JPH0217126Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の利用分野〕 本考案は膨張タービン装置に係り、特に小型の
ヘリウム冷凍装置等に好適な小型の膨張タービン
に関するものである。

〔考案の背景〕

ヘリウム液化・冷凍機に代表される極低温用の
ガス液化・冷凍機には種々の冷凍サイクルが適用
されているが、その中で従来から広く利用されて
いるのがクロードサイクルと呼ばれるものであ
る。クロードサイクルにおいて性能を左右するの
が膨張機であるが、この膨張機としては小形の液
化・冷凍機の場合には往復動式の膨張エンジンが
適用されていた。

往復動式の膨張エンジンは膨張比が大きくとれ
るため、低い周波数でも大きな寒冷発生が得られ
る半面、シリンダとピストン間にガス漏れ防止の
役目をするピストンリングが必要で、しかもそれ
が摺動によつて摩耗するので、定期的なメンテナ
ンスを必要とし、長時間連続運転には不向きであ
る。

また、ピストンとシリンダの間にデツドスペー
スがあるため、効率が悪いという欠点もある。

一方、膨張タービンは数万〜数十万rpmと高速
回転になるため、精巧な構造が要求される。特
に、安定した高速回転を得るためには軸受が重要
で、気体軸受が多く使用される。この場合、軸負
荷は大きくできないが、作業温度範囲が広く、伝
熱量が小さい、作動気体に油が混入しない、など
の利点がある。総合的には、タービン式に利点が
多いため、中形、大形の液化・冷凍機では膨張タ
ービン式が多いが、小形のものに適用しようとす
ればタービン径が小さくなり、加工が難しくなる
うえ、効率が悪化するため20／ｈの液化機
（60Wの冷凍機に相当）より小さいものには適用
しにくいという欠点があつた。

ところが、最近、ジヨセフソン素子の冷却や、
医療用核磁気共鳴診断装置（通称NMR−CT）
における超電導マグネツトの冷却等、小形ヘリウ
ム液化・冷凍機へのニーズが高まるにつれて、メ
ンテナンスフリーで長期間連続運転が可能な、超
小形膨張タービンへの要求が強まつてきた。

第１図、第２図によつて従来の膨張タービン式
ヘリウム液化・冷凍機の構造、作用ならびに問題
点について説明する。また、液化・冷凍機の全体
システムを第１図により説明すると、圧縮機１を
出た高圧、常温のヘリウムガスは高圧ライン２を
通つて第１熱交換器３に入り、ここで冷却された
後、一部は第２熱交換器４に送られ、残りは配管
１４を経て第１膨張タービン８に供給される。第
１膨張タービン８で断熱膨張して中圧、低温にな
つたヘリウムガスは、第３熱交換器５の中圧ライ
ン１５を通る過程で低圧ライン１２を流れる低温
のヘリウムガスと熱交換して冷却され、第２膨張
タービン９に入る。第２膨張タービン９で断熱膨
張してさらに低圧、低温になつたヘリウムガス
は、配管１６を通り、第４熱交換器６と第５熱交
換器７の間で低圧ライン１２に合流する。

一方、第２熱交換器４に送られた高圧ライン２
のヘリウムガスは、第３熱交換器５、第４熱交換
器６、第５熱交換器７を通過する過程で、低圧ラ
イン１２のヘリウムによつて冷却され、最終的に
第５熱交換器７を出たところでは10K以下とな
り、膨張弁１０を過通する過程で、ジユールトム
ソン効果によつて等エンタルピ膨張をしながら一
部のガスが液化する。

膨張弁１０を出た低圧、低温のガスはクライオ
スタツト１７の中に設置された凝縮熱交換器１１
を通り、ここでガス中の液化ガスが蒸発して被冷
却体（例えば超電導マグネツト）１９を浸漬して
いる液体ヘリウム１８がクライオスタツト１７へ
の熱侵入によつて気化するのを再凝縮させる。

凝縮熱交換器１１を出た低圧、低温のガスは、
第５熱交換器７、第４熱交換器６、第３熱交換器
５、第２熱交換器４、第１熱交換器３の低圧ライ
ン１２を通過する過程で、高圧ライン２及び中圧
ライン１５を流れる高圧ガスまたは中圧ガスを冷
却しながら、自身は温度上昇して圧縮機１にもど
る。これら各熱交換器３〜７及び膨張タービン
８，９は熱侵入を低減するため真空に保持された
保冷槽１３の中に設置される。

クライオスタツト１７は用途によつて保冷槽１
３の中に設置されることもあれば、別に保冷槽１
３の外に設置されることもある。

次に第２図より膨張タービンについて説明する
と、２０ａ，２０ｂ，２０ｃはハウジング、２１
はハウジング２０ｃの一部を介して膨張タービン
８，９を保冷槽１３に固定するための取付フラン
ジ、２２は取付けボルト、２３は保冷槽１３の内
部を真空に保持するためのＯリング、２４は膨張
タービンのシヤフト、２５はシヤフト２４の高速
回転を維持するための上部ジヤーナル軸受、２６
は同じく下部ジヤーナル軸受、２７は上スラスト
軸受、２８は下スラスト軸受、２９は上、下のス
ラスト軸受の位置を決めるスペーサ、３０は常温
部からの熱がハウジング２０ｂを介して低温部で
あるタービン翼３２に侵入するのを低減するため
の断熱板、３１はシヤフト２４の高温端にあつて
シヤフト２４の回転数を制御するためのブレーキ
フアン、３２はシヤフト２４の低温端にあつて断
熱膨張を行うタービン翼、３３はタービン翼３２
に高圧ガス（または中圧ガス）を供給するノズ
ル、３４は高圧ガス（または中圧ガス）の供給配
管、３５は高圧ガス（または中圧ガス）の導入
部、３６はデイフユーザ、３７は膨張後のガスを
次に送る配管である。

３８，３９はブレーキフアン３１を流れるヘリ
ウムガスの導入路及び排出路である。排出路３９
を出たガスは外で冷却された後に再び導入路３８
に循環される。

ここで、膨張タービンの作用について説明する
と、供給配管３４、高圧ガス（または中圧ガス）
の導入部３５を経て供給された作動ガスが、ノズ
ル３３からタービン翼３２に吹きつけられると、
タービン翼３２及びタービン翼３２と一体のシヤ
フト２４が高速で回転する。その際にタービン翼
３２を通過する作動ガスは断熱膨張して圧力及び
温度を低下させ、寒冷を発生してデイフユーザ３
６を経て配管３７より次の機器に送られる。

一方、シヤフト２４の他端にあるブレーキフア
ン３１は、シヤフト２４の回転数を制御するため
に作動ガスと同種のガスを循環させつつ、ここで
圧縮仕事を行い、タービン翼３２での作動ガスの
膨張にともなうエネルギーを吸収する。圧縮にと
もなつて発生した熱は、排出路３９から出て系外
で冷却される。

シヤフト２４の高速回転を確保するためのジヤ
ーナル及びスラスト軸受としては作動ガスの汚染
を防止する目的で作動ガスと同じガスを用いた気
体軸受が一般的である。

このような膨張タービンにおいて、性能（ター
ビン効率）を左右する因子としてはタービン翼３
２及びノズル３３の形状、寸法精度の他に、ハウ
ジング２０及びシヤフト２４を通して高温側から
低温側に流入する侵入熱がある。

特に、膨張タービンを冷凍能力が4.5Kで5Wク
ラス（液化能力1.7／ｈ程度）の小形ヘリウム
液化・冷凍機に適用する際には、膨張タービン
８，９における寒冷発生量の絶対値が小さいた
め、この侵入熱を小さくしないとタービン効率が
極端に低下する。

しかるに、従来構造の膨張タービンは、第２図
に示すように常温部である取付フランジ２１の取
付部から寒冷発生部であるタービン翼３２までの
伝熱距離が短く、伝熱路の断面積が大きいため、
侵入熱が大きいのが欠点であつた。大形の液化・
冷凍機に使用される膨張タービンでは、寒冷発生
量が大きいので、この侵入熱があまり問題になら
ないが、小形の液化・冷凍機用膨張タービンで
は、この侵入熱の低減が不可欠である。

中でも第２膨張タービン９では寒冷発生量が小
さいため、許容侵入熱量が少ないうえに低温端の
温度が20K近くなるため、高、低温間の温度差が
大きくて熱侵入量が増加する傾向にあるので、こ
の熱侵入の防止がタービン効率維持のための大き
な課題であつた。

また、小形の膨張タービンでは、作動ガス流量
が少ないので、軸受はガス所要量の少ない動圧形
式にする方が有利であるが、その場合にはガス膜
部分での摩擦発熱が無視できず、その熱を常温側
で除去しなくてはならない。これを効果的に除去
しないと、発生した熱が低温側に侵入してタービ
ン効率を低下させるのみでなく、上、下のスラス
ト軸受２７，２８に熱変形を生じさせてシヤフト
２４との接触を引き起こし、膨張タービン８，９
の安定な高速回転を阻害させる要因にもなる。

特にタービンが小形になれば、効率を維持する
ために許容される軸受のガス膜も薄くなるので、
わずかな熱変形が膨張タービンの信頼性において
致命的な問題になる。

したがつて、スラスト軸受における発生熱の除
去もタービン効率維持及び信頼性の確保に不可欠
な課題であつた。

そして、熱侵入の防止及びスラスト軸受におけ
る発生熱の除去に対する適当な解決策がないため
に、冷凍能力の小さいヘリウム液化・冷凍機では
膨張タービンが採用されず、定期的なメンテナン
スを要する往復動式の膨張エンジンが用いられて
きた。

〔考案の目的〕

本考案の目的は、小型の膨張タービンにおける
熱の侵入を低減してタービン効率を向上させるこ
とのできる膨張タービンを提供することにある。

〔考案の概要〕

本考案は、タービン翼まわりの低温端への侵入
熱を低減するために、ブレーキフアン側にスラス
ト軸受を配置し、スラスト軸受とタービン翼との
間に複数個のジヤーナル軸受を配置し、スラスト
軸受の配置位置近傍に取付フランジを設け、該取
付フランジを介してハウジングのタービン翼側を
保冷槽内に取り付け可能とし、保冷槽へ取付けら
れる常温部の取付フランジからタービン翼までの
伝熱距離を長くするとともに、伝熱路の断面積を
小さくするように配置したもので、これにより、
タービン効率の向上を図つたものである。

〔考案の実施例〕

以下、本考案の一実施例を第３図によつて説明
する。第３図において、第２図と同一部分は同一
符号で示し、説明を省略する。

本実施例が第２図に示した従来例と相違する点
は軸受の配置にある。従来例では、スラスト軸受
２７，２８、ジヤーナル軸受２５，２６ともに常
温部にあり、取付フランジ２１からタービン翼３
２までの距離が短くなるので、それを長くするた
めにハウジング２０ｃに大きな溝４７を設けてい
る。

しかし、小形の膨張タービンではハウジング２
０の外径が10mm以下になるため、このような複雑
な構造が採用できない。そこで、第３図に示すよ
うな配置を行つて、取付フランジ２１からタービ
ン翼３２までの距離が長くなるようにしたもので
ある。すなわち、スラスト軸受２７，２８がブレ
ーキフアン３１のすぐ近くにあり、上部ジヤーナ
ル軸受２５、下部ジヤーナル軸受２６ともに下部
スラスト軸受２８とタービン翼３２の間に配置さ
れていることである。本実施例によれば、このよ
うな配置を採用することによつて単純な構造のま
まで、取付フランジ２１とタービン翼３２の距離
を長くすることができ、かつこの間にスラスト軸
受２７，２８がなくなることで、この間のハウジ
ング２０の断面を小さくできるので、常温部から
低温部への熱侵入を低減することができる。これ
により、タービン翼３２への熱侵入が少なくなり
タービン効率が向上する。

しかも、上部ジヤーナル軸受２５と下部ジヤー
ナル軸受２６の間に、低熱伝導率材で作られたス
ペーサ４０を配置したことにより、上、下のジヤ
ーナル軸受２５，２６間のガスの往来による熱侵
入も防止できるという効果がある。

第４図、第５図は本考案の他の実施例を示すも
ので、４２，４３はそれぞれ第１膨張タービン８
及び第２膨張タービン９のハウジング２０の低温
部に設けたヒートシング、４６は第２熱交換器４
〜第５熱交換器７、膨張弁１０、クライオスタツ
ト１７等をふく射熱により保護するためのシール
ド板、４１はシールド板４６を冷却するための冷
却コイル、４４はヒートシンク４２，４３とシー
ルド板４６を接続するボルト、４５はハウジング
２０の常温部内側に装着された高伝熱材料よりな
る放熱用のブツシユである。

本実施例における作用についてみると、まず、
スラスト軸受２７，２８で発生した熱の大部分
は、高熱伝導率材料で作られたブツシユ４５を介
してブレーキフアン３１の循環ヘリウムガスの排
出と同時に放熱される。それによつて、スラスト
軸受部の温度上昇およびそれにともなう熱変形が
防止され、したがつてシヤフト２４の高速安定回
転が得られるとともに、低温部への熱侵入が低減
される。

本実施例では、スラスト軸受２７，２８を常温
側の取付フランジ２１よりも上側に配置したこと
も重要なポイントで、それによつてスラスト軸受
２７，２８で発生した熱が低温部へ侵入しにくく
する作用をしている。その場合、スラスト軸受の
位置が高温ジヤーナル軸受よりも上側に配置され
るが、これは従来あまり例をみない配置で、従来
は上部及び下部ジヤーナル軸受の間にスラスト軸
受を配置するのが一般的であつた。

一方、保冷槽１３からハウジング２０を介して
熱伝導で侵入する熱については、ハウジング２０
の低温側に設けたヒートシンク４３を経て、シー
ルド板４６に伝達され、シールド板４６は第１膨
張タービン８にヘリウムガスを供給する配管１４
の一部で構成された冷却コイル４１で冷却され
る。

この冷却コイル４１の温度は、第１膨張タービ
ン８の低温部温度と同等かそれ以上の温度になる
位置から配管を行うようにしておけばよい。

それによつて、常温部からの侵入熱は冷却コイ
ル４１またはシールド板４６の熱負荷として消化
され、膨張タービンの低温部への侵入熱は大幅に
低減されるので、タービン効率の低下は防止され
る。

この場合、第４図のように第１膨張タービン８
と第２膨張タービン９のヒートシンク４２，４３
をそれぞれ同じシールド板４６に接続してもよ
い。

このように、本実施例によれば、スラスト軸受
で発生した熱はスラスト軸受周辺のハウジングに
装着されたブツシユ４５で常温部に放熱され、常
温部から低温部に侵入した熱はヒートシンク４
２，４３を介してシールド板４６及び冷却コイル
４１に伝達されるので、熱侵入による膨張タービ
ンの効率低下をより積極的に防止できるという効
果がある。

第６図は本考案のさらに他の実施例を示すもの
で、ヒートシンク４３（または４２）に直接冷却
コイル４１をロー付け、または半田付けしたもの
である。本実施例によれば、ヒートシンク４３
（または４２）をシールド板４６を介して冷却コ
イル４１と接続する場合に比して冷却効率が一層
向上されるという効果がある。

〔考案の効果〕

本考案によれば、小型の膨張タービンにおける
熱の侵入を低減してタービン効率を向上させるこ
とができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の膨張タービンを適用したクロー
ドサイクル式ヘリウム液化・冷凍機の系統図、第
２図は従来の膨張タービンの構造を示す縦断面
図、第３図は本考案の一実施例を示す膨張タービ
ンの断面図、第４図は本考案の他の実施例を示す
膨張タービン適用のクロードサイクル式ヘリウム
液化・冷凍機の系統図、第５図は同じく膨張ター
ビンの縦断面図、第６図は本考案のさらに他の実
施例を示す膨張タービンの縦断面図である。 １……圧縮機、２……高圧ライン、３……第１
熱交換器、４……第２熱交換器、５……第３熱交
換器、６……第４熱交換器、７……第５熱交換
器、８……第１膨張タービン、９……第２膨張タ
ービン、１０……膨張弁、１１……凝縮熱交換
器、１２……低圧ライン、１３……保冷槽、１
４，１６，３７……配管、１５……中圧ライン、
１７……クライオスタツト、１８……液体ヘリウ
ム、１９……被冷却体、２０，２０ａ，２０ｂ，
２０ｃ……ハウジング、２１……取付フランジ、
２２……取付ボルト、２３……Ｏリング、２４…
…シヤフト、２５……上部ジヤーナル軸受、２６
……下部ジヤーナル軸受、２７……上スラスト軸
受、２８……下スラスト軸受、２９，４０……ス
ペーサ、３０……断熱板、３１……ブレーキフア
ン、３２……タービン翼、３３……ノズル、３４
……供給配管、３５……導入部、３６……デイフ
ユーザ、３８……導入路、３９……排出路、４１
……冷却コイル、４２，４３……ヒートシンク、
４４……ボルト、４５……ブツシユ、４６……シ
ールド板。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 一端にタービン翼を取付け他端にブレーキフ
   アンを取付けたシヤフトをスラスト軸受および
   ジヤーナル軸受を介してハウジングに支持せし
   めた膨張タービンにおいて、前記ブレーキフア
   ン側にスラスト軸受を配置し、該スラスト軸受
   と前記タービン翼との間に複数個のジヤーナル
   軸受を配置し、前記スラスト軸受の配置位置近
   傍に取付フランジを設け、該取付フランジを介
   して前記ハウジングのタービン翼側を保冷槽内
   に取り付け可能としたことを特徴とする膨張タ
   ービン。 ２ 前記ジヤーナル軸受間に低熱伝導材料よりな
   るスペーサを配置した実用新案登録請求の範囲
   第１項記載の膨張タービン。 ３ 前記スラスト軸受に対応するハウジングの内
   側に高熱伝導材料よりなるブツシユを装着した
   実用新案登録請求の範囲第１項記載の膨張ター
   ビン。 ４ 前記タービン翼側のジヤーナル軸受と前記タ
   ービン翼との間のハウジングにヒートシンクを
   設け、該ヒートシンクに前記保冷槽内の寒冷を
   熱的に接触可能にした実用新案登録請求の範囲
   第１項記載の膨張タービン。 ５ 前記熱的な接触として前記保冷槽内に設けた
   シールド板を接触させる実用新案登録請求の範
   囲第４項記載の膨張タービン。 ６ 前記熱的な接触として前記保冷槽内に設けた
   シールド板を冷却する冷却コイルを接触させる
   実用新案登録請求の範囲第４項記載の膨張ター
   ビン。