JP2005287287A - 超伝導装置を冷却するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、超伝導ロータコイル（７４）を冷却するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】 本システムは、超伝導ロータコイル（７４）に結合された回転シャフト（１８）を含む。回転シャフト（１８）は、該回転シャフト（１８）を貫通して延びる軸方向通路（５８）と、該回転シャフト（１８）の壁を貫通して軸方向通路（５８）まで延びる第１の通路（５６）とを含む。軸方向通路（５８）及び第１の通路（５６）は、回転シャフト（１８）の壁を貫通して低温流体（２４）を超伝導ロータコイル（７４）に運ぶように作動可能である。低温流体（２４）を第１の通路（５６）に供給するために、低温流体移送継手（２２）を設けることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的には超伝導コイルを使用した回転電気機械に関する。より具体的には、本発明は、低温流体の固定供給源から回転超伝導コイルに低温流体を移送するためのシステム及び方法に関する。

電動機及び発電機のような回転電気機械は、磁気的に結合されたロータとステータとを有する。一般的に、ロータは、磁界を発生させるために使用されるコイルを有する。ロータコイルを通って流れる電気は、磁界を発生する。発電機においては、ロータは、該ロータを回転させる原動機に結合されて、ステータ内に電圧を誘導する回転磁界を発生させる。ステータ内に発生した電圧を使用して、配電網に電力を供給することができる。電動機においては、ステータは回転磁界を発生し、この回転磁界がロータコイルによって発生された磁界と相互作用してロータの回転を誘起する。

ロータコイルを形成するために、一般的に従来型の銅導電体が使用される。しかしながら、銅の電気抵抗は、ロータコイル内に大きな量の抵抗熱損失を発生させるのに十分なほど大きく、このことによって回転機械の効率が低下する。従来型の銅導電体により生じる損失に応えて、ロータコイルとして使用するために超伝導体が開発された。超伝導体は、特性遷移温度以下においてその電気抵抗を失う材料であり、このことが、超伝導体をロータコイルとして使用するのに望ましいものとしている。

超伝導ロータコイルを使用した回転機械においては、ロータコイルは、超伝導コイルの温度を遷移温度以下に低下させるために、低温流体によって冷却される。遷移温度以下において、超伝導ロータコイルは、超伝導状態になってその電気抵抗を失う。一般的に、低温流体は、外部の低温流体の供給源によって超伝導コイルに供給される。低温流体は、超伝導ロータコイルから熱を吸収して、ロータコイルを遷移温度以下の超伝導状態に保つ。超伝導ロータコイルを冷却するための低温流体は、ロータシャフトの一端部に設置された移送継手によって低温流体の供給源とロータとの間で移送される。

しかしながら、ロータシャフトの端部を通して低温流体を移送することには多くの問題がある。例えば、発電機は、２つのタービン間に配置される場合がある。この配置においては、ロータシャフトのいずれの端部も、ロータコイルに低温流体を供給するためのアクセスが不能である。

従って、超伝導回転機械のロータに低温流体を移送するための改善された技術が必要とされる。ガスタービン又は蒸気タービンのような２つの原動機間に配置された発電機のロータに低温流体を移送するために使用できる技術が特に必要とされる。

本発明技術の１つの態様によると、超伝導ロータコイルと回転シャフトとを含む回転機械システムを提供する。回転シャフトは、該回転シャフトを貫通して延びる軸方向通路を有する。回転シャフトはまた、該回転シャフトを貫通して該回転シャフトの外面から軸方向通路まで延びる通路を含む。軸方向通路及び第１の通路は、低温流体を超伝導ロータコイルに運ぶように作動可能である。

本発明技術の別の態様によると、超伝導ロータコイルを極低温に冷却するためのシステムを提供する。本システムは、回転シャフトの周りに半径方向に配置さるように作動可能な移送継手を含む。この移送継手は、低温流体の供給源と回転シャフトを貫通して延びる通路との間で低温流体をつなぐように作動可能である。低温流体は、回転シャフトから超伝導ロータコイルにつながれることができる。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様並びに利点は、その全体を通して同様の参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な記載を読むと、一層良く理解されるようになるであろう。

さて、図面を参照すると、図１は、その全体を参照符号１０で表した発電システムを示す。図示した実施形態では、発電システム１０は、ガスの燃焼を利用して発電するガスタービンシステム１２を含む。図示したガスタービンシステム１２は、回転シャフト１８を介してガスタービン１６に結合された圧縮機１４を含む。ガスタービン１６は、燃焼によって生成したエネルギーをシャフト１８の回転に変換する。圧縮機１４は、燃焼のためにガスタービン１６内に流入する空気の圧力を上昇させて、燃焼過程の効率を改善する。

ガスタービンシステム１２のシャフト１８は、該シャフト１８の回転エネルギーを電気に変換する発電機２０に結合される。以下において一層詳しく述べるように、発電機２０は、超伝導ロータコイルを有し、この超伝導ロータコイルは、低温流体を受けて該超伝導ロータコイルが超伝導状態にまで冷却される。低温流体は、シャフト１８を通して超伝導ロータコイルに供給される。シャフト１８と低温流体２４の供給源との間で低温流体を移送するために、低温流体移送継手２２が設けられる。

図示した発電システム１０はさらに、蒸気タービン２６を含む。この実施形態では、蒸気タービン２６は、高圧モジュール２８と、中圧モジュール３０と、低圧モジュール３２とを含む。高圧モジュール２８、中圧モジュール３０及び低圧モジュール３２は、シャフト３４に結合される。高圧モジュール２８、中圧モジュール３０及び低圧モジュール３２を通って流れる蒸気は、シャフト３４を回転させる。蒸気は、該蒸気が蒸気タービン２６を通って流れるにつれて圧力を失う。高圧モジュール２８、中圧モジュール３０及び低圧モジュール３２は、蒸気タービン２６の効率を改善するために異なる蒸気圧で作動するようになっている。蒸気は、低圧モジュールを通って流れた後に、復水器３６によって凝縮されて液体になる。

蒸気タービン２６は、ガスタービンシステム１２が発生した燃焼生成物により生成された蒸気を使用することによって発電システム１０の効率を改善するために設けられる。ガスタービンシステム１２は、ガスタービン１６が発生した燃焼生成物から熱を取り出す複数の熱回収蒸気発生管３８を有する。蒸気タービン２６の復水器３６からの液体状復水は、熱回収蒸気発生管３８にポンプ送給される。燃焼生成物の熱は、この液体に伝えられて蒸気を発生させる。次に蒸気は、蒸気タービン２６に供給されてシャフト３４を駆動する。蒸気タービン２６のシャフト３４は、撓み継手４０によってガスタービンシステム１２のシャフト１８に結合される。撓み継手４０は、シャフト１８及び３４が或る程度の相対運動をするのを可能にしながら、２つのシャフト１８及び３４を結合する。

図２全体を参照すると、この図は、低温流体移送継手２２の断面図を示している。低温流体移送継手２２は、シャフト１８の周りに配置され、シャフト１８と図１に示す低温流体２４の供給源との間で低温流体が移送されるのを可能にする。低温流体移送継手２２は、シャフト１８のいずれかの端部ではなくて、シャフト１８に沿った任意の位置で低温流体がシャフト１８に移送されることを可能にする。低温流体は、通常はヘリウム、ネオン、水素又は窒素のような不活性流体である。低温流体の温度は、ほぼ３０°Ｋ以下であり、好ましくはおよそ２７°Ｋである。

低温流体移送継手２２は、シャフト１８に固定された回転カラー４２と、回転カラー４２の周りに配置された固定カラー４４とを含む。低温流体移送継手２２をシャフト１８上に支持するために、軸受４６が設けられる。固定カラー４４は、断熱された環状壁４８を有する。一般に、低温流体と周囲環境との間の全ての壁は、断熱されなくてはならない。断熱は、通常は両者間が真空でありかつ熱放射率を低下させた二重壁からなる。移送継手２２の回転要素と固定要素との間に密封部を形成するために、シ−ル５０が設けられる。シ−ル５０は、磁性流体シ−ル、ブラシシ−ル又はラビリンスシールのような接触シ−ル又は非接触シ−ルとすることができる。しかしながら、その他のタイプのシ−ル５０も使用できる。低温流体５２は、入口管路５４を通って移送継手２２内に流入する。

回転シャフト１８は、該シャフト１８を貫通して軸方向に延びる中央通路５８に至る入口通路５６を有する。図示した実施形態では、入口通路５６は、シャフト１８の壁を貫通して中央通路５８から移送継手２２まで半径方向に延びる。しかしながら、入口通路５６は、湾曲していてもよいし、或いはその他の形状を有してもよい。周囲環境と冷却剤との間の接触部となる全ての通路（例えば、５６、５８）は、上述したようにシャフト１８から低温流体５２への熱伝達を低減するために、断熱壁（例えば、６０、７０、６２、６４）を持たなければならない。

低温流体５２、６６が中央通路５８を通って２つの方向に流れるのを可能にするために、第１の管６２と第２の管６４とが中央通路５８内に配置される。第１の管６２は、第２の管６４内に入れ子式に配置される。第１の管６２は、入口通路５６と整列して低温流体５２が入口通路５６から該第１の管６２内に流入するのを可能にする開口を有する。第１の管６２は、低温流体５２を図１に示す発電機２０に導く。加熱された低温流体５２は、発電機２０から第１の管６２と第２の管６４との間に形成された環状空間内に流れる。

シャフト１８は、該シャフト１８の壁を貫通して中央通路５８から移送継手２２まで半径方向外向きに延びる出口通路６８を有する。出口通路６８は、低温流体６６がシャフト１８から低温流体移送継手２２に半径方向に流れるのを可能にする。出口通路６８はまた、シャフト１８から低温流体６６への熱伝達を防止するために、出口通路６８内に配置された断熱管７０を有する。第２の管６４は、出口通路６８と整列して低温流体６６が第２の管６４から出口通路６８に流れるのを可能にする開口を有する。移送継手２２は、低温流体６６を移送継手２２から図１に示す低温流体２４の供給源に導く出口管路７２を有する。

図示した実施形態では、低温温度と周囲環境との間にある全て管（例えば、出口及び入口管路７２、５４、入口管６０、第１の軸方向管６２、第２の軸方向管６４及び出口管７０）は、二重壁でありかつ真空密閉されている。そのような管の外面上には付加的な断熱材を設けることができる。銀又はＭＬＩのような反射金属をこれらの管の真空内壁上に被覆して、該管の熱放射率を低下させ、それによって管から低温流体への放射熱伝達を低減することができる。管６２と管６４の間の境界ような幾つかの境界は、低温流体が壁の両側にあるのでそれらの境界を横切る温度勾配が小さく、従ってそのような場合には使用する断熱材をより少なくすることができることに注目されたい。

図３全体を参照すると、低温流体５２は、発電機２０内に配置された超伝導ロータコイル７４を冷却するために使用される。超伝導ロータコイル７４は、ロータ７８のコア７６上に巻かれている。発電機２０はさらに、ロータ７８の周りに円周方向に配置されたステータ８０を含む。ロータ７８がステータ８０内で回転すると、超伝導ロータコイル７４内の電流が磁界を発生し、この磁界がステータ８０内に電圧を誘導する。

低温流体５２は、超伝導ロータコイル７４を冷却して該コイル７４を超伝導状態に保つ。低温流体２４の供給源は、低温流体５２が発電機２０を通って流れるようにする力を与える。さらに、低温流体２４の供給源は、超伝導ロータコイル７４からまた熱漏洩により低温流体５２に伝達された熱を除去する。上に述べたように、移送継手２２は、シャフト１８の端部を軸方向に通してではなく該シャフト１８の側面を通して低温流体５２を供給する。同様に、移送継手２２は、シャフト１８の端部からではなくシャフト１８から半径方向に低温流体５２を受ける。

低温流体５２は、シャフト１８内の第１の軸方向管６２を通ってロータ７８に流れる。ロータ７８は、該ロータ７８を断熱するための真空ジャケット８２を有する。ロータ７８は、低温流体５２を超伝導コイル７４につなぐ。低温流体５２は、超伝導コイル７４から熱を除去し、コイル７４を超伝導状態つまり電気抵抗の無い状態に保つような作動温度以下に該コイル７４を維持する。次に、ロータ７８は、温められた低温流体５２を第１の軸方向管６２と第２の軸方向管６４との間の環状空間につなぐ。温められた低温流体５２は、移送継手２２を通して低温流体２４の供給源につながれる。

低温流体に対する熱伝達損失を最小にして、低温冷却力を保持し、また超伝導コイル７４を超伝導状態に保つために必要な低い作動温度を維持する。熱損失は、冷却流体の漏出を最小化することによって、また低温冷却流体への熱伝達を最小化することによって最小にされる。

図４全体を参照すると、その全体を参照符号８４で示した、超伝導ロータコイル７４を冷却する方法を提供する。本方法は、ブロック８６で示すように、低温流体の供給源から回転シャフトの周りに半径方向に配置された低温流体移送継手に低温流体を供給するステップを含む。本方法はさらに、ブロック８８で示すように、回転シャフトを貫通して半径方向に延びる入口通路を通して移送継手から超伝導ロータコイルに低温流体を供給するステップを含む。ブロック９０で示すように、熱は、超伝導ロータコイルから低温流体に伝達される。本方法はさらに、ブロック９２で示すように、回転シャフトを貫通して半径方向に延びる出口通路を通して低温流体を移送継手に戻すステップを含む。低温流体は、移送継手から低温流体の供給源に戻される。

図５全体を参照すると、この図は、低温流体移送システム９４の別の実施形態を示している。この実施形態では、別の第１の軸方向管９６と別の第２の軸方向管９８とが、入れ子式の配向ではなく、互いに横に並べた配向で回転シャフト１８内に配置される。回転シャフト１８は、単一の中央通路５８を有するように図示されている。しかしながら、回転シャフト１８は、別の第１の軸方向管９６及び別の第２の軸方向管９８のために別個の通路を有することもできる。さらに、別の第１の軸方向管９６を移送継手２２に結合するために、別の入口管１００を使用し、また別の第２の軸方向管９８を移送継手２２に結合するために、別の出口管１０２を使用している。

上述した本発明技術は、ロータシャフトの長さに沿った任意の位置から超伝導ロータコイルに低温流体を供給するためのシステム及び方法を提供する。従って低温流体は、ロータシャフトの端部位置からロータシャフト内に移送される必要はない。このことは、図１に示す発電システム１０のようにロータシャフトの両端部にアクセスできない場合であっても、発電機が超伝導ロータコイルを使用することを可能にする。

本明細書では本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの改良及び変更が考えられるであろう。なお、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。

本発明技術の例示的な実施形態による発電システムの概略図。 ほぼ図１の線２−２に沿って取った低温流体移送継手の断面図。 本発明技術の例示的な実施形態による発電システム及び低温流体移送継手の斜視図。 本発明技術の例示的な実施形態による、超伝導装置を冷却する方法を示すブロック図。 ほぼ図１の線２−２に沿って取った低温流体移送継手の別の実施形態の断面図。

符号の説明

１０ 発電システム
１２ ガスタービンシステム
１８ 回転シャフト
２０ 発電機
２２ 低温流体移送継手
２４、５２、６６ 低温流体
２６ 蒸気タービン
４０ 撓み継手
５４ 入口管路
６２ 第１の軸方向管
６４ 第２の軸方向管
７２ 出口管路
７４ 超伝導ロータコイル
７６ コア
７８ ロータ
８０ ステータ
８２ 真空ジャケット

Claims (10)

1. 超伝導ロータコイル（７４）と、
   回転シャフト（１８）と、
   を含み、前記回転シャフト（１８）が、
   該回転シャフト（１８）を貫通して延びる軸方向通路（５８）と、
   該回転シャフト（１８）の壁を貫通して前記軸方向通路（５８）まで延びる第１の通路（５６）と、を含み、
   前記軸方向通路（５８）及び第１の通路（５６）が、低温流体（２４）を超伝導ロータコイル（７４）に運ぶように作動可能である、
   回転電気機械。
2. 前記回転シャフト（１８）の壁を貫通して前記軸方向通路（５８）まで延びる第２の通路（６８）をさらに含む、請求項１記載の回転電気機械。
3. 前記軸方向通路（５８）内に入れ子式に配置された第１の軸方向管（６２）と第２の軸方向管（６４）とをさらに含む、請求項２記載の回転電気機械。
4. 前記軸方向通路（５８）内に互いに横に並べて配置された第１の軸方向管（６２）と第２の軸方向管（６４）とをさらに含む、請求項２記載の回転電気機械。
5. 前記第１の通路（５６）が前記第１の軸方向管（６２）に結合され、また前記第２の通路（６８）が前記第２の軸方向管（６４）に結合されている、請求項３記載の回転電気機械。
6. 前記第１の軸方向管（６２）及び第２の軸方向管（６４）が、二重壁である、請求項３記載の回転電気機械。
7. 前記第１の軸方向管（６２）及び第２の軸方向管（６４）各々が、該第１の軸方向管（６２）及び第２の軸方向管（６４）の熱放射率を低下させて低温流体（２４）への放射熱伝達を低減するように作動可能な皮膜を含む、請求項３記載の回転電気機械。
8. 前記回転シャフト（１８）の周りに半径方向に配置された低温流体移送継手（２２）をさらに含み、前記低温流体移送継手（２２）が、低温流体（２４）を前記第１の通路（５６）に導きかつ前記第２の通路（６８）から低温流体（２４）を受けるように作動可能である、請求項２記載の回転電気機械。
9. 該回転電気機械が、ステータ（８０）を含む発電機（２０）である、請求項１記載の回転電気機械。
10. 超伝導ロータコイル（７４）を極低温に冷却するためのシステムであって、
    回転シャフト（１８）の周りに半径方向に配置されて、低温流体（２４）の供給源と前記回転シャフトを貫通して延びる通路との間で低温流体（２４）をつなぐように作動可能な移送継手（２２）を含み、
    低温流体（２４）が、前記回転シャフト（１８）から前記超伝導ロータコイル（７４）につながれるようになっている、
    システム。

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