WO2008015777A1 - Unité de turbine de machine refrigérante à cycle à air - Google Patents

Unité de turbine de machine refrigérante à cycle à air Download PDF

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Nobuyuki Suzuki
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Definitions

  • the present invention relates to a turbine unit for air cycle refrigeration and cooling, and in particular, a motor that uses a rolling bearing and a magnetic bearing together, and the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload.
  • the present invention relates to a turbine unit for an air cycle refrigerator equipped with a body-type magnetic bearing device.
  • the air cycle refrigeration cooling system uses air as a refrigerant, and thus is less energy efficient than using chlorofluorocarbon, ammonia gas, or the like, but is preferable in terms of environmental protection. Also, in facilities where refrigerant air can be directly blown in, such as refrigerated warehouses, there is a possibility that the total cost may be reduced by omitting internal fans and defrosters, etc.
  • a cycle refrigeration cooling system has been proposed (for example, Patent Document 1).
  • Peripheral devices include compressors and expansion turbines.
  • Patent Document 1 a turbine unit in which a compressor wheel and an expansion turbine wheel are attached to a common main shaft is used.
  • Patent Document 3 Although it is a proposal for a gas turbine engine, the thrust load acting on the rolling bearing is reduced by the thrust magnetic bearing in order to avoid the thrust load acting on the rolling bearing for supporting the main shaft from shortening the bearing life. To do Has been proposed (Patent Document 3).
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 2 6 2 3 2 0 2
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 7-9 1 7 60
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 8_2 6 1 2 3 7
  • the turbine unit in which the compressor wheel and the expansion turbine wheel are attached to the common main shaft as described above is used.
  • This turbine unit improves the efficiency of the air cycle refrigerator by driving the compressor wheel with the power generated by the expansion turbine.
  • a motor-integrated magnetic bearing device in which a rolling bearing and a thrust-supporting magnetic bearing are used together to support the main shaft, and the thrust plate of the magnetic bearing is used as a motor rotor (for example, Japanese Patent Application No. 20 0 5-3 5 6 0 3 5).
  • the thrust force applied to the main shaft is supported by the magnetic bearing, it is possible to reduce the thrust force acting on the rolling bearing while suppressing increase in torque without contact.
  • a minute gap between each impeller and the housing can be kept constant, and the long-term durability of the rolling bearing against the thrust load can be improved.
  • a compact configuration can be achieved by integrating the magnetic bearing and the motor rotor.
  • the rolling bearing is provided to support one end side and the other end side of the main shaft.
  • an anguilla ball bearing or a deep groove ball bearing having an axial position regulating function is used in order to keep the gap between each impeller and the housing minute.
  • the main shaft rotates at a high speed as described above, the thermal expansion is large, and one of the rolling bearings is configured such that its axial position relative to the spindle housing is free.
  • An object of the present invention is to improve the long-term durability of a rolling bearing against a thrust load, and to perform stable high-speed rotation while maintaining a minute gap between the impeller and the diffuser. It is also possible to provide a turbine unit for an air cycle refrigerator that can be made compact, can be attached to a rolling bearing on the free side of axial movement, and can prevent fretting wear.
  • the turbine unit for an air cycle refrigerator of the present invention has an axial gap.
  • the electromagnet that supports and constitutes the magnetic bearing is attached to the spindle housing so as to face the flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided on the main shaft in a non-contact manner, and the axial housing
  • the motor rotor of the gap motor includes the thrust plate and a plurality of permanent magnets provided on the thrust plate with equal pitch in the circumferential direction.
  • a motor stator having a motor coil facing the motor rotor is installed on the spindle housing, a compressor side impeller and a turbine side impeller are attached to the main shaft, and has the following configuration.
  • the bearing housing is slidably fitted into the spindle housing, and one of the rolling bearings on one end side and the other end side of the main shaft is press-fitted into the bearing housing.
  • a pair of elastic seal materials are interposed in the axial direction on the fitting surface between the bearing housing and the spindle housing, and the pair of elastic seal materials, the bearing housing,
  • a high-viscosity material is enclosed in a space formed by the spindle housing, and the bearing box is biased toward the other end side opposite to the main shaft one end on the side where the bearing box is provided.
  • a preload spring for applying a preload to the rolling bearing is provided.
  • the rolling bearing supports the radial load, and the magnetic bearing supports one or both of the axial load and the bearing preload. Highly accurate support can be achieved, and long-term durability of the rolling bearing can be secured. Therefore, stable high-speed rotation can be performed while maintaining a minute gap between the impeller and the diffuser. Damage caused when the power supply is stopped when only magnetic bearings are supported is also avoided.
  • the permanent magnet of the motor rotor is provided on the thrust plate facing the electromagnet of the magnetic bearing. It is made compact by using both bearing and motor parts.
  • one of the bearings is thermally expanded due to frictional heat from high-speed rotation, etc. in order to make the bearing housing on which this bearing is fixed slidable with respect to the spindle housing.
  • the main shaft can be supported by allowing the expansion.
  • the free-side rolling bearing is fixed to the bearing housing by press-fitting or bonding, it is possible to prevent fretting wear on the bearing outer ring.
  • fretting wear there is a problem of fretting wear on the mating surface between the bearing housing and the spindle housing, but since a high-viscosity material is enclosed between these bearing housing and the spindle housing, a damping action is obtained. The occurrence of fretting wear is prevented.
  • the elastic seal material interposed between the bearing housing and the spindle housing is, for example, a very good O-ring.
  • O-rings provide excellent sealing performance and are inexpensive.
  • the high-viscosity material may be high-temperature fluorine-based grease. Excellent viscosity is obtained with fluorine-based grease.
  • the bearing box becomes hot due to the temperature rise of the rolling bearing due to the high-speed rotation of the main shaft, but the problem of thermal degradation is solved if the grease is for high temperature.
  • the turbine unit for an air cycle refrigerator of the present invention is configured to compress the inflow air by a compressor of the turbine unit, cooling by another heat exchanger, adiabatic expansion by the expansion turbine of the turbine unit, or pre-compression hand Applied to an air cycle refrigeration cooling system that sequentially performs compression by stages, cooling by a heat exchanger, compression by a compressor of the turbine unit, cooling by another heat exchanger, and adiabatic expansion by an expansion turbine of the turbine unit. It may be.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a turbine unit for an air cycle refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a main shaft in the turbine unit.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of a magnetic bearing controller used in the turbine unit.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an example of a motor controller used in the turbine unit.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a turbine unit for an air cycle refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a system diagram of an air cycle refrigeration cooling system to which the above turbine unit is applied.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a first configuration example of a turbine unit for an air cycle refrigerator according to an application technique having a basic configuration different from that of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the main shaft in the configuration example of FIG.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the second configuration example.
  • FIG. 1 is a sectional view of a turbine unit 5 for an air cycle refrigerator according to this embodiment.
  • the turbine unit 5 constitutes a compression / expansion turbine system, and includes a compressor 6 and an expansion turbine 7.
  • a compressor impeller 6a of the compressor 6 and a turbine impeller 7a of the expansion turbine 7 are disposed at both ends of the main shaft 1 3. Each is fitted.
  • Low carbon steel with good magnetic properties is used as the material for the main shafts 13.
  • the compressor 6 is connected to the compressor impeller 6a and a minute gap d.
  • the expansion turbine 7 has a turbine housing 7 b that is opposed to the turbine impeller 7 a via a minute gap d 2, and the air sucked from the outer periphery as indicated by an arrow 7 c is received by the turbine impeller 7 a. Adiabatic expansion and exhaust in the axial direction from the central outlet 7d.
  • the motor-integrated magnetic bearing device in the turbine unit 5 supports the main shaft 13 with a plurality of rolling bearings 15 and 16 in the radial direction, and the axial load and the bearing preload applied to the main shaft 13 are reduced. Either one or both are supported by an electromagnet 17 that is a magnetic bearing, and an axial gap type motor 28 that rotates the main shaft 13 is provided.
  • the turbine unit 5 includes a sensor 18 that detects a thrust force acting on the main shaft 13, and a magnetic bearing controller 19 that controls the supporting force of the electromagnet 17 according to the output of the sensor 18. And a motor controller 29 for controlling the motor 28 independently of the electromagnet 17.
  • the sensors 18 are provided at two locations separated by, for example, 180 ° in the circumferential direction.
  • the electromagnet 17 is composed of two flange-shaped thrust plates 1 3 a, 1 3 made of a ferromagnetic material that is provided perpendicularly and coaxially to the main shaft 13 so as to be aligned in the axial direction at the axial intermediate portion of the main shaft 13. A pair is installed in the spindle housing 14 so as to face each side of b without contact.
  • one electromagnet 17 constituting the magnetic bearing unit 17 is a thrust plate positioned closer to the expansion turbine 7.
  • the one side facing the expansion turbine 7 side of 1 3 a is set as an electromagnetic target, and is installed in the spindle housing 14 so as to face this one side in a non-contact manner.
  • the other electromagnet 17 constituting the magnetic bearing unit has one surface facing the compressor 6 side of the thrust plate 13 b positioned near the compressor 6 as an electromagnet target, and is opposed to this one surface in a non-contact manner. Is installed in the spindle housing 14.
  • the motor 28 includes a motor port 2 8 a provided on the main shaft 13 side by side with the electromagnet 17, and a motor stator 2 8 b facing the motor rotor 2 8 a in the axial direction.
  • This is a motor unit.
  • the motor rotor 28a constituting one part of the motor unit is provided on each side of the main shaft 13 opposite to the side on which the electromagnets 17 of the thrust plates 13a, 13b are opposed.
  • the permanent magnets 28 aa By arranging the permanent magnets 28 aa arranged at equal pitches in the circumferential direction, a pair of left and right is configured.
  • the magnetic poles are set to be different from each other.
  • the thrust plates 1 3 a and 1 3 b provided so as to be integrated with the main shaft 1 3 are replaced with permanent magnets 2 8 Can also be used as aa back yoke and electromagnet target.
  • the motor 28 rotates the main shaft 13 by a mouth-lens force acting between the motor rotor 28a and the motor stator 28b.
  • this axial gap type motor 28 is a coreless motor, the negative rigidity due to the magnetic force pulling between the motor rotor 28a and the motor stator 28b is zero. ing.
  • the main shaft 13 is a stepped shaft having a large-diameter portion 13c at an intermediate portion and small-diameter portions 13d at both ends.
  • Rolling bearings 15 and 16 on both sides have their inner rings 15 a and 16 a fitted into the small-diameter portion 13 d in a press-fit state, and one of the width surfaces is the large-diameter portion 13 c and the small-diameter portion 13 Engage with the stepped surface between d.
  • each impeller 6 a, 7 a rather than the rolling bearings 15, 16 on both sides in the spindle housing 14 are formed so that the inner diameter surface is close to the main shaft 13.
  • a non-contact seal (not shown) is formed on the inner surface of the.
  • the rolling bearings 15 and 16 have a function of restricting the position in the axial direction, and an anguilla ball bearing is used.
  • the rolling bearings 15 and 16 may be deep groove ball bearings or the like.
  • the sensor 18 is provided on the stationary side in the vicinity of the bearing 16 on the turbine impeller 7a side, that is, on the spindle housing 14 side.
  • a bearing 16 provided with the sensor 18 in the vicinity thereof has an outer ring 16 b fitted in a fixed state in the bearing housing 23.
  • the bearing housing 2 3 is formed in a ring shape and has an inner flange 2 3 a which engages with the width surface of the outer ring 16 b of the bearing 16 at one end, and an inner diameter surface 2 provided on the spindle housing 14. 4 is movably fitted in the axial direction.
  • the inner flange 2 3 a is provided at the center end in the axial direction.
  • the sensors 1 8 are distributed and arranged at a plurality of circumferential locations around the main shaft 1 3 (for example, 2 locations), fixed to the inner housing 2 3 a side width surface of the bearing housing 2 3 and the spindle housing 1 4 It is interposed between one of the electromagnets 17 which is a member.
  • the sensor 18 is preloaded by a sensor preload spring 25.
  • the sensor preload spring 25 is housed in a housing recess provided in the spindle housing 14 and biases the outer ring 16b of the bearing 16 in the axial direction.
  • the outer ring 16b and the bearing box Preload sensor 1 8 via 2 3.
  • the sensor preload spring 25 includes, for example, coil springs provided at a plurality of locations in the circumferential direction around the main shaft 13.
  • the preload by the sensor preload spring 25 is to be able to detect any movement in the axial direction of the sensor 1 8 force main shaft 1 3 that detects the thrust force by the pressing force. It is larger than the average thruster acting on the main shaft 13 in the normal operation state of 5.
  • the rolling bearing 15 on the non-arrangement side of the sensor 18 is installed so as to be movable in the axial direction with respect to the spindle housing 14, and is elastically supported by a preload spring 26. Specifically, it is installed as shown in the enlarged view of Fig. 2.
  • the outer ring 1 5 b of the rolling bearing 1 5 is fixed in the bearing housing 4 1 by press-fitting or bonding. It is.
  • the outer ring 15 b is fixed in a state where the inner diameter surface of the bearing housing 41 is a stepped surface and the width surface of the outer ring 15 b is engaged with the step surface 41 a.
  • the bearing housing 41 is fitted to a cylindrical fitting surface 14 a in the spindle housing 14 so as to be slidable in the spindle axis direction.
  • a pair of elastic seal materials 42 is interposed between the bearing housing 4 1 and the spindle housing 14 in the axial direction, and the bearing housing 4 1 is interposed between the pair of elastic seal materials 4 2.
  • the high-viscosity material 4 3 is sealed in the gap between the spindle housing 14 and the spindle housing 14.
  • high-temperature fluorine-based grease is used as the high-viscosity material 43.
  • the elastic seal material 43 is made of, for example, an O-ring, and is fitted in a seal fitting groove provided on the outer peripheral surface of the bearing housing 41. The portion between the seal grooves on both sides of the outer peripheral surface of the bearing box 41 is made smaller than both end portions, and the capacity for enclosing the high viscosity material 43 is increased.
  • the bearing box 41 is biased by a preloading spring 26 toward the opposite side of the spindle end where the bearing box 41 is provided.
  • the preload spring 26 is for fixed position preload, and urges the bearing housing 41 via a ring-shaped pushing member 44 in contact with the width surface of the bearing housing 41.
  • the spindle housing 14 has a regulating surface 1 4 b that abuts the width surface of the pressing member 4 4.
  • the pressing member 4 4 Contacts the regulating surface 14 b of the spindle housing 14, and a preload spring 26 applies a fixed position preload to the rolling bearings 15 and 16 on both sides.
  • the preload spring 26 has a smaller spring constant than the sensor preload spring 25 in FIG.
  • the dynamic model of the motor-integrated magnetic bearing device in the turbine unit 5 can be configured by a simple panel system. That is, this panel system includes a composite panel formed by bearings 15 and 16 and a support system for these bearings (sensor preload spring 25, bearing preload spring 2 6, bearing box 2 3, 4 1, etc.) This is a configuration in which a composite panel formed by the motor section (electromagnet 17 and motor 28) is arranged in parallel. In this spring system, the composite formed by the bearings 15 and 16 and the support system of these bearings The panel has rigidity that acts in proportion to the amount of displacement in the direction opposite to the displaced direction, whereas the composite panel formed by the electromagnet 17 and the motor 28 is proportional to the amount of displacement in the displaced direction. Negative stiffness acting.
  • Synthetic panel stiffness due to bearings, etc. ⁇ Electromagnet ⁇ Negative stiffness value of synthetic panel due to motor ...
  • (1) the phase of the mechanical system is delayed by 180 °, resulting in an unstable system.
  • the magnetic bearing controller 19 that controls 17 it is necessary to add a phase compensation circuit in advance, and the configuration of the controller 19 becomes complicated.
  • the phase of the mechanical system can be prevented from being delayed by 180 ° in the control band, so that the magnetic bearing controller 19 can be controlled even when the motor 28 is operating at a high load and an excessive axial load is applied.
  • the target can be stable, and the circuit configuration of the controller 19 can be configured as a simple one using proportional or proportional integration as shown in Fig. 2.
  • the detection outputs P 1 and P 2 of each sensor 18 are added and subtracted by the sensor output calculation circuit 30, and the calculation results are compared by the comparator 31. Deviation is calculated by comparing with the reference value of the reference value setting means 3 2, and the calculated deviation is proportionally integrated (or appropriately set by the PI compensation circuit (or P compensation circuit) 3 3 according to the turbine unit 5 (or Proportional) By processing, the control signal of the electromagnet 17 is calculated.
  • PI compensation circuit The output of 3 3 is input to the power circuits 3 6 and 3 7 that drive the electromagnets 1 7 1 and 1 7 2 in the respective directions via the diodes 3 4 and 3 5.
  • the magnet stones 17 1 and 17 2 are a pair of magnet stones 17 facing the thrust plate 13 a shown in FIG. 1 and only the attractive force acts on them. The two electromagnets 1 7 1 and 1 7 2 are selectively driven.
  • the phase adjustment circuit 38 can adjust the phase of the motor drive current using the rotation angle of the motor rotor 28 a as a feedback signal based on the rotation synchronization command signal.
  • a constant rotation control is performed by supplying the motor drive current corresponding to the adjustment result from the motor drive circuit 39 to the motor stage 28 b.
  • the rotation synchronization command signal is calculated according to the output of a rotation angle detection sensor (not shown) provided in the motor rotor 28 a.
  • the turbine unit 5 having this configuration is applied to an air cycle refrigeration cooling system so that air as a cooling medium can be efficiently exchanged by a heat exchanger (not shown here) in a subsequent stage.
  • the air that has been compressed and raised in temperature and then cooled by the heat exchanger at the subsequent stage is adiabatically expanded by the expansion turbine 7 to a target temperature, for example, a very low temperature of about ⁇ 30 ° C. to about 60 ° C. It is used to cool down and discharge.
  • the turbine unit 5 is fitted to the main shaft 1 3 common to the thrust plate 1 3 a and the motor rotor 2 8 a, and the motor 2 8
  • the compressor impeller 6a is driven by one or both of the power of the turbine and the power generated by the turbine impeller 7a. Therefore, stable high-speed rotation of the main shaft 13 can be obtained while maintaining appropriate gaps d 1 and d 2 between the impellers 6 a and 7 a, and the long-term durability of the rolling bearings 15 and 16 can be improved. Improved lifespan is obtained.
  • the gaps 01 1 and d 2 between the respective impellers 6 a and 7 a and the housings 6 b and 7 13 are kept minute.
  • the main shaft 13 is supported by ball bearing type rolling bearings 15 and 16, the axial direction position control function of the rolling bearing regulates the axial direction position of the main shaft 13 to some extent.
  • the minute gaps d 1 and d 2 between the respective impellers 6 a and 7 a and the housings 6 b and 7 b can be kept constant.
  • a thrust force is applied to the main shaft 13 of the turbine unit 5 by the air pressure acting on the impellers 6 a and 7 a.
  • the turbine unit 5 used in the air cooling system rotates at a very high speed of, for example, about 80,000 to 100,000 revolutions per minute. For this reason, when the thrust force acts on the rolling bearings 15 and 16 that rotatably support the main shaft 13, the long-term durability of the rolling bearings 15 and 16 decreases.
  • the thrust force is supported by the electromagnet 17, the thrust force applied to the rolling bearings 15 and 16 for supporting the main shaft 13 is reduced while suppressing an increase in torque without contact. be able to.
  • a sensor 18 for detecting the thrust force acting on the main shaft 13 and a magnetic bearing controller 19 for controlling the supporting force by the electromagnet 17 according to the output of the sensor 18 are provided. Therefore, the rolling bearings 15 and 16 can be used in an optimum state with respect to the thrust force according to the bearing specifications.
  • a magnetic bearing unit is constructed by arranging two electromagnets 17 on the outer side in the axial direction of two thrust plates 13a, 13b arranged on the main shaft 13 in the axial direction.
  • an axial gap type motor 28 By arranging an axial gap type motor 28 at a position between the plates 1 3 a and 1 3 b to form a motor unit, the magnetic bearing unit and the motor unit are made into a compact integrated structure.
  • the shaft length of 3 can be shortened, and the natural frequency of the main shaft 13 can be increased accordingly, so that the main shaft 13 can be rotated at high speed.
  • the turbine unit 5 includes rolling bearings on both sides that support the main shaft 13.
  • the bearing housing 41 has an outer diameter as large as possible, which increases the mass of the bearing housing 41 and provides excellent damping characteristics.
  • the O-ring can provide excellent sealing performance and can be obtained at low cost.
  • fluorine-based grease is used as the high-viscosity material 4 3
  • excellent high-viscosity can be obtained.
  • the bearing housing 41 becomes hot due to the temperature rise of the rolling bearing 15 due to the high speed rotation of the main shaft 13, but if it is high temperature grease, the problem of thermal degradation is solved.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the turbine unit 5.
  • the turbine unit 5 includes only one flange-like thrust plate made of a ferromagnetic material that is provided perpendicularly and coaxially to the main shaft 13 and uses the thrust plate 1 3 a as an electromagnetic target.
  • a pair of left and right electromagnets 17 and 17 are installed on the spindle housing 14 so as to face each other in a non-contact manner.
  • the motor 28 includes a motor rotor 28a provided on the main shaft 13 and a motor stator 28b that faces the motor rotor 28a in the axial direction.
  • the motor rotor 28 a is arranged by arranging permanent magnets 28 aa arranged at equal pitches in the circumferential direction on the outer diameter side of the thrust plate 13 a on the both sides of the electromagnet 17 facing each other. A pair is constructed. In this way, they are arranged opposite to each other in the axial direction
  • the permanent magnets 28 aa are set so that their magnetic poles are different from each other.
  • the thrust plate 1 3 a doubles as the back yoke of the permanent magnet 2 8 aa.
  • the motor stabilizer 28 b is a ferromagnetic material (for example, low carbon steel and key) installed in the spindle housing 14 so as to face the motor rotor 28 a on both sides of the thrust plate 13 a without contact.
  • a pair of left and right coils are formed by winding a motor coil ba around a pair of stator yokes 2 8 bb made of a steel plate. In this way, the two left and right motors 28 configured with the thrust plate 1 3 a sandwiched between them are driven by the magnetic force acting between the motor rotor 2 8 a and the motor stator 2 8 b. Rotate.
  • FIG. 6 shows the overall configuration of an air cycle refrigeration cooling system using the turbine unit 5.
  • This air cycle refrigeration cooling system is a system that directly cools the air in the space to be cooled 10 such as a refrigeration warehouse as a refrigerant.
  • the air intake opening 1 a to the cooling space 1 0 to the air outlet 1 b Air circulation path 1 leading to In this air circulation path 1, pre-compression means 2, first heat exchanger 3, compressor 6 of air cycle refrigeration cooling turbine unit 5, second heat exchanger 3, intermediate heat exchanger 9, and the turbine Unit 5 expansion turbine bins 7 are provided in order.
  • the intermediate heat exchanger 9 exchanges heat between the inflow air in the vicinity of the intake 1a in the same air circulation path 1 and the air that has been heated by the subsequent compression and cooled.
  • the air near the inlet 1a passes through the heat exchanger 9a.
  • the pre-compression means 2 comprises a blower or the like and is driven by a motor 2a.
  • the first heat exchanger 3 and the second heat exchanger 8 have heat exchangers 3 a and 8 a for circulating a cooling medium, respectively, and a cooling medium such as water in the heat exchangers 3 a and 8 a Heat exchange with the air in the air circulation path 1.
  • Each heat exchanger 3a, 8a is a cooling tower 1 1
  • the cooling medium heated by heat exchange is cooled in the cooling tower 11.
  • An air cycle refrigeration cooling system having a configuration not including the pre-compression means 2 may be used.
  • This air cycle refrigeration cooling system is a system that keeps the space to be cooled 10 at about 0 ° C to -60 ° C, and is 0 ° from the space to be cooled 1 0 to the inlet 1a of the air circulation path 1.
  • C ⁇ -Air of 1 atm flows at around 60 ° C.
  • the air flowing into the intake 1a is used to cool the air in the latter stage in the air circulation path 1 by the intermediate heat exchanger 9, and the temperature is raised to 30 ° C.
  • This heated air remains at 1 atm, but is compressed to 1.4 atm by pre-compression means 2, and the temperature is raised to 70 ° C by the compression.
  • the first heat exchanger 3 only needs to cool the heated air at 70 ° C, so it can be cooled efficiently even with cold water at room temperature, and it is cooled to 40 ° C.
  • the purpose of this applied technology is to improve the long-term durability of the rolling bearing against the thrust load, and to perform stable high-speed rotation while maintaining a minute gap between the impeller and the diffuser. Is to provide a turbine unit for an air cycle refrigerator that can improve the lubrication life of rolling bearings.
  • the turbine unit for an air cycle refrigerator has a rolling bearing and a magnetic bearing that are installed in a spindle housing and used together to support the main shaft, the rolling bearing supports a radial load, and the magnetic bearing is an axial.
  • the spindle housing supports either or both of a load and a bearing preload, and the electromagnet constituting the magnetic bearing faces a flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided on the main shaft in a non-contact manner.
  • a motor rotor of an axial gear motor is composed of the thrust plate and a plurality of permanent magnets provided on the thrust plate at an equal pitch in the circumferential direction, and a motor coil facing the motor rotor.
  • a motor stage having a compressor side impeller and a turbine side impeller.
  • a turbine unit that is coupled to the main shaft and drives the compressor side impeller by one or both of the power of the axial gearup motor and the power generated by the turbine side impeller, and is adjacent to the end face of the rolling bearing.
  • a grease reservoir spacer is provided in the bearing space of the rolling bearing so that the opening of the grease reservoir is opposed thereto.
  • the rolling bearing supports the radial load, and the magnetic bearing supports one or both of the axial load and the bearing preload.
  • Axial direction precision support can be performed, and long-term durability with respect to the rolling life of the rolling bearing can be secured. for that reason Stable high-speed rotation can be performed while maintaining a minute gap between the impeller and the diffuser.
  • damage at the time of power failure is also avoided.
  • the permanent magnet of the motor rotor is provided on the thrust plate facing the electromagnet of the magnetic bearing, it is compacted by combining the magnetic bearing and the motor.
  • a grease reservoir spacer adjacent to the rolling bearing is provided. The grease stored in the grease reservoir is replenished to the bearing. For this reason, the lubrication life of the rolling bearing is improved, and a lubrication life corresponding to the long-term durability of the rolling bearing can be obtained.
  • the grease reservoir spacer may have an end face provided with the opening in contact with an end face of the outer ring of the rolling bearing without a gap. If the end surface of the grease reservoir spacer is in contact with the end surface of the outer ring without any gap, the grease in the grease reservoir is prevented from leaking from between the outer ring and the grease reservoir spacer.
  • the grease reservoir of the grease reservoir spacer has a circumferential groove shape concentric with the center of the spacer, and the inner circumferential surface on the outer diameter side of the circumferential groove-shaped grease reservoir is directed toward the opening side.
  • a taper shape having a large diameter may be used.
  • the turbine unit for the air cycle refrigerator is installed so that the main shaft is substantially horizontal.
  • the grease reservoir Since the main shaft is horizontal, the grease reservoir has a circumferential groove shape around the horizontal axis, and at the lower part of the circumference of the grease reservoir, the inner peripheral surface on the outer diameter side is tapered as described above. The internal grease gradually flows down to the opening side along the inner peripheral surface. Therefore, grease in the grease reservoir is supplied into the bearing without waste.
  • grease base oil may leak from the contact surface between the pressure lid and the spindle housing. Leakage of grease base oil is prevented by interposing the seal member.
  • the turbine unit compresses the inflow air by a compressor of the turbine unit, cooling by another heat exchanger, expansion of the turbine unit, adiabatic expansion by the turbine, or compression by pre-compression means, heat exchanger It may be applied to an air cycle refrigeration cooling system that sequentially performs cooling by, compression by a compressor of a turbine unit, cooling by another heat exchanger, and adiabatic expansion by an expansion turbine of the turbine unit.
  • FIG. 7 shows a sectional view of the turbine unit 55 for the air cycle refrigerator of the first configuration example.
  • This turbine unit 5 5 constitutes a compression / expansion turbine system, and includes a compressor 5 6 and an expansion turbine 5 7.
  • the compressor impeller 5 6 a of the compressor 5 6 and the turbine impeller 5 of the expansion turbine 5 7 7 a is fitted to both ends of the main shaft 63.
  • the material of the main shaft 63 is low carbon steel with good magnetic properties.
  • the compressor 5 6 has a compressor housing 5 6 b facing the compressor impeller 5 6 a via a minute gap d 1, and the shaft from the suction port 5 6 c in the center part The air sucked in the direction is compressed by the compressor impeller 56 a and discharged from the outlet (not shown) of the outer peripheral portion as indicated by an arrow 56 d.
  • the expansion turbine 5 7 has a turbine housing 5 7 b facing the turbine impeller 5 7 a via a minute gap d 2, as indicated by an arrow 5 7 c from the outer periphery.
  • the sucked air is adiabatically expanded by the turbine impeller 5 7 a and discharged in the axial direction from the central outlet 5 7 d.
  • the motor-integrated magnetic bearing device supports the main shaft 63 with a plurality of rolling bearings 65, 66 in the radial direction, and the axial load and the bearing preload applied to the main shaft 63. Either one or both are supported by an electromagnet 67 that is a magnetic bearing, and an axial gap type motor 78 that rotates the main shaft 63 is provided.
  • the turbine unit 55 includes a sensor 68 that detects a thrust force acting on the main shaft 63, and a magnetic bearing controller that controls the supporting force of the electromagnet 67 according to the output of the sensor 68. And a motor controller 29 for controlling the motor 78 independently of the electromagnet 67.
  • the sensors 68 are provided at two locations separated by, for example, 180 ° in the circumferential direction.
  • the electromagnet 67 has two flange-shaped thrust plates 6 3 a, 6 3 made of a ferromagnetic material that is provided perpendicularly and coaxially to the main shaft 6 3 so as to be aligned in the axial direction at the axial intermediate portion of the main shaft 6 3.
  • a pair is installed on the spindle housing 64 so as to face each side of b without contact.
  • one of the electromagnets 6 7 constituting the magnetic bearing unit has one side facing the expansion turbine 5 7 side of the thrust plate 63 located near the expansion turbine 57 as an electromagnet target. It is installed in the spindle housing 64 so as to face each other without contact.
  • the other electromagnet 67 constituting the magnetic bearing unit has an electromagnetic target on one side facing the compressor 56 side of the thrust plate 63b located near the compressor 56, and is not on this side. It is installed in the spindle housing 64 so as to face each other by contact.
  • the motor 7 8 includes a motor port 7 8 a provided on the main shaft 63 along with the electromagnet 6 7, and a motor stator 7 8 b facing the motor rotor 7 8 a in the axial direction.
  • This is a motor unit.
  • the motor rotor 78 which constitutes a part of the motor unit, is disposed on each side of the main shaft 63 opposite to the side where the electromagnets 67 of the thrust plates 63a, 63b face each other.
  • Circumferential direction A pair of left and right magnets is configured by arranging permanent magnets 78 aa arranged at equal pitches.
  • the magnetic poles are set to be different from each other. Since the main shaft 6 3 is made of low carbon steel with good magnetic properties, the thrust plates 6 3 a and 6 3 b provided so as to be integrated with the main shaft 63 are replaced with permanent magnets 7 8. Can also be used as aa back yoke and electromagnet target.
  • the motor 78 rotates the main shaft 63 by a mouth-to-lentz force acting between the motor rotor 78a and the motor stator 78b.
  • this axial gap type motor 78 is a coreless motor, the negative rigidity due to the magnetic force pulling between the motor rotor 78a and the motor stator 78b is zero. ing.
  • the main shaft 63 is a stepped shaft having a large-diameter portion 6 3 c at an intermediate portion and small-diameter portions 6 3 d at both ends.
  • the bearings 6 5 and 6 6 on both sides supporting the main shaft 63 have inner rings 6 5 a and 6 6 a fitted into the small-diameter portion 6 3 d in a press-fit state, and one of the width surfaces is the large-diameter portion 6 3 c And the small diameter portion 6 3d is engaged with the step surface.
  • the portions closer to the impellers 5 6 a and 5 7 a than the bearings 6 5 and 6 6 on both sides are formed so that the inner diameter surface is close to the main shaft 63.
  • the rolling bearings 6 5 and 6 6 have a function of regulating the axial position, and an anguilla ball bearing is used.
  • the rolling bearings 6 5 and 66 may be deep groove ball bearings or the like.
  • these rolling bearings 6 5 and 6 6 have outer rings 6 5 b and 6 6 b fitted into the inner diameter surface of the spindle housing 6 4.
  • the spindle 9 is positioned on the step surface 6 4 a of the winging 6 4 through the seat 9 1.
  • Fig. 8 shows the periphery of the rolling bearing 6 6 on the expansion turbine 57 side, but the periphery of the rolling bearing 65 on the compressor 56 side also has the same structure, so the reference numerals for the corresponding parts are shown in parentheses. To do.
  • the end face of the outer ring 6 5 b, 6 6 b opposite to the grease reservoir spacer 9 1 is pressed against the end face of the spindle housing 64 by a presser cover 9 2 attached with a port (not shown) or the like. Et Enter.
  • the contact surface between the end surface of the spindle housing 64 and the holding cover 92 is interposed with an elastic seal member 93 made of an O-ring or the like that fits into a seal mounting groove formed on the end surface of the spindle housing 64. It is.
  • the grease reservoir spacer 91 is formed with a grease reservoir 94 having an opening 94 a facing the bearing space of the rolling bearings 65 and 66.
  • the grease reservoir 94 has a circumferential groove shape concentric with the center of the spacer, and the inner circumferential surface 9 4 b force opening 9 4 a side of the circumferential groove-shaped grease reservoir 94 It has a taper shape with a large diameter toward the top.
  • the inner peripheral surface 9 4 c on the inner diameter side is a cylindrical surface.
  • the end face provided with the opening 9 4 a of the grease reservoir spacer 91 is in contact with the end faces of the outer rings 65 b and 66 b of the rolling bearings 65 and 66 without any gap.
  • the inner peripheral surface of the grease reservoir spacer 9 1 is close to the outer periphery of the main shaft 6 3 via a minute gap, and forms a non-contact seal between the main shaft 63 and the grease reservoir spacer 9 1. .
  • either one of the rolling bearings 65, 66, for example, the rolling bearing 65 on the compressor side is axial with respect to the spindle housing 64 in order to absorb the thermal expansion and contraction of the main shaft 63. It is installed so that it can be moved.
  • illustration and description of the structure that allows axial movement are omitted.
  • the magnetic bearing controller 19 in FIG. 3 and the motor controller 29 in FIG. 4 can also be used in the turbine unit 55 according to this configuration example.
  • the turbine unit 55 having this configuration is applied to an air cycle refrigeration cooling system so that air as a cooling medium can be efficiently heat-exchanged by a subsequent heat exchanger (not shown here). Further, the temperature of the compressor 56 is increased by compressing the air, and the air cooled by the heat exchanger in the subsequent stage is further increased by a target temperature, for example, about 30 ° C. to about 60 ° C. by the expansion turbine 5 7. Used to cool and discharge to a very low temperature by adiabatic expansion.
  • the turbine unit 55 is fitted on the main shaft 63 that is common to the compressor blade 5 6 a and the turbine wheel 5 7 a and the thrust plate 6 3 a and the motor port 7 8 a.
  • Compressor impeller 5 6 and / or turbine impeller 5 7 It is supposed to drive a. Therefore, stable high-speed rotation of the main shaft 63 can be obtained while maintaining appropriate clearances d 1 and d 2 of the respective impellers 56 a and 57 a, and long-term durability and life of the rolling bearings 65 and 66 are improved. Improvement is obtained.
  • a thrust force is applied to the main shaft 63 of the turbine unit 55 by the pressure of air acting on each of the impellers 56 a and 57 a.
  • the turbine unit 55 used in the air cooling system rotates at a very high speed of, for example, about 80,000 to 100,000 rotations per minute. Therefore, when the thrust force acts on the rolling bearings 65 and 66 that rotatably support the main shaft 63, the long-term durability of the bearings 65 and 66 decreases.
  • a rolling bearing is provided because a sensor 68 for detecting a thruster acting on the main shaft 63 and a magnetic bearing controller 19 for controlling the supporting force by the electromagnet 67 according to the output of the sensor 68 are provided.
  • 65 and 66 can be used in an optimum state for the thrust force depending on the bearing specifications.
  • a magnetic bearing unit is configured by arranging two electromagnets 67 on the axially outer side of the two thrust plates 63 a, 63 b provided on the main shaft 63 side by side in the axial direction, and the two thrust plates 63 a , 63 b.
  • Axial gap type motor 78 is placed at the position between Since the air bearing unit and the motor unit have a compact integrated structure, the shaft length of the main shaft 53 can be shortened, and the natural frequency of the main shaft 63 can be increased accordingly, and the main shaft 63 can be rotated at high speed.
  • this turbine unit 55 is provided with the grease reservoir spacer 91 adjacent to the rolling bearings 65, 66, the grease stored in the grease reservoir 94, the rolling bearings 65, 6 Supply to 6. Therefore, the lubrication life of the rolling bearings 6 5 and 6 6 is improved, and a lubrication life corresponding to the long-term durability of the rolling bearing can be obtained.
  • the grease reservoir 94 is formed in a circumferential groove around the horizontal axis, but the grease reservoir 94 is on the circumference of the circumference.
  • the inner peripheral surface 94 b on the outer diameter side is tapered, so that the internal grease gradually flows down to the opening 94 a side. Therefore, the grease in the grease reservoir 94 is supplied to the rolling bearings 6 5 and 6 6 without waste.
  • the grease reservoir spacer 91 has the end face provided with the opening 94 a in contact with the end faces of the outer rings 6 5 b and 6 6 b of the rolling bearings 6 5 and 6 6 without a gap.
  • the grease in the grease reservoir 94 is prevented from leaking to the outside from between the outer rings 6 5 b and 6 6 b and the grease reservoir spacer 9 1.
  • the end face opposite to the end face where the grease retaining spacer 91 is provided in the outer rings 6 5 b and 6 6 b of the rolling bearings 6 5 and 6 6 is received by the presser cover 9 2.
  • the base oil of grease may leak from the contact surface with the spindle housing 6 4. Since a sealing member 93 such as an O-ring is interposed on this contact surface, leakage of grease base oil is prevented.
  • FIG. 9 shows a second configuration example of the turbine unit 55.
  • This turbine unit 55 is composed of only one flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided perpendicularly and coaxially with the main shaft 63 in the configuration example shown in FIG. 7, and this thrust plate 63a is used as an electromagnet.
  • a pair of left and right electromagnets 6 7, 6 7 are installed in the spindle housing 6 4 so as to face each other without contact.
  • the motor 78 includes a motor rotor 78a provided on the main shaft 63, and a motor stator 78b facing the motor rotor 78a in the axial direction.
  • the motor rotor 78a is arranged by arranging permanent magnets 78aa arranged at equal pitches in the circumferential direction on the outer diameter side of the thrust plate 63a on both sides of the opposing position of the electromagnet 67a. A pair is constructed. Thus, between the permanent magnets 78 aa arranged opposite to each other in the axial direction, the magnetic poles are set to be different from each other.
  • the thrust plate 6 3 a also serves as the back yoke of the permanent magnet 7 8 aa.
  • the motor stator 7 8 b is a ferromagnetic material (for example, low carbon steel and key) installed in the spindle housing 6 4 so as to face the motor rotor 7 8 a on both sides of the thrust plate 6 3 a in a non-contact manner.
  • a pair of left and right coils are formed by winding a motor coil ba around a pair of stator yokes 2 8 bb made of a steel plate.
  • the two left and right motors 78 thus configured with the thrust plate 63a sandwiched between them, are separated from the main shaft 63 by the magnetic force acting between the motor rotor 78a and the motor stator 78b. Rotate.
  • the turbine unit 55 can be used in the air cycle refrigeration cooling system of Fig. 6 instead of the turbine unit 5 according to the present invention.

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Description

明 細 書
空気サイクル冷凍機用タービンュニッ卜
技術分野
[0001 ] 本発明は、 空気サイクル冷凍冷却用タービンュニッ卜に関し、 特に、 転が り軸受と磁気軸受を併用し、 磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちら か一方または両方を支持するようにしたモーター体型磁気軸受装置を装備す る空気サイクル冷凍機用タービンュニッ卜に関する。
[0002] 空気サイクル冷凍冷却システムは、 冷媒として空気を用いるため、 フロン やアンモニアガス等を用いる場合に比べてエネルギー効率が不足するが、 環 境保護の面では好ましい。 また、 冷凍倉庫等のように、 冷媒空気を直接に吹 き込むことができる施設では、 庫内ファンやデフロス卜の省略等によってト —タルコストを引下げられる可能性があり、 このような用途で空気サイクル 冷凍冷却システムが提案されている （例えば特許文献 1 ) 。
[0003] また、 _ 3 0 °C〜― 6 0 °Cのディ _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知られている。 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 —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ュニッ卜が用いられている （特許文献 1
) o
[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ャーナルおよびスラスト軸受で支承した磁気軸受式ター ビン■ コンプレッサが提案されている （特許文献 2 ) 。
また、 ガスタービンエンジンにおける提案ではあるが、 主軸支持用の転が り軸受に作用するスラスト荷重が軸受寿命の短縮を招くことを回避するため 、 転がり軸受に作用するスラスト荷重をスラスト磁気軸受により低減するこ とが提案されている （特許文献 3 ) 。
特許文献 1 ：特許第 2 6 2 3 2 0 2号公報
特許文献 2：特開平 7— 9 1 7 6 0号公報
特許文献 3：特開平 8 _ 2 6 1 2 3 7公報
[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 _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 圧縮機や膨張タ一ビンが必要となる。
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ュニッ卜が用いられている
。 このタービンユニットは、 膨張タ一ビンの生じる動力によりコンプレッサ 翼車を駆動できることで空気サイクル冷凍機の効率を向上させている。
[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 サイクル冷凍冷却システムにおけるタービンユニットの主軸の回転速度は、 1分間に 8万〜 1 0万回転であり、 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ュニッ トの信頼性を低下させる。 このような軸受の長期耐久性の課題を解消しなく ては、 空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの実用化が難しい。 しかし 、 上記特許文献 1に開示の技術は、 この高速回転下におけるスラスト荷重の 負荷に対する軸受の長期耐久性の低下については解決されるに至っていない
[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 ナル軸受にアキシアル方向の規制機能がない。 そのため、 スラスト軸受の制 御の不安定要因等があると、 上記翼車とディフューザ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。
[0008] そこで、 主軸の支持に転がり軸受とスラスト支持用の磁気軸受を併用し、 かつ磁気軸受のスラスト板をモータロータとして用いるモータ一体型の磁気 軸受装置を提案した （例えば、 特願 2 0 0 5 - 3 5 6 0 3 5号） 。
これによると、 主軸にかかるスラスト力を磁気軸受で支持するため、 非接 触でトルクの増大を抑えながら、 転がり軸受に作用するスラストカを軽減す ることができる。 その結果、 各翼車とハウジングとの微小隙間を一定に保つ ことができ、 スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受の長期耐久性を向上さ せることができる。 また、 磁気軸受とモータロータの一体化により、 コンパ ク 卜な構成とできる。
[0009] 前記転がり軸受は、 主軸の一端側および他端側を支持するものが設けられ る。 これら転がり軸受は、 各翼車とハウジングとの隙間を微小に保っために 軸方向の位置規制機能を有するアンギユラ玉軸受ゃ深溝玉軸受が用いられる 。 この場合に、 主軸は上記のように高速回転するものであるため、 熱膨張が 大きく、 片方の転がり軸受は、 スピンドルハウジングに対して軸方向位置を 自由にする構成がとられる。
しかし、 この自由側の転がり軸受と軸受箱の嵌合面、 あるいは軸受箱のス ピンドルハウジングとの嵌合面において、 フレツティング摩耗が発生すると いう問題がある。
発明の開示
[0010] 本発明の目的は、 スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受の長期耐久性を 向上させることができて、 翼車とディフユ一ザ間の微小隙間を保つて安定し た高速回転を行うことができ、 またコンパク ト化が図れ、 かつ軸方向移動の 自由側の転がり軸受にっき、 フレツティング摩耗を防止することのできる空 気サイクル冷凍機用タービンユニットを提供することである。
[001 1 ] 本発明の空気サイクル冷凍機用タービンユニットは、 アキシアルギャップ モータの動力とタービン側翼車で発生した動力のどちらか一方または両方に より、 コンプレッサ側翼車を駆動させるタービンユニットであって、 スピン ドルハウジング内に、 主軸の一端側および他端側を支持する転がり軸受、 お よび前記主軸の支持に前記転がり軸受と併用される磁気軸受を有し、 前記転 がり軸受がラジアル負荷を支持し、 前記磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予 圧のどちらか一方または両方を支持し、 前記磁気軸受を構成する電磁石は前 記主軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対 向するように、 前記スピンドルハウジングに取付けられており、 前記アキシ アルギャップモータのモータロータが、 前記スラスト板とこのスラスト板に 周方向に等ピツチで設けられた複数個の永久磁石とで構成され、 前記モータ ロータと対向してモータコイルを有するモータステ一タが前記スピンドルハ ウジングに設置され、 コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が前記主軸 に取り付けられ、 次の構成を備える。 すなわち、 前記スピンドルハウジング 内に摺動自在に嵌合する軸受箱を備え、 前記主軸一端側および他端側の転が り軸受のうち、 いずれか一方の転がり軸受は、 前記軸受箱内に圧入または接 着により固定されており、 これら軸受箱とスピンドルハウジングとの嵌合面 に、 軸方向に離れて一対の弾性シール材を介在させ、 これら一対の弾性シ一 ル材と、 前記軸受箱と、 前記スピンドルハウジングとで形成される空間に高 粘性材を封入し、 前記軸受箱を、 この軸受箱が設けられている側の主軸一端 部と反対側の他端部側の向きに付勢することにより前記転がり軸受に予圧を 与える予圧用ばねを設けたものである。
この構成によると、 転がり軸受と磁気軸受を併用し、 転がり軸受がラジア ル負荷を支持し、 磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方また は両方を支持するものであるため、 アキシアル方向の精度の良い支持が行え 、 また転がり軸受の長期耐久性が確保できる。 そのため、 翼車とディフュー ザ間の微小隙間を保って安定した高速回転を行うことができる。 磁気軸受の みの支持の場合における電源停止時の損傷も回避される。 また、 磁気軸受の 電磁石に対向させるスラスト板にモータロータの永久磁石を設けたため磁気 軸受とモータとの部品兼用によってコンパク ト化される。
主軸を支持する両側の転がり軸受のうち、 片方の軸受は、 この軸受を固定 した軸受箱をスピンドルハウジングに対して摺動自在とするため、 主軸が高 速回転による摩擦熱等で熱膨張しても、 その膨張を許容して主軸を支持する ことができる。 この場合に、 この自由側の転がり軸受は、 軸受箱に圧入また は接着により固定するため、 軸受外輪にフレツティング摩耗が生じることが 防止される。 軸受箱とスピンドルハウジングの嵌合面におけるフレツティン グ摩耗の問題があるが、 これら軸受箱とスピンドルハウジングの間には、 弾 性シール材を設けて高粘性材を封入したため、 ダンピング作用が得られ、 フ レツティング摩耗の発生が防止される。
[0013] 前記軸受箱とスピンドルハウジングの間に介在させる弾性シール材は、 例 えば Oリングとても良い。 Oリングは、 優れたシール性能が得られ、 また安 価に入手できる。
[0014] 前記高粘性材は、 高温用ふつ素系グリスであっても良い。 ふつ素系グリス によると、 優れた高粘性が得られる。 また、 軸受箱は主軸の高速回転による 転がり軸受の温度上昇によって高温になるが、 高温用のグリスであると、 熱 劣化の問題が解消される。
[0015] 本発明の空気サイクル冷凍機用タービンュニットは、 流入空気に対して、 前記タービンュニッ卜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張タービンによる断熱膨張、 もしくは予圧縮手 段による圧縮、 熱交換器による冷却、 前記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張タービ 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た ものであっても良い。
このような空気サイクル冷凍冷却システムでは、 圧縮膨張タ一ビンシステ ムにおいて、 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 、 かつ軸受の長期耐久性の向上、 寿命の向上が得られることから、 圧縮膨張 タービンシステムの全体として、 しいては空気サイクル冷凍冷却システムの 全体としても信頼性が向上する。 また、 空気サイクル冷凍冷却システムのネ ックとなっている圧縮膨張タービンシステムの主軸軸受の安定した高速回転 、 長期耐久性、 信頼性が向上することから、 空気サイクル冷凍冷却システム の実用化が可能となる。
図面の簡単な説明
[0016] 本発明は、 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。 しかしながら、 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、 本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。 本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 ]本発明の一実施形態にかかる空気サイクル冷凍機用タービンュニッ卜の 断面図である。
[図 2]同タービンュニッ卜における主軸の断面図である。
[図 3]同タービンュニッ卜に用いられる磁気軸受用コントローラの一例を示す プロック図である。
[図 4]同タービンュニッ卜に用いられるモータ用コントロ一ラの一例を示すブ 口ック図である。
[図 5]本発明の一実施形態にかかる空気サイクル冷凍機用タービンュニッ卜の 断面図である。
[図 6]上記タービンュニットを適用した空気サイクル冷凍冷却システムの系統 図である。
[図 7]本発明とは基本構成が異なる応用技術に係る空気サイクル冷凍機用ター ビンュニッ卜の第 1構成例を示す断面図である。
[図 8]図 7の構成例における主軸の断面図である。
[図 9]同第 2構成例の断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 本発明の第 1の実施形態を図 1ないし図 4と共に説明する。 図 1は、 この 実施形態の空気サイクル冷凍機用タービンュニット 5の断面図を示す。 この タービンュニット 5は圧縮膨張タービンシステムを構成するものであり、 コ ンプレッサ 6および膨張タービン 7を有し、 コンプレッサ 6のコンプレッサ 翼車 6 aおよび膨張タービン 7のタービン翼車 7 aが主軸 1 3の両端にそれ ぞれ嵌合している。 主軸 1 3の材料には、 磁気特性の良好な低炭素鋼が使用 される。
[0018] 図 1において、 コンプレッサ 6は、 コンプレッサ翼車 6 aと微小の隙間 d
1を介して対向するコンプレッサハウジング 6 bを有し、 中心部の吸込口 6 cから軸方向に吸入した空気を、 コンプレッサ翼車 6 aで圧縮し、 外周部の 出口 （図示せず） から矢印 6 dで示すように排出する。
膨張タービン 7は、 タービン翼車 7 aと微小の隙間 d 2を介して対向する タービンハウジング 7 bを有し、 外周部から矢印 7 cで示すように吸い込ん だ空気を、 タービン翼車 7 aで断熱膨張させ、 中心部の排出口 7 dから軸方 向に排出する。
[001 9] このタービンユニット 5におけるモータ一体型の磁気軸受装置は、 主軸 1 3をラジアル方向に対し複数の転がり軸受 1 5 , 1 6で支持し、 主軸 1 3に かかるアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を磁気軸受であ る電磁石 1 7により支持すると共に、 主軸 1 3を回転駆動するアキシアルギ ヤップ型のモータ 2 8を設けたものである。 このタービンユニット 5は、 主 軸 1 3に作用するスラスト力を検出するセンサ 1 8と、 このセンサ 1 8の出 力に応じて前記電磁石 1 7による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ 1 9と、 電磁石 1 7とは独立に前記モータ 2 8を制御するモータ用コント口 —ラ 2 9とを有している。 センサ 1 8は、 円周方向に例えば 1 8 0 ° 離れた 2箇所に設けられている。
電磁石 1 7は、 主軸 1 3の軸方向中間部において軸方向に並ぶように主軸 1 3に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状の 2つのスラ スト板 1 3 a , 1 3 bの各片面に非接触で対向するように、 一対のものがス ピンドルハウジング 1 4に設置されている。 具体的には、 磁気軸受ュニット を構成する一方の電磁石 1 7は、 膨張タービン 7寄りに位置するスラスト板 1 3 aの膨張タービン 7側に向く片面を電磁石ターゲットとして、 この片面 に非接触で対向するようにスピンドルハウジング 1 4に設置される。 また、 磁気軸受ユニットを構成する他方の電磁石 1 7は、 コンプレッサ 6寄りに位 置するスラスト板 1 3 bのコンプレッサ 6側に向く片面を電磁石タ一ゲット して、 この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング 1 4に設置 される。
[0020] モータ 2 8は、 前記電磁石 1 7と並んで主軸 1 3に設けられたモータ口一 タ 2 8 aと、 このモータロータ 2 8 aに対し軸方向に対向するモータステ一 タ 2 8 bとでなるモータュニットである。 具体的には、 モータュニッ卜の一 部品を構成するモータロータ 2 8 aは、 主軸 1 3における前記各スラスト板 1 3 a , 1 3 bの電磁石 1 7が対向する側とは反対側の各片面に、 円周方向 に等ピッチで並ぶ永久磁石 2 8 a aを配置することで左右一対のものが構成 される。 このように軸方向に対向配置される永久磁石 2 8 a aの間では、 そ の磁極が互いに異極となるように設定される。 主軸 1 3には磁気特性の良好 な低炭素鋼を使用しているので、 主軸 1 3と一体構造となるように設けられ る前記各スラスト板 1 3 a , 1 3 bを、 永久磁石 2 8 a aのバックヨークお よび電磁石ターゲッ卜に兼用できる。
[0021 ] このモータ 2 8は、 前記モータロータ 2 8 aとモ一タステ一タ 2 8 b間に 作用する口一レンツ力により、 主軸 1 3を回転させる。 このように、 このァ キシアルギャップ型のモータ 2 8はコアレスモータとされていることから、 モータロータ 2 8 aとモ一タステ一タ 2 8 b間の磁気力ップリングによる負 の剛性はゼロとなっている。
[0022] 主軸 1 3は、 中間部の大径部 1 3 cと、 両端部の小径部 1 3 dとを有する 段付き軸とされている。 両側の転がり軸受 1 5 , 1 6は、 その内輪 1 5 a , 1 6 aが小径部 1 3 dに圧入状態に嵌合し、 片方の幅面が大径部 1 3 cと小 径部 1 3 d間の段差面に係合する。
スピンドルハウジング 1 4における両側の転がり軸受 1 5 , 1 6よりも各 翼車 6 a , 7 a側の部分は、 内径面が主軸 1 3に近接する径に形成され、 こ の内径面に非接触シール （図示せず） が形成されている。
前記転がり軸受 1 5 , 1 6は、 アキシアル方向位置の規制機能を有するも のであり、 アンギユラ玉軸受が用いられている。 転がり軸受 1 5 , 1 6は、 この他に深溝玉軸受等であっても良い。
[0023] 前記センサ 1 8は、 タービン翼車 7 a側の軸受 1 6の近傍における静止側 、 つまりスピンドルハウジング 1 4側に設けられている。 このセンサ 1 8を 近傍に設けた軸受 1 6は、 その外輪 1 6 bが軸受箱 2 3内に固定状態に嵌合 している。 軸受箱 2 3は、 リング状に形成されて一端に軸受 1 6の外輪 1 6 bの幅面に係合する内鍔 2 3 aを有しており、 スピンドルハウジング 1 4に 設けられた内径面 2 4にアキシアル方向に移動自在に嵌合している。 内鍔 2 3 aは、 アキシアル方向の中央側端に設けられている。
[0024] センサ 1 8は主軸 1 3の回りの円周方向複数箇所 （例えば 2箇所） に分配 配置され、 軸受箱 2 3の内鍔 2 3 a側の幅面と、 スピンドルハウジング 1 4 に固定された部材である片方の電磁石 1 7との間に介在させてある。 また、 センサ 1 8は、 センサ予圧ばね 2 5により予圧が印加されている。 センサ予 圧ばね 2 5は、 スピンドルハウジング 1 4に設けられた収容凹部内に収容さ れて軸受 1 6の外輪 1 6 bをアキシアル方向に付勢するものとされ、 外輪 1 6 bおよび軸受箱 2 3を介してセンサ 1 8を予圧する。 センサ予圧ばね 2 5 は、 例えば主軸 1 3の回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等か らなる。
[0025] センサ予圧ばね 2 5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 1 3のアキシアル方向のいずれの向きの移動に対し ても検出できるようにするためであり、 タービンュニット 5の通常の運転状 態で主軸 1 3に作用する平均的なスラストカ以上の大きさとされる。
[0026] センサ 1 8の非配置側の転がり軸受 1 5は、 スピンドルハウジング 1 4に 対しアキシアル方向に移動自在に設置され、 かつ予圧用ばね 2 6によって弾 性支持されている。 具体的には、 図 2に拡大して示すように設置される。 転 がり軸受 1 5の外輪 1 5 bは、 軸受箱 4 1内に圧入または接着により固定さ れる。 軸受箱 4 1は、 内径面が段付き面とされ、 その段面 4 1 aに外輪 1 5 bの幅面が係合する状態に、 上記外輪 1 5 bの固定が行われる。
[0027] 軸受箱 4 1は、 スピンドルハウジング 1 4内の円筒状嵌合面 1 4 aに、 主 軸軸方向に摺動自在に嵌合させる。 これら軸受箱 4 1 とスピンドルハウジン グ 1 4の嵌合面には、 軸方向に離れて一対の弾性シール材 4 2を介在させ、 これら一対の弾性シール材 4 2の間で、 軸受箱 4 1 とスピンドルハウジング 1 4間の隙間に高粘性材 4 3を封入する。 高粘性材 4 3としては、 例えば、 高温用ふつ素系グリス等が用いられる。 弾性シール材 4 3は、 例えば Oリン グからなり、 軸受箱 4 1の外周面に設けたシール嵌合溝内に嵌合させる。 軸 受箱 4 1の外周面における両側のシール溝間の部分は、 両端部分よりも小径 とし、 高粘性材 4 3を封入する容量を拡大している。
[0028] 軸受箱 4 1は、 この軸受箱 4 1が設けられた主軸端部と反対側へ、 予圧用 ばね 2 6によって付勢される。 予圧用ばね 2 6は、 定位置予圧用のものであ つて、 軸受箱 4 1の幅面に接するリング状の押し部材 4 4を介して軸受箱 4 1を付勢する。 スピンドルハウジング 1 4には、 押し部材 4 4の幅面を当接 させる規制面 1 4 bを有しており、 主軸 1 3の非熱膨張状態、 および熱膨張 がある程度小さい状態では、 押し部材 4 4はスピンドルハウジング 1 4の規 制面 1 4 bに接触し、 予圧用ばね 2 6によって定位置予圧を両側の転がり軸 受 1 5 , 1 6に与える。 高温になって主軸 1 3の熱膨張が大きくなると、 図 2のように押し部材 4 4の幅面が規制面 1 4 bから離れる。 なお、 予圧用ば ね 2 6は、 図 1のセンサ予圧ばね 2 5よりもばね定数が小さいものとされる
[0029] 上記タービンュニット 5におけるモータ一体型の磁気軸受装置の力学モデ ルは簡単なパネ系で構成することができる。 すなわち、 このパネ系は、 軸受 1 5 , 1 6とこれら軸受の支持系 （センサ予圧ばね 2 5、 軸受予圧ばね 2 6 、 軸受箱 2 3 , 4 1など） とで形成される合成パネと、 モータ部 （電磁石 1 7とモータ 2 8 ) で形成される合成パネとが並列となった構成である。 この バネ系において、 軸受 1 5 , 1 6とこれら軸受の支持系とで形成される合成 パネは、 変位した方向と逆の方向に変位量に比例して作用する剛性となるの に対し、 電磁石 1 7とモータ 2 8とで形成される合成パネは、 変位した方向 に変位量に比例して作用する負の剛性となる。
このため、 上記した両合成パネの剛性の大小関係を、
軸受等による合成パネの剛性値 <電磁石■モータによる合成パネの負の剛 性値… （1 ) とした場合、 機械システムの位相は 1 8 0 ° 遅れとなり不安定 な系となることから、 電磁石 1 7を制御する磁気軸受用コントローラ 1 9に おいて、 予め位相補償回路を付加する必要が生じ、 コントローラ 1 9の構成 が複雑なものになる。
[0030] そこで、 この実施形態のモータ一体型の磁気軸受装置では、 上記した両合 成パネの剛性の大小関係を、
軸受等による合成パネの剛性値 >電磁石■モータによる合成パネの負の剛 性値… （2 ) としている。 とくに、 このモータ一体型の磁気軸受装置では、 上記したようにアキシアルギャップ型のモータ 2 8をコアレスモータとして いるので、 モータ 2 8に作用する負の剛性値をゼロとすることができ、 モー タ 2 8が高負荷動作し過大なアキシアル荷重が作用した状態においても上記 ( 2 ) 式の大小関係を保つことができる。
その結果、 制御帯域において、 機械システムの位相が 1 8 0 ° 遅れとなる ことを防止できるので、 モータ 2 8が高負荷動作し過大なアキシアル荷重が 作用した状態でも磁気軸受用コントローラ 1 9の制御対象を安定なものとで き、 コントローラ 1 9の回路構成を図 2のように比例もしくは比例積分を用 いた簡単なものに構成できる。
[0031 ] ブロック図で示す図 3の磁気軸受用コントローラ 1 9では、 各センサ 1 8 の検出出力 P 1 , P 2をセンサ出力演算回路 3 0で加減算し、 その演算結果 を比較器 3 1で基準値設定手段 3 2の基準値と比較して偏差を演算し、 さら に演算した偏差を P I補償回路 （もしくは P補償回路） 3 3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積分 （もしくは比例） 処理を行うこ とで、 電磁石 1 7の制御信号を演算するようにしている。 P I補償回路 （も しくは P補償回路） 3 3の出力は、 ダイオード 3 4 , 3 5を介して各方向の 電磁石 1 7 1 , 1 7 2 を駆動するパワー回路 3 6 , 3 7に入力される。 電磁 石 1 7 1 , 1 7 2 は、 図 1に示したスラスト板 1 3 aに対向する一対の電磁 石 1 7であり、 吸引力しか作用しないため、 予めダイオード 3 4 , 3 5で電 流の向きを決め、 2個の電磁石 1 7 1 , 1 7 2 を選択的に駆動するようにし ている。
[0032] 同じくブロック図で示す図 4のモータ用コントローラ 2 9では、 回転同期 指令信号を基に、 モータロータ 2 8 aの回転角をフィードバック信号として 位相調整回路 3 8でモータ駆動電流の位相調整が行われ、 その調整結果に応 じたモータ駆動電流をモータ駆動回路 3 9からモータステ一タ 2 8 bに供給 することによって、 定回転制御が行われる。 前記回転同期指令信号は、 モー タロータ 2 8 aに設けられた回転角度検出センサ （図示せず） の出力に応じ て演算される。
[0033] この構成のタービンュニット 5は、 空気サイクル冷凍冷却システムに適用 されて、 冷却媒体となる空気を後段の熱交換器 （ここでは図示せず） により 効率良く熱交換できるように、 コンプレッサ 6で圧縮して温度上昇させ、 さ らに後段の前記熱交換器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— 3 0 °C〜一 6 0 °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。
このような使用例において、 このタービンユニット 5は、 コンプレッサ翼 車 6 aおよびタービン翼車 7 a力 前記スラスト板 1 3 aとモータロータ 2 8 aと共通の主軸 1 3に嵌合し、 モータ 2 8の動力とタービン翼車 7 aで発 生した動力のどちらか一方または両方によりコンプレッサ翼車 6 aを駆動す るものとしている。 このため、 各翼車 6 a , 7 aの適切な隙間 d 1 , d 2を 保って主軸 1 3の安定した高速回転が得られ、 かつ転がり軸受 1 5 , 1 6の 長期耐久性の向上、 寿命の向上が得られる。
[0034] すなわち、 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 6 a , 7 aとハウジング 6 b , 7 13との隙間01 1 , d 2を微小に保つ 必要がある。 例えば、 このタービンユニット 5を空気サイクル冷凍冷却シス テムに適用する場合には、 この効率確保が重要となる。 これに対して、 主軸 1 3を玉軸受形式の転がり軸受 1 5 , 1 6により支持するため、 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 1 3のアキシアル方向位 置がある程度規制され、 各翼車 6 a , 7 aとハウジング 6 b , 7 bとの微小 隙間 d 1 , d 2を一定に保つことができる。
[0035] しかし、 タービンユニット 5の主軸 1 3には、 各翼車 6 a , 7 aに作用す る空気の圧力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 —ビンュニット 5では、 1分間に例えば 8万〜 1 0万回転程度の非常に高速 の回転となる。 そのため、 主軸 1 3を回転支持する転がり軸受 1 5 , 1 6に 上記スラスト力が作用すると、 転がり軸受 1 5 , 1 6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 1 7で支持するため、 非接触で トルクの増大を抑えながら、 主軸 1 3の支持用の転がり軸受 1 5 , 1 6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、 主軸 1 3に作用す るスラスト力を検出するセンサ 1 8と、 このセンサ 1 8の出力に応じて前記 電磁石 1 7による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ 1 9とを設けた ため、 転がり軸受 1 5 , 1 6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、 軸方向に並べて主軸 1 3に設けられた 2つのスラスト板 1 3 a , 1 3 bの軸方向外側に 2つの電磁石 1 7を配置して磁気軸受ュニットを構成す ると共に、 前記両スラスト板 1 3 a , 1 3 bで挟まれる位置にアキシアルギ ヤップ型のモータ 2 8を配置してモータュニットを構成することにより、 磁 気軸受ュニッ卜とモータュニットをコンパク 卜な一体構造としているため、 主軸 1 3の軸長を短くでき、 それだけ主軸 1 3の固有振動数が高くなつて、 主軸 1 3を高速回転させることができる。
[0036] また、 このタービンユニット 5は、 主軸 1 3を支持する両側の転がり軸受
1 5 , 1 6のうち、 片方の転がり軸受 1 5は、 図 2のように、 この軸受 1 5 を固定した軸受箱 4 1をスピンドルハウジング 1 4に対して摺動自在とする ため、 主軸 1 3が高速回転による摩擦熱等で熱膨張しても、 その膨張を許容 して主軸 1 3を支持することができる。 この場合に、 この自由側の転がり軸 受 5は、 軸受箱 4 1に圧入または接着により固定するため、 軸受外輪 1 5 b にフレツティング摩耗が生じることが防止される。
軸受箱 4 1 とスピンドルハウジング 1 4の嵌合面におけるフレツティング 摩耗の問題があるが、 これら軸受箱 4 1 とスピンドルハウジング 1 4の間に は、 弾性シール材 4 2を設けて高粘性材 4 3を封入したため、 ダンピング作 用が得られ、 フレツティング摩耗の発生が防止される。 軸受箱 4 1は、 でき るだけ外径が大きなものとすることが好ましく、 これにより軸受箱 4 1の質 量が大きくなり、 ダンピング特性が優れたものとなる。
[0037] 前記軸受箱 4 1 とスピンドルハウジング 1 4間の弾性シール材 4 2には O リングを用いたが、 Oリングは、 優れたシール性能が得られ、 また安価に入 手できる。 高粘性材 4 3としてふつ素系グリスを用いた場合、 優れた高粘性 が得られる。 また、 軸受箱 4 1は主軸 1 3の高速回転による転がり軸受 1 5 の温度上昇によって高温になるが、 高温用のグリスであると、 熱劣化の問題 が解消される。
[0038] 図 5はタービンユニット 5の他の実施形態を示す。 このタービンユニット 5は、 図 1に示す実施形態において、 主軸 1 3に垂直かつ同軸に設けられた 強磁性体からなるフランジ状のスラスト板を 1つだけとして、 このスラスト 板 1 3 aを電磁石ターゲットとして、 その両面に非接触で対向するように、 左右一対の電磁石 1 7 , 1 7がスピンドルハウジング 1 4に設置されている
[0039] モータ 2 8は、 主軸 1 3に設けられたモータロータ 2 8 aと、 このモータ ロータ 2 8 aに対し軸方向に対向するモ一タステ一タ 2 8 bとでなる。 モー タロータ 2 8 aは、 前記スラスト板 1 3 aの両面における前記電磁石 1 7の 対向位置よりも外径側に、 円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石 2 8 a aを配 置することで左右一対のものが構成される。 このように軸方向に対向配置さ れる永久磁石 2 8 a aの間では、 その磁極が互いに異極となるように設定さ れる。 スラスト板 1 3 aは永久磁石 2 8 a aのバックヨークを兼ねる。 モ一タステ一タ 2 8 bは、 前記スラスト板 1 3 aの両面のモータロータ 2 8 aに非接触で対向するように、 スピンドルハウジング 1 4に設置される強 磁性体 （例えば低炭素鋼およびケィ素鋼板） からなる一対のステータヨーク 2 8 b bに、 それぞれモータコイル b aを巻回することで左右一対のものが 構成される。 このようにして前記スラスト板 1 3 aを挟んで構成される左右 2個のモータ 2 8は、 前記モータロータ 2 8 aとモ一タステ一タ 2 8 b間に 作用する磁気力により、 主軸 1 3を回転させる。 この場合、 スラスト板 1 3 aにおけるモータロータ 2 8 bの位置を、 電磁石 1 7の対向位置よりも外径 側としているので、 少ないモータ駆動電流でより大きいトルクを得ることが できる。 その他の構成は図 1の実施形態の場合と同様であり、 ここではその 説明を省略する。
[0040] 図 6は、 上記タービンユニット 5を用いた空気サイクル冷凍冷却システム の全体の構成を示す。 この空気サイクル冷凍冷却システムは、 冷凍倉庫等の 被冷却空間 1 0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 1 0にそれぞれ開口した空気の取入口 1 aから排出口 1 bに至る空気循 環経路 1を有している。 この空気循環経路 1に、 予圧縮手段 2、 第 1の熱交 換器 3、 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 3、 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 一ビン 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 1 aの付近の流入空気と、 後段の圧縮で昇温し、 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 1 aの付近の空気は熱交換器 9 a内 を通る。
[0041 ] 予圧縮手段 2はブロア等からなり、 モータ 2 aにより駆動される。 第 1の 熱交換器 3および第 2の熱交換器 8は、 冷却媒体を循環させる熱交換器 3 a , 8 aをそれぞれ有し、 熱交換器 3 a , 8 a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 3 a , 8 aは、 冷却塔 1 1 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 1 1で冷却され る。 なお、 前記予圧縮手段 2を含まない構成の空気サイクル冷凍冷却システ ムでもよい。
[0042] この空気サイクル冷凍冷却システムは、 被冷却空間 1 0を 0°C〜― 60°C 程度に保つシステムであり、 被冷却空間 1 0から空気循環経路 1の取入口 1 aに 0°C〜― 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 1 aに流入した 空気は、 中間熱交換器 9により、 空気循環経路 1中の後段の空気の冷却に使 用され、 30°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。
[0043] 熱交換により冷却された 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— 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で一 20°Cまで冷却された空気は、 タービンュニット 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 1 bか ら被冷却空間 1 0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。
[0044] この空気サイクル冷凍冷却システムでは、 タービンユニット 5において、 各翼車 6 a, 7 aの適切な隙間 d 1 , d 2を保って主軸 1 3の安定した高速 回転が得られ、 かつ軸受 1 5, 1 6の長期耐久性の向上、 寿命の向上が得ら れることで、 軸受 1 5, 1 6の長期耐久性が向上することから、 タービンュ ニット 5の全体として、 しいては空気サイクル冷凍冷却システムの全体とし ての信頼性が向上する。 このように、 空気サイクル冷凍冷却システムのネッ クとなっているタービンュニット 5の主軸軸受 1 5 , 1 6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。
[0045] 次に、 本発明とは基本構成が異なる応用技術である空気サイクル冷凍機用 タービンュニッ卜について説明する。
[0046] この応用技術の目的は、 スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受の長期耐 久性を向上させることができて、 翼車とディフユ一ザ間の微小隙間を保って 安定した高速回転を行うことができ、 かつ転がり軸受の潤滑寿命についても 向上が図れる空気サイクル冷凍機用タービンユニットを提供することである
[0047] 上記空気サイクル冷凍機用タービンユニットは、 スピンドルハウジングに 設置されて主軸の支持に併用される転がり軸受および磁気軸受を有し、 転が り軸受がラジアル負荷を支持し、 磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のど ちらか一方または両方を支持し、 前記磁気軸受を構成する電磁石は前記主軸 に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向する ように、 前記スピンドルハウジングに取付けられており、 アキシアルギヤッ プモータのモータロータが、 前記スラスト板とこのスラスト板に周方向に等 ピッチで設けられた複数個の永久磁石とで構成され、 前記モータロータと対 向してモータコイルを有するモータステ一タが前記ハウジングに設置され、 コンプレツサ側翼車およびタービン側翼車が前記主軸に結合され、 アキシァ ルギヤップモータの動力とタ一ビン側翼車で発生した動力のどちらか一方ま たは両方により、 コンプレッサ側翼車を駆動させるタービンュニットであり 、 前記転がり軸受の端面に隣接して、 前記転がり軸受の軸受空間にグリス溜 まりの開口が対向するグリス溜まり間座を設けたものである。
[0048] この構成によると、 転がり軸受と磁気軸受を併用し、 転がり軸受がラジア ル負荷を支持し、 磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方また は両方を支持するものであるため、 アキシアル方向の精度の良い支持が行え 、 また転がり軸受の転動寿命に関しての長期耐久性が確保できる。 そのため 、 翼車とディフューザ間の微小隙間を保って安定した高速回転を行うことが できる。 磁気軸受のみの支持の場合における電源停止時の損傷も回避される 。 また、 磁気軸受の電磁石に対向させるスラスト板にモータロータの永久磁 石を設けたため磁気軸受とモータとの部品兼用によってコンパク ト化される さらに、 転がり軸受に隣接したグリス溜まり間座を設けたため、 そのグリ ス溜まりに溜められたグリスが軸受に補給される。 そのため、 転がり軸受の 潤滑寿命が向上し、 転がり軸受の転動寿命の長期耐久性に応じた潤滑寿命を 得ることができる。
[0049] 前記グリス溜まり間座は、 前記開口の設けられた端面が、 前記転がり軸受 の外輪の端面と隙間なく接していても良い。 外輪の端面にグリス溜まり間座 の端面が隙間なく接していると、 グリス溜まりのグリスが外輪とグリス溜ま り間座との間から外部に漏れることが防止される。
[0050] 前記グリス溜まり間座のグリス溜まりは、 間座中心と同心の円周溝状であ つて、 この円周溝状のグリス溜まりの外径側の内周面が、 開口側に向かって 大径となるテ一パ状であっても良い。 この場合に、 空気サイクル冷凍機用タ 一ビンュニットは、 主軸が略水平になるように設置される。
主軸が水平であるため、 前記グリス溜まりは水平軸心回りの円周溝状とな るが、 このグリス溜まりの円周上における下部において、 外径側の内周面が 上記テーパ状であると、 この内周面に沿つて内部のグリスが次第に開口側へ 流れ降りる。 そのため、 グリス溜まり内のグリスが無駄なく軸受内へ供給け される。
[0051 ] 上記タービンユニットにおいて、 前記転がり軸受の外輪における前記グリ ス溜まり間座と反対側の端面を受ける押さえ蓋を前記スピンドルハウジング に取付けた場合に、 この押さえ蓋とスピンドルハウジングとの接触面にシ一 ル部材を介在させても良い。
上記のように押さえ蓋を設けた場合、 押さえ蓋とスピンドルハウジングと の接触面からグリスの基油が漏れることがあるが、 前記接触面に Oリング等 のシール部材を介在させることで、 グリス基油の漏れが防止される。
[0052] 上記タービンユニットは、 流入空気に対して、 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張 タービンによる断熱膨張、 もしくは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張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たものであっても良い。
このような空気サイクル冷凍冷却システムに適用した場合、 圧縮膨張ター ビンシステムにおいて、 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、 かつ軸受の長期耐久性の向上、 寿命の向上が得られることから 、 圧縮膨張タービンシステムの全体として、 しいては空気サイクル冷凍冷却 システムの全体としても信頼性が向上する。 また、 空気サイクル冷凍冷却シ ステムのネックとなっている圧縮膨張タービンシステムの主軸軸受の安定し た高速回転、 長期耐久性、 信頼性が向上することから、 空気サイクル冷凍冷 却システムの実用化が可能となる。
[0053] 上記の空気サイクル冷凍機用タービンュニッ卜の第 1の具体的な構成例を 図 7および図 8と共に説明する。 図 7は、 この第 1構成例の空気サイクル冷 凍機用タービンュニット 5 5の断面図を示す。 このタービンュニット 5 5は 圧縮膨張タービンシステムを構成するものであり、 コンプレッサ 5 6および 膨張タービン 5 7を有し、 コンプレッサ 5 6のコンプレッサ翼車 5 6 aおよ び膨張タービン 5 7のタービン翼車 5 7 aが主軸 6 3の両端にそれぞれ嵌合 している。 主軸 6 3の材料には、 磁気特性の良好な低炭素鋼が使用される。
[0054] 図 7において、 コンプレッサ 5 6は、 コンプレッサ翼車 5 6 aと微小の隙 間 d 1を介して対向するコンプレッサハウジング 5 6 bを有し、 中心部の吸 込口 5 6 cから軸方向に吸入した空気を、 コンプレッサ翼車 5 6 aで圧縮し 、 外周部の出口 （図示せず） から矢印 5 6 dで示すように排出する。
膨張タービン 5 7は、 タービン翼車 5 7 aと微小の隙間 d 2を介して対向 するタービンハウジング 5 7 bを有し、 外周部から矢印 5 7 cで示すように 吸い込んだ空気を、 タービン翼車 5 7 aで断熱膨張させ、 中心部の排出口 5 7 dから軸方向に排出する。
[0055] このタービンユニット 5 5におけるモータ一体型の磁気軸受装置は、 主軸 6 3をラジアル方向に対し複数の転がり軸受 6 5 , 6 6で支持し、 主軸 6 3 にかかるアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を磁気軸受で ある電磁石 6 7により支持すると共に、 主軸 6 3を回転駆動するアキシアル ギャップ型のモータ 7 8を設けたものである。 このタービンュニット 5 5は 、 主軸 6 3に作用するスラスト力を検出するセンサ 6 8と、 このセンサ 6 8 の出力に応じて前記電磁石 6 7による支持力を制御する磁気軸受用コント口 —ラ 1 9と、 電磁石 6 7とは独立に前記モータ 7 8を制御するモータ用コン トロ一ラ 2 9とを有している。 センサ 6 8は、 円周方向に例えば 1 8 0 ° 離 れた 2箇所に設けられている。
電磁石 6 7は、 主軸 6 3の軸方向中間部において軸方向に並ぶように主軸 6 3に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状の 2つのスラ スト板 6 3 a , 6 3 bの各片面に非接触で対向するように、 一対のものがス ピンドルハウジング 6 4に設置されている。 具体的には、 磁気軸受ユニット を構成する一方の電磁石 6 7は、 膨張タービン 5 7寄りに位置するスラスト 板 6 3 aの膨張タービン 5 7側に向く片面を電磁石タ一ゲットとして、 この 片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング 6 4に設置される。 ま た、 磁気軸受ユニットを構成する他方の電磁石 6 7は、 コンプレッサ 5 6寄 りに位置するスラスト板 6 3 bのコンプレッサ 5 6側に向く片面を電磁石タ —ゲッ卜して、 この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング 6 4に設置される。
[0056] モータ 7 8は、 前記電磁石 6 7と並んで主軸 6 3に設けられたモータ口一 タ 7 8 aと、 このモータロータ 7 8 aに対し軸方向に対向するモータステ一 タ 7 8 bとでなるモータュニットである。 具体的には、 モータュニッ卜の一 部品を構成するモータロータ 7 8 aは、 主軸 6 3における前記各スラスト板 6 3 a , 6 3 bの電磁石 6 7が対向する側とは反対側の各片面に、 円周方向 に等ピッチで並ぶ永久磁石 7 8 a aを配置することで左右一対のものが構成 される。 このように軸方向に対向配置される永久磁石 7 8 a aの間では、 そ の磁極が互いに異極となるように設定される。 主軸 6 3には磁気特性の良好 な低炭素鋼を使用しているので、 主軸 6 3と一体構造となるように設けられ る前記各スラスト板 6 3 a , 6 3 bを、 永久磁石 7 8 a aのバックヨークお よび電磁石ターゲッ卜に兼用できる。
[0057] このモータ 7 8は、 前記モータロータ 7 8 aとモ一タステ一タ 7 8 b間に 作用する口一レンツ力により、 主軸 6 3を回転させる。 このように、 このァ キシアルギャップ型のモータ 7 8はコアレスモータとされていることから、 モータロータ 7 8 aとモ一タステ一タ 7 8 b間の磁気力ップリングによる負 の剛性はゼロとなっている。
[0058] 図 7において、 主軸 6 3は、 中間部の大径部 6 3 cと、 両端部の小径部 6 3 dとを有する段付き軸とされている。 主軸 6 3を支持する両側の軸受 6 5 , 6 6は、 その内輪 6 5 a , 6 6 aが小径部 6 3 dに圧入状態に嵌合し、 片 方の幅面が大径部 6 3 cと小径部 6 3 d間の段差面に係合する。 スピンドル ハウジング 6 4における両側の軸受 6 5 , 6 6よりも各翼車 5 6 a , 5 7 a 側の部分は、 内径面が主軸 6 3に近接する径に形成される。
前記転がり軸受 6 5 , 6 6は、 アキシアル方向位置の規制機能を有するも のであり、 アンギユラ玉軸受が用いられている。 転がり軸受 6 5 , 6 6は、 この他に深溝玉軸受等であっても良い。
[0059] これら転がり軸受 6 5 , 6 6は、 図 8に拡大して示すように、 外輪 6 5 b , 6 6 bがスピンドルハウジング 6 4の内径面に嵌合し、 リング状のグリス 溜まり間座 9 1を介してスピンドル/、ウジング 6 4の段差面 6 4 aに位置決 めされている。 なお、 図 8は、 膨張タービン 5 7側の転がり軸受 6 6の周辺 を示すが、 コンプレッサ 5 6側の転がり軸受 6 5の周辺も同様な構造である ため、 対応部分の符号を括弧付きで併記する。 外輪 6 5 b , 6 6 bのグリス 溜まり間座 9 1 と反対側の端面は、 スピンドルハウジング 6 4の端面にポル ト （図示せず） 等で取付けられた押さえ蓋 9 2により押し付け状態に受けら れて入る。 スピンドルハウジング 6 4の端面と押さえ蓋 9 2との接触面には 、 スピンドルハウジング 6 4の端面に形成したシール装着溝に嵌合する Oリ ング等からなる弾性体のシール部材 9 3が介在させてある。
[0060] グリス溜まり間座 9 1は、 転がり軸受 6 5 , 6 6の軸受空間に対向する開 口 9 4 aを有するグリス溜まり 9 4が形成されたものである。 このグリス溜 まり 9 4は、 間座中心と同心の円周溝状であって、 この円周溝状のグリス溜 まり 9 4の外径側の内周面 9 4 b力 開口 9 4 a側に向かって大径となるテ —パ状とされている。 内径側の内周面 9 4 cは、 円筒状面とされている。 グリス溜まり間座 9 1の開口 9 4 aの設けられた端面は、 転がり軸受 6 5 , 6 6の外輪 6 5 b , 6 6 bの端面と隙間なく接している。 グリス溜まり間 座 9 1の内周面は、 主軸 6 3の外周に微小隙間を介して近接しており、 主軸 6 3とグリス溜まり間座 9 1 との間で非接触シールを構成している。
[0061 ] なお、 いずれか片方の転がり軸受 6 5 , 6 6、 例えばコンプレッサ側の転 がり軸受 6 5は、 主軸 6 3の熱伸縮を吸収するために、 スピンドルハウジン グ 6 4に対して軸方向移動が可能なように設置されるが、 ここでは、 その軸 方向移動を許容する構造については、 図示および説明を省略する。
[0062] 図 3の磁気軸受用コントローラ 1 9および図 4のモータ用コントローラ 2 9は、 本構成例に係るタービンュニット 5 5でも用いることができる。
[0063] この構成のタービンユニット 5 5は、 空気サイクル冷凍冷却システムに適 用されて、 冷却媒体となる空気を後段の熱交換器 （ここでは図示せず） によ り効率良く熱交換できるように、 コンプレッサ 5 6で圧縮して温度上昇させ 、 さらに後段の前記熱交換器で冷却された空気を、 膨張タービン 5 7により 、 目標温度、 例えば— 3 0 °C〜一 6 0 °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。
このような使用例において、 このタービンユニット 5 5は、 コンプレッサ 翼車 5 6 aおよびタービン翼車 5 7 a力 前記スラスト板 6 3 aとモータ口 —タ 7 8 aと共通の主軸 6 3に嵌合し、 モータ 7 8の動力とタービン翼車 5 7 aで発生した動力のどちらか一方または両方によりコンプレッサ翼車 5 6 aを駆動するものとしている。 このため、 各翼車 56 a, 57 aの適切な隙 間 d 1 , d 2を保って主軸 63の安定した高速回転が得られ、 かつ転がり軸 受 65, 66の長期耐久性の向上、 寿命の向上が得られる。
[0064] すなわち、 タービンユニット 55の圧縮， 膨張の効率を確保するためには 、 各翼車 56 a, 57 aとハウジング 56 b, 57 bとの隙間 d 1 , d 2を 微小に保つ必要がある。 例えば、 このタービンユニット 55を空気サイクル 冷凍冷却システムに適用する場合には、 この効率確保が重要となる。 これに 対して、 主軸 63を転がり軸受 65, 66により支持するため、 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 63のアキシアル方向位 置がある程度規制され、 各翼車 56 a, 57 aとハウジング 56 b, 57 b との微小隙間 d 1 , d 2を一定に保つことができる。
[0065] しかし、 タービンユニット 55の主軸 63には、 各翼車 56 a, 57 aに 作用する空気の圧力でスラスト力がかかる。 また、 空気冷却システムで使用 するタービンュニット 55では、 1分間に例えば 8万〜 1 0万回転程度の非 常に高速の回転となる。 そのため、 主軸 63を回転支持する転がり軸受 65 , 66に上記スラスト力が作用すると、 軸受 65, 66の長期耐久性が低下 する。
この構成例は、 上記スラスト力を電磁石 67で支持するため、 非接触でト ルクの増大を抑えながら、 主軸 63の支持用の転がり軸受 65, 66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、 主軸 63に作用する スラストカを検出するセンサ 68と、 このセンサ 68の出力に応じて前記電 磁石 67による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ 1 9とを設けたた め、 転がり軸受 65, 66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、 軸方向に並べて主軸 63に設けられた 2つのスラスト板 63 a, 6 3 bの軸方向外側に 2つの電磁石 67を配置して磁気軸受ュニットを構成す ると共に、 前記両スラスト板 63 a, 63 bで挟まれる位置にアキシアルギ ヤップ型のモータ 78を配置してモータュニットを構成することにより、 磁 気軸受ュニッ卜とモータュニットをコンパク 卜な一体構造としているため、 主軸 5 3の軸長を短くでき、 それだけ主軸 6 3の固有振動数が高くなつて、 主軸 6 3を高速回転させることができる。
[0066] また、 このタービンユニット 5 5は、 転がり軸受 6 5 , 6 6に隣接したグ リス溜まり間座 9 1を設けたため、 そのグリス溜まり 9 4に溜められたグリ スが転がり軸受 6 5 , 6 6に補給される。 そのため、 転がり軸受 6 5 , 6 6 の潤滑寿命が向上し、 転がり軸受の長期耐久性に応じた潤滑寿命を得ること ができる。
このタービンュニット 5 5は、 主軸 6 3が水平となるように設置されるた め、 グリス溜まり 9 4は水平軸心回りの円周溝状となるが、 このグリス溜ま り 9 4の円周上における下部において、 外径側の内周面 9 4 bがテーパ状で あるため、 内部のグリスが次第に開口 9 4 a側へ流れ降りる。 そのため、 グ リス溜まり 9 4内のグリスが無駄なく転がり軸受 6 5 , 6 6内へ供給される
[0067] グリス溜まり間座 9 1は、 前記開口 9 4 aの設けられた端面が、 転がり軸 受 6 5 , 6 6の外輪 6 5 b , 6 6 bの端面と隙間なく接していているため、 グリス溜まり 9 4のグリスが外輪 6 5 b , 6 6 bとグリス溜まり間座 9 1 と の間から外部に漏れることが防止される。 転がり軸受 6 5 , 6 6の外輪 6 5 b , 6 6 bにおけるグリス溜まり間座 9 1を設けた端面と反対側の端面は、 押さえ蓋 9 2によって受けられているが、 押さえ蓋 9 2とスピンドルハウジ ング 6 4との接触面からグリスの基油が漏れ恐れがある。 し力、し、 この接触 面に Oリング等のシール部材 9 3を介在させため、 グリス基油の漏れが防止 される。
[0068] 図 9はタービンユニット 5 5の第 2構成例を示す。 このタービンユニット 5 5は、 図 7に示す構成例において、 主軸 6 3に垂直かつ同軸に設けられた 強磁性体からなるフランジ状のスラスト板を 1つだけとして、 このスラスト 板 6 3 aを電磁石タ一ゲットとして、 その両面に非接触で対向するように、 左右一対の電磁石 6 7 , 6 7がスピンドルハウジング 6 4に設置されている [0069] モータ 7 8は、 主軸 6 3に設けられたモータロータ 7 8 aと、 このモータ ロータ 7 8 aに対し軸方向に対向するモータステ一タ 7 8 bとでなる。 モー タロータ 7 8 aは、 前記スラスト板 6 3 aの両面における前記電磁石 6 7の 対向位置よりも外径側に、 円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石 7 8 a aを配 置することで左右一対のものが構成される。 このように軸方向に対向配置さ れる永久磁石 7 8 a aの間では、 その磁極が互いに異極となるように設定さ れる。 スラスト板 6 3 aは永久磁石 7 8 a aのバックヨークを兼ねる。 モ一タステ一タ 7 8 bは、 前記スラスト板 6 3 aの両面のモータロータ 7 8 aに非接触で対向するように、 スピンドルハウジング 6 4に設置される強 磁性体 （例えば低炭素鋼およびケィ素鋼板） からなる一対のステータヨーク 2 8 b bに、 それぞれモータコイル b aを巻回することで左右一対のものが 構成される。 このようにして前記スラスト板 6 3 aを挟んで構成される左右 2個のモータ 7 8は、 前記モータロータ 7 8 aとモ一タステ一タ 7 8 b間に 作用する磁気力により、 主軸 6 3を回転させる。 この場合、 スラスト板 6 3 aにおけるモータロータ 2 8 bの位置を、 電磁石 6 7の対向位置よりも外径 側としているので、 少ないモータ駆動電流でより大きいトルクを得ることが できる。 その他の構成は図 7の構成例の場合と同様であり、 ここではその説 明を省略する。
[0070] なお、 上記タービンユニット 5 5は、 図 6の空気サイクル冷凍冷却システ ムに、 本発明に係るタービンュニット 5に代えて用いることができる。

Claims

請求の範囲
[1 ] アキシアルギヤップモータの動力とタ一ビン側翼車で発生した動力のどち らか一方または両方により、 コンプレッサ側翼車を駆動させるタービンュニ ッ卜であって、
スピンドルハウジング内に、 主軸の一端側および他端側を支持する転がり 軸受、 および前記主軸の支持に前記転がり軸受と併用される磁気軸受を有し 前記転がり軸受がラジアル負荷を支持し、 前記磁気軸受がアキシアル負荷 と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、
前記磁気軸受を構成する電磁石は前記主軸に設けられた強磁性体からなる フランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、 前記スピンドルハウジ ングに取付けられており、
前記アキシアルギャップモータのモータロータが、 前記スラスト板とこの スラスト板に周方向に等ピッチで設けられた複数個の永久磁石とで構成され 前記モータロータと対向してモータコイルを有するモータステータが前記 スピンドルハウジングに設置され、
コンプレツサ側翼車およびタービン側翼車が前記主軸に取り付けられ、 前記スピンドルハウジング内に摺動自在に嵌合する軸受箱を備え、 前記主 軸一端側および他端側の転がり軸受のうち、 いずれか一方の転がり軸受は、 前記軸受箱内に圧入または接着により固定されており、
前記軸受箱とスピンドルハウジングとの嵌合面に、 軸方向に離れて一対の 弾性シール材を介在させ、 これら一対の弾性シール材と、 前記軸受箱と、 前 記スピンドルハウジングとで形成される空間に高粘性材を封入し、
前記軸受箱を、 この軸受箱が設けられている側の主軸一端部と反対側の他 端部側の向きに付勢することにより前記転がり軸受に予圧を与える予圧用ば ねを設けた空気サイクル冷凍機用タービンュニット。
[2] 請求項 1において、 前記弾性シール材は Oリングである空気サイクル冷凍 機用タービンュニット。
[3] 請求項 1において、 前記高粘性材は、 高温用ふつ素系グリスである空気サ ィクル冷凍機用タービンュニット。
[4] 請求項 1において、 流入空気に対して、 前記タービンュニットのコンプレ 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張タ 一ビンによる断熱膨張、 もしくは予圧縮手段による圧縮、 熱交換器による冷 却、 前記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張タービンによる断熱膨張、 を順次行う空 気サイクル冷凍機に用いられるものである空気サイクル冷凍機用タービンュ ニット。
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