JPS6116203A - 膨張タ−ビン - 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って浮
上させる構造が一般的である。最近ジョセフソン素子の
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ットの冷却時、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
求が強まってきた。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を通って第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、低温になっ
たヘリウムガスは第３熱交換器５の中圧ライン１５を通
る過程で低圧ライノ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った
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の間で低圧ライン稔に合流する。

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＄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、低圧ライン校のヘリウムによって
冷却され、最終的に＠５熱交換器７を通過する過程で、
低圧ライン［のヘリウラによって冷却され、第５熱交換
器７を出たところではＩＯＫ以下となり膨張弁１０を通
過する過程で、ジュールトムソン効果によって等エンタ
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ンド１７の中に設
置された凝縮熱交換器工１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Ｉ叉 グネット）１９を没！シている液体ヘリウム１８がクラ
イオスタット１７への熱侵入によっ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Ｌ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。これら各熱交換器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ｉこ真空
に保持された保冷槽１３の中に設置される。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、２０ｂ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。冴は膨張タービンのンヤフト、ゐはシャフ
ト瀕の高速回転を維持するための上部ジャーナル軸受、
漢は同じく下部ジャーナル軸受である。刀は上スラスト
軸受、Ｚは下スラスト軸受、菱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
ャフト冴に設けられたスラストカラーな浮上させる静圧
軸受を構成する。３１はシャフトｙの高温端にあってシ
ャフト冴の回転数を制御するためのブレーキファン、脂
はシャツトスの低温端にあって断熱膨張を行なうタービ
ン翼、羽はタービン翼３２に高圧ガス（または中圧ガス
）を供給するノズル、あ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、あはディフューザ、３７は膨張後のガス
を次に送る配管である。ア、３９はブレーキノ１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踏部に循環される。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
部あより供給された作動ガスがノズルおからタービン翼
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と一体のシャフト冴が高速で回転する。その際に
タービン翼羽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、寒冷を発生してディフューザあを
経て配管３７より次の機器に送られる。一方、シャフト
冴の他端にあるブレーキファン３１はシャフト冴の回転
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。圧縮にともなって発生した熱は、排出路おから出て
系外で冷却される。シャツトスの高速回路を確保するた
めのジャ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。ジャーナル軸受にはティルティノ
グパッ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ｎに高圧ガスがノズ
ルから供給されシャフト冴が回転を始めると、回転起動
直後にはノズル入口の高圧ガスによって上向き方向のス
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ｎ詩作用している。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５２によって供給
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什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々
なり、ジャ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５
５−２９３９６．実公昭５４−３６ｓ６１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、動圧軸受を用いた小形の膨張タービン
の起動時に発生するスラスト力を低減することで、規定
の回転数まで短時間に上昇させることができる膨張ター
ビンを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の要点はタービンノズル人口の高圧ガス部とブレ
ーキファン側の作動ガス入口側とを連通ずるバイパス回
路を設け、前記バイパス回路内に回路遮断弁を設置し、
タービン起動時にのみバイパス回路を開き、ノズル出口
圧力とブレーキファン側の圧力差を少な４し、動圧軸受
を用いた小形の膨張タービンの起動時に発生するスラス
ト力を低減させ、規定回転数に短時間に達するようにし
たことにある。

〔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、本実施例が夷５図、第６図に示した従来例と
相違する点はブレーキファン３１側とタービン翼ｎ側と
を連通ずるバイパス回路団を設けたことにある。高圧ガ
ス導入部あの一部とブレーキファン作動ガス導入路あの
一部に設けたバイパスでいる。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（
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ｍｌにより所定の供給圧力に加圧された高
圧ガスが供給配管あより高圧ガス導入部あへ供給され、
ノズルおからタービン翼ｎへと流れる。一方高圧ガス導
入部あ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
ーキファン作動ガス導入踏襲へ流れて行（。この時遮断
弁間はタービン翼ｎの出口圧力とブレーキファン導入路
間の圧力差が、所定の差圧以下になるようにガス流量を
制限している。ノズルおからタービン翼ｎに高圧ガスが
供給されシャ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ァン側の圧力
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
ータ背面かられずかにもれるガスによって上昇する軸受
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
まま安定して址 回転を夕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、ソオフトとティルティングパ
ノド、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。

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ァ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５５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６０　
Ｃ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団入口を、圧
縮機１出口の高圧ライン２から取った場合である。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〕

以上述べたように本発明によればタービン翼側とブレー
キファン側とを連通ずるバイパス回路と該回路を開閉す
る制御弁とを設けたということで、動圧軸受を用いた小
形の膨張タービンの起動時に発生するスラスト力を低減
できるので、短時間で定格回転数まで上昇させることが
できる効果がある。

【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、！Ｊ４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・・・・・・ブレーキファン、友・・・・・タービ
ン翼、田・・・・・・制御弁、５・・・・・・バイパス
回路代理人　弁理士　　高　橋　明　夫 才１図 ＋２図 ＋４図 す５図 才６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、一端にタービン翼を、他端にブレーキファンを取付
   けた主軸をスラスト軸受３ジャーナル軸受を介してハウ
   ジングに支持せしめた膨張タービンにおいて、前記ター
   ビン翼側と前記ブレーキファン側とを連通するバイパス
   回路と、該回路を開閉する制御弁とを設けたことを特徴
   とする膨張タービン。