CN111819342A - 气体膨胀系统 - Google Patents

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Abstract

在使用多台膨胀涡轮来膨胀气体从而冷却气体时，使气体的消耗量下降。高压膨胀涡轮具备向轴承部供给轴承气体的气体供给路和使从气体供给路向轴承部供给的轴承气体从该处排出的气体排出路。低压膨胀涡轮具备向轴承部供给轴承气体的气体供给路和使从气体供给路向轴承部供给的轴承气体从该处排出的气体排出路。从高压膨胀涡轮的气体排出路排出的轴承气体向低压膨胀涡轮的气体供给路供给。

Description

气体膨胀系统
技术领域
本发明涉及具有多台膨胀涡轮串联的气体膨胀系统。
背景技术
以往，已知有利用膨胀涡轮来使氦气、氢气等气体绝热膨胀以获得低温的气体膨胀系统。
这样的膨胀涡轮中有时会为了支持旋转轴而使用利用了工艺气体（process gas）的气体轴承。气体轴承大致分为静压气体轴承和动压气体轴承。静压气体轴承有利之处在于负荷容量比动压气体轴承的高，以及膨胀涡轮启动时及停止时在轴承部与旋转轴之间不发生接触。
专利文献1公开了在膨胀涡轮的轴承之中，将径向轴承作为静压气体轴承而供给轴承气体的技术。
现有技术文献：
专利文献：
专利文献1：日本特开2000-120402号公报。
发明内容
发明要解决的问题：
在应用静压气体轴承的情况下，为了将旋转轴的支持所需的规定压力以上的压力的气体稳定地供给至轴承部，需要例如压缩机这样的高压的气体供给源。因此，极低温冷冻装置所需的消耗动力中包含该压缩驱动力的量，若轴承气体的消耗量增多，可能会使极低温冷冻装置的能效降低。尤其是，在极低温冷冻装置中有时会使用多台膨胀涡轮，若在各个膨胀涡轮之间将向轴承部供给的轴承气体各自无关联地进行供给，则轴承气体的消耗量增大。
因此，本发明鉴于上述情况，其目的在于在多台串联地使用由静压气体轴承支持旋转轴的膨胀涡轮来使气体绝热膨胀以获得低温时，抑制轴承气体的消耗量。
解决问题的手段：
本发明的气体膨胀系统特征在于，具备：第一膨胀涡轮，所述第一膨胀涡轮具有：第一旋转轴；安装于所述第一旋转轴，在所述第一旋转轴旋转时吸入并膨胀气体的第一叶轮；支持所述第一旋转轴的第一轴承部；向所述第一轴承部供给轴承气体的第一气体供给路；和使从所述第一气体供给路向所述第一轴承部供给的轴承气体从所述第一轴承部排出的第一气体排出路；以及第二膨胀涡轮，所述第二膨胀涡轮具有：第二旋转轴；安装于所述第二旋转轴，在所述第二旋转轴旋转时吸入并膨胀气体的第二叶轮；支持所述第二旋转轴的第二轴承部；向所述第二轴承部供给轴承气体的第二气体供给路；和使从所述第二气体供给路向所述第二轴承部供给的轴承气体从所述第二轴承部排出的第二气体排出路；所述第一膨胀涡轮与所述第二膨胀涡轮以被所述第一膨胀涡轮的所述第一叶轮膨胀并排出的气体向所述第二膨胀涡轮的所述第二叶轮供给的形式串联连接；从所述第一气体排出路排出的气体向所述第二气体供给路供给。
发明效果：
能在使用多台膨胀涡轮来使气体膨胀而使气体冷却时将气体的消耗量抑制为较少，因此能将供给气体所消耗的能量抑制为较少。因此能改善系统的能效。
附图说明
图1是本发明第一实施形态的气体的膨胀系统的结构图；
图2是图1的气体的膨胀系统中使用的高压膨胀涡轮及低压膨胀涡轮的结构图；
图3是本发明第二实施形态的气体的膨胀系统中使用的高压膨胀涡轮及低压膨胀涡轮的结构图；
图4是本发明第三实施形态的气体的膨胀系统中使用的高压膨胀涡轮及低压膨胀涡轮的结构图。
具体实施方式
（第一实施形态）
以下，参照附图说明本发明的实施形态。图1示出本发明第一实施形态的气体膨胀系统的整体结构图。
本实施形态中示出作为气体膨胀系统，对供给的氢气气体等原料气体进行冷却，由此使原料气体液化从而生成液化原料气体的极低温冷冻装置100。原料气体在流通于送料管路1的过程中被冷却。又，用来冷却原料气体的氢气、氦气、氖气等工艺气体在循环管路3中循环。
〔送料管路1的结构〕
送料管路1按第一级热交换器81、初期冷却器73、第二级到第六级的热交换器82～86、冷却器88及供给系JT（焦耳-汤姆孙）阀16的顺序通过它们。在热交换器81～86中进行原料气体与制冷剂的热交换，原料气体被冷却。
又，送料管路1从第六级热交换器86出来直到进入供给系JT阀16为止，通过冷却器88。冷却器88具备贮存制冷剂循环管路3的制冷剂液化而成的液化制冷剂的液化制冷剂贮槽40，该液化制冷剂贮槽40内有送料管路1通过。在冷却器88中，利用液化制冷剂贮槽40内的液化制冷剂使原料气体冷却至大约液化制冷剂的温度（即极低温）。
如上所述从冷却器88离开的极低温的原料气体通过供给系JT阀16而成为低温常压的液体。经如此液化后的原料气体（即液化原料气体）送向未图示的贮槽并贮存。
〔制冷剂循环管路3的结构〕
制冷剂循环管路3是循环有制冷剂的闭合的流路，由热交换器81～86内的流路、冷却器73内的流路、两台压缩机32、33、两台膨胀涡轮37、38、循环系焦耳-汤姆孙阀（以下称为“循环系JT阀36”）、液化制冷剂贮槽40以及连接它们的配管内的流路等形成。
制冷剂循环管路3中的冷量生成路线42以高压压缩机33、第一级到第二级的热交换器81～82的高温侧制冷剂流路、高压侧的膨胀涡轮（第一膨胀涡轮，以下称为“高压膨胀涡轮37”）、第四级热交换器84、低压侧的膨胀涡轮（第二膨胀涡轮，以下称为“低压膨胀涡轮38”）及第五级到第一级的热交换器85～81的低温侧制冷剂流路的顺序通过并返回高压压缩机33。制冷剂气体在通过高压膨胀涡轮37及低压膨胀涡轮38时，在该处膨胀并冷却。
〔高压膨胀涡轮37、低压膨胀涡轮38的结构〕
对高压膨胀涡轮37、低压膨胀涡轮38的结构进行说明。
图2示出高压膨胀涡轮37、低压膨胀涡轮38的结构图。图2中示出高压膨胀涡轮37及低压膨胀涡轮38中向各自的旋转轴与轴承部之间的区域供给的气体供给路及气体排出路。
如上所述，本实施形态中，使用两台膨胀涡轮37、38来膨胀制冷剂使制冷剂降温并冷却。具体而言，使被高压膨胀涡轮37膨胀而冷却的制冷剂被低压膨胀涡轮38再次膨胀并冷却。由此，即便在以一台膨胀涡轮的冷却性能而言对制冷剂的冷却的能力不足的情况下，也能通过再次冷却制冷剂来更强地冷却制冷剂。
高压膨胀涡轮37具备在自身被驱动运转时进行旋转的旋转轴（第一旋转轴）371。旋转轴371在一端安装有叶轮（第一叶轮）372。旋转轴371旋转时，叶轮372随之旋转。
高压膨胀涡轮37具备支持旋转轴371的轴承部（第一轴承部）376。轴承部376具备相对于径向支持旋转轴371的径向轴承部（第一径向轴承部）373和相对于旋转轴的轴向支持旋转轴371的轴向轴承部（第一轴向轴承部）374。
又，轴承部376具备密封部375，所述密封部375用于阻止制冷剂沿着旋转轴371的轴向对叶轮372向另一端侧的侵入。
高压膨胀涡轮37中，叶轮372在罩的内部旋转，因而在叶轮372的背面与罩之间产生有间隙。有可能制冷剂会通过在该处产生的间隙，沿旋转轴371侵入至叶轮372的另一端侧。为了阻止这样的向旋转轴371的另一端侧的制冷剂的侵入，在绕旋转轴371靠近叶轮的背面的位置且阻断沿旋转轴371的制冷剂的流动的位置上配置有密封部375。由于密封部375配置于阻断沿旋转轴371的制冷剂的流动的位置，所以密封部375为沿轴向向另一端侧的制冷剂的流动的阻碍，能将制冷剂向另一端侧的泄漏量抑制为较少。由于制冷剂沿轴向向另一端侧的泄漏量被抑制为较少，因此能抑制旋转轴371及其周围的部件被制冷剂冷却而温度过度下降，使旋转轴371及其周围的部件收缩。由此，能将旋转轴371及其周围的部件的尺寸精度维持为较高，能抑制运转中在旋转轴371与轴承部376之间发生接触。由于在旋转轴371与轴承部376之间接触受到抑制，所以能高效地进行旋转轴371的旋转。因此，能提高作为气体膨胀系统的极低温冷冻装置100的能效。又，能改善高压膨胀涡轮37的耐用性。
又，高压膨胀涡轮37具备作为向轴承部376（第一轴承部）供给轴承气体时的供给路的气体供给路（第一气体供给路）377。在比气体供给路377靠近上游侧的流路上设置有调节流通于气体供给路377的轴承气体的流量的流量调节阀390。此外，高压膨胀涡轮37具备供从气体供给路377供给至轴承部376的轴承气体从该处排出的气体排出路（第一气体排出路）378。在比气体排出路378靠近下游侧且比后述的低压膨胀涡轮38侧的气体供给路387靠近上游侧的流路408上，设置有对从气体排出路378排出并向低压膨胀涡轮38侧的气体供给路387供给的轴承气体的流量进行调节的流量调节阀391。
另，轴承部376还包含旋转轴371与轴承之间的区域（第一区域）379。
本实施形态中，向径向轴承部373及轴向轴承部374供给气体。
以适当的压力向径向轴承部373供给气体并使旋转轴371旋转，由此旋转轴371从径向轴承部373浮起。与此同时，维持旋转轴371相对于径向的位置。因此，旋转轴371与径向轴承部373之间维持为非接触的状态。像这样，在使高压膨胀涡轮37运转时，能在旋转轴371与径向轴承部373之间非接触的状态下使旋转轴371旋转。由于旋转轴371是在旋转轴371相对于径向轴承部373非接触的状态下旋转，所以能将旋转轴371旋转时的阻力抑制为较少。由此，能将高压膨胀涡轮37运转时的能量消耗抑制为较少，能改善极低温冷冻装置100的运转效率。
又，能通过以适当的压力向轴向轴承部374供给气体并使旋转轴371旋转，来使旋转轴371维持在轴向上适当的位置。因此，旋转轴371与轴向轴承部374之间维持为非接触的状态。像这样，在使高压膨胀涡轮37运转时，能在旋转轴371与轴向轴承部374之间非接触的状态下使旋转轴371旋转。由于旋转轴371是在相对于轴向轴承部374非接触的状态下旋转，所以能将旋转轴371旋转时的阻力抑制为较少。由此，能将高压膨胀涡轮37运转时的能量消耗进一步抑制为较少，能进一步改善极低温冷冻装置100的能效。
低压膨胀涡轮38也同样地，具备在自身被驱动运转时进行旋转的旋转轴（第二旋转轴）381。旋转轴381在一端安装有叶轮（第二叶轮）382。旋转轴381旋转时，叶轮382随之旋转。
低压膨胀涡轮38具备支持旋转轴381的轴承部（第二轴承部）386。轴承部386具备相对于径向支持旋转轴381的径向轴承部（第二径向轴承部）383和相对于旋转轴的轴向支持旋转轴381的轴向轴承部（第二轴向轴承部）384。
又，轴承部386具备密封部385，该密封部385用于阻止制冷剂沿着旋转轴381的轴向对叶轮382向另一端侧的侵入。密封部385配置在绕旋转轴381靠近叶轮382的背面的位置且阻断沿旋转轴381的制冷剂的流动的位置上。
由于密封部385配置于阻断沿旋转轴381的制冷剂的流动的位置，所以密封部385为沿着轴向向另一端侧的制冷剂的流动的阻碍，能将制冷剂向另一端侧的泄漏量抑制为较少。在低压膨胀涡轮38中同样由于制冷剂沿轴向向另一端侧的泄漏量被抑制为较少，所以能抑制旋转轴381及其周围的部件被制冷剂冷却而温度过度下降，使旋转轴381及其周围的部件收缩。由此，能将旋转轴381及其周围的部件的尺寸精度维持为较高，能抑制旋转轴381与密封部385之间发生接触。由于在旋转轴381与密封部385之间接触受到抑制，所以能高效地进行旋转轴381的旋转。因此，能改善极低温冷冻装置100的能效。又，能改善低压膨胀涡轮38的耐用性。
又，低压膨胀涡轮38具备作为向轴承部386供给轴承气体时的供给路的气体供给路（第二气体供给路）387。此外，低压膨胀涡轮38具备供从气体供给路387供给至轴承部386的气体从该处排出的气体排出路（第二气体排出路）388。在比气体排出路388靠近下游侧的流路上设置有调节从气体排出路388排出的轴承气体的流量的流量调节阀392。
另，轴承部386还包含旋转轴381与轴承之间的区域（第二区域）389。
本实施形态中，向径向轴承部383及轴向轴承部384供给气体。
以适当的压力向低压膨胀涡轮径向轴承部383供给轴承气体并使低压膨胀涡轮旋转轴381旋转，由此能在旋转轴381相对于径向轴承部383非接触的状态下使旋转轴381旋转。因此，能将旋转轴381旋转时的阻力抑制为较少。由此，能将低压膨胀涡轮38运转时的能量消耗抑制为较少，能改善极低温冷冻装置100的运转效率。
又，以适当的压力向轴向轴承部384供给气体，由此能使旋转轴381以相对于轴向轴承部384非接触的状态旋转。因此，能将旋转轴381旋转时的阻力抑制为较少。由此，能进一步将低压膨胀涡轮38运转时的能量消耗抑制为较少，能进一步改善极低温冷冻装置100的运转效率。
说明在具有如上所述的结构的极低温冷冻装置100中的制冷剂循环管路3的膨胀涡轮37、38中流通的制冷剂的动作。
高压压缩机33中被压缩的制冷剂从高压压缩机33通过高压流路31H前往分岔部31d。如上所述，通过驱动高压膨胀涡轮37，在分岔部31d分岔的制冷剂之中大部分通过冷量生成流路31C流向高压膨胀涡轮37。
当制冷剂流入高压膨胀涡轮37时，在该处进行藉由高压膨胀涡轮37的制冷剂的膨胀。在旋转轴371旋转且叶轮372随之旋转时，制冷剂被吸入高压膨胀涡轮37的内部且该制冷剂膨胀。当进行制冷剂的膨胀时，制冷剂会降温。
在高压膨胀涡轮37中进行了膨胀的制冷剂在通过第四级热交换器84之后，流向低压膨胀涡轮38。
又，通过驱动低压膨胀涡轮38，制冷剂流入低压膨胀涡轮38，在该处进行藉由低压膨胀涡轮38的制冷剂的膨胀。在旋转轴381旋转且叶轮382随之旋转时，制冷剂被吸入低压膨胀涡轮38的内部且该制冷剂膨胀。当进行制冷剂的膨胀时，制冷剂会在该处进一步降温。
从低压膨胀涡轮38离开的极低温的制冷剂进一步地以从第五级热交换器85至第一级热交换器81的顺序通过并升温（即对原料气体及高压流路31H的制冷剂进行冷却），与中压流路31M的制冷剂汇合。
接着，说明向膨胀涡轮37、38供给的轴承气体。
制冷剂在被高压膨胀涡轮37膨胀后再被低压膨胀涡轮38膨胀，所以被高压膨胀涡轮37膨胀时的制冷剂的压力高于被低压膨胀涡轮38膨胀时的制冷剂的压力。因此本实施形态中，高压膨胀涡轮37的气体排出路378与低压膨胀涡轮38的气体供给路387连接。从而，从高压膨胀涡轮37的气体排出路378排出的气体向低压膨胀涡轮38的气体供给路387供给。
通常，向高压膨胀涡轮37中的区域379供给的气体的压力高于向低压膨胀涡轮38中的区域389供给的气体的压力。在这样的情况下，通过连接高压膨胀涡轮37的气体排出路378和低压膨胀涡轮38的气体供给路387，能将供给至高压膨胀涡轮37中的区域379的气体送向低压膨胀涡轮38的低压气体供给路387。此时，不特别设置用于向低压膨胀涡轮38的气体供给路387供给气体的供给单元就能向低压膨胀涡轮38的低压气体供给路387供给气体。从而能简化极低温冷冻装置100的结构。
又，如此从高压膨胀涡轮37的轴承部376排出的气体向低压膨胀涡轮38的轴承部386供给，因此高压膨胀涡轮37的轴承部376中使用的气体在从高压膨胀涡轮37及低压膨胀涡轮38排出之前，会在低压膨胀涡轮38的轴承部386中再次使用。通过在高压膨胀涡轮37与低压膨胀涡轮38之间使轴承部中使用的气体共通化，能将向高压膨胀涡轮37及低压膨胀涡轮38中的轴承部供给的气体的消耗量抑制为较少。
又，由于是利用向膨胀涡轮37、38中的轴承部供给的气体的压力来进行旋转轴的定位，所以向轴承部供给的气体需要具有某种程度的压力。为了使向轴承部供给的气体成为高压，需要用压缩机进行压缩等针对气体的加压工序。本实施形态中，被压缩机32、33升压的制冷剂的一部分向膨胀涡轮37、38中的轴承部与旋转轴之间的区域供给。
在通过驱动压缩机32、33来使制冷剂升压时，用于驱动压缩机32、33的能量被消耗。假如向轴承部与旋转轴之间的区域供给的气体的消耗量增多，则有可能与之对应的能量的消耗量增多，系统的能效降低。
本实施形态中，向高压膨胀涡轮37及低压膨胀涡轮38中的轴承部与旋转轴之间供给的气体的消耗量被抑制为较少，所以系统内消耗的能量可被抑制为较少。由此能改善制冷剂的膨胀系统的能效。
（第二实施形态）
接下来，说明本发明第二实施形态的气体的膨胀系统。另，对与上述第一实施形态同样构成的部分在图中标以同一符号并省略说明，仅对不同的部分进行说明。
第一实施形态中，在径向上支持旋转轴的径向轴承部和在轴向上支持旋转轴的轴向轴承部中均为将高压膨胀涡轮37中使用过的气体也在低压膨胀涡轮38中使用。相对于此，在第二实施形态中，仅在沿径向支持旋转轴的径向轴承部中，将高压膨胀涡轮37中使用过的气体在低压膨胀涡轮38中使用。又，在沿轴向支持旋转轴的轴向轴承部中，高压膨胀涡轮37中使用过的气体不在低压膨胀涡轮38中使用。
说明第二实施形态中高压膨胀涡轮及低压膨胀涡轮的结构。图3示出第二实施形态中高压膨胀涡轮37a及低压膨胀涡轮38a的结构图。
第二实施形态中，向高压膨胀涡轮37a及低压膨胀涡轮38a供给气体的流路393进行分岔。分岔后的流路393中的一方的流路393a与高压膨胀涡轮37a的高压气体供给路377连接。流路393a上设置有调节流通于流路393a的气体的流量的流量调节阀401。分岔后的流路393中的另一方的流路393b连接低压膨胀涡轮38a的气体供给路387中与轴向轴承部384有关的气体供给路387a。流路393b上设置有调节流通于流路393b的气体的流量的流量调节阀402。
由于流路393a与高压膨胀涡轮37a的高压气体供给路377连接，所以在高压膨胀涡轮37a中，利用从压缩机32、33经由流路393、流路393a供给的气体来进行旋转轴371的定位。
第二实施形态中，在从高压膨胀涡轮37a中的气体排出路378排出的气体的流路之中，从径向轴承部373排出的气体的流路403与向低压膨胀涡轮38a中的气体供给路387的径向轴承部383供给的气体流路387b连接。在从高压膨胀涡轮37a中的径向轴承部373排出的气体的流路403上设置有调节流通于流路403的气体的流量的流量调节阀405。
另一方面，在从高压膨胀涡轮37a的气体排出路378排出的气体的流路之中，从轴向轴承部374排出的气体的流路404不与低压膨胀涡轮38a的气体供给路387连接，流通于流路内的气体向外部排出。流路404上设置有调节流通于流路403的气体的流量的流量调节阀409。
在低压膨胀涡轮38a的轴向轴承部384中，气体供给路387与流路393b连接。因此，来自压缩机32、33的高压的气体直接向低压膨胀涡轮轴向轴承部384供给。由于向轴向轴承部384供给的气体被维持在高压，因而低压膨胀涡轮38a的旋转轴381的定位得以切实地进行。
像这样，向高压膨胀涡轮37a中的轴向轴承部374供给并从区域379b排出的气体不向低压膨胀涡轮38a中的轴向轴承部384供给。从轴向轴承部374排出的气体不在区域389b中用作轴承气体，而是通过流路404从高压膨胀涡轮37a及低压膨胀涡轮38a向外部排出。
在低压膨胀涡轮38a的径向轴承部383中，来自高压膨胀涡轮37a的气体排出路378经由流路403与低压膨胀涡轮38a的气体供给路387连接。因此，从高压膨胀涡轮37a的气体排出路378排出的气体向低压膨胀涡轮38a的气体供给路387供给。因此，在低压膨胀涡轮38a的径向轴承部383中，高压膨胀涡轮37a中使用过的气体被再利用。
低压膨胀涡轮38a的径向轴承部383及轴向轴承部384中使用过的气体通过流路406向外部排出。流路406上设置有调节通过流路406向外部排出的气体的流量的流量调节阀407。
第二实施形态中，在高压膨胀涡轮37a的径向轴承部373中先被使用的气体在低压膨胀涡轮38a的径向轴承部383中被再利用，所以能在高压膨胀涡轮37a与低压膨胀涡轮38a之间使径向轴承部中使用的气体共通化。由此能将气体的消耗量抑制为较少。
一般而言，膨胀涡轮运转时，施加于轴向轴承部的负荷大于施加于径向轴承部的负荷。因此，轴向轴承部中为了旋转轴的定位而需要比径向轴承部大的力。从而在轴向轴承部中，向轴承部供给的气体要求比径向轴承部高的压力。
在气体向轴承部供给且用于旋转轴的定位时，使用流量调节阀调节气体的供给量，所以气体的压力在该处下降。因此，与对从高压膨胀涡轮37a的气体排出路378排出的气体进行再利用的情况相比，将被压缩机32、33压缩的气体照原样供给的情况能在压力高的状态下使用气体。因此，对于低压膨胀涡轮38a中的负荷较大的轴向轴承部384，不对高压膨胀涡轮37a中使用过的气体进行再利用，而是直接供给来自压缩机32、33的高压的气体。因此，在需要高压力的轴向轴承部374、384中，利用压力大的气体来进行旋转轴371、381的定位，因而能切实地进行旋转轴371、381的定位。
另一方面，在径向轴承部373、383中负荷较小，向其供给的气体无需高压力。因此，对于向低压膨胀涡轮38a的径向轴承部383供给的气体，也可以通过再利用来使用先向高压膨胀涡轮37a的径向轴承部373供给而压力降低的气体。由此能将气体的消耗量抑制为较少。
像这样，也可以形成为如下结构：仅在径向轴承部373、383中，高压膨胀涡轮37a中使用过的气体在低压膨胀涡轮38a中被再次使用，而在轴向轴承部374、384中，高压膨胀涡轮37a中使用过的气体不在低压膨胀涡轮38a中使用。
（第三实施形态）
接下来，说明本发明第三实施形态的气体的膨胀系统。另，对与上述第一实施形态及第二实施形态同样构成的部分在图中标以同一符号并省略说明，仅对不同的部分进行说明。
第一实施形态中，在径向轴承部及轴向轴承部双方中，高压膨胀涡轮的轴承部中使用过的气体在低压膨胀涡轮的轴承部中被再次使用。第二实施形态中，仅在径向轴承部中，在高压膨胀涡轮的旋转轴与轴承部之间使用过的气体在低压膨胀涡轮中被再次使用。与此相对，第三实施形态中，在高压膨胀涡轮的径向轴承部与旋转轴之间的区域及轴向轴承部与旋转轴之间的区域使用过的气体在低压膨胀涡轮的密封部与旋转轴之间的区域被再次使用。
图4示出第三实施形态中的高压膨胀涡轮37b及低压膨胀涡轮38b的结构图。
第三实施形态中，向高压膨胀涡轮37b及低压膨胀涡轮38b供给气体的流路394分岔为三条。从流路394分岔出的流路之一与高压膨胀涡轮37b的径向轴承部373及轴向轴承部374连接。由此构成为可向高压膨胀涡轮37b的径向轴承部373、轴向轴承部374供给气体。
从流路394分岔出的流路之一与高压膨胀涡轮37b的密封部375连接。由此构成为可向密封部375与高压膨胀涡轮旋转轴371之间的区域375a供给气体。
从流路394分岔出的流路之一与低压膨胀涡轮38b的径向轴承部383及轴向轴承部384连接。由此构成为可向低压膨胀涡轮38b的径向轴承部383、轴向轴承部384供给气体。
在从气体的流路上的分岔点394a向高压膨胀涡轮37b的径向轴承部373及轴向轴承部374延伸的流路394b上，配置有流量调节阀395a。构成为可通过流量调节阀395a来调节向高压膨胀涡轮37b的径向轴承部373及轴向轴承部374供给的气体的供给量。
在从气体的流路上的分岔点394a向高压膨胀涡轮37b的密封部375延伸的流路394c上，配置有流量调节阀395b。构成为可通过流量调节阀395b来调节向高压膨胀涡轮37b的密封部375供给的气体的供给量。
在从气体的流路上的分岔点394a向低压膨胀涡轮38b的径向轴承部383及轴向轴承部384延伸的流路394d上，配置有流量调节阀395c。构成为可通过流量调节阀395c来调节向低压膨胀涡轮38b的径向轴承部383及轴向轴承部384供给的气体的供给量。
在比高压膨胀涡轮37b的气体排出路378靠近下游侧的流路上，配置有可调节气体的流量的流量调节阀395d。构成为可通过流量调节阀395d来调节从高压膨胀涡轮37b的气体排出路378排出的气体的流量。
从高压膨胀涡轮37b的径向轴承部373及轴向轴承部374排出的气体通过流路396，在分岔点397分岔。从分岔点397起始的流路之中，一方的流路398与外部连接。因此，通过流路398的气体就此向外部排出。从分岔点397起始的流路之中，另一方的流路399与低压膨胀涡轮38b的密封部385连接。流路399上配置有可调节气体的流量的流量调节阀395e。构成为可通过流量调节阀395e来调节向低压膨胀涡轮38b的密封部385供给的气体的量。
在比低压膨胀涡轮38b的气体排出路388靠近下游侧的流路上，设置有可调节从气体排出路388排出的气体的流量的流量调节阀395f。构成为可通过流量调节阀395f来调节从低压膨胀涡轮38b的径向轴承部383及轴向轴承部384排出的气体的流量。
通过向低压膨胀涡轮38b中的密封部385与旋转轴381之间的区域385a供给高压的气体，能在密封部385与旋转轴381之间的区域385a内将制冷剂推回低压叶轮382侧。能通过将制冷剂推回叶轮382侧来抑制制冷剂通过密封部385与旋转轴381之间的区域385a。因此，能进一步将制冷剂对与叶轮382侧隔着密封部385的另一端侧的位置的侵入抑制为较少。此时向密封部385供给的气体作为从密封部385向一端侧推出制冷剂的密封气体发挥功能。由于抑制了制冷剂对叶轮382侧的另一端侧的位置的侵入，所以能抑制因旋转轴及轴承部被冷却而使旋转轴及轴承部的尺寸精度下降。
向低压膨胀涡轮38b中的密封部385与旋转轴381之间的区域385a供给的密封气体通过流入气体排出路388而被排出并回收，该气体排出路388排出来自径向轴承部383与旋转轴381之间的区域389a及轴向轴承部384与旋转轴381之间的区域389b的气体。
又，第三实施形态中，在高压膨胀涡轮37b的旋转轴371与径向轴承部373之间的区域379a及轴向轴承部374与旋转轴371之间的区域379b中使用的气体的一部分在分岔点397分岔，在低压膨胀涡轮38b的密封部385与旋转轴381之间的区域385a被再次使用。
第三实施形态中，通过流路（第二气体供给路）399向低压膨胀涡轮38b中的密封部385供给的气体是从密封部385与旋转轴381之间的区域385a沿着旋转轴381的轴向的向一端侧（低压叶轮382侧）推出制冷剂的密封气体。
像这样，第三实施形态中，从高压膨胀涡轮37b的径向轴承部373与旋转轴371之间的区域379a及轴向轴承部374与旋转轴371之间的区域379b排出的气体向低压膨胀涡轮38b的密封部385与旋转轴381之间的区域385a供给。因此，在高压膨胀涡轮37的径向轴承部373与旋转轴371之间的区域379a及轴向轴承部374与旋转轴371之间的区域379b中使用的气体在从高压膨胀涡轮37b及低压膨胀涡轮38b排出之前，在低压膨胀涡轮38b的密封部385与旋转轴381之间的区域385a被再次使用。通过使在高压膨胀涡轮37b的径向轴承部373与旋转轴371之间的区域379a及轴向轴承部374与旋转轴371之间的区域379b中使用的气体和在低压膨胀涡轮38b的密封部385与旋转轴381之间的区域385a中使用的气体共通化，能将向高压膨胀涡轮37b及低压膨胀涡轮38b中的轴承部376、386与旋转轴371、381之间供给的气体的消耗量抑制为较少。从而系统内消耗的能量被抑制为较少。由此能改善极低温冷冻装置100的能效。
又，在低压膨胀涡轮38b中的进行膨胀的叶轮382周围的区域，制冷剂为低压。因此，在低压膨胀涡轮38b中的密封部385与旋转轴381之间的区域385a压力较低。因此，低压膨胀涡轮38b中的密封部385与旋转轴381之间的区域385a的压力小于高压膨胀涡轮37b的气体排出路378的压力。因此，在高压膨胀涡轮37b的气体排出路378、和低压膨胀涡轮38b的密封部385与旋转轴381间的区域385a之间产生压力差。由此，若将高压膨胀涡轮37b的气体排出路378和低压膨胀涡轮38b的区域385a之间连接，则不在其间特别设置供给单元就能使从气体排出路378排出的气体向区域385a供给。因此能将向区域385a供给气体的供给单元从制冷剂的膨胀系统的结构中省去，使用于向区域385a供给气体的结构变得简易。由此能将极低温冷冻装置100的制造成本抑制为较少。
（其它实施形态）
另，上述实施形态中，说明了对使用高压膨胀涡轮和低压膨胀涡轮两台膨胀涡轮来使制冷剂膨胀从而冷却的形态。但本发明不限于上述实施形态，也可以采用其它形态。例如也可以采用使用三台以上的多台膨胀涡轮，通过各个膨胀涡轮来使制冷剂膨胀从而冷却的形态。此时，也可以是在多台膨胀涡轮中的任意两个膨胀涡轮之间，如上述实施形态所示，通过气体的再利用来进行向轴承部与旋转轴之间的区域的气体的供给。
又，在使用多台膨胀涡轮且在其中一部分的膨胀涡轮之间再利用供给至轴承部与旋转轴之间的气体的情况下，不限于仅在连续连接的膨胀涡轮之间再利用气体的形态。也可以是在多台膨胀涡轮之中任意的膨胀涡轮彼此之间再利用供给至轴承部与旋转轴之间的气体。
又，上述实施形态中，说明了制冷剂的压力较为高压的高压膨胀涡轮中使用过的气体在制冷剂的压力较为低压的低压膨胀涡轮中再利用的形态，但本发明不限于上述实施形态。在低压膨胀涡轮中使用的气体的压力高于高压膨胀涡轮中使用的气体的压力的情况下也可以是低压膨胀涡轮中使用过的气体被再利用于高压膨胀涡轮中的形态。
又，上述实施形态中，说明了使用被压缩机压缩的气体作为在轴承部中为了旋转轴的定位而使用的高压的气体的形态，但本发明不限于上述实施形态。也可以利用由其它压缩机升高压力的高压的气体来进行旋转轴的定位。又，还可以利用由压缩机以外的其它手段而变得高压的气体来进行旋转轴的定位。
符号说明：
37　高压膨胀涡轮；
371　高压膨胀涡轮旋转轴；
372　高压叶轮；
376　高压膨胀涡轮轴承部；
377　高压气体供给路；
378　高压气体排出路；
38　低压膨胀涡轮；
381　低压膨胀涡轮旋转轴；
382　低压叶轮；
386　低压膨胀涡轮轴承部；
387　低压气体供给路；
388　低压气体排出路。

Claims (4)

1.一种气体膨胀系统，其特征在于，
具备：
第一膨胀涡轮，所述第一膨胀涡轮具有：
第一旋转轴；
安装于所述第一旋转轴，在所述第一旋转轴旋转时吸入并膨胀气体的第一叶轮；
支持所述第一旋转轴的第一轴承部；
向所述第一轴承部供给轴承气体的第一气体供给路；和
使从所述第一气体供给路向所述第一轴承部供给的轴承气体从所述第一轴承部排出的第一气体排出路；以及
第二膨胀涡轮，所述第二膨胀涡轮具有：
第二旋转轴；
安装于所述第二旋转轴，在所述第二旋转轴旋转时吸入并膨胀气体的第二叶轮；
支持所述第二旋转轴的第二轴承部；
向所述第二轴承部供给轴承气体的第二气体供给路；和
使从所述第二气体供给路向所述第二轴承部供给的轴承气体从所述第二轴承部排出的第二气体排出路；
所述第一膨胀涡轮与所述第二膨胀涡轮以被所述第一膨胀涡轮的所述第一叶轮膨胀的气体向所述第二膨胀涡轮的所述第二叶轮供给的形式串联连接；
从所述第一气体排出路排出的轴承气体向所述第二气体供给路供给。
2.根据权利要求1所述的气体膨胀系统，其特征在于，
所述第一轴承部具有在径向上支持所述第一旋转轴的第一径向轴承部；
所述第二轴承部具有在径向上支持所述第二旋转轴的第二径向轴承部。
3.根据权利要求2所述的气体膨胀系统，其特征在于，
所述第一轴承部具有在轴向上支持所述第一旋转轴的第一轴向轴承部；
所述第二轴承部具有在轴向上支持所述第二旋转轴的第二轴向轴承部。
4.根据权利要求1所述的气体膨胀系统，其特征在于，
所述第二轴承部是阻止被所述第二旋转轴的一端上安装的所述第二叶轮膨胀的气体沿所述第二旋转轴的轴向向所述第二旋转轴的另一端侧的侵入的密封部；
通过所述第二气体供给路向所述密封部供给的轴承气体是从所述密封部向所述一端一侧推出气体的密封气体。
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