(57)【要約】      （修正有）【課題】構成部品である熱交換器を安価に製造できて、熱交換器における空気経路の圧力損失を低減できる空気サイクル冷凍装置を提供する。【解決手段】流入空気に対して、タービンユニットの空気圧縮機による圧縮、放熱用熱交換器による冷却、前記タービンユニットの前記空気膨張機による断熱膨張を順次行なった空気を被冷却部に供給し、被冷却部からの戻り空気を前記流入空気として前記空気圧縮機に循環させる。前記放熱用熱交換器と空気膨張機の間の空気経路と、前記被冷却部と空気圧縮機の間の空気経路の間で、両空気経路を流れる空気対空気の熱交換を行なう熱回収用熱交換器を配置し、前記空気膨張機に入る前の空気を前記被冷却部からの戻り空気で冷却する。【選択図】図５
2009014291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入空気に対して、空気圧縮機および空気膨張機を有するタービンユニットの前記空気圧縮機による圧縮、放熱用熱交換器による冷却、前記タービンユニットの前記空気膨張機による断熱膨張を順次行なった空気を被冷却部に供給し、被冷却部からの戻り空気を前記流入空気として前記空気圧縮機に循環させ、前記放熱用熱交換器と空気膨張機の間の空気経路と、前記被冷却部と空気圧縮機の間の空気経路の間で、両空気経路を流れる空気対空気の熱交換を行なう熱回収用熱交換器を配置し、前記空気膨張機に入る前の空気を前記被冷却部からの戻り空気で冷却する空気サイクル冷凍装置であって、
前記放熱用熱交換器および前記熱回収用熱交換器のうちのいずれか一方の熱交換器または両方の熱交換器に、高温側の空気を流す複数本の平行なチューブ、およびこれらチューブ間に設けられたフィンを有する熱交換ユニットを並列に複数設置してなるフィンチューブ式熱交換器を用いたことを特徴とする空気サイクル冷凍装置。
【請求項２】
請求項１において、前記放熱用熱交換器および前記熱回収用熱交換器の両方に前記フィンチューブ式熱交換器を用いたことを特徴とする空気サイクル冷凍装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、並設された隣合う熱交換ユニットのフィンとフィンとの間のすきまに、複数の整流用の仕切りを設けたことを特徴とする空気サイクル冷凍装置。
【請求項４】
請求項３において、前記熱交換ユニットのチューブが２本であり、前記フィンが、前記２本のチューブ間に渡ってそれぞれ設けられて前記チューブの長手方向に並ぶ複数の平行な伝熱性板材と、各伝熱性板材の間に配置されたフィン要素とでなることを特徴とする空気サイクル冷凍装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記タービンユニットが、前記空気圧縮機のコンプレッサ翼車および前記空気膨張機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り、前記主軸を軸受により回転自在に支承し、この主軸にかかるスラスト力の一部または全てを電磁石により支承したものであることを特徴とする空気サイクル冷凍装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記タービンユニットが、前記空気圧縮機のコンプレッサ翼車および前記空気膨張機の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けられ、そのモータにより前記主軸を回転させるものであることを特徴とした空気サイクル冷凍装置。
【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や空調等に利用される空気サイクル冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の空気サイクル冷凍装置として、空気圧縮機および空気膨張機を有するタービンユニットと、被冷却部との間で冷媒となる空気を循環させる構成のものが知られている（例えば特許文献１，２）。この空気サイクル冷凍装置では、被冷却部からの戻り空気が熱回収用熱交換器を経てタービンの空気圧縮機に流入する。空気圧縮機で圧縮された空気は放熱用熱交換器および前記熱回収用熱交換器を経て、タービンの空気膨張機に流入し、この空気膨張機で断熱膨張した空気が被冷却部に供給される。前記放熱用熱交換器では、空気圧縮機で圧縮されて高温・高圧となった空気が、外部媒体との熱交換（空気圧縮機を経た空気から外部媒体へ熱が移動）で一次冷却される。前記熱回収用熱交換器では、前記放熱用熱交換器を経て一次冷却された空気が、被冷却部からの低温の戻り空気との熱交換（放熱用熱交換器を経た空気から戻り空気へ熱が移動）で二次冷却され、戻り空気は加熱される。上記した熱回収用熱交換器や放熱用熱交換器として、空気対空気の熱交換器を使用する場合には、プレート式熱交換器やフィンチューブ式熱交換器が使用される。このほか、液体を媒体とした熱交換器を使用する例もある（例えば特許文献３）。
【特許文献１】特開２００７−０５７１０９号公報
【特許文献２】特開２００７−０５７１４３号公報
【特許文献３】特開２００６−１１８７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記構成の空気サイクル冷凍装置の熱交換器として、プレート式熱交換器を使用する場合には、熱交換器内での空気の偏流が避けられず、設計通りの性能が得られない場合がある。また、プレート式熱交換器は、価格が高いといった問題もある。一方、フィンチューブ式熱交換器は安価であるが、チューブ側の通気抵抗が高く、圧力損失が大きいといった問題がある。
また、液体を媒体とする場合では、液体を循環させるポンプを付加することから価格が高くなるという問題がある。また、熱回収用熱交換器に使用する場合には、空気対液体、液体対空気の熱交換を行なう際、液体流量を空気流量に応じて調整する必要がある。
【０００４】
この発明の目的は、構成部品である熱交換器を安価に製造できて、熱交換器における空気経路の圧力損失を低減できる空気サイクル冷凍装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の空気サイクル冷凍装置は、流入空気に対して、空気圧縮機および空気膨張機を有するタービンユニットの前記空気圧縮機による圧縮、放熱用熱交換器による冷却、前記タービンユニットの前記空気膨張機による断熱膨張を順次行なった空気を被冷却部に供給し、被冷却部からの戻り空気を前記流入空気として前記空気圧縮機に循環させ、前記放熱用熱交換器と空気膨張機の間の空気経路と、前記被冷却部と空気圧縮機の間の空気経路の間で、両空気経路を流れる空気対空気の熱交換を行なう熱回収用熱交換器を配置し、前記空気膨張機に入る前の空気を前記被冷却部からの戻り空気で冷却する空気サイクル冷凍装置であって、前記放熱用熱交換器および前記熱回収用熱交換器のうちのいずれか一方の熱交換器または両方の熱交換器に、高温側の空気を流す複数本の平行なチューブ、およびこれらチューブ間に設けられたフィンを有する熱交換ユニットを並列に複数設置してなるフィンチューブ式熱交換器を用いたことを特徴とする。
フィンチューブ式熱交換器は、自動車用として、ラジエータ、コンデンサ、インタークーラ等で使用され、既存の製品は安価に入手できる。そのため、放熱用熱交換器および熱回収用熱交換器として、フィンチューブ式熱交換器を用いると、これら熱交換器を安価に構成できる。
また、フィンチューブ式熱交換器では、チューブ側の空気通路での圧力損失が問題となるが、上記したように平行に並べた複数本のチューブと、これらチューブ間に設けられたフィンを有する熱交換ユニットを、並列に複数設置してフィンチューブ式熱交換器を構成し、全空気量を並列に並ぶチューブに分散して通過させるようにしているので、チューブでの圧力損失を低減できる。
また、タービンユニットの空気圧縮機から空気膨張機に至る空気通路を流れる空気は高温・高圧の空気となるが、放熱用熱交換器では高温空気の流れる空気通路を前記チューブが担い、熱回収用熱交換器でも高温空気の流れる空気通路を前記チューブが担うので、十分な耐圧を持つチューブに高圧空気を流すことになり、配管が容易になる。また、高圧空気は低圧空気に比べて体積流量が小さいので，この点でも圧力損失に対して有利である。その結果、構成部品である熱交換器を安価に製造できて、熱交換器における空気経路の圧力損失を低減できる。
【０００６】
この発明において、並設された隣合う熱交換ユニットのフィンとフィンとの間のすきまに、複数の整流用の仕切りを設けても良い。この場合に、前記熱交換ユニットのチューブが２本であり、前記フィンが、前記２本のチューブ間に渡ってそれぞれ設けられて前記チューブの長手方向に並ぶ複数の平行な伝熱性板材と、各伝熱性板材の間に配置されたフィン要素とでなるものであっても良い。
このようにフィン間のすきまに仕切りを設けると、フィン側を通過する空気の混合を抑制し、チューブ側経路の出口付近のフィン側空気温度を低温に保持でき、熱交換器の温度効率を改善することができる。前記フィンが前記のように複数の平行な伝熱性板材とフィン要素とでなる場合、上記の仕切りを設けたことにより空気の混合を抑制して温度効率を改善する効果が大きい。
【０００７】
この発明において、前記タービンユニットが、前記空気圧縮機のコンプレッサ翼車および前記空気膨張機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り、前記主軸を軸受により回転自在に支承し、この主軸にかかるスラスト力の一部または全てを電磁石により支承したものであっても良い。この構成の場合、主軸にかかるスラスト力の一部または全て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、主軸の回転支持用の軸受に作用するスラスト力を軽減し、軸受の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。電磁石による支承のため、永久磁石と異なり、主軸に作用するスラスト力に応じた適正な電磁吸引力の制御を行なうことも可能である。主軸軸受の長期耐久性が向上するため、空気サイクル冷凍装置の全体としての信頼性が向上する。
【０００８】
この発明において、前記タービンユニットが、前記空気圧縮機のコンプレッサ翼車および前記空気膨張機の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けられ、そのモータにより前記主軸を回転させるものであっても良い。
モータを設けて主軸を駆動する場合、空気圧縮機の補助手段を付加することなく空気圧縮機の駆動が可能となり、装置のコンパクト化が図れる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の空気サイクル冷凍装置は、流入空気に対して、空気圧縮機および空気膨張機を有するタービンユニットの前記空気圧縮機による圧縮、放熱用熱交換器による冷却、前記タービンユニットの前記空気膨張機による断熱膨張を順次行なった空気を被冷却部に供給し、被冷却部からの戻り空気を前記流入空気として前記空気圧縮機に循環させ、前記放熱用熱交換器と空気膨張機の間の空気経路と、前記被冷却部と空気圧縮機の間の空気経路の間で、両空気経路を流れる空気対空気の熱交換を行なう熱回収用熱交換器を配置し、前記空気膨張機に入る前の空気を前記被冷却部からの戻り空気で冷却する空気サイクル冷凍装置であって、前記放熱用熱交換器および前記熱回収用熱交換器に、高温側の空気を流す複数本の平行なチューブ、およびこれらチューブ間に設けられたフィンを有する熱交換ユニットを並列に複数設置してなるフィンチューブ式熱交換器を用いたため、構成部品である熱交換器を安価に製造できて、熱交換器における空気経路の圧力損失を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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装置の全体の構成を示す。この空気サイクル冷凍装置は、冷凍倉庫等の被冷却部１０の空気を直接に冷媒として冷却する装置であり、被冷却部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、空気サイクル冷凍用タービンユニット５の空気圧縮機６、放熱用熱交換器２、熱回収用熱交換器３、および前記タービンユニット５の空気膨張機７が順に設けられている。
【００１１】
タービンユニット５の空気圧縮機６は、被冷却部１０からの戻り空気であって前記熱回収用熱交換器３を経て流入する空気を圧縮する。放熱用熱交換器２は、前記空気圧縮機６で圧縮されて高圧・高温となった空気が流れる空気経路１ｄと、冷却塔などから供給される外部冷媒である冷却空気の空気経路８との間で、両空気経路１ｄ，８を流れる空気対空気の熱交換を行なって、空気圧縮機６により圧縮された空気を１次冷却する。熱回収用熱交換器３は、前記放熱用熱交換器２と空気膨張機７の間の空気経路１ｅと、被冷却部１０と空気圧縮機６の間の空気経路１ｃとの間で、両空気経路１ｅ，１ｃを流れる空気対空気の熱交換を行なって、空気膨張機７に入る前の圧縮空気を２次冷却する。タービンユニット５の空気膨張機７は、前記熱回収用熱交換器３で２次冷却された圧縮空気を断熱膨張させることで、さらに冷却して被冷却部１０に供給する。
【００１２】
この空気サイクル冷凍装置は、被冷却部１０を０℃〜−６０℃程度に保つ装置であり、被冷却部１０から空気循環経路１の取入口１ａに圧力０．１Ｍｐａで０℃〜−６０℃程度の空気が流入する。なお、以下に示す温度および圧力の数値は、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、熱回収用熱交換器３での熱交換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圧力０．１Ｍｐａのままタービンユニット５の空気圧縮機６に流入して、ここで圧力０．１８Ｍｐａに圧縮させられ、その圧縮により１１０℃まで昇温する。この圧縮空気は、放熱用熱交換器２により４０℃に１次冷却される。
【００１３】
放熱用熱交換器２で１次冷却された４０℃の圧縮空気は、熱回収用熱交換器３でさらに−２０℃まで２次冷却される。圧力は空気圧縮機６から排出された０．１８Ｍｐａに維持される。
熱回収用熱交換器３で−２０℃まで冷却された空気は、タービンユニット５の空気膨張機７により断熱膨張され、−５０℃まで冷却されて排出口１ｂから被冷却部１０に供給される。この冷却サイクル冷凍装置は、このような冷凍サイクルを行なう。
【００１４】
図２〜図５は、放熱用熱交換器２および熱回収用熱交換器３の具体例を示す。これらの熱交換器２，３はフィンチューブ式熱交換器からなる。この場合のフィンチューブ式熱交換器は、図５に斜視図で示すように、高温側の空気を流す一対の平行なチューブ１１Ａ，１１Ｂと、これら一対のチューブ１１Ａ，１１Ｂ間に設けられたフィン１２を有する熱交換ユニット９を、並列に複数設置して構成される。なお、図５では、フィン１２は概略図で図示している。
【００１５】
フィン１２は、具体的には図４のように構成される。同図は、熱交換ユニット９の正面図を示す。同図のように、フィン１２は、平行な一対のチューブ１１Ａ，１１Ｂにまたがる複数の平行な伝熱性板材２４を、チューブ１１Ａ，１１Ｂの長手方向に並べ、隣接する伝熱性板材２４，２４間にフィン要素１２ａを配置して構成される。フィン要素１２ａは、例えば金属薄板をＶ形波となる波板状に折り曲げたものである。なお、図２および図４において、伝熱性板材２４上の矢印は、伝熱性板材２４での熱の伝導方向を示す。
【００１６】
図２は、フィンチューブ式熱交換器の側面断面図を示す。同図のように、各熱交換ユニット９における前記一対のチューブ１１Ａ，１１Ｂの一端側は、隔壁２６により外部と仕切られた連通空間２５で連通させてあり、これにより熱交換ユニット９の各一対のチューブ１１Ａ，１１Ｂと連通空間２５とで概形がＵ字状の空気経路が構成される。
【００１７】
各熱交換ユニット９における一方のチューブ１１Ａの連通空間２５に開口する開口端とは反対側の開口端は、共通の通気口２７Ａに集合している。また、各熱交換ユニット９における他方のチューブ１１Ｂの連通空間２５に開口する開口端とは反対側の開口端も、別の共通の通気口２７Ｂに集合している。ここでは、一方の通気口２７Ａが高温空気の入口とされ、他方の通気口２７Ｂが高温空気の出口とされる。
【００１８】
図２および図３に示すように、前記各熱交換ユニット９は共通のケース２８内に収められて低温空気の経路が構成され、その経路の一端に入口２８Ａが、他端に出口２８Ｂがそれぞれ構成されている。
【００１９】
上記構成のフィンチューブ式熱交換器を放熱用熱交換器２として用いた場合、チューブ１１Ａ，１１Ｂおよび連通空間２５で構成される高温空気の通路が図１における空気通路１ｄとなり、フィン１２を並べた低温空気の通路が図１における冷却空気の空気通路８となる。また、熱回収用熱交換器３として用いた場合、チューブ１１Ａ，１１Ｂおよび連通空間２５で構成される高温空気の通路が図１における空気通路１ｃとなり、フィン１２を並べた低温空気の通路が図１における圧縮空気の空気通路１ｅとなる。
【００２０】
フィンチューブ式熱交換器は、自動車用として、ラジエータ、コンデンサ、インタークーラ等で使用され、既存の製品は安価に入手できる。そのため、上記したように、空気サイクル冷凍装置の放熱用熱交換器２および熱回収用熱交換器３として、フィンチューブ式熱交換器を用いると、これら熱交換器２，３を安価に構成できる。
【００２１】
フィンチューブ式熱交換器では、チューブ側の空気通路での圧力損失が問題となる。しかし、この空気サイクル冷凍装置では、平行に並べた一対のチューブ１１Ａ，１１Ｂと、これら一対のチューブ１１Ａ，１１Ｂ間に設けられたフィン１２とを有する熱交換ユニット９を、並列に複数設置してフィンチューブ式熱交換器を構成し、全空気量を並列に並ぶチューブ１１Ａ，１１Ｂに分散して通過させるようにしているので、チューブ１１Ａ，１１Ｂでの圧力損失を低減できる。
【００２２】
この空気サイクル冷凍装置では、図１におけるタービンユニット５の空気圧縮機６から空気膨張機７に至る空気通路を流れる空気が高圧空気となる。この空気通路は、放熱用熱交換器２では、高温空気の流れる空気通路１ｄであり、チューブ１１Ａ，１１Ｂがこの空気通路を担うことになるので、高圧空気に対して十分な強度を持つことになる。また、熱回収用熱交換器３でも、高圧空気が流れる空気通路が高温空気の流れる空気通路１ｅであり、同様にチューブ１１Ａ，１１Ｂがこの空気通路を担うことになるので、高圧空気に対して十分な強度を持つことになる。また、高圧空気は低圧空気に比べて体積流量が小さいので，この点でも圧力損失に対して有利である。
一方、前記構成のフィンチューブ式熱交換器において、低温空気の通路となるフィン１２の並ぶ空気通路は、放熱用熱交換器２として用いる場合は、図１のように冷却塔などから冷却空気が供給される放熱側の空気通路８であり、また熱回収用熱交換器３として用いる場合は、被冷却部１０からの戻り空気が流れる空気通路１ｃである。両空気通路１ｃ，８とも流れる空気の圧力は０．１Ｍｐａ程度であり、図２および図３で示すように、簡易なケース２８でフィンチューブ式熱交換器の全体を覆うことにより、容易に低温空気の通路を構成できる。
【００２３】
ところで、放熱用熱交換器２および熱回収用熱交換器３として用いた上記構成のフィンチューブ式熱交換器では、図６に平面図で示すように、隣り合う熱交換ユニット９のフィン１２，１２の間にすきまＧが生じる。なお、同図におけるフィン１２上の矢印は、熱の伝導方向を示す。この熱交換器では、高温空気の流れ（チューブ１１Ａ，１１Ｂ側）と低温空気の流れ（フィン１２並び側）が互いに直交する直交流型の熱交換器となるため、図７にハッチングして示すように、各フィン１２およびチューブ１１Ａ，１１Ｂにおいて大きな温度分布が生じる。そのため、入力温度が一様な低温空気も、一段目のフィン１２を通過した時点で温度分布が生じる。ここで、上記したフィン１２，１２間にすきまＧがあることから、フィン１２の出口空気は近傍の空気と混合してしまう。このような現象が、各フィン１２を通過する毎に複数回繰り返されると、低温空気に図７のような温度分布が生じてしまい、チューブ１１Ａ，１１Ｂを通過した高温空気を十分冷やすことができず、温度効率が低下してしまう。
【００２４】
図８には、上記した隣り合うフィン１２，１２間のすきまＧに起因する温度効率の低下を改善した他の構成例のフィンチューブ式熱交換器を示す。この構成例では、図２〜図５に示したフィンチューブ式熱交換器において、隣り合うフィン１２，１２間のすきまＧを、複数の整流用の仕切り２９で仕切って、前記すきまＧでの空気の混合を防止したものである。複数の仕切り２９は、熱交換ユニット９を構成する２本のチューブ１１Ａ，１１Ｂの離れ方向に並んで設けられて、それぞれ熱交換ユニット９の並び方向、つまり低温空気の経路方向に平行に設けられている。
【００２５】
このように、隣り合うフィン１２，１２間のすきまＧを仕切り２９で仕切ると、図９にハッチングして示すように、低温空気の温度分布を改善できる。これにより、チューブ１１Ａ，１１Ｂを流れる高温空気の温度をより低温に冷却でき、温度効率の向上が可能となる。
【００２６】
図１０は、空気サイクル冷凍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、空気圧縮機６および空気膨張機７を有し、空気圧縮機６のコンプレッサ翼車６ａおよび空気膨張機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。
【００２７】
図２において、空気圧縮機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で圧縮して、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。
空気膨張機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。
【００２８】
このタービンユニット５における軸受部４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、空気圧縮機６および空気膨張機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。
【００２９】
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。
前記センサ１８の設置側の軸受１６は、スピンドルハウジング１４内に嵌合した軸受ハウジング２３内に嵌合している。
【００３０】
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。
【００３１】
この構成のタービンユニット５は、空気サイクル冷凍装置において、冷却媒体となる空気を空気圧縮機６で圧縮して温度上昇させ、放熱用熱交換器２および熱回収用熱交換器３で冷却された空気を、空気膨張機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。
【００３２】
このタービンユニット５は、空気圧縮機６および空気膨張機７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。空気サイクル冷凍装置では、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。
【００３３】
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。この場合には、空気圧縮機６および空気膨張機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を、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。
【００３４】
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装置の全体としての信頼性が向上する。このように、空気サイクル冷凍装置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、空気サイクル冷凍装置の実用化が可能となる。
【００３５】
図１１は、上記した空気サイクル冷凍装置におけるタービンユニット５の他の構成例を示す。このタービンユニット５は、図２に示す構成において、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で行なわれる。
【００３６】
このタービンユニット５は、空気膨張機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、空気圧縮機６の補助手段を付加することなく空気圧縮機６の駆動が可能となり、装置のコンパクト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の一実施形態にかかる空気サイクル冷凍装置の系統図である。
【図２】同空気サイクル冷凍装置に用いたフィンチューブ式熱交換器の正面断面図である。
【図３】同空気サイクル冷凍装置に用いたフィンチューブ式熱交換器の側面断面図である。
【図４】同フィンチューブ式熱交換器の要部の正面断面図である。
【図５】同フィンチューブ式熱交換器の要部の斜視図である。
【図６】同フィンチューブ式熱交換器の要部の水平断面図である。
【図７】同フィンチューブ式熱交換器における低温空気の温度分布の説明図である。
【図８】同フィンチューブ式熱交換器の他の構成例の要部の水平断面図である。
【図９】同フィンチューブ式熱交換器における低温空気の温度分布の説明図である。
【図１０】同空気サイクル冷凍装置に用いた空気サイクル冷凍用タービンユニットの断面図である。
【図１１】空気サイクル冷凍装置に用いた空気サイクル冷凍用タービンユニットの他の構成例の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
２…放熱用熱交換器
３…熱回収用熱交換器
５…タービンユニット
６…空気圧縮機
６ａ…コンプレッサ翼車
７…空気膨張機
７ａ…タービン翼車
９…熱交換ユニット
１０…被冷却部
１１Ａ，１１Ｂ…チューブ
１２…フィン
１３…主軸
１５，１６…軸受
１７…電磁石
９０…モータ
９２…モータロータ
【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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