該同軸管は軸の両端と該ねじ山の断面内に配
置された電源母線導体との熱交換面を広げること
が便宜的である。

低温流体によつて冷却される電気機器の上記設
計により、軸の長さおよび断面全体にわたり軸端
を冷却し、知られている機器と比較して、回転子
軸を介して回転子の中空に流入する熱量を３分の
１ないし４分の１といつた相当程度の減少が可能
である。

電気機器の回転子軸に関する上記設計の重要な
利点は、機器それ自体の単純な構造と、小寸法で
あることと、高度の信頼度と、結論的には、電力
装置にとつて重要な事項であるところの、機器の
電力に対する全体重量を約５分の１に減少させる
ことに存する。

本発明の他の目的および利点は、添附の図面と
の関連における好ましい実施例に関する以下の詳
細な記述から明らかとなるであろう。

低温流体によつて冷却される電気機器は、中空
回転子１を具備し、該回転子１の軸２は堅固な殻
５の突合せしやへい４内に配置されたベアリング
３の上に静止し、この場合に、固定子巻線が該殻
５の内面に確保されている。回転子１の熱的絶縁
を確実化するために回転子１と殻５との間の空間
は真空に保たれている。該真空を維持するために
回転真空密閉装置７が突合せしやへい４内に設け
られている。

中空回転子１は非磁性円筒８で構成され、励磁
巻線９がエポキシ化合物によつて該円筒８の中空
内部を貫通する軸２の中央部の外側に直接取付け
られて確保されている。該励磁巻線９は超電導物
質、例えば、Nb₃Snで作られている。該励磁巻線
９はまた、良好な熱伝導性を有するジルコニウム
ニオブおよびチタニウムオブといつた他の物質に
よつても作られ得る。

励磁巻線９は、非磁性円筒８の空間を充満する
冷却剤１０によつて、超電導状態にまで冷却され
る。冷却剤は液体水素または液体ヘリウムであ
り、両方とも液体状態と気体状態となり得る。冷
却剤１０は、軸２の軸方向通路にそつて該軸２の
一方の端が伸びている真空絶縁配管１１を経由し
て、励磁巻線９に供給される。励磁巻線９から冷
却剤１０を除外するために、非磁性円筒８と励磁
巻線９との突合せ壁によつて形成されている２つ
の槽１３が回転子１内に備えられている。回転子
１の軸２の両端は、ねじ山によつて互いに確保さ
れている２つの同軸管１５と１６になつており、
同軸管１５と１６は回転子１の外殻に固着されて
おりねじ山の間隙は冷却剤１０を除去するための
通路１４であり、該冷却剤１０は槽１３に通じ
る。

軸を経由して励磁巻線９に与えられるトルクと
流入熱量とに依存して、ねじ山は管結合の全長に
わたつてまたは管結合の一部に作られることがで
きる。

さらに、ねじ山によつて互いに確保されている
上記同軸管の数は２以上であり得る。ねじ山は多
条ねじとして作られることが望ましく、そうする
ことにより、熱の移動面積の増大、冷却剤の通路
に対する抵抗の減少および軸長にそう特別の温度
勾配が可能となる。

ねじ山は、必要な気体通過を確実化するため
に、例えば変形台形のような特別の間隙を有する
できである。

回転子１の軸２の両端を冷却するために、軸２
の両端上のねじ山は反対方向であり、気体の流動
方向によつて選択される。すなわち、冷却剤の流
れの方向はねじ山の方向に一致しなければならな
い。通路１４は気体収集装置１７に結合されてい
る。

電源母線導体１８（第２図）は銅でできてお
り、励磁巻線９の電源供給に使用される。該導体
はまた熱に対しても伝導性があるので、該導体は
冷却されねばならない。

熱流入を除外するために、冷却剤１０を除去す
るための通路１４内に該導体は配置されている。
この目的のためにみぞ穴１９がねじ山の断面内に
作られそのみぞ穴１９の中に電源母線導体が収容
配置されている。該導体は外側の管１５および内
側の管１６の両方のねじ山の断面内に配置されて
いる。

冷却剤１０として使用される液体は配管１１を
介して超電導巻線９に供給される。回転子１の中
空に浸透する熱はヘリウムを気化させる。ヘリウ
ム蒸気は槽１３に達しその後冷却剤１０を除去す
るための通路１４を介して回転子の中空から除去
される。同時に、回転子１の軸２の両端およびみ
ぞ穴１９内に配置された電源母線導体１８は気体
収集装置１７に流れ出る蒸気によつて冷却され
る。

冷却剤１０の方向は第１図に矢印で示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による、流体によつて冷却され
る電気機器の縦断面図、第２図は本発明による電
気機器の回転子軸のねじ山の断面の横断面図を示
す。 １……中空回転子、２……回転子軸、９……超
電導励磁巻線、１０……冷却剤、１２……冷却剤
１０を供給する通路、１５，１６……回転子１の
軸２の同軸管、１８……電源母線導体、１９……
みぞ穴。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超電導励磁巻線９を具備し、該超電導励磁巻
   線９に電源母線導体１８が接続され、該超電導励
   磁巻線９は中空回転子１の中空内部を貫通する中
   空軸２の中央部外側に直接取付けて配置され、該
   中空回転子１の軸２の中空内部には該超電導励磁
   巻線９に冷却剤を引き渡すための軸方向の通路１
   ２を備えており、この場合に、該軸２の両端は少
   なくとも２つの同軸管１５，１６で作られてお
   り、該同軸管１５，１６は互いにねじ山で結合さ
   れ、該回転子の外殻に固着されており、該同軸管
   １５，１６のねじ山の間隙は該中空回転子１内の
   該超電導励磁巻線からの冷却剤１０を除去し該回
   転子１の該軸の両端を冷却するとともに該電源母
   線導体を収容するように設計されていることを特
   徴とする、低温流体によつて冷却される電気機
   器。 ２ 回転子１の軸２の異なる端上のねじ山は反対
   方向を有する特許請求の範囲第１項記載の電気機
   器。 ３ ねじ山の間隙は冷却剤１０を除去するように
   設計されており、ねじ山の方向が冷却剤１０の供
   給方向に一致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項に記載の電気機器。 ４ 該ねじ山の断面内に電源母線導体１８を設置
   するためのみぞ穴１９が作られている特許請求の
   範囲第１項から第３項のいずれかに記載の電気機
   器。 ５ 回転子１の軸２の同軸管１５，１６が多条ね
   じによつて確保されている特許請求の範囲第１項
   から第４項のいずれかに記載の電気機器。