JP4941052B2

JP4941052B2 - 膨張タービンの断熱構造およびその製作方法

Info

Publication number: JP4941052B2
Application number: JP2007089023A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎吉永; 俊雄高橋; 裕寿脇阪
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: EP1975375A2; US20080240911A1; EP1975375A3; US8262350B2; JP2008248743A

Description

本発明は、ヘリウム冷凍機等に装備される膨張タービンの断熱構造およびその製造方法に関するものである。

この種の膨張タービンとして、中心部に冷媒流体の出口通路を設ける共にその外周部に出口通路の入口部に連通する冷媒流体の導入室を設けた膨張機本体と、前記出口通路の入口部に回転自在に配置され制動装置によって制動されるタービンインペラとを有し、前記導入室から出口通路側に流れるヘリウム等の極低温の冷媒流体で前記タービンインペラを回転駆動させることにより前記冷媒流体を断熱膨張させて、前記出口通路の出口から温度低下した冷媒流体を流出させる断熱膨張装置を備えたものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開平６−１３７１０１号公報特開２００１−１３２４１０号公報

しかしながら、従来の膨張タービンにおいては、前記膨張機本体の導入室と出口通路とが出口通路の全周を囲む中実の隔壁を介して隔てられている構成となっているので、膨張タービンの運転中、前記導入室に導入された高温側の冷媒流体の熱が前記隔壁を伝って、出口通路を流れる低温側の冷媒流体に熱進入し、これにより、タービン性能が低下する問題があった。この問題は、膨張タービンにおける冷媒流体の入口温度と出口温度の差が大きい場合に特に顕著に現れるが、これを解決する適切な対策がなされていないのが現状である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、膨張機本体における冷媒流体の導入室側から出口通路側への熱進入を低減させることにより、タービン効率を向上させることができる膨張タービンの断熱構造およびその製作方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る膨張タービンの断熱構造は、中心部に冷媒流体の出口通路を設ける共にその外周部に出口通路の入口部に連通する冷媒流体の導入室を設けた膨張機本体と、前記出口通路の入口部に回転自在に配置され制動装置によって制動されるタービンインペラとを有し、前記導入室から出口通路側に流れる冷媒流体で前記タービンインペラを回転駆動させることにより前記冷媒流体を断熱膨張させる断熱膨張装置を備えた膨張タービンの断熱構造であって、前記膨張機本体における前記導入室と出口通路との間に、該導入室の全長にわたり、前記出口通路の全周を囲むようにして断熱層が設けられた構成とされている。

この構成の膨張タービンの断熱構造においては、前記膨張機本体の導入室に導入された極低温の冷媒流体が前記出口通路の入口部側に流れて前記タービンインペラを回転駆動させることにより、断熱膨張されて温度が低下して出口通路の出口部から寒冷の発生を要する装置に供給される。その際、前記膨張機本体にの出口通路の全周に設けられた断熱層により、前記導入室に導入された高温側の冷媒流体の熱が膨張機本体の内部において前記出口通路側を通る低温側の冷媒流体に熱進入するのを効果的に小さく抑えられる。

前記断熱構造において、前記断熱層が前記導入室と出口通路との間に形成された真空環状空間からなる真空断熱層であると、前記導入室に導入された高温側の冷媒流体の熱が前記出口通路側を通る低温側の冷媒流体に熱進入するのを、前記真空断熱層によって一層効果的に低減させることができる。

前記断熱構造において、前記膨張機本体が、筒状の外側ケースと、該外側ケースの内側に装着されて外周部が外側ケースの内周部との間に前記導入室を形成すると共に、中心部に前記出口通路を設けた筒状の流体誘導部材とからなり、該流体誘導部材が、前記外側ケースとの間に前記導入室を形成する筒状の外側流体誘導部材の内穴に、前記出口通路を設けた筒状の内側流体誘導部材を挿入されて前記内穴の軸方向における両端部で嵌合され、内側流体誘導部材と外側流体誘導部材との間に前記嵌合部で気密に閉鎖されてなる前記真空環状空間を備えた構成とすると、真空断熱層を設けた膨張機本体の組み立てと前記誘導部材内への真空断熱層の構成を容易に行える。

前記断熱構造の製作方法において、前記流体誘導部材における内側流体誘導部材と外側流体誘導部材との前記嵌合部を真空条件下で電子ビーム溶接によって気密に閉鎖する構成とすると、前記流体誘導部材内に真空断熱層を確実に形成することができる。

本発明に係る膨張タービンの断熱構造によれば、前記膨張機本体にの出口通路の全周に設けられた断熱層により、膨張機本体における冷媒流体の導入室側から出口通路側への熱進入を効果的に低減させることができ、これにより、膨張タービンのタービン効率を向上させることができる。

以下、本発明の一実施の形態に係る膨張タービンの断熱構造について添付図面を参照して説明する。
図１において、１は本発明の一実施の形態に係る断熱構造を適用する膨張タービンである。この膨張タービン１は、中心部に冷媒流体の出口通路２を設ける共に、その上半部外周の全体にわたって前記出口通路２の入口部２ａに連通路３ａを介して連通する冷媒流体の導入室３を設けた膨張機本体４と、前記出口通路２の入口部２ａに回転自在に配置され、制動装置５によって制動されるタービンインペラ６とを有し、前記導入室３から前記連通路３ａを通って出口通路２側に流れる高圧、極低温の冷媒流体で前記タービンインペラ６を回転駆動させることにより前記冷媒流体を断熱膨張させる断熱膨張装置７を備えている。

前記膨張機本体４は、図２に示すように、フランジ８と、軸線Ｓを上下方向に向け上端（一端）を前記フランジ８に一体に結合して設けられた円筒状（筒状）の外側ケース９と、該外側ケース９内に下側から軸方向を前記軸線Ｓに一致させて挿入され、軸方向の中間の外周部を外側ケース９の下端（他端）に嵌合されて固着され、軸方向の上方外周部と前記外側ケース９の内周部との間に前記軸線Ｓを中心とする環状の前記導入室３を形成する円筒状（筒状）の冷媒流体流通用の流体誘導部材１０とを備え、前記外側ケース９と流体誘導部材１０とを冷凍機等の真空容器Ｍ内に挿入され、その取付部Ｍａに前記フランジ８をボルトで固定されることにより支持されている。なお、前記膨張機本体４の外側ケース９には、冷媒流体供給源から前記導入室３内に冷媒流体を導入する導入管４ａが取り付けられている。

前記流体誘導部材１０は、図３に示すように（図３では流体誘導部材１０は縦断面で左半分のみ図示）、中心に出口部２ｂ側に行くに従って拡径するテーパ穴とした前記出口通路２を設けた円筒状（筒状）の内側流体誘導部材１１と、その軸方向における上半部の外周側に被せられた円筒状（筒状）の外側流体誘導部材１２とからなり、前記内側流体誘導部材１１の外周部と外側流体誘導部材１２の内周部との間には、それらの上下の両端嵌合部を閉鎖することにより、前記軸線Ｓを中心とする断熱層としての真空環状空間（真空断熱層）１３が少なくとも前記導入室３の軸方向の全長にわたって設けられている。

すなわち、前記内側流体誘導部材１１は、その軸方向の中間の外周が大径部１１ａとされ、その上下部がそれより小径の小径部１１ｂ，１１ｃとされており、前記大径部１１ａには段部１１ａ１の上方に下から順に小径となる第１嵌合部１１ａ２と第２嵌合部１１ａ３が設けられている。前記小径部１１ｂ，１１ｃは共に前記軸線Ｓに平行に形成され、上方の小径部１１ｂと前記大径部１１ａとの間が下方に行くに従って拡径するテーパ部１１ｄとなっている。そして、前記第２嵌合部１１ａ３の内側には、底部が前記外側ケース９の下端と略同じ上下方向位置となる深さを有する、前記軸線Ｓに平行な環状溝１１ｇが、軸線Ｓ周りの全周にわたって設けられている。

また、前記外側流体誘導部材１２は、その内側に、前記内側流体誘導部材１１の上部の小径部１１ｂと中間のテーパ部１１ｄより僅かに内径を大きくし、それらとの間に平行な隙間ｘを有する環状空間１３ａを形成する内穴１２ａが設けられ、また、外周部１２ｆが前記内穴１２ａ（前記小径部１１ｂと中間のテーパ部１１ｄ）に略平行に倣った形状とされ、上端外周に外側に突き出したフランジ状部１２ｂが設けられ、下端部１２ｃの外周が前記内側流体誘導部材１１の第１嵌合部１１ａ２と同一径とされ、前記内穴１２ａの下端部が前記内側流体誘導部材１１の第２嵌合部１１ａ３に嵌合する嵌合穴１２ｄとされ、さらに、前記内穴１２ａの上端部に、前記内側流体誘導部材１１の上端外周に形成された嵌合部１１ｅが嵌合する内側フランジ１２ｅが設けられている。該内側フランジ１２ｅの下面と前記嵌合部１１ｅの段部１１ｆとの間には僅かに隙間があけられている。

そして、前記内側流体誘導部材１１を、その上方の小径部１１ｂを前記外側流体誘導部材１２の内穴１２ａに下方から挿入して、その第２嵌合部１１ａ３に外側流体誘導部材１２の嵌合穴１２ｄを嵌合させて、その第２嵌合部１１ａ３と第１嵌合部１１ａ２との境の段部１１ａ４を外側流体誘導部材１２の下端部に当接させると共に、その上端の嵌合部１１ｅを外側流体誘導部材１２の上端部の内側フランジ１２ｅに嵌合させることにより、前記内側流体誘導部材１１に外側流体誘導部材１２を組み付けられる。

しかる後に、その組み付けられた状態の内側、外側流体誘導部材１１，１２を真空容器内の適宜作業台上に設置し、該作業台を回転させながら、前記内側流体誘導部材１１の段部１１ａ４と外側流体誘導部材１２の下端部１２ｃとの当接部を、その外周側からレーザ溶接機等の電子ビーム溶接機によって真空下で電子ビーム溶接を行い、その溶接部ｗ１によって内側、外側流体誘導部材１１，１２の下端（他端）における第２嵌合部１１ａ３と嵌合穴１２ｄとの嵌合部を真空状態として閉鎖する。また、電子ビームの照射位置を変えて、前記内側流体誘導部材１１の嵌合部１１ｅと外側流体誘導部材１２の内側フランジ１２ｅとの嵌合部を前記同様に真空下で電子ビーム溶接を行い、その溶接部ｗ２によって内側、外側流体誘導部材１１，１２の上端（一端）の嵌合部を真空状態として閉鎖する。
これにより、前記内側流体誘導部材１１の外周部１２ｆと外側流体誘導部材１２の内穴１２ａとの間の環状空間１３ａが真空環状空間（真空断熱層）１３として形成される。

前記のように形成された流体誘導部材１０は、その上半部を前記外側ケース９内に下側から挿入して、外側ケース９の下端の内側に前記内側流体誘導部材１１の第１嵌合部１１ａ２と外側流体誘導部材１２の下端部１２ｃを嵌合させ、内側流体誘導部材１１の段部１１ａ１を外側ケース９の下端面に当接させた後に、該当接部を外周側からＴＩＧ溶接等の溶接部ｗ３により気密に接合する。この溶接の後に、前記導入管４ａの内端部を前記外側ケース９に設けた穴４ｂに差し込んで同様に溶接することによって導入管４ａを外側ケース９に気密に接合する。

なお、前記内側流体誘導部材１１の外周部と外側流体誘導部材１２の内周部との間に形成された前記真空環状空間（真空断熱層）１３は、縦断面形状が内側流体誘導部材１１と外側流体誘導部材１２の外周形状に倣ってクランク状に折曲された均等幅の隙間として形成されているが、真空断熱層１３の形状は、これに限らず、上下に一直線状にした形状や、内側流体誘導部材１１の小径部１１ｂを下方へ延長してテーパ部１１ｄを省略して真空断熱層１３の下方を広い空間とした形状や、その他の形状であってもよく、要するに前記真空断熱層１３が導入室３の軸方向の全長にわたって設けられるようになっていればよい。

前記制動装置５は、前記軸線Ｓ上にロータ軸５ａを有する発電機５ｂが、前記フランジ８の上面にフランジ１４を介して取り付けられた収納ケース１５の内部に収納されて構成されており、前記ロータ軸５ａの下端に前記タービンインぺラ６が固定されている。
そして、前記膨張機本体４の前記連通路３ａには導入室３から前記タービンインペラ６に流れる冷媒の流路面積を調節する可変ノズル１６が配置されている。該可変ノズル１６は、パルスモータ１７によって回動される扇形ギヤ１８、これに噛み合わせられて前記軸線Ｓの周りに回動するリング１９ａ、その下端に連結されて一緒に回動する操作リング１９ｂを介して操作されるようになっており、前記操作リング１９ｂが、前記外側流体誘導部材１２の上端のフランジ部１２ｂの上面と対面して、それとの間に前記連通路３ａを形成している。

前記のように、冷媒流体の流体誘導部材１０における内側流体誘導部材１１の外周部と外側流体誘導部材１２の内穴１２ａとの間に、前記導入室３の軸方向の全長にわたって真空環状空間（真空断熱層）１３を設けてなる断熱構造を採用した断熱膨張装置７を備えた膨張タービン１においては、前記膨張機本体４の導入室３に導入管４ａによって導入されたネオン、ヘリウム、水素等の極低温の冷媒流体が、前記外側流体誘導部材１２の外周部１２ｆとフランジ部１２ｂとによってその上方外側へ誘導された後前記連通路３ａへ入り、可変ノズル１６を通って前記出口通路２の入口部２ａ側に流れて前記タービンインペラ６を回転駆動させる。これにより、前記冷媒流体は断熱膨張されて温度が低下して出口通路２の出口部２ｂから寒冷発生を要する冷凍機等の装置に供給される。その際、前記膨張機本体４に出口通路２の全周を囲んで設けられた真空断熱層１３により、前記導入室３に導入された高温側の冷媒流体の熱が、前記膨張機本体４の内部において外側流体誘導部材１２から内側流体誘導部材１１を経て前記出口通路２側を通る低温側の冷媒流体に熱進入するのを効果的に小さく抑えられ、これにより、前記膨張タービン１のタービン効率が向上する。

因みに、図４と図５は前記膨張機本体４の流体誘導部材１０に本発明に係る真空断熱層１３を設けた膨張タービン１とそれを設けない膨張タービンとのＦＥＭ解析を行って得られた、前記流体誘導部材１０の熱の分布状態を等温線図で示したものである。
本発明に係る真空断熱層１３を設けた膨張タービン１においては、図４に示すように、絶対温度６８Ｋの高温側のネオンが前記導入室３に導入され、タービンインペラ６を回転駆動することによって絶対温度５５Ｋに温度降下して出口通路２から出て行く場合に、前記外側流体誘導部材１２の真空断熱層１３の外側の温度は絶対温度６８Ｋとなっているのに対して、前記内側流体誘導部材１１の温度は、僅かに内側流体誘導部材１１のテーパ部１１ｄより下位の部分に外側流体誘導部材１２からの入熱が認められるものの、全体として前記真空断熱層１３によって高温側からの熱進入が小さく抑えられるので、出口通路２の周囲は全長にわたって該出口通路２を流れる低温側のヘリウムの絶対温度５５Ｋとなっており、この場合の高温側から低温側への熱進入は約９Ｗであることが分かった。

これに対して、真空断熱層１３を設けない膨張タービンにおいては、図５に示すように、絶対温度６８Ｋの高温側のネオンが前記導入室３に導入され、タービンインペラ６を回転駆動することによって絶対温度５５Ｋに温度降下して出口通路２から出て行く場合に、前記流体誘導部材１０は、その外周側表層部の絶対温度６８Ｋから、出口通路２側に行くに従って流体誘導部材１０の外周形状に略倣った等温線で示される温度降下を経て出口通路２の内周面付近で絶対温度５５Ｋよりやや高い温度となり、高温側から流体誘導部材１０を通して低温側へかなりの熱進入があることが分かる。この場合の高温側から低温側への熱進入は約５６Ｗであることが分かった。

なお、図４、図５において、ａは−２０５．０℃〜−２０６．４℃の温度範囲の領域、ｂは−２０６．４℃〜−２０７．９℃の温度範囲の領域、ｃは−２０７．９℃〜−２０９．３℃の温度範囲の領域、ｄは−２０９．３℃〜−２１０．８℃の温度範囲の領域、ｅは−２１０．８℃〜−２１２．２℃の温度範囲の領域、ｆは−２１２．２℃〜−２１３．７℃の温度範囲の領域、ｇは−２１３．７℃〜−２１５．１℃の温度範囲の領域、ｈは−２１５．１℃〜−２１６．６℃の温度範囲の領域、ｉは−２１６．６℃〜−２１８．０℃の温度範囲の領域である。
前記の結果、前記流体誘導部材１０に導入室３の軸方向の全長にわたって真空断熱層１３を設ける場合は、それを設けない場合と比較して、高温側から低温側への熱進入が約１／６に低減され、タービン効率が約１０％向上することが判明した。

以上説明したように、前記実施の形態に係る膨張タービン１の断熱構造は、冷媒流体を断熱膨張させる断熱膨張装置７の膨張機本体４が、筒状の外側ケース９と、該外側ケース９の内側に装着されて外周部１２ｆが外側ケース９の内周部との間に前記導入室３を形成すると共に、中心部に前記出口通路２を設けた筒状の流体誘導部材１０とからなり、該流体誘導部材１０が、前記外側ケース９との間に前記導入室３を形成する筒状の外側流体誘導部材１２の内穴１２ａに、前記出口通路２を設けた筒状の内側流体誘導部材１１を挿入されて前記内穴１２ａの軸方向における両端部で嵌合され、内側、外側誘導部材１１，１２間に前記嵌合部で気密に閉鎖されてなる前記真空環状空間（真空断熱層）１３を、前記導入室３の全長にわたり、前記出口通路２の全周を囲むようにして備えている構成とされている。

したがって、前記実施の形態に係る膨張タービン１の断熱構造によれば、前記膨張機本体４の流体誘導部材１０内に、内側、外側流体誘導部材１１，１２の組み付けによって、出口通路２の全周を囲むようにして設けられた真空断熱層１３を容易に構成することができると共に、前記真空断熱層１３により、膨張機本体４における冷媒流体の導入室３側から出口通路２側への前記流体誘導部材１０を通して行われる熱進入を効果的に低減させることができ、これにより、膨張タービン１のタービン効率を向上させることができる。

また、前記実施の形態に係る膨張タービン１の断熱構造の製作方法によれば、前記流体誘導部材１０における外側流体誘導部材１２の内穴１２ａの両端部と内側流体誘導部材１２との嵌合部を真空条件下で電子ビーム溶接によって気密に閉鎖する構成としたので、前記流体誘導部材１０内に真空断熱層１３を確実に形成することができる。

なお、前記実施の形態に係る膨張タービン１の断熱構造においては、前記内側流体誘導部材１１に外側流体誘導部材１２を嵌合させてそれらの間に形成された環状空間１３ａに真空断熱層１３からなる断熱層を設けたが、これに限らず、前記環状空間１３ａに適宜断熱材を充填、接着等により介在させてなる断熱層を設けてもよい。
また、前記実施の形態に係る膨張タービン１の断熱構造を、タービンインペラ６の回転軸を縦に配置した膨張タービンに適用した例を示して説明したが、本発明はこれに限らず、タービンインペラ６の回転軸を横に配置した膨張タービンにも適用できることは勿論である。

本発明の一実施の形態に係る断熱構造を備えた膨張タービンを示す縦断面図である。同じく膨張タービンの断熱膨張装置の膨張機本体を示す縦断面図である。同じく膨張タービンの断熱構造の要部を示す縦断面図である。本発明の一実施の形態に係る断熱構造を備えた膨張タービンの性能試験における断熱膨張装置の流体誘導部材の温度分布図である。従来の膨張タービンの性能試験における断熱膨張装置の流体誘導部材の温度分布図である。

符号の説明

１膨張タービン
２出口通路
３導入室
４膨張機本体
４ａ導入管
５制動装置
６タービンインぺラ
７断熱膨張装置
８フランジ
９外側ケース
１０流体誘導部材
１１内側流体誘導部材
１２外側流体誘導部材
１３真空環状空間（真空断熱層）
ｗ１，ｗ２，ｗ３溶接部

Claims

中心部に冷媒流体の出口通路を設けると共にその外周部に出口通路の入口部に連通する冷媒流体の導入室を設けた膨張機本体と、前記出口通路の入口部に回転自在に配置され制動装置によって制動されるタービンインペラとを有し、前記導入室から出口通路側に流れる冷媒流体で前記タービンインペラを回転駆動させることにより前記冷媒流体を断熱膨張させる断熱膨張装置を備えた膨張タービンの断熱構造であって、
前記膨張機本体は、筒状の外側ケースと、該外側ケースの内側に装着されて外周部が外側ケースの内周部との間に前記導入室を形成すると共に、中心部に前記出口通路を設けた筒状の流体誘導部材とからなり、該流体誘導部材が、前記外側ケースとの間に前記導入室を形成する筒状の外側流体誘導部材の内穴に、前記出口通路を設けた筒状の内側流体誘導部材が挿入されて前記内穴の軸方向における両端部で嵌合され、内側流体誘導部材と外側流体誘導部材との間に前記嵌合部で気密に閉鎖されてなる真空環状空間を備え、
前記導入室と出口通路との間に、該導入室の全長にわたり、前記出口通路の全周を囲むようにして断熱層が設けられ、
前記断熱層は、前記真空環状空間からなる真空断熱層によって形成されていることを特徴とする膨張タービンの断熱構造。
請求項１に係る膨張タービンの断熱構造の製作方法であって、前記流体誘導部材における内側流体誘導部材と外側流体誘導部材との前記嵌合部を真空条件下で電子ビーム溶接によって気密に閉鎖することを特徴とする膨張タービンの断熱構造の製作方法。