JP2018162865A - 低温流体用ポンプおよび低温流体移送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温流体の気化を抑制することが可能な低温流体用ポンプおよび低温流体移送装置を提供する。【解決手段】低温流体用ポンプ１００は、インペラと、回転軸９と、筐体と、磁気軸受１１とを備える。回転軸９はインペラに接続される。筐体は、回転軸９を内部に保持する。磁気軸受１１は、回転軸９を筐体に対して回転可能に支持する。磁気軸受１１は、ヨークと少なくとも１つのコイル１１ｂとを含む。ヨークは磁気回路１１ｅの少なくとも一部を構成する。少なくとも１つのコイル１１ｂはヨークの一部を囲む。ヨークは、磁気回路１１ｅの一部を構成する位置に配置された少なくとも１つの永久磁石１１ｃを含む。【選択図】図４

Description

この発明は、低温流体用ポンプおよび低温流体移送装置に関する。

従来、低温液化ガスなどを送液する低温流体用ポンプが知られている。このような低温流体用ポンプにおいて、特に長期間連続運転が要求される超電導機器の冷却用に使用するポンプのように、故障やメンテナンス等でポンプを停止させることができない用途に使用されるポンプでは、軸受としてメンテナンス不要な磁気軸受が採用される。たとえば、特開２０１３−５７２５０号公報（特許文献１）では、軸受としてメンテナンスが不要な磁気軸受を採用した構成の低温流体用ポンプが開示されている。当該特許文献１に開示された低温流体用ポンプでは、発熱源であるモータの上部シャフトと下部シャフトとを磁気継手によって非接触状態で磁気結合することにより、モータからシャフトを通してインペラ側への熱侵入を抑制している。これは、インペラ側へ熱侵入があると、低温液化ガスに熱が伝わり当該低温液化ガスが気化することや、当該気化したガスがポンプのインペラ側へ逆流して送液される低温液化ガスに脈動が発生するといった問題が発生するためである。

特開２０１３−５７２５０号公報

上述した従来の低温流体用ポンプでは、インペラにおいて低温流体の圧力変動などの外乱が発生する場合がある。特に、高吐出圧が得られるような低温流体用ポンプでは、インペラ周囲の圧力バランスの変動によりインペラに大きな負荷（外乱）が作用することがあった。従来、磁気軸受の制御安定性を向上させるために、磁気軸受を構成する電磁石コイルに一定の電流（バイアス電流）を印加しておく構成が多く採用されていた。そして、上記のような大きな外乱が想定される場合には、当該負荷に対応するため上記バイアス電流の値を大きくする必要があった。

しかし、このように磁気軸受の電磁石コイルに印加されるバイアス電流は、磁気軸受における発熱の原因となり、結果的に低温流体の気化やポンプの効率低下といった問題を発生させていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、低温流体の気化を抑制することが可能な低温流体用ポンプおよび低温流体移送装置を提供することである。

本開示に従った低温流体用ポンプは、インペラと、回転軸と、筐体と、磁気軸受とを備える。回転軸はインペラに接続される。筐体は、回転軸を内部に保持する。磁気軸受は、回転軸を筐体に対して回転可能に支持する。磁気軸受は、ヨークと少なくとも１つのコイルとを含む。ヨークは磁気回路の少なくとも一部を構成する。少なくとも１つのコイルはヨークの一部を囲む。ヨークは、磁気回路の一部を構成する位置に配置された少なくとも１つの永久磁石を含む。

本開示に従った低温流体移送装置は、低温流体を収容する容器と、上記低温流体用ポンプと、流通管路とを備える。上記低温流体用ポンプは、インペラが容器の内部に配置されるように、容器に設置される。流通管路は、容器と接続されており、低温流体用ポンプにより運動エネルギーが付与された低温流体を流通させるためのものである。

上記によれば、磁気軸受のヨークにおける磁気回路を構成する部分に永久磁石を配置することで、バイアス電流を流すことなく、磁気軸受における制御電流に対する発生力を線形化することができる。この結果、低温流体の気化を抑制することが可能な低温流体用ポンプおよび低温流体移送装置が得られる。

本発明の実施の形態１に係る低温流体移送装置の模式図である。 図１に示した低温流体移送装置に用いられる低温流体用ポンプの断面模式図である。 図２に示した低温流体用ポンプの回転軸方向に沿った部分断面模式図である。 図３の線分ＩＶ−ＩＶにおける断面模式図である。 比較例としての低温流体用ポンプの部分断面模式図である。 本実施形態に係る低温流体用ポンプの磁気軸受の制御を説明するための模式図である。 比較例としての低温流体用ポンプの磁気軸受についてバイアス電流方式を適用した場合を説明するための模式図である。 本実施形態に係る低温流体用ポンプの効果を説明するための模式図である。 本実施形態に係る低温流体用ポンプの効果を説明するための模式図である。 バイアス磁束によってコイル電流と磁気力との関係が線形化された状態を説明するためのグラフである。 実施の形態１の変形例に係る磁気軸受を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態２に係る低温流体用ポンプの回転軸方向に沿った部分断面模式図である。 図１２の線分ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩにおける断面模式図である。 参考例としての低温流体用ポンプの部分断面模式図である。 実施の形態２の変形例に係る低温流体用ポンプの部分断面模式図である。 図１５の線分ＸＶＩ−ＸＶＩにおける断面模式図である。 本発明の実施の形態３に係る低温流体移送装置の模式図である。 図１７に示した低温流体移送装置に用いられる低温流体用ポンプの断面模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
＜低温流体移送装置の構成＞
図１に示されるように、低温流体移送装置１は、低温流体用ポンプ１００と、容器２と、流入部３と、流出部４とを主に備える。

低温流体用ポンプ１００は、容器２の外部に配置されている部分と、容器２の内部に配置されている部分とを含む。低温流体用ポンプ１００は、容器２の圧力壁５に取り付けられている。低温流体用ポンプ１００の詳細は後述する。

容器２は、低温液化ガスなどの低温流体を内部に貯留するためのものである。低温流体は、例えば液体窒素（ＬＮ₂）である。容器２は、耐圧容器として構成されており、内部に低温流体を貯留する本体部と、圧力壁５とを含む。本体部はたとえば上部に開口部が形成されている。圧力壁５は本体部の開口部を塞ぐように、本体部に接続されている。圧力壁５は、容器２において低温流体を貯留する内部空間に面している。圧力壁５は、図１に示すように例えば容器２の上記内部空間の上方に配置されている。図２に示すように、圧力壁５には、貫通孔５ａが形成されている。圧力壁５の当該貫通孔５ａには、低温流体用ポンプ１００において容器２の内部に配置されている部分が挿通されている。貫通孔５ａの孔軸は、例えば後述するポンプ１００のシャフト９を構成する第１軸の中心軸と同軸状に配置されている。

貫通孔５ａの周囲に位置する圧力壁５の部分には、圧力壁５の外周面５ｂに対して内周面側に向かって凹んでいる凹部が配置されている。当該凹部は、後述する固定部材１４がねじ込まれる部分である。圧力壁５を構成する材料は、法令等によって高圧ガスの収容容器の構成材料としての使用が認められている材料であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含む。

流入部３は、容器２の上記内部空間と接続されている管路を含む。低温流体は、流入部３の当該管路を通って容器２内に流入する。流出部４は、容器２の上記内部空間と接続されている管路を含む。低温流体は、流出部４の当該管路を通って容器２内から流出する。

流入部３および流出部４は、低温流体が流通する流通管路の一部として構成されている。当該流通管路は、図示しないリザーバタンクおよび図示しない冷凍機を含む。流入部３は、例えばリザーバタンクに接続されている。流出部４は、例えば冷凍機と接続されている。

また、異なる観点から言えば、上述した低温流体移送装置は、低温流体を収容する容器２と、上記低温流体用ポンプ１００と、流入部３および流出部４を含む流通管路とを備える。低温流体用ポンプ１００は、図２に示すようにインペラ８が容器２の内部に配置されるように、容器２に設置される。流通管路は、容器２と接続されており、低温流体用ポンプ１００により運動エネルギーが付与された低温流体ＬＧを流通させるためのものである。

＜低温流体用ポンプの構成＞
図２〜図４に示す、実施の形態１に係る低温流体用ポンプ１００（以下、単にポンプとも呼ぶ）は、図１に示した低温流体移送装置１に適用されたものであって、容器２の圧力壁５に配置された貫通孔５ａを塞ぐように配置される。ポンプ１００は、外郭部材である筐体として、容器２の内部に配置される第１筐体部６と、容器２の外部に配置される第２筐体部７とを備えている。ここで、容器２の内部とは、容器２の圧力壁５の外周面５ｂに対して内側に位置する部分を意味する。また、容器２の外部とは、容器２の圧力壁５の外周面５ｂに対して外側に位置する部分を意味する。第１筐体部６および第２筐体部７は、容器２の圧力壁５と別体として構成されている。

図２に示されるように、第１筐体部６は、インペラ８、シャフト９の第１部９ａを内部に収容している。第１筐体部６には、開口部としての流入口６ａおよび流出口６ｂが配置されている。流入口６ａは、第１筐体部６の下方端部に配置され、下方に開口している。流出口６ｂは、インペラ８の中心軸の延在方向（シャフト９の中心軸の延在方向）から見たインペラ８の外周面の接線方向に開口している。

第１筐体部６の上方端部は、第２筐体部７の下方端部と接続され、固定されている。具体的には、第１筐体部６の上方端部の上面において外周側に位置する部分が、第２筐体部７の下方端部の下面に接続され、固定されている。

第２筐体部７の下方端部は、容器２の圧力壁５に配置された貫通孔５ａ内に配置される。第２筐体部７の下方端部は、貫通孔５ａの大部分を塞ぐように構成されている。第２筐体部７の下方端部は、上記延在方向に垂直な径方向（ラジアル方向）において、貫通孔５ａの内周端面と対向する外周側面を有している。

図２に示されるように、第２筐体部７は、シャフト９の第２部９ｂ、モータ１０、ラジアル磁気軸受１１、およびスラスト磁気軸受１２を内部に収容している。なお、ラジアル磁気軸受１１の詳細な構成は後述する。第２筐体部７は、その下方端部よりも上方において、上記径方向の外側に突出しているフランジ部７ａを含む。フランジ部７ａは、上記周方向に連なっている。フランジ部７ａには、複数の固定用貫通孔が配置されている。

複数の固定用貫通孔の各々は、シャフト９の中心軸に対する周方向に互いに間隔を隔てて配置されている。各固定用貫通孔の孔軸は、例えば上記中心軸に沿っている。各固定用貫通孔の一端はフランジ部７ａの下面に配置されており、各固定用貫通孔の他端はフランジ部７ａの上面に配置されている。フランジ部７ａの下面は、圧力壁５の外周面５ｂにおいて貫通孔５ａの全周を囲む部分と、上記中心軸に沿った方向において対向している。固定用貫通孔の一端と対向する圧力壁５の外周面５ｂには、凹部が形成されている。固定用貫通孔と凹部とに固定部材１４としてのネジが挿入・固定されている。このようにして、フランジ部７ａは、圧力壁５の外周面５ｂと接続されている。

第２筐体部７は、例えば第３筐体部７ｃと第４筐体部７ｄとを含む。第３筐体部７ｃは筒状部材である。第４筐体部７ｄは、第３筐体部７ｃの上方端部を覆うように構成された、蓋状部材である。第３筐体部７ｃの下方端部が、第２筐体部７の下方端部を構成している。第３筐体部７ｃの上方端部は、第４筐体部７ｄの下方端部と接触され、固定されている。第３筐体部７ｃの上方端部および第４筐体部７ｄの下方端部には、それぞれフランジ部が形成されている。第３筐体部７ｃのフランジ部と第４筐体部７ｄのフランジ部とは重なるように配置されている。これらのフランジ部には、貫通孔が形成されている。当該貫通孔に固定部材としてのネジが挿入・固定されている。第２筐体部７の外周面は、例えば大気に曝されている。

第１筐体部６および第２筐体部７を構成する材料は、法令等によって高圧ガスの収容容器の構成材料としての使用が認められている材料であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含む。

インペラ８は、シャフト９が回転することにより回転し、容器２内の低温流体ＬＧに運動エネルギーを付与する。インペラ８は、例えば遠心羽根車として構成されている。インペラ８は、シャフト９の第１部９ａの一端に接続されている。

シャフト９は、第１部９ａおよび第２部９ｂを含む。上記延在方向において、第１部９ａの一端はインペラ８に接続されており、第１部９ａの他端は第２部９ｂの一端に接続されている。第１部９ａの中心軸は、第２部９ｂの中心軸と同軸状に配置されている。シャフト９の中心軸は、第１部９ａおよび第２部９ｂの中心軸であって、インペラ８の中心軸と同軸状に配置されている。シャフト９は、モータ１０により回転駆動される。シャフト９の第２部９ｂは、ラジアル磁気軸受１１およびスラスト磁気軸受１２により非接触で支持されている。シャフト９は、その中心軸がモータ１０の回転軸と同軸となるように支持されている。シャフト９の中心軸の上記延在方向は、例えば鉛直方向に沿っている。

ラジアル磁気軸受１１は、例えば上記延在方向においてモータ１０の両側に２つ配置されている。スラスト磁気軸受１２は、シャフト９の第２部９ｂの他端よりも上方に配置されている。シャフト９、モータ１０、ラジアル磁気軸受１１およびスラスト磁気軸受１２は、インペラ８を回転駆動する駆動部を構成している。

また、異なる観点から言えば、上記低温流体用ポンプ１００は、インペラ８と、回転軸としてのシャフト９と、筐体としての第１筐体部６および第２筐体部７と、磁気軸受としてのラジアル磁気軸受１１とを主に備える。シャフト９はインペラ８に接続される。第１筐体部６および第２筐体部７は、シャフト９を内部に保持する。ラジアル磁気軸受１１は、シャフト９を第２筐体部７に対して回転可能に支持する。ラジアル磁気軸受１１は、ヨークと、少なくとも１つのコイル１１ｂとを含む。ヨークは磁気回路１１ｅの少なくとも一部を構成する。少なくとも１つのコイル１１ｂはヨークの一部を囲む。ヨークは、磁気回路１１ｅの一部を構成する位置に配置された少なくとも１つの永久磁石１１ｃを含む。

図３および図４に示すように、上記低温流体用ポンプにおいて、ヨークは、ベース部１１ａと、第１〜第４の突出部１１ｄ１〜１１ｄ４を有する複数の突出部１１ｄとを含む。ベース部１１ａは、シャフト９の外周側においてシャフト９の表面から間隔を隔てて、シャフト９の周方向に沿って延びるように配置される。また異なる観点から言えば、ベース部１１ａはシャフト９の外周を周方向に囲むような円環形状である。

第１〜第４の突出部１１ｄ１〜１１ｄ４を含む複数の突出部１１ｄは、ベース部１１ａからシャフト９に向けて突出するとともに、シャフト９の周方向において互いに間隔を隔てて配置される。複数の突出部１１ｄはシャフト９の周方向において等間隔に配置されている。少なくとも１つの永久磁石１１ｃは、第１の永久磁石１１ｃ１と第２の永久磁石１１ｃ２とを含む。第１の永久磁石１１ｃ１は、ベース部１１ａにおいて第１の突出部と第２の突出部との間に配置される。第２の永久磁石１１ｃ２は、ベース部１１ａにおいて第３の突出部１１ｄ３と第４の突出部１１ｄ４との間に配置される。図４に示すように、複数の突出部１１ｄのうちの隣接する突出部１１ｄの間に、それぞれ永久磁石１１ｃが配置されている。第１の永久磁石１１ｃ１と第２の永久磁石１１ｃ２とは、周方向において隣り合う端部に同じ極が位置するように配置されている。図４では、第１の永久磁石１１ｃ１と第２の永久磁石１１ｃ２との隣り合う端部は同じＮ極となっている。また、周方向において間隔を隔ててベース部１１ａに配置された複数の永久磁石１１ｃでは、周方向において隣り合う端部が当該周方向において隣り合う永久磁石１１ｃの端部と同じ極性になっている。なお、永久磁石１１ｃとして使用出来る磁石は、主にネオジム（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）磁石、サマコバ（Ｓｍ−Ｃｏ）磁石、アルニコ（Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ）磁石である。

＜低温流体移送装置および低温流体用ポンプの作用効果＞
この場合、ラジアル磁気軸受１１が磁気回路１１ｅの一部に永久磁石１１ｃを含む永久磁石併用方式となっているため、ラジアル磁気軸受１１の電磁石コイルであるコイル１１ｂにバイアス電流を流すことなく、ラジアル磁気軸受１１における制御電流に対する発生力を線形化することができる。このため、上記バイアス電流を流すことに起因するラジアル磁気軸受１１での熱の発生を防止できる。この結果、低温流体用ポンプ１００が適用される低温流体ＬＧが当該熱によって気化することや、当該低温流体ＬＧの気化に伴い低温流体用ポンプ１００の効率が低下することを防止できる。

具体的には、上述した本実施の形態に係るラジアル磁気軸受１１については、図６に示すような構成により制御を行うことが考えられる。図６は、図２〜図４に示したラジアル磁気軸受１１の制御を説明するための制御機構の一例を示す模式図である。制御機構は、ラジアル磁気軸受１１のコイル１１ｂへ制御用の電流ｉｃ１、ｉｃ２を供給するためにコイル１１ｂへ接続されたアンプ４１、４２と、これらのアンプ４１、４２を制御する制御部４０とを主に含む。制御部４０からの制御信号により、アンプ４１は１つのコイル１１ｂへ制御用の電流ｉｃ１を供給する。また、制御部４０からの制御信号により、アンプ４２は他のコイル１１ｂへ制御用の電流ｉｃ２を供給する。本発明の実施の形態１では、ラジアル磁気軸受１１において永久磁石１１ｃを配置することで、上述のようにバイアス電流を流す必要がない。なお、アンプ４１、４２としては、双方向の電流を流すＨブリッジ回路を備えるアンプを用いることができる。

一方、本実施の形態のように永久磁石１１ｃを用いない場合、たとえば図５に示すようにヨークのベース部１１ａに永久磁石を配置しない構成のラジアル磁気軸受を用いる場合を考える。ここで、図５は比較例としての低温流体用ポンプの部分断面模式図であって、当該比較例としての低温流体用ポンプは、ラジアル磁気軸受１１が永久磁石を備えていない点、および図７に示すようにバイアス電流をコイル１１ｂに供給するような制御機構を有する点が図１〜図４に示した低温流体用ポンプ１００と異なっている。図７に示した比較例としての低温流体用ポンプのラジアル磁気軸受の制御機構は、基本的には図６に示した制御機構と同様の構成を備えるが、バイアス電流の電源部２３がアンプ５１、５２の出力線に接続されている点が図６に示した制御機構と異なっている。図７に示した制御機構では、電源部２３から出力されたバイアス電流ｉｂがアンプ５１、５２からの電流ｉｃ１、ｉｃ２に加えられてコイル１１ｂへ供給されている。このバイアス電流ｉｂにより比較例の低温流体用ポンプのラジアル磁気軸受では、制御電流に対する発生力を線形化している。以下、当該バイアス電流による発生力の線形化について、図８〜図１０を用いて説明する。

図８は、電磁石においてコイル電流と磁気力の関係を説明するための模式図である。図８（ａ）はシャフト９にラジアル磁気軸受に相当する電磁石を対向配置した状態を示す模式図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した構成においてコイル１１ｂに流される電流ｉと当該電磁石において発生する磁気力Ｆとの関係を示すグラフである。図８（ｂ）において、横軸は電流ｉを示し、縦軸は磁気力Ｆを示す。電流ｉと磁気力Ｆとの関係は、下記の数式（１）で示すように２次の関数である。

なお、上記数式（１）において、Ｂは磁束密度、Ｓは磁路断面積、Ｎはコイル巻き数、ｉはコイルに供給される電流、ｘは図６に示した電磁石とシャフト９とのギャップをそれぞれ意味する。

図９は、ラジアル磁気軸受に用いられる電磁石を、シャフト９を挟むように、対向して配置した場合を示す模式図である。図９（ａ）は、電磁石をシャフト９を挟むようにして対向配置した状態を示す模式図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した構成において、コイル１１ｂに流れる電流ｉと電磁石において発生する磁気力Ｆとの関係を示すグラフである。図９（ｂ）のグラフにおける縦軸及び横軸は図８（ｂ）のグラフと同様である。

図９（ｂ）からわかるように、図９（ａ）の構成では、電流ｉがゼロ付近での磁気力Ｆの傾きが小さいため磁気軸受としての剛性が相対的に低くなっている。また、電流ｉと磁気力Ｆとの関係が非線形のため、制御系の安定性検証に用いられるボード線図が利用できないなどの問題がある。さらに、磁気軸受に対して負荷が発生した際、コイル１１ｂに制御電流が流れると、磁気軸受と磁気軸受で支持されたシャフト９とからなる制御対象において作用する力の状態が大きく変化してしまうため、制御上の安定性を確保することが困難である。

このような問題を回避するため、本実施形態では、永久磁石１１ｃをラジアル磁気軸受１１に適用している。本実施の形態において採用した永久磁石併用方式での磁気回路における起磁力は、下記の数式（２）で示される。

ここで、上記数式（２）において、ｌｉは磁路長、ｌｐは図６に示す永久磁石１１ｃの長さ、Ｈは永久磁石内部の磁界の強さをそれぞれ意味する。

上記数式（２）からわかるように、永久磁石の起磁力が加算され、磁束密度は（Ｎｉ−Ｈｌｐ）の関数となる。つまり、本実施の形態に係るラジアル磁気軸受１１においては、コイルの電流ｉで磁気力を制御することができる。

上記のような永久磁石併用方式の効果を図１０に示す。図１０のグラフにおける横軸および縦軸は、図８（ｂ）のグラフと同様である。図１０では、永久磁石１１ｃによって発生するバイアス磁束による、コイルの電流ｉと磁気力Ｆの線形化の状態が示されている。本実施の形態に係るラジアル磁気軸受１１では、たとえばバイアス磁束により発生する磁気力Ｆの２倍の領域までコイルの電流ｉと磁気力Ｆの関係を線形化することができる。

また、第１の永久磁石１１ｃ１からベース部１１ａの一部、第１の突出部１１ｄ１および第２の突出部１１ｄ２と周回する第１の磁気回路と、第２の永久磁石１１ｃ２からベース部１１ａの一部、第３の突出部１１ｄ３および第４の突出部１１ｄ４と周回する第２の磁気回路とを形成できる。さらに、上記のように第１の永久磁石１１ｃ１と第２の永久磁石１１ｃ２とは周方向において隣り合う端部が同じ極となっているため、第１の永久磁石１１ｃ１の上記端部と第２の永久磁石１１ｃ２の上記端部との間に位置する突出部の組（たとえば第２の突出部１１ｄ２と第３の突出部１１ｄ３との組）では、シャフト９に対向する内周部の極性が同じになっている。この結果、シャフト９が回転したときに第２の突出部１１ｄ２と第３の突出部１１ｄ３とで磁極が切り替わることがない。この結果、第１の永久磁石１１ｃ１と第２の永久磁石１１ｃ２との周方向において隣り合う端部が異なる極となっている場合（つまり第２の突出部１１ｄ２と第３の突出部１１ｄ３とで極性が異なる場合）に比べて、ヨークでの磁極の切り替わり回数、つまりシャフト９が回転したときにシャフト９の周方向におけるヨークの磁極の切り替わり回数を低減できる。この結果、当該磁極の切り替わりに起因するロータであるシャフト９での損失を低減できるので、低温流体用ポンプ１００の効率の低下を抑制できる。また、上記のような低温流体用ポンプ１００を用いた低温流体移送装置１では、低温流体用ポンプ１００のラジアル磁気軸受１１から低温流体への熱の流入を抑制できるので、低温流体の気化や効率の低下が抑制される。

＜低温流体移送装置および低温流体用ポンプの変形例の構成および作用効果＞
図１１に示す低温流体用ポンプは、図１に示した低温流体移送装置に適用されるとともに、基本的には図２〜図４に示した低温流体用ポンプと同様の構成を備えるが、ヨークのベース部１１ａおよび永久磁石１１ｃの形状が図２〜図４に示した低温流体用ポンプと異なっている。すなわち、図１１に示した低温流体用ポンプでは、第１および第２の永久磁石１１ｃ１、１１ｃ２を含む複数の永久磁石１１ｃの、周方向に対して垂直な方向である径方向に沿った断面での断面積が、ベース部１１ａにおいて第１〜第４の突出部１１ｄ１〜１１ｄ４を含む複数の突出部１１ｄが接続された領域の、径方向に沿った断面での断面積より大きくなっている。また、ベース部１１ａは、径方向に沿った断面での断面積が、第１および第２の永久磁石１１ｃ１、１１ｃ２の少なくともいずれか一方に近づくにつれて、あるいは複数の永久磁石１１ｃの少なくとも１つに近づくにつれて大きくなるように構成されている。また異なる観点から言えば、ベース部１１ａにおいて永久磁石１１ｃに隣接する部分のシャフト９に面する内周面は、永久磁石１１ｃに近づくにつれて内周側（シャフト９側）へ近づくように、周方向に対して傾斜している。なお、ベース部１１ａの外周面の、シャフト９の延在方向から見た形状は図１１に示すように円形状である。

この場合、第１および第２の永久磁石１１ｃ１、１１ｃ２を含む少なくとも１つの永久磁石１１ｃの径方向に沿った断面における断面積を、図４に示した構成における永久磁石１１ｃの断面積よりも相対的に大きくできるので、永久磁石１１ｃの起磁力を維持したまま周方向における永久磁石１１ｃの厚みを相対的に薄くできる。この結果、永久磁石１１ｃにおける磁気回路での磁気抵抗を、当該永久磁石１１ｃの周方向における厚みが図４に示すように相対的に厚い場合より低減できる。この結果、ラジアル磁気軸受１１の制御性を向上させることができるとともに、負荷が加えられたときのラジアル磁気軸受１１の制御電流値を低減できる。

（実施の形態２）
＜低温流体移送装置および低温流体用ポンプの構成＞
図１２および図１３に示したラジアル磁気軸受１１を含む低温流体用ポンプは、図１に示す低温流体移送装置に適用され得るポンプであって、基本的に図１〜図４に示した低温流体用ポンプ１００と同様の構成を備えるが、ラジアル磁気軸受１１（図２参照）を構成するヨークの形状が図１〜図４に示した低温流体用ポンプと異なっている。すなわち、図１２および図１３に示した低温流体用ポンプでは、ヨークが、シャフト９の外周を囲むように、シャフト９の周方向に間隔を隔てて配置された複数の部分を含んでいる。つまり、ヨークは、第１および第２のベース部１１ａ１、１１ａ２を含む複数のベース部１１ａと、第１〜第４の突出部１１ｄ１〜１１ｄ４とを含む。第１および第２のベース部１１ａ１、１１ａ２を含む複数のベース部１１ａは、図１３に示すようにシャフト９の外周側においてシャフト９の周方向に沿って間隔を隔てて配置される。

第１および第２の突出部１１ｄ１、１１ｄ２は、第１のベース部１１ａ１からシャフト９に向けて突出するとともに、シャフト９の軸方向において互いに間隔を隔てて配置される。第３の突出部１１ｄ３は、第２のベース部１１ａ２からシャフト９に向けて突出するとともに、シャフト９の軸方向において第１のベース部１１ａ１の中央から見て第１の突出部１１ｄ１と同じ側に配置される。第４の突出部１１ｄ４は、第３の突出部１１ｄ３からシャフト９の軸方向において間隔を隔てて配置される。第４の突出部１１ｄ４は、第２のベース部１１ａ２からシャフト９に向けて突出するように形成される。第１〜第４の突出部１１ｄ１〜１１ｄ４には、コイル１１ｂが巻回されている。

少なくとも１つの永久磁石１１ｃは、第１および第２の永久磁石１１ｃ１、１１ｃ２を含む。第１の永久磁石１１ｃ１は、第１のベース部１１ａ１において第１の突出部１１ｄ１と第２の突出部１１ｄ２との間に配置される。第２の永久磁石１１ｃ２は、第２のベース部１１ａ２において第３の突出部１１ｄ３と第４の突出部１１ｄ４との間に配置される。第１の永久磁石１１ｃ１と第２の永久磁石１１ｃ２とは、軸方向において第１の突出部１１ｄ１側の端部に同じ極（図１２ではＮ極）が位置するように配置されている。また、上記のような永久磁石１１ｃが中央部に配置されたベース部１１ａと、当該ベース部１１ａの軸方向における両端に配置された２つの突出部１１ｄと、当該２つの突出部１１ｄをそれぞれ巻回するように配置された２つのコイル１１ｂとからなるユニットは、図１３に示すようにシャフト９の外周に沿って周方向に間隔を隔てて並ぶように複数個配置されている。

＜低温流体移送装置および低温流体用ポンプの作用効果＞
図１２および図１３に示したラジアル磁気軸受１１を備える低温流体用ポンプおよび当該低温流体用ポンプを備えた低温流体移送装置では、基本的に図１〜図４に示した低温流体移送装置および低温流体用ポンプと同様の効果を得ることができる。また、シャフト９に外周に沿って複数のユニットが間隔を隔てて配置され、また図１２に示すように第１の突出部１１ｄ１と第３の突出部１１ｄ３とが同じ極性（たとえばＮ極）の磁極となっている。つまりラジアル磁気軸受１１がいわゆるホモポーラ型のラジアル磁気軸受となっている。そして、上記のような構成とすることで、ホモポーラ型のラジアル磁気軸受１１についても永久磁石併用方式を適用することができる。つまり、図１４に示す参考例としてのホモポーラ型のラジアル磁気軸受では、永久磁石がヨークのベース部１１ａに配置されていないので、上述した実施の形態１の図５に示したラジアル磁気軸受と同様に、発生力の線形化のためバイアス電流を流す必要がある。なお、図１４に示したラジアル磁気軸受は、永久磁石を備えていない点を除いて図１２および図１３に示したラジアル磁気軸受と同様の構成を備える。図１４に示したラジアル磁気軸受におけるバイアス電流は、発熱の原因となり、低温流体の気化の要因となり得る。しかし、本実施の形態では、永久磁石１１ｃを用いることで上記のようなバイアス電流を不要としており、実施の形態１と同様の効果をえることができる。

＜低温流体移送装置および低温流体用ポンプの変形例の構成および作用効果＞
図１５および図１６に示すラジアル磁気軸受１１を備える低温流体用ポンプは、図１に示した低温流体移送装置に適用可能なポンプであって、図１２および図１３に示した低温流体用ポンプの変形例である。図１５および図１６に示した低温流体用ポンプは、基本的には図１２および図１３に示した低温流体用ポンプと同様の構成を備えるが、ラジアル磁気軸受１１におけるコイル１１ｂの配置が図１２および図１３に示した低温流体用ポンプと異なっている。すなわち、図１５および図１６に示した低温流体用ポンプにおいて、少なくとも１つのコイル１１ｂは、第１のコイル１１ｂ１と第２のコイル１１ｂ２とを含む。第１のコイル１１ｂ１は、第１の永久磁石１１ｃ１の周囲を囲むように配置される。第２のコイル１１ｂ２は、第２の永久磁石１１ｃ２の周囲を囲むように配置される。また、図１６に示すように、シャフト９の外周を囲むように配置されたラジアル磁気軸受１１の各ユニットでは、永久磁石１１ｃの周囲を囲むようにコイル１１ｂが配置されている。

この場合、図１２および図１３に示した低温流体用ポンプと同様の効果が得られる。さらに、第１および第２の永久磁石１１ｃ１、１１ｃ２が配置された部分の磁気抵抗（磁路抵抗とも呼ぶ）は、実質的に空気の磁気抵抗と同様となり、ベース部１１ａにおける他の部分と比較して漏れ磁束が発生しやすい。このため、第１および第２の永久磁石１１ｃ１、１１ｃ２の周囲を囲むように第１および第２のコイル１１ｂ１、１１ｂ２を配置することで、第１および第２の永久磁石１１ｃ１、１１ｃ２における漏れ磁束を抑制できる。この結果、漏れ磁束に起因するラジアル磁気軸受１１の特性の劣化を抑制できる。

（実施の形態３）
＜低温流体移送装置および低温流体用ポンプの構成＞
図１７および図１８に示した低温流体移送装置１は、基本的には図１に示した低温流体移送装置１と同様の構成を備えるが、低温流体用ポンプ１００の構成が図１に示した低温流体移送装置１と異なっている。すなわち、図１７および図１８に示した低温流体移送装置１では、低温流体用ポンプ１００のモータ３０が圧力壁５の外側に配置されるとともに、第１軸としてのシャフト９がモータ３０の第２軸３１と磁気継手２０により回転力を伝達可能に結合されている。また、２つのラジアル磁気軸受１１により支持されたシャフト９が容器２の内部に配置されている。

すなわち、図１７および図１８に示した実施の形態３に係る低温流体用ポンプ１００は、図１〜図４に示した低温流体用ポンプ１００と同様に容器２の圧力壁５に配置された貫通孔５ａを塞ぐように配置される。低温流体用ポンプ１００は、インペラ８と、第１軸としてのシャフト９および第２軸３１を含む回転軸と、筐体と、磁気軸受としてのラジアル磁気軸受１１と、第２軸３１を回転駆動するモータ３０とを主に備える。

回転軸を構成するシャフト９と第２軸３１とは磁気継手２０により非接触で回転力を伝達可能に結合されている。２つのラジアル磁気軸受１１はシャフト９を筐体に対して回転可能に支持する。２つのラジアル磁気軸受１１は、シャフト９の延在方向において互いに間隔を隔てて配置されている。磁気継手２０は、シャフト９の端部に固定された第１継手部材２２と、第２軸３１の端部に固定された第２継手部材２１とを含む。第２継手部材２１はカップ状の形状を有している。第１継手部材２２は第２継手部材２１の内側に配置されている。第１継手部材２２と第２継手部材２１との対向する部分には磁石が配置されている。この磁石が発生させる磁力により、第１継手部材２２と第２継手部材２１とは非接触で回転力を伝達できる。

シャフト９において第１継手部材２２に隣接する位置にスラスト磁気軸受１２が配置されている。また、シャフト９において、スラスト磁気軸受１２から見て第１継手部材２２と反対側に位置する部分にラジアル磁気軸受１１が配置されている。

筐体は、第１筐体部と第２筐体部７と蓋体１８とを含む。第１筐体部は、筐体部分６ｆとフランジ部６ｃとインペラ軸カバー６ｄとインペラカバー６ｅとを含む。筐体部分６ｆの上方端部は、圧力壁５の貫通穴５ｂ内に配置される。フランジ部６ｃは筐体部分６ｆの上方端部に接続されている。第１筐体部は、フランジ部６ｃが圧力壁５の外周面５ｂ上に延在するように配置される。第２筐体部７は筒状の形状を有するとともに、インペラ８側の端部にフランジ部が形成されている。第２筐体部７のフランジ部は、第１筐体部のフランジ部６ｃと重なるように配置される。第２筐体部７のフランジ部と第１筐体部のフランジ部６ｃとには、それぞれ固定部材１４を通すための貫通穴が形成されている。この貫通穴は、圧力壁５の外周面５ｂに形成された凹部と重なるように配置される。そして、この貫通穴および凹部に固定部材１４がねじ込まれて固定されることにより、第１筐体部と第２筐体部７とが圧力壁５に対して固定される。

第２筐体部７の上方には開口部が形成されている。第２筐体部７の開口部を塞ぐように蓋体１８が配置されている。蓋体１８と第２筐体部７とにより囲まれた筐体の内部領域には磁気継手２０が配置されている。蓋体１８の外周側にはモータ３０が設置されている。モータ３０には第２軸３１が接続されている。蓋体１８にはモータ３０の一部を挿入する開口部が形成されている。当該開口部にモータ３０の一部が挿入固定されている。モータ３０において上記開口部に挿入された部分から第２軸３１が第２筐体部７の内周側に向けて突出するように配置されている。

第１筐体部の筐体部分６ｆとインペラ軸カバー６ｄとインペラカバー６ｅとは、容器２の内部に配置されている。筐体部分６ｆは筒状の形状を有する。インペラ軸カバー６ｄは筐体部分６ｆにおいてインペラ８に対向する側に位置し、筐体部分６ｆに接続される。インペラカバー６ｅはインペラ軸カバー６ｄに接続されるとともに、インペラ８を囲むように配置されている。インペラカバー６ｅには、図２に示した低温流体用ポンプ１００と同様に、開口部としての流入口６ａおよび流出口６ｂが配置されている。

筐体部分６ｆにはラジアル磁気軸受１１が接続される。ラジアル磁気軸受１１としては、上述した実施の形態１または実施の形態２におけるラジアル磁気軸受１１を適用できる。回転軸はインペラ８を回転駆動するためのものである。シャフト９の先端部であってインペラ軸カバー６ｄに囲まれた部分はインペラ８に接続されている。シャフト９の延在方向はたとえば重力方向（鉛直方向）である。筐体は、回転軸としてのシャフト９と第２軸３１とを内部に保持する。ラジアル磁気軸受１１は、回転軸を構成するシャフト９を筐体である筐体部分６ｆに対して回転可能に支持する。回転軸、モータ３０、ラジアル磁気軸受１１およびスラスト磁気軸受１２は、インペラ８を回転駆動する駆動部を構成している。

＜低温流体移送装置および低温流体用ポンプの作用効果＞
図１７および図１８に示した低温流体移送装置１および低温流体用ポンプ１００によれば、図１〜図４に示した低温流体移送装置１および低温流体用ポンプ１００と同様の効果を得られる。さらに、図１７および図１８に示した低温流体移送装置１では、低温流体用ポンプ１００のラジアル磁気軸受１１が容器２の内部に配置されている。このような構成では、ラジアル磁気軸受１１に上述した本発明の実施の形態１または実施の形態２に係るラジアル磁気軸受１１を適用するので、従来のようにラジアル磁気軸受１１のコイルにバイアス電流を流すことなく、ラジアル磁気軸受１１の制御電流に対する発生力を線形化できるとともに、バイアス電流に起因する発熱を防止できるので、容器２内部の低温流体の気化を抑制する効果が顕著である。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

本発明は、超電導機器の冷却用に用いる低温流体を移送するためのポンプや移送装置に適用することができる。

１ 低温流体移送装置、２ 容器、３ 流入部、４ 流出部、５ 圧力壁、５ａ 貫通孔、５ｂ 外周面、６ 第１筐体部、６ａ 流入口、６ｂ 流出口、６ｃ，６ｄ インペラ軸カバー、６ｅ インペラカバー、６ｆ 筐体部分、７ 第２筐体部、７ａ フランジ部、７ｃ 第３筐体部、７ｄ 第４筐体部、８ インペラ、９ シャフト、９ａ 第１部、９ｂ 第２部、１０，３０ モータ、１１ｄ 突出部、１１ ラジアル磁気軸受、１１ａ１ 第１のベース部、１１ａ２ 第２のベース部、１１ａ ベース部、１１ｂ コイル、１１ｂ１ 第１のコイル、１１ｂ２ 第２のコイル、１１ｃ１ 第１の永久磁石、１１ｃ２ 第２の永久磁石、１１ｃ 永久磁石、１１ｄ３ 第３の突出部、１１ｄ４ 第４の突出部、１１ｄ１ 第１の突出部、１１ｄ２ 第２の突出部、１１ｅ 磁気回路、１２ スラスト磁気軸受、１４ 固定部材、１８ 蓋体、２０ 磁気継手、２１ 第２継手部材、２２ 第１継手部材、２３ 電源部、３１ 第２軸、４０ 制御部、４１，４２ アンプ、１００ 低温流体用ポンプ。

Claims (6)

1. インペラと、
   前記インペラに接続された回転軸と、
   前記回転軸を内部に保持する筐体と、
   前記回転軸を前記筐体に対して回転可能に支持する磁気軸受とを備え、
   前記磁気軸受は、
   磁気回路の少なくとも一部を構成するヨークと、
   前記ヨークの一部を囲む少なくとも１つのコイルとを含み、
   前記ヨークは、前記磁気回路の一部を構成する位置に配置された少なくとも１つの永久磁石を含む、低温流体用ポンプ。
2. 前記ヨークは、
   前記回転軸の外周側において前記回転軸の周方向に沿って配置されたベース部と、
   前記ベース部から前記回転軸に向けて突出するとともに、前記回転軸の前記周方向において互いに間隔を隔てて配置された第１〜第４の突出部とを含み、
   前記少なくとも１つの永久磁石は、前記ベース部において前記第１の突出部と前記第２の突出部との間に配置された第１の永久磁石と、前記ベース部において前記第３の突出部と前記第４の突出部との間に配置された第２の永久磁石とを含み、
   前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石とは、前記周方向において対向する端部に同じ極が位置するように配置されている、請求項１に記載の低温流体用ポンプ。
3. 前記第１および第２の永久磁石の、前記周方向に対して垂直な方向である径方向に沿った断面での断面積は、前記ベース部において前記第１〜第４の突出部が接続された領域の、前記径方向に沿った断面での断面積より大きくなっている、請求項２に記載の低温流体用ポンプ。
4. 前記ヨークは、
   前記回転軸の外周側において前記回転軸の周方向に沿って間隔を隔てて配置された第１および第２のベース部と、
   前記第１のベース部から前記回転軸に向けて突出するとともに、前記回転軸の前記軸方向において互いに間隔を隔てて配置された第１および第２の突出部と、
   前記第２のベース部から前記回転軸に向けて突出するとともに、前記回転軸の前記軸方向において前記第１のベース部の中央から見て前記第１の突出部と同じ側に配置された第３の突出部と、前記第３の突出部から前記軸方向において間隔を隔てて配置された第４の突出部と、を含み、
   前記少なくとも１つの永久磁石は、前記第１のベース部において前記第１の突出部と前記第２の突出部との間に配置された第１の永久磁石と、前記第２のベース部において前記第３の突出部と前記第４の突出部との間に配置された第２の永久磁石とを含み、
   前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石とは、前記軸方向において前記第１の突出部側の端部に同じ極が位置するように配置されている、請求項１に記載の低温流体用ポンプ。
5. 前記少なくとも１つのコイルは、前記第１の永久磁石の周囲を囲むように配置された第１のコイルと、前記第２の永久磁石の周囲を囲むように配置された第２のコイルとを含む、請求項４に記載の低温流体用ポンプ。
6. 低温流体を収容する容器と、
   前記インペラが前記容器の内部に配置されるように、前記容器に設置された請求項１〜５のいずれか１項に記載の低温流体用ポンプと、
   前記容器と接続されており、前記低温流体用ポンプにより運動エネルギーが付与された前記低温流体を流通させるための流通管路とを備える、低温流体移送装置。

Images