(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記インペラを収容すると共に、前記配管に接続されたケーシングと、を備え、
前記ケーシングは、
前記断熱容器内で、少なくとも前記インペラの回転軸の一部を包囲すると共に、一方の端部が前記インペラ側に配置された筒状部と、
前記筒状部の他方の端部に接続され、前記断熱容器に固定されたフランジと、を備え、
前記回転軸の軸線方向を基準にした場合に、前記フランジと前記筒状部との接続部は、前記断熱容器に固定された前記フランジの固定部よりも前記一方の端部側に寄って設けられており、
前記フランジには、前記接続部に沿って応力の逃がし溝が形成されている、回転機械。
【請求項２】
前記フランジは、前記回転軸に対向する側の内周面と、前記内周面の反対側で、且つ外縁に沿った外周面とを備え、
前記外周面の一部は、前記断熱容器に固定された前記固定部である、請求項１記載の回転機械。
【請求項３】
前記フランジは、前記筒状部に接続された内周部と、前記断熱容器に固定された外周部とを備え、
前記内周部側の厚さは、前記外周部側の厚さよりも厚い、請求項１または２記載の回転機械。
【請求項４】
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、
前記インペラを収容すると共に、前記配管に接続されたケーシングと、を備え、
前記ケーシングは、
前記断熱容器内で、少なくとも前記インペラの回転軸の一部を包囲すると共に、一方の端部が前記インペラ側に配置された筒状部と、
前記筒状部の他方の端部に接続され、前記断熱容器に固定されたフランジと、を備え、
前記回転軸の軸線方向を基準にした場合に、前記フランジと前記筒状部との接続部は、前記断熱容器に固定された前記フランジの固定部よりも前記一方の端部側に寄って設けられており、
前記フランジは、前記回転軸に対向する側の内周面と、前記内周面の反対側で、且つ外縁に沿った外周面とを備え、
前記外周面の一部は、前記断熱容器に固定された前記固定部であり、
前記回転軸の前記軸線方向において、前記外周面の前記固定部よりも前記筒状部側には、前記断熱容器に固定されていない非固定部が設けられている、回転機械。
【請求項５】
前記外周面に設けられた前記固定部は、前記回転軸の前記軸線方向において、前記筒状部側とは反対側である外側の端縁に沿って設けられている、請求項４記載の回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、超臨界ヘリウム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にインペラを収容するケーシングが固定されており、断熱容器外に配置された駆動用電動機は、回転軸を介してインペラを回転させることで、ヘリウム等の流体を循環移送する。ケーシングは、回転軸の一部を包囲する筒状部と、筒状部の上端に設けられたフランジとを備え、フランジの外周部は、断熱容器の取り付け面上に載置され、固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１９３５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
極低温回転機械を作動させて流体を移送する際、断熱容器内は低温に冷却されるので、ケーシングの筒状部は熱収縮により縮径し、フランジを回転軸寄りに引っ張る。すると、フランジは、筒状部側が沈み込むように撓み、その結果、フランジと筒状部との接続角が広がる方向に作用し、接続部の応力集中が大きくなる可能性がある。
【０００５】
本発明は、ケーシングのフランジと筒状部との接続部に対し、筒状部の縮径に起因して生じる応力集中を低減できる回転機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、インペラを収容すると共に、配管に接続されたケーシングと、を備え、ケーシングは、断熱容器内で、少なくともインペラの回転軸の一部を包囲すると共に、一方の端部がインペラ側に配置された筒状部と、筒状部の他方の端部に接続され、断熱容器に固定されたフランジと、を備え、回転軸の軸線方向を基準にした場合に、フランジと筒状部との接続部は、断熱容器に固定されたフランジの固定部よりも一方の端部側に寄って設けられている。
【０００７】
この回転機械において、筒状部とフランジとの接続部には熱収縮によって縮径する方向に力が作用する。この場合、フランジには、断熱容器との固定部を支点とし、筒状部との接続部を力点としてモーメントが作用する。ここで、本態様では、回転軸の軸線方向を基準にした場合に、フランジと筒状部との接続部は、断熱容器に固定されたフランジの固定部よりも一方の端部側に寄って設けられている。その結果、モーメントは、フランジと筒状部との接続角が狭くなる方向に作用し易くなり、筒状部の縮径に起因して生じる応力集中を低減できる。
【０００８】
いくつかの態様において、フランジには、接続部に沿って応力の逃がし溝を形成することができる。逃がし溝を形成することにより、より効果的に応力集中を低減できる。
【０００９】
いくつかの態様において、フランジは、筒状部に接続された内周部と、断熱容器に固定された外周部とを備え、内周部側の厚さは、外周部側の厚さよりも厚い構成とすることができる。内周部側の厚さを厚くすることで、フランジの内周部側の撓みを軽減し、筒状部の縮径による接続角の変化を低減できる。
【００１０】
いくつかの態様において、フランジは、回転軸に対向する側の内周面と、内周面の反対側で、且つ外縁に沿った外周面とを備え、外周面の一部は、断熱容器に固定された固定部であり、回転軸の軸線方向において、外周面の固定部よりも筒状部側には、断熱容器に固定されていない非固定部を設けることもできる。非固定部を設けることで、回転軸の軸線方向における接続部と固定部との距離を離すことができ、筒状部の縮径に起因して生じる応力集中の低減に有効である。
【００１１】
いくつかの態様において、外周面に設けられた固定部は、回転軸の軸線方向において、筒状部側とは反対側である外側の端縁に沿って設けることもできる。固定部を外側の端縁に設けることで、結果的に、回転軸の軸線方向における接続部と固定部との距離を離すことができ、筒状部の縮径に起因して生じる応力集中の低減に有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のいくつかの態様によれば、回転機械のケーシングにおけるフランジと筒状部との接続部に対し、筒状部の縮径に起因して生じる応力集中を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】冷却システム全体を示す概略の説明図である。
【図２】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。
【図３】本実施形態に係る低温側ケーシング部を拡大して示す断面図である。
【図４】本実施形態に係る低温側ケーシング部の筒状部の縮径によって生じるモーメントを示す説明図であり、図４（ａ）は低温側ケーシング部の概略の断面図、図４（ｂ）は筒状部に縮径する方向に力が作用する前の状態を説明する図、図４（ｃ）は筒状部に縮径する方向に力が作用している状態を説明する図である。
【図５】比較例に係る低温側ケーシング部の筒状部の縮径によって生じるモーメントを示す説明図であり、図５（ａ）は低温側ケーシング部の概略の断面図、図５（ｂ）は筒状部に縮径する方向に力が作用する前の状態を説明する図、図５（ｃ）は筒状部に縮径する方向に力が作用している状態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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（駆動部）１４とを備えている。
【００１８】
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とを備えている。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。また、蓋部１６ｂは、胴体部１６ａ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
[低温側ケーシング部の構造]
図３に示されるように、低温側ケーシング部１７の筒状部１９は、固定フランジ部２０の下面２０ａに接続されている。固定フランジ部２０は、断熱容器８の内側に面する下面２０ａ、断熱容器８の外側に面する上面２０ｂ、断熱部２３を介して回転軸１３に対向する内側であり、円形の内縁に沿った周端面（以下、「内周面」という）２０ｃ、及び内周面２０ｃとは反対側であり、円形の外縁に沿った周端面（以下、「外周面」という）２０ｄを備えている。
【００２７】
下面２０ａには、内周面２０ｃに沿うように筒状部１９の上端部１９ａが接続されており、筒状部１９の内面と固定フランジ部２０の内周面２０ｃとは段差無く、連続するようにつながっている。また、下面２０ａには、筒状部１９の外周に沿うように応力の逃がし溝２０ｅが環状に形成されている。
【００２８】
外周面２０ｄは、断熱容器８に溶接により固定されている。断熱容器８の区画壁８１には、固定フランジ部２０の外径に倣った円形孔が形成されており、区画壁８１の円形孔に沿った内端面８１ａに、固定フランジ部２０の外周面２０ｄが当接し、溶接されている。外周面２０ｄのうち、溶接個所である固定部２０ｆは外側である上側の端縁２０ｙに沿って設けられており、内側（筒状部１９側）である下部には溶接されていない非固定部２０ｇが意図的に形成されている。本実施形態では、断熱容器に固定されたフランジの一例として固定フランジ部２０を説明する。
【００２９】
固定フランジ部２０は、内周面２０ｃ側の内周部２０ｈと、外周面２０ｄ側の外周部２０ｊとを備え、内周部２０ｈの下面２０ａには筒状部１９が接続され、また逃がし溝２０ｅが形成されている。また、外周部２０ｊの下面２０ａには、複数の環状溝が同心となるように形成されている。内周部２０ｈの厚さｄ１は、外周部２０ｊの厚さｄ２よりも厚くなっている。
【００３０】
筒状部１９は、下端部（一方の端部）１９ｂがインペラ１２を収容するインペラ室１８に接続されており、上端部（他方の端部）１９ａは固定フランジ部２０との接続部１９ｘである。筒状部１９の上端部１９ａは、回転軸１３の軸線Ｌａ方向において、固定フランジ部２０よりも下端部１９ｂ側に寄って設けられている。この作用について説明する。
【００３１】
図４は、この作用を説明するために低温側ケーシング部１７を模式的に示す断面図である。また、図５は、比較例１００に係り、筒状部１１９の上端部１１９ａが固定フランジ部１２０よりも上側、つまり下端部１１９ｂ側とは反対側に設けられている態様を模式的に示す断面図である。なお、ここでは、筒状部１９，１１９の上端部１９ａ，１１９ａと固定フランジ部２０，１２０の固定部２０ｆ，１２０ｆとの配置の違いに起因して生じる作用の差異を明確にすべく、比較例１００にも本実施形態と同様に、応力の逃がし溝１２０ｅを設けている。
【００３２】
図４（ａ）に示されるように、低温側ケーシング部１７は、断熱容器８に固定された上部、つまり駆動モータ１４側である固定フランジ部２０で最も温度が高く、下部、つまりインペラ１２側である内部のインペラ室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。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（接続部１９ｘ）の径が最も大きく、下端部１９ｂの径が最も小さくなる。
【００３３】
筒状部１９には熱収縮によって縮径する方向に力が作用する。ここで、筒状部１９の上端部１９ａは固定フランジ部２０に屈曲して接続された接続部１９ｘであり、筒状部１９に縮径しようとする力が作用すると接続部１９ｘに応力集中が生じる。逃がし溝２０ｅは、この応力を逃がす作用を奏する。
【００３４】
比較例（図５）も基本的に同様であり、筒状部１１９の上端部１１９ａと下端部１１９ｂとを備え、上端部１１９ａには縮径する方向に力が作用する。ここで、固定フランジ部１２０の固定部１２０ｆを支点として見た場合に、筒状部１１９の上端部１１９ａは縮径力が作用する力点である。ここで、筒状部１１９に作用する縮径力は、筒状部１１９の軸線、実質的には回転軸１１３の軸線Ｌｂに直交する方向に作用する。つまり、支点と力点とが、仮に回転軸１１３の軸線Ｌｂ方向で同じ高さであれば、力点に作用する縮径力の延長線上に支点が存在することになり、支点を中心にして力点に対する下側へのモーメントは働かないと仮定できる。一方で、この比較例１００では、力点が支点よりも上側に配置されており、力点には下側に回転させようとするモーメントが働く（図５（ｂ）参照）。その結果、筒状部１１９の上端部１１９ａと固定フランジ部１２０との接続角は、θ１からθ２に広がってしまい、筒状部１１９の上端部１１９ａに過度の負荷をかけてしまう。
【００３５】
これに対し、本実施形態に係る低温側ケーシング部１７（図４参照）では、筒状部１９の接続部１９ｘが固定フランジ部２０の固定部２０ｆよりも下側、つまり力点が支点よりも下側に配置されており、力点には上側に回転させようとするモーメントが働く（図４（ｂ）参照）。その結果、筒状部１９の接続部１９ｘと固定フランジ部２０との接続角は、α１からα２に縮まり、筒状部１９の上端部１９ａにかかる応力集中を低減させる。なお、この応力集中を低減させるという効果は、比較例のみならず、力点と支点とが同じ高さの場合にも奏し得ないので、力点と支点とを同じ高さにした場合と比較しても有利である。
【００３６】
［本実施形態に係る極低温回転機械の効果］
上述の通り、本実施形態に係る極低温回転機械１０では、回転軸１３の軸線Ｌａ方向を基準にした場合に、固定フランジ部２０と筒状部１９との接続部１９ｘは、固定フランジ部２０の固定部２０ｆよりも下端部１９ｂ側に寄って設けられている。その結果、モーメントは、固定フランジ部２０と筒状部１９との接続角が狭くなる方向に作用し易くなり、筒状部１９の縮径に起因して生じる応力集中を低減できる。
【００３７】
また、この固定フランジ部２０には、接続部１９ｘに沿って応力の逃がし溝２０ｅを形成しているので、より効果的に応力集中を低減できる。
【００３８】
また、固定フランジ部２０は、筒状部１９に接続された内周部２０ｈと、断熱容器８に固定された外周部２０ｊとを備え、内周部２０ｈ側の厚さｄ１は、外周部２０ｊ側の厚さｄ２よりも厚い。その結果、固定フランジ部２０の内周部２０ｈ側の撓みを軽減し、筒状部１９の縮径による接続角の変化を低減できる。
【００３９】
また、固定フランジ部２０は、回転軸１３に対向する側の内周面２０ｃと、内周面２０ｃの反対側で、且つ外縁に沿った外周面２０ｄとを備え、外周面２０ｄの一部は、断熱容器８に固定された固定部２０ｆであり、回転軸１３の軸線Ｌａ方向において、外周面２０ｄの固定部２０ｆよりも筒状部１９側には、断熱容器８に固定されていない非固定部２０ｇが設けられている。非固定部２０ｇを設けることで、回転軸１３の軸線Ｌａ方向における接続部１９ｘと固定部２０ｆとの距離を離すことができ、筒状部１９の縮径に起因して生じる応力集中の低減に有効である。
【００４０】
また、外周面２０ｄに設けられた固定部２０ｆは、回転軸１３の軸線Ｌａ方向において、筒状部１９側とは反対側である上側（外側）の端縁２０ｙに沿って設けられており、結果的に、回転軸１３の軸線Ｌａ方向における接続部１９ｘと固定部２０ｆとの距離を離すことができ、筒状部１９の縮径に起因して生じる応力集中の低減に有効である。
【００４１】
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、断熱部を区画する中間伝熱部や冷却ラインを設ける態様によって説明したが、中間伝熱部や冷却ラインを省略した態様であっても良い。また、応力の逃がし溝を設けることなく、フラットなフランジに筒状部を接続する態様であっても良い。更に、フランジと断熱容器との固定は溶接に限定されず、ボルト止め等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
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。
【符号の説明】
【００４３】
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
１５  ケーシング
１９  筒状部
１９ａ  上端部（他方の端部）
１９ｂ  下端部（一方の端部）
１９ｘ  接続部
２０  固定フランジ部（フランジ）
２０ｃ  内周面
２０ｄ  外周面
２０ｅ  逃がし溝
２０ｆ  固定部
２０ｇ  非固定部
２０ｈ  内周部
２０ｊ  外周部
２０ｙ  端縁
Ｌａ  回転軸の軸線
α１  接続角
α２  接続角
【図１】
0006617458.tif 000002
【図２】
0006617458.tif 000003
【図３】
0006617458.tif 000004
【図４】
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【図５】
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