KR20080036641A - 공기 사이클 냉동 냉각 시스템 및 상기 시스템에 사용되는터빈 유닛 - Google Patents

공기 사이클 냉동 냉각 시스템 및 상기 시스템에 사용되는터빈 유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 터빈 유닛의 각 회전자와 하우징 사이의 틈새를 미세하게 유지하여 안정된 고속 회전을 얻을 수 있는 동시에, 터빈 유닛의 주축을 지지하는 베어링의 장기적 내구성의 향상, 장기 수명화가 도모되고, 시스템의 신뢰성 향상이 도모되는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템 등을 제공한다. 상기 시스템에서, 유입 공기에 대하여, 터빈 유닛(5)의 압축기(6)에 의한 압축 및 터빈 유닛(5)의 팽창 터빈(7)에 의한 단열 팽창을 행한다. 터빈 유닛(5)에서, 압축기(6)의 압축기 회전자(6a) 및 팽창 터빈(7)의 터빈 회전자(7a)가 공통 주축(13)에 장착되며, 주축(13)이 베어링(15, 16)에 의해 회전 가능하게 지지되고, 이러한 주축(13)에 걸리는 스러스트 파워의 일부 또는 전체가 전자석(17)에 의해 지지된다.
터빈 유닛, 압축기, 팽창 터빈, 압축기 회전자, 터빈 회전자, 주축, 베어링, 전자석, 예비 압축 수단, 열교환기.

Description

공기 사이클 냉동 냉각 시스템 및 상기 시스템에 사용되는 터빈 유닛{AIR CYCLE REFRIGERATING/COOLING SYSTEM AND TURBINE UNIT USED THEREFOR}
본 발명은, 냉매로서 공기가 사용되고, 냉동 창고나 영도 이하의 저온실 또는 공기조화 등에 이용되는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템 및 그 시스템의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 관한 것이다.
냉매로서 공기를 사용하는 것은, 프레온이나 암모니아 가스 등을 사용하는 경우에 비하여, 환경보호나 안전성의 면에서는 바람직하지만, 에너지 효율의 특성면에서는 부족하였다. 그러나, 냉동 창고 등과 같이, 냉매가 되는 공기를 직접 불어넣을 수 있는 시설에 사용하는 경우, 창고 내의 팬이나 서리 제거 장치(defroster)를 생략하는 수단을 개발함으로써, 전체 비용을 기존 시스템의 비용으로 인하하는 가능성이 있다. 현재는 이미, 환경적 측면에서 냉매로서 프레온을 사용하는 것이 규제되고, 다른 냉매용 가스를 사용하는 것도 가능한 한 피하는 것이 요구된다. 따라서, 전술한 바와 같은 용도로, 공기를 냉매로서 사용하는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템이 제안되어 있다(예를 들면, 일본국 특허 제2623202호 공보, 및 잡지, 닛케이 메카니컬, 「공기로 공기를 냉각한다」, 1995년, 11월 13일 발행, 번호 467, 제46~52 페이지).
또한, -30oC~-60oC의 극저온의 영역에서는, 공기 냉각의 이론 효율이 프레온이나 암모니아 가스 냉각과 동일하거나 더 높게 된다는 것이 진술되어 있다(잡지, 닛케이 메카니컬, 「공기로 공기를 냉각한다」, 1995년, 11월 13일 발행, 번호 467, 제46~52 페이지). 단, 상기 공기 냉각의 이론 효율은 최적으로 설계된 주변 장치가 있는 경우에만 얻을 수 있다고 진술되어 있다. 주변 장치는 압축기나 팽창 터빈 등이다.
압축기와 팽창 터빈으로서는, 압축기 회전자 및 팽창 터빈 회전자를 공통 주축에 장착한 터빈 유닛이 사용되고 있다(일본국 특허 제2623202)호 공보, 및 잡지, 닛케이 메카니컬, 「공기로 공기를 냉각한다」, 1995년, 11월 13일 발행, 번호 467, 제46~52 페이지)
그리고, 프로세스 가스를 처리하는 터빈 압축기로서는, 주축의 일단에 터빈 회전자, 타단에 압축기 회전자를 장착하고, 전자석의 전류로 제어되는 저널 베어링 및 스러스트 베어링으로 상기 주축을 지지한 자기 베어링식 터빈 압축기가 제안되어 있다(일본국 특개평 7-91760호 공보).
또한, 가스 터빈 엔진에서 제안된 것이지만, 주축 지지용 구름 베어링에 작용하는 스러스트 하중이 베어링 수명의 단축을 초래하는 것을 회피하기 위하여, 구름 베어링에 작용하는 스러스트 하중을 스러스트 자기 베어링에 의해 감소시키는 것이 제안되어 있다(일본국 특개평 8-261237공보).
전술한 바와 같이, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템으로서, 극저온의 영역에서 고효율로 되는 공기 냉각의 이론 효율을 얻기 위해서는, 최적으로 설계된 압축기나 팽창 터빈이 필요하다.
압축기와 팽창 터빈으로서는, 전술한 바와 같이 압축기 회전자 및 팽창 터빈 회전자를 공통 주축에 장착한 터빈 유닛이 사용되고 있다. 이러한 터빈 유닛은, 팽창 터빈에 의해 발생되는 동력에 의해 압축기 회전자를 구동함으로써, 공기 사이클 냉동기의 효율을 향상시키고 있다.
그러나, 실용적인 효율을 얻기 위해서는, 각 회전자와 하우징 사이의 틈새를 미세하게 유지할 필요가 있다. 이러한 틈새의 변동은, 안정된 고속 회전에 방해가 되어 효율의 저하를 초래한다.
또한, 압축기 회전자나 터빈 회전자에 작용하는 공기에 의해, 주축에 스러스트 파워가 작용하여, 주축을 지지하는 베어링에 스러스트 하중이 부과된다. 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서의 터빈 유닛의 주축의 회전 속도는 1분에 8만~10만 회전이며, 일반적인 용도의 베어링에 비해 매우 고속이다. 따라서, 전술한 바와 같은 스러스트 하중은, 주축을 지지하는 베어링의 장기적 내구성의 저하, 수명 저하를 초래하고, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 신뢰성을 저하시킨다. 이와 같은 베어링의 장기적 내구성의 과제를 해소하지 않으면, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 실용화, 나아가서는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 실용화가 어렵다. 그러나, 상기 일본국 특허 제2623202호 공보, 및 잡지, 닛케이 메카니컬, 「공기로 공기를 냉각한다」, 1995년, 11월 13일 발행, 번호 467, 제46~52 페이지에 개시된 기술은, 이러한 고속 회전 하에서의 스러스트 하중에 대한 베어링의 장기적 내구성의 저하에 대하여는 해결하지 못했다.
일본국 특개평 7-91760호 공보의 자기 베어링식 터빈 압축기와 같이, 주축을 자기 베어링으로 이루어지는 저널 베어링 및 스러스트 베어링으로 지지한 것에서는, 저널 베어링에 축방향의 규제 기능이 없다. 따라서, 스러스트 베어링의 제어에 불안정 요인 등이 있으면, 상기 회전자와 하우징 사이의 틈새를 미세하게 유지하여 안정된 고속 회전을 행하는 것이 어렵다. 자기 베어링의 경우에는, 전원 정지시에 접촉의 문제도 있다.
본 발명의 목적은, 터빈 유닛의 각 회전자와 하우징 사이의 틈새를 미세하게 유지하여 안정된 고속 회전을 얻을 수 있고, 높은 압축 및 팽창 효율을 얻을 수 있는 동시에, 터빈 유닛의 주축을 지지하는 베어링의 장기적 내구성의 향상, 수명의 장기화가 도모되고, 시스템의 신뢰성 향상이 도모되는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템 및 그 시스템의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 구성의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 유입 공기에 대하여, 터빈 유닛의 압축기(원심 압축기)에 의한 압축 및 상기 터빈 유닛의 팽창 터빈(반경류 터빈)에 의한 단열 팽창을 행하는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 있어서, 상기 터빈 유닛이, 상기 압축기의 압축기 회전자 및 상기 팽창 터빈의 터빈 회전자가 공통 주축에 장착되며, 상기 주축이 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고, 상기 주축에 걸리는 스러스트 파워의 일부 또는 전체를 전자석에 의해 지지한다.
이러한 제1 구성의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 상기 스러스트 파워를 전자석으로 지지하므로, 접촉되지 않으면서 토크의 증대를 억제하고, 주축의 회전 지지용 베어링에 작용하는 스러스트 파워를 경감하고, 베어링의 장기적 내구성의 향상, 수명의 향상을 얻을 수 있다. 전자석에 의한 지지를 위하여, 영구 자석과 달리, 주축에 작용하는 스러스트 파워에 따른 적정한 전자 흡인력의 제어를 행하는 것도 가능하다. 주축 베어링의 장기적 내구성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 전체적인 신뢰성이 향상된다. 이와 같이, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 문제가 되는 터빈 유닛의 주축 베어링의 장기적 내구성, 신뢰성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 실용화가 가능해진다.
제1 구성의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 유입 공기에 대하여, 예비 압축 수단에 의한 압축, 열교환기에 의한 냉각, 상기 터빈 유닛의 압축기에 의한 압축, 다른 열교환기에 의한 냉각, 상기 터빈 유닛의 팽창 터빈에 의한 단열 팽창을 차례로 행하는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템이라도 되고, 상기 터빈 유닛이, 상기 터빈 회전자에 의해 발생된 동력에 의해 상기 압축기 회전자를 구동하는 것이라도 된다. 이것을 제2 구성의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템으로 한다.
이러한 제2 구성의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 유입 공기를 예비 압축 수단에 의해 압축하고, 이러한 압축에 의해 온도를 높게 한 상태에서 열교환기에 의해 냉각을 행한다. 냉각된 공기는, 터빈 유닛의 압축기로 더욱 압축하여 온도를 상승시켜, 다른 열교환기로 재차 냉각시킨다. 이러한 냉각된 공기를 다른 열교환기로 냉각하고, 터빈 유닛의 팽창 터빈으로 안내하여, 목표 온도, 예를 들면 -30oC~-60oC 정도의 극저온까지 단열 팽창에 의해 냉각하여 배출한다.
터빈 유닛은, 압축기 회전자 및 상기 팽창 터빈의 터빈 회전자를 공통 주축에 장착, 터빈 회전자에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 회전자를 구동하는 것이므로, 동력원이 불필요하고, 컴팩트한 구성이며 양호한 효율로 냉각할 수 있다. 이러한 터빈 유닛의 주축에는, 각 회전자에 작용하는 공기의 압력 등에 의해 스러스트 파워가 걸린다. 또한, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 의해 사용하는 터빈 유닛에서는, 1분간에 예를 들면 8만~10만 회전 정도의 매우 고속의 회전으로 된다. 따라서, 주축을 회전 지지하는 베어링에 상기 스러스트 파워가 작용하면, 주축의 장기적 내구성이 저하된다.
이러한 제2 구성에서도, 상기 스러스트 파워를 전자석으로 지지하므로, 접촉되지 않으면서 토크의 증대를 억제하며, 주축의 회전 지지용의 베어링에 작용하는 스러스트 파워를 경감하고, 베어링의 장기적 내구성의 향상, 수명의 향상을 얻을 수 있다. 전자석에 의한 지지를 위하여, 영구 자석과 달리, 주축에 작용하는 스러스트 파워에 따른 적정한 전자 흡인력의 제어를 행하는 것도 가능하다. 주축 베어링의 장기적 내구성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 전체적인 신뢰성이 향상된다. 이와 같이, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 문제가 되는 터빈 유닛의 주축 베어링의 장기적 내구성, 신뢰성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 실용화가 가능해진다.
이러한 구성에 있어서, 상기 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛은, 상기 압축기의 압축기 회전자, 상기 팽창 터빈의 터빈 회전자, 및 모터 회전자를 공통 주축에 장착하고, 상기 모터 회전자에 대향시킨 모터 고정자로부터의 자력에 의해 주축을 회전시킴으로써 상기 압축기 회전자를 구동하는 것이라도 된다. 이것을 제3 구성의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템으로 한다.
제3 구성과 같이 모터를 설치하여 주축을 구동하는 경우, 압축기의 전단에 송풍기 등의 예비 압축 수단을 설치할 필요가 없어진다.
본 발명의 제4 구성의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛은, 상기 제2 구성의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서, 상기 베어링이 상기 주축을 방사방향에 대하여 지지하는 구름 베어링이며, 상기 압력 및 상기 팽창 터빈 중 적어도 한쪽의 공기압을 측정하는 공기압 측정 수단을 설치하고 있다. 상기 구름 베어링은, 깊은 홈 볼베어링 등의 같은 내부 링 및 외부 링 사이의 축방향 위치의 유지 기능을 가지는 것이 바람직하다. 앵귤러 볼베어링이라도 된다.
이러한 제4 구성의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛은, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 있어서, 냉매가 되는 공기를 열교환기에 의해 냉각한다. 상기 열교환기로 냉각된 공기를, 팽창 터빈에 의해, 목표 온도, 예를 들면 -30oC~-60oC 정도의 극저온까지 단열 팽창에 의해 냉각하여 배출하도록 사용된다.
이러한 터빈 유닛은, 압축기 회전자 및 상기 팽창 터빈의 터빈 회전자를 공통 주축에 장착, 터빈 회전자에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 회전자를 구동하는 것이므로, 동력원이 불필요하고, 컴팩트한 구성이며 양호한 효율로 냉각할 수 있다.
이러한 터빈 유닛의 압축, 팽창의 효율을 확보하기 위해서는, 각 회전자와 하우징 사이의 틈새를 미세하게 유지할 필요가 있다. 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서는, 이러한 효율 확보가 중요해진다. 이에 대하여, 회전자의 주축을 구름 베어링에 의해 지지하므로, 구름 베어링이 가지는 축방향 위치의 규제 기능에 의해, 주축 위치가 어느 정도 규제되고, 각 회전자와 하우징 사이의 미세 틈새를 일정하게 유지할 수 있다. J
그러나, 터빈 유닛의 주축에는, 각 회전자에 작용하는 공기의 압력 등으로 스러스트 파워가 걸린다. 또한, 공기 냉각 시스템에 의해 사용하는 터빈 유닛에서는, 1분간에 예를 들면 8만~10만 회전 정도의 매우 고속의 회전으로 된다. 따라서, 주축을 회전 지지하는 구름 베어링에 상기 스러스트 파워가 작용하면, 베어링의 장기적 내구성이 저하된다.
이러한 제4 구성에서도, 상기 스러스트 파워를 전자석으로 지지하므로, 접촉되지 않으면서 토크의 증대를 억제하며, 주축 지지용의 구름 베어링에 작용하는 스러스트 파워를 경감시킬 수 있다. 이러한 경우에, 상기 압축기 및 상기 팽창 터빈 중 적어도 한쪽의 공기압을 측정하는 공기압 측정 수단을 설치하였으므로, 이들 압력 및 팽창 터빈 내의 공기에 의해 상기 주축에 작용하는 스러스트 파워를 검출할 수 있다. 따라서, 공기압 측정 수단의 출력에 따라 상기 전자석의 흡인력을 제어함으로써, 구름 베어링을 그 베어링 규격에 따라 스러스트 파워에 대하여 최적인 상태로 사용할 수 있다.
특히, 검출 수단으로서 공기압 측정 수단을 사용하므로, 검출 수단의 구성이 간소하며, 신뢰성이 높다.
따라서, 각 회전자의 적절한 틈새를 유지하여 주축이 안정된 고속 회전을 얻을 수 있고, 또한 구름 베어링의 장기적 내구성의 향상, 수명의 향상을 얻을 수 있다. 주축 지지용의 구름 베어링의 장기적 내구성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 전체적으로, 나아가서는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 전체적인 신뢰성이 향상된다. 이와 같이, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 문제가 되는 터빈 유닛의 주축 베어링이 안정된 고속 회전, 장기적 내구성, 신뢰성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 실용화가 가능해진다.
또한, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 전체의 작동 상황은 상기 압축기 또는 팽창 터빈 내의 공기압에 영향을 주지만, 상기 공기압 측정 수단은, 압추기 및 상기 팽창 터빈 중 적어도 한쪽의 공기압을 측정하므로, 상기 전자석의 제어 외에도, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 작동 상황의 모니터링에도 사용할 수도 있다.
이러한 구성에 있어서, 상기 압축기의 압축기 회전자, 상기 팽창 터빈의 터빈 회전자, 및 모터 회전자를 공통 주축에 장착, 상기 모터 회전자에 대향시킨 모터 고정자로부터의 자력에 의해 주축을 회전시킴으로써 상기 압축기 회전자를 구동하는 것으로 하여도 된다. 이것을 제5 구성의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛으로 한다.
제5 구성과 같이 모터를 설치하여 주축을 구동하는 경우, 압력보다 전방 스테이지에 송풍기 등의 예비 압축 수단을 설치할 필요가 없어진다.
본 발명은, 첨부한 도면을 참고로 한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로부터 더욱 명료하게 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 실시예 및 도면은 단순히 도시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정하는 데에 이용되어서는 않 된다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해진다. 첨부 도면에서, 복수개의 도면에서 동일한 부품 번호는 동일한 부품을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 계통도이다.
도 2는 상기 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 4는 제3 실시예에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 5는 제4 실시예에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 6은 제5 실시예에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 7은 제6 실시예에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도 이다.
도 8은 제7 실시예에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 9는 제8 실시예에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 10은 제9 실시예에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 11은 제10 실시예에 따른 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 12는 상기 터빈 유닛에 사용되는 컨트롤러의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 13은 제11의 실시예에 따른 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛의 단면도이다.
도 14는 제12의 실시예에 따른 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 전체 구성을 나타낸다. 이러한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은 냉동고 등의 피 냉각 공간(10)의 공기를 직접 냉매로서 냉각시키는 시스템이며, 피 냉각 공간(10)에 각각 개방된 공기의 유입구(1a)로부터 배출구(1b)에 이르는 공기 순환 경로(1)를 가지고 있다. 이러한 공기 순환 경로(1)에, 예비 압축 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, 공기 순환 경로(1) 내로 유입된 유입구(1a) 부근의 유입 공기와, 후방 스테이지에서의 압축으로 온도가 상승된 뒤 냉각된 공기 사이에서 열교환을 행하며, 유입구(1a) 부근의 공기는 열교환기(9)의 코어(9a)를 통과한다.
예비 압축 수단(2)은 송풍기 등으로 이루어지고 모터(2a)에 의해 구동된다. 제1 열교환기(3) 및 제2 열교환기(8)는 냉매를 순환시키는 열교환기(3a, 8a)를 각각 가지고, 열교환기(3a, 8a) 내의 물 등의 냉매와 공기 순환 경로(1)의 공기 사이에서 열교환을 행한다. 각 열교환기(3a, 8a)는, 냉각탑(11)에 배관 접속되어 있고, 열교환으로 온도가 상승한 냉매가 냉각탑(11)에서 냉각된다.
이러한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 피 냉각 공간(10)을 0oC~-6OoC 정도로 유지하는 시스템이며, 피 냉각 공간(10)으로부터 공기 순환 경로(1)의 유입구(1a)에 0~-60oC 정도이고 1기압인 공기가 유입된다. 그리고, 이하에 나타내는 온도 및 기압의 수치는 대략적인 임시 기준이 되는 일례이다. 유입구(1a)에 유입된 공기는, 중간 열교환기(9)에 의해, 공기 순환 경로(1)의 후방 스테이지의 공기의 냉각에 사용되고, 30oC까지 온도가 상승한다. 이러한 온도가 상승한 공기는 1기압으로 유지되지만, 예비 압축 수단(2)에 의해 1.4기압으로 압축되고, 그러한 압축에 의해 70oC까지 온도가 상승한다. 제1 열교환기(3)는, 온도가 상승한 70oC의 공기를 냉각하면 되므로, 상온 정도의 냉수라도 양호한 효율로 냉각시킬 수 있어, 40oC로 냉각시킨다. 제습기(4)는, 공기 순환 경로(1) 내의 공기의 수분이 후방 스테이지에서 빙점 아래로 냉각되어 얼어붙어, 공기 순환 경로(1)가 막히거나 팽창 터빈(7)이 당겨지는 등을 방지하기 위하여, 경로 내의 공기를 제습한다.
제습 후 40oC, 1.4기압인 공기가 터빈 유닛(5)의 압축기(6)에 의해 1.8기압까지 압축되고, 이러한 압축에 의해 70oC 정도로 온도가 상승한 상태에서, 제2 열교환기(8)에 의해 40oC로 냉각된다. 이러한 40oC의 공기는 중간 열교환기(9)에서 -30oC의 공기에 의해 -20oC까지 냉각된다. 공기가 압축기(6)로부터 배출될 때 1.8기압으로 유지된다.
중간 열교환기(9)에서 -20oC까지 냉각된 공기는, 터빈 유닛(5)의 팽창 터빈(7)에 의해 단열 팽창되어 -55oC까지 냉각되고, 배출구(1b)로부터 피 냉각 공간(10)으로 배출된다. 이러한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은 이와 같은 냉동 사이클을 행한다.
도 2는, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛(5)의 구체적인 예를 나타낸다. 이러한 터빈 유닛(5)은 압축기(6) 및 팽창 터빈(7)을 가지고, 압축기(6)의 압축기 회전자(6a) 및 팽창 터빈(7)의 터빈 회전자(7a)가 주축(13)의 양단에 각각 장착된 다. 또한, 터빈 회전자(7a)에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 회전자(6a)가 구동되며, 다른 구동원은 설치되지 않는다.
다음에 도 8과 함께 설명하는 바와 같이, 압축기(6)의 압축기 회전자(6a), 팽창 터빈(7)의 터빈 회전자(7a) 및 모터 회전자(92)를 공통 주축(13)에 장착, 모터(90)의 구동력으로 주축(13)을 구동해도 된다. 모터(90)를 설치하여 주축(13)을 구동하는 경우, 압축기(6)보다 전방 스테이지에 송풍기 등의 예비 압축 수단(2)(도 1)을 설치할 필요가 없어진다.
도 2에 있어서, 압축기(6)는, 압축기 회전자(6a)와 미세한 틈새(d1)를 통하여 대향하는 하우징(6b)을 가지고, 중심부의 흡입구(6c)로부터 축방향으로 흡입된 공기를, 압축기 회전자(6a)에 의해 압축하고, 외주부의 출구(도시하지 않음)로부터 화살표 6d로 나타낸 바와 같이 배출한다.
팽창 터빈(7)은, 터빈 회전자(7a)와 미세한 틈새(d2)를 통하여 대향하는 하우징(7b)을 가지고, 외주부로부터 화살표 7c로 나타낸 바와 같이 흡입한 공기를, 터빈 회전자(7a)에 의해 단열 팽창시켜, 중심부의 배출 포트(7d)로부터 축방향으로 배출한다.
이러한 터빈 유닛(5)에서, 주축(13)은 방사 방향에 대하여 복수개의 베어링(15, 16)으로 지지되고, 주축(13)에 걸리는 스러스트 파워는 전자석(17)에 의해 지지된다. 이러한 터빈 유닛(5)은, 압축기(6) 및 팽창 터빈(7) 내의 공기에 의해 주축(13)에 작용하는 스러스트 파워를 검출하는 센서(18), 및 이러한 센서(18)의 출력에 따라 상기 전자석(17)에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러(19)를 가진다. 전자석(17)은, 주축(13)의 중앙에 설치된 강자성체로 이루어지는 플랜지형의 스러스트 판(13a)의 양면에 접촉되지는 않으면서 대향하도록, 스핀들 하우징(14)에 설치된다.
주축(13)을 지지하는 베어링(15, 16)은, 구름 베어링으로서, 축방향 위치를 규제하는 기능을 가지는 것이며, 예를 들면, 깊은 홈 볼베어링이 사용된다. 깊은 홈 볼베어링의 경우, 양쪽 방향의 스러스트 지지 기능을 가지고, 내부 링 및 외부 링의 축방향 위치를 중립 위치로 되돌리는 작용을 한다. 이들 2개의 베어링(15, 16)은, 각각 스핀들 하우징(14)에서 압축기 회전자(6a) 및 터빈 회전자(7a)의 근방에 배치된다.
상기 센서(18)가 설치된 쪽의 베어링(16)은, 스핀들 하우징(14) 내에 삽입된 베어링 하우징(23) 내에 삽입된다.
주축(13)은, 중앙부의 대직경부(13b), 및 양단부의 소직경부(13c)를 가지는 계단식 축이다. 양쪽의 베어링(15, 16)은, 그 내부 링(15a, 16a)이 소직경부(13c)에 압입 상태로 결합되고, 한쪽의 단부면이 대직경부(13b)와 소직경부(13c) 사이의 단차면에 접촉된다.
스핀들 하우징(14)에 있어서 각 회전자(6a, 7a) 쪽의 부분은 양쪽의 베어링(15, 16) 쪽의 부분보다, 내경면이 주축(13)에 근접하는 직경으로 형성되고, 이러한 내경면에 비접촉 시일(21, 22)이 형성된다. 비접촉 시일(21, 22)은, 스핀들 하우징(14)의 내경면에 복수개의 원주홈을 축방향으로 배열하여 형성한 래버린스 시일(labyrinth seal)이다.
이러한 구성의 터빈 유닛(5)은, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 있어서, 냉매가 되는 공기를 압축기(6)로 압축하여 온도를 상승시키고, 열교환기(8, 9)에 의해 냉각된 공기를, 팽창 터빈(7)에 의해, 목표 온도, 예를 들면 -30oC~-60oC정도의 극저온까지 단열 팽창에 의해 냉각하여 배출한다.
이러한 터빈 유닛(5)에서, 압축기 회전자(6a) 및 터빈 회전자(7a)가 공통 주축(13)에 장착되어, 터빈 회전자(7a)에 의해 발생한 동력에 의해 압축기 회전자(6a)가 구동되므로, 동력원이 불필요하고, 컴팩트한 구성이며 양호한 효율로 냉각할 수 있다.
이러한 터빈 유닛(5)의 압축 및 팽창 효율을 확보하기 위해서는, 각 회전자(6a, 7a)와 하우징(6b, 7b) 사이의 틈새(d1, d2)를 미세하게 유지할 필요가 있다. 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서는, 이러한 효율 확보가 중요해진다. 이에 대하여, 주축(13)을 구름 접촉 형식의 베어링(15, 16)에 의해 지지하므로, 구름 베어링이 가지는 축방향 위치의 규제 기능에 의해, 주축(13)의 축방향 위치가 어느 정도 규제되어, 각 회전자(6a, 7a)와 하우징(6b, 7b) 사이의 미세 틈새(d1, d2)를 일정하게 유지할 수 있다.
그러나, 터빈 유닛(5)의 주축(13)에는, 각 회전자(6a, 7a)에 작용하는 공기의 압력 등에 의해 스러스트 파워가 걸린다. 또한, 공기 냉각 시스템에 사용되는 터빈 유닛(5)에서는, 1분간에 예를 들면 8만~10만 회전 정도의 매우 고속의 회전이 발생된다. 따라서, 주축(13)을 회전 지지하는 구름 베어링(15, 16)에 상기 스러스 트 파워가 작용하면, 베어링(15, 16)의 장기적 내구성이 저하된다.
이 실시예는, 상기 스러스트 파워를 전자석(17)으로 지지하므로, 접촉되지 않으면서 토크의 증대를 억제하고, 주축(13) 지지용 구름 베어링(15, 16)에 작용하는 스러스트 파워를 경감시킬 수 있다. 이러한 경우에, 압축기(6) 및 팽창 터빈(7) 내의 공기를 통해 주축(13)에 작용하는 스러스트 파워를 검출하는 센서(18), 및 이러한 센서(18)의 출력에 따라 상기 전자석(17)에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러(19)를 설치하였으므로, 구름 베어링(15, 16)을 그 베어링 규격에 따라 스러스트 파워에 대하여 최적인 상태로 사용할 수 있다. 특히, 센서(18)를 베어링(16)의 근방에 배치하였으므로, 문제가 되는 베어링(16)에 작용하는 스러스트 파워를 직접 측정할 수 있으므로, 그 측정 정밀도가 양호하고, 정밀한 스러스트 파워의 제어가 가능하게 된다.
따라서, 각 회전자(6a, 7a)의 적절한 틈새(dl, d2)를 유지하여 주축(13)의 안정된 고속 회전을 얻을 수 있고, 또한 베어링(15, 16)의 장기적 내구성의 향상, 수명의 향상을 얻을 수 있다. 베어링(15, 16)의 장기적 내구성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛(5)의 전체적 신뢰성, 나아가서는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 전체적 신뢰성이 향상된다. 이와 같이, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서 문제가 되는 터빈 유닛(5)의 주축 베어링(15, 16)의 안정된 고속 회전, 장기적 내구성, 신뢰성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 실용화가 가능해진다.
각 베어링(15, 16)은 압축기 회전자(6a)의 근방과 터빈 회전자(7a)의 근방에 배치되고, 주축(13)이 양단 지지로 되므로, 한층 안정된 고속 회전이 가능하게 된다.
각 베어링(15, 16)의 단부 측에서 주축(13)과 스핀들 하우징(14) 사이에, 비접촉 시일(21, 22)이 설치되므로, 베어링(15, 16) 등을 통하여 공기가 압축기(6)와 팽창 터빈(7) 사이로 유출되는 것이 방지된다. 압축기(6)의 내부와 팽창 터빈(7)의 내부는 기압차가 크기 때문에, 각 베어링(15, 16)의 내부, 또는 각 베어링(15, 16)의 내부 링 및 외부 링(15a, 16a)이 주축(13)이나 스핀들 하우징(14)에 삽입되는 면을 통하여 공기의 유출이 생기는 경향이 있다. 이와 같은 공기의 유출은 압축기(6) 또는 팽창 터빈(7)의 효율의 저하를 초래하고, 또한 베어링(15, 16) 내를 통과하는 공기는 먼지가 있으면 베어링(15, 16) 내를 더럽히거나 베어링 내의 윤활재를 건조시켜, 내구성을 저하시킬 우려가 있다. 이와 같은 효율 저하, 및 베어링(15, 16)의 오염 또는 손상이, 상기 비접촉 시일(21, 22)에 의해 방지된다.
도 3 이하의 각 도면은, 본 발명에 있어서의 다른 각 실시예를 나타낸다. 도 3 이하의 각 예에 있어서, 특별히 설명한 사항 외에는, 구성 및 효과가 도 2의 예와 같아, 대응 부분에 동일 부호를 부여하여 그 중복되는 설명을 생략한다.
도 3은, 본 발명의 제2 실시예의 터빈 유닛(5)을 나타낸다. 이러한 터빈 유닛(5)은, 주축(13)을 중공으로 하고, 이러한 주축(13) 내의 베어링 냉각 공기 도입로가 되는 통기공(83)을 통하여, 팽창 터빈(7)의 출력측과 압축기(6)의 입력측을 연통시킨 것이다.
이와 같이 주축(13) 내에 통기공(83)을 설치한 경우, 주축(13)이 통기공(83) 내를 통과하는 공기에 의해 냉각되어, 고속 회전으로 고온으로 되는 베어링(15, 16)이 주축(13)으로부터의 열전도에 의해 냉각된다. 따라서, 베어링(15, 16)의 내구성이 향상된다.
주축(13)을 관통하는 통기공(83)에는, 도 4에 나타내는 제3 실시예와 같이 각 베어링(15, 16)의 근방에서 주축(13)의 외주면으로 개방된 분기로(83a, 83b)를 설치해도 된다. 이들 분기로(83a, 83b)를 설치하면, 분기로(83a, 83b)를 흐르는 공기에 의해, 베어링(15, 16)이 직접 냉각되어 베어링(15, 16)의 냉각 효율이 향상된다.
도 5는, 제4 실시예의 터빈 유닛(5)을 나타낸다. 이러한 터빈 유닛(5)은, 주축(13)의 압축기 회전자(6a) 쪽의 축단부로부터, 그 근방의 베어링(15)의 주축 중앙 쪽으로 개방된 베어링 냉각 공기 도입로(84), 및 주축(13)의 터빈 회전자(7a) 쪽의 축단부로부터, 그 근방의 베어링(16)의 주축 중앙 쪽으로 개방된 베어링 냉각 공기 도입로(85)를 설치한 것이다.
이러한 구성의 경우, 압축기(6) 내의 공기가 베어링 냉각 공기 도입로(84)를 통하여 압축기(6) 쪽의 베어링(15)의 근방으로 유입되고, 이러한 베어링(15), 및 베어링(16)을 냉각한 후에 베어링 냉각 공기 도입로(85)를 통하여 팽창 터빈 쪽으로 배출된다.
팽창 터빈(7)의 부근은 비교적 저온이므로, 베어링(16)은 고속 회전해도 온도의 상승이 억제된다. 따라서, 도 6에 나타내는 제5 실시예와 같이, 압축기(6) 쪽에만 상기 베어링 냉각 공기 도입로(84)를 설치해도 된다.
도 7은, 제6 실시예의 터빈 유닛(5)을 나타낸다. 이러한 터빈 유닛(5)은, 팽창 터빈(7)의 입구부의 공기를, 압축기(6) 쪽의 베어링의 부근으로 흐르게 하는 베어링 냉각 공기 도입로(86)를 스핀들 하우징(14) 내에 설치한 것이다. 또한, 이러한 도입된 공기를 압축기(6)의 입구 쪽으로 유출시키는 유출 경로(87)를 주축(13) 내에 설치한 것이다.
팽창 터빈(7)의 입구부의 압력은, 압축기(6)에 의한 압축 후의 압력이므로, 압축기(6)의 입구부의 압력보다 높다. 따라서, 전술한 베어링 냉각 공기 도입로(86)로부터 유입되고 유출 경로(87)로부터 유출되는 공기류가 생긴다. 팽창 터빈(7)의 입구부의 공기는 도 1의 제2 열교환기(8) 및 중간 열교환기(9)를 통하여 냉각된 공기이며, 예를 들면 -40oC 정도로 저온으로 된다. 이러한 저온의 공기로 압축기(6) 쪽의 베어링(15)이 냉각되므로, 고속 회전으로 고온으로 되기 쉬운 압축기 쪽의 베어링(15)을 양호한 효율로 냉각하고, 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 8은, 제7 실시예의 터빈 유닛(5)을 나타낸다. 이러한 터빈 유닛(5)은, 주축(13)을 회전 구동시키는 모터(90)를 설치한 것이다. 모터(90)는 전자석(17)과 나란히 설치되고, 스핀들 하우징(14)에 설치된 고정자(91), 및 주축(13)에 설치된 회전자(92)로 구성된다. 고정자(91)는 고정자 코일(91a)을 가지고, 회전자(92)는 자석 등으로 이루어진다. 모터(90)의 제어는, 모터 컨트롤러(93)에 의해 행해진다.
이러한 터빈 유닛(5)에서, 팽창 터빈(7)에 의해 생기는 터빈 회전자(7a)의 구동력과 모터(90)에 의한 구동력으로 압축기 회전자(6a)가 회전 구동된다. 따라서, 도 1의 송풍기로 이루어지는 예비 압축 수단(2)이 없어도 압축기(6)의 구동이 가능해지고, 시스템의 컴팩트화가 도모된다.
도 9는, 제8 실시예의 터빈 유닛(5)을 나타낸다. 이러한 구조는, 이러한 터빈 유닛(5)에 컨트롤러(19)를 내장시킨 구성이다. 이와 같이 구성함으로써, 컨트롤러(19)와 전자석(17) 사이 및 컨트롤러(19)와 센서(18) 사이의 케이블이 짧게 구성될 수 있는 동시에, 접속이 간단해지므로 비용면에서 유리해지는 동시에, 외부로부터의 센서 회로 시스템 전체 구성의 컴팩트화가 도모된다.
도 10에 나타내는 제9 실시예와 같이, 터빈 유닛(5) 내에 모터(90)를 배치한 구성에서는, 컨트롤러(19M)를 터빈 유닛(5)에 내장함으로써, 모터(90)와 컨트롤러(19M) 사이의 케이블도 필요하게 되므로, 이와 같이 터빈 유닛(5)에 컨트롤러 (19M)를 내장시킨 구성은 보다 유리하게 된다. 그리고, 이러한 실시예에서의 컨트롤러(19M)는, 상기 컨트롤러(19) 및 모터 컨트롤러(93)를 포함하는 것이다.
이러한 컨트롤러(19M)에는, 외부로부터 전원 라인만이 아니고 통신 라인도 연결한 구성을 채용함으로써, 외부로부터 전자석(17)의 작동 상태를 변화시키는 것도 가능해진다. 예를 들면, 주축(13)이 회전하고 있지 않은 경우에는, 외부로부터의 컨트롤 신호에 의해 전자석(17)에 전류를 흘리지 않게 구성함으로써, 터빈 유닛(5)에 대한 불필요한 전원 공급을 회피하고 에너지 절약을 도모하는 것이 가능해진다. 또한, 센서(18)의 출력을 통신 라인에 의해 외부로 송출함으로써, 외부에서 그 센서 출력을 기초로 터빈 유닛의 상태를 감시하는 것도 가능해진다.
그리고, 상기 및 후술하는 각 실시예에서는, 주축(13)의 스러스트 판(13a)에 대향하여 전자석(17)을 설치하였으나, 전자석(17)에 더하여 영구 자석(도시하지 않음)을 설치해도 된다. 또한, 본 발명으로부터 이탈하는 것이지만, 스러스트 파워의 제어가 불필요하면, 영구 자석만으로 주축(13)의 스러스트 파워를 지지하도록 할 수도 있다.
다음에, 본 발명의 제10 실시예의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛을 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다. 이러한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛을 사용하는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템은, 도 1을 참조하여 전술한 바와 동일하다.
도 11은, 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛(5)의 구체적인 예를 나타낸다. 이러한 터빈 유닛(5)은 압축기(6) 및 팽창 터빈(7)을 가지고, 압축기(6)의 압축기 회전자(6a) 및 팽창 터빈(7)의 터빈 회전자(7a)가 주축(13)의 양단에 각각 장착된다. 또한, 터빈 회전자(7a)에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 회전자(6a)가 구동되며, 다른 구동원은 설치되지 않는다.
그리고, 도 14에 나타내는 제12 실시예와 같이, 압축기(6)의 압축기 회전자(6a), 팽창 터빈(7)의 터빈 회전자(7a) 및 모터 회전자(92)를 공통 주축(13)에 장착하여, 모터(90)의 구동력으로 주축(13)을 구동해도 된다. 모터(90)는, 고정자 코일(91a)을 가지고 스핀들 하우징(14)에 설치된 고정자(91), 및 상기 모터 회전자(92)로 이루어지고, 모터 컨트롤러(93)에 의해 제어된다. 모터(90)를 설치하여 주축(13)을 구동하는 경우, 압축기(6)의 전방 스테이지에 송풍기 등의 예비 압축 수단(2)(도 1)을 설치할 필요가 없어진다.
도 11에 있어서, 압축기(6)는, 압축기 회전자(6a)와 미세한 틈새(d1)를 통하여 대향하는 하우징(6b)을 가지고, 중심부의 흡입구(6c)로부터 축방향으로 흡입한 공기를 압축기 회전자(6a)에 의해 압축하고, 외주부의 출구(도시하지 않음)로부터 화살표 6d로 나타낸 바와 같이 배출한다.
팽창 터빈(7)은, 터빈 회전자(7a)와 미세한 틈새(d2)를 통하여 대향하는 하우징(7b)을 가지고, 외주부로부터 화살표 7c로 나타낸 바와 같이 흡입한 공기를, 터빈 회전자(7a)로 단열 팽창시켜, 중심부의 배출 포트(7d)로부터 축방향으로 배출한다.
이러한 터빈 유닛(5)에서, 주축(13)을 방사방향에 대하여 복수개의 베어링(15, 16)으로 지지하고, 주축(13)에 걸리는 스러스트 파워를 전자석(17)(171, 172)에 의해 지지한다. 이러한 터빈 유닛(5)에서, 압축기(6) 및 팽창 터빈(7) 내의 공기에 의해 주축(13)에 작용하는 스러스트 파워를 검출하기 위한 공기압 검출 수단으로서 후술하는 압력 센서(61~64)를 설치하고, 그 압력 센서(61~64)의 출력을 연산함으로써 얻은 스러스트 파워의 추정값에 따라 상기 전자석(17)에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러(19A)를 설치한다. 전자석(17)은, 주축(13)의 중앙에 설치된 강자성체로 이루어지는 플랜지형 스러스트 판(13a)의 양면에 접촉하지 않으면서 대향하도록, 스핀들 하우징(14)에 설치된다.
주축(13)을 지지하는 베어링(15, 16)은, 구름 베어링으로서, 축방향 위치의 규제 기능을 가지는 것이며, 예를 들면, 깊은 홈 볼베어링이 사용된다. 깊은 홈 볼베어링의 경우, 양쪽 방향의 스러스트 지지 기능을 가지고, 내부 링 및 외부 링의 축방향 위치를 중립 위치로 되돌리는 작용을 한다. 이들 2개의 베어링(15, 16)은 각각 스핀들 하우징(14)에서 압축기 회전자(6a) 및 터빈 회전자(7a)의 근방에 배치된다.
주축(13)은 중앙부의 대직경부(13b) 및 양단부의 소직경부(13c)를 가지는 계단식 축으로 구성된다. 양쪽의 베어링(15, 16)은, 그 내부 링(15a, 16a)이 소직경부(13c)에 압입 상태로 삽입되고, 다른 한쪽의 단부면이 대직경부(13b)와 소직경부(13c) 사이의 단차면에 결합된다.
스핀들 하우징(14)에 있어서 각 회전자(6a, 7a) 쪽의 부분은 양쪽의 베어링(15, 16) 쪽의 부분보다, 내경면이 주축(13)에 근접하는 직경으로 형성되고, 이러한 내경면에 비접촉 시일(21, 22)이 형성된다. 비접촉 시일(21, 22)은, 스핀들 하우징(14)의 내경면에 복수개의 원주홈을 축방향으로 배열하여 형성한 래버린스 시일이다.
상기 각 베어링(15, 16) 중, 터빈 회전자(7a) 쪽의 베어링(16)은, 그 외부 링(16a)이 스핀들 하우징(14)에 대하여 축방향으로 이동 불가능하게 설치된다. 압축기 회전자(6a) 쪽의 베어링(15)은, 스핀들 하우징(14)의 내경에 설치된 구멍에, 스프링 요소(26)에 의해 축방향으로 탄성적으로 이동 가능하게 설치된다. 스프링 요소(26)는 베어링(15)을 주축(13)의 상기 단차면으로 가압하도록 작용하고, 베어링(15)에 예압을 부여한다.
상기 각 압력 센서(61~64)는, 팽창 터빈(7)의 출력측 압력, 터빈 회전자(7a)의 배면 압력, 압축기(6)의 입력측 압력, 및 압축기 회전자(6a)의 배면 압력을 각각 검출한다. 이들 압력 센서(61~64)는, 스핀들 하우징(14)의 내부 또는 외부에 설치되고, 각 검출 부위의 공기압을 각 압력 센서(61~64)로 안내하는 파이프 등의 공기압 도입로(61a~64a)가 설치된다.
압력 센서(61)의 공기압 도입로(61a)는 팽창 터빈(7)의 배출 포트(7d)로 개방되고, 압력 센서(62)의 공기압 도입로(62a)는, 터빈 회전자(7a)의 배면에 대향하는 스핀들 하우징(14)의 내면으로 개방된다.
압력 센서(63)의 공기압 도입로(63a)는 압축기(6)의 흡입구(6c)로 개방되고, 압력 센서(64)의 공기압 도입로(64a)는, 압축기 회전자(6a)의 배면에 대향하는 스핀들 하우징(14)의 내면으로 개방된다.
그리고, 상기 4개의 압력 센서(61~64)는, 반드시 모두 형성하지 않아도 되고, 적어도 어느 하나 1개의 압력 센서(61~64)를 설치하면 된다.
각 압력 센서(61~64)의 부근에는, 온도 센서(65~68)가 각각 설치된다. 상기 각 압력 센서(61~64) 및 온도 센서(65~68)의 출력은 컨트롤러(19A)로 입력된다.
도 12는, 도 11의 터빈 유닛(5)의 컨트롤러(19A)의 블록도이다. 도 11의 각 압력 센서(61~64)의 검출 출력 P61~P64 및 온도 센서(65~68)의 출력 T65~T68을 온도 보상 회로(74A~74D)로 입력하고, 각 압력 센서(61~64)의 출력 P61~P64이 온도 보정 후에 스러스트 파워 추정 연산 회로(71)에 입력된다. 이러한 스러스트 파워 추정 연산 회로(71)에 의해 주축(13)에 작용하는 스러스트 파워의 추정 출력은 비교부(75)에서 기준값 설정 수단(72)의 기준값과 비교되고 그 편차가 연산된다.
연산된 상기 편차는, PID 보상 회로(76)에 의해, 터빈 유닛(5)에 따라 적절히 설정되는 비례, 미분, 적분 동작에 의한 처리가 행해진다.
PID 보상 회로(76)의 출력은, 다이오드(77, 78)를 통하여 각 방향의 전자석(171, 172)을 구동하는 파워 회로(79, 80)에 입력된다. 전자석(171, 172)은, 도 11에 나타낸 스러스트 판(13a)에 대향하는 한 쌍의 전자석(17)이며, 흡인력 밖에 작용하지 않기 때문에, 미리 다이오드(77, 78)에 의해 전류의 방향을 결정해 2개의 전자석(171, 172)이 선택적으로 구동될 수 있게 한다.
도 13은, 제11 실시예에 따른 터빈 유닛(5)을 나타낸다. 이러한 구조는 이러한 터빈 유닛(5)에 컨트롤러(19A)를 내장시킨 구성이다. 이와 같이 구성함으로써, 컨트롤러(19A)와 전자석(17) 사이 및 컨트롤러(19A)와 센서(61~68) 사이의 케이블이 짧게 구성될 수 있는 동시에, 접속이 간단해지므로 비용면에서 유리해지는 동시에, 외부와 연결된 센서 회로 시스템 전체 구성의 컴팩트화가 도모된다.
도 14의 예와 같이, 터빈 유닛(5) 내에 모터(90)를 배치한 구성에서는, 모터(90)와 그 컨트롤러(93) 사이의 케이블도 필요하므로, 도시는 생략하지만, 전술한 바와 같이 터빈 유닛에 컨트롤러(19A)를 내장시킨 구성이 더 유리하게 된다. 그 경우, 모터 컨트롤러(93)도 터빈 유닛(5)에 내장시킨다.
상기 구성의 작용을 설명한다. 이러한 구성의 터빈 유닛(5)은, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 있어서, 냉매가 되는 공기를 열교환기(8, 9)(도 1)에 의해 양호한 효율로 열교환 가능하도록, 압축기(6)에 의해 압축하여 온도가 상승되고 열교환기(8, 9)에 의해 냉각된 공기를, 팽창 터빈(7)에 의해, 목표 온도, 예를 들면 -30oC~-60oC정도의 극저온까지 단열 팽창에 의해 냉각하여 배출하도록 사용된다.
이러한 터빈 유닛(5)은, 압축기 회전자(6a) 및 터빈 회전자(7a)를 공통 주축(13)에 장착, 터빈 회전자(7a)에 의해 발생된 동력에 의해 압축기 회전자(6a)를 구동하는 것이므로, 동력원이 불필요하고, 컴팩트한 구성이며 양호한 효율로 냉각할 수 있다.
이러한 터빈 유닛(5)의 압축 및 팽창 효율을 확보하기 위해서는, 각 회전자(6a, 7a)와 하우징(6b, 7b)의 사이의 틈새(d1, d2)를 미세하게 유지할 필요가 있다. 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서는, 이러한 효율 확보가 중요해진다. 이에 대하여, 주축(13)을 구름 접촉 베어링(15, 16)에 의해 지지하므로, 구름 베어링이 가지는 축방향 위치의 규제 기능에 의해, 주축(13)의 축방향 위치가 어느 정도 규제되고, 각 회전자(6a, 7a)와 하우징(6b, 7b) 사이의 미세 틈새(d1, d2)를 일정하게 유지할 수 있다.
그러나, 터빈 유닛(5)의 주축(13)에는, 각 회전자(6a, 7a)에 작용하는 공기의 압력 등으로 스러스트 파워가 걸린다. 또한, 공기 냉각 시스템에 의해 사용하는 터빈 유닛(5)에서는, 1분간에 예를 들면 8만~10만 회전 정도의 고속으로 회전된다. 따라서, 주축(13)을 회전 지지하는 구름 베어링(15, 16)에 상기 스러스트 파 워가 작용하면, 베어링(15, 16)의 장기적 내구성이 저하된다.
이러한 실시예는, 상기 스러스트 파워를 전자석(17)으로 지지하므로, 접촉되지 않으면서 토크의 증대를 억제하고, 주축(13) 지지용 구름 베어링(15, 16)에 작용하는 스러스트 파워를 경감시킬 수 있다. 이러한 경우에, 압축기(6) 및 팽창 터빈(7) 내의 공기에 의해 주축(13)에 작용하는 스러스트 파워를 검출하는 압력 센서(61~64), 및 이러한 압력 센서(61~64)의 출력으로부터 연산하여 얻어지는 스러스트 파워 추정값에 따라 상기 전자석(17)에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러(19A)를 설치하여, 상기 스러스트 파워를 제거할 수 있는 구성으로 하였으므로, 구름 베어링(15, 16)에는, 그 베어링 규격에 대하여 과도한 스러스트 파워는 작용하지 않고, 스러스트 파워에 대하여 최적인 상태로 사용할 수 있다.
따라서, 각 회전자(6a, 7a)의 적절한 틈새(d1, d2)를 유지하여 주축(13)이 안정된 고속 회전을 얻을 수 있고, 또한 베어링(15, 16)의 장기적 내구성의 향상, 수명의 향상을 얻을 수 있다. 베어링(15, 16)의 장기적 내구성이 향상되므로, 전체적으로 공기 냉각용 터빈 유닛(5), 나아가서는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 신뢰성이 향상된다. 이와 같이, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서 문제가 되었던 터빈 유닛(5)의 주축 베어링(15, 16)의 안정된 고속 회전, 장기적 내구성, 신뢰성이 향상되므로, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 실용화가 가능해진다.
특히, 이러한 실시예에서는, 주축(13)에 작용하는 스러스트 파워의 검출 수단으로서 압력 센서(61~64)를 사용하였으므로, 검출 수단의 구성이 간단하며, 신뢰성이 높고, 또한 염가로 할 수 있다.
또한, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 전체의 작동 상황은 터빈 유닛(5)의 압축기(6) 또는 팽창 터빈(7) 내의 공기압에도 영향을 주지만, 이러한 공기압을 검출하는 압력 센서(61~64)를 설치하였으므로, 그 검출치에 의해 공기 사이클 냉동 냉각 시스템의 작동 상황을 모니터링할 수도 있다.
각 베어링(15, 16)은, 압축기 회전자(6a)의 근방과 터빈 회전자(7a)의 근방에 배치되고, 주축(13)의 양단이 지지 되므로, 한층 안정된 고속 회전이 가능하게 된다. 또한, 구름 베어링으로 이루어지는 각 베어링(15, 16)은, 스프링 요소(26)에 의해 예압을 부여하고 있으므로, 주축(13)의 축 방향 위치가 안정되어, 각 회전자(6a, 7a)의 미세 틈새(d1, d2)이 더욱 확실하게 유지되고, 또한 안정된 고속 회전을 얻을 수 있다.
각 베어링(15, 16)의 단부측의 주축(13)과 스핀들 하우징(14) 사이에 비접촉 시일(21, 22)이 설치되어 있으므로, 베어링(15, 16) 내부 등을 통하여 공기가 압축기(6)와 팽창 터빈(7) 사이로 유출되는 것이 방지된다. 압축기(6)의 내부와 팽창 터빈(7)의 내부는 기압차가 크기 때문에, 각 베어링(15, 16)의 내부, 또는 각 베어링(15, 16)의 내부 링 및 외부 링(15a, 16a)이 주축(13) 또는 스핀들 하우징(14)에 삽입되는 면을 통하여 공기의 유출이 생기게 한다. 이와 같은 공기의 유출은, 압축기(6) 또는 팽창 터빈(7)의 효율의 저하를 초래하거나, 베어링(15, 16) 내부를 통과하는 공기에 의해 베어링 내의 윤활재가 건조하거나, 공기 내에 먼지가 있으면 베어링(15, 16) 내부를 더럽혀 내구성을 저하시킬 우려가 있다. 이와 같은 효율 저하, 및 베어링(15, 16)의 오염 또는 손상이 상기 비접촉 시일(21, 22)에 의해 방 지된다.
상기 제1~제3 구성의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템 및 상기 제4 및 제5 구성의 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛을 기본으로 하여 본 발명의 실시예가 될 수 있는 구성을 이하에서 요약한다.
(제6 구성) 상기 제1 구성으로부터 제3 구성 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 주축에 작용하는 스러스트 파워를 검출하는 센서, 및 이러한 센서의 출력에 따라 상기 전자석에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러를 설치한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
즉, 상기 압력기 및 팽창 터빈 내의 공기에 의해 상기 주축에 작용하는 스러스트 파워를 검출하는 센서, 및 이러한 센서의 출력에 따라 상기 전자석에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러를 설치해도 된다.
전자석에 의한 지지력을 제어함으로써, 주축을 회전 지지하는 베어링을 스러스트 파워에 대하여 최적인 상태로 사용할 수 있어, 베어링의 고속 안정성, 장기적 내구성의 향상, 장기적 수명화가 도모되고, 시스템의 신뢰성 향상이 한층 향상된다.
(제7 구성) 상기 제1 구성으로부터 제3 구성 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 베어링이 윤활유 윤활의 구름 베어링으로 구성되는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
즉, 상기 주축을 지지하는 베어링은 구름 베어링으로 될 수도 있다. 이러한 구름 베어링은, 깊은 홈 볼베어링과 같이 내부 링 및 외부 링 사이의 축방향 위치 의 유지 기능을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 앵귤러 볼베어링이라도 된다.
터빈 유닛의 압축 및 팽창 효율을 확보하기 위해서는, 각 회전자와 하우징 사이의 틈새를 미세하게 유지할 필요가 있다. 공기 냉각 시스템에서는, 이러한 효율 확보가 중요해진다. 이에 대하여, 회전자의 주축을 구름 베어링에 의해 지지하면, 구름 베어링의 축방향 위치의 규제 기능에 의해, 주축 위치가 규제되고, 각 회전자와 하우징의 미세 틈새를 일정하게 유지할 수 있다. 이와 같은 축방향 위치의 규제 기능을 가지는 구름 베어링의 경우에, 고속 회전하는 베어링의 상기 스러스트 파워에 의한 장기적 내구성의 저하가 문제가 되지만, 전자석으로 스러스트 파워를 지지하므로, 구름 베어링의 장기적 내구성을 확보할 수 있다. 이와 같이 주축의 방사방향의 지지를 구름 베어링으로 행하고, 스러스트 파워를 전자석에 의해 발생하도록 했기 때문에, 회전자의 미세 틈새를 유지하면서, 주축이 안정된 고속 회전을 얻을 수 있다.
또한, 상기 구름 베어링은, 그리스 윤활로 하는 것이 바람직하다. 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에서는, 냉매가 되는 공기를 그대로 냉동고 등의 피 냉각 공간으로 보내므로, 오일 윤활이면, 윤활유의 미스트 등이 냉각 공기를 더럽힐 우려가 있다. 그리스 윤활이므로, 이와 같은 피 냉각 공기의 오염의 문제가 감소된다.
(제8 구성) 상기 제1 구성으로부터 제3 구성 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 베어링의 근방에서 고정된 쪽에, 상기 주축에 작용하는 스러스트 파워를 검출하는 센서를 배치한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
(제9 구성) 상기 제1 구성으로부터 제3 구성 중 어느 한 구성에 있어서, 상 기 압축기 회전자 및 터빈 회전자가 주축의 양단에 설치되고, 상기 베어링 및 상기 전자석을, 스핀들 하우징에 있어서의 상기 압축기 회전자와 터빈 회전자 사이에 설치한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
즉, 터빈 유닛에 있어서의 압축기 회전자 및 터빈 회전자를 주축의 양단에 설치하고, 상기 주축을 지지하는 베어링 및 전자석을, 스핀들 하우징에서 상기 압축기 회전자와 터빈 회전자 사이에 설치해도 된다. 압축기 회전자 및 터빈 회전자 사이에 주요 부재를 둠으로써 주축 길이를 짧게 할 수 있으므로, 한층 안정된 고속 회전을 얻을 수 있다.
(제10 구성) 상기 제9 구성에 있어서, 상기 주축의 외주와 스핀들 하우징 사이에서의 상기 압축기 회전자와 그 근방의 베어링의 사이, 및 터빈 회전자와 그 근방의 베어링의 사이 중 적어도 한쪽에, 비접촉 시일을 설치한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
즉, 양쪽에 베어링을 설치한 경우에, 주축의 외주와 스핀들 하우징 사이에서의 상기 압축기 회전자와 그 근방의 베어링의 사이, 및 터빈 회전자와 그 근방의 베어링의 사이 중 적어도 한쪽에, 비접촉 시일을 설치해도 된다.
비접촉 시일을 설치함으로써, 압축기 내부와 팽창 터빈 내부의 기압차에 의해, 각 베어링 내부나 이들 베어링과 스핀들 하우징의 접촉면으로부터 공기가 유출되는 것이 방지되고, 터빈 유닛의 효율이 유지되며, 베어링의 통과 공기에 의한 오염 또는 손상이나 윤활재의 건조가 방지된다.
(제11 구성) 상기 제10 구성에 있어서, 상기 비접촉 시일로서 복수개의 원 주홈을 가지는 래버린스 시일을 설치한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
(제12 구성) 상기 제1 구성으로부터 제3 구성 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 압축기에 유입되는 공기, 또는 상기 압축기에 의해 압축되고 다른 열교환기에 의해 냉각된 공기, 또는 상기 팽창 터빈으로 단열 팽창된 공기를 상기 베어링의 주변으로 안내하는 냉각용 공기 도입로를 설치한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
즉, 상기 압축기에 의해 압축되고 다른 열교환기에 의해 냉각된 공기, 또는 상기 팽창 터빈에 의해 단열 팽창된 공기를 상기 베어링의 주변으로 안내하는 냉각 공기 도입로를 설치해도 된다.
이 냉각 공기 도입로를 설치함으로써, 고속 회전에 의해 고온으로 되는 베어링의 온도의 상승이 간단한 구성으로 억제될 수 있어, 베어링 수명이나 윤활유 수명 등이 향상된다.
(제13 구성) 상기 제12 구성에 있어서, 상기 냉각 공기 도입로로부터 상기 베어링의 주변으로 안내된 냉각 공기를 상기 압축기의 입구부로 유출시키는 유출 경로를 설치한 공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
즉, 상기 냉각 공기 도입로를 설치한 경우에, 상기 냉각 공기 도입로로부터 구름 베어링의 주변으로 안내되고 냉각 공기를 상기 압력의 입구부로 유출시키는 유출 경로를 설치해도 된다.
이러한 유출 경로를 설치함으로써, 냉각 공기 도입로로부터 베어링으로의 공기의 흐름이 양호하게 되어, 베어링의 냉각 효과가 향상된다.
(제14 구성) 상기 제6 구성에 있어서, 상기 컨트롤러가 스핀들 하우징에 장 착된 공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
즉, 상기 컨트롤러는 스핀들 하우징에 장착되어도 된다.
상기 컨트롤러를 스핀들 하우징에 장착함으로써, 전자석, 센서, 및 컨트롤러의 접속이 간결하게 되어, 시스템이 컴팩트하게 될 수 있다.
(제15 구성) 상기 제14 구성에 있어서, 컨트롤러와 외부의 접속이 전원 라인 또는 통신 라인에 의해 이루어지는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
즉, 상기 컨트롤러와 외부의 접속은 전원 라인 또는 통신 라인에 의해 이루어지도록 구성해도 된다. 외부로부터 상기 터빈 유닛의 제어 및 모니터링을 용이하게 하고, 안정된 시스템 동작을 가능하게 한다.
(제16 구성) 상기 제4 구성 또는 제5 구성에 있어서, 상기 공기압 측정 수단은, 상기 팽창 터빈의 출력측 압력, 상기 터빈 회전자의 배면 압력, 상기 압축기의 입력측 압력, 및 상기 압축기 회전자의 배면 압력 중 적어도 하나를 검출하는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
즉, 상기 공기압 측정 수단은, 상기 팽창 터빈의 출력측 압력, 상기 터빈 회전자의 배면 압력, 상기 압축기의 입력측 압력, 및 상기 압축기 회전자의 배면 압력 중 적어도 하나를 검출한다.
상기 각 부 중 어느 하나의 공기압이 검출되면, 주축에 작용하는 스러스트 파워의 검출이 가능하게 된다.
(제17 구성) 상기 제4 구성 또는 제5 구성에 있어서, 상기 팽창 터빈의 출력측 압려, 상기 터빈 회전자의 배면 압력, 상기 압축기의 입력측 압력, 및 상기 압축기 회전자의 배면 압력을 모두 측정하는 복수개의 공기압 측정 수단을 설치한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
즉, 상기 공기압 측정 수단으로서, 상기 팽창 터빈의 출력측 압력, 상기 터빈 회전자의 배면 압력, 상기 압축기의 입력측 압력, 및 상기 압축기 회전자의 배면 압력을 모두 측정하는 복수개의 공기압 측정 수단을 설치해도 된다.
이러한 4개의 공기압을 측정함으로써, 주축에 작용하는 스러스트 파워를 정밀도가 양호하게 검출할 수 있다.
(제18 구성) 상기 제4 구성 또는 제5 구성에 있어서, 복수개의 공기압 검출 수단을 설치하고, 이들 복수개의 공기압 측정 수단의 출력으로부터 상기 주축에 관한 스러스트 파워의 추정값을 연산하는 스러스트 파워 추정 연산 수단을 설치한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
즉, 상기 팽창 터빈의 출력측 압력, 상기 터빈 회전자의 배면 압력, 상기 압축기의 입력측 압력, 및 상기 압축기 회전자의 배면 압력 중 복수개의 공기압을 검출하는 공기압 측정 수단을 설치한 경우에, 복수개의 공기압 측정 수단의 출력으로부터 주축에 작용하는 스러스트 파워의 추정값을 연산하는 스러스트 파워 추정 연산 수단을 설치해도, 양호한 복수개의 공기압 측정 수단의 출력으로부터 주축에 작용하는 스러스트 파워의 추정값을 연산함으로써, 스러스트 파워의 제어에 적절한 센서 출력을 정밀도가 양호하게 얻을 수 있다.
(제19 구성) 상기 제4 구성 또는 제5 구성에 있어서, 상기 공기압 측정 수단의 부근에 온도 센서를 설치하고, 이러한 온도 센서의 출력에 의해 상기 공기압 측정 수단의 출력을 보정하는 온도 보정 수단을 설치한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
즉, 상기 공기압 측정 수단의 부근에 온도 센서를 설치하고, 이러한 온도 센서의 출력에 의해 상기 공기압 측정 수단의 출력을 보정하는 온도 보정 수단을 설치해도 된다.
터빈 유닛의 각 부의 온도는 변동하기 때문에, 온도 센서를 설치하여 공기압 측정 수단의 측정값을 보정함으로써, 정밀도가 양호한 검출을 행할 수 있다. 온도 센서는 공기압 측정 수단의 부근에 설치하므로, 정밀도가 더욱 높은 온도 보정을 행할 수 있다.
(제20 구성) 상기 제18 구성에 있어서, 상기 주축에 관한 스러스트 파워의 추정값에 따라 상기 전자석에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러를 설치한 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
(제21 구성) 상기 제4 구성 또는 제5 구성에 있어서, 상기 공기압 측정 수단의 출력에 따라 상기 전자석에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러가 설치되고, 이러한 컨트롤러는 스핀들 하우징에 장착된 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
즉, 상기 공기압 측정 수단의 출력에 따라 상기 전자석에 의한 지지력을 제어하는 컨트롤러를 설치해도 된다.
전자석에 의한 지지력을 제어함으로써, 주축을 회전 지지하는 구름 베어링을, 스러스트 파워에 대하여 최적인 상태로 사용할 수 있어, 구름 베어링의 고속 안정성, 장기적 내구성의 향상, 장기 수명화가 도모되고, 시스템의 안정성이 더욱 향상된다.
또한, 컨트롤러는 스핀들 하우징에 장착해도 된다.
상기 컨트롤러를 스핀들 하우징에 장착함으로써, 전자석과 컨트롤러의 접속이 간결하게 되어, 시스템이 컴팩트하게 될 수 있다.

Claims (5)

  1. 유입 공기에 대하여, 터빈 유닛의 압축기에 의한 압축 및 상기 터빈 유닛의 팽창 터빈에 의한 단열 팽창을 행하는 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 있어서,
    상기 터빈 유닛에서, 상기 압축기의 압축기 회전자 및 상기 팽창 터빈의 터빈 회전자가 공통 주축에 장착되며, 상기 주축이 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고, 상기 주축에 걸리는 스러스트 파워의 일부 또는 전체를 전자석에 의해 지지하는, 공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    유입 공기에 대하여, 예비 압축 수단에 의한 압축, 열교환기에 의한 냉각, 상기 터빈 유닛의 압축기에 의한 압축, 다른 열교환기에 의한 냉각, 상기 터빈 유닛의 상기 팽창 터빈에 의한 단열 팽창을 차례로 행하며,
    상기 터빈 유닛이, 상기 터빈 회전자에 의해 발생된 동력에 의해 상기 압축기 회전자를 구동하는,
    공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    유입 공기에 대하여, 상기 터빈 유닛의 상기 압축기에 의한 압축, 열교환기에 의한 냉각, 다른 열교환기에 의한 냉각, 상기 터빈 유닛의 팽창 터빈에 의한 단 열 팽창을 차례로 행하며,
    상기 터빈 유닛에서, 모터 회전자가 상기 주축에 장착되어, 상기 모터 회전자에 대향하는 모터 고정자로부터 발생된 자력에 의해 상기 주축이 회전됨으로써 상기 압축기 회전자가 구동되는,
    공기 사이클 냉동 냉각 시스템.
  4. 제2항의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서,
    상기 압축기 및 상기 팽창 터빈 중 적어도 한쪽의 공기압을 측정하는 공기압 측정 수단을 더 포함하며,
    상기 베어링은, 상기 주축을 방사방향에 대하여 지지하는 구름 베어링인,
    공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
  5. 제3항의 공기 사이클 냉동 냉각 시스템에 사용되는 공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛에 있어서,
    상기 압축기 및 상기 팽창 터빈 중 적어도 한쪽의 공기압을 측정하는 공기압 측정 수단을 더 포함하며,
    상기 베어링은, 상기 주축을 방사방향에 대하여 지지하는 구름 베어링인,
    공기 사이클 냉동 냉각용 터빈 유닛.
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