JP2008035604A - Ｇｍ冷凍機、パルス管冷凍機、クライオポンプ、ｍｒｉ装置、超電導磁石装置、ｎｍｒ装置および半導体冷却用冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】 電機子コイルから発生する不純物と、内側ロータマグネット、出力軸、被駆動装置とを完全に遮蔽し、被駆動装置を長寿命に維持し、磁束の漏洩の少なく、モーター効率の高いコアレスブラシレス直流電動機、このコアレスブラシレス直流電動機を動力装置とする良好な冷却能力を有する冷凍機、応用機器を提供する。
【解決手段】空芯状で成型され、円筒上に設けられる電機子コイル２０４を挟んで、外側ロータマグネット２１０と対向して内側ロータマグネット２０９が設けられ、電機子コイル２０４の磁界により外側ロータマグネット２１０と同期回転され、出力軸２０６は内側ロータマグネット２０９に伴い回転され、被駆動装置を回転駆動する。隔壁構造の密閉手段は、電機子コイル２０４、外側ロータマグネット２１０を、内側ロータマグネット２０９の外側に隔離密閉する。このコアレスブラシレス直流電動機を動力装置として有する冷凍機及びその応用機器。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧＭ冷凍機等の蓄冷式冷凍機およびクライオポンプ等の応用機器の動力装置であるコアレスブラシレス直流電動機、および、このコアレスブラシレス直流電動機を動力装置とする冷凍機及び応用機器に関する。

従来、駆動源として電動機が用いられるＧＭ冷凍機又はパルス管冷凍機が、例えば、米国特許第５，３６１，５８８号公報（特許文献１）で提案されている。
米国特許第５，３６１，５８８号公報

そこで、本発明は、電機子コイルから発生する不純物と、内側ロータマグネット、出力軸、被駆動装置とを完全に遮蔽し、被駆動装置を長寿命に維持し、磁束の漏洩の少なく、モーター効率の高いコアレスブラシレス直流電動機及び、このコアレスブラシレス直流電動機を動力装置とする良好な冷却能力を有する冷凍機及び応用機器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本発明のコアレスブラシレス直流電動機は、空芯状に巻き回されて成型され、複数個が互いに離間して円筒上に配置され、直流電流が通電されて磁界が発生される電機子コイルと、
前記電機子コイルに面して前記電機子コイルの外側に円筒状に設けられ、前記磁界により回転される永久磁石から成る外側ロータマグネットと、
前記電機子コイルの内側に前記外側ロータマグネットと異極同心で、回転軸が独立し円筒状に設けられ、前記磁界により前記外側ロータマグネットと同期回転される永久磁石から成る内側ロータマグネットと、
前記内側ロータマグネットに接続され、前記内側ロータマグネットの回転に伴い回転され、連結される被駆動装置を回転駆動する出力軸と、
前記電機子コイルおよび前記外側ロータマグネットを、前記内側ロータマグネットの外側に隔離して仕切り密閉する隔壁構造の密閉手段と、から成ることを特徴とする。
さらに、本発明のコアレスブラシレス直流電動機において、前記隔壁構造の密閉手段は、
前記出力軸が支えられるハウジングと、
前記ハウジングの一端から延長され、前記電機子コイルおよび前記外側ロータマグネットを前記内側ロータマグネットの外側に隔離して仕切る隔壁部と、
前記ハウジングおよび前記隔壁部と共に前記電機子コイルおよび前記外側ロータマグネットを前記内側ロータマグネットから仕切り密閉するケーシングと、から成る。

さらに、本発明のＧＭ冷凍機は、前記コアレスブラシレス直流電動機から成る動力装置と、
前記動力装置の回転運動を直線運動に変換する回転−直線変換機構と、
前記動力装置の回転出力を受け、圧縮機の高圧側から出て低圧側に戻る作動流体の流路を切換えるバルブ機構と、
前記バルブ機構により供給および排出される前記作動流体を取り込み任意数のステージを冷却するシリンダと、
複数の蓄冷器を備えたディスプレーサと、から成ることを特徴とする。
さらに、本発明のパルス管冷凍機は、コールドヘッドと、
前記コールドヘッドへ高圧化された作動ガスを供給し、前記コールドヘッドから低圧ガスとして回収する圧縮機と、
前記コールドヘッド及び前記圧縮機との間に接続され、前記圧縮機の高圧側と低圧側とを交互に前記コールドヘッドに連通させるバルブユニットと、
前記作動ガスの圧力変動と流速変動との位相差を制御するバッファタンクと、
前記バルブユニットを回転駆動する前記コアレスブラシレス直流電動機から成る動力装置と、から成ることを特徴とする。

さらに、本発明のクライオポンプは、真空処理装置に吸気口を介して連設されるクライオポンプ容器と、
ルーバーを有し、前記クライオポンプ容器内に設けられる輻射シールドと、
前記輻射シールド内に設けられるクライオパネルと、
前記クライオポンプ容器の下側に配置される請求項３記載のＧＭ冷凍機と、
前記ＧＭ冷凍機の作動流体により冷却され、前記輻射シールドに接続される第１ステージと、
前記作動流体により冷却され、前記クライオパネルに接続される第２ステージと、から成ることを特徴とする。
さらに、本発明のクライオポンプは、真空処理装置に吸気口を介して連設されるクライオポンプ容器と、
ルーバーを有し、前記クライオポンプ容器内に設けられる輻射シールドと、
前記輻射シールド内に設けられるクライオパネルと、
前記クライオポンプ容器の下側に配置される請求項４記載のパルス管冷凍機と、
前記パルス管冷凍機の作動流体により冷却され、前記輻射シールドに接続される第１ステージと、
前記作動流体により冷却され、前記クライオパネルに接続される第２ステージと、から成ることを特徴とする。

さらに、本発明のＭＲＩ装置は、真空槽内に少なくとも設けられる第1輻射シールド板と、
前記第1輻射シールド板内に設けられる第２輻射シールド板と、
前記第２輻射シールド板内に設けられ、液体ヘリウムが貯蔵される液体ヘリウム槽と、
前記液体ヘリウム槽内に配置され、液体ヘリウムに浸漬される超電導磁石と、前記液体ヘリウム槽に連結され、ヘリウム回収部に連通される配管と、
前記第1輻射シールド板に接続され、請求項３記載のＧＭ冷凍機の作動流体により冷却される各ステージと、から成ることを特徴とする。
さらに、本発明のＭＲＩ装置は、真空槽内に少なくとも設けられる第1輻射シールド板と、
前記第1輻射シールド板内に設けられる第２輻射シールド板と、
前記第２輻射シールド板内に設けられ、液体ヘリウムが貯蔵される液体ヘリウム槽と、
前記液体ヘリウム槽内に配置され、液体ヘリウムに浸漬される超電導磁石と、前記液体ヘリウム槽に連結され、ヘリウム回収部に連通される配管と、
前記第1輻射シールド板に接続され、請求項４記載のパルス管冷凍機の作動流体により冷却される各ステージと、から成ることを特徴とする。
さらに、本発明の超電導磁石装置は、真空容器内に設けられ、超電導コイルと前記超電導コイルに接続される酸化物超電導電流リードと、
前記真空容器に設けられる請求項３記載のＧＭ冷凍機と、
前記酸化物超電導電流リードの一端に接続され、前記ＧＭ冷凍機を構成する第１ステージと、
前記酸化物超電導電流リードの他端および前記超電導コイルのコイル巻枠に接続され、前記ＧＭ冷凍機を構成する第２ステージと、から成り、
前記第１ステージおよび第２ステージは、前記ＧＭ冷凍機の作動流体により冷却されることを特徴とする。
さらに、本発明の超電導磁石装置は、真空容器内に設けられ、超電導コイルと前記超電導コイルに接続される酸化物超電導電流リードと、
前記真空容器に設けられる請求項４記載のパルス管冷凍機と、
前記酸化物超電導電流リードの一端に接続され、前記パルス管冷凍機を構成する第１ステージと、
前記酸化物超電導電流リードの他端および前記超電導コイルのコイル巻枠に接続され、前記パルス管冷凍機を構成する第２ステージと、から成り、
前記第１ステージおよび第２ステージは、前記パルス管冷凍機の作動流体により冷却されることを特徴とする。

さらに、本発明のＮＭＲ装置は、真空槽内に少なくとも設けられる第1輻射シールド板と、
前記第1輻射シールド板内に設けられる第２輻射シールド板と、
前記第２輻射シールド板内に設けられ、液体ヘリウムが貯蔵される液体ヘリウム槽と、
前記液体ヘリウム槽内に配置され、液体ヘリウムに浸漬される超電導磁石と、前記液体ヘリウム槽に連結され、ヘリウム回収部に連通される配管と、
前記第1輻射シールド板に接続され、前記ＧＭ冷凍機の作動流体により冷却される各ステージと、から成ることを特徴とする。
さらに、本発明のＮＭＲ装置は、真空槽内に少なくとも設けられる第1輻射シールド板と、
前記第1輻射シールド板内に設けられる第２輻射シールド板と、
前記第２輻射シールド板内に設けられ、液体ヘリウムが貯蔵される液体ヘリウム槽と、
前記液体ヘリウム槽内に配置され、液体ヘリウムに浸漬される超電導磁石と、前記液体ヘリウム槽に連結され、ヘリウム回収部に連通される配管と、
前記第1輻射シールド板に接続され、前記パルス管冷凍機の作動流体により冷却される各ステージと、から成ることを特徴とする。

さらに、本発明の半導体冷却用冷凍機は、コールドヘッドを冷却するように作動流体を動作させる前記ＧＭ冷凍機と、
真空断熱室内に設けられ、前記コールドヘッドに載置される半導体素子と、から成り、前記半導体素子の検出出力を取り出すことを特徴とする。
さらに、本発明の半導体冷却用冷凍機は、コールドヘッドを冷却するように作動流体を動作させる前記パルス管冷凍機と、
真空断熱室内に設けられ、前記コールドヘッドに載置される半導体素子と、から成り、
前記半導体素子の検出出力を取り出すことを特徴とする半導体冷却用冷凍機。

本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００によれば、図１及び図２に示されるように、電機子コイル２０４は、空芯で巻き回され鞍型に成型され、複数個が互いに離間して円筒円周上に配置され、直流電流が通電された時に磁界が発生される。
永久磁石より成る外側ロータマグネット２１０は、電機子コイル２０４に面して円筒状に設けられ、電機子コイル２０４の磁界により回転される。
永久磁石より成る内側ロータマグネット２０９は、電機子コイル２０４の内側に外側ロータマグネット２１０と異極同心で且つ回転軸が独立して円筒状に設けられ、電機子コイル２０４の磁界により外側ロータマグネット２１０と同期回転される。
このため、外側ロータマグネット２１０および内側ロータマグネット２０９に対する電機子コイル２０４の各々の磁界により回転され、発生される各々の出力トルクが重ね合わされて強力なトルクが生じる。
出力軸２０６は、内側ロータマグネット２０９に接続され、内側ロータマグネット２０９の回転に伴い回転され、連結される被駆動装置を回転駆動する。
このため、発生される出力トルクは、出力軸２０６を介して確実に連結される図示されない冷凍機、ポンプ等の被駆動装置に伝達される。
隔壁構造の密閉手段２１９は、電機子コイル２０４および外側ロータマグネット２１０を、内側ロータマグネット２０９の外側に隔離して仕切り密閉する。
このため軸心と平行する方向の磁束の漏洩は抑制され、高い電動機効率が維持される。
また、電機子コイル２０４から発生する不純物は、内側ロータマグネット２０９、出力軸２０６および図示されない被駆動装置から完全に遮蔽され、図示されない被駆動装置は長寿命に維持される。

さらに、本発明のＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機、クライオポンプ、ＭＲＩ装置、超電導磁石装置、ＮＭＲ装置および半導体冷却用冷凍機によれば、本発明のコアレスブラシレス直流電動機を動力装置とするため、良好な冷却能力を有する。

以下、本発明を、その実施例に基づいて、図面を参照して説明する。

本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１は、図１及び図２に示されるように、電機子コイル２０４は、ハウジング２１８の一端が延在される隔壁部２１９およびケーシング２０２に接続されるコイルホルダー２０８上に空芯で巻き回され鞍型に成型され、複数個が互いに離間して円筒円周上に配置されるコイルを有し、電機子コイル２０４に直流電流が通電された時に磁界が発生される。
このため、過電流損、ヒステリシス損が皆無となり高い電動機効率を維持することができる。
図１に示されるように、外側ロータマグネット２１０は、永久磁石から成り電機子コイル２０４に面して円筒状に設けられ、電機子コイル２０４の磁界により回転される。
外側ロータマグネット２１０は、収納される第１のベアリング２１４及び第２のベアリング２１７を介してハウジングに軸支されるヨークフランジ２１３に締結されるヨーク２１１に接続される。
外側ロータマグネット２１０と電機子コイル２０４の間の空隙は、ヨークフランジ２１３、コイルホルダー２０８および電動機筐体を構成する外ケース２１２、ケース蓋２１６により密閉される。
次に、内側ロータマグネット２０９は、円筒状の永久磁石から成り電機子コイル２０４の内側に外側ロータマグネット２１０と異極同心で対面して、外側ロータマグネット２１０とペアを構成するように配置され、電機子コイル２０４の磁界による外側ロータマグネット２１０の磁気吸引力により同期して回転される。
これにより、軸心と平行する方向の磁束の漏洩は、磁極と磁性体での対面よりはるかに減少される。
このため、高い電動機効率を得ることが可能となる。

また、外側ロータマグネット２１０および内側ロータマグネット２０９の回転軸は、互いに同心上にはあるが、全く独立して配置されるため、外側ロータマグネット２１０と内側ロータマグネット２０９を完全に仕切ることができる。
このため、発生される出力トルクは、ダイレクトに出力軸２０６に伝達される。
外側ロータマグネット２１０および内側ロータマグネット２０９の構造は、永久磁石をロータの外周に配置した表面磁石形が一般的であるが、ロータ内部に永久磁石を配置する埋込磁石形も適用可能である。
永久磁石材料は、異方性フェライト磁石、磁束密度が高い希土類磁石が多く使用される。
また、電機子コイル２０４を挟んで外側ロータマグネット２１０及び内側ロータマグネット２０９を対向させ、且つ電機子コイル２０４と外側ロータマグネット２１０の間の空隙がコイルホルダー２０８、ヨークフランジ２１３、ヨーク２１１、押えフランジ２０１及び外ケース２１２により密閉される。これにより、電機子コイル２０４を鎖交する磁束の漏洩は極小に抑制される。
このため、出力トルクの低下が最小限に抑えられ、電動機の効率が維持され、出力トルクの低下を補うための電機子コイル２０４の電流増加を抑制することもでき、高い電動機効率を得ることが可能となる。
また、電機子コイル２０４から発生する不純物は内側ロータマグネット２０９、出力軸２０６および図示されない被駆動装置から完全に遮蔽され、図示されない被駆動装置は長寿命に維持される。
さらに、外側ロータマグネット２１０と内側ロータマグネット２０９を同じ仕様として共用することも可能であり、組立てが簡単で量産が容易となる利点も有する。

出力軸２０６は、その外周に円筒状の内側ロータマグネット２０９が接続され、一方を、収納される第３のベアリング２１５を介してハウジング２１８に軸支され、他方を、収納される第４のベアリング２０５を介してベアリングボス２０７内に軸支される。
さらに、出力軸２０６は、内側ロータマグネット２０９の回転に伴い回転され、さらに、連結される図示されない被駆動装置を回転駆動する。
このため、発生される出力トルクは出力軸２０６に伝達され、必要とする伝達トルクは定格トルクに近似した値でほぼ満足され、確実に図示されない被駆動装置に伝達される。
ハウジング２１８は、ハウジング２１８の一端が延在されて成る隔壁部２１９およびケーシング２０２と一体に形成され、電動機の筐体の一部を構成するケース蓋２１６に図示されないボルトにより固定される。
ハウジング２１８の一端は、内側ロータマグネット２０９が接続される出力軸２０６が、収納される第３のベアリング２１５を介して軸支され、ハウジング２１８の外周は、外側ロータマグネット２１０が接続されるヨークフランジ２１３が、収納される第１のベアリング２１４及び第２のベアリング２１７を介して軸支される。

隔壁構造の密閉手段は、図１に示されるように、ハウジング２１８の一端から延在され、電機子コイル２０４および外側ロータマグネット２１０を内側ロータマグネット２０９の外側に隔離して仕切り、内側ロータマグネット２０９を内包するようにカップ状にハウジング２１８と一体に形成される隔壁部２１９である。
隔壁部２１９は、電機子コイル２０４が接続されるコイルホルダー２０８、および電動機の筐体の一部を構成するケーシング２０２、押えフランジ２０１、外ケース２１２およびケース蓋２１６と共に、電機子コイル２０４および外側ロータマグネット２１０を仕切り密閉する。
これにより、軸心と平行する方向の磁束の漏洩は抑制され、高い電動機効率を得ることが可能となる
さらに、電機子コイル２０４から発生する不純物は内側ロータマグネット２０９、出力軸２０６および図示されない被駆動装置から完全に遮蔽され、図示されない被駆動装置は長寿命に維持される。
隔壁構造の密閉手段は非磁性材料より成り、非磁性金属であれば基本的に使用可能である。

図示されない電機子電流制御装置は、好適には、ホール素子と増幅回路が一体化されたホールＩＣ２０３が用いられる。
ホールＩＣ２０３は、電機子コイル２０４が接続されるコイルホルダー２０８の円周面に外側ロータマグネット２１０に対面して設けられ、外側ロータマグネット２１０の磁極位置(磁極のＮからＳ、又はＳからＮへの切換りポイント)を検出して、ホールＩＣ２０３からの信号により直流電流を制御する。
従って、電機子コイル２０４および外側ロータマグネット２１０を隔壁部２１９及びケーシング２０２の外側に配置することにより、ホールＩＣ２０３は、外側ロータマグネット２１０のみで動作することができる。
また、図示されない電機子電流制御装置は、ホールＩＣ２０３に配線される図示されないリード線を介して電動機筐体の外部に設けられ、外側ロータマグネット２１０の磁極位置を正確に検出でき、適正な回転制御が可能となる。
図示されないリード線やホール素子からのリード線は、電動機の筐体に設けられる図示されない引出口を通して配線される。
図示されない被駆動装置、例えば、冷凍装置、ポンプ等は、出力軸２０６に連結され、内側ロータマグネット２０９及び出力軸２０６により回転駆動される。
電機子コイル２０４から発生する不純物は内側ロータマグネット２０９、出力軸２０６及び図示されない被駆動装置から完全に遮蔽され、図示されない被駆動装置は長寿命に維持される。

図３は、図１に示される本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を有する動力装置を有するＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機の一部断面図である。
コンタミの混入を阻止するための隔壁を必要とするＧＭ冷凍機に適用した実施例である。
ＧＭ冷凍機は、クライオポンプや超電導ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ
Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）の冷却に使用され、構造上、圧縮機と膨張機を離して設置できるため、小型の圧縮機を高速で運転しながら、膨張機を低速で運転する。
圧縮機７４は作動ガスを低圧側から吸い込み、高圧側へ排出する。冷凍機は、ハウジング部６０とシリンダー部６１に分かれる。上下２段に配置されたシリンダー６２には、蓄冷器６３を内蔵した一体のディスプレイサー６４が摺動自在に設けられる。
ディスプレイサー６４とシリンダー６２との間に空室（第１段下部空室）６５、空室（第２段下部空室）６６、空室（上部空室）６７が形成される。
空室相互の間は、蓄冷器６３を内蔵したディスプレイサー６４と作動ガス流路６８により接続されている。
シリンダー６２の下部外周には、放熱のためにフランジである第２ステージ６９が密着される。空室６５のシリンダー部６１には第１ステージ１５０が設けられる。

ディスプレイサー６４は摺動軸受７０に支持されたスコッチヨーク（回転運動−直線運動変換機構）７１に連結され、本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を有する動力装置、クランク７２、スコッチヨーク７１を介して駆動されてシリンダー６２内を往復動する。
ディスプレイサー６４の往復動に伴ってシリンダー６２内の空室６５、６６の容積が増加するとき、空室６７の容積は減少する。
また、空室６５、６６の容積が減少するとき、空室６７の容積は増加するように変化し、作動ガスは空室６５〜６７の間を作動ガス流路６８を通して移動する。
作動ガスの流れを制御するロータリー弁装置ＲＶからなるバルブ機構７３が圧縮機７４とシリンダー６２との間に配置され、圧縮機７４の高圧側から送り出される作動ガスをシリンダー６２内に導く。
また、シリンダー６２内から送り出される作動ガスを圧縮機７４の低圧側に導くように構成される。

ハウジング部６０内には図１に示される本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を有する動力装置が配置される。
隔壁を構成し、ハウジング６０内を隔壁により作動ガスの空間７８とコアレスブラシレス直流電動機３００の収納空間の２空間に分離する。
隔壁となるケーシングにより分離されたハウジング６０の出力軸側の空間７８は、シリンダー６２内から送り出される作動ガスを圧縮機７４の低圧側に送り出すための空間を構成する。
作動ガスを圧縮機７４の低圧側に戻す空間７８には、従来のようにコアレスブラシレス直流電動機３００の一部が介挿されることがなくなり、コンタミが混入する恐れが防止できる。
このため、隔壁により作動ガスの空間７８と本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１の収納空間の２空間に分離できる。

図４は、図１に示される本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を有する動力装置を有するパルス管冷凍機の一部断面図である。
図４（ａ）は、パルス管冷凍機の全体の概略図で、図４（ｂ）はパルス管冷凍機のバルブユニットの断面図である。
コンタミの混入を阻止するための隔壁を必要とするにパルス管冷凍機適用した実施例である。
パルス管（チューブ）冷凍機は、スターリング冷凍機やＧＭ冷凍機と同様に、熱交換機として蓄冷器を持つ冷凍機であるが、膨張機にピストンやディスプレーサを持たず、パルス管といわれるパイプが膨張機の役割を果たす極低温冷凍機である。
膨張機側にピストン等の稼動部分を持たないため、低振動、高信頼性特性を有する。
パルス管冷凍機は、各種超伝導磁石装置、各種センサー冷却システム、液化装置、液化ガス再凝縮装置、クライオポンプ、ＭＲＩ診断装置、および理化学機器等に利用される。
パルス管冷凍機１７１は、圧縮機９５、バルブユニット９６、コールドヘッド９７、及びバッファータンク９８から構成される。
圧縮機９５は、作動ガスを圧縮し高圧ガスとしてコールドヘッド９７へ供給し、コールドヘッド９７から低圧ガスとして回収する。
バルブユニット９６は、圧縮機９５とコールドヘッド９７との間に接続され、圧縮機９５の高圧側又は低圧側を交互にコールドヘッド９７に連通させる。

コールドヘッド９７は、バルブユニット９６にその高温端側が接続される蓄冷器９９と、バッファータンク９８にその高温端側が接続されるパルス管１００と、蓄冷器９９およびパルス管１００の低温端側同士を連結する低温端連結部１０１と、これらを収納する真空槽１０２とを有する。
バッファータンク９８は、パルス管１００から流出する作動ガスを収容して、パルス管１００における作動ガスの圧力変動と流速変動との位相差を制御する位相制御機構として働く。
バルブユニット９６に本発明のブラシレス直流モータを用いた動力装置を適用する。

図４（ｂ）に示すように、バルブユニット９６は、ハウジング１０３内にロータリーバルブタイプのバルブ機構１０４と動力装置を連結して収納し、ハウジング１０３内を空間１１０と空間１１５に分離する。
バルブ機構１０４は、バルブ本体１０５とバルブプレート１０６から成り、バルブ本体１０５はハウジング１０３内に固定ピン１０７で固定される。
バルブプレート１０６は、コアレスブラシレス直流電動機３００の出力軸と結合される。
モータによりバルブプレート１０６を回転することにより、バルブ本体１０５に供給されている作動ガスがバルブプレート１０６の案内溝１０８およびバルブ本体１０５の案内通路１０９を介してパルス管１００へ供給される。

パルス管１００で使用された作動ガスは、バルブ本体１０５の案内通路１０９およびバルブプレート１０６の貫通孔（図示省略）を介してハウジング１０３と隔壁部１７を備えるケーシング１１３により画成される空間１１０に排出され、さらに、低圧流路を介して圧縮機１１１へ戻る。
ハウジング１０３内に排出された作動ガスはケーシング１１３により空間１１０として隔離されるので、コアレスブラシレス直流電動機３００に接触することがなくなる。
これにより、本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を有する動力装置からのコンタミを圧縮機１１１への帰還流路１１０に混入させることを防止する。
また、低速高トルクの本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を用いることで低ノイズおよび冷却温度の低下を達成する。

図５は、本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を用いた動力装置を動力源とし、この動力装置を組み込んだクライオポンプの一部断面図である。
クライオポンプ１７２は、真空処理装置の真空排気に使用される。クライオポンプ１７２は、クライオポンプ容器１１６に約１０Ｋまで冷凍可能な冷凍機１１７が取り付けられている。
この１０Ｋ冷凍機１１７の第1ステージ１１８は約６０〜１００Ｋに、第２ステージ１１９はおよそ１０Ｋに冷却される。
第１ステージ１１８には輻射シールド１２０が取り付けられており、その吸気口側にはルーバー１２１が取り付けられている。
第２ステージ１１９には第２温度センサ１２２と排気パネルであるクライオパネル１２３が取り付けられており、第２温度センサ１２２は温度計１２４に接続されている。
真空処理装置１２５と吸気口１２６とは吸気口弁１２７を介して接続されており、真空処理装置１２５から吸気口弁１２７を通って入ってくる水や二酸化炭素はルーバー１２１や輻射シールド１２０で凝縮され、アルゴン、窒素、水素、ネオン等のガスは２０Ｋ以下に冷却されているクライオパネル１２３上に凝縮され、排気される。
クライオポンプ容器１１６には、真空計１２８に接続された真空センサ１２９と、クライオポンプ内を排気するための他の真空ポンプに接続された真空弁１３０が取り付けられている。
１０Ｋ冷凍機１１７として２段ＧＭ冷凍機を用いる。ＧＭ冷凍機は例えば図３に示される実施例の構成とするが、図４に示されるパルス管冷凍機を用いてもよい。

作動ガスを圧縮機７４の低圧側に戻す流路には、コアレスブラシレス直流電動機３００の出力軸側のみを介挿したので、従来のようにモータの一部が介挿されることがなくなり、コンタミが混入する恐れが防止できる。
冷凍機は、本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を有する動力装置を用いているので、振動が少なく、低速・高トルクで運転できるので、測定データに対するノイズの影響が少なくなり、冷却能力を向上することができる。

図６は、本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を用いた動力装置を動力源とし、この動力装置を組み込んだＭＲＩ冷却用液体ヘリウム凝縮用冷凍機を備えたＭＲＩ装置の一部断面図である。
ＭＲＩ１３１は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、半径方向断面ロ字形の環状体の真空槽１３２内に同じく半径方向断面ロ字形の環状体の第1輻射シールド板１３３を設け、その第1輻射シールド板１３３内に半径方向断面ロ字形の環状体の第２輻射シールド板１３４が配設されていて、第1輻射シールド板１３３と第２輻射シールド板１３４には冷凍機としてＧＭ冷凍機１３５が接続されている。
第２輻射シールド板１３４内には、液体ヘリウム１３６が貯蔵されている液体ヘリウム槽１３７が配置され、液体ヘリウム槽１３７内には液体ヘリウム１３６に浸漬されて超電導磁石１３８が配置されている。
液体ヘリウム槽１３７には、ヘリウム回収部と連通している配管１３９が連結される。
円筒状に形成される真空槽１３２の上部には、クライオスタットが配置され、円筒状に形成されている超電導磁石（静磁場マグネット）１３８の内周側には、勾配磁場コイル（図示省略）とラジオ波送受信用プローブ（図示省略）が配置される。

液体ヘリウム槽１３７は、２重の輻射シールド板１３３、１３４に囲まれる。
外側の第1輻射シールド板１３３はＧＭ冷凍機１３５の第１ステージ１５０によって約８０Ｋに保たれ、第２輻射シールド板１３４は、第２ステージ６９によって約２０Ｋに保たれる。
これにより、液体ヘリウム１３６の蒸発量は格段に減少する。この特徴から、超電導ＭＲＩや単結晶引上げ装置用の超電導磁石等の超電導磁石一般に用いられている。
超電導磁石１３８の冷却は、輻射シールド板を冷却するベビーシッター方式から、図６（ｄ）の液体ヘリウム再凝縮方式にすると、例えば、３段の４Ｋ−ＧＭ冷凍機１３５を用いて、第1および第２ステージ１５０、６９で第1および第２輻射シールド板１３３、１３４を冷却し、３段ステージで蒸発したヘリウムを再凝縮することができる。この液体ヘリウム再凝縮方式は医療用ＭＲＩに用いられる。

ＧＭ冷凍機１３５には、図６（ｃ）に示す本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を密封状態に組み込んだ動力装置が設けられている。
ＧＭ冷凍機１３５の構成および効果は既に述べたとおりであるから密封状態に隔壁を構成することもここでは省略する。
この実施例では、冷凍機としてＧＭ冷凍機を用いたが、図４に示されるパルス管冷凍機等で構成することも可能である。
超電導コイルの冷却の方式は、図６（ｄ）に示す液体ヘリウム再凝縮方式のほかに図６（ｅ）に示す冷凍機直冷式も可能である。
冷凍機直冷式の超電導磁石１３８は、液体窒素や液体ヘリウム等の寒剤を必要としない方式で、酸化物超電導電流リード１４０と４Ｋ−ＧＭ冷凍機１３５の組み合わせにより構成する。
磁性蓄冷材を用いることにより更に冷却温度を下げることが可能になる。冷凍機直冷式の超電導磁石１３８は、液体ヘリウム容器がないために小型化が可能となり、同一仕様の従来型磁石に対して１／３程度に小さくなる。
また、隔壁は円筒状に構成したので、薄くすることができる。また、隔壁は補強カラーにより補強されているので、両者により高い圧力に耐えることができるようになる。

図７は、本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を用いた動力装置を動力源とし、この動力装置を組み込んだＮＭＲ用冷凍機の一部断面図である。
核磁気共鳴装置（Ｎｕｃｌｅａｒ
Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｃｃ）はＮＭＲと略称される。
ＮＭＲの原理は、磁石の性質を持つ原子、例えば水素原子を磁界中に入れると、磁界の周波数によっては磁気エネルギーの吸収（吸収状態が「共鳴」）が起こるときの吸収量を電気信号に変換して測定することにある。
ＮＭＲ冷却用液体ヘリウム凝縮用冷凍機１４１は、第1又は２段のＧＭ冷凍機１３５で構成される。

図７のＮＭＲ（ＭＲＩ）分析装置は、磁場内に置かれた被試験物体のＮＭＲ信号を隣接した検出コイル１４３で検出する。
円柱形状に合成した超電導バルク１４４を真空断熱容器１４５の内部に設置し、これをＧＭ冷凍機１３５の冷却部（コールドヘッド）１４６に接触させて固定する。
ＧＭ冷凍機１３５は小型のＧＭ冷凍機を用いる。真空ポンプで真空断熱容器１４５を減圧して断熱状態にして、冷凍機１３５とその圧縮機１４７を作動させて超電導バルク１４４の温度を下げて超電導状態にする。
これに真空断熱容器１４５の外部の着磁コイル１４８から磁場を印加して着磁する。
超電導バルク１４４の発生する磁場中に被測定物体１４９が置かれ、その周りに検出コイル１４３が巻かれている。
被測定物体１４９中に鉛直に印加される主磁場に対して直行する方向の高周波磁場を印加し、その方向の磁化の変化を検出してＮＭＲ信号を測定する。
ＮＭＲ用冷凍機１４１はＧＭ冷凍機１３５の他に図４に示されるパルス管冷凍機、スターリング冷凍機も適用可能である。
本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を用いた動力装置を、隔壁部を備えたケーシングで密封状態に組み込むＧＭ冷凍機の構成および特性等は既に述べたとおりであるから、ここでは省略する。

ＮＭＲ装置の検出コイル１４３は、検出感度を上げて用いるので、ノイズの影響が出ないようにする必要がある。
本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１は低速高トルクで運転するので、駆動電流の周波数が低くなり、従ってノイズの発生も少なくなる。
また、本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１のステータ巻線とローターの間隔は通常の近接した間隔となり、従来例のようにモータのステータ巻線とローターとの間に密封のための隔壁を設けるものと異なり、漏洩磁束の発生が少なくなり、従って、従来例と比べ本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１の効率およびトルク特性も向上し、ノイズの発生が少なくなり、冷却能力も向上する。

図８は、本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を用いた動力装置を動力源とし、この動力装置を組み込んだ伝導冷却型超電導磁石装置の一部断面図である。
伝導冷却型超電導磁石装置は、冷凍機により、超電導コイルと共に高温超電導電流リードを冷却するように構成されている。
図８の伝導冷却型超電導磁石装置１５１は、基台１５２、真空容器１５３、熱シールド板１５４、超電導コイル１５５、正負極一対の酸化物超電導電流リード１５６、蓄冷式冷凍機１５７とを有する。
熱シールド板１５４は、蓄冷式冷凍機１５７の第１ステージ１５０に接触固定するとともに、その内部の超電導コイル１５５および酸化物超電導電流リード１５６への熱侵入を防止している。
外周冷却用銅ブロックおよびコイル巻枠１５８を蓄冷式冷凍機の第２ステージ６９に接触固定することにより、超電導線材を極低温まで冷却可能とする。
酸化物超電導電流リード１５６は、正負極一対を設けてあり、電流リード端子および常電導電流リードワイヤを介して外部電源に接続し、その高温側端部１５９を蓄冷式冷凍機１５７の第１ステージ１５０に、低温側端部１６０を第２ステージ６９にそれぞれ取り付ける。
蓄冷式冷凍機１５７は、図３に示されるＧＭ冷凍機、図４に示されるパルス管冷凍機等の任意の冷凍機が適用可能であり、第１ステージ１５０は約８０Ｋ程度まで冷却可能であり、第２ステージ６９は極低温４〜１０Ｋ程度まで冷却可能となる。
本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を用いた動力装置を、隔壁部を備えたケーシングで密封状態に組み込むＧＭ冷凍機の構成および特性等は既に述べたとおりであるから、ここでは省略する。

超電導コイルと高温超電導電流リードを冷却するために、冷凍機を兼用するので、装置全体が小型化、コンパクト化ができる。
また、冷却機の冷媒の通路と本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１の隔壁部を含めたケーシングで密封状態に隔離するので、ケーシングが密封隔壁に兼用できる。
また、低速・高トルクで本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を駆動できるので、不要なノイズの発生を抑制することができ、冷却能力を向上することができる。

図９は、本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を用いた動力装置を動力源とし、この動力伝達装置を組み込んだ半導体冷却用冷凍機の一部断面図である。
半導体冷却用冷凍機を組み込んだ半導体放射線検出装置は、半導体検出素子を冷却して放射線を検出する。
半導体冷却用冷凍機１６１はＧＭ冷凍機１３５で構成される。冷凍機は、主に、ハウジング部６０とシリンダー部６１からなる。
ここで、ＧＭ冷凍機１３５の代わりに図４に示されるパルス管冷凍機等も用いることが出来る。
ハウジング部６０は、バルブ切換機構１６２とピストン駆動用の回転−直線運動変換機構１６３と、前記各機構に回転力を伝えるマグネットカップリング機構６と、ブラシレス直流モータ１６４とから構成される。

バルブ切換機構１６２は、本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１の回転力により、圧縮機１６５の高圧側作動流体をシリンダとディスプレイサーにより形成される空室へ供給し、回転−直線運動変換機構１６３を動かして空室６５〜６７内の作動ガスを圧縮機１６５の低圧側へ戻すように流路を切り換える。
一方、シリンダー部６１は、第１ステージ１５０、第２ステージ６９を設けるように、上下２段に配置されたシリンダー６２に、蓄冷器を内蔵した一体のディスプレィサー６４が摺動自在に設けられる。
コールドヘッドを構成する第２ステージ６９上には、測定用の半導体又は半導体素子１６７が設けられる。
４ＫＧＭ冷凍機を用いると、コールドヘッドを４Ｋに冷却できるので、半導体の検出能力を向上することができる。
本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１を有する動力装置は既に述べたようにパッキングおよび隔壁部を備えたケーシングを冷凍機のハウジングに密封状態で取り付けることができる。

作動ガスを圧縮機１６４の低圧側に戻す流路には、実施例1のコアレスブラシレス直流電動機３００の出力軸側のみを介挿したので、従来のようにモータの一部が介挿されることがなくなり、コンタミが混入する恐れが防止できる。
上部マグネットカップリング機構用ケーシングの凹溝に設けたＯリング等のゴムパッキングにより、冷凍機のハウジング６０と本発明のコアレスブラシレス直流電動機３００の実施例１のケーシングが密封状態に保持される。
冷凍機は、前記動力装置を用いているので、振動が少なく、低速・高トルクで運転できるので、半導体又は半導体素子に対する振動およびノイズの影響が少なくなり、半導体および半導体素子の検出能力および冷却能力を向上することができる。

本発明のコアレスブラシレス直流電動機の実施例１の断面図である。 本発明のコアレスブラシレス直流電動機の実施例１を構成する電機子コイル貼着部の概略構成図である。 本発明のコアレスブラシレス直流電動機の動力装置を有するＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機の一部断面図である。 本発明のコアレスブラシレス直流電動機の動力装置を有するパルス管冷凍機の一部断面図である。 本発明のコアレスブラシレス直流電動機の動力装置を有するクライオポンプの一部断面図である。 本発明のコアレスブラシレス直流電動機の動力装置を有するＭＲＩ装置の一部断面図である。 本発明のコアレスブラシレス直流電動機の動力装置を有するＮＭＲ用冷凍機の一部断面図である。 本発明のコアレスブラシレス直流電動機の動力装置を有する超電導磁石装置の一部断面図である。 本発明のコアレスブラシレス直流電動機の動力装置を有する半導体冷却用冷凍機の一部断面図である。

符号の説明

２０１ 押えフランジ ２０２ ケーシング
２０３ ホールＩＣ ２０４ 電機子コイル
２０５ 第４のベアリング ２０６ 出力軸
２０７ ベアリングボス ２０８ コイルホルダー
２０９ 内側ロータマグネット ２１０ 外側ロータマグネット
２１１ ヨーク ２１３ ヨークフランジ
２１４ 第１のベアリング ２１５ 第３のベアリング
２１７ 第２のベアリング ２１８ ハウジング
２１９ 隔壁部 ２３１ ポンプ内ヨーク
２３２ メインロータマグネット ２３３ 隔壁部
２３４ ホールＩＣ ２３５ 扁平電機子コイル
２３６ サブロータマグネット ２３７ ロータヨーク
２４２ 出力軸 ２４４ 第１のベアリング
２４５ 第２のベアリング ２４６ ハウジング
３００ コアレスブラシレス直流電動機
１３１ ＭＲＩ １３５ ＧＭ冷凍機 １４１ ＮＭＲ用冷凍機
１５１ 伝導冷却型超電導磁石装置 １６１ 半導体冷却用冷凍機
１６８ 回転センサー １７１ パルス管冷凍機 １７２ クライオポンプ

Claims (14)

1. 空芯状に巻き回されて成型され、複数個が互いに離間して円筒上に配置され、直流電流が通電されて磁界が発生される電機子コイルと、
   前記電機子コイルに面して前記電機子コイルの外側に円筒状に設けられ、前記磁界により回転される永久磁石から成る外側ロータマグネットと、
   前記電機子コイルの内側に前記外側ロータマグネットと異極同心で、回転軸が独立し円筒状に設けられ、前記磁界により前記外側ロータマグネットと同期回転される永久磁石から成る内側ロータマグネットと、
   前記内側ロータマグネットに接続され、前記内側ロータマグネットの回転に伴い回転され、連結される被駆動装置を回転駆動する出力軸と、
   前記電機子コイルおよび前記外側ロータマグネットを、前記内側ロータマグネットの外側に隔離して仕切り密閉する隔壁構造の密閉手段と、から成ることを特徴とするコアレスブラシレス直流電動機。
2. 前記隔壁構造の密閉手段は、
   前記出力軸が支えられるハウジングと、
   前記ハウジングの一端から延長され、前記電機子コイルおよび前記外側ロータマグネットを前記内側ロータマグネットの外側に隔離して仕切る隔壁部と、
   前記ハウジングおよび前記隔壁部と共に前記電機子コイルおよび前記外側ロータマグネットを前記内側ロータマグネットから仕切り密閉するケーシングと、から成る請求項１記載のコアレスブラシレス直流電動機。
3. 請求項1記載のコアレスブラシレス直流電動機から成る動力装置と、
   前記動力装置の回転運動を直線運動に変換する回転−直線変換機構と、
   前記動力装置の回転出力を受け、圧縮機の高圧側から出て低圧側に戻る作動流体の流路を切換えるバルブ機構と、
   前記バルブ機構により供給および排出される前記作動流体を取り込み任意数のステージを冷却するシリンダと、
   複数の蓄冷器を備えたディスプレーサと、から成ることを特徴とするＧＭ冷凍機。
4. コールドヘッドと、
   前記コールドヘッドへ高圧化された作動ガスを供給し、前記コールドヘッドから低圧ガスとして回収する圧縮機と、
   前記コールドヘッド及び前記圧縮機との間に接続され、前記圧縮機の高圧側と低圧側とを交互に前記コールドヘッドに連通させるバルブユニットと、
   前記作動ガスの圧力変動と流速変動との位相差を制御するバッファタンクと、
   
   前記バルブユニットを回転駆動する請求項1記載のコアレスブラシレス直流電動機から成る動力装置と、から成ることを特徴とするパルス管冷凍機。
5. 真空処理装置に吸気口を介して連設されるクライオポンプ容器と、
   ルーバーを有し、前記クライオポンプ容器内に設けられる輻射シールドと、
   前記輻射シールド内に設けられるクライオパネルと、
   前記クライオポンプ容器の下側に配置される請求項３記載のＧＭ冷凍機と、
   前記ＧＭ冷凍機の作動流体により冷却され、前記輻射シールドに接続される第１ステージと、
   前記作動流体により冷却され、前記クライオパネルに接続される第２ステージと、から成ることを特徴とするクライオポンプ。
6. 真空処理装置に吸気口を介して連設されるクライオポンプ容器と、
   ルーバーを有し、前記クライオポンプ容器内に設けられる輻射シールドと、
   前記輻射シールド内に設けられるクライオパネルと、
   前記クライオポンプ容器の下側に配置される請求項４記載のパルス管冷凍機と、
   前記パルス管冷凍機の作動流体により冷却され、前記輻射シールドに接続される第１ステージと、
   前記作動流体により冷却され、前記クライオパネルに接続される第２ステージと、から成ることを特徴とするクライオポンプ。
7. 真空槽内に少なくとも設けられる第1輻射シールド板と、
   前記第1輻射シールド板内に設けられる第２輻射シールド板と、
   前記第２輻射シールド板内に設けられ、液体ヘリウムが貯蔵される液体ヘリウム槽と、
   前記液体ヘリウム槽内に配置され、液体ヘリウムに浸漬される超電導磁石と、前記液体ヘリウム槽に連結され、ヘリウム回収部に連通される配管と、
   前記第1輻射シールド板に接続され、請求項３記載のＧＭ冷凍機の作動流体により冷却される各ステージと、から成ることを特徴とするＭＲＩ装置。
8. 真空槽内に少なくとも設けられる第1輻射シールド板と、
   前記第1輻射シールド板内に設けられる第２輻射シールド板と、
   前記第２輻射シールド板内に設けられ、液体ヘリウムが貯蔵される液体ヘリウム槽と、
   前記液体ヘリウム槽内に配置され、液体ヘリウムに浸漬される超電導磁石と、前記液体ヘリウム槽に連結され、ヘリウム回収部に連通される配管と、
   前記第1輻射シールド板に接続され、請求項４記載のパルス管冷凍機の作動流体により冷却される各ステージと、から成ることを特徴とするＭＲＩ装置。
9. 真空容器内に設けられ、超電導コイルと前記超電導コイルに接続される酸化物超電導電流リードと、
   前記真空容器に設けられる請求項３記載のＧＭ冷凍機と、
   前記酸化物超電導電流リードの一端に接続され、前記ＧＭ冷凍機を構成する第１ステージと、
   前記酸化物超電導電流リードの他端および前記超電導コイルのコイル巻枠に接続され、前記ＧＭ冷凍機を構成する第２ステージと、から成り、
   前記第１ステージおよび第２ステージは、前記ＧＭ冷凍機の作動流体により冷却されることを特徴とする超電導磁石装置。
10. 真空容器内に設けられ、超電導コイルと前記超電導コイルに接続される酸化物超電導電流リードと、
    前記真空容器に設けられる請求項４記載のパルス管冷凍機と、
    前記酸化物超電導電流リードの一端に接続され、前記パルス管冷凍機を構成する第１ステージと、
    前記酸化物超電導電流リードの他端および前記超電導コイルのコイル巻枠に接続され、前記パルス管冷凍機を構成する第２ステージと、から成り、
    前記第１ステージおよび第２ステージは、前記パルス管冷凍機の作動流体により冷却されることを特徴とする超電導磁石装置。
11. 真空槽内に少なくとも設けられる第1輻射シールド板と、
    前記第1輻射シールド板内に設けられる第２輻射シールド板と、
    前記第２輻射シールド板内に設けられ、液体ヘリウムが貯蔵される液体ヘリウム槽と、
    前記液体ヘリウム槽内に配置され、液体ヘリウムに浸漬される超電導磁石と、前記液体ヘリウム槽に連結され、ヘリウム回収部に連通される配管と、
    前記第1輻射シールド板に接続され、請求項３記載のＧＭ冷凍機の作動流体により冷却される各ステージと、から成ることを特徴とするＮＭＲ装置。
12. 真空槽内に少なくとも設けられる第1輻射シールド板と、
    前記第1輻射シールド板内に設けられる第２輻射シールド板と、
    前記第２輻射シールド板内に設けられ、液体ヘリウムが貯蔵される液体ヘリウム槽と、
    前記液体ヘリウム槽内に配置され、液体ヘリウムに浸漬される超電導磁石と、前記液体ヘリウム槽に連結され、ヘリウム回収部に連通される配管と、
    前記第1輻射シールド板に接続され、請求項４記載のパルス管冷凍機の作動流体により冷却される各ステージと、から成ることを特徴とするＮＭＲ装置。
13. コールドヘッドを冷却するように作動流体を動作させる請求項３記載のＧＭ冷凍機と、
    真空断熱室内に設けられ、前記コールドヘッドに載置される半導体素子と、から成り、
    前記半導体素子の検出出力を取り出すことを特徴とする半導体冷却用冷凍機。
14. コールドヘッドを冷却するように作動流体を動作させる請求項４記載のパルス管冷凍機と、
    真空断熱室内に設けられ、前記コールドヘッドに載置される半導体素子と、から成り、
    前記半導体素子の検出出力を取り出すことを特徴とする半導体冷却用冷凍機。
    

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