JP4200549B2

JP4200549B2 - 回転機械の断熱構造

Info

Publication number: JP4200549B2
Application number: JP20182298A
Authority: JP
Inventors: 脩好佐治; 誠一郎吉永; 啓朝倉; 健太郎伊藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2018-07-16
Also published as: JP2000035191A

Description

【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、前記作動装置３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も、極低温を発生する作動装置３の効率を高めるためには、回転軸８を伝わって回転作動部９に伝達される熱を極力低減させなければならない。
【００１３】
上記回転軸８による熱の伝達を低減させる方法として、回転軸８の内部に真空空間を形成して薄肉の回転軸とすることが考えられる。しかし、このようにした場合にも、回転軸８の強度保持の点から薄肉部の肉厚はある程度以下に小さくすることはできず、そのために回転軸８を伝わる熱の侵入が大きくなってしまう。
【００１４】
即ち、回転軸８を伝わる熱の温度分布を図４に併記して曲線Ｘ１で示すように、低温部の長さは短くなり（常温部側（約３００Ｋ）に近い位置の熱伝導率が大きいため）、よって回転作動部９に伝わる熱の侵入が大きくなってしまう問題がある。
【００１５】
また、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内部を流動するために、ヘリウムの対流によっても駆動装置７側の熱がインペラ１０に伝達されることになってしまう。
【００１６】
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。
【００１７】
【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して駆動装置の熱が作動装置に侵入するのを防止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軸に、該回転軸の内部に真空空間を設けることにより薄肉部を形成し、
区画壁内部に、内周部に前記薄肉部の外周面を隙間を有して包囲する伝熱フランジを備え、外周部に冷却源が接続された中間伝熱材を設け、
前記薄肉部は、前記伝熱フランジの内側において前記伝熱フランジに対して回転する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。
【００１８】
又、中間伝熱材を銅板で構成したり、区画壁内部に対流防止材を設け、この対流防止材は、前記作動装置と前記中間伝熱材との間、及び、前記駆動装置と前記中間伝熱材との間に備えられていても良く、更に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っても良い。
【００１９】
本発明によれば、区画壁内部における回転軸に、該回転軸の内部に真空空間を設けることにより薄肉部を形成し、区画壁内部の所要位置に、内周部に前記薄肉部の外周面を小さい隙間で包囲する伝熱フランジを備え、外周部に冷却源が接続された中間伝熱材を設けた構成としているので、中間伝熱材の伝熱により前記隙間を介して回転軸の薄肉部に中間温度域を設けることができ、この中間温度域の存在により、回転軸を介して回転作動部に伝わる熱の侵入を極力低減させることができる。
【００２０】
また、中間伝熱材を熱伝導率の高い銅板で構成すると、薄肉部に中間温度域を形成することが容易になり、また区画壁内部に対流防止材を設けると、断熱ガスの対流によって駆動装置側の熱が回転作動部に伝達されるのを防止することができる。
【００２１】
上記により、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。
【００２２】
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。
【００２３】
【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。
【００２４】
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。
【００２５】
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した区画壁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に係合する。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
図１中、１９はケーシング１３に形成した水冷ジャケット、２０は駆動装置７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である。
【００２９】
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薄肉部２５を形成し、その内部を真空に保持させた真空空間２６を形成するようにしている。このように回転軸８内部に真空空間２６を設けて薄肉部２５を形成し該薄肉部２５の長さを長くとるようにすると、回転軸８を伝わって内部のインペラ１０に侵入する熱を低減することができる。
【００３０】
しかし、前記回転軸８の薄肉部２５の肉厚を薄くし長さを長くして断熱効果を高めようとしても、強度上の限界からある程度の肉厚とする必要が生じて得られる断熱効果に限界があり、しかも回転軸８の温度分布を図４に併記して曲線Ｘ１で示したように、低温部分が短くなって、熱の侵入が比較的大きくなるために断熱効果が低下してしまうという問題がある。
【００３１】
このため、前記区画壁１１内部の所要位置に、内周部に前記薄肉部２５の外周面を小さい隙間Ｓで包囲する伝熱フランジ２７を備えた中間伝熱材２８を設ける。中間伝熱材２８には、例えば銅板のような熱伝導率の高い材料を用いるようにする。
【００３２】
前記中間伝熱材２８の外周部には、冷却源２９を設ける。冷却源２９としては、液体窒素（ＬＮ２）又はヘリウムガスを通すようにした通路３０を前記中間伝熱材２８の外周に沿って一体に設けるようにしている。
【００３３】
また、区画壁１１内部における中間伝熱材２８とインペラ１０の背面に対して僅かな隙間を隔てた位置との間と、中間伝熱材２８と駆動装置７との間の夫々には、内部の断熱ガス（ヘリウム）の対流を防止するようにしたハニカム等の対流防止材３１，３２を設けるようにしている。対流防止材３１，３２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３３にて閉塞された多数の対流防止空間３４を形成するようになっている。上記対流防止材３１，３２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３３によって区画壁１１に固定されるようになっている。
【００３４】
次に、上記図１、図２に示した形態例の作用を説明する。
【００３５】
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。
【００３６】
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（例えば３００Ｋ以上）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、区画壁１１は薄肉のステンレス（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は少ない。
【００３７】
一方、回転軸８に真空空間２６を設けて薄肉部２５を形成しているが、回転軸８の強度保持の点から薄肉部２５の肉厚はある程度以下に小さくすることはできず、そのために回転軸８を伝わる熱の侵入も大きくなる。
【００３８】
このとき、回転軸８の長手方向中間部に、薄肉部２５の外周面を小さい隙間Ｓで包囲する伝熱フランジ２７を備えた中間伝熱材２８を設け、該中間伝熱材２８を、外周部に設けた冷却源２９によって例えば８０Ｋ程度に冷却することにより、薄肉部２５に中間温度域（８０Ｋ）を形成するようにしている。
【００３９】
上記において、８０Ｋを保持した中間伝熱材２８の伝熱フランジ２７が僅かな隙間Ｓで薄肉部２５を包囲していることにより、薄肉部２５の熱が区画壁１１内に満たされているヘリウムを伝わって伝熱フランジ２７に伝えられ、中間伝熱材２８を介して冷却源２９により一定温度（８０Ｋ）に冷却される。
【００４０】
上記ヘリウムの熱伝達率は、金属に比べると約１／１００程度と小さいが、空気に比べると６倍程度の高い熱伝達率を有しており、前記薄肉部２５と伝熱フランジ２７との間の隙間Ｓは小さく、しかも回転軸８は回転していて上記隙間Ｓのヘリウムは流動して対流するために充分に熱を伝達することができる。
【００４１】
上記したように、回転軸８の薄肉部２５に中間伝熱材２８によって中間温度域が形成されることにより、図２の回転軸８の温度分布を併記して曲線Ｘ２で示すように、低温部の長さを長くすることができ、よって回転作動部９に伝わる熱の侵入を大幅に低減することができるようになる。
【００４２】
また、上記したように回転軸８による熱の侵入を低減できるので、回転軸８自体の長さも短くすることができ、よってその分回転軸８の強度を上げることができるので、薄肉部２５の厚さを更に薄くすることもできる。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、区画壁内部における回転軸に、該回転軸の内部に真空空間を設けることにより薄肉部を形成し、区画壁内部の所要位置に、内周部に前記薄肉部の外周面を小さい隙間で包囲する伝熱フランジを備え、外周部に冷却源が接続された中間伝熱材を設けた構成としているので、中間伝熱材の伝熱により前記隙間を介して回転軸の薄肉部に中間温度域を設けることができ、この中間温度域の存在により、回転軸を介して回転作動部に伝わる熱の侵入を極力低減させることができる。
【００４６】
また、中間伝熱材を熱伝導率の高い銅板で構成すると、薄肉部に中間温度域を形成することが容易になり、また区画壁内部に対流防止材を設けると、断熱ガスの対流によって駆動装置側の熱が回転作動部に伝達されるのを防止することができる。
【００４７】
上記により、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。
【００４８】
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。
【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
２５薄肉部
２６真空空間
２７伝熱フランジ
２８中間伝熱材
２９冷却源
３１対流防止材
３２対流防止材
Ｓ隙間

Claims

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して駆動装置の熱が作動装置に侵入するのを防止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軸に、該回転軸の内部に真空空間を設けることにより薄肉部を形成し、
区画壁内部に、内周部に前記薄肉部の外周面を隙間を有して包囲する伝熱フランジを備え、外周部に冷却源が接続された中間伝熱材を設け、
前記薄肉部は、前記伝熱フランジの内側において前記伝熱フランジに対して回転することを特徴とする回転機械の断熱構造。
中間伝熱材が銅板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。
区画壁内部に対流防止材を設け、
前記対流防止材は、前記作動装置と前記中間伝熱材との間、及び、前記駆動装置と前記中間伝熱材との間に備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の回転機械の断熱構造。
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１〜３のいずれか１つに記載の回転機械の断熱構造。