CN101981360B - 旋转接头 - Google Patents

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Abstract

一种旋转接头，能利用真空绝热维持在流体通路中流动的供给制冷剂的极低温度，并能可靠地对冷却部冷却。此外，能使供给制冷剂的运行成本最小。本发明的旋转接头包括：被主体的内周面支承成能旋转并具有真空通路的真空用筒轴(10)；与真空用筒轴的外周面隔有间隔地嵌连，并在两端面具有密封面的旋转密封环(1A)；配置于各旋转密封环的两侧并具有与密封面紧贴的相对密封面的固定密封环(2A)；与固定密封环的端部周面接合，并朝密封面侧按压固定密封环的弹性波纹管(2B)；与供给制冷剂的第一流体通路连通，使供给制冷剂通过，并形成于各弹性波纹管之间的间隔流体通路(20B)；设于与间隔流体通路连通的旋转密封环的第二流体通路(20C)；与第二流体通路连通的连接流体通路(20D)；与连接流体通路连通，并将在真空用筒轴内被真空绝热的供给制冷剂朝冷却部侧供给的第一配管(20E)；具有对真空用筒轴内抽真空的吸引口的连结盖(42)；以及与抽真空的压力对应的、具有沿轴向构成为多段的突起的磁性流体密封装置(40)。

Description

旋转接头
技术领域
本发明涉及一种为了利用制冷剂对超导电动机的超导励磁线圈等的冷却部冷却，而设于制冷剂用流体通路的中途的带机械密封装置的旋转接头。更详细来说，涉及一种能通过相对旋转部将供给制冷剂以极低温状态从被固定的冷冻机朝旋转侧的冷却部导入的带机械密封装置的旋转接头。
背景技术
超导电动机等的超导装置中，为了维持超导励磁线圈的超导状态，必须将液态氮、液态氨等极低温的制冷剂朝超导励磁线圈等的冷却部供给。另外，必须将在该冷却部使用后的制冷剂(称为排出制冷剂)朝冷冻机回收。此时，需要将供给的制冷剂(称为供给制冷剂)的温度维持在极低温度的状态，并降低高价的供给制冷剂的使用量。例如，为了从固定侧的冷动机朝旋转的超导电动机供给供给制冷剂，必须使用旋转接头使供给制冷剂从相对旋转的固定部通过旋转部。在该旋转接头中，将固定部的流体通路与旋转部的流体通路的相对旋转的连通路的流体通路密封的密封装置对极低温度的供给制冷剂或排出制冷剂进行密封，密封制冷剂的能力随着温度会产生问题。另外，在供给制冷剂的温度上升时，若不增加供给制冷剂的供给量，则不能冷却到规定的温度，因此，不能发挥超导的功能。所以，存在朝冷却部的供给制冷剂的使用量增加的问题。
另外，对于供给制冷剂的供给时的绝热，已知真空绝热是优异的。然而，为了进行真空绝热，若不提高包围流体通路的外周侧的空间的真空度，则将供给制冷剂维持在极低温度是困难的。为了维持高真空度以进行该真空绝热，需要与外部气体隔断的真空密封装置。在该真空密封装置中，对真空密封时，因真空而导致失去密封面的润滑，因此，会使密封面磨损。其结果是，会使绝热所需的真空度降低。该密封装置的密封能力变为问题，并存在不能将维持在极低温度的供给制冷剂朝冷却部供给的问题。在该状态下，为了将冷却部维持在极低温度，必须朝冷却部大量地供给供给制冷剂，因此，使高价的供给制冷剂的运行成本增加而成为问题。所以，希望有性能优异的旋转接头。
在日本专利申请公开2003-65477号公报(专利文献1)的图9(省略该图9的图示，但专利文献1的附图的符号表示于零件名之后)中，作为“具有朝包括超导线圈的转子移送极低温度的气体移送接头的同步设备”，表示了朝同步发电设备供给极低温流体的极低温剂移送接头(26)的截面图。在该极低温剂移送接头26中，将固定侧的插入管154的前端部158以非接触状态的方式与入口管156的内周面嵌合而构成为非接触密封。然而，该非接触密封仅仅是插入管154以非接触状态与入口管156的内周面嵌合。因此，在从极低温冷却器90供给来的入口极低温气体157在插入管154内流动并流入入口管156内时，入口极低温气体157的一部分有可能从插入管154与入口管156的非接触嵌合的间隙流入圆筒状外壳186内。尽管圆筒状外壳186内被保持为真空状态，但当入口极低温气体157流入圆筒状外壳186内时，会使圆筒状外壳186内的真空度降低，因此，会使真空的绝热效果降低。
此外，极低温剂移送接头26采用使高温冷却气体164在供入口极低温气体157流动的冷却入口管156的外周与冷却出口管166之间的环状空间流动的结构，因此，在冷却入口管156内流动的入口极低温气体157有可能因高温冷却气体164而温度上升。
另外，配置于圆筒状外壳168的运动间隙密封162采用以下结构：入口极低温气体157在内周侧流动，高温冷却气体164在外周侧流动，因此，有可能因极低温而导致材质劣化并使密封能力降低。特别地，在与外部的绝热效果较低的极低温剂移送接头26的结构中，必须朝SC线圈绕线供给大量的入口极低温气体157，因此，可能会使运动间隙密封162过早劣化。
另外，记载了安装于筒状外壳196内的磁性流体密封176能防止返回气体164的泄漏(参照段落号0046)，但其结构不详。在现在所知的磁性流体密封176中，当将圆筒状外壳186内抽成真空时，磁性流体被吸入圆筒状外壳186内而使磁性流体密封176的密封能力降低。因此，外部的空气流177通过磁性流体密封176进入圆筒状外壳186内，从而使圆筒状外壳186内的真空度降低。在该圆筒状外壳186内的真空度降低时，不能获得入口极低温气体157的绝热效果。在通常的磁性流体密封中，维持该高真空度是困难的。
在具有以往的磁性流体密封装置的密封装置中，滑动面被抽真空且滑动面的润滑液被吸取，因此，会使密封面磨损。其结果是，空气流177、此外还有返回气体经由密封面间逐渐进入圆筒状外壳186内，使得将冷却流体保持在极低温30°K以下变得困难。若不能将该入口极低温气体157维持在30°K以下，则不能发挥超导线圈(线圈绕线34)的超导效果。因此，必须朝超导线圈侧供给超过需要的入口极低温气体157的流量。在该现状中，氨等冷却流体价格高，因此，同步发电设备等的运行成本上升。
另外，在日本专利特许第3306452号公报(专利文献2)的图1或图3(未图示，但专利文献2的附图的符号表示于零件名之后的括弧内)中，与专利文献1相同，表示了将液态氨注入管插入被真空层2覆盖的突出部10的内周面的截面图。在该插入的突出部10的内周面与液态氨注入管1的外周面之间形成有间隙。利用将与该间隙连通的外周侧的间隙隔断的密封4来密封以防止液态氨朝外部泄漏。然而，该专利文献2也与专利文献1相同，由于液态氨保持在极低温，因此，使用以往的密封4来密封极低温度的液态氨是困难的。在简单的密封装置的结构中，液态氨的密封会在密封面上引起各种问题。此外，采用将真空层2封入管的外侧的空间室的结构，但在封入的结构中，随着时间真空度会降低，因此，不能长期发挥朝液态氨的绝热效果。
另外，在专利文献1中，采用将入口管156朝固定插入管154嵌合的结构，另外，在专利文献2中，采用使液态氨注入管1朝向转子的孔中心19(导入孔)沿轴向与转子前端的突出部10嵌合的结构，转子侧的入口管156及转子前端的突出部10的固定变得困难，入口管156及转子前端的突出部10的相对面接触时，固定插入管154及液态氨注入管1滑动而可能产生磨损粉。此外，在该结构中，维持真空度是困难的。另外，在需根据超导励磁线圈的根数而设置多根液态氨注入管1的情况下，根据该根数，转子也必须变得复杂，使得密封装置的结构变得复杂。
专利文献1：日本专利申请公开2003-65477号公报
专利文献2：日本专利第3306452号公报
发明的公开
发明所要解决的技术问题
本发明为解决上述技术问题而作，其目的在于，将供给制冷剂流动的流体通路在高真空状态下绝热，并朝冷却部供给极低温的供给制冷剂。另外，在于通过该高真空的绝热，能防止使从固定侧的流体通路朝旋转侧的流体通路连通的第二机械密封装置的密封能力因供给制冷剂而降低的情况。此外，在于高效率地构成连接到冷冻机的固定侧的流体通路和与相对旋转侧的连接流体通路连通的流体通路的结构。另外，还在于提高使供给制冷剂流通的旋转接头的耐久能力。此外，在于利用连接流体通路的结构，使配管的组装变得容易，并使流体通路的制造变得容易。另外，还在于使制冷剂的冷却效果提高，并使制冷剂的运行成本降低。
解决技术问题所采用的技术方案
本申请发明的旋转接头是一种将固定侧的制冷剂供给装置与旋转侧的冷却部的流体通路间连接的制冷剂用的旋转接头，其包括：真空用筒轴，该真空用筒轴被主体支承成能旋转并具有沿轴向贯穿的真空通路，且在上述真空通路的一端具有能与上述冷却部的连通路连通的连结部，在上述真空通路的另一端具有抽真空用的开口部，在上述连结部与上述开口部的中间具有连接部；旋转密封环，该旋转密封环与上述真空用筒轴的上述连接部密封地嵌连，并在两端面具有各密封面；两固定密封环，该两固定密封环被配置于上述旋转密封环的轴向两侧，并具有与相对的上述密封面紧贴的相对密封面；弹性波纹管，该弹性波纹管的一端的结合部密封地连结到与上述各固定密封环的相对密封面相反一侧的周面，且另一端的固定部围住上述真空用筒轴，密封地固接于上述主体，并朝上述密封面弹性地按压上述固定密封环；第一间隔流体通路，该第一间隔流体通路形成于夹着上述旋转密封环的两侧的上述弹性波纹管之间，并能与导入供给制冷剂的第一流体通路连通；第二流体通路，该第二流体通路沿径向贯穿上述旋转密封环，并与上述第一间隔流体通路连通；连接流体通路，该连接流体通路设于上述连接部的内部，一端与上述第二流体通路连通，并在另一端设置连接孔；第一配管，该第一配管具有一端连接到上述连接孔与上述连接流体通路连通、另一端与上述冷却部侧的流通路连通的流体通路，且配置于上述真空用筒轴的真空通路；连结盖，该连结盖具有从上述真空用筒轴的开口部对上述真空通路内抽真空的吸引口；以及磁性流体密封装置，该磁性流体密封装置具有磁性流体密封用盖、磁体用的磁极块、磁体、轴盖及磁性流体，其中，上述磁性流体密封用盖与上述连结盖密封地结合来围住上述真空用筒轴，上述磁体用的磁极块与上述磁性流体密封用盖的内周面和上述真空用筒轴的外周面中的一侧的周面密封地嵌连，且并排配置，上述磁体配置于上述并排的磁极块之间，在上述轴盖上配置有多个靠近上述磁极块的周面且相对的环状的突起从而形成突起组，且上述轴盖与上述磁性流体密封用盖的内周面和上述真空用筒轴的外周面中的另一侧的周面密封地嵌连，上述磁性流体存在于上述突起与上述磁极块之间，在上述磁性流体密封装置中，作用有磁力的上述磁性流体克服上述抽真空的力，将上述突起与上述磁极块之间隔断。
根据这种结构的旋转接头，利用相对于抽真空能可靠密封的磁性流体密封装置，能使真空用筒轴的内周面内形成高真空状态而发挥绝热效果。而且，在磁性流体密封装置中，由于无滑动的滑动面，因此，能有效地防止滑动面过早磨损的情况并能发挥耐久能力。因此，真空用筒轴的内周面内能长时间维持高真空(10-5Torr以下)状态(现有的密封装置的密封面即使具有优异的密封能力，也因真空状态而导致滑动的密封面的润滑液被吸取而过早磨损)。另外，真空用筒轴的连结部与冷却部的连接部连结且也与冷却部的设备内部连通，因此，利用该抽真空，也能将冷却部的设备内部真空绝热。因此，能使在真空用筒轴的内周面内中所配置的各第一配管及第二配管与连接部同外部气体有效地真空绝热，所以，能将供给制冷剂维持在极低温度的状态。另外，该真空用筒轴的内周面内的真空绝热能将在间隔流体通路中流动的供给制冷剂维持在极低温度，并能将供给制冷剂维持在液体状态。
其结果是，利用该液体的制冷剂，在密封面与相对密封面滑动时，作为润滑液存在于两密封面间可防止滑动产生热。此外，可防止两密封面磨损的情况(在现有技术中，即使是优异的密封装置，由于制冷剂为极低温，会使密封材质变质，因此，密封制冷剂是困难的)。另外，可防止两密封面滑动时的磨损，并能发挥对供给制冷剂的密封能力。此外，在与固定密封环一体的弹性波纹管的结构中，不需将固定密封环的滑动的嵌合面间密封的○形环，因此，能防止随着因极低温度所导致的○形环的材质变化而引起的制冷剂泄露的情况。另外，在弹性波纹管的结构中，即使是极低温的状态，也能将固定密封环的相对密封面朝密封面弹性地按压，且该弹性的移动不存在滑动的面，因此能发挥相对密封面的密封能力。此外，各第一配管及第二配管不是使用切刀等对作为真空用筒轴的构件进行加工而形成孔的流体通路，而是由配管构成的，因此能选择绝热效果优异的管材料。另外，各第一配管及第二配管为配管，因此，第一配管及第二配管的加工/组装变得容易，且配管作业也变得容易，从而能降低作为流体通路的加工成本和组装成本。
作为优选，在本申请发明的旋转接头中，将成对的上述旋转密封环和两侧的固定密封环在轴向上至少配置两组，并在上述一组的上述固定密封环与相邻的上述另一组的上述固定密封环之间具有第二间隔流体通路，上述第二间隔流体通路与配置于上述真空用筒轴的上述真空通路的第二配管连通，对上述冷却部冷却后的排出制冷剂通过上述第二配管和上述第二间隔流体通路而返回。
根据这种结构的旋转接头，第二配管配置于真空用筒轴的内周面内而被真空绝热，因此，排出制冷剂能保持极低温度。此外，该排出制冷剂在第二间隔流体通路内流动时，在被两波纹管和固定密封环将两侧隔断的之间流动，因此，能防止第二机械密封的密封能力降低。即使排出制冷剂在密封面与相对密封面的滑动的面间侧流动，由于排出制冷剂对该密封面间的内周侧起作用，因此，能防止密封面间变为无润滑状态的情况。此外，能长时间发挥第二机械密封的耐久能力。
另外作为优选，在本申请发明的旋转接头中，上述连接部的内周面形成为圆形面或椭圆形面或沿周向形成凹凸面或齿轮状面，并在上述第一配管侧的端部形成有上述连接孔。
根据这种结构的本申请发明的旋转接头，将设于真空用筒轴的机械密封装置内的连接部的内周面形成圆形、椭圆形、凹凸形状等各种形状，能将各第一配管及第二配管设于朝内径侧突出的侧面而增加个数。另外，该结构可使第一配管和第二配管的安装变得容易。而且，连接部的内周面的形状，使抽真空变得容易，并能发挥真空通路的真空绝热的效果。同时，能根据第一配管和第二配管的根数，容易地进行连接部的连接孔的配置。此外，即使在利用绝热材料覆盖第一配管及第二配管的情况下，也可使第一配管及第二配管的间隔变得自由。而且，由于能按照设计形成该覆盖的厚度，因此，能发挥绝热效果。
另外作为优选，在本申请发明的旋转接头中，上述旋转密封环具有沿周向配置的多个上述第二流体通路，且上述连接部具有沿周向与上述各第二流体通路连通的上述连接流体通路，各上述第一配管的流体通路与各对应的上述连接流体通路连通。
根据这种结构的旋转接头，能将多个第二流体通路设于旋转密封环，因此，从一处第一流体通路流出的供给制冷剂能通过第一间隔流体通路流入多个第二流体通路。此外，各第一配管的流体通路与连通到多个第二流体通路的多个连接流体通路连通，因此，能朝各冷却部的所需处供给所需的供给制冷剂。另外，能减少由两固定密封环和旋转密封环构成的一对第二机械密封的配置个数。同时，能缩短连接部的轴向的长度。其结果是，能大幅度降低第二机械密封装置和连接零件的制造成本及组装成本。另外，也能使旋转接头小型化。
附图说明
图1是本发明实施例1的旋转接头的一侧的剖视图。
图2是表示图1的机械密封装置和配管的附近的第一组装体的放大剖视图。
图3是表示图2的各第二机械密封装置附近的结构的放大剖视图。
图4是图1的第二组装体的一侧的剖视图。
图5是图1的第三组装体的一侧的剖视图。
图6是图5所示的磁性流体密封的一侧的放大剖视图。
图7是本发明实施例2的连接部的轴向主视图。
图8是本发明实施例3的旋转密封环的轴向主视图。
图9是安装了本发明的旋转接头的超导电动机的概略剖视图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明所涉及的实施方式的旋转接头进行说明。以下说明的各附图是根据设计图而制成的准确的附图。图1是本发明实施例1的旋转接头R的一侧的剖视图。在图1中，若在截面中加入阴影线，则图会变得不清楚，因此，省略了阴影线。此外，图2是表示图1的机械密封装置1和配管的附近的图，也是第一组装体A的一侧的放大剖视图。另外，图3是表示图2的第二机械密封装置1附近的结构的放大剖视图。图4是第一轴承部60D1侧的第二组装体B的一侧的放大剖视图。图5是磁性流体密封40侧的第三组装体C的一侧的放大剖视图。图6是图5所示的磁性流体密封40的放大剖视图。
以下，参照图1～图6来说明本发明的旋转接头R。旋转接头R的带凸缘的连结部10C，与具有励磁线圈的同步旋转设备例如旋转发电机、线性电动机等的带流体通路的转轴及图9所示的超导电动机100的带流体通路的转轴115连结。
首先，对与图1的旋转接头R连结的图9的超导电动机100进行说明。但是，对非本发明的超导电动机100进行简单地说明。
图9所示的超导电动机100是概略图。在筒状的、设有内周面115A的转轴115的外周面上嵌合有3个转子110(符号仅为一处)。在转子110的两侧，沿轴向配置总计4个定子106(符号仅为一处)。此外，在各转子110中设置在超导(SC)线圈103的内周侧存在空间的冷却部105。在该冷却部105上设置与旋转接头R的各第一配管20E连通并能供给制冷剂的各第一管101、101、101。利用该各第一管101、101、101朝各个冷却部105、105、105供给制冷剂，来冷却各超导线圈103、103、103(符号仅为一处)。此外，使对各超导线圈103、103、103进行冷却后的制冷剂，通过与排出流体通路用的各个第二管102、102、102连通的第二配管20E，朝未图示的制冷剂供给装置(也称为冷冻机)逆流。在转轴115的两侧设置轴承116、116。在此，为方便起见，对转子110为3个的情况进行了说明，但并不局限于3个，也有1个、2个、或3个以上的情况。此外，也存在与该例示的转子110的结构不同的结构。然而，总之，为使同步旋转设备中的超导线圈的电阻接近零(0)，必须将超导线圈冷却到极低温的温度状态。本发明解决该问题。
为了实现这些高温的超导线圈的超导，且维持该超导，例如必须将高温超导线圈冷却到临界温度(超导临界温度，例如27K)或临界温度以下的温度。本发明的旋转接头R采用能从固定侧通过旋转侧的各连接流体通路20D、20D朝各冷却部105直接供给极低温的供给冷却剂Q1的结构。此外，供给制冷剂Q1或排出制冷剂Q2通过在高真空(高真空是指10-3Torr～10-7Torr的范围)状态的真空通路10H中所配置的第一配管20E及第二配管20E内的流体通路，因此，能与外部气体真空绝热并将供给制冷剂Q1维持在临界温度以下的极低温度。另外，将第一配管20E和第二配管20E维持在高真空的状态，能阻断外部气体的温度朝第一配管20E和第二配管20E传热。
在图1及图9中，真空用筒轴10的连结部10C与超导电动机100的转轴115的一端的安装部连结并能一起转动。同时，第一配管20E是与第一管101连结并能朝第一管101内供给来自第一配管20E的供给制冷剂Q1的供给流体通路。另外，第二配管20E也是与第二管102连结并可从第二管101朝第二配管20E排出对超导线圈等冷却后的已使用的排出制冷剂Q2的排出流体通路。该第一配管20E并不限定于供给制冷剂Q1的供给流体通路，此外，第二配管20E也不限定于排出制冷剂Q2的排出流体通路。能将第一配管20E作为排出流体通路使用。另外，也能将第二配管20E作为供给流体通路使用。然而，在使使用后的排出制冷剂Q2返回到冷却供给装置时，在图1的第二机械密封装置1的实施例中优选使用第二配管20E。
该真空用筒轴10整体使不锈钢制的第一真空用筒轴10A的连接部(也称为连接零件。然而，连接零件并不意味着与真空用筒轴是分体零件)10A1与第二真空用筒轴10B的接头部(符号10B)接合，并将未标注符号的图示的螺栓朝轴向螺合而连结。第一真空用筒轴10A中，使筒轴的端部与连接部10A1的阶梯面嵌合，并焊接该嵌合面的周面使其形成为一体。另外，在第二真空用筒轴10B中，使筒轴的端部与接头部10B的阶梯面，并将嵌合面之间焊接。使该焊接后的接头部10B与连接部10A1嵌合，并利用螺栓旋紧而形成为筒状。为了能安装第二机械密封装置1，该第一真空用筒轴10A与第二真空用筒轴10B的连结使用螺栓来旋紧。然而，作为其他例子，若将机械密封装置1嵌合到未图示的长套筒，并将该套筒嵌连固定于真空用筒轴10的外周，则能不分割组装第一真空用筒轴10A和第二真空用筒轴10B而使其形成一体。在该实施例的情况下，将连接部10A1一体地嵌连于第一真空用筒轴10A的内周面。或者，也可对第一真空用筒轴10A进行加工使其形成连接部10A1。第二机械密封是指将各固定密封环2A、2A配置于旋转密封环1A的两侧形成一对，并使固定密封环2A、2A与旋转密封环1A组合而形成的零件。此外，将组合多个第二机械密封而成的整体称为机械密封装置1。
另外，如图3所示，在连接部10A1内部使连接流体通路20D在轴向上改变位置，并沿周向按照设定的个数配置，连接流体通路20D的截面是径向与轴向形成的L形。该各连接流体通路20D、20D的轴向的端部侧的开口形成为连接孔20D1，并使第一配管20E与第二配管20E的端部分别密封地嵌连于各连接孔20D1(将嵌合好的周面之间焊接或粘接来封闭)。具有该供给流体通路或排出流体通路的第一配管20E和第二配管20E，配置于第一真空用筒轴10A的内周面10A2内，可供极低温度的制冷剂Q1、Q2流通。同时，配置于第一真空用筒轴10A的内周面10A2内的第一配管20E和第二配管20E，配置于被抽成真空(抽真空)后的高真空环境内，与外部真空绝热。第一配管20E和第二配管20E的材质使用不锈钢管、铜管、铝管、氮化硼、石英管、强化玻璃管、低温用树脂(PTFE等)管等。此外，也可使用绝热材料覆盖第一配管20E和第二配管20E的外周面。例如，使用PTFE、玻璃、石英等材质对不锈钢管的外周覆盖能绝热的厚度。通过在真空用筒轴10内以真空绝热的状态来配置第一配管20E和第二配管20E，能实现上述绝热效果。在诸如以往那样的、在安装好机械密封装置的外壳主体中使用切孔来形成制冷剂用的流体通路的结构中，不能期待上述效果。
图2及图3是图1所示的第一组装体A的放大图。如图2及图3所示，使旋转密封环1A的内周面1A3在真空用筒轴10中的连接部10A1的外周面上沿轴向间隔配置成两列并与其嵌连。该旋转密封环1A的组装如下，将筒状的隔板12夹在并排配置的两旋转密封环1A、1A之间，并以利用连接部10A1的阶梯面和第二真空用筒轴10B的接头部10B的端面支承两旋转密封环1A、1A的轴向的外侧端的状态固定。在各旋转密封环1A、1A中，将各密封面1A1、1A1、……设于轴向两端面，并将贯穿内外的第二流体通路20C设于各旋转密封环1A、1A的两密封面1A1、1A1的中间。该第二流体通路20C与内侧的连接流体通路20D连通。该各旋转密封环1A和后述各固定密封环2A是碳化硅类、碳、硬质合金、复合树脂等不易磨损的硬质材质，且是经得住制冷剂Q1、Q2的耐寒材质。
将成对的两固定密封环2A、2A设于旋转密封环1A的轴向的两侧。在固定密封环2A端面设置与密封面1A1紧贴的相对密封面2A1。同时，通过焊接等，将作为环状地围起真空用筒轴10的弹性波纹管2B的一端的结合部2B1与相对密封面2A1的相反一侧的面(背面)密封地结合。该弹性波纹管2B是不锈钢、镍基合金(因科镍合金718等)等金属制的，且是一体形成于固定密封环2A的附属零件。此外，使用焊接等，将弹性波纹管2B的另一端的呈环状的固定部2B2密封地粘接于密封盖2B3的内周的阶梯部。此外，弹性波纹管将固定密封环2A的相对密封面2A1朝与密封面1A1紧贴的方向弹性地按压。
另外，旋转密封环1A的外周面1A2与旋转密封环1A的两侧的固定密封环2A、2A之间的空间(两弹性波纹管2B、2B之间)形成为第一间隔流体通路20B。该第一间隔流体通路20B与设有配管接头部20A1的第一流体通路20A连通。第一流体通路20A是从冷却供给装置导入有供给制冷剂Q1的流体通路。此外，两旋转密封环1A、1A之间的两弹性波纹管2B、2B的固定部2B2、2B2的相对空间和隔板12的外周面与配管接头部20A1(在图3中未标注符号)的内周面之间所形成的环状空间是第二间隔流体通路20B。该第二间隔流体通路20B不通过设于旋转密封环1A的第二流体通路20C，因此，与连接流体通路20D直接连通。即，在第二间隔流体通路20B与连接流体通路20D之间，设有与旋转密封环1A的第二流体通路20C连通的第一间隔流体通路20B和不通过第二流体通路20C的第二间隔流体通路20B。
在环状的各密封盖2B3、2B3、2B3、2B3与环状的配管接头部20A1、20A1、20A1的接合面间，安装截面呈C形或U形的各密封环83A来密封各接合面间(在图3中沿轴向设有8个)。该密封环83A形成为能设于PTFE制的U形槽内的金属(因科镍合金718等材质)制的弹性中空O形环的形状，或C形金属环的形状，并具有经得住制冷剂Q1、Q2的耐寒性。此外，各密封盖2B3和各配管接头部20A1被夹在焊接于第一外筒60A的端部的凸缘部与焊接于第二外筒60B的端部的凸缘部之间，并被插入沿轴向贯穿的螺栓用孔的螺栓79(参照图1或图2)旋紧，从而形成覆盖第二机械密封装置1的外周侧形状的盖。另外，与各配管接头部20A1的第一流体通路20A连通的各配管为树脂管、钢管(不锈钢管等)，并通过第二主体65的第二真空室V2内，与未图示的冷却供给装置连通。该各配管也可与图5所示的分支配管44A连结而进行抽真空。
此外，通过设于各旋转密封环1A的各第二流体通路20C朝冷却部105供给的供给制冷剂Q1是极低温度的液态氨、液态氮等。另外，通过第二间隔流体通路20B朝冷却供给装置返回的排出制冷剂Q2是对冷却部105冷却后的制冷剂(也存在制冷剂汽化的情况)。供给制冷剂Q1的种类有液态氨(-273℃以下)、液态氮(-196℃以下)、液态氖、液态氩等。上述供给制冷剂Q1被冷却到能将超导线圈等冷却到超导状态的极低温度。该第二主体65的第二真空室V2内是高真空的状态，并能使各第一流体通路20A真空绝热。通过分支配管44A对该第二真空室V2进行抽真空V。此外，使用PTFE等、纤维强化树脂的绝热材料覆盖分支配管44A、第一流体通路20A的配管的周围，从而能防止供给制冷剂Q1的温度上升。另外，如图2所示，利用螺栓将沿真空用筒轴10的径向形成筒状的第二主体65，与安装部设于第一外筒60A的凸缘部的安装板和设于第二外筒60B的凸缘部的安装板密封地结合。此外，第二主体65在第一主体60内形成沿径向的筒形，但在第一流体通路20A的数量较多的情况下，也能形成围住真空用筒轴10的轴芯周围且封闭的筒状体。
如图1或图2及图4所示，第一外筒60A的内周面的内径比第一真空用筒轴10A的外周面的外径大。此外，第一外筒60A相对于第一真空用筒轴10A设置环状空间而与其嵌合。另外，第二外筒60B也相对于第二真空用筒轴10B设置环状空间而与其嵌合，并形成与第一外筒60A大致对称的形状。接着，如图4所示，在第一外筒60A的大径圆筒状的端部60A设置抽真空配管33A，将第一机械密封装置32的周围抽真空而使其真空绝热，并使真空用筒轴10的外周的环状空间也真空绝热。沿大径圆筒状的端部60A的周面以均等配置或不均等配置的方式设置多个通孔。此外，将抽真空配管33A与该通孔连结。该抽真空配管33A的另一端穿过第一真空室V1和第二真空室V2内与抽真空装置(也称真空泵)Va连通。第一外筒60A与真空用筒轴10相同，是不锈钢、镍基合金等的材质。
图1或图2及图5所示第二外筒60B与第一外筒60A相同，将与抽真空配管的接头连接的通孔设于一端的大径圆筒状的端部60B。与该抽真空配管连接的通孔沿大径圆筒状的端部60B的周面以均等配置或不均等配置的方式设置有多个。此外，对第二真空用筒轴10B的外周的环状空间抽真空，来使第二真空用筒轴10B真空绝热。此外，抽真空配管的另一端部与图4所示的抽真空配管33A相同，与设于第二主体65内的配管连通而被抽真空装置Va抽真空V。
另外，利用将真空用筒轴10的外周侧围住的第一真空室V1使内部具有第一真空室V1的圆筒状的第一主体60真空绝热，并使第二机械密封装置1的外周侧也真空绝热。此外，第二机械密封装置1、第一流体通路20A、第一间隔流体通路20B及第二间隔流体通路20B、第二流体通路20C、连接流体通路20D在第二主体65内因第二真空室V2而被双重真空绝热。此外，即使存在因旋转接头R达到耐用年数而造成供给制冷剂Q1从通过第二机械密封装置1等的第一间隔流体通路20B朝外部泄漏的情况，由于供给制冷剂Q1被第二真空室V2吸引，因此，能防止因朝外部泄漏的供给制冷剂Q1导致的公害问题的情况。
接着，相对于图1的第一组装体A，将第二组装体B设于真空用筒轴10的超导电动机100侧。在图4中将该第二组装体B放大。能支承真空用筒轴10旋转的一侧的第一轴承部60D1的外周面与第一轴承箱30A的内周面嵌连。此外，将该第一轴承部60D1的内周面嵌连安装于套筒31的外周面。另外，该套筒31与真空用筒轴10的外周面嵌连。此外，第一轴承箱30A通过以假象线表示的保持部安装并固定于超导电动机100的壳体。除此之外，在第一轴承箱30A的开口侧面保持第一机械密封装置32，并设置沿轴向支承第一轴承部60D1的保持板30B。利用设于该保持板30B的供给通路33，在第一轴承部60D1侧朝流体空间30H供给空气等流体Q3或润滑液等流体Q3。该流体Q3从供给通路33流入流体空间30H，对第一机械密封装置32起到作为巴哈流体(日语：バツハ流体)的作用。或者，也能将润滑液供给到轴承部60D1而起到润滑作用。
第一机械密封装置32的旋转密封环(未标注符号)隔着附属零件与不锈钢制的套筒31嵌连。另外，与该旋转密封环相对旋转的固定密封环隔着附属零件保持于保持板30B的阶梯孔。此外，利用第一机械密封装置32隔断第一轴承部60D1侧的流体空间30H与第一外筒60A内的环状空间。第一外筒60A的保持板30B侧的大径圆筒状的端部60A与第一主体60的内周面嵌连，且如上所述，另一端的凸缘部隔着密封盖2B3与第二主体65连接结合。
如图1所示，第三组装体C设于真空用筒轴10的相对于第二组装体B的相反一侧。在与第一主体60的内周面嵌连的第二外筒60B的大径圆筒状的端部60B，将第二轴承部60D2设于内周的阶梯孔来支承真空用筒轴10的另一端。大径圆筒状的端部60B被多个支承件61支承。第二轴承部60D2的内周面与第二真空用筒轴10B的外周面嵌连(参照图1)。此外，利用第一轴承部60D1和第二轴承部60D2支承真空用筒轴10自由旋转。虽然未图示，但与图4相同，使供给通路与第二轴承部60D2的侧面的空间62连通。利用未标注符号的螺栓将不锈钢等非磁性体的磁性流体密封用盖41与第二外筒60B的端部结合。在磁性流体密封用盖41的内周面与第二真空用筒轴10B的外周面之间，安装图6所示的磁性流体密封装置40。将高精度的轴承40D、40D分别设于位于磁性流体密封用盖41的内周面的磁性流体密封装置40的两侧。该两轴承40D、40D的内周面与磁性体的轴盖40A嵌连，且外周面与磁性流体密封用盖41的内周面嵌连。另外，轴盖40A经由并排配置的耐寒性的密封用○形环80B、80B与第二真空用筒轴10B的外周面嵌连。
此外，将沿轴向设有间隔的两列密封突起组设于磁性材料的轴盖40A的外周面。在规定的轴向的宽度上将多个环状截面的山形的突起40A1分别设置6个～20个之中的设定数而形成该密封突起组。较为理想的是，分别设置8个～15个。在与该两列密封突起组对应的位置，磁性材料的磁极块40B、40B经由密封用的○形环80A与磁性流体密封用盖41的内周面嵌连。在该各8个突起40A1……的外周面与磁极块40B、40B的内周面之间形成0.05mm以下、不接触的微小间隔(隔着不接触的间隔靠近内周面)。利用两侧的高精度的2个轴承40D、40D可实现该间隔。此外，在2个磁极块40B、40B之间，嵌连配置有永磁体40M。另外，在密封突起组40A140A1……与磁极块40B、40B的内周面之间，存在高精度的磁性流体40F。另外，在永磁体40M、2个磁极块40B、40B与2个密封突起组40A1……形成的环状的环路中，利用永磁体40M而形成有磁通。此外，在各密封突起组的突起40A1与磁极块40B、40B的内周面之间，磁性流体40F集结，将因抽真空V的吸引力而靠近的间隙的轴向两侧隔断，不会引起滑动阻力，并能维持吸引空间45的高真空的状态。
在磁性流体密封用盖41的永磁体(只要是磁体即可，并不局限于永磁体)40M的外表面，以贯穿状态设置流体供给通路40H。此外，利用N2气体的供给流体Q4或空气的供给流体Q4来对永磁体40M保温。或者，作为供给流体F将磁性流体40M从流体供给通路40H朝磁极块40B、40B的内周面内供给。存在将永磁体40M做成环状夹在磁极块40B、40B之间的情况，或将其做成圆柱在磁极块40B、40B之间配置多个的情况。另外，也可将突起40A1的外周面的截面形状做成尖的山形、M形。该磁性流体密封装置40能将真空用筒轴10内的真空通路10H与外部隔断，并能将其维持在高真空度以上的状态。也可采用将磁极块40B、40B和磁体40M安装于真空用筒轴10的外周面，并将轴盖40A安装于磁性流体密封用盖41的内周面的结构。另外，在密封突起组40A140A1……与磁极块40B、40B的内周面之间，存在高精度的磁性流体40F。即，是与上述实施例1内外颠倒的结构，是将内周侧的零件配置于外周侧，将外周侧的零件配置于内周侧的磁性流体密封装置40。关于密封突起组和磁极块的配置数，只要在两零件间能形成磁回路，则也可形成一对。
在磁性流体密封用盖41的轴向的端面，将与第二真空用筒轴10B的开口部10D相对的连结盖42密封地安装于磁性流体密封用盖41的端面(只要是围住真空用筒部的部分即可)。将吸引口42A设于该连结盖42的与开口部10D相对的位置。该吸引口42A通过吸引配管44与图1所示的抽真空装置(真空泵)Va连通。另外，从吸引配管44分支的分支配管44A，与贯穿第一主体60内部的配管连结，并对第一真空室V1内抽真空，从而使第一真空室V1内成为高真空的状态。该第一主体60的第一真空室V1内的高真空的状态使对第一流体通路20A、20A、20A真空绝热的第二主体65的第二真空室V2双重真空绝热。
另一方面，从吸引口42A对真空用筒轴10的内周面10A2内抽真空，从而将真空通路10H中成为高真空的状态。关于真空通路10H中的高真空，由于真空用筒轴10的内周面10A2内(真空通路10H)被高性能的磁性流体密封40完全密封，因此，如上所述，能使该内周面10A2内成为高真空(10-3Torr～10-7Torr)或超真空(10-7Torr以下)。为了使超导励磁线圈的电阻变为零(0)，必须使供供给制冷剂Q1通过的第一配管20E或第二配管20E的外周侧的真空通路10H中形成10-3Torr以下的真空状态，优选为10-5Torr以下的真空状态，但本发明的磁性流体密封装置40能有效地将真空通路10H中与外部隔断，从而可形成该高真空的状态。该真空用筒轴10的内周面10A2内的高真空及超高真空的状态，可相对于第一配管20E及第二配管20B高度地隔断外部气体的温度。此外，在真空用筒轴10的内周面10A2内，将从制冷剂供给装置供给的极低温度的液态的氨、氮、氖等的供给制冷剂Q1维持在极低温度的状态，并将该供给制冷剂Q1从第一配管20E及第二配管20E朝超导电动机100的冷却部105供给，从而对冷却部105进行冷却。
另外，第一配管及第二配管20E、20E、20E配置于真空用筒轴10的内周面10A2内，因此，能使用PTFE、石英等绝热材料覆盖(裹住)第一配管及第二配管20E、20E、20E的外周面。因此，能发挥第一配管20E、20E及第二配管20E的绝热效果，并能维持第二机械密封装置1的密封能力。
另外，在第二机械密封装置1中并排配置的第一间隔流体通路及第二间隔流体通路20B、20B内，相同压力的制冷剂在各间隔流体通路20B、20B内流动，因此，密封面1A1与相对密封面2A1的紧贴的径向的两侧大致为相同压力，即使排出制冷剂Q2已汽化，由于真空用筒轴10在旋转，因此，能在其离心力的作用下使排出制冷剂Q2直线地通过第一流体通路20A而朝制冷剂供给装置返回。因此，即使排出制冷剂Q2已汽化，也能有效地防止其通过密封面1A1与相对密封面2A1的滑动面而混入供给制冷剂Q1。因此，能防止像以往那样已汽化的排出制冷剂在中途与供给制冷剂混合而使供给制冷剂的温度上升。此外，还能进一步发挥第二机械密封装置1的密封能力。另外，冷却部105的液体积存部被所供给的极低温度的供给制冷剂Q1冷却到极低温度，从而能使超导电动机100的冷却部(超导励磁线圈)105处于电阻为零(0)的状态。其结果是，在超导励磁线圈被励磁时，在电阻变为零(0)的超导励磁线圈中，产生无励磁损失的强力的磁场。
图7表示实施例2，是与图1中的X-X向视相当的连接部10A1侧的主视图。该连接部10A1形成为比图2所示的连接部10A1还短的筒状，且在内周面内形成圆形的真空通路10H。此外，在图7中，与图2所示的连接部10A1中的连接流体通路20D相同，沿连接部10A1的径向形成四处或四处以上(在图7中为四处)的连接流体通路。分别将各第一配管20E密封地嵌连到其中三处的连接流体通路20D、20D、20D的连接孔20D1。此外，使供给制冷剂Q1在该第一配管20E中流通。另外，将排出制冷剂Q2用的第二配管20E密封地嵌合到剩余的一处或两处连接孔20D1(符号参照图2)。该三处供给制冷剂Q1用的连接流体通路20D、20D、20D，在连接部10A1中轴向的位置大致相同，但在周向上位置不同(参照图8的第二流体通路20C的配置结构)。另外，改变三处供给制冷剂Q1用的连接流体通路20D、20D、20D在连接部10A1中沿轴向的位置，以使排出制冷剂Q2用的连接流体通路20D与第二间隔流体通路20B连通。因此，由于该连接部10A1能形成轴向短的筒状，所以，也能缩短真空通路10H的轴向长度。
另外，通过将该连接部10A1的内径形成为各种形状，还能提高真空绝热的效果。例如，该连接部10A1中的真空通路10H的正面形状并不局限于圆形，还能考虑将其形成为四边形的内周面、做成星形或齿轮状的凹凸面的内周面、椭圆形的内周面等，并将多个第一配管20E及第二配管连结于侧面。与该三处供给制冷剂Q1用的连接流体通路20D、20D、20D对应的第二机械密封使用1个即可。此外，利用多个第一配管20E，将供给制冷剂Q1供给到超导电动机100的超导励磁线圈，将超导励磁线圈冷却到极低温度，从而能使电阻变为零(0)。另外，采用与上述供给制冷剂Q1用的连接流体通路20D、20D、20D相同的结构，设置多个排出制冷剂Q2的第二配管，从而能使排出制冷剂Q2高效率地返回到冷却供给装置。
图8是从轴向观察与真空用筒轴10嵌连的旋转密封环1A的正面图。该旋转密封环1A是实施例3。图8所示的旋转密封环1A是沿周面设置四处贯穿的第二流体通路20C的例子。旋转密封环1A的内周面1A3与连接部10A1的外周面嵌连，并使四处第二流体通路20C与四处连接流体通路20D分别连通。此外，在该四处第二流体通路20C中，流入有从一处第一流体通路20A供给的供给制冷剂Q1。另外，将各密封面1A1、1A1形成于旋转密封环1A的两端面。另外，将能安装图3所示的密封环83B的密封安装槽1A4形成于旋转密封环1A的两密封面1A1的内周侧。
在图8中，关于该旋转密封环1A的第二流体通路20C和连接零件10A1的连接流体通路20D说明了4个例子，但也能根据冷却部105的个数，设置5个、6个或多个第二流体通路20C、连接流体通路20D及第二配管20E。藉此，可不增加第二机械密封的数量，而朝多个冷却部105供给供给制冷剂Q1。通过本发明的第二机械密封装置1的结构与连接零件10A1的组合，使利用该1个第二机械密封装置1能将供给制冷剂Q1朝多个冷却部105供给的结构成为可能。作为其他实施例，也存在第二机械密封装置1由1个第二机械密封构成的情况。在该情况下，尽管未图示，但将第二配管设于其他流体通路，并使排出制冷剂返回到制冷剂供给装置。
作为本发明的比较例，在图1中，当将磁性流体密封装置40更换为以往的磁性流体密封装置时，由于处于高真空，磁性流体密封装置的磁性流体被吸引到真空侧，不存在磁性流体。因此，维持真空通路内的真空状态变得困难。所以，也会使因真空通路中的真空而产生的绝热效果降低。其结果是，若不将各流体通路、第一配管形成大径并使大量的供给制冷剂流动，则冷却冷却部105会变得困难。此外，超导电动机中使用的高价的供给制冷剂的运行成本会上升。另外，在供给大量的供给制冷剂的结构中，旋转接头变得大型化，因此，制造成本会上升。另外，旋转接头的安装处也会变大，因此，因安装处会使安装变得困难。主体是将第一主体60、第二主体65、第一外筒60A、第二外筒65A等固定于旋转的真空用筒轴10所形成的零件。
工业上的应用领域
本发明是能维持液态氮、液态氨等极低温的制冷剂的温度，且能从固定部侧的制冷剂供给装置朝旋转的超导装置的冷却部供给供给制冷剂，并能回收使用后的制冷剂的有用的旋转接头。

Claims (4)

1.一种旋转接头，是连接固定侧的制冷剂供给装置与旋转侧的冷却部的流体通路间的制冷剂用的旋转接头，其特征在于，包括：
真空用筒轴，该真空用筒轴被主体支承成能旋转并具有沿轴向贯穿的真空通路，且在所述真空通路的一端具有能与所述冷却部的连通路连通的连结部，在所述真空通路的另一端具有抽真空用的开口部，在所述连结部与所述开口部的中间具有连接部；
第一外筒和第二外筒，所述第一外筒和所述第二外筒分别形成为内径比所述真空用筒轴的外周面的外径大，并相对于所述真空用筒轴设置真空的环状空间而与所述真空用筒轴嵌合，并且，所述第一外筒配置在所述连结部侧，所述第二外筒配置在所述开口部侧，
旋转密封环，该旋转密封环与所述真空用筒轴的所述连接部密封地嵌连，并在两端面具有各密封面；
两固定密封环，该两固定密封环配置于所述旋转密封环的轴向两侧，并具有与相对的所述密封面紧贴的相对密封面；
弹性波纹管，该弹性波纹管的一端的结合部密封地连结到与所述各固定密封环的相对密封面相反一侧的周面，且另一端的固定部围住所述真空用筒轴，密封地固接于所述主体，并朝所述密封面弹性地按压所述固定密封环；
第一间隔流体通路，该第一间隔流体通路形成于夹着所述旋转密封环的两侧的所述弹性波纹管之间，并能与导入供给制冷剂的第一流体通路连通；
第二流体通路，该第二流体通路沿径向贯穿所述旋转密封环，并与所述第一间隔流体通路连通；
连接流体通路，该连接流体通路设于所述连接部的内部，一端与所述第二流体通路连通，并在另一端设置连接孔；
第一配管，该第一配管具有一端连接到所述连接孔而与所述连接流体通路连通、另一端能与所述冷却部侧的流通路连通的流体通路，且配置于所述真空用筒轴的真空通路；
连结盖，该连结盖具有从所述真空用筒轴的开口部对所述真空通路内抽真空的吸引口；
第一主体，该第一主体的内部具有第一真空室，该第一真空室将所述真空用筒轴、所述第一外筒和所述第二外筒的外周侧以及机械密封的外周侧围住来真空绝热；
第二主体，该第二主体以与所述第一主体连接的方式形成在所述第一主体内，且该第二主体的内部具有第二真空室，至少所述第一流体通路和与该第一流体通路连通的配管通过该第二真空室的内部，该第二真空室使所述第一流体通路和所述配管的周围真空绝热；以及
磁性流体密封装置，该磁性流体密封装置具有磁性流体密封用盖、磁体用的磁极块、磁体、轴盖及磁性流体，其中，所述磁性流体密封用盖与所述连结盖密封地结合来围住所述真空用筒轴，所述磁体用的磁极块与所述磁性流体密封用盖的内周面和所述真空用筒轴的外周面中的一侧的周面密封地嵌连，且并排配置，所述磁体配置于所述并排的磁极块之间，在所述轴盖上配置有多个靠近所述磁极块的周面且相对的环状的突起从而形成突起组，且所述轴盖与所述磁性流体密封用盖的内周面和所述真空用筒轴的外周面中的另一侧的周面密封地嵌连，所述磁性流体存在于所述突起与所述磁极块之间，在该磁性流体密封装置中，作用有磁力的所述磁性流体克服所述抽真空的力，将所述突起与所述磁极块之间隔断。
2.如权利要求1所述的旋转接头，其特征在于，
成对的所述旋转密封环和两侧的固定密封环至少在轴向上配置有两组，并且在所述一组的所述固定密封环与相邻的所述另一组的所述固定密封环的相对间具有第二间隔流体通路，所述第二间隔流体通路与配置于所述真空用筒轴的所述真空通路的第二配管连通，对所述冷却部冷却后的排出制冷剂通过所述第二配管和所述第二间隔流体通路而返回。
3.如权利要求1或2所述的旋转接头，其特征在于，
所述连接部的内周面形成为圆形面或椭圆形面或沿周向形成凹凸面或齿轮状面，在所述第一配管侧的端部形成有连接孔。
4.如权利要求1或2所述的旋转接头，其特征在于，
所述旋转密封环具有沿周向配置的多个所述第二流体通路，所述连接部具有沿周向与所述各第二流体通路连通的所述连接流体通路，各所述第一配管的所述流体通路与各对应的所述连接流体通路连通。
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