(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱室（２）の内部の作動装置（３）と断熱室壁（１）に設けた開口（１２）との間に中空円筒形状の断熱ケーシング（４０）を備え、前記開口の外部に駆動装置（７）が着脱可能に設けられ、該駆動装置の回転軸（８）に備えた回転作動部（９）が断熱ケーシングの内部を通して前記作動装置に係合された低温回転機械の断熱ケーシング構造であって、
前記断熱ケーシング（４０）は、一端が断熱室壁（１）に固着された第１ケーシング（４１）と、一端が作動装置（３）に固着された第２ケーシング（４２）と、第１ケーシングと第２ケーシングの間に位置しこれらを連結する中間冷却リング（４３）とからなり、
第１ケーシング（４１）と第２ケーシング（４２）はそれぞれ薄肉の円筒部材で構成され、中間冷却リング（４３）は内部に液体窒素又はヘリウムガスを通す通路を有するリング状部材であり、
前記第１ケーシング（４１）と第２ケーシング（４２）の少なくとも一方は、伝熱を低減するための薄肉部分（４１ａ，４２ａ）とこれから漸増する厚さを有するテーパ部分（４１ｂ，４２ｂ）とからなる、ことを特徴とする低温回転機械の断熱ケーシング構造。
【請求項２】
前記第１ケーシング（４１）の薄肉部分（４１ａ）の一端が断熱室壁（１）に固着され、これから漸増する厚さを有するテーパ部分（４１ｂ）の他端が中間冷却リング（４３）に固着されている、ことを特徴とする請求項１に記載の低温回転機械の断熱ケーシング構造。
【請求項３】
前記第２ケーシング（４２）の薄肉部分（４２ａ）の一端が中間冷却リング（４３）に固着され、これから漸増する厚さを有するテーパ部分（４２ｂ）の他端が作動装置（３）に固着されている、ことを特徴とする請求項１に記載の低温回転機械の断熱ケーシング構造。
【請求項４】
前記薄肉部分（４１ａ，４２ａ）は、伝熱量が所定の値以下になるように厚さが設定され、前記テーパ部分（４１ｂ，４２ｂ）は、最大応力が所定の値以下になるように最大厚さと長さが設定される、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の低温回転機械の断熱ケーシング構造。
【請求項５】
前記回転軸（８）の内部に真空空間（２６）を設けることにより薄肉部（２５）を形成し、該薄肉部の外周面を小さい隙間Ｓで包囲する伝熱フランジ（２７）と、該伝熱フランジと前記中間冷却リング（４３）を連結する中間伝熱材（２８）とを備える、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの低温回転機械の断熱ケーシング構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温回転機械の断熱ケーシング構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば超伝導磁石を極低温に冷却するためにヘリウムが用いられており、液体ヘリウムを極低温排気コンプレッサで極低圧に減圧することによって４Ｋ以下の極低温を達成している。
【０００３】
図６は、低温回転機械である極低温排気コンプレッサの例であり、断熱室壁１により区画して真空を保持することにより断熱を行うようにした断熱室２を設け、該断熱室２の内部に作動装置３として極低温排気コンプレッサのスクロール４を設けている。スクロール４は、配管経路５，６に接続されており、一方の配管経路５から導入したヘリウムを昇圧して他方の配管経路６に導出するためのものである。
【０００４】
更に、前記断熱室壁１外部の常温部には駆動装置７が設けられており、該駆動装置７に回転軸８を介して接続された回転作動部９としてのインペラ１０が、前記作動装置３のスクロール４に嵌合するよう設けられ、ヘリウムの圧縮を行うようになっている。
【０００５】
図６に例示した低温回転機械において、駆動装置を断熱室壁外部に着脱可能に設け、かつ駆動装置の熱が断熱室内部の作動装置に伝熱されるのを最小限に抑制することを目的として、本願発明の発明者等は、「回転機械の断熱構造」を創案し先に出願した（特開２０００−０３５１９１）。
【０００６】
この構造は、図７に示すように、断熱室２の内部の作動装置３と断熱室壁１に設けた開口１２との間に区画壁１１を備え、開口１２の外部に駆動装置７が着脱可能に設けられ駆動装置の回転軸８に備えた回転作動部９が区画壁内部を通して作動装置３に係合され、かつ区画壁内部及び駆動装置内部が断熱ガスで満たされた構成を有する回転機械の断熱構造であって、区画壁内部における回転軸８の内部に真空空間２６を設けることにより薄肉部２５を形成し、区画壁内部の所要位置に、内周部に前記薄肉部２５の外周面を小さい隙間Ｓで包囲する伝熱フランジ２７を備え、外周部に冷却源２９が接続された中間伝熱材２８を設けたものである。なお、この図で３１，３２は対流防止材、例えばハニカム材である。
【０００７】
この断熱構造により、中間伝熱材２８の伝熱により隙間Ｓを介して回転軸８の薄肉部２５に中間温度域を設けることができ、この中間温度域の存在により、回転軸８を介して回転作動部９に伝わる熱の侵入を大幅に低減できるようになった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の低温回転機械の断熱ケーシング構造では、約３００Ｋ（ほぼ常温）の断熱室壁１から極低温（例えば約４Ｋ）の作動装置３に伝わる熱量を極力抑えるために薄肉の円筒で区画壁１１を構成し、常温側と低温側を機械的に連結していた。また、その中間部に８０Ｋレベルのサーマルアンカー（上述の中間伝熱材２８）を設け極低温側（約４Ｋ）への熱侵入量の低減する構造を採用していた。
【０００９】
図８は、図７の中間伝熱材２８の周辺の有限要素法による解析結果である。この図において、（Ａ）は、図７の図示しない右側に位置する断熱室壁１と作動装置３を連結する断熱ケーシングを軸線Ｚ−Ｚを水平に示し、（Ｂ）はそのＢ部の拡大図である。また、（Ａ）では、変形前の形状を矩形のメッシュパターンで示し、変形後の形状を濃淡のある形状で示している。なお、この濃淡は、変位の大きさを示しているが、ここでは詳細を省略する。
【００１０】
図８（Ｂ）に示すように、図７の断熱ケーシングは、上端が断熱室壁１に固着された上部区画壁１１ａと、下端が作動装置３に固着された下部区画壁１１ｂと、上部区画壁１１ａと下部区画壁１１ｂの間に位置しこれらを連結する中間冷却リング２９からなる。上部区画壁１１ａと下部区画壁１１ｂは伝熱量を極力抑えるためにそれぞれ薄肉の円筒部材で構成され、中間冷却リング２９は内部に液体窒素又はヘリウムガスを通す通路を有するリング状部材である。
【００１１】
断熱ケーシングの内側には、耐圧力として最大約０．６ＭＰａの内圧が作用する。この場合、断熱室壁１、作動装置３、及び中間冷却リング２９は剛性が高いが、上部区画壁１１ａと下部区画壁１１ｂは薄肉の円筒部材であるため、部分的に過大な応力が発生する問題点があった。すなわち、図８（Ｂ）に示す数字は、発生応力値をｋｇｆ／ｍｍ2の単位で示しており、図中にＣで示す部分に、最大約４４０ＭＰａ（約４４ｋｇｆ／ｍｍ2）の主応力が発生する。なお、この部分の材料の許容応力は約２００ＭＰａ（約２０ｋｇｆ／ｍｍ2）であり、この部分で材料は塑性変形を起こすことがわかる。また、これを解決するために、肉厚を厚くする（例えば２倍以上）と、最大応力自体は低減できるが、その分、熱侵入量が増加（２倍以上）してしまいコンプレッサの性能が低下してしまう問題点があった。
【００１２】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、上述した区画壁を介して常温側から低温側に伝熱される熱量の増加を抑え、かつその耐圧強度を高めることができる低温回転機械の断熱ケーシング構造を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、断熱室（２）の内部の作動装置（３）と断熱室壁（１）に設けた開口（１２）との間に中空円筒形状の断熱ケーシング（４０）を備え、前記開口の外部に駆動装置（７）が着脱可能に設けられ、該駆動装置の回転軸（８）に備えた回転作動部（９）が断熱ケーシングの内部を通して前記作動装置に係合された低温回転機械の断熱ケーシング構造であって、前記断熱ケーシング（４０）は、一端が断熱室壁（１）に固着された第１ケーシング（４１）と、一端が作動装置（３）に固着された第２ケーシング（４２）と、第１ケーシングと第２ケーシングの間に位置しこれらを連結する中間冷却リング（４３）とからなり、第１ケーシング（４１）と第２ケーシング（４２）はそれぞれ薄肉の円筒部材で構成され、中間冷却リング（４３）は内部に液体窒素又はヘリウムガスを通す通路を有するリング状部材であり、前記第１ケーシング（４１）と第２ケーシング（４２）の少なくとも一方は、伝熱を低減するための薄肉部分（４１ａ，４２ａ）とこれから漸増する厚さを有するテーパ部分（４１ｂ，４２ｂ）とからなる、ことを特徴とする低温回転機械の断熱ケーシング構造が提供される。
【００１４】
上記本発明の構成によれば、第１ケーシング（４１）が薄肉の円筒部材で構成され、中間冷却リング（４３）が内部に液体窒素又はヘリウムガスを通す通路を有するリング状部材であるので、第１ケーシング（４１）から中間冷却リング（４３）への伝熱量を低く抑え、中間冷却リング（４３）に供給する液体窒素又はヘリウムガスの消費量を低減できる。また、第２ケーシング（４２）も薄肉の円筒部材で構成されているので、約８０Ｋの中間冷却リング（４３）から作動装置（３）への伝熱量も低く抑えることができる。
【００１５】
更に、第１ケーシング（４１）と第２ケーシング（４２）の少なくとも一方は、伝熱を低減するための薄肉部分（４１ａ，４２ａ）とこれから漸増する厚さを有するテーパ部分（４１ｂ，４２ｂ）とからなるので、薄肉部分（４１ａ，４２ａ）の厚さを薄くして伝熱量を抑えることができ、かつテーパ部分（４１ｂ，４２ｂ）の最大厚さと長さの設定により、最大応力を低減することができる。
【００１６】
前記第１ケーシング（４１）の薄肉部分（４１ａ）の一端が断熱室壁（１）に固着され、これから漸増する厚さを有するテーパ部分（４１ｂ）の他端が中間冷却リング（４３）に固着されている。
この構成により、第１ケーシング（４１）の伝熱量を抑え、かつその最大応力を抑えることができる。
【００１７】
前記第２ケーシング（４２）の薄肉部分（４２ａ）の一端が中間冷却リング（４３）に固着され、これから漸増する厚さを有するテーパ部分（４２ｂ）の他端が作動装置（３）に固着されている。
この構成により、第２ケーシング（４２）の伝熱量を抑え、かつその最大応力を抑えることができる。
【００１８】
前記薄肉部分（４１ａ，４２ａ）は、伝熱量が所定の値以下になるように厚さが設定され、前記テーパ部分（４１ｂ，４２ｂ）は、最大応力が所定の値以下になるように最大厚さと長さが設定される。
この構成により、薄肉部分（４１ａ，４２ａ）の伝熱量を所定の値以下に抑えることができ、かつテーパ部分（４１ｂ，４２ｂ）の最大応力を所定の値以下に抑えることができる。
【００１９】
前記回転軸（８）の内部に真空空間（２６）を設けることにより薄肉部（２５）を形成し、該薄肉部の外周面を小さい隙間Ｓで包囲する伝熱フランジ（２７）と、該伝熱フランジと前記中間冷却リング（４３）を連結する中間伝熱材（２８）とを備える。
この構成により、中間伝熱材（２８）を約８０Ｋの低温に保持し、伝熱フランジ（２７）と隙間Ｓを介して回転軸（８）の薄肉部（２５）に約８０Ｋの低温域を設けることができ、この低温域の存在により、回転軸（８）の薄肉部（２５）を介して回転作動部（９）に伝わる伝熱量を大幅に低減することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の断熱ケーシング構造を備えた低温回転機械の断面図である。
この図に示すように、本発明の断熱ケーシング構造は、断熱室２の内部の作動装置３と断熱室壁１に設けた開口１２との間に中空円筒形状の断熱ケーシング４０を備える。また開口１２の外部に駆動装置７が着脱可能に設けられ、この駆動装置７の回転軸８に備えた回転作動部９が断熱ケーシング４０の内側を通して作動装置３に係合されている。駆動装置７は、好ましくは、磁気軸受を用いた高速回転モータであるが、本発明ではその詳細を省略する。
【００２１】
作動装置３は、この例では極低温排気コンプレッサであり、約４Ｋの極低温に保持される。また、断熱室２は、常温、例えば約３００Ｋに保持され、この断熱室２と作動装置３のスクロールとの間を断熱ケーシング４０が機械的に連結している。
【００２２】
断熱ケーシング４０は、第１ケーシング４１、第２ケーシング４２及び中間冷却リング４３からなる。第１ケーシング４１はその一端（この図で上端）が断熱室壁１に固着され、他端（図で下端）が中間冷却リング４３に固着されている。
第１ケーシング４１と第２ケーシング４２はそれぞれ薄肉の円筒部材で構成されている。また、第２ケーシング４２は、その一端（この図で下端）が作動装置３のスクロールに固着され、他端（図じ上端）が中間冷却リング４３に固着されている。中間冷却リング４３は、第１ケーシング４１と第２ケーシング４２の間に位置しこれらを連結している。なお、第１ケーシング４１、第２ケーシング４２及び中間冷却リング４３は、一体成形するのが好ましい。
【００２３】
中間冷却リング４３は内部に液体窒素又はヘリウムガスを通す通路３０を有するリング状部材であり、約８０Ｋの低温に保持されている。また、回転軸８の内部に真空空間２６を設けることにより薄肉部２５が形成されている。更にこの薄肉部２５の外周面を小さい隙間Ｓで包囲する伝熱フランジ２７と、伝熱フランジ２７と中間冷却リング４３を連結する中間伝熱材２８とを備えている。
上述した構成により、中間伝熱材２８を約８０Ｋの低温に保持し、伝熱フランジ２７と隙間Ｓを介して回転軸８の薄肉部２５を約８０Ｋの低温に保持し、この低温域の存在により、回転軸８の薄肉部２５を介して回転作動部９に伝わる伝熱量を大幅に低減することができる。
【００２４】
なお、図１の断熱ケーシング４０と回転軸８の間に形成される２つのドーナツ状の空間には、内部の対流を防止するために熱伝導率の低い材料からなる対流防止材（図示せず）を充填するのがよい。この対流防止材には、例えばハニカム材を用いることができる。
【００２５】
図２は、図１の断熱ケーシング構造の構造解析用の模式図である。この図において、（Ａ）は図１のＡ部を軸線Ｚ−Ｚを水平に示し、（Ｂ）はそのＢ部の拡大図である。
図２（Ａ）に示すように、断熱ケーシング４０の内側には、耐圧力として最大約０．６ＭＰａの内圧が作用する。この場合、断熱室壁１に固定された第１ケーシング４１の一端（図で左端）が固定され、その他の部分は、熱膨張・熱収縮と内圧により変形する。
【００２６】
図２に示すように、本発明において、第１ケーシング４１と第２ケーシング４２の少なくとも一方（この例では両方）が、伝熱を低減するための薄肉部分４１ａ，４２ａとこれから漸増する厚さを有するテーパ部分４１ｂ，４２ｂとからなる。
この例では、第１ケーシング４１の薄肉部分４１ａの一端（図で左端）が断熱室壁１に固着され、これから漸増する厚さを有するテーパ部分４１ｂの他端（図で右端）が中間冷却リング４３に固着されている。また、第２ケーシング４２の薄肉部分４２ａの一端（図で左端）が中間冷却リング４３に固着され、これから漸増する厚さを有するテーパ部分４２ｂの他端が作動装置３に固着されている。
なお、これらの固着部は、応力が高い部分は一体成形で構成するのがよく、応力の低い部分で断熱室壁１又は作動装置３に溶接又はその他の固着手段で固着するのがよい。
【００２７】
更に、本発明によれば、薄肉部分４１ａ，４２ａは、伝熱量が所定の値以下になるように厚さを設定し、テーパ部分４１ｂ，４２ｂは、最大応力が所定の値以下になるように最大厚さと長さを設定する。なお、最大応力が問題となりやすい部分を図２（Ｂ）に、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの記号で示す。
【００２８】
【実施例】
図２に示した本発明の断熱ケーシング構造の構造解析結果を図３及び図４に示す。なお、この解析では、図８と同一の条件の下で、テーパ部分４１ｂ，４２ｂの長さを１２ｍｍとし、その最大厚さを１．２ｍｍ、その他の部分の厚さを１．０ｍｍとした。
【００２９】
図３は、図１の断熱ケーシング構造の変形の解析結果を示す図であり、（Ａ）は全体の変形を、（Ｂ）はＢ部の変形を示している。なお、各図は、変形前後を重複して示している。
図３（Ｂ）から、第１ケーシング４１及び第２ケーシング４２の変形は、両端固定梁に均等荷重を作用させた場合に近似していることがわかる。従って、最大応力が発生する箇所は、図２（Ｂ）のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄであることが予想できる。
【００３０】
図４は、図１の断熱ケーシング構造の応力の解析結果を示す図であり、（Ａ）は断熱ケーシング４０の全体の応力分布を、（Ｂ）はＡ−Ｃ部の応力分布を示している。なお、図中の数字は、発生応力値をｋｇｆ／ｍｍ2の単位で示しており、Ａで示す部分に、最大約１９０ＭＰａ（約１９ｋｇｆ／ｍｍ2）の主応力が発生することがわかる。なお、この最大応力は、従来例（図８）に比較してほぼ半減している。
【００３１】
図５は、テーパ長と最大応力との関係図である。この図は、テーパ長を１０，１２，１４，２８，４２．５ｍｍに変化させ、その他の条件は同一にして、図３，図４と同様の解析を行い、その結果から求めたものである。なお、図２のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対応する位置の応力をそれぞれ、◇、□、△、×で示している。
この図から、Ａ，Ｂ点の応力は、テーパ長が長くなるほど大きくなるが、Ｃ点の応力は、逆にテーパ長が長くなるほど小さくなることがわかる。従って、この例では、テーパ長を好ましくは１０〜１４ｍｍの間、更に好ましくは約１２ｍｍに設定することにより、最大応力を従来例の半分の約２００ＭＰａ（約２０ｋｇｆ／ｍｍ2）以下にできることがわかる。なお、第１ケーシング４１及び第２ケーシング４２の全長はこの例では、４２．５ｍｍであるので、全長の１／４〜１／３にテーパ長を設定するのがよいことがわかる。
【００３２】
上述した本発明の構成によれば、中間伝熱材２８を約８０Ｋの低温に保持し、伝熱フランジ２７と隙間Ｓを介して回転軸８の薄肉部２５を約８０Ｋの低温に保持し、この低温域の存在により、回転軸８の薄肉部２５を介して回転作動部９に伝わる伝熱量を大幅に低減することができる。この伝熱量は上述した例では約０．６Ｗである。
また、断熱ケーシング４０と回転軸８の間に形成される２つのドーナツ状の空間に、熱伝導率の低い材料からなる対流防止材（例えばハニカム材）を充填することにより、この部分からの伝熱量は約３．６Ｗである。
更に、第２ケーシング４２は薄肉の円筒部材で構成されているので、約８０Ｋの中間冷却リング４３から作動装置３への伝熱量も低く抑えることができ、この伝熱量は約２．４Ｗである。また、その他の伝熱量は約０．１Ｗである。
【００３３】
従って、本発明の低温回転機械の断熱ケーシング構造により、常温側から低温側への熱伝熱量を低く抑えることができ、低温回転機械の性能を向上させることができる。
【００３４】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の低温回転機械の断熱ケーシング構造は、区画壁を介して常温側から低温側に伝熱される熱量の増加を抑え、かつその耐圧強度を高めることができ、これにより、低温回転機械（例えばコンプレッサ）の性能を向上させることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の断熱ケーシング構造を備えた低温回転機械の断面図である。
【図２】図１の断熱ケーシング構造の構造解析用の模式図である。
【図３】図１の断熱ケーシング構造の変形を示す図である。
【図４】図１の断熱ケーシング構造の応力を示す図である。
【図５】テーパ長と最大応力との関係図である。
【図６】極低温排気コンプレッサの説明図である。
【図７】先行出願の断熱構造図である。
【図８】従来の断熱ケーシングの有限要素法による解析結果である。
【符号の説明】
１  断熱室壁、２  断熱室、３  作動装置、４  スクロール、
５，６  配管経路、７  駆動装置、８  回転軸、９  回転作動部、
１０  インペラ、１１  区画壁、１１ａ  上部区画壁、１１ｂ  下部区画壁、
１２  開口、２５  薄肉部、２６  真空空間、２７  伝熱フランジ、
２８  中間伝熱材、２９  中間冷却リング（冷却源）、３０  通路、
３１，３２  対流防止材、４０  断熱ケーシング、
４１  第１ケーシング、４２  第２ケーシング、
４１ａ，４２ａ  薄肉部分、４１ｂ，４２ｂ  テーパ部分、
４３  中間冷却リング、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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