JP2007056710A - 空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 主軸に作用するスラスト力の検出手段の構成が簡素で信頼性が高く、翼車の微小隙間を保ちながら安定した高速回転が得れ、主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化、信頼性向上が図れ、また空気サイクル冷凍冷却システムの稼動状況をモニタリングできる空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットを提供する。
【解決手段】 この空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット５は、コンプレッサ６および膨張タービン７を有する。コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａが主軸１３の両端にそれぞれ取付けられ、タービン翼車７ａで発生した動力によりコンプレッサ翼車６ａが駆動される。主軸１３は、ラジアル方向に対し転がり軸受１５，１６で支承する。主軸１３にかかるスラスト力は電磁石１７により支承する。コンプッサ６および膨張タービン７の少なくとも一方の空気圧を測定する空気圧測定手段として圧力センサ６１〜６４を設ける。
【選択図】 図２

Description

この発明は、冷媒として空気が用いられ、冷凍倉庫や零度以下の低温室等や空調に利用される空気サイクル冷凍冷却システムの空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットに関する。

冷媒として空気を用いることは、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べて、環境保護や安全性の面では好ましいが、エネルギー効率としての特性面では不足する。しかし、冷凍倉庫等のように、冷媒となる空気を直接に吹き込むことができる施設で用いる場合、庫内ファンやデフロストを省略する等の工夫を講じることにより、トータルコストを既存システム並みに引下げられる可能性がある。現在では既に、環境面から冷媒としてフロンを用いることが規制され、また他の冷媒用ガスを用いることも、できるだけ避けることが望まれる。そのため、上記のような用途で、空気を冷媒として用いる空気サイクル冷凍冷却システムが提案されている（例えば特許文献１，非特許文献１）。

また、−３０℃〜−６０℃のディープ・コール領域では、空気冷却の理論効率は、フロンやアンモニアガスと同等以上になることが述べられている（非特許文献１）。ただし、上記空気冷却の理論効率を得ることは、最適に設計された周辺装置があって、始めて成り立つとも述べられている。周辺装置は、圧縮機や膨張タービン等である。
圧縮機，膨張タービンとしては、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたタービンユニットが用いられている（特許文献１、非特許文献１）。

なお、プロセスガスを処理するタービン・コンプレッサとしては、主軸の一端にタービン翼車、他端にコンプレッサ翼車を取付け、前記主軸を電磁石の電流で制御するジャーナルおよびスラスト軸受で支承した磁気軸受式タービン・コンプレッサが提案されている（特許文献２）。
また、ガスタービンエンジンにおける提案ではあるが、主軸支持用の転がり軸受に作用するスラスト荷重が軸受寿命の短縮を招くことを回避するため、転がり軸受に作用するスラスト荷重をスラスト磁気軸受により低減することが提案されている（特許文献３）。
特許第２６２３２０２号公報 特開平７−９１７６０号公報 特開平８−２６１２３７号公報 雑誌，ニッケイメカニカル，「空気で空気を冷やす」，１９９５年１１月１３日発行，no４６７，第４６〜５２頁

上記のように、空気サイクル冷凍冷却システムとして、ディープ・コール領域で高効率となる空気冷却の理論効率を得るためには、最適に設計された圧縮機や膨張タービンが必要となる。
圧縮機，膨張タービンとしては、上記のようにコンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたタービンユニットが用いられている。このタービンユニットは、膨張タービンの生じる動力によりコンプレッサ翼車を駆動できることで空気サイクル冷凍機の効率を向上させている。

しかし、実用的な効率を得るためには、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保つ必要がある。この隙間の変動は、安定した高速回転の妨げとなり効率の低下を招く。
また、コンプレッサ翼車やタービン翼車に作用する空気により、主軸にスラスト力が作用し、主軸を支持する軸受にスラスト荷重が荷される。空気冷却用タービンユニットにおけるタービンユニットの主軸の回転速度は、１分に８万〜１０万回転であり、一般的な用途の軸受に比べて非常に高速となる。そのため、上記のようなスラスト荷重は、主軸を支持する軸受の長期耐久性の低下、寿命低下を招き、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの信頼性を低下させる。このような軸受の長期耐久性の課題を解消しなくては、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの実用化、しいては空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が難しい。しかし、上記特許文献１，非特許文献２に開示の技術は、この高速回転下におけるスラスト荷重の負荷に対する軸受の長期耐久性の低下については、解決されるに至っていない。

特許文献２の磁気軸受式タービン・コンプレッサのように、主軸を磁気軸受からなるジャーナル軸受およびスラスト軸受で支承したものでは、ジャーナル軸受にアキシアル方向の規制機能がない。そのため、スラスト軸受の制御の不安定要因等があると、上記翼車とハウジング間の微小隙間を保って安定した高速回転を行うことが難しい。磁気軸受の場合は、電源停止時における接触の問題もある。

この発明の目的は、主軸に作用するスラスト力の検出手段の構成が簡素で信頼性が高く、翼車の微小隙間を保ちながら安定した高速回転が得られ、主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化、信頼性向上が図れ、また空気サイクル冷凍冷却システムの稼動状況をモニタリングできる空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットを提供することである。

この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、コンプレッサおよび膨張タービンを有する空気冷却用タービンユニットであって、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車、および前記膨張タービンのタービン翼車が主軸の両端にそれぞれ取付けられ、タービン翼車で発生した動力によりコンプレッサ翼車が駆動されるものであり、前記主軸をラジアル方向に対し転がり軸受で支承し、前記主軸にかかるスラスト力を電磁石により支承し、前記コンプレッサおよび前記膨張タービンの少なくとも一方の空気圧を測定する空気圧測定手段を設けたことを特徴とする。前記転がり軸受は、深溝玉軸受等のような内外輪間のアキシアル方向位置の保持機能を有するものが好ましい。アンギュラ玉軸受であっても良い。

この構成の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、空気サイクル冷凍冷却システムにおいて、冷却媒体となる空気を、熱交換器により冷却を行う。前記熱交換器で冷却された空気を、膨張タービンにより、目標温度、例えば−３０℃〜６０℃程度の極低温まで断熱膨張により冷却して排出するように使用される。
このタービンユニットは、コンプレッサ翼車および前記膨張タービンのタービン翼車を共通の主軸に取付け、タービン翼車で発生した動力によりコンプレッサ翼車を駆動するものであるため、動力源が不要であり、コンパクトな構成で効率良く冷却できる。
このタービンユニットの圧縮，膨張の効率を確保するためには、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保つ必要がある。空気サイクル冷凍冷却システムでは、この効率確保が重要となる。これに対して、翼車の主軸を転がり軸受により支承するため、転がり軸受の持つアキシアル方向位置の規制機能により、主軸位置がある程度規制され、各翼車とハウジング間の微小隙間を一定に保つことができる。
しかし、タービンユニットの主軸には、各翼車に作用する空気の圧力等でスラスト力がかかる。また、空気冷却システムで使用するタービンユニットでは、１分間に例えば８万〜１０万回転程度の非常に高速の回転となる。そのため、主軸を回転支承する転がり軸受に上記スラスト力が作用すると、軸受の長期耐久性が低下する。

この発明は、上記スラスト力を電磁石で支承するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、主軸支持用の転がり軸受に作用するスラスト力を軽減することができる。この場合に、前記コンプッサおよび前記膨張タービンの少なくとも一方の空気圧を測定する空気圧測定手段を設けたため、これらコンプレッサおよび膨張タービン内の空気により前記主軸に作用するスラスト力を検出することができる。このため、空気圧測定手段の出力に応じて前記電磁石の吸引力を制御することで、転がり軸受をその軸受仕様に応じてスラスト力に対し最適な状態で使用することができる。
特に、検出手段として空気圧測定手段を用いたため、検出手段の構成が簡素で、信頼性が高い。

そのため、各翼車の適切な隙間を保って主軸の安定した高速回転が得られ、かつ転がり軸受の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。主軸支持用の転がり軸受の長期耐久性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの全体として、しいては空気サイクル冷凍冷却システムの全体としての信頼性が向上する。このように、空気サイクル冷凍冷却システムのネックとなっているタービンユニットの主軸軸受の安定した高速回転、長期耐久性、信頼性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が可能となる。
また、空気サイクル冷凍冷却システムの全体の稼動状況は前記コンプッサや膨張タービン内の空気圧に影響するが、前記空気圧測定手段は、コンプッサおよび前記膨張タービンの少なくとも一方の空気圧を測定するものであるため、前記電磁石の制御の他に、空気サイクル冷凍冷却システムの稼動状況のモニタリングに用いることもできる。

この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車およびモータロータを共通の主軸に取付け、前記モータロータに対向させたモータステータからの磁力によって主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を駆動するものとしても良い。
モータを設けて主軸を駆動する場合、コンプレッサよりも前段にブロア等の予圧縮手段を設ける必要がなくなる。

前記空気圧測定手段は、前記膨張タービンの出力側圧、前記タービン翼車の背面圧、前記コンプレッサの入力側圧、および前記コンプレッサ翼車の背面圧の少なくとも一つを検出するものとする。
上記各部のいずれかの空気圧が検出されると、主軸に作用するスラスト力の検出が可能になる。

前記空気圧測定手段として、前記膨張タービンの出力側圧、前記タービン翼車の背面圧、前記コンプレッサの入力側圧、および前記コンプレッサ翼車の背面圧、の全てを測定する複数の空気圧測定手段を設けても良い。
この４箇所の空気圧を測定することで、主軸に作用するスラスト力を精度良く検出することができる。

前記膨張タービンの出力側圧、前記タービン翼車の背面圧、前記コンプレッサの入力側圧、および前記コンプレッサ翼車の背面圧のうちの複数箇所の空気圧を検出する空気圧測定手段を設けた場合に、複数の空気圧測定手段の出力から主軸に作用するスラスト力の推定値を演算するスラスト力推定演算手段を設けても良い。
複数の空気圧測定手段の出力から主軸に作用するスラスト力の推定値を演算することで、スラスト力の制御に適したセンサ出力を精度良く得ることができる。

この発明において、前記空気圧測定手段の付近に温度センサを設け、この温度センサの出力によって前記空気圧測定手段の出力を補正する温度補正手段を設けても良い。
タービンユニットの各部の温度は変動するため、温度センサを設けて空気圧測定手段の測定値を補正することで、精度の良い検出が行える。温度センサは空気圧測定手段の付近に設けるため、より精度の高い温度補正が行える。

この発明において、前記空気圧測定手段の出力に応じて前記電磁石による支承力を制御するコントローラを設けても良い。
電磁石による支承力を制御することで、主軸を回転する転がり軸受を、スラスト力に対して最適な状態で使用でき、転がり軸受のより一層の高速安定性、長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの安定性がより一層向上する。

前記コントローラはスピンドルハウジングに取付けても良い。
前記コントローラをスピンドルハウジングに取付けることで、電磁石とコントローラとの接続が簡潔になり、システムがコンパクトにできる。

この発明において、前記コントローラへの電源供給にはＤＣ電源を用いても良い。
ＤＣ電源を供給することで、前記コントローラ内の電源回路をコンパクトにできる。

この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、コンプレッサおよび膨脹タービンを有する空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットであって、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車、および前記膨脹タービンのタービン翼車が主軸の両端にそれぞれ取付けられ、タービン翼車で発生した動力によりコンプレッサ翼車が駆動されるものであり、前記主軸をラジアル方向に対し転がり軸受で支承し、前記主軸にかかるスラスト力を電磁石により支承し、前記コンプレッサおよび前記膨脹タービンの少なくとも一方の空気圧を測定する空気圧測定手段を設けたため、主軸に作用するスラスト力の検出手段の構成が簡単で信頼性が高く、翼車の微小隙間を保ちながら安定した高速回転が得られ、主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化、信頼性向上が図れ、また空気サイクル冷凍冷却システムの稼働状況をモニタリングすることができる。
この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車およびモータロータを共通の主軸に取付け、前記モータロータに対向させたモータステータからの磁力によって主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を駆動するものとした場合も、前記主軸をラジアル方向に対し転がり軸受で支承し、前記主軸にかかるスラスト力を電磁石により支承し、前記コンプレッサおよび前記膨脹タービンの少なくとも一方の空気圧を測定する空気圧測定手段を設けたことにより、主軸に作用するスラスト力の検出手段の構成が簡単で信頼性が高く、翼車の微小隙間を保ちながら安定した高速回転が得られ、主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化、信頼性向上が図れ、また空気サイクル冷凍冷却システムの稼働状況をモニタリングすることができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１は、空気サイクル冷凍冷却システムの全体の構成を示す。この空気サイクル冷凍冷却システムは、冷凍庫等の被冷却空間１０の空気を直接に冷媒として冷却するシステムであり、被冷却空間１０にそれぞれ開口した空気の取入口１ａから排出口１ｂに至る空気循環経路１を有している。この空気循環経路１に、予圧縮手段２、第１の熱交換器３、除湿器４、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット５のコンプレッサ６、第２の熱交換器８，中間熱交換器９、および前記タービンユニット５の膨張タービン７が順に設けられている。中間熱交換器９は、同じ空気循環経路１内で取入口１ａの付近の流入空気と、後段の圧縮で昇温し、冷却された空気との間で熱交換を行うものであり、取入口１ａの付近の空気は熱交換器９のコイル９ａ内を通る。

予圧縮手段２はブロア等からなり、モータ２ａにより駆動される。第１の熱交換器３および第２の熱交換器８は、冷却媒体を循環させる熱交換器３ａ，８ａをそれぞれ有し、熱交換器３ａ，８ａ内の水等の冷却媒体と空気循環経路１の空気との間で熱交換を行う。各熱交換器３ａ，８ａは、冷却塔１１に配管接続されており、熱交換で昇温した冷却媒体が冷却塔１１で冷却される。

この空気サイクル冷凍冷却システムは、被冷却空間１０を０℃〜−６０℃程度に保つシステムであり、被冷却空間１０から空気循環経路１の取入口１ａに一例として−３０℃程度で１気圧の空気が流入する。なお、以下に示す温度および気圧の数値は、一応の目安となる一例である。取入口１ａに流入した空気は、中間熱交換器９により、空気循環経路１中の後段の空気の冷却に使用され、３０℃まで昇温する。この昇温した空気は１気圧のままであるが、予圧縮手段２により１．４気圧に圧縮させられ、その圧縮により、６５℃まで昇温する。第１の熱交換器３は、昇温した６５℃の空気を冷却すれば良いため、常温程度の冷水であっても効率良く冷却することができ、４０℃に冷却する。除湿器４は、空気循環経路１内の空気の水分が、後段における氷点下への冷却により凍りついて空気循環経路１の詰まりや膨張タービン７のかじり等を生じることを防止するために、経路内の空気を除湿する。

除湿後の４０℃，１．４気圧の空気が、タービンユニット５のコンプレッサ６により、１．８気圧まで圧縮され、この圧縮により７０℃程度に昇温した状態で、第２の熱交換器８により４０℃に冷却される。この４０℃の空気は、中間熱交換器９で−３０℃の空気により−２０℃まで冷却される。気圧はコンプレッサ６から排出された１．８気圧が維持される。
中間熱交換器９で−２０℃まで冷却された空気は、タービンユニット５の膨張タービン７により断熱膨張され、−５５℃まで冷却されて排出口１ｂから被冷却空間１０に排出される。この空気サイクル冷凍冷却システムは、このような冷凍サイクルを行う。

図２は、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット５の具体例を示す。このタービンユニット５は、コンプレッサ６および膨張タービン７を有し、コンプレッサ６のコンプレッサ翼車６ａおよび膨張タービン７のタービン翼車７ａが主軸１３の両端にそれぞれ取付けられている。また、タービン翼車７ａで発生した動力によりコンプレッサ翼車６ａが駆動されるものであり、別の駆動源は設けられていない。

なお、図５に示すように、コンプレッサ６のコンプレッサ翼車６ａ、膨張タービン７のタービン翼車７ａおよびモータロータ９２を共通の主軸１３に取付け、モータ９０の駆動力で主軸１３を駆動してもよい。モータ９０は、ステータコイル９１ａを有しスピンドルハウジング１４に設置されたステータ９１、および前記モータロータ９２からなり、モータコントローラ９３で制御される。モータ９０を設けて主軸１３を駆動する場合、コンプレッサ６よりも前段にブロア等の予圧縮手段２（図１）を設ける必要がなくなる。

図２において、コンプレッサ６は、コンプレッサ翼車６ａと微小の隙間ｄ１を介して対向するディフューザ６ｂを有し、中心部の吸込口６ｃから軸方向に吸入した空気を、コンプレッサ翼車６ａで圧縮し、外周部の出口（図示せず）から矢印６ｄで示すように排出する。
膨張タービン７は、タービン翼車７ａと微小の隙間ｄ２を介して対向するハウジング７ｂを有し、外周部から矢印７ｃで示すように吸い込んだ空気を、タービン翼車７ａで断熱膨張させ、中心部の排出口７ｄから軸方向に排出する。

このタービンユニット５は、主軸１３をラジアル方向に対し複数の軸受１５，１６で支承し、主軸１３にかかるスラスト力を電磁石１７（１７₁ ，１７₂ ）により支承するものとされる。このタービンユニット５は、コンプレッサ６および膨張タービン７内の空気により主軸１３に作用するスラスト力を検出するための空気圧検出手段として、後述の圧力センサ６１〜６４を設け、その圧力センサ６１〜６４の出力を演算することにより求めたスラスト力の推定値に応じて前記電磁石１７による支承力を制御するコントローラ１９を設けている。電磁石１７は、主軸１３の中央に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板１３ａの両面に非接触で対向するように、スピンドルハウジング１４に設置されている。

主軸１３を支承する軸受１５，１６は、転がり軸受であって、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受が用いられる。深溝玉軸受の場合、両方向のスラスト支持機能を有し、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す作用を持つ。これら２個の軸受１５，１６は、それぞれスピンドルハウジング１４におけるコンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａの近傍に配置されている。

主軸１３は、中央部の大径部１３ｂと、両端部の小径部１３ｃとを有する段付き軸とされている。両側の軸受１５，１６は、その内輪１５ａ，１６ａが小径部１３ｃに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部１３ｂと小径部１３ｃ間の段差面に係合する。
スピンドルハウジング１４における両側の軸受１５，１６よりも各翼車６ａ，７ａ側の部分は、内径面が主軸１３に近接する径に形成され、この内径面に非接触シール２１，２２が形成されている。非接触シール２１，２２は、スピンドルハウジング１４の内径面に複数の円周溝を軸方向に並べて形成したラビリンスシールとされている。

前記各軸受１５，１６のうち、タービン翼車７ａ側の軸受１６は、その外輪１６ａがスピンドルハウジング１４に対してアキシアル方向に移動不能に設置されている。コンプレッサ翼車６ａ側の軸受１５は、スピンドルハウジング１４に設けられた内径孔内に、ばね要素２６によってアキシアル方向へ弾性的に移動自在に設置されている。ばね要素２６は軸受１５を主軸１３の前記段差面に押し付けるように作用し、軸受１５に予圧を与えている。

前記各圧力センサ６１〜６４は、膨張タービン７の出力側圧、そのタービン翼車７ａの背面圧、コンプレッサ６の入力側圧、およびコンプレッサ翼車６ａの背面圧をそれぞれ検出するものである。これら圧力センサ６１〜６４は、スピンドルハウジング１４の内部または外部に設置され、各検出部位の空気圧を各圧力センサ６１〜６４に導くパイプ等の空気圧導入路６１ａ〜６４ａが設けられている。

圧力センサ６１の空気圧導入路６１ａは膨張タービン７の排出口７ｄに開口し、圧力センサ６２の空気圧導入路６２ａは、タービン翼車７ａの背面に対向するスピンドルハウジング１４の内面に開口している。
圧力センサ６３の空気圧導入路６３ａはコンプレッサ６の吸込口６ｃに開口し、圧力センサ６４の空気圧導入路６４ａは、コンプレッサ翼車６ａの背面に対向するスピンドルハウジング１４の内面に開口している。
なお、上記４箇所の圧力センサ６１〜６４は、必ずしも全て設けなくても良く、少なくともいずれか１箇所の圧力センサ６１〜６４を設ければ良い。

各圧力センサ６１〜６４の付近には、温度センサ６５〜６８がそれぞれ設けられている。上記各圧力センサ６１〜６４および温度センサ６５〜６８の出力は、コントローラ１９Ａに入力される。

図３は、図２のタービンユニット５におけるコントローラ１９Ａのブロック図である。図２の各圧力センサ６１〜６４の検出出力Ｐ₆₁〜Ｐ₆₄および温度センサ６５〜６８の出力Ｔ₆₅〜Ｔ₆₈を温度補償回路７４Ａ〜７４Ｄに入力し、各圧力センサ６１〜６４の出力Ｐ₆₁〜Ｐ₆₄が温度補正された後にスラスト力推定演算回路７１に入力する。このスラスト力推定演算回路７１によって主軸１３に作用するスラスト力の推定出力は比較部７５で基準値設定手段７２の基準値と比較され、その偏差が演算される。
演算された上記偏差は、ＰＩＤ補償回路７６により、タービンユニット５に応じて適宜設定される比例，微分，積分動作による処理が行われる。

ＰＩＤ補償回路７６の出力は、ダイオード７７，７８を介して各方向の電磁石１７₁ ，１７₂ を駆動するパワー回路７９，８０に入力される。電磁石１７₁ ，１７₂ は、図２に示したスラスト板１３ａに対向する一対の電磁石１７であり、吸引力しか作用しないため、予めダイオード７７，７８で電流の向きを決め、２個の電磁石１７₁ ，１７₂ を選択的に駆動するようにしている。

図４は、さらに他の実施形態にかかるタービンユニット５を示す。この構造はこのタービンユニット５にコントローラ１９Ａを内蔵させた構成である。このように構成することで、コントローラ１９Ａと電磁石１７間およびコントローラ１９Ａとセンサ６１〜６８間のケーブルが短く構成できるとともに、接続が簡単になることからコスト面で有利となると同時に、外部からのセンサ回路システム全体構成のコンパクト化が図れる。
図５の例のように、タービンユニット５内にモータ９０を配した構成では、モータ９０とそのコントローラ９３間のケーブルも必要となるため、図示は省略するが、上記のようにタービユニットにコントローラ１９Ａを内蔵させた構成は、さらに有利となる。その場合、モータコントローラ９３もタービンユニット５に内蔵させる。

上記構成の作用を説明する。この構成のタービンユニット５は、空気サイクル冷凍冷却システムにおいて、冷却媒体となる空気を熱交換器８，９（図１）により効率良く熱交換できるように、コンプレッサ５で圧縮して温度上昇させ、熱交換器８，９で冷却された空気を、膨張タービン７により、目標温度、例えば−３０℃〜６０℃程度の極低温まで断熱膨張により冷却して排出するように使用される。

このタービンユニット５は、コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａを共通の主軸１３に取付け、タービン翼車７ａで発生した動力によりコンプレッサ翼車６ａを駆動するものであるため、動力源が不要であり、コンパクトな構成で効率良く冷却できる。
このタービンユニット５の圧縮，膨張の効率を確保するためには、各翼車６ａ，７ａとハウジング６ｂ，７ｂとの隙間ｄ１，ｄ２を微小に保つ必要がある。空気サイクル冷凍冷却システムでは、この効率確保が重要となる。これに対して、主軸１３を転がり形式の軸受１５，１６により支承するため、転がり軸受の持つアキシアル方向位置の規制機能により、主軸１３のアキシアル方向位置がある程度規制され、各翼車６ａ，７ａとハウジング６ｂ，７ｂ間の微小隙間ｄ１，ｄ２を一定に保つことができる。

しかし、タービンユニット５の主軸１３には、各翼車６ａ，７ａに作用する空気の圧力等でスラスト力がかかる。また、空気冷却システムで使用するタービンユニット５では、１分間に例えば８万〜１０万回転程度の非常に高速の回転となる。そのため、主軸１３を回転支承する転がり軸受１５，１６に上記スラスト力が作用すると、軸受１５，１６の長期耐久性が低下する。
この実施形態は、上記スラスト力を電磁石１７で支承するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、主軸１３の支持用の転がり軸受１５，１６に作用するスラスト力を軽減することができる。この場合に、コンプレッサ６および膨張タービン７内の空気により主軸１３に作用するスラスト力を検出する圧力センサ６１〜６４と、この圧力センサ６１〜６４の出力から演算し求められるスラスト力推定値に応じて前記電磁石１７による支承力を制御するコントローラ１９とを設け、上記スラスト力をキャンセルできる構成としたので、転がり軸受１５，１６には、その軸受仕様に対して過大なスラスト力は作用せず、スラスト力に対し最適な状態で使用することができる。

そのため、各翼車６ａ，７ａの適切な隙間ｄ１，ｄ２を保って主軸１３の安定した高速回転が得られ、かつ軸受１５，１６の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。軸受１５，１６の長期耐久性が向上するため、空気冷却用タービンユニット５の全体として、しいては空気サイクル冷凍冷却システムの全体としての信頼性が向上する。このように、空気サイクル冷凍冷却システムのネックとなっているタービンユニット５の主軸軸受１５，１６の安定した高速回転、長期耐久性、信頼性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が可能となる。

特に、この実施形態では、主軸１３に作用するスラスト力の検出手段として圧力センサ６１〜６４を用いたため、検出手段の構成が簡単で、信頼性が高く、かつ安価にできる。 また、空気サイクル冷凍冷却システムの全体の稼動状況はタービンユニット５のコンプレッサ６や膨張タービン７内の空気圧にも影響するが、この空気圧を検出する圧力センサ６１〜６４を設けたため、その検出値で空気サイクル冷凍冷却システムの稼動状況のモニタリングを行うこともできる。

各軸受１５，１６は、コンプレッサ翼車６ａの近傍とタービン翼車７ａの近傍とに配置され、主軸１３が両端支持となるため、より一層安定した高速回転が可能になる。また、転がり軸受からなる各軸受１５，１６は、ばね要素２６により予圧を与えているため、主軸１３の軸方向位置が安定し、各翼車６ａ，７ａの微小隙間ｄ１，ｄ２がさらに確実に維持され、さらに安定した高速回転が得られる。

各軸受１５，１６よりも端部側の主軸１３とスピンドルハウジング１４との間には、非接触シール２１，２２が設けられているため、軸受１５，１６内などを通って空気がコンプレッサ６と膨張タービン７の間に漏れることが防止される。コンプレッサ６の内部と膨張タービン７の内部とでは気圧差が大きいため、各軸受１５，１６の内部や、各軸受１５，１６の内外輪１５ａ，１６ａが主軸１３やスピンドルハウジング１４に嵌合する面を取って空気の漏れが生じようとする。このような空気の漏れは、コンプレッサ６や膨張タービン７の効率の低下を招き、また軸受１５，１６内を通過する空気によって軸受内の潤滑材が乾燥したり、空気内に塵埃があると軸受１５，１６内を汚して耐久性を低下させる恐れがある。このような効率低下、および軸受１５，１６の汚損が、上記非接触シール２１，２２によって防止される。

この発明の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットを用いる空気サイクル冷凍冷却システムの系統図である。 この発明の一実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。 同タービンユニットに用いられるコントローラの一例を示すブロック図である。 他の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。 さらに他の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。

符号の説明

１…空気循環経路
１ａ…取入口
１ｂ…排出口
２…予圧縮手段
３…第１の熱交換機
５…空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット
６…コンプレッサ
６ａ…コンプレッサ翼車
７…膨張タービン
７ａ…タービン翼車
８…第２の熱交換器
９…中間熱交換器
１０…被冷却空間
１３…主軸
１３ａ…スラスト板
１４…スピンドルハウジング
１５，１６…軸受
１７…電磁石
１９Ａ…コントローラ
２１，２２…非接触シール
２６…ばね要素
６１〜６４…圧力センサ（空気圧測定手段）
６５〜６８…温度センサ
９０…モータ
９３…モータコントローラ

Claims (8)

1. コンプレッサおよび膨脹タービンを有する空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットであって、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車、および前記膨脹タービンのタービン翼車が主軸の両端にそれぞれ取付けられ、タービン翼車で発生した動力によりコンプレッサ翼車が駆動されるものであり、前記主軸をラジアル方向に対し転がり軸受で支承し、前記主軸にかかるスラスト力を電磁石により支承し、前記コンプレッサおよび前記膨脹タービンの少なくとも一方の空気圧を測定する空気圧測定手段を設けたことを特徴とする空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
2. コンプレッサおよび膨脹タービンを有する空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットであって、
   前記タービンユニットが、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車およびモータロータを共通の主軸に取付け、前記モータロータに対向させたモータステータからの磁力によって主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を駆動するものであり、前記主軸をラジアル方向に対し転がり軸受で支承し、前記主軸にかかるスラスト力を電磁石により支承し、前記コンプレッサおよび前記膨脹タービンの少なくとも一方の空気圧を測定する空気圧測定手段を設けたことを特徴とする空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
3. 請求項１または請求項２において、前記空気圧測定手段は、前記膨脹タービンの出力側圧、前記タービン翼車の背面圧、前記コンプレッサの入力側圧、および前記コンプレッサ翼車の背面圧の少なくとも一つを検出する空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
4. 請求項１または請求項２において、前記膨脹タービンの出力側圧、前記タービン翼車の背面圧、前記コンプレッサの入力側圧、および前記コンプレッサ翼車の背面圧の全てを測定する複数の空気圧測定手段を設けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、複数の空気圧検出手段を設け、これら複数の空気圧測定手段の出力から前記主軸にかかるスラスト力の推定値を演算するスラスト力推定演算手段を設けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記空気圧測定手段の付近に温度センサを設け、この温度センサの出力によって前記空気圧測定手段の出力を補正する温度補正手段を設けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
7. 請求項５において、前記主軸にかかるスラスト力の推定値に応じて前記電磁石による支承力を制御するコントローラを設けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記空気圧測定手段の出力に応じて前記電磁石による支承力を制御するコントローラが設けられ、このコントローラはスピンドルハウジングに取付けられた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

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