JPH06193598A - 極低温回転機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】侵入熱を低減させ、断熱効率の向上した極低温
回転機器を提供する。 【構成】インペラー１と、このインペラー１の背面部か
ら軸受部４，６の間に挿入した断熱材２と、回転軸３の
一部とをケーシング１２内に収納し、かつ断熱材２の一
部に、ケーシング１２を貫通して液体窒素温度レベルま
で冷却した、作動流体と同質の流体を供給し、前記断熱
材２およびケーシング１２を冷却する冷却ガス流路を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、極低温回転機器に関
するものである。さらに詳しくは、この発明は、超臨界
ヘリウムで強制冷却を行う超臨界ヘリウム循環装置等に
使用される低温排気ポンプ、超臨界ヘリウムポンプなど
の極低温回転機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超臨界ヘリウム循環装置用の
極低温回転機器については、各種のものが提供されてき
ており、たとえば、４Ｋ〜4.2 Ｋのヘリウムを作動流体
とし、インペラーを回転させることにより作動流体を昇
圧させるポンプがこれまでに知られている。

【０００３】このような極低温回転機器においては、軸
受部の温度レベルを常温とし、インペラー背面部と軸受
（ジャーナル軸受）部との間に断熱板を設け、低温側へ
熱が侵入するのを防いでいる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
極低温回転機器は、一般に、比較的小型のものが多く、
現在のところ国内最大の処理流量の低温排気ポンプで
も、その理論軸動力は３５０Ｗ程度に留まっている。こ
のため、外部から低温側への侵入熱量が断熱効率に大き
く影響し、たとえば前述の低温排気ポンプの場合には、
侵入熱量ＱＬを５０Ｗと仮定すると、流量Ｗは１３０ｇ
／ｓであることから、単位流量当りのエンタルピ上昇Δ
ｉは、次式より0.385 Ｊ／ｇとなる。

【０００５】

【数１】

【０００６】理論エンタルピ上昇は、2.676 Ｊ／ｇであ
るため、仮に侵入熱がない場合の断熱効率を0.7 とする
と、実際のエンタルピ上昇は2.676 ／0.7 ＝3.823 Ｊ／
ｇとなる。侵入熱（５０Ｗ）の場合は、エンタルピ上昇
が3.823 ＋0.385 ＝4.208 Ｊ／ｓとなり、断熱効率ηad
は、

【０００７】

【数２】

【０００８】となる。すなわち、侵入熱（５０Ｗ）の影
響で6.4 ％効率が下がったことになる。一方、侵入熱量
は、軸受側温度とインペラー側温度の温度差、熱伝導部
の面積および熱伝導部の長さ（温度勾配のついている軸
方向長さ）に比例する。熱伝導部の面積は、設計仕様か
らインペラー外径が決まれば、全体の大きさが決まるの
で改善の余地は少ない。また、熱伝導部の長さを長くす
ると、回転軸長さが長くなり、回転軸の共振点が下がる
ため、これについても制限がある。

【０００９】この発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであり、従来の極低温回転機器の欠点を解消
し、侵入熱を低減させ、断熱効率の向上した極低温回転
機器を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を実現するために、回転軸の一端部に設けたインペラー
を極低温領域で作動させるとともに、回転軸を支承する
軸受部を液体窒素温度レベルよりも高い状態に保持する
極低温回転機器において、インペラーと、このインペラ
ーの背面部から軸受部の間に挿入した断熱材と、回転軸
の一部とをケーシング内に収納し、かつ断熱材の一部
に、ケーシングを貫通して液体窒素温度レベルまで冷却
した、作動流体と同質の流体を供給し、前記断熱材およ
びケーシングを冷却する冷却ガス流路を形成してなるこ
とを特徴とする極低温回転機器を提供する。

【００１１】

【作 用】この発明の極低温回転機器においては、作動
流体と同質の流体を液体窒素温度レベル（８０Ｋ）まで
下げ、これを断熱材の一部へ供給することにより、断熱
材およびこの断熱材を収納するケーシングを冷却するこ
とができる。断熱材とインペラーとの間の温度差が小さ
くなり、インペラー側への侵入熱量が低減される。

【００１２】また、断熱材およびケーシングを冷却した
流体を回転軸の外径に沿って軸方向へ流すことにより、
回転軸や軸受室内も冷却され、軸受部での発熱等を抑止
し、所定の温度に保持することが可能となる。

【００１３】

【実施例】以下図面に沿って実施例を示し、この発明の
極低温回転機器についてさらに詳しく説明する。図１
は、この発明の極低温回転機器の一実施例を示した断面
図である。この図１の例においては、インペラー（１）
を一端部に装着した回転軸（３）の中央部および他端部
を、たとえば動圧型ガス軸受等のジャーナル軸受（４）
およびスラスト軸受（６）により支承している。また、
回転軸（３）の駆動源として駆動用電動機（５）を配設
している。これらのジャーナル軸受（４）、スラスト軸
受（６）および電動機（５）については、それらの軸受
性能と電動機の耐寒温度の制限内（例えば−１０℃以
内）で使用することができる。

【００１４】たとえばＨｅ等の極低温状態の作動流体
は、入口ノズル（８）より流入し、インペラー（１）で
昇圧された後、出口ノズル（９）より外部へ排出され
る。インペラー（１）の背面部とジャーナル軸受（４）
との間には、断熱材（２）を挿入しており、軸受部
（４）（６）側からインペラー（１）側への侵入熱を抑
止している。この断熱材（２）の一部には、その全周に
わたって溝部（１８）が設けられており、液体窒素温度
レベル（８０Ｋ）付近まで冷却された、たとえばＨｅガ
ス等の冷却ガスが供給される。この冷却ガスの供給は、
インペラー（１）、断熱材（２）および回転軸（３）の
一部を収納する深冷ケーシング（１２）に設けた冷却ガ
ス入口（１０）を介して行われる。冷却ガスは、断熱材
（２）およびこの断熱材（２）を収納している深冷ケー
シング（１２）を冷却し、冷却ガス出口（１１）より外
部へ排出される。

【００１５】またこの例においては、インペラー（１）
側のＨｅ等の作動流体および軸受室（１９）側との間
に、冷却ガスの出入が発生しないような気密構造として
もいる。これによって、作動流体側の条件に関係せず、
冷却ガスの圧力、流量等を調整自在とするできる。な
お、極低温回転機器の本体は、この図１に例示した保冷
容器取付面（７）上に取り付けられる。

【００１６】以上からも明らかであるように、この保冷
容器取付面（７）より下部は低温となり、上部は大気に
触れているので常温となる。たとえば以上の構成とする
ことにより、断熱材（２）および深冷ケーシング（１
２）を液体窒素温度レベル（８０Ｋ）まで冷却すること
ができ、軸受室（１９）側とインペラー（１）側の温度
差を、常温（２０℃）の場合に比べ、

【００１７】

【数３】

【００１８】倍にすることができ、侵入熱の低減が図れ
る。図２は、この発明の極低温回転機器の別の例を示し
た断面図である。この図２の例においては、溝部（１
８）を断熱材（２）の外周および内周の両方に設けてい
る。冷却ガス入口（１０）より供給されたＨｅ等の冷却
ガスは、断熱材（２）およびこの断熱材（２）を収納す
る深冷ケーシング（１２）を冷却した後に、回転軸
（３）の外周に沿って流れ、その一部は、軸受室（１
９）を通り冷却ガス出口（１５）より外部へ排出され
る。冷却ガスは、軸受室（１９）を通過する際に、ジャ
ーナル軸受（４）、スラスト軸受（６）および電動機
（５）の発熱量を吸収することができる。

【００１９】またこの例においては、軸受室（１９）内
の温度が、所定の温度以下にならないように温度計（１
３）を設け、この温度計（１３）の信号により、温度調
整弁（１４）を作動させるようにしている。回転軸
（３）の外周に沿って流れた、他の一部の冷却ガスは、
冷却ガス出口（１１）から外部へ排出される。この時、
冷却ガスが、インペラー（１）側に洩れ込むと侵入熱の
増加となるので、この例においては、インペラー（１）
の出口圧力と冷却ガスの供給圧力を測定する差圧計（１
６）を設けてもいる。この差圧計（１６）の値が所定の
圧力となるように、差圧調整弁（１７）を作動させ、冷
却ガスがインペラー（１）側へ洩れ込むのを防止してい
る。

【００２０】たとえば以上の構成により、断熱材
（２）、深冷ケーシング（１２）および回転軸（３）
が、液体窒素温度レベルまで冷却されるため、侵入熱の
低減が図れる。また、軸受部（４）（６）および電動機
（５）の温度上昇を効果的に抑えることが可能となる。
その結果、電動機（５）に関しては、外部から冷却水等
で冷却する必要などがなくなる。

【００２１】もちろんこの発明は以上の例によって限定
されることはない。細部については様々な態様が可能な
ことはいうまでもない。

【００２２】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、侵入熱が低減した、高効率の極低温回転機器が提
供される。回転軸も冷却可能となり、侵入熱をさらに低
減させることができる。軸受室内の軸受部および電動機
の発熱を抑えることも可能となり、外部よりこれらの部
位を冷却水で冷却する等の設備が不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の極低温回転機器の一実施例を示した
断面図である。

【図２】この発明の別の例を示した断面図である。

【符号の説明】

１ インペラー ２ 断熱材 ３ 回転軸 ４ ジャーナル軸受 ５ 駆動用電動機 ６ スラスト軸受 ７ 保冷容器取付面 ８ 作動流体入口ノズル ９ 作動流体出口ノズル １０ 冷却ガス入口 １１ 冷却ガス出口 １２ 深冷ケーシング １３ 温度計 １４ 温度調整弁 １５ 冷却ガス出口 １６ 差圧計 １７ 差圧調整弁 １８ 溝部 １９ 軸受室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桧山 忠雄 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１ 日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者 吉田 純 山口県下松市東豊井794番地 株式会社日 立製作所笠戸工場内 (72)発明者 岡本 和夫 山口県下松市東豊井794番地 株式会社日 立製作所笠戸工場内 (72)発明者 原田 進 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 松本 孝三 山口県下松市東豊井794番地 株式会社日 立製作所笠戸工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸の一端部に設けたインペラーを極
   低温領域で作動させるとともに、回転軸を支承する軸受
   部を液体窒素温度レベルよりも高い状態に保持する極低
   温回転機器において、インペラーと、このインペラーの
   背面部から軸受部の間に挿入した断熱材と、回転軸の一
   部とをケーシング内に収納し、かつ断熱材の一部に、ケ
   ーシングを貫通して液体窒素温度レベルまで冷却した、
   作動流体と同質の流体を供給し、前記断熱材およびケー
   シングを冷却する冷却ガス流路を形成してなることを特
   徴とする極低温回転機器。
2. 【請求項２】 断熱材を冷却した流体を回転軸に沿って
   軸受方向へ導き、かつその一部を軸受室内を介して外部
   へ排出させる冷却ガスラインと、他の一部を軸受室の手
   前より外部へ排出させる別の冷却ガスラインとを各々形
   成してなる請求項１の極低温回転機器。