JP4930906B2 - 磁気浮上回転装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気浮上回転装置に関し、特に、その撹拌工程において異物や不純物の混入が好ましくない分野であって、医薬品、半導体用レジストや印刷用インク、高圧あるいは真空中などの密閉系で危険物や有機溶媒などを扱う化学プラントや核反応プラントなどの分野での撹拌工程に用いられる磁気浮上回転装置に関する。

液体又は粉体等の被撹拌物を非接触で撹拌することを目的として、塊状（バルク）の高温超電導体の近傍に磁気浮上磁石を有する撹拌部を配置した、非接触回転装置が開示されている（特許文献１）。この非接触回転装置は、冷凍機で冷却した高温超電導体に対向して浮上磁石を配置している。そして、この浮上磁石の磁場を高温超電導体で捕捉することよって浮上磁石を磁気浮上させて支持する。その一方で、磁気浮上磁石に回転軸を介して被駆動磁石を結合し、被駆動磁石と離間して駆動磁石を配置している。そして、この被駆動磁石と駆動磁石の磁気力で構成された磁気カップリングにより被駆動磁石に回転を与える。以上の構成により、撹拌部が容器内壁に触れることなく撹拌部に回転力が伝えられる。したがって、撹拌部と容器との接触部分でおこる摩擦磨耗に起因する被撹拌物への不純物の混入がないという利点を有する。

しかし、この非接触回転装置は、容器の外側に相対して高温超電導体と駆動磁石を配置する構成になっており、製造の際には、容器の大きさに回転軸の長さが合うようにしなければならない。したがって、装置の製造工程の標準化が難しく、製造コストが高くなる欠点があった。また、磁気浮上する高温超電導体の引力よりも強い磁気カップリングの引力が働くと、浮上距離が変動して磁気カップリング側で容器内壁への接触が起こる虞があった。さらに、磁気カップリングに脱調が起こりやすく、回転の安定性に欠けるという問題があった。

上記の課題を解決することを目的として、磁気浮上機能と磁気カップリング機能を併せ持つ撹拌子を採用した非接触撹拌機が開示されている（特許文献２）。この非接触撹拌機において、撹拌翼を備えた撹拌子は、その回転軸を中心とする同心円周上で不均一な磁束分布を形成するように複数の浮上磁石から構成されている。そして、これらの浮上磁石は回転軸と平行の方向に着磁され、かつ、隣り合う浮上磁石は異なる向きに着磁されている。一方、この撹拌子を浮上させて回転させる磁極構成物は、超電導バルク体と、超電導バルク体を位置決め固定して収容する断熱された非磁性体の容器と、超電導バルク体を冷却する冷却体と、冷却体を冷却する冷凍機とから一体に構成されている。そして、この磁極構成物を構成する超電導バルク体の磁力により撹拌子が浮上し、さらに、この磁極構成物を回転駆動源によって回転軸まわりに回転させることにより撹拌子が回転する。なお、冷凍機への電力の供給は冷凍機の一部に取り付けられた回転給電体を通じて行われる。また、冷凍機にはスターリング型パルス管冷凍機が用いられている。
特開２０００−１２４０３０号公報 特開２００６−１２２７８５号公報

上記の非接触撹拌機に用いられるスターリング型パルス管冷凍機には、冷媒を圧縮するための圧縮機が接続している。そして、この圧縮機は、駆動軸に沿って往復駆動するピストンを有し、この圧縮機の横方向の駆動軸に沿ったピストンの移動の向きを、対向する２つのピストンで同期して反対の向きにすることで、圧縮の効率を高め、駆動時の静粛性の向上と振動の低減を図っている。また、スターリング型パルス管冷凍機は小型軽量に構成できるため、冷凍機を回転させることが必要とされる上記の非接触撹拌機に好適に用いられる。

しかし、高速での撹拌が要求される場合には、磁極構成物の縦方向の回転軸を中心とした高速回転による遠心力によって、圧縮機の横方向の駆動軸に沿ったピストンの運動が阻害されてピストンの変位量や振動数が減少し、冷凍機の性能が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、上記の問題を解決し、磁気浮上機能と磁気カップリング機能を併せ持つ撹拌子を備え、撹拌子を浮上、回転させるための超電導バルク体と一体に構成された冷凍機を有する非接触撹拌機において、高速での撹拌が要求される場合においても冷凍機の性能が低下することのない、磁気浮上回転装置を提供することを目的とする。

本発明の磁気浮上回転装置は、撹拌翼を備え回転軸を中心とする同心円周上で不均一な磁束分布を形成するように構成された撹拌子と、この撹拌子を浮上させて回転させる磁極構成物と、この磁極構成物を回転軸まわりに回転させる回転駆動源とを備えるとともに、前記磁極構成物は、超電導バルク体と、この超電導バルク体を冷却する冷却体と、この冷却体を冷却する冷凍機と、この冷凍機に冷媒を圧縮して供給する圧縮機とから一体に構成された磁気浮上回転装置であって、前記圧縮機は、駆動軸に沿って往復駆動するピストンを有するとともに、このピストンの駆動軸と前記磁極構成物の回転軸とを一致させたことを特徴とする。

また、前記圧縮機から前記冷凍機へ冷媒を伝達する伝達管を備えるとともに、この伝達管を前記磁極構成物の回転軸と平行に配置したことを特徴とする。

また、前記伝達管を複数備えるとともに、この複数の伝達管を前記磁極構成物の回転軸を中心とした同心円上に均等間隔で配置したことを特徴とする。

さらに、前記磁極構成物にバランスウェイトを設けたことを特徴とする。

本発明の磁気浮上回転装置によれば、圧縮機のピストンの駆動軸と、磁極構成物の回転軸とを一致させたことにより、磁極構成物が高速回転した場合においても、遠心力によって圧縮機のピストンの運動が阻害されることがない。したがって、高速での撹拌が要求される場合においても冷凍機の性能が低下することがなく、すべての回転速度領域において、安定した冷凍性能が得られる。

また、伝達管を磁極構成物の回転軸と平行に配置したことにより、伝達管内を移動する冷媒が遠心力に影響されることなく、すべての回転速度領域において、安定した冷凍性能が得られる。

また、複数の伝達管を前記磁極構成物の回転軸を中心とした同心円上に均等間隔で配置したことにより、伝達管の重量による回転軸まわりの重量の偏りをなくして、高速回転時の振動や偏心を防止することができる。

さらに、磁極構成物にバランスウェイトを設けたことにより、回転軸まわりの重量の偏りをなくして、高速回転時の振動や偏心を防止することができる。

以下、本発明の磁気浮上回転装置の実施例について、添付した図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施例により限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。

本実施例の磁気浮上回転装置を示す図１において、１は円盤状に形成された撹拌子であり、撹拌子１の外周部には、複数の撹拌翼２が設けられている。また、撹拌子１の内部には、回転軸Ｐを中心とした同心円周上に、均等間隔で同じ形状と大きさを有する複数の磁石３が設けられている。磁石３は永久磁石であって、回転軸Ｐと平行な方向に着磁されているとともに、隣接する磁石３は相互に逆の向きに着磁されており、回転軸Ｐを中心とする各同心円周上で不均一な磁束分布を形成するように構成されている。なお、複数の磁石３を配していることから、磁石３をすべて同じ向きに着磁した場合においても、回転軸Ｐを中心とする各同心円周上で不均一な磁束分布が形成される。したがって、磁石３をすべて同じ向きに着磁してもよい。そして、撹拌子１は、液体又は粉体等の被撹拌物が収容される容器４に収容されている。

容器４の外部の下方には、撹拌子１を浮上させて回転させる磁極構成物５が設けられている。磁極構成物５は、超電導バルク体６と、超電導バルク体６を冷却する冷却体７と、冷却体７を冷却する冷凍機８と、冷凍機に冷媒を圧縮して供給する圧縮機９とから一体に構成されている。

超電導バルク体６は、攪拌子１の下面に平行に対向するように配置され、超電導状態下で、予め記憶した撹拌子１による磁場分布をピン止め力によって捕捉することにより、撹拌子１を所定の位置に浮上させるようになっている。

冷却体７は、超電導バルク体６が磁性ヨーク10を介して上面に固定されているコールドヘッド11と、その下方に配置される冷凍機８とコールドヘッド11を連結する伝熱体12から一体に構成されている。この冷却体７は、伝熱性がよく、かつ非磁性である金属材で形成されている。そして、冷凍機８によって、伝熱体12、コールドヘッド11、磁性ヨーク10を介して、超電導バルク体６が冷却されるようになっている。

磁性ヨーク10は、熱伝導性のよい強磁性体により円盤状に形成されている。磁性ヨーク10は、超電導バルク体６を挟んで撹拌子１の反対側に配置され、撹拌子１を超電導バルク体６に対して位置決めする際に、撹拌子１を引き寄せるために設けられている。

超電導バルク体６、冷却体７は、断熱固定材13を介して、非磁性体からなる断熱容器14内に固定されている。また、断熱容器14には、真空ポンプ口15が設けられ、断熱容器14内が真空に保つことができるようになっており、超電導バルク体６、冷却体７が断熱容器14の外側から確実に断熱されるようになっている。

冷凍機８は、スターリング型パルス管冷凍機であり、その下方には固定具16を介して圧縮機９が固定されている。スターリング型パルス管冷凍機は小型軽量に構成できるため、冷凍機を回転させることが必要とされる本発明の磁気浮上回転装置に好適に用いられる。また、冷凍機８と圧縮機９の間には、圧縮機９から冷凍機８へ冷媒を伝達する伝達管17が設けられている。

圧縮機９は、ボイスコイル型のリニア駆動圧縮機であって、図２に示すように、駆動軸Ｐに沿って往復駆動するピストン51を有し、駆動軸Ｐに沿ったピストン51の移動の向きを、対向する２つのピストン51（上側の１つのみを図示する）で同期して反対の向きにすることで、冷媒の圧縮の効率を高め、駆動時の静粛性の向上と振動の低減を図ることができるようになっている。

圧縮機９の下方には、支持部品18を介して、圧縮機９に給電するための回転給電装置19が連結している。回転体給電装置19は、図示しないケーブルの一端が接続され図示しないフレームに固定されたブラシ部20と、ブラシ部20が当接する環状配線を備えた円筒状の回転部21とを備えている。そして、回転部21の下方には、回転シャフト22を介して回転駆動源23が連結し、回転部21と回転シャフト22は圧縮機９を含む磁気構成物５と一体に固定されている。回転駆動源23は電動モータにより構成され、基台24の上面に固定されている。このように構成されることにより、磁極構成物５は、回転駆動源23により回転軸Ｐまわりに回転されるようになっている。25は回転駆動源23に電源を供給するためのケーブルである。

そして、磁極構成物５の中心軸は、回転軸Ｐに一致しており、回転軸Ｐは、圧縮機９のピストン51の駆動軸Ｐと一致している。回転軸Ｐを圧縮機９のピストン51の駆動軸Ｐと一致させることにより、磁極構成物５が高速回転した場合においても、遠心力によって圧縮機９のピストン51の運動が阻害されないようになっている。

また、圧縮機９から冷凍機８へ冷媒を伝達する伝達管17は、磁極構成物５の回転軸Ｐと平行に配置されている。このような構成により、伝達管17内での冷媒の移動が、磁極構成物５の回転による遠心力によって阻害されないようになっている。

つぎに、動作について説明する。

はじめに、超電導バルク体６に撹拌子１の磁場を記憶させる。磁極構成物５の磁極面である容器14の上面を、撹拌子１を回転させる位置の下方における容器４の下面に近接させて固定する。つぎに、撹拌子１を回転させる位置の下方における容器４の上面に非磁性体からなるスペーサ（図示せず）を載置し、この上に撹拌子１を載置する。このとき、撹拌子１は磁性ヨーク10により磁気吸着され、確実に位置決め固定される。

そして、この状態で圧縮機９に給電して冷凍機８を稼動させて超電導バルク体６を５０〜６０Ｋに冷却し、撹拌子１の磁束を超電導バルク体６の内部のピン止め点に捕捉させて、超電導バルク体６に撹拌子１による磁場を記憶させる。撹拌子１は、回転軸Ｐを中心とする各同心円周上で不均一な磁束分布を形成するように構成されているので、超電導バルク体６は予め記憶したその不均一な磁場を捕捉することにより、撹拌子１を磁気浮上させるとともに、撹拌子１と磁気カップリングを形成する。

この状態を保ったまま、撹拌子１の下からスペーサを取り出し、容器４に被撹拌物を入れる。そして、回転駆動源23を駆動させると、超電導バルク体６を含む磁極構成物５が回転し、この回転に追従して撹拌子１が磁極構成物５と同周期で一体的に回転する。撹拌子１は超電導バルク体６により強固に磁気カップリングを形成して支持されるため、非接触で支持された撹拌子１の回転が脱調することがない。

このとき、撹拌子１と磁極構成物５は、回転軸Ｐを中心に回転する。回転軸Ｐと圧縮機９のピストン51の駆動軸Ｐは一致しているので、磁極構成物５が高速回転した場合においても、遠心力によって圧縮機９のピストン51の運動が阻害されることがない。また、伝達管17は、磁極構成物５の回転軸Ｐと平行に配置されているので、伝達管17内での冷媒の移動が、磁極構成物５の回転による遠心力によって阻害されない。

以上のように、本実施例の磁気浮上回転装置は、撹拌翼２を備え回転軸Ｐを中心とする同心円周上で不均一な磁束分布を形成するように構成された撹拌子１と、この撹拌子１を浮上させて回転させる磁極構成物５と、この磁極構成物５を回転軸Ｐまわりに回転させる回転駆動源23とを備えるとともに、前記磁極構成物５は、超電導バルク体６と、この超電導バルク体６を冷却する冷却体７と、この冷却体７を冷却する冷凍機８と、この冷凍機８に冷媒を圧縮して供給する圧縮機９とから一体に構成された磁気浮上回転装置であって、前記圧縮機９は、駆動軸Ｐに沿って往復駆動するピストン51を有するとともに、このピストン51の駆動軸Ｐと前記磁極構成物５の回転軸Ｐとを一致させたものである。

本実施例の磁気浮上回転装置によれば、圧縮機９のピストン51の駆動軸Ｐと、磁極構成物５の回転軸Ｐとを一致させたことにより、磁極構成物５が高速回転した場合においても、遠心力によって圧縮機９のピストン51の運動が阻害されることがない。したがって、高速での撹拌が要求される場合においても冷凍機８の性能が低下することがなく、すべての回転速度領域において、安定した冷凍性能が得られる。

また、前記圧縮機９から前記冷凍機８へ冷媒を伝達する伝達管17を備えるとともに、この伝達管17を前記磁極構成物５の回転軸Ｐと平行に配置したものである。伝達管17を磁極構成物５の回転軸Ｐと平行に配置したことにより、伝達管17内を移動する冷媒が遠心力に影響されることなく、すべての回転速度領域において、安定した冷凍性能が得られる。

なお、本実施例においては、単一の超電導バルク体６を用いたが、その代わりに、図３に示すように、撹拌子１に設けられた複数の磁石３に対応させて、磁石３と同数の小型の超電導バルク体６ａを磁性ヨーク10上に配置してもよい。この構成により、超電導バルク体６ａの数は複数になるが、超電導バルク体６ａの体積を全体として小さくできるため、軽量化を図ることができるとともに、製造コストを削減することができる。この場合は、それぞれの超電導バルク体６ａにより、対応するそれぞれの磁石３の磁束が捕捉される。

本実施例において、実施例１と同様の部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図４に示すように、本実施例は、伝達管17の回転軸Ｐについて対称の位置に、伝達管17と同じ形状の伝達管17ａを追加したものである。すなわち、複数の伝達管17，17ａが磁極構成物５の回転軸Ｐを中心とした同心円上に均等間隔で配置されている。このように伝達管17，17ａを配置し、磁極構成物５が回転したときの伝達管17による遠心力を、伝達管17ａによる遠心力で打ち消して平衡を保つことにより、磁極構成物５が高速回転したときの振動や偏心を防止し、安定して磁極構成物５を回転させることができる。

なお、本実施例において伝達管17，17ａは２本であるが、３本以上としてもよい。この場合は、複数の伝達管を磁極構成物５の回転軸Ｐを中心とした同心円上に均等間隔で配置することによって、伝達管の遠心力による影響を相互に打ち消すことができる。

以上のように、本実施例の磁気浮上回転装置は、前記伝達管17を複数備えるとともに、この複数の伝達管17，17ａを前記磁極構成物５の回転軸Ｐを中心とした同心円上に均等間隔で配置したものであり、伝達管17の重量による回転軸Ｐまわりの重量の偏りをなくして、高速回転時の振動や偏心を防止することができる。

図５に示すように、本実施例は、磁極構成物５が回転したときの伝達管17の遠心力とバランスを取るためのバランスウェイト26を設けたものである。磁極構成物５が回転したときの伝達管17による遠心力を、バランスウェイト26による遠心力で打ち消して平衡を保つことにより、磁極構成物５が高速回転したときの振動や偏心を防止し、安定して磁極構成物５を回転させることができる。

以上のように、本実施例の磁気浮上回転装置は、前記磁極構成物５にバランスウェイト26を設けたものであり、回転軸Ｐまわりの重量の偏りをなくして、高速回転時の振動や偏心を防止することができる。

本発明の実施例１における全体構成を示す模式図である。 本発明の実施例１における圧縮機の一方のピストンの近傍を示す断面図である。 本発明の実施例１の変形例における超電導バルク体近傍の一部を示す模式図である。 本発明の実施例２における磁極構成物を示す模式図である。 本発明の実施例３における磁極構成物を示す模式図である。

符号の説明

１ 撹拌子
２ 撹拌翼
５ 磁極構成物
６ 超電導バルク体
７ 冷却体
８ 冷凍機
９ 圧縮機
17，17ａ 伝達管
23 回転駆動源
26 バランスウェイト
51 ピストン
Ｐ 回転軸，駆動軸

Claims (4)

1. 撹拌翼を備え回転軸を中心とする同心円周上で不均一な磁束分布を形成するように構成された撹拌子と、この撹拌子を浮上させて回転させる磁極構成物と、この磁極構成物を回転軸まわりに回転させる回転駆動源とを備えるとともに、前記磁極構成物は、超電導バルク体と、この超電導バルク体を冷却する冷却体と、この冷却体を冷却する冷凍機と、この冷凍機に冷媒を圧縮して供給する圧縮機とから一体に構成された磁気浮上回転装置であって、前記圧縮機は、駆動軸に沿って往復駆動するピストンを有するとともに、このピストンの駆動軸と前記磁極構成物の回転軸とを一致させたことを特徴とする磁気浮上回転装置。
2. 前記圧縮機から前記冷凍機へ冷媒を伝達する伝達管を備えるとともに、この伝達管を前記磁極構成物の回転軸と平行に配置したことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上回転装置。
3. 前記伝達管を複数備えるとともに、この複数の伝達管を前記磁極構成物の回転軸を中心とした同心円上に均等間隔で配置したことを特徴とする請求項２記載の磁気浮上回転装置。
4. 前記磁極構成物にバランスウェイトを設けたことを特徴とする請求項２又は３記載の磁気浮上回転装置。

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