WO2015137517A1 - 磁気回転往復動機構 - Google Patents

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眞 岡野
修一郎 淵野
充穂 古瀬
久男 北條
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独立行政法人産業技術総合研究所
バキュームプロダクツ株式会社
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    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/02—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only

Definitions

  • the present invention adds a rotational motion to the reciprocating motion of the piston,
  • a reciprocating positive displacement compressor that employs a shielding mechanism that switches the flow of fluid into and out of the compression chamber in a non-contact manner due to the difference in gap between the piston and cylinder due to rotation of (1)
  • the reciprocating motion of the piston causes the piston to rotate.
  • the present invention relates to a magnetic reciprocating mechanism that can be driven by a magnetic force of a permanent magnet or a superconducting magnet.
  • Liquid nitrogen and liquid helium are used as cryogenic refrigerants for cooling cryogenic equipment and superconducting power transmission lines. Furthermore, liquid hydrogen is used as a propellant for satellite launch vehicles, and as a reducing agent in the manufacturing industry for semiconductors, liquid crystals, and the like. Liquid hydrogen is attracting attention as a next-generation clean energy that does not place a burden on the global environment. Already in Germany, demand for hydrogen is expanding, with liquid hydrogen stations being built and operating for hydrogen fuel vehicles.
  • a metal superconductor magnesium diboride (MgB 2 ), which has been discovered in Japan and is easy to handle as a wire, can be used, and research and development has been activated.
  • Non-Patent Document 1 As a conventional small cryogenic fluid transport pump, a centrifugal liquid nitrogen circulation pump (Non-Patent Document 1) is sold. However, since the drive unit excluding the pump unit is installed at room temperature, A long shaft is required for heat insulation between low temperature and normal temperature, and there is a wasteful space. Moreover, since the transportation method is a centrifugal type, the efficiency is low and the price is high.
  • a magnetic rotation reciprocating mechanism is provided which enables non-contact rotation operation in addition to the reciprocating operation by the reciprocating operation by the reciprocating operation by the reciprocating mechanism by the electromagnetic coil and the bulk superconductor.
  • a driving means a piston that is rotated by the driving means; a cylinder that is externally provided with a predetermined gap in the piston; and a compression chamber in the cylinder, and a fluid suction port and a discharge port that communicate with the compression chamber
  • a set of two rows is made to reciprocate the piston several times during one rotation of the piston on the outer peripheral surface of the piston made of magnetic material.
  • a driving means a piston that is rotated by the driving means; a cylinder that is externally provided with a predetermined gap in the piston; and a compression chamber in the cylinder, and a fluid suction port and a discharge port that communicate with the compression chamber
  • a cylindrical bulk superconductor processed into a sine curve shape in a direction orthogonal to the reciprocating motion of the piston is provided on the outer peripheral surface of the piston, and a superconducting coil and a magnet are partially formed in the circumferential direction so as to sandwich the bulk superconductor.
  • An electromagnetic coil magnetic pole composed of a body is provided, A reciprocating motion of the piston is generated in a non-contact manner by a diamagnetic repulsive force of the bulk superconductor generated by rotating the piston by the driving means by a magnetic field generated by passing a current through the superconducting coil.
  • a magnetic rotary reciprocating mechanism characterized by forming a thrust magnetic bearing for supporting a load in a moving direction.
  • the superconducting coil further includes a superconducting repulsive magnetic bearing that supports a load in a reciprocating direction of the piston by causing a current to flow in synchronization with the rotation of the piston.
  • Magnetic rotary reciprocating mechanism is provided.
  • a driving means a piston, a cylinder that is externally provided with a predetermined gap between the piston, and a compression chamber in the cylinder, for opening and closing valves of a fluid suction port and a discharge port that communicate with the compression chamber
  • a reciprocating positive displacement compressor using the difference in fluid resistance between the piston and the cylinder
  • Provided on the outer peripheral surface portion of the piston are a plurality of rows of helical magnetic poles that are configured by arranging a helical magnetic body on a ridge, and arranging a permanent magnet in a helical form between the helical magnetic bodies
  • a bulk superconductor is provided on the inner surface of the cylinder while maintaining a predetermined gap with the spiral-shaped magnetic pole, By setting the bulk superconductor to a temperature lower than or equal to the extremely low temperature at which the bulk superconductor transitions to a superconducting state, a helical magnetic field distribution generated on the piston side in the bulk superconductor is magnetically formed by a pinning effect
  • Rotary reciprocating mechanism A driving means, a piston, a cylinder that is externally provided with a predetermined gap between the piston, and a compression chamber in the cylinder, for opening and closing valves of a fluid suction port and a discharge port that communicate with the compression chamber
  • a plurality of rows of spiral-shaped magnetic poles formed by disposing two spiral-shaped magnetic bodies on the protrusions with grooves on the outer peripheral surface portion of the piston, and arranging a permanent magnet spirally between the spiral-shaped magnetic bodies
  • On the inner surface of the cylinder the same number of rows of magnetic spiral magnetic poles as provided on the piston are formed at positions corresponding to the helical magnetic poles, A magnetic rotary reciprocating mechanism, wherein a thrust magnetic bearing is formed while spirally rotating and reversely rotating by the reciprocating motion of the piston by the driving means.
  • the reciprocating motion of a reciprocating positive displacement compressor provided with a non-contact suction / discharge mechanism that operates mainly at a cryogenic temperature is generated by the rotation of the piston, or the rotation of the piston is generated by the magnetic force from the reciprocating motion.
  • FIG. 2 is a detailed view of a magnetic rotary reciprocating mechanism using a permanent magnet and a magnetic material shown in FIG. 1, (A) is a front view of the magnetic rotary reciprocating mechanism, (B) is a side view, and (C) is ( It is a partially enlarged view of B).
  • A is a front view of the magnetic rotary reciprocating mechanism
  • B is a side view
  • C is ( It is a partially enlarged view of B).
  • FIG. 1 shows a reciprocating positive displacement compressor pump in which only the reciprocating compression part including the compression chamber in the cylinder is located at the tip of the extending shaft and installed in the cryogenic region, and other mechanisms are installed in the normal temperature part.
  • the drive motor (driving means) and the bearing part are installed at room temperature.
  • FIG. 1 It is a block diagram of a cryogenic reciprocating mechanism using the diamagnetic effect of a bulk superconductor employed in a reciprocating positive displacement compressor provided with a non-contact suction / discharge mechanism and the repulsive force between the magnetic field generated by an electromagnetic coil.
  • a bulk superconductor is formed in a sine curve shape in the rotation direction, and reciprocates by rotation with a repulsive force with a magnetic field generated between the magnetic poles of the electromagnetic coil.
  • FIG. 1 Another embodiment of a cryogenic reciprocating mechanism using the diamagnetic effect of a bulk superconductor employed in a reciprocating positive displacement compressor equipped with a non-contact suction / discharge mechanism and the repulsive force of a magnetic field generated by an electromagnetic coil
  • the bulk superconductor is cylindrical and the electromagnetic coil is cylindrical.
  • the rotation of the piston is performed for switching between suction and discharge of the compression chamber, and is not linked to the reciprocating motion of the piston.
  • a superconducting coil as the electromagnetic coil, it is a reciprocating mechanism that can exert a large repulsive force in the moving direction of the piston and obtain a high compression ratio.
  • It is a magnetic rotary reciprocating mechanism that performs a reciprocating motion by a reciprocating motion and a reciprocating motion using a reciprocating motion mechanism formed by a bulk superconductor and an electromagnetic coil shown in FIG.
  • the piston is reciprocated by the magnetic force between the cylindrical bulk superconductor provided on the fixed side of the piston and the helical magnetic pole composed of a permanent magnet and a magnetic material provided on the piston. Rotation / reverse rotation is performed by.
  • the radial load of the piston is supported by a pinned bearing with a spiral magnetic pole and a bulk superconductor.
  • two magnetic rotation reciprocating mechanisms are installed on the piston shaft to suppress the vibration of the piston accompanying the reciprocating motion. Compression chambers are provided at both left and right ends. It is a detailed view of a magnetic rotary reciprocating mechanism comprising a helical magnetic pole on the piston side and a helical pinned magnet formed on the bulk superconductor on the cylinder side.
  • the reverse configuration also holds (bulk superconductor on the piston side and permanent magnet spiral magnetic pole on the cylinder side). It is a detailed view of a magnetic rotary reciprocating mechanism composed of a helical magnetic pole and permanent magnet on the piston side and a helical magnetic body on the cylinder side. Moreover, the reverse configuration also holds (a spiral magnetic body on the piston side, and a spiral magnetic pole and a permanent magnet on the cylinder side).
  • FIG. 1 shows an example of the basic configuration of a magnetic rotary reciprocating mechanism composed of a permanent magnet and a magnetic material in the present invention.
  • a radial (fluid lubrication) bearing that uses a cryogenic working fluid supports the radial load of the piston, and the magnetic rotation mechanism of the present invention, which is composed of a permanent magnet and a magnetic body, has a non-contact suction / discharge mechanism. It is an example of the provided reciprocating volume type compression device.
  • FIG. 2 shows a detailed view of a magnetic rotary reciprocating mechanism composed of a permanent magnet and a magnetic material. This is a mechanism of a type that reciprocates three times while the piston makes one rotation by the driving means (magnetic coupling).
  • Magnetic force is generated in the configuration as shown in the figure of the permanent magnet 3b, the magnetic pole 3a and the magnetic pole 3a 'provided on the fixed side. That is, the magnetic flux 3c generated from the N pole of the permanent magnet 3b mainly passes through the left convex portion 3d of the magnetic pole 3a as shown by the annular arrow in FIG. This occurs in a magnetic path that passes through the partial magnetic pole 2a, passes through the inside of the piston, returns from the right convex magnetic pole 2b 'of the left adjacent piston, and further returns from the right convex 3e' of the magnetic pole 3a 'to the S pole of the permanent magnet 3b.
  • this restoring force becomes the load capacity of the thrust bearing that supports the piston in the axial direction.
  • the fixed-side magnetic poles can be arranged at three locations as shown in FIG. 2A, and the thrust force can be obtained three times.
  • FIG. 3 shows an example of a reciprocating positive displacement type compression device provided with a non-contact suction / discharge mechanism provided with a magnetic rotary reciprocating mechanism of the present invention, which employs a motor for the rotational drive (primary drive means) of the piston.
  • Only the reciprocating compression part including the compression chamber in the cylinder is located at the tip of the extension shaft, installed in the cryogenic region, and the other mechanism shows the reciprocating positive displacement compressor installed in the normal temperature part. is there.
  • a drive motor and a bearing part are installed at room temperature in order to suppress the generation of heat in the cryogenic part as much as possible.
  • FIG. 4 shows a reciprocating volumetric compression with a non-contact suction / discharge mechanism, in which a magnetic reciprocating mechanism is composed of a bulk superconductor, a superconducting magnetic coil, and a magnetic material (electromagnetic coil magnetic pole (thrust magnetic bearing)). It is an example of an apparatus.
  • Rotational drive (driving means) is provided with a magnetic coupling through a vacuum insulation wall in order to suppress heat penetration to cryogenic temperature as much as possible.
  • This is a cryogenic reciprocating mechanism that uses the repulsive force between the diamagnetism of the bulk superconductor and the magnetic field generated by the superconducting magnetic coil sandwiching the bulk superconductor.
  • a bulk superconductor is formed in a sine curve shape in the rotation direction of the piston, and reciprocates by the rotation of the piston by a repulsive force with a magnetic field generated between the magnetic poles of the superconducting magnetic coil provided in a part of the rotation direction.
  • FIG. 5 shows a structure in which a disc-shaped bulk superconductor and a superconducting magnetic coil are combined in a reciprocating motion, and a non-contact suction / discharge mechanism that reciprocates by flowing current through the electromagnetic coil in synchronization with rotation is provided. It is an example of a reciprocating volume type compression device.
  • a pinned superconducting magnetic coupling composed of a permanent magnet and a bulk superconductor is employed.
  • the current of the superconducting coil B is increased in synchronization with the rotation of the piston, and the current of the superconducting coil A is decreased, whereby the diamagnetism between the magnetic field generated by the coil and the bulk superconductor.
  • the piston moves to the right side of the compression process due to the repulsive force.
  • the rotation of the piston brings the discharge port into an open state and the suction port into a closed state.
  • This mechanism does not require position control for reciprocating motion, unlike a reciprocating mechanism that uses a general attraction force to move the piston by the repulsive force between the bulk superconductor and the magnetic field generated by the superconducting coil.
  • Fig. 6 shows a spiral superconductor composed of a permanent magnet and a magnetic material on the piston, and a bulk superconductor shorter than the reciprocating movement distance of the piston than the full width of the spiral magnetic pole on the fixed side on the fixed side. Then, the bulk superconductor is magnetized by the pinning effect by cooling the magnetic field generated by the helical magnetic pole on the piston to a cryogenic temperature at which the superconducting state is achieved.
  • FIG. 5 is a reciprocating drive by a reciprocating mechanism comprising a bulk superconductor and a superconducting coil shown in FIG. 5, and a non-contact suction / retraction mechanism having a magnetic rotating reciprocating mechanism for rotating the piston forward in the compression direction and reversely rotating in the suction direction.
  • 1 shows an example of a reciprocating positive displacement compressor provided with a discharge mechanism.
  • the 6 is composed of superconducting coils A and B and superconducting coil C and bulk superconductors installed on each piston.
  • the repulsive force with the bulk superconductor provided in each piston can be different, and the left side
  • the piston moves while rotating along the helical magnetic pole to the left, and the right piston moves to the right while rotating along the helical magnetic pole, and compresses the fluid in each compression chamber.
  • the piston moves in the opposite direction while rotating, and sucks fluid into the compression chamber.
  • FIG. 7 is a detailed view of a magnetic rotary reciprocating mechanism comprising the helical magnetic pole and bulk superconductor of FIG.
  • the magnetic field distribution constituted by the spiral magnetic pole is obtained by the pinning effect.
  • Spiral magnetic poles are formed on the bulk superconductor with a suitable magnetic field distribution.
  • FIG. 8 is a detailed view of a magnetic rotary reciprocating mechanism composed of a helical magnetic pole composed of a helical magnetic pole, a permanent magnet, and a magnetic body.
  • the difference from the type using the bulk superconductor of FIG. 7 is that a radial bearing of another type is always required.
  • the principle of operation of the magnetic rotary reciprocating mechanism is the same as that described with reference to FIG. 2, but since a magnetic circuit is formed over the entire circumference, the load capacity as a thrust bearing is significantly increased as compared with the type shown in FIG.

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Abstract

ピストンとシリンダーとのすきまの流体抵抗の差を用いた往復動容積型圧縮装置において、ピストンを、磁性体製のピストンの外周表面部にピストン一回転中にピストンを数往復動させる２列１組の並列した左右凸部磁極で間を溝とした突条のサインカーブ磁極を数列設けたピストンとし、シリンダー内の円周方向には、ピストン一回転中に往復動する回数に合わせた左右凸部磁極に対向して配置された左右凸部の磁性体磁極と、磁性体磁極の間に位置する永久磁石とで構成され、ピストンを原動手段で回転させることにより磁気力でピストンの往復動運動を非接触に行うとともにピストンの往復動方向の負荷を支持するスラスト磁気軸受を数個形成してなる磁気回転往復動機構とした。

Description

磁気回転往復動機構
　本発明は、主に液体窒素を始め、液体水素、液体ネオン、液体ヘリウムあるいはそれらの気体などの極低温流体を極低温中で圧縮するために、ピストンの往復動運動に回転運動を加え、ピストンの回転によるピストンとシリンダーとの間隙の差により圧縮室への流体の出入りを非接触に切り替える遮蔽機構を採用した往復動容積型圧縮装置において、
（１）ピストンの回転によってピストンの往復動動作を、
あるいは、
（２）ピストンの往復動作によってピストンの回転動作を、
永久磁石あるいは超電導磁石の磁力による駆動で可能にした磁気回転往復動機構に関するものである。
　液体窒素や液体ヘリウムなどは極低温機器や超電導送電線の冷却のための極低温冷媒として利用されている。さらに、液体水素は、衛星打ち上げロケットの推進剤や半導体、液晶などの製造業における還元剤として利用されている。また、液体水素は、地球環境に負荷をかけない次世代のクリーンエネルギーとして注目されている。すでに、ドイツでは、水素燃料車用に液体水素ステーションが建設され稼動しているなど水素の需要が拡大している。
　我が国でも水素を利用した燃料電池自動車が開発中であり、その市販化が計画されている。また、燃料電池自動車に水素を補充するインフラとして４大都市圏を中心に水素供給ステーションの整備も進行中である。
　現在、燃料電池自動車に搭載される燃料タンクには、高圧圧縮ガスを充電可能な水素容器が開発されている。大気圧下での液体水素の密度は、高圧圧縮ガスの密度よりもかなり高く、水素の貯蔵あるいは輸送において、液体水素の方が有利である。従って、将来の水素エネルギー社会において、より密度の大きい液体の状態で水素を利用する方が輸送や貯蔵では、特に効率的である。
　また、液体水素温度２０Ｋでは、我が国で発見され、線材化が容易で扱い易い金属系超電導体二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）が使用可能で、研究開発も活発化している。
　このような将来のエネルギー社会において、極低温度沸点の液体水素や液体窒素などの貯蔵や輸送が増加するものと考えられる。したがって、それら液体の貯蔵や輸送装置の必要性も増してきている。現在、ＬＰＧやＬＮＧ輸送用大型極低温遠心ポンプが稼働しており、やや問題点もあるが液体窒素の輸送用に置き換えることが出来る。
　従来の極低温流体の輸送用ポンプの小型のものでは、遠心型液体窒素循環ポンプ（非特許文献１）が販売されているが、ポンプ部を除いた駆動部は常温に設置されるため、極低温と常温との断熱に長い軸が必要で無駄なスペースを有し、また、輸送方式が、遠心型のため効率が低く、高価格である。
特開２０１０－５３９４７号公報
http://www.ipros.jp/product/detail/2000037626/
　従来、回転によって非接触に往復運動を行う機構には、磁性材料を用いたピストン外周上に複数のサイン曲線形状に凸部を設け、その凸部と対抗する位置のケーシング側に永久磁石と磁性体とで構成する複数の磁気回路を形成して、磁気力で１回転するごとに１往復動作が得られる往復動機構が考えられていた（特許文献１）。しかし、この機構では、ピストンの往復動による負荷と圧縮された圧力による負荷を支持するには、十分なスラスト支持力が得られない欠点があった。
　また、クランク機構やピストンにサイン形状の溝を切り、その溝に適合させたボールベアリングによって固体接触で動作する機械式回転・往復機構も考えられるが、極低温領域では、摩擦・摩耗の問題から恒久的な使用は不可能である。現状では、これらの機構の極低温での使用は、皆無である。
　そこで、本発明では、流体の吸入・吐出の弁の開閉にすきまの流体抵抗の差を弁の開閉機構として用いた往復動容積型圧縮装置において、軸の支持に動作流体を用いた流体軸受あるいは超電導磁石や永久磁石を用いた磁気軸受を用いてピストンの回転および往復動を高精度に保ち、ピストンの回転動作あるいは往復動動作の駆動に、永久磁石あるいは超電導磁石を用いることにより、ピストンの回転による往復動動作を、あるいは電磁コイルとバルク超電導体とで構成する往復動機構による往復動作に加えた回転動作を、非接触で可能にした磁気回転往復動機構を提供するものである。
上記課題は次のような手段により解決される。
　（１）
原動手段と、前記原動手段で回転するピストンと、前記ピストンに所定の間隙を空けて外装されるシリンダーと、および前記シリンダー内に圧縮室を備え、前記圧縮室に連通した流体の吸入口及び吐出口の弁の開閉に前記ピストンとシリンダーとのすきまの流体抵抗の差を用いた往復動容積型圧縮装置において、
前記ピストンを、前記シリンダーに間隙をあけ非接触に回転往復動動作を行うために、磁性体製の前記ピストンの外周表面部に前記ピストン一回転中に前記ピストンを数往復動させる２列１組の並列した左右凸部磁極で間を溝とした突条のサインカーブ磁極を数列設けたピストンとし、
前記シリンダー内の円周方向には、
前記ピストン一回転中に往復動する回数に合わせた前記左右凸部磁極に対向して配置された左右凸部の磁性体磁極と、前記磁性体磁極の間に位置する永久磁石とで構成され、前記ピストンを前記原動手段で回転させることにより磁気力で前記ピストンの往復動運動を非接触に行うとともに前記ピストンの往復動方向の負荷を支持するスラスト磁気軸受を数個形成してなることを特徴とする磁気回転往復動機構。
　（２）
原動手段と、前記原動手段で回転するピストンと、前記ピストンに所定の間隙を空けて外装されるシリンダーと、および前記シリンダー内に圧縮室を備え、前記圧縮室に連通した流体の吸入口及び吐出口の弁の開閉に前記ピストンとシリンダーとのすきまの流体抵抗の差を用いた往復動容積型圧縮装置において、
前記ピストン外周表部に、前記ピストンの往復動と直交する方向にサインカーブ形状に加工した円筒のバルク超電導体を設け、前記バルク超電導体を挟む形で円周方向の一部に超電導コイルと磁性体とで構成する電磁コイル磁極を設け、
前記超伝導コイルに電流を流すことで発生する磁場により、前記ピストンを前記原動手段で回転させることにより生じる前記バルク超電導体の反磁性反発力で前記ピストンの往復動運動を非接触に作り出すとともに往復動方向の負荷を支持するスラスト磁気軸受を形成してなることを特徴とする
磁気回転往復動機構。
　（３）
前記超伝導コイルに、前記ピストンの回転に同期させて電流を流すことで、さらに前記ピストンの往復動方向の負荷を支持する超電導反発型磁気軸受を持つことを特徴とする（２）に記載の磁気回転往復動機構。
　（４）
原動手段と、ピストンと、前記ピストンに所定の間隙を空けて外装されるシリンダーと、および前記シリンダー内に圧縮室を備え、前記圧縮室に連通した流体の吸入口及び吐出口の弁の開閉に前記ピストンとシリンダーとのすきまの流体抵抗の差を用いた往復動容積型圧縮装置において、
前記ピストンの外周表面部に、突条に螺旋形磁性体を配置し、前記螺旋形磁性体の間には螺旋状に永久磁石を配置して構成する複数列の螺旋形状磁極を設け、
前記シリンダー内面に螺旋状形状磁極と所定の間隙を保ってバルク超電導体を設け、
前記バルク超電導体が超電導状態に転移する極低温度以下にすることで、前記バルク超電導体に前記ピストン側で発生する螺旋状の磁場分布が、ピン止め効果により磁場形成され、
前記原動手段による前記ピストンの往復動運動により、螺旋的な回転および逆回転動作を作り出すとともにピン止め型バルク超電導軸受を形成し、ラジアル負荷とスラスト負荷を同時に支持してなることを特徴とする磁気回転往復動機構。
　（５）
原動手段と、ピストンと、前記ピストンに所定の間隙を空けて外装されるシリンダーと、および前記シリンダー内に圧縮室を備え、前記圧縮室に連通した流体の吸入口及び吐出口の弁の開閉に前記ピストンとシリンダーとのすきまの流体抵抗の差を用いた往復動容積型圧縮装置において、
前記ピストンの外周表面部に、溝をもって突条に２本の螺旋形状磁性体を配置し、前記螺旋形状磁性体の間には螺旋状に永久磁石を配置して構成する複数列の螺旋形状磁極を設け、
前記シリンダー内面には、前記螺旋形状磁極に対応する位置に前記ピストンに設けたと同数の複数列の磁性体の螺旋状磁極を形成し、
前記原動手段による前記ピストンの往復動により、螺旋的な回転および逆回転動作をするとともにスラスト磁気軸受を形成してなることを特徴とする磁気回転往復動機構。
　（６）
（１）～（５）のいずれかに記載の磁気回転往復動機構を、併用して用いたことを特徴とする磁気回転往復動機構。
　本発明は、主に極低温中で動作する非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置の往復動動作をピストンの回転で、あるいはピストンの回転を往復動動作から磁気力で作り出す機構で、ピストンの支持機構に非接触軸受を採用することにより全ての動作を非接触に行えるため、圧縮装置の高性能化および長寿命化が達成できる、従来にない全く新しい磁気回転往復動機構が期待できる。
　また、ピストンのラジアル方向負荷を非接触に支持するために動作雰囲気中の作動流体を利用した流体潤滑軸受や磁気力を利用した磁気制御型軸受、あるいは、超電導軸受を用いることにより達成し、回転往復動動作を本発明の永久磁石と磁性体との組み合わせによる磁気回転往復動機構および超電導反磁性効果を利用した磁気回転往復動機構および往復動機構を採用することで極低温における全機構が完全非接触に支持できるようになる。
非接触吸入・吐出機構を設けた常温から極低温まで幅広い温度領域で動作する往復動容積型圧縮装置に設置した永久磁石と、磁性体磁極を利用した磁気回転往復動機構の構成図である。 図１に示した永久磁石と、磁性体を利用した磁気回転往復動機構の詳細図であり、（Ａ）は磁気回転往復動機構の正面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は（Ｂ）の一部拡大図である。 シリンダー内の圧縮室を含む往復動圧縮部のみを延設軸の先端部に位置させ、極低温領域に設置し、その他の機構は常温部に設置した、往復動容積型圧縮装置ポンプの図１に示した本発明の磁気回転往復動機構の構成図であり、（Ａ）は磁気回転往復動機構の正面図、（Ｂ）は側面図である。この構造は、極低温部での熱の発生を極力抑えるために駆動モータ（原動手段）、軸受部を常温に設置したものである。 非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置に採用したバルク超電導体の反磁性効果と、電磁コイルで発生する磁場との反発力を利用した極低温往復動機構の構成図である。バルク超電導体を回転方向にサインカーブ状に形成し、電磁コイルの磁極間で発生した磁場との反発力で回転により往復運動をする。 非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置に採用したバルク超電導体の反磁性効果と、電磁コイルで発生する磁場との反発力を利用した極低温往復動機構の他の実施形態の構成図である。バルク超電導体は、円筒形上で、電磁コイルは円筒形である。この構成では、ピストンの回転は、圧縮室の吸入・吐出の切り替えのために行うもので、ピストンの往復動動作に連動するものではない。また、電磁コイルに超電導コイルを利用することによりピストンの移動方向に対する大きな反発力を発揮することができ、高圧縮比を得るための往復動機構である。 図５に示したバルク超電導体と電磁コイルで形成する往復動機構を利用して往復動と往復動により回転動作を行う磁気回転往復動機構である。本実施形態では、ピストンの位置保持、固定側に設けた円筒状のバルク超電導体と、ピストン上に設けた永久磁石と磁性体とで構成する螺旋状の磁極との磁気力でピストンの往復運動によって回転・逆回転を行うものである。ピストンのラジアル方向の負荷は、螺旋状の磁極とバルク超電導体とでピン止め軸受により支持される。また、二つの磁気回転往復動機構をピストン軸上に設置し、往復動動作に伴うピストンの振動の抑制を行った構成である。左右両端に圧縮室を備える。 ピストン側の螺旋形状磁極と、シリンダー側のバルク超電導体に形成された螺旋形状ピン止め磁石から成る磁気回転往復動機構の詳細図である。また、この逆の構成も成り立つ（ピストン側にバルク超電導体、シリンダー側に永久磁石螺旋形状磁極）。 ピストン側の螺旋形状磁極及び永久磁石と、シリンダー側の螺旋状の磁性体とで構成される磁気回転往復動機構の詳細図である。また、この逆の構成も成り立つ（ピストン側に螺旋状の磁性体、シリンダー側に螺旋形状磁極及び永久磁石）。
　以下、本願発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　本発明における永久磁石と磁性体とで構成する磁気回転往復動機構の基本構成の一例を図１に示す。極低温の作動流体を用いたラジアル（流体潤滑）軸受でピストンのラジアル方向負荷を支持し、往復運動を永久磁石と磁性体とで構成した本発明の磁気回転機構を非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置の一例である。
　図２に永久磁石と磁性体で構成する磁気回転往復動機構の詳細図を示す。ピストンが原動手段（磁気カップリング）で一回転する間に３往復動する形式の機構である。
　磁気力は、固定側に設けた永久磁石３ｂと磁性体磁極３ａおよび磁性体磁極３ａ‘の図のような構成で発生する。すなわち、永久磁石３ｂのＮ極から発生した磁束３ｃは、図２（Ｃ）の環状矢印で示すように、主に磁性体磁極３ａの左凸部３ｄを通り、それに対抗するピストン側の左凸部磁極２ａを経て、ピストン内を通り、左隣のピストンの右凸部磁極２ｂ‘、さらに磁性体磁極３ａ‘の右凸部３ｅ’から永久磁石３ｂのＳ極に戻る磁気経路で発生する。
　磁性体磁極３ａと相対抗するサインカーブ磁極２の左右凸部磁極２ａ、２ｂが、原動手段（磁気カップリング）の回転でピストンの軸方向にずれると、磁気による復元力が働きサインカーブ磁極２は元の位置に戻ろうとする。その復元力により、ピストンは固定側の磁極からずれまいとピストン上のサインカーブ磁極２に沿って回転するとともに往復運動をすることになる。
　また、この復元力がピストンの軸方向支持を行うスラスト軸受の負荷能力になる。１回転３往復動形式では、固定側磁極は、図２の（Ａ）に示すように３箇所に配置でき、スラスト力は、３倍得られることになる。
　図３は、本発明の磁気回転往復動機構を設けた非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置一例で、ピストンの回転駆動（原動手段）にモータを採用した方式である。シリンダー内の圧縮室を含む往復動圧縮部のみを延設軸の先端部に位置させ、極低温領域に設置し、その他の機構は常温部に設置した往復動容積型圧縮装置を示したものである。この構造は、極低温部での熱の発生を極力抑えるために駆動モータ、軸受部を常温に設置したものである。
　図４は、磁気回転往復動機構を、バルク超電導体と、超電導電磁コイルと磁性体（電磁コイル磁極（スラスト磁気軸受））で構成する、非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置一例である。
　回転駆動（原動手段）には極低温への熱侵入を極力抑えるために真空断熱壁を介した磁気カップリングを設けた構成である。バルク超電導体の反磁性とバルク超電導体を挟んだ超電導電磁コイルで発生する磁場との反発力を利用した極低温往復動機構である。バルク超電導体をピストンの回転方向にサインカーブ状に形成し、回転方向の一部に設けた超電導電磁コイルの磁極間で発生した磁場との反発力でピストンの回転により往復運動をする。ピストンの１回転で１往復する構成であるが、１回転で数往復動する構成も可能である。
　図５は、往復動動作に円板状のバルク超電導体と超電導電磁コイルを組み合わせた構造で回転に同期させて電磁コイルに電流を流すことにより往復運動をする非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置一例である。
　非接触吸入・吐出機構を実現するためにはピストンの回転が必要で、ここでは、永久磁石とバルク超電導体とで構成するピン止め型超電導磁気カップリング（原動手段）を採用している。
　図５の往復動容積型圧縮装置では、ピストンの回転に同期させて超電導コイルＢの電流を増加させ、超電導コイルＡの電流を減少させることにより、コイルの発生磁場とバルク超電導体との反磁性による反発力でピストンは、圧縮工程の右側に移動する。それとともに、ピストンの回転により吐出口が開口状態に、吸入口が閉口状態になる。超電導コイルＡおよびＢの電流の増減を逆にすることにより、ピストンは、吸入工程の左側に移動することになる。
　この機構では、バルク超電導体と超電導コイルの発生磁場との反発力でピストンを動かすため一般的な吸引力を用いて行う往復動機構と異なり、往復動に対する位置制御を必要としない。
　図６は、永久磁石と磁性体とで構成する螺旋状磁極をピストン上に、それと対抗する固定側に螺旋状磁極の全幅よりピストンの往復動移動距離よりも短いバルク超電導体を固定側に設置してバルク超電導体にピストン上の螺旋状磁極による磁場を超電導状態となる極低温に冷却することで、ピン止め効果で着磁している。
　そして、図５に記載のバルク超電導体と超電導コイルとから成る往復動機構による往復動駆動で、ピストンを圧縮方向で正回転および吸引方向で逆回転させる磁気回転往復動機構を有する非接触吸入・吐出機構を設けた往復動容積型圧縮装置の一例を示したものである。
　図６の往復動容積型圧縮装置の往復機構は、超電導コイルＡ、Ｂおよび超電導コイルＣと各々のピストンに設置しているバルク超電導体とで成り立っている。超電導コイルＣの電流を増加して磁場を高め、超電導コイルＡおよびＢの電流を減少させて磁場を低下させることにより、各々のピストンに設けたバルク超電導体との反発力に差ができ、左側ピストンは、左側に螺旋状磁極に沿って回転しながら移動し、右側ピストンは、同じく螺旋状磁極に沿って回転しながら右側に移動することになり、各々の圧縮室の流体を圧縮することになる。
　また、超電導コイルＡおよびＢの電流を増加させ、超電導コイルＣの電流を減少させることでピストンは、回転しながら逆方向に移動し、圧縮室に流体を吸入することになる。
　図６の構成は、同一の往復動圧縮装置２台を図のように配置し、ピストンの往復動を相反する方向に稼働させることによりピストンの往復動による振動の抑制と圧縮比や圧縮容量の増大を図ったものである。
　図７は、図６の螺旋状磁極とバルク超電導体から成る磁気回転往復動機構の詳細図である。図８の固定側磁性体の代わりにバルク超電導体を配置してピストン側に形成された螺旋状磁極によりバルク超電導体が超電導状態になると、ピン止め効果により螺旋状磁極で構成される磁場分布に見合った磁場分布でバルク超電導体に螺旋状の磁極が形成される。
　バルク超電導体と磁性体との違いは、次の通りである。永久磁石と磁性体とでは、常に永久磁石と磁性体が近づこうが離れようが磁気吸引力が働いている。しかし、バルク超電導体と永久磁石とでは、ピン止効果で磁場がバルク超電導体に着磁された状態では、永久磁石とバルク超電導体とでは磁気力は何も発生しない。どちらか一方が移動すると磁気力が発生する。その磁気力は近づこうとすると反発力が、離れようとすると吸引力が働き、常にピン止めされた位置に戻ろうという力が発生する。この磁気力によって全方向非接触に負荷を支持することができ、回転往復機構が支持軸受も形成することになる。
　図８は、螺旋状磁極と永久磁石と磁性体とで構成される螺旋状磁極から成る磁気回転往復動機構の詳細図である。図７のバルク超電導体を用いた形式と異なることは、常に他の形式のラジアル軸受が必要なことである。磁気回転往復動機構の動作原理は、図２での説明と同様であるが全周にわたって磁気回路が形成されるのでスラスト軸受としての負荷能力が図２の形式より大幅に増大する。
　なお、上記の例は、あくまでも本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形、他の態様は、当然本発明に包含されるものである。
１　　　磁力回転往復動機構を備える往復動容積型圧縮装置
２　　　サインカーブ磁極
２ａ　　左凸部磁極
２ａ‘　左凸部磁極
２ｂ　　右凸磁極
２ｂ‘　右凸磁極
２ｃ　　溝
３　　　スラスト磁気軸受
３ａ　　磁性体磁極
３ａ‘　磁性体磁極
３ｂ　　永久磁石
３ｃ　　磁束
３ｄ　　左凸部
３ｅ　　右凸部
３ｅ‘　右凸部
４　　　間隙
５　　　往復圧縮部
６　　　バルク超伝導体　

Claims (6)

  1. 原動手段と、前記原動手段で回転するピストンと、前記ピストンに所定の間隙を空けて外装されるシリンダーと、および前記シリンダー内に圧縮室を備え、前記圧縮室に連通した流体の吸入口及び吐出口の弁の開閉に前記ピストンとシリンダーとのすきまの流体抵抗の差を用いた往復動容積型圧縮装置において、
    前記ピストンを、前記シリンダーに間隙をあけ非接触に回転往復動動作を行うために、磁性体製の前記ピストンの外周表面部に前記ピストン一回転中に前記ピストンを数往復動させる２列１組の並列した左右凸部磁極で間を溝とした突条のサインカーブ磁極を数列設けたピストンとし、
    前記シリンダー内の円周方向には、
    前記ピストン一回転中に往復動する回数に合わせた前記左右凸部磁極に対向して配置された左右凸部の磁性体磁極と、前記磁性体磁極の間に位置する永久磁石とで構成され、前記ピストンを前記原動手段で回転させることにより磁気力で前記ピストンの往復動運動を非接触に行うとともに前記ピストンの往復動方向の負荷を支持するスラスト磁気軸受を数個形成してなることを特徴とする磁気回転往復動機構。
  2. 原動手段と、前記原動手段で回転するピストンと、前記ピストンに所定の間隙を空けて外装されるシリンダーと、および前記シリンダー内に圧縮室を備え、前記圧縮室に連通した流体の吸入口及び吐出口の弁の開閉に前記ピストンとシリンダーとのすきまの流体抵抗の差を用いた往復動容積型圧縮装置において、
    前記ピストン外周表部に、前記ピストンの往復動と直交する方向にサインカーブ形状に加工した円筒のバルク超電導体を設け、前記バルク超電導体を挟む形で円周方向の一部に超電導コイルと磁性体とで構成する電磁コイル磁極を設け、
    前記超伝導コイルに電流を流すことで発生する磁場により、前記ピストンを前記原動手段で回転させることにより生じる前記バルク超電導体の反磁性反発力で前記ピストンの往復動運動を非接触に作り出すとともに往復動方向の負荷を支持するスラスト磁気軸受を形成してなることを特徴とする
    磁気回転往復動機構。
  3. 前記超伝導コイルに、前記ピストンの回転に同期させて電流を流すことで、さらに前記ピストンの往復動方向の負荷を支持する超電導反発型磁気軸受を持つことを特徴とする請求項２に記載の磁気回転往復動機構。
  4. 原動手段と、ピストンと、前記ピストンに所定の間隙を空けて外装されるシリンダーと、および前記シリンダー内に圧縮室を備え、前記圧縮室に連通した流体の吸入口及び吐出口の弁の開閉に前記ピストンとシリンダーとのすきまの流体抵抗の差を用いた往復動容積型圧縮装置において、
    前記ピストンの外周表面部に、突条に螺旋形磁性体を配置し、前記螺旋形磁性体の間には螺旋状に永久磁石を配置して構成する複数列の螺旋形状磁極を設け、
    前記シリンダー内面に螺旋状形状磁極と所定の間隙を保ってバルク超電導体を設け、
    前記バルク超電導体が超電導状態に転移する極低温度以下にすることで、前記バルク超電導体に前記ピストン側で発生する螺旋状の磁場分布が、ピン止め効果により磁場形成され、
    前記原動手段による前記ピストンの往復動運動により、螺旋的な回転および逆回転動作を作り出すとともにピン止め型バルク超電導軸受を形成し、ラジアル負荷とスラスト負荷を同時に支持してなることを特徴とする磁気回転往復動機構。
  5. 原動手段と、ピストンと、前記ピストンに所定の間隙を空けて外装されるシリンダーと、および前記シリンダー内に圧縮室を備え、前記圧縮室に連通した流体の吸入口及び吐出口の弁の開閉に前記ピストンとシリンダーとのすきまの流体抵抗の差を用いた往復動容積型圧縮装置において、
    前記ピストンの外周表面部に、溝をもって突条に２本の螺旋形状磁性体を配置し、前記螺旋形状磁性体の間には螺旋状に永久磁石を配置して構成する複数列の螺旋形状磁極を設け、
    前記シリンダー内面には、前記螺旋形状磁極に対応する位置に前記ピストンに設けたと同数の複数列の磁性体の螺旋状磁極を形成し、
    前記原動手段による前記ピストンの往復動により、螺旋的な回転および逆回転動作をするとともにスラスト磁気軸受を形成してなることを特徴とする磁気回転往復動機構。
  6. 請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の磁気回転往復動機構を、併用して用いたことを特徴とする磁気回転往復動機構。
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