JP5275957B2 - 超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置 - Google Patents
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Description
このように、超電導バルク体と超電導磁石で構成された超電導磁気軸受は、高荷重容量のメリットがある。
(1)液体窒素を回転体側の回転軸内クライオスタットに入れて超電導バルク体を冷却しているために、バルク体の冷却温度が77Kに限定される。
(2)液体窒素が回転による遠心力で容器上面にせり上がり、蒸発量が大きくなり、大幅な液体窒素保持時間が確保できない。
さらに、超電導磁石にNb−Ti合金を用いていることから、このコイルを4Kに冷却するのに多大な電力を要するといった問題があった(上記非特許文献1参照)。
また、従来のフライホイールでは、真空中に回転体と発電/電動機を組み込むものがあるが、この場合、電動/発電機部分の冷却が問題になる。
〔1〕超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、フライホイールと、このフライホイールを回転させる回転軸と、この回転軸の下方に配置される第1の制御型磁気軸受と、この第1の制御型磁気軸受の下方に配置される第1の磁気カップリングと、前記回転軸の上方に配置される高温超電導磁石によって浮上される、内槽内に蓄冷材を有する回転軸内配置のクライオスタットと、このクライオスタットの回転軸の上方に配置される第2の制御型磁気軸受と、この第2の制御型磁気軸受の上方に配置される第2の磁気カップリングとを具備することを特徴とする。
〔3〕上記〔2〕記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記高温超電導磁石を超電導バルク体に組み合わせ、浮上力を得ることを特徴とする。
〔5〕上記〔4〕記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記蓄冷材とすることにより、ガスの放出をなくして密閉容器とすることができ、真空中に配置したことでフライホイール部分の風損を無くしたことを特徴とする。
〔7〕上記〔1〕記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記クライオスタットは、前記回転軸内に配置されており、前記クライオスタット自体が回転軸であることを特徴とする。
(1)クライオスタットに寒材を入れるのではなく、蓄冷材を入れることで、冷却温度を液体窒素温度より下げて、超電導バルク体の電磁気特性を向上するとともに、長時間の保冷を可能とする。また、蓄冷材としたことで、ガス放出がなくなり容器を閉じること(密閉容器)ができ、真空中に配置することができる。
(3)超電導磁石の線材を高温超電導化することで冷却効率を改善し、冷却に要する電力を削減することができる。
(4)上部と下部に磁気カップリング装置を二対用いる構造としたので、信頼性の向上を図ることができる。
図1は本発明の実施例を示す超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置の模式図、図2はその超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置のフライホイールを示す図である。
これらの図において、1はフライホイール、2はフライホイールを回転させる回転軸、3は回転軸2の下方に配置される第1の制御型磁気軸受、4は第1の制御型磁気軸受3の下方に配置される第1の磁気カップリング、5はフライホイール1の上方に配置される回転軸内配置のクライオスタット(断熱保冷容器)、5Aはクライオスタット5の内槽(真空槽)、5Bはクライオスタット5内に封入される蓄冷材、5Cは超電導バルク体、6は超電導磁石用低温容器、7は超電導磁石用低温容器6内に配置される高温超電導磁石、7Aは高温超電導磁石を構成する高温超電導線材のコイル、8は超電導磁石用低温容器6に取り付けられる冷凍機、9はクライオスタット5の上方に配置される第2の制御型磁気軸受、10は第2の制御型磁気軸受9の上方に配置される第2の磁気カップリング、11は冷却容器(外槽容器)である。
回転軸内配置のクライオスタット5の内槽(真空槽)5A内部に140kg程度(φ170mm,高さ700mm程度)の銅を蓄冷材5Bとして封入し、初期冷凍温度を20Kとした場合のクライオスタット5内部の保冷特性を図3に示す。これは、クライオスタット5の真空槽5Aからの輻射、荷重支持材からの熱伝導等から蓄冷材5Bである銅に侵入する熱量を5W一定と仮定して、20Kからの銅の熱容量の温度依存性によって算出したものである。
図4に超電導磁気軸受の超電導バルク体を77Kに液体窒素冷却した場合(例えば、雰囲気温度77K)、および減圧雰囲気で65Kに液体窒素冷却した場合(例えば、雰囲気温度65K)の超電導磁石の励磁電流に対する超電導バルク体5Cの発生浮上力の関係を示す。なお、図4における横軸はSC(超電導コイル)の出力(%)、縦軸は浮上力(kN)を示している。図4におけるCalc.は、完全反磁性とした場合の計算結果である。65Kまで冷却した状態ではほぼ完全反磁性の振る舞いをしていることから、超電導バルク体5Cの温度を60K以下とすることでほぼ完全反磁性の状態を保持できることがわかる。
運転例であるが、1日20時間運転し、残る4時間のメンテナンス中に外部冷凍機から蓄冷材を60Kから20Kに急速冷却することで、繰り返し、安定した運転を毎日実施できる。また、メンテナンス時に毎日励消磁を繰り返すことで、磁束クリープの影響は実用上は問題なくなる。
本装置(図1のフライホイールを覆った容器までを含む)の外部に配置する冷凍機からヘリウムガス等の冷媒をフライホイールの入った真空槽を貫通する流路で回転軸内配置のクライオスタットに供給して、クライオスタット内を冷却する。なお、真空槽を貫通する流路は、フライホイールの入った真空槽で伸縮できる構造となっており、フライホイール運転中は、縮長状態で真空槽側外壁に配置される。冷却時は、流路が伸長し、クライオスタット側の供給ポートに接続され、冷凍機からクライオスタット蓄冷材までの冷媒流路となる。なお、流路は冷媒の往路、復路の2本配置されている。真空槽を貫通する流路の先端と、クライオスタット供給ポートはセルフシールのカップリングになっている。冷却後は、いったん冷媒流路内を真空排気してから、流路を切り離す。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
2 回転軸
3 第1の制御型磁気軸受
4 第1の磁気カップリング
5 回転軸内配置のクライオスタット
5A クライオスタットの内槽(真空槽)
5B 蓄冷材
5C 超電導バルク体
6 超電導磁石用低温容器
7 高温超電導磁石
7A 高温超電導線材のコイル
8 冷凍機
9 第2の制御型磁気軸受
10 第2の磁気カップリング
11 冷却容器(外槽容器)
Claims (7)
- (a)フライホイールと、
(b)該フライホイールを回転させる回転軸と、
(c)該回転軸の下方に配置される第1の制御型磁気軸受と、
(d)該第1の制御型磁気軸受の下方に配置される第1の磁気カップリングと、
(e)前記回転軸の上方に配置される高温超電導磁石によって浮上される、内槽内に蓄冷材を有する回転軸内配置のクライオスタットと、
(f)該クライオスタットの回転軸の上方に配置される第2の制御型磁気軸受と、
(g)該第2の制御型磁気軸受の上方に配置される第2の磁気カップリングとを具備することを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。 - 請求項1記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記高温超電導磁石は、ダブルパンケーキ巻の高温超電導線からなるコイルを備えることを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
- 請求項2記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記高温超電導磁石を超電導バルク体に組み合わせ、浮上力を得ることを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
- 請求項1記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記クライオスタットの内槽内部に蓄冷材を封入することを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
- 請求項4記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記蓄冷材とすることにより、ガスの放出をなくして密閉容器とすることができ、真空中に配置したことでフライホイール部分の風損を無くしたことを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
- 請求項4又は5記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記蓄冷材が銅であることを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
- 請求項1記載の超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置において、前記クライオスタットは、前記回転軸内に配置されており、前記クライオスタット自体が回転軸であることを特徴とする超電導磁気軸受付きフライホイール蓄電装置。
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