(57)【要約】【課題】超電導コイルを高効率に冷却し、かつ当該超電導コイルを内部に保持する内槽に伸縮性が付与された超電導機器を提供する。【解決手段】超電導モータ１は、超電導コイル２１と、超電導コイル２１を内部に保持する内槽４１と、内槽４１に配置された伝熱部材４３とを備えている。内槽４１は、超電導コイル２１を保持する下方部４１Ａと、伝熱部材４３が配置された上方部４１Ｂと、下方部４１Ａと上方部４１Ｂとの間に介在する内槽ネック部４１Ｃとを含んでいる。内槽ネック部４１Ｃは、下方部４１Ａと上方部４１Ｂとを接続し、弾性変形可能な伸縮部４１Ｄと、下方部４１Ａと伝熱部材４３とを接続する伝熱部４１Ｅとを有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、
前記超電導コイルを内部に保持する内槽と、
前記内槽に配置された伝熱部材とを備え、
前記内槽は、
前記超電導コイルを保持する第１の部分と、
前記伝熱部材が配置された第２の部分と、
前記第１の部分と前記第２の部分との間に介在する接続部とを含み、
前記接続部は、
前記第１の部分と前記第２の部分とを接続し、弾性変形可能な伸縮部と、
前記第１の部分と前記伝熱部材とを接続する伝熱部とを有する、超電導機器。
【請求項２】
前記内槽の前記第１の部分を構成する部材と、前記内槽の前記第２の部分を構成する部材とは異なる材料からなっている、請求項１に記載の超電導機器。
【請求項３】
前記内槽の前記第１の部分を構成する前記部材は、前記内槽の前記第２の部分を構成する前記部材よりも熱伝導率が高い材料からなっている、請求項２に記載の超電導機器。
【請求項４】
前記内槽と前記伝熱部材とを内部に保持する外槽をさらに備え、
前記外槽の前記接続部を取り囲む領域は、弾性変形可能に構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導機器。
【請求項５】
前記伝熱部は、可橈性部材を含んでいる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導機器に関するものであり、より特定的には、超電導コイルを高効率に冷却し、かつ当該超電導コイルを内部に保持する内槽に伸縮性が付与された超電導機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導コイルを用いた超電導機器として超電導モータが知られている。このような超電導モータとしては、超電導コイルを内部に保持する内槽の壁と超電導コイルとの間に熱伝導率の高い部材を配置することにより、冷却が困難な超電導コイルの内周側を効率良く冷却可能な構造を有するものなどが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１７０７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような超電導モータとしては、液体窒素などの冷却媒体が充填された内槽内に超電導コイルが配置され、冷凍機に接続された伝熱部材を用いて当該液体窒素および超電導コイルを冷却可能な構造を有する冷凍機一体型のものがある。このような超電導モータとしては、たとえば伝熱部材が超電導コイルに接続されたもの、超電導コイルの近傍に配置されたもの、あるいは内槽を構成する壁の一部として構成されたものなどが考えられる。ここで、内槽の壁の一部を伝熱部材により構成する場合、超電導コイルを高効率に冷却する観点より当該壁の熱伝導率を向上させるためにその厚みを大きく形成する必要がある一方、当該厚みが大きくなることにより内槽の構造に伸縮性を付与することが困難になる。これにより、たとえば超電導モータの動作時の温度変化（室温と極低温との間の温度変化）による内槽の熱収縮、部品寸法の誤差、組立作業時に加えられる外力、あるいは超電導モータの動作時や輸送中に加えられる振動や衝撃を、上述のような伸縮性が付与された部分により緩和することが困難になるという問題がある。すなわち、従来の超電導モータにおいては、超電導コイルの高効率な冷却と、当該超電導コイルを内部に保持する内槽の伸縮性とを両立することは困難であった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超電導コイルを高効率に冷却し、かつ当該超電導コイルを内部に保持する内槽に伸縮性が付与された超電導機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の超電導機器は、超電導コイルと、超電導コイルを内部に保持する内槽と、内槽に配置された伝熱部材とを備えている。内槽は、超電導コイルを保持する第１の部分と、伝熱部材が配置された第２の部分と、第１の部分と第２の部分との間に介在する接続部とを含んでいる。接続部は、第１の部分と第２の部分とを接続し、弾性変形可能な伸縮部と、第１の部分と伝熱部材とを接続する伝熱部とを有している。
【０００７】
本発明の超電導機器において、内槽の接続部は、第１の部分と第２の部分とを接続し、弾性変形可能な伸縮部と、第１の部分と伝熱部材とを接続する伝熱部とを有している。そのため、当該伝熱部の厚みを大きくすることにより、内槽の第１の部分と伝熱部材との間の伝熱性を高めることができる。そして、当該伝熱部材を冷凍機などで冷却することにより、伝熱部と第１の部分とを介して内槽の内部に保持される超電導コイルを高効率に冷却することができる。また、当該伝熱部とともに弾性変形可能な伸縮部を内槽の接続部として採用することにより、内槽に伸縮性を付与することができる。これにより、たとえば温度変化による内槽の熱収縮に起因した応力や、超電導機器の動作時の振動や衝撃などを当該伸縮部において緩和することができる。このように、本発明の超電導機器によれば、超電導コイルを高効率に冷却し、かつ当該超電導コイルを内部に保持する内槽に伸縮性が付与された超電導機器を提供することができる。
【発明の効果】
【０００８】
以上の説明から明らかなように、本発明の超電導機器によれば、超電導コイルを高効率に冷却し、かつ当該超電導コイルを内部に保持する内槽に伸縮性が付与された超電導機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】超電導モータの構造を示す概略断面図である。
【図２】超電導モータの構造を拡大して示す概略断面図である。
【図３】超電導モータの構造を拡大して示す概略図である。
【図４】変形例１の超電導モータの構造を拡大して示す概略断面図である。
【図５】変形例２の超電導モータの構造を拡大して示す概略断面図である。
【図６】変形例３の超電導モータの構造を拡大して示す概略断面図である。
【図７】比較例の超電導モータの構造を拡大して示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１１】
はじめに、比較例の超電導モータの構造について説明する。図７を参照して、比較例の超電導モータの冷却部４００は、内槽４１０と、外槽４２０と、伝熱部材４３０と、冷凍機４４０とを主に備えている。内槽４１０は、下方部４１０Ａと、上方部４１０Ｂと、下方部４１０Ａと上方部４１０Ｂとの間に介在するネック部４１０Ｃとを有している。内槽４１０は、超電導コイル２１０を内部に保持し、当該超電導コイル２１０を冷却するための冷却媒体である液体窒素Ｒがその内部に充填されている。外槽４２０は、内槽４１０の外周において、当該内槽４１０の表面との間に真空断熱層４５０を隔てて配置されている。内槽４１０の下方部４１０Ａおよびネック部４１０Ｃは、伝熱部材４３０と同様に熱伝導率の高い銅などからなっている。また、ネック部４１０Ｃは、下方部４１０Ａと上方部４１０Ｂとを接続するとともに、上方部４１０Ｂに配置された伝熱部材４３０に接続されている。
【００１２】
比較例の超電導モータでは、内槽４１０の下方部４１０Ａと伝熱部材４３０との間の熱伝導率を良くして超電導コイル２１０を高効率に冷却する観点からはネック部４１０Ｃの厚みを大きくする必要がある一方、当該厚みを大きくした場合には内槽４１０のネック部４１０Ｃに伸縮性を付与することが困難になる。すなわち、比較例の超電導モータでは、超電導コイル２１０の高効率な冷却と、当該超電導コイル２１０を内部に保持する内槽４１０の伸縮性とを両立することは困難である。これに対して、本実施の形態の超電導機器としての超電導モータは、以下に説明するように、超電導コイルを高効率に冷却し、かつ当該超電導コイルを内部に保持する内槽に伸縮性が付与された超電導モータとなっている。
【００１３】
まず、本発明の一実施の形態の超電動機器としての超電導モータ１の構造について説明する。図１を参照して、超電導モータ１は、ロータ１０およびステータ２０からなるモータ本体部と、冷却部４０と、軸受５０とを主に備えている。図２を参照して、冷却部４０は、内槽４１と、外槽４２と、伝熱部材４３と、冷凍機４４とを主に有している。
【００１４】
図１を参照して、ロータ１０は、ロータ１０の回転中心となるロータ軸１１と、ロータ軸１１と接続されたロータ本体１２とを含んでいる。ロータ本体１２は、たとえば円柱形状を有している。
【００１５】
ステータ２０は、ロータ１０の周囲に配置された超電導コイル２１と、超電導コイル２１に隣接して配置された鉄心２２と、超電導コイル２１および鉄心２２を取り囲むように配置されたケース２３とを有している。鉄心２２およびケース２３の一部には、鉄心２２の内部とケース２３の外部とを連通する開口部２４が形成されている。ケース２３の端部側面には、ロータ１０のロータ軸１１が軸受５０を介して接続されている。このように軸受５０が配置されることにより、ロータ軸１１は、ケース２３に対して回転可能となっている。
【００１６】
図２を参照して、内槽４１は、第１の部分としての下方部４１Ａと、第２の部分としての上方部４１Ｂと、下方部４１Ａと上方部４１Ｂとの間に介在する接続部としての内槽ネック部４１Ｃとを有し、その内部は超電導コイル２１を冷却するための冷却媒体である液体窒素Ｒにより充填されている。内槽４１は、下方部４１Ａにおいて超電導コイル２１を内部に保持する。上方部４１Ｂには、たとえば銅などの熱伝導率が高い金属からなる伝熱部材４３が配置されている。内槽ネック部４１Ｃは、下方部４１Ａおよび上方部４１Ｂよりも幅が小さく形成されている。また図１に示すように、内槽４１は、下方部４１Ａがステータ２０の鉄心２２に取り囲まれ、上方部４１Ｂが開口部２４より内槽ネック部４１Ｃを介してステータ２０の外側に引き出されるように配置されている。
【００１７】
図２を参照して、内槽４１の下方部４１Ａを構成する壁部材と、内槽４１の上方部４１Ｂを構成する壁部材とは異なる材料からなっている。より具体的には、内槽４１の下方部４１Ａを構成する壁部材は、内槽４１の上方部４１Ｂを構成する壁部材よりも熱伝導率が高い材料からなっている。本実施の形態では、内槽４１の下方部４１Ａを構成する壁部材は、たとえば銅などの金属材料からなっており、また内槽４１の上方部４１Ｂを構成する壁部材は、たとえばステンレスからなっている。
【００１８】
内槽４１の内槽ネック部４１Ｃは、下方部４１Ａと上方部４１Ｂとを接続する伸縮部４１Ｄと、下方部４１Ａと上方部４１Ｂに配置された伝熱部材４３とを接続する伝熱部４１Ｅとを有している。伸縮部４１Ｄは、たとえば図２に示すような蛇腹状の管状構造を有するベローズ、あるいはスパイラル管などからなり、弾性変形が可能となっている。伝熱部４１Ｅは、内槽４１の下方部４１Ａを構成する壁部材および伝熱部材４３と同様の材料からなっており、たとえば銅などの金属材料からなっている。
【００１９】
外槽４２は、内槽４１の外周において、当該内槽４１の表面との間に真空断熱層４５を隔てつつ配置され、内槽４１と伝熱部材４３とをその内部に保持する。外槽４２のうち内槽４１の内槽ネック部４１Ｃを取り囲む領域である外槽ネック部４２Ａは、内槽４１の伸縮部４１Ｄと同様に、たとえばベローズやスパイラル管からなり、弾性変形可能に構成されている。
【００２０】
伝熱部材４３は、内槽４１の上方部４１Ｂに配置されており、伝熱部４１Ｅおよび冷凍機４４にそれぞれ接続されている。伝熱部材４３と内槽４１との接続部には、たとえば銀ロウ付け、レーザ溶接あるいは電子ビーム溶接などの異種金属接合（図示しない）が施されている。
【００２１】
伝熱部材４３および伝熱部４１Ｅの構造について以下詳細に説明する。伝熱部材４３は、外槽４２と内槽４１との間の真空断熱層４５から内槽４１の内部にまで延在するように形成されている。伝熱部材４３は、内槽４１の上方部４１Ｂの壁を貫通するように配置された接続部４３Ａと、当該接続部４３Ａにおいて真空断熱層４５側に位置する表面に接続されたブロック体４３Ｂとを含んでいる。また、当該接続部４３Ａにおいて内槽４１の内部側に位置する表面（内周表面）には、伝熱部４１Ｅに含まれる延在部４１Ｈが接続されている。
【００２２】
伝熱部４１Ｅは、伸縮部４１Ｄの内周側に位置する円筒状の筒状部４１Ｆと、筒状部４１Ｆの上端部（上方部４１Ｂの内部に位置する端部）を把持した状態で当該上端部に接続されたブロック部４１Ｇと、ブロック部４１Ｇの端部と伝熱部材４３の接続部４３Ａの内周表面に接続された延在部４１Ｈとを含んでいる。ブロック部４１Ｇは、図３に示すように平面形状が四角形状であって、その中央部に筒状部４１Ｆの上端部を把持する開口が形成されている。筒状部４１Ｆは、当該開口にその上端部を嵌め込み、ボルト４６によりブロック部４１Ｇの当該開口を締め付けることにより、ブロック部４１Ｇに対して固定される。筒状部４１Ｆの上端部は、上方部４１Ｂの内部に開放した開口部となっており、当該上方部４１Ｂの内部から筒状部４１Ｆの内周側を介して下方部４１Ａの内部にまで液体窒素Ｒが流通可能となっている。延在部４１Ｈは、筒状部４１Ｆの上端部における開口部を塞がないように、当該開口部の側方（ブロック部４１Ｇの端面側）から上方部４１Ｂの壁面に沿って延びる第１延在部４１Ｉと、第１延在部４１Ｉの端部（ブロック部４１Ｇ側と反対側の端部）から伝熱部材４３の接続部４３Ａに向かって延びる第２延在部４１Ｊとを有している。
【００２３】
冷凍機４４は、外槽４２にその一部が固定された状態となっている。より具体的には、外槽４２の一部には開口部が形成されており、冷凍機４４は当該開口部に嵌め込まれた状態で固定されている。外槽４２の開口部と冷凍機４４との接続部には、シール部材（図示しない）などが配置されている。当該シール部材は、外槽４２と内槽４１との間の隙間（真空断熱層４５）を気密に保持するため、たとえば真空状態に保持するために設けられている。
【００２４】
以上のように、本実施の形態の超電導モータ１において、内槽４１の内槽ネック部４１Ｃは、内槽４１の下方部４１Ａと上方部４１Ｂとを接続し、弾性変形可能な伸縮部４１Ｄと、下方部４１Ａと伝熱部材４３とを接続する伝熱部４１Ｅとを有している。そのため、伝熱部４１Ｅの厚みを大きく形成することにより、内槽４１の下方部４１Ａと伝熱部材４３との間の熱伝導性を良くすることができる。これにより、下方部４１Ａにおいて内槽４１の内部に保持される超電導コイル２１を高効率に冷却することができる。また、伝熱部４１Ｅとともに弾性変形可能な伸縮部４１Ｄを内槽４１の内槽ネック部４１Ｃとして採用することにより、内槽４１に伸縮性を付与することができる。これにより、たとえば超電導モータ１の動作時の温度変化（室温と極低温との間の温度変化）による内槽４１の熱収縮、部品寸法の誤差、組立作業時に加えられる外力、あるいは超電導モータの動作時や輸送中に加えられる振動や衝撃を緩和することが可能になる。このように、本実施の形態の超電導モータ１は、超電導コイル２１を高効率に冷却し、かつ当該超電導コイル２１を内部に保持する内槽４１に伸縮性が付与された超電導モータとなっている。
【００２５】
また、上述のように、超電導モータ１において、内槽４１の下方部４１Ａを構成する壁部材と、内槽４１の上方部４１Ｂを構成する壁部材とは異なる材料からなっていてもよく、より具体的には内槽４１の下方部４１Ａを構成する壁部材は、内槽４１の上方部４１Ｂを構成する壁部材よりも熱伝導率が高い材料からなっていてもよい。このような場合、超電導モータ１の動作時の温度変化による熱収縮の程度が下方部４１Ａと上方部４１Ｂとにおいて異なるため、当該熱収縮により内槽４１に加わる応力がより大きくなる。したがって、内槽４１の下方部４１Ａおよび上方部４１Ｂを構成する壁部材が異なる材料からなる場合には、内槽４１に伸縮性が付与され、当該伸縮性により内槽４１に加わる応力を緩和することが可能な上記本実施の形態の超電導モータ１をより好適に採用することができる。
【００２６】
また、上述のように、超電導モータ１は、内槽４１と伝熱部材４３とを内部に保持する外槽４２をさらに備え、外槽４２のうち内槽ネック部４１Ｃを取り囲む領域である外槽ネック部４２Ａは弾性変形可能に構成されていてもよい。超電導モータ１では、外槽４２よりも内槽４１がより冷却され易いため、外槽４２に比べて内槽４１の熱収縮の程度がより大きくなる。したがって、外槽４２に弾性変形可能な外槽ネック部４２Ａを形成することにより、内槽４１と外槽４２との熱収縮の程度の相違により冷却部４０に加わる応力をより容易に緩和することができる。
【００２７】
次に、本実施の形態の一変形例である変形例１の超電導モータの構造について説明する。本変形例の超電導モータは、基本的には上記本実施の形態の超電導モータ１と同様の構成を備え、かつ同様の効果を奏する。しかし、本変形例の超電導モータは、伝熱部の構造において上記本実施の形態の超電導モータ１とは異なっている。
【００２８】
図４を参照して、本変形例の超電導モータの冷却部４０Ａでは、内槽４１の下方部４１Ａと伝熱部材４３とを接続する伝熱部４１Ｅは、可橈性部材としての積層体４７を含んでいる。積層体４７は、複数の平面板４７Ａを重ねた構造を有している。平面板４７Ａは、図４に示すように屈曲した部分を含んでいる。平面板４７Ａは、伝熱部材４３および内槽４１の下方部４１Ａを構成する壁部材と同様に、たとえば銅などの熱伝導率が高い金属材料からなり、その厚みは０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下となっている。
【００２９】
このように、本変形例の超電導モータの冷却部４０Ａでは、内槽４１の下方部４１Ａと伝熱部材４３とを接続する伝熱部４１Ｅは、積層体４７などの可橈性部材を含んでいる。これにより、重量の大きい伝熱部材４３や冷凍機４４から内槽４１に加えられる過大な振動や衝撃を当該可橈性部材の撓みや屈曲などにより緩和することが可能となり、その結果内槽４１の破損が抑制される。
【００３０】
次に、本実施の形態の他の変形例である変形例２の超電導モータの構造について説明する。本変形例の超電導モータは、基本的には上記変形例１の超電導モータと同様の構成を備え、かつ同様の効果を奏する。しかし、本変形例の超電導モータは、可橈性部材としての積層体の構造において上記変形例１の超電導モータとは異なっている。
【００３１】
図５を参照して、本変形例の超電導モータの冷却部４０Ｂでは、内槽４１の下方部４１Ａを構成する壁部材と伝熱部材４３との間に、たとえば銅などからなるバルク体４８が配置されている。そして、バルク体４８と伝熱部材４３とは可橈性部材としての積層体４７Ｂにより接続され、バルク体４８と内槽４１の下方部４１Ａを構成する壁部材とは、当該積層体４７Ｂとは他の可橈性部材である積層体４７Ｃにより接続されている。このようにすることにより、積層体４７Ｂ，４７Ｃを含む伝熱部４１Ｅの経路設定の自由度がより大きくなる。
【００３２】
次に、本実施の形態のさらに他の変形例である変形例３の超電導モータの構造について説明する。本変形例の超電導モータは、基本的には上記変形例１の超電導モータと同様の構成を備え、かつ同様の効果を奏する。しかし、本変形例の超電導モータは、伝熱部材の構造において上記本実施の形態および変形例１の超電導モータとは異なっている。
【００３３】
図６を参照して、本変形例の超電導モータの冷却部４０Ｃでは、伝熱部材４３の接続部４３Ａにおける上面４３Ｃよりも下側に位置し、冷凍機４４と接触する接触面４３Ｄが伝熱部材４３に形成されている。これにより、当該接触面４３Ｄが伝熱部材４３に形成されていない超電導モータに比べて、冷凍機４４をより下側に配置することが可能となり、その結果超電導モータをよりコンパクト化することができる。
【００３４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の超電導機器は、超電導コイルを高効率に冷却しつつ、当該超電導コイルを内部に保持する内槽に伸縮性を付与することが要求される超電導機器において、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００３６】
１  超電導モータ、１０  ロータ、１１  ロータ軸、１２  ロータ本体、２０  ステータ、２１  超電導コイル、２２  鉄心、２３  ケース、２４  開口部、３０  モータ本体部、４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ  冷却部、４１  内槽、４１Ａ  下方部、４１Ｂ  上方部、４１Ｃ  内槽ネック部、４１Ｄ  伸縮部、４１Ｅ  伝熱部、４１Ｆ  筒状部、４１Ｇ  ブロック部、４１Ｈ  延在部、４１Ｉ  第１延在部、４１Ｊ  第２延在部、４２  外槽、４２Ａ  外槽ネック部、４３  伝熱部材、４３Ａ  接触部、４３Ｂ  ブロック体、４３Ｃ  上面、４３Ｄ  接触面、４４  冷凍機、４５  真空断熱層、４６  ボルト、４７，４７Ｂ，４７Ｃ  積層体、４７Ａ  平面板、４８  バルク体、５０  軸受、Ｒ  液体窒素。
【図１】
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【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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