JP5337179B2 - 超電導装置 - Google Patents

Description

本発明は超電導部材が形成する磁場の磁束が透過する透磁ヨークをもつ超電導モータ装置等の超電導装置に関する。

従来、給電により磁束を発生させる超電導コイルと、超電導コイルを収容する真空断熱室を形成する真空容器とを有する超電導モータ装置が、超電導装置として提供されている（特許文献１）。超電導モータ装置は、給電に伴い磁場を発生させる超電導コイルと、超電導コイルが形成する磁場の磁束が透過する透磁ヨークとを有する。

特開２００７−８９３４５号公報

上記した超電導モータ装置によれば、実際の使用条件によっては、超電導コイルに対する熱侵入が突然に発生するおそれがある。この場合、超電導コイルの温度が局所的に昇温するおそれがある。この場合、超電導モータ装置の出力が損なわれるおそれがある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、熱侵入が発生したとしても、あるいは、外乱が発生したとしても、あるいは、超電導モータ装置の出力負荷の増大等があったとしても、超電導部材の温度が局所的に昇温するおそれを抑え、出力を良好に維持するのに有利な超電導装置を提供するにある。

本発明に係る超電導装置は、給電に伴い磁場を発生させる超電導部材と、超電導部材が形成する磁場の磁束が透過する透磁ヨークと、低温部により低温状態に冷却され、透磁ヨークの外周部を同軸的に覆うと共に透磁ヨークの外周部と熱的に接触して透磁ヨークを冷却する冷却筒部をもつ熱伝導部とを具備しており、熱伝導部を構成する材料は、透磁ヨークを構成する材料よりも、大きな線膨張係数を有することを特徴とする。

透磁ヨークは、超電導部材が形成する磁場の磁束を透過させるように、超電導部材の近傍に配置されている。低温部により熱伝導部は、低温状態に冷却される。このように低温状態に冷却される熱伝導部は、透磁ヨークと熱的に接触して、透磁ヨークを冷却する。透磁ヨークが冷却されると、透磁ヨークに熱的に接触して配置されている超電導部材の温度が低温状態に良好に維持され、超電導部材の超電導状態が良好に維持される。

以上説明したように本発明によれば、低温状態に冷却される熱伝導部は、透磁ヨークと熱的に接触して、透磁ヨークを冷却する。透磁ヨークが冷却されると、透磁ヨークに熱的に接触して配置されている超電導部材の温度が低温状態に維持される。このため超電導部材に熱侵入が発生したとしても、あるいは、超電導装置の出力負荷が増大したとしても、あるいは、外乱が発生したとしても、超電導部材を透磁ヨークが低温状態に維持されるため、超電導部材の昇温が抑制され、超電導部材の超電導状態が良好に維持される。

本発明によれば、熱伝導部の冷却筒部は、透磁ヨークの外周部を同軸的に覆うと共に透磁ヨークの外周部と熱的に接触して透磁ヨークを冷却する。熱伝導部を構成する材料は、透磁ヨークを構成する材料よりも、大きな線膨張係数を有する。線膨張係数は熱収縮率に相当する。ここで、超電導装置の使用時には、熱伝導部、透磁ヨークおよび超電導部材は低温状態に維持される。このため超電導装置が使用されるときには、熱伝導部の冷却筒部がこれの径方向に熱収縮する熱収縮量をδ３３とし、透磁ヨークがこれの径方向に熱収縮する熱収縮量をδ２１とすると、δ３３はδ２１よりも大きい（δ３３＞δ２１）。このため超電導装置の使用時には、熱伝導部の冷却筒部がこれの径内方向に熱収縮するため、透磁ヨークを締まり嵌めでき、ひいては、透磁ヨークの外周部に密着することができる。これにより熱伝導部の冷却筒部と透磁ヨークの外周部との境界における熱伝導率を高めることができる利点が得られる。

実施例１に係り、超電導モータ装置を示す断面図である。 実施例１に係り、軸芯に沿った切断した超電導モータ装置を示す断面図である。 実施例２に係り、固定鉄心のティース部付近を示す断面図である。 実施例３に係り、固定鉄心のティース部付近を示す断面図である。 実施例４に係り、軸芯に沿った切断した超電導モータ装置を示す断面図である。 実施例５に係り、超電導モータ装置を示す部分断面図である。 実施例６に係り、超電導モータ装置を示す部分断面図である。

超電導部材は、給電に伴い磁場を発生させるものであり、形状および構造を問わない。更に、超電導部材の超電導状態を維持するために超電導部材をこれの臨界温度以下に維持する低温部が設けられていることが好ましい。低温部は、超電導部材の超電導状態を維持するために超電導部材を低温に維持するものである。低温は極低温が好ましい。極低温とは、超電導部材の超電導状態を維持できる温度域以下とすることができる。従って、超電導部材を構成する超電導材料体の臨界温度または組成によって、極低温状態の温度域は相違する。極低温状態とは、実用的には、窒素ガスの液化温度（７７Ｋ）以下であることが好ましい。但し、極低温状態とは、超電導部材の組成によっては１００Ｋ以下、１５０Ｋ以下でよい場合がある。低温部は冷凍機を含む構造であっても良いし、あるいは、冷凍機からの低温を超電導部材側に伝熱させる伝熱機構でも良いし、あるいは、冷凍機を搭載せずに、極低温の冷媒（例えば液化ヘリウム、液化窒素、液化酸素）を断熱保持する機構でも良い。

透磁ヨークは、超電導部材が形成する磁場の磁束を透過させるものであり、磁束を透過させ易い透磁材料で形成されている。透磁材料としては、純鉄、硅素鋼、フェライトリッチの鋳鉄、フェライトリッチの鋳鋼が例示される。

本発明の一視点によれば、透磁ヨークはこれの軸芯回りで筒形状をなしており、熱伝導部は、透磁ヨークの外周部に熱的に接触していることが好ましい。この場合、透磁ヨークの外周部は透磁ヨークの内周部よりも半径が大きいため、熱伝導部と透磁ヨークの外周部との熱的接触面積が確保される。

本発明の一視点によれば、熱伝導部を構成する材料は、透磁ヨークを構成する材料よりも、大きな線膨張係数を有することが好ましい。この場合、熱伝導部が透磁ヨークを包囲していることが好ましい。この場合、超電導装置の状態が組付時から使用時に移行するにつれて、熱伝導部の熱収縮量が確保されるため、熱伝導部が透磁ヨークを締まり嵌めすることができる。ここで、線膨張係数は、常温と超電導部材との間における線膨張係数に相当する。線膨張係数は熱収縮率に対応する。

本発明の一視点によれば、透磁ヨークは、これの周方向に間隔を隔てて並設された複数のティース部を有する。この場合、ティース部と超電導部材との間に配置されたティース用熱伝導材が設けられていることが好ましい。ティース用熱伝導材は、透磁ヨークの材料よりも高い熱伝導率をもつ熱伝導材料を基材とする。ティース用熱伝導材は、透磁ヨークのティース部を介して超電導部材を冷却させる機能を有する。ティース用熱伝導材により超電導部材が良好に冷却される。

本発明の一視点によれば、熱伝導部およびティース用熱伝導材は互いに連設されていることが好ましい。この場合、熱伝導部が低温部により冷却されると、ティース用熱伝導材は冷却され、透磁ヨークのティース部は冷却され、ひいては超電導部材が冷却される。

本発明の一視点によれば、超電導装置は、超電導モータ装置を構成していることが好ましい。この場合、透磁ヨークのうち前記熱伝導部が熱的に接触している接触部分以外の部分に対向すると共にモータ反力に対向する対向部材が設けられていることが好ましい。超電導モータ装置が作動するとき、対向部材は、モータ反力に対向してモータ反力を受けることができる。本発明の一視点によれば、熱伝導部および対向部材の双方が透磁ヨークの外周部に接触できる。熱伝導部と透磁ヨークとの接触面積をＳＡし、対向部材と透磁ヨークとの接触面積をＳＢとすると、ＳＡ＝ＳＢ、ＳＡ≒ＳＢでも良いし、ＳＡ＞ＳＢ、ＳＡ＜ＳＢでも良い。ＳＡ＞ＳＢであれば、熱伝導部により透磁ヨークを冷却し易い。ＳＡ＜ＳＢであれば、対向部材と透磁ヨークとの接触面積ＳＢが大きいため、モータ反力を受けるのに有利である。

本実施例は、超電導装置の代表例である磁場発生装置の一例として超電導モータ装置に適用している。図１は、本例に係る超電導モータ装置１を示す。超電導モータ装置１は、車載用、定置用、産業用等に利用できるものであり、磁場発生部として機能する超電導モータ２と、低温部として機能する極低温発生部３と、容器４と、電流導入端子５とを有する。

ここで、超電導モータ２は、位相が１２０度ずつそれぞれ相違する三相の交流電流を給電するモータを形成する。超電導モータ２は、これの軸心Ｐ１の回りを１周する円筒形状をなす固定子２０と、固定子２０に対して回転可能な可動子として機能する回転子２７とを有する。回転子２７は、超電導モータ２の軸心Ｐ１の回りで回転可能に支持された回転軸２８と、回転軸２８の外周部にこれの周方向に間隔を隔てて配置された複数個の永久磁石部２９とを有する。永久磁石部２９は公知の永久磁石で形成できる。

固定子２０は、透磁ヨークとして機能する透磁率が高い材料で形成された円筒形状をなす固定鉄心２１と、固定鉄心２１を構成するティース部２１０に巻回されて保持された超電導部材として機能する超電導コイル２２とを有する。ティース部２１０は、径内方向に均等な間隔を隔てて複数個配置されている。なお、図１において、超電導コイル２２において、ティース部２１０を挟むコイル線２２ｘとコイル線２２ｙとは、互いに逆向きに電流を流す。

ティース部２１０の内端は、第３容器４５に接触しているが、非接触でも良い。超電導コイル２２は三相の交流電流を通電できるように３個に分割されている。超電導コイル２２は公知の超電導材料で形成されている。超電導コイル２２は、固定鉄心２１の内周部に形成されたスロットル溝２１ａ内に配置されている。三相の交流電流が超電導コイル２２に流れると、固定子２０の回りつまり軸心Ｐ１の回りを回転する回転磁場が発生する。回転磁場により回転子２７がこれの軸心Ｐ１の回りで回転し、モータ機能が得られる。

極低温発生部３は、超電導コイル２２の超電導状態を維持するために超電導コイル２２を極低温に維持するものである。極低温発生部３で得られる極低温の温度領域は、超電導コイル２２を構成する超電導材料の材質に応じて選択されるが、ヘリウム液化温度以下または窒素液化温度以下にでき、例えば、例えば０〜１５０Ｋ、殊に１〜１００Ｋ、１〜８０Ｋとすることができる。但し、超電導材料の材質によってはこれらに限定されるものではない。極低温発生部３は、極低温をコールドヘッド３２において発生させる冷凍機３０を有する。冷凍機３０としては、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、ギホードマクマホン冷凍機、ソルベイ冷凍機、ヴィルマイヤー冷凍機等といった公知の冷凍機を例示できる。

冷凍機３０のコールドヘッド３２と超電導モータ２の固定子２０の固定鉄心２１とを伝熱可能に繋ぐ伝熱材料を基材とする熱伝導部３３が設けられている。熱伝導部３３は、コールドヘッド３２で低温に冷却されるヘッド３３ｈをもつ。熱伝導部３３は、高い伝熱性を有する材料（例えば、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金）等で形成されている。

図１に示すように、容器４は容器状をなしており、超電導コイル２２を断熱させる断熱室として機能する減圧断熱室として機能する真空断熱室４０を形成する。真空とは、充分なる断熱を維持できる程度の減圧状態であることを意味し、例えば１０^−１Ｐａ以下とすることができる。容器４の真空断熱室４０は、固定子２０に巻回されて保持されている超電導コイル２２の外周側（外側）を固定子２０の外周側（外側）と共に包囲する外側真空断熱室４１（例えば１０^−１Ｐａ以下，１０^−２Ｐａ以下）と、超電導コイル２２の内周側（内側）を固定子２０の内周側（内側）と共に包囲する内側真空断熱室４２（圧力：例えば１０^−１Ｐａ以下，１０^−２Ｐａ以下）とを有する。なお、真空断熱室４０は出荷時に高真空状態（大気圧よりも減圧されている状態）に維持されているが、メンテナンス等により長期にわたり高真空状態に維持されることが好ましい。

この場合、超電導コイル２２は外側真空断熱室４１と内側真空断熱室４２とで包囲されているため、超電導コイル２２は極低温状態に維持され、ひいては超電導状態が維持される。図１に示すように、外側真空断熱室４１は、固定子２０の外周部を包囲する第１断熱室部分４１ａと、熱伝導部３３のヘッド部３３ｈおよびコールドヘッド３２の外側を包囲する第２断熱室部分４１ｃとを有する。第２断熱室部分４１ｃは、熱伝導部３３およびコールドヘッド３２を包囲しており、これらの低温を維持する。図１に示すように、容器４は、外側から内側にかけて、同軸的に配置された第１容器４３、第２容器４４、第３容器４５、第４容器４６を有する。第１容器４３および第２容器４４は、外側真空断熱室４１を形成するように、固定鉄心２１の径方向において互いに対面する。第３容器４５および第４容器４６は、内側真空断熱室４２を形成するように、固定鉄心２１の径方向において互いに対面する。

第４容器４６で区画される円筒形状の空間４７には、回転子２７が回転可能に配置されている。空間４７は大気に連通している。回転子２７は回転作動体に連結されている。なお、超電導モータ装置１が自動車等の車両に搭載される場合には、回転作動体は走行用のホィール等が例示される。従って、回転子２７が回転すると、ホィールが回転することができる。

図１に示すように、第１容器４３は、超電導モータ２の外周部を包囲する筒状の第１包囲部４３１と、超電導コイル２２に給電する３相用の電流導入線５６を案内する案内室４３２を形成する筒状をなす案内部４３３と、コールドヘッド３２および熱伝導部３３を覆うように第２包囲部４３４と、冷凍機３０の冷媒ガスを圧縮させる圧縮機構３０ａのフランジ３０ｃを取り付けるための取付フランジ部４３５とを有する。図１に示すように、案内部４３３は、第１容器４３のうち超電導モータ２を包囲する第１包囲部４３１から突設されている。なお、第１容器４３の外側は大気開放とすることができるが、これに限定されるものではない。第１容器４３の外側は断熱材で覆われていても良い。

第１容器４３を構成する材料としては、漏れ磁束を透過させないか、あるいは、透過させにくいこと、強度を有することが好ましい。このような材料としては、透磁率が低い非磁性等の金属材料（例えばオーステナイト系等のステンレス鋼等の合金鋼）が例示される。第２容器４４，第３容器４５，第４容器４６を構成する材料としては、磁束の変化に基づく渦電流を抑制すべく、電気抵抗が高い材料が好ましい。このような材料としては、樹脂、補強材強化樹脂、セラミックス等が例示される。補強材強化樹脂の補強材はガラス、セラミックス等の無機物が例示される。補強材は補強繊維が好ましく、ガラス繊維、セラミックス繊維等の無機繊維が例示される。樹脂は熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれでも良い。

図１に示すように、第１容器４３に部分的に突設されている筒形状をなす案内部４３３の先端部には、第１保持部としての固定盤７０が固定されている。固定盤７０は、電気的および熱的に絶縁性が高い材料、および／または、磁束を透過させにくい材料で形成されていることが好ましい。例えば、樹脂、繊維強化樹脂、セラミックスが例示される。場合によっては、透磁率が低い非磁性等の金属材料としても良い。この場合、電気絶縁構造を採用することが好ましい。案内室４３２は外側真空断熱室４１に連通しているため、超電導モータ２の駆動時には真空断熱状態（減圧断熱状態）とされ、断熱機能を発揮することができる従って電流導入端子５はできるだけ低温に維持されやすい。

図１に示すように、複数（３個）の電流導入端子５は、超電導コイル２２に電流導入線５６を介して電気的に接続されており、超電導コイル２２に給電する導電材料を基材とする端子である。電流導入端子５は突出部８５を有しており、第１容器４３の案内部４３３の先端部の固定盤７０に固定状態に保持されている。

電流導入端子５を固定盤７０に固定する構造としては、特に限定されない。本実施例によれば、具体的には、固定盤７０に形成された貫通孔に電流導入端子５がほぼ同軸的に挿通されている。貫通孔の内壁面と電流導入端子５の外壁面との間には、気密性を高めるシール材が介在している。これにより案内室４３２は、容器４の外側の大気に対してシールされており、案内室４３２の高真空状態（減圧状態）が維持される。なお、図１に示すように、案内室４３２は電流導入端子５の他端側を収容している。電流導入端子５の一端側は、案内室４３２から露出している。なお、電流導入端子５を形成する材料としては導電材料であれば特に限定されず、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、銀、銀合金等が例示されるが、これらに限定されるものではなく、要するに導電性を有するものであれば良い。

超電導モータ２が駆動されるときには、図略の切替スイッチがオンされると、外部の電源に繋がる電流導入端子５に三相の交流が給電される。ひいては超電導コイル２２に給電される。この結果、超電導モータ２において回転磁場が軸心Ｐ１の回りで発生し、回転子２７が軸心Ｐ１の回りで回転する。これにより超電導モータ２が駆動される。ここで、磁束は第３容器４５，内側真空断熱室４２，第４容器４６を透過し、回転子２７の永久磁石部２９に吸引および反発作用を発生させ、回転子２７が回転する。

このように超電導モータ２が回転駆動されるとき、極低温発生部３が発生する極低温により超電導コイル２２および固定鉄心２１は、極低温状態に良好に維持される。故に、超電導コイル２２が臨界温度以下に良好に維持され、超電導モータ２は良好に回転駆動する。なお、超電導コイル２２の電気抵抗は０かあるいは著しく低いため、超電導モータ２０の出力は高い。本実施例によれば、第４容器４６の内周面で形成される空間４７は、大気に連通する。このため第４容器４６は第３容器４５よりも高温側とされている。

さて、図２は超電導モータ２の軸芯Ｐ１に沿った断面を示す。図２に示すように、第１容器４３は超電モータ装置１のハウジングとして機能するものであり、軸芯Ｐ１に沿って同軸的に延設された筒部４３ｍと、筒部４３ｍの軸長方向の一端部４３ｅを支持する高い剛性を有する第１蓋部４３ｒと、筒部４３ｍの軸長方向の他端部４３ｆを支持する高い剛性を有する第２蓋部４３ｓとを有する。

図２に示すように、第１蓋部４３ｒは第４容器４６の軸長方向の一端部４６ｅを支持する。第２蓋部４３ｓは第４容器４６の軸長方向の他端部４６ｆを支持する。第１蓋部４３ｒと回転軸２８との間には第１軸受２８ｈが介在する。第２蓋部４３ｓと回転軸２８との間には第２軸受２８ｋが介在する。第１軸受２８ｈおよび第２軸受２８ｋにより、回転軸２８は軸芯Ｐ１周りで回転可能に支持されている。

図２に示すように、熱伝導部３３は、軸芯Ｐ１を中心とする筒形状の冷却筒部３３ｋを有する。熱伝導部３３の筒部３３ｋは、前記したヘッド部３３ｈ（図１参照）に連設されている。熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋは、図２に示すように、固定鉄心２１の外周部２１ｐに同軸的に設けられており、外周部２１ｐに熱的に接触しつつ、外周部２１ｐを包囲している。ここで、固定鉄心２１の軸長をＬＷとして示す。熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋは、固定鉄心２１の軸長方向の中間部分２１ｍに熱的に接触しつつ包囲している。これにより熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋが極低温状態に冷却されると、固定鉄心２１の外周部２１ｐは冷却され、固定鉄心２１の全体が冷却される。中間部分２１ｍは、固定鉄心２１の軸長方向において、一端部２１ｅおよび他端部２１ｆを除いた部位に相当する。

図２に示すように、第２容器４４の一端部４４ｅは第１蓋部４３ｒに支持されている。第２容器４４の他端部４４ｆは第２蓋部４３ｓに支持されている。このため第２容器４４は高い支持強度で容器４の第１容器４３（基体）に支持されている。このように高い支持強度をもつ第２容器４４の対向部分４４ｒは、固定鉄心２１の軸長方向の一端部２１ｅに対向しつつ接触する。また、第２容器４４の対向部分４４ｐは、固定鉄心２１の軸長方向の他端部２１ｆに対向しつつ接触する。この結果、対向部分４４ｒは、固定鉄心２１の一端部２１ｅを支持している。対向部分４４ｐは、固定鉄心２１の他端部２１ｆを支持している。対向部分４４ｒ，４４ｐは、軸心Ｐ１の周りにリング状に設けられている。

ここで、図２において、第２容器４４の対向部分４４ｒ，４４ｐのサイズをΔＬ１として示す。このため超電導モータ２が回転駆動するとき、モータ反力が固定鉄心２１に作用するときであっても、第２容器４４の対向部分４４ｒ，４４ｐは、固定鉄心２０の外周部２１ｐを支持することができる。殊に、対向部分４４ｒ，４４ｐは、固定鉄心２１の軸長方向の両端部に相当するため、固定鉄心２１に対する支持性を良好に高めることができる。このように対向部分４４ｒ，４４ｐは、モータ反力に対向するモータ反力対向部材として機能することができる。

ここで、第２容器４４は例えば樹脂、補強材強化樹脂、セラミックス等の非金属材料を基材として形成されている。よって第２容器４４の熱伝導性は、金属（例えば銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金）を基材とする熱伝導部３３の熱伝導性よりも低い。このため、第１容器４３の第１蓋部４３ｒおよび第２蓋部４３ｓを介して第２容器４４から固定鉄心２１へ熱が侵入することは、極力抑制されている。

図２に示すように、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋ（第２容器４４）と第１容器４３との間には、外側真空断熱室４１が形成されている。このため第１容器４３から熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋ（第２容器４４）へ熱進入することは抑えられている。ひいては、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋを介して固定鉄心２１および超電導コイル２２に熱進入することは抑えられている。

本実施例によれば、図２に示すように、第３容器４５は、軸芯Ｐ１に沿って延設された筒部４５ｗと、筒部４５ｗの軸長方向の一端４５ｅに径外方向に連設された第１フランジ４５ｘと、筒部４５ｗの軸長方向の他端４５ｆに径外方向に連設された第２フランジ４５ｙとを有する。第１フランジ４５ｘの外周部および第２フランジ４５ｙの外周部は、第２容器４４に対向して支持されている。

第２容器４４と第３容器４５とで、真空断熱室１０の一部をなす断熱室１０ｗが形成されている。断熱室１０ｗは、固定鉄心２１および超電導コイル２２を収容している。

図２に示すように、内側真空断熱室４２は、筒形状の中間室４２ｍと、中間室４２ｍの軸長方向の一端に連通するリング状の第１端室４２ｘと、中間室４２ｍの軸長方向の他端に連通するリング状の第２端室４２ｙとを有する。第１端室４２ｘは、固定鉄心２１の軸長方向の一端部２１ｅ、超電導コイル２２の軸長方向の一端部２２ｅを断熱室１０ｗを介して包囲し、真空断熱している。第２端室４２ｙは、固定鉄心２１の軸長方向の他端部２１ｆ、超電導コイル２２の軸長方向の他端部２２ｆを断熱室１０ｗを介して包囲しており、真空断熱している。これにより固定鉄心２１および超電導コイル２２を極低温状態に維持させるのに貢献できる。

以上説明したように本実施例によれば、透磁ヨークとして機能する固定鉄心２１は、超電導コイル２２が形成する磁場の磁束を透過させるように、超電導コイル２２の近傍に配置されている。極低温発生部３のコールドヘッド３２により熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋは、極低温状態に冷却される。このように極低温状態に冷却される熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋは、固定鉄心２１の外周部２１ｐと熱的に接触して、固定鉄心２１を冷却する。このように固定鉄心２１が冷却されると、固定鉄心２１の近傍に配置されている超電導コイル２２の温度が低温状態に維持される。このため、万一、超電導コイル２２側に熱侵入が発生したとしても、あるいは、外乱やモータ負荷の急激な増加等によって、冷凍機３０の冷凍出力が追いつかないときであっても、大きな冷熱容量を有する固定鉄心２１が超電導コイル２２を低温状態に維持させる。このため、超電導コイル２２の昇温が抑制され、超電導コイル２２の超電導状態が良好に維持される。

特に、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋは、固定鉄心２１のうち半径が大きな外周部２１ｐと熱的に接触するため、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋと固定鉄心２１の外周部２１ｐとの接触面積を増加させることができ、固定鉄心２１の冷却に有利である。ここで、固定鉄心２１の体積は超電導コイル２２よりも大きく、固定鉄心２１の蓄冷量は大きい。

このように本実施例では、超電導コイル２２を直接的に冷却させるのではなく、超電導コイル２２に隣設すると共に超電導コイル２２よりも熱容量が大きな固定鉄心２１を熱伝導部３３により積極的に冷却させることにしている。このため超電導コイル２２に局部的に昇温が発生したとしても、固定鉄心２１の冷熱により超電導コイル２２を速やかに冷却させることができる。

更に本実施例によれば、熱伝導部３３を構成する材料（例えば、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金）は、固定鉄心２１を構成する材料（例えば鉄系材料）よりも、大きな線膨張係数（熱収縮率に相当）を有する。この場合、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋが固定鉄心２１を同軸的に包囲しているとき、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋの径内方向への熱収縮量が確保される。

ここで、超電導モータ装置１の組付は一般的には極低温状態ではなく、極低温状態よりも高い温度領域、例えば常温領域において行われる。これに対して、超電導モータ装置１の使用時には、熱伝導部３３、固定鉄心２１および超電導コイル２２は極低温状態に維持される。このため超電導モータ装置１が使用されるときには、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋが径方向に熱収縮する熱収縮量をδ３３とし、固定鉄心２１が径方向に熱収縮する熱収縮量をδ２１とすると、δ３３はδ２１よりも大きい（δ３３＞δ２１）。このため電導モータ装置１の使用時には、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋが径内方向に熱収縮するため、固定鉄心２１を締まり嵌めでき、ひいては、固定鉄心２１の外周部２１ｐに密着することができる。これにより熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋと固定鉄心２１の外周部２１ｐとの境界における熱伝導率を高めることができる。

加えて本実施例によれば、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋを構成する材料は非磁性材料または常磁性材料であり、例えば、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金であり、鉄系等のように強磁性材料ではない。この場合、固定鉄心２１を通過する磁束が固定鉄心２１の外周部２１ｐから外方に洩れることを抑制できる。

超電導モータ装置１が回転駆動するときには、回転子２７の回転に伴いモータ反力が発生する。ここで、モータ反力を熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋで積極的に受ける構造も考えられる。しかしこの場合、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋに対する支持強度を高める必要があり、ハウジングとして機能する第１容器４３に熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋを積極的に支持させる構造が必要とされる。この場合、常温側に近い第１容器４３と極低温状態の熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋとの接触面積が増加する構造となり易い。これは、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋの冷熱が第１容器４３側に逃げるおそれがある。この場合、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋの低温維持、固定鉄心２１および超電導コイル２２の低温維持を考慮すると、好ましくない。

この点について本実施例によれば、図２に示すように、対向部材として機能する第２容器４４の対向部分４４ｒ，４４ｐは、固定鉄心２１の外周部２１ｐのうち熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋが熱的に接触している接触部分以外の部分である一端部２１ｅおよび他端部２１ｆに対向している。この結果、第２容器４４の対向部分４４ｒ，４４ｐは、固定鉄心２１の外周部２１ｐに対向しており、モータ反力に対向しており、モータ反力を受けることができる。このように本実施例によれば、モータ反力を熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋではなく、対向部材として機能する第２容器４４の対向部分４４ｒ，４４ｐで積極的に受けることを意図している。第２容器４４は、ハウジングとして機能する第１容器４３の第１蓋部４３ｒ，第２蓋部４３ｓに支持されているため、対向部分４４ｒ，４４ｐはモータ反力に良好に対向できる。

熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋと固定鉄心２１との接触面積をＳＡし、対向部材である第２容器４４と固定鉄心２１との接触面積をＳＢとすると、ＳＡ＞ＳＢとされている。このため、熱伝導部３３の冷却筒部３３ｋにより固定鉄心２１を冷却させ易い。場合によっては、ＳＡ＜ＳＢとしても良い。対向部材である第２容器４４と固定鉄心２１との接触面積ＳＢが大きいため、第２容器４４がモータ反力を受けるのに有利である。なお必要に応じて、ＳＡ＝ＳＢ、ＳＡ≒ＳＢでも良い。

図３は実施例２を示す。本実施例は基本的には実施例１と同様の構成および作用効果を有するため、図１および図２を準用する。図３に示すように、固定鉄心２１は、これの周方向に間隔を隔てて並設された複数のティース部２１０を有する。ティース部２１０は径内方向に突出する。ティース部２１０と超電導コイル２２との間には、ティース用熱伝導材３３０が設けられている。ティース用熱伝導材３３０は、固定鉄心２１のティース部２１０を介して超電導コイル２２を冷却させるものであり、固定鉄心２１の材料よりも高い熱伝導率をもつ熱伝導材料（例えば、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金）を基材として形成されている。

ティース用熱伝導材３３０は、固定鉄心２１のティース部２１０の側面２１０ｓに対面接触している。ティース用熱伝導材３３０は、固定鉄心２１のティース部２１０により冷却され、ひいては超電導コイル２２を冷却させる。ティース部２１０では磁束Ｍａ（図３参照）は、固定鉄心２１の径方向に透過する。このためティース用熱伝導材３３０は、ティース部２１０を透過する磁束Ｍａに沿って配向されており、磁束Ｍａの透過を妨げることが抑制されており、超電導モータ２の出力が良好に維持される。

図４は実施例３を示す。本実施例は基本的には実施例１，２と同様の構成および作用効果を有するため、図１および図２を準用する。図４に示すように、ティース用熱伝導材３３０は、固定鉄心２１の外周部２１ｐを包囲する熱伝導部３３に連設部３３３を介して連設されていり、熱伝導部３３と一体的とされている。故に、熱伝導部３３が極低温発生部３のコールドヘッド３２で低温に冷却されると、ティース用熱伝導材３３０も速やかに低温に冷却され、超電導コイル２２を冷却させ易い。これにより超電導モータ２の出力が良好に維持される。連設部３３３は、固定鉄心２１の軸長方向の端部２１ｅ，２１ｆ側（図２参照）に配置されている。

図５は実施例４を示す。本実施例は基本的には実施例１，２と同様の構成および作用効果を有するため、図１を準用する。図５に示すように、対向部材として機能する第２容器４４の対向部分４４ｒ，４４ｐは、固定鉄心２１の外周部２１ｐのうち一端部２１ｅおよび他端部２１ｆに対向している。この結果、第２容器４４は、固定鉄心２１の外周部２１ｐに対向しており、モータ反力に対向しており、モータ反力を受けることができる。このようにモータ反力を熱伝導部３３ではなく、対向部材として機能する第２容器４４の対向部分４４ｒ，４４ｐで積極的に受けることを意図している。更に第２容器４４と第１容器４３との間には、径方向に延設された補強部材４４５が介在している。これによりモータ反力が大きいときであっても、モータ反力を一層良好に受けることができる。補強部材４４５は対向部分４４ｒ，４４ｐの外周側に配置されており、対向部分４４ｒ，４４ｐを支持する。

図６は実施例５を示す。本実施例は基本的には実施例１，２と同様の構成および作用効果を有するため、図２を準用する。図６に示すように、冷凍機３０側のコールドヘッド３２と熱伝導部３３との間には、断面でＵ形状をなす中間伝熱機構６００が設けられている。中間伝熱機構６００の一端部は、中間材５０８を介して熱伝導部３３のヘッド部３３ｈに螺子５０７で止められている。中間伝熱機構６００の他端部は、中間材５０８を介してコールドヘッド３２に螺子５０９で止められている。中間材５０８は高い熱伝導性をもち、熱接触性を高めるべく軟質な材料（例えばインジウム、インジウム合金）で形成されている。中間伝熱機構６００は、高い熱伝導率を有する金属（例えば、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金）で形成された金属板６０１を積層した積層板６０２で形成されている。コールドヘッド３２からの冷熱は、中間伝熱機構６００を介して熱伝導部３３のヘッド部３３ｈに伝達される。中間伝熱機構６００は断面でＵ形状をなしているため、熱伝導性ばかりか、振動吸収性にも優れている。このため超電導モータ２と冷凍機３０との間の振動伝搬を抑えるのに有利である。

図７は実施例６を示す。本実施例は基本的には実施例１，２と同様の構成および作用効果を有するため、図２を準用する。図７に示すように、冷凍機３０側のコールドヘッド３２と熱伝導部３３との間には、金属網線の集合体である中間伝熱機構７００が設けられている。中間伝熱機構７００は、金属網線の集合体７０１と、金属網線の集合体７０１は溶接、ろう付け、半田付け、かしめ、螺子止め等によって接合されているフランジ７０２，７０３とを有する。フランジ７０２は、熱伝導部３３のヘッド部３３ｋに螺子７０８で止められている。フランジ７０３は、コールドヘッド３２に螺子７０９で止められている。集合体７０１は、高い熱伝導率を有する金属（例えば、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金）の網で形成されている。なお、フランジ７０２，７０３を熱伝導部３３，コールドヘッド３２に溶接、ろう付け、または、半田付けで固定することにしても良い。集合体７０１は金属網線の集合体であるため、熱伝導性ばかりか、振動吸収性にも優れている。このため超電導モータ２と冷凍機３０との間の振動伝搬を抑えるのに有利である。

上記した実施例１によれば、回転子２７は、軸心Ｐ１の回りで回転可能に支持された回転軸２８と、回転軸２８の外周部にこれの周方向に間隔を隔てて配置された複数個の永久磁石部２９とを有する。しかしこれに限らず、固定子２０側に永久磁石部が設けられており、回転子２７側に超電導コイル２２が設けられていても良い。上記した実施例によれば、車載用の超電導モータ装置１に適用しているが、車載用に限らず、定置用でも良い。上記した実施例によれば、超電導モータ装置１は回転タイプであるため、可動子は回転子２７とされているが、可動子を直動させる直動タイプのリニアモータでも良い。この場合、固定子２０は一方向に延設された形状となり、可動子を直動させる可動磁場を発生させる。

上記した実施例によれば、回転子２７が永久磁石部２９を有し、固定子２０は、固定鉄心２１と、固定鉄心２１に巻回されて保持された超電導コイル２２とを有するが、これに限られるものではない。固定子が永久磁石部を有し、回転子が超電導コイルを有する構造でも良い。実施例１では、固定鉄心２１は筒形状とされているが、周方向に複数に分割された分割体を周方向に組み付けて筒体としても良い。

ある実施例に特有の構造および機能は他の実施例にも適用できる。例えば実施例２〜実施例７の構造を実施例１に適用しても良い。その他、本発明は上記した実施形態および実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
［付記項１］給電に伴い磁場を発生させる超電導部材と、ティース部をもち前記超電導部材が形成する磁場の磁束が透過する透磁ヨークと、ティース部と超電導部材との間に配置されたティース用熱伝導材とを具備しており、ティース用熱伝導材は、透磁ヨークのティース部を介して超電導部材を冷却させるように、透磁ヨークの材料よりも高い熱伝導率をもつ熱伝導材料を基材とすることを特徴とする超電導装置。ティース部が冷却され、超電導部材が冷却される。
［付記項２］給電に伴い磁場を発生させる超電導部材と、前記超電導部材が形成する磁場の磁束が透過する透磁ヨークと、低温部により低温状態に冷却され、前記透磁ヨークと熱的に接触して前記透磁ヨークを冷却する熱伝導部とを具備することを特徴とする超電導装置。

本発明は例えば産業用、車載用、医療用の超電導モータ装置等の超電導装置に利用することができる。

１は超電導モータ装置（超電導装置）、２は超電導モータ、２０は固定子、２１は固定鉄心（透磁ヨーク）、２１０はティース部、２２は超電導コイル（超電導部材）、２７は回転子（可動子）、３は極低温発生部（低温部）、３０は冷凍機、３２はコールドヘッド、３３は熱伝導部、３３ｈはヘッド部、３３ｋは冷却筒部、３３０はティース用熱伝導材、３３３は連設部、４は容器、４１は外側真空断熱室、４２は内側真空断熱室、４３は第１容器、４４は第２容器（対向部材）、４５は第３容器、４６は第４容器、４１は外側真空断熱室、４２は内側真空断熱室を示す。

Claims (6)

1. 給電に伴い磁場を発生させる超電導部材と、
   前記超電導部材が形成する磁場の磁束が透過する透磁ヨークと、
   低温部により低温状態に冷却され、前記透磁ヨークの外周部を同軸的に覆うと共に前記透磁ヨークの外周部と接触して前記透磁ヨークを冷却する冷却筒部をもつ熱伝導部とを具備しており、
   前記熱伝導部を構成する材料は、前記透磁ヨークを構成する材料よりも、大きな線膨張係数を有し、
   前記透磁ヨークの内側に内側真空断熱室を有し、
   前記透磁ヨークの外側に外側真空断熱室を有することを特徴とする超電導装置。
2. 請求項１において、前記透磁ヨークは、これの周方向に間隔を隔てて並設された複数のティース部を有しており、
   前記ティース部と前記超電導部材との間に配置されたティース用熱伝導材が設けられており、前記ティース用熱伝導材は、前記透磁ヨークの材料よりも高い熱伝導率をもつ熱伝導材料を基材としており、前記透磁ヨークのティース部を介して前記超電導部材を冷却させることを特徴とする超電導装置。
3. 請求項２において、前記熱伝導部および前記ティース用熱伝導材は互いに連設されていることを特徴とする超電導装置。
4. 給電に伴い磁場を発生させる超電導部材と、
   前記超電導部材が形成する磁場の磁束が透過する透磁ヨークと、
   低温部により低温状態に冷却され、前記透磁ヨークの外周部を同軸的に覆うと共に前記透磁ヨークの外周部と熱的に接触して前記透磁ヨークを冷却する冷却筒部をもつ熱伝導部とを具備しており、
   前記熱伝導部を構成する材料は、前記透磁ヨークを構成する材料よりも、大きな線膨張係数を有し、
   前記透磁ヨークは、これの周方向に間隔を隔てて並設された複数のティース部を有しており、
   前記ティース部と前記超電導部材との間に配置されたティース用熱伝導材が設けられており、前記ティース用熱伝導材は、前記透磁ヨークの材料よりも高い熱伝導率をもつ熱伝導材料を基材としており、前記透磁ヨークのティース部を介して前記超電導部材を冷却させ、
   前記熱伝導部および前記ティース用熱伝導材は互いに連設されていることを特徴とする超電導装置。
5. 請求項１〜４のうちの一項において、前記透磁ヨークはこれの軸芯回りで筒形状をなしていることを特徴とする超電導装置。
6. 請求項１〜５のうちの一項において、前記超電導装置は、超電導モータ装置を構成しており、前記透磁ヨークのうち前記熱伝導部が熱的に接触している接触部分以外の部分に対向すると共にモータ反力に対向する対向部材を有することを特徴とする超電導装置。

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