特許 6535210 超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受

(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】6535210

(24)【登録日】2019年6月7日

(45)【発行日】2019年6月26日

(54)【発明の名称】超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 32/04 20060101AFI20190617BHJP

   H01L 39/04 20060101ALI20190617BHJP

【ＦＩ】

   F16C32/04 ZZAA

   F16C32/04 B

   H01L39/04

【請求項の数】9

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-98438(P2015-98438)

(22)【出願日】2015年5月13日

(65)【公開番号】特開2016-211714(P2016-211714A)

(43)【公開日】2016年12月15日

【審査請求日】2017年12月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000173784

【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】597100538

【氏名又は名称】株式会社ミラプロ

(74)【代理人】

【識別番号】100116207

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 俊明

(74)【代理人】

【識別番号】100089635

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 守

(74)【代理人】

【識別番号】100096426

【弁理士】

【氏名又は名称】川合 誠

(72)【発明者】

【氏名】山下 知久

(72)【発明者】

【氏名】小方 正文

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 佳樹

(72)【発明者】

【氏名】水野 克俊

(72)【発明者】

【氏名】中尾 健吾

(72)【発明者】

【氏名】松岡 太郎

(72)【発明者】

【氏名】清水 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】澤村 秀次

(72)【発明者】

【氏名】小澤 孝仁

【審査官】 増岡 亘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−８３８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−８１７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−９９１５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０９３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２７５８７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−５４６５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−５５３１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１８８９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−８６０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１５０４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−３１２２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−１３２５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１７３１７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｃ ３２／０４

Ｈ０１Ｌ ３９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超電導フライホイール蓄電システムにおける、液体窒素温度以下で電気抵抗がゼロとなる高温超電導線材を巻いて構成するステータコイル部とその冷媒の希ガスヘリウムを収納する内槽容器と、該内槽容器への熱侵入を最小にするための真空空間を維持する外槽容器および冷凍機からなる超電導磁気軸受において、前記ステータコイル部に隣接して保冷機構を設け、無停電電源装置機能を備える電源からの電流を前記ステータコイル部に供給する電流リードの熱アンカーを前記保冷機構に隣接して接続し、前記冷凍機が停止した際にも超電導磁気軸受の運転を継続可能としたことを特徴とする超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受。

【請求項2】

請求項１記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記保冷機構の主材料が銅または銅合金からなることを特徴とする超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受。

【請求項3】

請求項１記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記内槽容器の内外の真空シールと熱伝達が両立可能なように、銅製の厚さ２ｍｍのガスケットフランジ付き伝熱部材を組み込んだことを特徴とする超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受。

【請求項4】

請求項１記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記内槽容器の内外の真空シールと熱伝達が両立可能なように、ＳＵＳ／銅またはＳＵＳ／アルミニウムからなる爆着材からなることを特徴とする超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受。

【請求項5】

請求項１記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記ステータコイルを構成するパンケーキと冷却板を相互に締結しかつ、ロータ側の超電導バルクとステータコイルの相互作用に伴い発生する荷重を常温部に伝達可能な機構を有することを特徴とする超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受。

【請求項6】

請求項５記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記ロータ側の超電導バルクとステータコイルの相互作用に伴い発生する荷重を常温部に伝達可能な機構の一部に断熱部材を設置したことを特徴とする超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受。

【請求項7】

請求項６記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記断熱部材が直径７〜２５μｍのアルミナ繊維をエポキシ樹脂で固化させたロッド部材からなることを特徴とする超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受。

【請求項8】

請求項１記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、ロータ部の周囲に２ｍｍ以下の離間空間を設けかつその外周部に溶接ベローズを配置したことを特徴とする超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受。

【請求項9】

請求項１記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記外槽容器から支持部材を設置したことを特徴とする超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受（ＳＭＢ）に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の超電導磁気軸受でも、数トン級のフライホイールの大荷重を浮上させる強力な磁場を発生することは可能であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−２４９１３０号公報

【特許文献2】特開２０１２−００７７０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、停電などで万一冷凍機が停止した場合の対策が講じられておらず、また、長期連続運転を前提にした低熱侵入化や振動対策が十分とは言えない といった問題があった。

【0005】

本発明は、上記状況に鑑みて、冷凍機が停止した場合でも、一定時間、無停電（ＵＰＳ）機能を有するコイル電源によりＳＭＢの機能を喪失することなく、フライホイールを浮上させことができる、超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、超電導フライホイール蓄電システムにおける、液体窒素温度以下で電気抵抗がゼロとなる高温超電導線材を巻いて構成するステータコイル部とその冷媒の希ガスヘリウムを収納する内槽容器と、この内槽容器への熱侵入を最小にするための真空空間を維持する外槽容器および冷凍機からなる超電導磁気軸受において、前記ステータコイル部に隣接して保冷機構を設け、無停電電源装置機能を備える電源からの電流を前記ステータコイル部に供給する電流リードの熱アンカーを前記保冷機構に隣接して接続し、前記冷凍機が停止した際にも超電導磁気軸受の運転を継続可能としたことを特徴とする。

【0007】

〔２〕上記〔１〕記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記保冷機構の主材料が銅または銅合金からなることを特徴とする。

【0009】

〔４〕上記〔１〕記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記内槽容器の内外の真空シールと熱伝達が両立可能なように、銅製の厚さ２ｍｍのガスケットフランジ付き伝熱部材を組み込んだことを特徴とする。

【0010】

〔５〕上記〔１〕記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記内槽容器の内外の真空シールと熱伝達が両立可能なように、ＳＵＳ／銅またはＳＵＳ／アルミニウムからなる爆着材からなることを特徴とする。

【0011】

〔６〕上記〔１〕記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記ステータコイルを構成するパンケーキと冷却板を相互に締結しかつ、ロータ側の超電導バルクとステータコイルの相互作用に伴い発生する荷重（反力）を常温部に伝達可能な機構を有することを特徴とする。

【0012】

〔７〕上記〔６〕記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記ロータ側の超電導バルクとステータコイルの相互作用に伴い発生する荷重（反力）を常温部に伝達可能な機構の一部に低熱侵入かつ高強度な断熱部材を設置したことを特徴とする。

【0013】

〔８〕上記〔７〕記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記断熱部材が直径７〜２５μｍのアルミナ繊維をエポキシ樹脂で固化させたロッド部材からなることを特徴とする。

【0014】

〔９〕上記〔１〕記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、ロータ部の周囲に２ｍｍ以下の離間空間を設けかつその外周部に溶接ベローズを配置したことを特徴とする。

【0015】

〔１０〕上記〔１〕記載の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受において、前記外槽容器から断熱性の高い支持部材（振れ止め）を設置したことを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、停電などで万一冷凍機が停止しても、安全に数トン級のフライホイールの大荷重を支えつつソフトランディングさせ、回転を停止させることが可能になるなど、長期連続運転に対応可能な超電導磁気軸受を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受の構成図である。

【図2】超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受の概略構成図である。

【図3】超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受の電流リード（ＰＬ）アンカー構成図である。

【図4】超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受のステーターコイルと保冷部材の説明図である。

【図5】超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受のＩＣＦ（ガスケットフランジ付き伝熱部材）の熱コンタクト構成の説明図である。

【図6】爆着材による熱コンタクト構成の説明図である。

【図7】振れ止め機構構成の説明図である。

【図8】本発明のＳＭＢ構成の保冷特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受は、超電導フライホイール蓄電システムにおける、液体窒素温度以下で電気抵抗がゼロとなる高温超電導線材を巻いて構成するステータコイル部とその冷媒の希ガスヘリウムを収納する内槽容器と、この内槽容器への熱侵入を最小にするための真空空間を維持する外槽容器および冷凍機からなる超電導磁気軸受において、前記ステータコイル部に隣接して保冷機構を設けるようにした。

【実施例】

【0019】

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

【0020】

図１は本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受の構成図、図２は超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受の概略構成図、図３は超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受の電流リード（ＰＬ）アンカー構成図、図４は超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受のステーターコイルと保冷部材の説明図、図５は超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受のＩＣＦ（ガスケットフランジ付き伝熱部材）の熱コンタクト構成の説明図、図６は爆着材による熱コンタクト構成の説明図、図７は振れ止め機構構成の説明図である。

【0021】

これらの図において、１はロータ部、２はベローズ継ぎ手、３は断熱ロッド、４は内槽容器、５は外槽容器、６は反力伝達機構、７は電流リード熱アンカー、８はステータコイル部、９は保冷機構、１０はＩＣＦ／爆着材、１１は振れ止め機構、１２は冷凍機である。

【0022】

また、図２において、１３はコイル収納容器、１４はコイル保冷部材、１５はＰＬ（＋）１５ＡとＰＬ（−）１５Ｂからなる電流リード（ＰＬ），１６はＰＬ真空端子、１７はＵＰＳ付き常時通電電源、１８は熱コンタクト部である。
また、図３において、２０は保冷部材（銅、銅合金）、２１は熱アンカー部材、２２はＰＬアンカー、２３は冷却板（伝熱フレキ）である。
また、図４において、８Ａはコイル巻線部、８Ｂはステータコイル、８Ｃはコイルケースである。ここでは、ステータコイル８Ｂと銅製のコイル保冷部材１４は積層し、ボルト等で相互締結される。
また、図５において、３１はＩＣＦ本体、３２は真空シール固定フランジ、３３は真空シール部、２３Ａは伝熱フレキ（冷凍機側）、２３Ｂは伝熱フレキ（コイル側）である。ここでは、銅製ＩＣＦは真空分離と熱伝達を両立可能な構成を実現する。
また、図６において、アルミニウム２４とＳＵＳ２５とからなる爆着材は、真空分離と熱伝達を両立可能な構成を実現する。
また、図７において、４１はＦＲＰロッド（断熱部材）、４２は皿バネ、４３は真空シール（Ｏリング）、４４は低温側接点部材、４５はＦＲＰパイプ（断熱部材）、４６はロッド固定ナット、４７は固定部材、４８は真空キャップである。ここでは、振れ止め機構は、外槽から断熱しつつ内槽の振動低減を両立可能な構成を実現する。

【0023】

上記したように、本発明では、超電導フライホイール蓄電システムにおける、液体窒素温度以下で電気抵抗がゼロとなる高温超電導線材を巻いて構成するステータコイル部８とその冷媒の希ガスヘリウムを収納する内槽容器４と、この内槽容器４への熱侵入を最小にするための真空空間を維持する外槽容器５および冷凍機１２からなる超電導磁気軸受において、前記ステータコイル部８に隣接して保冷機構９を設けるようにした。その保冷機構９の主材料は銅または銅合金からなる。

【0024】

また、ステータコイル部８の保冷機構９に電流リード熱アンカー７を接続するようにした。

【0025】

よって、ステータコイル構造において、万一冷凍機が停止した場合でも、ソフトランディングさせるのに必要な一定時間、ＵＰＳ機能を有するコイル電源によりＳＭＢの機能を喪失することなく、フライホイールを浮上させことができる。

【0026】

また、ステータコイル部８とその冷媒の希ガスヘリウムを収納する内槽容器４において、内槽容器４の内外の真空シールと熱伝達が両立可能なように、銅製の厚さ２ｍｍのガスケットフランジ付き伝熱部材１０を組み込んだ。

【0027】

ステータコイル部８とその冷媒の希ガスヘリウムを収納する内槽容器４において、内槽容器４の内外の真空シールと熱伝達が両立可能なように、ＳＵＳ/ アルミニウムからなる爆着材を有する。

【0028】

ステータコイル部８とその冷媒の希ンケーキと冷却板を相互に締結しかつ、ロータ側の超電導バルクとステータコイル部８の相互作用に伴い発生する荷重（反力）を常温部に伝達可能な機構を有する。

【0029】

ロータ側の超電導バルクとステータコイル部８の相互作用に伴い発生する荷重（反力）を常温部に伝達可能な機構の一部に低熱侵入かつ高強度な断熱部材を設置するようにした。つまり、ステータコイルに加わる反力伝達と低熱侵入を両立する構成とした。

【0030】

断熱ロッド３（ロッド部材）は低熱侵入かつ高強度な断熱部材が直径７〜２５μｍのアルミナ繊維をエポキシ樹脂で固化させて製作した。よって、高断熱で高強度な断熱ロッド３を得ることができる。

【0031】

また、超電導磁気軸受ロータ（断熱シャフト）の低熱侵入を目的にしたラビリンス構造部材としてロータ部１の周囲に２ｍｍ以下の離間空間を設け、かつその外周部にベローズ継ぎ手（溶接ベローズ）２を配置するようにした。

【0032】

また、外槽容器５から断熱性の高い支持部材と熱収縮差を吸収可能なバネ部からなる振れ止め機構１１を設置するようにした。このように、ＳＭＢのステータコイルを収納する内槽の振動対策も講じるようにした。

【0033】

図８は本発明のＳＭＢ構成の保冷特性図であり、万一冷凍機が停止しても、図８に示すように２時間半近く運転可能である。

【0034】

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。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本発明の超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受は、冷凍機が停止した場合でも、一定時間、ＵＰＳ機能を有するコイル電源によりＳＭＢ機能を喪失することなく、フライホイールを浮上させことができ、超電導フライホイール蓄電システム用超電導磁気軸受として利用可能である。

【符号の説明】

【0036】

１ ロータ部
２ ベローズ継ぎ手
３ 断熱ロッド
４ 内槽容器
５ 外槽容器
６ 反力伝達機構
７ 電流リード熱アンカー
８ ステータコイル部
８Ａ コイル巻線部
８Ｂ ステータコイル
８Ｃ コイルケース
９ 保冷機構
１０ ガスケットフランジ付き伝熱部材／爆着材からなる伝熱部材
１１ 振れ止め機構
１２ 冷凍機
１３ コイル収納容器
１４ コイル保冷部材
１５ 電流リード（ＰＬ）
１５Ａ ＰＬ（＋）
１５Ｂ ＰＬ（−）
１６ ＰＬ真空端子
１７ ＵＰＳ付き常時通電電源
１８ 熱コンタクト部
２０ 保冷部材（銅、銅合金）
２１ 熱アンカー部材
２２ ＰＬアンカー
２３ 冷却板（伝熱フレキ）
２３Ａ 伝熱フレキ（冷凍機側）
２３Ｂ 伝熱フレキ（コイル側）
２４ アルミニウム
２５ ＳＵＳ
３１ ＩＣＦ本体
３２ 真空シール固定フランジ
３３ 真空シール部
４１ ＦＲＰロッド（断熱部材）
４２ 皿バネ
４３ 真空シール（Ｏリング）
４４ 低温側接点部材
４５ ＦＲＰパイプ（断熱部材）
４６ ロッド固定ナット
４７ 固定部材
４８ 真空キャップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】