JPH02263060A - 極低温冷凍機用ターボ膨張機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は極低温冷凍機用り ［従来の技術］ 従来、第４図に示すように密閉された軸受室１ａと、該
軸受室１ａの一部に開口するタービン孔１ｂと、極低温
作動気体を該タービン孔１ｂの出口側に供給する渦巻室
１Ｃと、該タービン孔１ｂからの膨張した極低温作動気
体を送出する膨張室１ｄとを有するケーシング１と、該
軸受室１ａ内に気体軸受２１によって支承されるととも
に気体スラスト軸受２２によりスラスト方向に支承され
たタービン軸２と、該タービン軸２に固定され一端がタ
ービン孔１ｂと微小な隙間をもって作動するタービン３
と、該タービン軸２に保持される回転子（図示省略）と
該軸受室１ａ内に該ケーシング１によって固定された固
定子４２とからなる発電機４とからなる極低温冷凍機用
ターボ膨張機９ボ膨張機に関する。

Ｏが知られている。

このターボ膨張機９０はタービン軸２に支承されたター
ビン３が回転することにより高圧の作動気体である渦巻
室１Ｇからの極低温作動気体を膨張させて膨張室１ｄに
送出するものである。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のようなターボ膨張機９０の極低温作動気体の流れ
における圧力の様子は第５図、第６図に示すように、渦
巻室１Ｃ内の圧力Ｐｃを約２気圧とすると、膨張室内１
ｄの圧力ｐｄは約１気圧、ざらに軸受室１ａ内の圧力Ｐ
ａは１．２気圧程度となる。したがって軸受室１ａ内の
圧力ｐａの方が膨張室１ｄ内の圧力ｐｄより大きく、し
かもタービン３がタービン孔１ｂと微小な隙間しか有し
ていないため、タービン軸２に第５図において左方向へ
の推力が働く。この推力が働くことにより気体スラスト
軸受２２によって支承されている軸受部分が固体接触し
てしまい、回転負荷が大きくなるとともに、回転が不規
則によってしまうという欠点があった。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、圧力Ｐａが
圧力Ｐｄより大きくなってもタービン軸２に推力がほと
んど加わらず、タービン軸２の回転がなめらかで高速回
転を可能とする極低温冷凍機用ターボ膨張機を提供する
ことを技術課題とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の極低温冷凍機用ターボ膨張機は密閉された軸受
室と、該軸受室の一部に開口するタービン孔と、極低温
作動気体を該タービン孔の出口側に供給する渦巻室と、
該タービン孔からの膨張した極低温作動気体を送出する
膨張室とを有するケシングと、該軸受室内に気体軸受に
よって支承されるとともに気体スラスト軸受によりスラ
スト方向に支承されたタービン軸と、該タービン軸に固
定され一端が該タービン孔と微小な隙間をもって作動す
るタービンと、該タービン軸に保持される回転子と該軸
受室内に該ケーシングによって固定された固定子とから
なる発電機と、該膨張室内に設けられた第１抑制部と該
タービン軸に一体的に固定され第１抑制部と反発して該
タービン軸のスラスト方向の負荷を抑制する第２抑制部
とからなる負荷抑制部とからなることを特徴とする。

［作用］ 極低温作動気体は渦巻室からノズルを通って膨張しター
ビンに至り、タービンを回転させつつ膨張室へ送出され
る。このとき膨張室内の圧りは軸受室内の圧力より低い
ためタービン軸は膨張室方向へ推力を受ける。しかしタ
ービン軸は一体的に固定された第２抑制部がこの第２抑
制部と対向する膨張室内の位置に固定された第１抑制部
により反発力を受けることによって推力に応じた力を反
対側にうける。したがってタービン軸の受ける推力と第
１抑制部による反力がほぼ等しいように制御すればター
ビン軸を支承する気体スラスト軸受は固定接触すること
なくスムーズに回転し、高速回転を可能とする。

［実施例］ 本実施例の極低温冷凍機用ターボ膨張機９０は第１図に
示すように、ゲージング−と該ケーシングーのもつ軸受
室１ａ内に支承されるタービン軸２と、該タービン軸２
に固定されたタービン３と、タービン軸２に保持される
回転子４１とクーシングーに固定された固定子４２とか
らなる同期発電機４と、膨張室１ｄ内に設けられた第１
抑制部である電磁石５２とタービン軸２に一体的に固定
され電磁石５２と対向する第２抑制部である永久磁石製
のボルト５１とからなる負荷抑制部５とからなる。

ケーシング１は密閉された円筒状の軸受室１ａを内部に
有するとともに軸受室１ａを形成する側壁の一部に円形
状のタービン孔１ｂをもつ。このタービン孔１ｂの出口
側付近には渦巻状のガイド板を含むケーシング−の内部
により形成され、吸入管１１から極低温作動気体をノズ
ル１２を介してタービン３に供給する渦巻室１Ｃを有す
る。さらにタービン孔１ｂを介して軸受室１ａと反対側
には、タービン孔１ｂと接近する付近にノズル１２をも
つ膨張室１ｄが形成されている。

タービン軸２は円柱状の軸であり一端に位置するタービ
ン孔１ｂ付近にタービン孔１ｂと微小な隙間を有してタ
ービン３をもつ。このタービン軸２は中腹部の２か所で
気体軸受２１に軸承される。

この気体軸受２１はテイルテイングパッド型の動圧気体
軸受でありケーシング１に固定されたステム２１１によ
り支承されている。またタービン軸２は別の中腹部にフ
ランジ部２３をもちこの７ランジ部２３にスパイラルグ
ループ型の動力気体軸受である気体スラスト軸受２２が
配されスラスト方向にタービン軸２を支承する。この気
体スラスト軸受２２はピボット２６を介してジンバルリ
ング２４に支承され、さらにこのジンバルリング２４は
ピボット２６を介してケーシング１に固定されたステム
２５に支承されている。またこのタービン軸２はフラン
ジ部２３とは別の中腹部に同期発電機４の一部となる回
転子４１をもつ。またこの回転子４１と対応する軸受室
１ａ内にはケーシング１によって固定された固定子４２
があり、この固定子４２と回転子４１とが連携して同期
発電機４として作用する。

またタービン軸２はタービン３と同一側の一端部に永久
磁石製であるボルト５１が螺合される。

また膨張室１ｄ内にはヨーク５２１とヨーク５２１を囲
むコイル５２２とからなる電磁石５２がステム５２３に
よりケーシング１に固定され、ヨーク５２１とボルト５
１は相対向している。

さらにケーシング１は軸受室１ａ内の圧力Ｐａを検出す
る圧力センサ６ａ、および渦巻室１Ｃ内の圧力Ｐｃを検
出する圧力センサ６Ｃ１および膨張室１ｄ内の圧力Ｐｄ
を検出する圧力センサ６ｄをそれぞれもつ。

このターボ膨張機９０はターボ膨張機９０本体とは別に
圧力センサ６ａ、圧力センサ６Ｃ１圧カセンサ６ｄの圧
力を検出し電磁石５２の磁力を変化させる制御部６をも
つ。

以下に本実施例の極低温冷凍機用ターボ膨張機９００作
用について説明する。

極低温作動気体は吸入管１１を経由して渦巻室１Ｃに流
入しタービン孔１ｂの出口付近のノズル１２に流入する
。このノズル１２により極低温作動気体の圧力エネルギ
ーが速度エネルギーに変換されタービン３に吹付けられ
る。極低温作動気体はタービン３とタービン３に取付け
られたタービン軸２とを回転させた後膨張室１ｄに流出
する。

ここでタービン軸２は動圧気体軸受である気体軸受２１
により１０μ程度の気体膜で支持されるように支承され
る。極低温作動気体の運動エネルギはタービン軸２の回
転子４１と固定子４２によって形成される同期発電機４
によって吸収される。

このタービン軸２の回転数は致方ｒｐｍから数十万ｒｐ
ｍにも達する。第１図においてタービン軸２が軸方向に
受ける推力（ＰＣＩ）は圧力センサ６Ｃによって測定さ
れる極低温作動気体の入口での圧力（ＰＣ＞、圧力セン
サ６ａによって測定される軸受室１ａ内での圧力（Ｐａ
）、圧力センサ６ｄによって測定される膨張室１ｄ内で
の圧力（Ｐｄ）、及び第１図に示すタービン３の外形（
Ｄｉ＞、及び膨張室１ｄへの出口の内径（Ｄｏ）によっ
て次式のように表わされる。

Ｆｇ＝　（ｙｒ／４）　　・Ｄｉ２　−Ｐａ−〔（π／
４）　　　（Ｄｉ２−Ｄｏ２）・ｐｃ＋　（π／４）・
［）　０２　　・Ｐｄ）ただし Ｐｃ＞Ｐａ＞Ｐｄ、Ｄｔ＞Ｄ。

この推力（Ｆｇ）は第１図において左向きに働く。膨張
圧力比（Ｐｃ／Ｐｄ）が例えば２以上になると気体スラ
スト軸受２２の負荷能力よりも推力（Ｆｇ）が大きくな
りタービン軸２の７ランジ部２３が気体スラスト軸受２
２に固体接触してしまう。

このためタービン軸２に加わる推力を負荷抑制部５の反
発力で相殺するようにしている。即ちコイル５２２に電
流を流すと、ヨーク５２１は磁化されて例えば第１図に
おいて右側がＮ極、左側がＳ極となる。一方タービン軸
２と一体的なボルト５１は左側がＮ極、右側がＳ極とな
るよう構成されているのでタービン軸に反発力が働く。

したがって圧カセンザ５ａ、５ｃ、６ｄによって測定さ
れる絶対圧力ｐａ、ｐｃ、ｐｄの値に応じて電磁石５２
のコイル５２２の電流を制御すれば常に推力（ＦＱ）と
反発力を等しくすることができる。このため、膨張圧力
比（ｐｃ／Ｐｄ）が２以上の高い値になっても動圧気体
軸受である気体スラスト軸受２２に大きな負荷が加わら
ないので安定した高速回転（致方ｒｐｍから数十万ｐｐ
ｍ）が可能となる。

また、永久磁石でできたボルト５１に変えて超電導体の
もつマイスナー効果を利用して超電導材料製のボルトを
使用してもよい。さらにボルト５１に変えて超電導材料
製のボルトを用い電磁石５２に変えて永久磁石を用いる
ものも採用できる。

以下に本実施例の適用例を示・す。

本実施例の極低温冷凍機用ターボ膨張機９０は第３図に
示すような逆プレイトンサイクルと呼ばれる一般的な極
低温冷凍機サイクルに利用できる。

第３図に示す極低温冷凍機は作動気体の流路９１、圧縮
機９２、本実施例のターボ膨張機９０、アフタークーラ
ー９４、冷却流体の流路９５、対向流熱交換器９６、冷
凍部９７から構成される。作動］１ 気体の流路９１にはヘリウム、ネオン、窒素ガスなどが
流れる。図示しないモータに連結された圧縮機９２で作
動気体は圧縮されアフタークーラー９４に流入して流路
９５を流れる冷却流体く水、空気等）によって作動気体
の圧縮熱が取り去られる。その後作動気体は対向流熱交
換器９６に流入して戻りの作動気体に冷却されてターボ
膨張機９０に流入する。ターボ膨張１１１９０は作動気
体の圧力エネルギー、速度エネルギーを吸収するので作
動気体は膨張して温度が低下する。すなわち冷凍効果を
発生する。そして作動気体は冷凍部９７に流入して被冷
却体９８を極低温の温度（−１７０℃から一２６９℃）
にて冷却する。その後作動気体は対向流熱交換器９６に
戻りの流入する作動気体を冷しながら圧縮機９２に戻る
。

「効果」 本発明の極低温冷凍機用ターボ膨張機は、密閉された軸
受室と、該軸受室の一部に開口するタビン孔と、極低温
作動気体を該タービン孔の出口側に供給する渦巻室と、
該タービン孔からの膨張した極低温作動気体を送出する
膨張室とを有するケーシングと、該軸受室内に気体軸受
によって支承されるとともに気体スラスト軸受によりス
ラスト方向に支承されたタービン軸と、タービン軸に固
定され一端が該タービン孔と微小な隙間をもって作動す
るタービンと、該タービン軸に保持される回転子と咳軸
受室内に該ケーシングによって固定された固定子とから
なる発電機と、該膨張室内に設【プられた第１抑制部と
該タービン軸に一体的に固定され第１抑制部と反発して
該タービン軸のスラスト方向の負荷を抑制する第２抑制
部とからなる負荷抑制部とからなることにより、ター・
ビン軸にスラスト方向に推力が働いても、この推力を相
殺する反力を加えて制御し、安定した高速回転が実現さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例の極低温冷凍機用ターボ膨張機を示す
断面図である。第２図は本実施例の極低温冷凍機用ター
ボ膨張機の制御部を示すブロックダイアグラムである。 第３図は本実施例のターボ膨張機を利用した極低温冷凍
機を示す説明図である。第４図は従来の極低温冷凍機用
ターボ膨張機を示す斜視図であり、第５図はそのタービ
ン部分の部分拡大断面図であり、第６図は第５図のＩＶ
ＩＶ矢視図である。 １・・・ケーシング　　　　　１ａ・・・軸受室１ｂ・
・・タービン孔　　　　１Ｃ・・・渦巻室１ｄ・・・膨
張室 ２・・・タービン軸　　　　　２１・・・気体軸受２２
・・・気体スラスト軸受 ３・・・タービン　　　　　　　４・・・同期発電機５
・・・負荷抑制部　　　　　５１・・・ボルト５２・・
・電磁石 ６・・・制御部 特許出願人　　アイシン精機株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）密閉された軸受室と、該軸受室の一部に開口する
   タービン孔と、極低温作動気体を該タービン孔の出口側
   に供給する渦巻室と、該タービン孔からの膨張した極低
   温作動気体を送出する膨張室とを有するケーシングと、 該軸受室内に気体軸受によって支承されるとともに気体
   スラスト軸受によりスラスト方向に支承されたタービン
   軸と、 該タービン軸に固定され一端が該タービン孔と微小な隙
   間をもって作動するタービンと、 該タービン軸に保持される回転子と該軸受室内に該ケー
   シングによって固定された固定子とからなる発電機と、 該膨脹室内に設けられた第１抑制部と該タービン軸に一
   体的に固定され第１抑制部と反発して該タービン軸のス
   ラスト方向の負荷を抑制する第２抑制部とからなる負荷
   抑制部と、 からなる極低温冷凍機用ターボ膨張機。