(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導コイルと、該超伝導コイルから隔たり且つそれを取り囲む真空エンクロージャと、超伝導装置の動作中に前記超伝導コイルを前記真空エンクロージャ内に支持するコイル支持手段とを有し、該コイル支持手段が、前記超伝導コイルと前記真空エンクロージャとの間に配置された熱絶縁性ハネカム集成体を含み、
前記熱絶縁性ハネカム集成体が、前記超伝導コイルから前記真空エンクロージャへ伸びる様に整合した共通の開放方向を持つ全体的に同一の複数個のセルを含むことを特徴とする超伝導装置。
【請求項２】
超伝導コイルと、該超伝導コイルから隔たり且つそれを取り囲む真空エンクロージャと、超伝導装置の動作中に前記超伝導コイルを前記真空エンクロージャ内に支持するコイル支持手段であって、該コイル支持手段が、前記超伝導コイルと前記真空エンクロージャとの間に配置された第１の熱絶縁性ハネカム集成体を含む、前記コイル支持手段と、
前記真空エンクロージャから隔たり且つその内側に配置されていると共に、前記超伝導コイルから隔たり且つそれを取り囲む熱遮蔽体であって、前記第１の熱絶縁性ハネカム集成体が前記超伝導コイルと前記熱遮蔽体との間に配置され且つそれらに接続されている、前記熱遮蔽体と、
前記熱遮蔽体と前記真空エンクロージャとの間に配置され且つそれらに接続された第１の熱絶縁性懸架ストラップと、
を含み、
前記第１の熱絶縁性ハネカム集成体が、前記超伝導コイルから前記真空エンクロージャへ伸びる様に整合した共通の開放方向を持つ全体的に同一の複数個のセルを含む
超伝導装置。
【請求項３】
超伝導装置が中点を持つ回転軸線を有する超伝導回転子であり、前記超伝導コイルが、前記回転軸線に対して全体的に垂直に配置された全体的に縦方向に伸びる軸線を持つレーストラック形超伝導コイルである請求項２記載の超伝導装置。
【請求項４】
更に、前記超伝導コイルと前記第１の熱絶縁性ハネカム集成体との間に配置され且つそれらに直接的に取付けられた熱ステーションを含み、該熱ステーションが冷却流路を有する請求項３記載の超伝導装置。
【請求項５】
前記熱遮蔽体が、前記超伝導コイルと全体的に同軸に整合した全体的にトロイダル形の熱遮蔽体であって、前記回転軸線に対して、半径方向の一番外側の部分及び半径方向の一番内側の部分を持ち、前記真空エンクロージャは、前記回転軸線に対し、半径方向の一番外側の部分及び半径方向の一番内側の部分を持ち、前記熱遮蔽体及び前記真空エンクロージャの半径方向の一番外側の部分が前記中点の近くでのみ固着されている請求項３記載の超伝導装置。
【請求項６】
前記第１の熱絶縁性懸架ストラップが、前記熱遮蔽体の半径方向の一番外側の部分の近くで前記熱遮蔽体に接続されていると共に、前記真空エンクロージャの半径方向の一番内側の部分の近くで前記真空エンクロージャに接続されている全体的にレーストラック形のストラップである請求項５記載の超伝導装置。
【請求項７】
前記熱遮蔽体が該熱遮蔽体の半径方向の一番外側の部分の近くに配置された第１のピンを持ち、前記真空エンクロージャが該真空エンクロージャの半径方向の一番内側の部分の近くに配置された第２のピンを持ち、前記第１及び第２のピンは、前記回転軸線に対し、全体的に円周方向に沿って反対向きに突出しており、前記レーストラック形ストラップが前記第１及び第２のピンを包込む様に配置されている請求項６記載の超伝導装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は一般的には超伝導に関し、特に超伝導装置内の超伝導コイルの支持に関する。
超伝導装置には、例えば、発電機及び電動機の様な同期機に用いられる超伝導回転子や、ＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）装置、マグレヴ（磁気浮揚）輸送装置、磁気エネルギ貯蔵装置及びリニア・モータに用いられる超伝導磁石などがある。超伝導装置内の超伝導コイルは、ニオブ錫の様な超伝導材料で作られ、超伝導性を達成し且つ維持する為には、臨界温度以下の低い温度を必要とする。冷却技術としては、エポキシ含浸コイルをクライオクーラ（ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ）から固体伝導経路を介して冷却するか或いは液体及び／又は気体極低温剤を入れた冷却管を介して冷却する技術や、多孔質コイルを液体及び／又は気体極低温剤の中に浸漬することによって冷却する技術がある。典型的には、超伝導コイルは真空エンクロージャによって取り囲まれている。特定の用途では、超伝導コイルと真空エンクロージャとの間に熱遮蔽体が追加されることがある。
【０００２】
出願人は、導電コイルに接続された取付けピンと熱遮蔽体との間、並びに熱遮蔽体に接続された取付けピンと真空エンクロージャとの間に、レーストラック（ｒａｃｅｔｒａｃｋ）形の一方向フィラメント補強エポキシ（ＦＲＥ）懸架ストラップを使って、超伝導装置内に超伝導コイルを支持する技術があることを承知している。こう云うストラップはコストが高く、またコイル負荷を均一に支持し且つ伝達する為に複雑な取付けピン又はその他のハードウエアを必要とする。コイルにかゝる遠心荷重が相当な大きさとなる超伝導回転子に使われる様な回転コイルの場合、特にそうである。従って、超伝導装置の超伝導コイルに対する改良された支持構造が必要とされる。
【０００３】
【発明の概要】
本発明の目的は、超伝導装置の超伝導コイルに対する支持構造を提供することである。
本発明の超伝導装置は、超伝導コイル、該超伝導コイルから隔たってそれを取り囲む真空エンクロージャ、及び超伝導装置の動作中、超伝導コイルを真空エンクロージャ内に支持する支持装置を含む。この支持装置は、超伝導コイルと真空エンクロージャとの間に配置された第１の熱絶縁性ハネカム集成体を含む。
【０００４】
好ましい実施例では、超伝導装置は超伝導回転子であって、更に熱遮蔽体及びレーストラック形の第１の熱絶縁性懸架ストラップを含む。熱遮蔽体は真空エンクロージャの中にそれから隔たって配置されていて、超伝導コイルから隔たると共にそれを取り囲んでいる。第１の熱絶縁性ハネカム集成体が、超伝導コイルと熱遮蔽体との間に配置され且つそれらに接続されている。レーストラック形のストラップは熱遮蔽体及び真空エンクロージャの間に配置され且つそれらに接続される。熱遮蔽体は、該熱遮蔽体の半径方向の一番外側の部分の近くに第１のピンを持ち、真空エンクロージャは、該真空エンクロージャの半径方向の一番内側の部分の近くに第２のピンを持っている。これらのピンは、超伝導回転子の回転軸線に関して、全体的に円周方向に反対向きに突出しており、レーストラック形のストラップは第１及び第２のピンを包込む様に配置される。
【０００５】
本発明によって幾つかの利点及び利益が得られる。第１の熱絶縁性ハネカム集成体は、熱遮蔽体から超伝導コイルを支持する簡単でコストの安い方法を提供する。レーストラック形のストラップを熱遮蔽体の半径方向の一番外側の部分に近い所から真空エンクロージャの半径方向の一番内側の部分に近い所まで伸ばすことにより、真空エンクロージャの外径を最小限に抑え、こうして超伝導回転子の寸法を小さくしながら、熱遮蔽体を真空エンクロージャから支持することが出来る。
【０００６】
図面には本発明の幾つかの好ましい実施例が示されている。図面全体にわたって、同様な要素には同じ参照数字を用いている。
【０００７】
【発明の詳しい説明】
次に図面を参照して説明する。図１乃至２は本発明の第１の好ましい実施例の超伝導装置を示しており、この超伝導装置は超伝導回転子１０である。本発明の超伝導装置が回転子に制限されず、例えばＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）装置、マグレヴ（磁気浮揚）輸送装置、磁気エネルギ貯蔵装置及びリニア・モータに用いられる超伝導磁石の様な任意の超伝導装置であってよいことを指摘しておきたい。超伝導回転子１０は、発電機又は電動機の様な同期機に用いられるものであることが好ましい。普通の発電機及び電動機は、超伝導でないその回転子を本発明の超伝導回転子１０に置き換える様に改造することが出来ることに注意されたい。
【０００８】
図１及び２に示す超伝導装置（即ち、超伝導回転子１０）は超伝導コイル１２、超伝導コイル１２を取り囲み且つそれから隔たっている真空エンクロージャ１４、及び超伝導装置（即ち、超伝導回転子１０）の動作中、超伝導コイル１２を真空エンクロージャ１４内に支持するコイル支持手段１６を含む。コイル支持手段１６は、超伝導コイル１２と真空エンクロージャ１４との間に配置された第１の熱絶縁性ハネカム集成体１８を含む。「熱絶縁性」とは、集成体１８が、大体５０°Ｋの温度でフィラメント状硝子補強エポキシの熱伝導率より大きくない熱伝導率を持つことを意味する。図３に示す様に、第１の熱絶縁性ハネカム集成体１８は、超伝導コイル１２から真空エンクロージャ１４へ伸びる様に整合した共通の開放方向２２を持つ全体的に同一の複数個のセル２０を持つことが好ましい。好ましい実施例では、第１の熱絶縁性ハネカム集成体２８は、セル２０の向かい合った側面の間の距離が大体１ミリと大体１センチとの間の範囲にある様なフィラメント状補強エポキシ（ＦＲＥ）複合ハネカム構造である。ハネカム集成体１８は、適切な横方向の剪断に対する支持を行う共に熱の漏れの小さい圧縮支持構造を構成する。超伝導コイルに対する従来の支持構造が、別々の張力支持部材及び別々の横方向支持部材を用いていたことに注意されたい。
【０００９】
図１及び２に示す超伝導装置（即ち、超伝導回転子１０）は、真空エンクロージャ１４内に配置され且つそれから隔たっていると共に、超伝導コイル１２を取り囲み且つそれから隔たっている熱遮蔽体２４をも含むことが好ましい。第１の熱絶縁性ハネカム集成体１８は超伝導コイル１２と熱遮蔽体２４との間に配置され且つそれらに接続される。この接続は直接又は間接的な接続であってよく、機械的、化学的又は当業者に考えられるその他の手段によって行うことが出来る。第１の熱絶縁性ハネカム集成体１８は特定の用途に応じて、予め圧縮を設定してあってもなくてもよい。図２に示す様な実施例では、コイル支持手段１６は、熱遮蔽体２４と真空エンクロージャ１４との間に配置され且つそれらに接続された第２の熱絶縁性ハネカム集成体２６をも含む。各々のハネカム集成体１８、２６はモノリシック（即ち一体）の集成体であってもよいし、或いは多数の別々の相隔たる又は接触する小集成体で構成することが出来る。超伝導回転子１０が中点３０を持つ回転軸線２８を有することが図１から判る。真空エンクロージャ１４に対する第２の熱絶縁性ハネカム集成体２６の接続は、例えば、横方向の正しい中心合わせの為の支持部材３２等により、中点３０の近くだけで行うことが好ましい。この様に中点だけで接続することにより、当業者であれば容易に判る様に、極低温の熱遮蔽体２４と室温の真空エンクロージャ１４との間の熱収縮の違いがあっても差し支えない。
【００１０】
好ましい実施例では、超伝導コイル１２はレーストラック形の超伝導コイルであって、回転軸線２８に対して全体的に垂直に配置された全体的に縦方向に伸びる軸線３４を有する。「レーストラック形」は、丸くした角によって接続された真っ直ぐな部分を含むことに注意されたい。図２に示す超伝導回転子１０は２極回転子である。図２の超伝導回転子１０の形をした本発明の超伝導装置は、縦方向に伸びるコイル軸線が回転軸線に対して全体的に垂直に配置されている様な、円周方向に相隔たる複数個のレーストラック形超伝導コイルを持つ多極回転子（図面には示してない）などの他の形式の回転子にも応用し得る。多極回転子の各々の超伝導コイルの短軸が、回転軸線の周りのコイルの運動の周方向に対して全体的に平行に配置されるのに対して、図２に示した２極回転子１０（又は同様に設計された４極回転子）の超伝導コイル１２の短軸は、回転軸線２８の周りのコイル１２の運動の周方向に対して全体的に垂直に配置されていることに注意されたい。
【００１１】
図４及び５は本発明の第２の好ましい実施例の超伝導装置を示しており、この超伝導装置は別の超伝導回転子１１０である。回転子１１０は、回転子１０と同様であるが、回転子１０の第２の熱絶縁性ハネカム集成体２６の代わりに、第１の熱絶縁性懸架ストラップ１３６を有する。第１の懸架ストラップ１３６は熱遮蔽体１２４と真空エンクロージャ１１４との間に配置され且つそれらに接続されている。超伝導回転子１１０は、超伝導コイル１１２と第１の熱絶縁性ハネカム集成体１１８との間に配置され且つそれらに直接的に取付けられた熱ステーション１３８を含むことが好ましい。熱ステーション１３８は、好ましくは大体１０°Ｋの温度の気体ヘリウムを収容する冷却流路１４０を有する。冷却管１４２が熱遮蔽体１２４と熱接触していて、大体２０°Ｋの温度の気体ヘリウムを収容することが好ましい。真空エンクロージャ１１４は一般的には４００°Ｋである。超伝導コイル１１２はニオブ錫の超伝導コイルであることが好ましい。
【００１２】
好ましい実施例では、熱遮蔽体１２４は、全体的に超伝導コイル１１２と同軸に整合した全体的にトロイダル形の熱遮蔽体であって、超伝導回転子１１０の回転軸線１２８に対して、半径方向の一番外側の部分１４４及び半径方向の一番内側の部分１４６を持っている。同様に、真空エンクロージャ１１４は、回転軸線１２８に対し、半径方向の一番外側の部分１４８及び半径方向の一番内側の部分１５０を有する。熱遮蔽体１２４及び真空エンクロージャ１１４の半径方向の一番外側の部分１４４、１４８は、当業者であれば判る様に、熱収縮が差別的に起こる状態で、適正な横方向の中心合わせの為に、支持部材１５２等により、回転軸線１２８の中点１３０の近くでのみ、固着されている。
【００１３】
第１の熱絶縁性懸架ストラップ１３６は全体的にレーストラック形のストラップであって、熱遮蔽体１２４の半径方向の一番外側の部分１４４の近くで熱遮蔽体１２４に接続されると共に、真空エンクロージャ１１４の半径方向の一番内側の部分１５０の近くで真空エンクロージャ１１４に接続されている。熱遮蔽体１２４はその半径方向の一番外側の部分１４４の近くに配置されたピン１５４を持ち、真空エンクロージャ１１４はその半径方向の一番内側の部分１５０の近くに配置された第２のピン１５６を持つ。第１及び第２のピン１５４、１５６は、回転軸線１２８に対し全体的に円周方向に沿って反対向きに突出している。レーストラック形のストラップ（即ち、第１の熱絶縁性懸架ストラップ）１３６は第１及び第２のピン１５４、１５６を取り巻く様に配置されている。この配置により、回転軸線１２８に沿った熱遮蔽体１２４と真空エンクロージャ１１４との間の差別的な熱収縮が出来る様にしながら、そして真空エンクロージャ１１４の外径を最小限に抑えながら、支持作用を行う手段が得られ、これは当業者であれば容易に理解されよう。管支持体１５７が真空エンクロージャ１１４と熱遮蔽体１２４の間の横方向の支持をする。この管支持体１５７は高強度で熱伝導率の小さいＦＲＥ管であることが好ましい。
【００１４】
実施例では、超伝導回転子１０、１１０は何れも鉄製の密実なコア５８、１５８を有する。図１乃至２及び４乃至５に示した本発明を説明するに当たって、超伝導回転子１０、１１０の磁極は、超伝導コイル１２、１１２の近辺にある密実なコア５８、１５８の半径方向外側部分を含むと考えられ、真空エンクロージャ１４、１１４は、熱遮蔽体２４、１２４及び超伝導コイル１２、１１２を取り囲む密実なコア５８、１５８の壁であると考えられる。超伝導コイル１２、１１２は何れもエポキシ含浸されており、ステンレス鋼の支持ワイヤと共に対をなして一緒に巻装されたニオブ錫の超伝導ワイヤを含む。ハネカム集成体１８、１１８、２６はフィラメント補強エポキシ（ＦＲＥ）ハネカム集成体であり、懸架ストラップ１３６は熱伝達を最小限に抑える様にする一方向ＦＲＥ懸架ストラップである。
【００１５】
本発明の考えに従って設計された発電機の超伝導回転子の工学的な解析により、ハネカム集成体１８、１１８、２６が、実質的な遠心荷重のもとで優れた機械的な支持作用をすると共に、優れた熱絶縁性特性を持つことが判った。どんな超伝導回転子でも、その利点は、抵抗損失がないことであり、そして極低温冷却の為に熱サイクルの問題がないことであることに注意されたい。空心の超伝導回転子は大量の超伝導ワイヤを必要とするが、これは本発明の好ましくは密実なコアを持つ超伝導回転子１０又は１１０と較べる時、必要とするコイルの数を増やし、コイル支持体を複雑にし、コストを高くするものである。
【００１６】
以上、本発明の好ましい実施例を述べたのが、これらは例示の為である。これは本発明を包括的に示すものではないし、本発明をこゝに開示したまゝの形に制限するつもりではなく、以上の説明から、色々な変更が考えられることは云うまでもない。例えば、本発明の第２の好ましい実施例の超伝導回転子１１０には、典型的には数多くの懸架ストラップ１３６が使われるし、超伝導回転子１０又は１１０には２つ以上の超伝導コイル１２又は１１２を使うことが出来る。本発明の範囲が特許請求の範囲によって限定されることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の好ましい実施例の超伝導装置（即ち、超伝導回転子）の簡略側面図である。
【図２】図１の線２−２で切った簡略断面図で、２つのハネカム集成体を用いたコイル支持手段を示す。
【図３】図２に示した下側のハネカム集成体の斜視図である。
【図４】本発明の第２の好ましい実施例の超伝導装置（即ち、別の超伝導回転子）の簡略側面図である。
【図５】図４の線５−５で切った簡略断面図で、懸架ストラップ及び１つのハネカム集成体を用いたコイル支持手段を示す。
【図６】図５に示した１つの懸架ストラップの斜視図である。
【符号の説明】
１０、１１０    超伝導回転子
１２、１１２    超伝導コイル
１４、１１４    真空エンクロージャ
１６    コイル支持手段
１８、１１８    第１の熱絶縁性ハネカム集成体
２４、１２４    熱遮蔽体
２６    第２の熱絶縁性ハネカム集成体
３２、１５２    支持部材
５８、１５８    コア
１３６    第１の熱絶縁性懸架ストラップ
１５４    第１のピン
１５６    第２のピン
【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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