JP2008039228A - 空気サイクル冷凍機用タービンユニット - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受の長期耐久性を向上させ、安定した高速回転を行うことができ、かつ軸方向移動自由側の転がり軸受のフレッティング摩耗を防止する空気サイクル冷凍機用タービンユニットを提供する。
【解決手段】主軸１３の支持に、転がり軸受１５，１６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する。磁気軸受を構成する電磁石１７に対向するように取付けられたスラスト板１３ａ，１３ｂは、片面に電磁石ターゲットが形成され、もう一方の面にはモータロータ２８ａ用の永久磁石２８ａａが配置される。一方の転がり軸受は、軸受箱４１内に圧入または接着する。軸受箱は、スピンドルハウジング１４の内に摺動自在に嵌合させる。その嵌合面に、弾性シール材を設けた高粘性材４３を封入し、転がり軸受に予圧を与える予圧用ばね２６を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットに関し、特に、転がり軸受と磁気軸受を併用し、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するようにしたモータ一体型磁気軸受装置を装備する空気サイクル冷凍機用タービンユニットに関する。

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）。

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）。

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

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。

そこで、主軸の支持に転がり軸受とスラスト支持用の磁気軸受を併用し、かつ磁気軸受のスラスト板をモータロータとして用いるモータ一体型の磁気軸受装置を提案した（例えば、特願２００５−３５６０３５号）。
これによると、主軸にかかるスラスト力を磁気軸受で支持するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、転がり軸受に作用するスラスト力を軽減することができる。その結果、各翼車とハウジングとの微小隙間を一定に保つことができ、スラスト荷重の負荷に対する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、磁気軸受とモータロータの一体化により、コンパクトな構成とできる。

前記転がり軸受は、主軸の一端側および他端側を支持するものが設けられる。これら転がり軸受は、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保つために軸方向の位置規制機能を有するアンギュラ玉軸受や深溝玉軸受が用いられる。この場合に、主軸は上記のように高速回転するものであるため、熱膨張が大きく、片方の転がり軸受は、スピンドルハウジングに対して軸方向位置を自由にする構成がとられる。
しかし、この自由側の転がり軸受と軸受箱の嵌合面、あるいは軸受箱のスピンドルハウジングとの嵌合面において、フレッティング摩耗が発生するという問題がある。

この発明の目的は、スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受の長期耐久性を向上させることができて、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でき、またコンパクト化が図れ、かつ軸方向移動の自由側の転がり軸受につき、フレッティング摩耗を防止することのできる空気サイクル冷凍機用タービンユニットを提供することである。

この発明の空気サイクル冷凍機用タービンユニットは、主軸の一端側および他端側を支持する転がり軸受、および前記主軸の支持に前記転がり軸受と併用される磁気軸受を有し、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、前記磁気軸受を構成する電磁石は前記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、前記スピンドルハウジングに取付けられており、アキシアルギャップモータのモータロータが、前記スラスト板とこのスラスト板に周方向に等ピッチで設けられた複数個の永久磁石とで構成され、前記モータロータと対向してモータコイルを有するモータステータが前記ハウジングに設置され、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が前記主軸に取り付けられ、前記アキシアルギャップモータの動力とタービン側翼車で発生した動力のどちらか一方または両方により、コンプレッサ側翼車を駆動させるタービンユニットであり、次の構成を備える。すなわち、前記主軸一端側および他端側の転がり軸受のうち、いずれか一方の転がり軸受は、軸受箱内に圧入または接着により固定され、前記軸受箱を、前記スピンドルハウジング内に主軸の軸方向に摺動自在に嵌合させ、これら軸受箱とスピンドルハウジングの嵌合面に、軸方向に離れて一対の弾性シール材を介在させ、これら一対の弾性シール材の間で、前記軸受箱とスピンドルハウジングの間に高粘性材を封入し、前記軸受箱をこの軸受箱が設けられた主軸端部と反対側へ付勢して前記転がり軸受に予圧を与える予圧用ばねを設けたものである。

この構成によると、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するものであるため、アキシアル方向の精度の良い支持が行え、また転がり軸受の長期耐久性が確保できる。そのため、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できる。磁気軸受のみの支持の場合における電源停止時の損傷も回避される。また、磁気軸受の電磁石に対向させるスラスト板にモータロータの永久磁石を設けたため磁気軸受とモータとの部品兼用によってコンパクト化される。
主軸を支持する両側の転がり軸受のうち、片方の軸受は、この軸受を固定した軸受箱をスピンドルハウジングに対して摺動自在とするため、主軸が高速回転による摩擦熱等で熱膨張しても、その膨張を許容して主軸を支持することができる。この場合に、この自由側の転がり軸受は、軸受箱に圧入または接着により固定するため、軸受外輪にフレッティング摩耗が生じることが防止される。軸受箱とスピンドルハウジングの嵌合面におけるフレッティング摩耗の問題があるが、これら軸受箱とスピンドルハウジングの間には、弾性シール材を設けて高粘性材を封入したため、ダンピング作用が得られ、フレッティング摩耗の発生が防止される。

前記軸受箱とスピンドルハウジングの間に介在させる弾性シール材は、例えばＯリングとても良い。Ｏリングは、優れたシール性能が得られ、また安価に入手できる。

前記高粘性材は、高温用ふっ素系グリスであっても良い。ふっ素系グリスによると、優れた高粘性が得られる。また、軸受箱は主軸の高速回転による転がり軸受の温度上昇によって高温になるが、高温用のグリスであると、熱劣化の問題が解消される。

この発明の空気サイクル冷凍機用タービンユニットは、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適用されたものであっても良い。
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、かつ軸受の長期耐久性の向上、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。

この発明のモータ一体型の磁気軸受装置は、主軸の一端側および他端側を支持する転がり軸受、および前記主軸の支持に前記転がり軸受と併用される磁気軸受を有し、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、前記磁気軸受を構成する電磁石は前記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、前記スピンドルハウジングに取付けられており、アキシアルギャップモータのモータロータが、前記スラスト板とこのスラスト板に周方向に等ピッチで設けられた複数個の永久磁石とで構成され、前記モータロータと対向してモータコイルを有するモータステータが前記ハウジングに設置され、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が前記主軸に取り付けられ、前記アキシアルギャップモータの動力とタービン側翼車で発生した動力のどちらか一方または両方により、コンプレッサ側翼車を駆動させるタービンユニットであり、前記主軸一端側および他端側の転がり軸受のうち、いずれか一方の転がり軸受は、軸受箱内に圧入または接着により固定され、前記軸受箱を、前記スピンドルハウジング内に主軸の軸方向に摺動自在に嵌合させ、これら軸受箱とスピンドルハウジングの嵌合面に、軸方向に離れて一対の弾性シール材を介在させ、これら一対の弾性シール材の間で、前記軸受箱とスピンドルハウジングの間に高粘性材を封入し、前記軸受箱をこの軸受箱が設けられた主軸端部と反対側へ付勢して前記転がり軸受に予圧を与える予圧用ばねを設けたものであるため、スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受の長期耐久性を向上させることができて、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でき、かつ磁気軸受とモータとの部品兼用によってコンパクト化が図れ、かつ軸方向移動の自由側の転がり軸受につき、フレッティング摩耗を防止することができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１は、この実施形態の空気サイクル冷凍機用タービンユニット５の断面図を示す。このタービンユニット５は圧縮膨張タービンシステムを構成するものであり、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の両端にそれぞれ嵌合している。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。

図１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を介して対向するコンプレッサハウジング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におけるモータ一体型の磁気軸受装置は、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負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を磁気軸受である電磁石１７により支持すると共に、主軸１３を回転駆動するアキシアルギャップ型のモータ２８を設けたものである。このタービンユニット５は、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による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ１９と、電磁石１７とは独立に前記モータ２８を制御するモータ用コントローラ２９とを有している。センサ１８は、円周方向に例えば１８０°離れた２箇所に設けられている。
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。

モータ２８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２８ａと、このモータロータ２８ａに対し軸方向に対向するモータステータ２８ｂ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２８ａ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２８ａａを配置することで左右一対のものが構成される。このように軸方向に対向配置される永久磁石２８ａａ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２８ａａのバックヨークおよび電磁石ターゲットに兼用できる。

このモータ２８は、前記モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ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２８はコアレスモータとされていることから、モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ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。

主軸１３は、中間部の大径部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。両側の転がり軸受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。
スピンドルハウジング１４における両側の転がり軸受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（図示せず）が形成されている。
前記転がり軸受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、アンギュラ玉軸受が用いられている。転がり軸受１５，１６は、この他に深溝玉軸受等であっても良い。

前記センサ１８は、タービン翼車７ａ側の軸受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を近傍に設けた軸受１６は、その外輪１６ｂが軸受箱２３内に固定状態に嵌合している。軸受箱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。

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、軸受箱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、スピンドルハウジング１４に設けられた収容凹部内に収容されて軸受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および軸受箱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。

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、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。

センサ１８の非配置側の転がり軸受１５は、スピンドルハウジング１４に対しアキシアル方向に移動自在に設置され、かつ予圧用ばね２６によって弾性支持されている。具体的には、図２に拡大して示すように設置される。転がり軸受１５の外輪１５ｂは、軸受箱４１内に圧入または接着により固定される。軸受箱４１は、内径面が段付き面とされ、その段面４１ａに外輪１５ｂの幅面が係合する状態に、上記外輪１５ｂの固定が行われる。

軸受箱４１は、スピンドルハウジング１４内の円筒状嵌合面１４ａに、主軸軸方向に摺動自在に嵌合させる。これら軸受箱４１とスピンドルハウジング１４の嵌合面には、軸方向に離れて一対の弾性シール材４２を介在させ、これら一対の弾性シール材４２の間で、軸受箱４１とスピンドルハウジング１４間の隙間に高粘性材４３を封入する。高粘性材４３としては、例えば、高温用ふっ素系グリス等が用いられる。弾性シール材４３は、例えばＯリングからなり、軸受箱４１の外周面に設けたシール嵌合溝内に嵌合させる。軸受箱４１の外周面における両側のシール溝間の部分は、両端部分よりも小径とし、高粘性材４３を封入する容量を拡大している。

軸受箱４１は、この軸受箱４１が設けられた主軸端部と反対側へ、予圧用ばね２６によって付勢される。予圧用ばね２６は、定位置予圧用のものであって、軸受箱４１の幅面に接するリング状の押し部材４４を介して軸受箱４１を付勢する。スピンドルハウジング１４には、押し部材４４の幅面を当接させる規制面１４ｂを有しており、主軸１３の非熱膨張状態、および熱膨張がある程度小さい状態では、押し部材４４はスピンドルハウジング１４の規制面１４ｂに接触し、予圧用ばね２６によって定位置予圧を両側の転がり軸受１５，１６に与える。高温になって主軸１３の熱膨張が大きくなると、図２のように押し部材４４の幅面が規制面１４ｂから離れる。なお、予圧用ばね２６は、図１のセンサ予圧ばね２５よりもばね定数が小さいものとされる。

上記タービンユニット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、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、軸受箱２３，４１など）とで形成される合成バネと、モータ部（電磁石１７とモータ２８）で形成される合成バネとが並列となった構成である。このバネ系において、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、電磁石１７とモータ２８と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＜電磁石・モータによる合成バネの負の剛性値…（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。

そこで、この実施形態の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＞電磁石・モータによる合成バネの負の剛性値…（２）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２８をコアレスモータとしているので、モータ２８に作用する負の剛性値をゼロとすることができ、モータ２８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（２）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２８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の回路構成を図２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。

ブロック図で示す図３の磁気軸受用コントローラ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３０で加減算し、その演算結果を比較器３１で基準値設定手段３２の基準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）３３によりタービンユニット５に応じて適宜設定される比例積分（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）３３の出力は、ダイオード３４，３５を介して各方向の電磁石１７1 ，１７2 を駆動するパワー回路３６，３７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３４，３５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。

同じくブロック図で示す図４の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２８ａの回転角をフィードバック信号として位相調整回路３８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３９からモータステータ２８ｂ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２８ａ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が、前記スラスト板１３ａとモータロータ２８ａと共通の主軸１３に嵌合し、モータ２８の動力とタービン翼車７ａで発生した動力のどちらか一方または両方によりコンプレッサ翼車６ａを駆動するものとしている。このため、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。

すなわち、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。例えば、このタービンユニット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を玉軸受形式の転がり軸受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との微小隙間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、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。
特に、軸方向に並べて主軸１３に設けられた２つのスラスト板１３ａ，１３ｂの軸方向外側に２つの電磁石１７を配置して磁気軸受ユニットを構成すると共に、前記両スラスト板１３ａ，１３ｂで挟まれる位置にアキシアルギャップ型のモータ２８を配置してモータユニットを構成することにより、磁気軸受ユニットとモータユニットをコンパクトな一体構造としているため、主軸１３の軸長を短くでき、それだけ主軸１３の固有振動数が高くなって、主軸１３を高速回転させることができる。

また、このタービンユニット５は、主軸１３を支持する両側の転がり軸受１５，１６のうち、片方の転がり軸受１５は、図２のように、この軸受１５を固定した軸受箱４１をスピンドルハウジング１４に対して摺動自在とするため、主軸１３が高速回転による摩擦熱等で熱膨張しても、その膨張を許容して主軸１３を支持することができる。この場合に、この自由側の転がり軸受５は、軸受箱４１に圧入または接着により固定するため、軸受外輪１５ｂにフレッティング摩耗が生じることが防止される。
軸受箱４１とスピンドルハウジング１４の嵌合面におけるフレッティング摩耗の問題があるが、これら軸受箱４１とスピンドルハウジング１４の間には、弾性シール材４２を設けて高粘性材４３を封入したため、ダンピング作用が得られ、フレッティング摩耗の発生が防止される。軸受箱４１は、できるだけ外径が大きなものとすることが好ましく、これにより軸受箱４１の質量が大きくなり、ダンピング特性が優れたものとなる。

前記軸受箱４１とスピンドルハウジング１４間の弾性シール材４２にはＯリングを用いたが、Ｏリングは、優れたシール性能が得られ、また安価に入手できる。高粘性材４３としてふっ素系グリスを用いた場合、優れた高粘性が得られる。また、軸受箱４１は主軸１３の高速回転による転がり軸受１５の温度上昇によって高温になるが、高温用のグリスであると、熱劣化の問題が解消される。

図５はタービンユニット５の他の実施形態を示す。このタービンユニット５は、図１に示す実施形態において、主軸１３に垂直かつ同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を１つだけとして、このスラスト板１３ａを電磁石ターゲットとして、その両面に非接触で対向するように、左右一対の電磁石１７，１７がスピンドルハウジング１４に設置されている。

モータ２８は、主軸１３に設けられたモータロータ２８ａと、このモータロータ２８ａに対し軸方向に対向するモータステータ２８ｂとでなる。モータロータ２８ａは、前記スラスト板１３ａの両面における前記電磁石１７の対向位置よりも外径側に、円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石２８ａａを配置することで左右一対のものが構成される。このように軸方向に対向配置される永久磁石２８ａａ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。スラスト板１３ａは永久磁石２８ａａのバックヨークを兼ねる。
モータステータ２８ｂは、前記スラスト板１３ａの両面のモータロータ２８ａに非接触で対向するように、スピンドルハウジング１４に設置される強磁性体（例えば低炭素鋼およびケイ素鋼板）からなる一対のステータヨーク２８ｂｂに、それぞれモータコイルｂａを巻回することで左右一対のものが構成される。このようにして前記スラスト板１３ａを挟んで構成される左右２個のモータ２８は、前記モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間に作用する磁気力により、主軸１３を回転させる。この場合、スラスト板１３ａにおけるモータロータ２８ｂの位置を、電磁石１７の対向位置よりも外径側としているので、少ないモータ駆動電流でより大きいトルクを得ることができる。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様であり、ここではその説明を省略する。

図６は、上記タービンユニット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。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３、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。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。

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。

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。

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。

この発明の一実施形態にかかる空気サイクル冷凍機用タービンユニットの断面図である。 同タービンユニットにおける主軸の断面図である。 同タービンユニットに用いられ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。 同タービンユニットに用いられ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。 この発明の一実施形態にかかる空気サイクル冷凍機用タービンユニットの断面図である。 上記タービンユニット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。

符号の説明

２…予圧縮手段
３…第１の熱交換器
５…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
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
２８…コアレスモータ
２８ａ…モータロータ
２８ａａ…永久磁石
２８ｂ…モータステータ
２８ｂａ…コイル
４１…軸受箱
４２…シール材
４３…高粘性材
４４…押し部材

Claims (4)

1. 主軸の一端側および他端側を支持する転がり軸受、および前記主軸の支持に前記転がり軸受と併用される磁気軸受を有し、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、前記磁気軸受を構成する電磁石は前記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、前記スピンドルハウジングに取付けられており、アキシアルギャップモータのモータロータが、前記スラスト板とこのスラスト板に周方向に等ピッチで設けられた複数個の永久磁石とで構成され、前記モータロータと対向してモータコイルを有するモータステータが前記ハウジングに設置され、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が前記主軸に取り付けられ、前記アキシアルギャップモータの動力とタービン側翼車で発生した動力のどちらか一方または両方により、コンプレッサ側翼車を駆動させるタービンユニットであり、前記主軸一端側および他端側の転がり軸受のうち、いずれか一方の転がり軸受は、軸受箱内に圧入または接着により固定され、前記軸受箱を、前記スピンドルハウジング内に主軸の軸方向に摺動自在に嵌合させ、これら軸受箱とスピンドルハウジングの嵌合面に、軸方向に離れて一対の弾性シール材を介在させ、これら一対の弾性シール材の間で、前記軸受箱とスピンドルハウジングの間に高粘性材を封入し、前記軸受箱をこの軸受箱が設けられた主軸端部と反対側へ付勢して前記転がり軸受に予圧を与える予圧用ばねを設けた空気サイクル冷凍機用タービンユニット。
2. 請求項１において、前記弾性シール材はＯリングである空気サイクル冷凍機用タービンユニット。
3. 請求項１または請求項２において、前記高粘性材は、高温用ふっ素系グリスである空気サイクル冷凍機用タービンユニット。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、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機に用いられるものである空気サイクル冷凍機用タービンユニット。

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