JP5952714B2 - 冷媒給排装置およびそれを備えた超電導回転機装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導回転機との間で超電導回転機の超電導コイルを超電導状態に保持する温度まで冷却するための冷媒を給排する冷媒給排装置およびそれを備えた超電導回転機装置に関する。

従来、超電導回転機の超電導コイルを超電導状態に保持する温度まで冷却するための冷媒給排装置として、超電導回転機のロータと、ヘリウムガス等の極低温の冷媒の供給源となる冷凍機との間に設けられ、冷媒を超電導回転機に給排するための構造が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。

このような冷媒給排装置においては、超電導回転機のロータの回転軸と同軸の入口冷却チューブと出口冷却チューブとが設けられている。出口冷却チューブは入口冷却チューブより大きい口径を有し、入口冷却チューブが出口冷却チューブ内に設けられる。入口冷却チューブは、冷凍機からの冷媒を超電導回転機の回転軸内に導入するように構成され、出口冷却チューブは、入口冷却チューブの外側において超電導回転機の回転軸から排出された冷媒を冷凍機に戻すように構成されている。入口冷却チューブおよび出口冷却チューブは、超電導回転機の回転軸に固定され、回転軸の回転に伴って回転する回転チューブとして構成される。

特許文献１の構造においては、超電導回転機の回転軸は冷凍機に対して回転させる必要があることから、冷凍機側に固定された固定チューブと上記回転チューブとの連結部分から冷媒が漏れ出ないように、固定チューブと回転チューブとがシール部材を介して摺動するように構成されている。しかし、これらが摺動することによって熱が生じると、冷媒の温度上昇が生じたり、シール部材の劣化により寿命が短くなったりする問題があった。そこで、特許文献２の構造においては、固定チューブと回転チューブとが重なり合う部分に互いに摺動しない程度の微小な間隙を設け、固定チューブおよび回転チューブのうち小径となる側のチューブの外周面部分に凹部を形成することにより、当該連結部分における冷媒のリーク量を制御することができるものとしている。

特許第４０６４７２１号公報（図９） 特開２０１１−６６９９３号公報（図２）

しかし、これらの構造では、超電導回転機とは別に冷媒給排装置を支持する支持構造が別途必要となる。このため、装置の構造が複雑化し、製造コストが高くなる問題があった。また、超電導回転機の回転軸の先端のさらに先の位置に冷媒給排装置が設けられることとなり、超電導回転機と冷媒給排装置とを合わせた回転軸方向の長さが長くなる問題があった。

本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、簡単な構造で、装置の軸方向長さを短くすることができる冷媒給排装置およびそれを備えた超電導回転機装置を提供することを目的とする。

本発明のある形態に係る冷媒給排装置は、超電導回転機において超電導コイルを備える回転子と冷凍機との間に配置され、該冷凍機から供給された供給冷媒を前記回転子に供給し、該回転子から戻された戻り冷媒を前記冷凍機に戻す、超電導回転機の冷媒給排装置であって、前記回転子の回転軸とともに回転する円筒状の回転側ケーシングと、前記回転側ケーシングの内側に、該回転側ケーシングと同軸状にかつ該回転側ケーシングに対しベアリングを介して相対回転可能に固定して設けられた円筒状の固定側ケーシングと、前記固定側ケーシングに挿入され、かつ回転しないように設けられた第１の固定側円筒体と、前記第１の固定側円筒体に隙間を有して嵌挿され、前記回転軸とともに回転する第１の回転側円筒体と、前記第１の固定側円筒体に挿入され、かつ回転しないように設けられた第２の固定側円筒体と、前記第１の回転側円筒体に挿入され、前記第２の固定側円筒体に隙間を有して嵌合され、かつ前記回転軸とともに回転する第２の回転側円筒体と、を備え、前記第２の固定側円筒体および前記第２の回転側円筒体の内側に、前記供給冷媒の流路が形成され、前記第１の固定側円筒体および前記第１の回転側円筒体と、前記第２の固定側円筒体および前記第２の回転側円筒体との間に、前記戻り冷媒の流路が形成されたものである。

上記構成によれば、第２の固定側円筒体と第２の回転側円筒体とで供給冷媒の流路が形成され、第１の固定側円筒体および第１の回転側円筒体と、第２の固定側円筒体および第２の回転側円筒体とで戻り冷媒の流路が形成される。その上で、回転側ケーシングが固定側ケーシングの外側に位置し、かつ固定側ケーシングのすぐ内側には第１の固定側円筒体が位置しているため、回転側ケーシングの相対回転による振動が第１の固定側円筒体に伝わるのを防止しつつ回転部を超電導回転機の回転軸と一体化して設計することができる。これにより、冷媒給排装置の支持構造を別途設ける必要がなくなり、構造を単純化することができる。また、回転側ケーシングが最も外側に位置するため、冷媒給排装置を超電導回転機の回転軸内に収納した状態で、複雑な構造を用いることなく冷媒給排装置を回転軸に容易に取り付けることができる。したがって、簡単な構造で、装置の軸方向の長さを短くすることができる。

前記第１の固定側円筒体と前記第１の回転側円筒体とが嵌合される第１の嵌合部、および、前記第２の固定側円筒体と前記第２の回転側円筒体とが嵌合される第２の嵌合部は、前記回転側ケーシングの軸方向内側に位置してもよい。これによれば、第１の嵌合部および第２の嵌合部が回転側ケーシングの軸方向内側に位置するため、装置の軸方向の長さをより短くすることができる。また、第１の回転側円筒体および第２の回転側円筒体の長さを短くすることができる。一般的に、回転側円筒体は、超電導回転機の回転軸側でのみ支持される片持ち支持構造を有するため、回転側円筒体の軸方向長さが長くなると製造精度を高くすることができない、または、製造コストが高くなってしまう問題がある。したがって、第１の回転側円筒体および第２の回転側円筒体の長さを短くすることにより、製造精度を高く保持しつつ製造コストを低くすることができる。

前記回転側ケーシングと前記固定側ケーシングとの間は、磁性流体封止部材によりシールされていてもよい。これにより、第１の嵌合部から漏れ出た冷媒が外気に漏れるのを磁性流体封止部材により防止することができる。

前記各円筒体は、二重の管で構成され、当該二重の管の間の空間が真空断熱層として構成されていてもよい。これにより、冷媒の流路のそれぞれが他の領域と真空断熱層により隔てられるため、冷媒の温度上昇をより抑えることができる。

前記第１の嵌合部における間隙は、前記回転側ケーシングと前記固定側ケーシングとの間に連通しており、前記第２の嵌合部における間隙は、前記戻り冷媒の流路に連通していてもよい。これにより、微小な間隙から冷媒が漏れ出た場合でも、漏れ出た冷媒が外気に触れたりしないように構成することができ、冷媒の温度上昇をより抑えることができる。

前記第２の回転側円筒体に、前記第２の固定側円筒体が間隙を有して嵌挿されていてもよい。これにより、供給冷媒の流路において、第２の嵌合部の間隙により当該第２の嵌合部の内側と外側とを繋ぐ経路が超電導回転機へ向かう側（供給方向）の冷媒の進行方向とは逆向きに形成される。したがって、供給冷媒が第２の嵌合部から漏れ出る量をより低減させることができる。

本発明の他の形態に係る超電導回転機装置は、超電導コイルを備える回転子を含む超電導回転機と、前記回転子に冷媒を流す冷凍機と、前記回転子と前記冷凍機との間に配置され、該冷凍機から供給された供給冷媒を該回転子に供給し、該回転子から戻された戻り冷媒を前記冷凍機に戻す、超電導回転機の冷媒給排装置と、を備え、前記冷媒給排装置は、前記回転子の回転軸とともに回転する円筒状の回転側ケーシングと、前記回転側ケーシングの内側に、該回転側ケーシングと同軸状にかつ該回転側ケーシングに対しベアリングを介して相対回転可能に固定して設けられた円筒状の固定側ケーシングと、前記固定側ケーシングに嵌挿され、かつ回転しないように設けられた第１の固定側円筒体と、前記第１の固定側円筒体に隙間を有して嵌挿され、前記回転軸とともに回転する第１の回転側円筒体と、前記第１の固定側円筒体に挿入され、かつ回転しないように設けられた第２の固定側円筒体と、前記第１の回転側円筒体に挿入され、前記第２の固定側円筒体に隙間を有して嵌合され、かつ前記回転軸とともに回転する第２の回転側円筒体と、を備え、前記第２の固定側円筒体および前記第２の回転側円筒体の内側に、前記供給冷媒の流路が形成され、前記第１の固定側円筒体および前記第１の回転側円筒体と、前記第２の固定側円筒体および前記第２の回転側円筒体との間に、前記戻り冷媒の流路が形成されたものである。

上記構成によれば、第２の固定側円筒体と第２の回転側円筒体とで供給冷媒の流路が形成され、第１の固定側円筒体および第１の回転側円筒体と、第２の固定側円筒体および第２の回転側円筒体とで戻り冷媒の流路が形成される。その上で、回転側ケーシングが固定側ケーシングの外側に位置し、かつ固定側ケーシングのすぐ内側には第１の固定側円筒体が位置しているため、回転側ケーシングの相対回転による振動が第１の固定側円筒体に伝わるのを防止しつつ回転部を超電導回転機の回転軸と一体化して設計することができる。これにより、冷媒給排装置の支持構造を別途設ける必要がなくなり、構造を単純化することができる。また、回転側ケーシングが最も外側に位置するため、冷媒給排装置を超電導回転機の回転軸内に収納した状態で、複雑な構造を用いることなく冷媒給排装置を回転軸に容易に取り付けることができる。したがって、簡単な構造で、装置の軸方向の長さを短くすることができる。

本発明は以上に説明したように構成され、簡単な構造で、装置の軸方向長さを短くすることができるという効果を奏する。

図１は本発明の一実施形態における冷媒給排装置が適用される超電導回転機装置を示した概略構成図である。 図２は図１に示す冷媒給排装置の詳細構造を示した側方断面図である。 図３は本発明の一実施形態の第１の変形例における冷媒給排装置の詳細構造を示した側方断面図である。 図４は本発明の一実施形態の第２の変形例における冷媒給排装置の詳細構造を示した側方断面図である。

＜発明の概要＞
まず、本発明の概要について説明する。本発明は、上述した通り、従来の冷媒給排装置において、超電導回転機とは別に冷媒給排装置を支持する必要が生じる問題、および、超電導回転機と冷媒給排装置とを合わせた回転軸方向の長さが長くなる問題を解決するものである。本発明の発明者らは、これらの従来の課題について鋭意検討した結果、回転軸方向の長さを短くするためには、超電導回転機の回転軸の内部に冷媒給排装置を収納することができれば、理想的には冷媒給排機構（後述）と超電導回転機との間の長さは、超電導回転機の回転軸の長さとすることができ、装置の回転軸方向の長さを短くすることが可能になるという知見を得た。

ただし、従来の冷媒給排装置においては、外側が固定部かつ内側が回転部という構造を有しているため、そのままでは、超電導回転機の回転軸内には固定できない。すなわち、冷媒給排装置の外側に位置する固定部と、回転軸の内壁との間にベアリングなどを介して相対回転可能に取り付ける必要が生じる。このため、構造が複雑となるだけでなく、回転軸と冷媒給排装置とを一体的に固定することができないため、結局、別途冷媒給排装置を支持する構造が必要となる。このため、従来の構造のまま回転軸内に収納することは現実的ではなく、上記課題も解決できない。

そこで、本発明の発明者らは、鋭意検討の末、冷媒給排装置において回転部を固定部より外側に設けることにより超電導回転機の回転軸内に冷媒給排装置を収納した状態で一体化することを想到するに至った。これにより、上記のように複雑な構造をとることなく、超電導回転機の回転軸内に冷媒給排装置を収納した状態で、超電導回転機の回転軸と冷媒給排装置の外側に位置する回転部とを一体化することができる。通常、超電導回転機の回転軸は、高剛性を有しているため、当該回転軸を別途支持する構造は不要であり、冷媒給排装置の支持構造が不要となる分だけ装置全体として構造を簡略化することができる。しかも冷媒給排装置を超電導回転機の回転軸内に収納することにより装置の回転軸方向の長さを短くすることを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下ではすべての図を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

＜冷媒給排装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態における冷媒給排装置が適用される超電導回転機装置を示した概略構成図である。図１に示すように、本実施の形態の冷媒給排装置Ｔは、超電導回転機１００のロータ（回転子）の回転軸１０と冷凍機２０との間に配置される。この冷媒給排装置Ｔは、冷凍機２０により冷媒（例えば、ヘリウムガス等のガス状の冷媒）を所定温度（極低温）まで冷却し、当該極低温の冷媒（供給冷媒）を、冷媒供給管１０１を介してロータの超電導コイル１０３へ供給し、当該供給冷媒によってロータコア１０４全体を冷却しつつ、伝導冷却により超電導コイル１０３を、例えば３０Ｋ程度まで冷却する。熱交換後の冷媒（戻り冷媒）は、冷媒排出管１０２を介して上記冷凍機２０に戻される。このように、超電導回転機装置は、超電導回転機１００、冷凍機２０および冷媒給排装置Ｔを備えるように構成される。

次に、本実施の形態の冷媒給排装置Ｔの詳細構造について説明する。図２は、図１に示す冷媒給排装置の詳細構造を示した側方断面図である。なお、図２においては、図２の向かって右側を超電導回転機側、左側を冷凍機側としている。

図２に示すように、冷媒給排装置Ｔは、超電導回転機１００の回転軸１０に固定される回転部１と、冷凍機２０の冷媒を給排するための冷媒給排機構４に固定される固定部２とを備えている。なお、本実施形態においては、固定部２と冷媒給排機構４とは一体的に形成されている。回転部１は、ロータの回転軸１０とともに回転する円筒状の回転側ケーシング１１と、回転軸１０に同軸状に配置された第１の回転側円筒体１２および第２の回転側円筒体１３とを備えている。回転側ケーシング１１は、回転軸１０に継手部材（図示せず）を介して接続されている。なお、回転側ケーシング１１と継手部材とは完全に固定されていなくてもよい（周方向および／または軸方向に多少のずれの発生を許容してもよい）。固定部２は、回転側ケーシング１１の径方向内側に、該回転側ケーシング１１と同軸状にかつ該回転側ケーシング１１に対しベアリング３を介して相対回転可能に設けられた円筒状の固定側ケーシング２１と、回転軸１０に同軸状に配置された第１の固定側円筒体２２および第２の固定側円筒体２３とを備えている。固定側ケーシング２１は、冷媒給排機構４に固定されている。

回転軸１０は、軸心に沿って超電導回転機側に延在する略円筒形状の部材で形成されている。回転軸１０の中央部には、１本の冷媒供給管１０１が配設されているともに、冷媒供給管１０１に沿って冷媒排出管１０２が配設され、これらが超電導回転機１００のロータコア１０４内に連通している（図１参照）。また、回転軸１０の端部は、後述するように冷媒給排装置Ｔが内部に挿通可能なように中空形状を有している。

回転側ケーシング１１は、回転軸１０の内部に設けられた継手部材のフランジ部に接続される。回転側ケーシング１１には、第１の回転側円筒体１２を支持する支持部材１８が固定されている。回転側ケーシング１１は、冷凍機側端部が径方向内方に延在した形状を有している。回転側ケーシング１１の内側には、ベアリング３が内装されている。ベアリング３は、回転側ケーシング１１の冷凍機側端部と超電導回転機側の端部とにそれぞれ１つずつ設けられる。第１の回転側円筒体１２は、支持部材１８に固定されることにより、回転側ケーシング１１の径方向内側に、所定の間隙を有した状態で挿入されている。また、第２の回転側円筒体１３は、第１の回転側円筒体１２の径方向内側に、所定の間隙を有した状態で挿入されている。第１の回転側円筒体１２は、図示しないが回転軸１０側で片持ち支持されている。

固定側ケーシング２１は、冷凍機側端部にフランジ部を有しており、冷凍機２０に固定されている。具体的には、冷凍機２０と固定側ケーシング２１との間に設けられ、冷凍機の冷媒を給排するための冷媒給排機構４に固定されている。すなわち、固定側ケーシング２１は、固定部２を支持する支持部材２４に固定されることで冷凍機２０に間接的に固定される。支持部材２４は、固定部２を収容する枠体（図示せず）に固定される。第１の固定側円筒体２２は、支持部材２４に固定されることにより、固定側ケーシング２１の径方向内側に、当該固定側ケーシング２１と同軸状にかつ当該固定側ケーシング２１とは所定の間隙を有した状態で相対回転しないように挿入されている。また、第２の固定側円筒体２３は、第１の固定側円筒体２２の径方向内側に、当該第１の固定側円筒体２２と同軸状にかつ当該第１の固定側円体２２とは所定の間隙を有した状態で相対回転しないように挿入されている。

第１の固定側円筒体２２および第２の固定側円筒体２３は、それぞれ二重の管で構成されている。より詳しくは、第１の固定側円筒体２２は、外管２２ａと内管２２ｂとを備えている。第１の固定側円筒体２２の超電導回転機側端部は、外管２２ａと内管２２ｂとの間が円環状の封止部材２２０により封止されており、冷凍機側端部は、外管２２ａと内管２２ｂとの間が開放されている。同様に、第２の固定側円筒体２３は、外管２３ａと内管２３ｂとを備えている。第２の固定側円筒体２３の超電導回転機側端部は、外管２３ａと内管２３ｂとの間がそれぞれ円環状の封止部材２３０により封止されており、冷凍機側端部は、外管２３ａと内管２３ｂとの間が開放されている。

また、第１の回転側円筒体１２および第２の回転側円筒体１３も、それぞれ二重管構造を有している。より詳しくは、第１の回転側円筒体１２は、外管１２ａと内管１２ｂとを備えている。第１の回転側円筒体１２の冷凍機側端部は、外管１２ａと内管１２ｂとの間が円環状の封止部材１２０により封止されており、超電導回転機側端部は、外管１２ａと内管１２ｂとの間が開放されている。同様に、第２の回転側円筒体１３は、外管１３ａと内管１３ｂとを備えている。第２の回転側円筒体１３の冷凍機側端部は、外管１３ａと内管１３ｂとの間がそれぞれ円環状の封止部材１３０により封止されており、超電導回転機側端部は、外管１３ａと内管１３ｂとの間が開放されている。

各円筒体２２，２３，１２，１３の開放端は、それぞれ真空チャンバ（図示せず）に連通され、各円筒体２２，２３，１２，１３の二重の管の間の空間、すなわち、各円筒体の外管および内管と封止部材とで形成される空間内が真空状態となることにより、当該空間内が真空断熱層として構成される。

第１の回転側円筒体１２の内管１２ｂと第２の回転側円筒体１３の外管１３ａとで形成される円筒状空間は、冷凍機側が開放されており、超電導回転機側が円環状の閉塞部材１２３により閉塞されている。この閉塞部材１２３の一部には、貫通孔が形成され、当該貫通孔に排出側フレキシブルホース２１１が接続されている。また、第２の回転側円筒体１３の内管１３ｂ内の円筒状空間は、冷凍機側が開放されており、超電導回転機側には供給側フレキシブルホース２１２が接続されている。

第１の回転側円筒体１２は、第１の固定側円筒体２２に、径方向に隙間を有して嵌合されている。すなわち、第１の回転側円筒体１２と第１の固定側円筒体２２とは互いに同心軸上でオーバーラップした状態に配置され、当該オーバーラップ箇所が環状の間隙を有する第１の嵌合部５１となる。また、第２の回転側円筒体１３は、第２の固定側円筒体２３に、径方向に隙間を有して嵌合されている。すなわち、第２の回転側円筒体１３と第２の固定側円筒体２３とは互いに同心軸上でオーバーラップした状態に配置され、当該オーバーラップ箇所が第２の嵌合部５２となる。環状の間隙は、両者が接触しない程度の微小距離（例えば０．１ｍｍ程度）となるように設計される。

このようにして、第２の固定側円筒体２３および第２の回転側円筒体１３の内側の空間および供給側フレキシブルホース２１２内の空間が、冷凍機からの供給冷媒の流路５３として形成される。また、第１の固定側円筒体２２および第１の回転側円筒体１２と、第２の固定側円筒体２３および第２の回転側円筒体１３との間の空間および排出側フレキシブルホース２１１内の空間が、超電導回転機からの戻り冷媒の流路５４として形成される。

本実施形態においては、第２の回転側円筒体１３に、第２の固定側円筒体２３が間隙を有して嵌挿されている。すなわち、第２の回転側円筒体１３の内径（内管１３ｂの直径）は、第２の固定側円筒体２３の外径（外管２３ａの直径）よりわずかに大きいように構成される。また、第１の固定側円筒体２２に、第１の回転側円筒体１２が間隙を有して嵌挿されている。すなわち、第１の回転側円筒体１２の外径（外管１２ａの直径）は、第１の固定側円筒体２２の内径（内管２２ｂの直径）よりわずかに小さいように構成される。

本実施形態において、第２の固定側円筒体２３は、冷凍機側の第１部材２３１と、超電導回転機側の第２部材２３２とを備えている。第１部材２３１は二重の管で構成される。第２の嵌合部５２は、第２の固定側円筒体２３の第２部材２３２と、第２の回転側円筒体１３とが同心軸上でオーバーラップすることにより形成されている。第２部材２３２の外表面には、軸方向に等ピッチで配置された複数のリング状の溝部（図示せず）が形成されている。なお、この複数のリング状の溝部は軸方向に不等ピッチで形成されていてもよい。

この第２部材２３２は、超高分子量ポリエチレン繊維、例えば、ダイニーマ（登録商標）やSpectra（Honeywell社製）を用いて構成することができる。ダイニーマ（登録商標）やSpectra（Honeywell社製）は、高強度で熱伝導率が優れた材料である。また、これらの材料は、製造過程においてフィラメントワインディングの角度を調整することにより、負の線膨張係数を有する部材とすることができる。これにより、例えば、第２部材２３２が第２の回転側円筒体１３に間隙を有して嵌挿された場合に、冷媒の冷却作用により第２部材２３２が径方向に膨張する。このため、第２部材２３２を第２の回転側円筒体１３から脱落することなく嵌合させることができる。

なお、第１の嵌合部５１において、二重の管で構成された第１の回転側円筒体１２の外表面に溝部を設けるだけでなく、第１の嵌合部５１においても、第１の回転側円筒体１２を軸方向に２つの部材に分割し、冷凍機側の部材の外表面に溝部を設けることとしてもよい。また、第２の固定側円筒体２３の第２部材２３２に溝部を形成するのに代えて、上記第１の回転側円筒体１２と同様に、二重の管で構成された第２の固定側円筒体２３（第１部材２３１）の外表面に直接溝部を形成することとしてもよい。

また、上記第２部材２３２は、ダイニーマ（登録商標）やSpectra（Honeywell社製）に限られず、その他のポリエチレン繊維強化プラスチック等を用いることも可能である。さらに、第２部材２３２の材質を上記ダイニーマ（登録商標）やSpectra（Honeywell社製）に代えて、有機系充填材料を含むポリテトラフルオロチレン（４フッ化）樹脂で構成してもよい。この構成によれば、低温脆化による第２部材２３２の割れ等の損傷を防止することができる。また、例えば、第２の回転側円筒体１３の内管１３ｂの寸法公差をマイナス側に加工してもよい。上記材料を用いた第２部材２３２は、内管１３ｂと馴染みやすく、仮に、連続する溝部の凸部と内管１３ｂの内周面が接触したとしても、発熱を少なくすることができ、超電導回転機１００の冷却への影響を十分に低くすることができる。

また、第２部材２３２の外周部に形成される溝部の一部に、例えば、四フッ化エチレン樹脂やテフロン（登録商標）樹脂を充填するなどして、第２部材２３２の外周部に、軸方向に不等ピッチで配置されたリング状の溝部を形成することとしてもよい。

また、第２部材２３２の外周部に形成される溝部は、前述した例に限られず、例えば第２部材２３２の外周部に軸方向に連続的または不連続的に形成した螺旋状の溝であってもよい。また、この螺旋状の溝は、隣接する凹部（谷部）に滞留する冷媒が第２の回転側円筒体１３（回転部１）の回転に伴って冷媒供給路５３内に押し戻す方向に形成されていてもよい。

さらに、第２部材２３２の外周部に形成される溝は、上述した作用を生じさせるものであれば種々の変更が可能である。例えば、第２部材２３２の外周面部分に周方向に分布する矩形状の窪みを形成することとしてもよい。この場合、壁面の高さよりも底面の壁面間の長さを長く形成した窪みとすることが好ましい。さらに、この多数の窪みは、第２部材２３２の外周面部分に不均一に分布させてもよいし、例えば、外周面部分に斜めに形成してもよい。

以上のように形成された第１の嵌合部５１および第２の嵌合部５２は、回転側ケーシング１１の軸方向内側（回転側ケーシング１１の冷凍機側端部と超電導回転機側端部との間）に位置するように構成されている。これによれば、第１の嵌合部５１および第２の嵌合部５２が回転側ケーシング１１の軸方向内側に位置するため、装置の軸方向の長さをより短くすることができる。また、第１の回転側円筒体１２および第２の回転側円筒体１３の長さを短くすることができる。一般的に、回転側円筒体は、超電導回転機の回転軸側でのみ支持される片持ち支持構造を有するため、回転側円筒体の軸方向長さが長くなると製造精度を高くすることができない、または、製造コストが高くなってしまう問題がある。したがって、第１の回転側円筒体１２および第２の回転側円筒体１３の長さを短くすることにより、製造精度を高く保持しつつ製造コストを低くすることができる。

回転側ケーシング１１と固定側ケーシング２１との間は、磁性流体封止部材３１によりシールされている。具体的には、２つのベアリング３と回転側ケーシング１１および固定側ケーシング２１とで区画される空間内に磁性流体封止部材３１が充填される。なお、回転軸１０（回転部１）の周速は、磁性流体封止部材３１の内部粘性による発熱で磁性流体封止部材３１を構成する油分が散逸しないよう適切な周速となるように設計されている。さらに、第１の嵌合部５１における間隙は、回転側ケーシング１１と固定側ケーシング２１との間に連通されている。これにより、仮に、当該第１の嵌合部５１において戻り冷媒が戻り冷媒の流路５４から漏れ出た場合であっても、漏れ出た冷媒は、回転側ケーシング１１の基端部（超電導回転機側端部）と固定側ケーシング２１の先端部（超電導回転機側端部）との間から回転側ケーシング１１と固定側ケーシング２１との間の空間に流れるため、当該空間に充填されている磁性流体封止部材３１により外部に漏れ出ることが防止される。

同様に、第２の嵌合部５２における間隙は、戻り冷媒の流路５４に連通されている。これにより、仮に当該第２の嵌合部５２において供給冷媒が供給冷媒の流路５３から漏れ出た場合であっても、漏れ出た冷媒は、戻り冷媒の流路５４に流れるため、外部に漏れ出ることが防止される。

このように構成することにより、各嵌合部における間隙から冷媒が漏れ出た場合でも、漏れ出た冷媒が外気に触れたりしないように構成することができ、冷媒の温度上昇をより抑えることができる。

＜冷媒給排装置の動作＞
次に、本実施の形態の冷媒給排装置の動作について、説明する。

図２に示すように、冷凍機２０により所定の極低温度に維持された冷媒（例えばヘリウムガス等）は、供給冷媒として冷凍機２０から冷媒給排機構４および供給冷媒の流路５３を介して超電導回転機の回転軸１０内に供給される。

そして、供給冷媒は、図１に示すように、超電導回転機１００内に送り込まれ、この供給冷媒によって超電導回転機１００内に具備されているロータコア１０４全体を冷却しつつ、ロータコア１０４に保持されている超電導コイル１０３を伝導冷却により、所定温度（例えば、３０Ｋ程度）まで冷却し、当該超電導コイル１０３を超電導状態に保持する。超電導コイル１０３を所定温度に冷却することにより熱交換された冷媒は、戻り冷媒として、図２に示すように、回転軸１０から戻り冷媒の流路５４および冷媒給排機構４を介して冷凍機２０に戻される。

本実施形態の冷媒給排装置においては、供給冷媒の流路５３を構成する第２の固定側円筒体２３と第２の回転側円筒体１３との間に形成される第２の嵌合部５２および戻り冷媒の流路５４を構成する第１の回転側円筒体１２と第１の固定側円筒体２２との間に形成される第１の嵌合部５１において、冷媒のリーク量が制御される。

前述の通り、本実施形態の冷媒給排装置は、特許文献１に記載された構造のように、固定側シールと回転側シールとが接触し得る構成と根本的に異なる構成であるので、静止側部材と回転側部材との接触に起因する装置のメンテナンスコストの増加や、冷却気体の温度上昇という問題を排除することができる。

さらに、本実施形態の冷媒給排装置においては、第２の固定側円筒体２３と第２の回転側円筒体１３とで供給冷媒の流路５３が形成され、第１の固定側円筒体２２および第１の回転側円筒体１２と、第２の固定側円筒体２３および第２の回転側円筒体１３とで戻り冷媒の流路５４が形成される。さらに、回転側ケーシング１１が固定側ケーシング２１の外側に位置し、かつ固定側ケーシング２１のすぐ内側には第１の固定側円筒体２２が位置しているため、回転側ケーシング１１の相対回転による振動が第１の固定側円筒体２２に伝わるのを防止しつつ回転部１を超電導回転機１００の回転軸１０と一体化して設計することができる。

これにより、冷媒給排装置Ｔの支持構造を別途設ける必要がなくなり、構造を単純化することができる。また、回転側ケーシング１１が最も外側に位置するため、冷媒給排装置Ｔを超電導回転機１００の回転軸１９内に収納した状態で、複雑な構造を用いることなく冷媒給排装置Ｔを回転軸１０に容易に取り付けることができる。したがって、簡単な構造で、装置の軸方向の長さを短くすることができる。

また、回転部１を構成する回転側円筒体１２，１３と固定部２を構成する固定側円筒体２２，２３とを回転軸方向に一部オーバーラップさせて配置した構成であるので、シンプルで、かつ、コンパクトな冷媒給排装置を提供することができる。

上記のように回転部１と固定部２とを回転軸方向に一部オーバーラップさせて配置した構造においては、冷媒のリーク量を安定的に制御するために、各嵌合部５１，５２において回転側円筒体１２，１３と固定側円筒体２２，２３とが重なり合う部分の軸方向の長さがある程度必要となる。特許文献２に記載の構造のように、固定部に回転部が内装されるような構造となっている場合、当該重なり合う部分を冷媒給排装置のケーシングより軸方向外側に延出させなければならない場合がある。このため、回転部の長さを長くする必要が生じ、超電導回転機の回転軸および回転軸に接続された回転部の軸方向長さが長くなってしまい、超電導回転機装置全体の小型化が難しい問題が生じ得る。

これに対して、本実施形態の冷媒供給装置においては、回転側ケーシング１１が固定側ケーシング２１の外側に位置するように構成されている。このため、回転部１を超電導回転機の回転軸１０と一体化して設計することができる。したがって、装置の軸方向の長さを短くすることができる。

また、本実施形態においては、第２の嵌合部５２において供給冷媒の流路５３の上流側に位置する第２の固定側円筒体２３が下流側に位置する第２の回転側円筒体１３より径方向内側に設けられる。このため、第２の嵌合部５２において形成される間隙は、供給冷媒の進行方向（冷凍機側から超電導回転機側へ供給される方向）とは逆向きに形成されることとなる。同様に、第１の嵌合部５１において戻り冷媒の流路５４の上流側に位置する第１の回転側円筒体１２および第２の回転側円筒体１３が下流側に位置する第１の固定側円筒体２２と第２の固定側円筒体２３との間に設けられる。このため、第１の嵌合部５１において形成される間隙は、戻り冷媒の進行方向（超電導回転機側から冷凍機側へ排出される方向）とは逆向きに形成されることとなる。このように、供給冷媒の流路５３および戻り冷媒の流路５４のそれぞれにおいて、冷媒の進行方向とは逆向きに各嵌合部５１，５２における間隙が形成される。したがって、冷媒が各嵌合部５１，５２から漏れ出る量をより低減させることができる。

また、本実施形態においては、第１の嵌合部５１において形成される間隙の外気と触れる側の端部（すなわち、本実施形態における第１の固定側円筒体２２の超電導回転機側端部）を回転側ケーシング１１の超電導回転機側端部と軸方向において略同じ位置に位置させることにより、当該第１の嵌合部５１（および第２の嵌合部５２）を自然にケーシング１１，１２の軸方向内側に位置させることができる。前述したように、各嵌合部５１，５２において回転側円筒体１２，１３と固定側円筒体２２，２３とが重なり合う部分の軸方向の長さは、ある程度の長さが必要となる。従来の構成のように、固定部に回転部が内装されるような構造となっている場合、冷媒供給路を冷媒排出路の径方向内方に設けつつ、各嵌合部における微小な間隙を冷媒の進行方向とは逆向きに形成するためには、当該嵌合部（各円筒体が重なり合う部分）は、ケーシングの軸方向外側（具体的には冷却機側外方）に設ける必要があり、装置全体の軸方向長さが長くなってしまう。これに対し、本実施形態においては、回転側ケーシング１１を固定側ケーシングの外側に位置させているため、シンプルな構造で、各嵌合部５１，５２において形成される間隙を冷媒の進行方向とは逆向きに形成しつつ、第１の嵌合部５１および第２の嵌合部５２が回転側ケーシング１１の軸方向内側に位置するような構造を容易に形成することができる。

＜変形例＞
以下に、本発明の一実施形態における冷媒給排装置の変形例について説明する。図３は本発明の一実施形態の第１の変形例における冷媒給排装置の詳細構造を示した側方断面図である。本変形例において上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付し説明を省略する。本変形例における冷媒給排装置が上記実施形態と異なる点は、第２の回転側円筒体１３Ｂが、第２の固定側円筒体２３Ｂに間隙を有して嵌挿されていることである。すなわち、第２の回転側円筒体１３Ｂの外径（外管１３ａの直径）は、第２の固定側円筒体２３Ｂの内径（内管２３ｂの直径）よりわずかに小さいように構成される。

具体的には、第２の回転側円筒体１３Ｂは、超電導回転機側の第１部材１３１と、冷凍機側の第２部材１３２とを備えている。第１部材１３１は二重の管で構成される。第２の嵌合部５２Ｂは、第２の回転側円筒体１３Ｂの第２部材１３２と、第２の固定側円筒体２３とがオーバーラップすることにより形成されている。第２部材１３２の外表面には、軸方向に等ピッチで配置された複数のリング状の溝部が形成されている。

このような構成においても、回転部１を超電導回転機の回転軸１０と一体化して設計することができ、従来の構成に比べて装置の軸方向の長さを短くすることができる。特に、供給冷媒および戻り冷媒により各円筒体および各流路は極低温に保持される。このため、供給冷媒の流路５３と戻り冷媒の流路５４との間の温度差による圧力差（冷媒の膨張率の差）は大きくなく第２の嵌合部５２Ｂにおける間隙を適切に設定することにより、供給冷媒の流路５３から第２の嵌合部５２Ｂを介して戻り冷媒の流路５４へ漏れ出る量を制御する（十分低く抑える）ことができる。また、戻り冷媒が第１の嵌合部５１を介して外部へ漏れ出ると冷媒の損失となるが、供給冷媒が第２の嵌合部５２を介して戻り冷媒の流路５４へ漏れ出ても冷凍機２０に冷媒が回収され、再び供給冷媒として使用可能であるため、第２の嵌合部５２Ｂにおいて冷媒の漏れ出る割合は、第１の嵌合部５１において冷媒の漏れ出る割合に比べて多くても問題ないレベルに抑えることができる。

なお、第２の回転側円筒体１３Ｂの第２部材１３２に溝部を形成する代わりに、例えば図２に示すような第２の回転側円筒体１３の外表面に直接溝部を形成することとしてもよい。

次に、その他の変形例について説明する。図４は本発明の一実施形態の第２の変形例における冷媒給排装置の詳細構造を示した側方断面図である。本変形例において上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付し説明を省略する。本変形例における冷媒給排装置が上記実施形態と異なる点は、第１の嵌合部５１Ｃおよび第２の嵌合部５２Ｃが、回転側ケーシング１１および固定側ケーシング２１の軸方向外方に位置していることである。

このような構成であっても、回転部１を超電導回転機の回転軸１０と一体化して設計することができ、従来の構成に比べて装置の軸方向の長さを短くすることができる。

以上、上記実施形態は例示であってこれに限定されるものではない。本発明は、上記で説明した範囲ではなく、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での全ての変更が意図される。

本発明の冷媒給排装置および超電導回転機装置は、簡単な構造で、装置の軸方向長さを短くするために有用である。

１ 回転部
２ 固定部
３ ベアリング
４ 冷媒給排機構
１０ 回転軸
１１ 回転側ケーシング
１２ 第１の回転側円筒体
１３，１３Ｂ 第２の回転側円筒体
１８ 支持部材
２０ 冷凍機
２１ 固定側ケーシング
２２ 第１の固定側円筒体
２３ 第２の固定側円筒体
２４ 支持部材
３１ 磁性流体封止部材
５１，５１Ｃ 第１の嵌合部
５２，５２Ｂ，５２Ｃ 第２の嵌合部
５３ 供給冷媒の流路
５４ 戻り冷媒の流路
１００ 超電導回転機
１０１ 冷媒供給管
１０２ 冷媒排出管
１０３ 超電導コイル
１０４ ロータコア
１２０，１３０，２２０，２３０ 封止部材
１２３ 閉塞部材
２１１ 排出側フレキシブルホース
２１２ 供給側フレキシブルホース
Ｔ 冷媒給排装置

Claims (7)

1. 超電導回転機において超電導コイルを備える回転子と冷凍機との間に配置され、該冷凍機から供給された供給冷媒を前記回転子に供給し、該回転子から戻された戻り冷媒を前記冷凍機に戻す、超電導回転機の冷媒給排装置であって、
   前記回転子の回転軸とともに回転する円筒状の回転側ケーシングと、
   前記回転側ケーシングの内側に、該回転側ケーシングと同軸状にかつ該回転側ケーシングに対しベアリングを介して相対回転可能に固定して設けられた円筒状の固定側ケーシングと、
   前記固定側ケーシングに挿入され、かつ回転しないように設けられた第１の固定側円筒体と、
   前記第１の固定側円筒体に隙間を有して嵌挿され、前記回転軸とともに回転する第１の回転側円筒体と、
   前記第１の固定側円筒体に挿入され、かつ回転しないように設けられた第２の固定側円筒体と、
   前記第１の回転側円筒体に挿入され、前記第２の固定側円筒体に隙間を有して嵌合され、かつ前記回転軸とともに回転する第２の回転側円筒体と、を備え、
   前記第２の固定側円筒体および前記第２の回転側円筒体の内側に、前記供給冷媒の流路が形成され、
   前記第１の固定側円筒体および前記第１の回転側円筒体と、前記第２の固定側円筒体および前記第２の回転側円筒体との間に、前記戻り冷媒の流路が形成された、冷媒給排装置。
2. 前記第１の固定側円筒体と前記第１の回転側円筒体とが嵌合される第１の嵌合部、および、前記第２の固定側円筒体と前記第２の回転側円筒体とが嵌合される第２の嵌合部は、前記回転側ケーシングの軸方向内側に位置する、請求項１に記載の冷媒給排装置。
3. 前記回転側ケーシングと前記固定側ケーシングとの間は、磁性流体封止部材によりシールされている、請求項１または２に記載の冷媒給排装置。
4. 前記各円筒体は、二重の管で構成され、当該二重の管の間の空間が真空断熱層として構成されている、請求項１〜３の何れかに記載の冷媒給排装置。
5. 前記第１の嵌合部における間隙は、前記回転側ケーシングと前記固定側ケーシングとの間に連通しており、
   前記第２の嵌合部における間隙は、前記戻り冷媒の流路に連通している、請求項１〜４の何れかに記載の冷媒給排装置。
6. 前記第２の回転側円筒体に、前記第２の固定側円筒体が間隙を有して嵌挿されている、請求項１〜５の何れかに記載の冷媒給排装置。
7. 超電導コイルを備える回転子を含む超電導回転機と、
   前記回転子に冷媒を流す冷凍機と、
   前記回転子と前記冷凍機との間に配置され、該冷凍機から供給された供給冷媒を該回転子に供給し、該回転子から戻された戻り冷媒を前記冷凍機に戻す、超電導回転機の冷媒給排装置と、を備え、
   前記冷媒給排装置は、
   前記回転子の回転軸とともに回転する円筒状の回転側ケーシングと、
   前記回転側ケーシングの内側に、該回転側ケーシングと同軸状にかつ該回転側ケーシングに対しベアリングを介して相対回転可能に固定して設けられた円筒状の固定側ケーシングと、
   前記固定側ケーシングに嵌挿され、かつ回転しないように設けられた第１の固定側円筒体と、
   前記第１の固定側円筒体に隙間を有して嵌挿され、前記回転軸とともに回転する第１の回転側円筒体と、
   前記第１の固定側円筒体に挿入され、かつ回転しないように設けられた第２の固定側円筒体と、
   前記第１の回転側円筒体に挿入され、前記第２の固定側円筒体に隙間を有して嵌合され、かつ前記回転軸とともに回転する第２の回転側円筒体と、を備え、
   前記第２の固定側円筒体および前記第２の回転側円筒体の内側に、前記供給冷媒の流路が形成され、
   前記第１の固定側円筒体および前記第１の回転側円筒体と、前記第２の固定側円筒体および前記第２の回転側円筒体との間に、前記戻り冷媒の流路が形成された、超電導回転機装置。
   
   

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