JP2015004275A - 超電導式非接触圧縮装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、往復動式圧縮機では構造上、比較的大きな振動が発生するため、磁気軸受の制御系が複雑になってしまうという問題がある。また、このような制御系は停電などの異常に対して極端に弱いため、高い信頼性を確保することが難しい。
尚、本発明では、シリンダとピストンとを相対的に往復動させればよい。従って、固定されたシリンダに対してピストンを往復動させてもよく、あるいは固定されたピストンに対してシリンダを往復動させてもよい。
この態様によれば、シリンダ内でピストンを往復動させるだけで、作動ガスを圧縮し、シリンダ内への作動ガスの供給及びシリンダ外への作動ガスの排出も自動的に行うことができる。
このように本発明に係る超電導式非接触圧縮装置では、磁気浮上機構によってピストンとシリンダとを非接触状態に保ちながら、リニア駆動機構によってシリンダ内におけるピストンの往復駆動を実現することができる。
クライオスタット34は、バルク超電導体36を内蔵し、ピストン14に内蔵された永久磁石38に対向するようにシリンダ12の外側に配置されている。このような構成がシリンダ12に対して位相が180度異なる位置に合計2ヵ所設けられている。これにより、シリンダ12とピストン14との間に対向する向きにそれぞれ浮力を与えることができ、シリンダ12内におけるピストン14の浮上状態を安定的に保つことができる。
尚、本実施例では磁気浮上構成体34と永久磁石38との組み合わせを位相が180度異なる位置に2ヵ所配置した例を示しているが、2ヵ所以上に配置してもよい。この場合、それぞれが等しい位相間隔になるように配置することで、シリンダ12内におけるピストン14の浮上状態をより安定的に保つことができる。
続いてコントローラ30は、図3(B)に示すように、図3(A)で極性を設定した2つの電磁石28からピストン14の移動方向に1つシフトした2つの電磁石28に対して、極性をシフトする。このとき対向する電磁石28と永久磁石26との極性は互いに同じになるため、図3(B)の矢印で示すように反発力が作用する。
このようにリニア駆動機構24では、電磁石28の極性を反転させることで、シリンダ12の軸方向に沿ってピストン14を往復駆動することができる。
また、図6において、Hはピストン14の移動ストロークを示しており、永久磁石38のシリンダ軸方向長さhは、ピストン14がシリンダ軸方向の任意の位置にあっても、バルク超電導体36のシリンダ軸方向の全域に対向配置可能な長さを有している。これにより、シリンダ12内でピストン14がシリンダ軸方向の任意の位置に移動しても、磁気浮上機構32によってシリンダ12とピストン14との非接触状態を安定的に維持できるようになっている。
図8に模式的に示すように、磁石42をバルク超電導体44の真上に置いたときの超電導体44の内部の磁場分布は、図9に示すようになる。即ち、磁束は超電導体44の表皮近傍に侵入し、その大きさは表皮からの深さに概ね直線的に変化する。
YBCO等からなるバルク超電導体36は、磁力線捕捉能力(ピンニング特性)があり、外力を受けた場合にこのような遮蔽電流による安定化作用を得ることができる。
(1)最初に、ピストン14をシリンダ12の中央に固定するため、ピボット40をシリンダ12の両端から突出させ、ピボット40でピストン14を固定する。
(2)次に、バルク超電導体36をシリンダ12から若干離して冷却し、超電導状態とする。所謂フィールド・クーリングを行い、バルク超電導体36の内部に磁力線を捕捉させる。
(3)すべてのバルク超電導体36が超電導状態になると、補足磁力線はピストン14を十分浮上できるが、さらにバルク超電導体36を若干シリンダ12に近づける。この時、バルク超電導体36は永久磁石38から猛烈な反発力を受けるので、十分な機械力が必要である。距離を近づけた後は、機械力を解放し固定する。これで、長時間連続運転が可能になる。
(4)この後、ピボット40を引っ込める。これでピストン14はシリンダ12の内部で完全に浮上し、長時間連続運転が可能な圧縮機として動作できる。
従って、シリンダ12とピストン14とを非接触状態に保ちながら、ピストン14の往復駆動を可能にする。そのため、潤滑油が不要となり、かつ複雑な制御が不要で長時間連続運転が可能となる。
また、バルク超電導体36は永久磁石38との間隔を調整可能に支持され、かつ永久磁石38に対して任意の間隔を保持して固定可能に構成されているので、永久磁石38に発生する磁力線の分布を調整し、ピストン14に付与される磁気浮上力を調整できる。
また、ピボット40を設けたことで、磁気浮上機構による浮上効果が得られない運転停止時、特に初期起動時においても、シリンダとピストンとの間の非接触状態を維持することができ、この状態で円滑に運転状態へ移行できる。
12 シリンダ
14 ピストン
16 作動ガス供給管
18 作動ガス排出管
20、22 逆止弁
24 リニア駆動機構
26 永久磁石(第2の永久磁石)
28 電磁石
30 コントローラ
32 磁気浮上構成体
34 クライオスタット
36 バルク超電導体
38 永久磁石(第1の永久磁石)
40 ピボット
42 磁石
44 超電導体
g 作動ガス
m 磁力線
Claims (8)
- 互いに非接触状態にあるシリンダとピストンとを相対的に往復動させ、前記シリンダの内部に導入された作動ガスを圧縮する超電導式非接触圧縮装置であって、
前記ピストンに内蔵された第1の永久磁石、該第1の永久磁石に対向するように前記シリンダの外側に配設されたクライオスタット、及び、該クライオスタットの内部に収容され、超電導転位温度以下に冷却された超電導体で構成された磁気浮上構成体が前記ピストンの軸方向に複数配置されてなる磁気浮上機構と、
前記ピストンに内蔵され、該ピストンの軸方向に異なる極性を呈するように配設された第2の永久磁石、及び、該第2の永久磁石に対向するように前記シリンダに配設され、該シリンダの軸方向に交互に異なる極性を呈するように配置された複数の電磁石で構成されたリニア駆動機構と、
前記リニア駆動機構における前記複数の電磁石の極性を反転制御するコントローラと
を備えることを特徴とする超電導式非接触圧縮装置。 - 前記第1の永久磁石は、前記シリンダの半径方向外側に向かって磁力線が広がるように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の超電導式非接触圧縮装置。
- 前記超電導体は前記第1の永久磁石との間隔を調整可能に支持され、前記第1の永久磁石に対して任意の間隔を保持して固定可能であることを特徴とする請求項1に記載の超電導式非接触圧縮装置。
- 前記リニア駆動機構が前記シリンダの中央部に設けられ、前記磁気浮上構成体が前記リニア駆動機構を挟んで前記シリンダの軸方向両側に少なくとも1組ずつ設けられていることを特徴とする請求項1に記載の超電導式非接触圧縮装置。
- 前記第1の永久磁石は、前記ピストンが軸方向の任意の位置にある場合において、常に前記超電導体のシリンダ軸方向全域と対向するシリンダ軸方向長さを有していることを特徴とする請求項1に記載の超電導式非接触圧縮装置。
- 前記シリンダの内部で前記ピストンの両端に形成された作動空間に連通する作動ガス供給路及び作動ガス排出路と、
前記作動ガス供給路に設けられ、作動ガスを前記作動ガス供給路から前記作動空間に流入する方向にのみ開弁する第1の逆止弁と、
前記作動流体排出路に設けられ、作動ガスを前記作動空間から前記作動ガス排出路に排出する方向のみに開弁する第2の逆止弁とをさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載の超電導式非接触圧縮装置。 - 前記シリンダの両端に設けられ、運転停止時に前記作動空間に突出して前記ピストンを前記シリンダに対して非接触状態に支持すると共に、運転時には前記ピストンから退避可能なピボットをさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載の超電導式非接触圧縮装置。
- 前記シリンダが非磁性体で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の超電導式非接触圧縮装置。
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