(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
定置リファレンスフレーム内に配置した低温冷却器と、
超伝導体装置を配置してある回転リファレンスフレームと該定置リファレンスフレームを界接させる低温冷却器の外側にある受動的密閉式循環システムと、
を備え、前記受動的密閉式循環システムは、前記低温冷却器に接続された端部と、ロータに接続された端部と、定置管とを備え、その定置管は前記低温冷却器に接続された端部から前記ロータに接続された端部へ延びると共に、低温冷却器に接続された端部からロータに接続された端部へ液体冷却剤を案内することを特徴とする超伝導体装置冷却システム。
【請求項２】
冷却剤をネオンとする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
さらに、低温冷却器の低温ヘッドを有する絶縁封入体を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
低温冷却器が伸張部分を含み、密閉式循環システム内の冷却剤が伸張部分と接触することにより凝縮する請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
伸張部分を超伝導体装置の超伝導体コイルと整列させてある請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
密閉式循環システムが低温冷却器表面から超伝導体装置へ液体冷却剤を送達する流体路を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
密閉式循環システムがさらに、超伝導体装置から低温冷却器表面へ冷却剤蒸気を戻す第二流体路を含む請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
定置リファレンスフレーム内に低温冷却器を配置する段階と、
回転リファレンスフレーム内に配置した超伝導体装置から、低温冷却器へ、定置リファレンスフレームを該回転リファレンスフレームと界接させる低温冷却器の外側にある受動的密閉式循環システムを通って熱を伝達する段階と、
を含み、前記受動的密閉式循環システムは、前記低温冷却器に接続された端部と、ロータに接続された端部と、定置管とを備え、その定置管は前記低温冷却器に接続された端部から前記ロータに接続された端部へ延びると共に前記低温冷却器に接続された端部からロータに接続された端部へ液体冷却剤を案内することを特徴とする超伝導体装置の冷却方法。
【請求項９】
回転リファレンスフレーム内に配置した超伝導体装置を冷却するためのシステムであって、
定置リファレンスフレーム内に配置した低温冷却器と、
前記低温冷却器の外側にある密閉式循環システムであって、その密閉式循環システムは、前記低温冷却器に接続された端部とロータに接続された端部とを備え、かつ、定置リファレンスフレームを回転リファレンスフレームに界接させ、定置リファレンスフレーム内の前記低温冷却器に接続された端部から回転リファレンスフレーム内の前記ロータに接続された端部への、液体状態の冷却剤の重力による流れを有効化し、前記ロータに接続された端部は前記超伝導体装置と熱的に関連し、前記ロータに接続された端部から前記低温冷却器に接続された端部への気体状態の冷却剤の復帰流を有効化し、前記密閉式循環システムは定置管を備え、その定置管は前記低温冷却器に接続された端部から前記ロータに接続された端部へ延びると共に前記低温冷却器に接続された端部から前記ロータに接続された端部へ液体冷却剤を案内することを特徴とする超伝導体装置冷却システム。
【請求項１０】
前記定置管は、冷却剤を前記低温冷却器に接続された端部から前記ロータに接続された端部へ液体状態で案内するための液体冷却剤導管を形成する壁を備えている請求項９に記載の超伝導体装置冷却システム。
【請求項１１】
前記定置管は、冷却剤を前記ロータに接続された端部から前記低温冷却器に接続された端部へ気体状態で案内するための気体冷却剤導管を形成する壁を備えている請求項９に記載の超伝導体装置冷却システム。
【請求項１２】
前記定置管は、前記低温冷却器にて凝縮された液体冷却剤を収集するために配置されている請求項９に記載の超伝導体装置冷却システム。
【請求項１３】
請求項９に記載のシステムと、回転リファレンスフレーム内に配置された超伝導体装置とを備えた回転機械。
【請求項１４】
前記液体冷却剤はヘリウム、ネオン、窒素及び酸素からなる群から選択された冷却剤である請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
超伝導磁石の回転成分の冷却方法について関心が寄せられてきた。高温超伝導体磁石は、一般的に使用中の温度を約２０〜７７Ｋに冷却する必要がある。
【０００２】
磁石の回転リファレンスフレーム内に低温冷却器を配置して磁石巻線を冷却するのは公知である。同様に、定置冷却装置及び回転界磁巻線間に流体を循環させることも公知である。
【０００３】
発明の概要
本発明の一局面に従って、超伝導体装置を冷却するシステムは、定置リファレンスフレーム内に配置した低温冷却器およびその低温冷却器の外側にある密閉式循環システムを含む。密閉式循環システムは、定置リファレンスフレームと超伝導体装置を配置した回転リファレンスフレームを界接させる。
【０００４】
本発明のこの局面の実施例は、以下に示す一つ以上の特徴を包含させ得る。
密閉式循環システムは、回転リファレンスフレーム内に配置した熱伝達組み立て体を含む。熱伝達間隙は、低温冷却器と熱伝達組み立て体間に画成される。熱は、超伝導体装置から熱伝達間隙へ熱伝達組み立て体により伝達される。冷却剤、例えば、ヘリウムは、熱伝達間隙に配置してある。
【０００５】
例示の実施例において、回転熱伝達組み立て体は、液体冷却剤、例えば、液体ネオンの流れを熱伝達組み立て体の低温末端から温暖末端へ向ける第一流体路および気体冷却剤、例えば、ネオンガスの流れを熱伝達組み立て体の温暖末端から低温末端へ向ける第二流体路を有する熱管を含む。
【０００６】
温暖末端伝導集合体は、超伝導体装置および熱管に取り付けてある。温暖末端伝導集合体は、熱伝達組み立て体の温暖末端を画成する。低温末端伝導集合体は、熱管に取り付けてあって、熱伝達組み立て体の低温末端を画成する。低温末端伝導集合体は、第一複数フィンを含み、低温冷却器は、第一複数フィンと連動する第二複数フィンを含む。低温末端伝導集合体フィンは、低温冷却器フィンに関して回転できる。連動するフィン間の空間は、熱伝達間隙を画成する。
【０００７】
特定の実施例において、例えば、液体窒素または液体酸素を含む冷却路は、超伝導体装置の回転前に、超伝導体装置を冷却するために提供してある。
低温冷却器は、複数の低温ヘッドを含めることができる。熱管は、複数の低温ヘッドから伸びている。熱伝達間隙は、熱管と熱伝達組み立て体間に画成される。
【０００８】
特定の実施例において、低温冷却器の低温ヘッドは、絶縁封入体内に配置してある。超伝導体装置の回転軸は、封入体内に伸びている。その軸の低温末端は、第一複数フィンを有する凝縮器を含む。低温ヘッドは、凝縮器フィンと連動する第二複数フィンを含む。凝縮器フィンは、低温ヘッドフィンに関して回転できる。
【０００９】
別の実施例において、定置低温冷却器は、超伝導体装置の回転軸内に配置してある。回転軸は、液体冷却剤の流動導管を画成する。低温冷却器は、伸張部分を含み、密閉式循環システム内の冷却剤は、伸張部分と接触することにより凝縮する。伸張部分は、超伝導体装置の超伝導体コイルと放射状に整列する。
【００１０】
密閉式循環システムは、液体冷却剤を低温冷却器の表面から超伝導体装置へ送達する流体路および冷却剤蒸気を超伝導体装置から低温冷却器表面へ戻す第二流体路を含む。
【００１１】
本発明の別の局面に従って、超伝導体ローター冷却システムは、定置リファレンスフレーム内に配置した低温冷却器および回転リファレンスフレーム内に配置した熱伝達組み立て体を含む。低温冷却器と熱伝達組み立て体間に画成される熱伝達間隙は、熱を回転リファレンスフレーム内に配置した超伝導体装置から熱伝達間隙へ伝達する。
【００１２】
本発明の別の局面に従って、超伝導体装置の冷却方法は、定置リファレンスフレーム内に低温冷却器を配置する段階と熱を回転リファレンスフレーム内に配置した超伝導体装置から低温冷却器の外側にある密閉式循環システムを通して低温冷却器へ伝達する段階を含む。密閉式循環システムは、定置リファレンスフレームを回転リファレンスフレームと界接させる。
【００１３】
本発明の別の局面に従って、超伝導体装置の冷却方法は、定置リファレンスフレーム内に低温冷却器を配置する段階、回転リファレンスフレーム内に熱伝達組み立て体を配置する段階と熱を回転リファレンスフレーム内に配置した超伝導体装置から熱伝達組み立て体を通して、低温冷却器と熱伝達組み立て体間に画成される熱伝達間隙へ伝達する段階を含む。
【００１４】
別の利点の中でも、本発明の冷却システムは、低温冷却器を定置のままにでき、一方で、開放式循環システムに冷却剤を流すのに必要とされる徹底的な密閉システムの必要性をなくす。熱伝達間隙は、超伝導体装置から低温冷却器へ熱を伝達する効率的な構造を提供する。
本発明の他の目的、特徴および利点は、図面と共に示した以下の説明から明らかになる。
【００１５】
好適な実施例の説明
図１を参照にして説明するが、超伝導体ローター冷却システム１０は、例えば、回転リファレンスフレーム内に配置した高温の超伝導体巻線１８を冷却するため、定置リファレンスフレーム内に配置したＧｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ（ＧＭ）低温冷却器１２を含む。他の冷却システム、例えば、パルス管またはスターリング低温冷却器を使用し得る。低温冷却器１２は、回転時に、低温冷却器の低温ヘッドの内側に認められる不都合な高重力熱伝達のため、回転リファレンスフレームよりむしろ定置リファレンスフレーム内に配置してある。
【００１６】
ローター冷却システム１０の密閉式循環システム１１は、二つのリファレンスフレームを界接し、超伝導体ローター２２の巻線１８から低温冷却器１２へ熱を伝達する。循環システム１１内の冷却剤は、以下に記載するように、低温冷却器内に入り込むことはないが、むしろ低温冷却器の外面と接触することにより冷却される。循環システム内の熱伝達は、様々な手段、例えば、伝導、対流および物質輸送により生ずる。外力ではない、例えば、ポンピングを冷却剤に適用する。
【００１７】
低温冷却器１２は、ローター２２の中空軸２０内に配置してある。軸受け２６上の軸２０に取り付けたブラケット２４は、軸２０の回転中、低温冷却器１２が定置に留まるように低温冷却器１２を支える。関係運動間隙３０は、低温冷却器１２と軸２０の内壁２８間に画成される。シール３２、例えば、気体対気体、摩擦または磁性流体シールは、関係運動間隙３０をブラケット２４内の領域３４から分離する。関係運動間隙３０には、供給管路３６が接近でき、ブラケット２４およびシール３２を通って間隙３０へ冷却剤、例えば、ヘリウムまたはネオンを導入する。
【００１８】
循環システム１１は、伝導シリンダー４０を有する熱伝達組み立て体１６、熱管組み立て体４２と冷却管路４４を含む。関係運動間隙３０は、低温冷却器１２の銅伸張部分４８とシリンダー４０間に画成される熱伝達間隙４６を含む。以下に記載するように、低温冷却器伸張部分４８およびシリンダー４０は、それぞれ一連の交互に重ねた（インターリーブ）フィン５０、５２を含み、熱伝達間隙４６を画成する。熱伝達間隙４６内の冷却剤は、低温冷却器伸張部分４８のフィン５０と接触することにより冷却される。
【００１９】
超伝導体ローター２２を使用する場合、巻線１８ならびに放射、支持構造体による伝導および電流リード線による熱漏れなどの他の寄生的熱漏れにより熱が発生する。熱を放散させるため、内部冷却集合体５４へ伝導することにより熱を伝達する。次いで、熱は、冷却集合体５４からシリンダー４０へ熱管組み立て体４２により伝達される。冷却集合体５４、熱管組み立て体４２およびシリンダー４０は、回転リファレンスフレーム内に配置してある。熱は間隙４６内に配置した冷却剤中を対流することにより低温冷却器１２に達する。
【００２０】
同様に、図２を参照にして説明するが、熱管組み立て体４２は、重力性ネオン熱管が好ましく、中央管６０、中央管６０を中心として等間隔で設置された三つの外管６２と中央管６０に外管６２の各末端を接続する計６つの接続管６４を含む。熱管組み立て体４２が回転すると、管内のネオンが外管６２の外側および冷却集合体５４のより暖かい末端の方へ放射状に流れる。暖められたネオンは、次ぎに気体状で、中央管６０をシリンダー４０のより冷えた末端の方へ進む。このように、熱管組み立て体４２内のネオンは、冷却集合体５４での伝導によって加熱されて気体になり、シリンダー４０での伝導により冷却されて液体になる。この物質流束は、熱の流れを冷却集合体５４からシリンダー４０へ移す。液体および蒸気流により、圧力ヘッドが生じる。液体ヘッドは、圧力ヘッドの圧力低下を埋め合わせるため、接続管６４内に配置した液体ネオンにより生じる。
【００２１】
熱管組み立て体４２が回転しない場合、例えば、超伝導体ローター２２の冷却中、熱管組み立て体４２は、重力モードで作動する。流動は、重力に従う液体ヘッドにより生じる。これらの条件下で、０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）のヘッドは、下方に記載した寸法の管の６０ワットの熱流束を維持するのに十分であると算出されている。ネオンで９００ｐｓｉ（６３．２７６３ｋｇ／ｃｍ2）に課した熱管組み立て体４２に関して、２７Ｋで外管６２を満たすのに十分な液体が存在すると算出されている。
【００２２】
冷却時間を減らすため、液体窒素を冷却集合体５４へ送達して巻線１８の温度を周囲温度から７７Ｋに下げることができる。液体窒素を冷却管路４４の入口ポート７０に導入する。冷却管路４４を流れる液体窒素は、冷却集合体５４での伝導により加熱され、窒素蒸気が出口ポート７２から冷却管路４４を出て行く。差し込み型真空プローブ７４は、真空プローブ７４から冷却管路４４へ導入される液体窒素で冷却中に入口ポート７０に挿入するのが好ましい。
【００２３】
図３および４を参照にして述べるが、低温冷却器伸張部分４８上のフィン５０は、環状かつ同心円状に配置してある。シリンダー４０上の該当のフィン５２もまた、図１に示すように、フィン５０、５２が連動するように、環状かつ同心円状に配置してある。約０．０３インチ（０．０７６２ｃｍ）の間隙４６と共にフィン５０、５２が作動して、熱伝達の表面積を増加させることおよび混合を強化し、それによって熱伝達間隙４６内に配置した冷却剤の対流性熱伝達係数を増加させることにより、熱伝達間隙４６を横切る温度低下を数度Ｋｅｌｖｉｎに制限する。冷却剤の混合強化は、フィン５０、５２間に配置した冷却剤に対する定置フィン５０と回転フィン５２の相互作用に起因する。
【００２４】
抵抗性加熱器（図３）を用いて熱管組み立て体４２内のネオンの温度範囲を制御する。熱管組み立て体の低温および温暖末端でネオンの凝縮および沸騰がほんの小さな温度範囲にかけて生じるので、温度制御が必要である。熱伝達間隙４６内の冷却剤がネオンであれば、加熱器９０を用いてネオン温度をネオンが凍結する２４〜２５Ｋより低下しないようにする。
【００２５】
熱管組み立て体４２、冷却集合体５４、シリンダー４０および伸張部分４８は、銅で形成するのが好ましい。熱伝達組み立て体１６を囲む領域８０および巻線１８を囲む領域８２は真空下に保ってある。フィン５０、５２は、例えば、長さが約６インチ（１５．２４ｃｍ）で、伸張部分４８の外径は、約４インチ（１０．１６ｃｍ）である。管６０の内径は、約０．７５インチ（１．９０５ｃｍ）で、内径が約０．１インチ（０．２５４ｃｍ）の管６２は、約４インチ（１０．１６ｃｍ）の直径上に管６０を中心として放射状に配置してある。
【００２６】
他の実施例は、特許請求の範囲内にある。例えば、図５を参照にして述べるが、熱伝達組み立て体１６を巻線２１８の冷却を凝縮および物質輸送に頼る循環システムと交換できる。単一の銅伸張部分２４８が低温冷却器２１２から伸びている。真空封入体２１７内に配置した冷却剤は、巻線２１８から低温冷却器２１２へ熱を伝達する。封入体は、巻線２１８で気化し、銅フィンガー２４８で凝縮される冷却剤を有する密閉式循環システムを画成する。
【００２７】
巻線２１８から熱を放散させるため、巻線２１８から蒸気が流れ、伸張部分２４８と接触し、そこで蒸気が冷却され、凝縮して液体になる。液体冷却剤は、重力の影響下で伸張部分２４８から落下する。図６に示すように、液体冷却剤２１３は、コイル２１８のより暖かい末端方向へ流れて気化する。同様に、図７を参照にして述べるが、ローター２２２は、温暖末端方向へ液体冷却剤を運ぶ助けをするスロット２２１を規定するフローリング２１５を含めることができる。冷却中、巻線は、同じ方法で冷却するか追加差し込みピンで補足し得る。冷却中は、二相窒素が好適流体になり得るが、作動中は、より低い沸点の流体が熱伝達に好ましくなる。
【００２８】
図８および９を参照にして述べるが、低温ヘッド２１２の銅伸張部分２４８は、コイル２１８内に放射状に整列してある。図５の形態において、軸性物質輸送は、熱を、軸２１７に配置する方が都合がよい低温冷却器インターフェース２４８に対流で循環させるが、図８の形態では、低温ヘッドおよび熱伝達表面２４８がコイル２１８の内側に放射状に放射線状に伸びていて、軸性熱輸送の必要性がなくなる。冷却システムの形状の別の実施例を図６および９に示す。
【００２９】
図１０および１１を参照にして述べるが、広範囲の冷却必要条件を満たし得るように、低温冷却器の冷却容量を増やすため、複数の低温ヘッド１１０、例えば、二つか三つの低温ヘッドを低温冷却器組み立て体１１２内に束にすることができる。熱管差し込みピン１１４は、低温ヘッド１１０を伸張部分４８または２４８と連結する。差し込みピン１１４は、重力送りにより、凝縮ネオンを中央管１１６へ供給する。復帰ジャケット１１８は、蒸気を低温ヘッドへ戻す経路を提供する。真空ジャケット１２０は、復帰ジャケット１１８を囲んでいる。
【００３０】
別の実施例の図１２を参照にして述べるが、中空ローター３２２は、回転フレーム内に配置した凝縮器部分３２３を含む。凝縮器部分は、定置真空絶縁封入体３２７内に配置してある。低温冷却器３１２の低温ヘッド３１１は、封入体３２７内に配置してある。封入体３２７内の冷却剤、例えば、水素、ネオンまたは窒素は、低温冷却器３１２により冷却される。ローター３２２内の冷却剤、例えば、ネオンは、コイルで蒸発し、ローター３２２から凝縮器３２３へ流れ、そこで凝縮されて液体になる。封入体３２７内およびローター３２２内の冷却剤は、密閉式循環システムを画成する。凝縮器部分３２３は、フィン３２５を含み、低温冷却器３１２の低温ヘッド３１１は、フィン３２５と連動するフィン３１３を包含できる。
【００３１】
図１３を参照にして述べるが、密閉式循環システムは、真空絶縁管４１５を含み、液体冷却剤を低温冷却器４１２の低温ヘッド４１１の表面４４１からローター４２２へ送達する第一導管４１７および冷却剤蒸気を低温ヘッド４１１の表面へ戻す第二導管４１９を画成する。低温ヘッド４１１は、真空絶縁封入体４１３内に配置してある。寒剤は、低温ヘッド表面で凝縮される。
【００３２】
一実施例において、熱交換器を低温ヘッドに連結して低温表面積を増やせる。液体冷却剤は、低温ヘッド４１１からローター４２２へ重力により移動する。液体冷却剤は、定置フレームから回転フレームの管開口部４２３へ移動する。重力、遠心力および灯心を用いて液体冷却剤をコイルに輸送できる。定置管４１５と回転ローター間の輪４２７は、シール４２９、好ましくは非接触性磁性流体シールにより密閉してある。冷却剤蒸気は、低温ポンピングにより導管４１９を通って低温ヘッド４１１へ復帰する。別に温暖蒸気復帰管路４３１を供給できる。復帰管路４３１が真空絶縁されていると、管路４３１は、同様に中間温度に冷却剤を戻して、種々の負荷量までさらに冷却できる。巻線の冷却後、復帰流の一部分を迂回させて、電流リード線への熱負荷および寄生的負荷を遮断する。寄生的負荷の冷却に用いる部分は、中間温度に復帰することになる。第二低温ヘッドは、幾つかの実施例に含め得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  超伝導体ローター冷却システムの横断側面図である。
【図２】  図１の線２−２に沿って切った冷却システムの端面図である。
【図３】  図１の冷却システムの低温冷却器を一部切り欠いた側面図である。
【図４】  図３の線４−４に沿って切った低温冷却器の端面図である。
【図５】  超伝導体ローター冷却システムの別の実施例の横断側面図である。
【図６】  図１の線６−６に沿って切った図５の冷却システムの端面図である。
【図７】  図１の線７−７に沿って切った図５の冷却システムの端面図である。
【図８】  超伝導体ローター冷却システムの別の実施例の横断側面図である。
【図９】  図１の線９−９に沿って切った図８の冷却システムの端面図である。
【図１０】  超伝導体ローター冷却システムの別の実施例の横断側面図である。
【図１１】  図１０の冷却システムの熱管差し込みピンの横断側面図である。
【図１２】  超伝導体ローター冷却システムの別の実施例の横断側面図である。
【図１３】  超伝導体ローター冷却システムの別の実施例の横断側面図である。
【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】
0004099314.tif 000011
【図１１】
0004099314.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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