JPH11159898A - 冷凍機 - Google Patents

冷凍機

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JPH11159898A
JPH11159898A JP33036097A JP33036097A JPH11159898A JP H11159898 A JPH11159898 A JP H11159898A JP 33036097 A JP33036097 A JP 33036097A JP 33036097 A JP33036097 A JP 33036097A JP H11159898 A JPH11159898 A JP H11159898A
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gas
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Shuko Saji
脩好 佐治
Yukio Kaneko
幸男 金子
Hiroshi Asakura
啓 朝倉
Seiichiro Yoshinaga
誠一郎 吉永
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却媒体の固化を防止し、メンテナンスの周
期を長くし、大きな出力を出すことができて、振動も生
じないようにする。 【解決手段】 遠心式のコンプレッサ2とタービン3を
備え、コンプレッサ2の翼12を1段とした冷凍機1で
あって、コンプレッサ2で圧縮されてタービン3へ導入
されるガス13を例えばヘリウムとアルゴン、ヘリウム
と窒素等を混合したガスとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は冷凍機に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】酸化物超電導物質を用いた、例えばモー
タ、送電ケーブル、超電導電力貯蔵設備等の高温超電導
機器は、絶対温度で20k〜80kに冷却する必要があ
る。
【0003】而して、前述の高温超電導機器の冷却には
冷凍機が使用されており、斯かる冷凍機としては、窒素
ガスを作動媒体としたN2液化冷凍機、ヘリウムを用い
たレシプロ型のスターリング冷凍機、ギフォードマクマ
フォンサイクルが用いられた小型の冷凍機、等がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述の各冷凍機のうち
2液化型冷凍機の場合、冷却温度が70k程度までな
ら使用可能であるが、冷却温度が約64kよりも低温に
なった場合には、液化窒素が固化し、使用できない。
【0005】又、冷凍機がレシプロ型のスターリング冷
凍機の場合、ピストンの往復動のために摺動する部品の
数が多く、従って部品の摩耗等によりメンテナンスの周
期が短くなる。
【0006】更にギフォードマクマホンサイクルを用い
た冷凍機の場合は、2段階でヘリウムガスを膨張して2
0kまで温度を低下させることができるが、出力が小さ
いうえ、レシプロ型であるため振動もある。
【0007】本発明は上述の実情に鑑み、冷却媒体が固
化することがなく、且つメンテナンスの周期を長くする
ことができ、しかも大きい出力を得ることができ、振動
の少い冷凍機を提供することを目的としてなしたもので
ある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、遠心式のコン
プレッサとタービンを備え、コンプレッサの翼を1段と
した冷凍機であって、コンプレッサで圧縮されてタービ
ンへ導入されるガスを、ヘリウムとヘリウムよりも分子
量が大きく且つ少なくとも大気中で不活性であるガスと
の混合ガスとしたものである。
【0009】又、本発明はヘリウムよりも分子量が大き
く且つ大気中で不活性であるガスを、ネオン、アルゴ
ン、クリプトン、窒素、フロンのうちの少なくとも何れ
かひとつとしたものである。
【0010】従って、本発明では、冷却温度に応じた混
合ガスを選択することにより冷却媒体が固化することに
よる運転不能が生じることなく、又摺動部品が少なくて
メンテナンスの周期の長期化を図ることができ、更に大
きな出力を得ることができしかも振動が生じず、更に冷
凍機の小型化を図ることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照しつつ説明する。
【0012】図1〜4は本発明の実施の形態の一例を示
し、図中、1は、上部にコンプレッサ2を、又下部にタ
ービン3を夫々備えると共にコンプレッサ2とタービン
3との間にモータ4を備えた冷凍機である。
【0013】モータ4のケーシング5内には、上下部に
設けたジャーナル軸受6並に下部に設けたジャーナル軸
受6よりも上部に設けたスラスト軸受7を介して竪軸8
が回転可能に収納されており、ジャーナル軸受6として
は、ガス軸受又は磁気軸受が使用されている。
【0014】竪軸8の上下方向中間部には、ロータ9が
固設されていると共に、ケーシング5には、内周がロー
タ9の外周に対して所定の間隔を有するステータ10
が、ロータ9を同心状に内嵌するよう、収納されてい
る。而して、ステータ10に三相交流を給電すること
で、電磁作用によりロータ9を介して竪軸8が回転し得
るようになっている。
【0015】モータ4のケーシング5の上部には、コン
プレッサ2のケーシング11が設置されていると共に、
竪軸8のケーシング11内へ突出した上端部分には、複
数の遠心式の翼12が1段だけ取付けられている。而し
て、ケーシング11の上部入口11aからケーシング1
1内へ導入されたガス13は翼12により加圧されて圧
縮比2程度に圧縮され、ケーシング11の側部出口11
bからケーシング11外へ送出されるようになってい
る。
【0016】モータ4のケーシング5の下部には、ター
ビン3のケーシング14が設置されていると共に、竪軸
8のケーシング14内に突出した下端部分には、複数の
遠心式の翼15が取付けられている。而して、ケーシン
グ14の側部入口14aからケーシング14内へ導入さ
れたガス13は翼15の部分で仕事をして翼15延いて
は竪軸8を回転させ、膨張して下部出口14bからケー
シング14外へ送出されるようになっている。
【0017】コンプレッサ2におけるケーシング11の
側部出口11bには、管路16が接続されていると共に
管路16の中途部にはガス13の流れ方向上流側から下
流側へ向けて順次クーラ17、熱交換器18が接続され
ており、管路16の先端はタービン3におけるケーシン
グ14の側部入口14aに接続されている。
【0018】タービン3におけるケーシング14の下部
出口14bには、管路19が接続されていると共に管路
19の中途部には、ガス13の流れ方向上流側から下流
側へ向けて順次冷却対象物体20、熱交換器18が接続
されている。而して、熱交換器18では管路16側を流
れるガス13と管路19側を流れるガス13とは対向流
となっている。
【0019】なお、図中、4aはモータ4を冷却するた
めに供給する冷却流体21の側部入口である。
【0020】次に、本発明の実施の形態に使用するガス
13について詳述する。
【0021】ガス13は、ヘリウムと、ヘリウムよりも
分子量が大きく且つ少なくとも大気中で不活性であるガ
スとの混合ガスを使用する。
【0022】斯かるガスの例としては、例えばヘリウ
ム、ネオン、アルゴン、クリプトンといった希ガス類、
窒素、R−14、R−116といったフロン等がある。
【0023】このように、ヘリウムに上述したごとき他
のガスを混合するのは次の理由による。すなわち、ヘリ
ウムは分子量が4程度で非常に軽いため、純粋のヘリウ
ムを翼12が1段のコンプレッサ2で圧縮比2程度に圧
縮するには、ヘリウムの音速が略1000m/sec.
であることからすると翼12の周速を800〜1000
m/sec.といった高速としなければならず、従って
翼12を始めその周辺の機器を構成する部品の材料が周
速に耐えることができない。
【0024】又、翼12や他の機器が翼12の周速に耐
えることができるようにするには、コンプレッサ2の翼
12を4〜5段の多段にする必要があるが、翼12を複
数段にすると装置が大型化してしまう。
【0025】更に純粋のヘリウムを用いた場合には、熱
伝導率が大きいため、熱交換器はコンパクトとなり、酸
化物超電導物質を用いた高温超電導機器の冷却を十分に
行なうことができるが、上述のガスのうちヘリウム以外
のガスの場合には、熱伝導率が低いため熱交換器が大き
くなる。
【0026】しかし、上述のガスのうち、ヘリウム以外
のガスはヘリウムよりも分子量が大きいため、圧縮性は
良好であり、少い翼段数のコンプレッサ2により約2程
度の圧縮比のガスを得ることができる(例えば入口側1
0atmなら出口側20atm)。
【0027】そこで、ヘリウムに上述のガスのうちいず
れかのガスを混合して混合ガスとすれば、見掛けの分子
量が大きく且つ熱伝導率の比較的高い少なくとも空気中
で不活性であるガスを得ることができる。
【0028】そこで、本実施の形態例では、ヘリウムに
前述のヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、フロン等の
ガスを混合した混合ガスを使用するのである。
【0029】図2には、ヘリウムのモル混合比と分子量
との関係が図示されており、図3にはヘリウムのモル混
合比と熱伝導率との関係が図示されている。
【0030】斯かるグラフから、ヘリウムのモル混合比
を徐々に減少させてアルゴン或いは窒素の混合比を徐々
に増加させると、混合ガスの分子量は徐々に増大し、熱
伝導率は徐々に減少することが分る。
【0031】従って、ヘリウムに上述の各ガスを適宜混
合して混合ガスを製造することにより、圧縮性が良好で
熱伝導率が高いガスが得られる。
【0032】そこで、本実施の形態例においては、斯か
る混合ガスがガス13として適用されることになる。
【0033】以下、本発明の実施の形態の作用について
説明する。
【0034】本発明の実施の形態においては、運転時モ
ータ4が駆動されて竪軸8が回転し、竪軸8の回転によ
りコンプレッサ2の翼12、タービン3の翼15が回転
している。
【0035】而して、本発明の実施の形態においては、
管路19から上部入口11aを通りコンプレッサ2のケ
ーシング11内へ導入されたガス13は、1段の翼12
により圧縮比2程度に圧縮され、ケーシング11の側部
出口11bから管路16へ送出され、クーラ17で冷却
されて熱交換器18へ導入される。
【0036】管路16から熱交換器18へ導入されたガ
ス13は管路19から熱交換器18へ導入されたガス1
3により冷却されて、管路16から側部入口14aを通
りタービン3のケーシング14内へ送給され、膨張によ
り翼15にエネルギを与えて仕事をすると共に所定の温
度まで急激に温度が低下する。この際、タービン3の翼
15を介して竪軸8に与えられたエネルギはモータ4の
補助動力としてコンプレッサ2の駆動に使用される。
【0037】タービン3で温度が低下したガス13はケ
ーシング14の下部出口14bから管路19へ送出さ
れ、管路19から冷却対象物体20へ送給され、冷却対
象物体20を冷却して自らは温度がある程度上昇し、管
路19から熱交換器18へ送給され、管路16から熱交
換器18へ送給されるガス13を冷却し、自らは更に温
度上昇して管路19を通り、再びコンプレッサ2におけ
るケーシング11の上部入口11aからケーシング11
内へ導入されて圧縮比2程度に圧縮され、以後は再び前
述のごとき循環を繰返す。
【0038】斯かる運転を行う際のS−T線図は図4に
示され、図中、符号a、b、c、d、eは図1の冷凍機
1及び各機器の系統の付された符号a、b、c、d、e
に対応しており、そのときの温度は図4の縦軸に示され
た温度となる。
【0039】本発明の実施の形態例における冷凍機1で
は、ヘリウムと、ヘリウムよりも分子量が大きく且つ少
なくとも大気中で不活性のガスとを混合したガス13を
使用し、冷却温度に合せて固化しないガスを選択して混
入するため、冷却対象物体20を約20k程度に冷却す
る場合にも冷却媒体に固化が生じることがなく運転が可
能となり、又遠心式であり、ガス軸受又は磁気軸受を用
いたオイルフリー構造であるため摺動部品の数が少な
く、従ってメンテナンスの周期が長くなり、更には出力
を大きく取ることができて振動も少なく装置としての信
頼性が向上し、更に又1段で必要な圧縮比を得ることが
できて冷凍機1自体を小型にすることができる。
【0040】なお、本発明は上述の実施の形態例に限定
されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内
で種々変更を加え得ることは勿論である。
【0041】
【発明の効果】本発明の冷凍機によれば、 I)冷却媒体が固化することがなく、従って冷却媒体の
固化による運転不能が生じることがない、 II)メンテナンスの周期を長く取ることができる、 III)出力を大きくすることができ、また振動が生じ
ることもない、 IV)1段でガスを所定の圧縮比となるよう圧縮できる
ため、冷凍機の小型化を図ることができる、 等、種々の優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の冷凍機の縦断面図に、ガスの循環系統
を加えた概要図である。
【図2】ヘリウムのモル混合比と分子量の関係を示すグ
ラフである。
【図3】ヘリウムのモル混合比と熱伝導率の関係を示す
グラフである。
【図4】本発明の冷凍機を用いた場合のS−T線図であ
る。
【符号の説明】
1 冷凍機 2 コンプレッサ 3 タービン 12 翼 13 ガス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉永 誠一郎 東京都江東区豊洲三丁目2番16号 石川島 播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 遠心式のコンプレッサとタービンを備
    え、コンプレッサの翼を1段とした冷凍機であって、コ
    ンプレッサで圧縮されてタービンへ導入されるガスを、
    ヘリウムとヘリウムよりも分子量が大きく且つ少なくと
    も大気中で不活性であるガスとの混合ガスとしたことを
    特徴とする冷凍機。
  2. 【請求項2】 ヘリウムよりも分子量が大きく且つ大気
    中で不活性であるガスを、ネオン、アルゴン、クリプト
    ン、窒素、フロンのうちの少なくとも何れかひとつとし
    た請求項1に記載の冷凍機。
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