JP2872341B2 - 極低温形成用コンプレッサのシール装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超電導磁気浮上式鉄道車両等に用いられる
極低温形成用コンプレッサのシール装置に関するもので
ある。

〔従来の技術とその課題〕

一般に超電導磁気浮上式鉄道において、超電導磁石を
稼働させるために液体ヘリウムを使用しているが、この
液体ヘリウムは経時的に蒸発することから冷凍装置よっ
て再度冷却して液化している。更にこれを述べると、現
在の代表的な車載用冷凍装置は、クロードサイクル方式
をとっており、これは第４図に示すように５台の熱交換
器101と２台の膨張器102、および各１台のジュール−ト
ムソン弁JTとコンプレッサ103とで構成されている。し
たがって、ヘリウムガスはコンプレッサ103によって高
圧化されて熱交換器101を介して順次温度を下げて行く
が、各熱交換器101の低温側では、ヘリウムガスの一部
を膨張器102に導入して膨張させ、更に低温のヘリウム
ガスとし、これをジュール−トムソン弁JTにより断熱膨
張させて液体ヘリウムを形成する。この液体ヘリウムを
使用して超電導磁石104のクライオスタット（図示せ
ず）内の蒸発したヘリウムを再度液化している。

そして、かかる車載用冷凍装置では、殊に小型軽量や
吐出ヘリウムガス中に不純物がないこと等が要求されて
いる。

そのため例えば、前述のコンプレッサ103における温
度上昇と仕事両の増加に関して、次のような消費電力の
少ない、つまり小型軽量化のコンプレッサを提案してい
る（特公昭63-30507号公報参照）。

この提案によれば、それ迄のコンプレッサはシリンダ
内でピストンにより圧縮されて高温高圧となったヘリウ
ムガスはアフタークーラーにより冷却するので、シリン
ダ内での圧縮は断熱圧縮となって温度が上昇する。した
がって、ヘリウムガスの温度が上昇すると、逆に密度が
小さくなり質量流量が減少し、それだけ余分な圧縮仕事
が増える。

例えば、０℃のヘリウムガスを1ataから20ataに圧縮
するのを、断熱圧縮と等温圧縮とを比べてみると、前者
の温度は約600℃上昇し、仕事は約２倍に増えることと
なり、同じ容量のコンプレッサでみると、前者の方が約
６倍の消費電力を必要とし、ひいてはモータが大型化す
る。

そこで、この提案によれば、ヘリウムガスを等温的圧
縮をさせるために、圧縮中のヘリウムガスとフロン等の
冷媒とを壁を介して間接的に熱交換して強力に冷却する
ことを提唱している。

ところで、前掲の公報には特に示されていないが、フ
ロン等の冷媒を用いるときには、小型コンプレッサが通
常採用しているように液状冷媒の蒸発による冷却方式、
つまりコンデンサ冷却方式が考えられる。

そこで本発明者らは、このコンデンサ冷却方式で循環
されるフロン等の冷媒と、ヘリウムガスとを壁を介して
間接的に熱交換して等温的圧縮を試みたところ、コンデ
ンサの通常のメンテナンス期間（例えば、１万時間）よ
りはるかに短期間（例えば500時間）で冷却効果が低下
することを発見した。

そのため、かかる問題点を分析したところ、ヘリウム
ガスとフロンとは壁を介して隔絶しているとはいえ、圧
縮中のヘリウムガスを強力に冷却するため、冷媒ジャケ
ットを大きくとる必要から、ヘリウムガスとフロンとは
近接し、その壁にはシール材を介在して両者を隔絶する
構造とせざるを得なくなる。したがって、高圧のヘリウ
ムガスがシール材を介して徐々にフロンの方へ浸透し、
この不活性のヘリウムガスがコンデンサに集合してコン
デンサ内を高温・高圧化し、フロンの凝縮作用を妨げ、
したがって、冷却効果を低下させていることが判明し
た。

そのため、このシール材を金属ガスケット等を多重に
用いたシール材にすることも考えられるが、これでは、
コンプレッサを大型にするという問題がある。

〔課題を解決するための手段〕

そこで本発明は、かかる問題点を解消するために創作
されたもので、その要旨とするところは、ヘリウムガス
を作動流体とする多段式往復動コンプレッサのシリンダ
ライナおよび輪形状の自動弁の外周に亘り、液相冷媒で
満たされる冷却ジャケットを形成し、該冷却ジャケット
とコンデンサとを連通して、前記冷媒の液相から気相へ
の相変化における潜熱を利用して冷却するコンプレッサ
にあって、前記ヘリウムガスと冷媒とを隔絶する部位
に、シール材を設けると共に、該シール材を超えて漏洩
したヘリウムガスを冷媒に混入させないようにして大気
へ放出することを特徴とする極低温形成用コンプレッサ
のシール装置にある。

〔実施例〕

本発明の構成を作用とともに添付図面に示す実施例に
したがって詳細に述べる。

第１図は本発明の実施例の模式図、第２図は第１図で
示すコンプレッサの要部側断面図、第３図は第２図のＰ
部詳細図である。

本実施例は、超電導磁気浮上式鉄道車両、いわゆるリ
ニアモータカーにおける超電導磁石用液体ヘリウムの冷
凍装置に好適であって、特にその冷凍装置における無給
油式コンプレッサに好適なものである。

先ず、本実施例の概要を述べると、このコンプレッサ
は第１図に示すように、高さ約30cmの制約に合うように
往復横形３段のコンプレッサA,Bを２台対向つり合い形
に配置し、これを車両の床下台車に搭載したものであ
る。

すなわち、１つのクランク軸１に対し、各コンプレッ
サA,Bの第１段のシリンダ2A,2Bを水平に対向させると共
に、第２、３段のシリンダ3A,4A、3B,4Bを、一体化され
たシリンダに凸形ピストン5A,5Bを挿入して水平に対向
させたものである。そして、これらの第１段および第
２、３段のシリンダ２および3,4を、１つの電動機６に
より駆動されるクランク軸１にタンデムに配置したもの
である。また、第１段は単独の複動タイプとし、第２、
３段は互いに複動タイプとし、しかも各クランクピンの
位相差を180度として常時往復動慣性力がバランスする
ようにしている。また、隣接した第１段と第２、３段の
クランクピンの位相差を90度としている。なお、本実施
例のコンプレッサでは圧縮ガスはヘリウムを使用し、ま
た、吸気圧力を約1ata、吐出圧力を約20ataとし、ガス
流量を約70Nm³/hとするものである。

したがって、かかるコンプレッサ（Ａのみについて述
べる）の作動は次のように行われる。電動機６の回転に
より遊星歯車式減速機41を介してクランク軸１が例えば
330rpmの低速で回転し、第１段のシリンダ２において第
１段のピストン7Aが往復動する。その結果、ヘリウムガ
スは集合されて通路９のインタークーラ８で冷却された
後、通路９から第２段のシリンダ3Aに導入される。第２
段のシリンダ3Aでは凸形ピストン5aにより圧縮されて再
びインタークーラ10で冷却されて通路11を経由して第３
段のシリンダ4Aに導入される。第３段のシリンダ4Aで凸
形ピストン5bにより圧縮されて前述第４図の冷凍装置の
熱交換器101へ導入される。

次に、本実施例の詳細を述べると、第２図は第１図で
示した第２、３段のシリンダ3A,4Aの部分のみを示した
もので、これらのシリンダ3A,4Bに、一体化された凸形
ピストン5Aが挿入されている。この凸形ピストン5Aはピ
ストンロッド12の先端側に固着されており、このピスト
ンロッド12の基部はクロスヘッド（ガイドピストン）13
に連結している。このクロスヘッド13はクロスヘッドピ
ン14を介してコンロッド15の先端に連結している。この
コンロッド15の基端は前述のクランク軸１のクランクピ
ン16に連結している。

これらの第２、３段のシリンダ3A,4A（勿論、第１段
のシリンダ2Aも同様）には、それぞれ通常の輪形状の自
動弁17,18が取付けられており、これらの自動弁17,18は
弁座と弁受とでそれぞれ構成されている。

また、前述のピストンロッド12の基部側にはダイヤフ
ラムストッパ19とダイヤフラム20とが固着されており、
クロスヘッド13やクランク軸１に注入された潤滑油が第
２、３段のシリンダ3,4の方へ浸入しないようにしてい
る。したがって、各ピストンのリングなどは自己潤滑性
リング（カーボン入りのテフロン（商標名））を使用し
ている。

また、第２段のピストン5aの端面にリング状のえぐり
部21を形成し、このえぐり部21に第３段のシリンダ4Aの
一部を嵌合させている。換言すれば、第２、３段のシリ
ンダ3A,4Aの一部が重合している。その結果、コンプレ
ッサのピストンロッド軸方向の長さを短縮できると共
に、凸形ピストン5Aの重量を軽減することができる。

また、本実施例のコンプレッサでは、各シリンダライ
ナの外周に凹状溝を形成し、この凹状溝の外周にフロン
等の冷媒が満たされた冷却ジャケットを形成すると共
に、各自動弁の外周にも冷却ジャケットを形成し、これ
らの冷却ジャケットを一つにしている。

すなわち、第２段のシリンダ3Aの外周に多数の凹状溝
22を形成し、これらの凹状溝22を冷却ジャケット23で取
巻いている。また、この冷却ジャケット23により第２段
の自動弁17の外周も取巻いている。

また、第３段のシリンダ4Aの外周に多数の凹状溝24を
形成し、これらの凹状溝24を冷却ジャケット25で取巻い
ている。また、この冷却ジャケット25は第３段の自動弁
18の外周も取巻いている。これらの冷却ジャケット23,2
5は互いに連通通路26で連通しているが、この連通通路2
6によって第２、３段の圧縮温度の相違にもとづく冷却
ジャケット23,25の温度差をなくし、したがって、フロ
ンの圧力差を解消して液体フロンの片寄りを防止してい
る。

また、第３段のシリンダ４を特に冷却するため、第３
段の冷却ジャケット25を分岐してシリンダヘッド27を冷
却している。すなわち、このシリンダヘッド27に冷却通
路28を凹設し、前記冷却ジャケット25をこの冷却通路28
に連通させている。この冷却通路28は蓋体29でカバーし
て形成している。

また、これらの冷却ジャケット23,25にはそれぞれ立
上りパイプ30,31を立設し、これらの立上りパイプ30,31
の上端をコンデンサ32の上ヘッダー33に連通している。
このコンデンサ32の下ヘッダー34には降下パイプ35を連
通し、レシーバタンク36を介して各冷却ジャケット23,2
5の下側に連通している。

このコンデンサ32は風道37に設けられ、風道37の末端
に吸引ファン38を設けている。

したがって、冷媒用の液体フロンを第２、３段のシリ
ンダ3A,4Aおよび自動弁17,18のそれぞれの外周が浸漬さ
れるように外気を除いて封入する。その結果、シリンダ
および自動弁は冷却されて約100℃以下の温度で維持さ
れる。

この液体フロンはシリンダや自動弁から圧縮熱を受け
て蒸発するので、そのガスは立上りパイプ30,31を上昇
し、コンデンサ32の上ヘッダ33に導入される。したがっ
て、コンデンサ32はフロンガスのみで充満される。この
コンデンサ32は吸引ファン38により空気冷却をしている
ので、フロンガスは冷却され液化する。この液体フロン
は降下パイプ35を介してレシーバタンク36に滴下し貯蔵
される。したがって、液体フロンが蒸発した分だけ、レ
シーバタンク36より各冷却ジャケット23,25へ供給され
ることになる。

ここにおいて、本実施例は、第３図に示すように冷却
ジャケット23,25中の液体フロンに対し、作動室39中の
高圧ヘリウムガスを混入させないため、クランクケース
40と第２、３段のシリンダ3A,4A（以下、シリンダライ
ナという）や第２、３段の自動弁17,18とシリンダライ
ナ3A,4Aとの間にエラストマー等から安価なＯリングの
シール材Ｓを用いてシールすると共に、このシール材Ｓ
を超えて浸透したヘリウムガスは大気へ放出させて液体
フロンへ混入させないようにしている。

例えば、第２段のシリンダライナ3Aの作動室39と、自
動弁17の外周における冷却ジャケット23とは２本のシー
ル材S1,S2によってシールされており、このうちシール
材S1はヘリウムのシールを、またS2はフロンのシールを
行っている。そして、これらのシール材S1,S2の間に溝
ｃを穿設し、この溝ｃをキリ孔ｄを介して大気に放出し
ている。したがって、シール材S1を浸透してきたヘリウ
ムガスは溝ｃに流入し、キリ孔ｄを介して大気に放出さ
れるので、冷却ジャケット23のフロンへは混入しない。
その結果、これらのシール材S1,S2は安価なものを使用
できると共に、金属ガスケットを多重にして用いるよう
なスペースを必要としない。

なお、えぐり部21にはヘリウムガスが封入されている
が、このえぐり部21を冷却ジャケット23や25との間にも
２本のシール材S1,S2が介在され、これらのシール材S1,
S2の間にも溝ｃが穿設されている。また、冷却ジャケッ
ト23,25と大気とはシール材S3でシールされているが、
このシール材S3を超えて漏洩したフロンはスキマｄ₁を
介して大気に放出され、ヘリウムガスへ混入せずその純
粋度を低下させない。

なお、本実施例の冷媒フロンで説明したが、本発明は
これに限らず、純水、アルコール、プロパンなどを用い
てもよいが、いずれも空気の混入は避けなければならな
い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、冷却ジャケットをシリンダライナお
よび自動弁に亘り大きく形成したので、圧縮中のヘリウ
ムガスを強力に冷却して等温的圧縮を行い、コンプレッ
サの駆動源を小型化できるのは勿論、大きく形成された
冷却ジャケットはヘリウムガスとの間をシール材を介し
て隔絶せざるを得ないが、この場合、シール材を超えて
漏洩してヘリウムガスは大気へ放出し、冷媒に混入しな
いようにしたので、コンデンサにおけるヘリウムガスに
よる冷媒の凝縮を妨げることがない。したがって、コン
デンサ冷却方式の効率を低下させない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の模式図、第２図は第１図で示
すコンプレッサの要部側断面図、第３図は第２図のＰ部
詳細図、第４図は一般の車載用冷凍装置の模式図であ
る。 3A,4A……シリンダ（ライナ）、17,18……自動弁、23,2
5……冷却ジャケット、Ｓ……シール材、ｃ……溝、ｄ
……キリ孔。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヘリウムガスを作動流体とする多段式往復
   動コンプレッサのシリンダライナおよび輪形状の自動弁
   の外周に亘り、液相冷媒で満たされる冷却ジャケットを
   形成し、該冷却ジャケットとコンデンサとを連通して、
   前記冷媒の液相から気相への相変化における潜熱を利用
   して冷却するコンプレッサにあって、 前記ヘリウムガスと冷媒とを隔絶する部位に、シール材
   を設けると共に、該シール材を超えて漏洩したヘリウム
   ガスを冷媒に混入させないようにして大気へ放出するこ
   とを特徴とする極低温形成用コンプレッサのシール装
   置。