JP2018011380A - 超電導回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成でエネルギー効率の向上を可能とする超電導回転機を提供する。
【解決手段】
排出冷媒領域Ｓの位置における周面を貫通し排出管１９と連通する排出接続孔１４‐４ｅと、排出接続孔１４‐４ｅよりも反負荷側における周面を貫通し供給管１８と連通する供給接続孔１４‐４ｄとを備える内径シャフト１４‐４と、冷媒を冷凍機から超電導回転機本体１に供給する流路であり、冷媒給排用固定管２０の軸方向における供給接続孔１４‐４ｄに対応する位置に冷媒給排用固定管２０の周面を貫通する供給流路開口部２１ａが形成される、供給流路２１、及び、冷媒を超電導回転機本体１から冷凍機に排出する流路であり、先端面２０ｆを貫通する排出流路開口部２２ａが形成される、排出流路２２を備える冷媒給排用固定管２０と、冷媒給排用固定管２０の軸方向における供給流路開口部２１ａと排出流路開口部２２ａとの間の位置に設けられる滑り軸受２３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、超電導界磁コイルを冷媒によって冷却する冷媒給排装置を備える超電導回転機に関する。

超電導界磁コイルを用いた回転機である超電導回転機では、駆動中に超電導界磁コイルを、超電導状態に保つために超電導臨界温度Ｔｃ以下の低温に維持する必要がある。ここで、回転子に超電導界磁コイルを備えた超電導界磁コイルを冷却する方法として、下記特許文献１，２のように、回転子の中心部分にある回転軸を介して冷媒を注入し超電導界磁コイルを冷却する方法が知られている。

下記特許文献１は、回転軸中に冷媒が往復する流路を備え、導入（供給）側は配管シール、排出側は磁性流体シールにより、固定側と接続している。すなわち、下記特許文献１では、回転機内部の空間の真空状態を維持するため、ロータリジョイントの回転部と固定部との間は磁性流体シールで密閉された構造が開示されている。

下記特許文献２には、冷凍機で冷却された冷媒を流入させ、冷媒と回転子の超電導界磁コイルとの間での熱交換後、気化した冷媒を再度冷凍機で冷却して液体に戻すことで、冷媒循環を行う技術が開示されている。

特開２００９‐２９０９８８号公報 欧州特許出願公開０２６１６３５号明細書

上記特許文献１では、低温になると磁性流体シールのシール機能が喪失してしまうため、冷媒排出管路の途中に、回転機内部から排出する冷媒を温めるヒータを設けなければならず、このヒータで冷媒を温めるエネルギーが余計に必要となり、非効率である。

上記特許文献２では、一度気化した冷媒を再度液化させるために、サイフォン等の凝縮工程が必要となり、冷却装置が複雑化するといった問題がある。

したがって本発明では、簡便な構成で、エネルギー効率の向上を実現可能とする、超電導回転機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための第１の発明に係る超電導回転機は、
軸方向一端が負荷に接続され、軸方向他端側が中空であるシャフト本体と、
前記シャフト本体が回転可能に軸方向に貫挿されるケーシングと、
前記ケーシングの内部において、前記シャフト本体の側面に固定され、ロータコア及び該ロータコアに取り付けられた複数の第１真空容器を有するロータと、
各前記第１真空容器の内部にそれぞれ格納される超電導界磁コイルと、
一端に底部、他端に開口部を有する円筒形状に形成され、前記ケーシングの内部において、該開口部が該シャフト本体の軸方向他端を向くようにして、該シャフト本体内部に同心締結され、該シャフト本体と共に回転する内径シャフトと、
前記超電導界磁コイルを冷却するための冷媒を超電導回転機本体に給排する管であり、前記シャフト本体の軸方向他端を貫通するように該シャフト本体の軸方向に延伸し、前記内径シャフトに対し、該内径シャフトの他端側から滑り軸受を介して同心接続する、冷媒給排用固定管と、
一端が、前記内径シャフトを介して前記冷媒給排用固定管から前記冷媒が供給される供給管の一端と連通し、他端が、前記内径シャフトを介して前記冷媒給排用固定管に前記冷媒を排出する排出管の一端と連通することで、前記冷媒の流路となり、前記超電導界磁コイルと該冷媒との熱交換が行われる領域を有する、熱交換冷媒管とを備え、
前記内径シャフトは、
前記内径シャフトの、前記冷媒給排用固定管の先端面と前記底部との間に設けられる空間の位置における周面を貫通し、前記排出管又は前記供給管の他端と連通する第１接続孔と、
前記内径シャフトの、前記第１接続孔よりも前記内径シャフトの軸方向他端側における周面を貫通し、前記供給管又は前記排出管の他端と連通する第２接続孔とを備え、
前記冷媒給排用固定管は、
前記冷媒を冷凍機から前記超電導回転機本体に供給、又は、該超電導回転機本体から該冷凍機に排出する流路であり、前記冷媒給排用固定管の軸方向における前記第２接続孔に対応する位置に、前記冷媒給排用固定管の周面を貫通する第１流路開口部が形成される、第１流路と、
前記冷媒を前記超電導回転機本体から前記冷凍機に排出、又は、該冷凍機から該超電導回転機本体に供給する流路であり、前記先端面を貫通する第２流路開口部が形成される、第２流路とを備え、
前記滑り軸受は、
前記冷媒給排用固定管の軸方向における前記供給流路開口部と前記排出流路開口部との間の位置に設けられる
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第２の発明に係る超電導回転機は、
上記第１の発明に係る超電導回転機において、
前記内径シャフトの軸方向他端には、前記冷媒給排用固定管の外周側に隙間を介して延伸して配される熱絶縁管の一端が、固定されている
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第３の発明に係る超電導回転機は、
上記第１又は２の発明に係る超電導回転機において、
前記シャフト本体の軸方向他端側における前記ケーシングからの突出部分を覆うようにして配され、一端は、該ケーシングに取り付けられた開口部であり、他端は、前記冷媒給排用固定管が貫挿される貫通孔が形成された底部である、第２真空容器を備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第４の発明に係る超電導回転機は、
上記第３の発明に係る超電導回転機において、
前記第２真空容器の内部において、前記ケーシングに一端が固定される固定側外輪、該固定側外輪の内周側で前記突出部分の周面に固定され該シャフト本体と共に回転する回転側内輪、及び、該固定側外輪と該回転側内輪との間に注入される第１磁性流体を有する、第１磁性流体シール部と、
前記第２真空容器の内部において、前記突出部分の端面に一端が固定され前記シャフト本体と共に回転する回転側外輪、該回転側外輪の内周側で前記冷媒給排用固定管の周面に固定される固定側内輪、及び、該回転側外輪と該固定側内輪との間に注入される第２磁性流体を有する、第２磁性流体シール部とを備え、
前記熱絶縁管は、他端が外周側に拡径することで、前記突出部分の内周面に固定されている
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第５の発明に係る超電導回転機は、
上記第４の発明に係る超電導回転機において、
前記突出部分における、前記第１磁性流体シール部と前記第２磁性流体シール部との間には、該突出部分の周面を貫通し、前記第２真空容器の内部空間と連通する貫通孔が形成され、
前記シャフト本体の前記突出部分を含む内部空間と、前記第１真空容器の内部空間とは連通している
ことを特徴とする。

本発明に係る超電導回転機によれば、簡便な構成で、エネルギー効率の向上を実現可能とすることができる。

本発明の実施例に係る超電導回転機の概略図である。 本発明の実施例に係る超電導回転機の反負荷側の拡大断面矢視図である。 本発明の実施例における超電導回転機本体の内径シャフトと冷媒給排装置の冷媒給排用固定管との回転式接続部（ロータリジョイント）の拡大断面矢視図である。 本発明の実施例における超電導回転機本体の内径シャフトと冷媒給排装置の冷媒給排用固定管とのロータリジョイントの拡大断面斜視図である。 本発明の実施例における冷媒給排用固定管の先端部周辺の部分拡大図である。

以下、本発明に係る超電導回転機について、実施例にて図面を用いて詳述する。

本実施例に係る超電導回転機は、軸方向一端が負荷に接続しており、軸方向他端に冷媒給排装置を備えている。また、冷媒給排装置は冷凍機に接続している。なお、以下では、負荷が設けられている側（軸方向一端側）を「負荷側」、その反対側（軸方向他端側）を「反負荷側」と呼称する場合がある。

冷凍機は、流体を冷却し、超電導界磁コイルを冷却するための冷媒として送り出す機能を有するものである。冷媒給排装置は、冷凍機から送り出されてきたこの冷媒を超電導回転機本体へ供給するための管路である供給管、及び、超電導回転機本体から戻ってきた冷媒を冷凍機へ排出するための管路である排出管を有する。本実施例に係る超電導回転機は、これらの構成を有することで、冷媒を循環させ、超電導界磁コイルの低温状態を維持することができる。

図１の本実施例に係る超電導回転機の概略図を用いて、超電導回転機本体１について詳述する。なお、図１においては、紙面右側が負荷側、紙面左側が反負荷側となる。図１に示すように、超電導回転機本体１は、ケーシング１２、シャフト（シャフト本体）１４、ロータ１５、及び、ステータ１６を備えており、反負荷側に冷媒給排装置２が接続している。

ケーシング１２は、略円筒形状のフレーム１２Ａ、フレーム１２Ａの負荷側の開口端面に装着される負荷側ブラケット１２Ｂ、及び、フレーム１２Ａの反負荷側の開口端面に装着される反負荷側ブラケット１２Ｃを備えている。シャフト１４は、ケーシング１２に軸方向に貫挿され、軸方向一端が負荷（図示略）に接続され、負荷側ブラケット１２Ｂ、反負荷側ブラケット１２Ｃに、それぞれころがり軸受け１３Ａ，１３Ｂを介して回転可能に支持される。ロータ１５は、ケーシング１２の内部において、シャフト１４の側面に固定され、シャフト１４とともに回転する。ステータ１６は、フレーム１２Ａの内周面側に、ロータ１５と空隙を介して配される。

また、ロータ１５は、ロータコア１５‐１に複数の真空容器（第１真空容器）１５‐２を取り付けた構成となっている。複数の真空容器１５‐２の内部には、それぞれ超電導界磁コイル１５‐３が格納され、超電導界磁コイル１５‐３には、超電導界磁コイル１５‐３を冷却するための冷媒が流れる流路であり、熱交換冷媒管１７が接触している。熱交換冷媒管１７は、一端が後述する供給管の一端と連通し、他端が後述する排出管の一端と連通し、超電導界磁コイル１５‐３と冷媒との熱交換が行われる領域を有する。

さらに、シャフト１４は、負荷側から順に互いに固定される、超電導回転機側シャフト１４‐１、中継シャフト１４‐２、及び、冷媒給排装置側シャフト１４‐３により構成されている。

超電導回転機側シャフト１４‐１は、ころがり軸受１３Ａを介して負荷側ブラケット１２Ｂに回転可能に支持され、軸方向負荷側端部が外部の負荷に接続されており、ロータ１５が固定されている。中継シャフト１４‐２は、中空円盤形状に形成され、超電導回転機側シャフト１４‐１の軸方向反負荷側端部に締結されている。

図２は、本実施例に係る超電導回転機の反負荷側の拡大断面矢視図である。図２に示すように、冷媒給排装置側シャフト１４‐３は、負荷側の大径円盤部１４‐３ａ、及び、反負荷側の小径円筒部１４‐３ｂを備える中空部材である。

大径円盤部１４‐３ａは、ケーシング１２の内部に配された中空円盤状であり、小径円筒部１４‐３ｂは、大径円盤部１４‐３ａよりも小径の中空円筒状であり、大径円盤部１４‐３ａと小径円筒部１４‐３ｂとは、内部空間が連通している。また、小径円筒部１４‐３ｂは、反負荷側ブラケット１２Ｃを貫通するようにして、ケーシング１２の外部に突出しており、小径円筒部１４‐３ｂの反負荷側端部には、フランジ部１４‐３ｃが形成されている。

また、冷媒給排装置側シャフト１４‐３には、内径シャフト１４‐４を介して軸方向に、冷媒給排用固定管２０が挿入されている。

内径シャフト１４‐４は、大径円盤部１４‐３ａの内部に配され、反負荷側から順に、大内径円筒部１４‐４ａ、大内径円筒部１４‐４ａよりも（肉厚が内周側に増加していることで）内径が小径である小内径円筒部１４‐４ｂ、及び、小内径円筒部１４‐４ｂの端部に形成された底部１４‐４ｃを有する、有底形状の筒体（すなわち、一端に底部、他端に（シャフト１４の反負荷側端部を向く）開口部を有する円筒形状）である。底部１４‐４ｃは、中継シャフト１４‐２に同心締結されており（図示略）、内径シャフト１４‐４は、中継シャフト１４‐２と共に（すなわちシャフト１４と共に）回転する回転部材である。

一方、冷媒給排装置２には、図２に示すように、超電導界磁コイル１５‐３を冷却するための冷媒を超電導回転機本体１に給排する管である冷媒給排用固定管２０、及び、冷媒給排用固定管２０が挿通される貫通孔が形成された底部２５ａを有し、シャフト１４の反負荷側におけるケーシング１２からの突出部分（すなわち、既に説明したごとく、小径円筒部１４‐３ｂの反負荷側ブラケット１２Ｃから反負荷側に突出した部分）を覆う容器である真空ブラケット（第２真空容器）２５が、主として備えられている。

図３は、超電導回転機本体１の内径シャフト１４‐４と冷媒給排装置２の冷媒給排用固定管２０との回転式接続部（ロータリジョイント）の拡大断面矢視図である。内径シャフト１４‐４の大内径円筒部１４‐４ａの反負荷側端部の内周面には、熱伝導率の低い部材から成る熱絶縁管２４の一端が（例えば、溶接により）嵌合している。熱絶縁管２４は、大内径円筒部１４‐４ａから冷媒給排装置側シャフト１４‐３の小径円筒部１４‐３ｂの反負荷側端部１４‐３ｂｂまで、軸方向に延伸している。

図２に示すように、熱絶縁管２４の反負荷側端部２４‐１は、冷媒給排装置２に備わる真空ブラケット２５内に位置し、（肉厚が外周側に増加していることで）外径が拡大している。そして、反負荷側端部２４‐１の外周面は、小内径円筒部１４‐３ｂの反負荷側端部１４‐３ｂｂの内周面に、嵌合している。

熱絶縁管２４の反負荷側端部２４‐１の外周面と、小内径円筒部１４‐３ｂの反負荷側端部１４‐３ｂｂの内周面との嵌合部分により、熱絶縁管２４の反負荷側端部の外周面には、断熱のために真空引きされる空間である真空断熱領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と、冷凍機（図示略）から供給される冷媒が流入する空間である供給冷媒領域Ａ１，Ａ２，Ａ３とが隔離されている。なお、熱絶縁管２４の反負荷側端部２４‐１の上記嵌合部分には、Ｏリング２４ａが設けられている。

図３に示すように、冷媒給排用固定管２０の負荷側の先端面２０ｆと、内径シャフト１４‐４の底部１４‐４ｃとの間には、（後述するカバー２０ｅを除いて）超電導界磁コイル１５‐３を冷却した後に排出される冷媒が流入する円盤状の空間である排出冷媒領域Ｓが設けられている。また、内径シャフト１４‐４の大内径円筒部１４‐４ａの内周面と、冷媒給排用固定管２０の周面との間には、冷凍機から供給される冷媒が流入する略円環状の空間である供給冷媒領域Ａ２が設けられている。

そして、大内径円筒部１４‐４ａの周面を径方向に貫通し、供給管１８の他端と連通する供給接続孔１４‐４ｄが形成されている。また、小内径円筒部１４‐４ｂの排出冷媒領域Ｓの位置における周面を径方向に貫通し、排出管１９の他端と連通する排出接続孔１４‐４ｅが形成されている。なお、供給接続孔１４‐４ｄは排出接続孔１４‐４ｅよりも反負荷側に位置している。

冷媒給排用固定管２０は、小内径円筒部１４‐３ｂの反負荷側端部１４‐３ｂｂを貫通するように、シャフト１４の軸方向に延伸し、内径シャフト１４‐４に対し、反負荷側から滑り軸受（オイルレスベアリング）２３を介して同心接続する、固定側部材の管路である。そして、冷媒給排用固定管２０は、熱絶縁管２４の内周側に任意の隙間を隔てて設けられた円筒形状の最外殻円筒部２０ｂと、最外殻円筒部２０ｂの内周側に配され、シャフト１４の軸方向に延伸し、冷媒を給排する供給流路２１及び排出流路２２とを有する。

冷媒給排用固定管２０の負荷側端部（先端部２０ａ）周辺は、内径シャフト１４‐４内に挿入され、反負荷側端部は、冷凍機に接続されている。超電導回転機本体１に対する冷媒の供給及び排出は、この冷媒給排用固定管２０を通して行われる。なお、最外殻円筒部２０ｂは先端部２０ａまでは形成されていない。すなわち、最外殻円筒部２０ｂの負荷側端面は、供給接続孔１４‐４ｄよりも反負荷側に位置している。また、図２に示すように、最外殻円筒部２０ｂの反負荷側端部は、真空ブラケット２５内に位置し、（肉厚が増加することで）外径が拡大している（拡径部２０ｂ‐１）。

図４は、内径シャフト１４‐４と冷媒給排用固定管２０とのロータリジョイントの拡大断面斜視図である（ただし、図４では供給冷媒領域Ａ１の空間が省略されている）。供給流路２１は、冷媒を冷凍機から超電導回転機本体１に供給する流路であり、図３，４に示すように、最外殻円筒部２０ｂの内周側に配され、最外殻円筒部２０ｂよりも小径である円筒形状の供給流路円筒部２１ｂによって形成されている。

排出流路２２は、冷媒を超電導回転機本体１から冷凍機に排出する流路であり、供給流路２１と同じく最外殻円筒部２０ｂの内周側に供給流路２１と非同心に配され、最外殻円筒部２０ｂよりも小径である円筒形状の排出流路円筒部２２ｂによって形成される。なお、供給流路２１と排出流路２２とは、互いに独立した構造のため、互いの空隙に断熱材を挿入することも可能である。

図５は、冷媒給排用固定管２０の先端部２０ａ周辺の部分拡大図である。図３〜５に示すように、冷媒給排用固定管２０の先端部２０ａ（供給接続孔１４‐４ｄよりも負荷側）は、最外殻円筒部２０ｂよりも小径であり、この先端部２０ａの外周面と内径シャフト１４‐４の小内径円筒部１４‐４ｂの内周面との間には、供給冷媒領域Ａ２と排出冷媒領域Ｓとを隔離する滑り軸受２３が設けられている。なお、図３では、冷媒給排用固定管２０の負荷側の先端面２０ｆにカバー２０ｅが取り付けられている状態が示されているが、図５では、このカバー２０ｅが省略されている。

供給流路２１は、軸方向における供給接続孔１４‐４ｄの開口部に対応する位置（すなわち、最外殻円筒部２０ｂの負荷側端面よりもさらに負荷側）に、負荷側の先端部があり、当該先端部には、周面を径方向に開口する供給流路開口部２１ａが形成されている。また、排出流路２２は、中実の先端部２０ａを貫通するように延伸して形成されており、その先端には、冷媒給排用固定管２０の負荷側端面を軸方向に貫通する排出流路開口部２２ａが形成されている。つまり、供給流路開口部２１ａは排出流路開口部２２ａよりも反負荷側に位置している。

なお、カバー２０ｅの排出流路開口部２２ａに対応する位置には、カバー２０ｅを軸方向に貫通するカバー開口部２０ｅ‐１が形成されている。

換言すれば、冷媒給排用固定管２０は、最外殻円筒部２０ｂの内部に、中空部２０ｃを介して最外殻円筒部２０ｂと非同心に中実部２０ｄが設けられ、さらに、中実部２０ｄに、互いに非同心に供給流路円筒部２１ｂ（供給流路２１）と排出流路円筒部２２ｂ（排出流路２２）とが設けられており、最外殻円筒部２０ｂの負荷側端部において、中実部２０ｄが最外殻円筒部２０ｂの内周面に嵌合しており、そこからさらに中実部２０ｄが負荷側に延伸した部分が、冷媒給排用固定管２０の先端部２０ａとなる。

さらに、供給流路２１と排出流路２２とが非同心に形成されており、冷媒給排用固定管２０の負荷側端部においては、最外殻円筒部２０ｂよりも小径の先端部２０ａが形成されており、先端部２０ａの根元には、供給流路２１の負荷側端部が位置し、ここに径方向に開口する供給流路開口部２１ａが形成されている。また、先端部２０ａには、供給流路２１とは非同心に排出流路２２が形成され、先端部２０ａの端面には、排出流路開口部２２ａが形成されており、非同心型構造となっている。

このようにして、本実施例のロータリジョイントにおいて、冷媒供給側の供給流路開口部２１ａと冷媒排出側の排出流路開口部２２ａとは、軸方向及び径方向に互いに異なる位置に設けられている。

また、滑り軸受２３は、四フッ化エチレン樹脂等の樹脂で構成され、供給冷媒領域Ａ２と排出冷媒領域Ｓとを隔離する隔壁リングである。さらに、滑り軸受２３は、冷媒給排用固定管２０の軸方向における、供給流路開口部１４‐４ｄと排出流路開口部１４‐４ｅとの間の位置に設けられる。

滑り軸受２３の内周側に先端部２０ａの外周面が嵌合し、滑り軸受２３の外周側に内径シャフト１４‐４の小内径円筒部１４‐４ｂの内周面が滑り接続することで、固定側と回転側とのロータリジョイントでの軸受供給冷媒領域Ａ２と排出冷媒領域Ｓと仕切る構造となっている。

供給管１８は、内径シャフト１４‐４を介して冷媒給排用固定管２０から冷媒が供給される管路である。また、供給管１８は、供給冷媒領域Ａ２を介して供給流路開口部２１ａとすべり接続される供給接続孔１４‐４ｄから、真空容器１５‐２内の超電導界磁コイル１５‐３が隣接配置される熱交換冷媒管１７の一端（入口）に連通している。

排出管１９は、内径シャフト１４‐４を介して冷媒給排用固定管２０に冷媒を排出する管路である。また、排出管１９は、排出冷媒領域Ｓを介して排出流路用開口部２２ａと滑り接続される排出接続孔１４‐４ｅから真空容器１５‐２内の超電導界磁コイル１５‐３に隣接配置される熱交換冷媒管１７の他端（出口）に連通している。

これら供給管１８及び排出管１９は冷媒給排装置側シャフト１４‐３の大径円盤部１４‐３ａの内部空間（真空断熱領域Ｂ３）に格納されている。

既出の突出部分（小径円筒部１４‐３ｂの反負荷側ブラケット１２Ｃから反負荷側に突出した部分）には、該突出部分の周面を径方向に貫通し、真空ブラケット２５の内部空間と連通する、複数（図２では冷媒給排用固定管２０を挟んで対向する２つ）の貫通孔１４‐３ｂａが形成されている。

さらに、冷媒給排装置側シャフト１４‐３の小径円筒部１４‐３ｂは、真空ブラケット２５によって覆われている。そして、冷媒給排装置側シャフト１４‐３の小径円筒部１４‐３ｂの反負荷側端部（すなわち、突出部分の端部）に形成されたフランジ部１４‐３ｃは略円環状となっている。

なお、供給管１８、供給接続孔１４‐４ｄ、排出管１９、及び、排出接続孔１４‐４ｅの数は、それぞれ超電導界磁コイル１５‐３の数と等しくなっている。

超電導回転機本体１の回転側部材（シャフト１４、ロータ１５、熱交換冷媒管１７、供給管１８、排出管１９、及び、熱絶縁管２４等）は、ころがり軸受け１３Ａ，１３Ｂにより径方向に位置決めされ、負荷側ブラケット１２Ｂと反負荷側ブラケット１２Ｃにより軸方向に位置決めされる。

真空ブラケット２５は、一端（負荷側）が反負荷側ブラケット１２Ｃに取り付けられた開口部であり、他端（反負荷側）が底部２５ａである有底形状のブラケット（容器）である。開口部にはフランジ部２５ｂが設けられ、このフランジ部２５ｂに対し同一円周上に設けた貫通孔を挿通する締結具（ボルト）２５ｅにより、真空ブラケット２５が超電導回転機本体１の反負荷側ブラケット１２Ｃの外側に固定されている。さらに、真空ブラケット２５の外周面の任意の部分には真空引きする真空ポンプ（図示略）との接続部となる貫通孔２５ｃが設けられている。

また、底部２５ａには冷媒給排用固定管２０が貫挿される貫通孔２５ａａが形成されている。さらに、底部２５ａには、締結具（ボルト）２５ａｂによってブラケットカバー２６が締結されている。ブラケットカバー２６は円盤状のカバーであり、冷媒給排用固定管２０が貫挿される貫通孔２６ａを備えている。

そして、真空ブラケット２５内において、冷媒給排装置側シャフト１４‐３の小径円筒部１４‐３ｂの外周には、軸方向負荷側から順に磁性流体シール部２７Ａ，２７Ｂが配されている。より詳しくは、磁性流体シール部２７Ａ，２７Ｂは、軸方向において貫通孔１４‐３ｂａが形成された位置を跨いで配設されている。

磁性流体シール部２７Ａは、固定側外輪２７Ａ‐１、回転側内輪２７Ａ‐２、及び、固定側外輪２７Ａ‐１と回転側内輪２７Ａ‐２との間に注入された磁性流体２７Ａ‐３からなる三層構造の筒体である。

磁性流体シール部２７Ａの固定側外輪２７Ａ‐１の負荷側端部には、円環状のフランジ部２７Ａ‐１ａが形成されている。このフランジ部２７Ａ‐１ａは、放射状に設けられフランジ部２７Ａ‐１ａを軸方向に貫通する締結具（ボルト）２７Ａ‐１ｂによって、反負荷側ブラケット１２Ｃに固定されている。なお、反負荷側ブラケット１２Ｃの磁性流体シール部２７Ａとの接触面１２Ｃ‐１は、少なくとも回転側内輪２７Ａ‐２及び磁性流体２７Ａ‐３とは接触しない凹構造となっている。

また、磁性流体シール部２７Ａの回転側内輪２７Ａ‐２は、固定側外輪２７Ａ‐１の内周側において、内周面が、Ｏリング２７Ａ‐２ａを介して既出の突出部分（小径円筒部１４‐３ｂの反負荷側ブラケット１２Ｃから反負荷側に突出した部分）の外周面に固定されている。

これにより、磁性流体シール部２７Ａは、固定側外輪２７Ａ‐１が反負荷側ブラケット１２Ｃに締結される固定部材となり、回転側内輪２７Ａ‐２が冷媒給排装置側シャフト１４‐３と共に（シャフト１４と共に）回転する回転部材となり、磁性流体２７Ａ‐３が固定側と回転側の境界となる。

磁性流体シール部２７Ｂは、回転側外輪２７Ｂ‐１、固定側内輪２７Ｂ‐２、及び、回転側外輪２７Ｂ‐１と固定側内輪２７Ｂ‐２との間に注入された磁性流体２７Ｂ‐３からなる三層構造の筒体である。

磁性流体シール部２７Ｂの回転側外輪２７Ｂ‐１の負荷側端部には、円環状のフランジ部２７Ｂ‐１ａが設けられている。このフランジ部２７Ｂ‐１ａは放射状に設けられフランジ部２７Ｂ‐１ａを軸方向に貫通する締結具（ボルト）２７Ｂ‐１ｂによって、小径円筒部１４‐３ｂに形成されたフランジ部１４‐３ｃの端面に固定されている。なお、冷媒給排装置側シャフト１４‐３のフランジ部１４‐３ｃの磁性流体シール部２７Ｂとの接触面１４‐３ｃａは、少なくとも固定側内輪２７Ｂ‐２及び磁性流体２７Ｂ‐３とは接触しない凹構造となっている。

また、磁性流体シール部２７Ｂの固定側内輪２７Ｂ‐２は、回転側外輪２７Ｂ‐１の内周面において、内周面が、Ｏリング２７Ｂ‐２ａを介して最外殻円筒部２０ｂにおける拡径部２０ｂ‐１の外周面に固定されている。

これにより、磁性流体シール部２７Ｂは、回転側外輪２７Ｂ‐１がシャフト１４と共に回転する回転部材となり、固定側内輪２７Ｂ‐２が冷媒給排用固定管２０に固定される固定部材となり、磁性流体２７Ｂ‐３が固定側と回転側の境界となる。

ここで、固定側である冷媒給排用固定管２０の最外殻円筒部２０ｂと、冷媒給排用固定管２０の外周側に延伸して配された回転側である熱絶縁管２４との境界部分の隙間が、供給冷媒領域Ａ１となり、内径シャフト１４‐４と冷媒給排用固定管２０と熱絶縁管２４とによって囲まれた空間が、供給冷媒領域Ａ２となり、フランジ部１４‐３ｃの接触面１４‐３ｃａの凹部内の空間が、供給冷媒領域Ａ３となる。なお、供給冷媒領域Ａ１，Ａ２，Ａ３は連通している。

特許文献１に示されるように、磁性流体シールのシール機能は低温になると喪失してしまう。本実施例に係る超電導回転機では、供給冷媒領域Ａ１は狭いために圧力損失が高く、供給冷媒領域Ａ２から供給冷媒領域Ａ１へ流入する冷媒は少量となり、かつ、この少量の冷媒においても、（供給冷媒領域Ａ１の、内径シャフト１４‐４側の端部から、フランジ部１４‐３ｃ側の端部までの離間距離により）軸方向に温度勾配が発生し、供給冷媒領域Ａ３に到達した冷媒は、既に温度が上昇している、あるいは、気化しているため、磁性流体２７Ｂ‐３のシール機能が喪失することはない。また、磁性流体２７Ａ‐３においては、供給冷媒領域Ａ１との間に熱絶縁管２４及び真空断熱領域Ｂ２が設けられているため、シール機能が喪失することはない。

また、貫通孔２５ｃが真空配管（図示略）によって真空ポンプ（図示略）と連通することで、真空ブラケット２５内が真空断熱領域Ｂ１となり、貫通孔１４‐３ｂａを介して冷媒給排装置側シャフト１４‐３の小径円筒部１４‐３ｂの内周面と熱絶縁管２４の外周面との間の空間が真空断熱領域Ｂ２となり、さらに、真空断熱領域Ｂ２との連通によって、冷媒給排装置側シャフト１４‐３の大径円盤部１４‐３ａの内周面と内径シャフト１４‐４の外周面との間の空間が真空断熱領域Ｂ３となる。そして、真空断熱領域Ｂ３と連通する真空容器１５‐２の内部が真空断熱領域Ｂ４となる。磁性流体シール部２７Ａの負荷側端部（転がり軸受１３Ｂ周辺）の外気Ｃと反負荷側端部の真空断熱領域Ｂ１とは、磁性流体２７Ａ‐３でシールされる。

超電導界磁コイル１５‐３及び冷媒は、これら真空断熱領域Ｂ１〜Ｂ４によって外気Ｃから断熱されている。

本実施例における超電導回転機本体１の動作は、下記（１）〜（４）に示す順のごとくである。
（１）ステータ１６に設けられるステータコイルは、三相交流電源によって回転磁界を発生する（図示略）。
（２）超電導界磁コイル１５‐３は、界磁電源から集電導体を介して界磁電流の供給を受けて界磁極を形成し（図示略）、上記ステータコイルの回転磁界によってロータ１５を回転させる。
（３）ロータ１５の回転に伴って、その回転力が超電導回転機側シャフト１４‐１に伝達され、中継シャフト１４‐２、冷媒給排装置側シャフト１４‐３も回転する。
（４）内径シャフト１４‐４は、他端面が中継シャフト１４‐２と締結されているため、超電導回転機側シャフト１４‐１、中継シャフト１４‐２、冷媒給排装置側シャフト１４‐３と共に回転する。

また、本実施例における冷媒の循環動作は、下記（１）〜（５）に示す順のごとくである。
（１）外部にある冷凍機からポンプにより送出された冷媒は、供給流路２１内を通流し、ロータリジョイントにおいて、供給流路開口部２１ａから供給冷媒領域Ａ２へ流入する。
（２）供給冷媒領域Ａ２の冷媒は、供給接続孔１４‐４ｄから供給管１８内へ流入する（その際、供給冷媒領域Ａ１にも僅かに流入する）。
（３）供給管１８内へ流入した冷媒は、熱交換冷媒管１７内へ流れ、熱交換冷媒管１７内を通流しながら（超電導界磁コイル１５‐３の周囲を流れながら）、超電導界磁コイル１５‐３と熱交換を行うことで、超電導界磁コイル１５‐３が冷却される。
（４）超電導界磁コイル１５‐３と熱交換した後の冷媒は、熱交換冷媒管１７内から排出管１９内へ流れ、排出接続孔１４‐４ｅから排出冷媒領域Ｓへ浸入する。
（５）排出冷媒領域Ｓの冷媒は、カバー開口部２０ｅ‐１及び排出流路開口部２２ａから排出流路２２内へ流入し、排出流路２２内を通流して、冷凍機へ戻る。

本実施例では、冷媒が循環する際、磁性流体シール部２７Ａ，２７Ｂとは真空を隔てているため接触せず、特許文献１のようなヒータは不要となる。また、供給冷媒は、供給冷媒領域Ａ１において熱絶縁管２４の内周面と接触するが、熱絶縁管２４は、その外周面側が断熱真空領域Ｂ２となっており、これらの構成が外気Ｃからの熱侵入を熱的に絶縁する熱障壁として機能する。同様にして、内径シャフト１４‐４の外周面も断熱真空領域Ｂ１であり、外気Ｃからの熱侵入を熱的に絶縁する熱障壁として機能する。

また、上述では、内径シャフト１４‐４は、内径シャフト１４‐４の、冷媒給排用固定管２０の先端面と底部１４‐４ｃとの間に設けられる空間の位置における周面を貫通し、排出管１９の他端と連通する排出接続孔（第１接続孔）１４‐４ｅと、内径シャフト１４‐４の、第１接続孔１４‐４ｅよりも内径シャフト１４‐４の軸方向他端側における周面を貫通し、供給管１８の他端と連通する供給接続孔（第２接続孔）１４‐４ｄとを備えるものとし、冷媒給排用固定管２０は、冷媒を冷凍機から超電導回転機本体１に供給する流路であり、冷媒給排用固定管２０の軸方向における供給接続孔（第２接続孔）１４‐４ｄに対応する位置に、冷媒給排用固定管２０の周面を貫通する供給流路開口部（第１流路開口部）２１ａが形成される、供給流路（第１流路）２１と、冷媒を超電導回転機本体１から冷凍機に排出する流路であり、冷媒給排用固定管２０の先端面を貫通する排出流路開口部（第２流路開口部）２２ａが形成される、排出流路（第２流路）２２とを備えるものとしたが、本実施例における冷媒の流れは、これに限定されるものではなく、この冷媒の流れを逆向きとしても良い。

すなわち、内径シャフト１４‐４は、内径シャフト１４‐４の、冷媒給排用固定管２０の先端面と底部１４‐４ｃとの間に設けられる空間の位置における周面を貫通し、供給管１８の他端と連通する第１接続孔１４‐４ｅと、内径シャフト１４‐４の、第１接続孔１４‐４ｅよりも内径シャフト１４‐４の軸方向他端側における周面を貫通し、排出管１９の他端と連通する第２接続孔１４‐４ｄとを備えるものとし、冷媒給排用固定管２０は、冷媒を超電導回転機本体１から冷凍機に排出する流路であり、冷媒給排用固定管２０の軸方向における第２接続孔１４‐４ｄに対応する位置に、冷媒給排用固定管２０の周面を貫通する第１流路開口部２１ａが形成される、第１流路２１と、冷媒を冷凍機から超電導回転機本体１に供給する流路であり、冷媒給排用固定管２０の先端面を貫通する第２流路開口部２２ａが形成される、第２流路２２とを備えるものとしてもよい。

また、本実施例では、上述のごとく、冷媒が熱絶縁管２４や真空断熱領域Ｂ１，Ｂ２等によって外気Ｃから熱的に絶縁されている構造となっているため、冷媒は液体から気体等への相転移を起こすことなく装置内を循環することができ、さらに、冷媒の流路となる構成の近傍には、磁性流体等の低温に脆弱な部品がなく、温度管理を行うことが容易になる。

したがって本発明では、超電導回転機の回転側部材の冷媒循環経路が、外気から熱的に絶縁されることで、液相状態の冷媒で超電導界磁コイルを冷却することが可能となり、さらに、該冷媒循環経路が、低温に脆弱な磁性流体と熱的に隔離されることで、従来のようにヒータによって冷媒を気化させる温度管理が不要となり、簡便な構成で、エネルギー効率の向上を実現する超電導回転機を提供することを目的とする。

本発明は、超電導回転機として好適である。

１ 超電導回転機本体
２ 冷媒給排装置
１２ ケーシング
１２Ａ フレーム
１２Ｂ，１２Ｃ ブラケット
１２Ｃ‐１ （ブラケット１２Ｃの）接触面
１３Ａ，１３Ｂ ころがり軸受け
１４ シャフト（シャフト本体）
１４‐１ 超電導回転機側シャフト
１４‐２ 中継シャフト
１４‐３ 冷媒給排装置側シャフト
１４‐３ａ 大径円盤部
１４‐３ｂ 小径円筒部
１４‐３ｂａ （小径円筒部１４‐３ｂの）貫通孔
１４‐３ｂｂ （小径円筒部１４‐３ｂの）反負荷側端部
１４‐３ｃ （小径円筒部１４‐３ｂの）フランジ部
１４‐３ｃａ （フランジ部１４‐３ｃの）接触面
１４‐４ 内径シャフト
１４‐４ａ 大内径円筒部
１４‐４ｂ 小内径円筒部
１４‐４ｃ （内径シャフト１４‐４の）底部
１４‐４ｄ 供給接続孔
１４‐４ｅ 排出接続孔
１５ ロータ
１５‐１ ロータコア
１５‐２ 真空容器（第１真空容器）
１５‐３ 超電導界磁コイル
１６ ステータ
１７ 熱交換冷媒管
１８ 供給管
１９ 排出管
２０ 冷媒給排用固定管
２０ａ 先端部
２０ｂ 最外殻円筒部
２０ｂ‐１ 拡径部
２０ｃ 中空部
２０ｄ 中実部
２０ｅ カバー
２０ｅ‐１ カバー開口部
２０ｆ 先端面
２１ 供給流路
２１ａ 供給流路開口部
２１ｂ 供給流路円筒部
２２ 排出流路
２２ａ 排出流路開口部
２２ｂ 排出流路円筒部
２３ 滑り軸受（隔壁リング）
２４ 熱絶縁管
２４‐１ （熱絶縁管２４の）反負荷側端部
２４ａ （反負荷側端部２４‐１の）Ｏリング
２５ 真空ブラケット（第２真空容器）
２５ａ （真空ブラケット２５の）底部
２５ａａ （真空ブラケット２５の）貫通孔
２５ａｂ （貫通孔２５ａａの）締結具
２５ｂ （真空ブラケット２５の）フランジ部
２５ｃ （底部２５ａの）貫通孔
２５ｅ （フランジ部２５ｂの）締結具
２６ ブラケットカバー
２６ａ （ブラケットカバー２６の）貫通孔
２７Ａ （第１）磁性流体シール部
２７Ａ‐１ 固定側外輪
２７Ａ‐１ａ （固定側外輪２７Ａ‐１の）フランジ部
２７Ａ‐１ｂ （固定側外輪２７Ａ‐１の）締結具
２７Ａ‐２ 回転側内輪
２７Ａ‐２ａ （回転側内輪２７Ａ‐２の）Ｏリング
２７Ａ‐３ （第１）磁性流体
２７Ｂ （第２）磁性流体シール部
２７Ｂ‐１ 回転側外輪
２７Ｂ‐１ａ （回転側外輪２７Ｂ‐１の）フランジ部
２７Ｂ‐１ｂ （回転側外輪２７Ｂ‐１の）締結具
２７Ｂ‐２ 固定側内輪
２７Ｂ‐２ａ （固定側内輪２７Ｂ‐２の）Ｏリング
２７Ｂ‐３ （第２）磁性流体
Ａ１，Ａ２，Ａ３ 供給冷媒領域
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４ 真空断熱領域
Ｃ 外気
Ｓ 排出冷媒領域

Claims (5)

1. 軸方向一端が負荷に接続され、軸方向他端側が中空であるシャフト本体と、
   前記シャフト本体が回転可能に軸方向に貫挿されるケーシングと、
   前記ケーシングの内部において、前記シャフト本体の側面に固定され、ロータコア及び該ロータコアに取り付けられた複数の第１真空容器を有するロータと、
   各前記第１真空容器の内部にそれぞれ格納される超電導界磁コイルと、
   一端に底部、他端に開口部を有する円筒形状に形成され、前記ケーシングの内部において、該開口部が該シャフト本体の軸方向他端を向くようにして、該シャフト本体内部に同心締結され、該シャフト本体と共に回転する内径シャフトと、
   前記超電導界磁コイルを冷却するための冷媒を超電導回転機本体に給排する管であり、前記シャフト本体の軸方向他端を貫通するように該シャフト本体の軸方向に延伸し、前記内径シャフトに対し、該内径シャフトの他端側から滑り軸受を介して同心接続する、冷媒給排用固定管と、
   一端が、前記内径シャフトを介して前記冷媒給排用固定管から前記冷媒が供給される供給管の一端と連通し、他端が、前記内径シャフトを介して前記冷媒給排用固定管に前記冷媒を排出する排出管の一端と連通することで、前記冷媒の流路となり、前記超電導界磁コイルと該冷媒との熱交換が行われる領域を有する、熱交換冷媒管とを備え、
   前記内径シャフトは、
   前記内径シャフトの、前記冷媒給排用固定管の先端面と前記底部との間に設けられる空間の位置における周面を貫通し、前記排出管又は前記供給管の他端と連通する第１接続孔と、
   前記内径シャフトの、前記第１接続孔よりも前記内径シャフトの軸方向他端側における周面を貫通し、前記供給管又は前記排出管の他端と連通する第２接続孔とを備え、
   前記冷媒給排用固定管は、
   前記冷媒を冷凍機から前記超電導回転機本体に供給、又は、該超電導回転機本体から該冷凍機に排出する流路であり、前記冷媒給排用固定管の軸方向における前記第２接続孔に対応する位置に、前記冷媒給排用固定管の周面を貫通する第１流路開口部が形成される、第１流路と、
   前記冷媒を前記超電導回転機本体から前記冷凍機に排出、又は、該冷凍機から該超電導回転機本体に供給する流路であり、前記先端面を貫通する第２流路開口部が形成される、第２流路とを備え、
   前記滑り軸受は、
   前記冷媒給排用固定管の軸方向における前記供給流路開口部と前記排出流路開口部との間の位置に設けられる
   ことを特徴とする超電導回転機。
2. 前記内径シャフトの軸方向他端には、前記冷媒給排用固定管の外周側に隙間を介して延伸して配される熱絶縁管の一端が、固定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超電導回転機。
3. 前記シャフト本体の軸方向他端側における前記ケーシングからの突出部分を覆うようにして配され、一端は、該ケーシングに取り付けられた開口部であり、他端は、前記冷媒給排用固定管が貫挿される貫通孔が形成された底部である、第２真空容器を備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導回転機。
4. 前記第２真空容器の内部において、前記ケーシングに一端が固定される固定側外輪、該固定側外輪の内周側で前記突出部分の周面に固定され該シャフト本体と共に回転する回転側内輪、及び、該固定側外輪と該回転側内輪との間に注入される第１磁性流体を有する、第１磁性流体シール部と、
   前記第２真空容器の内部において、前記突出部分の端面に一端が固定され前記シャフト本体と共に回転する回転側外輪、該回転側外輪の内周側で前記冷媒給排用固定管の周面に固定される固定側内輪、及び、該回転側外輪と該固定側内輪との間に注入される第２磁性流体を有する、第２磁性流体シール部とを備え、
   前記熱絶縁管は、他端が外周側に拡径することで、前記突出部分の内周面に固定されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の超電導回転機。
5. 前記突出部分における、前記第１磁性流体シール部と前記第２磁性流体シール部との間には、該突出部分の周面を貫通し、前記第２真空容器の内部空間と連通する貫通孔が形成され、
   前記シャフト本体の前記突出部分を含む内部空間と、前記第１真空容器の内部空間とは連通している
   ことを特徴とする請求項４に記載の超電導回転機。

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