JP2011252442A - Very low temperature rotary machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体窒素、液体ヘリウム、液体水素等の極低温冷媒を送流する極低温回転機械に関し、特に、極低温冷媒の入出口配管を含む静止流路を真空容器内に配置し、インペラを含む駆動装置を真空容器外に取り外し可能な極低温回転機械に関する。 The present invention relates to a cryogenic rotating machine that sends a cryogenic refrigerant such as liquid nitrogen, liquid helium, and liquid hydrogen, and in particular, a stationary flow path including an inlet / outlet pipe for a cryogenic refrigerant is disposed in a vacuum vessel, and an impeller It is related with the cryogenic rotary machine which can remove the drive device containing this outside a vacuum vessel.
極低温回転機械は、例えば、核融合炉や加速器等に使用される超伝導磁石の冷却、原子の衝突によって発生した中性子の減速等に使用される極低温冷媒を送流するためのコンプレッサ、ポンプ、タービン等の回転機械である。ここで、極低温とは、一般に、液体ヘリウム等の減圧沸騰及び希釈冷凍を利用して得られる温度を意味する。具体的には、大気圧における飽和温度は、液体ヘリウムが４Ｋ、水素ガスは２０Ｋ、窒素ガスは８０Ｋであり、そこから各冷媒を減圧することで得られる飽和温度よりも低い温度が極低温に相当する。また、極低温冷媒とは、極低温の気体又は液体を意味し、例えば、液体窒素、液体ヘリウム、液体水素、これらの気化ガス等が含まれる。かかる極低温回転機械は、一般に、極低温冷媒に運動エネルギーを付与するインペラ側が断熱保冷された真空容器内に配置され、インペラを回転駆動させる駆動装置側が真空容器外に配置される（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。すなわち、インペラ側は低温の冷媒雰囲気中に配置され、駆動装置側は常温の冷媒雰囲気中に配置される。したがって、極低温回転機械の性能や効率を維持又は向上させるためには、インペラ側と駆動装置側との間を断熱し、低温側への熱侵入量を低減させることが重要となる。 Cryogenic rotating machines, for example, compressors and pumps for sending cryogenic refrigerants used for cooling superconducting magnets used in fusion reactors and accelerators, slowing down neutrons generated by atomic collisions, etc. A rotating machine such as a turbine. Here, the cryogenic temperature generally means a temperature obtained by using boiling under reduced pressure such as liquid helium and dilution refrigeration. Specifically, the saturation temperature at atmospheric pressure is 4K for liquid helium, 20K for hydrogen gas, and 80K for nitrogen gas, from which the temperature lower than the saturation temperature obtained by decompressing each refrigerant is extremely low. Equivalent to. The cryogenic refrigerant means a cryogenic gas or liquid, and includes, for example, liquid nitrogen, liquid helium, liquid hydrogen, and their vaporized gases. In such a cryogenic rotating machine, generally, an impeller side that imparts kinetic energy to a cryogenic refrigerant is arranged in a vacuum container that is insulated and cooled, and a driving device side that rotates the impeller is arranged outside the vacuum container (for example, a patent) Reference 1 and Patent Document 2). That is, the impeller side is disposed in a low-temperature refrigerant atmosphere, and the drive device side is disposed in a normal-temperature refrigerant atmosphere. Therefore, in order to maintain or improve the performance and efficiency of the cryogenic rotating machine, it is important to insulate between the impeller side and the drive device side to reduce the amount of heat penetration into the low temperature side.
特許文献１に記載された極低温回転機械は、回転軸の一端部に設けたインペラを極低温領域で作動させるとともに、回転軸を支承する軸受部を液体窒素温度レベルよりも高い状態に保持する極低温回転機械であって、インペラと、このインペラの背面部から軸受部の間に挿入した断熱材と、回転軸の一部とをケーシング内に収納し、かつ断熱材の一部に、ケーシングを貫通して液体窒素温度レベルまで冷却した作動流体と同質の流体を供給し、断熱材及びケーシングを冷却する冷却ガス流路を形成したものである。 The cryogenic rotating machine described in Patent Document 1 operates an impeller provided at one end of a rotating shaft in a cryogenic region and holds a bearing portion supporting the rotating shaft in a state higher than the liquid nitrogen temperature level. A cryogenic rotating machine, in which an impeller, a heat insulating material inserted between a back surface portion of the impeller and a bearing portion, and a part of a rotating shaft are housed in a casing, and a part of the heat insulating material is a casing. A cooling gas flow path for cooling the heat insulating material and the casing is formed by supplying a fluid of the same quality as the working fluid cooled to the liquid nitrogen temperature level.
特許文献２に記載された極低温回転機械は、真空容器の内部に設置され、タービンインペラを内蔵し、極低温ガスを断熱膨張させる際にタービンインペラを回転駆動する断熱膨張装置を有し、真空容器の外部に設置される駆動部材からの駆動力によって断熱膨張装置の外端の近傍に配置されたノズル部材を駆動することによりタービンインペラへ導入する極低温ガスのスロート面積を変化させる可変ノズル機構付き膨張タービンである。かかる膨張タービンでは、タービンインペラと軸受との間に断熱材を配置するとともに断熱材の背面に押さえバネを配置することによって、軸方向に断熱材を付勢し、構成部品の隙間からのガス漏れを防止するようにしている。また、断熱材の側面部（回転軸の軸方向に延びる面）には、軸受との隙間をシールするＯリングが配置されている。 The cryogenic rotating machine described in Patent Document 2 is installed inside a vacuum vessel, has a built-in turbine impeller, and has an adiabatic expansion device that rotationally drives the turbine impeller when a cryogenic gas is adiabatically expanded. A variable nozzle mechanism that changes the throat area of the cryogenic gas introduced into the turbine impeller by driving a nozzle member disposed in the vicinity of the outer end of the adiabatic expansion device by a driving force from a driving member installed outside the container It is an attached expansion turbine. In such an expansion turbine, a heat insulating material is disposed between the turbine impeller and the bearing and a pressing spring is disposed on the back surface of the heat insulating material to urge the heat insulating material in the axial direction, thereby causing gas leakage from the gaps between the components. Try to prevent. In addition, an O-ring that seals a gap with the bearing is disposed on a side surface portion (a surface extending in the axial direction of the rotating shaft) of the heat insulating material.
しかしながら、特許文献１に記載の極低温回転機械では、インペラ背面に配置した断熱材部では低温の冷媒雰囲気中のインペラ側と常温の冷媒雰囲気中の駆動装置側との間を断熱することができるが、雰囲気ガスが回転軸と断熱材との間、断熱材とケーシングとの間等の隙間を通って駆動装置側へ流れることを抑制することができない。また、雰囲気ガスが駆動装置側に流れた場合には、駆動装置側の構成部品の温度を低下させてしまい、極低温回転機械の性能や効率を低下させる原因にもなってしまう。かかる問題は、特に、断熱材の周囲を雰囲気ガスが循環する循環流れが生じた場合に顕著となる。 However, in the cryogenic rotating machine described in Patent Document 1, the heat insulating member disposed on the back surface of the impeller can insulate between the impeller side in the low-temperature refrigerant atmosphere and the drive device side in the normal-temperature refrigerant atmosphere. However, it is not possible to suppress the atmospheric gas from flowing through the gap between the rotating shaft and the heat insulating material, between the heat insulating material and the casing, or the like to the drive device side. In addition, when the atmospheric gas flows to the drive device side, the temperature of the component parts on the drive device side is lowered, which may cause the performance and efficiency of the cryogenic rotating machine to be lowered. Such a problem becomes prominent particularly when a circulation flow in which the atmospheric gas circulates around the heat insulating material occurs.
また、特許文献２に記載の膨張タービンでは、押さえバネの付勢力でシールしているため、基本的にシール性能が低いという問題があった。したがって、断熱材と軸受との間にＯリングが配置されていたとしても、雰囲気ガスが漏れた場合には、Ｏリングが冷却されて固化してしまい、その機能を喪失してシール性能が低下するという問題があった。さらに、断熱材の周囲を雰囲気ガスが循環する循環流れが生じた場合には、押さえバネも冷却されてしまい、付勢力を喪失してシール性能がさらに低下してしまうという問題もあった。 Further, the expansion turbine described in Patent Document 2 has a problem that the sealing performance is basically low because the sealing is performed by the biasing force of the holding spring. Therefore, even if an O-ring is arranged between the heat insulating material and the bearing, if the atmospheric gas leaks, the O-ring is cooled and solidified, and its function is lost and the sealing performance is deteriorated. There was a problem to do. Furthermore, when a circulation flow in which the ambient gas circulates around the heat insulating material is generated, the pressing spring is also cooled, and there is a problem that the sealing performance is further deteriorated by losing the urging force.
また、上述した極低温回転機械では、メンテナンス等のために、極低温冷媒の入出口配管を含む静止流路が真空容器内に配置され、インペラを含む駆動装置を真空容器外に取り外しできるように構成されている。したがって、特許文献２に記載されたように、回転軸の側面（軸方向に延びる面）にシールが配置されている場合には、インペラ等の構成部品の着脱時にシール材や擦り屑等がケーシング内に落下してシステム配管に混入してしまうおそれがあり、構成部品の着脱作業を慎重に行う必要があり、作業に手間がかかっていた。 Further, in the cryogenic rotating machine described above, a stationary flow path including an inlet / outlet pipe for a cryogenic refrigerant is disposed in the vacuum vessel for maintenance and the like, so that the driving device including the impeller can be removed from the vacuum vessel. It is configured. Therefore, as described in Patent Document 2, when a seal is disposed on the side surface (surface extending in the axial direction) of the rotating shaft, the sealing material, scraps, and the like are removed from the casing when a component such as an impeller is attached or detached. There is a risk of falling into the system piping, and it is necessary to carefully attach and detach components, which takes time.
本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、断熱材の周囲を雰囲気ガスが循環する循環流れを抑制し、インペラ側と駆動装置側との間の断熱効果を向上させるとともに、構成部品の着脱作業を容易に行うことができる極低温回転機械を提供することを目的とする。 The present invention was devised in view of the above-described problems, suppresses the circulation flow in which ambient gas circulates around the heat insulating material, improves the heat insulating effect between the impeller side and the drive device side, It is an object of the present invention to provide a cryogenic rotating machine capable of easily attaching and detaching components.
本発明によれば、極低温冷媒に運動エネルギーを付与するインペラ側が断熱保冷された真空容器内に配置され、インペラを回転駆動させる駆動装置側が真空容器外に配置された極低温回転機械において、前記駆動装置の回転を前記インペラに伝達する回転軸と、該回転軸を支承する軸受と、前記インペラを収容するとともに前記真空容器に固定されるケーシングと、該ケーシングと前記回転軸との間かつ前記インペラと前記軸受との間に配置される断熱材と、該断熱材に形成された前記回転軸に垂直な面に配置されたシール部材と、を有することを特徴とする極低温回転機械が提供される。 According to the present invention, in the cryogenic rotating machine in which the impeller side that imparts kinetic energy to the cryogenic refrigerant is disposed in a thermally insulated vacuum vessel, and the drive device side that rotationally drives the impeller is disposed outside the vacuum vessel, A rotating shaft that transmits the rotation of the driving device to the impeller, a bearing that supports the rotating shaft, a casing that houses the impeller and is fixed to the vacuum vessel, and between the casing and the rotating shaft; Provided is a cryogenic rotating machine comprising: a heat insulating material disposed between an impeller and the bearing; and a seal member disposed on a surface perpendicular to the rotating shaft formed in the heat insulating material. Is done.
前記断熱材は、例えば、前記ケーシングに形成された開口部に係止可能なフランジ部を有し、該フランジ部は、前記軸受と前記ケーシングとの間に挟持されており、前記シール部材は、前記フランジ部の片面又は両面に配置されている。 The heat insulating material has, for example, a flange portion that can be locked to an opening formed in the casing, and the flange portion is sandwiched between the bearing and the casing. It arrange | positions at the single side | surface or both surfaces of the said flange part.
前記シール部材は、例えば、インジウム等の軟質金属により構成される。また、前記フランジ部は、前記軟質金属が延展時に前記フランジ部からはみ出ないように形成されていてもよい。 The seal member is made of a soft metal such as indium. The flange portion may be formed so that the soft metal does not protrude from the flange portion when extended.
また、前記シール部材を前記フランジ部の前記軸受側の片面に配置した場合に、前記軸受の前記断熱材よりも径方向外側に両面を貫通する開口部が形成されていないようにしてもよい。 Moreover, when the said sealing member is arrange | positioned at the one surface by the side of the said bearing of the said flange part, you may make it the opening part which penetrates both surfaces in the radial direction outer side rather than the said heat insulating material of the said bearing not be formed.
また、前記断熱材は、前記ケーシングに形成された開口部に係止可能なフランジ部を有し、該フランジ部は、前記軸受と前記ケーシングとの間に挟持されており、前記シール部材は、軟質金属により構成されるとともに前記フランジ部と前記軸受との間に配置されていてもよい。 In addition, the heat insulating material has a flange portion that can be locked to an opening formed in the casing, the flange portion is sandwiched between the bearing and the casing, It may be made of a soft metal and disposed between the flange portion and the bearing.
上述した本発明に係る極低温回転機械によれば、インペラと軸受との間に断熱材を配置し、断熱材に形成された回転軸に垂直な面にシール部材を配置したことにより、断熱材の外面をシールすることができるとともに、メンテナンス時等のように構成部品を着脱する場合であっても、シール部材や擦り屑等を配置面に残置しておくことができ、ケーシングに落下したり、システム配管に混入したりするおそれを低減することができる。したがって、断熱材の周囲を雰囲気ガスが循環する循環流れを抑制し、インペラ側と駆動装置側との間の断熱効果を向上させることができ、低温側への熱侵入量を低減させることができるとともに、構成部品の着脱作業も容易に行うことができる。 According to the cryogenic rotating machine according to the present invention described above, the heat insulating material is disposed between the impeller and the bearing, and the sealing member is disposed on the surface perpendicular to the rotation shaft formed in the heat insulating material, whereby the heat insulating material. The outer surface can be sealed, and even when components are attached and detached during maintenance, etc., sealing members and scraps can be left on the placement surface and dropped on the casing. The risk of being mixed into the system piping can be reduced. Therefore, it is possible to suppress the circulation flow in which the ambient gas circulates around the heat insulating material, to improve the heat insulating effect between the impeller side and the driving device side, and to reduce the heat intrusion amount to the low temperature side. At the same time, it is possible to easily attach and detach components.
特に、シール部材としてインジウム等の軟質金属を使用することにより、シール部材の配置面にシール部材を効果的に密着させることができ、シール部材が低温雰囲気に曝された場合であってもシール性能を発揮させることができる。また、軟質金属のようにシール部材を潰して密着させるような場合であっても、回転軸に垂直な面にシール部材を配置することにより、構成部品の着脱時にシール部材をケーシング内に落下させることなく、容易にメンテンス等を行うことができる。 In particular, by using a soft metal such as indium as the sealing member, the sealing member can be effectively brought into close contact with the arrangement surface of the sealing member, and the sealing performance even when the sealing member is exposed to a low temperature atmosphere. Can be demonstrated. Further, even when the seal member is crushed and brought into close contact like a soft metal, the seal member is placed on a surface perpendicular to the rotating shaft so that the seal member is dropped into the casing when the component is attached or detached. Thus, it is possible to easily perform maintenance or the like.
以下、本発明の第一実施形態について図１乃至図４を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る極低温回転機械の全体構成図である。また、図２は、図１に示した断熱材周辺の拡大図である。また、図３は、断熱材周辺の拡大図であり、（ａ）は従来技術の押さえバネを使用した比較例、（ｂ）は図１に示した第一実施形態、を示している。また、図４は、極低温回転機械の構成部品の一部を取り外した状態を示す図である。なお、図１及び図４において真空容器の図は省略してある。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. Here, FIG. 1 is an overall configuration diagram of the cryogenic rotating machine according to the embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of the periphery of the heat insulating material shown in FIG. 3 is an enlarged view of the periphery of the heat insulating material. FIG. 3A shows a comparative example using a conventional presser spring, and FIG. 3B shows the first embodiment shown in FIG. FIG. 4 is a view showing a state in which some of the components of the cryogenic rotating machine are removed. 1 and 4, the illustration of the vacuum vessel is omitted.
本発明の第一実施形態に係る極低温回転機械１は、図１及び図２に示したように、極低温冷媒に運動エネルギーを付与するインペラ２側が断熱保冷された真空容器内に配置され、インペラ２を回転駆動させる駆動装置３側が真空容器外に配置されており、駆動装置３の回転をインペラ２に伝達する回転軸４と、回転軸４を支承するジャーナル軸受５と、インペラ２を収容するとともに真空容器に固定されるケーシング６と、ケーシング６と回転軸４との間かつインペラ２とジャーナル軸受５との間に配置される断熱材７と、断熱材７に形成された回転軸４に垂直な面に配置されたシール部材８と、を有する。 The cryogenic rotating machine 1 according to the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2, is disposed in a vacuum container in which the impeller 2 side that imparts kinetic energy to the cryogenic refrigerant is insulated and kept cool. The drive device 3 side for rotationally driving the impeller 2 is arranged outside the vacuum vessel, and accommodates the rotary shaft 4 that transmits the rotation of the drive device 3 to the impeller 2, the journal bearing 5 that supports the rotary shaft 4, and the impeller 2. In addition, the casing 6 fixed to the vacuum vessel, the heat insulating material 7 disposed between the casing 6 and the rotating shaft 4 and between the impeller 2 and the journal bearing 5, and the rotating shaft 4 formed on the heat insulating material 7. And a seal member 8 disposed on a surface perpendicular to the surface.
前記インペラ２は、図１に示すように、回転軸４の先端に接続されており、ケーシング６内に収容されている。インペラ２の同心軸上の上流側には、極低温冷媒の吸入口６１が形成され、インペラ２の半径方向の外周部には、遠心力により運動エネルギーが付与された極低温冷媒を送流するスクロール部６２が形成されている。また、スクロール部６２は、ケーシング６に接続された出口配管６３と連通している。 As shown in FIG. 1, the impeller 2 is connected to the tip of the rotating shaft 4 and is accommodated in the casing 6. A cryogenic refrigerant suction port 61 is formed on the upstream side of the impeller 2 on the concentric shaft, and a cryogenic refrigerant to which kinetic energy is imparted by centrifugal force is sent to the radial outer periphery of the impeller 2. A scroll portion 62 is formed. The scroll portion 62 communicates with an outlet pipe 63 connected to the casing 6.
前記駆動装置３は、例えば、ロータ３１とステータ３２とから構成される非接触式のモータである。ロータ３１及びステータ３２は、例えば、誘導電動機や発電機等により構成されており、ロータ３１は回転軸４に配置され、ステータ３２は筐体９に配置されている。ロータ３１は、ステータ３２との相互作用により回転トルクを発生させ、回転軸４とともに回転駆動する。 The driving device 3 is, for example, a non-contact type motor that includes a rotor 31 and a stator 32. The rotor 31 and the stator 32 are configured by, for example, an induction motor, a generator, or the like. The rotor 31 is disposed on the rotating shaft 4 and the stator 32 is disposed on the housing 9. The rotor 31 generates rotational torque by interaction with the stator 32 and is rotationally driven together with the rotating shaft 4.
前記回転軸４は、駆動装置３を挟むように配置された一対のジャーナル軸受５，１０と、ジャーナル軸受５の背面に配置されたスラスト軸受１１と、によって支承されている。これらの軸受には、例えば、磁気軸受が採用され、回転軸４を非接触の状態で支持する。また、回転軸４のインペラ２とジャーナル軸受５との間に位置する部分は、薄肉の中空円筒形状に形成されており、インペラ２側と駆動装置３側との間で熱伝達し難くなるように構成されている。 The rotary shaft 4 is supported by a pair of journal bearings 5 and 10 disposed so as to sandwich the drive device 3 and a thrust bearing 11 disposed on the back surface of the journal bearing 5. For example, magnetic bearings are employed as these bearings, and the rotating shaft 4 is supported in a non-contact state. Moreover, the part located between the impeller 2 of the rotating shaft 4 and the journal bearing 5 is formed in a thin hollow cylindrical shape so that heat transfer between the impeller 2 side and the drive device 3 side is difficult. It is configured.
ここで、筐体９の内部は極低温冷媒の気化ガスにより充満し得る構造であるため、オイルフリーの構成とすることが好ましい。そこで、駆動装置３及び回転軸４の軸受には非接触式のものを採用することが好ましい。なお、軸受には磁気軸受の代わりにガス軸受を採用するようにしてもよい。また、筐体９の上部には、図示しない配線や配管を内部の駆動装置３等の構成部品に接続するための作業空間９１が形成されており、蓋部材９２により閉塞されている。また、図示しないが、筐体９の駆動装置３と対峙する壁面部に冷却水を供給及び循環できる冷却ジャケットを配置するようにしてもよい。 Here, since the inside of the housing 9 has a structure that can be filled with the vaporized gas of the cryogenic refrigerant, an oil-free configuration is preferable. Therefore, it is preferable to employ non-contact type bearings for the driving device 3 and the rotating shaft 4. A gas bearing may be adopted as the bearing instead of the magnetic bearing. In addition, a work space 91 for connecting wirings and pipes (not shown) to components such as the internal driving device 3 is formed in the upper part of the housing 9, and is closed by a lid member 92. Although not shown, a cooling jacket capable of supplying and circulating cooling water may be disposed on the wall surface of the housing 9 facing the driving device 3.
前記ジャーナル軸受５は、中心部に回転軸４を挿通する開口部５１を有する略円板形状を有している。また、開口部５１の外周には、断熱材７の一部を収容する凹部５２を形成するようにしてもよい。かかるジャーナル軸受５は、図１に示したように、ケーシング６と筐体９との間に挟持されている。なお、他方のジャーナル軸受１０は、回転軸４の後端側に挿通され固定されている。 The journal bearing 5 has a substantially disk shape having an opening 51 through which the rotary shaft 4 is inserted at the center. Further, a recess 52 that accommodates a part of the heat insulating material 7 may be formed on the outer periphery of the opening 51. The journal bearing 5 is sandwiched between the casing 6 and the housing 9 as shown in FIG. The other journal bearing 10 is inserted and fixed to the rear end side of the rotating shaft 4.
前記ケーシング６は、図１に示したように、インペラ２及び回転軸４の一部を収容する開口部６４を有する本体部６ａと、本体部６ａの外周に形成された拡径部６ｂと、を有する。本体部６ａには、上述した吸入口６１及びスクロール部６２が開口部６４と連通するように形成されている。また、本体部６ａの回転軸４を収容する部分は、薄肉の中空円筒形状に形成されており、インペラ２側と駆動装置３側との間で熱伝達し難くなるように構成されている。また、駆動装置３側における本体部６ａの開口部６４の外周には、ジャーナル軸受５を収容する凹部６５を形成するようにしてもよい。また、拡径部６ｂは、図示しない真空容器の壁面に固定される。すなわち、ケーシング６は、本体部６ａのインペラ２側が真空容器の壁面に形成された開口部から挿入され、その開口部を覆うように拡径部６ｂが真空容器の壁面に配置され外側から固定されるように構成されている。 As shown in FIG. 1, the casing 6 includes a main body 6 a having an opening 64 that accommodates part of the impeller 2 and the rotating shaft 4, and an enlarged diameter portion 6 b formed on the outer periphery of the main body 6 a. Have The main body 6 a is formed with the above-described suction port 61 and scroll portion 62 so as to communicate with the opening 64. Moreover, the part which accommodates the rotating shaft 4 of the main-body part 6a is formed in the thin hollow cylindrical shape, and it is comprised so that it may become difficult to transfer heat between the impeller 2 side and the drive device 3 side. Further, a recess 65 for accommodating the journal bearing 5 may be formed on the outer periphery of the opening 64 of the main body 6a on the drive device 3 side. Moreover, the enlarged diameter part 6b is fixed to the wall surface of the vacuum vessel which is not illustrated. That is, the casing 6 is inserted from the opening formed on the wall surface of the vacuum vessel on the impeller 2 side of the main body 6a, and the enlarged diameter portion 6b is disposed on the wall surface of the vacuum vessel so as to cover the opening, and is fixed from the outside. It is comprised so that.
前記断熱材７は、図１及び図２に示したように、インペラ２とジャーナル軸受５との間に配置され、真空容器内の低温雰囲気と真空容器外の常温雰囲気との間の熱伝達を抑制する。かかる断熱材７には、例えば、ガラス繊維強化プラスチックやセラミックス等のような、熱伝導率が低く、極低温雰囲気に対して耐久性の高い素材が採用される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the heat insulating material 7 is disposed between the impeller 2 and the journal bearing 5, and transfers heat between a low temperature atmosphere in the vacuum vessel and a normal temperature atmosphere outside the vacuum vessel. Suppress. For the heat insulating material 7, for example, a material having low thermal conductivity and high durability against a cryogenic atmosphere such as glass fiber reinforced plastic or ceramics is employed.
また、断熱材７は、ケーシング６と回転軸４との間かつインペラ２とジャーナル軸受５との間に配置可能な略円筒形状に形成されており、ケーシング６に形成された開口部６４に係止可能なフランジ部７１を有し、フランジ部７１は、ジャーナル軸受５とケーシング６との間に挟持されている。具体的には、フランジ部７１の下面は、ケーシング６の本体部６ａに形成された凹部６５に係止され、フランジ部７１の上面は、ジャーナル軸受５に形成された凹部５２に収容される。また、断熱材７の内側には、回転軸４やジャーナル軸受５の表面に沿うように段差部７２が形成されていてもよい。 The heat insulating material 7 is formed in a substantially cylindrical shape that can be disposed between the casing 6 and the rotating shaft 4 and between the impeller 2 and the journal bearing 5, and is related to an opening 64 formed in the casing 6. A flange portion 71 that can be stopped is provided, and the flange portion 71 is sandwiched between the journal bearing 5 and the casing 6. Specifically, the lower surface of the flange portion 71 is engaged with a recess 65 formed in the main body portion 6 a of the casing 6, and the upper surface of the flange portion 71 is accommodated in the recess 52 formed in the journal bearing 5. Further, a stepped portion 72 may be formed inside the heat insulating material 7 so as to be along the surfaces of the rotary shaft 4 and the journal bearing 5.
前記シール部材８は、断熱材７の周囲に生じる循環流れを阻止するとともに、メンテナンス等の作業を阻害しないように配置される。かかる機能を発揮させるために、シール部材８は、断熱材７に形成された回転軸４に垂直な面に配置される。具体的には、シール部材８は、断熱材７に形成されたフランジ部７１の上面、下面又は上下面に配置される。図１及び図２に示した第一実施形態では、シール部材８は、フランジ部７１の上面に形成された環状溝７３により位置決めされている。 The seal member 8 is disposed so as to prevent a circulation flow generated around the heat insulating material 7 and not to disturb maintenance work. In order to exert such a function, the seal member 8 is disposed on a surface perpendicular to the rotating shaft 4 formed in the heat insulating material 7. Specifically, the seal member 8 is disposed on the upper surface, the lower surface, or the upper and lower surfaces of the flange portion 71 formed on the heat insulating material 7. In the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the seal member 8 is positioned by an annular groove 73 formed on the upper surface of the flange portion 71.
なお、上述したフランジ部７１の上面及び下面は、断熱材７に形成された回転軸４に垂直な面に相当するが、「垂直」とは完全な垂直を意味するのみならず、シール部材８がケーシング６内に落下しない程度の傾斜を有する場合も含む趣旨である。例えば、シール部材８の落下を抑制するために、フランジ部７１の上面の外側を内側よりも高くしたり、フランジ部７１の下面の内側を外側よりも高くしたりするようにしてもよい。このとき、フランジ部７１と対峙する面もフランジ部７１の表面に沿うように形成される。 Note that the upper surface and the lower surface of the flange portion 71 described above correspond to surfaces perpendicular to the rotating shaft 4 formed on the heat insulating material 7, but “vertical” does not only mean complete vertical, but also the seal member 8. This is intended to include the case of having an inclination that does not fall into the casing 6. For example, in order to suppress the fall of the seal member 8, the outside of the upper surface of the flange portion 71 may be made higher than the inside, or the inside of the lower surface of the flange portion 71 may be made higher than the outside. At this time, the surface facing the flange portion 71 is also formed along the surface of the flange portion 71.
シール部材８は、例えば、環状のインジウムや鉛等の軟質金属により構成される。かかる軟質金属を使用することにより、断熱材７とジャーナル軸受５との間で押し潰して延展させることができ、密着率を向上させることができ、シール性能を向上させることができる。特に、インジウムのように低温に強い素材を選択することにより、シール部材８が低温雰囲気に曝された場合であってもシール性能の低下を抑制することができる。したがって、断熱材７とジャーナル軸受５との間の気密性を向上かつ維持することができ、断熱材７の周囲に生じる循環流れを抑制することができる。 The seal member 8 is made of a soft metal such as annular indium or lead. By using such a soft metal, it can be crushed and extended between the heat insulating material 7 and the journal bearing 5, the adhesion rate can be improved, and the sealing performance can be improved. In particular, by selecting a material that is resistant to low temperatures such as indium, it is possible to suppress a decrease in sealing performance even when the seal member 8 is exposed to a low temperature atmosphere. Therefore, the airtightness between the heat insulating material 7 and the journal bearing 5 can be improved and maintained, and the circulation flow generated around the heat insulating material 7 can be suppressed.
また、断熱材７のフランジ部７１は、軟質金属が延展時にフランジ部７１からはみ出ないように形成されている。具体的には、図２に示したように、断熱材７のフランジ部７１は、径方向に幅Ｒを有しており、この幅Ｒは軟質金属の延展時に軟質金属がフランジ部７１の上面からはみ出さないように設定される。このようにフランジ部７１の幅Ｒを設定することにより、フランジ部７１とジャーナル軸受５との間にシール部材８を保持することができ、メンテナンス時等に断熱材７を着脱する場合であってもシール部材８の落下を効果的に抑制することができる。 Further, the flange portion 71 of the heat insulating material 7 is formed so that the soft metal does not protrude from the flange portion 71 during the extension. Specifically, as shown in FIG. 2, the flange portion 71 of the heat insulating material 7 has a width R in the radial direction, and this width R is an upper surface of the flange portion 71 when the soft metal is extended. It is set not to stick out. By setting the width R of the flange portion 71 in this way, the seal member 8 can be held between the flange portion 71 and the journal bearing 5, and the heat insulating material 7 can be attached and detached during maintenance or the like. Also, the drop of the seal member 8 can be effectively suppressed.
ここで、断熱材７の周囲に生じる循環流れについて、図３を参照しつつ説明する。図３（ａ）に示した比較例は、第一実施形態のシール部材８に代えて、従来技術で使用されている押さえバネ８ｒを使用した比較例である。 Here, the circulation flow generated around the heat insulating material 7 will be described with reference to FIG. The comparative example shown in FIG. 3A is a comparative example using a holding spring 8r used in the prior art instead of the seal member 8 of the first embodiment.
図３（ａ）に示した比較例では、断熱材７ｒのフランジ部７１ｒは径方向の幅が、図３（ｂ）に示した第一実施形態よりも短く形成されている。かかるフランジ部７１ｒとジャーナル軸受５ｒとの間に押さえバネ８ｒが挿入されている。また、ジャーナル軸受５ｒには、断熱材７ｒよりも径方向外側に上下面の両面を貫通する開口部５３が形成されている。開口部５３は、インペラ側と駆動装置側との間に生じる圧力変動を緩和させるためのものである。 In the comparative example shown in FIG. 3A, the flange portion 71r of the heat insulating material 7r is formed so that the radial width is shorter than that in the first embodiment shown in FIG. A holding spring 8r is inserted between the flange portion 71r and the journal bearing 5r. Further, the journal bearing 5r is formed with an opening 53 that penetrates both the upper and lower surfaces radially outward from the heat insulating material 7r. The opening 53 is for reducing pressure fluctuations generated between the impeller side and the drive device side.
かかる比較例では、開口部５３が形成されていることから、断熱材７ｒとケーシング６ｒとの隙間に極低温冷媒のガスが流れ易い構成になっている。また、インペラ２ｒの背面に圧力分布が生じ易いうえに、押さえバネ８ｒのシール性能が低いことから、断熱材７ｒとジャーナル軸受５ｒとの隙間やスラスト軸受１１ｒとジャーナル軸受５ｒとの隙間にガスが流れ易い構成になっている。さらに、押さえバネ８ｒが低温雰囲気に曝されると、その付勢力を喪失してシール性能が低下することとなり、ガスがより一層流れ易くなる。その結果、図３（ａ）において、矢印で示したように、断熱材７ｒの周囲に雰囲気ガスが循環する循環流れが生じる。かかる循環流れは、断熱材７ｒの断熱効果を低減させ、装置全体の性能や効率を低下させる原因となる。 In this comparative example, since the opening 53 is formed, the cryogenic refrigerant gas easily flows into the gap between the heat insulating material 7r and the casing 6r. In addition, since pressure distribution is likely to occur on the back surface of the impeller 2r and the sealing performance of the presser spring 8r is low, gas is generated in the gap between the heat insulating material 7r and the journal bearing 5r and the gap between the thrust bearing 11r and the journal bearing 5r. The structure is easy to flow. Further, when the holding spring 8r is exposed to a low temperature atmosphere, the biasing force is lost and the sealing performance is deteriorated, so that the gas can flow more easily. As a result, as shown by the arrow in FIG. 3A, a circulating flow in which the atmospheric gas circulates around the heat insulating material 7r is generated. Such a circulating flow reduces the heat insulating effect of the heat insulating material 7r and causes the performance and efficiency of the entire apparatus to decrease.
一方、図３（ｂ）に示した第一実施形態では、上述した構成を有するとともに、ジャーナル軸受５には、断熱材７よりも径方向外側に両面を貫通する開口部が形成されていない。したがって、インペラ２側と駆動装置３側との間に圧力変動が生じた場合やインペラ２の背面に圧力分布が生じた場合であっても、シール部材８により断熱材７とジャーナル軸受５との隙間を気密にシールしていることから、断熱材７の周囲に雰囲気ガスが流れ難くなっており、循環流れの発生を抑制することができる。なお、ケーシング６と断熱材７との隙間及びケーシング６とジャーナル軸受５との隙間を経由して駆動装置３側にガスが抜ける場合もあり得るが、その分量は微量であり、断熱材７の断熱効果を低減させるほどのものではない。 On the other hand, in the first embodiment shown in FIG. 3B, the journal bearing 5 has the above-described configuration, and the journal bearing 5 is not formed with an opening that penetrates both surfaces radially outward from the heat insulating material 7. Therefore, even when a pressure fluctuation occurs between the impeller 2 side and the drive device 3 side or when a pressure distribution occurs on the back surface of the impeller 2, the heat insulating material 7 and the journal bearing 5 are separated by the seal member 8. Since the gap is hermetically sealed, it is difficult for the atmospheric gas to flow around the heat insulating material 7, and the generation of the circulating flow can be suppressed. In addition, gas may escape to the drive device 3 side through the gap between the casing 6 and the heat insulating material 7 and the gap between the casing 6 and the journal bearing 5, but the amount of the gas is very small. Not enough to reduce the heat insulation effect.
次に、上述した第一実施形態について、メンテナンス時等に極低温回転機械１の構成部品を着脱する場合について、図４を参照しつつ説明する。 Next, the first embodiment described above will be described with reference to FIG. 4 for the case where the components of the cryogenic rotating machine 1 are attached and detached during maintenance or the like.
図４に示したように、極低温回転機械１は、極低温冷媒の入出口配管を含む静止流路（例えば、吸入口６１、出口配管６３等）が真空容器内に配置され、インペラ２を含む駆動装置３を真空容器外に取り外しできるように構成されている。すなわち、保守・点検する際にケーシング６を図示しない真空容器側に残したまま、極低温回転機械１の構成部品（インペラ２、駆動装置３、回転軸４、ジャーナル軸受５、断熱材７、筐体９等）を取り外すことができるように構成されている。かかる構成により、極低温回転機械１のメンテナンスを容易に行うことができる。また、極低温回転機械１が故障したような場合にも、極低温回転機械１の構成部品をケーシング６から取り外して容易に交換することができる。 As shown in FIG. 4, the cryogenic rotating machine 1 includes a stationary flow path (for example, an inlet 61, an outlet pipe 63, etc.) including an inlet / outlet pipe for a cryogenic refrigerant disposed in a vacuum vessel, It is comprised so that the drive device 3 containing can be removed out of a vacuum vessel. That is, the components of the cryogenic rotating machine 1 (the impeller 2, the driving device 3, the rotating shaft 4, the journal bearing 5, the heat insulating material 7, the housing, while the casing 6 is left on the vacuum container side (not shown) during maintenance and inspection. The body 9 or the like) can be removed. With this configuration, the cryogenic rotating machine 1 can be easily maintained. Even when the cryogenic rotating machine 1 fails, the components of the cryogenic rotating machine 1 can be removed from the casing 6 and easily replaced.
そして、本第一実施形態では、シール部材８が断熱材７のフランジ部７１とジャーナル軸受５との間に配置されていることから、極低温回転機械１の構成部品の取り外し時に、ジャーナル軸受５及び断熱材７と一緒にシール部材８も取り外されることとなる。したがって、シール部材８にインジウム等の軟質金属を採用した場合であっても、他の構成部品とともに容易に取り外すことができ、シール部材８のケーシング６内への落下を低減することができる。また、フランジ部７１からシール部材８がはみ出ないようにフランジ部７１を形成することにより、シール部材８の落下をより一層低減することができる。 In the first embodiment, since the seal member 8 is disposed between the flange portion 71 of the heat insulating material 7 and the journal bearing 5, the journal bearing 5 is removed when the components of the cryogenic rotating machine 1 are removed. And the sealing member 8 is also removed together with the heat insulating material 7. Therefore, even when a soft metal such as indium is used for the seal member 8, it can be easily removed together with other components, and the drop of the seal member 8 into the casing 6 can be reduced. In addition, by forming the flange portion 71 so that the seal member 8 does not protrude from the flange portion 71, the dropping of the seal member 8 can be further reduced.
続いて、本発明の他の実施形態に係る極低温回転機械について説明する。ここで、図５は、本発明に係る極低温回転機械の他の実施形態を示す断熱材周辺の拡大図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、（ｃ）は第四実施形態、（ｄ）は第五実施形態、を示している。なお、各図において、図１に示した第一実施形態と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。 Subsequently, a cryogenic rotating machine according to another embodiment of the present invention will be described. Here, FIG. 5 is an enlarged view around the heat insulating material showing another embodiment of the cryogenic rotating machine according to the present invention, (a) is the second embodiment, (b) is the third embodiment, ( c) shows a fourth embodiment, and (d) shows a fifth embodiment. In addition, in each figure, about the same component as 1st embodiment shown in FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図５（ａ）に示した第二実施形態は、シール部材８を断熱材７のフランジ部７１の下面に配置したものである。すなわち、シール部材８は、フランジ部７１とケーシング６との間に配置されている。また、シール部材８に軟質金属を採用した場合には、シール部材８は、軟質金属が押し潰されて延展した時にケーシング６の上面（回転軸４に垂直な面）からはみ出さない位置に配置される。なお、シール部材８をフランジ部７１の下面に配置した場合には、ケーシング６とジャーナル軸受５との間の隙間にガスが侵入しないことから、ジャーナル軸受５の断熱材７ｒよりも径方向外側に両面を貫通する開口部を形成するようにしてもよい。 In the second embodiment shown in FIG. 5A, the seal member 8 is arranged on the lower surface of the flange portion 71 of the heat insulating material 7. That is, the seal member 8 is disposed between the flange portion 71 and the casing 6. Further, when a soft metal is used for the seal member 8, the seal member 8 is disposed at a position that does not protrude from the upper surface of the casing 6 (a surface perpendicular to the rotating shaft 4) when the soft metal is crushed and extended. Is done. When the seal member 8 is disposed on the lower surface of the flange portion 71, gas does not enter the gap between the casing 6 and the journal bearing 5, so that the outer diameter of the journal bearing 5 is more radially outward than the heat insulating material 7 r. You may make it form the opening part which penetrates both surfaces.
このようにシール部材８をフランジ部７１とケーシング６との間に配置した場合には、極低温回転機械１のメンテナンス時等に構成部品を取り外した際に、シール部材８がケーシング６側に取り残される可能性があるが、回転軸４に垂直な面にシール部材８が配置されていることから、極低温回転機械１の構成部品を取り外した後にシール部材８を比較的容易に除去することができる。 When the sealing member 8 is arranged between the flange portion 71 and the casing 6 as described above, the sealing member 8 remains on the casing 6 side when the components are removed during maintenance of the cryogenic rotating machine 1 or the like. However, since the seal member 8 is disposed on a surface perpendicular to the rotation shaft 4, the seal member 8 can be removed relatively easily after the components of the cryogenic rotating machine 1 are removed. it can.
図５（ｂ）に示した第三実施形態は、シール部材８を断熱材７のフランジ部７１の上下面の両面に配置したものである。すなわち、シール部材８は、フランジ部７１とケーシング６との間及びフランジ部７１とジャーナル軸受５との間に配置されている。かかる第三実施形態は、第一実施形態と第二実施形態を組み合わせたものであり、これらと同様の効果を奏する。なお、ここでは、上下面のシール部材８の位置を回転軸４の軸方向に一致させるようにしているが、上面のシール部材８を下面のシール部材８よりも径方向内側に配置するようにしてもよい。 In the third embodiment shown in FIG. 5B, the sealing members 8 are arranged on both the upper and lower surfaces of the flange portion 71 of the heat insulating material 7. That is, the seal member 8 is disposed between the flange portion 71 and the casing 6 and between the flange portion 71 and the journal bearing 5. The third embodiment is a combination of the first embodiment and the second embodiment, and has the same effects as these. Here, the position of the seal member 8 on the upper and lower surfaces is made to coincide with the axial direction of the rotary shaft 4, but the seal member 8 on the upper surface is arranged radially inside the seal member 8 on the lower surface. May be.
図５（ｃ）に示した第四実施形態は、第一実施形態と同様に、シール部材８を断熱材７のフランジ部７１の上面に配置したものであるが、シール部材８の位置決めを行う環状溝７３をジャーナル軸受５に形成したものである。かかる構成によっても第一実施形態と同様の効果を奏する。 In the fourth embodiment shown in FIG. 5C, the seal member 8 is arranged on the upper surface of the flange portion 71 of the heat insulating material 7 as in the first embodiment, but the seal member 8 is positioned. An annular groove 73 is formed in the journal bearing 5. Even with this configuration, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
図５（ｄ）に示した第五実施形態は、第二実施形態と同様に、シール部材８を断熱材７のフランジ部７１の下面に配置したものであるが、シール部材８の位置決めを行う環状溝７３をケーシング６に形成したものである。かかる構成によっても第二実施形態と同様の効果を奏する。 In the fifth embodiment shown in FIG. 5 (d), the seal member 8 is arranged on the lower surface of the flange portion 71 of the heat insulating material 7 as in the second embodiment, but the seal member 8 is positioned. An annular groove 73 is formed in the casing 6. Even with this configuration, the same effects as those of the second embodiment can be obtained.
また、図示しないが、第三実施形態において、シール部材８の位置決めを行う環状溝７３をジャーナル軸受５及びケーシング６に形成してもよい。 Although not shown, in the third embodiment, an annular groove 73 for positioning the seal member 8 may be formed in the journal bearing 5 and the casing 6.
本発明は上述した実施形態に限定されず、シール部材８としてＯリングを使用してもよい、フランジ部７１の両面にシール部材８を配置する場合には一方のシール部材８をＯリングとし他方のシール部材８を軟質金属としてもよい等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and an O-ring may be used as the sealing member 8. When the sealing member 8 is disposed on both surfaces of the flange portion 71, one sealing member 8 is the O-ring. Needless to say, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention, such as the sealing member 8 may be made of a soft metal.
１…極低温回転機械
２…インペラ
３…駆動装置
４…回転軸
５，１０…ジャーナル軸受
６…ケーシング
６ａ…本体部
６ｂ…拡径部
７…断熱材
８…シール部材
９…筐体
１１…スラスト軸受
３１…ロータ
３２…ステータ
５１，５３…開口部
５２…凹部
６１…吸入口
６２…スクロール部
６３…出口配管
６４…開口部
６５…凹部
７１…フランジ部
７２…段差部
７３…環状溝
９１…作業空間
９２…蓋部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cryogenic rotating machine 2 ... Impeller 3 ... Drive apparatus 4 ... Rotating shaft 5, 10 ... Journal bearing 6 ... Casing 6a ... Main-body part 6b ... Diameter-expanding part 7 ... Heat insulating material 8 ... Seal member 9 ... Case 11 ... Thrust Bearing 31 ... Rotor 32 ... Stator 51, 53 ... Opening 52 ... Recess 61 ... Suction port 62 ... Scroll part 63 ... Outlet pipe 64 ... Opening 65 ... Recess 71 ... Flange 72 ... Stepped portion 73 ... Annular groove 91 ... Work Space 92 ... Lid member
Claims (6)
前記駆動装置の回転を前記インペラに伝達する回転軸と、
該回転軸を支承する軸受と、
前記インペラを収容するとともに前記真空容器に固定されるケーシングと、
該ケーシングと前記回転軸との間かつ前記インペラと前記軸受との間に配置される断熱材と、
該断熱材に形成された前記回転軸に垂直な面に配置されたシール部材と、
を有することを特徴とする極低温回転機械。 In the cryogenic rotating machine in which the impeller side that imparts kinetic energy to the cryogenic refrigerant is disposed in a heat-insulated and cooled vacuum vessel, and the driving device side that rotates the impeller is disposed outside the vacuum vessel,
A rotating shaft for transmitting rotation of the driving device to the impeller;
A bearing for supporting the rotating shaft;
A casing that houses the impeller and is fixed to the vacuum vessel;
A heat insulating material disposed between the casing and the rotating shaft and between the impeller and the bearing;
A seal member disposed on a surface perpendicular to the rotation axis formed in the heat insulating material;
A cryogenic rotating machine characterized by comprising:
該フランジ部は、前記軸受と前記ケーシングとの間に挟持されており、
前記シール部材は、前記フランジ部の片面又は両面に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の極低温回転機械。 The heat insulating material has a flange portion that can be locked to an opening formed in the casing,
The flange portion is sandwiched between the bearing and the casing,
The seal member is disposed on one side or both sides of the flange portion,
The cryogenic rotary machine according to claim 1.
該フランジ部は、前記軸受と前記ケーシングとの間に挟持されており、
前記シール部材は、軟質金属により構成されるとともに前記フランジ部と前記軸受との間に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の極低温回転機械。
The heat insulating material has a flange portion that can be locked to an opening formed in the casing,
The flange portion is sandwiched between the bearing and the casing,
The seal member is made of a soft metal and disposed between the flange portion and the bearing.
The cryogenic rotary machine according to claim 1.
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| JP5594465B2 (en) | 2014-09-24 |
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