旋轉接頭的制作方法

專利名稱：旋轉接頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種為了利用制冷劑對超導電動機的超導勵磁線圈等的冷卻部冷卻， 而設于制冷劑用流體通路的中途的帶機械密封裝置的旋轉接頭。更詳細來說，涉及一種能 通過相對旋轉部將供給制冷劑以極低溫狀態從被固定的冷凍機朝旋轉側的冷卻部導入的 帶機械密封裝置的旋轉接頭。
背景技術：
超導電動機等的超導裝置中，為了維持超導勵磁線圈的超導狀態，必須將液態氮、 液態氨等極低溫的制冷劑朝超導勵磁線圈等的冷卻部供給。另外，必須將在該冷卻部使用 后的制冷劑(稱為排出制冷劑)朝冷凍機回收。此時，需要將供給的制冷劑(稱為供給制 冷劑)的溫度維持在極低溫度的狀態，并降低高價的供給制冷劑的使用量。例如，為了從固 定側的冷動機朝旋轉的超導電動機供給供給制冷劑，必須使用旋轉接頭使供給制冷劑從相 對旋轉的固定部通過旋轉部。在該旋轉接頭中，將固定部的流體通路與旋轉部的流體通路 的相對旋轉的連通路的流體通路密封的密封裝置對極低溫度的供給制冷劑或排出制冷劑 進行密封，密封制冷劑的能力隨著溫度會產生問題。另外，在供給制冷劑的溫度上升時，若 不增加供給制冷劑的供給量，則不能冷卻到規定的溫度，因此，不能發揮超導的功能。所以， 存在朝冷卻部的供給制冷劑的使用量增加的問題。另外，對于供給制冷劑的供給時的絕熱，已知真空絕熱是優異的。然而，為了進行 真空絕熱，若不提高包圍流體通路的外周側的空間的真空度，則將供給制冷劑維持在極低 溫度是困難的。為了維持高真空度以進行該真空絕熱，需要與外部氣體隔斷的真空密封裝 置。在該真空密封裝置中，對真空密封時，因真空而導致失去密封面的潤滑，因此，會使密封 面磨損。其結果是，會使絕熱所需的真空度降低。該密封裝置的密封能力變為問題，并存在 不能將維持在極低溫度的供給制冷劑朝冷卻部供給的問題。在該狀態下，為了將冷卻部維 持在極低溫度，必須朝冷卻部大量地供給供給制冷劑，因此，使高價的供給制冷劑的運行成 本增加而成為問題。所以，希望有性能優異的旋轉接頭。在日本專利申請公開2003-65477號公報(專利文獻1)的圖9 (省略該圖9的圖 示，但專利文獻1的附圖的符號表示于零件名之后)中，作為“具有朝包括超導線圈的轉子 移送極低溫度的氣體移送接頭的同步設備”，表示了朝同步發電設備供給極低溫流體的極 低溫劑移送接頭(26)的截面圖。在該極低溫劑移送接頭26中，將固定側的插入管154的 前端部158以非接觸狀態的方式與入口管156的內周面嵌合而構成為非接觸密封。然而， 該非接觸密封僅僅是插入管154以非接觸狀態與入口管156的內周面嵌合。因此，在從極 低溫冷卻器90供給來的入口極低溫氣體157在插入管154內流動并流入入口管156內時， 入口極低溫氣體157的一部分有可能從插入管154與入口管156的非接觸嵌合的間隙流入 圓筒狀外殼186內。盡管圓筒狀外殼186內被保持為真空狀態，但當入口極低溫氣體157 流入圓筒狀外殼186內時，會使圓筒狀外殼186內的真空度降低，因此，會使真空的絕熱效 果降低。
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此外，極低溫劑移送接頭26采用使高溫冷卻氣體164在供入口極低溫氣體157流 動的冷卻入口管156的外周與冷卻出口管166之間的環狀空間流動的結構，因此，在冷卻入 口管156內流動的入口極低溫氣體157有可能因高溫冷卻氣體164而溫度上升。另外，配置于圓筒狀外殼168的運動間隙密封162采用以下結構入口極低溫氣 體157在內周側流動，高溫冷卻氣體164在外周側流動，因此，有可能因極低溫而導致材質 劣化并使密封能力降低。特別地，在與外部的絕熱效果較低的極低溫劑移送接頭26的結構 中，必須朝SC線圈繞線供給大量的入口極低溫氣體157，因此，可能會使運動間隙密封162 過早劣化。另外，記載了安裝于筒狀外殼196內的磁性流體密封176能防止返回氣體164的 泄漏(參照段落號0046)，但其結構不詳。在現在所知的磁性流體密封176中，當將圓筒狀 外殼186內抽成真空時，磁性流體被吸入圓筒狀外殼186內而使磁性流體密封176的密封 能力降低。因此，外部的空氣流177通過磁性流體密封176進入圓筒狀外殼186內，從而使 圓筒狀外殼186內的真空度降低。在該圓筒狀外殼186內的真空度降低時，不能獲得入口 極低溫氣體157的絕熱效果。在通常的磁性流體密封中，維持該高真空度是困難的。在具有以往的磁性流體密封裝置的密封裝置中，滑動面被抽真空且滑動面的潤滑 液被吸取，因此，會使密封面磨損。其結果是，空氣流177、此外還有返回氣體經由密封面間 逐漸進入圓筒狀外殼186內，使得將冷卻流體保持在極低溫30° K以下變得困難。若不能 將該入口極低溫氣體157維持在30° K以下，則不能發揮超導線圈(線圈繞線34)的超導 效果。因此，必須朝超導線圈側供給超過需要的入口極低溫氣體157的流量。在該現狀中， 氨等冷卻流體價格高，因此，同步發電設備等的運行成本上升。另外，在日本專利特許第3306452號公報(專利文獻2)的圖1或圖3 (未圖示，但 專利文獻2的附圖的符號表示于零件名之后的括弧內)中，與專利文獻1相同，表示了將液 態氨注入管插入被真空層2覆蓋的突出部10的內周面的截面圖。在該插入的突出部10的 內周面與液態氨注入管1的外周面之間形成有間隙。利用將與該間隙連通的外周側的間隙 隔斷的密封4來密封以防止液態氨朝外部泄漏。然而，該專利文獻2也與專利文獻1相同， 由于液態氨保持在極低溫，因此，使用以往的密封4來密封極低溫度的液態氨是困難的。在 簡單的密封裝置的結構中，液態氨的密封會在密封面上引起各種問題。此外，采用將真空層 2封入管的外側的空間室的結構，但在封入的結構中，隨著時間真空度會降低，因此，不能長 期發揮朝液態氨的絕熱效果。另外，在專利文獻1中，采用將入口管156朝固定插入管154嵌合的結構，另外，在 專利文獻2中，采用使液態氨注入管1朝向轉子的孔中心19(導入孔)沿軸向與轉子前端 的突出部10嵌合的結構，轉子側的入口管156及轉子前端的突出部10的固定變得困難，入 口管156及轉子前端的突出部10的相對面接觸時，固定插入管154及液態氨注入管1滑動 而可能產生磨損粉。此外，在該結構中，維持真空度是困難的。另外，在需根據超導勵磁線 圈的根數而設置多根液態氨注入管1的情況下，根據該根數，轉子也必須變得復雜，使得密 封裝置的結構變得復雜。專利文獻1 日本專利申請公開2003-65477號公報專利文獻2 日本專利第3306452號公報發明的公開
發明所要解決的技術問題本發明為解決上述技術問題而作，其目的在于，將供給制冷劑流動的流體通路在 高真空狀態下絕熱，并朝冷卻部供給極低溫的供給制冷劑。另外，在于通過該高真空的絕 熱，能防止使從固定側的流體通路朝旋轉側的流體通路連通的第二機械密封裝置的密封能 力因供給制冷劑而降低的情況。此外，在于高效率地構成連接到冷凍機的固定側的流體通 路和與相對旋轉側的連接流體通路連通的流體通路的結構。另外，還在于提高使供給制冷 劑流通的旋轉接頭的耐久能力。此外，在于利用連接流體通路的結構，使配管的組裝變得容 易，并使流體通路的制造變得容易。另外，還在于使制冷劑的冷卻效果提高，并使制冷劑的 運行成本降低。解決技術問題所采用的技術方案本申請發明的旋轉接頭是一種將固定側的制冷劑供給裝置與旋轉側的冷卻部的 流體通路間連接的制冷劑用的旋轉接頭，其包括真空用筒軸，該真空用筒軸被主體支承成 能旋轉并具有沿軸向貫穿的真空通路，且在上述真空通路的一端具有能與上述冷卻部的連 通路連通的連結部，在上述真空通路的另一端具有抽真空用的開口部，在上述連結部與上 述開口部的中間具有連接部；旋轉密封環，該旋轉密封環與上述真空用筒軸的上述連接部 密封地嵌連，并在兩端面具有各密封面；兩固定密封環，該兩固定密封環被配置于上述旋轉 密封環的軸向兩側，并具有與相對的上述密封面緊貼的相對密封面；彈性波紋管，該彈性波 紋管的一端的結合部密封地連結到與上述各固定密封環的相對密封面相反一側的周面，且 另一端的固定部圍住上述真空用筒軸，密封地固接于上述主體，并朝上述密封面彈性地按 壓上述固定密封環；第一間隔流體通路，該第一間隔流體通路形成于夾著上述旋轉密封環 的兩側的上述彈性波紋管之間，并能與導入供給制冷劑的第一流體通路連通；第二流體通 路，該第二流體通路沿徑向貫穿上述旋轉密封環，并與上述第一間隔流體通路連通；連接流 體通路，該連接流體通路設于上述連接部的內部，一端與上述第二流體通路連通，并在另一 端設置連接孔；第一配管，該第一配管具有一端連接到上述連接孔與上述連接流體通路連 通、另一端與上述冷卻部側的流通路連通的流體通路，且配置于上述真空用筒軸的真空通 路；連結蓋，該連結蓋具有從上述真空用筒軸的開口部對上述真空通路內抽真空的吸引口 ； 以及磁性流體密封裝置，該磁性流體密封裝置具有磁性流體密封用蓋、磁體用的磁極塊、磁 體、軸蓋及磁性流體，其中，上述磁性流體密封用蓋與上述連結蓋密封地結合來圍住上述真 空用筒軸，上述磁體用的磁極塊與上述磁性流體密封用蓋的內周面和上述真空用筒軸的外 周面中的一側的周面密封地嵌連，且并排配置，上述磁體配置于上述并排的磁極塊之間，在 上述軸蓋上配置有多個靠近上述磁極塊的周面且相對的環狀的突起從而形成突起組，且上 述軸蓋與上述磁性流體密封用蓋的內周面和上述真空用筒軸的外周面中的另一側的周面 密封地嵌連，上述磁性流體存在于上述突起與上述磁極塊之間，在上述磁性流體密封裝置 中，作用有磁力的上述磁性流體克服上述抽真空的力，將上述突起與上述磁極塊之間隔斷。根據這種結構的旋轉接頭，利用相對于抽真空能可靠密封的磁性流體密封裝置， 能使真空用筒軸的內周面內形成高真空狀態而發揮絕熱效果。而且，在磁性流體密封裝置 中，由于無滑動的滑動面，因此，能有效地防止滑動面過早磨損的情況并能發揮耐久能力。 因此，真空用筒軸的內周面內能長時間維持高真空(IO-5Torr以下)狀態(現有的密封裝置 的密封面即使具有優異的密封能力，也因真空狀態而導致滑動的密封面的潤滑液被吸取而
6過早磨損)。另外，真空用筒軸的連結部與冷卻部的連接部連結且也與冷卻部的設備內部連 通，因此，利用該抽真空，也能將冷卻部的設備內部真空絕熱。因此，能使在真空用筒軸的內 周面內中所配置的各第一配管及第二配管與連接部同外部氣體有效地真空絕熱，所以，能 將供給制冷劑維持在極低溫度的狀態。另外，該真空用筒軸的內周面內的真空絕熱能將在 間隔流體通路中流動的供給制冷劑維持在極低溫度，并能將供給制冷劑維持在液體狀態。其結果是，利用該液體的制冷劑，在密封面與相對密封面滑動時，作為潤滑液存在 于兩密封面間可防止滑動產生熱。此外，可防止兩密封面磨損的情況(在現有技術中，即 使是優異的密封裝置，由于制冷劑為極低溫，會使密封材質變質，因此，密封制冷劑是困難 的)。另外，可防止兩密封面滑動時的磨損，并能發揮對供給制冷劑的密封能力。此外，在 與固定密封環一體的彈性波紋管的結構中，不需將固定密封環的滑動的嵌合面間密封的〇 形環，因此，能防止隨著因極低溫度所導致的〇形環的材質變化而引起的制冷劑泄露的情 況。另外，在彈性波紋管的結構中，即使是極低溫的狀態，也能將固定密封環的相對密封面 朝密封面彈性地按壓，且該彈性的移動不存在滑動的面，因此能發揮相對密封面的密封能 力。此外，各第一配管及第二配管不是使用切刀等對作為真空用筒軸的構件進行加工而形 成孔的流體通路，而是由配管構成的，因此能選擇絕熱效果優異的管材料。另外，各第一配 管及第二配管為配管，因此，第一配管及第二配管的加工/組裝變得容易，且配管作業也變 得容易，從而能降低作為流體通路的加工成本和組裝成本。作為優選，在本申請發明的旋轉接頭中，將成對的上述旋轉密封環和兩側的固定 密封環在軸向上至少配置兩組，并在上述一組的上述固定密封環與相鄰的上述另一組的上 述固定密封環之間具有第二間隔流體通路，上述第二間隔流體通路與配置于上述真空用筒 軸的上述真空通路的第二配管連通，對上述冷卻部冷卻后的排出制冷劑通過上述第二配管 和上述第二間隔流體通路而返回。
另外作為優選，在本申請發明的旋轉接頭中，上述旋轉密封環具有沿周向配置的多個上述第二流體通路，且上述連接部具有沿周向與上述各第二流體通路連通的上述連接 流體通路，各上述第一配管的流體通路與各對應的上述連接流體通路連通。根據這種結構的旋轉接頭，能將多個第二流體通路設于旋轉密封環，因此，從一處 第一流體通路流出的供給制冷劑能通過第一間隔流體通路流入多個第二流體通路。此外， 各第一配管的流體通路與連通到多個第二流體通路的多個連接流體通路連通，因此，能朝 各冷卻部的所需處供給所需的供給制冷劑。另外，能減少由兩固定密封環和旋轉密封環構 成的一對第二機械密封的配置個數。同時，能縮短連接部的軸向的長度。其結果是，能大幅 度降低第二機械密封裝置和連接零件的制造成本及組裝成本。另外，也能使旋轉接頭小型 化。


圖1是本發明實施例1的旋轉接頭的一側的剖視圖。圖2是表示圖1的機械密封裝置和配管的附近的第一組裝體的放大剖視圖。圖3是表示圖2的各第二機械密封裝置附近的結構的放大剖視圖。圖4是圖1的第二組裝體的一側的剖視圖。圖5是圖1的第三組裝體的一側的剖視圖。圖6是圖5所示的磁性流體密封的一側的放大剖視圖。圖7是本發明實施例2的連接部的軸向主視圖。圖8是本發明實施例3的旋轉密封環的軸向主視圖。圖9是安裝了本發明的旋轉接頭的超導電動機的概略剖視圖。
具體實施例方式以下，根據附圖對本發明所涉及的實施方式的旋轉接頭進行說明。以下說明的各 附圖是根據設計圖而制成的準確的附圖。圖1是本發明實施例1的旋轉接頭R的一側的剖 視圖。在圖1中，若在截面中加入陰影線，則圖會變得不清楚，因此，省略了陰影線。此外， 圖2是表示圖1的機械密封裝置1和配管的附近的圖，也是第一組裝體A的一側的放大剖 視圖。另外，圖3是表示圖2的第二機械密封裝置1附近的結構的放大剖視圖。圖4是第 一軸承部60D1側的第二組裝體B的一側的放大剖視圖。圖5是磁性流體密封40側的第三 組裝體C的一側的放大剖視圖。圖6是圖5所示的磁性流體密封40的放大剖視圖。以下，參照圖1 圖6來說明本發明的旋轉接頭R。旋轉接頭R的帶凸緣的連結部 10C，與具有勵磁線圈的同步旋轉設備例如旋轉發電機、線性電動機等的帶流體通路的轉軸 及圖9所示的超導電動機100的帶流體通路的轉軸115連結。首先，對與圖1的旋轉接頭R連結的圖9的超導電動機100進行說明。但是，對非 本發明的超導電動機100進行簡單地說明。圖9所示的超導電動機100是概略圖。在筒狀的、設有內周面115A的轉軸115的 外周面上嵌合有3個轉子110 (符號僅為一處)。在轉子110的兩側，沿軸向配置總計4個 定子106(符號僅為一處)。此外，在各轉子110中設置在超導(SC)線圈103的內周側存 在空間的冷卻部105。在該冷卻部105上設置與旋轉接頭R的各第一配管20E連通并能供 給制冷劑的各第一管101、101、101。利用該各第一管101、101、101朝各個冷卻部105、105、
8105供給制冷劑，來冷卻各超導線圈103、103、103 (符號僅為一處)。此外，使對各超導線圈 103、103、103進行冷卻后的制冷劑，通過與排出流體通路用的各個第二管102、102、102連 通的第二配管20E，朝未圖示的制冷劑供給裝置(也稱為冷凍機)逆流。在轉軸115的兩側 設置軸承116、116。在此，為方便起見，對轉子110為3個的情況進行了說明，但并不局限于 3個，也有1個、2個、或3個以上的情況。此外，也存在與該例示的轉子110的結構不同的 結構。然而，總之，為使同步旋轉設備中的超導線圈的電阻接近零(0)，必須將超導線圈冷卻 到極低溫的溫度狀態。本發明解決該問題。為了實現這些高溫的超導線圈的超導，且維持該超導，例如必須將高溫超導線圈 冷卻到臨界溫度(超導臨界溫度，例如27K)或臨界溫度以下的溫度。本發明的旋轉接頭R 采用能從固定側通過旋轉側的各連接流體通路20D、20D朝各冷卻部105直接供給極低溫的 供給冷卻劑Ql的結構。此外，供給制冷劑Ql或排出制冷劑Q2通過在高真空(高真空是指 KT3Torr liTTorr的范圍)狀態的真空通路IOH中所配置的第一配管20E及第二配管20E 內的流體通路，因此，能與外部氣體真空絕熱并將供給制冷劑Ql維持在臨界溫度以下的極 低溫度。另外，將第一配管20E和第二配管20E維持在高真空的狀態，能阻斷外部氣體的溫 度朝第一配管20E和第二配管20E傳熱。在圖1及圖9中，真空用筒軸10的連結部IOC與超導電動機100的轉軸115的一 端的安裝部連結并能一起轉動。同時，第一配管20E是與第一管101連結并能朝第一管101 內供給來自第一配管20E的供給制冷劑Ql的供給流體通路。另外，第二配管20E也是與第 二管102連結并可從第二管101朝第二配管20E排出對超導線圈等冷卻后的已使用的排出 制冷劑Q2的排出流體通路。該第一配管20E并不限定于供給制冷劑Ql的供給流體通路， 此外，第二配管20E也不限定于排出制冷劑Q2的排出流體通路。能將第一配管20E作為排 出流體通路使用。另外，也能將第二配管20E作為供給流體通路使用。然而，在使使用后的 排出制冷劑Q2返回到冷卻供給裝置時，在圖1的第二機械密封裝置1的實施例中優選使用 第二配管20E。該真空用筒軸10整體使不銹鋼制的第一真空用筒軸IOA的連接部(也稱為連接 零件。然而，連接零件并不意味著與真空用筒軸是分體零件)IOAl與第二真空用筒軸IOB的 接頭部(符號10B)接合，并將未標注符號的圖示的螺栓朝軸向螺合而連結。第一真空用筒 軸IOA中，使筒軸的端部與連接部IOAl的階梯面嵌合，并焊接該嵌合面的周面使其形成為 一體。另外，在第二真空用筒軸IOB中，使筒軸的端部與接頭部IOB的階梯面，并將嵌合面 之間焊接。使該焊接后的接頭部IOB與連接部IOAl嵌合，并利用螺栓旋緊而形成為筒狀。 為了能安裝第二機械密封裝置1，該第一真空用筒軸IOA與第二真空用筒軸IOB的連結使用 螺栓來旋緊。然而，作為其他例子，若將機械密封裝置1嵌合到未圖示的長套筒，并將該套 筒嵌連固定于真空用筒軸10的外周，則能不分割組裝第一真空用筒軸IOA和第二真空用筒 軸IOB而使其形成一體。在該實施例的情況下，將連接部IOAl —體地嵌連于第一真空用筒 軸IOA的內周面。或者，也可對第一真空用筒軸IOA進行加工使其形成連接部IOAl。第二 機械密封是指將各固定密封環2A、2A配置于旋轉密封環IA的兩側形成一對，并使固定密封 環2A、2A與旋轉密封環IA組合而形成的零件。此外，將組合多個第二機械密封而成的整體 稱為機械密封裝置1。另外，如圖3所示，在連接部IOAl內部使連接流體通路20D在軸向上改變位置，并沿周向按照設定的個數配置，連接流體通路20D的截面是徑向與軸向形成的L形。該各連接 流體通路20D、20D的軸向的端部側的開口形成為連接孔20D1，并使第一配管20E與第二配 管20E的端部分別密封地嵌連于各連接孔20D1 (將嵌合好的周面之間焊接或粘接來封閉)。 具有該供給流體通路或排出流體通路的第一配管20E和第二配管20E，配置于第一真空用 筒軸IOA的內周面10A2內，可供極低溫度的制冷劑Ql、Q2流通。同時，配置于第一真空用 筒軸IOA的內周面10A2內的第一配管20E和第二配管20E，配置于被抽成真空(抽真空) 后的高真空環境內，與外部真空絕熱。第一配管20E和第二配管20E的材質使用不銹鋼管、 銅管、鋁管、氮化硼、石英管、強化玻璃管、低溫用樹脂(PTFE等)管等。此外，也可使用絕熱 材料覆蓋第一配管20E和第二配管20E的外周面。例如，使用PTFE、玻璃、石英等材質對不 銹鋼管的外周覆蓋能絕熱的厚度。通過在真空用筒軸10內以真空絕熱的狀態來配置第一 配管20E和第二配管20E，能實現上述絕熱效果。在諸如以往那樣的、在安裝好機械密封裝 置的外殼主體中使用切孔來形成制冷劑用的流體通路的結構中，不能期待上述效果。圖2及圖3是圖1所示的第一組裝體A的放大圖。如圖2及圖3所示，使旋轉密 封環IA的內周面1A3在真空用筒軸10中的連接部IOAl的外周面上沿軸向間隔配置成兩 列并與其嵌連。該旋轉密封環IA的組裝如下，將筒狀的隔板12夾在并排配置的兩旋轉密 封環1A、1A之間，并以利用連接部IOAl的階梯面和第二真空用筒軸IOB的接頭部IOB的端 面支承兩旋轉密封環1A、1A的軸向的外側端的狀態固定。在各旋轉密封環1A、1A中，將各 密封面1A1、1A1、……設于軸向兩端面，并將貫穿內外的第二流體通路20C設于各旋轉密封 環1A、1A的兩密封面IAlUAl的中間。該第二流體通路20C與內側的連接流體通路20D連 通。該各旋轉密封環IA和后述各固定密封環2A是碳化硅類、碳、硬質合金、復合樹脂等不 易磨損的硬質材質，且是經得住制冷劑Q1、Q2的耐寒材質。將成對的兩固定密封環2A、2A設于旋轉密封環IA的軸向的兩側。在固定密封環 2A端面設置與密封面IAl緊貼的相對密封面2A1。同時，通過焊接等，將作為環狀地圍起真 空用筒軸10的彈性波紋管2B的一端的結合部2B1與相對密封面2A1的相反一側的面(背 面)密封地結合。該彈性波紋管2B是不銹鋼、鎳基合金(因科鎳合金718等)等金屬制的， 且是一體形成于固定密封環2A的附屬零件。此外，使用焊接等，將彈性波紋管2B的另一端 的呈環狀的固定部2B2密封地粘接于密封蓋2B3的內周的階梯部。此外，彈性波紋管將固 定密封環2A的相對密封面2A1朝與密封面IAl緊貼的方向彈性地按壓。另外，旋轉密封環IA的外周面1A2與旋轉密封環IA的兩側的固定密封環2A、2A 之間的空間(兩彈性波紋管2B、2B之間)形成為第一間隔流體通路20B。該第一間隔流體 通路20B與設有配管接頭部20A1的第一流體通路20A連通。第一流體通路20A是從冷卻 供給裝置導入有供給制冷劑Ql的流體通路。此外，兩旋轉密封環1A、1A之間的兩彈性波紋 管2B、2B的固定部2B2、2B2的相對空間和隔板12的外周面與配管接頭部20A1 (在圖3中 未標注符號)的內周面之間所形成的環狀空間是第二間隔流體通路20B。該第二間隔流體 通路20B不通過設于旋轉密封環IA的第二流體通路20C，因此，與連接流體通路20D直接連 通。即，在第二間隔流體通路20B與連接流體通路20D之間，設有與旋轉密封環IA的第二 流體通路20C連通的第一間隔流體通路20B和不通過第二流體通路20C的第二間隔流體通 路 20B。在環狀的各密封蓋2B3、2B3、2B3、2B3與環狀的配管接頭部20A1、20A1、20A1的接
10合面間，安裝截面呈C形或U形的各密封環83A來密封各接合面間(在圖3中沿軸向設有 8個)。該密封環83A形成為能設于PTFE制的U形槽內的金屬(因科鎳合金718等材質) 制的彈性中空0形環的形狀，或C形金屬環的形狀，并具有經得住制冷劑Ql、Q2的耐寒性。 此外，各密封蓋2B3和各配管接頭部20A1被夾在焊接于第一外筒60A的端部的凸緣部與焊 接于第二外筒60B的端部的凸緣部之間，并被插入沿軸向貫穿的螺栓用孔的螺栓79(參照 圖1或圖2)旋緊，從而形成覆蓋第二機械密封裝置1的外周側形狀的蓋。另外，與各配管 接頭部20A1的第一流體通路20A連通的各配管為樹脂管、鋼管(不銹鋼管等)，并通過第二 主體65的第二真空室V2內，與未圖示的冷卻供給裝置連通。該各配管也可與圖5所示的 分支配管44A連結而進行抽真空。此外，通過設于各旋轉密封環IA的各第二流體通路20C朝冷卻部105供給的供給 制冷劑Ql是極低溫度的液態氨、液態氮等。另外，通過第二間隔流體通路20B朝冷卻供給 裝置返回的排出制冷劑Q2是對冷卻部105冷卻后的制冷劑(也存在制冷劑汽化的情況)。 供給制冷劑Ql的種類有液態氨(_273°C以下)、液態氮(_196°C以下)、液態氖、液態氬等。 上述供給制冷劑Ql被冷卻到能將超導線圈等冷卻到超導狀態的極低溫度。該第二主體65 的第二真空室V2內是高真空的狀態，并能使各第一流體通路20A真空絕熱。通過分支配管 44A對該第二真空室V2進行抽真空V。此外，使用PTFE等、纖維強化樹脂的絕熱材料覆蓋 分支配管44A、第一流體通路20A的配管的周圍，從而能防止供給制冷劑Ql的溫度上升。另 外，如圖2所示，利用螺栓將沿真空用筒軸10的徑向形成筒狀的第二主體65，與安裝部設 于第一外筒60A的凸緣部的安裝板和設于第二外筒60B的凸緣部的安裝板密封地結合。此 外，第二主體65在第一主體60內形成沿徑向的筒形，但在第一流體通路20A的數量較多的 情況下，也能形成圍住真空用筒軸10的軸芯周圍且封閉的筒狀體。如圖1或圖2及圖4所示，第一外筒60A的內周面的內徑比第一真空用筒軸IOA 的外周面的外徑大。此外，第一外筒60A相對于第一真空用筒軸IOA設置環狀空間而與其 嵌合。另外，第二外筒60B也相對于第二真空用筒軸IOB設置環狀空間而與其嵌合，并形成 與第一外筒60A大致對稱的形狀。接著，如圖4所示，在第一外筒60A的大徑圓筒狀的端部 60A設置抽真空配管33A，將第一機械密封裝置32的周圍抽真空而使其真空絕熱，并使真空 用筒軸10的外周的環狀空間也真空絕熱。沿大徑圓筒狀的端部60A的周面以均等配置或 不均等配置的方式設置多個通孔。此外，將抽真空配管33A與該通孔連結。該抽真空配管 33A的另一端穿過第一真空室Vl和第二真空室V2內與抽真空裝置(也稱真空泵)Va連通。 第一外筒60A與真空用筒軸10相同，是不銹鋼、鎳基合金等的材質。圖1或圖2及圖5所示第二外筒60B與第一外筒60A相同，將與抽真空配管的接 頭連接的通孔設于一端的大徑圓筒狀的端部60B。與該抽真空配管連接的通孔沿大徑圓筒 狀的端部60B的周面以均等配置或不均等配置的方式設置有多個。此外，對第二真空用筒 軸IOB的外周的環狀空間抽真空，來使第二真空用筒軸IOB真空絕熱。此外，抽真空配管的 另一端部與圖4所示的抽真空配管33A相同，與設于第二主體65內的配管連通而被抽真空 裝置Va抽真空V。另外，利用將真空用筒軸10的外周側圍住的第一真空室Vl使內部具有第一真空 室Vl的圓筒狀的第一主體60真空絕熱，并使第二機械密封裝置1的外周側也真空絕熱。 此外，第二機械密封裝置1、第一流體通路20A、第一間隔流體通路20B及第二間隔流體通路
1120B、第二流體通路20C、連接流體通路20D在第二主體65內因第二真空室V2而被雙重真空 絕熱。此外，即使存在因旋轉接頭R達到耐用年數而造成供給制冷劑Ql從通過第二機械密 封裝置1等的第一間隔流體通路20B朝外部泄漏的情況，由于供給制冷劑Ql被第二真空室 V2吸引，因此，能防止因朝外部泄漏的供給制冷劑Ql導致的公害問題的情況。接著，相對于圖1的第一組裝體A，將第二組裝體B設于真空用筒軸10的超導電動 機100側。在圖4中將該第二組裝體B放大。能支承真空用筒軸10旋轉的一側的第一軸 承部60D1的外周面與第一軸承箱30A的內周面嵌連。此外，將該第一軸承部60D1的內周 面嵌連安裝于套筒31的外周面。另外，該套筒31與真空用筒軸10的外周面嵌連。此外， 第一軸承箱30A通過以假象線表示的保持部安裝并固定于超導電動機100的殼體。除此之 外，在第一軸承箱30A的開口側面保持第一機械密封裝置32，并設置沿軸向支承第一軸承 部60D1的保持板30B。利用設于該保持板30B的供給通路33，在第一軸承部60D1側朝流 體空間30H供給空氣等流體Q3或潤滑液等流體Q3。該流體Q3從供給通路33流入流體空 間30H，對第一機械密封裝置32起到作為巴哈流體(日語〃7〃流體)的作用。或者，也 能將潤滑液供給到軸承部60D1而起到潤滑作用。第一機械密封裝置32的旋轉密封環(未標注符號)隔著附屬零件與不銹鋼制的 套筒31嵌連。另外，與該旋轉密封環相對旋轉的固定密封環隔著附屬零件保持于保持板 30B的階梯孔。此外，利用第一機械密封裝置32隔斷第一軸承部60D1側的流體空間30H與 第一外筒60A內的環狀空間。第一外筒60A的保持板30B側的大徑圓筒狀的端部60A與第 一主體60的內周面嵌連，且如上所述，另一端的凸緣部隔著密封蓋2B3與第二主體65連接
纟口口。如圖1所示，第三組裝體C設于真空用筒軸10的相對于第二組裝體B的相反一 側。在與第一主體60的內周面嵌連的第二外筒60B的大徑圓筒狀的端部60B，將第二軸承 部60D2設于內周的階梯孔來支承真空用筒軸10的另一端。大徑圓筒狀的端部60B被多個 支承件61支承。第二軸承部60D2的內周面與第二真空用筒軸IOB的外周面嵌連(參照圖 1)。此外，利用第一軸承部60D1和第二軸承部60D2支承真空用筒軸10自由旋轉。雖然未 圖示，但與圖4相同，使供給通路與第二軸承部60D2的側面的空間62連通。利用未標注符 號的螺栓將不銹鋼等非磁性體的磁性流體密封用蓋41與第二外筒60B的端部結合。在磁 性流體密封用蓋41的內周面與第二真空用筒軸IOB的外周面之間，安裝圖6所示的磁性流 體密封裝置40。將高精度的軸承40D、40D分別設于位于磁性流體密封用蓋41的內周面的 磁性流體密封裝置40的兩側。該兩軸承40D、40D的內周面與磁性體的軸蓋40A嵌連，且外 周面與磁性流體密封用蓋41的內周面嵌連。另外，軸蓋40A經由并排配置的耐寒性的密封 用〇形環80B、80B與第二真空用筒軸IOB的外周面嵌連。此外，將沿軸向設有間隔的兩列密封突起組設于磁性材料的軸蓋40A的外周面。 在規定的軸向的寬度上將多個環狀截面的山形的突起40A1分別設置6個 20個之中的設 定數而形成該密封突起組。較為理想的是，分別設置8個 15個。在與該兩列密封突起 組對應的位置，磁性材料的磁極塊40B、40B經由密封用的〇形環80A與磁性流體密封用蓋 41的內周面嵌連。在該各8個突起40A1……的外周面與磁極塊40B、40B的內周面之間形 成0.05mm以下、不接觸的微小間隔(隔著不接觸的間隔靠近內周面)。利用兩側的高精度 的2個軸承40D、40D可實現該間隔。此外，在2個磁極塊40B、40B之間，嵌連配置有永磁體
1240M。另外，在密封突起組40A140A1……與磁極塊40B、40B的內周面之間，存在高精度的磁 性流體40F。另外，在永磁體40M、2個磁極塊40B、40B與2個密封突起組40A1……形成的 環狀的環路中，利用永磁體40M而形成有磁通。此外，在各密封突起組的突起40A1與磁極 塊40B、40B的內周面之間，磁性流體40F集結，將因抽真空V的吸引力而靠近的間隙的軸向 兩側隔斷，不會引起滑動阻力，并能維持吸引空間45的高真空的狀態。在磁性流體密封用蓋41的永磁體(只要是磁體即可，并不局限于永磁體)40M的 外表面，以貫穿狀態設置流體供給通路40H。此外，利用N2氣體的供給流體Q4或空氣的供給 流體Q4來對永磁體40M保溫。或者，作為供給流體F將磁性流體40M從流體供給通路40H 朝磁極塊40B、40B的內周面內供給。存在將永磁體40M做成環狀夾在磁極塊40B、40B之間 的情況，或將其做成圓柱在磁極塊40B、40B之間配置多個的情況。另外，也可將突起40A1 的外周面的截面形狀做成尖的山形、M形。該磁性流體密封裝置40能將真空用筒軸10內的 真空通路IOH與外部隔斷，并能將其維持在高真空度以上的狀態。也可采用將磁極塊40B、 40B和磁體40M安裝于真空用筒軸10的外周面，并將軸蓋40A安裝于磁性流體密封用蓋41 的內周面的結構。另外，在密封突起組40A140A1……與磁極塊40B、40B的內周面之間，存在 高精度的磁性流體40F。即，是與上述實施例1內外顛倒的結構，是將內周側的零件配置于 外周側，將外周側的零件配置于內周側的磁性流體密封裝置40。關于密封突起組和磁極塊 的配置數，只要在兩零件間能形成磁回路，則也可形成一對。在磁性流體密封用蓋41的軸向的端面，將與第二真空用筒軸IOB的開口部IOD相 對的連結蓋42密封地安裝于磁性流體密封用蓋41的端面(只要是圍住真空用筒部的部分 即可)。將吸引口 42A設于該連結蓋42的與開口部IOD相對的位置。該吸引口 42A通過吸 引配管44與圖1所示的抽真空裝置(真空泵)Va連通。另外，從吸引配管44分支的分支 配管44A，與貫穿第一主體60內部的配管連結，并對第一真空室Vl內抽真空，從而使第一真 空室Vl內成為高真空的狀態。該第一主體60的第一真空室Vl內的高真空的狀態使對第 一流體通路20A、20A、20A真空絕熱的第二主體65的第二真空室V2雙重真空絕熱。另一方面，從吸引口 42A對真空用筒軸10的內周面10A2內抽真空，從而將真空通 路IOH中成為高真空的狀態。關于真空通路IOH中的高真空，由于真空用筒軸10的內周面 10A2內(真空通路10H)被高性能的磁性流體密封40完全密封，因此，如上所述，能使該內 周面10A2內成為高真空(IO-3Torr I(T7Torr)或超真空(lO^Torr以下)。為了使超導勵 磁線圈的電阻變為零(0)，必須使供供給制冷劑Ql通過的第一配管20E或第二配管20E的 外周側的真空通路IOH中形成10_3Torr以下的真空狀態，優選為10_5Torr以下的真空狀態， 但本發明的磁性流體密封裝置40能有效地將真空通路IOH中與外部隔斷，從而可形成該高 真空的狀態。該真空用筒軸10的內周面10A2內的高真空及超高真空的狀態，可相對于第 一配管20E及第二配管20B高度地隔斷外部氣體的溫度。此外，在真空用筒軸10的內周 面10A2內，將從制冷劑供給裝置供給的極低溫度的液態的氨、氮、氖等的供給制冷劑Ql維 持在極低溫度的狀態，并將該供給制冷劑Ql從第一配管20E及第二配管20E朝超導電動機 100的冷卻部105供給，從而對冷卻部105進行冷卻。另外，第一配管及第二配管20E、20E、20E配置于真空用筒軸10的內周面10A2內， 因此，能使用PTFE、石英等絕熱材料覆蓋(裹住)第一配管及第二配管20E、20E、20E的外周 面。因此，能發揮第一配管20E、20E及第二配管20E的絕熱效果，并能維持第二機械密封裝置1的密封能力。另外，在第二機械密封裝置1中并排配置的第一間隔流體通路及第二間隔流體通 路20B、20B內，相同壓力的制冷劑在各間隔流體通路20B、20B內流動，因此，密封面IAl與 相對密封面2A1的緊貼的徑向的兩側大致為相同壓力，即使排出制冷劑Q2已汽化，由于真 空用筒軸10在旋轉，因此，能在其離心力的作用下使排出制冷劑Q2直線地通過第一流體通 路20A而朝制冷劑供給裝置返回。因此，即使排出制冷劑Q2已汽化，也能有效地防止其通 過密封面IAl與相對密封面2A1的滑動面而混入供給制冷劑Ql。因此，能防止像以往那樣 已汽化的排出制冷劑在中途與供給制冷劑混合而使供給制冷劑的溫度上升。此外，還能進 一步發揮第二機械密封裝置1的密封能力。另外，冷卻部105的液體積存部被所供給的極 低溫度的供給制冷劑Ql冷卻到極低溫度，從而能使超導電動機100的冷卻部(超導勵磁線 圈)105處于電阻為零(0)的狀態。其結果是，在超導勵磁線圈被勵磁時，在電阻變為零(0) 的超導勵磁線圈中，產生無勵磁損失的強力的磁場。圖7表示實施例2，是與圖1中的X-X向視相當的連接部IOAl側的主視圖。該連 接部IOAl形成為比圖2所示的連接部IOAl還短的筒狀，且在內周面內形成圓形的真空通 路10H。此外，在圖7中，與圖2所示的連接部IOAl中的連接流體通路20D相同，沿連接部 IOAl的徑向形成四處或四處以上(在圖7中為四處)的連接流體通路。分別將各第一配 管20E密封地嵌連到其中三處的連接流體通路20D、20D、20D的連接孔20D1。此外，使供給 制冷劑Ql在該第一配管20E中流通。另外，將排出制冷劑Q2用的第二配管20E密封地嵌 合到剩余的一處或兩處連接孔20D1 (符號參照圖2)。該三處供給制冷劑Ql用的連接流體 通路20D、20D、20D，在連接部IOAl中軸向的位置大致相同，但在周向上位置不同(參照圖8 的第二流體通路20C的配置結構)。另外，改變三處供給制冷劑Ql用的連接流體通路20D、 20D、20D在連接部IOAl中沿軸向的位置，以使排出制冷劑Q2用的連接流體通路20D與第二 間隔流體通路20B連通。因此，由于該連接部IOAl能形成軸向短的筒狀，所以，也能縮短真 空通路IOH的軸向長度。另外，通過將該連接部IOAl的內徑形成為各種形狀，還能提高真空絕熱的效果。 例如，該連接部IOAl中的真空通路IOH的正面形狀并不局限于圓形，還能考慮將其形成為 四邊形的內周面、做成星形或齒輪狀的凹凸面的內周面、橢圓形的內周面等，并將多個第一 配管20E及第二配管連結于側面。與該三處供給制冷劑Ql用的連接流體通路20D、20D、20D 對應的第二機械密封使用1個即可。此外，利用多個第一配管20E，將供給制冷劑Ql供給到 超導電動機100的超導勵磁線圈，將超導勵磁線圈冷卻到極低溫度，從而能使電阻變為零 (O)0另外，采用與上述供給制冷劑Ql用的連接流體通路20D、20D、20D相同的結構，設置多 個排出制冷劑Q2的第二配管，從而能使排出制冷劑Q2高效率地返回到冷卻供給裝置。圖8是從軸向觀察與真空用筒軸10嵌連的旋轉密封環IA的正面圖。該旋轉密封 環IA是實施例3。圖8所示的旋轉密封環IA是沿周面設置四處貫穿的第二流體通路20C 的例子。旋轉密封環IA的內周面1A3與連接部IOAl的外周面嵌連，并使四處第二流體通 路20C與四處連接流體通路20D分別連通。此外，在該四處第二流體通路20C中，流入有從 一處第一流體通路20A供給的供給制冷劑Q1。另外，將各密封面IAlUAl形成于旋轉密封 環IA的兩端面。另外，將能安裝圖3所示的密封環83B的密封安裝槽1A4形成于旋轉密封 環IA的兩密封面IAl的內周側。
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在圖8中，關于該旋轉密封環IA的第二流體通路20C和連接零件IOAl的連接流 體通路20D說明了 4個例子，但也能根據冷卻部105的個數，設置5個、6個或多個第二流體 通路20C、連接流體通路20D及第二配管20E。藉此，可不增加第二機械密封的數量，而朝多 個冷卻部105供給供給制冷劑Q1。通過本發明的第二機械密封裝置1的結構與連接零件 IOAl的組合，使利用該1個第二機械密封裝置1能將供給制冷劑Ql朝多個冷卻部105供給 的結構成為可能。作為其他實施例，也存在第二機械密封裝置1由1個第二機械密封構成 的情況。在該情況下，盡管未圖示，但將第二配管設于其他流體通路，并使排出制冷劑返回 到制冷劑供給裝置。作為本發明的比較例，在圖1中，當將磁性流體密封裝置40更換為以往的磁性流 體密封裝置時，由于處于高真空，磁性流體密封裝置的磁性流體被吸引到真空側，不存在磁 性流體。因此，維持真空通路內的真空狀態變得困難。所以，也會使因真空通路中的真空而 產生的絕熱效果降低。其結果是，若不將各流體通路、第一配管形成大徑并使大量的供給制 冷劑流動，則冷卻冷卻部105會變得困難。此外，超導電動機中使用的高價的供給制冷劑的 運行成本會上升。另外，在供給大量的供給制冷劑的結構中，旋轉接頭變得大型化，因此，制 造成本會上升。另外，旋轉接頭的安裝處也會變大，因此，因安裝處會使安裝變得困難。主 體是將第一主體60、第二主體65、第一外筒60A、第二外筒65A等固定于旋轉的真空用筒軸 10所形成的零件。工業上的應用領域本發明是能維持液態氮、液態氨等極低溫的制冷劑的溫度，且能從固定部側的制 冷劑供給裝置朝旋轉的超導裝置的冷卻部供給供給制冷劑，并能回收使用后的制冷劑的有 用的旋轉接頭。
權利要求
一種旋轉接頭，是連接固定側的制冷劑供給裝置與旋轉側的冷卻部的流體通路間的制冷劑用的旋轉接頭，其特征在于，包括真空用筒軸，該真空用筒軸被主體支承成能旋轉并具有沿軸向貫穿的真空通路，且在所述真空通路的一端具有能與所述冷卻部的連通路連通的連結部，在所述真空通路的另一端具有抽真空用的開口部，在所述連結部與所述開口部的中間具有連接部；旋轉密封環，該旋轉密封環與所述真空用筒軸的所述連接部密封地嵌連，并在兩端面具有各密封面；兩固定密封環，該兩固定密封環配置于所述旋轉密封環的軸向兩側，并具有與相對的所述密封面緊貼的相對密封面；彈性波紋管，該彈性波紋管的一端的結合部密封地連結到與所述各固定密封環的相對密封面相反一側的周面，且另一端的固定部圍住所述真空用筒軸，密封地固接于所述主體，并朝所述密封面彈性地按壓所述固定密封環；第一間隔流體通路，該第一間隔流體通路形成于夾著所述旋轉密封環的兩側的所述彈性波紋管之間，并能與導入供給制冷劑的第一流體通路連通；第二流體通路，該第二流體通路沿徑向貫穿所述旋轉密封環，并與所述第一間隔流體通路連通；連接流體通路，該連接流體通路設于所述連接部的內部，一端與所述第二流體通路連通，并在另一端設置連接孔；第一配管，該第一配管具有一端連接到所述連接孔而與所述連接流體通路連通、另一端能與所述冷卻部側的流通路連通的流體通路，且配置于所述真空用筒軸的真空通路；連結蓋，該連結蓋具有從所述真空用筒軸的開口部對所述真空通路內抽真空的吸引口；以及磁性流體密封裝置，該磁性流體密封裝置具有磁性流體密封用蓋、磁體用的磁極塊、磁體、軸蓋及磁性流體，其中，所述磁性流體密封用蓋與所述連結蓋密封地結合來圍住所述真空用筒軸，所述磁體用的磁極塊與所述磁性流體密封用蓋的內周面和所述真空用筒軸的外周面中的一側的周面密封地嵌連，且并排配置，所述磁體配置于所述并排的磁極塊之間，在所述軸蓋上配置有多個靠近所述磁極塊的周面且相對的環狀的突起從而形成突起組，且所述軸蓋與所述磁性流體密封用蓋的內周面和所述真空用筒軸的外周面中的另一側的周面密封地嵌連，所述磁性流體存在于所述突起與所述磁極塊之間，在該磁性流體密封裝置中，作用有磁力的所述磁性流體克服所述抽真空的力，將所述突起與所述磁極塊之間隔斷。
2.如權利要求1所述的旋轉接頭，其特征在于，成對的所述旋轉密封環和兩側的固定密封環至少在軸向上配置有兩組，并且在所述一 組的所述固定密封環與相鄰的所述另一組的所述固定密封環的相對間具有第二間隔流體 通路，所述第二間隔流體通路與配置于所述真空用筒軸的所述真空通路的第二配管連通， 對所述冷卻部冷卻后的排出制冷劑通過所述第二配管和所述第二間隔流體通路而返回。
3.如權利要求1或2所述的旋轉接頭，其特征在于，所述連接部的內周面形成為圓形面或橢圓形面或沿周向形成凹凸面或齒輪狀面，在所 述第一配管側的端部形成有連接孔。
4.如權利要求1至3中任一項所述的旋轉接頭，其特征在于，2所述旋轉密封環具有沿周向配置的多個所述第二流體通路，所述連接部具有沿周向與 所述各第二流體通路連通的所述連接流體通路，各所述第一配管的所述流體通路與各對應 的所述連接流體通路連通。
全文摘要
一種旋轉接頭，能利用真空絕熱維持在流體通路中流動的供給制冷劑的極低溫度，并能可靠地對冷卻部冷卻。此外，能使供給制冷劑的運行成本最小。本發明的旋轉接頭包括被主體的內周面支承成能旋轉并具有真空通路的真空用筒軸(10)；與真空用筒軸的外周面隔有間隔地嵌連，并在兩端面具有密封面的旋轉密封環(1A)；配置于各旋轉密封環的兩側并具有與密封面緊貼的相對密封面的固定密封環(2A)；與固定密封環的端部周面接合，并朝密封面側按壓固定密封環的彈性波紋管(2B)；與供給供給制冷劑的第一流體通路連通，使供給制冷劑通過，并形成于各彈性波紋管之間的間隔流體通路(20B)；設于與間隔流體通路連通的旋轉密封環的第二流體通路(20C)；與第二流體通路連通的連接流體通路(20D)；與連接流體通路連通，并將在真空用筒軸內被真空絕熱的供給制冷劑朝冷卻部側供給的第一配管(20E)；具有對真空用筒軸內抽真空的吸引口的連結蓋(42)；以及與抽真空的壓力對應的、具有沿軸向構成為多段的突起的磁性流體密封裝置(40)。
文檔編號F16J15/43GK101981360SQ20098011193
公開日2011年2月23日 申請日期2009年2月13日 優先權日2008年3月28日
發明者內山真己, 高橋秀和 申請人:伊格爾工業股份有限公司