(57)【要約】【課題】  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、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つき、フレッティング摩耗を防止することができると共に前記転がり軸受の冷却効果を向上した空気サイクル冷凍機用タービンユニットを提供する。【解決手段】  軸受箱４１のうちの一方の弾性シール材の軸方向位置と他方の弾性シール材の軸方向位置との間で、前記スピンドルハウジング１４の流路１４ｃ，１４ｄに連なる冷却油用流路ＣＬ１を形成し、軸受箱４１をこの軸受箱４１が設けられた主軸端部と反対側へ付勢して前記転がり軸受１５に予圧を与える予圧用ばね２６を設ける。【選択図】      図１
2008190376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサおよび膨張タービンを有する空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットであって、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車、および前記膨張タービンのタービン翼車が共通の主軸に取り付けられ、この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、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タービンユニットであり、
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、軸受箱内に圧入または接着により固定され、前記軸受箱を、スピンドルハウジング内に主軸の軸方向に摺動自在に嵌合させ、これら軸受箱とスピンドルハウジングの嵌合面に、軸方向に離れて一対の弾性シール材を介在させ、前記軸受箱のうちの一方の弾性シール材の軸方向位置と他方の弾性シール材の軸方向位置との間で、前記スピンドルハウジングの流路に連なる冷却油用流路を形成し、前記軸受箱をこの軸受箱が設けられた主軸端部と反対側へ付勢して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ユニット。
【請求項２】
請求項１において、前記軸受箱の冷却油用流路は、この軸受箱の外周面に環状に形成された流路である空気サイクル冷凍機用タービンユニット。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、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を前記ハウジングに設置した空気サイクル冷凍機用タービンユニット。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、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ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットに関し、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し、転がり軸受の冷却効果を向上した技術に関する。
【背景技術】
【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トの省略等によってトー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、−３０℃〜−６０℃のディープ・コール領域では、空気冷却の理論効率は、フロンやアンモニアガスと同等以上になることが知られている。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、圧縮機や膨張タービン等である。
圧縮機，膨張タービンとしては、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたタービンユニットが用いられている。
【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２６２３２０２号公報
【特許文献２】特開平７−９１７６０号公報
【特許文献３】特開平８−２６１２３７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、空気サイクル冷凍冷却システムとして、ディープ・コール領域で高効率となる空気冷却の理論効率を得るためには、最適に設計された圧縮機や膨張タービンが必要となる。
圧縮機，膨張タービンとしては、上記のようにコンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたタービンユニットが用いられている。このタービンユニットは、膨張タービンの生じる動力によりコンプレッサ翼車を駆動できることで空気サイ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８万〜１０万回転であり、一般的な用途の軸受に比べて非常に高速となる。そのため、上記のようなスラスト荷重は、主軸を支持する軸受の長期耐久性の低下、寿命低下を招き、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの信頼性を低下させる。このような軸受の長期耐久性の課題を解消しなくては、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの実用化が難しい。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２００５−３５６０３５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力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、コンパクトな構成とできる。
【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つために軸方向の位置規制機能を有するアンギュラ玉軸受や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、フレッティング摩耗が発生するという問題がある。
【００１０】
そこで、本件出願人は、軸受箱とスピンドルハウジングの間に、弾性シール材を設けて高粘性材を封入した技術を提案した（例えば、特願２００６−２１１５７２号）。これによると、ダンピング作用が得られ、フレッティング摩耗の発生が防止される。
しかし、軸受箱が弾性シール材等でスピンドルハウジングと隙間を介して弾性支持されているため、スピンドルハウジングから軸受箱への熱通過率が小さい。したがって、このスピンドルハウジングを冷却油で冷やしても、転がり軸受の温度は下がらないという問題がある。
【００１１】
この発明の目的は、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、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つき、フレッティング摩耗を防止することができると共に前記転がり軸受の冷却効果を向上した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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の空気サイクル冷凍機用タービンユニットは、コンプレッサおよび膨張タービンを有する空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットであって、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車、および前記膨張タービンのタービン翼車が共通の主軸に取り付けられ、この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、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タービンユニットであり、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、軸受箱内に圧入または接着により固定され、前記軸受箱を、スピンドルハウジング内に主軸の軸方向に摺動自在に嵌合させ、これら軸受箱とスピンドルハウジングの嵌合面に、軸方向に離れて一対の弾性シール材を介在させ、前記軸受箱のうちの一方の弾性シール材の軸方向位置と他方の弾性シール材の軸方向位置との間で、前記スピンドルハウジングの流路に連なる冷却油用流路を形成し、前記軸受箱をこの軸受箱が設けられた主軸端部と反対側へ付勢して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。
【００１３】
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。
【００１４】
また、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、軸受外輪にフレッ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ッ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、軸方向に離れて一対の弾性シール材を介在させ、前記軸受箱のうちの一方の弾性シール材の軸方向位置と他方の弾性シール材の軸方向位置との間で、前記スピンドルハウジングの流路に連なる冷却油用流路を形成したので、ダンピング作用が得られ、フレッティング摩耗の発生が防止されると共に、前記軸受箱に固定された転がり軸受の冷却効果を向上することができる。
【００１５】
この発明において、前記軸受箱の冷却油用流路は、この軸受箱の外周面に環状に形成された流路であっても良い。この場合、転がり軸受全周にわたって冷却効果を高めることが可能となる。
【００１６】
この発明において、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を前記ハウジングに設置しても良い。
この場合、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。
【００１７】
この発明において、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機に用いられるものであっても良い。
【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
この発明のモータ一体型の磁気軸受装置は、特に、軸受箱とスピンドルハウジングの間には、軸方向に離れて一対の弾性シール材を介在させ、前記軸受箱のうちの一方の弾性シール材の軸方向位置と他方の弾性シール材の軸方向位置との間で、前記スピンドルハウジングの流路に連なる冷却油用流路を形成したので、ダンピング作用が得られ、フレッティング摩耗の発生が防止されると共に、前記軸受箱に固定された転がり軸受の冷却効果を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
この発明の一実施形態を図１ないし図５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ユニット５の断面図を示す。このタービンユニット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６ａおよび膨張タービン７のタービン翼車７ａが主軸１３の両端にそれぞれ嵌合している。主軸１３の材料には、磁気特性の良好な低炭素鋼が使用される。
【００２１】
図１において、コンプレッサ６は、コンプレッサ翼車６ａと微小の隙間ｄ１を介して対向するコンプレッサハウジング６ｂを有し、中心部の吸込口６ｃから軸方向に吸入した空気を、コンプレッサ翼車６ａで圧縮し、外周部の出口（図示せず）から矢印６ｄで示すように排出する。
膨張タービン７は、タービン翼車７ａと微小の隙間ｄ２を介して対向するタービンハウジング７ｂを有し、外周部から矢印７ｃで示すように吸い込んだ空気を、タービン翼車７ａで断熱膨張させ、中心部の排出口７ｄから軸方向に排出する。
【００２２】
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１３をラジアル方向に対し複数の転がり軸受１５，１６で支持し、主軸１３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１７により支持すると共に、主軸１３を回転駆動するアキシアルギャップ型のモータ２８を設けたものである。このタービンユニット５は、主軸１３に作用するスラスト力を検出するセンサ１８と、このセンサ１８の出力に応じて前記電磁石１７による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ１９と、電磁石１７とは独立に前記モータ２８を制御するモータ用コントローラ２９とを有している。センサ１８は、円周方向に例えば１８０°離れた２箇所に設けられている。
【００２３】
電磁石１７は、主軸１３の軸方向中間部において軸方向に並ぶように主軸１３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１３ａ，１３ｂ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１４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１７は、膨張タービン７寄りに位置するスラスト板１３ａ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１４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１７は、コンプレッサ６寄りに位置するスラスト板１３ｂのコンプレッサ６側に向く片面を電磁石ターゲットして、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１４に設置される。
【００２４】
モータ２８は、前記電磁石１７と並んで主軸１３に設けられたモータロータ２８ａと、このモータロータ２８ａに対し軸方向に対向するモータステータ２８ｂとでなるモータユニットである。具体的には、モータユニットの一部品を構成するモータロータ２８ａは、主軸１３における前記各スラスト板１３ａ，１３ｂの電磁石１７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２８ａａ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２８ａａ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１３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１３と一体構造となるように設けられる前記各スラスト板１３ａ，１３ｂを、永久磁石２８ａａのバックヨークおよび電磁石ターゲットに兼用できる。
【００２５】
このモータ２８は、前記モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間に作用するローレンツ力により、主軸１３を回転させる。このように、このアキシアルギャップ型のモータ２８はコアレスモータとされていることから、モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間の磁気カップリングによる負の剛性はゼロとなっている。
【００２６】
主軸１３は、中間部の大径部１３ｃと、両端部の小径部１３ｄとを有する段付き軸とされている。両側の転がり軸受１５，１６は、その内輪１５ａ，１６ａが小径部１３ｄに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部１３ｃと小径部１３ｄ間の段差面に係合する。
スピンドルハウジング１４における両側の転がり軸受１５，１６よりも各翼車６ａ，７ａ側の部分は、内径面が主軸１３に近接する径に形成され、この内径面に非接触シール（図示せず）が形成されている。
前記転がり軸受１５，１６は、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、アンギュラ玉軸受が用いられている。転がり軸受１５，１６は、この他に深溝玉軸受等であっても良い。
【００２７】
前記センサ１８は、タービン翼車７ａ側の軸受１６の近傍における静止側、つまりスピンドルハウジング１４側に設けられている。このセンサ１８を近傍に設けた軸受１６は、その外輪１６ｂが軸受箱２３内に固定状態に嵌合している。軸受箱２３は、リング状に形成されて一端に軸受１６の外輪１６ｂの幅面に係合する内鍔２３ａを有しており、スピンドルハウジング１４に設けられた内径面２４にアキシアル方向に移動自在に嵌合している。内鍔２３ａは、アキシアル方向の中央側端に設けられている。
【００２８】
センサ１８は主軸１３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２３の内鍔２３ａ側の幅面と、スピンドルハウジング１４に固定された部材である片方の電磁石１７との間に介在させてある。また、センサ１８は、センサ予圧ばね２５により予圧が印加されている。センサ予圧ばね２５は、スピンドルハウジング１４に設けられた収容凹部内に収容されて軸受１６の外輪１６ｂをアキシアル方向に付勢するものとされ、外輪１６ｂおよび軸受箱２３を介してセンサ１８を予圧する。センサ予圧ばね２５は、例えば主軸１３の回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等からなる。
【００２９】
センサ予圧ばね２５による予圧は、押し付け力によってスラスト力を検出するセンサ１８が、主軸１３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、タービンユニット５の通常の運転状態で主軸１３に作用する平均的なスラスト力以上の大きさとされる。
【００３０】
センサ１８の非配置側の転がり軸受１５は、スピンドルハウジング１４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２６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１５の外輪１５ｂは、軸受箱４１内に圧入または接着により固定される。軸受箱４１は、内径面が段付き面とされ、その段面４１ａに外輪１５ｂの幅面が係合する状態に、上記外輪１５ｂの固定が行われる。
【００３１】
軸受箱４１は、スピンドルハウジング１４内の円筒状嵌合面１４ａに、主軸軸方向に摺動自在に嵌合させる。これら軸受箱４１とスピンドルハウジング１４の嵌合面には、軸方向に離れて一対の弾性シール材４２を介在させている。図２に示すように、軸受箱４１のうちの一方の弾性シール材４２の軸方向位置ＳＰ１と他方の弾性シール材４２の軸方向位置ＳＰ２との間で、スピンドルハウジング１４の流路１４ｃ，１４ｄに連なる冷却油用流路ＣＬ１を形成している。この冷却油用流路ＣＬ１は、軸受箱４１の外周面に環状に形成された、転がり軸受１５を冷却する流路であり、例えば、断面矩形孔状に形成される。
【００３２】
前記軸受箱４１において、軸方向に所定離間する第１および第２壁部ＨＢ１，ＨＢ２が形成され、第１壁部ＨＢ１の基端部分と第２壁部ＨＢ２の基端部分とを一体に繋ぐ円周溝底ＥＳが形成されている。これら第１，第２壁部ＨＢ１，ＨＢ２と円周溝底ＥＳとにより、冷却油用流路ＣＬ１を形成している。前記第１壁部ＨＢ１は、一方の弾性シール材４２をこの軸受箱４１に嵌入させ、かつこの弾性シール材４２の軸方向位置を規制する機能を備えている。この軸受箱４１において、第１壁部ＨＢ１の先端部分ＨＢ１ａは、この軸受箱４１の外径面、つまりスピンドルハウジング１４との嵌合面よりも、所定小距離小径となるように形成されている。これによって、スピンドルハウジング１４の内径面と第１壁部ＨＢ１の先端部分ＨＢ１ａとの間に隙間δ１が形成される。
【００３３】
また、前記第２壁部ＨＢ２は、他方の弾性シール材４２をこの軸受箱４１に嵌入させ、かつこの弾性シール材４２の軸方向位置を規制する機能を備えている。この軸受箱４１において、第２壁部ＨＢ２の先端部分ＨＢ２ａは、この軸受箱４１の外径面、つまりスピンドルハウジング１４との嵌合面よりも、所定小距離小径となるように形成されている。これによって、スピンドルハウジング１４の内径面と第２壁部ＨＢ２の先端部分ＨＢ２ａとの間に隙間δ２が形成される。
【００３４】
前記スピンドルハウジング１４の流路１４ｃ，１４ｄのうち、一方の流路１４ｃは、軸受箱４１の冷却油用流路ＣＬ１に冷却油を供給する供給路であり、他方の流路１４ｄは、軸受箱４１から冷却油を排出する排出路である。また、一方の流路１４ｃの冷却油用流路ＣＬ１への供給口は、例えば、スピンドルハウジング１４の上部に形成され、他方の流路１４ｄの冷却油用流路ＣＬ１からの排出口は、例えば、スピンドルハウジング１４の下部に形成される。さらに、これら供給口，排出口は、スピンドルハウジング１４の円周方向の１８０度対称位置に形成される。ただし、１８０度対称位置に必ずしも限定されるものではない。なお、本実施形態では、一つの供給口および一つの排出口が形成されているが、複数の供給口であっても良く、複数の排出口であっても良い。
【００３５】
図示外の油圧供給源から、スピンドルハウジング１４の流路１４ｃに供給される冷却油を、軸受箱４１の冷却油用流路ＣＬ１に供給する。この冷却油の一部を、前記隙間δ１を介して軸方向一方のシール嵌合溝４１ｂに供給すると共に、前記隙間δ２を介して軸方向他方のシール嵌合溝４１ｃに供給するようになっている。これらシール嵌合溝４１ｂ，４１ｃは、軸受箱４１の外周面にそれぞれ形成されている。冷却油用流路ＣＬ１に供給された冷却油は、円周方向に沿って下方に流れ、転がり軸受１５を冷却しつつ前記他方の流路１４ｄへ排出される。
【００３６】
本実施形態では、軸受箱４１の冷却油用流路ＣＬ１に供給した冷却油の一部を、前記隙間δ１，δ２を介して各シール嵌合溝４１ｂ，４１ｃに供給している。これによって、冷却油の一部を粘性材および潤滑剤として用いることが可能となる。
【００３７】
軸受箱４１は、この軸受箱４１が設けられた主軸端部と反対側へ、予圧用ばね２６によって付勢される。予圧用ばね２６は、定圧予圧用のものであって、軸受箱４１の幅面つまり端面に接するリング状の押し部材４４を介して軸受箱４１を付勢する。スピンドルハウジング１４には、押し部材４４の幅面を当接させる規制面１４ｂを有しており、主軸１３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４４はスピンドルハウジング１４の規制面１４ｂに接触し、予圧用ばね２６によって定圧予圧を両側の転がり軸受１５，１６に与える。高温になって主軸１３の熱膨張が大きくなると、図２のように押し部材４４の幅面が規制面１４ｂから離れる。なお、予圧用ばね２６は、図１のセンサ予圧ばね２５よりもばね定数が小さいものとされる。
【００３８】
上記タービンユニット５におけるモータ一体型の磁気軸受装置の力学モデルは簡単なバネ系で構成することができる。すなわち、このバネ系は、軸受１５，１６とこれら軸受の支持系とで形成される合成バネと、モータ部で形成される合成バネとが並列となった構成である。前記軸受の支持系は、センサ予圧ばね２５、軸受予圧ばね２６、および軸受箱２３，４１などを有する。前記モータ部は、電磁石１７とモータ２８とを有する。
このバネ系において、軸受１５，１６とこれら軸受の支持系とで形成される合成バネは、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１７とモータ２８とで形成される合成バネは、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、上記した両合成バネの剛性の大小関係を、
軸受等による合成バネの剛性値＜電磁石・モータによる合成バネの負の剛性値…（１）とした場合、機械システムの位相は１８０°遅れとなり不安定な系となることから、電磁石１７を制御する磁気軸受用コントローラ１９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１９の構成が複雑なものになる。
【００３９】
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、上記した両合成バネの剛性の大小関係を、
軸受等による合成バネの剛性値＞電磁石・モータによる合成バネの負の剛性値…（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２８をコアレスモータとしているので、モータ２８に作用する負の剛性値をゼロとすることができ、モータ２８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１８０°遅れとなることを防止できるので、モータ２８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１９の制御対象を安定なものとでき、コントローラ１９の回路構成を図４に示す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。
【００４０】
ブロック図で示す図４の磁気軸受用コントローラ１９では、各センサ１８の検出出力Ｐ１，Ｐ２をセンサ出力演算回路３０で加減算し、その演算結果を比較器３１で基準値設定手段３２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ＰＩ補償回路（もしくはＰ補償回路）３３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１７の制御信号を演算するようにしている。ＰＩ補償回路（もしくはＰ補償回路）３３の出力は、ダイオード３４，３５を介して各方向の電磁石１７1 ，１７2 を駆動するパワー回路３６，３７に入力される。電磁石１７1 ，１７2 は、図１に示したスラスト板１３ａに対向する一対の電磁石１７であり、吸引力しか作用しないため、予めダイオード３４，３５で電流の向きを決め、２個の電磁石１７1 ，１７2 を選択的に駆動するようにしている。
【００４１】
同じくブロック図で示す図５のモータ用コントローラ２９では、回転同期指令信号を基に、モータロータ２８ａの回転角をフィードバック信号として位相調整回路３８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３９からモータステータ２８ｂ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２８ａに設けられた図示外の回転角度検出センサの出力に応じて演算される。
【００４２】
この構成のタービンユニット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−３０℃〜−６０℃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６ａおよびタービン翼車７ａが、前記スラスト板１３ａとモータロータ２８ａと共通の主軸１３に嵌合し、モータ２８の動力とタービン翼車７ａ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６ａを駆動するものとしている。このため、各翼車６ａ，７ａの適切な隙間ｄ１，ｄ２を保って主軸１３の安定した高速回転が得られ、かつ転がり軸受１５，１６の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。
【００４３】
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６ａ，７ａとハウジング６ｂ，７ｂとの隙間ｄ１，ｄ２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１３を玉軸受形式の転がり軸受１５，１６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１３のアキシアル方向位置がある程度規制され、各翼車６ａ，７ａとハウジング６ｂ，７ｂとの微小隙間ｄ１，ｄ２を一定に保つことができる。
【００４４】
しかし、タービンユニット５の主軸１３には、各翼車６ａ，７ａに作用する空気の圧力でスラスト力がかかる。また、空気冷却システムで使用するタービンユニット５では、１分間に例えば８万〜１０万回転程度の非常に高速の回転となる。そのため、主軸１３を回転支持する転がり軸受１５，１６に上記スラスト力が作用すると、転がり軸受１５，１６の長期耐久性が低下する。
この実施形態は、上記スラスト力を電磁石１７で支持するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、主軸１３の支持用の転がり軸受１５，１６に作用するスラスト力を軽減することができる。この場合に、主軸１３に作用するスラスト力を検出するセンサ１８と、このセンサ１８の出力に応じて前記電磁石１７による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ１９とを設けたため、転がり軸受１５，１６を、その軸受仕様に応じてスラスト力に対し最適な状態で使用することができる。
特に、軸方向に並べて主軸１３に設けられた２つのスラスト板１３ａ，１３ｂの軸方向外側に２つの電磁石１７を配置して磁気軸受ユニットを構成すると共に、前記両スラスト板１３ａ，１３ｂで挟まれる位置にアキシアルギャップ型のモータ２８を配置してモータユニットを構成することにより、磁気軸受ユニットとモータユニットをコンパクトな一体構造としているため、主軸１３の軸長を短くでき、それだけ主軸１３の固有振動数が高くなって、主軸１３を高速回転させることができる。
【００４５】
また、このタービンユニット５は、主軸１３を支持する両側の転がり軸受１５，１６のうち、片方の転がり軸受１５は、図２のように、この軸受１５を固定した軸受箱４１をスピンドルハウジング１４に対して摺動自在とするため、主軸１３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１３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４１に圧入または接着により固定するため、軸受外輪１５ｂにフレッティング摩耗が生じることが防止される。
【００４６】
軸受箱４１とスピンドルハウジング１４の嵌合面におけるフレッティング摩耗の問題があるが、これら軸受箱４１とスピンドルハウジング１４の間には、軸方向に離れて一対の弾性シール材４２を介在させ、前記軸受箱４１のうちの一方の弾性シール部材４２の軸方向位置ＳＰ１と他方の弾性シール材４２の軸方向位置ＳＰ２との間で、スピンドルハウジング１４の流路１４ｃ，１４ｄに連なる冷却油用流路ＣＬ１を形成した。これによって、ダンピング作用が得られ、フレッティング摩耗の発生が防止されると共に、前記軸受箱４１に固定された転がり軸受１５の冷却効果を向上することができる。
【００４７】
また、本実施形態では、冷却油を、転がり軸受１５を冷却するための流体、軸受箱４１とスピンドルハウジング１４間の隙間に介在させる粘性材、および軸受箱４１とスピンドルハウジング１４の嵌合面を潤滑させる潤滑剤として兼用している。したがって、冷却流体，粘性材，潤滑剤毎に個別の供給システムを設ける必要がなく、装置構造を簡単化し、製作コストの低減を図ることができる。
また、本実施形態では、冷却油用流路ＣＬ１を軸受箱４１の外周面に環状に形成したので、転がり軸受１５全周にわたって冷却効果を高めることが可能となる。また、弾性シール材４２としてＯリングを適用したが、この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。
【００４８】
図６はタービンユニット５の他の実施形態を示す。
以下の説明においては、前述の先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
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１３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１３ａ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１７，１７がスピンドルハウジング１４に設置されている。
【００４９】
モータ２８は、主軸１３に設けられたモータロータ２８ａと、このモータロータ２８ａに対し軸方向に対向するモータステータ２８ｂとでなる。モータロータ２８ａは、前記スラスト板１３ａの両面における前記電磁石１７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２８ａａ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２８ａａ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１３ａは永久磁石２８ａａのバックヨークを兼ねる。
【００５０】
モータステータ２８ｂは、前記スラスト板１３ａの両面のモータロータ２８ａに非接触で対向するように、スピンドルハウジング１４に設置される強磁性体からなる一対のステータヨーク２８ｂｂに、それぞれモータコイルｂａを巻回することで左右一対のものが構成される。前記強磁性体としては、例えば低炭素鋼およびケイ素鋼板等が挙げられる。このようにして前記スラスト板１３ａを挟んで構成される左右２個のモータ２８は、前記モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間に作用する磁気力により、主軸１３を回転させる。この場合、スラスト板１３ａにおけるモータロータ２８ｂの位置を、電磁石１７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。
【００５１】
図７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１０の空気を直接に冷媒として冷却するシステムであり、被冷却空間１０にそれぞれ開口した空気の取入口１ａから排出口１ｂ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の膨張タービン７が順に設けられている。中間熱交換器９は、同じ空気循環経路１内で取入口１ａ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１ａの付近の空気は熱交換器９ａ内を通る。
【００５２】
予圧縮手段２はブロア等からなり、モータ２ａ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３ａ，８ａをそれぞれ有し、熱交換器３ａ，８ａ内の水等の冷却媒体と空気循環経路１の空気との間で熱交換を行う。各熱交換器３ａ，８ａは、冷却塔１１に配管接続されており、熱交換で昇温した冷却媒体が冷却塔１１で冷却される。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。
【００５３】
この空気サイクル冷凍冷却システムは、被冷却空間１０を０℃〜−６０℃程度に保つシステムであり、被冷却空間１０から空気循環経路１の取入口１ａに０℃〜−６０℃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１ａ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℃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℃まで昇温する。第１の熱交換器３は、昇温した７０℃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℃に冷却する。
【００５４】
熱交換により冷却された４０℃，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℃程度に昇温した状態で、第２の熱交換器８により４０℃に冷却される。この４０℃の空気は、中間熱交換器９で−３０℃の空気により−２０℃まで冷却される。気圧はコンプレッサ６から排出された１．８気圧が維持される。
中間熱交換器９で−２０℃まで冷却された空気は、タービンユニット５の膨張タービン７により断熱膨張され、−５５℃まで冷却されて排出口１ｂから被冷却空間１０に排出される。この空気サイクル冷凍冷却システムは、このような冷凍サイクルを行う。
【００５５】
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６ａ，７ａの適切な隙間ｄ１，ｄ２を保って主軸１３の安定した高速回転が得られ、かつ軸受１５，１６の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られることで、軸受１５，１６の長期耐久性が向上することから、タービンユニット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ユニット５の主軸軸受１５，１６の安定した高速回転、長期耐久性、信頼性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】この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ユニットの断面図である。
【図２】同タービンユニットにおける主軸等の断面図である。
【図３】転がり軸受の冷却構造等を表す要部の拡大断面図である。
【図４】同タービンユニットに用いられる磁気軸受用コントローラの一例を示すブロック図である。
【図５】同タービンユニットに用いられるモータ用コントローラの一例を示すブロック図である。
【図６】この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ユニットの断面図である。
【図７】上記タービンユ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。
【符号の説明】
【００５７】
２…予圧縮手段
３…第１の熱交換器
５…タービンユニット
６…コンプレッサ
６ａ…コンプレッサ翼車
７…膨張タービン
７ａ…タービン翼車
８…第２の熱交換器
１３…主軸
１３ａ，１３ｂ…スラスト板
１４…スピンドルハウジング
１４ｃ，１４ｄ…流路
１５，１６…転がり軸受
１７…電磁石
１９…磁気軸受用コントローラ
２６…予圧用ばね
２８…コアレスモータ
２８ａ…モータロータ
２８ａａ…永久磁石
２８ｂ…モータステータ
２８ｂａ…コイル
４１…軸受箱
４２…弾性シール材
ＣＬ１…冷却油用流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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