JPH04296218A - 超電導軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明に係る超電導軸受装置は
、例えば遠心分離器等、超高速で回転する回転軸を支承
する為に利用する。

【０００２】

【従来の技術】遠心分離器等に組み込まれる、超高速で
回転する回転軸は、通常の転がり軸受で支承する事が難
しい為、従来から、電磁石により上記回転軸を浮上した
状態で保持する磁気軸受装置が使用されている。

【０００３】磁気軸受装置により回転軸を、浮上状態で
保持する為には、ラジアル方向及びスラスト方向に、そ
れぞれ複数個ずつの電磁石を設け、回転軸の位置を検出
するセンサからの信号に基づいて、各電磁石への通電量
を調節し、上記回転軸のラジアル方向及びスラスト方向
の位置を調節する。

【０００４】この様な磁気軸受装置は、複数個の電磁石
を設ける事で大型化するだけでなく、回転軸の変位を直
ちに打ち消す必要上、素早く反応する制御回路が必要と
なる為、コストが嵩む事が避けられない。

【０００５】この為、日経ＢＰ社発行の雑誌『日経メカ
ニカル』第３３１号（１９９０年９月３日発行）にも記
載されている様に、超電導体のピン止め効果を利用した
超電導軸受装置が研究されている。

【０００６】超電導体のピン止め効果とは、超電導体と
永久磁石とを対向させた場合、両者が一定距離よりも近
付いた場合には反発し合い、逆に両者が一定距離よりも
離れた場合には引っ張り合う現象を言う。この様なピン
止め効果によって、上記超電導体と永久磁石とを、一定
距離だけ離したままの状態に保持出来る事から、位置セ
ンサや制御回路を全く必要としない、超電導軸受装置が
出来るものと考えられている。

【０００７】上述の様なピン止め効果を利用して、回転
体をラジアル方向とスラスト方向とに亙って支持する超
電導軸受装置を構成する場合の構造としては、例えば図
６に示す様なものが考えられる。

【０００８】回転軸１の下端面には短円柱状の永久磁石
２を、回転軸１と同心に固定している。上記永久磁石２
の周囲には、有底円筒状の超電導体５を設けて、上記永
久磁石２並びに回転軸１を浮上した状態で、回転自在に
支承自在としている。即ち、円板６と、上記永久磁石２
の外径ｄよりも少しだけ大きな内径ｒを有する円筒７と
を組み合わせて成る超電導体５の内側に、上記永久磁石
２を上方から挿入している。

【０００９】この様に永久磁石２を超電導体５内に挿入
した状態で、この永久磁石２の下端面３を円板６の上面
６ａに、永久磁石２の外周面４を円筒７の内周面７ａに
、それぞれ軸受隙間８ａ、８ｂを介して対向させている
。即ち、上記下端面３をスラスト側被支承面とし、外周
面４をラジアル側被支承面とし、上面６ａをスラスト側
支承面とし、内周面７ａをラジアル側支承面としている
。

【００１０】更に、上記超電導体５の周囲には冷却器９
を設けて、この超電導体５を外側から冷却し、超電導状
態に保持する様にしている。即ち、この冷却器９の内部
には液体ヘリウム、液体窒素等の低温の冷却剤が充填さ
れており、この冷却剤によって、上記超電導体５を冷却
自在としている。

【００１１】超電導体５が冷却され、超電導状態を維持
されている間は、前記ピン止め効果によって、上記各軸
受隙間８ａ、８ｂの寸法ｈ１　、ｈ２　が一定に保持さ
れる為、前記永久磁石２並びに回転軸１が浮上状態で、
軸受保持される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述の様に構成され作
用する超電導軸受装置は、制御回路等、面倒な構成要素
が不要であるにも拘らず、超高速で回転する回転体を支
承出来る効果があるが、実際に使用する場合には、次に
述べる様な問題を解決しなければならない。

【００１３】即ち、超電導軸受装置を組み込んだ機械装
置のランニングコストを低く抑える為には、超電導体５
として、液体窒素により超電導状態となる、所謂高温超
電導体を使用する事が好ましいが、現在知られている高
温超電導材料は、金属酸化物により造られた、所謂酸化
物超電導材料が殆どである。

【００１４】ところが、この様な酸化物超電導材料を大
気中乃至は真空中に露出させた場合、内部から酸素が抜
け出す事により、その超電導性が次第に劣化して、前記
ピン止め効果を得られなくなってしまう。

【００１５】又、図６に示す様に、超電導体５の片面に
のみ冷却剤を存在させ、この超電導体５の他面を外気に
接触させた場合、上記超電導体５の両面間に、約２００
℃もの温度勾配が存在する様になる。この様に大きな温
度勾配が存在した場合、超電導体５内部に熱歪が生じ、
この超電導体５が早期に破損し易くなる。

【００１６】これらの理由により、図６に示す様な構造
を有する超電導軸受装置は、十分な耐久性を持たず、実
用的ではない。

【００１７】本発明はこの様な事情に鑑みてなされたも
ので、超電導体中の酸素が抜け出したり、超電導体に大
きな温度勾配が生じるのを防止して、耐久性の優れた超
電導軸受装置を提供するものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の超電導軸受装置
は、被支承面を有し、可動部材に支持された永久磁石と
、この永久磁石の被支承面と対向する部分に開口する冷
却剤溜りを、内部に設けたハウジングと、上記冷却剤溜
りの開口を塞ぎ、その外面を上記被支承面と対向させた
薄膜隔壁と、支承面を有し、この支承面と上記薄膜隔壁
の内面との間に隙間を介在させた状態で、上記冷却剤溜
り内に支持された超電導体と、上記冷却剤溜り内に冷却
剤を送り込む為の供給口とを備えている。

【００１９】

【作用】上述の様に構成される本発明の超電導軸受装置
の場合、冷却剤により冷却され、超電導状態を保持され
る超電導体と永久磁石との間に働くピン止め効果により
、上記超電導体の支承面と永久磁石の被支承面との間に
存在する軸受隙間の寸法が一定に保たれ、上記永久磁石
並びにこの永久磁石を支持した可動部材が、浮上状態に
保持される。

【００２０】特に、本発明の超電導軸受装置の場合、超
電導体の支承面が薄膜隔壁により覆われ、この薄膜隔壁
の内面と上記支承面との間の隙間にも冷却剤が進入する
。この為、超電導体が空気や真空に曝らされず、超電導
体が酸化物超電導材料により造られていた場合にも、超
電導性が劣化する事がなくなる。又、支承面も冷却剤に
より冷却される為、超電導体に大きな温度勾配が生じる
事もなくなる。

【００２１】この結果、超電導体の寿命が延び、この超
電導体を組み込んだ超電導軸受装置の耐久性が向上する
。

【００２２】

【実施例】次に、図示の実施例を説明しつつ、本発明を
更に詳しく説明する。

【００２３】図１は本発明の第一実施例を示している。 可動部材である回転軸１の外周面中間部に形成された段
部１０には、円筒状の永久磁石２を下方から突き当てて
、この永久磁石２を上記回転軸１の外周面中間部に支持
固定している。

【００２４】一方、上記回転軸１の周囲で、永久磁石２
の外周面２ａと対向する部分には、ハウジング１１を設
けている。このハウジング１１は、断面Ｌ字形で円環状
の主体１２と円環状の蓋体１３とを組み合わせる事によ
り、内方が開口した断面コ字形で円環状としたもので、
その内部を冷却剤溜り１４としている。

【００２５】上記ハウジング１１の内周部分には、円筒
形の薄膜隔壁１５を設けて、上記冷却剤溜り１４の内方
開口を塞いでいる。そして、この薄膜隔壁１５の外面で
ある内周面１５ａは、被支承面である上記永久磁石２の
外周面２ａと、軸受隙間８ｂを介して対向させている。 尚、上記薄膜隔壁１５としては、厚さが０．３〜０．５
ｍｍ程度の、オーステナイト系ステンレス鋼板が、好ま
しく使用出来る。

【００２６】又、上記冷却剤溜り１４内には、円環状の
超電導体５が、上記薄膜隔壁１５と同心に支持固定され
ている。この超電導体５の内径ｒ５　は、上記薄膜隔壁
１５の外径ｄ１５よりも少し大きく（ｒ５　＞ｄ１５）
して、支承面である上記超電導体５の内周面５ａと上記
薄膜隔壁１５の内面である外周面１５ｂとの間に、隙間
１６を介在させている。又、この超電導体５の下面と前
記蓋体１３の上面との間にも隙間１７を介在させている
。

【００２７】更に、前記主体１２の上面には供給口１８
を、前記蓋体１３には排出口１９を、それぞれ設けて、
前記冷却剤溜り１４内に、冷却剤である液体窒素２０を
送り込み自在として、この冷却剤溜り１４内に支持固定
した超電導体５を冷却し、超電導状態に保持する様にし
ている。

【００２８】供給口１８から冷却剤溜り１４内に送り込
まれた液体窒素２０の一部は、この冷却剤溜り１４内で
気化するが、図示の実施例に於いては、別途設けた冷却
器から供給口１８を通じて冷却剤溜り１４内に、常に新
しい液体窒素２０を送り込み、気化した窒素は、排出口
１９から上記冷却器に送り、再び液化してから上記冷却
剤溜り１４に還流させる様にしている。

【００２９】尚、上記超電導体５を構成する超電導材料
としては、従来から提案されている、各種超電導材料を
使用出来るが、液体窒素により超電導状態となる、所謂
高温超電導材料が、好ましく利用出来る。特に、イット
リウム系で、一般に「１２３」相と呼ばれ、ＹＢａ２Ｃ
ｕ３Ｏｎ　で表わされる組成を有する超電導相中に、「
２１１」相と呼ばれ、Ｙ２ＢａＣｕＯｎで表わされる常
電導相の微細な粉末を均一に混入した超電導材料は、ピ
ン止め効果により大きな浮上力を得られ、超電導軸受装
置の負荷容量を大きく出来る事から、好ましく利用出来
る。

【００３０】上述の様に構成される本発明の超電導軸受
装置の場合、冷却剤溜り１４内に送り込まれた液体窒素
２０により冷却され超電導状態を保持される超電導体５
と、永久磁石２との間に働くピン止め効果により、上記
永久磁石２並びに回転軸１が前記ハウジング１１の内側
に、非接触状態で保持される。

【００３１】即ち、回転軸１がラジアル方向に変位する
傾向となった場合には、この変位に伴なって永久磁石２
の外周面２ａと超電導体５の内周面５ａとが近付く部分
で反発力が生じ、遠ざかる部分で吸引力が生じる。この
結果上記回転軸１は、超電導体５と同心に保持される。

【００３２】又、回転軸１が下方に変位する事に伴ない
、永久磁石２が超電導体５から遠ざかる（下方に抜け出
る）傾向となった場合には、永久磁石２と超電導体５と
の間に吸引力が働く。この結果上記回転軸１は、上記永
久磁石２と超電導体５とを対向させたままの位置に保持
される。

【００３３】更に、冷却剤溜り１４内に支持固定された
超電導体５は、内周面５ａが薄膜隔壁１５により覆われ
、この薄膜隔壁１５の外周面１５ｂと上記内周面５ａと
の間の隙間１６にも、隙間１７を通じて液体窒素２０が
進入する為、上記超電導体５が空気や真空に曝らされず
、この超電導体５が酸化物超電導材料により造られてい
た場合にも、超電導性が劣化する事がなくなる。又、超
電導体５は外周面だけでなく内周面５ａも液体窒素２０
により冷却される為、超電導体５の内外両周面の間に大
きな温度勾配が生じる事もなくなる。

【００３４】この結果、超電導体５の寿命が延び、この
超電導体５を組み込んだ超電導軸受装置の耐久性が向上
する。

【００３５】次に、図２に示した第二実施例に就いて説
明する。本実施例の場合、回転軸１の下端面に、この回
転軸１と同心の凹部２１を形成しており、この凹部２１
内に円板状の永久磁石２を嵌合固定している。

【００３６】上記回転軸１の下方に設けたハウジング１
１には、上方が開口した冷却剤溜り１４が設けられてお
り、この冷却剤溜り１４の上方開口を、円板状の薄膜隔
壁１５により塞いでいる。

【００３７】上記冷却剤溜り１４内には円板状の超電導
体５を、上記回転軸１及び永久磁石２と同心に固定して
いる。そして、支承面であるこの超電導体５の上面５ｂ
と、内面である上記薄膜隔壁１５の下面１５ｃとの間に
，隙間１６を介在させている。

【００３８】本実施例の場合、前記第一実施例の場合に
比較して、大きなスラスト荷重を支承出来る。その他の
構成及び作用は、第一実施例と同様である為、同等部分
には同一符合を付して、重複する説明を省略する。

【００３９】次に、図３に示した第三実施例に就いて説
明する。本実施例の場合、回転軸１の中間部外周面にフ
ランジ部２２を形成すると共に、このフランジ部２２の
下面に、回転軸１と同心の凹部２１を形成しており、こ
の凹部２１内に円環状の永久磁石２を嵌合固定している
。

【００４０】上記フランジ部２２の下側に於いて、上記
回転軸１の周囲に設けた円環状のハウジング１１には、
上方並びに内方が開口した冷却剤溜り１４が設けられて
おり、この冷却剤溜り１４の上方並びに内方開口を、断
面Ｌ字形で円環状の薄膜隔壁１５により塞いでいる。

【００４１】上記冷却剤溜り１４内には円環状の超電導
体５を、上記回転軸１及び永久磁石２と同心に固定して
いる。そして、支承面であるこの超電導体５の内周面５
ａ並びに上面５ｂと、内面である上記薄膜隔壁１５の下
面１５ｃ並びに外周面１５ｂとの間に、隙間１６を介在
させている。

【００４２】本実施例の場合、前記第一実施例の場合に
比較して、大きなスラスト荷重を支承出来る他、回転軸
１に対してラジアル方向に亙る大きな荷重が加わった場
合にも、永久磁石２と超電導体５とが対向しなくなる事
が防止される。その他の構成及び作用は、第一〜第二実
施例と同様である為、同等部分には同一符合を付して、
重複する説明を省略する。

【００４３】次に、図４に示した第四実施例に就いて説
明する。本実施例の場合、回転軸１の中間部外周面にフ
ランジ部２２を形成すると共に、このフランジ部２２の
下側に、断面Ｌ字形で円環状の永久磁石２を嵌合固定し
ている。

【００４４】上記フランジ部２２の下側に於いて、上記
回転軸１の周囲に設けた円環状のハウジング１１には、
上記第三実施例の場合と同様に、上方並びに内方が開口
した冷却剤溜り１４が設けられており、この冷却剤溜り
１４の上方並びに内方開口を、断面Ｌ字形で円環状の薄
膜隔壁１５により塞いでいる。

【００４５】又、上記冷却剤溜り１４内には円環状の超
電導体５を、上記回転軸１及び永久磁石２と同心に固定
している。そして、支承面であるこの超電導体５の上面
５ｂ並びに内周面５ａと、内面である上記薄膜隔壁１５
の下面１５ｃ並びに外周面１５ｂとの間に、隙間１６を
介在させている。

【００４６】本実施例の場合、それぞれが支承面である
超電導体５の内周面５ａ並びに上面５ｂと、それぞれが
被支承面である永久磁石２の外周面２ａ並びに下面２ｂ
とが、それぞれ薄膜隔壁１５を介して対向する。

【００４７】この為、本実施例の場合、比較的大きなラ
ジアル荷重とスラスト荷重とを支承出来る。即ち、前記
第一実施例の場合、大きなラジアル荷重を支承出来るの
に対して受けられるスラスト荷重が小さく、前記第二実
施例の場合には、反対に、大きなスラスト荷重を支承出
来るのに対して受けられるラジアル荷重が小さい。これ
に対して本実施例の場合は、前記第一実施例と同様に大
きなラジアル荷重と、前記第二実施例と同様に大きなス
ラスト荷重とを受けられる。その他の構成及び作用は、
第一〜第三実施例と同様である為、同等部分には同一符
合を付して、重複する説明を省略する。

【００４８】次に、図５に示した第五実施例に就いて説
明する。上述の第四実施例が、永久磁石２を断面Ｌ字形
に、超電導体５を円環状に、それぞれ形成する事により
、ラジアル、スラスト両方向に亙る荷重を支承する様に
構成していたのに対し、本実施例の場合には、永久磁石
２を円筒状に、超電導体５を断面Ｌ字形に、それぞれ形
成する事により、ラジアル、スラスト両方向に亙る荷重
を支承する様に構成している。

【００４９】その他の構成及び作用は、上述の第四実施
例の場合と同様である為、同等部分には同一符合を付し
て、重複する説明を省略する。

【００５０】又、本発明の超電導軸受装置は、図示の様
な回転運動用の軸受だけでなく、直線運動用の軸受とし
ても利用可能である。

【００５１】

【発明の効果】本発明の超電導軸受装置は、以上に述べ
た通り構成され作用する為、超電導体の寿命を延ばして
、超電導軸受装置の耐久性向上を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す断面図。

【図２】同じく第二実施例を示す断面図。

【図３】同じく第三実施例を示す断面図。

【図４】同じく第四実施例を示す断面図。

【図５】同じく第五実施例を示す断面図。

【図６】従来例を示す断面図である。

【符号の説明】

１　　　　回転軸 ２　　　　永久磁石 ２ａ　　外周面 ２ｂ　　下面 ３　　　　下端面 ４　　　　外周面 ５　　　　超電導体 ５ａ　　内周面 ５ｂ　　上面 ６　　　　円板 ６ａ　　上面 ７　　　　円筒 ７ａ　　内周面 ８ａ　　軸受隙間 ８ｂ　　軸受隙間 ９　　　　冷却器 １０　　　　段部 １１　　　　ハウジング １２　　　　主体 １３　　　　蓋体 １４　　　　冷却剤溜り １５　　　　薄膜隔壁 １５ａ　　内周面 １５ｂ　　外周面 １５ｃ　　下面 １６　　　　隙間 １７　　　　隙間 １８　　　　供給口 １９　　　　排出口 ２０　　　　液体窒素 ２１　　　　凹部 ２２　　　　フランジ部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被支承面を有し、可動部材に支持され
   た永久磁石と、この永久磁石の被支承面と対向する部分
   に開口する冷却剤溜りを、内部に設けたハウジングと、
   上記冷却剤溜りの開口を塞ぎ、その外面を上記被支承面
   と対向させた薄膜隔壁と、支承面を有し、この支承面と
   上記薄膜隔壁の内面との間に隙間を介在させた状態で、
   上記冷却剤溜り内に支持された超電導体と、上記冷却剤
   溜り内に冷却剤を送り込む為の供給口とを備えた超電導
   軸受装置。