JP2020112098A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】低温の液体を効率良く移送することができる回転機械を提供する。【解決手段】容器２に収容される低温の液体Ｌを移送する回転機械１であって、回転駆動してシャフト６を回転させる駆動部３と、シャフト６と共に回転するインペラ４１を有しインペラ４１の回転によって液体Ｌを移送する移送部４と、駆動部３に形成され駆動部３の内外の伝熱を抑制する断熱部５とを備え、駆動部３及び移送部４は容器２の内部に設けられ容器２の天井部２１に取り付けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、液体の移送などに用いられる回転機械に関する。

従来、回転機械として、例えば、特開２０１１−２５２４４２号公報に記載されるように、容器内に収容される低温の液体を移送する回転機械が知られている。この回転機械は、駆動装置を容器の外側に配置し、駆動装置により駆動される回転軸が容器内へ挿通されている。そして、容器内で回転軸に取り付けられるインペラを回転させて流体を移送している。

特開２０１１−２５２４４２号公報

このような回転機械にあっては、液体の移送が効率良く行えない。すなわち、モータなどの駆動装置が容器の外部に配置されているため、容器内にあるインペラに回転動力を伝達するための回転軸を長くしなければならない。このような回転軸を高速で回転させると、回転による振動が大きくなる。従って、回転軸及びインペラを高速回転させることが困難であり、大量の液体を短時間で効率良く移送することが難しい。

そこで、低温の液体の移送が効率良く行える回転機械の開発が望まれている。

本開示の一態様に係る回転機械は、容器に収容される低温の液体を移送する回転機械であって、回転駆動してシャフトを回転させる駆動部と、シャフトと共に回転するインペラを有しインペラの回転によって液体を移送する移送部と、駆動部に形成され駆動部の内外の伝熱を抑制する断熱部とを備え、駆動部及び移送部は、容器の内部に設けられ、容器の天井部に取り付けられて構成されている。この回転機械によれば、駆動部及び移送部が容器の内部に設けられ、駆動部と移送部を近い位置に配置することができる。このため、駆動部から移送部へ延びるシャフトを短くすることができる。従って、シャフト及びインペラを高速で回転させることができ、液体の移送効率を高めることができる。また、断熱部が設けられることにより、駆動部が液体により冷やされることを抑制することができる。また、断熱部が設けられることにより、駆動部の駆動時に発せられる熱により液体の温度が上昇することを抑制することができる。さらに、駆動部及び移送部が容器の天井部に取り付けられることにより、移送部のみを液体内に配置することが可能となる。このため、駆動部の駆動時に発せられる熱が液体へ移動することを抑制することができる。

また、本開示の一態様に係る回転機械において、断熱部は、駆動部のケーシングに真空空間を形成して設けられていてもよい。この場合、断熱部における断熱効果を高めることができ、ケーシングの内外の熱伝導を効果的に抑制することができる。

また、本開示の一態様に係る回転機械において、移送部は、駆動部に対して下方の位置に設けられていてもよい。この場合、移送部を駆動部に対して下方の位置に設けることにより、移送部のみを液体内に配置することができる。このため、駆動部の駆動時に発せられる熱が液体へ移動することを抑制することができる。

また、本開示の一態様に係る回転機械において、断熱部は、駆動部の側部の全周を覆うように形成される第一断熱部と、駆動部と移送部を仕切るように形成される第二断熱部とを備え、第二断熱部は、第一断熱部より厚く形成されていてもよい。この場合、移送部と駆動部との断熱性を高めることができる。従って、駆動部の熱が移送部を通じて液体へ移動することを抑制することができる。また、駆動部が移送部を通じて低温化されることを抑制することができる。

本開示に係る発明によれば、低温の液体の移送を効率良く行うことができる。

本開示の実施形態に係る回転機械の概要を示す断面図である。 図１の回転機械における断熱部の説明図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（第一実施形態）
図１は、本開示の実施形態に係る回転機械の構成概要図である。

図１に示すように、回転機械１は、容器２に収容される低温の液体Ｌを移送する機器である。図１では、回転機械１として、極低温で液化したヘリウム、窒素、水素などの液体を移送するポンプに適用した場合を示している。

回転機械１は、駆動部３、移送部４及び断熱部５を備えて構成されている。駆動部３は、シャフト６を回転駆動させる部位である。例えば、駆動部３としては、電力供給により回転駆動する電動機が用いられる。駆動部３は、回転軸３１にロータ３２が取り付けられ、ロータ３２の周囲にステータ３３が配置されている。回転軸３１は、例えば鉛直方向に向けて配置され、回転可能に支持されている。ロータ３２は、回転軸３１の外周に取り付けられ、回転軸３１と共に回転する。ステータ３３は、駆動部３のケーシング３４に対し移動しないように取り付けられている。駆動部３は、電力供給により回転軸３１及びロータ３２を回転させる。駆動部３への電力供給は、図示しない配線により容器２の外部から行われる。

シャフト６は、回転軸３１と同軸に設けられ、回転軸３１と共に回転する。例えば、シャフト６は、回転軸３１と一体に形成され、回転軸３１の下端に連なって設けられる。このシャフト６は、駆動部３の作動により回転駆動される。シャフト６は、駆動部３から移送部４へ延びている。

移送部４は、シャフト６と共に回転するインペラ４１を有している。移送部４は、インペラ４１の回転によって液体Ｌを移送する。つまり、移送部４は、インペラ４１の回転によって液体Ｌを下方から吸引し側方に向けて排出する。インペラ４１は、例えばシャフト６の下端に取り付けられ、シャフト６と一体となって回転する。インペラ４１は、複数の羽根を有する羽根車を備えており、公知の構造のものを用いることができる。このインペラ４１は、回転する羽根の遠心力により液体Ｌを下方から吸引し側方へ向けて排出する。

駆動部３のケーシング３４には、断熱部５が形成されている。断熱部５は、駆動部３の内外の伝熱を抑制する部位である。断熱部５は、例えばケーシング３４に真空空間を形成することにより形成される。つまり、断熱部５は、駆動部３のロータ３２、ステータ３３などの内部部品を覆うように形成され、真空断熱を行う。この断熱部５は、例えば第一断熱部５１及び第二断熱部５２を備えている。第一断熱部５１は、駆動部３の側部の全周を覆うように形成され、筒状に形成されている。第二断熱部５２は、駆動部３と移送部４を仕切るように回転軸３１の径方向に延びており、円盤状に形成されている。第二断熱部５２は、第一断熱部５１の下部と連通するように形成されている。

このように、断熱部５が形成されることにより、駆動部３の内外の熱伝導が抑制される。このため、駆動部３が液体Ｌにより冷やされることが抑制される。駆動部３が駆動する際に駆動部３から熱が発せられるが、断熱部５が形成されることにより、駆動部３の熱が液体Ｌへ移動して液体Ｌが高温化することが抑制される。また、断熱部５が形成されることにより、駆動部３の内部で用いられるオイルなどの凍結が抑制される。

図２に示すように、第二断熱部５２は、第一断熱部５１より厚く形成されている。すなわち、第二断熱部５２の厚さＴ２は、第一断熱部５１の厚さＴ１により大きく形成されている。なお、第二断熱部５２の厚さＴ２は回転軸３１の軸方向に対する厚さであり、第一断熱部５１の厚さＴ１は回転軸３１の径方向に対する厚さである。このように、第二断熱部５２を第一断熱部５１より厚く形成することにより、移送部４と駆動部３との断熱性を高めることができる。このため、駆動部３の熱が移送部４を通じて液体Ｌへ移動することが抑制される。また、駆動部３が移送部４を通じて低温化されることが抑制される。

第二断熱部５２を駆動部３の中心側へ長く延ばして形成してもよい。すなわち、第二断熱部５２をできるだけ回転軸３１の近くまで延ばし、第二断熱部５２と回転軸３１の間に配置される構成部品を薄肉としてもよい。この場合、駆動部３と移送部４の間の熱の伝導経路が狭くなり、構成部品を通じて駆動部３と移送部４との間の熱伝導を抑制することができる。

図１において、駆動部３及び移送部４は、容器２の内部に設けられ、容器２の天井部２１に取り付けられている。容器２は、液体Ｌを収容するタンクである。この容器２としては、例えば内部を真空状態とすることができる真空容器が用いられる。駆動部３及び移送部４は一体に設けられ、駆動部３の下方に移送部４が設けられている。駆動部３が天井部２１に固定され、移送部４は駆動部３を介して天井部２１に取り付けられている。

このように、駆動部３及び移送部４を容器２の天井部２１に取り付け、移送部４を駆動部３の下方に設けることにより、移送部４のみを液体Ｌ内に配置することが可能となる。このため、駆動部３の駆動時に発せられる熱が液体Ｌへ移動しにくくなる。また、駆動部３が低温化することが抑制される。また、駆動部３及び移送部４を容器２の内部に設けることにより、駆動部３と移送部４を近い位置に配置することができ、駆動部３から移送部４へ延びるシャフト６を短くすることができる。また、駆動部３及び移送部４を一体に形成することにより、回転機械１をコンパクトに構成することができ、回転機械１の小型化が図れ、軽量化が図れる。さらに、回転機械１の低コスト化も図れる。

駆動部３には、温度調整部３６が設けられている。温度調整部３６は、駆動部３の温度調整を行う部位である。温度調整部３６は、駆動部３の内部であって、ステータ３３の外側に設置されている。温度調整部３６は、例えば水冷式のものが用いられる。具体的には、温度調整部３６は、ステータ３３の周囲に冷媒を循環可能に構成され、駆動部３の作動時に駆動部３の内部を冷却する機能を備えている。温度調整部３６に対する冷媒の供給は、図示しない配管を通じて容器２の外部から行えばよい。なお、回転機械１において、温度調整部３６の設置を省略する場合もある。

次に、本実施形態に係る回転機械１の動作について説明する。

図１において、駆動部３に電力が供給されることにより、ロータ３２及び回転軸３１が回転する。駆動部３への電力供給は、図示しない配線などを通じて行われる。回転軸３１が回転すると、その回転と共にシャフト６及びインペラ４１が回転する。

このとき、駆動部３及び移送部４が容器２の内部に配置されることにより、シャフト６が短く形成されている。このため、回転によるシャフト６の回転振動が小さくなり、シャフト６を高速で回転させることができる。これにより、インペラ４１も高速で回転させることができ、液体Ｌの移送を効率良く行える。

これに対し、移送部４を容器２の内部に配置し、駆動部３を容器２の外部に配置することも考えられる。この場合、駆動部３が容器２の外部に配置されるため、断熱部５の設置を省略することが可能となる。しかしながら、駆動部３から移送部４に延びるシャフト６を長くしなければならない。このため、駆動部３及びインペラ４１を高速で回転させると、シャフト６の回転振動が大きくなる。従って、駆動部３及びインペラ４１を高速で回転させることが難しい。インペラ４１を低速で回転させることとなると、液体Ｌの移送効率が低くなってしまう。そこで、本実施形態に係る回転機械１では、駆動部３及び移送部４を容器２の内部に配置して、シャフト６を短くしている。これにより、シャフト６を高速で回転させることを可能とし、インペラ４１も高速で回転させることで液体Ｌの移送効率を高めているのである。

図１において、インペラ４１が回転することにより、移送部４の下方から液体Ｌが吸引され、インペラ４１の遠心力により移送部４の側方へ排出される。これにより、液体Ｌが移送されていく。

駆動部３の作動により、駆動部３から熱が発せられる。しかしながら、断熱部５が設けられることにより、駆動部３の熱が駆動部３の外部へ移動することが抑制される。このため、駆動部３の熱により液体Ｌの温度が上昇することが抑制される。また、温度調整部３６を作動させることにより、駆動部３から発せられる熱を低減することができる。これにより、駆動部３の熱により液体Ｌの温度が上昇することが抑制される。

また、断熱部５が設けられることにより、駆動部３が液体Ｌにより低温化することが抑制される。例えば、断熱部５が設けられていない場合、駆動部３が低温化して駆動が困難になるおそれがある。そこで、本実施形態に係る回転機械１では、駆動部３の周囲に断熱部５を設けることにより、駆動部３の低温化を抑制し、駆動部３が円滑に駆動できるようにしている。

また、駆動部３及び移送部４が容器２の天井部２１に取り付けられ、駆動部３の下方に移送部４が設けられている。このため、移送部４のみを液体Ｌ内に配置することが可能となる。これにより、駆動部３の駆動時に発せられる熱が液体Ｌへ移動することを抑制することができる。また、駆動部３が低温化することを抑制することができる。さらに、断熱部５は真空断熱を行うため、駆動部３の内外の熱伝導を効果的に抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る回転機械１によれば、駆動部３及び移送部４が容器２の内部に設けられており、駆動部３と移送部４を近い位置に配置することができる。このため、駆動部３から移送部４へ延びるシャフト６を短くすることができる。従って、シャフト６及びインペラ４１を高速で回転させることができ、液体Ｌの移送効率を高めることができる。

また、本実施形態に係る回転機械１において、断熱部５が設けられることにより、駆動部３が液体Ｌにより冷やされることを抑制することができ、低温の容器２の中で駆動部３を円滑に駆動させることができる。また、断熱部５が設けられることにより、駆動部３の駆動時に発せられる熱が液体Ｌへ移動して液体が高温化することを抑制することができる。

また、本実施形態に係る回転機械１において、駆動部３及び移送部４が容器２の天井部２１に取り付けられることにより、移送部４のみを液体Ｌ内に配置することが可能となる。このため、駆動部３の駆動時に発せられる熱が液体Ｌへ移動することを抑制することができる。

また、本実施形態に係る回転機械１において、断熱部５は、ケーシングに真空空間を形成して設けられている。このため、断熱部５により、熱伝導を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態に係る回転機械１において、移送部４が駆動部３に対して下方の位置に設けられている。このため、移送部４のみを液体Ｌ内に配置することが可能となる。このため、駆動部３の駆動時に発せられる熱が液体Ｌへ移動することを抑制することができる。

さらに、本実施形態に係る回転機械１において、断熱部５の第二断熱部５２は、第一断熱部５１より厚く形成されている。このため、移送部４と駆動部３との断熱性を高めることができる。従って、駆動部３の熱が移送部４を通じて液体Ｌへ移動することを抑制することができる。また、駆動部３が移送部４を通じて低温化されることを抑制することができる。

以上のように、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様で実施することができる。

例えば、上述した実施形態においては、回転機械１の断熱部５が真空断熱を行うものであったが、他の手法により断熱を行うものであってもよい。例えば、断熱部５が断熱材を配置することにより断熱を行うものであってもよい。

また、上述した実施形態においては、回転機械１を低温の液体Ｌを移送するポンプに適用した場合について説明したが、回転機械１を他の機器などに適用してもよい。

１ 回転機械
２ 容器
３ 駆動部
４ 移送部
５ 断熱部
６ シャフト
２１ 天井部
３１ 回転軸
３２ ロータ
３３ ステータ
３４ ケーシング
３６ 温度調整部
４１ インペラ
５１ 第一断熱部
５２ 第二断熱部
Ｌ 液体
Ｔ１ 厚さ
Ｔ２ 厚さ

Claims (4)

1. 容器に収容される低温の液体を移送する回転機械であって、
   回転駆動してシャフトを回転させる駆動部と、
   前記シャフトと共に回転するインペラを有し、前記インペラの回転によって前記液体を移送する移送部と、
   前記駆動部に形成され、前記駆動部の内外の伝熱を抑制する断熱部と、を備え、
   前記駆動部及び前記移送部は、前記容器の内部に設けられ、前記容器の天井部に取り付けられている、
   回転機械。
2. 前記断熱部は、前記駆動部のケーシングに真空空間を形成して設けられている、
   請求項１に記載の回転機械。
3. 前記移送部は、前記駆動部に対して下方の位置に設けられている、
   請求項１又は２に記載の回転機械。
4. 前記断熱部は、前記駆動部の側部の全周を覆うように形成される第一断熱部と、前記駆動部と前記移送部を仕切るように形成される第二断熱部とを備え、
   前記第二断熱部は、前記第一断熱部より厚く形成されている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転機械。

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