JP4812367B2 - 空気サイクル冷凍冷却システムおよびその空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット - Google Patents

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等や空調に利用される空気サイクル冷凍冷却システム、およびその空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットに関する。

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 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負荷される。空気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。
また、主軸を転がり軸受により回転自在に支承し、前記主軸に作用するスラスト力を検出するセンサの出力によってこの主軸にかかるスラスト力を電磁石により一部もしくは全部を支承する空気冷却用タービンユニットでは、ユニット周りの空気の流れによって、転がり軸受内の潤滑剤が飛散もしくは乾燥し、軸受の長期耐久性が確保できないといった問題がある。

この発明の目的は、タービンユニットの主軸を支持する転がり軸受の長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの信頼性向上が図れる空気サイクル冷凍冷却システムおよび空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットを提供することである。
この発明の他の目的は、タービンユニットの各翼車とディフューザとの隙間を微小に保って安定した高速回転を得ることができ、高い圧縮および膨張の効率が得られるものとすることである。

この発明の空気サイクル冷凍冷却システムは、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脹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であって、前記タービンユニットが、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車を共通の主軸の両端にそれぞれ取付け、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、前記コンプレッサ翼車側およびタービン翼車側にそれぞれ位置する２個の転がり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、前記転がり軸受の両端の気体圧力を等しくさせる圧力均等化手段を設け、前記圧力均等化手段は、各軸受における両側の幅面の圧力を、それぞれ均等化させることを特徴とする。

この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、コンプレッサおよび膨張タービンを有する空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットであって、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車が共通の主軸の両端にそれぞれ取付けられ、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、前記コンプレッサ翼車側およびタービン翼車側にそれぞれ位置する２個の転がり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、前記転がり軸受の両端の気体圧力を等しくさせる圧力均等化手段を設け、前記圧力均等化手段は、各軸受における両側の幅面の圧力を、それぞれ均等化させるものである。

この構成の空気サイクル冷凍冷却システムは、流入空気を予圧縮手段により圧縮し、この圧縮により温度を高くした状態で熱交換器により冷却を行う。冷却された空気は、タービンユニットのコンプレッサでさらに圧縮して温度を上昇させ、他の熱交換器で再度冷却する。この冷却された空気を他の熱交換器で冷却し、タービンユニットの膨張タービンに導いて、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。
タービンユニットは、コンプレッサ翼車および前記膨張タービン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。

この発明の空気サイクル冷凍冷却システムおよび空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、前記タービンユニットは、モータ駆動であっても良い。すなわち、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車およびモータロータを共通の主軸に取付け、前記モータロータに対向させたモータステータからの磁力によって主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を駆動す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、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。

上記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る場合、およびモータを設けて主軸を駆動する場合のいずれにおいても、上記タービンユニットの圧縮，膨張の効率を確保するためには、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保つ必要がある。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、翼車の主軸を転がり軸受により支承すると、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、主軸位置が規制され、各翼車とハウジングの微小隙間を一定に保つことができる。このようなアキシアル方向位置の規制機能を有する転がり軸受の場合に、高速回転する軸受の上記スラスト力による長期耐久性の低下が問題となるが、電磁石でスラスト力を支承するため、転がり軸受の長期耐久性が確保できる。このように主軸のラジアル方向の支承を転がり軸受で行い、スラスト力を電磁石で行うようにしたため、翼車の微小隙間を保ちながら、主軸の安定した高速回転が得られる。

特に、この発明は、上記各転がり軸受の両端に作用する気体圧力を互いに等しくさせる圧力均等化手段を設けたため、次の利点が得られる。
すなわち、主軸には、高速で回転する各翼車が設けられているため、そのままでは各軸受の両側の幅面に大きな圧力差が生じ、この圧力差は、各軸受にシールが設けられていても、漏れが生じてグリースの飛散や乾燥を招く。このようなグリースの飛散や乾燥が、圧力均等化手段によって防止される。

前記圧力均等化手段は、前記主軸と前記軸受の内輪間に設けられたすき間であっても良い。また、圧力均等化手段は、前記軸受の外輪と接触する部材間、もくしは前記転がり軸受の外輪と接触する部材内に設けられたすき間であっても良い。いずれの場合も、圧力均等化手段が簡単な加工で得られる。圧力均等化手段は、この他に、主軸内に設けられた通気孔であっても良い。

前記転がり軸受は、深溝玉軸受等のような内外輪間のアキシアル方向位置の保持機能を有するものが好ましい。アンギュラ玉軸受であっても良い。
前記転がり軸受は、グリース潤滑とすることが好ましい。空気冷却システムでは、冷却媒体となる空気をそのまま冷凍庫等の被冷却空間に送り込むため、油潤滑であると、潤滑油のミスト等が冷却空気を汚す恐れがある。グリース潤滑であると、このような被冷却空気の汚れの問題が低減する。
グリース潤滑である場合、転がり軸受周辺の部材内にグリース溜りを設けることが好ましい。空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、高速回転であること、さらにコンプレッサの出力側では高温の気体が流れることから、軸受温度は高温になり、早期にグリースの枯渇の恐れもある。転がり軸受周辺の部材内にグリース溜りを設け、グリースの保有量を確保することにより、転がり軸受の耐久性を向上することができる。

上記タービンユニットにおいて、コンプレッサーとタービン間に、漏れ流量を抑制する非接触シールを設けることが望ましい。コンプレッサーとタービン間の漏れ流量を抑制することで、転がり軸受周りの気体の流れを減少させることができ、グリースの飛散や乾燥を防ぐことができる。

この発明の空気サイクル冷凍冷却システムは、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であって、前記タービンユニットが、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨張タービン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、または予圧縮手段の有無に係わらず、前記タービンユニットが、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車、前記膨張タービンのタービン翼車およびモータロータを共通の主軸の両端にそれぞれ取付け、モータステータ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、前記コンプレッサ翼車側およびタービン翼車側にそれぞれ位置する２個の転がり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を電磁石により支承し、さらに転がり軸受の両端の気体圧力を等しくする圧力均等化手段を設け、前記圧力均等化手段は、各軸受における両側の幅面の圧力を、それぞれ均等化させることで、転がり軸受の潤滑剤の飛散や乾燥を防止したため、タービンユニットの主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの信頼性向上を図ることができる。

この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、コンプレッサおよび膨張タービンを有する空気冷却用タービンユニットであって、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車が共通の主軸の両端にそれぞれ取付けられ、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、または前記モータロータに対向させたモータステータからの磁力によって主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を駆動するものであり、前記主軸を、前記コンプレッサ翼車側およびタービン翼車側にそれぞれ位置する２個の転がり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、さらに転がり軸受の両端の気体圧力を等しくする圧力均等化手段を設け、前記圧力均等化手段は、各軸受における両側の幅面の圧力を、それぞれ均等化させることで、転がり軸受の潤滑剤の飛散や乾燥を防止したため、主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの信頼性向上を図ることができる。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１は、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の付近の空気はコイル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。

図２は、空気サイクル冷凍冷却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、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。

なお、後に図５の例で示すように、コンプレッサ６のコンプレッサ翼車６ａ、膨張タービン７のタービン翼車７ａおよびモータロータ９２を共通の主軸１３に取付け、モータ９０の駆動力で主軸１３を駆動してもよい。モータ９０を設けて主軸１３を駆動する場合、コンプレッサ６よりも前段にブロア等の予圧縮手段２（図１）を設ける必要がなくなる。

図２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、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。

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。

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。
主軸１３の軸受１５，１６の嵌合部分には、圧力均等化手段８１が設けられている。圧力均等化手段８１については、後に図３と共に詳述する。
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が軸受ハウジング２３内に固定状態に嵌合している。軸受ハウジング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１４ａに設けられた内径孔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。

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おいて、冷却媒体となる空気を圧縮して温度上昇させ、熱交換器８，９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、空気サイクル冷凍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、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は、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。

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。また、転がり軸受からなる各軸受１５，１６は、第２の弾性要素２６により弾性支持し、適切な予圧を与えているため、主軸１３の軸方向位置が安定し、各翼車６ａ，７ａの微小隙間ｄ１，ｄ２がさらに確実に維持され、さらに安定した高速回転が得られる。

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内部の潤滑剤を乾燥させ、塵埃があると軸受１５，１６内を汚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３において、圧力均等化手段８１につき説明する。このタービンユニット５は、主軸１３を支持する各軸受１５，１６について、それぞれの軸受１５，１６の両側の幅面に作用する空気圧を互いに均等にする圧力均等化手段８１を設けている。
圧力均等化手段８１は、例えば、同図（Ｂ）に示すものとされるが、同図（Ｃ）または同図（Ｄ）に示すものであっても良い。同図（Ｂ）の（ａ），（ｂ）は、それぞれ同図（Ａ）のａ−ａ線断面およびｂ−ｂ線断面である。同図（Ｃ）の（ａ），（ｂ）は、同図（Ａ）のａ−ａ線断面，ｂ−ｂ線断面における変形例を示し、同図（Ｄ）の（ａ），（ｂ）は、同じく同図（Ａ）のａ−ａ線断面，ｂ−ｂ線断面における他の変形例を示す。いずれの場合も、圧力均等化手段が簡単な加工で得られる。

同図（Ｂ）の例は、圧力均等化手段８１が、主軸１３における軸受１５，１６の内輪１５ａ，１６ａの接触部分に設けられた非円形部８１ａと内輪１５ａ，１６ａの内径面との間に生じた隙間からなる。非円形部８１ａは、この例では主軸１３の外径面を平坦面に加工した部分であり、円周方向の３箇所に等配してある。非円形部８１ａは溝状部分であっても良い。

同図（Ｃ）の例は、圧力均等化手段８１が、軸受１５，１６の外輪１５ｂ，１６ｂと接触する部材であるスピンドルハウジング１４および軸受ハウジング２３にそれぞれ設けられた溝状の切欠状部からなる。

同図（Ｄ）の例は、圧力均等化手段８１が、センサ非取付側の軸受１５については、スピンドルハウジング１４に設けられた通気孔とされ、センサ１８の取付側の軸受１６については軸受ハウジング２３に設けられた通気孔からなる。

これら図３の各図の例のように、圧力均等化手段８１を設けた場合、軸受１５の両側の幅面の圧力、および軸受１６の両側の圧力がそれぞれ均等化することにより、これら軸受１５，１６内のグリースが飛散したり乾燥することが防止される。すなわち、各軸受１５，１６で支持する主軸１３には、高速で回転する各翼車６，７が設けられているため、そのままでは両側の幅面に大きな圧力差が生じ、この圧力差は、各軸受１５，１６にシールが設けられていても、漏れが生じてグリースの飛散や乾燥を招く。このようなグリースの飛散が、圧力均等化手段８１によって防止される。
なお、圧力均等化手段８１は、主軸１３に設けた通気孔からなるものとしても良い。

図４は、さらに他の実施形態にかかるタービンユニット５を示す。このタービンユニット５は、図２に示す例において、両側の軸受１５，１６の近傍にグリース溜まり８８を設けたものである。グリース溜まり８８は、軸受１５，１６の内外輪間の軸受空間に対向してスピンドルハウジング１４に設けられており、円周溝または円周方向の複数箇所に設けたられた凹部からなる。各軸受１５，１６は、グリース溜まり８８側はシール無し、その反対側はシール付きとされる。
このようにグリース溜まり８８を設けた場合、グリース寿命が向上し、タービンユニット５の定期点検の期間を長くすることができる。

図５は、さらに他の実施形態にかかるタービンユニット５を示す。このタービンユニット５は、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で行われる。図５に示したタービンユニット5 では、図３の例と同様に圧力均等化手段８１を設け、図４の例と同様にグリース溜り８８を設けている。

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、図１のブロアからなる予圧縮手段２が、モータ２ａを有しないものであっても、コンプレッサ６の回転駆動が可能となる。

この発明の第１の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却システムの系統図である。 同空気サイクル冷凍冷却システムに用いた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。 （Ａ）は図２の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの概略断面図、（Ｂ）は同図（Ａ）のａ−ａ線断面図およびｂ−ｂ線断面図、（Ｃ）は同図（Ａ）のａ−ａ線断面図およびｂ−ｂ線断面図に相当する変形例の断面図、（Ｄ）は同図（Ａ）のａ−ａ線断面図およびｂ−ｂ線断面図に相当する他の変形例の断面図である。 他の実施形態における空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。 さらに他の実施形態における空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。

符号の説明

１…空気循環経路
１ａ…取入口
１ｂ…排出口
２…予圧縮手段
３…第１の熱交換機
５…空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット
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
９…中間熱交換器
１０…被冷却空間
１３…主軸
１３ａ…スラスト板
１４…スピンドルハウジング
１５，１６…軸受
１７…電磁石
１８…センサ
１９…コントローラ
２１，２２…非接触シール
２３…軸受ハウジング
２５…第１のばね要素
２６…第２のばね要素
８１…圧力均等化手段
８８…グリース溜まり
９０…モータ
９３…モータコントローラ

Claims (10)

1. 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脹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であって、
   前記タービンユニットが、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車を共通の主軸の両端にそれぞれ取付け、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、前記コンプレッサ翼車側およびタービン翼車側にそれぞれ位置する２個の転がり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、前記転がり軸受の両端の気体圧力を等しくさせる圧力均等化手段を設け、前記圧力均等化手段は、各軸受における両側の幅面の圧力を、それぞれ均等化させる空気サイクル冷凍冷却システム。
2. 流入空気に対して、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脹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であって、
   前記タービンユニットが、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車およびモータロータを共通の主軸の両端にそれぞれ取付け、前記モータロータに対向させたモータステータからの磁力によって主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を駆動するものであり、前記主軸を、前記コンプレッサ翼車側およびタービン翼車側にそれぞれ位置する２個の転がり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、前記転がり軸受の両端の気体圧力を等しくさせる圧力均等化手段を設け、前記圧力均等化手段は、各軸受における両側の幅面の圧力を、それぞれ均等化させる空気サイクル冷凍冷却システム。
3. コンプレッサおよび膨張タービンを有する空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットであって、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車が共通の主軸の両端にそれぞれ取付けられ、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、前記コンプレッサ翼車側およびタービン翼車側にそれぞれ位置する２個の転がり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、前記転がり軸受の両端の気体圧力を等しくさせる圧力均等化手段を設け、前記圧力均等化手段は、各軸受における両側の幅面の圧力を、それぞれ均等化させる空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
4. コンプレッサおよび膨張タービンを有する空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットであって、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車およびモータロータが共通の主軸の両端にそれぞれ取付けられ、前記モータロータに対向させたモータステータからの磁力によって主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を駆動するものであり、前記主軸を、前記コンプレッサ翼車側およびタービン翼車側にそれぞれ位置する２個の転がり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、前記転がり軸受の両端の気体圧力を等しくさせる圧力均等化手段を設け、前記圧力均等化手段は、各軸受における両側の幅面の圧力を、それぞれ均等化させる空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
5. 請求項３または請求項４において、前記圧力均等化手段が、前記主軸における前記転がり軸受の内輪と前記主軸間に設けられたすき間である空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
6. 請求項３または請求項４において、前記圧力均等化手段が、前記転がり軸受の外輪と接触する部材間、もくしは前記転がり軸受の外輪と接触する部材内に設けられた隙間部である空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
7. 請求項３または請求項４において、前記圧力均等化手段が、前記主軸内に設けられた通気孔である空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
8. 請求項３ないし請求項７のいずれか１項において、前記転がり軸受はグリース潤滑である空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
9. 請求項８において、前記転がり軸受周辺に配した部材内にグリース溜りを設けたことを特徴とする空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
10. 請求項３ないし請求項９のいずれか１項において、コンプレッサーとタービン側間の漏れ流量を抑制する非接触シールを設けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

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