(57)【要約】【課題】界磁超電導コイルの冷却を、介設される部材の熱伝導により簡便に行うことを可能とする、超電導モータ冷却装置を提供する。【解決手段】回転子の界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄに接する、熱伝導体１５ａ〜１５ｄと、回転軸１１の回転に対応し、熱伝導物質からなるブラシ又は軸受けと、熱伝導体１５ａ〜１５ｄと上記ブラシ又は軸受けとに介設される、蓄冷部材１４と、冷凍機２０とニードルベアリングの外周面とに、回転軸１１の径方向に介設される、熱伝導体１５ｅとを備える超電導モータ冷却装置により、界磁超電導コイルの冷却を、介設される部材の熱伝導により簡便に行うことができる。【選択図】図２
2016010212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子の界磁超電導コイルに接する、第１熱伝導体と、
回転軸の回転に対応し、熱伝導物質からなるブラシ又は軸受けと、
前記第１熱伝導体と前記ブラシ又は軸受けとに介設される、蓄冷部材と、
冷凍機と前記ブラシ又は軸受けの外周面とに、回転軸径方向に介設される、第２熱伝導体と
を備える
ことを特徴とする、超電導モータ冷却装置。
【請求項２】
回転子の界磁超電導コイルに接する、第１熱伝導体と、
回転軸の回転に対応し、前記第１熱伝導体と接し、熱伝導物質からなるブラシ又は軸受けと、
冷凍機と前記ブラシ又は軸受けの外周面とに、回転軸径方向に介設される、第２熱伝導体と
を備える
ことを特徴とする、超電導モータ冷却装置。
【請求項３】
さらに、
少なくとも界磁超電導コイルを内包し、内部が真空状態である、真空容器を備える
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の超電導モータ冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導モータ冷却装置で、特に熱伝導体を用いた界磁超電導コイルの冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導モータに備わる界磁超電導コイルは、駆動（回転子の回転）中、超電導臨界温度ＴC以下の低温に維持する必要がある。ここで、界磁超電導コイルを冷却する方法として、回転子の回転軸を介して冷媒を注入する方法がある。固定側から回転側への冷媒の注入には、磁気シールの伝熱防止や真空断熱を行う必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−９３８８６号公報
【特許文献２】特表平９−５０２８５９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】牧直樹、他4名、「超電導発電機の主要技術」、日立評論、日立評論社、平成元年7月、Ｖｏｌ．71、Ｎｏ．7、ｐ．43―44
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記非特許文献１には、真空の断熱層を備えた中空のロータリージョイントを用いて冷媒を循環させる超電導モータが開示されている。
【０００６】
しかしながら、上記非特許文献１に開示された超電導モータでは、冷媒は発熱源に温められて液体から気化する際に、体積が膨張するため（ここで用いられている液体ヘリウムでは約７００倍）、外気温の僅かな擾乱や環境の影響により、装置の爆発やガスの漏洩などの致命的なリスクを抱えている。さらに、回転子内部で冷媒が気化する際に回転のアンバランスが生じることなども問題となっている。
【０００７】
また、上記特許文献１，２では、上記非特許文献１の問題を解消するものとして、回転子と冷凍機が一体となって回転する超電導モータが開示されている。いずれの超電導モータも、外部に冷凍機を配置し、軸受を仲介して回転子を冷却している。
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１，２に開示された超電導モータでは、冷凍機が回転することにより、固定部と回転部の接合に困難が生じる。
【０００９】
そこで、本発明では、界磁超電導コイルの冷却を、介設される部材の熱伝導により簡便に行うことを可能とする、超電導モータ冷却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】
【００１０】
上記課題を解決する第１の発明に係る超電導モータ冷却装置は、
回転子の界磁超電導コイルに接する、第１熱伝導体と、
回転軸の回転に対応し、熱伝導物質からなるブラシ又は軸受けと、
前記第１熱伝導体と前記ブラシ又は軸受けとに介設される、蓄冷部材と、
冷凍機と前記ブラシ又は軸受けの外周面とに、回転軸径方向に介設される、第２熱伝導体と
を備える
ことを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する第２の発明に係る超電導モータ冷却装置は、
回転子の界磁超電導コイルに接する、第１熱伝導体と、
回転軸の回転に対応し、前記第１熱伝導体と接し、熱伝導物質からなるブラシ又は軸受けと、
冷凍機と前記ブラシ又は軸受けの外周面とに、回転軸径方向に介設される、第２熱伝導体と
を備える
ことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第３の発明に係る超電導モータ冷却装置は、
上記第１又は２の発明に係る超電導モータ冷却装置において、
さらに、
少なくとも界磁超電導コイルを内包し、内部が真空状態である、真空容器を備える
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る超電導モータ冷却装置によれば、界磁超電導コイルの冷却を、介設される部材の熱伝導により簡便に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置の筐体内部の側面図である。
【図３】図２のＡ‐Ａ矢視図である。
【図４】図２の破線円Ｂで囲まれた部分を拡大した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る超電導モータ冷却装置を、実施例により図面を用いて説明する。
【００１６】
［実施例１］
本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置は、熱伝導率の高い部材（及び蓄冷部材）を介して冷凍機と界磁超電導コイルとを繋げることで、界磁超電導コイルの冷却を熱伝導により簡便に行うものである。
【００１７】
本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置の構成について、図１〜４を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置の斜視図である。ただし、当該図は真空容器１８を省略して表している。図２は、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置の筐体内部の側面図である。図３は、図２のＡ‐Ａ矢視図である。ただし、当該図は真空容器１８の内部が見えるように表している。図４は、図２の破線円Ｂで囲まれた部分を拡大した断面図である。
【００１８】
本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置は、回転軸１１、回転子鉄心１２、界磁超電導コイル１３ａ，１３ｂ（不図示），１３ｃ，１３ｄ、蓄冷部材１４、熱伝導体１５ａ，１５ｂ（不図示），１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ、ニードルベアリング（ニードルベアリング内輪１６及びニードルベアリング外輪１７）、真空容器１８、磁気シール１９ａ，１９ｂ、冷凍機２０、コンプレッサ２１、冷媒容器２２、及び、冷媒循環経路２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを備えている。
【００１９】
界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄは、それぞれ、樹脂（不図示）を介して回転子鉄心１２の外周面上に放射状に配設されている。樹脂の熱伝導率は、金属よりもオーダーが小さく、樹脂を介することで熱抵抗率が極めて大きくなるため、界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄは、回転子鉄心１２に対し略断熱状態となっている。
【００２０】
蓄冷部材１４は、回転軸１１の軸方向端部近傍の外周面に配設されている略円環状の部材である。また、蓄冷部材１４は、外周面に配設されているニードルベアリング（ニードルベアリング内輪１６及びニードルベアリング外輪１７）、及び、最外周面側に配設されている熱伝導体１５ｅを介して、冷凍機２０に繋がっている。
【００２１】
さらに、蓄冷部材１４の内周面は、空隙を有する樹脂（不図示）を介して回転軸１１に配設されている。これによって、蓄冷部材１４は、回転軸１１対し略断熱状態となっている。
【００２２】
熱伝導体１５ａ〜１５ｄ（第１熱伝導体）は、蓄冷部材１４と界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄとに、軸方向にそれぞれ介設されている。そして、熱伝導体（第２熱伝導体）１５ｅは、冷凍機２０とニードルベアリング外輪１７とに径方向に介設されている（冷凍機２０とニードルベアリングの外周面とに、回転軸１１の径方向に介設されている）。
【００２３】
ニードルベアリング（ニードルベアリング内輪１６及びニードルベアリング外輪１７）は、回転軸１１の回転に対応する軸受けで、ニードルベアリングは、熱伝導物質からなり、ころ軸受形状となっている。このように、ニードルベアリングをころ軸受形状とすることで、接触面積を大きく取り、熱抵抗率を低減している。
【００２４】
また、ニードルベアリングの各部材は、回転摩擦が生じないように、かつ、温度変化に対応可能とするために、熱線膨張係数を等しくする。
【００２５】
上記特許文献１，２では、軸受は回転体を支えるために用いているが、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置では、冷却用の軸受（ニードルベアリング）を用い、冷却のみの役割に特化した構造となっている。
【００２６】
冷凍機２０は、先端部に、コンプレッサ２１を有したコールドヘッドを備えている。
【００２７】
本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置は、冷凍機２０と界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄとを、熱伝導体１５ａ〜１５ｅ、ニードルベアリング（ニードルベアリング内輪１６及びニードルベアリング外輪１７）、及び、蓄冷部材１４によって繋げている。すなわち、冷凍機２０から界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄまでの熱伝導経路の構成（並び順）を、冷凍機２０→熱伝導体１５ｅ→ニードルベアリング→蓄冷部材１４→熱伝導体１５ａ〜１５ｄ→界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄとするものである。
【００２８】
これによって、冷凍機２０による熱伝導を用いた界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄの冷却を簡便に行うことが可能となる。
【００２９】
さらに、冷凍機２０と界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄとの間の熱抵抗率をより低減するため、冷凍機２０と回転子鉄心１２との間の距離が狭くなるように、蓄冷部材１４、熱伝導体１５ａ〜１５ｅ、及び、ニードルベアリング（ニードルベアリング内輪１６及びニードルベアリング外輪１７）のサイズを設定するのが好ましい。
【００３０】
また、真空容器１８は、界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄを内包し、さらに、回転子鉄心１２、蓄冷部材１４、冷媒容器２２、熱伝導体１５ａ〜１５ｅ、冷媒循環経路２３ａ〜２３ｄ、及び、ニードルベアリングをも内包している。さらに、真空容器１８の内部は真空度１０-5［Ｐａ］以下の真空状態となっている。
【００３１】
磁気シール１９ａ，１９ｂは、真空容器１８両端の回転軸１１との接触部分に配設され、真空容器１８内部の真空状態を保っている。
【００３２】
このように、真空容器１８内部を真空状態に保つことで、超電導モータへの伝熱は、外部から電流を供給する導体以外には輻射のみ生じる。例えば、界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄが７３［Ｋ］、回転子鉄心１２の外側が２７３［Ｋ］のとき、界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄは１［Ｗ］以下の輻射熱しか受けないことになる。
【００３３】
なお、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置は、蓄冷部材１４を備えずとも成立する。すなわち、冷凍機２０から界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄまでの熱伝導経路の構成（並び順）を、冷凍機２０→熱伝導体１５ｅ→ニードルベアリング→熱伝導体１５ａ〜１５ｄ→界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄとしてもよい。この場合、ニードルベアリングが熱伝導体１３ａ〜１３ｄに接するものとし、ニードルベアリング内輪１６が、回転軸１１の外周面に配設されることになる。その際、樹脂を介して配設されるようにするのがよい。
【００３４】
ただし、本発明の実施例１に示す蓄冷部材１４を用いる構成とすることで、熱容量を高めて界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄに生じた熱をより安定的に取り去ることが可能となる。例えば、突発的に界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄが過熱した場合であっても、蓄冷部材１４を備えている構成では、冷却部（ニードルベアリング、熱伝導体１５ｅ、及び、冷凍機２０）の急激な温度上昇を防ぎ、除熱を安定的かつ連続して行うことができる。
【００３５】
なお、図２，３における冷凍機２０及び熱伝導体１５ｅの形状と、図４における冷凍機２０及び熱伝導体１５ｅの形状とは、やや異なるものとなっているが、これは、冷凍機２０の種類及び熱伝導体１５ｅの形状が特に限定されるものではないことを示している。すなわち、冷凍機２０の種類に応じて、熱伝導体１５ｅの形状を設計することができる。
【００３６】
界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄには、超電導モータの外部から電流を供給する導体、すなわち、供給導体（不図示）が接続されており、主な発熱源は当該導体からの熱進入となるため、同様の温度条件で１０［Ｗ］程度の熱進入が起こる。したがって、冷凍機２０の冷却能力が１０×極数［Ｗ］以上であれば、界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄは７０［Ｋ］程度までの冷却が可能となる。なお、供給導体は、熱伝導体１５ｅの近傍に並べられて配設され、スリップリング又は発電機で用いるエキサイタから電流を供給するものである。
【００３７】
ただし、本実施例中の、冷凍機２０の冷却能力、及び、各部材の熱伝導率等の、具体的な値については、駆動（回転子の回転）中の界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄを超電導臨界温度ＴC以下に維持することが可能な範囲の値であればよく、特に限定するものではない。
【００３８】
なお、上述では、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置が、熱伝導物質からなるニードルベアリングを備えるものとしたが、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置は、このニードルベアリングの代わりに、熱伝導物質からなるブラシ（例えばカーボンブラシ）を用いてもよい。
【００３９】
また、上述では、蓄冷部材１４が、回転軸１１の軸方向端部近傍の外周面に配設されているとしたが、本実施例はこれに限定するものではなく、蓄冷部材１４は、回転軸１１に配設されていれば、その軸方向端部近傍でなくてもよい。また、上述では、４極の超電導モータの場合について説明したが、本実施例は極数を限定するものではない。すなわち、界磁超電導コイルの数（極数）を変更する場合は、当該変更に合わせて、対応する熱伝導体（冷凍機２０に接続されている熱伝導体１５ｅを除く）の数を変更すればよい。
【００４０】
さらに、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置では、上述した、熱伝導体１５ａ〜１５ｄを介しての界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄの冷却以外に、冷媒容器２２及び冷媒循環経路２３ａ〜２３ｄを設けることによって、界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄの冷却を行うことも可能である。
【００４１】
冷媒容器２２は、蓄冷部材１４の外周面に密接して配設され、内部が冷媒で満たされている、略円環状の容器である。この冷媒は、蓄冷部材１４によって冷却されている。
【００４２】
冷媒循環経路２３ａ〜２３ｄは、それぞれ、冷媒容器２２の径方向に離間した２箇所と連通することで、駆動（回転子の回転）時に上記冷媒を循環させることが可能である。また、冷媒循環経路２３ａ〜２３ｄは、それぞれ、界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄに沿う形状であり、界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄに接する、又は、界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄから所定範囲内に配設されている。
【００４３】
したがって、冷媒容器２２及び冷媒循環経路２３ａ〜２３ｄを設けることにより、冷媒による界磁超電導コイル１３ａ〜１３ｄの冷却を行うことができる。
【００４４】
以上、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置について説明したが、換言すれば、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置は、回転子の界磁超電導コイルに接する、第１熱伝導体と、回転軸の回転に対応し、熱伝導物質からなるブラシ又は軸受けと、前記第１熱伝導体と前記ブラシ又は軸受けとに介設される、蓄冷部材と、冷凍機と前記ブラシ又は軸受けの外周面とに、回転軸径方向に介設される、第２熱伝導体とを備えるものである。
【００４５】
また、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置は、回転子の界磁超電導コイルに接する、第１熱伝導体と、回転軸の回転に対応し、前記第１熱伝導体と接し、熱伝導物質からなるブラシ又は軸受けと、冷凍機と前記ブラシ又は軸受けの外周面とに、回転軸径方向に介設される、第２熱伝導体とを備えるものとしてもよい。
【００４６】
また、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置では、さらに、少なくとも界磁超電導コイルを内包し、内部が真空状態である、真空容器を備えるものである。
【００４７】
このようにして、本発明の実施例１に係る超電導モータ冷却装置では、界磁超電導コイルの冷却を、介設される部材の熱伝導により簡便に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、超電導モータ冷却装置として好適である。
【符号の説明】
【００４９】
１１  回転軸
１２  回転子鉄心
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ  界磁超電導コイル
１４  蓄冷部材
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ  （第１）熱伝導体
１５ｅ  （第２）熱伝導体
１６  ニードルベアリング内輪
１７  ニードルベアリング外輪
１８  真空容器
１９  磁気シール
２０  冷凍機
２１  コンプレッサ
２２  冷媒容器
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ  冷媒循環経路
【図１】
2016010212.tif 000003
【図２】
2016010212.tif 000004
【図３】
2016010212.tif 000005
【図４】
2016010212.tif 000006