CN116710636A - 旋转机械以及使用了该旋转机械的制冷装置 - Google Patents

Abstract

旋转机械(100)具备轴承(10)、旋转轴(20)、轮机工作轮(30)、轮机管嘴(31)以及第一空腔(40)。轴承(10)具有在旋转轴(20)的轴向上分别配置的第一端面(10a)以及第二端面(10b)。从第一端面(10a)到轮机工作轮(30)的距离比从第二端面(10b)到轮机工作轮(30)的距离短。第一空腔(40)在旋转轴(20)的轴向上位于轮机管嘴(31)的背面(31b)与轴承(10)的第二端面(10b)之间或轮机管嘴(31)的背面(31b)与轴承(10)的第二端面(10b)所面向的空间(11)之间。第一空腔(40)在旋转轴(20)的半径方向上存在于与轮机管嘴(31)重叠的范围。

Description

旋转机械以及使用了该旋转机械的制冷装置

技术领域

本公开涉及旋转机械以及使用了该旋转机械的制冷装置。

背景技术

专利文献1公开极低温旋转机械。该极低温旋转机械具备向作为工作流体的极低温冷却介质赋予动能的叶轮、使叶轮旋转驱动的驱动装置、将驱动装置的旋转向叶轮传递的旋转轴以及支承旋转轴的轴颈轴承。在叶轮与轴颈轴承之间配置有隔热件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-252442号公报

发明内容

发明要解决的课题

在旋转机械中，有时从轴承等发热源向工作流体传递热量。当工作流体过剩地接受热量时，工作流体的温度意外地上升。

本公开提供用于减少从轴承等发热源向工作流体传递的热量的技术。

用于解决课题的方案

本公开的旋转机械具备：

旋转轴；

轮机工作轮，其安装于所述旋转轴；

轮机管嘴，其配置于所述轮机工作轮的周围；

轴承，其具有在所述旋转轴的轴向上分别配置的第一端面以及第二端面，从所述第一端面到所述轮机工作轮的距离比从所述第二端面到所述轮机工作轮的距离短，且所述轴承支承所述旋转轴；以及

第一空腔，其在所述旋转轴的轴向上位于所述轮机管嘴的背面与所述轴承的所述第二端面之间或者所述轮机管嘴的背面与所述轴承的所述第二端面所面向的空间之间，并且在所述旋转轴的半径方向上存在于与所述轮机管嘴重叠的范围。

发明效果

根据本公开的技术，能够减小从轴承等发热源通过轮机管嘴而向工作流体传递的热量。

附图说明

图1是实施方式1的旋转机械的剖视图。

图2是实施方式2的旋转机械的剖视图。

图3是实施方式3的旋转机械的剖视图。

图4是实施方式4的旋转机械的剖视图。

图5是实施方式5的旋转机械的剖视图。

图6是实施方式6的制冷装置的结构图。

具体实施方式

(作为本公开的基础的见解等)

在发明者们想到本发明之时，作为用到氖、氦等-190℃至-260℃的极低温的工作流体的旋转机械的一个课题，已知有工作流体与机械部件之间的温度差较大。当工作流体与机械部件之间的温度差较大时，流入工作流体的热量极大而使工作流体的状态量变化。专利文献1提出了用于应对该课题的结构。

作为抑制从轴承等发热源向轮机工作轮等流体元件的热传递的手段之一，可以举出增加旋转轴的长度而实现隔热。然而，当加长旋转轴时，旋转轴的动态特性发生变化而使旋转稳定性受损，进而高速旋转区域中的旋转机械的运转变得困难。发明者们发现了该课题，并为了解决该课题而构成了本公开的主题。

于是，本公开提供用于减少从轴承等发热源向工作流体传递的热量的技术。

以下，参照附图对实施方式详细进行说明。其中，有时省略超出必要地详细的说明。例如，有时省略已经公知的事项的详细说明、或者对实质上相同的结构的重叠说明。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，易于本领域技术人员理解。

需要说明的是，附图以及以下的说明是为了使本领域技术人员充分地理解本公开而提供的，并不意在利用它们限定技术方案所记载的主题。

(实施方式1)

以下，使用图1对实施方式1进行说明。

[1-1.结构]

图1是实施方式1的旋转机械的剖视图。旋转机械100具备轴承10、旋转轴20、轮机工作轮30、轮机管嘴31以及第一空腔40。在本实施方式中，旋转机械100是膨胀机。详细而言，旋转机械100是径流式轮机。

轴承10支承旋转轴20。轴承10具有在旋转轴20的轴向上分别配置的第一端面10a以及第二端面10b。从第一端面10a到轮机工作轮30的距离比从第二端面10b到轮机工作轮30的距离短。在本实施方式中，轴承10是滑动轴承。旋转机械100的工作流体作为轴承10的润滑剂而使用。轴承10也可以是磁轴承。

轮机工作轮30是安装于旋转轴20的一端部的流体元件。轮机工作轮30与旋转轴20一起旋转。由轮机工作轮30从工作流体引出功。

轮机管嘴31承担朝向轮机工作轮30引导工作流体的作用。轮机管嘴31具有环形状，并配置于轮机工作轮30的周围。

第一空腔40在旋转轴20的轴向上位于轮机管嘴31的背面31b与轴承10的第二端面10b之间或轮机管嘴31的背面31b与轴承10的第二端面10b所面向的空间11之间。第一空腔40在旋转轴20的半径方向上存在于与轮机管嘴31重叠的范围。换言之，第一空腔40在沿着旋转轴20的轴向观察时存在于与轮机管嘴31重叠的范围。利用第一空腔40，能够在轮机管嘴31与轴承10等发热源之间产生热阻。由此，能够抑制从轴承10等发热源向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。其结果是，能够抑制旋转机械100的工作流体的温度的意外上升。工作流体主要在轮机管嘴31中膨胀。在通过轮机管嘴31时，工作流体的温度大幅降低。因此，通过抑制向轮机管嘴31的热传递，能够将工作流体的温度降低到更低的温度。第一空腔40可以是封闭的空间，也可以是与放置旋转机械100的外部环境连通的空间。在第一空腔40为封闭的空间的情况下，第一空腔40也可以容纳空气等气体、或水、载冷剂、油等液体。外部环境可以是大气环境。

在本说明书中，“轴向”是与旋转轴20的中心轴O平行的方向。在本说明书中，“半径方向”是与中心轴O正交的方向。

将在半径方向上距旋转轴20的中心轴O的距离为轮机工作轮30的半径的1.0倍的位置定义为第一位置。将在半径方向上距旋转轴20的中心轴O的距离为轮机工作轮30的半径的1.8倍的位置定义为第二位置。将在半径方向上距旋转轴20的中心轴O的距离为轮机工作轮30的半径的1.1倍的位置定义为第三位置。第一空腔40在半径方向上存在于从第一位置到第二位置的范围A。通常，轮机管嘴31在半径方向上配置于从第三位置到第二位置的范围。因此，当第一空腔40存在于范围A时，能够更有效地抑制从轴承10等发热源向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。

第一空腔40例如是沿着旋转轴20的周向包围轴承10的环形状的空间。第一空腔40可以是C字状的空间，也可以以包围轴承10的方式分为多个部分。利用这样的结构，能够在轮机管嘴31与轴承10等发热源之间更均匀地产生热阻。

第一空腔40的半径方向上的内缘例如存在于与轮机管嘴31重叠的范围。在本实施方式中，第一空腔40的内缘的位置由轴承10的外缘的位置限定。第一空腔40的半径方向上的外缘例如存在于比轮机管嘴31靠外侧的范围。在本实施方式中，第一空腔40在半径方向上也存在于比轮机管嘴31靠外侧的范围。利用这样的结构，能够更充分地抑制从轴承10等发热源向轮机管嘴31的热传递。

第一空腔40可以在半径方向上存在于范围A的整体，也可以仅存在于一部分。即，第一空腔40存在于范围A的整体不是必需的。第一空腔40也可以在半径方向上追加地存在于与轮机工作轮30重叠的范围。即使是这样的结构，也能够在轮机管嘴31与轴承10等发热源之间产生热阻。

在旋转轴20的轴向上，第一空腔40存在于与轴承10重叠的范围。利用这样的结构，能够更充分地抑制从轴承10等发热源向轮机管嘴31的热传递。

旋转机械100还具备马达壳体60以及轮机壳体61。马达壳体60以及轮机壳体61分别为第一壳体以及第二壳体。轴承10固定于马达壳体60，并保持于马达壳体60。轮机壳体61包围轮机工作轮30。轮机壳体61以覆盖轴承10以及轮机工作轮30的方式固定于马达壳体60。轮机壳体61具有作为工作流体的流路的涡旋室61h。涡旋室61h与旋转机械100的吸入口(省略图示)连通。轮机壳体61的静止的内壁面与轮机工作轮30以及轮机管嘴31分别相面对。由此，限定工作流体的流路。详细而言，在轮机壳体61与轮机管嘴31之间形成有工作流体的流路。在轮机壳体61与轮机工作轮30之间形成有工作流体的流路。

第一空腔40由轮机壳体61形成。详细而言，第一空腔40被马达壳体60、轮机壳体61以及轴承10包围。利用这样的结构，能够借助轮机壳体61在轮机管嘴31与轴承10等发热源之间产生热阻。另外，能够缩短旋转机械100的起动时间。旋转机械100的起动时间是指从旋转机械100的起动时间点到规定温度(例如-70℃)的工作流体的生成开始的时间点的时间。

旋转机械100还具备与旋转轴20配置于同轴上的电动机50。电动机50承担使旋转轴20旋转的作用。电动机50具有转子51以及定子52。转子51固定于旋转轴20。定子52固定于马达壳体60。电动机50也可以作为发电机而使用。

电动机50配置于轴承10的第二端面10b所面向的空间11。根据这样的结构，利用第一空腔40尤其能够抑制从电动机50向工作流体的热传递。在本实施方式中，空间11是配置有电动机50的马达空间。因此，第一空腔40位于轮机工作轮30的背面与马达空间之间。

轴承10以从马达壳体60的端面沿朝向轮机壳体61的方向突出的方式设置。利用这样的结构，容易确保用于由轮机壳体61形成第一空腔40的空间。

旋转机械100还具备配置于电动机50的周围的冷却套53。冷却套53是旋转机械100的冷却结构的一例。在本实施方式中，冷却套53是马达壳体60的内部的环形状的流路。在马达壳体60安装有与冷却套53分别连通的导入流路54a以及排出流路54b。导入流路54a是用于将冷却用流体向冷却套53导入的流路。排出流路54b是用于将冷却用流体从冷却套53排出的流路。通过使冷却用流体流向冷却套53而冷却电动机50。冷却用流体可以是空气等气体，也可以是水、载冷剂、油等液体。导入流路54a以及排出流路54b分别由至少一个配管构成。在导入流路54a以及排出流路54b中的至少一方配置有阀55。阀55可以是开闭阀，也可以是流量调节阀。

旋转机械100还具备轮机扩散器62。轮机扩散器62是筒状的部件，配置于轮机工作轮30的下游侧。轮机扩散器62以朝向轮机工作轮30开口的方式安装于轮机壳体61。轮机工作轮30与轮机扩散器62处于同轴状的位置关系。轮机扩散器62的内径沿着轴向逐渐地扩大。轮机扩散器62也可以由轮机壳体61的一部分构成。

[1-2.动作]

接着，说明旋转机械100的动作的一例。

工作流体从设置于轮机壳体61的吸入口(省略图示)向涡旋室61h流入，进而从轮机管嘴31的外周向轮机管嘴31流入。工作流体在轮机管嘴31中膨胀，从而其压力被转换为流速。之后，对轮机工作轮30吹送工作流体。利用吹送的工作流体对轮机工作轮30赋予冲击。根据工作流体的状态，在从轮机工作轮30喷出工作流体时压力再次转换为流速，因此轮机工作轮30承受来自工作流体的反作用。旋转轴20借助这些冲击以及反作用旋转而从工作流体取出功。从轮机工作轮30喷出的工作流体向轮机扩散器62流入。工作流体在沿轮机扩散器62的轴向且远离轮机工作轮30的方向流动的同时减速，使其压力恢复。之后，工作流体向旋转机械100的外部喷出。

通过上述动作，工作流体的温度以及压力连续地下降。在压力比为2至3程度的膨胀轮机的情况下，若在轮机管嘴31处工作流体的温度为20℃，则在轮机扩散器62的出口62a处，工作流体的温度达到约-20℃至-40℃。轮机壳体61、轮机工作轮30以及轮机管嘴31与膨胀过程或膨胀后的工作流体接触，因此这些部件的温度较低。另一方面，由于摩擦或电磁损失而产生热量，因此轴承10、旋转轴20以及电动机50等发热源的温度较高。因此，在这些发热源与工作流体之间容易产生较大的温度差。当产生温度差时，则通过轮机壳体61以及轮机管嘴31从发热源向工作流体传递热量。

第一空腔40在轮机管嘴31与轴承10等发热源之间产生热阻。通过第一空腔40的作用，抑制从发热源向工作流体的热传递。

[1-3.效果等]

如以上那样，在本实施方式中，旋转机械100具备第一空腔40。第一空腔40在旋转轴20的半径方向上存在于与轮机管嘴31重叠的范围。换言之，第一空腔40在沿着旋转轴20的轴向观察时存在于与轮机管嘴31重叠的范围。利用第一空腔40，能够在轮机管嘴31与轴承10等发热源之间产生热阻。由此，能够抑制从轴承10等发热源向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。其结果是，能够抑制旋转机械100的工作流体的温度的意外上升。工作流体主要在轮机管嘴31中膨胀。在通过轮机管嘴31时，工作流体的温度大幅降低。因此，通过抑制从发热源向轮机管嘴31的热传递，能够抑制从发热源向工作流体的热传递，进而能够使工作流体的温度下降到更低的温度。

另外，在本实施方式中，将在半径方向上距旋转轴20的中心轴O的距离为轮机工作轮30的半径的1.0倍的位置定义为第一位置。将在半径方向上距旋转轴20的中心轴O的距离为轮机工作轮30的半径的1.8倍的位置定义为第二位置。将在半径方向上距旋转轴20的中心轴O的距离为轮机工作轮30的半径的1.1倍的位置定义为第三位置。第一空腔40在半径方向上存在于从第一位置到第二位置的范围A。通常，轮机管嘴31在半径方向上配置于从第三位置到第二位置的范围。因此，当第一空腔40存在于范围A时，能够更有效地抑制从轴承10等发热源向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。

另外，在本实施方式中，第一空腔40由轮机壳体61形成。利用这样的结构，能够借助轮机壳体61在轮机管嘴31与轴承10等发热源之间产生热阻。另外，能够缩短旋转机械100的起动时间。旋转机械100的起动时间是指从旋转机械100的起动时间点到规定温度(例如-70℃)的工作流体的生成开始的时间点的时间。

另外，在本实施方式中，电动机50配置于轴承10的第二端面10b所面向的空间11。根据这样的结构，利用第一空腔40尤其能够抑制从电动机50向工作流体的热传递。

以下，对其他几个实施方式进行说明。有时对在实施方式1与其他实施方式中共通的要素标注相同的参照附图标记，并省略它们的说明。与各实施方式相关的说明只要在技术上不矛盾，就能够相互应用。只要在技术上不矛盾，则各实施方式也可以相互组合。

(实施方式2)

以下，使用图2对实施方式2进行说明。在本实施方式的旋转机械101中，第一空腔40作为供冷却用流体流动的流路而发挥功能。因此，在本实施方式中，也将第一空腔40称为“第一流路41”。可以是第一空腔40的全部为第一流路41，也可以是仅第一空腔40的一部分为第一流路41。除了第一空腔40作为流路发挥功能以外，旋转机械101具有与实施方式1的旋转机械100相同的结构。

[2-1.结构]

第一流路41与供流入轮机管嘴31之前的工作流体流动的流路(省略图示)连通。也就是说，工作流体的一部分作为冷却用流体而使用。轴承10等发热源能够被流入轮机管嘴31之前的工作流体冷却。由此，能够更有效地抑制从轴承10等发热源向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。

旋转机械101还具备变更第一流路41中的工作流体的流量的阀43。通过阀43，能够与旋转机械101的动作状态相应地使第一流路41中的工作流体的流量变化。例如，在仅通过第一流路41的热阻就能够得到充分的效果的情况下，停止工作流体向第一流路41的导入。由此，不需要用于压送工作流体的动力，因此旋转机械101的效率提高。阀43可以是开闭阀，也可以是流量调节阀。在阀43为流量调节阀的情况下，通过变更其开度，能够多级地调节第一流路41中的工作流体的流量。

旋转机械101还具备与第一流路41分别连通的导入流路42a以及排出流路42b。导入流路42a以及排出流路42b安装于轮机壳体61。导入流路42a是用于将工作流体向第一流路41导入的流路。排出流路42b是用于将工作流体从第一流路41排出的流路。通过使工作流体流向第一流路41而使轴承10等发热源冷却。导入流路42a以及排出流路42b分别由至少一个配管构成。在导入流路42a以及排出流路42b中的至少一方配置有阀43。

[2-2.动作]

根据旋转机械101，膨胀前的工作流体的一部分被引导至第一流路41。此时，轴承10等发热源被工作流体冷却。从导入流路42a被引导至第一流路41的工作流体充满第一流路41的整体，并且通过第一流路41向排出流路42b流入，且从排出流路42b向外部排出。

[2-3.效果等]

如以上那样，在本实施方式中，第一空腔40包括第一流路41。第一流路41与供流入轮机管嘴31之前的工作流体流动的流路(省略图示)连通。也就是说，工作流体的一部分作为冷却用流体而使用。轴承10等发热源能够被流入轮机管嘴31之前的工作流体冷却。由此，能够更有效地抑制从轴承10等发热源向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。

另外，在本实施方式中，旋转机械101还具备对第一流路41中的工作流体的流量进行变更的阀43。通过阀43，能够与旋转机械101的动作状态相应地使第一流路41中的工作流体的流量变化。例如，在仅通过第一流路41的热阻就能够得到充分的效果的情况下，停止工作流体向第一流路41的导入。由此，不需要用于压送工作流体的动力，因此旋转机械101的效率提高。

旋转机械101适于将空气用作工作流体(冷却介质)的制冷装置。这是因为，能够将从第一流路41排出的工作流体向大气中直接放出。作为工作流体的空气向第一流路41导入与从大气向制冷装置的回路自动地补充空气并行地进行。不需要任何补充工作流体的作业。

需要说明的是，在本实施方式中，使用了工作流体作为从导入流路42a引导至第一流路41的冷却用流体，但也可以使用工作流体以外的冷却用流体。另外，要向第一流路41导入的冷却用流体的种类也可以与电动机50的冷却用流体的种类不同。要向第一流路41导入的冷却用流体可以是空气等气体，也可以是水、载冷剂、油等液体。

(实施方式3)

以下，使用图3对实施方式3进行说明。本实施方式的旋转机械102除了在第一流路41中流动旋转机械102的工作流体以外的冷却用流体以外，具有与实施方式2的旋转机械101相同的结构。

[3-1.结构]

在旋转机械102中，向第一流路41流动旋转机械102的工作流体以外的冷却用流体。利用这样的结构，能够在不减少作为膨胀轮机的旋转机械102的冷能输出的情况下对轴承10等发热源进行冷却。由此，能够更有效地抑制从轴承10等发热源向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。另外，由于没有为了冷却而使用旋转机械102的工作流体，因此即使旋转机械102的运转条件变化也能够维持冷能输出。

在旋转机械102中，通过阀43能够与旋转机械102的动作状态相应地使第一流路41中的冷却用流体的流量变化。

在本实施方式中，第一流路41与冷却套53连通。利用这样的结构，能够使作为发热源的电动机50的冷却用流体向第一流路41流动。另外，由于使用工作流体以外的冷却用流体，因此用于压送工作流体的动力被削减，从而旋转机械102的效率提高。

在本实施方式中，在分支点P1，从导入流路54a分支出导入流路42a。由此，第一流路41与冷却套53间接地连通。在汇合点(在图3中未图示)，排出流路42b与排出流路54b汇合。也就是说，第一流路41与冷却套53并联连接。但是，第一流路41与冷却套53也可以串联连接。例如，也可以以使冷却用流体按照导入流路42a、第一流路41、排出流路42b、导入流路54a、冷却套53以及排出流路54b的顺序流动的方式将它们相互连接。或者，也可以以使冷却用流体按照导入流路54a、冷却套53、排出流路54b、导入流路42a、第一流路41以及排出流路42b的顺序流动的方式将它们相互连接。冷却用流体在第一流路41以及冷却套53按照该顺序或相反的顺序流动。在工作流体以外的冷却用流体为空气的情况下，在第-流路41流动了的空气也可以通过排出流路42b向外部环境排出。

阀43以及阀55分别配置于比分支点P1靠下游的位置。也可以与阀43以及阀55一起或代替阀43以及阀55而在分支点P1设置分配阀。

需要说明的是，要向第一流路41以及冷却套53导入的冷却用流体可以是空气等气体，也可以是水、载冷剂、油等液体。

[3-2.动作]

根据旋转机械102，旋转机械102的工作流体以外的冷却用流体被引导至第一流路41。此时，轴承10等发热源被工作流体以外的冷却用流体冷却。工作流体以外的冷却用流体在分支点P1被分配，并向导入流路42a以及导入流路54a行进。从导入流路42a被引导至第一流路41的冷却用流体充满第一流路41的整体，并且通过第一流路41向排出流路42b流入，且从排出流路42b向外部排出。从导入流路54a被引导至冷却套53的冷却用流体充满冷却套53的整体，并且通过冷却套53向排出流路54b流入，且从排出流路54b向外部排出。排出流路42b以及排出流路54b也可以在汇合点(在图3中未图示)汇合。

[3-3.效果等]

如以上那样，在本实施方式中，向第一流路41流动旋转机械102的工作流体以外的冷却用流体。利用这样的结构，能够在不减少作为膨胀轮机的旋转机械102的冷能输出的情况下对轴承10等发热源进行冷却。由此，能够更有效地抑制从轴承10等发热源向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。另外，由于没有为了冷却而使用工作流体，因此即使旋转机械102的运转条件变化也能够维持冷能输出。

另外，在本实施方式中，在旋转机械102中，通过阀43能够与旋转机械102的动作状态相应地使第一流路41中的冷却用流体的流量变化。

另外，在本实施方式中，第一流路41与冷却套53连通。利用这样的结构，能够使作为发热源的电动机50的冷却用流体向第一流路41流动。另外，由于使用工作流体以外的冷却用流体，因此用于压送工作流体的动力被削减，从而旋转机械102的效率提高。

(实施方式4)

以下，使用图4对实施方式4进行说明。本实施方式的旋转机械103除了具备罩69以及第二空腔70以外，具有与实施方式1至3的旋转机械100至102中的任一个相同的结构。

[4-1.结构]

罩69在旋转机械103的出口侧覆盖轮机壳体61的外周面。第二空腔70位于罩69与轮机壳体61之间。第二空腔70抑制从外部环境向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。其结果是，能够抑制旋转机械103的工作流体的温度的意外上升。利用第二空腔70，即使旋转机械103的运转条件变化也能够维持冷能输出。

第二空腔70例如是沿着旋转轴20的周向包围轮机壳体61的环形状的空间。第二空腔70可以是C字状的空间，也可以以包围轮机壳体61的方式分为多个部分。利用这样的结构，能够更均匀地抑制从外部环境向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。

罩69的尺寸以不使旋转机械103的实质的尺寸增加的方式调整。具体而言，罩69被控制在将轮机壳体61以及轮机扩散器62包围的最小容积的圆柱B的范围内。在轴向上，罩69位于轮机扩散器62的开口端62a与轴承10之间。罩69的直径也可以比轮机壳体61的直径小。利用这样的结构，在具备旋转机械103的制冷装置中，容易避免旋转机械103与其他机械或部件干涉。

在旋转机械103中，第二空腔70作为供冷却用流体流动的流路发挥功能。因此，在本实施方式中，也将第二空腔70称为“第二流路71”。可以是第二空腔70的全部为第二流路71，也可以是仅第二空腔70的一部分为第二流路71。

第二流路71也可以与供流入轮机管嘴31之前的工作流体流动的流路(省略图示)连通。也就是说，工作流体的一部分也可以作为冷却用流体而使用。轮机壳体61能够被流入轮机管嘴31之前的工作流体冷却。详细而言，能够排出绕过第一空腔40而到达涡旋室61h的周围的部分以及轮机扩散器62的热量。

旋转机械103还具备对第二流路71中的工作流体的流量进行变更的阀73。通过阀73，能够与旋转机械103的动作状态相应地使第二流路71中的工作流体的流量变化。例如，在仅通过第二流路71的热阻就能够得到充分的效果的情况下，停止工作流体向第二流路71的导入。由此，不需要用于压送工作流体的动力，因此旋转机械103的效率提高。阀73可以是开闭阀，也可以是流量调节阀。在阀73为流量调节阀的情况下，通过变更其开度，能够多级地调节第二流路71中的工作流体的流量。

旋转机械103还具备与第二流路71分别连通的导入流路72a以及排出流路72b。导入流路72a以及排出流路72b安装于罩69。导入流路72a是用于将工作流体的一部分向第二流路71导入的流路。排出流路72b是用于将工作流体的一部分从第二流路71排出的流路。通过使工作流体的一部分向第二流路71流动而使轮机壳体61冷却。导入流路72a以及排出流路72b分别由至少一个配管构成。在导入流路72a以及排出流路72b中的至少一方配置有阀73。在工作流体为空气的情况下，在第二流路71流动了的空气也可以通过排出流路72b向外部环境排出。

在旋转机械103中，也可以向第二流路71流动旋转机械103的工作流体以外的冷却用流体。利用这样的结构，能够在不减少作为膨胀轮机的旋转机械103的冷能输出的情况下对轮机壳体61进行冷却。另外，由于没有为了冷却而使用旋转机械103的工作流体，因此即使旋转机械103的运转条件变化也能够维持冷能输出。

第二流路71也可以与冷却套53连通。利用这样的结构，能够使作为发热源的电动机50的冷却用流体向第二流路71流动。另外，由于使用工作流体以外的冷却用流体，因此用于压送工作流体的动力被削减，从而旋转机械103的效率提高。

也可以是，在分支点(在图4中未图示)，导入流路72a从导入流路54a分支。由此，第二流路71与冷却套53间接地连通。也可以是，在汇合点(在图4中未图示)，排出流路72b与排出流路54b汇合。也就是说，第二流路71与冷却套53也可以并联连接。但是，第二流路71与冷却套53也可以串联连接。例如，也可以以使冷却用流体按照导入流路72a、第二流路71、排出流路72b、导入流路54a、冷却套53以及排出流路54b的顺序流动的方式将它们相互连接。或者，也可以以使冷却用流体按照导入流路54a、冷却套53、排出流路54b、导入流路72a、第二流路71以及排出流路72b的顺序流动的方式将它们相互连接。冷却用流体在第二流路71以及冷却套53按照该顺序或相反的顺序流动。在工作流体以外的冷却用流体为空气的情况下，在第二流路71流动了的空气也可以通过排出流路72b向外部环境排出。

阀73以及阀55也可以分别配置于比导入流路54a与导入流路72a的分支点靠下游的位置。也可以与阀73以及阀55一起或代替阀73以及阀55而在分支点设置分配阀。

第一空腔40为第一流路41，也可以是第一流路41以及第二流路71这两方与冷却套53连通。也可以向第一流路41以及第二流路71这两方经由导入流路42a(在图4中未图示)以及导入流路72a而导入向轮机管嘴31流入之前的工作流体或除此以外的冷却用流体。在后者的情况下，冷却用流体也可以在第一流路41、第二流路71以及冷却套53以任意的顺序流动。

需要说明的是，在第二流路71未与冷却套53连通的情况下，要向第二流路71导入的冷却用流体的种类也可以与电动机50的冷却用流体的种类不同。要向第二流路71导入的冷却用流体可以是空气等气体，也可以是水、载冷剂、油等液体。

需要说明的是，第二空腔70也可以是不导入工作流体而封闭的空间。在该情况下，第二空腔70抑制从放置有旋转机械103的外部环境向工作流体的热传递。在第二空腔70为封闭的空间的情况下，第二空腔70也可以容纳空气等气体、或水、载冷剂、油等液体。

[4-2.动作]

根据旋转机械103，第二空腔70抑制从外部环境向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。

也可以是，膨胀前的工作流体的一部分被引导至第二流路71。此时，轮机壳体61被工作流体冷却。从导入流路72a被引导至第二流路71的工作流体充满第二流路71的整体，并且通过第二流路71向排出流路72b流入，且从排出流路72b向外部排出。从导入流路54a被引导至冷却套53的冷却用流体充满冷却套53的整体，并且通过冷却套53向排出流路54b流入，且从排出流路54b向外部排出。在作为从导入流路54a向冷却套53流动的冷却用流体而使用与被引导至第二流路71的冷却用流体相同的膨胀前的工作流体的情况下，也可以是，在分支点(在图4中未图示)分配作为冷却用流体的工作流体，并进入导入流路72a以及导入流路54a。

也可以是，旋转机械103的工作流体以外的冷却用流体被引导至第二流路71。此时，轮机壳体61被工作流体以外的冷却用流体冷却。工作流体以外的冷却用流体的流动方式与膨胀前的工作流体的一部分被引导至第二流路71的情况下的工作流体的流动方式相同。

[4-3.效果等]

如以上那样，在本实施方式中，第二空腔70位于罩69与轮机壳体61之间。第二空腔70抑制从外部环境向正在通过轮机管嘴31的工作流体的热传递。其结果是，能够抑制旋转机械103的工作流体的温度的意外上升。利用第二空腔70，即使旋转机械103的运转条件变化也能够维持冷能输出。

(实施方式5)

以下，使用图5来说明实施方式5。本实施方式的旋转机械104除了还具备将第一空腔40与第二空腔70连通的连通孔80以外，具有与实施方式4的旋转机械103相同的结构。

[5-1.结构]

旋转机械104还具备将第一空腔40与第二空腔70连通的连通孔80。利用这样的结构，冷却用流体能够通过连通孔80在第一空腔40与第二空腔70之间往来。由此，能够更高效地冷却旋转机械104。在第一空腔40(第一流路41)为沿着旋转轴20的周向包围轴承10的环形状的空间，并且第二空腔70(第二流路71)为沿着旋转轴20的周向包围轮机壳体61的环形状的空间的情况下，优选旋转机械104具备多个连通孔80。通过具备多个连通孔80，第一流路41与第二流路71中的冷却用流体的流通以及冷却用流体通过连通孔80在第一空腔40与第二空腔70之间的往来能够顺畅地进行。

第二空腔70的容量与第一空腔40的容量相比可以较大，也可以较小，也可以相等。各空腔的容量以及连通孔80的截面积以使冷却用流体容易向第一流路41流入的方式确定。

连通孔80设置于轮机壳体61。因此，连通孔80不使旋转机械104的实质的尺寸增加。利用这样的结构，在具备旋转机械104的制冷装置中，容易避免旋转机械104与其他机械或部件干涉。

在旋转机械104中，第一空腔40为第一流路41，第二空腔70为第二流路71。第二流路71也可以与供流入轮机管嘴31之前的工作流体流动的流路(省略图示)连通。利用这样的结构，能够利用流入轮机管嘴31之前的工作流体高效地冷却旋转机械104。

在旋转机械104中，也可以向第二流路71流动旋转机械104的工作流体以外的冷却用流体。利用这样的结构，能够在不减少作为膨胀轮机的旋转机械104的冷能输出的情况下高效地对旋转机械104进行冷却。

在本实施方式中，旋转机械104不具备与第一流路41分别连通的导入流路42a以及排出流路42b(参照图2)。这样的结构更简便，因此能够抑制旋转机械104的制造成本。也可以代替导入流路72a以及排出流路72b而设置与第一流路41分别连通的导入流路42a以及排出流路42b。并且，也可以设置与第一流路41连通的导入流路42a以及与第二流路71连通的排出流路72b这样的组合，也可以设置与第二流路71连通的导入流路72a以及与第一流路41连通的排出流路42b这样的组合。

[5-2.动作]

根据旋转机械104，冷却用流体能够通过连通孔80在第一流路41与第二流路71之间往来。从导入流路72a被引导至第二流路71的冷却用流体充满第二流路71的整体，并且通过第二流路71以及连通孔80而向第一流路41流入。流入第一流路41的冷却用流体充满第一流路41的整体并且在第一流路41流动，并通过其他的连通孔80而返回第二流路71。向排出流路72b流入的冷却用流体从排出流路72b向外部排出。在向第二流路71流动的冷却用流体与向冷却套53流动的冷却用流体为相同种类的冷却用流体的情况下，也可以是，冷却用流体在分支点(未图示)被分配，并向导入流路72a以及导入流路54a行进。排出流路72b以及排出流路54b也可以在汇合点(未图示)汇合。在冷却用流体为空气的情况下，在第二流路71以及冷却套53流动了的空气也可以通过排出流路72b以及排出流路54b向外部环境排出。

也可以向第一流路41以及第二流路71这两方引导膨胀前的工作流体的一部分。此时，旋转机械104被工作流体冷却。

也可以向第一流路41以及第二流路71这两方引导旋转机械104的工作流体以外的冷却用流体。此时，旋转机械104被工作流体以外的冷却用流体冷却。

[5-3.效果等]

如以上那样，在本实施方式中，旋转机械104还具备将第一空腔40与第二空腔70连通的连通孔80。利用这样的结构，冷却用流体能够通过连通孔80在第一空腔40与第二空腔70之间往来。由此，能够更高效地冷却旋转机械104。

(实施方式6)

以下，使用图6来说明实施方式6。

[6-1.结构]

图6是实施方式6的制冷装置400的结构图。制冷装置400具备旋转机械300、第一热交换器401以及第二热交换器402。

旋转机械300具有膨胀机构201以及压缩机构202。膨胀机构201可由在实施方式1至5中说明的旋转机械构成。

第一热交换器401承担利用其他流体将冷却介质冷却的作用。其他流体可以是气体，也可以是液体。第二热交换器402是用于回收冷却介质的冷能的内部热交换器。作为第一热交换器401以及第二热交换器402，可以举出翅片管式热交换器、板式热交换器、二重管式热交换器、管壳式热交换器等。

制冷装置400的热循环是使用空气作为冷却介质的空气制冷循环。由制冷装置400生成的低温的空气被引导至对象空间403。对象空间403例如是冷库。制冷装置400也可以用于飞行器的客舱用空调。空气的GWP(Global Warming Potential)为零，因此从保护地球环境的观点出发，优选使用空气作为冷却介质。另外，若使用空气作为冷却介质，则能够将制冷装置400构建为开放型的系统。

旋转机械300、第一热交换器401、第二热交换器402由流路4a至4f相互连接。流路4a将压缩机构202的喷出口与第一热交换器401的入口连接。流路4b将第一热交换器401的冷却介质出口与第二热交换器402的高压侧入口连接。流路4c将第二热交换器402的高压侧出口与膨胀机构201的吸入口连接。流路4d将膨胀机构201的喷出口与对象空间403连接。流路4e将对象空间403与第二热交换器402的低压侧入口连接。流路4f将第二热交换器402的低压侧出口与压缩机构202的吸入口连接。也可以在流路4a至4f配置有其他的热交换器、除霜装置等其他设备。

由压缩机构202压缩了的冷却介质在第一热交换器401以及第二热交换器402中被冷却。冷却了的冷却介质在膨胀机构201中膨胀。由此，冷却介质的温度进一步降低。低温的冷却介质向对象空间403供给而用于期望的用途。从对象空间403排出的冷却介质在第二热交换器402中被加热，之后被导入压缩机构202。在一例中，压缩机构202的吸入口处的冷却介质的温度为20℃。压缩机构202的喷出口处的冷却介质的温度为85℃。第一热交换器401的冷却介质出口处的冷却介质的温度为40℃。膨胀机构201的吸入口处的冷却介质的温度为-30℃。膨胀机构201的喷出口处的冷却介质的温度为-70℃。

制冷装置400也可以具备从流路4c分支出的流路4g。例如，在实施方式2中说明了的旋转机械101被采用为膨胀机构201的情况下，膨胀前的工作流体的一部分通过流路4g被导入第一流路41。

[6-2.效果等]

本实施方式的制冷装置400具备在实施方式1至5中说明的旋转机械100至104中的任一个作为膨胀机构201。通过采用旋转机械100至104中的任一个，能够生成更低温的冷却介质。

在本实施方式中，冷却介质也可以是空气。从保护地球环境的观点出发，优选使用空气作为冷却介质。另外，若使用空气作为冷却介质，则能够将制冷装置400构建为开放型的系统。

根据本实施方式的制冷装置400，在旋转机械300中从膨胀机构201的部件向冷却介质的热传递得到抑制，因此能够生成更低温的冷却介质。通过采用旋转机械300，制冷装置400的性能系数提高。

(其他实施方式)

如以上那样，作为在本申请中公开的技术的例示，说明了实施方式1至6。然而，本公开中的技术不限定于此，也能够应用于进行了变更、置换、附加、省略等的实施方式。另外，也可以将在上述实施方式1至6中说明的各构成要素组合而形成新的实施方式。

本公开的技术也能够应用于单级的轴流型膨胀轮机。另外，本公开的技术不仅能够应用于膨胀轮机，也能够应用于压缩机。例如，在用到低温的工作流体的压缩机中无法容许工作流体的高温化的情况下，能够通过本公开的技术使工作流体的温度为适当的温度。

工业实用性

本公开的技术能够应用于膨胀轮机、压缩机、发电用原动机等旋转机械。

Claims (12)

1.一种旋转机械，具备：

旋转轴；

轮机工作轮，其安装于所述旋转轴；

轮机管嘴，其配置于所述轮机工作轮的周围；

轴承，其具有在所述旋转轴的轴向上分别配置的第一端面以及第二端面，从所述第一端面到所述轮机工作轮的距离比从所述第二端面到所述轮机工作轮的距离短，且所述轴承支承所述旋转轴；以及

第一空腔，其在所述旋转轴的轴向上位于所述轮机管嘴的背面与所述轴承的所述第二端面之间或者所述轮机管嘴的背面与所述轴承的所述第二端面所面向的空间之间，并且在所述旋转轴的半径方向上存在于与所述轮机管嘴重叠的范围。

2.根据权利要求1所述的旋转机械，其中，

在所述旋转轴的所述半径方向上，在将距所述旋转轴的中心轴的距离为所述轮机工作轮的半径的1.0倍的位置定义为第一位置，将距所述旋转轴的所述中心轴的距离为所述轮机工作轮的半径的1.8倍的位置定义为第二位置时，

所述第一空腔在所述旋转轴的所述半径方向上存在于从所述第一位置到所述第二位置的范围。

3.根据权利要求1或2所述的旋转机械，其中，

所述第一空腔包括第一流路，

所述第一流路与供流入所述轮机管嘴之前的工作流体流动的流路连通。

4.根据权利要求1或2所述的旋转机械，其中，

所述第一空腔包括供所述旋转机械的工作流体以外的冷却用流体流动的第一流路。

5.根据权利要求3所述的旋转机械，其中，

所述旋转机械还具备对所述第一流路中的所述工作流体的流量进行变更的阀。

6.根据权利要求4所述的旋转机械，其中，

所述旋转机械还具备对所述第一流路中的所述冷却用流体的流量进行变更的阀。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转机械，其中，

所述旋转机械还具备包围所述轮机工作轮的轮机壳体，

所述第一空腔由所述轮机壳体形成。

8.根据权利要求7所述的旋转机械，其中，

所述旋转机械还具备：

罩，其在所述旋转机械的出口侧覆盖所述轮机壳体的外周面；以及

第二空腔，其位于所述罩与所述轮机壳体之间。

9.根据权利要求8所述的旋转机械，其中，

所述旋转机械还具备将所述第一空腔与所述第二空腔连通的连通孔。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的旋转机械，其中，

所述旋转机械还具备与所述旋转轴配置于同轴上的电动机，

所述电动机配置于所述轴承的所述第二端面所面向的所述空间。

11.根据权利要求10所述的旋转机械，其中，

所述旋转机械还具备配置于所述电动机的周围的冷却套，

所述第一空腔与所述冷却套连通。

12.一种制冷装置，其中，

所述制冷装置具备权利要求1至11中任一项所述的旋转机械。