CN105928236A - 超低温制冷机及回转接头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超低温制冷机及回转接头，其目的在于提高对旋转物体进行冷却的超低温制冷机中的工作气体的密封性。超低温制冷机具备设置在静止部的压缩机、设置在旋转部上的膨胀机以及用于压缩机与膨胀机之间的流体的连接的回转接头。回转接头具备：转子，以与旋转部的旋转轴同轴的方式固定于旋转部；定子，与转子相邻配置以在定子与转子之间形成间隙，并且定子固定于静止部；第1高圧流路及第2高圧流路，其为从定子经过间隙一直到转子的气体流路；以及工作气体密封部，将间隙分隔为与第1高圧流路连通的第1高圧区间和与第2高圧流路连通的第2高圧区间。
Description
本申请主张基于2015年2月27日申请的日本专利申请第2015-038220号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
技术领域
本发明涉及一种超低温制冷机，尤其涉及一种对旋转的物体进行冷却的超低温制冷机。并且，本发明涉及一种适于这种超低温制冷机的回转接头。
背景技术
已知有一种在连续旋转的系统中实现超低温的超低温冷却装置。该冷却装置具有无制冷剂制冷机、使氦气在无制冷剂制冷机中循环的压缩机。氦气通过氦气用旋转接头在制冷机和压缩机中循环。
专利文献1：日本特开2014－156952号公报
上述旋转接头上设置有用于密封氦气的O型环。一个O型环从大气压屏蔽流入到制冷机的氦气。并且，另外一个O型环从大气压屏蔽回流至压缩机的氦气。通常，用于制冷机的氦气具有比大气压明显高的压力，因此仅通过一个O型环很难完全防止氦气向大气环境泄漏。
发明内容
本发明的一种实施方式的示例性目的之一为，提高对旋转的物体进行冷却的超低温制冷机中的工作气体的密封性。
根据本发明的一种实施方式，一种超低温制冷机，其设置于具有静止部和以能够绕轴旋转的方式支承于所述静止部的旋转部的装置，其具备：压缩机，设置在所述静止部；膨胀机，设置在所述旋转部；以及回转接头，用于所述压缩机与所述膨胀机之间的流体的连接。所述回转接头具备：转子，以与所述旋转部的旋转轴同轴的方式固定于所述旋转部；定子，与所述转子相邻配置以在所述定子与所述转子之间形成间隙，并且所述定子固定于所述静止部；第1高压流路，其为具有高于所述超低温制冷机的周围环境压力的第1高压的第1高压工作气体的流路，且为从所述定子经过所述间隙一直到所述转子的气体流路；第2高压流路，其为具有高于所述周围环境压力且低于所述第1高压的第2高压的第2高压工作气体的流路，且为从所述转子经过所述间隙一直到所述定子的气体流路；以及工作气体密封部，将所述间隔分隔为与所述第1高圧流路连通的第1高圧区间、与所述第1高圧区间相邻且与所述第2高圧流路连通的第2高圧区间以及与所述第1高压区间的与所述第2高压区间相反的一侧相邻的加压区间。所述加圧区间具有高于所述周围环境压力且低于所述第1高压的中间压。
根据本发明的一种实施方式，一种回转接头，其用于超低温制冷机的压缩机与所述超低温制冷机的膨胀机之间的流体的连接，其中，所述压缩机设置在静止部，所述膨胀机设置在以能够绕轴旋转的方式支承于所述静止部的旋转部，所述旋转结构具备：转子，以与所述旋转部的旋转轴同轴的方式固定于所述旋转部；定子，与所述转子相邻配置以在所述定子与所述转子之间形成间隙，并且所述定子固定于所述静止部；工作气体的流路，其为具有高于所述超低温制冷机的周围环境压力的压力的工作气体的流路，且为从所述定子经过所述间隙一直到所述转子的气体流路；以及工作气体密封部，将所述间隙分隔为与所述工作气体的流路连通的高圧区间、与所述高圧区间相邻的第1加圧区间以及与所述高圧区间的与所述第1加圧区间相反的一侧相邻的第2加圧区间。所述第1加圧区间具有高于所述周围环境压力且低于所述高圧区间的压力的第1中间压，所述第2加圧区间具有高于所述周围环境压力且低于所述高压区间的压力的第2中间压。
根据本发明的一种实施方式，一种超低温制冷机，其设置于具有静止部和以能够绕轴旋转的方式支承于所述静止部的旋转部的装置，其具备：压缩机，设置在所述静止部；膨胀机，设置在所述旋转部；回转接头，用于所述压缩机与所述膨胀机之间的流体的连接。所述回转接头具备：转子，以与所述旋转部的旋转轴同轴的的方式固定于所述旋转部；定子，与所述转子相邻配置以在所述定子与所述转子之间形成间隙，并且所述定子固定于所述静止部；第1高压流路，其为具有高于所述超低温制冷机的周围环境压力的第1高压的第1高压工作气体的流路，且为从所述定子经过所述间隙一直到所述转子的气体流路；第2高压流路，其为具有高于所述周围环境压力且低于所述第1高压的第2高压的第2高压工作气体的流路，且为从所述转子经过所述间隙一直到所述定子的气体流路；工作气体密封部，将所述间隙分隔为与所述第1高圧流路连通的第1高圧区间和与所述第2高圧流路连通的第2高圧区间。所述转子具有在所述旋转轴的周围沿径向延伸且与所述旋转轴垂直的环状平坦面。所述工作气体密封部具备以从所述周围环境压力屏蔽所述第2高圧区间的方式绕所述旋转轴配设的密封盘，所述密封盘具有与所述环状平坦面接触的密封面。
根据本发明的一种实施方式，一种超低温制冷机，其设置于具有静止部和以能够绕轴旋转的方式支承于所述静止部的旋转部的装置，其具备：压缩机，设置在所述静止部；膨胀机，设置在所述旋转部；以及回转接头，用于所述压缩机与所述膨胀机之间的流体的连接。所述回转接头具备：转子，以与所述旋转部的旋转轴同轴的方式固定于所述旋转部；定子，与所述转子相邻配置以在所述定子与所述转子之间形成间隙，并且所述定子固定于所述静止部；第1高压流路，其为具有高于所述超低温制冷机的周围环境压力的第1高压的第1高压工作气体的流路，且为从所述定子经过所述间隙一直到所述转子的气体流路；第2高压流路，其为具有高于所述周围环境压力且低于所述第1高压的第2高压的第2高压工作气体的流路，且为从所述转子经过所述间隙一直到所述定子的气体流路；以及工作气体密封部，将所述间隙分隔为与所述第1高圧流路连通的第1高圧区间和与所述第2高圧流路连通的第2高圧区间。所述工作气体密封部在所述第1高圧区间具有第1直径，在所述第2高圧区间具有第2直径，且所述第1直径小于所述第2直径。
根据本发明的一种实施方式，一种超低温制冷机，其设置于具有静止部和以能够绕轴旋转的方式支承于所述静止部的旋转部的装置，其具备：压缩机，设置在所述静止部；膨胀机，设置在所述旋转部；以及回转接头，用于所述压缩机与所述膨胀机之间的流体的连接。所述回转接头具备：转子，以与所述旋转部的旋转轴同轴的方式固定于所述旋转部；定子，与所述转子相邻配置以在所述定子与所述转子之间形成间隙，并且所述定子固定于所述静止部；第1高压流路，其为具有高于所述超低温制冷机的周围环境压力的第1高压的第1高压工作气体的流路，且为从所述定子经过所述间隙一直到所述转子的气体流路；第2高压流路，其为具有高于所述周围环境压力且低于所述第1高压的第2高压的第2高压工作气体的流路，且为从所述转子经过所述间隙一直到所述定子的气体流路；工作气体密封部，将所述间隙分隔为与所述第1高圧流路连通的第1高圧区间和与所述第2高圧流路连通的第2高圧区间。所述转子具备：转子基部，固定于所述旋转部；转子轴端，在轴向上位于与所述转子基部相反的一侧，并且在所述转子轴端与所述定子之间形成所述第1高圧区间。所述定子具备定子底壁部，所述定子底壁部包围所述转子轴端而形成半封闭区段。
根据本发明，能够提高对旋转的物体进行冷却的超低温制冷机中的工作气体的密封性。
附图说明
图1是概略地表示本发明的第1实施方式所涉及的超低温制冷机的图。
图2是概略地表示本发明的第2实施方式所涉及的超低温制冷机的图。
图3是概略地表示本发明的第2实施方式所涉及的超低温制冷机的图。
图4是概略地表示本发明的第2实施方式所涉及的超低温制冷机的图。
图5是概略地表示本发明的第2实施方式所涉及的超低温制冷机的图。
图6是概略地表示本发明的第3实施方式所涉及的超低温制冷机的图。
图7是概略地表示本发明的第3实施方式所涉及的超低温制冷机的图。
图8是概略地表示本发明的第4实施方式所涉及的超低温制冷机的图。
图9是概略地表示本发明的第5实施方式所涉及的超低温制冷机的图。
图10是概略地表示本发明的第6实施方式所涉及的超导风力发电装置的图。
图中：10-超低温制冷机，12-压缩机，14-膨胀机，50-静止部，52-旋转部，100-回转接头，102-第1高圧流路，104-第2高圧流路，106-转子，108-定子，110-间隙，112-转子基部，114-转子轴端，120-工作气体密封部，122-上部周围环境压力区间，123-周围环境压力区间，124-上部第2高圧区间，126-第1高圧区间，127-第2高圧区间，128-下部第2高圧区间，130-下部周围环境压力区间，132-第1密封件，134-第2密封件，136-第3密封件，138-第4密封件，153-缓冲区间，154-第1缓冲区间，156-第2缓冲区间，158-第1辅助密封件，162-缓冲容积，166-压力控制阀，168-辅助压缩机，175-环状平坦面，179-定子底壁部，180-密封盘，182-密封面，184-受压面，186-施力部件。
具体实施方式
以下，参考附图，对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在说明中，对相同的要件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，以下说明的结构为示例，并不用于限定本发明的范围。
(第1实施方式)
图1是概略地表示本发明的第1实施方式所涉及的超低温制冷机10的图。超低温制冷机10具备对工作气体(例如氦气)进行压缩的压缩机12以及使工作气体通过绝热膨胀而被冷却的膨胀机14。超低温制冷机10为吉福德-麦克马洪式(Gifford-McMahon；GM)制冷机等任意的蓄冷式制冷机。
超低温制冷机10设置于具有静止部50和旋转部52的装置上。旋转部52以能够绕轴旋转的方式支承在静止部50。即，旋转部52以能够绕规定旋转轴进行旋转的方式支承于静止部50。旋转轴的方向为图1中的上下方向。超低温制冷机10对设置在旋转部52的进行旋转的物体68进行冷却。物体68为例如超导装置(例如超导线圈)。因此，膨胀机14设置于旋转部52。压缩机12设置于静止部50。
旋转部52具备旋转台54和真空容器56，静止部50具备支承表面58、支承体60以及支承台62。旋转台54经由轴承64支承于支承体60，并且能够绕旋转部52的旋转轴进行旋转。真空容器56安装在旋转台54。膨胀机14以其低温部容纳于真空容器56的方式安装于真空容器56。应被超低温制冷机10冷却的物体68也容纳于真空容器56。物体68与膨胀机14的低温部热连接，并且通过物体支承部件69支承于旋转台54。物体支承部件69由导热系数较小的材料(例如，玻璃纤维增强塑料(GFRP))制成。并且，旋转台54具有以旋转部52的旋转轴为中心的台面开口66。另一方面，支承体60支承于支承表面58。支承台62也支承于支承表面58。压缩机12安装于支承表面58。
压缩机12向膨胀机14供给第1高圧工作气体。第1高圧工作气体具有高于超低温制冷机10的周围环境压力Pa的第1高圧Ph。超低温制冷机10的周围环境压力Pa例如为大气压或者0.1MPa。第1高圧Ph例如大于周围环境压力Pa的10倍圧力(1MPa)，或者大于周围环境压力Pa的20倍圧力(2MPa)。
通过膨胀机14中的绝热膨胀，第1高圧工作气体被减压至第2高圧工作气体。第2高圧工作气体具有高于超低温制冷机10的周围环境压力Pa且低于第1高圧Ph的第2高圧Pl。第2高圧Pl例如小于周围环境压力Pa的10倍压力(1MPa)，或者小于周围环境压力Pa的20倍压力(2MPa)。压缩机12从膨胀机14回收第2高圧工作气体。通过压缩机12，第2高圧工作气体再次被加压至第1高圧工作气体。
超低温制冷机10具备将压缩机12和膨胀机14进行连接以便从压缩机12向膨胀机14输送第1高圧工作气体并且使第2高圧工作气体从膨胀机14向压缩机12回流的工作气体管路16。工作气体管路16为用于使工作气体在压缩机12与膨胀机14之间循环的配管系统。工作气体管路16具备第1静止部气体管路18、第2静止部气体管路20、第1旋转部气体管路22、第2旋转部气体管路24以及回转接头100。回转接头100用于压缩机12与膨胀机14之间的流体的连接，其具有第1高圧流路102和第2高圧流路104。
第1静止部气体管路18及第2静止部气体管路20配置于静止部50。第1静止部气体管路18将压缩机12的气体输送端口连接于回转接头100的第1高圧流路102。第2静止部气体管路20将压缩机12的气体接收端口连接于回转接头100的第2高圧流路104。
第1旋转部气体管路22及第2旋转部气体管路24配置于旋转部52。第1旋转部气体管路22将膨胀机14的气体接收端口连接于回转接头100的第1高圧流路102。第2旋转部气体管路24将膨胀机14的气体输送端口连接于回转接头100的第2高圧流路104。第1旋转部气体管路22通过台面开口66连接于第1高圧流路102，第2旋转部气体管路24通过台面开口66连接于第2高圧流路104。
由此，压缩机12通过第1静止部气体管路18、第1高圧流路102以及第1旋转部气体管路22将第1高圧工作气体供给至膨胀机14。并且，压缩机12从膨胀机14通过第2旋转部气体管路24、第2高圧流路104以及第2静止部气体管路20回收第2高圧工作气体。
回转接头100具备转子106和定子108。转子106为以与旋转部52的旋转轴同轴的方式配设的轴部件。转子106具有以旋转部52的旋转轴为中心轴的圆筒状外周面。定子108为固定于静止部50的非旋转部件。定子108为包围以与旋转部52的旋转轴同轴的方式配设的转子106的中空部件。定子108具有以旋转部52的旋转轴为中心轴的圆筒状内周面。
在转子106与定子108之间形成有间隙110。定子108与转子106相邻配置以形成间隙110。间隙110为容许转子106相对于定子108进行旋转运动的微小的径向间隙，定子108的内径稍微大于转子106的外径。
转子106具有固定于旋转部52的转子基部112。转子106沿着旋转部52的旋转轴从转子基部112延伸，直至转子轴端114。转子轴端114位于支承台62的附近，且在转子轴端114与支承台62之间具有狭窄的轴向间隙。定子108具有固定于支承台62且包围转子轴端114的定子基部116。定子108沿着旋转部52的旋转轴从定子基部116延伸，直至定子端118。定子端118位于转子基部112的附近且在定子端118与转子基部112之间具有狭窄的轴向间隙。这样，间隙110形成于转子基部112/定子端118与转子轴端114/定子基部116之间。
在本说明书中，为了便于说明，将在轴向上靠近转子基部112/定子端118的一侧称为“上”，将靠近转子轴端114/定子基部116的一侧称为“下”。这种表达方式并不限定超低温制冷机10的配置。旋转部52的旋转轴可以朝向任意方向。例如，旋转轴可以与水平面平行，并且在超低温制冷机10的实际配置中，转子106可以左右延伸。
回转接头100具备在轴向上将间隙110分隔为至少三个区间的工作气体密封部120。工作气体密封部120将间隙110分割为上部第2高圧区间124、第1高圧区间126以及下部第2高圧区间128。第1高圧区间126位于轴向上的中央，两个第2高压区间与该第1高圧区间126的两侧相邻。第1高圧区间126与第1高圧流路102连通。上部第2高圧区间124及下部第2高圧区间128与第2高圧流路104连通。
并且，在上部第2高圧区间124的轴向上的外侧具有上部周围环境压力区间122，在下部第2高圧区间128的轴向上外侧具有下部周围环境压力区间130。由此，可以认为工作气体密封部120将间隙110分割为五个区间，即，上部周围环境压力区间122、上部第2高圧区间124、第1高圧区间126、下部第2高圧区间128以及下部周围环境压力区间130。
为了这种区间分割，工作气体密封部120具备在轴向上彼此分开配设的四个密封件。各密封件为在转子106的外周面与定子108的内周面之间绕旋转轴延伸的环形或者环状的密封部件，例如O型环等密封环。在图1中，四个密封件从上到下依次为第1密封件132、第2密封件134、第3密封件136以及第4密封件138。
第1密封件132确定上部周围环境压力区间122与上部第2高圧区间124之间的第1边界。第2密封件134确定上部第2高圧区间124与第1高圧区间126之间的第2边界。第3密封件136确定第1高圧区间126与下部第2高圧区间128之间的第3边界。第4密封件138确定下部第2高圧区间128与下部周围环境压力区间130之间的第4边界。即，第1密封件132及第4密封件138为从周围环境屏蔽加圧区间的一对外侧密封件。第2密封件134及第3密封件136为在加圧区间的中央部形成第1高圧区间126的一对内侧密封件。
第1高圧流路102为从定子108经过间隙110的第1高圧区间126一直到转子106的回转接头100的气体流通路。第1高圧流路102具有向转子基部112开口的第1出口140、向第1高圧区间126开口的第1入口142以及将第1入口142连接于第1出口140的第1连接路144。第1入口142为在转子106的外周面上绕旋转轴形成的环状槽。第1连接路144的走向在中途从与旋转轴垂直的方向改变为与旋转轴平行的方向。第1高圧工作气体从第1静止部气体管路18通过第1高圧区间126、第1入口142、第1连接路144以及第1出口140流向第1旋转部气体管路22。
第2高圧流路104与第1高圧流路102并排形成，是从转子106通过间隙110的上部第2高圧区间124及下部第2高圧区间128一直到定子108的另一个气体流通路。第2高圧流路104具有向转子基部112开口的第2入口146、向上部第2高圧区间124开口的第2上部出口148、向下部第2高圧区间128开口的第2下部出口150以及将第2入口146向第2上部出口148和第2下部出口150分支的第2连接路152。第2上部出口148及第2下部出口150分别为在转子106的外周面上绕旋转轴形成的环状槽。第2连接路152的走向在中途从与旋转轴平行的方向改变为与旋转轴垂直的方向。
第2高圧工作气体从第2旋转部气体管路24通过第2入口146、第2连接路152、第2上部出口148以及上部第2高圧区间124流向第2静止部气体管路20。并且，第2高圧工作气体从第2旋转部气体管路24通过第2入口146、第2连接路152、第2下部出口150以及下部第2高圧区间128流向第2静止部气体管路20。被第2连接路152分支的两个第2高圧工作气体流在第2静止部气体管路20合流。
根据第1实施方式，第1高圧区间126被两个第2高圧区间夹持。如此，在第1高圧区间126的两侧存在中间压区间。因此，与第1高圧区间126直接与周围环境压力Pa相邻的情况相比，能够降低第1高圧工作气体从第1高圧区间126向周围环境的泄漏。
在一种实施方式中，工作气体密封部120可以将间隙110分隔为第1高圧区间126、上部第2高圧区间124以及下部加圧区间。或者，工作气体密封部120也可以将间隙110分隔为第1高圧区间126、上部加圧区间以及下部第2高圧区间128。或者，工作气体密封部120也可以将间隙110分隔为第1高圧区间126、上部加圧区间以及下部加圧区间。在此，上部加圧区间及下部加圧区间为与第1高圧区间126相邻但与第2高圧流路104独立的中间压区域。上部加圧区间及下部加圧区间分别具有高于周围环境压力Pa且低于第1高圧Ph的第1中间压及第2中间压。第1中间压可以与第2中间压相等，也可以不同。第1中间压及第2中间压的至少一个可以与第2高圧Pl相等。
在一种实施方式中，至少一个第2高圧区间可以不与第1高圧区间126相邻而在轴向上远离第1高圧区间126。这种情况下，工作气体密封部120可以将间隙110分隔为第2高圧区间、上部加圧区间以及下部加圧区间。在此，上部加圧区间及下部加圧区间分别具有高于周围环境压力Pa且低于第2高圧Pl的第1中间压及第2中间压。
第2高圧Pl、第1中间压和/或第2中间压可以从0.11MPa到0.2MPa的范围中选择。如此，在周围环境压力Pa为大气压的情况下，能够将第2高圧区间(和/或加圧区间)与周围环境压力区间的差圧缩小至0.1MPa以下。该情况下，作为从周围环境屏蔽加圧区间的一对外侧密封件能够使用磁流体密封件。
在一种实施方式中，工作气体管路16可以具备将第1静止部气体管路18连接于第1旋转部气体管路22的第1回转接头以及将第2静止部气体管路20连接于第2旋转部气体管路24的第2回转接头。第1回转接头可以具备第1转子及第1定子，并且在第1转子与第1定子之间形成第1间隙。第1回转接头可以具备将第1间隙分隔为第1高圧区间、上部加圧区间以及下部加圧区间的第1工作气体密封部。第2回转接头可以具备第2转子及第2定子，并且在第2转子与第2定子之间形成第2间隙。第2回转接头可以具备将第2间隙分隔为第2高圧区间、上部加圧区间以及下部加圧区间的第2工作气体密封部。
(第2实施方式)
图2是概略地表示本发明的第2实施方式所涉及的超低温制冷机10的图。第2实施方式所涉及的超低温制冷机10与第1实施方式所涉及的超低温制冷机10的不同点在于在两个第2高圧区间(或者上部加圧区间及下部加圧区间)的两侧还设置有两个缓冲区间。即，在第2高圧区间和周围环境压力区间之间形成有缓冲区间。
工作气体密封部120在间隙110中形成第1缓冲区间154及第2缓冲区间156。第1缓冲区间154在轴向上与第2高圧区间124的与第1高圧区间126相反的一侧相邻。第2缓冲区间156在轴向上与下部第2高圧区间128的与第1高圧区间126相反的一侧相邻。并且，第1缓冲区间154包括在转子106的外周面上绕旋转轴形成的第1环状槽155。第2缓冲区间156包括在转子106的外周面上绕旋转轴形成的第2环状槽157。
第1缓冲区间154及第2缓冲区间156分别具有高于周围环境压力Pa且低于第2高圧Pl的第1缓冲压及第2缓冲压。第1缓冲压可以与第2缓冲压相等，也可以不同。
工作气体密封部120除了具备第1密封件132、第2密封件134、第3密封件136以及第4密封件138之外，还具备第1辅助密封件158及第2辅助密封件160。这些六个密封件以在轴向上彼此分开的方式配设于间隙110。与其他密封件相同，第1辅助密封件158及第2辅助密封件160也是在转子106的外周面与定子108的内周面之间绕旋转轴延伸的环形或者环状的密封部件，例如O型环等密封环。
第1辅助密封件158确定上部周围环境压力区间122与第1缓冲区间154之间的边界。第2辅助密封件160确定第2缓冲区间156与下部周围环境压力区间130之间的边界。第1辅助密封件158及第2辅助密封件160为从周围环境屏蔽缓冲区间的一对最外侧密封件。第1密封件132及第4密封件138位于这些最外侧密封件之间。因此，第1密封件132确定第1缓冲区间154与上部第2高圧区间124之间的边界。第4密封件138确定下部第2高圧区间128与第2缓冲区间156之间的边界。
根据第2实施方式，第1高圧区间126被两个第2高圧区间夹持，而这些两个第2高圧区间又被两个缓冲区间夹持。这样，在第1高圧区间126的两侧，在第1高圧区间126与周围环境压力Pa之间存在两个中间压区间。因此，与第1高圧区间126直接与周围环境压力Pa相邻的情况相比，能够降低第1高压工作气体从第1高压区间126向周围环境的泄漏。并且，与第2高圧区间直接与周围环境压力Pa相邻的情况相比，能够降低第2高压工作气体从第2高圧区间向周围环境的泄漏。
第1缓冲压和/或第2缓冲压可以从0.11MPa到0.2MPa的范围中选择。如此，在周围环境压力Pa为大气压的情况下，能够将缓冲区间与周围环境压力区间的差圧缩小为0.1MPa以下。该情况下，作为从周围环境屏蔽缓冲区间的一对最外侧密封件能够使用磁流体密封件。并且，能够将超低温制冷机10的正常运转压力用作第2高圧Pl。这种情况下，第2高圧Pl可以为例如选自高于0.2MPa且低于1MPa的范围中的压力。
在一种实施方式中，如图3所示，回转接头100可以具备缓冲容积162或者压力控制容积。缓冲容积162例如为缓冲箱。缓冲容积162设置于静止部50，并且经由连接通路164连接于第1缓冲区间154及第2缓冲区间156。缓冲容积162具有高于周围环境压力Pa且低于第2高圧Pl的圧力，例如选自0.11MPa到0.2MPa的范围中的圧力。即使气体通过第1密封件132及第4密封件138向缓冲区间泄漏，也能够通过缓冲容积162抑制第1缓冲区间154及第2缓冲区间156的压力上升。
在一种实施方式中，缓冲容积162可以设置于旋转部52，该情况下，缓冲容积162可以经由作为连接通路164的转子内部流路连接于第1缓冲区间154及第2缓冲区间156。并且，在一种实施方式中，缓冲容积162可以包括与第1缓冲区间154连接的第1缓冲容积以及与第2缓冲区间156连接的第2缓冲容积。
在一种实施方式中，如图4所示，回转接头100可以在连接通路164具备压力控制阀166。缓冲容积162经由压力控制阀166连接于第1缓冲区间154及第2缓冲区间156。压力控制阀166通过缓冲容积162与缓冲区间之间的差圧进行机械开闭。若缓冲区间成为高圧且差圧超过规定值，则压力控制阀166被打开。这样，能够通过压力控制阀166向缓冲容积162释放第1缓冲区间154及第2缓冲区间156的圧力。由此，能够抑制第1缓冲区间154及第2缓冲区间156的压力上升。
在一种实施方式中，回转接头100可以具备第1压力控制阀及第2压力控制阀。缓冲容积162可以经由第1压力控制阀连接于第1缓冲区间154，经由第2压力控制阀连接于第2缓冲区间156。
在一种实施方式中，如图5所示，回转接头100可以在连接通路164具备辅助压缩机168，从而代替缓冲容积162。并且还可以设置用于测定缓冲区间及连接通路164的圧力的压力传感器170。并且，也可以设置根据压力传感器170的测定圧力来控制辅助压缩机168的控制部172。控制部172为用于控制超低温制冷机10的控制装置的一部分。
第1缓冲区间154及第2缓冲区间156经由辅助压缩机168连接于上部第2高圧区间124。控制部172从压力传感器170的测定圧力确定缓冲区间的圧力是否超过规定值。在缓冲区间的圧力未超过规定值时，控制部172不会使辅助压缩机168运行。另一方面，当缓冲区间的圧力超过规定值时，控制部172使辅助压缩机168运行。这样，辅助压缩机168从第1缓冲区间154及第2缓冲区间156回收气体并进行压缩，并将该气体供给至上部第2高圧区间124。这样也能够抑制第1缓冲区间154及第2缓冲区间156的压力上升。
在一种实施方式中，第1缓冲区间154及第2缓冲区间156可以经由辅助压缩机168连接于第1高圧区间126、下部第2高圧区间128或者超低温制冷机10中的其他任意高圧区域。并且，在一种实施方式中，辅助压缩机168可以包括第1辅助压缩机及第2辅助压缩机。第1缓冲区间154可以经由第1辅助压缩机连接于上部第2高圧区间124或者其他任意高圧区域。第2缓冲区间156可以经由第2辅助压缩机连接于下部第2高圧区间128或者其他任意高圧区域。在一种实施方式中，回转接头100可以具备缓冲容积162及辅助压缩机168这两者。
在一种实施方式中，工作气体密封部120可以在间隙110中仅形成第1缓冲区间154及第2缓冲区间156中的一个区间。并且，在一种实施方式中，可以在第1缓冲区间154和/或第2缓冲区间156密封与超低温制冷机10的工作气体不同的气体，例如与周围环境相同的气体。
(第3实施方式)
图6是概略地表示本发明的第3实施方式所涉及的超低温制冷机10的图。第3实施方式所涉及的超低温制冷机10与第1及第2实施方式所涉及的超低温制冷机10的不同点在于低圧侧的密封结构。
与第1及第2实施方式所涉及的超低温制冷机10相同，在第3实施方式所涉及的超低温制冷机10中，在转子106与定子108之间也形成有间隙110。定子108与转子106相邻配置以形成间隙110。
转子106具备固定于旋转部52的转子基部112以及沿着旋转部52的旋转轴从转子基部112以同轴方式延伸的转子轴部174。转子基部112具有在旋转轴的周围沿径向延伸且与旋转轴垂直的环状平坦面175。转子轴部174比转子基部112细。转子轴部174从环状平坦面175的中心部突出，直至转子轴端114。
对应于这种转子的形状，定子108具备定子小径部176及定子大径部178。定子108具备在定子小径部176与定子大径部178之间沿径向连接定子小径部176与定子大径部178的定子阶梯部177。定子小径部176以与转子轴端114同轴的方式包围转子轴端114，定子大径部178以与转子轴部174同轴的方式包围转子轴部174。
并且，定子108具备固定于支承台62的定子底壁部179。定子底壁部179封闭定子小径部176的下端，从而形成包围转子轴端114的半封闭区段。定子108从结构上保持定子108的下端的气密性，以此代替将密封件夹入相邻的两个部件之间。
定子小径部176沿着旋转部52的旋转轴从定子底壁部179朝向定子阶梯部177延伸。定子大径部178沿着旋转部52的旋转轴从定子阶梯部177朝向定子端118延伸。
工作气体密封部120将间隙110分隔为与第1高圧流路102连通的第1高圧区间126及与第2高圧流路104连通的第2高圧区间127。第1高圧区间126与第2高圧区间127相邻。周围环境压力区间123与第2高圧区间127的与第1高圧区间126相反的一侧相邻。因此，工作气体密封部120具备在轴向上彼此分开配设的三个密封件，即，第1密封件132、第2密封件134以及密封盘180。
密封盘180以从周围环境压力Pa屏蔽第2高圧区间127的方式绕旋转部52的旋转轴配设。密封盘180被定子大径部178包围。并且，密封盘180为以与转子轴部174同轴的方式包围转子轴部174的筒状部件。该筒部的一侧端面为与环状平坦面175接触的环形的密封面182。筒部的另一侧端面为面朝第2高圧区间127的受压面184。受压面184接受第2高圧Pl，由此向环状平坦面175按压密封盘180。
并且，工作气体密封部120具备将密封盘180连结于定子108且使密封盘180向环状平坦面175施力的施力部件186。施力部件186例如为压簧。施力部件186的一端安装于定子阶梯部177，另一端安装于受压面184。不仅通过第2高圧Pl向环状平坦面175按压密封盘180，还通过施力部件186向环状平坦面175按压密封盘180。
由于密封盘180连结于定子108，因此密封盘180为与定子108相同的非旋转部件。但是，密封盘180连结成相对于定子108在轴向上存在游隙。在定子大径部178设置有导销188，密封盘180具有容纳导销188的导销孔190。导销188从定子大径部178的内周面朝向径向内侧突出。导销孔190形成在密封盘180的外周面的与导销188对置的位置。导销188与导销孔190之间在轴向上具有游隙，在密封盘180向环状平坦面175施力的情况下，密封盘180能够在轴向上稍微移动。
密封面182确定周围环境压力区间123与第2高圧区间127之间的边界。第1密封件132也确定周围环境压力区间123与第2高圧区间127之间的边界。但是，第1密封件132配设于定子108与密封盘180之间。第1密封件132在定子大径部178的内周面与密封盘180的外周面之间的间隙中绕旋转轴沿周向延伸。第2密封件134确定第2高圧区间127与第1高圧区间126之间的边界。第2密封件134在定子小径部176的内周面与转子轴部174的外周面之间的间隙中绕旋转轴沿周向延伸。第1高圧区间126形成于转子轴端114与定子底壁部179之间。
第1高圧流路102具有第1转子流路192及第1定子流路194。第1转子流路192沿轴向从转子基部112向转子轴端114贯穿转子轴部174。第1定子流路194沿径向贯穿定子小径部176。第1高圧工作气体从第1静止部气体管路18通过第1定子流路194、第1高圧区间126以及第1转子流路192流向第1旋转部气体管路22。
第2高圧流路104具有第2转子流路196及第2定子流路198。第2转子流路196沿轴向贯穿转子基部112。第2定子流路198沿径向贯穿定子大径部178。第2高圧工作气体从第2旋转部气体管路24通过第2转子流路196、第2高圧区间127以及第2定子流路198流向第2静止部气体管路20。
根据第3实施方式，工作气体密封部120在密封盘180与转子基部112之间形成轴向接触密封。通过充分加大密封面182的面积，能够显著降低第2高圧工作气体从第2高圧区间127向周围环境的泄漏。第1密封件132设置在两个非旋转部件之间，因此与将其设置于旋转部52与静止部50之间时相比，更容易实现良好的密封性。
并且，由于定子108的下端被定子底壁部179封闭，因此能够防止第1高圧工作气体从第1高圧区间126向周围环境泄漏。
工作气体密封部120在第1高圧区间126具有第1直径，在第2高圧区间127具有第2直径，且第1直径小于第2直径。由此，第2密封件134的周向长度比第1密封件132的周向长度短。通过将较短的密封件用于高压侧，能够抑制从高圧侧的泄漏。
在一种实施方式中，如图7所示，工作气体密封部120具备配设于密封盘180与转子106之间且绕旋转部52的旋转轴延伸的第1辅助密封件158。
转子轴部174可以具备用于安装第1辅助密封件158的扩径部174a。第1辅助密封件158可以在密封盘180的内周面与转子轴部174的扩径部174a的外周面之间的间隙中绕旋转轴沿周向延伸。第1辅助密封件158可以在与第1密封件132相同的轴向位置配置于第1密封件132的径向内侧。
间隙110可以包括形成在第1辅助密封件158与密封面182之间的缓冲区间153。缓冲区间153可以具有高于周围环境压力Pa且低于第2高圧Pl的缓冲压。这样也能够降低第2高压工作气体从第2高圧区间127向周围环境的泄漏。
(第4实施方式)
图8是概略地表示本发明的第4实施方式所涉及的超低温制冷机10的图。与第3实施方式所涉及的超低温制冷机10相同，在第4实施方式所涉及的超低温制冷机10中，工作气体密封部120在第1高圧区间126具有第1直径，在第2高圧区间127具有第2直径，且第1直径比第2直径小。
但是，第4实施方式所涉及的超低温制冷机10与第3实施方式所涉及的超低温制冷机10的不同点在于不具有密封盘。与第1及第2实施方式所涉及的超低温制冷机10相同，第4实施方式所涉及的超低温制冷机10具有第1密封件132、第2密封件134以及第3密封件136。
第1高圧区间126的直径小于第2高圧区间127的直径，因此第2密封件134及第3密封件136的周向长度比第1密封件132的周向长度短。通过将较短的密封件用于高压侧，能够抑制从高压侧的泄漏。换言之，间隙110在高圧侧具有比低圧侧小的流路截面积。这样也能够抑制第1高压工作气体从第1高圧区间126向周围环境的泄漏。
在一种实施方式中，第3密封件136的轴向上的厚度可以大于第1密封件132和/或第2密封件134的轴向上的厚度。
(第5实施方式)
图9是概略地表示本发明的第5实施方式所涉及的超低温制冷机10的图。与第3实施方式所涉及的超低温制冷机10相同，在第5实施方式所涉及的超低温制冷机10中，形成有定子底壁部179包围转子轴端114而成的半封闭区段。但是，第5实施方式所涉及的超低温制冷机10与第3实施方式所涉及的超低温制冷机10的不同点在于不具有密封盘。这样也能够防止第1高压工作气体从第1高圧区间126向周围环境泄漏。
另外，与第4实施方式所涉及的超低温制冷机10相同，在第5实施方式所涉及的超低温制冷机10中，工作气体密封部120也可以在第1高圧区间126具有第1直径，在第2高圧区间127具有第2直径，且第1直径可以小于第2直径。第2密封件134的周向长度可以比第1密封件132的周向长度短。
(第6实施方式)
图10是概略地表示本发明的第6实施方式所涉及的超导风力发电装置200的图。超导风力发电装置200具有竖立设置在基础202上的支柱204、设置在支柱204上端的短舱206以及旋转自如地组装在该短舱206的旋转头208。旋转头208上安装有多个风车叶片210。在短舱206的内部，超导发电机212连接在旋转头208。
超导发电机212具备静止部50、旋转部52以及将静止部50连结于旋转部52的连结机构214。旋转部52具有超导线圈。连结机构214包括第1至第5实施方式中任意实施方式所涉及的回转接头100。并且，超导发电机212上设置有第1至第5实施方式中任意实施方式所涉及的超低温制冷机10。如上所述，静止部50上设置有压缩机12，旋转部52上设置有膨胀机14。旋转部52的超导线圈通过膨胀机14被冷却。这样，能够提供对超导发电机212的旋转部52进行冷却的超低温制冷机10。
以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员应理解，本发明并不限定于上述实施方式，可以进行各种设计变更，可以存在各种变形例，并且这些变形例也属于本发明的范围。
Claims (16)
1.一种超低温制冷机，其设置于具有静止部和以能够绕轴旋转的方式支承于所述静止部的旋转部的装置，该超低温制冷机的特征在于，具备：
压缩机，设置在所述静止部；
膨胀机，设置在所述旋转部；
回转接头，用于所述压缩机与所述膨胀机之间的流体的连接，
所述回转接头具备：
转子，以与所述旋转部的旋转轴同轴的方式固定于所述旋转部；
定子，与所述转子相邻配置以在所述定子与所述转子之间形成间隙，并且所述定子固定于所述静止部；
第1高压流路，其为具有高于所述超低温制冷机的周围环境压力的第1高压的第1高压工作气体的流路，且为从所述定子经过所述间隙一直到所述转子的气体流路；
第2高压流路，其为具有高于所述周围环境压力且低于所述第1高压的第2高压的第2高压工作气体的流路，且为从所述转子经过所述间隙一直到所述定子的气体流路；
工作气体密封部，将所述间隙分隔为与所述第1高圧流路连通的第1高圧区间、与所述第1高圧区间相邻且与所述第2高圧流路连通的第2高圧区间以及与所述第1高压区间的与所述第2高压区间相反的一侧相邻的加压区间，其中，
所述加圧区间具有高于所述周围环境压力且低于所述第1高压的中间压。
2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述工作气体密封部形成与所述第2高压区间的与所述第1高压区间相反的一侧相邻的第1缓冲区间，所述第1缓冲区间具有高于所述周围环境压力且低于所述第2高压的第1缓冲压。
3.根据权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述超低温制冷机还具备与所述第1缓冲区间连接的缓冲容积。
4.根据权利要求3所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述缓冲容积经由压力控制阀连接于所述第1缓冲区间。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述超低温制冷机还具备从所述第1缓冲区间回收气体的辅助压缩机。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述第1缓冲压选自0.11MPa至0.2MPa的范围中。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述工作气体密封部形成与所述加压区间的与所述第1高圧区间相反的一侧相邻的第2缓冲区间，所述第2缓冲区间具有高于所述周围环境压力且低于所述中间压的第2缓冲压。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述加圧区间与所述第2高圧流路连通。
9.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述第2高圧和/或所述中间压选自0.11MPa到0.2MPa的范围中。
10.一种回转接头，其用于超低温制冷机的压缩机与所述超低温制冷机的膨胀机之间的流体的连接，该回转接头的特征在于，
所述压缩机设置在静止部，所述膨胀机设置在以能够绕轴旋转的方式支承于所述静止部的旋转部，所述回转接头具备：
转子，以与所述旋转部的旋转轴同轴的方式固定于所述旋转部；
定子，与所述转子相邻配置以在所述定子与所述转子之间形成间隙，并且所述定子固定于所述静止部；
工作气体的流路，其为具有高于所述超低温制冷机的周围环境压力的压力的工作气体的流路，且为从所述定子经过所述间隙一直到所述转子的气体流路；以及
工作气体密封部，将所述间隙分隔为与所述工作气体的流路连通的高圧区间、与所述高圧区间相邻的第1加圧区间以及与所述高圧区间的与所述第1加圧区间相反的一侧相邻的第2加圧区间，其中，
所述第1加圧区间具有高于所述周围环境压力且低于所述高圧区间的压力的第1中间压，所述第2加圧区间具有高于所述周围环境压力且低于所述高压区间的压力的第2中间压。
11.一种超低温制冷机，其设置于具有静止部和以能够绕轴旋转的方式支承于所述静止部的旋转部的装置，该超低温制冷机的特征在于，具备：
压缩机，设置在所述静止部；
膨胀机，设置在所述旋转部；
回转接头，用于所述压缩机与所述膨胀机之间的流体的连接，
所述回转接头具备：
转子，以与所述旋转部的旋转轴同轴的方式固定于所述旋转部；
定子，与所述转子相邻配置以在所述定子与所述转子之间形成间隙，并且所述定子固定于所述静止部；
第1高压流路，其为具有高于所述超低温制冷机的周围环境压力的第1高压的第1高压工作气体的流路，且为从所述定子经过所述间隙一直到所述转子的气体流路；
第2高压流路，其为具有高于所述周围环境压力且低于所述第1高压的第2高压的第2高压工作气体的流路，且为从所述转子经过所述间隙一直到所述定子的气体流路；
工作气体密封部，将所述间隙分隔为与所述第1高圧流路连通的第1高圧区间和与所述第2高圧流路连通的第2高圧区间，其中，
所述转子具有在所述旋转轴的周围沿径向延伸且与所述旋转轴垂直的环状平坦面，
所述工作气体密封部具备以从所述周围环境压力屏蔽所述第2高圧区间的方式绕所述旋转轴配设的密封盘，所述密封盘具有与所述环状平坦面接触的密封面。
12.根据权利要求11所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述工作气体密封部具备施力部件，所述施力部件将所述密封盘连结于所述定子且使所述密封盘向所述环状平坦面施力。
13.根据权利要求11或12所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述密封盘具有接受所述第2高压的受压面，通过所述第2高圧，向所述环状平坦面按压所述密封盘。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述工作气体密封部具备配设于所述密封盘与所述转子之间且绕所述旋转轴延伸的第1辅助密封件，所述间隙包括在所述第1辅助密封件与所述密封面之间形成的缓冲区间，所述缓冲区间具有高于所述周围环境压力且低于所述第2高圧的缓冲压。
15.一种超低温制冷机，其设置于具有静止部和以能够绕轴旋转的方式支承于所述静止部的旋转部的装置，该超低温制冷机的特征在于，具备：
压缩机，设置在所述静止部；
膨胀机，设置在所述旋转部；
回转接头，用于所述压缩机与所述膨胀机之间的流体的连接，
所述回转接头具备：
转子，以与所述旋转部的旋转轴同轴的方式固定于所述旋转部；
定子，与所述转子相邻配置以在所述定子与所述转子之间形成间隙，并且所述定子固定于所述静止部；
第1高压流路，其为具有高于所述超低温制冷机的周围环境压力的第1高压的第1高压工作气体的流路，且为从所述定子经过所述间隙一直到所述转子的气体流路；
第2高压流路，其为具有高于所述周围环境压力且低于所述第1高压的第2高压的第2高压工作气体的流路，且为从所述转子经过所述间隙一直到所述定子的气体流路；
工作气体密封部，将所述间隙分隔为与所述第1高圧流路连通的第1高圧区间和与所述第2高圧流路连通的第2高圧区间，其中，
所述工作气体密封部在所述第1高圧区间具有第1直径，在所述第2高圧区间具有第2直径，且所述第1直径小于所述第2直径。
16.一种超低温制冷机，其设置于具有静止部和以能够绕轴旋转的方式支承于所述静止部的旋转部的装置，该超低温制冷机的特征在于，具备：
压缩机，设置在所述静止部；
膨胀机，设置在所述旋转部；
回转接头，用于所述压缩机与所述膨胀机之间的流体的连接，
所述回转接头具备：
转子，以与所述旋转部的旋转轴同轴的方式固定于所述旋转部；
定子，与所述转子相邻配置以在所述定子与所述转子之间形成间隙，并且所述定子固定于所述静止部；
第1高压流路，其为具有高于所述超低温制冷机的周围环境压力的第1高压的第1高压工作气体的流路，且为从所述定子经过所述间隙一直到所述转子的气体流路；
第2高压流路，其为具有高于所述周围环境压力且低于所述第1高压的第2高压的第2高压工作气体的流路，且为从所述转子经过所述间隙一直到所述定子的气体流路；
工作气体密封部，将所述间隙分隔为与所述第1高圧流路连通的第1高圧区间和与所述第2高圧流路连通的第2高圧区间，其中，
所述转子具备：
转子基部，固定于所述旋转部；
转子轴端，在轴向上位于与所述转子基部相反的一侧，并且在所述转子轴端与所述定子之间形成所述第1高圧区间，
所述定子具备定子底壁部，所述定子底壁部包围所述转子轴端而形成半封闭区段。
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