JP2003148844A - 極低温冷却冷凍システムとその方法 - Google Patents
極低温冷却冷凍システムとその方法Info
- Publication number
- JP2003148844A JP2003148844A JP2002202015A JP2002202015A JP2003148844A JP 2003148844 A JP2003148844 A JP 2003148844A JP 2002202015 A JP2002202015 A JP 2002202015A JP 2002202015 A JP2002202015 A JP 2002202015A JP 2003148844 A JP2003148844 A JP 2003148844A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cooling fluid
- cryogenic
- storage tank
- rotor
- cooling
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
- H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
- H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
- F25B2400/24—Storage receiver heat
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2500/00—Problems to be solved
- F25B2500/06—Damage
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Motor Or Generator Cooling System (AREA)
- Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
Abstract
高温超伝導機械に供給する商業的に実行可能な冷却流体
システム(50)又は方法を提供する。 【解決手段】 このシステムは、再循環圧縮機と、第2
の極低温流体を有する貯蔵タンクと、再循環圧縮機を貯
蔵タンク及びロータに連結し、再循環圧縮機から貯蔵タ
ンクを通って装置へ進む第1の極低温冷却流体のための
流路を形成する入口ラインとを備える。使用済み第1の
冷却流体は、ロータから、向流式熱交換器(ここで、ロ
ータに進む圧縮された第1の冷却流体からの熱が、使用
済みの第1の冷却気体に伝達される)を通って、再び再
循環圧縮機に戻される。
Description
伝導(HTS)部品を備えたロータを有する同期機械の
ための極低温冷却システムに関する。より具体的には、
本発明は、極低温流体をロータに供給し、ロータから戻
された使用済みの冷却流体を再冷却するための冷却シス
テムに関する。
体ヘリウムによって冷却され、使用済みのヘリウムは室
温の気体ヘリウムとして戻される。極低温冷却のために
液体ヘリウムを使用することは、戻された室温の気体ヘ
リウムの連続的な再液化を必要とし、そのような再液化
は、重大な信頼性の問題を提起し、かなりの補助電源を
必要とする。従って、ロータから戻された、高温の使用
済み冷却流体を再液化する極低温冷却システムへの必要
性がある。再液化された冷却流体は、その後、HTSロ
ータの冷却流体として再使用に供される。
用可能にするために、信頼性が高くてコストが低い極低
温冷凍装置を必要とする。既存の極低温冷凍装置を用い
て高い信頼性を達成するために、これまで余分の極低温
冷凍機部品が用いられてきた。これら部品の不十分な信
頼性、及びHTSロータに冷却流体の連続的供給を確保
するという必要条件により、これまで、HTSロータ用
の極低温冷凍システムには、余分な部品を含むことが必
要とされてきた。
低温冷却機部品への必要性のために実質的に増加される
ことになる。更に、不十分な信頼性及びシステムの冗長
性のために、既存の極低温冷凍システムは、頻繁な保守
を必要とするようになる。従って、これらのシステムの
作動コストは、相対的に高いものとなる。
(K)までの範囲の温度に対する一般的な極低温冷凍機
装置は、ギフォード・マクマホンのコールドヘッド技術
に基づいており、該技術は、冷凍機の容量を制限し、お
よそ年に1度の保守を必要とするものである。システム
の容量と信頼性を増加させるために、増加するコストを
犠牲にして、多数の装置を組み合わせることが可能であ
る。多数のコールドヘッドに加えて、閉ループの極低温
剤気体の循環システムは、低温の再循環ファン、或いは
向流式の高効率熱交換器を備えた室温の外部再循環ファ
ンのいずれかを必要とする。高い信頼性のための冗長性
が要求される場合には、全ての部品を6シグマの標準偏
差の品質で作ることができない限り、これらの部品は、
コストを増し、システムに複雑さを付加することにな
る。
コストは、HTSロータを有する機械のコストを著しく
増加させる。これらの高コストが、市場で販売できる同
期機械にHTSロータを組み入れることは、これまで商
業的に実用的でないとすることの原因になってきた。従
って、より費用がかからず、作動が安価で、HTSロー
タに極低温冷却流体の供給を高い信頼で行う極低温冷凍
システムへの、本質的かつこれまで対処されなった必要
性がある。
は、それに限定するわけではないが、回転発電機、回転
モータ及びリニアモータが含まれる。これらの機械は、
一般的に、電磁的に結合されたステータとロータとを備
える。ロータは、多極ロータコアと、ロータコアに取り
付けられたコイル巻線とを含むことができる。ロータコ
アは、鉄の鍛造品のような、透磁性の中実材料を含むこ
とができる。
普通に使用されている。しかしながら、銅巻線の電気抵
抗は、(従来の尺度では小さいが)ロータの大きな加熱
の一因となり、機械の出力効率を減少させる程である。
近年、ロータのための超伝導(SC)コイル巻線が開発
されている。SC巻線は、実効的には抵抗を持たず、非
常に有利なロータのコイル巻線である。
空隙磁界強度で飽和する。公知の超伝導ロータは、ロー
タ内に鉄がない空コア設計を利用して3テスラ又はそれ
以上の空隙磁界を達成し、それにより、電気機械の出力
密度を増大させ、重量と寸法の著しい減少がもたらされ
る。しかしながら、空コア超伝導ロータは、多量の超伝
導線を必要とし、それは、所要コイル数を増加させ、コ
イル支持体を複雑にし、コストを増加させる。
低温剤気体の再循環冷却システムが開発された。一般的
に、この冷却システムは、再循環圧縮機と、向流式熱交
換器と、液体極低温剤貯蔵タンク内の冷却コイル熱交換
器とを含む。冷却流体は、再循環圧縮機から、熱交換器
及び冷却コイル(ここで、流体が極低温に冷却される)
を通って、ロータ及びその超伝導コイルへと流れる。使
用済み冷却流体は、ロータから、向流式熱交換器(ここ
で、ロータに進む圧縮された冷却流体からの熱が、使用
済みの気体に伝達される)を通って、再び再循環圧縮機
に戻される。
極低温冷凍機によって冷却される。再凝縮用極低温冷凍
機は、単段のギフォード・マクマホン(GM)式極低温
冷却器、単段に取り付けられた再凝縮器装置を有する別
個の又は一体の圧縮機を備えたパルス管、或いは他のそ
のような極低温剤冷却システムとすることができる。液
体の極低温剤は、窒素、ネオン、又は水素とすることが
できる。同様に、再循環システム内の極低温剤気体は、
ヘリウム、水素、ネオン、或いは窒素とすることができ
る。
の安定供給を行うものである。更に、この冷却システム
は、その構成及び作動が経済的である。冷却システムの
信頼性及び経済性により、商業的に実行可能な、HTS
ロータを有する同期機械の開発が容易になる。
温冷却流体を高温超伝導機械に供給するための冷却流体
システムであり、該システムは、再循環圧縮機と、第2
の極低温流体を有する貯蔵タンクと、再循環圧縮機を貯
蔵タンク及びロータに連結し、再循環圧縮機から貯蔵タ
ンクを通って機械まで進む冷却流体のための流路を形成
する入口ラインとを備える。
械のための高温超伝導ロータに連結された冷却流体シス
テムであり、該システムと極低温冷却流体の源は、再循
環圧縮機と、極低温流体の供給源を貯蔵する極低温貯蔵
タンクと、貯蔵タンクを通過し、再循環圧縮機とロータ
との間に冷却流体のための流路を提供する入口ライン
と、ロータと再循環圧縮機との間に冷却流体のための流
路を提供する戻りラインとを備える。
却流体回路と、極低温貯蔵タンクと、熱交換器と、冷却
流体のための入口及び戻りラインとを有する冷却流体シ
ステムを用いて超伝導機械を冷却する方法であり、該方
法は、 a.極低温冷却流体を、入口ラインを通り、熱交換器及
び貯蔵タンクを通って機械内にポンピングする段階と、 b.入口及び戻りラインが通過する熱交換器において、
該入口ライン内の冷却流体から該戻りラインに熱を伝達
する段階と、 c.貯蔵タンクにおいて、冷却流体を極低温に冷却する
段階と、 d.使用済み冷却流体を、機械から戻りラインを通っ
て、再び入口ラインに戻す段階と、を含む。
に、本発明の実施形態を記載する。
する例示的な同期発電機械10を示す。ロータは、ステ
ータの円筒形のロータ真空キャビティ16内に嵌まる界
磁巻線コイル34を含む。ロータ14は、ステータのロ
ータ真空キャビティ16内に嵌まる。ロータがステータ
内で回転すると、ロータとロータコイルによって発生す
る磁界18(点線で示される)はステータを通って移動
/回転し、ステータのコイル巻線19に電流を生じさせ
る。この電流は、発電機によって電力として出力され
る。
20と、全体的に中実のロータコア22とを有する。中
実のコア22は、大きな透磁率を有し、鉄のような強磁
性材料で形成するのが普通である。低電力密度の超伝導
機械では、ロータの鉄心を使用して、起磁力(MMF)
を減少させ、従ってコイル線の使用量を最小にする。例
えば、ロータの鉄心は、約2テスラの空隙磁界強度で磁
気的に飽和させることができる。
ストラック形の高温超伝導(HTS)コイル巻線を支持
する。別の構成では、HTSコイル巻線は、サドル形に
してもよく、或いは、特定のHTSロータ設計に適した
幾つかの他のコイル巻線形状を有してもよい。ここに開
示される冷却システムは、中実のロータコア上に取り付
けられるレーストラック形コイル以外のコイル巻線及び
ロータ形態に適合させることができる。
これらの端シャフトは、コア22を支え、軸受25によ
って支持される。コレクタ端シャフト24は、ロータの
SCコイル巻線を冷却するのに用いられる極低温冷却流
体の源への極低温剤移送継手26を有する。極低温剤移
送継手26は、極低温剤冷却流体の源に結合される固定
セグメントと、HTSコイルに冷却流体を供給する回転
セグメントとを含む。例示的な極低温剤移送継手が、本
出願人による係属中の日本特許出願第2002−137
962号(米国特許出願第09/854,931号)に
おいて開示されており、その全体が参考文献として本明
細書に組み込まれる。コレクタ端シャフトはまた、ロー
タコイル34を外部の電気装置又は電源装置に接続する
ためのコレクタリング27を含む。駆動端シャフト30
は、出力タービン継手32であってもよい。
の界磁コイル巻線34を示す。ロータのSC界磁巻線3
4は、高温超伝導コイル36を含む。各々のHTSコイ
ルは、固体状エポキシ含浸巻線複合材料で積層されたB
SCCO(BixSrxCaxCuxOx)導線のような、
高温超伝導導体を含む。例えば、一連のBSCCO22
23線を、積層し、互いに接着し、巻いて中実のエポキ
シ含浸コイルとすることができる。
Sコイルは、一般的に、HTSテープが巻かれ、次いで
エポキシ含浸された層である。HTSテープは、厳密な
寸法公差を得るために、精密なコイルの形態に巻かれて
いる。テープは螺旋に巻かれ、レーストラック形SCコ
イル36を形成する。
コアの寸法で決まる。一般的に、各々のレーストラック
形コイルは、ロータコアの磁極を囲み、ロータ軸線に対
して平行である。HTSコイル巻線は、レーストラック
の周りで連続している。コイルは、ロータコアの周り及
び該コアの磁極の間に、無抵抗の電流路を形成する。
ル巻線34に含まれる。これらの流路は、SCコイル3
6の外縁部の周りに延びることができる。流路は、コイ
ルに極低温冷却流体を供給し、これらコイルから熱を除
去する。冷却流体は、SCコイル巻線において、該コイ
ルに電気抵抗がない場合を含む超伝導状態をもたらすの
に必要とされる低温、例えば27°Kを維持する。冷却
路は、ロータコアの一端に入口及び出口ポート39を有
する。これらポート39は、SCコイル上の冷却路38
を、極低温剤移送継手26に接続する。
冷凍システム50の概略図である。再循環圧縮機52
が、周囲温度、すなわち300°K(ケルビン)の圧縮
気体を、コールドボックス56内の向流式熱交換器54
に供給する。圧縮機52は、例えば貯蔵容器のような冷
却流体の源を含むことができる。向流式熱交換器は、圧
縮気体の熱を発電機10のロータ14から戻る使用済み
の冷却気体へ伝達することによって、該圧縮気体を極低
温に冷却する。
剤貯蔵タンク60内の冷却コイル58を通過することに
よって、更に冷却される。タンク内の極低温液体76
は、コイル58内の冷却流体の温度を、30°Kより下
のような極低温に下げる。コイル58からの冷却された
気体は、入口温度(Tin)で、HTS発電機10に供
給され、HTSロータ巻線を冷却する。
t)で出て、向流式熱交換器54を通って進み、周囲温
度の再循環圧縮機52に戻る。管62が、再循環圧縮機
52から、コールドボックス56を通って発電機まで
の、冷却流体のための流路を提供する。戻り管64が、
発電機から、コールドボックスを通って再循環圧縮機ま
での、気体のための戻り流路を提供する。コールドボッ
クスは、システム50の断熱された部分であり、該部分
は、入口ラインと戻りラインの管に対する真空ジャケッ
ト断熱、及び貯蔵タンクと熱交換器周りの断熱を用いる
ことなどにより、極低温に維持される。コールドボック
スは、該ボックス内の冷却部品周りに真空を確立するこ
とができる。更に、コールドボックスは、ロータまで延
びて冷却流体が不必要な熱を吸収しないことを保証す
る。
入るが、SCコイルの周りを流れるときに蒸発する。冷
却流体の蒸発により、SCコイルが冷却され、コイルが
超伝導状態で作動することを保証する。蒸発した冷却流
体は、低温の気体としてHTSロータから、戻り管路6
4を通って流れる。戻りラインは、ロータから再循環圧
縮機まで低温の冷却気体が通るような大きさにされてい
る。
剤流体の供給源を保持しており、それは、貯蔵タンクの
気体空間68内に配置された極低温冷凍機の再凝縮器6
6によって一定の極低温に維持される。極低温剤流体7
6は、タンク内においてコイル58を通って流れる冷却
流体を冷却するためにだけ用いられるものである。タン
ク内の極低温剤流体76は、ロータのSC巻線34を冷
却するのに用いられる冷却流体とは混合しない。
ォード−マクマホン式極低温冷却器、或いは単段に取り
付けられた再凝縮器装置を有する別個又は一体の極低温
冷却器用圧縮機70を備えたパルス管とすることができ
る。単一又は複数の極低温冷凍機装置(図3では、一つ
だけが示される)を、液体内にある冷却コイル58内の
循環気体の冷却必要条件に適合させるように、必要に応
じて貯蔵タンク内の気体68を再液化するために用いる
ことができる。
貯蔵タンク内の極低温剤液体を選択することによって制
御される。再循環システム(例えば、再循環圧縮機、熱
交換器、コイル、及び入口ラインと戻りライン)の入口
及び戻りライン内の極低温剤冷却気体は、ヘリウムであ
るのが好ましいが、HTSロータの作動温度が、77°
K、27°K、又は20°Kより下に下がらない場合に
は、それぞれ窒素、ネオン、又は水素とすることもでき
る。HTSロータ14のSCコイル34が、80°Kの
Tinまで冷却されなければならない場合には、冷却コ
イルを冷却するために、貯蔵タンク内において液体窒素
を用いることができる。再循環システムにおいて、液体
窒素は、HTSロータのコイルを約30°Kまで冷却す
るのに用いることができ、液体水素は、該ロータを約2
0°Kまで冷却するのに用いることができる。
冷却されなければならない場合には、貯蔵タンク内の極
低温剤流体を液体ネオンとすることができ、該コイルが
約20°Kまで冷却されなければならない場合には、液
体水素とすることができる。貯蔵タンクの温度は、再凝
縮器装置66の容量が冷却コイルの要求に適うように、
該タンクの平衡圧によって制御される。極低温冷凍機が
停止した場合には、開ループモードで冷却システムを作
動させるように、圧力安全弁72が設けられる。開ルー
プモードは、再凝縮器装置が保守又は故障のために使用
不能の場合、又は使用不能であるときに、極低温剤液体
76の極低温を維持するために用いられる。開ループモ
ードにおいて、タンク内の圧力を最小にして液体76の
温度を下げるために、気体68の圧力は最小にされ、例
えば大気圧に保持される。
を有するので、ロータの作動に影響を与えることなく冷
凍装置66を保守又は交換のために停止させることが可
能である。極低温冷凍機の停止期間中に、貯蔵タンクは
開ループで作動し、圧力安全弁を通して極低温剤気体を
外気へ排出する。失った冷温剤液体は、極低温冷凍機が
作動状態に戻った後、貯蔵タンクを再び満たすことによ
って補充される。貯蔵タンクは、冷凍装置66が機能し
ていないときでさえ、ロータを冷却する気体のために冷
却を行う。従って、提案されたHTS冷却システムは、
低コストで、余分な部品を持たず、高い信頼性をもたら
すものである。
が停止している期間にわたって、例えば一日間のような
期間にわたって、ロータに流れる冷却流体を冷却するの
に十分な液体76を供給するような大きさにされてお
り、この場合、HTSロータを30°Kで作動させるの
に必要とされる一般的な貯蔵タンクの容量は、液体ネオ
ン約100リットルである。
を流れる。再循環圧縮機52からの冷却流体は、コール
ドボックス56を通過し、ロータ14の冷却移送継手2
6に連結された入口管62を通って流れる。移送継手及
びロータにおいて、冷却流体は、端シャフト24の真空
ジャケットをもつ冷却流路、及びSCコイル36周りの
冷却流路38を通過する。冷却流体は、対流熱伝導冷却
又は蒸発冷却によってロータのSCコイル36を極低温
に維持し、コイルが超伝導状態で作動することを保証す
る。
却流体は、コイルの冷却流路38を出て、端シャフトの
真空ジャケットをもつ流路を通り、冷却継手26を通っ
てロータ14を出る。戻り移送ライン64は、戻り冷却
流体をロータからコールドボックス56へ、次いで、再
循環圧縮機52へと運ぶ。コールドボックス56内の入
口及び移送ラインは、真空ジャケットをもち、よって、
強く断熱されている。移送ライン及びコールドボックス
の真空断熱は、冷却流体がタンクからロータへ、及びロ
ータからタンクへ流れる際に、該冷却流体における熱伝
導損失を最小にする。コールドボックスと再循環圧縮機
との間のラインに真空ジャケットを設ける必要はない。
流量弁74が、再循環圧縮機からコールドボックス56
への気体の流れを制御する。
流体の供給源があるので、再凝縮器66を連続的に作動
させる必要はない。タンク内の液体冷却流体76は、H
TSロータを通って循環する冷却流体を冷却するための
非常供給用の冷却システムを提供するものである。従っ
て、HTS発電機が中断されずに作動し続けている間に
再凝縮器を点検することができる。再凝縮器は、一時的
に故障してもかまわず、その修理中にHTSロータを停
止することを必要としない。HTSロータを通常点検の
ために停止する際は、タンクへの点検整備用スタックを
介して該タンクを点検することができる。
実施形態の概略図である。第2の冷却システム78にお
ける、第1の冷却システム50と共通な部品は、図3及
び図4において共通の参照番号で示される。
済み冷却流体を戻りライン64から入口ライン62内に
ポンピングするエゼクタ80を更に含む。戻りラインか
らエゼクタを通って入口ラインに再入する冷却流体は、
再循環圧縮機52及び熱交換器54をバイパスする。従
って、圧縮機及び熱交換器にかかる流体負荷は、エゼク
タを使用する場合には減少される。エゼクタ80によ
り、他の場合に必要なよりも小さな熱交換器及び圧縮機
の使用が可能になる。
プであるエゼクタ80の詳細な概略図を示す。エゼクタ
は、第1の収斂−拡開ノズル82と、ディフューザ区域
84と、第2の収斂−拡開ノズル86とを含む。第1の
ノズルへの入口92は、入口ライン62に連結され、熱
交換器54からの冷却流体流を受ける。高圧の流れは第
1のノズルを通過する際に、比較的低い静圧で該ノズル
の出口94からディフューザ84内に射出されるため、
その速度は大幅に増加する。この低圧が、使用済の冷却
剤を戻りライン64から入口ポート88を介してディフ
ューザ84内に引き込む。戻り冷却流体が軸線に沿って
エゼクタに入るように、入口ポート88を該エゼクタの
軸線と位置合わせすることができる。
却剤噴流と共に運ばれて、双方が、比較的大きい直径の
出口90を有する第2の収斂−拡開ノズル86を通過す
る流れを形成するようになる。第2のノズルは、第1ノ
ズル(今は戻り流体を含む)からの噴流を減速させ、そ
れによって、エゼクタの出口90における入口ライン6
2に再び入る際に、流れの圧力を(ディフューザ及び戻
りラインの圧力より大きい圧力まで)増加させる。ディ
フューザの下流にある入口ライン62内の冷却剤の圧力
は、該冷却剤をロータ、SCコイル巻線、及び戻りライ
ンを通って移動させるのに十分な程である。
流体流を用いて、エゼクタに、戻りラインから入口ライ
ンへ大量の流体をポンピングさせるようにすることがで
きる。入口ラインにおいて、熱交換器54からの高圧流
体流は、入口92において第1の収斂−拡開ノズルに流
入する。ノズルの排出口94及びディフューザ84内に
おいて、流体流の圧力は低く、その速度は高い。ディフ
ューザ内の低圧が、使用済み流体を戻りラインから入口
ポート88を通してエゼクタに流入させることになる。
として(摩擦による損失を除いて)保存される。入口ラ
インの冷却剤流の高圧力は、第1のノズル82において
高速度流に変換される。エゼクタの軸線(x軸)に沿っ
たこの流れの運動量は、保存される。戻りラインの冷却
流体流は、ディフューザ内の高速度流と合流する。2つ
の流れの全体の運動量は、エゼクタの軸線に沿った2つ
の流れの各運動量のほぼ合計になる。全体の運動量が、
この合流を広径の出口90を有する第2のノズル86を
通して押し進め、流れの速度を圧力に変換させる。出口
流の圧力が、エゼクタの下流にある入口ライン内の冷却
流体を、コイル、ロータ、及び戻りラインを通って移動
させる。
は、エゼクタを通してポンピングされる流れ、及びエゼ
クタを出る混合流の一部分になる。熱交換器からの入口
ライン62における流れの高圧力は、比較的少量の流れ
で十分な運動量を生成し、戻りライン内の冷却流体の大
部分を引き込み、エゼクタからの冷却流体の混合流をシ
ステム78の残りの部分を通して押し進める。
的少量の冷却流体が必要とされるので、再循環ポンプ及
び熱交換器を通る冷却流体流は、HTSロータを通る冷
却流体の循環流の一部分でしかない。その結果、熱交換
器の大きさが相当減少され、その効率は、極低温冷凍機
全体の効率に対して重要ではなくなる。同様に、再循環
圧縮機52を小さなものとすることができ、エゼクタな
しのシステム50における圧縮機よりも少ない電力しか
必要としないようにすることができる。このように、極
低温冷凍システムにおいてエゼクタを使用することの一
つの利点は、熱交換器及び圧縮機の大きさ及びコストの
著しい減少と、熱交換器の損失及び圧縮機の所要電力の
減少による高いシステム効率にある。
実施形態と考えられるものに関して説明してきたが、本
発明は、開示した実施形態に限定されるものではない。
特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためで
あってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するもの
ではない。
C)ロータの概略側面図。
コイルの概略斜視図。
温冷却システムの概略図。
図。
Claims (15)
- 【請求項1】 第1の極低温冷却流体を装置に供給する
ための冷却流体システム(50、78)であって再循環
圧縮機(52)と、 第2の極低温流体(76)を有する貯蔵タンク(60)
と、 前記再循環圧縮機を前記貯蔵タンク及び前記装置に連結
し、該再循環圧縮機から該貯蔵タンクを通って該装置ま
で進む第1の冷却流体のための流路を形成する入口ライ
ン(62)と、を備えることを特徴とする冷却流体シス
テム。 - 【請求項2】 熱交換器(54)と、前記装置に連結さ
れ、該熱交換器を通過し、前記再循環圧縮機に連結され
た戻りライン(64)と、を更に備え、 前記戻りラインは、使用済み第1の冷却流体を前記装置
から前記圧縮機へ通すための流路であり、前記入口ライ
ンは、前記貯蔵タンクを通過する前に前記熱交換器を通
過するようにされている、ことを特徴とする、請求項1
に記載の冷却流体システム。 - 【請求項3】 前記入口ライン内の前記第1の冷却流体
が、前記戻りライン内の前記第1の冷却流体の流れ方向
と反対方向に前記熱交換器を通って流れることを特徴と
する、請求項2に記載の冷却流体システム。 - 【請求項4】 前記入口ラインが、前記貯蔵タンク内に
熱交換コイル(58)を含むことを特徴とする、請求項
1に記載の冷却流体システム。 - 【請求項5】 前記タンクに連結された再凝縮器(6
6)を更に備えることを特徴とする、請求項1に記載の
冷却流体システム。 - 【請求項6】 前記再凝縮器が、極低温冷却器用圧縮機
(70)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の冷
却流体システム。 - 【請求項7】 同期機械(10)のための高温超伝導ロ
ータ(14)に連結された冷却流体システム(50、7
8)であって、 前記システムが、 再循環圧縮機(52)と、 第2の極低温流体(76)の供給源を貯蔵する極低温貯
蔵タンク(60)と、 該貯蔵タンクを通過し、前記再循環圧縮機と前記ロータ
との間に第1の冷却流体のための流路を提供する入口ラ
イン(62)と、 前記ロータと前記再循環圧縮機との間に前記第1の冷却
流体のための流路を提供する戻りライン(64)と、を
備えることを特徴とする冷却流体システム。 - 【請求項8】 前記貯蔵タンク内の第2の極低温流体を
冷却する極低温冷凍機(66)を更に備えることを特徴
とする、請求項7に記載の冷却流体システム。 - 【請求項9】 前記入口移送ライン及び戻り移送ライン
の双方が、熱交換器(54)を通って延びることを特徴
とする、請求項8に記載の冷却流体システム。 - 【請求項10】 前記第1の極低温冷却流体が、ヘリウ
ムガス、水素ガス、ネオンガス、及び窒素ガスからなる
群から選択されることを特徴とする、請求項1又は7に
記載の冷却流体システム。 - 【請求項11】 前記第1の極低温冷却流体が、前記入
口ラインにおいては液体であり、前記貯蔵タンクの下流
の前記戻りラインにおいては気体であることを特徴とす
る、請求項2又は7に記載の冷却流体システム。 - 【請求項12】 前記極低温貯蔵タンク内の前記第2の
極低温流体が、液体水素、液体ネオン、及び液体窒素か
らなる群から選択されることを特徴とする、請求項1又
は7に記載の冷却流体システム。 - 【請求項13】 前記タンクが、圧力安全弁(72)を
有することを特徴とする、請求項1又は7に記載の冷却
流体システム。 - 【請求項14】 冷却流体回路と、極低温貯蔵タンク
(60)と、熱交換器(54)と、冷却流体のための入
口及び戻りライン(62、64)とを有する冷却流体シ
ステム(50、78)を用いて装置を冷却する方法であ
って、 a.極低温冷却流体を、前記入口ラインを通り、前記熱
交換器及び前記貯蔵タンクを通って、機械内にポンピン
グする段階と、 b.前記入口及び戻りラインが通過する前記熱交換器に
おいて、該入口ライン内の冷却流体から該戻りラインに
熱を伝達する段階と、 c.前記貯蔵タンクにおいて前記冷却流体を極低温に冷
却する段階と、 d.使用済み冷却流体を、前記装置から、前記戻りライ
ンを通って、再び前記入口ラインに戻す段階と、を含む
ことを特徴とする方法。 - 【請求項15】 前記冷却流体が、前記貯蔵タンク内の
コイルを通ってポンピングされ、該貯蔵タンクが、前記
入口ラインの前記熱交換器の下流にあるようにされたこ
とを特徴とする、請求項14に記載の冷却のための方
法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/902798 | 2001-07-12 | ||
US09/902,798 US6438969B1 (en) | 2001-07-12 | 2001-07-12 | Cryogenic cooling refrigeration system for rotor having a high temperature super-conducting field winding and method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003148844A true JP2003148844A (ja) | 2003-05-21 |
Family
ID=25416411
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002202015A Pending JP2003148844A (ja) | 2001-07-12 | 2002-07-11 | 極低温冷却冷凍システムとその方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6438969B1 (ja) |
EP (1) | EP1276215A3 (ja) |
JP (1) | JP2003148844A (ja) |
RU (1) | RU2302589C2 (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004119966A (ja) * | 2002-09-26 | 2004-04-15 | Praxair Technol Inc | 極低温の超伝導体冷却システム |
JP2005043044A (ja) * | 2003-07-18 | 2005-02-17 | General Electric Co <Ge> | 冷蔵装置を有する低温冷却システム及び方法 |
JP2005304214A (ja) * | 2004-04-14 | 2005-10-27 | Sumitomo Electric Ind Ltd | モータ |
JP2006128465A (ja) * | 2004-10-29 | 2006-05-18 | Toshiba Corp | 超電導コイルの冷却装置 |
KR101752558B1 (ko) * | 2015-08-03 | 2017-06-29 | 두산중공업 주식회사 | 초전도 기기의 극저온 냉매 공급 장치 |
Families Citing this family (30)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7018249B2 (en) * | 2001-11-29 | 2006-03-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Boat propulsion system |
US6708503B1 (en) | 2002-12-27 | 2004-03-23 | General Electric Company | Vacuum retention method and superconducting machine with vacuum retention |
US7434407B2 (en) * | 2003-04-09 | 2008-10-14 | Sierra Lobo, Inc. | No-vent liquid hydrogen storage and delivery system |
US7547999B2 (en) * | 2003-04-28 | 2009-06-16 | General Electric Company | Superconducting multi-pole electrical machine |
US7059138B2 (en) * | 2003-09-23 | 2006-06-13 | Praxair Technology, Inc. | Biological refrigeration system |
US6930471B2 (en) * | 2003-10-06 | 2005-08-16 | General Electric Company | Hybrid synchronous/induction generator power plant |
US7183678B2 (en) * | 2004-01-27 | 2007-02-27 | General Electric Company | AC winding with integrated cooling system and method for making the same |
US6989621B2 (en) * | 2004-03-23 | 2006-01-24 | General Electric Company | Module winding system for electrical machines and methods of electrical connection |
US7608785B2 (en) * | 2004-04-27 | 2009-10-27 | Superpower, Inc. | System for transmitting current including magnetically decoupled superconducting conductors |
US6952070B1 (en) | 2004-04-29 | 2005-10-04 | General Electric Company | Capped flat end windings in an electrical machine |
US6972507B1 (en) * | 2004-05-21 | 2005-12-06 | General Electric Company | End winding restraint in an electrical machine |
US6965185B1 (en) | 2004-05-26 | 2005-11-15 | General Electric Company | Variable pitch manifold for rotor cooling in an electrical machine |
US6977459B1 (en) * | 2004-05-26 | 2005-12-20 | General Electric Company | Apparatus and methods for anchoring a modular winding to a rotor in an electrical machine |
US7078845B2 (en) * | 2004-05-26 | 2006-07-18 | General Electric Company | Optimized drive train for a turbine driven electrical machine |
US6977460B1 (en) | 2004-08-26 | 2005-12-20 | General Electric Company | Spacer for axial spacing enclosure rings and shields in an electrical machine |
US7994664B2 (en) * | 2004-12-10 | 2011-08-09 | General Electric Company | System and method for cooling a superconducting rotary machine |
US7185501B2 (en) * | 2004-12-16 | 2007-03-06 | General Electric Company | Cryogenic cooling system and method with backup cold storage device |
US20070000258A1 (en) * | 2005-07-01 | 2007-01-04 | Bonaquist Dante P | Biological refrigeration sytem |
US7228686B2 (en) * | 2005-07-26 | 2007-06-12 | Praxair Technology, Inc. | Cryogenic refrigeration system for superconducting devices |
US7466046B2 (en) * | 2006-07-05 | 2008-12-16 | General Electric Company | Methods and apparatus for operating an electric machine |
US7969049B2 (en) * | 2006-12-14 | 2011-06-28 | General Electric Company | High power density cooling of electrical machines using ceramic tubes of high thermal conductivity |
US7821164B2 (en) * | 2007-02-15 | 2010-10-26 | General Electric Company | Method and apparatus for a superconducting generator driven by wind turbine |
US8534079B2 (en) * | 2010-03-18 | 2013-09-17 | Chart Inc. | Freezer with liquid cryogen refrigerant and method |
DE102011002622A1 (de) * | 2011-01-13 | 2012-07-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Kühleinrichtung für einen Supraleiter und supraleitende Synchronmaschine |
US8338979B2 (en) | 2011-06-30 | 2012-12-25 | General Electric Company | Method and apparatus for a superconducting direct current generator driven by a wind turbine |
FR2981442A1 (fr) * | 2011-10-17 | 2013-04-19 | Bruker Biospin | Dispositif d'alimentation en gaz froids et installation rmn comprenant un tel dispositif |
CN106301079A (zh) * | 2015-05-30 | 2017-01-04 | 岳克森 | 空气能高温超导循环发电*** |
WO2019147563A1 (en) * | 2018-01-23 | 2019-08-01 | The Tisdale Group | Liquid nitrogen-based cooling system |
EP3518399B1 (en) * | 2018-01-30 | 2020-09-30 | Siemens Gamesa Renewable Energy A/S | A cooling system for a superconducting generator |
US11867446B2 (en) | 2021-07-20 | 2024-01-09 | John A. Corey | Dual-mode ultralow and/or cryogenic temperature storage device |
Family Cites Families (26)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
NL6700374A (ja) * | 1967-01-11 | 1968-07-12 | ||
GB1215979A (en) * | 1968-08-27 | 1970-12-16 | Int Research & Dev Co Ltd | Improvements in and relating to low temperature apparatus |
US3850004A (en) * | 1973-06-27 | 1974-11-26 | Carpenter Technology Corp | Cryogenic helium refrigeration system |
US4018059A (en) | 1975-04-30 | 1977-04-19 | General Electric Company | Cryogenic fluid transfer joint employing gaseous seals |
US3991587A (en) | 1975-04-30 | 1976-11-16 | General Electric Company | Method of supplying cryogenic fluid through a transfer joint employing a stepped bayonet relative-motion gap |
US4164126A (en) | 1975-04-30 | 1979-08-14 | General Electric Company | Self-regulating transport mechanism for superconductive rotor refrigerant |
US3991588A (en) | 1975-04-30 | 1976-11-16 | General Electric Company | Cryogenic fluid transfer joint employing a stepped bayonet relative-motion gap |
FR2319233A1 (fr) | 1975-07-22 | 1977-02-18 | Alsthom Cgee | Machine tournante utilisant un fluide de refroidissement amene par joint tournant |
FR2382641A1 (fr) | 1977-03-03 | 1978-09-29 | Bbc Brown Boveri & Cie | Perfectionnements aux dispositifs de transfert d'helium entre une machine frigorifique et le rotor d'une machine electrique tournante a enroulement rotorique supraconducteur |
US4289985A (en) | 1978-12-22 | 1981-09-15 | Popov Jury S | Electrical machine with cryogenic cooling |
US4329849A (en) | 1980-06-09 | 1982-05-18 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung | Method and apparatus for replenishing the helium bath in the rotor of a superconducting generator |
US4488406A (en) | 1984-01-16 | 1984-12-18 | Electric Power Research Institute, Inc. | Coupling for cryogenic liquid transfer into rotating apparatus |
GB2177786B (en) * | 1985-07-10 | 1989-11-08 | Boc Group Plc | Refrigeration method and apparatus |
FR2589646B1 (fr) * | 1985-10-30 | 1987-12-11 | Alsthom | Machine synchrone a enroulements stator et rotor supraconducteurs |
US4745760A (en) | 1987-07-21 | 1988-05-24 | Ncr Corporation | Cryogenic fluid transfer conduit |
CH675791A5 (ja) * | 1988-02-12 | 1990-10-31 | Sulzer Ag | |
EP0544943B1 (en) * | 1991-11-27 | 1995-02-01 | Osaka Gas Co., Ltd. | Control apparatus for liquefied gas container |
US5548168A (en) | 1994-06-29 | 1996-08-20 | General Electric Company | Superconducting rotor for an electrical machine |
US5625548A (en) | 1994-08-10 | 1997-04-29 | American Superconductor Corporation | Control circuit for cryogenically-cooled power electronics employed in power conversion systems |
US5586437A (en) | 1995-09-06 | 1996-12-24 | Intermagnetics General Corporation | MRI cryostat cooled by open and closed cycle refrigeration systems |
US6173577B1 (en) | 1996-08-16 | 2001-01-16 | American Superconductor Corporation | Methods and apparatus for cooling systems for cryogenic power conversion electronics |
US5848532A (en) | 1997-04-23 | 1998-12-15 | American Superconductor Corporation | Cooling system for superconducting magnet |
JPH10311618A (ja) | 1997-05-09 | 1998-11-24 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | 熱輻射シールド板冷却装置 |
US6131647A (en) | 1997-09-04 | 2000-10-17 | Denso Corporation | Cooling system for cooling hot object in container |
JP3263666B2 (ja) | 1998-07-24 | 2002-03-04 | 明 奥村 | 遠心ローター上の容器内の液体試料を該ローター上の他の容器内に移送する方法 |
JP3530040B2 (ja) * | 1998-09-29 | 2004-05-24 | 独立行政法人 科学技術振興機構 | 多重循環式液体ヘリウム再凝縮装置および方法 |
-
2001
- 2001-07-12 US US09/902,798 patent/US6438969B1/en not_active Expired - Fee Related
-
2002
- 2002-07-11 EP EP02254865A patent/EP1276215A3/en not_active Withdrawn
- 2002-07-11 RU RU2002118599/06A patent/RU2302589C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2002-07-11 JP JP2002202015A patent/JP2003148844A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004119966A (ja) * | 2002-09-26 | 2004-04-15 | Praxair Technol Inc | 極低温の超伝導体冷却システム |
JP2005043044A (ja) * | 2003-07-18 | 2005-02-17 | General Electric Co <Ge> | 冷蔵装置を有する低温冷却システム及び方法 |
JP4667778B2 (ja) * | 2003-07-18 | 2011-04-13 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | 冷蔵装置を有する低温冷却システム及び方法 |
JP2005304214A (ja) * | 2004-04-14 | 2005-10-27 | Sumitomo Electric Ind Ltd | モータ |
JP2006128465A (ja) * | 2004-10-29 | 2006-05-18 | Toshiba Corp | 超電導コイルの冷却装置 |
KR101752558B1 (ko) * | 2015-08-03 | 2017-06-29 | 두산중공업 주식회사 | 초전도 기기의 극저온 냉매 공급 장치 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP1276215A3 (en) | 2006-06-07 |
US6438969B1 (en) | 2002-08-27 |
EP1276215A2 (en) | 2003-01-15 |
RU2002118599A (ru) | 2004-01-27 |
RU2302589C2 (ru) | 2007-07-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2003148844A (ja) | 極低温冷却冷凍システムとその方法 | |
JP4151757B2 (ja) | 超伝導界磁巻線のための開ループ形短期冷却を有する極低温冷却システムと方法 | |
JP4001365B2 (ja) | 高温超伝導界磁巻線を有するロータのための極低温冷却システム | |
EP0690550B1 (en) | Superconducting rotor for an electrical machine | |
EP1248933B2 (en) | Cooling method for high temperature superconducting machines | |
US7371134B2 (en) | Motor mount for azimuthing pod | |
AU2009255589B2 (en) | Cooling system in a rotating reference frame | |
CN1375881A (zh) | 具有冷却和正常操作模式的低温冷却*** | |
EP1931926B1 (en) | Refrigeration system for superconducting devices | |
US7935450B2 (en) | Method for operation of an energy system, as well as an energy system | |
US4216398A (en) | Arrangement for cooling an electric machine | |
US6725683B1 (en) | Cryogenic cooling system for rotor having a high temperature super-conducting field winding | |
Stautner | Cryocoolers for superconducting generators | |
Zhang et al. | Cryocooler integration with high temperature superconducting motors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050622 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070626 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070906 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20071127 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080204 |
|
A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20080311 |
|
A912 | Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20080425 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20100128 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20100128 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20100128 |
|
A602 | Written permission of extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602 Effective date: 20100210 |