WO2019082642A1 - ガス膨張システム - Google Patents

ガス膨張システム

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WO2019082642A1
WO2019082642A1 PCT/JP2018/037640 JP2018037640W WO2019082642A1 WO 2019082642 A1 WO2019082642 A1 WO 2019082642A1 JP 2018037640 W JP2018037640 W JP 2018037640W WO 2019082642 A1 WO2019082642 A1 WO 2019082642A1
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gas
expansion turbine
bearing portion
pressure expansion
high pressure
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雄一 齋藤
英嗣 石丸
遼太 武内
利光 足立
大祐 仮屋
直人 阪井
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川崎重工業株式会社
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    • F25J2270/16—External refrigeration with work-producing gas expansion loop with mutliple gas expansion loops of the same refrigerant

Definitions

  • the present invention relates to a gas expansion system having a plurality of expansion turbines in series.
  • a gas expansion system which obtains a cold by adiabatically expanding a gas such as helium or hydrogen using an expansion turbine.
  • Such expansion turbines may use gas bearings using process gas to support the rotating shaft.
  • Gas bearings are roughly classified into static pressure gas bearings and dynamic pressure gas bearings.
  • Static pressure gas bearings are advantageous in that they have a higher load capacity than dynamic pressure gas bearings, and that contact between the bearing portion and the rotating shaft does not occur when the expansion turbine is started and stopped.
  • Patent Document 1 discloses a technology in which a bearing gas is supplied using a radial bearing as a static pressure gas bearing among the bearings of an expansion turbine.
  • a high pressure gas supply source such as a compressor is required to stably supply a gas having a pressure higher than a predetermined pressure necessary to support the rotating shaft to the bearing portion.
  • the consumption power required for the cryogenic refrigeration system includes the amount of the compression driving force, and if the consumption of the bearing gas increases, the energy efficiency of the cryogenic refrigeration system may be reduced.
  • a plurality of expansion turbines may be used, and when the bearing gas supplied to the bearing portion is independently supplied between the expansion turbines, the consumption amount of the bearing gas Increase.
  • the present invention suppresses the consumption of bearing gas when adiabatically expanding the gas and obtaining refrigeration by using a plurality of expansion turbines supporting a rotary shaft in series by a static pressure gas bearing in series.
  • a gas expansion system comprises a first rotation shaft and a first impeller attached to the first rotation shaft and expanding while taking in gas when the first rotation shaft rotates.
  • a first bearing unit for supporting a first rotation shaft, a first gas supply passage for supplying a bearing gas to the first bearing unit, and the first bearing unit from the first gas supply passage
  • a first expansion turbine having a first gas discharge path through which bearing gas supplied to the first bearing portion is discharged from the first bearing portion, a second rotation shaft, and the second rotation shaft
  • a second impeller that expands while taking in gas when the second rotation shaft rotates, a second bearing unit that supports the second rotation shaft, and a bearing gas in the second bearing unit From the second gas supply passage to the second bearing portion.
  • a second expansion turbine having a second gas discharge passage for discharging the second bearing portion from the second bearing portion, and the second expansion turbine is expanded by the first impeller of the first expansion turbine.
  • the first expansion turbine and the second expansion turbine are connected in series so that the discharged gas is supplied to the second impeller of the second expansion turbine, the first gas The gas discharged from the discharge passage is supplied to the second gas supply passage.
  • the consumption of the gas can be suppressed to a low level, so that the energy consumed to supply the gas can be suppressed to a low level.
  • the energy efficiency of the system can be improved.
  • FIG. 1 shows an overall configuration of a gas expansion system according to a first embodiment of the present invention.
  • a cryogenic refrigeration system 100 which generates a liquefied raw gas by liquefying the raw material gas by cooling the supplied raw gas such as hydrogen gas.
  • the source gas is cooled in the process of flowing through the feed line 1.
  • a process gas such as hydrogen, helium, or neon used to cool the source gas circulates in the circulation line 3.
  • the feed line 1 includes a first stage heat exchanger 81, an initial cooler 73, second to sixth stage heat exchangers 82 to 86, a cooler 88, and a supply system JT (Joule Thomson) valve 16; Pass in that order.
  • JT Joule Thomson
  • the cooler 88 includes a liquefied refrigerant storage tank 40 for storing the liquefied refrigerant in which the refrigerant in the refrigerant circulation line 3 is liquefied, and the feed line 1 is passed through the liquefied refrigerant storage tank 40.
  • the raw material gas is cooled by the liquefied refrigerant in the liquefied refrigerant storage tank 40 to about the temperature of the liquefied refrigerant (ie, cryogenic temperature).
  • the cryogenic source gas coming out of the cooler 88 as described above passes through the supply system JT valve 16 and becomes a low temperature normal pressure liquid.
  • the raw material gas liquefied i.e., liquefied raw gas
  • a storage tank not shown
  • the refrigerant circulation line 3 is a closed flow path through which the refrigerant circulates, and is a flow path in the heat exchangers 81 to 86, a flow path in the cooler 73, and two compressors 32, 33, two.
  • the expansion turbines 37 and 38, a circulation system Joule Thomson valve (hereinafter, referred to as "circulation system JT valve 36"), a liquefied refrigerant storage tank 40, and a flow path in a pipe connecting them are formed.
  • the cold energy generation route 42 includes the high pressure compressor 33, the high temperature side refrigerant flow path of the first to second heat exchangers 81 to 82, the high pressure side expansion turbine (first expansion turbine, Hereinafter, “high pressure expansion turbine 37”), fourth stage heat exchanger 84, low pressure side expansion turbine (second expansion turbine, hereinafter “low pressure expansion turbine 38”), and fifth to first stages
  • the low temperature side refrigerant flow paths of the stage heat exchangers 85 to 81 pass through in order and return to the high pressure compressor 33.
  • the refrigerant gas is expanded and cooled there while passing through the high pressure expansion turbine 37 and the low pressure expansion turbine 38.
  • FIG. 2 shows the block diagram about the high pressure expansion turbine 37 and the low pressure expansion turbine 38.
  • FIG. 2 shows the gas supply path and the gas exhaust path supplied to the region between the rotary shaft and the bearing portion in each of the high pressure expansion turbine 37 and the low pressure expansion turbine 38.
  • the refrigerant is expanded using two expansion turbines 37 and 38 to cool the refrigerant and cool it. Specifically, the refrigerant cooled by being expanded by the high pressure expansion turbine 37 is expanded again by the low pressure expansion turbine 38 and cooled. As a result, even when the cooling performance of one expansion turbine is insufficient for cooling the refrigerant, the refrigerant can be cooled more strongly by cooling the refrigerant again.
  • the high pressure expansion turbine 37 includes a rotating shaft (first rotating shaft) 371 that rotates when the high pressure expansion turbine 37 is driven and operated.
  • An impeller (first impeller) 372 is attached to one end of the rotating shaft 371. When the rotating shaft 371 rotates, the impeller 372 rotates accordingly.
  • the high pressure expansion turbine 37 includes a bearing (a first bearing) 376 supporting the rotating shaft 371.
  • the bearing portion 376 includes a radial bearing portion (first radial bearing portion) 373 supporting the rotating shaft 371 in the radial direction, and a thrust bearing portion supporting the rotating shaft 371 in the axial direction of the rotating shaft (first Thrust bearing portion 374).
  • bearing portion 376 is provided with a seal portion 375 for preventing the refrigerant from entering the impeller 372 along the axial direction of the rotating shaft 371 with respect to the other end side.
  • the impeller 372 rotates inside the cover, so a gap is created between the back of the impeller 372 and the cover.
  • the refrigerant may enter the other end side of the impeller 372 along the rotation shaft 371 through the gap generated there.
  • the flow of the refrigerant along the rotation shaft 371 is interrupted at a position close to the back of the impeller around the rotation shaft 371.
  • the seal portion 375 is disposed.
  • the seal portion 375 Since the seal portion 375 is disposed at a position to block the flow of the refrigerant along the rotating shaft 371, the seal portion 375 serves as a resistance of the flow of the refrigerant to the other end side along the axial direction. The amount of leakage can be reduced. Since the amount of leakage to the other end along the axial direction by the refrigerant can be suppressed to a low level, the rotating shaft 371 and the parts around it are cooled by the refrigerant and the temperature drops excessively, and the rotating shaft 371 and parts around it Can be suppressed. Thereby, the dimensional accuracy of the rotating shaft 371 and the parts around it can be maintained high, and the occurrence of contact between the rotating shaft 371 and the bearing portion 376 during operation can be suppressed.
  • the contact between the rotating shaft 371 and the bearing portion 376 is suppressed, the rotation by the rotating shaft 371 can be performed efficiently. Therefore, the energy efficiency of the cryogenic refrigeration system 100 as a gas expansion system can be improved. Further, the durability of the high pressure expansion turbine 37 can be improved.
  • the high pressure expansion turbine 37 is provided with a gas supply passage (first gas supply passage) 377 as a supply passage for supplying the bearing gas to the bearing portion 376 (first bearing portion).
  • a flow control valve 390 for adjusting the flow rate of the bearing gas flowing through the gas supply passage 377 is provided in the flow passage on the upstream side of the gas supply passage 377.
  • the high pressure expansion turbine 37 is provided with a gas discharge path (first gas discharge path) 378 from which the bearing gas supplied to the bearing portion 376 is discharged from the gas supply path 377. The gas is discharged from the gas discharge passage 378 to the flow passage 408 on the downstream side of the gas discharge passage 378 and on the upstream side of the gas supply passage 387 on the low pressure expansion turbine 38 side described later.
  • a flow control valve 391 is provided to adjust the flow rate of the bearing gas supplied to the supply passage 387.
  • the bearing portion 376 also includes a region (first region) 379 between the rotating shaft 371 and the bearing.
  • gas is supplied to the radial bearing portion 373 and the thrust bearing portion 374.
  • the rotating shaft 371 By supplying gas to the radial bearing portion 373 with an appropriate pressure and rotating the rotating shaft 371, the rotating shaft 371 floats up from the radial bearing portion 373. At the same time, the position of the rotation shaft 371 in the radial direction is maintained. Therefore, the rotating shaft 371 and the radial bearing portion 373 are maintained in a non-contact state. As described above, when operating the high pressure expansion turbine 37, the rotary shaft 371 can be rotated in a non-contact state between the rotary shaft 371 and the radial bearing portion 373. Since the rotating shaft 371 rotates in a non-contact state with the radial bearing portion 373, the resistance when the rotating shaft 371 rotates can be reduced. Thereby, the energy consumption at the time of driving
  • the rotating shaft 371 can be maintained at an appropriate position in the axial direction. Therefore, the rotational shaft 371 and the thrust bearing portion 374 are maintained in a non-contact state.
  • the rotary shaft 371 can be rotated with the rotary shaft 371 and the thrust bearing portion 374 not in contact with each other. Since the rotating shaft 371 rotates in a non-contact state with the thrust bearing portion 374, the resistance when the rotating shaft 371 rotates can be reduced. Thereby, the energy consumption at the time of operation of the high pressure expansion turbine 37 can be further reduced, and the energy efficiency of the cryogenic refrigeration system 100 can be further improved.
  • the low pressure expansion turbine 38 is provided with a rotating shaft (second rotating shaft) 381 that rotates when driven and operated.
  • An impeller (second impeller) 382 is attached to one end of the rotating shaft 381. When the rotating shaft 381 rotates, the impeller 382 rotates accordingly.
  • the low pressure expansion turbine 38 includes a bearing (second bearing) 386 that supports the rotating shaft 381.
  • the bearing portion 386 includes a radial bearing portion (second radial bearing portion) 383 supporting the rotating shaft 381 in the radial direction, and a thrust bearing portion supporting the rotating shaft 381 in the axial direction of the rotating shaft (second Thrust bearing portion 384).
  • the bearing portion 386 is provided with a seal portion 385 for preventing the refrigerant from entering the impeller 382 along the axial direction of the rotating shaft 381 with respect to the other end side.
  • the seal portion 385 is disposed at a position close to the back surface of the impeller 382 around the rotation shaft 381 and at a position where the flow of the refrigerant along the rotation shaft 381 is shut off.
  • the seal portion 385 Since the seal portion 385 is disposed at a position to block the flow of the refrigerant along the rotating shaft 381, the seal portion 385 serves as a resistance of the flow of the refrigerant to the other end side along the axial direction. The amount of leakage can be reduced. Also in the low-pressure expansion turbine 38, the amount of leakage to the other end along the axial direction by the refrigerant is suppressed to a small amount, so the rotating shaft 381 and its surrounding components are cooled by the refrigerant and the temperature drops excessively. The contraction of the shaft 381 and parts around it can be suppressed.
  • the dimensional accuracy of the rotating shaft 381 and the parts around it can be maintained high, and the contact between the rotating shaft 381 and the seal portion 385 can be suppressed. Since the contact between the rotating shaft 381 and the seal portion 385 is suppressed, the rotation by the rotating shaft 381 can be efficiently performed. Therefore, the energy efficiency of the cryogenic refrigeration system 100 can be improved. Further, the durability of the low pressure expansion turbine 38 can be improved.
  • the low pressure expansion turbine 38 is provided with a gas supply path (second gas supply path) 387 as a supply path when supplying the bearing gas to the bearing portion 386. Further, the low pressure expansion turbine 38 is provided with a gas discharge passage (second gas discharge passage) 388 from which the gas supplied to the bearing portion 386 is discharged from the gas supply passage 387. A flow control valve 392 for adjusting the flow rate of the bearing gas discharged from the gas discharge passage 388 is provided in the flow passage on the downstream side of the gas discharge passage 388.
  • the bearing portion 386 also includes a region (second region) 389 between the rotating shaft 381 and the bearing.
  • gas is supplied to the radial bearing portion 383 and the thrust bearing portion 384.
  • the bearing gas is supplied to the low pressure expansion turbine radial bearing portion 383 by an appropriate pressure and the low pressure expansion turbine rotary shaft 381 is rotated, so that the rotary shaft 381 is in a noncontact state with the radial bearing portion 383 It can be rotated. Therefore, the resistance when the rotating shaft 381 rotates can be reduced. Thereby, the energy consumption at the time of operation of the low pressure expansion turbine 38 can be suppressed small, and the operation efficiency of the cryogenic refrigeration system 100 can be improved.
  • the rotation shaft 381 can be rotated in a non-contact state with the thrust bearing portion 384. Therefore, the resistance when the rotating shaft 381 rotates can be reduced. Thereby, the energy consumption at the time of operation of the low pressure expansion turbine 38 can be further reduced, and the operation efficiency of the cryogenic refrigeration system 100 can be further improved.
  • the refrigerant compressed by the high pressure compressor 33 travels from the high pressure compressor 33 through the high pressure flow path 31H to the branch portion 31d. As described above, when the high pressure expansion turbine 37 is driven, most of the refrigerant branched in the branch portion 31 d flows toward the high pressure expansion turbine 37 through the cold heat generation flow path 31C.
  • the refrigerant expanded by the high pressure expansion turbine 37 flows toward the low pressure expansion turbine 38 after passing through the fourth stage heat exchanger 84.
  • the refrigerant flows into the low pressure expansion turbine 38, where expansion of the refrigerant by the low pressure expansion turbine 38 is performed.
  • the rotating shaft 381 rotates and the impeller 382 rotates accordingly, the refrigerant is expanded while the refrigerant is taken into the low pressure expansion turbine 38.
  • the temperature of the refrigerant is further lowered.
  • the cryogenic refrigerant coming out of the low pressure expansion turbine 38 is further passed through the heat exchanger 85 of the fifth stage to the heat exchanger 81 of the first stage in order and heated (ie, the raw material gas and the high pressure flow).
  • the refrigerant in the passage 31H is cooled) and merges with the refrigerant in the medium pressure passage 31M.
  • the pressure of the refrigerant when expanded by the high pressure expansion turbine 37 is the refrigerant when expanded by the low pressure expansion turbine 38.
  • the gas discharge passage 378 of the high pressure expansion turbine 37 is connected to the gas supply passage 387 of the low pressure expansion turbine 38. Accordingly, the gas discharged from the gas discharge passage 378 of the high pressure expansion turbine 37 is supplied to the gas supply passage 387 of the low pressure expansion turbine 38.
  • the pressure of the gas supplied to region 379 in high pressure expansion turbine 37 is higher than the pressure of the gas supplied to region 389 in low pressure expansion turbine 38.
  • the gas supplied to the region 379 in the high pressure expansion turbine 37 can be It can be sent to the 38 low pressure gas supply lines 387.
  • gas can be supplied to the low pressure gas supply passage 387 of the low pressure expansion turbine 38 without specially providing supply means for supplying gas to the gas supply passage 387 of the low pressure expansion turbine 38. Therefore, the configuration of the cryogenic refrigeration system 100 can be simplified.
  • the gas used in the bearing 376 of the high pressure expansion turbine 37 is Before being discharged from the high pressure expansion turbine 37 and the low pressure expansion turbine 38, they are again used in the bearing portion 386 of the low pressure expansion turbine 38.
  • the gas supplied to the bearings needs to have a certain pressure.
  • a process of pressurizing gas such as compression using a compressor, is required.
  • a part of the refrigerant pressurized by the compressors 32, 33 is supplied to the region between the bearing portion and the rotation shaft in the expansion turbines 37, 38.
  • the gas used in the high pressure expansion turbine 37 is used in any of the radial bearing portion supporting the rotation axis in the radial direction and the thrust bearing portion supporting the rotation axis in the axial direction. It is used.
  • the gas used in the high pressure expansion turbine 37 is used in the low pressure expansion turbine 38 only in the radial bearing portion that supports the rotating shaft in the radial direction. Further, in the thrust bearing portion supporting the rotating shaft in the axial direction, the gas used in the high pressure expansion turbine 37 is not used in the low pressure expansion turbine 38.
  • FIG. 3 shows a configuration diagram of a high pressure expansion turbine 37a and a low pressure expansion turbine 38a in the second embodiment.
  • a flow path 393 for supplying gas to the high pressure expansion turbine 37a and the low pressure expansion turbine 38a is branched.
  • One flow path 393a of the branched flow paths 393 is connected to the high pressure gas supply path 377 of the high pressure expansion turbine 37a.
  • the flow path 393a is provided with a flow control valve 401 for adjusting the flow rate of the gas flowing through the flow path 393a.
  • the other flow path 393 b of the branched flow paths 393 is connected to the gas supply path 387 a for the thrust bearing portion 384 of the gas supply path 387 of the low pressure expansion turbine 38 a.
  • the flow path 393 b is provided with a flow control valve 402 for adjusting the flow rate of the gas flowing through the flow path 393 b.
  • the flow path 403 of the gas discharged from the radial bearing portion 373 is the gas supply path in the low pressure expansion turbine 38a. It is connected to the gas flow path 387 b supplied to the radial bearing portion 383 of 387.
  • a flow control valve 405 for adjusting the flow rate of the gas flowing through the flow path 403 is provided.
  • the flow path 404 of the gas discharged from the thrust bearing portion 374 is connected to the gas supply path 387 of the low pressure expansion turbine 38a. And the gas flowing in the flow path is discharged to the outside.
  • the flow path 404 is provided with a flow rate adjustment valve 409 for adjusting the flow rate of the gas flowing through the flow path 403.
  • the gas supply passage 387 is connected to the flow passage 393b. Accordingly, the high pressure gas from the compressors 32, 33 is directly supplied to the low pressure expansion turbine thrust bearing portion 384. Since the gas supplied to the thrust bearing portion 384 is maintained at a high pressure, the positioning of the rotary shaft 381 of the low pressure expansion turbine 38a is reliably performed.
  • the gas supplied to the thrust bearing 374 in the high pressure expansion turbine 37a and discharged from the region 379b is not supplied to the thrust bearing 384 in the low pressure expansion turbine 38a.
  • the gas discharged from the thrust bearing portion 374 is discharged from the high pressure expansion turbine 37a and the low pressure expansion turbine 38a to the outside through the flow passage 404 without being used as a bearing gas in the region 389b.
  • the gas discharge path 378 from the high pressure expansion turbine 37a is connected to the gas supply path 387 of the low pressure expansion turbine 38a via the flow path 403. Therefore, the gas discharged from the gas discharge passage 378 of the high pressure expansion turbine 37a is supplied to the gas supply passage 387 of the low pressure expansion turbine 38a. Therefore, in the radial bearing portion 383 of the low pressure expansion turbine 38a, the gas used in the high pressure expansion turbine 37a is reused.
  • the gas used in the radial bearing portion 383 and the thrust bearing portion 384 of the low pressure expansion turbine 38 a is discharged to the outside through the flow path 406.
  • the flow path 406 is provided with a flow control valve 407 for adjusting the flow rate of the gas discharged to the outside through the flow path 406.
  • the gas once used in the radial bearing portion 373 of the high pressure expansion turbine 37a is reused by the radial bearing portion 383 of the low pressure expansion turbine 38a, the space between the high pressure expansion turbine 37a and the low pressure expansion turbine 38a
  • the gas used in the radial bearing can be made common. Thereby, the consumption of gas can be reduced.
  • the load applied to the thrust bearing portion is larger than the load applied to the radial bearing portion. Therefore, in the thrust bearing portion, a larger force is required to position the rotary shaft than in the radial bearing portion. Therefore, in the thrust bearing portion, higher pressure is required for the gas supplied to the bearing portion than in the radial bearing portion.
  • the gas supply amount is adjusted by using the flow control valve, so the pressure of the gas is reduced there. Therefore, in the case where the gas compressed by the compressors 32, 33 is supplied as it is, the pressure of the gas is higher than in the case where the gas discharged from the gas discharge path 378 of the high pressure expansion turbine 37a is reused. It can be used. Therefore, for the relatively heavy-loaded thrust bearing portion 384 in the low pressure expansion turbine 38a, the high pressure gas from the compressors 32, 33 is directly used without reusing the gas used in the high pressure expansion turbine 37a. Supplied. Therefore, in the thrust bearing portions 374, 384 where high pressure is required, the rotary shafts 371, 381 are positioned by the gas having a large pressure, so that the rotary shafts 371, 381 can be positioned reliably.
  • the load is relatively small, and a high pressure is not required for the gas supplied thereto. Therefore, as the gas supplied to the radial bearing portion 383 of the low pressure expansion turbine 38a, the gas whose pressure has once been supplied to the radial bearing portion 373 of the high pressure expansion turbine 37a may be used by recycling. Thereby, the consumption of gas can be reduced.
  • the gas used in the high pressure expansion turbine 37a is used again in the low pressure expansion turbine 38a only in the radial bearing portions 373, 383 and the gas used in the high pressure expansion turbine 37a is used in the thrust bearing portions 374, 384 , And may not be used in the low pressure expansion turbine 38a.
  • the gas used in the bearing part of the high pressure expansion turbine is used again in the bearing part of the low pressure expansion turbine in both the radial bearing part and the thrust bearing part.
  • the gas used between the rotary shaft of the high pressure expansion turbine and the bearing portion is used again in the low pressure expansion turbine only in the radial bearing portion.
  • the gas used in the region between the radial bearing portion and the rotation shaft of the high pressure expansion turbine and the region between the thrust bearing portion and the rotation shaft is the seal portion of the low pressure expansion turbine Are again used in the region between the and the rotation axis.
  • FIG. 4 the block diagram of the high pressure expansion turbine 37b and the low pressure expansion turbine 38b in 3rd Embodiment is shown.
  • the flow path 394 for supplying gas to the high pressure expansion turbine 37 b and the low pressure expansion turbine 38 b is branched into three.
  • One of the flow paths branched from the flow path 394 is connected to the radial bearing portion 373 and the thrust bearing portion 374 of the high pressure expansion turbine 37 b.
  • gas can be supplied to the radial bearing portion 373 and the thrust bearing portion 374 of the high pressure expansion turbine 37 b.
  • One of the flow paths branched from the flow path 394 is connected to the seal portion 375 of the high pressure expansion turbine 37 b.
  • gas can be supplied to a region 375a between the seal portion 375 and the high pressure expansion turbine rotating shaft 371.
  • One of the flow paths branched from the flow path 394 is connected to the radial bearing portion 383 and the thrust bearing portion 384 of the low pressure expansion turbine 38 b.
  • gas can be supplied to the radial bearing portion 383 and the thrust bearing portion 384 of the low pressure expansion turbine 38b.
  • a flow control valve 395a is disposed in a flow path 394b extending from a branch point 394a in the gas flow path to the radial bearing portion 373 and the thrust bearing portion 374 of the high pressure expansion turbine 37b.
  • the flow control valve 395a is configured to adjust the amount of gas supplied to the radial bearing portion 373 and the thrust bearing portion 374 of the high pressure expansion turbine 37b.
  • a flow control valve 395 b is disposed in a flow path 394 c extending from the branch point 394 a in the gas flow path to the seal portion 375 of the high pressure expansion turbine 37 b.
  • the flow rate adjusting valve 395 b is configured to adjust the amount of gas supplied to the seal portion 375 of the high pressure expansion turbine 37 b.
  • a flow control valve 395 c is disposed in a flow path 394 d extending from the branch point 394 a in the gas flow path to the radial bearing portion 383 and the thrust bearing portion 384 of the low pressure expansion turbine 38 b.
  • the flow rate adjusting valve 395 c is configured to adjust the amount of gas supplied to the radial bearing portion 383 and the thrust bearing portion 384 of the low pressure expansion turbine 38 b.
  • a flow control valve 395d capable of adjusting the flow rate of gas is disposed in the flow passage on the downstream side of the gas discharge passage 378 of the high pressure expansion turbine 37b.
  • the flow control valve 395d is configured to adjust the flow rate of the gas discharged from the gas discharge path 378 of the high pressure expansion turbine 37b.
  • Gas discharged from the radial bearing portion 373 and the thrust bearing portion 374 of the high pressure expansion turbine 37 b passes through the flow path 396 and branches at a branch point 397.
  • one channel 398 is connected to the outside. Therefore, the gas passing through the flow path 398 is discharged to the outside as it is.
  • the other flow path 399 is connected to the seal portion 385 of the low pressure expansion turbine 38b.
  • a flow control valve 395e capable of adjusting the flow rate of gas is disposed in the flow path 399.
  • the flow rate adjusting valve 395 e is configured to adjust the amount of gas supplied to the seal portion 385 of the low pressure expansion turbine 38 b.
  • the flow passage on the downstream side of the gas discharge passage 388 of the low pressure expansion turbine 38 b is provided with a flow control valve 395 f capable of adjusting the flow rate of the gas discharged from the gas discharge passage 388.
  • the flow control valve 395f is configured to adjust the flow rate of the gas discharged from the radial bearing portion 383 and the thrust bearing portion 384 of the low pressure expansion turbine 38b.
  • the refrigerant By supplying high-pressure gas to the region 385a between the seal portion 385 and the rotary shaft 381 in the low pressure expansion turbine 38b, the refrigerant can be low pressure impeller in the region 385a between the seal portion 385 and the rotary shaft 381 It can be pushed back to the 382 side. As the refrigerant is pushed back to the impeller 382, the refrigerant can be prevented from passing through the area 385a between the seal portion 385 and the rotating shaft 381. Therefore, the refrigerant can be further suppressed from entering the position on the other end side with respect to the impeller 382 side with the seal portion 385 interposed.
  • the gas supplied to the seal portion 385 functions as a seal gas that pushes the refrigerant from the seal portion 385 to the one end side. Since the refrigerant can be suppressed from entering the position on the other end side of the impeller 382 side, it is possible to suppress deterioration in the dimensional accuracy of the rotary shaft and the bearing portion by cooling the rotary shaft and the bearing portion. it can.
  • the seal gas supplied to the region 385a between the seal portion 385 and the rotary shaft 381 in the low pressure expansion turbine 38b is supplied to the region 389a between the radial bearing portion 383 and the rotary shaft 381, the thrust bearing portion 384 and the rotary shaft 381.
  • the gas from the region 389b between them is discharged and recovered by flowing into the gas discharge passage 388 to be discharged.
  • part of the gas used in the region 379a between the rotating shaft 371 and the radial bearing 373 of the high pressure expansion turbine 37b and the region 379b between the thrust bearing 374 and the rotating shaft 371 Are branched at a branch point 397 and again used in a region 385a between the seal 385 of the low pressure expansion turbine 38b and the rotation shaft 381.
  • the gas supplied to the seal portion 385 in the low pressure expansion turbine 38 b through the flow path (second gas supply path) 399 is from the region 385 a between the seal portion 385 and the rotating shaft 381.
  • the seal gas is a seal gas that pushes the refrigerant to one end side (the low pressure impeller 382 side) along the axial direction of the rotation shaft 381.
  • the gas discharged from the region 379a between the radial bearing 373 and the rotating shaft 371 of the high pressure expansion turbine 37b and the region 379b between the thrust bearing 374 and the rotating shaft 371 And is supplied to a region 385a between the seal portion 385 of the low pressure expansion turbine 38b and the rotating shaft 381. Therefore, the gas used in the region 379a between the radial bearing 373 and the rotating shaft 371 of the high pressure expansion turbine 37 and the region 379b between the thrust bearing 374 and the rotating shaft 371 is a high pressure expansion turbine 37b and a low pressure expansion.
  • the refrigerant has a low pressure in the area around the impeller 382 in which the expansion in the low pressure expansion turbine 38b is performed. Accordingly, the pressure in the region 385a between the seal portion 385 and the rotating shaft 381 in the low pressure expansion turbine 38b is low. Therefore, the pressure in the region 385a between the seal portion 385 and the rotating shaft 381 in the low pressure expansion turbine 38b is smaller than the pressure in the gas discharge passage 378 of the high pressure expansion turbine 37b. Therefore, a pressure difference occurs between the gas discharge path 378 of the high pressure expansion turbine 37 b and the area 385 a between the seal portion 385 of the low pressure expansion turbine 38 b and the rotating shaft 381.
  • the gas discharge passage 378 of the high pressure expansion turbine 37b and the region 385a of the low pressure expansion turbine 38b are connected, the gas discharge passage 378 is discharged even without providing any special supply means therebetween. Gas can be supplied to region 385a. For this reason, the supply means for supplying the gas to the region 385a can be omitted from the configuration of the refrigerant expansion system, and the configuration for supplying the gas to the region 385a can be simplified. Thereby, the manufacturing cost of the cryogenic refrigeration system 100 can be reduced.
  • the expansion turbines connected in series are used.
  • the gas supplied between the bearing portion and the rotating shaft may be reused between any expansion turbines among the plurality of expansion turbines.
  • the gas used in the high pressure expansion turbine with a relatively high pressure of the refrigerant is reused in the low pressure expansion turbine with a relatively low pressure of the refrigerant, but the present invention It is not limited to the above embodiment. If the pressure of the gas used in the low pressure expansion turbine is higher than the pressure of the gas used in the high pressure expansion turbine, the gas used in the low pressure expansion turbine may be reused in the high pressure expansion turbine.
  • Positioning of the rotating shaft may be performed by high pressure gas whose pressure is increased by another compressor.
  • the positioning of the rotating shaft may be performed by the gas that has become high pressure by means other than the compressor.

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Abstract

複数の膨張タービンを用いてガスを膨張させガスを冷却させる際に、ガスの消費量を低下させる。高圧膨張タービンは、軸受部に軸受ガスが供給されるガス供給路と、ガス供給路から軸受部に供給された軸受ガスがそこから排出されるガス排出路と、を備えている。低圧膨張タービンは、軸受部に軸受ガスを供給するガス供給路と、ガス供給路から軸受部に供給された軸受ガスをそこから排出するガス排出路と、を備えている。高圧膨張タービンのガス排出路から排出された軸受ガスは、低圧膨張タービンのガス供給路に供給されている。

Description

ガス膨張システム
　本発明は、膨張タービンを複数台直列に有するガス膨張システムに関する。
　従来、膨張タービンを用いてヘリウムや水素などのガスを断熱膨張させ寒冷を得るガス膨張システムが知られている。
　このような膨張タービンでは回転軸を支持するためにプロセスガスを用いた気体軸受を使用する場合がある。気体軸受は静圧気体軸受と動圧気体軸受とに大別される。静圧気体軸受は、動圧気体軸受と比べて負荷容量が高い点、膨張タービンの始動時及び停止時に軸受部と回転軸の間で接触が生じない点で有利である。
　特許文献１には、膨張タービンの軸受のうち、ラジアル軸受を静圧気体軸受として軸受ガスが供給される技術について開示されている。
特開２０００－１２０４０２号公報
　静圧気体軸受を適用する場合、回転軸の支持に必要な所定圧以上の圧力のガスを軸受部へと安定的に供給するため、例えば圧縮機のような高圧のガス供給源が必要になる。そのため、極低温冷凍装置に要する消費動力には、この圧縮駆動力の分が含まれることとなり、軸受ガスの消費量が多くなると、極低温冷凍装置のエネルギー効率が低下してしまう可能性がある。特に、極低温冷凍装置では、複数台の膨張タービンを用いる場合があり、それぞれの膨張タービンの間で、軸受部に供給される軸受ガスがそれぞれ無関係に供給されると、軸受ガスの消費量が増大する。
　そこで、本発明は上記の事情に鑑み、静圧気体軸受により回転軸を支持する膨張タービンを複数台直列に用いてガスを断熱膨張して寒冷を得る際に、軸受ガスの消費量を抑制することを目的とする。
　本発明のガス膨張システムは、第１の回転軸と、前記第１の回転軸に取り付けられ、前記第１の回転軸が回転したときにガスを取り込みながら膨張させる第１の羽根車と、前記第１の回転軸を支持する第１の軸受部と、前記第１の軸受部に軸受ガスが供給される第１のガス供給路と、前記第１のガス供給路から前記第１の軸受部に供給された軸受ガスが前記第１の軸受部から排出される第１のガス排出路と、を有する第１の膨張タービンと、第２の回転軸と、前記第２の回転軸に取り付けられ、前記第２の回転軸が回転したときにガスを取り込みながら膨張させる第２の羽根車と、前記第２の回転軸を支持する第２の軸受部と、前記第２の軸受部に軸受ガスを供給する第２のガス供給路と、前記第２のガス供給路から前記第２の軸受部に供給された軸受ガスを前記第２の軸受部から排出する第２のガス排出路と、を有する第２の膨張タービンと、を備え、前記第１の膨張タービンの前記第１の羽根車により膨張され排出されたガスが前記第２の膨張タービンの前記第２の羽根車に供給されるように、前記第１の膨張タービンと前記第２の膨張タービンとが直列に接続され、前記第１のガス排出路から排出されたガスが前記第２のガス供給路に供給されることを特徴とする。
　複数の膨張タービンを用いてガスを膨張させてガスを冷却させる際に、ガスの消費量を少なく抑えることができるので、ガスを供給するのに消費されるエネルギーを少なく抑えることができる。従って、システムのエネルギー効率を向上させることができる。
本発明の第１実施形態に係るガスの膨張システムについての構成図である。 図１のガスの膨張システムに用いられる高圧膨張タービン及び低圧膨張タービンについての構成図である。 本発明の第２実施形態に係るガスの膨張システムに用いられる高圧膨張タービン及び低圧膨張タービンについての構成図である。 本発明の第３実施形態に係るガスの膨張システムに用いられる高圧膨張タービン及び低圧膨張タービンについての構成図である。
（第１実施形態）
　以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。図１に、本発明の第１実施形態に係るガス膨張システムについての全体的な構成図を示す。
　本実施形態では、ガス膨張システムとして、供給される水素ガス等の原料ガスを、冷却することにより、原料ガスを液化させて液化原料ガスを生成する極低温冷凍装置１００が示されている。原料ガスは、フィードライン１を流れる過程で冷却される。また、原料ガスを冷却するのに用いられる水素、ヘリウム、ネオン等のプロセスガスが循環ライン３を循環する。
〔フィードライン１の構成〕
　フィードライン１は、１段目の熱交換器８１、初期冷却器７３、２段目から６段目の熱交換器８２～８６、冷却器８８、及び供給系ＪＴ（ジュールトムソン）弁１６を、その順に通過する。熱交換器８１～８６では、原料ガスと冷媒との熱交換が行われ、原料ガスが冷却される。
　また、フィードライン１は、６段目の熱交換器８６から出て供給系ＪＴ弁１６に入るまでに冷却器８８を通る。冷却器８８は、冷媒循環ライン３の冷媒が液化した液化冷媒を貯える液化冷媒貯槽４０を備えており、その液化冷媒貯槽４０内にフィードライン１が通されている。冷却器８８では、液化冷媒貯槽４０内の液化冷媒によって原料ガスがおよそ液化冷媒の温度（即ち、極低温）まで冷却される。
　上記のように冷却器８８から出た極低温の原料ガスは、供給系ＪＴ弁１６を通って、低温常圧の液体となる。このようにして液化した原料ガス（即ち、液化原料ガス）は、図示されない貯槽へ送られて貯えられる。
〔冷媒循環ライン３の構成〕
　冷媒循環ライン３は、冷媒が循環する閉じられた流路であって、熱交換器８１～８６内の流路、冷却器７３内の流路、２台の圧縮機３２，３３、２台の膨張タービン３７，３８、循環系ジュールトムソン弁（以下、「循環系ＪＴ弁３６」と称する）、液化冷媒貯槽４０、及び、それらを繋ぐ配管内の流路などによって形成されている。
　冷媒循環ライン３のうち冷熱生成ルート４２は、高圧圧縮機３３、１段目から２段目の熱交換器８１～８２の高温側冷媒流路、高圧側の膨張タービン（第１の膨張タービン、以下「高圧膨張タービン３７」と称する）、４段目の熱交換器８４、低圧側の膨張タービン（第２の膨張タービン、以下「低圧膨張タービン３８」と称する）、及び、５段目から１段目の熱交換器８５～８１の低温側冷媒流路を順に通過して高圧圧縮機３３へ戻る。冷媒ガスは、高圧膨張タービン３７及び低圧膨張タービン３８を通る際に、そこで膨張されて冷却される。
〔高圧膨張タービン３７、低圧膨張タービン３８の構成〕
　高圧膨張タービン３７と、低圧膨張タービン３８についての構成について説明する。
　図２に、高圧膨張タービン３７と、低圧膨張タービン３８についての構成図を示す。図２には、高圧膨張タービン３７及び低圧膨張タービン３８におけるそれぞれの回転軸と軸受部との間の領域に供給されるガス供給路及びガス排出路が示されている。
　上述のように、本実施形態では、２台の膨張タービン３７、３８を用いて冷媒を膨張させて冷媒を降温させて冷却している。具体的には、高圧膨張タービン３７によって膨張させることで冷却した冷媒を低圧膨張タービン３８によって再度膨張させて冷却している。これにより、１台の膨張タービンの冷却性能では冷媒に対する冷却の能力が不十分である場合についても、冷媒を再度冷却することにより、より強く冷媒を冷却させることができる。
　高圧膨張タービン３７は、自身が駆動されて運転される際に回転を行う回転軸（第１の回転軸）３７１を備えている。回転軸３７１には、一端に、羽根車（第１の羽根車）３７２が取り付けられている。回転軸３７１が回転したときには、それに伴って羽根車３７２が回転する。
　高圧膨張タービン３７は、回転軸３７１を支持する軸受部（第１の軸受部）３７６を備えている。軸受部３７６は、回転軸３７１を径方向に対して支持するラジアル軸受部（第１のラジアル軸受部）３７３と、回転軸３７１を回転軸の軸方向に対して支持するスラスト軸受部（第１のスラスト軸受部）３７４とを備えている。
　また、軸受部３７６は、冷媒による、回転軸３７１の軸方向に沿う、羽根車３７２に対し他端側への侵入を阻むためのシール部３７５を備えている。
　高圧膨張タービン３７では、羽根車３７２はカバーの内部で回転するので、羽根車３７２の背面とカバーとの間には隙間が生じる。そこに生じる隙間を通って、回転軸３７１に沿って羽根車３７２の他端側に冷媒が侵入する可能性がある。そのような、回転軸３７１の他端側への冷媒の侵入を阻止するために、回転軸３７１周りで羽根車の背面に近接した位置であって、回転軸３７１に沿う冷媒の流れを遮断する位置に、シール部３７５が配置されている。シール部３７５が回転軸３７１に沿う冷媒の流れを遮断する位置に配置されているので、シール部３７５が軸方向に沿う他端側への冷媒の流れの抵抗となり、冷媒による他端側への漏れ量を少なく抑えることができる。冷媒による軸方向に沿う他端側への漏れ量が少なく抑えられるので、回転軸３７１及びその周囲の部品が冷媒によって冷却されて温度が過度に低下してしまい、回転軸３７１及びその周囲の部品が収縮してしまうことを抑えることができる。これにより、回転軸３７１及びその周囲の部品の寸法精度を高く維持することができ、運転中に回転軸３７１と軸受部３７６との間で接触が生じることを抑えることができる。回転軸３７１と軸受部３７６との間で接触が抑えられるので、回転軸３７１による回転を効率良く行うことができる。従って、ガス膨張システムとしての極低温冷凍装置１００のエネルギー効率を向上させることができる。また、高圧膨張タービン３７の耐久性を向上させることができる。
　また、高圧膨張タービン３７は、軸受部３７６（第１の軸受部）に軸受ガスを供給する際の供給路としてのガス供給路（第１のガス供給路）３７７を備えている。ガス供給路３７７よりも上流側の流路には、ガス供給路３７７を流通する軸受ガスの流量を調整する流量調整弁３９０が設けられている。さらに、高圧膨張タービン３７は、ガス供給路３７７から、軸受部３７６に供給された軸受ガスがそこから排出されるガス排出路（第１のガス排出路）３７８を備えている。ガス排出路３７８よりも下流側であって、後述する低圧膨張タービン３８側のガス供給路３８７よりも上流側の流路４０８には、ガス排出路３７８から排出されて低圧膨張タービン３８側のガス供給路３８７に供給される軸受ガスの流量を調整する流量調整弁３９１が設けられている。
　なお、軸受部３７６は、回転軸３７１と軸受との間の領域（第１の領域）３７９も含むものとする。
　本実施形態では、ラジアル軸受部３７３及びスラスト軸受部３７４にガスが供給される。
　適切な圧力によってラジアル軸受部３７３にガスを供給させると共に回転軸３７１を回転させることにより、回転軸３７１がラジアル軸受部３７３から浮上する。それと共に、回転軸３７１の径方向に対する位置が維持される。従って、回転軸３７１とラジアル軸受部３７３との間が、非接触の状態で維持される。このように、高圧膨張タービン３７を運転させる際に、回転軸３７１とラジアル軸受部３７３との間が非接触の状態で回転軸３７１を回転させることができる。回転軸３７１がラジアル軸受部３７３に対し非接触の状態で回転軸３７１が回転するので、回転軸３７１が回転する際の抵抗を少なく抑えることができる。これにより、高圧膨張タービン３７の運転の際の消費エネルギーを少なく抑えることができ、極低温冷凍装置１００の運転効率を向上させることができる。
　また、適切な圧力によってスラスト軸受部３７４にガスを供給させると共に回転軸３７１を回転させることにより、回転軸３７１を軸方向に適切な位置に維持することができる。従って、回転軸３７１とスラスト軸受部３７４との間が、非接触の状態で維持される。このように、高圧膨張タービン３７を運転させる際に、回転軸３７１とスラスト軸受部３７４との間が非接触の状態で回転軸３７１を回転させることができる。スラスト軸受部３７４に対し非接触の状態で回転軸３７１が回転するので、回転軸３７１が回転する際の抵抗を少なく抑えることができる。これにより、高圧膨張タービン３７の運転の際の消費エネルギーをさらに少なく抑えることができ、極低温冷凍装置１００のエネルギー効率をさらに向上させることができる。
　低圧膨張タービン３８についても同様に、自身が駆動されて運転される際に回転を行う回転軸（第２の回転軸）３８１を備えている。回転軸３８１には、一端に、羽根車（第２の羽根車）３８２が取り付けられている。回転軸３８１が回転したときには、それに伴って羽根車３８２が回転する。
　低圧膨張タービン３８は、回転軸３８１を支持する軸受部（第２の軸受部）３８６を備えている。軸受部３８６は、回転軸３８１を径方向に対して支持するラジアル軸受部（第２のラジアル軸受部）３８３と、回転軸３８１を回転軸の軸方向に対して支持するスラスト軸受部（第２のスラスト軸受部）３８４とを備えている。
　また、軸受部３８６は、冷媒による、回転軸３８１の軸方向に沿う、羽根車３８２に対し他端側への侵入を阻むためのシール部３８５を備えている。シール部３８５は、回転軸３８１周りで羽根車３８２の背面に近接した位置であって、回転軸３８１に沿う冷媒の流れを遮断する位置に配置されている。
　シール部３８５が回転軸３８１に沿う冷媒の流れを遮断する位置に配置されているので、シール部３８５が軸方向に沿う他端側への冷媒の流れの抵抗となり、冷媒による他端側への漏れ量を少なく抑えることができる。低圧膨張タービン３８においても、冷媒による軸方向に沿う他端側への漏れ量が少なく抑えられるので、回転軸３８１及びその周囲の部品が冷媒によって冷却されて温度が過度に低下してしまい、回転軸３８１及びその周囲の部品が収縮してしまうことを抑えることができる。これにより、回転軸３８１及びその周囲の部品の寸法精度を高く維持することができ、回転軸３８１とシール部３８５との間で接触が生じることを抑えることができる。回転軸３８１とシール部３８５との間で接触が抑えられるので、回転軸３８１による回転を効率良く行うことができる。従って、極低温冷凍装置１００のエネルギー効率を向上させることができる。また、低圧膨張タービン３８の耐久性を向上させることができる。
　また、低圧膨張タービン３８は、軸受部３８６に軸受ガスを供給する際の供給路としてのガス供給路（第２のガス供給路）３８７を備えている。さらに、低圧膨張タービン３８は、ガス供給路３８７から、軸受部３８６に供給されたガスがそこから排出されるガス排出路（第２のガス排出路）３８８を備えている。ガス排出路３８８よりも下流側の流路には、ガス排出路３８８から排出される軸受ガスの流量を調整する流量調整弁３９２が設けられている。
　なお、軸受部３８６は、回転軸３８１と軸受との間の領域（第２の領域）３８９も含むものとする。
　本実施形態では、ラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４にガスが供給されている。
　適切な圧力によって低圧膨張タービンラジアル軸受部３８３に軸受ガスが供給されると共に低圧膨張タービン回転軸３８１が回転することにより、回転軸３８１がラジアル軸受部３８３に対し非接触の状態で回転軸３８１を回転させることができる。従って、回転軸３８１が回転する際の抵抗を少なく抑えることができる。これにより、低圧膨張タービン３８の運転の際の消費エネルギーを少なく抑えることができ、極低温冷凍装置１００の運転効率を向上させることができる。
　また、適切な圧力によってスラスト軸受部３８４にガスを供給することにより、スラスト軸受部３８４に対し非接触の状態で回転軸３８１を回転させることができる。従って、回転軸３８１が回転する際の抵抗を少なく抑えることができる。これにより、低圧膨張タービン３８の運転の際の消費エネルギーをさらに少なく抑えることができ、極低温冷凍装置１００の運転効率をさらに向上させることができる。
　以上のような構成を有する極低温冷凍装置１００における冷媒循環ライン３の膨張タービン３７、３８を流通する冷媒の動作について説明する。
　高圧圧縮機３３で圧縮された冷媒は、高圧圧縮機３３から高圧流路３１Ｈを通って分岐部３１ｄに向かう。上述したように、高圧膨張タービン３７が駆動されることにより、分岐部３１ｄで分岐する冷媒のうち、大部分が冷熱生成流路３１Ｃを通って高圧膨張タービン３７に向かって流れる。
　冷媒が高圧膨張タービン３７に流入すると、そこで高圧膨張タービン３７による冷媒の膨張が行われる。回転軸３７１が回転しそれに伴って羽根車３７２が回転すると、高圧膨張タービン３７の内部に冷媒が取り込まれながら、その冷媒が膨張させられる。冷媒の膨張が行われると、冷媒が降温される。
　高圧膨張タービン３７で膨張が行われた冷媒は、４段目の熱交換器８４を通過したのち、低圧膨張タービン３８に向かって流れる。
　また、低圧膨張タービン３８が駆動されることにより、冷媒が低圧膨張タービン３８に流入し、そこで低圧膨張タービン３８による冷媒の膨張が行われる。回転軸３８１が回転しそれに伴って羽根車３８２が回転すると、低圧膨張タービン３８の内部に冷媒が取り込まれながら、その冷媒が膨張させられる。冷媒の膨張が行われると、そこでさらに冷媒が降温される。
　低圧膨張タービン３８から出た極低温の冷媒は、さらに、５段目の熱交換器８５から１段目の熱交換器８１までを順に通過して昇温されて（即ち、原料ガス及び高圧流路３１Ｈの冷媒を冷却して）、中圧流路３１Ｍの冷媒と合流する。
　次に、膨張タービン３７、３８に供給される軸受ガスについて説明する。
　冷媒は、高圧膨張タービン３７によって膨張された後に低圧膨張タービン３８によって膨張されるので、高圧膨張タービン３７によって膨張されている際の冷媒の圧力は、低圧膨張タービン３８によって膨張されている際の冷媒の圧力よりも高い。そのため、本実施形態では、高圧膨張タービン３７のガス排出路３７８が、低圧膨張タービン３８のガス供給路３８７に接続されている。従って、高圧膨張タービン３７のガス排出路３７８から排出されたガスが、低圧膨張タービン３８のガス供給路３８７に供給される。
　通常、高圧膨張タービン３７における領域３７９に供給されるガスの圧力は、低圧膨張タービン３８における領域３８９に供給されるガスの圧力よりも高い。このような場合には、高圧膨張タービン３７のガス排出路３７８と低圧膨張タービン３８のガス供給路３８７とを接続することにより、高圧膨張タービン３７における領域３７９に供給されたガスを、低圧膨張タービン３８の低圧ガス供給路３８７に送ることができる。このとき、低圧膨張タービン３８のガス供給路３８７にガスを供給するための供給手段を特別に設けることなく、低圧膨張タービン３８の低圧ガス供給路３８７にガスを供給することができる。従って、極低温冷凍装置１００の構成を簡易にすることができる。
　また、このように高圧膨張タービン３７の軸受部３７６から排出されたガスが、低圧膨張タービン３８の軸受部３８６に供給されることになるので、高圧膨張タービン３７の軸受部３７６で用いられたガスが、高圧膨張タービン３７及び低圧膨張タービン３８から排出される前に、低圧膨張タービン３８の軸受部３８６で再び用いられることになる。高圧膨張タービン３７と低圧膨張タービン３８との間で、軸受部で用いられるガスを共通化することにより、高圧膨張タービン３７及び低圧膨張タービン３８における軸受部に供給されるガスの消費量を少なく抑えることができる。
　また、膨張タービン３７、３８における軸受部に供給されるガスの圧力によって回転軸の位置決めが行われることから、軸受部に供給されるガスには、ある程度の圧力を有することが必要とされる。軸受部に供給されるガスを高圧にするには、圧縮機を用いて圧縮する等、ガスに対する加圧工程が必要になる。本実施形態では、圧縮機３２、３３によって昇圧された冷媒の一部が、膨張タービン３７、３８における軸受部と回転軸との間の領域に供給されている。
　圧縮機３２、３３を駆動することによって冷媒を昇圧させる際には、圧縮機３２、３３を駆動するためのエネルギーが消費されることになる。仮に、軸受部と回転軸との間の領域に供給されるガスの消費量が多くなると、その分エネルギーの消費量が多くなり、システムのエネルギー効率が低下する可能性がある。
　本実施形態では、高圧膨張タービン３７及び低圧膨張タービン３８における軸受部と回転軸との間に供給されるガスの消費量が少なく抑えられるので、システム内で消費されるエネルギーが少なく抑えられる。これにより、冷媒の膨張システムのエネルギー効率を向上させることができる。
（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態に係るガスの膨張システムについて説明する。なお、上記第１実施形態と同様に構成される部分については図中同一符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
　第１実施形態では、回転軸を径方向に支持するラジアル軸受部と回転軸を軸方向に支持するスラスト軸受部とのいずれにおいても、高圧膨張タービン３７で用いられたガスが低圧膨張タービン３８でも用いられている。これに対し、第２実施形態では、回転軸を径方向に支持するラジアル軸受部でのみ、高圧膨張タービン３７で用いられたガスが低圧膨張タービン３８で用いられている。また、回転軸を軸方向に支持するスラスト軸受部では、高圧膨張タービン３７で用いられたガスは、低圧膨張タービン３８では用いられていない。
　第２実施形態における高圧膨張タービン及び低圧膨張タービンの構成について説明する。図３に、第２実施形態における高圧膨張タービン３７ａ及び低圧膨張タービン３８ａの構成図を示す。
　第２実施形態では、高圧膨張タービン３７ａ及び低圧膨張タービン３８ａにガスを供給する流路３９３が分岐している。分岐した流路３９３のうち一方の流路３９３ａは、高圧膨張タービン３７ａの高圧ガス供給路３７７に接続されている。流路３９３ａには、流路３９３ａを流通するガスの流量を調整する流量調整弁４０１が設けられている。分岐した流路３９３のうち他方の流路３９３ｂは、低圧膨張タービン３８ａのガス供給路３８７のうちスラスト軸受部３８４についてのガス供給路３８７ａに接続されている。流路３９３ｂには、流路３９３ｂを流通するガスの流量を調整する流量調整弁４０２が設けられている。
　流路３９３ａが高圧膨張タービン３７ａの高圧ガス供給路３７７に接続されているので、高圧膨張タービン３７ａでは、圧縮機３２、３３から流路３９３、流路３９３ａを介して供給されたガスによって回転軸３７１の位置決めが行われる。
　第２実施形態では、高圧膨張タービン３７ａにおけるガス排出路３７８から排出されるガスの流路のうち、ラジアル軸受部３７３から排出されたガスの流路４０３については、低圧膨張タービン３８ａにおけるガス供給路３８７のラジアル軸受部３８３に供給するガス流路３８７ｂに接続される。高圧膨張タービン３７ａにおけるラジアル軸受部３７３から排出されたガスの流路４０３には、流路４０３を流通するガスの流量を調整する流量調整弁４０５が設けられている。
　その一方、高圧膨張タービン３７ａのガス排出路３７８から排出されるガスの流路のうち、スラスト軸受部３７４から排出されたガスの流路４０４については、低圧膨張タービン３８ａのガス供給路３８７に接続されず、流路内を流れるガスは外部に排出される。流路４０４には、流路４０３を流通するガスの流量を調整する流量調整弁４０９が設けられている。
　低圧膨張タービン３８ａにおけるスラスト軸受部３８４では、ガス供給路３８７が流路３９３ｂに接続されている。従って、圧縮機３２、３３からの高圧のガスが、直接的に低圧膨張タービンスラスト軸受部３８４に供給される。スラスト軸受部３８４に供給されたガスが高圧に維持されるので、低圧膨張タービン３８ａの回転軸３８１の位置決めが確実に行われる。
　このように、高圧膨張タービン３７ａにおけるスラスト軸受部３７４に供給されて、領域３７９ｂから排出されたガスは、低圧膨張タービン３８ａにおけるスラスト軸受部３８４には供給されない。スラスト軸受部３７４から排出されたガスは、領域３８９ｂで軸受ガスとして用いられずに、流路４０４を通って高圧膨張タービン３７ａ及び低圧膨張タービン３８ａから外部に排出される。
　低圧膨張タービン３８ａのラジアル軸受部３８３では、高圧膨張タービン３７ａからのガス排出路３７８が、流路４０３を介して、低圧膨張タービン３８ａのガス供給路３８７に接続されている。従って、高圧膨張タービン３７ａのガス排出路３７８から排出されるガスが、低圧膨張タービン３８ａのガス供給路３８７に供給される。従って、低圧膨張タービン３８ａのラジアル軸受部３８３では、高圧膨張タービン３７ａで用いられたガスが再利用されている。
　低圧膨張タービン３８ａのラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４で用いられたガスは、流路４０６を通って外部に排出される。流路４０６には、流路４０６を通って外部に排出されるガスの流量を調整する流量調整弁４０７が設けられている。
　第２実施形態では、高圧膨張タービン３７ａのラジアル軸受部３７３で一旦用いられたガスが低圧膨張タービン３８ａのラジアル軸受部３８３で再利用されるので、高圧膨張タービン３７ａと低圧膨張タービン３８ａとの間で、ラジアル軸受部で用いられるガスを共通化することができる。これにより、ガスの消費量を少なく抑えることができる。
　一般に、膨張タービンが運転される際には、スラスト軸受部にかかる負荷は、ラジアル軸受部にかかる負荷よりも大きい。そのため、スラスト軸受部では、ラジアル軸受部よりも、回転軸の位置決めのために大きな力が必要とされる。従って、スラスト軸受部では、ラジアル軸受部よりも、軸受部に供給されるガスに高い圧力が要求される。
　ガスが軸受部に供給されて回転軸の位置決めに用いられたときには、ガスの供給量が流量調整弁を用いて調整されているので、そこでガスの圧力が低下する。そのため、高圧膨張タービン３７ａのガス排出路３７８から排出されたガスを再利用する場合よりも、圧縮機３２、３３で圧縮されたガスをそのまま供給する場合の方が、圧力が高い状態でガスを使用することができる。従って、低圧膨張タービン３８ａにおける、比較的負荷の大きなスラスト軸受部３８４については、高圧膨張タービン３７ａで使用されたガスを再利用せずに、圧縮機３２、３３からの高圧のガスが直接的に供給される。従って、高い圧力が必要とされるスラスト軸受部３７４、３８４においては、圧力の大きなガスによって回転軸３７１、３８１の位置決めが行われるので、回転軸３７１、３８１の位置決めを確実に行うことができる。
　一方、ラジアル軸受部３７３、３８３では負荷が比較的小さく、そこに供給されるガスには高い圧力は必要とされない。従って、低圧膨張タービン３８ａのラジアル軸受部３８３に供給されるガスには、一旦高圧膨張タービン３７ａのラジアル軸受部３７３に供給されて圧力が低下したガスが再利用によって用いられても良い。これにより、ガスの消費量を少なく抑えることができる。
　このように、ラジアル軸受部３７３、３８３でのみ、高圧膨張タービン３７ａで用いられたガスが低圧膨張タービン３８ａで再び用いられ、スラスト軸受部３７４、３８４では、高圧膨張タービン３７ａで用いられたガスは、低圧膨張タービン３８ａで用いられないように構成されてもよい。
（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態に係るガスの膨張システムについて説明する。なお、上記第１実施形態及び第２実施形態と同様に構成される部分については図中同一符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
　第１実施形態では、ラジアル軸受部及びスラスト軸受部の両方で、高圧膨張タービンの軸受部で用いられたガスが低圧膨張タービンの軸受部で再び用いられている。第２実施形態では、ラジアル軸受部でのみ、高圧膨張タービンの回転軸と軸受部との間で用いられたガスが低圧膨張タービンで再び用いられている。これに対し、第３実施形態では、高圧膨張タービンのラジアル軸受部と回転軸との間の領域及びスラスト軸受部と回転軸との間の領域で用いられたガスが、低圧膨張タービンのシール部と回転軸との間の領域で再び用いられている。
　図４に、第３実施形態における高圧膨張タービン３７ｂ及び低圧膨張タービン３８ｂの構成図を示す。
　第３実施形態では、高圧膨張タービン３７ｂ及び低圧膨張タービン３８ｂにガスを供給する流路３９４が３つに分岐している。流路３９４から分岐した流路のうち１つは高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３及びスラスト軸受部３７４に接続されている。これにより、高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３と、スラスト軸受部３７４と、にガスを供給することが可能に構成されている。
　流路３９４から分岐した流路のうち１つは高圧膨張タービン３７ｂのシール部３７５に接続されている。これにより、シール部３７５と高圧膨張タービン回転軸３７１との間の領域３７５ａにガスを供給することが可能に構成されている。
　流路３９４から分岐した流路のうち１つは、低圧膨張タービン３８ｂのラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４に接続されている。これにより、低圧膨張タービン３８ｂのラジアル軸受部３８３と、スラスト軸受部３８４と、にガスを供給することが可能に構成されている。
　ガスの流路における分岐点３９４ａから高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３及びスラスト軸受部３７４に延びる流路３９４ｂには、流量調整弁３９５ａが配置されている。流量調整弁３９５ａによって、高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３及びスラスト軸受部３７４に供給されるガスの供給量を調整することが可能に構成されている。
　ガスの流路における分岐点３９４ａから高圧膨張タービン３７ｂのシール部３７５に延びる流路３９４ｃには、流量調整弁３９５ｂが配置されている。流量調整弁３９５ｂによって、高圧膨張タービン３７ｂのシール部３７５に供給されるガスの供給量を調整することが可能に構成されている。
　ガスの流路における分岐点３９４ａから低圧膨張タービン３８ｂのラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４に延びる流路３９４ｄには、流量調整弁３９５ｃが配置されている。流量調整弁３９５ｃによって、低圧膨張タービン３８ｂのラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４に供給されるガスの供給量を調整することが可能に構成されている。
　高圧膨張タービン３７ｂのガス排出路３７８よりも下流側の流路には、ガスの流量を調整することが可能な流量調整弁３９５ｄが配置されている。流量調整弁３９５ｄによって、高圧膨張タービン３７ｂのガス排出路３７８から排出されるガスの流量を調整することが可能に構成されている。
　高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３及びスラスト軸受部３７４から排出されるガスは、流路３９６を通り、分岐点３９７で分岐する。分岐点３９７からの流路のうち、一方の流路３９８は外部に接続されている。従って、流路３９８を通るガスは、そのまま外部に排出される。分岐点３９７からの流路のうち、他方の流路３９９は、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５に接続されている。流路３９９には、ガスの流量を調整することが可能な流量調整弁３９５ｅが配置されている。流量調整弁３９５ｅによって、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５に供給されるガスの量を調整することが可能に構成されている。
　低圧膨張タービン３８ｂのガス排出路３８８よりも下流側の流路には、ガス排出路３８８から排出されるガスの流量を調整することが可能な流量調整弁３９５ｆが設けられている。流量調整弁３９５ｆによって、低圧膨張タービン３８ｂのラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４から排出されるガスの流量を調整することが可能に構成されている。
　低圧膨張タービン３８ｂにおけるシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａに、高圧のガスを供給することにより、シール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａ内で、冷媒を低圧羽根車３８２側に押し戻すことができる。冷媒が羽根車３８２側に押し戻されることにより、冷媒がシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａを通過することを抑えることができる。従って、冷媒が、シール部３８５を挟んで羽根車３８２側とは他端側の位置に侵入することをさらに少なく抑えることができる。このときシール部３８５に供給されるガスが、シール部３８５から一端の側に冷媒を押し出すシールガスとして機能する。冷媒が羽根車３８２側とは他端側の位置に侵入することが抑えられるので、回転軸及び軸受部が冷却されてしまうことで回転軸及び軸受部の寸法精度が低下することを抑えることができる。
　低圧膨張タービン３８ｂにおけるシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａに供給されたシールガスは、ラジアル軸受部３８３と回転軸３８１との間の領域３８９ａ及びスラスト軸受部３８４と回転軸３８１との間の領域３８９ｂからのガスが排出されるガス排出路３８８に流入することで排出されて回収される。
　また、第３実施形態では、高圧膨張タービン３７ｂの回転軸３７１とラジアル軸受部３７３との間の領域３７９ａ及びスラスト軸受部３７４と回転軸３７１との間の領域３７９ｂで用いられたガスの一部が、分岐点３９７で分岐し、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａで再び用いられている。
　第３実施形態では、流路（第２のガス供給路）３９９を通って、低圧膨張タービン３８ｂにおけるシール部３８５に供給されるガスは、シール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａから回転軸３８１の軸方向に沿う一端の側（低圧羽根車３８２側）に冷媒を押し出すシールガスである。
　このように、第３実施形態では、高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３と回転軸３７１との間の領域３７９ａ及びスラスト軸受部３７４と回転軸３７１との間の領域３７９ｂから排出されたガスが、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａに供給されることになる。従って、高圧膨張タービン３７のラジアル軸受部３７３と回転軸３７１との間の領域３７９ａ及びスラスト軸受部３７４と回転軸３７１との間の領域３７９ｂで用いられたガスが、高圧膨張タービン３７ｂ及び低圧膨張タービン３８ｂから排出される前に、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａで再び用いられることになる。高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３と回転軸３７１との間の領域３７９ａ及びスラスト軸受部３７４と回転軸３７１との間の領域３７９ｂで用いられるガスと、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａで用いられるガスと、を共通化することにより、高圧膨張タービン３７ｂ及び低圧膨張タービン３８ｂにおける軸受部３７６、３８６と回転軸３７１、３８１との間に供給されるガスの消費量を少なく抑えることができる。従って、システム内で消費されるエネルギーが少なく抑えられる。これにより、極低温冷凍装置１００のエネルギー効率を向上させることができる。
　また、低圧膨張タービン３８ｂにおける膨張の行われている羽根車３８２周囲の領域では、冷媒が低圧になっている。従って、低圧膨張タービン３８ｂにおけるシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａでは圧力が低くなっている。従って、低圧膨張タービン３８ｂにおけるシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａの圧力が、高圧膨張タービン３７ｂのガス排出路３７８の圧力よりも小さい。従って、高圧膨張タービン３７ｂのガス排出路３７８と、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａと、の間で圧力差が生じる。これにより、高圧膨張タービン３７ｂのガス排出路３７８と、低圧膨張タービン３８ｂの領域３８５ａと、の間を接続すれば、この間に特別に供給手段を設けなくても、ガス排出路３７８から排出されるガスを領域３８５ａに供給することができる。このため、ガスを領域３８５ａに供給する供給手段を冷媒の膨張システムの構成から省くことができ、領域３８５ａにガスを供給するための構成が簡易になる。これにより、極低温冷凍装置１００の製造コストを少なく抑えることができる。
（他の実施形態）
　なお、上記実施形態では、高圧膨張タービンと低圧膨張タービンとの２台の膨張タービンを用いて冷媒を膨張させて冷却する形態について説明した。しかしながら、本発明は上記実施形態に限定されず、他の形態が採用されてもよい。例えば、３台以上の複数の膨張タービンが用いられて、それぞれの膨張タービンによって冷媒が膨張されて冷却される形態が採用されてもよい。その際、複数の膨張タービンのうち、いずれか２つの膨張タービンの間で、上記の実施形態に示されるように、ガスの再利用によって軸受部と回転軸との間の領域へのガスの供給が行われても良い。
　また、複数の膨張タービンが用いられ、そのうちの一部の膨張タービンの間で軸受部と回転軸との間に供給されるガスが再利用される場合には、連続して接続された膨張タービンの間でのみガスが再利用される形態に限定されない。複数の膨張タービンのうち、任意の膨張タービン同士の間で、軸受部と回転軸との間に供給されるガスが再利用されれば良い。
　また、上記実施形態では、冷媒の圧力が比較的高圧の高圧膨張タービンで用いられたガスが、冷媒の圧力が比較的低圧の低圧膨張タービンで再利用される形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。低圧膨張タービンで用いられるガスの圧力が高圧膨張タービンで用いられるガスの圧力よりも高い場合には、低圧膨張タービンで用いられたガスが高圧膨張タービンで再利用される形態であっても良い。
　また、上記実施形態では、軸受部で回転軸の位置決めのために用いられる高圧のガスとして、圧縮機で圧縮されたガスを用いる形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。別の圧縮機によって圧力が高められた高圧のガスによって回転軸の位置決めが行われてもよい。また、圧縮機以外の他の手段によって高圧になったガスによって回転軸の位置決めが行われてもよい。
　３７　高圧膨張タービン
　３７１　高圧膨張タービン回転軸
　３７２　高圧羽根車
　３７６　高圧膨張タービン軸受部
　３７７　高圧ガス供給路
　３７８　高圧ガス排出路
　３８　低圧膨張タービン
　３８１　低圧膨張タービン回転軸
　３８２　低圧羽根車
　３８６　低圧膨張タービン軸受部
　３８７　低圧ガス供給路
　３８８　低圧ガス排出路
 

Claims (4)

  1. 　第１の回転軸と、
    　前記第１の回転軸に取り付けられ、前記第１の回転軸が回転したときにガスを取り込みながら膨張させる第１の羽根車と、
    　前記第１の回転軸を支持する第１の軸受部と、
    　前記第１の軸受部に軸受ガスが供給される第１のガス供給路と、
    　前記第１のガス供給路から前記第１の軸受部に供給された軸受ガスが前記第１の軸受部から排出される第１のガス排出路と、
    　を有する第１の膨張タービンと、
    　第２の回転軸と、
    　前記第２の回転軸に取り付けられ、前記第２の回転軸が回転したときにガスを取り込みながら膨張させる第２の羽根車と、
    　前記第２の回転軸を支持する第２の軸受部と、
    　前記第２の軸受部に軸受ガスを供給する第２のガス供給路と、
    　前記第２のガス供給路から前記第２の軸受部に供給された軸受ガスを前記第２の軸受部から排出する第２のガス排出路と、
    　を有する第２の膨張タービンと、
    　を備え、
    　前記第１の膨張タービンの前記第１の羽根車により膨張されたガスが前記第２の膨張タービンの前記第２の羽根車に供給されるように、前記第１の膨張タービンと前記第２の膨張タービンとが直列に接続され、
    　前記第１のガス排出路から排出された軸受ガスが前記第２のガス供給路に供給されることを特徴とするガス膨張システム。
  2. 　前記第１の軸受部は、前記第１の回転軸を径方向に支持する第１のラジアル軸受部を有し、
    　前記第２の軸受部は、前記第２の回転軸を径方向に支持する第２のラジアル軸受部を有していることを特徴とする請求項１に記載のガス膨張システム。
  3. 　前記第１の軸受部は、前記第１の回転軸を軸方向に支持する第１のスラスト軸受部を有し、
    　前記第２の軸受部は、前記第２の回転軸を軸方向に支持する第２のスラスト軸受部を有していることを特徴とする請求項２に記載の膨張システム。
  4. 　前記第２の軸受部は、前記第２の回転軸の一端に取り付けられた前記第２の羽根車によって膨張されるガスによる、前記第２の回転軸の軸方向に沿う前記第２の回転軸の他端側への侵入を阻むシール部であり、
    　前記第２のガス供給路を通って前記シール部に供給される軸受ガスは、前記シール部から前記一端の側にガスを押し出すシールガスであることを特徴とする請求項１に記載の膨張システム。
     
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