WO2007023836A1 - 空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット - Google Patents

Abstract

　コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａが主軸１３の両端にそれぞれ取付けられ、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。主軸１３はラジアル方向に対し転がり軸受１５，１６で支承する。主軸１３にかかるスラスト力は電磁石１７により支承する。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を設ける。このセンサ１８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する。センサ１８は、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。

Description

明 細 書

空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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 、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 力 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)。

[0003] また、 30°C〜一 60°C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)。

[0004] 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 ヤ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力 主軸支持用の転がり軸受に 作用するスラスト荷重が軸受寿命の短縮を招くことを回避するため、転がり軸受に作 用するスラスト荷重をスラスト磁気軸受により低減することが提案されている（特許文 献 3)。

特許文献 1：特許第 2623202号公報

特許文献 2：特開平 7— 91760号公報

特許文献 3：特開平 8— 261237号公報

非特許文献 1 :雑誌，二ッケィメカ-カル， 「空気で空気を冷やす」， 1995年 11月 13 日発行， No.467,第 46〜52頁

[0005] 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。このタービンュ- 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 イタル冷凍機の効率を向上させて 、る。

[0006] しかし、実用的な効率を得るためには、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保つ 必要がある。この隙間の変動は、安定した高速回転の妨げとなり効率の低下を招く。 また、コンプレッサ翼車やタービン翼車に作用する空気により、主軸にスラスト力が 作用し、主軸を支持する軸受にスラスト荷重が負荷される。空気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 ィ匕、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っ 、ては、解決されるに至って 、な 、。

[0007] 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ァ 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、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、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 軸にカゝ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しょうとした場合、その主 軸に作用するスラスト力の検出精度が低 ヽと、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 、と 、う問題がある。

発明の開示

[0008] 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。

[0009] 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 一ビンを有し、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ツ 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およびタービン翼車により前記 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。このタービンユニット はさらに、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力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。

前記センサは前記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 ノ、ウジングとの間に介在させたものである。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 、。前記転がり 軸受はアンギユラ玉軸受であっても良い。 [0010] 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!、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°C〜60°C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。

[0011] 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カ 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。

[0012] 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 力 S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。

[0013] 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 つ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 イタル冷凍冷却用タービンユニットの全体として、 ヽ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つ 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。

[0014] 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。

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 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力 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、磁路の磁気抵抗力 、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。

[0018] 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 力もなる 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力もなる第 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。

[0019] 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 ィルを直列に接続し、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 、に反対方向としても良 、。 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、この全体のィ 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。

[0020] 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 の変化力 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。

共振周波数の変化力 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。

[0021] 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ィ ルの他方端の電圧振幅力 前記インダクタンス変化を測定するものであって良 、。こ の構成の場合も精度良く透磁率の変化を検出できる。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 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。

[0025] また、前記センサは、複数個の感圧抵抗素子の抵抗値変化を検出するものであつ ても良い。前記複数個の感圧抵抗体は並列に接続され、前記感圧抵抗体の抵抗値 の平均化を行うものとしても良い。感圧抵抗素子を用いると簡易なセンサ回路でスラ スト力の検出が行える。

さらに、複数個の感圧抵抗体は並列に接続することによって、簡単な回路構成で測 定するスラスト力を平均化処理ができ、低コストで精度の良い検出が行える。

[0026] 感圧抵抗素子を用いたセンサの場合においても、前記感圧抵抗素子の周辺に温 度センサを配置し、前記温度センサの出力によって前記感圧抵抗素子の抵抗値を 補正する手段を設けても良い。この温度補正で検出精度が向上する。

また、前記センサは、感圧抵抗素子への作用面の圧力が均一になるように、感圧抵 抗素子に圧力を与える他部材との間に、弾性体を挟む構成としても良い。弾性体を 挟むことで、感圧抵抗素子の圧力感受部に均等に圧力が作用するようになり、局所 的に圧力が掛カることによる測定誤差を低減することができる。

[0027] 前記センサは、前記各例の他に、複数個の歪みゲージセンサ力 なるものであって も良い。歪みゲージセンサ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、前記歪みゲージセンサの歪み量測定値を補正する手段を設けても良い。歪 みゲージセンサを用いた場合も、簡易な構成で精度良ぐスラスト力の検出が行える

[0028] 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 センサ素子を用いたものに代えて、変位検出センサを用いても用い。この変位検出 センサは磁気式であつても良い。変位検出センサを用 、た場合もスラスト力の検出が 可能である。

[0029] 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、その測定精度が良ぐ精密なスラスト力の制御が可 會 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 、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。

[0030] 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ノヽ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。

[0031] 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 ンドルノヽ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 ドルノヽ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。

[0032] 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 力 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。

[0033] 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!、 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。

[0034] 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 、ても良!、。

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。

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] この発明において、前記主軸に強磁性体力も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 、。

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ぐスラスト力に対する支持力を高め ることがでさる。

[0038] 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。

[0039] 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。

図面の簡単な説明

[0040] この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施例の説明から、より明瞭 に理解されるであろう。し力しながら、実施例および図面は単なる図示および説明の ためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この 発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面に おける同一の部品番号は、同一部分を示す。

[図 1]この発明の第 1実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットを用 V、る空気サイクル冷凍冷却システムの系統図である。

[図 2]この発明の第 1の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの 断面図である。

圆 3]第 2実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。 圆 4]第 3実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。 圆 5]第 4実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。 圆 6]第 5実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。

[図 7] (A) , (B)は、上記各実施形態のタービンユニットに用いられるセンサの一例を 示す正面図およびその VII— VII線断面図である。

[図 8] (A) , (B)は、上記各実施形態のタービンユニットに用いられるセンサの第 1変 形例の正面図およびその VIII -VIII線断面図である。

[図 9] (A) , (B)は、同センサの第 2変形例の正面図およびその IX— IX線断面図であ る。

[図 10] (A) , (B)は、同センサの第 3変形例の正面図およびその X—X線断面図であ る。

[図 11] (A) , (B)は、同センサの第 4変形例の正面図およびその XI— XI線断面図で ある。

[図 12] (A) , (B)は、同センサの第 5変形例の正面図およびその XII— XII線断面図で ある。

[図 13] (A) , (B)は、同センサの第 6変形例の断面図およびその ΧΠΙ-ΧΠΙ矢視図で ある。

[図 14] (A) , (B)は、同センサの第 7変形例の断面図およびその XIV— XIV矢視図 である。

[図 15] (A) , (B)は、同センサの第 8変形例の断面図およびその XV— XV矢視図で ある。

[図 16]上記各実施形態のタービンユニットに用いられるセンサ回路の一例を示すブ ロック図である。

圆 17]同センサ回路の第 1変形例を示すブロック図である。

[図 18] (A) , (B)は、同センサ回路における力とインダクタンスの関係を示すグラフ、 および力とセンサ出力の関係を示すグラフである。 [図 19]同センサ回路の第 2変形例を示すブロック図である。

[図 20] (A) , (B)は、同センサ回路における力と抵抗値の関係を示すグラフ、および 力とセンサ出力の関係を示すグラフである。

[図 21]同センサ回路の第 3変形例を示すブロック図である。

[図 22]同センサ回路における力とセンサ出力の関係を示すグラフである。

[図 23]同センサ回路の第 4変形例を示すブロック図である。

[図 24]上記各実施形態のタービンユニットに用いられるコントローラの一例を示すブ ロック図である。

[図 25] (A) , (B)はそれぞれ第 6実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンュ ニットの縦断面図およびその電磁石の横断面図である。

[図 26]第 7実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である 発明を実施するための最良の形態

[0041] この発明の第 1実施形態を図 1および図 2と共に説明する。図 1は、空気サイクル冷 凍冷却システムの全体の構成を示す。この空気冷却システムは、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 laから排出口 lbに至る空気循環経路 1を有して 、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 laの付近の流入空気と、後段の圧縮機で昇温し 第 2の熱交 8で冷却された空気との間で熱交換を行うものであり、取入口 laの付 近の空気は熱交換器コア 9a内を通る。

[0042] 予圧縮手段 2はブロア等力 なり、モータ 2aにより駆動される。第 1の熱交 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コア 3a, 8aをそれぞれ有 し、熱交^^コア 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。各熱交換器コア 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。 [0043] 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°C〜一 60°C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 laに 0°C〜一 60°C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 laから流入した空気は、中間熱交 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°C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°Cまで昇温する。第 1の熱交換器 3は、昇温した 70°C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°C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の力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。

[0044] 除湿後の 40°C, 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°C程度に昇温した状態で、第 2の熱交換器 8に より 40°Cに冷却される。この 40°Cの空気は、中間熱交換器 9で被冷却空間 10からの — 30°Cの空気により— 20°C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°C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°Cまで冷却されて排出口 lb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。

[0045] 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、遠心コンプレッサ 6および半径流膨張タービン 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。

[0046] 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 6 a、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および膨張タービン 7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。

[0047] コンプレッサ 6は、コンプレッサ翼車 6aと微小の隙間 dl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。

[0048] 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力 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!、る。

[0049] 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。

[0050] 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。

スピンドルノヽウジング 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 、る。

[0051] 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 ンドルノヽゥジング 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 14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。前記内鍔 23aは、アキシアル方向の中央側端に設けられてい る。

[0052] センサ 18は、スピンドルハウジング 14に装着された軸受ハウジング 23の内鍔 23a 側の幅面と、スピンドルノヽウジング 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により予圧が付加されて いる。第 1のばね要素 25は、スピンドルノ、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 18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力もなる。

[0053] 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 1 8力 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。

[0054] 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力 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とスピンドルノヽウジング 1 4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 の段差面に対向して外輪 15bを付勢するものとされ、軸受 15に予圧を与えて 、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 力もなり、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。

[0055] この構成のタービンユニット 5は、図 1に示す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°C〜- 60°C程度の極低温まで断熱膨張により降温し て排出するように使用される。

[0056] 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 dl, 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 6 b, 7b間の微小隙間 dl, d2を一定に保つことができる。

[0057] し力し、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ュ- 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 1 5, 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、その測定精度が良ぐ精密なスラスト力の 制御が可能になる。

[0058] そのため、各翼車 6a, 7aの適切な隙間 dl, 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 1 5, 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、 L 、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。

[0059] 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 dl, d2 力 S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。

[0060] 各軸受 15, 16よりも端部側の主軸 13とスピンドルノヽウジング 14との間には、ラビリ ンスシール力 なる非接触シール 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 嵌合する面を通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。

[0061] 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 、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。

[0062] 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。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。

[0063] 図 3はこの発明の第 2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。

[0064] 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力 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。

[0065] 図 4の第 3実施形態は、センサ非配置側の軸受 15の外輪 15bを、スピンドルノ、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、スピンドルノヽウジ 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に予圧を力けて!、る。

[0066] 図 5の第 4実施形態は、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 1 4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。

[0067] 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 予圧手段とを兼ねるため、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ぐこのような板ばね 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。

[0068] 図 6の第 5実施形態は、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の段差面との間に第 2のばね要素 26を配置し ている。

[0069] 図 7 (A) , (B)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。ョ 一ク部材 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!/、る。上記磁歪材 31は超磁歪材であ つても良い。

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ぐ 3個以上であること 力 り好ま 、。この例では 4個を円周方向に等配して 、る。

[0070] 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。このィ 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 ることがでさる。

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 3 2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。

[0071] 図 7のセンサ 18において、図 8の第 1変形例に示すように、 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力もなる第 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ぐ例 えば数十ミクロン力 数百ミクロンの隙間寸法とされる。

[0072] 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。

[0073] 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 第 2変形例を示す。

[0074] 図 10の第 3変形例は、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、軟質材料力もなる 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の磁ィ匕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。

[0075] 図 11の第 4変形例は、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。

[0076] 図 12に示す第 5変形例のセンサ 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、軟質材料力もなる 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 ィ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。

[0077] 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つ 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、ノィァス磁界に 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。

[0078] 図 13に示す第 6変形例のセンサ 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 、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。

[0079] 図 14に示す第 7変形例のセンサ 18は、図 13のセンサ構造の感圧抵抗素子 39とョ 一ク部材 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 力ることによる測定誤差を低減することができる。

[0080] 図 15に示す第 8変形例のセンサ 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。

[0081] 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の一例を示す。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。

[0082] 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 eoZei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 C1のキャパ シタンスを Cとすると、上記伝達関数 eoZeiのピーク値は、 ΐΖ (2 π LC)となる。コ ィル 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 つて変化するため、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 eoZeiの値力 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 eoZeiの変化を検出してセンサ出力 V。 とする。

[0083] 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に示す第 1変形例のように各コイル 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の卷 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。

[0084] 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。

[0085] 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の第 2変形例を示す。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 の接続点力もセンサ出力 Voを取り出すものである。 [0086] 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 ることがでさる。

[0087] 図 21は、図 13の感圧抵抗素子 39を用いたセンサ 18に対するセンサ回路 54の第 3変形例を示す。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 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' /RXVi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。

[0088] 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を設けても良ぐまた図 23の第 4変形例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。

[0089] 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。

[0090] 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 5 6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 5 7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。

[0091] 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 17 , 17

1 2 を駆動するパワー回路 63, 64に入力される。電磁石 17 , 17 は、図 2に示したスラ

1 2

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 17 , 17を選択的に駆動するよう

1 2

にしている。

[0092] 図 25は、第 6実施形態に力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に設ける強磁性体力もなるスラスト板 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 1 7A, 17Bに分割されたものとする。各電磁石分割体 17A, 17Bは、それぞれがコィ 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 力 Sら組立が可能になる。

[0093] 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 1 3a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 題を生じることなぐスラスト力に対する支持力を高めることができる。

[0094] 図 26は、第 7実施形態に力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 9 laを有し、ロータ 92 は磁石等力もなる。モータ 90の制御は、モータコントローラ 93で行われる。

[0095] 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 力もなる予圧縮手段 2がなくてもコンプレッサ 6の回転駆動が可能となる。

[0096] 以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施例を説明したが、当業者であれば、 本件明細書を見て、 自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであ ろう。

したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲力も定まる発明の範囲内の ものと解釈される。

Claims

請求の範囲

[1] コンプレッサおよび膨張タービンを有する空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット であって、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車、および前記膨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、

前記センサは前記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空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[2] 請求項 1において、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 ある空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[3] 請求項 2にお 、て、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空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[4] 請求項 3において、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より も微小に長さが短い軟質磁性材料力 なる第 2のヨーク部材を配置した空気サイクル 冷凍冷却用タービンユニット。

[5] 請求項 2において、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、軟質材料力もなる 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 一ビンユニット。

[6] 請求項 5において、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磁性材料力もなる第 2のョー ク部材を配置した空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[7] 請求項 1にお ヽて、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、前記磁歪材または超磁歪材の透磁率を、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た空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[8] 請求項 7にお 、て、前記センサを複数設け、これら複数のセンサのセンサコイルを 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た空気サイクル冷 凍冷却用タービンユニット。

[9] 請求項 8にお 、て、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である空 気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[10] 請求項 7において、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 の変化力 前記インダクタンス変化を測定するものである空気サイクル冷凍冷却用タ 一ビンユニット。

[11] 請求項 7において、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振幅の交流励磁 電流を流し、前記センサコイルに励磁される電圧を検出することで、スラスト力を測定 するものとした空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[12] 請求項 2にお 、て、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 するものとした空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[13] 請求項 1において、前記センサが、磁歪材または超磁歪材の周りにセンサコイルを 配置し、前記磁歪材または超磁歪材の透磁率を、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であって、前記磁歪材また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た空気サイクル冷凍冷却用タービ ンュニット。

[14] 請求項 1において、前記センサは、複数個の感圧抵抗素子の抵抗値変化を検出す るものである空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[15] 請求項 14において、前記複数個の感圧抵抗素子により検出値の平均化を行うもの とした空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[16] 請求項 14において、前記感圧抵抗素子の周辺に温度センサを配置し、前記温度 センサの出力によって前記感圧抵抗素子の抵抗値を補正する手段を設けた空気サ イタル冷凍冷却用タービンユニット。

[17] 請求項 14において、前記感圧抵抗素子への力の作用面の圧力が均一になるよう に弾性体を挟む手段を設けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[18] 請求項 1にお 、て、前記センサは、複数個の歪みゲージセンサ力もなる空気サイク ル冷凍冷却用タービンユニット。

[19] 請求項 18において、前記歪みゲージセンサ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、前記歪みゲージセンサの歪み量測定値を補正する手段を 設けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[20] 請求項 1において、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用いたものに代えて、変位検出センサを用いた空 気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[21] 請求項 20にお 、て、前記変位検出センサは、磁気式である空気サイクル冷凍冷却 用タービンユニット。

[22] 請求項 1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 スピンドルノヽウジングとの間に、直接に、または他の部材を介して介在させたものであ る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[23] 請求項 22において、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、スピンドルノ、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ノヽウジングまたはこ 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た空気サイクル冷凍冷却 用タービンユニット。

[24] 請求項 1において、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る空 気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[25] 請求項 24おいて、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 る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[26] 請求項 22において、前記転がり軸受が複数設けられ、その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 、る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[27] 請求項 26において、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 せた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[28] 請求項 26において、前記センサは、第 1のばね要素による予圧が印加され、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した空気サイク ル冷凍冷却用タービンユニット。

[29] 請求項 1にお 、て、前記主軸に強磁性体力 なるフランジ状のスラスト板を複数設 け、各スラスト板の両側の幅面に対向させて前記電磁石をスピンドルノ、ウジングに設 置した空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[30] 請求項 29において、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た 空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。

[31] 請求項 30において、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が同じである空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。