(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサとタービンとを備え、
コンプレッサは、
ガス軸受又は磁気軸受といったオイルフリー構造の軸受により回転可能に支持されてモータにより駆動し得るようにした軸の一端部に取付けられると共に、回転によりガスを加圧するようにした遠心式の１段の翼を備え、
タービンは、
前記軸の他端部に取付けられると共に、コンプレッサから送出されて冷却され導入されたガスの膨張による仕事で、前記モータの補助動力として前記コンプレッサの翼を回転駆動させ得るようにした遠心式の複数の翼を備え、
コンプレッサで圧縮されて後、タービンからのガスにより冷却されてタービンに導入され、タービンで膨張して仕事をすると共に温度が低下しタービンから送出されたガスは、冷却対象物体を６４Ｋ以下の温度に冷却し、且つ、コンプレッサからのガスを冷却した後、コンプレッサに循環し得るよう構成された冷凍機用の回転機械であって、
前記ガスは、タービンでの膨張による温度低下において前記ガスに固化が生じないよう、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ネオンとの混合ガスとした
ことを特徴とする冷凍機用の回転機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍機用の回転機械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Ｎ2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２０ｋ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、振動の少い冷凍機用の回転機械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、
コンプレッサとタービンとを備え、
コンプレッサは、
ガス軸受又は磁気軸受といったオイルフリー構造の軸受により回転可能に支持されてモータにより駆動し得るようにした軸の一端部に取付けられると共に、回転によりガスを加圧するようにした遠心式の１段の翼を備え、
タービンは、
前記軸の他端部に取付けられると共に、コンプレッサから送出されて冷却され導入されたガスの膨張による仕事で、前記モータの補助動力として前記コンプレッサの翼を回転駆動させ得るようにした遠心式の複数の翼を備え、
コンプレッサで圧縮されて後、タービンからのガスにより冷却されてタービンに導入され、タービンで膨張して仕事をすると共に温度が低下しタービンから送出されたガスは、冷却対象物体を６４Ｋ以下の温度に冷却し、且つ、コンプレッサからのガスを冷却した後、コンプレッサに循環し得るよう構成された冷凍機用の回転機械であって、
前記ガスは、タービンにおける膨張による温度低下において前記ガスに固化が生じないよう、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ネオンとの混合ガスとした
ことを特徴とする冷凍機用の回転機械にかかるものである。
【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１１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１１ｂ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、ネオンといった希ガス類がある。
【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８００〜１０００ｍ／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１０ａｔｍ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１３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】
本発明の冷凍機用の回転機械によれば、
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、冷凍機用の回転機械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】  本発明の冷凍機用の回転機械に適用する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】  本発明の冷凍機用の回転機械に適用する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
４ モータ
６ ジャーナル軸受（ガス軸受又は磁気軸受）（オイルフリー構造の軸受）
８ 竪軸（軸）
１２ 翼
１５ 翼
１３ ガス
２０ 冷却対象物体
【図１】
0003928230.tif 000002
【図２】
0003928230.tif 000003
【図３】
0003928230.tif 000004
【図４】
0003928230.tif 000005