JP2010178486A - 超伝導回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材の凍結を抑制し、かつ、冷媒の回収率を高め、冷媒の冷却コストを抑制する超伝導回転電機を提供する。
【解決手段】 超伝導回転電機１は、超伝導コイル１５０を有する回転子１、外側回転円管３０、外側固定円管５０およびバッファー手段６０を有する。円管３０と円管５０との間には、外側シール部材８０が設けられている。バッファー手段６０は、外側シール部材８０に対して円管３０および円管５０の内部の空間３１，５１と反対側に位置するバッファー空間６１と回転電機１の機外の空間２とを仕切っている。回転電機１は、円管３０および円管５０の内部の空間３１，５１を介して回転子１の内部に冷媒を供給または回収する冷媒循環装置９０、および、バッファー空間６１の圧力を機外の空間２の圧力より高くするように外側シール部材８０の温度より凝固点の低い気体を供給する気体供給装置１００を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒循環装置を備えた超伝導回転電機に関する。

冷媒循環装置を備えた超伝導回転電機は、例えば特許文献１に開示されている。この超伝導回転電機について説明する。回転子の端部に、第１および第２の回転真空断熱配管が連結されている。第１の回転真空断熱配管の内側には、固定真空断熱配管が配設され、その開放端部が第１の回転真空断熱配管内に配置されている。第２の回転真空断熱配管は、固定体により回転自在に支持され、また固定軸により包囲されている。固定軸の内周面には、真空断熱部が設けられており、この真空断熱部と第２の回転真空断熱配管との間に、フッ素樹脂からなるシール部材および磁性流体シールが設けられている。冷却装置の冷媒は、真空断熱層で囲まれた流路を流れて回転子を冷却し、回収される。

ここで、この超伝導回転電機は、回転電機の機外の熱が冷媒の流路に伝わるのを抑制するため、冷媒の流路と回転電機の機外との間に真空引きされた空間を設けられている。冷媒の流路と真空引きされた空間との間には、フッ素樹脂からなるシール部材および磁性流体シールが設けられている。

特開２００７−８９３１４号公報

しかしながら、冷媒の流路に隣接する空間を真空状態にすると、互いにフッ素樹脂からなるシール部材および磁性流体シールにより仕切られているとはいえ、冷媒が冷媒の流路から真空引きされた空間に流入し、冷媒の回収率が下がる。そうすると、冷却装置の冷媒を補充する必要があり、冷媒のコストだけでなく、補充した冷媒を冷却するコストが掛かってしまう。一方、冷媒が真空引きされた空間に流入しないようにフッ素樹脂からなるシール部材を複数設けると、フッ素樹脂からなるシール部材は比較的に高価なものであるため、やはりコスト高となってしまう。

一方、冷媒の流路と回転電機の機外との間に真空引きされた空間を設けなければ、フッ素樹脂からなるシール部材は冷媒によって極低温になっているから、シール部材やその周辺において回転電機の機外の水蒸気が凍結して、回転子の回転が妨げられ、シール部材および回転真空断熱配管が破損するおそれがある。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、シール部材およびその周辺での凍結を抑制でき、かつ、冷媒の回収率を高め、冷媒の冷却コストを抑制できる超伝導回転電機を提供することである。

上記目的を達成するための本発明に係る超伝導回転電機は、内部に超伝導コイルを有する回転子と、内部の空間が前記回転子の内部と連通するように前記回転子の端部に前記回転子の回転軸と同軸に配置され、前記回転子とともに回転する外側回転円管と、内部の空間が前記外側回転円管の内部の空間と連通するように一端が前記外側回転円管に対して前記回転軸の半径方向に間隔をあけて前記回転軸と同軸に配置され、前記回転子から離れる方向に延びた外側固定円管と、前記外側回転円管が前記外側固定円管に対して回転可能な状態で前記外側回転円管と前記外側固定円管との間に設けられ、前記外側回転円管および前記外側固定円管の内部の空間と前記外側回転円管および前記外側固定円管の前記回転軸の半径方向の外側の空間とを仕切る環状の外側シール部材と、前記外側シール部材に対して前記外側回転円管および前記外側固定円管の内部の空間と反対側に位置するバッファー空間と回転電機の機外の空間とを仕切るバッファー手段と、前記外側回転円管の内部の空間および前記外側固定円管の内部の空間を介して前記回転子の内部に回転電機の機外の圧力より高い圧力の冷媒を供給しまたは前記回転子の内部から冷媒を回収する冷媒循環装置と、前記バッファー空間の圧力を回転電機の機外の圧力より高くするように前記バッファー空間に前記外側シール部材の温度より凝固点の低い気体を供給する気体供給装置とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、シール部材の凍結を抑制し、かつ、冷媒の回収率を高め、冷媒の冷却コストを抑制する超伝導回転電機を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る超伝導回転電機の主要部の模式的縦断面図である。 図１の主要部を拡大して示した上半図である。 本発明の第２の実施形態に係る超伝導回転電機の主要部の模式的上半縦断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る超伝導回転電機の主要部の模式的上半縦断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る超伝導回転電機の主要部の模式的上半縦断面図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明に係る超伝導回転電機の実施形態について、図１および図２を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る超伝導回転電機の主要部の模式的上半縦断面図である。図２は、図１の回転子を一部省略した図である。

本実施形態に係る超伝導回転電機１の構造について説明する。

超伝導回転電機１は、回転子１０、その外周に配置された固定子（図示しない。）、円管２０、３０、４０、５０、バッファー手段６０、シール部材７０、８０、冷媒循環装置９０、および、気体供給装置１００を有する。

回転子１０は、外側筐体１２０、内側筐体１３０および超伝導コイル１５０を有する。外側筐体１２０は、中空の円柱体であり、回転軸１１と同軸に配置されている。外側筐体１２０は、側部１２１および端部１２２，１２３を有する。一方の端部１２２には、後述する外側回転円管３０の外径と同径の貫通口１２４が形成されている。外側回転円管３０は、その貫通口１２４を貫通し、外側筐体１２０内に挿入されている。この貫通口１２４の縁は、外側回転円管３０の外周に接合されている。

外側筐体１２０の外側回転円管３０が挿入されている端部１２２には、回転子１０から離れる方向（図１の左側）に回転軸１１と同軸に延びた円筒状のシャフト１８１が連結されている。また、他方の端部１２３には、回転子１０から離れる方向（図１の右側）に回転軸１１と同軸に延びた円筒状の駆動軸１８２が連結されている。駆動軸１８２は、回転子１０と一体となって回転し、超伝導回転電機１の回転力を被駆動機構（図示しない。）に伝え、あるいは、駆動機構（図示しない。）の回転力を回転子１０に伝える。

外側筐体１２０は、シャフト１８１の外周面および駆動軸１８２の外周面に設けられた軸受１８３によって、回転自在に軸支されている。この軸受１８３は、図示しない支持部材により支持されている。

内側筐体１３０は、側部１３１、端部１３２，１３３およびコイル支持部１３４を有し、側部１３１と端部１３２，１３３とが中空の円柱体を形成している。コイル支持部１３４は、円筒体であり、側部１３１の外側に側部１３１と同軸に配置されている。コイル支持部１３４は、側部１３１の外周面から半径方向外側に突出した環状の突出部１３５を介して、側部１３１と一体に構成されている。

内側筐体１３０は、外側筐体１２０内に回転軸１１と同軸に配置されている。内側筐体１３０は、外側筐体１２０の端部１２２，１２３と内側筐体１３０の突出部１３５とがトルクチューブ１６０で連結されていることにより、外側筐体１２０に連結されている。よって、外側筐体１２０と内側筐体１３０とは、一体に回転する。また、外側筐体１２０と内側筐体１３０との間の空間１７０は、真空引きされ、回転子１０外と内側筐体１３０とを断熱している。

内側筐体１３０の一方の端部１３２には、外側回転円管３０の外径と同径の貫通口１３６が形成されている。外側回転円管３０は、その貫通口１３６を貫通し、内側筐体１２０内に挿入されている。この貫通口１３６の縁は、外側回転円管３０の外周に接合されている。また、内側筐体１２０の側部１３１には、その内面から内側筐体１２０の内方に広がる２枚の円管支持板１３７，１３８が形成され、各円管支持板１３７，１３８には、外側回転円管３０の内側に配置された内側回転円管２０の外径と同径の貫通口１３９が形成されている。内側回転円管２０は、その貫通口１３９を貫通し、内側筐体１２０内に挿入されている。この貫通口１３９の縁は、内側回転円管２０の外周に接合されている。

内側筐体１３０内には、互いに仕切られた２つの空間（第１回転子空間１４０，第２回転子空間１４１）が形成されている。第１回転子空間１４０は、内側回転円管２０内の空間２１と連通し、第２回転子空間１４１は、外側回転円管３０と内側回転円管２０との間の空間３１と連通するように形成されている。第１回転子空間１４０と第２回転子空間１４１とは、突出部１３５内に周方向に形成された連通孔１４２を介して連通している。

超伝導コイル１５０は、例えば、Ｂｉ系超伝導体からなり、内側筐体１３０のコイル支持部１３４に固定されている。

後述する冷媒は、内側回転円管２０内の空間２１を通じて内側筐体１３０の第１回転子空間１４０に供給され、突出部１３５内の連通孔１４２を通って第２回転子空間１４１に流入する。その後、外側回転円管３０の内周面と内側回転円管２０の外周面との間の空間３１を通じて内側筒体１３０外に排出される。この冷媒は、内側筐体１３０、特にコイル支持部１３４を冷却することにより、間接的に超伝導コイル１５０を超伝導転移温度以下に冷却する。

内側回転円管２０は、その管内に円柱状の空間（第１円柱状空間）２１を形成している筒状体であり、その管自体は、二重管で構成され、その内部が真空引きされた真空断熱構造をなしている。内側回転円管２０は、外側筐体１２０の端部１２２の貫通口１２４、内側筐体１３０の端部１３２の貫通口１３６および内側筐体１３０の円管支持体１３７，１３８の貫通口１３９を貫通して、回転子１０外から内側筐体１３０内に回転軸１１と同軸に延びている。この内側回転円管２０は、内側筐体１３０に接合されているため、回転子１０とともに回転する。前述の通り、第１円柱状空間２１は、内側筐体１３０内の第１回転子空間１４０と連通している。

外側回転円管３０は、その管内に円柱状の空間を形成している筒状体であり、その管自体は、内側回転円管２０と同様の真空断熱構造をなしている。外側回転円管３０は、外側筐体１２０の端部１２２の貫通口１２４、内側筐体１３０の端部１３２の貫通口１３６を貫通して、回転子１０外から内側筐体１３０内に回転軸１１と同軸に延びている。この外側回転円管３０は、外側筐体１２０および内側筐体１３０に接合されているため、回転子１０とともに回転する。

外側回転円管３０は、内側回転円管２０と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて内側回転円管２０の外周に配置されている。外側回転円管３０の内周面と内側回転円管２０の外周面との間には、環状の空間（第１環状空間）３１が形成されている。前述の通り、この第１環状空間３１は、内側筐体１３０内の第２回転子空間１４１と連通している。よって、第１円柱状空間２１と第１環状空間３１とは、回転子１０内の空間１４０，１４２，１４１を介して連通している。

内側固定円管４０は、その管内に円柱状の空間（第２円柱状空間）４１を形成している筒状体であり、その管自体は、二重管で構成され、その内部が真空引きされた真空断熱構造をなしている。内側固定円管４０の一方の端部４２は、内側回転円管２０および外側回転円管３０と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて内側回転円管２０と外側回転円管３０との間に配置され、内側固定円管４０は、回転子１０から離れる方向（図１の左方向）に回転軸１１と同軸に延びている。よって、第２円柱状空間４１は、第１円柱状空間２１と連通している。

内側固定円管４０の回転子１０から離れた端部（図示しない。）は、後述する冷媒循環装置９０と連通している。そして、内側固定円管４０は、冷媒循環装置９０から供給される冷媒を第１円柱状空間２１に送る。内側固定円管４０は、図示しない支持部材により超伝導回転電機１本体側に固定されていて、回転子１１とともに回転しない。

外側固定円管５０は、その管内に円柱状の空間を形成している筒状体であり、その管自体は、内側固定円管４０と同様の真空断熱構造をなしている。外側固定円管５０の一方の端部５２は、外側回転円管３０と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて外側回転円管３０の外周に配置され、外側固定円管５０は、回転子１０から離れる方向（図１の左方向）に回転軸１１と同軸に延びている。内側固定円管４０の外周面と外側固定円管５０の内周面との間には、環状の空間（第２環状空間）５１が形成されている。よって、第２環状空間５１は、第１環状空間３１と連通している。

外側固定円管５０の回転子１０から離れた端部（図示しない。）は、後述する冷媒循環装置９０と連通している。そして、外側固定円管５０は、超伝導コイル１５０を冷却した後の冷媒を第１環状空間３１から冷媒循環装置９０に送る。

外側固定円管５０は、支持部材１８４により超伝導回転電機１の本体側に固定されていて、回転子１１とともに回転しない。ここで、支持部材１８４は、回転軸１１の半径方向の外側に広がった板状部材であり、支持部材１８４には、外側固定円管５０の外径と同径の挿入孔が形成されている。外側固定円管５０は、支持部材１８４の挿入孔に挿入されていて、外側固定円管５０の外周面と支持部材１８４の挿入孔の内縁が接合されている。

バッファー手段６０は、バッファー部材６２および大気シール部材６３を備えている。バッファー部材６２は、その一端が外側固定円管５０の回転子１０側の端部に接合され、外側回転円管３０の外周面と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて、外側回転円管３０の外周に配置されている。

大気シール部材６３は、環状のシール材であって、バッファー部材６２の終端の内周面に設けられている。大気シール部材６３は、例えばオイルリングである。大気シール部材６３は、外側回転円管３０が摺動自在な状態で外側回転円管３０の外周面と接している。なお、大気シール部材６３がオイルリングである場合には、大気シール部材６３は、オイルを介して外側回転円管３０の外周面と接している。

バッファー手段６０は、外側回転円管３０、外側固定円管５０および外側シール部材８０とともに環状の空間（バッファー空間）６１を形成している。バッファー空間６１は、外側回転円管３０の回転軸１１の半径方向の外側であって外側シール部材８０に隣接していて、外側シール部材８０に対して外側回転円管３０および外側固定円管５０の内部の空間と反対側に位置している。

バッファー空間６１は、後述する気体供給装置１００により所定の気体で満たされている。バッファー手段６０は、バッファー空間６１とその外側の超伝導回転電機１の機外の空間（機外空間）２とを仕切っている。

内側シール部材７０は、環状のシール部材であり、内側回転円管２０と内側固定円管４０との間に設けられ、内側固定円管４０の内周面に取り付けられている。内側シール部材７０の内周面は、内側回転円管２０が摺動自在な状態で内側回転円管２０の外周面と接している。よって、第１環状空間３１と第２円柱状空間４１とは、内側シール部材７０により、互いに仕切られている。すなわち、内側シール部材７０は、内側回転円管２０および内側固定円管４０の内部の空間（第１円柱状空間２１および第２円柱状空間４１）と内側回転円管２０および内側固定円管４０の回転軸１１の半径方向の外側の空間（第１環状空間３１および第２環状空間５１）とを仕切っている。内側シール部材７０は、極低温（２０〜４０Ｋ）に耐え得るシール材料、例えばテフロン（登録商標）などのフッ素樹脂からなる。

外側シール部材８０は、環状のシール部材であり、外側回転円管３０と外側固定円管５０との間に設けられ、外側固定円管５０の内周面に取り付けられている。外側シール部材８０の内周面は、外側回転円管３０が摺動自在な状態で外側回転円管３０の外周面と接している。よって、第２環状空間５１とバッファー空間６１とは、外側シール部材８０により、互いに仕切られている。すなわち、外側シール部材８０は、外側回転円管３０および外側固定円管５０の内部の空間（第１環状空間３１および第２環状空間５１）と外側回転円管３０および外側固定円管５０の回転軸１１の半径方向の外側の空間（バッファー空間６１）とを仕切っている。外側シール部材８０は、極低温（２０〜４０Ｋ）に耐え得るシール材料、例えばテフロン（登録商標）などのフッ素樹脂からなる。

冷媒循環装置９０は、冷媒（例えば、極低温のヘリウムガス）を給排および冷却できる装置である。この冷媒循環装置９０は、配管９１を介して第２円柱状空間４１に連通していて、第２環状空間５１の気圧を機外空間２の気圧（大気圧）より高い気圧にするように、回転子１０内に冷媒を供給する。また、この冷媒循環装置９０は、配管９２を介して第２環状空間５１に連通していて、超伝導コイル１５０を冷却した後の冷媒を回収し、冷却する。

気体供給装置１００は、所定の気体を供給できる装置である。この気体供給装置１００は、配管１０１を介してバッファー空間６１に連通していて、バッファー空間６１の気圧を第２環状空間５１の気圧より低く機外空間２の気圧（大気圧）より高い気圧とするように、バッファー空間６１に所定の気体を供給できる。

ここで、所定の気体とは、バッファー空間６１の温度より凝固点の低い気体である。バッファー空間６１内にて、供給した気体が凍結しないようにするためである。特に、バッファー空間６１の外側シール部材８０およびその付近は、冷媒により低温となっている。よって、供給する気体は、外側シール部材８０の温度より凝固点が低いことが好ましい。

冷媒循環装置９０により給排される冷媒の流れについて説明する。

上記の構成から分かるように、冷媒循環装置９０から配管９１を介して供給された冷媒は、第２円柱状空間４１および第１円柱状空間２１の順に通過して、内側筐体１３０内の空間１４０，１４２，１４１に流入して、超伝導コイル１５０を冷却する。超伝導コイル１５０を冷却した後の冷媒は、第１環状空間３１および第２環状空間５１の順に通過して、配管９２を介して冷媒循環装置９０に回収される。冷媒循環装置９０に回収された冷媒は、冷媒循環装置９０により冷却され、再び超伝導コイル１５０の冷却に使用される。

以下、本実施形態に係る超伝導回転電機１の効果について説明する。

本実施形態によれば、バッファー空間６１の気圧が機外空間２の気圧（大気圧）より高いため、機外空間２の気体（大気）がバッファー空間６１に流入するのを抑制できる。また、バッファー空間６１は、気体供給装置１００によりバッファー空間６１の温度より凝固点の低い気体で満たされているので、冷媒により極低温となっている外側シール部材８０およびその付近が凍結するのを抑制できる。したがって、回転子１の回転が妨げられることもなく、外側シール部材８０および外側回転円管３０の破損を抑制できる。

また、バッファー空間６１は、気体供給装置１００により所定の気体で満たされているので、バッファー空間６１が真空にされている場合に比べて、冷媒が第２環状空間５１からバッファー空間６１に流入する量を抑制できる。つまり、冷媒の損失量を少なくして、冷媒の回収率を高めることができる。その結果、常温の冷媒を冷媒循環装置９０に補充する量を少なくできるため、冷媒の冷却コストを抑えることができる。さらには、外側シール部材８０の使用量を少なくすることができる。また、冷媒の損失量を少なくすることにより、冷媒の内圧を維持することができ、冷媒の輸送効率の低下を抑制することができる。

また、バッファー空間６１に供給する気体は常温の気体で足りるため、常温の気体を供給した場合には、大気シール部材６３は、比較的に高価なテフロン（登録商標）を使用する必要がなく、比較的に安価なオイルシールで足りる。

さらには、バッファー空間６１の気圧が第２環状空間５１の気圧より低いため、バッファー空間６１の気体が第２環状空間５１に流入するのを抑制でき、冷媒の冷却コストを抑えることができる。

［第２の実施形態］
本発明に係る電動機を用いた駆動装置の第２の実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係る超伝導回転電機の主要部の模式的上半縦断面図であって、回転子を一部省略した図である。なお、本実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態では、バッファー手段６２は、起立部６４および円筒部６５からなる。起立部６４は、環状の板材であって、外側固定円管５０の外周面の一部から回転軸１１の半径方向の外側に広がっている。起立部６４の内縁は、外側固定円管５０の外周面に気密に接合されている。また、円筒部６５は、起立部６４の外縁から回転子１０に近づく方向（図１の右方向）に回転軸１１と同軸に延びた円筒体である。円筒部６５は、外側回転円管３０および外側固定円管５０と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて、外側回転円管３０および外側固定円管５０の外周に配置されている。起立部６４と円筒部６５とは、一体に成型されている。

大気シール部材６３は、円筒部６５の終端の内周面に設けられている。大気シール部材６３は、例えばオイルリングである。大気シール部材６３と外側回転円管３０との間には、シール台６６が配置されている。シール台６６は、環状体であり、外側回転円管３０の外周面に接合されている。大気シール部材６３は、シール台６６が摺動自在な状態でシール台６６の外周面と接している。なお、大気シール部材６３がオイルリングである場合には、大気シール部材６３は、オイルを介してシール台６６の外周面と接している。

バッファー手段６０の円筒部６５と外側回転円管３０との間に形成された環状の空間（バッファー空間）６１は、後述する気体供給装置１００により冷媒９１と同種の常温気体で満たされている。バッファー手段６０およびシール台６６は、バッファー空間６１と機外空間２とを仕切っている。

本実施形態によれば、大気シール部材６３と外側回転円管３０との間には、シール台６６が配置されているため、外側シール部材８０と大気シール部材６３とは、回転軸１１からの垂直距離が異なる。よって、万一、冷媒が第２環状空間５１からバッファー空間６１に流入しても、流入した冷媒が大気シール部材６３に到達しにくく、大気シール部材６３が凍結するのを予防することができる。

［第３の実施形態］
本発明に係る電動機を用いた駆動装置の第３の実施形態について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の第３の実施形態に係る超伝導回転電機の主要部の模式的上半縦断面図であって、回転子を一部省略した図である。なお、本実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態では、内側固定円管４０の一方の端部４２は、内側回転円管２０と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて内側回転円管２０の内周に配置され、内側固定円管４０は、回転子１０から離れる方向（図１の左方向）に回転軸１１と同軸に延びている。よって、第２円柱状空間４１は、第１円柱状空間２１と連通している。

また、外側固定円管５０の一方の端部５２は、内側回転円管２０および外側回転円管３０と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて、内側回転円管２０と外側回転円管３０との間に配置され、外側固定円管５０は、回転子１０から離れる方向（図１の左方向）に回転軸１１と同軸に延びている。内側固定円管４０の外周面と外側固定円管５０の内周面との間には、環状の空間（第２環状空間）５１が形成されている。よって、第２環状空間５１は、第１環状空間３１と連通している。

バッファー部材６２は、起立部６４および円筒部６５からなる。起立部６４は、環状の板材であって、外側固定円管５０の外周面の一部から回転軸１１の半径方向の外側に広がっている。円筒部６５は、起立部６４の外縁から回転子１０に近づく方向（図１の右方向）に回転軸１１と同軸に延びた円筒体であって、外側回転円管３０および外側固定円管５０と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて、外側回転円管３０および外側固定円管５０の外周に配置されている。大気シール部材６３は、環状のシール材であって、円筒部６５の終端の内周面に設けられ、外側回転円管３０が摺動自在な状態で外側回転円管３０の外周面と接している。

内側シール部材７０は、環状のシール部材であり、内側回転円管２０と内側固定円管４０との間に設けられ、第１円柱状空間２１と第２環状空間５１とを仕切っている。

外側シール部材８０は、環状のシール部材であり、外側回転円管３０と外側固定円管５０との間に設けられ、第１環状空間３１とバッファー空間６１とを仕切っている。

上記の構成から分かるように、冷媒循環装置９０から配管９１を介して供給された冷媒は、第２円柱状空間４１および第１円柱状空間２１の順に通過して、内側筐体１３０内の空間１４０，１４２，１４１に流入して、超伝導コイル１５０を冷却する。超伝導コイル１５０を冷却した後の冷媒は、第１環状空間３１および第２環状空間５１の順に通過して、配管９２を介して冷媒循環装置９０に回収される。冷媒循環装置９０に回収された冷媒は、冷媒循環装置９０により冷却され、再び超伝導コイル１５０の冷却に使用される。

本実施形態によれば、外側シール部材８０が外側回転円管３０の内周側に配置され、シール部材６３が外側回転円管３０の外周側に配置されているため、万一、冷媒が第１環状空間３１からバッファー空間６１に流入しても、流入した冷媒が大気シール部材６３に到達しにくく、大気シール部材６３が凍結するのを予防することができる。

［第４の実施形態］
本発明に係る電動機を用いた駆動装置の第４の実施形態について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の第４の実施形態に係る超伝導回転電機の主要部の模式的上半縦断面図であって、回転子を一部省略した図である。なお、本実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態では、バッファー部材６２は、回転子１０の外側筐体１２０の端部１２２、シャフト１８１、支持部材１８４、および、円筒部６５により構成されている。

円筒部６５は、支持部材１８４から回転子１０に近づく方向（図５の右方向）に回転軸１１と同軸に延びた円筒体であって、外側固定円管５０と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて、外側固定円管５０の外周に配置されている。

シャフト１８１は、回転子１０の外側筐体１２０の端部１２２から支持部材１８４に近づく方向（図５の左方向）に回転軸１１と同軸に延びた円筒体であって、外側回転円管３０および外側固定円管５０と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて、外側回転円管３０および外側固定円管５０の外周に配置されている。

円筒部６５の回転子１０側の端部は、シャフト１８１の支持部材１８４側の端部に対して回転軸１１の半径方向の外側に間隔をあけて配置されている。大気シール部材６３は、円筒部６５の回転子１０側の端部の内周面に設けられ、シャフト１８１が摺動自在な状態でシャフト１８１の外周面と接している。

バッファー空間６１は、外側回転円管３０、外側固定円管５０、外側シール部材８０、バッファー部材６２（回転子１０の外側筐体１２０の端部１２２、シャフト１８１、支持部材１８４、円筒部６５）、および、大気シール部材６３により形成されている。

また、本実施形態では、内側固定円管４０の一方の端部４２は、内側回転円管２０と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて内側回転円管２０の内周に配置され、内側固定円管４０は、回転子１０から離れる方向（図５の左方向）に回転軸１１と同軸に延びている。よって、第２円柱状空間４１は、第１円柱状空間２１と連通している。

外側回転円管３０の一方の端部３２は、内側回転円管２０および外側固定円管５０と回転軸１１の半径方向に間隔をあけて、内側回転円管２０と外側固定円管５０との間に配置され、外側回転円管３０は、回転子１０に近づく方向（図５の右方向）に回転軸１１と同軸に延びている。

内側固定円管４０の外周面と外側固定円管５０の内周面との間には、環状の空間（第２環状空間）５１が形成されている。また、内側回転円管２０の外周面と外側回転円管３０の内周面との間には、環状の空間（第２環状空間）５１が形成されている。よって、第１環状空間３１と第２環状空間５１とは連通している。

上記の構成から分かるように、冷媒循環装置９０から配管９１を介して供給された冷媒は、第２円柱状空間４１および第１円柱状空間２１の順に通過して、内側筐体１３０内の空間１４０，１４２，１４１に流入して、超伝導コイル１５０を冷却する。超伝導コイル１５０を冷却した後の冷媒は、第１環状空間３１および第２環状空間５１の順に通過して、配管９２を介して冷媒循環装置９０に回収される。

本実施形態によれば、万一、冷媒が第２環状空間５１からバッファー空間６１に流入しても、流入した冷媒が大気シール部材６３に到達しにくく、大気シール部材６３が凍結するのを予防することができる。

［他の実施形態］
上記各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、各実施形態の特徴を組み合わせても良い。

また、冷媒の流路は、上記と逆でも良い。例えば、第１の実施形態に係る超伝導回転電機１の構成においては、冷媒循環装置９０から配管９２を介して供給された冷媒は、第２環状空間５１および第１環状空間３１の順に通過して、内側筐体１３０内の空間１４０，１４２，１４１に流入して、超伝導コイル１５０を冷却する。超伝導コイル１５０を冷却した後の冷媒は、第１円柱状空間２１および第２円柱状空間４１の順に通過して、配管９１を介して冷媒循環装置９０に回収される。冷媒循環装置９０に回収された冷媒は、冷媒循環装置９０により冷却され、再び超伝導コイル１５０の冷却に使用される。

さらに、冷媒は、気体ヘリウムに限定されず、気体窒素などでも良い。

１…超伝導回転電機、２…機外空間、１０…回転子、１１…回転軸、２０…内側回転円管、２１…第１円柱状空間、３０…外側回転円管、３１…第１環状空間、４０…内側固定円管、４１…第２円柱状空間、５０…外側固定円管、５１…第２環状空間、６０…バッファー手段、６１…バッファー空間、６２…バッファー部材、６３…大気シール部材、６４…起立部、６５…円筒部、６６…シール台、７０…内側シール部材、８０…外側シール部材、９０…冷媒循環装置、９１，９２…配管、１００…気体供給装置、１０１…配管、１２０…外側筐体、１２１…外側筐体の側部、１２２，１２３…外側筐体の端部、１２４…外側筐体の一端部の貫通口、１３０…内側筐体、１３１…内側筐体の側部、１３２，１３３…内側筐体の端部、１３４…コイル支持部、１３５…突出部、１３６…内側筐体の一端部の貫通口、１３７，１３８…円管支持板、１３９…円管支持板の貫通口、１４０…第１回転子空間、１４１…第２回転子空間、１４２…連通孔、１５０…超伝導コイル、１６０…トルクチューブ、１７０…外側筐体と内側筐体との間の空間、１８１…シャフト、１８２…駆動軸、１８３…軸受、１８４…支持部材

Claims (7)

1. 内部に超伝導コイルを有する回転子と、
   内部の空間が前記回転子の内部と連通するように前記回転子の端部に前記回転子の回転軸と同軸に配置され、前記回転子とともに回転する外側回転円管と、
   内部の空間が前記外側回転円管の内部の空間と連通するように一端が前記外側回転円管に対して前記回転軸の半径方向に間隔をあけて前記回転軸と同軸に配置され、前記回転子から離れる方向に延びた外側固定円管と、
   前記外側回転円管が前記外側固定円管に対して回転可能な状態で前記外側回転円管と前記外側固定円管との間に設けられ、前記外側回転円管および前記外側固定円管の内部の空間と前記外側回転円管および前記外側固定円管の前記回転軸の半径方向の外側の空間とを仕切る環状の外側シール部材と、
   前記外側シール部材に対して前記外側回転円管および前記外側固定円管の内部の空間と反対側に位置するバッファー空間と回転電機の機外の空間とを仕切るバッファー手段と、
   前記外側回転円管の内部の空間および前記外側固定円管の内部の空間を介して前記回転子の内部に回転電機の機外の圧力より高い圧力の冷媒を供給しまたは前記回転子の内部から冷媒を回収する冷媒循環装置と、
   前記バッファー空間の圧力を回転電機の機外の圧力より高くするように前記バッファー空間に前記外側シール部材の温度より凝固点の低い気体を供給する気体供給装置と、
   を具備することを特徴とする超伝導回転電機。
2. 前記バッファー手段は、
   少なくとも一部が前記外側回転円管または前記外側固定円管に対して前記回転軸の半径方向に間隔をあけて前記回転軸と同軸に配置された円筒形状のバッファー部材と、
   前記回転子が回転可能な状態で前記バッファー空間と前記機外の空間とを仕切る大気シール部材と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の超伝導回転電機。
3. 前記大気シール部材はオイルシールであることを特徴とする請求項２に記載の超伝導回転電機。
4. 前記外側シール部材はフッ素樹脂からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の超伝導回転電機。
5. 前記気体供給装置は前記バッファー空間の圧力を前記外側回転円管および前記外側固定円管の内部の空間の圧力より小さくするように前記冷媒と同種の気体を供給することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の超伝導回転電機。
6. 前記気体供給装置から供給される気体は常温であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の超伝導回転電機。
7. 内部の空間が前記回転子の内部を介して外周面と前記外側回転円管の内周面との間に形成された環状の空間と連通するように前記外側回転円管に対して前記回転軸の半径方向に間隔をあけて前記外側回転円管の内側に配置され、前記回転子とともに回転する内側回転円管と、
   内部の空間が前記内側回転円管の内部の空間と連通し、かつ、外周面と前記外側固定円管の内周面との間に形成された環状の空間が前記内側回転円管の外周面と前記外側回転円管の内周面との間に形成された環状の空間と連通するように一端が前記内側回転円管に対して前記回転軸の半径方向に間隔をあけて前記外側回転円管の内側に配置され、前記回転子から離れる方向に前記回転軸と同軸に延びた内側固定円管と、
   前記内側固定円管に対して前記内側回転円管が回転自在な状態で前記内側回転円管と前記内側固定円管との間に設けられ、前記内側回転円管および前記内側固定円管の内部の空間と前記内側回転円管および前記内側固定円管の前記回転軸の半径方向の外側の空間とを仕切る環状の内側シール部材と、
   を具備することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の超伝導回転電機。

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