JP2007162493A - Compression expansion turbine system - Google Patents

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Nobuyuki Suzuki
伸幸 鈴木
Hiroyuki Yamada
裕之 山田
Kenichi Suzuki
健一 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compression expansion turbine system capable of improving efficiency drop caused by sealing performance, improving long term durability of a rolling bearing and performing stable control by a controller of a simple structure. <P>SOLUTION: This compression expansion turbine system uses the rolling bearings 15, 16 and a magnetic bearing in parallel. A compressor side impeller 7a is driven by power generated by a turbine side impeller 7a. Stiffness value of a compound spring formed by the rolling bearings 15, 16 and a support system of the rolling bearings is established to keep a relation that the same is larger than negative stiffness value of an electromagnet 17. Sleeves 21A, 22A to be non-contact seals elastically supported by elastic support support members 21B, 22B are provided between the compressor side impeller 6a and the bearing 15 near the same, and between the turbine side impeller 7a and the bearing 16 near the same. <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、零度以下の低温室、空調等に利用される空気サイクル冷凍冷却システムの圧縮膨張タービンシステムに関する。   The present invention relates to a compression / expansion turbine system of an air cycle refrigeration cooling system in which air is used as a refrigerant and is used in a refrigeration warehouse, a low-temperature room below zero degrees, air conditioning, and the like.

空気サイクル冷凍冷却システムは、冷媒として空気を用いるため、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べてエネルギー効率が不足するが、環境保護の面では好ましい。また、冷凍倉庫等のように、冷媒空気を直接に吹き込むことができる施設では、庫内ファンやデフロストの省略等によってトータルコストを引下げられる可能性があり、このような用途で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)。   Since the air cycle refrigeration cooling system uses air as a refrigerant, energy efficiency is insufficient as compared with the case where chlorofluorocarbon, ammonia gas, or the like is used. In addition, in facilities where refrigerant air can be directly blown into, such as a refrigerated warehouse, the total cost may be reduced by omitting the internal fan and defrost, etc. In such applications, the air cycle refrigeration cooling system Has been proposed (for example, 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知られている。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)。
Further, it is known that the theoretical efficiency of air cooling is equal to or higher than that of Freon or ammonia gas in a deep coal region of -30 ° C to -60 ° C. 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).

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
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

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 cycle refrigeration cooling system is 80,000 to 100,000 rotations per minute, which is very high compared with 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 such a problem of long-term durability of the bearing is solved, it is difficult to put the air cycle refrigeration cooling turbine unit into practical use. However, the technique disclosed in Patent Document 1 has not yet been solved for the deterioration of the long-term durability of the bearing against the load of the thrust load under the 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。   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. Therefore, 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 diffuser. In the case of a magnetic bearing, there is also a problem of contact when the power is stopped.

そこで、この発明の発明者等は、上記課題を解決するものとして、先に図12に示すような構成の空気サイクル冷凍冷却用の圧縮膨張タービンユニットを提案した(特願2005−239464)。このタービンユニットでは、主軸63の両端にコンプレッサ56のコンプレッサ翼車56aおよび膨張タービン57のタービン翼車57aを取付け、主軸63を回転自在に支持する軸受として、グリース潤滑の転がり軸受65,66と、磁気軸受を構成する電磁石67とを併用し、転がり軸受65,66がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷を支持し、電磁石67は、主軸63に垂直かつ同軸に設けられたスラスト板63aに非接触で対向するように配置し、アキシアル方向の力を検出するセンサ68の出力に応じてコントローラ69で電磁石67を制御する。
また、コンプレッサ翼車56aとでコンプレッサ56を構成するコンプレッサ側ケーシング56bにおける転がり軸受65よりもコンプレッサ翼車56a側の部分、およびタービン翼車57aとで膨張タービン57を構成するタービン側ケーシング57bにおける転がり軸受66よりもタービン翼車57a側の部分は、それぞれ内径面が主軸63に近接する径に形成し、これらの内径面に非接触シール71,72を形成している。非接触シール71,72は、前記各ケーシング56b,57b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やねじ溝シールとしている。
Accordingly, the inventors of the present invention have proposed a compression / expansion turbine unit for air cycle refrigeration cooling having a structure as shown in FIG. 12 as a means for solving the above problems (Japanese Patent Application No. 2005-239464). In this turbine unit, a roller wheel 65a for the compressor 56 and a turbine wheel 57a for the expansion turbine 57 are attached to both ends of the main shaft 63, and grease lubricated rolling bearings 65 and 66 are used as bearings for rotatably supporting the main shaft 63. In combination with an electromagnet 67 constituting a magnetic bearing, the rolling bearings 65 and 66 support a radial load, the magnetic bearing supports an axial load, and the electromagnet 67 is a thrust plate 63a provided perpendicularly and coaxially to the main shaft 63. The electromagnet 67 is controlled by the controller 69 in accordance with the output of the sensor 68 that detects the force in the axial direction.
In addition, a portion in the compressor side casing 56b that constitutes the compressor 56 with the compressor impeller 56a and a portion on the compressor impeller 56a side with respect to the rolling bearing 65, and a rolling in the turbine side casing 57b that constitutes the expansion turbine 57 with the turbine impeller 57a. The portions closer to the turbine impeller 57a than the bearing 66 are formed with inner diameter surfaces close to the main shaft 63, and non-contact seals 71 and 72 are formed on these inner diameter surfaces. The non-contact seals 71 and 72 are labyrinth seals or thread groove seals formed by arranging a plurality of circumferential grooves in the axial direction on the inner diameter surfaces of the casings 56b and 57b.

しかし、上記構成のタービンユニットにおいて、非接触シール71,72がラビリンスシールである場合には、シール隙間を10μm以下に保ちながら主軸63を高速回転させることが難しい。そこで、シールフィンと主軸63との接触を回避するために、シール隙間を広げた場合、コンプレッサ56側と膨張タービン57側の圧力差により、各転がり軸受65,66内や各転がり軸受65,66と各ケーシング56b,57bとの接触面から空気が漏れ、タービンユニットの効率が低下するという問題がある。また、通過空気による転がり軸受65,66内のグリースの乾燥や飛散が生じ、転がり軸受65,66の長期耐久性を低下させることにもなる。   However, in the turbine unit configured as described above, when the non-contact seals 71 and 72 are labyrinth seals, it is difficult to rotate the main shaft 63 at a high speed while keeping the seal gap 10 μm or less. Therefore, in order to avoid contact between the seal fin and the main shaft 63, when the seal gap is widened, due to the pressure difference between the compressor 56 side and the expansion turbine 57 side, the inside of each rolling bearing 65, 66 or each rolling bearing 65, 66. There is a problem in that air leaks from the contact surfaces between the casings 56b and 57b and the efficiency of the turbine unit decreases. Further, the grease in the rolling bearings 65 and 66 is dried and scattered by the passing air, and the long-term durability of the rolling bearings 65 and 66 is also reduced.

この発明の目的は、シール性能に起因する効率低下を改善し、転がり軸受の長期耐久性を向上させることができ、また簡単な構成のコントローラで安定した制御が行える圧縮膨張タービンシステムを提供することである。   An object of the present invention is to provide a compression / expansion turbine system that can improve efficiency reduction due to sealing performance, improve the long-term durability of a rolling bearing, and can be stably controlled with a controller having a simple configuration. It is.

この発明の第1の発明にかかる圧縮膨張タービンシステムは、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受の電磁石は主軸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に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車は、前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、タービン側翼車で発生した動力により、コンプレッサ側翼車を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて前記電磁石を制御するコントローラを有し、前記転がり軸受とこの転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、前記電磁石の負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、転がり軸受支持部、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側翼車とその近傍の軸受との間、またはタービン側翼車とその近傍の軸受との間に、圧縮膨張タービンユニットのハウジングに弾性的に支持されて主軸の外周にシール隙間を形成する非接触シールを設けたことを特徴とする。   A compression / expansion turbine system according to a first aspect of the present invention uses a rolling bearing and a magnetic bearing in combination, the rolling bearing supports a radial load, and the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload. The electromagnet of the magnetic bearing is attached to the spindle housing so as to face a flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided on the main shaft in a non-contact manner, and the compressor side impeller and the turbine side impeller include the thrust side A compressor-side impeller is driven by the power generated by the turbine-side impeller, which is fitted to the main shaft common to the plate, and has a controller that controls the electromagnet according to the output of the sensor that detects the axial force. The stiffness value of the composite spring formed by the rolling bearing and the support system of the rolling bearing is the negative stiffness of the electromagnet. The compression / expansion turbine unit housing is composed of a spindle housing, a rolling bearing support, a turbine side casing, and a compressor side casing, between the compressor side impeller and the nearby bearings. Alternatively, a non-contact seal that is elastically supported by the housing of the compression / expansion turbine unit and forms a seal gap on the outer periphery of the main shaft is provided between the turbine side impeller and the bearing in the vicinity thereof.

この構成によると、コンプレッサ側翼車とその近傍の軸受との間、またはタービン側翼車とその近傍の軸受との間に、弾性支持された非接触シールを有していることから、優れたシール性能が得られる。すなわち、非接触シールは、例えばスリーブからなり、弾性支持部材によって弾性的に支持される。そのため、スリーブ等からなる非接触シールが弾性支持部材の弾性変形範囲内で径方向に移動可能となり、またスリーブ等からなる非接触シールと主軸とでいわゆる真円軸受が構成されるため、スリーブが主軸の振れ回りに追従することが可能となる。このようにシール性能が向上することにより、コンプレッサ側とタービン側との圧力差による転がり軸受内や、転がり軸受と軸受支持部との接触面からの空気漏れを低減することができ、圧縮膨張タービンユニットの効率低下を改善することができる。また、通過空気による転がり軸受でのグリースの乾燥や飛散が生じなくなったため、転がり軸受の長期耐久性を向上させることができる。
また、転がり軸受とこの転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石部の負の剛性値よりも大である関係に設定されているので、制御帯域において、機械システムの位相が180°遅れとなることを防止できて、制御対象を安定なものとでき、コントローラの回路構成を比例または比例積分等の簡単な構成のものとしても、安定した制御が行える。
According to this configuration, since the non-contact seal is elastically supported between the compressor side wheel and the nearby bearing, or between the turbine side wheel and the nearby bearing, excellent sealing performance is achieved. Is obtained. That is, the non-contact seal is made of, for example, a sleeve and is elastically supported by the elastic support member. Therefore, the non-contact seal made of a sleeve or the like can move in the radial direction within the elastic deformation range of the elastic support member, and the non-contact seal made of the sleeve or the like and the main shaft constitute a so-called circular bearing. It is possible to follow the swing of the main shaft. By improving the sealing performance in this way, it is possible to reduce air leakage in the rolling bearing due to the pressure difference between the compressor side and the turbine side, or from the contact surface between the rolling bearing and the bearing support portion. The efficiency reduction of the unit can be improved. Further, since the grease does not dry or scatter in the rolling bearing due to the passing air, the long-term durability of the rolling bearing can be improved.
In addition, since the stiffness value of the composite spring formed by the rolling bearing and the support system of the rolling bearing is set to be larger than the negative stiffness value of the electromagnet portion, the mechanical system of the mechanical system is controlled in the control band. The phase can be prevented from being delayed by 180 °, the controlled object can be made stable, and stable control can be performed even if the circuit configuration of the controller is simple such as proportional or proportional integration.

この発明の第2の発明にかかる圧縮膨張タービンシステムは、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受の電磁石は主軸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に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車とタービン側翼車およびモータロータは前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、モータロータは両側にある前記転がり軸受の間に配置され、モータステータは前記モータロータと対向して配置され、前記モータステータからの磁気力ないしはローレンツ力によって、主軸を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて前記電磁石の支持力を制御するコントローラを有し、前記転がり軸受とこの転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、前記電磁石とモータとで形成される合成バネの負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、モータハウジング、転がり軸受支持部、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側翼車とその近傍の軸受との間、またはタービン側翼車とその近傍の軸受との間に、圧縮膨張タービンユニットのハウジングに弾性的に支持されて主軸の外周にシール隙間を形成する非接触シールを設けたことを特徴とする。
この場合も、第1の発明と同様に、シール性能に起因する効率低下を改善し、転がり軸受の長期耐久性を向上させることができる。
また、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石部とモータ部とで形成される合成バネの負の剛性値よりも大である関係に設定されているので、制御帯域において、機械システムの位相が180°遅れとなることを防止できて、制御対象を安定なものとでき、コントローラの回路構成を比例または比例積分等の簡単な構成としても安定した制御が行える。
A compression / expansion turbine system according to a second aspect of the present invention uses a rolling bearing and a magnetic bearing in combination, the rolling bearing supports a radial load, and the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload. The electromagnet of the magnetic bearing is attached to the spindle housing so as to face the flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided on the main shaft in a non-contact manner. The compressor side impeller, the turbine side impeller, and the motor rotor are The main shaft is fitted to the common main shaft with the thrust plate, the motor rotor is disposed between the rolling bearings on both sides, the motor stator is disposed to face the motor rotor, and the main shaft is driven by magnetic force or Lorentz force from the motor stator. According to the output of the sensor that detects the force in the axial direction. Having a controller for controlling the support force of the magnet, the stiffness value of the composite spring formed by the rolling bearing and the support system of the rolling bearing is a negative stiffness value of the composite spring formed by the electromagnet and the motor The compression expansion turbine unit housing is composed of a spindle housing, a motor housing, a rolling bearing support, a turbine side casing, and a compressor side casing, and the compressor side impeller and bearings in the vicinity thereof. Or a non-contact seal that is elastically supported by the housing of the compression / expansion turbine unit to form a seal gap on the outer periphery of the main shaft between the turbine side impeller and the bearing in the vicinity thereof. To do.
Also in this case, similarly to the first invention, it is possible to improve efficiency reduction due to the sealing performance and to improve the long-term durability of the rolling bearing.
Further, the stiffness value of the synthetic spring formed by the rolling bearing and the rolling bearing support system is set to be larger than the negative stiffness value of the synthetic spring formed by the electromagnet portion and the motor portion. Therefore, in the control band, the phase of the mechanical system can be prevented from being delayed by 180 °, the controlled object can be stabilized, and the controller circuit configuration can be controlled with a simple configuration such as proportional or proportional integration. Can be done.

これら第1,第2の発明において、前記非接触シールを圧縮膨張タービンユニットのハウジングに弾性的に支持する弾性支持部材としてOリングを用いても良い。弾性支持部材としてOリングを用いると、非接触シールを主軸の振れ回りに追従可能なように弾性支持する作用が良好に得られる。   In these first and second inventions, an O-ring may be used as an elastic support member that elastically supports the non-contact seal on the housing of the compression / expansion turbine unit. When an O-ring is used as the elastic support member, the effect of elastically supporting the non-contact seal so as to be able to follow the swing of the main shaft can be obtained satisfactorily.

前記各構成において、前記非接触シールはスリーブであっても良い。スリーブとすることで、非接触でシールする適切な軸受隙間が容易に得られる。また、非接触シールをスリーブとすることで、このスリーブと主軸とが、いわゆる真円軸受を形成するものとでき、主軸の振れ回りへの非接触シールの追従性が優れたものとなる。
非接触シールを形成するスリーブはカーボンまたは銅合金または純銅で構成されていても良い。スリーブがカーボン,銅合金,純銅からなると、鋼製の主軸が接触しても主軸の損傷が生じず、多少の接触が許容される。
In each configuration, the non-contact seal may be a sleeve. By using a sleeve, an appropriate bearing gap that can be sealed without contact can be easily obtained. In addition, by using a non-contact seal as a sleeve, the sleeve and the main shaft can form a so-called circular bearing, and the follow-up property of the non-contact seal to the swing of the main shaft is excellent.
The sleeve forming the non-contact seal may be made of carbon, a copper alloy, or pure copper. When the sleeve is made of carbon, copper alloy, or pure copper, even if the steel main shaft comes into contact, the main shaft is not damaged, and some contact is allowed.

この発明において、前記圧縮膨張タービンシステムが、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、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、もしくは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に使用されたものであっても良い。
前記圧縮膨張タービンシステムを、このような空気サイクル冷凍冷却システムに適用した場合、圧縮膨張タービンシステムにおいて、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、かつ軸受長期耐久性の向上、寿命の向上が得られることから、圧縮膨張タービンシステムの全体として、しいては空気サイクル冷凍冷却システムの全体としても信頼性が向上する。また、空気サイクル冷凍冷却システムのネックとなっている圧縮膨張タービンシステムの主軸軸受の安定した高速回転、長期耐久性、信頼性が向上することから、空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が可能となる。
In this invention, the compression / expansion turbine system may compress the inflow air by a compressor of the turbine unit, cooling by another heat exchanger, adiabatic expansion by the expansion turbine of the turbine unit, compression by pre-compression means, heat It may be used in an air cycle refrigeration cooling system that sequentially performs cooling by an exchanger, compression by a compressor of a turbine unit, cooling by another heat exchanger, and adiabatic expansion of the turbine unit by an expansion turbine.
When the compression / expansion turbine system is applied to such an air cycle refrigeration / cooling system, in the compression / expansion turbine system, a stable high-speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining an appropriate clearance of each impeller, and the bearing has a long-term durability. Therefore, the reliability is improved as a whole of the compression / expansion turbine system and, as a whole, the air cycle refrigeration cooling system. In addition, stable high-speed rotation, long-term durability, and reliability of the main shaft bearing of the compression / expansion turbine system, which is the bottleneck of the air cycle refrigeration cooling system, improve the practical use of the air cycle refrigeration cooling system. .

この発明の第1の発明にかかる圧縮膨張タービンシステムは、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受の電磁石は主軸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に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車は、前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、タービン側翼車で発生した動力により、コンプレッサ側翼車を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて前記電磁石を制御するコントローラを有し、前記転がり軸受とこの転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、前記電磁石の負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、転がり軸受支持部、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側翼車とその近傍の軸受との間、またはタービン側翼車とその近傍の軸受との間に、圧縮膨張タービンユニットのハウジングに弾性的に支持されて主軸の外周にシール隙間を形成する非接触シールを設けたため、シール性能に起因する効率低下を改善し、転がり軸受の長期耐久性を向上させることができ、また簡単な構成のコントローラで安定した制御が行える。   A compression / expansion turbine system according to a first aspect of the present invention uses a rolling bearing and a magnetic bearing in combination, the rolling bearing supports a radial load, and the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload. The electromagnet of the magnetic bearing is attached to the spindle housing so as to face a flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided on the main shaft in a non-contact manner, and the compressor side impeller and the turbine side impeller include the thrust side A compressor-side impeller is driven by the power generated by the turbine-side impeller, which is fitted to the main shaft common to the plate, and has a controller that controls the electromagnet according to the output of the sensor that detects the axial force. The stiffness value of the composite spring formed by the rolling bearing and the support system of the rolling bearing is the negative stiffness of the electromagnet. The compression / expansion turbine unit housing is composed of a spindle housing, a rolling bearing support, a turbine side casing, and a compressor side casing, between the compressor side impeller and the nearby bearings. Or a non-contact seal that is elastically supported by the housing of the compression / expansion turbine unit and forms a seal gap on the outer periphery of the main shaft between the turbine side impeller and the bearing in the vicinity thereof. It is possible to improve the drop, improve the long-term durability of the rolling bearing, and perform stable control with a controller having a simple configuration.

この発明の第2の発明にかかる圧縮膨張タービンシステムは、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受の電磁石は主軸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に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車とタービン側翼車およびモータロータは前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、モータロータは両側にある前記転がり軸受の間に配置され、モータステータは前記モータロータと対向して配置され、前記モータステータからの磁気力ないしはローレンツ力によって、主軸を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて前記電磁石の支持力を制御するコントローラを有し、前記転がり軸受とこの転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、前記電磁石とモータ部とで形成される合成バネの負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、モータハウジング、転がり軸受支持部、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側翼車とその近傍の軸受との間、またはタービン側翼車とその近傍の軸受との間に、圧縮膨張タービンユニットのハウジングに弾性的に支持されて主軸の外周にシール隙間を形成する非接触シールを設けたため、シール性能に起因する効率低下を改善し、転がり軸受の長期耐久性を向上させることができ、また簡単な構成のコントローラで安定した制御が行える。   A compression / expansion turbine system according to a second aspect of the present invention uses a rolling bearing and a magnetic bearing in combination, the rolling bearing supports a radial load, and the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload. The electromagnet of the magnetic bearing is attached to the spindle housing so as to face the flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided on the main shaft in a non-contact manner. The compressor side impeller, the turbine side impeller, and the motor rotor are The main shaft is fitted to the common main shaft with the thrust plate, the motor rotor is disposed between the rolling bearings on both sides, the motor stator is disposed to face the motor rotor, and the main shaft is driven by magnetic force or Lorentz force from the motor stator. According to the output of the sensor that detects the force in the axial direction. The controller has a controller for controlling the support force of the magnet, and the stiffness value of the combined spring formed by the rolling bearing and the support system of the rolling bearing is the negative stiffness of the combined spring formed by the electromagnet and the motor unit. The compression expansion turbine unit housing is composed of a spindle housing, a motor housing, a rolling bearing support, a turbine side casing, and a compressor side casing, and the compressor side impeller and the vicinity thereof A non-contact seal that is elastically supported by the housing of the compression / expansion turbine unit and forms a seal gap on the outer periphery of the main shaft is provided between the bearings or between the turbine side impeller and the bearings in the vicinity thereof. This reduces the efficiency drop caused by rolling, improves the long-term durability of rolling bearings, and has a simple configuration. Stable control can be performed in the controller.

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、この実施形態の圧縮膨張タービンシステムを構成する圧縮膨張タービンユニット5の断面図を示す。この圧縮膨張タービンユニット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。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a compression / expansion turbine unit 5 constituting the compression / expansion turbine system of this embodiment. The compression / expansion 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.

圧縮膨張タービンユニット5のハウジング12は、コンプレッサ側ケーシング6bと、スピンドルハウジング14と、前記コンプレッサ側ケーシング6bとスピンドルハウジング14との間に介在する転がり軸受支持部20と、タービン側ケーシング7bとを結合して構成される。
図1において、コンプレッサ6は、コンプレッサ翼車6aと、このコンプレッサ翼車6aと微小の隙間d1を介して対向する前記コンプレッサ側ケーシング6bとでなり、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、このタービン翼車7aと微小の隙間d2を介して対向するタービン側ケーシング7bとでなり、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。
The housing 12 of the compression / expansion turbine unit 5 is composed of a compressor-side casing 6b, a spindle housing 14, a rolling bearing support portion 20 interposed between the compressor-side casing 6b and the spindle housing 14, and a turbine-side casing 7b. Configured.
In FIG. 1, the compressor 6 is composed of a compressor impeller 6a and the compressor casing 6b facing the compressor impeller 6a with a minute gap d1 and sucked in the axial direction from the suction port 6c at the center. The air is compressed by the compressor wheel 6a and discharged from the outlet (not shown) at the outer peripheral portion as indicated by the arrow 6d.
The expansion turbine 7 is composed of a turbine impeller 7a and a turbine casing 7b opposed to the turbine impeller 7a via a minute gap d2, and the air sucked from the outer periphery as indicated by an arrow 7c The vehicle 7a adiabatically expands and discharges in the axial direction from the central outlet 7d.

この圧縮膨張タービンユニット5では、主軸13をラジアル方向に対し複数の転がり軸受15,16で支持し、主軸13にかかるアキシアル荷重と軸受予圧のどちらか一方もしくは両方を磁気軸受である電磁石17により支持するものとされる。この圧縮膨張タービンユニット5は、転がり軸受16に作用するアキシアル方向の負荷を検出するセンサ18と、このセンサ18の出力に応じて前記電磁石17による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ19とを有している。電磁石17は、主軸13の中央で主軸13に垂直かつ同軸に一体構造として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、スラスト板13aが電磁石ターゲットとされる。主軸13の材料には、磁気特性の良好な低炭素鋼が使用される。   In this compression / expansion turbine unit 5, the main shaft 13 is supported by a plurality of rolling bearings 15 and 16 in the radial direction, and either or both of the axial load and the bearing preload applied to the main shaft 13 are supported by an electromagnet 17 that is a magnetic bearing. It is supposed to be. The compression / expansion turbine unit 5 includes a sensor 18 that detects an axial load acting on the rolling bearing 16, and a magnetic bearing controller 19 that controls the supporting force of the electromagnet 17 according to the output of the sensor 18. is doing. 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 that is provided in the center of the main shaft 13 as a unitary structure perpendicular to and coaxial with the main shaft 13 in a non-contact manner. The thrust plate 13a is an electromagnet target. The material of the main shaft 13 is low carbon steel with good magnetic properties.

主軸13を支持する転がり軸受15,16は、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受やアンギュラ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個の転がり軸受15,16は、それぞれユニットハウジング12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 rolling bearings 15 and 16 that support the main shaft 13 have a function of restricting the position in the axial direction. For example, deep groove ball bearings or angular 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 rolling bearings 15 and 16 are disposed near the compressor impeller 6a and the turbine impeller 7a in the unit housing 12, respectively.

主軸13は、中央部の大径部13cと、両端部の小径部13d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13dに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部13cと小径部13d間の段差面に係合する。また、主軸13の両端部の小径部13dに、前記コンプレッサ翼車6aおよびタービン翼車7aの中央部に設けられた貫通孔(図示せず)を圧入状態に嵌合させることで、コンプレッサ翼車6aおよびタービン翼車7aが主軸13に取付けられる。   The main shaft 13 is a stepped shaft having a large diameter portion 13c at the center and small diameter portions 13d at both ends. The bearings 15 and 16 on both sides have their inner rings 15a and 16a fitted into the small diameter portion 13d in a press-fit state, and one of the width surfaces engages with a stepped surface between the large diameter portion 13c and the small diameter portion 13d. Further, a through-hole (not shown) provided in the central portion of the compressor impeller 6a and the turbine impeller 7a is fitted into the small diameter portions 13d at both ends of the main shaft 13 in a press-fitted state, so that the compressor impeller 6 a and a turbine impeller 7 a are attached to the main shaft 13.

前記センサ18は、タービン翼車7a側の転がり軸受16の近傍における静止側、つまりスピンドルハウジング14側に設けられている。このセンサ18を近傍に設けた転がり軸受16は、その外輪16bが軸受ハウジング23内に固定状態に嵌合している。軸受ハウジング23は、リング状に形成されて一端に軸受16の外輪16bの幅面に係合する内鍔23aを有しており、スピンドルハウジング14に設けられた内径面24にアキシアル方向に移動自在に嵌合している。内鍔23aは、アキシアル方向の中央側端に設けられている。   The sensor 18 is provided on the stationary side in the vicinity of the rolling bearing 16 on the turbine impeller 7a side, that is, on the spindle housing 14 side. The rolling bearing 16 provided with the sensor 18 in the vicinity thereof has an outer ring 16 b fitted in the bearing housing 23 in a fixed state. The bearing housing 23 has an inner flange 23a that is formed in a ring shape and engages with the width surface of the outer ring 16b of the bearing 16 at one end, and is movable in the axial direction on an inner diameter surface 24 provided on the spindle housing 14. It is mated. The inner collar 23a is provided at the center side end in the axial direction.

センサ18は主軸13の回りの円周方向複数箇所(例えば2箇所)に分配配置され、軸受ハウジング23の内鍔23a側の幅面と、スピンドルハウジング14に固定された部材である片方の電磁石17との間に介在させてある。また、センサ18は、センサ予圧ばね25により予圧が印加されている。センサ予圧ばね25は、タービン側ケーシング7bに設けられた収容凹部内に収容されて転がり軸受16の外輪16bをアキシアル方向に付勢するものとされ、外輪16bおよび軸受ハウジング23を介してセンサ18を予圧する。センサ予圧ばね25は、例えば主軸13の回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等からなる。   The sensors 18 are distributed and arranged at a plurality of circumferential locations (for example, two locations) around the main shaft 13, a width surface on the inner flange 23 a side of the bearing housing 23, and one electromagnet 17 that is a member fixed to the spindle housing 14. It is interposed between. The sensor 18 is applied with preload by a sensor preload spring 25. The sensor preload spring 25 is housed in a housing recess provided in the turbine-side casing 7 b and biases the outer ring 16 b of the rolling bearing 16 in the axial direction. The sensor preload spring 25 is moved through the outer ring 16 b and the bearing housing 23. Preload. The sensor preload spring 25 is composed of, for example, coil springs provided at a plurality of locations in the circumferential direction around the main shaft 13.

センサ予圧ばね25による予圧は、押し付け力によってスラスト力を検出するセンサ18が、主軸13のアキシアル方向のいずれの向きの移動に対しても検出できるようにするためであり、圧縮膨張タービンユニット5の通常の運転状態で主軸13に作用する平均的なスラスト力以上の大きさとされる。   The preload by the sensor preload spring 25 is to enable the sensor 18 that detects the thrust force by the pressing force to detect any movement of the main shaft 13 in the axial direction. The magnitude is greater than the average thrust force acting on the main shaft 13 in a normal operating state.

センサ18の非配置側の転がり軸受15は、転がり軸受支持部20に対してアキシアル方向に移動自在に設置され、かつ軸受予圧ばね26によって弾性支持されている。この例では転がり軸受15の外輪15bが、転がり軸受支持部20の内径面にアキシアル方向移動自在に嵌合していて、軸受予圧ばね26は、外輪15bとコンプレッサ側ケーシング6bとの間に介在している。軸受予圧ばね26は、内輪15aの幅面が係合した主軸13の段面に対向して外輪15bを付勢するものとされ、転がり軸受15に予圧を与えている。軸受予圧ばね26は、主軸13回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等からなり、それぞれコンプレッサ側ケーシング6bに設けられた収容凹部内に収容されている。軸受予圧ばね26は、センサ予圧ばね25よりもばね定数が小さいものとされる。   The rolling bearing 15 on the non-arrangement side of the sensor 18 is installed so as to be movable in the axial direction with respect to the rolling bearing support portion 20, and is elastically supported by a bearing preload spring 26. In this example, the outer ring 15b of the rolling bearing 15 is fitted to the inner diameter surface of the rolling bearing support 20 so as to be movable in the axial direction, and the bearing preload spring 26 is interposed between the outer ring 15b and the compressor side casing 6b. ing. The bearing preload spring 26 biases the outer ring 15b so as to oppose the step surface of the main shaft 13 with which the width surface of the inner ring 15a is engaged, and applies preload to the rolling bearing 15. The bearing preload spring 26 includes coil springs and the like provided at a plurality of locations in the circumferential direction around the main shaft 13 and is accommodated in the accommodating recesses provided in the compressor side casing 6b. The bearing preload spring 26 has a smaller spring constant than the sensor preload spring 25.

コンプレッサ翼車6aとその近傍の転がり軸受15との間、およびタービン翼車7aとその近傍の転がり軸受16との間には、それぞれ内径面が主軸13に近接する径に形成されて主軸13の外周にシール隙間を形成するスリーブ21A,21Bからなる非接触シールが配置されている。非接触シールは、隙間シールとも呼ばれる。
コンプレッサ翼車6a側の非接触シールであるスリーブ21Aは、その部分を拡大して示す図2(A)のように、コンプレッサ側ケーシング6bにおける転がり軸受15に隣接する部分6baの内径面に、弾性支持部材21Bにより弾性的に径方向に変位可能に支持される。スリーブ21Aの外径面の軸方向中間位置には溝50が形成されると共に、この溝50に対向する前記コンプレッサ側ケーシング6bの軸受隣接部分6baの内径面にも溝51が形成され、両溝50,51に渡って弾性支持部材21Bが係合している。
タービン翼車7a側の非接触シールであるスリーブ22Aも、その部分を拡大して示す図2(B)のように、タービン側ケーシング7bにおける転がり軸受16に隣接する部分7baの内径面に、弾性支持部材22Bにより弾性的に径方向に変移可能に支持される。スリーブ22Aの外径面の軸方向中間位置には溝52が形成されると共に、この溝52に対向する前記タービン側ケーシング7bの軸受隣接部分7baの内径面にも溝53が形成され、両溝52,53に渡って前記弾性支持部材22Bが係合している。
Between the compressor impeller 6a and the rolling bearing 15 in the vicinity thereof, and between the turbine impeller 7a and the rolling bearing 16 in the vicinity thereof, an inner diameter surface is formed to have a diameter close to the main shaft 13, respectively. Non-contact seals comprising sleeves 21A and 21B that form seal gaps on the outer periphery are arranged. A non-contact seal is also called a gap seal.
The sleeve 21A, which is a non-contact seal on the compressor impeller 6a side, is elastically formed on the inner diameter surface of the portion 6ba adjacent to the rolling bearing 15 in the compressor side casing 6b as shown in FIG. The support member 21B is elastically supported so as to be displaceable in the radial direction. A groove 50 is formed at the axially intermediate position of the outer diameter surface of the sleeve 21A, and a groove 51 is also formed on the inner diameter surface of the bearing adjacent portion 6ba of the compressor side casing 6b facing the groove 50. The elastic support member 21 </ b> B is engaged over 50 and 51.
The sleeve 22A which is a non-contact seal on the turbine impeller 7a side is also elastically formed on the inner diameter surface of the portion 7ba adjacent to the rolling bearing 16 in the turbine side casing 7b as shown in FIG. The support member 22B is elastically supported so as to be movable in the radial direction. A groove 52 is formed at the axially intermediate position of the outer diameter surface of the sleeve 22A, and a groove 53 is also formed on the inner diameter surface of the bearing adjacent portion 7ba of the turbine side casing 7b facing the groove 52. The elastic support member 22 </ b> B is engaged over 52 and 53.

前記各スリーブ21A,22Aと主軸13との間のシール隙間は15μm以下であることが好ましく、10μm以下であれば隙間での空気漏れはほとんど無くなる。各スリーブ21A,22Aはカーボンもしくは銅合金(純銅含む)からなり、主軸13とスリーブ21A,22Aの多少の接触は許容される。
なお、ここでは、前記非接触シールとなるスリーブ21A,22Aの支持部を、コンプレッサ側ケーシング6bおよびタービン側ケーシング7bとしているが、ユニットハウジング12の構造によっては、コンプレッサ翼車6a側のスリーブ21Aを転がり軸受支持部20の内径面で、またタービン翼車7a側のスリーブ22Aをスピンドルハウジング14の内径面でそれぞれ支持しても良い。また、このようなスリーブ21,22Aからなる構成の非接触シールは、コンプレッサ翼車6a側のみに適用しても、タービン翼車7a側のみに適用しても良い。
The seal gap between the sleeves 21A, 22A and the main shaft 13 is preferably 15 μm or less, and if it is 10 μm or less, there is almost no air leakage in the gap. Each sleeve 21A, 22A is made of carbon or a copper alloy (including pure copper), and some contact between the main shaft 13 and the sleeves 21A, 22A is allowed.
Here, the support portions of the sleeves 21A and 22A serving as the non-contact seals are the compressor side casing 6b and the turbine side casing 7b. However, depending on the structure of the unit housing 12, the sleeve 21A on the compressor impeller 6a side may be provided. The sleeve 22A on the turbine impeller 7a side may be supported by the inner diameter surface of the rolling bearing support portion 20 and the inner diameter surface of the spindle housing 14, respectively. Further, the non-contact seal constituted by the sleeves 21 and 22A may be applied only to the compressor impeller 6a side or only to the turbine impeller 7a side.

コンプレッサ側ケーシング6bと前記コンプレッサ6側の転がり軸受支持部20の両端面が結合する面には、コンプレッサ側ケーシング6bから転がり軸受支持部20への熱流入を絞るための隙間27が形成されている。この実施形態では、転がり軸受支持部20の端面の外径側に突起20aを形成し、この突起20aのコンプレッサ側ケーシング6bへの面接触もしくは点接触により前記隙間27を形成しているが、コンプレッサ側ケーシング6bの端面に突起を形成しても良い。前記突起20aは、円周方向の全周にわたってリング状に形成したものでも、円周方向に断続的に分散配置して形成したものでも良い。   A gap 27 for restricting heat inflow from the compressor side casing 6b to the rolling bearing support portion 20 is formed on a surface where both end surfaces of the compressor side casing 6b and the rolling bearing support portion 20 on the compressor 6 side are coupled. . In this embodiment, a protrusion 20a is formed on the outer diameter side of the end face of the rolling bearing support portion 20, and the gap 27 is formed by surface contact or point contact of the protrusion 20a with the compressor side casing 6b. A protrusion may be formed on the end surface of the side casing 6b. The protrusions 20a may be formed in a ring shape over the entire circumference in the circumferential direction, or may be formed by being intermittently distributed in the circumferential direction.

また、転がり軸受支持部20における前記隙間27の近傍には、ユニットハウジング12を冷却する冷却経路28が形成されている。冷却経路28はコンプレッサ側ケーシング6bに形成しても良い。この冷却経路28に流す冷却用の媒体には、水、油ないし空気が使用される。このように、前記冷却経路28に冷却用媒体を流す冷却システムを構成することで、転がり軸受支持部20の温度、さらには転がり軸受15の温度が、使用する転がり軸受15の許容温度以下の適温に制御される。   A cooling path 28 for cooling the unit housing 12 is formed in the vicinity of the gap 27 in the rolling bearing support portion 20. The cooling path 28 may be formed in the compressor side casing 6b. Water, oil, or air is used as a cooling medium flowing through the cooling path 28. In this way, by configuring a cooling system that allows the cooling medium to flow through the cooling path 28, the temperature of the rolling bearing support 20, and further the temperature of the rolling bearing 15, is an appropriate temperature that is equal to or lower than the allowable temperature of the rolling bearing 15 to be used. Controlled.

上記圧縮膨張タービンユニット5における磁気軸受装置の力学モデルは簡単なバネ系で構成することができる。すなわち、このバネ系は、転がり軸受15,16とこれら軸受の支持系(センサ予圧ばね25、軸受予圧ばね26、軸受ハウジング23など)とで構成される合成バネと、電磁石17のバネとが並列となった構成である。このバネ系において、転がり軸受15,16とこれら軸受の支持系とで構成される合成バネは、変位した方向と逆の方向に変位量に比例して作用する剛性となるのに対し、電磁石17のバネは、変位した方向に変位量に比例して作用する負の剛性となる。
このため、上記した合成バネの剛性と電磁石17のバネの負の剛性との大小関係を、
合成バネの剛性値<電磁石の負の剛性値……(1)
とした場合、機械システムの位相は180°遅れとなり不安定な系となることから、電磁石17を制御する磁気軸受用コントローラ19において、予め位相補償回路を付加する必要が生じ、コントローラ19の構成が複雑なものになる。
The dynamic model of the magnetic bearing device in the compression / expansion turbine unit 5 can be constituted by a simple spring system. That is, in this spring system, a combined spring composed of the rolling bearings 15 and 16 and a support system for these bearings (sensor preload spring 25, bearing preload spring 26, bearing housing 23, etc.) and a spring of the electromagnet 17 are arranged in parallel. This is the configuration. In this spring system, the composite spring constituted by the rolling bearings 15 and 16 and the support system of these bearings has rigidity acting in proportion to the amount of displacement in the direction opposite to the displaced direction, whereas the electromagnet 17. This spring has a negative stiffness that acts in proportion to the amount of displacement in the displaced direction.
For this reason, the magnitude relationship between the stiffness of the composite spring and the negative stiffness of the spring of the electromagnet 17 is
Synthetic spring stiffness <electromagnet negative stiffness (1)
In this case, the phase of the mechanical system is delayed by 180 ° and becomes an unstable system. Therefore, in the magnetic bearing controller 19 for controlling the electromagnet 17, it is necessary to add a phase compensation circuit in advance. It becomes complicated.

そこで、この実施形態では、上記した合成バネの剛性と電磁石17のバネの負の剛性との大小関係を、
合成バネの剛性値>電磁石の負の剛性値……(2)
としている。これにより、制御帯域において、機械システムの位相が180°遅れとなることを防止できるので、コントローラ19の制御対象を安定なものとでき、コントローラ19の回路構成を図3のように比例もしくは比例積分で簡単に構成できる。
ブロック図で示す図3のコントローラ19では、各センサ18の検出出力P1,P2をセンサ出力演算回路31で加減し、その演算結果を比較器32で基準値設定手段33の目標値と比較して偏差を演算し、さらに演算した偏差をPI補償回路(もしくはP補償回路)34により圧縮膨張タービンユニット5に応じて適宜設定される比例積分(もしくは比例)処理を行うことで、電磁石17の制御信号を演算するようにしている。PI補償回路(もしくはP補償回路)34の出力は、ダイオード35,36を介して各方向の電磁石171 ,172 を駆動するパワー回路37,38に入力される。電磁石171 ,172 は、図1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35,36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。
Therefore, in this embodiment, the magnitude relationship between the stiffness of the composite spring and the negative stiffness of the spring of the electromagnet 17 is as follows.
Rigidity value of synthetic spring> Negative stiffness value of electromagnet (2)
It is said. As a result, the phase of the mechanical system can be prevented from being delayed by 180 ° in the control band, so that the control target of the controller 19 can be stabilized, and the circuit configuration of the controller 19 is proportional or proportional to integral as shown in FIG. Easy to configure.
In the controller 19 of FIG. 3 shown in the block diagram, the detection outputs P1 and P2 of each sensor 18 are adjusted by the sensor output calculation circuit 31, and the calculation result is compared with the target value of the reference value setting means 33 by the comparator 32. The control signal of the electromagnet 17 is calculated by performing a proportional integration (or proportional) process that is appropriately set according to the compression / expansion turbine unit 5 by the PI compensation circuit (or P compensation circuit) 34. Is calculated. The output of the PI compensation circuit (or P compensation circuit) 34 is input to power circuits 37 and 38 that drive the electromagnets 17 1 and 17 2 in each direction via diodes 35 and 36. The electromagnets 17 1 and 17 2 are a pair of electromagnets 17 facing the thrust plate 13a shown in FIG. 1, and only the attractive force acts. Therefore, the direction of current is determined in advance by the diodes 35 and 36, and the two electromagnets 17 1 and 17 2 are selectively driven.

この構成の圧縮膨張タービンユニット5は、例えば空気サイクル冷凍冷却システムに適用されて、冷却媒体となる空気を後段の熱交換器(ここでは図示せず)により効率良く熱交換できるように、コンプレッサ6で圧縮して温度上昇させ、さらに後段の前記熱交換器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。
このような使用例において、この圧縮膨張タービンユニット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を駆動される。
The compression / expansion turbine unit 5 having this configuration is applied to, for example, an air cycle refrigeration cooling system so that air serving as a cooling medium can be efficiently exchanged by a heat exchanger (not shown here) at a subsequent stage. Then, the air cooled by the heat exchanger and cooled by the heat exchanger at the subsequent stage is cooled and discharged by adiabatic expansion to a target temperature, for example, a very low temperature of about −30 ° C. to −60 ° C., by the expansion turbine 7. Used to be.
In such a use example, the compressor-expansion turbine unit 5 has the compressor impeller 6a and the turbine impeller 7a attached to the common main shaft 13, and the compressor impeller 6a is driven by the power generated by the turbine impeller 7a.

このように、圧縮膨張タービンユニット5として構成されたこの実施形態の圧縮膨張タービンシステムでは、コンプレッサ翼車6aとその近傍の転がり軸受15との間、またはタービン翼車7aとその近傍の転がり軸受16との間に、弾性支持された非接触シールとなるスリーブ21A,22Aを有しているので、優れたシール性能が得られる。すなわち、具体的には、スリーブ21A,22Aが弾性支持部材21B,22Bの弾性変形範囲内で径方向に移動可能となり、またスリーブ21A,22Aと主軸13とで真円軸受が構成されるため、スリーブ21A,22Aが主軸13の振れ回りに追従することが可能となる。このようにシール性能が向上することにより、コンプレッサ6側と膨張タービン7側との圧力差による転がり軸受15,16内や、転がり軸受15,16と軸受支持部(転がり軸受支持部20やスピンドルハウジング14)との接触面からの空気漏れを低減することができ、圧縮膨張タービンユニット5の効率低下を改善することができる。また、通過空気による転がり軸受15,16でのグリースの乾燥や飛散が生じなくなるため、転がり軸受15,16の長期耐久性を向上させることができる。   In this way, in the compression / expansion turbine system of this embodiment configured as the compression / expansion turbine unit 5, between the compressor impeller 6a and the rolling bearing 15 in the vicinity thereof, or between the turbine impeller 7a and the rolling bearing 16 in the vicinity thereof. Since the sleeves 21A and 22A serving as non-contact seals that are elastically supported are provided between them, excellent sealing performance can be obtained. Specifically, the sleeves 21A and 22A can move in the radial direction within the elastic deformation range of the elastic support members 21B and 22B, and the sleeves 21A and 22A and the main shaft 13 constitute a perfect circle bearing. The sleeves 21A and 22A can follow the swinging movement of the main shaft 13. By improving the sealing performance in this way, the rolling bearings 15 and 16 due to the pressure difference between the compressor 6 side and the expansion turbine 7 side, or the rolling bearings 15 and 16 and the bearing support portion (the rolling bearing support portion 20 and the spindle housing). 14) The air leakage from the contact surface with 14) can be reduced, and the efficiency reduction of the compression / expansion turbine unit 5 can be improved. Further, since the grease is not dried or scattered by the rolling bearings 15 and 16 due to the passing air, the long-term durability of the rolling bearings 15 and 16 can be improved.

また、この実施形態では、コンプレッサ翼車6aおよびタービン翼車7aが、スラスト板13aと共通の主軸13に嵌合し、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を駆動させる圧縮膨張タービンシステムを構成する圧縮膨張タービンユニット5において、主軸13の支持に上記構成の磁気軸受装置を適用したので、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、かつ転がり軸受15,16の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。   Further, in this embodiment, the compressor impeller 6a and the turbine impeller 7a are fitted to the main shaft 13 common to the thrust plate 13a, and the compression / expansion for driving the compressor impeller 6a by the power generated in the turbine impeller 7a. In the compression / expansion turbine unit 5 constituting the turbine system, the magnetic bearing device having the above-described configuration is applied to support the main shaft 13, so that the stable high speed of the main shaft 13 is maintained while maintaining appropriate gaps d 1 and d 2 between the impellers 6 a and 7 a. The rotation is obtained, and the long-term durability and the life of the rolling bearings 15 and 16 are improved.

すなわち、圧縮膨張タービンユニット5の圧縮,膨張の効率を確保するためには、各翼車6a,7aとケーシング6b,7bとの隙間d1,d2を微小に保つ必要がある。例えば,この圧縮膨張タービンユニット5を空気サイクル冷凍冷却システムに適用する場合には、この効率確保が重要となる。これに対して、主軸13を転がり軸受15,16により支持するため、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。   That is, in order to ensure the compression and expansion efficiency of the compression / expansion turbine unit 5, it is necessary to keep the gaps d1 and d2 between the impellers 6a and 7a and the casings 6b and 7b minute. For example, when this compression / expansion turbine unit 5 is applied to an 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 and the housing 6b. , 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を回転支持する転がり軸受15,16に上記スラスト力が作用すると、転がり軸受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で支持するため、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。この場合に転がり軸受16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による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ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。
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 rolling bearings 15 and 16 is reduced.
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, since the sensor 18 for detecting the thrust force acting on the rolling bearing 16 and the magnetic bearing controller 19 for controlling the supporting force by the electromagnet 17 according to the output of the sensor 18 are provided, the rolling bearings 15 and 16 are provided. Can be used in an optimum state against the thrust force according to the bearing specifications.

図4および図5は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の圧縮膨張タービンシステムでは、図1に示す第1の実施形態における非接触シールとなるスリーブ21A,22Aの弾性支持部材21B,22BとしてOリングが用いられている。図5(A)はコンプレッサ翼車6a側の非接触シール21の拡大断面図を示し、図5(B)はタービン翼車7a側の非接触シール22の拡大断面図を示す。その他の構成は、第1の実施形態の場合と同様である。この場合、Oリングからなる弾性支持部材21B,22Bの内径は、スリーブ21A,22Aの溝50,52の内径以下として、スリーブ21A,22Aの溝50,52にOリングからなる弾性支持部材21B,22Bを密着させている。また、Oリングからなる弾性支持部材21B,22Bの外径は、ケーシング6b,7bにおける軸受隣接部分6ba,7baの溝51,53底部の外径以下として、弾性支持部材21B,22Bが係合する各スリーブ21A,22Aの径方向への移動を可能としている。   4 and 5 show another embodiment of the present invention. In the compression / expansion turbine system of this embodiment, O-rings are used as the elastic support members 21B and 22B of the sleeves 21A and 22A which are non-contact seals in the first embodiment shown in FIG. 5A shows an enlarged cross-sectional view of the non-contact seal 21 on the compressor impeller 6a side, and FIG. 5B shows an enlarged cross-sectional view of the non-contact seal 22 on the turbine impeller 7a side. Other configurations are the same as those in the first embodiment. In this case, the inner diameters of the elastic support members 21B and 22B made of O-rings are made equal to or smaller than the inner diameters of the grooves 50 and 52 of the sleeves 21A and 22A, and the elastic support members 21B and B made of O-rings in the grooves 50 and 52 of the sleeves 21A and 22A. 22B is in close contact. Further, the outer diameters of the elastic support members 21B and 22B made of O-rings are set to be equal to or smaller than the outer diameters of the bottom portions of the grooves 51 and 53 of the bearing adjacent portions 6ba and 7ba in the casings 6b and 7b. The sleeves 21A and 22A can be moved in the radial direction.

この場合も、前記スリーブ21A,22Aと主軸13とで真円軸受が構成されるため、スリーブ21A,22Aが主軸13の振れ回りに追従可能となる。また、主軸13の回転時に、コンプレッサ6側と膨張タービン7側との間で発生する圧力差によって、前記各スリーブ21A,22Aが軸方向に移動し、スリーブ21A,22Aの外径面からはみ出たOリングからなる弾性支持部材21B,22Bの部分が、ケーシング6b,7bにおける軸受隣接部分6ba,7baの溝51,53の端面と接触する。これにより、非接触シールとなるスリーブ21A,22Aと弾性支持部材21B,22Bとによるシール性能が確保される。   Also in this case, since the sleeves 21A and 22A and the main shaft 13 constitute a perfect circle bearing, the sleeves 21A and 22A can follow the swing of the main shaft 13. Further, due to the pressure difference generated between the compressor 6 side and the expansion turbine 7 side when the main shaft 13 rotates, the sleeves 21A and 22A move in the axial direction and protrude from the outer diameter surfaces of the sleeves 21A and 22A. The portions of the elastic support members 21B and 22B made of an O-ring are in contact with the end surfaces of the grooves 51 and 53 of the bearing adjacent portions 6ba and 7ba in the casings 6b and 7b. Thereby, the sealing performance by sleeve 21A, 22A used as a non-contact seal and elastic support member 21B, 22B is ensured.

図6および図7は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の圧縮膨張タービンシステムでは、図1に示す第1の実施形態において、主軸13の小径部13dにおけるコンプレッサ翼車6aとその近傍の転がり軸受15との間、およびタービン翼車7aとその近傍の転がり軸受16との間に、リング状の転がり軸受押え部材54,55を介在させることで、スリーブ21A,22Aの内径面と転がり軸受押え部材54,55の外径面との間に非接触シールのシール隙間が形成されている。転がり軸受押え部材54,55は、主軸13の小径部13dに圧入状態で嵌合される。その他の構成は、第1の実施形態の場合と同様である。   6 and 7 show still another embodiment of the present invention. In the compression / expansion turbine system of this embodiment, in the first embodiment shown in FIG. 1, between the compressor impeller 6a and the rolling bearing 15 in the vicinity of the small diameter portion 13d of the main shaft 13, and the turbine impeller 7a and its By interposing ring-shaped rolling bearing retainer members 54 and 55 between the adjacent rolling bearings 16, the inner diameter surfaces of the sleeves 21 A and 22 A and the outer diameter surfaces of the rolling bearing retainer members 54 and 55 are not. A seal gap of the contact seal is formed. The rolling bearing pressing members 54 and 55 are fitted into the small diameter portion 13d of the main shaft 13 in a press-fitted state. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

先述したように、主軸13の材質には低炭素鋼を使用しているため、転がり軸受15,16の抜き差しにおいて、主軸13の外径面に擦傷が生じ、図1に示す実施形態の場合には、シール性能に影響する可能性がある。この実施形態の場合、主軸13の小径部13dの外径面が転がり軸受押え部材54,55で覆われ、転がり軸受押え部材54,55の外径面とスリーブ21A,22Aの内径面とでシール隙間が形成されるため、主軸13の外径面の擦傷に起因したシール性能の低下がなく、コンプレッサ6側と膨張タービン7側との圧力差による転がり軸受15,16内や、転がり軸受15,16と軸受支持部(転がり軸受支持部20やスピンドルハウジング14)との接触面からの空気漏れを低減することができ、圧縮膨張タービンユニット5の効率低下を改善することができる。   As described above, since the material of the main shaft 13 is made of low carbon steel, the outer diameter surface of the main shaft 13 is scratched when the rolling bearings 15 and 16 are inserted and removed. In the embodiment shown in FIG. May affect the sealing performance. In the case of this embodiment, the outer diameter surface of the small diameter portion 13d of the main shaft 13 is covered with the rolling bearing retainer members 54 and 55, and the outer diameter surfaces of the rolling bearing retainer members 54 and 55 and the inner diameter surfaces of the sleeves 21A and 22A are sealed. Since the gap is formed, there is no deterioration in the sealing performance due to the scratch on the outer diameter surface of the main shaft 13, the inside of the rolling bearings 15, 16 due to the pressure difference between the compressor 6 side and the expansion turbine 7 side, the rolling bearing 15, Air leakage from the contact surface between the bearing 16 and the bearing support (the rolling bearing support 20 or the spindle housing 14) can be reduced, and the efficiency reduction of the compression / expansion turbine unit 5 can be improved.

図8および図9は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の圧縮膨張タービンシステムは、図1に示す第1の実施形態において、主軸13を転がり軸受15,16と磁気軸受である電磁石17で支持すると共に、主軸13を回転駆動するアキシアルギャップ型のモータ39を設けたものである。モータ39は、電磁石17とは独立にモータ用コントローラ29で制御される。   8 and 9 show still another embodiment of the present invention. In the compression / expansion turbine system of this embodiment, in the first embodiment shown in FIG. 1, the main shaft 13 is supported by rolling bearings 15 and 16 and an electromagnet 17 as a magnetic bearing, and the main shaft 13 is driven to rotate. The motor 39 is provided. The motor 39 is controlled by the motor controller 29 independently of the electromagnet 17.

電磁石17は、主軸13の軸方向中間部において軸方向に並ぶように主軸13に垂直かつ同軸に一体構造として設けられた強磁性体からなるフランジ状の2つのスラスト板13a,13bの各片面に非接触で対向するように、一対のものがスピンドルハウジング14に設置されている。具体的には、磁気軸受ユニットを構成する一方の電磁石17は、膨張タービン7寄りに位置するスラスト板13aの膨張タービン7側に向く片面を電磁石ターゲットとして、この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング14に設置される。また、磁気軸受ユニットを構成する他方の電磁石17は、コンプレッサ6寄りに位置するスラスト板13bのコンプレッサ6側に向く片面を電磁石ターゲットして、この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング14に設置される。   The electromagnet 17 is provided on each surface of two flange-shaped thrust plates 13a and 13b made of a ferromagnetic material provided as an integral structure perpendicular to and coaxially with the main shaft 13 so as to be aligned in the axial direction at the axial intermediate portion of the main shaft 13. A pair is installed in the spindle housing 14 so as to face each other without contact. Specifically, one of the electromagnets 17 constituting the magnetic bearing unit is opposed to this one surface in a non-contact manner with the one surface facing the expansion turbine 7 of the thrust plate 13a located near the expansion turbine 7 as an electromagnet target. Installed in the spindle housing 14. Further, the other electromagnet 17 constituting the magnetic bearing unit has one surface facing the compressor 6 side of the thrust plate 13b located near the compressor 6 as an electromagnet target, and faces the spindle housing 14 so as to face this one surface in a non-contact manner. Installed.

モータ39は、前記電磁石17と並んで主軸13に設けられたモータロータ39aと、このモータロータ39aに対し軸方向に対向するモータステータ39bとでなるモータユニットである。具体的には、モータユニットの一部品を構成するモータロータ39aは、主軸13における前記各スラスト板13a,13bの電磁石17が対向する側とは反対側の各片面に、円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石39aaを配置することで左右一対のものが構成される。永久磁石39aaは接着剤により各スラスト板13a,13bの各片面に接着固定される。このように軸方向に対向配置される永久磁石39aaの間では、その磁極が互いに異極となるように設定される。主軸13には磁気特性の良好な低炭素鋼を使用しているので、主軸13と一体構造となるように設けられる前記各スラスト板13a,13bを、永久磁石39aaのバックヨークおよび電磁石ターゲットに兼用できる。
モータユニットの他の部品であるモータステータ39bは、前記左右一対のモータロータ39aに挟まれる軸方向中央の位置において、これら両モータロータ39aの各面に非接触で対向するようにコアの無い状態で配置したコイル39baを、モータハウジング40を介してスピンドルハウジング14に設置して構成される。このモータ39は、前記モータロータ39aとモータステータ39b間に作用するローレンツ力により、主軸13を回転させる。このように、このアキシアルギャップ型のモータ39はコアレスモータとされていることから、モータロータ39aとモータステータ39b間の磁気カップリングによる負の剛性はゼロとなっている。なお、モータステータ39bはコア付きとして、モータロータ39aとモータステータ39b間に作用する磁気力により、主軸13を回転させても良い。
The motor 39 is a motor unit including a motor rotor 39a provided on the main shaft 13 along with the electromagnet 17, and a motor stator 39b facing the motor rotor 39a in the axial direction. Specifically, the motor rotor 39a that constitutes one part of the motor unit is arranged on each side of the main shaft 13 opposite to the side where the electromagnets 17 of the thrust plates 13a and 13b face each other at an equal pitch in the circumferential direction. By arranging the permanent magnets 39aa arranged side by side, a pair of left and right are configured. The permanent magnet 39aa is bonded and fixed to each side of the thrust plates 13a and 13b with an adhesive. Thus, between the permanent magnets 39aa arranged opposite to each other in the axial direction, the magnetic poles are set to be different from each other. Since the main shaft 13 is made of low carbon steel having good magnetic properties, the thrust plates 13a and 13b provided so as to be integrated with the main shaft 13 are also used as the back yoke and the electromagnet target of the permanent magnet 39aa. it can.
The motor stator 39b, which is another part of the motor unit, is arranged without a core so as to face each surface of both the motor rotors 39a in a non-contact manner at a central position between the left and right motor rotors 39a. The coil 39ba is installed on the spindle housing 14 via the motor housing 40. The motor 39 rotates the main shaft 13 by Lorentz force acting between the motor rotor 39a and the motor stator 39b. Thus, since this axial gap type motor 39 is a coreless motor, the negative rigidity due to the magnetic coupling between the motor rotor 39a and the motor stator 39b is zero. The motor stator 39b may have a core, and the main shaft 13 may be rotated by a magnetic force acting between the motor rotor 39a and the motor stator 39b.

上記圧縮膨張タービンユニット5におけるモータ一体型の磁気軸受装置の力学モデルは、転がり軸受15,16とこれら軸受の支持系(センサ予圧ばね25、軸受予圧ばね26、軸受ハウジング23など)とで形成される合成バネと、モータ部(モータ39と電磁石17)で形成される合成バネとが並列となったバネ系で構成することができる。このバネ系において、転がり軸受15,16とこれら軸受の支持系とで形成される合成バネは、変位した方向と逆の方向に変位量に比例して作用する剛性となるのに対し、モータ部で形成される合成バネは、変位した方向に変位量に比例して作用する負の剛性となる。
このため、上記した両合成バネの剛性の大小関係を、
軸受等による合成バネの剛性値<モータ部による合成バネの負の剛性値…(3)
とした場合、機械システムの位相は180°遅れとなり不安定な系となることから、電磁石17を制御する磁気軸受用コントローラ19において、予め位相補償回路を負荷する必要が生じ、コントローラ19の構成が複雑なものになる。
The dynamic model of the motor-integrated magnetic bearing device in the compression / expansion turbine unit 5 is formed by rolling bearings 15 and 16 and a support system for these bearings (sensor preload spring 25, bearing preload spring 26, bearing housing 23, etc.). And a spring system in which a synthetic spring formed by a motor unit (the motor 39 and the electromagnet 17) is arranged in parallel. In this spring system, the combined spring formed by the rolling bearings 15 and 16 and the support system of these bearings has rigidity that acts in proportion to the amount of displacement in the direction opposite to the displaced direction, whereas the motor portion. The synthetic spring formed in (1) has a negative stiffness that acts in proportion to the amount of displacement in the displaced direction.
For this reason, the magnitude relationship between the stiffnesses of the two composite springs described above is
Rigidity value of synthetic spring by bearings etc. <Negative stiffness value of synthetic spring by motor unit ... (3)
In this case, the phase of the mechanical system is delayed by 180 ° and becomes an unstable system. Therefore, in the magnetic bearing controller 19 for controlling the electromagnet 17, it is necessary to load a phase compensation circuit in advance. It becomes complicated.

そこで、この実施形態におけるモータ一体型の磁気軸受装置では、上記した両合成バネの剛性の大小関係を、
軸受等による合成バネの剛性値>モータ部による合成バネの負の剛性値…(4)
としている。とくに、このモータ一体型の磁気軸受装置では、上記したようにアキシアルギャップ型のモータ39をコアレスモータとしているので、モータ39に作用する負の剛性値をゼロとすることができ、モータ39が高負荷動作し過大なアキシアル荷重が作用した状態においても上記(4)式の大小関係を保つことができる。
その結果、制御帯域において、機械システムの位相が180°遅れとなることを防止できるので、モータ39が高負荷動作し過大なアキシアル荷重が作用した状態でも磁気軸受用コントローラ19の制御対象を安定なものとでき、コントローラ19の回路構成を第1の実施形態における図3のように比例もしくは比例積分を用いた簡単なものに構成できる。
Therefore, in the motor-integrated magnetic bearing device in this embodiment, the magnitude relationship between the stiffnesses of the two combined springs is as follows.
Rigidity value of the composite spring by the bearing etc.> Negative rigidity value of the synthetic spring by the motor unit (4)
It is said. In particular, in this motor-integrated magnetic bearing device, since the axial gap motor 39 is a coreless motor as described above, the negative rigidity value acting on the motor 39 can be made zero, and the motor 39 is high. Even in the state where the load operation is performed and an excessive axial load is applied, the magnitude relationship of the above-described equation (4) can be maintained.
As a result, since the phase of the mechanical system can be prevented from being delayed by 180 ° in the control band, the control target of the magnetic bearing controller 19 can be stabilized even when the motor 39 is operated at a high load and an excessive axial load is applied. The circuit configuration of the controller 19 can be configured as a simple one using proportional or proportional integration as shown in FIG. 3 in the first embodiment.

図9にブロック図で示すモータ用コントローラ29では、回転同期指令信号を基に、モータロータ39aの回転角をフィードバック信号として位相調整回路41でモータ駆動電流の位相調整が行われ、その調整結果に応じたモータ駆動電流をモータ駆動回路42からモータステータ39bに供給することによって、定回転制御が行われる。前記回転同期指令信号は、モータロータ39aに設けられた回転角度検出センサ(図示せず)の出力に応じて演算される。この実施形態におけるその他の構成は、第1の実施形態の場合と同様である。なお、この実施形態において、非接触シールとなるスリーブ21A,22Aを支持する弾性支持部材21B,22Bとして、図4および図5に示す実施形態のようにOリングを用いても良い。   In the motor controller 29 shown in the block diagram of FIG. 9, the phase adjustment circuit 41 adjusts the phase of the motor drive current using the rotation angle of the motor rotor 39a as a feedback signal based on the rotation synchronization command signal. The constant rotation control is performed by supplying the motor driving current supplied from the motor driving circuit 42 to the motor stator 39b. The rotation synchronization command signal is calculated according to the output of a rotation angle detection sensor (not shown) provided in the motor rotor 39a. Other configurations in this embodiment are the same as those in the first embodiment. In this embodiment, O-rings may be used as the elastic support members 21B and 22B that support the sleeves 21A and 22A serving as non-contact seals as in the embodiment shown in FIGS.

図10は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の圧縮膨張タービンシステムでは、図8に示す実施形態における非接触シールとなるスリーブ21A,22Aの周辺構成において、図6および図7に示す実施形態のように転がり軸受押え部材54,55を付加したものである。その他の構成は図8の実施形態の場合と同様である。   FIG. 10 shows still another embodiment of the present invention. In the compression / expansion turbine system of this embodiment, in the peripheral configuration of the sleeves 21A and 22A that are non-contact seals in the embodiment shown in FIG. 8, the rolling bearing retainer members 54 and 55 as in the embodiment shown in FIGS. Is added. Other configurations are the same as those in the embodiment of FIG.

図11は、例えば前記第1の実施形態における圧縮膨張タービンユニット5を用いた空気サイクル冷凍冷却システムの全体の構成を示すが、図8の実施形態等におけるモータ一体型の圧縮膨張タービンユニット5を用いても良い。この空気サイクル冷凍冷却システムは、冷凍倉庫等の被冷却空間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、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。   FIG. 11 shows the overall configuration of the air cycle refrigeration cooling system using the compression / expansion turbine unit 5 in the first embodiment, for example. The motor-integrated compression / expansion turbine unit 5 in the embodiment of FIG. It may be used. This air cycle refrigeration cooling system is a system that directly cools air in a space to be cooled 10 such as a refrigeration warehouse as a refrigerant. It has path 1. In this air circulation path 1, pre-compression means 2, first heat exchanger 3, compressor 6 of air cycle refrigeration cooling turbine unit 5, second heat exchanger 8, intermediate heat exchanger 9, and said turbine unit Five expansion turbines 7 are 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. The air in the vicinity of 1a passes through the heat exchanger 9a.

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。なお、前記予圧縮手段2を含まない構成の空気サイクル冷凍冷却システムでもよい。   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. Note that an air cycle refrigeration cooling system that does not include the pre-compression means 2 may be used.

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。   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 is 1 atmosphere at about 0 ° C. to −60 ° C. from the space to be cooled 10 to the inlet 1a of the air circulation path 1. Inflow of air. 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 70 ° C. by the compression. Since the 1st heat exchanger 3 should just cool the air of 70 degreeC which raised temperature, even if it is cold water about normal temperature, it can cool efficiently and it cools to 40 degreeC.

熱交換により冷却された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 cooled by heat exchange is compressed to 1.8 atm by the compressor 6 of the turbine unit 5, and the second heat is increased to about 70 ° C. by this compression. It is cooled to 40 ° C. by the exchanger 8. 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.

この空気サイクル冷凍冷却システムでは、タービンユニット5において、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ことで、軸受15,16の長期耐久性が向上することから、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。   In this air cycle refrigeration cooling system, in the turbine unit 5, 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 of the bearings 15 and 16 can be improved. Since the long-term durability of the bearings 15 and 16 is improved by obtaining the improvement and the improvement of the life, the reliability of the turbine unit 5 as a whole 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.

この発明の第1の実施形態にかかる圧縮膨張タービンシステムの断面図である。1 is a cross-sectional view of a compression / expansion turbine system according to a first embodiment of the present invention. (A)は図1におけるコンプレッサ翼車側の非接触シール周辺の拡大断面図、(B)はタービン翼車側の非接触シール周辺の拡大断面図である。(A) is an expanded sectional view around the non-contact seal on the compressor impeller side in FIG. 1, and (B) is an enlarged sectional view around the non-contact seal on the turbine impeller side. 図1の圧縮膨張タービンシステムにおける磁気軸受用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 which shows an example of the controller for magnetic bearings in the compression / expansion turbine system of FIG. この発明の他の実施形態にかかる圧縮膨張タービンシステムの断面図である。It is sectional drawing of the compression expansion turbine system concerning other embodiment of this invention. (A)は図4におけるコンプレッサ翼車側の非接触シールの拡大断面図、(B)はタービン翼車側の非接触シールの拡大断面図である。(A) is an expanded sectional view of the non-contact seal on the compressor impeller side in FIG. 4, (B) is an enlarged cross-sectional view of the non-contact seal on the turbine impeller side. この発明のさらに他の実施形態にかかる圧縮膨張タービンシステムの断面図である。It is sectional drawing of the compression-expansion turbine system concerning further another embodiment of this invention. (A)は図6におけるコンプレッサ翼車側の非接触シールの拡大断面図、(B)はタービン翼車側の非接触シール周辺の拡大断面図である。(A) is an expanded sectional view of the non-contact seal on the compressor impeller side in FIG. 6, and (B) is an enlarged cross-sectional view around the non-contact seal on the turbine impeller side. この発明のさらに他の実施形態にかかる圧縮膨張タービンシステムの断面図である。It is sectional drawing of the compression-expansion turbine system concerning further another embodiment of this invention. 同圧縮膨張タービンシステムにおけるモータ用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 which shows an example of the controller for motors in the same compression expansion turbine system. この発明のさらに他の実施形態にかかる圧縮膨張タービンシステムの断面図である。It is sectional drawing of the compression-expansion turbine system concerning further another embodiment of this invention. 同圧縮膨張タービンシステムを適用した空気サイクル冷凍冷却システムの系統図である。It is a systematic diagram of an air cycle refrigeration cooling system to which the same compression / expansion turbine system is applied. 提案例の断面図である。It is sectional drawing of a proposal example.

符号の説明Explanation of symbols

2…予圧縮手段
3…第1の熱交換器
5…圧縮膨張タービンユニット
6…コンプレッサ
6a…コンプレッサ翼車
6b…コンプレッサ側ケーシング
7…膨張タービン
7a…タービン翼車
7b…タービン側ケーシング
8…第2の熱交換器
12…ユニットハウジング
13…主軸
13a,13b…スラスト板
14…スピンドルハウジング
15,16…転がり軸受
17…電磁石
18…センサ
19…磁気軸受用コントローラ
20…転がり軸受支持部
21A,22A…スリーブ(非接触シール)
21B,22B…弾性支持部材
39…モータ
39a…モータロータ
39b…モータステータ
40…モータハウジング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Precompression means 3 ... 1st heat exchanger 5 ... Compression / expansion turbine unit 6 ... Compressor 6a ... Compressor impeller 6b ... Compressor side casing 7 ... Expansion turbine 7a ... Turbine impeller 7b ... Turbine side casing 8 ... Second Heat exchanger 12 ... unit housing 13 ... spindles 13a, 13b ... thrust plate 14 ... spindle housings 15, 16 ... rolling bearing 17 ... electromagnet 18 ... sensor 19 ... magnetic bearing controller 20 ... rolling bearing support 21A, 22A ... sleeve (Non-contact seal)
21B, 22B ... elastic support member 39 ... motor 39a ... motor rotor 39b ... motor stator 40 ... motor housing

Claims (6)

転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受の電磁石は主軸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に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車は、前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、タービン側翼車で発生した動力により、コンプレッサ側翼車を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて前記電磁石を制御するコントローラを有し、前記転がり軸受とこの転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、前記電磁石の負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、転がり軸受支持部、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側翼車とその近傍の軸受との間、またはタービン側翼車とその近傍の軸受との間に、圧縮膨張タービンユニットのハウジングに弾性的に支持されて主軸の外周にシール隙間を形成する非接触シールを設けたことを特徴とする圧縮膨張タービンシステム。   A rolling bearing and a magnetic bearing are used together, the rolling bearing supports a radial load, the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload, and the electromagnet of the magnetic bearing is a ferromagnetic body provided on the main shaft. The compressor side impeller and the turbine side impeller are fitted on the same main shaft as the thrust plate, and are generated in the turbine side impeller so as to face the flange-shaped thrust plate made of The compressor-side impeller is driven by the motive power, and has a controller that controls the electromagnet according to the output of a sensor that detects axial force, and is formed by the rolling bearing and a support system of the rolling bearing. The stiffness value of the combined spring is greater than the negative stiffness value of the electromagnet, and Jing is composed of a spindle housing, a rolling bearing support, a turbine side casing, and a compressor side casing, and between the compressor side impeller and the nearby bearing, or between the turbine side impeller and the adjacent bearing, A compression / expansion turbine system comprising a non-contact seal elastically supported by a housing of a compression / expansion turbine unit and forming a seal gap on an outer periphery of a main shaft. 転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受の電磁石は主軸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に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車とタービン側翼車およびモータロータは前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、モータロータは両側にある前記転がり軸受の間に配置され、モータステータは前記モータロータと対向して配置され、前記モータステータからの磁気力ないしはローレンツ力によって、主軸を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて前記電磁石の支持力を制御するコントローラを有し、前記転がり軸受とこの転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、前記電磁石とモータとで形成される合成バネの負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、モータハウジング、転がり軸受支持部、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側翼車とその近傍の軸受との間、またはタービン側翼車とその近傍の軸受との間に、圧縮膨張タービンユニットのハウジングに弾性的に支持されて主軸の外周にシール隙間を形成する非接触シールを設けたことを特徴とする圧縮膨張タービンシステム。   A rolling bearing and a magnetic bearing are used together, the rolling bearing supports a radial load, the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload, and the electromagnet of the magnetic bearing is a ferromagnetic body provided on the main shaft. The compressor-side impeller, turbine-side impeller, and motor rotor are fitted to the same main shaft as the thrust plate, and the motor rotor is mounted on both sides. A sensor which is disposed between the rolling bearings and which faces the motor rotor, drives the main shaft by a magnetic force or Lorentz force from the motor stator, and detects a force in the axial direction. A controller for controlling the supporting force of the electromagnet according to the output of the rolling shaft, And the stiffness value of the synthetic spring formed by the rolling bearing support system is greater than the negative stiffness value of the synthetic spring formed by the electromagnet and the motor, and the compression / expansion turbine unit The housing includes a spindle housing, a motor housing, a rolling bearing support, a turbine side casing, and a compressor side casing. Between the compressor side impeller and the nearby bearing, or between the turbine side impeller and the adjacent bearing. A compression-expansion turbine system comprising a non-contact seal that is elastically supported by the housing of the compression-expansion turbine unit and forms a seal gap on the outer periphery of the main shaft. 請求項1または請求項2において、前記非接触シールを圧縮膨張タービンユニットのハウジングに弾性的に支持する弾性支持部材としてOリングを用いた圧縮膨張タービンシステム。   3. The compression / expansion turbine system according to claim 1 or 2, wherein an O-ring is used as an elastic support member that elastically supports the non-contact seal on a housing of the compression / expansion turbine unit. 請求項1または請求項2または請求項3において、前記非接触シールがスリーブからなる圧縮膨張タービン。   4. The compression / expansion turbine according to claim 1, 2 or 3, wherein the non-contact seal comprises a sleeve. 請求項4において、前記非接触シールを形成するスリーブは、カーボンまたは銅合金または純銅で構成されている圧縮膨張タービン。   The compression / expansion turbine according to claim 4, wherein the sleeve forming the non-contact seal is made of carbon, a copper alloy, or pure copper. 請求項5において、前記圧縮膨張タービンシステムが、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、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、もしくは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に使用されたものである圧縮膨張タービンシステム。   6. The compression / expansion turbine system according to claim 5, wherein the compression / expansion turbine system compresses the incoming air by a compressor of the turbine unit, cooling by another heat exchanger, adiabatic expansion by the expansion turbine of the turbine unit, or compression by a pre-compression unit. A compression / expansion turbine system used in an air cycle refrigeration cooling system that sequentially performs cooling by a heat exchanger, compression by a compressor of a turbine unit, cooling by another heat exchanger, and adiabatic expansion by an expansion turbine of the turbine unit. .
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