WO2008015777A1 - Air cycle refrigerating machine turbine unit - Google Patents

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turbine
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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 现 曞
空気サむクル冷凍機甚タヌビンュニッ卜
技術分野
[0001 ] 本発明は、 空気サむクル冷凍冷华甚タヌビンュニッ卜に関し、 特に、 転が り軞受ず磁気軞受を䜵甚し、 磁気軞受がアキシアル負荷ず軞受予圧のどちら か䞀方たたは䞡方を支持するようにしたモヌタヌ䜓型磁気軞受装眮を装備す る空気サむクル冷凍機甚タヌビンュニッ卜に関する。
[0002] 空気サむクル冷凍冷华システムは、 冷媒ずしお空気を甚いるため、 フロン やアンモニアガス等を甚いる堎合に比べお゚ネルギヌ効率が䞍足するが、 環 境保護の面では奜たしい。 たた、 冷凍倉庫等のように、 冷媒空気を盎接に吹 き蟌むこずができる斜蚭では、 庫内ファンやデフロス卜の省略等によっおト —タルコストを匕䞋げられる可胜性があり、 このような甚途で空気サむクル 冷凍冷华システムが提案されおいる 䟋えば特蚱文献 1 ) 。
[0003] たた、 _ 3 0 °C〜― 6 0 °Cのディ _プ■ コヌル領域では、 空気冷华の理論 効率は、 フロンやアンモニアガスず同等以䞊になるこずが知られおいる。 た だし、 䞊蚘空気冷华の理論効率を埗るこずは、 最適に蚭蚈された呚蟺装眮が あっお、 始めお成り立぀ずも述べられおいる。 呚蟺装眮は、 圧瞮機や膚匵タ —ビン等である。
圧瞮機 膚匵タヌビンずしおは、 コンプレッサ翌車および膚匵タヌビン翌 車を共通の䞻軞に取付けたタヌビンュニッ卜が甚いられおいる 特蚱文献 1
) o
[0004] なお、 プロセスガスを凊理するタヌビン■ コンプレッサずしおは、 䞻軞の 䞀端にタヌビン翌車、 他端にコンプレッサ翌車を取付け、 前蚘䞻軞を電磁石 の電流で制埡するゞャヌナルおよびスラスト軞受で支承した磁気軞受匏タヌ ビン■ コンプレッサが提案されおいる 特蚱文献 2 ) 。
たた、 ガスタヌビン゚ンゞンにおける提案ではあるが、 䞻軞支持甚の転が り軞受に䜜甚するスラスト荷重が軞受寿呜の短瞮を招くこずを回避するため 、 転がり軞受に䜜甚するスラスト荷重をスラスト磁気軞受により䜎枛するこ ずが提案されおいる 特蚱文献 3 ) 。
特蚱文献 1 特蚱第 2 6 2 3 2 0 2号公報
特蚱文献 2特開平 7— 9 1 7 6 0号公報
特蚱文献 3特開平 8 _ 2 6 1 2 3 7公報
[0005] 䞊蚘のように、 空気サむクル冷凍冷华システムずしお、 ディ _プ ' コヌル 領域で高効率ずなる空気冷华の理論効率を埗るためには、 最適に蚭蚈された 圧瞮機や膚匵タ䞀ビンが必芁ずなる。
圧瞮機 膚匵タヌビンずしおは、 䞊蚘のようにコンプレッサ翌車および膚 匵タヌビン翌車を共通の䞻軞に取付けたタヌビンュニッ卜が甚いられおいる
。 このタヌビンナニットは、 膚匵タ䞀ビンの生じる動力によりコンプレッサ 翌車を駆動できるこずで空気サむクル冷凍機の効率を向䞊させおいる。
[0006] しかし、 実甚的な効率を埗るためには、 各翌車ずハりゞングずの隙間を埮 小に保぀必芁がある。 この隙間の倉動は、 安定した高速回転の劚げずなり効 率の䜎䞋を招く。
たた、 コンプレッサ翌車やタヌビン翌車に䜜甚する空気により、 䞻軞にス ラスト力が䜜甚し、 䞻軞を支持する軞受にスラスト荷重が負荷される。 空気 サむクル冷凍冷华システムにおけるタヌビンナニットの䞻軞の回転速床は、 1分間に 8䞇〜 1 0䞇回転であり、 䞀般的な甚途の軞受に比べお非垞に高速 ずなる。 そのため、 䞊蚘のようなスラスト荷重は、 䞻軞を支持する軞受の長 期耐久性の䜎䞋、 寿呜䜎䞋を招き、 空気サむクル冷凍冷华甚タヌビンュニッ トの信頌性を䜎䞋させる。 このような軞受の長期耐久性の課題を解消しなく おは、 空気サむクル冷凍冷华甚タヌビンナニットの実甚化が難しい。 しかし 、 䞊蚘特蚱文献 1に開瀺の技術は、 この高速回転䞋におけるスラスト荷重の 負荷に察する軞受の長期耐久性の䜎䞋に぀いおは解決されるに至っおいない
[0007] 特蚱文献 2の磁気軞受匏タヌビン■ コンプレッサのように、 䞻軞を磁気軞 受からなるゞャヌナル軞受およびスラスト軞受で支承したものでは、 ゞャヌ ナル軞受にアキシアル方向の芏制機胜がない。 そのため、 スラスト軞受の制 埡の䞍安定芁因等があるず、 䞊蚘翌車ずディフュヌザ間の埮小隙間を保っお 安定した高速回転を行うこずが難しい。 磁気軞受の堎合は、 電源停止時にお ける接觊の問題もある。
[0008] そこで、 䞻軞の支持に転がり軞受ずスラスト支持甚の磁気軞受を䜵甚し、 か぀磁気軞受のスラスト板をモヌタロヌタずしお甚いるモヌタ䞀䜓型の磁気 軞受装眮を提案した 䟋えば、 特願 2 0 0 5 - 3 5 6 0 3 5号 。
これによるず、 䞻軞にかかるスラスト力を磁気軞受で支持するため、 非接 觊でトルクの増倧を抑えながら、 転がり軞受に䜜甚するスラストカを軜枛す るこずができる。 その結果、 各翌車ずハりゞングずの埮小隙間を䞀定に保぀ こずができ、 スラスト荷重の負荷に察する転がり軞受の長期耐久性を向䞊さ せるこずができる。 たた、 磁気軞受ずモヌタロヌタの䞀䜓化により、 コンパ ク 卜な構成ずできる。
[0009] 前蚘転がり軞受は、 䞻軞の䞀端偎および他端偎を支持するものが蚭けられ る。 これら転がり軞受は、 各翌車ずハりゞングずの隙間を埮小に保っために 軞方向の䜍眮芏制機胜を有するアンギナラ玉軞受ゃ深溝玉軞受が甚いられる 。 この堎合に、 䞻軞は䞊蚘のように高速回転するものであるため、 熱膚匵が 倧きく、 片方の転がり軞受は、 スピンドルハりゞングに察しお軞方向䜍眮を 自由にする構成がずられる。
しかし、 この自由偎の転がり軞受ず軞受箱の嵌合面、 あるいは軞受箱のス ピンドルハりゞングずの嵌合面においお、 フレツティング摩耗が発生するず いう問題がある。
発明の開瀺
[0010] 本発明の目的は、 スラスト荷重の負荷に察する転がり軞受の長期耐久性を 向䞊させるこずができお、 翌車ずディフナ䞀ザ間の埮小隙間を保぀お安定し た高速回転を行うこずができ、 たたコンパク ト化が図れ、 か぀軞方向移動の 自由偎の転がり軞受にっき、 フレツティング摩耗を防止するこずのできる空 気サむクル冷凍機甚タヌビンナニットを提䟛するこずである。
[001 1 ] 本発明の空気サむクル冷凍機甚タヌビンナニットは、 アキシアルギャップ モヌタの動力ずタヌビン偎翌車で発生した動力のどちらか䞀方たたは䞡方に より、 コンプレッサ偎翌車を駆動させるタヌビンナニットであっお、 スピン ドルハりゞング内に、 䞻軞の䞀端偎および他端偎を支持する転がり軞受、 お よび前蚘䞻軞の支持に前蚘転がり軞受ず䜵甚される磁気軞受を有し、 前蚘転 がり軞受がラゞアル負荷を支持し、 前蚘磁気軞受がアキシアル負荷ず軞受予 圧のどちらか䞀方たたは䞡方を支持し、 前蚘磁気軞受を構成する電磁石は前 蚘䞻軞に蚭けられた匷磁性䜓からなるフランゞ状のスラスト板に非接觊で察 向するように、 前蚘スピンドルハりゞングに取付けられおおり、 前蚘アキシ アルギャップモヌタのモヌタロヌタが、 前蚘スラスト板ずこのスラスト板に 呚方向に等ピツチで蚭けられた耇数個の氞久磁石ずで構成され、 前蚘モヌタ ロヌタず察向しおモヌタコむルを有するモヌタステ䞀タが前蚘スピンドルハ りゞングに蚭眮され、 コンプレッサ偎翌車およびタヌビン偎翌車が前蚘䞻軞 に取り付けられ、 次の構成を備える。 すなわち、 前蚘スピンドルハりゞング 内に摺動自圚に嵌合する軞受箱を備え、 前蚘䞻軞䞀端偎および他端偎の転が り軞受のうち、 いずれか䞀方の転がり軞受は、 前蚘軞受箱内に圧入たたは接 着により固定されおおり、 これら軞受箱ずスピンドルハりゞングずの嵌合面 に、 軞方向に離れお䞀察の匟性シヌル材を介圚させ、 これら䞀察の匟性シ䞀 ル材ず、 前蚘軞受箱ず、 前蚘スピンドルハりゞングずで圢成される空間に高 粘性材を封入し、 前蚘軞受箱を、 この軞受箱が蚭けられおいる偎の䞻軞䞀端 郚ず反察偎の他端郚偎の向きに付勢するこずにより前蚘転がり軞受に予圧を 䞎える予圧甚ばねを蚭けたものである。
この構成によるず、 転がり軞受ず磁気軞受を䜵甚し、 転がり軞受がラゞア ル負荷を支持し、 磁気軞受がアキシアル負荷ず軞受予圧のどちらか䞀方たた は䞡方を支持するものであるため、 アキシアル方向の粟床の良い支持が行え 、 たた転がり軞受の長期耐久性が確保できる。 そのため、 翌車ずディフュヌ ザ間の埮小隙間を保っお安定した高速回転を行うこずができる。 磁気軞受の みの支持の堎合における電源停止時の損傷も回避される。 たた、 磁気軞受の 電磁石に察向させるスラスト板にモヌタロヌタの氞久磁石を蚭けたため磁気 軞受ずモヌタずの郚品兌甚によっおコンパク ト化される。
䞻軞を支持する䞡偎の転がり軞受のうち、 片方の軞受は、 この軞受を固定 した軞受箱をスピンドルハりゞングに察しお摺動自圚ずするため、 䞻軞が高 速回転による摩擊熱等で熱膚匵しおも、 その膚匵を蚱容しお䞻軞を支持する こずができる。 この堎合に、 この自由偎の転がり軞受は、 軞受箱に圧入たた は接着により固定するため、 軞受倖茪にフレツティング摩耗が生じるこずが 防止される。 軞受箱ずスピンドルハりゞ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、 これら軞受箱ずスピンドルハりゞングの間には、 匟 性シヌル材を蚭けお高粘性材を封入したため、 ダンピング䜜甚が埗られ、 フ レツティング摩耗の発生が防止される。
[0013] 前蚘軞受箱ずスピンドルハりゞングの間に介圚させる匟性シヌル材は、 䟋 えば Oリングずおも良い。 Oリングは、 優れたシヌル性胜が埗られ、 たた安 䟡に入手できる。
[0014] 前蚘高粘性材は、 高枩甚ふ぀玠系グリスであっおも良い。 ふ぀玠系グリス によるず、 優れた高粘性が埗られる。 たた、 軞受箱は䞻軞の高速回転による 転がり軞受の枩床䞊昇によっお高枩になるが、 高枩甚のグリスであるず、 熱 劣化の問題が解消される。
[0015] 本発明の空気サむクル冷凍機甚タヌビンュニットは、 流入空気に察しお、 前蚘タヌビンュニッ卜のコンプレッサによる圧瞮、 他の熱亀換噚による冷华 、 前蚘タヌビンナニットの膚匵タヌビンによる断熱膚匵、 もしくは予圧瞮手 段による圧瞮、 熱亀換噚による冷华、 前蚘タヌビンナニットのコンプレッサ による圧瞮、 他の熱亀換噚による冷华、 前蚘タヌビンナニットの膚匵タヌビ ンによる断熱膚匵、 を順次行う空気サむクル冷凍冷华システムに適甚された ものであっおも良い。
このような空気サむクル冷凍冷华システムでは、 圧瞮膚匵タ䞀ビンシステ ムにおいお、 各翌車の適切な隙間を保っお䞻軞の安定した高速回転が埗られ 、 か぀軞受の長期耐久性の向䞊、 寿呜の向䞊が埗られるこずから、 圧瞮膚匵 タヌビンシステムの党䜓ずしお、 しいおは空気サむクル冷凍冷华システムの 党䜓ずしおも信頌性が向䞊する。 たた、 空気サむクル冷凍冷华システムのネ ックずなっおいる圧瞮膚匵タヌビンシステムの䞻軞軞受の安定した高速回転 、 長期耐久性、 信頌性が向䞊するこずから、 空気サむクル冷凍冷华システム の実甚化が可胜ずなる。
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䞋の奜適な実斜䟋の説明から、 より 明瞭に理解されるであろう。 しかしながら、 実斜䟋および図面は単なる図瀺 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甚されるべ 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お定たる。 添付図 面においお、 耇数の図面における同䞀の郚品番号は、 同䞀郚分を瀺す。
[図 1 ]本発明の䞀実斜圢態にかかる空気サむクル冷凍機甚タヌビンュニッ卜の 断面図である。
[図 2]同タヌビンュニッ卜における䞻軞の断面図である。
[図 3]同タヌビンュニッ卜に甚いられる磁気軞受甚コントロヌラの䞀䟋を瀺す プロック図である。
[図 4]同タヌビンュニッ卜に甚いられるモヌタ甚コントロ䞀ラの䞀䟋を瀺すブ 口ック図である。
[図 5]本発明の䞀実斜圢態にかかる空気サむクル冷凍機甚タヌビンュニッ卜の 断面図である。
[図 6]䞊蚘タヌビンュニットを適甚した空気サむクル冷凍冷华システムの系統 図である。
[図 7]本発明ずは基本構成が異なる応甚技術に係る空気サむクル冷凍機甚タヌ ビンュニッ卜の第 1構成䟋を瀺す断面図である。
[図 8]図 7の構成䟋における䞻軞の断面図である。
[図 9]同第 2構成䟋の断面図である。
発明を実斜するための最良の圢態
[0017] 本発明の第 1の実斜圢態を図 1ないし図 4ず共に説明する。 図 1は、 この 実斜圢態の空気サむクル冷凍機甚タヌビンュニット 5の断面図を瀺す。 この タヌビンュニット 5は圧瞮膚匵タヌビンシステムを構成するものであり、 コ ンプレッサ 6および膚匵タヌビン 7を有し、 コンプレッサ 6のコンプレッサ 翌車 6 aおよび膚匵タヌビン 7のタヌビン翌車 7 aが䞻軞 1 3の䞡端にそれ ぞれ嵌合しおいる。 䞻軞 1 3の材料には、 磁気特性の良奜な䜎炭玠鋌が䜿甚 される。
[0018] 図 1においお、 コンプレッサ 6は、 コンプレッサ翌車 6 aず埮小の隙間 d
1を介しお察向するコンプレッサハりゞング 6 bを有し、 䞭心郚の吞蟌口 6 cから軞方向に吞入した空気を、 コンプレッサ翌車 6 aで圧瞮し、 倖呚郚の 出口 図瀺せず から矢印 6 dで瀺すように排出する。
膚匵タヌビン 7は、 タヌビン翌車 7 aず埮小の隙間 d 2を介しお察向する タヌビンハりゞング 7 bを有し、 倖呚郚から矢印 7 cで瀺すように吞い蟌ん だ空気を、 タヌビン翌車 7 aで断熱膚匵させ、 䞭心郚の排出口 7 dから軞方 向に排出する。
[001 9] このタヌビンナニット 5におけるモヌタ䞀䜓型の磁気軞受装眮は、 䞻軞 1 3をラゞアル方向に察し耇数の転がり軞受 1 5 , 1 6で支持し、 䞻軞 1 3に かかるアキシアル負荷ず軞受予圧のどちらか䞀方たたは䞡方を磁気軞受であ る電磁石 1 7により支持するず共に、 䞻軞 1 3を回転駆動するアキシアルギ ダップ型のモヌタ 2 8を蚭けたものである。 このタヌビンナニット 5は、 äž» 軞 1 3に䜜甚するスラスト力を怜出するセンサ 1 8ず、 このセンサ 1 8の出 力に応じお前蚘電磁石 1 7による支持力を制埡する磁気軞受甚コントロヌラ 1 9ず、 電磁石 1 7ずは独立に前蚘モヌタ 2 8を制埡するモヌタ甚コント口 —ラ 2 9ずを有しおいる。 センサ 1 8は、 円呚方向に䟋えば 1 8 0 ° 離れた 2箇所に蚭けられおいる。
電磁石 1 7は、 䞻軞 1 3の軞方向䞭間郚においお軞方向に䞊ぶように䞻軞 1 3に垂盎か぀同軞に蚭けられた匷磁性䜓からなるフランゞ状の 2぀のスラ スト板 1 3 a , 1 3 bの各片面に非接觊で察向するように、 䞀察のものがス ピンドルハりゞング 1 4に蚭眮されおいる。 具䜓的には、 磁気軞受ュニット を構成する䞀方の電磁石 1 7は、 膚匵タヌビン 7寄りに䜍眮するスラスト板 1 3 aの膚匵タヌビン 7偎に向く片面を電磁石タヌゲットずしお、 この片面 に非接觊で察向するようにスピンドルハりゞング 1 4に蚭眮される。 たた、 磁気軞受ナニットを構成する他方の電磁石 1 7は、 コンプレッサ 6寄りに䜍 眮するスラスト板 1 3 bのコンプレッサ 6偎に向く片面を電磁石タ䞀ゲット しお、 この片面に非接觊で察向するようにスピンドルハりゞング 1 4に蚭眮 される。
[0020] モヌタ 2 8は、 前蚘電磁石 1 7ず䞊んで䞻軞 1 3に蚭けられたモヌタ口䞀 タ 2 8 aず、 このモヌタロヌタ 2 8 aに察し軞方向に察向するモヌタステ䞀 タ 2 8 bずでなるモヌタュニットである。 具䜓的には、 モヌタュニッ卜の䞀 郚品を構成するモヌタロヌタ 2 8 aは、 䞻軞 1 3における前蚘各スラスト板 1 3 a , 1 3 bの電磁石 1 7が察向する偎ずは反察偎の各片面に、 円呚方向 に等ピッチで䞊ぶ氞久磁石 2 8 a aを配眮するこずで巊右䞀察のものが構成 される。 このように軞方向に察向配眮される氞久磁石 2 8 a aの間では、 そ の磁極が互いに異極ずなるように蚭定される。 䞻軞 1 3には磁気特性の良奜 な䜎炭玠鋌を䜿甚しおいるので、 䞻軞 1 3ず䞀䜓構造ずなるように蚭けられ る前蚘各スラスト板 1 3 a , 1 3 bを、 氞久磁石 2 8 a aのバックペヌクお よび電磁石タヌゲッ卜に兌甚できる。
[0021 ] このモヌタ 2 8は、 前蚘モヌタロヌタ 2 8 aずモ䞀タステ䞀タ 2 8 b間に 䜜甚する口䞀レンツ力により、 䞻軞 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ヌタ 2 8はコアレスモヌタずされおいるこずから、 モヌタロヌタ 2 8 aずモ䞀タステ䞀タ 2 8 b間の磁気力ップリングによる負 の剛性はれロずなっおいる。
[0022] 䞻軞 1 3は、 䞭間郚の倧埄郚 1 3 cず、 䞡端郚の小埄郚 1 3 dずを有する 段付き軞ずされおいる。 䞡偎の転がり軞受 1 5 , 1 6は、 その内茪 1 5 a , 1 6 aが小埄郚 1 3 dに圧入状態に嵌合し、 片方の幅面が倧埄郚 1 3 cず小 埄郚 1 3 d間の段差面に係合する。
スピンドルハりゞング 1 4における䞡偎の転がり軞受 1 5 , 1 6よりも各 翌車 6 a , 7 a偎の郚分は、 内埄面が䞻軞 1 3に近接する埄に圢成され、 こ の内埄面に非接觊シヌル 図瀺せず が圢成されおいる。
前蚘転がり軞受 1 5 , 1 6は、 アキシアル方向䜍眮の芏制機胜を有するも のであり、 アンギナラ玉軞受が甚いられおいる。 転がり軞受 1 5 , 1 6は、 この他に深溝玉軞受等であっおも良い。
[0023] 前蚘センサ 1 8は、 タヌビン翌車 7 a偎の軞受 1 6の近傍における静止偎 、 ぀たりスピンドルハりゞング 1 4偎に蚭けられおいる。 このセンサ 1 8を 近傍に蚭けた軞受 1 6は、 その倖茪 1 6 bが軞受箱 2 3内に固定状態に嵌合 しおいる。 軞受箱 2 3は、 リング状に圢成されお䞀端に軞受 1 6の倖茪 1 6 bの幅面に係合する内鍔 2 3 aを有しおおり、 スピンドルハりゞング 1 4に 蚭けられた内埄面 2 4にアキシアル方向に移動自圚に嵌合しおいる。 内鍔 2 3 aは、 アキシアル方向の䞭倮偎端に蚭けられおいる。
[0024] センサ 1 8は䞻軞 1 3の回りの円呚方向耇数箇所 䟋えば 2箇所 に分配 配眮され、 軞受箱 2 3の内鍔 2 3 a偎の幅面ず、 スピンドルハりゞング 1 4 に固定された郚材である片方の電磁石 1 7ずの間に介圚させおある。 たた、 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おいる。 センサ予 圧ばね 2 5は、 スピンドルハりゞング 1 4に蚭けられた収容凹郚内に収容さ れお軞受 1 6の倖茪 1 6 bをアキシアル方向に付勢するものずされ、 倖茪 1 6 bおよび軞受箱 2 3を介しおセンサ 1 8を予圧する。 センサ予圧ばね 2 5 は、 䟋えば䞻軞 1 3の回りの円呚方向耇数箇所に蚭けられたコむルばね等か らなる。
[0025] センサ予圧ばね 2 5による予圧は、 抌し付け力によっおスラスト力を怜出 するセンサ 1 8力 䞻軞 1 3のアキシアル方向のいずれの向きの移動に察し おも怜出できるようにするためであり、 タヌビンュニット 5の通垞の運転状 態で䞻軞 1 3に䜜甚する平均的なスラストカ以䞊の倧きさずされる。
[0026] センサ 1 8の非配眮偎の転がり軞受 1 5は、 スピンドルハりゞング 1 4に 察しアキシアル方向に移動自圚に蚭眮され、 か぀予圧甚ばね 2 6によっお匟 性支持されおいる。 具䜓的には、 図 2に拡倧しお瀺すように蚭眮される。 転 がり軞受 1 5の倖茪 1 5 bは、 軞受箱 4 1内に圧入たたは接着により固定さ れる。 軞受箱 4 1は、 内埄面が段付き面ずされ、 その段面 4 1 aに倖茪 1 5 bの幅面が係合する状態に、 䞊蚘倖茪 1 5 bの固定が行われる。
[0027] 軞受箱 4 1は、 スピンドルハりゞング 1 4内の円筒状嵌合面 1 4 aに、 äž» 軞軞方向に摺動自圚に嵌合させる。 これら軞受箱 4 1 ずスピンドルハりゞン グ 1 4の嵌合面には、 軞方向に離れお䞀察の匟性シヌル材 4 2を介圚させ、 これら䞀察の匟性シヌル材 4 2の間で、 軞受箱 4 1 ずスピンドルハりゞング 1 4間の隙間に高粘性材 4 3を封入する。 高粘性材 4 3ずしおは、 䟋えば、 高枩甚ふ぀玠系グリス等が甚いられる。 匟性シヌル材 4 3は、 䟋えば Oリン グからなり、 軞受箱 4 1の倖呚面に蚭けたシヌル嵌合溝内に嵌合させる。 軞 受箱 4 1の倖呚面における䞡偎のシヌル溝間の郚分は、 䞡端郚分よりも小埄 ずし、 高粘性材 4 3を封入する容量を拡倧しおいる。
[0028] 軞受箱 4 1は、 この軞受箱 4 1が蚭けられた䞻軞端郚ず反察偎ぞ、 予圧甚 ばね 2 6によっお付勢される。 予圧甚ばね 2 6は、 定䜍眮予圧甚のものであ ぀お、 軞受箱 4 1の幅面に接するリング状の抌し郚材 4 4を介しお軞受箱 4 1を付勢する。 スピンドルハりゞング 1 4には、 抌し郚材 4 4の幅面を圓接 させる芏制面 1 4 bを有しおおり、 䞻軞 1 3の非熱膚匵状態、 および熱膚匵 がある皋床小さい状態では、 抌し郚材 4 4はスピンドルハりゞング 1 4の芏 制面 1 4 bに接觊し、 予圧甚ばね 2 6によっお定䜍眮予圧を䞡偎の転がり軞 受 1 5 , 1 6に䞎える。 高枩になっお䞻軞 1 3の熱膚匵が倧きくなるず、 図 2のように抌し郚材 4 4の幅面が芏制面 1 4 bから離れる。 なお、 予圧甚ば 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ずされる
[0029] 䞊蚘タヌビンュニット 5におけるモヌタ䞀䜓型の磁気軞受装眮の力孊モデ ルは簡単なパネ系で構成するこずができる。 すなわち、 このパネ系は、 軞受 1 5 , 1 6ずこれら軞受の支持系 センサ予圧ばね 2 5、 軞受予圧ばね 2 6 、 軞受箱 2 3 , 4 1など ずで圢成される合成パネず、 モヌタ郚 電磁石 1 7ずモヌタ 2 8 ) で圢成される合成パネずが䞊列ずなった構成である。 この バネ系においお、 軞受 1 5 , 1 6ずこれら軞受の支持系ずで圢成される合成 パネは、 倉䜍した方向ず逆の方向に倉䜍量に比䟋しお䜜甚する剛性ずなるの に察し、 電磁石 1 7ずモヌタ 2 8ずで圢成される合成パネは、 倉䜍した方向 に倉䜍量に比䟋しお䜜甚する負の剛性ずなる。
このため、 䞊蚘した䞡合成パネの剛性の倧小関係を、
軞受等による合成パネの剛性倀 <電磁石■モヌタによる合成パネの負の剛 性倀  1 ) ずした堎合、 機械システムの䜍盞は 1 8 0 ° 遅れずなり䞍安定 な系ずなるこずから、 電磁石 1 7を制埡する磁気軞受甚コントロヌラ 1 9に おいお、 予め䜍盞補償回路を付加する必芁が生じ、 コントロヌラ 1 9の構成 が耇雑なものになる。
[0030] そこで、 この実斜圢態のモヌタ䞀䜓型の磁気軞受装眮では、 䞊蚘した䞡合 成パネの剛性の倧小関係を、
軞受等による合成パネの剛性倀 >電磁石■モヌタによる合成パネの負の剛 性倀  2 ) ずしおいる。 ずくに、 このモヌタ䞀䜓型の磁気軞受装眮では、 䞊蚘したようにアキシアルギャップ型のモヌタ 2 8をコアレスモヌタずしお いるので、 モヌタ 2 8に䜜甚する負の剛性倀をれロずするこずができ、 モヌ タ 2 8が高負荷動䜜し過倧なアキシアル荷重が䜜甚した状態においおも䞊蚘 ( 2 ) 匏の倧小関係を保぀こずができる。
その結果、 制埡垯域においお、 機械システムの䜍盞が 1 8 0 ° 遅れずなる こずを防止できるので、 モヌタ 2 8が高負荷動䜜し過倧なアキシアル荷重が 䜜甚した状態でも磁気軞受甚コントロヌラ 1 9の制埡察象を安定なものずで き、 コントロヌラ 1 9の回路構成を図 2のように比䟋もしくは比䟋積分を甚 いた簡単なものに構成できる。
[0031 ] ブロック図で瀺す図 3の磁気軞受甚コントロヌラ 1 9では、 各センサ 1 8 の怜出出力 P 1 , P 2をセンサ出力挔算回路 3 0で加枛算し、 その挔算結果 を比范噚 3 1で基準倀蚭定手段 3 2の基準倀ず比范しお偏差を挔算し、 さら に挔算した偏差を P I補償回路 もしくは P補償回路 3 3によりタヌビン ナニット 5に応じお適宜蚭定される比䟋積分 もしくは比䟋 凊理を行うこ ずで、 電磁石 1 7の制埡信号を挔算するようにしおいる。 P I補償回路 も しくは P補償回路 3 3の出力は、 ダむオヌド 3 4 , 3 5を介しお各方向の 電磁石 1 7 1 , 1 7 2 を駆動するパワヌ回路 3 6 , 3 7に入力される。 電磁 石 1 7 1 , 1 7 2 は、 図 1に瀺したスラスト板 1 3 aに察向する䞀察の電磁 石 1 7であり、 吞匕力しか䜜甚しないため、 予めダむオヌド 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 を遞択的に駆動するようにし おいる。
[0032] 同じくブロック図で瀺す図 4のモヌタ甚コントロヌラ 2 9では、 回転同期 指什信号を基に、 モヌタロヌタ 2 8 aの回転角をフィヌドバック信号ずしお 䜍盞調敎回路 3 8でモヌタ駆動電流の䜍盞調敎が行われ、 その調敎結果に応 じたモヌタ駆動電流をモヌタ駆動回路 3 9からモヌタステ䞀タ 2 8 bに䟛絊 するこずによっお、 定回転制埡が行われる。 前蚘回転同期指什信号は、 モヌ タロヌタ 2 8 aに蚭けられた回転角床怜出センサ 図瀺せず の出力に応じ お挔算される。
[0033] この構成のタヌビンュニット 5は、 空気サむクル冷凍冷华システムに適甚 されお、 冷华媒䜓ずなる空気を埌段の熱亀換噚 ここでは図瀺せず により 効率良く熱亀換できるように、 コンプレッサ 6で圧瞮しお枩床䞊昇させ、 さ らに埌段の前蚘熱亀換噚で冷华された空気を、 膚匵タヌビン 7により、 目暙 枩床、 䟋えば— 3 0 °C〜䞀 6 0 °C皋床の極䜎枩たで断熱膚匵により冷华しお 排出するように䜿甚される。
このような䜿甚䟋においお、 このタヌビンナニット 5は、 コンプレッサ翌 車 6 aおよびタヌビン翌車 7 a力 前蚘スラスト板 1 3 aずモヌタロヌタ 2 8 aず共通の䞻軞 1 3に嵌合し、 モヌタ 2 8の動力ずタヌビン翌車 7 aで発 生した動力のどちらか䞀方たたは䞡方によりコンプレッサ翌車 6 aを駆動す るものずしおいる。 このため、 各翌車 6 a , 7 aの適切な隙間 d 1 , d 2を 保っお䞻軞 1 3の安定した高速回転が埗られ、 か぀転がり軞受 1 5 , 1 6の 長期耐久性の向䞊、 寿呜の向䞊が埗られる。
[0034] すなわち、 タヌビンナニット 5の圧瞮 膚匵の効率を確保するためには、 各翌車 6 a , 7 aずハりゞング 6 b , 7 13ずの隙間01 1 , d 2を埮小に保぀ 必芁がある。 䟋えば、 このタヌビンナニット 5を空気サむクル冷凍冷华シス テムに適甚する堎合には、 この効率確保が重芁ずなる。 これに察しお、 䞻軞 1 3を玉軞受圢匏の転がり軞受 1 5 , 1 6により支持するため、 転がり軞受 の持぀アキシアル方向䜍眮の芏制機胜により、 䞻軞 1 3のアキシアル方向䜍 眮がある皋床芏制され、 各翌車 6 a , 7 aずハりゞング 6 b , 7 bずの埮小 隙間 d 1 , d 2を䞀定に保぀こずができる。
[0035] しかし、 タヌビンナニット 5の䞻軞 1 3には、 各翌車 6 a , 7 aに䜜甚す る空気の圧力でスラスト力がかかる。 たた、 空気冷华システムで䜿甚するタ —ビンュニット 5では、 1分間に䟋えば 8䞇〜 1 0䞇回転皋床の非垞に高速 の回転ずなる。 そのため、 䞻軞 1 3を回転支持する転がり軞受 1 5 , 1 6に 䞊蚘スラスト力が䜜甚するず、 転がり軞受 1 5 , 1 6の長期耐久性が䜎䞋す る。
この実斜圢態は、 䞊蚘スラスト力を電磁石 1 7で支持するため、 非接觊で トルクの増倧を抑えながら、 䞻軞 1 3の支持甚の転がり軞受 1 5 , 1 6に䜜 甚するスラスト力を軜枛するこずができる。 この堎合に、 䞻軞 1 3に䜜甚す るスラスト力を怜出するセンサ 1 8ず、 このセンサ 1 8の出力に応じお前蚘 電磁石 1 7による支持力を制埡する磁気軞受甚コントロヌラ 1 9ずを蚭けた ため、 転がり軞受 1 5 , 1 6を、 その軞受仕様に応じおスラスト力に察し最 適な状態で䜿甚するこずができる。
特に、 軞方向に䞊べお䞻軞 1 3に蚭けられた 2぀のスラスト板 1 3 a , 1 3 bの軞方向倖偎に 2぀の電磁石 1 7を配眮しお磁気軞受ュニットを構成す るず共に、 前蚘䞡スラスト板 1 3 a , 1 3 bで挟たれる䜍眮にアキシアルギ ダップ型のモヌタ 2 8を配眮しおモヌタュニットを構成するこずにより、 磁 気軞受ュニッ卜ずモヌタュニットをコンパク 卜な䞀䜓構造ずしおいるため、 䞻軞 1 3の軞長を短くでき、 それだけ䞻軞 1 3の固有振動数が高くな぀お、 䞻軞 1 3を高速回転させるこずができる。
[0036] たた、 このタヌビンナニット 5は、 䞻軞 1 3を支持する䞡偎の転がり軞受
1 5 , 1 6のうち、 片方の転がり軞受 1 5は、 図 2のように、 この軞受 1 5 を固定した軞受箱 4 1をスピンドルハりゞング 1 4に察しお摺動自圚ずする ため、 䞻軞 1 3が高速回転による摩擊熱等で熱膚匵しおも、 その膚匵を蚱容 しお䞻軞 1 3を支持するこずができる。 この堎合に、 この自由偎の転がり軞 受 5は、 軞受箱 4 1に圧入たたは接着により固定するため、 軞受倖茪 1 5 b にフレツティング摩耗が生じるこずが防止される。
軞受箱 4 1 ずスピンドルハりゞング 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、 これら軞受箱 4 1 ずスピンドルハりゞング 1 4の間に は、 匟性シヌル材 4 2を蚭けお高粘性材 4 3を封入したため、 ダンピング䜜 甚が埗られ、 フレツティング摩耗の発生が防止される。 軞受箱 4 1は、 でき るだけ倖埄が倧きなものずするこずが奜たしく、 これにより軞受箱 4 1の質 量が倧きくなり、 ダンピング特性が優れたものずなる。
[0037] 前蚘軞受箱 4 1 ずスピンドルハりゞング 1 4間の匟性シヌル材 4 2には O リングを甚いたが、 Oリングは、 優れたシヌル性胜が埗られ、 たた安䟡に入 手できる。 高粘性材 4 3ずしおふ぀玠系グリスを甚いた堎合、 優れた高粘性 が埗られる。 たた、 軞受箱 4 1は䞻軞 1 3の高速回転による転がり軞受 1 5 の枩床䞊昇によっお高枩になるが、 高枩甚のグリスであるず、 熱劣化の問題 が解消される。
[0038] 図 5はタヌビンナニット 5の他の実斜圢態を瀺す。 このタヌビンナニット 5は、 図 1に瀺す実斜圢態においお、 䞻軞 1 3に垂盎か぀同軞に蚭けられた 匷磁性䜓からなるフランゞ状のスラスト板を 1぀だけずしお、 このスラスト 板 1 3 aを電磁石タヌゲットずしお、 その䞡面に非接觊で察向するように、 巊右䞀察の電磁石 1 7 , 1 7がスピンドルハりゞング 1 4に蚭眮されおいる
[0039] モヌタ 2 8は、 䞻軞 1 3に蚭けられたモヌタロヌタ 2 8 aず、 このモヌタ ロヌタ 2 8 aに察し軞方向に察向するモ䞀タステ䞀タ 2 8 bずでなる。 モヌ タロヌタ 2 8 aは、 前蚘スラスト板 1 3 aの䞡面における前蚘電磁石 1 7の 察向䜍眮よりも倖埄偎に、 円呚方向に等ピッチで䞊ぶ氞久磁石 2 8 a aを配 眮するこずで巊右䞀察のものが構成される。 このように軞方向に察向配眮さ れる氞久磁石 2 8 a aの間では、 その磁極が互いに異極ずなるように蚭定さ れる。 スラスト板 1 3 aは氞久磁石 2 8 a aのバックペヌクを兌ねる。 モ䞀タステ䞀タ 2 8 bは、 前蚘スラスト板 1 3 aの䞡面のモヌタロヌタ 2 8 aに非接觊で察向するように、 スピンドルハりゞング 1 4に蚭眮される匷 磁性䜓 䟋えば䜎炭玠鋌およびケィ玠鋌板 からなる䞀察のステヌタペヌク 2 8 b bに、 それぞれモヌタコむル b aを巻回するこずで巊右䞀察のものが 構成される。 このようにしお前蚘スラスト板 1 3 aを挟んで構成される巊右 2個のモヌタ 2 8は、 前蚘モヌタロヌタ 2 8 aずモ䞀タステ䞀タ 2 8 b間に 䜜甚する磁気力により、 䞻軞 1 3を回転させる。 この堎合、 スラスト板 1 3 aにおけるモヌタロヌタ 2 8 bの䜍眮を、 電磁石 1 7の察向䜍眮よりも倖埄 偎ずしおいるので、 少ないモヌタ駆動電流でより倧きいトルクを埗るこずが できる。 その他の構成は図 1の実斜圢態の堎合ず同様であり、 ここではその 説明を省略する。
[0040] 図 6は、 䞊蚘タヌビンナニット 5を甚いた空気サむクル冷凍冷华システム の党䜓の構成を瀺す。 この空気サむクル冷凍冷华システムは、 冷凍倉庫等の 被冷华空間 1 0の空気を盎接に冷媒ずしお冷华するシステムであり、 被冷华 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に至る空気埪 環経路 1を有しおいる。 この空気埪環経路 1に、 予圧瞮手段 2、 第 1の熱亀 換噚 3、 空気サむクル冷凍冷华甚タヌビンナニット 5のコンプレッサ 6、 第 2の熱亀換噚 3、 䞭間熱亀換噚 9、 および前蚘タヌビンナニット 5の膚匵タ 䞀ビン 7が順に蚭けられおいる。 䞭間熱亀換噚 9は、 同じ空気埪環経路 1内 で取入口 1 aの付近の流入空気ず、 埌段の圧瞮で昇枩し、 冷华された空気ず の間で熱亀換を行うものであり、 取入口 1 aの付近の空気は熱亀換噚 9 a内 を通る。
[0041 ] 予圧瞮手段 2はブロア等からなり、 モヌタ 2 aにより駆動される。 第 1の 熱亀換噚 3および第 2の熱亀換噚 8は、 冷华媒䜓を埪環させる熱亀換噚 3 a , 8 aをそれぞれ有し、 熱亀換噚 3 a , 8 a内の氎等の冷华媒䜓ず空気埪環 経路 1の空気ずの間で熱亀換を行う。 各熱亀換噚 3 a , 8 aは、 冷华塔 1 1 に配管接続されおおり、 熱亀換で昇枩した冷华媒䜓が冷华塔 1 1で冷华され る。 なお、 前蚘予圧瞮手段 2を含たない構成の空気サむクル冷凍冷华システ ムでもよい。
[0042] この空気サむクル冷凍冷华システムは、 被冷华空間 1 0を 0°C〜― 60°C 皋床に保぀システムであり、 被冷华空間 1 0から空気埪環経路 1の取入口 1 aに 0°C〜― 60°C皋床で 1気圧の空気が流入する。 なお、 以䞋に瀺す枩床 および気圧の数倀は、 䞀応の目安ずなる䞀䟋である。 取入口 1 aに流入した 空気は、 䞭間熱亀換噚 9により、 空気埪環経路 1䞭の埌段の空気の冷华に䜿 甚され、 30°Cたで昇枩する。 この昇枩した空気は 1気圧のたたであるが、 予圧瞮手段 2により 1. 4気圧に圧瞮させられ、 その圧瞮により、 70°Cた で昇枩する。 第 1の熱亀換噚 3は、 昇枩した 70°Cの空気を冷华すれば良い ため、 垞枩皋床の冷氎であっおも効率良く冷华するこずができ、 40°Cに冷 华する。
[0043] 熱亀換により冷华された 40°C, 1. 4気圧の空気が、 タヌビンナニット 5のコンプレッサ 6により、 1. 8気圧たで圧瞮され、 この圧瞮により 70 °C皋床に昇枩した状態で、 第 2の熱亀換噚 8により 40°Cに冷华される。 こ の 40°Cの空気は、 䞭間熱亀換噚 9で— 30°Cの空気により— 20°Cたで冷 华される。 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。 䞭間熱亀換噚 9で䞀 20°Cたで冷华された空気は、 タヌビンュニット 5の 膚匵タヌビン 7により断熱膚匵され、 _55°Cたで冷华されお排出口 1 bか ら被冷华空間 1 0に排出される。 この空気サむクル冷凍冷华システムは、 こ のような冷凍サむクルを行う。
[0044] この空気サむクル冷凍冷华システムでは、 タヌビンナニット 5においお、 各翌車 6 a, 7 aの適切な隙間 d 1 , d 2を保っお䞻軞 1 3の安定した高速 回転が埗られ、 か぀軞受 1 5, 1 6の長期耐久性の向䞊、 寿呜の向䞊が埗ら れるこずで、 軞受 1 5, 1 6の長期耐久性が向䞊するこずから、 タヌビンュ ニット 5の党䜓ずしお、 しいおは空気サむクル冷凍冷华システムの党䜓ずし おの信頌性が向䞊する。 このように、 空気サむクル冷凍冷华システムのネッ クずなっおいるタヌビンュニット 5の䞻軞軞受 1 5 , 1 6の安定した高速回 転、 長期耐久性、 信頌性が向䞊するため、 空気サむクル冷凍冷华システムの 実甚化が可胜ずなる。
[0045] 次に、 本発明ずは基本構成が異なる応甚技術である空気サむクル冷凍機甚 タヌビンュニッ卜に぀いお説明する。
[0046] この応甚技術の目的は、 スラスト荷重の負荷に察する転がり軞受の長期耐 久性を向䞊させるこずができお、 翌車ずディフナ䞀ザ間の埮小隙間を保っお 安定した高速回転を行うこずができ、 か぀転がり軞受の最滑寿呜に぀いおも 向䞊が図れる空気サむクル冷凍機甚タヌビンナニットを提䟛するこずである
[0047] 䞊蚘空気サむクル冷凍機甚タヌビンナニットは、 スピンドルハりゞングに 蚭眮されお䞻軞の支持に䜵甚される転がり軞受および磁気軞受を有し、 転が り軞受がラゞアル負荷を支持し、 磁気軞受がアキシアル負荷ず軞受予圧のど ちらか䞀方たたは䞡方を支持し、 前蚘磁気軞受を構成する電磁石は前蚘䞻軞 に蚭けられた匷磁性䜓からなるフランゞ状のスラスト板に非接觊で察向する ように、 前蚘スピンドルハりゞングに取付けられおおり、 アキシアルギダッ プモヌタのモヌタロヌタが、 前蚘スラスト板ずこのスラスト板に呚方向に等 ピッチで蚭けられた耇数個の氞久磁石ずで構成され、 前蚘モヌタロヌタず察 向しおモヌタコむルを有するモヌタステ䞀タが前蚘ハりゞングに蚭眮され、 コンプレツサ偎翌車およびタヌビン偎翌車が前蚘䞻軞に結合され、 アキシァ ルギダップモヌタの動力ずタ䞀ビン偎翌車で発生した動力のどちらか䞀方た たは䞡方により、 コンプレッサ偎翌車を駆動させるタヌビンュニットであり 、 前蚘転がり軞受の端面に隣接しお、 前蚘転がり軞受の軞受空間にグリス溜 たりの開口が察向するグリス溜たり間座を蚭けたものである。
[0048] この構成によるず、 転がり軞受ず磁気軞受を䜵甚し、 転がり軞受がラゞア ル負荷を支持し、 磁気軞受がアキシアル負荷ず軞受予圧のどちらか䞀方たた は䞡方を支持するものであるため、 アキシアル方向の粟床の良い支持が行え 、 たた転がり軞受の転動寿呜に関しおの長期耐久性が確保できる。 そのため 、 翌車ずディフュヌザ間の埮小隙間を保っお安定した高速回転を行うこずが できる。 磁気軞受のみの支持の堎合における電源停止時の損傷も回避される 。 たた、 磁気軞受の電磁石に察向させるスラスト板にモヌタロヌタの氞久磁 石を蚭けたため磁気軞受ずモヌタずの郚品兌甚によっおコンパク ト化される さらに、 転がり軞受に隣接したグリス溜たり間座を蚭けたため、 そのグリ ス溜たりに溜められたグリスが軞受に補絊される。 そのため、 転がり軞受の 最滑寿呜が向䞊し、 転がり軞受の転動寿呜の長期耐久性に応じた最滑寿呜を 埗るこずができる。
[0049] 前蚘グリス溜たり間座は、 前蚘開口の蚭けられた端面が、 前蚘転がり軞受 の倖茪の端面ず隙間なく接しおいおも良い。 倖茪の端面にグリス溜たり間座 の端面が隙間なく接しおいるず、 グリス溜たりのグリスが倖茪ずグリス溜た り間座ずの間から倖郚に挏れるこずが防止される。
[0050] 前蚘グリス溜たり間座のグリス溜たりは、 間座䞭心ず同心の円呚溝状であ ぀お、 この円呚溝状のグリス溜たりの倖埄偎の内呚面が、 開口偎に向かっお 倧埄ずなるテ䞀パ状であっおも良い。 この堎合に、 空気サむクル冷凍機甚タ 䞀ビンュニットは、 䞻軞が略氎平になるように蚭眮される。
䞻軞が氎平であるため、 前蚘グリス溜たりは氎平軞心回りの円呚溝状ずな るが、 このグリス溜たりの円呚䞊における䞋郚においお、 倖埄偎の内呚面が 䞊蚘テヌパ状であるず、 この内呚面に沿぀お内郚のグリスが次第に開口偎ぞ 流れ降りる。 そのため、 グリス溜たり内のグリスが無駄なく軞受内ぞ䟛絊け される。
[0051 ] 䞊蚘タヌビンナニットにおいお、 前蚘転がり軞受の倖茪における前蚘グリ ス溜たり間座ず反察偎の端面を受ける抌さえ蓋を前蚘スピンドルハりゞング に取付けた堎合に、 この抌さえ蓋ずスピンドルハりゞングずの接觊面にシ䞀 ル郚材を介圚させおも良い。
䞊蚘のように抌さえ蓋を蚭けた堎合、 抌さえ蓋ずスピンドルハりゞングず の接觊面からグリスの基油が挏れるこずがあるが、 前蚘接觊面に Oリング等 のシヌル郚材を介圚させるこずで、 グリス基油の挏れが防止される。
[0052] 䞊蚘タヌビンナニットは、 流入空気に察しお、 タヌビンナニットのコンプ レッサによる圧瞮、 他の熱亀換噚による冷华、 前蚘タヌビンナニットの膚匵 タヌビンによる断熱膚匵、 もしくは予圧瞮手段による圧瞮、 熱亀換噚による 冷华、 タヌビンナニットのコンプレッサによる圧瞮、 他の熱亀換噚による冷 华、 前蚘タヌビンナニットの膚匵タヌビンによる断熱膚匵、 を順次行う空気 サむクル冷凍冷华システムに適甚されたものであっおも良い。
このような空気サむクル冷凍冷华システムに適甚した堎合、 圧瞮膚匵タヌ ビンシステムにおいお、 各翌車の適切な隙間を保っお䞻軞の安定した高速回 転が埗られ、 か぀軞受の長期耐久性の向䞊、 寿呜の向䞊が埗られるこずから 、 圧瞮膚匵タヌビンシステムの党䜓ずしお、 しいおは空気サむクル冷凍冷华 システムの党䜓ずしおも信頌性が向䞊する。 たた、 空気サむクル冷凍冷华シ ステムのネックずなっおいる圧瞮膚匵タヌビンシステムの䞻軞軞受の安定し た高速回転、 長期耐久性、 信頌性が向䞊するこずから、 空気サむクル冷凍冷 华システムの実甚化が可胜ずなる。
[0053] 䞊蚘の空気サむクル冷凍機甚タヌビンュニッ卜の第 1の具䜓的な構成䟋を 図 7および図 8ず共に説明する。 図 7は、 この第 1構成䟋の空気サむクル冷 凍機甚タヌビンュニット 5 5の断面図を瀺す。 このタヌビンュニット 5 5は 圧瞮膚匵タヌ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 膚匵タヌビン 5 7を有し、 コンプレッサ 5 6のコンプレッサ翌車 5 6 aおよ び膚匵タヌビン 5 7のタヌビン翌車 5 7 aが䞻軞 6 3の䞡端にそれぞれ嵌合 しおいる。 䞻軞 6 3の材料には、 磁気特性の良奜な䜎炭玠鋌が䜿甚される。
[0054] 図 7においお、 コンプレッサ 5 6は、 コンプレッサ翌車 5 6 aず埮小の隙 間 d 1を介しお察向するコンプレッサハりゞング 5 6 bを有し、 䞭心郚の吞 蟌口 5 6 cから軞方向に吞入した空気を、 コンプレッサ翌車 5 6 aで圧瞮し 、 倖呚郚の出口 図瀺せず から矢印 5 6 dで瀺すように排出する。
膚匵タヌビン 5 7は、 タヌビン翌車 5 7 aず埮小の隙間 d 2を介しお察向 するタヌビンハりゞング 5 7 bを有し、 倖呚郚から矢印 5 7 cで瀺すように 吞い蟌んだ空気を、 タヌビン翌車 5 7 aで断熱膚匵させ、 䞭心郚の排出口 5 7 dから軞方向に排出する。
[0055] このタヌビンナニット 5 5におけるモヌタ䞀䜓型の磁気軞受装眮は、 䞻軞 6 3をラゞアル方向に察し耇数の転がり軞受 6 5 , 6 6で支持し、 䞻軞 6 3 にかかるアキシアル負荷ず軞受予圧のどちらか䞀方たたは䞡方を磁気軞受で ある電磁石 6 7により支持するず共に、 䞻軞 6 3を回転駆動するアキシアル ギャップ型のモヌタ 7 8を蚭けたものである。 このタヌビンュニット 5 5は 、 䞻軞 6 3に䜜甚するスラスト力を怜出するセンサ 6 8ず、 このセンサ 6 8 の出力に応じお前蚘電磁石 6 7による支持力を制埡する磁気軞受甚コント口 —ラ 1 9ず、 電磁石 6 7ずは独立に前蚘モヌタ 7 8を制埡するモヌタ甚コン トロ䞀ラ 2 9ずを有しおいる。 センサ 6 8は、 円呚方向に䟋えば 1 8 0 ° 離 れた 2箇所に蚭けられおいる。
電磁石 6 7は、 䞻軞 6 3の軞方向䞭間郚においお軞方向に䞊ぶように䞻軞 6 3に垂盎か぀同軞に蚭けられた匷磁性䜓からなるフランゞ状の 2぀のスラ スト板 6 3 a , 6 3 bの各片面に非接觊で察向するように、 䞀察のものがス ピンドルハりゞング 6 4に蚭眮されおいる。 具䜓的には、 磁気軞受ナニット を構成する䞀方の電磁石 6 7は、 膚匵タヌビン 5 7寄りに䜍眮するスラスト 板 6 3 aの膚匵タヌビン 5 7偎に向く片面を電磁石タ䞀ゲットずしお、 この 片面に非接觊で察向するようにスピンドルハりゞング 6 4に蚭眮される。 た た、 磁気軞受ナ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 りに䜍眮するスラスト板 6 3 bのコンプレッサ 5 6偎に向く片面を電磁石タ —ゲッ卜しお、 この片面に非接觊で察向するようにスピンドルハりゞング 6 4に蚭眮される。
[0056] モヌタ 7 8は、 前蚘電磁石 6 7ず䞊んで䞻軞 6 3に蚭けられたモヌタ口䞀 タ 7 8 aず、 このモヌタロヌタ 7 8 aに察し軞方向に察向するモヌタステ䞀 タ 7 8 bずでなるモヌタュニットである。 具䜓的には、 モヌタュニッ卜の䞀 郚品を構成するモヌタロヌタ 7 8 aは、 䞻軞 6 3における前蚘各スラスト板 6 3 a , 6 3 bの電磁石 6 7が察向する偎ずは反察偎の各片面に、 円呚方向 に等ピッチで䞊ぶ氞久磁石 7 8 a aを配眮するこずで巊右䞀察のものが構成 される。 このように軞方向に察向配眮される氞久磁石 7 8 a aの間では、 そ の磁極が互いに異極ずなるように蚭定される。 䞻軞 6 3には磁気特性の良奜 な䜎炭玠鋌を䜿甚しおいるので、 䞻軞 6 3ず䞀䜓構造ずなるように蚭けられ る前蚘各スラスト板 6 3 a , 6 3 bを、 氞久磁石 7 8 a aのバックペヌクお よび電磁石タヌゲッ卜に兌甚できる。
[0057] このモヌタ 7 8は、 前蚘モヌタロヌタ 7 8 aずモ䞀タステ䞀タ 7 8 b間に 䜜甚する口䞀レンツ力により、 䞻軞 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ヌタ 7 8はコアレスモヌタずされおいるこずから、 モヌタロヌタ 7 8 aずモ䞀タステ䞀タ 7 8 b間の磁気力ップリングによる負 の剛性はれロずなっおいる。
[0058] 図 7においお、 䞻軞 6 3は、 䞭間郚の倧埄郚 6 3 cず、 䞡端郚の小埄郚 6 3 dずを有する段付き軞ずされおいる。 䞻軞 6 3を支持する䞡偎の軞受 6 5 , 6 6は、 その内茪 6 5 a , 6 6 aが小埄郚 6 3 dに圧入状態に嵌合し、 片 方の幅面が倧埄郚 6 3 cず小埄郚 6 3 d間の段差面に係合する。 スピンドル ハりゞング 6 4における䞡偎の軞受 6 5 , 6 6よりも各翌車 5 6 a , 5 7 a 偎の郚分は、 内埄面が䞻軞 6 3に近接する埄に圢成される。
前蚘転がり軞受 6 5 , 6 6は、 アキシアル方向䜍眮の芏制機胜を有するも のであり、 アンギナラ玉軞受が甚いられおいる。 転がり軞受 6 5 , 6 6は、 この他に深溝玉軞受等であっおも良い。
[0059] これら転がり軞受 6 5 , 6 6は、 図 8に拡倧しお瀺すように、 倖茪 6 5 b , 6 6 bがスピンドルハりゞング 6 4の内埄面に嵌合し、 リング状のグリス 溜たり間座 9 1を介しおスピンドル/、りゞング 6 4の段差面 6 4 aに䜍眮決 めされおいる。 なお、 図 8は、 膚匵タヌビン 5 7偎の転がり軞受 6 6の呚蟺 を瀺すが、 コンプレッサ 5 6偎の転がり軞受 6 5の呚蟺も同様な構造である ため、 察応郚分の笊号を括匧付きで䜵蚘する。 倖茪 6 5 b , 6 6 bのグリス 溜たり間座 9 1 ず反察偎の端面は、 スピンドルハりゞング 6 4の端面にポル ト 図瀺せず 等で取付けられた抌さえ蓋 9 2により抌し付け状態に受けら れお入る。 スピンドルハりゞング 6 4の端面ず抌さえ蓋 9 2ずの接觊面には 、 スピンドルハりゞング 6 4の端面に圢成したシヌル装着溝に嵌合する Oリ ング等からなる匟性䜓のシヌル郚材 9 3が介圚させおある。
[0060] グリス溜たり間座 9 1は、 転がり軞受 6 5 , 6 6の軞受空間に察向する開 口 9 4 aを有するグリス溜たり 9 4が圢成されたものである。 このグリス溜 たり 9 4は、 間座䞭心ず同心の円呚溝状であっお、 この円呚溝状のグリス溜 たり 9 4の倖埄偎の内呚面 9 4 b力 開口 9 4 a偎に向かっお倧埄ずなるテ —パ状ずされおいる。 内埄偎の内呚面 9 4 cは、 円筒状面ずされおいる。 グリス溜たり間座 9 1の開口 9 4 aの蚭けられた端面は、 転がり軞受 6 5 , 6 6の倖茪 6 5 b , 6 6 bの端面ず隙間なく接しおいる。 グリス溜たり間 座 9 1の内呚面は、 䞻軞 6 3の倖呚に埮小隙間を介しお近接しおおり、 䞻軞 6 3ずグリス溜たり間座 9 1 ずの間で非接觊シヌルを構成しおいる。
[0061 ] なお、 いずれか片方の転がり軞受 6 5 , 6 6、 䟋えばコンプレッサ偎の転 がり軞受 6 5は、 䞻軞 6 3の熱䌞瞮を吞収するために、 スピンドルハりゞン グ 6 4に察しお軞方向移動が可胜なように蚭眮されるが、 ここでは、 その軞 方向移動を蚱容する構造に぀いおは、 図瀺および説明を省略する。
[0062] 図 3の磁気軞受甚コントロヌラ 1 9および図 4のモヌタ甚コントロヌラ 2 9は、 本構成䟋に係るタヌビンュニット 5 5でも甚いるこずができる。
[0063] この構成のタヌビンナニット 5 5は、 空気サむクル冷凍冷华システムに適 甚されお、 冷华媒䜓ずなる空気を埌段の熱亀換噚 ここでは図瀺せず によ り効率良く熱亀換できるように、 コンプレッサ 5 6で圧瞮しお枩床䞊昇させ 、 さらに埌段の前蚘熱亀換噚で冷华された空気を、 膚匵タヌビン 5 7により 、 目暙枩床、 䟋えば— 3 0 °C〜䞀 6 0 °C皋床の極䜎枩たで断熱膚匵により冷 华しお排出するように䜿甚される。
このような䜿甚䟋においお、 このタヌビンナニット 5 5は、 コンプレッサ 翌車 5 6 aおよびタヌビン翌車 5 7 a力 前蚘スラスト板 6 3 aずモヌタ口 —タ 7 8 aず共通の䞻軞 6 3に嵌合し、 モヌタ 7 8の動力ずタヌビン翌車 5 7 aで発生した動力のどちらか䞀方たたは䞡方によりコンプレッサ翌車 5 6 aを駆動するものずしおいる。 このため、 各翌車 56 a, 57 aの適切な隙 間 d 1 , d 2を保っお䞻軞 63の安定した高速回転が埗られ、 か぀転がり軞 受 65, 66の長期耐久性の向䞊、 寿呜の向䞊が埗られる。
[0064] すなわち、 タヌビンナニット 55の圧瞮 膚匵の効率を確保するためには 、 各翌車 56 a, 57 aずハりゞング 56 b, 57 bずの隙間 d 1 , d 2を 埮小に保぀必芁がある。 䟋えば、 このタヌビンナニット 55を空気サむクル 冷凍冷华システムに適甚する堎合には、 この効率確保が重芁ずなる。 これに 察しお、 䞻軞 63を転がり軞受 65, 66により支持するため、 転がり軞受 の持぀アキシアル方向䜍眮の芏制機胜により、 䞻軞 63のアキシアル方向䜍 眮がある皋床芏制され、 各翌車 56 a, 57 aずハりゞング 56 b, 57 b ずの埮小隙間 d 1 , d 2を䞀定に保぀こずができる。
[0065] しかし、 タヌビンナニット 55の䞻軞 63には、 各翌車 56 a, 57 aに 䜜甚する空気の圧力でスラスト力がかかる。 たた、 空気冷华システムで䜿甚 するタヌビンュニット 55では、 1分間に䟋えば 8䞇〜 1 0䞇回転皋床の非 垞に高速の回転ずなる。 そのため、 䞻軞 63を回転支持する転がり軞受 65 , 66に䞊蚘スラスト力が䜜甚するず、 軞受 65, 66の長期耐久性が䜎䞋 する。
この構成䟋は、 䞊蚘スラスト力を電磁石 67で支持するため、 非接觊でト ルクの増倧を抑えながら、 䞻軞 63の支持甚の転がり軞受 65, 66に䜜甚 するスラスト力を軜枛するこずができる。 この堎合に、 䞻軞 63に䜜甚する スラストカを怜出するセンサ 68ず、 このセンサ 68の出力に応じお前蚘電 磁石 67による支持力を制埡する磁気軞受甚コントロヌラ 1 9ずを蚭けたた め、 転がり軞受 65, 66を、 その軞受仕様に応じおスラスト力に察し最適 な状態で䜿甚するこずができる。
特に、 軞方向に䞊べお䞻軞 63に蚭けられた 2぀のスラスト板 63 a, 6 3 bの軞方向倖偎に 2぀の電磁石 67を配眮しお磁気軞受ュニットを構成す るず共に、 前蚘䞡スラスト板 63 a, 63 bで挟たれる䜍眮にアキシアルギ ダップ型のモヌタ 78を配眮しおモヌタュニットを構成するこずにより、 磁 気軞受ュニッ卜ずモヌタュニットをコンパク 卜な䞀䜓構造ずしおいるため、 䞻軞 5 3の軞長を短くでき、 それだけ䞻軞 6 3の固有振動数が高くな぀お、 䞻軞 6 3を高速回転させるこずができる。
[0066] たた、 このタヌビンナニット 5 5は、 転がり軞受 6 5 , 6 6に隣接したグ リス溜たり間座 9 1を蚭けたため、 そのグリス溜たり 9 4に溜められたグリ スが転がり軞受 6 5 , 6 6に補絊される。 そのため、 転がり軞受 6 5 , 6 6 の最滑寿呜が向䞊し、 転がり軞受の長期耐久性に応じた最滑寿呜を埗るこず ができる。
このタヌビンュニット 5 5は、 䞻軞 6 3が氎平ずなるように蚭眮されるた め、 グリス溜たり 9 4は氎平軞心回りの円呚溝状ずなるが、 このグリス溜た り 9 4の円呚䞊における䞋郚においお、 倖埄偎の内呚面 9 4 bがテヌパ状で あるため、 内郚のグリスが次第に開口 9 4 a偎ぞ流れ降りる。 そのため、 グ リス溜たり 9 4内のグリスが無駄なく転がり軞受 6 5 , 6 6内ぞ䟛絊される
[0067] グリス溜たり間座 9 1は、 前蚘開口 9 4 aの蚭けられた端面が、 転がり軞 受 6 5 , 6 6の倖茪 6 5 b , 6 6 bの端面ず隙間なく接しおいおいるため、 グリス溜たり 9 4のグリスが倖茪 6 5 b , 6 6 bずグリス溜たり間座 9 1 ず の間から倖郚に挏れるこずが防止される。 転がり軞受 6 5 , 6 6の倖茪 6 5 b , 6 6 bにおけるグリス溜たり間座 9 1を蚭けた端面ず反察偎の端面は、 抌さえ蓋 9 2によっお受けられおいるが、 抌さえ蓋 9 2ずスピンドルハりゞ ング 6 4ずの接觊面からグリスの基油が挏れ恐れがある。 し力、し、 この接觊 面に Oリング等のシヌル郚材 9 3を介圚させため、 グリス基油の挏れが防止 される。
[0068] 図 9はタヌビンナニット 5 5の第 2構成䟋を瀺す。 このタヌビンナニット 5 5は、 図 7に瀺す構成䟋においお、 䞻軞 6 3に垂盎か぀同軞に蚭けられた 匷磁性䜓からなるフランゞ状のスラスト板を 1぀だけずしお、 このスラスト 板 6 3 aを電磁石タ䞀ゲットずしお、 その䞡面に非接觊で察向するように、 巊右䞀察の電磁石 6 7 , 6 7がスピンドルハりゞング 6 4に蚭眮されおいる [0069] モヌタ 7 8は、 䞻軞 6 3に蚭けられたモヌタロヌタ 7 8 aず、 このモヌタ ロヌタ 7 8 aに察し軞方向に察向するモヌタステ䞀タ 7 8 bずでなる。 モヌ タロヌタ 7 8 aは、 前蚘スラスト板 6 3 aの䞡面における前蚘電磁石 6 7の 察向䜍眮よりも倖埄偎に、 円呚方向に等ピッチで䞊ぶ氞久磁石 7 8 a aを配 眮するこずで巊右䞀察のものが構成される。 このように軞方向に察向配眮さ れる氞久磁石 7 8 a aの間では、 その磁極が互いに異極ずなるように蚭定さ れる。 スラスト板 6 3 aは氞久磁石 7 8 a aのバックペヌクを兌ねる。 モ䞀タステ䞀タ 7 8 bは、 前蚘スラスト板 6 3 aの䞡面のモヌタロヌタ 7 8 aに非接觊で察向するように、 スピンドルハりゞング 6 4に蚭眮される匷 磁性䜓 䟋えば䜎炭玠鋌およびケィ玠鋌板 からなる䞀察のステヌタペヌク 2 8 b bに、 それぞれモヌタコむル b aを巻回するこずで巊右䞀察のものが 構成される。 このようにしお前蚘スラスト板 6 3 aを挟んで構成される巊右 2個のモヌタ 7 8は、 前蚘モヌタロヌタ 7 8 aずモ䞀タステ䞀タ 7 8 b間に 䜜甚する磁気力により、 䞻軞 6 3を回転させる。 この堎合、 スラスト板 6 3 aにおけるモヌタロヌタ 2 8 bの䜍眮を、 電磁石 6 7の察向䜍眮よりも倖埄 偎ずしおいるので、 少ないモヌタ駆動電流でより倧きいトルクを埗るこずが できる。 その他の構成は図 7の構成䟋の堎合ず同様であり、 ここではその説 明を省略する。
[0070] なお、 䞊蚘タヌビンナニット 5 5は、 図 6の空気サむクル冷凍冷华システ ムに、 本発明に係るタヌビンュニット 5に代えお甚いるこずができる。

Claims

請求の範囲
[1 ] アキシアルギダップモヌタの動力ずタ䞀ビン偎翌車で発生した動力のどち らか䞀方たたは䞡方により、 コンプレッサ偎翌車を駆動させるタヌビンュニ ッ卜であっお、
スピンドルハりゞング内に、 䞻軞の䞀端偎および他端偎を支持する転がり 軞受、 および前蚘䞻軞の支持に前蚘転がり軞受ず䜵甚される磁気軞受を有し 前蚘転がり軞受がラゞアル負荷を支持し、 前蚘磁気軞受がアキシアル負荷 ず軞受予圧のどちらか䞀方たたは䞡方を支持し、
前蚘磁気軞受を構成する電磁石は前蚘䞻軞に蚭けられた匷磁性䜓からなる フランゞ状のスラスト板に非接觊で察向するように、 前蚘スピンドルハりゞ ングに取付けられおおり、
前蚘アキシアルギャップモヌタのモヌタロヌタが、 前蚘スラスト板ずこの スラスト板に呚方向に等ピッチで蚭けられた耇数個の氞久磁石ずで構成され 前蚘モヌタロヌタず察向しおモヌタコむルを有するモヌタステヌタが前蚘 スピンドルハりゞングに蚭眮され、
コンプレツサ偎翌車およびタヌビン偎翌車が前蚘䞻軞に取り付けられ、 前蚘スピンドルハりゞング内に摺動自圚に嵌合する軞受箱を備え、 前蚘䞻 軞䞀端偎および他端偎の転がり軞受のうち、 いずれか䞀方の転がり軞受は、 前蚘軞受箱内に圧入たたは接着により固定されおおり、
前蚘軞受箱ずスピンドルハりゞングずの嵌合面に、 軞方向に離れお䞀察の 匟性シヌル材を介圚させ、 これら䞀察の匟性シヌル材ず、 前蚘軞受箱ず、 前 蚘スピンドルハりゞングずで圢成される空間に高粘性材を封入し、
前蚘軞受箱を、 この軞受箱が蚭けられおいる偎の䞻軞䞀端郚ず反察偎の他 端郚偎の向きに付勢するこずにより前蚘転がり軞受に予圧を䞎える予圧甚ば ねを蚭けた空気サむクル冷凍機甚タヌビンュニット。
[2] 請求項 1においお、 前蚘匟性シヌル材は Oリングである空気サむクル冷凍 機甚タヌビンュニット。
[3] 請求項 1においお、 前蚘高粘性材は、 高枩甚ふ぀玠系グリスである空気サ ィクル冷凍機甚タヌビンュニット。
[4] 請求項 1においお、 流入空気に察しお、 前蚘タヌビンュニットのコンプレ ッサによる圧瞮、 他の熱亀換噚による冷华、 前蚘タヌビンナニットの膚匵タ 䞀ビンによる断熱膚匵、 もしくは予圧瞮手段による圧瞮、 熱亀換噚による冷 华、 前蚘タヌビンナニットのコンプレッサによる圧瞮、 他の熱亀換噚による 冷华、 前蚘タヌビンナニットの膚匵タヌビンによる断熱膚匵、 を順次行う空 気サむクル冷凍機に甚いられるものである空気サむクル冷凍機甚タヌビンュ ニット。
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