(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チューブ状電気機械であって、
実質的に円筒形の内表面を有する半径方向外側の外側部材と、
該外側部材に対して相対的に軸線方向に往復動することができるように該外側部材内に同軸的に配設された半径方向内側の内側部材と、
互いに電気的に絶縁され、前記外側部材と内側部材のうちの一方の部材の一部として形成された複数の軸線方向に離隔した電機子コイルと、
該外側部材と内側部材のうちの他方の部材の一部として形成された複数の軸線方向に離隔した超伝導コイルとから成り、
該チューブ状電気機械の作動中、前記各超伝導コイルが超伝導状態に維持され、各超伝導コイルを流れる電流が該超伝導コイルに軸線方向に近接する１つ又は複数の超伝導コイルを流れる電流とは反対方向となるような態様に各超伝導コイルに電流が供給され、もって、相対向する磁界が各超伝導コイル対間の軸線方向の空間内の磁束を半径方向に押し進め、それによって、前記外側部材と内側部材のうちの前記他方の部材の軸線方向に沿ってＮ極とＳ極を交互に創出することを特徴とするチューブ状電気機械。
【請求項２】
前記超伝導コイルを超伝導状態に維持するための極低温冷却システムを含む請求項１に記載のチューブ状電気機械。
【請求項３】
前記外側部材は、実質的に円筒形の外表面を有する請求項１又は２に記載のチューブ状電気機械。
【請求項４】
前記各電機子コイルは、実質的に、リッツ線の少なくとも１巻きで形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項５】
前記各電機子コイルは、実質的に、撚り合わせ完全転位銅線で形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項６】
前記各電機子コイルは、実質的に、撚り合わせ完全転位アルミニウム線で形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項７】
前記電機子コイルは、絶縁スペーサによって軸線方向に互いに分離されている請求項１〜６のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項８】
前記絶縁スペーサは、実質的に、エポキシ−ガラス複合材で形成されている請求項７に記載のチューブ状電気機械。
【請求項９】
前記各絶縁スペーサは、複数の円周方向に隔置され、半径方向に延長した熱伝導性ロッドを包含している請求項７又は８に記載のチューブ状電気機械。
【請求項１０】
前記電機子コイルは、前記外側部材の一部として形成され、前記熱伝導性ロッドは、該絶縁スペーサの半径方向外側の外表面から突出して該外側部材内へ突入している請求項９に記載のチューブ状電気機械。
【請求項１１】
前記各熱伝導性ロッドは、鋼で形成されており、断面形状が円形であり、５ｍｍ未満の直径を有している請求項９又は１０に記載のチューブ状電気機械。
【請求項１２】
前記各熱伝導性ロッドは、鋼で形成されており、長方形の断面形状を有し、長方形の断面の各辺の長さが５ｍｍ未満である請求項９又は１０に記載のチューブ状電気機械。
【請求項１３】
前記電機子コイルは、三相ＡＣ巻線を形成するように連結されている請求項１〜１２のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項１４】
前記超伝導コイルは、高温超伝導材の少なくとも１巻きで形成されている請求項１〜１３のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項１５】
前記外側部材と内側部材のうちの他方の部材の、前記超伝導コイルに隣接する表面は、該他方の部材の、少なくとも該超伝導コイルを囲包している軸線方向長手部分に亙って高電導性金属のスリーブによって形成されている請求項１〜１４のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項１６】
前記電機子コイルは前記外側部材の一部として形成され、前記超伝導コイルは内側部材の一部として形成されている請求項２に記載のチューブ状電気機械。
【請求項１７】
前記内側部材の、少なくとも前記超伝導コイルの半径方向内側に位置する軸線方向長手部分は、実質的に中実であり、磁性材で形成されている請求項１６に記載のチューブ状電気機械。
【請求項１８】
前記極低温冷却システムは、前記内側部材を前記超伝導コイルと同じ作動温度に維持する請求項１６又は１７に記載のチューブ状電気機械。
【請求項１９】
前記内側部材は、９％ニッケル−鉄で形成されている請求項１８に記載のチューブ状電気機械。
【請求項２０】
前記内側部材は、熱遮蔽体によって前記極低温冷却システムから熱的に絶縁されている請求項１６又は１７に記載のチューブ状電気機械。
【請求項２１】
前記内側部材は、実質的に軟鋼で形成されている請求項２０に記載のチューブ状電気機械。
【請求項２２】
前記外側部材は、実質的にコンクリートで形成されている請求項１６〜２１のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項２３】
前記外側部材は、電磁遮蔽体を含む請求項１〜２２のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項２４】
前記電磁遮蔽体は、前記外側部材の外表面の周りに円周方向に互いに離隔して配置された複数の金属プレートから成る請求項２３に記載のチューブ状電気機械。
【請求項２５】
前記金属プレートは、前記外側部材の軸線に平行に、かつ、該外側部材の外表面の周りに円周方向に間隔を置いて配置されるように該外側部材内に固定されている請求項２４に記載のチューブ状電気機械。
【請求項２６】
前記金属プレートは、鋼で形成されている請求項２４又は２５に記載のチューブ状電気機械。
【請求項２７】
前記金属プレートは、厚さ約１０ｍｍである請求項２４〜２６のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項２８】
前記金属プレートは、熱交換器としても機能するように前記外側部材の外表面から突出している請求項２４〜２７のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項２９】
前記電磁遮蔽体は、前記外側部材内に形成された複数の規則的に隔置された軸線方向の金属ロッドから成る請求項２３に記載のチューブ状電気機械。
【請求項３０】
前記金属ロッドは、鋼で形成されている請求項２９に記載のチューブ状電気機械。
【請求項３１】
前記各金属ロッドは、断面形状が実質的に円形であり、約１０ｍｍの直径を有する請求項２９又は３０に記載のチューブ状電気機械。
【請求項３２】
前記電機子コイル及び超伝導コイルは、直径が少なくとも約２００ｍｍである請求項１〜３１のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項３３】
前記内側部材の軸線方向の長さは、前記外側部材の軸線方向の長さの約２倍である請求項１〜３２のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【請求項３４】
該チューブ状機械の作動中、前記外側部材は、静止状態に保持され、前記内側部材が該外側部材に対して軸線方向に往復動する請求項１〜３３のいずれか１項に記載のチューブ状電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、チューブ状電気機械に関し、特に、直結駆動又は直接駆動（ダイレクト・ドライブ）発電機又はリニアモーターとして使用するのに適するチューブ状電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
リニア電気機械を、直線（リニア）運動、通常は往復運動を電力に変換するための発電機として、又は、電力源から直線運動を創生するためのモーターとして用いることは周知である。大抵のリニア電気機械（以下、単に「リニア機械」とも称する）は、平坦な構成であり、平坦な表面を形成するために分割開放される在来の回転機械の操作に依拠している。この構成の欠点の１つは、移動する平坦部分を支持するための機械的支持手段が相当に複雑になることである。もう１つの欠点は、平坦型リニア機械は、通常、回転機械と同様に、電気−機械力変換プロセスに貢献しない端部巻線（コイル端）を包含していることである。
【０００３】
チューブ状電気機械も知られており、上述したリニア機械と実質的に同じ態様で動作する。チューブ状電気機械は、従来はリニア機械の平坦部分とされていたコイルが円形になり、従って端部巻線を含まなくなるように巻き込まれたリニア機械とみなすことができる。このチューブ状構造体は、機械に固有の強度を付与し、従って、機械的支持手段を在来のリニア機械のそれに比べて格段に簡略化することができるという利点を有する。永久磁石式チューブ状機械は、２つの方法のうちの１つによって形成することができる。１つの方法によれば、電機子巻線の円形コイルを半径方向でみて内側の内側部材の実質的に円筒形の外表面に設けられたスロット内に形成し、その内側部材を、永久磁石の列を包含又は収容する実質的に円筒形の内表面を有する半径方向外側のチューブ状部材によって囲包する。このような態様で永久磁石を用いたチューブ状機械は、米国特許第６７８７９４４号に記載されている。他の１つの方法は、永久磁石の列を半径方向内側の実質的に円筒形の外表面上に配置し、電機子巻線のコイルを半径方向外側部材の実質的円筒形の内表面に設けられたスロット内に形成する。いずれの方法においても、そのチューブ状機械の使用時には、外側部材を静止状態に保持し、内側部材を外側部材に対して相対的に往復動させるのが普通である。反対の作動態様（内側部材を静止状態に保持し、外側部材を内側部材に対して相対的に往復動させる態様）も可能であるが、この態様で作動するチューブ状機械を機械的に支持するのは困難であるため、一般的ではない。又、チューブ状機械は、界磁巻線コイルを有する同期ソリッド突出極タイプ、誘導タイプ、又はリラクタンス（磁気抵抗）タイプとすることもできるが、そのようなタイプのチューブ状機械も、永久磁石を用いる上述したチューブ状機械と実質的に同じ態様で形成することができる。
【特許文献１】米国特許第６７８７９４４号
【特許文献２】ヨーロッパ特許願第１２４７３２５号
【特許文献３】ヨーロッパ特許願第１２１２７６０号
【非特許文献１】米国カリフォルニア州スタンフォードのスタンフォード大学、スタンフォード・リニア・アクセラレータ・センター、ＳＬＡＣテクニカル・ノートＴＮ−６５−８７のＨ．Ｂｒｅｃｈｎａ著「９％ニッケル鋼の室温と極低温における磁気特性」（１９６５年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
在来のチューブ状電気機械の構造及び作動には幾つかの問題がある。第１に、電機子巻線を囲包する部品（チューブ状機械の特定の構造によるが、例えば、半径方向でみて外側の外側部材又は半径方向内側の内側部材）は、通常、鉄などの磁性材料で形成されるが、波エネルギーを電気エネルギーに変換するためのチューブ状機械のような大規模のチューブ状機械では、磁気部品に渦電流が発生することが大きな問題となる。この問題は、高価な、ときには非効率な非晶質の磁性材料を用いることによってか、あるいは、高コストの製造工程を用いることによってしか対処することができない。磁性材料を用いない永久磁石式チューブ状機械のための設計も提案されているが、現行ではそれらの設計は、力率が低く、効率も低い。
【０００５】
もう１つの問題は、既存の永久磁石式チューブ状機械のピーク対平均電力比である。永久磁石式チューブ状機械にはいろいろな電磁的制約があるため、そのピーク対平均電力比は、通常、３：２未満である。このことは、チューブ状機械はほぼピーク電力に対応して電磁的に設計しなければならず、短時間過負荷容量（耐量）がほとんどないことを意味する。これは、ピーク対平均電力比が通常非常に高い、波力からの発電のようなアプリケーションにおいては特に問題となる。
【０００６】
超伝導回転機械のための幾つかの設計が提案されている。大型超伝導回転機械の現行の設計は、ヨーロッパ特許願第１２４７３２５号に開示されているように、超伝導界磁巻線又は慣用の、又は非超伝導電機子巻線を備えた慣用の同期機械の構成が大勢を占めている。そのような超伝導同期回転機械は、同じ電力定格の在来の同期回転機械より相当に小型化することができる。それは、超伝導界磁巻線によって得られる非常に高い電流密度、従って高い束密度の結果である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、チューブ状電気機械であって、実質的に円筒形の内表面を有する半径方向外側の外側部材と、該外側部材に対して軸線方向に相対的に往復動することができるように該外側部材内に同軸的に配設された半径方向内側の内側部材と、互いに電気的に絶縁され、前記外側部材と内側部材のうちの一方の部材の一部として形成された複数の軸線方向に離隔した電機子コイルと、該外側部材と内側部材のうちの他方の部材の一部として形成された複数の軸線方向に離隔した超伝導コイルとから成り、該チューブ状電気機械の作動中、前記各超伝導コイルが超伝導状態に維持され、各超伝導コイルを流れる電流が該超伝導コイルに軸線方向に近接する１つ又は複数の超伝導コイルを流れる電流とは反対方向となるような態様に各超伝導コイルに電流が供給されることを特徴とするチューブ状電気機械を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
超伝導コイルによって創出することができる高磁界は、在来のチューブ状機械が遭遇する問題の幾つかを克服するのに用いることができる。更に、超伝導コイルは高い磁界密度を創出することができるので、本発明によるチューブ状機械は、同じ電力定格の永久磁石式チューブ状機械より著しく小型にすることができる。
【０００９】
超伝導コイルによって高い磁界密度を創出することができるということは、又、電機子コイルを備えた部品（即ち、チューブ状機械の特定の構造によって異なるが、半径方向内側部材又は半径方向外側部材）を磁性材料を実質的に用いることなく形成することができることを意味する。その結果として、低リアクタンスのチューブ状機械が得られ、従って、短時間過負荷容量を大幅に増大することができる。例えば、電機子コイルを囲包した部品が実質的に磁性材料なしで形成される本発明によるチューブ状機械においては、過負荷容量をその機械の定格電力の６倍から１０倍、あるいはおそらくそれ以上にも高くすることができる。本発明によれば、力率１の大型ＡＣ（交流）チューブ状機械を完全に非磁性の電機子コイル囲包部品で構成することができる。それによって、在来のチューブ状機械の磁性材料に発生する渦電流に随伴する問題を完全に解消することができる。本発明では任意の適当な非磁性材料を用いることができるが、コンクリート等の安価な材料を用いることが、機械の全体コストを大幅に削減するので好ましい。又、コンクリートのような材料は、電機子コイルから熱を伝導によって放散させることによって電機子コイルを好適な作動温度に維持することにも役立つ。
【００１０】
コストよりも物理的サイズがより重要な問題となる場合は、電機子コイルを、それに近接して磁性部分を有する部品内に包含又は囲包することによってチューブ状機械のサイズを小型化することができる。その場合、渦電流を制御するために当業者には周知の適当な手段を講じなければならないが、このように構成されたチューブ状機械は、同じ電力定格の在来のチューブ状機械に比べて相当に小さくなる。
【００１１】
電機子コイルを担持している部品の機械的剛性を高めるためには、電機子コイルをスペーサによって互いに軸線方向に離隔させることが好ましい。これらのスペーサは、非磁性体で、電導性が低いものであることが好ましい。例えば、スペーサは、実質的に、強化ガラス繊維入りエポキシ系材料から形成することができる。これらのスペーサ内に高熱伝導性材料製のロッドを半径方向に配設することが可能である。ただし、本発明によるチューブ状機械の作動にとってそのようなスペーサは必須の要件ではなく、互いに軸線方向に直接隣接させた電機子コイルを用いることも可能である。
【００１２】
電機子コイルを外側部材に形成する場合は、電機子コイルからの伝導による熱の放散を良好にするために、実質的に、非磁性、低電導性材料から形成されたスペーサであるが、円周方向に間隔を置いて配設された複数の半径方向に延長した高熱伝導性のロッドを包含したスペーサを設けることが好ましい場合がある。それらのロッドは、スペーサと実質的に同じ長さとすることができる。あるいは別法として、良好な熱伝導を達成するために、ロッドをスペーサの外表面から突出させて外側部材の本体内へ突入させることが、好ましい場合もある。この場合、ロッドの正確な長さ、及び、その結果としての外側部材本体内への突入度合は、外側部材の厚さや、各特定のチューブ状機械に必要とされる電機子コイルの冷却度合等の設計要素に依存して決定される。又、これらのロッドは、適正な形状の小さい断面積を有し、互いに電気的に絶縁されたものとしさえすれば、例えば軟鋼等の電導性材料で形成することもできる。これらのロッドは半径方向に整列されるので、ロッド内に有意の渦電流が発生するおそれがない。例えば、ロッドが鋼製である場合、直径０．５ｍｍないし５ｍｍの円形断面形状とすることができる。あるいは、断面の各辺の長さを０．５ｍｍないし５ｍｍとした長方形の断面形状とすることもできる。ただし、これらの形状は、単なる例にすぎず、電導性ロッドの断面形状は、各ロッド内に渦電流が発生するおそれがないように適正に寸法を定められた任意の断面形状とすることができることを理解されたい。
【００１３】
各超伝導コイルは、超伝導材の少くとも１巻きから形成することが好ましい。超伝導材は、低温超伝導（ＬＴＳ）ワイヤ（線）であってもよく、より好ましくは、高温超伝導（ＨＴＳ）ワイヤ、ケーブル又はテープとすることができる。ＬＴＳワイヤの例としては、通常約４．２Ｋの動作温度を有するＮｂ３Ｓｎワイヤ、ＮｂＴｉワイヤ等がある。
【００１４】
ＨＴＳ材の例としては、金属マトリックスの形に形成された（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０（ＢＳＣＣＯ−２２２３）フィラメントから成るワイヤ又はテープから製造された超伝導ケーブル及びテープ等が挙げられる。このＢＳＣＣＯ−２２２３ＨＴＳ材は、１１０Ｋの超伝導温度（Ｔｃ）を有し、他のＨＴＳ材と同様に、絶縁性イオンのブロックの間に挟まれた銅−酸素イオンの平面から成る格子構造を有する。従って、超伝導電流は、二次元流れに限定される。このことは、ＨＴＳ材の電気及び磁気特性は、磁界又は電界に対するそれらの材料の向きによって決まることを意味する。上述したＢＳＣＣＯ−２２２３ＨＴＳ材を製造販売している製造会社の１つは、米国マサチューセッツ州０１４３４−４０２０、デーベンス、ジャクソンロード６４、ジャクソン・テクノロジー・パークのＨＴＳワイヤ製造工場であるアメリカン・スーパーコンダクター（ＡＭＳＣ）社である。もちろん、これらの超伝導材料は、一例として挙げたにすぎない。相当に改善された性能を有する第２世代の被覆超伝導ワイヤ（線）が現在も引き続き開発中であり、コストにもよるが、それらの被覆ワイヤの使用が好ましい場合もある。第２世代の超伝導材料の例としては、アメリカン・スーパーコンダクター（ＡＭＳＣ）社によって開発されているＹＢＣＯ（ＹＢＡ２Ｃｕ３Ｏ７−δ）と、〒５５４−００２４  大阪府大阪市此花区島屋１−１−３所在の住友電気のＨＴＳ  Ｒ＆Ｄ部門によって目下開発中のＨｏＢＣＯ（ＨｏＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ）等がある。
【００１５】
特定の物理的サイズ及び必要とされる出力にもよるが、各個々の超伝導コイルは、各々電流を同じ方向に流す複数の超伝導材の巻きから成る、複数のサブコイルから形成することができる。又、各コイル間及び各コイルの内部に支持構造体を設けることもできる。コイルがＨＴＳコイルである場合は、各コイルは、複数の個別のパンケーキ形超伝導サブコイルを積重し、それらをそれらの間に形成された支持構造体によって結合することにより構成することが好ましい。この用例に適用することができる競技トラック形（長円形)コイルのための内部支持構造体は、ヨーロッパ特許１２１２７６０号に開示されている。
【００１６】
少くとも２個の超伝導コイルを設けなければならないが、本発明のチューブ状機械に用いられる超伝導コイルの総数は、その機械の所望の電力定格、サイズ及びコスト等の設計要素によって決定される。使用においては、各超伝導コイルには、該コイルに軸線方向に近接しているが、離隔されている１個又は複数個の超伝導コイルに供給される電流とは反対の方向に流れる電流が供給される。これは、半径方向に対向して流れる電流間の軸線方向の空間内の磁束を半径方向に向けさせ、それによって、それらの空間内において超伝導コイル間にＮ極とＳ極を交互に創出するる効果を有する。２個より多い超伝導コイルを設ける場合は、それらの超伝導コイルを囲包した軸線方向の全長に沿ってむらのない、一定した磁界密度を維持するために、各コイルに異なる全電流（アンペア回数）が流れるようにすることが好ましい。それは、それらのコイル端に異なる電流を供給することによって、又は、それらのコイル端の各々を構成する巻きの数を変えることによって達成することができる。更に、各超伝導コイルへ電流が正しく供給されるのを確実にするために、それらのコイルのすべてを電気的に連結して単一の超伝導巻線を構成することが好ましい。
【００１７】
これらの超伝導コイルによって創出される磁界のための低リラクタンスの磁束通路を形成するために、超伝導コイルを囲包する部品（そのチューブ状機械の特定の構造によるが、半径方向外側部材又は半径方向内側部材）は、磁性材料で形成することが好ましい。超伝導コイルがチューブ状機械の外側部材に囲包されている場合には、その外側部材は、少くとも１つの磁性材の環状体を囲包するものとすることができる。例えば、外側部材が実質的に円筒形の内表面と外表面を有するチューブである場合、該外側部材全体を磁性材で製造することができる。あるいは、超伝導コイルがチューブ状機械の内側部材に囲包されている場合には、その内側部材は、少くとも１つの磁性材の支持体を囲包するものとすることが好ましい。ここに使用される磁性材は、超伝導コイルを囲包する部品の作動温度及び作用応力に応じて決定される。チューブ状機械の作動中この部品内の磁束はＤＣ（直流）であるから、その部品の磁性材は、何らの追加の損失を惹起することなく磁気的に実質的に飽和状態になるようにすることができる。更に、超伝導ワイヤの量を少なくしたい場合は、磁性材の量を増やすことによって飽和量を減少させることができる。又、超伝導コイルを囲包する部品の軸線方向の長手の外表面は、例えば銅やアルミニウムのような高導電性金属のスリーブで包被することが好ましい。そのようなスリーブは、渦電流のための低抵抗通路を形成し、それによって、超伝導コイルを電機子コイル内の高調波と、負荷の変化によって惹起されるＡＣ（交流）磁束から遮蔽する。
【００１８】
超伝導コイルは、極低温冷却システムによってそれらの作動温度に維持することが好ましい。極低温冷却システムは、チューブ状機械の特定の部分を超伝導コイルが必要とする特定の極低温作動温度に維持する冷却システムである。極低温冷却システムは、閉ループシステムとすることができ、超伝導コイルは、そのシステム内のクライオスタット（低温恒温槽）内に密閉する。極低温冷却システムの構造及び使用される冷却剤は、各チューブ状機械の特定の設計、ＨＴＳコイルが用いられているか、ＬＴＳコイルが用いられているか、あるいは、最適作動温度が何であるかなどによって決められる。
【００１９】
超伝導コイルを囲包した部品と共に往復動する極低温冷却システムを必要とするチューブ状機械の場合、その移動部品又は部材の往復運動によって惹起される力がまずまず許容しうる程度であるならば、ギフォード・マクマホン又はスターリングサイクル極低温冷却器を用いることができる。例えば、チューブ状機械が波力を変換するための発電機である場合は、そのチューブ状機械の移動部材のピーク速度は、数ｍの長さの１ストロークにつき約２〜３ｍｓ−１となる。そのような力であれば、上記極低温冷却器は容易に耐えることができる。しかしながら、極低温冷却システムが往復運動によって惹起される相当大きな力を受ける場合は、追加の支持体としてパルスチューブ冷却器を用いることができる。上述した各極低温冷却器は、単に例として挙げられたものであり、当業者には他の多くの極低温冷却システムが知られている。
【００２０】
超伝導コイルがＨＴＳ材で形成されている場合は、極低温冷却システムに使用する冷却剤は、該コイルの最適作動温度に応じて決められる。例えば、超伝導コイルの作動温度が３０〜４０Ｋの範囲であるとすると、ヘリウムガスが５〜７７Ｋの温度に適しているので、ガス状ヘリウムを用いることができよう。あるいは、ネオンの沸点２７Ｋに近い作動温度を有する超伝導コイルの場合であれば、ネオンを用いた相変化システムを用いることができよう。それらより高い温度で作動する超伝導コイル、即ち、６５〜７７Ｋの作動温度を有する超伝導コイルの場合は、冷却剤として液体窒素を用いることが、より適当であろう。超伝導コイルがＬＴＳ材で形成されている場合は、４．２Ｋの液体ヘリウムを用いる必要があろう。その場合、特定の液体ヘリウム式極低温冷却システムが必要とされよう。これらの冷却剤は、単に一例として挙げただけであり、当業者には極低温冷却システムに関する独自の知識を本発明に適用することができるであろう。
【００２１】
極低温冷却システムは、又、超伝導コイルを囲包した部品の、少くとも該超伝導コイル囲包部分を冷却するのに用いることもできる。これは、超伝導コイルがＨＴＳ材で形成されており、超伝導コイルを囲包した部品の、該超伝導コイル囲包部分がＨＴＳ材の作動温度下で適正な機械的特性を有する磁性材で形成されている場合に好ましい。超伝導コイルを囲包する部品の素材として好適な材料の一例は、米国カリフォルニア州スタンフォードのスタンフォード大学、スタンフォード・リニア・アクセラレータ・センター、ＳＬＡＣテクニカル・ノートＴＮ−６５−８７のＨ．Ｂｒｅｃｈｎａ著「９％ニッケル鋼の室温と極低温における磁気特性」（１９６５年）に記載されているように、極低温において優れた機械的及び磁気的特性を有する９％ニッケル−鉄である。鉄よりニッケルの割合を高くしたニッケル−鉄合金も、適しているが、ニッケルは高価な合金元素であるから、ニッケルの含有量を最少限にできれば、その方が好ましい。
【００２２】
超伝導コイルを囲包した、又は包含した部品の、少くとも該超伝導コイル囲包部分の冷却は、超伝導コイルを磁性材に近似したものとすることができ、それによって、超伝導コイルによって創出される磁界の磁束通路のリラクタンスを減少させる。超伝導コイルをチューブ状機械の内側部材に装着させる場合は、この構造は、該内側部材の、超伝導コイルを囲包している軸線方向の長手を実質的に９％ニッケル−鉄で形成し、超伝導コイルを含め該内側部材全体をクライオスタット内に密閉することにより該内側部材の温度を極低温に維持することによって得られる。冷却された磁性材を使用することの利点は、電機子コイル内に所要の磁束密度を得るのに要するＨＴＳ材の量を少なくすることである。
【００２３】
別法として、極低温冷却システムを超伝導コイルだけをそれらの作動温度に維持するために用いることができる。その場合、超伝導コイルをクライオスタット又はその他の熱バリヤー（熱遮蔽体）によってチューブ状機械の超伝導コイルを囲包する部品から熱的に絶縁（断熱）することができる。これは、超伝導コイルを囲包する部品が該超伝導コイルの作動温度下で不十分な材料特性を有する材料で形成されている場合に好ましい。このことは、極低温温度下で適切な特性をもたない比較的低コストの磁性材でも使用可能であることを意味する。そのような材料の一例は、軟鋼である。
【００２４】
極低温温度下で適切な特性を有する磁性材料は、目下のところ非常に高価である。従って、超伝導コイルと直接接触させ、極低温に維持される部品を用いるか、あるいは、熱的に絶縁された（断熱された）暖温部品を用いるかの選択は、主として、コストの問題である。現行のＨＴＳ材は、高価であり、従って、冷温部品を利用することによって超伝導コイルを形成するのに必要とされるＨＴＳ材の長さを最小限にすることは、費用効率を高めることになる。しかしながら、将来は、好適なＨＴＳ材のコストが低下し、従って、本発明によるチューブ状機械を超伝導コイルから熱的に絶縁された軟鋼製部品で構成することは製造コストを更に安くする可能性があると考えられる。
【００２５】
各電機子コイルは、撚り合わせ導電性ワイヤで形成することが好ましく、各々その導電性ワイヤの１つ又は複数の巻きから成る一連の円形コイルによって構成し、超伝導コイルと同心的に配列する。電機子コイル内の渦電流損を回避するために、各電機子コイルは、例えば実質的に銅又はアルミニウムで形成することができるリッツ線のような撚り合わせ完全転位導体の巻きで形成することが好ましい。
【００２６】
個別の電機子コイルは、１つ又は複数の電機子巻線を形成するように相互に連結することが好ましい。例えば、これらの電機子コイルは、１つ又は複数の三相ＡＣ巻線を形成するように連結することができる。ただし、他のいろいろな連結態様が可能であり、それらの連結態様は、当業者には明らかであろう。
【００２７】
本発明によるチューブ状機械は、別個の超伝導（即ち、界磁）巻線と電機子巻線を囲包しており、定常状態の条件下では、機械的な運動が各巻線に発生する磁界を同期させるような態様となりうる。換言すれば、本発明のチューブ状機械は、好ましくは同期チューブ状機械である。本発明によるチューブ状機械は、その構造及び企図する用途に応じて、交流（ＡＣ）機械、又は直流（ＤＣ）機械として作動させることができることは、容易に理解されよう。
【００２８】
本発明のチューブ状機械の外側部材の外表面は、実質的に円筒形とすることが好ましい。それによって、チューブ状機械にその全体的なチューブ形状に起因する固有の機械的強度と剛性を付与するので、チューブ状機械は、その作動中該機械に作用する力によりよく耐えることができる。このような構造は、又、電機子コイルが外側部材内に囲包された構成である場合、それらの電機子コイルの冷却を容易にすることにも成る。
【００２９】
通常は、外側部材を静止部材として静止状態に保持し、内側部材を外側部材に対して往復動させることが好ましい。なぜなら、この態様で作動するチューブ状機械に対しては、付与しなければならない機械的支持体が、通常、他の構成に比してはるかに簡単な構造ですむからである。もちろん、内側部材を静止部材として静止状態に保持し、外側部材を内側部材に対して往復動させる構成も可能である。
【００３０】
本発明のチューブ状機械が、外側部材を静止状態に保持して作動される構成である場合は、電機子コイルを外側部材の一部として形成し、超伝導コイルを内側部材の一部として形成することが好ましい。この特定の構造では、電機子コイルへの主電源回路の接続部を移動させる必要がなく、電機子コイルの冷却が他の構成に比してはるかに容易である。しかしながら、超伝導コイルのための何らかの極低温冷却システム及び励磁機が設けられている場合は、それらを内側部材と共に移動させなければならない。極低温冷却システム及び励磁機には、内側部材に可撓ケーブルによって連結された遠隔電源から電力を供給することが好ましい。超伝導コイルによって創出される磁界も、チューブ状機械の外側部材及び周囲環境に対して往復動する。従って、チューブ状機械の外側部材が実質的に非磁性体である場合は、チューブ状機械から漂遊磁束が逃出することがある。逃出漂遊磁束は、周囲構造物に対して移動することになるので、本来的に望ましくない。漂遊磁束の問題に対する１つの解決法は、外側部材に電磁遮蔽体を設けることである。漂遊磁束の主たる方向はチューブ状機械の軸線方向と半径方向であるから、そのようは電磁遮蔽体は、外側部材の円周に沿って途切れなく連続したものとする必要はない。実際、電磁遮蔽体を外側部材の円周方向に連続させないことには技術的な利点がある。なぜなら、外側部材の円周方向に連続的な電磁遮蔽体を設けたとすると、渦電流の流れを容易にし、渦電流損を招くからである。この遮蔽体の１つの好ましい構成は、各磁性材のプレートが外側部材の軸線と共面をなす（同一平面上に位置する）ように複数の磁性材プレートを外側部材の外表面の周りに取り付けることである。それらのプレートは、外側部材の外表面の周りに規則的に離隔させ、互いに離隔させることが好ましい。それらのプレートは、外側部材内へ半径方向に突入させることができる。又、それらのプレートは、任意の適当な磁性材で形成することができるが、鋼で形成することが好ましい。
【００３１】
追加の効用を得るために、電磁遮蔽体を構成するプレートを電機子コイルのための冷却フィン（放熱フィン又は熱交換器）としても機能するように外側部材の外表面から（あるいは随意選択として、外側部材の非磁性領域から）突出させてもよい。電磁遮蔽体に用いられるプレートの厚さ及び外側部材の周りに配設されるプレートの数は、チューブ状機械の作動中それらのプレートが磁気的に飽和状態にならないように決めなければならない。他方、これらのプレートは、渦電流損を許容しうる範囲とするために十分に薄くしなければならない。従って、チューブ状機械の正確な設計に応じて一定の範囲のプレートの厚さから選択して用いることができる。
【００３２】
製造が比較的容易であるが、チューブ状機械に対して冷却効果を与えない好ましい変型遮蔽体構成として、外側部材に複数の軸線方向の金属補強ロッドを形成することができる。これらのロッドの数、直径、形状及び配置は、各特定のチューブ状機械のための電磁設計プロセスの一部として最適化されることが好ましい。その他の遮蔽体構造も当業者には容易に想到できるであろう。電磁遮蔽体を設けなければ漂遊磁束損を受けることになるが、本発明によれば、適当な電磁遮蔽体をチューブ状機械に追設することによって出力を約１０％増大させることを企図する。
【００３３】
超伝導コイルが外側部材に形成され、電機子コイルが内側部材に形成されており、従って、外側部材が静止状態に保持される構成では、超伝導コイルが常時チューブ状機械の周囲環境に対して静止状態に保持されるので、チューブ状機械から逃出する漂遊磁束の問題は排除される。超伝導コイルのための極低温冷却システム及び励磁機も静止したままであるから、この構造は、他の構造に比してはるかに簡単である。しかしながら、この態様に構成されたチューブ状機械の主要な欠点は、電機子コイルのための主電源接続部が内側部材と共に移動しなければならないので、電機子コイルから熱を放散させることが他の構成に比してはるかに困難になることである。
【００３４】
本発明によるチューブ状機械の構成において、配慮すべきもう１つの重要な事項は、外側部材と内側部材の相対長さである。この配慮は、外側部材と内側部材の両方に対する支持の必要性、チューブ状機械に必要とされる超伝導ワイヤの量、チューブ状機械の電力及びストローク長によって決められる。目下のところ、超伝導コイルとそれに関連する極低温冷却システムが、チューブ状機械の最もコストのかかる部分であり、従って、超伝導コイルの数を最少限にすることが好ましい。これは、超伝導コイルを囲包する軸線方向の長さを最小限にするか、あるいは、超伝導コイル間の間隔を大きくすることによって達成される。ただし、超伝導コイルのコストは将来下がる可能性があり、その場合は、超伝導コイルの数を多くすることが好ましくなることもあり得る。本発明の好ましい側面によれば、内側部材の軸線方向の長さを外側部材の軸線方向の長さの約２倍にすることができる。
【００３５】
内側部材と外側部材は、その一方が他方に対して最少限の機械的摩擦をもって軸線方向に自由に移動することができるように互いに対して支持されることが重要であり、軸受構造体を設けることが好ましい。例えば、内側部材と外側部材の一方が静止状態に保持され、他方よりも実質的に長い場合は、内側部材の外表面か、外側部材の内表面のどちらか一方に滑り又はころ軸受を形成し、それに対面する他方の表面に協同する軸受トラックを形成することができる。ただし、内側部材と外側部材の間の軸受は、慣用の同期チューブ状機械に用いられる種類の軸受に精通している当業者には明らかな他の多数の態様で形成することができることを理解されたい。
【００３６】
本発明によるチューブ状機械は、多種多様の目的に使用することができるが、その冷温構成部品を断熱する必要があるので、超伝導コイルの直径が、通常、２００ｍｍ以上となる大規模用途に最も適している。特に好ましい用途の一例は、沖合の場所で波力から電気を創生するための発電機である。大規模の往復動モーターにも、同様に適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明によるチューブ状機械の第１実施形態を図１〜６を参照して説明する。この第１実施形態では、一連の軸線方向に隔置された（軸線方向に間隔を置いて配置された）電機子コイル１が、半径方向外側のチューブ形外側部材２内に囲包又は収容されている。電機子コイル１は、非超伝導ワイヤで形成され、非磁性、非超伝導構造体上に支持されている。電機子コイル１の周りの磁束を案内するための磁気歯が設けられていないので、電機子コイル１は、渦電流損を回避するために撚り合わせ、転移させる必要があるが、それは、例えば、リッツ線を用いることによって達成することができる。電機子コイル１のための典型的な直径は、７００ｍｍである。超伝導コイル４内の電流密度が高いことの結果として、電機子コイル１に連関した磁気コアを設ける必要がない。個々の電機子コイル１が結合されて三相ＡＣ巻線を形成し、その三相ＡＣ巻線は、主電源回路（図示せず）に接続される。これらの電機子コイル１は、薄いスペーサ３によって軸線方向に互いに離隔される。各スペーサ３は、実質的に、補強ガラス繊維入りエポキシで形成され、図に示されるように、複数の円周方向に隔置され、半径方向に延長した鋼ロッド３ａを包含している。これらのロッド３ａは、スペーサ３から突出して外側部材２の本体内へ突入しており、それによって電機子コイル１から外側部材２への熱伝達を良好にする。これらのロッド３ａは、互いに電気的に絶縁されており、それらの内部に有意の渦電流が発生することがないように小径とされている。
【００３８】
電機子コイル１を囲包する外側部材２は、実質的にコンクリートで形成されており、典型的な例では、約８００ｍｍの直径を有する。外側部材２は、単純な一体（ワンピース）の注型物として形成することが好ましいが、一連の軸線方向に積重されたコンクリート積層体によって形成してもよく、あるいは、多数の軸線方向のセクションとして鋳込み成形することもできる。このコンクリートは、電機子コイル１を該コンクリートを通しての伝導によって冷却させることができ、随意選択として該外側部材の外表面に設けた水ジャケット（図示せず）へ放熱することができる。このタイプのチューブ状機械は、１５０ｋＷの平均電力、１０００ｋＷのピーク電力で作動することができる。
【００３９】
半径方向内側の内側部材５が、該内側部材の実質的に円筒形の外表面と外側部材２の実質的に円筒形の内表面との間に小さい半径方向のエアギャップが画定されるように外側部材２の内部に同軸的に配置される。超伝導コイル４は、内側部材５の外表面に支持セクション１３の間に画定された一連の軸線方向に離隔したスロット内に配置される。これらの超伝導コイル４は、真空断熱されたクライオスタット６の内部に配置される。超伝導コイル４は、市販のＨＴＳ（高温超伝導）テープを巻回して得られた単純な円形ソレノイドコイルである。例えば、各コイル４は、２００Ａの電流を通す約４０００巻きのＢＳＣＣＯ−２２２３（（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０）テープから成る。このテープは、断面形状がほぼ長方形であり、通常、幅４ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの寸法を有する。これらの超伝導コイル４は、対をなして配置され、各対をなす２つのコイルには互いに反対の極性の電流が流れる。電流の極性は、図５に矢印で示されている。
【００４０】
軸受部７は、内側部材５の両端にそれぞれ設けられる。軸受部７の軸受（図示せず）は、例えば、滑り軸受、ころ軸受、能動磁気軸受又は受動超伝導磁気軸受などであってよい。
【００４１】
このチューブ状機械が使用されるときは、外側部材２が静止状態に保持され、内側部材５が外側部材２内で相対的に往復動される。このチューブ状機械の設計最大ストローク長は、超伝導コイル４が配設されている内側部材５の軸線方向の長さと、電機子コイル１が配設されている外側部材２の軸線方向の長さとの長さの差に等しい。電機子コイル１は、超伝導コイル４より製造コストがはるかに安いので、超伝導コイル４より長い長手に亘って配設されている。超伝導コイル４は、内側部材５が外側部材２に対して往復動される間、電機子コイル１を囲包している外側部材２の軸線方向の長手と同心関係に維持される。
【００４２】
クライオスタット６は、超伝導コイル４を囲包し、それらを内側部材５の半径方向内側の内部部分（又はコア）９から断熱する。この内部部分９は、実質的に中実であり、軟鋼から形成される。クライオスタット６には、内側部材５の端部にそれと共に往復動するように配置された極低温冷却器１０によって適当な冷却剤が供給される。超伝導コイル４のための励磁システム１１も、内側部材５の、クライオスタット６が配置されているのと同じ側の端部に配置されており、やはり、内側部材と共に往復動する。励磁システム１１は、ＤＣ電流を超伝導コイル４に供給するために慣用の電源エレクトロニクス、制御器及び防護手段から成る。励磁システム１１及び極低温冷却器１０は、いずれも、遠隔電源から可撓ケーブル（図示せず）によって電力を供給される。
【００４３】
内側部材５の、超伝導コイル４を囲包している軸線方向長手部分の外表面は、例えば銅又はアルミニウムのような高電導性金属のスリーブ１２によって形成される。このスリーブ１２は、超伝導コイル４を電機子巻線内の高調波と、負荷の変化によって惹起されるＡＣ（交流）磁束から遮蔽するために渦電流のための低抵抗通路を形成する。そのようなＡＣ磁束を遮蔽しないと、超伝導コイル４を加熱することになるからである。
【００４４】
図５は、内側部材５を、スリーブ１２及びクライオスタット６を除去して示す図である。この図では、超伝導コイル４を収容するためのスロットを画定する内側部材５の支持セクション１３が明確に示されている。これらの支持セクション１３は、超伝導コイル４とほぼ同じ作動温度に維持されるが、その作動温度下で適切な機械的熱的特性を有する、ステンレス鋼のような荷荷の適当な非磁性材で形成することができる。超伝導コイル４と、支持セクション１３とクライオスタット６の内壁との間の空間は、熱バリヤーを維持するために多層断熱材と共に高度の真空（１０−３ｍＢａｒ）を保持する。クライオスタット６によって画定される被冷却（冷却される）セクションの半径方向内側の内壁は、力（ｆｏｒｃｅ）チューブ１４によって形成される。力チューブ（荷重担持チューブ又は支持チューブ）１４は、支持セクション１３、超伝導コイル４及びクライオスタット６を内側部材５の軸部（後述する中空鋼チューブ１６）にその一端で結合されており、超伝導コイル４を内側部材５に固定関係に結合して超伝導コイルを支持する機械的支持部材の役割を果たす。図６に示されるように、力チューブ１４は、熱バリヤーを構成する高度真空と多層断熱材によって内側部材５の軸部から半径方向に離隔されている。力チューブ１４は、被冷却部品に機械的支持を与え、被冷却部品と、比較的暖温の内側部材５の軸部との間に温度勾配を設定する。力チューブ１４は、冷温部品に伝導される熱の量を許容しうるレベルに抑制するように設計されている。力チューブ１４は、例えばステンレス鋼又は高強度インコネル（登録商標）（ニッケル−クロム−鉄合金）などの比較的熱伝導性が低い任意の比較的強固な材料で形成することができる。あるいは別法として、十分な機械的支持力を有し、適度に低い熱伝導性を有するいろいろな複合材料を用いることもできる。
【００４５】
内側部材５の半径方向内側の内部部分９は、超伝導コイル４が収容されている軸線方向の長手に亘って延在しており、実質的に、中実鉄で形成されている。この実施形態では、内部部分９の中心には、極低温冷却器１０及び励磁システム１１からの冷却剤及び電力導線（図示せず）を通すための通路とすることができる孔２９が形成されている。ただし、この孔は本発明の必須部分ではなく、ある種の状況下では、内側部材５の内部を完全に中実のコアとし、冷却剤及び電流供給線を半径方向内側の内部部分９の端部のところの超伝導コイル支持構造体にまで引き込み、個々の超伝導コイル４間にはＨＴＳ材の連結導線を用いることが好ましい場合もある。半径方向内側の内部部分９は、超伝導コイル４によって創生される磁界のための低リラクタンス磁束通路を提供する。内側部材５の、超伝導コイル４より軸線方向外側の残りの軸線方向長手部分は、内側部材５の重量及びコストを最少限にするために中空鋼チューブ（軸部）１６として形成されている。
【００４６】
このチューブ状機械における磁極の発生態様は、図７を参照することによって最もよく理解することができる。このチューブ状機械の作動中、各超伝導コイル４内を回る電流が流れる。このことは、各コイルを囲繞する磁界が生じることを意味する。互いに軸線方向に隣接しているが、内側部材５の支持セクション１３によって分離されている超伝導コイル４内の電流は、互いに反対方向に流れるようになされており、従って、各コイルを囲繞する磁界の磁束は、軸線方向に隣接する１つ又は２つのコイルを囲繞する磁界の磁束とは反対向きになる。これらの相対向する磁界が、各対の超伝導コイル４間の空間（即ち、支持セクション１３によって占められている空間）内で磁束を半径方向に押し進め、超伝導巻線の長手に沿ってＮ極とＳ極を交互に創生する。図５では３つの軸線方向でみて内側の中央超伝導コイル４は、２つの軸線方向に隣接し、かつ接触しているコイルから形成されたものとして示されているが、これは、単にこれらの特定のコイルが、先に述べた理由で２つの（両端の）端部コイル４ａ，４ｂより多い数の巻きを有しているからにすぎない。隣接し、接触している各コイル内を流れる電流は、図５に矢印で示されるように同じ極性であるから、これらの２つの互いに隣接し、接触したコイルは、単一のコイルとみなすべきである。換言すれば、軸線方向に隔置された超伝導コイル４によって形成された超伝導巻線は、１列の永久磁石と実質的に同じ作用を有する。しかしながら、超伝導コイル４によって創出することができる磁界密度は、永久磁石によって創出される磁界密度よりはるかに高い。超伝導巻線の長手に沿って均一な磁界パターンを維持するために、端部コイル４ａ，４ｂは、中央のコイルより少ない数のＢＳＣＣＯ−２２２３テープの巻きを有しているが、それらに供給される電流は中央のコイルと同じである。各対の超伝導コイル４は、このチューブ状機械の１つの磁極を形成し、それらの磁極の総数は、そのチューブ状機械定格に応じて決められる。図１〜７に示された例では、４つの磁極が存在する。
【００４７】
先に略述したように、内側部材５は、外側部材２に対して相対的に往復動するようになされており、両端を軸受（図示せず）によって支持されている。従って、本発明のチューブ状機械は、超伝導コイル４の冷却と励磁機構は別として、在来の永久磁石式チューブ錠機械と実質的に同じ態様で作動する。
【００４８】
本発明のこの実施形態のチューブ状機械は、在来のチューブ状機械と同じ態様でモーターとして、又は、発電機として作動させることができる。本発明のこの実施形態の好ましい適用例は、沖合の場所で波力から電気を創生するための発電機である。その場合、チューブ状機械は、電源電子変換器（図示せず）に接続され、その機械の最も簡単な作動モードでは該チューブ状機械によって創生された可変周波数電気を送電網に必要とされる固定周波数に変換する。
【００４９】
図８は、チューブ状機械の外側部材２に電磁遮蔽体１７を追加的に組み入れた点を除いては、上述した第１実施形態と実質的に同じである第２実施形態を示す。この特定の例では、電磁遮蔽体１７は、チューブ状機械の軸線に平行に、かつ、外側部材２の外周面の周りに円周方向に等間隔を置いて配置され、外側部材内に固定されたほぼ１８０枚の半径方向に延長した平面状の鋼フィン又はプレート１８から成る。これらの鋼プレート１８は、典型的な例では厚さ約１０ｍｍであるが、状況に応じて、５ｍｍ、２０ｍｍなどの他の厚さを用いることもでき、５０ｍｍもの厚さにさえすることができる場合もある。電磁遮蔽体１７は、チューブ状機械の作動中超伝導コイル４からの漂遊磁束がチューブ状機械から逃出するのを防止する。このことは、超伝導コイル４は周囲環境に対して移動するので、比較的近くに何らかの電導性の構造物が存在すると問題になることがあり得ることからみて、重要な事項である。電磁遮蔽体１７は、このようにそのプレート１８が、漂遊磁束の主要な方向、即ち、チューブ状機械の軸線方向と半径方向に対して平行となるように形成されており、従って、それらの主要な方向に低リラクタンスの磁束通路を提供する。電磁遮蔽体１７は、チューブ状機械の外側部材２の円周方向に連続した構成としていないのは、円周方向に連続したものとすると、円周方向の渦電流の流れを容易にし、それによって望ましくない渦電流損を招くからである。図には示されていないが、プレート１８は、冷却フィン（放熱フィン又は熱交換器）としても機能するように外側部材の外表面から突出した構成としてもよい。
【００５０】
図９は、チューブ状機械の外側部材２に上記第２実施形態のものとは異なる変型電磁遮蔽体２７を追加的に組み入れた点を除いては、上述した第１実施形態と実質的に同じである第３実施形態を示す。この例では、電磁遮蔽体２７は、チューブ状機械の外側部材２内に、実質的に規則的に半径方向及び円周方向に間隔を置いて形成された複数の軸線方向の鋼ロッドから成る。これらの鋼ロッドは、各々同一のものであり、直径ほぼ１０ｍｍ実質的に円形の断面形状を有する。ただし、これらの寸法形状は、単に参考として挙げたものであり、それらのロッドが用いられるチューブ状機械のサイズ及び設計に応じて他の断面形状及び直径のロッドも等しく用いることができることを理解されたい。電磁遮蔽体２７は、チューブ状機械の作動中超伝導コイル４からの漂遊磁束がチューブ状機械から逃出するのを防止するという点で、本発明の第２実施形態の上述した電磁遮蔽体と同じ態様で作動する。電磁遮蔽体２７は、このようにそのロッドが軸線方向に延長するように形成されており、従って、その方向の漂遊磁束に対して低リラクタンスの磁束通路を提供する。電磁遮蔽体２７は、チューブ状機械の外側部材２の円周方向に連続した構成としていないのは、円周方向に連続したものとすると、円周方向の渦電流の流れを容易にし、それによって望ましくない渦電流損を招くからである。
【００５１】
図１０及び１１には、本発明の第４実施形態の内側部材１９が示されている。この実施形態の外側部材は、第１実施形態のそれと同じであるから、図示しない。内側部材１９は、その半径方向内側の内部部分（又はコア）２０が超伝導コイル２２と同じ作動温度にまでクライオスタット２１によって冷却される点を除いては、第１実施形態の内側部材と同様のものである。内側部材１９は、更に、軸受（図示せず）を支持する２つの端部セクション２６を有する。端部セクション２６は、鋼製の力チューブ２３を介して内側部材の残部に結合されている。１方の端部セクションは、クライオスタット２４及び励磁システム２５に固定されている。クライオスタット２４及び励磁システム２５は、本発明の第１実施形態におけるのと同じ態様で作動する。内側部材１９の、力チューブ２３の半径方向内側の部分は、内側部材の重量を最少限にするために中空にされている。図１１では、内側部材１９は、クライオスタット２１を除去して示されている。半径方向内側の内部部分２０は、超伝導コイル２２と同じ温度に維持され、好ましくは９％のニッケルを含有した鉄で形成される。この材料（９％ニッケル−鉄）は、ＨＴＳの作動温度で好適な磁気的、熱的及び機械的特性を有する。これより高い割合（例えば、３６％又は７０％）のニッケルを有する磁性材を用いることもできるが、ニッケル含有量が高いほど、材料のコストが高くなり、その材料の飽和磁束密度が低下するので、望ましくない。
【００５２】
内側部材１９の、超伝導コイル２２を囲包又は包含している軸線方向長手部分の外表面は、例えば銅又はアルミニウムのような高電導性金属のスリーブ３０によって形成される。このスリーブ３０は、超伝導コイル２２を電機子巻線内の高調波と、負荷の変化によって惹起されるＡＣ（交流）磁束から遮蔽するために渦電流のための低抵抗通路を形成する。
【００５３】
超伝導コイル２２は、本発明の第１実施形態におけるのと同じ態様で形成されるが、内側部材１９の内部部分２０の外周面の周りに直接巻回されている。又、超伝導コイル２２は、本発明の第１実施形態と同じ態様で支持セクション２８によって互いに離隔されている。しかしながら、この実施形態では、支持セクション２８は、内側部材の内部部分２０と同じ磁性材（９％ニッケル−鉄）で形成される。この実施形態では、力チューブ（荷重担持チューブ）２３は、半径方向内側の内部部分２０を、上述した各実施形態と同じ態様で形成された端部セクション２６から分離する。クライオスタット２１は、第１実施形態の内側部材と同じ態様で極低温冷却器２４から冷却剤を供給される。クライオスタットの壁は、力チューブ２３、超伝導コイル２２、支持セクション２８及び内部部分２０を囲包する。力チューブ２３、超伝導コイル２２、支持セクション２８及び内部部分２０は、いずれも、チューブ状機械の使用中適切な極低温作動温度に維持されるようにするために、熱バリヤーを維持するための高度の真空と多層断熱材によってクライオスタット壁から分離されている。その他の点では、本発明のこの実施形態は、第１実施形態と同じ態様で作動する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明によるチューブ状機械の一実施形態の破断図である。
【図２】図２は、図１のチューブ状機械の詳細図である。
【図３】図３は、図１のチューブ状機械のスペーサの円周方向の一部分の詳細図である。
【図４】図４は、図１のチューブ状機械の内側部材を示す。
【図５】図５は、図４の内側部材を、クライオスタットの壁と遮蔽体を取り除いて示す。
【図６】図６は、図４の内側部材の破断図である。
【図７】図７は、図１のチューブ状機械の使用中、超伝導コイルの周りに発生する磁界を表現した説明図である。
【図８】図８は、本発明によるチューブ状機械の第２実施形態の破断図である。
【図９】図９は、本発明によるチューブ状機械の第３実施形態の破断図である。
【図１０】図１０は、本発明によるチューブ状機械の第４実施形態の内側部材の断面図である。
【図１１】図１１は、図９の内側部材を、クライオスタットの壁と遮蔽体を取り除いて示す。
【符号の説明】
【００５５】
１  電機子コイル
２  外側部材
３  スペーサ
３ａ  ロッド
４  超伝導コイル
４ａ，４ｂ  端部コイル
５内側部材
６  クライオスタット
７  軸受部
８  内部部分、コア
９  内部部分、コア）
１０  極低温冷却器
１１  励磁システム
１２  スリーブ
１３  支持セクション
１４  力チューブ
１６  中空鋼チューブ
１７  電磁遮蔽体
１８  プレート、鋼プレート
１９  内側部材
２０  内部部分
２１  クライオスタット
２２  超伝導コイル
２３  力チューブ
２４  クライオスタット、極低温冷却器
２５  励磁システム
２６  端部セクション
２７  電磁遮蔽体
２８  支持セクション
２９  孔
３０  スリーブ
【図１】
0005448296.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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