JP4930151B2 - 可変ノズル機構付き膨張タービン - Google Patents

Description

本発明は、ヘリウム冷凍機などの大型の冷凍機に用いる可変ノズル機構付き膨張タービンに関する。

従来、冷凍機の熱効率を向上させるために、膨張タービンが使用されており、この膨張タービンに導入されるガスの流量を調整するものとして、図５に示すような可変ノズル機構１０を用いた膨張タービンが知られている（例えば特許文献１参照）。
この可変ノズル機構１０は、タービンインペラ１２へ流入する極低温ガスのスロート面積を変化させるために用いられるノズル部材１４と、ノズル部材１４を駆動するために用いる駆動部材１６とから構成されている。そして、ノズル部材１４は、真空容器１８内に設置された断熱膨張装置２０に内蔵されており、駆動部材１６は、機械的な信頼性を確保する観点から低温に晒されないように真空容器１８の外部に配置されている。

図５に示すように、ノズル部材１４と駆動部材１６は、タービンインペラ１２と同軸の薄い円筒部材２２で連結されており、タービンインペラ１２の軸心Ｃを中心とする円筒部材２２の揺動によりノズル部材１４を駆動するようになっている。
ノズル部材１４は、タービンインペラ１２を囲んで配置され、それぞれ支持ピン２４で揺動可能に支持された複数の可動ノズル板１４ａと、円筒部材２２の内端に連結されかつ各可動ノズル板１４ａと駆動ピン２６で連結された駆動円板２８とから構成されており、これらは押さえバネ３０によって軸心Ｃの方向の付勢力を受けて断熱膨張装置２０に押さえつけられるようになっている。
また、駆動部材１６は、円筒部材２２の外端に連結されタービンインペラ１２の軸心Ｃを中心として揺動可能な歯車３２を歯車３４を介して回転駆動するパルスモータ等の回転駆動装置３６により構成されている。

そして、この可変ノズル機構１０は、回転駆動装置３６を駆動させることにより、円筒部材２２をタービンインペラ１２の軸心Ｃを中心に揺動させ、駆動円板２８を揺動し、支持ピン２４を中心に可動ノズル板１４ａを揺動駆動するようになっており、これにより可動ノズル板１４ａの角度を変えるようになっている。こうして、可変ノズルのスロート面積を連続的に変化させることで、ガスの通過流量を調整するようになっている。

このような可変ノズル機構１０を用いた膨張タービンでは、構成部品のメンテナンスを容易にする観点から、駆動部材１６と円筒部材２２と歯車３２とローターシャフト３８とを含む駆動部４０が真空容器１８内の断熱膨張装置２０から一体的に取り外せる構成となっている。
特開２００１−１３２４１０号公報

ところで、上記した従来の膨張タービンの可変ノズル機構１０では、メンテナンスをする際に、駆動部４０を真空容器１８内の断熱膨張装置２０から取り外すと、タービンインペラ１２やノズル部材１４が低温側の真空容器１８内に置き去りにされるようになっている。このため、ノズルのコーティング状況の点検や部品交換等のためにノズル部材１４を取り外す場合には、一旦、真空容器１８内の真空を破壊してからノズル部材１４を低温配管から取り外さなければならないなど、真空容器１８内の低温配管側の分解作業を要することとなる。
このように、従来の膨張タービンの可変ノズル機構１０では、ノズル部材１４の取り外しに多くの手間と労力がかかるため、ノズル部材１４の交換や点検などのメンテナンスは容易ではなかった。特に、ノズル部材１４に劣化や損耗がある場合には、例えばノズルの流路面に剥離や摩耗が生じると、スロートを通過するガスの流れに漏れ等を誘発し、膨張タービンの性能に影響するようになる。
このため、メンテナンスを容易に行えて、膨張タービンの本来性能に影響を与えることのない可変ノズル機構の開発が求められていた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、ノズル部材を駆動部とともに簡単に取り外すことができてメンテナンスを容易に行え、しかも膨張タービンの本来性能に影響を与えることのない可変ノズル機構付き膨張タービンを提供することを目的とする。

本発明に係る可変ノズル機構付き膨張タービンでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明は、真空容器の内部に設置され、タービンインペラを内蔵し、極低温ガスを断熱膨張させる際に前記タービンインペラを回転駆動する断熱膨張装置を有し、前記真空容器の外部に設置される駆動部材からの駆動力によって前記断熱膨張装置の外端の近傍に配置されたノズル部材を駆動することにより前記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付き膨張タービンにおいて、前記断熱膨張装置の本体の外端に着脱可能に当接するプレート部材を備え、前記プレート部材に前記ノズル部材の支持側が連結支持され、前記ノズル部材の駆動側が前記駆動部材に連結支持されることを特徴とする。

本発明によれば、ノズル部材の支持側はプレート部材に連結支持され、ノズル部材の駆動側が駆動部材に連結支持される。そして、プレート部材は真空容器の内部に設置された断熱膨張装置の本体の外端に着脱可能に当接して設けられる。こうすることで、駆動部材とノズル部材とプレート部材とが軸方向に接続される。

本発明に係る他の可変ノズル機構付き膨張タービンは、上記において、前記プレート部材と前記駆動部材は、前記タービンインペラの軸方向において、前記ノズル部材の背向する面にそれぞれ密着して配置されることを特徴とする。

本発明によれば、タービンインペラの軸方向において、ノズル部材の背向する面に、プレート部材と前記駆動部材とが密着するので、極低温ガスがこれらの隙間に流れることなくタービンインペラに導入される。

本発明に係る他の可変ノズル機構付き膨張タービンは、上記において、前記ノズル部材は、前記タービンインペラを囲んで配置され、それぞれ支持ピンにより前記プレート部材に揺動可能に連結支持された複数の可動ノズル板からなり、前記可動ノズル板のそれぞれと前記駆動部材とは駆動ピンで連結支持されることを特徴とする。

本発明によれば、複数の可動ノズル板がそれぞれ支持ピンでプレート部材に連結支持され、駆動部材は各可動ノズル板と駆動ピンで連結支持される。こうすることで、駆動部材と複数の可動ノズル板とプレート部材とが軸方向に接続される。

本発明に係る他の可変ノズル機構付き膨張タービンは、上記において、前記可動ノズル板の支持側に前記タービンインペラと同軸方向を向く第一雌ねじ孔を設け、前記第一雌ねじ孔には、前記支持ピンの一端部に形成された雄ねじ部が螺合されるとともに、前記支持ピンの他端部は、前記プレート部材に前記第一雌ねじ孔と対向するように設けられた凹孔に回動可能に接続され、前記可動ノズル板の駆動側に前記タービンインペラと同軸方向を向く長孔を設け、前記駆動部材には前記長孔と対向するように第二雌ねじ孔を設け、前記第二雌ねじ孔に、前記駆動ピンの一端部に形成された雄ねじ部を螺合するとともに、前記駆動ピンの他端部が前記長孔に案内可能に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、各可動ノズル板の支持側はプレート部材とねじ結合されるとともに、各可動ノズル板の駆動側は駆動部材にねじ結合される。さらに各駆動ピンの他端部が各可動ノズル板の長孔に案内可能に接続される。こうすることで、駆動部材と複数の可動ノズル板とプレート部材とがより強固に軸方向に接続されるとともに、各可動ノズル板は駆動部材の駆動によって配置角度を変化させる。

本発明に係る他の可変ノズル機構付き膨張タービンは、上記において、前記駆動部材の外端は、前記タービンインペラと同軸上に配置された円筒部材の内端に連結され、前記タービンインペラの軸心を中心とする前記円筒部材の揺動により前記駆動部材が駆動されることを特徴とする。

本発明によれば、円筒部材と駆動部材と可動ノズル板とプレート部材とが軸方向に接続されるとともに、薄い円筒部材から断熱膨張装置内への伝熱量は小さくなる。

本発明によれば、膨張タービンの可変ノズル機構のノズル部材を駆動部と一体として簡単に取り外すことができる。また、ノズル部材を取り外す際に真空容器の分解が不要となる。
これにより、膨張タービンのメンテナンスを容易にし、保守点検作業の能率を向上させることができる。

以下、本発明に係る可変ノズル機構付き膨張タービンの実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本実施形態に係る可変ノズル機構付き膨張タービン４２の一例を示す全体構成図であり、図２は図１のＡ部拡大図であり、図３は可変ノズル部の構造の一例を示した斜視図であり、図４は駆動部側の部分的な分解概要図である。

図１に示すように、膨張タービン４２は、断熱膨張装置４４、断熱材４５、ローターシャフト４７、軸受４９、押さえバネ５１、制動装置４６、可変ノズル機構１００を備えており、さらにこれらを収納するケーシング９０を備える。
断熱膨張装置４４は、真空容器４８の内部の低温側領域に設置され、タービンインペラ５０を内蔵しており、極低温ガス（例えば温度４〜６４Ｋのガス）を断熱膨張させる際にタービンインペラ５０を回転駆動するようになっている。
断熱材４５は、低温側との境界部に設けられ、常温側からの入熱を抑制するようになっており、ガラスＦＲＰ等が用いられる。
ローターシャフト４７は、軸受４９に回転可能に支持され、タービンインペラ５０の回転を常温側の制動装置４６に伝達するようになっている。
制動装置４６は、真空容器４８の外部の常温側領域に設置されている。制動装置４６としては例えばタービンインペラ５０の軸心Ｃと同軸に連結された電動発電機（不図示）を用いることが可能である。
また、押さえバネ５１は、後述する駆動部材５２及びノズル部材５４を断熱膨張装置４４へ押し付けるように付勢することで、駆動部材５２とノズル部材５４と断熱膨張装置４４との間の隙間からのガスの漏れを防止するようにし、膨張タービンの効率低下を防ぐようになっている。

可変ノズル機構１００は、図１、２に示すように、真空容器４８の外部の常温側領域に設置される駆動部材５２と、駆動部材５２の内端側に配置され、断熱膨張装置４４の本体の外端の近傍に配置されたノズル部材５４と、断熱膨張装置４４の本体の外端に当接するようにして軸心Ｃと同軸に設けられたプレート部材５６とからなる。
このプレート部材５６と駆動部材５２は、ノズル部材５４の互いに背向する面６０，６２に接触するように配置されて、対面して軸心Ｃの方向に離間し、ノズル部材５４の支持側はプレート部材５６に連結支持され、ノズル部材５４の駆動側は駆動部材５２に連結支持されている。
そして、駆動部材５２の外端は、軸心Ｃと同軸の薄い円筒部材５８の内端に連結され、軸心Ｃを中心とする円筒部材５８の揺動により駆動部材５２は回動駆動されるようになっている。

また、円筒部材５８の外端には大歯車８６が連結されており、この大歯車８６は回転駆動装置８８の駆動軸からの駆動力を受けて回動し、円筒部材５８を揺動させるようになっている。
そして、円筒部材５８の揺動により駆動部材５２が駆動すると、ノズル部材５４が駆動してタービンインペラ５０へ導入する極低温ガスのスロート面積を変化させ、これによりタービンインペラ５０におけるガス通過流量を調整することができるようになっている。
なお、薄い円筒部材５８は、ノズル部材５４の駆動に必要十分な薄さ（例えば０．５ｍｍ程度の厚さ）にすることができる。このように薄くすることで、常温側に配置された円筒部材５８から低温側への伝熱量を小さく抑えるようになっている。

ノズル部材５４は、図２、３（ａ）に示すように、軸心Ｃを中心とした円周上にタービンインペラ（不図示）を囲むように離れて配置された複数の可動ノズル板５４ａから構成されている。
各可動ノズル板５４ａは、図３（ｂ）に示すように、略涙滴形状の断面を呈しており、その内端の面６０はプレート部材５６の外端の面に当接し、可動ノズル板５４ａの外端の面６２は駆動部材５２の内端の面に当接するように配置され、さらに、略涙滴形状の頂部側が軸心Ｃを中心とする円の半径方向内側に、円弧側が半径方向外側に向くように配置されている。
そして、可動ノズル板５４ａの支持側の面６０の頂部側部分には軸心Ｃの方向を向く第一雌ねじ孔６４が形成され、円弧側部分には略涙滴形状の長手方向に長孔６６が形成されている。この長孔６６は内端の面６０と外端の面６２とを軸心Ｃの方向に貫通するように形成され、長手方向の両端が半円状になった略長方形状をしているが、可動ノズル板５４ａの内部で段差６８が形成されることによって、軸心Ｃに沿って切った断面が図２に示すような凸状をなし、外端の面６２の長孔６６ａの面積は、内端の面６０の長孔６６よりも小さい形状に形成されている。

支持ピン７０及び駆動ピン７２は、図３（ｃ）に示すように、これらの先端部には雄ねじ部７４が形成され、他端部には先端部よりも大径の頭部７６が形成されている。さらに、頭部７６と雄ねじ部７４との間には雄ねじ部７４と略同径の摺動部７８が形成されている。
そして、支持ピン７０の先端部の雄ねじ部７４は、可動ノズル板５４ａの各第一雌ねじ孔６４に螺合するようになっている。
支持ピン７０の頭部７６及び摺動部７８は、プレート部材５６に第一雌ねじ孔６４と対向するように設けられ、可動ノズル板５４ａに近い側が狭く形成された段差８０付きの凹孔８２に嵌り込むことで、可動ノズル板５４ａとプレート部材５６とを回動可能に連結させるとともに、これらを軸心Ｃの方向に支持している。

駆動ピン７２の先端部の雄ねじ部７４は、駆動部材５２に長孔６６ａと対向する位置に設けられた第二雌ねじ孔８４に螺合するようになっている。駆動ピン７２の頭部７６及び摺動部７８は、頭部７６が可動ノズル板５４ａの支持側の長孔６６内を、摺動部７８が駆動側の長孔６６ａ内を滑って摺動できるように長孔６６にゆるく嵌り込むことで、駆動ピン７２が長孔６６に沿って摺動可能なように可動ノズル板５４ａに連結されるとともに、駆動部材５２と可動ノズル板５４ａとを軸心Ｃの方向に支持している。

そして、円筒部材５８の揺動により駆動部材５２が回動駆動すると、各可動ノズル板５４ａは、プレート部材５６に連結されたそれぞれの支持ピン７０を中心に揺動すると同時に、駆動ピン７２の頭部７６及び摺動部７８が可動ノズル板５４ａの長孔６６に案内されるように摺動することで、可動ノズル板５４ａの配置角度が変更され、タービンインペラ５０へ導入する極低温ガスのスロート面積を連続的に変化させるようになっている。

次に、上記可変ノズル機構１００付き膨張タービン４２のメンテナンス方法について説明する。
支持ピン７０の雄ねじ部７４が可動ノズル板５４ａの第一雌ねじ孔６４にねじ結合され、この頭部７６が凹孔８２内の段差８０によって軸心Ｃの方向に係止されることで、支持ピン７０はプレート部材５６と可動ノズル板５４ａとを軸心Ｃの方向に連結する。一方、駆動ピン７２の雄ねじ部７４が駆動部材５２の第二雌ねじ孔８４にねじ結合され、この頭部７６が長孔６６内の段差６８によって軸心Ｃの方向に係止されることで、駆動ピン７２は駆動部材５２と可動ノズル板５４ａとを軸心Ｃの方向に連結するとともに、長孔６６内を長手方向に摺動することができる。
このため、駆動部材５２と複数の可動ノズル板５４ａとプレート部材５６とが軸方向により強固に接続されるとともに、各可動ノズル板５４ａは駆動部材５２の駆動によって配置角度を変化させることができる。
このように、本実施形態に係る可変ノズル機構１００では、駆動部材５２と可動ノズル板５４ａとプレート部材５６とが軸方向に一体となるので、可動ノズル板５４ａのメンテナンスの際には、図４に示すように、従来のように駆動部材５２を真空容器４８から引き抜くことで、駆動部材５２と可動ノズル板５４ａとプレート部材５６とを一体として取り外すことができる。

さらに、一体として取り外した後には、プレート部材５６から支持ピン７０の頭部７６を回してこれを引き抜くことで、プレート部材５６を可動ノズル板５４ａから取り外すことができる。さらに、駆動ピン７２の頭部７６を回してこれを引き抜くことで、可動ノズル板５４ａを駆動部材５２から取り外すことができる。これにより、可動ノズル板５４ａの点検や交換ができるようになる。

したがって、本実施形態に係る可変ノズル機構１００は、従来、メンテナンスの際に駆動部材５２を引き抜くと断熱膨張装置４４に置き去りにされていたノズル部材５４を駆動部材５２と共に簡単に取り出すことができ、ノズル部品の点検や交換などのメンテナンスを従来よりも容易にすることができる。

上記の実施形態において、支持ピン７０及び駆動ピン７２は、頭部７６に十字穴が形成されたステンレス製のＭ１ねじを用いてもよい。この場合、ねじの各部の寸法については、例えば摺動部７８の径をφ１．２ｍｍとし、頭部７６の径をφ１．８ｍｍとしてもよく、頭部７６の厚みを０．５ｍｍとしてもよい。
また、雌ねじ孔６４、８４と雄ねじ部７４の界面間の非常に小さな隙間には液状接着剤を充填するようにしてもよい。

なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせあるいは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

本発明に係る可変ノズル機構付き膨張タービンの一例を示す全体構成図である。 図１のＡ部拡大図である。 本発明に係る膨張タービンの可変ノズル機構の可変ノズル部の構造の一例を示す斜視図である。 駆動部側の部分的な分解概要図である。 従来の膨張タービンの可変ノズル機構の一例を示す全体構成図である。

符号の説明

４２…膨張タービン
４４…断熱膨張装置（断熱膨張装置）
４８…真空容器
５０…タービンインペラ
５２…駆動部材
５４…ノズル部材
５４ａ…可動ノズル板
５６…プレート部材
５８…円筒部材
６０…内端の面（背向する面）
６２…外端の面（背向する面）
６４…第一雌ねじ孔
６６，６６ａ…長孔
７０…支持ピン
７２…駆動ピン
７４…雄ねじ部
８２…凹孔
８４…第二雌ねじ孔
１００…可変ノズル機構

Claims (5)

1. 真空容器の内部に設置され、タービンインペラを内蔵し、極低温ガスを断熱膨張させる際に前記タービンインペラを回転駆動する断熱膨張装置を有し、前記真空容器の外部に設置される駆動部材からの駆動力によって前記断熱膨張装置の外端の近傍に配置されたノズル部材を駆動することにより前記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付き膨張タービンにおいて、
   前記断熱膨張装置の本体の外端に着脱可能に当接するプレート部材を備え、
   前記プレート部材に軸方向で係止する頭部を有すると共に前記ノズル部材の支持側においてねじ結合する雄ねじ部を有する支持ピンと、
   前記ノズル部材の駆動側において軸方向で係止する頭部を有すると共に前記駆動部材にねじ結合する雄ねじ部を有する駆動ピンとを備える
   ことを特徴とする可変ノズル機構付き膨張タービン。
2. 前記プレート部材と前記駆動部材は、前記タービンインペラの軸方向において、前記ノズル部材の背向する面にそれぞれ密着して配置され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膨張タービン。
3. 前記ノズル部材は、前記タービンインペラを囲んで配置され、それぞれ前記支持ピンにより前記プレート部材に揺動可能に連結支持された複数の可動ノズル板からなり、
   前記可動ノズル板のそれぞれと前記駆動部材とは前記駆動ピンで連結支持されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。
4. 前記可動ノズル板の支持側に前記タービンインペラと同軸方向を向く第一雌ねじ孔を設け、前記第一雌ねじ孔には、前記支持ピンの一端部に形成された前記雄ねじ部が螺合されるとともに、前記支持ピンの他端部は、前記プレート部材に前記第一雌ねじ孔と対向するように設けられた凹孔に回動可能に接続され、
   前記可動ノズル板の駆動側に前記タービンインペラと同軸方向を向く長孔を設け、
   前記駆動部材には前記長孔と対向するように第二雌ねじ孔を設け、
   前記第二雌ねじ孔に、前記駆動ピンの一端部に形成された前記雄ねじ部を螺合するとともに、前記駆動ピンの他端部が前記長孔に案内可能に接続される
   ことを特徴とする請求項３に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。
5. 前記駆動部材の外端は、前記タービンインペラと同軸上に配置された円筒部材の内端に連結され、
   前記タービンインペラの軸心を中心とする前記円筒部材の揺動により前記駆動部材が駆動されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。

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