JP2696007B2 - 膨張タービン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウム、水素等の冷
凍装置等に装備される寒冷発生用の膨張タービンに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ヘリウムガスや水素ガス等を冷
却し、液化・冷凍する冷凍装置等においては、この装置
内で寒冷を発生させるために適宜膨張タービンが配設さ
れる。

【０００３】図４は、上記膨張タービンの一例を示した
ものである。同図において、配管１００からケーシング
下部の円筒状のタービン入口通路１０１に導入された低
温高圧のガスは、タービンＴの周囲に設けられたノズル
１０２で膨張し、タービンＴを回転させて寒冷を発生す
る一方、このガス自身は低温低圧状態となってタービン
出口通路１０４から排出される。

【０００４】上記タービンＴは、ジャーナル軸受１０５
によって回転可能に支持されたシャフト１０６の下端部
に固定されており、このシャフト１０６の上端にはブロ
アＢが固定されている。そして、上記タービンＴの回転
に伴うブロアＢの回転によって、ブロア吸込配管１１０
からブロア排出配管１０８へ向かうブロアガスの循環流
れが形成され、この循環ブロアガスは、膨張タービンか
ら離れた位置にある熱交換器Ｓで冷却水１１２と熱交換
される。

【０００５】すなわち、この膨張タービンでは上記ター
ビンＴの回転エネルギがブロアＢの行うブロアガス循環
仕事によって消費され、この消費されたエネルギが熱交
換器Ｓにおける冷却水１１２との熱交換で系外に放出さ
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記タービンＴ側の高
圧ガス通路１００とブロアＢ側の収納室１１６とはシャ
フト１０６とケーシングとの間に形成された隙間１１４
を介して連通されているため、タービン入口通路１００
側のガス圧力が増減すると、これに伴って収納室１１６
内の圧力も増減し、両圧力はほぼ均等に保たれる。従っ
て、上記タービン入口通路１００の圧力がほぼ一定して
いる場合には、ブロアＢ側の圧力もこれと等しく、ター
ビン出口通路通路１０４内の低圧ガス圧力よりも必ず大
きくなる。この圧力バランスのため、タービンＴやブロ
アＢに作用するスラスト荷重の向きは常に下向きに保た
れることとなる。

【０００７】しかしながら、上記ブロアＢ側の空間の容
積は、上記循環用配管１０８，１１０等も含むためにタ
ービン側の容積に比べて著しく大きなものとなっている
ので、タービン側の高圧ガスの圧力が急激に増減した場
合には、これにブロア側の圧力がすぐに応答せず、この
ブロア側圧力が高圧ガス圧力と同等の圧力に至るまでに
は比較的長い時間を要する。すなわち、この従来構造で
はタービン側の容積に比してブロア側の容積が大きいた
めに、タービン側圧力の変化に対するブロア側圧力の変
化にはいわゆる応答遅れが生じる。従って、この膨張タ
ービンにおいてタービンＴ側の圧力が急増すると、これ
に対応してブロアＢ側のガス圧力が上昇する前に、ター
ビン出口通路１０４内の圧力が一時的にブロアＢ側の圧
力を上回り、この圧力バランスによってタービンＴ、ブ
ロアＢ、及びシャフト１０６に対して上向きのスラスト
荷重が作用する可能性がある。

【０００８】すなわち、この構造では、運転中にタービ
ン入口通路１００の圧力が変動することにより、タービ
ンＴやブロアＢに対して図の上向き、下向きのいずれの
向きにも大きなスラスト荷重が作用する可能性がある。
このため従来は、図に示すようにシャフト１０６の周囲
に鍔状のスラスト板１１２を形成するとともに、このス
ラスト板１１２を上下双方から挾む位置にスラスト軸受
１１４，１１６を設けて上方向、下方向のいずれについ
てもスラスト支持する必要があり、これが膨張タービン
全体の構造の簡略化及び組立の容易化の大きな妨げとな
っている。

【０００９】なお、上記ブロアＢ側圧力の応答性を高め
るには上記隙間１１４を広げれば良いが、この隙間１１
４の寸法はタービンＴ側とブロアＢ側との温度差を確保
するために微小量に設定しなければならず、この隙間１
１４を無制限に拡大することは許されない。

【００１０】本発明は、このような事情に鑑み、タービ
ンやブロアに作用するスラスト荷重の向きを一定に保
ち、これによって上記タービンやブロアのスラスト支持
構造の簡略化及び組立の容易化を図ることができる膨張
タービンを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、膨張ガスを受
けて回転するタービンと、このタービンと一体に連結さ
れ、このタービンと同期して回転することによりブロア
ガスを循環させるブロアと、これらタービン及びブロア
を回転可能な状態で収納するケーシングとを備え、上記
タービン側の空間とブロア側の空間とが連通された膨張
タービンにおいて、上記ケーシング内に、上記ブロアガ
スが循環する循環通路と、この循環通路で循環されるブ
ロアガスと冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換部とを
形成するとともに、上記タービン及びブロアをタービン
に近い側からのみスラスト方向に支持するスラスト軸受
を備えたものである（請求項１）。

【００１２】さらに、この膨張タービンにおいては、上
記ブロアに対してタービンに近い側から接触する位置に
スラスト軸受を配設することにより、ブロアをスラスト
板として兼用することが可能である（請求項２）。

【００１３】

【作用】上記構成によれば、ブロアガス循環通路及び熱
交換器をケーシング内に一体に組み込んでいるので、従
来構造において膨張タービンと熱交換器とをつないでい
た配管等が不要となり、この分ブロア側の空間の容積が
大幅に削減される。このため、タービン側の圧力が増減
すると、このタービン側の空間と連通されているブロア
側の空間も短時間で応答して増減し、このブロア側の圧
力は常にタービン側の既膨張ガスの圧力よりも高い圧力
に保持される。従って、タービン及びブロアには常にブ
ロアからタービンに向かう方向のスラスト荷重が作用す
ることとなり、この荷重はスラスト軸受により支持され
る。

【００１４】具体的に、請求項２記載の膨張タービンに
よれば、上記スラスト荷重はブロアとスラスト軸受との
接触によって支持される。

【００１５】

【実施例】図２は、本発明の第１実施例における膨張タ
ービンが装備されたヘリウム冷凍装置の一例を示したも
のである。なお、本発明において膨張タービンが装備さ
れる装置の種類は特に問わず、その他水素の冷凍装置な
ど、寒冷発生を要する様々な装置に適用することが可能
である。

【００１６】図２において、冷凍運転中、圧縮器１０で
圧縮されたガスは、高圧ラインＬｈを通じて主熱交換器
Ｈ１〜Ｈ５を通過することにより冷却され、ジュール・
トムソン弁（以下ＪＴ弁と称する。）１２で膨張した後
に寒冷取出し部１４に導入される。そして、低圧ライン
Ｌｌを通じて上記主熱交換器Ｈ５〜Ｈ１を逆行した後、
圧縮器１０に戻される。一方、高圧ラインＬｈにおいて
主熱交換器Ｈ１の下流側の位置からガスが引き出され、
膨張タービンＥＴ１、主熱交換器Ｈ３、及び膨張タービ
ンＥＴ２を通じて低圧ラインへ戻される。各膨張タービ
ンＥＴ１，ＥＴ２においては、後述のように高圧ガスの
膨張によりタービンＴが回転し、このタービンＴととも
にブロアＢが回転してブロアガスを循環させることによ
り、上記タービンＴの回転エネルギが消費されて寒冷が
発生する一方、この消費されたエネルギは後述の冷却水
との熱交換によって系外に放出される。

【００１７】高圧ラインＬｈにおいて上記圧縮機１０と
主熱交換器Ｈ１との間の部分にはガス精製通路１６が並
列に接続され、このガス精製通路１６にガス精製装置１
８が設けられるとともに、このガス精製装置１６の入口
部分に三方切換弁２０が設けられ、ガス精製装置１８の
出口側に遮断弁２２が設けられている。そして、冷凍運
転を始める前に上記三方切換弁２０を操作して圧縮機１
０からガス精製装置１６へ至るラインのみを開き、かつ
遮断弁２２を開いた状態で、装置内で不純ガスを循環さ
せることにより、この不純ガス中の不純物がガス精製装
置１８において除去され、高純度ガスが精製されるよう
になっている。

【００１８】次に、上記膨張タービンＥＴ１の具体的な
構造を図１に基づいて説明する。なお、膨張タービンＥ
Ｔ２の構造は膨張タービンＥＴ１の構造と同等であり、
ここではその説明を省略する。

【００１９】この膨張タービンＥＴ１のケーシングは、
その下側から順に、タービン収納部２５、シャフト収納
部２６、及び熱交換部２７を有している。このケーシン
グ内にはタービンロータ２８が収納されており、このタ
ービンロータ２８は、上下に延びるシャフト３０と、こ
のシャフト３０の上端及び下端にそれぞれ設けられたブ
ロアＢ及びタービンＴとからなっている。

【００２０】上記タービン収納部２５には円筒状のター
ビン入口通路３２が形成され、中央にはタービン出口通
路３４が形成されており、両通路３２，３４の境界部分
にタービンＴが挿入されるとともに、このタービンＴの
周囲の位置に、すなわち上記タービン入口通路３２の出
口位置にノズル３６が配設されている。そして、上記タ
ービン入口通路３２に配管３３から低温高圧ヘリウムガ
スが導入され、このヘリウムガスがノズル３６を通じて
タービンＴ１に吹き付けられ、膨張状態すなわち低温低
圧状態でタービン出口通路３４から排出されるようにな
っている。

【００２１】上記シャフト３０の大半部はシャフト収納
部２６に収納されており、このシャフト収納部２６はシ
ャフト３０の下部とケーシングとの間に形成された微小
隙間３９を通じて上記タービンＴ側に連通されている。
このシャフト収納部２６内にはジャーナル軸受４０が設
けられ、このジャーナル軸受４０によって上記シャフト
３０の半径方向の支持が行われている。また、シャフト
３０の適当な位置には鍔状のスラスト板４２が形成され
るとともに、この装置の特徴として、上記スラスト板４
２を下から受ける位置にのみスラスト軸受４４が設けら
れており、このスラスト軸受４４が上記スラスト板４２
に下側から接触することによりシャフト３０のスラスト
方向の支持が行われるようになっている。

【００２２】上記熱交換部２７内には、略円筒状のブロ
アガス吐出通路４６と、中央のブロアガス吸込通路４８
とからなるブロアガス循環通路が形成されている。両通
路４６，４８は上下で連通されており、下側の連通部分
にブロアＢが配設されている。このブロアＢの羽根形状
は、同ブロアＢが上記タービンＴと一体に回転すること
により上記ブロアガス吸込通路４８からブロアガスを吸
込み、ブロアガス吐出通路４６にブロアガスを吐出する
ように設定されている。また、熱交換部２７の上部には
筒部４９が設けられ、この筒部４９内に昇降可能に速度
調整弁５０が支持されており、この速度調整弁５０の下
端部に形成されたくさび状の弁部５２が上記ブロアガス
吸込通路４８の上端付近で昇降することにより、ブロア
ガスの循環流量の絞り調整、すなわち流速調整が行われ
る。

【００２３】そして、このブロアガス循環通路のさらに
外側に、円筒状の冷却水通路５４が形成されている。こ
の冷却水通路５４の下端部の所定個所には冷却水導入部
５６が設けられ、上端部の所定個所には冷却水排出部５
８が設けられている。

【００２４】次に、この膨張タービンの作用を説明す
る。

【００２５】図において、配管３３から低温高圧ヘリウ
ムガスが導入され、タービンＴに吹き付けられると、タ
ービンロータ３０全体が回転し、このタービンロータ３
０におけるブロアＢの回転によって、ブロア吸込通路４
８→ブロアＢ→ブロア吸込管４６というブロアガスの循
環が形成され、このガスは冷却水通路５４を流れる冷却
水との熱交換で冷却される。すなわち、上記低温高圧ヘ
リウムガスの圧力エネルギはタービンＴの回転エネルギ
に変換され、この回転エネルギがブロアＢのガス還流仕
事によって消費されるとともに、この消費されたエネル
ギが熱交換部２７を流れる冷却水を通じて系外へ放出さ
れることとなる。

【００２６】ここで、ブロアＢ側の空間、具体的にはシ
ャフト収納部２６や熱交換部２７内の空間は、隙間３９
を介してタービンＴ側に連通されているので、配管３３
から導入されるガスの圧力がほぼ一定している場合に
は、このガスの圧力と上記ブロアＢ側の圧力とは略等し
く、よってブロアＢ側の圧力はタービン出口通路３４に
おける既膨張ガスの圧力よりも必ず高い。従って、この
圧力差によってタービンロータ２８には絶えず下向きの
スラスト荷重が作用し、この荷重はスラスト板４２に対
するスラスト軸受４４の下側からの当接によって支持さ
れることになる。

【００２７】これに対し、冷凍運転中に配管３３から導
入されるガスの圧力が急増した場合、前記図４で示した
従来の膨張タービンでは、ブロアＢ側の空間の容積が配
管１０８，１１０等の容積を含むために非常に大きく、
よってこのブロアＢ側の圧力が上記タービンＴ側の圧力
の増加に対して迅速に応答しないために、タービン出口
通路１０４の圧力がブロアＢ側の圧力を一時的に上回っ
てタービンロータに上向きの荷重が作用する場合があり
得るが、図１に示す本実施例の膨張タービンでは、ブロ
アガス冷却用の熱交換器がケーシングの熱交換部２７内
に一体に組み込まれており、ブロアガスを循環させるた
めの配管等がなくてブロアＢ側の容積が著しく削減され
ているので、上記タービンＴ側の圧力が急増してもブロ
アＢ側の圧力はこれに素早く応答して迅速に高まり、こ
の圧力はタービン出口通路３４の圧力よりも常に高い値
に保持される。従って、タービンロータ２８には導入ガ
スの圧力変化にかかわらず常に下方向のスラスト荷重し
か作用せず、このスラスト荷重はスラスト板４２の下側
にあるスラスト軸受４４のみで支持することができる。

【００２８】すなわち、この膨張タービンでは、ケーシ
ング内に一体に熱交換器を組み込むことによってタービ
ンロータ２８に作用するスラスト荷重の向きを常に一定
に保ち、これによって、必要なスラスト軸受４４の個数
を削減することにより、スラスト支持構造の簡略化及び
タービン全体の組立の容易化を図ることができる。

【００２９】第２実施例を図３に示す。ここでは、前記
実施例におけるスラスト板４２を省略し、ブロアＢに直
接スラスト軸受４４を接触させてスラスト荷重の支持を
行うようにしている。このように、本発明の膨張タービ
ンは、一方のスラスト軸受を省略することが可能とされ
ているため、さらにスラスト板をも省略してブロアＢを
スラスト板として兼用することが可能であり、これによ
ってタービン構造はより一層簡略化されることとなる。

【００３０】なお、本発明における膨張タービンの配置
の向きは上記実施例に示したものに限らず、例えばター
ビンロータ２８が水平となる横向きに配置してもよい
し、ブロアＢが下側となる逆さ向きに配置してもよい。
これらの場合においても、タービンロータ２８に対して
タービンに近い側から接触する位置にスラスト軸受を配
設することにより、このスラスト軸受によってスラスト
荷重を不都合なく支持することができる。

【００３１】また、本発明では熱交換部２７の具体的な
構造を問わず、循環するブロアガスと冷媒とを効率良く
熱交換できる構造であればよい。冷媒についても、上記
冷却水に限らず、熱交換によってブロアガスを効率良く
冷却できる種々の液体、ガス等を利用することができ
る。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明では、ブロアガスの
循環通路と、循環ブロアガスと冷媒とで熱交換を行わせ
る熱交換部とをケーシング内に一体に組み込んでブロア
側の容積を削減し、これによってタービンやブロアに作
用するスラスト荷重の向きを一定にすることにより、必
要とするスラスト軸受を上記タービン及びブロアをター
ビンに近い側から支持するもののみとしているので、こ
のスラスト軸受の省略によって、スラスト支持構造の簡
略化及び組立作業の容易化を図ることができ、ひいては
膨張タービン全体のコストの削減に大きく寄与すること
ができる効果がある。

【００３３】さらに、一方のスラスト軸受の省略を可能
にしたことに伴い、上記スラスト軸受を直接ブロアに接
触させ、ブロアをスラスト板として兼用することもで
き、これによってスラスト支持構造をより一層簡略化
し、組立作業を容易化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における膨張タービンの断
面図である。

【図２】上記膨張タービンを装備したヘリウム冷凍装置
のフローシートである。

【図３】本発明の第２実施例における膨張タービンの要
部を示す一部断面斜視図である。

【図４】従来の膨張タービンの一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

ＥＴ１，ＥＴ２ 膨張タービン Ｔ タービン Ｂ ブロア ２７ 熱交換部 ３９ タービン側とブロア側とを連通する隙間 ４４ スラスト軸受 ４６ ブロア吐出通路（循環通路を構成） ４８ ブロア吸込通路（循環通路を構成） ５４ 冷却水通路

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 膨張ガスを受けて回転するタービンと、
   このタービンと一体に連結され、このタービンと同期し
   て回転することによりブロアガスを循環させるブロア
   と、これらタービン及びブロアを回転可能な状態で収納
   するケーシングとを備え、上記タービン側の空間とブロ
   ア側の空間とが連通された膨張タービンにおいて、上記
   ケーシング内に、上記ブロアガスが循環する循環通路
   と、この循環通路で循環されるブロアガスと冷媒との間
   で熱交換を行わせる熱交換部とを形成するとともに、上
   記タービン及びブロアをタービンに近い側からのみスラ
   スト方向に支持するスラスト軸受を備えたことを特徴と
   する膨張タービン。
2. 【請求項２】 請求項１記載の膨張タービンにおいて、
   上記ブロアに対してタービンに近い側から接触する位置
   にスラスト軸受を配設したことを特徴とする膨張タービ
   ン。