JPH0792287B2 - 超電導磁気浮上列車用冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導磁気浮上列車用
冷凍装置に関するもので、特に、超電導磁気浮上列車に
おける冷凍装置の配置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の冷凍装置では、デイスプレーサや
膨張機の駆動制御に、それぞれ１台ずつの小型発電機や
電動機を使用するのが通例となつている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
冷凍装置を超電導磁気浮上列車に搭載すると、小型発電
機や電動機の回転子が超電導磁石の強い磁場の影響を受
けて渦電流を生じ、これによる磁気抗力の働きで電動機
が回転しにくくなり、電流が余分に流れて効率の低下を
きたし、車上の消費電力も増える。更に、この補償のた
めに電動機が非常に大きくなり重量が増加するので、超
電導磁気浮上列車の経済性に悪影響を及ぼしていた。

【０００４】そこで、本発明は冷凍装置に対して、超電
導磁石の磁力が影響しないようにすることを、その技術
的課題とする。

【０００５】

【発明の構成】

【０００６】

【課題を解決するための手段】前述した本発明の技術的
課題を解決するために講じた本発明の技術的手段は、作
動流体の圧縮室を複数形成し、複数の圧縮室に夫々配設
される複数の圧縮ピストンを往復動用クランク軸を介し
て電動機により駆動し、クランク軸のデイスプレーサ駆
動機構部に、ヘリウムガスが封入される複数の柔軟な管
内で夫々回転する複数のフレキシブルシヤフトを係合さ
せ、複数のフレキシブルシヤフトを用いて圧縮室とは離
間された複数のデイスプレーサを夫々駆動して、複数の
箇所で低温を発生するようにし、複数の圧縮室及び電動
機を車両台車の中心に設置し、低温を発生する複数の箇
所で車両側面に配置された複数の超電導磁石を冷却する
ようにして、超電導磁気浮上列車用冷凍装置を構成した
ことである。

【０００７】

【作用】上述した本発明の技術的手段によれば、電動機
と超電導磁石とは離間して配置されているので、超電導
磁石の発生する強い磁場により電動機が悪影響を受ける
ことはない。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の技術的手段を具体化した実施
例について添付図面に基づいて説明する。

【０００９】図１に示すものは、本発明の複合冷凍機に
おける２気筒式の実施例の構造断面図であつて、クラン
クケース２１内の密封型電動機１の回転によりクランク
軸２、クランクピン３，４、コネクテイングロツド５，
５’、ガイドピストン６，６’、ピストンロツド７，
７’に付けられクランクケース２１内の潤滑油が作動流
体圧縮室（以後、圧縮室という）１２，１２’に入るの
を防ぐダイアフラム（ゴム、薄肉の金属等の柔軟な材料
で作り、形状はベローズ、その他でもよい）８，８’、
バツフア空間１８，１８’を介し水平対向型に配置され
た２本の作動流体圧縮ピストン（以後、圧縮ピストンと
いう）１０，１０’を同位相で往復動作させる。

【００１０】これにより、圧縮ピストン１０，１０’上
部の圧縮室１１，１１’及びこれらと１８０°位相の異
なる圧縮ピストン１０，１０’下部の圧縮室１２，１
２’に数気圧から十数気圧で封入されている作動流体
（水素や主としてヘリウムを主成分とする気体で以後、
流体という）の圧力は２から３の圧縮比（圧縮室１１，
１１’とデイスプレーサ２５との距離〔配管の抵抗によ
る圧力損失と死容積〕によつて圧縮比は異なるが、本実
施例の一例として距離２ｍでは圧縮比約２．４）で繰り
返し変動する。圧縮室１１，１１’より高圧にされ温度
の高くなつた流体は、流体口１３，１３’より配管１４
で合流し、放熱器２２−１でほぼ常温に冷却され、柔軟
な配管２３−１を介してデイスプレーサシリンダ３３の
流体吸入部２４と接続している。

【００１１】一方、クランク軸２と直結して回転しデイ
スプレーサ駆動機構部５３の中にある主ギア５０、副ギ
ア４９、柔軟な管４８−１の中の回転するフレキシブル
シヤフト（例えば、ピアノ線状の細線を多数本撚り合わ
せたフレキシブルシヤフト、右巻き及び左巻きと交互に
同心多重に巻き製作した長いスプリング、回転し機械力
を伝達可能な長い柔軟な伝達体、等）４７−１とデイス
プレーサ駆動部４１−１内のギア４６，４５、小クラン
ク軸４２、クランクピン４３、コネクテイングロツド４
４、ガイドピストン３９、デイスプレーサ２５を駆動し
ている。このデイスプレーサ２５は、圧縮室１１，１
１’を形成する圧縮ピストン１０，１０’より膨張室２
９，３２の方の圧力変化が４５°から１２０°の位相で
早くなるようにデイスプレーサ駆動機構部５３の中の主
ギア５０と副ギア４９で調節され駆動される流体は、往
復動作するデイスプレーサ２５の吸入口２６より蓄冷器
２７，３０、流体口２８，３１よりそれぞれ膨張室２
９，３２に入り、膨張室２９，３２で膨張仕事（デイス
プレーサの構造と駆動のさせ方によつては仕事をしな
い）をして冷凍を発生させた後、蓄冷器３０，２７、柔
軟な配管２３−１、放熱器２２−１を経て圧縮室１１，
１１’へ戻る。

【００１２】低温の発生機構は理論的に流体が電動機
１、圧縮ピストン１０，１０’により圧縮室１１，１
１’で圧縮加熱されるが、シリンダ１３−１，１３−
２、放熱器２２−１で放熱するので等温圧縮過程であ
り、圧縮ピストン１０，１０’が上死点に向かうのと同
時にデイスプレーサ２５が下死点に向かうので、等容的
に蓄冷器２７，３０から膨張室２９，３２に入る。次
に、膨張室２９，３２の流体はデイスプレーサ２５が更
に下死点に近づくので、コールドヘツド３４，３５で図
示しない被冷却体、例えばクライオポンプではシエブロ
ンや吸着器−凝縮器等、ジユール・トムソンサイクル
（以後、Ｊ−Ｔサイクルという）や逆ブレイトンサイク
ルでは、高圧流体の予冷用熱交換器交換器を冷却しなが
ら熱交換器を得ることになるので等温的に膨張し、圧縮
ピストン１０，１０’が下死点に向かうのと同時にデイ
スプレーサ２５が上死点に向かうので、蓄冷器２７，３
０に冷熱を与えながら温度上昇し、ほぼ常温で圧縮室に
等容的に戻り、１サイクルが終わる。

【００１３】これらの過程を繰り返して低温を生成する
のだが、この過程は理想的には等温−等容−等温−等容
の４過程からなるスターリングサイクルで、可逆サイク
ルともいわれ、また、本発明ではデイスプレーサ部と流
体の圧縮部とが離れて存在し、デイスプレーサが直接圧
縮ピストンのクランク軸に機械的に連結していない冷凍
機であり、広い意味でこのような構成−構造の冷凍機を
スプリツト型スターリングサイクル冷凍機という。

【００１４】尚、ここでの圧縮部とは、主として電動
機、圧縮ピストン・シリンダ、デイスプレーサ駆動機構
等をクランクケースで一体化して構成し、流体を圧縮制
御する装置をいう。また、冷却器とは、圧縮部からみて
柔軟な配管２３−１，２３−２、柔軟な管４８−１，４
８−２及びデイスプレーサ駆動部４１−１，４１−２を
含むデイスプレーサシリンダ及びデイスプレーサシリン
ダに付けられたＪ−Ｔサイクルの多数の熱交換器、弁、
被冷却体も含んでいう。

【００１５】しかして、スターリングサイクルによる冷
凍機の原理及び圧縮室と膨張室との位相差による低温発
生のメカニズム等はすでに公知であり、本出願人の特許
（特許第８４１２２８号 冷凍装置、特許第８４１２３
０号 複式冷凍機、特許第１１８６６６４８号 可逆サ
イクル機械）にも詳しく述べられているので、詳細な説
明を省略する。

【００１６】図１において、右上のデイスプレーサ２５
での低温発生機構を述べたが、左のデイスプレーサでの
駆動方法、構造並びに低温の発生機構も右と全く同じで
あり、圧縮ピストン１０，１０’の下部で形成される圧
縮室１５，１５’よりの流体は、配管１６そして柔軟な
配管１７で合流し、放熱器２２、柔軟な配管２３−２よ
り主ギア５０、副ギア５１、柔軟な管４８−２内で回転
するフレキシブルシヤフト４７−２、ギア５４，５５、
クランク軸５６、クランクピン５７、コネクテイングロ
ツド５８を介して駆動され、図示しないが圧縮室１５，
１５’より４５°から１２０°位相の進んでいる先にも
述べたデイスプレーサ２５の駆動によつて形成される膨
張室２９，３２と同様に、放熱器２２−２、蓄冷器等を
介して接続され低温を発生させる。

【００１７】また、図１の実施例では１個のデイスプレ
ーサの形状を凸型にして膨張室を２室設けたが、冷凍目
的及び冷凍温度に応じてデイスプレーサ形状を変え、膨
張室を１室でも３室以上設けても低温を発生することが
可能である。

【００１８】デイスプレーサの往復動機構についてクラ
ンク軸方式で説明したが、スコツチヨークやその他の方
式でもよい。

【００１９】主ギア５０と副ギア４９，５１とのギア比
は、ギア４６，５４とギア４５，５５とのギア比と共に
同一にする。クランク軸２とデイスプレーサ２５の回転
数をギア４６，５４，４５，５５で同一にしたが、他の
方法でも実施可能である。２本の圧縮ピストンを複動型
にして圧縮室を４室設け、そのうち２室を共通にした圧
縮部を使用してデイスプレーアを２個駆動する実施例を
述べたが、さらに図２のクランク軸２にクランクピン６
７と１８０°位相の異なるクランクピンをもう１箇所設
け、これに圧縮ピストン１０，１０’と同形式の圧縮ピ
ストンを２本連結すれば、圧縮室を８室形成する圧縮部
となり、デイスプレーサ８個の駆動、或いは同位相とな
る２つの圧縮室を共通にして４室とし、４個のデイスプ
レーサを駆動する複合冷凍機が提供できる。

【００２０】また、圧縮ピストンの上部のみを流体の圧
縮に使用する単動式にし、クランク軸にクランクピンを
１箇所（図２の圧縮部に関する実施例の２本の圧縮ピス
トン下部を使用しない）で２室に、又はクランクピンを
２箇所設けて圧縮室を２室、或いは４室に、更にクラン
クピンを４箇所設けて４室、又は８室の圧縮室を形成し
た圧縮部が構成でき、１台の圧縮部で多数のデイスプレ
ーサを駆動する冷却器を提供できることはあきらかであ
る。

【００２１】尚、９，９’はグランドシール、６０はピ
ストンリング、２０，３７は流体の精製器、３８，５９
はクランクケース内で、流体と同じ高圧の気体が密封さ
れている。

【００２２】図２は、２本の圧縮ピストン１０，１０’
がクランク軸２のクランクピン６７の１箇所で往復動さ
れる為、圧縮室の流体は６６と６５’が同位相で配管７
２，７１より配管７３で合流し、温度の高い流体は放熱
器２２で温度を下げられ柔軟な配管２３より図１で述べ
たようにデイスプレーサに入つて低温を発生させる。

【００２３】同様に圧縮室６５と同位相の６６’の流体
は配管６８，６９より７０で合流し図示しないが、図１
で述べたと同様に放熱器、デイスプレーサ、膨張室に入
り低温を発生させる。クランク軸２にはクランクピン１
個のみ設け２本の複動型圧縮ピストンが使用されるの
で、比出力が大の圧縮部を安価で提供できる。

【００２４】但し、図１はクランクピン２個で２本の圧
縮ピストンをクランク軸２を中心にして左右の水平対向
型に配置した圧縮部の構造であり、それぞれの圧縮ピス
トンが上死点及び下死点に向かうとき（２本の圧縮ピス
トンが同じ外及び内向きの動作で仕事）流体の圧縮仕事
を行う為、機械的にバランスが良く振動は非常に少ない
のに比べ、図２の方式では多少増える。

【００２５】尚、放熱器２２は柔軟な配管２３が長くな
り放熱効果の大なフイン管にすれば除くことも可能であ
る。

【００２６】図３は本発明の複合冷凍機を４気筒式とし
た実施例の概念図であり、クランク軸２に設けたクラン
クピン３，４によつて複動型の圧縮ピストン１０，１
０’を往復動作させ４つの圧縮室７４，７５，７６，７
７を形成し、この４つの圧縮室の流体とクランク軸２に
付けられた主ギア５０、副ギア７８−１〜７８−４、フ
レキシブルシヤフト７９−１〜７９−４、デイスプレー
サ駆動部８０−１〜８０−４を介して往復動するデイス
プレーサ８２−１〜８２−４とデイスプレーサシリンダ
３３−１〜３３−４によつて形成される４つの膨張室８
３−１〜８３−４との間に、放熱器８６、蓄冷器８５及
び吸熱部８４を介して連結して、１台の圧縮部で４つの
デイスプレーサを駆動して独立した冷却器を構成して複
数箇所で冷凍するようにした４気筒式の複合冷凍機の実
施例である。

【００２７】尚、デイスプレーサ及びデイスペレーサシ
リンダの構造は４個共に単純な円筒型の１段膨張型であ
るが、４個を共に図１のような凸型形状にして、それぞ
れのデイスプレーサのコールドステイシヨン２箇所で冷
凍したり、又、複数箇所で冷凍するような形状にして駆
動することは可能である。

【００２８】尚、それぞれ４つの圧縮室と膨張室との位
相差のつけ方は主ギア５０と副ギア７８−１〜７８−４
を連結するとき停止しているデイスプレーサ又は圧縮ピ
ストンの取付け時の位置を調節すれば、任意の位相差で
接続できる。但し、圧縮ピストンとデイスプレーサの回
転数が同一になるような主ギアと副ギア及びデイスプレ
ーサ駆動部とデイスプレーサ駆動機構を選択しなければ
ならないことは当然である。

【００２９】図４は３０ｋ以下、４ｋ領域を主とした冷
却器としての実施例である。

【００３０】圧縮室より柔軟な配管２３−１、デイスプ
レーサシリンダ側面の流体口１０３よりの流体はピスト
ンリング６０−２と６０−３で形成されるデイスプレー
サ８７の流体導入口８８より蓄冷器２７，３０そして流
体穴１８，３１を通り膨張室２９，３２に入る。ここで
流体の膨張仕事によつての冷凍量は、コールドステイシ
ヨン３４，３５を介し、ヘリウムガスを作動流体とした
圧縮機９０、熱交換器９３〜９６、及びジユールトムソ
ン弁９９（以後、Ｊ−Ｔ弁という）から成るＪ−Ｔサイ
クルの高圧側９１の予冷用熱交換器（吸熱器ともいう）
９７，９８の冷却に使われ、逆転温度以下となつた高圧
のヘリウムをＪ−Ｔ弁で等エンタルピ膨張させ１．１気
圧程度とし、被冷却用熱交換器１００では３０ｋ、以下
約４．３ｋの温度となつてこれと直接、或いは間接的に
接触する固体やネオン、水素、ヘリウム等の冷却、凝
縮、液化等を行うことができる。尚、圧縮機９０よりの
高圧側９１の圧力は１０〜２０気圧であり、９２は低圧
側である。被冷却体の所要温度により圧縮機９０は圧縮
比の小さいブロワにする場合もある。１０１は液体窒素
で、冷凍出力を増加させる時や冷却器の予冷凍速度を早
くする時に熱交換器９３を回路１０２より液体窒素を供
給し冷却して使用する。

【００３１】本発明では、これらＪ−Ｔサイクルの多数
の熱交換器とデイスプレーサとを組み合せ一体化され図
示しない断熱容器の中に入つており、これも冷却器とい
う。

【００３２】図５及び図６は本発明の複合冷凍機を時速
３００km以上と高速な超電導磁気浮上列車の車上におい
て超電導磁石を冷却する装置としての実施例である。図
５は複合冷凍機が使用されている部分の車両断面図で、
図６は複合冷凍機が台車上で効果的に配置されている車
両の部分図であり、図３で説明した圧縮部１台で４個の
デイスプレーサを駆動する方式と、図４で説明したＪ−
Ｔサイクル付きデイスプレーサとの組み合せの冷却器を
１台の圧縮機によつて各Ｊ−Ｔサイクルにヘリウムを供
給して４台の冷却器で４．３ｋの冷凍温度を発生させ複
数の超電導磁石を冷却できるように構成されている。

【００３３】車両１０５、車内空間１０６、椅子１０
７、台車１０８，１０９−１〜１０９−４は車両を推進
−浮上させ車両両側面に付けられ４ｋ温度領域で冷却さ
れている超電導磁石１１５を冷却保持するクライオスタ
ツト、１１１は軌道両側壁１１３に設置されているリニ
アモータ用軌道配線、１１２は車両浮上用の地上コイ
ル、１１０−１〜１１０−４は４個のクライオスタツト
上で超電導磁石を冷却する図４で説明したＪ−Ｔサイク
ル付きの冷却器である。動作説明を図６で図３及び図４
を使用して行うが、液体窒素の流路、使用方法その他は
省略する。

【００３４】台車１０８の中心に配置され電動機が内包
されて４つの圧縮室より成る１台の流体の圧縮部２１は
流体を柔軟な配管２３−１〜２３−４よりそれぞれクラ
イオスタツト１０９−１〜１０９−４の上にあるＪ−Ｔ
サイクル付きの冷却器１１０−１〜１１０−４に供給
し、一方デイスプレーサ駆動機構部５３より回転フレキ
シブルシヤフトを内包する４つの柔軟な管４８−１〜４
８−４、冷却器のデイスプレーサ駆動部４１−１〜４１
−４を介し４つのデイスプレーサを駆動してコールドス
テイシヨン３５及び３４でそれぞれ約１０ｋ及び３０ｋ
の冷凍を発生させる。この冷凍を台車１０８の中心に設
置された１台の圧縮機９０よりヘリウムを約１６気圧で
配管９１でそれぞれ４つの冷却器に供給し、多数の熱交
換器と吸熱器９７、９８で回収し、Ｊ−Ｔ弁９９で等エ
ンタルピ膨張し約１．１気圧となり約４．３ｋと温度降
下してクライオスタツト内に置かれた凝縮器１００で超
電導磁石１１５を冷却し蒸発したヘリウムガスを凝縮液
化させ以後、多数の熱交換器を戻りそれぞれの冷却器よ
り出てほぼ１気圧で低圧配管９２より圧縮機９０に戻
る。

【００３５】

【発明の効果】以上に示した様に本発明では、冷凍装置
の電動機は超電導磁石とは離間しており、その強い磁場
の影響を受けることがなく、冷凍装置の正常な作動が保
証される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の超電導磁気浮上列車用冷凍装置
の基本構成図を示す。

【図２】図１における変形実施例の部分構成図を示す。

【図３】図１における変形実施例の部分構成図を示す。

【図４】図１における変形実施例の部分構成図を示す。

【図５】図１における具体的な配置図を示す。

【図６】図１における具体的な配置図を示す。

【符号の説明】

１ 電動機、 ２ クランク軸、 １０，１０’ 圧縮ピストン、 １１，１１’ 圧縮室、 ２５ デイスプレーサ、 ４７−１，４７−２ フレキシブルシヤフト、 ４８−１，４８−２ 柔軟な管、 ５３ デイスプレーサ駆動機構部、 １０８ 台車、 １１５ 超電導磁石、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 上原 徹

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動流体の圧縮室を複数形成し、 該複数の圧縮室に夫々配設される複数の圧縮ピストンを
   往復動用クランク軸を介して電動機により駆動し、 該クランク軸のデイスプレーサ駆動機構部に、ヘリウム
   ガスが封入される複数の柔軟な管内で夫々回転する複数
   のフレキシブルシヤフトを係合させ、 該複数のフレキシブルシヤフトを用いて前記圧縮室とは
   離間された複数のデイスプレーサを夫々駆動して、複数
   の箇所で低温を発生するようにし、 前記複数の圧縮室及び電動機を車両台車の中心に設置
   し、 低温を発生する前記複数の箇所で車両側面に配置された
   複数の超電導磁石を冷却するようにしたことを特徴とす
   る超電導磁気浮上列車用冷凍装置。