(57)【要約】      （修正有）【課題】主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化、信頼性の向上が図れる空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。【解決手段】  コンプレッサ６および膨張タービン７を有する空気冷却用タービンユニット５。コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａが主軸１３の両端にそれぞれ取付けられる。主軸１３にかかるスラスト力は電磁石１７により支承する。コンプレッサ６および膨張タービン７内の空気により主軸１３に作用するスラスト力を検出するセンサ１８を設け、センサ１８を主軸軸心の周りに円周方向に並べて配置する。センサ１８は、これら複数個のセンサ素子の出力から前記スラスト力を検出するものであり、転がり軸受１６の外輪１６ｂとこの外輪１６ｂを支持するスピンドルハウジング１４との間に介在させる。【選択図】図２
2007086060.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付けられ、タービン翼車で発生した動力によりコンプレッサ翼車が駆動され、または前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車が取付けられた共通の主軸にモータロータが取付られてそのモータにより前記主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を回転させるものであり、
前記センサは前記軸受の近傍における静止側に配置させ、前記センサは押付け力により特性が変化しその特性変化が電気的に検出可能なセンサ素子を主軸軸心の周りに円周方向に並べて配置し、これら複数個のセンサ素子の出力から前記スラスト力を検出するものであり、前記転がり軸受の外輪とこの外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に介在させたことを特徴とする空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項２】
請求項１において、前記センサは主軸軸心周りの円周方向に並べて配置された複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するものである空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項３】
請求項２において、前記複数個の磁歪材または超磁歪材は、軟質磁性材料からなる２枚のヨーク部材間に挟みこんだ空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項４】
請求項３において、前記２枚のヨーク部材の間に、前記磁歪材または超磁歪材よりも微小に長さが短い軟質磁性材料からなる第２のヨーク部材を配置した空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項５】
請求項２において、前記磁歪材または超磁歪材の端面に、その厚み方向に着磁された永久磁石が直接密着して設けられ、これら磁歪材または超磁歪材と永久磁石とを、軟質材料からなる２枚のヨーク部材間に挟み込んだ空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項６】
請求項５において、前記２枚のヨーク部材の間に、前記磁歪材または超磁歪材と前記永久磁石とを重ねた長さよりも微小に長さが短い軟質磁性材料からなる第２のヨーク部材を配置した空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記センサは、磁歪材または超磁歪材の周りにセンサコイルを配置し、前記磁歪材または超磁歪材の透磁率を、前記センサコイルのインダクタンスを測定することで検出するものとした空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項８】
請求項７において、前記センサを複数設け、これら複数のセンサのセンサコイルを直列に接続し、前記各センサコイルの出力の平均化を行うものとした空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項９】
請求項８において、前記センサコイル、および前記磁歪材または超磁歪材は、それぞれ偶数個とし、近接する各センサコイルに流れる電流は互いに反対方向である空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項１０】
請求項７ないし請求項９のいずれか１項において、前記センサは、前記センサコイルのインダクタンスと別置きのコンデンサとの共振を利用し、前記インダクタンスの変化によって変化する共振周波数の変化から前記インダクタンス変化を測定するものである空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項１１】
請求項７ないし請求項９のいずれか１項において、前記センサは、前記センサコイル以外に、磁歪材または超磁歪材周りに励磁コイルを配置し、前記励磁コイルに一定周波数で一定振幅の交流励磁電流を流し、前記センサコイルに励磁される電圧を検出することで、スラスト力を測定するものとした空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項１２】
請求項２ないし請求項６のいずれか１項において、前記センサはホールセンサを利用し、前記磁歪材または超磁歪材の透磁率の変化に伴い変化する磁束密度を検出することで、スラスト力を測定するものとした空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項において、前記センサが、磁歪材または超磁歪材の周りにセンサコイルを配置し、前記磁歪材または超磁歪材の透磁率を、前記センサコイルのインダクタンスを測定することで検出するものであって、前記磁歪材または超磁歪材の周辺に温度センサを配置し、この温度センサの出力によって前記インダクタンスの測定結果または前記透磁率の測定結果を補正する手段を設けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項１４】
請求項１において、前記センサは、複数個の感圧抵抗素子の抵抗値変化を検出するものである空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項１５】
請求項１４において、前記複数個の感圧抵抗素子により検出値の平均化を行うものとした空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項１６】
請求項１４または請求項１５において、前記感圧抵抗素子の周辺に温度センサを配置し、前記温度センサの出力によって前記感圧抵抗素子の抵抗値を補正する手段を設けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項１７】
請求項１４ないし請求項１６のいずれか１項において、前記感圧抵抗素子への力の作用面の圧力が均一になるように弾性体を挟む手段を設けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項１８】
請求項１において、前記センサは、複数個の歪みゲージセンサからなる空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項１９】
請求項１８において、前記歪みゲージセンサの周辺に温度センサを配置し、この温度センサの出力によって、前記歪みゲージセンサの歪み量測定値を補正する手段を設けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項２０】
請求項１において、前記センサは、押付け力により特性が変化しその特性変化が電気的に検出可能なセンサ素子を用いたものに代えて、変位検出センサを用いた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項２１】
請求項２０において、前記変位検出センサは、磁気式である空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項２２】
請求項１ないし請求項２１のいずれか１項において、前記センサが、前記転がり軸受の外輪と、この外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に、直接に、または他の部材を介して介在させたものである空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項２３】
請求項２２において、前記転がり軸受の外輪が固定状態に嵌合する軸受ハウジングを、スピンドルハウジングに設けられた内径孔にアキシアル方向に移動可能に嵌合させ、前記センサを、前記軸受ハウジングの幅面と前記スピンドルハウジングまたはこのスピンドルハウジングに固定された部材との間に介在させた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項２４】
請求項１ないし請求項２３のいずれか１項において、前記センサは、第１のばね要素による予圧が印加されている空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項２５】
請求項２４おいて、前記第１のばね要素による予圧は、前記コンプレッサおよび膨張タービン内の空気により前記主軸に作用する平均的なスラスト力以上の大きさである空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項２６】
請求項２２ないし請求項２５のいずれか１項において、前記転がり軸受が複数設けられ、そのうちの一つの転がり軸受の近傍に前記センサが配置され、他の転がり軸受が、スピンドルハウジングに対してアキシアル方向に移動可能に設置されかつ第２のばね要素によって弾性支持されている空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項２７】
請求項２６において、前記第２のばね要素は、前記他の転がり軸受の外輪と前記スピンドルハウジングの間、または前記他の転がり軸受の外輪を固定する部材と前記スピンドルハウジングとの間、または前記転がり軸受の内輪と前記主軸との間に介在させた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項２８】
請求項２６または請求項２７において、前記センサは、第１のばね要素による予圧が印加され、前記第２のばね要素は前記第１のばね要素よりもばね定数が小さいものとした空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項２９】
請求項１ないし請求項２８のいずれか１項において、前記主軸に強磁性体からなるフランジ状のスラスト板を複数設け、各スラスト板の両側の幅面に対向させて前記電磁石をスピンドルハウジングに設置した空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項３０】
請求項２９において、前記電磁石を円周方向に並ぶ複数個に分割されたものとした空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット。
【請求項３１】
請求項３０において、複数に分割された個々の電磁石の極数、大きさ、および内蔵されるコイルのターン数が同じである空気サイクル冷凍冷却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、冷媒として空気が用いられ、冷凍倉庫や零度以下の低温室等や空調に利用される空気サイクル冷凍冷却システム用タービンユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒として空気を用いることは、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べて、環境保護や安全性の面では好ましいが、エネルギー効率としての特性面では不足する。しかし、冷凍倉庫等のように、冷媒となる空気を直接に吹き込むことができる施設で用いる場合、庫内ファンやデフロストを省略する等の工夫を講じることにより、トータルコストを既存システム並みに引下げられる可能性がある。現在では既に、環境面から冷媒としてフロンを用いることが規制され、また他の冷媒用ガスを用いることも、できるだけ避けることが望まれる。そのため、上記のような用途で、空気を冷媒として用いる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，非特許文献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述べられている（非特許文献１）。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、非特許文献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号公報
【非特許文献１】雑誌，ニッケイメカニカル，「空気で空気を冷やす」，１９９５年１１月１３日発行，no４６７，第４６〜５２頁
【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用タービンユニットにおけるタービンユニットの主軸の回転速度は、１分に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、しいては空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が難しい。しかし、上記特許文献１，非特許文献２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、上記翼車とハウジング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。
また、主軸を軸受により回転自在に支承し、前記主軸に作用するスラスト力を検出するセンサの出力によってこの主軸にかかるスラスト力を電磁石により一部もしくは全部を支承する空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットでは、その主軸に作用するスラスト力の検出精度が低いと、軸受へのスラスト力を有効に低減することができず、軸受の長期耐久性が確保できないといった問題がある。
【０００８】
この発明の目的は、翼車の微小隙間を保ちながら安定した高速回転が得られ、主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化、信頼性の向上を安価に図れる空気サイクル冷凍冷却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】
【０００９】
この発明の空気サイクル冷凍冷却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付けられ、タービン翼車で発生した動力によりコンプレッサ翼車が駆動され、または前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車が取付けられた共通の主軸にモータロータが取付られてそのモータにより前記主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を回転させるものであり、
前記主軸を転がり軸受により回転自在に支承し、前記主軸に作用するスラスト力を検出するセンサの出力によってこの主軸にかかるスラスト力を電磁石により一部または全部を支承することを特徴とした空気冷却用タービンユニットであって、
前記センサは前記軸受の近傍における静止側に配置させ、前記センサは押付け力により特性が変化しその特性変化が電気的に検出可能なセンサ素子を主軸軸心の周りに円周方向に並べて配置し、これら複数個のセンサ素子の出力から前記スラスト力を検出するものであり、前記転がり軸受の外輪とこの外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に介在させたものである。前記転がり軸受は、深溝玉軸受等のような内外輪間のアキシアル方向位置の保持機能を有するものが好ましい。前記転がり軸受はアンギュラ玉軸受であっても良い。
【００１０】
この構成の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、例えば、流入空気に対して、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脹タービンによる断熱膨張、を順次行う空気サイクル冷凍冷却システムに適用される。この場合、冷却媒体となる空気を、熱交換器により比較的高い温度の媒体でも効率良く熱交換できるように、コンプレッサで圧縮して温度上昇させ、前記熱交換器で冷却された空気を他の熱交換器で冷却し、膨張タービンに導いて、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。
この場合のタービンユニットは、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を共通の主軸に取付け、タービン翼車で発生した動力によりコンプレッサ翼車を駆動するものであるため、動力源が不要であり、コンパクトな構成で効率良く冷却できる。
【００１１】
この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、上記の他に、モータ駆動としても良い。例えば、流入空気に対して、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脹タービンによる断熱膨張、を順次行い、前記タービンユニットが、前記コンプレッサのコンプレッサ翼車および前記膨脹タービンのタービン翼車およびモータロータを共通の主軸に取付け、前記モータロータに対向させたモータステータからの磁力によって主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を駆動する空気サイクル冷凍冷却システムに適用しても良い。  モータを設けて主軸を駆動する場合、コンプレッサよりも前段にブロア等の予圧縮手段を設ける必要が無くなる。
【００１２】
この種のタービンユニットの圧縮，膨張の効率を確保するためには、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保つ必要がある。空気サイクル冷凍冷却システムでは、この効率確保が重要となる。これに対して、この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、翼車の主軸を転がり軸受により支承するため、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、主軸位置がある程度規制され、各翼車とハウジングの微小隙間を微小を一定に保つことができる。
しかし、タービンユニットの主軸には、各翼車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、主軸を回転支承する転がり軸受に上記スラスト力が作用すると、主軸の長期耐久性が低下する。
【００１３】
この発明は、上記スラスト力を電磁石で支承するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、主軸支持用の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。この場合に、前記コンプレッサおよび膨張タービン内の空気により前記主軸に作用するスラスト力を検出するセンサと、このセンサの出力に応じて前記電磁石による支承力を制御するコントローラとを設けたため、転がり軸受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。そのため、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、かつ転がり軸受の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。主軸支持用の転がり軸受の長期耐久性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの全体として、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、空気冷却システムのネックとなっているタービンユニット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。
【００１４】
前記転がり軸受は、スピンドルハウジングにおける前記コンプレッサ翼車の近傍と、前記タービン翼車の近傍とに配置しても良い。この場合、主軸が両端支持となるため、より一層安定した高速回転が可能になる。
【００１５】
前記センサは、押付力により特性が変化しその特性変化が電気的に検出可能なセンサ素子を主軸軸心の回りに円周方向に並べて配置しこれら複数個のセンサ素子の出力から前記スラスト力を検出するものである。このセンサは、前記転がり軸受の外輪とこの外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に介在させる。
円周方向に複数のセンサ素子を配置することで、傾きを生じることなく、転がり軸受の外輪とスピンドルハウジング間に作用するスラスト力を検出できる。また、複数のセンサ素子を用いることで、円周方向の複数箇所に作用する力を平均化して検出できる。
【００１６】
前記複数個のセンサ素子は、前記主軸が貫通した２枚のリング状の部材間に介在させても良い。２枚のリング状の部材間にセンサ素子を介在させることで、複数のセンサ素子を一体のセンサとして取り扱うことができ、組立性が良い。
【００１７】
前記センサは、より具体的には、主軸軸心の回りに円周方向に並べて配置された複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するものであっても良い。これら複数個の磁歪材または超磁歪材は、軟質磁性材料からなる２枚のヨーク部材間に挟み込んでも良い。前記２枚のヨーク部材の間には、前記磁歪材または超磁歪材よりも微小に長さが短い軟質材料からなる第２のヨーク部材を配置しても良い。
センサ素子として磁歪材または超磁歪材を用いると、押付力の検出が精度良く行える。また、前記第２のヨーク部材を用いると、磁路の磁気抵抗が小さくなり、センサの感度が向上する。前記第２のヨーク部材の長さを前記磁歪材または超磁歪材よりも微小に短くすることで、検出するスラスト力の全てが磁歪材または超磁歪材に作用するため、押付力の検出が精度良く行える。
【００１８】
また、前記磁歪材または超磁歪材の端面に、その厚み方向に着磁された永久磁石が直接密着して設けられ、これら磁歪材または超磁歪材と永久磁石とを、軟質材料からなる２枚のヨーク部材間に挟み込んでも良い。この場合にも、前記２枚のヨーク部材の間に、前記磁歪材または超磁歪材と前記永久磁石とを重ねた長さよりも微小に長さが短い軟質材料からなる第２のヨーク部材を配置しても良い。
永久磁石を用いると、バイアス磁界を与えることができ、磁歪材または超磁歪材の透磁率の変化の大きい箇所を選んで検出に使用でき、検出感度を向上させることができる。前記第２のヨーク部材の長さを前記磁歪材または超磁歪材と前記永久磁石とを重ねた長さよりも微小に短くすることで、検出するスラスト力の全てが磁歪材または超磁歪材に作用するため、押付力の検出が精度良く行える。
【００１９】
前記複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するセンサの場合に、前記センサは、磁歪材または超磁歪材の周りにセンサコイルを配置し、前記透磁率を、前記センサコイルのインダクタンスを測定することで検出するものとしても良い。この場合に、前記センサコイルを複数設け、これら複数のセンサコイルを直列に接続し、前記各センサコイルの出力の平均化を行うものとしても良い。この場合に、前記センサコイル、および前記磁歪材または超磁歪材は、それぞれ偶数個とし、近接する各センサコイルに流れる電流は互いに反対方向としても良い。
センサコイルのインダクタンスを測定することで検出する構成とした場合、透磁率の変化を精度良く検出できる。また、前記センサコイルを複数設け、これらの出力の平均化を行なうことで、精度よくスラスト力を検出できる。さらに、複数のセンサコイルを直列に接続することで、接続した全てのセンサコイルの両端間には各センサコイルのインダクタンスの合計に相当するインダクタンスが接続されたことになり、この全体のインダクタンス変化を検出することで、各センサコイルのインダクタンスを平均化したことになり、簡単に平均化処理が図れる特長をもつ。さらに、前記磁歪材または超磁歪材は、それぞれ偶数個とし、近接する各センサコイルに流れる電流は互いに反対方向とすることで、前記磁歪材または超磁歪材にはほぼ共通の磁束を通すことができ、各センサコイルのインダクタンス特性を同じにすることができることから、精度良く検出できる。
【００２０】
前記複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するセンサの場合に、前記センサは、前記センサコイルのインダクタンスと別置きのコンデンサとの共振を利用し、前記インダクタンスの変化によって変化する共振周波数の変化から前記インダクタンス変化を測定するものであっても良い。
共振周波数の変化から前記インダクタンス変化を測定するものであると、精度良く透磁率の変化を検出できる。
【００２１】
前記複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するセンサの場合に、前記センサは、前記センサコイルの一方端に一定周波数で一定振幅電圧の搬送波を入力し、前記センサコイルのインダクタンスと別置きのコンデンサとの共振を利用し、前記インダクタンスの変化によって変化する前記センサコイルの他方端の電圧振幅から前記インダクタンス変化を測定するものであって良い。この構成の場合も精度良く透磁率の変化を検出できる。
【００２２】
前記複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するセンサの場合に、前記センサは、前記センサコイル以外に、磁歪材または超磁歪材周りに励磁コイルを配置し、前記励磁コイルに一定周波数で一定電流の励磁電流を流し、前記センサコイルに励磁される電流を検出することで、スラスト力を測定するものとしても良い。  この構成の場合には、励磁コイルに流す電流をコントロールすることで、荷重変化に対する磁歪材または超磁歪材の透磁率変化点を最適なものに設定でき、透磁率の変化を精度良く検出することができる。
【００２３】
前記複数個の磁歪材または超磁歪材の透磁率を検出することでスラスト力を検出するセンサの場合に、前記センサはホールセンサを利用し、前記磁歪材または超磁歪材の透磁率の変化に伴い変化する磁束密度を検出することでスラスト力を測定するものとしても良い。ホールセンサは外部から直流電源を繋ぐことで、環境の磁束密度をアナログ出力するため、簡単で安価に測定ができる。
【００２４】
上記各構成のセンサにおいて、前記センサコイル、または前記磁歪材もしくは超磁歪材の周辺に温度センサを配置し、この温度センサの出力によって前記インダクタンスの測定結果または前記透磁率の測定結果を補正する手段を設けても良い。
温度補正を行うことで、精度の良い検出が行える。
【００２５】
また、前記センサは、複数個の感圧抵抗素子の抵抗値変化を検出するものであっても良い。前記複数個の感圧抵抗体は並列に接続され、前記感圧抵抗体の抵抗値の平均化を行うものとしても良い。感圧抵抗素子を用いると簡易なセンサ回路でスラスト力の検出が行える。
さらに、複数個の感圧抵抗体は並列に接続することによって、簡単な回路構成で測定するスラスト力を平均化処理ができ、低コストで精度の良い検出が行える。
【００２６】
感圧抵抗素子を用いたセンサの場合においても、前記感圧抵抗素子の周辺に温度センサを配置し、前記温度センサの出力によって前記感圧抵抗素子の抵抗値を補正する手段を設けても良い。この温度補正で検出精度が向上する。
また、前記センサは、感圧抵抗素子への作用面の圧力が均一になるように、感圧抵抗素子に圧力を与える他部材との間に、弾性体を挟む構成としても良い。弾性体を挟むことで、感圧抵抗素子の圧力感受部に均等に圧力が作用するようになり、局所的に圧力が掛かることによる測定誤差を低減することができる。
【００２７】
前記センサは、前記各例の他に、複数個の歪みゲージセンサからなるものであっても良い。歪みゲージセンサの周辺に温度センサを配置し、この温度センサの出力によって、前記歪みゲージセンサの歪み量測定値を補正する手段を設けても良い。歪みゲージセンサを用いた場合も、簡易な構成で精度良く、スラスト力の検出が行える。
【００２８】
前記センサは、押付け力により特性が変化しその特性変化が電気的に検出可能なセンサ素子を用いたものに代えて、変位検出センサを用いても用い。この変位検出センサは磁気式であっても良い。変位検出センサを用いた場合もスラスト力の検出が可能である。
【００２９】
この発明において、前記センサは、前記転がり軸受の近傍に配置しても良い。転がり軸受の近傍にセンサを配置した場合、問題となる転がり軸受に作用するスラスト力を直接に測定することができて、その測定精度が良く、精密なスラスト力の制御が可能になる。
そのため、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、かつ転がり軸受の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。主軸支持用の転がり軸受の長期耐久性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの全体として、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。
【００３０】
この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、前記センサが、前記転がり軸受の外輪と、この外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に、直接に、または他の部材を介して介在させたものであっても良い。
センサを転がり軸受の外輪とスピンドルハウジングとの間に介在させることで、転がり軸受に作用する主軸のスラスト力を簡易な構成で精度良く測定することができる。
【００３１】
この場合に、前記転がり軸受の外輪が固定状態に嵌合する軸受ハウジングを、スピンドルハウジングに設けられた内径孔にアキシアル方向に移動可能に嵌合させ、前記センサを、前記軸受ハウジングの幅面と前記スピンドルハウジングまたはこのスピンドルハウジングに固定された部材との間に介在させても良い。
このように軸受ハウジングを移動自在とし、軸受ハウジングとスピンドルハウジングの間にセンサを配置することで、軸受ハウジングの広い幅面をセンサの配置に利用でき、外輪の径方向厚さが薄い場合であっても、比較的大きなセンサを配置して測定の感度および精度を向上させることができる。
【００３２】
前記センサは、第１のばね要素による予圧が印加されていても良い。部材間に介在させて力を測定するセンサは、一般的にマイナス方向の力を検出することができないが、予圧を与えておくと、予圧量との偏差を検出することで、正逆いずれの方向のスラスト力であっても検出することが可能となる。
【００３３】
前記第１のばね要素による予圧は、前記コンプレッサおよび膨張タービン内の空気により前記主軸に作用する平均的なスラスト力以上の大きさであっても良い。
平均的なスラスト力以上の予圧を与えておくことで、その予圧量を基準として正逆いずれの方向のスラスト力を検出する場合にも、検出可能な力の範囲を十分に得ることができる。
なお、第１のばね要素による予圧は、前記平均的なスラスト力程度としても良い。
【００３４】
この発明の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、前記転がり軸受が複数設けられ、そうちの一つの転がり軸受の近傍に前記センサが配置され、他の転がり軸受が、スピンドルハウジングに対してアキシアル方向に移動可能に設置されかつ第２のばね要素によって弾性支持されていても良い。
他の転がり軸受が第２のばね要素によって弾性支持されることにより、軸受に適切な予圧を作用させることができる。さらにこれにより主軸のアキシアル方向位置を精度良く保つと共に、前記センサによりスラスト力の検出が精度良く行える。
【００３５】
前記第２のばね要素は、前記他の転がり軸受の外輪と前記スピンドルハウジングの間、または前記他の転がり軸受の外輪を固定する部材と前記スピンドルハウジングとの間、または前記転がり軸受の内輪と前記主軸との間に介在させる。これらのいずれの箇所に介在させても、簡易な構成で第２のばね要素を設置することができる。
【００３６】
前記第１のばね要素および第２のばね要素を設ける場合、前記第２のばね要素は前記第１のばね要素よりもばね定数が小さいものとする。
第２のばね要素のばね定数が第１のばね要素よりも大きいと、主軸に過大なスラスト力が作用した場合には両方の軸受に対して過大な予圧が作用することになる。第２のばね要素のばね定数を小さくしておくことで、他の軸受にこの過大な予圧が作用することが避けられ、安定した回転性能を得ながら、センサに正逆両方向のスラスト力検出のための予圧を与えることができる。
【００３７】
この発明において、前記主軸に強磁性体からなるフランジ状のスラスト板を複数設け、各フランジの両側の幅面に対向させて前記電磁石を、前記軸受の設けられたスピンドルハウジングに設置しても良い。
タービンユニットでは、空気圧によるスラスト力が大きい場合、スラスト板の径を大きくとり、電磁石の力を強くしたい。しかし、高速回転では、遠心力によって破壊される恐れがあって、スラスト板の径を大きくするには限界がある。スラスト板を複数枚とした場合は、遠心力による破壊の問題を生じることなく、スラスト力に対する支持力を高めることができる。
【００３８】
スラスト板を複数設ける場合、前記電磁石を円周方向に並ぶ複数個に分割されたものとしても良い。電磁石を分割形式とすることで、複数のスラスト板を有していても、組立が容易に行える。
【００３９】
複数に分割された個々の電磁石の極数、大きさ、および内蔵されるコイルのターン数は同じであっても良い。これら極数、大きさ、ターン数を同じとすることで、全周に均等な電磁力を作用させることができ、また分割された個々の電磁石に同じ構成のものを用いて生産性や組立性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００４０】
この発明の空気サイクル冷凍冷却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付けられ、タービン翼車で発生した動力によりコンプレッサ翼車が駆動され、または前記コンプレッサ翼車およびタービン翼車が取付けられた共通の主軸にモータロータが取付られてそのモータにより前記主軸を回転させることにより前記コンプレッサ翼車を回転させるものであり、主軸を転がり軸受により回転自在に支承し、前記主軸に作用するスラスト力を検出するセンサの出力によってこの主軸にかかるスラスト力を電磁石により一部または全部を支承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、前記センサは前記軸受の近傍における静止側に配置させ、前記センサは押付け力により特性が変化しその特性変化が電気的に検出可能なセンサ素子を主軸軸心の周りに円周方向に並べて配置し、これら複数個のセンサ素子の出力から前記スラスト力を検出するものであり、前記転がり軸受の外輪とこの外輪を支持するスピンドルハウジングとの間に介在させたため、翼車の微小隙間を保ちながら安定した高速回転が得れ、主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化、信頼性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１は、空気サイクル冷凍冷却システムの全体の構成を示す。この空気冷却システムは、冷凍庫等の被冷却空間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、除湿器４、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８，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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。除湿器４は、空気循環経路１内の空気の水分が、後段における氷点下への冷却により凍りついて空気循環経路１の詰まりや膨張タービン７のかじり等を生じることを防止するために、経路内の空気を除湿する。
【００４４】
除湿後の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。
【００４５】
図２は、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット５の具体例を示す。このタービンユニット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。
【００４６】
なお、例えば後に説明する図２６の例のように、コンプレッサ６のコンプレッサ翼車６ａ、膨張タービン７のタービン翼車７ａおよびモータロータ９２を共通の主軸１３に取付け、モータ９０の駆動力で主軸１３を駆動してもよい。モータ９０を設けて主軸１３を駆動する場合、コンプレッサ６よりも前段にブロア等の予圧縮手段２（図１）を設ける必要がなくなる。
【００４７】
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。
【００４８】
このタービンユニット５は、主軸１３をラジアル方向に対し複数の軸受１５，１６で支承し、主軸１３にかかるスラスト力を電磁石１７により支承するものとされる。このタービンユニット５は、コンプレッサ６および膨張タービン７内の空気により主軸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による支承力を制御するコントローラ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に設置されている。
【００４９】
主軸１３を支承する軸受１５，１６は、転がり軸受であって、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個の軸受１５，１６は、それぞれスピンドルハウジング１４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。
【００５０】
主軸１３は、中央部の大径部１３ｂと、両端部の小径部１３ｃ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１３ｃに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部１３ｂと小径部１３ｃ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２１，２２が形成されている。非接触シール２１，２２は、スピンドルハウジング１４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されている。
【００５１】
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１４ａに設けられた内径孔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。
【００５２】
センサ１８は、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、第１のばね要素２５により予圧が印加されている。第１のばね要素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および軸受ハウジング２３を介してセンサ１６を予圧する。第１のばね要素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。
【００５３】
第１のばね要素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に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。
【００５４】
センサ１８の非配置側の軸受１５は、スピンドルハウジング１４に対してアキシアル方向に移動自在に設置され、かつ第２のばね要素２６によって弾性支持されている。この例では軸受１５の外輪１５ｂが、スピンドルハウジング１４の内径面にアキシアル方向移動自在に嵌合していて、第２のばね要素２６は、外輪１５ｂとスピンドルハウジング１４との間に介在している。第２のばね要素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、軸受１５に予圧を与えている。第２のばね要素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いる。第２のばね要素２６は、第１のばね要素２５よりもばね定数が小さいものとされる。
【００５５】
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おいて、冷却媒体となる空気を熱交換器８，９（図１）により効率良く熱交換できるように、コンプレッサ５で圧縮して温度上昇させ、熱交換器８，９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。
【００５６】
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を駆動するものであるため、動力源が不要であり、コンパクトな構成で効率良く冷却できる。
このタービンユニット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。空気サイクル冷凍冷却システムでは、この効率確保が重要となる。これに対して、主軸１３を転がり形式の軸受１５，１６により支承するため、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。
【００５７】
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、空気サイクル冷凍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を回転支承する転がり軸受１５，１６に上記スラスト力が作用すると、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、コンプレッサ６および膨張タービン７内の空気により主軸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による支承力を制御するコントローラ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、センサ１８は、軸受１６の近傍に配置したため、問題となる軸受１６に作用するスラスト力を直接に測定することができて、その測定精度が良く、精密なスラスト力の制御が可能になる。
【００５８】
そのため、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、かつ軸受１５，１６の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。軸受１５，１６の長期耐久性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット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。
【００５９】
各軸受１５，１６は、コンプレッサ翼車６ａの近傍とタービン翼車７ａの近傍とに配置され、主軸１３が両端支持となるため、より一層安定した高速回転が可能になる。また、転がり軸受からなる軸受１５は、第２のばね要素２６により弾性支持し、適切な予圧を与えているため、主軸１３の軸方向位置が安定し、各翼車６ａ，７ａの微小隙間ｄ１，ｄ２がさらに確実に維持され、さらに安定した高速回転が得られる。
【００６０】
各軸受１５，１６よりも端部側の主軸１３とスピンドルハウジング１４との間には、非接触シール２１，２２が設けられているため、軸受１５，１６内などを通って空気がコンプレッサ６と膨張タービン７の間に漏れることが防止される。コンプレッサ６の内部と膨張タービン７の内部とでは気圧差が大きいため、各軸受１５，１６の内部や、各軸受１５，１６の内外輪１５ａ，１６ａが主軸１３やスピンドルハウジング１４に嵌合する面を取って空気の漏れが生じようとする。このような空気の漏れは、コンプレッサ６や膨張タービン７の効率の低下を招き、また軸受１５，１６内を通過する空気は、軸受１５、１６内の潤滑剤を乾燥させたり、塵埃があると軸受１５，１６内を汚して耐久性を低下させる恐れがある。このような効率低下、および軸受１５，１６の汚損が、上記非接触シール２１，２２によって防止される。
【００６１】
センサ１８は、予圧を与えているため、押付力の検出のみが可能なものであっても、主軸１３のアキシアル方向のいずれの向きに移動した場合も検出が可能になる。すなわち、押付力で検出するセンサの場合、押付力がマイナスとなる場合は検出が行えないが、予圧を行うことで、マイナス方向のスラスト力の場合に、センサ１８に作用する押付力が減ることで検出が行える。
センサ１８を予圧する第１のばね要素２５は、軸受１５，１６を予圧する第２のばね要素２６よりもばね定数が大きいため、軸受１５，１６が予圧されていても、センサ１８の予圧による正逆両方向の検出が行える。
【００６２】
図３以降の各図は、この発明における他の各実施形態、またはセンサ１８の詳細等を示す。図３以降の各例において、特に説明した事項の他は、構成，効果とも図２の例と同じであり、対応部分に同一符号を付してその重複する説明を省略する。
【００６３】
図３はこの発明の他の実施形態を示す。この例は、図２の例に対して各ばね要素２５，２６、およびセンサ１８の配置を変えたものである。この例では、タービン翼車７ａ側の軸受１６を固定した軸受ハウジング２３が、軸端側に内鍔２３ａを有するものとされ、軸受ハウジング２３の内鍔２３ａ側の幅面とこれに対向するスピンドルハウジング１４の側面との間にセンサ１８が配置されている。
第１のばね要素２５は、軸受１６の外輪１６ａと電磁石１７の間に配置され、外輪１６ａおよび軸受ハウジング２３の内鍔２３ａを介してセンサ１８を予圧している。第２のばね要素２６は、コンプレッサ翼車６ａ側の軸受１５の外輪１５ｂと電磁石１７の間に介在し、上記軸受１５を予圧している。したがって軸受１５，１６に生じる接触角の方向は、図２の例とは逆方向である。
【００６４】
この構成の場合、図２の例とは、センサ１８の配置およびばね要素２５，２６による予圧の方向が逆であるが、この例においても、センサ１８が軸受１６の近傍に配置されてこの軸受１６に作用するスラスト力を直接に検出できる。また、図２の例で説明した各作用効果が得られる。
【００６５】
図４の例は、センサ非配置側の軸受１５の外輪１５ｂを、スピンドルハウジング１４と別体の軸受ハウジング２７の内周に固定したものである。軸受ハウジング２７は、外輪１５ｂの両側の幅面にそれぞれ係合する内鍔を有しており、スピンドルハウジング１４に設けられた内径孔２８内に軸方向移動自在に嵌合している。第２のばね要素２６は、軸受ハウジング２７を介して外輪１５ｂに予圧をかけている。
【００６６】
図５の例は、図４に示す例において、センサ非配置側の軸受１５の外輪１５ｂを固定した軸受ハウジング２７を、２枚の板ばね２９により、スピンドルハウジング１４に対して支持したものである。板ばね２９は、軸受１５を予圧する第２のばね要素となる。
【００６７】
この構成の場合、板ばね２９が軸受ハウジング２７を支持する手段と軸受１５，１６の予圧手段と兼ねるため、簡素な構成となる。板ばね２９は、板状であるが、その平面方向であるラジアル方向の剛性は高く、このような板ばね２９による支持であっても、軸受１５の確実な支持が行える。なお、板ばね２９を互いにアキシアル方向に離れた２枚としたのは、１枚ではモーメント荷重が作用して軸受１５の安定した支持が難しいためである。
【００６８】
図６の例は、図２の例において、センサ非配置側の軸受１５にを予圧を与えるする第２のばね要素２６を回転側に配置した例である。この例では、内輪１５ａの幅面とこの幅面に対向する主軸１３の段面との間に第２のばね要素２６を配置している。
【００６９】
図７は、図２に示す実施形態に用いられたセンサ１８の具体例を示す。このセンサ１８は、軟質磁性材料からなる２枚のヨーク部材３２に磁歪材３１を挟み込み、各磁歪材３１の外周にその透磁率を検出するコイル３３を設けたものとされている。ヨーク部材３２は主軸貫通孔３２ａを有するリング状の板材であり、円周方向の複数箇所に上記磁歪材３１とコイル３３の組が設けられている。上記磁歪材３１は超磁歪材であっても良い。
磁歪材３１は、傾き防止のために２個以上設けることが好ましく、３個以上であることがより好ましい。この例では４個を円周方向に等配している。
【００７０】
この構成のセンサ１８によると、コイル３３に流れる電流による磁束は図中に矢印で示すようになる。図２の軸受１６に作用するスラスト力によって図７のヨーク部材３２間に圧力が作用すると、磁歪材３１の透磁率が変化し、インダクタンスが変化する。このインダクタスンの変化がコイル３３で検出され、その検出値から上記スラスト力を検出することができる。
磁歪材３１が同図のように主軸軸心の回りに複数個設けられていると、ヨーク部材３２の傾きが防止され、スラスト力の安定した検出が行える。磁歪材３１が３個以上であれば傾きがより安定する。また、例えば各コイル３３を隣のコイル３３と直列に接続するように結線することなどで、ヨーク部材３２の全周に作用するスラスト力を平均化して検出することができる。
【００７１】
図７のセンサ１８において、図８に示すように、２枚のヨーク部材３２の間に、磁歪材３１よりも微小に長さが短い軟質材料からなる第２のヨーク部材３４を配置しても良い。第２のヨーク部材３４は、例えば上記２枚のヨーク部材３２と同様なリング状とされ、各コイル３３が隙間を持って嵌まるコイル収容孔３４ａを有するものとされる。第２のヨーク部材３４は、例えば２枚のうちの片方のヨーク部材３２に重ねて固定されている。上記磁歪材３１は超磁歪材であっても良い。上記微小な長さの違いによる隙間ｄ３４は、荷重が２枚のヨーク部材３２間に直接に作用しない寸法であれば良く、例えば数十ミクロンから数百ミクロンの隙間寸法とされる。
【００７２】
第２のヨーク部材３４を上記のように設けることで、コイル３３の磁路の磁気抵抗が小さくなり、センサ１８の感度が向上する。
【００７３】
図９は、図８に示すセンサ１８において、磁歪材３１の透磁率を検出するコイル３３の他に、このコイル３３の信号を搬送するための搬送波を与える励磁コイル３５を設けたものである。
【００７４】
図１０の例は、図７に示すセンサ１８において、磁歪材３１の端面に、その厚み方向に着磁された永久磁石３６を直接密着して設けたものである。これら磁歪材３１と永久磁石３６とを、軟質材料からなる２枚のヨーク部材３２間に挟み込む。
このように永久磁石３６を設けた場合、バイアス磁界を与えることができる。そのため磁歪材３１の磁化曲線における透磁率の変化が大きい箇所を選んで検出に使用することができ、検出感度を向上させることができる。あるいは透磁率の変化の直線性に優れた箇所を利用して制御の容易を図ることもできる。
【００７５】
図１１の例は、図１０に示す永久磁石３６を設けたセンサ１８において、図８の例と同様に第２のヨーク部材３４を設けたものである。
【００７６】
図１２に示すセンサ１８は、図１０の例と同様に磁歪材３１の端面に、その厚み方向に着磁された永久磁石３６が直接密着して設けられ、これら磁歪材３１と永久磁石３６とを、軟質材料からなる２枚のヨーク部材３２間の円周方向複数箇所に挟み込んでいる。ただし、この例では、磁歪材３１の透磁率を検出する手段として、コイルの代わりにホール素子３７を設けている。ホール素子３７は、円周方向に並ぶ各磁歪材３１の間に配置している。また、これらホール素子３７は、一方のヨーク部材３２の対向面に部分的に設けた第２のヨーク部材３４Ａの先端に取付け、他方のヨーク部材３２に近接させている。
【００７７】
この構成の場合、磁歪材３１の透磁率の変化が磁気回路の磁気抵抗の変化となって、ホール素子３７を通過する磁束密度の変化となり、ホール素子３７の出力の変化として検出される。この例においても、永久磁石３６を設けているため、バイアス磁界により、磁歪材３１透磁率の変化によるホール素子３７の出力変化が大きくなる箇所を検出に使用でき、感度の向上を得ることができる。
【００７８】
図１３に示すセンサ１８は、２枚のヨーク部材３２の間の円周方向複数箇所に感圧抵抗素子３９を介在させたものである。感圧抵抗素子３９の周辺に位置してヨーク部材３２に温度センサ４０を取付け、温度センサ４０の出力によって感圧抵抗素子３９の抵抗値を補正するようにしている。
この構成のセンサ１８によると、２枚のヨーク部材３２間に作用する力Ｆにより、感圧抵抗素子３９の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を検出することで、２枚のヨーク部材３２間に作用する力Ｆが検出でき、図２にタービンユニット５における主軸１３のスラスト力を検出することができる。
【００７９】
図１４に示すセンサ１８は、図１３のセンサ構造の感圧抵抗素子３９とヨーク部材３２の間に弾性体４５を挿入した構成である。弾性体４５を挟むことで、感圧抵抗素子３９の圧力感受部に均等に圧力が作用するようになり、局所的に圧力が掛かることによる測定誤差を低減することができる。
【００８０】
図１５に示すセンサ１８は、２枚のヨーク部材３２の間に、これらヨーク部材３２と同心の皿ばね４１を配置し、皿ばね４１の円周方向複数箇所に歪みゲージ４３を貼付けたものである。この例において、歪みゲージ４３の周辺に位置してヨーク部材３２に温度センサ４０を取付け、温度センサ４０の出力によって歪みゲージ４３の抵抗値を補正するようにしている。
この構成のセンサ１８によると、２枚のヨーク部材３２間に作用する力Ｆにより、皿ばね４１に撓みが生じ、この撓みが歪みゲージ４３の抵抗値の変化となる。歪みゲージ４３の抵抗値の変化は、歪みゲージアンプの出力変化として検出される。
【００８１】
図１６ないし図２４は、前記各センサ１８のセンサ回路およびセンサ出力の例をそれぞれ示す。
図１６は、図７に示すセンサ１８などのように、コイル３３を設けたセンサ１８の場合のセンサ回路５０の例を示す。このセンサ回路５０は、搬送波発生回路５１により一定振幅一定周波数の搬送波を発生し、コンデンサＣｏを介してコイル３３に搬送波を伝える。コイル３３は、コンデンサＣとで並列共振回路を構成し、この並列共振回路の出力を振幅検出回路５２に接続する。
【００８２】
上記共振回路において、入力ｅｉ，出力ｅｏとすると、その伝達関数ｅｏ／ｅｉの値は入力周波数ｆによって変化する。コイル３３のインダクタンスをＬ、コンデンサＣのキャパシタンスをＣとすると、上記伝達関数ｅｏ／ｅｉのピーク値は、１／（２π√ＬＣ）となる。コイル３３のインダクタンスＬの値は、前述のように磁歪材３１（図７）の透磁率が力Ｆによって変化するため、この変化に応じて変化する。したがって、搬送波発生回路５１により一定振幅一定周波数の電圧を印加して前記共振回路を加振することで、所定周波数における伝達関数ｅｏ／ｅｉの値が、力Ｌの変化、つまりインダクタンスＬの変化により変わる。振幅検出回路５２は、この伝達関数ｅｏ／ｅｉの変化を検出してセンサ出力Ｖｏとする。
【００８３】
コイル３３を図７の例のように複数設ける場合に、センサ回路５０は個々のコイル３３毎に設けても良いが、図１７のように各コイル３３を直列に接続し、一つのセンサ回路５０で検出するようにしても良い。なお、近接する各コイル３３の巻方向は種々方向が異なったものである。このようにコイル３３を直列に接続することで、各コイル３３に対応する磁歪材３１に作用する力が平均化されてセンサ出力Ｖｏとして取り出される。
【００８４】
これら図１６，図１７のセンサ回路５０において、磁歪材３１に加わる力ＦとインダクスタンスＬの関係、および上記力Ｆとセンサ出力Ｖｏの関係は、図１８（Ａ），（Ｂ）に示すようになる。この場合に、マイナス方向に力を作用させることは、磁歪材３１に圧力をおよぼす対向部が磁歪材３１から離れることを意味し、検出できないため、同図のように初期予圧量を与えておくことで、上記スラスト力が正逆いずれの方向に作用しても、初期予圧量時のセンサ出力との差分でスラスト力を検出することができる。
【００８５】
図１９，図２０は、図１３の感圧抵抗素子３９を用いたセンサ１８のセンサ回路５３を示す。このセンサ回路５３は、感圧抵抗素子３９と固定抵抗Ｒ１との直列回路を電源６１に接続し、この直列回路の中間である感圧抵抗素子３９と固定抵抗Ｒ１との接続点からセンサ出力Ｖｏを取り出すものである。
【００８６】
感圧抵抗素子３９は、図２０（Ａ）に示すように、加わる力Ｆが大きくなるに従って抵抗Ｒが大きくなる。したがって、上記直列回路の分圧抵抗比が大きくなり、同図（Ｂ）のように力Ｆが大きくなるに従ってセンサ出力Ｖｏが増大する。
マイナス方向に力を作用させることは、感圧抵抗素子３９に圧力をおよぼす対向部が感圧抵抗素子３９から離れることを意味し、感圧抵抗素子３９は、マイナスの力は測定できないが、図２０（Ａ），（Ｂ）に示すように初期予圧量を与えておくことで、この初期予圧量時のセンサ出力との差分で、力Ｆが正逆いずれの方向に加わっても測定することができる。
【００８７】
図２１は、図１３の感圧抵抗素子３９を用いたセンサ１８に対する他のセンサ回路５４の例を示す。このセンサ回路５４は、オペアンプＯＰ１の反転入力端子と出力端子間に固定抵抗Ｒ′を接続し、反転入力端子に感圧抵抗素子３９の一端を接続して他端に一定電圧Ｖを印加するものである。
このセンサ回路５４では、感圧抵抗素子３９の抵抗をＲとすると、センサ出力Ｖｏは、−Ｒ′／Ｒ×Ｖi となる。したがって、図２２に示すように、センサ出力Ｖｏは感圧抵抗素子３９に加わる力Ｆが増大するに従って大きくなる。
【００８８】
感圧抵抗素子３９を図１３の例のように複数設ける場合に、各感圧抵抗素子３９毎にセンサ回路５４を設けても良く、また図２３のように各感圧抵抗素子３９を並列に接続してオペアンプＯＰ１と電源間に接続し、一つのセンサ回路５０で検出するようにしても良い。この場合、各位置の感圧抵抗素子３９に加わる力Ｆが平均化されてセンサ出力Ｖｏに現れる。
【００８９】
図２４は、図２に示したコントローラ１９の具体的構成例を示す。このコントローラ１９は、例えば図１３の各感圧抵抗素子３９毎にセンサ回路５３を設けた場合の例である。各センサ回路５３に示した括弧付きの符号は、４個のセンサ回路５３を区別する符号である。同図のセンサ回路５３は、図７のコイル３３に対するセンサ回路５０等であっても良い。
【００９０】
各センサ回路５３の出力は、平均化回路５５により算術平均され、基準値設定手段５６に設定された基準値と比較部５７で比較され、その偏差がとられる。基準値は、例えば予圧設定量に相当する値とされる。また、例えば図１３の温度センサ４０の検出値は、温度検出回路５８を介してセンサ補正量演算回路５９に入力され、センサ補正量演算回路５９により温度に応じた補正値が出力される。この補正値は、前記比較部５７で上記偏差に加算される。
温度補正後の上記偏差は、ＰＩＤ補償回路６０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，微分，積分動作による処理が行われる。
【００９１】
ＰＩＤ補償回路６０の出力は、ダイオード６１，６２を介して各方向の電磁石１７1 ，１７2 を駆動するパワー回路６３，６４に入力される。電磁石１７1 ，１７2 は、図２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６１，６２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。
【００９２】
図２５は、さらに他の実施形態にかかるタービンユニット５を示す。このタービンユニット５は、図２に示す例において、主軸１３に設ける強磁性体からなるスラスト板１３ａを複数設けたものである。電磁石１７は、各スラスト板１３ａの両面にそれぞれ対向させてスピンドルハウジング１４に設置する。
各電磁石１７は、同図（Ｂ）に示すように、円周方向に並ぶ複数個の電磁石分割体１７Ａ，１７Ｂに分割されたものとする。各電磁石分割体１７Ａ，１７Ｂは、それぞれがコイル１７ａおよびヨークを有するものとする。この分割により、スラスト板１３ａを複数設けながら組立が可能になる。
【００９３】
この構成の場合、次の作用が得られる。すなわち、タービンユニット５では、空気圧によるスラスト力が大きい場合、スラスト板１３ａの径を大きくとり、電磁石１７の力を強くしたい。しかし、高速回転では、遠心力によって破壊される恐れがあって、スラスト板１３ａの径を大きくするには限界がある。
図２５の例のように、スラスト板１３ａの複数枚とした場合は、遠心力による破壊の問題を生じることなく、スラスト力に対する支持力を高めることができる。
【００９４】
図２６は、さらに他の実施形態にかかるタービンユニット５を示す。このタービンユニット５は、主軸１３を回転駆動するモータ９０を設けたものである。モータ９０は、電磁石１７と並んで設けられており、スピンドルハウジング１４に設けられたステータ９１と主軸１３に設けられたロータ９２とで構成される。ステータ９１はステータコイル９１ａを有し、ロータ９２は磁石等からなる。モータ９０の制御は、モータコントローラ９３で行われる。
【００９５】
このタービンユニット５は、膨張タービン７で生じるタービン翼車７ａの駆動力と、モータ９０による駆動力とでコンプレッサ翼車６ａが回転駆動される。そのため図１のブロアからなる予圧縮手段２がなくてもコンプレッサ６の回転駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】この発明の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットを用いる空気サイクル冷凍冷却システムの系統図である。
【図２】この発明の第１の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。
【図３】他の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。
【図４】さらに他の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。
【図５】さらに他の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。
【図６】さらに他の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。
【図７】上記各実施形態のタービンユニットに用いられるセンサの正面図およびそのＶII−ＶII線断面図である。
【図８】上記各実施形態のタービンユニットに用いられるセンサの他の例の正面図およびそのＶIII −ＶIII 線断面図である。
【図９】同センサのさらに他の例の正面図およびそのＩＸ−ＩＸ線断面図である。
【図１０】同センサのさらに他の例の正面図およびそのＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】同センサのさらに他の例の正面図およびそのＸＩ−ＸＩ線断面図である。
【図１２】同センサのさらに他の例の正面図およびそのＸII−ＸII線断面図である。
【図１３】同センサのさらに他の例の断面図およびそのＸIII-ＸIII 矢視図である。
【図１４】同センサのさらに他の例の断面図およびそのＸIV−ＸIV矢視図である。
【図１５】同センサのさらに他の例の断面図およびそのＸＶ−ＸＶ矢視図である。
【図１６】上記各実施形態のタービンユニットに用いられるセンサ回路の一例を示すブロック図である。
【図１７】同センサ回路の他の例を示すブロック図である。
【図１８】同センサ回路における力とインダクタンスの関係を示すグラフ、および力とセンサ出力の関係を示すグラフである。
【図１９】同センサ回路のさらに他の例を示すブロック図である。
【図２０】同センサ回路における力と抵抗値の関係を示すグラフ、および力とセンサ出力の関係を示すグラフである。
【図２１】同センサ回路のさらに他の例を示すブロック図である。
【図２２】同センサ回路における力とセンサ出力の関係を示すグラフである。
【図２３】同センサ回路のさらに他の例を示すブロック図である。
【図２４】上記各実施形態のタービンユニットに用いられるコントローラの一例を示すブロック図である。
【図２５】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれさらに他の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの縦断面図およびその電磁石の横断面図である。
【図２６】さらに他の実施形態に係る空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの断面図である。
【符号の説明】
【００９７】
１…空気循環経路
１ａ…取入口
１ｂ…排出口
２…予圧縮手段
３…第１の熱交換機
５…空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット
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
９…中間熱交換器
１０…被冷却空間
１３…主軸
１３ａ…スラスト板
１４…スピンドルハウジング
１５，１６…軸受
１７…電磁石
１８…センサ
１９，１９Ａ…コントローラ
２１，２２…非接触シール
２３…軸受ハウジング
２５…第１のばね要素
２６…第２のばね要素
２９…板ばね
３１…磁歪材
３２…ヨーク部材
３３…コイル
３４…第２のヨーク部材
３５…励磁用コイル
３６…永久磁石
３７…ホール素子
３９…感圧抵抗素子
４０…温度センサ
４１…皿ばね
４２…歪みゲージ
４５…弾性体
５０，５３，５４…センサ回路
６１〜６４…圧力センサ（空気圧測定手段）
６５〜６８…温度センサ
８１…圧力均等化手段
８３…通気路
８４，８５…軸受冷却空気導入路
８６…軸受冷却空気導入路
７０…流出経路
９０…モータ
９３…モータコントローラ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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