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    公开号:WO1992005621A1
    申请号:PCT/JP1991/001250
    申请日:1991-09-20
    公开日:1992-04-02
    发明作者:Eiichi Tada
    申请人:Eiichi Tada；
    IPC主号:H02K44-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 推 力 発 生 装 置 技術分野
    [0003] 本発明は推力発生装置に鬨し、 船舶推進、 海上ステーションの位置保 持、 電磁ボンプ等用の超電導電磁推進力発生装置とするのに適し、 また MHD発電機や揚水発電機等用のポンプや発電機として使用するのに適す るものに閧する。 背景技術
    [0004] 従来、 上述のような用途に使用される超電導電磁推進力発生装置とし ては、 ダイポール型やくら型、 若しくはレーストラック型の超電導コィ ルを用いるものが広く知られている。
    [0005] しかしながら、 上述した従来の推力発生装置は実機として採用可能な 程度の推進力を得るためには非常に大きな規模のものになるという問題 がある。
    [0006] 例えば電磁推進船等に用いられる電磁推進装置にあっては、 実船に使 用できる推進効率を得るためには 1 0〜2 0 Tの強磁界を必要とすると されている。 ところが、 スペースが限られている船体に設置するために、 装置のサイズ、 重量等が制限され、 そのような要求される条件を満足す る装置が現在のところ出現しておらず、 この点が電磁推進船の開発設計 上の問題点となっている。
    [0007] 本発明者らはこれらの問題に鑑み、 高磁場の電磁力を発生でき、 軽量 かつ省スペースな推力発生装置を提供するため、 国際出願 PCT/JP89A)1153において 、 ソレノィドコイル型の超電導マグネッ卜の中 空内部に、 蔓卷状の推進ダク トを揷通させ、 該推進ダクトの内面の一側 に正電極を、 他側に負電極を夫々連続的に配置して対向させると共に、 該推進ダクトの入側及び出側開口部を上記超電導マグネットの中心軸線 に沿わせて開口させてなる推力発生装置を提案した。
    [0008] ところが、 このような推力発生装置は、 従来公知の装置における問題 点は解決できるものの、 電磁流体の流速が非常に大きくなると推進ダク ト壁との流体摩擦損失が非常に大きくなつてしまい、 推力発生ェネルギ 効率が低下するという問題が判明した。 発明の開示
    [0009] 本発明は上記の問題に鑑み、 推進ダクト壁を移動させてその移動速度 と電磁流体の流速とを同一化することにより、 上述のような流体摩擦を できるだけ発生させないようにし、 さらに高効率な推力発生装置を提供 しょうとするものである。
    [0010] 本発明に係る推力発生装置は、 上記目的を達成するために、 ソレノィ ドコイル型の超電導マグネットと、 該超電導マグネットの中空内部に回 転自在に支持した電磁流体を通すための薆卷状のダクトと、 該ダクト内 面に設けた正、 負電極と、 及び両電極間にある電磁流体に電流を供給し て該電磁流体中に磁界とローレンツ力を発生させる給電装置とからなる。 そして上記ダクトは、 入側及び出側開口部を上記超電導マグネットの中 心軸線に沿わせて開口させ、 かつ内面の一側に上記正電極を、 他側に上 記負電極を夫々連続的に対向配置して備える。 また上記給電装置は、 上 記ダクトの内周壁もしくは外周壁の少なくともいずれか一方に、 上記電 極間への電流供給用の複数の電流リード部を等間隔で固設し、 該供給電 流により該電流リード部に磁界及びローレンツ力を発生させ、 該ローレ ンッ力により上記ダクトを回転させる。
    [0011] 本発明に係る推力発生装置は、 上記複数の電流リード部に電流を供給 するための母線装置を備えることができる。 この母線装置は、 上記ダク トと同心のリング部と、 上記ダクトの長さ方向に伸びるブスバー部とか らなる。 そして上記ブスバー部を上記電流リード部に接触させる。 そし て、 上記母線装置を上記ダク トと共に回転可能とした構成とすることが できる。 このため上記ブスバー部を上記電流リード部に固定する。 また、 上記母線装置を電源に接続するために、 上記リング部の内周面もしくは 外周面に電源からの給電端子を接触させる構成とすることができる。 こ のような構成にすると、 機械的構造が簡単になり、 給電端子にローラ状 のものを採用すれば摩擦損失を小さくできる。 もっとも回転するダク ト 及び給電装置の重量を支えるための回転支持装置が必要となる。
    [0012] また本発明に係る推力発生装置は、 上記母線装置が回転せぬよう位置 固定とした構成とすることができる。 この場合、 上記電流リード部と上 記ブスバー部との間にはリングブスバー部を介在させる。 このような構 成にすると、 機械的構図は複雑になり、 電流リード部とリングブスバー 部との摺接による摩擦損失が大きくなる。 但し、 ダクト重量を支える回 転支持装置と給電装置とを一体化できる。
    [0013] 上記ダクト内を流れる流体が海水等の場合、 負電極に水素ガスが発生 して有効面積を減らすことになるので、 上記正電極を上記ダクトの内径 側の面に、 上記負電極を上記ダクトの外径側の面に設けるようにすると よい。
    [0014] 上記ダクトは外径と内径の比を略 1 ： 3 . 5にすると最も大きな推力 を発生する。 図面の簡単な説明
    [0015] 第 1図は、 本発明の一実施例を一部破断して示す斜視図、
    [0016] 第 2図は第 1図中の推進ダクトの拡大部分断面図、 第 3図は第 2図中の矢印 III一 III線に沿う断面図、
    [0017] 第 4図は給電装置の部分斜視図、
    [0018] 第 5図は電流リード部におけるローレンツ力の発生状態を示す斜視図、 第 6図は推進ダクトの回転速度と電磁流体の流速との閧連を示す速度 線図、
    [0019] 第 7図は推進ダクトの回転速度変化による電磁流体の流体摩擦損失を 示すグラフ、 そして
    [0020] 第 8図は本発明の第二の実施例を示す第 2図相当の断面図である。 発明を実施するための最良の形態
    [0021] 本実施例の推力発生装置は、 主にソレノィドコイル型の超電導マグネ ット 推進ダクト 2及び給電装置 3から構成される。
    [0022] 超電導マグネット 1は、 詳細には図示せぬが勿論クライォスタットと しての構造を有するもので、 内部には超電導コィル 4が卷き回してあり、 中空部 5内に磁場を発生させるようになつている。 なお、 超電導コイル 4 へ電流を流すための発電機は図示を省略してある。 また超電導コイル 4 の形はレイヤー卷でもパンケーキ卷でもいずれでもよい。
    [0023] 推進ダクト 2は、 断面が矩形の中空ダクトを蔓卷状にしてなるもので、 入側端部 6及び出側端部 7は夫々の先端開口 6a、 7aの開口中心が超電導マ グネット 1の中心軸線 la上に位置し、 中心軸線 laに沿って伸びている。 図 示せぬが、 超電導マグネット 1の両端開口は勿論閉塞され、 推進ダクト 2 は入側端部 6及び出側端部 7のみが外部に露出している。 なお、 図示せぬ が推進ダクト 2は超電導マグネット内で適宜の支持装置 (例えばローラを 用いた支持装置)により回転可能に支持する。 また本発明においては、 ダ クトの形状はこの例の推進ダクト 2の形状に限定されず、 円筒形等他の 形状であってもよい。 推進ダク ト 2の内面には、 正、 負の電極 8、 9が貼り付けてある。 図示 の例では、 推進ダクト 2内を流れる海水等の電磁流体 10によって負電極 9 に水素ガスが発生し、 有効面積を減らすことを勘案して正電極 8を推進 ダクト 2の内径側に、 負電極 9を外径側に配してある。 本発明は、 勿論こ の配置態様に限定されることはない。
    [0024] 給電装置 3は複数の電流リード部 1 1、 12とこの電流リード部に電流を 供給する母線装置 13、 14とからなる。
    [0025] 即ち、 ダクト 2の内周側中空部には 90。 間隔で内周側電流リード部 11 · · ' が設けてあり、 また推進ダクト 2の外周側で超電導コイル 1の内周面と の間には 45。 間隔で外周側電流リード部 12 · · ·が設けてある。 両電流 リード部 11、 12は夫々基端を推進ダクト 2に埋設して固定しており、 か つ内周側電流リ一ド部 11は正電極 8と、 外周側電流リ一ド部 12は負電極 9 と接続している。
    [0026] 内周側の母線装置 13はリング部 15と、 このリング部 15から伸びる四本 のブスバー部 16 . ■ . とからなる。 リング部 15は推進ダク ト 2と同心に 配置してあり、 内面にはローラ状の給電端子 17、 17が接触している。 ま た、 ブスバー部 16は、 内周側電流リード部 1 1と対応する位置で推進ダク ト 2の内周側中空部に挿入してあり、 推進ダクト 2の内周側中空部をほぼ 貫通し、 対応位置にあるすベての内周側電流リード部 11と接続している。 外周側の母線装置 14は、 内周側母線装置 13と同様に、 リング部 18と、 このリング部 18から伸びる八本のブスバ一部 19 · ■ ' とからなる。 リン グ部 18は推進ダクト 2と同心に配置してあり、 内面にはローラ状の給電 端子 20 . ■ ·が接触している。 また、 ブスバー部 19は、 外周側電流リー ド部 12と対応する位置で推進ダクト 2の外周に沿わせて配置してあつて、 推進ダクト 2の外周側で対応位置にあるすべての外周側電流リード部 12 と接続している。 この実施例では、 電極電流は内周側の母線装置 13の給電端子 17からリ ング部 15を経て四本のブスバー部 16に流れ、 ブスバー部 16から内周側電 流リード部 11を通って正電極 8に至り、 電磁流体 10中に供給される。 そ して供給された電流は、 電磁流体 10から負電極 9、 外周側電流リード部 12、 ブスバー 19、 リング部 18、 給電端子 20という回路を流れる。
    [0027] 超電導マグネット 1により発生する磁場 B、 正負電極 8、 9間に流れる 電極電流 J、 及びローレンツ力 Fは、 図中に夫々矢印で示す方向に向く。 このため、 電磁流体 10は入側端部 6の開口 6aから推進ダクト 2内に入って、 推進ダクト 2内で連続的に口一レンツ力 Fを受けて加速され、 出側端部 7 の開口 7aから外部に噴出し、 その噴出力の反力が推力となる。
    [0028] ここで電極電流、 電極間電圧の初期値をそれぞれ J (A)、 V(V)とする と、 これらはそれぞれ、
    [0029] と表される。
    [0030] ただし、
    [0031] j 推進ダクトの代表半径における電流密度 (ΑΛη2)
    [0032] rc 代表半径 (m)-(r。+n) 2
    [0033] Γο 推進ダクトの外半径 (m)
    [0034] π 推進ダクトの内半径 (m)
    [0035] b 推進ダクトのセルの長さ (m)
    [0036] η 推進ダクトのセル数
    [0037] 1 推進ダクトの長さ
    [0038] ΰ 海水導電率 (SAn)
    [0039] である。
    [0040] そして投入電力の初期値 P (W)は、 P =J-V
    [0041]
    [0042] となる。
    [0043] また推進ダクト 2の内部空間、 即ち電磁流体 10の通路体積 S(m3)は、 概 略
    [0044] S=7T (ro2— n2)bn
    [0045] と表される。
    [0046] するとローレンツ力の初期値 F(N)は、
    [0047] F =jBS
    [0048] となり、 このローレンツ力 Fと投入電力の初期値 Pの閧係は、
    [0049] F2
    [0050]
    [0051] となる。 ここで、 Ρ(7Β2ττ12=Αとすると上式は,
    [0052] F2=4A-
    [0053] となり、 ローレンツ力 Fの極値は ときである。 そしてこれ を数値的に解くと、 r。2 3. 5ϋの時にもっとも大きな推力が得られる。 また内周側電流リード部 11、 外周側電流リ一ド部 12等の各要素にも超 電導マグネット 1により発生する磁場 Βと各要素に流れる電極電流 Jに より口一レンツ力 f が発生する。 このローレンツ力 は、 推進ダク ト 2 に直接に掛かって、 推進ダクト 2を回転駆動する。
    [0054] ここで第 5図に示すモデルにより電流リード部に発生する回転駆動力 について説明する。 なお第 5図では外周側電流リード部 12を示している。 電流リード部の寸法を図示のとおり横 w(m)、 縦 h。(n！)、 奥行き d(m)と する。 またこのような電流リード部が推進ダクト 2の外周に m個、 軸 la 方向に推進ダクト 2のセル数と同じく n個設けてあるとする。
    [0055] 電流リード部の平均電流密度 jは
    [0056] j=(J/mn)(l/dw) (A/m2)
    [0057] となる。 これが磁場 B (T)中にあるため、 単位体積当たりのローレンツ力 は、
    [0058] となる。 そのため一個の電流リード部に発生するローレンツ力 feは、
    [0059]
    [0060] であり、 mn個の電流リード部に発生する全口一レンツ力 Feは、
    [0061] =JBh> (N)
    [0062] となる。 即ち、 上式より明らかなように電磁リード部に発生するローレ ンッカ ίは電極電流 J、 磁場 Bを一定とすると、 電流リード部の厚み h。 により決定されることになる。 そして推進ダクト 2を回転させる回転モ 一メント T。は、 ローレンツ力 Feと半径 r。との積になり、
    [0063]
    [0064] =2JBhoro
    [0065] となる。 さらに内周側に発生する回転モーメント Tiも上記と同様に求め ると、
    [0066]
    [0067] となる。 ただし、 hは内周側電流リード部の厚み、 ηは推進ダクト 2の内 周側の半径である。
    [0068] そして推進ダクト 2を回転させる全回転モーメント Τは、
    [0069] となる。
    [0070] 例えば J=4000A、 B=10T、 ro=0.8m、 とすると、
    [0071] Ti= 1824( m)= 186(kgf-m)
    [0072] T =8224(Nm)=839(kgf-m)
    [0073] となる。
    [0074] ここで、 推進ダクト 2が軸線周りに一周する場合に軸方向に進む距離、 即ちリードを kと し、 リード角を/ として、 推進ダクト 2のセンタの代 表位置での速度線図を示すと第 6図のようになる。
    [0075] 仮に推進ダクト 2の壁面と電磁流体 10との間に摩擦がなく、 電磁流体 10が静止状態にありかつ推進ダクト 2が周速 Ccで回転しているとすると、 電磁流体 10は推進ダクト 2の壁から力を受け図中 AD方向に移動する。 こ で表される。 但し tan は、
    [0076] tan. β =k 2 π rc
    [0077] である。
    [0078] 一方、 推進ダクト 2が停止していれば、 電磁流体 10は推進ダクト 2に沿 つて 方向へ流れる。 その流速を Vcとする。 そして、 この状態で推進 ダクト 2が周速 Ccで図中 δδ"の方向に回転すると、 電磁流体 10は図に示す ように、 流速 Wcで^"方向に流れることになる。 この流速 Wcと推進ダク ト 2の回転を考慮すると、 電磁流体 10は回転する相対座標系の上で、 流 速 Ucで gS"方向に流れることになる。 ここで流速 Ucの大きさは、
    [0079] Uc： Vc=Vccos;S -Cc： Vccos S
    [0080] となるから、
    [0081] Uc=Vc(VcCOS β - Cc) VcCOS β cosyS
    [0082]
    [0083] と求められる。
    [0084] 即ち、 推進ダクト 2が静止している場合、 電磁流体 10と推進ダクト 2の 壁面との速度差は Vcであるのに対し、
    [0085] 推進ダクト 2が周速度で回転している場合の電磁流体 10と推進ダクト 2の 壁面の速度差は Uc(<Vc)となり、 流体摩擦損失は推進ダクト 2が回転して いない場合に比べて小さくできる。 もちろん、 の場合には、 Ucがゼロとなり、 流体摩擦がないことになる。
    [0086] ここで推進ダク ト 2が周速 Ccを得るための回転数 n (rpm)は、 角速度を ωとすると、 より、
    [0087] n=(30/ 7T )'(G： c) (rpm)
    [0088] となる。
    [0089] そして Ucの Vcに対する割合、 即ち流摩擦体損失の割合は、
    [0090] で与えられる。 この式をグラフとしたのが第 7図である。 そして第 7図 に示すように、 例えばリード角 が 30 とし、 推進ダクト 2の周速を電 磁流体 10の流速の 80%に設定すれば、 流体摩擦損失を約 90%も低減でき ることがわかる。
    [0091] 第 8図は他の実施例を示し、 先の実施例を集中給電方式とすれば、 こ の実施例の装置は分割給電方式と言えるものである。 本実施例では給電 装置 3の母線装置 13、 14は夫々リングブスバー 21、 22を備えて位置を固 定とし、 推進ダク ト 2が回転しても静止しているようにしてある。 先の 例に比べ構造が複雑化し、 電流リングブスバー 21、 22と電流リード部 11、 12との摺接による摩擦損失が増えるが、 推進ダクト 2の重量を支える支 持装置 (例えばローラ支持装置)に母線装置 13、 14を一体化できる利点が ある。 本実施例のその他の構造、 作用は先の例と同一であるので説明は 省略する。
    [0092] なお、 本発明の推力発生装置は単独で用いてもよいが、 本発明者等が なした先の国際出願 PCT/JP89ノ 01153にお いて開示したように、 複数連結 して用いることも可能である。 産業上の利用可能性
    [0093] 本発明に係る推力発生装置は、 以上説明してきたようなものなので、 推力を水平に発生させるようにすれば船舶等の推進装置として用いるこ とができ、 また水平及び垂直に推力を発生させれば海上ステーションの 位置保持装置として使用できる。
    [0094] 一方、 推力発生装置を固定してダクト中の電磁流体に電流が流れるよ うにすればローレンツ力によ り電磁流体がダクトから噴射されるので大 容量海水ポンプ等として使用できる。
    [0095] さらに推力発生原理を逆にしてダクト中に電磁流体を流せば発電が可 能になるので、 海流 MHD発電装置等の大容量発電機としても使用できる。
    权利要求:
    Claims 請 求 の 範 囲
    ( 1 )ソレノイドコイル型の超電導マグネット、 該超電導マグネットの中 空内部に回転自在に支持した電磁流体を通すための蔓卷状のダクト、 該 ダクト内面に設けた正、 負電極、 及び両電極間にある電磁流体に電流を 供耠して該電磁流体中に磁界とローレンツ力を発生させる耠電装置とか らなり、
    上記ダクトは、 入側及び出側開口部を上記超電導マグネットの中心軸 線に沿わせて開口させ、 かつ内面の一側に上記正電極を、 他側に上記負 電極を夫々連続的に対向配置して備え、
    上記給電装置は、 上記ダクトの内周壁もしくは外周壁の少なくともい ずれか一方に、 上記電極間への電流供給用の複数の電流リ一ド部を等間 隔で固設し、 該供耠電流により該電流リード部に磁界及びローレンツ力 を発生させ、 該ローレンツ力により上記ダクトを回転させることを特徴 とする推力発生装置。
    ( 2 )上記複数の電流リード部に電流を供耠する母線装置を備え、 該母線 装置は、 上記ダクトと同心のリング部と、 上記ダクトの長さ方向に伸び るブスバー部とからなり、 該ブスバー部を上記電流リ一ド部に接触させ る請求項 1の推力発生装置。
    ( 3 )上記ブスバー部を上記電流リード部に固定し、 上記母線装置を上記 ダクトと共に回転可能とした請求項 2の推力発生装置。
    (4 )上記リング部の内周面もしくは外周面に電源からの給電端子を接触 させた請求項 3の推力発生装置。
    ( 5 )上記母線装置は、 上記電流リード部と上記ブスバー部との間にリン ダブスバー部を介在させ、 かつ回転せぬよう位置固定とした請求項 2の 推力発生装置。
    (6)上記正電極を上記ダクトの内径側の面に、 上記負電極を上記ダクト の外径側の面に設けた請求項 1ないし 5のいずれかの推力発生装置。
    (7)上記ダクトの外径と内径の比を略 1 ： 3. 5とした請求項 1ないし 6のいずれかの推力発生装置。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    EP0500970B1|1995-04-12|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1992-04-02| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
    1992-04-02| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IT LU NL SE |
    1992-05-29| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1991916612 Country of ref document: EP |
    1992-09-02| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1991916612 Country of ref document: EP |
    1995-04-12| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1991916612 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP2253380A|JP3045754B2|1990-09-21|1990-09-21|推力発生装置|
    JP2/253380||1990-09-21||US07/858,986| US5298818A|1990-09-21|1991-09-20|Thrust generator|
    DE1991608891| DE69108891T2|1990-09-21|1991-09-20|Schuberzeuger.|
    EP19910916612| EP0500970B1|1990-09-21|1991-09-20|Thrust generator|
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