(57)【要約】【課題】ノズル部材の駆動部にガス差圧に起因する軸方向の力が作用することを回避できる可変ノズル機構付き膨張タービンを提供する。【解決手段】真空容器４８の内部に設置され、タービンインペラ５０を内蔵し、極低温ガスを断熱膨張させる際にタービンインペラを回転駆動する断熱膨張装置４４を有し、真空容器４８の外部に設置される駆動部材５３からの駆動力によって断熱膨張装置４４の外端の近傍に配置されたノズル部材５４を駆動することによりタービンインペラ５０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付き膨張タービンにおいて、駆動部材５３はタービンインペラ５０の同軸に配置される円筒部材５８を有し、円筒部材５８の胴部軸方向の延長上にノズル部材５４が設けられる。【選択図】図２
2008248748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器の内部に設置され、タービンインペラを内蔵し、極低温ガスを断熱膨張させる際に前記タービンインペラを回転駆動する断熱膨張装置を有し、前記真空容器の外部に設置される駆動部材からの駆動力によって前記断熱膨張装置の外端の近傍に配置されたノズル部材を駆動することにより前記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付き膨張タービンにおいて、
前記駆動部材は前記タービンインペラの同軸に配置される円筒部材を有し、
前記円筒部材の胴部軸方向の延長上に前記ノズル部材が設けられることを特徴とする可変ノズル機構付き膨張タービン。
【請求項２】
前記ノズル部材はタービンインペラの軸心を中心とする円環状に形成され、
前記ノズル部材の直径と前記円筒部材の直径とが略一致す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膨張タービン。
【請求項３】
高圧ガス領域と低圧ガス領域とを遮断するためのシール部材が、前記円筒部材の胴部内周側に設けられることを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか一項に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。
【請求項４】
前記断熱膨張装置の本体の外端に着脱可能に当接するプレート部材を備え、
前記プレート部材に前記ノズル部材の支持側が連結支持され、
前記ノズル部材の駆動側が前記フランジ部材に連結支持されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。
【請求項５】
前記プレート部材と前記フランジ部材は、前記タービンインペラの軸方向において、前記ノズル部材の背向する面にそれぞれ密着して配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。
【請求項６】
前記ノズル部材は、前記タービンインペラを囲んで配置され、それぞれ支持ピンにより前記プレート部材に揺動可能に連結支持された複数の可動ノズル板からなり、
前記可動ノズル板のそれぞれと前記フランジ部材とは駆動ピンで連結支持されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。
【請求項７】
前記可動ノズル板の支持側に前記タービンインペラと同軸方向を向く第一雌ねじ孔を設け、前記第一雌ねじ孔には、前記支持ピンの一端部に形成された雄ねじ部が螺合されるとともに、前記支持ピンの他端部は、前記プレート部材に前記第一雌ねじ孔と対向するように設けられた凹孔に回動可能に接続され、
前記可動ノズル板の駆動側に前記タービンインペラと同軸方向を向く長孔を設け、
前記フランジ部材には前記長孔と対向するように第二雌ねじ孔を設け、
前記第二雌ねじ孔に、前記駆動ピンの一端部に形成された雄ねじ部を螺合するとともに、前記駆動ピンの他端部が前記長孔に案内可能に接続されることを特徴とする請求項６に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリウム冷凍機などの大型の冷凍機に用いる可変ノズル機構付き膨張タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷凍機の熱効率を向上させるために、膨張タービンが使用されており、この膨張タービンに導入されるガスの流量を調整するものとして、図６に示すような可変ノズル機構１０を用いた膨張タービンが知られている（例えば特許文献１参照）。
この可変ノズル機構１０は、タービンインペラ１２へ流入する極低温ガスのスロート面積を変化させるために用いられるノズル部材１４と、ノズル部材１４を駆動するために用いる駆動部材１６とから構成されている。そして、ノズル部材１４は、真空容器１８内に設置された断熱膨張装置２０に内蔵されており、駆動部材１６は、機械的な信頼性を確保する観点から低温に晒されないように真空容器１８の外部に配置されている。
【０００３】
図６に示すように、ノズル部材１４と駆動部材１６は、タービンインペラ１２と同軸の薄い円筒部材２２で連結されており、タービンインペラ１２の軸心Ｃを中心とする円筒部材２２の揺動によりノズル部材１４を駆動するようになっている。
ノズル部材１４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２４により断熱膨張装置２０に揺動可能に連結支持された複数の可動ノズル板１４ａと、円筒部材２２の内端に連結され且つ各可動ノズル板１４ａと駆動ピン２６を介して係合する駆動円板２８とから構成されている。
これらは、駆動側に設けられた押さえバネ３０によって軸心Ｃの方向の付勢力を受けて断熱膨張装置２０に押さえつけられ、ノズル部材１４と駆動円板２８及び断熱膨張装置２０との間で隙間が生じないようにすることで、ノズル面のガス漏れを防止している。こうすることによって、膨張タービンの性能低下が生じないようにされている。
また、駆動部材１６は、円筒部材２２の外端に連結されタービンインペラ１２の軸心Ｃを中心として揺動可能な歯車３２を回転駆動するパルスモータ等の回転駆動装置３６により構成されている。
【０００４】
そして、この可変ノズル機構１０は、回転駆動装置３６を駆動させることにより、円筒部材２２をタービンインペラ１２の軸心Ｃを中心に揺動させ、駆動円板２８を揺動し、支持ピン２４を中心に可動ノズル板１４ａを揺動駆動させることで可動ノズル板１４ａの角度を変える。こうして、可変ノズルのスロート面積を連続的に変化させることにより、ガスの通過流量を調整するようになっている。
【０００５】
このような従来の膨張タービンでは、極低温ガスを断熱膨張させる際にタービンインペラ１２を回転駆動することから、タービンインペラ１２側のノズル部材１４出口側１５ｂのガスの圧力は低く、ノズル部材１４入口側１５ａのガス圧力は高い状態になっている。
そして、このガスは、ノズル部材１４に隣接する駆動円板２８や断熱膨張装置２０との境界面内に入り込んで、各境界面に圧力を及ぼすようになっている。すなわち、ノズル部材１４入口側１５ａの高圧ガスは、円筒部材２２と真空容器１８のケーシング１９との間の小さな隙間１に入り込んで介在するようになっている。この高圧ガスは、円筒部材２２の胴部外周面２３に設けられたＯリングシール等のシール部材２５により軸方向の流動を阻止されている。
【０００６】
一方、ノズル部材１４出口側１５ｂの低圧ガスは、断熱材１７と駆動円板２８との間の小さな隙間２を通って、駆動円板２８の背後面（外端面）と断熱材１７との間の隙間３に回り込むようになっており、円筒部材２２の内周面と断熱材１７の間の隙間４、外側フランジ２１の外端面５、歯車３２の周り、外側フランジ２１の内端面とケーシング１９との間の隙間６、円筒部材２２の外周面２３とケーシング１９との間の隙間７に圧力を作用させて、シール部材２５により軸方向の流動を阻止されている。このように各部材にはガスによる圧力が作用するようになっている。
【０００７】
また、このような従来の可変ノズル機構１０を用いた膨張タービンでは、構成部品のメンテナンスを容易にする観点から、駆動部材１６と円筒部材２２と歯車３２とローターシャフト３８とを含む駆動部４０が真空容器１８内の断熱膨張装置２０から一体的に取り外せる構成となっている。なお、ノズル部材１４は、断熱膨張装置２０に置き去りとなる。
【特許文献１】特開２００１−１３２４１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記した従来の可変ノズル機構１０を用いた膨張タービンでは、各部材にガスの圧力が作用する結果、駆動円板２８には軸方向外向きの力が作用することになる。すなわち、駆動円板２８の内端の面８には、高圧ガスに接する半径方向外寄りのノズル部材１４入口側１５ａの面８ａでは、高圧のガス圧力が作用し、低圧ガスに接する半径方向内寄りのノズル部材１４出口側１５ｂの面８ｂでは、低圧のガス圧力が作用している。他方、駆動円板２８の外端の面９には、駆動円板２８の背後に回り込んだ低圧のガスの圧力が作用する。
【０００９】
このため、駆動円板２８の半径方向内寄りの内端面８ｂ及び外端面９に作用する低圧のガスの圧力の軸方向成分は、互いに相殺され得るが、半径方向外寄りの内端面８ａに作用する高圧のガスの圧力と、外端面９に作用する低圧のガスの圧力の軸方向成分は高圧側が上回るために相殺できない。そしてこの結果、高圧と低圧の差圧によって駆動円板２８を軸方向外方に押す力が生じることになる。
【００１０】
この駆動円板２８の内端面８には、ノズル部材１４の駆動側の面が当接するようにして連結されている。従って、差圧によって駆動円板２８を軸方向外方に押す力は、ノズル部材１４を軸方向外方に持ち上げる力となって作用する。このため、ノズル部材１４と断熱膨張装置２０との間に隙間を生じさせ、この隙間からのガス漏れを誘発してタービン性能を低下させてしまうおそれがあった。
【００１１】
また、こうした隙間の発生を防止するために、ノズル部材を持ち上げる力への対抗力として、押さえバネ３０を通常用いている。しかし、この差圧による力は非常に大きいものであり、例えば、ノズル部材１４入口側１５ａのガス圧が２ＭＰａ、ノズル部材１４出口側１５ｂのガス圧が１ＭＰａの場合には圧力差は１ＭＰａとなる。このため、ノズル部材１４を持ち上げる力に対する対抗力として最大で約４００ｋｇｆ（３．９２ｋＮ）という非常に大きな軸方向の力を支持できる押さえバネ３０が必要となっていた。
【００１２】
さらに、この場合、差圧を押さえ込む対抗力を作用させつつノズル部材１４を駆動しなければならなくなるので、過大な駆動トルクが必要となって装置が大掛かりになるともに、設計の際に構成部品の強度を十分考慮しなければならないという手間と労力を要していた。
このため、ノズル部材を持ち上げる力を低減することができるとともに、タービン性能に影響を与えることのない膨張タービンの開発が求められていた。
【００１３】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ノズル部材の駆動部にガス差圧に起因する軸方向の力が作用することを回避して、過大な抑止力を不要とするとともに駆動トルクや部品強度に関する特別な配慮を要せず、しかも膨張タービンの本来性能に影響を与えることのない簡易な構成の可変ノズル機構付き膨張タービン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】
【００１４】
本発明に係る可変ノズル機構付き膨張タービンでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明は、真空容器の内部に設置され、タービンインペラを内蔵し、極低温ガスを断熱膨張させる際に前記タービンインペラを回転駆動する断熱膨張装置を有し、前記真空容器の外部に設置される駆動部材からの駆動力によって前記断熱膨張装置の外端の近傍に配置されたノズル部材を駆動することにより前記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付き膨張タービンにおいて、前記駆動部材は前記タービンインペラの同軸に配置される円筒部材を有し、前記円筒部材の胴部軸方向の延長上に前記ノズル部材が設けられることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、ノズル部材の駆動側は円筒部材の内端に連結支持され、円筒部材の胴部軸方向の延長上にノズル部材が設けられることで、ノズル部材のガス導入側の高圧のガスが円筒部材の内端のフランジ部材から胴部の一方の周面側に回り込むように分布して円筒部材のフランジ部材に作用する高圧のガス圧の軸方向成分が互いに相殺されるとともに、ノズル部材のガス導出側の低圧のガスが円筒部材の内端のフランジ部材から胴部の他方の周面側に回り込むように分布して円筒部材のフランジ部材に作用する低圧のガス圧の軸方向成分が互いに相殺される。
このように、ノズル部材の駆動側が連結支持される円筒部材のフランジ部材に作用するガス圧の軸方向成分を、高圧・低圧のガス圧同士によってそれぞれ相殺することにより、円筒部材に働く軸方向のガス圧力を低減する。
【００１６】
本発明に係る他の可変ノズル機構付き膨張タービンは、上記において、前記ノズル部材はタービンインペラの軸心を中心とする円環状に形成され、前記ノズル部材の直径と前記円筒部材の直径とが略一致することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、ノズル部材の直径と円筒部材の直径とを略一致させることで、円筒部材の内端のフランジ部材から胴部の一方の周面側に回り込むように分布する高圧のガス圧の軸方向成分の作用領域がフランジ部材の内端面と外端面とに略均等に形成される。同時に、円筒部材の内端のフランジ部材から胴部の他方の周面側に回り込むように分布する低圧のガス圧の軸方向成分の作用領域がフランジ部材の内端面と外端面とに略均等に形成される。
このように、ノズル部材の駆動側が連結支持される円筒部材のフランジ部材に作用するガス圧の軸方向成分の作用領域を、高低圧それぞれの領域においてフランジ部材の両面に略均等に形成して、円筒部材に働く軸方向のガス圧力を低減する。
【００１８】
本発明に係る他の可変ノズル機構付き膨張タービンは、上記において、高圧ガス領域と低圧ガス領域とを遮断するためのシール部材が、前記円筒部材の胴部内周側に設けられることを特徴とする。
本発明によれば、円筒部材の胴部に設けられたシール部材が高圧のガス領域と低圧のガス領域とを遮断するので、円筒部材の胴部内周側においてガスの軸方向の流動を阻止するとともに、円筒部材にはシール部材を介して軸方向内向きの力が作用する。
【００１９】
本発明に係る他の可変ノズル機構付き膨張タービンは、上記において、前記断熱膨張装置の本体の外端に着脱可能に当接するプレート部材を備え、前記プレート部材に前記ノズル部材の支持側が連結支持され、前記ノズル部材の駆動側が前記フランジ部材に連結支持されることを特徴とする。
本発明によれば、ノズル部材の支持側はプレート部材に連結支持され、ノズル部材の駆動側がフランジ部材に連結支持される。そして、プレート部材は真空容器の内部に設置された断熱膨張装置の本体の外端に着脱可能に当接して設けられる。こうすることで、フランジ部材とノズル部材とプレート部材とが軸方向に接続され、極低温ガスがこれらの隙間に流れることなくタービンインペラに導入される。
【００２０】
本発明に係る他の可変ノズル機構付き膨張タービンは、上記において、前記プレート部材と前記フランジ部材は、前記タービンインペラの軸方向において、前記ノズル部材の背向する面にそれぞれ密着して配置されることを特徴とする。
本発明によれば、タービンインペラの軸方向において、ノズル部材の背向する面に、プレート部材と前記フランジ部材とが密着するので、極低温ガスがこれらの隙間に流れることなくタービンインペラに導入される。
【００２１】
本発明に係る他の可変ノズル機構付き膨張タービンは、上記において、前記ノズル部材は、前記タービンインペラを囲んで配置され、それぞれ支持ピンにより前記プレート部材に揺動可能に連結支持された複数の可動ノズル板からなり、前記可動ノズル板のそれぞれと前記フランジ部材とは駆動ピンで連結支持されることを特徴とする。
本発明によれば、複数の可動ノズル板がそれぞれ支持ピンでプレート部材に連結支持され、フランジ部材は各可動ノズル板と駆動ピンで連結支持される。こうすることで、駆動部材と複数の可動ノズル板とプレート部材とが軸方向に接続され、極低温ガスがこれらの隙間に流れることなくタービンインペラに導入される。
【００２２】
本発明に係る他の可変ノズル機構付き膨張タービンは、上記において、前記可動ノズル板の支持側に前記タービンインペラと同軸方向を向く第一雌ねじ孔を設け、前記第一雌ねじ孔には、前記支持ピンの一端部に形成された雄ねじ部が螺合されるとともに、前記支持ピンの他端部は、前記プレート部材に前記第一雌ねじ孔と対向するように設けられた凹孔に回動可能に接続され、前記可動ノズル板の駆動側に前記タービンインペラと同軸方向を向く長孔を設け、前記フランジ部材には前記長孔と対向するように第二雌ねじ孔を設け、前記第二雌ねじ孔に、前記駆動ピンの一端部に形成された雄ねじ部を螺合するとともに、前記駆動ピンの他端部が前記長孔に案内可能に接続されることを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、各可動ノズル板の支持側はプレート部材とねじ結合されるとともに、各可動ノズル板の駆動側はフランジ部材にねじ結合される。さらに各駆動ピンの他端部が各可動ノズル板の長孔に案内可能に接続される。こうすることで、フランジ部材と複数の可動ノズル板とプレート部材とがより強固に軸方向に接続されるとともに、各可動ノズル板はフランジ部材の駆動によって配置角度を変化させる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、フランジ部材の内端面と外端面に作用するガスの圧力による軸力が、ほぼバランスするように調整されるので、ノズル部材を持ち上げる力（ガス差圧に起因する軸方向の力）を大幅に低減することができる。
これにより、過大な抑止力を不要とするとともに駆動トルクや部品強度に関する特別な配慮などの設計手間を要しない。また、隙間からのガス漏れを誘発しにくいので、膨張タービンの本来性能に影響を与えることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係る可変ノズル機構付き膨張タービンの実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本実施形態に係る可変ノズル機構付き膨張タービン４２の一例を示す全体構成図であり、図２は図１のＡ部拡大図であり、図３は図１のＢ部拡大図であり、図４は可変ノズル部の構造の一例を示した斜視図であり、図５は駆動部側の部分的な分解概要図である。
【００２６】
図１に示すように、膨張タービン４２は、断熱膨張装置４４、断熱材４５、ローターシャフト４７、軸受４９、押さえバネ５１、制動装置４６、可変ノズル機構１００を備えており、さらにこれらを収納するケーシング９０を備える。
断熱膨張装置４４は、真空容器４８の内部の低温側領域に設置され、タービンインペラ５０を内蔵しており、極低温ガス（例えば温度４〜６４Ｋのガス）を断熱膨張させる際にタービンインペラ５０を回転駆動するようになっている。
断熱材４５は、低温側との境界部に設けられ、半径方向に２つ割れとなっており、内径側に設けられる断熱材４５ａと、外径側に設けられる断熱材４５ｂとからなる。この断熱材４５は、常温側からの入熱を抑制するようになっており、ガラスＦＲＰ等が用いられる。
ローターシャフト４７は、軸受４９に回転可能に支持され、タービンインペラ５０の回転を常温側の制動装置４６に伝達するようになっている。
制動装置４６は、真空容器４８の外部の常温側領域に設置されている。制動装置４６としては例えばタービンインペラ５０の軸心Ｃと同軸に連結された電動発電機（不図示）を用いることが可能である。
また、押さえバネ５１は、後述する円筒部材５８のフランジ部材５２及びノズル部材５４を断熱膨張装置４４へ押し付けるように付勢することで、フランジ部材５２とノズル部材５４と断熱膨張装置４４との間の隙間からのガスの漏れを防止するようにし、膨張タービンの効率低下を防ぐようになっている。
【００２７】
可変ノズル機構１００は、図１，２に示すように、真空容器４８の外部の常温側領域に設置される薄い円筒部材５８の内端に設けられた中空円板状のフランジ部材５２と、フランジ部材５２の内端側に配置され、断熱膨張装置４４の本体の外端の近傍に配置されたノズル部材５４と、断熱膨張装置４４の本体の外端に当接するようにして軸心Ｃと同軸に設けられたプレート部材５６とからなる。そして、ノズル部材５４は、円筒部材５８の胴部軸方向の延長上に設けられている。
このプレート部材５６とフランジ部材５２は、ノズル部材５４の互いに背向する面６０，６２に接触するように配置されて、対面して軸心Ｃの方向に離間し、ノズル部材５４の支持側はプレート部材５６に連結支持され、ノズル部材５４の駆動側はフランジ部材５２に連結支持されている。
【００２８】
円筒部材５８の外端には駆動部材５３としての大歯車８６が連結されており、この大歯車８６は回転駆動装置８８の駆動軸からの駆動力を受けて回動し、円筒部材５８を揺動させるようになっている。
そして、円筒部材５８の揺動によりフランジ部材５２が駆動すると、ノズル部材５４が駆動してタービンインペラ５０へ導入する極低温ガスのスロート面積を変化させ、これによりタービンインペラ５０におけるガス通過流量を調整することができるようになっている。
なお、薄い円筒部材５８は、ノズル部材５４の駆動に必要十分な薄さ（例えば０．５ｍｍ程度の厚さ）にすることができる。このように薄くすることで、常温側に配置された円筒部材５８から低温側への伝熱量を小さく抑えるようになっている。
【００２９】
フランジ部材５２は、円筒部材５８の内端に連結された軸心Ｃと同軸の中空円板状の部材であり、円筒部材５８との連結部を基端として半径方向内方及び外方に向かって突き出されるように形成されている。そして、フランジ部材５２の内端側にはノズル部材５４が接触して配置される。このノズル部材５４は、円筒部材５８の胴部軸方向の延長上に位置するように設けられる。そして、ノズル部材５４の外径側にはノズル入口５５ａが、内径側にはノズル出口５５ｂが位置するようになっており、ノズル入口５５ａにおけるガス圧は高く、ノズル出口５５ｂのそれは低い状態になっている。このため、フランジ部材５２の内端の面は、ノズル部材５４設置箇所より内径側部分は低圧に、外径側部分は高圧に晒されるようになっている。
【００３０】
ノズル入口５５ａ側の高圧ガスは、フランジ部材５２とケーシング９０との間に形成される半径方向に延びる狭い隙間９１に入り込んで、さらに、軸方向に延びる隙間９２を通って、フランジ部材５２の背後（外端側）と外径側の断熱材４５ｂとの間に形成される半径方向に延びる狭い隙間９３に回り込むようになっている。
ついで、この高圧ガスは、円筒部材５８の外周部と断熱材４５ｂとの間に形成される軸方向に延びる界面間９４を通って、円筒部材５８の外端から半径方向に延びる中空円板状の第一中間部材５９の内端と断熱材４５ｂとの間に形成される半径方向に延びる隙間９５を通り抜け、第一中間部材５９の外径側端部から軸方向外方に延びる薄い円筒状の第二中間部材６１の外周部とケーシング９０との間に形成される界面間９６を通って、大歯車８６の周りを回り込むようになっている。
【００３１】
さらに、この高圧ガスは、第二中間部材６１の内周部と軸受４９との間に形成される軸方向に延びる界面間９７を通って、第一中間部材５９の内端と軸受４９との間に形成される半径方向に延びる界面間９８を通り、円筒部材５８の内周側と軸受４９との間に形成される軸方向に延びる界面９９を通る。そして、円筒部材５８の内周側８７であって第一中間部材５９との連結部近傍に設けられるＯリングシール８５により流動を阻止されるようになっている。
すなわち、高圧ガスは、ノズル入口５５ａ側から、フランジ部材５２とケーシング９０の間を入り込み、大歯車８６を回り込んでＯリングシール８５に至る界面経路９１〜９９に介在するようになっている。このため、円筒部材５８やフランジ部材５２には高いガス圧が常時作用している。
【００３２】
一方、ノズル出口５５ｂ側の低圧ガスは、フランジ部材５２とタービンインペラ５０との間に形成される軸方向に延びる狭い隙間１０３に入り込んで、フランジ部材５２の背後（外端側）と断熱材４５ａとの間で形成される半径方向に延びる狭い隙間１０２に回り込むようになっている。ついで、この低圧ガスは、円筒部材５８の内周部と断熱材４５ａ及び軸受４９との間で形成される軸方向に延びる界面間１０１を通って、円筒部材５８の内周側に設けられるＯリングシール８５により流動を阻止されるようになっている。
すなわち、低圧ガスは、ノズル出口５５ｂ側から、フランジ部材５２とタービンインペラ５０及び断熱材４５ａの間を入り込んでＯリングシール８５に至るこれらの界面経路１０１〜１０３に介在するようになっている。このため、円筒部材５８やフランジ部材５２には低いガス圧が常時作用している。
【００３３】
Ｏリングシール８５は、高圧ガス領域と低圧ガス領域とを遮断するための環状断面の金属製シールであり、円筒部材５８の胴部内周８７側の軸受４９の外周部に周方向に形成された溝８９内に装着され、ガスの軸方向の流動を防いでいる。したがって、界面間９９は高圧、界面間１０１は低圧に保たれるようになっている。
【００３４】
上記の構成において、フランジ部材５２の内径側の両側面に作用する低圧ガスの圧力は軸方向に互いに相殺される。また、フランジ部材５２の外径側の両側面に作用する高圧ガスの圧力も軸方向に互いに相殺される。同様に、第一中間部材の両側面（界面間９５，９８に対応する面）に作用する高圧ガスの圧力も互いに軸方向に相殺される。さらに、大歯車８６に作用する高圧ガスの圧力の軸方向成分も同様に相殺され、円筒部材５８、フランジ部材５２に作用する軸方向成分は理論上ゼロとなる。
【００３５】
このように、本実施形態に係る膨張タービン４２は、円筒部材５８の胴部軸方向の延長上にノズル部材５４を配置し、シール部材としてのＯリングシール８５を円筒部材５８の動部内周８７側に設けたことから、フランジ部材５２に作用する圧力の軸方向成分を効果的に相殺することができる。これによって、従来、ノズル出入口のガスの差圧により生じていたノズル部材５４を持ち上げる大きな力を、理論上ゼロ近くにまで低減することができる。このため、ノズル部材５４を軸方向内方に押さえ込む過大な押さえ力が不要となる。
【００３６】
上記の実施形態において、環状のノズル部材５４の直径（円環外径、円環内径若しくは中間の径）と、円筒部材５８の直径（外周径、と内周径若しくは中間の径）とを略一致させることにより、円筒部材５８の胴部軸方向の延長上にノズル部材５４を配置するようにしてもよい。
【００３７】
次に、ノズル部材５４とフランジ部材５２とプレート部材５６との間の隙間発生を抑制するための構成をより具体的に説明する。
ノズル部材５４は、図３、４（ａ）に示すように、軸心Ｃを中心とした円周上にタービンインペラ（不図示）を囲むように離れて配置された複数の可動ノズル板５４ａから構成されている。
各可動ノズル板５４ａは、図４（ｂ）に示すように、略涙滴形状の断面を呈しており、その内端の面６０はプレート部材５６の外端の面に当接し、可動ノズル板５４ａの外端の面６２はフランジ部材５２の内端の面に当接するように配置され、さらに、略涙滴形状の頂部側が軸心Ｃを中心とする円の半径方向内側に、円弧側が半径方向外側に向くように配置されている。
そして、可動ノズル板５４ａの支持側の面６０の頂部側部分には軸心Ｃの方向を向く第一雌ねじ孔６４が形成され、円弧側部分には略涙滴形状の長手方向に長孔６６が形成されている。この長孔６６は内端の面６０と外端の面６２とを軸心Ｃの方向に貫通するように形成され、長手方向の両端が半円状になった略長方形状をしているが、可動ノズル板５４ａの内部で段差６８が形成されることによって、軸心Ｃに沿って切った断面が図３に示すような凸状をなし、外端の面６２の長孔６６ａの面積は、内端の面６０の長孔６６よりも小さい形状に形成されている。
【００３８】
支持ピン７０及び駆動ピン７２は、図４（ｃ）に示すように、これらの先端部には雄ねじ部７４が形成され、他端部には先端部よりも大径の頭部７６が形成されている。さらに、頭部７６と雄ねじ部７４との間には雄ねじ部７４と略同径の摺動部７８が形成されている。
そして、支持ピン７０の先端部の雄ねじ部７４は、可動ノズル板５４ａの各第一雌ねじ孔６４に螺合するようになっている。
支持ピン７０の頭部７６及び摺動部７８は、プレート部材５６に第一雌ねじ孔６４と対向するように設けられ、可動ノズル板５４ａに近い側が狭く形成された段差８０付きの凹孔８２に嵌り込むことで、可動ノズル板５４ａとプレート部材５６とを回動可能に連結させるとともに、これらを軸心Ｃの方向に支持している。
【００３９】
駆動ピン７２の先端部の雄ねじ部７４は、フランジ部材５２に長孔６６ａと対向する位置に設けられた第二雌ねじ孔８４に螺合するようになっている。駆動ピン７２の頭部７６及び摺動部７８は、頭部７６が可動ノズル板５４ａの支持側の長孔６６内を、摺動部７８が駆動側の長孔６６ａ内を滑って摺動できるように長孔６６にゆるく嵌り込むことで、駆動ピン７２が長孔６６に沿って摺動可能なように可動ノズル板５４ａに連結されるとともに、フランジ部材５２と可動ノズル板５４ａとを軸心Ｃの方向に支持している。
【００４０】
そして、円筒部材５８の揺動によりフランジ部材５２が回動駆動すると、各可動ノズル板５４ａは、プレート部材５６に連結されたそれぞれの支持ピン７０を中心に揺動すると同時に、駆動ピン７２の頭部７６及び摺動部７８が可動ノズル板５４ａの長孔６６に案内されるように摺動することで、可動ノズル板５４ａの配置角度が変更され、タービンインペラ５０へ導入する極低温ガスのスロート面積を連続的に変化させるようになっている。
【００４１】
このように、支持ピン７０の雄ねじ部７４が可動ノズル板５４ａの第一雌ねじ孔６４にねじ結合され、この頭部７６が凹孔８２内の段差８０によって軸心Ｃの方向に係止されることで、支持ピン７０はプレート部材５６と可動ノズル板５４ａとを軸心Ｃの方向に連結する。一方、駆動ピン７２の雄ねじ部７４がフランジ部材５２の第二雌ねじ孔８４にねじ結合され、この頭部７６が長孔６６内の段差６８によって軸心Ｃの方向に係止されることで、駆動ピン７２はフランジ部材５２と可動ノズル板５４ａとを軸心Ｃの方向に連結するとともに、長孔６６内を長手方向に摺動することができる。
このため、フランジ部材５２と複数の可動ノズル板５４ａとプレート部材５６とが軸方向により強固に接続されるとともに、各可動ノズル板５４ａはフランジ部材５２の駆動によって配置角度を変化させることができる。
なお、フランジ部材５２と可動ノズル板５４ａとプレート部材５６とが軸方向に一体となるので、可動ノズル板５４ａのメンテナンスの際には、図５に示すように、従来のようにフランジ部材５２を真空容器４８から引き抜くことで、駆動部材５２と可動ノズル板５４ａとプレート部材５６とを一体として取り外すこともできる。
【００４２】
さらに、一体として取り外した後には、プレート部材５６から支持ピン７０の頭部７６を回してこれを引き抜くことで、プレート部材５６を可動ノズル板５４ａから取り外すことができる。さらに、駆動ピン７２の頭部７６を回してこれを引き抜くことで、可動ノズル板５４ａをフランジ部材５２から取り外すことができる。これにより、可動ノズル板５４ａの点検や交換ができるようになる。
【００４３】
上記の実施形態において、支持ピン７０及び駆動ピン７２は、頭部７６に十字穴が形成されたステンレス製のＭ１ねじを用いてもよい。この場合、ねじの各部の寸法については、例えば摺動部７８の径をφ１．２ｍｍとし、頭部７６の径をφ１．８ｍｍとしてもよく、頭部７６の厚みを０．５ｍｍとしてもよい。
また、雌ねじ孔６４、８４と雄ねじ部７４の界面間の非常に小さな隙間には液状接着剤を充填するようにしてもよい。
【００４４】
なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせあるいは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る可変ノズル機構付き膨張タービンの一例を示す全体構成図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】図１のＢ部拡大図である。
【図４】本発明に係る膨張タービンの可変ノズル機構の可変ノズル部の構造の一例を示す斜視図である。
【図５】駆動部側の部分的な分解概要図である。
【図６】従来の可変ノズル機構付き膨張タービンの一例を示す全体構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
４２…膨張タービン
４４…断熱膨張装置（断熱膨張装置）
４８…真空容器
５０…タービンインペラ
５２…フランジ部材
５３…駆動部材
５４…ノズル部材
５４ａ…可動ノズル板
５６…プレート部材
５８…円筒部材
６０…内端の面（背向する面）
６２…外端の面（背向する面）
６４…第一雌ねじ孔
６６，６６ａ…長孔
７０…支持ピン
７２…駆動ピン
７４…雄ねじ部
８２…凹孔
８４…第二雌ねじ孔
８５…Ｏリングシール（シール部材）
８７…胴部内周
１００…可変ノズル機構
【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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