JP2007056710A - Turbine unit for air cycle refrigeration and cooling - Google Patents

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JP2007056710A JP2005240560A JP2005240560A JP2007056710A JP 2007056710 A JP2007056710 A JP 2007056710A JP 2005240560 A JP2005240560 A JP 2005240560A JP 2005240560 A JP2005240560 A JP 2005240560A JP 2007056710 A JP2007056710 A JP 2007056710A
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Tsuguto Nakaseki
嗣人 中関
Takami Ozaki
孝美 尾崎
Hiroyuki Yamada
裕之 山田
Isao Nikai
勲 二階
Yoshihide Umetsu
義英 梅津
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a turbine unit for air cycle refrigeration and cooling in which a detection means for thrust acting on a main shaft has a simple construction and high reliability, stable high-speed rotation is obtained while keeping a minimal clearance of impellers, bearings for supporting the main shaft are improved in long-term durability, long-life and reliability and operation status of an air cycle refrigeration and cooling system can be monitored. <P>SOLUTION: The turbine unit 5 for air cycle refrigeration and cooling has a compressor 6 and an expansion turbine 7. The compressor impeller 6a and the turbine impeller 7a are respectively attached to both ends of the main shaft 13 and the compressor impeller 6a is driven with power generated at the turbine impeller 7a. The main shaft 13 is supported by the roller bearings 15, 16 in a radial direction. The thrust acting on the main shaft 13 is supported by electromagnets 17. Pressure sensors 61-64 are provided as an air pressure measurement means for measuring air pressure of at least one of the compressor 6 and the expansion turbine 7. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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。   The present invention relates to an air cycle refrigeration cooling turbine unit of an air cycle refrigeration cooling system in which air is used as a refrigerant and is used for a refrigeration warehouse, a low temperature room of 0 ° C. or less, and air conditioning.

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)。   The use of air as a refrigerant is preferable in terms of environmental protection and safety compared to the case of using chlorofluorocarbon or ammonia gas, but is insufficient in terms of characteristics as energy efficiency. However, when used in a facility that can directly blow in air, such as a refrigerated warehouse, the total cost can be reduced to the same level as existing systems by taking measures such as omitting the internal fan and defrost. there is a possibility. At present, the use of chlorofluorocarbon as a refrigerant is already restricted from the environmental viewpoint, and it is desired to avoid using other refrigerant gas as much as possible. Therefore, an air cycle refrigeration cooling system that uses air as a refrigerant has been proposed for the above-described applications (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 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)。
Further, it is stated that the theoretical efficiency of air cooling is equal to or higher than that of chlorofluorocarbon or ammonia gas in a deep coal region of −30 ° C. to −60 ° C. (Non-patent Document 1). However, it is also stated that obtaining the theoretical efficiency of the air cooling is not possible until there is an optimally designed peripheral device. The peripheral device is a compressor, an expansion turbine, or the like.
As the compressor and the expansion turbine, a turbine unit in which a compressor impeller and an expansion turbine impeller are attached to a common main shaft is used (Patent Document 1, Non-Patent Document 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
In addition, as a turbine compressor which processes process gas, a turbine impeller is attached to one end of the main shaft, a compressor impeller is attached to the other end, and the main shaft is supported by a journal and a thrust bearing that is controlled by an electromagnet current. A compressor has been proposed (Patent Document 2).
In addition, although it is a proposal for a gas turbine engine, in order to avoid the thrust load acting on the rolling bearing for supporting the main shaft from shortening the bearing life, the thrust load acting on the rolling bearing should be reduced by the thrust magnetic bearing. Has been proposed (Patent Document 3).
Japanese Patent No. 2623202 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-91760 JP-A-8-261237 Magazine, Nikkei Mechanical, “Cooling the Air with Air”, published November 13, 1995, no 467, pp. 46-52

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。
As described above, as the air cycle refrigeration cooling system, in order to obtain the theoretical efficiency of air cooling that is highly efficient in the deep coal region, an optimally designed compressor and expansion turbine are required.
As the compressor and the expansion turbine, a turbine unit in which the compressor wheel and the expansion turbine wheel are attached to a common main shaft as described above is used. In this turbine unit, the compressor impeller can be driven by the power generated by the expansion turbine, thereby improving the efficiency of the air cycle refrigerator.

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。
However, in order to obtain practical efficiency, it is necessary to keep the gap between each impeller and the housing minute. The fluctuation of the gap hinders stable high-speed rotation and causes a decrease in efficiency.
In addition, a thrust force acts on the main shaft by the air acting on the compressor impeller and the turbine impeller, and a thrust load is applied to the bearing that supports the main shaft. The rotation speed of the main shaft of the turbine unit in the air cooling turbine unit is 80,000 to 100,000 rotations per minute, which is very high compared to a bearing for general use. For this reason, the thrust load as described above causes a decrease in long-term durability and life of the bearing supporting the main shaft, and decreases the reliability of the turbine unit for air cycle refrigeration cooling. Unless the problem of long-term durability of such a bearing is solved, it is difficult to put the air cycle refrigeration cooling turbine unit into practical use, and hence the air cycle refrigeration cooling system into practical use. However, the techniques disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 have not yet been solved with respect to a decrease in the long-term durability of the bearing against a thrust load under high-speed rotation.

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。   In the case where the main shaft is supported by a journal bearing made of a magnetic bearing and a thrust bearing, such as the magnetic bearing type turbine compressor of Patent Document 2, the journal bearing does not have a restriction function in the axial direction. For this reason, if there is an unstable factor in controlling the thrust bearing, it is difficult to perform stable high-speed rotation while maintaining a minute gap between the impeller and the housing. In the case of a magnetic bearing, there is also a problem of contact when the power is stopped.

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。   The object of the present invention is that the structure of the means for detecting the thrust force acting on the main shaft is simple and reliable, stable high-speed rotation is obtained while maintaining a minute gap of the impeller, and the long-term durability of the bearing supporting the main shaft It is intended to provide an air cycle refrigeration cooling turbine unit that can improve the service life, extend the service life and improve the reliability, and can monitor the operation status of the air cycle refrigeration cooling system.

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。   The air cycle refrigeration cooling turbine unit of the present invention is an air cooling turbine unit having a compressor and an expansion turbine, and the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine are respectively attached to both ends of the main shaft. The compressor wheel is driven by the power generated by the turbine wheel, the main shaft is supported by a rolling bearing in the radial direction, the thrust force applied to the main shaft is supported by an electromagnet, the compressor and the expansion An air pressure measuring means for measuring the air pressure of at least one of the turbines is provided. The rolling bearing preferably has a function of holding the axial position between the inner and outer rings, such as a deep groove ball bearing. An angular ball bearing may be used.

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。
The turbine unit for air cycle refrigeration cooling of this structure cools the air used as a cooling medium with a heat exchanger in an air cycle refrigeration cooling system. The air cooled by the heat exchanger is used to be cooled and discharged by adiabatic expansion to a target temperature, for example, a very low temperature of about −30 ° C. to 60 ° C. by an expansion turbine.
In this turbine unit, the compressor impeller and the turbine impeller of the expansion turbine are attached to a common main shaft, and the compressor impeller is driven by the power generated by the turbine impeller, so a power source is unnecessary and compact. It can cool efficiently with a simple structure.
In order to ensure the efficiency of compression and expansion of the turbine unit, it is necessary to keep the gap between each impeller and the housing minute. In the air cycle refrigeration cooling system, ensuring this efficiency is important. On the other hand, since the main shaft of the impeller is supported by a rolling bearing, the main shaft position is regulated to some extent by the axial position control function of the rolling bearing, and a small gap between each impeller and the housing is kept constant. Can do.
However, a thrust force is applied to the main shaft of the turbine unit due to air pressure acting on each impeller. Further, in a turbine unit used in an air cooling system, the rotation speed is very high, for example, about 80,000 to 100,000 rotations per minute. For this reason, when the thrust force acts on a rolling bearing that rotatably supports the main shaft, the long-term durability of the bearing decreases.

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。
In the present invention, since the thrust force is supported by the electromagnet, it is possible to reduce the thrust force acting on the rolling bearing for supporting the main shaft while suppressing an increase in torque without contact. In this case, since the air pressure measuring means for measuring the air pressure of at least one of the compressor and the expansion turbine is provided, the thrust force acting on the main shaft by the air in the compressor and the expansion turbine can be detected. For this reason, by controlling the attraction force of the electromagnet according to the output of the air pressure measuring means, the rolling bearing can be used in an optimum state with respect to the thrust force according to the bearing specifications.
In particular, since the air pressure measuring means is used as the detecting means, the structure of the detecting means is simple and highly reliable.

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。
Therefore, stable high-speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining an appropriate clearance between the impellers, and the long-term durability and life of the rolling bearing can be improved. Since the long-term durability of the rolling bearing for supporting the main shaft is improved, the reliability of the entire air cycle refrigeration cooling turbine unit and, as a whole, the air cycle refrigeration cooling system is improved. As described above, stable high-speed rotation, long-term durability, and reliability of the main shaft bearing of the turbine unit, which is a bottleneck of the air cycle refrigeration cooling system, are improved, and thus the air cycle refrigeration cooling system can be put to practical use.
Further, the overall operating status of the air cycle refrigeration cooling system affects the air pressure in the compressor and the expansion turbine, but the air pressure measuring means measures the air pressure of at least one of the compressor and the expansion turbine. Besides the control of the electromagnet, it can also be used for monitoring the operating status of the air cycle refrigeration cooling system.

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。
In the air cycle refrigeration cooling turbine unit of the present invention, the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine and the motor rotor are attached to a common main shaft, and the main shaft is rotated by a magnetic force from a motor stator opposed to the motor rotor. Thus, the compressor impeller may be driven.
When the main shaft is driven by providing a motor, it is not necessary to provide pre-compression means such as a blower before the compressor.

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。
The air pressure measuring means detects at least one of an output side pressure of the expansion turbine, a back pressure of the turbine impeller, an input side pressure of the compressor, and a back pressure of the compressor impeller.
When the air pressure of any of the above parts is detected, the thrust force acting on the main shaft can be detected.

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。
A plurality of air pressure measuring means for measuring all of the output side pressure of the expansion turbine, the back pressure of the turbine impeller, the input side pressure of the compressor, and the back pressure of the compressor impeller may be provided as the air pressure measuring means. good.
By measuring these four air pressures, the thrust force acting on the main shaft can be detected with high accuracy.

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。
When air pressure measuring means for detecting air pressure at a plurality of locations among the output side pressure of the expansion turbine, the back pressure of the turbine impeller, the input side pressure of the compressor, and the back pressure of the compressor impeller is provided, Thrust force estimation calculating means for calculating an estimated value of thrust force acting on the main shaft from the output of the air pressure measuring means may be provided.
By calculating the estimated value of the thrust force acting on the main shaft from the outputs of the plurality of air pressure measuring means, a sensor output suitable for controlling the thrust force can be obtained with high accuracy.

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。
In the present invention, a temperature sensor may be provided in the vicinity of the air pressure measuring means, and a temperature correcting means for correcting the output of the air pressure measuring means by the output of the temperature sensor may be provided.
Since the temperature of each part of the turbine unit fluctuates, accurate detection can be performed by providing a temperature sensor and correcting the measured value of the air pressure measuring means. Since the temperature sensor is provided in the vicinity of the air pressure measuring means, more accurate temperature correction can be performed.

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。
In this invention, you may provide the controller which controls the bearing force by the said electromagnet according to the output of the said air pressure measurement means.
By controlling the bearing force by the electromagnet, the rolling bearing that rotates the main shaft can be used in an optimum state against the thrust force, and the rolling bearing has higher speed stability, improved long-term durability, and longer life. As a result, the stability of the system is further improved.

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。
The controller may be attached to the spindle housing.
By attaching the controller to the spindle housing, the connection between the electromagnet and the controller can be simplified and the system can be made compact.

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。
In the present invention, a DC power supply may be used to supply power to the controller.
By supplying DC power, the power circuit in the controller can be made compact.

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。
The air cycle refrigeration cooling turbine unit of the present invention is an air cycle refrigeration cooling turbine unit having a compressor and an expansion turbine, wherein the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine are respectively provided at both ends of the main shaft. The compressor impeller is driven by the power generated by the turbine impeller, the main shaft is supported by a rolling bearing in the radial direction, the thrust force applied to the main shaft is supported by an electromagnet, the compressor and Since the air pressure measuring means for measuring the air pressure of at least one of the expansion turbines is provided, the structure of the means for detecting the thrust force acting on the main shaft is simple and reliable, and stable high speed rotation is possible while maintaining a minute gap of the impeller. Improved and long-term durability of bearings that support the main shaft Service life, Hakare reliability improvement, also it is possible to monitor the operating status of the air cycle refrigeration cooling system.
In the turbine unit for air cycle refrigeration cooling according to the present invention, the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine and the motor rotor are attached to a common main shaft, and the main shaft is rotated by the magnetic force from the motor stator opposed to the motor rotor. Thus, even when the compressor impeller is driven, the main shaft is supported by a rolling bearing in a radial direction, the thrust force applied to the main shaft is supported by an electromagnet, and at least one of the compressor and the expansion turbine is supported. By providing air pressure measurement means for measuring air pressure, the structure of the thrust force detection means acting on the main shaft is simple and reliable, and stable high-speed rotation is obtained while maintaining a minute gap of the impeller, and the main shaft is Improved long-term durability, longer life, and reliability of supporting bearings Improved Hakare, also can be monitored the operation status of the air cycle refrigeration cooling system.

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。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows the overall configuration of an air cycle refrigeration cooling system. This air cycle refrigeration cooling system is a system that directly cools air in a space to be cooled 10 such as a freezer as a refrigerant, and an air circulation path from an air intake port 1a to a discharge port 1b respectively opened in the space to be cooled 10 1 In this air circulation path 1, pre-compression means 2, first heat exchanger 3, dehumidifier 4, compressor 6 of air cycle refrigeration cooling turbine unit 5, second heat exchanger 8, intermediate heat exchanger 9, And the expansion turbine 7 of the said turbine unit 5 is provided in order. The intermediate heat exchanger 9 exchanges heat between the inflow air near the intake port 1a in the same air circulation path 1 and the air that has been heated by the subsequent compression and cooled. Air in the vicinity of 1 a passes through the coil 9 a of the heat exchanger 9.

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。   The pre-compression means 2 comprises a blower or the like and is driven by a motor 2a. The first heat exchanger 3 and the second heat exchanger 8 have heat exchangers 3a and 8a for circulating a cooling medium, respectively, and a cooling medium such as water and an air circulation path in the heat exchangers 3a and 8a. Heat exchange with 1 air. Each of the heat exchangers 3 a and 8 a is connected to the cooling tower 11 by piping, and the cooling medium whose temperature is increased by heat exchange is cooled by the cooling tower 11.

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。   This air cycle refrigeration cooling system is a system that keeps the space to be cooled 10 at about 0 ° C. to −60 ° C., and as an example from the space to be cooled 10 to the intake port 1a of the air circulation path 1 at about −30 ° C. and 1 atm. Air flows in. Note that the numerical values of temperature and atmospheric pressure shown below are examples that serve as a guide. The air that has flowed into the intake port 1a is used by the intermediate heat exchanger 9 to cool the downstream air in the air circulation path 1 and is heated to 30 ° C. The heated air remains at 1 atm, but is compressed to 1.4 atm by the pre-compression means 2, and the temperature is raised to 65 ° C. by the compression. Since the 1st heat exchanger 3 should just cool the 65 degreeC air which raised temperature, even if it is cold water about normal temperature, it can cool efficiently and it cools to 40 degreeC. The dehumidifier 4 prevents the moisture in the air in the air circulation path 1 from freezing due to cooling below the freezing point in the subsequent stage and causing clogging of the air circulation path 1 and galling of the expansion turbine 7. Dehumidify the air.

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。
The air at 40 ° C. and 1.4 atm after dehumidification is compressed to 1.8 atm by the compressor 6 of the turbine unit 5, and the second heat exchanger 8 is heated to about 70 ° C. by this compression. To 40 ° C. The 40 ° C. air is cooled to −20 ° C. by the −30 ° C. air in the intermediate heat exchanger 9. The atmospheric pressure is maintained at 1.8 atmospheric pressure discharged from the compressor 6.
The air cooled to −20 ° C. by the intermediate heat exchanger 9 is adiabatically expanded by the expansion turbine 7 of the turbine unit 5, cooled to −55 ° C., and discharged from the outlet 1 b to the cooled space 10. This air cycle refrigeration cooling system performs such a refrigeration cycle.

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。   FIG. 2 shows a specific example of the turbine unit 5 for air cycle refrigeration cooling. The turbine unit 5 includes a compressor 6 and an expansion turbine 7. A compressor impeller 6 a of the compressor 6 and a turbine impeller 7 a of the expansion turbine 7 are respectively attached to both ends of the main shaft 13. Further, the compressor impeller 6a is driven by the power generated in the turbine impeller 7a, and no other drive source is provided.

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。   As shown in FIG. 5, the compressor impeller 6 a of the compressor 6, the turbine impeller 7 a of the expansion turbine 7, and the motor rotor 92 may be attached to the common main shaft 13, and the main shaft 13 may be driven by the driving force of the motor 90. . The motor 90 includes a stator 91 having a stator coil 91 a and installed in the spindle housing 14, and the motor rotor 92, and is controlled by a motor controller 93. When the motor 90 is provided to drive the main shaft 13, it is not necessary to provide the pre-compression means 2 (FIG. 1) such as a blower before the compressor 6.

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。
In FIG. 2, the compressor 6 has a diffuser 6b facing the compressor impeller 6a with a minute gap d1, and compresses the air sucked in the axial direction from the suction port 6c in the center by the compressor impeller 6a. Then, it is discharged from the outlet (not shown) of the outer peripheral portion as shown by an arrow 6d.
The expansion turbine 7 has a housing 7b that opposes the turbine impeller 7a with a minute gap d2, and aspirates and expands the air sucked from the outer peripheral portion as indicated by an arrow 7c by the turbine impeller 7a. Is discharged in the axial direction from the discharge port 7d.

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。 In the turbine unit 5, the main shaft 13 is supported by a plurality of bearings 15 and 16 in the radial direction, and the thrust force applied to the main shaft 13 is supported by electromagnets 17 (17 1 and 17 2 ). The turbine unit 5 is provided with pressure sensors 61 to 64 described later as air pressure detecting means for detecting a thrust force acting on the main shaft 13 by the air in the compressor 6 and the expansion turbine 7. A controller 19 is provided for controlling the bearing force of the electromagnet 17 in accordance with the estimated thrust force obtained by calculating the output. The electromagnet 17 is installed in the spindle housing 14 so as to face the both surfaces of a flange-like thrust plate 13a made of a ferromagnetic material provided at the center of the main shaft 13 without contact.

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。   The bearings 15 and 16 for supporting the main shaft 13 are rolling bearings and have a function of regulating the axial position, and for example, deep groove ball bearings are used. In the case of a deep groove ball bearing, it has a thrust support function in both directions, and has the effect of returning the axial position of the inner and outer rings to the neutral position. These two bearings 15 and 16 are arranged in the vicinity of the compressor impeller 6a and the turbine impeller 7a in the spindle housing 14, respectively.

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。
The main shaft 13 is a stepped shaft having a large-diameter portion 13b at the center and small-diameter portions 13c at both ends. The bearings 15 and 16 on both sides have their inner rings 15a and 16a fitted into the small diameter portion 13c in a press-fit state, and one of the width surfaces engages with a stepped surface between the large diameter portion 13b and the small diameter portion 13c.
The portions of the spindle housing 14 closer to the impellers 6a and 7a than the bearings 15 and 16 on both sides are formed with an inner diameter surface close to the main shaft 13, and non-contact seals 21 and 22 are formed on the inner diameter surface. Yes. The non-contact seals 21 and 22 are labyrinth seals in which a plurality of circumferential grooves are arranged in the axial direction on the inner diameter surface of the spindle housing 14.

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。   Of the bearings 15 and 16, the bearing 16 on the turbine impeller 7 a side is installed such that its outer ring 16 a is immovable in the axial direction with respect to the spindle housing 14. The bearing 15 on the compressor impeller 6 a side is installed in an inner diameter hole provided in the spindle housing 14 so as to be elastically movable in the axial direction by a spring element 26. The spring element 26 acts to press the bearing 15 against the stepped surface of the main shaft 13 and applies a preload to the bearing 15.

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。   Each of the pressure sensors 61 to 64 detects the output side pressure of the expansion turbine 7, the back pressure of the turbine impeller 7a, the input side pressure of the compressor 6, and the back pressure of the compressor impeller 6a. These pressure sensors 61 to 64 are installed inside or outside the spindle housing 14, and air pressure introduction paths 61 a to 64 a such as pipes for guiding the air pressure of each detection portion to each pressure sensor 61 to 64 are provided.

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。
The air pressure introduction path 61a of the pressure sensor 61 opens to the discharge port 7d of the expansion turbine 7, and the air pressure introduction path 62a of the pressure sensor 62 opens to the inner surface of the spindle housing 14 facing the back surface of the turbine impeller 7a.
The air pressure introduction path 63a of the pressure sensor 63 opens to the suction port 6c of the compressor 6, and the air pressure introduction path 64a of the pressure sensor 64 opens to the inner surface of the spindle housing 14 facing the back surface of the compressor impeller 6a.
Note that all of the four pressure sensors 61 to 64 are not necessarily provided, and at least one of the pressure sensors 61 to 64 may be provided.

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。   Temperature sensors 65 to 68 are provided in the vicinity of the pressure sensors 61 to 64, respectively. The outputs of the pressure sensors 61 to 64 and the temperature sensors 65 to 68 are input to the controller 19A.

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。
FIG. 3 is a block diagram of the controller 19A in the turbine unit 5 of FIG. The detection outputs P 61 to P 64 of the pressure sensors 61 to 64 and the outputs T 65 to T 68 of the temperature sensors 65 to 68 in FIG. 2 are input to the temperature compensation circuits 74A to 74D, and the outputs P of the pressure sensors 61 to 64 are input. 61 to P 64 are input to the thrust force estimation calculation circuit 71 after temperature correction. The thrust force estimation calculation circuit 71 compares the estimated output of the thrust force acting on the main shaft 13 with the reference value of the reference value setting means 72 by the comparator 75, and calculates the deviation.
The calculated deviation is processed by the PID compensation circuit 76 by proportional, differential, and integral operations that are appropriately set according to the turbine unit 5.

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。 The output of the PID compensation circuit 76 is input to power circuits 79 and 80 that drive the electromagnets 17 1 and 17 2 in each direction via diodes 77 and 78. The electromagnets 17 1 and 17 2 are a pair of electromagnets 17 facing the thrust plate 13a shown in FIG. 2, and only the attractive force acts. Therefore, the direction of current is determined in advance by the diodes 77 and 78, and the two electromagnets 17 are used. 1 and 17 2 are selectively driven.

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。
FIG. 4 shows a turbine unit 5 according to still another embodiment. This structure has a configuration in which a controller 19A is built in the turbine unit 5. With this configuration, the cable between the controller 19A and the electromagnet 17 and the cable between the controller 19A and the sensors 61 to 68 can be shortened, and the connection is simple, which is advantageous in terms of cost, and at the same time, an external sensor. The entire circuit system configuration can be made compact.
In the configuration in which the motor 90 is arranged in the turbine unit 5 as in the example of FIG. 5, since a cable between the motor 90 and its controller 93 is also necessary, the illustration is omitted. The configuration incorporating 19A is further advantageous. In that case, the motor controller 93 is also built in the turbine unit 5.

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。   The operation of the above configuration will be described. In the air cycle refrigeration cooling system, the turbine unit 5 having this configuration is compressed by the compressor 5 to increase the temperature so that the air serving as a cooling medium can be efficiently heat exchanged by the heat exchangers 8 and 9 (FIG. 1). The air cooled by the heat exchangers 8 and 9 is used by the expansion turbine 7 to be cooled and discharged by adiabatic expansion to a target temperature, for example, a very low temperature of about −30 ° C. to 60 ° C.

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。
In this turbine unit 5, the compressor impeller 6a and the turbine impeller 7a are attached to a common main shaft 13, and the compressor impeller 6a is driven by the power generated in the turbine impeller 7a, so that no power source is required. Cooling can be efficiently performed with a compact configuration.
In order to secure the efficiency of compression and expansion of the turbine unit 5, it is necessary to keep the gaps d1 and d2 between the impellers 6a and 7a and the housings 6b and 7b minute. In the air cycle refrigeration cooling system, ensuring this efficiency is important. On the other hand, since the main shaft 13 is supported by the rolling bearings 15 and 16, the axial position of the main shaft 13 is regulated to some extent by the restriction function of the axial position of the rolling bearing, and the impellers 6a and 7a The minute gaps d1 and d2 between the housings 6b and 7b can be kept constant.

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。
However, a thrust force is applied to the main shaft 13 of the turbine unit 5 by the pressure of air acting on the impellers 6a and 7a. Further, the turbine unit 5 used in the air cooling system rotates at a very high speed of about 80,000 to 100,000 rotations per minute, for example. Therefore, when the thrust force acts on the rolling bearings 15 and 16 that rotatably support the main shaft 13, the long-term durability of the bearings 15 and 16 decreases.
In this embodiment, since the thrust force is supported by the electromagnet 17, the thrust force acting on the rolling bearings 15 and 16 for supporting the main shaft 13 can be reduced while suppressing an increase in torque without contact. In this case, the pressure sensors 61 to 64 for detecting the thrust force acting on the main shaft 13 by the air in the compressor 6 and the expansion turbine 7 and the estimated thrust force calculated from the output of the pressure sensors 61 to 64 are used. The controller 19 for controlling the bearing force by the electromagnet 17 is provided so that the thrust force can be canceled. Therefore, excessive thrust force does not act on the rolling bearings 15 and 16 with respect to the bearing specifications. It can be used in an optimum state against the thrust force.

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。   Therefore, stable high-speed rotation of the main shaft 13 can be obtained while maintaining appropriate gaps d1 and d2 between the impellers 6a and 7a, and the long-term durability and life of the bearings 15 and 16 can be improved. Since the long-term durability of the bearings 15 and 16 is improved, the reliability of the entire air cooling turbine unit 5 and, as a whole, the air cycle refrigeration cooling system is improved. As described above, stable high-speed rotation, long-term durability, and reliability of the main shaft bearings 15 and 16 of the turbine unit 5 that are the bottleneck of the air cycle refrigeration cooling system are improved. It becomes possible.

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。   In particular, in this embodiment, since the pressure sensors 61 to 64 are used as the detecting means for the thrust force acting on the main shaft 13, the structure of the detecting means is simple, reliable and inexpensive. In addition, the overall operating status of the air cycle refrigeration cooling system also affects the air pressure in the compressor 6 and the expansion turbine 7 of the turbine unit 5, but since the pressure sensors 61 to 64 for detecting the air pressure are provided, The operating status of the air cycle refrigeration cooling system can also be monitored.

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。   The bearings 15 and 16 are disposed in the vicinity of the compressor impeller 6a and in the vicinity of the turbine impeller 7a, and the main shaft 13 is supported at both ends, so that more stable high-speed rotation is possible. Further, since the bearings 15 and 16 formed of rolling bearings are preloaded by the spring element 26, the axial position of the main shaft 13 is stabilized, and the minute gaps d1 and d2 of the respective impellers 6a and 7a are more reliably secured. Maintained, and more stable high-speed rotation can be obtained.

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。   Since non-contact seals 21 and 22 are provided between the main shaft 13 and the spindle housing 14 on the end side of the bearings 15 and 16, air passes through the bearings 15 and 16 and the like with the compressor 6. Leakage between the expansion turbines 7 is prevented. Since there is a large pressure difference between the inside of the compressor 6 and the inside of the expansion turbine 7, the inside of each bearing 15, 16 and the surface on which the inner and outer rings 15 a, 16 a of each bearing 15, 16 are fitted to the main shaft 13 and the spindle housing 14. Air leaks are about to occur. Such air leakage causes the efficiency of the compressor 6 and the expansion turbine 7 to decrease, and if the lubricant in the bearings is dried by the air passing through the bearings 15 and 16 or if dust is present in the air, the bearings. There is a possibility that the inside of the 15 and 16 may be soiled to reduce the durability. Such a decrease in efficiency and the fouling of the bearings 15 and 16 are prevented by the non-contact seals 21 and 22.

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。1 is a system diagram of an air cycle refrigeration cooling system using an air cycle refrigeration cooling turbine unit according to an embodiment of the present invention. 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。It is sectional drawing of the turbine unit for air cycle refrigeration cooling which concerns on one Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram showing an example of a controller used for the turbine unit. 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。It is sectional drawing of the turbine unit for air cycle refrigeration cooling which concerns on other embodiment. 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。It is sectional drawing of the turbine unit for air cycle refrigeration cooling which concerns on other embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Air circulation path 1a ... Intake port 1b ... Exhaust port 2 ... Precompression means 3 ... 1st heat exchanger 5 ... Air cycle refrigeration cooling turbine unit 6 ... Compressor 6a ... Compressor impeller 7 ... Expansion turbine 7a ... Turbine blade Car 8 ... Second heat exchanger 9 ... Intermediate heat exchanger 10 ... Cooled space 13 ... Main shaft 13a ... Thrust plate 14 ... Spindle housing 15, 16 ... Bearing 17 ... Electromagnet 19A ... Controllers 21, 22 ... Non-contact seal 26 ... Spring elements 61 to 64 ... Pressure sensor (air pressure measuring means)
65-68 ... temperature sensor 90 ... motor 93 ... motor controller

Claims (8)

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。   An air cycle refrigeration cooling turbine unit having a compressor and an expansion turbine, wherein the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine are respectively attached to both ends of the main shaft, and the compressor is driven by power generated by the turbine impeller. An air wheel that drives an impeller, supports the main shaft with a rolling bearing in a radial direction, supports the thrust force applied to the main shaft with an electromagnet, and measures the air pressure of at least one of the compressor and the expansion turbine. A turbine unit for air cycle refrigeration cooling, comprising a measuring means. 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。
An air cycle refrigeration cooling turbine unit having a compressor and an expansion turbine,
The turbine unit is configured such that the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine and the motor rotor are attached to a common main shaft, and the main shaft is rotated by a magnetic force from a motor stator opposed to the motor rotor. Air pressure measuring means for measuring the air pressure of at least one of the compressor and the expansion turbine by supporting the main shaft with a rolling bearing in a radial direction, supporting the thrust force applied to the main shaft with an electromagnet, and An air cycle refrigeration cooling turbine unit provided.
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。   3. The air pressure measuring means according to claim 1, wherein the air pressure measuring means detects at least one of an output side pressure of the expansion turbine, a back pressure of the turbine impeller, an input side pressure of the compressor, and a back pressure of the compressor impeller. Turbine unit for air cycle refrigeration cooling. 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。   3. A plurality of air pressure measuring means for measuring all of an output side pressure of the expansion turbine, a back pressure of the turbine impeller, an input side pressure of the compressor, and a back pressure of the compressor impeller according to claim 1 or 2. Air cycle refrigeration cooling turbine unit. 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。   5. The method according to claim 1, further comprising a plurality of air pressure detecting means, and a thrust force estimating calculating means for calculating an estimated value of a thrust force applied to the main shaft from outputs of the plurality of air pressure measuring means. Air cycle refrigeration cooling turbine unit. 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。   6. The air cycle refrigeration according to claim 1, wherein a temperature sensor is provided in the vicinity of the air pressure measuring means, and a temperature correcting means for correcting the output of the air pressure measuring means by the output of the temperature sensor is provided. Turbine unit for cooling. 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。   6. The turbine unit for air cycle refrigeration cooling according to claim 5, wherein a controller for controlling a bearing force by the electromagnet according to an estimated value of a thrust force applied to the main shaft is provided. 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。   8. The controller according to claim 1, wherein a controller for controlling a bearing force by the electromagnet according to an output of the air pressure measuring means is provided, and the controller is for air cycle refrigeration cooling attached to a spindle housing. Turbine unit.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013529752A (en) * 2010-07-02 2013-07-22 アトラス コプコ エアーパワー,ナームローゼ フェンノートシャップ Control method of compressor element of screw type compressor
KR20170127018A (en) * 2015-05-01 2017-11-20 가부시끼가이샤 마에가와 세이사꾸쇼 How to operate the freezer and freezer
CN112392560A (en) * 2019-08-13 2021-02-23 江苏国富氢能技术装备有限公司 Oil-gas combined bearing structure for turboexpander
US20230246481A1 (en) * 2022-02-01 2023-08-03 Torus Inc. Mechanical-Energy Storage Unit
CN117771536A (en) * 2024-02-23 2024-03-29 深圳核心医疗科技股份有限公司 Motor life prediction method and device

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013529752A (en) * 2010-07-02 2013-07-22 アトラス コプコ エアーパワー,ナームローゼ フェンノートシャップ Control method of compressor element of screw type compressor
KR20170127018A (en) * 2015-05-01 2017-11-20 가부시끼가이샤 마에가와 세이사꾸쇼 How to operate the freezer and freezer
KR102016827B1 (en) * 2015-05-01 2019-08-30 가부시끼가이샤 마에가와 세이사꾸쇼 How to operate freezer and freezer
CN112392560A (en) * 2019-08-13 2021-02-23 江苏国富氢能技术装备有限公司 Oil-gas combined bearing structure for turboexpander
US20230246481A1 (en) * 2022-02-01 2023-08-03 Torus Inc. Mechanical-Energy Storage Unit
WO2023150576A1 (en) * 2022-02-01 2023-08-10 Torus Inc. Mechanical-energy storage unit
US11824355B2 (en) * 2022-02-01 2023-11-21 Torus Inc. Mechanical-energy storage unit
CN117771536A (en) * 2024-02-23 2024-03-29 深圳核心医疗科技股份有限公司 Motor life prediction method and device

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