JP5004535B2 - Turbine unit for air cycle refrigeration cooling - Google Patents
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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用タービンユニットに関する。 The present invention relates to a turbine unit for an air cycle refrigeration cooling system in which air is used as a refrigerant and is used for a refrigeration warehouse, a low-temperature room of zero degrees or less, and air conditioning.
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)。
The use of air as a refrigerant is preferable in terms of environmental protection and safety compared to the case of using chlorofluorocarbon or ammonia gas, but is insufficient in terms of characteristics as energy efficiency. However, when used in a facility that can directly blow in air, such as a refrigerated warehouse, the total cost can be reduced to the same level as existing systems by taking measures such as omitting the internal fan and defrost. there is a possibility. At present, the use of chlorofluorocarbon as a refrigerant is already restricted from the environmental viewpoint, and it is desired to avoid using other refrigerant gas as much as possible. Therefore, an air cycle refrigeration cooling system that uses air as a refrigerant has been proposed for the above-described applications (for example,
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)。
Further, it is stated that the theoretical efficiency of air cooling is equal to or higher than that of chlorofluorocarbon or ammonia gas in a deep coal region of −30 ° C. to −60 ° C. (Non-patent Document 1). However, it is also stated that obtaining the theoretical efficiency of the air cooling is not possible until there is an optimally designed peripheral device. The peripheral device is a compressor, an expansion turbine, or the like.
As the compressor and the expansion turbine, a turbine unit in which a compressor impeller and an expansion turbine impeller are attached to a common main shaft is used (
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)。
In addition, although it is a proposal for a gas turbine engine, in order to avoid the thrust load acting on the rolling bearing for supporting the main shaft from shortening the bearing life, the thrust load acting on the rolling bearing should be reduced by the thrust magnetic bearing. Has been proposed (Patent Document 3).
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。
As described above, as the air cycle refrigeration cooling system, in order to obtain the theoretical efficiency of air cooling that is highly efficient in the deep coal region, an optimally designed compressor and expansion turbine are required.
As the compressor and the expansion turbine, a turbine unit in which the compressor wheel and the expansion turbine wheel are attached to a common main shaft as described above is used. In this turbine unit, the compressor impeller can be driven by the power generated by the expansion turbine, thereby improving the efficiency of the air cycle refrigerator.
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用タービンユニットにおけるタービンユニットの主軸の回転速度は、1分に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、しいては空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が難しい。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。
However, in order to obtain practical efficiency, it is necessary to keep the gap between each impeller and the housing minute. The fluctuation of the gap hinders stable high-speed rotation and causes a decrease in efficiency.
In addition, a thrust force acts on the main shaft by the air acting on the compressor impeller and the turbine impeller, and a thrust load is applied to the bearing that supports the main shaft. The rotation speed of the main shaft of the turbine unit in the turbine unit for air cycle refrigeration cooling is 80,000 to 100,000 rotations per minute, which is very high compared to a bearing for general use. For this reason, the thrust load as described above causes a decrease in long-term durability and life of the bearing supporting the main shaft, and decreases the reliability of the turbine unit for air cycle refrigeration cooling. Unless the problem of long-term durability of such a bearing is solved, it is difficult to put the air cycle refrigeration cooling turbine unit into practical use, and hence the air cycle refrigeration cooling system into practical use. However, the techniques disclosed in
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、上記翼車とハウジング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サイクル冷凍冷却用タービンユニットでは、その主軸に作用するスラスト力の検出精度が低いと、軸受へのスラスト力を有効に低減することができず、軸受の長期耐久性が確保できないといった問題がある。
In the case where the main shaft is supported by a journal bearing made of a magnetic bearing and a thrust bearing, such as the magnetic bearing type turbine compressor of
Further, in an air cycle refrigeration cooling turbine unit in which a main shaft is rotatably supported by a bearing, and a thrust force applied to the main shaft is supported partly or entirely by an electromagnet by an output of a sensor that detects a thrust force acting on the main shaft. If the accuracy of detecting the thrust force acting on the main shaft is low, there is a problem that the thrust force on the bearing cannot be effectively reduced and the long-term durability of the bearing cannot be ensured.
この発明の目的は、翼車の微小隙間を保ちながら安定した高速回転が得られ、主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化、信頼性の向上を安価に図れる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。 An object of the present invention is an air cycle refrigeration cooling that can achieve stable high-speed rotation while maintaining a minute clearance of an impeller, and can improve long-term durability, long life, and reliability of a bearing that supports a main shaft at low cost. A turbine unit for a vehicle is provided.
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、および前記膨張タービンのタービン翼車が共通の主軸に取付けられ、タービン翼車で発生した動力によりコンプレッサ翼車が駆動され、または前記コンプレッサ翼車および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られてそのモータにより前記主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を回転させるものであり、
前記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または全部を支承することを特徴とした空気冷却用タービンユニットであって、
前記センサは前記転がり軸受の近傍における静止側に配置させ、前記センサは押付け力により特性が変化しその特性変化が電気的に検出可能なセンサ素子を主軸軸心の周りに円周方向に並べて配置し、これら複数個のセンサ素子の出力から前記スラスト力を検出するものであり、前記転がり軸受の外輪とこの外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に介在させたものである。前記センサは主軸軸心周りの円周方向に並べて配置された複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するものである。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。前記転がり軸受はアンギュラ玉軸受であっても良い。
An air cycle refrigeration cooling turbine unit of the present invention is an air cooling turbine unit having a compressor and an expansion turbine, wherein the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine are attached to a common main shaft, The compressor impeller is driven by the power generated in the turbine impeller, or a motor rotor is attached to a common main shaft to which the compressor impeller and the turbine impeller are attached, and the main shaft is rotated by the motor, whereby the compressor impeller is rotated. Which rotates the car,
The main shaft is rotatably supported by a rolling bearing, and the thrust force applied to the main shaft is supported partly or entirely by an electromagnet according to the output of a sensor that detects the thrust force acting on the main shaft. A turbine unit,
The sensor is arranged on the stationary side in the vicinity of the rolling bearing , and the sensor has a sensor element whose characteristics are changed by the pressing force, and sensor elements that can electrically detect the characteristic change are arranged around the spindle axis in the circumferential direction. and is from the outputs of the plurality of sensor elements to detect the thrust forces, Ru der that is interposed between the spindle housing for supporting the outer ring and the outer ring of the rolling bearing. The sensor detects a thrust force by detecting the permeability of a plurality of magnetostrictive materials or giant magnetostrictive materials arranged in a circumferential direction around the spindle axis. Before SL rolling bearing, which has a holding function of the axial-direction position between the inner and outer rings, such as deep groove ball bearings or the like are preferable. The rolling bearing may be an angular ball bearing.
この構成の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、例えば、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に適用される。この場合、冷却媒体となる空気を、熱交換器により比較的高い温度の媒体でも効率良く熱交換できるように、コンプレッサで圧縮して温度上昇させ、前記熱交換器で冷却された空気を他の熱交換器で冷却し、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ように使用される。
この場合の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。
The turbine unit for air cycle refrigeration cooling having this configuration includes, for example, compression by pre-compression means, cooling by a heat exchanger, compression by a compressor of the turbine unit, cooling by another heat exchanger for the incoming air, the turbine unit This is applied to an air cycle refrigeration cooling system that sequentially performs adiabatic expansion by an expansion turbine. In this case, the air used as the cooling medium is compressed by the compressor to increase the temperature so that the heat exchanger can efficiently exchange heat even with a medium having a relatively high temperature. It is cooled by a heat exchanger, led to an expansion turbine, and used to cool and discharge to a target temperature, for example, a very low temperature of about -30 ° C to 60 ° C by adiabatic expansion.
The turbine unit in this case has a compressor impeller and a turbine impeller of the expansion turbine attached to a common main shaft, and drives the compressor impeller by the power generated by the turbine impeller, so a power source is unnecessary. Cooling can be efficiently performed with a compact configuration.
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、上記の他に、モータ駆動としても良い。例えば、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、を順次行い、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空気サイクル冷凍冷却システムに適用しても良い。 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無くなる。 In addition to the above, the air cycle refrigeration cooling turbine unit of the present invention may be motor driven. For example, cooling by a heat exchanger, compression by a compressor of a turbine unit, cooling by another heat exchanger, adiabatic expansion by an expansion turbine of the turbine unit are sequentially performed on the inflow air, and the turbine unit is Compressor impeller of this type and turbine impeller of said expansion turbine and motor rotor are mounted on a common main shaft, and the main shaft is rotated by a magnetic force from a motor stator opposed to the motor rotor, thereby driving the compressor impeller and air cycle refrigeration cooling It may be applied to the system. When the main shaft is driven by providing a motor, it is not necessary to provide pre-compression means such as a blower before the compressor.
この種の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、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、翼車の主軸を転がり軸受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、主軸位置がある程度規制され、各翼車とハウジングの微小隙間を微小を一定に保つことができる。
しかし、タービンユニットの主軸には、各翼車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、主軸を回転支承する転がり軸受に上記スラスト力が作用すると、主軸の長期耐久性が低下する。
In order to ensure the efficiency of compression and expansion of this type of turbine unit, it is necessary to keep the gap between each impeller and the housing minute. In the air cycle refrigeration cooling system, ensuring this efficiency is important. On the other hand, in the air cycle refrigeration cooling turbine unit of the present invention, since the main shaft of the impeller is supported by the rolling bearing, the position of the main shaft is regulated to some extent by the restriction function of the axial position of the rolling bearing. The minute gap between the car and the housing can be kept constant.
However, a thrust force is applied to the main shaft of the turbine unit due to air pressure acting on each impeller. Further, in a turbine unit used in an air cooling system, the rotation speed is very high, for example, about 80,000 to 100,000 rotations per minute. For this reason, when the thrust force acts on a rolling bearing that rotatably supports the main shaft, the long-term durability of the main shaft decreases.
この発明は、上記スラスト力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、主軸支持用の転がり軸受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、前記コンプレッサおよび膨張タービン内の空気により前記主軸に作用するスラスト力を検出するセンサと、このセンサの出力に応じて前記電磁石による支承力を制御するコントローラとを設けたため、転がり軸受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。そのため、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、かつ転がり軸受の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。主軸支持用の転がり軸受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、空気冷却システムのネックとなっているタービンユニット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。 In the present invention, since the thrust force is supported by the electromagnet, it is possible to reduce the thrust force acting on the rolling bearing for supporting the main shaft while suppressing an increase in torque without contact. In this case, since the sensor for detecting the thrust force acting on the main shaft by the air in the compressor and the expansion turbine and the controller for controlling the bearing force by the electromagnet according to the output of the sensor are provided, the rolling bearing is provided. It can be used in an optimum state with respect to the thrust force according to the bearing specifications. Therefore, stable high-speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining an appropriate clearance between the impellers, and the long-term durability and life of the rolling bearing can be improved. Since the long-term durability of the rolling bearing for supporting the main shaft is improved, the reliability of the entire air cycle refrigeration cooling turbine unit and, as a whole, the air cycle refrigeration cooling system is improved. As described above, stable high-speed rotation, long-term durability, and reliability of the main shaft bearing of the turbine unit, which is a bottleneck of the air cooling system, are improved, so that the air cycle refrigeration cooling system can be put to practical use.
前記転がり軸受は、スピンドルハウジングにおける前記コンプレッサ翼車の近傍と、前記タービン翼車の近傍とに配置しても良い。この場合、主軸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。 The rolling bearing may be arranged in the vicinity of the compressor wheel and the turbine wheel in the spindle housing. In this case, since the main shaft is supported at both ends, even more stable high-speed rotation is possible.
前記センサは、押付力により特性が変化しその特性変化が電気的に検出可能なセンサ素子を主軸軸心の回りに円周方向に並べて配置しこれら複数個のセンサ素子の出力から前記スラスト力を検出するものである。このセンサは、前記転がり軸受の外輪とこの外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に介在させる。
円周方向に複数のセンサ素子を配置することで、傾きを生じることなく、転がり軸受の外輪とスピンドルハウジング間に作用するスラスト力を検出できる。また、複数のセンサ素子を用いることで、円周方向の複数箇所に作用する力を平均化して検出できる。
In the sensor, sensor elements whose characteristics change due to the pressing force and in which the characteristic change can be electrically detected are arranged in a circumferential direction around the spindle axis, and the thrust force is obtained from outputs of the plurality of sensor elements. It is to detect. This sensor is interposed between the outer ring of the rolling bearing and the spindle housing that supports the outer ring.
By arranging a plurality of sensor elements in the circumferential direction, it is possible to detect a thrust force acting between the outer ring of the rolling bearing and the spindle housing without causing an inclination. Further, by using a plurality of sensor elements, it is possible to average and detect forces acting on a plurality of locations in the circumferential direction.
前記複数個のセンサ素子は、前記主軸が貫通した2枚のリング状の部材間に介在させても良い。2枚のリング状の部材間にセンサ素子を介在させることで、複数のセンサ素子を一体のセンサとして取り扱うことができ、組立性が良い。 The plurality of sensor elements may be interposed between two ring-shaped members through which the main shaft passes. By interposing a sensor element between two ring-shaped members, a plurality of sensor elements can be handled as an integrated sensor, and assemblability is good.
前記センサは、より具体的には、主軸軸心の回りに円周方向に並べて配置された複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するものであっても良い。これら複数個の磁歪材または超磁歪材は、軟質磁性材料からなる2枚のヨーク部材間に挟み込んでも良い。前記2枚のヨーク部材の間には、前記磁歪材または超磁歪材よりも微小に長さが短い軟質材料からなる第2のヨーク部材を配置しても良い。
センサ素子として磁歪材または超磁歪材を用いると、押付力の検出が精度良く行える。また、前記第2のヨーク部材を用いると、磁路の磁気抵抗が小さくなり、センサの感度が向上する。前記第2のヨーク部材の長さを前記磁歪材または超磁歪材よりも微小に短くすることで、検出するスラスト力の全てが磁歪材または超磁歪材に作用するため、押付力の検出が精度良く行える。
More specifically, the sensor detects a thrust force by detecting the permeability of a plurality of magnetostrictive materials or super magnetostrictive materials arranged in a circumferential direction around the spindle axis. Also good. The plurality of magnetostrictive materials or giant magnetostrictive materials may be sandwiched between two yoke members made of a soft magnetic material. A second yoke member made of a soft material that is slightly shorter than the magnetostrictive material or the giant magnetostrictive material may be disposed between the two yoke members.
When a magnetostrictive material or a giant magnetostrictive material is used as the sensor element, the pressing force can be detected with high accuracy. Further, when the second yoke member is used, the magnetic resistance of the magnetic path is reduced, and the sensitivity of the sensor is improved. By making the length of the second yoke member slightly shorter than the magnetostrictive material or the giant magnetostrictive material, all of the detected thrust force acts on the magnetostrictive material or the giant magnetostrictive material, so that the detection of the pressing force is accurate. Can do well.
また、前記磁歪材または超磁歪材の端面に、その厚み方向に着磁された永久磁石が直接密着して設けられ、これら磁歪材または超磁歪材と永久磁石とを、軟質材料からなる2枚のヨーク部材間に挟み込んでも良い。この場合にも、前記2枚のヨーク部材の間に、前記磁歪材または超磁歪材と前記永久磁石とを重ねた長さよりも微小に長さが短い軟質材料からなる第2のヨーク部材を配置しても良い。
永久磁石を用いると、バイアス磁界を与えることができ、磁歪材または超磁歪材の透磁率の変化の大きい箇所を選んで検出に使用でき、検出感度を向上させることができる。前記第2のヨーク部材の長さを前記磁歪材または超磁歪材と前記永久磁石とを重ねた長さよりも微小に短くすることで、検出するスラスト力の全てが磁歪材または超磁歪材に作用するため、押付力の検出が精度良く行える。
Further, permanent magnets magnetized in the thickness direction are provided in close contact with the end face of the magnetostrictive material or giant magnetostrictive material, and the magnetostrictive material or giant magnetostrictive material and the permanent magnet are made of two soft materials. It may be sandwiched between the yoke members. Also in this case, a second yoke member made of a soft material that is slightly shorter than the length in which the magnetostrictive material or super magnetostrictive material and the permanent magnet are overlapped is disposed between the two yoke members. You may do it.
When a permanent magnet is used, a bias magnetic field can be applied, and a portion having a large change in permeability of the magnetostrictive material or the giant magnetostrictive material can be selected and used for detection, and the detection sensitivity can be improved. By making the length of the second yoke member slightly shorter than the length of the magnetostrictive material or giant magnetostrictive material and the permanent magnet overlapped, all of the detected thrust forces act on the magnetostrictive material or giant magnetostrictive material. Therefore, the pressing force can be detected with high accuracy.
前記複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するセンサの場合に、前記センサは、磁歪材または超磁歪材の周りにセンサコイルを配置し、前記透磁率を、前記センサコイルのインダクタンスを測定することで検出するものとしても良い。この場合に、前記センサコイルを複数設け、これら複数のセンサコイルを直列に接続し、前記各センサコイルの出力の平均化を行うものとしても良い。この場合に、前記センサコイル、および前記磁歪材または超磁歪材は、それぞれ偶数個とし、近接する各センサコイルに流れる電流は互いに反対方向としても良い。
センサコイルのインダクタンスを測定することで検出する構成とした場合、透磁率の変化を精度良く検出できる。また、前記センサコイルを複数設け、これらの出力の平均化を行なうことで、精度よくスラスト力を検出できる。さらに、複数のセンサコイルを直列に接続することで、接続した全てのセンサコイルの両端間には各センサコイルのインダクタンスの合計に相当するインダクタンスが接続されたことになり、この全体のインダクタンス変化を検出することで、各センサコイルのインダクタンスを平均化したことになり、簡単に平均化処理が図れる特長をもつ。さらに、前記磁歪材または超磁歪材は、それぞれ偶数個とし、近接する各センサコイルに流れる電流は互いに反対方向とすることで、前記磁歪材または超磁歪材にはほぼ共通の磁束を通すことができ、各センサコイルのインダクタンス特性を同じにすることができることから、精度良く検出できる。
In the case of a sensor that detects a thrust force by detecting the permeability of the plurality of magnetostrictive materials or giant magnetostrictive materials, the sensor includes a sensor coil disposed around the magnetostrictive material or the giant magnetostrictive material, and the permeability May be detected by measuring the inductance of the sensor coil. In this case, a plurality of sensor coils may be provided, and the plurality of sensor coils may be connected in series to average the outputs of the sensor coils. In this case, the sensor coil and the magnetostrictive material or the giant magnetostrictive material may be an even number, and the currents flowing in the adjacent sensor coils may be in opposite directions.
When it is configured to detect by measuring the inductance of the sensor coil, a change in magnetic permeability can be detected with high accuracy. Further, the thrust force can be detected with high accuracy by providing a plurality of the sensor coils and averaging these outputs. Furthermore, by connecting a plurality of sensor coils in series, an inductance equivalent to the sum of the inductances of each sensor coil is connected between both ends of all the connected sensor coils. By detecting, it means that the inductance of each sensor coil is averaged, and it has an advantage that the averaging process can be easily performed. Furthermore, the magnetostrictive material or the giant magnetostrictive material is an even number, and the currents flowing through the adjacent sensor coils are in opposite directions so that a substantially common magnetic flux can be passed through the magnetostrictive material or the giant magnetostrictive material. In addition, since the inductance characteristics of the sensor coils can be made the same, detection can be performed with high accuracy.
前記複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するセンサの場合に、前記センサは、前記センサコイルのインダクタンスと別置きのコンデンサとの共振を利用し、前記インダクタンスの変化によって変化する共振周波数の変化から前記インダクタンス変化を測定するものであっても良い。
共振周波数の変化から前記インダクタンス変化を測定するものであると、精度良く透磁率の変化を検出できる。
In the case of a sensor that detects a thrust force by detecting the permeability of the plurality of magnetostrictive materials or giant magnetostrictive materials, the sensor uses resonance between the inductance of the sensor coil and a separate capacitor, and The inductance change may be measured from a change in resonance frequency that changes with a change in inductance.
If the inductance change is measured from the change in resonance frequency, the change in permeability can be detected with high accuracy.
前記複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するセンサの場合に、前記センサは、前記センサコイルの一方端に一定周波数で一定振幅電圧の搬送波を入力し、前記センサコイルのインダクタンスと別置きのコンデンサとの共振を利用し、前記インダクタンスの変化によって変化する前記センサコイルの他方端の電圧振幅から前記インダクタンス変化を測定するものであって良い。この構成の場合も精度良く透磁率の変化を検出できる。 In the case of a sensor that detects a thrust force by detecting the permeability of the plurality of magnetostrictive materials or giant magnetostrictive materials, the sensor inputs a carrier wave having a constant frequency and a constant frequency to one end of the sensor coil. The inductance change may be measured from the voltage amplitude at the other end of the sensor coil, which changes due to the change in inductance, using the resonance between the inductance of the sensor coil and a separate capacitor. Even in this configuration, a change in magnetic permeability can be detected with high accuracy.
前記複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するセンサの場合に、前記センサは、前記センサコイル以外に、磁歪材または超磁歪材周りに励磁コイルを配置し、前記励磁コイルに一定周波数で一定電流の励磁電流を流し、前記センサコイルに励磁される電流を検出することで、スラスト力を測定するものとしても良い。 この構成の場合には、励磁コイルに流す電流をコントロールすることで、荷重変化に対する磁歪材または超磁歪材の透磁率変化点を最適なものに設定でき、透磁率の変化を精度良く検出することができる。 In the case of a sensor that detects a thrust force by detecting the permeability of the plurality of magnetostrictive materials or giant magnetostrictive materials, the sensor arranges an excitation coil around the magnetostrictive material or the giant magnetostrictive material in addition to the sensor coil. The thrust force may be measured by passing an excitation current of a constant current through the excitation coil at a constant frequency and detecting the current excited in the sensor coil. In this configuration, by controlling the current flowing through the exciting coil, the magnetic permeability change point of the magnetostrictive material or super magnetostrictive material with respect to the load change can be set to the optimum one, and the change in magnetic permeability can be detected accurately. Can do.
前記複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するセンサの場合に、前記センサはホールセンサを利用し、前記磁歪材または超磁歪材の透磁率の変化に伴い変化する磁束密度を検出することでスラスト力を測定するものとしても良い。ホールセンサは外部から直流電源を繋ぐことで、環境の磁束密度をアナログ出力するため、簡単で安価に測定ができる。 In the case of a sensor that detects a thrust force by detecting the permeability of the plurality of magnetostrictive materials or giant magnetostrictive materials, the sensor uses a Hall sensor to change the permeability of the magnetostrictive material or the giant magnetostrictive material. The thrust force may be measured by detecting the accompanying magnetic flux density. The Hall sensor connects the DC power supply from the outside and outputs the magnetic flux density of the environment in an analog manner, so it can be measured easily and inexpensively.
上記各構成のセンサにおいて、前記センサコイル、または前記磁歪材もしくは超磁歪材の周辺に温度センサを配置し、この温度センサの出力によって前記インダクタンスの測定結果または前記透磁率の測定結果を補正する手段を設けても良い。
温度補正を行うことで、精度の良い検出が行える。
In the sensor of each configuration described above, a temperature sensor is arranged around the sensor coil or the magnetostrictive material or the giant magnetostrictive material, and the inductance measurement result or the magnetic permeability measurement result is corrected by the output of the temperature sensor. May be provided.
By performing temperature correction, accurate detection can be performed.
この発明において、前記センサは、前記転がり軸受の近傍に配置しても良い。転がり軸受の近傍にセンサを配置した場合、問題となる転がり軸受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、かつ転がり軸受の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。主軸支持用の転がり軸受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。
In the present invention, the sensor may be disposed in the vicinity of the rolling bearing. When the sensor is arranged in the vicinity of the rolling bearing, the thrust force acting on the rolling bearing in question can be directly measured, the measurement accuracy is good, and the thrust force can be precisely controlled.
Therefore, stable high-speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining an appropriate clearance between the impellers, and the long-term durability and life of the rolling bearing can be improved. Since the long-term durability of the rolling bearing for supporting the main shaft is improved, the reliability of the entire air cycle refrigeration cooling turbine unit and, as a whole, the air cycle refrigeration cooling system is improved. As described above, stable high-speed rotation, long-term durability, and reliability of the main shaft bearing of the turbine unit, which is a bottleneck of the air cycle refrigeration cooling system, are improved, and thus the air cycle refrigeration cooling system can be put to practical use.
この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、前記センサが、前記転がり軸受の外輪と、この外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に、直接に、または他の部材を介して介在させたものであっても良い。
センサを転がり軸受の外輪とスピンドルハウジングとの間に介在させることで、転がり軸受に作用する主軸のスラスト力を簡易な構成で精度良く測定することができる。
In the turbine unit for air cycle refrigeration cooling according to the present invention, the sensor is interposed directly or via another member between the outer ring of the rolling bearing and the spindle housing that supports the outer ring. There may be.
By interposing the sensor between the outer ring of the rolling bearing and the spindle housing, the thrust force of the main shaft acting on the rolling bearing can be accurately measured with a simple configuration.
この場合に、前記転がり軸受の外輪が固定状態に嵌合する軸受ハウジングを、スピンドルハウジングに設けられた内径孔にアキシアル方向に移動可能に嵌合させ、前記センサを、前記軸受ハウジングの幅面と前記スピンドルハウジングまたはこのスピンドルハウジングに固定された部材との間に介在させても良い。
このように軸受ハウジングを移動自在とし、軸受ハウジングとスピンドルハウジングの間にセンサを配置することで、軸受ハウジングの広い幅面をセンサの配置に利用でき、外輪の径方向厚さが薄い場合であっても、比較的大きなセンサを配置して測定の感度および精度を向上させることができる。
In this case, a bearing housing in which the outer ring of the rolling bearing is fixedly fitted is fitted into an inner diameter hole provided in the spindle housing so as to be movable in the axial direction, and the sensor is connected to the width surface of the bearing housing and the width surface of the bearing housing. You may interpose between a spindle housing or the member fixed to this spindle housing.
In this way, by making the bearing housing movable and arranging the sensor between the bearing housing and the spindle housing, the wide width surface of the bearing housing can be used for the arrangement of the sensor, and the radial thickness of the outer ring is thin. However, a relatively large sensor can be arranged to improve measurement sensitivity and accuracy.
前記センサは、第1のばね要素による予圧が印加されていても良い。部材間に介在させて力を測定するセンサは、一般的にマイナス方向の力を検出することができないが、予圧を与えておくと、予圧量との偏差を検出することで、正逆いずれの方向のスラスト力であっても検出することが可能となる。 The sensor may be preloaded by a first spring element. Sensors that measure force by interposing between members generally cannot detect negative force. However, if preload is applied, either the forward or reverse can be detected by detecting the deviation from the preload amount. Even the thrust force in the direction can be detected.
前記第1のばね要素による予圧は、前記コンプレッサおよび膨張タービン内の空気により前記主軸に作用する平均的なスラスト力以上の大きさであっても良い。
平均的なスラスト力以上の予圧を与えておくことで、その予圧量を基準として正逆いずれの方向のスラスト力を検出する場合にも、検出可能な力の範囲を十分に得ることができる。
なお、第1のばね要素による予圧は、前記平均的なスラスト力程度としても良い。
The preload by the first spring element may be greater than an average thrust force acting on the main shaft by the air in the compressor and the expansion turbine.
By providing a preload that is equal to or greater than the average thrust force, a sufficient range of detectable force can be obtained when detecting a thrust force in either the forward or reverse direction based on the preload amount.
Note that the preload by the first spring element may be about the average thrust force.
この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、前記転がり軸受が複数設けられ、そうちの一つの転がり軸受の近傍に前記センサが配置され、他の転がり軸受が、スピンドルハウジングに対してアキシアル方向に移動可能に設置されかつ第2のばね要素によって弾性支持されていても良い。
他の転がり軸受が第2のばね要素によって弾性支持されることにより、軸受に適切な予圧を作用させることができる。さらにこれにより主軸のアキシアル方向位置を精度良く保つと共に、前記センサによりスラスト力の検出が精度良く行える。
In the air cycle refrigeration cooling turbine unit of the present invention, a plurality of the rolling bearings are provided, the sensor is disposed in the vicinity of one of the rolling bearings, and the other rolling bearing moves in the axial direction with respect to the spindle housing. It can be installed and elastically supported by the second spring element.
Since the other rolling bearing is elastically supported by the second spring element, an appropriate preload can be applied to the bearing. In addition, the axial position of the main shaft can be maintained with high accuracy, and the thrust force can be detected with high accuracy by the sensor.
前記第2のばね要素は、前記他の転がり軸受の外輪と前記スピンドルハウジングの間、または前記他の転がり軸受の外輪を固定する部材と前記スピンドルハウジングとの間、または前記転がり軸受の内輪と前記主軸との間に介在させる。これらのいずれの箇所に介在させても、簡易な構成で第2のばね要素を設置することができる。 The second spring element is provided between the outer ring of the other rolling bearing and the spindle housing, or between the member fixing the outer ring of the other rolling bearing and the spindle housing, or the inner ring of the rolling bearing and the It is interposed between the main shaft. Even if it interposes in any of these places, the 2nd spring element can be installed with simple composition.
前記第1のばね要素および第2のばね要素を設ける場合、前記第2のばね要素は前記第1のばね要素よりもばね定数が小さいものとする。
第2のばね要素のばね定数が第1のばね要素よりも大きいと、主軸に過大なスラスト力が作用した場合には両方の軸受に対して過大な予圧が作用することになる。第2のばね要素のばね定数を小さくしておくことで、他の軸受にこの過大な予圧が作用することが避けられ、安定した回転性能を得ながら、センサに正逆両方向のスラスト力検出のための予圧を与えることができる。
When the first spring element and the second spring element are provided, the second spring element has a spring constant smaller than that of the first spring element.
When the spring constant of the second spring element is larger than that of the first spring element, an excessive preload acts on both bearings when an excessive thrust force is applied to the main shaft. By keeping the spring constant of the second spring element small, it is possible to avoid this excessive preload acting on other bearings, and to obtain a stable rotational performance, while detecting the thrust force in both forward and reverse directions on the sensor. Preload can be applied.
この発明において、前記主軸に強磁性体からなるフランジ状のスラスト板を複数設け、各フランジの両側の幅面に対向させて前記電磁石を、前記軸受の設けられたスピンドルハウジングに設置しても良い。
タービンユニットでは、空気圧によるスラスト力が大きい場合、スラスト板の径を大きくとり、電磁石の力を強くしたい。しかし、高速回転では、遠心力によって破壊される恐れがあって、スラスト板の径を大きくするには限界がある。スラスト板を複数枚とした場合は、遠心力による破壊の問題を生じることなく、スラスト力に対する支持力を高めることができる。
In the present invention, a plurality of flange-shaped thrust plates made of a ferromagnetic material may be provided on the main shaft, and the electromagnets may be installed on a spindle housing provided with the bearings so as to face the width surfaces on both sides of each flange.
In the turbine unit, when the thrust force due to air pressure is large, the diameter of the thrust plate should be increased to increase the force of the electromagnet. However, at high speed rotation, there is a risk of being destroyed by centrifugal force, and there is a limit to increasing the diameter of the thrust plate. When a plurality of thrust plates are used, the supporting force against the thrust force can be increased without causing the problem of destruction due to centrifugal force.
スラスト板を複数設ける場合、前記電磁石を円周方向に並ぶ複数個に分割されたものとしても良い。電磁石を分割形式とすることで、複数のスラスト板を有していても、組立が容易に行える。 When a plurality of thrust plates are provided, the electromagnet may be divided into a plurality arranged in the circumferential direction. Since the electromagnet is divided, it can be easily assembled even if it has a plurality of thrust plates.
複数に分割された個々の電磁石の極数、大きさ、および内蔵されるコイルのターン数は同じであっても良い。これら極数、大きさ、ターン数を同じとすることで、全周に均等な電磁力を作用させることができ、また分割された個々の電磁石に同じ構成のものを用いて生産性や組立性の向上を図ることができる。 The number of poles and the size of each of the electromagnets divided into a plurality and the number of turns of the built-in coil may be the same. By making the number of poles, size, and number of turns the same, an even electromagnetic force can be applied to the entire circumference, and each divided electromagnet has the same configuration, so that productivity and assembly are possible. Can be improved.
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、および前記膨張タービンのタービン翼車が共通の主軸に取付けられ、タービン翼車で発生した動力によりコンプレッサ翼車が駆動され、または前記コンプレッサ翼車および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られてそのモータにより前記主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を回転させるものであり、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または全部を支承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、前記センサは前記転がり軸受の近傍における静止側に配置させ、前記センサは押付け力により特性が変化しその特性変化が電気的に検出可能なセンサ素子を主軸軸心の周りに円周方向に並べて配置し、これら複数個のセンサ素子の出力から前記スラスト力を検出するものであり、前記転がり軸受の外輪とこの外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に介在させてあり、前記センサは主軸軸心周りの円周方向に並べて配置された複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するものであり、前記複数個の磁歪材または超磁歪材は、軟質磁性材料からなる2枚のヨーク部材間に挟み込み、または前記磁歪材または超磁歪材の端面に、その厚み方向に着磁された永久磁石が直接密着して設けられ、これら磁歪材または超磁歪材と永久磁石とを、軟質材料からなる2枚のヨーク部材間に挟み込んだため、翼車の微小隙間を保ちながら安定した高速回転が得れ、主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化、信頼性の向上を図ることができる。 An air cycle refrigeration cooling turbine unit of the present invention is an air cooling turbine unit having a compressor and an expansion turbine, wherein the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine are attached to a common main shaft, The compressor impeller is driven by the power generated in the turbine impeller, or a motor rotor is attached to a common main shaft to which the compressor impeller and the turbine impeller are attached, and the main shaft is rotated by the motor, whereby the compressor impeller is rotated. An air that rotates a vehicle, supports the main shaft rotatably by a rolling bearing, and supports part or all of the thrust force applied to the main shaft by an electromagnet by the output of a sensor that detects the thrust force acting on the main shaft. Turbine unit for cycle refrigeration cooling A is, wherein the sensor is arranged on the stationary side in the vicinity of the rolling bearing, circumferential said sensor characteristics change its characteristics changed by the pressing force is electrically detectable sensor elements around a spindle axis The thrust force is detected from the outputs of the plurality of sensor elements. The sensor is interposed between an outer ring of the rolling bearing and a spindle housing that supports the outer ring. Thrust force is detected by detecting the permeability of a plurality of magnetostrictive materials or super magnetostrictive materials arranged side by side in the circumferential direction around the spindle axis, and the plurality of magnetostrictive materials or super magnetostrictive materials are A permanent magnet that is sandwiched between two yoke members made of a soft magnetic material or magnetized in the thickness direction is provided in close contact with the end face of the magnetostrictive material or giant magnetostrictive material. And Luo magnetostrictive material or super magnetostrictive material and the permanent magnet, because sandwiched between two yoke members made of a soft material, stable high-speed rotation was is obtained while maintaining a small gap of impeller, the bearing supporting the main shaft Long-term durability, long life, and reliability can be improved.
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。なお、センサの具体的構成例は後に説明する。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。
That describes a first embodiment of the present invention in conjunction with FIGS. A specific configuration example of the sensor will be described later. FIG. 1 shows the overall configuration of an air cycle refrigeration cooling system. This air cooling system is a system that directly cools air in a
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。
The pre-compression means 2 comprises a blower or the like and is driven by a
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。
This air cycle refrigeration cooling system is a system that keeps the space to be cooled 10 at about 0 ° C. to −60 ° C., and is 1 atmosphere at about 0 ° C. to −60 ° C. from the space to be cooled 10 to the
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。
The air at 40 ° C. and 1.4 atm after dehumidification is compressed to 1.8 atm by the
The air cooled to −20 ° C. by the
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。
FIG. 2 shows a specific example of the
なお、例えば後に説明する図26の例のように、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。
For example, as shown in the example of FIG. 26 described later, the
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。
The
The
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。
In 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。
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
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。
The
センサ18は、軸受ハウジング23の内鍔23a側の幅面と、スピンドルハウジング14に固定された部材である片方の電磁石17との間に介在させてある。また、センサ18は、第1のばね要素25により予圧が印加されている。第1のばね要素25は、スピンドルハウジング14に設けられた収容凹部内に収容されて軸受16の外輪16bをアキシアル方向に付勢するものとされ、外輪16bおよび軸受ハウジング23を介してセンサ16を予圧する。第1のばね要素25は、例えば主軸13の回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等からなる。
The
第1のばね要素25による予圧は、押し付け力によってスラスト力を検出するセンサ18が、主軸13のアキシアル方向のいずれの向きに移動に対しても検出できるようにするためであり、タービンユニット5の通常の運転状態で主軸13に作用する平均的なスラスト力以上の大きさとされる。
The preload by the
センサ18の非配置側の軸受15は、スピンドルハウジング14に対してアキシアル方向に移動自在に設置され、かつ第2のばね要素26によって弾性支持されている。この例では軸受15の外輪15bが、スピンドルハウジング14の内径面にアキシアル方向移動自在に嵌合していて、第2のばね要素26は、外輪15bとスピンドルハウジング14との間に介在している。第2のばね要素26は、内輪15aの幅面が係合した主軸13の段面に対向して外輪15bを付勢するものとされ、軸受15に予圧を与えている。第2のばね要素26は、主軸13回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等からなり、それぞれスピンドルハウジング14に設けられた収容凹部内に収容されている。第2のばね要素26は、第1のばね要素25よりもばね定数が小さいものとされる。
The bearing 15 on the non-arrangement side of the
この構成のタービンユニット5は、空気サイクル冷凍冷却システムにおいて、冷却媒体となる空気を熱交換器8,9(図1)により効率良く熱交換できるように、コンプレッサ5で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。
In the air cycle refrigeration cooling system, the
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。
In this
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。
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。
Therefore, stable high-speed rotation of the
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軸受15は、第2のばね要素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。
The
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、軸受15、16内の潤滑剤を乾燥させたり、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。
Since
センサ18は、予圧を与えているため、押付力の検出のみが可能なものであっても、主軸13のアキシアル方向のいずれの向きに移動した場合も検出が可能になる。すなわち、押付力で検出するセンサの場合、押付力がマイナスとなる場合は検出が行えないが、予圧を行うことで、マイナス方向のスラスト力の場合に、センサ18に作用する押付力が減ることで検出が行える。
センサ18を予圧する第1のばね要素25は、軸受15,16を予圧する第2のばね要素26よりもばね定数が大きいため、軸受15,16が予圧されていても、センサ18の予圧による正逆両方向の検出が行える。
Since the
Since the
図3以降の各図は、この発明における他の各実施形態、またはセンサ18の詳細等を示す。ただし、図13〜図15に示すセンサは、この発明を構成するものではないが、参考例として示す。図3以降の各例において、特に説明した事項の他は、構成,効果とも図2の例と同じであり、対応部分に同一符号を付してその重複する説明を省略する。
Each of FIGS. 3 and later, shows the details or the like of each of the other embodiments or
図3はこの発明の他の実施形態を示す。この例は、図2の例に対して各ばね要素25,26、およびセンサ18の配置を変えたものである。この例では、タービン翼車7a側の軸受16を固定した軸受ハウジング23が、軸端側に内鍔23aを有するものとされ、軸受ハウジング23の内鍔23a側の幅面とこれに対向するスピンドルハウジング14の側面との間にセンサ18が配置されている。
第1のばね要素25は、軸受16の外輪16aと電磁石17の間に配置され、外輪16aおよび軸受ハウジング23の内鍔23aを介してセンサ18を予圧している。第2のばね要素26は、コンプレッサ翼車6a側の軸受15の外輪15bと電磁石17の間に介在し、上記軸受15を予圧している。したがって軸受15,16に生じる接触角の方向は、図2の例とは逆方向である。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. In this example, the arrangement of the
The
この構成の場合、図2の例とは、センサ18の配置およびばね要素25,26による予圧の方向が逆であるが、この例においても、センサ18が軸受16の近傍に配置されてこの軸受16に作用するスラスト力を直接に検出できる。また、図2の例で説明した各作用効果が得られる。
In the case of this configuration, the arrangement of the
図4の例は、センサ非配置側の軸受15の外輪15bを、スピンドルハウジング14と別体の軸受ハウジング27の内周に固定したものである。軸受ハウジング27は、外輪15bの両側の幅面にそれぞれ係合する内鍔を有しており、スピンドルハウジング14に設けられた内径孔28内に軸方向移動自在に嵌合している。第2のばね要素26は、軸受ハウジング27を介して外輪15bに予圧をかけている。
In the example of FIG. 4, the
図5の例は、図4に示す例において、センサ非配置側の軸受15の外輪15bを固定した軸受ハウジング27を、2枚の板ばね29により、スピンドルハウジング14に対して支持したものである。板ばね29は、軸受15を予圧する第2のばね要素となる。
In the example of FIG. 5, the bearing
この構成の場合、板ばね29が軸受ハウジング27を支持する手段と軸受15,16の予圧手段と兼ねるため、簡素な構成となる。板ばね29は、板状であるが、その平面方向であるラジアル方向の剛性は高く、このような板ばね29による支持であっても、軸受15の確実な支持が行える。なお、板ばね29を互いにアキシアル方向に離れた2枚としたのは、1枚ではモーメント荷重が作用して軸受15の安定した支持が難しいためである。
In the case of this configuration, the
図6の例は、図2の例において、センサ非配置側の軸受15にを予圧を与えるする第2のばね要素26を回転側に配置した例である。この例では、内輪15aの幅面とこの幅面に対向する主軸13の段面との間に第2のばね要素26を配置している。
The example of FIG. 6 is an example in which the
図7は、図2に示す実施形態に用いられたセンサ18の具体例を示す。このセンサ18は、軟質磁性材料からなる2枚のヨーク部材32に磁歪材31を挟み込み、各磁歪材31の外周にその透磁率を検出するコイル33を設けたものとされている。ヨーク部材32は主軸貫通孔32aを有するリング状の板材であり、円周方向の複数箇所に上記磁歪材31とコイル33の組が設けられている。上記磁歪材31は超磁歪材であっても良い。
磁歪材31は、傾き防止のために2個以上設けることが好ましく、3個以上であることがより好ましい。この例では4個を円周方向に等配している。
FIG. 7 shows a specific example of the
Two or more
この構成のセンサ18によると、コイル33に流れる電流による磁束は図中に矢印で示すようになる。図2の軸受16に作用するスラスト力によって図7のヨーク部材32間に圧力が作用すると、磁歪材31の透磁率が変化し、インダクタンスが変化する。このインダクタスンの変化がコイル33で検出され、その検出値から上記スラスト力を検出することができる。
磁歪材31が同図のように主軸軸心の回りに複数個設けられていると、ヨーク部材32の傾きが防止され、スラスト力の安定した検出が行える。磁歪材31が3個以上であれば傾きがより安定する。また、例えば各コイル33を隣のコイル33と直列に接続するように結線することなどで、ヨーク部材32の全周に作用するスラスト力を平均化して検出することができる。
According to the
If a plurality of
図7のセンサ18において、図8に示すように、2枚のヨーク部材32の間に、磁歪材31よりも微小に長さが短い軟質材料からなる第2のヨーク部材34を配置しても良い。第2のヨーク部材34は、例えば上記2枚のヨーク部材32と同様なリング状とされ、各コイル33が隙間を持って嵌まるコイル収容孔34aを有するものとされる。第2のヨーク部材34は、例えば2枚のうちの片方のヨーク部材32に重ねて固定されている。上記磁歪材31は超磁歪材であっても良い。上記微小な長さの違いによる隙間d34は、荷重が2枚のヨーク部材32間に直接に作用しない寸法であれば良く、例えば数十ミクロンから数百ミクロンの隙間寸法とされる。
In the
第2のヨーク部材34を上記のように設けることで、コイル33の磁路の磁気抵抗が小さくなり、センサ18の感度が向上する。
By providing the
図9は、図8に示すセンサ18において、磁歪材31の透磁率を検出するコイル33の他に、このコイル33の信号を搬送するための搬送波を与える励磁コイル35を設けたものである。
FIG. 9 shows a
図10の例は、図7に示すセンサ18において、磁歪材31の端面に、その厚み方向に着磁された永久磁石36を直接密着して設けたものである。これら磁歪材31と永久磁石36とを、軟質材料からなる2枚のヨーク部材32間に挟み込む。
このように永久磁石36を設けた場合、バイアス磁界を与えることができる。そのため磁歪材31の磁化曲線における透磁率の変化が大きい箇所を選んで検出に使用することができ、検出感度を向上させることができる。あるいは透磁率の変化の直線性に優れた箇所を利用して制御の容易を図ることもできる。
In the example of FIG. 10, in the
When the
図11の例は、図10に示す永久磁石36を設けたセンサ18において、図8の例と同様に第2のヨーク部材34を設けたものである。
In the example of FIG. 11, the
図12に示すセンサ18は、図10の例と同様に磁歪材31の端面に、その厚み方向に着磁された永久磁石36が直接密着して設けられ、これら磁歪材31と永久磁石36とを、軟質材料からなる2枚のヨーク部材32間の円周方向複数箇所に挟み込んでいる。ただし、この例では、磁歪材31の透磁率を検出する手段として、コイルの代わりにホール素子37を設けている。ホール素子37は、円周方向に並ぶ各磁歪材31の間に配置している。また、これらホール素子37は、一方のヨーク部材32の対向面に部分的に設けた第2のヨーク部材34Aの先端に取付け、他方のヨーク部材32に近接させている。
In the
この構成の場合、磁歪材31の透磁率の変化が磁気回路の磁気抵抗の変化となって、ホール素子37を通過する磁束密度の変化となり、ホール素子37の出力の変化として検出される。この例においても、永久磁石36を設けているため、バイアス磁界により、磁歪材31透磁率の変化によるホール素子37の出力変化が大きくなる箇所を検出に使用でき、感度の向上を得ることができる。
In the case of this configuration, a change in the magnetic permeability of the
図13に示すセンサ18は、2枚のヨーク部材32の間の円周方向複数箇所に感圧抵抗素子39を介在させたものである。感圧抵抗素子39の周辺に位置してヨーク部材32に温度センサ40を取付け、温度センサ40の出力によって感圧抵抗素子39の抵抗値を補正するようにしている。
この構成のセンサ18によると、2枚のヨーク部材32間に作用する力Fにより、感圧抵抗素子39の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を検出することで、2枚のヨーク部材32間に作用する力Fが検出でき、図2にタービンユニット5における主軸13のスラスト力を検出することができる。
The
According to the
図14に示すセンサ18は、図13のセンサ構造の感圧抵抗素子39とヨーク部材32の間に弾性体45を挿入した構成である。弾性体45を挟むことで、感圧抵抗素子39の圧力感受部に均等に圧力が作用するようになり、局所的に圧力が掛かることによる測定誤差を低減することができる。
The
図15に示すセンサ18は、2枚のヨーク部材32の間に、これらヨーク部材32と同心の皿ばね41を配置し、皿ばね41の円周方向複数箇所に歪みゲージ43を貼付けたものである。この例において、歪みゲージ43の周辺に位置してヨーク部材32に温度センサ40を取付け、温度センサ40の出力によって歪みゲージ43の抵抗値を補正するようにしている。
この構成のセンサ18によると、2枚のヨーク部材32間に作用する力Fにより、皿ばね41に撓みが生じ、この撓みが歪みゲージ43の抵抗値の変化となる。歪みゲージ43の抵抗値の変化は、歪みゲージアンプの出力変化として検出される。
The
According to the
図16ないし図24は、前記各センサ18のセンサ回路およびセンサ出力の例をそれぞれ示す。
図16は、図7に示すセンサ18などのように、コイル33を設けたセンサ18の場合のセンサ回路50の例を示す。このセンサ回路50は、搬送波発生回路51により一定振幅一定周波数の搬送波を発生し、コンデンサCoを介してコイル33に搬送波を伝える。コイル33は、コンデンサCとで並列共振回路を構成し、この並列共振回路の出力を振幅検出回路52に接続する。
FIGS. 16 to 24 show examples of sensor circuits and sensor outputs of the
FIG. 16 shows an example of a sensor circuit 50 in the case of a
上記共振回路において、入力ei,出力eoとすると、その伝達関数eo/eiの値は入力周波数fによって変化する。コイル33のインダクタンスをL、コンデンサCのキャパシタンスをCとすると、上記伝達関数eo/eiのピーク値は、1/(2π√LC)となる。コイル33のインダクタンスLの値は、前述のように磁歪材31(図7)の透磁率が力Fによって変化するため、この変化に応じて変化する。したがって、搬送波発生回路51により一定振幅一定周波数の電圧を印加して前記共振回路を加振することで、所定周波数における伝達関数eo/eiの値が、力Lの変化、つまりインダクタンスLの変化により変わる。振幅検出回路52は、この伝達関数eo/eiの変化を検出してセンサ出力Voとする。
In the above resonance circuit, when the input ei and the output eo are used, the value of the transfer function eo / ei changes depending on the input frequency f. When the inductance of the
コイル33を図7の例のように複数設ける場合に、センサ回路50は個々のコイル33毎に設けても良いが、図17のように各コイル33を直列に接続し、一つのセンサ回路50で検出するようにしても良い。なお、近接する各コイル33の巻方向は種々方向が異なったものである。このようにコイル33を直列に接続することで、各コイル33に対応する磁歪材31に作用する力が平均化されてセンサ出力Voとして取り出される。
When a plurality of
これら図16,図17のセンサ回路50において、磁歪材31に加わる力FとインダクスタンスLの関係、および上記力Fとセンサ出力Voの関係は、図18(A),(B)に示すようになる。この場合に、マイナス方向に力を作用させることは、磁歪材31に圧力をおよぼす対向部が磁歪材31から離れることを意味し、検出できないため、同図のように初期予圧量を与えておくことで、上記スラスト力が正逆いずれの方向に作用しても、初期予圧量時のセンサ出力との差分でスラスト力を検出することができる。
In the sensor circuit 50 of FIGS. 16 and 17, the relationship between the force F applied to the
図19,図20は、図13の感圧抵抗素子39を用いたセンサ18のセンサ回路53を示す。このセンサ回路53は、感圧抵抗素子39と固定抵抗R1との直列回路を電源61に接続し、この直列回路の中間である感圧抵抗素子39と固定抵抗R1との接続点からセンサ出力Voを取り出すものである。
19 and 20 show a
感圧抵抗素子39は、図20(A)に示すように、加わる力Fが大きくなるに従って抵抗Rが大きくなる。したがって、上記直列回路の分圧抵抗比が大きくなり、同図(B)のように力Fが大きくなるに従ってセンサ出力Voが増大する。
マイナス方向に力を作用させることは、感圧抵抗素子39に圧力をおよぼす対向部が感圧抵抗素子39から離れることを意味し、感圧抵抗素子39は、マイナスの力は測定できないが、図20(A),(B)に示すように初期予圧量を与えておくことで、この初期予圧量時のセンサ出力との差分で、力Fが正逆いずれの方向に加わっても測定することができる。
As shown in FIG. 20A, the pressure-
Applying a force in the negative direction means that the opposing portion that exerts pressure on the pressure-
図21は、図13の感圧抵抗素子39を用いたセンサ18に対する他のセンサ回路54の例を示す。このセンサ回路54は、オペアンプOP1の反転入力端子と出力端子間に固定抵抗R′を接続し、反転入力端子に感圧抵抗素子39の一端を接続して他端に一定電圧Vを印加するものである。
このセンサ回路54では、感圧抵抗素子39の抵抗をRとすると、センサ出力Voは、−R′/R×Vi となる。したがって、図22に示すように、センサ出力Voは感圧抵抗素子39に加わる力Fが増大するに従って大きくなる。
FIG. 21 shows an example of another
In this
感圧抵抗素子39を図13の例のように複数設ける場合に、各感圧抵抗素子39毎にセンサ回路54を設けても良く、また図23のように各感圧抵抗素子39を並列に接続してオペアンプOP1と電源間に接続し、一つのセンサ回路50で検出するようにしても良い。この場合、各位置の感圧抵抗素子39に加わる力Fが平均化されてセンサ出力Voに現れる。
When a plurality of pressure-
図24は、図2に示したコントローラ19の具体的構成例を示す。このコントローラ19は、例えば図13の各感圧抵抗素子39毎にセンサ回路53を設けた場合の例である。各センサ回路53に示した括弧付きの符号は、4個のセンサ回路53を区別する符号である。同図のセンサ回路53は、図7のコイル33に対するセンサ回路50等であっても良い。
FIG. 24 shows a specific configuration example of the
各センサ回路53の出力は、平均化回路55により算術平均され、基準値設定手段56に設定された基準値と比較部57で比較され、その偏差がとられる。基準値は、例えば予圧設定量に相当する値とされる。また、例えば図13の温度センサ40の検出値は、温度検出回路58を介してセンサ補正量演算回路59に入力され、センサ補正量演算回路59により温度に応じた補正値が出力される。この補正値は、前記比較部57で上記偏差に加算される。
温度補正後の上記偏差は、PID補償回路60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,微分,積分動作による処理が行われる。
The outputs of the
The
PID補償回路60の出力は、ダイオード61,62を介して各方向の電磁石171 ,172 を駆動するパワー回路63,64に入力される。電磁石171 ,172 は、図2に示したスラスト板13aに対向する一対の電磁石17であり、吸引力しか作用しないため、予めダイオード61,62で電流の向きを決め、2個の電磁石171 ,172 を選択的に駆動するようにしている。
The output of the
図25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、主軸13に設ける強磁性体からなるスラスト板13aを複数設けたものである。電磁石17は、各スラスト板13aの両面にそれぞれ対向させてスピンドルハウジング14に設置する。
各電磁石17は、同図(B)に示すように、円周方向に並ぶ複数個の電磁石分割体17A,17Bに分割されたものとする。各電磁石分割体17A,17Bは、それぞれがコイル17aおよびヨークを有するものとする。この分割により、スラスト板13aを複数設けながら組立が可能になる。
FIG. 25 shows a
Each
この構成の場合、次の作用が得られる。すなわち、タービンユニット5では、空気圧によるスラスト力が大きい場合、スラスト板13aの径を大きくとり、電磁石17の力を強くしたい。しかし、高速回転では、遠心力によって破壊される恐れがあって、スラスト板13aの径を大きくするには限界がある。
図25の例のように、スラスト板13aの複数枚とした場合は、遠心力による破壊の問題を生じることなく、スラスト力に対する支持力を高めることができる。
In the case of this configuration, the following action is obtained. That is, in the
As in the example of FIG. 25, when a plurality of
図26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。
FIG. 26 shows a
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がなくてもコンプレッサ6の回転駆動が可能となる。
In the
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
19,19A…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
29…板ばね
31…磁歪材
32…ヨーク部材
33…コイル
34…第2のヨーク部材
35…励磁用コイル
36…永久磁石
37…ホール素子
39…感圧抵抗素子
40…温度センサ
41…皿ばね
42…歪みゲージ
45…弾性体
50,53,54…センサ回路
61〜64…圧力センサ(空気圧測定手段)
65〜68…温度センサ
81…圧力均等化手段
83…通気路
84,85…軸受冷却空気導入路
86…軸受冷却空気導入路
70…流出経路
90…モータ
93…モータコントローラ
DESCRIPTION OF
65-68 ... temperature sensor 81 ... pressure equalizing means 83 ... vent passages 84, 85 ... bearing cooling air introduction passage 86 ... bearing cooling air introduction passage 70 ...
Claims (21)
前記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または全部を支承する空気冷却用タービンユニットであって、
前記センサは前記転がり軸受の近傍における静止側に配置させ、前記センサは押付け力により特性が変化しその特性変化が電気的に検出可能なセンサ素子を主軸軸心の周りに円周方向に並べて配置し、これら複数個のセンサ素子の出力から前記スラスト力を検出するものであり、前記転がり軸受の外輪とこの外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に介在させ、
前記センサは主軸軸心周りの円周方向に並べて配置された複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するものであり、前記複数個の磁歪材または超磁歪材は、軟質磁性材料からなる2枚のヨーク部材間に挟みこんだ、
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。 An air cycle refrigeration cooling turbine unit having a compressor and an expansion turbine, wherein the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine are attached to a common main shaft, and the compressor blade is generated by power generated by the turbine impeller. car is driven, or all SANYO for rotating the compressor wheel by the compressor wheel and rotor on a common spindle which turbine wheel is attached rotates the spindle by the motor is attached,
An air-cooling turbine unit that rotatably supports the main shaft by a rolling bearing and supports a part or all of the thrust force applied to the main shaft by an electromagnet according to an output of a sensor that detects a thrust force acting on the main shaft. ,
The sensor is arranged on the stationary side in the vicinity of the rolling bearing , and the sensor has a sensor element whose characteristics are changed by the pressing force, and sensor elements that can electrically detect the characteristic change are arranged around the spindle axis in the circumferential direction. The thrust force is detected from the outputs of the plurality of sensor elements, and is interposed between an outer ring of the rolling bearing and a spindle housing that supports the outer ring ,
The sensor detects thrust force by detecting the permeability of a plurality of magnetostrictive materials or giant magnetostrictive materials arranged side by side in the circumferential direction around the spindle axis. The magnetostrictive material is sandwiched between two yoke members made of a soft magnetic material.
An air cycle refrigeration cooling turbine unit.
前記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または全部を支承する空気冷却用タービンユニットであって、
前記センサは前記転がり軸受の近傍における静止側に配置させ、前記センサは押付け力により特性が変化しその特性変化が電気的に検出可能なセンサ素子を主軸軸心の周りに円周方向に並べて配置し、これら複数個のセンサ素子の出力から前記スラスト力を検出するものであり、前記転がり軸受の外輪とこの外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に介在させ、
前記センサは主軸軸心周りの円周方向に並べて配置された複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するものであり、
前記磁歪材または超磁歪材の端面に、その厚み方向に着磁された永久磁石が直接密着して設けられ、これら磁歪材または超磁歪材と永久磁石とを、軟質材料からなる2枚のヨーク部材間に挟み込んだ空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。 An air cycle refrigeration cooling turbine unit having a compressor and an expansion turbine, wherein the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine are attached to a common main shaft, and the compressor blade is generated by power generated by the turbine impeller. A motor rotor is attached to a common main shaft to which the car is driven or the compressor impeller and the turbine impeller are attached, and the compressor impeller is rotated by rotating the main shaft by the motor.
An air-cooling turbine unit that rotatably supports the main shaft by a rolling bearing and supports a part or all of the thrust force applied to the main shaft by an electromagnet according to an output of a sensor that detects a thrust force acting on the main shaft. ,
The sensor is arranged on the stationary side in the vicinity of the rolling bearing, and the sensor has a sensor element whose characteristics are changed by the pressing force, and sensor elements that can electrically detect the characteristic change are arranged around the spindle axis in the circumferential direction. The thrust force is detected from the outputs of the plurality of sensor elements, and is interposed between an outer ring of the rolling bearing and a spindle housing that supports the outer ring,
The sensor detects thrust force by detecting the permeability of a plurality of magnetostrictive materials or giant magnetostrictive materials arranged in a circumferential direction around the spindle axis.
Permanent magnets magnetized in the thickness direction are provided in close contact with the end face of the magnetostrictive material or giant magnetostrictive material, and these two magnetostrictive materials or giant magnetostrictive material and permanent magnet are made of a soft material. Turbine unit for air cycle refrigeration cooling sandwiched between members.
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WO2014122719A1 (en) * | 2013-02-05 | 2014-08-14 | 三菱重工業株式会社 | Bearing support structure and wind power generator |
RU2669227C1 (en) * | 2017-05-10 | 2018-10-09 | Публичное акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Method of determining the skew angle and the maximum axial load on the bearing support |
RU2682215C1 (en) * | 2018-03-21 | 2019-03-15 | Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Method of adjusting the axial load on the track bearing of the rotor support of a gas turbine engine |
JP6907993B2 (en) * | 2018-04-19 | 2021-07-21 | トヨタ自動車株式会社 | Acting force detector for rotating body |
KR102551115B1 (en) * | 2018-08-08 | 2023-07-05 | 엘지전자 주식회사 | Centrifugal Compressor |
WO2020055688A1 (en) * | 2018-09-14 | 2020-03-19 | Carrier Corporation | Compressor configured to control pressure against magnetic motor thrust bearings |
JP7165021B2 (en) * | 2018-10-09 | 2022-11-02 | Ntn株式会社 | bearing device |
JP7224260B2 (en) * | 2019-08-26 | 2023-02-17 | 三菱重工業株式会社 | Load detector |
KR102292391B1 (en) * | 2020-03-27 | 2021-08-20 | 엘지전자 주식회사 | Method and apparatus for compressor |
CN112432728A (en) * | 2020-11-11 | 2021-03-02 | 李小东 | Anti-freezing and anti-blocking device for pressure gauge |
CN113250763B (en) * | 2021-05-26 | 2024-03-22 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | Eddy current braking turbine expander |
CN114184390B (en) * | 2022-02-16 | 2022-05-06 | 成都中科翼能科技有限公司 | Gas turbine rotor axial force test sensor and parameter design method |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59163531A (en) * | 1983-03-08 | 1984-09-14 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Thrust load measuring device of bearing |
JPH0791760A (en) * | 1993-09-17 | 1995-04-04 | Hitachi Ltd | Magnetic bearing-type turbine compressor |
JPH07259855A (en) * | 1994-03-17 | 1995-10-09 | Hitachi Ltd | Gas bearing turbine with thrust balance chamber |
JPH08242557A (en) * | 1995-03-01 | 1996-09-17 | Sawafuji Electric Co Ltd | Structure for cooling high-speed rotary machine |
GB2298901A (en) * | 1995-03-17 | 1996-09-18 | Aisin Seiki | Gas turbine engine axial thrust balancing |
JPH1164124A (en) * | 1997-08-25 | 1999-03-05 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Measuring device, load measuring device, measuring method, and load measuring method |
JP3369977B2 (en) * | 1998-09-18 | 2003-01-20 | 三洋電機株式会社 | Air cycle type cooling device and scroll fluid machine |
JP4612926B2 (en) * | 1999-12-27 | 2011-01-12 | Ntn株式会社 | Magnetic levitation pump |
JP4042404B2 (en) * | 2001-12-25 | 2008-02-06 | 松下電工株式会社 | Force sensor |
JP3997519B2 (en) * | 2002-10-24 | 2007-10-24 | 株式会社Ihi | Thrust load detector for plain bearings |
JP2004332796A (en) * | 2003-05-06 | 2004-11-25 | Ntn Corp | Bearing for wheel with load sensor built therein |
JP2005017076A (en) * | 2003-06-25 | 2005-01-20 | Toyoda Mach Works Ltd | Load measuring unit for automobile wheel |
-
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