JPS63217180A - 極低温用膨脹タ−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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ヘリウム、水素、ネオン、アルゴン等を常圧
下で一２００’Ｃ以下の極低温で液化する低沸点ガスを
媒体とする極低温用液化冷凍１置の寒冷発生用の膨謳タ
ービンに関する。

（従来の技術） 第３図は低沸点ガスとしてヘリウムガスを用いた極低温
用液化冷凍装置の従来技術のフローシートダイヤグラム
の一例である。

ヘリウムガスを用いる液化冷凍装置には油噴射式のスク
リュー圧縮機が広く使用されている。

スクリュー圧縮機４１で昇圧されたヘリウムガスはガス
冷却器４２、油分Ｖ器４３、吸着器４４を順次流通する
ことにより冷部され、油を分離し、不純ガスを除去され
た後、吐出管４５、次に高圧ガス管５０を経てコールド
ボックス４６に入る。コールドボックス４６の内部は高
真空に保たれ、対流よって外部から内部の低温機器への
熱侵入を防止している。

コールドボックス４６内には６個の熱交換器５１ないし
５６が設置され、順次第１ないし第６の熱交換器となっ
ている。第１熱交換器５１には流入口６０より液体窒素
が流入しヘリウムガスと熱交換した後、流出口６１より
流出するようになっている。この液体窒素と低圧ガス管
４９を流れるスクリュー圧縮機４１への戻りガスとによ
り冷却されて、高圧ガス管５０を流れる高圧のヘリウム
ガスは、第１熱交換器５１の出目でほぼ液体窒素の温度
まで冷部される。第２熱交換器５２を出たヘリウムガス
の一部は、バイパス管６２を流れて第１段目の膨張機５
７に流入し膨張仕事をして低圧低温のヘリウムガスとな
り、低圧ガス管４９に流入し、第３熱交換器５３内で高
圧ガス管５０を流れる残りの高圧ガスと熱交換してこれ
を冷却する。また第４熱交換器５４を出た高圧ガスの一
部はバイパス管６４を流れて第２段目のｖ＄脹線機５８
入り、膨張仕事をして低圧低温のヘリウムガスとなり、
第５熱交換器５５で残りの高圧ガスと熱交換してこれを
冷却する。第６熱交換鼎５６でさらに冷却された高圧ガ
スは、ジュールトム、ソン弁５９に入り、ここで等エン
タルピー１服をしてその一部が液化し、液留容器４１内
に溜る。この液は適宜の負荷４８のために使用される。

液化しなかったヘリウムガスは飽和蒸気の状態で第６熱
交ｙＩ！器５６へ戻り、膨＠機５８の出口ガスと合流し
、低圧ガス管４９中を流れて順次、高圧ガス管５０を流
れる高圧ガスと熱交換器内で熱交換した後、吸込管６Ｇ
を経てスクリュー圧縮［４１へ戻る。

以上のように高圧ガスと低圧ガスとは対向流で熱交換し
、また高圧ガスを液化するために必要な寒冷熱は第１熱
交換器５１の液体窒素及び第１、第２の膨張機５７．５
８で与えられる。

次に前記において５７．５８として示された従来の膨張
タービンの構造を第４図により説明する。

コールドボックス４６の壁１に適宜のフランジ２が固定
される。タービンハウジング３の一端側の円筒部４が高
圧配管部５と低圧配管部７に溶接により連結固定され、
他端側のフランジ部６がフランジ２に支持固定される。

デヒューザ８が円筒部４に挿入され、これをノズルリン
グ９で押えながらネジリング１０で円筒部４に締付は固
定する。１１はＯリングｒある。

一方、タービンハウジング３内に収納される回転体部分
は次のような構造となっている。１６はベアリング内筒
、１７はラジアルベアリング、１８はスラストベアリン
グ、１９はスラストスペーサ、２０は回転軸、２１はタ
ービンインペラー、２２はブロワ−インペラーである。

スラストベアリング１８は、スラストスペーサ１９とベ
アリング内筒１６とは適宜の連結手段２７により一体に
固定される。この回転体部分は筐体１５内に収納され、
側板２４、座金２５を介してボルト２６によりベアリン
グ内８１６と断熱壁板２３とが固定された後、タービン
ハウジング３に収納されて筐体１５とタービンハウジン
グ３のフランジ部６とが適宜の連結手段１２により固定
される。

次にこの膨張機の作動について説明する。

バイパス管６２の低温高圧のヘリウムガスは高圧配管部
５を通って膨）脹タービンの円筒部４内に流入し、ノズ
ルリング９とデヒューザ８で形成されているノズル部１
４からタービンインペラー２１のタービンブレード１３
内を断熱１１服しながら低温低圧のヘリウムガスとなっ
てデヒューザ８から低圧配管部７を経てバイパス管６３
から低圧ガス管４９に流出する。膨張タービン内でのヘ
リウムガスはタービンインペラー２１、回転軸２０及び
ブロワ−インペラー２２のタービン回転体を回転させる
ことによってＩｆｉ脹仕事を行ない、ブロワ−インペラ
ー２２の圧縮仕事として回収消費される。

このようにｌｌ１１タービンはヘリウムガスの断熱膨脹
によって発生する膨張仕事をタービン回転体の回転仕事
によって回収し、これによりヘリウムガスを低温にして
寒冷を発生させるものである。

スラストベアリング１８、ラジアルベアリング１７は一
般的にヘリウムガスによるガスベアリングが使用されて
おり、ガスベアリングの特性上、常温で使用されるのが
一般的ｒある。したがって膨脹タービンの運転時は筐体
１５からブロワ−インペラー２２側は常温下の雰囲気に
あり、一方タービンインベラ−２１、ノズルリング９、
デヒューザ８側　゛は極低温の雰囲気となっている。

このような従来形式の膨張タービンは、前記のように、
最初にデヒ１−ザ８を低圧配管部７に取付けてそれを固
定するようにノズルリング９を押えながらネジリング１
０で締付けるのであるから、ノズルリング９、デヒュー
ザ８の組立時の中心線は加工公差内でずれ、中心線を一
致させることは事実上困難である。

次にタービンインペラー２１、ブロワ−インペラー２２
、回転！１ｋ２０、ラジアルベアリング１７、スラスト
ベアリング１８等は筐体１５に設置された上、これらは
一体としてコールドボックスのフランジ２、フランジ部
６に対し筐体１５のフランジ部１５ａは嵌合部１５ｂに
より嵌合され、連結手段１２により互いに固定される。

したがってタービンインペラー２１、ノズルリング９、
デヒューザ８の組立中心線は回転軸２０の中心線に対し
ずれを生じ、その調整は困難である。

前記のような構造のため従来技術の膨張タービンには次
のような欠点がある。

ω　前記のような組立過程からしてタービンインペラー
２１とデヒューザ９の組立中心線の合致調整が不可能で
あり、１１１ｍタービンの性能に影響を及ぼすところの
タービンブレード１３とデヒューザ８とのクリアランス
（シュラウドクリアランス）を所定の最小必要猷の大き
さに保つことがむずかしい。そのため実際には前記のク
リアランスを測定しながらデヒューザ８の突部２８を研
磨加工したり、突部２８の位置にシムを入れたりして前
記クリアランスを必要以上に大きく調整する必要がある
。

ロ　低温運転時にはラジアルベアリング１７が常温の雰
囲気であることより、タービン回転体の中心線は組立時
に調整された中心線と殆んど変化しない。しかしノズル
リング９、デヒューザ８はコールドボックス４６の高低
圧配管部５．７に接続されているため低温運転時には前
記高低圧配管部５゜７が極低温になり、軸方向と半径方
向に熱歪を生じ、このためノズルリング９、デヒューザ
８の中心線が変化したり、タービンブレード１３とデヒ
ューザ８との間のクリアランスが変化したりして、ター
ビンインペラー２１とノズルリング９、デヒューザ８の
中心線のずれが一層大きくなり、シュラウドクリアラン
スの不均一性が助長され性能が低下する。そしてこれが
甚だしい場合には接触トラブルが発生する。このような
接触トラブルの発生を避けるためにはシュラウドクリア
ランスを大きくしなければならないが、これによりヘリ
ウムガスの漏洩が多くなり、膨張タービンの性能をそれ
だけ犠牲にしなければならないことになる。

、（発明が解決しようとする問題点） 従来技術においては前記ように種々の問題がある。

本発明はその組立構造を変えることにより前記の問題点
を解決する極低温用膨脹タービンを得ることを目的とす
るものである。

（発明の構成〕 （問題点を解決するための手段〉 本発明の極低温用１１ｉｉＩ＆タービンは次の構成から
なる。

タービンインペラー、ブロワ−インペラー、回転軸、ベ
アリング及びこれらが設置される筐体、断熱壁板等から
なるタービン部にノズルリングとデヒ１−ザを固定して
一体化したタービン本体を有すること。（第１の発明） タービンインペラー、ブロワ−インペラー、回転軸、ベ
アリング及びこれらが設置される筐体、断熱壁板等から
なるタービン部にノズルリングとデヒューザを固定して
一体化したタービン本体をコールドボックス内に接続す
るにあたり、前記ノズルリングとコールドボックスの高
圧配管部とを接続し、前記デヒューザとコールドボック
スの低圧配管部とを接続するとともに、前記の両接続部
において作動流体の漏洩を防止しかつ構成部分の熱膨脹
、熱歪等に対し軸方向及び軸直角方向に前記接続部相互
が気密を保持しつつ相対的に運動できるように、前記両
接続部にシール部材を介在させたこと。（第２の発明） （作用） タービンインペラー、ブロワ−インペラー、回転軸、ベ
アリング等からなるタービン部にノズルリングとデヒュ
ーザを一体的に固定することにより、タービンインペラ
ーとデヒューザとの中心線を常温組立時にあたり正しく
合致させることができ、またタービンインペラーとデヒ
ューザとのクリアランスも小さく設定することができる
。

また、前記タービン部をコールドボックス内に接続する
に際し、ノズルリングを高圧配管部に、ゲヒューザを低
圧配管部に夫々接続すると共に、接続部にシール部材を
介在させることにより熱歪に対応でき、構成部分の気密
を保持しつつ互いの相対的運動を可能とする。

（実施例） 本発明の実施例を第１図により説明する。第１図中、第
４図と同一符号の部分は同一の構造からなっている。

この実施例において、ベアリング内筒１６、ラジアルベ
アリング１１、スラストベアリング１８、スラストスペ
ーサ１９、回転軸２０、タービンインペラー２１、ブロ
ワ−インペラー２２からなる回転体部分を筐体１５に設
置した後、側板２４、座金２５（図示しない）を介して
ボルト２６（図示しない）により断熱壁板２３と固定す
る構造は従来技術（第４図）と同様であるが、本発明の
実施例においては、回転軸２０の軸中心を中心とする円
周上で前記ボルト２６と位相のずれた（例えば６００）
適宜の複数箇所において更にボルト３３による締付固定
手段が設けられている。そして、ノズルリング３２とデ
ヒューザ３１とが、デヒューザ３１の数ケ所に設けたボ
ルト座を利用して断熱スペーサ３４を介しボルト３３に
より断熱壁板２３に固定される。これによりノズルリン
グ３２とデヒューザ３１とは断熱壁板２３を介してター
ビン回転体の部分と一体に組立てられることになる。

このように組立られた後、タービンハウジング３の円筒
部４の内径部とデヒューザ３１の外径部との間隙及び前
記円筒部４とノズルリング３２の外径部との間隙にそれ
ぞれシールリング３８．３５を介在させ、筐体１５とタ
ービンハウジング３のフランジ部６とが適宜の連結手段
により固定される。

このようにすることにより、タービン本体が高圧配管部
５と接続する際の高圧作動ガスのタービン本体への間隙
３６からの漏洩はシールリング３５により防止され、ま
たタービン本体が低圧配管部７と接続する際の作動ガス
の低圧配管部７への間隙３７からの漏洩はシールリング
３８により防止されるとともに、デヒューザ３１とノズ
ルリング３２は夫々間隙３７．３６を有して円筒部４内
に収納され該円筒部４とは縁が切れて浮上した状態にあ
ることになる。また、スペーサ３４の両面を研ｅｉする
ことによりデヒューザ３１とノズルリング３２の上下位
置を微細にｖ！４節することができる。

なお、前記のシールリング３５．３８は第２図００に示
すように、テフロン製のカバー７０とその内部に納めら
れるステンレス製のスプリング７１との組合Ｕからなっ
ている。一般にゴム材質は一１５０℃程度で弾性をなく
し、シール性が著しく低下する。したがって本発明のよ
うな極低温の温度域（７０″に以下）では使用できない
が、本発明の実施例では前記のような構造であるから、
シール性低下の少いテフロンとスプリングの弾性とによ
り極低温域でもセルフシーリングｉ能が十分に維持でき
る。同図中７２は流体圧力の働く方向、７３はスプリン
グの弾力の働く方向である。

本実施例の膨張タービンの作動は第４図の従来技術の場
合と同じである。

本実施例の［１１１タービンには次のような特徴がある
。

ω　タービン本体が作動ガスの高低圧配管Ｐｕｓ　５　
。

７と接続される前にノズルリング３２、デヒｌ−ザ３１
も含めて組立ができるため、タービンインペラー２１と
ノズルリング３２、デヒューザ３１の中心線を一致させ
る調整が容易にできることとなり、均一なシュラウドク
リアランスが確保され、低温運転になっても軸方向と半
径方向の熱歪による位置関係のずれがないためタービン
ブレード１３とノズルリング３２及びデヒューザ３１の
各々のクリアランスが一定に保たれる。このため膨張タ
ービンの安定した高性能運転を行うことができる。ター
ビン効率を従来技術より１０〜２０％向、Ｌできる。

ロ　ノズルリング３２の接続部にシールリング３５、デ
ヒューザ３１の接続部にシールリング３８を使用するこ
とによって、低温運転時において作動ガスの高低圧配管
部５．７とノズルリング３２、デヒューザ３１との接続
部の中心線がずれても、気密を保持することができ、か
つ接続部分の部材同士が自在に軸方向及び軸直角方向に
動くことができるため、組立時に調整された均一なシュ
ラウドクリアランスはタービンブレード１３とデヒュー
ザ３１との間においてそのまま維持されるため、従来方
式のように回転中の熱歪によるインペラーとデヒューザ
の接触による大事故は確実に防止でき、高信頼度の膨張
タービンが可能となる。

〔発明の効果〕

タービンインペラー、プロワ−インペラー、回転軸、ベ
アリング及びこれらが収容ないし設置される筐体、断熱
壁板等からなるタービン部にノズルリングとデヒューザ
を固定して一体化することによりタービン本体が構成さ
れているので、タービンインペラーとデヒューザの組立
中心線を正しく一致させることができ、またタービンブ
レードとデヒューザとのクリアランスを所定の必要最小
値に調整することが容易である。

また、タービン本体をコールドボックス内に接続するた
めに、ノズルリングと高圧配管部とを接続しまたデヒュ
ーザと低圧配管部とを接ｖｔ′１ｊると共に両接続部に
シール部材を介在させて軸方向及び軸直角方向に接続部
相互が気密を保持しつつ相対的に運動できるようにした
から、作動流体の漏洩を防止すると共に、構成部分の熱
歪に対し柔軟に対応することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の極低温用膨脹タービンの要部
の縦断面図、第２図は前記実施例において使用されるシ
ール部材の説明図、第３図は極低温用液化冷凍装置の従
来技術のフローシートダイヤグラム、第４図は極低温用
膨脹タービンの従来技術の要部の縦断面図である。 ５・・高圧配管部、７・・低圧配管部、１５・・筐体、
１６・・ベアリング内筒、１７・ベアリングとしてのラ
ジアルベアリング、１Ｂ・・ベアリングとしてのスラス
トベアリング、２０・・回転軸、２１・・タービンイン
ペラー、２２・・プロワ−インペラー、２３・・断熱壁
板、３１・・デヒューザ、３２・・ノズルリング、４６
・・コールドボックス、７０・・シール部材としてのカ
バー、７１・・シール部材としてのスプリング。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）タービンインペラー、ブロワーインペラー、回転
   軸、ベアリング及びこれらが設置される筐体、断熱壁板
   等からなるタービン部にノズルリングとデヒューザを固
   定して一体化したタービン本体を有することを特徴とす
   る極低温用膨脹タービン。
2. （２）タービンインペラー、ブロワーインペラー、回転
   軸、ベアリング及びこれらが設置される筺体、断熱壁板
   等からなるタービン部にノズルリングとデヒューザを固
   定して一体化したタービン本体をコールドボックス内に
   接続するにあたり、前記ノズルリングとコールドボック
   スの高圧配管部とを接続し、前記デヒューザとコールド
   ボックスの低圧配管部とを接続するとともに、前記の両
   接続部において作動流体の漏洩を防止しかつ構成部分の
   熱膨脹、熱歪等に対し軸方向及び軸直角方向に前記接続
   部相互が気密を保持しつつ相対的に運動できるように、
   前記両接続部にシール部材を介在させたことを特徴とす
   る極低温用膨脹タービン。