JP4264995B2 - 回転機械の断熱構造 - Google Patents
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Description
【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、前記作動装置が極低温排気コンプレッサーのスクロールで前記回転作動部がインペラであり、これらスクロールとインペラとの間から漏れる極低温のヘリウムガスが前記断熱ガスとして前記区画壁内部及び駆動装置内部に満たされており、前記区画壁内部におけるインペラの駆動装置側背後に、前記回転軸と平行に伸び且つインペラ側端部が閉塞されて内部に前記ヘリウムガスが侵入している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、本発明をより具体的に実施するに際しては、前記対流防止空間のインペラ側端部を閉塞する閉塞プレートを備え、前記閉塞プレートは、前記インペラの背面に対して隙間を有して対峙され、前記ハニカム部材は、前記区画壁内に挿入されることにより前記閉塞プレートによって前記区画壁に固定されることが好ましい。
更に、前記区画壁内部に定温板を備え、前記インペラと前記定温板との間に、前記ハニカム部材を備えることが可能であり、前記定温板と前記駆動装置との間にも、前記ハニカム部材を設けることが可能である。
【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26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30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
Claims (5)
- 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、前記作動装置が極低温排気コンプレッサーのスクロールで前記回転作動部がインペラであり、これらスクロールとインペラとの間から漏れる極低温のヘリウムガスが前記断熱ガスとして前記区画壁内部及び駆動装置内部に満たされており、前記区画壁内部におけるインペラの駆動装置側背後に、前記回転軸と平行に伸び且つインペラ側端部が閉塞されて内部に前記ヘリウムガスが侵入している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。
- 前記対流防止空間のインペラ側端部を閉塞する閉塞プレートを備え、
前記閉塞プレートは、前記インペラの背面に対して隙間を有して対峙され、
前記ハニカム部材は、前記区画壁内に挿入されることにより前記閉塞プレートによって前記区画壁に固定され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。 - 前記区画壁内部に定温板を備え、
前記インペラと前記定温板との間に、前記ハニカム部材を備えたことを特徴とする、請求項1又は2に記載の回転機械の断熱構造。 - 前記定温板と前記駆動装置との間にも、前記ハニカム部材を設けたことを特徴とする、請求項3記載の回転機械の断熱構造。
- 前記回転軸の内部を真空に保持させるようにした真空空間を形成したことを特徴とする、請求項1〜4記載の回転機械の断熱構造。
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