特許 6420201 空気分離装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6420201

(24)【登録日】2018年10月19日

(45)【発行日】2018年11月7日

(54)【発明の名称】空気分離装置

(51)【国際特許分類】

   F25J 3/04 20060101AFI20181029BHJP

【ＦＩ】

   F25J3/04 101

【請求項の数】7

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2015-95114(P2015-95114)

(22)【出願日】2015年5月7日

(65)【公開番号】特開2016-211777(P2016-211777A)

(43)【公開日】2016年12月15日

【審査請求日】2017年9月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100067828

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 悦司

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100111453

【弁理士】

【氏名又は名称】櫻井 智

(72)【発明者】

【氏名】岸本 啓

(72)【発明者】

【氏名】井上 憲一

【審査官】 関根 崇

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−００７５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 独国特許出願公開第１０２００８０１６６４７（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 特表２０１３−５１９０６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０２６４２２２９（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２４０４５１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０３３９４５５５（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｊ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体状態の原料空気を深冷分離して気体状態の窒素を生成する精留塔と、
前記精留塔から取り出された気体状態の窒素のうち、一部の窒素が供給され、供給された窒素を気体状態から液体状態に変化させて前記精留塔に戻す凝縮回路と、
冷却回路と、を備え、
前記凝縮回路は、
液体窒素の沸点より高い臨界温度を有する超電導材料で構成された超電導磁石を含む超電導モータと、
前記超電導モータによって駆動され、前記凝縮回路を流れる気体状態の窒素を圧縮する圧縮部と、を備え、
前記冷却回路は、前記凝縮回路を流れる液体状態の窒素を用いて、前記超電導磁石を前記臨界温度以下に冷却し、
前記凝縮回路は、
前記圧縮部によって圧縮された気体状態の窒素を膨張させることにより、窒素を気体状態から液体状態に変化させる膨張部と、
前記膨張部と前記精留塔とを接続し、液体状態の窒素を前記精留塔に導く第４の流路と、をさらに備え、
前記冷却回路は、
前記第４の流路に接続され、前記第４の流路を流れる液体状態の窒素の一部を前記超電導磁石に供給する第５の流路と、
前記精留塔に接続され、前記第５の流路によって前記超電導磁石に供給された液体状態の窒素を前記精留塔に導く第７の流路と、を備える、空気分離装置。

【請求項2】

前記冷却回路は、
前記第５の流路又は前記第７の流路を流れる液体状態の窒素の流量を調節する第１の弁部と、
前記超電導磁石の温度を測定する第１の測定部と、
前記第１の測定部で測定された温度が、前記臨界温度以下の予め定められた値より小さいとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が少なくなり、前記第１の測定部で測定された温度が前記予め定められた値より大きいとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が多くなり、前記第１の測定部で測定された温度が前記予め定められた値のとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が変わらないように、前記第１の弁部の開閉量を制御する第１の制御部と、をさらに備える請求項１に記載の空気分離装置。

【請求項3】

前記冷却回路は、
前記第５の流路を流れる液体状態の窒素の流量を調節する第２の弁部と、
前記第７の流路を流れる液体状態の窒素の温度を測定する第２の測定部と、
前記第２の測定部で測定された温度が、前記臨界温度以下の予め定められた値より小さいとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が少なくなり、前記第２の測定部で測定された温度が前記予め定められた値より大きいとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が多くなり、前記第２の測定部で測定された温度が前記予め定められた値のとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が変わらないように、前記第２の弁部の開閉量を制御する第２の制御部と、をさらに備える請求項１に記載の空気分離装置。

【請求項4】

前記冷却回路は、前記第４の流路と前記第５の流路との接続部より下流に設けられ、前記第４の流路を流れる液体状態の窒素の流量を調節する第３の弁部をさらに備え、
前記第１の制御部は、前記第３の弁部を開けた状態で、前記第１の弁部の前記開閉量を制御しており、前記第１の弁部が全開の状態で、前記第１の測定部で測定された温度が前記予め定められた値より大きいとき、前記第３の弁部を所定量閉じる制御をする請求項２に記載の空気分離装置。

【請求項5】

前記冷却回路は、前記第４の流路と前記第５の流路との接続部より下流に設けられ、前記第４の流路を流れる液体状態の窒素の流量を調節する第３の弁部をさらに備え、
前記第２の制御部は、前記第３の弁部を開けた状態で、前記第２の弁部の前記開閉量を制御しており、前記第２の弁部が全開の状態で、前記第２の測定部で測定された温度が前記予め定められた値より大きいとき、前記第３の弁部を所定量閉じる制御をする請求項３に記載の空気分離装置。

【請求項6】

前記精留塔は、液体状態の原料空気を深冷分離して液体状態の酸素を生成し、
前記凝縮回路は、前記精留塔から取り出された液体状態の酸素と、前記圧縮部によって圧縮された気体状態の窒素とで熱交換させることによって、気体状態の窒素を冷却し、かつ、液体状態の酸素を気体状態にする熱交換部をさらに備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の空気分離装置。

【請求項7】

前記超電導モータ及び前記圧縮部を収容する断熱密閉容器をさらに備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の空気分離装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、深冷分離法によって原料空気を分離する空気分離装置に関する。

【背景技術】

【0002】

空気を分離して酸素と窒素とを大規模に製造する場合、現在、深冷分離法が広く用いられている。深冷分離法では、空気を液化し、酸素と窒素との沸点差を利用して蒸留（精留）することにより、空気を酸素と窒素とに分離する。深冷分離と言われるのは、空気の液化温度が−１７０〜−１９０℃付近であり、深冷分離法が断熱された極低温の系で実施されるからである。

【0003】

深冷分離法を用いる空気分離装置は、精留塔を備えており、精留塔は、原料空気の組成である窒素、酸素の液化温度まで原料空気を冷却することで、気液分離によって純度の高い窒素および酸素を生成する。

【0004】

深冷分離法を用いる空気分離装置として、窒素を還流する凝縮回路を備える空気分離装置がある（例えば、特許文献１，２参照）。凝縮回路は、精留塔から取り出された気体状態の窒素（製品窒素）のうち、一部の窒素を液化して精留塔に戻す。この空気分離装置よれば、窒素の凝縮回路を備え、これにより、窒素の凝縮熱を酸素の蒸発熱として与えることで、熱循環量が増えるので、凝縮回路を備えない空気分離装置と比べて、空気分離装置のエネルギー消費を２０〜３０％削減できることが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第５４１５１９２号明細書

【特許文献2】特許第５６８４０５８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、地球温暖化の抑制、及び、エネルギー価格の高騰により、省エネルギーが強く要請されており、空気分離装置も例外ではない。

【0007】

本発明の目的は、精留塔から取り出された気体状態の窒素のうち、一部の窒素を液化して精留塔に戻す凝縮回路を備える空気分離装置に関して、省エネルギー化を図ることである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る空気分離装置は、液体状態の原料空気を深冷分離して気体状態の窒素を生成する精留塔と、前記精留塔から取り出された気体状態の窒素のうち、一部の窒素が供給され、供給された窒素を気体状態から液体状態に変化させて前記精留塔に戻す凝縮回路と、冷却回路と、を備え、前記凝縮回路は、液体窒素の沸点より高い臨界温度を有する超電導材料で構成された超電導磁石を含む超電導モータと、前記超電導モータによって駆動され、前記凝縮回路を流れる気体状態の窒素を圧縮する圧縮部と、を備え、前記冷却回路は、前記凝縮回路を流れる液体状態の窒素、又は、前記凝縮回路を流れ、前記圧縮部に導かれる前の気体状態の窒素を用いて、前記超電導磁石を前記臨界温度以下に冷却する。

【0009】

超電導モータは、超電導磁石を構成する超電導材料の臨界温度以下に、超電導磁石が冷却された状態で使用される。超電導磁石の冷却には、臨界温度以下の温度を有する冷媒が用いられる。冷媒の温度を臨界温度以下にするには、冷凍機が必要となるが、これより、空気分離装置のエネルギー消費が増加する。

【0010】

本発明に係る空気分離装置では、超電導磁石を臨界温度以下に冷却する冷媒として、窒素を還流する凝縮回路を流れる液体状態又は気体状態の窒素を用いる。従って、本発明に係る空気分離装置によれば、冷凍機が不要なので、空気分離装置の省エネルギー化を図ることができる。

【0011】

気体状態の窒素を冷媒に用いる場合、圧縮部に導かれる前の気体状態の窒素としたのは、この窒素は、ボイルオフガスであり、温度が７７Ｋ（液化窒素の沸点）だからである。

【0012】

上記構成において、前記凝縮回路は、前記精留塔と前記圧縮部とを接続し、前記精留塔から供給された気体状態の窒素を前記圧縮部に導く第１の流路をさらに備え、前記冷却回路は、前記第１の流路と接続され、前記第１の流路を流れる気体状態の窒素の一部を前記超電導磁石に供給する第２の流路と、前記第１の流路と接続され、前記第２の流路によって前記超電導磁石に供給された気体状態の窒素を前記第１の流路に戻す第３の流路と、を備える。

【0013】

この構成は、凝縮回路を流れ、圧縮部に導かれる前の気体状態の窒素を用いて、超電導磁石を臨界温度以下に冷却する。

【0014】

上記構成において、前記凝縮回路は、前記圧縮部によって圧縮された気体状態の窒素を膨張させることにより、窒素を気体状態から液体状態に変化させる膨張部と、前記膨張部と前記精留塔とを接続し、液体状態の窒素を前記精留塔に導く第４の流路と、をさらに備え、前記冷却回路は、前記第４の流路に接続され、前記第４の流路を流れる液体状態の窒素の一部を前記超電導磁石に供給する第５の流路と、前記第４の流路に接続され、前記第５の流路によって前記超電導磁石に供給された液体状態の窒素を前記第４の流路に戻す第６の流路と、を備える。

【0015】

超電導モータの運転中に、急激な負荷変動等が発生したとき、超電導モータには渦電流による発熱が生じる。この発熱で超電導磁石の微小部分で超電導状態が破れると、そこから局所的に発熱し、これが原因で超電導モータが破損することがある。

【0016】

従って、上記渦電流による発熱が生じたとき、この発熱を速やかに冷却する必要がある。液体は気体に比べて熱伝達係数が大きい。この構成によれば、液体状態の窒素（すなわち、液化窒素）を用いて、超電導磁石を冷却するので、上記渦電流による発熱が生じても、その発熱を速やかに冷却することができる。

【0017】

上記構成において、前記冷却回路は、前記第６の流路の替わりに、前記精留塔に接続され、前記第５の流路によって前記超電導磁石に供給された液体状態の窒素を前記精留塔に導く第７の流路を備える。

【0018】

精留塔内は、第４の流路内より圧力が低いので、第５の流路によって超電導コイルに供給された液体状態の窒素を、第４の流路に戻すよりも、精留塔に戻す方が、液体状態の窒素を速やかに精留塔に戻すことができる。従って、この構成によれば、超電導磁石の冷却効率を高めることができる。

【0019】

上記構成において、前記冷却回路は、前記第５の流路又は前記第７の流路を流れる液体状態の窒素の流量を調節する第１の弁部と、前記超電導磁石の温度を測定する第１の測定部と、前記第１の測定部で測定された温度が、前記臨界温度以下の予め定められた値より小さいとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が少なくなり、前記第１の測定部で測定された温度が前記予め定められた値より大きいとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が多くなり、前記第１の測定部で測定された温度が前記予め定められた値のとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が変わらないように、前記第１の弁部の開閉量を制御する第１の制御部と、をさらに備える。

【0020】

この構成によれば、超電導磁石に供給する液体状態の窒素の量を必要最小限度にしつつ、超電導コイルの温度を予め定められた値に自動的に制御することができる。

【0021】

また、この構成によれば、超電導磁石の温度を直接測定するので、超電導磁石の温度を正確に制御できる。

【0022】

上記構成において、前記冷却回路は、前記第５の流路を流れる液体状態の窒素の流量を調節する第２の弁部と、前記第７の流路を流れる液体状態の窒素の温度を測定する第２の測定部と、前記第２の測定部で測定された温度が、前記臨界温度以下の予め定められた値より小さいとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が少なくなり、前記第２の測定部で測定された温度が前記予め定められた値より大きいとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が多くなり、前記第２の測定部で測定された温度が前記予め定められた値のとき、前記超電導磁石に供給する液体状態の窒素の流量が変わらないように、前記第２の弁部の開閉量を制御する第２の制御部と、をさらに備える。

【0023】

この構成によれば、超電導磁石に供給する液体状態の窒素の量を必要最小限度にしつつ、超電導磁石の温度を予め定められた値に自動的に制御することができる。

【0024】

また、この構成によれば、何らかの理由で超電導磁石の温度を直接測定できないとき、第７の流路を流れる液体状態の窒素の温度から間接的に超電導磁石の温度を推定して超電導磁石の温度を制御する。

【0025】

上記構成において、前記冷却回路は、前記第４の流路と前記第５の流路との接続部より下流に設けられ、前記第４の流路を流れる液体状態の窒素の流量を調節する第３の弁部をさらに備え、前記第１の制御部は、前記第３の弁部を開けた状態で、前記第１の弁部の前記開閉量を制御しており、前記第１の弁部が全開の状態で、前記第１の測定部で測定された温度が前記予め定められた値より大きいとき、前記第３の弁部を所定量閉じる制御をする。

【0026】

この構成によれば、第１の制御部は、第１の弁部が全開の状態で、第１の測定部で測定された温度が予め定められた値より大きいとき、第３の弁部を所定量閉じる制御をする。これにより、第４の流路を流れる液体状態の窒素の量が減り、第５の流路を流れる液体状態の窒素の量を増やすことができるので、超電導磁石をより冷却することができる。

【0027】

上記構成において、前記冷却回路は、前記第４の流路と前記第５の流路との接続部より下流に設けられ、前記第４の流路を流れる液体状態の窒素の流量を調節する第３の弁部をさらに備え、前記第２の制御部は、前記第３の弁部を開けた状態で、前記第２の弁部の前記開閉量を制御しており、前記第２の弁部が全開の状態で、前記第２の測定部で測定された温度が前記予め定められた値より大きいとき、前記第３の弁部を所定量閉じる制御をする。

【0028】

この構成によれば、第２の制御部は、第２の弁部が全開の状態で、第２の測定部で測定された温度が予め定められた値より大きいとき、第３の弁部を所定量閉じる制御をする。これにより、第４の流路を流れる液体状態の窒素の量が減り、第５の流路を流れる液体状態の窒素の量を増やすことができるので、超電導磁石をより冷却することができる。

【0029】

上記構成において、前記精留塔は、液体状態の原料空気を深冷分離して液体状態の酸素を生成し、前記凝縮回路は、前記精留塔から取り出された液体状態の酸素と、前記圧縮部によって圧縮された気体状態の窒素とで熱交換させることによって、気体状態の窒素を冷却し、かつ、液体状態の酸素を気体状態にする熱交換部をさらに備える。

【0030】

この構成によれば、精留塔に貯留されている液体状態の酸素を利用して、圧縮された気体状態の窒素を冷却するので、圧縮された気体状態の窒素を冷却する冷媒を新たに用意する必要がない。

【0031】

上記構成において、前記超電導モータ及び前記圧縮部を収容する断熱密閉容器をさらに備える。

【0032】

この構成によれば、超電導モータ及び圧縮部を断熱密閉容器に収容することにより、これらをユニット化している。従って、凝縮回路の組み立て作業を容易にすることができる。

【発明の効果】

【0033】

本発明によれば、精留塔から取り出された気体状態の窒素のうち、一部の窒素を液化して精留塔に戻す凝縮回路を備える空気分離装置に関して、省エネルギー化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】第１実施形態に係る空気分離装置の構成を示す構成図である。

【図2】第２実施形態に係る空気分離装置の構成を示す構成図である。

【図3】第３実施形態に係る空気分離装置の構成を示す構成図である。

【図4】第４実施形態に係る空気分離装置の構成を示す構成図である。

【図5】第４実施形態において、第１の弁部、第１の測定部及び第１の制御部の関係を示すブロック図である。

【図6】第４実施形態において、第１の弁部の制御を説明するフローチャートである。

【図7】第５実施形態に係る空気分離装置の構成を示す構成図である。

【図8】第５実施形態において、第２の弁部、第２の測定部及び第２の制御部の関係を示すブロック図である。

【図9】第６実施形態に係る空気分離装置の構成を示す構成図である。

【図10】第６実施形態において、第１の弁部、第３の弁部、第１の測定部及び第１の制御部の関係を示すブロック図である。

【図11】第６実施形態において、第１の弁部及び第３の弁部の制御を説明するフローチャートである。

【図12】第７実施形態に係る空気分離装置の構成を示す構成図である。

【図13】第７実施形態において、第２の弁部、第３の弁部、第２の測定部及び第２の制御部の関係を示すブロック図である。

【図14】超電導モータ及び圧縮部を収容している断熱密閉容器の模式図である。

【図15】超電導モータの構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。各図において、同一符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その構成について、既に説明している内容については、その説明を省略する。

【0036】

図１は、第１実施形態に係る空気分離装置１ａの構成を示す構成図である。空気分離装置１ａは、圧縮部２、熱交換部３、膨張部４、精留塔５、凝縮回路６及び冷却回路７を備える。第１実施形態及び後で説明する第２〜７実施形態は、冷却回路７の構成が異なる。第１実施形態の冷却回路７は、例えば、温度が７７Ｋの気体状態の窒素を用いて、超電導モータ６０に備えられる超電導コイル６０１を冷却する。

【0037】

圧縮部２は、室温の原料空気を断熱圧縮する圧縮機である。これにより、原料空気の温度は、室温より高くなる。圧縮部２で断熱圧縮された原料空気は、流路８ａを流れて、熱交換部３に送られる。流路８ａ、及び、後で説明する流路８ｂ〜流路８ｏ、流路７０ａ〜流路７０ｅは、配管やラインとも称される。

【0038】

熱交換部３には、流路８ａ、流路８ｂ、流路８ｃ、流路８ｄ、流路８ｅ及び流路８ｆが接続されている。上述したように、圧縮部２で断熱圧縮された原料空気は、流路８ａを流れて、熱交換部３に送られる。精留塔５から取り出された製品窒素は、流路８ｂを流れて、熱交換部３に送られる。精留塔５から取り出された製品酸素は、流路８ｃを流れて、熱交換部３に送られる。

【0039】

熱交換部３は、次の二つの熱交換をする熱交換器である。熱交換部３は、圧縮部２で断熱圧縮された、温度が例えば室温程度の原料空気と、精留塔５から送られてきた、温度が７７Ｋの気体状態の製品窒素とで熱交換をさせ、製品窒素の温度を上昇させる。また、熱交換部３は、圧縮部２で断熱圧縮された、温度が例えば室温程度の原料空気と、精留塔５から送られてきた、温度が９０Ｋの液体状態の製品酸素とで熱交換をさせ、製品酸素の温度を上昇させる。

【0040】

熱交換部３で熱交換された製品窒素及び製品酸素は、それぞれ、流路８ｄ、流路８ｅを流れて、次の工程に送られる。圧縮部２で断熱膨張された原料空気は、熱交換部３で製品窒素及び製品酸素に熱を供給することにより温度が下げられ、流路８ｆを流れて膨張部４に送られる。

【0041】

膨張部４は、送られてきた原料空気を断熱膨張する膨張タービンである。膨張部４として、膨張タービンの替わりに膨張弁を用いることもできる。

【0042】

膨張部４で断熱膨張されて、液体状態にされた原料空気は、流路８ｇを流れて、精留塔５に送られる。

【0043】

精留塔５は、単式（１塔式）であり、液体状態の原料空気を深冷分離して、気体状態の窒素と液体状態の酸素とを生成する。窒素は、精留塔５の上部に溜められ、酸素は、精留塔５の下部に溜められる。精留塔５として、単式の替わりに、複式（２塔式）を用いることもできる。

【0044】

精留塔５の塔頂部には、流路８ｈが接続されている。精留塔５から取り出された、温度が７７Ｋの気体状態の窒素（ボイルオフガス）は、流路８ｈを流れる。流路８ｈは、流路８ｂと流路８ｉとに分岐している。流路８ｈを流れる気体状態の窒素は、流路８ｂを流れて、熱交換部３に送られるか、流路８ｉを流れて、後で説明する凝縮回路６に送られる。

【0045】

精留塔５の塔底部には、流路８ｊが接続されている。流路８ｊは、流路８ｃと流路８ｋとに分岐している。流路８ｊを流れる液体状態の酸素は、流路８ｃを流れて、熱交換部３に送られるか、流路８ｋを流れて、熱交換部６２に送られる。

【0046】

凝縮回路６は、精留塔５から取り出された気体状態の窒素のうち、一部の窒素が供給され、供給された窒素を気体状態から液体状態に変化させて精留塔５に戻すモジュールである。凝縮回路６は、精留塔５で液体状態から気体状態にされた窒素について、その一部を、再び、液体状態にするので、凝縮回路６を再凝縮回路と称することもできる。

【0047】

凝縮回路６は、超電導モータ６０、圧縮部６１、熱交換部６２、膨張部６３及び流路（流路８ｉ、流路８ｌ、流路８ｍ、流路８ｏ）を備える。

【0048】

超電導モータ６０は、超電導磁石を利用して回転子を回転させるモータである。超電導磁石とは、例えば、超電導コイル６０１と、これが巻かれた磁性体芯とで構成される磁石や、超電導バルク磁石である。本実施形態では、前者の磁石を例にして説明する。

【0049】

超電導コイル６０１は、後で説明する冷却回路７によって、そのコイルを構成する超電導材料の臨界温度以下に冷却される。超電導コイル６０１を冷却する冷媒は、温度が７７Ｋの窒素である。よって、超電導コイル６０１を構成する超電導材料は、臨界温度が７７Ｋより高くなければならない。このような超電導材料として、例えば、Ｂｉ系（Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ）又はＹ系（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７）がある。７７Ｋは、液体状態の窒素（すなわち、液化窒素）の沸点である。

【0050】

流路８ｉは、圧縮部６１に接続されている。流路８ｉを流れる気体状態の窒素は、圧縮部６１に送られる。流路８ｈ及び流路８ｉにより、第１の流路が構成される。第１の流路は、精留塔５と圧縮部６１とを接続し、精留塔５から供給された気体状態の窒素を圧縮部６１に導く。

【0051】

圧縮部６１は、超電導モータ６０によって駆動され、流路８ｉを流れる（すなわち、凝縮回路６を流れる）気体状態の窒素を断熱圧縮する。圧縮部６１は、例えば、スクリュー型の圧縮機である。超電導モータ６０の回転軸６０３は、圧縮部６１のスクリュー（不図示）と直接又は間接に連結されている。超電導モータ６０の駆動力は、回転軸６０３を介して、スクリューに伝達されて、スクリューが回転する。

【0052】

熱交換部６２には、流路８ｋ、流路８ｌ、流路８ｍ及び流路８ｎが接続されている。圧縮部６１で断熱圧縮された気体状態の窒素は、流路８ｌを流れて、熱交換部６２に送られる。精留塔５に貯留されている液体状態の酸素は、流路８ｊ及び流路８ｋを流れて、熱交換部６２に送られる。

【0053】

熱交換部６２は、圧縮部６１で断熱圧縮された気体状態の窒素と、精留塔５から送られてきた、温度が９０Ｋの液体状態の酸素とで熱交換をさせ、酸素を液体状態から気体状態に変える。断熱圧縮された気体状態の窒素は、温度が９０Ｋの液体状態の酸素と熱交換するので、窒素の温度を、断熱圧縮により９０Ｋより高くする必要がある。

【0054】

断熱圧縮により温度が上昇した窒素を用いて、酸素を液体状態から気体状態にする。このため、流路８ｌを流れる気体状態の窒素の温度と流路８ｋを流れる液体状態の酸素の温度との差が大きいとき、気体状態の窒素の温度の上昇量が大きくなければならないので、気体状態の窒素を圧縮する動力が大きくなる。逆に、それらの温度差が小さいとき、気体状態の窒素の温度の上昇量は小さくてよいので、気体状態の窒素を圧縮する動力を小さくできる。

【0055】

精留塔５に貯留されている液体状態の酸素を利用して、圧縮された気体状態の窒素を冷却するので、圧縮された気体状態の窒素を冷却する冷媒を新たに用意する必要がない。

【0056】

圧縮部６１で断熱圧縮された気体状態の窒素は、熱交換部６２で酸素に熱を供給することにより温度が下げられ、流路８ｍを流れて膨張部６３に送られる。

【0057】

膨張部６３は、送られてきた窒素を断熱膨張する膨張弁である。膨張部６３として、膨張弁の替わりに膨張タービンを用いることもできる。

【0058】

熱交換部６２で凝縮し液化された窒素は、流路８ｍを流れて膨張部６３に送られ、膨張部６３で断熱膨張されて温度が低下し、流路８ｏを流れて、精留塔５に戻される。

【0059】

このように、圧縮部６１で断熱圧縮された気体状態の窒素は、熱交換部６２において、精留塔５から供給された液体状態の酸素により冷却されることにより、凝縮し液化され、その後、膨張部６３で断熱膨張されて温度が低下する。従って、冷熱源を新たに設けることなく、窒素を液体状態にすることができる。

【0060】

熱交換部６２で気体状態にされた酸素は、流路８ｎを流れて、精留塔５に送られる。この気体状態の酸素は、精留塔５で再液化される。

【0061】

空気分離装置１ａは、以上の処理を繰り返すことにより、原料空気から製品窒素及び製品酸素を製造する。

【0062】

冷却回路７は、超電導モータ６０に含まれる超電導コイル６０１を、このコイルを構成する超電導材料の臨界温度以下に冷却する。冷却回路７は、流路７０ａ（第２の流路）及び流路７０ｂ（第３の流路）を備える。

【0063】

流路７０ａは、流路８ｉ（第１の流路）と接続され、流路８ｉを流れる、温度が７７Ｋの気体状態の窒素の一部を、超電導モータ６０の超電導コイル６０１に供給する。これにより、超電導コイル６０１を臨界温度以下に冷却する。気体状態の窒素を冷媒に用いる場合、圧縮部６１に導かれる前の気体状態の窒素としたのは、この窒素は、ボイルオフガスであり、温度が７７Ｋ（液化窒素の沸点）だからである。

【0064】

流路７０ｂは、流路７０ａより下流で流路８ｉと接続され、流路７０ａによって超電導コイル６０１に供給された気体状態の窒素を流路８ｉに戻す。この窒素は、流路８ｉを流れて、圧縮部６１に送られる。

【0065】

第１実施形態の主な効果を説明する。第１実施形態に係る空気分離装置１ａは、以下の観点から省エネルギー化を図ることができる。

【0066】

圧縮部６１のスクリューを駆動するモータを常電導モータにした場合、常電導モータのコイルの銅損が原因となる熱負荷が発生する。例えば、常電導モータの回転軸を圧縮部６１のスクリューに直接連結する場合、常電導モータを凝縮回路６と同じ環境（７７Ｋの窒素が存在する環境）下に設置しなければならず、常電導モータが原因となる熱負荷がその環境の温度を上昇させる。常電導モータを室温環境下に設置し、常電導モータの回転軸と圧縮部６１のスクリューとを断熱層を介して、軸で連結した場合、この軸からの熱進入が原因となる熱負荷が、上記環境の温度を上昇させる。

【0067】

この入熱分は、原料空気の圧縮仕事で補う必要があるため、凝縮回路６を設けても、空気分離装置１ａの消費エネルギーを少なくする効果が小さくなる。

【0068】

第１実施形態では、圧縮部６１のスクリューを駆動するモータを超電導モータ６０にしている。超電導状態の超電導コイル６０１は、抵抗がゼロなので発熱しない。このため、凝縮回路６で発生する損失は、圧縮部６１等で生じる機械損、並びに、凝縮回路６の流路（例えば、流路８ｉ、流路８ｋ）を流れる流体（窒素、酸素）とこれらの流路との摩擦による流体損のみとなる。このため、空気分離装置１ａが凝縮回路６を備えることによる生じる熱負荷を大幅に低下させることができる。

【0069】

超電導モータ６０は、超電導コイル６０１を構成する超電導材料の臨界温度以下に超電導コイル６０１が冷却された状態で使用される。超電導コイル６０１の冷却には、臨界温度以下の沸点をもつ冷媒が用いられる。

【0070】

第１実施形態に係る空気分離装置１ａでは、超電導コイル６０１を臨界温度以下に冷却する冷媒として、窒素を還流する凝縮回路６を流れる窒素を用いる。従って、第１実施形態に係る空気分離装置１ａによれば、常電導モータを用いた場合に比べ入熱量が小さくなるため省エネルギー化を図ることができる。

【0071】

第２実施形態について、図１に示す第１実施形態との相違点を中心に説明する。図２は、第２実施形態に係る空気分離装置１ｂの構成を示す構成図である。第２実施形態の冷却回路７は、温度が７７Ｋの液体状態の窒素を用いて、超電導コイル６０１を冷却する。

【0072】

流路８ｏは、膨張部６３と精留塔５とを接続し、液体状態の窒素を精留塔５に導く第４の流路である。

【0073】

冷却回路７は、流路７０ｃ（第５の流路）及び流路７０ｄ（第６の流路）を備える。流路７０ｃは、流路８ｏと接続され、流路８ｏを流れる、温度が７７Ｋの液体状態の窒素の一部を超電導コイル６０１に供給する。これにより、超電導コイル６０１を臨界温度以下に冷却する。

【0074】

流路７０ｄは、流路７０ｃより下流で流路８ｏと接続され、流路７０ｃによって超電導コイル６０１に供給された気体状態の窒素を流路８ｏに戻す。この窒素は、流路８ｏを流れて、精留塔５に送られる。

【0075】

第２実施形態の主な効果を説明する。精留塔５から取り出され、流路８ｉを流れる気体状態の窒素の温度と、流路８ｏを流れる液体状態の窒素の温度とは、同じ程度なので、いずれを冷媒にしても、超電導コイル６０１を臨界温度以下に冷却することができる。

【0076】

超電導モータ６０の運転中に、急激な負荷変動等が発生したとき、超電導モータ６０には渦電流による発熱を生じる。この発熱で超電導コイル６０１の微小部分で超電導状態が破れると、そこから局所的に発熱し、これが原因で超電導モータ６０が破損することがある。

【0077】

従って、上記渦電流による発熱が生じたとき、この発熱を速やかに冷却する必要がある。液体は、気体に比べて熱伝達係数が大きい。第２実施形態では、液体状態の窒素（すなわち、液化窒素）を用いて、超電導コイル６０１を冷却するので、上記渦電流による発熱が生じても、その発熱を速やかに冷却することができる。

【0078】

第３実施形態について、図２に示す第２実施形態との相違点を中心に説明する。図３は、第３実施形態に係る空気分離装置１ｃの構成を示す構成図である。第３実施形態の冷却回路７は、図２に示す流路７０ｄ（第６の流路）の替わりに、流路７０ｅ（第７の流路）を備える。流路７０ｅは、精留塔５に接続され、流路７０ｃ（第５の流路）によって超電導コイル６０１に供給された液体状態の窒素を精留塔５に導く。

【0079】

第３実施形態の主な効果を説明する。精留塔５内は、流路８ｏ内より圧力が低いので、途中の流路形状にもよるが、流路７０ｃによって超電導コイル６０１に供給された液体状態の窒素を、流路８ｏに戻すよりも、精留塔５に戻す方が、液体状態の窒素を速やかに精留塔５に戻すことができる。

【0080】

第４実施形態について、図３に示す第３実施形態との相違点を中心に説明する。図４は、第４実施形態に係る空気分離装置１ｄの構成を示す構成図である。図５は、第４実施形態において、第１の弁部７１、第１の測定部７２及び第１の制御部７３の関係を示すブロック図である。第４実施形態の冷却回路７は、第１の弁部７１、第１の測定部７２及び第１の制御部７３を備える。

【0081】

図４及び図５を参照して、第１の弁部７１は、流路７０ｅ（第７の流路）を流れる液体状態の窒素の流量を調節する電磁弁である。なお、第１の弁部７１を、流路７０ｃ（第５の流路）に設置し、流路７０ｃを流れる液体状態の窒素の流量を調節してもよい。

【0082】

第１の測定部７２は、超電導コイル６０１の温度を測定する温度センサである。第１の測定部７２の測定子７２１は、超電導コイル６０１に接触してもよいし、接触していなくてもよい。

【0083】

第１の制御部７３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭを備え、これらにより、以下の機能を実現する。超電導コイル６０１を構成する超電導材料の臨界温度以下の予め定められた値を基準値とする。第１の制御部７３は、第１の測定部７２で測定された温度が基準値（すなわち、予め定められた値）以下のとき、超電導コイル６０１に供給する液体状態の窒素の流量が少なくなり、第１の測定部７２で測定された温度が基準値より大きいとき、超電導コイル６０１に供給する液体状態の窒素の流量が多くなり、第１の測定部７２で測定された温度が基準値のとき、超電導コイル６０１に供給する液体状態の窒素の流量が変わらないように、第１の弁部７１の開閉量を制御する。

【0084】

基準値は、ピンポイントの値（例えば、７７Ｋ）でもよいし、範囲を有する値（例えば、７０Ｋ〜７７Ｋ）でもよい。

【0085】

図６は、第４実施形態において、第１の弁部７１の制御を説明するフローチャートである。第１の測定部７２は、超電導コイル６０１の温度を測定し、その温度を示すデータを第１の制御部に送る（ステップＳ１）。第１の制御部７３は、ステップＳ１で測定された超電導コイル６０１の温度が、基準値と同じか否かを判断する（ステップＳ２）。

【0086】

第１の制御部７３が、超電導コイル６０１の温度が基準値と同じと判断したとき（ステップＳ２でＹｅｓ）、ステップＳ１に戻る。

【0087】

第１の制御部７３が、超電導コイル６０１の温度が基準値と同じでないと判断したとき（ステップＳ２でＮｏ）、第１の制御部７３は、ステップＳ１で測定された超電導コイル６０１の温度が、基準値より大きいか否かを判断する（ステップＳ３）。

【0088】

第１の制御部７３が、超電導コイル６０１の温度が基準値より小さいと判断したとき（ステップＳ３でＮｏ）、第１の制御部７３は、第１の弁部７１を制御して、第１の弁部７１を所定量閉じて、流路７０ｃ及び流路７０ｅを流れる液体状態の窒素の流量を少なくする（ステップＳ４）。そして、ステップＳ１に戻る。

【0089】

第１の制御部７３が、超電導コイル６０１の温度が基準値より大きいと判断したとき（ステップＳ３でＹｅｓ）、第１の制御部７３は、第１の弁部７１が全開か否かを判断する（ステップＳ５）。

【0090】

第１の制御部７３が、第１の弁部７１が全開でないと判断したとき（ステップＳ５でＮｏ）、第１の制御部７３は、第１の弁部７１を制御して、第１の弁部７１を所定量開けて、流路７０ｃ及び流路７０ｅを流れる液体状態の窒素の流量を多くする（ステップＳ６）。そして、ステップＳ１に戻る。

【0091】

第１の制御部７３が、第１の弁部７１が全開と判断したとき（ステップＳ５でＹｅｓ）、第１の制御部７３は、所定の報知部（例えば、ランプ、スピーカ）を作動させて、超電導コイル６０１の温度が基準値より大きいことを、空気分離装置１ｄの運転を管理する者に報知する（ステップＳ７）。

【0092】

第４実施形態によれば、超電導コイル６０１に供給する液体状態の窒素の量を必要最小限度にしつつ、超電導コイル６０１の温度を基準値（予め定められた値）に自動的に制御することができる。

【0093】

また、第４実施形態によれば、超電導コイル６０１の温度を直接測定するので、超電導コイル６０１の温度を正確に制御できる。

【0094】

第５実施形態について、図４及び図５に示す第４実施形態との相違点を中心に説明する。図７は、第５実施形態に係る空気分離装置１ｅの構成を示す構成図である。図８は、第５実施形態において、第２の弁部７４、第２の測定部７５及び第２の制御部７６の関係を示すブロック図である。第５実施形態の冷却回路７は、第２の弁部７４、第２の測定部７５及び第２の制御部７６を備える。

【0095】

図７及び図８を参照して、第２の弁部７４は、流路７０ｃ（第５の流路）を流れる液体状態の窒素の流量を調節する電磁弁である。

【0096】

第２の測定部７５は、流路７０ｅ（第７の流路）を流れる液体状態の窒素の温度を測定する温度センサである。第２の測定部７５の測定子７５１が、流路７０ｅを流れる液体状態の窒素に接触している。

【0097】

第２の制御部７６は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭを備え、第１の制御部７３と同様の機能を有する。すなわち、超電導コイル６０１を構成する超電導材料の臨界温度以下の予め定められた値を基準値とする。第２の制御部７６は、第２の測定部７５で測定された温度が基準値以下のとき、超電導コイル６０１に供給する液体状態の窒素の流量が少なくなり、第２の測定部７５で測定された温度が基準値より大きいとき、超電導コイル６０１に供給する液体状態の窒素の流量が多くなり、第２の測定部７５で測定された温度が基準値のとき、超電導コイル６０１に供給する液体状態の窒素の流量が変わらないように、第２の弁部７４の開閉量を制御する。

【0098】

基準値（予め定められた値）は、第４実施形態で説明した基準値と同様に、ピンポイントの値（例えば、７７Ｋ）でもよいし、範囲を有する値（例えば、７０Ｋ〜７７Ｋ）でもよい。

【0099】

第２の弁部７４の制御は、図６を用いて既に説明した第４実施形態の第１の弁部７１の制御と同じなので説明を省略する。

【0100】

第５実施形態によれば、何らかの理由で超電導コイル６０１の温度を直接測定できないとき、流路７０ｅを流れる液体状態の窒素の温度から間接的に超電導コイル６０１の温度を推定して超電導コイル６０１の温度を制御する。

【0101】

第５実施形態によれば、第４の実施形態と同様に、超電導コイル６０１に供給する液体状態の窒素の量を必要最小限度にしつつ、超電導コイル６０１の温度を予め定められた値に自動的に制御することができる。

【0102】

第６実施形態について、図４〜図６に示す第４実施形態との相違点を中心に説明する。図９は、第６実施形態に係る空気分離装置１ｆの構成を示す構成図である。図１０は、第６実施形態において、第１の弁部７１、第３の弁部７７、第１の測定部７２及び第１の制御部７３の関係を示すブロック図である。第６実施形態の冷却回路７は、第１の弁部７１、第１の測定部７２及び第１の制御部７３に加えて、さらに第３の弁部７７を備える。第６実施形態は、第１の弁部７１を全開にしても、超電導コイル６０１の温度が基準値より大きい場合に対処することができる。

【0103】

図９及び図１０を参照して、第３の弁部７７は、流路８ｏ（第４の流路）と流路７０ｃ（第５の流路）との接続部より下流に設けられ、流路８ｏを流れる液体状態の窒素の流量を調節する電磁弁である。

【0104】

第１の制御部７３は、第３の弁部７７を開けた状態で（すなわち、液体状態の窒素が流路８ｏを流れて、精留塔５に戻された状態で）、第４実施形態で説明した第１の弁部７１の開閉量を制御している。第１の制御部７３は、第１の弁部７１が全開の状態で、第１の測定部７３で測定された温度が基準値（予め定められた値）より大きいとき、第３の弁部７７を所定量閉じる制御をする。これにより、流路８ｏを流れる液体状態の窒素の量が減り、流路７０ｃを流れる液体状態の窒素の量を増やすことができるので、超電導コイル６０１をより冷却することができる。

【0105】

図１１は、第６実施形態において、第１の弁部７１及び第３の弁部７７の制御を説明するフローチャートである。図６のフローチャートと同じ処理については、同一符号を付すことにより説明を省略する。

【0106】

第１の制御部７３が、第１の弁部７１が全開と判断したとき（ステップＳ５でＹｅｓ）、第１の制御部７３は、第３の弁部７７が全閉か否かを判断する（ステップＳ８）。

【0107】

第１の制御部７３が、第３の弁部７７が全閉でないと判断したとき（ステップＳ８でＮｏ）、第１の制御部７３は、第３の弁部７７を所定量閉じる制御をする（ステップＳ９）。そして、ステップＳ１に戻る。

【0108】

第１の制御部７３が、第３の弁部７７が全閉と判断したとき（ステップＳ８でＹｅｓ）、第１の制御部７３は、所定の報知部（例えば、ランプ、スピーカ）を作動させて、超電導コイル６０１の温度が基準値より大きいことを、空気分離装置１ｆの運転を管理する者に報知する（ステップＳ７）。

【0109】

図１２は、第７実施形態に係る空気分離装置１ｇの構成を示す構成図である。図１３は、第７実施形態において、第２の弁部７４、第３の弁部７７、第２の測定部７５及び第２の制御部７６の関係を示すブロック図である。第７実施形態は、図７及び図８に示す第５実施形態に、図９及び図１０に示す第６実施形態の第３の弁部７７を設けたことを特徴とする。第７実施形態は、第２の弁部７４を全開にしても、超電導コイル６０１の温度が基準値より大きい場合に対処することができる。

【0110】

第２の制御部７６は、第３の弁部７７を開けた状態で（すなわち、液体状態の窒素が流路８ｏを流れて、精留塔５に戻された状態で）、第５実施形態で説明した第２の弁部７４の開閉量を制御している。第２の制御部７６は、第２の弁部７４が全開の状態で、第２の測定部７５で測定された温度が基準値より大きいとき、第３の弁部７７を所定量閉じる制御をする。これにより、流路８ｏを流れる液体状態の窒素の量が減り、流路７０ｃを流れる液体状態の窒素の量を増やすことができるので、超電導コイル６０１をより冷却することができる。

【0111】

第１実施形態から第７実施形態について、共通に適用される技術について、図１に示す第１実施形態に係る空気分離装置１ａを例にして説明する。

【0112】

図１４は、超電導モータ６０及び圧縮部６１を収容している断熱密閉容器９の模式図である。断熱密閉容器９内には、超電導モータ６０と、回転軸６０３に連結された圧縮部６１とが配置されている。断熱密閉容器９は、例えば、精留塔５の塔頂近傍において、精留塔５の壁面に取り付ける。

【0113】

この構成によれば、超電導モータ６０及び圧縮部６１を断熱密閉容器９に収容することにより、これらをユニット化している。従って、凝縮回路６の組み立て作業を容易にすることができる。

【0114】

図１５は、超電導モータ６０の構成を示す断面図である。超電導モータ６０は、回転軸６０３、第１の固定子３３ａ、第２の固定子３３ｂ、第３の固定子３３ｃ、第１の回転子３４ａ、第２の回転子３４ｂ、第３の回転子３４ｃ及び第４の回転子３４ｄを備える。圧縮部６１から回転軸６０３の延びる方向に沿って、間隔をあけて、第１の固定子３３ａ、第２の固定子３３ｂ、第３の固定子３３ｃが配置されている。

【0115】

第１の固定子３３ａは、Ｗ相を生成するための固定子である。第１の固定子３３ａは、断熱容器３５、軸受３６、超電導コイル６０１及び隔壁３８を備える。

【0116】

断熱容器３５の材料は、非磁性金属材である。断熱容器３５は、円盤形状を有する。断熱容器３５の中央部に軸受３６が配置されている。軸受３６は、回転軸６０３を回転自在に保持する。

【0117】

断熱容器３５は、中空の構造を有する。断熱容器３５内には、超電導コイル６０１が、軸受３６を囲んで配置されている。超電導コイル６０１は、断熱容器３５内に固定されている磁性体芯（不図示）に巻かれている。この磁性体芯と超電導コイル６０１とにより超電導磁石が構成される。断熱容器３５内は、精留塔５から供給された冷媒、すなわち、気体状態の窒素（ボイルオフガス）で満たされている。第２実施形態から第７実施形態では、断熱容器３５内が、凝縮回路６で生成された液体状態の窒素で満たされている。

【0118】

断熱容器３５は、超電導コイル６０１と対向する箇所に、環状の貫通穴を有する。隔壁３８によって、貫通穴が塞がれている。隔壁３８は、断熱性、非磁性及び絶縁性、又は、断熱性、非磁性及び高抵抗の性質を有する。隔壁３８の材料は、例えば、硬質ガラス、セラミックス、硬質プラスチックである。

【0119】

隔壁３８が断熱性を有するのは、冷媒で満たされた断熱容器３５内と、低温大気又は真空である断熱容器３５外とを断熱するためである。隔壁３８が、非磁性を有するのは、超電導コイル６０１及びこれが巻かれている磁性体芯（不図示）と、永久磁石４１，４３とを磁気的に結合させるためである。隔壁３８が、絶縁性又は高抵抗性を有するのは、隔壁３８に渦電流が発生しないようにするためである。上記磁気的結合が原因で発生する変動磁場によって、隔壁３８に渦電流が発生すれば、隔壁３８が発熱するからである。

【0120】

第２の固定子３３ｂは、Ｖ相を生成するための固定子であり、第３の固定子３３ｃは、Ｕ相を生成するための固定子である。第２の固定子３３ｂ及び第３の固定子３３ｃの構成は、第１の固定子３３ａの構成と同じなので、説明を省略する。

【0121】

第１の固定子３３ａ、第２の固定子３３ｂ及び第３の固定子３３ｃがそれぞれ備える超電導コイル６０１の構成は、例えば、特開２０１４−５４０９２号公報に開示された固定子に備えられるコイルと同じ構成を採用することができる。

【0122】

圧縮部６１から回転軸６０３の延びる方向に沿って、間隔をあけて、第１の回転子３４ａ、第２の回転子３４ｂ、第３の回転子３４ｃ、第４の回転子３４ｄが配置されている。第１の固定子３３ａは、第１の回転子３４ａと第２の回転子３４ｂとによって、所定の間隔をあけて挟まれている。第２の固定子３３ｂは、第２の回転子３４ｂと第３の回転子３４ｃとによって、所定の間隔をあけて挟まれている。第３の固定子３３ｃは、第３の回転子３４ｃと第４の回転子３４ｄとによって、所定の間隔をあけて挟まれている。

【0123】

回転軸６０３は、第１の回転子３４ａ、第２の回転子３４ｂ、第３の回転子３４ｃ、第４の回転子３４ｄのそれぞれの中心部に固定されており、第１の回転子３４ａ、第２の回転子３４ｂ、第３の回転子３４ｃ、第４の回転子３４ｄが回転することにより、回転軸６０３が回転する。

【0124】

第１の回転子３４ａは、磁性材ヨーク４０及び永久磁石４１を備える。磁性材ヨーク４０は、円盤形状を有する。第１の固定子３３ａと対向する、磁性材ヨーク４０の面には、永久磁石４１が配置されている。永久磁石４１は、回転軸６０３を囲み、かつ、第１の固定子３３ａに備えられる隔壁３８及び超電導コイル６０１と対向して配置されている。

【0125】

第２の回転子３４ｂは、構造部材４２及び永久磁石４３を備える。構造部材４２は、円盤形状を有する。構造部材４２の周面に、永久磁石４３が配置されている。永久磁石４３は、回転軸６０３を囲み、かつ、第１の固定子３３ａに備えられる隔壁３８及び超電導コイル６０１、並びに、第２の固定子３３ｂに備えられる隔壁３８及び超電導コイル６０１と対向して配置されている。

【0126】

第３の回転子３４ｃは、第２の回転子３４ｂと同じ構成を有する。第３の回転子３４ｃの永久磁石４３は、回転軸６０３を囲み、かつ、第２の固定子３３ｂに備えられる隔壁３８及び超電導コイル６０１、並びに、第３の固定子３３ｃに備えられる隔壁３８及び超電導コイル６０１と対向して配置されている。

【0127】

第４の回転子３４ｄは、第１の回転子３４ａと同じ構成を有する。第４の回転子３４ｄの永久磁石４１は、回転軸６０３を囲み、かつ、第３の固定子３３ｃに備えられる隔壁３８及び超電導コイル６０１と対向して配置されている。

【0128】

永久磁石４１，４３は、例えば、希土類系永久磁石である。希土類系永久磁石は、強力な保磁力を有するので、第１実施形態〜第７実施形態では、高トルク密度の超電導モータ６０を実現できる。

【0129】

近年、バルク状の酸化物超電導体のピン止め効果を利用して、その内部に磁束を閉じ込めることにより強力な永久磁石を実現する研究が進められている。該永久磁石を、超電導バルク磁石としてもよい。超電導バルク磁石は、従来の永久磁石以上の高い保磁力を有するので、これを従来の永久磁石に替えることにより高効率な超電導モータ６０を実現できる。

【0130】

回転軸６０３の方向に沿って、第１の管部４４ａ、第２の管部４４ｂ、第３の管部４４ｃが配置されている。第１の管部４４ａは、第１の固定子３３ａの断熱容器３５と第２の固定子３３ｂの断熱容器３５とを接続する。第１の管部４４ａを介して、第１の固定子３３ａの断熱容器３５の内部と第２の固定子３３ｂの断熱容器３５の内部とが連通している。第２の管部４４ｂは、第２の固定子３３ｂの断熱容器３５と第３の固定子３３ｃの断熱容器３５とを接続する。第２の管部４４ｂを介して、第２の固定子３３ｂの断熱容器３５の内部と第３の固定子３３ｃの断熱容器３５の内部とが連通している。

【0131】

第３の管部４４ｃは、一端が第３の固定子３３ｃと接続されている。流路７０ａは、第３の管部４４ｃの他端から第３の管部４４ｃに入り、第３の固定子３３ｃの断熱容器３５の内部、第２の管部４４ｂ、第２の固定子３３ｂの断熱容器３５の内部、第１の管部４４ａ、第１の固定子３３ａの断熱容器３５の内部に通されている。流路７０ｂは、第３の管部４４ｃの他端から第３の管部４４ｃに通されている。精留塔５から供給された気体状態の窒素（冷媒）は、流路７０ａを通り、第１の固定子３３ａ、第２の固定子３３ｂ及び第３の固定子３３ｃのそれぞれの断熱容器３５に送られる。これらの断熱容器３５に送られた冷媒は、流路７０ｂを通り、図１に示す流路８ｉに戻される。このように、冷媒は、凝縮回路６と、第１の固定子３３ａ、第２の固定子３３ｂ及び第３の固定子３３ｃのそれぞれの断熱容器３５との間で循環している。

【0132】

第１の管部４４ａ、第２の管部４４ｂ及び第３の管部４４ｃは、気密性が要求されるため、通常、金属で構成される。超電導モータ６０は、常温環境で組み立てられ、臨界温度以下の環境で使用される。このため、第１の管部４４ａ、第２の管部４４ｂ及び第３の管部４４ｃの熱変形を吸収するために、これらの管部は、蛇腹構造を有する。

【符号の説明】

【0133】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ 空気分離装置
５ 精留塔
６ 凝縮回路
７ 冷却回路
８ｉ 流路（第１の流路の具体例）
８ｏ 流路（第４の流路の具体例）
６０ 超電導モータ
６１ 圧縮部
６２ 熱交換部
６３ 膨張部
７０ａ 流路（第２の流路の具体例）
７０ｂ 流路（第３の流路の具体例）
７０ｃ 流路（第５の流路の具体例）
７０ｄ 流路（第６の流路の具体例）
７０ｅ 流路（第７の流路の具体例）
７１ 第１の弁部
７２ 第１の測定部
７３ 第１の制御部
７４ 第２の弁部
７５ 第２の測定部
７６ 第２の制御部
７７ 第３の弁部
６０１ 超電導コイル（超電導磁石の具体例）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】