JPH0674587A

JPH0674587A - 膨張機

Info

Publication number: JPH0674587A
Application number: JP23014192A
Authority: JP
Inventors: Kou Ka; 鋼柯; Takakuni Hashimoto; 巍洲橋本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-03-15

Abstract

(57)【要約】【目的】小型冷凍機に好適な膨張機に関し、３０Ｋ以
下の低温領域でも高い冷凍効率を有し、かつ超小型冷凍
機を構成することができる膨張機を提供することを目的
とする。【構成】流体噴射ノズルを備え、円筒状内部空間を画
定するハウジングと、前記ハウジング内に配置され、前
記流体噴射ノズルから噴射される流体によって回転され
ると共に、半径方向の支持を与えられる回転子と、前記
回転子に結合され、エネルギを取り出すためのエネルギ
取出手段とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、膨張機に関し、特に小
型冷凍機に好適な膨張機に関する。なお、本明細書にお
いて「膨張機」とは、気体のみでなく、液体が混在して
いてもよいものを熱力学的に膨張させるものの意で用い
る。

【０００２】近年、クライオポンプ冷凍用、赤外線検知
素子・宇宙線（電波、Ｘ線、α線、γ線等）の高感度検
出器・ＳＱＵＩＤ・コンピュータ素子等の冷却用および
超電導ＭＲＩの液体Ｈｅ再凝縮用として小型冷凍機の需
要が高まっている。

【０００３】その出力は８０Ｋで数百Ｗ、Ｈｅ液化温度
４Ｋで数Ｗ程度あれば目的に叶う。ただし、次のような
性能を満たす必要がある。（１）数千〜数万時間連続運転が可能、（２）機械的振
動・磁気の発生が、被冷凍装置の特性に悪影響を与えな
い、（３）小型、軽量、堅牢、（４）冷凍機効率が高
い、（５）冷凍温度が安定。

【０００４】

【従来の技術】実用化されている冷凍機には、駆動方式
によっていくつかのタイプがある。代表的な冷凍機のう
ち、小型軽量化に適したものに、（Ａ）スターリング冷凍機（Ｂ）Ｇ−Ｍまたはソルベイ冷凍機（Ｃ）ヴィルミエ冷凍機（Ｄ）パルス管冷凍機がある。

【０００５】このうち３０Ｋ以上の温度領域では、
（Ａ）が最も高効率である。また、（Ｃ）は熱圧縮機を
使用しており、太陽熱を直接利用できるので、人工衛星
搭載に適している。（Ｂ）は構造が比較的簡単で、駆動
回転数が低く、長時間運転可能であり、振動も少ない。
また、（Ｄ）はさらに簡単な構造であり、しかも褶動部
分もないという特徴を有している。

【０００６】一方、３０Ｋ以下で最も高い冷凍効率を示
す冷凍機として、（Ｅ）タービン冷凍機が実用化されている。この冷凍機は、ガスを膨張させる
ためのガスが噴射されるタービン部とは別にガスベアリ
ングを用いるため、回転部分に固体間摩擦がなく、長時
間運転可能であり、また、機械的振動も小さい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】現在、小型化が可能な
上記（Ａ）〜（Ｄ）の冷凍機は、それぞれ蓄冷器を用い
ており、蓄冷器でガスの熱交換を行なう。蓄冷器には、
一般には金属メッシュや金属球が充填されている。２０
Ｋ以下になると金属の格子振動が不活発となって比熱が
低下し、急激に蓄冷器の蓄冷効率が低下する。

【０００８】したがって、１０Ｋ程度、あるいはそれ以
下では用いることは不適である。また、（Ａ）〜（Ｃ）
は固体同志の摺動部分を含むので、数万時間の運転には
耐えられない。

【０００９】一方、（Ｅ）では換熱式熱交換器を使用す
るので、３０Ｋ以下でも冷凍効率が目立って低下するこ
とはない。しかし、低温で小出力のために、タービン輪
が小さく、タービン翼を数十万ｒ．ｐ．ｍに高速回転さ
せなければならないので、超小型化は現状では困難であ
る。

【００１０】本発明の目的は、３０Ｋ以下の低温領域で
も高い冷凍効率を有し、かつ超小型冷凍機を構成するこ
とができる膨張機を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の膨張機は、流体
噴射ノズルを備え、円筒状内部空間を画定するハウジン
グと、前記ハウジング内に配置され、前記流体噴射ノズ
ルから噴射される流体によって回転されると共に、半径
方向の支持を与えられる回転子と、前記回転子に結合さ
れ、エネルギを取り出すためのエネルギ取出手段とを有
する。

【００１２】

【作用】回転子が流体噴射ノズルから噴射される流体に
よって回転されると共に、半径方向の支持を与えられ、
膨張機としての機能とベアリングとしての機能を果た
す。

【００１３】単一部材が２つの機能を果たすことによ
り、構成が簡単になり、小型化が容易になる。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の基本実施例による膨張機の
構造を示す。図１（Ａ）は、膨張機主要部の一部破断図
であり、図１（Ｂ）は流体噴射ノズルの形状を示す横断
面図である。

【００１５】図１（Ａ）において、回転軸６は、膨張機
回転子５を備えている。この膨張機回転子５は、ハウジ
ング３の画定する円筒状内部空間内に配置されている。
ハウジング３は、高圧流体を噴射する流体噴射ノズル２
を複数個備えている。

【００１６】膨張機回転子５は、好ましくはその面上に
回転軸６の軸方向に対して角度θ傾いた溝１を有する。
膨張機回転子５とハウジング３の間には一定の間隙（ク
リアランス）４が形成されているが、溝１部分において
はこの間隙４が広くなる。

【００１７】溝部分で流体が吹きつけられると、流体は
溝１の形に沿って流れる。この時、隙間が非常に小さい
ので、体積力より粘性力の方がはるかに大きく働くと考
えられる。したがって、流体の粘性により溝側壁に力が
作用し、膨張機回転子５は矢印に示す方向に回転する。

【００１８】なお、流体噴射ノズル２を膨張機回転子５
の表面に対して傾斜させることにより、噴射する流体の
運動量も利用することができる。なお、溝１およびその
周辺の間隙を通って流れた流体は、流体出口９から排出
される。

【００１９】回転軸６には、膨張機回転子５と一体に発
電機の回転子７が固着されている。発電機回転子７の周
囲には、発電機固定子８が配置されている。たとえば発
電機回転子７は永久磁石を有し、発電機固定子８はコイ
ルを含む。回転軸６が回転することによって、発電機回
転子７と発電機固定子８は、発電機を構成し、発電機固
定子８から電流が流れる。この電流を取り出すことによ
り、エネルギが失われ、流体噴射ノズル２から噴射され
る流体は仕事を行なうことになる。

【００２０】流体噴射ノズル２から噴射する流体が膨張
する際に行なう仕事を発電機で吸収することにより、膨
張した流体はその温度を低下する。発電機７、８が膨張
機回転子とほぼ同一温度に維持されるため、タービンと
比べると、室温端から低温端への熱伝導の損失は減少で
きる。

【００２１】なお、流体噴射圧力や流体の種類に応じた
流体噴射ノズル２および膨張機回転子５の表面溝の幾何
学的配置が重要なパラメータとなる。図１（Ｂ）は、流
体噴射ノズルの２の形状を示す横断面図である。図１
（Ｂ）左方は、噴射流体が膨張機回転子５の表面に対し
て接線方向（図の矢印）から入射するようなノズル形状
を示す。この形態は、ノズルから噴射する流体運動量を
利用できる利点がある。

【００２２】一方、図１（Ｂ）右方は、噴射流体が膨張
機回転子５の表面に対して垂直方向（図の矢印）から入
射するようなノズル形状を示す。もちろん、他の形状を
用いることも可能である。

【００２３】以下、本発明を具体的実施例に基づいてよ
り詳しく述べる。図２は、膨張機の構造を示す断面図で
ある。膨張機の回転軸１７は垂直に配置されており、膨
張機回転子１６と発電機回転子１１は、回転軸１７上に
近接して配置されている。ハウジング１４は上下２段と
なっており、その接続部に流体噴射ノズル１３が複数個
設けられている。

【００２４】高圧流体入口２５は、ダクト２６を介して
流体噴射ノズル１３に連通している。噴射された高圧流
体はハウジング１４と膨張機回転子１６の間の円筒状間
隙１５を経て上下の流体通路２７、２８へ吹き出され、
下方の流体出口２９から排出される。

【００２５】図示したように、流体噴射ノズル１３を挟
んで上下２段の膨張機回転子１６には、それぞれ逆向き
に溝１９ａ、１９ｂが切られている。溝１９ａ、１９ｂ
はノズル１３の位置を中心に上下鏡面対称に形成されて
いる。この結果、上下２段の膨張機回転子１６は上下方
向に関して中立位置が与えられ、効率よく同一方向に回
転軸１７を回転させることができる。

【００２６】回転子回転中は間隙１５に高圧流体が充満
しているため、回転軸１７は流体軸受け中で安定にハウ
ジング壁と一定間隔を保つことができ、摩擦抵抗は極め
て小さい。

【００２７】スラストベアリング部３１を介して膨張機
回転子１６に接続された発電機回転子１１は膨張機回転
子１６と共に高速回転し、発電機固定子１２との間の電
磁的相互作用によって発電する。電力はリード線１８を
通してハーメチックシール２４から外部へ取り出され
る。

【００２８】発電機上部には流体通路２７が図示のよう
に設けられ、下方の流体出口２９に接続されている。上
下２段の膨張機回転子１６の溝１９ａ、１９ｂが逆向き
に切られているので、上方の膨張機回転子１６に吹き付
けられ、仕事によって低温化した流体が間隙１５を上方
へ流れて、スラストベアリング部３１を迂回し、発電機
回転子１１と固定子１２を冷却後、発電機上部から流体
通路２７を経て流体出口２９へ至る。

【００２９】両回転子１１、１６が近接配置されている
上に、冷却流体が直接発電機回転子１１も冷却するた
め、両回転子１１、１６の温度の均一性はよい。また、
流体が上方へも流れて回転軸１７の間隙１５をほぼ均一
の圧力に保つ。

【００３０】このようにして、発電機回転子１１の温度
は、膨張機回転子１６の温度とほぼ同一に保たれる。発
電機を収納した上ケーシング２２およびハウジング１４
を収納した下ケーシング２３は、真空中に配置される等
の断熱構造となっており、外部と熱遮断を行なってい
る。ハウジング１４の下ケーシング２３へのシール２１
は、Ｉｎ等で行なう。これらケーシングは、Ｔｉ合金か
ステンレス製であり、真空容器内に保持される。

【００３１】パラメータとして流体圧や温度の他に、特
に膨張機回転子１６の径や溝の角度、深さ、幅等を変え
ると、断熱効率は変化する。Ｈｅガスを用いた場合につ
き、２０Ｋ以下の低温で高い断熱効率を示すガス軸受け
型タービン膨張機と本発明の実施例による膨張機の特性
を比較したのが、表１である。

【００３２】

【表１】

【００３３】従来のタービン膨張機に比べて、実施例に
よる本膨張機では、回転速度が比較的低いにもかかわら
ず、ほぼ遜色ない断熱効率が得られることが判る。ター
ビン膨張機においては、小さな径を持つタービン翼に大
流量のガスが吹き付けて高速回転させ、効率をかせいで
いるのに対して、実施例の本膨張機では回転表面に形成
された浅い溝を有効に利用して低速回転ながら大きな仕
事をさせている。

【００３４】エネルギ損失の主な因子は、（ａ）出入弁
における等エンタルピ変化、（ｂ）回転部とハウジング
の間を流れる時の摩擦と回転子における損失、（ｃ）流
体出口の気体の運動エネルギ、（ｄ）高温部からの伝熱
である。本膨張機の場合は、（ｃ）、（ｄ）は比較的小
さく抑制され、（ｂ）による損失が大きいと考えられ
る。

【００３５】このような膨張機を２段パラレル接続した
クロードサイクルＨｅガス冷凍機の実施例を、図３に示
す。低圧側配管４０４と高圧側配管４０２の間にコンプ
レッサ４１０が接続されている。Ｈｅガスは、コンプレ
ッサ４１０でほぼ１気圧から１０気圧程度に圧縮され、
高圧側配管４０２に供給される。

【００３６】高圧Ｈｅガスは、第１段熱交換器４１１ａ
を通ることによって、たとえば８０Ｋ程度に冷却された
後、図２に示したような構造を有する第１段粘性膨張機
４１２に供給される。ここで、断熱膨張させることによ
り、ガス温度を、たとえば８０Ｋから５０Ｋまで下げ
る。

【００３７】低圧化されたガスは、低圧側配管４０４に
入って、第２段熱交換器４１１ｂ、第１段熱交換器４１
１ａで高温側配管４０２のガスを冷却してコンプレッサ
４１０に戻る。

【００３８】次に、第１段〜第３段熱交換器４１１ａ〜
４１１ｃの高圧側配管を経て約２０Ｋに冷却された１０
気圧のＨｅガスは、やはり図２に示すような構造を有す
る第２段粘性膨張機４１４に供給される。ここで、断熱
膨張させることにより、Ｈｅガス温度は１４Ｋ程度まで
下がる。

【００３９】また、ガス圧は約１０気圧から１〜１．２
気圧程度まで低下する。低圧化した冷却ガスは低圧側配
管４０４に送られ、第４段〜第１段熱交換器４１１ｄ〜
４１１ａを経て高圧側配管４０２中のＨｅガスを冷却し
つつ、コンプレッサ４１０に戻る。

【００４０】第５段熱交換器４１１ｅを通過して、さら
に低温化したＨｅガスはジュールトムソン（Ｊ−Ｔ）弁
４１６を経て負荷吸収熱交換器４１７に至る。ここで
は、Ｈｅ温度は４．２Ｋとなり、液化状態である。負荷
で仕事をしたＨｅは、ガス化して低圧側配管４０４に入
り、第５段〜第１段熱交換器４１１ｅ〜４１１ａを経て
熱交換しながら昇温し、再びコンプレッサ４１０に至
る。

【００４１】このような膨張機を用いたＨｅ冷凍機によ
ってＭＲＩやクライオポンプに使用する２０Ｋ以下の小
冷凍容量の低振動型コンパクト冷凍機を構成することが
できる。この冷凍機は、数万時間の連続運転に十分耐え
る性能を有している。

【００４２】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構造で膨張機を構成できる。膨張機回転子表面に
設けた溝によって流体粘性を利用した効率的な仕事をさ
せることができる。膨張機回転子と発電機回転子を等温
化することができ、損失を低減することが可能である。
小流量の流体でも運転することができ、それだけ小容量
の冷凍機を実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】基本実施例を示す。図１（Ａ）は回転軸の構造
を示す見取図であり、図１（Ｂ）は流体噴射ノズルの形
状を示す横断面図である。

【図２】実施例による膨張機の構造を示す断面図であ
る。

【図３】実施例の膨張機を２段用いたＨｅガス小型冷凍
機の構成を示す回路図である。

【符号の説明】

１、２５高圧流体入口２、１３流体噴射ノズル３、１４ハウジング４、１５間隙５、１６膨張機回転子６、１７回転軸７、１１発電機回転子８、１２発電機固定子９、２９流体出口１８リード線１９溝２１シール２２上ケーシング２３下ケーシング２４ハーメチックシール２６ダクト２７、２８流体通路３１スラストベアリング部４１０コンプレッサ４１１熱交換器４１２、４１４膨張機４１６Ｊ−Ｔ弁４１７負荷吸収熱交換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体噴射ノズルを備え、円筒状内部空間
を画定するハウジングと、前記ハウジング内に配置され、前記流体噴射ノズルから
噴射される流体によって回転されると共に、半径方向の
支持を与えられる回転子と、前記回転子に結合され、エネルギを取り出すためのエネ
ルギ取出手段とを有する膨張機。
【請求項２】前記回転子の流体が噴射される面に溝が
設けられている請求項１記載の膨張機。
【請求項３】前記溝は、回転子の軸方向に関し、前記
輻射ノズルの位置を中心にしてほぼ鏡面対称な構成を有
する請求項２記載の膨張機。
【請求項４】前記エネルギ取出手段は、前記回転子に
固着された発電機回転子とその周囲に配置された発電機
固定子とを有する請求項１〜３のいずれかに記載の膨張
機。