JP2010019164A

JP2010019164A - ポンプ装置

Info

Publication number: JP2010019164A
Application number: JP2008180423A
Authority: JP
Inventors: Tsunehiro Takeda; 常広武田; Satoru Ueno; 哲上野
Original assignee: Ritsumeikan Trust; University of Tokyo NUC
Current assignee: Ritsumeikan Trust; University of Tokyo NUC
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-07-10
Also published as: JP5263820B2

Abstract

【課題】低温流体を効果的に輸送圧縮する。
【解決手段】
密閉容器１０内には、電力の供給により回転磁界を発生するステータ１６と、ステータ１６に近接して設けられ上記回転磁界に応じて回転するロータ１８と、ロータに接続され回転駆動されるドラム２２と、が設けられる。ドラム２２の密閉容器１０に対する回転によって密閉容器内の流体を流入口１２から流出口３０に輸送する。密閉容器１０と、ドラム２２とは、同一材料で形成する。また、密閉容器１０のシール部１０ｅを低温における流体のリークを防止できる材料で形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温流体を輸送するポンプ装置に関する。

従来、超電導の高磁場形成では、液体ヘリウムによる４Ｋ程度の低温が利用されていた。一方、２Ｋ以下の超流動ヘリウムを用い、超電導マグネットを冷却することにより、４Ｋ程度の常流動ヘリウムで得られる磁場に比べ、５倍以上の高磁場を得、その性能を高められることが知られており、大型のＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）装置などでは、超流動ヘリウムを利用することが提案されている。

特開平５−３４０６４０号公報

ここで、超流動ヘリウムを生成するには、４Ｋ程度の常流動ヘリウムガスを２ｋＰａ程度に減圧して温度を略２Ｋ以下にすればよい。しかし、従来は大型の真空ポンプを使ってヘリウムガスを吸引し、吸引したヘリウムは大気に放散していた。従って、高価なヘリウムガスを大量に消費してしまうという問題がある。

そこで、吸引したヘリウムガスをＧＭ−ＪＴ（ギフォード・マクマフォン／ジュール・トムソン）冷凍機を用いて断熱膨張させて超流動ヘリウムを生成することも提案されている。しかし、この方法では、（１）ヘリウムは室温になり、その後再度冷却して超流動液体ヘリウムを生成するため、多くのエネルギが必要になる、（２）複数台の大型ポンプに用いて吸引および圧縮をするためにも多くのエネルギを必要とする上に装置が大型になる、（３）ＧＭ−ＪＴ冷凍機は装置が複雑で高価かつ故障しやすい、などの問題がある。

本発明は、一方側に流入口、他方側に流出口が形成された密閉容器と、前記密閉容器内には、電力の供給により回転磁界を発生するステータと、前記ステータに近接して設けられ上記回転磁界に応じて回転するロータと、前記ロータに接続され回転駆動されるドラムと、が設けられ、前記ドラムの密閉容器に対する回転によって密閉容器内の流体を前記流入口側から前記流出口側に輸送するポンプ装置であって、前記密閉容器と、前記ドラムとは、同一材料で形成するとともに、密閉容器のシール部分を低温における流体のリークを防止できる材料で形成し、低温流体を圧縮することを特徴とする。

また、前記密閉容器のシール部分は、インジウムを埋め込んだインジウムシールとすることが好適である。

また、前記密閉容器と、前記ドラムとはアルミまたはアルミ系の合金材料で形成することが好適である。

また、前記ドラムは、中心軸を有し、その中心軸をバルク超電導体を用いた超電導軸受けによって軸支することが好適である。

また、前記中心軸は、中空のドラムの中を前記超電導軸受けに向けて伸び、その中心軸の周辺に誘導型磁気軸受けを設け、中心軸を支持することが好適である。

また、前記ドラムは下方開口の円筒状であって、上端部が前記ロータに固定され、このドラムの外周面に対向する密閉容器の内面に下方に向けて太さおよび深さが次第に小さくなるネジ溝が形成され、密閉容器の上部に設けられた流入口から流入された低温流体を圧縮して密閉容器の下部に設けられた流出口側に輸送することが好適である。

また、前記ドラムの内面側に対向するように密閉容器からドラムの軸方向に突出する円筒体が形成され、この円筒体の前記ドラムの内周面対向する位置に上方に向けて太さおよび深さが次第に小さくなるネジ溝が形成され、ドラムの下端を越えた低温流体をドラムの内側に沿って上昇させ、前記円筒体の端部を越えた低温ガスを円筒体の内側空間から流出口に向けて輸送することが好適である。

本発明に係るポンプ装置によれば、極低温のヘリウムなどの低温流体を圧縮することができ、吸引した低温流体を圧縮して、循環利用することが可能になる。特に、超流動ヘリウムの効率的な循環利用も可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係るポンプ装置の全体構成を示す図である。密閉容器１０は、円筒状の周壁部１０ａと、円板状の上蓋１０ｂおよび下蓋１０ｃと、円筒状の円筒材１０ｄを含んで構成されている。また、周壁部１０ａと下蓋１０ｃとの間には、周壁部１０ａより小径の円筒材１０ｄの下端で外側に広がったフランジ部が挟まれている。円筒材１０ｄは、密閉容器１０内内で、密閉容器１０の内壁から所定間隔を置いて起立している。同心状に配置されて下方から起立している。この密閉容器１０は、アルミまたはアルミ系の金属材料で形成することが好適であり、本実施形態ではジュラルミンから構成されている。

そして、この周壁部１０ａと上蓋１０ｂ、周壁部１０ａと円筒材１０ｄ、円筒材１０ｄと下蓋１０ｃの各シール部分は、インジウムが閉じ込められたインジウムシール１０ｅとなって、密閉容器１０の内部を極低温において気密にシールしている。

周壁部１０ａの上部には、側方に流入口１２が形成され、ここに流入管が接続され、低温かつ低圧のヘリウムガスがここから流入される。

上蓋１０ｂの下側には、支持体１４を介し、ステータ１６が固定されている。このステータ１６は、複数のティースに巻回されたコイルを有し下方に向けて円上で移動する回転磁界を形成する。ステータ１６の下方には、所定間隙をおいて円板状のロータ１８が配置されており、ステータ１６に対向する面には、永久磁石が貼り付けられている。従って、このステータ１６と、ロータ１８によって、アキシャルセルフベアリングモータが構成されている。なお、この例では、ロータ１８の上面の位置を検出する変位センサ２０が上蓋１０ｂを貫通して配置されており、ロータ１８の変位を検出する。

ロータ１８には、下方に向けて伸び下方が解放された中空円筒状のドラム２２が固定されているとともに、その中心から下方に向けて中心軸２４が伸びて形成されている。

ドラム２２の周壁は、外側において密閉容器１０の周壁部１０ａの内周面と所定の間隙おいて位置し、内側において、円筒材１０ｄの外周面に所定の間隙をおいて位置している。そして、ドラムの外周上端には、インペラ５０が設けられている。このインペラ５０はその回転点によってヘリウムガスを下方に向けて送り出す。また、周壁部１０ａのドラム２２と対向する面には、下方に向けて太さおよび深さが次第に小さくなるネジ溝２６が形成されている。ドラム２２の下端は、円筒材１０ｄとは、所定の間隙を開けて終端しており、ここにドラム２２の下端を越えて内側に向けて流体が流れる流路が形成されている。また、円筒材１０ｄのドラム２２と対向する面には、上方に向けて太さおよび深さが次第に小さくなるネジ溝２８が形成されている。円筒材１０ｄの上端は、ドラムの内面とは、所定の間隙を開けて終端しており、ここに円筒材１０ｄの上端を越えて内側に向けて流体が流れる流路が形成されている。さらに、この円筒材１０ｄの内側には、密閉容器１０の下蓋１０ｃに設けられた流出口３０に連結される流路３２が形成されている。なお、図は模式的に表したものであり、ネジ溝２６，２８の寸法や比などは実際のものとは異なっている。

中心軸２４の下端はフランジ状に拡がって円板状になっており、ここに厚み方向に磁化されたリング形あるいはボタン形の永久磁石３４が複数設けられている。一方、下蓋１０ｃ上の永久磁石３４に対向する位置には、円板状のバルク超電導体３６が配置されている。すなわち、複数の永久磁石３４は、中心軸の下端に、磁石の中心が中心軸と一致した状態で配置してあり、これらがバルク超電導体３６と対向している。
バルク超電導体３６は、ピン止め効果を利用して強磁場を捕捉させることが可能であり、永久磁石３４と、バルク超電導体３６とで、超電導磁気軸受けが構成されている。この超電導磁気軸受けにより、ロータ１８の中心軸２４を所定距離浮上させて非接触の軸受けが達成される。特に、本実施形態は２Ｋ〜４Ｋの極低温のヘリウムを輸送対象としており、バルク超電導体３６において、容易に超電導状態を形成できる。

また、中心軸２４の周囲の円筒材１０ｄの内側面には、凹部が形成され、ここに複数のコイル３８が複数の場所に配置されている。また、中心軸２４の周面には永久磁石４０が貼り付けられている。中心軸２４が回転すると、永久磁石４０の回転に伴い、コイル３８に誘導電流が流れ、これによって生じる反発力によって、中心軸２４が非接触で、保持される。すなわち、コイル３８と、永久磁石４０とで、誘導型磁気軸受けが構成される。

ここで、図２に誘導磁気軸受けの構成を示す。なお、図２（Ａ）は、正面断面図である図２（Ｂ）のＡ−Ａ断面図である。永久磁石４０を取り付けたロータ１８から伸びる中心軸２４を取り囲む円筒材１０ｄの内面に複数のコイル３８が配置されている。永久磁石４０は、ラジアル方向に磁化され、表面の磁極は４極や８極などとする。コイル３８は、角形コイルを円周上に沿って、８個、１２個、１６個などとし、これらを等間隔で配置する。

ロータ１８の回転により永久磁石４０が回転すると、コイル３８には磁束の変化を妨げようとする電流が流れ、この電流による磁界によって反発力が生じる。この反発力は、中心軸２４を介し対向する位置のコイルでも発生するので、中心軸２４は両側から反発力を受ける。中心軸２４が複数のコイル３８の中心にあるときには、対向する反発力は等しくなるが、中心軸２４が変位すると、近づいた側で反発力が強まり、離れた側の反発力が小さくなる。この結果、中心軸の変位が抑制されて中心に維持される。なお、反発力はロータ１８の回転数が高いほど大きくなるので、高回転で高い支持剛性を得ることができる。

また、中心軸の永久磁石４０の上下には、他の永久磁石４２が設けられており、この永久磁石４２に対向する円筒材１０ｄの内面には、電気伝導体４４が配置されている。この電気伝導体４４には、銅、アルミニウムなどが使用される。永久磁石４２が軸中心から動くと、電気伝導体４４を貫く磁束が変化し、ここに電流が生じる。そして、この電流と永久磁石４２による磁束によってローレンツ力が発生し、永久磁石４２の動きを妨げる力が発生する。この力は、永久磁石のラジアル方向の運動速度に比例するため、永久磁石４２には、減衰力が働き、磁気ダンパとして機能する。

このようにして、誘導型磁気軸受けと、磁気ダンパとで、中心軸２４は、非接触で円筒材１０ｄに適正に支持される。

なお、ステータ１６には、密閉容器１０の上蓋１０ｂから突出する電流リード４６を介し、所定の電流が供給される。図においては、電流リード４６を１つのみ示したが、ステータ１６に回転磁界を形成するために複数のコイルへの所定の位相の電流を供給するために必要な数の電流リード４６が設けられる。また、上述した変位センサ２０は、ドラム２２の上下方向の位置を検出するものであるが、ドラム２２の半径方向の位置を検出する変位センサを設けることも好適であり、これらセンサによってドラム２２の位置を確認することができる。変位センサには、渦電流式ギャップセンサが好適である。

本実施形態においては、密閉容器１０はジュラルミン、ステータ１６およびロータ１８はケイ素鋼板、永久磁石はネオジウム磁石で構成されている。

このようなポンプにおいて、電流リード４６を介し、ステータ１６に所定の電流を供給することで、ステータ１６に回転磁界が形成され、これによってロータ１８が回転する。このロータ１８の回転によってドラム２２も一緒に回転する。これによって、インペラ５０によって、ヘリウムガスが下方に向けて送り出される。これによって、流入口１２から密閉容器１０に流入してきたヘリウムガスは密閉容器１０の内周設けられたネジ溝２６に送り込まれる。このネジ溝２６の内周側には、ドラム２２の周壁が回転移動しており、これによってネジ溝２６内のヘリウムガスが下方に向けて移動する。ネジ溝２６はその深さが段々浅くなり、幅が段々小さくなる。従って、ネジ溝２６内のヘリウムガスは徐々に圧縮されて輸送される。さらに、ドラム２２の回転によって、ヘリウムガスはドラム２２の下端を越えネジ溝２８内を上方に向けて輸送される。そして、円筒材１０ｄの上端を越えたヘリウムが流出口に向けて流れ出す。ネジ溝２８もその深さが段々浅くなり、幅が段々小さくなっており、ネジ溝２８内のヘリウムガスは徐々に圧縮されて輸送される。このようにして、２ｋＰａ程度の圧力のヘリウムガスを大気圧程度まで圧縮して排出することが可能となる。

なお、ネジ溝２６，２８のネジの方向およびドラムの回転方向はヘリウムガスが流入側から流出側に送られる方向に設定される。また、図においては模式的にドラム２２と密閉容器１０の内壁の間隔を広く書いたが、両者が接触しない範囲でなるべく狭くしてある。

このように、本実施形態によれば、密閉容器１０と、ドラム２２を同一素材（ジュラルミンなどのアルミニウム系の金属（合金））で構成した。これによって、熱収縮も同様に起こるため、ドラム２２の密閉容器１０内での回転に問題が生じることを防止できる。また、インジウムシールを用いることで、低温でのヘリウムのリークを効果的に防止できる。また、バルク超電導体３６を用いた超電導磁気軸受けを利用することで、２Ｋという極低温でも動作が可能である。回転するインペラ５０によってヘリウムガス一次圧縮し、次にネジ溝２６，２８を利用したネジ溝ポンプによってさらに圧縮する。これによって、十分な圧縮力を得ることができる。さらに、磁気軸受けを用いることにより、潤滑油が不必要になり、低温での運転に問題がない。また、軸受けが非接触であり、熱が発生しないため、輸送対象であるヘリウムガスの温度が上昇してしまうことを防止できる。ステータ１６のコイルを超電導材料として、ステータ１６、ロータ１８からなるアキシャルモータを超電導モータとすることで、モータにおける発熱もなくすことができる。すなわち、ステータコイルを超電導材料で形成した超電導コイルにすることで、超電導モータとなりここでの発熱を抑制できる。さらに、誘導磁気軸受けを構成するコイル３８も超電導コイルとすることが好適である。また、ドラム２２は非接触で回転するため、メンテナンスフリーのポンプにできる。２つのネジ溝２６，２８の間で単純なドラム２２が回転する構造を最小することにより、ドラムの回転数を早くすると、回転数のほぼ２乗に比例して排気圧および流量を高めることができ、十分な圧力で所望の流量のヘリウムガスを得ることができる。

強磁場ＭＲＩでは、超流動ヘリウムを以下に効率よく得るかが重大なポイントである。本実施形態のポンプ装置によって、ヘリウムを循環利用することができる。また、装置自体も小型であり、エネルギ消費量も非常に小さい。従って、ヘリウムの消費量を大幅に減少し、また電気代も削減することが可能となる。なお、本ポンプ装置は、液化天然ガスのポンプとしても利用可能である。

実施形態に係るポンプ装置の構成を示す図である。誘導磁気軸受けの構成を示す図である。

符号の説明

１０密閉容器、１０ａ周壁部、１０ｂ上蓋、１０ｃ下蓋、１０ｄ円筒材、１０ｅインジウムシール、１２流入口、１４支持体、１６ステータ、１８ロータ、２０変位センサ、２２ドラム、２４中心軸、２６，２８ネジ溝、３０流出口、３２流路、３４，４０，４２永久磁石、３６バルク超電導体、３８コイル、４４電気伝導体、４６電流リード、５０インペラ。

Claims

一方側に流入口、他方側に流出口が形成された密閉容器と、
前記密閉容器内には、
電力の供給により回転磁界を発生するステータと、
前記ステータに近接して設けられ上記回転磁界に応じて回転するロータと、
前記ロータに接続され回転駆動されるドラムと、
が設けられ、
前記ドラムの密閉容器に対する回転によって密閉容器内の流体を前記流入口側から前記流出口側に輸送するポンプ装置であって、
前記密閉容器と、前記ドラムとは、同一材料で形成するとともに、密閉容器のシール部分を低温における流体のリークを防止できる材料で形成し、低温流体を圧縮することを特徴とするポンプ装置。
請求項１に記載のポンプ装置において、
前記密閉容器のシール部分は、インジウムを埋め込んだインジウムシールとすることを特徴とするポンプ装置。
請求項１または２に記載のポンプ装置において、
前記密閉容器と、前記ドラムとはアルミまたはアルミ系の合金材料で形成することを特徴とするポンプ装置。
請求項１〜３のいずれか１つに記載のポンプ装置において、
前記ドラムは、中心軸を有し、その中心軸をバルク超電導体を用いた超電導軸受けによって軸支することを特徴とするポンプ装置。
請求項４に記載のポンプ装置において、
前記中心軸は、中空のドラムの中を前記超電導軸受けに向けて伸び、その中心軸の周辺に誘導型磁気軸受けを設け、中心軸を支持することを特徴とするポンプ装置。
請求項１〜５のいずれか１つに記載のポンプ装置において、
前記ドラムは下方開口の円筒状であって、上端部が前記ロータに固定され、
このドラムの外周面に対向する密閉容器の内面に下方に向けて太さおよび深さが次第に小さくなるネジ溝が形成され、
密閉容器の上部に設けられた流入口から流入された低温流体を圧縮して密閉容器の下部に設けられた流出口側に輸送することを特徴とするポンプ装置。
請求項６に記載のポンプ装置において、
前記ドラムの内面側に対向するように密閉容器からドラムの軸方向に突出する円筒体が形成され、
この円筒体の前記ドラムの内周面対向する位置に上方に向けて太さおよび深さが次第に小さくなるネジ溝が形成され、
ドラムの下端を越えた低温流体をドラムの内側に沿って上昇させ、前記円筒体の端部を越えた低温ガスを円筒体の内側空間から流出口に向けて輸送することを特徴とするポンプ装置。
請求項１〜７のいずれか１つに記載のポンプ装置において、
前記流体は、極低温のヘリウムであることを特徴とするポンプ装置。