(57)【要約】【課題】回転機自体には冷媒を使用せずに、一般的な冷凍機を固定した状態で、ロータに配設された超電導コイルを冷却することができる、超電導回転機を提供する。【解決手段】超電導コイル部真空容器と、回転部真空容器と、固定部真空容器Ｖ１と、超電導コイルを冷却する胴板と接続された超電導コイル部伝熱構造と、超電導コイル部伝熱構造と接続された回転部伝熱構造と、固定部真空容器Ｖ１に取り付けられた冷凍機のコールドヘッド１１に設けられた固定部伝熱構造とを有し、固定部伝熱構造は、コールドヘッド１１側に取り付けられたスプリング１９と、スプリング１９により回転部伝熱構造側に押し付けられた伝熱ブラシ２２と、コールドヘッド１１側と伝熱ブラシ２２とを接続する複数の板バネからなる板バネ部２０とを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導回転機のロータの各極に設けられ、超電導コイルを内部に収容する超電導コイル部真空容器と、
前記ロータの端部に設けられ、前記超電導コイル部真空容器と連通する回転部真空容器と、
前記回転部真空容器と連通すると共に前記回転部真空容器を回転シールにより回転可能に支持する固定部真空容器と、
前記超電導コイル部真空容器の内部に設けられ、前記超電導コイルを冷却する胴板と接続された超電導コイル部伝熱構造と、
前記回転部真空容器の内部に設けられ、前記超電導コイル部伝熱構造と接続された回転部伝熱構造と、
前記固定部真空容器に取り付けられた冷凍機のコールドヘッドに設けられた固定部伝熱構造とを有し、
前記固定部伝熱構造は、前記コールドヘッド側に取り付けられたスプリングと、前記スプリングにより前記回転部伝熱構造側に押し付けられた伝熱ブラシと、前記コールドヘッド側と前記伝熱ブラシとを接続する複数の板バネからなる板バネ部とを有することを特徴とする超電導回転機。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導回転機において、
前記伝熱ブラシは、カーボン、白金又は青銅合金からなることを特徴とする超電導回転機。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の超電導回転機において、
前記板バネは、両端にボルト穴を開けた長方形の金属板からなることを特徴とする超電導回転機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の超電導回転機において、
前記超電導コイル部伝熱構造又は前記回転部伝熱構造の少なくとも一方が可撓導体を有することを特徴とする超電導回転機。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の超電導回転機において、
前記回転シールは磁性流体シールであることを特徴とする超電導回転機。
【請求項６】
請求項５に記載の超電導回転機において、
前記回転部伝熱構造と前記磁性流体シール側との間に非熱伝導性の金属材料からなる薄板を介在させていることを特徴とする超電導回転機。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の超電導回転機において、
前記ロータのシャフトと前記回転部伝熱構造とを非熱伝導性の金属材料からなる薄板の板バネカップリングで接続したことを特徴とする超電導回転機。
【請求項８】
請求項７に記載の超電導回転機において、
前記シャフトと前記回転部伝熱構造との中心軸合わせに非熱伝導性の樹脂材料からなるキーを用いたことを特徴とする超電導回転機。
【請求項９】
請求項８に記載の超電導回転機において、
前記キーの端部を半球形状としたことを特徴とする超電導回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータ（回転子）に超電導コイルを用いた界磁型の超電導回転機に関し、特に、熱伝導により超電導コイルを冷却する超電導回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導回転機の実現に必要な低温を得る方法として、下記のような方法が開示されている。
（１）回転機全体を液体窒素などの寒剤（冷媒）に潰ける（下記特許文献１）。
（２）ロータの軸の内部に冷媒の通路を設け、冷媒をポンプで加圧して送り込んで、超電導コイルを冷却する（下記特許文献２）。
（３）冷凍機で冷媒を凝固するまで冷却し、凝固した冷媒で超電導コイルを冷却する（下記特許文献３）。
【０００３】
しかしながら、上記（１）〜（３）のそれぞれの方法には課題があり、寒剤（冷謀）を使用した冷却方法では、ロータを簡便に、効率よく、高い信頼性を持って冷却することができなかった（詳細は下記特許文献４の［０００５］、［０００７］参照）。
【０００４】
そのため、下記特許文献４、５では、ロータと共通の中心軸を有する冷凍機を備え、この中心軸を中心にロータと一体で冷凍機を回転させる超電導回転機が提案されている。
【０００５】
下記特許文献４、５で提案されている超電導回転機では、熱伝導により効率よく冷却されるため、回転機内部に冷媒を使用する必要がなく、効率よく、信頼性の高い冷却が可能となり、また、冷凍機の性能に応じて液体窒素の温度よりも低温での冷却が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１６５４７８号公報
【特許文献２】特開２００５−２２４０２２号公報
【特許文献３】特開２００５−２３７０６０号公報
【特許文献４】特開２０１０−９３８８６号公報
【特許文献５】特許第３５１５１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献４、５で提案されている超電導回転機では、冷凍機をロータと一体で回転させているが、一般的に、極低温冷凍機は対称な回転軸を有さず、回転する環境での動作に適していない。回転する環境で冷凍機を使用するためには、上記特許文献５に示されるように、回転可能な特殊な冷凍機（線形モータアセンブリによって往復運動をするピストン／熱交換器によって、低温ヘッドが冷却される構造）を用いる必要があるという問題がある。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、回転機自体には冷媒を使用せずに、一般的な（回転可能な特殊な冷凍機でない）冷凍機を固定した状態で、ロータに配設された超電導コイルを冷却することができる、超電導回転機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】
【０００９】
上記課題を解決する第１の発明に係る超電導回転機は、
超電導回転機のロータの各極に設けられ、超電導コイルを内部に収容する超電導コイル部真空容器と、
前記ロータの端部に設けられ、前記超電導コイル部真空容器と連通する回転部真空容器と、
前記回転部真空容器と連通すると共に前記回転部真空容器を回転シールにより回転可能に支持する固定部真空容器と、
前記超電導コイル部真空容器の内部に設けられ、前記超電導コイルを冷却する胴板と接続された超電導コイル部伝熱構造と、
前記回転部真空容器の内部に設けられ、前記超電導コイル部伝熱構造と接続された回転部伝熱構造と、
前記固定部真空容器に取り付けられた冷凍機のコールドヘッドに設けられた固定部伝熱構造とを有し、
前記固定部伝熱構造は、前記コールドヘッド側に取り付けられたスプリングと、前記スプリングにより前記回転部伝熱構造側に押し付けられた伝熱ブラシと、前記コールドヘッド側と前記伝熱ブラシとを接続する複数の板バネからなる板バネ部とを有することを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決する第２の発明に係る超電導回転機は、
上記第１の発明に記載の超電導回転機において、
前記伝熱ブラシは、カーボン、白金又は青銅合金からなることを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する第３の発明に係る超電導回転機は、
上記第１又は第２の発明に記載の超電導回転機において、
前記板バネは、両端にボルト穴を開けた長方形の金属板からなることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第４の発明に係る超電導回転機は、
上記第１から第３の発明のいずれか１つに記載の超電導回転機において、
前記超電導コイル部伝熱構造又は前記回転部伝熱構造の少なくとも一方が可撓導体を有することを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第５の発明に係る超電導回転機は、
上記第１から第４の発明のいずれか１つに記載の超電導回転機において、
前記回転シールは磁性流体シールであることを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第６の発明に係る超電導回転機は、
上記第５の発明に記載の超電導回転機において、
前記回転部伝熱構造と前記磁性流体シール側との間に非熱伝導性の金属材料からなる薄板を介在させていることを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第７の発明に係る超電導回転機は、
上記第１から第６の発明のいずれか１つに記載の超電導回転機において、
前記ロータのシャフトと前記回転部伝熱構造とを非熱伝導性の金属材料からなる薄板の板バネカップリングで接続したことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第８の発明に係る超電導回転機は、
上記第７の発明に記載の超電導回転機において、
前記シャフトと前記回転部伝熱構造との中心軸合わせに非熱伝導性の樹脂材料からなるキーを用いたことを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第９の発明に係る超電導回転機は、
上記第８の発明に記載の超電導回転機において、
前記キーの端部を半球形状としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
第１の発明によれば、回転機自体に冷媒を使用する必要がなく、冷凍機のみで超電導コイルを冷却できる。また、冷凍機を固定して回転機を冷却でき、市販されている極低温冷凍機をそのまま使うことができる。また、冷凍機の設置に軸対称などの制約がないので、冷凍機を複数台並べて、簡単に冷凍能力を上げることができ、その場合、回転機の回転動作を停止させずに、冷凍機のメンテナンスが可能になる。また、伝熱ブラシを押し付けているので、伝熱ブラシが多少摩耗しても冷却を伝えることができ、メンテナンスのサイクルを長くすることができる。
【００１９】
第２の発明によれば、カーボン、白金及び青銅合金は摩耗係数が小さいので、カーボン、白金又は青銅合金からなる伝熱ブラシの摩耗を抑制することができ、メンテナンスのサイクルを長くすることができる。
【００２０】
第３の発明によれば、板バネ部を構成する板バネが、両端にボルト穴を開けた長方形の金属板からなるので、簡単な構造の板バネで板バネ部の製作が可能である。
【００２１】
第４の発明によれば、超電導コイル部伝熱構造又は回転部伝熱構造の少なくとも一方が可撓導体を有するので、冷却による部品の熱収縮を可撓導体で吸収することができる。
【００２２】
第５の発明によれば、磁性流体シールを用いているので、回転する超電導コイル部真空容器及び回転部真空容器の真空引きを固定部真空容器から行うことができる。その結果、真空度が低下したときも、回転機の回転動作を停止せずに、真空引きを行うことができる。
【００２３】
第６〜第９の発明によれば、非熱伝導性の金属材料からなる薄板、非熱伝導性の金属材料からなる薄板の板バネカップリング、非熱伝導性の樹脂材料からなるキーを用いているので、冷却を伝えたくない部品（磁性流体シール、シャフト）に冷却が伝わらないようにすることができ、冷凍機に必要な能力を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る超電導回転機の実施形態の一例を説明する図であって、冷凍機とロータとを示す斜視図である。
【図２】図１に示した冷凍機からロータの中央付近までの軸方向断面を示す断面図である。
【図３】図２に示した断面図において、固定部と回転部とを接続する部分を示す拡大図である。
【図４】図１及び図２に示した固定部フランジ及び冷凍機の斜視図である。
【図５】図２に示した断面図において、回転部とロータとを接続する部分を示す拡大図である。
【図６】図５に示した回転部の斜視図である。
【図７】図６に示した回転部を回転部フランジに取り付けた状態を示す斜視図である。
【図８】図２及び図５に示した超電導コイルの全体を支持体と共に示す斜視図である。
【図９】図２及び図５に示した超電導コイルと接続する部分を示す上面図である。
【図１０】図２及び図５に示した超電導コイルと接続する部分を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明に係る超電導回転機は、回転機自体には冷媒を使用せずに、一般的な冷凍機を固定した状態で、ロータに配設された超電導コイルを冷却するものである。以下、本発明に係る超電導回転機について、図１〜図１０を参照して、その実施形態を説明する。なお、本発明では、ステータなどの図示は省略している。また、本発明では、４極のロータを例示するが、４極以外のロータにも適用可能である。
【００２６】
［実施例１］
本実施例において、冷凍機１０は、極低温に冷却可能な市販されている一般的なものである。この冷凍機１０は、図１、図２及び図４に示すように、そのコールドヘッド１１が後述する固定部真空容器Ｖ１の内部に収容されるように、Ｏリングなどの真空シール（図示省略）を介して、固定部フランジ１２に取り付けられている。そして、図２に示すように、この固定部フランジ１２も、Ｏリングなどの真空シール（図示省略）を介して、円筒状の固定部容器１３の一方の端部に取り付けられており、また、ブラケット１４も、Ｏリングなどの真空シール（図示省略）を介して、固定部容器１３の他方の端部に取り付けられている。固定部容器１３は、ブラケット１４により固定されることになる。
【００２７】
固定部フランジ１２、固定部容器１３、ブラケット１４により固定部真空容器Ｖ１を形成しており、これらは、錆の発生による真空度の低下を防ぐために、例えば、ステンレスからなる。そして、図示は省略しているが、固定部フランジ１２には、真空ポンプが接続されており、この固定部真空容器Ｖ１は、この真空ポンプを用いて真空状態にすることができる。
【００２８】
また、図２及び図３に示すように、ブラケット１４の内周側には、ベアリング１６が設けられており、ブラケット１４の固定部容器１３側の内壁には、磁性流体シール１７が設けられている。ベアリング１６及び磁性流体シール１７により、後述する回転部容器３６を回転可能に支持すると共に、磁性流体シール１７により、回転部容器３６をシールしている。なお、磁性流体シール１７に代えて、他の回転シールを用いるようにしても良い。
【００２９】
このように、固定部真空容器Ｖ１においては、つまり、ロータ３０のシャフト３１の反直結側の端部においては、ロータ３０と共に回転する回転部容器３６（円筒部３６ａ）が、ベアリング１６及び磁性流体シール１７により回転可能に支持されている。一方、シャフト３１の直結側（負荷側）の端部は、図１に示すように、ブラケット１５の内周側に設けられたベアリング（図示省略）により回転可能に支持されている。
【００３０】
冷凍機１０のコールドヘッド１１の先端部分には、固定されている冷凍機１０側となる固定部の冷却伝熱構造（固定部伝熱構造）が設けられている。この固定部の冷却伝熱構造は、回転するロータ３０側を冷却するものである。具体的には、図３及び図４に示すように、円柱状のコールドヘッド１１に取り付けられた円盤状の取付板１８と、取付板１８に取り付けられた板バネ部２０と、板バネ部２０に取り付けられたブラシホルダ２１と、ブラシホルダ２１に取り付けられた円盤状の伝熱ブラシ２２とを有している。つまり、伝熱ブラシ２２が、ブラシホルダ２１、板バネ部２０及び取付板１８を介して、冷凍機１０のコールドヘッド１１と接続されて、冷却伝熱を行う構造となっている。
【００３１】
板バネ部２０は、図４に示すように、長方形の金属板の両端にボルト穴を開けただけの簡単な構造の板バネからなり、板バネの端部を１枚ずつ交互に重ね、端部同士をボルトで接続して、径方向（シャフト３１に垂直な方向）に星型に配置された環状の形状としている。そして、このような形状の板バネ部２０において、その内周側に配置された板バネの接続部分同士は、隣接する一方側が取付板１８に取り付けられ、隣接する他方側がブラシホルダ２１に取り付けられており、取付板１８とブラシホルダ２１との間を伝熱する板バネとして機能することになる。
【００３２】
また、取付板１８には、図３に示すように、軸方向（シャフト３１に平行な方向）に貫通する複数の穴が設けられており、この穴には、ブラシホルダ２１にロータ３０側の方向の押付力を付与するスプリング１９が挿入されている。このスプリング１９の押付力により、取付板１８とブラシホルダ２１との間に配設された板バネ部２０が撓んで、伝熱ブラシ２２が後述する回転部端板３９に押し付けられることになり、伝熱ブラシ２２と回転部端板３９とが接触することになる。
【００３３】
取付板１８、板バネ部２０及びブラシホルダ２１は、熱伝導性の金属材料（熱伝導率の高い金属材料、例えば、アルミニウムや銅など）からなり、伝熱ブラシ２２は、カーボン又は白金や青銅合金などの熱伝導率が高く、摩擦係数の小さい材料からなる。このように、熱伝導率の高い材料を用いると共に、固定部側の伝熱ブラシ２２を回転部側の回転部端板３９に接触させることにより、伝熱ブラシ２２から回転部端板３９への冷却伝熱を行って、回転するロータ３０側を固定した冷凍機１０側から効率的に冷却可能となっている。
【００３４】
また、回転による摩擦により、伝熱ブラシ２２や回転部端板３９が摩耗しても、スプリング１９の押し付けにより、伝熱ブラシ２２が回転部端板３９に常に押し付けられて、伝熱ブラシ２２と回転部端板３９との接触を保っているので、熱伝導を低下させることなく、冷却伝熱を行うことができる。
【００３５】
ロータ３０は、図１に示すように、シャフト３１の周囲の各極において、ロータコア３３、ロータ部容器３４を有している。更に詳細には、図２及び図５に示すように、各極において、シャフト３１の外周に取り付けられたロータコア根元側突極部３３ａと、シャフト３１の外周に取り付けられると共に、ロータコア根元側突極部３３ａの外縁全周に環状の溝が配置されたロータ部容器３４と、ロータコア根元側突極部３３ａ及びロータ部容器３４の外周に取り付けられたロータコア先端側突極部３３ｂと有している。このロータ部容器３４は、錆の発生による真空度の低下を防ぐために、例えば、ステンレスからなる。
【００３６】
ロータコア先端側突極部３３ｂは、Ｏリングなどの真空シール（図示省略）を介して、ロータ部容器３４の外周側に取り付けられている。また、ロータ部容器３４の冷凍機１０側の端部には、接続ポート３４ａが設けられ、Ｏリングなどの真空シール（図示省略）を介して、回転部フランジ３５と接続されている。つまり、ロータコア先端側突極部３３ｂ、ロータ部容器３４により超電導コイル部真空容器Ｖ３を形成しており、接続ポート３４ａと連通する回転部フランジ３５の貫通穴３５ａを介して、超電導コイル部真空容器Ｖ３を真空状態にすることができる。この超電導コイル部真空容器Ｖ３の内部に、超電導コイル５０と共に後述する超電導コイル部の冷却伝熱構造（超電導コイル部伝熱構造）が収容され、配置されている。
【００３７】
回転部フランジ３５は、Ｏリングなどの真空シール（図示省略）を介して、シャフト３１の反直結側の端部にも接続されている。また、回転部フランジ３５には、Ｏリングなどの真空シール（図示省略）を介して、回転部容器３６が接続されている。この回転部容器３６は、円筒部３６ａとフランジ部３６ｂから構成されている。ロータ３０の端部において、シャフト３１、回転部フランジ３５、回転部容器３６のフランジ部３６ｂにより真空経路となる回転部真空容器Ｖ２ｃを形成しており、これらは、錆の発生による真空度の低下を防ぐために、例えば、ステンレスからなる。
【００３８】
また、図３に示すように、回転部容器３６の円筒部３６ａの内部には、回転部真空容器Ｖ２ｂのための隙間を残して、シャフト３１と同軸に接続された伝熱シャフト４０が挿通されている。つまり、回転部容器３６の円筒部３６ａ、伝熱シャフト４０が形成する空間が真空経路となる回転部真空容器Ｖ２ｂを形成している。
【００３９】
また、回転部容器３６の冷凍機１０側の端部には、外径が固定部容器１３の内壁近くまで延長された延長ディスク３７が取り付けられている。また、伝熱シャフト４０の冷凍機１０側の端部には、円盤状の回転部端板３９が取り付けられており、この回転部端板３９が前述した伝熱ブラシ２２と接触している。そして、延長ディスク３７と回転部端板３９との間は、複数の貫通穴を有する薄板円盤形状のつなぎ板３８で接続されている。伝熱シャフト４０、延長ディスク３７、つなぎ板３８、回転部端板３９が形成する空間が真空経路となる回転部真空容器Ｖ２ａを形成している。
【００４０】
回転部端板３９に接続されるつなぎ板３８及び延長ディスク３７は、非熱伝導性の金属材料（熱伝導率の低い金属材料、例えば、ステンレス）からなる。また、延長ディスク３７と回転部端板３９との間に介在するつなぎ板３８は、複数の貫通穴を有する薄板であり、熱伝導のための断面積が小さくなっている。更に、つなぎ板３８及び延長ディスク３７の径を大きくしており、これにより、低温となる回転部端板３９から磁性流体シール１７までの距離を長くして（図３中の点線矢印で示すように、伝熱経路を径方向外周側に迂回させて）、回転部端板３９と磁性流体シール１７との間に熱勾配を形成している。
【００４１】
磁性流体シール１７の磁性流体は寒冷に弱いが、上述した構成とすることにより、低温となる回転部端板３９から磁性流体シール１７への冷却の影響を抑制して、その使用を可能としている。また、上述した構成を用いることは、外気に接している回転部容器３６側から冷却されている回転部端板３９側への入熱を抑制することにもなる。
【００４２】
また、図５に示すように、シャフト３１と伝熱シャフト４０との間は、シャフト３１の回転トルクを伝熱シャフト４０に伝えるため、板バネを使ったカップリングである板バネカップリング４２を介して接続されている。具体的には、図５、図６及び図７に示すように、シャフト３１の反直結側の端部には、回転部フランジ３５が取り付けられており、伝熱シャフト４０のロータ３０側の端部には、伝熱ディスク４３が取り付けられており、この回転部フランジ３５と伝熱ディスク４３との間が、薄板の八角リング形状の板バネカップリング４２で接続されている。
【００４３】
また、図５に示すように、シャフト３１と伝熱シャフト４０との間においては、シャフト３１と伝熱シャフト４０の互いの中心軸を合わせるため、シャフト３１及び伝熱シャフト４０の軸中心にキー４１が挿入されている。
【００４４】
上述した板バネカップリング４２は、非熱伝導性の金属材料（熱伝導率の低い金属材料、例えば、ステンレス）からなる。また、板バネカップリング４２は、八角リング形状の薄板であり、熱伝導のための断面積が小さく、熱伝導の距離を長くとることができる。また、上述したキー４１は、非熱伝導性の樹脂材料（熱伝導率の低い樹脂材料、例えば、ＧＦＰＲ（Glass Fiber Reinforced Plastics））からなり、その両端部が半球形状に形成されて、シャフト３１及び伝熱シャフト４０との接触面積を小さくしている。
【００４５】
上述したキー４１及び板バネカップリング４２を用いることにより、外気に接するシャフト３１側から冷却されている伝熱シャフト４０側への入熱を抑制している。これは、冷却されている伝熱シャフト４０によるシャフト３１側の冷却を抑制することにもなる。
【００４６】
また、シャフト３１の反直結側の端部には、軸方向に沿う複数の穴が穿設されており、この穴には、伝熱ディスク４３（伝熱シャフト４０）に冷凍機１０側の方向の押付力を付与するスプリング３２が挿入されている。
【００４７】
また、図５、図６及び図７に示すように、上述した伝熱ディスク４３には、径方向に延設された複数の分岐導体４４が取り付けられており、各々の分岐導体４４には、軸方向に延設された伝熱導体４５が取り付けられている。本実施例では、ロータ３０が４極であるので、４つの分岐導体４４が９０°間隔で各々延設されている。また、伝熱導体４５は、回転部フランジ３５の貫通穴３５ａを通って、回転部容器３６（フランジ部３６ａ）側からロータ部容器３４側へ延設されている。
【００４８】
つまり、回転部の冷却伝熱構造（回転部伝熱構造）は、図２、図３及び図５に示すように、回転部端板３９、伝熱シャフト４０、伝熱ディスク４３、分岐導体４４及び伝熱導体４５を有しており、分岐導体４４及び伝熱導体４５により、伝熱ディスク４３からの冷却伝熱を各極の超電導コイル５０側へ分岐している。
【００４９】
回転部の冷却伝熱構造において、回転部端板３９、伝熱シャフト４０、伝熱ディスク４３、分岐導体４４及び伝熱導体４５は、超電導コイル５０を冷却するために、熱伝導性の金属材料（熱伝導率の高い金属材料、例えば、アルミニウムや銅など）からなる。また、分岐導体４４は、可撓性が高い可撓導体からなり、伝熱する断面積を大きくしている。
【００５０】
また、図５、図９、図１０に示すように、各々のロータ部容器３４において、超電導コイル部の冷却伝熱構造は、伝熱導体４５に接続された伝熱ヘッド４６と、一端が伝熱ヘッド４６に各々接続され、他端が後述する２つの銅板５２に各々接続された伝熱用接続導体５５とを有している。この伝熱用接続導体５５は、可撓性が高い可撓導体からなり、例えば、幅を広く取ることなどにより、伝熱する断面積を大きくしている。
【００５１】
ここで、図５、図８を参照して、超電導コイル５０の周りの構造を説明する。超電導コイル５０は、ロータ部容器３４の環状の溝に沿って、環状に巻回されている。環状の超電導コイル５０は、２つの環状の鉄板５１に挟まれており、２つの鉄板５１に挟まれた超電導コイル５０が、２つの環状の熱伝導性が高い銅板５２に挟まれており、この銅板５２に前述した伝熱用接続導体５５が接続されている。
【００５２】
通常、超電導コイルは、電流を流すと、電流に対して垂直方向に力を受けて磁束が移動することで電気抵抗が生じ、流せる電流が減少する性質があるが、上述したように、超電導コイル５０を２つの鉄板５１で挟み込む構造とすることにより、磁場の垂直成分を低減して、流せる電流の減少を抑制することができる。
【００５３】
鉄板５１及び銅板５２に挟まれた超電導コイル５０は、ロータ部容器３４の内壁に４つの支持体５３により支持されている。各支持体５３は、中央部が平坦に形成されて、銅板５２に取り付けられており、また、両端部が平坦に形成されて、ロータ部容器３４の内壁に取り付けられており、両端部と中央部との間が中抜き穴を有する傾斜部となっている。また、銅板５２に取り付けた支持体５３の中央部は、ロータ部容器３４の内壁に取り付けた補助支持体となるスプリング５４により支持されている。つまり、支持体５３及びスプリング５４により、ロータコア先端側突極部３３ｂ及びロータ部容器３４の内壁と銅板５２とが直接接触しないようにしている。
【００５４】
上述した支持体５３は、非熱伝導性の金属材料（熱伝導率の低い金属材料、例えば、ステンレス）からなり、また、支持体５３は、薄板であり、更に、中抜き穴も有するので、熱伝導のための断面積が小さくなっている。同様に、上述したスプリング５４も、非熱伝導性の金属材料（熱伝導率の低い金属材料、例えば、ステンレス）からなり、また、スプリング５４は、巻線の断面積が小さく、その長さも長くなっている。更に、スプリング５４は、ロータ部容器３４の内壁及び銅板５２に対する接触面積も小さくなっている。
【００５５】
上述した支持体５３及びスプリング５４を用いることにより、外気に接する周辺の部材（シャフト３１、ロータコア先端側突極部３３ｂ、ロータ部容器３４）側から、冷却されている銅板５２側への入熱を抑制している。これは、冷却されている銅板５２による周辺の部材側の冷却を抑制することにもなる。なお、上述した支持体５３やスプリング５４に代えて、スペーサなどを用いても良い。
【００５６】
また、図５、図９、図１０に示すように、超電導コイル５０に電流を流す構造として、ロータ部容器３４の内部から外部へ導出された電流リード５６と、電流リード５６が接続された電流バー５７と、電流バー５７に接続された電流用接続導体５８と、電流用接続導体５８に接続された電極端子５９とを有しており、電極端子５９が超電導コイル５０と接続されている。この電流用接続導体５８は、可撓性が高い可撓導体からなり、その断面積を大きくしている。
【００５７】
電流リード５６などに電流を流すと発熱するため、これらも冷却するため、上述した電流バー５７は、径方向に延設されると共に、絶縁テープを介して、伝熱ヘッド４６と接触させており、これにより、電流リード５６なども冷却可能としている。
【００５８】
ここで、以上説明した構成において、まず、その真空経路を整理して説明する。上述した真空容器Ｖ１〜Ｖ３において、固定部真空容器Ｖ１は、つなぎ板３８の貫通穴を介して、回転部真空容器Ｖ２ａと連通している。また、回転部真空容器Ｖ２ａは、延長ディスク３７と伝熱シャフト４０との隙間を介して、回転部真空容器Ｖ２ｂと連通している。また、回転部真空容器Ｖ２ｂは、回転部容器３６（円筒部３６ａ）と伝熱シャフト４０との隙間を介して、回転部真空容器Ｖ２ｃと連通している。また、回転部真空容器Ｖ２ｃは、回転部フランジ３５の貫通穴３５ａ、接続ポート３４ａを介して、超電導コイル部真空容器Ｖ３と連通している。
【００５９】
つまり、固定部真空容器Ｖ１と超電導コイル部真空容器Ｖ３との間は、真空経路となる真空容器Ｖ２ａ、Ｖ２ｂ、Ｖ２ｃにより連通されており、固定部フランジ１２接続した真空ポンプ（図示省略）により、固定部真空容器Ｖ１を真空状態にすると、真空容器Ｖ２ａＶ２ｂ、Ｖ２ｃを介して、超電導コイル部真空容器Ｖ３も真空状態とすることになる。これらの真空容器Ｖ１〜Ｖ３は、冷凍機１０のコールドヘッド１１から超電導コイル５０までの冷却伝熱構造の周囲を真空状態にすることになる。従って、真空容器Ｖ１〜Ｖ３によって、上記の冷却伝熱構造が常温部（外気）から真空断熱されることになる。
【００６０】
また、以上説明した構成において、次に、その冷却伝熱構造及び冷却伝熱経路を整理して説明する。上述したように、固定部の冷却伝熱構造においては、冷凍機１０のコールドヘッド１１に、取付板１８、板バネ部２０、ブラシホルダ２１及び伝熱ブラシ２２が、この順に接続されている。そして、冷凍機１０のコールドヘッド１１からの冷却伝熱は、取付板１８、板バネ部２０、ブラシホルダ２１及び伝熱ブラシ２２の順に行われる。
【００６１】
また、上述したように、回転部の冷却伝熱構造側においては、回転部端板３９、伝熱シャフト４０、伝熱ディスク４３、分岐導体４４及び伝熱導体４５が、この順に接続されており、回転部側の回転部端板３９が固定部側の伝熱ブラシ２２に接触している。そして、固定部側の伝熱ブラシ２２からの冷却伝熱は、回転部端板３９、伝熱シャフト４０、伝熱ディスク４３、分岐導体４４及び伝熱導体４５の順に行われる。
【００６２】
また、上述したように、超電導コイル部の冷却伝熱構造においては、ロータ部容器３４内に挿通された伝熱導体４５に、伝熱ヘッド４６、伝熱用接続導体５５、銅板５２、鉄板５１及び超電導コイル５０が、この順に接続されている。そして、伝熱導体４５からの冷却伝熱は、伝熱ヘッド４６、伝熱用接続導体５５、銅板５２、鉄板５１及び超電導コイル５０の順に行われる。
【００６３】
上記の冷却伝熱構造が、温度を低くしたい超電導コイル５０ヘの冷却伝熱経路となっている。そして、この冷却伝熱構造は、上述したように、熱伝導率の高い材料からなり、また、伝熱する断面積を可能な限り大きくして、積極的に冷却伝熱を行う構造としている。このような構造により、超電導コイル５０を極低温に冷却することができ、この結果、超電導コイル５０に大電流を流すことが可能となる。
【００６４】
また、上記の冷却伝熱構造において、回転部及び超電導コイル部の冷却伝熱構造は、極低温に冷却されることにより、当該冷却伝熱構造を構成する部品が熱収縮し、材料の違いや熱勾配による温度差によってひずみが生じるおそれがある。この点について、本実施例では、可撓導体となる分岐導体４４や伝熱用接続導体５５を冷却伝熱構造に挿入しており、これにより、上述した熱収縮を吸収するようにしている。
【００６５】
また、上記の冷却伝熱構造において、回転部の冷却伝熱構造は、回転トルクを伝えるため、冷却伝熱経路ではないシャフト３１と接続する必要があり、冷却したくないシャフト３１が冷却されるおそれがある。この点について、本実施例では、熱伝導のための断面積が小さくかつ熱伝導率の低い金属材料からなると共に熱伝導の距離を長くとることができる板バネカップリング４２を用いて、冷却される伝熱シャフト４０と冷却したくないシャフト３１とを接続しているので、その冷却伝熱を抑制することができ、シャフト３１には冷却がほとんど伝わらないようにしている。
【００６６】
同様に、上記の冷却伝熱構造において、回転部の冷却伝熱構造には、寒冷に弱い磁性流体シール１７につながる経路が存在し、冷却したくない磁性流体シール１７が冷却されるおそれがある。この点についても、本実施例では、熱伝導のための断面積が小さくかつ熱伝導率の低い金属材料からなると共に熱伝導の距離を長くとることができるつなぎ板３８を用いて、冷却される回転部端板３９と冷却したくない磁性流体シール１７への経路となる延長ディスク３７とを接続しているので、その冷却伝熱を抑制することができ、磁性流体シール１７には冷却がほとんど伝わらないようにしている。
【００６７】
以上説明した構造とすることにより、以下のような効果を奏することになる。
（１）回転機自体に冷媒を使用する必要がなく、冷凍機１０のみで超電導コイル５０を冷却できる。
（２）冷凍機１０を固定して回転機を冷却でき、冷凍機１０として、市販されている極低温冷凍機をそのまま使うことができる。
（３）冷凍機１０の設置に軸対称などの制約がないので、冷凍機１０を複数台並べて、簡単に冷凍能力を上げることができ、その場合、回転機の回転動作を停止させずに、冷凍機１０のメンテナンスが可能になる。
（４）固定部側の伝熱ブラシ２２が多少摩耗しても、回転部側に冷却を伝えることができるので、メンテナンスのサイクルを長くすることができる。また、カーボン、白金及び青銅合金は摩耗係数が小さいので、カーボン、白金又は青銅合金からなる伝熱ブラシ２２の摩耗を抑制することができ、メンテナンスのサイクルを長くすることができる。
（５）板バネ部２０が、長方形の金属板にボルト用の穴をあけただけの簡単な構造で製作可能である。
（６）可撓導体からなる分岐導体４４、伝熱用接続導体５５を有するので、冷却による部品の熱収縮を分岐導体４４、伝熱用接続導体５５で吸収することができる。
（７）磁性流体シール１７からなる回転シールを用いているので、回転するロータ部容器３４、回転部容器３６の真空引きを固定部容器１３から行うことができる。その結果、真空度が低下したときも、回転機の回転動作を停止させずに、真空引きを行うことができる。
（８）非熱伝導性のつなぎ板３８、板バネカップリング４２、キー４１を用いているので、冷却を伝えたくない部品（磁性流体シール１７やシャフト３１など）に冷却が伝わらないようにすることができ、冷凍機１０に必要な能力を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、界磁型の超電導回転機に好適なものである。
【符号の説明】
【００６９】
１０  冷凍機
１１  コールドヘッド
１３  固定部容器
１７  磁性流体シール
１９  スプリング
２０  板バネ部
２２  伝熱ブラシ
３１  シャフト
３３  ロータコア
３４  ロータ部容器
３６  回転部容器
３７  延長ディスク
３８  つなぎ板
４０  伝熱シャフト
４１  キー
４２  板バネカップリング
４４  分岐導体
５０  超電導コイル
５５  伝熱用接続導体
【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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【図９】
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【図１０】
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