JPS6198155A

JPS6198155A - 超電導回転電機

Info

Publication number: JPS6198155A
Application number: JP59217108A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Sato; 和雄佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-10-16
Filing date: 1984-10-16
Publication date: 1986-05-16

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】〔発明の技術分野〕本発明は、回転子内へ冷却媒体として液体ヘリウムを給
排するヘリウムトランスファーカップリング（以下ＨＴ
Ｃと略称する）を軸端部に備えた超電導回転電機に係り
、特に、上記ＨＴｃの構成を利用し、上記回転子内の断
熱空間の真空排気を回転子の停止１回転にかかわらずに
可能とすると共に真空破壊を防止して熱侵入の防止を図
った超電導回転電機に関する。

〔発明の技術的背景〕

近年、超電導線を発電機の回転界Ｔｉ１巻線に応用した
超電導発電機等の超電導回転電機が開発されてきている
。

この種超電導回転Ｎ礪におけるめ超電導線は、その超電
導性を保持するために冷Ｆ！Ｕ媒体として液体ヘリウム
により極低１（４，２Ｋ）に保冷されている。

また、外部からの侵入熱を遮蔽するために超電導線を納
めた極低温回転子は、真空断熱及び放射伝熱遮蔽板等の
処置が話され、低温部と常温部との連結は、その内部に
低温ヘリウムの流路を設け、熱交換礪能を有する円筒状
サポート（トルクチューブ）によりなされている。更に
、回転する極低温の内筒内に液体ヘリウムを注入し、超
電導線やトルクチューブ等を冷却した後の蒸発したガス
ヘリウムを回収するために、冷媒の給排ＩＩであるＨＴ
Ｃが回転子の反部ｖＪ成側の軸端部に設けられている。

上記おいて液体ヘリウムは、蒸発潜熱が約０．６３１ｋ
ｃａｌと非常に小さいため、超電Ｓ線を超電導状態に保
持するには、超電導線を納めた内筒への外部からの熱侵
入は極力抑１ｔｌＪしなければならず、そのため真空断
熱を施す必要がある。即ち、上記内筒とこれをトルクチ
ューブを介して保持する外筒との間に形成される断熱空
間は、１０’Ｔｏｒｒ程度、若しくはそれ以下の真空圧
力となように構成されなければならない。

〔背景技術の問題点〕

上述した従来の超電導回転電機では、冷媒の給排をＨＴ
Ｃでおこなうようにし、真空断熱は、溶接、オーリング
等を用いて閉じた系を構成し、回転子の停止時に予め真
空排気を行なった後に密封して回転時に断熱作用を奉す
るようにしている。

この場合、上記断熱空間には、各種物理量の工ｑ定セン
サー、リード線、放射伝熱遮蔽用のスーパーインシュレ
ーション、パイトンオーリング等を有するため、これら
の材料に含まれる空気等のガス、水分の上記断熱空間へ
の放出、或いは構造部材によっては外気からのガスの等
が生じていた。

よって、たとえ真空密閉形式に構成していても、真空圧
力は徐々に上昇して、運転時間と共に断熱効果の低下を
招いていた。

従って、真空圧力が断熱効果を低下せしむる臨界値に達
する前に運転を停止し、ベーキングを含む回転子の真空
排気を行ない、真空圧力の回復後に密封し再度運転する
ようなことが行なわれていた。

また、何らかの異常により！封状態が破壊されて断熱効
果を瞬時に失った場合、外部から内筒への侵入熱が大幅
に増大して、内筒内の液体ヘリウムが急激に蒸発、膨張
するという危険性があった。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に基いてなされたもので、その目的と
するところは、停止時、回転時においても常時真空排気
が行なえ且つ真空破壊を防止して熱浸入の防止を図った
超電導回転電機を提供することにある。

〔発明の概長〕

かかる目的を達成するために、本発明では、内筒に超電
導巻線及びこれを冷却する液体ヘリウムが収容され、こ
の内筒に断熱空間を介して外筒が配置され、これら内、
外筒の端部に固定子に対して回転可能に軸が設けられ、
該軸内部に一方が上記内筒に連通したヘリウム袷排管が
配置してなる超電導回転子を有し、上記液体ヘリウムを
上記ヘリウム袷排管を介し上記内筒内に給排させるヘリ
ウムトランスファーカップリングが上記軸端部に備えて
なる超電導回転電機において、上記ヘリウムトランスフ
ァーカップリングの内部に空間が形成されるように２つ
の磁性流体シールを配置し、該磁性流体シールにより形
成された空間と上記断熱空間とを連通ずる真空排気路を
上記軸内に設け、上記ヘリウムトランスファーカップリ
ングのヘリウム供給部と真空排気部との間に熱絶縁板を
設け、上記磁性流体シールへの熱伝導を抑制する構成と
したことをｖＩ徴とする。

〔発明の実７Ｉｌｆ例〕以下本発明に係る超電導回転電機の一実施例を図面を参
照して説明する。第１図は超電導回転電数の全体を示す
断面図、第２図は第１図の要部であるＨＴＣを示す部分
断面図である。

即ち、図示しないフレーム内には、固定子巻線を備えた
固定子が配設され、この固定子の内周側には以下に述べ
る超電導回転子が回転可能にｌ！ｉｉ！設されている。

１は内部に界磁巻線２を収納し、両端の仕切１３ａ、３
ｂにより気密に構成されたトルクチューブである。トル
クチューブ１は、その一端側にシャフト４ｂと直結する
フランジ５を有し、他端側は非駆動機側のシャフト４ａ
にフレキシブルサポート６で連結されている。また、駆
動は側のシャフト４ｂと非駆動機側のシャフト４ａとに
は外筒７が嵌合接続され、外筒７の外側にはダンパーシ
ールド８が配置され、外ＷＪ７とトルクチューブ１との
間には断熱空間９が構成されている。

一方、非駆動機側のシャフト４ａの端部近傍の外周面に
は、コレクタリング１ｏが配置され、また、非駆動機側
のシャフト４ａの末端部にはヘリウム給排用のＨＴＣｌ
　１が設けられている。非駆動機側のシャフト４ａの内
部には、気密の穴１２が軸方向に真通して設けられ、こ
の気密の穴１２には供給管１３、排出管１４ａ（外筒７
の内部では１４ｂ）が非接触に配置されている。そして
、これら管１３．１４ａはトルクチューブ１に気密接続
され、トルクチューブ１内部に液体ヘリウム１５ａを供
給すると共にガスヘリウム１５ｂを排出可能としている
。

非駆動機側のシャフト４ａの穴１２とダンパーシルト８
とトルクチューブ１との間に形成された断熱空間９は真
空に連通し、この断熱空間９の中間部には、円筒上の熱
輻射シールド１６が配置されている。尚、１７は外部に
設置された真空排気用の真空ポンプであり、１８は図示
しないフレームに設けられたシャフト４ａ、４ｂの軸受
けである。

次に、第２図を参照してＨＴＣｌｌの！ｆｆｌ１ｌな構
成を説明する。即ち、反駆り機側のシャフト４ａの軸端
部に設けられたＨＴＣｌ　１の内部の一部分に、２つの
磁性流体シール１９ａ、１９ｂを設ける。この２つの磁
性流体シール１９ａ、１９ｂは例えば耐圧ｉＫｊ／ｃｊ
以上のものとする。そして、予冷時に低温の回収ガスヘ
リウムに触れる側の磁性流体シール１９ａ（以下、低温
側磁性流体シール１９ａと称する）にテフロン、ガラス
ｂ４１！１等の熱絶縁板２０を設ける。

そして、これと他方の磁性流体シール１９ｂ（以下、高
温側磁性流体シール１９ｂと称する）とに挟まれた部分
のシャフト４ａには、その半径方向に少なくとも１つの
孔２１を設けこの孔２１に真空排気用の管２１ａを設け
、図示しない真空ポンプを接続する。また、超電導回転
子の断熱空間９と連通させる真空排気路２２を構成する
。

また、低温側磁性流体シール１９ａの外方（軸方向反駆
動機側）には、カーボン等のメカニカルシール２４が設
けられ、このメカニカルシール２４、熱Ｉａ縁板２０に
より回収ガスヘリウムが直接低温側磁性流体シール１９
ａの磁性流体２３に触れないようにし、この低温側磁性
流体シール１９ａが予冷時に凝固することを防止してい
る。

更に、反駆動機側のシャフト４ａの軸端側には、このシ
ャフト４ａを主軸として継シヤフト４Ｃが連結用熱絶縁
板２５を介して還ＦＡＩｉｌ成されている。

更に、メカニカルシール２４と低温側磁性流体シール１
９ａとの間に形成ざ屯る空間２６には、この空間２６の
雰囲気温度を磁性流体２３の作動温度に保持するヘリウ
ム加熱用のヒータ２７と図示しない温度センサーとが設
けられている。図中２８．２９は継シヤフト４Ｃに設け
られた孔である。

次に上記の如く構成された本実施例の作用について説明
する。

先ず、回転時、停止時における真空排気の作用について
説明する。即ち、外部に設けた真空ポンプ１７により真
空排気運転に入れば、第１図の断熱空間９は、これに連
通ずる真空排気路２２、シャフト４ｂに設けた半径方向
の孔２１を通して真空排気される。この場合、回転停止
、回転時にかかわらずに孔２１の両側は耐圧１に９／ｃ
ｉ以上の（ｎ性流体シール１９ａ、１９ｂによって外気
とシールされ、真空排気が可能となる。

上記において上記断熱空間９には、各種物理ｉの測定セ
ンサー、リード線、放射伝熱遮蔽用のスーパーインシュ
レーション、パイトンオーリング等を有し、これらの材
料に含まれる空気等のガス、水分が上記断熱空間９へ放
出、或いは構造部材によっては外気からのガスの等が生
じ真空圧力の低下を招くことになるが、回転停止、回転
時にかかわらずに真空排気が可能であるので、真空圧力
は常に一定値に保持でき、断熱効果の低下を招くことは
ない。

従って、従来のように真空圧力が断熱効果を低下せしむ
る臨界値に逼する前に運転を停止し、ベーキングを含む
回転子の真空排気を行ない、真空圧力の回復後に密封し
再度運転するような煩わしい作業も必要ない。

また、回転停止、回転時にかかわらずに真空排気が可能
であり真空圧力は常に一定値に保持できるので、密封状
態が破壊されて断熱効果をＶ４時に失うこともなく、内
因内の液体ヘリウムが急激に蒸発、膨張するという危険
性もない。

次に予冷時における作用について説明する。即ち、ＨＴ
ＣＩＩにより供給管１３を介し回転子の内部に極低温の
液体ヘリウム１５ａを注入し、界磁巻線２を含むインナ
ーロータを４．２に程度まで冷却する。

この場合、予冷時の液体ヘリウムの供給量は、定格運転
時の数倍を要し、インナーロータ内における蒸発ガスヘ
リウム１５ｂも多量である。発生したヘリウムガスは、
排出管１４ａ、１４ｂにて反駆動機側の軸方向に進み、
第２図に示す如く継シヤフト４Ｃに設けた孔２８．２９
を通過して回収される。

予冷時の回収ガスヘリウムは定格運転時のものよりも低
温であり、継シヤフト４Ｃは２００〜２５０に程度に冷
却されるが、熱絶縁板２０により、シャフト４ｂと熱的
に断熱に近い状態となるので、熱伝導によるシャフト４
ｂの冷却は抑制される。

従って、低温側磁性流体シール１９ａの磁性流体２３は
凝固せず、良好な状態でシール瀘能を発揮することが可
能となる。

更に、低温側磁性流体シール１９ａに隣接する空間２６
の雰囲気温度の低下は、温度センサーにより検知するこ
とができるので、低温側磁性流体シール１９が作動温度
以下になった場合にはヒータ２７を動作させ所定の作ｔ
ｌｌ１度に上昇させることが可能となる。

従って、低温側磁性流体シール１９の磁性流体２３のシ
ール性能は良好な状態を維持でき、インナーロータの断
熱空間の真空破壊は防止でき、よって、真空破壊に伴う
熱侵入等による事故は生じることがない。

次に第１図及び第２図と同一部分には同一符号を付した
第３図を参照して本発明の他の実施例を説明する。即ち
、Ｅｎ性流体シール１９．ａ、１９ｂの内径よりも大き
な外形を有する連結用熱絶縁板３０をシャフト４ｂと継
シヤフト４Ｃとの間に設け、ハウジング３１の内面にて
ラビダンス効果を持たせ、低温ガスヘリウムをシールす
るように１腎成する。

このように構成すれば、熱伝導によるシャフト４ｂの冷
却、空間２６内のガスヘリウムの対流によるシャフト４
ｂの冷却を抑制することが可能となる。

本発明は、上記図示し且つ記載した実施例に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変
形して実薇できるものである。

〔発明の効果〕

ニス上述べたように本発明によれば、内筒に超電導巻線
及びこれを冷却する液体ヘリウムが収容され、この内筒
に断熱空間を介して外聞が配置され、これら内、外筒の
端部に固定子に対して回転可能に軸が設けられ、該軸内
部に一方が上記内筒に連通したヘリウム給排管が配置し
てなる超電導回転子を有し、上記液体ヘリウムを上記ヘ
リウム給排管を介し上記内筒内に給排させるヘリウムト
ランスファーカップリングが上記軸端部に備えてなる超
電導回転電機において、上記ヘリウムトランスファーカ
ップリングの内部に空間が形成されるように２つの磁性
流体シールを配置し、該磁性流体シールにより形成され
た空間と上記断熱空間とを連通する真空排気路を上記軸
内に設け、上記ヘリウムトランスファーカップリングの
ヘリウム供給部と真空排気部との間に熱線ｌ！仮を設け
、上記磁性流体シールへの熱伝導を抑制するようにした
ので、停止時、回転時においても常時真空排気が行なえ
且つ真空破壊を防止して熱の浸入を防止可能とした超電
導回転電機が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々本発明に係る超′Ｒ導回転電ｄ
の一実施例を示すものであり第１図は全体の構成を示す
断面図、第２図は第１図における要部の構成を示す部分
断面図、第３図は本発明の他の実施例を示す部分断面図
である。１・・・トルクチューブ、２・・・界磁巻線、３ａ、３
ｂ・・・仕切型、４ａ・・・反駆動機側のシャフト、４
ｂ・・・駆動礪側のシャフト、５・・・７ランジ、６・
・・フレキシブルサポート、７・・・外筒、８・・・タ
ンパ−シールド、９・・・ｉ熱空間、１０・・・コレク
タリング、７１・・・ＨＴＣ（ヘリウムトランスファー
カップリング）、１２・・・穴、１３　・・・供給管、
１４ａ、　１４ｔ）・・・排出管、１５ａ・・・液体ヘ
リウム、１５ｂ・・・ガスヘリウム、１６・・・熱輻射
シールド、１７・・・真空ポンプ、１８・・・軸受け、
１９ａ、１９ｂ・・・磁性流体シール、２０・・・熱絶
縁板、２１・・・孔、２２・・・真空排気路、２３・・
・磁性流体、２４・・・メカニカルシール、２５・・・
連結用熱絶縁板、２６・・・空間、２７・・・ヒータ、
２８．２９・・・孔、３０・・・連結用熱絶縁板、３１
・・・ハウジング。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）内筒に超電導巻線及びこれを冷却する液体ヘリウ
ムが収容され、この内筒に断熱空間を介して外筒が配置
され、これら内、外筒の端部に固定子に対して回転可能
に軸が設けられ、該軸内部に一方が上記内筒に連通した
ヘリウム給排管が配置してなる超電導回転子を有し、上
記液体ヘリウムを上記ヘリウム給排管を介し上記内筒内
に給排させるヘリウムトランスファーカップリングが上
記軸端部に備えてなる超電導回転電機において、上記ヘ
リウムトランスファーカップリングの内部に空間が形成
されるように２つの磁性流体シールを配置し、該磁性流
体シールにより形成された空間と上記断熱空間とを連通
する真空排気路を上記軸内に設け、上記ヘリウムトラン
スファーカップリングのヘリウム供給部と真空排気部と
の間に熱絶縁板を設け、上記磁性流体シールへの熱伝導
を抑制する構成としたことを特徴とする超電導回転電機
。
（２）反真空側の磁性流体シールの外方に、温度調整が
可能なヒータを設け、上記磁性流体シールの磁性流体の
凝固、及び温度低下に伴う耐圧低下を防止する構成とし
たことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の超
電導回転電機。
（３）反真空側の磁性流体シールの外方に、空間が形成
されるようにメカニカルシールを設け、磁性流体シール
を液体ヘリウムから熱的保護を施すように構成したこと
を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の超電導回
転電機。