(57)【要約】【課題】小型の膨張タービン装置においてスラスト気体軸受を採用するのを容易にする技術を提供する。【解決手段】膨張タービン装置２では、箱８０が構成されている。箱８０は、一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂと、軸受６０ａ，６０ｂの間に存しスラストカラー５０を収容する収容空間１１０を有している。箱８０では、入口開口９０から出口開口９５へと作動流体が流れる流体経路２００が構成されている。流体経路２００上において、入口開口９０と、収容空間１１０と、出口開口９５とは、この順に現れる。収容空間１１０は、出口開口９５が開口する箱８０の外部空間の圧力に比べて高い圧力を有する圧力室である。【選択図】図１
2019027389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジアルタービンを用いた膨張タービン装置であって、
前記膨張タービン装置は、
前記ラジアルタービンのタービンホイールと、
スラストカラーと、
前記タービンホイール及び前記スラストカラーが取り付けられた回転軸と、
前記タービンホイールからみて前記回転軸の径方向の外側に存し、前記タービンホイールに作動流体を供給するノズルと、
前記回転軸の軸方向荷重を支持する一対のスラスト軸受と、
前記回転軸の径方向荷重を支持するラジアル軸受と、を有し、
前記一対のスラスト軸受及び前記ラジアル軸受は、気体軸受であり、
前記膨張タービン装置では、箱が構成され、
前記箱は、
前記一対のスラスト軸受と、
前記一対のスラスト軸受の間に存し、前記スラストカラーを収容する収容空間と、
前記箱の外部空間に開口する少なくとも１つの入口開口と、
前記箱の外部空間に開口する少なくとも１つの出口開口と、を有し、
前記箱では、前記少なくとも１つの入口開口から前記少なくとも１つの出口開口へと前記作動流体が流れる流体経路が構成され、
前記流体経路上において、前記少なくとも１つの入口開口と、前記収容空間と、前記少なくとも１つの出口開口とは、この順に現れ、
前記収容空間は、前記少なくとも１つの出口開口が開口する前記箱の外部空間の圧力に比べて高い圧力を有する圧力室である、膨張タービン装置。
【請求項２】
前記箱は、
少なくとも１つの流入孔と、
少なくとも１つの流出孔と、を有し、
前記流体経路上において、前記少なくとも１つの入口開口と、前記少なくとも１つの流入孔と、前記収容空間と、前記少なくとも１つの流出孔と、前記少なくとも１つの出口開口とは、この順に現れ、
前記少なくとも１つの流出孔の総断面積は、前記少なくとも１つの流入孔の総断面積よりも小さい、請求項１に記載の膨張タービン装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの流出孔の総断面積は、前記少なくとも１つの流入孔の総断面積の５０％以下である、請求項２に記載の膨張タービン装置。
【請求項４】
前記箱は、前記径方向について前記スラストカラーの外周端よりも内側において前記収容空間に開口する少なくとも１つの内側開口を有し、
前記流体経路上において、前記少なくとも１つの入口開口のうちの少なくとも１つの開口と、前記少なくとも１つの内側開口と、前記収容空間とは、この順に現れる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の膨張タービン装置。
【請求項５】
前記箱は、前記径方向について前記スラストカラーの外周端よりも外側において前記収容空間に開口する少なくとも１つの外側開口を有し、
前記流体経路上において、前記収容空間と、前記少なくとも１つの外側開口と、前記少なくとも１つの出口開口のうちの少なくとも１つの開口とは、この順に現れる、請求項４に記載の膨張タービン装置。
【請求項６】
前記膨張タービン装置は、前記回転軸から離間しているリップシールを有し、
前記箱は、前記回転軸の周囲に存し、且つ、前記回転軸の軸方向について前記タービンホイールと前記一対のスラスト軸受とを仕切っている仕切りを有し、
前記箱は、前記仕切りと前記回転軸との間に存する第１間隙を有し、
前記流体経路は、前記軸方向について前記仕切りと前記一対のスラスト軸受の間に存する少なくとも１つの被シール部を有し、
前記箱は、前記リップシールと前記回転軸との間に存し、前記少なくとも１つの被シール部と前記第１間隙とを連通させる第２間隙を有し、
前記リップシールは、前記少なくとも１つの被シール部及び前記第２間隙に露出し、前記仕切りに取り付けられ、前記第１間隙に向かって凸の形状を有し、
前記少なくとも１つの被シール部における前記作動流体の圧力は、前記リップシールを変形させ、前記第２間隙の前記径方向の寸法を小さくする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の膨張タービン装置。
【請求項７】
前記リップシールにおける前記第１間隙の反対側に存する凹面には、少なくとも一本の筋状の溝が切られている、請求項６に記載の膨張タービン装置。
【請求項８】
前記回転軸には、前記軸方向荷重を生じさせる流体要素として、前記タービンホイールのみが取り付けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の膨張タービン装置。
【請求項９】
前記ラジアルタービンは、単段のラジアルタービンである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の膨張タービン装置。
【請求項１０】
前記作動流体は、フッ素系冷媒である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の膨張タービン装置。
【請求項１１】
前記収容空間における前記作動流体の圧力は、前記タービンホイールの入口における前記作動流体の圧力の８０〜１２０％である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の膨張タービン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、膨張タービン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窯業炉、鋳造炉等の装置からの排熱を利用した発電が行われている。また、地熱、太陽熱等の自然エネルギー由来の熱を利用した発電が行われている。
【０００３】
これらの発電には、ランキンサイクルを用いた発電機が用いられることがある。このサイクルの膨張過程は、種々の流体機械によって実現され得る。特許文献１には、そのような流体機械の一例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１５−５３３９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
流体機械では、回転部品が回転軸に取り付けられている。回転軸のスラスト軸受として、気体軸受が用いられる場合がある。気体軸受が支持できる軸方向荷重には制限がある。本発明者らは、小型の膨張タービン装置においてスラスト気体軸受を採用するのを容易にする技術を提供したいと考えた。しかしながら、特許文献１では、そのような技術について十分には検討されていない。
【０００６】
本開示は、小型の膨張タービン装置においてスラスト気体軸受を採用するのを容易にする技術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】
【０００７】
本開示は、
ラジアルタービンを用いた膨張タービン装置であって、
前記膨張タービン装置は、
前記ラジアルタービンのタービンホイールと、
スラストカラーと、
前記タービンホイール及び前記スラストカラーが取り付けられた回転軸と、
前記タービンホイールからみて前記回転軸の径方向の外側に存し、前記タービンホイールに作動流体を供給するノズルと、
前記回転軸の軸方向荷重を支持する一対のスラスト軸受と、
前記回転軸の径方向荷重を支持するラジアル軸受と、を有し、
前記一対のスラスト軸受及び前記ラジアル軸受は、気体軸受であり、
前記膨張タービン装置では、箱が構成され、
前記箱は、
前記一対のスラスト軸受と、
前記一対のスラスト軸受の間に存し、前記スラストカラーを収容する収容空間と、
前記箱の外部空間に開口する少なくとも１つの入口開口と、
前記箱の外部空間に開口する少なくとも１つの出口開口と、を有し、
前記箱では、前記少なくとも１つの入口開口から前記少なくとも１つの出口開口へと前記作動流体が流れる流体経路が構成され、
前記流体経路上において、前記少なくとも１つの入口開口と、前記収容空間と、前記少なくとも１つの出口開口とは、この順に現れ、
前記収容空間は、前記少なくとも１つの出口開口が開口する前記箱の外部空間の圧力に比べて高い圧力を有する圧力室である、膨張タービン装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示に係る技術によれば、小型の膨張タービン装置においてスラスト気体軸受を採用するのが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、膨張タービン装置の説明図である。
【図２】図２は、膨張タービン装置の拡大図である。
【図３】図３は、被シール部周辺の拡大図である。
【図４】図４は、膨張タービン装置の拡大図である。
【図５】図５は、被シール部周辺の斜視図である。
【図６】図６は、ラジアル軸受の構成図である。
【図７】図７は、シールプレートの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明者らによる知見：気体軸受の優位性）
ランキンサイクルの膨張過程では、膨張機構が作動流体を膨張させる。膨張機構は、ラジアルタービンを用いて実現され得る。
【００１１】
膨張機構の回転系に作用する荷重には、径方向荷重がある。回転系の回転数が曲げ共振固有値よりも高い場合には、曲げ共振により回転系に大きな径方向荷重が印加される。曲げ共振固有値は、曲げ共振周波数と呼ばれることもある。
【００１２】
膨張機構の回転系に作用する荷重には、軸方向荷重もある。ラジアルタービンのタービンホイールは、軸方向荷重を発生させる。具体的には、作動流体が、タービンホイールに流入し、ラジアルタービンで減圧され、タービンホイールから排出されることによって、軸方向荷重が回転系に印加される。
【００１３】
膨張機構では、径方向荷重及び軸方向荷重は、軸受によって支持される。軸受として、アンギュラ転がり軸受が知られている。アンギュラ転がり軸受は、径方向荷重とともに軸方向荷重を支持することができる。しかしながら、アンギュラ転がり軸受には、以下の問題点がある。
【００１４】
回転系に作用する軸方向荷重は、大きくなり易い。このため、膨張機構を適正に作動させるには、軸方向荷重を支持できるよう軸受を選定することが重要である。アンギュラ転がり軸受を用いる場合、想定される軸方向荷重に合わせて軸受を選定することが考えられる。しかしながら、そのように選定すると、軸受の寸法に基づく回転数の制約がシビアになり、回転数を定格回転数まで高めることができなくなることがある。
【００１５】
アンギュラ転がり軸受を採用する場合には、その破損を防止するために、ｄｍｎ値を一定値以下にするという制約が課される。ｄｍｎ値は、転動体の中心径と回転系の回転数の積である。一方、膨張機構の機械効率を確保するには、回転系の回転数を高める必要がある。転動体の中心径を小さくすれば、機械効率確保のために回転系の回転数を高めることができ且つｄｍｎ値の制約を満たすことも可能となるようにも思われる。しかしながら、転動体の中心径を小さくするには、回転系のジャーナル部の径を小さくする必要がある。ジャーナル部の径を小さくすると、回転系の曲げ共振周波数が低くなる。曲げ共振周波数が低い場合には、回転数を低くすることによって回転系の回転の安定性を確保せざるを得ない。結局、機械効率を確保することができない。
【００１６】
アンギュラ転がり軸受は、潤滑油によって潤滑される必要がある。潤滑油に作動流体が混入すると、潤滑油の粘度が低下し、軸受の負荷容量が低下する。また、作動流体の混入は、軸受の転動面又は軸受面において油膜切れを発生させ、軸受を焼損させることがある。
【００１７】
潤滑油は、膨張機構から漏れ出すと、サイクルを構成する他の要素の内壁に付着し、サイクル全体の性能を低下させることがある。例えば、熱交換器の伝熱面に付着した潤滑油は、伝熱面の熱抵抗を高め、サイクル全体の性能を低下させることがある。
【００１８】
潤滑油への作動流体の混入及び潤滑油の膨張機構からの漏出を防止するには、潤滑油を作動流体から隔離しつつ潤滑油を軸受周囲に留めるためのシールを設けることが考えられる。しかしながら、ジャーナル部の周速すなわちジャーナル周速は高いため、回転系のジャーナル部にシールを接触させると、シールが焼損するおそれがある。ラビリンスシール等の非接触式シールを用いれば、接触によるシールの焼損を避けることができる。しかしながら、非接触式シールでは、潤滑油への作動流体の混入及び膨張機構からの潤滑油の漏出を完全には防止できない。
【００１９】
また、潤滑油が必要な軸受を採用する場合、潤滑系補機が原因で、装置全体が大型化し易くなる。また、潤滑系補機は、装置に要するコストを増大させる。
【００２０】
アンギュラ転がり軸受の上記デメリットを踏まえ、本発明者らは、別の軸受を採用することを考えた。具体的には、本発明者らは、軸方向荷重を支持するスラスト気体軸受と径方向荷重を支持するラジアル気体軸受とを用いることを考えた。
【００２１】
気体軸受は、滑り軸受の一種である。気体軸受では、作動流体が、潤滑油の役割を果たす。気体軸受をタービンに適用する場合、タービンの作動流体の一部を軸受に供給することができる。あるいは、タービン外部から、作動流体と同じ流体を軸受に供給することができる。
【００２２】
アンギュラ転がり軸受の採用を避けることにより、想定される軸方向荷重に合わせて軸受を選定するが故に回転系の回転数を高めることができないという事態を回避することができる。
【００２３】
また、気体軸受は、転動体を有さない。このため、気体軸受を用いることにより、ｄｍｎ値の制約がなくなる。このため、回転系の縦横比、すなわち回転軸の長さに対する径方向寸法の比率、を大きくすることができる。これにより、曲げ共振固有値の制約により回転系の回転数及びジャーナル周速を高めに設定することができないという事態を回避することができる。
【００２４】
また、気体軸受の採用により、潤滑油に由来する問題も解消される。
【００２５】
（本発明者らによる知見：更なる検討）
スラスト軸受として気体軸受等の滑り軸受を用いる場合、スラストカラーを通じて回転軸の軸方向荷重を支持することが考えられる。スラスト軸受が支持できる軸方向荷重は、スラストカラーの径方向の寸法に依存する。以下では、スラスト軸受が支持できる軸方向荷重を、スラスト軸受の軸受容量と称することがある。
【００２６】
スラストカラーの径方向の寸法を大きくすれば、スラスト軸受の軸受容量は大きくなる。ただし、この寸法が大きいと、高速回転時において回転系が振れ回り易くなり、回転系の回転が不安定となり易くなる。また、この寸法が大きいと、カラー表面の平面度及び回転軸との軸芯ずれを厳しく管理する必要が生じ、回転系の製作費用が高額となる。
【００２７】
気体軸受は、潤滑油を用いる軸受に比べ、軸受容量が低い傾向にある。このため、スラスト軸受が気体軸受である場合には、スラストカラーの径を大きくする必要性が高い。しかしながら、上述の通り、カラーの径を大きくすることは、回転系の安定回転及び製作費用の観点では不利である。このような理由で、スラスト軸受が支持するべき軸方向荷重が大きくなり易い場合には、スラスト気体軸受を用いるのは容易ではない。
【００２８】
本発明者らの検討によれば、ラジアルタービンを用いて膨張機構を実現する場合には、ラジアルタービン由来の軸方向荷重が原因で、スラスト気体軸受を用いることが困難になることがある。本発明者らは、ラジアルタービンを用いた膨張タービン装置のスラスト軸受として気体軸受を採用することを容易にする技術を検討した。具体的に、本発明者らは、ラジアルタービン由来の軸方向荷重とは逆方向の軸方向荷重を発生させることによって、ラジアルタービン由来の軸方向荷重の少なくとも一部を相殺することを考えた。
【００２９】
また、膨張タービン装置のユーザーにとって、膨張タービン装置は小型であることが望ましい場合が多い。本発明者らは、上記の相殺を、小型の膨張タービン装置でも実現できる技術を検討した。
【００３０】
本開示の第１態様は、
ラジアルタービンを用いた膨張タービン装置であって、
前記膨張タービン装置は、
前記ラジアルタービンのタービンホイールと、
スラストカラーと、
前記タービンホイール及び前記スラストカラーが取り付けられた回転軸と、
前記タービンホイールからみて前記回転軸の径方向の外側に存し、前記タービンホイールに作動流体を供給するノズルと、
前記回転軸の軸方向荷重を支持する一対のスラスト軸受と、
前記回転軸の径方向荷重を支持するラジアル軸受と、を有し、
前記一対のスラスト軸受及び前記ラジアル軸受は、気体軸受であり、
前記膨張タービン装置では、箱が構成され、
前記箱は、
前記一対のスラスト軸受と、
前記一対のスラスト軸受の間に存し、前記スラストカラーを収容する収容空間と、
前記箱の外部空間に開口する少なくとも１つの入口開口と、
前記箱の外部空間に開口する少なくとも１つの出口開口と、を有し、
前記箱では、前記少なくとも１つの入口開口から前記少なくとも１つの出口開口へと前記作動流体が流れる流体経路が構成され、
前記流体経路上において、前記少なくとも１つの入口開口と、前記収容空間と、前記少なくとも１つの出口開口とは、この順に現れ、
前記収容空間は、前記少なくとも１つの出口開口が開口する前記箱の外部空間の圧力に比べて高い圧力を有する圧力室である、膨張タービン装置を提供する。
【００３１】
第１態様の箱では、収容空間は、圧力室である。その収容空間に、スラストカラーが収容されている。このため、スラストカラーに圧力が印加される。これにより、ラジアルタービン由来の軸方向荷重とは逆方向の軸方向荷重が得られる。この逆方向の軸方向荷重により、ラジアルタービン由来の軸方向荷重の少なくとも一部を相殺することができる。この相殺により、スラスト軸受が支持するべき軸方向荷重を小さくすることができる。これにより、スラスト軸受として気体軸受を用い易くなる。
【００３２】
また、第１態様の箱は、小型に構成され得る。このため、第１態様の技術は、膨張タービン装置の小型化の観点から有利である。
【００３３】
本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記箱は、
少なくとも１つの流入孔と、
少なくとも１つの流出孔と、を有し、
前記流体経路上において、前記少なくとも１つの入口開口と、前記少なくとも１つの流入孔と、前記収容空間と、前記少なくとも１つの流出孔と、前記少なくとも１つの出口開口とは、この順に現れ、
前記少なくとも１つの流出孔の総断面積は、前記少なくとも１つの流入孔の総断面積よりも小さい、膨張タービン装置を提供する。
【００３４】
第２態様の箱では、少なくとも１つの流出孔の総断面積は、少なくとも１つの流入孔の総断面積よりも小さい。このため、収容空間の圧力が確保され易い。
【００３５】
本開示の第３態様は、第２態様に加え、
前記少なくとも１つの流出孔の総断面積は、前記少なくとも１つの流入孔の総断面積の５０％以下である、膨張タービン装置を提供する。
【００３６】
第３態様によれば、収容空間の圧力が確保され易い。
【００３７】
本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つに加え、
前記箱は、前記径方向について前記スラストカラーの外周端よりも内側において前記収容空間に開口する少なくとも１つの内側開口を有し、
前記流体経路上において、前記少なくとも１つの入口開口のうちの少なくとも１つの開口と、前記少なくとも１つの内側開口と、前記収容空間とは、この順に現れる、膨張タービン装置を提供する。
【００３８】
第４態様によれば、スラストカラーとスラスト軸受との間の摩擦損失が低くなり、機械効率が高くなる。
【００３９】
本開示の第５態様は、第４態様に加え、
前記箱は、前記径方向について前記スラストカラーの外周端よりも外側において前記収容空間に開口する少なくとも１つの外側開口を有し、
前記流体経路上において、前記収容空間と、前記少なくとも１つの外側開口と、前記少なくとも１つの出口開口のうちの少なくとも１つの開口とは、この順に現れる、膨張タービン装置を提供する。
【００４０】
第５態様によれば、収容空間における作動流体の流れがスムーズになる。これにより、機械効率が高くなる。
【００４１】
本開示の第６態様は、第１態様〜第５態様のいずれか１つに加え、
前記膨張タービン装置は、前記回転軸から離間しているリップシールを有し、
前記箱は、前記回転軸の周囲に存し、且つ、前記回転軸の軸方向について前記タービンホイールと前記一対のスラスト軸受とを仕切っている仕切りを有し、
前記箱は、前記仕切りと前記回転軸との間に存する第１間隙を有し、
前記流体経路は、前記軸方向について前記仕切りと前記一対のスラスト軸受の間に存する少なくとも１つの被シール部を有し、
前記箱は、前記リップシールと前記回転軸との間に存し、前記少なくとも１つの被シール部と前記第１間隙とを連通させる第２間隙を有し、
前記リップシールは、前記少なくとも１つの被シール部及び前記第２間隙に露出し、前記仕切りに取り付けられ、前記第１間隙に向かって凸の形状を有し、
前記少なくとも１つの被シール部における前記作動流体の圧力は、前記リップシールを変形させ、前記第２間隙の前記径方向の寸法を小さくする、膨張タービン装置を提供する。
【００４２】
第６態様によれば、タービンホイール側の高温の作動流体が第１間隙及び第２間隙を介して被シール部に漏れ込み難くなる。これにより、高温の作動流体が収容空間に流入し難くなり、スラスト軸受の温度上昇が抑制される。このため、回転軸とともに回転する回転部品が固定部品と接触することが防止される。第６態様によれば、このような理由で、膨張タービン装置の信頼性を向上させ、寿命を長くすることができる。
【００４３】
本開示の第７態様は、第６態様に加え、
前記リップシールにおける前記第１間隙の反対側に存する凹面には、少なくとも一本の筋状の溝が切られている、膨張タービン装置を提供する。
【００４４】
第７態様の筋状の溝によれば、リップシールの変形量を調整することが容易となる。
【００４５】
本開示の第８態様は、第１態様〜第７態様のいずれか１つに加え、
前記回転軸には、前記軸方向荷重を生じさせる流体要素として、前記タービンホイールのみが取り付けられている、膨張タービン装置を提供する。
【００４６】
第８態様は、膨張タービン装置の小型化の観点から有利である。
【００４７】
本開示の第９態様は、第１態様〜第８態様のいずれか１つに加え、
前記ラジアルタービンは、単段のラジアルタービンである、膨張タービン装置を提供する。
【００４８】
第９態様は、流量及び圧力比を確保するとともに膨張タービン装置の構造を簡易化する観点から有利である。
【００４９】
本開示の第１０態様は、第１態様〜第９態様のいずれか１つに加え、
前記作動流体は、フッ素系冷媒である、膨張タービン装置を提供する。
【００５０】
フッ素系冷媒によれば、高いサイクル効率を確保し易い。
【００５１】
本開示の第１１態様は、第１態様〜第１０態様のいずれか１つに加え、
前記収容空間における前記作動流体の圧力は、前記タービンホイールの入口における前記作動流体の圧力の８０〜１２０％である、膨張タービン装置を提供する。
【００５２】
第１１態様で規定している程度に収容空間における作動流体の圧力が高いことは、スラスト軸受が支持するべき軸方向荷重を小さくする観点から有利である。
【００５３】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施の形態に限定されない。
【００５４】
図１に、本実施の形態の膨張タービン装置２を示す。膨張タービン装置２は、ラジアルタービンを用いたものである。膨張タービン装置２は、ラジアルタービンのタービンホイール１０と、スラストカラー５０と、回転軸２０と、ノズル１００と、一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂと、ラジアル軸受７０と、を有している。膨張タービン装置２は、リップシール４０を有している。膨張タービン装置２は、発電機回転子３１と、発電機固定子３２と、を有している。また、膨張タービン装置２は、ダクト１５を有している。
【００５５】
回転軸２０には、タービンホイール１０及びスラストカラー５０が取り付けられている。本実施の形態では、回転軸２０には、発電機回転子３１も取り付けられている。以下では、回転軸２０が延びる方向を、回転軸２０の軸方向５と称することがある。軸方向５に直交する方向を、回転軸２０の径方向６と称することがある。また、回転軸２０を取り囲むように回転する方向を、周方向７と称することがある。
【００５６】
ノズル１００は、タービンホイール１０からみて径方向６の外側に存する。ノズル１００は、タービンホイール１０に作動流体を供給する。具体的には、ノズル１００は、タービンホイール１０に気体状態の作動流体を噴射する。
【００５７】
タービンホイール１０に作動流体が供給されると、タービンホイール１０が回転する。回転軸２０、スラストカラー５０及び発電機回転子３１も回転する。発電機回転子３１が回転しているときには、発電機回転子３１と発電機固定子３２とが協働して発電を行う。タービンホイール１０で膨張した作動流体は、ダクト１５を経由して排出される。
【００５８】
一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂは、回転軸２０の軸方向荷重を支持する。具体的には、一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂは、スラストカラー５０を通じて回転軸２０の軸方向荷重を支持する。一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂは、気体軸受である。詳細には、一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂは、動圧気体軸受である。
【００５９】
一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂは、第１スラスト軸受６０ａと、第２スラスト軸受６０ｂと、有している。図２に示すように、第１スラスト軸受６０ａは、第１軸受面６１ａを有している。第２スラスト軸受６０ｂは、第２軸受面６１ｂを有している。
【００６０】
図示は省略するが、第１スラスト軸受６０ａは、第１軸受面６１ａに取り付けられた動圧発生機構を有する。本実施の形態では、動圧発生機構は、例えば、複数の扁平片の組み合わせである。扁平片は、薄板片とも称され得る。具体的には、隣り合う扁平片が部分的に重なり合うように並ぶことによって、複数の扁平片が回転軸２０を取り囲んでいる。複数の扁平片は、全体として、第１軸受面６１ａに沿って拡がる閉じた枠の形状を呈している。このような扁平片によれば、第１軸受面６１ａとスラストカラー５０との間で気体の動圧を好適に発生させることができる。具体的には、複数の扁平片とスラストカラー５０との間に僅かな隙間が形成された状態で、スラストカラー５０が回転する。これにより、これらの間で動圧が発生する。
【００６１】
図示は省略するが、第２スラスト軸受６０ｂは、第２軸受面６１ｂに取り付けられた動圧発生機構を有する。本実施の形態では、動圧発生機構は、例えば、複数の扁平片の組み合わせである。具体的には、隣り合う扁平片が部分的に重なり合うように並ぶことによって、複数の扁平片が回転軸２０を取り囲んでいる。複数の扁平片は、全体として、第２軸受面６１ｂに沿って拡がる閉じた枠の形状を呈している。これらの扁平片は、第１軸受面６１ａに取り付けられた扁平片と同様に作用する。
【００６２】
スラストカラー５０は、第１回転面５１ａ及び第２回転面５１ｂを有している。典型的には、スラストカラー５０は、円盤形状を有している。
【００６３】
第１軸受面６１ａ、第２軸受面６１ｂ、第１回転面５１ａ及び第２回転面５１ｂは、径方向６に拡がっている。第１軸受面６１ａは、動圧発生機構を介して第１回転面５１ａに対向している。第２軸受面６１ｂは、動圧発生機構を介して第２回転面５１ｂに対向している。
【００６４】
ラジアル軸受７０は、回転軸２０の径方向荷重を支持する。ラジアル軸受７０は、気体軸受である。詳細には、ラジアル軸受７０は、動圧気体軸受である。
【００６５】
図１に示すように、ラジアル軸受７０は、軸受面７１を有している。図示は省略するが、ラジアル軸受７０は、軸受面７１に取り付けられた動圧発生機構を有する。本実施の形態では、動圧発生機構は、例えば、複数の扁平片の組み合わせである。具体的には、隣り合う扁平片が部分的に重なり合うように並ぶことによって、複数の扁平片が回転軸２０を取り囲んでいる。複数の扁平片は、全体として、軸受面７１に沿って拡がる筒形状を呈している。このような扁平片によれば、軸受面７１と回転軸２０との間で気体の動圧を好適に発生させることができる。具体的には、複数の扁平片と軸受面７１との間に僅かな隙間が形成された状態で、回転軸２０が回転する。これにより、これらの間で動圧が発生する。
【００６６】
膨張タービン装置２では、箱８０が構成されている。箱８０は、その内部における圧力を確保するように作用する。箱８０は、静止した部材である。
【００６７】
箱８０の少なくとも一部は、一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂによって構成されている。つまり、箱８０は、一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂを有している。本実施の形態では、箱８０の一部は、ラジアル軸受７０によって構成されている。つまり、箱８０は、ラジアル軸受７０を有している。
【００６８】
箱８０は、その内部に収容空間１１０を有している。収容空間１１０は、一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂの間に存する。本実施の形態では、具体的には、第１スラスト軸受６０ａ及び第２スラスト軸受６０ｂは、収容空間１１０に露出している。収容空間１１０は、スラストカラー５０を収容している。
【００６９】
図２に示すように、本実施の形態では、収容空間１１０は、第１介在空間１１０ａ、第２介在空間１１０ｂ及び周囲空間１１０ｃを含んでいる。第１介在空間１１０ａは、第１スラスト軸受６０ａとスラストカラー５０との間に介在している。第１スラスト軸受６０ａ及びスラストカラー５０は、第１介在空間１１０ａに露出している。第２介在空間１１０ｂは、第２スラスト軸受６０ｂとスラストカラー５０との間に介在している。第２スラスト軸受６０ｂ及びスラストカラー５０は、第２介在空間１１０ｂに露出している。周囲空間１１０ｃは、スラストカラー５０よりも径方向６の外側に存する。
【００７０】
本実施の形態では、箱８０は、複数の入口開口９０と、複数の出口開口９５と、を有している。入口開口９０は、箱８０の外部空間に開口している。出口開口９５は、箱８０の外部空間に開口している。なお、入口開口９０の数は、１つであってもよい。出口開口９５の数は、１つであってもよい。
【００７１】
箱８０では、入口開口９０から出口開口９５へと作動流体が流れる流体経路２００が構成されている。具体的には、流体経路２００には、気体状態の作動流体が流れる。流体経路２００上において、入口開口９０と、収容空間１１０と、出口開口９５とは、この順に現れる。
【００７２】
なお、本実施の形態では、膨張タービン装置２は、ノズル１００へと作動流体を導く図示しない経路を有している。この経路は分岐点を有している。そして、膨張タービン装置２は、この分岐点から入口開口９０に作動流体を導く分岐経路２５０を有している。
【００７３】
本実施の形態では、ラジアル軸受７０が、入口開口９０及び出口開口９５を有している。ただし、箱８０の他の部分が入口開口９０及び出口開口９５を有していてもよい。
【００７４】
本実施の形態の箱８０では、仕切り１２０が構成されている。つまり、箱８０は、仕切り１２０を有している。仕切り１２０は、回転軸２０の周囲に存する。仕切り１２０は、軸方向５についてタービンホイール１０と一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂとを仕切っている。仕切り１２０は、タービンホイール１０における高温の作動流体が箱８０の内部へと流れ込むことを抑制している。
【００７５】
図３に示すように、本実施の形態では、箱８０は、第１間隙１２１を有している。第１間隙１２１は、仕切り１２０と回転軸２０の間に存する。本実施の形態では、第１間隙１２１は、環状形状を有している。第１間隙１２１は、仕切り１２０と回転軸２０との接触を防止し、該接触による膨張タービン装置２の故障を防止する。
【００７６】
本実施の形態では、流体経路２００は、被シール部２１０ａを有している。図２及び図５から理解されるように、被シール部２１０ａは、軸方向５について、仕切り１２０と一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂとの間に存する。被シール部２１０ａの数は、典型的には１つであり、図の例では環状形状を有している。ただし、被シール部２１０ａの数は、複数であってもよい。
【００７７】
図３に戻って、本実施の形態では、箱８０は、第２間隙１２２を有している。第２間隙１２２は、リップシール４０と回転軸２０との間に存する。本実施の形態では、第２間隙１２２は、環状形状を有している。第２間隙１２２は、被シール部２１０ａと第１間隙１２１とを連通させている。ただし、後述するように、この連通による作動流体の被シール部２１０ａ及び収容空間１１０への流入は、リップシール４０の変形により抑制される。
【００７８】
本実施の形態では、リップシール４０は、被シール部２１０ａ及び第２間隙１２２に露出している。リップシール４０は、仕切り１２０に取り付けられている。リップシール４０は、第１間隙１２１に向かって凸の形状を有している。リップシール４０は、回転軸２０から離間している。つまり、リップシール４０は、非接触式シールである。これにより、リップシール４０と回転軸２０との接触による該シール４０の焼損が回避される。
【００７９】
図５に示すように、本実施の形態では、仕切り１２０は、シールプレート１２０ａと、第１アタッチメント１２０ｂと、第２アタッチメント１２０ｃと、を有している。シールプレート１２０ａは、第１アタッチメント１２０ｂを径方向６の外側から取り囲んでいる。第１アタッチメント１２０ｂは、第２アタッチメント１２０ｃを径方向６の外側から取り囲んでいる。ただし、仕切り１２０は、単一部材により構成されていてもよい。
【００８０】
本実施の形態では、仕切り１２０、スラスト軸受６０ａ、６０ｂ、及びラジアル軸受７０を構成部材として有する箱８０は、複数の導入開口９１と、複数の導出開口９２と、を有している。導入開口９１及び導出開口９２は、収容空間１１０に開口している。なお、導入開口９１の数は、１つであってもよい。導出開口９２の数は、１つであってもよい。
【００８１】
図２及び図５に示す例では、導入開口９１は、１つの第１導入開口９１ａと、複数の第２導入開口９１ｂと、を有している。第１導入開口９１ａは、回転軸２０を取り囲む形状、具体的には環状形状を有している。複数の第２導入開口９１ｂは、回転軸２０を取り囲む周方向７に沿って断続的に、具体的には等間隔に配置されている。なお、第１導入開口９１ａの数は、複数であってもよい。第２導入開口９１ｂの数は、１つであってもよい。
【００８２】
複数の導出開口９２は、周囲空間１１０ｃに開口している。なお、導出開口９２の数は、１つであってもよい。
【００８３】
本実施の形態では、箱８０は、複数の流入孔９７と、複数の流出孔９８と、を有している。典型的には、流入孔９７及び流出孔９８は、キリ孔であり、屈曲部を除いて同一の断面積を維持した状態で延びている。流体経路２００上において、入口開口９０と、流入孔９７と、収容空間１１０と、流出孔９８と、出口開口９５とは、この順に現れる。なお、流入孔９７の数は、１つであってもよい。流出孔９８の数は、１つであってもよい。
【００８４】
具体的に、入口開口９０は、複数の第１入口開口９０ａと、複数の第２入口開口９０ｂと、を有している。流入孔９７は、複数の第１流入孔９７ａと、複数の第２流入孔９７ｂと、を有している。流体経路２００上において、第１入口開口９０ａと、第１流入孔９７ａと、第１介在空間１１０ａとは、この順に現れる。流体経路２００上において、第２入口開口９０ｂと、第２流入孔９７ｂと、第２介在空間１１０ｂとは、この順に現れる。なお、第１入口開口９０ａの数は、１つであってもよい。第２入口開口９０ｂの数は、１つであってもよい。第１流入孔９７ａの数は、１つであってもよい。第２流入孔９７ｂの数は、１つであってもよい。
【００８５】
本実施の形態では、複数の第１入口開口９０ａは、周方向７について等間隔に配置されている。複数の第２入口開口９０ｂは、周方向７について等間隔に配置されている。また、複数の第１入口開口９０ａ及び複数の第２入口開口９０ｂは、周方向７について同じ位置に配置されている。なお、図６に示す下線付きのＢ〜Ｇは、開口９０ａ及び９０ｂが配置された位置を指す。
【００８６】
図４に示すように、流体経路２００では、複数の第１入口開口９０ａと、複数の第１部分２０１ａと、複数の第２部分２０２ａと、複数の第３部分２０３ａと、複数の第１接続部９３と、第１導入開口９１ａと、収容空間１１０と、がこの順に並んでいるとも言える。第１部分２０１ａは、径方向６に沿って直線状に延びている。具体的には、複数の第１部分２０１ａは、径方向６に沿って放射状に延びている。第２部分２０２ａは、軸方向５に沿って直線状に延びている。第３部分２０３ａは、径方向６に沿って直線状に延びている。具体的には、複数の第３部分２０３ａは、径方向６に沿って放射状に延びている。軸方向５について、第３部分２０３ａは、タービンホイール１０と一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂとの間に存する。図７から理解されるように、第１接続部９３は、径方向６に沿って直線状に延びている。具体的には、複数の第１接続部９３は、径方向６に沿って放射状に延びている。
【００８７】
また、流体経路２００では、複数の第２入口開口９０ｂと、複数の第４部分２０４ｂと、１つの第２接続部９４と、収容空間１１０と、がこの順に並んでいるとも言える。第４部分２０４ｂは、径方向６に沿って直線状に延びている。具体的には、複数の第４部分２０４ｂは、径方向６に沿って放射状に延びている。軸方向５について、第４部分２０４ｂは、一対のスラスト軸受６０ａ，６０ｂからみてタービンホイール１０とは反対側に存する。図６から理解されるように、第２接続部９４は、回転軸２０の周囲に存する。
【００８８】
第１部分２０１ａの数は、１つであってもよい。第２部分２０２ａの数は、１つであってもよい。第３部分２０３ａの数は、１つであってもよい。第１接続部９３の数は、１つであってもよい。第４部分２０４ｂの数は、１つであってもよい。第２接続部９４の数は、複数であってもよい。
【００８９】
本実施の形態では、第１部分２０１ａの径と、第２部分２０２ａの径と、第３部分２０３ａの径とは、実質的に同一である。これらの部分２０１ａ，２０２ａ及び２０３ａの各々は、同一の断面積を維持した状態で延びている。
【００９０】
本実施の形態では、第４部分２０４ｂの径は、第１部分〜第３部分２０１ａ〜２０３ａの径よりも小さい。ただし、第４部分２０４ｂの径は、第１部分〜第３部分２０１ａ〜２０３ａの径と同じであってもよく、これらの径よりも大きくてもよい。
【００９１】
本実施の形態では、第１部分２０１ａ、第２部分２０２ａ、第３部分２０３ａ及び第４部分２０４ｂは、流入孔９７を構成している。具体的には、第１部分２０１ａ、第２部分２０２ａ及び第３部分２０３ａは、第１流入孔９７ａを構成している。第４部分２０４ｂは、第２流入孔９７ｂを構成している。
【００９２】
図４における実線矢印及び点線ブロック矢印は、作動流体の流れを模式的に示している。作動流体は、分岐経路２５０を流れ、径方向６の外側から箱８０に近づく。次に、作動流体は、分流し、その一部は第１入口開口９０ａから流体経路２００に流入し、別の一部は第２入口開口９０ｂから流体経路２００に流入する。前者の一部の作動流体は、第１入口開口９０ａ、第１流入孔９７ａ、第１接続部９３、第１導入開口９１ａ、第１介在空間１１０ａ、導出開口９２、流出孔９８及び出口開口９５をこの順に流れ、その後、箱８０の外部空間に排出される。後者の一部の作動流体は、第２入口開口９０ｂ、第２流入孔９７ｂ、第２接続部９４、第２導入開口９１ｂ、第２介在空間１１０ｂ、導出開口９２、流出孔９８及び出口開口９５をこの順に流れ、その後、箱８０の外部空間に排出される。
【００９３】
先に説明したように、ラジアルタービンのタービンホイール１０は、軸方向荷重を発生させる。しかしながら、本実施の形態の箱８０は、ラジアルタービン由来の軸方向荷重の少なくとも一部を相殺することができる。以下、この点について説明する。
【００９４】
収容空間１１０は、少なくとも１つの出口開口９５が開口する箱８０の外部空間の圧力に比べて高い圧力を有する圧力室である。そして、その収容空間１１０に、スラストカラー５０が収容されている。このため、スラストカラー５０に圧力が印加される。これにより、ラジアルタービン由来の軸方向荷重とは逆方向の軸方向荷重が得られる。この逆方向の軸方向荷重により、ラジアルタービン由来の軸方向荷重の少なくとも一部を相殺することができる。この相殺により、スラスト軸受６０ａ及び６０ｂが支持するべき軸方向荷重を小さくすることができる。これにより、スラスト軸受として気体軸受を用い易くなる。また、箱８０は、小型に構成され得る。このため、本実施の形態の技術は、小型の膨張タービン装置においてスラスト気体軸受を採用するのを容易にすると言える。
【００９５】
実際に、本実施の形態では、スラスト軸受６０ａ及び６０ｂとして気体軸受を用いている。これにより、タービンの回転数を高め易くなり、タービンにより実現される膨張機構の機械効率を高め易くなる。
【００９６】
さらに、気体軸受には、潤滑油が不要であるというメリットがある。潤滑油が不要であれば、潤滑系補機が原因で、膨張タービン装置２全体が大型化したり、装置２に要するコストが増大したりすることを避けることができる。
【００９７】
本実施の形態では、少なくとも１つの流出孔９８の総断面積は、少なくとも１つの流入孔９７の総断面積よりも小さい。このため、収容空間１１０の圧力が確保され易い。具体的には、本実施の形態では、少なくとも１つの流出孔９８の総断面積は、少なくとも１つの流入孔９７の総断面積の５０％以下である。少なくとも１つの流出孔９８の総断面積は、少なくとも１つの流入孔９７の総断面積の３０％以下にすることもできる。
【００９８】
一例では、少なくとも１つの流出孔９８の総断面積は、少なくとも１つの流入孔９７の総断面積の１０％以上である。このようにすれば、収容空間１１０の圧力が過度に高まって回転抵抗が過度に大きくなるという事態を招き難い。少なくとも１つの流出孔９８の総断面積は、少なくとも１つの流入孔９７の総断面積の１５％以上であってもよい。
【００９９】
少なくとも１つの流入孔９７の総断面積は、流入孔９７の数が１つの場合は、その１つの流入孔９７の断面積である。少なくとも１つの流入孔９７の総断面積は、流入孔９７の数が複数の場合は、各流入孔９７の断面積の総和である。少なくとも１つの流出孔９８の総断面積は、流出孔９８の数が１つの場合は、その１つの流出孔９８の断面積である。少なくとも１つの流出孔９８の総断面積は、流出孔９８の数が複数の場合は、各流出孔９８の断面積の総和である。孔の断面積は、その孔を流れる作動流体の進行方向に直交する断面の面積を指す。
【０１００】
本実施の形態によれば、収容空間１１０における作動流体の圧力を、タービンホイール１０の入口１０ｉにおける作動流体の圧力と同等にすることができる。例えば、収容空間１１０における作動流体の圧力を、タービンホイール１０の入口１０ｉにおける作動流体の圧力の８０〜１２０％とすることができる。
【０１０１】
本実施の形態では、回転軸２０には、軸方向荷重を生じさせる流体要素として、タービンホイール１０のみが取り付けられている。このようにすることは、膨張タービン装置２の小型化の観点から有利である。ここで、「流体要素」は、流体との間でエネルギー変換を行う要素を指す。
【０１０２】
タービンホイールの対となるコンプレッサインペラ等の流体要素を回転軸に取り付けず、且つ、箱８０を構成しない場合には、軸方向荷重が大きくなり易い。この場合には、タービンホイール由来の軸方向荷重に比べ、タービンホイール由来の軸方向荷重とは逆方向の軸方向荷重が大幅に小さくなり易いためである。このため、この場合には、スラスト軸受として気体軸受を用いるのは容易ではない。しかしながら、先に説明した通り、本実施の形態では、箱８０の収容空間１１０が圧力室であることにより、スラスト軸受６０ａ及び６０ｂとして気体軸受を用いることが容易となっている。コンプレッサインペラ等の流体要素を回転軸２０に取り付けることなくスラスト気体軸受を用いることができることは、本実施の形態による利点の１つである。
【０１０３】
本実施の形態では、単段のラジアルタービンが採用されている。以下、このことに基づく利点について説明する。
【０１０４】
容積型流体機械は、小流量の作動流体を高い圧力比で膨張させることに適している。このため、小出力の発電を行う場合には、容積型流体機械を用いて膨張機構を実現することが多い。一方、速度型流体機械は、大流量の作動流体を膨張させることができる構造を有している。このため、大出力の発電を行う場合には、軸流タービン等の速度型流体機械を用いて膨張機構を実現することが一般的である。しかしながら、単段の軸流タービンでは、高い圧力比を確保することは難しい。このため、火力発電所等において用いられる蒸気タービンでは、軸流タービンを複数段直列に配置することにより、大流量の作動流体を高い圧力比で膨張させている。
【０１０５】
ランキンサイクルを用いた発電機には、窯業炉、鋳造炉等の装置からの排熱を利用する発電機（以下、排熱回収発電機と称することがある）がある。排熱回収発電機は、上述の装置の補機として扱われる。このため、排熱回収発電機では、性能の確保のみならず、製造費用及び運用費用を抑えることが望まれる。製造費用及び運用費用を抑えためには、発電機の構造を簡易にすることが望ましい。発電機に適用される膨張タービン装置の構造を簡易にするには、タービンの段数を単段とすることが望ましい。
【０１０６】
この点、ラジアルタービンは、単段であっても、比較的大流量の作動流体を高い圧力比で膨張させることができる。このような理由で、単段のラジアルタービンを用いた膨張機構は、流量及び圧力比を確保するとともに膨張タービン装置の構造を簡易化する観点から有利である。これを考慮し、本実施の形態では、ラジアルタービンを、単段のラジアルタービンとしている。つまり、タービンホイール１０の数を１つとしている。
【０１０７】
本実施の形態では、先に説明したように、箱８０が圧力室を有していることにより、ラジアルタービン由来の軸方向荷重の少なくとも一部を相殺している。圧力室によりラジアルタービンの採用が容易となっており、圧力室とラジアルタービンの組み合わせにより膨張タービン装置の構造を簡易にし易くなっていると言える。
【０１０８】
念のために断っておくが、単段のラジアルタービンは、排熱回収発電機ではない発電機に組み込まれる膨張タービン装置にも適用可能である。
【０１０９】
本実施の形態では、作動流体として、フッ素系冷媒を用いている。このため、膨張タービン装置２では、オーガニックランキンサイクルが構成されている。ここで、フッ素系冷媒は、フッ素原子を含有する成分を含む冷媒を指す。フッ素系冷媒は、低温度でも蒸発するため、熱を好適に搬送できる。具体的には、フッ素系冷媒は、低温低圧の条件でも蒸発し、蒸発により圧力が大幅に高圧化するという特徴を有する。このため、フッ素系冷媒によれば、高いサイクル効率を確保し易い。
【０１１０】
例えば、２００℃程度までの比較的低温度の熱源から熱を回収する出力１〜１００ｋＷクラスの膨張タービン装置２では、フッ素系冷媒の上記特徴を特に有効に活かすことができる。ただし、膨張タービン装置２が比較的高温度の熱源から熱を回収するものであったり、出力が大きいものであったりする場合にも、作動流体としてフッ素系冷媒を採用することができる。
【０１１１】
フッ素系冷媒を採用すると、タービンホイール由来の軸方向荷重が増大する。しかしながら、先に説明した通り、本実施の形態では、収容空間１１０が圧力室であることにより、スラスト軸受として気体軸受を用いることが容易となっている。フッ素系冷媒を採用しつつスラスト気体軸受を用いることができることは、本実施の形態による利点の１つである。
【０１１２】
フッ素系冷媒を採用しつつ気体軸受を採用する場合には、フッ素系冷媒が潤滑油に混入して潤滑油の粘度が低下するという問題が回避される。気体軸受は潤滑油を必要としないためである。フッ素系冷媒と気体軸受の組み合わせによれば、各々の利点を享受しつつ、フッ素系冷媒に由来する上記問題の発生を回避することができる。
【０１１３】
なお、フッ素系冷媒以外の作動流体を用いることも可能である。例えば、大気中の空気を作動流体として用いることもできる。
【０１１４】
本実施の形態では、箱８０は、径方向６についてスラストカラー５０の外周端よりも内側において収容空間１１０に開口する少なくとも１つの内側開口を有している。流体経路２００上において、少なくとも１つの入口開口９０のうちの少なくとも１つの開口と、少なくとも１つの内側開口と、収容空間１１０とは、この順に現れる。図２及び図５等から理解されるように、本実施の形態では、回転軸２０を取り囲む１つの第１導入開口９１ａと、回転軸２０を取り囲む周方向７に沿って断続的に配置された複数の第２導入開口９１ｂが、内側開口に該当する。具体的には、全ての導入開口９１が内側開口に該当する。ただし、導入開口９１の一部のみが内側開口に該当するようにしてもよい。以下、内側開口に基づく利点について説明する。
【０１１５】
スラストカラーの外周端よりも径方向外側の位置から収容空間に作動流体を供給する方式を、第１供給方式とする。スラストカラーの外周端よりも径方向内側の位置から収容空間に作動流体を供給する方式を、第２供給方式とする。収容空間では、高圧の作動流体がスラストカラーの回転方向と同一回転方向に回転している。この状況においては、第１供給方式ではなく第２供給方式を採用した方が、作動流体は収容空間にスムーズに流入し易い。また、第１供給方式ではなく第２供給方式を採用した方が、収容空間に流入する作動流体を収容空間にもともと存する作動流体の流れに沿わせ易く、収容空間における作動流体の流れを乱し難い。
【０１１６】
内側開口によれば、第２供給方式で作動流体を収容空間１１０に供給することができる。このため、作動流体は収容空間１１０にスムーズに流入し、且つ、収容空間１１０における作動流体の流れは乱れ難い。本実施の形態によれば、これらの作用が相俟って、スラストカラー５０とスラスト軸受６０ａ，６０ｂとの間の摩擦損失が低くなり、機械効率が高くなる。
【０１１７】
本実施の形態では、箱８０は、径方向６についてスラストカラー５０の外周端よりも外側において収容空間１１０に開口する少なくとも１つの外側開口を有する。流体経路２００上において、収容空間１１０と、少なくとも１つの外側開口と、少なくとも１つの出口開口９５のうちの少なくとも１つの開口とは、この順に現れる。図２等から理解されるように、本実施の形態では、全ての導出開口９２が外側開口に該当する。ただし、導出開口９２の一部のみが外側開口に該当するようにしてもよい。
【０１１８】
作動流体は、遠心力により、径方向６の外側に向かおうとする。外側開口は、内側開口よりも径方向６の外側に存する。このため、本実施の形態によれば、収容空間１１０における作動流体の流れがスムーズになる。これにより、機械効率が高くなる。
【０１１９】
本実施の形態では、少なくとも１つの被シール部２１０ａにおける作動流体の圧力が、リップシール４０を変形させ、第２間隙１２２の径方向６の寸法を小さくする。これにより、タービンホイール１０側の高温の作動流体が、第１間隙１２１及び第２間隙１２２を介して被シール部２１０ａに漏れ込み難くなる。これにより、高温の作動流体が収容空間１１０に流入し難くなり、スラスト軸受６０ａ及び６０ｂの温度上昇が抑制される。スラスト軸受６０ａ及び６０ｂの軸受の温度上昇が抑制されると、材料の熱膨張に基づく回転軸２０の寸法変化及び変形が抑制される。このため、回転軸２０とともに回転する回転部品が固定部品と接触することが防止される。本実施の形態によれば、このような理由で、膨張タービン装置２の信頼性を向上させ、寿命を長くすることができる。
【０１２０】
なお、リップシールの変形を完全に防止することは難しい。また、従来の非接触式のリップシールは、流体から圧力が印加されると漏れが大きくなるように配置されている場合が多い。そのような配置は漏れを低減するのに適していない。これに対し、本実施の形態では、リップシール４０は、流体から圧力が印加されると漏れが小さくなるように配置されている。このため、本実施の形態では、リップシール４０は、非接触式のシールでありながら、漏れを低減するのに適している。
【０１２１】
本実施の形態では、リップシール４０における第１間隙１２１の反対側に存する凹面４１には、少なくとも一本の筋状の溝が切られている。このような筋状の溝によれば、リップシール４０の変形量を調整することが容易となる。例えば、溝の太さ、数等により、変形を調整することができる。溝は、例えば、回転軸を取り巻くように方向に延びる１又は複数の環状溝である。
【０１２２】
本実施の形態では、箱８０は、軸方向５について、発電機回転子３１と発電機固定子３２の組み合わせと、タービンホイール１０との間に配置されている。タービンホイール１０の最大直径をＲとしたとき、箱８０の径方向６の寸法Ｄは、例えば２Ｒ以下である。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本開示に係る技術によれば、小型のスラスト気体軸受を用いた膨張タービン装置を実現できる。これにより、膨張タービン装置の信頼性を確保しつつ、高い作動効率を確保することができる。
【符号の説明】
【０１２４】
２            膨張タービン装置
５            軸方向
６            径方向
７            周方向
１０          タービンホイール
１０ｉ        入口
１５          ダクト
２０          回転軸
３１          発電機回転子
３２          発電機固定子
４０          リップシール
４１          凹面
５０          スラストカラー
５１ａ，５１ｂ  回転面
６０ａ，６０ｂ  スラスト軸受
６１ａ，６１ｂ，７１  軸受面
７０          ラジアル軸受
８０          箱
９０，９０ａ，９０ｂ，９１，９１ａ，９１ｂ，９２，９５  開口
９３，９４    接続部
９７，９７ａ，９７ｂ，９８  孔
１００        ノズル
１１０        収容空間
１１０ａ，１１０ｂ  介在空間
１１０ｃ  周囲空間
１２０        仕切り
１２０ａ      シールプレート
１２０ｂ，１２０ｃ  アタッチメント
１２１，１２２  間隙
２００        流体経路
２０１ａ，２０２ａ，２０３ａ，２０４ｂ  部分
２１０ａ      被シール部
２５０        分岐経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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