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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024132706
(43)【公開日】2024-10-01
(54)【発明の名称】超伝導回転機、および、その冷却方法
(51)【国際特許分類】
H02K 55/04 20060101AFI20240920BHJP
【ＦＩ】
H02K55/04
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023043592
(22)【出願日】2023-03-17
(71)【出願人】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】児玉 一宗
(72)【発明者】
【氏名】一木 洋太
(57)【要約】
【課題】冷却構造を簡略化する。
【解決手段】超伝導回転機１００は、超伝導界磁巻線２２を回転子２１に備え、回転子は、外層側から真空容器３１、輻射シールド３２、ガス容器３３の三層円筒構造をもつ非回転容器（三層円筒容器３０）内に納められるとともに、トルクチューブ４０を介して回転軸（シャフト４１）と接続され、ガス容器には熱交換ガス９９が封入され、輻射シールドとトルクチューブとの間には第１熱交換器５１が備え付けられ、超伝導界磁巻線とガス容器との間には第２熱交換器５２が備え付けられ、第１熱交換器と第２熱交換器は、ガス容器に封入された熱交換ガスの熱伝導により熱交換される。
【選択図】図１
【解決手段】超伝導回転機１００は、超伝導界磁巻線２２を回転子２１に備え、回転子は、外層側から真空容器３１、輻射シールド３２、ガス容器３３の三層円筒構造をもつ非回転容器（三層円筒容器３０）内に納められるとともに、トルクチューブ４０を介して回転軸（シャフト４１）と接続され、ガス容器には熱交換ガス９９が封入され、輻射シールドとトルクチューブとの間には第１熱交換器５１が備え付けられ、超伝導界磁巻線とガス容器との間には第２熱交換器５２が備え付けられ、第１熱交換器と第２熱交換器は、ガス容器に封入された熱交換ガスの熱伝導により熱交換される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超伝導界磁巻線を回転子に備え、
前記回転子は、外層側から真空容器、輻射シールド、ガス容器の三層円筒構造をもつ非回転容器内に納められるとともに、トルクチューブを介して回転軸と接続され、
前記ガス容器には熱交換ガスが封入され、
前記輻射シールドと前記トルクチューブとの間には第１熱交換器が備え付けられ、
前記超伝導界磁巻線と前記ガス容器との間には第２熱交換器が備え付けられ、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器は、前記ガス容器に封入された前記熱交換ガスの熱伝導により熱交換される
ことを特徴とする超伝導回転機。
前記回転子は、外層側から真空容器、輻射シールド、ガス容器の三層円筒構造をもつ非回転容器内に納められるとともに、トルクチューブを介して回転軸と接続され、
前記ガス容器には熱交換ガスが封入され、
前記輻射シールドと前記トルクチューブとの間には第１熱交換器が備え付けられ、
前記超伝導界磁巻線と前記ガス容器との間には第２熱交換器が備え付けられ、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器は、前記ガス容器に封入された前記熱交換ガスの熱伝導により熱交換される
ことを特徴とする超伝導回転機。
【請求項2】
請求項１に記載の超伝導回転機であって、
前記真空容器には２ステージ冷凍機が挿入され、
前記２ステージ冷凍機の第１ステージにより前記第１熱交換器の前記輻射シールド側が伝導冷却され、
前記２ステージ冷凍機の第２ステージにより前記第２熱交換器の前記ガス容器側が伝導冷却される
ことを特徴とする超伝導回転機。
前記真空容器には２ステージ冷凍機が挿入され、
前記２ステージ冷凍機の第１ステージにより前記第１熱交換器の前記輻射シールド側が伝導冷却され、
前記２ステージ冷凍機の第２ステージにより前記第２熱交換器の前記ガス容器側が伝導冷却される
ことを特徴とする超伝導回転機。
【請求項3】
請求項１に記載の超伝導回転機であって、
二つの温度の冷媒の流路が備わっており、
より高温の冷媒は前記第１熱交換器の前記輻射シールド側を冷却し、
より低温の冷媒は前記第２熱交換器の前記ガス容器側を冷却する
ことを特徴とする超伝導回転機。
二つの温度の冷媒の流路が備わっており、
より高温の冷媒は前記第１熱交換器の前記輻射シールド側を冷却し、
より低温の冷媒は前記第２熱交換器の前記ガス容器側を冷却する
ことを特徴とする超伝導回転機。
【請求項4】
請求項１に記載の超伝導回転機であって、
前記熱交換ガスの圧力が輻射よりも気体分子伝導による伝熱が支配的となる範囲で大気圧よりも減圧されている
ことを特徴とする超伝導回転機。
前記熱交換ガスの圧力が輻射よりも気体分子伝導による伝熱が支配的となる範囲で大気圧よりも減圧されている
ことを特徴とする超伝導回転機。
【請求項5】
請求項１に記載の超伝導回転機であって、
前記真空容器、前記輻射シールド、前記ガス容器のいずれかに対して、少なくともその一部に繊維強化複合材が適用されている
ことを特徴とする超伝導回転機。
前記真空容器、前記輻射シールド、前記ガス容器のいずれかに対して、少なくともその一部に繊維強化複合材が適用されている
ことを特徴とする超伝導回転機。
【請求項6】
請求項５に記載の超伝導回転機であって、
前記繊維強化複合材の表面に渦電流の流れる方向とは垂直方向に高熱伝導の金属線が貼り付けられている
ことを特徴とする超伝導回転機。
前記繊維強化複合材の表面に渦電流の流れる方向とは垂直方向に高熱伝導の金属線が貼り付けられている
ことを特徴とする超伝導回転機。
【請求項7】
請求項１に記載の超伝導回転機であって、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器は、高熱伝導の素材からなる対向する板の間に熱交換ガスが介在する
ことを特徴とする超伝導回転機。
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器は、高熱伝導の素材からなる対向する板の間に熱交換ガスが介在する
ことを特徴とする超伝導回転機。
【請求項8】
請求項１に記載の超伝導回転機であって、
前記回転子から離れた場所に設けられた冷凍機を備え、
前記冷凍機は、前記第１熱交換器の前記輻射シールド側と前記第２熱交換器の前記ガス容器側に対して異なる冷媒の循環路を形成して、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器を冷却する構成になっている
ことを特徴とする超伝導回転機。
前記回転子から離れた場所に設けられた冷凍機を備え、
前記冷凍機は、前記第１熱交換器の前記輻射シールド側と前記第２熱交換器の前記ガス容器側に対して異なる冷媒の循環路を形成して、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器を冷却する構成になっている
ことを特徴とする超伝導回転機。
【請求項9】
請求項１に記載の超伝導回転機であって、
前記第１熱交換器を冷却する第１冷凍機と、
前記第２熱交換器を冷却する第２冷凍機と、を備え、
前記第１冷凍機と前記第２冷凍機は、動作温度が異なる
ことを特徴とする超伝導回転機。
前記第１熱交換器を冷却する第１冷凍機と、
前記第２熱交換器を冷却する第２冷凍機と、を備え、
前記第１冷凍機と前記第２冷凍機は、動作温度が異なる
ことを特徴とする超伝導回転機。
【請求項10】
超伝導界磁巻線を回転子に備え、前記回転子は、外層側から真空容器、輻射シールド、ガス容器の三層円筒構造をもつ非回転容器内に納められるとともに、トルクチューブを介して回転軸と接続され、前記ガス容器には熱交換ガスが封入され、前記輻射シールドと前記トルクチューブとの間には第１熱交換器が備え付けられ、前記超伝導界磁巻線と前記ガス容器との間には第２熱交換器が備え付けられ、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器は、前記ガス容器に封入された前記熱交換ガスの熱伝導により熱交換される超伝導回転機の冷却方法であって、
前記真空容器には２ステージ冷凍機が挿入されており、
前記２ステージ冷凍機の第１ステージにより前記第１熱交換器の前記輻射シールド側が伝導冷却され、
前記２ステージ冷凍機の第２ステージにより前記第２熱交換器の前記ガス容器側が伝導冷却される
ことを特徴とする超伝導回転機の冷却方法。
前記真空容器には２ステージ冷凍機が挿入されており、
前記２ステージ冷凍機の第１ステージにより前記第１熱交換器の前記輻射シールド側が伝導冷却され、
前記２ステージ冷凍機の第２ステージにより前記第２熱交換器の前記ガス容器側が伝導冷却される
ことを特徴とする超伝導回転機の冷却方法。
【請求項11】
超伝導界磁巻線を回転子に備え、前記回転子は、外層側から真空容器、輻射シールド、ガス容器の三層円筒構造をもつ非回転容器内に納められるとともに、トルクチューブを介して回転軸と接続され、前記ガス容器には熱交換ガスが封入され、前記輻射シールドと前記トルクチューブとの間には第１熱交換器が備え付けられ、前記超伝導界磁巻線と前記ガス容器との間には第２熱交換器が備え付けられ、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器は、前記ガス容器に封入された前記熱交換ガスの熱伝導により熱交換される超伝導回転機の冷却方法であって、
前記回転子から離れた場所には、冷凍機が設けられており、
前記第１熱交換器の前記輻射シールド側と前記冷凍機との間には、第１循環路が形成され、
前記第２熱交換器の前記ガス容器側と前記冷凍機との間には、第２循環路が形成され、
前記第１循環路を通る冷媒と前記第２循環路を通る冷媒が前記冷凍機はよって異なる温度に冷却されることで、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器を冷却する
ことを特徴とする超伝導回転機の冷却方法。
前記回転子から離れた場所には、冷凍機が設けられており、
前記第１熱交換器の前記輻射シールド側と前記冷凍機との間には、第１循環路が形成され、
前記第２熱交換器の前記ガス容器側と前記冷凍機との間には、第２循環路が形成され、
前記第１循環路を通る冷媒と前記第２循環路を通る冷媒が前記冷凍機はよって異なる温度に冷却されることで、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器を冷却する
ことを特徴とする超伝導回転機の冷却方法。
【請求項12】
超伝導界磁巻線を回転子に備え、前記回転子は、外層側から真空容器、輻射シールド、ガス容器の三層円筒構造をもつ非回転容器内に納められるとともに、トルクチューブを介して回転軸と接続され、前記ガス容器には熱交換ガスが封入され、前記輻射シールドと前記トルクチューブとの間には第１熱交換器が備え付けられ、前記超伝導界磁巻線と前記ガス容器との間には第２熱交換器が備え付けられ、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器は、前記ガス容器に封入された前記熱交換ガスの熱伝導により熱交換される超伝導回転機の冷却方法であって、
前記超伝導回転機には、前記第１熱交換器を冷却する第１冷凍機と、前記第２熱交換器を冷却する第２冷凍機と、が設けられており、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器は、異なる動作温度で前記第１冷凍機と前記第２冷凍機によって冷却される
ことを特徴とする超伝導回転機の冷却方法。
前記超伝導回転機には、前記第１熱交換器を冷却する第１冷凍機と、前記第２熱交換器を冷却する第２冷凍機と、が設けられており、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器は、異なる動作温度で前記第１冷凍機と前記第２冷凍機によって冷却される
ことを特徴とする超伝導回転機の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超伝導回転機、および、その冷却方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、一般に「超伝導コイル」と称される超伝導界磁巻線を様々な分野の装置に用いることが行われている。その一例として、例えば、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）や核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）などの装置では、界磁の発生手段に超伝導界磁巻線を用いることが行われている。なお、超伝導界磁巻線は、臨界温度以下の温度に冷却することで大電流を通電することができる超伝導線材で構成された巻線である。
【0003】
また、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）や核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）などの装置以外に、例えば、発電機や電動機などの回転機でも、界磁の発生手段に超伝導界磁巻線を用いることが行われている。以下、超伝導界磁巻線を界磁の発生手段に用いた回転機を「超伝導回転機」と称する。
【0004】
超伝導回転機の中で、シャフトに固定された超伝導界磁巻線を真空断熱容器の内部に配置し、シャフトとともに超伝導界磁巻線を回転させる構成のものがある（例えば、特許文献１参照）。この構成の超伝導回転機は、外部に設けられた冷却ステーション（特許文献１ではコールドヘッド又は図示せぬ冷却手段）からシャフトの内部に極低温の冷媒を供給することで、臨界温度以下の温度に超伝導界磁巻線を冷却する。その際に、冷媒は、回転子との熱交換により温度が上昇するが、外部の冷却ステーションに戻されて、冷却される。冷媒には、ガスヘリウムやネオンなどが使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特表２００５－５２８８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）や核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）などの装置は、回転しない部材に超伝導界磁巻線を用いている。これに対して、超伝導回転機は、回転子として回転する部材に超伝導界磁巻線を用いている。このような超伝導回転機は、外部の冷却ステーションと回転子との間で極低温の冷媒を循環させて超伝導界磁巻線を冷却する。このような超伝導回転機は、冷却構造として、極低温の冷媒を回転子に導入するための回転接手をシャフトに設けたり、極低温の冷媒を移送するためのポンプを冷却ステーションに設けたりしている。このような超伝導回転機は、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）や核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）と比較して、冷却構造が複雑な構造になっているため、超伝導界磁巻線を冷却し難く、信頼性が低下し易い、という課題もある。
【0007】
本発明は、前記した課題を解決するためになされたものであり、冷却構造を簡略化した超伝導回転機、および、その冷却方法を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記目的を達成するため、本発明は、超伝導回転機であって、超伝導界磁巻線を回転子に備え、前記回転子は、外層側から真空容器、輻射シールド、ガス容器の三層円筒構造をもつ非回転容器内に納められるとともに、トルクチューブを介して回転軸と接続され、前記ガス容器には熱交換ガスが封入され、前記輻射シールドと前記トルクチューブとの間には第１熱交換器が備え付けられ、前記超伝導界磁巻線と前記ガス容器との間には第２熱交換器が備え付けられ、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器は、前記ガス容器に封入された前記熱交換ガスの熱伝導により熱交換される構成とする。
その他の手段は、後記する。
その他の手段は、後記する。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、冷却構造を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施形態１に係る超伝導回転機の模式構成図である。
【図2A】極低温環境下における、圧力InＰと熱伝導率Inλの両対数グラフ図である。
【図2B】極低温環境下における、圧力InＰと風損InＷの両対数グラフ図である。
【図3】熱交換器における熱交換部の模式構成図である。
【図4】熱交換器の変形例における熱交換部の模式構成図である。
【図5】高い熱伝導率と低い渦電流損を両立した構造部材の構成例を示す図である。
【図6】実施形態２に係る超伝導回転機の模式構成図である。
【図7】実施形態３に係る超伝導回転機の模式構成図である。
【図8】比較例の超伝導回転機の模式構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）について詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示しているに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【0012】
【0013】
本実施形態に係る超伝導回転機１００は、超伝導界磁巻線２２を回転子２１に備えた回転機である。本実施形態に係る超伝導回転機１００は、例えば、メガワットクラスの大型の装置に適している。
【0014】
図１に示すように、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、任意の場所に固定設置される外被１０の内部に、三層円筒容器３０を有している。三層円筒容器３０は、回転しない非回転容器である。三層円筒容器３０は、外側から順に真空容器３１と輻射シールド３２とガス容器３３とを有している。真空容器３１と輻射シールド３２は、内部空間を高真空に維持する容器である。ガス容器３３は、内部に熱交換ガス９９が封入される容器である。
【0015】
真空容器３１と輻射シールド３２とガス容器３３とは、それぞれ円筒形状を呈している。ただし、真空容器３１と輻射シールド３２とガス容器３３は、真正な円筒形状でなくてもよく、例えば任意の部位に凹凸を設けた形状であってもよい。また、図１に示す例では、輻射シールド３２とガス容器３３は、軸方向の両端部が軸方向に延びる形状になっている。また、輻射シールド３２は、後記する第１熱交換器５１を収納する部位を拡幅させた形状であってもよい。
【0016】
輻射シールド３２は、真空容器３１とガス容器３３との間を、外側の空間と内側の空間とに仕切っている。真空容器３１とガス容器３３との間において、輻射シールド３２よりも外側の空間は、例えば５０Ｋ［ケルビン］程度の中温領域の温度に維持される。また、輻射シールド３２よりも内側の空間は、例えば１０Ｋ［ケルビン］程度の内側の極低温領域の温度に維持される。
【0017】
ガス容器３３の内部には、回転子２１が配置されている。回転子２１は、超伝導界磁巻線２２と、超伝導界磁巻線２２を支持する界磁サポート２３と、を有する。超伝導界磁巻線２２には、超伝導線材が用いられる。超伝導線材は、臨界温度以下の温度に冷却することで大電流を通電することができる線材である。超伝導界磁巻線２２は、２ステージＧＭ冷凍機６０により極低温に冷却されて超伝導状態になることで、ゼロ抵抗で大電流を通電することができる。
【0018】
回転子２１は、トルクチューブ４０を介して回転軸であるシャフト４１に接続され、シャフト４１とともに回転する。シャフト４１は、軸受４２によって回転自在に支持されている。シャフト４１は、軸受４２を介して外被１０の軸方向端面板（側板）から外界へと伸び、外界に動力を伝達する。熱交換ガス９９は、軸受４２の近傍で磁性流体シール４３により封止されている。トルクチューブ４０とシャフト４１は、ガス容器３３に封入された熱交換ガス９９と接触する構成になっている。
【0019】
輻射シールド３２の円筒部において、輻射シールド３２とトルクチューブ４０との間には、第１熱交換器５１が備え付けられている。また、ガス容器３３の軸方向端部において、超伝導界磁巻線２２とガス容器３３との間には、第２熱交換器５２が備え付けられている。図１に示す例では、第２熱交換器５２は、超伝導界磁巻線２２とガス容器３３との右側の軸方向端部に設けられているが、左側の軸方向端部又は両側の軸方向端部に設けるようにしてもよい。第１熱交換器５１と第２熱交換器５２は、ガス容器３３に封入された熱交換ガス９９の熱伝導により熱交換される。
【0020】
また、外被１０と真空容器３１との間には、電機子巻線１２（固定子巻線）を支持する電機子サポート１３が配置され、電機子サポート１３が鉄コア１１によって支持されている。
【0021】
三層円筒容器３０の軸方向端部には、２ステージＧＭ冷凍機６０が備え付けられている。２ステージＧＭ冷凍機６０は、第１ステージ６１と第２ステージ６２の二つのステージを有し、二つのステージを冷却するＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機である。以下、２ステージＧＭ冷凍機を単に「２ステージ冷凍機」と称する場合がある。図１に示すように、２ステージＧＭ冷凍機６０は、好ましくは、複数設けられるとよい。また、複数の２ステージＧＭ冷凍機６０は、好ましくは、三層円筒容器３０の軸方向端部において、シャフト４１を中心とする円上に、等間隔に設けられるとよい。
【0022】
２ステージＧＭ冷凍機６０の第１ステージ６１は、輻射シールド３２の軸方向端部に接続されており、第１熱交換器５１を伝導冷却する。換言すると、超伝導回転機１００では、２ステージＧＭ冷凍機６０の第１ステージ６１により第１熱交換器５１の輻射シールド３２側が伝導冷却される。２ステージＧＭ冷凍機６０の第１ステージ６１は、第１熱交換器５１を冷却することで、間接的に超伝導界磁巻線２２を冷却する。また、２ステージＧＭ冷凍機６０の第２ステージ６２は、ガス容器３３に接続されており、第２熱交換器５２を伝導冷却する。換言すると、超伝導回転機１００では、２ステージＧＭ冷凍機６０の第２ステージ６２により第２熱交換器５２のガス容器３３側が伝導冷却される。２ステージＧＭ冷凍機６０の第２ステージ６２は、第２熱交換器５２を冷却することで、間接的にトルクチューブ４０を冷却する。第１ステージ６１は、例えば５０Ｋ［ケルビン］程度の中温領域に冷却する冷却部である。第２ステージ６２は、例えば１０Ｋ［ケルビン］程度の極低温領域に冷却する冷却部である。
【0023】
第１熱交換器５１および第２熱交換器５２は、例えば無酸素銅などの熱伝導率の優れた対向する金属板から構成される。第１熱交換器５１および第２熱交換器５２の対向する金属板の間には、熱交換ガス９９が介在しており、熱交換ガス９９により対向する金属板の間で熱交換が行われる。
【0024】
輻射シールド３２、第１熱交換器５１、トルクチューブ４０の中間点は、２ステージＧＭ冷凍機６０の第１ステージ６１と近い温度、例えば５０Ｋ［ケルビン］程度に冷却される。また、超伝導界磁巻線２２と界磁サポート２３、ガス容器３３、第２熱交換器５２は、２ステージＧＭ冷凍機６０の第２ステージ６２と近い温度、例えば１０Ｋ［ケルビン］程度に冷却される。
【0025】
ガス容器３３の外側と真空容器３１の内側の空間は、高真空に維持され、三層円筒容器３０（真空容器３１、輻射シールド３２、ガス容器３３）の間の断熱性を高めている。
【0026】
トルクチューブ４０とシャフト４１には、外部電源から超伝導界磁巻線２２へ電流を導入するための磁性電流導入端子４６が内蔵されている。磁性電流導入端子４６としては、外界から低温部への熱侵入を抑制するために、熱伝導率が低く、かつ、ゼロ抵抗で大電流を通電可能な高温超伝導電流リードを用いるとよい。磁性電流導入端子４６の端部は、スリップリングとカーボンブラシを使用しており、外部から回転子２１に電流を導入可能である。電機子巻線１２には、銅の導体が使用されている。電機子巻線１２は、真空容器３１の外側の室温環境に設置されている。
【0027】
ＧＭ冷凍機を用いて磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）を冷却する技術が提案されている。しかしながら、ＧＭ冷凍機を用いて磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）を冷却する技術は、ガスを介して冷却することや、熱交換器の位置が考慮されておらず、超伝導回転機１００に適用し難いものであった。
【0028】
＜比較例の構成＞
以下、本実施形態１に係る超伝導回転機１００の特徴を分かり易く説明するために、まず、図８を参照して、比較例の超伝導回転機１０００の構成について説明し、その後に、本実施形態１に係る超伝導回転機１００の特徴について説明する。図８に示す比較例の超伝導回転機１０００は、従来の一般的な超伝導回転機に相当する。
以下、本実施形態１に係る超伝導回転機１００の特徴を分かり易く説明するために、まず、図８を参照して、比較例の超伝導回転機１０００の構成について説明し、その後に、本実施形態１に係る超伝導回転機１００の特徴について説明する。図８に示す比較例の超伝導回転機１０００は、従来の一般的な超伝導回転機に相当する。
【0029】
図８に示すように、比較例の超伝導回転機１０００は、任意の場所に固定設置される外被１０１０の内部に、真空容器１０３１を有している。真空容器１０３１は、内部空間を高真空に維持する容器である。
【0030】
真空容器１０３１の内部には、回転子１０２１が配置されている。回転子１０２１は、超伝導界磁巻線１０２２と、超伝導界磁巻線１０２２を支持する界磁サポート１０２３と、を有する。超伝導界磁巻線１０２２には、超伝導線材が用いられる。
【0031】
回転子１０２１は、真空容器１０３１に納められ、トルクチューブ１０４０を介して回転軸であるシャフト１０４１に接続される。回転子１０２１（超伝導界磁巻線１０２２及び界磁サポート１０２３）と真空容器１０３１とトルクチューブ１０４０は、一体となって回転する。シャフト１０４１は、軸受１０４２によって回転自在に支持されている。シャフト１０４１は、軸受１０４２を介して外被１０１０の軸方向端面板（側板）から外界へと伸び、外界に動力を伝達する。トルクチューブ１０４０とシャフト１０４１の内部には、外部に設けられた冷却ステーション１０８０と回転子１０２１との間で極低温の冷媒１０９９を循環させるための流路が設けられている。比較例の超伝導回転機１０００は、外部の冷却ステーション１０８０からトルクチューブ１０４０とシャフト１０４１の内部に冷媒１０９９を供給して超伝導界磁巻線１０２２を冷却する。また、シャフト１０４１には、冷媒１０９９を回転子１０２１に導入するための冷媒導入回転接手１０８３が設けられている。また、冷却ステーション１０８０には、冷媒を移送するためのポンプ１０８１が設けられている。
【0032】
外被１０１０と真空容器１０３１との間には、電機子巻線１０１２（固定子巻線）を支持する電機子サポート１０１３が配置され、電機子サポート１０１３が鉄コア１０１１によって支持されている。
【0033】
超伝導界磁巻線１０２２は、真空容器１０３１の内部空間が高真空になっており、また、冷却ステーション１０８０との間で循環される冷媒１０９９により極低温に冷却されることで、室温の真空容器１０３１と断熱している。
【0034】
トルクチューブ１０４０とシャフト１０４１には、外部電源から超伝導界磁巻線１０２２へ電流を導入するための磁性電流導入端子１０４６が内蔵されている。磁性電流導入端子１０４６には、例えば高温超伝導電流リードが用いられる。磁性電流導入端子１０４６の端部は、スリップリングとカーボンブラシを使用しており、外部から回転子１０２１に電流を導入可能である。電機子巻線１０１２には、高純度銅の導体が使用されている。比較例の超伝導回転機１０００は、冷媒導入回転接手１０８３により回転子１０２１へ冷媒１０９９を供給可能としている。冷媒１０９９は、外部の冷却ステーション１０８０と回転子１０２１を循環し、冷却ステーション１０８０に設けられたＧＭ冷凍機１０８２で常に極低温に維持される。
【0035】
＜比較例の超伝導回転機に対する実施形態１に係る超伝導回転機の特徴＞
以下、比較例の超伝導回転機１０００に対する本実施形態１に係る超伝導回転機１００の特徴を説明する。
以下、比較例の超伝導回転機１０００に対する本実施形態１に係る超伝導回転機１００の特徴を説明する。
【0036】
比較例の超伝導回転機１０００は、外部の冷却ステーション１０８０と回転子１０２１との間で冷媒１０９９を循環させて、真空容器１０３１の内部空間における極低温部での発熱や外部環境からの侵入熱を冷却ステーション１０８０に設けられたＧＭ冷凍機１０８２により取り除き続けることで、超伝導界磁巻線１０２２の超伝導状態を維持させることが可能な極低温環境に維持する（図８参照）。
【0037】
一方、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、２ステージＧＭ冷凍機６０で第１熱交換器５１と第２熱交換器５２を冷却する。そして、ガス容器３３に封入された熱交換ガス９９の熱伝導により第１熱交換器５１と第２熱交換器５２が熱交換されることで、超伝導界磁巻線２２の超伝導状態を維持させることが可能な極低温環境に維持する（図１参照）。
【0038】
一般にＧＭ冷凍機は、低温部から高温部へと熱を移動させる（除熱する）装置であり、その稼働には電力を消費する。ＧＭ冷凍機の成績係数（ＣＯＰ，Coefficient of performance）は、冷却能力を稼働のための消費電力で除したものであり、冷却温度の低下とともに減少する。市販のＧＭ冷凍機の典型的な性能（成績係数（ＣＯＰ））は、例えば、４Ｋ［ケルビン］のとき０．０００２、１０Ｋ［ケルビン］のとき０．００２、２０Ｋ［ケルビン］のとき０．００７、５０Ｋ［ケルビン］のとき０．０２程度である。このようなＧＭ冷凍機で極低温部から除熱するためには、その冷却能力よりも大きな電力を消費とする。ＧＭ冷凍機の消費電力は、回転機としては損失にあたるため、極低温部における発熱と外部からの熱の侵入を抑制することが望ましい。
【0039】
この点について、比較例の超伝導回転機１０００は、以下に説明するように、極低温領域の冷却部における外部からの侵入熱とジュール発熱の影響を受け易い構成になっている。また、比較例の超伝導回転機１０００は、以下に説明するように、輻射による侵入熱の影響を受け易い構成になっている。すなわち、比較例の超伝導回転機１０００は、トルクチューブ１０４０で回転子１０２１の回転力をシャフト１０４１に伝達する構成になっている。このような比較例の超伝導回転機１０００は、トルクチューブ１０４０を頑強にすることが望ましい。しかしながら、トルクチューブ１０４０を頑強にするために断面積を増大させると、トルクチューブ１０４０が外部からの主要な熱侵入経路となってしまう。また、トルクチューブ１０４０内の磁性電流導入端子１０４６に、高温超伝導電流リードを使用するものの、その臨界温度より高温となる部分に高純度銅の導体が使用されるため、外部からの侵入熱やジュール発熱が極低温領域の冷却部に侵入する可能性がある。そのため、比較例の超伝導回転機１０００は、外部からの侵入熱とジュール発熱の影響を受け易い構成になっている。ここで、「極低温領域の冷却部」とは、例えば１０Ｋ［ケルビン］程度に冷却されるべき空間を意味する。「極低温領域の冷却部」には、１０Ｋ［ケルビン］程度に冷却されるべき超伝導界磁巻線１０２２が配置されている。また、比較例の超伝導回転機１０００は、トルクチューブ１０４０とシャフト１０４１を冷却する手段を有していない。そのため、この点でも、比較例の超伝導回転機１０００は、外部からの侵入熱とジュール発熱の影響を受け易い構成になっている。さらに、比較例の超伝導回転機１０００は、真空容器１０３１の内部に回転子１０２１を配置することで、超伝導界磁巻線１０２２と電機子巻線１０１２との間に真空断熱層を設けているものの、輻射により超伝導界磁巻線１０２２が配置された空間に熱が侵入する可能性がある。そのため、比較例の超伝導回転機１０００は、輻射による侵入熱の影響を受け易い構成になっている。
【0040】
一方、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、以下に説明するように、極低温領域の冷却部における外部からの侵入熱とジュール発熱の影響を受け難い構成になっている。また、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、以下に説明するように、輻射による侵入熱の影響を受け難い構成になっている。すなわち、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、非回転容器である三層円筒容器３０の内部に第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とを設けている。そして、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、第１熱交換器５１を５０Ｋ［ケルビン］程度の温度に冷却される中温領域の冷却部とし、第２熱交換器５２を１０Ｋ［ケルビン］程度の温度に冷却される極低温領域の冷却部として、２ステージＧＭ冷凍機６０で第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とを冷却する。この点について、例えば、比較例の超伝導回転機１０００（図８参照）は、中温領域の冷却部が設けられていないため、室温からの輻射熱、トルクチューブ１０４０を通じた外部からの侵入熱、磁性電流導入端子１０４６を通じた外部からの侵入熱やジュール発熱が全て前記した「極低温領域の冷却部」に侵入する可能性がある。そのため、比較例の超伝導回転機１０００は、外部からの侵入熱とジュール発熱の影響を受け易い構成になっている。これに対して、本実施形態１に係る超伝導回転機１００（図１参照）は、第１熱交換器５１を中温領域の冷却部として設けている。そのため、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、室温からの輻射熱、トルクチューブ４０を通じた外部からの侵入熱、磁性電流導入端子４６を通じた外部からの侵入熱やジュール発熱を中温領域の冷却部で受けて、中温領域の冷却部を除熱する。このような本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、外部からの侵入熱とジュール発熱の影響を受け難い構成になっている。また、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、２ステージＧＭ冷凍機６０で第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とを冷却する際に冷却される熱交換ガス９９にトルクチューブ４０とシャフト４１が接触する構成になっている。したがって、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、トルクチューブ４０とシャフト４１を冷却する手段を有している。そのため、この点でも、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、外部からの侵入熱とジュール発熱の影響を受け難い構成になっている。さらに、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、真空容器３１の内部に、輻射シールド３２とガス容器３３とを設け、輻射により超伝導界磁巻線２２が配置された空間に熱が侵入することを抑制している。そのため、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、輻射による侵入熱の影響を受け難い構成になっている。
【0041】
なお、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、以下に説明するように、比較例の超伝導回転機１０００よりも消費電力を低減することができ、高効率な冷却を行うことができる。すなわち、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、中温領域の冷却部を設け、中温領域の冷却部から侵入熱を除去する構造になっている。このような本実施形態１に係る超伝導回転機１００において、１０Ｋ［ケルビン］程度の極低温領域の冷却部からの除熱に伴う２ステージＧＭ冷凍機６０の消費電力は、冷却能力の５００倍の消費電力である。一方、５０Ｋ［ケルビン］程度の中温領域の冷却部からの除熱に伴う２ステージＧＭ冷凍機６０の消費電力は、冷却能力の５０倍程度である。このような本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、比較例の超伝導回転機１０００よりも消費電力を低減することができ、高効率な冷却を行うことができる。
【0042】
また、比較例の超伝導回転機１０００は、ＧＭ冷凍機１０８２で冷媒１０９９を冷却して、極低温領域の冷却部での発熱や外界からの侵入熱を単一の冷媒１０９９で取り除く。冷凍機は、冷却温度の低下により成績係数（ＣＯＰ）が低下する。そのため、比較例の超伝導回転機１０００は、冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）が低い傾向にある。これに対して、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、２ステージＧＭ冷凍機６０で第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とを冷却することで、中温領域の冷却部と極低温領域の冷却部とを冷却する。このような本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、比較例の超伝導回転機１０００よりも冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。
【0043】
また、比較例の超伝導回転機１０００は、外部に冷却ステーション１０８０を設けるため、設置面積やコストが増大する。また、比較例の超伝導回転機１０００は、ポンプ１０８１等の極低温の冷媒を循環させるための機構が設けられるため、この点でもコストが増大する。これに対して、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、外部に冷却ステーション１０８０を設けないため、設置面積やコストを低減することができる。また、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、ポンプ１０８１等が不要であるため、この点でもコストを低減することができる。
【0044】
なお、超伝導回転機の冷却構造として、低温の冷媒と中温の冷媒の二系統の循環機構を設ける構造が考えられる。しかしながら、このような構造は、トルクチューブ４０内に二系統のガスの循環路を設けなければならない。トルクチューブ４０内には磁性電流導入端子４６も設置するため、トルクチューブ４０内部の構造が複雑になり、製作性が悪化する。これに対して、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、低温の冷媒と中温の冷媒の二系統の循環機構を設けないため、トルクチューブ４０内部の構造が簡素になり、製作性が悪化することを抑制することができる。
【0045】
以上の比較から、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、冷却効率を向上させることができることに加え、比較例の超伝導回転機１０００のような複雑な冷媒の循環機構と冷却ステーション１０８０を排除することができる。そのため、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、設置面積の低減や高信頼化を図ることができる。また、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、冷却効率を向上させることで、超伝導界磁巻線２２の運転温度を下げることができる。これにより、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、超伝導界磁巻線２２の高磁場域で臨界電流密度を向上させることができるため、ギャップ磁束密度を向上させること、回転機の小型軽量化を図ること、超伝導線材の使用量を低減して低コスト化を図ることができる。
【0046】
なお、比較例の超伝導回転機１０００は、超伝導界磁巻線１０２２と超伝導界磁巻線１０２２を収容する真空容器１０３１が一緒に回転する構成になっている。これに対して、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、超伝導界磁巻線２２が回転するものの、超伝導界磁巻線２２を収容するガス容器３３が固定された構成になっている。この点に鑑み、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、以下の（１）と（２）の点を考慮した構成になっているとよい。
【0047】
（１）本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、風損を考慮した構成になっているとよい。具体的には、超伝導回転機１００は、好ましくは、熱交換ガス９９の圧力が輻射よりも気体分子伝導による伝熱が支配的となる範囲で大気圧よりも減圧されているとよい。この点について、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。
【0048】
図２Ａは、極低温環境下における、圧力InＰと熱伝導率Inλの両対数グラフ図である。実線Ｌ１は、極低温環境下における、圧力InＰと熱伝導率Inλの関係を示している。圧力領域Ｐ１は、輻射による熱伝導（伝熱）が支配的な範囲となっている。圧力領域Ｐ２は、気体の分子伝導による熱伝導（伝熱）が支配的な範囲となっている。輻射がある場合に、破線Ｌ１ａとして示すように、実線Ｌ１よりもさらに熱伝導率（伝熱）が向上する。
【0049】
図２Ｂは、極低温環境下における、圧力InＰと風損InＷの両対数グラフ図である。実線Ｌ２は、極低温環境下における、圧力InＰと風損InＷの関係を示している。風損InＷは、圧力InＰの増加関数となっている。
【0050】
本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、超伝導界磁巻線２２とガス容器３３が相対運動しており、比較例の超伝導回転機１０００では生じない熱交換ガス９９による風損が極低温領域の冷却部で生じる。この対策としては、風損が抑制されつつ熱交換ガス９９としての役割を失わない程度に熱交換ガス９９の圧力を低下させること、さらに熱交換器の熱交換面積を増大させることが有効である。風損は圧力低減により抑制される。一方、熱交換器における熱交換は、熱交換ガス９９の圧力が極めて低い領域（例えば１Ｐａ以下の領域）では輻射が支配的である（図２Ａの圧力領域Ｐ１参照）。また、熱交換器における熱交換は、ある程度圧力を高めた領域（例えば１０Ｐａ以上の領域）では気体分子伝導が支配的となり、圧力依存性がなくなる（図２Ａの圧力領域Ｐ２参照）。さらに、熱交換器における熱交換は、圧力を高めた領域では輻射が支配的になり、圧力の増加関数となる。
【0051】
図２Ａと図２Ｂに示す圧力依存性の違いから、超伝導回転機１００は、気体の分子伝導による熱伝導（伝熱）が支配的な範囲のうち、なるべく低い圧力とすることで（特に、大気圧よりも減圧することで）、熱伝導（伝熱）を維持しつつ風損を抑制することができる。
【0052】
本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、熱交換ガス９９の圧力を気体分子伝導が支配的な領域とすることで、風損を抑制しつつある程度の熱交換を維持することができる。このとき、熱交換器の熱交換面積を増大させることも有効である。図３は、第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２における熱交換部７０Ａの模式構成図である。図３に示す例では、熱交換部７０Ａは、第１構造体７１ａと第２構造体７２ａとを対向配置し、第１構造体７１ａと第２構造体７２ａとに一対の熱交換器７３ａを取り付けた構成になっている。一対の熱交換器７３ａは、高熱伝導の素材からなる対向する板である。熱交換部７０Ａは、第１構造体７１ａと第２構造体７２ａとの間で一対の熱交換器７３ａの間に充填された熱交換ガス９９を介して熱交換する。
【0053】
図３に示す熱交換部７０Ａは、例えば、図４に示す熱交換部７０Ｂのように変形することができる。図４は、第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２の変形例における熱交換部７０Ｂの模式構成図である。図４に示す例では、熱交換部７０Ｂは、第１構造体７１ｂと第２構造体７２ｂとを対向配置し、第１構造体７１ｂと第２構造体７２ｂとに一対の熱交換器７３ｂを取り付けた構成になっている。一対の熱交換器７３ｂは、高熱伝導の素材からなる対向する櫛状の部材である。熱交換部７０Ｂは、熱交換器７３ｂの形状を櫛状にすることで、熱交換器７３ｂの熱交換面積を増大させ、図３に示す熱交換部７０Ａよりも熱交換される熱量を大幅に増大させることができる。
【0054】
（２）本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、三層円筒容器３０に生じる渦電流を考慮した構成になっているとよい。具体的には、超伝導回転機１００は、好ましくは、真空容器３１、輻射シールド３２、ガス容器３３のいずれかに対して、少なくともその一部に繊維強化複合材が適用されているとよい。この点について、以下に説明する。
【0055】
回転する超伝導界磁巻線２２が発する交流磁場は、真空容器３１と輻射シールド３２とガス容器３３との多層円筒構造体である三層円筒容器３０に印加される。ここで、仮に、真空容器３１とガス容器３３を例えばステンレス鋼などの金属材で構成し、輻射シールド３２を例えばアルミニウムなどの高熱伝導金属材で構成した場合に、これらの金属材には渦電流が生じる。特に低温領域にある輻射シールド３２とガス容器３３において渦電流が生じた場合に、ジュール発熱が発生し、その除熱が困難になる。そこで、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、好ましくは、真空容器３１、輻射シールド３２、ガス容器３３のいずれかに対して、少なくともその一部に繊維強化複合材が適用されているとよい。例えば、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、好ましくは、渦電流の発生の抑制が求められるガス容器３３と真空容器３１にガラス繊維強化複合材（ＧＦＲＰ）を適用し、高い熱伝導率が求められる輻射シールド３２に炭素繊維強化樹脂複合材（ＣＦＲＰ）を適用するとよい。
【0056】
また、図５に示すように、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、好ましくは、繊維強化複合材７６に対して、渦電流の流れる方向Ａｉ（電流方向）と垂直な方向に高熱伝導細線７７を貼り付けることで、渦電流を抑制しつつ熱伝導率を向上させることもできる。高熱伝導細線７７は、比較的高い熱伝導率を有する細い金属線である。
【0057】
＜備考＞
本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、以下の事項が考慮された構成になっている。
本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、以下の事項が考慮された構成になっている。
【0058】
例えば、発電機、電動機などの回転機は、電力と回転力を変換するシステムとして、産業、運輸、電力などの分野で幅広く活用されている。一般に、回転機のトルクＴと出力Ｐは、以下の式（１）と式（２）で与えられる。
【0059】
Ｔ ＝ ｋ１・Ｌ・Ｄ２・Ｂｇ・Ｉ …（１）
Ｐ ＝ ｋ２・Ｌ・Ｄ２・Ｂｇ・Ｉ・ｎ …（２）
Ｐ ＝ ｋ２・Ｌ・Ｄ２・Ｂｇ・Ｉ・ｎ …（２）
【0060】
ここで、Ｔは回転機のトルク、Ｉは回転機の出力、ｋ１，ｋ２は定数、Ｌは固定子長、Ｄは回転子外径、Ｂｇはギャップ磁束密度、Ｉは電気装荷（電機子巻線部の単位周長当たりの総電流）、ｎは回転速度である。
【0061】
ところで、特に、電気自動車、電気推進船舶、電動航空機などの運輸セクターでは、「カーボンニュートラル」と称される温室効果ガスの排出量の削減に向けて、動力の電動化が進められている。その動力の電動化では、回転機のトルク密度と出力密度を向上させることが望まれる。そして回転機のトルク密度と出力密度を向上させるためには、ギャップ磁束密度Ｂｇを向上させることが有効である。
【0062】
一般に、ギャップ磁束密度Ｂｇの発生源である界磁には、銅巻線や永久磁石が利用される。そしてギャップ磁束密度Ｂｇをさらに向上させる手段として、超伝導界磁巻線を界磁に用いることがある。超伝導線材は、臨界温度以下に冷却することで大電流を通電できるため、超伝導界磁巻線を界磁に用いることで、極めて強い磁場を発生させることができる。
【0063】
磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）や核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）などの装置では、ヘリウムなどの液体冷媒に超伝導界磁巻線を浸漬したり伝導冷却したりすることにより、超伝導界磁巻線を冷却する。このとき、蒸発する冷媒の再凝縮や伝導冷却による除熱には、ＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機などの極低温冷凍機が使用される。磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）では、すでに量産技術が確立されたＮｂＴｉ線材が主に使用され、核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）では、より高磁場を発生可能なＮｂ３Ｓｎ線材も使用される。さらに、近年の核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）では、より高い磁場を発生させるためにレアアース系やビスマス系などの銅酸化物高温超伝導（ＨＴＳ）線材が使用される場合もある。ＮｂＴｉやＮｂ３Ｓｎなどの低温超伝導（ＬＴＳ）線材は、臨界温度が低く、さらに銅酸化物超伝導線材であっても使用温度を低下させることでより強い磁場を発生可能になるため、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）や核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）では４Ｋ［ケルビン］に冷却して使用するのが一般的である。
【0064】
一方、超伝導回転機では、通常、界磁は回転子であり、回転子として回転する超伝導界磁巻線を冷却させる。このような超伝導回転機は、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）や核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）と比較して超伝導界磁巻線を冷却し難い。
【0065】
臨界温度の低い低温超伝導（ＬＴＳ）線材は、抵抗状態への遷移に要する熱量（エネルギー裕度）が小さいため、マイクロメートル程度の線材の摺動や巻線への含侵樹脂の割れなどの僅かな機械的擾乱（じょうらん）によりクエンチ（通電中の超電導導体が、熱的、電磁気的または機械的な要因により急激的かつ制御不能な常電導状態に転移する現象）が発生する可能性がある。このため、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）や核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）と比較して使用環境が過酷な超伝導回転機への適用には多大な注意を要する。また、極低温冷凍機は冷却温度の低下により成績係数（ＣＯＰ）が低下するため、超伝導回転機の運転温度を高めた方が好ましい。したがって、近年では、臨界温度が高く２０－７７Ｋ［ケルビン］で利用可能な銅酸化物高温超伝導（ＨＴＳ）線材を用いた超伝導回転機の開発が進められている。また、臨界温度が低温超伝導（ＬＴＳ）線材と銅酸化物高温超伝導（ＨＴＳ）線材の中間に位置する二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）線材も使用される。
【0066】
銅酸化物高温超伝導（ＨＴＳ）線材の適用により冷却温度が高くなると成績係数（ＣＯＰ）が高まり冷却の難易度は下がるが、現時点で銅酸化物高温超伝導（ＨＴＳ）線材はＬＴＳ線材と比較して高コストであり単長も短いため、線材のコスト低減や長尺化が課題として残されている。
【0067】
二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）線材は、２０Ｋ程度で使用することが可能である点で低温超伝導（ＬＴＳ）線材よりも優れるが、２０Ｋで使用する場合であっても、銅酸化物高温超伝導（ＨＴＳ）線材と比較すると、上部臨界磁場が低く、少なくとも２０Ｋ程度の運転温度では強磁場を発生させることが困難である。永久磁石を界磁に使用した電動機に対して高いギャップ磁束密度Ｂｇを生成するためには、より低い温度（例えば１０Ｋ）に冷却するのが好ましく、銅酸化物高温超伝導（ＨＴＳ）線材と比較すると、冷却の難易度が高まる。
【0068】
このように超伝導回転機では、回転する超伝導界磁巻線を冷却する必要があり、磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ）や核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ）よりも冷却の難易度が高い。また、銅酸化物高温超伝導（ＨＴＳ）線材や二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）線材などのより高温で使用可能な超伝導材料を適用するにしても、超伝導線材それぞれのコスト・生産性と使用温度はトレードオフの関係にある。このような中、超伝導回転機を商業レベルで実用化するためには、より低い温度に簡便に超伝導界磁巻線を冷却できるようにすることが望まれる。
【0069】
本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、これらの事項が考慮された構成になっている。本実施形態１に係る超伝導回転機１００の主な特徴としては、以下の点を挙げることができる。
（１）５０Ｋ［ケルビン］程度の温度に冷却される中温領域の冷却部（第１熱交換器５１）と、１０Ｋ［ケルビン］程度の温度に冷却される極低温領域の冷却部（第２熱交換器５２）と、を設けている点。
（２）回転子２１を非回転容器（三層円筒容器３０）の内部に収納している点。
（３）真空容器３１の内部に輻射シールド３２を配置して、輻射により超伝導界磁巻線２２が配置された空間に熱が侵入することを抑制している点。
（４）第１熱交換器５１と第２熱交換器５２の熱交換をガス容器３３に封入された熱交換ガス９９により行う点。
（１）５０Ｋ［ケルビン］程度の温度に冷却される中温領域の冷却部（第１熱交換器５１）と、１０Ｋ［ケルビン］程度の温度に冷却される極低温領域の冷却部（第２熱交換器５２）と、を設けている点。
（２）回転子２１を非回転容器（三層円筒容器３０）の内部に収納している点。
（３）真空容器３１の内部に輻射シールド３２を配置して、輻射により超伝導界磁巻線２２が配置された空間に熱が侵入することを抑制している点。
（４）第１熱交換器５１と第２熱交換器５２の熱交換をガス容器３３に封入された熱交換ガス９９により行う点。
【0070】
以上の通り、本実施形態１に係る超伝導回転機１００（図１参照）は、非回転容器である三層円筒容器３０の内部に、中温領域の冷却部としての第１熱交換器５１と極低温領域の冷却部としての第２熱交換器５２とを設け、２ステージＧＭ冷凍機６０で第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とを冷却する。このような本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、比較例の超伝導回転機１０００（図８参照）と比較して冷却ステーション１０８０から回転子１０２１への冷媒導入回転接手８３を介したガス導入が不要になり、冷却構造を簡略化することができる。また、冷却構造が簡略化することで、信頼性を向上することができる。
【0071】
しかも、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、中温領域の冷却部としての第１熱交換器５１により、冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる中間的な温度で外部からの侵入熱を除熱することができる。そのため、本実施形態１に係る超伝導回転機１００は、比較例の超伝導回転機１０００よりも効率よく回転子２１を冷却することができる。その結果、より低い温度に超伝導界磁巻線２２を冷却することができ、超伝導界磁巻線２２の電流特性を向上させて、回転機の小型軽量化を図ることができる。
【0072】
［実施形態２］
前記した実施形態１に係る超伝導回転機１００（図１参照）は、２ステージＧＭ冷凍機６０で第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とを冷却することで、トルクチューブ４０と超伝導界磁巻線２２を間接的に冷却する構成になっている。しかしながら、超伝導回転機１００は、トルクチューブ４０と超伝導界磁巻線２２を冷却することができれば、２ステージＧＭ冷凍機６０を用いない構成にすることができる。
前記した実施形態１に係る超伝導回転機１００（図１参照）は、２ステージＧＭ冷凍機６０で第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とを冷却することで、トルクチューブ４０と超伝導界磁巻線２２を間接的に冷却する構成になっている。しかしながら、超伝導回転機１００は、トルクチューブ４０と超伝導界磁巻線２２を冷却することができれば、２ステージＧＭ冷凍機６０を用いない構成にすることができる。
【0073】
そこで、本実施形態２では、２ステージＧＭ冷凍機６０を用いない構成にした超伝導回転機１００Ａを提供する。
【0074】
【0075】
図６に示すように、本実施形態２に係る超伝導回転機１００Ａは、実施形態１に係る超伝導回転機１００（図１参照）と比較すると、２ステージＧＭ冷凍機６０の代わりに、冷却ステーション８０と第１循環路８１と第２循環路８２を備える点で相違する。
【0076】
冷却ステーション８０は、回転子２１から離れた場所（外部）に設けられた冷却機構である。冷却ステーション８０には図示せぬ冷凍機が設けられている。
第１循環路８１は、三層円筒容器３０内の第１熱交換器５１の輻射シールド３２側と冷却ステーション８０とを接続する流路である。第１循環路８１の内部には、例えば温度が約５０Ｋ［ケルビン］の中温循環ガス８１ａが流れる。
第２循環路８２は、三層円筒容器３０内の第２熱交換器５２のガス容器３３側と冷却ステーション８０とを接続する流路である。第２循環路８２の内部には、例えば温度が約１０Ｋ［ケルビン］の低温循環ガス８２ａが流れる。
第１循環路８１は、三層円筒容器３０内の第１熱交換器５１の輻射シールド３２側と冷却ステーション８０とを接続する流路である。第１循環路８１の内部には、例えば温度が約５０Ｋ［ケルビン］の中温循環ガス８１ａが流れる。
第２循環路８２は、三層円筒容器３０内の第２熱交換器５２のガス容器３３側と冷却ステーション８０とを接続する流路である。第２循環路８２の内部には、例えば温度が約１０Ｋ［ケルビン］の低温循環ガス８２ａが流れる。
【0077】
本実施形態２に係る超伝導回転機１００Ａは、回転子２１から離れた場所（外部）に設けられた冷却ステーション８０の図示せぬ冷凍機で中温循環ガス８１ａと低温循環ガス８２ａを冷却する。そして、本実施形態２に係る超伝導回転機１００Ａは、第１循環路８１を介して第１熱交換器５１の輻射シールド３２側と冷却ステーション８０との間で中温循環ガス８１ａを循環させる。これにより、本実施形態２に係る超伝導回転機１００Ａは、約５０Ｋ［ケルビン］の温度に第１熱交換器５１を冷却して、間接的にトルクチューブ４０を冷却する。また、本実施形態２に係る超伝導回転機１００Ａは、第２循環路８２を介して第２熱交換器５２のガス容器３３側と冷却ステーション８０との間で低温循環ガス８２ａを循環させる。これにより、本実施形態２に係る超伝導回転機１００Ａは、約１０Ｋ［ケルビン］の温度に第２熱交換器５２を冷却して、間接的に超伝導界磁巻線２２を冷却する。
【0078】
このような本実施形態２に係る超伝導回転機１００Ａによれば、実施形態１に係る超伝導回転機１００と同様に、冷却構造を簡略化することができる。
【0079】
［実施形態３］
前記した実施形態１に係る超伝導回転機１００（図１参照）は、２ステージＧＭ冷凍機６０で第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とを冷却する構成になっている。
前記した実施形態１に係る超伝導回転機１００（図１参照）は、２ステージＧＭ冷凍機６０で第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とを冷却する構成になっている。
【0080】
これに対して、本実施形態３では、動作温度が異なる別々の冷凍機を用いて第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とを冷却する構成の超伝導回転機１００Ｂを提供する。
【0081】
【0082】
図７に示すように、本実施形態３に係る超伝導回転機１００Ｂは、実施形態１に係る超伝導回転機１００（図１参照）と比較すると、２ステージＧＭ冷凍機６０の代わりに、中温側冷凍機９１と低温側冷凍機９２を備える点で相違する。
【0083】
中温側冷凍機９１は、第１熱交換器５１を冷却する第１冷凍機である。
低温側冷凍機９２は、第２熱交換器５２を冷却する第２冷凍機である。低温側冷凍機９２は、約１０Ｋ［ケルビン］の温度に第２熱交換器５２を冷却する。
低温側冷凍機９２は、第２熱交換器５２を冷却する第２冷凍機である。低温側冷凍機９２は、約１０Ｋ［ケルビン］の温度に第２熱交換器５２を冷却する。
【0084】
このような本実施形態３に係る超伝導回転機１００Ｂによれば、実施形態１に係る超伝導回転機１００と同様に、冷却構造を簡略化することができる。
【0085】
本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えることが可能であり、また、実施形態の構成に他の構成を加えることも可能である。また、各構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【0086】
１０，１０１０ 外被
１１，１０１１ 鉄コア
１２，１０１２ 電機子巻線
１３，１０１３ 電機子サポート
２１，１０２１ 回転子
２２，１０２２ 超伝導界磁巻線（界磁巻線）
２３，１０２３ 界磁サポート
３０ 三層円筒容器（非回転容器）
３１，１０３１ 真空容器
３２ 輻射シールド
３３ ガス容器
４０，１０４０ トルクチューブ
４１，１０４１ シャフト（回転軸）
４２，１０４２ 軸受
４３ 磁性流体シール
４６，１０４６ 磁性電流導入端子
５１ 第１熱交換器
５２ 第２熱交換器
６０ ２ステージＧＭ冷凍機（２ステージ冷凍機）
６１ 第１ステージ
６２ 第２ステージ
７０Ａ，７０Ｂ 熱交換部
７１ａ，７１ｂ 第１構造体
７２ａ，７２ｂ 第２構造体
７３ａ，７３ｂ 熱交換器
７６ 繊維強化複合材
７７ 高熱伝導細線（金属線）
８０ 冷却ステーション
８１ 第１循環路
８２ 第２循環路
８１ａ 中温循環ガス
８２ａ 低温循環ガス
９１ 中温側冷凍機（第１冷凍機）
９２ 低温側冷凍機（第２冷凍機）
９９ 熱交換ガス
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１０００ 超伝導回転機
１０８０ 冷却ステーション
１０８１ ポンプ
１０８２ ＧＭ冷凍機
１０８３ 冷媒導入回転接手（回転接手）
１０９９ 冷媒
Ａｉ 渦電流の流れる方向（電流方向）
１１，１０１１ 鉄コア
１２，１０１２ 電機子巻線
１３，１０１３ 電機子サポート
２１，１０２１ 回転子
２２，１０２２ 超伝導界磁巻線（界磁巻線）
２３，１０２３ 界磁サポート
３０ 三層円筒容器（非回転容器）
３１，１０３１ 真空容器
３２ 輻射シールド
３３ ガス容器
４０，１０４０ トルクチューブ
４１，１０４１ シャフト（回転軸）
４２，１０４２ 軸受
４３ 磁性流体シール
４６，１０４６ 磁性電流導入端子
５１ 第１熱交換器
５２ 第２熱交換器
６０ ２ステージＧＭ冷凍機（２ステージ冷凍機）
６１ 第１ステージ
６２ 第２ステージ
７０Ａ，７０Ｂ 熱交換部
７１ａ，７１ｂ 第１構造体
７２ａ，７２ｂ 第２構造体
７３ａ，７３ｂ 熱交換器
７６ 繊維強化複合材
７７ 高熱伝導細線（金属線）
８０ 冷却ステーション
８１ 第１循環路
８２ 第２循環路
８１ａ 中温循環ガス
８２ａ 低温循環ガス
９１ 中温側冷凍機（第１冷凍機）
９２ 低温側冷凍機（第２冷凍機）
９９ 熱交換ガス
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１０００ 超伝導回転機
１０８０ 冷却ステーション
１０８１ ポンプ
１０８２ ＧＭ冷凍機
１０８３ 冷媒導入回転接手（回転接手）
１０９９ 冷媒
Ａｉ 渦電流の流れる方向（電流方向）
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】