JP2017116200A - 膨張機一体型圧縮機及び冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】コールドボックスの開放を不要とすることで、膨張機一体型圧縮機の取り外し及び再組立を容易にする。【解決手段】本発明の少なくとも一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機は、モータと、前記モータの出力軸に接続される圧縮機及び膨張機と、前記膨張機の吸入口に接続され、前記膨張機の軸方向に沿って突設された入口管と、前記入口管に沿って前記膨張機の吐出口に接続された出口管と、前記膨張機のハウジングを囲むように配置され、前記膨張機を外部から熱遮断させるための真空槽とを備え、前記入口管及び前記出口管は外部から断熱されたコールドボックスの内部に挿入され、前記真空槽は前記コールドボックスの外壁に着脱可能に取り付けられると共に、前記膨張機のハウジングは前記真空槽に接続される。【選択図】図１

Description

本開示は、点検時などの解体及び再組立を容易にした膨張機一体型圧縮機及び該膨張機一体型圧縮機を備える冷凍機に関する。

高温超電導ケーブルは大容量低損失送電を可能にするため、次世代の送電ケーブルとして期待されている。高温超電導機器の実用化には、超電導状態とするために極低温での冷却を実現可能な冷凍機が必要である。
そこで、ヘリウムＨｅ、ネオンＮｅ等の冷媒を使ったブレイトンサイクル冷凍機が提案されている（例えば、特許文献１及び２）。
特許文献１及び２に開示されたブレイトンサイクル冷凍機は膨張機一体型圧縮機を備えている。膨張機一体型圧縮機は、膨張機で冷媒が膨張する際に発生する膨張エネルギの一部は圧縮機を駆動するためのモータ回転軸の回転エネルギとして回収されるため、冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）を向上できる。

特開２０１４−２１９１２５号公報 特開２０１５−９４２５９号公報

膨張機一体型圧縮機の一部を構成する膨張機は極低温を維持するため、コールドボックス（真空断熱容器）の内部に収容される。膨張機一体型圧縮機を点検、修理等のため冷凍機から取り外す場合、膨張機のハウジングを残したままインペラ部を取り外すか、あるいはコールドボックスを分解して膨張機全体を取り外すことになる。
膨張機のハウジングをコールドボックスに残して取り外す場合、再組立後の確認試験ができない。そのため、別のハウジングを用意する必要がある。膨張機のインペラの羽根とハウジングとの間のクリアランスは、漏れ損失を最小限に抑えるため１ｍｍ以下に微調整する必要があり、別のハウジングを用いると元のハウジングとの組付けを再現するのは困難である。
一方、膨張機一体型圧縮機全体を取り外す場合、コールドボックスの真空槽に乾燥窒素ガスを封入した上でコールドボックスを開放し、膨張機のハウジングを取り外し、確認試験を行う必要がある。
真空槽を外気に開放すると、内部に水分を含む不純物が混入することが避けられず、組立後の真空引きに長時間を要し、復旧までに時間と手間がかかるという問題がある。

本発明の少なくとも一実施形態は、上記課題に鑑み、膨張機のハウジングがコールドボックス内に収容された膨張機一体型圧縮機の取外し時に、コールドボックスの開放を不要とすることで、膨張機一体型圧縮機の取外し及び再組立を容易にすることを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機は、
モータと、
前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて流体を圧縮するように構成された圧縮機と、
前記モータの前記出力軸に接続され、前記流体を膨張させて前記流体から前記出力軸の動力を回収するように構成された膨張機と、
前記膨張機の吸入口に接続され、前記膨張機の軸方向に沿って突設された入口管と、
前記膨張機の吐出口に接続され、前記入口管に沿う方向に突設された出口管と、
前記膨張機のハウジングを囲むように配置され、前記膨張機を外部から熱遮断させるための真空槽と、
を備え、
前記入口管及び前記出口管はコールドボックスの内部に挿入され、前記真空槽は外部から断熱された前記コールドボックスの外壁に着脱可能に取り付けられると共に、前記膨張機のハウジングは前記真空槽に接続される。

上記構成（１）によれば、コールドボックス外壁と真空槽との結合を解除し、入口管及び出口管をコールドボックスから引き抜くだけで、膨張機一体型圧縮機を一体のままコールドボックスから取り外すことができる。
これによって、膨張機一体型圧縮機の取り外し時にコールドボックスを開放する必要がないので、コールドボックスの再組立に要する時間と手間を抑制できる。
また、膨張機を分解せず、インペラとハウジングとは一体のままであるので、再組立後のインペラの羽根とハウジングとの間のクリアランスの微調整が不要になると共に、確認試験も可能になる。
また、入口管及び出口管をコールドボックスの内部に挿入し、真空槽を膨張機のハウジングを囲むように配置することで、外部からの膨張機への熱侵入を抑制できる。

（２）幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
前記入口管及び前記出口管の挿入端は夫々前記コールドボックスの内部に設けられた冷媒管に着脱可能に接続されると共に、前記入口管及び前記出口管の他端は夫々前記膨張機のハウジング又は前記真空槽に接続される。
上記構成（２）によれば、コールドボックス外壁と真空槽との結合を解除し、入口管及び出口管をコールドボックスから引き抜くだけで、膨張機一体型圧縮機を一体のままコールドボックスから取り外すことができる。
なお、外部から入口管及び出口管を介した膨張機への熱侵入が考えられるが、入口管及び出口管の長さを長くし、熱侵入経路を長くすることで、この熱侵入を抑制できる。

（３）幾つかの実施形態では、前記構成（１）又は（２）の何れかにおいて、
前記モータ、前記圧縮機及び前記膨張機が一体に構成されたユニットと、前記入口管と、前記出口管と、前記真空槽とは互いに着脱可能に接続される。
上記構成（３）によれば、上記ユニットと、入口管と、出口管と、真空槽とに分解可能であるので、膨張機一体型圧縮機をコールドボックスから取り外した後、上記各機器を分解することで、点検、修理などの作業が容易になる。

（４）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（３）の何れかにおいて、
前記入口管及び前記出口管は夫々内管と外管とを有し、前記内管と前記外管との間に真空の空間が形成された二重管で構成され、
前記入口管の前記内管は前記膨張機の吸入口に着脱可能に接続されると共に、前記入口管の外管は前記真空槽に着脱可能に接続され、
前記出口管の前記内管は前記膨張機の吐出口に着脱可能に接続されると共に、前記出口管の前記外管は前記真空槽に着脱可能に接続される。
上記構成（４）によれば、入口管及び出口管を内管と外管との間に真空断熱空間が形成された二重管とすることで、入口管及び出口管の管壁を通した伝熱を抑制できる。
また、入口管及び出口管の内管を膨張機の吸入口又は吐出口に接続し、入口管及び出口管の外管を真空槽に接続することで、入口管及び出口管の膨張機一体型圧縮機本体に対する取付け強度を増加できる。

（５）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（４）の何れかにおいて、
前記圧縮機、前記膨張機、前記入口管、前記出口管及び前記真空槽は横向きに配置されると共に、
前記真空槽は前記コールドボックスの側壁に着脱可能に接続される。
上記構成（５）によれば、圧縮機、膨張機、入口管、出口管及び真空槽で構成された膨張機一体型圧縮機が横向きに配置され、コールドボックスの側壁に接続されるため、膨張機一体型圧縮機をコールドボックスに取り付ける際に、膨張機一体型圧縮機をコールドボックスの上方へ高く吊り上げる必要がなくなり、そのため、コールドボックスへの取付けにクレーンが不要になる。これによって、取付けが容易になる。
また、真空槽がコールドボックスの側壁に接続されると共に、膨張機が真空槽に接続されるため、膨張機一体型圧縮機のコールドボックスに対する取付け強度を高めることができる。

（６）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（５）の何れかにおいて、
前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記真空槽は前記コールドボックスの外側に配置される。
上記構成（６）によれば、上流側機器類がコールドボックスの外側に配置されるので、膨張機一体型圧縮機を一体のままコールドボックスから容易に取り外すことができる。

（７）幾つかの実施形態では、前記構成（６）において、
前記真空槽は筒状に形成され、軸方向両端に第１のフランジ及び第２のフランジを有すると共に、
前記真空槽は、前記第１のフランジを介して前記コールドボックスの側壁に着脱可能に接続されると共に、前記第２のフランジを介して前記膨張機のハウジングに着脱可能に接続され、
前記第１のフランジと前記第２のフランジとの間に架設された補強バーを備える。
上記構成（７）によれば、真空槽は第１のフランジを介してコールドボックスに接続され、第２のフランジを介して膨張機のハウジングに接続されるため、膨張機一体型圧縮機のコールドボックスへの取付け強度を高めることができる。
また、上記補強バーを設けることで、真空槽の強度を高めることができる。

（８）幾つかの実施形態では、前記構成（６）又は（７）において、
前記真空槽の外壁に被覆された断熱材をさらに備える。
上記構成（８）によれば、真空槽の外壁を通した膨張機への熱侵入を抑制できる。

（９）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（５）の何れかにおいて、
前記膨張機及び前記真空槽は前記コールドボックスの外面に形成された凹部に挿入されると共に、
前記真空槽は前記コールドボックスに対し外側端に形成されたフランジを介して前記コールドボックスの外壁に着脱可能に取り付けられる。
上記構成（９）によれば、真空槽及び膨張機がコールドボックスに形成された凹部に挿入されるため、コールドボックス外側の膨張機一体型圧縮機の配置スペースを縮小できると共に、膨張機一体型圧縮機が横向きに配置された場合、真空槽に加わる膨張機一体型圧縮機の荷重モーメントを低減できる。
また、膨張機及び真空槽がコールドボックス内に配置されるため、真空槽の外壁からの熱侵入を抑制でき、これによって、真空槽の外壁に断熱材を被覆する必要がなくなる。
また、膨張機及び真空槽がコールドボックス内に配置される分だけ、入口管及び出口管を介した外部から膨張機への熱侵入経路を長くできるため、この熱侵入経路からの熱侵入を抑制できる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る冷凍機では、
前記構成（１）〜（９）の何れかの膨張機一体型圧縮機と、
冷却対象物を冷媒との熱交換により冷却するための冷却部と、
前記圧縮機、前記膨張機及び前記冷却部を通して前記冷媒を循環させるように構成された冷媒循環ラインと、
を備える。
上記構成（１０）によれば、上記構成（１）〜（９）の何れかの膨張機一体型圧縮機を備えることで、膨張機一体型圧縮機を一体のままコールドボックスから容易に取り外すことができる。
そのため、膨張機一体型圧縮機の取り外し時にコールドボックスを開放する必要がないので、コールドボックスの再組立に要する時間と手間を抑制できる。
また、膨張機を分解せず、インペラとハウジングとは一体のままであるので、再組立後のインペラの羽根とハウジングとの間のクリアランスの微調整が不要になると共に、と共に、確認試験も可能になる。
また、極低温を実現可能なネオンＮｅ等の冷媒を使うことで、高温超電導機器の実用化が可能になると共に、膨張機で冷媒が膨張する際に発生する膨張エネルギの一部を圧縮機の駆動に利用できるため、冷凍機のＣＯＰを向上できる。

（１１）幾つかの実施形態では、前記構成（１０）において、
前記冷媒循環ラインに並列に設けられた複数の冷媒循環分岐ラインと、
前記各冷媒循環分岐ラインに設けられた複数の前記膨張機一体型圧縮機と、
前記各冷媒循環分岐ラインにおいて前記膨張機一体型圧縮機の入口に設けられた複数の開閉弁と、
を備え、
前記複数の開閉弁の開閉動作によって前記複数の冷媒循環分岐ラインのひとつを選択的に開放する。
上記構成（１１）によれば、上記複数の開閉弁の開閉動作によって上記複数の冷媒循環分岐ラインのひとつを選択的に開放することで、上記複数の膨張機一体型圧縮機を選択的に稼動できる。これによって、冷凍機の稼動を続けながら休止中の膨張機一体型圧縮機を点検又は修理できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、コールドボックス内に膨張機を配置した膨張機一体型圧縮機において、膨張機一体型圧縮機の点検や修理等のときに、コールドボックスを外気に開放することなく、膨張機一体型圧縮機の取外しが可能になり、膨張機一体型圧縮機の取外し及び再組立を容易にすることができる。

一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の正面視断面図である。 図１中のＸ−Ｘ線に沿う側面図である。 一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の取外し時の正面視断面図である。 一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の取外し時（真空槽取り外し）の正面視断面図である。 一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の取外し時（出口管取り外し）の正面視断面図である。 一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の正面視断面図である。 一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機の取外し時の正面視断面図である。 一実施形態に係る冷凍機の全体構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

本発明の少なくとも一実施形態に係る膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、図１及び図６に示すように、モータ１２、圧縮機１４及び膨張機１６を備える。圧縮機１４はモータ１２の出力軸１８に接続され、モータ１２によって駆動されて流体（冷媒ガス）を圧縮するように構成される。膨張機１６はモータ１２の出力軸１８に接続され、上記冷媒ガスを膨張させて上記冷媒ガスから出力軸１８の動力を回収するように構成される。
膨張機一体型圧縮機１０は、さらに、冷媒ガスが流入する入口管２０と、膨張機１６で膨張し冷却された冷媒ガスが吐出する出口管２２と、真空槽２４とを備える。入口管２０は、膨張機１６の吸入口２６に接続され、膨張機１６の軸方向に沿って突設される。出口管２２は、膨張機１６の吐出口２８に接続され、膨張機１６の軸方向及び入口管２０に沿う方向に突設される。真空槽２４は、膨張機１６のハウジング１７を囲むように配置され、膨張機１６を外部から熱遮断する。

また、膨張機一体型圧縮機１０とは別に、外部から断熱されたコールドボックス３０が設けられる。入口管２０及び出口管２２はコールドボックス３０の内部に挿入される。真空槽２４はコールドボックス３０の外壁に着脱可能に取り付けられると共に、ハウジング１７は真空槽２４に接続される。

例示的な実施形態では、入口管２０及び出口管２２は夫々コールドボックス３０の内部に設けられた冷媒管３２及び３４に着脱可能に接続される。また、入口管２０及び出口管２２の他端は夫々膨張機１６のハウジング１７に接続される。

例示的な実施形態では、モータ１２、圧縮機１４及び膨張機１６が一体に構成されたユニットＵと、入口管２０と、出口管２２と、真空槽２４とは夫々別体に製作され、互いに着脱可能に接続される。

例示的な実施形態では、図２及び図５に示すように、入口管２０は内管２０ａと外管２０ｂとを有し、内管２０ａと外管２０ｂとの間に真空槽２４の内部に連通した真空断熱空間が形成された二重管で構成される。出口管２２は内管２２ａと外管２２ｂとを有し、内管２２ａと外管２２ｂとの間に真空槽２４の内部に連通した真空断熱空間が形成された二重管で構成される。
そして、入口管２０の内管２０ａは膨張機１６の吸入口２６を形成するハウジング１７に着脱可能に接続され、外管２０ｂは真空槽２４に着脱可能に接続される。出口管２２の内管２２ａは膨張機１６の吐出口２８を形成するハウジング１７に着脱可能に接続され、外管２２ｂは真空槽２４に着脱可能に接続される。

例示的な実施形態では、図１及び図６に示すように、モータ１２、圧縮機１４及び膨張機１６と、入口管２０と、出口管２２と、真空槽２４とは横向きに配置される。そして、真空槽２４はコールドボックス３０の側壁３０ａに着脱可能に接続され、膨張機１６は真空槽２４に着脱可能に接続される。

例示的な実施形態に係る膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ）では、図１に示すように、モータ１２、圧縮機１４、膨張機１６及び真空槽２４は、コールドボックス３０の外側に配置される。

膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ）の例示的な構成では、図１に示すように、真空槽２４は筒状に形成され、軸方向両端に第１のフランジ３６及び第２のフランジ３８を有する。真空槽２４は第１のフランジ３６を介してコールドボックス３０の側壁３０ａに着脱可能に接続され、第２のフランジ３８を介して膨張機１６のハウジング１７に着脱可能に接続される。また、第１のフランジ３６と第２のフランジ３８との間に補強バー４０が架設される。

膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ）の例示的な構成では、図１に示すように、真空槽２４の外壁に外部からの熱侵入を抑制するために断熱材４２が被覆される。

例示的な実施形態に係る膨張機一体型圧縮機１０（１０Ｂ）では、図６に示すように、膨張機１６及び真空槽２４はコールドボックス３０の外面に形成された凹部７０に挿入される。真空槽２４はコールドボックス３０に対し外側端に形成されたフランジ４４を介してコールドボックス３０の外壁に着脱可能に取り付けられる。

膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ、１０Ｂ）の図示された構成では、図１及び図５に示すように、圧縮機１４は遠心型圧縮機であって、インペラ５０はスクロール形のハウジング５２に収納されている。膨張機１６は遠心型膨張機であり、膨張機１６のインペラ５４はスクロール形のハウジング１７に収納されている。インペラ５０及び５４は出力軸１８の両端に固定されている。
また、図２に示すように、膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ、１０Ｂ）の入口管２０及び出口管２２は上下方向に配置され、入口管２０は出口管２２の下方に配置される。膨張機１６で膨張して容積が増加する冷媒ガスが通る出口管２２は入口管２０より大径に構成されている。
また、コールドボックス３０の内部は断熱のため真空の空間が形成され、膨張機１６を囲んで配置される真空槽２４の外周は円筒形を有する。

膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ、１０Ｂ）の図示された構成では、図１及び図６に示すように、コールドボックス３０の側壁３０ａにフランジ５６が一体に設けられ、真空槽２４はフランジ５６を介して側壁３０ａに取り付けられる。
膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ）の図示された構成では、図１に示すように、フランジ５６と第１のフランジ３６とがボルト結合などの手段で結合される。フランジ５６と第１のフランジ３６間の外側端付近にはシール用のＯリング５８が介装されている。
膨張機一体型圧縮機１０（１０Ｂ）の図示された構成では、図６に示すように、フランジ５６とフランジ４４とがボルト結合などの手段で結合される。これらフランジの間にはシール用のＯリング６０が介装されている。

膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ、１０Ｂ）の図示された構成では、図３及び図７に示すように、コールドボックス３０の側壁３０ａに入口管２０が挿入される円筒形の凹部６２が形成され、凹部６２の上方に出口管２２が挿入される凹部６２より大径の円筒形の凹部６４が形成される。
図１及び図６に示すように、入口管２０は凹部６２に挿入され、コールドボックス３０の内部に設けられた冷媒管３２と連通し、出口管２２は凹部６４に挿入され、コールドボックス３０の内部に設けられた冷媒管３４と連通する。入口管２０及び出口管２２の先端部外周にシール用のＯリング６６が固着され、後端部外周とフランジ５６との間にシール用のＯリング６８が介装される。

膨張機一体型圧縮機１０Ｂの例示的な構成では、図７に示すように、さらに、側壁３０ａに真空槽２４が挿入される大径の円筒形の凹部７０が形成され、凹部７０に膨張機１６及び真空槽２４が挿入される。

膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ、１０Ｂ）の図示された構成では、図５に示すように、入口管２０は内管２０ａの先端にフランジ２０ｃが形成され、内管２０ａはフランジ２０ｃを介して膨張機１６の吸入口２６を形成するハウジング１７に接続される。入口管２０の外管２０ｂは先端にフランジ２０ｄが形成され、フランジ２０ｄはフランジ３６の裏面側に配置されフランジ３６とボルト結合などの手段で結合される。
出口管２２は内管２２ａの先端にフランジ２２ｃが形成され、内管２２ａはフランジ２２ｃを介して膨張機１６の吐出口２８を形成するハウジング１７に接続される。出口管２２の外管２２ｂは先端にフランジ２２ｄが形成され、フランジ２２ｄはフランジ３６の裏面側に配置されたフランジ３６とボルト結合などの手段で結合される。
フランジ２０ｄ又は２２ｄとフランジ３６との間にシール用のＯリング７２が介装される。

膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ、１０Ｂ）の図示された構成では、図１及び図６に示すように、膨張機１６のハウジング１７に第２のフランジ３８に対向する位置にフランジ７４が形成され、第２のフランジ３８とフランジ７４とがボルト結合などの手段で結合される。

かかる構成において、点検や修理等のため、膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ、１０Ｂ）をコールドボックス３０から取り外す手順を説明する。
膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ）では、まず、図３に示すように、フランジ５６と第１のフランジ３６との結合を解除し、入口管２０、出口管２２、真空槽２４及びユニットＵが一体となったままコールドボックス３０から引き離す。
なお、入口管２０及び出口管２２を凹部６２及び６４から引き抜いたとき、これら凹部の開口を自動的に閉鎖する機構を設けると、これら凹部への水分を含む外気の侵入を効果的に抑制できる。

次に、図４に示すように、フランジ２０ｄ，２２ｄと第１のフランジ３６との結合を解除すると共に、第２のフランジ３８とフランジ７４との結合を解除し、真空槽２４をユニットＵの軸方向に沿って引き離し、真空槽２４を他の組立体から分離する。

さらに、図５に示すように、出口管２２のフランジ２２ｃと吐出口２８を形成するハウジング１７との結合を解除して、出口管２２をユニットＵから分離する。その後、入口管２０のフランジ２０ｃと吸入口２６を形成するハウジング１７との結合を解除し、入口管２０をユニットＵから分離する。
なお、入口管２０を出口管２２より先にユニットＵから分離してもよい。

膨張機一体型圧縮機１０Ｂの場合も、図７に示すように、フランジ５６と第１のフラン４４との結合を解除し、入口管２０、出口管２２、真空槽２４及びユニットＵが一体となったままコールドボックス３０から引き離す。その後、図４及び図５に示す膨張機一体型圧縮機１０Ａと同様の手順で、真空槽２４、出口管２２及び入口管２０を解体する。

次に、本発明の少なくとも一実施形態に係る冷凍機８０は、図８に示すように、上記幾つかの実施形態に係る膨張機一体型圧縮機１０（１０ａ、１０ｂ）と、冷却対象物を冷媒との熱交換により冷却するための冷却部８２と、圧縮機１４（１４ａ、１４ｂ）、膨張機１６（１６ａ、１６ｂ）及び冷却部８２を通して前記冷媒を循環させるように構成された冷媒循環ライン８４とを備える。

例示的な実施形態では、冷媒循環ライン８４は一部で並列に設けられた複数の冷媒循環分岐ライン８６（８６ａ、８６ｂ）に分岐する。そして、各冷媒循環分岐ライン８６（８６ａ、８６ｂ）に複数の膨張機一体型圧縮機１０（１０ａ、１０ｂ）が設けられ、各冷媒循環分岐ライン８６（８６ａ、８６ｂ）では膨張機一体型圧縮機１０（１０ａ、１０ｂ）の入口に複数の開閉弁Ｖ（Ｖ１及びＶ２）を備える。
かかる構成において、複数の開閉弁Ｖ（Ｖ１及びＶ２）の開閉動作によって複数の冷媒循環分岐ライン８６（８６ａ、８６ｂ）のひとつを選択的に開放する。これによって、開放された冷媒循環分岐ライン８６では膨張機一体型圧縮機１０が稼動するため、少なくとも１個の膨張機一体型圧縮機１０を稼動させることができる。

図８に図示された構成では、２個の冷媒循環分岐ライン８６（８６ａ、８６ｂ）を有し、各冷媒循環分岐ライン８６（８６ａ、８６ｂ）に１個の開閉弁Ｖ（Ｖ１及びＶ２）が設けられている。
また、冷凍機８０はブレイトンサイクルに基づいて冷却部８２で被冷却対象８７を冷却する。被冷却対象８７として例えば超電導機器があり、循環路８８には、超電導機器を極低温に冷却可能な冷却媒体（例えば液体窒素ＬＮ_２等）がポンプ９０によって循環する。
切換弁Ｖ３及びＶ４の切換え動作によって、膨張機一体型圧縮機１０（１０ａ、１０ｂ）のどちらか一方の圧縮機１４（例えば、圧縮機１４ａ）に冷媒ガスを流入させる。圧縮機１４ａで圧縮された冷媒ガスは熱交換器９２で冷却水により冷却され、その後、冷熱回収熱交換器９４でさらに冷却部８２から戻る冷媒ガスで冷却される。
冷熱回収熱交換器９４で冷却された冷媒ガスは、膨張機１６ａで膨張してさらに冷却された後、冷却部８２に循環して被冷却対象８７を冷却する。
膨張機１６（１６ａ、１６ｂ）、冷却部８２及び冷熱回収熱交換器９４が外部から断熱された真空断熱空間を有するコールドボックス３０の内部に収納される。

幾つかの実施形態によれば、図３及び図７に示すように、コールドボックス３０の外壁と真空槽２４との結合を解除し、入口管２０及び出口管２２をコールドボックス３０から引き抜くだけで、膨張機一体型圧縮機１０を一体のままコールドボックス３０から取り外すことができる。
これによって、膨張機一体型圧縮機１０の取り外し時にコールドボックス３０を開放する必要がないので、コールドボックス３０の再組立に要する時間と手間を抑制できる。
また、膨張機１６の取り外し時には、インペラ５４とハウジング１７とは一体のままであるので、再組立後のインペラ５４の羽根とハウジング１７との間のクリアランスの微調整が不要になると共に、確認試験も可能になる。

また、真空槽２４を膨張機１６のハウジング１７を囲むように配置することで、外部からの膨張機１６への熱侵入を抑制できる。
また、膨張機一体型圧縮機１０をコールドボックス３０に取り付けるに際し、入口管２０及び出口管２２を凹部６２及び６４に挿入するだけで自動的に冷媒管３２及び３４に接続できる。
なお、外部から入口管２０及び出口管２２を介した膨張機１６への熱侵入が考えられるが、入口管２０及び出口管２２の長さを長くし、熱侵入経路を長くすることで、この熱侵入を抑制できる。

また、膨張機一体型圧縮機１０はユニットＵと、入口管２０と、出口管２２と、真空槽２４とに分解可能であるので、膨張機一体型圧縮機をコールドボックス３０から取り外した後、これら各機器を分解することで、点検、修理などの作業が容易になる。
また、入口管２０及び出口管２２を内管と外管との間に真空断熱空間が形成された二重管とすることで、入口管２０及び出口管２２の管壁を通した伝熱を抑制できる。
また、入口管２０及び出口管２２の内管を膨張機１６の吸入口２６又は吐出口２８に接続し、入口管２０及び出口管２２の外管を真空槽２４に接続することで、入口管２０及び出口管２２の膨張機一体型圧縮機本体に対する取付け強度を増加できる。

また、図１及び図６に示すように、膨張機一体型圧縮機１０が横向きに配置され、コールドボックス３０の側壁３０ａに接続されるため、膨張機一体型圧縮機１０をコールドボックス３０に取り付ける際に、コールドボックス３０の上方へ高く吊り上げる必要がなくなり、そのため、コールドボックス３０への取付けにクレーンが不要になる。これによって、取付けが容易になる。
また、真空槽２４がコールドボックス３０の側壁３０ａに接続されると共に、膨張機１６が真空槽２４に接続されるため、膨張機一体型圧縮機１０のコールドボックス３０に対する取付け強度を高めることができる。

また、図１に示す膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ）によれば、ユニットＵ及び真空槽２４はコールドボックス３０の外側に配置されるので、入口管２０及び出口管２２をコールドボックス３０から引き抜くだけで、膨張機一体型圧縮機を一体のままコールドボックス３０から容易に取り外すことができる。
また、膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ）によれば、真空槽２４は第１のフランジ３６を介してコールドボックス３０に接続され、第２のフランジ３８を介して膨張機のハウジング１７に接続されるため、膨張機一体型圧縮機のコールドボックス３０への取付け強度を高めることができる。
また、補強バー４０を設けることで、真空槽２４の強度を高めることができる。
さらに、膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ）によれば、真空槽２４の外壁に断熱材４２を被覆することで、真空槽２４の外壁を通した膨張機１６への熱侵入を抑制できる。

図６に示す膨張機一体型圧縮機１０（１０Ｂ）によれば、膨張機１６及び真空槽２４がコールドボックス３０に形成された凹部７０に挿入されるため、コールドボックス外側の膨張機一体型圧縮機の配置スペースを縮小できる。
また、膨張機一体型圧縮機が横向きに配置され、コールドボックス３０の側壁３０ａに取り付けられる場合、真空槽２４に加わる膨張機一体型圧縮機の荷重モーメントを低減できる。
また、膨張機１６及び真空槽２４がコールドボックス内に配置されるため、真空槽２４の外壁からの熱侵入を抑制でき、これによって、真空槽２４の外壁に断熱材を被覆する必要がなくなる。
また、膨張機１６及び真空槽２４がコールドボックス内に配置される分だけ、入口管２０及び出口管２２を介した外部から膨張機１６への熱侵入経路を長くできるため、この熱侵入経路からの熱侵入を抑制できる。

図８に示す冷凍機８０によれば、膨張機一体型圧縮機１０（１０ａ、１０ｂ）を組み込んだことで、上記膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ、１０Ｂ）と同様の作用効果を得ることができると共に、極低温を実現可能なネオンＮｅ等の冷媒を使うことで、高温超電導機器の実用化が可能になると共に、膨張機で冷媒が膨張する際に発生する膨張エネルギの一部を圧縮機の駆動に利用できるため、冷凍機のＣＯＰを向上できる。
また、複数の冷媒循環分岐ライン８６（８６ａ、８６ｂ）に膨張機一体型圧縮機１０（１０Ａ、１０Ｂ）及び開閉弁Ｖ（Ｖ１及びＶ２）が夫々１個ずつ設けられ、開閉弁Ｖ（Ｖ１及びＶ２）の開閉動作を制御することで、少なくとも１個の膨張機一体型圧縮機１０を常に可能できる。これによって、冷凍機８０の稼動を続けながら休止中の膨張機一体型圧縮機１０を点検又は修理できる。

なお、前記実施形態では、入口管２０又は出口管２２の外管２０ｂ、２２ｂのフランジ２０ｄ、２２ｄが真空槽２４に設けられた第１のフランジ３６に接続されるが、代わりに、フランジ２０ｄ、２２ｄを膨張機１６のハウジング１７に接続するようにしてもよい。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、膨張機一体型圧縮機及び該膨張機一体型圧縮機を備える冷凍機において、膨張機一体型圧縮機の点検や修理等のときに、膨張機一体型圧縮機の取外し及び再組立を容易にすることができる。

１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０ａ、１０ｂ） 膨張機一体型圧縮機
１２ モータ
１４（１４ａ、１４ｂ） 圧縮機
１６（１６ａ、１６ｂ） 膨張機
１７、５２ ハウジング
１８ 出力軸
２０ 入口管
２０ａ 内管
２０ｂ 外管
２０ｃ、２０ｄ フランジ
２２ 出口管
２２ａ 内管
２２ｂ 外管
２２ｃ、２２ｄ フランジ
２４ 真空槽
２６ 吸入口
２８ 吐出口
３０ コールドボックス
３０ａ 側壁
３２、３４ 冷媒管
３６ 第１のフランジ
３８ 第２のフランジ
４０ 補強バー
４２ 断熱材
４４、５６、７４ フランジ
５０、５４ インペラ
５８、６０、６６、６８、７２ Ｏリング
６２、６４、７０ 凹部
８０ 冷凍機
８２ 冷却部
８４ 冷媒循環ライン
８６（８６ａ、８６ｂ） 冷媒循環分岐ライン
８７ 被冷却対象
８８ 循環路
９０ ポンプ
９２ 熱交換器
９４ 冷熱回収熱交換器
Ｖ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４） 開閉弁

Claims (11)

1. モータと、
   前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて流体を圧縮するように構成された圧縮機と、
   前記モータの前記出力軸に接続され、前記流体を膨張させて前記流体から前記出力軸の動力を回収するように構成された膨張機と、
   前記膨張機の吸入口に接続され、前記膨張機の軸方向に沿って突設された入口管と、
   前記膨張機の吐出口に接続され、前記入口管に沿う方向に突設された出口管と、
   前記膨張機のハウジングを囲むように配置され、前記膨張機を外部から熱遮断させるための真空槽と、
   を備え、
   前記入口管及び前記出口管はコールドボックスの内部に挿入され、前記真空槽は外部から断熱された前記コールドボックスの外壁に着脱可能に取り付けられると共に、前記膨張機のハウジングは前記真空槽に接続されることを特徴とする膨張機一体型圧縮機。
2. 前記入口管及び前記出口管の挿入端は夫々前記コールドボックスの内部に設けられた冷媒管に着脱可能に接続されると共に、
   前記入口管及び前記出口管の他端は夫々前記膨張機のハウジング又は前記真空槽に接続されることを特徴とする請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
3. 前記モータ、前記圧縮機及び前記膨張機が一体に構成されたユニットと、前記入口管と、前記出口管と、前記真空槽とは互いに着脱可能に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の膨張機一体型圧縮機。
4. 前記入口管及び前記出口管は夫々内管と外管とを有し、前記内管と前記外管との間に真空の空間が形成された二重管で構成され、
   前記入口管の前記内管は前記膨張機の吸入口に着脱可能に接続されると共に、前記入口管の外管は前記真空槽に着脱可能に接続され、
   前記出口管の前記内管は前記膨張機の吐出口に着脱可能に接続されると共に、前記出口管の前記外管は前記真空槽に着脱可能に接続されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の膨張機一体型圧縮機。
5. 前記モータ、前記圧縮機及び前記膨張機と、前記入口管と、前記出口管と、前記真空槽とは横向きに配置され、
   前記真空槽は前記コールドボックスの側壁に着脱可能に接続されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の膨張機一体型圧縮機。
6. 前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記真空槽は前記コールドボックスの外側に配置されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の膨張機一体型圧縮機。
7. 前記真空槽は筒状に形成され、軸方向両端に第１のフランジ及び第２のフランジを有し、
   前記真空槽は、前記第１のフランジを介して前記コールドボックスの側壁に着脱可能に接続されると共に、前記第２のフランジを介して前記膨張機のハウジングに着脱可能に接続され、
   前記第１のフランジと前記第２のフランジとの間に架設された補強バーをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の膨張機一体型圧縮機。
8. 前記真空槽の外壁に被覆された断熱材をさらに備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の膨張機一体型圧縮機。
9. 前記膨張機及び前記真空槽は前記コールドボックスの外面に形成された凹部に挿入されると共に、
   前記真空槽は前記コールドボックスに対し外側端に形成されたフランジを介して前記コールドボックスの外壁に着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の膨張機一体型圧縮機。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載された膨張機一体型圧縮機と、
    冷却対象物を冷媒との熱交換により冷却するための冷却部と、
    前記圧縮機、前記膨張機及び前記冷却部を通して前記冷媒を循環させるように構成された冷媒循環ラインと、
    を備えることを特徴とする冷凍機。
11. 前記冷媒循環ラインに並列に設けられた複数の冷媒循環分岐ラインと、
    前記各冷媒循環分岐ラインに設けられた複数の前記膨張機一体型圧縮機と、
    前記各冷媒循環分岐ラインにおいて前記膨張機一体型圧縮機の入口に設けられた複数の開閉弁と、
    を備え、
    前記複数の開閉弁の開閉動作によって前記複数の冷媒循環分岐ラインのひとつを選択的に開放することを特徴とする請求項１０に記載の冷凍機。
    

Images