JPH02263063A - Supercryogenic refrigerating machine - Google Patents

Supercryogenic refrigerating machine

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Publication number
JPH02263063A
JPH02263063A JP8305089A JP8305089A JPH02263063A JP H02263063 A JPH02263063 A JP H02263063A JP 8305089 A JP8305089 A JP 8305089A JP 8305089 A JP8305089 A JP 8305089A JP H02263063 A JPH02263063 A JP H02263063A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
working fluid
nozzle
temperature
turbine
nozzle passage
Prior art date
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Pending
Application number
JP8305089A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuujirou Watanabe
渡辺 雄治郎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to JP8305089A priority Critical patent/JPH02263063A/en
Publication of JPH02263063A publication Critical patent/JPH02263063A/en
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Abstract

PURPOSE:To shorten the time for the cooling down to a specified level of supercryogenic temperature by providing a means for altering the opening of a nozzle passageway in area and b increasing by mans of this means the opening of the nozzle passageway in area when the temperature of the actuating fluid is high. CONSTITUTION:When the operation is started with actuating fluid at a high temperature, that is, at room temperature, a valve 36 is actuated to open the first nozzle passageway 33a in a first nozzle 33 so that the actuating fluid is ejected into a first nozzle opening 29 also from the first nozzle passageway 33a. Although the high temperature makes the flow of the actuating fluid larger in valume than at a supercryogenic temperature level, the actuating fluid is given a passage with an increased area, since it passes through both the first nozzle passageway 33a and a second nozzle passageway 34a. This increase in area of the passage makes it possible, even at the start-up, to pass the actuating fluid at the same mass flow rate (m1) a at a supercryogenic temperature level while the expansion-pressure ratio is held smaller than the critical expansion-pressure ratio. As a result, a considerable cut can be achieved in the time for the cooling from the room temperature to a supercryogenic point.

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明はターボ膨張機をもつ極低温冷凍装置に関する。[Detailed description of the invention] [Purpose of the invention] (Industrial application field) The present invention relates to a cryogenic refrigeration system with a turboexpander.

(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
ム等の極低混用の作動流体の熱を放熱器でとり、放熱器
を経た作動流体をターボ膨張機で膨張させ、膨張した作
動流体の吸熱に伴う冷凍を冷凍取出部で取出すことにし
ている。
(Prior Art) Conventionally, cryogenic refrigeration equipment having a turbo expander is known. This cryogenic refrigeration equipment uses a radiator to absorb the heat of a working fluid with extremely low content, such as helium, compressed by a compressor.The working fluid that has passed through the radiator is then expanded by a turbo expander, and the expanded working fluid absorbs heat. The frozen food will be taken out at the freezer removal section.

この極低温冷凍装置で使用されているターボ膨張機は、
タービン孔をもつハウジングと、ハウジングのタービン
孔にタービン軸を介して支持されたタービンとを備えて
いる。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。
The turbo expander used in this cryogenic refrigeration equipment is
It includes a housing having a turbine hole, and a turbine supported in the turbine hole of the housing via a turbine shaft. The turbine shaft is supported in the thrust direction via a thrust bearing.

そして圧縮機で圧縮され放熱器で除熱された高圧の作動
流体を入口側からタービンに噴出してタービンを回転さ
せて作動流体を膨張させる。
The high-pressure working fluid compressed by the compressor and heat removed by the radiator is injected from the inlet side to the turbine, causing the turbine to rotate and expanding the working fluid.

ここで、ターボ膨張機における作動流体の入口側での絶
対げ力を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、タービンを支持
するタービン軸に作用する推力が大きくなり過ぎ、ター
ビン軸をこれのスラスト方向に支持するスラスト軸受の
負荷能力を越え、タービンやタービン軸の回転が不規則
となる。ここで従来のターボ膨張機では、このスラスト
軸受の負荷能力が限界となる膨張圧力比(r=Pa/P
c)を限界膨張圧力比(rcr)と称している。
Here, if the absolute force on the inlet side of the working fluid in the turbo expander is pa, the absolute pressure inside the housing is pb, and the absolute pressure on the expansion side, that is, the outlet side, of the working fluid is PC, then pa>pb > pC. When the expansion pressure ratio (Pa/Pc) increases, the thrust acting on the turbine shaft that supports the turbine becomes too large, exceeding the load capacity of the thrust bearing that supports the turbine shaft in its thrust direction, and the turbine The rotation of the shaft becomes irregular. In conventional turbo expanders, the expansion pressure ratio (r=Pa/P
c) is called the critical expansion pressure ratio (rcr).

(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において、ターボ膨張機に供
給される質量流量と膨張圧力比(r=Pa/PC)との
関係は第4図に示されている。第4図の特性線x1は作
動流体の温度が極低温到達時の場合を示すものであり、
第4図の特性線X2は作動流体の温度が室温時の場合を
示すものである。第4図の特性線x1で示すように、質
量流量m1のときには上記した極低温到達時における膨
張圧力比はrlである。この膨張圧力比(rl)は上記
した限界膨張圧力比(rcr)の値よりも小さく設定さ
れている。その理由は、膨張圧力比が限界膨張圧力比(
rcr)を越えると、前記したように、タービン軸に作
用する推力が過剰に増し、タービン、タービン軸の回転
が阻害されるからである。
(Problem to be Solved by the Invention) In the turbo expander as described above, the relationship between the mass flow rate supplied to the turbo expander and the expansion pressure ratio (r=Pa/PC) is shown in FIG. . The characteristic line x1 in FIG. 4 shows the case when the temperature of the working fluid reaches an extremely low temperature.
The characteristic line X2 in FIG. 4 shows the case where the temperature of the working fluid is room temperature. As shown by the characteristic line x1 in FIG. 4, when the mass flow rate is m1, the expansion pressure ratio when the cryogenic temperature is reached is rl. This expansion pressure ratio (rl) is set smaller than the above-mentioned limit expansion pressure ratio (rcr). The reason is that the expansion pressure ratio is the critical expansion pressure ratio (
rcr), as described above, the thrust acting on the turbine shaft increases excessively, and the rotation of the turbine and the turbine shaft is inhibited.

ところで、極低温冷凍装置の運転開始時には作動流体の
温度は高温であり室温に近いものでおる。
By the way, when the cryogenic refrigeration system starts operating, the temperature of the working fluid is high and close to room temperature.

ここで作動流体の体積は基本的には絶対温度の値に比例
して大きくなるため、同じ質量流1m1であっても運転
開始時における作動流体の体積流量は低温到達時に比較
して著しく増加する。
Here, the volume of the working fluid basically increases in proportion to the value of the absolute temperature, so even if the mass flow is the same 1 ml, the volumetric flow rate of the working fluid at the start of operation increases significantly compared to when the temperature reaches a low temperature. .

ここでターボ膨張機で得られる膨張圧力比の大きさは、
ターボ膨張機に供給される作動流体の体積流量の増加に
伴い大きくなる。従って、第4図の特性線X2に示すよ
うに、室温時に質量流量m1ぶんターボ膨張機に供給し
た場合には、膨張圧力比(Pa/Pc)がr2となり、
限界膨張圧力比(rcr)を越えてしまい、タービンを
支持するタービン軸に作用する推力が大きくなって、そ
の推力がスラスト軸受の負荷能力を越え、タービンの回
転の円滑性が害される。
Here, the size of the expansion pressure ratio obtained with the turbo expander is:
It increases as the volumetric flow rate of the working fluid supplied to the turbo expander increases. Therefore, as shown by the characteristic line X2 in FIG. 4, when a mass flow rate m1 is supplied to the turbo expander at room temperature, the expansion pressure ratio (Pa/Pc) becomes r2,
The critical expansion pressure ratio (rcr) is exceeded, and the thrust acting on the turbine shaft supporting the turbine becomes large, exceeding the load capacity of the thrust bearing, and the smoothness of rotation of the turbine is impaired.

そのため、従来の極低温冷凍装置で使用されるターボ膨
張機では、作動流体が高温である運転開始時には、第4
図の特性線×2から明らかなように質量流量をmlから
m2へと減らして膨張圧力比をr2−とじ、そして作動
流体の温度が降下して極低温に近づくにつれて作動流体
の質量流量をm2からmlへと増加していくことにして
いる。
Therefore, in the turbo expander used in conventional cryogenic refrigeration equipment, at the start of operation when the working fluid is high temperature, the fourth
As is clear from the characteristic line ×2 in the figure, the mass flow rate is reduced from ml to m2, the expansion pressure ratio is set to r2-, and as the temperature of the working fluid decreases and approaches cryogenic temperature, the mass flow rate of the working fluid is reduced to m2. We plan to increase the amount from ml to ml.

このように従来の極低温冷凍装置では、運転開始時には
ターボ膨張機に供給する作動流体の質量流量をmlから
m2へと減らさざるを得ないために、所定の極低温度域
に冷却するクールダウンに非常に長い時間を要する問題
がある。
In this way, in conventional cryogenic refrigeration equipment, the mass flow rate of the working fluid supplied to the turbo expander must be reduced from ml to m2 at the start of operation, so a cool-down process is required to cool the fluid to a predetermined cryogenic temperature range. There is a problem that takes a very long time.

本発明は上記問題に鑑み開発されたもので、所定の極低
温度域に冷却するクールダウンに要する時間を短縮する
のに有利な極低温冷凍装置を提供することにある。
The present invention was developed in view of the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a cryogenic refrigeration system that is advantageous in shortening the time required for cooling down to a predetermined cryogenic temperature range.

[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は、極低温作動流体を圧縮する
圧縮機と、圧縮機で圧縮された作動流体の熱をとる放熱
器と、放熱器を経た作動流体を膨張させるターボ膨張機
と、ターボ膨張機で膨張されだ作動流体の吸熱に伴う冷
凍を取出す冷凍取出部とで構成とされ、 ターボ膨張機は、タービン孔をもつハウジングと、ハウ
ジングのタービン孔に配設され回転可能なタービンと、
ハウジングに配設されタービンを回転させる作動流体を
タービンに噴出するノズル通路と、ノズル通路の開口面
積を可変とする開口面積可変部材とで構成され、作動流
体の温度が高温のとき開口面積可変部材によりノズル通
路の開口面積を増すようにしたことを特徴とするもので
ある。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) The cryogenic refrigeration apparatus of the present invention includes a compressor that compresses a cryogenic working fluid, a radiator that takes heat from the working fluid compressed by the compressor, It is composed of a turbo expander that expands the working fluid that has passed through the radiator, and a refrigeration take-out section that takes out the frozen working fluid that has been expanded by the turbo expander as it absorbs heat. , a rotatable turbine disposed in a turbine hole of the housing;
It consists of a nozzle passage disposed in the housing that injects working fluid to the turbine to rotate the turbine, and a variable opening area member that changes the opening area of the nozzle passage, and when the temperature of the working fluid is high, the variable opening area member This feature is characterized in that the opening area of the nozzle passage is increased.

開口面積可変部材はノズル通路の開口面積を可変とする
ものであればよく、その構造は必要に応じて適宜選択で
きる。例えば、ノズル通路を適数個形成し、そのうち少
なくとも1個のノズル通路を開閉する開口面積可変部材
としての開閉バルブ、開閉ウィングを設(プることがで
きる。
The variable opening area member may be any member that allows the opening area of the nozzle passage to be varied, and its structure can be appropriately selected as necessary. For example, an appropriate number of nozzle passages may be formed, and an opening/closing valve or opening/closing wing may be provided as a variable opening area member for opening and closing at least one of the nozzle passages.

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。
Note that the turbo expander may be either an impulse type or a reaction type.

(作用〉 作動流体の温度が高温のときには、開口面積可変部材に
よりノズル通路の開口面積を増し、作動流体の流路面積
を増す。
(Operation) When the temperature of the working fluid is high, the opening area variable member increases the opening area of the nozzle passage, increasing the flow path area of the working fluid.

(実施例) (1)第1実施例 以下本発明の極低温冷凍装置の第1実施例について説明
する。
(Embodiments) (1) First Embodiment A first embodiment of the cryogenic refrigeration apparatus of the present invention will be described below.

先ず極低温冷凍装置の全体構成から説明し、その後、要
部構成であるターボ膨張機について説明する。
First, the overall structure of the cryogenic refrigeration system will be explained, and then the main structure, the turbo expander, will be explained.

この極低温冷凍装置は、第1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11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。
This cryogenic refrigeration system uses a reverse Preyton cycle as shown in Fig. 1, and includes a turbo compressor 10 that compresses a cryogenic working fluid, and a a radiator 11 that takes the heat, a counterflow heat exchanger 12, a turbo expander 13 that expands the working fluid that has passed through the radiator 11, and a refrigeration extractor that takes out the frozen working fluid that is expanded by the turbo expander 13 as it absorbs heat. 14, a cooled object 15 located close to the frozen extraction section 14, and a flow path 16 connecting these.

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
し、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、作動流体は吸熱しつつ膨張して温度が低下する。す
なわち冷凍効果を発生する。
This cryogenic refrigeration equipment is filled with helium, neon, nitrogen gas, etc. as a working fluid. When the cryogenic refrigeration system is operated, the working fluid is compressed by the turbo compressor 10 connected to a motor (not shown), flows into the radiator 11, and is operated by the cooling fluid (water, air, etc.) flowing through the flow path 17. The heat of compression of the fluid is removed. The working fluid then enters the counterflow heat exchanger 12 and is cooled by the returning working fluid before entering the turboexpander 13 . Since the pressure energy and velocity energy of the working fluid are absorbed by the turbo expander 13, the working fluid expands while absorbing heat, and its temperature decreases. In other words, a freezing effect is generated.

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ターボ圧縮は10に戻る。こ
のザ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℃)に冷却される。
The working fluid that has generated the freezing effect flows into the frozen extraction section 14 and cools the object 15 to be cooled. The working fluid then enters the counterflow heat exchanger 12 to cool the working fluid entering the turbo expander 13 and turbo compression returns to 10. This cycle is repeated and the object to be cooled 15 reaches an extremely low temperature (
It is usually cooled to -170'C to -269°C.

次に要部構成について第2図〜第4図を参照して説明す
る。即ち、本実施例の極低温冷凍装置用ターボ膨張機1
3はインパルス型であり、このターボ膨張機13では第
2図に示すように、ハウジング20は、円筒状の軸受室
25を区画する第1ハウジング部21と、第1ハウジン
グ部21に連設された第2ハウジング部22と、第1ハ
ウジング部21に連設された第3ハウジング部23とで
形成されている。ハウジング20には、軸受室25を形
成する側壁の一部に円形状のタービン孔26が形成され
、前記冷凍取出部14につながる膨張室27が形成され
ている。第3図に示すようにハウジング20にはリング
体28が配設されており、リング体28の一端部には渦
巻き気味の第1ノズル孔29が形成されているともに、
リング体28の他端部には渦巻き気味の第2ノズル孔3
0が形成されている。
Next, the configuration of main parts will be explained with reference to FIGS. 2 to 4. That is, the turbo expander 1 for cryogenic refrigeration equipment of this embodiment
3 is an impulse type turbo expander 13, as shown in FIG. It is formed of a second housing part 22 and a third housing part 23 connected to the first housing part 21. In the housing 20, a circular turbine hole 26 is formed in a part of a side wall forming a bearing chamber 25, and an expansion chamber 27 connected to the frozen extraction section 14 is formed. As shown in FIG. 3, a ring body 28 is disposed in the housing 20, and a spiral first nozzle hole 29 is formed at one end of the ring body 28.
A spiral second nozzle hole 3 is provided at the other end of the ring body 28.
0 is formed.

更に第3図に示すようにハウジング20には、第1ノズ
ル33、第2ノズル34が互いに対向する位置にハウジ
ング20の周方向にそって並設されている。第1ノズル
33、第2ノズル34は前記した逆プレイトンサイクル
の熱交換器12を経た作動流体を供給するものである。
Furthermore, as shown in FIG. 3, a first nozzle 33 and a second nozzle 34 are arranged in parallel along the circumferential direction of the housing 20 at positions facing each other. The first nozzle 33 and the second nozzle 34 supply the working fluid that has passed through the heat exchanger 12 of the reverse Preyton cycle described above.

ここで、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2ノズル34は所定開口面積の第
2ノズル通路34aを形成する。第1ノズル33の先端
部33bは第1ノズル孔29に対向するように配置され
ている。第2ノズル34の先端部34bは第2ノズル孔
30に対向するように配置されている。第2図に示すよ
うに第1ノズル33には、第1ノズル通路33aを開閉
する開口面積可変部材としての開閉バルブ36が設けら
れている。
Here, the first nozzle 33 forms a first nozzle passage 33a with a predetermined opening area, and the second nozzle 34 forms a second nozzle passage 34a with a predetermined opening area. The tip 33b of the first nozzle 33 is arranged to face the first nozzle hole 29. The tip 34b of the second nozzle 34 is arranged to face the second nozzle hole 30. As shown in FIG. 2, the first nozzle 33 is provided with an opening/closing valve 36 as a variable opening area member that opens and closes the first nozzle passage 33a.

更に、ハウジング20のタービン孔26にはタービン孔
26を区画する壁面と微小な隙間を有しタービン37が
回転可能に配設されている。第3図に示すようにタービ
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。
Furthermore, a turbine 37 is rotatably disposed in the turbine hole 26 of the housing 20 with a small gap between the turbine hole 26 and the wall surface that partitions the turbine hole 26 . As shown in FIG. 3, a large number of impeller portions 37a are formed in the turbine 37 at predetermined intervals in the circumferential direction thereof.

更に第2図に示すようにタービン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。
Furthermore, as shown in FIG. 2, a turbine 37 is held at one end of this turbine shaft 38. The turbine shaft 38 is held by a hydrodynamic gas bearing 39.

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、ハウジング20に固定されたステム4
0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、7ラ
ンク部38aは気体スラスト軸受42にに対面して支承
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1
0μm程度の気体膜で支持する。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
なくし高速回転に適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、さらにこのジン
バルリング44はピボット45を介してステム46に保
持されている。
This hydrodynamic gas bearing 39 is a tilting pad type hydrodynamic gas bearing, and is attached to a stem 4 fixed to the housing 20.
It is held by 0. Further, a flange portion 38a is formed in the midsection of the turbine shaft 38 in a radially outward direction, and the seventh rank portion 38a is supported facing the gas thrust bearing 42. The gas' thrust bearing 42 is a spiral group type hydrodynamic gas bearing. The gas thrust bearing 42 supports the flange portion 38a of the turbine shaft 38 in the thrust direction.
Supported by a gas film of approximately 0 μm. Gas thrust bearing 42
The load capacity of the turbine shaft 38 is set small in order to reduce loss during high-speed rotation of the turbine shaft 38 and to be suitable for high-speed rotation. This gas thrust bearing 42 is held by a gimbal ring 44 via a pivot 43, and this gimbal ring 44 is further held by a stem 46 via a pivot 45.

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
して同期発電は48として作用する。
Moreover, this turbine shaft 38 has a synchronous generator 48 installed in its midsection.
The rotor 49 is a part of the rotor 49. A magnet is embedded in the rotor 49. Further, there is a stator 50 fixed by the housing 20 in the bearing chamber 25 so as to face the rotor 49, and the stator 50 and the rotor 49 work together to perform synchronous power generation 48.

上記したターボ膨張機13の作用について説明する。先
ず、説明の便宜上、極低温となった極低温到達時につい
て説明する。即ち、極低温到達時には開閉バルブ36が
閉じられて第1ノズル通路33aが閉じているので、逆
プレイトンサイクルのターボ圧縮1110を経た高圧の
極低温作動流体は、第3図から明らかなように第2ノズ
ル34の第2ノズル通路34a、室20aを経由して第
2ノズル孔30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タービン3
7のインペラ部37aに吹付けられ、タービン37をタ
ービン軸3Bとともに回転させる。その後、第2図から
明らかなように、作動流体は膨張室27に流出する。こ
こでタービン軸38は動圧気体軸受39により10μ程
度の気体膜で支持されている。
The operation of the above-mentioned turbo expander 13 will be explained. First, for convenience of explanation, a description will be given of the time when the extremely low temperature is reached. That is, when the cryogenic temperature is reached, the on-off valve 36 is closed and the first nozzle passage 33a is closed, so that the high-pressure cryogenic working fluid that has passed through the turbo compression 1110 of the reverse Preyton cycle is as shown in FIG. It flows into the second nozzle hole 30 via the second nozzle passage 34a of the second nozzle 34 and the chamber 20a. As a result, the pressure energy of the cryogenic working fluid is converted into velocity energy and the turbine 3
7 and rotates the turbine 37 together with the turbine shaft 3B. Thereafter, the working fluid flows out into the expansion chamber 27, as is clear from FIG. Here, the turbine shaft 38 is supported by a hydrodynamic gas bearing 39 with a gas film of about 10 μm.

また本実施例にかかるターボ膨張機]3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。このター
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rpmにも達する。
Further, in the turbo expander] 3 according to this embodiment, the kinetic energy of the working fluid is absorbed by the synchronous generator 48 formed by the rotor 49 and the stator 50. The rotational speed of this turbine shaft 38 reaches from 0.5 rpm to several hundreds of thousands of rpm when the temperature reaches an extremely low temperature.

ここで、作動流体の入口つまり第2ノズル通路34a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、膨張室27内での圧力をpcとし、更にター
ビン37の外径をDtとし、及び膨張室27への出口の
内径を[)0とすると、タービン軸38にはこれの軸方
向に推力(FO)が作用する。この推力(Fq)は第2
図において矢印に方向に働く。
Here, the absolute pressure at the working fluid inlet, that is, the second nozzle passage 34a is Pa, the absolute pressure in the bearing chamber 25 is Pb, the pressure in the expansion chamber 27 is pc, and the outer diameter of the turbine 37 is Dt. Assuming that the inner diameter of the outlet to the expansion chamber 27 is [)0, a thrust (FO) acts on the turbine shaft 38 in its axial direction. This thrust (Fq) is the second
Acts in the direction of the arrow in the figure.

推力(PCI)は次式のように表わされると考えられる
The thrust (PCI) is considered to be expressed as the following equation.

FCl−(π/4>Dt2・Pb −((yr/4)   (Dt2−DO2)−Pa十(
π/4)Do2・Pc) ただしpa>Pb>PC,Dt>[)0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(Fg)が大きくなり、タービン軸38の7ラ
ンク部38aが気体スラスト軸受42に固体接触してし
まう。
FCl-(π/4>Dt2・Pb-((yr/4) (Dt2-DO2)-Pa0(
π/4)Do2・Pc) However, pa>Pb>PC, Dt>[)0 In this embodiment, as described above, the load capacity of the gas thrust bearing 42 is set to reduce the loss when the turbine shaft 38 rotates at high speed. This is set to a small value. Therefore, the expansion pressure ratio (
When r=Pa/Pc) becomes, for example, 2 or more, the thrust (Fg) becomes larger than the load capacity of the gas thrust bearing 42, as explained in the prior art section, and the 7th rank portion 38a of the turbine shaft 38 becomes gas thrust This results in solid contact with the bearing 42.

本実施例では作動流体の温度が高温つまり室温である運
転開始時には、開閉バルブ36を開放作動させて第1ノ
ズル33の第1ノズル通路33aを開放し、第1ノズル
通路33aからも第1ノズル孔29に作動流体を噴出す
る。このため作動流体は、高温であるため極低温到達時
に比較して体積流量が増加しているものの、その作動流
体は第1ノズル通路33aと第2ノズル通路34aの双
方を通過するので、流路面積が増加する。このように流
路面積が増加した場合には、第4図に特性線X3に示す
ように所定の質量流量m1を流してもその膨張圧力比は
r3となり、限界膨張圧力比rcrよりも小さくなる。
In this embodiment, at the start of operation when the temperature of the working fluid is high, that is, room temperature, the opening/closing valve 36 is opened to open the first nozzle passage 33a of the first nozzle 33, and the first nozzle passage 33a is also connected to the first nozzle. A working fluid is ejected into the hole 29. Therefore, since the working fluid is at a high temperature, the volumetric flow rate is increased compared to when it reaches the cryogenic temperature, but the working fluid passes through both the first nozzle passage 33a and the second nozzle passage 34a, so the flow path Area increases. When the flow path area increases in this way, even if a predetermined mass flow rate m1 flows, the expansion pressure ratio becomes r3, which is smaller than the critical expansion pressure ratio rcr, as shown by the characteristic line X3 in FIG. .

以上説明したように本実施例では作動流体の温度が室温
付近と高く作動流体の体積流量が増加する運転開始時に
は、開閉バルブ36の開放により作動流体の流路面積を
増加させ得る。従って、運転開始時においても、膨張圧
力比(r)を限界膨張圧力比(rcr)の値よりも小さ
く抑えつつ極低温到達時と同じ質量流量m1を流すこと
ができる。そのため従来に比べて、室温から極低温に冷
却するまでのクールダウン時間を大幅に短縮することが
できる。例えば従来8時間型していたものが2時間とな
る。
As described above, in this embodiment, at the start of operation when the temperature of the working fluid is high near room temperature and the volumetric flow rate of the working fluid increases, the flow path area of the working fluid can be increased by opening the on-off valve 36. Therefore, even at the start of operation, it is possible to flow the same mass flow rate m1 as when the cryogenic temperature is reached, while suppressing the expansion pressure ratio (r) to a value lower than the limit expansion pressure ratio (rcr). Therefore, compared to conventional methods, the cool-down time from room temperature to extremely low temperature can be significantly shortened. For example, what used to be 8 hours will now be 2 hours.

尚、開閉バルブ36を除去して第1ノズル通路33aと
第2ノズル通路34aを運転開始時の他に極低温到達時
においても使用することが考えられるが、これでは体積
流量が減っているにもかかわらず、流路面積が大きすぎ
、極低温到達時に圧力比が小さくなりすぎ、極低温冷凍
装置全体の冷凍効率が著しく低下してしまう問題がある
。本実施例では極低温到達時には開閉バルブ36を閉じ
、流路面積を所要値にするので、かかる問題が生じない
It is conceivable to remove the on-off valve 36 and use the first nozzle passage 33a and the second nozzle passage 34a not only at the start of operation but also when the cryogenic temperature is reached, but this would reduce the volumetric flow rate. However, there is a problem in that the flow path area is too large, the pressure ratio becomes too small when the cryogenic temperature is reached, and the refrigerating efficiency of the entire cryogenic refrigeration apparatus is significantly reduced. In this embodiment, when the extremely low temperature is reached, the on-off valve 36 is closed and the flow path area is set to the required value, so this problem does not occur.

なお、開閉バルブ36は制御部によりマグネット等で自
動で開閉しても、手動で開閉してもよいものである。さ
らに上記した実施例の構成に加えてハウジング20には
第2ノズル通路34a内の圧力Paを検出する圧力セン
サ、軸受室25内の圧力pbを検出する圧力センサ、膨
張室27の圧力pcを検出する圧力センサを設けること
もできる。そして各圧力センサによって測定される絶対
圧力pa、pb、pcの値に応じて開閉バルブ36の開
放作動を制御部で自動制御する構成とすることもできる
The opening/closing valve 36 may be opened and closed automatically by the control unit using a magnet or the like, or may be opened and closed manually. Furthermore, in addition to the configuration of the embodiment described above, the housing 20 includes a pressure sensor that detects the pressure Pa in the second nozzle passage 34a, a pressure sensor that detects the pressure pb in the bearing chamber 25, and a pressure sensor that detects the pressure pc in the expansion chamber 27. A pressure sensor can also be provided. It is also possible to adopt a configuration in which the control section automatically controls the opening operation of the on-off valve 36 according to the values of the absolute pressures pa, pb, and pc measured by the respective pressure sensors.

(2)他の実施例 本発明の他の実施例にかかるターボ膨張[60を第5図
〜第7図に示す。第5図〜第7図に示す実施例にかかる
ターボ膨張IJ60はリアクション型のものであり、ハ
ウジング61と、タービン62と、渦巻き状の外側の第
1ノズル通路63と、渦巻き状の内側の第2ノズル通路
64と、第1ノズル通路63及び第2ノズル通路64を
区画するスクロール壁65とで形成されている。第1ノ
ズル通路63及び第2ノズル通路64はハウジング20
の径方向に並設されているものである。第7図に第1ノ
ズル通路63のボート63a1第2ノズル通路64のボ
ート64aを示す。第1ノズル通路63のボート63a
は開口面積可変部材としての開閉バルブ66で開閉可能
である。
(2) Other Embodiments A turbo expansion system [60] according to another embodiment of the present invention is shown in FIGS. 5 to 7. The turbo expansion IJ 60 according to the embodiment shown in FIGS. 5 to 7 is of a reaction type, and includes a housing 61, a turbine 62, a spiral outer first nozzle passage 63, and a spiral inner first nozzle passage. It is formed of two nozzle passages 64 and a scroll wall 65 that partitions the first nozzle passage 63 and the second nozzle passage 64. The first nozzle passage 63 and the second nozzle passage 64 are connected to the housing 20
are arranged in parallel in the radial direction. FIG. 7 shows a boat 63a of the first nozzle passage 63 and a boat 64a of the second nozzle passage 64. Boat 63a of first nozzle passage 63
can be opened and closed by an opening/closing valve 66 as a variable opening area member.

この実施例においては極低温到達時には開閉バルブ66
が閉じており、従って第1ノズル通路63のポート63
aが閉じているので、作動流体は内側の第2ノズル通路
64のみを渦巻き状に通過する。そして、作動流体の圧
力エネルギが速度工ネルギに変換されてタービン62に
吹付けられる。
In this embodiment, when the cryogenic temperature is reached, the on-off valve 66
is closed, therefore the port 63 of the first nozzle passage 63
Since a is closed, the working fluid passes only through the inner second nozzle passage 64 in a spiral manner. The pressure energy of the working fluid is then converted into velocity energy and blown to the turbine 62.

そのためタービン62はタービン軸38とともに回転し
、これにより作動流体は吸熱しつつ膨張して、吸熱に伴
い作動流体の温度が低下し、冷凍が発生する。このとき
前記した実施例と同様に、作動流体の圧力エネルギおよ
び速度エネルギは囲路の発電機により吸収される。
Therefore, the turbine 62 rotates together with the turbine shaft 38, and as a result, the working fluid expands while absorbing heat, and the temperature of the working fluid decreases due to the heat absorption, causing refrigeration. As in the previous embodiment, the pressure and velocity energy of the working fluid is then absorbed by the generator in the enclosure.

第2実施例においても、極低温到達時には質量流im1
の作動流体が第2ノズル通路64を介してタービン62
に流れるものであるが、作動流体の温度が高温つまり室
温である運転開始時には、開閉バルブ66を開放作動さ
せて第1ノズル通路63のポート63aを開放し、流路
面積を増加させる。
Also in the second embodiment, when the cryogenic temperature is reached, the mass flow im1
The working fluid passes through the second nozzle passage 64 to the turbine 62 .
However, at the start of operation when the temperature of the working fluid is high, that is, room temperature, the opening/closing valve 66 is operated to open the port 63a of the first nozzle passage 63, thereby increasing the flow passage area.

このため作動流体の温度が高温である運転開始時には、
作動流体は第1ノズル通路63と第2ノズル通路64の
双方を通過するので、流路面積が極低温到達時に比較し
て約2倍に増加する。
Therefore, at the start of operation when the temperature of the working fluid is high,
Since the working fluid passes through both the first nozzle passage 63 and the second nozzle passage 64, the flow passage area increases approximately twice as compared to when the cryogenic temperature is reached.

このように流路面積か増加した場合には、第4図の特性
線X3に示すように所定の質量流量m1を流してもその
膨張圧力比(r=Pa/Pc)はr3となり、限界膨張
圧力比rCrよりも小さくなる。従って前記した第1実
施例と同様に、タービン軸38に作用する推力を抑える
ことができ、タービン62、タービン軸38の安定した
回転は維持される。
When the flow path area increases in this way, as shown by the characteristic line It becomes smaller than the pressure ratio rCr. Therefore, similarly to the first embodiment described above, the thrust acting on the turbine shaft 38 can be suppressed, and stable rotation of the turbine 62 and the turbine shaft 38 can be maintained.

上記したように第2実施例では室温時においても極低温
到達時と同様に、タービン62の回転に支障を来たすこ
となく所定の質量流ff1m1を流し得るので、室温か
ら極低温に冷却するまでのクールダウン時間を大幅に短
縮することができる。
As described above, in the second embodiment, even at room temperature, the predetermined mass flow ff1ml can flow without hindrance to the rotation of the turbine 62, just as when reaching a cryogenic temperature. Cooldown time can be significantly reduced.

なお、上記した各実施例では第1ノズル通路と第2ノズ
ル通路との2個が並設されているが、これに限らず、ハ
ウジングの周方向あるいは径方向にノズル通路を3個以
上並設し、そのうち少なくとも1個のノズル通路に開閉
バルブを設けてもよいものである。
In addition, in each of the above embodiments, two nozzle passages, the first nozzle passage and the second nozzle passage, are arranged in parallel, but the invention is not limited to this, and three or more nozzle passages can be arranged in parallel in the circumferential direction or radial direction of the housing. However, at least one of the nozzle passages may be provided with an on-off valve.

その他、本発明は上記しかつ図面に示した実施例にのみ
限定されるものではなく、例えば圧縮機はターボ圧縮機
に限らずピストンタイプの圧縮機でもよく、必要に応じ
て適宜変更して実施し得るものである。
In addition, the present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings; for example, the compressor is not limited to a turbo compressor, but may be a piston type compressor, and can be implemented with appropriate modifications as necessary. It is possible.

[発明の効果] 本発明の極低温冷凍装置では、ターボ膨張機に作動流体
を供給するにあたり、同じ質量流量であっても体積流量
が増加する運転開始時には、開口面積可変部材によりノ
ズル通路の流路面積を増加させ得る。そのため、ターボ
膨張機の膨張圧力比を限界膨張圧力比の値よりも小さく
抑えつつ低温到達時と同じ質量流量を流すことができる
。そのため室温から極低温に冷却するまでのクールダウ
ン時間を大幅に短縮することかできる。
[Effects of the Invention] In the cryogenic refrigeration system of the present invention, when supplying working fluid to the turbo expander, at the start of operation when the volumetric flow rate increases even if the mass flow rate is the same, the flow rate in the nozzle passage is controlled by the variable opening area member. Road area can be increased. Therefore, it is possible to flow the same mass flow rate as when the temperature reaches a low temperature while suppressing the expansion pressure ratio of the turbo expander to be lower than the value of the critical expansion pressure ratio. Therefore, the cool-down time from room temperature to extremely low temperature can be significantly shortened.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図〜第4図は本発明の一実施例を示し、第1図は極
低温冷凍装置の全体を示す模式構成図であり、第2図は
ターボ膨張機の断面図であり、第3図は第2図の■−■
線に沿う矢視図、第4図は質量流量と膨張圧力比との関
係を示すグラフである。 第5図〜第7図は本発明の他の実施例を示し、第5図は
本実施例のターボ膨張機の断面図であり、第6図は第5
図のVl −Vl線に沿う断面図であり、第7図はボー
トの平面図である。 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、33aは第
1ノズル通路、34aは第2ノズル通路、36は開閉バ
ルブ(開口面積可変部材)、37はタービン、38はタ
ービン軸を示す。 第1図 特許出願人  アイシン精機株式会社
1 to 4 show one embodiment of the present invention, FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the entire cryogenic refrigeration equipment, FIG. 2 is a sectional view of a turbo expander, and FIG. The figure is from ■-■ in Figure 2.
The arrow view along the line, FIG. 4, is a graph showing the relationship between mass flow rate and expansion pressure ratio. 5 to 7 show other embodiments of the present invention, FIG. 5 is a sectional view of the turbo expander of this embodiment, and FIG. 6 is a sectional view of the turbo expander of this embodiment.
7 is a sectional view taken along the line Vl-Vl in the figure, and FIG. 7 is a plan view of the boat. In the figure, 10 is a compressor, 11 is a radiator, 13 is a turbo expander, 14 is a frozen extractor, 20 is a housing, 33a is a first nozzle passage, 34a is a second nozzle passage, 36 is an on-off valve (opening area (variable member), 37 is a turbine, and 38 is a turbine shaft. Figure 1 Patent applicant Aisin Seiki Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)極低温用の作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧
縮機で圧縮された作動流体の熱をとる放熱器と、前記放
熱器を経た作動流体を膨張させるターボ膨張機と、前記
ターボ膨張機で膨張された作動流体の吸熱に伴う冷凍を
取出す冷凍取出部とで構成とされ、 前記ターボ膨張機は、タービン孔をもつハウジングと、
前記ハウジングのタービン孔に配設され回転可能なター
ビンと、前記ハウジングに配設され前記タービンを回転
させる作動流体をタービンに噴出するノズル通路と、前
記ノズル通路の開口面積を可変とする開口面積可変部材
とで構成され、作動流体の温度が高温のとき前記開口面
積可変部材により前記ノズル通路の開口面積を増すよう
にしたことを特徴とする極低温冷凍装置。
(1) A compressor that compresses a working fluid for cryogenic use, a radiator that takes heat from the working fluid compressed by the compressor, a turbo expander that expands the working fluid that has passed through the radiator, and a turbo expander that expands the working fluid that has passed through the radiator. The turbo expander includes a housing having a turbine hole;
a rotatable turbine disposed in a turbine hole of the housing; a nozzle passage disposed in the housing for injecting working fluid to the turbine to rotate the turbine; and a variable opening area for making the opening area of the nozzle passage variable. 1. A cryogenic refrigeration system comprising: a member, wherein the opening area of the nozzle passage is increased by the variable opening area member when the temperature of the working fluid is high.
JP8305089A 1989-03-31 1989-03-31 Supercryogenic refrigerating machine Pending JPH02263063A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102054004B1 (en) * 2019-05-17 2019-12-09 백종빈 axial flow turbine

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