JP2008082426A - 磁気軸受装置 - 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ることができ、簡単かつ安価な構成で磁気軸受を正確に制御できる磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】この磁気軸受装置は、転がり軸受１５，１６と磁気軸受を併用し、転がり軸受１５，１６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は、主軸１３のアキシアル方向の力を検出する力検出センサユニット１８の出力に応じて、コントローラ１９で制御される。前記力検出センサユニット１８は、転がり軸受１６の外輪１６ｂの両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲット３１，３２と、一対の板ばね３３，３４と、ギャップセンサ３５とで構成される。
【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等に用いられる磁気軸受装置に関し、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磁気軸受装置に関する。

冷凍冷却システムの冷媒として空気を用いることは、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べて、環境保護や安全性の面では好ましいが、エネルギー効率としての特性面では不足する。しかし、冷凍倉庫等のように、冷媒となる空気を直接に吹き込むことができる施設で用いる場合、庫内ファンやデフロストを省略する等の工夫を講じることにより、トータルコストを既存システム並みに引下げられる可能性がある。現在では既に、環境面から冷媒としてフロンを用いることが規制され、また他の冷媒用ガスを用いることも、できるだけ避けることが望まれる。そのため、上記のような用途で、空気を冷媒として用いる空気サイクル冷凍冷却システムが提案されている（例えば特許文献１，非特許文献１）。

また、−３０℃〜−６０℃のディープ・コール領域では、空気冷却の理論効率は、フロンやアンモニアガスと同等以上になることが述べられている（非特許文献１）。ただし、上記空気冷却の理論効率を得ることは、最適に設計された周辺装置があって、始めて成り立つとも述べられている。周辺装置は、圧縮機や膨張タービン等である。
圧縮機，膨張タービンとしては、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたタービンユニットが用いられている（特許文献１、非特許文献１）。

なお、プロセスガスを処理するタービン・コンプレッサとしては、主軸の一端にタービン翼車、他端にコンプレッサ翼車を取付け、前記主軸を電磁石の電流で制御するジャーナルおよびスラスト軸受で支持した磁気軸受式タービン・コンプレッサが提案されている（特許文献２）。
また、ガスタービンエンジンにおける提案ではあるが、主軸支持用の転がり軸受に作用するスラスト荷重が軸受寿命の短縮を招くことを回避するため、転がり軸受に作用するスラスト荷重をスラスト磁気軸受により低減することが提案されている（特許文献３）。
特許第２６２３２０２号公報 特開平７−９１７６０号公報 特開平８−２６１２３７公報 雑誌，ニッケイメカニカル，「空気で空気を冷やす」，１９９５年１１月１３日発行，no４６７，第４６〜５２頁

上記のように、空気サイクル冷凍冷却システムとして、ディープ・コール領域で高効率となる空気冷却の理論効率を得るためには、最適に設計された圧縮機や膨張タービンが必要となる。
圧縮機，膨張タービンとしては、上記のようにコンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたタービンユニットが用いられている。このタービンユニットは、膨張タービンで生じる動力によりコンプレッサ翼車を駆動できることで空気サイクル冷凍機の効率を向上させている。

しかし、実用的な効率を得るためには、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保つ必要がある。この隙間の変動は、安定した高速回転の妨げとなり効率の低下を招く。
また、コンプレッサ翼車やタービン翼車に作用する空気により、主軸にスラスト力が作用し、主軸を支持する軸受にスラスト荷重が荷される。空気サイクル冷凍冷却システムにおけるタービンユニットの主軸の回転速度は、１分間に８万〜１０万回転であり、一般的な用途の軸受に比べて非常に高速となる。そのため、上記のようなスラスト荷重は、主軸を支持する軸受の長期耐久性の低下、寿命低下を招き、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの信頼性を低下させる。このような軸受の長期耐久性の課題を解消しなくては、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの実用化が難しい。しかし、上記特許文献１，非特許文献２に開示の技術は、この高速回転下におけるスラスト荷重の負荷に対する軸受の長期耐久性の低下については解決されるに至っていない。

特許文献２の磁気軸受式タービン・コンプレッサのように、主軸を磁気軸受からなるジャーナル軸受およびスラスト軸受で支持したものでは、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、この発明の発明者等は、上記課題を解決するものとして、図７に示すような磁気軸受装置を開発した。この磁気軸受装置は、主軸５３の両端にコンプレッサ４６のコンプレッサ翼車４６ａおよび膨張タービン４７のタービン翼車４７ａを取付けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、主軸５３のラジアル負荷を転がり軸受５５，５６で、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電磁石５７でそれぞれ支持し、タービン翼車４７ａの駆動力でコンプレッサ翼車４６ａを回転駆動するようにしたものである。電磁石５７は、主軸５３に垂直かつ同軸に設けられたスラスト板５３ａに非接触で対向するように配置され、アキシアル方向の力を検出する力検出センサユニット５８の出力に応じて磁気軸受用コントローラ５９で制御される。
力検出センサユニット５８は、図８に拡大して示すように、転がり軸受５６の外輪５６ｂの両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲット７１，７２と、これら各センサターゲット７１，７２を支持する一対のリング状板ばね７３，７４と、前記センサターゲット７１，７２に対するギャップを検出するギャップセンサ７５とで構成される。前記板ばね７３，７４は、主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジング５４に取付けられ、板ばね７３，７４の内径側部分に前記センサターゲット７１，７２が取付けられる。
スピンドルハウジング５４は、前記転がり軸受５６の外輪５６ｂを内径面で軸方向に移動自在に支持する軸受ハウジング５４ｂと、この軸受ハウジング５４ｂに結合されたスピンドルハウジング本体５４ａとでなり、前記一対の板ばね７３，７４は軸受ハウジング５４ｂに取付けられる。また、前記ギャップセンサ７５は、前記軸受ハウジング５４ｂにおける各センサターゲット７１，７２に対向する各片面において、例えば図９に示すように複数個が周方向の等配位置に配置される。

この力検出センサユニット５８は、主軸５３に作用するスラスト力に応じて変化するギャップセンサ７５とセンサターゲット７１，７２とのギャップをギャップセンサ７５で検出し、その検出値が磁気軸受用コントローラ５９でスラスト力に換算される。

上記構成の磁気軸受装置によると、主軸５３にかかるスラスト力を電磁石５７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５５，５６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４６ａ，４７ａとハウジング４６ｂ，４７ｂ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５５，５６の長期耐久性を向上させることができる。

しかし、上記構成の磁気軸受装置において、力検出センサユニット５８では、スピンドルハウジング５４における軸受ハウジング５４ｂの両片面に配置したリラクタンス式センサ等からなる複数のギャップセンサ７５により、対面するセンサターゲット７１，７２との間の数μｍ程度のギャップ変動を検出する構成としているので、ギャップセンサ７５の取付け精度が厳しくなり、軸受ハウジング５４ｂの加工も高価になるという問題がある。また、検出感度を向上させるのに、軸受ハウジング５４ｂに高透磁率材を使用すると、さらにコストアップを招くという問題もある。

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、簡単かつ安価な構成で熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる磁気軸受装置を提供することである。

この発明の磁気軸受装置は、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、電磁石は主軸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、アキシアル方向の力を検出する力検出センサユニットの出力に応じて、電磁石を制御するコントローラを有する磁気軸受装置であって、前記力検出センサユニットは、転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとから構成され、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付けられかつ内径側部分に前記センサターゲットを取付けてあり、前記ギャップセンサは、スピンドルハウジングにロータ軸心を中心としたリング状の溝を形成しこの溝の中にリング状のコイルを挿入した磁気式のギャップセンサであり、前記リング状コイルの周囲で磁路を形成するヨーク部を前記スピンドルハウジングが兼用するものとしたことを特徴とする。
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の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、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、この磁気軸受装置では、主軸のアキシアル方向の力を検出する力検出センサユニットの出力に応じて、コントローラで電磁石を制御することとし、前記力検出センサユニットを、転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとで構成し、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付け内径側部分に前記センサターゲットを取付けているため、熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御することができる。
とくに、前記力検出センサユニットでは、前記ギャップセンサを、スピンドルハウジングにロータ軸心を中心としたリング状の溝を形成しこの溝の中にリング状のコイルを挿入した磁気式のギャップセンサとし、前記リング状コイルの周囲で磁路を形成するヨーク部を前記スピンドルハウジングが兼用するものとしているので、磁路の面積を拡大してセンサ感度を向上させることができる。その結果、スピンドルハウジングへのギャップセンサの取付け精度を厳しくしたり、スピンドルハウジングに高透磁率材を使用しないでセンサ感度を向上させることができる。また、力検出センサユニットを設けるにつき、スピンドルハウジングは溝加工のみで安価に加工でき、部品点数も少なくて済み、これらのため、簡単かつ安価な構成で熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。

この発明において、前記ギャップセンサにおけるリング状のコイルの内径側および外径側の少なくとも一方に位置して、ロータ軸心回りのリング状の高透磁率材を前記リング状の溝内に設けても良い。この構成の場合、コイルの周囲の磁路面積を大きくでき、さらに感度向上を図ることができる。

この発明において、前記スピンドルハウジングが、前記センサターゲットで挟み込んだ転がり軸受の周囲に位置する軸受ハウジングと、この軸受に結合されたスピンドルハウジング本体とでなり、前記軸受ハウジングが前記ギャップセンサの前記磁路を形成するヨーク部を兼用するものとしても良い。

この発明において、前記主軸にコンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が取付けられ、前記タービン翼車で発生した動力により前記コンプレッサ翼車を駆動させる、圧縮膨張タービンシステムに適用されるものとしてもよい。
この構成の場合、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、寿命の向上が得られる。

この発明において、前記主軸に前記スラスト板とモータロータとを設けたモータ一体型の磁気軸受装置とし、かつ前記主軸にコンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が取付けられ、モータ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、圧縮膨張タービンシステムに適用されるものとしても良い。
この構成の場合、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、寿命の向上が得られる。また、モータを設けて主軸を駆動するので、コンプレッサよりも前段にブロア等の予圧縮手段を設ける必要がなくなる。

この発明において、前記モータ一体型の磁気軸受装置を適用した圧縮膨張タービンシステムが、流入空気に対して、予圧縮手段による圧縮、熱交換器による冷却、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの膨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るものであっても良い。
この磁気軸受装置を適用した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、しいては空気サク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。

この発明の磁気軸受装置は、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、電磁石は主軸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、アキシアル方向の力を検出する力検出センサユニットの出力に応じて、電磁石を制御するコントローラを有する磁気軸受装置であって、前記力検出センサユニットは、転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとから構成され、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付けられかつ内径側部分に前記センサターゲットを取付けてあり、前記ギャップセンサは、スピンドルハウジングにロータ軸心を中心としたリング状の溝を形成しこの溝の中にリング状のコイルを挿入した磁気式のギャップセンサであり、前記リング状コイルの周囲で磁路を形成するヨーク部を前記スピンドルハウジングが兼用するものとしたため、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、簡単かつ安価な構成で熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。

この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１は、この実施形態の磁気軸受装置を組み込んだタービンユニット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。

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における磁気軸受装置は、主軸１３をラジアル方向に対し複数の軸受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により支持するものとされる。このタービンユニット５は、コンプレッサ６および膨張タービン７内の空気により主軸１３に作用するスラスト力を検出する力検出センサユニット１８と、この力検出センサユニット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の軸方向中央に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板１３ａの両面に非接触で対向するように、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。

主軸１３を支持する軸受１５，１６は、転がり軸受であって、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受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個の軸受１５，１６は、それぞれスピンドルハウジング１４におけるコンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａの近傍に配置されている。

主軸１３は、中央部の大径部１３ｂと、両端部の小径部１３ｃとを有する段付き軸とされている。両側の軸受１５，１６は、その内輪１５ａ，１６ａが小径部１３ｃに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部１３ｂと小径部１３ｃ間の段差面に係合する。
スピンドルハウジング１４における両側の軸受１５，１６よりも各翼車６ａ，７ａ側の部分は、内径面が主軸１３に近接する径に形成され、この内径面に非接触シール２１，２２が形成されている。非接触シール２１，２２は、スピンドルハウジング１４の内径面に複数の円周溝を軸方向に並べて形成したラビリンスシールとされている。

前記力検出センサユニット１８は、タービン翼車７ａ側の転がり軸受１６における静止側に設けられている。この力検出センサユニット１８は、図２に詳細な構造を示すように、転がり軸受１６の外輪１６ｂの両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲット３１，３２と、これら各センサターゲット３１，３２を支持する一対のリング状の板ばね３３，３４と、センサターゲット３１，３２における軸受対面側の各片面に対向するようにスピンドハウジング１４における軸受ハウジング１４ｂに設けられたギャップセンサ３５とからなる。スピンドルハウジグ１４は、転がり軸受１６の周囲に位置して転がり軸受１６の外輪１６ｂを支持する前記軸受ハウジング１４ｂと、この軸受ハウジング１４ｂに結合されたスピンドルハウジング本体１４ａとでなる。ギャップセンサ３５は、センサターゲット３１，３２に対するギャップを検出するセンサである。転がり軸受１６の外輪１６ｂは、軸受ハウジング１４ｂの内径面に軸方向に移動自在に支持される。
前記一対の板ばね３３，３４は、主軸１３の径方向の外径側部分でスピンドルハウジング１４（軸受ハウジング１４ｂ）に取付けられ、これら板ばね３３，３４の内径側部分に前記各センサターゲット３１，３２が取付けられている。これにより、転がり軸受１６の外輪１６ｂに対して、軸方向へのある程度の移動ストロークが与えられる。そこで、主軸１３に作用するスラスト力で転がり軸受１６の外輪１６ｂが軸方向に変位すると、軸受ハウジング１４ｂの各片面と、これら片面に対面するセンサターゲット３１，３２の各片面との間のギャップが変動する。なお、一対の板ばね３３，３４が、転がり軸受１６を軸方向に挟み込むように配置されることで、耐モーメント外乱特性の向上が図られる。

このように構成された力検出センサユニット１８では、主軸１３に作用するスラスト力に応じて変化するギャップセンサ３５とセンサターゲット３１，３２とのギャップを、ギャップセンサ３５で検出し、その検出値を磁気軸受用コントローラ１９でスラスト力に換算する。この場合、一方向のスラスト力に対して、転がり軸受１６を挟んで軸方向の左右で検出される各ギャップは、増減関係が互いに逆となるので、磁気軸受用コントローラ１９では、左右のギャップセンサ３５，３５の各出力を差動演算してスラスト力に換算する。このように、差動演算することにより、検出結果に生じるギャップセンサ３５，３５の温度ドリフトの影響が低減される。

前記ギャップセンサ３５は磁気式のギャップセンサであり、前記軸受ハウジング１４ｂにおける各センサターゲット３１，３２に対向する各片面に、主軸１３の軸心Ｏを中心としてリング状の溝１４ｂａを形成し、この溝１４ｂａの中にリング状のコイル３６を挿入て構成される。この場合、軸受ハウジング１４ｂは、ギャップセンサ３５におけるコイル３６の周囲で磁路を形成するヨーク部を兼ねる。このように構成して磁路の面積を拡大することにより、センサ感度を向上させることができる。その結果、軸受ハウジング１４ｂへのギャップセンサ３５の取付け精度を厳しくしたり、軸受ハウジング１４ｂに高透磁率材を使用しないでセンサ感度を向上させることができ、簡単かつ安価な構成で熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。
また、ギャップセンサ３５として上記構成の磁気式のセンサを使用するにあたり、コイルのインダクタンス変化を検出する検出回路として、共振回路あるいは位相検波回路を用いるものとすれば、軸受ハウジング１４ｂの材質によりキャリア周波数を低下させることで感度を向上させることが可能となる。

力検出センサユニット１８におけるセンサターゲット３１，３２の支持系の構成では、固有振動数の問題から軸長をなるべく短くする必要があり、このため支持系を偏平構造とする必要がある。この実施形態では、センサターゲット３１，３２を板ばね３３，３４で支持しているので、偏平構造を容易に実現できるが、例えば板ばね３３，３４の代わりにコイルばねを使用した場合、偏平構造を実現することは困難である。また、板ばね３３，３４を使用した場合には、板の厚さや、内外径を調整することで様々な剛性を実現することができる。板ばね３３，３４の代わりに、ウェイブワッシャやベルビルスプリングを使用することもできるが、この場合、ばね部材の構造上、バネ剛性を低くすることが難しくなる。

図４は、力検出センサユニット１８の他の構成例を示す。この構成例では、図２におけるギャップセンサ３５において、軸受ハウジング１４ｂにおける各片面のリング状の溝１４ｂａの溝幅を拡幅し、溝１４ｂａの中に挿入されるコイル３６の内径側および外径側に高透磁率材のリング３６Ａ，３６Ｂを挿入して、コイル３６の周囲の磁路の透磁率を上げ、感度向上を図ったものである。前記リング３６Ａ，３６Ｂが内径側および外径側のうちいずれか一方だけとしても良い。その他も構成は図２の構成の場合と同様である。

この構成のタービンユニット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。

このタービンユニット５は、コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａを共通の主軸１３に取付け、タービン翼車７ａで発生した動力によりコンプレッサ翼車６ａを駆動するものであるため、動力源が不要であり、コンパクトな構成で効率良く冷却できる。
このタービンユニット５の圧縮，膨張の効率を確保するためには、各翼車６ａ，７ａとハウジング６ｂ，７ｂとの隙間ｄ１，ｄ２を微小に保つ必要がある。空気サイクル冷凍冷却システムでは、この効率確保が重要となる。これに対して、主軸１３を転がり形式の軸受１５，１６により支持するため、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。

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、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、コンプレッサ６および膨張タービン７内の空気により主軸１３に作用するスラスト力を検出する力検出センサユニット１８と、この力検出センサユニット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、力検出センサユニット１８を、転がり軸受１６の外輪１６ｂの両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲット３１，３２と、これら各センサターゲット３１，３２を支持する一対の板ばね３３，３４と、前記センサターゲット３１，３２に対するギャップを検出するギャップセンサ３５とで構成したため、熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。
また、ギャップセンサ３５は、スピンドルハウジング１４（軸受ハウジング１４ｂ）に主軸軸心Ｏを中心としたリング状の溝１４ｂａを形成し、この溝１４ｂａの中にリング状のコイル３６を挿入したギャップセンサとし、リング状コイル３６の周囲で磁路を形成するヨーク部をスピンドルハウジング１４（軸受ハウジング１４ｂ）で兼用しているので、簡単かつ安価な構成により感度の向上を図ることができる。

そのため、各翼車６ａ，７ａの適切な隙間ｄ１，ｄ２を保って主軸１３の安定した高速回転が得られ、かつ軸受１５，１６の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。軸受１５，１６の長期耐久性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット５の全体として、しいては空気サイクル冷凍冷却システムの全体としての信頼性が向上する。このように、空気サイクル冷凍冷却システムのネックとなっているタービンユニット５の主軸軸受１５，１６の安定した高速回転、長期耐久性、信頼性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が可能となる。

各軸受１５，１６は、コンプレッサ翼車６ａの近傍とタービン翼車７ａの近傍とに配置され、主軸１３が両端支持となるため、より一層安定した高速回転が可能になる。

各軸受１５，１６よりも端部側の主軸１３とスピンドルハウジング１４との間には、非接触シール２１，２２が設けられているため、軸受１５，１６内などを通って空気がコンプレッサ６と膨張タービン７の間に漏れることが防止される。コンプレッサ６の内部と膨張タービン７の内部とでは気圧差が大きいため、各軸受１５，１６の内部や、各軸受１５，１６の内外輪１５ａ，１６ａが主軸１３やスピンドルハウジング１４に嵌合する面を取って空気の漏れが生じようとする。このような空気の漏れは、コンプレッサ６や膨張タービン７の効率の低下を招き、また軸受１５，１６内を通過する空気は、塵埃があると軸受１５，１６内を汚したり、軸受内の潤滑材を乾燥させたりして、耐久性を低下させる恐れがある。このような効率低下、および軸受１５，１６の汚損が、上記非接触シール２１，２２によって防止される。

図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を回転駆動するモータ２５を設けたものである。モータ２５は、電磁石１７と並んで設けられており、スピンドルハウジング１４に設けられたステータ２６と主軸１３に設けられたロータ２７とで構成される。ステータ２６はステータコイル２６ａを有し、ロータ２７は磁石等からなる。モータ２５の制御は、モータコントローラ２８で行われる。

このタービンユニット５は、膨張タービン７で生じるタービン翼車７ａの駆動力と、モータ２５による駆動力とでコンプレッサ翼車６ａが回転駆動される。そのため予圧縮手段がなくてもコンプレッサ６の駆動が可能となり、システムのコンパクト化が図れる。

図６は、図５のタービンユニット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、冷凍庫等の被冷却空間１０の空気を直接に冷媒として冷却するシステムであり、被冷却空間１０にそれぞれ開口した空気の取入口１ａから排出口１ｂに至る空気循環経路１を有している。この空気循環経路１に、予圧縮手段２、第１の熱交換器３、除湿器４、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット５のコンプレッサ６、第２の熱交換器８，中間熱交換器９、および前記タービンユニット５の膨張タービン７が順に設けられている。中間熱交換器９は、同じ空気循環経路１内で取入口１ａの付近の流入空気と、後段の圧縮で昇温し、冷却された空気との間で熱交換を行うものであり、取入口１ａの付近の空気は熱交換器９ａ内を通る。

予圧縮手段２はブロア等からなり、モータ２ａにより駆動される。第１の熱交換器３および第２の熱交換器８は、冷却媒体を循環させる熱交換器３ａ，８ａをそれぞれ有し、熱交換器３ａ，８ａ内の水等の冷却媒体と空気循環経路１の空気との間で熱交換を行う。各熱交換器３ａ，８ａは、冷却塔１１に配管接続されており、熱交換で昇温した冷却媒体が冷却塔１１で冷却される。

この空気サイクル冷凍冷却システムは、被冷却空間１０を０℃〜−６０℃程度に保つシステムであり、被冷却空間１０から空気循環経路１の取入口１ａに０〜−６０℃程度で１気圧の空気が流入する。なお、以下に示す温度および気圧の数値は、一応の目安となる一例である。取入口１ａに流入した空気は、中間熱交換器９により、空気循環経路１中の後段の空気の冷却に使用され、３０℃まで昇温する。この昇温した空気は１気圧のままであるが、予圧縮手段２により１．４気圧に圧縮させられ、その圧縮により、７０℃まで昇温する。第１の熱交換器３は、昇温した７０℃の空気を冷却すれば良いため、常温程度の冷水であっても効率良く冷却することができ、４０℃に冷却する。除湿器４は、空気循環経路１内の空気の水分が、後段における氷点下への冷却により凍りついて空気循環経路１の詰まりや膨張タービン７のかじり等を生じることを防止するために、経路内の空気を除湿する。

除湿後の４０℃，１．４気圧の空気が、タービンユニット５のコンプレッサ６により、１．８気圧まで圧縮され、この圧縮により７０℃程度に昇温した状態で、第２の熱交換器８により４０℃に冷却される。この４０℃の空気は、中間熱交換器９で−３０℃の空気により−２０℃まで冷却される。気圧はコンプレッサ６から排出された１．８気圧が維持される。
中間熱交換器９で−２０℃まで冷却された空気は、タービンユニット５の膨張タービン７により断熱膨張され、−５５℃まで冷却されて排出口１ｂから被冷却空間１０に排出される。この空気サイクル冷凍冷却システムは、このような冷凍サイクルを行う。

この発明の一実施形態にかかる磁気軸受装置が組み込まれた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力検出センサユニットの一構成例を示す断面図である。 同力検出センサユニットにおけるギャップセンサの配置構成を示す正面図である。 力検出センサユニットの他の構成例を示す断面図である。 他の実施形態にかかるタービンユニットの断面図である。 図５の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。 提案例の断面図である。 同提案例における力検出センサユニットの断面図である。 同力検出センサにおけるギャップセンサの配置構成を示す正面図である。

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…スラスト板
１４…スピンドルハウジング
１４ａ…スピンドルハウジング本体
１４ｂ…軸受ハウジング
１４ｂａ…溝
１５，１６…転がり軸受
１７…電磁石
１８…力検出センサユニット
１９…磁気軸受用コントローラ
２５…モータ
２６…モータステータ
２７…モータロータ
３１，３２…センサターゲット
３３，３４…板ばね
３５…ギャップセンサ
３６…コイル
３７Ａ，３７Ｂ…高透磁率材のリング

Claims (6)

1. 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、電磁石は主軸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、アキシアル方向の力を検出する力検出センサユニットの出力に応じて、電磁石を制御するコントローラを有する磁気軸受装置であって、
   前記力検出センサユニットは、転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとから構成され、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付けられかつ内径側部分に前記センサターゲットを取付けてあり、
   前記ギャップセンサは、スピンドルハウジングにロータ軸心を中心としたリング状の溝を形成しこの溝の中にリング状のコイルを挿入した磁気式のギャップセンサであり、前記リング状コイルの周囲で磁路を形成するヨーク部を前記スピンドルハウジングが兼用するものとしたことを特徴とした磁気軸受装置。
2. 請求項１において、前記ギャップセンサにおけるリング状のコイルの内径側および外径側の少なくとも一方に位置して、ロータ軸心回りのリング状の高透磁率材を前記リング状の溝内に設けた磁気軸受装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記スピンドルハウジングが、前記センサターゲットで挟み込んだ転がり軸受の周囲に位置する軸受ハウジングと、この軸受ハウジングに結合されたスピンドルハウジング本体とでなり、前記軸受ハウジングが前記ギャップセンサの前記磁路を形成するヨーク部を兼用するものとした磁気軸受装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記主軸にコンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が取付けられ、前記タービン翼車で発生した動力により前記コンプレッサ翼車を駆動させる、圧縮膨張タービンシステムに適用されるものとした磁気軸受装置。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記主軸に前記スラスト板とモータロータとを設けたモータ一体型の磁気軸受装置とし、かつ前記主軸にコンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が取付けられ、モータ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、圧縮膨張タービンシステムに適用されるものとした磁気軸受装置。
6. 請求項４または請求項５において、前記磁気軸受装置を適用した圧縮膨張タービンシステムが、流入空気に対して、予圧縮手段による圧縮、熱交換器による冷却、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの膨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るものである磁気軸受装置。

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