JPH0370899A - 渦流型ターボ機械 - 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、羽根車外周の多数の羽根が配置される略円環
状の渦流室を有していて該渦流室でガスの輝旋流を生じ
させるようにしたｉ／Ａ　＆型ターボ機械の改良に関す
るものである。

（従来の技術） 従来より、羽根車の回転により気体に一定の蝶旋運動を
与えて、その運動エネルギを圧ツノに変換するようにし
た渦流型ターボ機成はよく知られている。本出願人は、
前に、この渦流型ターボ機成の一例として以下に示す構
成のものを提案している（特開昭６３−１４７９９２号
公報参照）。すなわち、このものは、吸込口及び吐出口
を有する中空円環状のハウジングと、該ハウジング内に
配置された環状ガイド部材（コア）と、上記ハウジング
内に臨む多数の羽根をハブ先端外周面に有し、上記吸込
口からハウジング内に吸い込まれた気体を移送しつつ圧
縮して上記吐出口よりハウジング外に吐出させる羽根車
とを設ける。そして、上記羽根車の各羽根先端を上記ガ
イド部材内周面に近接して配置し、上記ハブ先端外周面
を上記ハウジングの一部を構成するようその内周面に沿
った凹状湾曲面に形成することにより、吸込口からハウ
ジング内に吸い込まれた気体の流れをコントロールして
羽根車の各羽根に入る気体抵抗を少なくし、気体をスム
ーズに、かつハウジング内を一旋回する間の周方向に進
む距離を短くした状態で移送しつつ圧縮するようにして
、気体の羽根車を横断する回数を増加させて高圧力比化
を図るとともに、スムーズな渦流の形成によって羽根車
を回転させる所要軸動力の低減化を図るものである。

（発明が解決しようとする課題） ところで、ヘリウム等の気体を冷媒ガスとし、その冷媒
ガスを常温で圧縮機により圧縮するとともに、その圧縮
された冷媒ガスを膨張機て膨張させることにより、極低
ｄレベルの寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機は
知られ、極低温工学等の分野で広く利用されている。

こうした極低温冷凍機において、冷媒ガスを膨張させる
膨張機として、一般に、中容量以下ではレシプロ型のも
のが、小容量ではＧ−Ｍ型（ギフオードマクマホン型）
のものがそれぞれ使用されている。しかし、前者のレシ
プロ型のものでは、シール部の信頼性が低く、ＭＴＢＭ
（メンテナンスまでの平均時間）は３０００時間程時間
用期待できない。また、後者のＧ−Ｍ型のものでもＭＴ
ＢＭは１〜２万時間である。

また、極低温冷凍機の分野では、従来、羽根車の羽根が
配置される円環状の膨張室にその円周方向から高圧冷媒
ガスを導入して膨張させるラジアルタービンが膨張機と
して実用化されているが、その対象は大容量の冷凍機に
採用されるのにとどまり、中容量以下の冷凍機への適用
は困難であった。すなわち、ラジアルタービンを中容量
以下の冷凍機に適用する場合には、タービンの径が極め
て小さくなり、製造加工の点で問題がある。また、必要
な回転数は逆に高くなるので、特殊な軸受装置が必要と
なる。さらには、タービンとしては効率の悪い領域でし
か運転できず、総合断熱効率にして４０％程度の低い効
率を得るのが限度であった。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その主たる
目的は、上記した）？メ流型ターボ機械の構造を利用す
ることにより、膨張機における冷媒ガスの膨張比を大き
くしてタービンの回転速度を下げ、軸受部の設計を容易
化するとともに、タービンの大形化によって加工成形を
容易化し、中容量以下の冷凍機の膨張機とした場合でも
高い効率を得るようにすることにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的の達成のために、請求項（１）記載の発明のＨ
決手段は、渦流型ターボ機械を膨張タービンとし、その
渦流室内で発生するガスの渦流をポルテックスチューブ
効果により制御するようにしている。

具体的には、この発明では、第１図〜第５図に示す如く
、断面略円形状の円環状空洞部（６）を存するハウジン
グ（１）と、上記空洞部（６）に配設され、空洞部（６
）内空間を略円環状の１つの渦流室（９）に区画する仕
切部材（８）と、ハウジング（１）に設けられ、上記渦
流室〈９〉の一端に高圧ガスを渦流室（９）内で旋回流
が生じるよう渦流室（９）断面の接線方向から導入する
入口ノズル（１０）と、ハウジング（１）に設けられ、
上記渦流室（９）内で膨張したガスを渦流室（９）の他
端から排出する排出ポート（１１）と、ハウジング（１
）に回転軸（１４〉によって回転可能に支持された円板
からなるタービン板（１６）、及び該タービン板（１６
）の外周に等間隔をあけてかつ上記渦流室（９）内に臨
むように突設され、先端が渦流室（９）の中心線よりも
回転軸（１４）側に位置する多数の羽根（１７）、　（
１７）、・・・を有する羽根車（１５）と、上流端が上
記仕切部材（８）の入口ノズル〈１０）側の端面に開口
し、上記渦流室（９）内の旋回流中心部の低圧ガスを排
出する補助排出ポート（１８）とを備える。そして、上
記入口ノズル（１０）から渦流室（９）内に導入された
高圧冷媒ガスの螺旋流のエネルギーにより羽根車〈１５
〉を回転させることにより、冷媒ガスを渦流室（９）内
で膨張させて極低温レベルの寒冷を発生させるように（
１鳩成する。

また、請求項（２）に係る発明では、ターボ機械の起動
時にガス流量が過大になるのを防ぐために、第６図に示
す如く、上記補助排出ポート（１８）からのガス流量を
制御する制御バルブ（２３）を設ける。

（作用） 請求項（１）に係る発明では、高圧冷媒ガスか仕切部材
（８）近くの入口ノズル（１０）から渦流室（９）の一
端に導入されると、その冷媒ガスは渦流室（９）にその
断面の接線方向から吹き込まれるので、導入後、渦流室
（９）内でその外周に沿って回る螺旋流となって渦流室
（９〉他端に向かう。その途中、冷媒ガスの螺旋流のエ
ネルギーか羽＋Ｍ（１７）、　（１７）・・・に伝えら
れて、羽根車（１５）か冷媒ガスの螺旋流の渦流室（９
〉円環方向の流れを横切るように回転する。この羽根車
（１５）の回転駆動により冷媒ガス螺旋流のエネルギー
が吸収され、高圧冷媒ガスが断熱膨張し、このことによ
って寒冷を得ることができる。この膨張後の低圧冷媒ガ
スは作動室他端の排出ボー）　（１１）からハウジング
０）外に排出される。

また、このガスの旋回流と同時に、旋回流中心部の低圧
ガスが旋回流の軸流方向上流側に移動し、ポルテックス
チューブ効果が得られる。すなわち、補助排出ポート（
１８）の上流端が上記仕切部材（８）の入口ノズル〈（
０〉側の端面に開口しているので、上記渦流室〈９）内
の旋回流中心部で低圧となった冷媒ガスは、螺旋流と同
じ方向に回りながら補助排出ポート（１８）の開口部に
向かって旋回流の軸流方向とは逆方向に移動し、該補助
排出ポート（１ｇ）から排出される。

したがって、このようなポルテックスチューブ効果によ
り、ターボ機械の起動時や停止時にガスの旋回流が安定
して発生し、羽根車（１５）の回転起動を容易化するこ
と等ができる。

また、上記ポルテックスチューブ効果により旋回流が安
定して発生するので、濁流室（９）の中心に冷媒ガスを
旋回させるために配設する略円環状のコアが不要となり
、ガスのコアとの摩擦損失を低減すること等ができる。

そして、このように冷媒ガスを膨張させる膨張機はいわ
ゆる渦流タービンであり、この渦流タービンはラジアル
タービンと比べ、単段で大きな膨張比を得ることができ
ることから、低い回転速度で運転でき、軸受部の設計が
容易となる。また、渦流タービンはラジアルタービンと
比べ寸法が大きく、羽根車（１５）が小形になり過ぎて
加工し難くなることはない。よって中容量以下の冷凍機
の膨張機に適用した場合でも高い効率を得ることができ
る。

請求項（３に係る発明では、上記補助排出ポート（１８
）からのガス流量を制御バルブ（２３）によって制御す
ることで、ターボ機械のガスバイパス量を制御でき、例
えばターボ機械の起動時には制御バルブ（２３）の開度
を大きくして、ガス流量が過大になるのを防ぐことがで
きる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示し、（Ａ）
は渦流型ターボ機械としての極低温膨張機で、この膨張
機（Ａ）により、図外の圧縮機で圧縮された高圧のヘリ
ウム等の冷媒ガスを膨張させて極低温レベルの寒冷を発
生させるものである。（１）は膨張機（八）のハウジン
グで、このハウジング（１）は矩形板状のハウジング本
体（２）と、一端が該ハウジング本体（２）の側面中央
に一体固定された円筒状の軸受部（３）と、該軸受部（
３）の他端周囲に取り付けられた取付用フランジ（４）
とで構成されている。上記ハウジング本体（２）内には
上記軸受部（３）と同心位置に連続して開口する軸押通
孔１５）と、軸押通孔１５）　　（ｌＩｌｌ受部（３）
）の中心を円環中心とする円環状の空洞部（６）と、該
空洞部（６）及び軸ｔＩＦ通孔１５）の間に両者を連通
ずるように配置された固成状空間からなる羽根車嵌装空
間（７）とが形成されている。

上記空洞部（６）は断面が略円形状とされ、その一部に
仕切部材（８）が充積されており、この仕切部材（８）
によって空洞部（６）内空間は略円環状の１つの渦流室
（９）に区画されている。

上記ハウジング本体（２）には渦流室（９）の上流端に
高圧冷媒ガスを導入する冷媒入口ノズル（１０）と、渦
流室（９）内で膨張した後の低圧冷媒ガスをその下流端
からハウジング本体（２〉外に排出する冷媒排出ポート
（１１）とが開口されている。上記入口ノズル（１０〉
は高圧配管（１２）を介して圧縮機の吐出側に連通し、
その間口径が排出ポート（１１）よりも小さくされてい
てノズルとされている。このノズル（１０）は渦流室（
９）断面の接線方向に沿って延びていてその先端が渦流
室（９）上流端に開口しており、このノズル（１０）よ
って渦流室（９）上流端にその断面の接線方向から高圧
冷媒ガスを導入することにより、渦流室（９〉内にその
周囲壁に沿って旋回しながら排出ポート（１１）に向か
う冷媒ガスの螺旋流ＶＯを生じさせるようにしている。

一方、排出ポート（１１）は低圧配管（■３）を介して
圧縮機の吸入側に連通されている。

上記軸受部（３ンには回転軸（１４）が回転自在に支持
されている。この回転軸（１４）の一端（第１図では下
端）はハウジング本体（２）の軸押通孔１５）に延び１
．その端部には羽根車（１５）か回転一体に取り付けら
れている。この羽根車（１５）は、ハウジング本体（２
〉の羽根車嵌装空間（７）に嵌装された円板からなるタ
ービン板〈１６〉と、該タービン板（１６）の外周ハブ
に所定間隔をあけて植設された多数の羽根（１７）、　
（１７）、・・・とを備えてなる。上記羽根（１７）。

（１７）、・・・は各々上記渦流室（９）内に臨んでお
り、その各々の先端は渦流室り９）の中心線位置よりも
内側（回転軸（１４）側）に位置しかつ仕切部材（８）
の内面に近接するように配置されている。そして、渦流
室〈９）の上流端に冷媒入口ノズル（１０）から高圧冷
媒ガスを高流速で導入したとき、該冷媒ガスの輝旋流Ｖ
○のエネルギーを受けてその渦流室〈９〉円環方向の流
れを各羽根（１７）、　（１７）、・・・が横切るよう
に羽根車（１５）を回転させるようにしている。

さらに、上記仕切部材（８）には入口ノズル（１ｏ〉側
の端面（渦流室（９）上流端に臨む端面）から該端面に
連続する内周面（羽根車（１５）の羽根（１７）。

（１７）、・・・に隣接する内周面）にかけて補助排出
ポート（１８）の一端（上流端）が開口され、このポー
ト（１８）はハウジング本体（２）を貫通してその外側
に延び、その他端（下流端）は補助配管（１９）を介し
て上記低圧配管（１３）に連通しており、この補助排出
ボー）　（１８）により、上記渦流室（９）内で発生す
るガス旋回流中心部の低圧ガスを排出するようにしてい
る。

一方、上記回転軸（１４）の他端（第１図で上端）には
羽根車（１５）の回転を制動する制動フ７ン（２ｏ）が
取り付けられている。この制動ファン（２０）は、軸受
部（３）の他端に一体に固定されたファンハウジング（
２１）と、該ファンハウジング（２１〉内に配置され、
かつ回転軸（１４）に回転一体に取り付けられたファン
本体（２２）とからなる。上記ファンハウジング〈２１
）にはガス入口（２１ａ＞及びガス出口（２１ｂ）が形
成されており、ガス入口（２１ａ）からファンハウジン
グ（２１）内に導入されたガスをファン本体（２２）に
より圧縮してガス出口（２１ｂ）から排出させて、その
ガスの圧縮抵抗によりファン本体（２２）つまり羽根車
（１５〉の回転を制動するようにしている。

尚、第２図中、（８ａ）は仕切部材（８）の渦流室（９
）下流端部に設けられたガイド部で、渦流室（９〉下流
端の断面積を小さくするものである。

次に、上記膨張機（Ａ）の作動について説明する。

圧縮機で圧縮された高圧冷媒ガスがハウジング本体（２
）の入口ノズル（１０）から渦流室（９）の上流端に高
流速で導入されると、その導入方向は渦流室（９）断面
の接線方向であるので、冷媒ガスは渦流室（９）内で螺
旋流Ｖｏとなって渦流室（９〉下流端に向かう。その途
中で冷媒ガスの螺旋ｉＶｏのエネルギーが羽根（１７）
、　（１７）、・・・に伝えられて、羽根車（１５〉が
冷媒ガスの螺旋流Ｖｏの渦流室（９）円環方向の流れを
横切るように回転する。この羽根車（１５）の回転駆動
により冷媒ガスの螺旋流Ｖｏのエネルギーが吸収され、
高圧冷媒ガスが断熱膨張し、このことによって寒冷を得
ることができる。

そして、この膨張後の低圧冷媒ガスは渦流室（９）下流
端の排出ポート（１１）からハウジング本体（２）外に
排出される。また、制動ファン（２０）によって上記羽
根車（１５）の回転が制動される。

また、上記仕切部材（８）の入口ノズル（１０）側の端
面ないし内周面に補助排出ポート　（１８）の上流端が
開口しているので、第３図〜第５図に示すように、上記
渦流室（９）内の旋回流中心で低圧となった冷媒ガスが
、螺旋流Ｖｏと同じ方向に回りながら補助排出ポート　
（１ｇ）の開口部に向かって旋回流の軸流方向とは逆方
向つまりその上流側に移動して該補助排出ポート　（１
８）から排出される。このことにより渦流室（９）での
主たるガスの流れである旋回流（図では実線の矢印で示
す）と同時に、旋回流中心部のガスが旋回流の上流側に
移動する内面螺旋流Ｖ＋　　（同破線の矢印で示す）が
発生してポルテックスチューブ効果が得られる。そして
、このようなポルテックスチューブ効果により、膨張機
（Ａ）の起動時や停止時にガスの旋回流が安定して発生
し、羽根車（１５）の回転起動を容易化すること等がで
きる。

しかも、上記ポルテックスチューブ効果により旋回流が
安定するので、渦流室〈９）の中心に冷媒ガスを旋回さ
せるための略円環状のコアが不要となり、ガスのコアと
の摩擦損失を低減すること等ができる。

そして、この実施例の場合、上記膨張機（Ａ）はいわゆ
る渦流タービンで、単段で大きな膨張比を得ることがで
きる。このため、膨張機（Ａ）を低い回転速度で運転で
き、軸受部（３）の設計を容易化することができる。ま
た、渦流タービンはラジアルタービンと比べ寸法が大き
く、羽根車（１５）を大形としてそれを容易に加工する
ことができる。よって中容量以下の冷凍機の膨張機（Ａ
）に適用した場合でも高い効率を得ることができる。

第６図は本発明の第２夫施例を示す。尚、第１図と同じ
部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略
する。この実施例では、補助排出ポート（１８）に連通
ずる補助配管（１９）の途中に補助排出ポート（１８）
からのガス流量を制御する制御バルブ（２３）が配設さ
れている。尚、この制御バルブ（２３）は補助排出ポー
ト　（１８）に配設してもよい。

したがって、この実施例では、上記補助排出ポート（１
８）からのガス流量を制御バルブ（２３）によって制御
することができる。このため、膨張機（Ａ）をバイパス
して流れるガスのバイパス量を制御でき、例えば冷凍機
の起動時には制御バルブ〈２３〉の開度を大きくするこ
とで、ガス流量が過大になるのを防ぐことができる利点
がある。

（発明の効果） 以上説明の如く、請求項（１）に係る発明によると、ハ
ウジングにおける円環状空洞部に仕切部材を配設して、
ガスを旋回させる渦流室を区画形成するとともに、渦流
室内を移動する多数の羽根を有する羽根車をハウジング
に支持して渦流タービンとし、渦流室上流端にガスの旋
回流中心部の低圧ガスを排出する補助排出ポートを開口
し、この補助排出ポートから排出されるガスによりポル
テックスチューブ効果を得ながら、渦流タービンにより
高圧冷媒ガスを膨張させて極低温レベルの寒冷を発生さ
せる極低温膨張機を構成したことにより、この渦流ター
ビンにおける大きな膨張比によって羽根車の回転速度を
低くでき、その軸受部の設旧を容易化することができる
とともに、渦流タービンの比較的大きな寸法構造により
、羽根車の小形化が不要で加工を容易に行うことができ
、よって中容量以下の極低温冷凍機の膨張機に適用した
場合でも高い効率を得ることができる。

また、上記ガスのポルテックスチューブ効果により、タ
ーボ機械の起動時や停止時に旋回流を安定して発生させ
て羽根車の回転起動を容易化すること等ができるととも
に、渦流室の中心のコアを不要として、ガスのコアとの
１ｑ擦損失を低減すること等ができる。

また、請求項（２に係る発明によると、上記補助排出ポ
ートからのガス流量を制御バルブによって制御するよう
にしたことにより、ターボ機械のガスバイパス瓜を制御
でき、例えばターボ機械の起動時にはガス流量が過大に
なるのを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の第１実施例を示し、第１図は
膨張機の軸方向に沿った断面図、第２図は同羽根車に沿
った断面図、第３図は渦流室及び羽根車の羽根車外周側
の側方から見た展開図、第４図は同回転軸の側方から見
た展開図、第５図は第２図のｖ−Ｖ線拡大断面図である
。第６図は第２実施例を示す第２図相当図である。 （Ａ）　、　（Ａ）　’・・・膨張機 （Ｌ）・・・ハウジング （６）・・・空洞部 （８）・・・仕切部材 （９）・・・渦流室 （１０）・・・冷媒入口ノズル （１１）・・・冷媒排出ポート （１４）・・・回転軸 ０５）・・・羽根車 （１６）・・・タービン板 （１７）・・・羽根 （１８）・・・補助排出ポート （２３〉・・・制御バルブ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）断面略円形状の円環状空洞部（６）を有するハウ
   ジング（１）と、 上記空洞部（６）に配設され、空洞部（６）内空間を略
   円環状の１つの渦流室（９）に区画する仕切部材（８）
   と、 ハウジング（１）に設けられ、上記渦流室（９）の一端
   に高圧ガスを渦流室（９）内で旋回流が生じるよう渦流
   室（９）断面の接線方向から導入する入口ノズル（１０
   ）と、 ハウジング（１）に設けられ、上記渦流室（９）内で膨
   張したガスを渦流室（９）の他端から排出する排出ポー
   ト（１１）と、 ハウジング（１）に回転軸（１４）によって回転可能に
   支持された円板からなるタービン板（１６）と、該ター
   ビン板（１６）の外周に等間隔をあけてかつ上記渦流室
   （９）内に臨むように突設され、先端が渦流室（９）の
   中心線よりも回転軸（１４）側に位置する多数の羽根（
   １７）、（１７）、・・・とを有する羽根車（１５）と
   、 上流端が上記仕切部材（８）の入口ノズル（１０）側の
   端面に開口し、上記渦流室（９）内の旋回流中心部の低
   圧ガスを排出する補助排出ポート（１８）とを備えてな
   り、 上記入口ノズル（１０）から渦流室（９）内に導入され
   た高圧冷媒ガスの螺旋流のエネルギーにより羽根車（１
   ５）を回転させることにより、冷媒ガスを渦流室（９）
   内で膨張させて極低温レベルの寒冷を発生させるように
   構成されていることを特徴とする渦流型ターボ機械。
2. （２）補助排出ポート（１８）からのガス流量を制御す
   る制御バルブ（２３）を設けたことを特徴とする渦流型
   ターボ機械。