(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱室内部の作動装置と断熱室壁に設けた開口との間に区画壁を備え、前記開口の外部に駆動装置が着脱可能に設けられ該駆動装置の回転軸に備えた回転作動部が前記区画壁内部を通して前記作動装置に係合され、且つ前記区画壁内部及び駆動装置内部が断熱ガスで満された構成を有する回転機械の断熱構造であって、前記作動装置が極低温排気コンプレッサーのスクロールで前記回転作動部がインペラであり、これらスクロールとインペラとの間から漏れる極低温のヘリウムガスが前記断熱ガスとして前記区画壁内部及び駆動装置内部に満たされており、前記区画壁内部におけるインペラの駆動装置側背後に、前記回転軸と平行に伸び且つインペラ側端部が閉塞されて内部に前記ヘリウムガスが侵入している対流防止空間を形成するハニカム部材を設けたことを特徴とする回転機械の断熱構造。
【請求項２】
前記対流防止空間のインペラ側端部を閉塞する閉塞プレートを備え、
前記閉塞プレートは、前記インペラの背面に対して隙間を有して対峙され、
前記ハニカム部材は、前記区画壁内に挿入されることにより前記閉塞プレートによって前記区画壁に固定されることを特徴とする、請求項１記載の回転機械の断熱構造。
【請求項３】
前記区画壁内部に定温板を備え、
前記インペラと前記定温板との間に、前記ハニカム部材を備えたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の回転機械の断熱構造。
【請求項４】
前記定温板と前記駆動装置との間にも、前記ハニカム部材を設けたことを特徴とする、請求項３記載の回転機械の断熱構造。
【請求項５】
前記回転軸の内部を真空に保持させるようにした真空空間を形成したことを特徴とする、請求項１〜４記載の回転機械の断熱構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機械、特に常温部に設けられている駆動装置によって回転する回転作動部が、断熱室内の低温雰囲気で回転するような回転機械において、駆動装置の熱が回転軸及び回転作動部を通して低温雰囲気内に持ち込まれるのを極力低減するようにした回転機械の断熱構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、液体ヘリウムを極低温排気コンプレッサー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することが行われている。
【０００３】
図４は、回転機械として極低温排気コンプレッサーの場合を例にとって示したものであり、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としての極低温排気コンプレッサーのスクロール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、前記極低温排気コンプレッサーのスクロール４に嵌合するように設けられて、ヘリウムの圧縮を行うようになっている。上記した回転機械では、駆動装置７のケーシング内部が断熱室２に連通するようになり、このために、駆動装置７のケーシング内部も真空に保持されるようになっている。
【０００５】
上記極低温排気コンプレッサーでは、ヘリウムの温度を例えば４Ｋ前後の極低温まで冷却することを要求される場合があり、このよう場合、断熱室２内部を真空に保持すると、駆動装置７から断熱室２内の作動装置３に伝わる熱は殆んど回転軸８を伝わって侵入する熱のみとなり、従って回転軸８を伝わる熱を小さくする工夫を行えば熱の侵入をかなり小さなものとすることができる。
【０００６】
一方、上記したような回転機械においては、駆動装置７、回転軸８、回転作動部９としてのインペラ１０等をメンテナンスする必要がある。
【０００７】
このようなメンテナンスを実施するためには、前記駆動装置７を着脱可能に構成する必要があるが、駆動装置７を着脱可能として断熱室壁１から取外すと、断熱室２の真空が解除されてしまう。このように断熱室２の真空が解除されてしまうと、断熱室２の容積が大きい場合には、再び断熱室２内を吸引して真空に保持するために多大の時間と動力を必要とするという問題がある。
【０００８】
又、図４の回転機械では、スクロール４とインペラ１０との間の隙間からヘリウムが断熱室２内に漏洩するために断熱室２内の圧力が上昇してしまう問題があり、このために、常時断熱室２内を排気して真空を保持する必要があるという問題がある。
【０００９】
このような問題に対処するため、近年では、図４に二点鎖線で示すように極低温排気コンプレッサーのスクロール４と断熱室壁１との間に区画壁１１を設け、前記断熱室２の真空を保持した状態において駆動装置７及びインペラ１０を取り外してメンテナンスすることができるようにした方法が考えられるようになってきている。
【００１０】
上記したような区画壁１１を設けると、スクロール４とインペラ１０との隙間から漏れたヘリウムが、区画壁１１内部及び駆動装置７のケーシング内部を満たして断熱ガスとなり、且つ断熱室２内にヘリウムが漏出しないようにすることができるので好都合である。
【００１１】
図５は、断熱材として考えられている種々の材料の温度Ｔ〔Ｋ〕と熱伝導率〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕との関係を示したものであり、前記ヘリウム（Ｈｅ）は、常温では空気の約６倍前後の熱伝導率を有しているが、例えば５Ｋ〜１００Ｋ前後のような極低温域で使用される場合のヘリウムは、アルミナＦＲＰ、ガラスＦＲＰ、エポキシ単体等の断熱材に比して、約１桁以上に小さな熱伝達率を達成することができて好都合である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したように区画壁１１を設けて、該区画壁１１内部と駆動装置７のケーシング内部とをヘリウム（断熱ガス）で満たすようにした従来の回転機械の断熱構造においては、区画壁１１内部に満たされたヘリウムがインペラ１０の回転によって区画壁１１内部を対流することになり、このために、回転軸８及び区画壁１１を伝わる熱が内部の作動装置３に伝達される以外に、前記ヘリウムの対流によって駆動装置７側の熱がインペラ１０に伝達されることになり、この対流による熱の侵入が大きく、前記回転軸８及び区画壁１１を伝達する熱の約１０倍前後にも達してしまうために、極低温排気コンプレッサーの性能が大幅に低下してしまうという問題がある。
【００１３】
本発明は、かかる従来の問題点を解決すべくなしたもので、断熱室壁外部に着脱可能に設けるようにした駆動装置の熱が、断熱室内部の作動装置に伝達されるのを最小限に抑制することができるようにした回転機械の断熱構造を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、断熱室内部の作動装置と断熱室壁に設けた開口との間に区画壁を備え、前記開口の外部に駆動装置が着脱可能に設けられ該駆動装置の回転軸に備えた回転作動部が前記区画壁内部を通して前記作動装置に係合され、且つ前記区画壁内部及び駆動装置内部が断熱ガスで満された構成を有する回転機械の断熱構造であって、前記作動装置が極低温排気コンプレッサーのスクロールで前記回転作動部がインペラであり、これらスクロールとインペラとの間から漏れる極低温のヘリウムガスが前記断熱ガスとして前記区画壁内部及び駆動装置内部に満たされており、前記区画壁内部におけるインペラの駆動装置側背後に、前記回転軸と平行に伸び且つインペラ側端部が閉塞されて内部に前記ヘリウムガスが侵入している対流防止空間を形成するハニカム部材を設けたことを特徴とする回転機械の断熱構造、に係るものである。
【００１５】
また、本発明をより具体的に実施するに際しては、前記対流防止空間のインペラ側端部を閉塞する閉塞プレートを備え、前記閉塞プレートは、前記インペラの背面に対して隙間を有して対峙され、前記ハニカム部材は、前記区画壁内に挿入されることにより前記閉塞プレートによって前記区画壁に固定されることが好ましい。
更に、前記区画壁内部に定温板を備え、前記インペラと前記定温板との間に、前記ハニカム部材を備えることが可能であり、前記定温板と前記駆動装置との間にも、前記ハニカム部材を設けることが可能である。
【００１６】
本発明によれば、断熱室内に設けられる回転作動部の駆動装置側背後に、ハニカム部材を配置し、且つ該ハニカム部材が対流防止空間を形成するようにしているので、区画壁内部のヘリウムの対流を防止することができ、低温域で熱伝達率が極めて小さいヘリウムを断熱材として利用して有効な断熱を行うことができる。これにより駆動装置を着脱可能に取付けた構成においても、駆動装置側から断熱室内部の作動装置へ熱が伝達するのを極めて小さな値に抑制し得て、高い断熱効果を得ることができる。
【００１７】
ヘリウムを極低温に冷却する要求があるような極低温排気コンプレッサーを高効率に作動させることができるようになり、よって極低温を確実に達成できるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、図４と同様の極低温排気コンプレッサーからなる回転機械に適用した場合の本発明の一例を示したもので、図１中図４と同一のものには同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２０】
図１に示すように、断熱室２内部の作動装置３である極低温排気コンプレッサーのスクロール４と、断熱室壁１に設けた開口１２との間に、ステンレスなどの薄板によって形成された区画壁１１を設け、前記開口１２の外部に、駆動装置７のケーシング１３を、シール１４を介してボルト１５により着脱可能に取付けている。更に、駆動装置７の回転軸８に取付けられた回転作動部９であるインペラ１０を、前記区画壁１１内部を通して作動装置３である極低温排気コンプレッサーのスクロール４に係合している。
【００２１】
また、前記駆動装置７を着脱する際に、極低温排気コンプレッサーを配管経路５，６に対して遮断できるようにするために、スクロール４の入口１６と出口１７とに開閉弁１８を配設している。
【００２２】
上記区画壁１１の内部及び駆動装置７のケーシング１３の内部は、極低温排気コンプレッサーのスクロール４とインペラ１０との間の隙間から漏れるヘリウムによって満されるようになっている。
【００２３】
又、前記回転軸８は、図２に示すように、駆動装置７からインペラ１０への熱の伝達を極力低減するために、回転軸８の内部をくり貫いてその空間を真空に保持させるようにした真空空間１９を形成するようにしている。
【００２４】
図１中２０は駆動装置のモータステータ、２１はモータロータ、２２は磁気軸受、２３はスラスト軸受、２４は電源コード等を通すハーナチックコネクタ、２５はケーシング１３に形成した水冷ジャケットである。
【００２５】
上記図１及び図２に示した構成において、区画壁１１内におけるインペラ１０の駆動装置７側背後に、ハニカム部材２６を設ける。
【００２６】
ハニカム部材２６は、紙、合成樹脂、アラミドＦＲＰなどの極薄の材料で図３に示すようにハニカムが形成され、前記回転軸８と平行に伸びて作動装置３（インペラ１０）側端部がたとえばＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等による閉塞プレート２７にて閉塞された多数の対流防止空間２８を形成するようになっている。上記ハニカム部材２６は、区画壁１１内に挿入されることにより前記閉塞プレート２７によって区画壁１１に固定されるようになっている。この時、閉塞プレート２７は、インペラ１０の背面に対し僅かな隙間を有して対峙されている。前記ハニカム部材２６のハニカムによる対流防止空間２８は、内部でヘリウムの対流が生じ難い大きさの径、例えば約数ｍｍ〜１０ｍｍ前後の直径としている。
【００２７】
また、図１、図２では区画壁１１内部における軸方向中間位置に、スクロール４と駆動装置７との中間の温度に保持するようにした定温板２９（サーマルアンカー）を設けた場合を示しており、この定温板２９と駆動装置７との間にも前記と同様の構成を有するハニカム部材３０を設けた場合を示している。
【００２８】
次に、上記図１、図２に示した形態例の作用を説明する。
【００２９】
図１に示す回転機械において、駆動装置７を作動し、回転軸８を介してインペラ１０を回転させると、極低温排気コンプレッサーのスクロール４によってヘリウムの圧縮が行われる。この時、区画壁１１の内部及び駆動装置７のケーシング１３の内部は、極低温排気コンプレッサーのスクロール４とインペラ１０との間の隙間から漏れるヘリウムによって満されている。
【００３０】
この状態において、常温部に設けられている駆動装置７の熱は、回転軸８と区画壁１１を伝わって作動装置３側に侵入する。この時、回転軸８に真空空間１９を設け、且つこれによって回転軸８を薄肉に構成しているので、回転軸８を伝わって侵入する熱は少なく、また区画壁１１を薄肉のステンレス（ステンレスの熱伝達率は低い）にて構成しているので、区画壁１１を伝わって侵入する熱も少ない。
【００３１】
区画壁１１内にはヘリウムからなる断熱ガスが満たされており、従って例えば前記したハニカム部材２６を備えていない場合には、区画壁１１内部のヘリウムが前記インペラ１０の回転によって流動し、ヘリウムの対流によって回転軸８及び区画壁１１を伝わって侵入する熱の約１０倍以上の熱が侵入することになってしまうが、インペラ１０の背後にハニカム部材２６を配置しており、且つ該ハニカム部材２６が対流防止空間２８（図３）を形成していることによって、区画壁１１内のヘリウムの対流を防止することができ、よって図５に示したように低温域での熱伝達率が極めて小さいヘリウム（Ｈｅ）を断熱材として利用することにより高い断熱効果を得ることができる。この時、ハニカム部材２６自体を伝わって熱が侵入することになるが、ハニカム部材２６は、ヘリウムの対流を防止するための極めて薄い材料で構成されているので、ハニカム部材２６を伝わって侵入する熱量は、前記回転軸８及び区画壁１１を伝わって侵入する熱と略同程度の極めて小さな値とすることができ、よって前記したように駆動装置７を着脱可能に取付けた構成においても、駆動装置７側から断熱室２内部の作動装置３へ熱が伝達するのを極めて小さな値に抑制し得て、高い断熱効果を得ることができる。
【００３２】
また、図１及び図２では、区画壁１１の内部に、スクロール４と駆動装置７との中間の温度に保持するようにした定温板２９（サーマルアンカー）を設け、該定温板２９と駆動装置７との間にもハニカム部材３０を設けた構成としているので、このハニカム部材３０の設置位置においてもヘリウムの対流を防止することができて、駆動装置７からの熱の侵入を更に抑制することができる。
【００３３】
前記した構成によれば、ヘリウムを４Ｋ前後まで冷却する要求があるような極低温排気コンプレッサーを高効率に作動させることができ、よって前記したような例えば４Ｋといった極低温を確実に達成することができるようになる。
【００３４】
尚、本発明は上記形態例にのみ限定されるものではなく、極低温排気コンプレッサー以外にも、熱の侵入を防止する必要がある種々の回転機械の断熱構造にも適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ること、等は勿論である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、断熱室内に設けられる回転作動部の駆動装置側背後に、ハニカム部材を配置し、且つ該ハニカム部材が対流防止空間を形成するようにしているので、区画壁内部のヘリウムの対流を防止することができ、低温域で熱伝達率が極めて小さいヘリウムを断熱材として利用して有効な断熱を行うことができる。これにより駆動装置を着脱可能に取付けた構成においても、駆動装置側から断熱室内部の作動装置へ熱が伝達するのを極めて小さな値に抑制し得て、高い断熱効果を得ることができる。
【００３６】
ヘリウムを極低温に冷却する要求があるような極低温排気コンプレッサーを高効率に作動させることができ、よって極低温を確実に達成できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転機械の断熱構造の一例を示す切断側面図である。
【図２】図１の要部の拡大断面図である。
【図３】ハニカム部材の一例を示す部分斜視図である。
【図４】従来の回転機械の断熱構造の一例を示す切断側面図である。
【図５】種々の断熱材の温度と、熱伝導率との関係を示す線図である。
【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
７  駆動装置
８  回転軸
９  回転作動部
１０  インペラ
１１  区画壁
１２  開口
２６  ハニカム部材
２８  対流防止空間
３０  ハニカム部材
【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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