JP5042479B2 - Air cycle refrigeration cooling system - Google Patents
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Description
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冷却システムに関する。 The present invention relates to an air cycle refrigeration cooling system in which air is used as a refrigerant and is used in a refrigeration warehouse, a low-temperature room below zero degrees, air conditioning, and the like.
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)。
The use of air as a refrigerant is preferable in terms of environmental protection and safety compared to the case of using chlorofluorocarbon or ammonia gas, but is insufficient in terms of characteristics as energy efficiency. However, when used in a facility that can directly blow in air, such as a refrigerated warehouse, the total cost can be reduced to the same level as existing systems by taking measures such as omitting the internal fan and defrost. there is a possibility. At present, the use of chlorofluorocarbon as a refrigerant is already restricted from the environmental viewpoint, and it is desired to avoid using other refrigerant gas as much as possible. Therefore, an air cycle refrigeration cooling system that uses air as a refrigerant has been proposed for the above-described applications (for example,
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)。
Further, it is stated that the theoretical efficiency of air cooling is equal to or higher than that of chlorofluorocarbon or ammonia gas in a deep coal region of −30 ° C. to −60 ° C. (Non-patent Document 1). However, it is also stated that obtaining the theoretical efficiency of the air cooling is not possible until there is an optimally designed peripheral device. The peripheral device is a compressor, an expansion turbine, or the like.
As the compressor and the expansion turbine, a turbine unit in which a compressor impeller and an expansion turbine impeller are attached to a common main shaft is used (
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)。
In addition, although it is a proposal for a gas turbine engine, in order to avoid the thrust load acting on the rolling bearing for supporting the main shaft from shortening the bearing life, the thrust load acting on the rolling bearing should be reduced by the thrust magnetic bearing. Has been proposed (Patent Document 3).
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。
As described above, as the air cycle refrigeration cooling system, in order to obtain the theoretical efficiency of air cooling that is highly efficient in the deep coal region, an optimally designed compressor and expansion turbine are required.
As the compressor and the expansion turbine, a turbine unit in which the compressor wheel and the expansion turbine wheel are attached to a common main shaft as described above is used. In this turbine unit, the compressor impeller can be driven by the power generated by the expansion turbine, thereby improving the efficiency of the air cycle refrigerator.
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,非特許文献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。
However, in order to obtain practical efficiency, it is necessary to keep the gap between each impeller and the housing minute. The fluctuation of the gap hinders stable high-speed rotation and causes a decrease in efficiency.
In addition, a thrust force acts on the main shaft by the air acting on the compressor impeller and the turbine impeller, and a thrust load is applied to the bearing that supports the main shaft. The rotation speed of the main shaft of the turbine unit in the air cycle refrigeration cooling system is 80,000 to 100,000 rotations per minute, which is very high compared with a bearing for general use. For this reason, the thrust load as described above causes a decrease in long-term durability and life of the bearing supporting the main shaft, and decreases the reliability of the turbine unit for air cycle refrigeration cooling. Unless such a problem of long-term durability of the bearing is solved, it is difficult to put the air cycle refrigeration cooling turbine unit into practical use. However, the techniques disclosed in
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。
In the case where the main shaft is supported by a journal bearing made of a magnetic bearing and a thrust bearing, such as the magnetic bearing type turbine compressor of
この発明の目的は、タービンユニットの主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの信頼性向上が図れる空気サイクル冷凍冷却システムを提供することである。
この発明の他の目的は、タービンユニットの各翼車とディフューザとの隙間を微小に保って安定した高速回転を得ることができ、高い圧縮および膨張の効率が得られるものとすることである。
An object of the present invention is to provide an air cycle refrigeration cooling system capable of improving the long-term durability and extending the life of a bearing that supports a main shaft of a turbine unit and improving the reliability of the system.
Another object of the present invention is to obtain a stable high-speed rotation by maintaining a small gap between each impeller of the turbine unit and the diffuser, and to obtain a high compression and expansion efficiency.
この発明の空気サイクル冷凍冷却システムは、予圧縮手段による圧縮、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であって、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り、前記主軸を軸受により回転自在に支承し、前記軸受を、前記主軸を収容するスピンドルハウジングにおける前記コンプレッサ翼車とタービン翼車間に設置し、前記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、この電磁石は、主軸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の両面に非接触で対向するように設置したものであり、前記軸受は、2個の転がり軸受からなり、それぞれ内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す規制機能を有し、前記膨張タービンの入口部の空気を、前記コンプレッサ側の軸受の付近へ流す軸受冷却空気導入路を前記スピンドルハウジング内に設け、前記コンプレッサ側の軸受の付近へ流された空気を前記コンプレッサの入口側へ流出させる流出経路を前記主軸内に設けたことを特徴とする。 The air cycle refrigeration cooling system of the present invention includes compression by pre-compression means, cooling by heat exchanger for incoming air, compression by a compressor of a turbine unit, cooling by another heat exchanger, and by an expansion turbine of the turbine unit. An air cycle refrigeration cooling system that sequentially performs adiabatic expansion, wherein the turbine unit attaches a compressor impeller of the compressor and a turbine impeller of the expansion turbine to a common main shaft, and the compressor is driven by power generated by the turbine impeller. is intended to drive the impeller, the main shaft is rotatably supported by a bearing, the bearing, is placed the in compressor wheel and the turbine blades headway in the spindle housing accommodating said spindle, a thrust exerted on the main shaft Part or all of the force is supported by an electromagnet, Is installed so as to face both surfaces of a flange-like thrust plate made of a ferromagnetic material provided in the center of the main shaft in a non-contact manner, and the bearing is composed of two rolling bearings, each of which is an inner and outer ring. A bearing cooling air introduction path is provided in the spindle housing to flow the air at the inlet of the expansion turbine to the vicinity of the compressor side bearing. an outflow path which was flowed into the vicinity of the bearing air is caused to flow out to the inlet side of the compressor, it characterized that you provided in the main shaft.
この構成の空気サイクル冷凍冷却システムは、流入空気を予圧縮手段により圧縮し、この圧縮により温度を高くした状態で熱交換器により冷却を行う。冷却された空気は、タービンユニットのコンプレッサでさらに圧縮して温度を上昇させ、他の熱交換器で再度冷却する。この冷却された空気を他の熱交換器で冷却し、タービンユニットの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。
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。この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により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。
In the air cycle refrigeration cooling system having this configuration, the inflow air is compressed by the pre-compression means, and cooling is performed by the heat exchanger while the temperature is increased by the compression. The cooled air is further compressed by the compressor of the turbine unit to increase the temperature, and is cooled again by another heat exchanger. The cooled air is cooled by another heat exchanger, led to the expansion turbine of the turbine unit, cooled to a target temperature, for example, a very low temperature of about −30 ° C. to −60 ° C., and discharged by adiabatic expansion.
The turbine unit attaches the compressor impeller and the turbine impeller of the expansion turbine to a common main shaft, and drives the compressor impeller by the power generated by the turbine impeller. Cooling can be efficiently performed with the configuration. A thrust force is applied to the main shaft of the turbine unit by the pressure of air acting on each impeller. Moreover, in a turbine unit used in an air cycle refrigeration cooling system, the rotation speed is very high, for example, about 80,000 to 100,000 rotations per minute. Therefore, when the thrust force acts on a bearing that rotatably supports the main shaft, the long-term durability of the main shaft decreases.
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。 Since the thrust force is supported by an electromagnet in the present invention, the thrust force acting on the rotation support bearing of the main shaft is reduced while suppressing an increase in torque in a non-contact manner, improving the long-term durability of the bearing and improving the service life. An improvement is obtained. Because of the support by the electromagnet, unlike the permanent magnet, it is also possible to control the appropriate electromagnetic attraction force according to the thrust force acting on the main shaft. Since the long-term durability of the main shaft bearing is improved, the reliability of the entire air cycle refrigeration cooling system is improved. Thus, since the long-term durability and reliability of the main shaft bearing of the turbine unit, which is a bottleneck of the air cycle refrigeration cooling system, are improved, the air cycle refrigeration cooling system can be put to practical use.
この発明において、前記空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットは、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、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なくなる。
In this invention, the turbine unit for air cycle refrigeration cooling includes a compressor wheel of the compressor, a turbine wheel of the expansion turbine, and a motor rotor attached to a common main shaft, and a main shaft by a magnetic force from a motor stator facing the motor rotor. The compressor impeller may be driven by rotating the compressor wheel.
When the main shaft is driven by providing a motor, it is not necessary to provide pre-compression means such as a blower before the compressor.
前記主軸を支持する軸受は転がり軸受であっても良い。この転がり軸受は、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。また、アンギュラ玉軸受であっても良い。
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、翼車の主軸を転がり軸受により支承すると、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、主軸位置が規制され、各翼車とハウジングの微小隙間を一定に保つことができる。このようなアキシアル方向位置の規制機能を有する転がり軸受の場合に、高速回転する軸受の上記スラスト力による長期耐久性の低下が問題となるが、電磁石でスラスト力を支承するため、転がり軸受の長期耐久性が確保できる。このように主軸のラジアル方向の支承を転がり軸受で行い、スラスト力を電磁石で行うようにしたため、翼車の微小隙間を保ちながら、主軸の安定した高速回転が得られる。
The bearing that supports the main shaft may be a rolling bearing. The rolling bearing preferably has a function of holding the axial position between the inner and outer rings, such as a deep groove ball bearing. Further, it may be an angular ball bearing.
In order to ensure the efficiency of compression and expansion of the turbine unit, it is necessary to keep the gap between each impeller and the housing minute. In an air cooling system, ensuring this efficiency is important. On the other hand, when the main shaft of the impeller is supported by the rolling bearing, the main shaft position is regulated by the axial position control function of the rolling bearing, and the minute gaps between the respective impellers and the housing can be kept constant. In the case of such a rolling bearing having a function of regulating the axial position, there is a problem in that long-term durability is deteriorated due to the thrust force of the bearing that rotates at a high speed. However, since the thrust force is supported by an electromagnet, Durability can be secured. As described above, since the radial support of the main shaft is performed by the rolling bearing and the thrust force is performed by the electromagnet, stable high speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining a minute clearance of the impeller.
前記転がり軸受は、グリース潤滑とすることが好ましい。空気サイクル冷凍冷却システムでは、冷却媒体となる空気をそのまま冷凍庫等の被冷却空間に送り込むため、油潤滑であると、潤滑油のミスト等が冷却空気を汚す恐れがある。グリース潤滑であるため、このような被冷却空気の汚れの問題が低減する。 The rolling bearing is preferably grease lubricated. In the air cycle refrigeration cooling system, air serving as a cooling medium is directly sent to a space to be cooled such as a freezer. Therefore, when oil lubrication is used, there is a risk that mist of the lubricating oil may contaminate the cooling air. Due to the grease lubrication, the problem of such contamination of the air to be cooled is reduced.
タービンユニットにおけるコンプレッサ翼車およびタービン翼車を主軸の両端に設け、前記主軸を支持する軸受および電磁石を、スピンドルハウジングにおける前記コンプレッサ翼車とタービン翼車間に設置しても良い。コンプレッサ翼車およびタービン翼車間に主要部材を置くことで主軸長さを短くできることから、より一層安定した高速回転が得られる。 A compressor impeller and a turbine impeller in the turbine unit may be provided at both ends of the main shaft, and a bearing and an electromagnet for supporting the main shaft may be installed between the compressor impeller and the turbine impeller in the spindle housing. Since the main shaft length can be shortened by placing main members between the compressor impeller and the turbine impeller, even more stable high-speed rotation can be obtained.
両側に軸受を設けた場合に、主軸の外周とスピンドルハウジング間における前記コンプレッサ翼車とその近傍の軸受との間、およびタービン翼車とその近傍の軸受との間の少なくとも一方に、非接触シールを設けても良い。
非接触シールを設けることで、コンプレッサ内と膨張タービン内の気圧差で、各軸受内やこれら軸受とスピンドルハウジングとの接触面から空気が漏れることが防止され、タービンユニットの効率の維持、軸受の通過空気による汚損や潤滑材の乾燥が防止される。
When bearings are provided on both sides, a non-contact seal is provided between at least one of the outer periphery of the main shaft and the spindle housing between the compressor wheel and the nearby bearing and between the turbine wheel and the nearby bearing. May be provided.
By providing a non-contact seal, it is possible to prevent air from leaking from the contact surfaces between the bearings and the spindle housing due to the pressure difference between the compressor and the expansion turbine. Fouling by passing air and drying of the lubricant are prevented.
前記膨張タービンの入口部の空気を、前記コンプレッサ側の軸受の付近へ流す軸受冷却空気導入路を設けることで、高速回転により高温になる軸受の温度上昇が、簡単な構成で抑制でき、軸受寿命やグリース寿命等が向上する。 Said air inlet of the expansion turbine, by providing the bearing cold却空introduction channel to flow to the vicinity of the compressor side of the bearing, the temperature rise of bearing a high temperature by the high-speed rotation can be suppressed with a simple configuration, the bearing The service life and grease life are improved.
前記コンプレッサ側の軸受の付近へ流された空気を前記コンプレッサの入口側へ流出させる流出経路を設けることで、冷却空気導入路から軸受への空気の流れが良好になり、軸受の冷却効果が向上する。 Said air flow to the vicinity of the compressor side of the bearing by providing the inlet to flow out to the outlet side passage of the compressor, the air flow from the cooling air introduction path to the bearing are improved, the cooling effect of the bearing improves.
この発明において、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を設けても良い。
電磁石による支承力を制御することで、主軸を回転支持する軸受を、スラスト力に対して最適な状態で使用でき、軸受のより一層の高速安定性、長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの信頼性向上がより一層向上する。
In this invention, you may provide the sensor which detects the thrust force which acts on the said main shaft with the air in the said compressor and an expansion turbine, and the controller which controls the bearing force by the said electromagnet according to the output of this sensor.
By controlling the bearing force by the electromagnet, the bearing that supports the main shaft in rotation can be used in an optimum state against the thrust force, and the bearing can be further improved in high-speed stability, long-term durability, and long life. The reliability of the system is further improved.
前記コントローラはスピンドルハウジングに取付けても良い。
前記コントローラをスピンドルハウジングに取付けることで、電磁石、センサとコントローラとの接続が簡潔になり、システムがコンパクトにできる。
The controller may be attached to the spindle housing.
By attaching the controller to the spindle housing, the connection between the electromagnet, sensor and controller can be simplified and the system can be made compact.
この発明において、前記コントローラと外部との接続は電源ラインあるいは通信ラインを配するように構成しても良い。外部から前記タービンユニットのコントロールおよびモニタを容易にし、安定したシステム動作を可能とする。 In the present invention, the controller and the outside may be connected to a power line or a communication line. This makes it easy to control and monitor the turbine unit from the outside, and enables stable system operation.
この発明の空気サイクル冷凍冷却システムは、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であって、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を自在に支承し、前記軸受を、前記主軸を収容するスピンドルハウジングにおける前記コンプレッサ翼車とタービン翼車間に設置し、前記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、この電磁石は、主軸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の両面に非接触で対向するように設置したものであり、前記軸受は、2個の転がり軸受からなり、それぞれ内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す規制機能を有し、前記膨張タービンの入口部の空気を、前記コンプレッサ側の軸受の付近へ流す軸受冷却空気導入路を前記スピンドルハウジング内に設け、前記コンプレッサ側の軸受の付近へ流された空気を前記コンプレッサの入口側へ流出させる流出経路を前記主軸内に設けたため、タービンユニットの主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの信頼性向上を図ることができる。
この発明の空気サイクル冷凍冷却システムにおいて、前記予圧縮手段を設ける代わりに、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ものとした場合も、タービンユニットの主軸を支持する軸受の長期耐久性の向上、長寿命化が図れ、システムの信頼性向上を図ることができる。
The air cycle refrigeration cooling system according to the present invention compresses incoming air by pre-compression means, cools by a heat exchanger, compresses by a compressor of a turbine unit, cools by another heat exchanger, and by an expansion turbine of the turbine unit. An air cycle refrigeration cooling system that sequentially performs adiabatic expansion, wherein the turbine unit has a compressor impeller of the compressor and a turbine impeller of the expansion turbine attached to a common main shaft, and the compressor is driven by power generated by the turbine impeller. is intended to drive the impeller, the main shaft is supported freely rotating by a bearing, the bearing, installed in the compressor wheel and the turbine blades headway in the spindle housing accommodating said spindle, according to the main shaft A part or all of the thrust force is supported by an electromagnet. The stone is installed so as to be opposed to both surfaces of a flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided in the center of the main shaft, and the bearing is composed of two rolling bearings, each of which is an inner and outer bearing. A bearing cooling air introduction passage having a regulating function for returning the axial position of the wheel to the neutral position, and allowing the air at the inlet portion of the expansion turbine to flow in the vicinity of the bearing on the compressor side is provided in the spindle housing; order to provided an outflow path for discharging the shed to the vicinity of the side of the bearing air to the inlet side of the compressor in the main shaft, the improvement of long-term durability of the bearing supporting the main shaft of the turbine unit, an extended service life As a result, the reliability of the system can be improved.
In the air cycle refrigeration cooling system of the present invention, instead of providing the precompression means, the turbine unit attaches the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine and the motor rotor to a common main shaft, and attaches the motor rotor to the motor rotor. Even when the compressor wheel is driven by rotating the main shaft by the magnetic force from the opposed motor stator, the long-term durability of the bearing that supports the main shaft of the turbine unit can be improved and the service life can be extended. The reliability can be improved.
第1の参考提案例を図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。この空気サイクル冷凍冷却システムは、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、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。
A first reference proposal example will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows the overall configuration of an air cycle refrigeration cooling system. This air cycle refrigeration cooling system is a system that directly cools air in a space to be cooled 10 such as a freezer as a refrigerant, and an air circulation path from an air intake port 1a to a
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。
The pre-compression means 2 comprises a blower or the like and is driven by a
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。
This air cycle refrigeration cooling system is a system that keeps the
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。
The air at 40 ° C. and 1.4 atm after dehumidification is compressed to 1.8 atm by the
The air cooled to −20 ° C. by the intermediate heat exchanger 9 is adiabatically expanded by the
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。
FIG. 2 shows a specific example of the
なお、後に図8と共に説明するように、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。
As will be described later with reference to FIG. 8, the
図2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。
In FIG. 2, the
The
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。
In the
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。
The
The bearing 16 on the installation side of the
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。
The
The portions of the
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。
In the air cycle refrigeration cooling system, the
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。
In this
In order to secure the efficiency of compression and expansion of the
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。
However, a thrust force is applied to the
In this embodiment, since the thrust force is supported by the
In particular, since the
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。
Therefore, stable high-speed rotation of the
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。
The
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、塵埃があると軸受15,16内を汚したり、軸受内の潤滑材を乾燥させたりして、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。
Since
図3以降の各図は、他の参考提案例および、この発明における実施形態を示す。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。 Each of FIGS. 3 and later, other references proposed examples and illustrates the implementation form that put in this invention. In each example after FIG. 3, the configuration and effects are the same as those in the example of FIG. 2 except for the matters specifically described, and the same reference numerals are given to the corresponding parts, and redundant explanations are omitted.
図3は、他参考提案例におけ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を中空とし、この主軸13内の軸受冷却空気導入路となる通気孔83を介して、膨張タービン7の出力側とコンプレッサ6の入力側とを連通させたものである。
このように主軸13内に通気孔83を設けた場合、主軸13が通気孔83内を通過する空気で冷却され、高速回転で高温となる軸受15,16が主軸13からの熱伝導により冷却される。このため、軸受15,16の耐久性が向上する。
Figure 3 shows a
When the
主軸13を貫通する通気孔83には、図4のように各軸受15,16の近傍で主軸13の外周面に開口する分岐路83a,83bを設けても良い。これら分岐路83a,83bを設けると、分岐路83a,83bを流れる空気により、軸受15,16が直接に冷却され、軸受15,16の冷却効率が向上する。
The
図5は、さらに他の参考提案例におけ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のコンプレッサ翼車6a側の軸端から、その近傍の軸受15の主軸中央側に開口する軸受冷却空気導入路84、および主軸13のタービン翼車7a側の軸端から、その近傍の軸受16の主軸中央側に開口する軸受冷却空気導入路85を設けたものである。
この構成の場合、コンプレッサ6内の空気が軸受冷却空気導入路84を介してコンプレッサ6側の軸受15の近傍に流入し、この軸受15、および軸受16を冷却した後に軸受冷却空気導入路85を介して膨張タービン側に排出される。
FIG. 5 shows a
In the case of this configuration, the air in the
なお、膨張タービン7の付近は比較的低温であるため、軸受16は高速回転しても温度上昇が抑えられる。したがって、図6のように、コンプレッサ6側のみに前記軸受冷却空気導入路84を設けても良い。
In addition, since the vicinity of the
図7は、この発明の実施形態におけ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、膨張タービン7の入口部の空気を、コンプレッサ6側の軸受の付近へ流す軸受冷却空気導入路86をスピンドルハウジング84内に設けたものである。また、この導入された空気をコンプレッサ6の入口側へ流出させる流出経路87を主軸13内に設けたものである。
膨張タービン7の入口部の圧力は、コンプレッサ6による圧縮後の圧力であるため、コンプレッサ6の入口部の圧力よりも高い。このため、上記の軸受冷却空気導入路86から流入して流出経路87から流出する空気流れが生じる。膨張タービン7の入口部の空気は図1の第2の熱交換器8および中間熱交換器9を介して冷却された空気であり、例えば−40℃程度と低温となっている。この低温の空気でコンプレッサ6側の軸受15が冷却されるため、高速回転で高温になり易いコンプッサ側の軸受15を効率良く冷却し、耐久性を向上させることができる。
FIG. 7 shows the
Since the pressure at the inlet of the
図8は、さらに他の実施形態におけ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。
FIG. 8 shows a
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の駆動が可能となり、システムのコンパクト化が図れる。
In the
図9は、さらに他の実施形態におけるタービンユニット5を示す。この構造は、このタービンユニット5にコントローラ19を内蔵させた構成である。このように構成することで、コントローラ19と電磁石17間およびコントローラ19とセンサ18間のケーブルが短く構成できるとともに、接続が簡単になることからコスト面で有利となると同時に、外部からのセンサ回路システム全体構成のコンパクト化が図れる。
図10に示すように、タービンユニット5内にモータ90を配した構成では、コントローラ19Aをタービンユニット5に内蔵することで、モータ90とコントローラ19A間のケーブルも必要となるため、このようにタービユニット5にコントローラ19Aを内蔵させた構成は、さらに有利となる。なお、この実施形態におけるコントローラ19Aは、上記コントーラ19およびモータコントローラ93を含むものである。
このコントローラ19Aには、外部から電源ラインだけでなく通信ラインを繋げた構成を採ることにより、外部から電磁石17の作動状態を変化させることも可能となる。例えば、主軸13が回転していない場合には、外部からのコントロール信号によって電磁石17に電流を流さないように構成することにより、タービンユニット5への不必要な電源供給を回避し省エネを図ることが可能となる。また、センサ18の出力を通信ラインによって外部に送出することで、外部でそのセンサ出力を基にタービンユニットの状態を監視することも可能となる。
FIG. 9 shows a
As shown in FIG. 10, in the configuration in which the
By adopting a configuration in which not only the power supply line but also the communication line is connected to the controller 19A from the outside, the operating state of the
なお、前記各実施形態では、主軸13のスラスト板13aに対して電磁石17を設けたが、電磁石17に加えて永久磁石(図示せず)を設けても良い。また、参考提案例としてスラスト力の制御が不要であれば、永久磁石のみで主軸13のスラスト力を支持するようにすることもできる。
In each of the above embodiments, the
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
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
DESCRIPTION OF
Claims (10)
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、前記軸受を、前記主軸を収容するスピンドルハウジングにおける前記コンプレッサ翼車とタービン翼車間に設置し、前記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、この電磁石は、主軸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に対して非接触で対向するように設置したものであり、前記軸受は、2個の転がり軸受からなり、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す規制機能を有し、
前記膨張タービンの入口部の空気を、前記コンプレッサ側の軸受の付近へ流す軸受冷却空気導入路を前記スピンドルハウジング内に設け、前記コンプレッサ側の軸受の付近へ流された空気を前記コンプレッサの入口側へ流出させる流出経路を前記主軸内に設けたことを特徴とする空気サイクル冷凍冷却システム。 Air cycle refrigeration cooling that sequentially performs compression by precompression means, cooling by a heat exchanger, compression by a compressor of the turbine unit, cooling by another heat exchanger, and adiabatic expansion by the expansion turbine of the turbine unit with respect to the incoming air. A system,
The turbine unit attaches the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine to a common main shaft, and drives the compressor impeller by power generated by the turbine impeller, and the main shaft is rotated by a bearing. freely and supported, the bearing, the installed in the compressor wheel and the turbine blades headway in the spindle housing accommodating said spindle, a part or all of the thrust force exerted on the main shaft and supported by an electromagnet, the electromagnet The bearing is installed so as to face the flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided in the center of the main shaft in a non-contact manner. The bearing is composed of two rolling bearings, and the inner and outer rings are axial. Has a regulation function to return the direction position to the neutral position ,
A bearing cooling air introduction path is provided in the spindle housing for flowing the air at the inlet of the expansion turbine to the vicinity of the bearing on the compressor side, and the air flowed to the vicinity of the bearing on the compressor side is provided on the inlet side of the compressor air cycle refrigeration cooling system the outflow route is characterized that you provided in the main shaft to flow to the.
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ものであり、前記主軸を軸受により回転自在に支承し、前記軸受を、前記主軸を収容するスピンドルハウジングにおける前記コンプレッサ翼車とタービン翼車間に設置し、前記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、この電磁石は、主軸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に対して非接触で対向するように設置したものであり、前記軸受は、2個の転がり軸受からなり、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す規制機能を有し、
前記膨張タービンの入口部の空気を、前記コンプレッサ側の軸受の付近へ流す軸受冷却空気導入路を前記スピンドルハウジング内に設け、前記コンプレッサ側の軸受の付近へ流された空気を前記コンプレッサの入口側へ流出させる流出経路を前記主軸内に設けたことを特徴とする空気サイクル冷凍冷却システム。 An air cycle refrigeration cooling system that sequentially performs compression by a compressor of a turbine unit, cooling by a heat exchanger, cooling by another heat exchanger, and adiabatic expansion by an expansion turbine of the turbine unit with respect to inflow air,
The turbine unit is configured such that the compressor impeller of the compressor and the turbine impeller of the expansion turbine and the motor rotor are attached to a common main shaft, and the main shaft is rotated by a magnetic force from a motor stator opposed to the motor rotor. is intended to drive the, the main shaft is rotatably supported by a bearing, the bearing, the installed in the compressor wheel and the turbine blades headway in the spindle housing accommodating said spindle, the thrust force exerted on the main shaft Part or all is supported by an electromagnet, and this electromagnet is installed so as to face the flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided at the center of the main shaft in a non-contact manner. Consisting of two rolling bearings, the axial position of the inner and outer rings is the neutral position. It has a regulatory function to return,
A bearing cooling air introduction path is provided in the spindle housing for flowing the air at the inlet of the expansion turbine to the vicinity of the bearing on the compressor side, and the air flowed to the vicinity of the bearing on the compressor side is provided on the inlet side of the compressor air cycle refrigeration cooling system the outflow route is characterized that you provided in the main shaft to flow to the.
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