KR101286626B1 - 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛 - Google Patents

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Abstract

압축기 날개차(6a) 및 터빈 날개차(7a)가 주축(13)의 양단에 각각 장착되고, 터빈 날개차(7a)에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차(6a)가 구동된다. 주축(13)은 반경 방향에 대하여 롤링 베어링(15, 16)으로 지지된다. 주축(13)에 걸리는 스러스트 힘은 전자석(17)에 의해 지지된다. 압축기(6) 및 팽창 터빈(7) 내의 공기에 의해 주축(13)에 작용된는 스러스트 힘을 검출하는 센서(18)를 설치한다. 센서(18)는, 가압력에 의해 특성이 변화되고 그 특성 변화가 전기적으로 검출 가능한 센서 소자를 주축 축심의 둘레에 원주 방향으로 배열하여 배치한다. 센서(18)는, 이들 복수개의 센서 소자의 출력으로부터 상기 스러스트 힘을 검출한다.

Description

공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛{TURBINE UNIT FOR REFRIGERATING/COOLING AIR CYCLE}
본 발명은, 냉매로서 공기가 사용되고, 냉동 창고나 영도 이하의 저온실 등이나 공조에 이용되는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템용 터빈 유닛에 관한 것이다.
냉매로서 공기를 사용하는 것은, 프레온이나 암모니아 가스 등을 사용하는 경우에 비하여, 환경 보호나 안전성의 면에서는 바람직하지만, 에너지 효율로서의 특성면에서는 부족하였다. 그러나, 냉동 창고 등과 같이, 냉매로 되는 공기를 직접 불어넣을 수 있는 시설에서 사용되는 경우, 창고내 팬이나 디프로스트(defrost)를 생략하는 등의 연구를 강구함으로써, 토탈 비용을 기존 시스템 평균으로 인하할 수 있을 가능성이 있다. 현재에는 이미, 환경면에서 냉매로서 프레온을 사용하는 것이 규제되고, 또한 다른 냉매용 가스를 사용하는 것도, 가능한 한 회피하는 것이 요구된다. 그러므로, 상기와 같은 용도로, 공기를 냉매로서 사용하는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템이 제안되어 있다{예를 들면, 일본 특허 공보 제2623202호(이하, "특허 문헌 1"이라 함), 및 잡지, 닛케이 메카니컬, 「공기로 공기를 냉각한다」, 1995년 11월 13일 발행, No.467, 제46 내지 제52 페이지(이하, "비특허 문헌 1"이라 함}.
또한, -30℃ ~ -60℃의 딥-콜드 영역(deep-cold range)에서는, 공기 냉각의 이론 효율은, 프레온이나 암모니아 가스와 동등 이상이 되는 것이 설명되어 있다(비특허 문헌 1). 단, 상기 공기 냉각의 이론 효율을 얻는 것은, 최적으로 설계된 주변 장치가 있어, 비로소 성립된다고도 설명되어 있다. 주변 장치는, 압축기나 팽창 터빈 등이다.
압축기, 팽창 터빈으로서는, 압축기 날개차 및 팽창 터빈 날개차를 공통의 주축에 장착한 터빈 유닛이 사용되고 있다(특허 문헌 1, 비특허 문헌 1).
그리고, 프로세스 가스를 처리하는 터빈·압축기로서는, 주축의 일단에 터빈 날개차, 타단에 압축기 날개차를 장착하고, 상기 주축을 전자석의 전류로 제어하는 저널 및 스러스트 베어링으로 지지한 자기 베어링식 터빈·압축기가 제안되어 있다{일본 특허 공개 공보 평 7-91760호(이하, "특허 문헌 2"라 함)}.
또한, 가스 터빈 엔진에서의 제안이지만, 주축 지지용의 롤링 베어링에 작용하는 스러스트 하중이 베어링 수명의 단축을 초래하는 것을 방지하기 위하여, 롤링 베어링에 작용하는 스러스트 하중을 스러스트 자기 베어링에 의해 저감하는 것이 제안되어 있다{일본 특허 공개 공보 평 8-261237호(이하, "특허 문헌 3"이라 함)}.
상기와 같이, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템으로서, 딥-콜드 영역에서 고효율로 되는 공기 냉각의 이론 효율을 얻기 위해서는, 최적으로 설계된 압축기나 팽창 터빈이 필요하다.
압축기, 팽창 터빈으로서는, 상기와 같이 압축기 날개차 및 팽창 터빈 날개차를 공통의 주축에 장착한 터빈 유닛이 사용되고 있다. 상기 터빈 유닛은, 팽창 터빈에 의해 발생되는 동력에 의해 압축기 날개차를 구동할 수 있는 것으로 공기 사이클 냉동기의 효율을 향상시키고 있다.
그러나, 실용적인 효율을 얻기 위해서는, 각 날개차와 하우징의 간극을 미소하게 유지할 필요가 있다. 이 간극의 변동은, 안정된 고속 회전의 방해가 되어 효율의 저하를 초래한다.
또한, 압축기 날개차나 터빈 날개차에 작용하는 공기에 의해, 주축에 스러스트 힘이 작용되고, 주축을 지지하는 베어링에 스러스트 하중이 부하된다. 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에서의 터빈 유닛의 주축의 회전 속도는, 1분에 8만 ~ 10만 회전이며, 일반적인 용도의 베어링에 비해 매우 고속으로 된다. 그러므로, 상기와 같은 스러스트 하중은, 주축을 지지하는 베어링의 장기 내구성의 저하, 수명 저하를 초래하고, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 신뢰성을 저하시킨다. 이와 같은 베어링의 장기 내구성의 과제를 해소하지 않으면, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 실용화, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 실용화가 어렵다. 그러나, 상기 특허 문헌 1, 비특허 문헌 2에 개시된 기술은, 이 고속 회전 하에서의 스러스트 하중의 부하에 대한 베어링의 장기 내구성의 저하를 해결하지 못하고 있다.
특허 문헌 2의 자기 베어링식 터빈·압축기와 같이, 주축을 자기 베어링으로 이루어지는 저널 베어링 및 스러스트 베어링으로 지지한 것에서는, 저널 베어링에 축방향의 규제 기능이 없다. 그러므로, 스러스트 베어링의 제어의 불안정 요인 등이 있으면, 상기 날개차와 하우징 사이의 미소 간극을 유지하여 안정된 고속 회전 을 행하는 것이 어렵다. 자기 베어링의 경우에는, 전원 정지시에서의 접촉의 문제도 있다.
또한, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서, 주축을 베어링에 의해 회전 가능하게 지지하고, 상기 주축에 작용하는 스러스트 힘을 검출하는 센서의 출력에 의해 상기 주축에 걸리는 스러스트 힘을 전자석에 의해 일부 또는 전부를 지지하도록 한 경우, 그 주축에 작용하는 스러스트 힘의 검출 정밀도가 낮으면, 베어링으로의 스러스트 힘을 유효하게 저감할 수 없고, 베어링의 장기 내구성이 확보될 수 없다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 날개차의 미소 간극을 유지하면서 안정된 고속 회전을 얻을 수 있고, 주축을 지지하는 베어링의 장기 내구성의 향상, 장기 수명화, 신뢰성의 향상을 염가로 도모할 수 있는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛을 제공하는 것이다.
본 발명의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛은, 압축기 및 팽창 터빈을 가지고, 상기 압축기의 압축기 날개차, 및 상기 팽창 터빈의 터빈 날개차가 공통의 주축에 장착되고, 터빈 날개차에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차가 구동되고, 또는 상기 압축기 날개차 및 터빈 날개차가 장착된 공통의 주축에 모터 로터가 장착되어 상기 모터 및 터빈 날개차에 의해 상기 주축을 회전시킴으로써 상기 압축기 날개차를 회전시킨다. 상기 터빈 유닛은 또한, 상기 주축을 롤링 베어링에 의해 회전 가능하게 지지하고, 상기 주축에 작용하는 스러스트 힘을 검출하는 센서의 출력에 의해 상기 주축에 걸리는 스러스트 힘을 전자석에 의해 일부 또는 전부를 지지한다.
상기 센서는 상기 베어링의 근처에서의 정지 측에 배치되고, 상기 센서는 가압력에 의해 특성이 변화되고 그 특성 변화가 전기적으로 검출 가능한 센서 소자를 주축 축심의 둘레에 원주 방향으로 배열하여 배치하고, 이들 복수개의 센서 소자의 출력으로부터 상기 스러스트 힘을 검출하는 것이며, 상기 롤링 베어링의 외륜과 상기 외륜을 지지하는 스핀들 하우징 사이에 개재되는 것이다. 상기 롤링 베어링은, 깊은 홈 볼베어링 등과 같은 내외륜 사이의 축방향 위치의 유지 기능을 가지는 것이 바람직하다. 상기 롤링 베어링은 앵귤러 볼베어링이라도 된다.
이 구성의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛은, 예를 들면, 유입 공기에 대하여, 예압축 수단에 의한 압축, 열교환기에 의한 냉각, 터빈 유닛의 압축기에 의한 압축, 다른 열교환기에 의한 냉각, 상기 터빈 유닛의 팽창 터빈에 의한 단열 팽창을, 차례로 행하는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 적용된다. 이 경우, 냉각 매체로 되는 공기를, 열교환기에 의해 비교적 높은 온도의 매체에서도 양호한 효율로 열교환 가능하도록, 압축기로 압축하여 온도 상승시키고, 상기 열교환기로 냉각된 공기를 다른 열교환기로 냉각하고, 팽창 터빈에 유도되어, 목표 온도, 예를 들면 -30℃ ~ -60℃ 정도의 극저온까지 단열 팽창에 의해 냉각하여 배출하도록 사용된다.
이 경우의 터빈 유닛은, 압축기 날개차 및 상기 팽창 터빈의 터빈 날개차를 공통의 주축에 장착하고, 터빈 날개차에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차를 구동하는 것이므로, 동력원이 불필요하고, 컴팩트한 구성으로 양호한 효율로 냉각할 수 있다.
본 발명의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛은, 상기한 것 이외에, 모터 구동으로도 된다. 예를 들면, 유입 공기에 대하여, 열교환기에 의한 냉각, 터빈 유닛의 압축기에 의한 압축, 다른 열교환기에 의한 냉각, 상기 터빈 유닛의 팽창 터빈에 의한 단열 팽창을, 차례로 행하고, 상기 터빈 유닛이, 상기 압축기의 압축기 날개차 및 상기 팽창 터빈의 터빈 날개차 및 모터 로터를 공통의 주축에 장착하고, 상기 모터 로터에 대향시킨 모터 스테이터로부터의 자력에 의해 주축을 회전시킴으로써 상기 압축기 날개차를 구동하는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 적용해도 된다.
모터를 설치하여 주축을 구동하는 경우, 압축기보다도 전단에 블로어(blower) 등의 예압축 수단을 설치할 필요가 없어진다.
이 종류의 터빈 유닛의 압축, 팽창의 효율을 확보하기 위해서는, 각 날개차와 하우징의 간극을 미소하게 유지할 필요가 있다. 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서는, 이 효율 확보가 중요해진다. 이에 대하여, 본 발명의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛은, 날개차의 주축을 롤링 베어링에 의해 지지하므로, 롤링 베어링이 가지는 축방향 위치의 규제 기능에 의해, 주축 위치가 어느 정도 규제되고, 각 날개차와 하우징의 미소 간극을 미소하게 일정하게 유지할 수 있다.
그러나, 터빈 유닛의 주축에는, 각 날개차에 작용하는 공기의 압력 등으로 스러스트 힘이 걸린다. 또한, 공기 냉각 시스템에 의해 사용되는 터빈 유닛에서는, 1분간에, 예를 들면 8만 ~ 10만 회전 정도의 매우 고속의 회전으로 된다. 그러므로, 주축을 회전 지지하는 롤링 베어링에 상기 스러스트 힘이 작용되면, 주축의 장기 내구성이 저하된다.
본 발명은, 상기 스러스트 힘을 전자석으로 지지하므로, 비접촉으로 토크의 증대를 억제하면서, 주축 지지용 롤링 베어링에 작용하는 스러스트 힘을 경감시킬 수 있다. 이 경우에, 상기 압축기 및 팽창 터빈 내의 공기에 의해 상기 주축에 작용하는 스러스트 힘을 검출하는 센서와, 상기 센서의 출력에 따라 상기 전자석에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러를 설치하였으므로, 롤링 베어링을 그 베어링 사양에 따라 스러스트 힘에 대하여 최적인 상태로 사용할 수 있다. 그러므로, 각 날개차의 적절한 간극을 유지하여 주축이 안정된 고속 회전을 얻을 수 있고, 또한 롤링 베어링의 장기 내구성의 향상, 수명의 향상을 얻을 수 있다. 주축 지지용 롤링 베어링의 장기 내구성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 전체적인 신뢰성 및, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 전체적인 신뢰성이 향상된다. 이와 같이, 공기 냉각 시스템에서 장애물이 되는 터빈 유닛의 주축 베어링이 안정된 고속 회전, 장기 내구성, 신뢰성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 실용화가 가능해진다.
상기 롤링 베어링은, 스핀들 하우징에서의 상기 압축기 날개차의 근처와, 상기 터빈 날개차의 근처에 배치해도 된다. 이 경우, 주축이 양단 지지로 되므로, 한층 더 안정된 고속 회전이 가능하게 된다.
상기 센서는, 가압력에 의해 특성이 변화되고 그 특성 변화가 전기적으로 검출 가능한 센서 소자를 주축 축심의 둘레에 원주 방향으로 배열하여 배치하고 이들 복수개의 센서 소자의 출력으로부터 상기 스러스트 힘을 검출하는 것이다. 상기 센서는, 상기 롤링 베어링의 외륜과 상기 외륜을 지지하는 스핀들 하우징 사이에 개재된다.
원주 방향에 복수개의 센서 소자를 배치함으로써, 기울기에 기인하여 생기는 에러 없이, 롤링 베어링의 외륜과 스핀들 하우징 사이에 작용하는 스러스트 힘을 검출할 수 있다. 또한, 복수개의 센서 소자를 사용함으로써, 원주 방향의 복수 부분에 작용하는 힘을 평균화하여 검출할 수 있다.
상기 복수개의 센서 소자는, 상기 주축이 관통된 2개의 링형의 부재 사이에 개재되어도 된다. 2개의 링형의 부재 사이에 센서 소자를 개재시킴으로써, 복수개의 센서 소자를 일체의 센서로서 취급할 수 있어 조립성이 향상된다.
상기 센서는, 보다 구체적으로는, 주축 축심의 둘레에 원주 방향으로 배열하여 배치된 복수개의 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을 검출함으로써 스러스트 힘을 검출하는 것이라도 된다. 이들 복수개의 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재는, 연질 자성 재료로 이루어지는 2개의 요크 부재 사이에 끼워 넣어져도 된다. 상기 2개의 요크 부재의 사이에는, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재보다 미소하게 길이가 짧은 연질 재료로 이루어지는 제2 요크 부재를 배치해도 된다.
센서 소자로서 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재를 사용하면, 가압력의 검출을 양호한 정밀도로 행할 수 있다. 또한, 상기 제2 요크 부재를 사용하면, 자로(magnetic path)의 자기 저항이 작아져, 센서의 감도가 향상된다. 상기 제2 요크 부재의 길이를 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재보다 미소하게 짧게 함으로써, 검출되는 스러스트 힘의 모두가 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재에 작용되므로, 가압력의 검출을 양호한 정밀도로 행할 수 있다.
또한, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 단면에, 그 두께 방향으로 자화된 영구 자석이 직접 밀착되어 설치되고, 이들 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재와 영구 자석을, 연질 재료로 이루어지는 2개의 요크 부재 사이에 끼워 넣어도 된다. 이 경우에도, 상기 2개의 요크 부재의 사이에, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재와 상기 영구 자석을 중첩한 길이보다 미소하게 길이가 짧은 연질 재료로 이루어지는 제2 요크 부재를 배치해도 된다.
영구 자석을 사용하면, 바이어스 자계를 부여할 수 있고, 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율의 변화가 큰 부분을 선택하여 검출에 사용할 수 있어, 검출 감도를 향상시킬 수 있다. 상기 제2 요크 부재의 길이를 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재와 상기 영구 자석을 중첩한 길이보다 미소하게 짧게 함으로써, 검출되는 스러스트 힘의 모두가 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재에 작용되므로, 가압력의 검출을 양호한 정밀도로 행할 수 있다.
상기 복수개의 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을 검출함으로써 스러스트 힘을 검출하는 센서의 경우에, 상기 센서는, 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 둘레에 센서 코일을 배치하고, 상기 투자율을, 상기 센서 코일의 인덕턴스를 측정함으로써 검출하는 것으로서 해도 된다. 이 경우에, 상기 센서 코일을 복수개 설치하고, 이들 복수개의 센서 코일을 직렬로 접속하고, 상기 각 센서 코일의 출력의 평균화를 행하는 것으로 해도 된다. 이 경우에, 상기 센서 코일, 및 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재는, 각각 짝수개로 하고, 근접되는 각 센서 코일에 흐르는 전류는 서로 반대 방향으로 해도 된다.
센서 코일의 인덕턴스를 측정함으로써 검출되는 구성으로 한 경우, 투자율의 변화를 양호한 정밀도로 검출할 수 있다. 또한, 상기 센서 코일을 복수개 설치하고, 이들 출력의 평균화를 행함으로써, 양호한 정밀도로 스러스트 힘을 검출할 수 있다. 또한, 복수개의 센서 코일을 직렬로 접속함으로써, 접속된 모든 센서 코일의 양단 사이에는 각 센서 코일의 인덕턴스의 합계에 상당하는 인덕턴스가 접속된 것에 의해, 이 전체의 인덕턴스 변화를 검출함으로써, 각 센서 코일의 인덕턴스를 평균화 한 것으로 되어, 간단하게 평균화 처리가 도모되는 장점을 가진다. 또한, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재는, 각각 짝수개으로 하고, 근접되는 각 센서 코일에 흐르는 전류는 서로 반대 방향으로 함으로써, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재에는 대략 공통의 자속을 통할 수 있고, 각 센서 코일의 인덕턴스 특성을 동일하게 할 수 있으므로, 양호한 정밀도로 검출할 수 있다.
상기 복수개의 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을 검출함으로써 스러스트 힘을 검출하는 센서의 경우에, 상기 센서는, 상기 센서 코일의 인덕턴스와 별도의 컨덴서와의 공진을 이용하고, 상기 인덕턴스의 변화에 의해 변화되는 공진 주파수의 변화로부터 상기 인덕턴스 변화를 측정하는 것이라도 된다.
공진 주파수의 변화로부터 상기 인덕턴스 변화를 측정하는 것이면, 양호한 정밀도로 투자율의 변화를 검출할 수 있다.
상기 복수개의 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을 검출함으로써 스러스트 힘을 검출하는 센서의 경우에, 상기 센서는, 상기 센서 코일의 한쪽 단부에 일정 주파수로 일정 진폭 전압의 반송파를 입력하고, 상기 센서 코일의 인덕턴스와 별도의 컨덴서와의 공진을 이용하고, 상기 인덕턴스의 변화에 의해 변화되는 상기 센서 코일 외에 다른쪽 단부의 전압 진폭으로부터 상기 인덕턴스 변화를 측정하는 것이라도 된다. 이 구성의 경우도 양호한 정밀도로 투자율의 변화를 검출할 수 있다.
상기 복수개의 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을 검출함으로써 스러스트 힘을 검출하는 센서의 경우에, 상기 센서는, 상기 센서 코일 이외에, 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재 둘레에 여자 코일을 배치하고, 상기 여자 코일에 일정 주파수로 일정 전류의 여자 전류를 흐르게 하여, 상기 센서 코일에 여자되는 전류를 검출함으로써, 스러스트 힘을 측정하는 것이라도 된다.
이 구성의 경우에는, 여자 코일에 흐르게 하는 전류를 컨트롤함으로써, 하중 변화에 대한 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율 변화점을 최적인 것으로 설정할 수 있고, 투자율의 변화를 양호한 정밀도로 검출할 수 있다.
상기 복수개의 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을 검출함으로써 스러스트 힘을 검출하는 센서의 경우에, 상기 센서는 홀 센서를 이용하고, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율의 변화에 따라 변화되는 자속 밀도를 검출함으로써 스러스트 힘을 측정하는 것이라도 된다. 홀 센서는 외부로부터 직류 전원을 연결하는 것으로, 환경의 자속 밀도를 아날로그 출력하므로, 간단하고 염가로 측정을 행할 수 있다.
상기 각 구성의 센서에 있어서, 상기 센서 코일, 또는 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 주변에 온도 센서를 배치하고, 상기 온도 센서의 출력에 의해 상기 인덕턴스의 측정 결과 또는 상기 투자율의 측정 결과를 보정하는 수단을 설치해도 된다.
온도 보정을 행함으로써, 양호한 정밀도로 검출을 행할 수 있다.
또한, 상기 센서는, 복수개의 감압 저항 소자의 저항값 변화를 검출하는 것이라도 된다. 상기 복수개의 감압 저항체는 병렬로 접속되고, 상기 감압 저항체의 저항값의 평균화를 행하는 것으로 해도 된다. 감압 저항 소자를 사용하면 간단한 센서 회로로 스러스트 힘의 검출을 행할 수 있다.
또한, 복수개의 감압 저항체는 병렬로 접속됨으로써, 간단한 회로 구성으로 측정하는 스러스트 힘을 평균화 처리할 수 있어, 저비용으로 양호한 정밀도로 검출을 행할 수 있다.
감압 저항 소자를 사용한 센서의 경우에도, 상기 감압 저항 소자의 주변에 온도 센서를 배치하고, 상기 온도 센서의 출력에 의해 상기 감압 저항 소자의 저항값을 보정하는 수단을 설치해도 된다. 이 온도 보정으로 검출 정밀도가 향상된다.
또한, 상기 센서는, 감압 저항 소자로의 작용면의 압력이 균일하게 되도록, 감압 저항 소자에 압력을 부여하는 다른 부재와의 사이에, 탄성체를 끼우는 구성으로 해도 된다. 탄성체를 끼움으로써, 감압 저항 소자의 압력 수용부에 균등하게 압력이 작용하도록 되어, 국소적으로 압력이 걸리는 것에 의한 측정 오차를 저감할 수 있다.
상기 센서는, 상기 각 예 이외에, 복수개의 스트레인 게이지(strain gauges) 센서로 이루어지는 것이라도 된다. 스트레인 게이지 센서의 주변에 온도 센서를 배치하고, 상기 온도 센서의 출력에 의해, 상기 스트레인 게이지 센서의 변형량 측정값을 보정하는 수단을 설치해도 된다. 스트레인 게이지 센서를 사용한 경우에도, 간단한 구성으로 양호한 정밀도로, 스러스트 힘의 검출을 행할 수 있다.
상기 센서는, 가압력에 의해 특성이 변화되고 그 특성 변화가 전기적으로 검출 가능한 센서 소자를 사용한 것에 대신하여, 변위 검출 센서를 사용해도 된다. 상기 변위 검출 센서는 자기식이라도 된다. 변위 검출 센서를 사용한 경우에도 스러스트 힘을 검출할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 센서는, 상기 롤링 베어링의 근처에 배치해도 된다. 롤링 베어링의 근처에 센서를 배치한 경우, 문제로 되는 롤링 베어링에 작용하는 스러스트 힘을 직접 측정할 수 있으므로, 그 측정 정밀도가 양호하고, 정밀한 스러스트 힘의 제어가 가능하게 된다.
그러므로, 각 날개차의 적절한 간극을 유지하여 주축의 안정된 고속 회전을 얻을 수 있고, 또한 롤링 베어링의 장기 내구성의 향상, 수명의 향상을 얻을 수 있다. 주축 지지용 롤링 베어링의 장기 내구성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 전체적인 신뢰성 및, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 전체적인 신뢰성이 향상된다. 이와 같이, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서 장애물이 되는 터빈 유닛의 주축 베어링의 안정된 고속 회전, 장기 내구성, 신뢰성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 실용화가 가능해진다.
본 발명의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서, 상기 센서가, 상기 롤링 베어링의 외륜과, 상기 외륜을 지지하는 스핀들 하우징의 사이에, 직접, 또는 다른 부재를 통하여 개재된 것이라도 된다.
센서를 롤링 베어링의 외륜과 스핀들 하우징 사이에 개재시킴으로써, 롤링 베어링에 작용하는 주축의 스러스트 힘을 간단한 구성으로 양호한 정밀도로 측정할 수 있다.
이 경우에, 상기 롤링 베어링의 외륜이 고정 상태로 끼움 결합되는 베어링 하우징을, 스핀들 하우징에 형성된 내경에 축방향으로 이동 가능하게 결합시켜, 상기 센서를, 상기 베어링 하우징의 단부면(end face)과 상기 스핀들 하우징 또는 상기 스핀들 하우징에 고정된 부재 사이에 개재하여도 된다.
이와 같이 베어링 하우징을 이동 가능하게 하고, 베어링 하우징과 스핀들 하우징의 사이에 센서를 배치함으로써, 베어링 하우징의 넓은 단부면을 센서의 배치에 이용할 수 있어, 외륜의 직경 방향 두께가 얇은 경우에도, 비교적 큰 센서를 배치하여 측정의 감도 및 정밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 센서는, 제1 스프링 부재에 의한 예압이 인가되어 있어도 된다. 부재 사이에 개재시켜 힘을 측정하는 센서는, 일반적으로 마이너스 방향의 힘을 검출할 수 없지만, 예압을 부여하여 두면, 예압량과의 편차를 검출함으로써, 정역 어느 방향의 스러스트 힘이라도 검출하는 것이 가능해진다.
상기 제1 스프링 부재에 의한 예압은, 상기 압축기 및 팽창 터빈 내의 공기에 의해 상기 주축에 작용하는 평균적인 스러스트 힘 이상의 크기라도 된다.
평균적인 스러스트 힘 이상의 예압을 부여하여 둠으로써, 그 예압량을 기준으로 하여 정역 어느 방향의 스러스트 힘을 검출하는 경우에도, 검출 가능한 힘의 범위를 충분히 얻을 수 있다.
그리고, 제1 스프링 부재에 의한 예압은, 상기 평균적인 스러스트 힘 정도로 하여도 된다.
본 발명의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서, 상기 롤링 베어링이 복수개 설치되고, 장치의 1개의 롤링 베어링의 근처에 상기 센서가 배치되고, 다른 롤링 베어링이, 스핀들 하우징에 대하여 축방향에 이동 가능하게 설치되고, 또한 제2 스프링 부재에 의해 탄성 지지되어 있어도 된다.
다른 롤링 베어링이 제2 스프링 부재에 의해 탄성 지지됨으로써, 베어링에 적절한 예압을 작용시킬 수 있다. 또한, 이로써, 주축의 축방향 위치를 양호한 정밀도로 유지하는 동시에, 상기 센서에 의해 스러스트 힘의 검출을 양호한 정밀도로 행할 수 있다.
상기 제2 스프링 부재는, 상기 다른 롤링 베어링의 외륜과 상기 스핀들 하우징의 사이, 또는 상기 다른 롤링 베어링의 외륜을 고정하는 부재와 상기 스핀들 하우징의 사이, 또는 상기 롤링 베어링의 내륜과 상기 주축 사이에 개재된다. 이들 어느 부분에 개재되어도, 간단한 구성으로 제2 스프링 부재를 설치할 수 있다.
상기 제1 스프링 부재 및 제2 스프링 부재를 설치하는 경우, 상기 제2 스프링 부재는 상기 제1 스프링 부재보다 스프링 정수가 작은 것으로 한다.
제2 스프링 부재의 스프링 정수가 제1 스프링 부재보다 크면, 주축에 과대한 스러스트 힘이 작용된 경우에는 양쪽의 베어링에 대하여 과대한 예압이 작용되는 것으로 된다. 제2 스프링 부재의 스프링 정수를 작게 함으로써, 다른 베어링에 이과대한 예압이 작용되는 것이 방지될 수 있어, 안정된 회전 성능을 얻으면서, 센서에 정역 양 방향의 스러스트 힘 검출을 위한 예압을 부여할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 주축에 강자성체로 이루어지는 플랜지형의 스러스트판을 복수개 설치하고, 각 플랜지의 양쪽의 단부면에 대향시켜 상기 전자석을, 상기 베어링이 설치된 스핀들 하우징에 설치해도 된다.
터빈 유닛에서는, 공기압에 의한 스러스트 힘이 큰 경우, 스러스트판의 직경을 크게 취하여, 전자석의 힘을 강하게 하고 싶다. 그러나, 고속 회전에서는, 원심력에 의해 파괴 될 우려가 있으므로, 스러스트판의 직경을 크게 하는 것에는 한계가 있다. 스러스트판을 복수개로 한 경우에는, 원심력에 의한 파괴의 문제를 발생하지 않고, 스러스트 힘에 대한 지지력을 높일 수 있다.
스러스트판을 복수개 설치하는 경우, 상기 전자석을 원주 방향으로 정렬한 복수개로 분할된 것이라도 된다. 전자석을 분할 형식으로 함으로써, 복수개의 스러스트판을 가지고 있어도, 조립이 용이하게 행해진다.
복수개로 분할된 개개의 전자석의 극수, 크기, 및 내장되는 코일의 턴 수는 동일하게 해도 된다. 이들 극수, 크기, 턴 수를 동일하게 함으로써, 전 원주에 균 등한 전자력을 작용시킬 수 있고, 또한 분할된 개개의 전자석에 동일한 구성의 것을 사용하여 생산성이나 조립성의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명은, 첨부한 도면을 참고로 한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로부터, 보다 명료하게 이해될 수 있다. 그러나, 실시예 및 도면은 단순한 도시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정하기 위해 이용되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부한 청구의 범위에 의해 정해진다. 첨부 도면에서, 복수개의 도면에서의 동일한 부품 번호는, 동일 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛을 사용하는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 계통도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 관한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 3은 제2 실시예에 관한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 4는 제3 실시예에 관한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 5는 제4 실시예에 관한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 6은 제5 실시예에 관한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 상기 각 실시예의 터빈 유닛에 사용되는 센서의 일례를 나타낸 정면도 및 그 VII-VII선 단면도이다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 상기 각 실시예의 터빈 유닛에 사용되는 센서의 제1 변형예의 정면도 및 그 VIII -VIII선 단면도이다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 동 센서의 제2 변형예의 정면도 및 그 IX-IX선 단면도이다.
도 10(a) 및 도 10(b)는 동 센서의 제3 변형예의 정면도 및 그 X-X선 단면도이다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 동 센서의 제4 변형예의 정면도 및 그 XI-XI선 단면도이다.
도 12(a) 및 도 12(b)는 동 센서의 제5 변형예의 정면도 및 그 XII-XII선 단면도이다.
도 13(a) 및 도 13(b)는 동 센서의 제6 변형예의 단면도 및 그 XIII-XIII선을 따라 바라본 도면이다.
도 14(a) 및 도 14(b)는 동 센서의 제7 변형예의 단면도 및 그 XIV-XIV선을 따라 바라본 도면이다.
도 15(a) 및 도 15(b)는 동 센서의 제8 변형예의 단면도 및 그 XV-XV선을 따라 바라본 도면이다.
도 16은 상기 각 실시예의 터빈 유닛에 사용되는 센서 회로의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 17은 동 센서 회로의 제1 변형예를 나타낸 블록도이다.
도 18(a) 및 도 18(b)는 동 센서 회로에서의 힘과 인덕턴스의 관계를 나타내 는 그래프, 및 힘과 센서 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 19는 동 센서 회로의 제2 변형예를 나타낸 블록도이다.
도 20(a) 및 도 20(b)는 동 센서 회로에서의 힘과 저항값의 관계를 나타내는 그래프, 및 힘과 센서 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 21은 동 센서 회로의 제3 변형예를 나타낸 블록도이다.
도 22는 동 센서 회로에서의 힘과 센서 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 23은 동 센서 회로의 제4 변형예를 나타낸 블록도이다.
도 24는 상기 각 실시예의 터빈 유닛에 사용되는 컨트롤러의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 25(a) 및 도 25(b)는 각각 제6 실시예에 관한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 종단면도 및 그 전자석의 횡단면도이다.
도 26은 제7 실시예에 관한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
본 발명의 제1 실시예를 도 1 및 도 2와 함께 설명한다. 도 1은 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 전체의 구성을 나타낸다. 상기 공기 냉각 시스템은, 냉동고 등의 피냉각 공간(10)의 공기를 직접 냉매로서 냉각하는 시스템이며, 피냉각 공간(10)에 각각 개구된 공기의 도입구(1a)로부터 배출구(1b)에 이르는 공기 순환 경로(1)를 가지고 있다. 공기 순환 경로(1)에, 예압축 수단(2), 제1 열교환기(3), 제습기(4), 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛(5)의 압축기(6), 제2 열교환기(8), 중간 열교환기(9), 및 상기 터빈 유닛(5)의 팽창 터빈(7)이 차례로 설치되어 있다. 중간 열교환기(9)는, 동일한 공기 순환 경로(1) 내에서 도입구(1a) 부근의 유입 공기와, 후단의 압축기에 의해 온도 상승되고 제2 열교환기(8)에 의해 냉각된 공기 사이에서 열교환을 행하는 것이며, 도입구(1a) 부근의 공기는 열교환기 코어(9a) 내를 통과한다.
예압축 수단(2)은 블로어 등으로 이루어지고, 모터(2a)에 의해 구동된다. 제1 열교환기(3) 및 제2 열교환기(8)는, 냉각 매체를 순환시키는 열교환기 코어(3a, 8a)를 각각 가지고, 열교환기 코어(3a, 8a) 내의 물 등의 냉각 매체와 공기 순환 경로(1)의 공기 사이에서 열교환을 행한다. 각 열교환기 코어(3a, 8a)는, 냉각탑(11)에 배관 접속되어 있고, 열교환으로 온도 상승된 냉각 매체가 냉각탑(11)에 의해 냉각된다.
상기 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 피냉각 공간(10)을 0℃ ~ -60℃ 정도로 유지하는 시스템이며, 피냉각 공간(10)으로부터 공기 순환 경로(1)의 도입구(1a)에 0℃ ~ -60℃ 정도로 1기압의 공기가 유입된다. 그리고, 이하에 나타내는 온도 및 기압의 수치는, 일응의 기준으로 되는 일례이다. 도입구(1a)로부터 유입된 공기는, 중간 열교환기(9)에 의해, 공기 순환 경로(1) 중의 후단의 공기의 냉각에 사용되고, 30℃까지 온도 상승된다. 이 온도 상승된 공기는 1기압인 상태이지만, 예압축 수단(2)에 의해 1.4기압으로 압축되고, 그 압축에 의해, 70℃까지 온도 상승된다. 제1 열교환기(3)는, 온도 상승된 70℃의 공기를 냉각하면 양호하므로, 상온 정도의 냉수라도 양호한 효율로 냉각할 수 있고, 40℃로 냉각시킨다. 제습 기(4)는, 공기 순환 경로(1) 내의 공기의 수분이, 후단에서의 빙점 아래로의 냉각에 의해 동결되어 공기 순환 경로(1)의 막힘(clogging)이나 팽창 터빈(7)의 깍임 등을 생기는 것을 방지하기 위하여, 경로 내의 공기를 제습한다.
제습 후의 40℃, 1.4기압의 공기가, 터빈 유닛(5)의 압축기(6)에 의해, 1.8기압까지 압축되고, 이 압축에 의해 70℃ 정도로 온도 상승된 상태에서, 제2 열교환기(8)에 의해 40℃로 냉각된다. 이 40℃의 공기는, 중간 열교환기(9)에 의해 피냉각 공간(10)으로부터의 -30℃의 공기에 의해 -20℃까지 냉각된다. 기압은 압축기(6)로부터 배출되고 1.8기압이 유지된다.
중간 열교환기(9)에 의해 -20℃까지 냉각된 공기는, 터빈 유닛(5)의 팽창 터빈(7)에 의해 단열 팽창되고, -55℃까지 냉각되어 배출구(1b)로부터 피냉각 공간(10)으로 배출된다. 이 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 이와 같은 냉동 사이클을 행한다.
도 2는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛(5)의 구체예를 나타낸다. 터빈 유닛(5)은, 원심 압축기(6) 및 반경류 팽창 터빈(7)을 가지고, 압축기(6)의 압축기 날개차(6a) 및 팽창 터빈(7)의 터빈 날개차(7a)가 주축(13)의 양단에 각각 장착되어 있다. 또한, 터빈 날개차(7a)에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차(6a)가 구동되는 것이며, 다른 구동원은 설치되어 있지 않다.
그리고, 예를 들면, 이후에 설명되는 도 26의 예와 같이, 압축기(6)의 압축기 날개차(6a), 팽창 터빈(7)의 터빈 날개차(7a) 및 모터 로터(92)를 공통의 주축(13)에 장착하고, 모터(90) 및 팽창 터빈(7)의 구동력에 의해 주축(13)을 구동해 도 된다. 모터(90)를 설치하여 주축(13)을 구동하는 경우, 압축기(6)보다도 전단에 블로어 등의 예압축 수단(2)(도 1)을 설치할 필요가 없어진다.
압축기(6)는, 압축기 날개차(6a)와 미소의 간극(d1)을 통하여 대향하는 하우징(6b)을 가지고, 중심부의 흡입구(6c)로부터 축방향으로 흡입된 공기를, 압축기 날개차(6a)에 의해 압축하고, 외주부의 출구(도시하지 않음)로부터 화살표(6d)로 나타낸 바와 같이 배출한다.
팽창 터빈(7)은, 터빈 날개차(7a)와 미소의 간극(d2)을 통하여 대향하는 하우징(7b)을 가지고, 외주부로부터 화살표(7c)로 나타낸 바와 같이 흡입한 공기를, 터빈 날개차(7a)에 의해 단열 팽창시키고, 중심부의 배출구(7d)로부터 축방향으로 배출한다.
터빈 유닛(5)은, 주축(13)을 반경 방향에 대하여 복수개의 베어링(15, 16)으로 지지하고, 주축(13)에 관한 스러스트 힘을 전자석(17)에 의해 지지하게 한다. 터빈 유닛(5)은, 압축기(6) 및 팽창 터빈(7) 내의 공기에 의해 주축(13)에 작용되는 스러스트 힘을 검출하는 센서(18)와, 센서(18)의 출력에 따라 전자석(17)에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러(19)를 가지고 있다. 전자석(17)은, 주축(13)의 중앙에 설치된 강자성체로 이루어지는 플랜지형의 스러스트판(13a)의 양면에 비접촉으로 대향하도록, 스핀들 하우징(14)에 설치되어 있다.
주축(13)을 지지하는 베어링(15, 16)은, 롤링 베어링으로서, 축방향 위치의 규제 기능을 가지는 것이며, 예를 들면, 깊은 홈 볼베어링이 사용된다. 깊은 홈 볼베어링의 경우, 양 방향의 스러스트 지지 기능을 가지고, 내외륜의 축방향 위치 를 중립 위치로 되돌리는 작용을 가진다. 이들 2개의 베어링(15, 16)은, 각각 스핀들 하우징(14)에서의 압축기 날개차(6a) 및 터빈 날개차(7a)의 근처에 배치되어 있다.
주축(13)은, 중앙부의 대경부(13b)와, 양 단부의 소경부(13c)를 가지는 계단식 축으로 되어 있다. 양쪽의 베어링(15, 16)은, 그 내륜(15a, 16a)이 소경부(13c)에 압입 상태로 끼움 결합되고, 한쪽의 단부면이 대경부(13b)와 소경부(13c) 사이의 단차면에 결합된다.
스핀들 하우징(14)에서의 양쪽의 베어링(15, 16)보다도 각 날개차(6a, 7a) 쪽의 부분은, 내경면이 주축(13)에 근접되는 직경으로 형성되고, 이 내경면에 비접촉 밀봉재(21, 22)가 형성되어 있다. 비접촉 밀봉재(21, 22)는, 스핀들 하우징(14)의 내경면에 복수개의 원주홈을 축방향으로 배열하여 형성한 래버린스 시일(labyrinth seal)로 되어 있다.
센서(18)는, 터빈 날개차(7a) 측의 베어링(16)의 근처에서의 정지측, 즉 스핀들 하우징(14) 측에 설치되어 있다. 센서(18)를 근처에 설치한 베어링(16)은, 그 외륜(16b)이 베어링 하우징(23) 내에 고정 상태로 끼움 결합되어 있다. 베어링 하우징(23)은, 링형으로 형성되어 일단에 베어링(16)의 외륜(16b)의 단부면에 걸림 결합되는 내부 칼라(23a)를 가지고 있고, 스핀들 하우징(14)에 설치된 내경 구멍(24)에 축방향으로 이동 가능하게 끼움 결합되어 있다. 내부 칼라(23a)는, 축방향의 중앙 측단에 설치되어 있다.
센서(18)는, 스핀들 하우징(14)에 장착된 베어링 하우징(23)의 내부 칼 라(23a) 측의 단부면과, 스핀들 하우징(14)에 고정된 부재인 다른 한쪽의 전자석(17) 사이에 개재되어 있다. 또한, 센서(18)는, 제1 스프링 부재(25)에 의해 예압이 부가되어 있다. 제1 스프링 부재(25)는, 스핀들 하우징(14)에 설치된 수용 오목부 내에 수용되어 베어링(16)의 외륜(16b)을 축방향으로 가압하게 되고, 외륜(16b) 및 베어링 하우징(23)을 통하여 센서(18)를 예압한다. 제1 스프링 부재(25)는, 예를 들면, 주축(13)의 회전의 원주 방향 복수 부분에 설치된 코일 스프링 등으로 이루어진다.
제1 스프링 부재(25)에 의한 예압은, 가압력에 의해 스러스트 힘을 검출하는 센서(18)가, 주축(13)의 축방향의 어느 방향의 이동에 대하여도 검출 가능하도록 하기 위함이며, 터빈 유닛(5)의 통상의 운전 상태에서 주축(13)에 작용하는 평균적인 스러스트 힘 이상의 크기로 된다.
센서(18)가 배치되지 않은 쪽의 베어링(15)은, 스핀들 하우징(14)에 대하여 축방향으로 이동 가능하게 설치되고, 또한 제2 스프링 부재(26)에 의해 탄성 지지되어 있다. 이 예에서는 베어링(15)의 외륜(15b)이, 스핀들 하우징(14)의 내경면에 축방향 이동 가능하게 끼움 결합되어 있으므로, 제2 스프링 부재(26)는, 외륜(15b)과 스핀들 하우징(14) 사이에 개재되어 있다. 제2 스프링 부재(26)는, 내륜(15a)의 단부면이 걸림 결합된 주축(13)의 단차면에 대향하여 외륜(15b)을 가압하는 것으로 되고, 베어링(15)에 예압을 부여하고 있다. 제2 스프링 부재(26)는, 주축(13) 회전의 원주 방향 복수 부분에 설치된 코일 스프링 등으로 이루어지고, 각각 스핀들 하우징(14)에 설치된 수용 오목부 내에 수용되어 있다. 제2 스프링 부재(26)는, 제1 스프링 부재(25)보다 스프링 정수가 작은 것으로 된다.
이 구성의 터빈 유닛(5)은, 도 1에 나타내는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서, 냉각 매체로 되는 공기를 열교환기(8, 9)에 의해 양호한 효율로 열교환 가능하도록, 압축기(5)로 압축하여 온도를 상승시키고, 열교환기(8, 9)로 냉각된 공기를, 팽창 터빈(7)에 의해, 목표 온도, 예를 들면 -30℃ ~ -60℃ 정도의 극저온까지 단열 팽창에 의해 온도를 하강하여 배출하도록 사용된다.
터빈 유닛(5)은, 압축기 날개차(6a) 및 터빈 날개차(7a)를 공통의 주축(13)에 장착하고, 터빈 날개차(7a)에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차(6a)를 구동하는 것이므로, 동력원이 불필요하고, 컴팩트한 구성으로 양호한 효율로 냉각할 수 있다.
터빈 유닛(5)의 압축, 팽창의 효율을 확보하기 위해서는, 각 날개차(6a, 7a)와 하우징(6b, 7b)의 간극(d1, d2)을 미소하게 유지할 필요가 있다. 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서는, 이 효율 확보가 중요해진다. 이에 대하여, 주축(13)을 롤링 형식의 베어링(15, 16)에 의해 지지하므로, 롤링 베어링이 가지는 축방향 위치의 규제 기능에 의해, 주축(13)의 축방향 위치가 어느 정도 규제되고, 각 날개차(6a, 7a)와 하우징(6b, 7b) 사이의 미소 간극(d1, d2)을 일정하게 유지할 수 있다.
그러나, 터빈 유닛(5)의 주축(13)에는, 각 날개차(6a, 7a)에 작용하는 공기의 압력 등에 의하여 스러스트 힘이 걸린다. 또한, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서 사용되는 터빈 유닛(5)에서는, 1분간에 예를 들면 8만 ~ 10만 회전 정도의 매 우 고속의 회전으로 된다. 그러므로, 주축(13)을 회전 지지하는 롤링 베어링(15, 16)에 상기 스러스트 힘이 작용되면, 베어링(15, 16)의 장기 내구성이 저하된다.
이 실시예는, 상기 스러스트 힘을 전자석(17)으로 지지하므로, 비접촉으로 토크의 증대를 억제하면서, 주축(13)의 지지용 롤링 베어링(15, 16)에 작용하는 스러스트 힘을 경감시킬 수 있다. 이 경우에, 압축기(6) 및 팽창 터빈(7) 내의 공기에 의해 주축(13)에 작용하는 스러스트 힘을 검출하는 센서(18)와, 센서(18)의 출력에 따라 전자석(17)에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러(19)를 설치하였으므로, 롤링 베어링(15, 16)을, 그 베어링 사양에 따라 스러스트 힘에 대하여 최적인 상태로 사용할 수 있다.
특히, 센서(18)는, 베어링(16)의 근처에 배치되었으므로, 문제로 되는 베어링(16)에 작용하는 스러스트 힘을 직접 측정할 수 있으므로, 그 측정 정밀도가 양호하고, 정밀한 스러스트 힘의 제어가 가능하게 된다.
그러므로, 각 날개차(6a, 7a)의 적절한 간극(d1, d2)을 유지하여 주축(13)의 안정된 고속 회전을 얻을 수 있고, 또한 베어링(15, 16)의 장기 내구성의 향상, 및 수명의 향상을 얻을 수 있다. 베어링(15, 16)의 장기 내구성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛(5)의 전체적인 신뢰성 및, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 전체적인 신뢰성이 향상된다. 이와 같이, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서 장애물이 되는 터빈 유닛(5)의 주축 베어링(15, 16)의 안정된 고속 회전, 장기 내구성, 및 신뢰성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 실용화가 가능해진다.
각 베어링(15, 16)은, 압축기 날개차(6a)의 근처와 터빈 날개차(7a)의 근처에 배치되고, 주축(13)이 양단 지지로 되므로, 더욱 더 안정된 고속 회전이 가능하게 된다. 또한, 롤링 베어링으로 이루어지는 베어링(15)은, 제2 스프링 부재(26)에 의해 탄성 지지되고, 적절한 예압을 부여하고 있으므로, 주축(13)의 축 방향 위치가 안정되고, 각 날개차(6a, 7a)의 미소 간극(d1, d2)이 보다 확실하게 유지되고, 또한 안정된 고속 회전을 얻을 수 있다.
각 베어링(15, 16)보다도 단부 측의 주축(13)과 스핀들 하우징(14) 사이에는, 래버린스 시일로 이루어지는 비접촉 밀봉재(21, 22)가 설치되어 있으므로, 베어링(15, 16) 내부 등을 통하여 공기가 압축기(6)와 팽창 터빈(7) 사이에 누출되는 것이 방지된다. 압축기(6)의 내부와 팽창 터빈(7)의 내부에서는 기압차가 크기 때문에, 각 베어링(15, 16)의 내부나, 각 베어링(15, 16)의 내외륜(15a, 16a)이 주축(13)이나 스핀들 하우징(14)에 끼움 결합되는 면을 통하여 공기의 누출이 생기도록 한다. 이와 같은 공기의 누출은, 압축기(6)나 팽창 터빈(7)의 효율의 저하를 초래하고, 또한 베어링(15, 16) 내부를 통과하는 공기는, 베어링(15, 16) 내의 윤활제를 건조시키거나, 먼지가 있으면 베어링(15, 16) 내부를 오염시켜 내구성을 저하시킬 우려가 있다. 이와 같은 효율 저하, 및 베어링(15, 16)의 오염 및 손상이, 비접촉 밀봉재(21, 22)에 의해 방지된다.
센서(18)는, 예압을 부여하고 있으므로, 가압력의 검출만이 가능한 것이라도, 주축(13)의 축방향의 어느 방향으로 이동된 경우도 검출이 가능하게 된다. 즉, 가압력으로 검출하는 센서의 경우, 가압력이 마이너스로 되는 경우에는 검출을 행할 수 없지만, 예압을 행함으로써, 마이너스 방향의 스러스트 힘의 경우에, 센서(18)에 작용하는 가압력이 줄어드는 것으로 검출을 행할 수 있다.
센서(18)를 예압하는 제1 스프링 부재(25)는, 베어링(15, 16)을 예압하는 제2 스프링 부재(26)보다 스프링 정수가 크기 때문에, 베어링(15, 16)이 예압되어 있어도, 센서(18)의 예압에 의한 정,역 양 방향의 검출을 행할 수 있다.
도 3 이후의 각 도면은, 본 발명에서의 다른 각 실시예, 또는 센서(18)의 상세 등을 나타낸다. 도 3 이후의 각 예에서, 특히 설명한 사항 외에는, 구성, 및 효과도 도 2의 예와 동일하고, 대응 부분에 동일 부호를 부여하여 그 중복되는 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예를 나타낸다. 이 예는, 도 2의 예에 대하여 각 스프링 부재(25, 26), 및 센서(18)의 배치를 바꾼 것이다. 이 예에서는, 터빈 날개차(7a) 측의 베어링(16)을 고정한 베어링 하우징(23)이, 축 단부측에 내부 칼라(23a)를 가지는 것으로 되고, 베어링 하우징(23)의 내부 칼라(23a) 측의 단부면과 이에 대향하는 스핀들 하우징(14)의 측면 사이에 센서(18)가 배치되어 있다.
제1 스프링 부재(25)는, 베어링(16)의 외륜(16a)과 전자석(17) 사이에 배치되고, 외륜(16a) 및 베어링 하우징(23)의 내부 칼라(23a)를 통하여 센서(18)를 예압하고 있다. 제2 스프링 부재(26)는, 압축기 날개차(6a) 측의 베어링(15)의 외륜(15b)과 전자석(17) 사이에 개재되고, 베어링(15)을 예압하고 있다. 따라서, 베어링(15, 16)에 생기는 접촉각의 방향은, 도 2의 예와는 역방향이다.
이 구성의 경우, 도 2의 예는, 센서(18)의 배치 및 스프링 부재(25, 26)에 의한 예압의 방향이 역이지만, 이 예에 있어서도, 센서(18)가 베어링(16)의 근처에 배치되어 베어링(16)에 작용하는 스러스트 힘을 직접 검출할 수 있다. 또한, 도 2의 예에서 설명한 각 작용 효과가 얻어진다.
도 4의 제3 실시예는, 센서 비배치 측의 베어링(15)의 외륜(15b)을, 스핀들 하우징(14)과 별개의 베어링 하우징(27)의 내주에 고정한 것이다. 베어링 하우징(27)은, 외륜(15b)의 양쪽의 단부면에 각각 걸림 결합되는 내부 칼라를 가지고 있고, 스핀들 하우징(14)에 설치된 내경 구멍(28) 내에 축 방향 이동 가능하게 끼움 결합되어 있다. 제2 스프링 부재(26)는, 베어링 하우징(27)을 통하여 외륜(15b)에 예압을 인가하고 있다.
도 5의 제4 실시예는, 도 4에 나타낸 예에서, 센서 비배치 측의 베어링(15)의 외륜(15b)을 고정한 베어링 하우징(27)을, 2개의 판스프링(29)에 의해, 스핀들 하우징(14)에 대하여 지지한 것이다. 판스프링(29)은, 베어링(15)을 예압하는 제2 스프링 부재로 된다.
이 구성의 경우, 판스프링(29)이 베어링 하우징(27)을 지지하는 수단과 베어링(15, 16)의 예압 수단을 겸하기 때문에, 간단한 구성으로 된다. 판스프링(29)은, 판형이지만, 그 평면 방향인 반경 방향의 강성은 높고, 이와 같은 판스프링(29)에 의한 지지라도, 베어링(15)의 확실한 지지를 행할 수 있다. 그리고, 판스프링(29)을 서로 축방향으로 이격된 2매로 한 것은, 1매로서는 모멘트 하중이 작용되어 베어링(15)의 안정된 지지가 어렵기 때문이다.
도 6의 제5 실시예는, 도 2의 예에서, 센서 비배치 측의 베어링(15)에 예압 을 부여하는 제2 스프링 부재(26)를 회전 측에 배치한 예이다. 이 예에서는, 내륜(15a)의 단부면과 이 단부면에 대향하는 주축(13)의 단차면 사이에 제2 스프링 부재(26)를 배치하고 있다.
도 7(a) 및 도 7(b)는, 도 2에 나타내는 실시예에 이용된 센서(18)의 구체예를 나타낸다. 이 센서(18)는, 연질 자성 재료로 이루어지는 2개의 요크 부재(32)에 자기 왜곡재(31)를 끼워 넣고, 각 자기 왜곡재(31)의 외주에 그 투자율을 검출하는 코일(33)을 설치한 것으로 되어 있다. 요크 부재(32)는 주축 관통 구멍(32a)을 가지는 링형의 판재이며, 원주 방향의 복수 부분에 자기 왜곡재(31)와 코일(33)의 세트가 설치되어 있다. 자기 왜곡재(31)는 초자기 왜곡재라도 된다.
자기 왜곡재(31)는, 기울어짐 방지를 위해 2개 이상 설치하는 것이 바람직하고, 3개 이상인 것이 보다 바람직하다. 이 예에서는 4개를 원주 방향으로 균등 배치하고 있다.
이 구성의 센서(18)에 의하면, 코일(33)에 흐르는 전류에 의한 자속은 도면 중에 화살표로 나타내게 된다. 도 2의 베어링(16)에 작용하는 스러스트 힘에 의해 도 7의 요크 부재(32) 사이에 압력이 작용되면, 자기 왜곡재(31)의 투자율이 변화되고, 인덕턴스가 변화된다. 이 인덕턴스의 변화가 코일(33)로 검출되고, 그 검출값으로부터 상기 스러스트 힘을 검출할 수 있다.
자기 왜곡재(31)가 동 도면과 같이 주축 축심을 중심으로 복수개 설치되어 있으면, 요크 부재(32)의 기울어짐이 방지되고, 스러스트 힘의 안정된 검출을 행할 수 있다. 자기 왜곡재(31)가 3개 이상이면 기울어짐으로부터 안정된다. 또한, 예 를 들면, 각 코일(33)을 인접한 코일(33)과 직렬로 접속되도록 결선하는 것 등으로, 요크 부재(32)의 전 원주에 작용하는 스러스트 힘을 평균화하여 검출할 수 있다.
도 7의 센서(18)에서, 도 8의 제1 변형예에 나타낸 바와 같이, 2개의 요크 부재(32) 사이에, 자기 왜곡재(31)보다 미소하게 길이가 짧은 연질 재료로 이루어지는 제2 요크 부재(34)를 배치해도 된다. 제2 요크 부재(34)는, 예를 들면, 2개의 요크 부재(32)와 같은 링형으로 되고, 각 코일(33)이 간극을 가져 꼭 맞는 코일 수용 구멍(34a)을 가지는 것으로 된다. 제2 요크 부재(34)는, 예를 들면, 2개의 중 한쪽의 요크 부재(32)에 중첩되어 고정되어 있다. 자기 왜곡재(31)는 초자기 왜곡재라도 된다. 상기 미소한 길이의 차이에 의한 간극(d34)은, 하중이 2개의 요크 부재(32) 사이에 직접 작용하지 않는 치수이면 되고, 예를 들면, 수십 미크로 내지 수백 미크로의 간극 치수로 된다.
제2 요크 부재(34)를 상기와 같이 설치함으로써, 코일(33)의 자로의 자기 저항이 작아지고, 센서(18)의 감도가 향상된다.
도 9는, 도 8에 나타내는 센서(18)에서, 자기 왜곡재(31)의 투자율을 검출하는 코일(33) 이외에, 코일(33)의 신호를 반송하기 위한 반송파를 부여하는 여자 코일(35)을 설치한 제2 변형예를 나타낸다.
도 10의 제3 변형예는, 도 7에 나타내는 센서(18)에서, 자기 왜곡재(31)의 단면에, 그 두께 방향으로 자화된 영구 자석(36)을 직접 밀착되어 설치한 것이다. 이들 자기 왜곡재(31)와 영구 자석(36)을, 연질 재료로 이루어지는 2개의 요크 부 재(32) 사이에 협지한다.
이와 같이 영구 자석(36)을 설치한 경우, 바이어스 자계를 부여할 수 있다. 그러므로 자기 왜곡재(31)의 자화곡선에서의 투자율의 변화가 큰 부분을 선택하여 검출에 사용할 수 있고, 검출 감도를 향상시킬 수 있다. 또는 투자율의 변화의 직선성이 우수한 부분을 이용하여 제어의 용이를 도모할 수도 있다.
도 11의 제4 변형예는, 도 10에 나타내는 영구 자석(36)을 설치한 센서(18)에서, 도 8의 예와 마찬가지로 제2 요크 부재(34)를 설치한 것이다.
도 12에 나타내는 제5 변형예의 센서(18)는, 도 10의 예와 마찬가지로 자기 왜곡재(31)의 단면에, 그 두께 방향으로 자화된 영구 자석(36)이 직접 밀착되어 설치되고, 이들 자기 왜곡재(31)와 영구 자석(36)을, 연질 재료로 이루어지는 2개의 요크 부재(32) 사이의 원주 방향 복수 부분에 끼우고 있다. 단, 이 예에서는, 자기 왜곡재(31)의 투자율을 검출하는 수단으로서, 코일 대신에 홀 소자(hall elements)(37)를 설치하고 있다. 홀 소자(37)는, 원주 방향으로 정렬된 각 자기 왜곡재(31)의 사이에 배치되어 있다. 또한, 이들 홀 소자(37)는, 한쪽의 요크 부재(32)의 대향면에 부분적으로 설치된 제2 요크 부재(34A)의 선단에 장착되고, 다른 쪽의 요크 부재(32)에 근접되어 있다.
이 구성의 경우, 자기 왜곡재(31)의 투자율의 변화가 자기 회로의 자기 저항의 변화로 되어, 홀 소자(37)를 통과하는 자속밀도의 변화로 되고, 홀 소자(37)의 출력의 변화로서 검출된다. 이 예에서도, 영구 자석(36)을 설치하고 있으므로, 바이어스 자계에 의해, 자기 왜곡재(31) 투자율의 변화에 의한 홀 소자(37)의 출력 변화가 커지게 되는 부분을 검출에 사용할 수 있어, 감도의 향상을 얻을 수 있다.
도 13에 나타내는 제6 변형예의 센서(18)는, 2개의 요크 부재(32) 사이의 원주 방향 복수 부분에 감압 저항 소자(39)를 개재시킨 것이다. 감압 저항 소자(39)의 주변에 위치하여 요크 부재(32)에 온도 센서(40)를 장착하고, 온도 센서(40)의 출력에 의해 감압 저항 소자(39)의 저항값을 보정하도록 하고 있다.
이 구성의 센서(18)에 의하면, 2개의 요크 부재(32) 사이에 작용하는 힘(F)에 의해, 감압 저항 소자(39)의 저항값이 변화된다. 이 저항값의 변화를 검출함으로써, 2개의 요크 부재(32) 사이에 작용하는 힘(F)을 검출할 수 있고, 도 2에 터빈 유닛(5)에서의 주축(13)의 스러스트 힘을 검출할 수 있다.
도 14에 나타내는 제7 변형예의 센서(18)는, 도 13의 센서 구조의 감압 저항 소자(39)와 요크 부재(32) 사이에 탄성체(45)를 삽입한 구성이다. 탄성체(45)를 협지함으로써, 감압 저항 소자(39)의 압력 수용부에 균등하게 압력이 작용되도록 되어, 국소적으로 압력이 걸리는 것에 의한 측정 오차를 저감할 수 있다.
도 15에 나타내는 제8 변형예의 센서(18)는, 2개의 요크 부재(32) 사이에, 이들 요크 부재(32)와 동심의 접시 스프링(41)을 배치하고, 접시 스프링(41)의 원주 방향 복수 부분에 스트레인 게이지(43)를 접착한 것이다. 이 예에서, 스트레인 게이지(43)의 주변에 위치되어 요크 부재(32)에 온도 센서(40)를 장착하고, 온도 센서(40)의 출력에 의해 스트레인 게이지(43)의 저항값을 보정하도록 하고 있다.
이 구성의 센서(18)에 의하면, 2개의 요크 부재(32) 사이에 작용하는 힘(F)에 의해, 접시 스프링(41)에 휨이 발생되고, 이 휨이 스트레인 게이지(43)의 저항 값의 변화로 된다. 스트레인 게이지(43)의 저항값의 변화는, 스트레인 게이지 앰프의 출력 변화로서 검출된다.
도 16내지 도 24는, 각 센서(18)의 센서 회로 및 센서 출력의 예를 각각 나타낸다.
도 16은, 도 7에 나타내는 센서(18) 등과 같이, 코일(33)을 설치한 센서(18)의 경우의 센서 회로(50)의 일례를 나타낸다. 센서 회로(50)는, 반송파 발생 회로(51)에 의해 일정 진폭, 일정 주파수의 반송파를 발생하고, 컨덴서(Co)를 통하여 코일(33)에 반송파를 전달한다. 코일(33)은, 컨덴서(C)로 병렬 공진 회로를 구성하고, 이 병렬 공진 회로의 출력을 진폭 검출 회로(52)에 접속한다.
상기 공진 회로에 있어서, 입력(ei), 출력(eo)으로 하면, 그 전달 함수(eo/ei)의 값은 입력 주파수(f)에 따라 변화된다. 코일(33)의 인덕턴스를 L, 컨덴서(C1)의 캐패시턴스(capacitance)를 C로 하면, 상기 전달 함수(eo/ei)의 피크값은, 1/(2π√LC)로 된다. 코일(33)의 인덕턴스(L)의 값은, 전술한 바와 같이 자기 왜곡재(31)(도 7)의 투자율이 힘(F)에 의해 변화되므로, 이 변화에 따라 변화된다. 따라서, 반송파 발생 회로(51)에 의해 일정 진폭, 일정 주파수의 전압을 인가하여 상기 공진 회로를 가진(加振)함으로써, 소정 주파수에서의 전달 함수(eo/ei)의 값이, 힘(F)의 변화, 즉 인덕턴스(L)의 변화에 따라 변화된다. 진폭 검출 회로(52)는, 이 전달 함수(eo/ei)의 변화를 검출하여 센서 출력(Vo)으로 한다.
코일(33)을 도 7의 예와 같이 복수개 설치하는 경우에, 센서 회로(50)는 개개의 코일(33)마다 설치해도 되지만, 도 17에 나타내는 제1 변형예와 같이 각 코 일(33)을 직렬로 접속하고, 1개의 센서 회로(50)로 검출하도록 해도 된다. 그리고, 근접하는 각 코일(33)의 감김 방향은 여러 가지 방향을 갖는다. 이와 같이 코일(33)을 직렬로 접속함으로써, 각 코일(33)에 대응하는 자기 왜곡재(31)에 작용하는 힘이 평균화되어 센서 출력(Vo)으로서 꺼내진다.
이들 도 16, 도 17의 센서 회로(50)에서, 자기 왜곡재(31)에 가해지는 힘(F)과 인덕턴스(L)의 관계, 및 상기 힘(F)과 센서 출력(Vo)의 관계는, 도 18(a) 및 도 18(b)에 나타낸 바와 같이 된다. 이 경우에, 마이너스 방향으로 힘을 작용시키는 것은, 자기 왜곡재(31)에 압력을 미치게 하는 대향부가 자기 왜곡재(31)로부터 이격되는 것을 의미하고, 검출될 수 없으므로, 동 도면과 같이 초기 예압량을 부여하여 둠으로써, 상기 스러스트 힘이 정역 어느 방향으로 작용해도, 초기 예압량시의 센서 출력과의 차이분으로 스러스트 힘을 검출할 수 있다.
도 19, 도 20은, 도 13의 감압 저항 소자(39)를 사용한 센서(18)의 센서 회로(53)의 제2 변형예를 나타낸다. 센서 회로(53)는, 감압 저항 소자(39)와 고정 저항(R1)의 직렬 회로를 전원(61)에 접속하고, 이 직렬 회로의 중간인 감압 저항 소자(39)와 고정 저항(R1)의 접속점으로부터 센서 출력(Vo)을 인출하는 것이다.
감압 저항 소자(39)는, 도 20(a)에 나타낸 바와 같이, 가해지는 힘(F)이 커지게 됨에 따라 저항(R)이 작아지게 된다. 따라서, 상기 직렬 회로의 분압 저항비가 커지고, 도 20(b)와 같이 힘(F)가 커지게 됨에 따라 센서 출력(Vo)이 증대된다.
마이너스 방향으로 힘을 작용시키는 것은, 감압 저항 소자(39)에 압력을 미치게 하는 대향부가 감압 저항 소자(39)로부터 이격되는 것을 의미하고, 감압 저항 소자(39)는, 마이너스의 힘은 측정할 수 없지만, 도 20(a) 및 도 20(b)에 나타낸 바와 같이 초기 예압량을 부여하여 둠으로써, 이 초기 예압량시의 센서 출력과의 차이분으로, 힘(F)이 정역 어느 방향으로 더해져도 측정할 수 있다.
도 21은, 도 13의 감압 저항 소자(39)를 사용한 센서(18)에 대한 센서 회로(54)의 제3 변형예를 나타낸다. 이 센서 회로(54)는, 작동 앰프(OP1)의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에 고정 저항(R')을 접속하고, 반전 입력 단자에 감압 저항 소자(39)의 일단을 접속하여 타단에 일정 전압(V)을 인가하는 것이다.
이 센서 회로(54)에서는, 감압 저항 소자(39)의 저항을 R로 하면, 센서 출력(Vo)은, -R'/R×i로 된다. 따라서, 도 22에 나타낸 바와 같이, 센서 출력(Vo)은 감압 저항 소자(39)에 가해지는 힘(F)이 증대됨에 따라 커지게 된다.
감압 저항 소자(39)를 도 13의 예와 같이 복수개 설치하는 경우에, 각 감압 저항 소자(39)마다 센서 회로(54)를 설치해도 되고, 또한 도 23의 제4 변형예와 같이 각 감압 저항 소자(39)를 병렬로 접속하여 작동 앰프(OP1)와 전원 사이에 접속하고, 1개의 센서 회로(50)로 검출하도록 해도 된다. 이 경우, 각 위치의 감압 저항 소자(39)에 가해지는 힘(F)이 평균화되어 센서 출력(Vo)에 나타난다.
도 24는, 도 2에 나타낸 컨트롤러(19)의 구체적 구성예를 나타낸다. 이 컨트롤러(19)는, 예를 들면, 도 13의 각 감압 저항 소자(39)마다 센서 회로(53)를 설치한 경우의 예이다. 각 센서 회로(53)에 나타낸 괄호에 부가된 부호는, 4개의 센서 회로(53)를 구별하는 부호이다. 동 도면의 센서 회로(53)는, 도 7의 코일(33)에 대한 센서 회로(50) 등이라도 된다.
각 센서 회로(53)의 출력은, 평균화 회로(55)에 의해 산술 평균되고, 기준값 설정 수단(56)에 설정된 기준값과 비교부(57)에 의해 비교되고, 그 편차가 취해진다. 기준값은, 예를 들면, 예압 설정량에 상당하는 값으로 된다. 또한, 예를 들면, 도 13의 온도 센서(40)의 검출값은, 온도 검출 회로(58)를 통하여 센서 보정량 연산 회로(59)에 입력되고, 센서 보정량 연산 회로(59)에 의해 온도에 따른 보정값이 출력된다. 이 보정값은, 비교부(57)에 의해 상기 편차에 가산된다.
온도 보정 후의 상기 편차는, PID 보상 회로(60)에 의해, 터빈 유닛(5)에 따라 적당히 설정되는 비례, 미분, 적분 동작에 의한 처리가 행해진다.
PID 보상 회로(60)의 출력은, 다이오드(61, 62)를 통하여 각 방향의 전자석(171, 172)을 구동하는 파워 회로(63, 64)에 입력된다. 전자석(171, 172)은, 도 2에 나타낸 스러스트판(13a)에 대향하는 한 쌍의 전자석(17)이며, 흡인력 밖에 작용되지 않기 때문에, 미리 다이오드(61, 62)로 전류의 방향을 결정하고, 2개의 전자석(171, 172)을 선택적으로 구동하도록 하고 있다.
도 25는 제6 실시예에 관한 터빈 유닛(5)을 나타낸다. 터빈 유닛(5)은, 도 2에 나타낸 예에서, 주축(13)에 설치되는 강자성체로 이루어지는 스러스트판(13a)을 복수개 설치한 것이다. 전자석(17)은, 각 스러스트판(13a)의 양면에 각각 대향시켜 스핀들 하우징(14)에 설치된다.
각 전자석(17)은, 도 25(b)에 나타낸 바와 같이, 원주 방향에 정렬된 복수개의 전자석 분할체(17A, 17B)로 분할된 것으로 한다. 각 전자석 분할체(17A, 17B) 는, 각각이 코일(17a) 및 요크를 가지는 것으로 한다. 이 분할에 의해, 스러스트판(13a)을 복수개 설치하면서 조립이 가능하게 된다.
이 구성의 경우, 다음의 작용을 얻을 수 있다. 즉, 터빈 유닛(5)에서는, 공기압에 의한 스러스트 힘이 큰 경우, 스러스트판(13a)의 직경을 크게 취하고, 전자석(17)의 힘을 강하게 하고 싶다. 그러나, 고속 회전에서는, 원심력에 의해 파괴 될 우려가 있으므로, 스러스트판(13a)의 직경을 크게 함에는 한계가 있다.
도 25의 예와 같이, 스러스트판(13a)을 복수개로 한 경우에는, 원심력에 의한 파괴의 문제를 발생하지 않고, 스러스트 힘에 대한 지지력을 높일 수 있다.
도 26은 제7 실시예에 관한 터빈 유닛(5)을 나타낸다. 터빈 유닛(5)은, 주축(13)을 회전 구동시키는 모터(90)를 설치한 것이다. 모터(90)는, 전자석(17)과 함께 설치되어 있고, 스핀들 하우징(14)에 설치된 스테이터(91)와 주축(13)에 설치된 로터(92)로 구성된다. 스테이터(91)는 고정자 코일(91a)을 가지고, 로터(92)는 자석 등으로 이루어진다. 모터(90)의 제어는, 모터 컨트롤러(93)로 행해진다.
터빈 유닛(5)은, 팽창 터빈(7)에 의해 발생되는 터빈 날개차(7a)의 구동력과, 모터(90)에 의한 구동력으로 압축기 날개차(6a)가 회전 구동된다. 그러므로 도 1의 블로어로 이루어지는 예압축 수단(2)이 없어도 압축기(6)의 회전 구동이 가능해진다.
상기와 같이, 도면을 참조하면서 바람직한 실시예를 설명하였으나, 당업자이면, 본 명세서를 보고, 자명한 범위 내에서 각종의 변경 및 수정을 용이하게 상정할 것이다.
따라서, 그와 같은 변경 및 수정은, 청구의 범위로부터 정해지는 발명의 범위 내의 것으로 해석된다.
본 발명은, 냉매로서 공기가 사용되고, 냉동 창고나 영도 이하의 저온실 등이나 공조에 이용되는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템용 터빈 유닛에 이용될 수 있다.

Claims (31)

  1. 압축기 및 팽창 터빈을 가지는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서, 상기 압축기의 압축기 날개차, 및 상기 팽창 터빈의 터빈 날개차가 공통의 주축에 장착되고, 터빈 날개차에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차가 구동되거나 상기 압축기 날개차 및 터빈 날개차가 장착된 공통의 주축에 모터 로터가 장착되어 모터에 의해 상기 주축을 회전시킴으로써 상기 압축기 날개차를 회전시키는 것이며, 상기 주축에 작용하는 스러스트 힘을 검출하는 센서와, 상기 주축을 지지하는 롤링 베어링을 구비하고,
    상기 센서는 상기 롤링 베어링의 근처에서의 정지 측에 배치되고,
    상기 센서는, 가압력에 의해 특성이 변화되고 그 특성 변화가 전기적으로 검출 가능한 센서 소자를 주축 축심의 둘레에 원주 방향으로 배열하여 배치하고, 이들 복수개의 센서 소자의 출력으로부터 상기 스러스트 힘을 검출하는 것이며, 상기 롤링 베어링의 외륜과 상기 외륜을 지지하는 스핀들 하우징 사이에 개재되고,
    상기 센서는 주축 축심 원주의 원주 방향으로 배열하여 배치된 복수개의 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을 검출함으로써 스러스트 힘을 검출하고,
    상기 복수개의 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재는, 연질 자성 재료로 이루어지는 2개의 요크 부재 사이에 끼워 넣어진, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 요크 부재의 사이에, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재보다도 미소하게 길이가 짧은 연질 자성 재료로 이루어지는 제2 요크 부재를 배치한, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  5. 압축기 및 팽창 터빈을 가지는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서, 상기 압축기의 압축기 날개차, 및 상기 팽창 터빈의 터빈 날개차가 공통의 주축에 장착되고, 터빈 날개차에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차가 구동되거나 상기 압축기 날개차 및 터빈 날개차가 장착된 공통의 주축에 모터 로터가 장착되어 모터에 의해 상기 주축을 회전시킴으로써 상기 압축기 날개차를 회전시키는 것이며, 상기 주축에 작용하는 스러스트 힘을 검출하는 센서와, 상기 주축을 지지하는 롤링 베어링을 구비하고,
    상기 센서는 상기 롤링 베어링의 근처에서의 정지 측에 배치되고,
    상기 센서는, 가압력에 의해 특성이 변화되고 그 특성 변화가 전기적으로 검출 가능한 센서 소자를 주축 축심의 둘레에 원주 방향으로 배열하여 배치하고, 이들 복수개의 센서 소자의 출력으로부터 상기 스러스트 힘을 검출하는 것이며, 상기 롤링 베어링의 외륜과 상기 외륜을 지지하는 스핀들 하우징 사이에 개재되고,
    상기 센서는 주축 축심 원주의 원주 방향으로 배열하여 배치된 복수개의 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을 검출함으로써 스러스트 힘을 검출하고,
    상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 단부면에, 그 두께 방향으로 자화된 영구 자석이 직접 밀착되어 설치되고, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재와 영구 자석을, 연질 재료로 이루어지는 2개의 요크 부재 사이에 끼워 넣은, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 2개의 요크 부재의 사이에, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재와 상기 영구 자석을 중첩한 길이보다도 미소하게 길이가 짧은 연질 자성 재료로 이루어지는 제2 요크 부재를 배치한, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서는, 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 둘레에 센서 코일을 배치하고, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을, 상기 센서 코일의 인덕턴스를 측정함으로써 검출하는, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  8. 압축기 및 팽창 터빈을 가지는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서, 상기 압축기의 압축기 날개차, 및 상기 팽창 터빈의 터빈 날개차가 공통의 주축에 장착되고, 터빈 날개차에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차가 구동되거나 상기 압축기 날개차 및 터빈 날개차가 장착된 공통의 주축에 모터 로터가 장착되어 모터에 의해 상기 주축을 회전시킴으로써 상기 압축기 날개차를 회전시키는 것이며, 상기 주축에 작용하는 스러스트 힘을 검출하는 센서와, 상기 주축을 지지하는 롤링 베어링을 구비하고,
    상기 센서는 상기 롤링 베어링의 근처에서의 정지 측에 배치되고,
    상기 센서는, 가압력에 의해 특성이 변화되고 그 특성 변화가 전기적으로 검출 가능한 센서 소자를 주축 축심의 둘레에 원주 방향으로 배열하여 배치하고, 이들 복수개의 센서 소자의 출력으로부터 상기 스러스트 힘을 검출하는 것이며, 상기 롤링 베어링의 외륜과 상기 외륜을 지지하는 스핀들 하우징 사이에 개재되고,
    상기 센서는, 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 둘레에 센서 코일을 배치하고, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을, 상기 센서 코일의 인덕턴스를 측정함으로써 검출하고,
    상기 센서를 복수개 설치하고, 이들 복수개의 센서의 센서 코일을 직렬로 접속하고, 상기 각 센서 코일의 출력의 평균화를 행하는, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 센서 코일, 및 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재는, 각각 짝수개로 하고, 근접되는 각 센서 코일에 흐르는 전류는 서로 반대 방향인, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  10. 압축기 및 팽창 터빈을 가지는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서, 상기 압축기의 압축기 날개차, 및 상기 팽창 터빈의 터빈 날개차가 공통의 주축에 장착되고, 터빈 날개차에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차가 구동되거나 상기 압축기 날개차 및 터빈 날개차가 장착된 공통의 주축에 모터 로터가 장착되어 모터에 의해 상기 주축을 회전시킴으로써 상기 압축기 날개차를 회전시키는 것이며, 상기 주축에 작용하는 스러스트 힘을 검출하는 센서와, 상기 주축을 지지하는 롤링 베어링을 구비하고,
    상기 센서는 상기 롤링 베어링의 근처에서의 정지 측에 배치되고,
    상기 센서는, 가압력에 의해 특성이 변화되고 그 특성 변화가 전기적으로 검출 가능한 센서 소자를 주축 축심의 둘레에 원주 방향으로 배열하여 배치하고, 이들 복수개의 센서 소자의 출력으로부터 상기 스러스트 힘을 검출하는 것이며, 상기 롤링 베어링의 외륜과 상기 외륜을 지지하는 스핀들 하우징 사이에 개재되고,
    상기 센서는, 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 둘레에 센서 코일을 배치하고, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을, 상기 센서 코일의 인덕턴스를 측정함으로써 검출하고,
    상기 센서는, 상기 센서 코일의 인덕턴스와 별도의 컨덴서와의 공진을 이용하고, 상기 인덕턴스의 변화에 의해 변화되는 공진 주파수의 변화로부터 상기 인덕턴스 변화를 측정하는, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 센서는, 상기 센서 코일 이외에, 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재 둘레에 여자 코일을 배치하고, 상기 여자 코일에 일정 주파수로 일정 진폭의 교류 여자 전류를 흐르게 하고, 상기 센서 코일에 여자되는 전압을 검출함으로써, 스러스트 힘을 측정하는, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  12. 압축기 및 팽창 터빈을 가지는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서, 상기 압축기의 압축기 날개차, 및 상기 팽창 터빈의 터빈 날개차가 공통의 주축에 장착되고, 터빈 날개차에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차가 구동되거나 상기 압축기 날개차 및 터빈 날개차가 장착된 공통의 주축에 모터 로터가 장착되어 모터에 의해 상기 주축을 회전시킴으로써 상기 압축기 날개차를 회전시키는 것이며, 상기 주축에 작용하는 스러스트 힘을 검출하는 센서와, 상기 주축을 지지하는 롤링 베어링을 구비하고,
    상기 센서는 상기 롤링 베어링의 근처에서의 정지 측에 배치되고,
    상기 센서는, 가압력에 의해 특성이 변화되고 그 특성 변화가 전기적으로 검출 가능한 센서 소자를 주축 축심의 둘레에 원주 방향으로 배열하여 배치하고, 이들 복수개의 센서 소자의 출력으로부터 상기 스러스트 힘을 검출하는 것이며, 상기 롤링 베어링의 외륜과 상기 외륜을 지지하는 스핀들 하우징 사이에 개재되고,
    상기 센서는 주축 축심 원주의 원주 방향으로 배열하여 배치된 복수개의 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을 검출함으로써 스러스트 힘을 검출하고,
    상기 센서는 홀 센서(hall sensor)를 이용하고, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율의 변화에 따라 변화되는 자속밀도를 검출함으로써, 스러스트 힘을 측정하는, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 센서가, 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 둘레에 센서 코일을 배치하고, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 투자율을, 상기 센서 코일의 인덕턴스를 측정함으로써 검출하는 것으로서, 상기 자기 왜곡재 또는 초자기 왜곡재의 주변에 온도 센서를 배치하고, 상기 온도 센서의 출력에 의해 상기 인덕턴스의 측정 결과 또는 상기 투자율의 측정 결과를 보정하는 수단을 설치한, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 센서는, 복수개의 감압 저항 소자의 저항값 변화를 검출하는, 공기 사 이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수개의 감압 저항 소자에 의해 검출값의 평균화를 행하는, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 감압 저항 소자의 주변에 온도 센서를 배치하고, 상기 온도 센서의 출력에 의해 상기 감압 저항 소자의 저항값을 보정하는 수단을 설치한, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 감압 저항 소자로의 힘의 작용면의 압력이 균일하게 되도록 탄성체를 협지하는 수단을 설치한, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 센서는, 복수개의 스트레인 게이지(strain gauges) 센서로 이루어지는, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 스트레인 게이지 센서의 주변에 온도 센서를 배치하고, 상기 온도 센서의 출력에 의해, 상기 스트레인 게이지 센서의 변형량 측정값을 보정하는 수단을 설치한, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 센서는, 가압력에 의해 특성이 변화되고 그 특성 변화가 전기적으로 검출 가능한 센서 소자를 사용한 것에 대신하여, 변위 검출 센서를 사용한, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 변위 검출 센서는, 자기(磁氣) 식인, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 센서가, 상기 롤링 베어링의 외륜과, 상기 외륜을 지지하는 스핀들 하우징 사이에, 직접, 또는 다른 부재를 통하여 개재되는, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 롤링 베어링의 외륜이 고정 상태로 끼움 결합되는 베어링 하우징을, 스핀들 하우징에 형성된 내경 구멍에 축방향으로 이동 가능하게 결합시키고, 상기 센서를, 상기 베어링 하우징의 단부면(end face)과 상기 스핀들 하우징 또는 상기 스핀들 하우징에 고정된 부재의 사이에 개재시킨, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 센서는, 제1 스프링 부재에 의한 예압이 인가되어 있는, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 스프링 부재에 의한 예압은, 상기 압축기 및 팽창 터빈 내의 공기에 의해 상기 주축에 작용하는 평균적인 스러스트 힘 이상의 크기인, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 롤링 베어링이 복수개 설치되고, 상기 롤링 베어링 중의 하나의 롤링 베어링의 근처에 상기 센서가 배치되고, 다른 롤링 베어링이, 상기 스핀들 하우징에 대하여 축방향으로 이동 가능하게 설치되며 제2 스프링 부재에 의해 탄성 지지되어 있는, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제2 스프링 부재는, 상기 다른 롤링 베어링의 외륜과 상기 스핀들 하우징의 사이, 또는 상기 다른 롤링 베어링의 외륜을 고정하는 부재와 상기 스핀들 하우징의 사이, 또는 상기 롤링 베어링의 내륜과 상기 주축 사이에 개재된, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 센서는, 제1 스프링 부재에 의한 예압이 인가되고, 상기 제2 스프링 부재는 상기 제1 스프링 부재보다도 스프링 정수가 작은, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 주축에 강자성체로 이루어지는 플랜지형의 스러스트판을 복수개 설치하고, 각 상기 스러스트판의 양쪽의 단부면(end face)에 대향시켜 전자석을 스핀들 하우징에 설치한, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 전자석을 원주 방향으로 정렬된 복수개로 분할시킨, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  31. 제30항에 있어서,
    복수개로 분할된 각각의 상기 전자석의 극수, 크기, 및 내장되는 코일의 턴수가 동일한, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
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