JP6613679B2 - 回転機械、及び回転機械の断熱構造の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、断熱容器内の配管を通過する流体、例えば、極低温のヘリウムなどの流体を移送する回転機械、及び回転機械の断熱構造の製造方法に関する。

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、このヘリウムを循環させる循環装置用の低温回転機械が知られている（特許文献１参照）。この種の低温回転機械では、保冷容器などの断熱容器内にインペラが配置され、断熱容器外に駆動用電動機が配置されている。駆動用電動機は、回転軸を介してインペラを回転させ、断熱容器内の配管を通過するヘリウム等の流体を循環移送する。

インペラは、断熱容器に固定されたケーシングに収容されており、ケーシングは、回転軸の回りに配置された断熱材を包囲する。断熱材には循環する冷却ガスが供給される溝部が形成されている。溝部は、冷却ガスの循環によって低温に維持され、その結果、溝部は中間伝熱部として機能し、断熱材やケーシングを介して伝わる侵入熱を低減する。

特開平６−１９３５９８号公報

以前より、断熱材やケーシングを介して伝わる侵入熱を低減するためには、中間伝熱部をできるだけ高温側に配置することが望ましいと考えられていた。しかしながら、中間伝熱部を高温側に配置すればするほど、定温に維持されている中間伝熱部とケーシングとの温度差が大きくなってしまい、中間伝熱部に接するケーシングの一部で局所的に熱収縮が大きくなり、応力集中が生じてケーシングに過度の負荷をかける。その結果、ケーシングの薄肉化が困難となり、ケーシングを介して伝わる熱侵入量の低減が不十分になる可能性があった。

本発明は、中間伝熱部によって熱侵入量を低減すると共に、ケーシングを介して伝わる熱侵入量の低減にも有効である回転機械、及び該回転機械の断熱構造の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、断熱容器内の配管を通過する流体を移送する回転機械であって、断熱容器内に配置され、回転によって流体を移送するインペラと、断熱容器外に配置され、且つ回転軸を介してインペラを回転させる駆動部と、断熱容器内で回転軸の少なくとも一部を包囲する断熱部と、断熱容器に固定されると共に、断熱部を包囲するケーシングと、断熱部を駆動部側とインペラ側とに区画し、且つケーシングに当接すると共に、定温に維持されて駆動部側からインペラ側への熱侵入量を低減する中間伝熱部と、を備え、中間伝熱部の影響を排除した状態において、ケーシングは、断熱容器内で、駆動部側からインペラ側にかけて温度が低下する温度分布を有し、中間伝熱部は、ケーシングの温度分布と定温とが対応する位置に設けられている。

この回転機械では、ケーシングの温度分布と中間伝熱部の定温とが対応する位置となるように中間伝熱部が設けられている。つまり、中間伝熱部によって熱侵入量を効果的に低減しながら、中間伝熱部とケーシングとの間に生じる温度差を小さくしてケーシングにかかる負荷を低減できる。その結果、ケーシングを薄肉化し易くなってケーシングを介して伝わる熱侵入量を十分に低減し易くなる。なお、ケーシングの温度分布と中間伝熱部の定温とが対応する位置とは、ケーシングの温度分布と中間伝熱部の定温とが一致する位置、及び所望の程度まで熱侵入量を低減するために薄肉化されたケーシングが、強度上、温度差に起因する熱収縮に耐え得る範囲の誤差を許容する意味である。

いくつかの態様において、断熱部を包囲する筒状部と、筒状部に設けられ、断熱容器に固定される固定部と、を備え、筒状部は、固定部に接続された外端部と、インペラ側の内端部とを備え、ケーシングの温度分布は、筒状部の外端部から内端部にかけて温度が低下する温度勾配とすることができる。ケーシングの温度分布は温度勾配によって近似でき、従って、ケーシングの温度分布を温度勾配と定義することで、温度分布の詳細な割り出しは不要になり、中間伝熱部の適切な配置が容易となる。

また、この筒状部の外端部の温度と上記の定温との温度差をΔＴａとし、筒状部の内端部の温度と上記の定温との温度差をΔＴｂとし、外端部から中間伝熱部までの距離をＸａとし、内端部から中間伝熱部までの距離をＸｂとした場合に、ケーシングの温度勾配と定温とが対応する位置とは、ΔＴａ／ΔＴｂ＝Ｘａ／Ｘｂの条件を満たす位置とすることができる。ΔＴａ及びΔＴｂが決まれば、筒状部の外端部と内端部との距離から中間伝熱部の位置が決まるので、中間伝熱部の適切な位置への配置が容易となる。

いくつかの態様における中間伝熱部は、筒状部における回転軸方向の中央よりもインペラ側に寄って配置されている態様とすることができる。この構成では、中間伝熱部の定温が温度分布の中間温度よりも低い場合であっても、中間伝熱部を適切に配置できる。

いくつかの態様においては、中間伝熱部に熱交換可能に接続され、冷媒を循環させて中間伝熱部を定温に維持する冷却ラインを更に備えることができる。冷却ラインを備えることで、より確実に中間伝熱部を定温に維持できる。

いくつかの態様における中間伝熱部は、回転軸が貫通する貫通孔を有する板状の区画部と、貫通孔に沿って設けられると共に、回転軸に対向する円筒状の受熱部と、を備え、受熱部は、区画部の駆動部側に突き出して設けられている態様とすることができる。受熱部を区画部の駆動部側に突き出して設けることで、区画部に比べて受熱部を高温側に配置することになり、回転軸を介して伝わる熱侵入量を、回転軸のより高温側から低減できるようになって有利である。

また、本発明の一態様は、断熱容器内の配管を通過する流体を移送する回転機械の断熱構造の製造方法であって、この回転機械は、断熱容器内に配置され、回転によって流体を移送するインペラと、断熱容器外に配置され、且つ回転軸を介してインペラを回転させる駆動部と、断熱容器内で回転軸の少なくとも一部を包囲する断熱部と、断熱容器に固定されると共に、断熱部を包囲するケーシングと、断熱部を駆動部側とインペラ側とに区画し、且つケーシングに当接すると共に、定温に維持されて駆動部側からインペラ側への熱侵入量を低減する中間伝熱部と、を備え、断熱容器内において駆動部側からインペラ側にかけて温度が低下するケーシングの温度分布を、中間伝熱部の影響を排除した状態を仮定して導出しておき、導出された温度分布と定温とが対応する位置に中間伝熱部を設ける。この製造方法によれば、中間伝熱部を適切に配置して熱侵入量を低減すると共に、ケーシングを介して伝わる熱侵入量の低減にも有効である回転機械の断熱構造を製造できる。

また、本発明の一態様は、常温側ケーシングと、インペラの回転軸の一部を包囲する断熱部を内側に含み、断熱部には常温側ケーシングの側から回転軸を介して伝わる熱量を低減する中間伝熱部が含まれている低温側ケーシングと、を有し、流体を移送する回転機械であって、低温側ケーシングの中間伝熱部との当接箇所の温度と中間伝熱部の温度とは対応している。

この回転機械では、低温側ケーシングの中間伝熱部との当接箇所の温度と中間伝熱部の温度とは対応している。つまり、中間伝熱部によって熱侵入量を効果的に低減しながら、中間伝熱部と低温側ケーシングとの間に生じる温度差を小さくして低温側ケーシングにかかる負荷を低減できる。その結果、低温側ケーシングを薄肉化し易くなって低温側ケーシングを介して伝わる熱侵入量を十分に低減し易くなる。低温側ケーシングの中間伝熱部との当接箇所の温度と中間伝熱部の温度との対応とは、低温側ケーシングの中間伝熱部との当接箇所の温度と中間伝熱部の温度とが一致する場合、及び所望の程度まで熱侵入量を低減するために薄肉化された低温側ケーシングが、強度上、温度差に起因する熱収縮に耐え得る範囲の誤差を許容する意味である。

本発明のいくつかの態様によれば、中間伝熱部によって熱侵入量を低減すると共に、ケーシングを介して伝わる熱侵入量の低減にも有効である。

冷却システム全体を示す概略の説明図である。 本実施形態に係る極低温回転機械を一部破断して示す側面図である。 本実施形態に係る極低温回転機械の低温側ケーシング部、及び中間伝熱部を拡大して示す断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 低温側ケーシング部の筒状部における温度勾配を示すグラフである。 中間伝熱部の配置と筒状部の熱収縮との関係を模式的に示す断面図であり、図６（ａ）は筒状部の環状突出部、及び中間伝熱部を配置していない状態を示す図であり、図６（ｂ）は筒状部の環状突出部、及び中間伝熱部を温度勾配の対応する位置よりも高温側に配置した状態を示す図であり、図６（ｃ）は筒状部の環状突出部、及び中間伝熱部を温度勾配の対応する位置に配置した状態を示す図である。

以下、本発明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。

まず、図１を参照して極低温回転機械１０が備え付けられた冷却システム１について説明する。冷却システム１は、循環する流体によって超電導磁石２を冷却するためのシステムである。この冷却システム１では、循環する流体としてヘリウムを使用するが、冷却対象によっては窒素、水素、ネオン等の流体であってもよい。本実施形態では、極低温回転機械１０を回転機械の一例として説明する。

冷却システム１は、ヘリウム（以下、「主冷媒」という）Ｍｆが循環する循環ライン３と、循環ライン３を通過する主冷媒Ｍｆを圧送するサーキュレータポンプなどの極低温回転機械１０と、循環ライン３を通過する主冷媒Ｍｆを４Ｋ程度（極低温）にまで冷却する冷却装置４と、超電導磁石２と循環ライン３とを熱交換可能に接続する第一熱交換器５と、循環ライン３の超電導磁石２よりも下流側に配置され、冷却装置４と循環ライン３とを熱交換可能に接続する第二熱交換器６と、を備えている。

図１、及び図２に示されるように、循環ライン３は、主冷媒Ｍｆが通過する配管３ａを備えており、外気温（常温）の影響を避けるために断熱容器８内に配置されている。断熱容器８内は、対流による主冷媒Ｍｆの温度上昇を防止するために真空に保持されている。断熱容器８の天井部分８ａには、極低温回転機械１０の主要部１１が設置されている。極低温回転機械１０の主要部１１は、回転によって主冷媒Ｍｆを移送するインペラ１２と、回転軸１３を介してインペラ１２を回転させる駆動モータ１４とを備えている。本実施形態では、駆動モータ１４を駆動部の一例として説明する。

極低温回転機械１０は、主要部１１を収容するケーシング１５を備えている。ケーシング１５は、駆動モータ１４を収容する常温側ケーシング部１６と、インペラ１２を収容する低温側ケーシング部１７とを備えており、常温側ケーシング部１６は、断熱容器８の外側に配置され、低温側ケーシング部１７は、主に断熱容器８の内側（内部）に配置されている。

低温側ケーシング部１７は、インペラ１２を収容し、循環ライン３の配管３ａに接続されたインペラ室１８と、回転軸１３に沿ってインペラ室１８から立設された薄肉円筒状の筒状部１９と、筒状部１９の上端側から張り出すように設けられた固定フランジ部２０とを備えている。低温側ケーシング部１７は、断熱容器８の区画壁８１に形成された円形孔に通され、固定フランジ部２０が区画壁８１に溶接により固定されている。

常温側ケーシング部１６は、回転軸１３を囲むように立設され、駆動モータ１４を収容する筒状の胴体部１６ａと、胴体部１６ａの上部開口を塞ぐ蓋部１６ｂと、胴体部１６ａの下端に設けられたフランジ部１６ｃとを備えている。フランジ部１６ｃは、低温側ケーシング部１７の固定フランジ部２０の上面に重なり、シール部材を挟んで密閉状態を確保しながら固定フランジ部２０にボルト止めされている。フランジ部１６ｃのボルトを緩め、低温側ケーシング部１７から常温側ケーシング部１６を離脱させることで、主要部１１を低温側ケーシング部１７から引き出すことができる。具体的には、常温側ケーシング部１６に支持された回転軸１３と一緒に、インペラ１２、及び後述の断熱部２３の一部、及び中間伝熱部２７を低温側ケーシング部１７から引き出すことができ、更に、常温側ケーシング部１６の蓋部１６ｂを開くことで、容易に主要部１１をメンテナンスできる。

常温側ケーシング部１６の内部には、駆動モータ１４を挟むように上下二箇所にラジアル軸受部２１が配置されており、更に、駆動モータ１４と下側のラジアル軸受部２１との間には、回転軸１３方向の荷重を受けながら回転軸１３を支えるスラスト軸受部２２が配置されている。

低温側ケーシング部１７の内部には断熱材が収容されて断熱部２３が形成されている。断熱部２３には、回転軸１３が貫通する円形の貫通孔２３ａが形成されており、その結果、断熱部２３は回転軸１３の一部を包囲している。なお、本実施形態では、低温側ケーシング部１７の内部に断熱材を収容することで断熱部２３を形成するが、低温側ケーシング部１７の内部に真空の断熱室を形成し、更に断熱室内に対流防止材を配置して断熱部とすることも可能である。

断熱部２３は、上下二段に分かれており、上段断熱部２４と下段断熱部２５との間には、−１９０℃程度の定温に維持された中間伝熱部２７が配置されている。中間伝熱部２７は、サーマルアンカーとも呼ばれ、回転軸１３と同等以上の熱伝導性を有し、例えば銅板等によって形成される。中間伝熱部２７は、回転軸１３を介して高温側から低温側に伝わる侵入熱量を低減するために設けられており、更に断熱部２３を介して僅かに伝わる侵入熱量の低減にも有効である。なお、下段断熱部２５は更に内側部分２５ａと外側部分２５ｂとに分割されており、メンテナンス時には、内側部分２５ａのみが回転軸１３や中間伝熱部２７と一緒に引き出される。

中間伝熱部２７は、筒状部１９の内面側に設けられた環状突出部３０に接触する。環状突出部３０は、−１９０℃程度に維持されながら循環するヘリウム（以下、「副冷媒」という）Ｓｆによって定温に維持されている。中間伝熱部２７は、回転軸１３から伝わった熱量を環状突出部３０との間で熱交換することにより、−１９０℃程度の定温に維持されている。なお、本実施形態では副冷媒Ｓｆとしてヘリウムを利用する態様を例示するが、必要に応じて窒素等であってもよい。

極低温回転機械１０は、副冷媒Ｓｆを循環させる冷却ライン３１を備えている（図１参照）。環状突出部３０内に形成された副冷媒Ｓｆの流路３０ａは、１パスで入口と出口とを有し、中間伝熱部２７の回りを略１周するように形成されている。冷却ライン３１は、副冷媒Ｓｆを循環させるラインであり、環状突出部３０に形成された副冷媒Ｓｆの入口と出口とのそれぞれに接続された配管３１ａ、及びサーキュレータポンプ（図示省略）等を備えている。冷却ライン３１は、第三熱交換器７を介して冷却装置１１０との間で熱交換可能に配置されており、熱交換後の副冷媒Ｓｆは、−１９０℃に維持されて筒状部１９の環状突出部３０に供給され、環状突出部３０から排出された副冷媒Ｓｆは第三熱交換器７に到達して再び冷却される。

[中間伝熱部の構造]
図３、及び図４に示されるように、中間伝熱部２７は、上段断熱部２４と下段断熱部２５とを区画する板状で、且つ環状の区画部２７ａと、区画部２７ａの内周側で、断熱部２３の貫通孔２３ａに沿って形成された円筒部２７ｂと、を備える。円筒部２７ｂの内面は、回転軸１３に対向し、また回転軸１３にできるだけ近づけながら回転に支障をきたさない程度の僅かな隙間が設けられている。−１９０℃程度の定温に維持された円筒部２７ｂは、回転軸１３との間で熱交換を行い、回転軸１３を介して伝わる侵入熱量を低減する機能を有する。なお、回転軸１３には、侵入熱量の低減のために真空の空洞１３ａが設けられている。

円筒部２７ｂは、区画部２７ａを挟んで回転軸１３の両方向に突き出しており、特に、駆動モータ１４側の方により多く突き出している受熱部２７ｃを備えている。その結果、回転軸１３を介して伝わる熱侵入量を、回転軸１３の区画部２７ａに対応する位置よりも、より高温側から低減できるようになって有利である。

区画部２７ａは、円筒部２７ｂに接続された内側の主板部２７ｄと、主板部２７ｄの外側で、主板部２７ｄよりも薄肉化されて段差が形成された外縁部２７ｅとを備える。外縁部２７ｅは、低温側ケーシング部１７の筒状部１９に当接する。筒状部１９の内面側には、中間伝熱部２７を囲み、そして外縁部２７ｅに当接する環状の環状突出部３０が形成されている。環状突出部３０内には、中間伝熱部２７の周方向に沿うように流れる１パス（単一流路）の副冷媒Ｓｆの流路３０ａが形成されている。副冷媒Ｓｆは、−１９０℃程度の極低温に維持されながら循環している。

中間伝熱部２７は、外縁部２７ｅと環状突出部３０との熱交換によって−１９０℃程度に維持されている。また、外縁部２７ｅは、主板部２７ｄに対して段差を形成しており、その段差を含めて環状突出部３０に接している。したがって、段差無く平坦であるよりも、環状突出部３０との接触面積が大きくなり、環状突出部３０との間での熱交換を効率よく実施できる。

[中間伝熱部、及び環状突出部の配置]
図３、及び図５に示されるように、低温側ケーシング部１７は、断熱容器８に固定された駆動モータ１４側（外部側）の上部で最も温度が高く、インペラ１２側（内部側）が最も低くなる。具体的には、低温側ケーシング部１７は、固定フランジ部２０で最も温度が高く、インペラ室１８で最も温度が低くなるような温度分布となる。ここで固定フランジ部２０からインペラ室１８への侵入熱量を極力低減させる必要があり、固定フランジ部２０とインペラ室１８との間には断面積をできるだけ小さくして侵入熱量の低減を図るべく、薄肉の筒状部１９が配置されている。なお、固定フランジ部２０は、断熱容器８に固定される固定部の一例である。

また、筒状部１９の内側には断熱部２３が収容されており、更に、中間伝熱部２７により、回転軸１３を介して伝わる侵入熱量の低減も図られている。中間伝熱部２７は、−１９０℃程度の定温Ｔｓに維持されており、中間伝熱部２７の定温維持は、筒状部１９に形成した環状突出部３０内を循環する副冷媒Ｓｆとの熱交換によって実現されている。

ここで、本実施形態に係る極低温回転機械１０において、中間伝熱部２７、筒状部１９の環状突出部３０、及び冷却ライン３１が存在しない試験態様１００（図６（ａ）参照）を仮定して温度分布のシミュレーションを行う。すると、筒状部１９での温度分布は、固定フランジ部２０に接続された上端部（外端部）１９ａで最も温度（約０℃）が高く（図５参照）、インペラ１２側である下端部（内端部）１９ｂで最も温度（約−２６０℃）が低い温度勾配Ｇによって近似できる。また、筒状部１９は、温度による熱収縮によって縮径するので、最大でも２ｍｍ程度の差ではあるが、上端部１９ａの径が最も大きく、下端部１９ｂの径が最も小さくなる。

次に、試験態様１００の所定の温度勾配Ｇを有する筒状部１９に対し、中間伝熱部２７、筒状部１９の環状突出部３０、及び冷却ライン３１を仮定的に設ける。ここで、中間伝熱部２７、及び環状突出部３０の定温Ｔｓ（例えば、−１９０℃）と、筒状部１９との温度差が大きくなると（図６（ｂ）参照）、中間伝熱部２７、及び環状突出部３０を配置した筒状部１９の一部分Ｐｘで局所的に熱収縮が大きくなり、応力集中が生じて筒状部１９に過度の負荷をかけてしまう。具体的には、温度勾配Ｇが−４０℃〜−５０℃の高さ位置に、−１９０℃の中間伝熱部２７、及び環状突出部３０を配置すると、その配置箇所に１００℃を超える温度差が生じ、局所的に極端な熱収縮が起こり、筒状部１９に過度の負荷をかけてしまう。その結果、この過度の負荷に耐え得るように筒状部１９を厚肉にする必要が生じ、結果的に、筒状部１９を介して伝わる侵入熱量を所望の程度まで低減することが困難になる。

一方で、試験態様１００において、中間伝熱部２７、及び環状突出部３０を、筒状部１９の温度勾配Ｇに対応する位置に配置すると、局所的な熱収縮を低減して応力集中を防ぐことができ、筒状部１９にかかる負荷を低減できる（図６（ｃ）参照）。本実施形態では、中間伝熱部２７、及び環状突出部３０の定温Ｔｓ（例えば、−１９０℃）と筒状部１９の温度勾配Ｇとが対応する位置に中間伝熱部２７、及び環状突出部３０を設けており、その結果、筒状部１９に過度の負荷をかけてしまうのを防いでいる。なお、中間伝熱部２７、及び環状突出部３０の定温Ｔｓと筒状部１９の温度勾配Ｇとが対応する位置とは、筒状部１９の温度分布（本実施形態では、温度勾配Ｇ）と中間伝熱部２７の定温Ｔｓとが一致する位置、及び所望の程度まで熱侵入量を低減するために薄肉化された筒状部１９が、強度上、温度差に起因する熱収縮に耐え得る範囲の誤差を許容する意味である。

上述の定温Ｔｓと筒状部１９の温度勾配Ｇとが対応する位置の一例について具体的に説明する（図３、及び図５参照）。例えば、筒状部１９の上端部１９ａの温度と、上記の定温Ｔｓとの温度差をΔＴａとし、筒状部１９の下端部１９ｂの温度と上記の定温Ｔｓとの温度差をΔＴｂとする。また、上端部１９ａから中間伝熱部２７までの距離をＸａとし、下端部１９ｂから中間伝熱部２７までの距離をＸｂとする。なお、本実施形態では、上端部１９ａまたは下端部１９ｂから中間伝熱部２７までの距離Ｘａ、及びＸｂは、中間伝熱部２７と環状突出部３０との接点を基準にしている。具体的には、上端部１９ａから中間伝熱部２７までの距離Ｘａは、中間伝熱部２７に接する中間伝熱部２７の上面（接触面）２７ｘと上端部１９ａとの間の距離とし、下端部１９ｂから中間伝熱部２７までの距離Ｘｂは、中間伝熱部２７に接する環状突出部３０の上面（接触面）２７ｘと下端部１９ｂとの間の距離としている。

この場合に、筒状部１９の温度勾配Ｇと上記の定温Ｔｓとが対応する位置について、ΔＴａ／ΔＴｂ＝Ｘａ／Ｘｂの条件を満たす位置とすることができる。この条件を利用すると、ΔＴａ及びΔＴｂが決まれば、筒状部１９の上端部１９ａと下端部１９ｂとの距離から中間伝熱部２７や環状突出部３０の位置が決まるので、中間伝熱部２７や環状突出部３０の適切な位置への配置が容易となる。

更に本実施形態に係る中間伝熱部２７の定温Ｔｓは、筒状部１９の温度勾配Ｇの中間温度よりも低くなっており、従って、中間伝熱部２７は、筒状部１９における回転軸１３の軸線Ｌａ方向（回転軸方向）の中央よりもインペラ１２側に寄って配置されていると好ましい。更に筒状部１９の上端部１９ａから下端部１９ｂまでの距離をＬとした場合に、中間伝熱部２７を上端部１９ａから２Ｌ／３以上で、Ｌ未満の範囲に配置することが望ましい。

［極低温回転機械の断熱構造の製造方法］
上述の通り、中間伝熱部２７、及び環状突出部３０の配置を決める際には、試験態様１００（図６参照）を仮定して、筒状部１９での温度分布を導出しておく。ここで、この温度分布を精度良く求め、その温度分布に対応する位置に中間伝熱部２７、及び環状突出部３０を配置するように極低温回転機械１０の断熱構造を製造することも可能である。しかしながら、この温度分布は、筒状部１９の上端部１９ａから下端部１９ｂにかけて低下する温度勾配Ｇによって近似できるので、本実施形態では筒状部１９の温度勾配Ｇを導出しておき、その温度勾配Ｇに対応する位置に中間伝熱部２７、及び環状突出部３０を配置するように極低温回転機械１０の断熱構造を製造する。

［本実施形態に係る極低温回転機械の作用、効果］
極低温回転機械１０では、低温側ケーシング部１７の温度勾配（温度分布）Ｇと中間伝熱部２７の定温Ｔｓとが対応する位置となるように中間伝熱部２７が設けられている。つまり、中間伝熱部２７によって熱侵入量を効果的に低減しながら、中間伝熱部２７と低温側ケーシング部１７との間に生じる温度差を小さくして低温側ケーシング部１７にかかる負荷を低減できる。その結果、低温側ケーシング部１７の特に筒状部１９を薄肉化し易くなり、筒状部１９を介して伝わる熱侵入量を十分に低減し易くなる。

また、本実施形態では、低温側ケーシング部１７の温度分布について、筒状部１９の外端部から内端部にかけて温度が低下する温度勾配Ｇと定義しており、その結果、温度分布の詳細な割り出しは不要になり、中間伝熱部２７の適切な配置が容易となる。

また、本実施形態に係る中間伝熱部２７は、筒状部１９における回転軸１３方向の中央よりもインペラ１２側に寄って配置されている。この態様では、中間伝熱部２７の定温Ｔｓが温度勾配（温度分布）Ｇの中間温度よりも低い場合であっても、中間伝熱部２７を適切に配置できる。

また、極低温回転機械１０は、中間伝熱部２７に熱交換可能に接続され、副冷媒Ｓｆを循環させて中間伝熱部２７を定温Ｔｓに維持する冷却ライン３１を備えており、より確実に中間伝熱部２７を定温Ｔｓに維持できる。

また、本実施形態に係る中間伝熱部２７は、回転軸１３に対向する円筒部２７ｂ（受熱部の一例）を備え、更に円筒部２７ｂは、区画部２７ａの駆動モータ１４側に突き出している受熱部２７ｃを備えている。つまり、回転軸１３との間で熱交換する受熱部２７ｃを区画部２７ａに比べて高温側に配置することになり、回転軸１３を介して伝わる熱侵入量を、回転軸１３のより高温側から低減できるようになって有利である。

また、上述の極低温回転機械１０の断熱構造の製造方法では、低温側ケーシング部１７の温度勾配（温度分布）Ｇを、中間伝熱部２７の影響を排除した状態を仮定して導出しておき、導出された温度勾配Ｇと定温Ｔｓとが対応する位置に中間伝熱部２７を設ける。この製造方法によれば、中間伝熱部２７を適切に配置して熱侵入量を低減すると共に、低温側ケーシング部１７を介して伝わる熱侵入量の低減にも有効である極低温回転機械１０の断熱構造を製造できる。

また、極低温回転機械１０は、常温側ケーシング部（常温側ケーシング）１６と、インペラ１２の回転軸１３の一部を包囲する断熱部２３を内側に含み、断熱部２３には常温側ケーシング部１６の側から回転軸１３を介して伝わる熱量を低減する中間伝熱部２７が含まれている低温側ケーシング部（低温側ケーシング）１７と、を有し、低温側ケーシング部１７の中間伝熱部２７との当接箇所の温度と中間伝熱部２７の温度とは対応している。つまり、中間伝熱部２７によって熱侵入量を効果的に低減しながら、中間伝熱部２７と低温側ケーシング部１７との間に生じる温度差を小さくして低温側ケーシング部１７にかかる負荷を低減できる。その結果、低温側ケーシング部１７の特に筒状部１９を薄肉化し易くなり、筒状部１９を介して伝わる熱侵入量を十分に低減し易くなる。なお、低温側ケーシング部１７の中間伝熱部２７との当接箇所の温度と中間伝熱部２７の温度との対応とは、低温側ケーシング部１７の中間伝熱部２７との当接箇所の温度と中間伝熱部２７の温度とが一致する位置、及び所望の程度まで熱侵入量を低減するために薄肉化された低温側ケーシング部１７が、強度上、温度差に起因する熱収縮に耐え得る範囲の誤差を許容する意味である。

以上、実施形態について説明したが、本発明は、以上の実施形態のみに限定されない。例えば、上記の実施形態では、極低温で移送される流体の定温維持と中間伝熱部の定温維持とを同じ冷却装置を利用して行い、その結果、中間伝熱部の定温に合せて中間伝熱部の配置が決められる態様について説明した。しかしながら、中間伝熱部の配置を先に決め、この配置におけるケーシングの温度分布（または温度勾配）に対応するように中間伝熱部の定温を決め、そして冷却ラインを通過する冷媒の温度を決めるようにしてもよい。

本発明は、断熱容器内の配管を通過する流体を移送する回転機械において広く利用でき、サーキュレータポンプなどの流体移送手段のみならず、コンプレッサーやタービン、インデューサ等であっても良い。

３ 循環ライン
３ａ 配管
８ 断熱容器
１０ 極低温回転機械（回転機械）
１２ インペラ
１３ 回転軸
１４ 駆動モータ（駆動部）
１５ ケーシング
１６ 常温側ケーシング部（常温側ケーシング）
１７ 低温側ケーシング部（低温側ケーシング）
１９ 筒状部
１９ａ 上端部（外端部）
１９ｂ 下端部（内端部）
２０ 固定フランジ部（固定部）
２３ 断熱部
２７ 中間伝熱部
２７ａ 区画部
２７ｃ 受熱部
３１ 冷却ライン
Ｍｆ 主冷媒（流体）
Ｓｆ 副冷媒（冷媒）
Ｔｓ 定温
Ｇ 温度勾配（温度分布）

Claims (8)

1. 断熱容器内の配管を通過する流体を移送する回転機械であって、
   前記断熱容器内に配置され、回転によって前記流体を移送するインペラと、
   前記断熱容器外に配置され、且つ回転軸を介して前記インペラを回転させる駆動部と、
   前記断熱容器内で前記回転軸の少なくとも一部を包囲する断熱部と、
   前記断熱容器に固定されると共に、前記断熱部を包囲するケーシングと、
   前記断熱部を前記駆動部側と前記インペラ側とに区画し、且つ前記ケーシングに当接すると共に、定温に維持されて前記駆動部側から前記インペラ側への熱侵入量を低減する中間伝熱部と、を備え、
   前記中間伝熱部の影響を排除した状態において、前記ケーシングは、前記断熱容器内で、前記駆動部側から前記インペラ側にかけて温度が低下する温度分布を有し、
   前記中間伝熱部は、前記ケーシングの前記温度分布と前記定温とが対応する位置に設けられている、回転機械。
2. 前記ケーシングは、前記断熱部を包囲する筒状部と、前記筒状部に設けられ、前記断熱容器に固定される固定部と、を備え、
   前記筒状部は、前記固定部に接続された外端部と、前記インペラ側の内端部とを備え、
   前記ケーシングの前記温度分布は、前記筒状部の前記外端部から前記内端部にかけて温度が低下する温度勾配である、請求項１記載の回転機械。
3. 前記外端部の温度と前記定温との温度差をΔＴａとし、前記内端部の温度と前記定温との温度差をΔＴｂとし、前記外端部から前記中間伝熱部までの距離をＸａとし、前記内端部から前記中間伝熱部までの距離をＸｂとした場合に、前記ケーシングの前記温度勾配と前記定温とが対応する位置とは、ΔＴａ／ΔＴｂ＝Ｘａ／Ｘｂの条件を満たす位置である、請求項２記載の回転機械。
4. 前記中間伝熱部は、前記筒状部における前記回転軸方向の中央よりも前記インペラ側に寄って配置されている、請求項２または３記載の回転機械。
5. 前記中間伝熱部に熱交換可能に接続され、冷媒を循環させて前記中間伝熱部を前記定温に維持する冷却ラインを更に備える、請求項１〜４のいずれか一項記載の回転機械。
6. 前記中間伝熱部は、前記回転軸が貫通する貫通孔を有する板状の区画部と、前記貫通孔に沿って設けられると共に、前記回転軸に対向する円筒状の受熱部と、を備え、
   前記受熱部は、前記区画部の前記駆動部側に突き出して設けられている、請求項１〜５のいずれか一項記載の回転機械。
7. 断熱容器内の配管を通過する流体を移送する回転機械の断熱構造の製造方法であって、
   前記回転機械は、
   前記断熱容器内に配置され、回転によって前記流体を移送するインペラと、
   前記断熱容器外に配置され、且つ回転軸を介して前記インペラを回転させる駆動部と、
   前記断熱容器内で前記回転軸の少なくとも一部を包囲する断熱部と、
   前記断熱容器に固定されると共に、前記断熱部を包囲するケーシングと、
   前記断熱部を前記駆動部側と前記インペラ側とに区画し、且つ前記ケーシングに当接すると共に、定温に維持されて前記駆動部側から前記インペラ側への熱侵入量を低減する中間伝熱部と、を備え、
   前記断熱容器内において前記駆動部側から前記インペラ側にかけて温度が低下する前記ケーシングの温度分布を、前記中間伝熱部の影響を排除した状態を仮定して導出しておき、
   導出された前記温度分布と前記定温とが対応する位置に前記中間伝熱部を設ける、回転機械の断熱構造の製造方法。
8. 流体を移送する回転機械であって、
   常温側ケーシングと、インペラの回転軸の一部を包囲する断熱部を内側に含み、前記断熱部には前記常温側ケーシングの側から前記回転軸を介して伝わる熱量を低減する中間伝熱部が含まれている低温側ケーシングと、を有し、
   前記中間伝熱部は定温に維持されており、
   前記低温側ケーシングは、前記中間伝熱部の影響を排除した状態において、前記常温側ケーシング側から前記インペラ側にかけて温度が低下する温度分布を有し、
   前記低温側ケーシングの前記中間伝熱部との当接箇所における前記温度分布に基づく温度と、前記中間伝熱部の温度とは対応している、回転機械。

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