JP2020162275A - キャンドモータとそれにより駆動するポンプ、及びそれを用いたロケットエンジンシステムと液体燃料ロケット - Google Patents

Abstract

【課題】ロータが高速回転する場合に、取扱い液がガス化することを低減したキャンドモータを提供する。【解決手段】キャンドモータ１０は、ステータ室２６に配置されるステータ１８と、ロータ室１２に配置されるロータ１４と、ロータ１４を囲むステータキャン７とを有する。さらにキャンドモータ１０は、ステータ１８を冷却するための冷却液がステータ室２６に流入するように構成されたステータ室入口部４３と、冷却液がステータ室２６から流出するように構成されたステータ室出口部４４とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、キャンドモータとそれにより駆動するポンプ、及びそれを用いたロケットエンジンシステムと液体燃料ロケットに関するものである。

液体燃料ロケットは、液体水素や液体メタンなどの低沸点の推進剤（燃料）と液体酸素などの低沸点の酸化剤（ともに液体） をそれぞれのタンクから高圧の燃焼室へと送りこみ、燃焼室で燃焼させて発生した高温のガスを、ノズルから噴射することで推力を得るロケットである。ポンプで推進剤と酸化剤を燃焼室に送りこむポンプ方式が液体燃料ロケットにおいて用いられる場合がある。

ポンプを駆動するために電動モータ、例えばキャンドモータを使用することができる。従来のキャンドモータを用いたポンプでは、ポンプのポンプ羽根によりが搬送される液体（取扱い液）に，モータのロータ自身が浸っている。モータのステータの内側には金属製または樹脂性キャン（以下では、「ステータキャン」と呼ぶ。）が気密にはめこまれる。ロータの外周には、ロータの一部である金属製または樹脂性キャン（以下では、「ロータキャン」と呼ぶ。）が配置される。ステータはステータキャンにより、ポンプが搬送する液体と絶縁されている。モータ内部のロータの外周に液体が入り，冷却 の作用をする。キャンドモータは従来、取扱い液の漏洩が望ましくない化学用液体，有毒液体等の搬送に使われている。

従来のキャンドモータを用いたポンプ は、通常3600rpm程度の回転数で、ポンプの取扱い液をキャンドモータの冷却液として利用するために、取扱い液をロータの周囲（ロータキャンとステータキャンとの間の隙間）に流していた。取扱い液をロータの周囲に流すことにより、ステータおよびロータを冷却する。すなわち、ステータはロータを駆動させる電磁気的な力を生じさせるため、電線が巻線されたモータコイルが備えられており、モータ駆動時には、モータコイルに電流が供給されるので、モータコイルにジュール熱が生じる。モータコイルはステータのケイ素鋼板に巻かれている。ステータの発熱は、ケイ素鋼板の渦電流損失による発熱が支配的である。このジュール熱と渦電流損失によりステータの温度が上がると、コイルや絶縁物の焼損を招く恐れがある。 また、ロータはステータにより生じた電磁気的な作用を受けて駆動力を生じるが、ロータもステータ同様に電気的損失により発熱する。発熱による温度上昇により、磁石が減磁し（温度と磁石の種類による）、力率や効率低下を招く虞がある。そこで、取扱い液をロータの周囲に流すことで、ステータおよびロータを冷却し、モータとしての効率の低下を回避することができる。 しかし、ステータの一部でモータコイルの末端部分であるコイルエンドは、ロータキャンとステータキャンとの間の隙間から離れているため、すなわち冷却液から離れているため、従来でも冷えにくい位置である。

ところで、ロータを高速回転（1万〜10万rpm）させる場合、従来の冷却方法では、以下のような問題がある。すなわち、ロータを高速回転させるためにステータで発生して、ステータからロータ周囲の取扱い液に入る多量の熱と、ロータの高速回転により流体との間に発生する回転摩擦損失熱とによりロータ周囲の低沸点の取扱い液がガス化しやすくなる。 ガス化すると、コイルエンドは、より冷えにくくなり、ステータの温度が上がるという問題が生じる。さらに、ガス化によりロータや、その他の回転体の振動が生じ易くなるという問題が生じる。

ロータが高速回転（1万〜10万rpm）する場合、従来の冷却方法では、以下のような別の問題もある。すなわち、ロータキャンとステータキャンとの間の隙間を流れる取扱い液、すなわち冷却液による回転摩擦損失が非常に大きくなり、ポンプ効率が低下する。回転摩擦損失とは、ロータ表面にあるロータキャンと取扱い液（流体）との間に発生する摩擦力（流体に作用するせん断力）によるエネルギー損失である。回転摩擦損失とは、モータの出力トルクのうち摩擦力に消費される量のようなものである。取扱い液の粘度が高いほど、またロータと取扱い液の回転方向の相対流速が大きいほど回転摩擦損失は大きい。場合によっては、ポンプに要求される仕様値である運転回転数まで、回転数があがらないこともありうる。

このように、ロータが高速回転（1万〜10万rpm）する場合、取扱い液のガス化を低減したいときと、冷却液による回転摩擦損失を低減したいときがある。どちらの課題を解決することを優先するかは、キャンドモータの使用状態や使用目的に依存する。

特開昭５２−１３７６１１号 特開平２−１９３５４６号 特開平８−２００２７４号 特開２０１２−２１３２７２号 特表２０１６−５２７４４号

本発明の一形態は、このような問題点を解消すべくなされたもので、その目的は、ロータが高速回転する場合に、取扱い液がガス化することを低減したキャンドモータを提供することである。

また、本発明の他の一形態の目的は、ロータが高速回転する場合に、冷却液による回転摩擦損失を低減あるいは冷却液による回転摩擦損失を回避したキャンドモータを提供することである。

上記課題を解決するために、形態１では、ステータ室に配置されるステータと、ロータ室に配置されるロータと、前記ロータを囲むキャンとを有し、前記ロータを冷却するための冷却液が前記ロータ室に流入するように構成されたロータ室入口部と、前記冷却液が前記ロータ室から流出するように構成されたロータ室出口部とを有するキャンドモータにおいて、前記ステータを冷却するための冷却液が前記ステータ室に流入するように構成されたステータ室入口部と、前記ステータ室入口部から流入した冷却液が前記ステータ室から流出するように構成されたステータ室出口部とを有することを特徴とするキャンドモータという構成を採っている。

本実施形態では、ステータ室に冷却液、推進剤（燃料）例えば液体メタンや液体水素等の電気絶縁性を有する液体を供給する。この結果、ステータのコイルエンドが冷却される。これにより、ステータで発生して、ステータからロータ周囲の取扱い液に入る熱を低減して、ロータ周囲の取扱い液が高速回転時にガス化することを低減する。なお、ステータ室とは、ステータが配置される部屋または空間を意味する。ロータ室とは、ロータが配置される部屋または空間を意味する。

上記他の課題を解決するために、形態２では、ステータ室に配置されるステータと、ロ
ータ室に配置されるロータと、前記ロータを囲むキャンとを有するキャンドモータにおいて、前記ロータを冷却するための冷却ガスが前記ロータ室に流入するように構成されたロータ室入口部と、前記冷却ガスが前記ロータ室から流出するように構成されたロータ室出口部とを有することを特徴とするキャンドモータという構成を採っている。

本実施形態では、冷却ガスがロータ室に流入する。このため、ロータの外周（例えば、ロータキャンとステータキャンとの間の隙間）には、ヘリウムや水素、メタンなどのロータを冷却するための冷却ガスが供給される。ガスによる回転摩擦損失は、液体による回転摩擦損失よりも小さいため、ロータの高速回転により生じる摩擦損失を低減しつつ、ロータを冷却することができる。

形態３では、前記ステータを冷却するための冷却液が前記ステータ室に流入するように構成されたステータ室入口部と、前記冷却液が前記ステータ室から流出するように構成されたステータ室出口部とを有することを特徴とする請求項２記載のキャンドモータという構成を採っている。

本実施形態によると、ロータを冷却するために冷却ガスを用いている場合に、ロータを冷却ガスで冷却するだけではステータの冷却が十分に行えないときに、ステータを適切に冷却することができる。冷却ガスは冷却液と比較して熱量が小さいため、冷却能力が低くなり、直接、冷却液でステータを冷却することが望ましい場合があるからである。なお、ロータを冷却ガスで冷却するだけでステータの冷却が十分に行えるときには、ステータを冷却しなくてもよい。

形態４では、前記ロータは、毎分１万回から１０万回、回転するように構成されたことを特徴とする形態１ないし３のいずれか１項に記載のキャンドモータという構成を採っている。

形態５では、前記冷却液は、前記キャンドモータの取扱い液であることを特徴とする形態１ないし４のいずれか１項に記載のキャンドモータという構成を採っている。

形態６では、前記キャンドモータは、駆動回路室に配置されて前記ロータを駆動するように構成された駆動回路と、前記駆動回路を冷却するための冷却液が前記駆動回路室に流入するように構成された駆動回路室入口部と、該冷却液が前記駆動回路室から流出するように構成された駆動回路室出口部とを有することを特徴とする形態１ないし５のいずれか１項に記載のキャンドモータという構成を採っている。

形態７では、前記ステータ室と前記駆動回路室は、前記冷却液の流れに関して直列に接続されることを特徴とする形態６記載のキャンドモータという構成を採っている。

形態８では、形態１ないし７のいずれか１項に記載のキャンドモータを複数個有し、さらに、前記複数個のキャンドモータのうちの１つにより駆動されるように構成された燃料供給ポンプと、前記複数個のキャンドモータのうちの他の１つにより駆動されるように構成された酸化剤供給ポンプと、前記燃料供給ポンプにより燃料が供給され、かつ前記酸化剤供給ポンプにより酸化剤が供給されるように構成された燃焼室とを有することを特徴とするロケットエンジンシステムという構成を採っている。

形態９では、形態１ないし７のいずれか１項に記載のキャンドモータを複数個有し、さらに、前記複数個のキャンドモータのうちの１つにより駆動されるように構成された燃料供給ポンプと、前記燃料供給ポンプにより前記燃料が、前記複数個のキャンドモータに供給されるように構成されたことを特徴とするロケットエンジンシステムという構成を採っ
ている。

形態１０では、キャンドモータを複数個有し、前記複数個のキャンドモータのうちの１つにより駆動されるように構成された燃料供給ポンプと、前記燃料供給ポンプにより前記燃料が、前記複数個のキャンドモータに供給されるように構成されたことを特徴とするロケットエンジンシステムという構成を採っている。

形態１１ では、形態８ないし１０のいずれか１項に記載のロケットエンジンシステムを有することを特徴とする液体燃料ロケットという構成を採っている。

また、前記ステータを冷却するための冷却液が前記ステータ室に流入する場合に、前記複数個のキャンドモータの各々の前記ステータ室は、前記ステータを冷却するための冷却液の流れに関して直列または並列に接続されることを特徴とする形態７記載のロケットエンジンシステムという構成を採ることができる。

なお、ロータを冷却するための冷却ガスもしくは冷却液が前記ロータ室に流入する場合に、複数個のキャンドモータの各々の前記ロータ室は、前記ロータを冷却するための冷却ガスもしくは冷却液の流れ に関して直列または並列に接続されることを特徴とする形態７記載のロケットエンジンシステムという構成を採ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るキャンドモータを示す図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るロケットエンジンシステムの全体構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の他の一実施形態に係るキャンドモータを示す図である。 図４は、本発明の他の一実施形態に係るロケットエンジンシステムの全体構成を示すブロック図である。 図５は、本発明のさらに他の一実施形態に係るロケットエンジンシステムの全体構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同一または相当する部材には同一符号を付して重複した説明を省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係るキャンドモータと、このキャンドモータにより駆動されるポンプを示す図である。このような形態のポンプをキャンドモータポンプと呼ぶ。
本実施形態に係るキャンドモータは、ロータが高速回転（1万〜10万rpm）する場合に、ロータ室における取扱い液がガス化することを低減したキャンドモータである。以下では、キャンドモータをモータ部１０と呼び、ポンプをポンプ部１９と呼ぶ。

本実施形態に係るモータ部１０とポンプ部１９を備えたポンプは、ロケットエンジンシステムに用いられる。従って、ポンプ部１９の取扱い液は、ロケットエンジンの燃料や酸化剤である。 なお、本実施形態に係るキャンドモータは、ロケットエンジンシステム以外の、ロータが高速回転（1万〜10万rpm）する用途に用いることもできる。なお、キャンドモータポンプは、高速回転する場合に限らず、ポンプ部19の羽根車20にて昇圧した取扱い液の一部が吐出しケーシング54とモータ部10の間の主軸28の周囲に形成された空間を通過し、ロータ室12に供給され、モータ部10が冷却されるのが一般的である。ただし、これは取扱い液が液体水素や液体メタンといった燃料などのロータ室12に供給されても差し支
えない場合に限られる。なお、この場合、メカニカルシール33を設ける必要は必ずしもない。一方、キャンドモータポンプの取扱い液が、ロータ14と反応し着火する可能性のある酸化剤（液体酸素）などの危険液である場合は、ポンプ部19とモータ部10の間にメカニカルシールなどの軸封装置を設け、取扱い液のロータ室12への流入を防ぐ必要がある。その場合は、モータ部10の冷却のために、ロータ室12に冷却液が流入するように構成されたロータ室入口部62を設け、そこから別の冷却液をロータ室12に供給する。 尚、モータの取扱い液（冷却液）は燃料、ポンプの取扱い液は燃料と酸化剤がある。

モータ部１０は、ステータ室２６に配置されるステータ１８と、ロータ室１２に配置されるロータ１４と、ロータ１４を囲むステータキャン７とを有する。モータ部１０は、ステータ１８を冷却するための冷却液がステータ室２６に流入するように構成されたステータ室入口部４３と、冷却液がステータ室２６から流出するように構成されたステータ室出口部４４とを有する。

ロータ１４は、毎分１万回から１０万回、回転する。高速回転するためにモータ部１０の各部は発熱が大きくなる。そのために種々の対策が行われている。一例として、主軸２８を支える２個のラジアル軸受３２（玉軸受）においては、高速回転下の発熱は、ロータ室26を通過する燃料で冷却される。このように、本実施形態では冷却液は、ポンプ部１９の取扱い液である。

本実施形態ではステータ１８とロータ１４の冷却はいずれも液体の供給により行われる。 ステータ１８の冷却は液体により行い、ロータ１４の冷却は気体により行う実施形態については後述する。

ポンプ部１９は、羽根車２０とポンプケーシング２１で構成されている。ポンプケーシング２１は、吸込カバー５２と吐出ケーシング５４とを有する。カバー５２に吸込口２３が設けられ、吐出ケーシング５４に吐出口２５が設けられる。取扱い液 はポンプケーシング２１の吸込口２３から羽根車２０に吸引され、羽根車２０の回転により昇圧されて、ポンプケーシング２１の吐出口２５からポンプ外部に圧送される。なお、ポンプ部１９は高速回転であるため、燃料や酸化剤の吸込性能の向上を目的として、ポンプ部１９には、インデューサ５０を羽根車２０の直前に配置している。

羽根車２０は、モータ部１０によって回転される。モータ部１０は、ロータ１４と、ステータ１８と、モータケーシング３と、ステータキャン７と、主軸２８とを有している。羽根車２０は、ロータ１４が固定されている主軸２８に結合されている。この主軸２８は、モータケーシング３に設けられているラジアル軸受３２で回転可能に支承されている。

モータケーシング３は、モータハウジングまたはモータフレームとも呼ばれる。モータケーシング３は、円筒状の第１モータフレーム５６と、第１モータフレーム５６の両端を塞ぐ軸受カバー５、第２モータフレーム５８、軸受ケーシング６０とを有する。円筒状のステータキャン７は、第１モータフレーム５６の内側に配置される。第１モータフレーム５６、軸受カバー５、第２モータフレーム５８、軸受ケーシング６０は、本実施形態では、別箇の部品であるが、これらの部品の任意の組み合わせを、一体化した部品とすることができる。例えば、軸受カバー５と第１モータフレーム５６と第２モータフレーム５８を、一体化した部品とすることができる。

円筒状のステータキャン７は、軸受カバー５と、第２モータフレーム５８と、軸受ケーシング６０により固定されている。ステータ室２６は、モータケーシング３の第１モータフレーム５６と第２モータフレーム５８、およびステータキャン７により形成されている。このステータ室２６には取扱い液が流入している。モータケーシング３の軸受カバー５
と軸受ケーシング６０には、ラジアル軸受３２が固定されている。

モータケーシング３と主軸２８との間には軸封装置としてメカニカルシール３３が設けられている。ポンプ部１９からロータ室12への液体の流入は、メカニカルシール３３によって防止されている。本図においては、メカニカルシール３３の右側（モータ部10のロータ側）にラジアル軸受３２ａが配置されているが、メカニカルシール３３の左側（ポンプ部19側）にラジアル軸受３２ａを配置してもよい。 この場合、軸受32aの冷却は羽根車20が吐出す取扱い液でなされる。 なおメカニカルシール３３の代わりに、もしくはメカニカルシール３３とともにフローティングリングやラビリンスシールを用いてもよい。

ロータ１４は、ステータ室２６の内部に設けられているステータ１８が発生する電磁気的な作用により回転力を発生している。ロータ１４は、回転軸である主軸２８の周りに配置されたロータコア９０と、ロータコア９０の周りに配置されたロータキャン８８とを有する。

ステータ１８は、略円筒形状で、多数の軸方向スロットを有するステータコア４と、これら軸方向スロットの内部に収められたモータコイル２を有している。モータコイル２の軸方向の両端部にコイルエンド部2aがある。モータコイル２に、例えば後述する駆動回路７４から電力が供給されることで、ステータ１８は回転磁界を発生する。

ロータ１４とステータ１８の間には、非磁性かつ比抵抗の大きな薄肉円筒状の金属製または樹脂性のステータキャン７が設けてある。ロータ１４はステータキャン７の内部に配置されており、ロータ１４は冷却液中に浸漬される。この冷却液は本実施形態では、ポンプ部１９によって昇圧された流体の一部である。

モータ部１０は、ロータ１４を冷却するための冷却液がロータ室１２に流入するように構成されたロータ室入口部６２と、冷却液がロータ室１２から流出するように構成されたロータ室出口部６４とを有する。ロータ室入口部６２は、軸受ケーシング６０内に形成されている。ロータ室入口部６２は、入口６２ａと流路６８を有する。 流路６８は、メカニカルシール３３とラジアル軸受３２ａの位置関係の如何にかかわらず、メカニカルシール３３の右側（モータ部10のロータ側）にあり、ロータコア９０の左側（ポンプ部19側）にある空間に連通している。言い換えると、メカニカルシール33とロータコア90の間に連通している。図１においては 、軸受ケーシング６０と主軸２８との間に設けられている空間６６に連通している。空間６６は、ロータ室１２の一部である。

ロータ室入口部６２の入口６２ａは、軸受ケーシング６０に複数設けてもよい。流路６８も、軸受ケーシング６０に複数設けてもよい。入口６２ａと流路６８との対応は、１対１に限られず、１対多、多対１、多対多でもよい。１対多の場合、例えば流路６８は、主軸２８（回転軸）から見て半径方向に放射状に複数個設けられる。複数個の流路６８と接続される１個の入口６２ａは、軸受ケーシング６０の外周に周方向に開口している。多対１の場合、例えば１個の流路６８が、複数の入口６２ａと接続している。

ロータ室入口部６２は、軸受ケーシング６０以外の部品、例えば、第２モータフレーム５８に設けてもよい。この場合本図では、ロータ室入口部６２は、第２モータフレーム５８とステータキャン７とを貫通して、ロータ室１２に連通する。

流路６８は、軸受ケーシング６０内を半径方向に直線状に設けてもよいし、螺旋 状に設けてもよい。ロータ室出口部６４は、軸受カバー５に設けられ、ロータコア９０とロータ室出口部６４の間にラジアル軸受３２ｂが備えられる。 本実施形態では、ロータ室出口部６４は、軸受カバー５の中心部に設けられる。ロータ室出口部６４は、軸受カバー５
の中心部以外に設けてもよい。また、ロータ室出口部６４は、軸受カバー５に複数個設けてもよい。ロータ室出口部６４は、場合によっては軸受カバー５以外の部品、例えば、第２モータフレーム５８に設けてもよい。

ロータ室１２は、ステータキャン７と、軸受カバー５と、軸受ケーシング６０によって形成されている。ロータ室入口部６２から、矢印７０で示すように流入した冷却液は、空間６６、ラジアル軸受３２ａを通り抜けて、ステータキャン７の内部（ラジアル軸受３２ａの右側のロータ室１２）に流入する。冷却液は、さらにステータキャン７の内部（ロータ１４の外周（例えば、ロータキャン８８とステータキャン７との間の隙間）等）およびラジアル軸受３２ｂを通り抜ける。冷却液は、その後、ロータ室出口部６４から、矢印７２で示すように流出し、その後、燃焼室に送られる。

冷却液は、本図とは逆に流入してもよい。すなわち冷却液は、ロータ室出口部６４から流入し、ロータ室入口部６２から流出してもよい。冷却液が本図１のようにロータ室入口部６２から流入する場合、以下の利点がある。ロータ室入口部６２から空間６６に流入した冷却液の圧力が、空間７３（メカニカルシール３３を介して空間６６に対向する空間）に存在する流体の圧力よりも高い場合、空間７３内の流体が空間６６に漏れてくることを防止できる。

ステータキャン７とモータケーシング３との間には、密閉空間であるステータ室２６が形成されている。ステータ１８はこの密閉空間内に配置される。隔壁として機能するステータキャン７をステータ１８の内側に設けることで、ロータ室１２内の冷却液がステータ１８へ浸入することを防止している。

キャンドモータポンプ は、ロータ１４が、冷却液に浸漬された状態で回転するため、冷却液とロータ１４との間で摩擦損失が発生する。そのため、キャンドモータポンプは危険液体など特にその外部への漏出を嫌う場合など特殊な用途に用いられることが多い。

キャンドモータポンプでは通常、ロータ１４、軸受３２、ステータキャン７等で発生する機械的、電磁気的損失により発生する熱は、ロータ１４の周囲に存在する冷却液に伝達される。本図の例では羽根車２０で加圧された取扱い液の一部を、ロータ１４等の冷却液としてロータ室入口部６２からロータ室１２に導いている。

ロータ室１２内の冷却液は、本図の左側のラジアル軸受３２a を冷却した後、ロータ１４とステータキャン７の内周面との隙間を通過する時にその部分の発生熱を取り去る。次に、本図の右側のラジアル軸受３２bを通過して最終的にロータ室出口部６４から流出する。ステータコア４やモータコイル２で発生した電気的損失に起因する発熱の一部は、ステータコア４の内側に配置されたステータキャン７を介してロータ室１２内の冷却液で除去される。

しかしロータ１４が高速回転（1万〜10万rpm）する場合、ステータ１８で発生した電気的損失が従来のキャンドモータポンプに比べ大きくなる。このため、従来のようにステータからロータ周囲の取扱い液に熱を逃がすと、ロータ周囲の取扱い液が低沸点の液体水素や液体メタンなどの液体燃料であるので、ステータ１８から受ける多量の熱により、ステータとロータの間を流れる取扱い液のガス化（気化）が促進されてしまう。このことにより、ステータとロータの間を取扱い液は流れにくくなり、 ステータのコイルエンドの冷却が困難となり、結果的に、ステータとロータの温度が急上昇して機能停止に至る虞がある。そこまでいかなくても、ステータとロータの間を流れる取扱い液のガス化（気化）によりロータや、その他の回転体が振動を起こすという虞がある。

本願発明では、以上の現象の発生の虞を想定し、ロータ室１２内の冷却液には、極力ステータからの熱を供給することなく、ロータの高速回転により発生する回転摩擦等の損失熱の除去の担当を担わせ、一方、ステータ室26内の冷却液には優先的にステータおよびステータのコイルエンドの冷却を行い、極力ステータからの熱をロータに供給しないようにすることで、 キャンドモータのロータとステータの冷却を効率的に行うことを目的としたものである。

ステータ１８とポンプ部19の間のモータケーシング3の外壁に備えたステータ室入口部４３から、矢印８２で示すように冷却液がステータ室２６に流入して、ステータ１８のポンプ部19とは反対の側のモータケーシング3の外壁に備えたステータ室出口部４４から、矢印８４で示すように流出する。

ステータ室の熱を極力ロータ室に供給しないために、ステータ室に供給する冷却液の温度は、ロータ室に供給する冷却液の温度以下とすることが好ましい。このようにすることで、ステータ室の熱がロータ室に伝熱しにくくなる。また、ステータ室に供給する冷却液とロータ室に供給する冷却液の関係が上流と下流の関係（シリーズ）にならないように、供給源から分岐してパラレルにステータ室とロータ室に個別に供給することが好ましい。
ステータ室、ロータ室に個別に冷却液を供給することで、各冷却液が、各々の冷却対象に集中した冷却ができる。あるいは、ステータ室に供給する液の流れの向きは、ロータ室に供給する液の流れの向きと軸方向には同じ向きに流すことが好ましい。このようにすると、両者が互いに対面流（カウンター流）の場合に比べて熱交換がしにくくなる。また、あるいは、構造的にステータキャンの素材を熱伝導率の低い材料（樹脂材、樹脂材（膜）と金属材の併用）にしたり、ステータキャンの二重側壁構造とし壁間を真空とするなど断熱効果を高めることも好ましい。このようにするとステータ室の熱がロータ室に伝熱しにくくなり、各冷却液が、各々の冷却対象に集中した冷却ができる。 尚、以上いずれかの方策、あるいは複数の組み合わせからなる対策を行うことが好ましい。このことにより、例えば、ステータ室に供給する液の流れの向きがロータ室に供給する液の流れの向きと軸方向には逆向き流すとしても、その他の例えば、ステータ室に供給する冷却液の温度は、ロータ室に供給する冷却液の温度以下とすることなどによって本発明は実施される。

以上の様に、熱的な意味でロータ室１２内の冷却液とは別の冷却液により直接的にステータ１８を冷却する。ステータ室２６内において冷却液は、ステータコア４およびコイルエンド部２ａの外周面に直接的に接触しており、ステータ１８の冷却を効率的に行うことができる。ステータ室入口部４３およびステータ室出口部４４は複数設けてもよい。

なお、ステータ室２６内の冷却液の流れる方向は、本図と逆でもよい。すなわち、ステータ室出口部４４から、矢印８４と反対方向に冷却液がステータ室２６に流入して、ステータ室入口部４３から、矢印８２と反対方向に流出してもよい。 なお、モータ部１０には、メカニカルシール３３を装着するためのスタフィングボックス１４８が設けられている。

次に、モータ部１０が駆動回路室を有する場合に、駆動回路室を冷却することついて図１により説明する。モータ部１０は、駆動回路室７６に配置されてロータ１４を駆動するように構成された駆動回路７４と、駆動回路７４を冷却するための冷却液が駆動回路室７６に流入するように構成された駆動回路室入口部７８と、冷却液が駆動回路室７６から流出するように構成された駆動回路室出口部８０とを有する。駆動回路７４としては、ロータ１４の回転速度を連続的に制御できるインバータ等がある。なお、駆動回路室７６は、発熱量が少ない場合は冷却しなくてもよい。冷却しなくてもよい場合があることを示すために、本図では、駆動回路室７６は点線で表示してある。

本図の実施形態では駆動回路室７６は、駆動回路室７６の筐体１５０が、ねじ等の固定具により第１モータフレーム５６に固定されている。筐体１５０は、取付部１５２において、第１モータフレーム５６に固定されている。駆動回路室７６は、第１モータフレーム５６以外のモータ部１０の部品に固定されていてもよい。駆動回路室７６の形状は、直方体、もしくは第１モータフレーム５６の外形に合わせたシリンダ形状が可能である。

さらに、駆動回路室７６は、モータ部１０とは別箇独立の装置でもよい。本図では、駆動回路室入口部７８は、第１モータフレーム５６への取付部に配置している。さらに、駆動回路室入口部７８はステータ室出口部４４と同一の位置に設けられている。駆動回路室入口部７８は直接、ステータ室出口部４４と接続されている。駆動回路室入口部７８とステータ室出口部４４は、異なる位置に設けてもよい。その場合は、配管で接続されていてもよい。

駆動回路室７６内の冷却液は、駆動回路室入口部７８から、矢印８４で示すように駆動回路室７６に流入する。冷却液は駆動回路７４の表面を流れて、駆動回路７４を冷却する。その後、冷却液は駆動回路室出口部８０から、矢印８６で示すように流出する。本図に示すように、ステータ室２６と駆動回路室７６は、冷却液の流れに関して直列に接続されている。すなわち、ステータ室２６内を冷却した冷却液が駆動回路室７６内に流入している。なお、駆動回路室７６内を冷却した冷却液がステータ室２６内に流入することとしてもよい。また、ステータ室２６と駆動回路室７６は、冷却液の流れに関して並列に接続されてもよい。

本実施形態では、ロータ室１２とステータ室２６と駆動回路室７６を流れる冷却液は同一種類の液体であり、ポンプ部１９の取扱い液である。取扱い液はたとえば、液体燃料ロケットの燃料である液体メタン、ケロシン、液体水素等の電気絶縁性を有する液体である。なお、ロータ室１２とステータ室２６とを流れる冷却液として同一種類の液体を用いることができる場合、ステータキャン７に貫通孔を設けて、ロータ室１２からステータ室２６を直結してもよい場合がある。このようなときは、ロータ室１２からステータ室２６へ、もしくはステータ室２６からロータ室１２へ貫通孔を介して冷却液を流す。

なお、ロータ室１２とステータ室２６に冷却液を供給するときに、後述の図３に示すように、ステータ室２６に冷却液を供給してもよい。すなわち、モータコイル２の軸方向の両端部であってコイルエンド部2aの各々近傍のモータケーシング３に、ステータ室入口部４３１とステータ室入口部４３２を設ける。また、これらの略間の位置のモータケーシング３にステータ室出口部４４１を設けて、ステータ室入口部４３１とステータ室入口部４３２からステータ室に矢印８２のように液体燃料を供給する。

供給した液体燃料は、ステータ４の隙間１５４を通ってステータ室入口部４４１から矢印８４のように回収される。これにより、ステータ室入口部４３１とステータ室入口部４３２から矢印８２のように供給された液体燃料がコイルエンド2aに優先的に接触してはじめに冷却するので、金属などの固体の伝熱では冷却しにくいコイルエンド2aの冷却を、軸方向の両端部で効率的に行うことができる。供給された液体燃料が、矢印１５４のようにステータ４の隙間を通ってステータ室入口部４４１から矢印８４のように回収される過程で、ステータコア全域を冷却できる。

次に、ロータ１４を冷却するための冷却ガスがロータ室１２に流入するように構成されたロータ室入口部６２と、冷却ガスがロータ室１２から流出するように構成されたロータ室出口部６４とを有するキャンドモータの別の実施形態について図１により説明する。

本実施形態では、ステータ１８の冷却は液体を供給することにより行い、ロータ１４の
冷却は気体を供給することにより行う。この実施形態は、ロータ１４が高速回転（1万〜10万rpm）する場合に、ロータ１４を冷却液で冷却すると、冷却液による回転摩擦損失が大きくなり、高速回転に支障が生じるという問題を解決するために、冷却ガスによって回転摩擦損失を低減したキャンドモータを提供するものである。

本実施形態では、冷却ガスがロータ室入口部６２からロータ室１２に流入して、ロータ室１２を流れて、ロータ室出口部６４から流出する。このため、ロータ１４の外周（例えば、ロータキャン８８とステータキャン７との間の隙間）には、ヘリウムや水素、メタンなどのロータを冷却するための冷却ガスが供給される。ガスによる回転摩擦損失は、液体による回転摩擦損失よりも小さいため、ロータ１４の高速回転により生じる摩擦損失を低減しつつ、ロータ１４を冷却することができる。この場合、ロータ１４の高速回転により生じる摩擦損失が減少するのでモータに入力する電力量を低減でき、ステータにおける発熱ロスも低減できる。

既述の実施形態では、冷却液がロータ室１２に流入する。しかし本実施形態では、冷却ガスがロータ室１２に流入する。ここで、既述の実施形態と本実施形態では、冷却に用いられる物質が液体であるか、ガスであるかという違いがあるが、ポンプ部１９とモータ部１０の構成は同一とすることができる。このため、図１を用いて既述した部分で本実施形態と重複する部分は説明を省略し、新たな内容に関して本実施形態を説明する。

冷却ガスは、例えば、ヘリウムガスである。ヘリウムガスはロケットにおいてバルブの操作、軸シール用のパージガス等に用いられるため、ロケットに搭載されている場合がある。ヘリウムガスがバルブの操作、軸シール用のパージガス等としてロケットに搭載されていない場合は、冷却のためにヘリウムガスをロケットに搭載する。 冷却ガスは、ロケットエンジンの燃料をガス化したものを用いることもできる。

ロータ室入口部６２から、矢印７０で示すように流入した冷却ガスは、空間６６とラジアル軸受３２ａを通り抜けてステータキャン７の内部（ロータ室１２）に流入する。冷却ガスは、さらにステータキャン７の内部およびラジアル軸受３２ｂを通り抜けて、ロータ室出口部６４から、矢印７２で示すように流出する。その後、冷却ガスは、大気中もしくは宇宙空間に放出される。なお、冷却ガスが、ロケットエンジンの燃料をガス化したものである場合は、冷却ガスを燃焼室に送ってもよい。

次に、ステータ２のコイルエンド２ａに直ちに冷却液が当たるように２個のステータ室入口部４３１，４３２と，１個のステータ室出口部４４１を設けて、ステータ室入口部４３１，４３２からステータ室２６内に冷却液を供給する実施形態について図３により説明する。本図に示す実施形態では図１に示すステータ室入口部４３と、ステータ室出口部４４のほぼ中間の位置に設けたステータ室出口部４４１からステータ室内の冷却液を取り出す。ステータ室入口部４３１とステータ室入口部４３２の位置は、それぞれステータ室入口部４３とステータ室出口部４４の位置とほぼ同じである。ステータ室出口部４４１は、ステータ室入口部４３とステータ室出口部４４のほぼ中間の位置である。なお、図３に示すステータ室入口部４３１，ステータ室入口部４３２，ステータ室出口部４４１の位置は一例であり、他の位置でもよい。ステータ室入口部４３１とステータ室入口部４３２が、モータの軸方向においてステータ１８の両側に，かつコイルエンド２ａの近傍に位置することが好ましい。

冷却液は、矢印８２で示すように、ステータ室入口部４３１とステータ室入口部４３２から流入し、矢印１５４のようにステータ室出口部４４１に向かって流れる。冷却液はステータ１８を冷却した後に、ステータ室出口部４４１から矢印８４で示すように流出する。

次に、既述のロータをガスで冷却を行う実施形態のキャンドモータ を用いたロケットエンジンシステムについて図２により説明する。図２は、ロケットエンジンシステム９２の全体構成を示すブロック図である。ロケットエンジンシステム９２は、ガス冷却を行う実施形態のキャンドモータを２個有する。すなわち、ロケットエンジンシステム９２は、２個のモータ部１０のうちの１つ（モータ部１０ａ）により駆動されるように構成された燃料供給ポンプであるポンプ部１９ａと、２個のモータ部１０のうちの他の１つ（モータ部１０ｂ）により駆動されるように構成された酸化剤供給ポンプであるポンプ部１９ｂを有する。

また、ロケットエンジンシステム９２は、ポンプ部１９ａにより燃料が供給され、かつポンプ部１９ｂにより酸化剤が供給されるように構成された燃焼室９４と、燃焼室９４での燃焼により生成されたガスを噴出するためのノズル９６とを有する。液体水素や液体メタン 等の燃料は、燃料タンク９８から配管１００によりポンプ部１９ａに送られて、ポンプ部１９ａにより高圧にされた後に、配管１０２に送られる。

燃料は配管１０２から分岐部１０４により、ノズル９６に向かう配管１０６と、モータ部１０に向かう配管１０８とに分配される。分岐部１０４は例えば、配管１０２から配管１０６と配管１０８に分岐する分岐配管と、配管１０６と配管１０８にそれぞれ設けられた制御弁とを有する。各制御弁により配管１０６と配管１０８に燃料を流すかどうかが制御される。以下に示す分岐部についても同様の構成とすることができる。

なお本実施形態では分岐部の上流側は分岐部の下流側よりも高圧であるため、分岐部において制御弁なしとしてもよい。配管１０６により燃料はノズル９６と燃焼室９４の冷却のために、ノズル９６と燃焼室９４の外周を経由して、燃焼室９４内に送られる。

一方、 燃料は配管１０８から、分岐部１１０により、モータ部１０ａに向かう配管１１２と、モータ部１０ｂに向かう配管１１４とに分配される。燃料は配管１１２によりモータ部１０ａに送られて、モータ部１０ａのステータ１８を冷却した後に、配管１１６から流出する。流出した燃料は配管１１６から、合流部 １１８により、配管１０６から来た燃料と合流されて、配管１２０に送られて、その後、燃焼室９４に送られる。

また一方、燃料は配管１１４によりモータ部１０ｂに送られて、モータ部１０ｂのステータ１８を冷却した後に、配管１２２から流出する。流出した燃料は配管１２２から、合流部１２４により、配管１２０から来た燃料と合流されて、配管１２６に送られて、その後、燃焼室９４に送られる。

モータ部１０のロータ１４を冷却するためのヘリウムガスの搬送経路について説明する。ヘリウムガスは、ヘリウムガスタンク１２８から配管１３０により分岐部１３２に送られる。ヘリウムガスは配管１３０から分岐部１３２により、モータ部１０ａに向かう配管１３４とモータ部１０ｂに向かう配管１３６とに分配される。ヘリウムガスは配管１３４によりモータ部１０ａに送られて、モータ部１０ａのロータ１４を冷却した後に、配管１３８から流出する。流出したヘリウムガスは、大気中もしくは宇宙空間に放出される。ヘリウムガスは配管１３６によりモータ部１０ｂに送られて、モータ部１０ｂのロータ１４を冷却した後に、配管１４０から流出する。流出したヘリウムガスは、大気中もしくは宇宙空間に放出される。

次に、酸化剤の搬送経路について説明する。酸化剤は、酸化剤タンク１４２から配管１４４によりポンプ部１９ｂに送られて、ポンプ部１９ｂにより高圧にされた後に、配管１４６に送られる。酸化剤は、配管１４６を経由して燃焼室９４内に送られる。

本図において、モータ部１０を冷却するための冷却液（燃料）は、モータ部１０ａのステータ室２６とモータ部１０ｂのステータ室２６に並列に供給されている。同様にモータ部１０を冷却するためのヘリウムガスは、モータ部１０ａのロータ室１２とモータ部１０ｂのロータ室１２に並列に供給されている。

冷却液は、モータ部１０ａとモータ部１０ｂのステータ室２６に直列に供給してもよい。同様にヘリウムガスは、モータ部１０ａとモータ部１０ｂのロータ室１２に直列に供給してもよい。すなわち、冷却液をモータ部１０ａのステータ室２６に供給した後にモータ部１０ｂのステータ室２６に、または逆に、モータ部１０ｂのステータ室２６に供給した後にモータ部１０ａのステータ室２６に供給してもよい。

同様にヘリウムガスをモータ部１０ａのロータ室１２に供給した後にモータ部１０ｂのロータ室１２に、または逆に、モータ部１０ｂのロータ室１２に供給した後にモータ部１０ａのロータ室１２に、供給してもよい。

図２においては、ヘリウムガスをロータ１４の冷却に用いているが、既述のように燃料をロータ１４の冷却に用いてもよい。これについて、図４、５により説明する。図４、５は本発明の他の一実施形態に係るロケットエンジンシステムの全体構成を示すブロック図である。本図は、燃料ポンプによって加圧された燃料を、酸化剤用、燃料用の各キャンドモータのロータ室に供給する場合（すなわち図１）のキャンドモータの冷却方法を示す。

図４，５において、酸化剤用ポンプを駆動するモータ部１０ｂでは、燃料をロータ室１２用に入口６２ａに供給する。燃料を、モータ部１０ｂのステータ室２６用にステータ室入口部４３に供給する。燃料は配管１１４から、分岐部１５８により、入口６２ａに向かう配管１６０と、ステータ室入口部４３に向かう配管１６２とに分配される。燃料は、ロータ室１２とステータ室２６を通過した後に、図示しない配管と、この配管の合流部を経て配管１２２へと流出する。

燃料用ポンプを駆動するモータ部１０ａでは燃料を、酸化剤ポンプと同じ方法、もしくは入口６２ａを用いないでメカニカルシール３３の隙間からもしくはメカニカルシール33を設けず、吐出しケーシング54とロータ室12の間の主軸28の周囲に形成された空間を通過させ 、ロータ室１２に供給する。酸化剤ポンプと同じ方法の場合、燃料は配管１１２から、分岐部１６８により、入口６２ａに向かう配管１７０と、ステータ室入口部４３に向かう配管１７２とに分配される。配管１７０は、燃料をロータ室１２用に入口６２ａに供給する。配管１７２は燃料をステータ室２６用にステータ室入口部４３に供給する。燃料は、ロータ室１２とステータ室２６を通過した後に、図示しない配管と、この配管の合流部を経て配管１１６へと流出する。

図５の実線１５６は、入口６２ａを用いないでメカニカルシール３３の隙間からもしくはメカニカルシール33を設けず、吐出しケーシング54とロータ室12の間の主軸28の周囲に形成された空間を通過 し、ロータ室１２に供給される燃料の流れを示す。燃料は、ステータ室２６用にステータ室入口部４３に配管１１２から供給される。燃料は、ロータ室１２とステータ室２６を通過した後に、図示しない配管と、この配管の合流部を経て配管１１６へと流出する。液体燃料ロケットは、図２，４，５に示すロケットエンジンシステムを有することができる。

以上、本発明の実施形態の例について説明してきたが、上記した発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明には、その均等物が
含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

２…モータコイル
２ａ…コイルエンド部
３…モータケーシング
４…ステータコア
５…軸受カバー
６…ロータ
７…ステータキャン
１０…モータ部
１０ａ…モータ部
１０ｂ…モータ部
１２…ロータ室
１４…ロータ
１８…ステータ
１９…ポンプ部
１９ａ…ポンプ部
１９ｂ…ポンプ部
２０…羽根車
２１…ポンプケーシング
２３…吸込口
２５…吐出口
２６…ステータ室
２８…主軸
３２…ラジアル軸受
４３…ステータ室入口部
４４…ステータ室出口部
５２…吸込カバー
５４…吐出ケーシング
５６…第１モータフレーム
５８…第２モータフレーム
６０…軸受ケーシング
６２…ロータ室入口部
６２ａ…入口
６４…ロータ室出口部
６６…空間
６８…流路
７４…駆動回路
７６…駆動回路室
７８…駆動回路室入口部
８０…駆動回路室出口部
８８…ロータキャン
９０…ロータコア
９２…ロケットエンジンシステム
９４…燃焼室
９６…ノズル
９８…燃料タンク
１２８…ヘリウムガスタンク
１４２…酸化剤

Claims (11)

1. ステータ室に配置されるステータと、
   ロータ室に配置されるロータと、
   前記ロータを囲むキャンとを有し、前記ロータを冷却するための冷却液が前記ロータ室に流入するように構成されたロータ室入口部と、
   前記冷却液が前記ロータ室から流出するように構成されたロータ室出口部とを有するキャンドモータにおいて、
   前記ステータを冷却するための冷却液が前記ステータ室に流入するように構成されたステータ室入口部と、
   前記ステータ室入口部から流入した冷却液が前記ステータ室から流出するように構成されたステータ室出口部とを有することを特徴とするキャンドモータ。
2. ステータ室に配置されるステータと、
   ロータ室に配置されるロータと、
   前記ロータを囲むキャンとを有するキャンドモータにおいて、
   前記ロータを冷却するための冷却ガスが前記ロータ室に流入するように構成されたロータ室入口部と、
   前記冷却ガスが前記ロータ室から流出するように構成されたロータ室出口部とを有することを特徴とするキャンドモータ。
3. 前記ステータを冷却するための冷却液が前記ステータ室に流入するように構成されたステータ室入口部と、
   前記冷却液が前記ステータ室から流出するように構成されたステータ室出口部とを有することを特徴とする請求項２記載のキャンドモータ。
4. 前記ロータは、毎分１万回から１０万回、回転するように構成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のキャンドモータ。
5. 前記冷却液は、前記キャンドモータの取扱い液であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のキャンドモータ。
6. 前記キャンドモータは、駆動回路室に配置されて前記ロータを駆動するように構成された駆動回路と、
   前記駆動回路を冷却するための冷却液が前記駆動回路室に流入するように構成された駆動回路室入口部と、
   該冷却液が前記駆動回路室から流出するように構成された駆動回路室出口部とを有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のキャンドモータ。
7. 前記ステータ室と前記駆動回路室は、前記冷却液の流れに関して直列に接続されることを特徴とする請求項６記載のキャンドモータ。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のキャンドモータを複数個有し、さらに、
   前記複数個のキャンドモータのうちの１つにより駆動されるように構成された燃料供給ポンプと、
   前記複数個のキャンドモータのうちの他の１つにより駆動されるように構成された酸化剤供給ポンプと、
   前記燃料供給ポンプにより燃料が供給され、かつ前記酸化剤供給ポンプにより酸化剤が供給されるように構成された燃焼室とを有することを特徴とするロケットエンジンシステム。
9. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のキャンドモータを複数個有し、さらに、
   前記複数個のキャンドモータのうちの１つにより駆動されるように構成された燃料供給ポンプと、
   前記燃料供給ポンプにより前記燃料が、前記複数個のキャンドモータに供給されるように構成されたことを特徴とするロケットエンジンシステム。
10. キャンドモータを複数個有し、
    前記複数個のキャンドモータのうちの１つにより駆動されるように構成された燃料供給ポンプと、
    前記燃料供給ポンプにより前記燃料が、前記複数個のキャンドモータに供給されるように構成されたことを特徴とするロケットエンジンシステム。
11. 請求項８ないし１０のいずれか１項に記載のロケットエンジンシステムを有することを特徴とする液体燃料ロケット。
    

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