JP2017116200A - 膨張機一体型圧縮機及び冷凍機 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)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。
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。
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)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。
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。
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。
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LN2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。
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、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、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、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、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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。
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