(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体として、少なくともネオンを含むガスを使用する冷凍装置に用いられる回転機械であって、
アキシャルディスクを備えた回転軸と、
前記回転軸を支持するアキシャル磁気軸受と、
前記回転軸を回転させるモータと、
前記回転軸の一方の端部側に取り付けられたタービン羽根と、
前記回転軸の他方の端部側に取り付けられたコンプレッサ羽根と、
前記モータを冷却する冷却ガスが通過する冷却ガス流路と、
少なくとも、前記モータ、前記アキシャル磁気軸受、及び前記アキシャルディスクを収容するハウジングと、を備え、
前記モータは、前記回転軸に設けられたロータ部と、前記ロータ部に対向するステータ部と、を備え、
前記アキシャルディスクは、前記アキシャル磁気軸受に挟まれた一対の支持受け面を備え、
前記冷却ガス流路は、前記ロータ部と前記ステータ部との間である第１流路と、少なくとも一方の前記支持受け面に沿った第２流路と、を備え、
前記アキシャル磁気軸受よりも前記タービン羽根側に配置されたタッチダウン軸受と、前記ハウジングに設けられた前記冷却ガス流路の入口と、前記冷却ガス流路の入口に接続された導管と、前記導管に設けられた制御弁と、を更に備え、
前記冷却ガス流路の入口は、前記タッチダウン軸受と前記タービン羽根との間に設けられている、回転機械。
【請求項２】
作動流体として、少なくともネオンを含むガスを使用する冷凍装置に用いられる回転機械であって、
アキシャルディスクを備えた回転軸と、
前記回転軸を支持するアキシャル磁気軸受と、
前記回転軸を回転させるモータと、
前記回転軸の一方の端部側に取り付けられたタービン羽根と、
前記回転軸の他方の端部側に取り付けられたコンプレッサ羽根と、
前記モータを冷却する冷却ガスが通過する冷却ガス流路と、
少なくとも、前記モータ、前記アキシャル磁気軸受、及び前記アキシャルディスクを収容するハウジングと、を備え、
前記モータは、前記回転軸に設けられたロータ部と、前記ロータ部に対向するステータ部と、を備え、
前記アキシャルディスクは、前記アキシャル磁気軸受に挟まれた一対の支持受け面を備え、
前記冷却ガス流路は、前記ロータ部と前記ステータ部との間である第１流路と、少なくとも一方の前記支持受け面に沿った第２流路と、を備え、
前記アキシャル磁気軸受よりも前記タービン羽根側に配置されたタッチダウン軸受を備え、
前記タッチダウン軸受は、前記回転軸側の内輪と、転動体を介して前記内輪に対向する外輪とを備え、
前記ハウジングは、前記タッチダウン軸受の前記内輪と前記外輪との間の隙間を塞ぐ邪魔板を備えることを特徴とする、回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、作動流体として、少なくともネオンを含むガスを使用した冷凍装置に用いられる回転機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ネオンを含むガスを作動流体として使用した極低温冷凍装置が知られている（特開２０１１−１０６７５５号参照）。また、ダイレクトドライブ式の駆動方式によってコンプレッサ及び膨張タービンの回転軸を回転させる回転機械が知られている（特開２００６−４６６９９号公報）。この種の冷凍装置に用いられる回転機械では、風損やモータ損によって機内温度が上昇するため、昇温を抑えるために機内に冷却ガスの流路が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１０６７５５号公報
【特許文献２】特開２００６−４６６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ダイレクトドライブ式の駆動方式で、特に、アキシャルディスクを備えた回転軸をアキシャル磁気軸受で支持する回転機械を備えた冷凍装置を想定した場合、アキシャルディスクでの風損に起因した温度上昇についても検討する必要がある。しかしながら、従来の技術では、アキシャルディスクでの昇温を抑えるための工夫について、十分な検討はなされていなかった。
【０００５】
本開示は、アキシャルディスクでの風損に起因した昇温を効果的に抑えることができる回転機械を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様は、作動流体として、少なくともネオンを含むガスを使用する冷凍装置に用いられる回転機械であって、アキシャルディスクを備えた回転軸と、回転軸を支持するアキシャル磁気軸受と、回転軸を回転させるモータと、回転軸の一方の端部側に取り付けられたタービン羽根と、回転軸の他方の端部側に取り付けられたコンプレッサ羽根と、モータを冷却する冷却ガスが通過する冷却ガス流路と、少なくとも、モータ、アキシャル磁気軸受、及びアキシャルディスクを収容するハウジングと、を備え、モータは、回転軸に設けられたロータ部と、ロータ部に対向するステータ部と、を備え、アキシャルディスクは、アキシャル磁気軸受に挟まれた一対の支持受け面を備え、冷却ガス流路は、ロータ部とステータ部との間である第１流路と、少なくとも一方の支持受け面に沿った第２流路と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の回転機械によれば、アキシャルディスクでの風損に起因した昇温を効果的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示の実施形態に係る回転機械を備えた冷却システムの一例を示す系統図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る回転機械の概略を示す断面図である。
【図３】図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】図５は、図２のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】図６は、図２のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。
【図７】回転機械のタッチダウン軸受を含む一部分を拡大して示す断面図である。
【図８】図７の破線矢印Ａで示す部分の拡大図である。
【図９】第１の実施形態に係る回転機械の冷却ガス流路の一例を示し、この冷却ガス流路における冷却ガスの流れを模式的に示す図である。
【図１０】第２の実施形態に係る回転機械の冷却ガス流路の一例を示し、この冷却ガス流路における冷却ガスの流れを模式的に示す図である。
【図１１】第１の実施形態に係る回転機械を基礎とした回転機械の各実施例を模式的に示す図である。
【図１２】図１１に続いて、第１の実施形態に係る回転機械を基礎とした各実施例を模式的に示す図である。
【図１３】第２の実施形態に係る回転機械を基礎とした回転機械の各実施例を模式的に示す図である。
【図１４】図１３に続いて、第２の実施形態に係る回転機械を基礎とした各実施例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の一態様は、作動流体として、少なくともネオンを含むガスを使用する冷凍装置に用いられる回転機械であって、アキシャルディスクを備えた回転軸と、回転軸を支持するアキシャル磁気軸受と、回転軸を回転させるモータと、回転軸の一方の端部側に取り付けられたタービン羽根と、回転軸の他方の端部側に取り付けられたコンプレッサ羽根と、モータを冷却する冷却ガスが通過する冷却ガス流路と、少なくとも、モータ、アキシャル磁気軸受、及びアキシャルディスクを収容するハウジングと、を備え、モータは、回転軸に設けられたロータ部と、ロータ部に対向するステータ部と、を備え、アキシャルディスクは、アキシャル磁気軸受に挟まれた一対の支持受け面を備え、冷却ガス流路は、ロータ部とステータ部との間である第１流路と、少なくとも一方の支持受け面に沿った第２流路と、を備える。
【００１０】
本態様は、ロータ部とステータ部との間を冷却ガスが通過する第１流路を備えている。つまり、ステータ部で生じるモータ損、及びロータ部とステータ部との間で生じる風損によって発熱しても、第１流路を通過する冷却ガスによって昇温が抑えられる。また、アキシャルディスクの支持受け面とアキシャル磁気軸受との間の僅かな隙間には、アキシャルディスクの回転によって風損が生じ、発熱する。しかしながら、本態様は、少なくとも一方の支持受け面に沿って冷却ガスが流れる第２流路を備えているので、アキシャルディスクで生じる発熱の影響を低減でき、温度上昇を抑えることができる。
【００１１】
いくつかの態様において、ハウジングには、第１流路から独立した第２流路の流路口が形成されている回転機械とすることができる。第１流路と第２流路との縁を切って第１流路と第２流路との間での相互の影響を低減できる。
【００１２】
いくつかの態様において、ハウジングは、冷却ガス流路の流路口として、ステータ部を挟んでコンプレッサ羽根側とタービン羽根側に設けられた一対の流路口と、アキシャルディスクの遠心方向に設けられた流路口と、アキシャルディスクのステータ部とは反対側に設けられた流路口とを備えている回転機械とすることができる。本態様によれば、第１流路と第２流路との形成において、最適化を図り易くなる。
【００１３】
いくつかの態様において、アキシャル磁気軸受よりもタービン羽根側に配置されたタッチダウン軸受と、ハウジングに設けられた冷却ガス流路の入口と、冷却ガス流路の入口に接続された導管と、導管に設けられた制御弁と、を更に備え、冷却ガス流路の入口は、タッチダウン軸受とタービン羽根との間に設けられている回転機械とすることができる。制御弁によって、導管から導入される冷却ガスの流量を調整することで、タービン羽根側から作動流体が進入しないように圧力（流量）調整できるようになる。
【００１４】
いくつかの態様において、アキシャル磁気軸受よりもタービン羽根側に配置されたタッチダウン軸受と、を更に備え、タッチダウン軸受は、回転軸側の内輪と、転動体を介して内輪に対向する外輪とを備え、ハウジングは、タッチダウン軸受の内輪と外輪との間の隙間を塞ぐ邪魔板を備える回転機械とすることができる。作動流体が進入してきたとしても、その作動流体のタッチダウン軸受側への進入は、邪魔板によって防がれる。その結果、低温の作動流体が直接的にモータまで到達してしまうのを防ぐ上で有利になる。
【００１５】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
以下の開示では、図１を参照して、実施形態に係る回転機械６Ａを備えた冷却システム１が説明されている。冷却システム１は、作動流体としてネオンガスまたは一部にネオンを含むガスを使用して、液体窒素を冷却するシステムである。冷却システム１は、作動流体を冷却しながら循環する冷凍装置２と、液体窒素を循環する冷媒循環装置３と、冷凍装置２と冷媒循環装置３との間で熱交換を行って液体窒素を冷却する冷却熱交換部４と、を備えている。
【００１７】
冷媒循環装置３は、液体窒素の貯留槽３１と、冷却熱交換部４で所望の温度まで冷却された液体窒素を圧送するポンプ部３２と、を備える。液体窒素は、ポンプ部３２の駆動によって熱負荷側に送られ、冷却対象となる各種の装置や部品等を冷却した後に貯留槽３１まで戻る。
【００１８】
冷凍装置２は、第１の実施形態に係る回転機械６Ａと、循環ライン５とを備えている。循環ライン５は、作動流体（以下、「循環ガス」という）が循環するラインであり、回転機械６Ａは、循環ガスを、例えば極低温にまで冷却する装置である。回転機械６Ａ（図２参照）は、タービン羽根６１が設けられた膨張部６ａと、コンプレッサ羽根６２が設けられた圧縮部６ｂとを備えている。回転機械６Ａは、ダイレクトドライブ式の駆動方式を採用している。回転機械６Ａは、モータ７の駆動により、直接的に回転軸８が回転し、タービン羽根６１及びコンプレッサ羽根６２が回転する。なお、回転機械６Ａの膨張部６ａや循環ライン５は、コールドボックス等の断熱容器（図示省略）内に格納されている。
【００１９】
循環ライン５は、膨張部６ａと圧縮部６ｂとを接続する低圧側ライン５ａと、圧縮部６ｂと膨張部６ａとを接続する高圧側ライン５ｂとを備えている。低圧側ライン５ａは、膨張部６ａでの膨張によって冷却された循環ガスが圧縮部６ｂの入口に向けて流れる流路である。低圧側ライン５ａは、配管やバルブ等を備えている。低圧側ライン５ａは、冷却熱交換部４を介して冷媒循環装置３と熱交換可能に接続されている。
【００２０】
高圧側ライン５ｂは、圧縮部６ｂから排出された循環ガスが膨張部６ａの入口に向けて流れる流路である。高圧側ライン５ｂは、配管やバルブ等を備えている。高圧側ライン５ｂは、循環ガスを冷却するクーラー部５ｃと、クーラー部５ｃよりも下流側で主ラインから分岐した冷却ガスライン５１と、を備えている。高圧側ライン５ｂの主ラインは、再生熱交換部５２を介して低圧側ライン５ａと熱交換可能に接続されている。
【００２１】
冷凍装置２は、回転機械６Ａのモータ７の昇温を抑える冷却ガスＧａを回転機械６Ａに導入する冷却ガスライン５１を備えている。冷却ガスライン５１は、上記の循環ライン５とは独立した流路とすることも可能であるが、本実施形態では循環ライン５を流れる循環ガスの一部を冷却ガスＧａとして利用している。
【００２２】
具体的には、冷却ガスライン５１は、回転機械６Ａよりも上流側の導入ライン５１ａと、回転機械６Ａよりも下流側の排熱ライン５１ｂとを備えている。導入ライン５１ａは、クーラー部５ｃよりも下流側で、高圧側ライン５ｂから分岐し、回転機械６Ａに接続されている。排熱ライン５１ｂは、水冷装置５３の熱交換部と熱交換可能に接続されており、更に圧縮部６ｂの上流側となる低圧側ライン５ａに接続されている。
【００２３】
回転機械６Ａから抜熱することで温度が上昇した冷却ガスＧａは、水冷装置５３によって、圧縮部６ｂに導入される他の循環ガスと同温程度まで冷却され、低圧側ライン５ａに戻される。低圧側ライン５ａに戻された循環ガスは、再び、圧縮部６ｂ、及びクーラー部５ｃを通過することになり、実質的に自己循環ラインを形成する。冷却ガスライン５１を通過する循環ガスは、回転機械６Ａのモータ７の昇温を抑える特別な機能を有する。
【００２４】
図２、図３、図４、図５、及び図６に示されるように、回転機械６Ａは、アキシャルディスク８１を備えた回転軸８と、回転軸８を回転させるモータ７と、回転軸８を回転自在に支持する軸受部と、回転軸８に取り付けられたタービン羽根６１、及びコンプレッサ羽根６２と、を備えている。タービン羽根６１は回転軸８の一方の端部側に取り付けられ、コンプレッサ羽根６２は回転軸８の他方の端部側に取り付けられている。一方の端部側とは、回転軸の一方の端部及びこの端部の近傍も含む意味である。また、他方の端部側とは、回転軸の一方の端部とは反対側の端部、及びこの端部の近傍も含む意味である。タービン羽根６１は膨張部６ａに配置され、コンプレッサ羽根６２は圧縮部６ｂに配置されている。また、回転機械６Ａは、モータ７等を収容するハウジング９を備えている。
【００２５】
モータ７は、回転軸８に固定されたロータ部７２と、ハウジング９に固定されたステータ部とを備えている。ロータ部７２は、基礎となる磁束を作る永久磁石等を備える。ステータ部７１は、コア部、及びコア部に巻かれたコイル部等を備えており、ロータ部７２に対向して配置されている。ステータ部７１の両端、つまり、回転軸８の軸線方向に沿った両端には、コイルエンド７１ａが形成されている。
【００２６】
軸受部は、一対のラジアル磁気軸受コア部１１Ａ，１１Ｂ、アキシャル磁気軸受１２、及び一対のタッチダウン軸受１３Ａ，１３Ｂを備えている。一対のラジアル磁気軸受コア部１１Ａ，１１Ｂは、互いの間にステータ部７１が配置されるように設置されている。アキシャル磁気軸受１２は、タービン羽根６１側のラジアル磁気軸受コア部１１Ｂとステータ部７１との間に配置されている。アキシャル磁気軸受１２は、アキシャルディスク８１を挟んだ状態で、アキシャルディスク８１を磁気浮上させて非接触支持する一対のアキシャル磁極コア１２ａ，１２ｂを備えている。一対のタッチダウン軸受１３Ａ，１３Ｂのうち、一方のタッチダウン軸受１３Ａは回転軸８のコンプレッサ羽根６２側の端部の近傍に設置されており、他方のタッチダウン軸受１３Ｂは回転軸８のタービン羽根６１側の端部の近傍に設置されている。
【００２７】
ハウジング９は、モータ７、アキシャル磁極コア１２ａ，１２ｂ、及びアキシャルディスク８１を含む回転軸８の一部を収容する本体部９１と、循環ガスのリークを阻止するラビリンスシール部９２と、主にステータ部７１を冷却する冷却水流路９３とを備えている。ラビリンスシール部９２は、タービン羽根６１側、及びコンプレッサ羽根６２側のそれぞれに設けられており、回転軸８との間に生じる隙間を循環ガスが通過するのを規制する。また、冷却水流路９３は、冷却水が通過する流路であり、銅などの熱交換部材を介してステータ部７１に熱交換可能に接続されている。
【００２８】
また、ハウジング９内には、モータ損や風損によって生じる熱を排熱する冷却ガスＧａが通過する冷却ガス流路１０が形成されている。風損は、モータ７のステータ部７１とロータ部７２との間の隙間で生じる。また、本実施形態に係る回転機械６Ａは、回転軸８のアキシャルディスク８１をアキシャル磁気軸受１２で支持しており、アキシャルディスク８１とアキシャル磁気軸受１２との間にも隙間が存在する。具体的に説明すると、アキシャルディスク８１は、アキシャル磁気軸受１２によって挟まれた一対の支持受け面８１ａ，８１ｂを備え、各支持受け面８１ａ，８１ｂに対面するようにアキシャル磁気軸受１２のアキシャル磁極コア１２ａ，１２ｂが配置されている。アキシャル磁気軸受１２はアキシャルディスク８１を磁気浮上させて支持しているので、アキシャル磁極コア１２ａ，１２ｂと支持受け面８１ａ，８１ｂとの間には、風損を生じ得る隙間が形成されている。
【００２９】
冷却ガス流路１０は、特に、風損が生じる隙間に形成する必要がある。以下、ステータ部７１とロータ部７２との間に形成される流路は、第１流路１０ａとして説明され、アキシャルディスク８１の支持受け面８１ａ，８１ｂに沿って形成される流路は第２流路１０ｂとして説明される。なお、第２流路は、ステータ部７１側の支持受け面８１ａに沿って形成される経路と、ステータ部７１側とは反対側の支持受け面８１ｂに沿って形成される経路とに区分できる。以下、一方の経路となるステータ部７１側の支持受け面８１ａは第１支持受け面８１ａとして説明され、他方の経路となるステータ部７１側とは反対側の支持受け面８１ｂは第２支持受け面８１ｂとして説明される。
【００３０】
図２、及び図９に示されるように、ハウジング９には、例えば、冷却ガスＧａの入口、または出口として機能し得る流路口が複数形成されている。第１の流路口９ａは、コンプレッサ羽根６２側のラジアル磁気軸受コア部１１Ａとステータ部７１との間であり、第２の流路口９ｂはステータ部７１とアキシャル磁気軸受１２との間に形成されている。第３の流路口９ｃは、アキシャル磁気軸受１２の一対のアキシャル磁極コア１２ａ，１２ｂの間に形成されており、アキシャルディスク８１の遠心方向に形成された流路口である。第４の流路口９ｄは、アキシャル磁気軸受１２とタービン羽根６１側のラジアル磁気軸受コア部１１Ｂとの間に形成されており、第５の流路口９ｅは、タービン羽根６１側のタッチダウン軸受１３Ｂとタービン羽根６１との間に形成されている。第１の流路口９ａ〜第５の流路口９ｅには、それぞれ冷却ガスＧａが通過する導管が接続されており、特に、第５の流路口９ｅに接続された導管１４には流量調整可能な制御弁１５が設置されている。
【００３１】
本実施形態では、第１の流路口９ａ、及び第３の流路口９ｃは冷却ガスＧａの出口であり、第２の流路口９ｂ、第４の流路口９ｄ及び第５の流路口９ｅは冷却ガスＧａの入口である。第２の流路口９ｂから導入された冷却ガスＧａの一部は、ステータ部７１とロータ部７２との間を通過し、ステータ部７１のコイルエンド７１ａに沿って流れ、第１の流路口９ａから排出される。この流れを形成する流路は、冷却ガス流路１０の第１流路１０ａである。また、第２の流路口９ｂから導入された冷却ガスＧａの残りは、アキシャルディスク８１の第１支持受け面８１ａに沿って流れ、第３の流路口９ｃから排出される。この流れを形成する流路は、冷却ガス流路１０の第２流路１０ｂである。
【００３２】
また、第４の流路口９ｄから導入された冷却ガスＧａは、アキシャルディスク８１の第２支持受け面８１ｂに沿って流れ、第３の流路口９ｃから排出される。この流れを形成する流路は冷却ガス流路１０の第２流路１０ｂである。
【００３３】
また、第５の流路口９ｅから導入される冷却ガスＧａは、タービン羽根６１（膨張部６ａ）側からのリークガスＧｂの進入を阻止している。第５の流路口９ｅから導入される冷却ガスＧａは、制御弁１５によって流量調節されている。この流量調節についての詳しい説明は、以下の通りである。
【００３４】
回転機械６Ａは、タービン羽根６１側のラジアル磁気軸受コア部１１Ｂ近傍、またはタービン羽根６１側のラビリンスシール部９２近傍に配置された温度センサー１６と、温度センサー１６の温度を監視し、温度センサー１６で検出された温度に基づいて制御弁１５の開閉制御を行う制御装置１７とを備えている。制御装置１７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成され、所定のプログラムを実行することによって各種機能を実現する。また、制御装置１７は、温度センサー１６で検出されたデータを取得可能となるように、有線または無線にて温度センサー１６に接続され、また、制御弁１５を制御する制御信号を送受信可能となるように、有線または無線にて制御弁１５に接続されている。
【００３５】
制御装置１７は、例えば、監視の基準値として設定された所定の温度Ｔａを記憶している。所定の温度Ｔａは任意に設定変更可能であり、タービン羽根６１側からの循環ガスのリークを検出する閾値である。膨張部６ａで冷却された循環ガスは、冷却ガス流路１０を流れる冷却ガスＧａに比べて、低温である。制御装置１７は、温度センサー１６で検出された温度Ｔｘが温度Ｔａよりも高温の場合には、循環ガスのリークは無いと判断し、制御弁１５を閉じておく。一方で、制御装置１７は、温度センサー１６で検出された温度ＴｘがＴａ以下になった場合には、実質的に循環ガスがリークガスＧｂとして進入してきたと判断して制御弁１５を開制御し、冷却ガス流路１０内に冷却ガスＧａを導入する。冷却ガスＧａの導入によって内部が加圧され、膨張部６ａとの間で圧力拮抗するとリークガスＧｂの進入が抑えられる。第５の流路口９ｅからの冷却ガスＧａの導入により、温度センサー１６で検出された温度Ｔｘが温度Ｔａよりも高くなると、制御装置１７は、制御弁１５を閉制御する。なお、第５の流路口９ｅから冷却ガスＧａを過剰に導入すると、冷却ガス流路１０内の圧力が膨張部６ａに比べて過度に高くなり、今度は、冷却ガスＧａが膨張部６ａ側にリークする可能性が出てくる。したがって、適切な所定の温度Ｔａが設定され、制御装置１７は、この温度Ｔａを閾値として制御弁１５の開閉を自動制御することが好ましい。
【００３６】
また、図７、及び図８に示されるように、ハウジング９は、タービン羽根６１側のタッチダウン軸受１３Ｂを支持する支持板９５を備えている。タッチダウン軸受１３Ｂは、回転軸８側の内輪１３ａと、転動体１３ｃを介して内輪１３ａに対向する外輪１３ｂとを備えている。ハウジング９の本体部９１には、タッチダウン軸受１３Ｂの外輪１３ｂが装着される受け部９４が形成されている。支持板９５は受け部９４にボルト止めされ、外輪１３ｂに接して受け部９４との間でタッチダウン軸受１３Ｂを挟持する。
【００３７】
支持板９５は、外輪１３ｂに接するベース部９５ａと、ベース部９５ａから回転軸８側に突き出した邪魔板部９５ｂと、を備えている。邪魔板部９５ｂは、外輪１３ｂと内輪１３ａとの間の隙間Ｓａを覆い、更に内輪１３ａに沿うように配置されている。内輪１３ａと外輪１３ｂとの間の隙間Ｓａ（図６参照）は、複数の転動体１３ｃが存在するものの、内輪１３ａと回転軸８との間の隙間Ｓｂに比べて大きい。邪魔板部９５ｂは、この隙間Ｓａを塞ぐことで、タッチダウン軸受１３Ｂの内部を通じてリークガスＧｂが進入するのを防止する。
【００３８】
なお、邪魔板部９５ｂは、内輪１３ａに対面する側を歯付き形状とした摩耗部９５ｃと、摩耗部９５ｃとベース部９５ａとの間に設けられたくびれ部９５ｄとを備えている。くびれ部９５ｄは、他の部分に比べて薄くなっている。また、邪魔板部９５ｂを含む支持板９５は、内輪１３ａよりも柔らかなＳＵＳ材を使用して製造されている。ＳＵＳ材はオーステナイト系ステンレス鋼、例えばＳＵＳ３０４等を用いることができる。この様にして、邪魔板部９５ｂは、内輪１３ａが回転軸８の回転や冷却ガスＧａの流れなどの内部流によって動いたとしても、隙間Ｓａを効果的に塞ぐことができる。
【００３９】
第１の実施形態に係る冷凍装置２は上述の回転機械６Ａを備え、回転機械６Ａは、ロータ部７２とステータ部７１との間を冷却ガスＧａが通過する第１流路１０ａを備えている。つまり、ステータ部７１で生じるモータ損、及びロータ部７２とステータ部７１との間で生じる風損によって発熱しても、第１流路１０ａを通過する冷却ガスＧａによって昇温を抑えることができる。
【００４０】
また、アキシャルディスク８１の支持受け面８１ａ，８１ｂとアキシャル磁気軸受１２との間の隙間には、アキシャルディスク８１の回転によって風損が生じ、発熱する。しかしながら、冷凍装置２の回転機械６Ａは、支持受け面８１ａ，８１ｂに沿って冷却ガスＧａが流れる第２流路１０ｂを備えているので、アキシャルディスク８１で生じる発熱の影響を低減でき、温度上昇を抑えることができる。なお、回転機械６Ａは、両方の支持受け面８１ａ，８１ｂに沿って冷却ガスＧａが流れる二つの第２流路１０ｂが形成される態様であるが、どちらか一方に第２流路１０ｂが形成されていれば、アキシャルディスク８１の風損による昇温を効果的に抑えることができる。
【００４１】
また、回転機械６Ａのハウジング９には、第１流路１０ａから独立した第２流路１０ｂの流路口が形成されている。具体的には、第２の流路口９ｂから導入された冷却ガスＧａの一部は、ステータ部７１とロータ部７２との間を通過し、更にステータ部７１のコイルエンド７１ａに沿って流れ、第１の流路口９ａから排出される。この流れを形成する流路は第１流路１０ａである。一方で、第４の流路口９ｄから導入された冷却ガスＧａは、アキシャルディスク８１の第２支持受け面８１ｂに沿って流れ、第３の流路口９ｃから排出される。この流れを形成する流路は、第２流路１０ｂになる。この第２流路１０ｂの入口、及び出口となる第４の流路口９ｄ及び第３の流路口９ｃは、第１流路１０ａの入口、及び出口となる第２の流路口９ｂ、及び第１の流路口９ａとは独立している。第２流路１０ｂの流路口を第１流路１０ａから独立させることで、第１流路１０ａと第２流路１０ｂとの縁を切り、冷却ガス流路１０内の圧力バランスの崩れによる冷却ガスの滞留などの影響を低減できる。
【００４２】
また、コンプレッサ羽根６２のハウジング９側（コンプレッサ背面）とタービン羽根６１のハウジング９側（タービン背面）との圧力を比較した場合、タービン背面の圧力の方がコンプレッサ背面の圧力よりも高い。つまり、回転機械６Ａは、タービン背面からハウジング９の内部にリークガスＧｂが進入し易い環境にある。しかしながら、本実施形態に係る回転機械６Ａでは、ハウジング９内に冷却ガス流路１０を形成することで冷却ガスＧａを滞留させ、その結果、リークガスＧｂの進入、通過を抑えている。
【００４３】
なお、タービン背面からのリークガスＧｂを冷却ガスとする考え方もある。しかしながら、リークガスＧｂを利用しようとすると、タービン効率の低下を招き、装置仕様を満足できなくなる可能性がある。また、リークガスＧｂを冷却ガスとして利用した場合、リークガスＧｂの流量減少は、モータ７の適切な冷却を困難にする。そのため、本実施形態では、リークガスＧｂとは別の経路から循環ガスを冷却ガスＧａとして導入し、冷却ガス流路１０を形成している。
【００４４】
更に、本実施形態では、リークガスＧｂが回転軸８に沿って進入してきても、アキシャルディスク８１の支持受け面８１ａ，８１ｂに沿って第２流路１０ｂが形成されており、第２流路１０ｂを通過する冷却ガスＧａにより、低温のリークガスＧｂが直接的にモータ７まで到達してしまうのを防ぐことができる。
【００４５】
また、回転機械６Ａのハウジング９は、冷却ガス流路１０の流路口として、ステータ部７１を挟んでコンプレッサ羽根６２側とタービン羽根６１側に設けられた第１の流路口９ａと第２の流路口９ｂとを備えている。また、ハウジング９は、アキシャルディスク８１の遠心方向に設けられた第３の流路口９ｃと、アキシャルディスク８１のステータ部７１とは反対側に設けられた第４の流路口９ｄとを備えている。本実施形態によれば、後述の実施例で示されるように各種のパターンを実現でき、第１流路１０ａと第２流路１０ｂとの形成において、最適化を図り易くなる。
【００４６】
また、回転機械６Ａは、アキシャル磁気軸受１２よりもタービン羽根６１側に配置されたタッチダウン軸受１３Ｂを備え、タッチダウン軸受１３Ｂとタービン羽根６１との間に設けられている第５の流路口９ｅは、冷却ガスＧａの入口として機能している。更に、第５の流路口９ｅに接続された導管１４には、制御弁１５が設けられている。制御弁１５によって、導管１４から導入または排出される冷却ガスＧａの流量を調整することができ、その結果、タービン羽根６１側（タービン背面）からリークガスＧｂが進入しないように圧力（流量）調整できるようになる。
【００４７】
また、回転機械６Ａのハウジング９は、タッチダウン軸受１３Ｂの内輪１３ａと外輪１３ｂとの間の隙間を塞ぐ邪魔板部９５ｂを備えている。例え、低温の循環ガスがラビリンスシール部９２を超え、リークガスＧｂとしてハウジング９内に進入してきたとしても、邪魔板部９５ｂによってタッチダウン軸受１３Ｂ側への進入は防がれる。その結果、低温のリークガスＧｂが直接的にモータ７まで到達してしまうのを防ぐ上で有利になる。
【００４８】
以下の開示では、図１０を参照して、第２の実施形態に係る冷凍装置２が説明されている。なお、第２の実施形態に係る冷凍装置２は、回転機械６Ｂを除き、基本的に第１の実施形態に係る冷凍装置２と共通する。また、第２の実施形態に係る回転機械６Ｂは、第１の実施形態に係る回転機械６Ａと同一の要素や構造を備えている。以下では、主に回転機械６Ｂが説明され、更に、第１の実施形態に係る回転機械６Ａと同一の要素や構造については同一の符号を付して詳細な説明が省略されている。
【００４９】
回転機械６Ｂのアキシャルディスク８１は、ステータ部７１よりもコンプレッサ羽根６２側に設けられており、従って、アキシャル磁気軸受１２もステータ部７１よりもコンプレッサ羽根６２側に設けられている。
【００５０】
ハウジング９には、例えば、冷却ガスＧａの入口、または出口として機能し得る流路口が複数形成されている。第１の流路口９ａは、コンプレッサ羽根６２側のラジアル磁気軸受コア部１１Ａとアキシャル磁気軸受１２との間であり、第２の流路口９ｂは、アキシャル磁気軸受１２の一対のアキシャル磁極コア１２ａ，１２ｂの間に形成されており、アキシャルディスク８１の遠心方向に形成された流路口である。第３の流路口９ｃは、アキシャル磁気軸受１２とステータ部７１との間に形成されている。第４の流路口９ｄは、ステータ部７１とタービン羽根６１側のラジアル磁気軸受コア部１１Ｂとの間に形成されている。第５の流路口９ｅは、第１の実施形態と同様に、タービン羽根６１側のタッチダウン軸受１３Ｂとタービン羽根６１との間に設けられている。第１〜第５の流路口９ｅには、それぞれ冷却ガスＧａが通過する導管１４が接続されており、特に、第５の流路口９ｅに接続された導管１４には流量調整可能な制御弁１５が設置されている。
【００５１】
本実施形態では、第１の流路口９ａ、第３の流路口９ｃ、及び第５の流路口９ｅは冷却ガスＧａの入口であり、第２の流路口９ｂ、及び第４の流路口９ｄは冷却ガスＧａの出口である。第１の流路口９ａから導入された冷却ガスＧａ、及び第３の流路口９ｃから導入された冷却ガスＧａの一部は、それぞれ第２流路１０ｂを形成する。具体的には、第１の流路口９ａから導入された冷却ガスＧａはアキシャルディスク８１の第２支持受け面８１ｂに沿って流れることで第２流路１０ｂを形成し、その後、第２の流路口９ｂから排出される。また、第３の流路口９ｃから導入された冷却ガスＧａの一部は、アキシャルディスク８１の第１支持受け面８１ａに沿って流れることで第２流路１０ｂを形成し、その後、第２の流路口９ｂから排出される。また、第３の流路口９ｃから導入された他の冷却ガスＧａは、ステータ部７１とロータ部７２との間を通過し、更に、ステータ部７１のコイルエンド７１ａに沿って流れ、第４の流路口９ｄから排出される。この流れは、冷却ガス流路１０の第１流路１０ａを形成する。
【００５２】
第２の実施形態に係る回転機械６Ｂは、第１の実施形態に係る回転機械６Ａと同様に、ステータ部７１で生じるモータ損、及びロータ部７２とステータ部７１との間で生じる風損によって発熱しても、第１流路１０ａを通過する冷却ガスＧａによって昇温を抑えることができる。また、回転機械６Ｂは、風損に起因してアキシャルディスク８１で生じる発熱の影響を低減でき、温度上昇を抑えることができる。その他、本実施形態に係る回転機械６Ｂは、上述の回転機械６Ａと同様の作用、効果を奏する。
【実施例】
【００５３】
以下、実施例に基づいて、より詳細に説明する。以下の開示では、図２、図１１、及び図１２を参照して、第１の実施形態を基礎とした各実施例が説明されている。また、図１０、図１３、及び図１４を参照して、第２の実施形態を基礎とした各実施例が説明されている。なお、以下の第１の実施例は、上述の第１の実施形態に共通する実施例であり、第２の実施例〜第２４の実施例は、上述の第１の実施形態を基礎にしつつ、入口や出口の位置、または、流路口の一部が閉鎖されている点で第１の実施例と異なる。
【００５４】
上述の通り、第１の実施例に係る回転機械６Ａは、第１の実施形態と実質的に同一である（図２参照）。また、図１１の（ａ）は第２の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１１の（ｂ）は第３の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１１の（ｃ）は第４の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１１の（ｄ）は第５の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１１の（ｅ）は第６の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１１の（ｆ）は第７の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１１の（ｇ）は第８の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１１の（ｈ）は第９の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１１の（ｉ）は第１０の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１１の（ｊ）は第１１の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１１の（ｋ）は第１２の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１１の（ｌ）は第１３の実施例に係る回転機械６Ａである。
【００５５】
また、図１２の（ａ）は第１４の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１２の（ｂ）は第１５の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１２の（ｃ）は第１６の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１２の（ｄ）は第１７の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１２の（ｅ）は第１８の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１２の（ｆ）は第１９の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１２の（ｇ）は第２０の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１２の（ｈ）は第２１の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１２の（ｉ）は第２２の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１２の（ｊ）は第２３の実施例に係る回転機械６Ａであり、図１２の（ｋ）は第２４の実施例に係る回転機械６Ａである。
【００５６】
第１の実施例（図２参照）、第２２〜２４の実施例（図１２の（ｉ）、図１２の（ｊ）、図１２の（ｋ））は、全ての流路口９ａ〜９ｅを入口、または出口として使用する実施例をそれぞれ例示している。
【００５７】
第２の実施例（図１１の（ａ）参照）、第３の実施例（図１１の（ｂ）参照）は、全ての流路口９ａ〜９ｅのうち、二箇所を入口、または出口として使用する実施例をそれぞれ例示している。
【００５８】
第４〜第１１の実施例（図１１の（ｃ）〜図１１の（ｊ）参照）は、全ての流路口９ａ〜９ｅのうち、三箇所を入口、または出口として使用する実施例をそれぞれ例示している。
【００５９】
第１２〜第２１の実施例（図１１の（ｋ）、図１１の（ｌ）、図１２の（ａ）〜図１２の（ｈ）参照）は、全ての流路口９ａ〜９ｅのうち、四箇所を入口、または出口として使用する実施例をそれぞれ例示している。
【００６０】
上記の第１〜第２４に係る各実施例において、モータの昇温の抑制、及び膨張部からのリークガスの進入阻止の観点で総合評価された結果は以下の通りである。つまり、第１の実施例、第１４実施例、第１６の実施例、及び第２２の実施例は高い効果が認められた。また、第４の実施例、第６の実施例、第８の実施例、第１０の実施例、第１３の実施例、第１８の実施例、及び第２０の実施例は、上記に準じた高い効果が認められた。
【００６１】
また、以下の開示では、図１０、図１３、及び図１４を参照して、第２の実施形態を基礎とした各実施例が説明されている。なお、以下の第２５の実施例は、図１０に示される第２の実施形態に共通する実施例であり、第２６実施例〜第４８の実施例は、上述の第２の実施形態を基礎にしつつ、入口や出口の位置、または、流路口の一部が閉鎖されている点で第２５の実施例と異なる。
【００６２】
上述の通り、第２５の実施例に係る回転機械６Ｂは、第２の実施形態と実質的に同一である（図１０参照）。また、図１３の（ａ）は第２６の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１３の（ｂ）は第２７の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１３の（ｃ）は第２８の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１３の（ｄ）は第２９の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１３の（ｅ）は第３０の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１３の（ｆ）は第３１の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１３の（ｇ）は第３２の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１３の（ｈ）は第３３の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１３の（ｉ）は第３４の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１３の（ｊ）は第３５の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１３の（ｋ）は第３６の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１３の（ｌ）は第３７の実施例に係る回転機械６Ｂである。
【００６３】
また、図１４の（ａ）は第３８の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１４の（ｂ）は第３９の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１４の（ｃ）は第４０の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１４の（ｄ）は第４１の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１４の（ｅ）は第４２の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１４の（ｆ）は第４３の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１４の（ｇ）は第４４の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１４の（ｈ）は第４５の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１４の（ｉ）は第４６の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１４の（ｊ）は第４７の実施例に係る回転機械６Ｂであり、図１４の（ｋ）は第４８の実施例に係る回転機械６Ｂである。
【００６４】
第２５の実施例（図１３参照）、第４６〜４８の実施例（図１４の（ｉ）、図１４の（ｊ）、図１４の（ｋ）参照）は、全ての流路口９ａ〜９ｅを入口、または出口として使用する実施例をそれぞれ例示している。
【００６５】
第２６の実施例（図１３の（ａ）参照）、第２７の実施例（図１３の（ｂ）参照）は、全ての流路口９ａ〜９ｅのうち、二箇所を入口、または出口として使用する実施例をそれぞれ例示している。
【００６６】
第２８〜第３５の実施例（図１３の（ｃ）〜図１３の（ｊ）参照）は、全ての流路口９ａ〜９ｅのうち、三箇所を入口、または出口として使用する実施例をそれぞれ例示している。
【００６７】
第３６〜第４５の実施例（図１３の（ｋ）、図１３の（ｌ）、図１４の（ａ）〜図１４の（ｈ）参照）は、全ての流路口９ａ〜９ｅのうち、四箇所を入口、または出口として使用する実施例をそれぞれ例示している。
【００６８】
上記の第２５〜第４８に係る各実施例において、モータの昇温の抑制、及び膨張部からのリークガスの進入阻止の観点で総合評価された結果は以下の通りである。つまり、第２５の実施例、第３８の実施例、第４０の実施例、及び第４６の実施例において高い効果が認められた。また、第２８の実施例、第３０の実施例、第３２の実施例、第３４の実施例、第３６の実施例、及び第４２の実施例において、上記に準じた高い効果が認められた。
【符号の説明】
【００６９】
６Ａ，６Ｂ  回転機械
７  モータ
８  回転軸
９  ハウジング
９ａ  第１の流路口
９ｂ  第２の流路口
９ｃ  第３の流路口
９ｄ  第４の流路口
９ｅ  第５の流路口
１０  冷却ガス流路
１０ａ  第１流路
１０ｂ  第２流路
１２  アキシャル磁気軸受
１３Ｂ  タッチダウン軸受
１３ａ  内輪
１３ｂ  外輪
１３ｃ  転動体
１４  導管
１５  制御弁
６１  タービン羽根
６２  コンプレッサ羽根
７１  ステータ部
７２  ロータ部
８１  アキシャルディスク
８１ａ  第１支持受け面
８１ｂ  第２支持受け面
９５ｂ  邪魔板部
Ｇａ  冷却ガス
【図１】
0006747878.tif 000002
【図２】
0006747878.tif 000003
【図３】
0006747878.tif 000004
【図４】
0006747878.tif 000005
【図５】
0006747878.tif 000006
【図６】
0006747878.tif 000007
【図７】
0006747878.tif 000008
【図８】
0006747878.tif 000009
【図９】
0006747878.tif 000010
【図１０】
0006747878.tif 000011
【図１１】
0006747878.tif 000012
【図１２】
0006747878.tif 000013
【図１３】
0006747878.tif 000014
【図１４】
0006747878.tif 000015