(57)【要約】【課題】シンプルな構成で移送する液体の温度上昇を抑制できる回転機械を提供すること。【解決手段】容器２の外部に設けられ回転駆動する駆動部３と、容器２の外部と内部を連通するように設けられ駆動部３の回転駆動により回転する回転軸４と、容器２の内部に設けられ回転軸４と共に回転するインペラ５１を有しインペラ５１の回転によって液体Ｌを移送する移送部５と、容器２の内部に設けられ回転軸４の外周を覆うように設けられる中間伝熱部５４と、移送部５を覆うように設けられ容器２からの移送部５への熱輻射を抑制するサーマルシールド５５と、液体Ｌ１を流通させて冷却を行う管体６１を有し管体６１が中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５に隣接して設けられ中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５から管体６１への熱伝導により中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５の温度を調整する温度調整部６とを備えて構成される。【選択図】図１
2020200822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱容器の内部で液体を移送する回転機械において、
回転軸と、
前記液体を移送する移送部と、
前記断熱容器の内部に設けられ前記回転軸の外周を覆うように設けられる中間伝熱部と、
前記移送部を覆うように設けられるシールド部と、
冷媒を流通させて冷却を行う冷却体を有し、前記冷却体が前記中間伝熱部及び前記シールド部に隣接して設けられている温度調整部と、
を備える回転機械。
【請求項２】
前記断熱容器の外部に設けられ回転駆動する駆動部を更に備え、
前記回転軸は、前記断熱容器の外部と内部を連通するように設けられ前記駆動部の回転駆動により回転し、
前記移送部は、前記断熱容器の内部に設けられ前記回転軸と共に回転するインペラを有し前記インペラの回転によって前記液体を移送し、
前記シールド部は、前記移送部を覆うように設けられ前記断熱容器からの前記移送部への熱輻射を抑制し、
前記温度調整部は、前記中間伝熱部及び前記シールド部から前記冷却体への熱伝導により前記中間伝熱部及び前記シールド部を冷却する、
請求項１に記載の回転機械。
【請求項３】
前記シールド部は、前記移送部に取り付けられて支持され、前記断熱容器の壁部に接触していない、
請求項１又は２に記載の回転機械。
【請求項４】
前記断熱容器は、内部を真空とした真空容器である、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転機械。
【請求項５】
断熱容器の内部で液体を移送する回転機械の冷却方法において、
前記回転機械は、
前記断熱容器の外部に設けられ回転駆動する駆動部と、
前記断熱容器の外部と内部を連通するように設けられ前記駆動部の回転駆動により回転する回転軸と、
前記断熱容器の内部に設けられ前記回転軸と共に回転するインペラを有し前記インペラの回転によって前記液体を移送する移送部と、
前記断熱容器の内部に設けられ前記回転軸の外周を覆うように設けられる中間伝熱部と、
前記移送部の周囲を覆うように設けられ前記断熱容器からの前記移送部への熱輻射を抑制するシールド部と、
冷媒を流通させて冷却を行う冷却体と、を備え、
前記回転機械の冷却方法は、
前記冷却体が前記中間伝熱部及び前記シールド部に隣接して設けられた状態で前記冷却体に前記冷媒を流通させ、前記中間伝熱部及び前記シールド部から前記冷却体への熱伝導により前記中間伝熱部及び前記シールド部を冷却する、
回転機械の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の移送などに用いられる回転機械及び回転機械の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転機械として、例えば、特開２０１７−２５８１０号公報に記載されるように、容器内に収容される低温の液体を移送する回転機械が知られている。この回転機械は、駆動モータを容器の外側に配置し、駆動モータにより駆動される回転軸が容器内へ挿通されている。そして、容器内で回転軸に取り付けられるインペラを回転させて流体を移送している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２５８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような回転機械にあっては、移送する液体が温度上昇しないように断熱手段を設ける必要がある。例えば、上述した回転機械では、容器外部と繋がるケーシングを介して熱が入り込まないようにするため、駆動モータとインペラの間のケーシングに中間伝熱部を形成している。すなわち、配管に冷媒を循環させて中間伝熱部を冷却し低温状態とすることにより、容器外部の駆動モータ側から容器内部のインペラ側へ熱が伝導することを抑制している。
【０００５】
このような回転機械において、より断熱効果を得るためにインペラの周囲をシールドで覆い、このシールドによって容器からの輻射を抑制することが考えられる。しかしながら、複数の配管が必要となり、配管構成が複雑となる。すなわち、シールドを冷却して低温状態とするためには、シールドを冷却するための新たな配管が必要となる。この場合、移送する液体の温度上昇が効果的に抑制されるが、冷媒を循環させる配管が複数必要となり、配管構造が複雑化する。
【０００６】
そこで、移送する液体の温度上昇を抑制しつつ、冷媒を循環させる配管をシンプルな構成とすることができる回転機械及び回転機械の冷却方法の開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様に係る回転機械は、断熱容器の内部で液体を移送する回転機械において、回転軸と、液体を移送する移送部と、断熱容器の内部に設けられ回転軸の外周を覆うように設けられる中間伝熱部と、移送部を覆うように設けられるシールド部と、冷媒を流通させて冷却を行う冷却体を有し、冷却体が中間伝熱部及びシールド部に隣接して設けられている温度調整部とを備えて構成されている。この回転機械によれば、中間伝熱部及びシールド部から冷却体への熱伝導により中間伝熱部及びシールド部の温度を調整する温度調整部を備えている。これにより、中間伝熱部及びシールド部の複数の部材において一つの冷却体への熱伝導により温度調整を行うことができる。このため、中間伝熱部及びシールド部に対しそれぞれ温度調整のための冷却体を設ける必要がない。従って、シンプルな配管で中間伝熱部及びシールド部の温度調整を行うことができる。
【０００８】
また、本開示の一態様に係る回転機械において、断熱容器の外部に設けられ回転駆動する駆動部を更に備え、回転軸は、断熱容器の外部と内部を連通するように設けられ駆動部の回転駆動により回転し、移送部は、断熱容器の内部に設けられ回転軸と共に回転するインペラを有しインペラの回転によって液体を移送し、シールド部は、移送部を覆うように設けられ断熱容器からの移送部への熱輻射を抑制し、温度調整部は、中間伝熱部及びシールド部から冷却体への熱伝導により中間伝熱部及びシールド部を冷却するように構成されていてもよい。この場合であっても、中間伝熱部及びシールド部に対しそれぞれ温度調整のための冷却体を設ける必要がない。従って、シンプルな配管で中間伝熱部及びシールド部の温度調整を行うことができる。
【０００９】
また、本開示の一態様に係る回転機械において、シールド部は、移送部に取り付けられて支持され、断熱容器の壁部に接触していないように構成されていてもよい。この場合、断熱容器からシールド部へ熱伝導により熱が入り込むことが抑制される。このため、シールド部を効率良く冷却することができる。
【００１０】
また、本開示の一態様に係る回転機械において、断熱容器は、内部を真空とした真空容器であってもよい。この場合、断熱容器を真空容器とすることにより、断熱容器の断熱性を高めることができる。
【００１１】
本開示の一態様に係る回転機械の冷却方法は、断熱容器の内部で液体を移送する回転機械の冷却方法において、回転機械は、断熱容器の外部に設けられ回転駆動する駆動部と、断熱容器の外部と内部を連通するように設けられ駆動部の回転駆動により回転する回転軸と、断熱容器の内部に設けられ回転軸と共に回転するインペラを有しインペラの回転によって液体を移送する移送部と、断熱容器の内部に設けられ回転軸の外周を覆うように設けられる中間伝熱部と、移送部の周囲を覆うように設けられ断熱容器からの移送部への熱輻射を抑制するシールド部と、冷媒を流通させて冷却を行う冷却体とを備え、回転機械の冷却方法は、冷却体が中間伝熱部及びシールド部に隣接して設けられた状態で冷却体に冷媒を流通させ、中間伝熱部及びシールド部から冷却体への熱伝導により中間伝熱部及びシールド部を冷却する。この回転機械の冷却方法によれば、冷却体が中間伝熱部及びシールド部に隣接して設けられた状態で冷却体に冷媒を流通させ、中間伝熱部及びシールド部から冷却体への熱伝導により中間伝熱部及びシールド部を予め設定された温度に冷却する。このため、一つの冷却体により中間伝熱部及びシールド部の複数の部材の温度調整を行うことができる。このため、中間伝熱部及びシールド部に対しそれぞれ温度調整のための冷却体を設ける必要がない。従って、シンプルな配管で中間伝熱部及びシールド部の温度調整を行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本開示に係る発明によれば、シンプルな構成で移送する液体の温度上昇を抑制できる回転機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示の実施形態に係る回転機械の概要を示す断面図である。
【図２】図１の回転機械におけるII-IIの水平断面図である。
【図３】図１の回転機械における温度調整部の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本開示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。
【００１５】
図１は、本開示の実施形態に係る回転機械の構成概要図である。図２は、図１のII-IIにおける回転機械の水平断面図である。
【００１６】
図１に示すように、回転機械１は、容器２内で低温の液体Ｌを移送する機器であり、容器２に設置されている。図１では、回転機械１として、極低温で液化したヘリウム、窒素、水素などの液体を移送するポンプに適用した場合を示している。
【００１７】
回転機械１は、駆動部３、回転軸４及び移送部５を備えている。駆動部３は、回転軸４を回転駆動させる部位である。例えば、駆動部３としては、電力供給により回転駆動する電動機が用いられる。具体的には、駆動部３は、ロータ３１及びステータ３２を備えている。ロータ３１は、回転軸４に取り付けられ、回転軸４と共に回転する。ステータ３２は、ロータ３１の周囲に配置され、駆動部３のケーシング３３に対し移動しないように取り付けられている。駆動部３は、電力供給によりロータ３１及び回転軸４を回転させる。駆動部３への電力供給は、図示しない配線により行われる。
【００１８】
駆動部３は容器２の外部に設けられている。すなわち、駆動部３は、容器２の天井部２１の外面に固定されている。容器２は、断熱容器であり、例えば内部を真空状態とすることができる真空容器である。容器２は、内部で移送される液体Ｌを低温に保つための断熱容器として機能する。回転軸４は、例えば鉛直方向に向けて配置され、回転可能に支持されている。例えば、回転軸４は、ケーシング３３内で軸受けされ、回転可能に取り付けられている。回転軸４は、容器２の外部と内部を連通するように設けられ、駆動部３の回転動力を移送部５へ伝達している。
【００１９】
移送部５は、容器２の内部に設けられている。すなわち、移送部５は、容器２の天井部２１の内側に取り付けられ、駆動部３から延びる回転軸４を挿通するように設けられている。移送部５は、回転軸４と共に回転するインペラ５１を有している。移送部５は、インペラ５１の回転によって液体Ｌを移送する。つまり、移送部５は、インペラ５１の回転によって液体Ｌを下方から吸引し側方に向けて排出する。インペラ５１は、例えば回転軸４の下端に取り付けられ、回転軸４と一体となって回転する。インペラ５１は、複数の羽根を有する羽根車を備えており、公知の構造のものを用いることができる。このインペラ５１は、回転する羽根の遠心力により液体Ｌを下方から吸引し側方へ向けて排出する。
【００２０】
移送部５のケーシング５３には、中間伝熱部５４が設けられている。中間伝熱部５４は、駆動部３側からの熱の伝導を抑制するための部材である。中間伝熱部５４は、回転軸４の外周を覆うように設けられている。つまり、中間伝熱部５４は、回転軸４の外周に対応する部位と、回転軸４の外周に対向する部位から外周側に延びる部位と備える。例えば、外周側に延びる部位は、後述する温度調整部６に当接している。中間伝熱部５４は、回転軸４と同等以上の熱伝導性を有する部材により構成され、例えば銅板によって構成される。中間伝熱部５４を低温に保つことにより、駆動部３側からの熱の進入を抑制することができる。
【００２１】
移送部５のケーシング５３には、サーマルシールド５５が取り付けられている。サーマルシールド５５は、移送部５を覆うように設けられ、容器２の壁部（天井部２１を含む）からの熱輻射を抑制するシールド部として機能する。例えば、サーマルシールド５５は、底面のない箱型に形成される。サーマルシールド５５は、容器２の壁部と移送部５の間に設けられていれば、箱型以外の形状とする場合もある。サーマルシールド５５は、天井面に移送部５を貫通させて、移送部５のケーシング５３に取り付けられている。サーマルシールド５５は、移送部５を覆っている。これにより、サーマルシールド５５は、容器２の天井部２１から発せられる輻射熱Ｈが移送部５に直接当たることを防止している。また、サーマルシールド５５は、移送部５に取り付けられ、下方から支持する部材を備えていない。すなわち、サーマルシールド５５は、移送部５に取り付けられ、容器２の壁部（例えば底部）に接触していない。このため、容器２からサーマルシールド５５へ熱伝導により熱が入り込むことが抑制される。従って、サーマルシールド５５を効率良く冷却することができる。なお、シールド部としては、サーマルシールド５５と別に移送部５から延びる配管を覆うシールド部材を備えていてもよい。例えば、移送部５から延びる配管と容器２の底部との間にシールド部材を設けてもよい。これにより、容器２の底部からの熱輻射を抑制することができる。
【００２２】
移送部５のケーシング５３には、温度調整部６が設けられている。温度調整部６は、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５の温度調整を行う。すなわち、温度調整部６は、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５の温度が上昇しないように冷却を行う。例えば、温度調整部６は、冷媒を流通させることにより、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５の冷却を行う。なお、温度調整部６は、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５を予め設定された温度に調整するものであってもよい。予め設定された温度は、温度制御により設定された温度でもよいし、設計温度であってもよい。設定温度は、大気の気温より低く、移送すべき液体Ｌの温度以上の温度とされる。例えば、設定温度は、摂氏−２００度とされる。
【００２３】
図２に示すように、温度調整部６は、冷媒となる液体Ｌ１を流通させる管体６１を有している。管体６１は、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５を冷却するための冷却体として機能する。管体６１は、回転軸４を取り囲む流路を形成している。管体６１は、中間伝熱部５４と当接し又は近接して設けられている。例えば、管体６１は、中間伝熱部５４に直接接触して設けられていてもよいし、直接接触していなくても銅などの伝熱性の高い部材を介して熱伝導可能に設けられていてもよい。例えば、中間伝熱部５４が円板状に形成される場合、管体６１は、中間伝熱部５４の外縁又は外周に沿って環状に形成される。この場合、中間伝熱部５４は、管体６１の上面から側面にわたり接触する環状の接触面を備える。管体６１の内部は、液体Ｌ１の流路となる。管体６１には、液体Ｌ１を循環させるための二つの配管６２が接続されている。一方の配管６２は、液体Ｌ１を管体６１に注入する。他方の配管６２は、管体６１を循環した液体Ｌ１を排出する。配管６２は、ポンプ及び冷却器に接続されており、所定温度の液体Ｌ１を流通させる。
【００２４】
図３は、温度調整部６の拡大断面図である。図３に示すように、管体６１は、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５に隣接して設けられている。例えば、中間伝熱部５４の外周位置に管体６１が設けられている。また、管体６１の外周位置にサーマルシールド５５が取り付けられている。管体６１は、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５に直接接触させて設けてもよいし、ケーシング５３などの部材を介して中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５に隣接して設けられていてもよい。つまり、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５の熱を管体６１へ伝導できるように、管体６１が設けられていればよい。
【００２５】
サーマルシールド５５には、取付部５５ａが形成されている。取付部５５ａは、サーマルシールド５５を移送部５に取り付けるための部位である。取付部５５ａは、移送部５を挿通するための開口の縁を軸方向へ屈曲して形成されている。つまり、取付部５５ａは、サーマルシールド５５に形成される開口の内縁を回転軸の軸方向に折り曲げて筒状に形成されている。この取付部５５ａを形成することにより、ボルトなどの締結具により取付部５５ａを移送部５に共締めして、サーマルシールド５５を移送部５に対し容易に取り付けることができる。
【００２６】
また、サーマルシールド５５の取付構造は、取付部５５ａにおける取付のほか、サーマルシールド５５を天井部２１から吊下げて支持する支持部材を用いてもよい。例えば、天井部２１の下面に支持部材の上端を取り付け、支持部材の下端にサーマルシールド５５を取り付けてもよい。支持部材は、棒体により構成され、例えば複数設けられる。これにより、サーマルシールド５５の取付構造が強固なものとなり、破損しにくくなる。
【００２７】
図１及び図３では、中間伝熱部５４、管体６１及びサーマルシールド５５は、回転軸４の軸方向において同一位置に設けられ、回転軸４の径方向に沿って並べて設けられている。このため、管体６１により中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５の熱を吸収し、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５を効率良く冷却することができる。
【００２８】
また、管体６１が中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５に隣接して設けられることにより、一つの管体６１により中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５を冷却することができる。このため、中間伝熱部５４とサーマルシールド５５に対し、それぞれ冷却体を設置する必要がない。従って、冷却体に冷媒を流通させるための配管がシンプルなものとなる。また、回転機械１をコンパクトに構成することができる。
【００２９】
次に、本実施形態に係る回転機械１の動作及び回転機械１の冷却方法について説明する。
【００３０】
図１において、駆動部３に電力が供給されることにより、ロータ３１及び回転軸４が回転する。駆動部３への電力供給は、図示しない配線などを通じて行われる。回転軸４が回転すると、移送部５のインペラ５１も回転する。インペラ５１の回転により、液体Ｌに移送力が与えられる。すなわち、移送部５において液体Ｌが下方から吸引され、液体Ｌが側方へ排出される。
【００３１】
このとき、液体Ｌとして低温の液体を移送するため、回転機械１の移送部５は、断熱容器である容器２内に配置されている。液体Ｌは容器２の外部の大気と比べて低い温度であるため、液体Ｌの移送によって液体Ｌの温度ができるだけ上昇しないようにすることが求められる。
【００３２】
回転機械１には、移送部５において、インペラ５１の駆動部３側に中間伝熱部５４が形成されている。この中間伝熱部５４は、管体６１により冷却されている。このため、駆動部３から発せられる熱は、中間伝熱部５４に吸収され、インペラ５１側へ熱伝導することが抑制される。
【００３３】
また、回転機械１には、移送部５を覆うサーマルシールド５５が設けられている。このサーマルシールド５５は、管体６１により冷却されている。このため、容器２の天井部２１から発せられる輻射熱Ｈは、サーマルシールド５５に吸収される。従って、移送部５の温度が輻射熱Ｈにより上昇することを抑制することができる。
【００３４】
ここで、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５は、管体６１により冷却されている。管体６１には、配管６２を通じて冷媒が注入されている。冷媒は、管体６１を循環して配管６２により管体６１から排出される。これにより、管体６１が低温状態となり、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５が管体６１により冷却される。
【００３５】
このとき、図３に示すように、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５に対し管体６１が隣接して設けられることにより、一つの管体６１により中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５を冷却することができる。
【００３６】
これに対し、中間伝熱部５４とサーマルシールド５５に対しそれぞれ冷却体を設けることも考えられる。この場合、二つの冷却体が必要となり、それぞれに対し冷媒を流通させるための配管を設置する必要がある。このため、配管構造が複雑となってしまう。そこで、本実施形態に係る回転機械１では、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５に対し管体６１を隣接して設けることにより、一つの管体６１により中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５を同時に冷却している。このため、冷媒を流通させるための配管をシンプルに構成することができる。また、配管数を低減できるため、回転機械１の小型化を図ることができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態に係る回転機械１によれば、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５から管体６１への熱伝導により中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５の温度調整を行う温度調整部６を備えている。これにより、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５の複数の部材において一つの管体６１への熱伝導により温度調整を行うことができる。このため、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５に対しそれぞれ温度調整のための管体６１を設ける必要がない。従って、シンプルな配管で中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５の温度調整を行うことができる。
【００３８】
また、本実施形態に係る回転機械１は、サーマルシールド５５が移送部５に取り付けられて支持され、容器２の壁部に接触していないように構成されている。このため、容器２からサーマルシールド５５へ熱伝導により熱が入り込むことが抑制される。従って、サーマルシールド５５を効率良く冷却することができる。
【００３９】
また、本実施形態に係る回転機械１において、容器２は、内部を真空とした真空容器とされる。これにより、容器２により断熱効果を高める。
【００４０】
本実施形態に係る回転機械１の冷却方法によれば、管体６１が中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５に隣接して設けられた状態で管体６１に液体Ｌ１を流通させ、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５から管体６１への熱伝導により中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５を冷却することができる。すなわち、一つの管体６１により中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５の複数の部材の温度調整が可能となる。このため、中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５に対しそれぞれ温度調整のための冷却体を設ける必要がない。従って、シンプルな配管で中間伝熱部５４及びサーマルシールド５５の温度調整を行うことができる。
【００４１】
以上のように、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様で実施することができる。
【００４２】
例えば、上述した実施形態においては、回転機械１の容器２が真空断熱を行うものであったが、他の手法により断熱を行うものであってもよい。
【００４３】
また、上述した実施形態においては、回転機械１を低温の液体Ｌを移送するポンプに適用した場合について説明したが、回転機械１を他の機器などに適用してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１  回転機械
２  容器（断熱容器）
３  駆動部
４  回転軸
５  移送部
６  温度調整部
２１  天井部
３１  ロータ
３２  ステータ
５１  インペラ
５３  ケーシング
５４  中間伝熱部
５５  サーマルシールド（シールド部）
６１  管体（冷却体）
６２  配管
Ｌ  液体
Ｌ１  液体（冷媒）
Ｈ  輻射熱
【図１】
2020200822.tif 000003
【図２】
2020200822.tif 000004
【図３】
2020200822.tif 000005