JP2005003009A

JP2005003009A - 磁気軸受機構および膨張タービン

Info

Publication number: JP2005003009A
Application number: JP2003163713A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Ouchi; 信明大内; Masaki Hirokawa; 昌樹弘川; Akihiro Oba; 章弘大場
Original assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Current assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】軸受部の機能を低下するのを防ぐことができる磁気軸受機構および膨張タービンを提供する。
【解決手段】スラスト軸受部８６とラジアル軸受部のうち少なくとも一方に用いられ、電磁石８５ａの吸引力を制御することにより回転軸を支持する磁気軸受機構であって、回転軸５３に面する軸受部材８２ｂと、軸受部材８２ｂに設けられた電磁石８５ａとを備え、電磁石８５ａと回転軸５３との間に、電磁石８５ａの少なくとも一部を覆う保護部材９０が設けられている。この保護部材９０によって、電磁石８５ａが損傷を受けるのを防ぎ、軸受部の機能低下を防止する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気液化分離装置などに用いられる磁気軸受機構およびこれを用いた膨張タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気を液化し、酸素、窒素等をこれらの沸点の差異を利用して分離する空気液化分離装置や、ヘリウム液化機などでは、圧縮気体を膨張させて極低温（−５０℃以下）を得るため、膨張タービンが使用されている（特許文献１を参照）。
以下、図１を利用して、従来の５軸制御磁気軸受式膨張タービンの一例を説明する。
膨張タービン８０は、軸受部ハウジング５１内に、回転軸５３と、回転軸５３の軸方向の力を支持するスラスト軸受部８６と、回転軸５３の半径方向の力を支持するラジアル軸受部８３と、タッチダウン軸受部８８とを備えている。
回転軸５３の両端５３ａ、５３ｂには、それぞれタービンインペラ５４と圧縮機インペラ５５が設けられている。
タービンインペラ５４は、気体流通ハウジング５６の膨張室Ｅｘ内に設けられている。圧縮機インペラ５５は、気体流通ハウジング５７の圧縮室Ｃｐ内に気体を送り込むようになっている。
【０００３】
スラスト軸受部８６には、電磁石の吸引力を制御することにより回転軸５３を支持する吸引制御型磁気軸受機構Ｂ_Ｍが用いられている。
スラスト軸受部８６は、スラスト円板８４に面したスラスト軸受部材８２ｂと電磁石８５ａとを備え、電磁石８５ａの吸引力により回転軸５３の軸方向変位量を制御することができるようになっている。
ラジアル軸受部８３にも、吸引制御型磁気軸受機構Ｂ_Ｍが採用されている。ラジアル軸受部８３は、回転軸５３に面したラジアル軸受部材８２ａと電磁石８５ｘ、８５ｙ、８５ｐ、８５ｙａとを備え、電磁石８５ｘ、８５ｙ、８５ｐ、８５ｙａの吸引力により回転軸５３の半径方向変位量を制御することができるようになっている。
タッチダウン軸受部８８は、電磁石の吸引力を制御する磁気軸受コントローラの故障等により吸引制御型磁気軸受機構Ｂ_Ｍが機能しなくなった場合に、回転軸５３と軸受部８６、８３が接触する前に回転軸５３を支持し、回転軸５３と軸受部８６、８３との接触による損傷を防止することができるようになっている。
【０００４】
膨張タービン８０では、高圧の被膨張気体Ｚを導入管５８より膨張室Ｅｘに導入し、タービンインペラ５４を回転させるとともに被膨張気体Ｚを膨張させる。これによって、低圧かつ低温の膨張後気体Ｚ_０が開口５６ａより導出される。タービンインペラ５４の回転により、回転軸５３と圧縮機インペラ５５も回転する。
被圧縮気体Ｘを開口５７ａから気体流通ハウジング５７に導入すると、圧縮機インペラ５５が被圧縮気体Ｘを圧縮して、高圧の圧縮後気体Ｘｐが圧縮室Ｃｐから導出管５９を通して導出される。
【０００５】
図６は、ラジアル軸受部に、吸引制御型磁気軸受機構Ｂ_Ｍに代えて動圧気体軸受機構Ｂ_Ｄを採用したハイブリッド軸受式膨張タービンの一例を示す構造図である（特許文献１を参照）。
ここに示す膨張タービン２０では、スラスト軸受部１６に吸引制御型磁気軸受機構Ｂ_Ｍが採用され、ラジアル軸受部１３に動圧気体軸受機構Ｂ_Ｄが採用されている。ラジアル軸受部１３は、パッド状のラジアル軸受部材１２を備え、このラジアル軸受部材１２は、軸受部ハウジング５１内に設けられた軸受部材１１に、バネ部材１７を備えたボルト１８を介して懸吊されている。
ラジアル軸受部１３は、ラジアル軸受部材１２と回転軸５３が面する間隙ｔを、回転軸５３の回転により昇圧することによって、回転軸５３とラジアル軸受部材１２との間隔を適切に保つことができるようになっている。
なお、２ｂはスラスト軸受部材を示し、７はスラスト円板を示し、８ａ、８ｂは電磁石を示し、９はスラスト軸受用センサを示す。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１２０４０２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
軸受部ハウジング５１には、被膨張気体Ｚと圧縮後気体Ｘｐのうちいずれか圧力が高い方が流れ込むことがあり、この気体の中に、配管中の金属粉等が含まれていると、この金属粉等によって軸受部８６、８３、１６の電磁石が損傷を受けて軸受部８６、８３、１６の機能が低下するおそれがある。
【０００８】
膨張タービン８０において、磁気軸受コントローラの故障等により、軸受部８６、８３の吸引制御型磁気軸受機構Ｂ_Ｍが機能しなくなった場合には、タッチダウン軸受部８８によって回転軸５３が支持されるが、タッチダウン軸受部８８と回転軸５３との接触によって金属粉が発生すると、この金属粉によって電磁石が損傷を受け、軸受部８６、８３の機能が低下するおそれがあった。
さらに、タッチダウン軸受部８８が何らかの原因（例えば疲労破壊等）で機能しなくなると、軸受部８６、８３と回転軸５３とが接触し、金属粉が発生し、この金属粉によって電磁石が損傷を受け、軸受部８６、８３の機能が低下するおそれがあった。
【０００９】
また、吸引制御型磁気軸受機構Ｂ_Ｍの電磁石では、ジュール熱が発生するため高温となることがある。また、回転軸５３の回転数が大きい場合には、間隙ｔに存在する流体の摩擦熱により電磁石が高温になることがある。
特に、膨張タービンを空気液化分離装置に用いる場合には、被膨張気体Ｚや圧縮後気体Ｘｐは空気よりも酸素濃度が高くなるため、これが軸受部ハウジング５１内に流れ込むと電磁石は高温、高酸素濃度雰囲気にさらされる。
このため、電磁石の絶縁被覆が自然発火することによる軸受部の機能低下を防ぐことが要望されている。
また、塵、埃、金属粉等が含まれている気体が軸受部ハウジング５１内に流れ込んだ場合に、これらが高温、高酸素濃度雰囲気下で自然発火することにより電磁石が損傷を受けるのを防ぐ必要がある。
また、軸受部８６、８３、１６、８８と回転軸５３とが接触すると、金属粉が発生することがあるため、これが高温、高酸素濃度雰囲気下で自然発火し電磁石の絶縁被覆が燃焼するのを防ぐ必要がある。また軸受部８６、８３、１６、８８と回転軸５３とが接触すると、スパークが発生するおそれがあるため、このスパークにより電磁石の絶縁被覆が燃焼するのを防ぐ必要がある。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、軸受部の機能を低下するのを防ぐことができる磁気軸受機構および膨張タービンを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気軸受機構は、回転軸の軸方向の力を支持するスラスト軸受部と、回転軸の半径方向の力を支持するラジアル軸受部のうち少なくとも一方に用いられ、電磁石の吸引力を制御することにより回転軸を支持する磁気軸受機構であって、回転軸に面する軸受部材と、軸受部材に設けられた電磁石とを備え、前記電磁石と回転軸との間に、電磁石の少なくとも一部を覆う保護部材が設けられていることを特徴とする。
本発明の磁気軸受機構は、前記電磁石が、軸受部材に形成された収容部内に収容され、保護部材が、収容部の開口を塞ぐように形成されている構成を採用することができる。
前記保護部材は、非磁性金属からなる構成とすることができる。
前記保護部材は、酸素指数が１９．５以上である難燃性合成樹脂からなる構成とすることができる。
前記保護部材は、酸素指数が１９．５以上である難燃性合成樹脂からなり、収容部に充填されている構成とすることができる。
本発明の磁気軸受機構は、雰囲気ガスが、酸素濃度２０ｖｏｌ％以上、圧力０．９２ＭＰａＧ以下、温度−２００〜１００℃の範囲にあり、保護部材と回転軸との隙間が、０．１〜１ｍｍである構成とすることができる。
本発明の膨張タービンは、上記磁気軸受機構が用いられていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明の膨張タービンの一実施形態を示すもので、ここに示す膨張タービン８０は、軸受部ハウジング５１内に、回転軸５３と、回転軸５３の軸方向の力を支持するスラスト軸受部８６と、回転軸５３の半径方向の力を支持するラジアル軸受部８３と、タッチダウン軸受部８８とを備えている。
回転軸５３の両端５３ａ、５３ｂには、それぞれタービンインペラ５４と圧縮機インペラ５５が設けられている。
タービンインペラ５４は、気体流通ハウジング５６の膨張室Ｅｘ内に設けられている。圧縮機インペラ５５は、気体流通ハウジング５７の圧縮室Ｃｐ内に気体を送り込むようになっている。
回転軸５３は、回転軸本体５３ｃと、回転軸本体５３ｃに対し垂直に設けられたスラスト円板８４とを備えている。
【００１３】
スラスト軸受部８６には、電磁石の吸引力を制御することにより回転軸５３を支持する吸引制御型磁気軸受機構Ｂ_Ｍが採用されている。
すなわち、スラスト軸受部８６は、スラスト円板８４の両面に面したスラスト軸受部材８２ｂと、スラスト軸受部材８２ｂに設けられた電磁石８５ａとを備え、電磁石８５ａの吸引力により回転軸５３の軸方向変位量を制御することができるようになっている。
電磁石８５ａは、スラスト円板８４に対向して配設されている。
【００１４】
ラジアル軸受部８３にも、吸引制御型磁気軸受機構Ｂ_Ｍが採用されている。
ラジアル軸受部８３は、回転軸５３に面したラジアル軸受部材８２ａと、Ｘ軸変位用電磁石８５ｘ、Ｙ軸変位用電磁石８５ｙ、ピッチング変位用電磁石８５ｐ、ヨーイング変位用電磁石８５ｙａとを備え、これら電磁石８５ｘ、８５ｙ、８５ｐ、８５ｙａは、回転軸５３の外周面に対向して配設されている。
ラジアル軸受部８３は、回転軸５３と直交するＸ軸、Ｙ軸に沿った変位量、Ｘ軸周りの回転（ピッチング（Ｐ））による変位量、およびＹ軸周りの回転（ヨーイング（Ｙａ））による変位量を制御するようになっている。
【００１５】
スラスト軸受部８６およびラジアル軸受部８３は、回転軸５３の位置を、前記５種類の変位量制御の種類に応じて配置された５つのセンサ、すなわちスラスト軸受用センサ８７ａ、およびラジアル軸受用センサ８７ｘ、８７ｙ、８７ｐ、８７ｙａによって検出し、この検出値に基づいて、スラスト軸受用の電磁石８５ａ、およびラジアル軸受用の電磁石８５ｘ、８５ｙ、８５ｐ、８５ｙａの吸引力を制御して回転軸５３の変位量を調節することができるようになっている。
タッチダウン軸受部８８は、電磁石の吸引力を制御する磁気軸受コントローラの故障等により吸引制御型磁気軸受機構Ｂ_Ｍが機能しなくなった場合に、回転軸５３と軸受部８６、８３が接触する前に回転軸５３を支持し、回転軸５３と軸受部８６、８３の接触による損傷を防止することができるようになっている。
【００１６】
図２に示すように、スラスト軸受部８６では、スラスト円板８４に対向する面のスラスト軸受部材８２ｂに、電磁石８５ａを収容する凹部である電磁石収容部８９が形成されている。
【００１７】
スラスト軸受部材８２ｂには、電磁石収容部８９の開口８９ａを塞ぐ保護部材９０が設けられている。
保護部材９０は、金属粉等の異物が電磁石８５ａに接触するのを防ぐためのもので、板状とされ、電磁石８５ａの少なくとも一部を覆うように形成されている。
保護部材９０は、非磁性金属から構成されている。非磁性金属としては、アルミニウム、銅を挙げることができる。
保護部材９０は、電磁石収容部８９の開口８９ａを気密に閉止するように構成するのが好ましい。
【００１８】
膨張タービン８０では、高圧の被膨張気体Ｚを導入管５８より膨張室Ｅｘに導入し、タービンインペラ５４を回転させるとともに被膨張気体Ｚを膨張させる。これによって、低圧かつ低温の膨張後気体Ｚ０が開口５６ａより導出される。タービンインペラ５４の回転により、圧縮機インペラ５５も回転する。
被圧縮気体Ｘを開口５７ａから気体流通ハウジング５７に導入すると、圧縮機インペラ５５が被圧縮気体Ｘを圧縮して、高圧の圧縮後気体Ｘｐが圧縮室Ｃｐから導出管５９を通して導出される。
【００１９】
スラスト軸受部８６では、電磁石８５ａの少なくとも一部を覆う保護部材９０が設けられているので、金属粉等の異物が軸受部ハウジング５１内に流入または発生した場合でも、これが電磁石収容部８９内の電磁石８５ａに接触するのを防ぐことができる。
従って、電磁石８５ａが損傷を受けるのを防ぎ、スラスト軸受部８６の機能低下を防ぐことができる。
また、軸受部ハウジング５１内に流入または発生した異物（塵、埃、金属粉等）が発火した場合や、軸受部８６、８３、８８と回転軸５３との接触によりスパークが発生した場合でも、炎やスパークが電磁石収容部８９内に入り込むのを防ぎ、電磁石８５ａの絶縁被覆が発火するのを防ぐことができる。
【００２０】
また、電磁石８５ａが電磁石収容部８９内に収容され、保護部材９０が電磁石収容部８９の開口８９ａを塞ぐように形成されているので、金属粉等の異物が電磁石収容部８９内に入り込んで電磁石８５ａに接触するのを確実に防ぐことができる。
【００２１】
また、保護部材９０を非磁性金属で構成するので、電磁石８５ａによる制御に悪影響が及ぶことがない。
また、保護部材９０を、電磁石収容部８９の開口８９ａを気密に閉止するように構成することによって、軸受部ハウジング５１内が高酸素濃度雰囲気となった場合でも、電磁石収容部８９内の酸素濃度を低く維持し、電磁石８５ａの絶縁被覆が発火するのを確実に防ぐことができる。
【００２２】
膨張タービン８０では、スラスト軸受部８６だけでなく、ラジアル軸受部８３にも保護部材を形成することができる。
すなわち、ラジアル軸受部８３のラジアル軸受部材８２ａに、電磁石８５ｘ、８５ｙ、８５ｐ、８５ｙａを収容する凹部である電磁石収容部（図示略）を形成し、ラジアル軸受部材８２ａに、電磁石８５ｘ、８５ｙ、８５ｐ、８５ｙａの少なくとも一部を覆うように（好ましくは電磁石収容部の開口を塞ぐように）保護部材を設けることができる。
これによって、ラジアル軸受部８３においても、電磁石８５ｘ、８５ｙ、８５ｐ、８５ｙａが異物により損傷を受けるのを防ぐことができる。また、電磁石８５ｘ、８５ｙ、８５ｐ、８５ｙａの絶縁被覆が発火するのを防ぐことができる。
【００２３】
図３に示すように、本発明では、非磁性金属からなる保護部材９０に代えて、難燃性合成樹脂からなる板状の保護部材９１を用いることもできる。
保護部材９１を構成する難燃性合成樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリ塩化ビニルを挙げることができる。
なお、本発明において、難燃性とは、酸素指数（ＪＩＳ−Ｋ７２０１に準拠）が１９．５以上であることを指す。酸素指数とは、所定量の材料が燃焼し尽くすため、あるいは継続的に燃焼するために必要な雰囲気中の酸素の限界濃度（ｖｏｌ％）を示す。本発明では、酸素指数が３０以上（好ましくは４０以上）である難燃性樹脂を用いることもできる。酸素指数については、例えば須藤：プラスチックス、４４（９）、１８、１９９３（ポリマーデータブック、ｐ．９１）に記載されている。
【００２４】
図４に示すように、本発明では、板状の保護部材９１に代えて、上記合成樹脂を電磁石収容部８９に充填した保護部材９２を設けることもできる。保護部材９２は、電磁石８５ａを覆うように形成されている。
【００２５】
これらの例においても、保護部材９１、９２を設けることによって、電磁石８５ａが異物により損傷を受けるのを防ぐことができる。また、電磁石８５ａの絶縁被覆が発火するのを防ぐことができる。
保護部材９１、９２は、スラスト軸受部８６だけでなく、ラジアル軸受部８３の電磁石収容部にも設けることができる。
【００２６】
保護部材９１、９２は、スラスト円板８４との距離を最適化することによって、保護部材９１、９２が燃焼するのを確実に防ぐことができる。
保護部材９１、９２と回転軸５３（スラスト円板８４）との隙間は、雰囲気ガスが、酸素濃度２０ｖｏｌ％以上、圧力０．９２ＭＰａＧ以下、温度−２００〜１００℃の範囲にあるときに、０．１〜１ｍｍであることが好ましい。
上記隙間がこの範囲を下回ると、保護部材９１、９２が回転軸５３に接触しやすくなり、上記隙間が上記範囲を越えると、保護部材９１、９２が燃焼しやすくなる。
【００２７】
エポキシ樹脂からなる保護部材９１、９２の燃焼性を調べるため、次に示す試験を行った。
エポキシ樹脂からなる保護部材を、回転軸に近接した位置に設置し、圧力０．９２ＭＰａＧ、温度２３℃の条件において、酸素濃度を５０ｖｏｌ％または６０ｖｏｌ％として、保護部材が燃焼するかどうかを確認した。
【００２８】
図５に示すように、酸素濃度６０ｖｏｌ％の条件においては、保護部材と回転軸との隙間を１ｍｍ以下とすることによって、保護部材の燃焼を防ぐことができたことがわかる。
なお、参考のため、エポキシ樹脂よりも燃焼しやすいポリエチレンを用いた場合の試験結果を図５に併せて示す。
すなわち、ポリエチレンからなる保護部材を用い、保護部材が燃焼しない範囲における上記隙間の最大値を、各圧力条件ごとに実線、破線、一点鎖線で示した。
この図より、圧力が比較的低い場合には、隙間を大きくしても燃焼しにくくなることがわかる。また、酸素濃度が比較的低い場合には、隙間を大きくしても燃焼しにくくなることがわかる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の磁気軸受機構では、電磁石の少なくとも一部を覆う保護部材が設けられているので、金属粉等の異物が電磁石に接触するのを防ぐことができる。
従って、電磁石が損傷を受けたり、絶縁被覆が発火するのを防ぎ、軸受部の機能低下を防ぐことができる。
また、電磁石が収容部内に収容され、保護部材が収容部の開口を塞ぐように形成された構成によって、金属粉等の異物が収容部内に入り込むのを防ぎ、電磁石に接触するのを確実に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気軸受機構の一実施形態を用いた膨張タービンを示す断面図である。
【図２】図１に示す磁気軸受機構の要部を示す断面図である。
【図３】本発明の磁気軸受機構の他の例の要部を示す断面図である。
【図４】本発明の磁気軸受機構のさらに他の例の要部を示す断面図である。
【図５】試験結果を示すグラフである。
【図６】従来の磁気軸受機構の一例を用いた膨張タービンを示す断面図である。
【符号の説明】
８５ａ、８５ｘ、８５ｙ、８５ｐ、８５ｙａ・・・電磁石
８６・・・スラスト軸受部
８３・・・ラジアル軸受部
８９・・・電磁石収容部
８９ａ・・・開口
９０、９１、９２・・・保護部材
８２ａ・・・ラジアル軸受部材
８２ｂ・・・スラスト軸受部材
Ｂ_Ｍ・・・吸引制御型磁気軸受機構

Claims

回転軸の軸方向の力を支持するスラスト軸受部と、回転軸の半径方向の力を支持するラジアル軸受部のうち少なくとも一方に用いられ、電磁石の吸引力を制御することにより回転軸を支持する磁気軸受機構であって、
回転軸に面する軸受部材と、軸受部材に設けられた電磁石とを備え、
前記電磁石と回転軸との間に、電磁石の少なくとも一部を覆う保護部材が設けられていることを特徴とする磁気軸受機構。
前記電磁石が、軸受部材に形成された収容部内に収容され、
保護部材が、収容部の開口を塞ぐように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受機構。
前記保護部材は、非磁性金属からなることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気軸受機構。
前記保護部材は、酸素指数が１９．５以上である難燃性合成樹脂からなることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気軸受機構。
前記保護部材は、酸素指数が１９．５以上である難燃性合成樹脂からなり、収容部に充填されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気軸受機構。
請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の磁気軸受機構において、雰囲気ガスが、酸素濃度２０ｖｏｌ％以上、圧力０．９２ＭＰａＧ以下、温度−２００〜１００℃の範囲にあり、保護部材と回転軸との隙間が、０．１〜１ｍｍであることを特徴とする磁気軸受機構。
請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の磁気軸受機構が用いられていることを特徴とする膨張タービン。