特許 7048258 膨張タービン

(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】

(24)【登録日】2022-03-28

(45)【発行日】2022-04-05

(54)【発明の名称】膨張タービン

(51)【国際特許分類】

   F01D 25/16 20060101AFI20220329BHJP

   F16C 32/06 20060101ALI20220329BHJP

   F16J 15/447 20060101ALI20220329BHJP

【ＦＩ】

F01D25/16 C

F01D25/16 J

F16C32/06 Z

F16J15/447

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2017208076

(22)【出願日】2017-10-27

(65)【公開番号】P2019078251

(43)【公開日】2019-05-23

【審査請求日】2020-09-14

(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】高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０３１０５６３１（ＵＳ，Ａ）

【文献】実開昭６１－１９３２３０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】西独国特許出願公開第１９２８７８４（ＤＥ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－００８７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－００８７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１２１５０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第４４７７２２３（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開平０６－１０１４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第３０３８３１８（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｄ ２５／１６

Ｆ０１Ｄ ２５／２２

Ｆ０２Ｃ ６／００

Ｆ０２Ｃ ６／０６

Ｆ０２Ｃ ７／０６

Ｆ０２Ｃ ７／２４

Ｆ０２Ｃ ７／２８

Ｆ１６Ｃ ３２／０６

Ｆ１６Ｊ １５／４４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸と、前記回転軸の一端側に取り付けられ、前記回転軸が回転したときにプロセスガスを取り込みながら膨張させる第１の羽根車とを有するロータ部材と、
前記ロータ部材を回転可能に収容するケーシング部材とを備え、
前記ケーシング部材は、
前記回転軸を支持する軸受部と、
前記回転軸と前記軸受部との間の第１の領域にガスを供給する第１のガス供給路と、
前記第１の領域に供給されたガスが前記第１の領域から排出されるガス排出路と、
前記第１のガス供給路あるいは前記ガス排出路のいずれか一方に接続され、前記ロータ部材と前記ケーシング部材との間に位置する第２の領域にガスを供給する第２のガス供給路とを有し、
前記軸受部が複数形成され、複数の前記軸受部のそれぞれに対応して、前記第１の領域及び前記ガス排出路が形成され、少なくとも１つの前記ガス排出路が前記第２の領域に接続されていることを特徴とする膨張タービン。

【請求項2】

回転軸と、前記回転軸の一端側に取り付けられ、前記回転軸が回転したときにプロセスガスを取り込みながら膨張させる第１の羽根車とを有するロータ部材と、
前記ロータ部材を回転可能に収容するケーシング部材とを備え、
前記ケーシング部材は、
前記回転軸を支持する軸受部と、
前記回転軸と前記軸受部との間の第１の領域にガスを供給する第１のガス供給路と、
前記第１の領域に供給されたガスが前記第１の領域から排出されるガス排出路と、
前記第１のガス供給路あるいは前記ガス排出路のいずれか一方に接続され、前記ロータ部材と前記ケーシング部材との間に位置する第２の領域にガスを供給する第２のガス供給路とを有し、
前記軸受部は、前記回転軸を軸方向に支持するスラスト軸受部を有し、
前記第１のガス供給路は、前記回転軸と、前記スラスト軸受部との間の第４の領域にのみガスを供給するガスの流路であり、
前記ガス排出路は、前記第４の領域からのみ排出されるガスの流路であることを特徴とする膨張タービン。

【請求項3】

前記第２の領域には、前記第１の羽根車によって膨張の行われたプロセスガスの温度よりも高い温度のガスが供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の膨張タービン。

【請求項4】

前記ケーシング部材は、少なくとも前記第１の羽根車の背面部を覆うカバーを有し、
前記カバーには、前記回転軸を回転可能に挿通させる挿通部が形成され、
前記第２の領域は、前記回転軸と前記挿通部との間の第３の領域と連通した領域であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の膨張タービン。

【請求項5】

前記挿通部には、前記第１の羽根車によって取り込まれたプロセスガスの、前記回転軸に沿う前記挿通部よりも前記一端側とは逆側の他端側への漏れに対してシールするシール部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の膨張タービン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、静圧気体軸受により支持された膨張タービンに関する。

【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プロセスガスを断熱膨張させ寒冷を得る極低温冷凍装置が知られている。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や停止時に回転軸と軸受の間で接触が生じない点で有利である。

【0003】

このような膨張タービンを運転する際に、羽根車の背面に設けたシール部から軸受部に低温のプロセスガスの漏れが生じることがある。この漏れた低温のプロセスガスによって回転軸及び軸受部が冷却されてしまうことにより、回転軸及び軸受部の寸法精度が低下する可能性がある。膨張タービンの運転の際に、回転軸及び軸受部の寸法精度が低下した状態で回転軸が回転すると、回転軸が軸受部と接触し、機器の故障の原因となる可能性がある。

【0004】

膨張タービンにおける羽根車の背面に設けたシール部から漏れる低温のプロセスガスの量を少なくするために、特許文献１には、羽根車の背面にシールガス室を設けると共に、シールガス室にシールガスを供給する形式の膨張タービンについて開示されている。特許文献１では、シールガス室の内部の温度が検知され、シールガス室の内部の温度に応じてシールガス室に供給されるガスの流量が調節されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開昭６３－１６９４４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に開示された膨張タービンでは、シールガス室の内部の温度が検出されてからシールガス室に供給されるシールガスの流量が調節されるまでにタイムラグが生じる。そのため、起動時や負荷変更時といったプロセスガスが急激に変化する場合に対応することができず、適切な流量のシールガスをシールガス室に供給することができない可能性がある。これによって回転軸及び軸受部の寸法精度が低下し、機器の故障の原因となる可能性がある。

【0007】

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、プロセスガスの圧力が急激に変化する場合であっても、羽根車の背面に設けたシール部からの低温のプロセスガスの漏れによる回転軸及び軸受部の周囲の温度の低下が少なく抑えられた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】

【0008】

本発明の膨張タービンは、回転軸と、前記回転軸の一端側に取り付けられ、前記回転軸が回転したときにプロセスガスを取り込みながら膨張させる第１の羽根車とを有するロータ部材と、前記ロータ部材を回転可能に収容するケーシング部材とを備え、前記ケーシング部材は、前記回転軸を支持する軸受部と、前記回転軸と前記軸受部との間の第１の領域にガスを供給する第１のガス供給路と、前記第１の領域に供給されたガスが前記第１の領域から排出されるガス排出路と、前記第１のガス供給路あるいは前記ガス排出路のいずれか一方に接続され、前記ロータ部材と前記ケーシング部材との間に位置する第２の領域にガスを供給する第２のガス供給路とを有していることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の膨張タービンによれば、プロセスガスの圧力が急激に変化する場合にも羽根車の背面に設けたシール部からの低温のプロセスガスの漏れによる回転軸及び軸受部の周囲の温度の低下が少なく抑えられるので、故障の発生が抑えられ、膨張タービンの信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】膨張タービンについての構成図である。

【図2】図１の膨張タービンの変形例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実施形態に係る膨張タービンについての構成図である。

【図5】本発明の第４実施形態に係る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。

【0012】

図１に、膨張タービン３７についての構成図を示す。図１には、膨張タービン３７における軸受部にガスが供給されるガス供給路及び軸受部から軸受ガスが排出されるガス排出路が示されている。本実施形態では、軸受ガスとしては、プロセスガスと同一種類のガスが用いられている。

【0013】

膨張タービン３７は、回転軸３７１と羽根車３７２とを有するロータ部材３７３と、ロータ部材３７３を回転可能に収容するケーシング部材３７４とを備えている。

【0014】

羽根車（第１の羽根車）３７２は、回転軸３７１の一端側に取り付けられている。羽根車３７２は、回転軸３７１が回転したときに、膨張タービン３７の内部にプロセスガスを取り込みながら膨張させる。

【0015】

ケーシング部材３７４は、内部にロータ部材３７３を回転可能に収容している。ケーシング部材３７４は、羽根車３７２を覆うカバー３７５を有している。カバー３７５は、少なくとも羽根車３７２の背面部３７２ａを覆うように構成されている。

【0016】

カバー３７５には、ロータ部材３７３の回転軸３７１を挿通させる挿通部３７５ａが形成されている。挿通部３７５ａを通して回転軸３７１がカバー３７５に挿通されている。このとき、羽根車３７２がカバー３７５の外側に突出するように、ロータ部材３７３が配置されている。これによって、ロータ部材３７３が回転可能にケーシング部材３７４内に配置されている。

【0017】

挿通部３７５ａの内周面にはシール部が設けられており、シール部よりも他端側へのプロセスガスの漏れが封止されている。本実施形態では、挿通部３７５ａの内周面に凹凸が形成され、これによって挿通部３７５ａの内周面にラビリンスシールが形成されている。挿通部３７５ａにラビリンスシールが形成されているので、羽根車３７２によって取り込まれたプロセスガスの、回転軸３７１に沿う挿通部３７５ａよりも他端側への漏れが少なく抑えられている。なお、挿通部３７５ａに設けられるシール部は、ラビリンスシール以外のシール部であってもよい。回転軸３７１に沿う挿通部３７５ａよりも他端側へのプロセスガスの漏れを少なく抑えることができるのであれば、他のシール部であってもよい。

【0018】

ここで、「他端側」とは、回転軸３７１におけるプロセスガスを膨張させる羽根車３７２が取り付けられている側とは逆側のことをいうものとする。

【0019】

ケーシング部材３７４は、回転軸３７１を支持する軸受部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３７６ａ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３７６ｂとを備えている。

【0020】

ケーシング部材３７４には、回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域（第１の領域）３７７に軸受ガスを供給するガス供給路（第１のガス供給路）３７８が形成されている。ガス供給路３７８を介して回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７に軸受ガスを供給することが可能に構成されている。

【0021】

適切な圧力によって回転軸３７１とラジアル軸受部３７６ａとの間の領域３７７ａに軸受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３７６ａの内側で浮上する。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３７６ａとの間が、非接触の状態で維持される。

【0022】

このように、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３７６ａ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３７６ａ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、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る。

【0023】

また、適切な圧力によって回転軸３７１とスラスト軸受部３７６ｂとの間の領域３７７ｂに軸受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３７６ｂとの間が、非接触の状態で維持される。このように、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３７６ｂ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３７６ｂ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、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る。

【0024】

さらに、膨張タービン３７は、ガス供給路３７８から回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７に供給された軸受ガスがその領域３７７から排出されるガス排出路３７９を備えている。

【0025】

また、気体の軸受ガスによって回転軸と軸受部との間を非接触とした状態で回転軸を回転させて、膨張タービン３７が運転されるので、プロセスガスに液体の潤滑油が混入することを防ぐことができる。

【0026】

ロータ部材３７３は、ケーシング部材３７４に収容されたまま回転可能に構成されているので、回転軸３７１が回転する際には、回転軸３７１とケーシング部材３７４との間にはどうしても隙間が生じてしまう。羽根車３７２によって膨張されたプロセスガスの一部が羽根車３７２の背面部３７２ａとカバー３７５との間の隙間を通って、カバー３７５と回転軸３７１との間の隙間を通り、プロセスガスがカバー３７５よりも他端側の領域に侵入する可能性がある。

【0027】

羽根車３７２によって膨張されるプロセスガスは、極低温の状態にある。極低温のプロセスガスがカバー３７５の挿通部３７５ａよりも他端側の領域に侵入すると、回転軸３７１、軸受部３７６、及びこれらの周囲の部材がプロセスガスによって冷却される。回転軸３７１及び軸受部３７６が極端に低温の状態となると、回転軸３７１及び軸受部３７６が収縮してしまい、これらの部材の寸法精度が低下してしまう。この状態で膨張タービン３７が運転されて回転軸３７１が回転すると、回転軸３７１と軸受部３７６とが接触してしまい、回転軸３７１及び軸受部３７６あるいはその周囲の機器の故障の原因となる可能性がある。

【0028】

そのため、本実施形態では、ロータ部材３７３とケーシング部材３７４との間の領域に常温のガス（加温ガス）が供給される。以下、ロータ部材３７３とケーシング部材３７４との間の領域に供給されるガス及びガス流路について説明する。

【0029】

本実施形態では、ロータ部材３７３とケーシング部材３７４との間の領域（第２の領域）のうち、回転軸３７１と挿通部３７５ａとの間の領域（第３の領域）３８０に近接した領域３８１にガスを供給するガス供給路（第２のガス供給路）３８２が形成されている。本実施形態では、ガス供給路３８２によってガスの供給される領域３８１は、回転軸３７１と挿通部３７５ａとの間の領域３８０と連通している。領域３８０は、領域３８０における羽根車３７２の取り付けられた側（一端側）とは逆側の他端側の端部３８０ａで、領域３８１に連通するように形成されている。

【0030】

本実施形態では、ガス供給路３８２を介して領域３８１にガスが供給されている。領域３８１に羽根車３７２で膨張されるプロセスガスよりも温度の高いガスが供給されるので、領域３８１の内部のガスの温度の低下を少なく抑えることができる。

【0031】

本実施形態では、ケーシング部材３７４の内部は、全体的にプロセスガスと同種のガスによって満たされている。そのため、領域３８１の内部についても、プロセスガスと同種のガスによって満たされている。従って、温度の高いプロセスガスと同種のガスを領域３８１に供給することにより、領域３８１の内部のガスの温度の低下を抑えることができる。このように、羽根車３７２とカバー３７５との間の隙間からのプロセスガスの漏れによる回転軸３７１及び軸受部３７６の周囲の温度の低下を少なく抑えることができる。

【0032】

本実施形態では、ガスの供給される領域３８１が、羽根車３７２とカバー３７５との間の隙間からのプロセスガスの出口に近接した位置に形成されている。そのため、ガス供給路３８２からの加温ガスが、羽根車３７２とカバー３７５との間の隙間からのプロセスガスの出口に近接した位置に供給される。出口から出たばかりのプロセスガスが充填された領域３８１に対して加温ガスが供給されるので、羽根車３７２とカバー３７５との間の隙間からプロセスガスの漏れが生じていたとしても、漏れ出したプロセスガスによって冷却された部位に対し効率的に加温することができる。従って、領域３８１のガスの温度が低下することを効率的に抑えることができる。

【0033】

ここで、領域３８１に接続されたガス供給路３８２は、軸受部３７６に軸受ガスを供給するガス供給路３７８から分岐して領域３８１に延びている。従って、領域３８１に供給されるガスは、回転軸３７１を軸受部３７６に対して非接触とするために軸受部３７６に供給される軸受ガスと同一のガスである。本実施形態では、軸受部３７６及び領域３８１に、常温のガスが供給されている。

【0034】

軸受部３７６及び領域３８１に供給されるガスは常温であるので、羽根車３７２によって膨張されるプロセスガスに比べて温度が高い。従って、領域３８１には、羽根車３７２によって膨張の行われたプロセスガスよりも温度の高いガスが供給されることになる。これにより、羽根車３７２の背面部３７２ａとカバー３７５との間の隙間を通り、カバー３７５と回転軸３７１との間の隙間を通って、領域３８１内に漏れ出したプロセスガスによる領域３８１の温度の低下を少なく抑えることができる。

【0035】

領域３８１の温度の低下を抑えることができるので、回転軸３７１及び軸受部３７６の温度の低下を少なく抑えることができる。従って、回転軸３７１及び軸受部３７６の寸法精度の低下を抑えることができる。回転軸３７１及び軸受部３７６との間で非接触の状態が保たれたまま膨張タービン３７の運転が行われるので、膨張タービン３７の信頼性を向上させることができる。

【0036】

また、羽根車３７２の設けられた一端側に位置している方のラジアル軸受部３７６ａに供給されたガスについて、回転軸３７１とラジアル軸受部３７６ａとの間の領域３７７ａから排出されたガスの一部が、直接領域３８１に供給されている。このとき、ラジアル軸受部３７６ａを出たガスは、回転軸３７１とラジアル軸受部３７６ａとの間の隙間を通って直接領域３８１に供給されている。ここでは、ガスが通るための流路を特別形成しているわけではないが、回転軸３７１とラジアル軸受部３７６ａとの間の隙間が、領域３８１にガスを供給するガス供給路（第２のガス供給路）として機能している。回転軸３７１とラジアル軸受部３７６ａとの間の隙間を通って、領域３８１を加温するためのガスが領域３８１に供給されている。

【0037】

領域３８１に供給されるガスは、もともと回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７に供給される軸受ガスである。本実施形態では、回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７に供給される軸受ガスのためのガス供給路３７８を分岐させて領域３８１に接続している。従って、領域３８１に加温のためのガスを供給するために、特別なガス供給手段を設けているわけではない。そのため、簡易な構成の変更によって、領域３８１にガスを供給することができる。従って、領域３８１にガスを供給することで膨張タービン３７の信頼性を向上させるためのコストを少なく抑えることができる。

【0038】

また、もともと軸受部３７６に軸受ガスを供給するガス供給路３７８の一部がガス供給路３８２のガス流路として用いられることになるので、ガス供給路３８２を形成する際の構成の変更が少なくて済む。従って、領域３８１にガスを供給するガス供給路３８２を形成するためのコストを少なく抑えることができる。

【0039】

また、領域３８１に供給されるガスは、軸受部３７６に供給される軸受ガスのためのガス供給路３７８から分岐した流路のガス供給路３８２を通っている。従って、回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７に軸受ガスが供給されている間は、領域３８１にもガスが供給され続けることになる。本実施形態では、膨張タービン３７が運転され、回転軸３７１が回転している間は、ガスは領域３８１に供給され続ける。従って、羽根車３７２によって膨張されるプロセスガスの圧力変動に関係なく、一定の流量で領域３８１にガスが供給され続ける。そのため、プロセスガスの圧力が急激に変化する場合にも領域３８１にガスが供給される。これにより、プロセスガスの圧力が急激に変化する場合にも回転軸３７１及び軸受部３７６の周囲の温度の低下を抑えることができる。従って、回転軸３７１及び軸受部３７６の周囲の部材の寸法精度が低下せずに、羽根車３７２とカバー３７５との間の隙間からのプロセスガスの漏れ量が少なく抑えられる。つまり、起動時や負荷変更時といったプロセスガスの圧力が急激に変化する場合にも領域３８１にガスが供給され続けることにより、回転軸３７１の周囲の温度が低下することを抑えることができる。従って、膨張タービン３７の信頼性を向上させることができる。

【0040】

領域３８１に供給されたガスは、領域３８１で空間内部のガスに対し自身の熱を与えることによって領域３８１内部のガスを加温した後に、ガス排出路３７９を通って膨張タービン３７の外部に排出される。また、領域３８１に供給されずに、ガス供給路３７８を通って軸受部３７６と回転軸３７１との間の領域３７７に供給されたガスについても、ガス排出路３７９を通って膨張タービン３７の外部に排出される。

【0041】

なお、上記実施形態では、領域３８１に接続されたガス供給路３８２は、軸受部３７６に軸受ガスを供給するガス供給路３７８から分岐して領域３８１に延びている構成について説明したが、本発明はこれに限定されない。回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７から排出されるガス排出路が、領域３８１に接続される構成であってもよい。

【0042】

図２に示されるように、ラジアル軸受部３７６ａから排出された軸受ガスのガス排出路が屈曲することにより、ガス排出路が領域３８１に接続されている。これによって、領域３８１にガスを供給するためのガス供給路３８２ａが形成されている。このように、領域３８１にガスを供給するためのガス供給路３８２ａは、領域３７７から軸受ガスを排出させるためのガス排出路に接続されて形成されてもよい。領域３８１にガスを供給するためのガス供給路は、軸受部３７６と回転軸３７１との間の領域３７７に軸受ガスを供給するガス供給路あるいは領域３７７から軸受ガスを排出させるガス排出路のいずれか一方に接続されていればよい。

【0043】

領域３８１にガスを供給するためのガス供給路３８２ａがガス排出路に接続された場合には、回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７に供給されて回転軸３７１の位置決めのために用いられた軸受ガスが領域３８１内で再度空間内部のガスの加温に用いられている。従って、回転軸３７１の位置決めのための軸受ガスと、領域３８１内のガスの加温のためのガスとが共通して用いられることになる。その場合、ガスは、回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７に供給された後に、そこから領域３８１に供給される。回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７に供給される軸受ガスと回転軸３７１及び軸受部３７６の周辺を加温するために領域３８１に供給されるガスとの間で同じガスが用いられるので、ガスの消費量を少なく抑えることができる。

【0044】

回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７に供給される軸受ガスの圧力によって回転軸３７１の位置決めが行われることから、領域３７７に供給される軸受ガスには、ある程度の圧力を有することが必要とされる。また、領域３８１に供給されるガスは、領域３７７に供給される軸受ガスの流路から分岐した流路を通って供給されるので、領域３８１に供給されるガスについてもある程度の圧力を有している。

【0045】

領域３７７に供給される軸受ガスを高圧にするには、通常、圧縮機を用いて圧縮する等、軸受ガスに対する加圧工程が必要になる。例えば、圧縮機を駆動することによって軸受ガスを昇圧させる場合には、圧縮機を駆動するためのエネルギーが消費されることになる。また、領域３７７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、原料ガス液化装置１００のシステムとしてのエネルギー効率が低下する可能性がある。

【0046】

これに対し、本実施形態のように領域３７７に供給される軸受ガスと、領域３８１に供給されるガスとが共通して用いられる場合には、ガスの消費量が少なく抑えられる。従って、原料ガス液化装置１００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、原料ガス液化装置１００のシステムとしてのエネルギー効率を向上させることができる。

【0047】

なお、上記実施形態では、加温ガスの供給される領域３８１は、回転軸３７１とカバー３７５の挿通部３７５ａとの間の領域３８０に連通する位置に形成されている。特に、上記実施形態では、領域３８０における他端側の端部３８０ａで領域３８１と領域３８０とが連通する位置に領域３８１が形成されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、加温ガスの供給される領域３８１は、他の位置に形成されてもよい。ロータ部材３７３とケーシング部材３７４との間に位置する領域であれば、他の位置に形成されてもよい。つまり、領域３８１は、カバー３７５の挿通部３７５ａに近接した位置でなくてもよい。回転軸３７１、軸受部３７６あるいはその周辺の部材を加温するのであれば、加温ガスの供給される領域３８１は、ロータ部材３７３とケーシング部材３７４との間の、他の位置に形成されてもよい。

【0048】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る膨張タービンについて説明する。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。

【0049】

第２実施形態では、回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７に供給された軸受ガスが領域３７７から排出される複数のガス排出路３７９のうち、全てのガス排出路３７９が領域３８１に接続されている。

【0050】

図３に、第２実施形態における膨張タービン３７ａについての構成図を示す。第２実施形態では、ラジアル軸受部３７６ａとスラスト軸受部３７６ｂとで、それぞれ軸受部３７６が複数形成されている。ラジアル軸受部３７６ａが、プロセスガスを膨張させる羽根車３７２の取り付けられた側と、それとは逆側の他端側にそれぞれ１つずつ配置され、２つのラジアル軸受部３７６ａが配置されている。また、２つのラジアル軸受部３７６ａに挟まれた領域で回転軸３７１の一部が外側に突出し、その部分を回転軸３７１の軸方向に支持するスラスト軸受部３７６ｂが軸方向の前後に挟むように２つ配置されている。

【0051】

また、それぞれの軸受部３７６に対応して、それぞれの軸受部３７６における回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７に軸受ガスを供給するために、複数配置された軸受部３７６のそれぞれに、ガス供給路３７８が複数形成されている。

【0052】

また、それぞれの軸受部３７６における回転軸３７１と軸受部３７６との間の領域３７７から軸受ガスを排出するために、複数配置された軸受部３７６のそれぞれに、ガス排出路３７９が複数形成されている。

【0053】

第２実施形態では、複数のガス排出路３７９の全てが領域３８１に接続されるように構成されている。本実施形態では、複数のガス排出路３７９が、領域３８１に接続される前に、複数のガス排出路３７９の全てが互いに接続され、複数のガス排出路３７９が１つのガス流路にまとめられて構成されている。このガス流路が、領域３８１に接続されている。従って、複数のガス排出路３７９がそれぞれ互いに接続されて、領域３８１に加温のためのガスを供給する１つのガス供給路３８２ｂとして構成されている。

【0054】

領域３８１にガスを供給するガス供給路３８２ｂがこのように構成されているので、軸受部３７６と回転軸３７１との間の領域３７７に供給されたガスは、全て一旦領域３８１に供給される。これにより、領域３８１に供給されるガスの流量を十分に確保することができる。十分な流量のガスが領域３８１に供給されるので、回転軸３７１及び軸受部３７６の周囲の温度の低下をより確実に抑えることができる。従って、回転軸３７１及び軸受部３７６の周囲の部材の寸法精度が低下せずに、羽根車３７２とカバー３７５との間の隙間からのプロセスガスの漏れ量が少なく抑えられる。従って、膨張タービン３７の信頼性をさらに向上させることができる。

【0055】

なお、複数の軸受部３７６の配置については上記実施形態に限定されない。複数のガス排出路３７９の全てが領域３８１に接続されるように構成されているのであれば、軸受部３７６の配置は他の形態であってもよい。

【0056】

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る膨張タービンについて説明する。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。

【0057】

図４に、第３実施形態における膨張タービン３７ｂについての構成図を示す。第３実施形態では、軸受部３７６のうち、スラスト軸受部３７６ｂにのみ、回転軸３７１とスラスト軸受部３７６ｂとの間の領域（第４の領域）３７７ｂにガスを供給するためのガス供給路３７８が形成されている。また、スラスト軸受部３７６ｂにのみ、回転軸３７１とスラスト軸受部３７６ｂとの間の領域３７７ｂからガスを排出するためのガス排出路３７９が形成されている。領域３８１にガスを供給するガス供給路３８２ｃが、スラスト軸受部３７６ｂについてのガス排出路３７９にのみ接続されて形成されている。

【0058】

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、回転軸の位置決めのために大きな力が必要とされる一方、ラジアル軸受部では、回転軸の位置決めのための力は小さくて済む。そのため、ラジアル軸受部に軸受ガスを積極的に供給する必要がない場合には、ラジアル軸受部に軸受ガスを供給するガス供給路は設けられなくてもよい。

【0059】

ラジアル軸受部３７６ａについては、回転軸３７１が回転する際に、回転軸３７１とラジアル軸受部３７６ａとの間に巻き込まれるガスによって回転軸３７１がラジアル軸受部３７６ａに対して非接触な状態が維持される。このように、本実施形態におけるラジアル軸受部３７６ａは、いわゆる動圧型の軸受部である。そのような場合、スラスト軸受部３７６ｂにのみ、領域３７７ｂに軸受ガスを供給するためのガス供給路３７８と、領域３７７ｂから軸受ガスを排出するためのガス排出路３７９が形成されていてもよい。

【0060】

スラスト軸受部３７６ｂについての領域３７７ｂから軸受ガスを排出するためのガス排出路３７９は、領域３８１にガスを供給するガス供給路３８２ｃに接続されている。従って、回転軸３７１とスラスト軸受部３７６ｂとの間の領域３７７ｂに供給され、ガス排出路３７９から排出されるガスは、ガス供給路３８２ｃを通って、領域３８１に供給される。従って、回転軸３７１及び軸受部３７６の周囲の温度の低下を抑えることができる。従って、回転軸３７１及び軸受部３７６の周囲の部材の寸法精度が低下せずに、羽根車３７２とカバー３７５との間の隙間からのプロセスガスの漏れ量が少なく抑えられる。従って、膨張タービン３７の信頼性を向上させることができる。

【0061】

なお、第３実施形態では、ガス供給路３８２ｃは、スラスト軸受部３７６ｂについての、領域３７７ｂから軸受ガスを排出するためのガス排出路３７９に接続される構成とした。しかしながら、本発明はこれに限定されず、ガス供給路３８２ｃは、スラスト軸受部３７６ｂについての、領域３７７に軸受ガスを供給するガス供給路３７８に接続される構成であってもよい。

【0062】

このように、領域３８１にガスを供給するガス供給路３８２ｃは、スラスト軸受部３７６ｂについてのガス供給路３７８あるいはスラスト軸受部３７６ｂについてのガス排出路３７９にのみ接続されて形成されてもよい。

【0063】

なお、本実施形態では、ラジアル軸受部３７６ａ及びスラスト軸受部３７６ｂのうち、スラスト軸受部３７６ｂについてのガス供給路３７８あるいはガス排出路３７９にガス供給路３８２ｃが接続される構成とした。しかしながら本願発明はこれに限定されず、ラジアル軸受部３７６ａ及びスラスト軸受部３７６ｂのうち、ラジアル軸受部３７６ａについてのガス供給路３７８あるいはガス排出路３７９にのみガス供給路３８２ｃが接続されるように構成されてもよい。

【0064】

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る膨張タービンについて説明する。なお、上記第１実施形態ないし第３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。

【0065】

図５に、第４実施形態における膨張タービン３７ｃについての構成図を示す。第４実施形態では、プロセスガスの膨張を行わせる羽根車３７２の取り付けられている側とは逆側の端部にブレーキ羽根車３７２ｂが取り付けられている。ブレーキ羽根車３７２ｂによって圧縮された制動ガスの一部が、領域３８１に供給されている。

【0066】

第４実施形態の膨張タービン３７ｃについて説明する。本実施形態では、回転軸３７１の一端にプロセスガスを膨張させる羽根車３７２が取り付けられ、その反対側の他端側には、ブレーキ羽根車（第２の羽根車）３７２ｂが取り付けられている。

【0067】

ブレーキ羽根車３７２ｂは、回転軸３７１が回転したときにブレーキ羽根車３７２ｂ側の流路３８３を流れるプロセスガスを取り込みながら、そこでプロセスガスの圧縮を行う。ブレーキ羽根車によって圧縮されたプロセスガスは、ガス流路３８３を流れ、そこからガス流路を循環した後に再びブレーキ羽根車３７２ｂに戻る。戻ってきたプロセスガスに対し、再びブレーキ羽根車３７２によってプロセスガスの圧縮が行われる。このように、ブレーキ羽根車３７２ｂによるプロセスガスの圧縮が、流路内のプロセスガスの循環によって繰り返し行われる。これにより、ブレーキ羽根車３７２ｂ及びガス流路３８３によって、繰り返しプロセスガスの圧縮を行う制動ラインが構成されている。

【0068】

本実施形態では、制動ラインを構成するガス流路３８３に、領域３８１へガスを供給するガス供給路（第３のガス供給路）３８２ｄが接続されている。すなわち、ブレーキ羽根車３７２ｂによって圧縮されたプロセスガスのガス流路３８３に接続されたガス供給路３８２ｄが、領域３８１に接続されている。これにより、制動ラインのガス流路３８３を流れるプロセスガスの一部が、ガス供給路３８２ｄを介して領域３８１に供給される。

【0069】

第４実施形態においても、プロセスガスの膨張を行わせる羽根車３７２に近接した側のラジアル軸受部３７６ａと回転軸３７１との間の領域３７７ａから排出された軸受ガスの一部が直接領域３８１に供給されている。この羽根車３７２側の領域３７７ａから領域３８１へのガスの供給に追加して、ガス流路３８３から領域３８１へのガスの供給が行われている。従って、より確実に回転軸３７１及び軸受部３７６の周囲の温度の低下を抑えることができる。これにより、膨張タービン３７の信頼性をより向上させることができる。

【0070】

制動ラインを構成するガス流路３８３には、ブレーキ羽根車３７２ｂによる圧縮の行われたガスが流通している。そのため、ガス流路３８３には、比較的高温、高圧のプロセスガスが流通している。

【0071】

ガス流路３８３を流れるプロセスガスは比較的高い圧力を有しているので、ガス流路３８３と領域３８１との間にガス供給路３８２ｄを形成すれば、プロセスガスは領域３８１に供給される。従って、ガス流路３８３から領域３８１にガスを供給するために、新たにガス供給手段を設ける必要がない。従って、簡易な変更で領域３８１にガスを供給するガス供給路３８２ｄを形成することができる。これにより、領域３８１にガスを供給するガス供給路３８２ｄを有する膨張タービンを製造する際の製造コストを低く抑えることができる。

【0072】

また、ガス流路３８３を流れているプロセスガスは、比較的高い温度を有しているので、ガス供給路３８２ｄを通して領域３８１にガス流路３８３からのガスを供給することにより、効率的に領域３８１を加温することができる。

【0073】

このように、ブレーキ羽根車３７２ｂによって圧縮されたガスのガス流路３８３に接続されたガス供給路３８２ｄが、領域３８１に接続されていてもよい。これによって、制動ラインを構成するガス流路３８３を流れるガスが領域３８１に供給されてもよい。

【0074】

（他の実施形態）
なお、本発明は、羽根車とカバーとの間の隙間に向けてシールガスを供給し、羽根車とカバーとの間の隙間から他端側に漏れるプロセスガスを羽根車側に押し返すシールガスが供給される形式の膨張タービンに追加して適用されてもよい。羽根車とカバーとの間の隙間に接続されたシールガス室にシールガスが供給される形式の膨張タービンであっても、プロセスガスの流量が急激に変動する場合に、シールガスの供給がプロセスガスの流量の急激な変化に対応できない可能性がある。そのような場合に対応するために、シールガスが供給される形式の膨張タービンに、ロータ部材とケーシング部材との間の領域に加温ガスが供給される構成が追加されてもよい。

【符号の説明】

【0075】

３７１ 回転軸
３７２ 羽根車
３７３ ロータ部材
３７４ ケーシング部材
３７６ 軸受部
３７８、３８２ ガス供給路
３７９ ガス排出路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】