KR101311317B1

KR101311317B1 - 공기 사이클 냉동 냉각 시스템 및 그 공기 사이클 냉동냉각용 터빈 유닛

Info

Publication number: KR101311317B1
Application number: KR1020087004895A
Authority: KR
Inventors: 쓰기토 나카제키; 다카요시 오자키; 히로유키 야마다
Original assignee: 엔티엔 가부시키가이샤
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2013-09-25
Also published as: CN101248316B; JP2007057143A; JP4812367B2; KR20080029009A; CN101248316A; US20090133431A1; WO2007023835A1; US8347648B2

Abstract

본 발명은 예압축 수단(2)에 의한 압축, 열교환기(3)에 의한 냉각, 터빈 유닛(5)의 압축기(6)에 의한 압축, 다른 열교환기(8, 9)에 의한 냉각, 상기 터빈 유닛(5)의 팽창 터빈(7)에 의한 단열 팽창을, 차례로 행하는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템이다. 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 구동한다. 주축(13)은 롤링 베어링(15, 16)에 의해 회전 가능하게 지지하고, 주축(13)에 관한 스러스트 힘을 전자석(17)에 의해 지지한다. 롤링 베어링(15, 16)의 양단의 기체 압력을 동등하게 하는 압력 균등화 수단(81)을 설치한다.

Description

공기 사이클 냉동 냉각 시스템 및 그 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛{AIR CYCLE REFRIGERATION AND COOLING SYSTEM, AND TURBINE UNIT FOR THE AIR CYCLE REFRIGERATION AND COOLING}

본 발명은, 냉매로서 공기가 사용되고, 냉동 창고나 영도 이하의 저온실 등이나 공조에 이용되는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템, 및 그 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 관한 것이다.

냉매로서 공기를 사용하는 것은, 프레온이나 암모니아 가스 등을 사용하는 경우에 비하여, 환경보호나 안전성의 면에서는 바람직하지만, 에너지 효율로서의 특성면에서는 부족하였다. 그러나, 냉동 창고 등과 같이, 냉매로 되는 공기를 직접 불어넣을 수 있는 시설에서 사용하는 경우, 창고 내 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 공 기를 냉각한다」, 1995년 11월 13일 발행, No.467, 제46 ~ 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 냉각 시스템에서의 터빈 유닛의 주축의 회전 속도는, 1분간에 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 냉각용 터빈 유닛의 실용화가 어렵다. 그러나, 상기 특허 문헌 1, 비특허 문헌 1에 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 등 이 있으면, 상기 날개차와 디퓨저 사이의 미소 간극을 유지하여 안정된 고속 회전을 행하는 것이 어렵다. 자기 베어링의 경우에는, 전원 정지시에서의 접촉의 문제도 있다.

또한, 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 지지하는 공기 냉각용 터빈 유닛에서는, 유닛 주위의 공기의 흐름에 의해, 롤링 베어링 내의 윤활제가 비산 또는 건조되고, 베어링의 장기 내구성이 확보될 수 없다는 문제가 있다.

본 발명의 목적은, 터빈 유닛의 주축을 지지하는 롤링 베어링의 장기 내구성의 향상에 의한 장기 수명화가 도모되고, 시스템의 신뢰성 향상이 도모되는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템 및 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 터빈 유닛의 각 날개차와 디퓨저의 간극을 미소하게 유지하여 안정된 고속 회전을 얻을 수 있고, 높은 압축 및 팽창 효율을 얻을 수 있는 것이다.

본 발명의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 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 시스템으로서, 상기 터빈 유닛이, 상기 압축기의 압축기 날개차 및 상기 팽창 터빈의 터빈 날개차를 공통의 주축에 장착하고, 터빈 날개차에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차를 구동하는 것이며, 상기 주축을 롤링 베어링에 의해 회전 가능하게 지지하고, 이 주축에 걸리는 스러스트 힘의 일부 또는 전부를 전자석에 의해 지지하고, 상기 롤링 베어링의 양단의 기체 압력을 동등하게 하는 압력 균등화 수단을 설치하고 있다.

본 발명의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛은, 상기 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 사용되는 터빈 유닛이다.

이 구성의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 유입 공기를 예압축 수단에 의해 압축하고, 이 압축에 의해 온도를 높게 한 상태에서 열교환기에 의해 냉각을 행한다. 냉각된 공기는, 터빈 유닛의 압축기로 추가로 압축하여 온도를 상승시키고, 다른 열교환기로 재차 냉각시킨다. 이 냉각된 공기를 다른 열교환기로 냉각하고, 터빈 유닛의 팽창 터빈으로 유도하여, 목표 온도, 예를 들면 -30℃ ~ -60℃ 정도의 극저온까지 단열 팽창에 의해 냉각하여 배출한다.

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 구성이며 양호한 효율로 냉각할 수 있다.

본 발명의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템 및 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서, 상기 터빈 유닛은, 모터 구동이라도 된다. 즉, 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 것이라도 된다.

모터를 설치하여 주축을 구동하는 경우, 압축기보다 전단에 블로어(blower) 등의 예압축 수단을 설치할 필요가 없어진다.

상기 터빈 날개차에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차를 구동하는 것인 경우, 및 모터를 설치하여 주축을 구동하는 경우의 어느 경우에도, 상기 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, 날개차의 주축을 롤링 베어링에 의해 지지하면, 롤링 베어링이 가지는 축방향 위치의 규제 기능에 의해, 주축 위치가 규제되고, 각 날개차와 하우징의 미소 간극을 일정하게 유지할 수 있다. 이와 같은 축방향 위치의 규제 기능을 가지는 롤링 베어링의 경우에, 고속 회전되는 베어링의 상기 스러스트 힘에 의한 장기 내구성의 저하가 문제로 되지만, 전자석으로 스러스트 힘을 지지하므로, 롤링 베어링의 장기 내구성을 확보할 수 있다. 이와 같이 주축의 반경 방향의 지지를 롤링 베어링으로 행하고, 스러스트 힘을 전자석으로 행하도록 했기 때문에, 날개차의 미소 간극을 유지하면서, 주축이 안정된 고속 회전을 얻을 수 있다.

특히, 본 발명은, 상기 각 롤링 베어링의 양단에 작용하는 기체 압력을 서로 동등하게 하는 압력 균등화 수단을 설치하였으므로, 다음의 이점을 얻을 수 있다.

즉, 주축에는, 고속으로 회전되는 각 날개차가 설치되어 있으므로, 그대로 각 베어링의 양쪽의 단부면에 큰 압력차가 생기고, 이 압력차는, 각 베어링에 밀봉재가 설치되어 있어도, 누출이 생겨 윤활유의 비산이나 건조를 초래한다. 이와 같은 윤활유의 비산이나 건조가, 압력 균등화 수단에 의해 방지된다.

상기 압력 균등화 수단은, 상기 주축과 상기 베어링의 내륜 사이에 형성된 틈이라도 된다. 또한, 압력 균등화 수단은, 상기 베어링의 외륜과 접촉되는 부재 사이, 또는 상기 롤링 베어링의 외륜과 접촉되는 부재 내에 형성된 틈이라도 된다. 어느 경우에도, 압력 균등화 수단이 간단한 가공으로 얻어진다. 압력 균등화 수단은, 이 외에, 주축 내에 형성된 통기구멍이라도 된다.

상기 롤링 베어링은, 깊은 홈 볼베어링 등과 같은 내외륜 사이의 축방향 위치의 유지 기능을 가지는 것이 바람직하며, 앵귤러 볼베어링이라도 된다.

상기 롤링 베어링은, 그리스(grease) 윤활로 하는 것이 바람직하다. 공기 냉각 시스템에서는, 냉각 매체로 되는 공기를 그대로 냉동고 등의 피냉각 공간에 보내므로, 윤활유 윤활이면, 윤활유의 미스트(mist) 등이 냉각 공기를 오염시킬 우려가 있다. 그리스 윤활이면, 이와 같은 피냉각 공기의 오염의 문제가 저감된다.

그리스 윤활인 경우, 롤링 베어링 주변의 부재 내에 윤활유 챔버를 설치하는 것이 바람직하다. 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛은, 고속 회전인 것, 또한 압축기의 출력 측에서는 고온의 기체가 흐르므로, 베어링 온도는 고온으로 되어, 조기에 그리스의 고갈의 우려도 있다. 롤링 베어링 주변의 부재 내에 윤활유 챔버를 설치하고, 그리스의 보유량을 확보함으로써, 롤링 베어링의 내구성을 향상시킬 수 있다.

상기 터빈 유닛에서, 압축기와 터빈 사이에, 누출 유량을 억제하는 래버린스 시일(labyrinth seal)과 같은 비접촉 밀봉재를 설치하는 것이 바람직하다. 압축기와 터빈 사이의 누출 유량을 억제함으로써, 롤링 베어링 주위의 기체의 흐름을 감소시킬 수 있으므로, 윤활유의 비산이나 건조를 방지할 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 도면에 서 동일한 부품 번호는 동일 부분을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 계통도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 관한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 사용된 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.

도 3(A)는 도 2의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 개략 단면도이다.

도 3(B)는 도 3(A)의 IIIa-IIIa선 단면도 및 IIIb-IIIb선 단면도이다.

도 3(C)는 도 3(A)의 IIIa-IIIa선 단면도 및 IIIb-IIIb선 단면도에 상당하는 변형예의 단면도이다.

도 3(D)는 도 3(A)의 IIIa-IIIa선 단면도 및 IIIb-IIIb선 단면도에 상당하는 다른 변형예의 단면도이다.

도 4는 다른 실시예의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.

도 5는 또 다른 실시예의 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. 이 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 냉동고 등의 피냉각 공간(10)의 공기를 직접 냉매로서 냉각시키는 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 압축기로 온도 상승되고, 제2 열교환기(8)에서 냉각된 공기 사이에서 열교환을 행하는 것이며, 도입구(1a) 부근의 공기는 코일(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)으로 냉각된다.

이 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 피냉각 공간(10)을 0 ~ -6O℃ 정도로 유지하는 시스템이며, 피냉각 공간(10)으로부터 공기 순환 경로(1)의 도입구(1a)에0 ~ -6O℃ 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 1기압이지만, 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 있으므로, 40℃로 냉각시킨다. 제습기(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 등이 생기는 것을 방지하기 위하여, 경로 내의 공기를 제습한다.

제습 후의 40℃, 1.4기압의 공기가, 터빈 유닛(5)의 압축기(6)에 의해, 1.8 기압까지 압축되고, 이 압축에 의해 70℃ 정도로 온도 상승된 상태로, 제2 열교환기(8)에 의해 40℃로 냉각된다. 이 40℃의 공기는, 중간 열교환기(9)로 피냉각 공간(10)으로부터의 -30℃의 공기에 의해 -20℃까지 냉각된다. 기압은 압축기(6)로부터 배출되고 1.8기압이 유지된다.

중간 열교환기(9)로 -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 행한 다.

도 2는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛(5)의 구체예를 나타낸다. 이 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, 이 후에 도 5의 예로 나타낸 바와 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 구동력으로 주축(13)을 구동해도 된다. 모터(90)를 설치하여 주축(13)을 구동하는 경우, 압축기(6)보다 전단에 블로어 등의 예압축 수단(2)(도 1)을 설치할 필요가 없어진다.

도 2에서, 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)로 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 흡입된 공기를, 터빈 날개차(7a)로 단열 팽창시켜, 중심부의 배출구(7d)로부터 축방향으로 배출한다.

터빈 유닛(5)은, 주축(13)을 반경 방향에 대하여 복수개의 베어링(15, 16)으 로 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 작용하는 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 위치를 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 결합되고, 다른 한쪽의 단부면이 대경부(13b)와 소경부(13c) 사이의 단차면에 결합된다.

주축(13)의 베어링(15, 16)의 결합 부분에는, 압력 균등화 수단(81)이 설치되어 있다. 압력 균등화 수단(81)에 대하여는, 이후에 도 3과 함께 상세하게 설명한다.

스핀들 하우징(14)에서의 양쪽의 베어링(15, 16)보다도 각 날개차(6a, 7a) 측의 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 시일로 되어 있다.

센서(18)는, 터빈 날개차(7a) 측의 베어링(16)의 근처에서의 정지측, 즉 스핀들 하우징(14) 측에 설치되어 있다. 이 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 결합된다. 내부 칼라(23a)는, 축방향의 중앙 측단에 설치되어 있다.

이 구성의 터빈 유닛(5)은, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서, 냉각 매체로 되는 공기를 압축하여 온도 상승시키고, 열교환기(8, 9)로 냉각된 공기를, 팽창 터빈(7)에 의해, 목표 온도, 예를 들면 -30℃ ~ -60℃ 정도의 극저온까지 단열 팽창에 의해 온도 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 구성이며 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 작용되는 공기의 압력 등으로 스러스트 힘이 걸린다. 또, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 의해 사용되는 터빈 유닛(5)에서는, 1분간에 예를 들면 8만 ~ 10만 회전 정도의 매우 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, 비접촉이므로 토크의 증대를 억제하면서, 주축(13)의 지지용 롤링 베어링(15, 16)에 작용되는 스러스트 힘을 경감시킬 수 있다. 이 경우에, 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 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 작용되는 스러스트 힘을 직접 측정할 수 있어, 그 측정 정밀도가 양호하 고, 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, 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, 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, 한층 더 안정된 고속 회전이 가능하게 된다. 또한, 롤링 베어링으로 이루어지는 각 베어링(15, 16)은, 제2 탄성 요소(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)의 사이에는, 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)이나 팽창 터빈(7)의 효율의 저하를 초래하고, 또한 베어링(15, 16) 내를 통과하는 공기는 내부의 윤활제를 건조시키고, 먼지가 있으면 베어링(15, 16) 내를 오염시켜 내구성을 저하시킬 우려가 있다. 이와 같은 효율 저하, 및 베어링(15, 16)의 오염 및 손상이, 비접촉 밀봉재(21, 22)에 의해 방지된다.

도 3에서, 압력 균등화 수단(81)에 대하여 설명한다. 터빈 유닛(5)은, 주축(13)을 지지하는 각 베어링(15, 16)에 대하여, 각각의 베어링(15, 16)의 양쪽의 단부면에 작용되는 공기압을 서로 균등하게 하는 압력 균등화 수단(81)을 설치하고 있다.

압력 균등화 수단(81)은, 예를 들면, 도 3(B)에 나타내는 것으로 되지만, 도 3(C) 또는 도 3(D)에 나타낸 것이라도 된다. 도 3(B)의 (a),(b)는, 각각 도 3(A)의 IIIa -IIIa선 단면 및 IIIb-IIIb선 단면이다. 도 3(C)의(a),(b) 및 동 도 3(D)의(a),(b)는, 압력 균등화 수단의 변형예를 나타낸다. 어느 경우에도, 압력 균등화 수단이 간단한 가공으로 얻어진다.

도 3(B)의 예는, 압력 균등화 수단(81)이, 주축(13)에서의 베어링(15, 16)의 내륜(15a, 16a)의 접촉 부분에 설치된 비원형부(81a)와 내륜(15a, 16a)의 내경면 사이에 생긴 간극으로 이루어진다. 비원형부(81a)는, 이 예에서는 주축(13)의 외경면을 평탄면으로 가공한 부분이므로, 원주 방향의 3개 부분에 균등 배치되어 있다. 비원형부(81a)는 홈형 부분이라도 된다.

도 3(C)의 예는, 압력 균등화 수단(81)이, 베어링(15, 16)의 외륜(15b, 16b) 과 접촉되는 부재인 스핀들 하우징(14) 및 베어링 하우징(23)에 각각 설치된 홈형의 커팅형부로 이루어진다.

도 3(D)의 예는, 압력 균등화 수단(81)이, 센서 비장착 측의 베어링(15)에 대하여는, 스핀들 하우징(14)에 형성된 축 방향의 관통 구멍으로 이루어지는 통기구멍으로 되고, 센서(18)의 장착 측의 베어링(16)에 대하여는 베어링 하우징(23)에 형성된 축 방향의 관통 구멍으로 이루어지는 통기구멍으로 되어 있다.

이들 도 3의 각 도면의 예와 같이, 압력 균등화 수단(81)을 설치한 경우, 베어링(15)의 양쪽의 단부면의 압력, 및 베어링(16)의 양쪽의 압력이 각각 균등화됨으로써, 이들 베어링(15, 16) 내의 그리스가 비산되거나 건조되는 것이 방지된다. 즉, 각 베어링(15, 16)으로 지지되는 주축(13)에는, 고속으로 회전되는 각 날개차(6, 7)가 설치되어 있으므로, 그대로 양쪽의 단부면에 큰 압력차가 생기고, 이 압력차는, 각 베어링(15, 16)에 밀봉재가 설치되어 있어도, 누출이 생겨 그리스의 비산이나 건조를 초래한다. 이와 같은 그리스의 비산이, 압력 균등화 수단(81)에 의해 방지된다.

그리고, 압력 균등화 수단(81)은, 주축(13)에 형성된 통기구멍으로 이루어지는 것이라도 된다.

도 4는 또 다른 실시예에 관한 터빈 유닛(5)을 나타낸다. 터빈 유닛(5)은, 도 2에 나타낸 예에서, 양쪽의 베어링(15, 16)의 근처에 그리스 챔버(88)를 설치한 것이다. 그리스 챔버(88)는, 베어링(15, 16)의 내외륜 사이의 베어링 공간에 대향하여 스핀들 하우징(14)에 설치되어 있고, 원주홈 또는 원주 방향의 복수 부분에 형성된 오목부로 이루어진다. 각 베어링(15, 16)은, 그리스 챔버(88) 측은 밀봉재가 없고, 그 반대측은 밀봉재 부착으로 된다.

이와 같이 그리스 챔버(88)를 설치한 경우, 그리스 수명이 향상되고, 터빈 유닛(5)의 정기 점검의 기간을 길게 할 수 있다.

도 5는 또 다른 실시예에 관한 터빈 유닛(5)을 나타낸다. 터빈 유닛(5)은, 주축(13)을 회전 구동하는 모터(90)를 설치한 것이다. 모터(90)는, 전자석(17)과 나란히 설치되어 있고, 스핀들 하우징(14)에 설치된 스테이터(91)와 주축(13)에 설치된 로터(92)로 구성된다. 스테이터(91)는 스테이터 코일(91a)을 가지고, 로터(92)는 자석 등으로 이루어진다. 모터(90)의 제어는, 모터 컨트롤러(93)에 의해 행해진다. 도 5에 나타낸 터빈 유닛(5)에서는, 도 3의 예와 마찬가지로 압력 균등화 수단(81)을 설치하고, 도 4의 예와 마찬가지로 그리스 챔버(88)를 설치하고 있다.

터빈 유닛(5)은, 팽창 터빈(7)에 의해 생기는 터빈 날개차(7a)의 구동력과, 모터(90)에 의한 구동력으로 압축기 날개차(6a)가 회전 구동된다. 그러므로, 도 1의 블로어로 이루어지는 예압축 수단(2)을 가지고 있지 않은 것이라도, 압축기(6)의 회전 구동이 가능해진다.

상기와 같이, 도면을 참조하면서 바람직한 실시예를 설명하였으나, 당업자이라면, 본 명세서를 보고, 자명한 범위 내에서 각종의 변경 및 수정을 용이하게 생각할 수 있다.

따라서, 그와 같은 변경 및 수정은, 청구의 범위로부터 정해지는 발명의 범 위 내의 것으로 해석된다.

본 발명은, 냉매로서 공기가 사용되고, 냉동 창고나 영도 이하의 저온실 등이나 공조에 이용되는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템, 및 그 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 이용될 수 있다.

Claims

유입 공기에 대하여, 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 사용되는 터빈 유닛으로서,

상기 터빈 유닛은, 상기 압축기의 압축기 날개차 및 상기 팽창 터빈의 터빈 날개차를 공통의 주축의 일단부와 타단부에 각각 장착하고, 터빈 날개차에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 날개차를 구동하는 것이며,

상기 주축을, 상기 압축기 날개차와 상기 터빈 날개차 사이에서, 롤링 베어링에 의해 회전 가능하게 지지하고, 상기 주축에 걸리는 스러스트 힘의 일부 또는 전부를 전자석에 의해 지지하고, 상기 롤링 베어링의 양단의 기체 압력을 동등하게 하는 압력 균등화 수단이 설치되며,

상기 압력 균등화 수단은, 이하의 (a) 내지 (d) 중의 어느 하나인, 터빈 유닛.

(a) 상기 주축에서의 상기 롤링 베어링의 내륜의 접촉 부분에 비원형부가 형성되고, 상기 비원형부와 상기 내륜 사이에 형성된 틈

(b) 상기 롤링 베어링의 외륜에 접촉하는 부재에 홈(溝)형의 커팅형부가 형성되고, 상기 커팅형부와 외륜 사이의 간극부

(c) 상기 롤링 베어링의 외륜과 접촉되는 부재 내에 형성된 관통 구멍

(d) 상기 주축 내에 형성된 통기 구멍
제1항에 있어서,

상기 터빈 유닛이, 모터 로터를 공통의 주축에 장착하고, 상기 모터 로터에 대향시킨 모터 스테이터로부터의 자력 및 터빈 날개차에 의해 발생된 동력에 의해 주축을 회전시킴으로써, 상기 압축기 날개차를 구동하는, 터빈 유닛.
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제1항에 있어서,

상기 롤링 베어링은 그리스(grease) 윤활인, 터빈 유닛.
제8항에 있어서,

상기 롤링 베어링 주변에 배치된 부재 내에 그리스 챔버를 설치한, 터빈 유닛.
제1항에 있어서,

압축기와 터빈 사이의 누출 유량을 억제하는 비접촉 밀봉재를 설치한, 터빈 유닛.