JPH02263061A - 極低温冷凍装置用ターボ膨張機 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は極低温冷凍装置用ターボ膨＠機に関する。

（従来の技術） 従来、ターボ膨張機をもつ極低温冷凍装置が知られてい
る。この極低温冷凍装置は、圧縮機で圧縮されたヘリウ
ム等の極低温用の作動流体の熱を除熱し、その作動流体
をターボ膨張機で膨張させ、そのときの吸熱に伴なう冷
凍を取出すことにしている。

この極低温冷凍装置用のターボ膨張機では、ハウジング
にタービン軸が回転自在に保持されており、そのタービ
ン軸の一端部にタービンが膨脹室に対面している。この
タービン軸はスラスト軸受を介してスラスト方向に支持
されている。

ここで、ターボ膨張機における作動流体の入口側での絶
対圧力をｐａとし、ハウジング内の絶対圧力をＰｂとし
、作動流体の膨張側つ、まり出口側での絶対圧力をｐｃ
とすると、Ｐａ＞Ｐｂ＞ＰＣの関係となる。そして、膨
張圧力比（Ｐａ／Ｐｃ）が大きくなると、タービン表裏
の差圧が増加し、タービンを支持するタービン軸にこれ
のスラスト方向に作用する推力が大ぎくなり過ぎ、ター
ビン軸を支持するスラスト軸受の負荷能力を越え、この
結果、タービン、タービン軸の回転が不規則となる。そ
のため、高い膨張圧力比で運転することが困難であった
。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記した問題に鑑み開発されたものであり、タ
ービン軸を保持する軸受に作用する負荷を軽減または無
くし、膨張圧力比を大きくした場合でも安定して運転で
きるように改善した極低温冷凍装置用ターボ膨張機を提
供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の極低温冷凍装置用ターボ膨張機は、軸受室と軸
受室の両端部に形成された膨脹室とをもつハウジングと
、ハウジングの軸受室に回転自在に保持されたタービン
軸と、タービン軸の一端部に保持され一方の膨脹室に対
面する第１タービンと、タービン軸の他喘部に保持され
他方の膨脹室に対面する第２タービンとで構成され、第
１タビンにこれのスラスト方向に生じる推力の方向と、
第２タービンにこれのスラスト方向に生じる推力の方向
とは互いに反対向きであることを特徴とするものである
。

第１タービンおよび第２タービンは、両者の推力を相殺
するという意味では同じ膨張圧力比が得られるタイプの
ものが望ましいが、膨張圧力比が異なるタイプのもので
もよい。なおターボ膨張機はインパルス型、リアクショ
ン型のいずれでもよい。

（作用） 作動流体が供給されると、第１タービン及び第２タービ
ンがタービン軸を介して回転する。そのため第１タービ
ンで作動流体が膨張され、第２タービンで作動流体が膨
張される。このとき、第１ターヒンにスラスト方向に生
じる推力の方向と、第２タービンにスラスト方向に生じ
る推力の方向とは反対向きである。

（実施例） 以下、本発明にかかる極低温冷凍装置用ターボ膨張機の
一実施例について説明する。

（実施例の構成） 即ち、本実施例の極低温冷凍装置用ターボ膨張機１３は
インパルス型であり、このターボ膨張機１３では第１図
に示すように、ハ１クジング２０は、円筒状の軸受室２
５を区画している。

次に上記したハウジング２０の一端部側についで説明す
る。ハウジング２０の一端部側には、軸受室２５を連通
する円形状の第１タービン孔２６、第１膨脹室２７が形
成されている。ハウジング２０の一端部側にリング部２
８が配設されており、リング部２８には渦巻き気味の第
１ノズル孔２９が形成されている。

更に第１図に示すようにハウジング２０の一端部側には
、管状の第１ノズル３３が配設されている。管状の第１
ノズル３３は冷凍ザイクルの作動流体を供給するもので
ある。ここで、管状の第１ノズル３３は所定開口面積の
第１ノズル通路３３ａを形成し、第１ノズル３３の先端
部３３ｂは室２０ａに対向するように配置されている。

更に、ハウジング２０の第１タービン孔２６には第１タ
ービン孔２６を区画する壁面と微小な隙間を有し第１タ
ービン３７が回転可能に配設されでいる。第２図に示す
ように第１タービン３７にはこれの周方向に所定間隔で
多数個のインペラ部３７ａが形成されている。

第１タービン３７は、このタービン軸３８の一端部に保
持されている。タービン軸３８は動圧気体軸受３９に保
持されている。この動圧気体軸受３９はティルティング
パッド型の動圧気体軸受であり、１０μｍ程度の気体膜
で支持するものであり、ハウジング２０に固定されたス
テム４０により保持されている。またタービン軸３８の
中腹部にフランジ部３８ａが径外方向へ形成されており
、フランジ部３８ａは気体スラスト軸受４２に対面して
支承されている。気体スラスト軸受４２はスパイラルグ
ループ型の動圧気体軸受である。気体スラスト軸受４２
はタービン軸３８のフランジ部３８ａをスラスト方向に
１０μｍ程度の気体膜で支持する。気体スラスト軸受４
２の負荷能力は、高速回転時の損失を少なくしタルビン
軸３８の高速回転を可能とするために、小さく設定され
ているものである。この気体スラスト軸受４２はピボッ
ト４３を介してジンバルリング４４に保持され、ざらに
このジンバルリング４４はピボット４５を介してステム
４６に、ひいてはハウジング２ｏに保持されている。

またこのタービン軸３８はその中腹部に同期発電機４８
の一部となる回転子４９をもつ。回転子４９には磁石が
埋設されている。またこの回転子４９と対向するように
軸受室２５内にはハウジング２０によって固定された固
定子５０があり、この固定子５０と回転子４９とが連携
して同期発電機４Ｂとして作用する。

次にハウジング２０の他端部側について説明する。ハウ
ジング２０の他端部側には、軸受室２５を連通する円形
状の第２タービン孔７６、第２膨脹室７７が形成されて
いる。ハウジング２ｏの他端部側にはリング部７８が配
設されており、第２図に示すようにリング部７８の一端
部には渦巻き気味の第２ノズル孔７９が形成されている
。

更に第１図に示すようにハウジング２０には、管状の第
２ノズル８３が配設されている。第２ノズル８３は冷凍
サイクルの熱交換器を経た作動流体を供給するものであ
る。ここで、第２ノズル８３は所定開口面積の第２ノズ
ル通路８３ａを形成し、第２ノズル８３の先端部８３ｂ
は室２０ｂに対向するように配置されている。

更に、ハウジング２０の第２タービン孔７６には第２タ
ービン孔７６を区画する壁面と微小な隙間を有し第２タ
ービン８７が回転可能に配設されている。

第１図に示すように第２タービン８７は、第１タービン
３７と反対側に位置してこのタービン軸３８の他端部に
保持されている。第２図に示すように第２タービン８７
には多数個のインペラ部８７ａが形成されている。

（実施例の作用） 上記したターボ膨張機１３の作用について説明する。即
ち、高圧の極低温用の作動流体は、第１図から明らかな
ように管状の第１ノズル３３の第１ノズル通路３３ａ、
室２０ａを経由して第１ノズル孔２９に流入する。この
結果、極低温作動流体の圧力エネルギが速度エネルギに
変換されて第１タービン３７のインペラ部３７ａに吹付
りられ、第１タービン３７はタービン軸３８とともに回
転する。その後、作動流体は第１膨脹室２７に膨張しつ
つ流出する。

同様に、管状の第２ノズル８３の第２ノズル通路８３ａ
を経た高圧の極低温用の作動流体は、第１図から明らか
なように管状の第２ノズル８３の第２ノズル通路８３ａ
１室２０ｂを経由して第２ノズル孔７９に流入する。こ
の結果、前述同様に、作動流体の圧力エネルギが速度エ
ネルギに変換されて第２タービン８７のインペラ部８７
ａに吹付けられ、第２タービン８７を回転させる。その
後、作動流体は第２膨脹室７７に流出する。

本実施例にかかるターボ膨張機１３では、作動流体の運
動エネルギは回転子４９と固定子５０とによって形成さ
れる同期発電機４８によって吸収される。

本実施例では第１タービン３７と第２タービン８７とで
回転されるタービン軸３８の回転数は極低温到達時には
致方ｒｐｍから数十万ｐｐｍにも達する。ここで、ハウ
ジング１の一端側における作動流体の入口つまり第１ノ
ズル通路３３ａにおける絶対圧力をＰａとし、軸受室２
５での絶対圧力をｐｂとし、膨脹室２７内での圧力をＰ
ｃとし、更に、第１タービン３７の外径をＤｔとし、及
び第１膨脹室２７への出口の内径を［）０とすると、第
１タービン３７にはこれの軸方向に推力（Ｆｑ）が作用
する。この推力（ＰＣＩ）は第２図において矢印に方向
に働く。

推力（Ｆにｌ）は次式のように表わされると考えられる
。

Ｆ（］＝　（π／４）Ｄｔ２　・Ｐｂ （（７ｒ／４）　　　（Ｄｔ２−［）ｏ２　）　・Ｐａ
＋（π／４）Ｄｏ２・ＰＣ） ただしＰａ＞Ｐｂ＞Ｐｃ、Ｄｔ＞Ｄ。

本実施例では、前記したように、気体スラスト軸受４２
の負荷能力はタービン軸３８の高速回転時の損失を少な
くするために小さく設定されているものである。そのた
め、膨張圧力比（ｒ＝ｐａ／ＰＣ）が例えば２以上にな
ると、従来技術の欄で説明したように気体スラスト軸受
４２の負荷能力よりも推力（ＦＯ）が大きくなり、ター
ビン軸３８のフランジ部３８ａが気体スラスト軸受４２
に固体接触してしまうおそれがある。

一方、ハウジング２０の他端側の第２ノズル通路８３ａ
における絶対圧力をｐａ−とし、軸受室２５での絶対圧
力をＰｂ”とし、第２膨脹室７７内での圧力をｐｃ−と
し、更に、第２タービン８７の外径をＤｔ′とじ、及び
第２膨脹室２７への出口の内径を［）０−とすると、第
２タービン８７にはこれの軸方向に推力（Ｆｑ−）が作
用する。

推力（ＦＣ１′）は前記した推力（「ｑ）と向きは反対
、つまり矢印Ｍ方向であるが、力の大きさは（Ｆｑ）の
場合と同様な式で算出され、（Ｆｇ）と同じである。

（実施例の効果） 以上説明したように本実施例では第１タービン３７にこ
れのスラスト方向に生じる推力の方向と、第２タービン
８７にこれのスラスト方向に生じる推力の方向とは反対
向きであり、両者の推力の大きさは同じである。従って
膨張圧力比（Ｐａ／ＰＣ）、膨張圧力比（Ｐａ−／ＰＣ
１が２以上であっても、タービン軸３８に作用する推力
を相殺することができる。したがって気体スラスト軸受
４２の円滑な軸受性能が確保され、よって第１タービン
３７、第２タービン８７の安定した回転を維持すること
ができる。

（適用例） 次に上記したターボ膨張機１３を適用した極低温冷凍装
置について説明する。この極低温冷凍装置は、第３図に
示すように逆プレイトンサイクルを使用したものであり
、極低温作動流体を圧縮するターボ圧縮機１０と、ター
ボ圧縮機１０で圧縮された作動流体の熱をとる放熱器１
１と、対向流熱交換器１２と、放熱器１１を経た作動流
体を膨張させるターボ膨張機１３と、ターボ膨張機１３
で膨張された作動流体の吸熱に伴う冷凍を取出す冷凍取
出部１４と、冷凍取出部１４に近設した被冷却体１５と
、これらをつなぐ流路１６とで構成とされている。

この極低温冷凍装置には作動流体としてヘリウム、ネオ
ン、窒素ガスなどが封入されている。そして、極低温冷
凍装置が運転されると図示しないモータに連結されたタ
ーボ圧縮機１０で作動流体は圧縮され放熱器１１に流入
する。そして、流路１７を流れる冷却流体（水、空気等
）によって作動流体の圧縮熱が取り去られる。その後、
作動流体は対向流熱交換器１２に流入し、戻りの作動流
体に冷却されてターボ膨張機１３に流入する。ターボ膨
張機１３で作動流体の圧力エネルギ、速度エネルギは吸
収されるので、作動流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。

そして冷凍効果を発生した作動流体は冷凍取出部１４に
流入して被冷却体１５を冷却する。その後、作動流体は
対向流熱交換器１２に流入し、ターボ膨張機１３に流入
する作動流体を冷しなからりボ圧縮８１０に戻る。この
サイクルが繰返されて被冷却体１５は極低温の温度（通
常−１７０’Ｃから一２６９°Ｃ）に冷却される。

［発明の効果］ 本発明の極低温冷凍装置用ターボ膨張機では、第１ター
ビンにこれのスラスト方向に生じる推力の方向と、第２
タービンにこれのスラスト方向に生じる推力の方向とは
反対向きである。従ってタービン軸に作用する推力は軽
減されるかあるいは相殺される。よって膨張圧力比が大
きくなっても、タービン軸を受ける軸受に作用する負荷
を軽減または相殺して無くすることができる。したがっ
て膨張圧力比が大きくなっても軸受の軸受性能が良好な
状態に維持され、第１タービン、第２タービンの安定し
た回転を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図はタボ膨張機の
断面図であり、第２図は第１タービンの平面図である。 第３図は適用例を示す極低温冷凍装置の模式構成図であ
る。 図中、１０は圧縮機、１１は放熱器、１３はターボ膨張
機、１４は冷凍取出部、２０はハウジング、３７は第１
タービン、３８はタービン軸、８７は第２タービンを示
す。 特許出願人　　　アイシン精機株式会社代理人　　　　
弁理士　大川　宏 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）軸受室と前記軸受室の両端部に形成された膨脹室
   とをもつハウジングと、前記ハウジングの軸受室に回転
   自在に軸受を介して保持されたタービン軸と、前記ター
   ビン軸の一端部に保持され一方の膨脹室に対面する第１
   タービンと、前記タービン軸の他端部に保持され他方の
   膨脹室に対面する第２タービンとで構成され、 前記第１タービンにこれのスラスト方向に生じる推力の
   方向と、第２タービンにこれのスラスト方向に生じる推
   力の方向とは互いに反対向きであることを特徴とする極
   低温冷凍装置用ターボ膨脹機。