JP5505660B2 - 低温用ロータリージョイント - Google Patents

Description

本発明は、低温用ロータリージョイントに関する。

特に、本発明は、ロータリージョイントの回転部と固定部のシール部分を、円筒状の相対回転部材とし、その内側に冷媒管を通す構造とすることにより、きわめて小型化することができる低温用ロータリージョイントに関する。

また、本発明は、ロータリージョイントの回転部と固定部のシール部分を、回転機内の冷却対象部から熱的に遠い距離の位置に配置させることにより、シール部材の凍結を防止し、シール部分の摩擦による熱による冷媒の損失および配管系に対する外部からの熱侵入を防止することができる低温用ロータリージョイントに関する。

一般に、ロータリージョイントとは、機械の固定部分と回転部分を結合し、両者の間で流体を漏れることなく循環させることができる機構をいう。

機械の固定部分と回転部分を結合し、両者の間で流体を漏れることなく循環させるため、固定部分と回転部分の摺接部分には隙間があり、流体を漏れさせないために隙間をシールする必要がある。

従来のロータリージョイントは、外周部に固定部分を有し、回転部分は固定部分の内部に回転軸として設けられ、流体の流路が回転軸内に設けられ、流体の流路の入出口が回転軸の周面に設けられ、流体の流路の入出口の回転軌跡に対応する回転部分の内側には、円環状の溝が設けられ、流体の受け渡しができるように構成されている。流体の流路の周囲の固定部分と回転部分の間に、シール部材が設けられ、流体の漏れを防止している（特開２００６−９５６１６号公報）。

低温用ロータリージョイントは、流体として冷媒を使用するため、真空によって冷媒を断熱することが好ましく、真空部分の導入によって装置が径方向に大型化する傾向がある。また、シール部材は冷媒と接触するが、凍結により機能を減殺させられ、また流体の漏れを生じ、また凍結を生じなくてもジョイント部分が長大化する。更にシール部材の摩擦熱が冷媒に伝わり、冷媒の温度が上昇し、多くの冷媒を供給しなければならないという問題が加わる。

図１０に従来の低温用ロータリージョイントを示す。

図１０の低温用ロータリージョイント１０１は、回転機１０２の出力軸１０３の反対側の端壁に固定され、回転機１０２の冷却対象部１０４に冷媒を供給できるように構成されている。

図１０において、回転部分は陰影を付して示している。低温用ロータリージョイント１０１の回転部分は回転軸１０５を構成し、固定部分のハウジング１０６の内部で回転自在に支持されている。

回転軸１０５の内部には、冷媒送給管１０７と冷媒抽出管１０８が回転軸１０５とともに回転できるように設けられている。

回転軸１０５の冷媒送給管１０７と冷媒抽出管１０８を除く部分は、冷媒送給管１０７と冷媒抽出管１０８を真空で断熱するため、真空室となっている。

回転軸１０５の周面には、内部に冷媒送給管１０７と冷媒抽出管１０８を通し、相対回転部材の回転側となるディスク状の回転側部材１０９，１１０が設けられている。

回転軸１０５の端壁には、回転軸１０５内部を真空引きするための真空引孔１１１が設けられている。

ハウジング１０６の内側には、冷媒送給管１０７と冷媒抽出管１０８の出口を受け入れる冷媒室１１２，１１３が設けられている。冷媒室１１２と冷媒室１１３の間には、冷媒室１１２と冷媒室１１３を隔てディスク状の回転側部材１０９，１１０の間に入り込んだディスク状隔壁１１４が設けられている。

冷媒室１１２と冷媒室１１３にそれぞれ連通する冷媒送給路１１５と冷媒抽出路１１６がハウジング１０６に設けられている。また、ハウジング１０６には、真空引孔１１１に連通する真空引き路１１７が設けられている。

冷媒送給管１０７と冷媒送給路１１５は冷媒の送給用の流路を形成している。また、冷媒抽出管１０８と冷媒抽出路１１６は冷媒の抽出用の流路を形成している。真空引孔１１１と真空引き路１１７は真空引きのための流路を形成している。

ディスク状の回転側部材１０９の両面と冷媒室１１２の内壁およびディスク状隔壁１１４の間には、ベローズ１１８とシール部材１１９が設けられている。

ベローズ１１８は弾発的にシール部材１１９をディスク状の回転側部材１０９の面に押しつけている。

これにより、冷媒の送給用の流路において、固定側のハウジングの冷媒送給路１１５から回転側の冷媒送給管１０７に受け渡される冷媒が、受け渡し場所の冷媒室１１２から漏れることを防止している。

符号１２０は、外部の冷媒管とのシールを行うシール部材を示している。

同様に、ディスク状の回転側部材１１０の両面と冷媒室１１３の内壁およびディスク状隔壁１１４の間には、ベローズ１１８とシール部材１１９が設けられている。

ベローズ１１８とシール部材１１９は、冷媒の抽出用の流路において、回転側の冷媒抽出管１０８から固定側のハウジングの冷媒抽出路１１６に受け渡される冷媒が、受け渡し場所の冷媒室１１３から漏れることを防止している。

特開２００６−９５６１６号公報

従来の低温用ロータリージョイントは、上述したように、ディスク状の回転側部材１０９，１１０の両面と冷媒室１１２，１１３の内壁とディスク状隔壁１１４の間には、ベローズ１１８とシール部材１１９が設けられている。

ディスク状の回転側部材１０９，１１０とディスク状隔壁１１４は、シール部材１１９の摺接面を確保するために、互いに十分入り込んだ状態になっていなければならない。

このため、上記従来の低温用ロータリージョイントは本質的に半径方向に大きな外径を有する。

また、従来の低温用ロータリージョイントは、長さ方向（回転軸方向）に直列的に冷媒送給路１１５と冷媒抽出路１１６を設けなければならない。

したがって、上記従来の低温用ロータリージョイントは長さ方向に大きな寸法を有することになり、ロータリージョイントの大型化を招く要因になっている。

さらに、回転軸１０５の内部に十分な容積の真空室を形成することもロータリージョイントの大型化を招く要因になっている。

このため、従来の低温用ロータリージョイントは、回転機１０２に比して大きな寸法を有する問題があった。

そこで、本発明が解決しようとする一つの課題は、小型かつ軽量の低温用ロータリージョイントを提供することにある。

従来の低温用ロータリージョイントは、シール部材の摩擦熱によって冷媒の温度が上昇する問題があった。

従来の低温用ロータリージョイントは、上述したように、シール部材１１９がディスク状の回転側部材１０９，１１０に押しつけられて、シールを実現している。

しかし、ディスク状の回転側部材１０９，１１０は回転軸１０５とともに回転するため、シール部材１１９はディスク状回転側部材１０９，１１０によって摩擦され、熱が生じる。シール部材１１９は冷媒の流路に接しており、このためシール部材１１９の摩擦熱は直接冷媒に移り、冷媒の温度が上昇する。

冷媒の温度上昇を防止するためには、冷媒を大量に送給し、かつ、外部で冷媒を冷却する必要があるため、エネルギーの損失を招き、効率が低下する。

従来の低温用ロータリージョイントには、もう一つ熱の進入経路がある。

図１０に示すように、従来の低温用ロータリージョイントの冷媒流路は、一部がハウジング１０６によって形成されている（冷媒送給路１１５，冷媒抽出路１１６）。

これにより、ハウジング１０６の熱がシール部材１２０等を介して冷媒に進入し、冷媒温度の上昇を招いていた。

ハウジング１０６全体の断熱は容易ではないため、冷媒温度の上昇を防止することは困難であった。

そこで、本発明が解決しようとするもう一つの課題は、冷媒に進入する熱が少なくエネルギー効率が高い低温用ロータリージョイントを提供することにある。

本発明による低温用ロータリージョイントは、
ハウジングと、
前記ハウジングの内部に設けられ、一端が外部の冷媒源に接続され、他端が回転機内の冷却対象部に連通され、内部に冷媒を流通させる非回転の冷媒管と、
前記ハウジングの内部に設けられ、前記冷媒管を緩く内挿し、一端が前記回転機の回転部に固定されて前記回転部とともに回転自在な回転部材と、
前記冷媒管及び前記回転部材と同軸であって、固定側部材が前記ハウジングの内面に固定され、回転側部材が前記固定側部材の内側で回転自在に配設された円筒状の相対回転部材と、を有し、
前記相対回転部材の固定側部材は冷媒管延設部を介して前記冷媒管に接続され、
前記相対回転部材の回転側部材は回転部材延設部を介して前記回転部材に接続され、
前記冷媒管と前記回転部材の間の空間、および、前記冷媒管延設部と前記回転部材延設部の間の空間は、前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間に連通して冷媒領域を形成し、
前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間にシール部材が設けられており、
前記ハウジング内部は、前記冷媒管周壁と、前記冷媒管延設部と、前記相対回転部材の固定側部材とにより、真空室と圧力室が画成され、前記冷媒管延設部と前記回転部材延設部の間の冷媒領域は前記真空室により断熱されている、ことを特徴とする。

前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間にあるシール部材は磁性流体シール部材からなるようにすることができる。

前記冷媒領域の前記シール部材より前記冷媒管に近い部分に、耐低温シール部材が設けられているようにすることができる。

前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間は冷媒を有しない側から前記圧力室の圧力により加圧されているようにすることができる。

前記相対回転部材の固定側部材に接続し、シール部材を介して前記相対回転部材の回転側部材と係合し、前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間の冷媒を有しない側に連通する圧力室を形成する圧力室部材を有し、
前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間を冷媒を有しない側から前記圧力室の圧力により加圧し、前記冷媒管延設部と前記回転部材延設部の間の冷媒領域を少なくとも一方の側から断熱するようにすることができる。

前記ハウジングは前記冷媒管の軸方向に直交する方向で分解可能な接続面を有し、
前記相対回転部材の固定側部材と冷媒管延設部の接続部は分離可能に構成され、
前記冷媒管とその冷媒管延設部は、前記ハウジングの接続面を分解することにより抜き出し可能に構成されているようにすることができる。

前記冷媒管は、冷媒送給用の内管を有する二重管であるようにすることができる。

本発明による他の低温用ロータリージョイントは、
回転機ハウジングと、
前記回転機ハウジングの内部に設けられ、一端が外部の冷媒源に接続され、他端が回転機の冷却対象部に連通され、内部に冷媒を流通させる非回転の冷媒管と、
前記回転機ハウジングの内部に設けられ、前記冷媒管を緩く内挿し、一端が回転機の回転部に固定されて前記回転部とともに回転自在な回転部材と、
前記冷媒管及び前記回転部材と同軸であって、固定側部材が前記回転機ハウジングに固定され、回転側部材が前記固定側部材の内側で回転自在に配設された円筒状の相対回転部材と、を有し、
前記相対回転部材の固定側部材は冷媒管延設部を介して前記冷媒管に接続され、
前記相対回転部材の回転側部材は回転部材延設部を介して前記回転部材に接続され、
前記冷媒管と前記回転部材の間の空間、および、前記冷媒管延設部と前記回転部材延設部の間の空間は、前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間に連通して冷媒領域を形成し、
前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間にシール部材が設けられており、
前記ハウジング内部は、前記冷媒管周壁と、前記冷媒管延設部と、前記相対回転部材の固定側部材とにより、真空室と圧力室が画成され、前記冷媒管延設部と前記回転部材延設部の間の冷媒領域は前記真空室により断熱されている、ことを特徴とする。

本発明による低温用ロータリージョイントは、冷媒管及び回転部材と同軸であって、固定側部材がハウジングに固定され、回転側部材が固定側部材の内側で回転自在に配設された円筒状の相対回転部材を有している。

この円筒状の相対回転部材の固定側部材は冷媒管延設部を介して冷媒管に接続され、かつ、相対回転部材の回転側部材は回転部材延設部を介して回転部材に接続されているため、円筒状相対回転部材がロータリージョイントの回転部分と固定部分が相対的に移動する部分、すなわちシール部分になっている。

このように、本発明の相対回転部材は、円筒状であって冷媒管及び回転部材と同軸に設けられているため、ディスク状の相対回転部材の半径方向の一部でシールする従来の低温用ロータリージョイントに比して小さな外径の低温用ロータリージョイントを実現することができる。

また、従来の低温用ロータリージョイントは、長さ方向（回転軸方向）に直列的に冷媒送給路と冷媒抽出路（冷媒管の入出口）を設けなければならないため、長さ方向に大きな寸法を有しなければならないのに対し、本発明による低温用ロータリージョイントは、中心部に一端が外部の冷媒源に接続され、他端が回転機の冷却対象部に連通された冷媒管が設けられているため、長さ方向に大幅に小型化することができる。

また、本発明による低温用ロータリージョイントは、円筒状の相対回転部材の固定側部材が冷媒管延設部を介して冷媒管に接続され、かつ、相対回転部材の回転側部材が回転部材延設部を介して回転部材に接続され、冷媒管と回転部材の間の空間、および、冷媒管延設部と回転部材延設部の間の空間が、相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間に連通して冷媒領域を形成している。

本発明によれば、相対回転部材の固定側部材と回転側部材がロータリージョイントの回転部分と固定部分のシール部分になっており、このシール部分が冷媒管の本体から熱的に接触させることなく遠い距離の位置に設けられているため、シール部材の熱が冷媒管に移らず、きわめて高効率の低温用ロータリージョイントを得ることができる。

逆に見れば、本発明の低温用ロータリージョイントは小型ながら回転部分と固定部分のシール部分が冷媒管の本体から熱的に接触させることなく実効距離を長くするので、冷媒によって凍結しないため、冷媒の漏れを減殺し、磁性流体シール部材を使用することができ、さらに熱損失を防止することができる高効率の低温用ロータリージョイントを得ることができる。

回転機の回転機ハウジングの内部に相対回転部材の固定側部材と回転側部材を内蔵した本発明の低温用ロータリージョイントによれば、長さ方向をさらに短くすることができるばかりでなく、回転機と低温用ロータリージョイントのハウジング部材を共用し、また、回転機と低温用ロータリージョイントの真空機構を共用することができ、さらに小型高効率の低温用ロータリージョイントを得ることができる。

また、本発明による低温用ロータリージョイントは、円筒状の相対回転部材の固定側部材が冷媒管延設部を介して冷媒管に接続され、かつ、相対回転部材の回転側部材が回転部材延設部を介して回転部材に接続され、冷媒管と回転部材の間の空間、および、冷媒管延設部と回転部材延設部の間の空間が、相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間に連通して冷媒領域を形成し、相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間にシール部材が設けられている構成に加えて、冷媒領域の前記シール部材より冷媒管に近い部分に耐低温シール部材を設けることができる。

この構成によれば、二重のシール効果ばかりでなく、冷媒管に近い部分のシール部材に耐低温性のシール部材を用い、相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間のシール部材に冷媒の圧力や低温が直接かからないようにすることにより、相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間のシール部材にたとえば磁性流体シール部材のような高いシール性を有するシール部材を使用することができ、信頼性が高く、かつ、高い密閉性を実現することができる。

また、本発明による低温用ロータリージョイントは、冷媒管周壁と、冷媒管延伸部材と、相対回転部材の固定側部材とによってハウジング内部に真空室と圧力室を画成することができる。

冷媒管周壁と、冷媒管延伸部材と、相対回転部材の固定側部材とによって真空室が画成された場合は、冷媒管延設部と回転部材延設部の間の空間によって形成された冷媒領域が少なくとも片側が真空室によって断熱され、かつ、相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間が圧力室の圧力によって冷媒を有しない側から加圧され、冷媒の漏れを防止することができる。

さらにまた、本発明による低温用ロータリージョイントは、相対回転部材の固定側部材に接続し、シール部材を介して前記相対回転部材の回転側部材と係合し、前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間の冷媒を有しない側に連通する圧力室を形成する圧力室部材を有することができる。

この構成を有する本発明の低温用ロータリージョイントによれば、圧力室の圧力によって相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間を冷媒を有しない側から加圧し、冷媒の漏れを完全に防止し、かつ、冷媒管延設部と回転部材延設部の間の空間によって形成された冷媒領域の両側を真空室によって断熱することができる。

また、本発明による低温用ロータリージョイントは、ハウジングを冷媒管の軸方向に直交する方向で分解可能な接続面で分解できるようにし、相対回転部材の固定側部材と冷媒管延設部の接続部は分離可能に構成することができる。

このような構成によれば、冷媒管とその冷媒管延設部を、ハウジングの接続面を分解することにより抜き出し可能に構成することができ、特にメンテナンスが必要なシール部材に対する容易な接近性を実現することができる。

最後に本発明による低温用ロータリージョイントは、冷媒管を、冷媒送給用の内管を有する二重管とすることができる。

このような構成によれば、冷媒が冷媒送給用の内管を通って回転機の冷却対象部に送給され、回転機の冷却対象部から抽出される冷媒は二重管の間の空間を通って抽出され、冷媒を高効率で循環させることができる。

本発明の一実施形態による低温用ロータリージョイントの縦断面図。 本発明の一実施形態による低温用ロータリージョイントの取り付け状態を示す縦断面図。 本発明の一実施形態による低温用ロータリージョイントにおける冷媒領域および相対回転部材を拡大して示した説明図。 本発明の一実施形態による低温用ロータリージョイントにおける分解方法を示した説明図。 追加の耐低温シール部材を設けた本発明の他の実施形態による低温用ロータリージョイントの縦断面図。 追加の耐低温シール部材を設けた本発明のさらに他の実施形態による低温用ロータリージョイントの縦断面図。 冷媒管が二重管である本発明の他の実施形態による低温用ロータリージョイントの縦断面図。 低温用ロータリージョイントを回転機本体の内部に内蔵した本発明一実施形態による低温用ロータリージョイントの縦断面図。 相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間の冷媒を有しない側に連通する圧力室を設けた本発明一実施形態による低温用ロータリージョイントの縦断面図。 従来の低温用ロータリージョイントの縦断面図。

以下本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態による低温用ロータリージョイントの縦断面図を示している。

図１に示すように、本実施形態の低温用ロータリージョイント１は、ハウジング２と非回転の冷媒管３と、回転自在な回転部材４と、円筒状の相対回転部材５と、を有している。

低温用ロータリージョイント１は、図示していない回転機の端壁６に取り付けられている。図１において、回転する部分には陰影を施し、回転しない部分は断面を示す斜線を施している。

冷媒管３は、ハウジング２の内部に設けられ、一端が図示しない外部の冷媒源に接続され、他端が回転機内の冷却対象部（図示せず）に連通され、内部に冷媒を流通させる。

冷媒管３は、好ましくは回転機の回転軸と同軸に設けられている。

ここで、冷媒管３が外部の冷媒源に「接続」され、あるいは、冷媒管３が回転機内の冷却対象部に「連通」され、というときは、直接的に接続されあるいは直接的に連通している場合はもちろん、図１に示すようにフランジ等により他の部材や管を介して間接的に外部の冷媒源に接続され、あるいは、回転機内の冷却対象部に連通されている場合も含む。

回転部材４は、冷媒管３を緩く内挿し、一端が回転機の回転部に固定されて前記回転部とともに回転自在に構成されている。

回転部材４が回転機の回転部に「固定」されているというときは、直接的に固定されている場合はもちろん、図１に示すようにフランジ等により他の部材を介して回転機の回転部に固定されている場合も含む。

相対回転部材５は、シールしながらロータリージョイントの回転部分と固定部分が相対的に動く部分である。相対回転部材５は全体として円筒状の形状を有し、冷媒管３及び回転部材４と同軸に設けられている。

相対回転部材５の固定側部材５ａがハウジング２の内面に固定され、相対回転部材５の回転側部材５ｂが固定側部材５ａの内側で回転自在に配設されている。なお、「固定側部材５ａがハウジング２の内面に固定される」とは、直接的にハウジング２の内面に固定される場合はもちろん、図１に示すように、回転機の端壁６や他の部材２ｂを介して間接的にハウジング２の内面に固定される場合も含む。

相対回転部材５の固定側部材５ａは冷媒管延設部３ａを介して冷媒管３に接続されている。

相対回転部材５の回転側部材５ｂは回転部材延設部４ａを介して回転部材４に接続されている。

「接続」は分解可能に接続されている場合を含む。

固定側部材５ａが回転側部材５ｂの外側にあり、回転部材４が冷媒管３の外側にあって、かつ、固定側部材５ａが冷媒管延設部３ａを介して冷媒管３に接続され、回転側部材５ｂが回転部材延設部４ａを介して回転部材４に接続されていることにより、必然的に冷媒管延設部３ａと回転部材延設部４ａは図１に示すように折り返したような屈曲した形状となる。

また、上記屈曲した形状とともに、冷媒管延設部３ａと回転部材延設部４ａは熱の伝導を少なくするために一定の長さを有するのが好ましい。

このため、本実施形態では、回転部材延設部４ａと冷媒管延設部３ａは回転機に近いところから延伸し、冷媒管３の外端に近いところで反転してそれぞれ回転側部材５ｂと固定側部材５ａに接続されている。

冷媒管３と回転部材４の間の空間７、および、冷媒管延設部３ａと回転部材延設部４ａの間の空間８は、相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９のうちの冷媒を有する側９ａに連通して冷媒領域を形成している。

相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９は、シールしながら回転部分と固定部分を相対的に動かせるロータリージョイントのシール部分になっており、このシール部分にシール部材１０が設けられている。

本実施形態では、上記シール部材１０は磁性流体シール部材を使用することが好ましいが、シール部材は磁性流体シール部材に限られない。なお、磁性流体シール部材を使用する場合は、磁性流体シール部材の移動を制限するように、図１に示すように相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９の一部に相互に入り込んだ凹凸を設け、固定側部材５ａや回転側部材５ｂの内部に磁石を設けることにより磁性流体シール部材を所定の場所に維持することができる。

相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９は、一定の隙間を維持するため、図１に示すように、ボールベアリング１１等転動可能な支持手段を設けるようにする。

図２に低温用ロータリージョイント１の取り付け状態の縦断面図を示す。

図２に示すように、低温用ロータリージョイント１は、回転機１２の端壁６に取り付けられている。

回転機１２は、回転部を有し、図２の例ではアキシャル型の超電導同期機を示し、回転子１３が回転部になっている。回転子１３の先端には超電導体１４が設けられ、回転子１３の内部に超電導体１４の周囲を巡る冷媒の冷却流路１５が形成されている。この場合、回転子１３が回転機１２の冷却対象部となる。符号１６は界磁用の磁石もしくは電機子コイルを示している。

回転子１３の低温用ロータリージョイント１と反対側の面には、出力軸１７が取り付けられている。出力軸１７の他端は回転機１２の外部に突出し、回転子１３の回転を外部に取り出すことができるようになっている。

なお、低温用ロータリージョイント１のハウジング２の端壁２ａには、冷媒管３と同軸で大径の真空引管１８が設けられ、冷媒管３との間の隙間からハウジング２内の真空引きを行うことができるようになっている。

図３に、本実施形態における低温用ロータリージョイント１の回転軸の上半分を示し、冷媒領域および相対回転部材５を拡大して示している。図３を用いて本発明の作用を以下に説明する。

使用に際しては、真空引管１８からハウジング２内を真空引きする。冷媒管３の周壁と、冷媒管延伸部材３ａと、相対回転部材の固定側部材５ａにより、ハウジング２内には真空室１９と圧力室２０が画成される。真空引管１８からハウジング２内を真空引きすることにより、真空室１９が真空状態になる。一方、圧力室２０は真空室１９から隔離されているため、常圧のままである。

また、冷媒管３の内部に冷媒を流通させ、回転機１２内の冷却対象部を冷却する。冷却が十分な状態になった後に、回転子を回転させる。図２の例では、超電導体１４が超電導状態になった後に、界磁用の磁石もしくは電機子コイル１６によって駆動され、あるいは、外部から回転駆動される。

回転機の回転部が回転することにより、回転機の回転部に固定された回転部材４が回転機の回転部とともに回転し、相対回転部材５の固定側部材５ａと回転側部材５ｂはシール部材１０（磁性流体シール部材）を挟んで相対的に移動する。

冷媒の一部は冷媒管と回転部材の間の空間７と冷媒管延設部と回転部材延設部の間の空間８と相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９の冷媒を有する側９ａに入り込み、シール部材１０に到達する。

冷媒管と回転部材の間の空間７と、冷媒管延設部と回転部材延設部の間の空間８と、シール部材１０に到達するまでの相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９の冷媒を有する側９ａは冷媒領域を形成する。

この冷媒領域は、一方の側が真空室１９に接しているので、真空によって断熱され、熱の流入はきわめて小さい。一方、熱の流入がきわめて小さいといえども、冷媒領域を冷媒が流れる間に多少の熱の流入があり、冷媒領域の中の冷媒はシール部材１０（磁性流体シール部材）に到達するまでに多少温度が上昇し、磁性流体シール部材が凍結しないまで温度が上昇する。

これにより、シール部材１０に磁性流体シール部材を使用することができる。

磁性流体シール部材はシール性能が高く、かつ、摩擦による発熱がきわめて小さいという利点を有する一方、低温では凍結して使用できないという欠点を有する。

本発明によれば、冷媒が細長い冷媒領域を流れるうちに温度が上昇し、シール部材１０（磁性流体シール部材）に到達するまでに磁性流体シール部材が凍結しない程度までに温度が上昇するため、シール部材１０に磁性流体シール部材を使用することができ、高いシール性を実現することができる。

一方、冷媒に対する入熱の面から見ると、磁性流体シール部材は摩擦による発熱がきわめて小さく、そもそも冷媒に対する熱の影響が小さい。しかも、ロータリージョイントの回転部と固定部のシール部分が、冷媒収容器の本体となる冷媒管３からは長い冷媒領域を隔てて遠く離れているため、冷媒に対する入熱がきわめて小さく、冷媒の温度上昇を防止し、きわめて高効率の低温用ロータリージョイントを得ることができる。

圧力室２０は、磁性流体シール部材の流失を防止する機能を有する。

冷媒領域の中の冷媒は一定の圧力を有する。また、冷媒が何らかの原因で温度が上昇すると、冷媒の圧力が上昇する。磁性流体シール部材は、本発明のように、相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９に凹凸を設け、固定側部材５ａまたは回転側部材５ｂに磁石を埋設することにより一定の圧力に対して元の位置に留まることができる。

しかし、冷媒の圧力が予想を超えて上昇した場合には、磁性流体シール部材が相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９から流出することが考えられる。

これに対して、本発明では圧力室２０を有し、圧力室２０の圧力によって磁性流体シール部材の流失を防止することができる。

なお、圧力室２０は常圧でもよいが、圧力室２０に外部の圧力源に連通する加圧流路を設け、圧力室２０の圧力と冷媒の圧力を測定し、コンピュータにより圧力室２０の圧力と冷媒の圧力が均衡するように圧力室２０の圧力を制御することもできる。

次に、シール部材のメンテナンスに好都合な実施形態について説明する。

図４にシール部材のメンテナンスに好都合な実施形態の分解方法を示す。図１−３と同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図４に示すように、シール部材のメンテナンスに好都合な実施形態は、ハウジング２に冷媒管３の軸方向に直交する方向で分解可能な接続面２ｃを有するとともに、相対回転部材の固定側部材５ａと冷媒管延設部３ａの接続部２１は分離可能に構成されている。

シール部材のメンテナンスを行うときは、ハウジングの接続面２ｃと相対回転部材の固定側部材と冷媒管延設部冷媒管延設部の接続部２１を分解し、冷媒管３と冷媒管延設部３ａを抜き出すようにする。

冷媒管３と冷媒管延設部３ａを抜き出すことにより、相対回転部材５の周りに設けられているシール部材にアクセス可能になり、摩耗等による消耗品のシール部材を容易に点検・交換等することができる。

次に、ロータリージョイントの回転部と固定部のシール部分のシール部材１０に至る前の冷媒領域に追加のシール部材を設ける実施形態について説明する。

図５，図６はロータリージョイントの回転部と固定部のシール部分のシール部材に至る冷媒領域に追加の耐低温性のシール部材を設ける実施形態を示している。図１−４と同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図５は、冷媒管と回転部材の間の空間７と、冷媒管延設部と回転部材延設部の間の空間８、相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９の冷媒を有する側９ａによって形成される冷媒領域の冷媒管３に近い部分に、耐低温シール部材であるバッフルシール部材２２を設けた実施形態を示している。

図６は、同様に冷媒領域のシール部材１０より冷媒管３に近い部分に、耐低温シール部材であるテフロンシール部材２３を設けた実施形態を示している。

バッフルシール部材２２およびテフロンシール部材２３は低温に対する耐性を有するが、シール性は磁性流体シール部材より多少劣る。しかし、本発明ではこの性質を利用し、耐低温性シール部材２２，２３では、厳密なシール性を求めず、換言すると弱い力で摩擦熱の低下をはかるとともに、シール部材１０に対して大量の冷媒が流到することを防止する。

すなわち、本実施形態によれば、バッフルシール部材２２又はテフロンシール部材２３は、冷媒の流量と下流の圧力を制限し、シール部材１０特に磁性流体シール部材を健全な状態で機能させることができる。

次に、冷媒管３を二重管とする実施形態について説明する。

図７に冷媒管が二重管である実施形態を示す。図７において、図１−６と同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

冷媒管３は一重の管からなる場合でも、冷媒が管内で送給側通路と抽出側通路を形成し、冷媒の送給と抽出を行うことができる。

しかし、冷媒管を二重管とすることにより、大きな流量の冷媒の送給と抽出を行うことができる。

図７に示すように、本実施形態では冷媒管３は、冷媒送給用の内管２４を有し二重管に構成されている。

本実施形態によれば、図７に矢印で示すように、冷媒送給用の内管２４から回転機の冷却対象部に冷媒を送給し、冷媒管３の外管と内管２４の間の流路から冷媒を抽出することができ、大容量の冷媒の送給で効率よく回転機の冷却対象部を冷却することができる。

次に、回転機本体に内蔵した低温用ロータリージョイントについて説明する。

図８に回転機本体に内蔵した低温用ロータリージョイントの実施形態を示す。図８において、図１−７と同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

本実施形態のでは、回転機１２は回転機ハウジング２５を有し、冷媒管３は回転機ハウジング２５の内部に設けられ、一端が外部の冷媒源（図示せず）に接続され、他端が回転機の冷却対象部（回転子１３，超電導体１４）に連通されている。

回転部材４は回転機ハウジング２５の内部に設けられ、冷媒管３を緩く内挿し、一端が回転機１２の回転部（回転子１３）に固定されている。

相対回転部材５は、冷媒管３と回転部材４と同軸であって、固定側部材５ａが回転機ハウジング２５に固定されている。

相対回転部材５の回転側部材５ｂは、固定側部材５ａの内側で回転自在に配設されている。

すなわち、本実施形態では相対回転部材５は回転機ハウジング２５の内部に内蔵されている。

真空引管１８は、固定側部材５ａより大径の大径部２６を有し、回転機ハウジング２５の端壁に固定されている。

真空引管の大径部２６の内側の回転機ハウジング２５の端壁には真空引用の開孔２７が設けられている。

真空引管１８から真空引きすることにより、回転機１２の内部、および、冷媒管と回転部材の間の空間７と冷媒管延設部と回転部材延設部の間の空間８によって形成される冷媒領域の周囲が真空状態になる。

本実施形態によれば、回転機１２の外部に突出して設けていた低温用ロータリージョイントを回転機１２内に納めることができ、長さ方向を著しく短くすることができる。

また、回転機１２と低温用ロータリージョイントのハウジング部材を共用でき、さらに、回転機１２と低温用ロータリージョイントの真空機構を共用することができる。

また、冷媒管と回転部材の間の空間７と冷媒管延設部と回転部材延設部の間の空間８によって形成される冷媒領域が両側から真空によって断熱されるため、さらに小型高効率の低温用ロータリージョイントを得ることができる。

最後に、極小の圧力室を設けた実施形態について説明する。

図９は極小の圧力室を設けた実施形態を示している。図９において、図１−８と同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図９に示すように、本実施形態では、相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９の冷媒を有しない側９ｂに、連通する圧力室２８を形成する圧力室部材２９を設けている。

圧力室部材２９は、ハウジング２から延伸し、相対回転部材の固定側部材５ａに接続するとともに、シール部材３０を介して相対回転部材の回転側部材５ｂと係合している。

圧力室部材２８は全体として円環状の形状を有し、その一部に真空引用の開孔３１が設けられている。

本実施形態において、真空引管１８から真空引きし、圧力室２８は適切な圧力を有するようにする。

真空引管１８から真空引きすることにより、真空引用の開孔３１を通してハウジング２内部全体が真空状態になる。ただし、相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９の冷媒を有していない側９ｂには、圧力室２８から圧力がかかるようになっている。

ハウジング２内部全体が真空状態になることにより、冷媒管と回転部材の間の空間７と冷媒管延設部と回転部材延設部の間の空間８によって形成される冷媒領域が両側から真空断熱され、冷媒に対する入熱をさらに小さくすることができる。

また、圧力室２８の圧力が相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間９の冷媒を有していない側９ｂにかかることにより、冷媒の圧力が何らかの理由によって上昇したときも、シール部材として使用された磁性流体シール部材を元の位置留め、磁性流体シール部材の流出を防止することができる。

１ 低温用ロータリージョイント
２ ハウジング
２ａ ハウジングの端面
２ｂ ハウジング部材
２ｃ ハウジングの接続面
３ 冷媒管
３ａ 冷媒管延設部
４ 回転部材
４ａ 回転部材延設部
５ 相対回転部材
５ａ 固定側部材
５ｂ 回転側部材
６ 回転機の端壁
７ 冷媒管と回転部材の間の空間
８ 冷媒管延設部と回転部材延設部の間の空間
９ 相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間
９ａ 相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間の冷媒を有する側
９ｂ 相対回転部材５の固定側部材と回転側部材の間の隙間の冷媒を有しない側
１０ シール部材
１１ ボールベアリング
１２ 回転機
１３ 回転子
１４ 超電導体
１５ 冷却流路
１６ 界磁用の磁石もしくは電機子コイル
１７ 出力軸
１８ 真空引管
１９ 真空室
２０ 圧力室
２１ 相対回転部材の固定側部材と冷媒管延設部冷媒管延設部の接続部
２２ バッフルシール部材
２３ テフロンシール部材
２４ 冷媒送給用の内管
２５ 回転機ハウジング
２６ 真空引管の大径部
２７ 真空引用の開孔
２８ 圧力室
２９ 圧力室部材
３０ シール部材
３１ 真空引用の開孔
１０１ 低温用ロータリージョイント
１０２ 回転機
１０３ 出力軸
１０４ 冷却対象部
１０５ 回転軸
１０６ ハウジング
１０７ 冷媒送給管
１０８ 冷媒抽出管
１０９ ディスク状の回転側部材
１１０ ディスク状の回転側部材
１１１ 真空引孔
１１２ 冷媒室
１１３ 冷媒室
１１４ ディスク状隔壁
１１５ 冷媒送給路
１１６ 冷媒抽出路
１１７ 真空引き路
１１８ ベローズ
１１９ シール部材
１２０ シール部材

Claims (8)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングの内部に設けられ、一端が外部の冷媒源に接続され、他端が回転機内の冷却対象部に連通され、内部に冷媒を流通させる非回転の冷媒管と、
   前記ハウジングの内部に設けられ、前記冷媒管を緩く内挿し、一端が前記回転機の回転部に固定されて前記回転部とともに回転自在な回転部材と、
   前記冷媒管及び前記回転部材と同軸であって、固定側部材が前記ハウジングの内面に固定され、回転側部材が前記固定側部材の内側で回転自在に配設された円筒状の相対回転部材と、を有し、
   前記相対回転部材の固定側部材は冷媒管延設部を介して前記冷媒管に接続され、
   前記相対回転部材の回転側部材は回転部材延設部を介して前記回転部材に接続され、
   前記冷媒管と前記回転部材の間の空間、および、前記冷媒管延設部と前記回転部材延設部の間の空間は、前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間に連通して冷媒領域を形成し、
   前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間にシール部材が設けられており、
   前記ハウジング内部は、前記冷媒管周壁と、前記冷媒管延設部と、前記相対回転部材の固定側部材とにより、真空室と圧力室が画成され、前記冷媒管延設部と前記回転部材延設部の間の冷媒領域は前記真空室により断熱されている、ことを特徴とする低温用ロータリージョイント。
2. 前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間にシール部材は磁性流体シール部材からなることを特徴とする請求項１または２記載の低温用ロータリージョイント。
3. 前記冷媒領域の前記シール部材より前記冷媒管に近い部分に、耐低温シール部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の低温用ロータリージョイント。
4. 前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間は冷媒を有しない側から前記圧力室の圧力により加圧されていることを特徴とする請求項１に記載の低温用ロータリージョイント。
5. 前記相対回転部材の固定側部材に接続し、シール部材を介して前記相対回転部材の回転側部材と係合し、前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間の冷媒を有しない側に連通する圧力室を形成する圧力室部材を有し、
   前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間を冷媒を有しない側から前記圧力室の圧力により加圧し、前記冷媒管延設部と前記回転部材延設部の間の冷媒領域を少なくとも一方の側から真空断熱することを特徴とする請求項１に記載の低温用ロータリージョイント。
6. 前記ハウジングは前記冷媒管の軸方向に直交する方向で分解可能な接続面を有し、
   前記相対回転部材の固定側部材と冷媒管延設部の接続部は分離可能に構成され、
   前記冷媒管とその冷媒管延設部は、前記ハウジングの接続面を分解することにより抜き出し可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の低温用ロータリージョイント。
7. 前記冷媒管は、冷媒送給用の内管を有する二重管であることを特徴とする請求項１に記載の低温用ロータリージョイント。
8. 回転機ハウジングと、
   前記回転機ハウジングの内部に設けられ、一端が外部の冷媒源に接続され、他端が回転機の冷却対象部に連通され、内部に冷媒を流通させる非回転の冷媒管と、
   前記回転機ハウジングの内部に設けられ、前記冷媒管を緩く内挿し、一端が回転機の回転部に固定されて前記回転部とともに回転自在な回転部材と、
   前記冷媒管及び前記回転部材と同軸であって、固定側部材が前記回転機ハウジングに固定され、回転側部材が前記固定側部材の内側で回転自在に配設された円筒状の相対回転部材と、を有し、
   前記相対回転部材の固定側部材は冷媒管延設部を介して前記冷媒管に接続され、
   前記相対回転部材の回転側部材は回転部材延設部を介して前記回転部材に接続され、
   前記冷媒管と前記回転部材の間の空間、および、前記冷媒管延設部と前記回転部材延設部の間の空間は、前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間の隙間に連通して冷媒領域を形成し、
   前記相対回転部材の固定側部材と回転側部材の間にシール部材が設けられており、
   前記ハウジング内部は、前記冷媒管周壁と、前記冷媒管延設部と、前記相対回転部材の固定側部材とにより、真空室と圧力室が画成され、前記冷媒管延設部と前記回転部材延設部の間の冷媒領域は前記真空室により断熱されている、ことを特徴とする低温用ロータリージョイント。

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