(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の破損を抑制することが可能な超電導機器を提供する。【解決手段】超電導機器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とを含んでいる。内槽４１の下方部４１Ａを構成する部材は、積層体４８を介して伝熱部材４３と接続されている。【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の部分とを含み、
前記内槽の前記第１の部分を構成する部材は、可橈性部材を介して前記伝熱部材と接続されている、超電導機器。
【請求項２】
前記可橈性部材は、屈曲した部分を含んでいる、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と前記伝熱部材との間には、中間部材が配置されており、
前記中間部材と前記伝熱部材とは、前記可橈性部材により接続されており、
前記中間部材と前記内槽の前記第１の部分を構成する前記部材とは、前記可橈性部材とは別の可橈性部材により接続されている、請求項１または２に記載の超電導機器。
【請求項４】
前記可橈性部材は、複数の平面板を重ねた積層体からなっている、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】
前記平面板の厚みは、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下となっている、請求項４に記載の超電導機器。
【請求項６】
前記可橈性部材は、編組線からなっている、請求項１〜３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の破損を抑制することが可能な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、たとえば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）。一方、超電導電磁石システムにおいて用いられる冷凍機一体型の低温容器なども提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１７０７２４号公報
【特許文献２】特開２００９−１７４８０４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を配置し、冷凍機に接続された伝熱部材を当該内槽に配置することにより、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、超電導コイルを高効率に冷却する観点からは、伝熱部材の厚みを大きくすることにより、冷凍機により冷却される伝熱部材と内槽との間の伝熱性を高める必要がある。しかし、当該伝熱部材の厚みを大きくすることによりその重量も増加するため、たとえば超電導モータの製作中や運転中などに内槽に過大な力が加わり、その結果内槽に破損が生じるという問題がある。
【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の破損を抑制することが可能な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の部分とを含んでいる。内槽の第１の部分を構成する部材は、可橈性部材を介して伝熱部材と接続されている。
【０００７】
本発明の超電導機器では、内槽が可橈性部材を介して伝熱部材と接続されているため、伝熱部材の重量が大きい場合でも内槽に加わる力を当該可橈性部材の屈曲や撓みなどにより緩和することができる。その結果、伝熱部材の厚みを小さくして超電導コイルの冷却効率を低減させることなく伝熱部材から内槽に加わる力を緩和し、その結果内槽の破損を抑制することができる。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の破損を抑制することが可能な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の破損を抑制することが可能な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断面図である。
【図４】編組線の構造を部分的に示す概略図である。
【図５】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６】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７】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８】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８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、下方部４１０Ａにおいて超電導コイル２１０を内部に保持し、その内部には超電導コイル２１０を冷却するための冷却媒体である液体窒素Ｒが充填されている。内槽４１０の上方部４１０Ｂには、冷凍機４４０に接続された伝熱部材４３０が配置されている。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の金属材料からなっている。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】
上記比較例のような冷凍機一体型の超電導モータでは、超電導コイル２１０を高効率に冷却する観点からは、伝熱部材４３０の厚みを大きくすることにより、冷凍機４４０により冷却される伝熱部材４３０と内槽４１０との間の伝熱性を高める必要がある。しかし、伝熱部材４３０の厚みを大きくすることによりその重量も増加するため、たとえば超電導モータの製作中や運転中などに内槽４１０に過大な力が加わり、その結果内槽４１０に破損が生じるという問題がある。これに対して、本実施の形態の超電導モータは、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の破損を抑制することが可能な超電導モータとなっている。
【００１３】
以下、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に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との間に介在する内槽ネック部４１Ｃとを含み、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、下方部がステータ２０の鉄心２２に取り囲まれ、上方部が開口部２４より内槽ネック部を介してステータ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の下方部４１Ａを構成する壁部材は、可橈性部材としての積層体４８を介して伝熱部材４３に接続されている。より具体的には、内槽４１の下方部４１Ａを構成する壁部材は、円筒形状を有し、その上端部が上方部４１Ｂの内側に位置する内槽ネック部４１Ｃと接続されており、当該内槽ネック部４１Ｃと伝熱部材４３とは、内槽４１の上方部４１Ｂの内側に位置する積層体４８により接続されている。積層体４８は、複数の平面板４７を重ねた構造を有し、図２に示すように屈曲した部分を含んでいる。積層体４８を構成する複数の平面板４７の各々は、伝熱部材４３ならびに内槽４１の下方部４１Ａおよび内槽ネック部４１Ｃ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。
【００１９】
積層体４８を構成する平面板４７の枚数は、超電導コイル２１を高効率に冷却する観点から、伝熱部材４３と内槽４１との間の良好な伝熱性が確保されるように設定されればよく、たとえば平面板４７の厚みが０．０５ｍｍの場合には５００枚に設定することができる。
【００２０】
伝熱部材４３は、内槽４１の上方部４１Ｂに配置され、かつ冷凍機４４に接続されている。伝熱部材４３と内槽４１との接続部には、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】
内槽４１と伝熱部材４３との接続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、第１ブロック部６０を介して積層体４８が接続されている。
【００２２】
内槽ネック部４１Ｃは円筒形状を有し、その上端部（上方部４１Ｂの内部に位置する端部）は第２ブロック部６１により把持されている。第２ブロック部６１は、図３に示すように平面形状が四角形状であって、その中央部に内槽ネック部４１Ｃの上端部を把持する開口が形成されている。内槽ネック部４１Ｃは、当該開口にその上端部が嵌め込まれ、ボルト４６により第２ブロック部６１の当該開口を締め付けることにより第２ブロック部６１に対して固定される。内槽ネック部４１Ｃ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の内部から内槽ネック部４１Ｃ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。積層体４８の第１ブロック部６０に接続される側とは反対側の端部は、内槽ネック部４１Ｃの上端部における開口部を塞がないように第２ブロック部６１に接続されている。
【００２３】
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は、たとえばステンレスからなっている。
【００２４】
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。
【００２５】
以上のように、本実施の形態の超電導モータ１では、内槽４１が可橈性部材としての積層体４８を介して伝熱部材４３と接続されているため、伝熱部材４３の重量が大きい場合でも内槽４１に加わる力を積層体４８の屈曲や撓みなどにより緩和することができる。その結果、伝熱部材４３の厚みを小さくして超電導コイル２１の冷却効率を低減させることなく伝熱部材４３から内槽４１に加わる力を緩和し、その結果内槽４１の破損を抑制することができる。また、冷却部４０の構成部材同士が溶接やロウ付けなどにより接続される部分は強度が低いため、上述のようにして内槽４１に加わる力を緩和することがより効果的である。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、かつ超電導コイル２１を内部に保持する内槽４１の破損を抑制することが可能な超電導機器となっている。
【００２６】
また、上述のように、超電導モータ１において、可橈性部材としての積層体４８は屈曲した部分を含んでいてもよい。これにより、伝熱部材４３から内槽４１への伝熱の方向を所望の方向に設定することができる。さらに、積層体４８を予め屈曲させた状態で配置することにより、内槽４１に加えられる力をより効果的に緩和することができる。
【００２７】
また、上述のように、超電導モータ１では、可橈性部材としての積層体４８は、複数の平面板４７を重ねた構造を有していてもよい。このように、積層体４８には、伝熱部材４３と内槽４１とを構造上安定に接続し、かつ内槽４１に加わる力を緩和することが可能な強度と屈曲性を有する構造を採用することができる。
【００２８】
また、積層体４８を構成する平面板４７の厚みは、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下となっていてもよい。このように、積層体４８を構成する平面板４７の厚みは、伝熱部材４３と内槽４１とを構造上安定に接続し、かつ内槽４１に加わる力を緩和することが可能な強度と屈曲性を有する範囲に設定することができる。
【００２９】
また、上述のように、超電導モータ１では、可橈性部材は積層体４８からなっていてもよいがこれに限られるものではなく、たとえば図４に示すような編組線４７Ａからなっていてもよい。このように、超電導モータ１では、可橈性部材として所定の強度と屈曲性を有する他の部材を採用することもできる。
【００３０】
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、積層体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。
【００３１】
図５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５１が配置されている。そして、バルク体５１と伝熱部材４３とは可橈性部材としての積層体４８Ａにより接続され、バルク体５１と内槽４１の下方部４１Ａを構成する壁部材とは、当該積層体４８Ａとは他の可橈性部材である積層体４８Ｂにより接続されている。このようにすることにより、伝熱部材４３と内槽４１とを接続する積層体４８Ａ，４８Ｂ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、内槽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。
【００３３】
図６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と上方部４１Ｂとは、たとえば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からなり、弾性変形可能な伸縮部５２により接続されている。内槽ネック部４１Ｃは、伸縮部５２の内部側において当該伸縮部５２が延びる方向に沿うように配置されている。
【００３４】
本変形例の超電導モータでは、内槽ネック部４１Ｃ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。その結果、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、弾性変形可能な伸縮部５２を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。したがって、本変形例の超電導モータによれば、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に伸縮性を付与することができる。
【００３５】
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２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変形例２の超電導モータとは異なっている。
【００３６】
図７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る。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。
【００３７】
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】
【００３８】
本発明の超電導機器は、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の破損を抑制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】
【００３９】
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、４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ  冷却部、４１  内槽、４１Ａ  下方部、４１Ｂ  上方部、４１Ｃ  ネック部、４２  外槽、４３  伝熱部材、４３Ａ  接続部、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  平面板、４７Ａ  編組線、４８，４８Ａ，４８Ｂ  積層体、５０  軸受、５１  バルク体、５２  伸縮部、６０  第１ブロック部、６１  第２ブロック部、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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【図８】
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