JP6024539B2 - 超伝導回転機 - Google Patents

Description

本発明は、ステータと共に冷却されつつ前記ステータの内部で回転するロータと、前記ステータ及び前記ロータを液化冷媒と共に収容する容器と、前記ロータに固定されたロータ回転軸と、前記ロータ回転軸を前記容器の外側で回転自在に支持する軸受部とを有し、前記容器が、前記ロータ回転軸を挿通する筒状部を備える超伝導回転機に関する。

従来、高効率化及び小型化の観点から超伝導材料を有する超伝導回転機が用いられてきた。このような超伝導回転機にあってはステータ及びロータを液化冷媒（例えば液体窒素）で冷却するために、ステータ及びロータを液化冷媒と共に収容する容器を備えている。
しかしながら、ロータ回転軸は、少なくとも一端側が容器の外部に突出しているので、容器外部の温熱がロータ回転軸を介して容器内部に流入し易い。
また、ロータ回転軸と筒状部との隙間を通して液化冷媒が液状のまま容器外部に漏れ出し易い。
特許文献１には、ロータ回転軸を介した容器内部への温熱の流入を抑制するために、ロータ回転軸のうちのロータに挿通された軸部分が、全長に亘って、断熱用の真空空間を内部に形成する筒状に設けられた超伝導回転機が開示されている。

特開２０１１−６７００６号公報（図６〜図８）

特許文献１に開示されている超伝導回転機では、ロータ回転軸のうちのロータに挿通された軸部分が、全長に亘って筒状に設けられているので、容器外部の温熱が真空空間を囲む筒壁部分を介して容器内部に流入する。
ロータに挿通された筒状の軸部分は、例えば中実に形成された軸部分に比べて熱容量が小さいので、筒壁部分を介して容器内に流入しようとする温熱のロータ回転軸による蓄熱量が少なく、蓄熱量を超える温熱が筒壁部分からの放熱で容器内に流入し易い。
このため、容器内を所定の低温に維持するために、冷却能力が大きい冷却装置を装備する必要があり、運転コストが高くなるおそれがある。
また、液化冷媒がロータ回転軸と筒状部との隙間を通して液状のまま容器外部に漏れ出すと、ロータ回転軸を回転自在に支持する軸受部が凍結して、ロータの回転開始時の起動トルクが増大するおそれがある。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、運転コストの抑制を図ることができ、起動トルクの増大も防止することができる超伝導回転機を提供することを目的とする。

本発明による超伝導回転機の特徴構成は、ステータと共に冷却されつつ前記ステータの内部で回転するロータと、前記ステータ及び前記ロータを液化冷媒と共に収容する容器と、前記ロータに固定されたロータ回転軸と、前記ロータ回転軸を前記容器の外側で回転自在に支持する軸受部とを有し、前記容器が、前記ロータ回転軸を挿通する筒状部を備え、前記ロータ回転軸が、前記ロータに挿通された中実の第１軸部と、前記第１軸部の少なくとも一方の端部に接続されると共に、前記筒状部に挿通され、内部に真空空間を形成する筒状の第２軸部と、を備える点にある。

本構成の超伝導回転機は、前記ロータ回転軸が、前記ロータに挿通された中実の第１軸部と、前記第１軸部の少なくとも一方の端部に接続されると共に、前記筒状部に挿通され、内部に真空空間を形成する筒状の第２軸部と、を備える。
すなわち、内部に真空空間を形成する筒状の第２軸部を、ロータに挿通された中実の第１軸部に接続してあるので、容器外から容器内への温熱の流入を第２軸部の内部に形成した真空空間で抑制することができる。
また、第２軸部の筒壁部分を介して容器内に流入しようとする温熱を、ロータに挿通された熱容量が大きい中実の第１軸部に蓄熱することができる。
このため、筒壁部分を介して容器内に流入しようとする温熱の第１軸部による蓄熱量を大きくして、蓄熱量を超える温熱の容器内への流入量を少なくすることができる。
したがって、本構成の超伝導回転機であれば、容器内の液化冷媒を所定の低温に維持するための冷却能力が小さい冷却装置を装備することができ、運転コストの抑制を図ることができる。

さらに、筒状の第２軸部を容器が備える筒状部に挿通してあるので、第２軸部を通して容器外から容器内に流入しようとする温熱の伝導面積を、中実の第２軸部を筒状部に挿通してある場合に比べて、小さくすることができる。
このため、液化冷媒の温度勾配が、容器外から容器内に向けて直線的なものとなり、第２軸部と筒状部との隙間を通して容器外側に漏れ出そうとする液化冷媒の気液境界位置を所定の位置に設定し易い。
したがって、例えば液化窒素などのように液化冷媒が容器外側の雰囲気温度によって蒸発し易い場合に、雰囲気温度の変動にかかわらず、第２軸部と筒状部との隙間の筒長手方向のいずれかの位置において液状冷媒が蒸発する温度になるように、液化冷媒の温度勾配を設定し易い。
よって、本構成の超伝導回転機であれば、液化冷媒が液状のままで容器外部に漏れ出し難くなり、軸受部の液化冷媒による凍結を防止することができるので、ロータの回転開始時の起動トルクの増大を防止することができる。

本発明の他の特徴構成は、前記第２軸部の外周面のうちの前記筒状部の内周面に対向する部位に、径方向外方に突出しつつ周方向に延設された環状の凸部を有する点にある。

例えば液化窒素などのように容器外部の雰囲気温度によって蒸発し易い液化冷媒は、第２軸部と筒状部との隙間を通して容器外に漏れ出す途中で蒸発し易い。ただし、ロータ回転軸が水平方向に沿って配置してある場合は、第２軸部と筒状部との隙間のうちの下方部分に液化冷媒が自重で溜まり易く、隙間の下方部分に溜まった液化冷媒は、気液界面が容器外側に近づくほど低くなるように傾斜した状態で、容器外側に向けて広がるように溜まる。この状態でロータ回転軸が回転すると、気液界面が乱れて、液化冷媒の蒸発を促進してしまうことになる。
しかし、本構成のごとく、第２軸部の外周面に環状の凸部を形成することで、液化冷媒の気液界面を凸部に沿った回転軸芯に垂直な平面内に強制的に留めることができ、ロータ回転軸の回転に伴う気液界面の乱れを抑えて液化冷媒の蒸発を抑えることができる。よって、冷却効果の高い超伝導回転機を得ることができる。

本発明の他の特徴構成は、前記真空空間を形成する内壁面のうちの、前記ロータ回転軸の軸芯方向で互いに対向する二つの内壁面どうしが、前記軸芯に沿う方向視において、互いに見通せないように遮蔽される少なくとも一枚の遮蔽板を、前記真空空間の内部に設けてある点にある。

本構成であれば、視覚的に互いに見通せない状態に遮蔽板を設けることで、容器外部の温熱が第２軸部の真空空間を介してロータ側に放射伝達されるのを防止することができる。
このような遮蔽板は、一枚でも効果があるが、複数枚重ねて配置することでより遮蔽効果を高めることができる。

超伝導回転機の回転軸芯に沿う断面図である。 ロータ回転軸を示す拡大断面図である。 第２実施形態におけるロータ回転軸を示す拡大断面図である。 第３実施形態におけるロータ回転軸を示す拡大断面図である。 第３実施形態におけるロータ回転軸の変形例を示す拡大断面図である。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、超伝導回転機１００の回転軸芯Ｘに沿う断面を示す。
超伝導回転機１００は、ステータ１０、ロータ２０、インナーケース３０、アウターケース４０、軸受部５０，５１、熱交換部６０を備えた電動機を構成している。

ステータ１０は、ステータコイル１１を支持する。ステータコイル１１は、超伝導材料の線材をステータ１０の歯部（図示せず）に巻き回して形成され、外部に設けられる通電装置により通電されることで磁界を発生する。超伝導材料は臨界温度以下に冷却されると電気抵抗が大幅に低減する超伝導状態となる材料である。本実施形態では、超伝導材料として所謂「高温超伝導材料」が用いられ、臨界温度は液化冷媒Ｒとしての液体窒素により実現される。このようなステータコイル１１を支持するステータ１０は、インナーケース３０の内壁面に固定される。

ロータ２０は、超伝導材料を有し、ステータ１０に対して回転可能に設けられる。ロータ２０は円板状の鋼板を回転軸芯Ｘの方向に積層して円筒状に構成される。このように円筒状に積層した鋼板に対してロッドを回転軸芯Ｘの方向に貫通させ、軸方向両側からロータ支持板２２を挟んでボルトにより締結固定される。このような円筒状のロータ２０の径方向中央部には、当該ロータ２０を軸方向に貫通する断面円形のロータ回転軸２１が設けられる。

ロータ回転軸２１は、ロータ２０に対して一体回転するよう同軸心上に固定される。このようなロータ２０におけるロータ回転軸２１よりも径方向外側の部分には、ロータ２０を回転軸芯Ｘの方向に貫通し、ロータ２０の周方向に沿って所定の間隔を有して棒状の超伝導材料が配置される。もちろん、ロータ２０自体を超伝導材料で形成することも可能である。このようなロータ２０は、ステータ１０の径方向内側であって、ステータ１０に対して所定のギャップを有して回転可能に設けられる。

インナーケース３０は、ステータ１０とロータ２０とを収容すると共に、ステータコイル１１及び超伝導材料を冷却する液化冷媒（液化窒素）Ｒを収容する収容室３１を形成する。したがって、インナーケース３０は、ステータ１０及びロータ２０を液化冷媒Ｒと共に内部に収容する容器を構成し、ロータ２０は、ステータ１０と共に冷却されつつステータ１０の内部で回転する。

ロータ回転軸２１は、収容室３１の中央部を貫通するように設けられる。ロータ回転軸２１は回転する回転系となり、インナーケース３０は回転しない静止系となる。このため、インナーケース３０は、ロータ回転軸２１を挿通する円筒状部３２，３３を左右に備えている。

軸受部５０，５１は、アウターケース４０に形成したボス４７の内側に装着され、ロータ回転軸２１の左右両側をインナーケース３０の外側で回転軸芯Ｘの周りで回転自在に支持している。
ロータ回転軸２１は、軸受部５０，５１に支持された状態で、その外周面が円筒状部３２，３３の内周面に対して全周に亘って所定の隙間３４を隔てて、円筒状部３２，３３に挿通されている。

収容室３１の内部には、ステータ１０が支持するステータコイル１１及びロータ２０に設けられる超伝導材料を冷却する液化冷媒Ｒが導入される。本実施形態では、液化冷媒Ｒは上述の液体窒素が用いられる。これにより、ステータコイル１１及びロータ２０に設けられる超伝導材料を臨界温度以下に冷却しつつ、液化冷媒Ｒを収容室３１内に滞留させ易くすることができる。なお、インナーケース３０には、外部から液体窒素を導入しつつ、導入した液体窒素が気化した窒素ガスを外部に排出する冷媒供給装置に接続される配管
（図示せず）が設けられる。

アウターケース４０は、インナーケース３０を内包するように設けられ、インナーケース３０を真空断熱する。「インナーケース３０を内包するように」とは、収容室３１にステータ１０及びロータ２０を収容した状態のインナーケース３０を、外側から覆うことを意味する。また、アウターケース４０を構成する天井部４１及び底部４２には、インナーケース３０を鉛直方向に支持する支持部４３，４４が設けられる。これにより、インナーケース３０をアウターケース４０に対して位置決めすることが可能となる。

ロータ回転軸２１は、軸方向両側がインナーケース３０から突出するように設けられる。このようにインナーケース３０から突出して設けられるロータ回転軸２１の軸方向一方の側が、更にアウターケース４０から突出するように設けられる。これにより、ロータ２０の回転に基づく回転力を外部に出力することが可能となる。

インナーケース３０とアウターケース４０の間に密閉された空間４８が形成され、当該空間４８は真空状態に維持される。これにより、インナーケース３０内の収容室３１をアウターケース４０の外側（大気）に対して断熱することが可能となる。したがって、収容室３１に導入された液体窒素が気化し難くなるので、ステータ１０のステータコイル１１及びロータ２０の超伝導材料の冷却効果を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、ステータコイル１１に通電するためのリード線９１がアウターケース４０から空間４８に導入され、当該空間４８からインナーケース３０を貫通してステータコイル１１に接続される。このため、リード線９１がアウターケース４０を挿通する孔部４５、及びリード線９１がインナーケース３０を挿通する孔部３５の夫々とリード線９１の外周面とが液密的に封止される。これにより、空間４８の真空状態を維持することが可能となる。

軸受部５０，５１は、ロータ回転軸２１のうちのインナーケース３０からの突出部分を相対回転可能に支持する。ロータ回転軸２１はロータ２０と一体回転する。一方、アウターケース４０は静止系であるインナーケース３０に固定される。このため、ロータ回転軸２１が静止系となるアウターケース４０に対して相対回転できるように、アウターケース４０とロータ回転軸２１の外周面との間に軸受部５０が設けられている。

熱交換部６０は、ロータ回転軸２１の軸方向両側に設けられ、軸受部５０，５１を支持するアウターケース４０の軸受支持部分４６に接する状態で、アウターケース４０の外側を向くフィン６１を備えている。
したがって、超伝導回転機１００の運転停止時においては、熱交換部６０により収容室３１内の液化冷媒Ｒよりも暖かい外気と熱交換をして軸受部５０，５１を温めることができ、液化冷媒Ｒにより軸受部５０，５１が凍結したり、軸受部５０，５１の潤滑油が固化されたりすることを防止できる。

ロータ回転軸２１が、本発明による軸構造を有している。
すなわち、図１，図２に示すように、ロータ回転軸２１は、ロータ２０に挿通された中実円形の第１軸部１と、第１軸部１の両端部に接続されると共に、円筒状部３２，３３に挿通され、内部に断熱用の真空空間４を形成する円筒状の第２軸部２と、第２軸部２の夫々に接続される中実円形の左右の第３軸部３ａ，３ｂとを備える。

第１軸部１、第２軸部２、第３軸部３ａ，３ｂの夫々は、例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などのステンレス鋼で形成されている。
第３軸部３ａ，３ｂには、真空空間４を真空に吸引するための吸引路９を形成してあり、ロウ付けしたプラグ９ａで塞いである。
真空空間４の内面には、真空状態を長期に亘って維持するために、バナジウムなどのゲッター材を塗布しておくとよい。

左右の第３軸部３ａ，３ｂのうちの一方の第３軸部３ａは、アウターケース４０を貫通する状態で軸受部５０に回転自在に支持され、超伝導回転機１００の出力軸を構成している。
他方の第３軸部３ｂは、その端部がアウターケース４０の外方に突出しないように、軸受部５１に回転自在に支持されている。

第１軸部１と第２軸部２は、第２軸部２を第１軸部１の端面に形成した段部５に嵌合することにより外周面を面一に保持して、ロウ付けにより互いに接続してある。
第２軸部２と第３軸部３ａ，３ｂは、第２軸部２の内周面を第３軸部３ａ，３ｂの外周面に嵌合して、ロウ付け又は溶接により互いに接続してある。

〔第２実施形態〕
図３は、本発明の別実施形態を示す。
本実施形態では、ロータ回転軸２１が、各第２軸部２の外周面のうちの各円筒状部３２，３３の内周面に対向する部位に、径方向外方に突出しつつ周方向に延設された円環状の凸部６を有する。

このような構成により、ロータ回転軸２１が回転しても停止しても液化冷媒Ｒの気液界面を凸部６に沿った回転軸芯Ｘに垂直な平面内に強制的に留めることができ、ロータ回転軸２１の回転に伴う気液界面の乱れを抑えて液化冷媒Ｒの蒸発と液化冷媒Ｒが超伝導回転機構から漏れ出すこととを抑えることができる。他方、凸部６が無い場合には、ロータ回転軸２１の外周面と円筒状部３２，３３の内周面の隙間では冷媒Ｒ（窒素）の気液界面が液化冷媒Ｒの重量によって隙間の上側から下側にかけて気化冷媒Ｒ側へ張り出すことになる。従って、気化冷媒Ｒは液化冷媒Ｒを超伝導回転機構の内部へ押し戻す機能も有している為、気液界面の張り出し量が大きくなると使用環境や設計条件によっては液化冷媒Ｒが超伝導回転機構から漏れ出さないようにする為に本実施例よりは高精度な設計と生産管理が必要になる。また、気液界面が張り出していない上側の隙間に接するロータ回転軸２１の外周面と円筒状部３２，３３の内周面は、液化冷媒Ｒよりも暖かい気化冷媒Ｒによって暖められ、且つ、ロータ回転軸２１の回転によって更に加速して暖められる。これらの動作により、ロータ回転軸２１の外周面と円筒状部３２，３３の内周面の隙間における液化冷媒Ｒの蒸発が多くなると共に断熱効率が低下し、超伝導回転機構の運転コストが高くなる。
その他の構成は第１実施形態と同様である。

〔第３実施形態〕
図４は、本発明の別実施形態を示す。
本実施形態では、各第２軸部２の真空空間４を形成する内壁面のうちの、ロータ回転軸２１の回転軸芯Ｘの方向で互いに対向する二つの内壁面７どうしが、回転軸芯Ｘに沿う方向視において、互いに見通せないように遮蔽される複数の円形の遮蔽板８を、真空空間４の内部に設けてある。
各遮蔽板８には、隣り合う空間どうしを連通する連通路８ａを周方向又は径方向に互いに位置をずらせて形成してある。

尚、遮蔽板８は、この例の他に、直径の異なる複数の円形の遮蔽板８を第２軸部２の一方側から挿入して取り付けるようにしてもよい。そのためには、例えば図５に示すように、第２軸部２の内壁を、例えば第１軸部１の側から第３軸部３ａ，３ｂの側に向けて順々に縮径する段部８ｂを形成し、外径の小さな遮蔽板８から順に挿入するとよい。固定は、嵌合やロウ付けなど各種の方法を用いることができる。各遮蔽板８には軸芯方向に沿って見たとき見通しが効かない状態に連通路８ａを設けておく。

このような構成により、インナケース３０の外部の温熱が第２軸部２の真空空間４を介してロータ側に放射伝達されるのを防止することができる。
その他の構成は第１実施形態と同様である。

〔その他の実施形態〕
１．第２軸部２は、図1 では長手方向に沿って同じ厚みの円筒状に形成した。しかし、この他に、例えば第３軸部３ａの側から第1 軸部１の側に薄肉となるように構成することもできる。この場合、円筒部の内面を第１軸部１の側ほど薄くなるようにテーパー状に形成するとよい。
このように形成しても、より低温側である第１軸部１の側では第２軸部２を構成する部材の強度が向上する。よって、本構成であれば第２軸部２全体の強度は長手方向に沿って一様なものとしながら、第２軸部２を軽量化することができる。
２．本発明による超伝導回転機は、ロータ回転軸の軸芯方向で互いに対向する二つの壁面どうしが、軸芯に沿う方向視において互いに見通せないように、屈曲形成した単一の遮蔽板を真空空間の内部に設けてあってもよい。
３．本発明による超伝導回転機は、電動機や発電機として機能する超伝導回転機に用いることができる。

１ 第１軸部
４ 真空空間
２ 第２軸部
６ 凸部
７ 内壁面
８ 遮蔽板
１０ ステータ
２０ ロータ
２１ ロータ回転軸
３０ 容器（インナケース）
３２，３３ 筒状部
５０，５１ 軸受部
Ｒ 液化冷媒
Ｘ 軸芯

Claims (3)

1. ステータと共に冷却されつつ前記ステータの内部で回転するロータと、前記ステータ及び前記ロータを液化冷媒と共に収容する容器と、前記ロータに固定されたロータ回転軸と、前記ロータ回転軸を前記容器の外側で回転自在に支持する軸受部とを有し、
   前記容器が、前記ロータ回転軸を挿通する筒状部を備え、
   前記ロータ回転軸が、
   前記ロータに挿通された中実の第１軸部と、
   前記第１軸部の少なくとも一方の端部に接続されると共に、前記筒状部に挿通され、内部に真空空間を形成する筒状の第２軸部と、
   を備える超伝導回転機。
2. 前記第２軸部の外周面のうちの前記筒状部の内周面に対向する部位に、径方向外方に突出しつつ周方向に延設された環状の凸部を有する請求項１に記載の超伝導回転機。
3. 前記真空空間を形成する内壁面のうちの、前記ロータ回転軸の軸芯方向で互いに対向する二つの内壁面どうしが、前記軸芯に沿う方向視において、互いに見通せないように遮蔽される少なくとも一枚の遮蔽板を、前記真空空間の内部に設けてある請求項１又は２に記載の超伝導回転機。

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