JP4910840B2 - 膨張タービン - Google Patents
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Description
また、発電による制動方式は、高速回転であるため、発電のためのインバータを要し、このインバータで電力を回収して放出する際における制動抵抗や電源回生のための機器が相当複雑化することから、機器の制御も複雑となり高価であった。さらに、発電による制御方式では、モータの回転条件が整わなければ制動力が発揮できないという問題があった。
本発明は、回転シャフトの一端に設けられたタービンインペラに供給されるガスを断熱膨張させる際に、前記タービンインペラが回転する膨張タービンであって、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側と、タービンインペラに対して遠い側には、周方向に磁気抵抗差を形成する磁性部がそれぞれ設けられ、前記回転シャフトの外周に対向した位置には、電流を流すと磁束を発生するコイルを備えるとともに、内部に冷却水用通路が形成されたケーシングが設けられ、前記コイルによって前記ケーシングと前記磁性部との間に形成される磁路と、前記回転シャフトの回転とによって、前記ケーシングには渦電流が発生するように構成され、前記磁性部は、前記ケーシングの内周面に接近して設けられ、前記磁性部の設けられる前記回転シャフトのタービンインペラに対して近い側と遠い側との間の前記回転シャフトの外周面に対向した前記ケーシングの内周側には、非磁性材からなる薄い円筒状のスリーブが設けられ、前記冷却水用通路は、前記スリーブの外側に設けられており、前記磁性部が接近する部分の内壁形状が前記スリーブに向かって先細のテーパー状に形成されていることを特徴とする。
また、回転シャフトのタービンインペラに対して近い側と遠い側との間の回転シャフトの外周面に対向したケーシングの内周側には、非磁性材からなる薄い円筒状のスリーブが設けられており、ケーシングの内部に形成される冷却水用通路は、磁性部が接近する部分の内壁形状がスリーブに向かって先細のテーパー状に形成されているので、ケーシングにおける発熱を効率的に排熱することができる。
図1は第一の実施形態に係る膨張タービン10の全体構成を示す断面図であり、図2は図1のA−A線に沿った断面図であり、図3は図1のB部の概略斜視図である。
このようにして、回転シャフト12の外周表面の上側と下側には、周方向に磁気抵抗差をそれぞれ形成するための磁性部としての突極が各々設けられる。
上側突極26a、26bと下側突極28a、28bの間の回転シャフト12の外周面に対向したケーシング22の内周側には、非磁性材からなる薄い円筒状のスリーブ32が軸心Cと同軸に設けられる。
スリーブ32の外周側のケーシング22内部には、冷却水用通路34が設けられる。冷却水用通路34は、ケーシング22と、ケーシング22内周側のスリーブ32と、ケーシング22外側のシール部36とに区画されることによって中空に形成され、冷却水用通路34を水が例えばポンプ(不図示)によって流動することにより、ケーシング22を水冷する冷却機能を構成するようになっている。シール部36は、励磁コイル30が冷却水用通路34の冷却水やガスから接触することを防ぐために設けられている。
励磁コイル30に電流を流すと、励磁コイル30が磁界を発生させ、例えば、ケーシング22内部、ケーシング22の内周の上側表面40、上側突極26a、回転シャフト12、下側突極28a、ケーシング22の内周の下側表面42、ケーシング22内部を繋ぐ経路に磁束の流れが形成される。
この状態において回転シャフト12が回ると、この回転に伴って上側突極26aの設けられる回転シャフト12の周囲の磁束の方向が変化するとともに、下側突極28aの設けられる回転シャフト12の周囲の磁束の方向が変化する。
そうすると、ケーシング22の内周の上側表面40と、内周の下側表面42のそれぞれの表面において磁束の疎密が時々刻々変化する状態が作りだされ、電磁誘導作用によりケーシング22の上側表面40及び下側表面42には渦電流が発生する。この渦電流が発生することによって、回転シャフト12には回転している方向と逆向きの制動力が発生するようになる。
また、ケーシング22の内周の上側表面40と下側表面42の発熱は、ケーシング22内部に設けられた冷却水用通路34を流れる冷却水により容易に排熱することができる。
さらに、上側突極26a、26bと下側突極28a、28bとを上下方向すなわち回転軸方向に重ならないように互い違いに配置することにより、回転シャフト12の回転体としてのバランスを損なうことがない構成とすることができ、回転シャフト12の上下のそれぞれの外周において、周方向に磁気抵抗差を形成することができる。
ここで、表面40、42からの熱をより効率的に吸収するために、表面40、42近傍に形成される冷却水用通路34の内壁形状は、ケーシング22からスリーブ32に向かってそれぞれ先細のテーパー状に形成されている。これにより、冷却水用通路34の内壁が上側表面40及び下側表面42の近傍に接近するように形成されるので、表面40、42からの熱をより効率的に排熱することができる。
このように、回転速度の上昇にしたがって、制動トルクとケーシング22側の発熱量は増加し、回転シャフト12側の発熱量は回転速度が変化しても変わらない。
このため、上記の第一の実施形態に係る膨張タービン10は、電流さえ印加していれば、回転速度が上昇しても、その速度に応じて制動力が少しずつ大きくなっていくものであり、常に制動力を作用し続けることができる。
図5は、第二の実施形態に係る膨張タービンの概略斜視図である。図5に示すように、回転シャフト52の外周上側(タービンインペラ14に対して遠い側)に周方向に等間隔に4つの上側突極46が、外周下側(タービンインペラ14に対して近い側)に4つの下側突極48が設けられる。この場合でも、上記の第一の実施形態と同原理にてケーシング22側に渦電流を発生させることにより回転シャフト52の回転を制動することが可能である。なお、この場合、図5に示すように、上下各4つの突極46、48は上下方向に重なるように配置してもよい。
図6は、第三の実施形態に係る膨張タービンの概略斜視図である。図6に示すように、回転シャフト62の外周上側(タービンインペラ14に対して遠い側)には内側方向に窪んだ4つの上側窪み部56が周方向に等間隔に設けられ、外周下側(タービンインペラ14に対して近い側)には内側方向に窪んだ4つの下側窪み部58が設けられる。この場合、4つの上側窪み部56により回転シャフト62の上側の周方向に磁気抵抗差が形成され、4つの下側窪み部58により下側の周方向に磁気抵抗差が形成される。上下各4つの窪み部56、58に周方向に挟まれた部分には、突出部59が相対的に形成される。この突出部59が磁性部の役割を果たすことで、上記の第一の実施形態と同原理にて窪み部56、58に対向するケーシング22側の表面に渦電流を発生させることにより回転シャフト62の回転を制動することが可能である。なお、この場合、図6に示すように、上下各4つの窪み部56、58は上下方向に重なるように配置してもよい。
12,52,62…回転シャフト
14…タービンインペラ
22…ケーシング
26a,26b…上側突極(磁性部、突極)
28a,28b…下側突極(磁性部、突極)
30…励磁コイル(コイル)
32…スリーブ
34…冷却水用通路
36…シール部
56,58…窪み部
Claims (10)
- 回転シャフトの一端に設けられたタービンインペラに供給されるガスを断熱膨張させる際に、前記タービンインペラが回転する膨張タービンであって、
前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側と、タービンインペラに対して遠い側には、周方向に磁気抵抗差を形成する磁性部がそれぞれ設けられ、
前記回転シャフトの外周に対向した位置には、電流を流すと磁束を発生するコイルを備えるとともに、内部に冷却水用通路が形成されたケーシングが設けられ、
前記コイルによって前記ケーシングと前記磁性部との間に形成される磁路と、前記回転シャフトの回転とによって、前記ケーシングには渦電流が発生するように構成され、
前記磁性部は、前記ケーシングの内周面に接近して設けられ、
前記磁性部の設けられる前記回転シャフトのタービンインペラに対して近い側と遠い側との間の前記回転シャフトの外周面に対向した前記ケーシングの内周側には、非磁性材からなる薄い円筒状のスリーブが設けられ、
前記冷却水用通路は、前記スリーブの外側に設けられており、前記磁性部が接近する部分の内壁形状が前記スリーブに向かって先細のテーパー状に形成されている
ことを特徴とする膨張タービン。 - 前記磁性部は、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側に設けられて外側方向に突出した突極と、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して遠い側に設けられて外側方向に突出した突極とからなることを特徴とする請求項1に記載の膨張タービン。
- 前記磁気抵抗差は、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側と遠い側にそれぞれ設けられた内側方向に窪んだ窪み部により形成されること
を特徴とする請求項1に記載の膨張タービン。 - 前記磁性部は、前記回転シャフトの周方向に等間隔に配置された2箇所以上の磁性部であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の膨張タービン。
- 前記磁性部は、前記回転シャフトの回転軸方向に重ならないように互い違いに形成されること
を特徴とする請求項4に記載の膨張タービン。 - 前記磁性部は、前記回転シャフトと一体的に形成されること
を特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の膨張タービン。 - 前記コイルは、ガスとは隔離した位置に設けられること
を特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の膨張タービン。 - 前記冷却水用通路内を水が流通することにより前記ケーシングを水冷する冷却機能を備えること
を特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の膨張タービン。 - 前記コイルは、前記冷却機能に用いる冷却水とは隔離した位置に設けられること
を特徴とする請求項8に記載の膨張タービン。 - 前記コイルは、非磁性材からなるシール部によって前記冷却水用通路とは分離されて前記ケーシングの外側に設けられ、
前記コイルに直流電流を流すことにより前記ケーシングと前記磁性部との間に磁路を形成させ、前記回転シャフトの回転に応じて前記ケーシングに渦電流を発生させることで前記回転シャフトの制動がなされる構成とされること
を特徴とする請求項8又は請求項9に記載の膨張タービン。
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