(57)【要約】【課題】超電導コイルを冷却するための冷凍機を備え、かつコンパクト化された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、伝熱部材４３に接続された冷凍機４４とを備えている。伝熱部材４３は、内槽４１を構成する壁部材を貫通する貫通部４３Ａを含んでいる。冷凍機４４は、伝熱部材４３の貫通部４３Ａの上面４３Ｄよりも下側に位置する面である接触面４３Ｅにおいて伝熱部材４３に接続されている。【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、
前記伝熱部材に接続された冷凍機とを備え、
前記伝熱部材は、前記内槽を構成する部材を貫通する貫通部を含み、
前記冷凍機は、前記伝熱部材の前記貫通部の上面よりも下側に位置する面である接触面において前記伝熱部材に接続されている、超電導機器。
【請求項２】
前記冷凍機は、パルス管式冷凍機である、請求項１に記載の超電導機器。
【請求項３】
前記冷凍機は、前記冷凍機の中心軸が前記接触面に対して垂直な方向に沿うように前記伝熱部材に接続されている、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】
前記第１の部分と前記伝熱部材とは、可橈性部材を介して接続されている、請求項４に記載の超電導機器。
【請求項６】
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、
前記第１の部分と前記伝熱部材とは、可橈性部材を介して接続されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導機器。
【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、超電導コイルを冷却するための冷凍機を備え、かつコンパクト化された超電導機器を提供することである。
【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）。また、パルス管式冷凍機を備える磁気共鳴イメージング装置用の超電導電磁石システムなどについても提案されている（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２００３−１１１７４５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においては、たとえば自動車のエンジンルームなどの狭いスペース内に搭載するためにさらなるコンパクト化が要求される。特に、パルス管式冷凍機を備える超電導モータにおいては、冷却能力を発揮させるために冷凍機のコールドヘッドの中心軸が垂直になるように配置する必要があるため、モータ全体のコンパクト化がより困難である。
【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、超電導コイルを冷却するための冷凍機を備え、かつコンパクト化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、伝熱部材に接続された冷凍機とを備えている。伝熱部材は、内槽を構成する部材を貫通する貫通部を含んでいる。冷凍機は、伝熱部材の貫通部の上面よりも下側に位置する面である接触面において伝熱部材に接続されている。
【０００７】
本発明の超電導機器では、冷凍機は、貫通部の上面よりも下側に位置する接触面において伝熱部材に接続されている。そのため、冷凍機が当該貫通部の上面と同じ高さまたはより上側に位置する面において伝熱部材に接続される場合に比べて、冷凍機をより下側に配置することができる。その結果、超電導機器全体の高さをより低減することができる。このように、本発明の超電導機器によれば、超電導コイルを冷却するための冷凍機を備え、かつコンパクト化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、超電導コイルを冷却するための冷凍機を備え、かつコンパクト化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断面図である。
【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】
まず、比較例の超電導機器として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、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】
上記比較例の超電導モータでは、図７に示すように、冷凍機４４０が貫通部４３０Ａの上面４３０Ｄと同じ高さで伝熱部材４３０に接続されている。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、冷凍機をより下側に配置することが可能な構造を有するため、よりコンパクト化された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導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、下方部４１Ａと、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】
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配置されている。より具体的には、伝熱部材４３は、内槽４１の上方部４１Ｂを構成する壁部材を貫通する貫通部４３Ａと、貫通部４３Ａの真空断熱層４５側に接触して配置された第１ブロック体４３Ｂと、第１ブロック体４３Ｂの下側（内槽４１の下方部４１Ａ側）に接触して配置された第２ブロック体４３Ｃとを含んでいる。第２ブロック体４３Ｃには、貫通部４３Ａの上面４３Ｄよりも下側に位置する接触面４３Ｅが形成されている。貫通部４３Ａと第１ブロック体４３Ｂとが接触する面と、第２ブロック体４３Ｃの接触面４３Ｅとは、互いに交差しており、より具体的には図２に示すように直交している。また、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。
【００１９】
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１ブロック部５２により把持されている。第１ブロック部５２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１ブロック部５２の当該開口を締め付けることにより第１ブロック部５２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。
【００２０】
第１ブロック部５２は、銅など金属からなる延在部５１により、伝熱部材４３の貫通部４３Ａと接続されている。より具体的には、延在部５１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、当該開口部の側方（第１ブロック部５２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５３と、第１延在部５３の端部（第１ブロック部５２側と反対側の端部）から伝熱部材４３の貫通部４３Ａに向かって延びる第２延在部５４とを含んでいる。
【００２１】
冷凍機４４は、第２ブロック体４３Ｃの接触面４３Ｅにおいて伝熱部材４３に接続されている。また、冷凍機４４は、外槽４２の一部に形成された開口部４２Ａに嵌め込まれた状態で固定されている。冷凍機４４と外槽４２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。また、冷凍機４４は、たとえばパルス管式冷凍機であって、その中心軸を含むコールドヘッド４４Ａが接触面４３Ｅに対して垂直な方向に沿うように配置されている。
【００２２】
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。また、図２に示すように、冷凍機４４が嵌め込まれて固定される領域である開口部４２Ａは、外槽４２の最上面よりも下側に位置する領域（外槽４２の外周面の凹部又は段差部の底面）において形成されている。
【００２３】
以上のように、本実施の形態の超電導モータ１では、冷凍機４４は、貫通部４３Ａの上面４３Ｄよりも下側に位置する接触面４３Ｅにおいて伝熱部材４３に接続されている。そのため、冷凍機４４が貫通部４３Ａの上面４３Ｄと同じ高さまたはより上側に位置する面において伝熱部材４３に接続される場合に比べて、冷凍機４４をより下側に配置することができる。その結果、超電導モータ１全体の高さをより低減することができる。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を冷却するための冷凍機４４を備え、かつ超電導モータ１全体の高さを低減することによりコンパクト化された超電導モータとなっている。
【００２４】
また、上述のように、超電導モータ１では、冷凍機４４は、パルス管式冷凍機であってもよいがこれに限られるものではなく、たとえば医療用ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）の超電導コイルの冷却に用いられるギフォードマクマホン（ＧＭ：Ｇｉｆｆｏｒｄ  ＭｃＭａｈｏｎ）式冷凍機であってもよい。なお、パルス管式冷凍機は、ＧＭ式冷凍機とは異なり、冷媒の動きを制御するバルブやピストンなどの可動部を有さないため、メンテナンス周期を延伸することができる。
【００２５】
また、超電導モータ１において、特にパルス管式冷凍機を採用する場合には、冷凍機４４の中心軸を含むコールドヘッド４４Ａが接触面４３Ｅに対して垂直な方向に沿うように伝熱部材４３に接続されることが好ましい。パルス管式冷凍機においては、中心軸を含むコールドヘッドが当該方向から外れるに従ってその冷却能力や効率が低下する。そのため、パルス管式冷凍機を採用する場合には、冷凍機４４を上述のようにして配置することにより、その冷却能力や効率の低下を抑制することができる。
【００２６】
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とは異なっている。
【００２７】
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は、超電導コイル２１を内部に保持する第１の部分としての下方部４１Ａと、伝熱部材４３が配置された第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伸縮部５５を含んでいる。そして、伸縮部５５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、弾性変形可能に構成されている。内槽ネック部４１Ｃは、伸縮部５５の内部側において当該伸縮部５５が延びる方向に沿うように配置されている。外槽４２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、伸縮部５５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。
【００２８】
図１〜図４に示した超電導モータでは、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、本変形例の超電導モータでは、弾性変形可能な伸縮部５５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。
【００２９】
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、内槽と伝熱部材との間に可橈性部材が配置されている点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。
【００３０】
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は、内槽ネック部４１Ｃと、可橈性部材としての積層体４８とを介して伝熱部材４３に接続されている。より具体的には、伝熱部材４３の貫通部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２ブロック部５６が配置され、当該第２ブロック部５６と第１ブロック部５２とが積層体４８により接続されている。
【００３１】
積層体４８は、複数の平面板４７を重ねた構造を有し、図５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。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。
【００３２】
このように、本変形例の超電導モータでは、内槽４１の下方部４１Ａ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。
【００３３】
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、積層体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。
【００３４】
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、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５７が配置されている。そして、バルク体５７と第２ブロック部５６とは可橈性部材としての積層体４８Ａにより接続され、またバルク体５７と第１ブロック部５２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、積層体４８Ａ，４８Ｂの経路設定の自由度がより大きくなる。
【００３５】
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】
【００３６】
本発明の超電導機器は、超電導コイルを冷却するための冷凍機を備え、かつコンパクト化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】
【００３７】
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、２４，４２Ａ  開口部、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、４２  外槽、４２Ａ  外槽ネック部、４３  伝熱部材、４３Ａ  貫通部、４３Ｂ  第１ブロック体、４３Ｃ  第２ブロック体、４３Ｄ  上面、４３Ｅ  接触面、４４  冷凍機、４４Ａ  コールドヘッド、４５  真空断熱層、４６  ボルト、４７  平面板、４８，４８Ａ，４８Ｂ  積層体、５０  軸受、５１  延在部、５２  第１ブロック部、５３  第１延在部、５４  第２延在部、５５  伸縮部、５６  第２ブロック部、５７  バルク体、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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