JP4191863B2

JP4191863B2 - 可変ノズル機構付きタービン膨張機

Info

Publication number: JP4191863B2
Application number: JP31504099A
Authority: JP
Inventors: 崇加藤; 勝己河野; 透榛葉; 忠雄檜山; 博史辻; 誠一郎吉永; 啓朝倉; 脩好佐治; 武彦石澤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: CH694922A5; JP2001132410A; US6382910B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変ノズル機構を備えたタービン膨張機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウム冷凍機の熱効率を向上させるために、タービン膨張機が用いられ、このタービン膨張機の容量を可変にするために、可変ノズル駆動機構が提案されている（例えば、特公平３−７２８０５号、特開平６−１３７１０１号）。
【０００３】
特公平３−７２８０５号の「膨張タービン可変式ノズル駆動装置」は、図６に示すように、可動リング８の外周部に設けられロッドの移動方向にそれぞれ円弧面の突出した形状を有するノブ８ａと、ノブの円弧面と係合する溝穴面を備えた接続部９ａを有し、直線運動可能に構成したロッド９とを具備したものである。なおこの図で、１は膨張タービン本体、２は空気シリンダ、３はノズル駆動装置、４はノズル固定リング、５は可変ノズル、６は固定ピン、７は可動ピンであり、可動リング８を回転させることにより可動ピン７を円周方向に移動し、可変ノズル５の角度を変えるようになっている。
【０００４】
また、特開平６−１３７１０１号の「可変ノズル式膨張タービン」は、図７に示すように、一端にタービン翼１２（タービンインペラ）を設け他端にブレーキファン１３を取り付けた主軸１１がジャーナル軸受及びスラスト軸受で支持され、タービンインペラ１２が膨張タービンのケーシング１５が固定される真空保冷槽１４（真空容器）の外に設置されたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のタービン膨張機及びその可変ノズル駆動機構では、可変ノズル５を駆動するノズル駆動装置３を真空容器１４の外側の常温部に配置し、断熱材で低温部を囲い、ノズル駆動板（可動リング８）を動かす構造となっている。しかし、そのため、低温部への熱侵入量が大きい問題点があった。
【０００６】
すなわち、上述した例では、膨張タービン本体１（又は膨張タービンのケーシング１５）が常温部に取付けられており、その内部にヘリウムを断熱膨張させるためのタービンインペラ１２が組み込まれているため、極低温（例えば７〜９Ｋ）のヘリウムガスがタービンインペラ１２で断熱膨張する間に、膨張タービン本体１からの入熱により加熱されてしまい、ダービン膨張機の断熱効率が低下する問題点があった。
【０００７】
また、この問題を解決するために、膨張タービンを構成する膨張タービン本体１、ノズル駆動装置３、可変ノズル５、可動リング８、タービンインペラ１２、等を全て真空容器内の極低温部分に設置して外部の常温領域から断熱することも可能ではあるが、ノズル駆動装置３の機構部分のメンテナンスが困難となり、かつノズル駆動装置３のアクチュエータ（電動機や空圧シリンダ）を極低温かつ真空中での使用に耐えるように特殊構造にする必要があり、メンテナンスが困難であるばかりか非常に高価になる。
【０００８】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、アクチュエータとノズル駆動機構の大部分を大気圧下の常温領域に設置することができ、かつ入熱を極微少に抑えて膨張タービンの可変ノズルを駆動することができ、これにより、高い断熱効率で、極低温のヘリウムガスを断熱膨張させることができる可変ノズル機構付きタービン膨張機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、タービンインペラ（１２）を内蔵しその回転駆動により極低温ガスを断熱膨張させる断熱膨張装置（２２）と、タービンインペラと同軸に連結されこれを制動する制動装置（２４）と、タービンインペラへ導入する極低温ガスのスロート面積を変化させる可変ノズル機構（３０）と、を備え、断熱膨張装置は真空容器（１４）内に設置され、制動装置は真空容器の外部に設置され、可変ノズル機構は、断熱膨張装置内に内蔵されたノズル部材（３２）と、真空容器の外部に設置された駆動部材（３４）とからなり、ノズル部材と駆動部材は、タービンインペラと同軸の薄い円筒部材（３６）で連結され、タービンインペラの軸心を中心とする円筒部材の揺動によりノズル部材を駆動する、ことを特徴とする可変ノズル機構付きタービン膨張機が提供される。
【００１０】
本発明の構成によれば、タービンインペラ（１２）を内蔵する断熱膨張装置（２２）が真空容器（１４）内に設置されるので、真空断熱により入熱を最小限に抑えることができる。また、タービンインペラを制動する制動装置（２４）は真空容器の外部に設置されるので、制動装置のメンテナンスを容易に行うことができる。更に、タービンインペラのスロート面積を変化させる可変ノズル機構（３０）が、断熱膨張装置内に内蔵されたノズル部材（３２）と、真空容器の外部に設置された駆動部材（３４）とからなり、薄い円筒部材（３６）で連結されてノズル部材を駆動するので、円筒部材をノズル部材の駆動に必要十分な薄さ（例えば約０．５ｍｍ厚程度）にでき、円筒部材からの伝熱量を極微少に抑えることができる。従って、アクチュエータとノズル駆動機構の大部分を大気圧下の常温領域に設置することができ、かつ入熱を極微少に抑えて膨張タービンの可変ノズルを駆動することができ、これにより、高い断熱効率で、極低温のヘリウムガスを断熱膨張させることができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記ノズル部材（３２）は、タービンインペラ（１２）を囲んで配置されそれぞれ支持ピン（３７）で揺動可能に支持された複数の可動ノズル板（３８）と、前記円筒部材（３６）の内端に連結されかつ各可動ノズル板と駆動ピン（３９ａ）で連結された駆動円板（３９）とからなり、前記駆動部材（３４）は、前記円筒部材（３６）の外端に連結されタービンインペラの軸心を中心として揺動可能な大歯車（４０）と、大歯車と噛合する小歯車（４１）を回転駆動する回転駆動装置（４２）とからなる。
【００１２】
この構成により、回転駆動装置（４２）で小歯車（４１）と大歯車（４０）を介して円筒部材（３６）をタービンインペラの軸心を中心に揺動させ、これにより駆動円板（３９）を揺動し、支持ピン（３７）を中心に可動ノズル板（３８）を揺動駆動し、可変ノズルのスロート面積を連続的に変化させることができる。
【００１３】
前記回転駆動装置（４２）はパルスモータであり、更に大歯車（４０）の揺動限度を検出する位置検出センサ（４３）を備える、ことが好ましい。この構成により、位置検出センサ（４３）により可変ノズル（３８）の基準位置を検出し、パルスモータにより基準位置からの駆動円板（３９）の揺動角を正確に位置決めして、可変ノズルを正確に位置決めすることができる。
【００１４】
前記断熱膨張装置（２２）は、内側円筒部材（２５ａ）と外側円筒部材（２５ｂ）と円筒部材（３６）と内側断熱部材（２３）で制動装置（２４）に連結されており、かつ円筒部材（３６）の内面と外面は、それぞれシール部材（４４ａ，４４ｂ）で摺動可能にシールされている。この構成により、外側円筒部材（２５ｂ）と内側円筒部材（２５ａ）と内側断熱部材（２３）により常温部分からの断熱膨張装置（２２）への入熱を最小限に抑えることができる。また、シール部材（４４ａ，４４ｂ）により、内側円筒部材（２５ａ）と円筒部材（３６）との間のすきま、及び内側断熱部材（２３）と円筒部材（３６）との間のすきまを通って低温のインペラ（１２）側から常温への流れを防ぎ、熱の侵入を阻止することができる。
【００１５】
前記制動装置（２４）は、発電機又は圧縮機インペラである、ことが好ましい。発電機で制動することにより、断熱膨張時のエネルギーロスを電力として回収できる。また、圧縮機インペラで制動することにより、このエネルギーロスを加圧ガスとして回収できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明のタービン膨張機の全体構成図である。この図に示すように、本発明の可変ノズル機構付きタービン膨張機２０は、断熱膨張装置２２、制動装置２４、及び可変ノズル機構３０を備える。
【００１８】
断熱膨張装置２２は、真空容器１４内に設置されている。また、この断熱膨張装置２２は、タービンインペラ１２を内蔵しその回転駆動により極低温ガス（例えば７〜９Ｋのヘリウムガス）を断熱膨張させるようになっている。
【００１９】
制動装置２４は、真空容器１４の外壁１４ａにシール部材１４ｂを介して取付けられ、真空容器１４の外部に設置されている。制動装置２４は、この例では誘導電動発電機であり、タービンインペラ１２と同軸に連結されこれを制動するようになっている。なお、制動装置２４は、誘導電動発電機に限定されず、例えば圧縮機インペラであってもよい。
【００２０】
図２（Ａ）は、図１のＡ部拡大図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＣ部拡大図である。また、図３は、図２の駆動系説明図であり、図４は、図２のＢ−Ｂ矢視図である。
図２及び図３に示すように、可変ノズル機構３０は、断熱膨張装置２２内に内蔵されたノズル部材３２と、真空容器１４の外部に設置された駆動部材３４とからなる。ノズル部材３２と駆動部材３４は、タービンインペラ１２と同軸の薄い円筒部材３６で連結されている。
【００２１】
また、図３及び図４に示すように、ノズル部材３２は、タービンインペラ１２を囲んで配置された複数（この例では１１枚）の可動ノズル板３８と、各可動ノズル板３８と駆動ピン３９ａで連結された駆動円板３９とからなる。可動ノズル板３８は、長溝３８ａをそれぞれ有しており、この溝に駆動ピン３９ａがゆるく嵌合している。また、各可動ノズル板３８は、断熱膨張装置２２の本体２２ａに固定された支持ピン３７により、それぞれ支持ピン３７を中心に揺動可能に支持されている。更に、駆動円板３９は、図３に示すように円筒部材３６の内端にこの例では複数のピンにより連結されている。
【００２２】
上述した構成により、図４に示すように、薄い円筒部材３６をタービンインペラ１２の軸心Ｚを中心として揺動させることにより、可動ノズル板３８を支持ピン３７を中心に実線の位置から細線の位置まで揺動させ、タービンインペラ１２へ導入する極低温ガスのスロート面積を変化させることができる。
【００２３】
図１〜図３に示すように、駆動部材３４は、円筒部材３６の外端（この図で上端）に連結された大歯車４０と、大歯車４０と噛合する小歯車４１を回転駆動する回転駆動装置４２とからなる。大歯車４０は、タービンインペラ１２の軸心Ｚを中心として揺動可能となるように構成されている。また、大歯車４０の揺動限度を検出する位置検出センサ４３が大歯車の外周部の一部を切り欠いて組み込まれている。なお、この例では、回転駆動装置４２はパルスモータであるが、その他の回転駆動手段であってもよい。
【００２４】
この構成により、回転駆動装置４２で小歯車４１と大歯車４０を介して円筒部材３６をタービンインペラ１２の軸心Ｚを中心に揺動させ、これにより駆動円板３９を図４のように揺動し、支持ピン３７を中心に可動ノズル板３８を揺動駆動して、可動ノズル板３８の間に構成される可変ノズルのスロート面積を連続的に変化させることができる。また、位置検出センサ４３により可変ノズル板３８の基準位置を検出し、パルスモータにより基準位置からの駆動円板３９の揺動角を正確に位置決めして、可変ノズルを正確に位置決めすることができる。
【００２５】
更に、図１及び図２に示すように、断熱膨張装置２２は、内側円筒部材２５ａと外側円筒部材２５ｂと円筒部材３６と内側断熱部材２３で制動装置２４に連結されている。円筒部材３６の内面と外面は、それぞれシール部材４４ａ，４４ｂで摺動可能にシールされている。
【００２６】
上述した本発明の構成によれば、タービンインペラ１２を内蔵する断熱膨張装置２２が真空容器１４内に設置されるので、真空断熱により入熱を最小限に抑えることができる。また、タービンインペラ１２を制動する制動装置２４は真空容器１４の外部に設置されるので、制動装置２４のメンテナンスを容易に行うことができる。
更に、タービンインペラ１２のスロート面積を変化させる可変ノズル機構３０が、断熱膨張装置２２内に内蔵されたノズル部材３２と、真空容器の外部に設置された駆動部材３４とからなり、薄い円筒部材３６で連結されてノズル部材３２を駆動するので、円筒部材３６をノズル部材の駆動に必要十分な薄さ（例えば約０．５ｍｍ厚程度）にでき、円筒部材３６からの伝熱量を極微少に抑えることができる。
従って、アクチュエータとノズル駆動機構の大部分を大気圧下の常温領域に設置することができ、かつ入熱を極微少に抑えて膨張タービンの可変ノズルを駆動することができ、これにより、高い断熱効率で、極低温のヘリウムガスを断熱膨張させることができる。
【００２７】
【実施例】
本発明の発明者等は、上述した本発明の可変ノズル機構付きタービン膨張機２０を実際に製作し性能試験を実施した。表１は、製作したタービン膨張機の基本仕様であり、図５は、本発明のタービン膨張機の性能試験結果である。
【００２８】
【表１】

【００２９】
図５から明らかなように、この性能試験により、以下のことが確認された。
（１）最大断熱効率は約８４％に達し、高効率な超臨界圧ヘリウムタービンが開発された。
（２）可変ノズル開度は約６４％までしか試験しなかったが、この最大開度で最大断熱効率（約８４％）が達成された。従って、更に開度を高く設定することにより、より以上の断熱効率を達成できる可能性がある。
（３）本発明の可変ノズル機構付きタービン膨張機を用いることにより、発電機でエネルギー回収ができることから、ヘリウム冷却機の能力を従来以上に高めることができる。すなわち本発明により、タービン効率を高めることができ、本タービンを採用したヘリウム冷凍システムのシステム効率を向上させることができる。
【００３０】
なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように、本発明の可変ノズル機構付きタービン膨張機は、アクチュエータとノズル駆動機構の大部分を大気圧下の常温領域に設置することができ、かつ入熱を極微少に抑えて膨張タービンの可変ノズルを駆動することができ、これにより、高い断熱効率で、極低温のヘリウムガスを断熱膨張させることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のタービン膨張機の全体構成図である。
【図２】図１のＡ部拡大図とそのＣ部拡大図である。
【図３】図２の駆動系説明図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ矢視図である。
【図５】本発明のタービン膨張機の性能試験結果である。
【図６】従来の可変ノズル駆動機構の構成図である。
【図７】従来のタービン膨張機の構成図である。
【符号の説明】
１膨張タービン本体、２空気シリンダ、３ノズル駆動装置、
４ノズル固定リング、５可変ノズル、６固定ピン、７可動ピン、
８可動リング、８ａノブ、９ロッド、９ａ接続部、１１主軸、
１２タービン翼（タービンインペラ）、１３ブレーキファン、
１４真空保冷槽（真空容器）、１５ケーシング、
２０可変ノズル機構付きタービン膨張機、２２断熱膨張装置、
２３内側断熱部材、２４制動装置、２５ａ内側円筒部材、
２５ｂ外側円筒部材、３０可変ノズル機構、３２ノズル部材、
３４駆動部材、３６円筒部材、３７支持ピン、
３８可動ノズル板、３９ａ駆動ピン、３９駆動円板、
４０大歯車、４１小歯車、４２回転駆動装置、
４３位置検出センサ、４４ａ，４４ｂシール部材

Claims

タービンインペラ（１２）を内蔵しその回転駆動により極低温ガスを断熱膨張させる断熱膨張装置（２２）と、タービンインペラと同軸に連結されこれを制動する制動装置（２４）と、タービンインペラへ導入する極低温ガスのスロート面積を変化させる可変ノズル機構（３０）と、を備え、
断熱膨張装置は真空容器（１４）内に設置され、制動装置は真空容器の外部に設置され、可変ノズル機構は、断熱膨張装置内に内蔵されたノズル部材（３２）と、真空容器の外部に設置された駆動部材（３４）とからなり、ノズル部材と駆動部材は、タービンインペラと同軸の薄い円筒部材（３６）で連結され、タービンインペラの軸心を中心とする円筒部材の揺動によりノズル部材を駆動する、ことを特徴とする可変ノズル機構付きタービン膨張機。
前記ノズル部材（３２）は、タービンインペラ（１２）を囲んで配置されそれぞれ支持ピン（３７）で揺動可能に支持された複数の可動ノズル板（３８）と、前記円筒部材（３６）の内端に連結されかつ各可動ノズル板と駆動ピン（３９ａ）で連結された駆動円板（３９）とからなり、
前記駆動部材（３４）は、前記円筒部材（３６）の外端に連結されタービンインペラの軸心を中心として揺動可能な大歯車（４０）と、大歯車と噛合する小歯車（４１）を回転駆動する回転駆動装置（４２）とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル機構付きタービン膨張機。
前記回転駆動装置（４２）はパルスモータであり、更に大歯車（４０）の揺動限度を検出する位置検出センサ（４３）を備える、ことを特徴とする請求項２に記載の可変ノズル機構付きタービン膨張機。
前記断熱膨張装置（２２）は、内側円筒部材（２５ａ）と外側円筒部材（２５ｂ）と円筒部材（３６）と内側断熱部材（２３）で制動装置（２４）に連結されており、かつ円筒部材（３６）の内面と外面は、それぞれシール部材（４４ａ，４４ｂ）で摺動可能にシールされている、ことを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル機構付きタービン膨張機。
前記制動装置（２４）は、発電機又は圧縮機インペラである、ことを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル機構付きタービン膨張機。