JP2007057109A - 空気サイクル冷凍冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】 タービンユニットの主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの信頼性向上が図れる空気冷却システムを提供する。また、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保って安定した高速回転を得ることができるものとする。
【解決手段】 この空気サイクル冷凍冷却システムは、予圧縮手段２による圧縮、熱交換器３による冷却、タービンユニット５のコンプレッサ６による圧縮、他の熱交換器８，９による冷却、前記タービンユニット５の膨張タービン７による断熱膨張、を順次行うシステムである。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。主軸１３は転がり軸受１５，１６により回転自在に支承し、主軸１３にかかるスラスト力の一部もしくは全てを電磁石１７により支承する。
【選択図】 図１

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や空調等に利用される空気サイクル冷凍冷却システムに関する。

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。空気サイクル冷凍冷却システムにおけるタービンユニットの主軸の回転速度は、１分間に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、上記翼車とディフューザ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、タービンユニットの主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの信頼性向上が図れる空気サイクル冷凍冷却システムを提供することである。
この発明の他の目的は、タービンユニットの各翼車とディフューザとの隙間を微小に保って安定した高速回転を得ることができ、高い圧縮および膨張の効率が得られるものとすることである。

この発明の空気サイクル冷凍冷却システムは、予圧縮手段による圧縮、流入空気に対して、熱交換器による冷却、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの膨張タービンによる断熱膨張、を順次行う空気サイクル冷凍冷却システムであって、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り、前記主軸を軸受により回転自在に支承し、この主軸にかかるスラスト力の一部または全てを電磁石により支承したことを特徴とする。

この構成の空気サイクル冷凍冷却システムは、流入空気を予圧縮手段により圧縮し、この圧縮により温度を高くした状態で熱交換器により冷却を行う。冷却された空気は、タービンユニットのコンプレッサでさらに圧縮して温度を上昇させ、他の熱交換器で再度冷却する。この冷却された空気を他の熱交換器で冷却し、タービンユニットの膨張タービンに導いて、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。
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主軸には、各翼車に作用する空気の圧力等によりスラスト力がかかる。また、空気サイクル冷凍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軸受に上記スラスト力が作用すると、主軸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、主軸の回転支持用の軸受に作用するスラスト力を軽減し、軸受の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。電磁石による支承のため、永久磁石と異なり、主軸に作用するスラスト力に応じた適正な電磁吸引力の制御を行うことも可能である。主軸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。

この発明において、前記空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、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っても良い。
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。

前記主軸を支持する軸受は転がり軸受であっても良い。この転がり軸受は、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。また、アンギュラ玉軸受であっても良い。
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と、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、主軸位置が規制され、各翼車とハウジングの微小隙間を一定に保つことができる。このようなアキシアル方向位置の規制機能を有する転がり軸受の場合に、高速回転する軸受の上記スラスト力による長期耐久性の低下が問題となるが、電磁石でスラスト力を支承するため、転がり軸受の長期耐久性が確保できる。このように主軸のラジアル方向の支承を転がり軸受で行い、スラスト力を電磁石で行うようにしたため、翼車の微小隙間を保ちながら、主軸の安定した高速回転が得られる。

前記転がり軸受は、グリース潤滑とすることが好ましい。空気サイクル冷凍冷却システムでは、冷却媒体となる空気をそのまま冷凍庫等の被冷却空間に送り込むため、油潤滑であると、潤滑油のミスト等が冷却空気を汚す恐れがある。グリース潤滑であるため、このような被冷却空気の汚れの問題が低減する。

タービンユニットにおけるコンプレッサ翼車およびタービン翼車を主軸の両端に設け、前記主軸を支持する軸受および電磁石を、スピンドルハウジングにおける前記コンプレッサ翼車とタービン翼車間に設置しても良い。コンプレッサ翼車およびタービン翼車間に主要部材を置くことで主軸長さを短くできることから、より一層安定した高速回転が得られる。

両側に軸受を設けた場合に、主軸の外周とスピンドルハウジング間における前記コンプレッサ翼車とその近傍の軸受との間、およびタービン翼車とその近傍の軸受との間の少なくとも一方に、非接触シールを設けても良い。
非接触シールを設けることで、コンプレッサ内と膨張タービン内の気圧差で、各軸受内やこれら軸受とスピンドルハウジングとの接触面から空気が漏れることが防止され、タービンユニットの効率の維持、軸受の通過空気による汚損や潤滑材の乾燥が防止される。

この発明において、前記コンプレッサにより圧縮されて他の熱交換器により冷却された空気、または前記膨張タービンで断熱膨張された空気を前記軸受の周辺へ導く冷却空気導入路を設けても良い。
この冷却空気導入路を設けることで、高速回転により高温になる軸受の温度上昇が、簡単な構成で抑制でき、軸受寿命やグリース寿命等が向上する。

前記冷却空気導入路を設けた場合に、前記冷却空気導入路から転がり軸受の周辺へ導かれた冷却空気を前記コンプレッサの入口部へ流出させる流出経路を設けても良い。
この流出経路を設けることで、冷却空気導入路から軸受への空気の流れが良好になり、軸受の冷却効果が向上する。

この発明において、前記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センサと、このセンサ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、主軸を回転支持する軸受を、スラスト力に対して最適な状態で使用でき、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、システムの信頼性向上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、センサ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、前記コントローラと外部との接続は電源ラインあるいは通信ラインを配するように構成しても良い。外部から前記タービンユニットのコントロールおよびモニタを容易にし、安定したシステム動作を可能とする。

この発明の空気サイクル冷凍冷却システムは、流入空気に対して、予圧縮手段による圧縮、熱交換器による冷却、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの膨脹タービンによる断熱膨張、を順次行う空気サイクル冷凍冷却システムであって、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り、前記主軸を軸受により回転を自在に支承し、この主軸にかかるスラスト力の一部または全てを電磁石により支承したため、タービンユニットの主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの信頼性向上を図ることができる。
この発明の空気サイクル冷凍冷却システムにおいて、前記予圧縮手段を設ける代わりに、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とした場合も、タービンユニットの主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの信頼性向上を図ることができる。

この発明の第１の実施形態を図１および図２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０〜−６０℃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、７０℃まで昇温する。第１の熱交換器３は、昇温した７０℃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、後に図８と共に説明するように、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を設けて主軸９２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を介して対向するハウジング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を介して対向するタービンハウジング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センサ１８と、このセンサ１８の出力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とを有している。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。
前記センサ１８の設置側の軸受１６は、スピンドルハウジング１４内に嵌合した軸受ハウジング２３内に嵌合している。

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。

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センサ１８と、このセンサ１８の出力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とを設けたため、転がり軸受１５，１６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、センサ１８を、軸受１６の近傍に配置したため、問題となる軸受１６に作用するスラスト力を直接に測定することができて、その測定精度が良く、精密なスラスト力の制御が可能になる。

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、空気サイクル冷凍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。

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。

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内を通過する空気は、塵埃があると軸受１５，１６内を汚したり、軸受内の潤滑材を乾燥させたりして、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。

図３以降の各図は、この発明における他の各実施形態を示す。図３以降の各例において、特に説明した事項の他は、構成，効果とも図２の例と同じであり、対応部分に同一符号を付してその重複する説明を省略する。

図３は、この発明の他の実施形態におけるタービンユニット５を示す。このタービンユニット５は、主軸１３を中空とし、この主軸１３内の軸受冷却空気導入路となる通気孔８３を介して、膨張タービン７の出力側とコンプレッサ６の入力側とを連通させたものである。
このように主軸１３内に通気孔８３を設けた場合、主軸１３が通気孔８３内を通過する空気で冷却され、高速回転で高温となる軸受１５，１６が主軸１３からの熱伝導により冷却される。このため、軸受１５，１６の耐久性が向上する。

主軸１３を貫通する通気孔８３には、図４のように各軸受１５，１６の近傍で主軸１３の外周面に開口する分岐路８３ａ，８３ｂを設けても良い。これら分岐路８３ａ，８３ｂを設けると、分岐路８３ａ，８３ｂを流れる空気により、軸受１５，１６が直接に冷却され、軸受１５，１６の冷却効率が向上する。

図５は、さらに他の実施形態におけるタービンユニット５を示す。このタービンユニット５は、主軸１３のコンプレッサ翼車６ａ側の軸端から、その近傍の軸受１５の主軸中央側に開口する軸受冷却空気導入路８４、および主軸１３のタービン翼車７ａ側の軸端から、その近傍の軸受１６の主軸中央側に開口する軸受冷却空気導入路８５を設けたものである。
この構成の場合、コンプレッサ６内の空気が軸受冷却空気導入路８４を介してコンプレッサ６側の軸受１５の近傍に流入し、この軸受１５、および軸受１６を冷却した後に軸受冷却空気導入路８５を介して膨張タービン側に排出される。

なお、膨張タービン７の付近は比較的低温であるため、軸受１６は高速回転しても温度上昇が抑えられる。したがって、図６のように、コンプレッサ６側のみに前記軸受冷却空気導入路８４を設けても良い。

図７は、さらに他の実施形態におけるタービンユニット５を示す。このタービンユニット５は、膨張タービン７の入口部の空気を、コンプレッサ６側の軸受の付近へ流す軸受冷却空気導入路８６をスピンドルハウジング８４内に設けたものである。また、この導入された空気をコンプレッサ６の入口側へ流出させる流出経路８７を主軸１３内に設けたものである。
膨張タービン７の入口部の圧力は、コンプレッサ６による圧縮後の圧力であるため、コンプレッサ６の入口部の圧力よりも高い。このため、上記の軸受冷却空気導入路８６から流入して流出経路８７から流出する空気流れが生じる。膨張タービン７の入口部の空気は図１の第２の熱交換器８および中間熱交換器９を介して冷却された空気であり、例えば−４０℃程度と低温となっている。この低温の空気でコンプレッサ６側の軸受１５が冷却されるため、高速回転で高温になり易いコンプッサ側の軸受１５を効率良く冷却し、耐久性を向上させることができる。

図８は、さらに他の実施形態におけるタービンユニット５を示す。このタービンユニット５は、主軸１３を回転駆動するモータ９０を設けたものである。モータ９０は、電磁石１７と並んで設けられており、スピンドルハウジング１４に設けられたステータ９１と主軸１３に設けられたロータ９２とで構成される。ステータ９１はステータコイル９１ａを有し、ロータ９２は磁石等からなる。モータ９０の制御は、モータコントローラ９３で行われる。

このタービンユニット５は、膨張タービン７で生じるタービン翼車７ａの駆動力と、モータ９０による駆動力とでコンプレッサ翼車６ａが回転駆動される。そのため、図１のブロアからなる予圧縮手段２がなくてもコンプレッサ６の駆動が可能となり、システムのコンパクト化が図れる。

図９は、さらに他の実施形態におけ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１９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１９と電磁石１７間およびコントローラ１９とセンサ１８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１０に示すように、タービンユニット５内にモータ９０を配した構成では、コントローラ１９Ａをタービンユニット５に内蔵することで、モータ９０とコントローラ１９Ａ間のケーブルも必要となるため、このようにタービユニット５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。なお、この実施形態におけるコントローラ１９Ａは、上記コントーラ１９およびモータコントローラ９３を含むものである。
このコントローラ１９Ａには、外部から電源ラインだけでなく通信ラインを繋げた構成を採ることにより、外部から電磁石１７の作動状態を変化させることも可能となる。例えば、主軸１３が回転していない場合には、外部からのコントロール信号によって電磁石１７に電流を流さないように構成することにより、タービンユニット５への不必要な電源供給を回避し省エネを図ることが可能となる。また、センサ１８の出力を通信ラインによって外部に送出することで、外部でそのセンサ出力を基にタービンユニットの状態を監視することも可能となる。

なお、前記各実施形態では、主軸１３のスラスト板１３ａに対して電磁石１７を設けたが、電磁石１７に加えて永久磁石（図示せず）を設けても良い。また、スラスト力の制御が不要であれば、永久磁石のみで主軸１３のスラスト力を支持するようにすることもできる。

この発明の第１の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却システムの系統図である。 同空気サイクル冷凍冷却システムに用いた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。 他の実施形態におけ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の断面図である。 さらに他の実施形態におけ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おけ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おけ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おけ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おけ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おけ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おけ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
１８…センサ
１９，１９Ａ…コントローラ
２１，２２…非接触シール
８３…通気路
８４，８５…軸受冷却空気導入路
８６…軸受冷却空気導入路
７０…流出経路
９０…モータ
９３…モータコントローラ

Claims (12)

1. 流入空気に対して、予圧縮手段による圧縮、熱交換器による冷却、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの膨脹タービンによる断熱膨張、を順次行う空気サイクル冷凍冷却システムであって、
   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り、前記主軸を軸受により回転自在に支承し、この主軸にかかるスラスト力の一部または全てを電磁石により支承したことを特徴とする空気サイクル冷凍冷却システム。
2. 流入空気に対して、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、熱交換器による冷却、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの膨脹タービンによる断熱膨張、を順次行う空気サイクル冷凍冷却システムであって、
   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、前記主軸を軸受により回転自在に支承し、この主軸にかかるスラスト力の一部または全てを電磁石により支承したことを特徴とする空気サイクル冷凍冷却システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記主軸に作用するスラスト力を検出するセンサと、このセンサ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とを設けた空気サイクル冷凍冷却システム。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか1 項において、前記軸受がグリース潤滑の転がり軸受から構成されることを特徴とした空気サイクル冷凍冷却システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか1 項において、前記軸受の近傍における静止側に、前記主軸に作用するスラスト力を検出するセンサを配置したことを特徴とした空気サイクル冷凍冷却システム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車が主軸の両端に設けられたものであり、前記軸受および前記電磁石を、スピンドルハウジングにおける前記コンプレッサ翼車とタービン翼車間に設置した空気サイクル冷凍冷却システム。
7. 請求項６において、前記主軸の外周とスピンドルハウジング間における前記コンプレッサ翼車とその近傍の軸受との間、およびタービン翼車とその近傍の軸受との間の少なくとも一方に、非接触シールを設けた空気サイクル冷凍冷却システム。
8. 請求項７において、前記非接触シールとして、複数の円周溝を有するラビリンスシールを設けた空気サイクル冷凍冷却システム。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか1 項において、前記コンプレッサに流入する空気、または、前記コンプレッサにより圧縮されて他の熱交換器により冷却された空気、または前記膨脹タービンで断熱膨張された空気を前記軸受の周辺へ導く冷却用空気導入路を設けた空気サイクル冷凍冷却システム。
10. 請求項９において、前記冷却空気導入路から前記軸受の周辺へ導かれた冷却空気を前記コンプレッサの入口部へ流出させる流出経路を設けた空気サイクル冷凍冷却システム。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、前記主軸に作用するスラスト力を検出するセンサと、このセンサ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とを設け、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システム。
12. 請求項１１において、コントローラと外部との接続は電源ラインまたは通信ラインを含む空気サイクル冷凍冷却システム。

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