JP2009014291A - Air cycle refrigerating device - Google Patents
Air cycle refrigerating device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009014291A JP2009014291A JP2007177977A JP2007177977A JP2009014291A JP 2009014291 A JP2009014291 A JP 2009014291A JP 2007177977 A JP2007177977 A JP 2007177977A JP 2007177977 A JP2007177977 A JP 2007177977A JP 2009014291 A JP2009014291 A JP 2009014291A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- air
- heat exchanger
- heat
- compressor
- expander
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Description
この発明は、冷媒として空気が用いられ、冷凍倉庫や零度以下の低温室や空調等に利用される空気サイクル冷凍装置に関する。 The present invention relates to an air cycle refrigeration apparatus in which air is used as a refrigerant, and is used in a freezer warehouse, a low temperature room below zero degrees, air conditioning, and the like.
この種の空気サイクル冷凍装置として、空気圧縮機および空気膨張機を有するタービンユニットと、被冷却部との間で冷媒となる空気を循環させる構成のものが知られている(例えば特許文献1,2)。この空気サイクル冷凍装置では、被冷却部からの戻り空気が熱回収用熱交換器を経てタービンの空気圧縮機に流入する。空気圧縮機で圧縮された空気は放熱用熱交換器および前記熱回収用熱交換器を経て、タービンの空気膨張機に流入し、この空気膨張機で断熱膨張した空気が被冷却部に供給される。前記放熱用熱交換器では、空気圧縮機で圧縮されて高温・高圧となった空気が、外部媒体との熱交換(空気圧縮機を経た空気から外部媒体へ熱が移動)で一次冷却される。前記熱回収用熱交換器では、前記放熱用熱交換器を経て一次冷却された空気が、被冷却部からの低温の戻り空気との熱交換(放熱用熱交換器を経た空気から戻り空気へ熱が移動)で二次冷却され、戻り空気は加熱される。上記した熱回収用熱交換器や放熱用熱交換器として、空気対空気の熱交換器を使用する場合には、プレート式熱交換器やフィンチューブ式熱交換器が使用される。このほか、液体を媒体とした熱交換器を使用する例もある(例えば特許文献3)。
しかし、上記構成の空気サイクル冷凍装置の熱交換器として、プレート式熱交換器を使用する場合には、熱交換器内での空気の偏流が避けられず、設計通りの性能が得られない場合がある。また、プレート式熱交換器は、価格が高いといった問題もある。一方、フィンチューブ式熱交換器は安価であるが、チューブ側の通気抵抗が高く、圧力損失が大きいといった問題がある。
また、液体を媒体とする場合では、液体を循環させるポンプを付加することから価格が高くなるという問題がある。また、熱回収用熱交換器に使用する場合には、空気対液体、液体対空気の熱交換を行なう際、液体流量を空気流量に応じて調整する必要がある。
However, when a plate heat exchanger is used as the heat exchanger of the air cycle refrigeration system having the above configuration, air drift in the heat exchanger is unavoidable, and the designed performance cannot be obtained. There is. In addition, the plate heat exchanger has a problem of high price. On the other hand, although the finned tube heat exchanger is inexpensive, there is a problem that the ventilation resistance on the tube side is high and the pressure loss is large.
Further, in the case of using a liquid as a medium, there is a problem that the cost increases because a pump for circulating the liquid is added. When used in a heat recovery heat exchanger, the liquid flow rate needs to be adjusted in accordance with the air flow rate when air-to-liquid and liquid-to-air heat exchange is performed.
この発明の目的は、構成部品である熱交換器を安価に製造できて、熱交換器における空気経路の圧力損失を低減できる空気サイクル冷凍装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide an air cycle refrigeration apparatus capable of manufacturing a heat exchanger as a component at low cost and reducing pressure loss in an air path in the heat exchanger.
この発明の空気サイクル冷凍装置は、流入空気に対して、空気圧縮機および空気膨張機を有するタービンユニットの前記空気圧縮機による圧縮、放熱用熱交換器による冷却、前記タービンユニットの前記空気膨張機による断熱膨張を順次行なった空気を被冷却部に供給し、被冷却部からの戻り空気を前記流入空気として前記空気圧縮機に循環させ、前記放熱用熱交換器と空気膨張機の間の空気経路と、前記被冷却部と空気圧縮機の間の空気経路の間で、両空気経路を流れる空気対空気の熱交換を行なう熱回収用熱交換器を配置し、前記空気膨張機に入る前の空気を前記被冷却部からの戻り空気で冷却する空気サイクル冷凍装置であって、前記放熱用熱交換器および前記熱回収用熱交換器のうちのいずれか一方の熱交換器または両方の熱交換器に、高温側の空気を流す複数本の平行なチューブ、およびこれらチューブ間に設けられたフィンを有する熱交換ユニットを並列に複数設置してなるフィンチューブ式熱交換器を用いたことを特徴とする。
フィンチューブ式熱交換器は、自動車用として、ラジエータ、コンデンサ、インタークーラ等で使用され、既存の製品は安価に入手できる。そのため、放熱用熱交換器および熱回収用熱交換器として、フィンチューブ式熱交換器を用いると、これら熱交換器を安価に構成できる。
また、フィンチューブ式熱交換器では、チューブ側の空気通路での圧力損失が問題となるが、上記したように平行に並べた複数本のチューブと、これらチューブ間に設けられたフィンを有する熱交換ユニットを、並列に複数設置してフィンチューブ式熱交換器を構成し、全空気量を並列に並ぶチューブに分散して通過させるようにしているので、チューブでの圧力損失を低減できる。
また、タービンユニットの空気圧縮機から空気膨張機に至る空気通路を流れる空気は高温・高圧の空気となるが、放熱用熱交換器では高温空気の流れる空気通路を前記チューブが担い、熱回収用熱交換器でも高温空気の流れる空気通路を前記チューブが担うので、十分な耐圧を持つチューブに高圧空気を流すことになり、配管が容易になる。また、高圧空気は低圧空気に比べて体積流量が小さいので,この点でも圧力損失に対して有利である。その結果、構成部品である熱交換器を安価に製造できて、熱交換器における空気経路の圧力損失を低減できる。
The air cycle refrigeration apparatus according to the present invention compresses a turbine unit having an air compressor and an air expander by the air compressor, cools by a heat exchanger for heat dissipation, and the air expander of the turbine unit with respect to inflow air. The air that has been subjected to adiabatic expansion in order is supplied to the part to be cooled, the return air from the part to be cooled is circulated to the air compressor as the inflow air, and the air between the heat exchanger for heat radiation and the air expander A heat recovery heat exchanger that performs heat-to-air heat exchange between the air path and the air path between the part to be cooled and the air compressor, before entering the air expander Is an air cycle refrigeration apparatus that cools the air with the return air from the part to be cooled, and the heat of one of the heat exchanger for heat dissipation and the heat exchanger for heat recovery or the heat of both Exchanger The present invention uses a finned tube heat exchanger in which a plurality of parallel tubes through which high-temperature air flows and a plurality of heat exchange units having fins provided between the tubes are installed in parallel. .
Fin tube heat exchangers are used for automobiles, such as radiators, condensers, and intercoolers, and existing products can be obtained at low cost. Therefore, if a finned tube heat exchanger is used as the heat exchanger for heat dissipation and the heat exchanger for heat recovery, these heat exchangers can be configured at low cost.
Further, in the finned tube heat exchanger, the pressure loss in the air passage on the tube side becomes a problem. However, as described above, a plurality of tubes arranged in parallel and heat having fins provided between these tubes are used. Since a plurality of exchange units are installed in parallel to form a finned tube heat exchanger, and the total amount of air is distributed and passed through the tubes arranged in parallel, pressure loss in the tubes can be reduced.
The air flowing from the air compressor to the air expander of the turbine unit becomes high-temperature and high-pressure air. However, in the heat-dissipating heat exchanger, the tube carries the air passage through which the high-temperature air flows, and is used for heat recovery. In the heat exchanger, since the tube serves as an air passage through which high-temperature air flows, high-pressure air is allowed to flow through a tube having sufficient pressure resistance, and piping becomes easy. Moreover, since the high-pressure air has a smaller volume flow rate than the low-pressure air, this point is also advantageous for pressure loss. As a result, the heat exchanger which is a component can be manufactured at low cost, and the pressure loss of the air path in the heat exchanger can be reduced.
この発明において、並設された隣合う熱交換ユニットのフィンとフィンとの間のすきまに、複数の整流用の仕切りを設けても良い。この場合に、前記熱交換ユニットのチューブが2本であり、前記フィンが、前記2本のチューブ間に渡ってそれぞれ設けられて前記チューブの長手方向に並ぶ複数の平行な伝熱性板材と、各伝熱性板材の間に配置されたフィン要素とでなるものであっても良い。
このようにフィン間のすきまに仕切りを設けると、フィン側を通過する空気の混合を抑制し、チューブ側経路の出口付近のフィン側空気温度を低温に保持でき、熱交換器の温度効率を改善することができる。前記フィンが前記のように複数の平行な伝熱性板材とフィン要素とでなる場合、上記の仕切りを設けたことにより空気の混合を抑制して温度効率を改善する効果が大きい。
In the present invention, a plurality of rectifying partitions may be provided in the gap between the fins of adjacent heat exchange units arranged side by side. In this case, there are two tubes of the heat exchange unit, and the fins are provided between the two tubes, respectively, and a plurality of parallel heat conductive plates arranged in the longitudinal direction of the tubes, You may consist of a fin element arrange | positioned between heat conductive board | plate materials.
By providing a partition in the gap between the fins in this way, mixing of the air passing through the fin side is suppressed, the fin side air temperature near the outlet of the tube side path can be kept low, and the temperature efficiency of the heat exchanger is improved. can do. When the fin is composed of a plurality of parallel heat conductive plates and fin elements as described above, the provision of the partition has a great effect of suppressing temperature mixing and improving temperature efficiency.
この発明において、前記タービンユニットが、前記空気圧縮機のコンプレッサ翼車および前記空気膨張機のタービン翼車を共通の主軸に取付け、タービン翼車で発生した動力によりコンプレッサ翼車を駆動するものであり、前記主軸を軸受により回転自在に支承し、この主軸にかかるスラスト力の一部または全てを電磁石により支承したものであっても良い。この構成の場合、主軸にかかるスラスト力の一部または全てを電磁石で支承するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、主軸の回転支持用の軸受に作用するスラスト力を軽減し、軸受の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。電磁石による支承のため、永久磁石と異なり、主軸に作用するスラスト力に応じた適正な電磁吸引力の制御を行なうことも可能である。主軸軸受の長期耐久性が向上するため、空気サイクル冷凍装置の全体としての信頼性が向上する。 In this invention, the turbine unit attaches the compressor impeller of the air compressor and the turbine impeller of the air expander to a common main shaft, and drives the compressor impeller by power generated by the turbine impeller. The main shaft may be rotatably supported by a bearing, and a part or all of the thrust force applied to the main shaft may be supported by an electromagnet. In this configuration, since some or all of the thrust force applied to the main shaft is supported by an electromagnet, the thrust force acting on the main shaft rotation support bearing is reduced while suppressing increase in torque in a non-contact manner. Long-term durability and life can be improved. Due to the support by the electromagnet, unlike the permanent magnet, it is also possible to control the appropriate electromagnetic attractive force according to the thrust force acting on the main shaft. Since the long-term durability of the main shaft bearing is improved, the reliability of the entire air cycle refrigeration apparatus is improved.
この発明において、前記タービンユニットが、前記空気圧縮機のコンプレッサ翼車および前記空気膨張機のタービン翼車が取付けられた共通の主軸にモータロータが取付けられ、そのモータにより前記主軸を回転させるものであっても良い。
モータを設けて主軸を駆動する場合、空気圧縮機の補助手段を付加することなく空気圧縮機の駆動が可能となり、装置のコンパクト化が図れる。
In this invention, the turbine unit has a motor rotor attached to a common main shaft to which a compressor impeller of the air compressor and a turbine impeller of the air expander are attached, and the main shaft is rotated by the motor. May be.
When the motor is provided to drive the main shaft, the air compressor can be driven without adding auxiliary means for the air compressor, and the apparatus can be made compact.
この発明の空気サイクル冷凍装置は、流入空気に対して、空気圧縮機および空気膨張機を有するタービンユニットの前記空気圧縮機による圧縮、放熱用熱交換器による冷却、前記タービンユニットの前記空気膨張機による断熱膨張を順次行なった空気を被冷却部に供給し、被冷却部からの戻り空気を前記流入空気として前記空気圧縮機に循環させ、前記放熱用熱交換器と空気膨張機の間の空気経路と、前記被冷却部と空気圧縮機の間の空気経路の間で、両空気経路を流れる空気対空気の熱交換を行なう熱回収用熱交換器を配置し、前記空気膨張機に入る前の空気を前記被冷却部からの戻り空気で冷却する空気サイクル冷凍装置であって、前記放熱用熱交換器および前記熱回収用熱交換器に、高温側の空気を流す複数本の平行なチューブ、およびこれらチューブ間に設けられたフィンを有する熱交換ユニットを並列に複数設置してなるフィンチューブ式熱交換器を用いたため、構成部品である熱交換器を安価に製造できて、熱交換器における空気経路の圧力損失を低減できる。 The air cycle refrigeration apparatus according to the present invention compresses a turbine unit having an air compressor and an air expander by the air compressor, cools by a heat exchanger for heat dissipation, and the air expander of the turbine unit with respect to inflow air. The air that has been subjected to adiabatic expansion in order is supplied to the part to be cooled, the return air from the part to be cooled is circulated to the air compressor as the inflow air, and the air between the heat exchanger for heat radiation and the air expander A heat recovery heat exchanger that performs heat-to-air heat exchange between the air path and the air path between the part to be cooled and the air compressor, before entering the air expander The air cycle refrigeration system cools the air with the return air from the cooled part, and a plurality of parallel tubes that flow high-temperature air to the heat dissipation heat exchanger and the heat recovery heat exchanger , And Since a finned tube heat exchanger in which a plurality of heat exchange units having fins provided between these tubes are installed in parallel is used, the heat exchanger as a component can be manufactured at low cost, and the air in the heat exchanger The pressure loss of the path can be reduced.
この発明の一実施形態を図1ないし図5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装置の全体の構成を示す。この空気サイクル冷凍装置は、冷凍倉庫等の被冷却部10の空気を直接に冷媒として冷却する装置であり、被冷却部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、空気サイクル冷凍用タービンユニット5の空気圧縮機6、放熱用熱交換器2、熱回収用熱交換器3、および前記タービンユニット5の空気膨張機7が順に設けられている。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows the overall configuration of the air cycle refrigeration apparatus of this embodiment. This air cycle refrigeration apparatus is an apparatus that directly cools the air of a cooled
タービンユニット5の空気圧縮機6は、被冷却部10からの戻り空気であって前記熱回収用熱交換器3を経て流入する空気を圧縮する。放熱用熱交換器2は、前記空気圧縮機6で圧縮されて高圧・高温となった空気が流れる空気経路1dと、冷却塔などから供給される外部冷媒である冷却空気の空気経路8との間で、両空気経路1d,8を流れる空気対空気の熱交換を行なって、空気圧縮機6により圧縮された空気を1次冷却する。熱回収用熱交換器3は、前記放熱用熱交換器2と空気膨張機7の間の空気経路1eと、被冷却部10と空気圧縮機6の間の空気経路1cとの間で、両空気経路1e,1cを流れる空気対空気の熱交換を行なって、空気膨張機7に入る前の圧縮空気を2次冷却する。タービンユニット5の空気膨張機7は、前記熱回収用熱交換器3で2次冷却された圧縮空気を断熱膨張させることで、さらに冷却して被冷却部10に供給する。
The
この空気サイクル冷凍装置は、被冷却部10を0℃〜−60℃程度に保つ装置であり、被冷却部10から空気循環経路1の取入口1aに圧力0.1Mpaで0℃〜−60℃程度の空気が流入する。なお、以下に示す温度および圧力の数値は、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、熱回収用熱交換器3での熱交換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圧力0.1Mpaのままタービンユニット5の空気圧縮機6に流入して、ここで圧力0.18Mpaに圧縮させられ、その圧縮により110℃まで昇温する。この圧縮空気は、放熱用熱交換器2により40℃に1次冷却される。
This air cycle refrigeration apparatus is an apparatus that keeps the
放熱用熱交換器2で1次冷却された40℃の圧縮空気は、熱回収用熱交換器3でさらに−20℃まで2次冷却される。圧力は空気圧縮機6から排出された0.18Mpaに維持される。
熱回収用熱交換器3で−20℃まで冷却された空気は、タービンユニット5の空気膨張機7により断熱膨張され、−50℃まで冷却されて排出口1bから被冷却部10に供給される。この冷却サイクル冷凍装置は、このような冷凍サイクルを行なう。
The 40 ° C. compressed air that has been primarily cooled by the heat dissipating
The air cooled to −20 ° C. by the heat
図2〜図5は、放熱用熱交換器2および熱回収用熱交換器3の具体例を示す。これらの熱交換器2,3はフィンチューブ式熱交換器からなる。この場合のフィンチューブ式熱交換器は、図5に斜視図で示すように、高温側の空気を流す一対の平行なチューブ11A,11Bと、これら一対のチューブ11A,11B間に設けられたフィン12を有する熱交換ユニット9を、並列に複数設置して構成される。なお、図5では、フィン12は概略図で図示している。
2-5 shows the specific example of the
フィン12は、具体的には図4のように構成される。同図は、熱交換ユニット9の正面図を示す。同図のように、フィン12は、平行な一対のチューブ11A,11Bにまたがる複数の平行な伝熱性板材24を、チューブ11A,11Bの長手方向に並べ、隣接する伝熱性板材24,24間にフィン要素12aを配置して構成される。フィン要素12aは、例えば金属薄板をV形波となる波板状に折り曲げたものである。なお、図2および図4において、伝熱性板材24上の矢印は、伝熱性板材24での熱の伝導方向を示す。
Specifically, the
図2は、フィンチューブ式熱交換器の側面断面図を示す。同図のように、各熱交換ユニット9における前記一対のチューブ11A,11Bの一端側は、隔壁26により外部と仕切られた連通空間25で連通させてあり、これにより熱交換ユニット9の各一対のチューブ11A,11Bと連通空間25とで概形がU字状の空気経路が構成される。
FIG. 2 shows a side cross-sectional view of the finned tube heat exchanger. As shown in the figure, one end side of the pair of
各熱交換ユニット9における一方のチューブ11Aの連通空間25に開口する開口端とは反対側の開口端は、共通の通気口27Aに集合している。また、各熱交換ユニット9における他方のチューブ11Bの連通空間25に開口する開口端とは反対側の開口端も、別の共通の通気口27Bに集合している。ここでは、一方の通気口27Aが高温空気の入口とされ、他方の通気口27Bが高温空気の出口とされる。
In each
図2および図3に示すように、前記各熱交換ユニット9は共通のケース28内に収められて低温空気の経路が構成され、その経路の一端に入口28Aが、他端に出口28Bがそれぞれ構成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
上記構成のフィンチューブ式熱交換器を放熱用熱交換器2として用いた場合、チューブ11A,11Bおよび連通空間25で構成される高温空気の通路が図1における空気通路1dとなり、フィン12を並べた低温空気の通路が図1における冷却空気の空気通路8となる。また、熱回収用熱交換器3として用いた場合、チューブ11A,11Bおよび連通空間25で構成される高温空気の通路が図1における空気通路1cとなり、フィン12を並べた低温空気の通路が図1における圧縮空気の空気通路1eとなる。
When the fin-tube heat exchanger having the above-described configuration is used as the heat-dissipating
フィンチューブ式熱交換器は、自動車用として、ラジエータ、コンデンサ、インタークーラ等で使用され、既存の製品は安価に入手できる。そのため、上記したように、空気サイクル冷凍装置の放熱用熱交換器2および熱回収用熱交換器3として、フィンチューブ式熱交換器を用いると、これら熱交換器2,3を安価に構成できる。
Fin tube heat exchangers are used for automobiles, such as radiators, condensers, and intercoolers, and existing products can be obtained at low cost. Therefore, as described above, when a finned tube heat exchanger is used as the heat
フィンチューブ式熱交換器では、チューブ側の空気通路での圧力損失が問題となる。しかし、この空気サイクル冷凍装置では、平行に並べた一対のチューブ11A,11Bと、これら一対のチューブ11A,11B間に設けられたフィン12とを有する熱交換ユニット9を、並列に複数設置してフィンチューブ式熱交換器を構成し、全空気量を並列に並ぶチューブ11A,11Bに分散して通過させるようにしているので、チューブ11A,11Bでの圧力損失を低減できる。
In the finned tube heat exchanger, pressure loss in the air passage on the tube side becomes a problem. However, in this air cycle refrigeration apparatus, a plurality of
この空気サイクル冷凍装置では、図1におけるタービンユニット5の空気圧縮機6から空気膨張機7に至る空気通路を流れる空気が高圧空気となる。この空気通路は、放熱用熱交換器2では、高温空気の流れる空気通路1dであり、チューブ11A,11Bがこの空気通路を担うことになるので、高圧空気に対して十分な強度を持つことになる。また、熱回収用熱交換器3でも、高圧空気が流れる空気通路が高温空気の流れる空気通路1eであり、同様にチューブ11A,11Bがこの空気通路を担うことになるので、高圧空気に対して十分な強度を持つことになる。また、高圧空気は低圧空気に比べて体積流量が小さいので,この点でも圧力損失に対して有利である。
一方、前記構成のフィンチューブ式熱交換器において、低温空気の通路となるフィン12の並ぶ空気通路は、放熱用熱交換器2として用いる場合は、図1のように冷却塔などから冷却空気が供給される放熱側の空気通路8であり、また熱回収用熱交換器3として用いる場合は、被冷却部10からの戻り空気が流れる空気通路1cである。両空気通路1c,8とも流れる空気の圧力は0.1Mpa程度であり、図2および図3で示すように、簡易なケース28でフィンチューブ式熱交換器の全体を覆うことにより、容易に低温空気の通路を構成できる。
In this air cycle refrigeration apparatus, the air flowing through the air passage from the
On the other hand, in the fin-tube heat exchanger having the above-described configuration, the air passage in which the
ところで、放熱用熱交換器2および熱回収用熱交換器3として用いた上記構成のフィンチューブ式熱交換器では、図6に平面図で示すように、隣り合う熱交換ユニット9のフィン12,12の間にすきまGが生じる。なお、同図におけるフィン12上の矢印は、熱の伝導方向を示す。この熱交換器では、高温空気の流れ(チューブ11A,11B側)と低温空気の流れ(フィン12並び側)が互いに直交する直交流型の熱交換器となるため、図7にハッチングして示すように、各フィン12およびチューブ11A,11Bにおいて大きな温度分布が生じる。そのため、入力温度が一様な低温空気も、一段目のフィン12を通過した時点で温度分布が生じる。ここで、上記したフィン12,12間にすきまGがあることから、フィン12の出口空気は近傍の空気と混合してしまう。このような現象が、各フィン12を通過する毎に複数回繰り返されると、低温空気に図7のような温度分布が生じてしまい、チューブ11A,11Bを通過した高温空気を十分冷やすことができず、温度効率が低下してしまう。
By the way, in the fin tube type heat exchanger having the above-described configuration used as the heat
図8には、上記した隣り合うフィン12,12間のすきまGに起因する温度効率の低下を改善した他の構成例のフィンチューブ式熱交換器を示す。この構成例では、図2〜図5に示したフィンチューブ式熱交換器において、隣り合うフィン12,12間のすきまGを、複数の整流用の仕切り29で仕切って、前記すきまGでの空気の混合を防止したものである。複数の仕切り29は、熱交換ユニット9を構成する2本のチューブ11A,11Bの離れ方向に並んで設けられて、それぞれ熱交換ユニット9の並び方向、つまり低温空気の経路方向に平行に設けられている。
FIG. 8 shows a fin-tube heat exchanger of another configuration example in which the decrease in temperature efficiency due to the gap G between the
このように、隣り合うフィン12,12間のすきまGを仕切り29で仕切ると、図9にハッチングして示すように、低温空気の温度分布を改善できる。これにより、チューブ11A,11Bを流れる高温空気の温度をより低温に冷却でき、温度効率の向上が可能となる。
As described above, when the gap G between the
図10は、空気サイクル冷凍用タービンユニット5の具体例を示す。このタービンユニット5は、空気圧縮機6および空気膨張機7を有し、空気圧縮機6のコンプレッサ翼車6aおよび空気膨張機7のタービン翼車7aが主軸13の両端にそれぞれ取付けられている。また、タービン翼車7aで発生した動力によりコンプレッサ翼車6aが駆動されるものであり、別の駆動源は設けられていない。
FIG. 10 shows a specific example of the
図2において、空気圧縮機6は、コンプレッサ翼車6aと微小の隙間d1を介して対向するハウジング6bを有し、中心部の吸込口6cから軸方向に吸入した空気を、コンプレッサ翼車6aで圧縮して、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。
空気膨張機7は、タービン翼車7aと微小の隙間d2を介して対向するハウジング7bを有し、外周部から矢印7cで示すように吸い込んだ空気を、タービン翼車7aで断熱膨張させ、中心部の排出口7dから軸方向に排出する。
In FIG. 2, the
The
このタービンユニット5における軸受部4は、主軸13をラジアル方向に対し複数の軸受15,16で支承し、主軸13にかかるスラスト力を電磁石17により支承するものとされる。このタービンユニット5は、空気圧縮機6および空気膨張機7内の空気により主軸13に作用するスラスト力を検出するセンサ18と、このセンサ18の出力に応じて前記電磁石17による支承力を制御するコントローラ19とを有している。電磁石17は、主軸13の中央に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板13aの両面に非接触で対向するように、スピンドルハウジング14に設置されている。
The
主軸13を支承する軸受15,16は転がり軸受であって、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受が用いられる。深溝玉軸受の場合、両方向のスラスト支持機能を有し、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す作用を持つ。これら2個の軸受15,16は、それぞれスピンドルハウジング14におけるコンプレッサ翼車6aおよびタービン翼車7aの近傍に配置されている。
前記センサ18の設置側の軸受16は、スピンドルハウジング14内に嵌合した軸受ハウジング23内に嵌合している。
The
The bearing 16 on the installation side of the
主軸13は、中央部の大径部13bと、両端部の小径部13cとを有する段付き軸とされている。両側の軸受15,16は、その内輪15a,16aが小径部13cに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部13bと小径部13c間の段差面に係合する。
スピンドルハウジング14における両側の軸受15,16よりも各翼車6a,7a側の部分は、内径面が主軸13に近接する径に形成され、この内径面に非接触シール21,22が形成されている。非接触シール21,22は、スピンドルハウジング14の内径面に複数の円周溝を軸方向に並べて形成したラビリンスシールとされている。
The
The portions of the
この構成のタービンユニット5は、空気サイクル冷凍装置において、冷却媒体となる空気を空気圧縮機6で圧縮して温度上昇させ、放熱用熱交換器2および熱回収用熱交換器3で冷却された空気を、空気膨張機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。
In the air cycle refrigeration apparatus, the
このタービンユニット5は、空気圧縮機6および空気膨張機7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。空気サイクル冷凍装置では、この効率確保が重要となる。これに対して、主軸13を転がり形式の軸受15,16により支承するため、転がり軸受の持つアキシアル方向位置の規制機能により、主軸13のアキシアル方向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。
The
In order to secure the efficiency of compression and expansion of the
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では、1分間に例えば8万〜10万回転程度の非常に高速の回転となる。そのため、主軸13を回転支承する転がり軸受15,16に上記スラスト力が作用すると、軸受15,16の長期耐久性が低下する。
この実施形態は、上記スラスト力を電磁石17で支承するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、主軸13の支持用の転がり軸受15,16に作用するスラスト力を軽減することができる。この場合には、空気圧縮機6および空気膨張機7内の空気により主軸13に作用するスラスト力を検出するセンサ18と、このセンサ18の出力に応じて前記電磁石17による支承力を制御するコントローラ19とを設けたため、転がり軸受15,16を、その軸受仕様に応じてスラスト力に対し最適な状態で使用することができる。
特に、センサ18を、軸受16の近傍に配置したため、問題となる軸受16に作用するスラスト力を直接に測定することができて、その測定精度が良く、精密なスラスト力の制御が可能になる。
However, a thrust force is applied to the
In this embodiment, since the thrust force is supported by the
In particular, since the
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装置の全体としての信頼性が向上する。このように、空気サイクル冷凍装置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、空気サイクル冷凍装置の実用化が可能となる。
Therefore, stable high-speed rotation of the
図11は、上記した空気サイクル冷凍装置におけるタービンユニット5の他の構成例を示す。このタービンユニット5は、図2に示す構成において、主軸13を回転駆動するモータ90を設けたものである。モータ90は、電磁石17と並んで設けられており、スピンドルハウジング14に設けられたステータ91と主軸13に設けられたロータ92とで構成される。ステータ91はステータコイル91aを有し、ロータ92は磁石等からなる。モータ90の制御は、モータコントローラ93で行なわれる。
FIG. 11 shows another configuration example of the
このタービンユニット5は、空気膨張機7で生じるタービン翼車7aの駆動力と、モータ90による駆動力とでコンプレッサ翼車6aが回転駆動される。そのため、空気圧縮機6の補助手段を付加することなく空気圧縮機6の駆動が可能となり、装置のコンパクト化が図れる。
In the
2…放熱用熱交換器
3…熱回収用熱交換器
5…タービンユニット
6…空気圧縮機
6a…コンプレッサ翼車
7…空気膨張機
7a…タービン翼車
9…熱交換ユニット
10…被冷却部
11A,11B…チューブ
12…フィン
13…主軸
15,16…軸受
17…電磁石
90…モータ
92…モータロータ
2 ... Heat
Claims (6)
前記放熱用熱交換器および前記熱回収用熱交換器のうちのいずれか一方の熱交換器または両方の熱交換器に、高温側の空気を流す複数本の平行なチューブ、およびこれらチューブ間に設けられたフィンを有する熱交換ユニットを並列に複数設置してなるフィンチューブ式熱交換器を用いたことを特徴とする空気サイクル冷凍装置。 For the inflow air, air that has been subjected to compression by the air compressor of the turbine unit having an air compressor and an air expander, cooling by a heat exchanger for heat dissipation, and adiabatic expansion by the air expander of the turbine unit in order. Supplying to the cooled section, circulating the return air from the cooled section as the inflow air to the air compressor, the air path between the heat exchanger for heat radiation and the air expander, the cooled section and the air A heat recovery heat exchanger that performs heat-to-air heat exchange between the air paths between the air paths between the compressors is disposed, and the air before entering the air expander is supplied from the cooled portion. An air cycle refrigeration system for cooling with return air,
A plurality of parallel tubes that flow high-temperature air to one or both of the heat exchanger for heat dissipation and the heat exchanger for heat recovery, and between the tubes. An air cycle refrigeration apparatus using a finned tube heat exchanger in which a plurality of heat exchange units having fins provided are installed in parallel.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007177977A JP2009014291A (en) | 2007-07-06 | 2007-07-06 | Air cycle refrigerating device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007177977A JP2009014291A (en) | 2007-07-06 | 2007-07-06 | Air cycle refrigerating device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009014291A true JP2009014291A (en) | 2009-01-22 |
Family
ID=40355403
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007177977A Pending JP2009014291A (en) | 2007-07-06 | 2007-07-06 | Air cycle refrigerating device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009014291A (en) |
-
2007
- 2007-07-06 JP JP2007177977A patent/JP2009014291A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN112437859B (en) | Magnetocaloric thermal diode assembly with rotary heat exchanger | |
US8347648B2 (en) | Air cycle refrigerating/cooling system and turbine unit used therefor | |
Ohadi et al. | A comparison analysis of air, liquid, and two-phase cooling of data centers | |
US10036404B2 (en) | Turbo machine system | |
KR101239303B1 (en) | Heat exchange type cooling system for transformer | |
US11942851B2 (en) | Hermetic motor cooling system | |
US10228198B2 (en) | Multi-disk heat exchanger and fan unit | |
JP3831736B2 (en) | Air refrigerant cooling system using an air refrigerant cooling device and an air refrigerant cooling device | |
JP2010043780A (en) | Air cycle refrigeration unit | |
JP2010014301A (en) | Air cycle refrigerating unit | |
JP5042479B2 (en) | Air cycle refrigeration cooling system | |
JP2009014291A (en) | Air cycle refrigerating device | |
JP5817488B2 (en) | Refrigeration equipment | |
CN215370320U (en) | Radiating fan structure | |
CN210638122U (en) | Axial fan heat exchanger and split air conditioner using same | |
JP2009162464A (en) | Air cycle refrigeration system | |
KR20040082686A (en) | heat-exchange plate comprising heat pipe and air cooling type condenser thereby | |
CN113324349B (en) | Radiator and refrigerating machine system | |
KR20200093327A (en) | Heat transfer pipe and Heat exchanger for chiller | |
CN217685994U (en) | Air conditioner outdoor unit and air conditioner | |
US20100058798A1 (en) | Coolant-circulation cooling device for computer servo | |
JP7460705B2 (en) | Turbo compressor and turbo chiller equipped with the same | |
JP2009270761A (en) | Countercurrent plate fin type heat exchanger and air cycle refrigeration system for container | |
JP2009186087A (en) | Air cycle refrigeration unit | |
CN117979625A (en) | Multiphase flow double-cooling-section heat pipe system of data center |