(57)【要約】熱伝導性の巻線支持体（９）内に配置された超電導巻線（１０）を有し、回転軸を中心として回転する回転子（５）を含む超電導装置（２）に関する。巻線支持体は冷媒用中央空所（１２）を備え、その中央空所に巻線支持体から導出された側方空所が連通する。回転子の外部で、冷凍ユニットのコールドヘッド（１６）が冷媒（ｋ，ｋ’）を凝縮する凝縮器ユニット（１８）に結合されている。冷媒を導く固定配置のヒートパイプ（２０）が凝縮器ユニット（１８）に結合され、回転する側方空所（１３）内に軸方向に突出し、その空所に対して封止される。冷媒は、異なる凝縮温度を有する複数の成分からなる混合気である。順により高い凝縮温度を持つ冷媒ガスを凝縮させていくことで、所定の温度迄の冷却時間を短縮できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子（５）と冷凍ユニットを備え、
前記回転子（５）は回転軸（Ａ）を中心として回転し得るように軸支され、少なくとも１つの超電導巻線（１０）を有し、該超電導巻線（１０）の導体は熱伝導性をもって作られた巻線支持体（９）内に配置され、この巻線支持体は軸方向に走る円筒状中央空所（１２）を形成しており、その円筒状中央空所に前記巻線支持体（９）から導出された側方空所が連通され、
前記冷凍ユニットは熱伝達部を経て前記巻線（９）に熱結合された少なくとも１つのコールドヘッド（１６）を有し、該コールドヘッド（１６）は前記回転子（５）の外部に固定配置され、かつ冷媒（ｋ，ｋ’）の凝縮のため凝縮器ユニット（１８）に熱結合され、
前記凝縮ユニット（１８）に、回転する側方円筒空所（１３）内に軸方向に突出してその空所に対して放射方向に封止される固定配置のヒートパイプ（２０）が結合され、
前記ヒートパイプ（２０）、前記側方空所（１３）および中央空所（１２）は前記冷媒（ｋ，ｋ’）で満たされ、熱サイフォン効果を用いて、凝縮した冷媒（ｋ）が前記ヒートパイプ（２０）を経て前記側方空所（１３）内に流入すると共に、そこから前記中央空所（１２）内に流入し、そこで気化した冷媒（ｋ’）が前記側方空所（１３）およびヒートパイプ（２０）を経て前記凝縮ユニット（１８）に還流する超電導装置（２）において、
冷媒として、異なる凝縮温度（Ｔk1，Ｔk2）を有する少なくとも２つの冷媒成分からなる混合気が用いられることを特徴とする超電導装置。
【請求項２】
前記中央空所（１２）が一側方で前記巻線支持体（９）によって密閉され、前記側方空所（１３）は前記コールドヘッド（１８）に対向する側方で、回転する部分を有するパッキング装置（２１）によって封止されたことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記パッキング装置（２１）が、強磁性流体パッキング、ラビリンスパッキングおよびスプリットパッキングの群から選択された少なくとも１つのパッキングを備えることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記コールドヘッド（１６）を含む冷凍ユニットが、少なくとも１つの、特に再生式極低温冷却器を備えることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の装置。
【請求項５】
前記極低温冷却器がパルス管型冷却器又はスプリットスティアリング冷却器又はギフォードマクマホン冷却器であることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
多段構成のコールドヘッドにより特徴付けられる請求項１から５の１つに記載の装置。
【請求項７】
前記コールドヘッドが２つの冷凍段を備え、その第１の冷凍段が電流導体又は放射シールドに、第２の冷凍段が前記凝縮器（１８）に各々熱結合されたことを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記超電導巻線（１０）が、前記コールドヘッド（１６）によって７７Ｋ未満の温度に保持されることを特徴とする請求項１から７の１つに記載の装置。
【請求項９】
前記巻線（１０）の導体が、低Ｔc金属超電導材料又は高Ｔc金属酸化物超電導材料を含むことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記ヒートパイプ（２０）の前記側方空所（１３）又は中央空所（１２）内に突出する端部（２０ａ）が滴下端として形成されたことを特徴とする請求項１から９の１つに記載の装置。
【請求項１１】
前記側方空所（１３）が、前記中央空所（１２）の方向に徐々に拡大するように形成されたことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記回転子（５）の少なくとも低温部および前記ヒートパイプ（２０）が真空絶縁されたことを特徴とする請求項１から１１の１つに記載の装置。
【請求項１３】
ネオンとアルゴン又はネオンと窒素の成分対からなる冷媒混合気によって特徴付けられる請求項１から１２の１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
２０００年１１月２１日付けで「回転する超電導巻線に熱結合された、冷凍ユニットのコールドヘッドを備えた超電導装置」という名称の下に出願された未公開のドイツ国特許出願第１００５７６６４．８号の対象は、回転軸を中心として回転するように軸支され、少なくとも１つの超電導巻線を備えた回転子を有する特定構成の超電導装置である。その場合、超電導巻線は熱伝導性を持つように作られた巻線支持体内に配置された導体の他に冷凍ユニットを備えており、少なくとも１つのコールドヘッドが熱サイフォン効果を利用して、熱伝導性部材を経て巻線に熱結合している。
【０００２】
非常に低い転移温度Ｔcを持ち、そのため低Ｔc超電導材料又はＬＴＳ材料とも称される、例えばＮｂＴｉ又はＮｂ3Ｓｎのような、かなり以前から知られている超電導金属材料と共に、１９８７年以来、７７Ｋを超える転移温度を有する金属酸化物超電導材料が知られてきた。後者の材料は高Ｔc超電導材料又はＨＴＳ材料とも称され、基本的に液化窒素（ＬＮ2）による冷却技術を可能にしている。
【０００３】
ＨＴＳ材料を用いた導体で超電導巻線を作ることも研究されている。しかしそれら従来公知の導体は、テスラの範囲の誘導による磁界中での比較的僅かな電流負担能力しか持ち得ない。このことは、数テスラの磁界強度の下でそれ相当の電流を負担可能なように、巻線導体は用いられる材料がそれ自体高い転移温度を持っているにも係わらず、しばしば７７Ｋを下回る温度レベル、例えば１０〜５０Ｋに保つことを必要としている。この温度レベルは、一方でＮｂ3Ｓｎ等の公知の金属超電導材料を冷却する液化ヘリウム（ＬＨｅ）の沸騰温度４．２Ｋより明らかに高い。しかし他方でＬＮ2による冷却は大きな導体損失のため不経済である。２０．４Ｋの沸騰温度を有する水素又は２７．１Ｋの沸騰温度を有するネオン等の他の液化ガスは、その危険性又は自由度不足のため除外される。
【０００４】
ＨＴＳ導体を用いた巻線を冷却するために上述の温度範囲では、Ｈｅ圧力ガスの密閉サイクルを用いた極低温冷却装置の形の特別な冷凍ユニットが用いられる。この極低温冷却装置はギフォードマクマホン（Gifford-McMahon）型又はスターリング型の特別なタイプのものであり、又は所謂パルス管型冷却器として構成される。それに加えて、この種の冷凍ユニットは、冷凍能力があたかもスイッチボタンの押圧操作によって意のままになり、かつユーザーにとって極低温の流体の取り扱い操作を省略できるという利点がある。この種冷凍ユニットを用いる場合、例えば電磁石コイルや変圧器巻線等の超電導装置は冷凍機のコールドヘッドに対する熱伝導によってのみ間接的に冷却される（例えば、"Proc. 16th Int. Cryog. Engng. Conf. (ICEC 16)", Kitakyusyu, JP, 20.−24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997の第1109 −1129頁参照）。
【０００５】
対応する冷却技術が、米国特許第５４８２９１９号明細書で公知の回転電機の超電導回転子にも応用されている。その回転子は、スティアリング型又はギフォードマクマホン型又はパルス管型の冷却器として構成された冷凍ユニットにより３０〜４０Ｋの所望の運転温度に保たれるＨＴＳ導体からなる回転する巻線を備えている。そのため冷凍ユニットは、特定の実施例では当該明細書には開示されていない回転するコールドヘッドを含み、その冷凍側が熱伝導部材を経て巻線に間接的に熱結合している。更に、公知の回転電機の冷凍ユニットは、回転子の外部に設けられたコンプレッサユニットを含み、該ユニットは詳述されていない対応する伝達ユニットの回転するカップリングを経て必要な動作ガスをコールドヘッドに導く。カップリングは、更に２つのスリップリングを経て、コールドヘッド内に組み込まれた冷凍ユニットの弁駆動に必要な電気エネルギーを供給する。この考え方は、伝達ユニット内に少なくとも２つのガス接続部を同軸状に導き、かつ少なくとも２つの電気的なスリップリングを設けねばならないことを意味する。それに加えて、冷凍ユニットの回転部および特に電機の回転子内の弁駆動部への接近が妨げられる。何故なら、必要な保守作業時に回転子ハウジングを開放せねばならないからである。その他に、高速回転時における従来の弁駆動部の機能が、同期電動機又は発電機で与えられるものとは異なり、保障されている訳ではない。
【０００６】
７７Ｋ未満の温度領域で、比較的少ない機器費用の下に回転子の静止時にも回転時にも冷凍ユニットの安全かつ経済的な運転を保証すべく、冒頭に述べた型の超電導装置のためのドイツ国特許出願第１００５７６６４．８号の発明では、次の構成要件、即ち
巻線支持体には軸方向に走る円筒状中央空所が形成されており、その中央空所に巻線支持体から導出された側方空所が連通し、
コールドヘッドは回転子の外部に固定配置され、かつ冷媒の凝縮のために凝縮器ユニットに熱結合し、
回転する側方空所内に軸方向に突出してその空所に対し放射方向に封止される凝縮器ユニットに固定配置のヒートパイプが結合され、更に、
ヒートパイプ、側方空所および中央空所が冷媒で満たされ、熱サイフォン効果を用いて凝縮した冷媒がヒートパイプを経て側方空所内に流入すると共に、そこから中央空所内に流入し、そこで気化した冷媒が側方空所とヒートパイプを経て凝縮器ユニットに還流するという構成要件を備えることが提案されている。
【０００７】
この提案による超電導装置の構成では、可動部分を有する冷凍ユニットが全体として回転子の外部に配置され、従っていつでも容易に接近可能である。固定配置されたコールドヘッドから回転子内への冷凍能力の伝達又は熱伝達は、機械的に動く部分を持たずに冷媒の移送を確実に行うヒートパイプを経て行われる。その際冷媒は循環プロセスの中で、コールドヘッドに良好な熱伝導性をもって結合された凝縮器ユニットに熱を与えることで凝縮する。それに続いて凝縮液はヒートパイプによって側方空所へと移行して行き、そこから回転子の中央空所へと更に移行する。ヒートパイプによる凝縮液の移行は重力の影響を受けながら、所謂熱サイフォン作用、又はヒートパイプの内壁のキャピラリ作用力、又はその両者により行われる。加えてヒートパイプは公知の如く、ろうそく等の「芯」として作用する。この機能は内壁の適切な構造又は内張により一層最適化できる。ヒートパイプの終端で凝縮液が側方空所内に滴下する。この側方空所から巻線領域内に存在する中央空所内へと到達した凝縮液は少なくとも部分的に気化する。このように熱を吸収して気化した冷媒は、ヒートパイプの内部を経て凝縮器ユニットへと還流する。その際、凝縮器ユニットの凝縮器として作用する部分に比べて、蒸発器部として作用する中央空所内の軽度の過圧により逆流が生ずる。蒸発器内でのガスの発生および凝縮器内での液化によって発生するこの負圧が所望の冷媒逆流を起こさせる。これに対応する冷媒の流れが、所謂「ヒートパイプ」として知られている。
【０００８】
この構成の利点は、特に、例えば冷媒循環のために送風機やポンプ等の可動部を必要としないことにある。更に冷媒循環のために、比較的薄く作られ熱絶縁された唯一のヒート（移送）パイプしか必要としない。このため、特に冷媒のガス空所を回転子の外部空所に対し封止する回転パッキングの複雑さを回避できる。その結果、より小さな周速に基づき比較的小さなパッキングにでき、その信頼性は高く、保守が簡素化される。その場合、内室から外室への冷媒のガス損失がヒートパイプの機能に多少なりとも悪影響を与える。と言うのは、システム内の液量がごく僅かではあるが影響を受けるからである。従って十分な備蓄によって長い耐用期間が可能となる。更に冷凍ユニットは電機据え付けの種々の要求に容易に適合し得る。特に設計如何により数メートルの長さのヒートパイプを備えることが可能となり、本来の電動機や発電機が接近の困難な状態で組み立てられるのに対し、例えば冷凍機をその保守の軽減化のために接近の容易な場所に組み立てることができる。即ち、前記提案による構成では、特に比較的簡単な封止しか必要ないので、熱の伝達又は冷凍能力の調達が特に容易かつ経済的である。
【０００９】
単に熱サイフォンを経て結合したコールドヘッドによる室温から運転温度への超電導回転子の冷却の場合、前記提案による超電導装置で行われている如く、典型的には約３０Ｋという熱サイフォンの低い動作温度でのコールドヘッドの能力は比較的小さい。その結果冷却時間が長くなる。それは、熱サイフォンしか持たない冷却システムでは、低温体質量又は冷凍能力に応じ、ほぼ数週間にも及ぶ予冷温度への冷却時間が必要であり、又は回転子の予冷のために熱サイフォンに一時的に高い動作温度を許容する他の動作ガスを充填せねばならなくなるからである。後者の方法は冷却過程での数時間にわたるサービス投入が必要となる。しかし、これは論理上かつコスト上の理由から避けねばならない。
【００１０】
従って本発明の課題は、前述の提案による超電導装置を、少なくとも上述の問題を回避すべく改良することである。
【００１１】
この課題は本発明により請求項１に記載の構成によって解決される。即ち、冷媒として異なる凝縮温度を有する少なくとも２つの冷媒成分からなる混合気を用いる。
【００１２】
本発明による超電導装置では、コールドヘッドの徐冷時、まず最高の凝縮温度を有するガスを凝縮させ、回転子の被冷却部への熱伝達のための密閉サイクルを形成する。この回転子部分をそのガスの三重点温度迄予冷することで、そのガスを凝縮器ユニットの領域で凍結させ、もって次に高い凝縮温度の混合気成分の凝縮温度に迄冷却する。混合気の各成分は、好ましくはコールドヘッドの冷凍能力の最適利用によりほぼ連続する冷却を実現可能なように選択する。即ち、冷却の始めに際し、高温にあるコールドヘッドの運転は対応する、より大きな冷凍能力を引き出し、従って大幅に短い冷却時間を可能とする。
【００１３】
本発明による超電導装置の好ましい実施態様を従属請求項に示す。
【００１４】
それによれば、冷媒空所の特に簡単な封止は、中央空所を一側方で巻線支持体により密閉し、側方空所をコールドヘッドに対向する側方で回転する部分を持つ封止装置で密閉することで達成される。封止装置としては、強磁性流体パッキング、ラビリンスパッキングおよびスプリットパッキングの群から選んだ少なくとも１つのパッキングを用いる。
【００１５】
冷凍ユニットとして、実用上所定の温度レベルとすべきコールドヘッドを備える全ての型の冷凍機が使用ができる。特にＨｅ圧力ガスの密閉サイクルを有する極低温冷却器を用いるとよい。と言うのは、それは簡単な構造を持ち、本発明の超電導装置におけるような間接冷凍技術にとって特に適当なものだからである。それに対応し、再生型極低温冷却器とも称される冷却器が、蓄熱器又は極低温冷却器の通常クラスに対応する再生型動作サイクルを備える（例えば、前記の"Proceedings"版の第３３〜４４頁参照）。
【００１６】
コールドヘッドを多段に構成すると特に好ましい。その際第１段により電流導入の特殊部分や熱放射シールドを比較的高い中間温度にもたらす。それに対応して構成したコールドヘッドにより、効率的な冷却にとって好ましい各温度レベルに容易に維持できる。
【００１７】
更に、被冷却巻線、従ってその超電導材料は、コールドヘッドにより７７Ｋ未満の温度に、ＨＴＳ材料を用いる場合は特に２０〜５０Ｋの間に保つべく考慮するとよい。即ちその場合、公知のＨＴＳ材料は比較的小さな冷却コストですむ温度範囲で、通常用途にとり十分な臨界電流密度を持つようにするとよい。本発明による超電導装置では、必要な冷凍能力が容易に調達可能である。それは例えば約１〜２０ＭＷの機械的能力クラスの同期機に対し、２０〜３０Ｋにおいて数十Ｗの範囲にある。
【００１８】
更にヒートパイプを、側方又は中央空所内に突出する端部を滴下端として構成するとよい。この結果空所内の凝縮液の流入が容易になる。それと同時に電機の回転時、回転する内室内のガスの動きにより冷媒のガス状部分の風に基づいて滴下を支援すべく、構造設計を行うこともできる。
【００１９】
更にまた、側方空所を中央空所の方向に徐々に拡大するように構成するとよい。その場合、冷媒の移送路が回転軸に対し外周方向に向かって傾斜することで、冷媒の伝送のために場合によっては重力又は遠心力を補足的に利用できる。
【００２０】
本発明による超電導装置の他の好ましい実施態様は、下位請求項から理解されよう。
【００２１】
次に図面を参照して本発明による超電導装置の好ましい実施例について更に詳細に説明する。なお両図において互いに対応する部分には同一符号を付している。
【００２２】
図示の本発明による超電導装置の実施例は、特に同期電動機又は発電機を対象とする。この超電導装置は回転する超電導巻線を含み、該巻線は原則的に金属のＬＴＳ材料（低Ｔc超電導材料）又は酸化物のＨＴＳ材料（高Ｔc超電導材料）を用いて作られる。後者の材料（ＨＴＳ材料）を以下に説明する実施例に対し選択する。巻線は２極、４極、又はそれ以上の多極装置として構成された単一又は複数のコイル装置から構成できる。例えば同期機を構成するこの種の超電導装置の原則的な構造は図１から解る。この電機の公知の実施形態から説明を始める（例えば前述の米国特許第５４８２９１９号明細書参照）。
【００２３】
全体を符号２で示す超電導装置は、室温環境内に固定配置され、固定子巻線４を有する外被３を備える。外被３内部に、固定子巻線４で取り囲まれた状態で、回転軸Ａを中心として回転できるように一対の軸受６で回転子５を軸支している。軸受６はその一方の対応する軸受で軸支された中実の軸方向回転軸部５ａを含む。軸受６には従来型の機械軸受や磁気軸受を使用できる。回転子５は真空容器７を備え、その中でトルクを伝達する、例えば中空円筒状の支持部品８に、ＨＴＳ巻線１０を有する巻線支持体９を保持している。該支持体９は、回転軸Ａに対し同心的に、軸方向に走る円筒状空所を持ち、それを以下で中央空所１２と呼ぶ。ここで巻線支持体９は中央空所１２に対し真空封止状態にある。巻線支持体９は中央空所１２を回転軸部５ａに対向する側で閉鎖している。巻線支持体９の他方の側で、中央空所１２が比較的小さい直径を持つ側方空所１３に連通している。該空所１３は巻線支持体９の領域から外方に向かい、外被３の領域で外部に導出されている。この側方空所１３を取り囲み、一方の軸受６で軸支された管状の回転軸部を５ｂで示す。
【００２４】
超電導装置２は、巻線１０の間接冷却のため、熱伝導性部材を経て更に冷凍ユニットを備えている。図は冷凍ユニットのコールドヘッド１６のみを示す。冷凍ユニットとして、特にギフォードマクマホン型の極低温冷却器が適する。再生式極低温冷却器としてパルス管型冷却器又はスプリットスティアリング型冷却器を用いるとよい。その際、コールドヘッド１６、即ち冷凍ユニットの他の主要部品は全て回転子５および外被３の外部に存在せねばならない。使用すべきコールドヘッド１６を持つ冷凍ユニットに必要な付属部品、例えば過熱時にシステムを過圧から保護するためにホット状態の圧力平衡タンクや充填キャピラリ、過圧弁等の部品は図示していないが、それらは一般的に公知である。回転子５から側方に、例えば０．５〜数メートルの距離の所に配置されたコールドヘッド１６の低温部は、真空容器２３内において熱伝達体１７を経て冷媒凝縮ユニット、即ち凝縮器ユニット１８と良好な熱接触状態にある。該ユニット１８に真空絶縁された固定配置のヒートパイプ２０が接続されている。ヒートパイプ２０は軸方向領域で側方に、回転する側方空所１３又は中央空所１２内に突出している。側方空所１３に対するヒートパイプ２０の封止のため、詳細には図示しない少なくとも１つのパッキング部材を持つパッキング装置２１が設けられる。パッキング装置２１は強磁性流体パッキング、ラビリンスパッキングおよびスプリットパッキングの群から選んだ少なくとも１つのパッキングとして構成できる。中央空所１２は、ヒートパイプ２０および側方空所１３を経て凝縮器ユニット１８の熱交換領域に外周方向に向かって気密に接続されている。
【００２５】
これら空所内に封入する冷媒は、本発明により複数の、少なくとも２つの異なる沸騰温度、即ち凝縮温度Ｔkを有する、異なる基本成分を含む混合気からなっている。その際両混合気成分のうちの第１の成分は第１の凝縮温度Ｔk1を持ち、それは一般的に超電導巻線の連続運転用に設定された運転温度以下にある。この第１の混合気成分としては、運転温度に応じ、例えば水素（標準圧力での凝縮温度２０．４Ｋ、三重点１４Ｋ、３０Ｋおよび８ｂａｒの臨界点）、又はネオン（標準圧力での凝縮温度２７．１Ｋ、三重点２５Ｋ、４２Ｋおよび２０ｂａｒの臨界点）、窒素（標準圧力での凝縮温度７７．４Ｋ、三重点６５Ｋ、１２５Ｋおよび２２ｂａｒの臨界点）、アルゴン（標準圧力での凝縮温度８７．３Ｋ、三重点８５Ｋ、１４５Ｋおよび３８ｂａｒの臨界点）が考慮の対象となる。それに対し第２の基本混合気成分は、比較的高い凝縮温度Ｔk2を持っている。それに対応する冷媒混合気の例は、ネオン（２７．１ＫのＴk1）とアルゴン（８７．３ＫのＴk2）との成分対、又はＴk2未満であって、例えば約３０Ｋという運転温度を設定せねばならない場合には、ネオンと窒素の成分対（７７．４ＫのＴk2）である。
【００２６】
次にまず超電導装置の標準運転状態での冷却過程について説明する。ここでは、冷媒空所内に封入された冷媒混合気の両成分が、循環プロセス内でコールドヘッド１６により冷却される凝縮器ユニットへの熱付与の下に凝縮する。続いて、ｋで示し、図に太線で示した液化凝縮液がヒートパイプ２０を経てまず側方空所１３内に流れ、そこから中央空所１２へと流れて行く。その場合、ヒートパイプ２０による凝縮液の移送は重力と、「芯」として機能するヒートパイプ内壁の毛管作用力の少なくとも一方の作用を受けつつ熱サイフォン効果により生ずる。この芯の機能は、表面拡大のための長手方向フィンやチャネル又は内壁の内張による等の適当な手段によって最適化され得る。側方空所１３内、場合により付加的に中央空所１２内にも突出するヒートパイプ２０の終端２０ａで空所１３、１２内に凝縮液ｋが滴下する。この過程はヒートパイプ２０の終端２０ａでの滴下端の整形により増幅され得る。それと同時にその整形は、回転する内室内のガスの動きにより回転状態にある冷媒のガス状部の風に基づき滴下を支援するようにも形成できる。
【００２７】
次に回転子５の内部で、液状冷媒混合気又は凝縮液ｋの、凝縮温度Ｔk1を有する第１成分ｋ、即ちネオンのみが気化する。この蒸気状態の冷媒成分をｋ’と表示する。その際第２成分は以前と同様に液状を保ち、又は凍結する。冷媒の移送のため、場合によっては重力又は遠心力を利用できる。その際冷媒の移送路は回転軸に対し明らかに外周側へと傾斜する。それに対し側方空所１３は、その直径に関して中央空所１２の方向に走る管として構成される。熱の吸収により気化した冷媒成分ｋ’は、ヒートパイプ２０内を経て凝縮器ユニット１８に還流する。その場合、凝縮器ユニットとの比較において蒸発器として作用する空所１２内の軽度の過圧により逆流が生ずる。それは、蒸発器内でのガスの発生および凝縮器ユニット内での液化により引き起こされる。
【００２８】
本発明による超電導装置では、冷凍機に静止状態で結合されたヒートパイプも設けている。その場合、極低温領域で冷媒の移送が行われ、固定部と回転部との間の移送は滴下する液体によって行われ、還流は通流するガスによって行われる。
【００２９】
次に冷却モード中の冷却過程について説明する。本発明によれば、異なる凝縮温度を持つ複数の冷媒成分の混合気からなる冷媒を用いるので、コールドヘッドの徐冷の際にまず高い凝縮温度（ここでは、Ｔk2）を持つ第２成分が凝縮し、回転子の被冷却部への熱伝達のために標準運転状態の時と同様に密閉サイクルを形成する。次に、この部分をその第２成分の対応する三重点温度に迄予冷した後、これを凝縮ユニットの領域内で凍結させる。その結果、この冷媒は次の（第１）冷媒成分の凝縮温度に迄冷却される。かくして複数の冷媒成分の混合気を適切に選択することで、コールドヘッドの冷凍能力の最適利用の下にほぼ連続した冷却を実現できる。
【００３０】
巻線支持体９は十分な熱伝導性を持たねばならない。即ち巻線支持体９が中央空所１２に対向する内壁と巻線１０の間に良好な熱伝導部分を持つ。かくして巻線１０は巻線支持体９、冷媒ｋ、ｋ’、凝縮器ユニット１８および熱伝達体１７を経てコールドヘッド１６に熱結合する。熱伝達を改善すべく、必要ならガス状冷媒ｋ’に関する熱交換面を拡大する対策、例えば巻線支持体９の中央空所１２側内壁に周方向に走るフィンを設け得る。
【００３１】
ヒートパイプ２０内の冷媒ｋの液相を改善すべく、これを公知の如く前述の「芯」、例えば特殊鋼ワイヤスポンジの形の構造にしたり、フィンによって拡大された表面を形成したりできる。ヒートパイプ２０の水平部内に液相の図示した伝達体と共に、自明の如く重力に対する支援策も可能である。
【００３２】
自明の如く冷媒ｋ，ｋ’を取り囲む部分／容器を熱侵入に対し保護せねばならない。そこで容器の熱絶縁のために真空包囲手段を設けるのがよい。場合によっては対応する真空空所内に付加的な絶縁手段、例えば耐熱絶縁物又は絶縁泡を設け得る。図１は、真空容器７により密閉した真空空所をＶで示す。更にこの空所Ｖは、側方空所１３を取り巻き、パッキング装置２１に迄走る管を取り囲んでいる。ヒートパイプ２０並びに凝縮器ユニット１８および熱伝達体１７を取り巻く真空空所をＶ’で示す。場合によっては、回転子５を取り囲む、外被３によって取り囲まれた空所２２内を負圧にしてもよい。
【００３３】
図１に示す回転子５を含む超電導装置２の実施例では、ガス状冷媒ｋ’を封入した、一回充填方式を用いている。しかしながら、冷凍ユニットを遮断し、低温部がホットな状態にある限り、管システム又は空所システム内の圧力が冷媒の気化に伴い上昇する。その際最終圧力は密閉された容積とシステム内の冷媒量に依存する。例えば冷媒混合気の第１成分として約１ｂａｒおよび最少液体量ｋのネオンを用いる場合、約３００Ｋの室温に迄温熱状態にすると、圧力は１２ｂａｒ以上になる。この圧力が回転パッキング２１に負荷としてかかるので、場合によっては外部ホット容積バッファを設けるとよい。かくして容積バッファＰＶが冷媒ｋ，ｋ’のコールド体積のｎ倍であれば、ホット部の圧力上昇は１：（ｎ＋１）倍に低下する。図２は、図１による超電導装置の対応する構成を示す。図２では符号２’で超電導装置の全体を示し、以下ＰＶで容積バッファを、２５で充填弁をそれぞれ示しており、充填弁２５から充填キャピラリ２４を経てガス状冷媒ｋ’を充填することができる。図は更に符号２６で過圧弁を示している。図示の装置の他の部分は、図１の超電導装置２の実施例のそれに対応する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】回転子およびそれに付設する冷凍ユニットを備えた超電導装置の一実施例の縦断面図である。
【図２】図１の超電導装置の一部を変形した他の実施例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
２  超電導装置、３  外被、４  固定子巻線、５  回転子、５ａ、５ｂ  回転軸部、６  軸受、７、２３  真空容器、８  支持部品、９  巻線支持体、１０  ＨＴＳ巻線、１２、１３、２２  空所、１６  コールドヘッド、１７  熱伝達体、１８  凝縮器ユニット、２０  ヒートパイプ、２０ａ  ヒートパイプの終端、２１  パッキング装置、  ２４  キャピラリ、２５  充填弁、２６  過圧弁
【図１】
2005528867.tif 000003
【図２】
2005528867.tif 000004
【国際調査報告】
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