(57)【要約】【課題】発熱の問題も解決しながら、界磁と電機子を共に超電導設備にて構成可能な動力又は電力発生装置を提供する。【解決手段】超電導コイル２及び超電導バルク回転体３は、気密容器１内に対向して配置されており、この気密容器１は真空断熱槽７内に収納されることで常温空間との間の断熱が確保される。また、気密容器１は真空断熱槽７に組み込まれた冷凍機８のコールドヘッド９と熱的に接続されており、気密容器１全体を低温度に保持する。そして、超電導コイル２を組み込んだ気密容器１と超電導バルク回転体３の間の空間に、ガスヘリウム等の使用温度領域で液化しないガスを充填したガス充填領域５を設けている。これにより、冷凍機８で冷却される気密容器１と超電導バルク回転体３との間の熱伝達が確保され、運転中を含めて超電導バルク回転体３を所定温度まで冷却することが可能となる。【選択図】図１
2004023921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械動力を受けて電力を発生する発電機、又は逆に電力を受けて機械動力を発生する電動機の少なくともいずれか一方として機能する動力又は電力発生装置であって、
断熱部の内部に配置され、冷凍機又は冷媒によって冷却される気密容器と、
前記気密容器に固定され超電導化された固定側部材と、
前記気密容器内において前記固定側部材との間の磁気作用によって回転運動又は摺動運動を行う超電導化された運動子と、
前記運動子の運動を前記断熱部の外部に伝達する動力伝達機構と、
を備え、
前記気密容器の内部に使用温度で液化しないガスを充填し、その充填ガスによって前記気密容器と前記回転子の間の熱伝達を可能に構成したこと
を特徴とする動力又は電力発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の動力又は電力発生装置において、
前記運動子として超電導バルクを用いること
を特徴とする動力又は電力発生装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の動力又は電力発生装置において、
前記運動子を前記気密容器内において運動可能なように支えるベアリングとして、前記運動子側に超電導バルクを使用した超電導磁気ベアリングを採用したこと
を特徴とする動力又は電力発生装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の動力又は電力発生装置において、
前記気密容器内の運動子に設けられた超電導バルクと磁気的に結合する永久磁石を前記断熱部外に配置し、その永久磁石を動力伝達軸に機械的に結合することによって前記動力伝達機構を構成したこと
を特徴とする動力又は電力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械動力を受けて電力を発生する発電機、又は逆に電力を受けて機械動力を発生する電動機として機能する動力又は電力発生装置に関し、特に超電導材料を有効利用した技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、電動機又は発電機（以下、電動機又は発電機の少なくともいずれか一方の機能を発揮するものの意味で動力又は電力発生装置という語を用いる。）の性能向上を図る手段として、高い磁場を有する超電導コイルもしくは超電導バルクを採用することは各種検討されてきた。多くの場合、界磁側と電機子側のいずれか一方に超電導設備を配し、他方には常電導設備を配し、それらを組み合わせて構成している。しかしながら、このような構成では、超電導設備と常電導設備との間に真空断熱層が介在することになり、界磁と電機子相互の電磁気的結合が弱くなっている。このことは、高い磁場を発生可能な超電導コイルもしくは超電導バルクを採用する価値を低減させる結果となってきた。
【０００３】
図４は、従来の構成例を示す。超電導バルクが固定子として真空断熱槽内に収納され、真空断熱槽の外側に常電導の電機子コイルを回転可能に配置している。必然的に真空容器が超電導バルクと電機子コイルの中間に介在するため、両者の距離が発生し超電導バルクの作る磁場を有効に活かすことができないという問題を持っていた。
【０００４】
この問題を解決するために界磁と電機子を共に超電導コイル又は超電導バルクによって構成しようとすると、必然的に回転子側の冷却方法が難しくなる。つまり、最も安易な方法は、両者を低温冷媒の中に浸漬して運転することであるが、その構成の場合は装置全体が複雑になるとともに、冷媒の攪拌に伴う発熱の問題も発生するという欠点があった。
【０００５】
そこで本発明は、このような発熱の問題も解決しながら、界磁と電機子を共に超電導設備にて構成可能な動力又は電力発生装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた請求項１記載の動力又は電力発生装置は、機械動力を受けて電力を発生する発電装置、又は逆に電力を受けて機械動力を発生する電動装置として機能するのであるが、固定側部材及び運動子を共に超電導化して断熱部内部に配置してある。この構成において、固定側部材子は直接冷凍機等と接続して伝導冷却を行うことが可能であるが、運動子に伝導冷却を行うには従来ベアリングや摺動部材を介するしか方法はなく、ベアリング自身の発熱も含め、熱伝達能力が不足すると想定される。それに対して本発明の場合は、これら固定側部材と運動子を共に気密容器内に配置すると共に、この気密容器の内部に使用温度で液化しないガス（例えばヘリウムガス）を充填し、その充填ガスによって気密容器と回転子の間の熱伝達ができるように構成した。この構成によって、気密容器と回転子の間の熱伝達特性が向上し、さらに運動子の運動に伴う対流効果をも利用して運動子を冷却できるため、運動損失を最小限に抑えながら運動子の冷却を維持し、全体を超電導で構成することが容易になる。
【０００７】
なお、この気密容器内に充填するガスは、必要に応じて圧力を加減し、熱伝達特性を調整することも可能である。
なお、回転機の場合には、断熱部内部の固定側部材、その固定側部材との間の磁気作用によって回転運動を行う運動子は、界磁、電機子で構成されることとなるが、ここでは回転運動だけでなく往復動などの摺動運動も想定しているため、「固定側部材」「運動子」と表した。
【０００８】
前記運動子としては、例えば超電導バルクを用いることができる（請求項２）。超電導バルクを用いれば外部から電流を供給する必要がなく、回転体側に通電するためのスリップリング等が不要になる等の点で有利である。
また、運動子を気密容器内において運動可能なように支えるベアリングとしては、請求項３に示すように、運動子側に超電導バルクを使用した超電導磁気ベアリングを採用することが考えられる。このようにすれば、気密容器は運動子を非接触で支持できることとなり、機械的摺動に伴う発熱を防止できる。
【０００９】
また、請求項４に示すように、気密容器内の運動子に設けられた超電導バルクと磁気的に結合する永久磁石を断熱部外に配置し、その永久磁石を動力伝達軸に機械的に結合することによって動力伝達機構を構成してもよい。このように断熱部内外の動力伝達を磁気カップリングによって実現すれば、「機械的な動力伝達軸」を介する場合に比べて熱損失なく動力伝達ができ、「機械的な動力伝達軸」によっていた場合の種々の問題を解決できる。つまり、動力伝達軸が必須の場合には、熱伝導度の低い材質を採用し、動力伝達軸を長くする必要があるという問題があったが、そのような考慮が不要となる。また動力伝達軸の回転や摺動を許容しながら熱損失を低減しようとするとシール部分の構成が複雑になってしまっていたが、そもそもシール部分が存在しなくなるので、構成が複雑にならない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施例について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００１１】
図１は、本実施例の動力又は電力発生装置１の概略断面図である。本装置１は、回転機として構成されており、界磁と電機子ともに超電導設備を使用している。特に、ここでは電機子として固定した超電導コイル２を使用し、界磁として超電導バルクを固定した超電導バルク回転体３を使用する。
【００１２】
本装置１における超電導コイル２及び超電導バルク回転体３は、気密容器１内に対向して配置されている。具体的には、気密容器１の内面側に超電導コイル２が固定されており、一方、気密容器１にベアリング６を介して回転自在に支えられた回転体に超電導バルクが固定され、超電導バルク回転体３を構成している。なお、ここで「回転自在」とは左右いずれの方向にも回転自在であることを意味する。以下も同様である。
【００１３】
また、超電導バルク回転体３の回転軸の一端は真空断熱槽７の外部まで延出されており、動力伝達軸４として機能する。真空断熱槽７内部から外部に動力伝達軸４が延出する部分には、ダイナミックシール１０が設けられており、このダイナミックシール１０によって、真空断熱槽７内外の断熱を確保しながら動力伝達軸４の回転も確保している。
【００１４】
この超電導バルク回転体３の超電導バルクは、超電導バルクの一般的な励磁方法である磁場中冷却又はパルス着磁方法によって磁化されるものとする。超電導コイル２に外部から交流電流を供給することにより、電動機又は発電機の電機子としての役割を持たせることができる。つまり、超電導バルク回転体３に回転力を与え、その回転力を動力伝達軸４を介して真空断熱槽７外部に伝達することで電動機として作動可能である。あるいは、逆に外部の動力源により動力伝達軸４を介して回転させられる超電導バルク回転体３の磁場変動によって、超電導コイル２から電力を得る発電機としても作動可能である。
【００１５】
超電導コイル２及び超電導バルク回転体３が収納されている気密容器１は、真空断熱槽７内に収納されており、常温空間との間の断熱が確保される。また、気密容器１は、真空断熱槽７に組み込まれた冷凍機８のコールドヘッド９と熱的に接続されており、気密容器１全体を低温度に保持し、内部の超電導コイル２及び超電導バルク回転体３の超電導機能を発揮可能とする。
【００１６】
このような構造を持つことで、気密容器１内に収納された超電導コイル２は、熱伝導により容易に冷却される。一方、超電導バルク回転体３は、ベアリング６を経由する熱伝導経路はあるが、この経路だけでは冷却が遅れるか、あるいは発熱量を吸収できない可能性がある。そのため、本実施例では、超電導コイル２を組み込んだ気密容器１と超電導バルク回転体３の間の空間に、ガスヘリウム等の使用温度領域で液化しないガスを充填したガス充填領域５を設けている。
【００１７】
これにより、冷凍機８で冷却される気密容器１と超電導バルク回転体３との間の熱伝達が確保され、運転中を含めて超電導バルク回転体３を所定温度まで冷却することが可能となる。
なお、本実施例では、上記の方法によって超電導バルク回転体３を冷却するために、予冷段階において、気密容器１内のガス充填領域５にガスを供給しないで真空状態を維持すれば、超電導バルク回転体３の冷却速度は遅くなり、超電導コイル２が超電導状態になったときに超電導バルク回転体３はまだ超電導状態ではないという組合せを作ることができる。この状態で、超電導コイル２に直流電流を供給し、磁場を発生させながら徐々に充填ガス５を供給して超電導バルク回転体の冷却を実施すれば、いわゆる磁場中冷却による着磁の手法により、超電導バルク回転体３の超電導バルクを励磁することが可能となる。
【００１８】
このように本装置１では、超電導コイル２及び超電導バルク回転体３を共に気密容器１内に収納すると共に、気密容器１の内部に使用温度で液化しないガスを充填してガス充填領域５を形成することによって、気密容器１と超電導バルク回転体３の間の熱伝達ができるように構成した。この構成によって、気密容器１と超電導バルク回転体３の間の熱伝達特性が向上し、さらに超電導バルク回転体３の回転運動に伴う対流効果をも利用して超電導バルク回転体３を冷却できるため、運動損失を最小限に抑えながら超電導バルク回転体３の冷却を維持し、全体を超電導で構成することが容易になるという効果がある。
【００１９】
なお、本実施例の構成と特許請求の範囲の用語との対応関係を簡単に整理しておく。本実施例の超電導コイル２が固定側部材に相当し、超電導バルク回転体３が運動子に相当する。また、真空断熱槽７が断熱部に相当し、気密容器１が気密容器に想到し、動力伝達軸４が動力伝達軸に相当する。
【００２０】
［別実施例］
（１）上記図１に示す実施例では超電導バルク回転体３が気密容器１に対して相対的に回転可能とするために、機械的なベアリング６を用いたが、図３に示す別実施例のように、超電導磁気ベアリング１６を用いても良い。この超電導磁気ベアリング１６は例えば超電導バルクと永久磁石から構成され、例えば超電導バルクを超電導バルク回転体３側、具体的には超電導バルク回転体３の回転軸となる動力伝達軸４の外周に固定し、気密容器１側には永久磁石を固定する。このように構成することによって、気密容器１内の低温部において、超電導バルク回転体３を非接触で支持することができ、機械的摺動に伴う発熱を防止できる。
【００２１】
（２）上記図１又は図３に示す実施例の場合には、真空断熱槽７内外にまたがる動力伝達軸４を用いているため、低温領域への熱侵入量増加の要因となる。熱侵入量が大幅に増加すると、それは超電導の動力又は電力発生装置の本来の魅力を阻害する要因となるため、例えば熱伝導率の低い材料を採用した上で動力伝達軸４を長くしたりせざるを得なくなり、全体構成が複雑になる可能性もある。
【００２２】
そこで、真空断熱槽７内外の動力伝達を機械的伝達によるのではなく、磁気カップリングによって実現することも考えられる。その場合の例を図３に示す。図３は、図２に示す構成を前提としてさらに磁気カップリングによる動力伝達のための構成を採用したものである。具体的には、図２を参照して説明した実施例における動力伝達軸４を、真空断熱槽７の内部に存在する円柱状の回転体４ａと、真空断熱槽７の外部に存在する動力伝達軸４ｂとに分割する。そして、回転体４ａの外周には超電導バルクを設ける。なお、図２の実施例において超電導磁気ベアリング１６のための超電導バルクを動力伝達軸４の外周に固定しているので、その超電導バルクを回転体４ａの先端部分まで延設すればよい。
【００２３】
真空断熱槽７は、この回転体４ａを収納している部分が円筒状に形成されており、その円筒形状部分の外側にはベアリング２２を介して有底円筒状の外筒２０が配置されている。そのため、外筒２０は、真空断熱槽７の周囲を回転自在にされている。そして、この外筒２０には、上記回転体４ａに固定された超電導バルクに対向するように永久磁石２１が設けられている。この永久磁石２１としては、例えばネオジウム系の強力な磁石を採用することができる。また、外筒２０の底部分には上述した動力伝達軸４ｂが取り付けられており、外筒２０が真空断熱槽７の周囲を回転すると、それに伴って動力伝達軸４ｂも回転するよう構成されている。
【００２４】
このような構成を持つことによって、例えば外部から動力伝達軸４ｂを回転させる力を受けた場合、その回転力によって外筒２０が真空断熱槽７の周囲を回転する。この回転によって永久磁石２１も真空断熱槽７の周囲を回転するが、永久磁石２１は回転体４ａ外周の超電導バルクに対向するよう設けられているため、両者の磁気的結合によって、永久磁石２１の回転運動が回転体４ａに伝達される。そのため、回転体４ａが回転し、外部から伝達された機械動力により電力が発生可能となる。逆に、超電導コイル２に通電することで超電導バルク回転体３及び回転体４ａを回転させると、磁気的結合によってその回転が外筒２０に伝達され、動力伝達軸４ｂを介して機械動力を発生させることができる。
【００２５】
図３に示す場合では、磁気カップリングにおける真空断熱槽７内の構成として円柱状の回転体４ａを採用したが、動力伝達能力に観点からすれば直径の大きい方が好ましいので、別の部位において、より直径の大きな回転体を設け、その周囲に超電導バルクを設けるようにしてもよい。
【００２６】
なお、図３は、図２に示す超電導磁気ベアリング１６を用いた構成を前提として、さらに磁気カップリングによる動力伝達のための構成を採用したが、当然、図１に示す機械的なベアリング６を用いた構成を前提として、さらに磁気カップリングによる動力伝達のための構成を採用してもよい。
【００２７】
（３）上記実施例では、界磁側である超電導バルク回転体３を円板状に構成した例を示しているが、円筒状に配置した場合も基本的考え方は同一である。
また、上記実施例では回転機を例にとって説明したが、回転運動ではなく往復動などの摺動運動を行う装置として構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の動力又は電力発生装置の概略断面図である。
【図２】別実施例の動力又は電力発生装置の概略断面図である。
【図３】真空断熱槽内外の動力伝達を磁気カップリングによって実現する場合の構成を示す概略断面図である。
【図４】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１…動力又は電力発生装置
２…超電導コイル
３…超電導バルク回転体
４…動力伝達軸
５…ガス充填領域
６…ベアリング
７…真空断熱槽
８…冷凍機
９…コールドヘッド
１０…ダイナミックシール
１６…超電導磁気ベアリング
【図１】
2004023921.tif 000003
【図２】
2004023921.tif 000004
【図３】
2004023921.tif 000005
【図４】
2004023921.tif 000006