JP4602397B2 - 極低温流体供給排出用装置および超電導装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体窒素や液体ヘリウムなどの極低温流体を超電導モータなどの回転機械の回転軸を介して、極低温流体を冷却必要箇所に供給するとともに排出するための極低温流体供給排出用装置と、それを用いた超電導装置に係り、さらに詳しくは、断熱性に優れ、極低温流体の外部への漏出を極小とし、動力損失がきわめて小さく、コンパクトであり、しかも耐久性、信頼性およびメンテナンス性に優れ、低コストの極低温流体供給排出用装置と、それを用いた超電導装置に関する。

超電導モータなどの超電導装置は、超電導状態を維持させるために、液体窒素や液体ヘリウムなどの極低温流体を、超電導が必要な箇所に供給する必要がある。特に、超電導モータでは、超電導が必要な箇所に極低温流体を効率よく供給および排出する必要があり、極低温流体の供給装置から超電導の必要箇所への流路が問題となる。

特開２００４−２３５６２５号公報の図８には、極低温流体を超電導モータのロータ部分に供給する極低温流体供給排出用装置が概念的に示してある。特許文献１に記載してある超電導モータでは、ロータアッセンブリの円盤状回転子が単一であり、その周囲に極低温流体を供給するための極低温流体供給排出用装置の構成も単純である。

しかしながら、この特開２００４−２３５６２５号公報に記載の超電導モータにおいては、ロータの回転子が極低温流体に浸されたままで回転するために、動力ロスが大きく、実用化が困難である。また、モータの出力を大きくするために、円盤状回転子を軸方向に沿って複数にする必要があるが、その場合に、各回転子の外周毎に、特開２００４−２３５６２５号公報に示す構成の極低温流体供給排出用装置を取り付けるとすると、超電導モータの装置全体が大きくなる。

また、特開２００３−６５４７７号公報の図９には、極低温流体を超電導モータのロータアッセンブリに供給する極低温流体供給排出用装置として、二重管構造を用い、二重管の内部の一方を極低温流体の流入用通路とし、他方を流出用通路としている。この特開２００３−６５４７７号公報に記載してある超電導モータにおいては、極低温流体が供給される流路は単一であり、複数の流路で複数箇所を同時に冷却するような構造にはなっていない。

しかも、特開２００３−６５４７７号公報に記載の発明では、その図１に示すように、ロータアッセンブリの全外周を断熱のために真空キャビティ（特許文献２の図１では、符号１６）で覆う構成になっている。そのため、特開２００３−６５４７７号公報に示す装置を用いて、超電導装置の複数の回転子を冷却しようとすると、真空キャビティが大きく成り、装置全体が大きく成る。

また、特許第２８３８０１３号公報の図７で示すように、ロータリアッセンブリの回転軸に形成してある軸孔を通して冷媒を流通させようとする極低温流体供給排出用装置も知られている。しかしながら、この特許文献３に示す極低温流体供給排出用装置においても、極低温流体が供給される流路は単一であり、複数の流路で複数箇所を同時に冷却するような構造にはなっていない。

複数の流路で複数箇所を同時に冷却するためには、シール箇所を多数設ける必要がある。そのため、シールが不適切であると、極低温流体が装置の外部に漏れるおそれがある。また、シール箇所を多数設ける場合には、回転軸と直接に摺動する箇所が多くなり、トルクロスが生じやすい。

なお、特開２００４−１９９１２号公報に示すように、半導体ウエハの表面を研磨するための研磨装置などで用いられるロータリジョイントは知られている。

しかしながら、この従来のロータリジョイントは、極低温流体を供給することを前提としておらず、断熱性には考慮されていなかった。特に、真空断熱するための流路については考慮する必要もなかった。断熱が不十分であると、極低温流体は揮発し、摺動部でドライ摺動になりやすく、シールおよび相手摺動部が摩耗し、早期に密封性が損なわれ、外部に漏出し易い。そのような不都合を避けるために、装置の全体を真空断熱しようとすると、真空断熱のための装置が大きく成りすぎて現実的ではない。また、極低温流体が流通する各流路毎に、真空断熱空間で覆うことは、各流路毎に、真空引きのための流路を必要とし、これも現実的ではない。

そこで、複数の回転部分に、異なる流路で極低温流体を供給することが可能でありながら、必要最小限の部分で、効率的に真空断熱を行い、極低温流体が暖められてガス化することを防止し、しかも、極低温流体の外部への漏出を極小とし、動力損失がきわめて小さく、コンパクトであり、しかも耐久性、信頼性およびメンテナンス性に優れ、低コストの極低温流体供給排出用装置が求められていた。
特開２００４−２３５６２５号公報（図８） 特開２００３−６５４７７号公報（図９） 特許第２８３８０１３号公報 特開２００４−１９９１２号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、断熱性に優れ、極低温流体の外部への漏出を極小とし、動力損失がきわめて小さく、コンパクトであり、しかも耐久性、信頼性およびメンテナンス性に優れ、低コストの極低温流体供給排出用装置と、それを用いた超電導装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る極低温流体供給排出用装置は、
液体窒素や液体ヘリウムなどの極低温流体を、ロータアッセンブリにおける複数の冷却必要箇所に供給および排出する極低温流体供給排出用装置であって、
前記ロータアッセンブリの回転軸の軸端にロータリジョイントが接続してあり、
前記ロータリジョイントは、
前記ロータアッセンブリの回転軸に対して着脱自在に連結される回転継手軸と、
前記回転継手軸を覆うように配置され、前記回転継手軸の回転に対して静止しているケーシングと、を有し、
前記ロータアッセンブリにおける複数の冷却必要箇所と各々連通するように、前記回転継手軸の円周方向に沿って異なる位置で、前記回転継手軸の軸方向に沿って、複数の継手側流路が前記回転継手軸に形成してあり、
それぞれの前記継手側流路における軸方向に沿って各々異なる軸方向長さの位置で、当該継手側流路にそれぞれ連通するように、前記回転継手軸の外周に、回転連通孔が形成してあり、
それぞれ軸方向に異なる位置に形成してある前記回転連通孔のうち、軸方向に一つ置きの回転連通孔の位置で、前記回転継手軸の外周に、回転リングが固定してあり、
各回転リングの外周には、当該回転リングが位置する部分に形成してある前記回転連通孔に対して連通する回転リング孔が形成してあり、
前記ケーシングには、前記回転連通孔および前記回転リング孔のそれぞれに対応する複数の軸方向位置に、前記回転連通孔または前記回転リング孔のそれぞれに連通する固定接続口が形成してあり、
前記回転リングの軸方向面に対して摺動し、軸方向に相互に隣り合う前記回転連通孔の相互間を密封するシール部材が前記ケーシングの内側に具備してあり、
前記回転継手軸の中心には、前記ロータアッセンブリの真空断熱空間に連通する真空引き用軸孔が軸方向に沿って形成してあり、
前記ケーシングには、複数の前記固定接続口の軸方向外側に位置する部分に、前記真空引き用軸孔に連通する真空用固定接続口が形成してあり、
前記回転継手軸および前記回転リングのうち、少なくとも前記極低温流体と接触する部分が、金属よりも断熱性に優れた部材で構成してあると共に、
前記真空用固定接続口および前記固定接続口が形成してあるケーシングの一部で、少なくとも前記極低温流体と接触する部分が、金属よりも断熱性に優れた部材で構成してあることを特徴とする。

本発明では、軸方向に一つ置きの回転連通孔の位置で、回転継手軸の外周に、回転リングが固定してあり、シール部材が、回転リングの軸方向面に対して摺動し、ケーシング内で軸方向に相互に隣り合う極低温流体用流路の間をシールしている。そのため、静止部材に形成された固定接続口から、回転する部分である回転連通孔または回転リング孔へと極低温流体が流通する部分において、シール部材の数を低減し、効率的に極低温流体を密封することができる。

また、本発明では、回転継手軸の中心には、ロータアッセンブリの真空断熱空間に連通する真空引き用軸孔が軸方向に沿って形成してあり、ケーシングには、複数の固定接続口の軸方向外側（ロータアッセンブリとの接続部分から最も遠い側）に位置する部分に、真空引き用軸孔に連通する真空用固定接続口が形成してある。このため、真空断熱空間が、ロータアッセンブリとの接続部分から最も遠い側に形成され、真空引き用軸孔を通してロータアッセンブリの真空断熱空間に至り、ロータアッセンブリの中空部を真空断熱空間にすることができる。

そのため、ケーシングに形成された複数の固定接続口から回転継手軸の回転連通孔または回転リング孔を通り、回転継手軸内の継手側流路へと至る極低温流体の流路は、回転継手軸の軸方向外側に形成してある真空断熱空間と、金属よりも断熱性に優れた部材とにより、効率的に断熱される。また、超電導装置におけるロータアッセンブリの回転軸の中空部が、回転継手軸の真空引き用軸孔と連通していることから、その中空部も真空断熱空間となり、その内部に配置してあるチューブの断熱性が向上する。チューブの内部には、極低温流体が流通する。

これらのチューブは、ロータアッセンブリにおける冷却が必要な複数位置にそれぞれ連通してあり、各箇所を個別に冷却することができる。

また、本発明では、回転継手軸および回転リングのうち、少なくとも極低温流体と接触する部分が、金属よりも断熱性に優れた部材で構成してあると共に、真空用固定接続口および前記固定接続口が形成してあるケーシングの一部で、少なくとも前記極低温流体と接触する部分が、金属よりも断熱性に優れた部材で構成してある。このため、ロータリジョイントの内部で極低温流体が流通する部分では、金属に接触する部分が極力少なくなり、この点でも断熱性が向上する。

したがって、本発明では、ロータリジョイントの静止部分から回転部分と、その回転部分から超電導装置のロータアッセンブリ部分における冷却必要箇所へと至る全ての箇所において、極低温流体が暖められてガス化することを最小限に抑制することができる。

また、本発明では、ロータリジョイントのケーシングにおいて、極低温流体の入口となる固定接続口が、軸方向に隣接して形成してあり、静止部材から回転部材に至る極低温流体の流路が軸方向に隣接して形成してあり、それらの軸方向外側に真空空間が形成される。このため、ケーシングの内部において、極低温流体のケーシング外部への漏洩を防止するためのシール箇所は、回転継手軸の軸方向内側（ロータアッセンブリの回転軸との連結部分に近い側）の一カ所になり、極低温流体の外部への漏出を極小とすることができる。

また、本発明では、極低温流体の入口となる固定接続口が、軸方向に隣接して形成してあり、静止部材から回転部材に至る極低温流体の流路が軸方向に隣接して形成してあることから、それらの流路では、相互に冷却し合い、外部からの入熱経路を遮断することができる。

さらに、ロータリージョイントがコンパクトで、外部との伝熱面積を極少とすることができる。また、本発明では、真空断熱フレキシブルチューブを用いることなく、ロータリジョイントからロータアッセンブリの中空部に極低温流体を導入することができる。

したがって、本発明によれば、動力損失がきわめて小さく、コンパクトであり、しかも耐久性、信頼性およびメンテナンス性に優れ、低コストの極低温流体供給排出用装置を実現することができる。

好ましくは、前記回転継手軸には、真空引き用軸孔が貫通して形成してあり、前記回転継手軸の軸方向外側端部の周囲が、前記真空用固定接続口に連通する軸端真空室となっている。このように構成することで、真空断熱効果が向上する。また、回転継手軸における軸方向外側端部の全体が真空断熱されるために、ケーシングにおける回転継手軸の軸方向外側端部側のカバー部材は、必ずしも断熱部材で構成する必要が無くなり、金属部材で構成しても良い。

好ましくは、前記軸端真空室には、前記回転継手軸をケーシングの内側に対して回転自在に保持する軸受が配置してある。軸端真空室に軸受を配置することで、スペースの有効利用を図ることができる。なお、本発明では、軸受におけるベアリング外輪が装着されるケーシングのボディを金属として、その外周を暖め、軸受が凍結しないように構成しても良い。

好ましくは、前記ケーシングに形成してある固定接続口のうち、前記超電導装置に近い位置に配置してある固定接続口が、極低温流体の戻り口である。このように構成することで、極低温流体の供給用流路に対する外部からの入熱経路を遮断することができる。

好ましくは、前記ケーシングにおいて、前記戻り口に相当する前記固定接続口よりもさらに前記超電導装置に近い位置には、ドレン用固定接続口が形成してある。このように構成することで、ケーシング外部への極低温流体の漏洩を極力防止できると共に、外部からの入熱経路を遮断することができる。

好ましくは、前記断熱性に優れた部材が、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）である。ＦＲＰで構成することにより、金属よりも断熱性が向上すると共に、機械的強度も十分であり、特に好ましい。

好ましくは、前記シール部材が、ベローズシールである。ベローズシールは、金属ベローズと摺動部とから成る金属ベローズシールであることが好ましく、さらに、この金属ベローズは、低温脆性に優れたインコネル７１８などのニッケル基合金を使用した金属ベローズであることがさらに好ましい。金属ベローズシールは、極低温流体用シールとして多用されており、漏出量が少ない。

静止側のベローズシールは、回転リングと共に、メカニカルシールを構成し、ロータリージョイントの回転軸径は必要な流路を確保できる最小径とすることができ、任意に半径方向のサイズを決定でき、超電導装置における回転軸の軸径に支配されない。

また、軸方向に短いベローズを使用したベローズシールで構成し、一個の回転リングの両側面にそれぞれ金属ベローズシールが摺動することで、ロータリジョイントの軸方向長さをコンパクトにすることができる。

さらに、回転リングの外周面に回転リング孔を形成し、極低温流体の流路を形成することで、回転リングの全幅寸法を短くすることができる。

好ましくは、前記ベローズシールの摺動部には、前記回転リングの軸方向面に対して摺動するフッ素樹脂部材が装着してある。ベローズは静止側に配置し、ベローズにより軸方向に弾性付勢が与えられ、摺動部は、ロータリージョイントの回転軸外周に装着してある回転リングの摺動面と密接摺動してシールを行う。フッ素樹脂は、断熱性、耐寒性、耐久性に優れているため特に好ましい。

好ましくは、前記回転継手軸の外周には、金属よりも断熱性に優れた部材で構成してあるスリーブが装着してあり、当該スリーブにより、前記回転リングが位置決めされて前記回転継手軸の外周に固定される。メカニカルシールの一部を構成する回転リングを、ＦＲＰなどの断熱材樹脂で製作されたスリーブにより、順次回転継手軸に挿入し、軸端よりスリーブカラーをボルト締め又はねじ止めして一括締め付けして回り止めを行なう。スリーブを用いることで、回転リングの取付と位置決めが容易になる。また、スリーブを断熱性に優れた樹脂で構成することにより、極低温流体と接触する部分の断熱性が向上する。

好ましくは、前記ケーシングに形成してある固定接続口と、前記回転継手軸に形成してある回転連通孔とを連絡するように、前記シール部材により仕切られて前記ケーシングの内部に形成してある極低温流体のための各流入空間の圧力が実質的に同圧となるように前記極低温流体が各固定接続口から導入される。このように構成することで、流入空間の相互間における差圧がなくなり、相互間の漏出がない。

上記目的を達成するために、本発明の第２の観点に係る極低温流体供給排出用装置は、
液体窒素や液体ヘリウムなど極低温流体をロータアッセンブリにおける冷却必要箇所に供給および排出する極低温流体供給排出用装置であって、
前記ロータアッセンブリの回転軸の軸端にロータリジョイントが接続してあり、
当該ロータリジョイントは、前記回転軸に対して着脱自在に連結される回転継手軸と、当該回転継手軸の外周を覆うように配置されるとともに前記回転継手軸の回転に対して静止しているケーシングと、を有し、
前記回転継手軸は、前記冷却必要箇所と連通するように前記回転継手軸の軸方向に沿って形成された複数の継手側流路と、当該継手側流路に連通するように前記回転継手軸の外周に形成された複数の回転連通孔と、前記ロータリアッセンブリの真空断熱空間と連通するように前記回転継手軸の軸方向に沿って形成された真空引き用連通孔と、当該真空引き用連通孔と連通するように前記回転継手軸の外周に形成された真空用連通孔と、を備え、
前記ケーシングは、前記回転連通孔に対応する位置に前記回転連通孔と連通するように形成された固定接続口と、前記真空用連通孔に対応する位置に前記真空用連通孔と連通するように形成された真空用固定接続口と、を備え、
前記回転連通孔と前記固定接続口との間における前記極低温流体の漏洩を防止するシール部材が配置されている、ことを特徴とする。

本発明の第２の観点に係る極低温流体供給排出用装置では、ロータリジョイントの回転継手軸の外周側から極低温流体を供給および排出するようにしてあるので、ロータリジョイントの反負荷側に冷却流体源等の部品が配置されておらず、プロペラなどのモータ負荷を容易に続けて連結することができる。したがって、本発明を用いれば、複数のモータ負荷を連結したとしても、装置全体をコンパクトに構成することができる。

本発明に係る超電導装置は、上記のいずれかに記載の極低温流体供給排出用装置を有する。

好ましくは、前記ロータアッセンブリの回転軸には、前記真空断熱空間としての中空部が形成してあり、
当該中空部には、前記回転継手軸の円周方向に沿って異なる位置に形成してある複数の継手側流路と、前記ロータアッセンブリにおける複数の冷却必要箇所と各々連通する複数のチューブが配置してあり、
前記中空部は、前記極低温流体が導入される各冷却必要箇所の周囲に連通しており、前記真空用固定接続口、真空引き用軸孔を通して、断熱真空状態に保持される。このように構成することで、複数の極低温流体の供給流路において、必要最小限の部分での真空断熱が可能になり、サイズのコンパクト化と真空断熱とを両立させることができる。

本発明では、超電導装置としては、特に限定されず、超電導モータ、超電導発電機などが例示される。また、超電導モータとしては、アキシャルギャップ型の超電導モータに限定されず、ラジアルギャップ型の超電導モータにも本発明を適用することが可能である。アキシャルギャップ型の超電導モータは、一般に、回転軸の回転子が円盤状に形成してあり、回転子との間に軸方向ギャップを介して、ステータがケーシングに固定してある。また、ラジアルギャップ型の超電導モータは、一般に、回転軸の外周に回転子が長手方向に沿って固定してあり、回転子との間に半径方向方向ギャップを介して、ステータがケーシングに固定してある。

好ましくは、前記超電導装置のロータアッセンブリが、アキシャルギャップ型の超電導モータのロータアッセンブリであり、
前記ロータアッセンブリの回転軸には、軸方向に沿って所定間隔で複数の円盤状回転子が固定してあり、
各円盤状回転子のコイルを冷却するように、前記ロータアッセンブリの中空部に配置されたチューブを通して、前記極低温流体が流れる。

好ましくは、前記超電導装置のロータアッセンブリにおける各円盤状回転子の軸方向前後位置には、超電導装置のケーシングに固定されたステータコアがそれぞれ配置してある。

あるいは、前記超電導装置のロータアッセンブリが、ラジアルギャップ型の超電導モータのロータアッセンブリであり、
前記ロータアッセンブリの回転軸には、軸方向に沿って回転子が固定してあり、
前記回転子の軸方向と垂直方向である半径方向には、所定の半径方向ギャップで、ステータがケーシングに固定してあっても良い。

その場合には、前記回転子を構成するコイルを冷却するように、前記ロータアッセンブリの中空部に配置されたチューブを通して、前記極低温流体が流れることが好ましい。

本発明によれば、断熱性に優れ、極低温流体の外部への漏出を極小とし、動力損失がきわめて小さく、コンパクトであり、しかも耐久性、信頼性およびメンテナンス性に優れ、低コストの極低温流体供給排出用装置と、それを用いた超電導装置を提供することができる。

図１は本発明の一実施形態に係る超電導モータの概略断面図である。 図２は図１に示すロータリジョイントの概略断面図である。 図３は図２のIII−III線に沿う矢視図である。 図４は図２に示す金属ベローズシールと流路との関係を示す拡大断面図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る超電導モータ２は、ハウジング４の内部に収容してある。ハウジング４には、一対の軸受６が固定してあり、これらの軸受６により、モータ２におけるロータアッセンブリ２０の回転軸１０が回転可能になっている。

ロータアッセンブリ２０は、回転軸１０と、その回転軸１０の軸方向に沿って所定間隔で固定してある４つの円盤状回転子１６とを有する。円盤状回転子１６の軸方向前後位置には、モータ２のケーシング１１に固定してあるステータ１２が所定の軸方向隙間で配置してある。ステータ１２には、マグネット１４が埋め込まれ、回転子１６に配置してある超電導コイル１５との間で、回転子１６に対して回転力を付与するようになっている。ケーシング１１はハウジング４に対して固定してある。図１に示すように、本実施形態の超電導モータ２は、アキシャルギャップ型の超電導モータである。

回転子１６に加えられた回転力で、回転軸１０が回転駆動され、ハウジング４の外部に装着してあるプロペラ８を回転させるようになっている。ロータアッセンブリ２０の回転軸１０は、その軸芯中央部に中空部（真空断熱空間）２２を有している。

中空部２２の内部には、供給チューブ２４と、排出チューブ２６とが配置してある。各供給チューブ２４は、回転軸１０の外周に軸方向に沿って所定間隔で装着してある各円盤状回転子１６の内部冷却空間（冷却必要箇所）２５に連通してある。

各回転子１６の内部冷却空間２５の周囲には、断熱用真空室（図示省略）が形成してあり、各真空室は、それぞれ回転軸１０の中空部２２に連通している。

各回転子１６の内部冷却空間２５には、それぞれ超電導コイル１５が配置してあり、各供給チューブ２４を通して各内部冷却空間２５へと供給される極低温流体により、超電導状態が発揮される低温にまで冷却されるようになっている。供給される極低温流体としては、特に限定されないが、たとえば液体窒素や液体ヘリウムなどが例示される。

各回転子１６の内部冷却空間２５には、供給チューブ２４と共に、排出チューブ２６が接続してあり、内部冷却空間２５に供給された極低温流体は、各排出チューブ２６を通して排出される。

超電導モータ２における回転軸１０は、その駆動側一端にプロペラなどのモータ負荷が連結され、その反駆動側一端に、極低温流体供給排出用装置を構成するロータリジョイント３０が接続される。

図２に示すように、ロータリジョイント３０は、回転継手軸３２と、その回転継手軸３２を軸受７４を介して回転自在に保持するジョイント用ハウジング３８とを有する。回転継手軸３２の軸方向内側（モータの回転軸１０との接続側）の一端には、フランジ３４が一体に形成してある。

フランジ３４は、ボルトおよびガスケットなどにより、回転軸１０の反駆動側一端に気密に接続してある。フランジ３４を回転軸１０の反駆動側一端と気密に接続するために、フランジ３４と回転軸１０の反駆動側一端との接合面には、耐寒性パッキンが装着してある。耐寒性パッキンとしては、特に限定されないが、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂製パッキンや、アルミニウム、ステンレス鋼などの金属で構成された金属製パッキン、あるいはこれらを組み合わせた複合パッキンなどが例示される。

回転継手軸３２の軸芯中央には、軸方向に沿って貫通している真空引き用軸孔３６が形成してあり、この軸孔３６は、フランジ３４の中心にて中空部２２と連通してある。

図２および図３に示すように、回転継手軸３２には、軸方向内側の端部に、回転継手軸３２の円周方向に沿って異なる位置で、回転継手軸３２の軸方向に沿って、複数の継手側流路６４が形成してある。図示する例では、円周方向の等倍間隔で５つの継手側流路６４が形成してあり、それぞれに軸方向の流路長さが異なる。

最も短い流路長さの継手側流路６４の軸方向内側開口端６４ａに対して、単一の排出チューブ２６が接続してある。単一の排出チューブ２６は、図１に示す４つの排出チューブ２６に対して、回転軸１０の中空部２２の内部で接続される。図１に示す４つの供給チューブ２４は、それぞれ図３に示す残りの４つの継手側流路６４の開口端６４ａに対して接続される。

回転継手軸３２の内部に形成してある各継手側流路６４の軸方向長さは、所定間隔で、それぞれ異なり、各流路６４の軸方向外側（回転継手軸３２の反継手側）の端部付近には、それぞれ回転継手軸３２の外周に開口している回転連通孔６６が連通している。

回転継手軸３２の外周には、最も軸方向内側に配置してある回転連通孔６６に対応する位置で回転リング６０が気密に装着してあり、そこから軸方向に沿って一つ置きの回転連通孔６６の位置に回転リング６０が気密に装着してある。回転リング６０の軸方向相互間では、回転継手軸３２の外周に、中間スリーブ７０が装着してあり、回転継手軸３２の軸方向外側端部外周には、エンドスリーブ７２がボルトやネジなどで締め付けられ、回転リング６０および中間スリーブ７０を一括して回り止めしてある。すなわち、回転リング６０は、回転継手軸３２の外周に対して回り止めして固定され、共に回転する。

回転リング６０の外周には、当該回転リング６０が位置する部分に形成してある回転連通孔６６に対して連通する回転リング孔６２が形成してある。中間スリーブ７０には、図４に示すように、その中間スリーブ７０が位置する部分に形成してある回転連通孔６６に対して連通する連通孔７１が形成してある。

図２に示すように、ケーシング３８は、回転継手軸３２の軸方向外側に位置する軸受７４が内部に装着してあるエンドカバー４０と、回転継手軸３２の軸方向内側の軸受７４が内部に装着してある軸受保持リング４６とを有する。

エンドカバー４０と軸受保持リング４６との間には、接続口形成リング４２ａ〜４２ｇと、ベローズ保持リング４４とが交互に気密に連結してあり、これら全体がケーシング３８を構成している。

回転継手軸３２における最も軸方向外側に位置する接続口形成リング４２ａには、単一または複数の真空用固定接続口５０が形成してある。この接続口５０は、ケーシング３８の内部において、回転継手軸３２の軸方向外側端部周囲とエンドカバー４０との間の隙間に形成される軸端真空室９０に連通している。この接続口５０には、真空引き装置が接続され、接続口５０を通して軸端真空室９０および中空部２２を減圧し、高真空状態に維持する。軸端真空室９０は、回転継手軸３２に形成してある真空引き用軸孔３６に連通してある。また、真空引き用軸孔３６は、回転継手軸３２の軸方向外側端部付近に半径方向に形成してある真空用連通孔９１により接続口５０と連通してある。

真空用固定接続口５０が形成してある接続口形成リング４２ａの軸方向内側には、ベローズ保持リング４４を介して、極低温流体を供給するための供給用固定接続口５２が各々形成してある４つの接続口形成リング４２ｂ〜４２ｅが配置してある。４つの接続口形成リング４２ｂ〜４２ｅに各々形成してある接続口５２からは、同じ圧力で、同程度に低温の液化窒素または液化ヘリウムなどの極低温流体が供給されるようになっている。
なお、４つの接続口５２から供給される極低温流体の圧力が、ほとんど同じであることが好ましいのは、後述するベローズシール８０においての密封性を高めるためである。

各接続口５２から供給される極低温流体は、それぞれ、図１に示す供給チューブ２４を介して円盤状回転子１６の内部冷却空間２５に供給される。

各接続口形成リング４２ｂ〜４２ｅに各々形成してある接続口５２のうち、最も軸方向外側に位置する接続口５２は、最も軸方向外側に位置する回転リング６０に形成してある回転リング６０の回転リング孔６２に対して連通する位置に形成してある。回転リング６０の軸方向両側の側面には、それぞれ金属ベローズシール８０の先端摺動部が回転摺動し、回転リング孔６２と接続口５２との間の空間流路９２を密封するようになっている。

各金属ベローズシール８０は、金属ベローズと先端摺動部とから構成してあり、金属ベローズの基端部がベローズ保持リング４４の内側に固定してあり、軸方向に伸縮可能に構成してあり、先端摺動部が回転リング６０の各側面に対して押しつけられるようにバネ付勢されている。ベローズシール８０の先端摺動部は、たとえばＰＴＦＥなどのフッ素樹脂やカーボンなどで構成される。フッ素樹脂やカーボンは、耐摩耗性に優れ、しかも耐寒性にも優れている。

金属ベローズは、低温脆性に優れたインコネル７１８などのニッケル合金を使用した金属ベローズであることが好ましい。金属ベローズシールは、極低温流体用として適している。

最も軸方向外側に位置する金属ベローズシール８０は、軸端真空室９０と空間流路９２との間をシールする。その隣に位置する金属ベローズシール８０は、極低温流体が供給される空間流路９２と、その隣の空間流路９４とをシールする。

図２に示すように、軸方向に沿って回転リング６０と回転リング６０との間に位置する供給用接続口５２は、回転リング６０と回転リング６０との間に位置する空間流路９４と連通するようになっている。この空間流路９４は、回転リング６０の回転リング孔６２とは連通しないように、金属ベローズシール８０によりシールしてある。空間流路９４は、中間スリーブ７０に形成してある連通孔７１を介して回転連通孔６６に連通している。

４つの接続口形成リング４２ｂ〜４２ｅの軸方向内側には、ベローズ保持リング４４を介して、使用済みの極低温流体を排出するための戻り用固定接続口５４が形成してある接続口形成リング４２ｆが配置してある。戻り用固定接続口５４は、空間流路９２を通して、回転リング６０の回転リング孔６２に連通し、回転連通孔６６および最も短い継手側流路６４を通して、排出チューブ２６に連通している。

全ての接続口形成リング４２ａ〜４２ｇのうち、最も軸方向内側に位置する接続口形成リング４２ｇには、ドレン用固定接続口５６が形成してある。ドレン用固定接続口５６は、フランジ３４および軸受７４の軸方向外側で、最も軸方向内側に位置する回転継手軸３２の外周に連通するようになっている。

本実施形態では、回転継手軸３２、スリーブ７０および７２と回転リング６０とが、ＦＲＰで構成してある。また、ケーシング３８を構成する部材の内、接続口形成リング４２ａ〜４２ｇがＦＲＰで構成してあり、エンドカバー４０と軸受保持リング４６とベローズ保持リング４４とは、ステンレス鋼、インコネル、チタンなどの金属で構成してある。なお、保持リング４４および４６の外周部分は、ＦＲＰで構成することも可能である。

回転継手軸３２の軸方向外側端部に位置する軸受７４は、端部真空室９０の内部に配置してあり、真空グリースが封入されたシールドベアリングで構成してあることが好ましい。回転継手軸３２の軸方向内側の軸受７４は、回転継手軸３２内に設けられている極低温流体の継手側流路６４から半径方向に極力遠い位置に設置してあることが好ましい。すなわち、フランジ３４に近い側の軸受７４で保持される回転継手軸３２の外径は、他の部分よりも外径が大きく形成してあることが好ましい。フランジ３４に近い側の軸受７４は、外気に接触し、大気雰囲気で動作するようになっている。

これらの各軸受７４は、ハウジング３８の内部において、それぞれ回転継手軸３２の両端部に装着してあり、極低温流体が流通する流路（５２，９２，９４，６２，６６，６４）とは、断熱性に優れたＦＲＰ製のスリーブ７２および回転継手軸３２により断熱してある。各軸受７４は、金属製のエンドカバー４０および軸受保持リング４６の内側に保持してあるので、軸受が凍結しないように、エンドカバー４０または軸受保持リング４６の外側から加熱して、軸受７４の凍結防止を図っても良い。

本実施形態に係るロータリジョイント３０およびそれを用いた超電導モータ２によれば、軸方向に一つ置きの回転連通孔６６の位置で、回転継手軸３２の外周に、回転リング６０が固定してあり、金属ベローズシール８０が、回転リング６０の軸方向両側面に対して摺動し、ケーシング３８内で軸方向に相互に隣り合う空間流路９２，９４の間をシールしている。そのため、静止部材であるケーシング３８に形成された供給用固定接続口５２から、回転する部分である回転連通孔６２または回転リング孔６６へと極低温流体が流通する部分において、シール部材の数を低減し、効率的に極低温流体を密封することができる。

また、本実施形態では、回転継手軸３２の中心には、回転軸１０の中空部２２に連通する真空引き用軸孔３６が軸方向に沿って形成してあり、ケーシング３８には、軸方向外側（ロータアッセンブリとの接続部分から最も遠い側）に位置する部分に、真空引き用軸孔３６に連通する真空用固定接続口５０が形成してある。このため、真空断熱空間が、ロータアッセンブリ２０との接続部分から最も遠い軸端部分に形成することができると共に、回転軸１０の中空部２２をも真空断熱空間にすることができる。

そのため、ケーシング３８に形成された複数の固定接続口５２から回転継手軸３２の回転連通孔６６または回転リング孔６２を通り、回転継手軸３２内の継手側流路６４へと至る極低温流体の流路は、回転継手軸３２の軸方向外側に形成してある軸端真空室９０の真空断熱空間と、ＦＲＰで構成してある断熱部材とにより、効率的に断熱される。また、超電導モータ２における回転軸１０の中空部２２が、回転継手軸３２の真空引き用軸孔３６と連通していることから、その中空部２２も真空断熱空間となり、その内部に配置してあるチューブ２４，２６の断熱性が向上する。チューブ２４，２６の内部には、極低温流体が流通する。

これらのチューブ２４，２６は、図１に示すように、ロータアッセンブリ２０における冷却が必要な複数位置の内部冷却空間２５にそれぞれ連通してあり、各箇所を個別に冷却することができる。

また、本実施形態では、回転継手軸３２および回転リング６０のうち、少なくとも極低温流体と接触する部分が、金属よりも断熱性に優れたＦＲＰ部材で構成してある。また、ケーシング３８が、金属製のエンドカバー４０およびリング４４，４６と、ＦＲＰ製の接続口形成用リング４２ａ〜４２ｇとで構成してある。このため、少なくとも極低温流体と接触する部分が、金属よりも断熱性に優れたＦＲＰ部材で構成することができ、ロータリジョイント３０の内部で極低温流体が流通する部分では、金属に接触する部分が極力少なくなり、この点でも断熱性が向上する。

したがって、本実施形態では、ロータリジョイント３０の静止部分から回転部分と、その回転部分から超電導モータ２のロータアッセンブリ２０部分における内部冷却空間２５へと至る全ての箇所において、極低温流体（液体）が暖められてガス化することを最小限に抑制することができる。なお、従来の装置では、ヘリウムガスなどの気体が主流であったが、本発明では、液体窒素などの液体を用いることが可能になる。また、高断熱性が実現できることから、ロータリジョイント３０およびロータアッセンブリ２０に霜が付くことを抑制することができる。

しかも本実施形態では、単一のロータリジョイント３０を用いて、複数の内部冷却空間（冷却必要箇所）２５に極低温流体を供給することができることから、装置の小型化を図ることができる。また、ロータリジョイント３０から複数の内部冷却空間２５に至る流路が、それぞれ独立しているため、信頼性が高い。そのため、ロータリジョイント３０から最も遠い位置にある内部冷却空間２５に対しても、最も近い位置にある内部冷却空間２５と同程度に低温の流体を供給することが可能になる。

また、本実施形態では、ロータリジョイント３０のケーシング３８において、極低温流体の入口となる固定接続口５２が、軸方向に隣接して形成してあり、静止部材から回転部材に至る極低温流体の流路が軸方向に隣接して形成してあり、それらの軸方向外側に軸端真空空間９０が形成される。このため、ケーシング３８の内部において、極低温流体のケーシング外部への漏洩を防止するためのシール箇所は、回転継手軸３２の軸方向内側（ロータアッセンブリの回転軸との連結部分に近い側）の一カ所になり、極低温流体の外部への漏出を極小とすることができる。また、シール径を小さくできることからも、漏れにくい構造となる。

また、本実施形態では、極低温流体の入口となる固定接続口５２が、軸方向に隣接して形成してあり、静止部材から回転部材に至る極低温流体の流路が軸方向に隣接して形成してあることから、それらの流路では、相互に熱の移動がほとんど無く、外部からの入熱経路を遮断することができる。

さらに本実施形態では、ケーシング３８に形成してある固定接続口のうち、超電導モータ２の回転軸１０に近い位置に配置してある固定接続口５４が、極低温流体の戻り口である。このように構成することで、極低温流体の供給用流路に対する外部からの入熱経路を遮断することができる。

さらにまた、本実施形態では、戻り口に相当する固定接続口５４よりもさらに回転軸１０に近い位置には、ドレン用固定接続口５６が形成してある。このように構成することで、ケーシング３８外部への極低温流体の漏洩を極力防止できると共に、外部からの入熱経路を遮断することができる。

また、本実施形態では、各空間流路９２および９４に流入される極低温流体のの圧力が実質的に同圧であるために、これらの流路９２および９４の相互間における差圧がなくなり、相互間の漏出がない。

また本実施形態では、静止側の金属ベローズシール８０は、回転リング６０と共に、メカニカルシールを構成し、回転継手軸３２の回転軸径は必要な流路を確保できる最小径とすることができ、任意に半径方向のサイズを決定でき、超電導モータにおける回転軸１０の軸径に支配されない。

また、軸方向に短いベローズを使用したベローズシール８０で構成し、一個の回転リング６０の両側面にそれぞれ金属ベローズシール８０が摺動することで、ロータリジョイント３０の軸方向長さをコンパクトにすることができる。さらに、金属ベローズシール８０は、ベローズが伸張することで、回転リング６０の摺動面に追随し、摺動面以外には摩擦部を持たないので、ベローズによる荷重を必要最小限にすることができる。そのため、シールによるトルクロスが極端に少ない。

また、装着される金属ベローズシールの内、シール差圧が作用するのは、ケーシング３８の内部で、軸方向の両端部の二カ所のみである。その他のシール部は、シールの内周及び外周ともに、略同圧の極低温流体が介在しており、差圧がないので、摺動面への押し付け力は、金属ベローズによる弾性付勢のみである。このため、摩擦による極低温流体の温度上昇が極めて低い。

さらに、回転リング６０に回転リング孔６２を形成し、極低温流体の流路を形成することで、回転リング６０の全幅寸法を短くすることができる。さらにまた、ロータリージョイント３０がコンパクトで、外部との伝熱面積を極少とすることができる。

また、本実施形態では、超電導モータ２の回転軸１０に形成してある中空部２２は、極低温流体が導入される各内部冷却空間２５の周囲に連通しており、真空用固定接続口５０、真空引き用軸孔３６および回転軸１０の中空部２２を通して、断熱真空状態に保持される。このように構成することで、必要最小限の部分の真空断熱が可能になり、真空断熱を図りながら装置のコンパクト化を図れる。

さらに、本実施形態では、超電導モータ２の回転軸１０は、流体移送用のチューブ２４，２６などを収納できる中空部２２を有していれば良く、多重管にする必要がない。また、中空の回転軸内部が真空断熱となっているため、別途、回転軸１０の断熱は必要ない。さらに、ロータリージョイント３０の着脱が容易で工数がかからない。

また、超電導モータ２側からロータリージョイント３０の極低温流体の供給／排出口への接続口が、ロータリージョイント３０のフランジ３４の軸端面に設けられているので、接続が容易で工数がかからない。また、回転軸１０の軸端部の形状がシンプルで、加工段数が極めて少ない。

したがって、本実施形態によれば、断熱性に優れ、極低温流体の外部への漏出を極小とし、動力損失がきわめて小さく、コンパクトであり、しかも耐久性、信頼性およびメンテナンス性に優れ、低コストの極低温流体供給排出用装置と、それを用いた超電導モータ２を提供することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

たとえば、上述した実施形態では、超電導装置として、いわゆるアキシャルギャップ型の超電導モータを用いたが、本発明は、いわゆるラジアルギャップ型の超電導モータにも適用することができる。また、本発明は、超電導モータに限らず、超電導発電機などの超電導装置にも適用することが可能である。

また、上述した実施形態では、金属ベローズシール８０をリング４４の内側に保持するために、これらのリング４４を金属で構成したが、金属ベローズシール８０以外の非金属製メカニカルシールを用いることが可能であれば、これらのリング４４を、金属以外の断熱性に優れた部材で構成することも可能である。

さらに、上述した実施形態では、図１に示すように、回転子１６を回転軸１０の軸方向に沿って４つ設けたが、その数は限定されず、４つ以上、あるいは２または３でも良い。また、単一の回転子１６に対して、二つ以上の供給チューブ２６を配置することも可能である。

さらにまた、上述した実施形態では、ロータアッセンブリ２０の内部のみを冷却しているが、本発明に係る装置を用いれば、ロータアッセンブリ２０の外部を冷却することも可能である。

また、上述した実施形態では、ロータアッセンブリ２０の回転軸１０とロータリジョイント３０との接続がフランジ接続になっているが、コネクタ接続としても良い。

Claims (12)

1. 液体窒素や液体ヘリウムなどの極低温流体を、ロータアッセンブリにおける複数の冷却必要箇所に供給および排出する極低温流体供給排出用装置であって、
   前記ロータアッセンブリの回転軸の軸端にロータリジョイントが接続してあり、
   前記ロータリジョイントは、
   前記ロータアッセンブリの回転軸に対して着脱自在に連結される回転継手軸と、
   前記回転継手軸を覆うように配置され、前記回転継手軸の回転に対して静止しているケーシングと、を有し、
   前記ロータアッセンブリにおける複数の冷却必要箇所と各々連通するように、前記回転継手軸の円周方向に沿って異なる位置で、前記回転継手軸の軸方向に沿って、複数の継手側流路が前記回転継手軸に形成してあり、
   それぞれの前記継手側流路における軸方向に沿って各々異なる軸方向長さの位置で、当該継手側流路にそれぞれ連通するように、前記回転継手軸の外周に、回転連通孔が形成してあり、
   それぞれ軸方向に異なる位置に形成してある前記回転連通孔のうち、軸方向に一つ置きの回転連通孔の位置で、前記回転継手軸の外周に、回転リングが固定してあり、
   各回転リングの外周には、当該回転リングが位置する部分に形成してある前記回転連通孔に対して連通する回転リング孔が形成してあり、
   前記ケーシングには、前記回転連通孔および前記回転リング孔のそれぞれに対応する複数の軸方向位置に、前記回転連通孔または前記回転リング孔のそれぞれに連通する固定接続口が形成してあり、
   前記回転リングの軸方向面に対して摺動し、軸方向に相互に隣り合う前記回転連通孔の相互間を密封するシール部材が前記ケーシングの内側に具備してあり、
   前記回転継手軸の中心には、前記ロータアッセンブリの真空断熱空間に連通する真空引き用軸孔が軸方向に沿って形成してあり、
   前記ケーシングには、複数の前記固定接続口の軸方向外側に位置する部分に、前記真空引き用軸孔に連通する真空用固定接続口が形成してあり、
   前記回転継手軸および前記回転リングのうち、少なくとも前記極低温流体と接触する部分が、金属よりも断熱性に優れた部材で構成してあると共に、
   前記真空用固定接続口および前記固定接続口が形成してあるケーシングの一部で、少なくとも前記極低温流体と接触する部分が、金属よりも断熱性に優れた部材で構成してあることを特徴とする
   極低温流体供給排出用装置。
2. 前記回転継手軸には、真空引き用軸孔が貫通して形成してあり、前記回転継手軸の軸方向外側端部の周囲が、前記真空用固定接続口に連通する軸端真空室となっている請求項１に記載の極低温流体供給排出用装置。
3. 前記軸端真空室には、前記回転継手軸をケーシングの内側に対して回転自在に保持する軸受が配置してある請求項２に記載の極低温流体供給排出用装置。
4. 前記ケーシングに形成してある固定接続口のうち、前記超電導装置に近い位置に配置してある固定接続口が、極低温流体の戻り口である請求項１〜３のいずれかに記載の極低温流体供給排出用装置。
5. 前記ケーシングにおいて、前記戻り口に相当する前記固定接続口よりもさらに前記超電導装置に近い位置には、ドレン用固定接続口が形成してある請求項４に記載の極低温流体供給排出用装置。
6. 前記断熱性に優れた部材が、繊維強化プラスチックである請求項１〜５のいずれかに記載の極低温流体供給排出用装置。
7. 前記シール部材が、ベローズシールである請求項１〜６のいずれかに記載の極低温流体供給排出用装置。
8. 前記ベローズシールの摺動部には、前記回転リングの軸方向面に対して摺動するフッ素樹脂部材が装着してある請求項７に記載の極低温流体供給排出用装置。
9. 前記回転継手軸の外周には、金属よりも断熱性に優れた部材で構成してあるスリーブが装着してあり、当該スリーブにより、前記回転リングが位置決めされて前記回転継手軸の外周に固定される請求項１〜８のいずれかに記載の極低温流体供給排出用装置。
10. 前記ケーシングに形成してある固定接続口と、前記回転継手軸に形成してある回転連通孔とを連絡するように、前記シール部材により仕切られて前記ケーシングの内部に形成してある極低温流体のための各流入空間の圧力が実質的に同圧となるように前記極低温流体が各固定接続口から導入される請求項１〜９のいずれかに記載の極低温流体供給排出用装置。
11. 液体窒素や液体ヘリウムなど極低温流体をロータアッセンブリにおける冷却必要箇所に供給および排出する極低温流体供給排出用装置であって、
    前記ロータアッセンブリの回転軸の軸端にロータリジョイントが接続してあり、
    当該ロータリジョイントは、前記回転軸に対して着脱自在に連結される回転継手軸と、当該回転継手軸の外周を覆うように配置されるとともに前記回転継手軸の回転に対して静止しているケーシングと、を有し、
    前記回転継手軸は、前記冷却必要箇所と連通するように前記回転継手軸の軸方向に沿って形成された複数の継手側流路と、当該継手側流路に連通するように前記回転継手軸の外周に形成された複数の回転連通孔と、前記ロータリアッセンブリの真空断熱空間と連通するように前記回転継手軸の軸方向に沿って形成された真空引き用連通孔と、当該真空引き用連通孔と連通するように前記回転継手軸の外周に形成された真空用連通孔と、を備え、
    前記ケーシングは、前記回転連通孔に対応する位置に前記回転連通孔と連通するように形成された固定接続口と、前記真空用連通孔に対応する位置に前記真空用連通孔と連通するように形成された真空用固定接続口と、を備え、
    前記回転連通孔と前記固定接続口との間における前記極低温流体の漏洩を防止するシール部材が配置されている、ことを特徴とする極低温流体供給排出用装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の極低温流体供給排出用装置を有する超電導装置。

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