JP4362744B2 - 可変ノズル機構付きタービン膨張機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変ノズル機構を備えたタービン膨張機に関する。
【0002】
【従来の技術】
ヘリウム冷凍機の熱効率を向上させるために、タービン膨張機が用いられ、このタービン膨張機の容量を可変にするために、可変ノズル駆動機構が提案されている(例えば、特公平3−72805号、特開平6−137101号)。
【0003】
特公平3−72805号の「膨張タービン可変式ノズル駆動装置」は、図4に示すように、可動リング8の外周部に設けられロッドの移動方向にそれぞれ円弧面の突出した形状を有するノブ8aと、ノブの円弧面と係合する溝穴面を備えた接続部9aを有し、直線運動可能に構成したロッド9とを具備したものである。なおこの図で、1は膨張タービン本体、2は空気シリンダ、3はノズル駆動装置、4はノズル固定リング、5は可変ノズル、6は固定ピン、7は可動ピンであり、可動リング8を回転させることにより可動ピン7を円周方向に移動し、可変ノズル5の角度を変えるようになっている。
【0004】
また、特開平6−137101号の「可変ノズル式膨張タービン」は、図5に示すように、一端にタービン翼12(タービンインペラ)を設け他端にブレーキファン13を取り付けた主軸11がジャーナル軸受及びスラスト軸受で支持され、タービンインペラ12が膨張タービンのケーシング15が固定される真空保冷槽14(真空容器)の外に設置されたものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の可変ノズル機構付きタービン膨張機では、可変ノズル5を固定ピン6を中心に揺動させるために、可変ノズル5を挟んで位置する2枚の平板(ノズル固定リング4と可動リング8)との間に、可変ノズル5を摺動させる僅かな隙間を設ける必要があった。しかしそのため、この隙間を通って可動ノズル間の流路から隣接する別の流路へ加圧ガス(加圧ヘリウムガス)が漏れ、この漏れ流れにより、タービン性能が大きく低下する問題点があった。
【0006】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、可動ノズルの摺動面のすきまを通る加圧ガスの漏れ流れを大幅に低減し、これにより、タービン効率を高く維持し、ヘリウム冷凍システムにおける部分負荷運転時の効率を向上させることができる可変ノズル機構付きタービン膨張機を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、タービンインペラ(12)を内蔵しその回転駆動により極低温ガスを断熱膨張させる断熱膨張装置(22)と、タービンインペラに連結されこれを制動する制動装置(24)と、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(30)と、を備え、前記断熱膨張装置は、タービンインペラのガス導入口に隣接し半径方向に延びる摺動面(22a)と該摺動面に対向して位置する対向部分(22b)とを有し、前記可変ノズル機構は、前記摺動面に一端が固定された複数の支持ピン(37)と、タービンインペラを囲んで配置されかつ各支持ピンを中心に揺動可能な複数の可動ノズル板(38)と、前記摺動面との間に可動ノズル板を挟持しタービンインペラの軸心Zを中心に回転駆動して可動ノズル板を揺動させるノズル揺動部材(40)と、ノズル揺動部材と前記対向部分との間に挟持されノズル揺動部材を可動ノズル板に向けて付勢する付勢手段(32)とを有する、ことを特徴とする可変ノズル機構付きタービン膨張機が提供される。
【0008】
上記本発明の構成によれば、付勢手段(32)でノズル揺動部材(40)を可動ノズル板(38)に向けて付勢するので、可動ノズル板(38)はこの付勢力で摺動面(22a)とノズル揺動部材(40)との間で挟持されながらこの間で摺動してスロート面積を変化させる。また、この付勢力により可動ノズルの摺動面のすきまをゼロにでき、広範囲にわたりノズルの漏れを低減させることができる。
【0009】
本発明の好ましい実施形態によれば、ノズル揺動部材(40)と断熱膨張装置の対向部分(22b)は、軸心Zを中心とし互いに嵌合する円筒部分(40c,22c)をそれぞれ有し、その嵌合部にシール部材(34)を備える。
このシール部材により、付勢手段(32)でノズル揺動部材(40)を付勢した際にノズル揺動部材と対向部分(22b)の間にできるすきまを通るガスの流れを防止できる。
【0010】
また、前記可動ノズル板(38)の摺動面、断熱膨張装置の前記摺動面(22a)又はノズル揺動部材(40)の摺動面には、無潤滑で摩擦係数が小さく耐磨耗性のあるコーティング処理又は真空窒化処理が施されている。
この構成により、可動ノズル板(38)の無潤滑下での摺動抵抗を低減し、かつ摺動部の磨耗を低減することができる。
【0011】
前記ノズル揺動部材(40)の外周部に設けられ軸心Zを中心に回転可能な大歯車(40a)と、大歯車と噛合する小歯車(41)を回転駆動する回転駆動装置(42)とを備える。
この構成により、回転駆動装置(42)で小歯車(41)と大歯車(40a)を介してノズル揺動部材(40)を軸心Zを中心に揺動させ、これにより支持ピン(37)を中心に可動ノズル板(38)を揺動駆動し、可変ノズルのスロート面積を連続的に変化させることができる。
【0012】
前記回転駆動装置(42)はパルスモータであり、更に大歯車(40a)の揺動限度を検出する位置検出センサ(43)を備えることが好ましい。この構成により、位置検出センサ(43)により可変ノズル(38)の基準位置を検出し、パルスモータにより基準位置からのノズル揺動部材(40)の揺動角を正確に位置決めして、可変ノズルを正確に位置決めすることができる。
【0013】
前記制動装置(24)は、発電機又は圧縮機インペラである、ことが好ましい。発電機で制動することにより、断熱膨張時のエネルギーロスを電力として回収できる。また、圧縮機インペラで制動することにより、このエネルギーロスを加圧ガスとして回収できる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【0015】
図1は、本発明のタービン膨張機の全体構成図である。この図に示すように、本発明の可変ノズル機構付きタービン膨張機20は、断熱膨張装置22、制動装置24、及び可変ノズル機構30を備える。
【0016】
本発明のタービン膨張機20は、全体が真空槽14内に設置されている。また、断熱膨張装置22は、タービンインペラ12を内蔵しその回転駆動により極低温ガス(例えば80Kのヘリウムガス)を断熱膨張させるようになっている。
【0017】
制動装置24は、この例ではコンプレッサインペラと発電機であり、ローター16を介してタービンインペラ12と同軸に連結されこれを制動するようになっている。また、この図において、17はステータ、18a,18bはジャーナル軸受、19はスラスト軸受である。なお、制動装置24は、コンプレッサインペラまたは発電機単独であってもよい。
【0018】
図2は、図1のA部拡大図であり、図3は、図2のB−B矢視図である。また、図3の(A)は可変ノズル機構30によりスロート面積を大きくした状態、(B)は逆にスロート面積を小さくした状態を示している。
【0019】
図2に示すように、断熱膨張装置22は、タービンインペラ12のガス導入口に隣接し半径方向に延びる摺動面22aと、この摺動面22aに対向してこの図で下方に位置する対向部分22bとを有している。摺動面22aと対向部分22bとの間に、ノズル揺動部材40が位置する。
【0020】
可変ノズル機構30は、複数の支持ピン37、複数の可動ノズル板38及びノズル揺動部材40を有する。複数(図3で10本)の支持ピン37は、摺動面22aに垂直に延び、その一端が摺動面22aに設けられた孔内に固定されている。また、複数(図3で10枚)の可動ノズル板38は、タービンインペラ12を囲んで均等に配置され、かつそれぞれ各支持ピン37を中心に揺動可能に支持されている。可動ノズル板38は、長溝38aをそれぞれ有しており、この溝に駆動ピン39がゆるく嵌合している。
【0021】
ノズル揺動部材40は、断熱膨張装置22の摺動面22aとの間に可動ノズル板38を挟持している。また、ノズル揺動部材40には、駆動ピン39の一端が固定されている。この構成によりノズル揺動部材40を軸心Zを中心に回転駆動することにより可動ノズル板38を揺動させることができる。
すなわち、図3において、ノズル揺動部材40をタービンインペラ12の軸心Zを中心として揺動(Aの矢印方向)させることにより、駆動ピン39が長溝38a内を摺動し、この駆動ピン39により可動ノズル板38を支持ピン37を中心に(A)の位置から(B)の位置まで揺動させ、タービンインペラ12へ導入する極低温ガスのスロート面積を変化させることができる。
【0022】
本発明において、可動ノズル板38の摺動面、断熱膨張装置22の摺動面22a又はノズル揺動部材40の摺動面には、無潤滑で摩擦係数が小さく耐磨耗性のあるコーティング処理又は真空窒化処理が施されている。すなわち、この例では、可動ノズル板38の摺動面を含む全面にWC/C(タングステン・カーバイド&カーボン)コーティングが施されている。このコーティングは、無潤滑状態における摩擦係数が0.1〜0.2程度であり、かつ耐磨耗性を有している。また、断熱膨張装置22の摺動面22aとノズル揺動部材40の摺動面には真空窒化処理法の一種であるカナック処理を施し、耐磨耗性を高めている。なお、断熱膨張装置22の摺動面22a又はノズル揺動部材40をセラミック材で構成してもよい。
上述した構成により、可動ノズル板38の無潤滑下での摺動抵抗を低減し、かつ摺動部の磨耗を低減することができる。
【0023】
本発明の可変ノズル機構30は、更に付勢手段32とを有する。この付勢手段32は、この例では、断熱膨張装置22の対向部分22bに設けた複数の孔内に挿入した圧縮バネである。この圧縮バネの圧縮力は、タービンインペラ12及び可動ノズル板38における断熱膨張により生じる圧力差で、ノズル揺動部材40が可動ノズル板38から浮き上がらないように、十分大きく設定するのがよい。
また、ノズル揺動部材40と断熱膨張装置22の対向部分22bは、軸心Zを中心とし互いに嵌合する円筒部分40c,22cをそれぞれ有している。更にその嵌合部にシール部材34が設けられている。
上述した構成により、シール部材34により、付勢手段32でノズル揺動部材40を付勢した際にノズル揺動部材と対向部分22bの間にできるすきまを通るガスの流れを防止しながら、同時にノズル揺動部材40を可動ノズル板38に向けて付勢し、この付勢力により可動ノズルの摺動面のすきまをゼロにでき、広範囲にわたりノズルの漏れを低減させることができる。
【0024】
図1及び図2に示すように、ノズル揺動部材40の外周部には軸心Zを中心に回転可能な大歯車40aが設けられている。また、この大歯車40aと噛合する小歯車41を回転駆動する回転駆動装置42を備える。また、大歯車40aの揺動限度を検出する位置検出センサ43が大歯車の外周部の一部を切り欠いて組み込まれている。なお、この例では、回転駆動装置42はパルスモータであるが、その他の回転駆動手段であってもよい。
【0025】
この構成により、回転駆動装置42で小歯車41と大歯車40aを介してノズル揺動部材40を軸心Zを中心に揺動させ、これにより支持ピン37を中心に可動ノズル板38を揺動駆動し、可変ノズルのスロート面積を連続的に変化させることができる。また、位置検出センサ43により可変ノズル38の基準位置を検出し、パルスモータにより基準位置からのノズル揺動部材40の揺動角を正確に位置決めして、可変ノズルを正確に位置決めすることができる。
【0026】
なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【0027】
【発明の効果】
上述したように、本発明の構成によれば、付勢手段32でノズル揺動部材40を可動ノズル板38に向けて付勢するので、可動ノズル板38はこの付勢力で摺動面22aとノズル揺動部材40との間で挟持されながらこの間で摺動してスロート面積を変化させる。また、この付勢力により可動ノズルの摺動面のすきまをゼロにでき、広範囲にわたりノズルの漏れを低減させることができる。
【0028】
従って、本発明の可変ノズル機構付きタービン膨張機は、可動ノズルの摺動面のすきまを通る加圧ガスの漏れ流れを大幅に低減し、これにより、タービン効率を高く維持し、ヘリウム冷凍システムにおける部分負荷運転時の効率を向上させることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のタービン膨張機の全体構成図である。
【図2】図1のA部拡大図である。
【図3】図2のB−B矢視図である。
【図4】従来の可変ノズル駆動機構の構成図である。
【図5】従来のタービン膨張機の構成図である。
【符号の説明】
1 膨張タービン本体、2 空気シリンダ、3 ノズル駆動装置、
4 ノズル固定リング、5 可変ノズル、6 固定ピン、7 可動ピン、
8 可動リング、8a ノブ、9 ロッド、9a 接続部、11 主軸、
12 タービン翼(タービンインペラ)、13 ブレーキファン、
14 真空保冷槽(真空槽)、15 ケーシング、17 ステータ、
18a,18b ジャーナル軸受、19 スラスト軸受、
20 可変ノズル機構付きタービン膨張機、22 断熱膨張装置、
22a 摺動面、22b 対向部分、24 制動装置、
30 可変ノズル機構、32 付勢手段、34 シール部材、
37 支持ピン、38 可動ノズル板、39 駆動ピン、
40 ノズル揺動部材、40a 大歯車、41 小歯車、
42 回転駆動装置、43 位置検出センサ
Claims (6)
- タービンインペラ(12)を内蔵しその回転駆動により極低温ガスを断熱膨張させる断熱膨張装置(22)と、タービンインペラに連結されこれを制動する制動装置(24)と、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(30)と、を備え、
前記断熱膨張装置は、タービンインペラのガス導入口に隣接し半径方向に延びる摺動面(22a)と該摺動面に対向して位置する対向部分(22b)とを有し、
前記可変ノズル機構は、前記摺動面に一端が固定された複数の支持ピン(37)と、タービンインペラを囲んで配置されかつ各支持ピンを中心に揺動可能な複数の可動ノズル板(38)と、前記摺動面との間に可動ノズル板を挟持しタービンインペラの軸心Zを中心に回転駆動して可動ノズル板を揺動させるノズル揺動部材(40)と、ノズル揺動部材と前記対向部分との間に挟持されノズル揺動部材を可動ノズル板に向けて付勢する付勢手段(32)とを有する、ことを特徴とする可変ノズル機構付きタービン膨張機。 - ノズル揺動部材(40)と断熱膨張装置の対向部分(22b)は、軸心Zを中心とし互いに嵌合する円筒部分(40c,22c)をそれぞれ有し、その嵌合部にシール部材(34)を備える、ことを特徴とする請求項1に記載の可変ノズル機構付きタービン膨張機。
- 前記可動ノズル板(38)の摺動面、断熱膨張装置の前記摺動面(22a)又はノズル揺動部材(40)の摺動面には、無潤滑で摩擦係数が小さく耐磨耗性のあるコーティング処理又は真空窒化処理が施されている、ことを特徴とする請求項1に記載の可変ノズル機構付きタービン膨張機。
- 前記ノズル揺動部材(40)の外周部に設けられ軸心Zを中心に回転可能な大歯車(40a)と、大歯車と噛合する小歯車(41)を回転駆動する回転駆動装置(42)とを備える、ことを特徴とする請求項1に記載の可変ノズル機構付きタービン膨張機。
- 前記回転駆動装置(42)はパルスモータであり、更に大歯車(40a)の揺動限度を検出する位置検出センサ(43)を備える、ことを特徴とする請求項4に記載の可変ノズル機構付きタービン膨張機。
- 前記制動装置(24)は、発電機又は圧縮機インペラである、ことを特徴とする請求項1に記載の可変ノズル機構付きタービン膨張機。
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