JPH0370081B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、膨張タービンに係り、特に小形のヘ
リウム冷凍機に使用するのに好適な膨張タービン
に関するものである。

〔発明の背景〕

膨張タービンのスラスト軸受構造については、
作動流体の一部を使用し、スラストカラーを静圧
ガスによつて浮上させる構造が一般的である。最
近ジヨセフソン素子の冷却や医療用核磁気共鳴診
断装置（通称NMR−CT）における超電導マグ
ネツトの冷却時、小形ヘリウムの液化冷凍機への
ニーズが高まるにつれてメンテナンスフリーで長
期間連続運転が可能な小形の膨張タービンへの要
求が強まつてきた。小形の膨張タービンに前記の
スラスト軸受を適用しようとすればタービン効率
の低下が起り適用が困難である。第５図、第６図
により従来の大形、中形の膨張タービン式ヘリウ
ム液化冷凍機の構造、作用ならびに問題点につい
て説明する。まず、液化冷凍機の全体システムを
第５図により説明すると、圧縮機１を出た高圧常
温のヘリウムガスは高圧ライン２を通つて第１熱
交換器３に入り、ここで冷却された後、一部は第
２熱交換器４に送られ残りはタービン入口圧力制
御弁５２を有する配管１４を経て第１膨張タービ
ン８に供給される。第１膨張タービン８で断熱膨
張して中圧、低温になつたヘリウムガスは第３熱
交換器５の中圧ライン１５を通る過程で低圧ライ
ン１２を流れる低温のヘリウムガスと熱交換して
冷却され、第２膨張タービン９に入る。第２膨張
タービン９で断熱膨張してさらに低圧低温になつ
たヘリウムガスは、配管１６を通り、第４熱交換
器６と第５熱交換器７の間で低圧ライン１２に合
流する。

一方第２熱交換器４に送られた高圧ライン２の
ヘリウムガスは第３熱交換器５、第４熱交換器
６、第５熱交換器７を通過する過程で、低圧ライ
ン１２のヘリウムによつて冷却され、最終的に第
５熱交換器７を通過する過程で、低圧ライン１２
のヘリウムによつて冷却され、第５熱交換器７を
出たところでは10K以下となり膨張弁１０を通過
する過程で、ジユールトムソン効果によつて等エ
ンタルピ膨張をしながら一部のガスが液化する。
膨張弁１０を出た低圧低温のガスはクライオスタ
ツト１７の中に設置された凝縮熱交換器１１を通
りここでガス中の液化ガスが蒸発して被冷却体
（例えば超電導マグネツト）１９を浸漬している
液体ヘリウム１８がクライオスタツト１７への熱
侵入によつて気化するのを再凝縮させる。凝縮熱
交換器１１を出た低圧低温のガスは第５熱交換器
７、第４熱交換器６、第３熱交換器５、第２熱交
換器４、第１熱交換器３の低圧ライン１２を通過
する過程で、高圧ライン２および中圧ライン１５
を流れる高圧ガスまたは中圧ガスを冷却しなが
ら、自身は温度上昇して圧縮機１にもどる。これ
ら各熱交換機３〜７および膨張タービン８，９は
熱侵入を低減させるために真空に保持された保冷
槽１３の中に設置されている。第６図により静圧
形スラスト軸受を採用している膨張タービンにつ
いて説明する。２０ａ，２０ｂはハウジング、２
０ｂは膨張タービン８，９を保冷槽１３に固定す
るフランジを有している。２４は膨張タービンの
シヤフト、２５はシヤフト２４の高速回転を維持
するための上部ジヤーナル軸受、２６は同じく下
部ジヤーナル軸受である。２７は上スラスト軸
受、２８は下スラスト軸受、２９は上下のスラス
ト軸受の位置を決めるスペーサ、４１は上下スラ
スト軸受に流すガスの供給経路で、所定のガス圧
を加えることによりシヤフト２４に設けられたス
ラストカラーを浮上させる静圧軸受を構成する。
３１はシヤフト２４の高温端にあつてシヤフト２
４の回転数を制御するためのブレーキフアン、３
２はシヤフト２４の低温端にあつて断熱膨張を行
なうタービン翼、３３はタービン翼３２に高圧ガ
ス（または中圧ガス）を供給するノズル、３４は
その上流のノズル供給圧力を制御する制御弁５２
と接続する高圧ガス（または中圧ガス）の導入
路、３６はデイフユーザ、３７は膨張後のガスを
次に送る配管である。３８，３９はブレーキフア
ン３１を流れるヘリウムガスの導入路および排出
路である。排出路３９を出たガスは循環回路内に
設けた熱交換器により冷却された後に再び導入路
３８に循環される。ここで膨張タービンの作用に
ついて説明すると、高圧ガス導入部３４より供給
された作動ガスがノズル３３からタービン翼３２
に吹きつけられるとタービン翼３２およびタービ
ン翼３２と一体のシヤフト２４が高速で回転す
る。その際にタービン翼３２を通過する作動ガス
は断熱膨張して圧力および温度を低下させ、寒冷
を発生してデイフユーザ３６を経て配管３７より
次の機器に送られる。一方、シヤフト２４の他端
にあるブレーキフアン３１はシヤフト２４の回転
数を制御させつつ、ここで圧縮仕事を行い、ター
ビン翼３２での作動ガスの膨張にともなうエネル
ギーを吸収する。圧縮にともなつて発生した熱
は、排出路３９から出て系外で冷却される。シヤ
フト２４の高速回路を確保するためのジヤーナル
およびスラスト軸受としては作動ガスの汚染を防
止する目的で作動ガスと同じガスを用いた気体軸
受が一般的である。ジヤーナル軸受にはテイルテ
イングパツド式軸受が採用され、スラスト軸受に
は、静圧形軸受が採用されている。タービン翼３
２に高圧ガスがノズルから供給されてシヤフト２
４が回転を始めると、回転起動直後にはノズル入
口の高圧ガスによつて上向き方向のスラスト力が
作用し、回転中には、タービン翼内で高圧ガスが
膨張し低圧ガスになるために下向き方向のスラス
ト力が常時作用している。このためスラスト軸受
にはこれらの負荷に耐えるように軸受供給圧が調
整されている。

従来の膨張タービンの起動時には、上向き方向
の急激な力が加わるのを防止するため、制御弁５
２によつて供給圧力を調整しながら徐々に供給圧
力を上昇させる操作を行い、この問題に対処して
来た。しかし気体軸受を使用した回転機械を設計
仕様値よりも低速で回転させることは気体軸受に
発生する圧力が低下し気体膜の厚さが薄くなり、
ジヤーナル軸受の損傷の原因となる欠点がある。

起動時や回転中のスラスト力軽減の例として、
実公昭55−29396、実公昭54−36801等が提案され
ているが、小形の動圧軸受を採用した膨張タービ
ンには適用が困難であるという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、起動時等に発生するスラスト
力を低減できる膨張タービンを提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明は、タービン翼とブレーキフアンとを有
した膨張タービンにおいて、タービン翼側の作動
ガスを制御弁を介してブレーキフアン側に供給す
る回路を設けた構成とすることによつて、タービ
ン起動時等のスラスト力が発生するときに回路を
開くことにより、タービン側の圧力の高い作動ガ
スがブレーキフアン側に流れ、タービン起動時等
に生じるタービン翼側とブレーキフアン側との圧
力差が少なくなる。これにより、膨張タービンの
起動時に発生するスラスト力を低減できものであ
る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図によ
り説明する。第１図において第５図と同一部分、
第２図において第６図と同一部分は同一符号で示
し説明を省略する。

第２図で、本実施例が第５図、第６図に示した
従来例と相違する点はブレーキフアン３１側とタ
ービン翼３２側とを連通するバイパス回路５５を
設けたことにある。高圧ガス導入部３５の一部と
ブレーキフアン作動ガス導入路３８の一部に設け
たバイパス入口部６０ｂ、バイパス出口部６０
ａ、それらを連結するバイパス回路５５は、バイ
パス回路遮断弁５３を有している。本実施例にお
いて膨張タービン起動時の動作以外の動作につい
ては従来例と全く同様のため説明を省略する。

本実施例の起動時の動作について説明する。第
１図、第２図で、圧縮機１により所定の供給圧力
に加圧された高圧ガスが供給配管３４より高圧ガ
ス導入部３５へ供給され、ノズル３３からタービ
ン翼３２へと流れる。一方高圧ガス導入部３５の
ガスの一部はバイパス管入口６０ｂからバイパス
回路遮断弁５３を通りバイパス管出口６０ａより
ブレーキフアン作動ガス導入路３８へ流れて行
く。この時遮断弁５３はタービン翼３２の出口圧
力とブレーキフアン導入路３８の圧力差が、所定
の差圧以下になるようにガス流量を制限してい
る。ノズル３３からタービン翼３２に高圧ガスが
供給されシヤフトが回転を開始する。この時、タ
ービン出口の圧力とブレーキフアン側の圧力差は
バイパス回路によりノズル入口の高圧ガスの一部
が流入するためノズル入口圧力に対応する一定の
圧力となり、急激な上向きのスラスト力を発生し
ない。このためノズル供給圧力は規定の圧力まで
速やかに上昇させることが出来、規定の回転数ま
で短時間に到達させることができる。

また、定格の回転数に達した後、一定時間運転
しバイパス回路遮断弁を閉じる。この時軸受室圧
力はタービンロータ背面からわずかにもれるガス
によつて上昇する軸受室圧力と同等に達している
ためスラスト軸受には所定の下向きのスラスト負
荷荷重以外作用せず、定格回転数のまま安定して
回転を継続することができる。

さらに、短時間で定格回転数に達するので、気
体軸受の気体膜も完全に形成され、シオフトとテ
イルテイングパツド、スラストカラーとスラスト
軸受の接触を防止出来、軸受寿命の延長に効果が
ある。

なお、本実施例によれば、バイパス回路を介し
てノズル入口の高圧ガスの一部がブレーキフアン
側に流入して同圧となり、スラスト力を低減でき
るので、膨張タービンの起動時以外、例えば停止
時等にも有効である。

第３図に本発明の他の実施例を示す。第３図で
第２図に示した構成要素と同一のものについては
同一番号で示す。

第３図で、タービンブレーキフアン側とタービ
ン入口側の高圧ガス側を連結するバイパス回路５
５においてタービン入口側の高圧ガス部をタービ
ンロータ出口部６０ｃに設置している。本実施例
の動作および効果については前述の実施例と同一
のため省略する。

更にその他の実施例を第４図に示す。本実施例
では、ノズル入口の高圧ガスラインのバイパス回
路５５入口を、圧縮機１出口の高圧ライン２から
取つた場合である。動作については前述のものと
同一のため省略する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、タービン翼とブレーキフアン
とを有した膨張タービンにおいて、タービン翼側
の作動ガスを制御弁を介してブレーキフアン側に
供給する回路を設けた構成とすることにより、起
動時等に発生するスラスト力を低減できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による膨張タービンを適用し
たクロードサイクル式ヘリウム液化冷凍機の系統
図、第２図は、本発明による膨張タービンの一実
施例を示す縦断面図、第３図は、本発明による膨
張タービンの他の実施例を示す縦断面図、第４図
は、本発明による膨張タービンの更に他の実施例
を示す縦断面図、第５図は、従来の膨張タービン
を適用したクロードサイクル式ヘリウム液化冷凍
機の系統図、第６図は、従来の膨張タービンの縦
断面図である。 ３１……ブレーキフアン、３２……タービン
翼、５３……制御弁、５５……バイパス回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一端にタービン翼を取付け他端にブレーキフ
   アンを取付けた主軸を、スラストおよびジヤーナ
   ルの気体軸受で支持し、これらをハウジング内に
   組み込み構成した膨張タービンにおいて、前記タ
   ービン翼側の作動ガスを制御弁を介して前記ブレ
   ーキフアン側に供給する回路を設けたことを特徴
   とする膨張タービン。