JP2010007726A - モータ一体型の磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化と、部品点数および組立コストの低減が可能で、固有振動数も高くできるモータ一体型の磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】 コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａが両端に取付けられた主軸１３を、転がり軸受１５，１６と磁気軸受１７，１７Ａを併用して支持し、主軸１３に対してモータ２８を配置する。転がり軸受１５，１６はラジアル負荷を支持し、磁気軸受１７，１７Ａは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を、コンプレッサ翼車６ａまたはタービン翼車７ａの背面に設けられた強磁性体２０に対向するようにスピンドルハウジング１４に設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、圧縮機と膨張機が同一軸に設けられる圧縮膨張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モータ一体型の磁気軸受装置に関する。

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、膨張タービンに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負荷される。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、本発明者等は、上記課題を解決するものとして、図８に示すようなモータ一体型の磁気軸受装置を開発した。このモータ一体型の磁気軸受装置は、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、アキシアル負荷を電磁石５７でそれぞれ支持すると共に、主軸５３に同軸に設けたモータ６８による駆動力とタービン翼車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。アキシアル負荷を支持する電磁石５７は、主軸５３に垂直かつ同軸に設けられた２つののラスト板５３ａ，５３ｂのうち一方のスラスト板５３ｂ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センサ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。モータ６８は、主軸５３に垂直かつ同軸に設けた前記スラスト板５３ａ，５３ｂにモータロータ６８ａを形成すると共に、このモータロータ６８ａと軸方向に対向するようにモータステータ６８ｂを配置して構成される。

上記構成のモータ一体型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。また、磁気軸受である電磁石５７とモータロータ６８ａの一体化により、コンパクトな構成とできる。

しかし、上記構成のモータ一体型の磁気軸受装置において、スラスト力を支持する磁気軸受となる電磁石５７は、主軸５３に設けた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板５３ｂに非接触で対向するように配置する必要がある。このため、スラスト板５３ａ，５３ｂが設けられる主軸５３において、軸長の増加や曲げ固有振動数の低下が生じ、高速回転を妨げる原因となる。
また、上記したように、主軸５３の両端にコンプレッサ翼車４６ａとタービン翼車４７ａを取付けた圧縮膨張タービンユニットにおいては、スラスト板５３ａ，５３ｂを主軸５３の中央付近に配置することになるため、スピンドルハウジング４４を、スラスト板５３ａ，５３ｂの前後に２分割する必要が生じ、部品点数および組立コストを増加させる要因となる。

この発明の目的は、小型化と、部品点数および組立コストの低減が可能で、固有振動数も高くできるモータ一体型の磁気軸受装置を提供することである。

この発明のモータ一体型の磁気軸受装置は、コンプレッサ翼車およびタービン翼車が両端に取付けられた主軸を転がり軸受と磁気軸受を併用して支持し、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、前記主軸に対してモータを配したモータ一体型の磁気軸受装置であって、前記磁気軸受を構成する電磁石を、前記コンプレッサ翼車またはタービン翼車の背面に設けられた強磁性体に対向するようにスピンドルハウジングに設け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なえ、また転がり軸受の長期耐久性を確保できる。
特に、磁気軸受となる電磁石の磁石ターゲットとして、主軸にスラスト板を設けるのではなく、コンプレッサ翼車またはタービン翼車の背面に設けられた強磁性体に対向するように電磁石をスピンドルハウジングに設けているため、主軸の軸長を短くでき、モータ一体型の磁気軸受装置全体の小型化が可能となる。また、主軸にスラスト板を設けないので、部品点数および組立コストの低減が可能で、固有振動数も高くでき主軸を高速回転させることができる。

この発明において、前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車のうち、前記電磁石が設けられた翼車とは異なる翼車の背面に強磁性体を設け、この強磁性体に対向するように前記スピンドルハウジングに永久磁石を設けて磁気吸引力を発生させても良い。

この発明において、前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車のうち、前記電磁石が設けられた翼車とは異なる翼車の背面に永久磁石を設け、この永久磁石に対向するように前記スピンドルハウジングにも永久磁石を設けても良い。

この発明において、前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車のうち、前記電磁石が設けられた翼車とは異なる翼車の背面に永久磁石を設け、この永久磁石に対向するように前記スピンドルハウジングに強磁性体を設けて磁気吸引力を発生させても良い。

この発明において、前記モータは、前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車のうち、前記電磁石が設けられた翼車とは異なる翼車の背面に設けたモータロータと、このモータロータに対向するように前記スピンドルハウジングに設けたモータコイルとでなるアキシアルギャップ型モータであっても良い。

この発明において、前記モータロータが永久磁石からなるものであっても良い。

この発明において、前記永久磁石による磁気吸引力が、前記コンプレッサ翼車とタービン翼車とで発生する作動流体の差圧によるアシアル力をキャンセルする方向に作用するものとしても良い。

この発明において、前記モータ一体型の磁気軸受装置を備えた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、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、前記タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、熱交換器による冷却、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。
このモータ一体型の磁気軸受装置を備え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、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、コンプレッサ翼車およびタービン翼車が両端に取付けられた主軸を転がり軸受と磁気軸受を併用して支持し、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、前記主軸に対してモータを配したモータ一体型の磁気軸受装置であって、前記磁気軸受を構成する電磁石を、前記コンプレッサ翼車またはタービン翼車の背面に設けられた強磁性体に対向するようにスピンドルハウジングに設けたため、小型化と、部品点数および組立コストの低減が可能で、固有振動数も高くできる。

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、この実施形態のモータ一体型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の両端にそれぞれ嵌合して固定されている。

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、外周部のノズル１２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、それぞれ磁気軸受となる電磁石１７と他の磁気軸受１７Ａとにより支持すると共に、主軸１３を回転駆動するモータ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、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。

タービン翼車７ａの背面には強磁性体２２が設けられている。磁気軸受である電磁石１７は、前記タービン翼車７ａの背面の強磁性体２２を磁石ターゲットとして、これに非接触で対向するようにスピンドルハウジング１４に設けられている。また、他の磁気軸受１７Ａは、コンプレッサ翼車６ａの背面に設けられた強磁性体２０を磁石ターゲットとして、これに非接触で対向するように永久磁石２１をスピンドルハウジング１４に設けてなり、強磁性体２０と永久磁石２１との間に軸方向への磁気吸引力を発生させる。この場合の永久磁石２１は、その磁気吸引力が、コンプレッサ翼車６ａとタービン翼車７ａとで発生する空気圧差によるアキシアル力をキャンセルする側に作用するように設置することが望ましい。

モータ２８は、主軸１３の軸方向中間部に配置される。このモータ２８は、主軸１３に設けられたモータロータ２８ａと、スピンドルハウジング１４に設置されて前記モータロータ２８ａに対し径方向に対向するモータステータ２８ｂとでなる。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間に作用する磁気力ないしはローレンツ力により、主軸１３を回転させる。

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個の転がり軸受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、中間部の大径部１３ａと、両端部の小径部１３ｂ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１３ｂに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部１３ａと小径部１３ｂ間の段差面に係合する。

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、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４１，４２と、これら各センサターゲット４１，４２を支持する一対のリング状の板ばね４３，４４と、センサターゲット４１，４２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ルハウジング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４５とからなる。スピンドルハウジング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４５は、センサターゲット４１，４２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。

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４５とセンサターゲット４１，４２とのギャップを、ギャップセンサ４５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。

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とで形成される合成バネと、磁気軸受１７，１７Ａ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、磁気軸受１７，１７Ａ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、
軸受による合成バネの剛性値＜磁気軸受・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、
軸受による合成バネの剛性値＞磁気軸受・モータによる合成バネの負の剛性値…（２）としている。
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、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２の磁気軸受用コントローラ１９では、力検出センサユニット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、電磁石１７を駆動するパワー回路３４に入力される。

同じくブロック図で示す図３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、図５や図６に示す例えば空気サイクル冷凍冷却システムに使用される。
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が主軸１３の両端に嵌合し、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、かつ軸受１５，１６の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。

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との隙間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、軸受１５，１６の長期耐久性が低下する。
この実施形態は、上記スラスト力を磁気軸受となる電磁石１７と他の磁気軸受１７Ａとで支持するため、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、磁気軸受となる電磁石１７の磁石ターゲットとして、主軸１３にスラスト板を設けるのではなく、タービン翼車７ａの背面に強磁性体２２を設け、この強磁性体２２を磁石ターゲットとしてこれに対向するように電磁石１７をスピンドルハウジング１４に設けているため、主軸５３の軸長を短くでき、モータ一体型の磁気軸受装置全体の小型化が可能となる。また、主軸１３にスラスト板を設けないので、部品点数および組立コストの低減が可能で、固有振動数も高くでき主軸１３を高速回転させることができる。

なお、この実施形態では、タービン翼車７ａの背面に、磁気軸受となる電磁石１７の磁石ターゲットである強磁性体２２を設けた場合を示したが、この強磁性体２２をコンプレッサ翼車６ａの背面に設け、タービン翼車６ａの背面に他の磁気軸受１７Ａの強磁性体２０を設けても良い。
また、他の磁気軸受１７Ａとして、図４（Ａ）に示すように、コンプレッサ翼車６ａの背面に永久磁石２１を設け、この永久磁石２１に対向するように別の永久磁石２１Ａをスピンドルハウジング１４に設けて、これら永久磁石２１，２１Ａの間で磁気吸引力を発生させるようにしても良い。
さらには、他の磁気軸受１７Ａとして、図４（Ｂ）に示すように、コンプレッサ翼車６ａの背面に永久磁石２１を設け、この永久磁石２１に対向するように強磁性体２０をスピンドルハウジング１４に設けて、これら永久磁石２１と強磁性体２０との間で磁気吸引力を発生させるようにしても良い。

図５は、図１に示すタービンユニット５を用いた空気サイクル冷凍冷却システムの一例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４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４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、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット５のコンプレッサ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の膨張タービン７が順に設けられている。

タービンユニット５のコンプレッサ６は、被冷却空間４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、前記コンプレッサ６で圧縮されて高圧・高温となった空気が流入する高温流体流路１ｄと、外部冷媒である冷却空気が流入する低温流体流路８との間で熱交換を行なって、コンプレッサ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と膨張タービン７の間の高圧・高温となった空気が流入する高温流体流路１ｅと、被冷却空間４とコンプレッサ６の間の冷却空気が流入する低温流体流路１ｃとの間で熱交換を行なって、膨張タービン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の膨張タービン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空間４に供給する。

この空気サイクル冷凍冷却システムは、被冷却空間４を０℃〜−６０℃程度に保つシステムであり、被冷却空間４から空気循環経路１の空気取入口１ａには圧力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。空気取入口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のコンプレッサ６に流入して、ここで圧力０．１８Ｍｐａに圧縮され、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。

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。圧力はコンプレッサ６から排出されたときの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の膨張タービン７により断熱膨張され、−５０℃まで冷却されて空気排出口１ｂから被冷却空間４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。

図６は、図１に示すタービンユニット５を用いた空気サイクル冷凍冷却システムの他の例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、図５の空気サイクル冷凍冷却システムにおいて、空気循環経路１におけるタービンユニット５のコンプレッサ６の前段に、予圧縮手段となるの第２のコンプレッサ９と、第２の放熱用熱交換器１０とが、これらの順に設けられている。第２のコンプレッサ９はブロア等からなり、動力部９ａにより駆動される。第２の放熱用熱交換器１０は、前記第２のコンプレッサ９で圧縮されて高圧・高温（０．１Ｍｐａ，７０℃）となった空気が流入する高温流体流路１ｆと、外部冷媒である冷却空気が流入する低温流体流路１１との間で熱交換を行なって、第２のコンプレッサ９により圧縮された空気を冷却（０．１４Ｍｐａ，４０℃）する。その他の構成は、図５の空気サイクル冷凍冷却システムの場合と同様である。

図７は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、図１に示すタービンユニット５を構成するモータ一体型の磁気軸受装置において、主軸１３の中間位置に設けていたモータ２８を、コンプレッサ翼車６ａつまり磁気軸受となる電磁石１７が設けられない側の翼車の背面に設けたモータロータ２８Ａａと、このモータロータ２８Ａａと軸方向に対向するようにスピンドルハウジグ１４に設けたモータステータ２８Ａｂとでなるアキシアルギャップ型モータ２８Ａに置き換えている。この場合、磁気軸受である電磁石１７が支持するアキシアル力には、前記アキシアルギャップ型モータ２８Ａで発生する磁気吸引力も含まれる。このモータ２８Ａの設置においては、モータロータ２８Ａａとモータステータ２８Ａｂとの間に発生する磁気吸引力が、コンプレッサ翼車６ａとタービン翼車７ａとで発生する空気圧差によるアキシアル力をキャンセルする側に作用するように設置することが望ましい。このアキシアル型モータ２８ＡがＤＣブラシレス型である場合には、前記モータロータ２８Ａａとして永久磁石が用いられる。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。

この発明の一実施形態にかかるモータ一体型の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。 モータ一体型の磁気軸受装置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。 モータ一体型の磁気軸受装置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。 （Ａ）はモータ一体型の磁気軸受装置における磁気軸受の他の構成例の断面図、（Ｂ）は同磁気軸受のさらに他の構成例の断面図である。 図１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一例の構成図である。 図１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他の例の構成図である。 この発明の他の実施形態にかかるモータ一体型の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。 従来例の断面図である。

符号の説明

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…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
９…第２のコンプレッサ（予圧縮手段）
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（磁気軸受）
１７Ａ：磁気軸受
２０…強磁性体
２１，２１Ａ…永久磁石
２８，２８Ａ…モータ
２８ａ，２８Ａａ…モータロータ
２８ｂ，２８Ａｂ…モータステータ

Claims (8)

1. コンプレッサ翼車およびタービン翼車が両端に取付けられた主軸を転がり軸受と磁気軸受を併用して支持し、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、前記主軸に対してモータを配したモータ一体型の磁気軸受装置であって、
   前記磁気軸受を構成する電磁石を、前記コンプレッサ翼車またはタービン翼車の背面に設けられた強磁性体に対向するようにスピンドルハウジングに設けたことを特徴とするモータ一体型の磁気軸受装置。
2. 請求項１において、前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車のうち、前記電磁石が設けられた翼車とは異なる翼車の背面に強磁性体を設け、この強磁性体に対向するように前記スピンドルハウジングに永久磁石を設けて磁気吸引力を発生させたモータ一体型の磁気軸受装置。
3. 請求項１において、前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車のうち、前記電磁石が設けられた翼車とは異なる翼車の背面に永久磁石を設け、この永久磁石に対向するように前記スピンドルハウジングにも永久磁石を設けて磁気吸引力を発生させたモータ一体型の磁気軸受装置。
4. 請求項１において、前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車のうち、前記電磁石が設けられた翼車とは異なる翼車の背面に永久磁石を設け、この永久磁石に対向するように前記スピンドルハウジングに強磁性体を設けて磁気吸引力を発生させたモータ一体型の磁気軸受装置。
5. 請求項１において、前記モータは、前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車のうち、前記電磁石が設けられた翼車とは異なる翼車の背面に設けたモータロータと、このモータロータに対向するように前記スピンドルハウジングに設けたモータコイルとでなるアキシアルギャップ型モータであるモータ一体型の磁気軸受装置。
6. 請求項５において、前記モータロータが永久磁石からなるモータ一体型の磁気軸受装置。
7. 請求項２ないし請求項４、および請求項６のいずれか１項において、前記永久磁石による磁気吸引力が、前記コンプレッサ翼車とタービン翼車とで発生する作動流体の差圧によるアキシアル力をキャンセルする方向に作用するものとしたモータ一体型の磁気軸受装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記モータ一体型の磁気軸受装置を備えた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、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、前記タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、熱交換器による冷却、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モータ一体型の磁気軸受装置。

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