WO2021131647A1 - 回転機械及びそれを用いた冷凍装置 - Google Patents

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WO2021131647A1
WO2021131647A1 PCT/JP2020/045522 JP2020045522W WO2021131647A1 WO 2021131647 A1 WO2021131647 A1 WO 2021131647A1 JP 2020045522 W JP2020045522 W JP 2020045522W WO 2021131647 A1 WO2021131647 A1 WO 2021131647A1
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rotating shaft
working fluid
bearing
hollow portion
discharge hole
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PCT/JP2020/045522
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英俊 田口
引地　巧
尾関　正高
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters

Definitions

  • This disclosure relates to a rotating machine and a refrigerating device using the same.
  • Patent Document 1 discloses a cryogenic rotating machine.
  • This ultra-low temperature rotating machine supports an impeller that applies kinetic energy to an ultra-low temperature refrigerant that is a working fluid, a drive device that rotationally drives the impeller, a rotary shaft that transmits the rotational force of the drive device to the impeller, and a rotary shaft. It is equipped with a journal bearing. A heat insulating material is arranged between the impeller and the journal bearing.
  • heat may be transferred from a heat generating source such as a bearing to a working fluid through a rotating shaft and a fluid element.
  • a heat generating source such as a bearing
  • the working fluid receives excessive heat, the temperature of the working fluid rises unintentionally.
  • the present disclosure provides a technique for reducing heat transferred from a heat source such as a bearing to a working fluid through a rotating shaft and a fluid element.
  • the rotating machine in the present disclosure is Bearings and A rotating shaft having a hollow portion included in the portion supported by the bearing, A fluid element attached to one end of the rotating shaft, An introduction hole provided on the rotating shaft on the back side of the fluid element and guiding a working fluid to the hollow portion, A discharge hole provided on the rotating shaft at a position away from the introduction hole beyond the portion supported by the bearing and guiding the working fluid to the outside of the hollow portion.
  • a rotating shaft having a hollow portion included in the portion supported by the bearing, A fluid element attached to one end of the rotating shaft, An introduction hole provided on the rotating shaft on the back side of the fluid element and guiding a working fluid to the hollow portion, A discharge hole provided on the rotating shaft at a position away from the introduction hole beyond the portion supported by the bearing and guiding the working fluid to the outside of the hollow portion.
  • Partially enlarged cross-sectional view of the rotating machine shown in FIG. Cross-sectional view of a modified example showing another shape of the annular recess Cross-sectional view of the rotating machine according to the second embodiment
  • One of the means for suppressing heat transfer from heat sources such as motors and bearings to fluid elements such as turbine wheels is to increase the length of the rotating shaft to provide heat insulation.
  • the rotating shaft is lengthened, the dynamic characteristics of the rotating shaft change and the rotational stability is impaired, which makes it difficult to operate the rotating machine in a high rotation range.
  • the inventors have discovered this problem and have constructed the subject matter of the present disclosure in order to solve this problem.
  • the present disclosure provides a technique for reducing heat transferred from a heat generating source such as a bearing to a working fluid through a rotating shaft and a fluid element while ensuring rotational stability of the rotating shaft.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the rotary machine 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged partial cross-sectional view of the rotary machine 100 shown in FIG.
  • the rotary machine 100 includes a bearing 10, a rotary shaft 20, and a turbine wheel 30.
  • the rotary machine 100 is an expander.
  • the rotary machine 100 is a radial turbine.
  • the bearing 10 supports the rotating shaft 20.
  • the bearing 10 is a plain bearing.
  • the working fluid of the rotary machine 100 is used as a lubricant for the bearing 10.
  • the turbine wheel 30 is a fluid element attached to one end of the rotating shaft 20.
  • the turbine wheel 30 rotates together with the rotating shaft 20.
  • the turbine wheel 30 draws work from the working fluid.
  • the temperature of the turbine wheel 30 can be lowered, so that the amount of heat received from the turbine wheel 30 when the working fluid passes through the turbine wheel 30 can be reduced.
  • the rotating shaft 20 has a hollow portion 21, at least one introduction hole 22, and at least one first discharge hole 23.
  • the hollow portion 21 is a space inside the rotating shaft 20.
  • the hollow portion 21 is included in the portion 20s supported by the bearing 10.
  • the introduction hole 22 is provided on the rotating shaft 20 on the back surface side of the turbine wheel 30.
  • the first discharge hole 23 is provided on the rotating shaft 20 at a position away from the introduction hole 22 beyond the portion 20s supported by the bearing 10.
  • the introduction hole 22 plays a role of guiding the working fluid from the outside of the rotating shaft 20 to the hollow portion 21.
  • the first discharge hole 23 plays a role of guiding the working fluid from the hollow portion 21 to the outside of the rotating shaft 20.
  • the working fluid is introduced into the hollow portion 21 through the introduction hole 22, flows through the hollow portion 21 in the direction parallel to the axis O of the rotating shaft 20, and is discharged from the hollow portion 21 through the first discharge hole 23.
  • the rotating shaft 20 is cooled by the working fluid, the temperatures of the rotating shaft 20 and the turbine wheel 30 are lowered.
  • heat transfer from the bearing 10 to the working fluid through the rotating shaft 20 and the turbine wheel 30 can be suppressed.
  • it is possible to suppress an unintended rise in the temperature of the working fluid. Since it is not essential to increase the length of the rotating shaft 20 in order to suppress heat transfer, the rotational stability of the rotating shaft 20 is also maintained.
  • the length of the hollow portion 21 in the axial direction exceeds the length of the portion 20s supported by the bearing 10.
  • the distance between the introduction hole 22 and the first discharge hole 23 is longer than the portion 20s supported by the bearing 10.
  • the entire portion 20s supported by the bearing 10 is contained in the section provided with the hollow portion 21. According to such a structure, the supported portion 20s is cooled as a whole, so that the above-mentioned effect can be more sufficiently obtained.
  • the inner diameter of the hollow portion 21 is not particularly limited as long as the strength of the rotating shaft 20 is sufficiently secured.
  • the inner diameter of the hollow portion 21 may be constant in the axial direction or may change in the axial direction.
  • the "axial direction” is a direction parallel to the axis O of the rotating shaft 20.
  • a plurality of introduction holes 22 are provided at equal angular intervals in the circumferential direction of the rotating shaft 20.
  • four introduction holes 22 are provided at 90 degree angular intervals.
  • the positions of the plurality of introduction holes 22 with respect to the axial direction coincide with each other. According to such a structure, the working fluid can be smoothly introduced into the hollow portion 21. Only one introduction hole 22 may be provided.
  • a plurality of first discharge holes 23 are provided at equal angular intervals in the circumferential direction of the rotation axis.
  • four first discharge holes 23 are provided at 90 degree angular intervals.
  • the positions of the plurality of first discharge holes 23 with respect to the axial direction coincide with each other. According to such a structure, the working fluid is easily discharged from the hollow portion 21. Only one first discharge hole 23 may be provided.
  • the introduction hole 22 and the first discharge hole 23 are opened in the radial direction of the rotating shaft 20, respectively. That is, the introduction hole 22 and the first discharge hole 23 are provided on the cylindrical surface of the rotating shaft 20 instead of both end surfaces in the axial direction. According to such a structure, the working fluid is easily introduced into the hollow portion 21, and the working fluid is easily discharged from the hollow portion 21. Further, according to such a structure, the distance between the introduction hole 22 and the first discharge hole 23 can be shortened as much as possible. The pressure loss when the working fluid is introduced into the hollow portion 21 and the pressure loss when the working fluid is discharged from the hollow portion 21 can be minimized.
  • the working fluid in the introduction hole 22 and the pressure of the working fluid in the first discharge hole 23 are small, the working fluid can be smoothly introduced into the hollow portion 21. Even when the rotary machine 100 is operated under the conditions of low pressure and low flow rate, the temperature rise of the working fluid can be suppressed.
  • the turbine wheel 30 In the axial direction, there are no other parts between the bearing 10 and the turbine wheel 30. In the axial direction, the turbine wheel 30 is arranged slightly away from the bearing 10 so as not to come into direct contact with the bearing 10. The back surface 30p of the turbine wheel 30 faces the end surface 10p of the bearing 10. A back space 40 exists between the bearing 10 and the turbine wheel 30. The back space 40 is an annular space. Since the back space 40 communicates with the flow path of the working fluid, the working fluid can enter the back space 40.
  • the introduction hole 22 communicates the back space 40 with the hollow portion 21 of the rotating shaft 20. According to such a structure, the working fluid can be smoothly introduced into the hollow portion 21 through the introduction hole 22.
  • the "back surface 30p of the turbine wheel 30" is the surface facing the bearing 10.
  • the rotary machine 100 further includes a turbine nozzle 31, a bearing housing 60, and a turbine housing 61.
  • the bearing housing 60 and the turbine housing 61 are a first housing and a second housing, respectively.
  • the bearing 10 is fixed to the end face of the bearing housing 60.
  • the turbine housing 61 is fixed to the bearing housing 60 so as to cover the bearing 10 and the turbine wheel 30.
  • the turbine housing 61 has a swirl chamber 61h, which is a flow path for working fluid.
  • the spiral chamber 61h communicates with a suction port (not shown) of the rotary machine 100.
  • a turbine nozzle 31 is arranged between the bearing 10 and the turbine housing 61.
  • the turbine nozzle 31 plays a role of guiding the working fluid toward the turbine wheel 30.
  • the turbine nozzle 31 has a ring shape and surrounds the turbine wheel 30.
  • the stationary inner wall surface 61k of the turbine housing 61, the turbine wheel 30, and the turbine nozzle 31 face each other. This defines the flow path of the working fluid. Specifically, a working fluid flow path is formed between the turbine housing 61 and the turbine nozzle 31. A working fluid flow path is formed between the turbine housing 61 and the turbine wheel 30.
  • the gap 41 there is a gap 41 between the turbine wheel 30 and the turbine nozzle 31. Specifically, the gap 41 exists between the outer peripheral end surface of the turbine wheel 30 and the inner peripheral end surface of the turbine nozzle 31 in the radial direction of the rotating shaft 20.
  • the gap 41 leads to the flow path of the working fluid and the introduction hole 22.
  • the working fluid can flow into the introduction hole 22 through the turbine nozzle 31 and the gap 41.
  • the gap 41 leads to the back space 40.
  • the working fluid can flow into the introduction hole 22 through the turbine nozzle 31, the gap 41, and the back space 40.
  • the back space 40 is a portion in which the dimension in the axial direction of the rotating shaft 20 is expanded from the outer peripheral end surface of the turbine wheel 30 in the radial direction of the rotating shaft 20 toward the outer peripheral surface of the rotating shaft 20.
  • the width of the back space 40 in the axial direction of the rotating shaft 20 increases from the gap 41 toward the introduction hole 22. According to such a structure, the velocity of the working fluid increases when passing through the gap 41, and the pressure of the working fluid increases in the back space 40. As a result, the working fluid can be smoothly introduced into the hollow portion 21 through the introduction hole 22.
  • the turbine wheel 30 has an annular recess 30a forming a part of the back space 40 on the back side. According to such a structure, even if the bearing 10 and the turbine wheel 30 are sufficiently brought close to each other, a sufficiently large back space 40 can be secured. It is also possible to avoid lengthening the rotating shaft 20 in order to secure the back space 40.
  • the shape of the annular recess 30a is not particularly limited.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the turbine wheel 30 showing another shape of the annular recess 30a.
  • the annular recess 30a may have a semicircular or semi-elliptical shape.
  • the "vertical cross section” is a cross section that is parallel to the axis O and includes the axis O.
  • the bearing 10 has an annular recess 10a recessed toward the bearing hole 10h on the end face 10p adjacent to the turbine wheel 30.
  • the end face 10p faces the turbine wheel 30.
  • the annular recess 10a of the bearing 10 forms part of the back space 40.
  • the end face 10p of the bearing 10 is inclined with respect to the radial direction of the rotating shaft 20. According to such a structure, even if the bearing 10 and the turbine wheel 30 are sufficiently brought close to each other, a sufficiently large back space 40 can be secured. It is also possible to avoid lengthening the rotating shaft 20 in order to secure the back space 40.
  • the profile of the end face 10p in the vertical cross section of the rotary machine 100 may be a straight line or a curved surface.
  • the annular recess 30a of the turbine wheel 30 and / or the annular recess 10a of the bearing 10 may not be provided.
  • the back surface 30p of the turbine wheel 30 may be a plane perpendicular to the axis O.
  • the end surface 10p of the bearing 10 may be a surface perpendicular to the axis O.
  • the rotary machine 100 further includes a turbine diffuser 62.
  • the turbine diffuser 62 is a tubular component and is arranged downstream of the turbine wheel 30.
  • the turbine diffuser 62 is attached to the turbine housing 61 so as to open toward the turbine wheel 30.
  • the turbine wheel 30 and the turbine diffuser 62 are in a coaxial positional relationship.
  • the inner diameter of the turbine diffuser 62 gradually expands along the axial direction.
  • the rotary machine 100 further includes an electric motor 50.
  • the electric motor 50 plays a role of rotating the rotating shaft 20.
  • the electric motor 50 is housed in the space 60h inside the bearing housing 60.
  • the electric motor 50 has a rotor 51 and a stator 52.
  • the rotor 51 is fixed to the rotating shaft 20.
  • the stator 52 is fixed to the bearing housing 60.
  • the electric motor 50 is an inner rotor type.
  • the electric motor 50 may be used as a generator.
  • the motor 50, the bearing 10, and the turbine wheel 30 are arranged in this order in the axial direction. According to such an arrangement, the heat transfer direction and the flow direction of the working fluid in the hollow portion 21 are opposite directions. As a result, the bearing 10 and thus the motor 50 can be efficiently cooled. Heat transfer from the bearing 10 and the motor 50 to the working fluid can be effectively suppressed.
  • the first discharge hole 23 communicates the space 60h in which the electric motor 50 is housed with the hollow portion 21 of the rotating shaft 20.
  • the space 60h in which the electric motor 50 is housed is the space 60h inside the bearing housing 60.
  • the motor 50 generates heat due to copper loss and iron loss.
  • the heat transferred from the motor 50 to the turbine wheel 30 via the rotating shaft 20 can be further reduced.
  • an unintended rise in the temperature of the working fluid can be further suppressed.
  • the efficiency of the electric motor 50 can be improved and the power consumption can be reduced.
  • the space 60h communicates with the outside of the rotary machine 100 through an exhaust passage (not shown).
  • the exhaust passage may be a passage for drawing out the wiring connected to the motor 50 to the outside.
  • the exhaust passage may be a dedicated passage for discharging the working fluid to the outside of the rotary machine 100.
  • the working fluid flows into the spiral chamber 61h from a suction port (not shown) provided in the turbine housing 61, and further flows into the turbine nozzle 31 from the outer circumference of the turbine nozzle 31.
  • the working fluid expands at the turbine nozzle 31 to convert its pressure into a flow velocity.
  • the working fluid is then sprayed onto the turbine wheel 30.
  • the turbine wheel 30 is impulsed by the sprayed working fluid.
  • the pressure is converted into the flow velocity again when the working fluid is discharged from the turbine wheel 30, so that the turbine wheel 30 receives the reaction from the working fluid.
  • These impulses and reactions cause the rotating shaft 20 to rotate and work is extracted from the working fluid.
  • the working fluid discharged from the turbine wheel 30 flows into the turbine diffuser 62.
  • the working fluid decelerates while flowing in the axial direction of the turbine diffuser 62 and in the direction away from the turbine wheel 30, and recovers the pressure. After that, the working fluid is discharged to the outside of the rotary machine 100.
  • the temperature and pressure of the working fluid are continuously lowered.
  • the temperature of the working fluid at the turbine nozzle 31 is 20 ° C.
  • the temperature of the working fluid at the outlet of the turbine diffuser 62 is about ⁇ 20 ° C. to ⁇ 40 ° C.
  • a large temperature difference tends to occur between the temperature of each component and the temperature of the working fluid from the turbine nozzle 31 to the turbine wheel 30.
  • the flow rate of the working fluid guided to the back space 40 depends on (i) the size of the gap 41 and (ii) the difference between the pressure of the working fluid at the inlet of the gap 41 and the pressure of the working fluid at the outlet of the first discharge hole 23. To do. A working fluid having a flow rate of 1 to 10% of the total flow rate is introduced into the hollow portion 21 through the gap 41, the back space 40 and the introduction hole 22 so as to obtain the desired effect. During the rotation of the rotating shaft 20, an extremely large pressure is generated in the bearing gap between the bearing 10 and the rotating shaft 20. Therefore, the working fluid hardly flows into the bearing gap.
  • the rotating machine 100 is configured to allow the working fluid to flow through the hollow portion 21 of the rotating shaft 20.
  • heat transfer from the bearing 10 to the working fluid through the rotating shaft 20 and the fluid element can be suppressed.
  • the introduction hole 22 and the discharge hole 23 may be opened in the radial direction of the rotation shaft 20, respectively. According to such a structure, the working fluid is easily introduced into the hollow portion 21, and the working fluid is easily discharged from the hollow portion 21.
  • the rotary machine 100 may further include a back space 40 that exists between the bearing 10 and the fluid element in the axial direction of the rotary shaft 20 and allows the working fluid to enter.
  • the hole 22 may communicate the back space 40 with the hollow portion 21 of the rotating shaft 20. According to such a structure, the working fluid can be smoothly introduced into the hollow portion 21 through the introduction hole 22.
  • the back space 40 is a portion in which the dimension in the axial direction of the rotating shaft 20 is expanded from the outer peripheral end surface of the fluid element in the radial direction of the rotating shaft 20 toward the outer peripheral surface of the rotating shaft 20. It may be included. According to such a structure, the working fluid can be smoothly introduced into the hollow portion 21 through the introduction hole 22.
  • the fluid element may have an annular recess 30a forming a part of the back space 40 on the back side. According to such a structure, even if the bearing 10 and the fluid element are sufficiently brought close to each other, a sufficiently large back space 40 can be secured.
  • the bearing 10 may have an annular recess 10a recessed toward the bearing hole 10h on the end face 10p adjacent to the fluid element, and the annular recess 10a of the bearing 10 is the back space 40. It may form a part of. According to such a structure, even if the bearing 10 and the fluid element are sufficiently brought close to each other, a sufficiently large back space 40 can be secured.
  • the rotating machine 100 may further include an electric motor 50 for rotating the rotating shaft 20, and the electric motor 50, the bearing 10, and the fluid element are arranged in this order in the axial direction of the rotating shaft 20. You may be. According to such an arrangement, the heat transfer direction and the flow direction of the working fluid in the hollow portion 21 are opposite directions. As a result, the bearing 10 and thus the motor 50 can be efficiently cooled.
  • the rotating machine 100 may further include an electric motor 50 for rotating the rotating shaft 20, and the discharge hole 23 is a space 60h in which the electric motor 50 is housed and a hollow portion 21 of the rotating shaft 20. May be communicated with. According to such a structure, not only the bearing 10 but also the electric motor 50 can be cooled by the working fluid.
  • the fluid element may be the turbine wheel 30. According to the technique of the present disclosure, the amount of heat received from the turbine wheel 30 as the working fluid passes through the turbine wheel 30 can be reduced.
  • the rotary machine 100 exists between the turbine nozzle 31 that guides the working fluid toward the turbine wheel 30, and the gap between the turbine nozzle 31 and the turbine wheel 30, which leads to the introduction hole 22. 41 and may be further provided. According to such a structure, the working fluid can flow into the introduction hole 22 through the turbine nozzle 31 and the gap 41.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the rotary machine 102 according to the second embodiment.
  • the rotary machine 102 of the present embodiment has the same structure as the rotary machine 100 of the first embodiment except for the core 30t.
  • the same components as those in the first embodiment are designated by the same numbers, and detailed description thereof will be omitted.
  • the rotating machine 102 further includes a core 30t arranged in the hollow portion 21.
  • the core 30t has a diameter smaller than the inner diameter of the hollow portion 21. According to such a structure, the flow velocity of the working fluid introduced into the hollow portion 21 is increased, and the heat transfer coefficient between the inner wall surface of the hollow portion 21 and the working fluid is increased. As a result, the temperatures of the rotating shaft 20 and the turbine wheel 30 can be further lowered. The flow rate of the working fluid in the hollow portion 21 can be reduced.
  • the core 30t is a part of the turbine wheel 30.
  • the core 30t has a cylindrical shape extending in the axial direction from the hub of the turbine wheel 30.
  • the space around the core 30t has a ring shape.
  • the "cross section” is a cross section perpendicular to the axis O.
  • the working fluid flows from the introduction hole 22 toward the first discharge hole 23 while swirling around the core 30t.
  • the core 30t and the rotating shaft 20 are in a coaxial positional relationship.
  • the length of the core 30t is substantially equal to the length from the introduction hole 22 to the first discharge hole 23 in the axial direction.
  • the core 30t is integrally formed with the turbine wheel 30.
  • the core 30t and the turbine wheel 30 may be separate parts. Further, the core 30t may be a portion integrally formed with the rotating shaft 20.
  • the rotary machine 200 may further include a core 30t which is arranged in the hollow portion 21 and has a diameter smaller than the inner diameter of the hollow portion 21. According to such a structure, the temperature of the rotating shaft 20 and the fluid element can be further lowered.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the rotary machine 300 according to the third embodiment.
  • the rotary machine 300 of the present embodiment further includes the following in addition to the configuration of the rotary machine 100 of the first embodiment.
  • the rotary machine 300 further includes a second discharge hole 24.
  • the second discharge hole 24 is provided in the rotating shaft 20.
  • the motor 50 is located between the first discharge hole 23 and the second discharge hole 24 in the axial direction of the rotating shaft 20.
  • the rotor 51 of the electric motor 50 is located between the first discharge hole 23 and the second discharge hole 24 in the axial direction of the rotary shaft 20.
  • the bearing 10 and the motor 50 are located between the introduction hole 22 and the second discharge hole 24 in the axial direction of the rotating shaft 20.
  • the second discharge hole 24 plays a role of guiding the working fluid from the hollow portion 21 to the outside of the rotating shaft 20.
  • the rotating shaft 20 has a portion 20a into which the rotor 51 of the electric motor 50 is fitted.
  • the hollow portion 21 extends from the introduction hole 22 to the second discharge hole 24 beyond the fitted portion 20a in the axial direction.
  • a part of the working fluid is discharged from the hollow portion 21 through the first discharge hole 23, and the rest of the working fluid is discharged from the hollow portion 21 through the second discharge hole 24.
  • the portion 20a to which the rotor 51 is fitted and the rotor 51 of the electric motor 50 can be cooled. Therefore, heat transfer from the bearing 10 to the working fluid through the rotating shaft 20 and the turbine wheel 30 can be suppressed more effectively. The unintended rise in the temperature of the working fluid can be further suppressed.
  • the efficiency of the electric motor 50 can be improved and the power consumption can be reduced.
  • the outside of the rotating shaft 20 includes a space 60h in which the electric motor 50 is housed.
  • the second discharge hole 24 communicates the space 60h in which the electric motor 50 is housed with the hollow portion 21 of the rotating shaft 20.
  • the space 60h in which the electric motor 50 is housed is the space 60h inside the bearing housing 60. According to such a structure, the electric motor 50 can be cooled more effectively.
  • a plurality of second discharge holes 24 are provided at equal angular intervals in the circumferential direction of the rotation axis.
  • four second discharge holes 24 are provided at 90 degree angular intervals.
  • the positions of the plurality of second discharge holes 24 with respect to the axial direction coincide with each other. According to such a structure, the working fluid is easily discharged from the hollow portion 21. Only one second discharge hole 24 may be provided.
  • the second discharge hole 24 opens in the radial direction of the rotating shaft 20. That is, the second discharge hole 24 is provided not on the axial end surface of the rotating shaft 20 but on the cylindrical surface. According to such a structure, the working fluid is easily discharged from the hollow portion 21.
  • the rotary machine 300 includes an expansion mechanism 201 and a compression mechanism 202.
  • the expansion mechanism 201 is a portion corresponding to the rotary machine 100 described with reference to the first embodiment.
  • the compression mechanism 202 includes an impeller 70.
  • the impeller 70 is a component for compressing the working fluid, and is a second fluid element attached to the other end of the rotating shaft 20.
  • the rotary machine 300 is a so-called compressor integrated with an expander.
  • the expansion energy of the working fluid recovered by the expansion mechanism 201 is used as part of the work for compressing the working fluid in the compression mechanism 202.
  • the working fluid in the hollow portion 21 A desired effect can be obtained by ensuring a sufficient flow rate.
  • the second discharge hole 24 may be provided in place of the first discharge hole 23.
  • the rotary machine 300 may further include a second discharge hole 24 provided on the rotary shaft 20, and the shaft of the rotary shaft 20.
  • the electric motor 50 may be located between the first discharge hole 23 and the second discharge hole 24. According to such a structure, heat transfer from the bearing 10 to the working fluid through the rotating shaft 20 and the fluid element can be suppressed more effectively. The unintended rise in the temperature of the working fluid can be further suppressed. By cooling the electric motor 50, the efficiency of the electric motor 50 can be improved and the power consumption can be reduced.
  • the second discharge hole 24 may communicate the space 60h in which the electric motor 50 is housed with the hollow portion 21 of the rotating shaft 20. According to such a structure, the electric motor 50 can be cooled more effectively.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of the refrigerating apparatus 400 according to the fourth embodiment.
  • the refrigerating device 400 includes a rotary machine 300, a first heat exchanger 401, and a second heat exchanger 402.
  • the rotating machine 300 has an expansion mechanism 201 and a compression mechanism 202.
  • the rotary machine 300 is the rotary machine described in the third embodiment.
  • the first heat exchanger 401 plays a role of cooling the refrigerant by another fluid.
  • the other fluid may be a gas or a liquid.
  • the second heat exchanger 402 is an internal heat exchanger for recovering the cold heat of the refrigerant. Examples of the first heat exchanger 401 and the second heat exchanger 402 include a fin tube type heat exchanger, a plate type heat exchanger, a double tube type heat exchanger, and a shell and tube type heat exchanger.
  • the heat cycle of the refrigerating device 400 is an air refrigerating cycle that uses air as a refrigerant.
  • the cold air produced by the refrigerator 400 is guided to the target space 403.
  • the target space 403 is, for example, a freezer.
  • Refrigerator 400 may be used for air conditioning in the cabin of an aircraft. Since the GWP (Global Warming Potential) of air is zero, it is desirable to use air as a refrigerant from the viewpoint of protecting the global environment. Further, if air is used as the refrigerant, the refrigerating apparatus 400 can be constructed as an open system. That is, it is allowed to release the air discharged from the hollow portion 21 of the rotating shaft 20 into the atmosphere without recovering it.
  • GWP Global Warming Potential
  • the rotary machine 300, the first heat exchanger 401, and the second heat exchanger 402 are connected to each other by the flow paths 4a to 4f.
  • the flow path 4a connects the discharge port of the compression mechanism 202 and the refrigerant inlet of the first heat exchanger 401.
  • the flow path 4b connects the refrigerant outlet of the first heat exchanger 401 and the high pressure side inlet of the second heat exchanger 402.
  • the flow path 4c connects the high-pressure side outlet of the second heat exchanger 402 and the suction port of the expansion mechanism 201.
  • the flow path 4d connects the discharge port of the expansion mechanism 201 and the target space 403.
  • the flow path 4e connects the target space 403 and the low-voltage side inlet of the second heat exchanger 402.
  • the flow path 4f connects the low-pressure side outlet of the second heat exchanger 402 and the suction port of the compression mechanism 202.
  • Other devices such as another heat exchanger and a defrosting device may be
  • the refrigerant compressed by the compression mechanism 202 is cooled in the first heat exchanger 401 and the second heat exchanger 402.
  • the cooled refrigerant expands in the expansion mechanism 201.
  • the temperature of the refrigerant is further lowered.
  • the low temperature refrigerant is supplied to the target space 403 and used for the desired application.
  • the refrigerant discharged from the target space 403 is heated in the second heat exchanger 402 and then introduced into the compression mechanism 202.
  • the temperature of the refrigerant at the suction port of the compression mechanism 202 is 20 ° C.
  • the temperature of the refrigerant at the discharge port of the compression mechanism 202 is 85 ° C.
  • the temperature of the refrigerant at the refrigerant outlet of the first heat exchanger 401 is 40 ° C.
  • the temperature of the refrigerant at the suction port of the expansion mechanism 201 is ⁇ 30 ° C.
  • the temperature of the refrigerant at the discharge port of the expansion mechanism 201 is ⁇ 70 ° C.
  • the refrigerating device 400 of the present embodiment includes a rotating machine 300. By adopting the rotary machine 300, it is possible to generate a lower temperature refrigerant.
  • the refrigerant may be air. From the viewpoint of protecting the global environment, it is desirable to use air as a refrigerant. Further, if air is used as the refrigerant, the refrigerating apparatus 400 can be constructed as an open system.
  • the refrigerating apparatus 400 of the present embodiment since the heat transfer from the component of the expansion mechanism 201 to the refrigerant is suppressed in the rotary machine 300, it is possible to generate a lower temperature refrigerant. By adopting the rotary machine 300, the coefficient of performance of the refrigerating device 400 is improved.
  • Embodiments 1 to 4 have been described as examples of the techniques disclosed in the present application. However, the technique in the present disclosure is not limited to this, and can be applied to embodiments in which changes, replacements, additions, omissions, etc. have been made. It is also possible to combine the components described in the first to fourth embodiments to form a new embodiment.
  • the technology of the present disclosure can be applied not only to expansion turbines but also to centrifugal compressors. Also in a centrifugal compressor, the technique of the present disclosure can be applied because the working fluid can enter the back space of the impeller through the gap between the impeller and the diffuser in the radial direction of the rotation axis.
  • the technology of the present disclosure can be applied to rotating machines such as compressors, expansion turbines, and exhaust gas turbine superchargers.

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Abstract

本開示の回転機械（１００）は、軸受（１０）と、軸受（１０）によって支持された部分（２０ｓ）に含まれた中空部（２１）を有する回転軸（２０）と、回転軸（２０）の一端部に取り付けられた流体要素（３０）と、流体要素（３０）の背面側において回転軸（２０）に設けられ、中空部（２１）に作動流体を導く導入孔（２２）と、軸受（１０）によって支持された部分（２０ｓ）を超えて導入孔（２２）から離れた位置において回転軸（２０）に設けられ、中空部（２１）の外部に作動流体を導く排出孔（２３）と、を備えている。

Description

回転機械及びそれを用いた冷凍装置
　本開示は、回転機械及びそれを用いた冷凍装置に関する。
　特許文献１は、極低温回転機械を開示する。この極低温回転機械は、作動流体である極低温冷媒に運動エネルギーを付与するインペラと、インペラを回転駆動させる駆動装置と、駆動装置の回転力をインペラに伝達する回転軸と、回転軸を支持するジャーナル軸受とを備えている。インペラとジャーナル軸受との間には断熱材が配置されている。
特開２０１１－２５２４４２号公報
　回転機械においては、軸受などの発熱源から回転軸及び流体要素を通じて作動流体に熱が伝達されることがある。作動流体が熱を過剰に受け取ると、作動流体の温度が意図せず上昇する。
　本開示は、軸受などの発熱源から回転軸及び流体要素を通じて作動流体に伝達される熱を減らすための技術を提供する。
　本開示における回転機械は、
　軸受と、
　前記軸受によって支持された部分に含まれた中空部を有する回転軸と、
　前記回転軸の一端部に取り付けられた流体要素と、
　前記流体要素の背面側において前記回転軸に設けられ、前記中空部に作動流体を導く導入孔と、
　前記軸受によって支持された部分を超えて前記導入孔から離れた位置において前記回転軸に設けられ、前記中空部の外部に前記作動流体を導く排出孔と、
　を備える。
　本開示の技術によれば、軸受などの発熱源から回転軸及び流体要素を通じて作動流体に伝達される熱を減らすことができる。
実施の形態１における回転機械の断面図 図１に示す回転機械の部分拡大断面図 環状凹部の別の形状を示す変形例の断面図 実施の形態２における回転機械の断面図 実施の形態３における回転機械の断面図 実施の形態４における冷凍装置の構成図
（本開示の基礎となった知見等）
　発明者らが本開示を想到するに至った当時、ネオン、ヘリウムなどの－１９０℃から－２６０℃の極低温の作動流体を扱う回転機械の１つの課題として、作動流体と機械部品との間の温度差が大きいことが知られていた。作動流体と機械部品との間の温度差が大きいと、作動流体に流入する熱量が極めて大きくなって作動流体の状態量が変化する。特許文献１は、この課題に対処するための構造を提案している。
　電動機、軸受などの発熱源からタービンホイールなどの流体要素への熱伝達を抑制する手段の１つとして、回転軸の長さを増やして断熱を図ることが挙げられる。しかし、回転軸を長くすると、回転軸の動特性が変化して回転安定性が損なわれ、ひいては高回転域での回転機械の運転が困難になる。発明者らはこの課題を発見し、この課題を解決するために本開示の主題を構成するに至った。
　本開示は、回転軸の回転安定性を確保しつつ、軸受などの発熱源から回転軸及び流体要素を通じて作動流体に伝達される熱を減らすための技術を提供する。
　以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
　添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
（実施の形態１）
　以下、図１、図２及び図３を用いて、実施の形態１を説明する。
［１－１．構成］
　図１は、本実施の形態に係る回転機械１００の断面図である。図２は、図１に示す回転機械１００の部分断面拡大図である。図１及び図２に示すように、回転機械１００は、軸受１０、回転軸２０及びタービンホイール３０を備えている。本実施の形態において、回転機械１００は、膨張機である。詳細には、回転機械１００は、ラジアルタービンである。
　軸受１０は、回転軸２０を支持している。本実施の形態において、軸受１０は、すべり軸受である。回転機械１００の作動流体が軸受１０の潤滑剤として使用される。
　タービンホイール３０は、回転軸２０の一端部に取り付けられた流体要素である。タービンホイール３０は、回転軸２０とともに回転する。タービンホイール３０によって、作動流体から仕事が引き出される。本開示の技術によれば、タービンホイール３０の温度を下げることができるので、作動流体がタービンホイール３０を通過する際にタービンホイール３０から受け取る熱の量を減らすことができる。
　回転軸２０は、中空部２１、少なくとも１つの導入孔２２及び少なくとも１つの第１排出孔２３を有する。中空部２１は、回転軸２０の内部の空間である。中空部２１は、軸受１０によって支持された部分２０ｓに含まれている。導入孔２２は、タービンホイール３０の背面側において回転軸２０に設けられている。第１排出孔２３は、軸受１０によって支持された部分２０ｓを超えて導入孔２２から離れた位置において回転軸２０に設けられている。導入孔２２は、回転軸２０の外部から中空部２１に作動流体を導く役割を担う。第１排出孔２３は、中空部２１から回転軸２０の外部に作動流体を導く役割を担う。
　作動流体は、導入孔２２を通じて中空部２１に導入され、中空部２１を回転軸２０の軸線Ｏに平行な方向に流れ、第１排出孔２３を通じて中空部２１から排出される。このとき、回転軸２０が作動流体によって冷却されるので、回転軸２０及びタービンホイール３０の温度が低下する。これにより、回転軸２０及びタービンホイール３０を通じた軸受１０から作動流体への熱伝達を抑制できる。その結果、作動流体の温度の意図しない上昇を抑制できる。熱伝達を抑制するために回転軸２０の長さを増やすことは必須ではないので、回転軸２０の回転安定性も維持される。
　本実施の形態において、軸方向に関する中空部２１の長さは、軸受１０によって支持された部分２０ｓの長さを超えている。軸方向において、導入孔２２と第１排出孔２３との距離は、軸受１０によって支持された部分２０ｓよりも長い。軸方向において、軸受１０によって支持された部分２０ｓの全部が中空部２１が設けられた区間に収まっている。このような構造によれば、支持された部分２０ｓが全体的に冷却されるので、上記した効果がより十分に得られる。回転軸２０の強度が十分に確保される限り、中空部２１の内径は特に限定されない。中空部２１の内径は、軸方向に関して一定であってもよく、軸方向において変化していてもよい。
　本明細書において、「軸方向」は、回転軸２０の軸線Ｏに平行な方向である。
　本実施の形態では、複数の導入孔２２が回転軸２０の周方向に等角度間隔で設けられている。例えば、４つの導入孔２２が９０度の角度間隔で設けられている。複数の導入孔２２の軸方向に関する位置は、互いに一致している。このような構造によれば、中空部２１に作動流体がスムーズに導入されやすい。導入孔２２は、１つのみ設けられていてもよい。
　本実施の形態では、複数の第１排出孔２３が回転軸の周方向に等角度間隔で設けられている。例えば、４つの第１排出孔２３が９０度の角度間隔で設けられている。複数の第１排出孔２３の軸方向に関する位置は、互いに一致している。このような構造によれば、中空部２１から作動流体がスムーズに排出されやすい。第１排出孔２３は、１つのみ設けられていてもよい。
　導入孔２２及び第１排出孔２３は、それぞれ、回転軸２０の半径方向に向かって開口している。つまり、導入孔２２及び第１排出孔２３は、回転軸２０の軸方向の両端面ではなく、円筒面に設けられている。このような構造によれば、中空部２１に作動流体がスムーズに導入されやすく、中空部２１から作動流体がスムーズに排出されやすい。また、このような構造によれば、導入孔２２と第１排出孔２３との間の距離を極力短くすることができる。作動流体が中空部２１に導入される際の圧力損失、及び、作動流体が中空部２１から排出される際の圧力損失を最小限に抑えることができる。そのため、導入孔２２における作動流体の圧力と第１排出孔２３における作動流体の圧力との差が小さい場合においても、中空部２１に作動流体をスムーズに導入することができる。回転機械１００を低圧及び低流量の条件で運転する場合においても作動流体の温度上昇が抑制されうる。
　軸方向において、軸受１０とタービンホイール３０との間には、他の部品が存在しない。軸方向において、タービンホイール３０は、軸受１０に直接接触しないように、軸受１０から僅かに離れて配置されている。タービンホイール３０の背面３０ｐは、軸受１０の端面１０ｐに向かい合っている。軸受１０とタービンホイール３０との間には、背面空間４０が存在している。背面空間４０は、環状の空間である。背面空間４０が作動流体の流路に連通しているので、背面空間４０には、作動流体が侵入可能である。導入孔２２は、背面空間４０と回転軸２０の中空部２１とを連通している。このような構造によれば、導入孔２２を通じて、中空部２１に作動流体がスムーズに導入されやすい。
　本明細書において、「タービンホイール３０の背面３０ｐ」は、軸受１０に向かい合う側の面である。
　回転機械１００は、タービンノズル３１、軸受ハウジング６０及びタービンハウジング６１をさらに備えている。軸受ハウジング６０及びタービンハウジング６１は、それぞれ、第１ハウジング及び第２ハウジングである。軸受１０は、軸受ハウジング６０の端面に固定されている。タービンハウジング６１は、軸受１０及びタービンホイール３０を覆うように軸受ハウジング６０に固定されている。タービンハウジング６１は、作動流体の流路である渦巻き室６１ｈを有する。渦巻き室６１ｈは、回転機械１００の吸入口（図示省略）に連通している。軸受１０とタービンハウジング６１との間にタービンノズル３１が配置されている。タービンノズル３１は、タービンホイール３０に向かって作動流体を導く役割を担っている。タービンノズル３１は、環形状を有し、タービンホイール３０を取り囲んでいる。タービンハウジング６１の静止した内壁面６１ｋ、タービンホイール３０及びタービンノズル３１のそれぞれに向かい合っている。これにより、作動流体の流路が規定されている。詳細には、タービンハウジング６１とタービンノズル３１との間に作動流体の流路が形成されている。タービンハウジング６１とタービンホイール３０との間に作動流体の流路が形成されている。
　タービンホイール３０とタービンノズル３１との間には、すき間４１が存在する。詳細には、すき間４１は、回転軸２０の半径方向において、タービンホイール３０の外周端面とタービンノズル３１の内周端面との間に存在している。すき間４１は、作動流体の流路及び導入孔２２に通じている。作動流体は、タービンノズル３１及びすき間４１を通じて、導入孔２２に流入しうる。詳細には、すき間４１は、背面空間４０に通じている。作動流体は、タービンノズル３１、すき間４１、及び、背面空間４０を通じて、導入孔２２に流入しうる。
　図２に示すように、背面空間４０は、回転軸２０の半径方向におけるタービンホイール３０の外周端面から回転軸２０の外周面に向かって回転軸２０の軸方向に関する寸法が拡大している部分を含む。本実施の形態では、すき間４１から導入孔２２に向かって、回転軸２０の軸方向に関する背面空間４０の広さが増加している。このような構造によれば、すき間４１を通るときに作動流体の速度が上がり、背面空間４０において作動流体の圧力が上昇する。その結果、導入孔２２を通じて中空部２１に作動流体がスムーズに導入されやすい。
　本実施の形態において、タービンホイール３０は、背面空間４０の一部をなす環状凹部３０ａを背面側に有する。このような構造によれば、軸受１０とタービンホイール３０とを十分に近づけたとしても、十分な広さの背面空間４０が確保されうる。背面空間４０を確保するために回転軸２０を長くすることも回避できる。環状凹部３０ａの形状は特に限定されない。
　図３は、環状凹部３０ａの別の形状を示すタービンホイール３０の断面図である。図３に示すように、タービンホイール３０の縦断面において、環状凹部３０ａは、半円又は半楕円の形状を有していてもよい。「縦断面」は、軸線Ｏに平行かつ軸線Ｏを含む断面である。
　本実施の形態において、軸受１０は、軸受孔１０ｈに向かって窪んでいる環状凹部１０ａをタービンホイール３０に隣接する端面１０ｐに有する。端面１０ｐはタービンホイール３０に向かい合っている。軸受１０の環状凹部１０ａが背面空間４０の一部を構成している。言い換えれば、軸受１０の端面１０ｐは、回転軸２０の半径方向に対して傾斜している。このような構造によれば、軸受１０とタービンホイール３０とを十分に近づけたとしても、十分な広さの背面空間４０が確保されうる。背面空間４０を確保するために回転軸２０を長くすることも回避できる。回転機械１００の縦断面における端面１０ｐのプロファイルは、直線であってもよく、曲面であってもよい。
　なお、タービンホイール３０の環状凹部３０ａ及び／又は軸受１０の環状凹部１０ａは、設けられていなくてもよい。言い換えれば、タービンホイール３０の背面３０ｐは、軸線Ｏに垂直な面であってもよい。軸受１０の端面１０ｐは、軸線Ｏに垂直な面であってもよい。軸方向において導入孔２２が軸受１０とタービンホイール３０との間のすき間に重なっており、すき間に向かって導入孔２２が開口している限り、作動流体は導入孔２２に流入しうる。
　回転機械１００は、タービンディフューザ６２をさらに備えている。タービンディフューザ６２は、筒状の部品であり、タービンホイール３０の下流に配置されている。タービンディフューザ６２は、タービンホイール３０に向かって開口するようにタービンハウジング６１に取り付けられている。タービンホイール３０とタービンディフューザ６２とは同軸状の位置関係にある。タービンディフューザ６２の内径は、軸方向に沿って徐々に拡大している。
　回転機械１００は、電動機５０をさらに備えている。電動機５０は、回転軸２０を回転させる役割を担う。電動機５０は、軸受ハウジング６０の内部の空間６０ｈに収められている。電動機５０は、回転子５１及び固定子５２を有する。回転軸２０に回転子５１が固定されている。固定子５２が軸受ハウジング６０に固定されている。本実施の形態では、電動機５０は、インナーロータ型である。電動機５０は、発電機として使用されてもよい。
　本実施の形態によれば、軸方向において、電動機５０、軸受１０及びタービンホイール３０がこの順番で並んでいる。このような並びによれば、熱の伝達方向と中空部２１における作動流体の流れ方向とが逆方向になる。その結果、軸受１０、ひいては電動機５０を効率的に冷却できる。軸受１０及び電動機５０から作動流体への熱伝達を効果的に抑制できる。
　本実施の形態において、第１排出孔２３は、電動機５０が収められた空間６０ｈと回転軸２０の中空部２１とを連通している。電動機５０が収められた空間６０ｈは、軸受ハウジング６０の内部の空間６０ｈである。このような構造によれば、軸受１０だけでなく、電動機５０も作動流体によって冷却することが可能である。電動機５０は、銅損及び鉄損に起因して熱を発する。作動流体によって電動機５０を冷却することによって、回転軸２０を経て電動機５０からタービンホイール３０に伝達される熱をさらに減らすことができる。その結果、作動流体の温度の意図しない上昇をさらに抑制できる。電動機５０を冷却することによって、電動機５０の効率も向上して消費電力を削減できる。
　空間６０ｈは、図示しない排気通路を通じて、回転機械１００の外部と連通している。排気通路は、電動機５０に接続された配線を外部に引き出すための通路であってもよい。配線を外部に引き出すための通路を排気通路に兼用することによって、軸受ハウジング６０などの部品の構造を簡素化することができる。ただし、排気通路は、作動流体を回転機械１００の外部に排出するための専用の通路であってもよい。
［１－２．動作］
　次に、回転機械１００の動作の一例を説明する。
　作動流体は、タービンハウジング６１に設けられた吸入口（図示せず）から渦巻き室６１ｈに流入し、さらに、タービンノズル３１の外周からタービンノズル３１に流入する。作動流体は、タービンノズル３１において膨張することによって、その圧力が流速に変換される。その後、作動流体は、タービンホイール３０に対して吹き付けられる。タービンホイール３０には、吹き付けられた作動流体によって衝動が与えられる。作動流体の状態によっては、タービンホイール３０から作動流体が吐出される際に再度圧力が流速に変換されるため、タービンホイール３０は、作動流体からの反動を受け止める。これらの衝動及び反動によって回転軸２０が回転して作動流体から仕事が取り出される。タービンホイール３０から吐出された作動流体は、タービンディフューザ６２に流入する。作動流体は、タービンディフューザ６２の軸方向かつタービンホイール３０から遠ざかる方向に流れながら減速し、その圧力を回復させる。その後、作動流体は、回転機械１００の外部へと吐出される。
　上記動作により、作動流体の温度及び圧力が連続的に下降する。例えば、圧力比が２から３程度の膨張タービンの場合、タービンノズル３１において作動流体の温度が２０℃であれば、タービンディフューザ６２の出口において、作動流体の温度が約－２０℃から－４０℃に達する。作動流体が膨張して作動流体の温度が低下するので、タービンノズル３１からタービンホイール３０にかけて、各部品の温度と作動流体の温度との間に大きい温度差が生じがちである。
　作動流体がタービンノズル３１及びタービンホイール３０を通過するとき、作動流体の一部は、タービンホイール３０とタービンノズル３１との境界にあるすき間４１を通じて背面空間４０に導かれる。作動流体は、導入孔２２を通じて中空部２１に流入し、中空部２１を流れ、第１排出孔２３を通じて回転軸２０の外部に排出される。このとき、回転軸２０が作動流体によって冷却され、回転軸２０及びタービンホイール３０の温度が低下する。回転軸２０及びタービンホイール３０を通じた軸受１０から作動流体への熱伝達を抑制できる。その結果、作動流体の温度の意図しない上昇を抑制できる。熱伝達を抑制するために回転軸２０の長さを増やすことは必須ではないので、回転軸２０の回転安定性も維持される。
　背面空間４０に導かれる作動流体の流量は、（ｉ）すき間４１の寸法、（ｉｉ）すき間４１の入口における作動流体の圧力と第１排出孔２３の出口における作動流体の圧力との差に依存する。所望の効果が得られるように、全流量の１～１０％の流量の作動流体がすき間４１、背面空間４０及び導入孔２２を通じて中空部２１に導入される。回転軸２０の回転中において、軸受１０と回転軸２０との間の軸受すき間には、極めて大きい圧力が発生している。そのため、作動流体は、軸受すき間には殆ど流入しない。
［１－３．効果等］
　以上のように、本実施の形態において、回転機械１００は、回転軸２０の中空部２１に作動流体を流通させるように構成されている。これにより、回転軸２０及び流体要素を通じた軸受１０から作動流体への熱伝達を抑制できる。その結果、作動流体の温度の意図しない上昇を抑制できる。熱伝達を抑制するために回転軸２０の長さを増やすことは必須ではないので、回転軸２０の回転安定性も維持される。
　また、本実施の形態において、導入孔２２及び排出孔２３は、それぞれ、回転軸２０の半径方向に向かって開口していてもよい。このような構造によれば、中空部２１に作動流体がスムーズに導入されやすく、中空部２１から作動流体がスムーズに排出されやすい。
　また、本実施の形態において、回転機械１００は、回転軸２０の軸方向において軸受１０と流体要素との間に存在し、作動流体が侵入可能な背面空間４０をさらに備えていてもよく、導入孔２２は、背面空間４０と回転軸２０の中空部２１とを連通していてもよい。このような構造によれば、導入孔２２を通じて、中空部２１に作動流体がスムーズに導入されやすい。
　また、本実施の形態において、背面空間４０は、回転軸２０の半径方向における流体要素の外周端面から回転軸２０の外周面に向かって回転軸２０の軸方向に関する寸法が拡大している部分を含んでいてもよい。このような構造によれば、導入孔２２を通じて中空部２１に作動流体がスムーズに導入されやすい。
　また、本実施の形態において、流体要素は、背面空間４０の一部をなす環状凹部３０ａを背面側に有していてもよい。このような構造によれば、軸受１０と流体要素とを十分に近づけたとしても、十分な広さの背面空間４０が確保されうる。
　また、本実施の形態において、軸受１０は、軸受孔１０ｈに向かって窪んでいる環状凹部１０ａを流体要素に隣接する端面１０ｐに有していてもよく、軸受１０の環状凹部１０ａが背面空間４０の一部を構成していてもよい。このような構造によれば、軸受１０と流体要素とを十分に近づけたとしても、十分な広さの背面空間４０が確保されうる。
　また、本実施の形態において、回転機械１００は、回転軸２０を回転させる電動機５０をさらに備えていてもよく、回転軸２０の軸方向において、電動機５０、軸受１０及び流体要素がこの順番で並んでいてもよい。このような並びによれば、熱の伝達方向と中空部２１における作動流体の流れ方向とが逆方向になる。その結果、軸受１０、ひいては電動機５０を効率的に冷却できる。
　また、本実施の形態において、回転機械１００は、回転軸２０を回転させる電動機５０をさらに備えていてもよく、排出孔２３は、電動機５０が収められた空間６０ｈと回転軸２０の中空部２１とを連通していてもよい。このような構造によれば、軸受１０だけでなく、電動機５０も作動流体によって冷却することが可能である。
　また、本実施の形態において、流体要素がタービンホイール３０であってもよい。本開示の技術によれば、作動流体がタービンホイール３０を通過する際にタービンホイール３０から受け取る熱の量を減らすことができる。
　また、本実施の形態において、回転機械１００は、タービンホイール３０に向かって作動流体を導くタービンノズル３１と、タービンノズル３１とタービンホイール３０との間に存在し、導入孔２２に通じているすき間４１と、をさらに備えていてもよい。このような構造によれば、作動流体は、タービンノズル３１及びすき間４１を通じて、導入孔２２に流入しうる。
（実施の形態２）
　以下、図４を用いて、実施の形態２を説明する。
［２－１．構成］
　図４は、実施の形態２に係る回転機械１０２の断面図である。本実施の形態の回転機械１０２は、中子３０ｔを除き、実施の形態１の回転機械１００と同じ構造を有する。実施の形態１と同一の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。
　回転機械１０２は、中空部２１に配置された中子３０ｔをさらに備えている。中子３０ｔは、中空部２１の内径よりも小さい直径を有する。このような構造によれば、中空部２１に導入された作動流体の流速が高速化し、中空部２１の内壁面と作動流体との間の熱伝達率が高まる。これにより、回転軸２０及びタービンホイール３０の温度をさらに低下させることができる。中空部２１における作動流体の流量を減らすことができる。
　本実施の形態において、中子３０ｔは、タービンホイール３０の一部である。中子３０ｔは、タービンホイール３０のハブから軸方向に伸びる円柱の形状を有する。回転軸２０の横断面おいて、中子３０ｔの周りの空間は、環形状を有する。「横断面」は、軸線Ｏに垂直な断面である。作動流体は、中子３０ｔの周りを旋回しながら導入孔２２から第１排出孔２３に向かって流れる。中子３０ｔと回転軸２０とは同軸状の位置関係にある。中子３０ｔの長さは、軸方向における導入孔２２から第１排出孔２３までの長さに概ね等しい。
　ただし、中子３０ｔがタービンホイール３０に一体形成されていることは必須ではない。中子３０ｔとタービンホイール３０とが別部品であってもよい。さらに、中子３０ｔは、回転軸２０に一体形成された部分であってもよい。
［２－２．効果等］
　本実施の形態において、回転機械２００は、中空部２１に配置され、中空部２１の内径よりも小さい直径を有する中子３０ｔをさらに備えていてもよい。このような構造によれば、回転軸２０及び流体要素の温度をさらに低下させることができる。
（実施の形態３）
　以下、図５を用いて、実施の形態３を説明する。
［３－１．構成］
　図５は、実施の形態３に係る回転機械３００の断面図である。本実施の形態の回転機械３００は、実施の形態１の回転機械１００の構成に加え、以下をさらに備えている。
　回転機械３００は、第２排出孔２４をさらに備えている。第２排出孔２４は、回転軸２０に設けられている。回転軸２０の軸方向において、第１排出孔２３と第２排出孔２４との間に電動機５０が位置している。本実施の形態では、回転軸２０の軸方向において、第１排出孔２３と第２排出孔２４との間に電動機５０の回転子５１が位置している。回転軸２０の軸方向において、導入孔２２と第２排出孔２４との間に軸受１０及び電動機５０が位置している。第２排出孔２４は、中空部２１から回転軸２０の外部に作動流体を導く役割を担う。回転軸２０は、電動機５０の回転子５１が嵌め合わされた部分２０ａを有する。中空部２１は、軸方向において、嵌め合わされた部分２０ａを超えて、導入孔２２から第２排出孔２４まで延びている。
　本実施の形態によれば、作動流体の一部が第１排出孔２３を通じて中空部２１から排出され、作動流体の残部が第２排出孔２４を通じて中空部２１から排出される。第２排出孔２４によれば、回転子５１が嵌め合わされた部分２０ａ及び電動機５０の回転子５１を冷却することができる。そのため、回転軸２０及びタービンホイール３０を通じた軸受１０から作動流体への熱伝達をより効果的に抑制できる。作動流体の温度の意図しない上昇をさらに抑制できる。電動機５０を冷却することによって、電動機５０の効率も向上して消費電力を削減できる。
　本実施の形態において、回転軸２０の外部は、電動機５０が収められた空間６０ｈを含む。第２排出孔２４は、電動機５０が収められた空間６０ｈと回転軸２０の中空部２１とを連通している。電動機５０が収められた空間６０ｈは、軸受ハウジング６０の内部の空間６０ｈである。このような構造によれば、より効果的に電動機５０を冷却することが可能である。
　本実施の形態では、複数の第２排出孔２４が回転軸の周方向に等角度間隔で設けられている。例えば、４つの第２排出孔２４が９０度の角度間隔で設けられている。複数の第２排出孔２４の軸方向に関する位置は、互いに一致している。このような構造によれば、中空部２１から作動流体がスムーズに排出されやすい。第２排出孔２４は、１つのみ設けられていてもよい。
　第２排出孔２４は、回転軸２０の半径方向に向かって開口している。つまり、第２排出孔２４は、回転軸２０の軸方向の端面ではなく、円筒面に設けられている。このような構造によれば、中空部２１から作動流体がスムーズに排出されやすい。
　本実施の形態において、回転機械３００は、膨張機構２０１及び圧縮機構２０２を備えている。膨張機構２０１は、実施の形態１を参照して説明した回転機械１００に相当する部分である。圧縮機構２０２は、インペラ７０を含む。インペラ７０は、作動流体を圧縮するための部品であり、回転軸２０の他端部に取り付けられた第２流体要素である。回転機械３００は、いわゆる膨張機一体型圧縮機である。膨張機構２０１によって回収された作動流体の膨張エネルギーが圧縮機構２０２において作動流体を圧縮するための仕事の一部として使用される。
　なお、回転軸２０の設計が許容する範囲内において中空部２１の内径及び第２排出孔２４の開口径を拡大すれば、第１排出孔２３を省略したとしても、中空部２１における作動流体の流量を十分に確保して所望の効果を得ることができる。第２排出孔２４は、第１排出孔２３に代えて設けられていてもよい。
［３－２．効果等］
　本実施の形態において、回転機械３００は、排出孔２３を第１排出孔２３と定義したとき、回転軸２０に設けられた第２排出孔２４をさらに備えていてもよく、回転軸２０の軸方向において、第１排出孔２３と第２排出孔２４との間に電動機５０が位置していてもよい。このような構造によれば、回転軸２０及び流体要素を通じた軸受１０から作動流体への熱伝達をより効果的に抑制できる。作動流体の温度の意図しない上昇をさらに抑制できる。電動機５０を冷却することによって、電動機５０の効率も向上して消費電力を削減できる。
　本実施の形態において、第２排出孔２４は、電動機５０が収められた空間６０ｈと回転軸２０の中空部２１とを連通していてもよい。このような構造によれば、より効果的に電動機５０を冷却することが可能である。
（実施の形態４）
　以下、図６を用いて、実施の形態４を説明する。
［４－１．構成］
　図６は、実施の形態４に係る冷凍装置４００の構成図である。冷凍装置４００は、回転機械３００、第１熱交換器４０１及び第２熱交換器４０２を備えている。
　回転機械３００は、膨張機構２０１及び圧縮機構２０２を有する。回転機械３００は、実施の形態３で説明した回転機械である。
　第１熱交換器４０１は、他の流体によって冷媒を冷却する役割を担う。他の流体は、気体であってもよく、液体であってもよい。第２熱交換器４０２は、冷媒の冷熱を回収するための内部熱交換器である。第１熱交換器４０１及び第２熱交換器４０２としては、フィンチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器などが挙げられる。
　冷凍装置４００の熱サイクルは、冷媒として空気を使用する空気冷凍サイクルである。冷凍装置４００によって生成された低温の空気は、対象空間４０３に導かれる。対象空間４０３は、例えば、冷凍庫である。冷凍装置４００は、航空機の客室用空調に使用されてもよい。空気のＧＷＰ（Global Warming Potential）はゼロなので、地球環境を保護する観点から、空気を冷媒として使用することは望ましい。また、冷媒として空気を使用すれば、冷凍装置４００を開放型のシステムとして構築することが可能である。つまり、回転軸２０の中空部２１から排出された空気を回収することなく、大気中に放出することが許される。
　回転機械３００、第１熱交換器４０１及び第２熱交換器４０２は、流路４ａから４ｆによって互いに接続されている。流路４ａは、圧縮機構２０２の吐出口と第１熱交換器４０１の冷媒入口とを接続している。流路４ｂは、第１熱交換器４０１の冷媒出口と第２熱交換器４０２の高圧側入口とを接続している。流路４ｃは、第２熱交換器４０２の高圧側出口と膨張機構２０１の吸入口とを接続している。流路４ｄは、膨張機構２０１の吐出口と対象空間４０３とを接続している。流路４ｅは、対象空間４０３と第２熱交換器４０２の低圧側入口とを接続している。流路４ｆは、第２熱交換器４０２の低圧側出口と圧縮機構２０２の吸入口とを接続している。流路４ａから４ｆには、別の熱交換器、霜取り装置などの他の機器が配置されていてもよい。
　圧縮機構２０２で圧縮された冷媒は、第１熱交換器４０１及び第２熱交換器４０２において冷却される。冷却された冷媒は、膨張機構２０１において膨張する。これにより、冷媒の温度がさらに低下する。低温の冷媒は、対象空間４０３に供給されて所望の用途に使用される。対象空間４０３から排出された冷媒は、第２熱交換器４０２において加熱され、その後、圧縮機構２０２に導入される。一例において、圧縮機構２０２の吸入口における冷媒の温度は、２０℃である。圧縮機構２０２の吐出口における冷媒の温度は、８５℃である。第１熱交換器４０１の冷媒出口における冷媒の温度は、４０℃である。膨張機構２０１の吸入口における冷媒の温度は、－３０℃である。膨張機構２０１の吐出口における冷媒の温度は、－７０℃である。
［４－２．効果等］
　本実施の形態の冷凍装置４００は、回転機械３００を備えたものである。回転機械３００の採用により、より低温の冷媒を生成することが可能である。
　本実施の形態において、冷媒が空気であってもよい。地球環境を保護する観点から、空気を冷媒として使用することは望ましい。また、冷媒として空気を使用すれば、冷凍装置４００を開放型のシステムとして構築することが可能である。
　本実施の形態の冷凍装置４００によれば、回転機械３００において、膨張機構２０１の部品から冷媒への熱伝達が抑制されているので、より低温の冷媒を生成することが可能である。回転機械３００の採用により、冷凍装置４００の成績係数が向上する。
（他の実施の形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１から４を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１から４で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
　本開示の技術は、膨張タービンのみならず、遠心圧縮機にも適用可能である。遠心圧縮機においても、回転軸の半径方向においてインペラとディフューザとの間にあるすき間からインペラの背面空間に作動流体が侵入しうるので、本開示の技術が適用されうる。
　本開示の技術は、圧縮機、膨張タービン、排気ガスタービン過給機などの回転機械に適用されうる。

Claims (15)

  1. 　軸受と、
    　前記軸受によって支持された部分に含まれた中空部を有する回転軸と、
    　前記回転軸の一端部に取り付けられた流体要素と、
    　前記流体要素の背面側において前記回転軸に設けられ、前記中空部に作動流体を導く導入孔と、
    　前記軸受によって支持された部分を超えて前記導入孔から離れた位置において前記回転軸に設けられ、前記中空部の外部に前記作動流体を導く排出孔と、
    　を備えた、回転機械。
  2. 　前記導入孔及び前記排出孔は、それぞれ、前記回転軸の半径方向に向かって開口している、
    　請求項１に記載の回転機械。
  3. 　前記回転軸の軸方向において前記軸受と前記流体要素との間に存在し、前記作動流体が侵入可能な背面空間をさらに備え、
    　前記導入孔は、前記背面空間と前記回転軸の前記中空部とを連通している、
    　請求項１又は２に記載の回転機械。
  4. 　前記背面空間は、前記回転軸の半径方向における前記流体要素の外周端面から前記回転軸の外周面に向かって前記回転軸の軸方向に関する寸法が拡大している部分を含む、
    　請求項３に記載の回転機械。
  5. 　前記流体要素は、前記背面空間の一部をなす環状凹部を前記背面側に有する、
    　請求項３又は４に記載の回転機械。
  6. 　前記軸受は、軸受孔に向かって窪んでいる環状凹部を前記流体要素に隣接する端面に有し、
    　前記軸受の前記環状凹部が前記背面空間の一部を構成している、
    　請求項３から５のいずれか１項に記載の回転機械。
  7. 　前記回転軸を回転させる電動機をさらに備え、
    　前記回転軸の軸方向において、前記電動機、前記軸受及び前記流体要素がこの順番で並んでいる、
    　請求項１から６のいずれか１項に記載の回転機械。
  8. 　前記回転軸を回転させる電動機をさらに備え、
    　前記排出孔は、前記電動機が収められた空間と前記回転軸の前記中空部とを連通している、
    　請求項１から７のいずれか１項に記載の回転機械。
  9. 　前記排出孔を第１排出孔と定義したとき、前記回転軸に設けられた第２排出孔をさらに備え、
    　前記回転軸の軸方向において、前記第１排出孔と前記第２排出孔との間に前記電動機が位置している、
    　請求項７又は８に記載の回転機械。
  10. 　前記第２排出孔は、前記電動機が収められた空間と前記回転軸の前記中空部とを連通している、
    　請求項９に記載の回転機械。
  11. 　前記中空部に配置され、前記中空部の内径よりも小さい直径を有する中子をさらに備えた、
    　請求項１から１０のいずれか１項に記載の回転機械。
  12. 　前記流体要素がタービンホイールである、
    　請求項１から１１のいずれか１項に記載の回転機械。
  13. 　前記タービンホイールに向かって前記作動流体を導くタービンノズルと、
    　前記タービンノズルと前記タービンホイールとの間に存在し、前記導入孔に通じているすき間と、
    　をさらに備えた、請求項１２に記載の回転機械。
  14. 　請求項１から１３のいずれか１項に記載の回転機械を備えた、冷凍装置。
  15. 　冷媒が空気である、
    　請求項１４に記載の冷凍装置。
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