(57)【要約】      （修正有）【課題】転がり軸受の長期耐久性を向上させること。【解決手段】磁気軸受の電磁石１７は、スラスト板１３ａに非接触で対向するように、ハウジング１４に取付けられる。翼車６ａ、７ａは、前記スラスト板１３ａと共通の主軸１３に嵌合し、タービン側翼車７ａで発生した動力により、コンプレッサ側翼車６ａを駆動させる。アキシアル方向の力を検出するセンサ１８の出力に応じて電磁石１７を制御するコントローラが１９設けられる。転がり軸受１５，１６とこの転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値は、電磁石部の負の剛性値よりも大である関係に設定される。ハウジング１２は、ハウジング１４、転がり軸受支持部材２０、タービン側ケーシング７ｂ、およびコンプレッサ側ケーシング６ｂから構成される。コンプレッサ側ケーシング６ｂとコンプレッサ６側の転がり軸受支持部材２０の互いに結合する端面間に隙間２７を形成する。【選択図】図１
2007162490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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し、前記磁気軸受の電磁石は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、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車は、前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、タービン側翼車で発生した動力により、コンプレッサ側翼車を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、前記電磁石を制御するコントローラを有し、前記転がり軸受とこの転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石部の負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、転がり軸受支持部材、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側ケーシングと前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材の互いに結合する端面間に隙間が形成されていることを特徴とする圧縮膨張タービンシステム。
【請求項２】
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し、前記磁気軸受の電磁石は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、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車とモータロータは、前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、モータ部の動力により、コンプレッサ側翼車を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、電磁石を制御するコントローラを有し、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石部とモータ部とで形成される合成バネの負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、モータハウジング、転がり軸受支持部材、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側ケーシングと前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材の互いに結合する端面間に隙間が形成されていることを特徴とする圧縮膨張タービンシステム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記コンプレッサ側ケーシングおよび前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材の対向する端面におけるいずれか一方に突起を設け、これら対向する端面を前記突起で当接させてこの突起以外の端面間を前記すき間とした圧縮膨張タービンシステム。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、前記コンプレッサ側ケーシングおよび前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材の対向する端面間の一部にスペーサを介在させ、これら対向する端面の前記スペーサ以外の箇所を前記すき間とした圧縮膨張タービンシステム。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、前記コンプレッサ側ケーシングまたは前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材における、前記突起または前記スペーサの近傍に、ハウジングを冷却する冷却経路が形成されている圧縮膨張タービンシステム。
【請求項６】
請求項５において、冷却用の媒体には水、油、または空気を使用する圧縮膨張タービンシステム。
【請求項７】
請求項６において、前記冷却経路を使用して、前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材の温度または転がり軸受の温度を、使用する転がり軸受の許容温度以下に温度制御するものとした圧縮膨張タービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷媒として空気が用いられ、冷凍倉庫、零度以下の低温室、空調等に利用される空気サイクル冷凍冷却システムの圧縮膨張タービンシステムに関する。
【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（特許文献１）。
【０００４】
なお、プロセスガスを処理するタービン・コンプレッサとしては、主軸の一端にタービン翼車、他端にコンプレッサ翼車を取付け、前記主軸を電磁石の電流で制御するジ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、本発明者等は、上記課題を解決するものとして、先に図９に示すような構成の空気サイクル冷凍冷却用の圧縮膨張タービンユニットを提案した（特願２００５−２３９４６４）。このタービンユニットでは、主軸６３の両端にコンプレッサ５６のコンプレッサ翼車５６ａおよび膨張タービン５７のタービン翼車５７ａを取付け、主軸６３を回転自在に支持する軸受として、グリース潤滑の転がり軸受６５，６６と、磁気軸受を構成する電磁石６７とを併用し、転がり軸受６５，６６がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷を支持し、電磁石６７は、主軸６３に垂直かつ同軸に設けられたスラスト板６３ａに非接触で対向するように配置し、アキシアル方向の力を検出するセンサ６８の出力に応じてコントローラ６９で電磁石６７を制御する。
【０００９】
しかし、上記構成のタービンユニットでは、全体のユニットハウジング６２において、コンプレッサ側ケーシング５６ｂとコンプレッサ５６側の転がり軸受支持部材７０とが互いに両端面で面接触するように結合されており、定常動作時のコンプレッサ側ケーシング５６ｂ  が高温（８０〜１２０℃）になるため、コンプレッサ５６側の転がり軸受６５も前記転がり軸受支持部材７０を通して高温状態になり、グリースの寿命が低下し、転がり軸受６５の長期耐久性が低いという問題がある。
【００１０】
この発明の目的は、転がり軸受の長期耐久性を向上させることができ、また簡単な構成のコントローラで安定した制御が行え、各翼車の適切な隙間を保って安定した高速回転が得られる圧縮膨張タービンシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の第１の発明にかかる圧縮膨張タービンシステムは、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し、前記磁気軸受の電磁石は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、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車は、前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、タービン側翼車で発生した動力により、コンプレッサ側翼車を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、前記電磁石を制御するコントローラを有し、前記転がり軸受とこの転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石部の負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、転がり軸受支持部材、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側ケーシングと前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材の互いに結合する端面間に隙間が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
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、かつ転がり軸受の長期耐久性が得られる。そのため、各翼車の適切な隙間を保って安定した高速回転が得られる。磁気軸受のみの支持の場合における電源停止時の損傷も回避される。
また、コンプレッサ側ケーシングとコンプレッサ側の転がり軸受支持部材の互いに結合する端面に、コンプレッサ側ケーシングから転がり軸受支持部材への熱流入を絞るための隙間が形成されていることから、定常動作時に高温となるコンプレッサ側ケーシングからコンプレッサ側の転がり軸受支持部材への熱流入が抑制され、グリース潤滑で回転する転がり軸受のグリース寿命が向上し、転がり軸受の長期耐久性をより一層向上させることができる。
また、転がり軸受とこの転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石部の負の剛性値よりも大である関係に設定されているので、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て、制御対象を安定なものとでき、コントローラの回路構成を比例もしくは比例積分等の簡単な構成のものとしても、安定した制御が行える。
【００１３】
この発明の第２の発明にかかる圧縮膨張タービンシステムは、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に支持し、前記磁気軸受の電磁石は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、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車とモータロータは、前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、モータ部の動力により、コンプレッサ側翼車を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、電磁石を制御するコントローラを有し、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石部とモータ部とで形成される合成バネの負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、モータハウジング、転がり軸受支持部材、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側ケーシングと前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材の互いに結合する端面間に隙間が形成されていることを特徴とする。
この構成の場合も、コンプレッサ側ケーシングとコンプレッサ側の転がり軸受支持部材の互いに結合する端面に、コンプレッサ側ケーシングから転がり軸受支持部材への熱流入を絞るための隙間が形成されていることから、定常動作時に高温となるコンプレッサ側ケーシングからコンプレッサ側の転がり軸受支持部材への熱流入が抑制され、グリース潤滑で回転する転がり軸受のグリース寿命が向上し、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、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石部とモータ部とで形成される合成バネの負の剛性値よりも大である関係に設定されているので、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て、制御対象を安定なものとでき、コントローラの回路構成を比例もしくは比例積分等の簡単な構成のものとしても、安定した制御が行える。
【００１４】
この発明の上記各構成のものにおいて、前記コンプレッサ側ケーシングおよび前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材の対向する端面におけるいずれか一方に突起を設け、これら対向する端面を前記突起で当接させてこの突起以外の端面間を前記すき間としても良い。
また、前記コンプレッサ側ケーシングおよび前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材の対向する端面間の一部にスペーサを介在させ、これら対向する端面の前記スペーサ以外の箇所を前記すき間としても良い。
これら突起またはスペーサを介在させると、前記端面間の隙間を容易に形成することができる。
【００１５】
上記のように突起またはスペーサを設けた場合、これら突起またはスペーサの近傍に、ハウジングを冷却する冷却経路が形成されていても良い。冷却用の媒体には、例えば水、油、または空気を使用しても良い。熱の伝達経路となる突起またはスペーサの近傍に冷却経路を形成することで、コンプレッサ側ケーシングから転がり軸受支持部材への熱流入がより一層確実に抑制される。
前記冷却経路を設けた場合、この冷却経路を利用して、転がり軸受支持部材の温度、さらには転がり軸受の温度を、使用する転がり軸受の許容温度以下の適温に制御するものとしても良い。
この発明において、前記圧縮膨張タービンシステムが、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り圧縮、熱交換器による冷却、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの膨張タービンによる断熱膨張、を順次行う空気サイクル冷凍冷却システムに使用されたものであっても良い。
前記圧縮膨張タービンシステムを、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】
【００１６】
この発明の第１の発明にかかる圧縮膨張タービンシステムは、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し、前記磁気軸受の電磁石は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、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車は、前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、タービン側翼車で発生した動力により、コンプレッサ側翼車を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、前記電磁石を制御するコントローラを有し、前記転がり軸受とこの転がり軸受の支持系とで理性される合成バネの剛性値が、電磁石部の負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、転がり軸受支持部材、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側ケーシングと前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材の互いに結合する端面間に隙間が形成されたものとしたため、転がり軸受の長期耐久性を向上させることができ、また簡単な構成のコントローラで安定した制御が行え、各翼車の適切な隙間を保って安定した高速回転をすることができる。
【００１７】
この発明の第２の発明にかかる圧縮膨張タービンシステムは、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に支持し、前記磁気軸受の電磁石は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、スピンドルハウジングに取付けられており、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車とモータロータは、前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、モータ部の動力により、コンプレッサ側翼車を駆動させるものであり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、電磁石を制御するコントローラを有し、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石部とモータ部とで形成される合成バネの負の剛性値よりも大である関係を有し、圧縮膨張タービンユニットのハウジングが、スピンドルハウジング、モータハウジング、転がり軸受支持部材、タービン側ケーシング、およびコンプレッサ側ケーシングから構成され、前記コンプレッサ側ケーシングと前記コンプレッサ側の転がり軸受支持部材の互いに結合する端面間に隙間が形成されたものとしたため、転がり軸受の長期耐久性を向上させることができ、また簡単な構成のコントローラで安定した制御が行え、各翼車の適切な隙間を保って安定した高速回転を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１は、この実施形態の圧縮膨張タービンシステムを構成する圧縮膨張タービンユニット５の断面図を示す。この圧縮膨張タービンユニット５は、コンプレッサ６および膨張タービン７を有し、コンプレッサ６のコンプレッサ翼車６ａおよび膨張タービン７のタービン翼車７ａが主軸１３の両端にそれぞれ取付けられている。また、タービン翼車７ａで発生した動力によりコンプレッサ翼車６ａが駆動されるものであり、別の駆動源は設けられていない。
【００１９】
圧縮膨張タービンユニット５のハウジング１２は、コンプレッサ側ケーシング６ｂと、スピンドルハウジング１４と、前記コンプレッサ側ケーシング６ｂとスピンドルハウジング１４との間に介在する転がり軸受支持部材２０と、タービン側ケーシング７ｂとを結合して構成される。
図１において、コンプレッサ６は、コンプレッサ翼車６ａと、このコンプレッサ翼車６ａと微小の隙間ｄ１を介して対向する前記コンプレッサ側ケーシング６ｂとでなり、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、このタービン翼車７ａと微小の隙間ｄ２を介して対向するタービン側ケーシング７ｂとでなり、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。
【００２０】
この圧縮膨張タービンユニット５では、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荷重と軸受予圧のどちらか一方もしくは両方を磁気軸受である電磁石１７により支持するものとされる。この圧縮膨張タービンユニット５は、転がり軸受１６に作用するアキシアル方向の負荷を検出するセンサ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とを有している。電磁石１７は、主軸１３の中央で主軸１３に垂直かつ同軸に一体構造として設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板１３ａの両面に非接触で対向するように、スピンドルハウジング１４に設置され、スラスト板１３ａが電磁石ターゲットとされる。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】
主軸１３を支持する転がり軸受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、例えば深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受が用いられる。深溝玉軸受の場合、両方向のスラスト支持機能を有し、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す作用を持つ。これら２個の転がり軸受１５，１６は、それぞれユニットハウジング１２におけるコンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａの近傍に配置されている。
【００２２】
主軸１３は、中央部の大径部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。また、主軸１３の両端部の小径部１３ｄに、前記コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａの中央部に設けられた貫通孔（図示せず）を圧入状態に嵌合させることで、コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａが主軸１３に取付けられる。
【００２３】
前記センサ１８は、タービン翼車７ａ側の転がり軸受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を近傍に設けた転がり軸受１６は、その外輪１６ｂが軸受ハウジング２３内に固定状態に嵌合している。軸受ハウジング２３は、リング状に形成されて一端に軸受１６の外輪１６ｂの幅面に係合する内鍔２３ａを有しており、スピンドルハウジング１４に設けられた内径面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。
【００２４】
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、軸受ハウジング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、タービン側ケーシング７ｂに設けられた収容凹部内に収容されて転がり軸受１６の外輪１６ｂをアキシアル方向に付勢するものとされ、外輪１６ｂおよび軸受ハウジング２３を介してセンサ１８を予圧する。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。
【００２５】
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、圧縮膨張タービンユニット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。
【００２６】
センサ１８の非配置側の転がり軸受１５は、転がり軸受支持部材２０に対してアキシアル方向に移動自在に設置され、かつ軸受予圧ばね２６によって弾性支持されている。この例では転がり軸受１５の外輪１５ｂが、転がり軸受支持部材２０の内径面にアキシアル方向移動自在に嵌合していて、軸受予圧ばね２６は、外輪１５ｂとコンプレッサ側ケーシング６ｂとの間に介在している。軸受予圧ばね２６は、内輪１５ａの幅面が係合した主軸１３の段面に対向して外輪１５ｂを付勢するものとされ、転がり軸受１５に予圧を与えている。軸受予圧ばね２６は、主軸１３回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等からなり、それぞれコンプレッサ側ケーシング６ｂに設けられた収容凹部内に収容されている。軸受予圧ばね２６は、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。
【００２７】
コンプレッサ側ケーシング６ｂにおける転がり軸受１５よりもコンプレッサ翼車６ａ側の部分、およびタービン側ケーシング７ｂにおける転がり軸受１６よりもタービン翼車７ａ側の部分は、それぞれ内径面が主軸１３に近接する径に形成され、この内径面に非接触シール２１，２２が形成されている。この実施形態では、非接触シール２１，２２は、前記各ケーシング６ｂ，７ｂの内径面に複数の円周溝を軸方向に並べて形成したラビリンスシールとしているが、その他の非接触シール手段でも良い。
【００２８】
前記コンプレッサ側ケーシング６ｂと前記コンプレッサ６側の転がり軸受支持部材２０の両端面が結合する面には、コンプレッサ側ケーシング６ｂから転がり軸受支持部材２０への熱流入を絞るための隙間２７が形成されている。この実施形態では、転がり軸受支持部材２０の端面の外径側に突起２０ａを形成し、この突起２０ａのコンプレッサ側ケーシング６ｂへの面接触もしくは点接触により前記隙間２７を形成しているが、コンプレッサ側ケーシング６ｂの端面に突起を形成しても良い。前記突起２０ａは、図１におけるII−II矢視断面図を示す図２のように、円周方向の全周にわたってリング状に形成したものでも、図３（Ａ），（Ｂ）に断面図および側面図で示すように、円周方向に断続的に分散配置して形成したものでも良い。
【００２９】
また、転がり軸受支持部材２０における前記隙間２７の近傍には、ユニットハウジング１２を冷却する冷却経路２８が形成されている。冷却経路２８はコンプレッサ側ケーシング６ｂに形成しても良い。この冷却経路２８に流す冷却用の媒体には、水、油ないし空気が使用される。このように、前記冷却経路２８に冷却用媒体を流す冷却システムを構成することで、転がり軸受支持部材２０の温度、さらには転がり軸受１５の温度が、使用する転がり軸受１５の許容温度以下の適温に制御される。
【００３０】
上記圧縮膨張タービンユニット５における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、転がり軸受１５，１６とこれら軸受の支持系（センサ予圧ばね２５、軸受予圧ばね２６、軸受ハウジング２３など）とで構成される合成バネと、電磁石１７のバネとが並列となった構成である。このバネ系において、転がり軸受１５，１６とこれら軸受の支持系とで構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のバネは、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、上記した合成バネの剛性と電磁石１７のバネの負の剛性との大小関係を、
合成バネの剛性値＜電磁石の負の剛性値……（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。
【００３１】
そこで、この実施形態では、上記した合成バネの剛性と電磁石１７のバネの負の剛性との大小関係を、
合成バネの剛性値＞電磁石の負の剛性値……（２）
としている。これにより、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、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のように比例もしくは比例積分で簡単に構成できる。
【００３２】
ブロック図で示す図４のコントローラ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３１で加減し、その演算結果を比較器３２で基準値設定手段３３の目標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）３４により圧縮膨張タービンユニット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）３４の出力は、ダイオード３５，３６を介して各方向の電磁石１７1 ，１７2 を駆動するパワー回路３７，３８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３５，３６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。
【００３３】
この構成の圧縮膨張タービンユニット５は、例えば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、この圧縮膨張タービンユニット５は、コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａを共通の主軸１３に取付け、タービン翼車７ａで発生した動力によりコンプレッサ翼車６ａは駆動される。
【００３４】
このように、圧縮膨張タービンユニット５として構成されたこの実施形態の圧縮膨張タービンシステムでは、コンプレッサ側ケーシング６ｂとコンプレッサ６側の転がり軸受支持部材２０の両端面が結合する面に、コンプレッサ側ケーシング６ｂから転がり軸受支持部材２０への熱流入を絞るための隙間２７が形成されているので、定常動作時に高温となるコンプレッサ側ケーシング６ｂからコンプレッサ６側の転がり軸受支持部材２０への熱流入が抑制され、グリース潤滑で回転する転がり軸受１５のグリース寿命が向上し、転がり軸受１５の長期耐久性を向上させることができる。
【００３５】
また、この実施形態では、前記コンプレッサ側ケーシング６ｂまたはコンプレッサ６側の転がり軸受支持部材２０における前記隙間２７の近傍において、冷却経路２８を形成し、この冷却経路２８に冷却用媒体として水、油ないし空気を流すことで、コンプレッサ６側の転がり軸受支持部材２０の温度、さらには転がり軸受１５の温度を、使用する転がり軸受１５の許容温度以下に温度制御するものとしているので、グリース潤滑で回転する転がり軸受１５のグリースを最適な温度に維持でき、転がり軸受１５の長期耐久性をさらに向上させることができる。
【００３６】
さらに、この実施形態では、コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａが、スラスト板１３ａと共通の主軸１３に嵌合し、タービン翼車７ａで発生した動力により、コンプレッサ翼車６ａを駆動させる圧縮膨張タービンシステムを構成する圧縮膨張タービンユニット５において、主軸１３の支持に上記構成の磁気軸受装置を適用したので、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。
【００３７】
すなわち、圧縮膨張タービンユニット５の圧縮，膨張の効率を確保するためには、各翼車６ａ，７ａとケーシング６ｂ，７ｂとの隙間ｄ１，ｄ２を微小に保つ必要がある。例えば，この圧縮膨張タービンユニット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間の微小隙間ｄ１，ｄ２を一定に保つことができる。
【００３８】
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等でスラスト力がかかる。また、空気冷却システムで使用するタービンユニット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で支承するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、主軸１３の支持用の転がり軸受１５，１６に作用するスラスト力を軽減することができる。この場合に転がり軸受１６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。
【００３９】
図５は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の圧縮膨張タービンシステムでは、図１に示す第１の実施形態における転がり軸受支持部材２０の突起２０ａに代えて、前記コンプレッサ側ケーシング６ｂと前記コンプレッサ６側の転がり軸受支持部材２０との間にスペーサ３０を設け、このスペーサ３０をコンプレッサ側ケーシング６ｂとコンプレッサ６側の転がり軸受支持部材２０の両端面に面接触や線接触もしくは点接触させることにより、これら両端面間にコンプレッサ側ケーシング６ｂから転がり軸受支持部材２０への熱流入を絞るための隙間２７が形成されている。その他の構成は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００４０】
図６および図７は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の圧縮膨張タービンシステムは、図１に示す第１の実施形態において、主軸１３を転がり軸受１５，１６と磁気軸受である電磁石１７で支持すると共に、主軸１３を回転駆動するアキシアルギャップ型のモータ３９を設けたものである。モータ３９は、電磁石１７とは独立にモータ用コントローラ２９で制御される。
【００４１】
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に垂直かつ同軸に一体構造として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。
【００４２】
モータ３９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３９ａと、このモータロータ３９ａに対し軸方向に対向するモータステータ３９ｂ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３９ａ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３９ａａを配置することで左右一対のものが構成される。永久磁石３９ａａは接着剤により各スラスト板１３ａ，１３ｂの各片面に接着固定される。このように軸方向に対向配置される永久磁石３９ａａ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３９ａａのバックヨークおよび電磁石ターゲットに兼用できる。
モータユニットの他の部品であるモータステータ３９ｂは、前記左右一対のモータロータ３９ａに挟まれる軸方向中央の位置において、これら両モータロータ３９ａの各面に非接触で対向するようにコアの無い状態で配置したコイル３９ｂａを、モータハウジング４０を介してスピンドルハウジング１４に設置して構成される。このモータ３９は、前記モータロータ３９ａとモータステータ３９ｂ間に作用するローレンツ力により、主軸１３を回転させる。モータハウジング４０は、スピンドルハウジング１４の内周に嵌合状態に設けられている。このように、このアキシアルギャップ型のモータ３９はコアレスモータとされていることから、モータロータ３９ａとモータステータ３９ｂ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。
【００４３】
上記の圧縮膨張タービンユニット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、転がり軸受１５，１６とこれら軸受の支持系（センサ予圧ばね２５、軸受予圧ばね２６、軸受ハウジング２３など）とで形成される合成バネと、モータ部（モータ３９と電磁石１７）で形成される合成バネとが並列となったバネ系で構成することができる。このバネ系において、転がり軸受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、モータ部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＜モータ部による合成バネの負の剛性値…（３）
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負荷する必要が生じ、コントローラ１９の構成が複雑なものになる。
【００４４】
そこで、この実施形態における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＞モータ部による合成バネの負の剛性値…（４）
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３９をコアレスモータとしているので、モータ３９に作用する負の剛性値をゼロとすることができ、モータ３９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（４）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３９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の回路構成を第１の実施形態における図４のように比例もしくは比例積分を用いた簡単なものに構成できる。
【００４５】
図７にブロック図で示す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３９ａの回転角をフィードバック信号として位相調整回路４１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４２からモータステータ３９ｂ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３９ａに設けられた回転角度検出センサ（図示せず）の出力に応じて演算される。この実施形態におけるその他の構成は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００４６】
図８は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の圧縮膨張タービンシステムでは、図６に示す実施形態における転がり軸受支持部材２０の突起２０ａに代えて、コンプレッサ側ケーシング６ｂとコンプレッサ６側の転がり軸受支持部材２０との間にスペーサ３０を設け、このスペーサ３０をコンプレッサ側ケーシング６ｂとコンプレッサ６側の転がり軸受支持部材２０の両端面に面接触もしくは点接触させることにより、これら両端面間にコンプレッサ側ケーシング６ｂから転がり軸受支持部材２０への熱流入を絞るための隙間２７が形成されている。その他の構成は、図６に示す実施形態の場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる圧縮膨張タービンシステムの断面図である。
【図２】図１の圧縮膨張タービンシステムにおけるハウジングのII−II矢視断面図である。
【図３】（Ａ）は図２のハウジング断面部分の変形例を示す断面図、（Ｂ）は同変形例の側面図である。
【図４】図１の圧縮膨張タービンシステムにおけ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】この発明の他の実施形態にかかる圧縮膨張タービンシステムの断面図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態にかかる圧縮膨張タービンシステムの断面図である。
【図７】同圧縮膨張タービンシステムにおけ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８】この発明のさらに他の実施形態にかかる圧縮膨張タービンシステムの断面図である。
【図９】提案例の断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
５…圧縮膨張タービンユニット
６…コンプレッサ
６ａ…コンプレッサ翼車
６ｂ…コンプレッサ側ケーシング
７…膨張タービン
７ａ…タービン翼車
７ｂ…タービン側ケーシング
１２…ユニットハウジング
１３…主軸
１３ａ，１３ｂ…スラスト板
１４…スピンドルハウジング
１５，１６…転がり軸受
１７…電磁石
１９…磁気軸受用コントローラ
２０…転がり軸受支持部材
２０ａ…突起
２７…隙間
２８…冷却経路
３０…スペーサ
３９…モータ
３９ａ…モータロータ
３９ｂ…モータステータ
４０…モータハウジング
【図１】
2007162490.tif 000003
【図２】
2007162490.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007162490.tif 000006
【図５】
2007162490.tif 000007
【図６】
2007162490.tif 000008
【図７】
2007162490.tif 000009
【図８】
2007162490.tif 000010
【図９】
2007162490.tif 000011