特許 7566211 超電導発電機および超電導回転電機システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-03

(45)【発行日】2024-10-11

(54)【発明の名称】超電導発電機および超電導回転電機システム

(51)【国際特許分類】

   H02K 55/04 20060101AFI20241004BHJP

   H10N 60/00 20230101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

H02K55/04

H10N60/00 A

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2024521059

(86)(22)【出願日】2023-11-27

(86)【国際出願番号】 JP2023042365

【審査請求日】2024-04-05

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２２年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ＮＥＤＯ先導研究プログラム／エネルギー・環境新技術先導研究プログラム／液体水素冷却高温超電導発電機の開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三浦 英明

(72)【発明者】

【氏名】殿岡 俊

(72)【発明者】

【氏名】北川 祐太朗

【審査官】服部 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－１３６０７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６６６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２１１８３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－０８３１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２２４０２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ５５／０４

Ｈ１０Ｎ ６０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体水素によって冷却される高温超電導コイルを含む回転子と、
電機子と、
前記電機子、および前記高温超電導コイル、前記高温超電導コイルを冷却することによって前記液体水素が変化した水素ガスを前記電機子を冷却するために収容する水素ガス容器と、を備え、
前記水素ガス容器の排気口は、前記水素ガスを燃料として駆動される水素ガスタービンと接続され、前記水素ガス容器の排気口から前記水素ガスが排気されて、前記水素ガスタービンに供給される、超電導発電機。

【請求項2】

前記回転子は、
前記高温超電導コイルを支持し、かつ前記液体水素を貯蔵する中空の支持材を備える、請求項１記載の超電導発電機。

【請求項3】

前記支持材の内部の中空部分に前記液体水素が供給され、かつ前記中空部分から前記水素ガスが排出される、請求項２記載の超電導発電機。

【請求項4】

前記中空部分から第１の管を通して前記水素ガスが前記水素ガス容器の外部に排出された後、第２の管を通して、前記水素ガスが前記水素ガス容器の給気口に供給される、請求項３記載の超電導発電機。

【請求項5】

前記水素ガス容器の前記給気口から第１の温度で前記水素ガスが前記水素ガス容器に流入し、前記第１の温度よりも高い第２の温度で前記水素ガス容器の前記排気口から前記水素ガスが排気される、請求項４記載の超電導発電機。

【請求項6】

前記回転子は、前記高温超電導コイル、および前記支持材を収容するクライオ容器を備える、請求項２～５のいずれか１項に記載の超電導発電機。

【請求項7】

液体水素を貯蔵する液体水素タンクと、
前記液体水素タンクと接続され、前記液体水素を前記回転子に供給するための液体水素供給弁と、
請求項１に記載の超電導発電機と、
前記水素ガスタービンと、を備えた、超電導回転電機システム。

【請求項8】

前記回転子の回転軸と、前記水素ガスタービンの回転軸とが同一である、請求項７記載の超電導回転電機システム。

【請求項9】

前記回転子と前記水素ガスタービンとの連系有無を切替えるためのクラッチを備える請求項７記載の超電導回転電機システム。

【請求項10】

前記回転子の回転軸と、前記水素ガスタービンの回転軸と接続される減速機を備える、請求項７記載の超電導回転電機システム。

【請求項11】

前記水素ガス容器の排気口と前記水素ガスタービンとの間に配置された水素ガスタンクを備える、請求項７～１０のいずれか１項に記載の超電導回転電機システム。

【請求項12】

前記水素ガス容器の排気口と接続された封止弁を備える請求項７～１０のいずれか１項に記載の超電導回転電機システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超電導発電機および超電導回転電機システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、超電導線を回転界磁巻線として利用した回転子を備えた超電導発電機が開発されている。超電導発電機は、実用化されている銅線を用いた発電機よりも発電効率が高いため、電力消費は小さい。

【0003】

超電導発電機として、低温超電導線材で界磁巻線を巻線した低温超電導発電機が知られている（たとえば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開昭６１－１８５０６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載のような低温超電導発電機は、超電導状態とするために液体ヘリウムで冷却される。蒸発したヘリウムガスは冷凍機で再凝縮される。ヘリウムは高価であるため、大気に捨てることはなく、冷凍機で再凝縮することで再利用される。ヘリウムガスを冷凍機で再凝縮する際に電力を消費するという問題がある。

【0006】

それゆえに、本開示の目的は、電力消費を低減することができる超電導発電機および超電導回転電機システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の超電導発電機は、液体水素によって冷却される高温超電導コイルを含む回転子と、電機子と、電機子、および高温超電導コイル、高温超電導コイルを冷却することによって液体水素が変化した水素ガスを電機子を冷却するために収容する水素ガス容器とを備える。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、高温超電導コイルを冷却することによって液体水素が変化した水素ガスを水素ガス容器に留めて、水素ガスによって電気子を冷却することによって、電力消費を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１の超電導回転電機システムの構成を表わす図である。

【図2】超電導発電機ＳＣＧ（Superconducting Generator）の詳細な構成を表わす図である。

【図3】管ＴＢを表わす図である。

【図4】実施の形態２の超電導回転電機システムの構成を表わす図である。

【図5】実施の形態３の超電導回転電機システムの構成を表わす図である。

【図6】実施の形態４の超電導回転電機システムの構成を表わす図である。

【図7】実施の形態５の超電導回転電機システムの構成を表わす図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
超電導発電機には、低温超電導発電機以外に、高温超電導線材で巻線された高温超電導発電機がある。高温超電導発電機は、液体ヘリウムよりも温度が高い液体水素でも超電導状態になることができる。高温超電導発電機を液体水素で冷却すれば、その蒸発した水素ガスを、水素ガスタービンの燃料として利用することができる。そのような構成の場合には、水素を再凝縮する必要がないので、その分電力消費を低減できる。その結果、高温超電導発電機は、低温超電導発電機と比較して、発電機効率の向上、および冷凍機レスによるメンテナンス費の低減を実現できる。よって、本実施の形態では、超電導発電機として、高温超電導発電機を用いる。

【0011】

図１は、実施の形態１の超電導回転電機システムの構成を表わす図である。
超電導回転電機システムは、液体水素タンク２と、液体水素供給弁７と、超電導発電機ＳＣＧと、分岐弁８と、水素ガスタービン５とを備える。超電導発電機ＳＣＧは、高温超電導発電機である。

【0012】

超電導発電機ＳＣＧは、電機子３と、回転子４と、水素ガス容器６とを備える。
液体水素供給弁７は、管Ｐ１によって液体水素タンク２と接続され、管Ｐ２によって分岐弁８と接続される。

【0013】

液体水素タンク２からの液体水素は、管Ｐ１、液体水素供給弁７、管Ｐ２、分岐弁８、管ＴＢを通じて、超電導発電機ＳＣＧに回転子４に供給される。

【0014】

水素ガス容器６は、電機子３と、回転子４の大部分、および水素ガスを収容する。回転子４の回転軸方向の両先端が水素ガス容器６から突出している。

【0015】

水素ガス容器６は、給気口９と、排気口１０とを備える。給気口９は、管Ｐ３によって、分岐弁８と接続される。排気口１０は、管Ｐ４によって水素ガスタービン５と接続される。

【0016】

図２は、超電導発電機ＳＣＧの詳細な構成を表わす図である。
超電導発電機ＳＣＧは、水素ガス容器６と、電機子３と、磁気シールド１２と、回転子４と、を備える。

【0017】

水素ガス容器６は、給気口９と、排気口１０とを備える。
回転子４は、高温超電導コイル１５と、中空の支持材１７と、低温ダンパ１６と、クライオ（cryostat）容器１４とを備える。

【0018】

高温超電導コイル１５は、巻回した超電導部材から構成される。高温超電導コイル１５は、高温超電導線材によって構成される。

【0019】

支持材１７は、高温超電導コイル１５を支持する。支持材１７に高温超電導コイル１５がねじ止め或いは埋め込まれる形で支持される。支持材１７の内部の中空部分に液体水素が貯蔵される。液体水素によって、高温超電導コイル１５が冷却される。高温超電導コイル１５の冷却によって液体水素が気化して水素ガスとなる。支持材１７の内部の液体水素の量が定められた値以下になると、液体水素が注入される。水素ガスは、管ＴＢ、分岐弁８、管Ｐ３、給気口９を通じて、水素ガス容器６に送られる。

【0020】

クライオ容器１４は、高温超電導コイル１５および中空の支持材１７を収容する。
クライオ容器１４の内部は、侵入熱抑制のため真空に保たれるので、高温超電導コイル１５および液体水素が低温に保たれる。クライオ容器１４自体は、低温ではなく、常温にさらされる。クライオ容器１４の材質はＳＵＳ（ステンレス鋼）またはＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics）などである。

【0021】

分岐弁８は、管Ｐ２、管Ｐ３、管ＴＢと接続する。
図３は、管ＴＢを表わす図である。

【0022】

管ＴＢは、二重管構造であり、内側の流路ＩＰと、外側の流路ＯＰとを備える。
管ＴＢの第１端は、分岐弁８と接続され、管ＴＢの第２端は、支持材１７の中空部分に配置される。

【0023】

内側の流路ＩＰには、分岐弁８からの液体水素が流れる。外側の流路ＯＰには、支持材１７の中空部分からの水素ガスが流れる。このような流れにしたのは、液体水素の方が水素ガスよりも温度が低いため、液体水素への侵入熱を抑制するためである。

【0024】

分岐弁８は、液体水素供給弁７からＰ２を通って送られる液体水素を管ＴＢの内側の流路ＩＰに流出させる。分岐弁８は、管ＴＢの外側の流路ＯＰを通って送られる水素ガスを管Ｐ３に流出させる。

【0025】

水素ガス容器６に水素ガスが封止される。水素の比重は空気の約０．０７倍のため、回転子４の風損を約１／１０に低減できるので、超電導発電機ＳＣＧの効率を向上させることができる。また、水素の比熱は空気の約１４倍で、熱電導率も大きいため、電機子３の冷却効率が向上する。水素ガス容器６の内部を真空とすると、回転子４の風損は低減できるが、熱電導率が極めて悪く、電機子３の発熱を徐熱できずに絶縁不良や断線が生じる可能性がある。

【0026】

水素ガス容器６の内部では、電機子３の発熱を水素ガスで排熱する。回転子４から供給される水素ガスは低温であり、その冷熱を活用して電機子３の発熱を吸収する。水素ガス容器６から排気される水素ガスは、電機子３の発熱分を吸収しているため、給気口９から供給された低温の水素ガス温度（第１の温度）よりも、排気口１０から排出される水素ガス温度（第２の温度）の方が高くなる。これにより、電機子３の発熱を水素ガスで回収できるため、電機子３を冷却するためのエネルギーを小さくすることができる。その結果、省エネ、および超電導発電機ＳＣＧの軽量化に寄与する。

【0027】

再び、図１を参照して説明する。
水素ガスタービン５は、排気口１０および管Ｐ４を通って送られる水素ガスを燃料として駆動される。回転子４は、水素ガスタービン５による動力によって回転する。

【0028】

本実施の形態では、回転子４の回転軸Ｒ１と、水素ガスタービン５の回転軸Ｒ２とが同一である。よって、回転子４の回転数と、水素ガスタービン５の回転数とが同一である。

【0029】

本実施の形態によれば、高温超電導コイル１５を内包する回転子４に液体水素を供給することにより、一般の回転電機と比較して、コイルの銅損を低減できる。よって、電力消費を抑制することができる。

【0030】

また、回転子４から排気された低温の水素ガスを水素ガス容器６に封入することによって、電機子３の発熱を回収することができる。これにより、一般の回転電機で必要であった水素ガスクーラーが不要となり、電力消費を抑制することができる。

【0031】

さらに、回転子４を収容する水素ガス容器６に水素ガスが封止されることによって、回転子４の風損も抑制できるため、回転子４を安定して回転させることができる。

【0032】

実施の形態２．
図４は、実施の形態２の超電導回転電機システムの構成を表わす図である。

【0033】

実施の形態２の超電導回転電機システムが実施の形態１の超電導回転電機システムと相違する点は、実施の形態２の超電導回転電機システムがクラッチ４２を備える点である。

【0034】

クラッチ４２は、回転子４の回転軸と、水素ガスタービン５の回転軸と接続される。クラッチ４２は、水素ガスタービン５の回転軸Ｒ２の回転力を回転子４の回転軸Ｒ１に伝達、または遮断する。

【0035】

回転子４と水素ガスタービン５とをクラッチ４２で連系有無を切り替えることで、超電導発電機ＳＣＧを発電機として機能させるだけでなく、同期調相機として機能させることができる。

【0036】

クラッチ４２によって回転子４と水素ガスタービン５との連携が遮断され、且つ、電機子３が電力系統に接続されている場合、回転子４は電機子３からの変動磁場を受けて回転することによって、超電導発電機ＳＣＧは同期調相機として機能する。この場合には、超電導回転電機システムは電力系統に対して慣性力を提供している状態となる。

【0037】

したがって、電力需要が少なく、発電不要の場合は超電導発電機ＳＣＧを同期調相機として運転することができる。その結果、超電導発電機ＳＣＧは、有効電力ではなく、慣性力を提供できるため、電力品質を向上させることができる。

【0038】

実施の形態３．
実施の形態１および２では、回転子４の回転軸と、水素ガスタービン５の回転軸とが同一のため、水素ガスタービン５の回転数と回転子４の回転数とが同一である。

【0039】

回転子４の回転軸と、水素ガスタービン５の回転軸とが同一のため、減速機等のギアを咬まさなくて良くなるため、強度およびメンテナンスの観点で利点がある。これは、特に１００ＭＷ以上の大型の発電機の場合に有効である。

【0040】

図５は、実施の形態３の超電導回転電機システムの構成を表わす図である。
実施の形態３の超電導回転電機システムが実施の形態１の超電導回転電機システムと相違する点は、実施の形態３の超電導回転電機システムが減速機４５を備える点である。

【0041】

減速機４５は、回転子４の回転軸Ｒ１と、水素ガスタービン５の回転軸Ｒ２と接続される。回転子４の回転軸Ｒ１と、水素ガスタービン５の回転軸Ｒ２とは、同一ではない。減速機４５は、水素ガスタービン５の回転軸Ｒ２の高い回転数を低減した低い回転数を回転子４の回転軸Ｒ１に伝える。これによって、回転子４の回転数を水素ガスタービン５の回転数よりも小さくすることができる。本実施の形態は、自家発電など小型発電機に有効である。

【0042】

実施の形態４．
図６は、実施の形態４の超電導回転電機システムの構成を表わす図である。

【0043】

実施の形態４の超電導回転電機システムが実施の形態１の超電導回転電機システムと相違する点は、実施の形態４の超電導回転電機システムが水素ガスタンク４３を備える点である。

【0044】

水素ガス容器６の排気口１０と水素ガスタービン５との間に水素ガスタンク４３が設置される。水素ガス容器６の排気口１０と、水素ガスタンク４３の給気口８１とが管Ｐ５によって接続される。水素ガスタンク４３の排気口８２と水素ガスタービン５とが管Ｐ６によって接続される。

【0045】

水素ガスタンク４３は、水素ガスを貯蔵する。水素ガスタンク４３は、貯蔵する水素ガスの量を調整することができる。

【0046】

本実施の形態の超電導回転電機システムは、水素ガスタービン５がベースロード運転（定常運転）ではなく、間欠運転をすることを想定している。制御回路によって、水素ガスタービン５が稼働したり、停止したりするように水素ガスタービン５を制御することができる。超電導発電機ＳＣＧからの水素ガス排出量が、水素ガスタービン５の水素ガス吸気量よりも多い場合、過剰に水素ガスが水素ガスタービン５に供給される。その結果、水素ガスタービン５の燃焼効率の悪化および圧力上昇による羽の損傷等が生じる。一方、超電導発電機ＳＣＧからの水素ガス排出量が、水素ガスタービン５の水素ガス吸気量も少ない場合、水素ガスタービン５の燃焼効率の悪化および圧力上昇による羽の損傷等が生じないが、水素ガスタービン５の回転駆動力（＝トルク）が低下することによって、超電導発電機ＳＣＧの出力も低下して、電力品質が低下する。

【0047】

本実施の形態では、水素ガスタンク４３が貯蔵する水素ガス量を調整することで、超電導発電機ＳＣＧからの水素ガスのうち、適切な量だけ水素ガスタービン５に供給することができるので、上述の問題を回避できる。

【0048】

実施の形態５．
図７は、実施の形態５の超電導回転電機システムの構成を表わす図である。

【0049】

実施の形態５の超電導回転電機システムが実施の形態１の超電導回転電機システムと相違する点は、実施の形態５の超電導回転電機システムが封止弁４４を備える点である。

【0050】

封止弁４４は、水素ガス容器６の排気口１０と、水素ガスタービン５とを接続する管Ｐ４に設けられる。

【0051】

超電導発電機ＳＣＧを同期調相機として使用するときには、封止弁４４を閉じることにより水素ガス容器６に水素ガスを留めることができる。水素ガスタービン５には、水素ガスが供給されないので、水素ガスタービン５は停止する。水素ガス容器６に水素ガスが留まるので、回転子４の回転時の風損を低減できる。その結果、超電導発電機ＳＣＧの電力品質の低減を回避することができる。

【0052】

なお、水素ガス容器６内の水素ガスの温度が高くなった場合には、封止弁４４を開いて、水素ガス容器６から水素ガスを排出するものとしてもよい。

【0053】

変形例１．
水素ガス容器６を大きくして、水素ガス容器６の内部に回転子４の全体が収まるようにしてもよい。

【0054】

変形例２．
水素ガス容器６の排気口１０が水素ガス容器６の給気口９から最も遠い位置に配置されるものとしてもよい。これにより、電機子３が冷却されやすいように、水素ガス容器６内に温度勾配を設定することができる。

【0055】

変形例３．
上記実施の形態１～５のうち、任意の２つ以上の実施の形態を組み合わせることができる。

【0056】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0057】

２ 液体水素タンク、３ 電機子、４ 回転子、５ 水素ガスタービン、６ 水素ガス容器、７ 液体水素供給弁、８ 分岐弁、９，８１ 給気口、１０，８２ 排気口、１２ 磁気シールド、１４ クライオ容器、１５ 高温超電導コイル、１６ 低温ダンパ、１７ 支持材、４２ クラッチ、４３ 水素ガスタンク、４４ 封止弁、４５ 減速機、ＩＰ，ＯＰ 流路、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６ 管、Ｒ１，Ｒ２ 回転軸、ＳＣＧ 超電導発電機。

【要約】

本開示の超電導発電機は、液体水素によって冷却される高温超電導コイル（１５）を含む回転子（４）と、電機子（３）と、電機子（３）、および高温超電導コイル（１５）、高温超電導コイル（１５）を冷却することによって液体水素が変化した水素ガスを電機子（３）を冷却するために収容する水素ガス容器（６）とを備える。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】