膨張タービン
【課題】高速回転する膨張タービンに適した制動機構を提供する。
【解決手段】回転シャフト１２の外周上側の互いに対向する２箇所に上側突極２６ａ，２６ｂを形成するとともに、回転シャフト１２の外周下側の互いに対向する上側突極２６ａ，２６ｂとは上下方向に重ならない２箇所に下側突極２８ａ，２８ｂを形成する。回転シャフト１２の外周に対向した位置にケーシング２２を設け、ケーシング２２には上側突極２６ａ，２６ｂ及び下側突極２６ａ，２６ｂ間に磁路を形成するための励磁コイル３０を設ける。回転シャフト１２の回転と励磁コイル３０によって形成される磁路とによって、ケーシング２２には渦電流が発生するようにする。
【解決手段】回転シャフト１２の外周上側の互いに対向する２箇所に上側突極２６ａ，２６ｂを形成するとともに、回転シャフト１２の外周下側の互いに対向する上側突極２６ａ，２６ｂとは上下方向に重ならない２箇所に下側突極２８ａ，２８ｂを形成する。回転シャフト１２の外周に対向した位置にケーシング２２を設け、ケーシング２２には上側突極２６ａ，２６ｂ及び下側突極２６ａ，２６ｂ間に磁路を形成するための励磁コイル３０を設ける。回転シャフト１２の回転と励磁コイル３０によって形成される磁路とによって、ケーシング２２には渦電流が発生するようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、渦電流を用いて制動する機構を備えた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いる（例えば特許文献１参照）。こうした極低温用の膨張タービンの回転を制動する方式としては、流体的な制動方式と、電気・磁気的な制動方式とが知られている。このうち、流体的な制動方式としては、ブロア制動によるもの（例えば特許文献２参照）、作動液体によるもの（例えば特許文献３参照）があり、電気・磁気的な制動方式としては、発電機を用いるもの（例えば特許文献４参照）が知られている。
【０００３】
また、車両分野等における回転機械の回転を制動する方式として、渦電流による制動を用いるものが知られている（例えば特許文献５参照）。この方式は、静止側（ステータ）に設けたコイルに電流を流して磁界を発生させ、回転しているロータに磁界を作用させることで、ロータ表面に渦電流を発生させる原理を応用したものである。そして、この渦電流と磁束のベクトル積により、回転方向と逆向きの電磁力を発生させることによって、これを制動トルクとして利用するようになっている。
【特許文献１】特開昭６０−２２８７０８号公報
【特許文献２】特開平６−１３７１０１号公報
【特許文献３】特開平８−３１０３５６号公報
【特許文献４】特開２００１−１３２４１０号公報
【特許文献５】特開平１−２８８６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記した従来の膨張タービンの制動方式のうち、ブロワ制動による方式は、機械的な構成であるため制動の働きが確実であるものの、流体の流れが生じて、ガス流れを完全に遮断することができない。このためブロワ側への熱漏れからタービン効率が低下してしまうおそれがあった。
また、発電による制動方式は、高速回転であるため、発電のためのインバータを要し、このインバータで電力を回収して放出する際における制動抵抗や電源回生のための機器が相当複雑化することから、機器の制御も複雑となり高価であった。さらに、発電による制御方式では、モータの回転条件が整わなければ制動力が発揮できないという問題があった。
【０００５】
また、上記の膨張タービン分野以外の回転機械の制動方式として、例えば車両分野等で用いられるブレーキパッドの機械摩擦による制動方式が知られている。しかし、膨張タービンのように高速で回転する回転体（ロータ）の制動には、摩擦損失による発熱や接触によるアンバランスの発生など、回転体としてのバランスが崩されるおそれがあるため、その適用は難しい。
【０００６】
また、上記の従来の渦電流制動は、ロータに渦電流によるジュール熱が発生するため、ロータ側の発熱が顕著となる。特に非接触支持で高速回転させる場合では、ロータの周りのガス等にて熱を取り除くしか方法がないため、ロータ側の発熱を取り除くことは困難である。さらにロータが径方向に拡げられた形になっているため、このような形は膨張タービンのような高速回転体の制動には不適である。このため、ロータが遠心力に耐え、かつ軸系安定性を増した簡素かつ小型で安価な構成の渦電流制動方式の開発が求められていた。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みて、ロータ側の発熱を抑え、かつ、制動トルクを得ることができる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】
本発明に係る膨張タービンでは、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、回転シャフトの一端に設けられたタービンインペラに供給されるガスを断熱膨張させる際に、前記タービンインペラが回転する膨張タービンであって、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側と、タービンインペラに対して遠い側には、周方向に磁気抵抗差を形成する磁性部がそれぞれ設けられ、前記回転シャフトの外周に対向した位置には、電流を流すと磁束を発生するコイルを備えるケーシングが設けられ、前記コイルによって前記ケーシングと前記磁性部との間に形成される磁路と、前記回転シャフトの回転とによって、前記ケーシングには渦電流が発生するように構成されることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側とタービンインペラに対して遠い側には、周方向に磁気抵抗差を形成する磁性部がそれぞれ設けられるので、回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側の磁性部とこれに対向するケーシングとの間、タービンインペラに対して遠い側の磁性部とこれに対向するケーシングとの間をそれぞれ繋ぐ磁路が形成される。コイルに電流を流すと磁束の流れは、例えば、ケーシングのタービンインペラに対して遠い側→回転シャフトの外周のタービンインペラに対して遠い側の磁性部→回転シャフト→回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側の磁性部→ケーシングのタービンインペラに対して近い側の順（コイルの巻方向や励磁方向を変えると逆順になる）に発生する。この状態において回転シャフトが回ろうとすると、この回転に伴って磁性部が設けられる回転シャフトの周囲の磁束密度が変化するので、これに応じて磁性部と対向する位置のケーシングの表面に渦電流が発生する。この渦電流が発生することによって、回転シャフトの回転している方向とは逆向きの制動力が発生する。このように、ケーシングで渦電流が発生する構成としたため、回転シャフト側には電気的な発熱はほとんど生じない。
【００１０】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁性部は、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側に設けられて外側方向に突出した突極と、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して遠い側に設けられて外側方向に突出した突極とからなることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側に設けられて外側方向に突出した突極とこれに対向するケーシングとの間、回転シャフトの外周のタービンインペラに対して遠い側に設けられて外側方向に突出した突極とこれに対向するケーシングとの間において磁路が形成される。コイルに電流を流すと磁束の流れは、例えば、ケーシングのタービンインペラに対して遠い側→タービンインペラに対して遠い側の突極→回転シャフト→タービンインペラに対して近い側の突極→ケーシングのタービンインペラに対して近い側の順（コイルの巻方向や励磁方向を変えると逆順になる）に発生する。この状態において回転シャフトが回ろうとすると、この回転に伴って突極が設けられる回転シャフトの周囲の磁束密度がそれぞれ変化するので、これに応じて突極とこれに対向する位置のケーシングの表面に渦電流が発生する。
【００１２】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁気抵抗差は、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側と遠い側にそれぞれ設けられた内側方向に窪んだ窪み部により形成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、周方向の磁気抵抗差は、回転シャフトの外周の内側方向に窪んだ窪み部によって形成される。
【００１４】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁性部は、前記回転シャフトの周方向に等間隔に配置された２箇所以上の磁性部であることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、２箇所以上の複数の磁性部が、回転シャフトの外周に周方向に等間隔に配置されることから、回転シャフトの回転体としての安定性が高まる。
【００１６】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁性部は、前記回転シャフトの回転軸方向に重ならないように互い違いに形成されることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、磁性部は、回転軸方向に重ならないように互い違いにずらして設けているので、回転シャフトの回転体としての安定性がさらに高まる。
【００１８】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁性部は、前記回転シャフトと一体的に形成されることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、回転シャフト及び磁性部が一体的に形成されて一体型の軸となるので、回転シャフトの回転体としての剛性は、回転シャフト及び磁性部を一体的に形成しない場合に比べると高まる。このため、回転シャフトが高速回転する場合に、回転シャフトのバランスが崩れたりするなどの安定性を失うおそれは低くなる。
【００２０】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記コイルは、ガスとは隔離した位置に設けられることを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、コイルはガスから離して設けられるので、コイルがガスに接触することはなくなる。さらに、コイルを収納する際に、ガス漏れを防止するハーメチックコネクタ等の特殊なコネクタを用いる必要がなくなる。
【００２２】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記ケーシング内には冷却水用通路が設けられ、前記冷却水用通路内を水が流通することにより前記ケーシングを水冷する冷却機能を備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、ケーシングにおける発熱は、ケーシング内に設けられた冷却水用通路内の水の流れにより排熱されて、ケーシングを水冷方式により冷却する。
【００２４】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記コイルは、前記冷却機能に用いる冷却水とは隔離した位置に設けられることを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、コイルは冷却水から離して設けられるので、コイルが冷却水に接触することはなくなる。さらに、コイルを収納する際に、水漏れを防止するハーメチックコネクタ等の特殊なコネクタを用いる必要がなくなる。
【００２６】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁性部は、前記ケーシングの内周面に接近して設けられ、前記磁性部の設けられる前記回転シャフトのタービンインペラに対して近い側と遠い側との間の前記回転シャフトの外周面に対向した前記ケーシングの内周側には、非磁性材からなる薄い円筒状のスリーブが設けられ、前記冷却水用通路は前記スリーブの外側に設けられ、前記コイルは、非磁性材からなるシール部によって前記冷却水用通路とは分離されて前記ケーシングの外側に設けられ、前記コイルに直流電流を流すことにより前記ケーシングと前記磁性部との間に磁路を形成させ、前記回転シャフトの回転に応じて前記ケーシングに渦電流を発生させることで前記回転シャフトの制動がなされる構成とされること
を特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、コイルに直流電流を流すことによりケーシングに渦電流を発生させて、回転シャフトを制動する。ケーシングの発熱は、冷却水用通路内の冷却水により冷却される。磁束発生用のコイルは、非磁性材からなるシール部によって冷却水用通路内の冷却水やガスとは分離されて設けられる。冷却水用通路は非磁性材からなるスリーブ及びシール部により区画されてケーシング内部に設けられる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、コイルに電流を流すだけで回転シャフト（ロータ）の制動を容易に行うことができるという信頼性の高い簡易な構成を提供することができる。また、回転シャフト側に電気的な発熱がほとんど生じないので回転体としての安定性は損なわれない。さらに、コイルの取り扱いに関する特別な配慮を不要とすることができ、メンテナンスを容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る膨張タービンの第一の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は第一の実施形態に係る膨張タービン１０の全体構成を示す断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図３は図１のＢ部の概略斜視図である。
【００３０】
膨張タービン１０は、図１に示すように、上下に延びた磁性材からなる回転シャフト１２と、回転シャフト１２の下端に設けられたタービンインペラ１４とを備える。タービンインペラ１４は断熱膨張装置１６に内蔵されており、断熱膨張装置１６に導入された極低温ガス（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１４を回転駆動することにより、タービンインペラ１４を介して回転シャフト１２が軸心Ｃの周りに回転するようになっている。
【００３１】
タービンインペラ１４の上側の回転シャフト１２の周囲には、断熱材１８が設けられており、回転シャフト１２の設けられる側からタービンインペラ１４の設けられる低温側への入熱を抑制するようになっている。断熱材１８の上側には、回転シャフト１２の下側部分を回転可能に軸支する下側軸受２０が設けられる。下側軸受２０の上側には、回転シャフト１２の外周を囲うように軸心Ｃと同軸に導電性の磁性材からなるケーシング２２が配置される。ケーシング２２の上側には、回転シャフト１２の上側を回転可能に軸支する上側軸受２４が設けられる。
【００３２】
上側軸受２４と下側軸受２０に挟まれた回転シャフト１２の軸方向略中央胴部には、例えば、回転シャフト１２の回転軸方向、すなわち上下方向に重ならないように互い違いに上側突極２６ａ、２６ｂと、下側突極２８ａ、２８ｂとがそれぞれ形成される。
【００３３】
上側突極２６ａ、２６ｂは、図２、３に示すように、回転シャフト１２の上側（タービンインペラ１４に対して遠い側）の領域の外周の互いに対向する２箇所に外側方向へ突出して形成される。下側突極２８ａ、２８ｂは、上側突極２６ａ、２６ｂの中央より９０度の角度だけ軸心Ｃの周りにずらした位置の回転シャフト１２の下側（タービンインペラ１４に対して近い側）の領域の外周の２箇所に外側方向へ突出して形成される。
このようにして、回転シャフト１２の外周表面の上側と下側には、周方向に磁気抵抗差をそれぞれ形成するための磁性部としての突極が各々設けられる。
【００３４】
ケーシング２２の外径側には、励磁コイル３０が軸心Ｃと同軸に設けられる。励磁コイル３０は、上側突極２６ａ、２６ｂと、これらと対向する位置のケーシング２２の内周の上側表面４０との間を繋ぐ磁路を形成するとともに、下側突極２８ａ、２８ｂと、これらと対向する位置のケーシング２２の内周の下側表面４２との間を繋ぐ磁路を形成するために用いられる。励磁コイル３０の周りにはＪＩＳ規格におけるＳＵＳ３０４系などの非磁性材で構成されるシール部３６が設けられる。
上側突極２６ａ、２６ｂと下側突極２８ａ、２８ｂの間の回転シャフト１２の外周面に対向したケーシング２２の内周側には、非磁性材からなる薄い円筒状のスリーブ３２が軸心Ｃと同軸に設けられる。
スリーブ３２の外周側のケーシング２２内部には、冷却水用通路３４が設けられる。冷却水用通路３４は、ケーシング２２と、ケーシング２２内周側のスリーブ３２と、ケーシング２２外側のシール部３６とに区画されることによって中空に形成され、冷却水用通路３４を水が例えばポンプ（不図示）によって流動することにより、ケーシング２２を水冷する冷却機能を構成するようになっている。シール部３６は、励磁コイル３０が冷却水用通路３４の冷却水やガスから接触することを防ぐために設けられている。
【００３５】
上記構成の動作を説明する。
励磁コイル３０に電流を流すと、励磁コイル３０が磁界を発生させ、例えば、ケーシング２２内部、ケーシング２２の内周の上側表面４０、上側突極２６ａ、回転シャフト１２、下側突極２８ａ、ケーシング２２の内周の下側表面４２、ケーシング２２内部を繋ぐ経路に磁束の流れが形成される。
この状態において回転シャフト１２が回ると、この回転に伴って上側突極２６ａの設けられる回転シャフト１２の周囲の磁束の方向が変化するとともに、下側突極２８ａの設けられる回転シャフト１２の周囲の磁束の方向が変化する。
そうすると、ケーシング２２の内周の上側表面４０と、内周の下側表面４２のそれぞれの表面において磁束の疎密が時々刻々変化する状態が作りだされ、電磁誘導作用によりケーシング２２の上側表面４０及び下側表面４２には渦電流が発生する。この渦電流が発生することによって、回転シャフト１２には回転している方向と逆向きの制動力が発生するようになる。
【００３６】
ここで、渦電流は、ケーシング２２の内周の上側表面４０と下側表面４２に発生するので、回転シャフト１２側には電気損失による発熱はほとんど発生することがない。このため、回転シャフト１２の回転安定性を保つことができる。
また、ケーシング２２の内周の上側表面４０と下側表面４２の発熱は、ケーシング２２内部に設けられた冷却水用通路３４を流れる冷却水により容易に排熱することができる。
さらに、上側突極２６ａ、２６ｂと下側突極２８ａ、２８ｂとを上下方向すなわち回転軸方向に重ならないように互い違いに配置することにより、回転シャフト１２の回転体としてのバランスを損なうことがない構成とすることができ、回転シャフト１２の上下のそれぞれの外周において、周方向に磁気抵抗差を形成することができる。
【００３７】
上記の第一の実施形態において、励磁コイル３０は、スリーブ３２、冷却水用通路３４の外径側であって、極低温ガスや冷却水とは隔離した位置に設けられる。すなわち、励磁コイル３０と冷却水用通路３４との境界には、シール部３６が設けられて、励磁コイル３０を冷却水及び極低温ガスとから隔離するようになっている。このように、励磁コイル３０は、冷却水にも極低温ガスにも触れないため、特別な対策を講じることが不要となって、汎用的な材料で製造したコイルを使用することができる。
【００３８】
このように、励磁コイル３０を、極低温ガスや冷却水用通路３４からシール部３６によって隔離して極低温ガスや冷却水に接触しないケーシング２２の外径側に配置したので、励磁コイル３０などの電気部品を収納するためのハーメチックコネクタ等の特殊なコネクタを用いずにすみ、普通のコネクタを用いることができる。このため、励磁コイル３０の交換や点検などのメンテナンスも容易である。
【００３９】
上記の第一の実施形態において、励磁コイル３０によって形成される磁路は、直流電流による磁界を用いることができる。このように、直流電流を流すことによって磁路を同一方向に形成し、回転シャフト１２に対して制動力を常に作用させることが可能である。また、回転シャフト１２へ作用する制動力は、印加する磁束において磁気飽和しない範囲で渦電流の電流値の増加に伴って大きくなる。このため、回転シャフト１２へ作用する制動力は、回転シャフト１２の回転数、励磁コイル３０に印加される電流値、励磁コイル３０の巻数のそれぞれの数値の増加に応じて大きくなることになる。したがって、回転シャフト１２の回転数や励磁コイル３０に印加される電流値に応じて、制動力を変化させることが可能である。
【００４０】
また、上記の第一の実施形態において、励磁コイル３０の外部に、直流電流を制御する装置（不図示）を設けるようにしてもよく、この装置で電流のＯＮ・ＯＦＦを制御したり、励磁コイル３０へ印加する直流電流の大きさを可変制御することにより、膨張タービン１０の制動力のＯＮ・ＯＦＦや制動力の大きさを可変制御するようにしてもよい。
【００４１】
さらに、上記の第一の実施形態において、励磁コイル３０に印加する電流値を低く抑えるために、励磁コイル３０の巻数を多くした構成を用いるようにしてもよい。このように、励磁コイル３０の巻数を多くして印加する電流値を抑える構成とすれば、励磁コイル３０に印加する電流電源の容量が小さくてすむという点で有利である。
【００４２】
また、上記の第一の実施形態において、渦電流はケーシング２２側に発生するようになっており、電気原理上、表皮効果によりこの表面にしか電流が流れない状況となる。このため発熱するのは常にケーシング２２の上側表面４０及び下側表面４２の部分となる。そして、この表面４０、４２に発生する熱は、ケーシング２２内部に設けられた冷却水用通路３４内を流れる冷却水により排熱されるようになっている。
ここで、表面４０、４２からの熱をより効率的に吸収するために、表面４０、４２近傍に形成される冷却水用通路３４の内壁形状は、ケーシング２２からスリーブ３２に向かってそれぞれ先細のテーパー状に形成されている。これにより、冷却水用通路３４の内壁が上側表面４０及び下側表面４２の近傍に接近するように形成されるので、表面４０、４２からの熱をより効率的に排熱することができる。
【００４３】
さらに、上記の第一の実施形態において、突極２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂは回転シャフト１２と一体的に形成するのが好ましい。この突極の材質としては、ＪＩＳ規格におけるＳＵＳ４３０系などの磁気を通す材料を用いることができる。
【００４４】
以上のように、上記の第一の実施形態に係る膨張タービン１０は、突極２６ａ等を形成した回転シャフト１２を設けて、ケーシング２２に励磁コイル３０を配置して、冷却水を用いる構成である。そして、この励磁コイル３０に電流を流すだけで回転シャフト１２を容易に制動することができるという簡易な構成であるので、従来の発電による制動方式等に比べるとシステム的信頼性は高い。
【００４５】
また、上記の第一の実施形態に係る膨張タービン１０では、励磁コイル３０に直流電流を印加するだけでよく、冷却水用通路３４内に流れる冷却水から排熱のために排水と給水をすればよいという簡易な構成となる。これにより、高速回転をする回転シャフト１２には渦電流に伴う発熱はほとんど生じないため、回転体としての剛性を維持しつつその回転を制動することができるため有利である。
【００４６】
さらに、上記の第一の実施形態に係る膨張タービン１０は、回転シャフト１２に突極２６ａ等を形成し、さらに外部に磁路を形成するケーシング２２を備えていれば多少の形状の違いは甘受できるようになっていることから、構造上単純な構成で回転シャフト１２を制動することができるという有利な効果を奏する。
【００４７】
図４に、第一の実施形態に係る膨張タービン１０の電磁気解析の結果の一例を示す。これは励磁コイル３０に３Ａの電流を印加した場合の制動トルク及びケーシング２２における発熱量の一例を示した図であり、回転シャフト１２の回転速度５万〜１０万ｒｐｍに対して解析した結果である。これによると、例えば、回転速度５万ｒｐｍの場合の制動トルクは電力値換算で約３２０Ｗであり、ケーシング２２側の発熱量は約２７０Ｗであり、回転シャフト１２側の発熱量はほとんどゼロである。また、回転速度１０万ｒｐｍの場合は、制動トルクは電力値換算で約８００Ｗ、ケーシング２２側の発熱量は約６４０Ｗ、回転シャフト１２側の発熱量はほとんどゼロとなることが判る。
このように、回転速度の上昇にしたがって、制動トルクとケーシング２２側の発熱量は増加し、回転シャフト１２側の発熱量は回転速度が変化しても変わらない。
このため、上記の第一の実施形態に係る膨張タービン１０は、電流さえ印加していれば、回転速度が上昇しても、その速度に応じて制動力が少しずつ大きくなっていくものであり、常に制動力を作用し続けることができる。
【００４８】
上記の第一の実施形態において、上側突極２６ａ，２６ｂ及び下側突極２６ａ，２６ｂのようにタービンインペラ１４に対して近い側と遠い側の上下各々２箇所に突極を設ける代わりに、少なくとも上下それぞれにおいて１箇所以上の磁性部としての突極を設けることで各周方向に磁気抵抗差を形成するようにしてもよく、いずれにしても本発明と同一の効果を奏することができる。この場合、設けられる突極の数は、回転シャフト１２の回転体としての安定性を考慮して、上下それぞれ２箇所以上であることがより好ましい。
【００４９】
図５を参照しながら、本発明に係る膨張タービンの第二の実施形態を説明する。
図５は、第二の実施形態に係る膨張タービンの概略斜視図である。図５に示すように、回転シャフト５２の外周上側（タービンインペラ１４に対して遠い側）に周方向に等間隔に４つの上側突極４６が、外周下側（タービンインペラ１４に対して近い側）に４つの下側突極４８が設けられる。この場合でも、上記の第一の実施形態と同原理にてケーシング２２側に渦電流を発生させることにより回転シャフト５２の回転を制動することが可能である。なお、この場合、図５に示すように、上下各４つの突極４６、４８は上下方向に重なるように配置してもよい。
【００５０】
図６を参照しながら、本発明に係る膨張タービンの第三の実施形態を説明する。
図６は、第三の実施形態に係る膨張タービンの概略斜視図である。図６に示すように、回転シャフト６２の外周上側（タービンインペラ１４に対して遠い側）には内側方向に窪んだ４つの上側窪み部５６が周方向に等間隔に設けられ、外周下側（タービンインペラ１４に対して近い側）には内側方向に窪んだ４つの下側窪み部５８が設けられる。この場合、４つの上側窪み部５６により回転シャフト６２の上側の周方向に磁気抵抗差が形成され、４つの下側窪み部５８により下側の周方向に磁気抵抗差が形成される。上下各４つの窪み部５６、５８に周方向に挟まれた部分には、突出部５９が相対的に形成される。この突出部５９が磁性部の役割を果たすことで、上記の第一の実施形態と同原理にて窪み部５６、５８に対向するケーシング２２側の表面に渦電流を発生させることにより回転シャフト６２の回転を制動することが可能である。なお、この場合、図６に示すように、上下各４つの窪み部５６、５８は上下方向に重なるように配置してもよい。
【００５１】
なお、上述した第一、第二及び第三の実施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】
【００５２】
【図１】第一の実施形態に係る膨張タービンの全体構成を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】図１のＢ部の概略斜視図である。
【図４】渦電流制動機構の性能解析結果の一例であって回転速度と制動トルク及び発熱量との関係を示した図である。
【図５】第二の実施形態に係る膨張タービンの概略斜視図であり、図３に対応する図である。
【図６】第三の実施形態に係る膨張タービンの概略斜視図であり、図３に対応する図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…膨張タービン
１２，５２，６２…回転シャフト
１４…タービンインペラ
２２…ケーシング
２６ａ，２６ｂ…上側突極（磁性部、突極）
２８ａ，２８ｂ…下側突極（磁性部、突極）
３０…励磁コイル（コイル）
３２…スリーブ
３４…冷却水用通路
３６…シール部
５６，５８…窪み部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、渦電流を用いて制動する機構を備えた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いる（例えば特許文献１参照）。こうした極低温用の膨張タービンの回転を制動する方式としては、流体的な制動方式と、電気・磁気的な制動方式とが知られている。このうち、流体的な制動方式としては、ブロア制動によるもの（例えば特許文献２参照）、作動液体によるもの（例えば特許文献３参照）があり、電気・磁気的な制動方式としては、発電機を用いるもの（例えば特許文献４参照）が知られている。
【０００３】
また、車両分野等における回転機械の回転を制動する方式として、渦電流による制動を用いるものが知られている（例えば特許文献５参照）。この方式は、静止側（ステータ）に設けたコイルに電流を流して磁界を発生させ、回転しているロータに磁界を作用させることで、ロータ表面に渦電流を発生させる原理を応用したものである。そして、この渦電流と磁束のベクトル積により、回転方向と逆向きの電磁力を発生させることによって、これを制動トルクとして利用するようになっている。
【特許文献１】特開昭６０−２２８７０８号公報
【特許文献２】特開平６−１３７１０１号公報
【特許文献３】特開平８−３１０３５６号公報
【特許文献４】特開２００１−１３２４１０号公報
【特許文献５】特開平１−２８８６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記した従来の膨張タービンの制動方式のうち、ブロワ制動による方式は、機械的な構成であるため制動の働きが確実であるものの、流体の流れが生じて、ガス流れを完全に遮断することができない。このためブロワ側への熱漏れからタービン効率が低下してしまうおそれがあった。
また、発電による制動方式は、高速回転であるため、発電のためのインバータを要し、このインバータで電力を回収して放出する際における制動抵抗や電源回生のための機器が相当複雑化することから、機器の制御も複雑となり高価であった。さらに、発電による制御方式では、モータの回転条件が整わなければ制動力が発揮できないという問題があった。
【０００５】
また、上記の膨張タービン分野以外の回転機械の制動方式として、例えば車両分野等で用いられるブレーキパッドの機械摩擦による制動方式が知られている。しかし、膨張タービンのように高速で回転する回転体（ロータ）の制動には、摩擦損失による発熱や接触によるアンバランスの発生など、回転体としてのバランスが崩されるおそれがあるため、その適用は難しい。
【０００６】
また、上記の従来の渦電流制動は、ロータに渦電流によるジュール熱が発生するため、ロータ側の発熱が顕著となる。特に非接触支持で高速回転させる場合では、ロータの周りのガス等にて熱を取り除くしか方法がないため、ロータ側の発熱を取り除くことは困難である。さらにロータが径方向に拡げられた形になっているため、このような形は膨張タービンのような高速回転体の制動には不適である。このため、ロータが遠心力に耐え、かつ軸系安定性を増した簡素かつ小型で安価な構成の渦電流制動方式の開発が求められていた。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みて、ロータ側の発熱を抑え、かつ、制動トルクを得ることができる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】
本発明に係る膨張タービンでは、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、回転シャフトの一端に設けられたタービンインペラに供給されるガスを断熱膨張させる際に、前記タービンインペラが回転する膨張タービンであって、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側と、タービンインペラに対して遠い側には、周方向に磁気抵抗差を形成する磁性部がそれぞれ設けられ、前記回転シャフトの外周に対向した位置には、電流を流すと磁束を発生するコイルを備えるケーシングが設けられ、前記コイルによって前記ケーシングと前記磁性部との間に形成される磁路と、前記回転シャフトの回転とによって、前記ケーシングには渦電流が発生するように構成されることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側とタービンインペラに対して遠い側には、周方向に磁気抵抗差を形成する磁性部がそれぞれ設けられるので、回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側の磁性部とこれに対向するケーシングとの間、タービンインペラに対して遠い側の磁性部とこれに対向するケーシングとの間をそれぞれ繋ぐ磁路が形成される。コイルに電流を流すと磁束の流れは、例えば、ケーシングのタービンインペラに対して遠い側→回転シャフトの外周のタービンインペラに対して遠い側の磁性部→回転シャフト→回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側の磁性部→ケーシングのタービンインペラに対して近い側の順（コイルの巻方向や励磁方向を変えると逆順になる）に発生する。この状態において回転シャフトが回ろうとすると、この回転に伴って磁性部が設けられる回転シャフトの周囲の磁束密度が変化するので、これに応じて磁性部と対向する位置のケーシングの表面に渦電流が発生する。この渦電流が発生することによって、回転シャフトの回転している方向とは逆向きの制動力が発生する。このように、ケーシングで渦電流が発生する構成としたため、回転シャフト側には電気的な発熱はほとんど生じない。
【００１０】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁性部は、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側に設けられて外側方向に突出した突極と、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して遠い側に設けられて外側方向に突出した突極とからなることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側に設けられて外側方向に突出した突極とこれに対向するケーシングとの間、回転シャフトの外周のタービンインペラに対して遠い側に設けられて外側方向に突出した突極とこれに対向するケーシングとの間において磁路が形成される。コイルに電流を流すと磁束の流れは、例えば、ケーシングのタービンインペラに対して遠い側→タービンインペラに対して遠い側の突極→回転シャフト→タービンインペラに対して近い側の突極→ケーシングのタービンインペラに対して近い側の順（コイルの巻方向や励磁方向を変えると逆順になる）に発生する。この状態において回転シャフトが回ろうとすると、この回転に伴って突極が設けられる回転シャフトの周囲の磁束密度がそれぞれ変化するので、これに応じて突極とこれに対向する位置のケーシングの表面に渦電流が発生する。
【００１２】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁気抵抗差は、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側と遠い側にそれぞれ設けられた内側方向に窪んだ窪み部により形成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、周方向の磁気抵抗差は、回転シャフトの外周の内側方向に窪んだ窪み部によって形成される。
【００１４】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁性部は、前記回転シャフトの周方向に等間隔に配置された２箇所以上の磁性部であることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、２箇所以上の複数の磁性部が、回転シャフトの外周に周方向に等間隔に配置されることから、回転シャフトの回転体としての安定性が高まる。
【００１６】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁性部は、前記回転シャフトの回転軸方向に重ならないように互い違いに形成されることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、磁性部は、回転軸方向に重ならないように互い違いにずらして設けているので、回転シャフトの回転体としての安定性がさらに高まる。
【００１８】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁性部は、前記回転シャフトと一体的に形成されることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、回転シャフト及び磁性部が一体的に形成されて一体型の軸となるので、回転シャフトの回転体としての剛性は、回転シャフト及び磁性部を一体的に形成しない場合に比べると高まる。このため、回転シャフトが高速回転する場合に、回転シャフトのバランスが崩れたりするなどの安定性を失うおそれは低くなる。
【００２０】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記コイルは、ガスとは隔離した位置に設けられることを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、コイルはガスから離して設けられるので、コイルがガスに接触することはなくなる。さらに、コイルを収納する際に、ガス漏れを防止するハーメチックコネクタ等の特殊なコネクタを用いる必要がなくなる。
【００２２】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記ケーシング内には冷却水用通路が設けられ、前記冷却水用通路内を水が流通することにより前記ケーシングを水冷する冷却機能を備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、ケーシングにおける発熱は、ケーシング内に設けられた冷却水用通路内の水の流れにより排熱されて、ケーシングを水冷方式により冷却する。
【００２４】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記コイルは、前記冷却機能に用いる冷却水とは隔離した位置に設けられることを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、コイルは冷却水から離して設けられるので、コイルが冷却水に接触することはなくなる。さらに、コイルを収納する際に、水漏れを防止するハーメチックコネクタ等の特殊なコネクタを用いる必要がなくなる。
【００２６】
本発明に係る他の膨張タービンは、上記において、前記磁性部は、前記ケーシングの内周面に接近して設けられ、前記磁性部の設けられる前記回転シャフトのタービンインペラに対して近い側と遠い側との間の前記回転シャフトの外周面に対向した前記ケーシングの内周側には、非磁性材からなる薄い円筒状のスリーブが設けられ、前記冷却水用通路は前記スリーブの外側に設けられ、前記コイルは、非磁性材からなるシール部によって前記冷却水用通路とは分離されて前記ケーシングの外側に設けられ、前記コイルに直流電流を流すことにより前記ケーシングと前記磁性部との間に磁路を形成させ、前記回転シャフトの回転に応じて前記ケーシングに渦電流を発生させることで前記回転シャフトの制動がなされる構成とされること
を特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、コイルに直流電流を流すことによりケーシングに渦電流を発生させて、回転シャフトを制動する。ケーシングの発熱は、冷却水用通路内の冷却水により冷却される。磁束発生用のコイルは、非磁性材からなるシール部によって冷却水用通路内の冷却水やガスとは分離されて設けられる。冷却水用通路は非磁性材からなるスリーブ及びシール部により区画されてケーシング内部に設けられる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、コイルに電流を流すだけで回転シャフト（ロータ）の制動を容易に行うことができるという信頼性の高い簡易な構成を提供することができる。また、回転シャフト側に電気的な発熱がほとんど生じないので回転体としての安定性は損なわれない。さらに、コイルの取り扱いに関する特別な配慮を不要とすることができ、メンテナンスを容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る膨張タービンの第一の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は第一の実施形態に係る膨張タービン１０の全体構成を示す断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図３は図１のＢ部の概略斜視図である。
【００３０】
膨張タービン１０は、図１に示すように、上下に延びた磁性材からなる回転シャフト１２と、回転シャフト１２の下端に設けられたタービンインペラ１４とを備える。タービンインペラ１４は断熱膨張装置１６に内蔵されており、断熱膨張装置１６に導入された極低温ガス（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１４を回転駆動することにより、タービンインペラ１４を介して回転シャフト１２が軸心Ｃの周りに回転するようになっている。
【００３１】
タービンインペラ１４の上側の回転シャフト１２の周囲には、断熱材１８が設けられており、回転シャフト１２の設けられる側からタービンインペラ１４の設けられる低温側への入熱を抑制するようになっている。断熱材１８の上側には、回転シャフト１２の下側部分を回転可能に軸支する下側軸受２０が設けられる。下側軸受２０の上側には、回転シャフト１２の外周を囲うように軸心Ｃと同軸に導電性の磁性材からなるケーシング２２が配置される。ケーシング２２の上側には、回転シャフト１２の上側を回転可能に軸支する上側軸受２４が設けられる。
【００３２】
上側軸受２４と下側軸受２０に挟まれた回転シャフト１２の軸方向略中央胴部には、例えば、回転シャフト１２の回転軸方向、すなわち上下方向に重ならないように互い違いに上側突極２６ａ、２６ｂと、下側突極２８ａ、２８ｂとがそれぞれ形成される。
【００３３】
上側突極２６ａ、２６ｂは、図２、３に示すように、回転シャフト１２の上側（タービンインペラ１４に対して遠い側）の領域の外周の互いに対向する２箇所に外側方向へ突出して形成される。下側突極２８ａ、２８ｂは、上側突極２６ａ、２６ｂの中央より９０度の角度だけ軸心Ｃの周りにずらした位置の回転シャフト１２の下側（タービンインペラ１４に対して近い側）の領域の外周の２箇所に外側方向へ突出して形成される。
このようにして、回転シャフト１２の外周表面の上側と下側には、周方向に磁気抵抗差をそれぞれ形成するための磁性部としての突極が各々設けられる。
【００３４】
ケーシング２２の外径側には、励磁コイル３０が軸心Ｃと同軸に設けられる。励磁コイル３０は、上側突極２６ａ、２６ｂと、これらと対向する位置のケーシング２２の内周の上側表面４０との間を繋ぐ磁路を形成するとともに、下側突極２８ａ、２８ｂと、これらと対向する位置のケーシング２２の内周の下側表面４２との間を繋ぐ磁路を形成するために用いられる。励磁コイル３０の周りにはＪＩＳ規格におけるＳＵＳ３０４系などの非磁性材で構成されるシール部３６が設けられる。
上側突極２６ａ、２６ｂと下側突極２８ａ、２８ｂの間の回転シャフト１２の外周面に対向したケーシング２２の内周側には、非磁性材からなる薄い円筒状のスリーブ３２が軸心Ｃと同軸に設けられる。
スリーブ３２の外周側のケーシング２２内部には、冷却水用通路３４が設けられる。冷却水用通路３４は、ケーシング２２と、ケーシング２２内周側のスリーブ３２と、ケーシング２２外側のシール部３６とに区画されることによって中空に形成され、冷却水用通路３４を水が例えばポンプ（不図示）によって流動することにより、ケーシング２２を水冷する冷却機能を構成するようになっている。シール部３６は、励磁コイル３０が冷却水用通路３４の冷却水やガスから接触することを防ぐために設けられている。
【００３５】
上記構成の動作を説明する。
励磁コイル３０に電流を流すと、励磁コイル３０が磁界を発生させ、例えば、ケーシング２２内部、ケーシング２２の内周の上側表面４０、上側突極２６ａ、回転シャフト１２、下側突極２８ａ、ケーシング２２の内周の下側表面４２、ケーシング２２内部を繋ぐ経路に磁束の流れが形成される。
この状態において回転シャフト１２が回ると、この回転に伴って上側突極２６ａの設けられる回転シャフト１２の周囲の磁束の方向が変化するとともに、下側突極２８ａの設けられる回転シャフト１２の周囲の磁束の方向が変化する。
そうすると、ケーシング２２の内周の上側表面４０と、内周の下側表面４２のそれぞれの表面において磁束の疎密が時々刻々変化する状態が作りだされ、電磁誘導作用によりケーシング２２の上側表面４０及び下側表面４２には渦電流が発生する。この渦電流が発生することによって、回転シャフト１２には回転している方向と逆向きの制動力が発生するようになる。
【００３６】
ここで、渦電流は、ケーシング２２の内周の上側表面４０と下側表面４２に発生するので、回転シャフト１２側には電気損失による発熱はほとんど発生することがない。このため、回転シャフト１２の回転安定性を保つことができる。
また、ケーシング２２の内周の上側表面４０と下側表面４２の発熱は、ケーシング２２内部に設けられた冷却水用通路３４を流れる冷却水により容易に排熱することができる。
さらに、上側突極２６ａ、２６ｂと下側突極２８ａ、２８ｂとを上下方向すなわち回転軸方向に重ならないように互い違いに配置することにより、回転シャフト１２の回転体としてのバランスを損なうことがない構成とすることができ、回転シャフト１２の上下のそれぞれの外周において、周方向に磁気抵抗差を形成することができる。
【００３７】
上記の第一の実施形態において、励磁コイル３０は、スリーブ３２、冷却水用通路３４の外径側であって、極低温ガスや冷却水とは隔離した位置に設けられる。すなわち、励磁コイル３０と冷却水用通路３４との境界には、シール部３６が設けられて、励磁コイル３０を冷却水及び極低温ガスとから隔離するようになっている。このように、励磁コイル３０は、冷却水にも極低温ガスにも触れないため、特別な対策を講じることが不要となって、汎用的な材料で製造したコイルを使用することができる。
【００３８】
このように、励磁コイル３０を、極低温ガスや冷却水用通路３４からシール部３６によって隔離して極低温ガスや冷却水に接触しないケーシング２２の外径側に配置したので、励磁コイル３０などの電気部品を収納するためのハーメチックコネクタ等の特殊なコネクタを用いずにすみ、普通のコネクタを用いることができる。このため、励磁コイル３０の交換や点検などのメンテナンスも容易である。
【００３９】
上記の第一の実施形態において、励磁コイル３０によって形成される磁路は、直流電流による磁界を用いることができる。このように、直流電流を流すことによって磁路を同一方向に形成し、回転シャフト１２に対して制動力を常に作用させることが可能である。また、回転シャフト１２へ作用する制動力は、印加する磁束において磁気飽和しない範囲で渦電流の電流値の増加に伴って大きくなる。このため、回転シャフト１２へ作用する制動力は、回転シャフト１２の回転数、励磁コイル３０に印加される電流値、励磁コイル３０の巻数のそれぞれの数値の増加に応じて大きくなることになる。したがって、回転シャフト１２の回転数や励磁コイル３０に印加される電流値に応じて、制動力を変化させることが可能である。
【００４０】
また、上記の第一の実施形態において、励磁コイル３０の外部に、直流電流を制御する装置（不図示）を設けるようにしてもよく、この装置で電流のＯＮ・ＯＦＦを制御したり、励磁コイル３０へ印加する直流電流の大きさを可変制御することにより、膨張タービン１０の制動力のＯＮ・ＯＦＦや制動力の大きさを可変制御するようにしてもよい。
【００４１】
さらに、上記の第一の実施形態において、励磁コイル３０に印加する電流値を低く抑えるために、励磁コイル３０の巻数を多くした構成を用いるようにしてもよい。このように、励磁コイル３０の巻数を多くして印加する電流値を抑える構成とすれば、励磁コイル３０に印加する電流電源の容量が小さくてすむという点で有利である。
【００４２】
また、上記の第一の実施形態において、渦電流はケーシング２２側に発生するようになっており、電気原理上、表皮効果によりこの表面にしか電流が流れない状況となる。このため発熱するのは常にケーシング２２の上側表面４０及び下側表面４２の部分となる。そして、この表面４０、４２に発生する熱は、ケーシング２２内部に設けられた冷却水用通路３４内を流れる冷却水により排熱されるようになっている。
ここで、表面４０、４２からの熱をより効率的に吸収するために、表面４０、４２近傍に形成される冷却水用通路３４の内壁形状は、ケーシング２２からスリーブ３２に向かってそれぞれ先細のテーパー状に形成されている。これにより、冷却水用通路３４の内壁が上側表面４０及び下側表面４２の近傍に接近するように形成されるので、表面４０、４２からの熱をより効率的に排熱することができる。
【００４３】
さらに、上記の第一の実施形態において、突極２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂは回転シャフト１２と一体的に形成するのが好ましい。この突極の材質としては、ＪＩＳ規格におけるＳＵＳ４３０系などの磁気を通す材料を用いることができる。
【００４４】
以上のように、上記の第一の実施形態に係る膨張タービン１０は、突極２６ａ等を形成した回転シャフト１２を設けて、ケーシング２２に励磁コイル３０を配置して、冷却水を用いる構成である。そして、この励磁コイル３０に電流を流すだけで回転シャフト１２を容易に制動することができるという簡易な構成であるので、従来の発電による制動方式等に比べるとシステム的信頼性は高い。
【００４５】
また、上記の第一の実施形態に係る膨張タービン１０では、励磁コイル３０に直流電流を印加するだけでよく、冷却水用通路３４内に流れる冷却水から排熱のために排水と給水をすればよいという簡易な構成となる。これにより、高速回転をする回転シャフト１２には渦電流に伴う発熱はほとんど生じないため、回転体としての剛性を維持しつつその回転を制動することができるため有利である。
【００４６】
さらに、上記の第一の実施形態に係る膨張タービン１０は、回転シャフト１２に突極２６ａ等を形成し、さらに外部に磁路を形成するケーシング２２を備えていれば多少の形状の違いは甘受できるようになっていることから、構造上単純な構成で回転シャフト１２を制動することができるという有利な効果を奏する。
【００４７】
図４に、第一の実施形態に係る膨張タービン１０の電磁気解析の結果の一例を示す。これは励磁コイル３０に３Ａの電流を印加した場合の制動トルク及びケーシング２２における発熱量の一例を示した図であり、回転シャフト１２の回転速度５万〜１０万ｒｐｍに対して解析した結果である。これによると、例えば、回転速度５万ｒｐｍの場合の制動トルクは電力値換算で約３２０Ｗであり、ケーシング２２側の発熱量は約２７０Ｗであり、回転シャフト１２側の発熱量はほとんどゼロである。また、回転速度１０万ｒｐｍの場合は、制動トルクは電力値換算で約８００Ｗ、ケーシング２２側の発熱量は約６４０Ｗ、回転シャフト１２側の発熱量はほとんどゼロとなることが判る。
このように、回転速度の上昇にしたがって、制動トルクとケーシング２２側の発熱量は増加し、回転シャフト１２側の発熱量は回転速度が変化しても変わらない。
このため、上記の第一の実施形態に係る膨張タービン１０は、電流さえ印加していれば、回転速度が上昇しても、その速度に応じて制動力が少しずつ大きくなっていくものであり、常に制動力を作用し続けることができる。
【００４８】
上記の第一の実施形態において、上側突極２６ａ，２６ｂ及び下側突極２６ａ，２６ｂのようにタービンインペラ１４に対して近い側と遠い側の上下各々２箇所に突極を設ける代わりに、少なくとも上下それぞれにおいて１箇所以上の磁性部としての突極を設けることで各周方向に磁気抵抗差を形成するようにしてもよく、いずれにしても本発明と同一の効果を奏することができる。この場合、設けられる突極の数は、回転シャフト１２の回転体としての安定性を考慮して、上下それぞれ２箇所以上であることがより好ましい。
【００４９】
図５を参照しながら、本発明に係る膨張タービンの第二の実施形態を説明する。
図５は、第二の実施形態に係る膨張タービンの概略斜視図である。図５に示すように、回転シャフト５２の外周上側（タービンインペラ１４に対して遠い側）に周方向に等間隔に４つの上側突極４６が、外周下側（タービンインペラ１４に対して近い側）に４つの下側突極４８が設けられる。この場合でも、上記の第一の実施形態と同原理にてケーシング２２側に渦電流を発生させることにより回転シャフト５２の回転を制動することが可能である。なお、この場合、図５に示すように、上下各４つの突極４６、４８は上下方向に重なるように配置してもよい。
【００５０】
図６を参照しながら、本発明に係る膨張タービンの第三の実施形態を説明する。
図６は、第三の実施形態に係る膨張タービンの概略斜視図である。図６に示すように、回転シャフト６２の外周上側（タービンインペラ１４に対して遠い側）には内側方向に窪んだ４つの上側窪み部５６が周方向に等間隔に設けられ、外周下側（タービンインペラ１４に対して近い側）には内側方向に窪んだ４つの下側窪み部５８が設けられる。この場合、４つの上側窪み部５６により回転シャフト６２の上側の周方向に磁気抵抗差が形成され、４つの下側窪み部５８により下側の周方向に磁気抵抗差が形成される。上下各４つの窪み部５６、５８に周方向に挟まれた部分には、突出部５９が相対的に形成される。この突出部５９が磁性部の役割を果たすことで、上記の第一の実施形態と同原理にて窪み部５６、５８に対向するケーシング２２側の表面に渦電流を発生させることにより回転シャフト６２の回転を制動することが可能である。なお、この場合、図６に示すように、上下各４つの窪み部５６、５８は上下方向に重なるように配置してもよい。
【００５１】
なお、上述した第一、第二及び第三の実施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】
【００５２】
【図１】第一の実施形態に係る膨張タービンの全体構成を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】図１のＢ部の概略斜視図である。
【図４】渦電流制動機構の性能解析結果の一例であって回転速度と制動トルク及び発熱量との関係を示した図である。
【図５】第二の実施形態に係る膨張タービンの概略斜視図であり、図３に対応する図である。
【図６】第三の実施形態に係る膨張タービンの概略斜視図であり、図３に対応する図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…膨張タービン
１２，５２，６２…回転シャフト
１４…タービンインペラ
２２…ケーシング
２６ａ，２６ｂ…上側突極（磁性部、突極）
２８ａ，２８ｂ…下側突極（磁性部、突極）
３０…励磁コイル（コイル）
３２…スリーブ
３４…冷却水用通路
３６…シール部
５６，５８…窪み部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転シャフトの一端に設けられたタービンインペラに供給されるガスを断熱膨張させる際に、前記タービンインペラが回転する膨張タービンであって、
前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側と、タービンインペラに対して遠い側には、周方向に磁気抵抗差を形成する磁性部がそれぞれ設けられ、
前記回転シャフトの外周に対向した位置には、電流を流すと磁束を発生するコイルを備えるケーシングが設けられ、
前記コイルによって前記ケーシングと前記磁性部との間に形成される磁路と、前記回転シャフトの回転とによって、前記ケーシングには渦電流が発生するように構成されることを特徴とする膨張タービン。
【請求項２】
前記磁性部は、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側に設けられて外側方向に突出した突極と、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して遠い側に設けられて外側方向に突出した突極とからなることを特徴とする請求項１に記載の膨張タービン。
【請求項３】
前記磁気抵抗差は、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側と遠い側にそれぞれ設けられた内側方向に窪んだ窪み部により形成されること
を特徴とする請求項１に記載の膨張タービン。
【請求項４】
前記磁性部は、前記回転シャフトの周方向に等間隔に配置された２箇所以上の磁性部であ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膨張タービン。
【請求項５】
前記磁性部は、前記回転シャフトの回転軸方向に重ならないように互い違いに形成されること
を特徴とする請求項４に記載の膨張タービン。
【請求項６】
前記磁性部は、前記回転シャフトと一体的に形成されること
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膨張タービン。
【請求項７】
前記コイルは、ガスとは隔離した位置に設けられること
を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の膨張タービン。
【請求項８】
前記ケーシング内には冷却水用通路が設けられ、前記冷却水用通路内を水が流通することにより前記ケーシングを水冷する冷却機能を備えること
を特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の膨張タービン。
【請求項９】
前記コイルは、前記冷却機能に用いる冷却水とは隔離した位置に設けられること
を特徴とする請求項８に記載の膨張タービン。
【請求項１０】
前記磁性部は、前記ケーシングの内周面に接近して設けられ、
前記磁性部の設けられる前記回転シャフトのタービンインペラに対して近い側と遠い側との間の前記回転シャフトの外周面に対向した前記ケーシングの内周側には、非磁性材からなる薄い円筒状のスリーブが設けられ、
前記冷却水用通路は前記スリーブの外側に設けられ、
前記コイルは、非磁性材からなるシール部によって前記冷却水用通路とは分離されて前記ケーシングの外側に設けられ、
前記コイルに直流電流を流すことにより前記ケーシングと前記磁性部との間に磁路を形成させ、前記回転シャフトの回転に応じて前記ケーシングに渦電流を発生させることで前記回転シャフトの制動がなされる構成とされること
を特徴とする請求項８又は請求項９に記載の膨張タービン。
【請求項１】
回転シャフトの一端に設けられたタービンインペラに供給されるガスを断熱膨張させる際に、前記タービンインペラが回転する膨張タービンであって、
前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側と、タービンインペラに対して遠い側には、周方向に磁気抵抗差を形成する磁性部がそれぞれ設けられ、
前記回転シャフトの外周に対向した位置には、電流を流すと磁束を発生するコイルを備えるケーシングが設けられ、
前記コイルによって前記ケーシングと前記磁性部との間に形成される磁路と、前記回転シャフトの回転とによって、前記ケーシングには渦電流が発生するように構成されることを特徴とする膨張タービン。
【請求項２】
前記磁性部は、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側に設けられて外側方向に突出した突極と、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して遠い側に設けられて外側方向に突出した突極とからなることを特徴とする請求項１に記載の膨張タービン。
【請求項３】
前記磁気抵抗差は、前記回転シャフトの外周のタービンインペラに対して近い側と遠い側にそれぞれ設けられた内側方向に窪んだ窪み部により形成されること
を特徴とする請求項１に記載の膨張タービン。
【請求項４】
前記磁性部は、前記回転シャフトの周方向に等間隔に配置された２箇所以上の磁性部であ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膨張タービン。
【請求項５】
前記磁性部は、前記回転シャフトの回転軸方向に重ならないように互い違いに形成されること
を特徴とする請求項４に記載の膨張タービン。
【請求項６】
前記磁性部は、前記回転シャフトと一体的に形成されること
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膨張タービン。
【請求項７】
前記コイルは、ガスとは隔離した位置に設けられること
を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の膨張タービン。
【請求項８】
前記ケーシング内には冷却水用通路が設けられ、前記冷却水用通路内を水が流通することにより前記ケーシングを水冷する冷却機能を備えること
を特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の膨張タービン。
【請求項９】
前記コイルは、前記冷却機能に用いる冷却水とは隔離した位置に設けられること
を特徴とする請求項８に記載の膨張タービン。
【請求項１０】
前記磁性部は、前記ケーシングの内周面に接近して設けられ、
前記磁性部の設けられる前記回転シャフトのタービンインペラに対して近い側と遠い側との間の前記回転シャフトの外周面に対向した前記ケーシングの内周側には、非磁性材からなる薄い円筒状のスリーブが設けられ、
前記冷却水用通路は前記スリーブの外側に設けられ、
前記コイルは、非磁性材からなるシール部によって前記冷却水用通路とは分離されて前記ケーシングの外側に設けられ、
前記コイルに直流電流を流すことにより前記ケーシングと前記磁性部との間に磁路を形成させ、前記回転シャフトの回転に応じて前記ケーシングに渦電流を発生させることで前記回転シャフトの制動がなされる構成とされること
を特徴とする請求項８又は請求項９に記載の膨張タービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２５５７８７（Ｐ２００８−２５５７８７Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９５４４７（Ｐ２００７−９５４４７）
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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