(57)【要約】【課題】  回転体側の断熱容器と断熱配管を可撓部を介して接続するだけの簡易な構造であり、可撓部を介すことで、断熱容器及び配管を全体で精度管理する必要性もなく、製作も簡易化できる、超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法及びその装置を提供する。【解決手段】  超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法において、回転体側に配置した断熱容器７と、長手方向軸線に沿って前記断熱容器７と直列に設けた寒剤供給配管８とを配置し、前記断熱容器７と前記寒剤供給配管８とを可撓部１１を介して接続するとともに各々を別個の軸受６，１０で支持する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体側に配置した断熱容器と、長手方向軸線に沿って前記断熱容器と直列に設けた寒剤供給配管とを配置し、前記断熱容器と前記寒剤供給配管とを可撓部を介して接続するとともに各々を別個の軸受で支持することを特徴とする超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法。
【請求項２】
請求項１記載の超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法において、前記寒剤供給配管は外径５０ｍｍ程度のものを適用し、前記寒剤供給配管を二重管にしたことを特徴とする超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法。
【請求項３】
請求項１記載の超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法において、前記寒剤供給配管にカラーを取り付け、該カラーの機械加工により前記寒剤供給配管の軸受取り付け部の精度を確保することを特徴とする超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法。
【請求項４】
回転体側に配置した断熱容器と、長手方向軸線に沿って前記断熱容器と直列に配置した寒剤供給配管と、前記断熱容器と前記寒剤供給配管とを接続する可撓部と、前記断熱容器及び前記寒剤供給配管を各々支持する別個の軸受とを具備することを特徴とする超電導体を回転機器に配置した装置。
【請求項５】
請求項４記載の超電導体を回転機器に配置した装置において、前記寒剤供給配管は、寒剤供給用内管と蒸発ガス等を排気する外管とからなる外径５０ｍｍ程度の二重管であることを特徴とする超電導体を回転機器に配置した装置。
【請求項６】
請求項４記載の超電導体を回転機器に配置した装置において、前記寒剤供給配管にカラーを取り付け、該カラーの機械加工により前記寒剤供給配管の精度を確保する軸受取り付け部を構成することを特徴とする超電導体を回転機器に配置した装置。
【請求項７】
請求項４記載の超電導体を回転機器に配置した装置において、真空容器と大気とを分離する磁性流体シールユニットを具備することを特徴とする超電導体を回転機器に配置した装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転体側に超電導体を適用した例は、超電導フライホイール蓄電装置や超電導電動機がある。いずれも実験装置であるが、フライホイールは、回転軸側に寒剤を入れた断熱容器を用いており、回転中に寒剤の供給はしていない。従って、永続的な運転はできない。電動機については、実験装置として、液体窒素の浴槽に浸けて回転させるものがある。また、船舶用電動機においては、極低温のヘリウムガスを固定側の設備から回転軸内を通して回転体に供給して冷却しているものもあるが、回転軸と固定側のインターフェイス部の寒剤のシールが複雑であり、かつ多大なノウハウを要するもので実用的ではない。
【０００３】
一例として、下記の非特許文献１及び２に１ＭＷの船舶用モータの寒剤供給装置が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｅｉｊｉ  Ｋｏｓｕｇｅ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｈｅｌｉｕｍ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｏｆ  １  ＭＷ−ｃｌａｓｓ  ＨＴＳ  Ｍｏｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｐｏｄｄｅｄ  Ｓｈｉｐ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｓｅｒｉｅｓ  ２３４，０３２０３２，ｐｐ．１−５（２０１０）
【非特許文献２】Ｋ  Ｕｍｅｍｏｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  １  ＭＷ−ｃｌａｓｓ  ＨＴＳ  Ｍｏｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｐｏｄｄｅｄ  Ｓｈｉｐ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｓｅｒｉｅｓ  ２３４，０３２０６０，ｐｐ．１−７（２０１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記したような従来の１ＭＷの船舶用モータの寒剤供給装置は、多重円筒管を組み合わせた構造に、磁性流体シールで回転系とのガスの気密を維持して、かつ、流体ノズルによる隙間部シール機構を有しており、断熱距離を確保するために複雑な形状にもなっている。
本発明は、上記状況に鑑みて、回転体側の断熱容器と断熱配管を可撓部を介して接続するだけの簡易な構造であり、可撓部を介すことで、断熱容器及び配管を全体で精度管理する必要性もなく、製作も簡易化できる、超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法において、回転体側に配置した断熱容器と、長手方向軸線に沿って前記断熱容器と直列に設けた寒剤供給配管とを配置し、前記断熱容器と前記寒剤供給配管とを可撓部を介して接続するとともに各々を別個の軸受で支持することを特徴とする。
【０００７】
〔２〕上記〔１〕記載の超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法において、前記寒剤供給配管は外径５０ｍｍ程度のものを適用し、前記寒剤供給配管を二重管にしたことを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法において、前記寒剤供給配管にカラーを取り付け、このカラーの機械加工により前記寒剤供給配管の軸受取り付け部の精度を確保することを特徴とする。
【０００８】
〔４〕超電導体を回転機器に配置した装置において、回転体側に配置した断熱容器と、長手方向軸線に沿って前記断熱容器と直列に配置した寒剤供給配管と、前記断熱容器と前記寒剤供給配管とを接続する可撓部と、前記断熱容器及び前記寒剤供給配管を各々支持する別個の軸受とを具備することを特徴とする。
〔５〕上記〔４〕記載の超電導体を回転機器に配置した装置において、前記寒剤供給配管は、寒剤供給用内管と蒸発ガス等を排気する外管とからなる外径５０ｍｍ程度の二重管であることを特徴とする。
【０００９】
〔６〕上記〔４〕記載の超電導体を回転機器に配置した装置において、前記寒剤供給配管にカラーを取り付け、このカラーの機械加工により前記寒剤供給配管の精度を確保する軸受取り付け部を構成することを特徴とする。
〔７〕上記〔４〕記載の超電導体を回転機器に配置した装置において、真空容器と大気とを分離する磁性流体シールユニットを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、回転体側に配置した断熱容器に連続して寒剤を供給することが可能であるとともに、特別な製作精度の断熱配管を使用する必要もなく、市販精度の磁気シールカップリングが装着可能であるため、安価な装置を提供できる。例えば、超電導フライホイール蓄電装置においては、真空槽内に配置した超電導体を収納した回転断熱容器に、装置外部の大気圧部分に配置した寒剤供給装置から連続的に寒剤を供給できる。
【００１１】
つまり、本発明では寒剤を連続供給できるように構成しており、さらに、回転体側の断熱容器と断熱配管を可撓部を介して接続するだけの簡易な構造であり、断熱容器及び配管を全体で精度管理する必要もなく、装置の簡素化ができる。
また、配管も、市販精度のものにカラーを取り付けて、そのカラーの機械加工で精度を確保するため、特別な部品製作の必要がない。管径を５０ｍｍ程度とすることで、市販規模の磁気シールカップリングを取り付けて、大気から真空槽の配管貫通が容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例を示す超電導体を回転機器に配置した装置（実験装置）の構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す超電導体を回転機器に配置した装置の組み立て説明図である。
【図３】断熱容器（デュワー）内への温度センサの配置を示す模式図である。
【図４】従来の液体窒素供給なしの場合の液体窒素の挙動を示す図である。
【図５】本発明に係る液体窒素供給ありの場合の液体窒素の挙動を示す図である。
【図６】市販精度の寒剤供給配管を示す模式図である。
【図７】本発明のカラーを利用した支持精度を高めた寒剤供給配管を示す模式図である。
【図８】本発明のフライホイールへの適用例を示す断面図である。
【図９】図８における磁性流体シールユニットを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法は、回転体側に配置した断熱容器と、長手方向軸線に沿って前記断熱容器と直列に設けた寒剤供給配管とを配置し、前記断熱容器と前記寒剤供給配管とを可撓部を介して接続するとともに各々を別個の軸受で支持する。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す超電導体を回転機器に配置した装置（実験装置）の構成図、図２はその装置（実験装置）の組み立て説明図であり、図２（ａ）はその断熱容器と可撓継手と寒剤供給管の構成図、図２（ｂ）はその断熱容器と可撓継手と寒剤供給管の組み立て図、図２（ｃ）は装置（実験装置）が組み立てられた図である。
【００１５】
これらの図において、１は装置架台、２は装置架台１の下部に配置される電動機（７．５ｋＷ）、３は電動機２の支持板、４は電動機２の回転軸と回転する断熱容器（デュワー）７を接続するカップリングである。この断熱容器７は、下部に中実の回転軸７−１を、上部に中空の回転軸７−２を有する。なお、回転軸７−１は中空でも構わない。回転軸７−１は、カップリング４を介して電動機２の回転軸に接続される。断熱容器７は、回転軸７−１を支持する第１の断熱容器支持軸受６と、回転軸７−２を支持する第２の断熱容器支持軸受１０で支持される。第１の断熱容器支持軸受６は、スラスト玉軸受６Ａと深溝玉軸受６Ｂを有し、第２の断熱容器支持軸受１０は、スラスト玉軸受１０Ａと深溝玉軸受１０Ｂを有する。
【００１６】
５は第１の断熱容器支持軸受６の支持板、９は第２の断熱容器支持軸受１０の支持板である。８は寒剤供給管路としての寒剤供給内管８Ａと蒸発ガス等の排気外管８Ｂ（断熱機能あり）を有する寒剤供給配管（回転軸）であり、この寒剤供給配管８の下端部は断熱容器７上部の中空の回転軸７−２内に挿入され、可撓性継手１１で接続（通常の可撓カップリングを用い、中空の回転軸７−２と寒剤供給配管８の隙間部をシリコンシーラントでシール）する。寒剤供給配管８は、第１の寒剤供給配管支持軸受１３と、第２の寒剤供給配管支持軸受１５で支持される。第１の寒剤供給配管支持軸受１３はスラスト玉軸受１３Ａと深溝玉軸受１３Ｂを有し、第２の寒剤供給配管支持軸受１５はスラスト玉軸受１５Ａと深溝玉軸受１５Ｂを有する。なお、１２は第１の寒剤供給配管支持軸受１３の支持板、１４は第２の寒剤供給配管支持軸受１５の支持板である。
【００１７】
本発明の効果を確認するために、図１及び図２に示すような本発明を適用した装置を製作して、回転体への寒剤供給試験を行った。ここでは、寒剤として液体窒素を使用した。
図３は断熱容器（デュワー）内への温度センサの配置を示す模式図であり、断熱容器７の底から３５ｍｍの高さに第１の温度センサ２１（図４及び図５のＡ）、１９２ｍｍの高さに第２の温度センサ２２（図４及び図５のＢ）、４４５ｍｍの高さに第３の温度センサ２３（図４及び図５のＣ）をそれぞれ配置してそれぞれの温度を計測した。
【００１８】
ここでは、最初の１分間で１０００ｒｐｍまで加速し、１０００ｒｐｍで１分間保持した後、次の１分間で０ｒｐｍまで減速するようにした。液体窒素供給なしの場合、図４に示すように、高さ２００ｍｍの液体窒素液面が３５ｍｍまで低下し、回転途中で液体窒素が噴き出し、ほとんどの液体窒素が容器から排出された。これに対し、本発明のように液体窒素を供給した場合は、図５に示すように、液面変化がなく、つまり、高さ４４５ｍｍの液面が継続保持されており、回転中、回転体側容器内に液体窒素が供給されていることが容易に確認できる。
【００１９】
また、ここで、注意すべき事項として、図６に示すように、本発明では市販精度の寒剤供給配管４３を使用するため、寒剤供給配管４３の軸受支持点４１及び４２の間には差Ｄが生じる。
そこで、軸受の取り付け部の精度を確保するために、本発明によれば、図７（ａ）に示すように、内径φａ1 ，外径φｂのカラー５１と、内径φａ2 ，外径φｂのカラー５２とを図６の軸受支持点４１及び４２にそれぞれ対応する位置で寒剤供給配管５３に取り付ける。次に、カラー５１を基準としてカラー５２の外径をφｃまで切削し、その後、カラー５１を厚さＥだけ切削して外径をφｃとする。
【００２０】
すると、図７（ｂ）に示すように、軸受支持点におけるカラー５１′及びカラー５２′の並行度と、軸受取り付け部の精度が確保されることになる。
このようにして、軸受取り付け部の精度が確保された寒剤供給配管を作製することができる。
図８は本発明のフライホイールへの適用例を示す断面図である。
【００２１】
この図において、６０は真空容器、６１は電動／発電機、６２は磁気カップリング、６３は第１の制御型磁気軸受（回転体径方向支持）、６４は回転する断熱容器（デュワー）であり、この断熱容器６４は、下部に中実の回転軸６４−１を、上部に中空の回転軸６４−２を有する。６５は回転軸６４−１に固定されるフライホイール、６７は断熱容器６４内の寒剤、６８は寒剤６７中の超電導バルク体、６９は断熱容器６４の外部に配置される超電導磁石用低温容器、７０はその超電導磁石用低温容器６９内の寒剤、７１は寒剤７０中の高温超電導線材のコイル（高温超電導磁石）、７４は寒剤供給内管７２と蒸発ガス等の排気外管７３からなる寒剤供給用断熱二重管であり、断熱容器６４の上部に固定されている中空の回転軸６４−２に、その下端が挿入されている。７６は断熱容器６４の上部の中空の回転軸６４−２部を支持する第２の制御型磁気軸受（回転体径方向支持）、７７は可撓部、７８は第１の寒剤供給配管支持軸受、７９は第２の寒剤供給配管支持軸受、８０は真空容器６０と外気とをシールする磁性流体シールユニットである。なお、８１は第１の制御型磁気軸受６３の支持板、８２は第２の制御型磁気軸受７６の支持板、８３は第１の寒剤供給配管支持軸受７８の支持板、８４は第２の寒剤供給配管支持軸受７９の支持板である。
【００２２】
また、可撓部７７は、寒剤供給用断熱二重管７４の排気外管７３と断熱容器６４の上部に固定されている中空の回転軸６４−２の間を可撓性を持って接続するものであり、金属ベローズなどを用いても良い。
この適用例では、フライホイール６５は、回転軸６４−１の上方に配置された断熱容器６４内に配置した超電導バルク体６８と、それを取り囲んでいる高温超電導線材のコイル７１で構成される超電導磁気軸受で浮上し、フライホイールの下部に配置した第１の制御型磁気軸受６３と、回転する断熱容器６４の上部に配置した第２の制御型磁気軸受７６により、径方向の安定性を保つように構成されている。真空容器６０の外下部に配置した電動／発電機６１とは、永久磁石を利用した磁気カップリング６２で真空容器６０外壁を隔てて接続されている。
【００２３】
ここで、磁性流体シールユニット８０としては、図９に示すような、株式会社フェローテック製のフランジ付きフェローシール（登録商標）を用いるようにしてもよい。
このように、超電導フライホイール蓄電装置においては、真空容器６０内に配置した超電導体を収納した回転する断熱容器６４に、装置外部の大気圧部分に配置した寒剤供給装置から連続的に寒剤を供給することができる。
【００２４】
上記したように、本発明では寒剤を連続供給できるように構成しており、さらに、回転体側の断熱容器と寒剤供給配管を可撓部を介して接続するだけの簡易な構造であり、断熱容器及び寒剤供給配管を全体で精度管理する必要もなく、装置の簡易化ができる。また、寒剤供給配管も、市販精度のものにカラーを取り付けて、そのカラーの機械加工で精度を確保するため、特別な部品の製作の必要がない。管径を５０ｍｍ程度とすることで、市販規模の磁気シールドカップリングを取り付けて、大気から真空容器への配管貫通が容易にできる。
【００２５】
本発明によれば、回転体側に配置した断熱容器に連続して寒剤を供給することが可能であるとともに、特別な製作精度の寒剤供給配管を使用する必要もなく、市販精度の磁気シールカップリングが装着可能であるために、安価な装置を提供できる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法及びその装置は、回転体側の断熱容器と寒剤供給配管を可撓部を介して接続するだけの簡易な構造であり、可撓部を介すことで、断熱容器及び寒剤供給配管を全体で精度管理する必要性もなく、製作も簡易化できる、超電導体を回転機器に配置した装置の冷却方法及びその装置として利用可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１    装置架台
２    電動機
３    電動機の支持板
４    カップリング
５    第１の断熱容器支持軸受の支持板
６    第１の断熱容器支持軸受
６Ａ，１０Ａ，１３Ａ，１５Ａ    スラスト玉軸受
６Ｂ，１０Ｂ，１３Ｂ，１５Ｂ    深溝玉軸受
７，６４    断熱容器（デュワー）
７−１，６４−１    中実の回転軸
７−２，６４−２    中空の回転軸
８，４３，５３    寒剤供給配管（回転軸）
８Ａ，７２    寒剤供給内管
８Ｂ，７３    排気外管
９    第２の断熱容器支持軸受の支持板
１０    第２の断熱容器支持軸受
１１    可撓継手
１２，８３    第１の寒剤供給配管支持軸受の支持板
１３，７８    第１の寒剤供給配管支持軸受
１４，８４    第２の寒剤供給配管支持軸受の支持板
１５，７９    第２の寒剤供給配管支持軸受
２１    第１の温度センサ
２２    第２の温度センサ
２３    第３の温度センサ
４１，４２    軸受支持点
５１，５１′，５２，５２′    カラー
６０    真空容器
６１    電動／発電機
６２    磁気カップリング
６３    第１の制御型磁気軸受  
６５    フライホイール
６７，７０    寒剤
６８    超電導バルク体
６９    超電導磁石用低温容器
７１    高温超電導線材のコイル
７４    寒剤供給用断熱二重管
７６    第２の制御型磁気軸受
７７    可撓部
８０    磁性流体シールユニット
８１    第１の制御型磁気軸受の支持板
８２    第２の制御型磁気軸受の支持板
【図１】
2012196099.tif 000003
【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】
2012196099.tif 000009
【図８】
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【図９】
2012196099.tif 000011