JP2000034905A - 回転機械の断熱構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 断熱室壁外部に着脱可能に設けるようにした
駆動装置の熱が、断熱室内部の作動装置に伝達されるの
を最小限に抑制することができるようにする。 【解決手段】 断熱室２内部の作動装置３と断熱室壁１
に設けた開口１２との間に区画壁１１を備え、開口１２
外部に駆動装置７が着脱可能に設けられ駆動装置７の回
転軸８に備えた回転作動部９が区画壁１１内部を通して
作動装置３に係合され、且つ区画壁１１内部及び駆動装
置７内部が断熱ガスで満された構成を有する回転機械の
断熱構造であって、区画壁１１内部における回転作動部
９の駆動装置７側背後に、回転軸８と平行に伸び且つ回
転作動部９側端部が閉塞された対流防止空間を形成する
ハニカム部材２６を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転機械、特に常
温部に設けられている駆動装置によって回転する回転作
動部が、断熱室内の低温雰囲気で回転するような回転機
械において、駆動装置の熱が回転軸及び回転作動部を通
して低温雰囲気内に持ち込まれるのを極力低減するよう
にした回転機械の断熱構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えば超電導磁石を極低温で
冷却するためにヘリウムが用いられており、液体ヘリウ
ムを極低温排気コンプレッサーで極低圧に減圧すること
によって４Ｋ以下の極低温を達成することが行われてい
る。

【０００３】図４は、回転機械として極低温排気コンプ
レッサーの場合を例にとって示したものであり、断熱室
壁１により区画して真空を保持することにより断熱を行
うようにした断熱室２を設け、該断熱室２の内部に、作
動装置３としての極低温排気コンプレッサーのスクロー
ル４を設けている。スクロール４は、配管経路５，６に
接続されており、一方の配管経路５から導入したヘリウ
ムを昇圧して他方の配管経路６に導出するためのもので
ある。

【０００４】更に、前記断熱室壁１外部の常温部には駆
動装置７が設けられており、該駆動装置７に回転軸８を
介して接続された回転作動部９としてのインペラ１０
が、前記極低温排気コンプレッサーのスクロール４に嵌
合するように設けられて、ヘリウムの圧縮を行うように
なっている。上記した回転機械では、駆動装置７のケー
シング内部が断熱室２に連通するようになり、このため
に、駆動装置７のケーシング内部も真空に保持されるよ
うになっている。

【０００５】上記極低温排気コンプレッサーでは、ヘリ
ウムの温度を例えば４Ｋ前後の極低温まで冷却すること
を要求される場合があり、このよう場合、断熱室２内部
を真空に保持すると、駆動装置７から断熱室２内の作動
装置３に伝わる熱は殆んど回転軸８を伝わって侵入する
熱のみとなり、従って回転軸８を伝わる熱を小さくする
工夫を行えば熱の侵入をかなり小さなものとすることが
できる。

【０００６】一方、上記したような回転機械において
は、駆動装置７、回転軸８、回転作動部９としてのイン
ペラ１０等をメンテナンスする必要がある。

【０００７】このようなメンテナンスを実施するために
は、前記駆動装置７を着脱可能に構成する必要がある
が、駆動装置７を着脱可能として断熱室壁１から取外す
と、断熱室２の真空が解除されてしまう。このように断
熱室２の真空が解除されてしまうと、断熱室２の容積が
大きい場合には、再び断熱室２内を吸引して真空に保持
するために多大の時間と動力を必要とするという問題が
ある。

【０００８】又、図４の回転機械では、スクロール４と
インペラ１０との間の隙間からヘリウムが断熱室２内に
漏洩するために断熱室２内の圧力が上昇してしまう問題
があり、このために、常時断熱室２内を排気して真空を
保持する必要があるという問題がある。

【０００９】このような問題に対処するため、近年で
は、図４に二点鎖線で示すように極低温排気コンプレッ
サーのスクロール４と断熱室壁１との間に区画壁１１を
設け、前記断熱室２の真空を保持した状態において駆動
装置７及びインペラ１０を取り外してメンテナンスする
ことができるようにした方法が考えられるようになって
きている。

【００１０】上記したような区画壁１１を設けると、ス
クロール４とインペラ１０との隙間から漏れたヘリウム
が、区画壁１１内部及び駆動装置７のケーシング内部を
満たして断熱ガスとなり、且つ断熱室２内にヘリウムが
漏出しないようにすることができるので好都合である。

【００１１】図５は、断熱材として考えられている種々
の材料の温度Ｔ〔Ｋ〕と熱伝導率〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕と
の関係を示したものであり、前記ヘリウム（Ｈｅ）は、
常温では空気の約６倍前後の熱伝導率を有しているが、
例えば５Ｋ〜１００Ｋ前後のような極低温域で使用され
る場合のヘリウムは、アルミナＦＲＰ、ガラスＦＲＰ、
エポキシ単体等の断熱材に比して、約１桁以上に小さな
熱伝達率を達成することができて好都合である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記したよう
に区画壁１１を設けて、該区画壁１１内部と駆動装置７
のケーシング内部とをヘリウム（断熱ガス）で満たすよ
うにした従来の回転機械の断熱構造においては、区画壁
１１内部に満たされたヘリウムがインペラ１０の回転に
よって区画壁１１内部を対流することになり、このため
に、回転軸８及び区画壁１１を伝わる熱が内部の作動装
置３に伝達される以外に、前記ヘリウムの対流によって
駆動装置７側の熱がインペラ１０に伝達されることにな
り、この対流による熱の侵入が大きく、前記回転軸８及
び区画壁１１を伝達する熱の約１０倍前後にも達してし
まうために、極低温排気コンプレッサーの性能が大幅に
低下してしまうという問題がある。

【００１３】本発明は、かかる従来の問題点を解決すべ
くなしたもので、断熱室壁外部に着脱可能に設けるよう
にした駆動装置の熱が、断熱室内部の作動装置に伝達さ
れるのを最小限に抑制することができるようにした回転
機械の断熱構造を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、断熱室内部の
作動装置と断熱室壁に設けた開口との間に区画壁を備
え、前記開口の外部に駆動装置が着脱可能に設けられ該
駆動装置の回転軸に備えた回転作動部が前記区画壁内部
を通して前記作動装置に係合され、且つ前記区画壁内部
及び駆動装置内部が断熱ガスで満された構成を有する回
転機械の断熱構造であって、前記区画壁内部における回
転作動部の駆動装置側背後に、前記回転軸と平行に伸び
且つ回転作動部側端部が閉塞された対流防止空間を形成
するハニカム部材を設けたことを特徴とする回転機械の
断熱構造、に係るものである。

【００１５】また、作動装置が極低温排気コンプレッサ
ーのスクロールであり、回転作動部がインペラであるこ
とを特徴としている。

【００１６】本発明によれば、断熱室内に設けられる回
転作動部の駆動装置側背後に、ハニカム部材を配置し、
且つ該ハニカム部材が対流防止空間を形成するようにし
ているので、区画壁内部のヘリウムの対流を防止するこ
とができ、低温域で熱伝達率が極めて小さいヘリウムを
断熱材として利用して有効な断熱を行うことができる。
これにより駆動装置を着脱可能に取付けた構成において
も、駆動装置側から断熱室内部の作動装置へ熱が伝達す
るのを極めて小さな値に抑制し得て、高い断熱効果を得
ることができる。

【００１７】ヘリウムを極低温に冷却する要求があるよ
うな極低温排気コンプレッサーを高効率に作動させるこ
とができるようになり、よって極低温を確実に達成でき
るようになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。

【００１９】図１は、図４と同様の極低温排気コンプレ
ッサーからなる回転機械に適用した場合の本発明の一例
を示したもので、図１中図４と同一のものには同一の符
号を付して詳細な説明は省略する。

【００２０】図１に示すように、断熱室２内部の作動装
置３である極低温排気コンプレッサーのスクロール４
と、断熱室壁１に設けた開口１２との間に、ステンレス
などの薄板によって形成された区画壁１１を設け、前記
開口１２の外部に、駆動装置７のケーシング１３を、シ
ール１４を介してボルト１５により着脱可能に取付けて
いる。更に、駆動装置７の回転軸８に取付けられた回転
作動部９であるインペラ１０を、前記区画壁１１内部を
通して作動装置３である極低温排気コンプレッサーのス
クロール４に係合している。

【００２１】また、前記駆動装置７を着脱する際に、極
低温排気コンプレッサーを配管経路５，６に対して遮断
できるようにするために、スクロール４の入口１６と出
口１７とに開閉弁１８を配設している。

【００２２】上記区画壁１１の内部及び駆動装置７のケ
ーシング１３の内部は、極低温排気コンプレッサーのス
クロール４とインペラ１０との間の隙間から漏れるヘリ
ウムによって満されるようになっている。

【００２３】又、前記回転軸８は、図２に示すように、
駆動装置７からインペラ１０への熱の伝達を極力低減す
るために、回転軸８の内部をくり貫いてその空間を真空
に保持させるようにした真空空間１９を形成するように
している。

【００２４】図１中２０は駆動装置のモータステータ、
２１はモータロータ、２２は磁気軸受、２３はスラスト
軸受、２４は電源コード等を通すハーナチックコネク
タ、２５はケーシング１３に形成した水冷ジャケットで
ある。

【００２５】上記図１及び図２に示した構成において、
区画壁１１内におけるインペラ１０の駆動装置７側背後
に、ハニカム部材２６を設ける。

【００２６】ハニカム部材２６は、紙、合成樹脂、アラ
ミドＦＲＰなどの極薄の材料で図３に示すようにハニカ
ムが形成され、前記回転軸８と平行に伸びて作動装置３
（インペラ１０）側端部がたとえばＦＲＰ（繊維強化プ
ラスチック）等による閉塞プレート２７にて閉塞された
多数の対流防止空間２８を形成するようになっている。
上記ハニカム部材２６は、区画壁１１内に挿入されるこ
とにより前記閉塞プレート２７によって区画壁１１に固
定されるようになっている。この時、閉塞プレート２７
は、インペラ１０の背面に対し僅かな隙間を有して対峙
されている。前記ハニカム部材２６のハニカムによる対
流防止空間２８は、内部でヘリウムの対流が生じ難い大
きさの径、例えば約数ｍｍ〜１０ｍｍ前後の直径として
いる。

【００２７】また、図１、図２では区画壁１１内部にお
ける軸方向中間位置に、スクロール４と駆動装置７との
中間の温度に保持するようにした定温板２９（サーマル
アンカー）を設けた場合を示しており、この定温板２９
と駆動装置７との間にも前記と同様の構成を有するハニ
カム部材３０を設けた場合を示している。

【００２８】次に、上記図１、図２に示した形態例の作
用を説明する。

【００２９】図１に示す回転機械において、駆動装置７
を作動し、回転軸８を介してインペラ１０を回転させる
と、極低温排気コンプレッサーのスクロール４によって
ヘリウムの圧縮が行われる。この時、区画壁１１の内部
及び駆動装置７のケーシング１３の内部は、極低温排気
コンプレッサーのスクロール４とインペラ１０との間の
隙間から漏れるヘリウムによって満されている。

【００３０】この状態において、常温部に設けられてい
る駆動装置７の熱は、回転軸８と区画壁１１を伝わって
作動装置３側に侵入する。この時、回転軸８に真空空間
１９を設け、且つこれによって回転軸８を薄肉に構成し
ているので、回転軸８を伝わって侵入する熱は少なく、
また区画壁１１を薄肉のステンレス（ステンレスの熱伝
達率は低い）にて構成しているので、区画壁１１を伝わ
って侵入する熱も少ない。

【００３１】区画壁１１内にはヘリウムからなる断熱ガ
スが満たされており、従って例えば前記したハニカム部
材２６を備えていない場合には、区画壁１１内部のヘリ
ウムが前記インペラ１０の回転によって流動し、ヘリウ
ムの対流によって回転軸８及び区画壁１１を伝わって侵
入する熱の約１０倍以上の熱が侵入することになってし
まうが、インペラ１０の背後にハニカム部材２６を配置
しており、且つ該ハニカム部材２６が対流防止空間２８
（図３）を形成していることによって、区画壁１１内の
ヘリウムの対流を防止することができ、よって図５に示
したように低温域での熱伝達率が極めて小さいヘリウム
（Ｈｅ）を断熱材として利用することにより高い断熱効
果を得ることができる。この時、ハニカム部材２６自体
を伝わって熱が侵入することになるが、ハニカム部材２
６は、ヘリウムの対流を防止するための極めて薄い材料
で構成されているので、ハニカム部材２６を伝わって侵
入する熱量は、前記回転軸８及び区画壁１１を伝わって
侵入する熱と略同程度の極めて小さな値とすることがで
き、よって前記したように駆動装置７を着脱可能に取付
けた構成においても、駆動装置７側から断熱室２内部の
作動装置３へ熱が伝達するのを極めて小さな値に抑制し
得て、高い断熱効果を得ることができる。

【００３２】また、図１及び図２では、区画壁１１の内
部に、スクロール４と駆動装置７との中間の温度に保持
するようにした定温板２９（サーマルアンカー）を設
け、該定温板２９と駆動装置７との間にもハニカム部材
３０を設けた構成としているので、このハニカム部材３
０の設置位置においてもヘリウムの対流を防止すること
ができて、駆動装置７からの熱の侵入を更に抑制するこ
とができる。

【００３３】前記した構成によれば、ヘリウムを４Ｋ前
後まで冷却する要求があるような極低温排気コンプレッ
サーを高効率に作動させることができ、よって前記した
ような例えば４Ｋといった極低温を確実に達成すること
ができるようになる。

【００３４】尚、本発明は上記形態例にのみ限定される
ものではなく、極低温排気コンプレッサー以外にも、熱
の侵入を防止する必要がある種々の回転機械の断熱構造
にも適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない
範囲内において種々変更を加え得ること、等は勿論であ
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、断熱室内に設けられる
回転作動部の駆動装置側背後に、ハニカム部材を配置
し、且つ該ハニカム部材が対流防止空間を形成するよう
にしているので、区画壁内部のヘリウムの対流を防止す
ることができ、低温域で熱伝達率が極めて小さいヘリウ
ムを断熱材として利用して有効な断熱を行うことができ
る。これにより駆動装置を着脱可能に取付けた構成にお
いても、駆動装置側から断熱室内部の作動装置へ熱が伝
達するのを極めて小さな値に抑制し得て、高い断熱効果
を得ることができる。

【００３６】ヘリウムを極低温に冷却する要求があるよ
うな極低温排気コンプレッサーを高効率に作動させるこ
とができ、よって極低温を確実に達成できるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転機械の断熱構造の一例を示す切断
側面図である。

【図２】図１の要部の拡大断面図である。

【図３】ハニカム部材の一例を示す部分斜視図である。

【図４】従来の回転機械の断熱構造の一例を示す切断側
面図である。

【図５】種々の断熱材の温度と、熱伝導率との関係を示
す線図である。

【符号の説明】

１ 断熱室壁 ２ 断熱室 ３ 作動装置 ４ スクロール ７ 駆動装置 ８ 回転軸 ９ 回転作動部 １０ インペラ １１ 区画壁 １２ 開口 ２６ ハニカム部材 ２８ 対流防止空間 ３０ ハニカム部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 朝倉 啓 東京都江東区豊洲三丁目２番16号 石川島 播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内 (72)発明者 伊藤 健太郎 東京都江東区豊洲三丁目２番16号 石川島 播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内 Ｆターム(参考） 3H035 AA05 AA06

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断熱室内部の作動装置と断熱室壁に設け
   た開口との間に区画壁を備え、前記開口の外部に駆動装
   置が着脱可能に設けられ該駆動装置の回転軸に備えた回
   転作動部が前記区画壁内部を通して前記作動装置に係合
   され、且つ前記区画壁内部及び駆動装置内部が断熱ガス
   で満された構成を有する回転機械の断熱構造であって、
   前記区画壁内部における回転作動部の駆動装置側背後
   に、前記回転軸と平行に伸び且つ回転作動部側端部が閉
   塞された対流防止空間を形成するハニカム部材を設けた
   ことを特徴とする回転機械の断熱構造。
2. 【請求項２】 作動装置が極低温排気コンプレッサーの
   スクロールであり、回転作動部がインペラであることを
   特徴とする請求項１記載の回転機械の断熱構造。