特許 6985886 ガス膨張システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6985886

(24)【登録日】2021年11月30日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】ガス膨張システム

(51)【国際特許分類】

   F01D 25/22 20060101AFI20211213BHJP

   F25B 9/06 20060101ALI20211213BHJP

【ＦＩ】

   F01D25/22

   F25B9/06 L

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-208075(P2017-208075)

(22)【出願日】2017年10月27日

(65)【公開番号】特開2019-78514(P2019-78514A)

(43)【公開日】2019年5月23日

【審査請求日】2020年9月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 雄一

(72)【発明者】

【氏名】石丸 英嗣

(72)【発明者】

【氏名】武内 遼太

(72)【発明者】

【氏名】足立 利光

(72)【発明者】

【氏名】仮屋 大祐

(72)【発明者】

【氏名】阪井 直人

【審査官】 谿花 正由輝

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２１９７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−００８７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０３０３８３１８（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ ２５／１６

Ｆ２５Ｂ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の回転軸と、
前記第１の回転軸に取り付けられ、前記第１の回転軸が回転したときにガスを取り込みながら膨張させる第１の羽根車と、
前記第１の回転軸を支持する第１の軸受部と、
前記第１の軸受部に軸受ガスが供給される第１のガス供給路と、
前記第１のガス供給路から前記第１の軸受部に供給された軸受ガスが前記第１の軸受部から排出される第１のガス排出路と、
を有する第１の膨張タービンと、
第２の回転軸と、
前記第２の回転軸に取り付けられ、前記第２の回転軸が回転したときにガスを取り込みながら膨張させる第２の羽根車と、
前記第２の回転軸を支持する第２の軸受部と、
前記第２の軸受部に軸受ガスを供給する第２のガス供給路と、
前記第２のガス供給路から前記第２の軸受部に供給された軸受ガスを前記第２の軸受部から排出する第２のガス排出路と、
を有する第２の膨張タービンと、
を備え、
前記第１の膨張タービンの前記第１の羽根車により膨張されたガスが前記第２の膨張タービンの前記第２の羽根車に供給されるように、前記第１の膨張タービンと前記第２の膨張タービンとが直列に接続され、
前記第１のガス排出路と前記第２のガス供給路とが直接接続され、
前記第１のガス排出路から排出された軸受ガスが前記第２のガス供給路に直接供給されることを特徴とするガス膨張システム。

【請求項2】

前記第１の軸受部は、前記第１の回転軸を径方向に支持する第１のラジアル軸受部を有し、
前記第２の軸受部は、前記第２の回転軸を径方向に支持する第２のラジアル軸受部を有していることを特徴とする請求項１に記載のガス膨張システム。

【請求項3】

前記第１の軸受部は、前記第１の回転軸を軸方向に支持する第１のスラスト軸受部を有し、
前記第２の軸受部は、前記第２の回転軸を軸方向に支持する第２のスラスト軸受部を有していることを特徴とする請求項２に記載のガス膨張システム。

【請求項4】

前記第１の膨張タービンは、前記第１の回転軸を径方向に支持する第１のラジアル軸受部と、前記第１の回転軸を軸方向に支持する第１のスラスト軸受部とを有し、
前記第２の膨張タービンは、前記第２の回転軸を径方向に支持する第２のラジアル軸受部と、前記第２の回転軸を軸方向に支持する第２のスラスト軸受部とを有し、
前記第１の軸受部は、前記第１のラジアル軸受部と前記第１のスラスト軸受部とのうち、前記第１のラジアル軸受部のみであり、
前記第２の軸受部は、前記第２のラジアル軸受部と前記第２のスラスト軸受部とのうち、前記第２のラジアル軸受部のみであることを特徴とする請求項１に記載のガス膨張システム。

【請求項5】

前記第２の軸受部は、前記第２の回転軸の一端に取り付けられた前記第２の羽根車によって膨張されるガスによる、前記第２の回転軸の軸方向に沿う前記第２の回転軸の他端側への侵入を阻むシール部であり、
前記第２のガス供給路を通って前記シール部に供給される軸受ガスは、前記第２の羽根車によって膨張されるガスよりも高圧であることを特徴とする請求項１に記載のガス膨張システム。

【請求項6】

前記軸受ガスは、前記シール部から前記一端の側にガスを押し出すシールガスであることを特徴とする請求項５に記載のガス膨張システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、膨張タービンを複数台直列に有するガス膨張システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、膨張タービンを用いてヘリウムや水素などのガスを断熱膨張させ寒冷を得るガス膨張システムが知られている。

【0003】

このような膨張タービンでは回転軸を支持するためにプロセスガスを用いた気体軸受を使用する場合がある。気体軸受は静圧気体軸受と動圧気体軸受とに大別される。静圧気体軸受は、動圧気体軸受と比べて負荷容量が高い点、膨張タービンの始動時及び停止時に軸受部と回転軸の間で接触が生じない点で有利である。

【0004】

特許文献１には、膨張タービンの軸受のうち、ラジアル軸受を静圧気体軸受として軸受ガスが供給される技術について開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０００−１２０４０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

静圧気体軸受を適用する場合、回転軸の支持に必要な所定圧以上の圧力のガスを軸受部へと安定的に供給するため、例えば圧縮機のような高圧のガス供給源が必要になる。そのため、極低温冷凍装置に要する消費動力には、この圧縮駆動力の分が含まれることとなり、軸受ガスの消費量が多くなると、極低温冷凍装置のエネルギー効率が低下してしまう可能性がある。特に、極低温冷凍装置では、複数台の膨張タービンを用いる場合があり、それぞれの膨張タービンの間で、軸受部に供給される軸受ガスがそれぞれ無関係に供給されると、軸受ガスの消費量が増大する。

【0007】

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、静圧気体軸受により回転軸を支持する膨張タービンを複数台直列に用いてガスを断熱膨張して寒冷を得る際に、軸受ガスの消費量を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のガス膨張システムは、第１の回転軸と、前記第１の回転軸に取り付けられ、前記第１の回転軸が回転したときにガスを取り込みながら膨張させる第１の羽根車と、前記第１の回転軸を支持する第１の軸受部と、前記第１の軸受部に軸受ガスが供給される第１のガス供給路と、前記第１のガス供給路から前記第１の軸受部に供給された軸受ガスが前記第１の軸受部から排出される第１のガス排出路と、を有する第１の膨張タービンと、第２の回転軸と、前記第２の回転軸に取り付けられ、前記第２の回転軸が回転したときにガスを取り込みながら膨張させる第２の羽根車と、前記第２の回転軸を支持する第２の軸受部と、前記第２の軸受部に軸受ガスを供給する第２のガス供給路と、前記第２のガス供給路から前記第２の軸受部に供給された軸受ガスを前記第２の軸受部から排出する第２のガス排出路と、を有する第２の膨張タービンと、を備え、前記第１の膨張タービンの前記第１の羽根車により膨張され排出されたガスが前記第２の膨張タービンの前記第２の羽根車に供給されるように、前記第１の膨張タービンと前記第２の膨張タービンとが直列に接続され、前記第１のガス排出路から排出されたガスが前記第２のガス供給路に供給されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

複数の膨張タービンを用いてガスを膨張させてガスを冷却させる際に、ガスの消費量を少なく抑えることができるので、ガスを供給するのに消費されるエネルギーを少なく抑えることができる。従って、システムのエネルギー効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態に係るガスの膨張システムについての構成図である。

【図2】図１のガスの膨張システムに用いられる高圧膨張タービン及び低圧膨張タービンについての構成図である。

【図3】本発明の第２実施形態に係るガスの膨張システムに用いられる高圧膨張タービン及び低圧膨張タービンについての構成図である。

【図4】本発明の第３実施形態に係るガスの膨張システムに用いられる高圧膨張タービン及び低圧膨張タービンについての構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。図１に、本発明の第１実施形態に係るガス膨張システムについての全体的な構成図を示す。

【0012】

本実施形態では、ガス膨張システムとして、供給される水素ガス等の原料ガスを、冷却することにより、原料ガスを液化させて液化原料ガスを生成する極低温冷凍装置１００が示されている。原料ガスは、フィードライン１を流れる過程で冷却される。また、原料ガスを冷却するのに用いられる水素、ヘリウム、ネオン等のプロセスガスが循環ライン３を循環する。

【0013】

〔フィードライン１の構成〕
フィードライン１は、１段目の熱交換器８１、初期冷却器７３、２段目から６段目の熱交換器８２〜８６、冷却器８８、及び供給系ＪＴ（ジュールトムソン）弁１６を、その順に通過する。熱交換器８１〜８６では、原料ガスと冷媒との熱交換が行われ、原料ガスが冷却される。

【0014】

また、フィードライン１は、６段目の熱交換器８６から出て供給系ＪＴ弁１６に入るまでに冷却器８８を通る。冷却器８８は、冷媒循環ライン３の冷媒が液化した液化冷媒を貯える液化冷媒貯槽４０を備えており、その液化冷媒貯槽４０内にフィードライン１が通されている。冷却器８８では、液化冷媒貯槽４０内の液化冷媒によって原料ガスがおよそ液化冷媒の温度（即ち、極低温）まで冷却される。

【0015】

上記のように冷却器８８から出た極低温の原料ガスは、供給系ＪＴ弁１６を通って、低温常圧の液体となる。このようにして液化した原料ガス（即ち、液化原料ガス）は、図示されない貯槽へ送られて貯えられる。

【0016】

〔冷媒循環ライン３の構成〕
冷媒循環ライン３は、冷媒が循環する閉じられた流路であって、熱交換器８１〜８６内の流路、冷却器７３内の流路、２台の圧縮機３２，３３、２台の膨張タービン３７，３８、循環系ジュールトムソン弁（以下、「循環系ＪＴ弁３６」と称する）、液化冷媒貯槽４０、及び、それらを繋ぐ配管内の流路などによって形成されている。

【0017】

冷媒循環ライン３のうち冷熱生成ルート４２は、高圧圧縮機３３、１段目から２段目の熱交換器８１〜８２の高温側冷媒流路、高圧側の膨張タービン（第１の膨張タービン、以下「高圧膨張タービン３７」と称する）、４段目の熱交換器８４、低圧側の膨張タービン（第２の膨張タービン、以下「低圧膨張タービン３８」と称する）、及び、５段目から１段目の熱交換器８５〜８１の低温側冷媒流路を順に通過して高圧圧縮機３３へ戻る。冷媒ガスは、高圧膨張タービン３７及び低圧膨張タービン３８を通る際に、そこで膨張されて冷却される。

【0018】

〔高圧膨張タービン３７、低圧膨張タービン３８の構成〕
高圧膨張タービン３７と、低圧膨張タービン３８についての構成について説明する。

【0019】

図２に、高圧膨張タービン３７と、低圧膨張タービン３８についての構成図を示す。図２には、高圧膨張タービン３７及び低圧膨張タービン３８におけるそれぞれの回転軸と軸受部との間の領域に供給されるガス供給路及びガス排出路が示されている。

【0020】

上述のように、本実施形態では、２台の膨張タービン３７、３８を用いて冷媒を膨張させて冷媒を降温させて冷却している。具体的には、高圧膨張タービン３７によって膨張させることで冷却した冷媒を低圧膨張タービン３８によって再度膨張させて冷却している。これにより、１台の膨張タービンの冷却性能では冷媒に対する冷却の能力が不十分である場合についても、冷媒を再度冷却することにより、より強く冷媒を冷却させることができる。

【0021】

高圧膨張タービン３７は、自身が駆動されて運転される際に回転を行う回転軸（第１の回転軸）３７１を備えている。回転軸３７１には、一端に、羽根車（第１の羽根車）３７２が取り付けられている。回転軸３７１が回転したときには、それに伴って羽根車３７２が回転する。

【0022】

高圧膨張タービン３７は、回転軸３７１を支持する軸受部（第１の軸受部）３７６を備えている。軸受部３７６は、回転軸３７１を径方向に対して支持するラジアル軸受部（第１のラジアル軸受部）３７３と、回転軸３７１を回転軸の軸方向に対して支持するスラスト軸受部（第１のスラスト軸受部）３７４とを備えている。

【0023】

また、軸受部３７６は、冷媒による、回転軸３７１の軸方向に沿う、羽根車３７２に対し他端側への侵入を阻むためのシール部３７５を備えている。

【0024】

高圧膨張タービン３７では、羽根車３７２はカバーの内部で回転するので、羽根車３７２の背面とカバーとの間には隙間が生じる。そこに生じる隙間を通って、回転軸３７１に沿って羽根車３７２の他端側に冷媒が侵入する可能性がある。そのような、回転軸３７１の他端側への冷媒の侵入を阻止するために、回転軸３７１周りで羽根車の背面に近接した位置であって、回転軸３７１に沿う冷媒の流れを遮断する位置に、シール部３７５が配置されている。シール部３７５が回転軸３７１に沿う冷媒の流れを遮断する位置に配置されているので、シール部３７５が軸方向に沿う他端側への冷媒の流れの抵抗となり、冷媒による他端側への漏れ量を少なく抑えることができる。冷媒による軸方向に沿う他端側への漏れ量が少なく抑えられるので、回転軸３７１及びその周囲の部品が冷媒によって冷却されて温度が過度に低下してしまい、回転軸３７１及びその周囲の部品が収縮してしまうことを抑えることができる。これにより、回転軸３７１及びその周囲の部品の寸法精度を高く維持することができ、運転中に回転軸３７１と軸受部３７６との間で接触が生じることを抑えることができる。回転軸３７１と軸受部３７６との間で接触が抑えられるので、回転軸３７１による回転を効率良く行うことができる。従って、ガス膨張システムとしての極低温冷凍装置１００のエネルギー効率を向上させることができる。また、高圧膨張タービン３７の耐久性を向上させることができる。

【0025】

また、高圧膨張タービン３７は、軸受部３７６（第１の軸受部）に軸受ガスを供給する際の供給路としてのガス供給路（第１のガス供給路）３７７を備えている。ガス供給路３７７よりも上流側の流路には、ガス供給路３７７を流通する軸受ガスの流量を調整する流量調整弁３９０が設けられている。さらに、高圧膨張タービン３７は、ガス供給路３７７から、軸受部３７６に供給された軸受ガスがそこから排出されるガス排出路（第１のガス排出路）３７８を備えている。ガス排出路３７８よりも下流側であって、後述する低圧膨張タービン３８側のガス供給路３８７よりも上流側の流路４０８には、ガス排出路３７８から排出されて低圧膨張タービン３８側のガス供給路３８７に供給される軸受ガスの流量を調整する流量調整弁３９１が設けられている。

【0026】

なお、軸受部３７６は、回転軸３７１と軸受との間の領域（第１の領域）３７９も含むものとする。

【0027】

本実施形態では、ラジアル軸受部３７３及びスラスト軸受部３７４にガスが供給される。

【0028】

適切な圧力によってラジアル軸受部３７３にガスを供給させると共に回転軸３７１を回転させることにより、回転軸３７１がラジアル軸受部３７３から浮上する。それと共に、回転軸３７１の径方向に対する位置が維持される。従って、回転軸３７１とラジアル軸受部３７３との間が、非接触の状態で維持される。このように、高圧膨張タービン３７を運転させる際に、回転軸３７１とラジアル軸受部３７３との間が非接触の状態で回転軸３７１を回転させることができる。回転軸３７１がラジアル軸受部３７３に対し非接触の状態で回転軸３７１が回転するので、回転軸３７１が回転する際の抵抗を少なく抑えることができる。これにより、高圧膨張タービン３７の運転の際の消費エネルギーを少なく抑えることができ、極低温冷凍装置１００の運転効率を向上させることができる。

【0029】

また、適切な圧力によってスラスト軸受部３７４にガスを供給させると共に回転軸３７１を回転させることにより、回転軸３７１を軸方向に適切な位置に維持することができる。従って、回転軸３７１とスラスト軸受部３７４との間が、非接触の状態で維持される。このように、高圧膨張タービン３７を運転させる際に、回転軸３７１とスラスト軸受部３７４との間が非接触の状態で回転軸３７１を回転させることができる。スラスト軸受部３７４に対し非接触の状態で回転軸３７１が回転するので、回転軸３７１が回転する際の抵抗を少なく抑えることができる。これにより、高圧膨張タービン３７の運転の際の消費エネルギーをさらに少なく抑えることができ、極低温冷凍装置１００のエネルギー効率をさらに向上させることができる。

【0030】

低圧膨張タービン３８についても同様に、自身が駆動されて運転される際に回転を行う回転軸（第２の回転軸）３８１を備えている。回転軸３８１には、一端に、羽根車（第２の羽根車）３８２が取り付けられている。回転軸３８１が回転したときには、それに伴って羽根車３８２が回転する。

【0031】

低圧膨張タービン３８は、回転軸３８１を支持する軸受部（第２の軸受部）３８６を備えている。軸受部３８６は、回転軸３８１を径方向に対して支持するラジアル軸受部（第２のラジアル軸受部）３８３と、回転軸３８１を回転軸の軸方向に対して支持するスラスト軸受部（第２のスラスト軸受部）３８４とを備えている。

【0032】

また、軸受部３８６は、冷媒による、回転軸３８１の軸方向に沿う、羽根車３８２に対し他端側への侵入を阻むためのシール部３８５を備えている。シール部３８５は、回転軸３８１周りで羽根車３８２の背面に近接した位置であって、回転軸３８１に沿う冷媒の流れを遮断する位置に配置されている。

【0033】

シール部３８５が回転軸３８１に沿う冷媒の流れを遮断する位置に配置されているので、シール部３８５が軸方向に沿う他端側への冷媒の流れの抵抗となり、冷媒による他端側への漏れ量を少なく抑えることができる。低圧膨張タービン３８においても、冷媒による軸方向に沿う他端側への漏れ量が少なく抑えられるので、回転軸３８１及びその周囲の部品が冷媒によって冷却されて温度が過度に低下してしまい、回転軸３８１及びその周囲の部品が収縮してしまうことを抑えることができる。これにより、回転軸３８１及びその周囲の部品の寸法精度を高く維持することができ、回転軸３８１とシール部３８５との間で接触が生じることを抑えることができる。回転軸３８１とシール部３８５との間で接触が抑えられるので、回転軸３８１による回転を効率良く行うことができる。従って、極低温冷凍装置１００のエネルギー効率を向上させることができる。また、低圧膨張タービン３８の耐久性を向上させることができる。

【0034】

また、低圧膨張タービン３８は、軸受部３８６に軸受ガスを供給する際の供給路としてのガス供給路（第２のガス供給路）３８７を備えている。さらに、低圧膨張タービン３８は、ガス供給路３８７から、軸受部３８６に供給されたガスがそこから排出されるガス排出路（第２のガス排出路）３８８を備えている。ガス排出路３８８よりも下流側の流路には、ガス排出路３８８から排出される軸受ガスの流量を調整する流量調整弁３９２が設けられている。

【0035】

なお、軸受部３８６は、回転軸３８１と軸受との間の領域（第２の領域）３８９も含むものとする。

【0036】

本実施形態では、ラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４にガスが供給されている。

【0037】

適切な圧力によって低圧膨張タービンラジアル軸受部３８３に軸受ガスが供給されると共に低圧膨張タービン回転軸３８１が回転することにより、回転軸３８１がラジアル軸受部３８３に対し非接触の状態で回転軸３８１を回転させることができる。従って、回転軸３８１が回転する際の抵抗を少なく抑えることができる。これにより、低圧膨張タービン３８の運転の際の消費エネルギーを少なく抑えることができ、極低温冷凍装置１００の運転効率を向上させることができる。

【0038】

また、適切な圧力によってスラスト軸受部３８４にガスを供給することにより、スラスト軸受部３８４に対し非接触の状態で回転軸３８１を回転させることができる。従って、回転軸３８１が回転する際の抵抗を少なく抑えることができる。これにより、低圧膨張タービン３８の運転の際の消費エネルギーをさらに少なく抑えることができ、極低温冷凍装置１００の運転効率をさらに向上させることができる。

【0039】

以上のような構成を有する極低温冷凍装置１００における冷媒循環ライン３の膨張タービン３７、３８を流通する冷媒の動作について説明する。

【0040】

高圧圧縮機３３で圧縮された冷媒は、高圧圧縮機３３から高圧流路３１Ｈを通って分岐部３１ｄに向かう。上述したように、高圧膨張タービン３７が駆動されることにより、分岐部３１ｄで分岐する冷媒のうち、大部分が冷熱生成流路３１Ｃを通って高圧膨張タービン３７に向かって流れる。

【0041】

冷媒が高圧膨張タービン３７に流入すると、そこで高圧膨張タービン３７による冷媒の膨張が行われる。回転軸３７１が回転しそれに伴って羽根車３７２が回転すると、高圧膨張タービン３７の内部に冷媒が取り込まれながら、その冷媒が膨張させられる。冷媒の膨張が行われると、冷媒が降温される。

【0042】

高圧膨張タービン３７で膨張が行われた冷媒は、４段目の熱交換器８４を通過したのち、低圧膨張タービン３８に向かって流れる。

【0043】

また、低圧膨張タービン３８が駆動されることにより、冷媒が低圧膨張タービン３８に流入し、そこで低圧膨張タービン３８による冷媒の膨張が行われる。回転軸３８１が回転しそれに伴って羽根車３８２が回転すると、低圧膨張タービン３８の内部に冷媒が取り込まれながら、その冷媒が膨張させられる。冷媒の膨張が行われると、そこでさらに冷媒が降温される。

【0044】

低圧膨張タービン３８から出た極低温の冷媒は、さらに、５段目の熱交換器８５から１段目の熱交換器８１までを順に通過して昇温されて（即ち、原料ガス及び高圧流路３１Ｈの冷媒を冷却して）、中圧流路３１Ｍの冷媒と合流する。

【0045】

次に、膨張タービン３７、３８に供給される軸受ガスについて説明する。

【0046】

冷媒は、高圧膨張タービン３７によって膨張された後に低圧膨張タービン３８によって膨張されるので、高圧膨張タービン３７によって膨張されている際の冷媒の圧力は、低圧膨張タービン３８によって膨張されている際の冷媒の圧力よりも高い。そのため、本実施形態では、高圧膨張タービン３７のガス排出路３７８が、低圧膨張タービン３８のガス供給路３８７に接続されている。従って、高圧膨張タービン３７のガス排出路３７８から排出されたガスが、低圧膨張タービン３８のガス供給路３８７に供給される。

【0047】

通常、高圧膨張タービン３７における領域３７９に供給されるガスの圧力は、低圧膨張タービン３８における領域３８９に供給されるガスの圧力よりも高い。このような場合には、高圧膨張タービン３７のガス排出路３７８と低圧膨張タービン３８のガス供給路３８７とを接続することにより、高圧膨張タービン３７における領域３７９に供給されたガスを、低圧膨張タービン３８の低圧ガス供給路３８７に送ることができる。このとき、低圧膨張タービン３８のガス供給路３８７にガスを供給するための供給手段を特別に設けることなく、低圧膨張タービン３８の低圧ガス供給路３８７にガスを供給することができる。従って、極低温冷凍装置１００の構成を簡易にすることができる。

【0048】

また、このように高圧膨張タービン３７の軸受部３７６から排出されたガスが、低圧膨張タービン３８の軸受部３８６に供給されることになるので、高圧膨張タービン３７の軸受部３７６で用いられたガスが、高圧膨張タービン３７及び低圧膨張タービン３８から排出される前に、低圧膨張タービン３８の軸受部３８６で再び用いられることになる。高圧膨張タービン３７と低圧膨張タービン３８との間で、軸受部で用いられるガスを共通化することにより、高圧膨張タービン３７及び低圧膨張タービン３８における軸受部に供給されるガスの消費量を少なく抑えることができる。

【0049】

また、膨張タービン３７、３８における軸受部に供給されるガスの圧力によって回転軸の位置決めが行われることから、軸受部に供給されるガスには、ある程度の圧力を有することが必要とされる。軸受部に供給されるガスを高圧にするには、圧縮機を用いて圧縮する等、ガスに対する加圧工程が必要になる。本実施形態では、圧縮機３２、３３によって昇圧された冷媒の一部が、膨張タービン３７、３８における軸受部と回転軸との間の領域に供給されている。

【0050】

圧縮機３２、３３を駆動することによって冷媒を昇圧させる際には、圧縮機３２、３３を駆動するためのエネルギーが消費されることになる。仮に、軸受部と回転軸との間の領域に供給されるガスの消費量が多くなると、その分エネルギーの消費量が多くなり、システムのエネルギー効率が低下する可能性がある。

【0051】

本実施形態では、高圧膨張タービン３７及び低圧膨張タービン３８における軸受部と回転軸との間に供給されるガスの消費量が少なく抑えられるので、システム内で消費されるエネルギーが少なく抑えられる。これにより、冷媒の膨張システムのエネルギー効率を向上させることができる。

【0052】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るガスの膨張システムについて説明する。なお、上記第１実施形態と同様に構成される部分については図中同一符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

【0053】

第１実施形態では、回転軸を径方向に支持するラジアル軸受部と回転軸を軸方向に支持するスラスト軸受部とのいずれにおいても、高圧膨張タービン３７で用いられたガスが低圧膨張タービン３８でも用いられている。これに対し、第２実施形態では、回転軸を径方向に支持するラジアル軸受部でのみ、高圧膨張タービン３７で用いられたガスが低圧膨張タービン３８で用いられている。また、回転軸を軸方向に支持するスラスト軸受部では、高圧膨張タービン３７で用いられたガスは、低圧膨張タービン３８では用いられていない。

【0054】

第２実施形態における高圧膨張タービン及び低圧膨張タービンの構成について説明する。図３に、第２実施形態における高圧膨張タービン３７ａ及び低圧膨張タービン３８ａの構成図を示す。

【0055】

第２実施形態では、高圧膨張タービン３７ａ及び低圧膨張タービン３８ａにガスを供給する流路３９３が分岐している。分岐した流路３９３のうち一方の流路３９３ａは、高圧膨張タービン３７ａの高圧ガス供給路３７７に接続されている。流路３９３ａには、流路３９３ａを流通するガスの流量を調整する流量調整弁４０１が設けられている。分岐した流路３９３のうち他方の流路３９３ｂは、低圧膨張タービン３８ａのガス供給路３８７のうちスラスト軸受部３８４についてのガス供給路３８７ａに接続されている。流路３９３ｂには、流路３９３ｂを流通するガスの流量を調整する流量調整弁４０２が設けられている。

【0056】

流路３９３ａが高圧膨張タービン３７ａの高圧ガス供給路３７７に接続されているので、高圧膨張タービン３７ａでは、圧縮機３２、３３から流路３９３、流路３９３ａを介して供給されたガスによって回転軸３７１の位置決めが行われる。

【0057】

第２実施形態では、高圧膨張タービン３７ａにおけるガス排出路３７８から排出されるガスの流路のうち、ラジアル軸受部３７３から排出されたガスの流路４０３については、低圧膨張タービン３８ａにおけるガス供給路３８７のラジアル軸受部３８３に供給するガス流路３８７ｂに接続される。高圧膨張タービン３７ａにおけるラジアル軸受部３７３から排出されたガスの流路４０３には、流路４０３を流通するガスの流量を調整する流量調整弁４０５が設けられている。

【0058】

その一方、高圧膨張タービン３７ａのガス排出路３７８から排出されるガスの流路のうち、スラスト軸受部３７４から排出されたガスの流路４０４については、低圧膨張タービン３８ａのガス供給路３８７に接続されず、流路内を流れるガスは外部に排出される。流路４０４には、流路４０３を流通するガスの流量を調整する流量調整弁４０９が設けられている。

【0059】

低圧膨張タービン３８ａにおけるスラスト軸受部３８４では、ガス供給路３８７が流路３９３ｂに接続されている。従って、圧縮機３２、３３からの高圧のガスが、直接的に低圧膨張タービンスラスト軸受部３８４に供給される。スラスト軸受部３８４に供給されたガスが高圧に維持されるので、低圧膨張タービン３８ａの回転軸３８１の位置決めが確実に行われる。

【0060】

このように、高圧膨張タービン３７ａにおけるスラスト軸受部３７４に供給されて、領域３７９ｂから排出されたガスは、低圧膨張タービン３８ａにおけるスラスト軸受部３８４には供給されない。スラスト軸受部３７４から排出されたガスは、領域３８９ｂで軸受ガスとして用いられずに、流路４０４を通って高圧膨張タービン３７ａ及び低圧膨張タービン３８ａから外部に排出される。

【0061】

低圧膨張タービン３８ａのラジアル軸受部３８３では、高圧膨張タービン３７ａからのガス排出路３７８が、流路４０３を介して、低圧膨張タービン３８ａのガス供給路３８７に接続されている。従って、高圧膨張タービン３７ａのガス排出路３７８から排出されるガスが、低圧膨張タービン３８ａのガス供給路３８７に供給される。従って、低圧膨張タービン３８ａのラジアル軸受部３８３では、高圧膨張タービン３７ａで用いられたガスが再利用されている。

【0062】

低圧膨張タービン３８ａのラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４で用いられたガスは、流路４０６を通って外部に排出される。流路４０６には、流路４０６を通って外部に排出されるガスの流量を調整する流量調整弁４０７が設けられている。

【0063】

第２実施形態では、高圧膨張タービン３７ａのラジアル軸受部３７３で一旦用いられたガスが低圧膨張タービン３８ａのラジアル軸受部３８３で再利用されるので、高圧膨張タービン３７ａと低圧膨張タービン３８ａとの間で、ラジアル軸受部で用いられるガスを共通化することができる。これにより、ガスの消費量を少なく抑えることができる。

【0064】

一般に、膨張タービンが運転される際には、スラスト軸受部にかかる負荷は、ラジアル軸受部にかかる負荷よりも大きい。そのため、スラスト軸受部では、ラジアル軸受部よりも、回転軸の位置決めのために大きな力が必要とされる。従って、スラスト軸受部では、ラジアル軸受部よりも、軸受部に供給されるガスに高い圧力が要求される。

【0065】

ガスが軸受部に供給されて回転軸の位置決めに用いられたときには、ガスの供給量が流量調整弁を用いて調整されているので、そこでガスの圧力が低下する。そのため、高圧膨張タービン３７ａのガス排出路３７８から排出されたガスを再利用する場合よりも、圧縮機３２、３３で圧縮されたガスをそのまま供給する場合の方が、圧力が高い状態でガスを使用することができる。従って、低圧膨張タービン３８ａにおける、比較的負荷の大きなスラスト軸受部３８４については、高圧膨張タービン３７ａで使用されたガスを再利用せずに、圧縮機３２、３３からの高圧のガスが直接的に供給される。従って、高い圧力が必要とされるスラスト軸受部３７４、３８４においては、圧力の大きなガスによって回転軸３７１、３８１の位置決めが行われるので、回転軸３７１、３８１の位置決めを確実に行うことができる。

【0066】

一方、ラジアル軸受部３７３、３８３では負荷が比較的小さく、そこに供給されるガスには高い圧力は必要とされない。従って、低圧膨張タービン３８ａのラジアル軸受部３８３に供給されるガスには、一旦高圧膨張タービン３７ａのラジアル軸受部３７３に供給されて圧力が低下したガスが再利用によって用いられても良い。これにより、ガスの消費量を少なく抑えることができる。

【0067】

このように、ラジアル軸受部３７３、３８３でのみ、高圧膨張タービン３７ａで用いられたガスが低圧膨張タービン３８ａで再び用いられ、スラスト軸受部３７４、３８４では、高圧膨張タービン３７ａで用いられたガスは、低圧膨張タービン３８ａで用いられないように構成されてもよい。

【0068】

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係るガスの膨張システムについて説明する。なお、上記第１実施形態及び第２実施形態と同様に構成される部分については図中同一符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

【0069】

第１実施形態では、ラジアル軸受部及びスラスト軸受部の両方で、高圧膨張タービンの軸受部で用いられたガスが低圧膨張タービンの軸受部で再び用いられている。第２実施形態では、ラジアル軸受部でのみ、高圧膨張タービンの回転軸と軸受部との間で用いられたガスが低圧膨張タービンで再び用いられている。これに対し、第３実施形態では、高圧膨張タービンのラジアル軸受部と回転軸との間の領域及びスラスト軸受部と回転軸との間の領域で用いられたガスが、低圧膨張タービンのシール部と回転軸との間の領域で再び用いられている。

【0070】

図４に、第３実施形態における高圧膨張タービン３７ｂ及び低圧膨張タービン３８ｂの構成図を示す。

【0071】

第３実施形態では、高圧膨張タービン３７ｂ及び低圧膨張タービン３８ｂにガスを供給する流路３９４が３つに分岐している。流路３９４から分岐した流路のうち１つは高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３及びスラスト軸受部３７４に接続されている。これにより、高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３と、スラスト軸受部３７４と、にガスを供給することが可能に構成されている。

【0072】

流路３９４から分岐した流路のうち１つは高圧膨張タービン３７ｂのシール部３７５に接続されている。これにより、シール部３７５と高圧膨張タービン回転軸３７１との間の領域３７５ａにガスを供給することが可能に構成されている。

【0073】

流路３９４から分岐した流路のうち１つは、低圧膨張タービン３８ｂのラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４に接続されている。これにより、低圧膨張タービン３８ｂのラジアル軸受部３８３と、スラスト軸受部３８４と、にガスを供給することが可能に構成されている。

【0074】

ガスの流路における分岐点３９４ａから高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３及びスラスト軸受部３７４に延びる流路３９４ｂには、流量調整弁３９５ａが配置されている。流量調整弁３９５ａによって、高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３及びスラスト軸受部３７４に供給されるガスの供給量を調整することが可能に構成されている。

【0075】

ガスの流路における分岐点３９４ａから高圧膨張タービン３７ｂのシール部３７５に延びる流路３９４ｃには、流量調整弁３９５ｂが配置されている。流量調整弁３９５ｂによって、高圧膨張タービン３７ｂのシール部３７５に供給されるガスの供給量を調整することが可能に構成されている。

【0076】

ガスの流路における分岐点３９４ａから低圧膨張タービン３８ｂのラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４に延びる流路３９４ｄには、流量調整弁３９５ｃが配置されている。流量調整弁３９５ｃによって、低圧膨張タービン３８ｂのラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４に供給されるガスの供給量を調整することが可能に構成されている。

【0077】

高圧膨張タービン３７ｂのガス排出路３７８よりも下流側の流路には、ガスの流量を調整することが可能な流量調整弁３９５ｄが配置されている。流量調整弁３９５ｄによって、高圧膨張タービン３７ｂのガス排出路３７８から排出されるガスの流量を調整することが可能に構成されている。

【0078】

高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３及びスラスト軸受部３７４から排出されるガスは、流路３９６を通り、分岐点３９７で分岐する。分岐点３９７からの流路のうち、一方の流路３９８は外部に接続されている。従って、流路３９８を通るガスは、そのまま外部に排出される。分岐点３９７からの流路のうち、他方の流路３９９は、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５に接続されている。流路３９９には、ガスの流量を調整することが可能な流量調整弁３９５ｅが配置されている。流量調整弁３９５ｅによって、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５に供給されるガスの量を調整することが可能に構成されている。

【0079】

低圧膨張タービン３８ｂのガス排出路３８８よりも下流側の流路には、ガス排出路３８８から排出されるガスの流量を調整することが可能な流量調整弁３９５ｆが設けられている。流量調整弁３９５ｆによって、低圧膨張タービン３８ｂのラジアル軸受部３８３及びスラスト軸受部３８４から排出されるガスの流量を調整することが可能に構成されている。

【0080】

低圧膨張タービン３８ｂにおけるシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａに、高圧のガスを供給することにより、シール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａ内で、冷媒を低圧羽根車３８２側に押し戻すことができる。冷媒が羽根車３８２側に押し戻されることにより、冷媒がシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａを通過することを抑えることができる。従って、冷媒が、シール部３８５を挟んで羽根車３８２側とは他端側の位置に侵入することをさらに少なく抑えることができる。このときシール部３８５に供給されるガスが、シール部３８５から一端の側に冷媒を押し出すシールガスとして機能する。冷媒が羽根車３８２側とは他端側の位置に侵入することが抑えられるので、回転軸及び軸受部が冷却されてしまうことで回転軸及び軸受部の寸法精度が低下することを抑えることができる。

【0081】

低圧膨張タービン３８ｂにおけるシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａに供給されたシールガスは、ラジアル軸受部３８３と回転軸３８１との間の領域３８９ａ及びスラスト軸受部３８４と回転軸３８１との間の領域３８９ｂからのガスが排出されるガス排出路３８８に流入することで排出されて回収される。

【0082】

また、第３実施形態では、高圧膨張タービン３７ｂの回転軸３７１とラジアル軸受部３７３との間の領域３７９ａ及びスラスト軸受部３７４と回転軸３７１との間の領域３７９ｂで用いられたガスの一部が、分岐点３９７で分岐し、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａで再び用いられている。

【0083】

第３実施形態では、流路（第２のガス供給路）３９９を通って、低圧膨張タービン３８ｂにおけるシール部３８５に供給されるガスは、シール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａから回転軸３８１の軸方向に沿う一端の側（低圧羽根車３８２側）に冷媒を押し出すシールガスである。

【0084】

このように、第３実施形態では、高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３と回転軸３７１との間の領域３７９ａ及びスラスト軸受部３７４と回転軸３７１との間の領域３７９ｂから排出されたガスが、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａに供給されることになる。従って、高圧膨張タービン３７のラジアル軸受部３７３と回転軸３７１との間の領域３７９ａ及びスラスト軸受部３７４と回転軸３７１との間の領域３７９ｂで用いられたガスが、高圧膨張タービン３７ｂ及び低圧膨張タービン３８ｂから排出される前に、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａで再び用いられることになる。高圧膨張タービン３７ｂのラジアル軸受部３７３と回転軸３７１との間の領域３７９ａ及びスラスト軸受部３７４と回転軸３７１との間の領域３７９ｂで用いられるガスと、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａで用いられるガスと、を共通化することにより、高圧膨張タービン３７ｂ及び低圧膨張タービン３８ｂにおける軸受部３７６、３８６と回転軸３７１、３８１との間に供給されるガスの消費量を少なく抑えることができる。従って、システム内で消費されるエネルギーが少なく抑えられる。これにより、極低温冷凍装置１００のエネルギー効率を向上させることができる。

【0085】

また、低圧膨張タービン３８ｂにおける膨張の行われている羽根車３８２周囲の領域では、冷媒が低圧になっている。従って、低圧膨張タービン３８ｂにおけるシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａでは圧力が低くなっている。従って、低圧膨張タービン３８ｂにおけるシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａの圧力が、高圧膨張タービン３７ｂのガス排出路３７８の圧力よりも小さい。従って、高圧膨張タービン３７ｂのガス排出路３７８と、低圧膨張タービン３８ｂのシール部３８５と回転軸３８１との間の領域３８５ａと、の間で圧力差が生じる。これにより、高圧膨張タービン３７ｂのガス排出路３７８と、低圧膨張タービン３８ｂの領域３８５ａと、の間を接続すれば、この間に特別に供給手段を設けなくても、ガス排出路３７８から排出されるガスを領域３８５ａに供給することができる。このため、ガスを領域３８５ａに供給する供給手段を冷媒の膨張システムの構成から省くことができ、領域３８５ａにガスを供給するための構成が簡易になる。これにより、極低温冷凍装置１００の製造コストを少なく抑えることができる。

【0086】

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、高圧膨張タービンと低圧膨張タービンとの２台の膨張タービンを用いて冷媒を膨張させて冷却する形態について説明した。しかしながら、本発明は上記実施形態に限定されず、他の形態が採用されてもよい。例えば、３台以上の複数の膨張タービンが用いられて、それぞれの膨張タービンによって冷媒が膨張されて冷却される形態が採用されてもよい。その際、複数の膨張タービンのうち、いずれか２つの膨張タービンの間で、上記の実施形態に示されるように、ガスの再利用によって軸受部と回転軸との間の領域へのガスの供給が行われても良い。

【0087】

また、複数の膨張タービンが用いられ、そのうちの一部の膨張タービンの間で軸受部と回転軸との間に供給されるガスが再利用される場合には、連続して接続された膨張タービンの間でのみガスが再利用される形態に限定されない。複数の膨張タービンのうち、任意の膨張タービン同士の間で、軸受部と回転軸との間に供給されるガスが再利用されれば良い。

【0088】

また、上記実施形態では、冷媒の圧力が比較的高圧の高圧膨張タービンで用いられたガスが、冷媒の圧力が比較的低圧の低圧膨張タービンで再利用される形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。低圧膨張タービンで用いられるガスの圧力が高圧膨張タービンで用いられるガスの圧力よりも高い場合には、低圧膨張タービンで用いられたガスが高圧膨張タービンで再利用される形態であっても良い。

【0089】

また、上記実施形態では、軸受部で回転軸の位置決めのために用いられる高圧のガスとして、圧縮機で圧縮されたガスを用いる形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。別の圧縮機によって圧力が高められた高圧のガスによって回転軸の位置決めが行われてもよい。また、圧縮機以外の他の手段によって高圧になったガスによって回転軸の位置決めが行われてもよい。

【符号の説明】

【0090】

３７ 高圧膨張タービン
３７１ 高圧膨張タービン回転軸
３７２ 高圧羽根車
３７６ 高圧膨張タービン軸受部
３７７ 高圧ガス供給路
３７８ 高圧ガス排出路
３８ 低圧膨張タービン
３８１ 低圧膨張タービン回転軸
３８２ 低圧羽根車
３８６ 低圧膨張タービン軸受部
３８７ 低圧ガス供給路
３８８ 低圧ガス排出路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】