(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記断熱膨張装置は、タービンインペラのガス導入口に隣接し半径方向に延びる摺動面（２２ａ）と該摺動面に対向して位置する対向部分（２２ｂ）とを有し、
前記可変ノズル機構は、前記摺動面に一端が固定された複数の支持ピン（３７）と、タービンインペラを囲んで配置されかつ各支持ピンを中心に揺動可能な複数の可動ノズル板（３８）と、前記摺動面との間に可動ノズル板を挟持しタービンインペラの軸心Ｚを中心に回転駆動して可動ノズル板を揺動させるノズル揺動部材（４０）と、ノズル揺動部材と前記対向部分との間に挟持されノズル揺動部材を可動ノズル板に向けて付勢する付勢手段（３２）とを有する、ことを特徴とする可変ノズル機構付きタービン膨張機。
【請求項２】
ノズル揺動部材（４０）と断熱膨張装置の対向部分（２２ｂ）は、軸心Ｚを中心とし互いに嵌合する円筒部分（４０ｃ，２２ｃ）をそれぞれ有し、その嵌合部にシール部材（３４）を備える、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。
【請求項３】
前記可動ノズル板（３８）の摺動面、断熱膨張装置の前記摺動面（２２ａ）又はノズル揺動部材（４０）の摺動面には、無潤滑で摩擦係数が小さく耐磨耗性のあるコーティング処理又は真空窒化処理が施されている、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。
【請求項４】
前記ノズル揺動部材（４０）の外周部に設けられ軸心Ｚを中心に回転可能な大歯車（４０ａ）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）とを備える、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。
【請求項５】
前記回転駆動装置（４２）はパルスモータであり、更に大歯車（４０ａ）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４に記載の可変ノズル機構付きタービン膨張機。
【請求項６】
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。
【発明の詳細な説明】
【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４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５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】
上述した従来の可変ノズル機構付きタービン膨張機では、可変ノズル５を固定ピン６を中心に揺動させるために、可変ノズル５を挟んで位置する２枚の平板（ノズル固定リング４と可動リング８）との間に、可変ノズル５を摺動させる僅かな隙間を設ける必要があった。しかしそのため、この隙間を通って可動ノズル間の流路から隣接する別の流路へ加圧ガス（加圧ヘリウムガス）が漏れ、この漏れ流れにより、タービン性能が大きく低下する問題点があった。
【０００６】
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、可動ノズルの摺動面のすきまを通る加圧ガスの漏れ流れを大幅に低減し、これにより、タービン効率を高く維持し、ヘリウム冷凍システムにおける部分負荷運転時の効率を向上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。
【０００７】
【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、前記断熱膨張装置は、タービンインペラのガス導入口に隣接し半径方向に延びる摺動面（２２ａ）と該摺動面に対向して位置する対向部分（２２ｂ）とを有し、前記可変ノズル機構は、前記摺動面に一端が固定された複数の支持ピン（３７）と、タービンインペラを囲んで配置されかつ各支持ピンを中心に揺動可能な複数の可動ノズル板（３８）と、前記摺動面との間に可動ノズル板を挟持しタービンインペラの軸心Ｚを中心に回転駆動して可動ノズル板を揺動させるノズル揺動部材（４０）と、ノズル揺動部材と前記対向部分との間に挟持されノズル揺動部材を可動ノズル板に向けて付勢する付勢手段（３２）とを有する、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。
【０００８】
上記本発明の構成によれば、付勢手段（３２）でノズル揺動部材（４０）を可動ノズル板（３８）に向けて付勢するので、可動ノズル板（３８）はこの付勢力で摺動面（２２ａ）とノズル揺動部材（４０）との間で挟持されながらこの間で摺動してスロート面積を変化させる。また、この付勢力により可動ノズルの摺動面のすきまをゼロにでき、広範囲にわたりノズルの漏れを低減させることができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、ノズル揺動部材（４０）と断熱膨張装置の対向部分（２２ｂ）は、軸心Ｚを中心とし互いに嵌合する円筒部分（４０ｃ，２２ｃ）をそれぞれ有し、その嵌合部にシール部材（３４）を備える。
このシール部材により、付勢手段（３２）でノズル揺動部材（４０）を付勢した際にノズル揺動部材と対向部分（２２ｂ）の間にできるすきまを通るガスの流れを防止できる。
【００１０】
また、前記可動ノズル板（３８）の摺動面、断熱膨張装置の前記摺動面（２２ａ）又はノズル揺動部材（４０）の摺動面には、無潤滑で摩擦係数が小さく耐磨耗性のあるコーティング処理又は真空窒化処理が施されている。
この構成により、可動ノズル板（３８）の無潤滑下での摺動抵抗を低減し、かつ摺動部の磨耗を低減することができる。
【００１１】
前記ノズル揺動部材（４０）の外周部に設けられ軸心Ｚを中心に回転可能な大歯車（４０ａ）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）とを備える。
この構成により、回転駆動装置（４２）で小歯車（４１）と大歯車（４０ａ）を介してノズル揺動部材（４０）を軸心Ｚを中心に揺動させ、これにより支持ピン（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。
【００１２】
前記回転駆動装置（４２）はパルスモータであり、更に大歯車（４０ａ）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ノズル揺動部材（４０）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。
【００１３】
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。
【００１４】
【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。
【００１５】
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。
【００１６】
本発明のタービン膨張機２０は、全体が真空槽１４内に設置されている。また、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８０Ｋのヘリウムガス）を断熱膨張させるようになっている。
【００１７】
制動装置２４は、この例ではコンプレッサインペラと発電機であり、ローター１６を介してタービンインペラ１２と同軸に連結されこれを制動するようになっている。また、この図において、１７はステータ、１８ａ，１８ｂはジャーナル軸受、１９はスラスト軸受である。なお、制動装置２４は、コンプレッサインペラまたは発電機単独であってもよい。
【００１８】
図２は、図１のＡ部拡大図であり、図３は、図２のＢ−Ｂ矢視図である。また、図３の（Ａ）は可変ノズル機構３０によりスロート面積を大きくした状態、（Ｂ）は逆にスロート面積を小さくした状態を示している。
【００１９】
図２に示すように、断熱膨張装置２２は、タービンインペラ１２のガス導入口に隣接し半径方向に延びる摺動面２２ａと、この摺動面２２ａに対向してこの図で下方に位置する対向部分２２ｂとを有している。摺動面２２ａと対向部分２２ｂとの間に、ノズル揺動部材４０が位置する。
【００２０】
可変ノズル機構３０は、複数の支持ピン３７、複数の可動ノズル板３８及びノズル揺動部材４０を有する。複数（図３で１０本）の支持ピン３７は、摺動面２２ａに垂直に延び、その一端が摺動面２２ａに設けられた孔内に固定されている。また、複数（図３で１０枚）の可動ノズル板３８は、タービンインペラ１２を囲んで均等に配置され、かつそれぞれ各支持ピン３７を中心に揺動可能に支持されている。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３９がゆるく嵌合している。
【００２１】
ノズル揺動部材４０は、断熱膨張装置２２の摺動面２２ａとの間に可動ノズル板３８を挟持している。また、ノズル揺動部材４０には、駆動ピン３９の一端が固定されている。この構成によりノズル揺動部材４０を軸心Ｚを中心に回転駆動することにより可動ノズル板３８を揺動させることができる。
すなわち、図３において、ノズル揺動部材４０をタービンインペラ１２の軸心Ｚを中心として揺動（Ａの矢印方向）させることにより、駆動ピン３９が長溝３８ａ内を摺動し、この駆動ピン３９により可動ノズル板３８を支持ピン３７を中心に（Ａ）の位置から（Ｂ）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。
【００２２】
本発明において、可動ノズル板３８の摺動面、断熱膨張装置２２の摺動面２２ａ又はノズル揺動部材４０の摺動面には、無潤滑で摩擦係数が小さく耐磨耗性のあるコーティング処理又は真空窒化処理が施されている。すなわち、この例では、可動ノズル板３８の摺動面を含む全面にＷＣ／Ｃ（タングステン・カーバイド＆カーボン）コーティングが施されている。このコーティングは、無潤滑状態における摩擦係数が０．１〜０．２程度であり、かつ耐磨耗性を有している。また、断熱膨張装置２２の摺動面２２ａとノズル揺動部材４０の摺動面には真空窒化処理法の一種であるカナック処理を施し、耐磨耗性を高めている。なお、断熱膨張装置２２の摺動面２２ａ又はノズル揺動部材４０をセラミック材で構成してもよい。
上述した構成により、可動ノズル板３８の無潤滑下での摺動抵抗を低減し、かつ摺動部の磨耗を低減することができる。
【００２３】
本発明の可変ノズル機構３０は、更に付勢手段３２とを有する。この付勢手段３２は、この例では、断熱膨張装置２２の対向部分２２ｂに設けた複数の孔内に挿入した圧縮バネである。この圧縮バネの圧縮力は、タービンインペラ１２及び可動ノズル板３８における断熱膨張により生じる圧力差で、ノズル揺動部材４０が可動ノズル板３８から浮き上がらないように、十分大きく設定するのがよい。
また、ノズル揺動部材４０と断熱膨張装置２２の対向部分２２ｂは、軸心Ｚを中心とし互いに嵌合する円筒部分４０ｃ，２２ｃをそれぞれ有している。更にその嵌合部にシール部材３４が設けられている。
上述した構成により、シール部材３４により、付勢手段３２でノズル揺動部材４０を付勢した際にノズル揺動部材と対向部分２２ｂの間にできるすきまを通るガスの流れを防止しながら、同時にノズル揺動部材４０を可動ノズル板３８に向けて付勢し、この付勢力により可動ノズルの摺動面のすきまをゼロにでき、広範囲にわたりノズルの漏れを低減させることができる。
【００２４】
図１及び図２に示すように、ノズル揺動部材４０の外周部には軸心Ｚを中心に回転可能な大歯車４０ａが設けられている。また、この大歯車４０ａと噛合する小歯車４１を回転駆動する回転駆動装置４２を備える。また、大歯車４０ａ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。
【００２５】
この構成により、回転駆動装置４２で小歯車４１と大歯車４０ａを介してノズル揺動部材４０を軸心Ｚを中心に揺動させ、これにより支持ピン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。また、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ノズル揺動部材４０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。
【００２６】
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。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の構成によれば、付勢手段３２でノズル揺動部材４０を可動ノズル板３８に向けて付勢するので、可動ノズル板３８はこの付勢力で摺動面２２ａとノズル揺動部材４０との間で挟持されながらこの間で摺動してスロート面積を変化させる。また、この付勢力により可動ノズルの摺動面のすきまをゼロにでき、広範囲にわたりノズルの漏れを低減させることができる。
【００２８】
従って、本発明の可変ノズル機構付きタービン膨張機は、可動ノズルの摺動面のすきまを通る加圧ガスの漏れ流れを大幅に低減し、これにより、タービン効率を高く維持し、ヘリウム冷凍システムにおける部分負荷運転時の効率を向上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部拡大図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ矢視図である。
【図４】従来の可変ノズル駆動機構の構成図である。
【図５】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（真空槽）、１５  ケーシング、１７  ステータ、
１８ａ，１８ｂ  ジャーナル軸受、１９  スラスト軸受、
２０  可変ノズル機構付きタービン膨張機、２２  断熱膨張装置、
２２ａ  摺動面、２２ｂ  対向部分、２４  制動装置、
３０  可変ノズル機構、３２  付勢手段、３４  シール部材、
３７  支持ピン、３８  可動ノズル板、３９  駆動ピン、
４０  ノズル揺動部材、４０ａ  大歯車、４１  小歯車、
４２  回転駆動装置、４３  位置検出センサ
【図１】
0004362744.tif 000002
【図２】
0004362744.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004362744.tif 000005
【図５】
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