JP2022127470A - 膨張機一体型圧縮機及び冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性を向上させた膨張機一体型圧縮機を提供する。【解決手段】膨張機一体型圧縮機１００は、回転軸１２０、圧縮機構１０２、膨張機構１０４、発熱体１２４、及び温度センサ１４０を備えている。圧縮機構１０２は冷媒を圧縮する。膨張機構１０４は、回転軸１２０を支持する第１気体軸受１１８、及び回転軸１２０に取り付けられたタービンホイール１０５を有している。膨張機構１０４は、回転軸１２０を介して圧縮機構１０２と接続され、冷媒を膨張させる。温度センサ１４０は、第１気体軸受１１８の温度又は第１気体軸受１１８の周囲の温度を検出する。発熱体１２４は、温度センサ１４０の検出結果に応じて第１気体軸受１１８を加熱する。【選択図】図１

Description

本開示は、膨張機一体型圧縮機及び冷凍装置に関する。

特許文献１は、膨張機一体型圧縮機を開示する。この膨張機一体型圧縮機は、モータ、圧縮機、膨張機、圧縮機と膨張機との間に配置される非接触型軸受及びこれらの要素を収納するケーシングを備える。非接触型軸受は、ラジアル磁気軸受である。

特開２０１５－９４２５９号公報

膨張機一体型圧縮機では、起動前、空気の温度差によってラジアル軸受及びその周囲に凝縮水が発生することがある。凝縮水はラジアル軸受を損傷するおそれがある。ラジアル軸受が損傷すると、膨張機一体型圧縮機の耐久性が低下する。

本開示は、耐久性を向上させた膨張機一体型圧縮機を提供する。

本開示の膨張機一体型圧縮機は、
回転軸と、
冷媒を圧縮する圧縮機構と、
前記回転軸を支持する気体軸受と前記回転軸に取り付けられたタービンホイールとを有し、前記回転軸を介して前記圧縮機構と接続され、前記冷媒を膨張させる膨張機構と、
前記気体軸受の温度又は前記気体軸受の周囲の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの検出結果に応じて前記気体軸受を加熱する発熱体と、
を備える。

本開示の冷凍装置は、
上記本開示の膨張機一体型圧縮機を備える。

本開示によれば、耐久性を向上させた膨張機一体型圧縮機を提供できる。

本開示の実施の形態１における膨張機一体型圧縮機の断面図 回転軸の軸方向に垂直な第１気体軸受の断面図 実施の形態１における膨張機一体型圧縮機の動作を示す特性図 実施の形態１における発熱体及び回転軸の制御を示すフローチャート 本開示の実施の形態２における冷凍装置の構成図

（本開示の基礎となった知見等）
自然冷媒の１つである空気を冷媒として用いた冷凍装置が知られている。空気を冷媒として用いた冷凍装置は、－５０℃以下の超低温用途において、フロンなどの既存の冷媒を用いた冷凍装置と同等以上の効率を得ることができるため、注目を集めている。膨張機一体型圧縮機は、空気を冷媒として用いた冷凍装置に採用されうる。

特許文献１は、膨張機一体型圧縮機のラジアル軸受として磁気軸受が使用されている。しかし、磁気軸受には、高価である、小型化が難しい、停電時のバックアップが必要である、消費電力が大きい、といった欠点がある。そこで、本発明者らは、膨張機一体型圧縮機に気体軸受を採用することによって、膨張機一体型圧縮機の小型化及び高効率化を試みた。しかし、何らかの原因によって、気体軸受に不具合が生じ、膨張機一体型圧縮機を起動することができなかったり、気体軸受が損傷したりすることがあった。不具合の原因について鋭意検討を行った結果、本発明者らは、温度変化又は温度差に起因して気体軸受及びその周囲で空気中の水分が結露し、凝縮水が発生することを突き止めた。

膨張機一体型圧縮機の膨張機構は、冷凍庫のような冷却対象に接続されており、低温である。そのため、膨張機構の気体軸受は冷却されやすい環境に置かれている。気体軸受及びその周囲の温度が空気の露点を下回ると、空気中の水分の一部が水滴となり、結露が発生する。このような状況は、特に、膨張機一体型圧縮機の運転が停止したときに発生しやすい。

ラジアル軸受、特に気体軸受に凝縮水が侵入すると、摩擦が増大したり、気体軸受から得られる反力が不均一化したりすることにより、気体軸受を含む回転系の安定性が損なわれ、気体軸受が損傷するおそれがある。また、膨張機一体型圧縮機の始動性が悪化するおそれがある。よって、本発明者らは、上記課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、温度センサの検出結果に応じて気体軸受を加熱する発熱体によって、気体軸受及びその周囲に発生した凝縮水を蒸発させることにより、気体軸受の耐久性を向上させた膨張機一体型圧縮機を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１から図４を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１は、実施の形態１における膨張機一体型圧縮機の断面図である。膨張機一体型圧縮機１００は、回転軸１２０、圧縮機構１０２、膨張機構１０４、発熱体１２４、及び温度センサ１４０を備えている。圧縮機構１０２は冷媒を圧縮する。膨張機構１０４は、回転軸１２０を支持する第１気体軸受１１８、及び回転軸１２０に取り付けられたタービンホイール１０５を有している。第１気体軸受１１８はラジアル軸受である。膨張機構１０４は、回転軸１２０を介して圧縮機構１０２と接続され、冷媒を膨張させる。温度センサ１４０は、第１気体軸受１１８の温度又は第１気体軸受１１８の周囲の温度を検出する。発熱体１２４は、温度センサ１４０の検出結果に応じて第１気体軸受１１８を加熱する。以下、第１気体軸受１１８の温度又はその周囲の温度を「温度Ｔｉ」と表記する。温度センサ１４０の検出結果は、温度Ｔｉであってもよく、温度Ｔｉに対応する別の情報であってもよい。

タービンホイール１０５は、回転軸１２０とともに回転する。タービンホイール１０５によって、冷媒から仕事が引き出される。膨張機一体型圧縮機１００では、膨張機構１０４によって回収された冷媒の膨張エネルギーが圧縮機構１０２において冷媒を圧縮するための仕事の一部として使用される。

膨張機一体型圧縮機１００において、発熱体１２４が、温度センサ１４０の検出結果に応じて第１気体軸受１１８を加熱することにより、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を蒸発させて除去することができる。これにより、第１気体軸受１１８の摩擦の低減及び反力の安定化が図れるので、第１気体軸受１１８の損傷を抑制できる。

発熱体１２４は、回転軸１２０の軸方向において、タービンホイール１０５の背面側の第１空間１２６に配置されている。第１空間１２６は、膨張機構１０４の出口に近いことから、膨張機一体型圧縮機１００の運転停止期間において温度が低下しやすい。発熱体１２４が第１空間１２６に配置されていると、より確実に、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を除去することができる。

本実施の形態において、第１気体軸受１１８は、動圧軸受である。ここで、気体軸受とは、流体の膜によって支持力を発生させるように構成された軸受である。気体軸受として、静圧軸受と動圧軸受とが挙げられる。静圧軸受は、圧縮された流体を外部から静圧軸受に供給することを必要とする。動圧軸受は、外部からの圧縮された流体の供給を必要とせず、流体に発生する動圧を支持力として用いる。第１気体軸受１１８が動圧軸受であることにより、流体を予め圧縮するための加圧機構を必要としない。そのため、膨張機構１０４の小型化を図ることができる。

本実施の形態において、第１気体軸受１１８は、フォイル軸受である。フォイル軸受は、動圧軸受の１つである。フォイル軸受では、可とう性を有する１又は複数の薄板（フォイル）によって軸受面が構成されている。フォイル軸受は、流体の膜の不安定化作用を軸受面の弾性変形とフォイルの摩擦により吸収し、安定化する。フォイルに水分が介在すると、摩擦による不具合が発生する。そのため、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を除去することが特に重要である。

図２は、回転軸１２０の軸方向に垂直な第１気体軸受１１８の断面図である。第１気体軸受１１８は、フォイルホルダ１１８ａ及び少なくとも１つのフォイル１１８ｂを有する。フォイルホルダ１１８ａは、円筒の形状を有する部材である。フォイルホルダ１１８ａの内部に、フォイル１１８ｂが設けられている。フォイル１１８ｂは、回転軸１２０の周囲に配置されて軸受面を構成している部材である。フォイル１１８ｂは、典型的には、金属製の薄板である。フォイル軸受は、高い剛性を示し、高速回転で運転される回転機械に適している。

図２に示すように、第１気体軸受１１８は、フォイルホルダ１１８ａ及び複数のリーフフォイル１１８ｂを有していてもよい。第１気体軸受１１８は、リーフ型のフォイル軸受であってもよい。リーフフォイル１１８ｂの一端部は、フォイルホルダ１１８ａに固定された固定端である。リーフフォイル１１８ｂの他端部は、半径方向に揺動可能な自由端である。

第１気体軸受１１８は、フォイルホルダ、トップフォイル及びバンプフォイルを有していてもよい。第１気体軸受１１８は、バンプ型のフォイル軸受でありうる。バンプフォイルは、波形の形状を有するフォイルであり、フォイルホルダの内周面上に配置される。バンプフォイルの上に平坦なトップフォイルが配置される。トップフォイルと回転軸との間に気体膜が形成される。

第１気体軸受１１８において気体膜を形成する気体の種類は特に限定されない。気体膜を形成する気体は、膨張機一体型圧縮機１００の冷媒であってもよい。気体膜を形成する気体は、例えば、空気である。

発熱体１２４は、例えば、第１気体軸受１１８のフォイルホルダ１１８ａに取り付けられている。運転停止期間において、フォイルホルダ１１８ａの表面及びその周囲において、特に結露による凝縮水が発生しやすい。発熱体１２４がフォイルホルダ１１８ａに取り付けられていることにより、より確実に、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を除去することができる。

発熱体１２４は、例えば、第１気体軸受１１８に取り付けられた抵抗加熱ヒータを含む。発熱体１２４としての抵抗加熱ヒータは、軸受１１８に巻き付けられていてもよく、軸受１１８に貼り付けられていてもよい。抵抗加熱ヒータの例として、リボンヒータ、テープヒータ、シースヒータ、セラミックヒータ、ＰＴＣヒータなどが挙げられる。

膨張機一体型圧縮機１００は、さらに、回転軸１２０を回転させる電動機１０６を備えている。電動機１０６は、第１空間１２６に配置されている。電動機１０６は、固定子１１０、及び回転軸１２０に固定された回転子１０８を有する。電動機１０６は、誘導電動機であってもよく、直流電動機であってもよい。

膨張機一体型圧縮機１００は、さらに、ケーシング１２２を備えている。圧縮機構１０２及び膨張機構１０４は、ケーシング１２２の内部に収容されている。ケーシング１２２の内表面には、電動機１０６の固定子１１０が固定されている。ケーシング１２２の内部において、第１気体軸受１１８と電動機１０６との間に第１空間１２６が存在している。第１空間１２６は、第１気体軸受１１８の周方向に形成された環状の空間である。

温度センサ１４０は、第１気体軸受１１８又はその周囲に設けられている。温度センサ１４０は、ケーシング１２２の内部に配置されていてもよい。温度センサ１４０は、第１空間１２６に配置されており、第１気体軸受１１８に取り付けられていてもよい。第１気体軸受１１８に設けられた孔に温度センサ１４０が挿入されていてもよい。

膨張機一体型圧縮機１００は、さらに、温度センサ１４１を備えている。温度センサ１４１は、外気温ＴＥを検出する外気温度センサである。温度センサ１４１は、ケーシング１２２の外部に配置されている。「外気温ＴＥ」は、膨張機一体型圧縮機１００が置かれた環境の温度である。

圧縮機構１０２は、インペラ１０３及び吸入口１０２ａを備えている。インペラ１０３は、冷媒を圧縮するための部品であり、回転軸１２０に取り付けられている。吸入口１０２ａは、インペラ１０３に向かって開口している。吸入口１０２ａを通じて、圧縮機構１０２に冷媒が流入する。

膨張機一体型圧縮機１００は、さらに、温度センサ１４２を備えている。温度センサ１４２は、圧縮機構１０２の吸入口１０２ａにおける冷媒の吸入温度を検出する吸入温度センサである。温度センサ１４２は、吸入口１０２ａに配置されている。温度センサ１４２は、吸入口１０２ａの内壁に取り付けられていてもよく、吸入口１０２ａの内壁に設けられた孔に挿入されていてもよい。

温度センサ１４０，１４１及び１４２の種類は特に限定されない。温度センサ１４０，１４１及び１４２は、接触式のセンサであってもよいし、非接触式のセンサであってもよい。接触式のセンサの例には、サーミスタを用いた温度センサ、及び熱電対を用いた温度センサが含まれる。非接触式のセンサの例には、赤外線温度センサ及びサーモビューアが含まれる。

膨張機一体型圧縮機１００は、さらに、制御部１３０を備えている。制御部１３０は、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）でありうる。制御部１３０には、膨張機一体型圧縮機１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。制御部１３０は、発熱体１２４を制御する。具体的には、制御部１３０は、発熱体１２４への通電開始／通電停止を制御する。発熱体１２４の制御には、温度センサ１４０と、温度センサ１４１及び／又は温度センサ１４２との検出結果が参照されうる。

圧縮機構１０２は、第２気体軸受１１４及び第３気体軸受１１６を備えている。第２気体軸受１１４はラジアル軸受である。第３気体軸受１１６はスラスト軸受である。第３気体軸受１１６は、スラストカラー１１６ａを有する。第３気体軸受１１６は、回転軸１２０に発生する軸方向の推力を支持し、回転軸１２０を適切な位置に保持する役割を担っている。

本実施の形態では、回転軸１２０に、タービンホイール１０５、第１気体軸受１１８、第２気体軸受１１４、第３気体軸受１１６のスラストカラー１１６ａ、及びインペラ１０３が取り付けられて、回転体１１１が形成されている。回転体１１１は、第１気体軸受１１８、第２気体軸受１１４、及び第３気体軸受１１６によって回転自在に支持されている。

ケーシング１２２の内部において、第２気体軸受１１４と電動機１０６との間に第２空間１２５が存在している。第２空間１２５は、第２気体軸受１１４の周方向に形成される略環状の空間である。

［１－２．動作］
以上のように構成された膨張機一体型圧縮機１００の動作について、図３を参照しながら説明する。図３は、膨張機一体型圧縮機１００の動作を示す特性図である。図３の上図において、縦軸は、温度センサ１４０によって検出された第１気体軸受１１８又はその周囲の温度Ｔｉを示す。図３の中図において、縦軸は、回転軸１２０の回転数を示す。図３の下図において、縦軸は、発熱体１２４の消費電力を示す。図３において、横軸は時間を示す。

回転軸１２０の回転が停止した状態において、温度センサ１４０によって温度Ｔｉが検出され、かつ、温度センサ１４０の検出結果に応じて第１気体軸受１１８が加熱される。

温度センサ１４０によって検出された温度Ｔｉが閾値温度Ｔ１未満である場合、発熱体１２４が気体軸受１１８を加熱する。詳細には、発熱体１２４への通電を開始する。図３では、このタイミングが「時間Ａ」で示されている。温度Ｔｉが閾値温度Ｔ１を下回る場合、第１気体軸受１１８の周囲の空気が冷却されて凝縮水が発生することがある。しかし、そのような場合にも、上記の構成によれば、必要以上に第１気体軸受１１８の温度を上昇させることなく、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を除去することができる。

閾値温度Ｔ１は、例えば、制御プログラムに記述された設定値である。閾値温度Ｔ１は、結露が発生すると予測される温度よりも高い温度に設定されうる。閾値温度Ｔ１は、予め定めた温度であってもよく、外気温ＴＥと共に測定した外気の露点に基づいて定めてもよい。

閾値温度Ｔ１は、外気温ＴＥよりも低い温度であってもよい。第１気体軸受１１８又はその周囲の温度Ｔｉが外気温ＴＥよりも低い場合、圧縮機構１０２から流入した空気中の水分が冷却されて凝縮水が発生することがある。しかし、そのような場合にも、閾値温度Ｔ１が外気温ＴＥよりも低い温度であると、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を除去することができる。閾値温度Ｔ１は、外気温ＴＥよりも１０度低い温度であってもよい。外気温ＴＥは、膨張機一体型圧縮機１００の使用環境によるが、例えば、摂氏１５度から２０度である。外気温ＴＥは、温度センサ１４１によって検出されうる。

閾値温度Ｔ１は、吸入口１０２ａにおける冷媒の吸入温度ＴＳよりも低い温度であってもよい。膨張機一体型圧縮機１００の運転を開始すると圧力差が生じ、圧力差により電動機１０６が収納された空間を通って圧縮機構１０２から膨張機構１０４へわずかに空気が流れる。第１気体軸受１１８又はその周囲の温度Ｔｉが吸入温度ＴＳよりも低い場合、圧縮機構１０２から流入した空気中の水分が冷却されて凝縮水が発生することがある。しかし、そのような場合にも、閾値温度Ｔ１が吸入温度ＴＳよりも低い温度であると、運転を開始する前に発熱体１２４が気体軸受１１８を加熱することで、第１気体軸受１１８及びその周囲に凝縮水が発生することを抑制できる。吸入温度ＴＳは、膨張機一体型圧縮機１００の仕様によるが、例えば、摂氏２０度から４０度である。吸入温度ＴＳは、温度センサ１４２によって検出されうる。吸入温度ＴＳは、膨張機一体型圧縮機１００の運転時に吸入口１０２ａにおいて冷媒が到達する最高温度でありうる。

閾値温度Ｔ１は、外気温ＴＥ及び吸入温度ＴＳの両方よりも低い温度であってもよい。

１つの具体例では、閾値温度Ｔ１は、摂氏１０度である。ただし、閾値温度Ｔ１は特に限定されない。閾値温度Ｔ１は、温度センサ１４０の位置に応じて設定されてもよい。

温度センサ１４０がケーシング１２２の内部に配置されているときの発熱体１２４の作動条件は次の通りである。すなわち、温度センサ１４０によって検出されたケーシング１２２の内部の温度が閾値温度Ｔ１未満である場合、発熱体１２４が気体軸受１１８の加熱を開始する。このような構成によれば、必要以上に第１気体軸受１１８の温度を上昇させることなく、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を除去することができる。

温度センサ１４０が第１空間１２６に配置されているときの発熱体１２４の作動条件は次の通りである。すなわち、温度センサ１４０によって検出された第１空間１２６の温度が閾値温度Ｔ１未満である場合、発熱体１２４が気体軸受１１８の加熱を開始する。このような構成によれば、必要以上に第１気体軸受１１８の温度を上昇させることなく、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を確実に除去することができる。

温度センサ１４０が第１気体軸受１１８の構成部品の表面に配置されているときの発熱体１２４の作動条件は次の通りである。すなわち、温度センサ１４０によって検出された上記構成部品の表面の温度が閾値温度Ｔ１未満である場合、発熱体１２４が気体軸受１１８の加熱を開始する。このような構成によれば、必要以上に第１気体軸受１１８の温度を上昇させることなく、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水をより確実に除去することができる。

制御部１３０は、温度センサ１４０によって検出された温度Ｔｉが閾値温度Ｔ１未満であるとき、発熱体１２４への通電を開始するように構成されていてもよい。

温度センサ１４０によって検出された温度Ｔｉが閾値温度Ｔ２を超えた場合、発熱体１２４による第１気体軸受１１８の加熱を停止する。言い換えると、発熱体１２４への通電を停止する。図３では、このタイミングが「時間Ｃ」で示されている。このような構成によれば、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を除去した後に、発熱体１２４によって第１気体軸受１１８が加熱されることを回避できる。

閾値温度Ｔ２は、例えば、制御プログラムに記述された設定値である。ここで、閾値温度Ｔ２は、結露により発生した凝縮水がすべて蒸発すると予測される温度よりも高い温度に設定されうる。

閾値温度Ｔ２は、外気温ＴＥよりも高い温度である。閾値温度Ｔ２は、後述する閾値温度Ｔ３よりも高い温度であってもよい。閾値温度Ｔ２は、閾値温度Ｔ３よりも１０度高い温度であってもよい。閾値温度Ｔ２は、吸入口１０２ａにおける冷媒の吸入温度ＴＳよりも高い温度であってもよい。１つの具体例では、閾値温度Ｔ２は、摂氏５０度である。ただし、閾値温度Ｔ２は特に限定されない。閾値温度Ｔ２は、温度センサ１４０の位置に応じて設定されてもよい。

温度センサ１４０がケーシング１２２の内部に配置されているときの発熱体１２４の停止条件は次の通りである。すなわち、温度センサ１４０によって検出されたケーシング１２２の内部の温度が閾値温度Ｔ２を超えた場合、発熱体１２４が気体軸受１１８の加熱を停止する。このような構成によれば、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を除去した後に、発熱体１２４によって第１気体軸受１１８が加熱されることを回避できる。

温度センサ１４０が第１空間１２６に配置されているときの発熱体１２４の停止条件は次の通りである。すなわち、温度センサ１４０によって検出された第１空間１２６の温度が閾値温度Ｔ２を超えた場合、発熱体１２４が気体軸受１１８の加熱を停止する。このような構成によれば、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を除去した後に、発熱体１２４によって第１気体軸受１１８が加熱されることを回避できる。

温度センサ１４０が第１気体軸受１１８の構成部品の表面に配置されているときの発熱体１２４の停止条件は次の通りである。すなわち、温度センサ１４０によって検出された上記構成部品の表面の温度が閾値温度Ｔ２を超えた場合、発熱体１２４が気体軸受１１８の加熱を停止する。このような構成によれば、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を除去した後に、発熱体１２４によって第１気体軸受１１８が加熱されることを回避できる。

制御部１３０は、温度センサ１４０によって検出された温度Ｔｉが閾値温度Ｔ２を超えたとき、発熱体１２４への通電を停止するように構成されていてもよい。

温度センサ１４０によって検出された温度Ｔｉが閾値温度Ｔ３を超えた場合、回転軸１２０の回転を開始してもよい。言い換えれば、電動機１０６の運転を開始する。閾値温度Ｔ３は、外気温ＴＥよりも高い温度である。このような構成によれば、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を除去した状態で、膨張機一体型圧縮機１００の運転を開始させることができる。そのため、膨張機一体型圧縮機１００の耐久性が向上する。

閾値温度Ｔ３は、例えば、制御プログラムに記述された設定値である。閾値温度Ｔ３は、結露により発生した凝縮水がすべて蒸発すると予測される温度に設定されうる。

温度センサ１４０によって検出された温度Ｔｉが閾値温度Ｔ２を超えた場合、発熱体１２４が気体軸受１１８の加熱を停止し、温度センサ１４０によって検出された温度Ｔｉが閾値温度Ｔ３を超えた場合、回転軸１２０の回転を開始してもよい。閾値温度Ｔ３は、閾値温度Ｔ２よりも低い温度である。このような構成によれば、仮に、膨張機一体型圧縮機１００の運転開始後にサイクル内の冷媒（空気）の流れにより温度変化が生じて第１気体軸受１１８で凝縮水が発生しても、発熱体１２４により凝縮水を蒸発させることができる。

閾値温度Ｔ３は、外気温ＴＥよりも高い温度であってもよい。閾値温度Ｔ３は、外気温ＴＥよりも１０度高い温度であってもよい。１つの具体例では、閾値温度Ｔ３は、摂氏４０度である。ただし、閾値温度Ｔ３は特に限定されない。閾値温度Ｔ３は、温度センサ１４０の位置に応じて設定されてもよい。

温度センサ１４０がケーシング１２２の内部に配置されているときの回転軸１２０の回転の開始条件は以下の通りである。すなわち、温度センサ１４０によって検出されたケーシング１２２の内部の温度が閾値温度Ｔ３を超えた場合、回転軸１２０の回転を開始する。このような構成によれば、凝縮水を十分に除去した後、膨張機一体型圧縮機１００をより安全に起動することができる。

温度センサ１４０が第１空間１２６に配置されているときの回転軸１２０の回転の開始条件は以下の通りである。すなわち、温度センサ１４０によって検出された第１空間１２６の温度が閾値温度Ｔ３を超えた場合、回転軸１２０の回転を開始する。このような構成によれば、凝縮水を十分に除去した後、膨張機一体型圧縮機１００をより安全に起動することができる。

温度センサ１４０が第１気体軸受１１８の構成部品の表面に配置されているときの回転軸１２０の回転の開始条件は以下の通りである。すなわち、場合、温度センサ１４０によって検出された上記構成部品の表面の温度が閾値温度Ｔ３を超えた場合、回転軸１２０の回転を開始する。このような構成によれば、凝縮水を十分に除去した後、膨張機一体型圧縮機１００をより安全に起動することができる。

制御部１３０は、温度センサ１４０によって検出された温度Ｔｉが閾値温度Ｔ３を超えたとき、回転軸１２０の回転を開始するように構成されていてもよい。

温度センサ１４０によって検出された温度Ｔｉが閾値温度Ｔ３を超え、かつ閾値温度Ｔ２未満である場合、回転軸１２０は第１速度で回転してもよい。図３では、０ｒｐｍから第１速度に増速するタイミングが「時間Ｂ」で示されている。温度センサ１４０によって検出された温度Ｔｉが閾値温度Ｔ２を超えた場合、回転軸１２０は第１速度よりも速い第２速度で回転してもよい。図３では、第１速度から第２速度に増速するタイミングが「時間Ｃ」で示されている。膨張機一体型圧縮機１００の起動初期に回転軸１２０の回転数を制限することで、回転体１１１に作用する電動機１０６のトルク、インペラ１０３及びタービンホイール１０５からの負荷などを小さく維持できる。そのため、システムの状態が安定する前の過渡期に、仮に凝縮水が発生しても第１気体軸受１１８が損傷するリスクを抑制できる。

第１速度は、第１気体軸受１１８、第２気体軸受１１４及び第３気体軸受１１６によって回転体１１１を浮上した状態で支持可能な回転数であってもよい。１つの具体例では、第１速度は、３０００ｒｐｍである。ただし、第１速度は特に限定されない。第１速度は、各気体軸受の特性、回転体１１１の特性などに応じて設定されうる。

第１速度は、回転軸１２０（詳細には回転体１１１）の危険速度の範囲外に設定された速度でありうる。第１速度は、回転軸１２０の最も低い危険速度よりも低い速度であってもよい。例えば、３０００ｒｐｍ超かつ４０００ｒｐｍ未満の範囲に共振点が存在し、回転軸１２０が共振することがある。この場合、まず、回転軸１２０を第１速度で回転させ、温度Ｔｉが上昇して閾値温度Ｔ２を超えたときに、回転軸１２０を加速させて危険速度を速やかに通過し、第２速度に移行する。これにより、回転軸１２０の共振を回避することができる。

第２速度は、第１速度よりも速い速度であり、定格回転速度に対応している。１つの具体例では、第２速度は、７００００ｒｐｍである。ただし、第２速度は特に限定されない。

次に、以上のように構成された膨張機一体型圧縮機１００の発熱体１２４及び回転軸１２０の制御について、図４を参照しながら説明する。図４は、実施の形態１における発熱体１２４及び回転軸１２０の制御を示すフローチャートである。膨張機一体型圧縮機１００を起動するとき、制御部１３０は以下のフローチャートの各処理を実行する。

まず、膨張機一体型圧縮機１００の起動指令の有無を確認する（ステップＳ０）。次に、温度センサ１４０によって温度Ｔｉを検出する（ステップＳ１）。温度Ｔｉが閾値温度Ｔ１未満であるかどうか判断する（ステップＳ２）。温度Ｔｉが閾値温度Ｔ１未満であるとき、発熱体１２４による気体軸受１１８の加熱を開始する（ステップＳ３）。発熱体１２４が気体軸受１１８の加熱を開始した後、温度センサ１４０によって温度Ｔｉを検出する（ステップＳ４）。温度Ｔｉが閾値温度Ｔ３を超え、かつ閾値温度Ｔ２未満であるかどうか判断する（ステップＳ５）。温度Ｔｉが閾値温度Ｔ３を超え、かつ閾値温度Ｔ２未満であるとき、回転軸１２０の回転を第１速度で開始する（ステップＳ６）。回転軸１２０を第１速度で回転しながら、温度センサ１４０によって温度Ｔｉを検出する（ステップＳ７）。温度Ｔｉが閾値温度Ｔ２を超えたかどうか判断する（ステップＳ８）。温度Ｔｉが閾値温度Ｔ２を超えたとき、発熱体１２４による気体軸受１１８の加熱を停止する（ステップＳ９）とともに、回転軸１２０の回転を第２速度に上げて、膨張機一体型圧縮機１００の定格回転速度運転を開始する（ステップＳ１０）。

ステップＳ５において、温度Ｔｉが閾値温度Ｔ３を超えない場合には、温度Ｔｉが閾値温度Ｔ３を超え、かつ閾値温度Ｔ２未満になるまで、ステップＳ４からステップＳ５までの処理を繰り返す。ステップＳ８において、温度Ｔｉが閾値温度Ｔ２を超えない場合には、温度Ｔｉが閾値温度Ｔ２を超えるまで、ステップＳ７からステップＳ８までの処理を繰り返す。

ステップＳ２において、温度Ｔｉが閾値温度Ｔ１以上である場合には、回転軸１２０の回転を第２速度まで加速させて、膨張機一体型圧縮機１００の定格回転速度運転を開始する（ステップＳ１０）。すなわち、ステップＳ２において、温度Ｔｉが閾値温度Ｔ１以上である場合には、発熱体１２４による気体軸受１１８の加熱を行わない。

図２に示す第１気体軸受１１８のフォイル１１８ｂは、柔軟性を有する。電動機１０６を起動し、回転軸１２０が回転し始めると、フォイル１１８ｂと回転軸１２０との間に微小な隙間が形成される。この隙間において、くさび効果により冷媒（空気）の圧力が上昇する。第１気体軸受１１８に凝縮水が侵入し、フォイル１１８ｂが濡れると、フォイル１１８ｂが回転軸１２０に張り付いて摩擦が増大することがある。また、フォイル１１８ｂの動きが阻害されて、各フォイル１１８ｂから得られる反力が不均一になることがある。これらの理由により、軸受を含む回転系の支持状態が不安定になることがある。このとき、温度センサ１４０の検出結果である温度Ｔｉに応じて発熱体１２４が第１気体軸受１１８を加熱することによって、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した結露による凝縮水を蒸発させて除去する。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、膨張機一体型圧縮機１００は、回転軸１２０、圧縮機構１０２、膨張機構１０４、発熱体１２４、及び温度センサ１４０を備えている。膨張機構１０４は、回転軸１２０を支持する第１気体軸受１１８を有している。温度センサ１４０は、第１気体軸受１１８の温度又は第１気体軸受１１８の周囲の温度を検出する。発熱体１２４は、温度センサ１４０の検出結果に応じて第１気体軸受１１８を加熱する。

このような構成によれば、発熱体１２４が、温度センサ１４０の検出結果に応じて第１気体軸受１１８を加熱することにより、第１気体軸受１１８及びその周囲に発生した凝縮水を蒸発させて除去することができる。

なお、発熱体１２４による加熱が終了しても、膨張機一体型圧縮機１００の運転に伴い電動機１０６が発熱するので、第１気体軸受１１８の温度及び第１気体軸受１１８の周囲の温度が低下することはない。

本実施の形態は、第１気体軸受１１８が動圧軸受である場合に、特にフォイル軸受である場合に有効である。

本実施の形態における膨張機構１０４は、膨張機単体としても作用しうる。

（実施の形態２）
以下、図５を用いて、実施の形態２を説明する。実施の形態１と同一の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。

［２－１．構成］
図５は、実施の形態２における冷凍装置の構成図である。冷凍装置２００は、実施の形態１における膨張機一体型圧縮機１００を備えている。

冷凍装置２００は、さらに、第１熱交換器２０２、第２熱交換器２０４、及び冷凍庫２０６を備えている。冷凍装置２００の熱サイクルは、冷媒として空気を使用する空気冷凍サイクルである。冷凍装置２００によって生成された低温の空気は、冷凍庫２０６に導かれる。冷凍装置２００は、航空機の客室用空調に使用されてもよい。空気のＧＷＰ（Global Warming Potential）はゼロなので、地球環境を保護する観点から、空気を冷媒として使用することは望ましい。また、冷媒として空気を使用すれば、冷凍装置２００を開放型のシステムとして構築することが可能である。

膨張機一体型圧縮機１００、第１熱交換器２０２、第２熱交換器２０４、及び冷凍庫２０６は、流路１０ａから１０ｆによって互いに接続されている。流路１０ａは、圧縮機構１０２の吐出口と第１熱交換器２０２の入口とを接続している。流路１０ｂは、第１熱交換器２０２の冷媒出口と第２熱交換器２０４の高圧側入口とを接続している。流路１０ｃは、第２熱交換器２０４の高圧側出口と膨張機構１０４の吸入口とを接続している。流路１０ｄは、膨張機構１０４の吐出口と冷凍庫２０６の入口とを接続している。流路１０ｅは、冷凍庫２０６の出口と第２熱交換器２０４の低圧側入口とを接続している。流路１０ｆは、第２熱交換器２０４の低圧側出口と圧縮機構１０２の吸入口とを接続している。流路１０ａから１０ｆには、別の熱交換器、霜取り装置などの他の機器が配置されていてもよい。

第１熱交換器２０２は、外気と圧縮機構１０２から吐出された高温高圧の空気を熱交換させることによって、空気を冷却し、外気へ熱を放出する。第１熱交換器２０２として、フィンチューブ熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。

第２熱交換器２０４は、冷凍庫２０６から吸入した冷たい空気と、第１熱交換器２０２で冷却された高圧かつ外気温より温度の高い空気とを熱交換させる。第２熱交換器２０４として、例えば、プレート式熱交換器を使用できる。

［２－２．動作］
圧縮機構１０２で圧縮された冷媒は、第１熱交換器２０２及び第２熱交換器２０４において冷却される。冷却された冷媒は、膨張機構１０４において膨張する。これにより、冷媒の温度がさらに低下する。低温の冷媒は、冷凍庫２０６に供給される。冷凍庫２０６から排出された冷媒は、第２熱交換器２０４において加熱され、その後、圧縮機構１０２に導入される。一例において、圧縮機構１０２の入口における冷媒の温度は、２０℃である。圧縮機構１０２の出口における冷媒の温度は、８５℃である。第１熱交換器２０２の冷媒出口における冷媒の温度は、４０℃である。膨張機構１０４の入口における冷媒の温度は、－３０℃である。膨張機構１０４の出口における冷媒の温度は、－７０℃である。

膨張機構１０４において、空気の膨張により得られた動力は、圧縮機構１０２の動力として回生される。

本実施の形態の冷凍装置２００は、膨張機一体型圧縮機１００を備えたものである。本実施の形態によれば、膨張機一体型圧縮機１００の耐久性を向上させた冷凍装置２００を提供できる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１及び２を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１及び２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

上記実施の形態１では、ステップＳ２において、温度Ｔｉが閾値温度Ｔ１以上である場合に、回転軸１２０の回転を第２速度まで加速させて、膨張機一体型圧縮機１００の定格回転速度運転を開始する（ステップＳ１０）。ステップＳ２において、温度Ｔｉが閾値温度Ｔ１以上である場合、温度Ｔｉが閾値温度Ｔ２を超えるまでは、回転軸１２０を第１速度で回転させてもよい。すなわち、温度Ｔｉが閾値温度Ｔ２を超えたとき、回転軸１２０の回転を第２速度に上げて、膨張機一体型圧縮機１００の定格回転速度運転を開始するようにしてもよい。

第１気体軸受１１８は、マルチリセス型などの静圧軸受であってもよい。このような構成によれば、凝縮水により各リセスへの圧力供給が阻害されることを抑制できるので、摩擦低減と反力の安定化が図れる。よって、第１気体軸受１１８の損傷を抑制し、膨張機一体型圧縮機１００の耐久性を向上することができる。

第１気体軸受１１８は、ティルティングパット軸受、ヘリングボーン溝付き軸受など、フォイル軸受以外の他の方式の動圧気体軸受であってもよい。このような構成によっても、摩擦低減と反力の安定化が図れる。

電動機１０６は、圧縮機構１０２と膨張機構１０４との間に設けられていなくてもよい。圧縮機構１０２と膨張機構１０４を隣接させ、電動機１０６を外側に配置してもよい。言い換えると、膨張機一体型圧縮機は、回転軸１２０の軸方向に沿って、膨張機構１０４、圧縮機構１０２及び電動機１０６がこの順番で並ぶように構成されていてもよい。このような構成によれば、膨張機一体型圧縮機１００の運転開始後、電動機１０６から膨張機構１０４への熱移動が低減されるので、冷凍装置２００の効率を向上することができる。

冷凍装置２００において、第１熱交換器２０２の放熱先は、外気に限らず、水などの他の媒体であってもよい。

本明細書に開示された膨張機一体型圧縮機は、特に、気体軸受を用いた膨張機一体型圧縮機及びこれを用いた冷凍装置に有用である。本明細書に開示された冷凍装置は、冷凍庫、冷凍倉庫、食品冷凍機器などに適用可能である。

１００ 膨張機一体型圧縮機
１０２ 圧縮機構
１０２ａ 圧縮機構入口
１０２ｂ 圧縮機構出口
１０３ インペラ
１０４ 膨張機構
１０４ａ 膨張機構入口
１０４ｂ 膨張機構出口
１０５ タービンホイール
１０６ 電動機
１０８ 回転子
１１０ 固定子
１１１ 回転体
１１４ 第２気体軸受
１１６ 第３気体軸受
１１６ａ スラストカラー
１１８ 第１気体軸受
１１８ａ フォイルホルダ
１１８ｂ フォイル
１２０ 回転軸
１２２ ケーシング
１２４ 発熱体
１２５ 第２空間
１２６ 第１空間
１３０ 制御部
１４０，１４１，１４２ 温度センサ
２００ 冷凍装置
２０２ 第１熱交換器
２０４ 第２熱交換器
２０６ 冷凍庫
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 流路

Claims (12)

1. 回転軸と、
   冷媒を圧縮する圧縮機構と、
   前記回転軸を支持する気体軸受と前記回転軸に取り付けられたタービンホイールとを有し、前記回転軸を介して前記圧縮機構と接続され、前記冷媒を膨張させる膨張機構と、
   前記気体軸受の温度又は前記気体軸受の周囲の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出結果に応じて前記気体軸受を加熱する発熱体と、
   を備えた、膨張機一体型圧縮機。
2. 前記回転軸の回転が停止した状態において、前記温度センサによって前記気体軸受の温度又は前記気体軸受の周囲の温度が検出され、かつ、前記温度センサの検出結果に応じて前記気体軸受が加熱される、
   請求項１に記載の膨張機一体型圧縮機。
3. 前記気体軸受の温度又は前記気体軸受の周囲の温度が閾値温度Ｔ１未満である場合、前記発熱体が前記気体軸受を加熱する、
   請求項２に記載の膨張機一体型圧縮機。
4. 前記閾値温度Ｔ１は、外気温よりも低い温度である、
   請求項３に記載の膨張機一体型圧縮機。
5. 前記圧縮機構は、吸入口を有し、
   前記閾値温度Ｔ１は、前記吸入口における前記冷媒の吸入温度よりも低い温度である、
   請求項３に記載の膨張機一体型圧縮機。
6. 前記気体軸受の温度又は前記気体軸受の周囲の温度が閾値温度Ｔ２を超えた場合、前記発熱体が前記気体軸受の加熱を停止する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の膨張機一体型圧縮機。
7. 前記閾値温度Ｔ２は、外気温よりも高い温度である、
   請求項６に記載の膨張機一体型圧縮機。
8. 前記気体軸受の温度又は前記気体軸受の周囲の温度が閾値温度Ｔ３を超えた場合、前記回転軸の回転を開始し、
   前記閾値温度Ｔ３は、外気温よりも高い温度である、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の膨張機一体型圧縮機。
9. 前記気体軸受の温度又は前記気体軸受の周囲の温度が閾値温度Ｔ２を超えた場合、前記発熱体が前記気体軸受の加熱を停止し、
   前記気体軸受の温度又は前記気体軸受の周囲の温度が閾値温度Ｔ３を超えた場合、前記回転軸の回転を開始し、
   前記閾値温度Ｔ３は、前記閾値温度Ｔ２よりも低い温度である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の膨張機一体型圧縮機。
10. 前記閾値温度Ｔ２及び前記閾値温度Ｔ３は、外気温よりも高い温度である、
    請求項９に記載の膨張機一体型圧縮機。
11. 前記気体軸受の温度又は前記気体軸受の周囲の温度が前記閾値温度Ｔ３を超え、かつ前記閾値温度Ｔ２未満である場合、前記回転軸は第１速度で回転し、
    前記気体軸受の温度又は前記気体軸受の周囲の温度が前記閾値温度Ｔ２を超えた場合、前記回転軸は前記第１速度よりも速い第２速度で回転する、
    請求項９又は１０に記載の膨張機一体型圧縮機。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の膨張機一体型圧縮機を備えた、冷凍装置。

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