JP2007037341A - 超電導機器の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 超電導機器の冷却に電気絶縁性を有する液体窒素を用いることにより電気的な信頼性を高め、かつ、簡易な構造からなる超電導機器の冷却構造を提供する。
【解決手段】 液体窒素を貯留する超電導機器用の冷却容器１１と、液体水素を貯留する液体水素タンク１３と、液体水素タンク１３に導通される液体水素導通路１２と、液体水素導通路１２を冷却容器１１の外周壁と接触させて配置し、液体水素温度で液体窒素を超電導機器２０の超電導材用の冷却温度まで冷却する熱交換手段とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導機器の冷却構造に関し、詳しくは、モータ、発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、限流器等の超電導機器をより安定した状態で冷却するものである。

近年、ガソリン等の燃料資源の枯渇や排気ガスによる環境悪化を改善すべく、電気によりモータを駆動して渡航する船舶や走行する自動車等の開発が進められている。特に、特開平６−６９０７号（特許文献１）に開示されている超電導モータを採用すれば、超電導コイルでの銅損がなくなり高効率になると共に、モータ自身を小型化および高出力化することができる。
また、モータに限らず発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、限流器等においても超電導材を用いて超電導化が図られている。

超電導材の超電導特性を発揮させて大電流を通電するためには、超電導材を極低温に冷却する必要があり、例えば、冷媒として液体水素、液体窒素等が用いられている。しかしながら、液体水素の電気絶縁特性の測定は非常に難しく、測定されていないのが現状であり、この絶縁特性が解明されていない液体水素で直接超電導機器を冷却すると電気的な信頼性を損なう恐れがある。
また、絶縁特性を有する液体窒素を収容した容器内に超電導機器を収容して冷却する場合でも、液体窒素を冷却するために冷却器等が必要となり装置が大型化・複雑化する問題がある。

特開平６−６９０７号公報

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、超電導機器の冷却に電気絶縁性を有する液体窒素を用いることにより電気的な信頼性を高め、かつ、簡易な構造からなる超電導機器の冷却構造を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、第１に、
液体窒素を貯留する超電導機器用の冷却容器と、
液体水素を貯留する液体水素タンクと、
前記冷却容器内部と導通される液体窒素導通路と、
前記液体水素タンクに導通される液体水素導通路と、
前記液体窒素導通路の一部と液体水素導通路の一部を有する熱交換手段と、
を備えていることを特徴とする超電導機器の冷却構造を提供している。

また、本発明は、第２に、
液体窒素を貯留する超電導機器用の冷却容器と、
液体水素を貯留する液体水素タンクと、
前記液体水素タンクに導通される液体水素導通路と、
前記液体水素導通路が前記冷却容器の外周壁と接触させて配置された、あるいは、前記液体水素導通路の一部が前記冷却容器内に配置された熱交換手段と、
を備えていることを特徴とする超電導機器の冷却構造を提供している。

前記構成によれば、超電導機器の超電導材を電気絶縁性を有する液体窒素により冷却しているため、漏電を確実に防止して安定した状態で超電導機器の超電導材を冷却することができる。
また、前記熱交換手段により液体水素で液体窒素を前記超電導機器の超電導材用の冷却温度まで冷却しているため、液体窒素を冷却するための冷却器等が不要となり簡易な冷却構造とすることができる。

前記冷却容器は、前記超電導機器の各超電導材を収容する冷却容器あるいは／および超電導機器全体を収容する冷却容器である。

前記構成によれば、各超電導材をそれぞれ冷却容器に収容して直接冷却する構成とすると、超電導機器全体を冷却する必要がなく効率良く超電導材を冷却することができ、超電導機器全体を冷却容器に収容して冷却する構成とすると、冷却構造を簡易なものとすることができる。さらに、各超電導材を冷却容器に収容して冷却すると共に、超電導機器自体も冷却容器に収容して冷却する構成とすると超電導材の冷却効率をさらに高めることができる。

前記液体水素タンクに導通された液体水素導通路は分岐した後に合流して水素エンジンあるいは燃料電池に導通され、一つの分岐流路は前記熱交換手段に通すと共に、前記分岐位置に流路制御弁を介在させ、
前記流路制御弁を前記冷却容器内の液体窒素温度を検出する温度センサーに接続した制御器により動作させ、該制御器で設定した上限温度の閾値に達すると熱交換手段側への流路を開く一方、下限温度の閾値に達すると熱交換手段側への流路を閉じる構成としていることが好ましい。

即ち、冷却容器内の液体窒素が所要の温度まで冷却されていない場合には、熱交換手段を介在させた流路に液体水素を通して熱交換手段を介して液体窒素を冷却し、気化した水素は燃料電池等に供給して燃料として再利用している。一方、液体窒素が所要の温度まで冷却されている場合には、液体水素を熱交換手段を介在させていない流路に通し、液体水素導通路の途中で気化した水素を直接燃料電池等に供給している。
前記構成によれば、冷却容器内の液体窒素を必要以上に冷却しすぎてしまうのを防止することができる。

前述したように、本発明によれば、超電導機器の超電導材を電気絶縁性を有する液体窒素により冷却しているため、確実に漏電を防止して安定した状態で超電導機器の超電導材を冷却することができる。
また、超電導機器を冷却する液体窒素を液体水素により冷却しているため、液体窒素を冷却するための冷却器等が不要となり簡易な冷却構造とすることができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１及び図２は、本発明の第１実施形態を示し、超電導機器の冷却構造１０は船舶の渡航や自動車の走行の駆動源となる超電導モータ２０を冷却するものである。

超電導モータ２０は、超電導モータ２０の超電導コイル冷却用の冷媒となる液体窒素を貯留した冷却容器１１内に収容されている。
本実施形態の冷却構造１０では、前記冷却容器１１内の液体窒素を液体水素温度により冷却する構成としており、該液体水素を流通させる配管からなる液体水素導通路１２の一端が液体水素を貯留させておく液体水素タンク１３に導通する一方、液体水素導通路１２の他端が燃料電池１４に導通している。

前記液体水素導通路１２は途中で二手に分岐しており、分岐した一方の分岐流路１２ａの途中に熱交換器１５を介在させる一方、他方の分岐流路１２ｂには熱交換器を介在させていない。これら分岐させた分岐流路１２ａと１２ｂとは熱交換器１５よりも下流側で連結して合流している。なお、分岐流路１２ａと１２ｂとを連結せず、それぞれ直接燃料電池１４と接続する構成としてもよい。

前記分岐流路１２ａに介在させた熱交換器１５は冷却容器１１の外周壁に取り付けており、熱交換器１５を流通する液体水素により冷却容器１１内の液体窒素を冷却する構成（熱交換手段）としている。よって、冷却容器１１は、熱交換器１５と接する部分は熱伝導性の高い部材で形成しているが、他の部分は熱伝導性の低い部材で形成して、冷却した液体窒素の温度が上昇しにくい構成としている。

液体水素導通路１２と液体水素タンク１３との接続部近傍にポンプ１６を設けており、該ポンプ１６により液体水素タンク１３内の液体水素が液体水素導通路１２へ導入される。
また、分岐流路１２ａと１２ｂの上流側の分岐位置には、流路制御弁１７を設けており、該流路制御弁１７により液体水素を分岐流路１２ａと１２ｂのいずれへ流通させるかを制御する構成としている。具体的には、冷却容器１１内に液体窒素の温度を測定する温度センサー１８と、該温度センサー１８に接続した制御器３４とを設けており、該温度センサー１８で測定された液体窒素の温度が制御器３４に伝達され、該制御器３４により流路制御弁１７を作動させる。制御器３４には上限温度と下限温度とを設定しており、温度センサー１８から伝達された液体窒素の温度が上限温度（例えば、７５ケルビン）の閾値に達すると熱交換器１５側への流路１２ａを開くと共に流路１２ｂを閉じる一方、液体窒素の温度が下限温度（例えば、６５ケルビン）の閾値に達すると流路１２ａを閉じると共に流路１２ｂを開く構成としている。

分岐流路１２ａを流通する液体水素は液体窒素を冷却することにより気化し、この気化した水素は燃料電池１４の燃料として再利用される。また、分岐流路１２ｂを流通する液体水素も途中で気化して燃料電池１４の燃料として再利用される。本実施形態では、燃料電池１４で発生された電力は超電導モータ２０の動力源として使用される。

冷却容器１１は、熱伝導材３０で形成した槽の外面を断熱材３１により覆っており、冷却容器１１と熱交換器１５とを接触させる箇所のみ断熱材３１を設けずに熱伝導材３０を外部に露出させている。冷却容器１１には、外壁側に設けた取出口３２と超電導モータ２０との間に架け渡された遮蔽管３３を設けており、超電導モータ２０から外部に引き出される回転駆動軸２１及び電線２２を遮蔽管３３を通して冷却容器１１の外部に引き出している。なお、回転駆動軸２１と電線２２とが接触しないよう遮蔽管３３内を隔壁（図示せず）により分割している。

超電導モータ２０は、ラジアルギャップ構造のモータであり、ハウジングとなる円筒状の固定子２３の内周面に超電導材からなる電機子コイル２４を周方向に１２０°の等間隔をあけて設置している。該電機子コイル２４に接続される電線２２は、固定子２３の外面に固定された分岐部２５で３本の分岐線２２ａに分岐しており、該電線２２を介して燃料電池１４等の電源から電機子コイル２４に三相交流が供給される。なお、電機子コイルは常電導材により形成してもよい。

固定子２３を貫通する回転駆動軸２１に超電導材からなる界磁コイル２６を固定しており、回転駆動軸２１の一端側は軸受２７を貫通して駆動伝達手段１９まで延在している。
なお、超電導材としては、ビスマス系やイットリウム系等の超電導材を用いている。

超電導モータ２０の動作は、燃料電池１４等の電源から電機子コイル２４に三相交流が供給されることにより、各電機子コイル２４への給電の位相ズレにより固定子２３内に回転磁界が発生し、この回転磁界の影響を受けて界磁コイル２６に渦電流が誘導されて回転力が発生し回転駆動軸２１が回転する。

前記構成によれば、超電導モータ２０を電気絶縁性を有する液体窒素により冷却しているため漏電を確実に防止して安定した状態で超電導モータ２０の超電導材からなる電機子コイル２４と界磁コイル２６を冷却することができる。
また、超電導モータ２０を冷却する液体窒素を熱交換器１５を介して液体水素により冷却しているため、液体窒素を冷却するための冷却器等が不要となり簡易な冷却構造とすることができる。
なお、本実施形態では、超電導機器として超電導モータを冷却しているが、発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、限流器等の超電導機器にも本実施形態の冷却構造を適用することができる。
また、気化した液体水素の供給先は燃料電池に限らず、水素エンジン等の他の水素利用機器であってもよい。

図３は、本発明の第２実施形態を示す。
本実施形態では、液体水素温度で液体窒素を冷却する熱交換手段を、液体水素導通路１２’が冷却容器１１’の貫通穴１１ａ’を貫通し、該冷却容器１１’内に熱交換器１５’を配置した構成としている。液体水素導通路１２’の外周面と冷却容器１１’の貫通穴１１ａ’の内周面とを密着させており、冷却容器１１’の液体窒素が液漏れしないようにしている。なお、液体水素導通路１２’の外周面と冷却容器１１’の貫通穴１１ａ’の内周面との間にゴム栓等を介在させてもよい。

前記構成によれば、冷却容器１１’内の液体窒素が直接熱交換器１５’に接しているため、液体窒素を効率良く冷却することができる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

図４は、本発明の第３実施形態を示す。
本実施形態の超電導機器の冷却構造４０では、冷却容器４１内の液体窒素を液体水素によって直接冷却するのではなく、冷却容器４１に導通した液体窒素循環用の液体窒素導通路４２を設け、該液体窒素導通路４２上で液体窒素を冷却する構成としている。

前記液体窒素導通路４２の所要箇所に熱交換器４３を設けており、該熱交換器４３を蓄冷槽４４内で前記液体水素導通路１２に設けた熱交換器１５に近接配置した構成（熱交換手段）としている。蓄冷槽４４内で液体水素により所要温度まで冷却された液体窒素は再び冷却容器４１内に導入されて、該液体窒素により超電導モータ２０の超電導材を冷却している。

前記構成によれば、冷却容器４１内の液体窒素を液体窒素導通路４２で循環させ、この循環させる途中で液体窒素を冷却しているため、冷却容器４１内の液体窒素全体を効率良く冷却することができる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、本発明の第４実施形態を示す。
本実施形態の超電導機器の冷却構造５０では、超電導モータ５１を冷却容器に収容して超電導モータ５１全体を冷却するのではなく、超電導モータ５１の各超電導コイルをそれぞれ冷却容器に収容して個別に冷却している。

本実施形態の冷却構造５０で冷却する超電導モータ６０は、アキシャルギャップ構造の誘導子型モータであり、界磁側固定子６１、回転子６２、電機子側固定子６３、回転子６４、界磁側固定子６５の順番に回転軸６６で貫通し、界磁側固定子６１、６５および電機子側固定子６３は設置面Ｇに固定すると共に回転軸６６と空隙をあけ、回転子６２、６４は回転軸６６に外嵌固定している。

界磁側固定子６１、６５及び電機子側固定子６３には、それぞれ超電導コイルを収容した断熱性を有する冷却容器６７、６８を設けており、これら冷却容器６７、６８にそれぞれ導通した液体窒素循環用の液体窒素導通路５１を設けている。該液体窒素導通路５１は全て合流し、合流側に熱交換器５２を設けており、該熱交換器５２を蓄冷槽５３内で液体水素タンク５４に導通させた液体水素導通路５５の熱交換器５６に近接配置した構成（熱交換手段）としている。よって、液体窒素導通路５１を導通する液体窒素は蓄冷槽５３内で液体水素により所要の温度まで冷却される。また、液体窒素との熱交換により気化した水素は液体水素導通路５５に導通された燃料電池５７に供給されて再利用される。
なお、本実施形態でもポンプ、温度センサー、制御器、流路制御弁を設けているが、第１実施形態と同様であるため、図示及び説明を省略する。

次に、超電導モータ６０の構成について説明する。
左右対称の界磁側固定子６１、６５は、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク６９と、ヨーク６９に埋設された冷却容器６７と、冷却容器６７に収容された超電導材からなる界磁コイル７０とを備えている。
ヨーク６９は、中央に回転軸６６の外径より大きく穿設された遊嵌穴６９ｂと、遊嵌穴６９ｂを中心として円環状に凹設された溝部６９ａとを備えている。冷却容器６７には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル７０を収容しており、その冷却容器６７を溝部６９ａに埋設している。

左右対称の回転子６２、６４は、円盤形状で非磁性材料からなり、回転軸の取付穴７１ａを有する支持部７１と、取付穴７１ａを中心として点対称位置に埋設された一対のＳ極誘導子７２と、Ｓ極誘導子７２から９０°回転した位置に埋設された一対のＮ極誘導子７３とを備えている。
Ｓ極誘導子７２およびＮ極誘導子７３は、電機子側固定子６３と対向する扇形状の一端面をそれぞれ同心円上の等間隔に配置すると共に互いに同一面積としている。

Ｓ極誘導子７２の他端面は、界磁コイル７０のＳ極発生位置に対向するように配置される円弧状としている。
Ｎ極誘導子７３の他端面は、界磁コイル７０のＮ極発生位置に対向するように配置される円弧状としている。

電機子側固定子６３は、設置面Ｇに固定された非磁性体からなる支持部７４と、支持部７４に埋設された冷却容器６８と、冷却容器６８に収容された超電導材からなる電機子コイル７５とを備えている。
支持部７４は、中央に回転軸６６の外径より大きく穿設された遊嵌穴７４ｂと、遊嵌穴７４ｂを中心として周方向に等間隔に穿設された４つの取付穴７４ａとを備えている。冷却容器６８には液体窒素を循環させた状態で電機子コイル７５を収容していると共に電機子コイル７５の中空部には磁性体からなるフラックスコレクタ７６を配置している。内部に電機子コイル７５を収容した４つの冷却容器６８を各取付穴７４ａにそれぞれ埋設している。

界磁コイル７０と電機子コイル７５には配線を介して給電装置（図示せず）が接続され、界磁コイル７０には直流を供給すると共に、電機子コイル７５には三相交流を供給している。

次に、超電導モータ６０の動作原理について説明する。
図１中右側の界磁コイル７０に直流を給電すると、外周側にＳ極が発生すると共に内周側にＮ極が発生する。Ｓ極側の磁束がＳ極誘導子７２内に導入され、一端面にＳ極磁束が現れると共に、Ｎ極側の磁束がＮ極誘導子７３内に導入され、一端面にＮ極磁束が現れる。
同様の原理により、図１中左側の界磁コイル７０に直流を給電すると、回転子６２のＮ極誘導子７３の一端面には常にＮ極が現れ、Ｓ極誘導子７２の一端面には常にＳ極が現れる。

この状態から電機子コイル７５に三相交流を給電すると、三相間の給電位相ズレにより電機子側固定子６３の軸線回りに回転磁界が発生し、この回転磁界の影響で回転子６２、６４のＮ極誘導子７３およびＳ極誘導子７２に軸線回りの回転力が発生し、回転子６２、６４が回転して回転軸６６が回転駆動される。

前記構成によれば、各界磁コイル７０及び電機子コイル７５をそれぞれ冷却容器６７、６８に収容して冷却しているため、界磁コイル７０及び電機子コイル７５をそれぞれ効率良く冷却することができる。
また、界磁コイル７０が取り付けられた界磁側固定子６１、６５と、電機子コイル７５が取り付けられた電機子側固定子６３とは回転しないため、各界磁コイル７０及び電機子コイル７５をそれぞれ冷却容器６７、６８に収容して冷却する構成としても冷却構造を簡素化することができる。

図６は、本発明の第５実施形態を示す。
本実施形態の超電導機器の冷却構造８０では、第４実施形態の超電導モータ６０自体も液体窒素を貯留する大型の冷却容器８１に収容している。冷却容器８１にも液体窒素循環用の液体窒素導通路８２を設け、該液体窒素導通路８２に設けた熱交換器８３を蓄冷槽５３内で液体水素導通路５５の熱交換器５６に近接配置した構成（熱交換手段）としている。即ち、本実施形態では、液体水素温度により２本の液体窒素導通路５１、８２に導通する液体窒素を冷却する構成としている。

前記構成によれば、各界磁コイル７０及び電機子コイル７５をそれぞれ冷却容器６７、６８に収容して冷却すると共に、超電導モータ６０自体も冷却容器８１に収容して冷却しているため、界磁コイル７０及び電機子コイル７５の冷却効率をさらに高めることができる。
なお、他の構成及び作用効果は第４実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

本発明の超電導機器の冷却構造は、モータ、発電機、変圧器、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、限流器等の超電導機器の冷却に好適に用いられるものである。

本発明の第１実施形態の超電導モータの冷却構造を示す図面である。 冷却構造の要部拡大図である。 第２実施形態の冷却構造の要部拡大図である。 第３実施形態の超電導モータの冷却構造を示す図面である。 （Ａ）は第４実施形態の超電導モータの冷却構造を示す図面、（Ｂ）は超電導モータを９０°回転させた位置での断面図である。 第５実施形態の超電導モータの冷却構造を示す図面である。

符号の説明

１０、４０、５０、８０ 超電導モータ（超電導機器）の冷却構造
１１、４１、６７、６８、８１ 冷却容器
１２、５５ 液体水素導通路
１３、５４ 液体水素タンク
１４、５７ 燃料電池
１５、５２、５６、８３ 熱交換器
１６ ポンプ
１７ 流路制御弁
１８ 温度センサー
２０、６０ 超電導モータ
２４、７５、 電機子コイル
２６、７０ 界磁コイル

Claims (5)

1. 液体窒素を貯留する超電導機器用の冷却容器と、
   液体水素を貯留する液体水素タンクと、
   前記冷却容器内部と導通される液体窒素導通路と、
   前記液体水素タンクに導通される液体水素導通路と、
   前記液体窒素導通路の一部と液体水素導通路の一部を有する熱交換手段と、
   を備えていることを特徴とする超電導機器の冷却構造。
2. 液体窒素を貯留する超電導機器用の冷却容器と、
   液体水素を貯留する液体水素タンクと、
   前記液体水素タンクに導通される液体水素導通路と、
   前記液体水素導通路が前記冷却容器の外周壁と接触させて配置された、あるいは、前記液体水素導通路の一部が前記冷却容器内に配置された熱交換手段と、
   を備えていることを特徴とする超電導機器の冷却構造。
3. 前記熱交換手段により液体水素で液体窒素を前記超電導機器の超電導材用の冷却温度まで冷却している請求項１または請求項２に記載の超電導機器の冷却構造。
4. 前記冷却容器は、前記超電導機器の各超電導材を収容する冷却容器あるいは／および超電導機器全体を収容する冷却容器である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導機器の冷却構造。
5. 前記液体水素タンクに導通された液体水素導通路は分岐した後に合流して水素エンジンあるいは燃料電池に導通され、一つの分岐流路は前記熱交換手段に通すと共に、前記分岐位置に流路制御弁を介在させ、
   前記流路制御弁を前記冷却容器内の液体窒素温度を検出する温度センサーに接続した制御器により動作させ、該制御器で設定した上限温度の閾値に達すると熱交換手段側への流路を開く一方、下限温度の閾値に達すると熱交換手段側への流路を閉じる構成としている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超電導機器の冷却構造。

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