(57)【要約】【課題】低温ガスの流入を効果的に抑制することでモータ等の構成部品に過冷却が生じるのを防止でき、各構成部品を効率よく冷却しながら、消費電力を増大させることなく優れた動作効率が得られる回転機械を提供する。【解決手段】回転軸４と、モータと、回転軸４のタービン側端部４Ａに取り付けられるタービンインペラ５と、タービンインペラ５の前面５ａ側と対向するように配置されるシュラウドリング２０と、タービンインペラ５の背面５ｂ側と対向するように隙間Ｃ１を有して配置される背面側固定壁３０と、ハウジングと、ハウジング内に形成される冷却ガス流路とを備え、タービンインペラ５は、背面５ｂ側に、タービンインペラ５と背面側固定壁３０との隙間Ｃ１に収容されるように、少なくとも２以上の突条部５１が設けられている。【選択図】図２
2019173615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、
回転軸と、
前記回転軸に一体に設けられたロータ部と、該ロータ部と対向して配置されるステータ部とからなり、前記回転軸を回転させるモータと、
前記回転軸の一方の端部側に取り付けられるタービンインペラと、
前記タービンインペラの前面側と対向するように隙間を有して配置されるシュラウドを有するシュラウドリングと、
前記タービンインペラの背面側と対向するように隙間を有して配置される背面側固定壁と、
少なくとも、前記回転軸、前記モータ、前記タービンインペラ、前記シュラウドリング、及び前記背面側固定壁を収容するハウジングと、
前記ハウジング内に形成され、少なくとも、前記回転軸、及び前記モータを直接冷却するための冷却ガスが通過する冷却ガス流路と、
を備え、
前記タービンインペラは、前記背面側に、前記タービンインペラと前記背面側固定壁との隙間に収容されるように、少なくとも２以上の突条部が設けられていることを特徴とする回転機械。
【請求項２】
前記突条部は、前記背面において、複数で所定の間隔をおいて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項３】
前記突条部は、前記背面において、４〜１０箇所で等間隔で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の回転機械。
【請求項４】
前記突条部は、前記背面において、前記回転軸の中心側から外周側に向けて放射状に延設されていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項５】
前記突条部は、前記背面において、前記回転軸の中心側から前記外周側に向けて延設された先端の位置が、前記タービンインペラの半径に対して５０〜９５％の範囲の位置であることを特徴とする請求項４に記載の回転機械。
【請求項６】
前記突条部は、前記背面において、前記回転軸の中心側に配置された後端の位置が、前記タービンインペラの半径に対して２０〜５０％の範囲の位置であることを特徴とする請求項４に記載の回転機械。
【請求項７】
前記突条部は、前記背面からの高さが０．５〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項８】
さらに、前記背面側固定壁の表面に、前記タービンインペラに設けられた前記突条部を前記外周側から囲むように、環状の固定壁段差部が少なくとも１箇所以上で設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項９】
さらに、前記タービンインペラの前記背面に、前記突条部を前記外周側から囲むように、環状のインペラ段差部が少なくとも１箇所以上で設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項１０】
さらに、前記背面側固定壁の表面に、前記タービンインペラに設けられた前記突条部を前記外周側から囲むように、環状の固定壁段差部が少なくとも１箇所以上で設けられているとともに、前記タービンインペラの前記背面に、前記突条部を前記外周側から囲むように、環状のインペラ段差部が少なくとも１箇所以上で設けられており、前記固定壁段差部と前記インペラ段差部とが、それぞれ対向して同心円状に配置され、且つ、前記タービンインペラと前記背面側固定壁との隙間において交互に並ぶように配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械に関するものである。より詳細には、本発明は、ターボ圧縮機と高速モータおよびタービン（膨張機）を回転軸と一体化した回転機械、及び高速モータとタービン（膨張機）を回転軸と一体化した回転機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、超電導電力ケーブルや超電導変圧器、超電導モータ等の電力機器には、液体窒素温度レベルで動作する高温超電導体が用いられている。このような高温超電導体の冷却には、例えば、ヘリウムガスやネオンガスを循環ガス（冷媒ガスともいう）とするブレイトンサイクル冷凍機のような回転機械が利用されている。
【０００３】
このようなブレイトンサイクル冷凍機の圧縮機としては、例えば、高速モータを圧縮機の回転軸と一体化したターボ圧縮機が使用される。同様に、ブレイトンサイクル冷凍機のタービン（膨張機）には、高速モータをタービンの回転軸と一体化したターボ膨張機が使用される。上記のターボ圧縮機は、コンプレッサインペラが常温下で回転し、ターボ膨張機は、タービンインペラが低温下で回転するように構成される。また、ターボ圧縮機の回転軸とターボ膨張機の回転軸とは同軸で一体化され、この回転軸における軸方向の中間部に高周波モータが配置される。また、高周波モータのコンプレッサインペラ側には、圧縮機側のラジアル軸受が配置され、高周波モータのタービンインペラ側には、回転軸と一体に設けられたアキシャルディスクを挟み込むようにアキシャル軸受が配置されるとともに、タービン側ラジアル軸受が配置される。また、上記のラジアル軸受やアキシャル軸受には、非接触で高速回転が可能な磁気軸受や気体軸受が用いられる。
【０００４】
一般に、上記のような回転機械においては、高周波モータが高速回転することで生じる銅損や鉄損等による発熱、固定子と回転子とのすき間内の流体摩擦による発熱、及び、気体軸受や磁気軸受の軸受すきま内の流体摩擦による発熱が発生する。また、磁気軸受を用いる場合には、電磁石コイルに電流を流すため、モータと同様に銅損や鉄損等による発熱が生じる。このため、従来から、例えば、回転軸、高周波モータ及び各軸受等を収容する円筒構造のハウジングの外周部に流路状の冷却ジャケットを設け、この溝内に冷却水あるいは冷却空気を供給して高周波モータや各軸受を間接的に冷却する手段が採用されている（例えば、特許文献１，２を参照）。一方、上記の各構成部品の昇温を抑制するため、ハウジング内において、各構成部品に冷却ガスを直接供給することも提案されている（例えば、特許文献３を参照）。さらに、ハウジング内に収容された回転軸、高周波モータ及び各軸受等に直接供給する冷却ガスとして、ターボ圧縮機で圧縮された後に水冷クーラーで冷却された常温高圧の循環ガスを用いることも提案されている。
【０００５】
一般に、同出力のモータで比較した場合、回転数が高くなるほどモータのサイズを小さくできるため、高周波モータは、モータの小型化の観点で優位性を有する。一方、モータのサイズが小さくなると、モータの表面積、即ち、モータを冷却するための伝熱面積が減少し、例えば、水冷ジャケットによる間接冷却では冷却能力が不足し、モータの温度が上昇して使用限界温度を超えてしまうおそれもある。このため、従来、高周波モータを使用した回転機械においては、上記の水冷手段と、冷却ガスを用いた手段とが併用されるケースが多い。上記の冷却ガスは、ターボ圧縮機で昇圧された循環ガスの一部が熱交換器等で降温された後、冷却ガスとしてハウジング内に導入され、各構成部品の冷却に供された後、温度が上昇した冷却ガスがハウジングから排出され、さらに、外部の水冷クーラーで常温まで冷却された後にターボ圧縮機の入口側に戻るように構成される。しかしながら、このような構成では、冷却ガスの循環流量が循環ガスに加算されることでターボ圧縮機の処理流量が増加するため、ターボ圧縮機の消費電力が増大するという問題がある。
【０００６】
上述したように、冷却ガスによってターボ圧縮機の消費電力が増大するのを防止するため、例えば、高効率モータを採用することでモータの発熱を低減することや、ハウジングの材質を熱伝導率の高い材料に変更して冷却ジャケットの冷却効率を高めることで温度上昇を抑制し、冷却ガス流量を減らす方法も採用されている。しかしながら、ハウジング内に導入する冷却ガスの流量を減らした場合、ハウジング内の圧力が低下するため、低温で動作するタービン（膨張機）側の圧力よりもハウジング内の圧力が低くなることから、この圧力差によってタービン側の低温ガスがハウジング内に流入しやすくなる。ここで、タービン側の低温ガスの温度は８０Ｋという極めて低い温度であるのに対し、ハウジング内においては３５３Ｋ（８０℃）という大気温度よりも高い温度で動作する。このため、タービン側の低温ガスがハウジング内に流入すると、例え流入量が僅かである場合でも、タービン側の軸受やモータが過度に冷却され、ハウジングの外表面に水滴や霜が付着したり、熱収縮による寸法変化が生じて高速回転する回転軸の振動が大きくなり、回転軸と軸受とが焼きついたりするおそれがある。
【０００７】
上記のように、膨張機側の低温ガスがハウジング内に流入するのを抑制するため、タービン側において、タービンインペラとタービン側のラジアル軸受との間にラビリンスシールを配置することも提案されている。しかしながら、ラビリンスシールと回転軸との間には０．２〜０．５ｍｍ程度の隙間を設ける必要があるため、この隙間からの低温ガスの漏れを完全に無くすことは、現状では困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−０９７１８６号公報
【特許文献２】特開２００２−１６８１８４号公報
【特許文献３】特開２００６−４６６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、上記のような、タービン側の低温ガスがハウジング内に流入するのを防止する方法として、例えば、ハウジング内に高圧のシールガスを供給する方法も提案されている。具体的には、運転回転数や運転圧力が変化してタービン側の低温ガスがハウジング内に侵入し、タービン側のラジアル軸受の温度が低下した際に、軸受近傍に設置した温度センサによって温度低下を検出し、これに応じて、タービン側のラジアル軸受近傍にターボ圧縮機で処理された循環ガスの一部をシールガスとして供給して内圧を高めることで、低温ガスがハウジング内に流入するのを抑制する方法である。
しかしながら、このような方法では、上記の冷却ガスの場合と同様、シールガスの循環流量が循環ガスに加算されることでターボ圧縮機の処理流量が増加することから、ターボ圧縮機の消費電力が増大するという問題があった。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、膨張機側の低温ガスがハウジング内に流入するのを効果的に抑制することでモータや軸受等の構成部品に過冷却が生じるのを防止でき、各構成部品を効率よく冷却しながら、消費電力を増大させることなく優れた動作効率が得られる回転機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、少なくとも、回転軸と、前記回転軸に一体に設けられたロータ部と、該ロータ部と対向して配置されるステータ部とからなり、前記回転軸を回転させるモータと、前記回転軸の一方の端部側に取り付けられるタービンインペラと、前記タービンインペラの前面側と対向するように隙間を有して配置されるシュラウドを有するシュラウドリングと、前記タービンインペラの背面側と対向するように隙間を有して配置される背面側固定壁と、少なくとも、前記回転軸、前記モータ、前記タービンインペラ、前記シュラウドリング、及び前記背面側固定壁を収容するハウジングと、前記ハウジング内に形成され、少なくとも、前記回転軸、及び前記モータを直接冷却するための冷却ガスが通過する冷却ガス流路と、を備え、前記タービンインペラは、前記背面側に、前記タービンインペラと前記背面側固定壁との隙間に収容されるように、少なくとも２以上の突条部が設けられていることを特徴とする回転機械である。
【００１２】
なお、本願発明が対象とする回転機械は、高速回転で運転されるため、遠心力や流体力の観点から見てバランスが確保されている必要がある。従って、突条部は２個以上設置され、点対称、線対称に配置すると、より良いバランスが確保できる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の回転機械であって、前記突条部が、前記背面において、複数で所定の間隔をおいて配置されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の回転機械であって、前記突条部が、前記背面において、４〜１０箇所で等間隔で配置されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の回転機械であって、前記突条部が、前記背面において、前記回転軸の中心側から外周側に向けて放射状に延設されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の回転機械であって、前記突条部が、前記背面において、前記回転軸の中心側から前記外周側に向けて延設された先端の位置が、前記タービンインペラの半径に対して５０〜９５％の範囲の位置であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に係る発明は、請求項４に記載の回転機械であって、前記突条部が、前記背面において、前記回転軸の中心側に配置された後端の位置が、前記タービンインペラの半径に対して２０〜５０％の範囲の位置であることを特徴とする。
【００１８】
請求項７に係る発明は、請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の回転機械であって、前記突条部の、前記背面からの高さが０．５〜３ｍｍであることを特徴とする。
【００１９】
請求項８に係る発明は、請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の回転機械であって、さらに、前記背面側固定壁の表面に、前記タービンインペラに設けられた前記突条部を前記外周側から囲むように、環状の固定壁段差部が少なくとも１箇所以上で設けられていることを特徴とする。
【００２０】
請求項９に係る発明は、請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の回転機械であって、さらに、前記タービンインペラの前記背面に、前記突条部を前記外周側から囲むように、環状のインペラ段差部が少なくとも１箇所以上で設けられていることを特徴とする。
【００２１】
請求項１０に係る発明は、請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の回転機械であって、さらに、前記背面側固定壁の表面に、前記タービンインペラに設けられた前記突条部を前記外周側から囲むように、環状の固定壁段差部が少なくとも１箇所以上で設けられているとともに、前記タービンインペラの前記背面に、前記突条部を前記外周側から囲むように、環状のインペラ段差部が少なくとも１箇所以上で設けられており、前記固定壁段差部と前記インペラ段差部とが、それぞれ対向して同心円状に配置され、且つ、前記タービンインペラと前記背面側固定壁との隙間において交互に並ぶように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る回転機械によれば、上記のように、少なくとも、回転軸、モータ、タービンインペラ、シュラウドリング、及び背面側固定壁を収容し、これら各構成部品を冷却するための冷却ガスが通過する冷却ガス流路が内部に形成されたハウジングを備え、さらに、タービンインペラが、背面側に、タービンインペラと背面側固定壁との隙間に収容されるように、少なくとも２以上の突条部が設けられた構成を採用している。
このように、タービンインペラの背面に突条部を設けることで、この突条部が高速回転することに伴う遠心力によって、タービンインペラと背面側固定壁との隙間における冷却ガスの圧力が上昇する。これにより、タービンインペラの外周側における低温ガスと、上記の隙間内の冷却ガスとの圧力差が小さくなるので、低温ガスがハウジングの回転機構収容部内に侵入するのを効果的に抑制できる。従って、モータや軸受等の構成部品の過冷却による結露や寸法変化又は損傷等が生じることがなく、また、冷却ガスの流量を増大させることなく、消費電力を低減しながら、優れた動作効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態である回転機械について模式的に説明する図であり、ハウジング内の冷却ガス流路を概略で示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態である回転機械について模式的に説明する図であり、図１中に示す要部を拡大した一例を示す図で、（ａ）は、図１中に示したタービンインペラ及びその周辺を示す概略図、（ｂ）は、タービンインペラを裏面側から示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態である回転機械について模式的に説明する図であり、図１の要部を拡大した他の例を示す図で、（ａ）は、図１中に示したタービンインペラ及びその周辺を示す概略図、（ｂ）は、タービンインペラを裏面側から示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態である回転機械について模式的に説明する図であり、図１の要部を拡大した他の例を示す図で、（ａ）は、図１中に示したタービンインペラ及びその周辺を示す概略図、（ｂ）は、タービンインペラを裏面側から示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を適用した一実施形態である回転機械について、図１〜図４を適宜参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示する材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２５】
図１は、本実施形態の回転機械１におけるハウジング８内の冷却ガス流路９を概略で示す断面図であり、図２（ａ），（ｂ）は、図１中に示す要部を拡大した一例を示す図である。また、図３（ａ），（ｂ）及び図４（ａ），（ｂ）は、図１の要部を拡大した他の例を示す図である
なお、上記の図２（ａ），（ｂ）、図３（ａ），（ｂ）、及び図４（ａ），（ｂ）においては、図示の都合上、平面視で円形状とされたタービンインペラ５を半円領域のみで示すとともに、図２（ａ）、図３（ａ）、及び図４（ａ）については、図１中に示すタービンインペラ５及びその周辺部のみを示している。
また、図１の冷却ガス流路９を示す断面図は、説明及び図示の都合上、冷却ガス流路９（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ）等の各配置位置や形状、寸法関係等を変更した模式図として示している。
【００２６】
本発明に係る回転機械は、例えば、ブレイトンサイクル冷凍機のターボ圧縮機並びにターボ膨張機を構成するものである。このような回転機械は、例えば、超電導送電ケーブル、超電導変圧器、超電導モータ、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等、高温の超電導電力機器を−２００℃以下の極低温領域まで冷却する用途に適用することが可能なものである。
【００２７】
＜回転機械の全体構成＞
まず、本実施形態の回転機械１の全体構成について説明する。
図１及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の回転機械１は、少なくとも、回転軸４と、ロータ部２１及び該ロータ部２１と対向して配置されるステータ部２２からなるモータ２と、回転軸４の一方の端部であるタービン側端部４Ａ側に取り付けられるタービンインペラ５と、タービンインペラ５の前面５ａ側と対向して配置されるシュラウド２０ａを有するシュラウドリング２０と、タービンインペラ５の背面５ｂ側と対向するように隙間Ｃ１を有して配置される背面側固定壁３０と、上記の各構成部品を内部に収容するハウジング８と、ハウジング８内に形成され、上記の各構成部品を直接冷却するための冷却ガスＧ４が通過する冷却ガス流路９と、を備え、概略構成される。
そして、本実施形態の回転機械１は、タービンインペラ５が、背面５ｂ側に、タービンインペラ５と背面側固定壁３０との隙間Ｃ１に収容されるように、少なくとも１以上の突条部５１が設けられて構成される。
ここで、本明細書においては、突条部５１における、タービンインペラ５の外周側に配置された端部を先端５１ａ、内周側、即ち回転軸４側に配置された端部を後端５１ｂと称する。
また、図示例の回転機械１においては、さらに、アキシャル軸受６と、ラジアル軸受７と、回転軸４の他方の端部である端部４Ｂ側に取り付けられるコンプレッサインペラ５０とを備えている。
【００２８】
また、図示例の回転機械１は、詳細を後述するように、タービンインペラ５が配置される側、即ち、図１中における回転機械１の軸方向で下側にターボ膨張機３Ａが構成され、上側にターボ圧縮機３Ｂが構成される。また、図１においては、回転機械１が、ブレイトンサイクル冷凍機を構成する機器、例えば、熱交換器や配管等を収容する真空容器１００に取り付けられ、図示例では、ターボ膨張機３Ａ側が真空容器１００内に収容されるように構成されている。
【００２９】
ここで、本実施形態で説明する、回転軸４のタービン側端部４Ａ側とは、回転軸４におけるタービン側端部４Ａ及びその近傍の位置も含むことを意味する。圧縮機側端部４Ｂ側とは、回転軸４のタービン側端部４Ａとは反対側の端部４Ｂ及びその近傍も含むことを意味する。
【００３０】
回転軸４は、ハウジング８内において、ラジアル軸受７（７Ａ，７Ｂ）及びアキシャル軸受６（６ｂ）によって回転可能に支持されている。また、回転軸４は、タービン側端部４Ａ及び圧縮機側端部４Ｂが、中空筒状に構成されたハウジング８の内部空間に沿うように配置され、これらタービン側端部４Ａ及び圧縮機側端部４Ｂに、それぞれ、タービンインペラ５又はコンプレッサインペラ５０が固定されている。これにより、回転軸４は、モータ２の回転軸であるとともに、ターボ膨張機３Ａ及びターボ圧縮機３Ｂの回転軸としての機能を有している。
【００３１】
回転軸４の材質としては、特に限定されないが、例えば、磁性体の鉄系材料で構成される。また、回転軸４の材質は、後述するように、ハウジング８の材質と熱膨張係数がほぼ等しいものであることが好ましい。
【００３２】
モータ２は、回転軸４に回転駆動力を発生させるものであり、上述したように、回転軸４に一体に設けられたロータ部（回転子）２１と、このロータ部２１と対向して後述のハウジング８内に配置されるステータ部（固定子）２２とからなる。
【００３３】
ロータ部２１は、回転軸４の長さ方向で概略中央部付近に固定されている。
ロータ部２１の材質としては、特に限定されず、高速回転で用いられるモータにおいて一般的に用いられている永久磁石等の磁性材料を何ら制限無く用いることができる。
【００３４】
ステータ部２２は、後述のハウジング８の内部において、ロータ部２１の外周を取り囲むように配置されている。ステータ部２２は、詳細な図示を省略するが、固定基材の周囲に巻き線が巻き付けられることで、回転軸４を挟み込むように界磁コイルが設けられている。これにより、モータ２は、界磁コイルによる磁界をロータ部２１に伝えることで、回転軸を回転させるための駆動力を発現させる。
【００３５】
アキシャル軸受６は、回転軸４の軸方向（スラスト方向）の荷重を受けるように構成され、図１に示す例においては、モータ２とタービン側ラジアル軸受７Ｂの中間位置に設けられている。
アキシャル軸受６としては、回転軸４を高速回転で支持可能なものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、非接触の磁気軸受や気体軸受等を用いることができる。図示例においては、アキシャル軸受６が、回転軸４と一体で形成されたスラスト板６ａと一対の磁気コイル６ｂとからなる磁気軸受から構成され、一対の磁気コイル６ｂで発生する磁力でスラスト板６ａが非接触で支持されている。
【００３６】
ラジアル軸受７は、回転軸４の径方向（ラジアル方向）の荷重を受けるように構成され、図１に示す例においては、回転軸４のタービン側端部４Ａ側、及び、圧縮機側端部４Ｂ側の２箇所に一対で設けられている。
ラジアル軸受７も、アキシャル軸受６と同様、回転軸４を高速回転で支持可能なものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、非接触の磁気軸受や気体軸受等を用いることができる。
【００３７】
タービンインペラ５は、上述したように、回転軸４のタービン側端部４Ａ側に取り付けられることで、ターボ膨張機３Ａを構成する回転羽根車である。
タービンインペラ５としては、従来からラジアルタービン（膨張機）の分野で用いられているものと同様の金属材料（例えば、アルミ合金やチタン合金等）からなるインペラを用いることができる。
また、図１に示す例においては、タービンインペラ５が、後述のハウジング８において一端側に配置されたタービンスクロール８４内に収容されることで、ターボ膨張機３Ａを構成する。
【００３８】
本実施形態の回転機械１に備えられるタービンインペラ５は、上述したように、背面５ｂ側に、タービンインペラ５と背面側固定壁３０との隙間Ｃ１に収容されるように、少なくとも１以上の突条部５１が設けられている。図２（ａ），（ｂ）に示す例においては、裏面５ｂにおいて、平面視で細長凸状とされた突条部５１が６箇所に設けられ、それぞれ、先端５１ａがタービンインペラ５の外周側を向くように、周方向において等間隔で配置されている。なお、図２（ｂ）においては、図示の都合上、突条部５１を３箇所のみ表示している。
【００３９】
本実施形態の回転機械１は、詳細な作用については後述するが、タービンインペラ５の背面５ｂに上記の突条部５１が設けられていることにより、タービンインペラ５の外周側における低温ガスＧ２が、ハウジング８内において回転軸４，アキシャル軸受６、ラジアル軸受７が収容された回転機構収容部８１Ｂに侵入するのが抑制される。これにより、タービン側のラジアル軸受７等の構成部品の過冷却による結露や寸法変化又は損傷等が生じるのを防止でき、また、後述の冷却ガスの流量を低減することができることから、消費電力を低減しながら、優れた動作効率が得られるという効果が得られるものである。
【００４０】
なお、図１中のタービンスクロール８４において示す符号８４ａは、タービンインペラ５に供給される高圧の低温ガスＧ２の入口であり、符号８４ｂは、タービンインペラ５で断熱膨張した後の低温ガスＧ３の出口である。
【００４１】
コンプレッサインペラ５０は、上述したように、回転軸４の圧縮機側端部４Ｂ側に取り付けられることで、ターボ圧縮機３Ｂを構成する回転羽根である。
コンプレッサインペラ５０も、タービンインペラ５の場合と同様、従来から遠心式ターボ圧縮機の分野で用いられているものと同様の金属材料（例えば、アルミ合金やチタン合金等）からなるインペラを用いることができる。
【００４２】
また、コンプレッサインペラ５０は、図１中では詳細な図示を省略するが、コンプレッサスクロール８５により、ハウジング８内に収容されている。また、コンプレッサインペラ５０が収容されるハウジング８内には、例えば、ヘリウムやネオン等の循環ガス（冷媒ガス）が封入されている。
【００４３】
なお、図１中で示した符号８５ａは、コンプレッサスクロール８５に設けられた、コンプレッサインペラ５０の回転に伴って流れる流体（例えばヘリウムガスやネオンガス等）Ｇ０の入口側（流体入口）であり、ハウジング８に示した符号８５ｂは、コンプレッサインペラ５０によって断熱圧縮されて圧力及び温度が上昇した流体Ｇ１の出口側（流体出口）である。
【００４４】
ここで、本実施形態で例示するような、ブレイトンサイクル冷凍機と呼ばれる構成の回転機器においては、例えば、まず、ターボ圧縮機３Ｂ側において、流体入口８５ａから導入されたネオンガス（例えば３０３Ｋ）からなる流体Ｇ０がコンプレッサインペラ５０の高速回転に伴って圧縮され、高圧且つ高温（例えば３６０Ｋ）のネオンガスからなる流体Ｇ１として流体出口８５ｂから排出される。この高圧・高温の流体Ｇ１が、図示略の熱交換器等により、例えば７３Ｋ程度まで降温されることで後述の低温ガスＧ２とされた後、ターボ膨張機３Ａ側における入口８４ａに導入され、タービンインペラ５の高速回転に伴って膨張され、例えば６６Ｋ程度でさらに低温とされた低温ガスＧ３として、出口８４ｂ側から排出される。この低温ガスＧ３は、後述するように、真空容器１００内又は真空容器１００外において、各種超電導装置の冷却に用いられる。
【００４５】
シュラウドリング２０は、上述したように、タービンインペラ５の前面５ａ側と対向するように配置され、タービンインペラ５との間に隙間Ｃ２を有して配置されるシュラウド２０ａと、このシュラウド２０ａと連続面で形成され、タービンインペラ５の前面５ａ側に連通するように配置されるディフューザ２０ｂとを有する。上記の隙間Ｃ２は、一般にシュラウドクリアランスと呼ばれる。
【００４６】
また、シュラウドリング２０は、詳細を後述するハウジング８の一端側に配置されたタービンスクロール８４内に収容・固定されている。
なお、シュラウドリング２０の材質としては、特に限定されず、従来からこの分野で用いられている金属材料（例えば、熱伝導率が小さなステンレス鋼等）を何ら制限無く用いることが可能である。
【００４７】
ここで、タービンインペラ５は回転軸４に固定されており、シュラウドリング２０はハウジング８を構成するタービンスクロール８４に固定されている。このため、モータ２を駆動した際に、回転軸４とハウジング８との軸方向の伸び量に変化が生じた場合には、上記の隙間（シュラウドクリアランス）Ｃ２の値も変化することになる。
【００４８】
背面側固定壁３０は、タービンインペラ５の背面５ｂ側と対向するように隙間Ｃ１を有して配置される。図示例においては、背面側固定壁３０は、詳細を後述するハウジング８の一端部側に収容されている。
背面側固定壁３０には、回転軸４のタービン側端部４Ａ側が挿通される貫通孔３１が形成されている。また、貫通孔３１の内壁には、この貫通孔３１と回転軸４との間の隙間Ｃ３をシールするための、環状の凹凸部からなるラビリンスシール３１ａが形成されている。
【００４９】
背面側固定壁３０の材料としても、特に限定されず、シュラウドリング２０の場合と同様、従来からこの分野で用いられている金属材料を何ら制限無く用いることが可能である。
【００５０】
ハウジング８は、少なくとも、回転軸４、モータ２、アキシャル軸受６、ラジアル軸受７、コンプレッサインペラ５０、タービンインペラ５、及び背面側固定壁３０を収容する。また、図１に示す圧縮機械１において、ハウジング８は、フランジ８２と、タービンスクロール８４と、コンプレッサスクロール８５と、から概略構成される。
【００５１】
フランジ８２は、循環ガス（冷媒ガス）が流れる熱交換器や配管等が収容される真空容器１００に回転機械１を取り付けるためのものであり、例えば、ハウジング本体８１に対してねじ留め等の手段で固定される。また、フランジ８２は、図示例では、真空容器１００の外面に対して一方の面全体が接触して取り付けられており、例えば、ねじ留め等の手段で真空容器１００に固定される。
【００５２】
タービンスクロール８４は、上述したように、内部にタービンインペラ５を収容してターボ膨張機３Ａを構成し、低温ガスＧ２の入口８４ａ、及び、膨張後の低温ガスＧ３の出口８４ｂを有する。タービンスクロール８４は、上記のハウジング８の一端側８３において、フランジ８２と一体構造あるいは溶接によって接合された構造とされている。
【００５３】
コンプレッサスクロール８５は、上述したように、ハウジング８の他端側に取り付けられ、コンプレッサインペラ５０を収容できるように配置されている。また、コンプレッサスクロール８５は、ハウジング８に対して、例えば、ねじ留めによって固定される。
【００５４】
また、コンプレッサスクロール８５は、上述したように、コンプレッサインペラ５０の回転に伴い、流体入口８５ａから流体Ｇ０が流入し、流体出口８５ｂから、圧縮された高温且つ高圧の流体Ｇ１が排出されるように構成される。
【００５５】
ハウジング８を構成する上記各部材の材質としては、特に限定されないが、例えば、鉄系のステンレス鋼から構成することができる。また、ハウジング８の材質は、上述した回転軸４を構成する材料と、熱膨張係数がほぼ等しいことが好ましく、さらに、回転軸４及びハウジング８が同一の材質で構成されていることが、回転機械１を動作させたときの回転軸４及びハウジング８の熱伝導による温度分布が互いに等しくなり易いという観点からより好ましい。
【００５６】
ハウジング８の内部には、上記の回転軸４、モータ２、アキシャル軸受６、及びラジアル軸受７を直接冷却するための冷却ガスＧ４が通過する冷却ガス流路９が形成されている。
以下、図１の断面図を用いて、冷却ガス流路９について説明する。
【００５７】
図１に示す例においては、ハウジング８内に、複数の冷却ガス流路９が配されている。即ち、図示例では、ハウジング８に冷却ガス入口８１ｃ，８１ｄ、及び、冷却ガス出口８１ｅ，８１ｆが設けられており、冷却ガス入口８１ｃ，８１ｄから導入された冷却ガスＧ４が、各冷却ガス流路９を通過してハウジング８内に収容された各構成部品に向けて直接供給され、これら各構成部品を冷却することで温度上昇した冷却ガスＧ５は、冷却ガス出口８１ｅ，８１ｆから外部に排出される。この冷却ガスＧ４は、例えば、上述したターボ圧縮機３Ｂ側において断熱圧縮された高圧且つ高温の流体Ｇ１が、図示略の熱交換器等によって概略室温まで冷却されたガスであり、ターボ膨張機３Ａ側に導入される低温ガスＧ２と同じ循環ガスが用いられる。
【００５８】
具体的には、冷却ガス入口８１ｃからハウジング８内に導入された冷却ガスＧ４が、モータ２を構成するロータ部２１とステータ部２２との間の冷却ガス流路９ａに供給され、これらロータ部２１及びステータ部２２、並びに回転軸４を直接冷却する。その後、ロータ部２１及びステータ部２２、並びに回転軸４の冷却に供された冷却ガスＧ４は、冷却ガス出口８１ｅ，あるいは冷却ガス出口８１ｆの何れかから温度上昇した冷却ガスＧ５として外部に排出される。
【００５９】
また、冷却ガス入口８１ｄからハウジング８内に導入された冷却ガスＧ４は、アキシャル軸受６を構成するスラスト板６ａと磁気コイル６ｂとの間の冷却ガス流路９ｂに供給され、これらスラスト板６ａ及び磁気コイル６ｂ、並びに回転軸４を直接冷却する。その後、スラスト板６ａ及び磁気コイル６ｂ、並びに回転軸４の冷却に供された冷却ガスＧ４は、冷却ガス出口８１ｅ，あるいは冷却ガス出口８１ｆの何れかから温度上昇した冷却ガスＧ５として外部に排出される。
【００６０】
また、冷却ガス入口８１ｃからハウジング８内に導入された冷却ガスＧ４は、さらに、回転軸４における圧縮機側端部４Ｂ側に配置されたラジアル軸受７Ａと回転軸４との間の冷却ガス流路９ｃに供給され、これらラジアル軸受７Ａ及び回転軸４を直接冷却する。その後、ラジアル軸受７Ａと回転軸４の冷却に供された冷却ガスＧ４は、ラビリンスシール４１ａと回転軸の他方の端部４Ｂとの隙間を通過してコンプレッサインペラ５０側へ排出される。
【００６１】
また、冷却ガス入口８１ｄからハウジング８内に導入された冷却ガスＧ４は、さらに、回転軸４におけるタービン側端部４Ａ側に配置されたラジアル軸受７Ｂと回転軸４との間の冷却ガス流路９ｄに供給され、これらラジアル軸受７Ｂ及び回転軸４を直接冷却する。その後、ラジアル軸受７Ｂ及び回転軸４の冷却に供された冷却ガスＧ４は、回転軸４のタービン側の空間８１Ｂを通過し、冷却ガス出口８１ｆから温度上昇した冷却ガスＧ５として外部に排出される。
【００６２】
本実施形態の回転機械１は、上記の冷却ガス流路９ａを備えることで、ステータ部２２で生じる銅損や鉄損、及び、ロータ部２１とステータ部２２との間で生じる風損によって発熱した場合でも、冷却ガス流路９ａを通過する冷却ガスＧ４によって昇温が抑制される。
【００６３】
また、上記の冷却ガス流路９ｂを備えることで、アキシャル軸受６を構成するスラスト板６ａと磁気コイル６ｂとの間で、スラスト板６ａの回転によって風損が生じて発熱した場合でも、冷却ガス流路９ｂを通過する冷却ガスＧ４によって昇温が抑制される。
【００６４】
また、上記の冷却ガス流路９ｃを備えることで、圧縮機側のラジアル軸受７Ａと回転軸４との間で生じる風損によって発熱した場合でも、冷却ガス流路９ｃを通過する冷却ガスＧ４によって昇温が抑制される。
【００６５】
さらに、上記の冷却ガス流路９ｄを備えることで、タービン側のラジアル軸受７Ｂと回転軸４との間で生じる風損によって発熱した場合でも、冷却ガス流路９ｄを通過する冷却ガスＧ４によって昇温が抑制される。
【００６６】
なお、図１に示す例においては、ハウジング８に、さらに、内部に配置される各構成部品を間接的に冷却するための冷却ジャケット８１Ｃが設けられている。この冷却ジャケット８１Ｃは、ハウジング８の筐体中に埋め込まれるように、らせん状に形成された内部流路８１Ｄからなり、この内部流路８１Ｄが導入部８１Ｅ及び排出部８１Ｆと連通されている。冷却ジャケット８１Ｃは、例えば、冷却水等の冷却流体が導入部８１Ｅから導入され、内部流路８１Ｄを流通することで、ハウジング８内に配置されるステータ部２２を間接的に冷却する。内部流路８１Ｄを流通した流体は、排出部８１Ｆから排出され、例えば、図示略の熱交換器等によって再冷却された後、再び導入部８１Ｅから冷却ジャケット８１Ｄに導入され、再利用される。
【００６７】
上述したように、本実施形態の回転機械１は、タービンインペラ５の背面５ｂ側に、タービンインペラ５と背面側固定壁３０との隙間Ｃ１に収容されるように、少なくとも２以上の突条部５１が設けられている。このような、タービンインペラ５に備えられた突条部５１によって得られる作用及び効果について、以下に、図１及び図２を参照しながら詳細に説明する。
【００６８】
回転機械１の動作時、回転軸４の回転に伴ってタービンインペラ５が高速回転し、タービンインペラ５の背面５ｂに設けられた突条部５１も高速回転する。この際、突条部５１が高速回転して発生する遠心力によって、タービンインペラ５と背面側固定壁３０との隙間Ｃ１におけるガスの圧力が上昇する作用が得られる。これにより、タービンインペラ５の外周側における低温ガスＧ３と、隙間Ｃ１内のガスとの圧力差が小さくなるので、低温ガスＧ３が回転軸４と貫通穴３１とのラビリンスシール３１ａを通過してハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に侵入するのを抑制する効果が得られる。
【００６９】
ここで、従来の構成を有する回転機械においては、上述したように、ハウジング内に、ターボ圧縮機から排出される高圧のガスを冷却ガスとして供給することで、ハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内における圧力を高め、低温ガスが回転軸４と貫通孔３１とのラビリンスシール３１ａを通過してハウジングの回転機構収容部内に侵入するのを抑制しようとする試みが行われていた。しかしながら、このような従来の方法では、冷却ガスの圧力又は流量を増加させる必要があり、該冷却ガスの循環流量が循環に加算されることでターボ圧縮機の処理流量が増加し、消費電力が増大するという問題があった。
【００７０】
これに対し、本実施形態の回転機械１は、タービンインペラ５の背面５ｂに突条部５１を設け、タービンインペラ５の高速回転で生じる遠心力の作用を利用することで、低温ガスＧ３が回転軸４と貫通穴３１のラビリンスシール３１ａを通過してハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に侵入するのを抑制するものである。これにより、冷却ガスＧ４の処理流量が増大することがないので、消費電力が増大するのを防止できる。従って、本実施形態の回転機械１によれば、各構成部品の結露や損傷等が生じることがなく、また、冷却ガスの流量を増大させることなく、消費電力を低減しながら、優れた動作効率（冷却効率）が得られる。
【００７１】
また、本実施形態の回転機械１によれば、タービンインペラ５の背面５ｂに突条部５１が設けられていることで、例えば、タービンインペラ５の回転数や運転圧力が変化した場合でも、突条部５１による圧力上昇は、上記のタービンインペラ５の回転数及び運転圧力の変化に追従する。このため、これらタービンインペラ５の回転数及び運転圧力が変化した場合であっても、低温ガスＧ３が回転軸４と貫通穴３１とのラビリンスシール３１ａを通過してハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に侵入するのを抑制する効果に変化は無いので、上記のような、消費電力を低減しながら、優れた動作効率（冷却効率）が安定的に得られる。
【００７２】
突条部５１の数は、特に限定されないが、図２に示す例のように、タービンインペラ５の背面５ｂにおいて、複数で所定の間隔をおいて配置されていることが好ましい。
また、突条部５１は、タービンインペラの背面５において、２〜１０箇所の２の倍数（又は偶数）で等間隔で配置されていることが好ましい。ここで、図３においては、上述したように、突条部５１を３箇所のみ表示しているが、実際には、突条部５１が６箇所に設けられ、それぞれ周方向において等間隔で配置されている。
【００７３】
本実施形態の回転機械１においては、上記のように、タービンインペラ５の背面５ｂに複数の突条部５１が所定の間隔で設けられ、特に、等間隔で配置されていることで、突条部５１の高速回転による遠心力がより効果的に発生する。これにより、タービンインペラ５の外周側における低温ガスＧ３と、隙間Ｃ１内のガスとの圧力差が確実に小さくなり、低温ガスＧ３が回転軸４と貫通穴３１とのラビリンスシール３１ａを通過してハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に侵入するのをより効果的に抑制できる。
【００７４】
また、突条部５１は、タービンインペラ５の背面５ｂにおいて、回転軸４の中心側から外周側に向けて放射状に延設されていることが好ましい。
【００７５】
また、突条部５１は、タービンインペラ５の背面５ｂにおいて、回転軸４の中心側から外周側に向けて延設された先端５１ａの位置が、タービンインペラ５の半径に対して５０〜９５％の範囲の位置であることがより好ましい。
突条部５１の先端５１ａの位置が、タービンインペラ５の半径に対して５０％以上であれば、上記のように、突条部５１の高速回転による遠心力をより効果的に発生させ、低温ガスＧ３が回転軸４と貫通穴３１とのラビリンスシール３１ａを通過してハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に侵入するのを抑制できる効果がより顕著に得られる。
また、突条部５１の先端５１ａの位置が、タービンインペラ５の半径に対して９５％以下であれば、タービンインペラ５の外周縁において、低温ガスＧ３の流通に影響が及ぶのを抑制できる。
また、上記の観点からは、突条部５１の先端５１ａの位置は、タービンインペラ５の半径に対して５０〜９５％の範囲の位置であることがより好ましく、８０〜９０％の範囲の位置であることがさらに好ましい。
【００７６】
なお、タービンインペラ５の背面５ｂにおける、突条部５１の後端５１ｂの位置としては、上記の効果を確実に得るために突条部５１の長さを一定以上で確保する観点から、タービンインペラ５の半径に対して２０〜５０％の範囲の位置であることが好ましい。
【００７７】
また、突条部５１の背面５ｂからの高さ寸法としては、特に限定されないが、０．５〜３ｍｍであることが好ましい。
突条部５１の高さが０．５ｍｍ以上であることで、上記のような、突条部５１の高速回転による遠心力を効果的に発生させ、低温ガスＧ３がハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に侵入するのを抑制できる効果が安定的に得られる。
また、突条部５１の高さが３ｍｍ以下であれば、タービンインペラ５の背面５ｂと背面側固定壁３０との隙間Ｃ１を小さなサイズで設計できるので、回転軸４と貫通穴３１とのラビリンスシール３１ａを通過してハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に低温ガスＧ３が侵入するのをより効果的に抑制できる。
【００７８】
また、突条部５１の幅寸法としても、特に限定されないが、突条部５１の高速回転による遠心力を効果的に発生させる観点からは、１〜５ｍｍであることが好ましく、１〜３ｍｍであることがより好ましい。
【００７９】
なお、図２（ａ），（ｂ）に示す例では、突条部５１の形状が、平面視で細長凸状とされているが、これには限定されず、例えば、平面視でＵ字状に折れ曲がるような形状でもよいし、あるいは、平面視における長さ方向で断片的に形成されていても構わない。一方、突条部５１の形状は、加工コストや性能のバランスとの兼ね合いから、図２（ａ），（ｂ）に示すような平面視で細長凸状であることが好ましい。
【００８０】
さらに、本実施形態の回転機械１においては、図３（ａ），（ｂ）に示す例のように、背面側固定壁３０の表面に、タービンインペラ５に設けられた突条部５１を外周側から囲むように、環状の固定壁段差部３２が少なくとも１箇所以上で設けられていることがより好ましい。図示例においては、環状の固定壁段差部３２が、突条部５１の先端５１ａを囲むように１箇所で設けられている。
【００８１】
背面側固定壁３０の表面に、環状の固定壁段差部３２が設けられていることで、突条部５１の高速回転に伴う遠心力によってタービンインペラ５の外周側に向かう冷却ガスＧ４が、固定壁段差部３２によって堰き止められ、隙間Ｃ１内における冷却ガスＧ４の圧力が上昇する。これにより、低温ガスＧ３が回転軸４と貫通穴３１とのラビリンスシール３１ａを通過してハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に侵入するのを安定的に抑制できる。
【００８２】
また、本実施形態においては、図４（ａ），（ｂ）に示す例のように、タービンインペラ５の背面５ｂに、突条部５１を外周側から囲むように、環状のインペラ段差部５２が少なくとも１箇所以上で設けられていてもよい。図示例においては、環状のインペラ段差部５２が、突条部５１の先端５１ａを囲むように１箇所で設けられている。
【００８３】
タービンインペラ５の背面５ｂに、環状のインペラ段差部５２が設けられていることで、上記同様、タービンインペラ５の外周側に向かう冷却ガスＧ４がインペラ段差部５２によって堰き止められ、隙間Ｃ１内における冷却ガスＧ４の圧力が上昇するので、低温ガスＧ３が回転軸４と貫通穴３１とのラビリンスシール３１ａを通過してハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に侵入するのをより安定的に抑制できる。
【００８４】
また、本実施形態では、上記のような、背面側固定壁３０の表面における環状の固定壁段差部３２と、タービンインペラ５の背面５ｂ側における環状のインペラ段差部５２の両方が、それぞれ、少なくとも１箇所以上で設けられ、さらに、固定壁段差部３２とインペラ段差部５２とが、それぞれ対向して同心円状に配置され、且つ、タービンインペラ５と背面側固定壁３０との隙間において、交互に並ぶように配置されていてもよい。
【００８５】
上記のように、背面側固定壁３０の表面における固定壁段差部３２と、タービンインペラ５の背面５ｂにおけるインペラ段差部５２の両方が設けられることで、タービンインペラ５の外周側に向かう冷却ガスＧ４がより効果的に堰き止められ、その圧力が上昇する。従って、低温ガスＧ３が回転軸４と貫通穴３１とのラビリンスシール３１ａを通過してハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に侵入するのをさらに確実に抑制できる。
【００８６】
また、本実施形態の回転機械１においては、背面側固定壁３０における貫通孔３１の内壁にラビリンスシール３１ａが形成されており、貫通孔３１内におけるシール効果が得られるものなので、上記の突起部５１による効果と併せて、回転軸４と貫通穴３１とのラビリンスシール３１ａを通過してハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内にガスが侵入するのを防止する効果がより高められる。
【００８７】
本実施形態の回転機械１は、上記構成を備えることにより、真空容器１００内に配置された図示略の各種超電導装置等を効率よく超低温に冷却できるものである。
【００８８】
＜回転装置による冷却動作＞
以下に、本実施形態の回転装置１を駆動した場合に冷却動作について、図１〜３を参照しながら詳述する。
【００８９】
図１に示すように、まず、モータ２の回転軸４が回転を開始すると、ターボ膨張機３Ａ及びターボ圧縮機３Ｂにおいて、それぞれ、回転軸４のタービン側端部４Ａに固定されたタービンインペラ５、及び、圧縮機側端部４Ｂに固定されたコンプレッサインペラ５０が高速回転する。
この際、まず、ターボ圧縮機３Ｂ側において、コンプレッサインペラ５０の高速回転に伴い、流体入口８５ａから導入される、例えば、常温のヘリウムガスやネオンガス等の流体（例えば３０３Ｋ：常温）からなる流体Ｇ０を断熱圧縮（昇圧）させ、高圧（例えば０．５〜３ＭＰａ）、且つ、高温（例えば３６０Ｋ）とされた流体Ｇ１を流体出口８５ｂから排出する。
一方、ターボ膨張機３Ａ側においては、まず、ターボ圧縮機３Ｂ側の流体出口８５ｂから排出された高圧・高温の冷媒ガスである流体Ｇ１が、図示略の熱交換器等により、例えば７３Ｋ程度まで降温されることで高圧・低温の低温ガスＧ２とされた後、入口８４ａから導入される。そして、低温ガスＧ２は、タービンインペラ５の高速回転に伴って断熱膨張され、低圧（例えば０．２５〜１ＭＰａ）、且つ、低温（例えば６６Ｋ等の４０〜７７Ｋの範囲）とされた低圧・低温の低温ガスＧ３を出口８４ｂから排出する。
そして、この低圧・低温の低温ガスＧ３により、真空容器１００内又は真空容器１００外に設置された図示略の各種超電導装置、例えば、超電導電力ケーブルや超電導変圧器、超電導モータ等の電力機器を冷却する。
【００９０】
ここで、回転機械１を動作させると、回転軸４の高速回転により、上述したような、モータ２のステータ部２２における銅損や鉄損等による発熱、及び、ロータ部２１とステータ部２２との間における風損による発熱の他、アキシャル軸受６を構成するスラスト板６ａと磁気コイル６ｂとの間における風損による発熱、ラジアル軸受７Ａ，７Ｂと回転軸４との間における風損による発熱が発生する。
そこで、本実施形態の回転機械１においては、まず、上記の冷却ガス流路９ａに冷却ガスＧ４を供給することにより、モータ２及び回転軸４における昇温を抑制し、また、冷却ガス流路９ｂに冷却ガスＧ４を供給することにより、アキシャル軸受６における昇温を抑制する。さらに、回転機械１では、上記の冷却ガス流路９ｃ，９ｄに冷却ガスＧ４を供給することにより、ラジアル軸受７Ａ，７Ｂ及び回転軸４における昇温を抑制する。
【００９１】
さらに、本実施形態の回転機械１においては、タービンインペラ５の背面５ｂに突条部５１が設けられていることで、従来のようなシールガス等を用いることなく、タービンインペラ５側から回転軸４と貫通穴３１とのラビリンスシール３１ａを通過してハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に低温ガスＧ３が侵入するのを抑制できる。
これにより、構成部品の過冷却による結露や損傷等が生じることなく、また、冷却ガスの流量を増大させることなく、消費電力を低減することができるので、動作効率に優れた回転機械１が実現できるものである。
【００９２】
＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の回転機械１によれば、少なくとも、回転軸４、モータ２、タービンインペラ５、シュラウドリング２０、及び背面側固定壁３０を収容し、これら各構成部品を冷却するための冷却ガスＧ４が通過する冷却ガス流路９が内部に形成されたハウジング８を備え、さらに、タービンインペラ５の背面５ｂ側に、タービンインペラ５と背面側固定壁３０との隙間Ｃ１に収容されるように、少なくとも２以上の突条部５１が設けられた構成を採用している。
上記のように、タービンインペラ５の背面５ｂに突条部５１を設けることで、この突条部５１が高速回転することに伴う遠心力によって、タービンインペラ５と背面側固定壁３０との隙間Ｃ１における冷却ガスＧ４の圧力が上昇する。これにより、タービンインペラ５の外周側における低温ガスＧ３と、隙間Ｃ１内の冷却ガスＧ４との圧力差が小さくなるので、低温ガスＧ３がハウジング８の回転機構収容部８１Ｂ内に侵入するのを効果的に抑制できる。従って、モータ２やアキシャル軸受６、ラジアル軸受７等の各構成部品の過冷却による結露や寸法変化又は損傷等が生じることがなく、また、冷却ガスＧ４の流量を増大させることなく、消費電力を低減しながら、優れた動作効率が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明の回転機械によれば、モータや軸受等の構成部品に過冷却が生じるのを防止でき、各構成部品を効率よく冷却しながら、消費電力を増大させることなく優れた動作効率が得られるので、例えば、超電導電力ケーブルや超電導変圧器、超電導モータ等の電力機器を液体窒素温度レベルに冷却する用途において非常に好適である。
【符号の説明】
【００９４】
１…回転機械
２…モータ
２１…ロータ部
２２…ステータ部
２２ａ…固定部材
２２ｂ…界磁コイル
３Ａ…ターボ膨張機
３Ｂ…ターボ圧縮機
４…回転軸
４Ａ…タービン側端部（一方の端部）
４Ｂ…圧縮機側端部（他方の端部）
５…タービンインペラ
５ａ…前面
５ｂ…背面
５１…突条部
５２…インペラ段差部
６…アキシャル軸受
６ａ…スラスト板
６ｂ…磁気コイル（一対の磁気コイル）
７…ラジアル軸受
８…ハウジング
８１Ｂ…回転機構収容部
８１Ｃ…冷却ジャケット
８１Ｄ…内部流路
８１Ｅ…導入部
８１Ｆ…排出部
８２…フランジ
８４…タービンスクロール
８４ａ…入口（低温ガス）
８４ｂ…出口（低温ガス）
８５…コンプレッサスクロール
８５ａ…流体入口
８５ｂ…流体出口
９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ…冷却ガス流路
２０…シュラウドリング
２０ａ…シュラウド
３０…背面側固定壁
３１…貫通孔
３２…固定壁段差部（環状の固定壁段差部）
３１ａ，４１ａ…ラビリンスシール（隙間）
１００…真空容器
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…隙間
Ｇ０，Ｇ１…流体
Ｇ２，Ｇ３…低温ガス
Ｇ４，Ｇ５…冷却ガス
【図１】
2019173615.tif 000003
【図２】
2019173615.tif 000004
【図３】
2019173615.tif 000005
【図４】
2019173615.tif 000006