專利名稱：空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)及空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)及空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽 輪機(jī)組件，其以空氣作為制冷劑，用于冷凍倉(cāng)庫(kù)、零度以下的低 溫室等以及空調(diào)。
背景技術(shù)：
在制冷劑采用空氣時(shí)，其環(huán)境保護(hù)、安全性的方面好于采用 氟、氨氣等的場(chǎng)合，但是，其在能量效率的特性方面是不夠的。 然而，像冷凍倉(cāng)庫(kù)等那樣，在用于可直接吹入作為制冷劑的空氣 的設(shè)施的場(chǎng)合，通過(guò)采取省略庫(kù)內(nèi)風(fēng)扇、除霜器等的措施，具有 將總成本下降到與已有系統(tǒng)平齊的可能性。目前，已經(jīng)從環(huán)境方 面，對(duì)于制冷劑采用氟的方面進(jìn)行了限制，另外，即使采用其它 的制冷劑用氣體，人們?nèi)韵ＭM可能地避免它。由此，在上述那 樣的用途中，人們提出將空氣用作制冷劑的空氣循環(huán)冷凍冷卻系 統(tǒng)(比如，專利文獻(xiàn)l,非專利文獻(xiàn)l)。另外，人們提到，在-30°C~-60°C的深冷(f < 一7。'〕一少 K)領(lǐng)域，空氣冷卻的理論效率大于等于氟、氨氣(非專利文獻(xiàn)1)。 但是，還提到要獲得上述空氣冷卻的理論效率，只有在具有最佳 設(shè)計(jì)的周邊裝置的情況下才會(huì)成立。周邊裝置為壓縮機(jī)、膨脹汽 輪機(jī)等。作為壓縮機(jī)、膨脹汽輪機(jī)，采用壓縮機(jī)葉輪和膨脹汽輪機(jī)葉 輪安裝于共同的主軸上的汽輪機(jī)組件(專利文獻(xiàn)1,非專利文獻(xiàn)1)。另外，作為處理工藝氣體的汽輪機(jī)壓縮機(jī)，提出有下述的磁 軸承式汽輪機(jī)壓縮機(jī)，其中，在主軸的一端安裝汽輪機(jī)葉輪，在 其另 一端安裝壓縮機(jī)葉輪，通過(guò)由電磁鐵的電流控制的軸頸和推 力軸承支承上述主軸(專利文獻(xiàn)2)。此外，人們提出有汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的方案，但是，為了避免作 用于主軸支承用的滾動(dòng)軸承上的推力荷載導(dǎo)致軸承壽命的縮短， 人們提出通過(guò)推力磁軸承，減小作用于滾動(dòng)軸承上的推力荷載的方案(專利文獻(xiàn)3)。專利文獻(xiàn)1:日本特許第2623202號(hào)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)2:日本特開平7-91760號(hào)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)3:日本特開平8-261237號(hào)文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)l:雜志，二 、7夂< 乂力二力少(日經(jīng)機(jī)械)，"空気 T空気^冷々卞"(用空氣冷卻空氣)，1995年11月13日發(fā)行， No.467,第46~52頁(yè)像前述那樣，作為空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)，為了在深冷領(lǐng)域， 獲得高效率的空氣冷卻的理論效率，必須要求最佳設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)、膨脹汽輪機(jī)。壓縮機(jī)、膨脹汽輪機(jī)采用像上述那樣，壓縮機(jī)葉輪和膨脹汽 輪機(jī)葉輪安裝于共同的主軸上的汽輪機(jī)組件。該汽輪機(jī)組件可通 過(guò)膨脹汽輪機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉輪，提高空氣循環(huán)冷凍機(jī) 的效率。但是，為了獲得實(shí)用的效率，必須微小地保持各葉輪和外殼 之間的間隙。該間隙的變化構(gòu)成穩(wěn)定的高速旋轉(zhuǎn)的妨礙，導(dǎo)致效 率的降低。另外，通過(guò)作用于壓縮機(jī)葉輪、汽輪機(jī)葉輪上的空氣，在主 軸上作用推力，在支承主軸的軸承上施加推力荷載。空氣冷卻系統(tǒng)中的汽輪機(jī)組件的主軸的旋轉(zhuǎn)速度在1分鐘的期間為8萬(wàn)~10萬(wàn)轉(zhuǎn)，與普通的用途的軸承相比較，為非常高的速度。由此，上 述這樣的推力荷載導(dǎo)致支承主軸的軸承的長(zhǎng)期耐久性降低，壽命 降低，使空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件的可靠性降低。不解決 這樣的軸承的長(zhǎng)期耐久性的課題，空氣冷卻用汽輪機(jī)組件難以投 入實(shí)用。但是，上述專利文獻(xiàn)1,非專利文獻(xiàn)1中公開的技術(shù)并不 足以解決高速旋轉(zhuǎn)下的推力荷載的負(fù)荷的軸承的長(zhǎng)期耐久性的降 低。在像專利文獻(xiàn)2的,茲軸承式汽輪機(jī)壓縮機(jī)那樣，通過(guò)由l茲軸 承形成的軸頸軸承和推力軸承支承主軸的類型的場(chǎng)合，軸頸軸承 沒(méi)有軸向的限制功能。由此，如果具有推力軸承的控制的不穩(wěn)定 因素等，則難以保持上述葉輪和外殼之間的微小間隙，進(jìn)行穩(wěn)定 的高速旋轉(zhuǎn)。在磁軸承的場(chǎng)合，還具有電源停止時(shí)的接觸問(wèn)題。此外，在通過(guò)滾動(dòng)軸承以可旋轉(zhuǎn)的方式支承主軸，通過(guò)檢測(cè) 作用于上述主軸上的推力傳感器的輸出，借助電磁鐵支承作用于 該主軸上的推力的 一 部分或全部的空氣冷卻用汽輪機(jī)組件的場(chǎng) 合，具有因組件周圍的空氣的流動(dòng)，滾動(dòng)軸承內(nèi)的潤(rùn)滑劑飛散或 干燥，軸承的長(zhǎng)期耐久性無(wú)法確保的問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供通過(guò)支承汽輪機(jī)組件的主軸的滾動(dòng)軸 承的長(zhǎng)期耐久性的提高而謀求壽命的延長(zhǎng)，謀求系統(tǒng)的可靠性的 提高的空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)和空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組 件。本發(fā)明的另 一 目的在于可微小地保持汽輪機(jī)組件的各葉輪和 擴(kuò)散器之間的間隙，獲得穩(wěn)定的高速旋轉(zhuǎn)，獲得較高的壓縮和膨脹的效率。本發(fā)明的空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)對(duì)流入空氣依次通過(guò)預(yù)先壓 縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓縮，通過(guò)熱交換器進(jìn)行冷卻，通過(guò)汽輪機(jī)組件的壓 縮機(jī)進(jìn)行壓縮，通過(guò)其它的熱交換器進(jìn)行冷卻，通過(guò)上述汽輪機(jī) 組件的膨脹汽輪機(jī)進(jìn)行隔熱膨脹，在上述汽輪機(jī)組件中，上述壓 縮機(jī)的壓縮機(jī)葉輪和上述膨脹汽輪機(jī)的汽輪機(jī)葉輪安裝于共同的 主軸上，通過(guò)由汽輪機(jī)葉輪產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉輪，上述主 軸通過(guò)滾動(dòng)軸承，以可旋轉(zhuǎn)的方式支承，通過(guò)電磁鐵承受作用于 該主軸上的推力的一部分或全部，設(shè)置使上述滾動(dòng)軸承的兩端的 氣體壓力相等的壓力均勻機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件為用于上述空氣循 環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)的汽4侖片幾組件。該方案的空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)通過(guò)預(yù)先壓縮機(jī)構(gòu)，將流入 空氣壓縮，在通過(guò)該壓縮增加溫度的狀態(tài)，通過(guò)熱交換器進(jìn)行冷 卻。冷卻的空氣通過(guò)汽輪機(jī)組件的壓縮才幾進(jìn)一步壓縮，^使溫度上 升，通過(guò)另外的熱交換器再度進(jìn)行冷卻。通過(guò)另外的熱交換器對(duì) 已冷卻的空氣進(jìn)行冷卻，將其導(dǎo)向汽輪機(jī)組件的膨脹汽輪機(jī)，通過(guò)隔熱膨脹冷卻到目標(biāo)溫度，比如，-30°C~-6(TC程度的極低溫 度，將其排出。在汽輪機(jī)組件中，由于壓縮機(jī)葉輪和上述膨脹汽輪機(jī)的汽輪 機(jī)葉輪安裝于共同的主軸上，通過(guò)由汽輪機(jī)葉輪產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng) 壓縮機(jī)葉輪，故動(dòng)力源是不需要的，可通過(guò)緊湊的結(jié)構(gòu)，以良好 的效率進(jìn)行冷卻。在本發(fā)明的空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)和空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽 輪機(jī)組件中，上述汽輪機(jī)組件也可為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。即，也可這樣 形成，上述壓縮機(jī)的壓縮機(jī)葉輪和上述膨脹汽輪機(jī)的汽輪機(jī)葉輪與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子安裝于共同的主軸上，通過(guò)與上述電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì) 的電動(dòng)機(jī)定子的磁力，使主軸旋轉(zhuǎn)，由此，驅(qū)動(dòng)上述壓縮機(jī)葉輪。在設(shè)置電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)主軸的場(chǎng)合，不必在壓縮機(jī)的前級(jí)設(shè)置 鼓風(fēng)機(jī)等的預(yù)先壓縮機(jī)構(gòu)。在通過(guò)上述汽輪機(jī)葉輪產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉輪的場(chǎng)合， 并且在設(shè)置電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)主軸的場(chǎng)合中的任意場(chǎng)合中，為了確保 上述汽輪機(jī)組件的壓縮、膨脹的效率，必須微小地確保各葉輪和 外殼之間的間隙。在空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)中，該效率確保是重 要的。相對(duì)該情況，如果通過(guò)滾動(dòng)軸承支承葉輪的主軸，則可通 過(guò)滾動(dòng)軸承所具有的軸向位置的限制功能限制主軸位置，使各葉 輪和外殼之間的微小間隙保持 一 定。在具有這樣的軸向位置的限 制功能的滾動(dòng)軸承的場(chǎng)合，高速旋轉(zhuǎn)的軸承的上述推力造成的長(zhǎng) 期耐久性的降低成為問(wèn)題，但是由于通過(guò)電磁鐵承受推力，故可 確保滾動(dòng)軸承的長(zhǎng)期耐久性。像這樣，通過(guò)滾動(dòng)軸承進(jìn)行主軸的 徑向的支承，通過(guò)電磁鐵承受推力，這樣，在保持葉輪的微小間 隙的同時(shí)，獲得主軸的穩(wěn)定的高速旋轉(zhuǎn)。特別是，由于本發(fā)明設(shè)置使作用于上述各滾動(dòng)軸承的兩端的 氣體壓力相互相等的壓力均勻機(jī)構(gòu)，故獲得下述的優(yōu)點(diǎn)。即，由于在主軸上設(shè)置高速旋轉(zhuǎn)的各葉輪，故照原樣在兩側(cè) 的幅面上產(chǎn)生較大的壓力差，對(duì)于該壓力差，即使在于各軸承上 設(shè)置密封件的情況下，仍產(chǎn)生泄漏，導(dǎo)致油脂的飛散、干燥。通 過(guò)壓力均勻機(jī)構(gòu)，防止這樣的油脂的飛散、干燥。上述壓力均勻機(jī)構(gòu)也可為設(shè)置于上述主軸和上述軸承的內(nèi)圈 之間的間隙。另外，壓力均勻機(jī)構(gòu)也可為與上述軸承的外圈接觸 的部件之間，或設(shè)置于與上述滾動(dòng)軸承的外圈4妻觸的部件內(nèi)的間 隙。在任意的場(chǎng)合，壓力均勻機(jī)構(gòu)可通過(guò)簡(jiǎn)單的加工而獲得。此外，壓力均勻機(jī)構(gòu)也可為開設(shè)于上述主軸內(nèi)的通氣孔。最好，上述滾動(dòng)軸承為深槽球軸承等這樣的具有內(nèi)外圈之間 的軸向位置的保持功能的類型。也可為角接觸球軸承。上述滾動(dòng)軸承最好是油脂潤(rùn)滑的。在空氣冷卻系統(tǒng)中，由于 照原樣將作為冷卻介質(zhì)的空氣送入冷凍庫(kù)等的被冷卻空間，故如 果是油潤(rùn)滑，則具有潤(rùn)滑油的油霧等污染冷卻空氣的危險(xiǎn)。如果 為油脂潤(rùn)滑，則這樣的被冷卻空氣的污染的問(wèn)題減小。在油脂潤(rùn)滑的場(chǎng)合，最好，在滾動(dòng)軸承周邊的部件內(nèi)部設(shè)置 油脂存留部。在空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件中，由于高速旋 轉(zhuǎn)，另外由于在壓縮機(jī)的輸出側(cè)流有高溫的氣體，故軸承溫度為 高溫狀態(tài)，還具有在早期油脂枯竭的危險(xiǎn)。通過(guò)在滾動(dòng)軸承周邊 的部件內(nèi)部設(shè)置油脂存留部，確保油脂的保有量，可提高滾動(dòng)軸 承的耐久性。在上述汽輪機(jī)組件中，最好，在壓縮機(jī)和汽輪機(jī)之間設(shè)置抑 制泄漏流量的迷宮式密封件這樣的非接觸密封件?？赏ㄟ^(guò)抑制壓 縮機(jī)和汽輪機(jī)之間的泄漏流量，減小圍繞滾動(dòng)軸承的氣體的流動(dòng)， 可防止油脂的飛散，干燥。


根據(jù)參考附圖的下面的優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明，會(huì)更加清楚地理 解本發(fā)明。但是，實(shí)施例和附圖用于單純的圖示和說(shuō)明，不應(yīng)用 于確定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由后附的權(quán)利要求的范圍確 定。在附圖中，多個(gè)附圖中的同一部件標(biāo)號(hào)表示同一部分。圖1為本發(fā)明的第1實(shí)施方式的空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)圖；圖2為上述空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)所采用的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件的剖視圖；圖3A為圖2的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件的外觀結(jié)構(gòu)剖 視圖，圖3B為沿圖3A中的IIIa-IIIa線的剖視圖和沿IIIb-IIIb線 的剖視圖，圖3C為相當(dāng)于沿上述圖3A中的IIIa-IIIa線的剖視圖 和沿IIIb-IIIb線的剖視圖的變形實(shí)例的剖視圖，圖3D為相當(dāng)于沿 上述圖3A中的IIIa-IIIa線的剖-見(jiàn)圖和沿IIIb-IIIb線的剖視圖的另一變形實(shí)例的剖視圖；圖4為另一實(shí)施方式的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件的剖 視圖；圖5為還一實(shí)施方式的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件的剖 視圖。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)圖1和圖2,對(duì)本發(fā)明的第1實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖 1表示空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。該空氣循環(huán)冷凍冷卻系 統(tǒng)為直接將冷凍庫(kù)等的被冷卻空間10的空氣作為制冷劑而冷卻的 系統(tǒng)，具有從分別開口于凈皮冷卻空間IO的空氣的取入口 la,延伸 到排出口 lb的空氣循環(huán)通路l。在該空氣循環(huán)通路l中，依次設(shè) 置預(yù)先壓縮機(jī)構(gòu)2、第1熱交換器3、除濕器4、空氣循環(huán)冷凍冷 卻用汽輪機(jī)組件5的壓縮機(jī)6、第2熱交換器8、中間熱交換器9、 與上述汽輪機(jī)組件5的膨脹汽輪機(jī)7。中間熱交換器9在上述空氣 循環(huán)通if各l的內(nèi)部，在取入口 la的附近的流入空氣與通過(guò)后級(jí)的 壓縮機(jī)而升溫、通過(guò)第2熱交換器8冷卻的空氣之間進(jìn)行熱交換， 取入口 la的附近的空氣通過(guò)旋管(芯體)9a的內(nèi)部。預(yù)先壓縮機(jī)構(gòu)2由鼓風(fēng)機(jī)等形成，通過(guò)電動(dòng)機(jī)2a驅(qū)動(dòng)。第1 熱交換器3和第2熱交換器8分別具有使冷卻介質(zhì)循環(huán)的熱交換器芯體3a、 8a，在熱交換器芯體3a、 8a內(nèi)的水等的冷卻介質(zhì)和空 氣循環(huán)通路1的空氣之間進(jìn)行熱交換。各熱交換器芯體3a、 8a通 過(guò)管與冷卻塔11連接，通過(guò)熱交換升溫的冷卻介質(zhì)通過(guò)冷卻塔11 而冷卻。該空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)為將被冷卻空間10保持在0°C -6(TC程度的系統(tǒng)，0°C~-60。C程度的1個(gè)氣壓的空氣從被冷卻空 間10流入空氣循環(huán)通路1的取入口 la。另外，在下面給出的溫度 和氣壓的it值為大致的目標(biāo)的一個(gè)實(shí)例。流入取入口 la中的空氣 通過(guò)中間熱交換器9,用于空氣循環(huán)通路1中的后級(jí)的空氣的冷 卻，升溫至3(TC。該升溫的空氣處于1個(gè)氣壓的狀態(tài)，但是，通 過(guò)預(yù)先壓縮機(jī)構(gòu)2壓縮到1.4個(gè)氣壓，通過(guò)該壓縮升溫至70°C 。 由于第1熱交換器3可對(duì)升溫的70。C的空氣進(jìn)行冷卻，故即使為 常溫程度的冷水，仍可以良好的效率進(jìn)行冷卻，冷卻到40°C。除 濕器4為了防止空氣循環(huán)通路1內(nèi)的空氣的水分在后級(jí)向冰點(diǎn)下 凍結(jié)，產(chǎn)生空氣循環(huán)通路1的堵塞、膨脹汽輪機(jī)7卡住等的情況， 對(duì)通路內(nèi)的空氣進(jìn)行除濕處理。除濕后的40°C 、 1.4個(gè)氣壓的空氣通過(guò)汽輪機(jī)組件5的壓縮機(jī) 6壓縮到1.8個(gè)氣壓，在通過(guò)該壓縮升溫到70。C程度的狀態(tài)，通過(guò) 第2熱交換器8冷卻到4(TC。通過(guò)中間熱交換器9，根據(jù)來(lái)自被 冷卻空間10的-3(TC的空氣將該4(TC的空氣冷卻到-20°C 。對(duì)于 氣壓，維持在從壓縮機(jī)6排出的1.8個(gè)氣壓。通過(guò)中間熱交換器9冷卻到-2(TC的空氣通過(guò)汽輪機(jī)組件5 的膨脹汽輪機(jī)7隔熱膨脹，冷卻到-55°C ,從排出口 lb排到被冷 卻空間10中。該空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)進(jìn)行這樣的冷凍循環(huán)。圖2表示空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件5的具體實(shí)例。該 汽輪機(jī)組件5包括離心壓縮機(jī)6和輻流式膨脹汽輪機(jī)7,壓縮機(jī)6的壓縮機(jī)葉輪6a和膨脹汽輪機(jī)7的汽輪機(jī)葉輪7a分別安裝于主 軸13的兩端。另外，借助由汽輪機(jī)葉輪7a產(chǎn)生的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)壓 縮機(jī)葉輪6a,未設(shè)置另外的驅(qū)動(dòng)源。另外，也可像比如，在后面說(shuō)明的圖5的實(shí)例那樣，壓縮機(jī)6 的壓縮機(jī)葉輪6a、膨脹汽輪機(jī)7的汽輪機(jī)葉輪7a和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子 92安裝于共同的主軸13上，通過(guò)電動(dòng)機(jī)90和膨脹汽輪機(jī)7的驅(qū) 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)主軸13。在設(shè)置電動(dòng)機(jī)90而驅(qū)動(dòng)主軸13的場(chǎng)合，不必 在壓縮機(jī)6的前級(jí)設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)等的預(yù)先壓縮機(jī)構(gòu)2(圖1)。在圖2中，壓縮機(jī)6包括通過(guò)微小的間隙dl而與壓縮機(jī)葉輪 6a面對(duì)的夕卜殼6b,通過(guò)壓縮機(jī)葉輪6a對(duì)從中心部的吸入口 6c沿 軸向吸入的空氣進(jìn)行壓縮，將該空氣從外周部的出口(圖中未示 出)，像由箭頭6d所示的那樣排出。膨脹汽輪機(jī)7具有通過(guò)微小的間隙d2而與汽輪機(jī)葉輪7a面 對(duì)的外殼7b,通過(guò)汽輪機(jī)葉輪7a對(duì)從外周部，像由箭頭7c所示 的那樣吸入的空氣進(jìn)行隔熱膨脹，從中心部的排出口 7d沿軸向排 出。該汽輪機(jī)組件5相對(duì)徑向，通過(guò)多個(gè)軸承15、 16支承主軸13， 通過(guò)電磁鐵17承受作用于主軸13上的推力。該汽輪機(jī)組件5包 括檢測(cè)通過(guò)壓縮機(jī)6和膨脹汽輪機(jī)7內(nèi)的空氣，作用于主軸13上 的推力的傳感器18;控制器19，該控制器19對(duì)應(yīng)于該傳感器18 的輸出，控制上述電磁鐵17的支承力。電磁鐵17按照以非接觸 方式與設(shè)置于主軸13的中間的由強(qiáng)磁性體形成的法蘭狀的推力板 13a的兩個(gè)面面對(duì)的方式，設(shè)置于主軸外殼14中。支承主軸13的軸承15、 16為滾動(dòng)支承，具有軸向位置的限 制功能，比如，采用深槽球軸承。在深槽球軸承的場(chǎng)合，具有兩 個(gè)方向的推動(dòng)支承功能，具有將內(nèi)外圈的軸向位置返回到中立位置的作用。該兩個(gè)軸承15、 16分別設(shè)置于主軸外殼14的壓縮機(jī) 葉輪6a和汽輪機(jī)葉輪7a的附近。主軸13構(gòu)成帶有臺(tái)階部的軸，其具有中間部的較大直徑部 13b與兩端部的較小直徑部13c。在兩側(cè)的軸承15、 16中，其內(nèi) 圈15a、 16a在壓配合的狀態(tài)與較小直徑部13c嵌合，其中一個(gè)幅 面與較大直徑部13b和較小直徑部13c之間的臺(tái)階面卡合。在主軸13的軸承15、 16的嵌合部分設(shè)置壓力均勻機(jī)構(gòu)81。 在后面結(jié)合圖3對(duì)該壓力均勻機(jī)構(gòu)81進(jìn)行具體描述。在主軸外殼14的兩側(cè)的軸承15， 16的各葉輪6a、 7a側(cè)的部 分，內(nèi)徑面按照接近主軸13的直徑形成，在該內(nèi)徑面形成非接觸 密封件21、 22。該非接觸密封件21、 22為迷宮式密封件，其中， 在主軸外殼14的內(nèi)徑面，沿軸向并列地形成多個(gè)圓周槽。上述傳感器18設(shè)置于汽輪機(jī)葉輪7a側(cè)的軸承16的附近的靜 止側(cè)，即，主軸外殼14側(cè)。在于附近設(shè)置有上述傳感器18的軸 承16中，其外圏16b在固定狀態(tài)與軸承外殼23內(nèi)部嵌合。軸承 外殼23具有呈環(huán)狀，在一端與軸承16的外圏16b的幅面卡合的 內(nèi)凸緣23a,沿軸向可移動(dòng)地與設(shè)置于主軸外殼14上的內(nèi)徑孔24 嵌合。上述內(nèi)凸緣23a設(shè)置于軸向的中間側(cè)端。本方案的汽輪機(jī)組件5按照下述方式使用，該方式為在空 氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)中，對(duì)構(gòu)成冷卻介質(zhì)的空氣進(jìn)行壓縮，使其 溫度上升，通過(guò)熱交換器8、 9冷卻的空氣通過(guò)膨脹汽輪機(jī)7,借 助隔熱膨脹冷卻到目標(biāo)溫度，比如，-30°C -60。C程度的極低溫 度，將其排出。由于在該汽輪機(jī)組件5中，壓縮機(jī)葉輪6a和汽輪機(jī)葉輪7a 安裝于共同的主軸13上，通過(guò)由汽輪機(jī)葉輪7a產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng) 壓縮機(jī)葉輪6a,故動(dòng)力源是不需要的，可通過(guò)緊湊的方案，有效地冷卻。為了確保該汽輪機(jī)組件5的壓縮、膨脹的效率，必須以微小方式保持各葉輪6a、 7a與外殼6b、 7b的間隙dl、 d2。在空氣循 環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)中，該效率確保是重要的。由于相對(duì)該情況，通 過(guò)滾動(dòng)式的軸承15、 16支承主軸13,故可通過(guò)滾動(dòng)軸承所具有的 軸向位置的限制功能，以某種程度限制主軸13的軸向位置，將各 葉輪6a、 7a與外殼6b、 7b之間的孩i小間隙dl 、 d2保持 一 定。但是，在汽輪機(jī)組件5中的主軸13上，因作用于各葉輪6a、 7a上的空氣的壓力等，作用有推力。另外，在空氣循環(huán)冷凍冷卻 系統(tǒng)所采用的汽輪機(jī)組件5中，在1分鐘期間，實(shí)現(xiàn)比如8萬(wàn)~10 萬(wàn)轉(zhuǎn)的非常高的旋轉(zhuǎn)。由此，如果在旋轉(zhuǎn)支承主軸13的滾動(dòng)軸承 15、 16上作用有上述推力，則軸承15、 16的長(zhǎng)期耐久性降低。由于本實(shí)施方式通過(guò)電磁鐵17支承上述推力，故可在因非接 觸抑制扭矩的增加的同時(shí)，減輕作用于主軸13的支承用的滾動(dòng)軸 承15、 16上的推力。在此場(chǎng)合，由于設(shè)置檢測(cè)通過(guò)壓縮機(jī)6和膨 脹汽輪機(jī)7內(nèi)的空氣，作用于主軸13上的推力的傳感器18、對(duì)應(yīng) 于該傳感器18的輸出控制上述電磁鐵17的支承力的控制器19， 故可對(duì)應(yīng)于該軸承類型，在最適合于推力的狀態(tài)，使用滾動(dòng)軸承 15、 16。特別是由于傳感器18設(shè)置于軸承16的附近，故可直接測(cè)定 作用于成為問(wèn)題的軸承16上的推力，其測(cè)定精度良好，可進(jìn)行精 密的推力的控制。由此，保持各葉輪6a、 7a的適合的間隙dl、 d2，獲得主軸 13的穩(wěn)定的高速旋轉(zhuǎn)，并且使軸承15、 16的長(zhǎng)期耐久性提高，壽 命提高。由于軸承15、 16的長(zhǎng)期耐久性提高，故作為空氣循環(huán)冷 凍冷卻用汽輪機(jī)組件5的整體，進(jìn)而作為空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)的整體的可靠性提高。由于像這樣，構(gòu)成空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)的汽輪機(jī)組件5的主軸軸承15、16的穩(wěn)定的高速旋轉(zhuǎn)、 長(zhǎng)期耐久性、可靠性提高，故空氣冷凍冷卻系統(tǒng)可投入實(shí)用。由于各軸承15、 16設(shè)置于壓縮機(jī)葉輪6a的附近和汽輪機(jī)葉 輪7a的附近，支承主軸13的兩端，故可進(jìn)行更進(jìn)一步穩(wěn)定的高 速旋轉(zhuǎn)。另外，由滾動(dòng)軸承形成的各軸承15、 16通過(guò)第2彈性部 件26彈性地支承，施加適合的預(yù)壓，故主軸13的軸向位置穩(wěn)定， 更加確實(shí)維持各葉輪6a、 7a的微小間隙dl、 d2，獲得更加穩(wěn)定的 高速旋轉(zhuǎn)。由于在各軸承15、 16的端部側(cè)的主軸13和主軸外殼14之間， 設(shè)置非接觸密封件21、 22，故可防止通過(guò)軸承15、 16內(nèi)部等，空 氣泄漏到壓縮機(jī)6和膨脹汽輪機(jī)7之間的情況。由于在壓縮機(jī)6 的內(nèi)部和膨脹汽輪機(jī)7的內(nèi)部氣壓差大，故經(jīng)由各軸承15、 16的 內(nèi)部、各軸承15、 16的內(nèi)外圈15a、 16a與主軸13、主軸外殼14 嵌合的面，產(chǎn)生空氣的泄漏。這樣的空氣的泄漏導(dǎo)致壓縮機(jī)6、膨 脹汽輪機(jī)7的效率的降低，另外，在通過(guò)軸承15、 16的內(nèi)部的空 氣使內(nèi)部的潤(rùn)滑劑干燥、具有灰塵時(shí)，具有污染軸承15、 16的內(nèi) 部、降低耐久性的危險(xiǎn)。這樣的效率的降低，以及軸承15、 16的 污損可通過(guò)上述非接觸密封件21、 22防止。針對(duì)圖3 ,對(duì)壓力均勻機(jī)構(gòu)81進(jìn)行說(shuō)明。該汽輪機(jī)組件5針 對(duì)支承主軸13的各軸承15、 16,設(shè)置壓力均勻機(jī)構(gòu)81，其相互 使作用于相應(yīng)的軸承15、 16的兩側(cè)的幅面上的空氣壓力均等。該壓力均勻機(jī)構(gòu)81比如，為圖3B所示的類型，但是，也可 為圖3C或圖3D所示的類型。圖3B中的(a), (b)分別為沿該圖3A 中的IIIa-IIIa線的剖面和沿IIIb-IIIb線的剖面。圖3C中的(a)， (b) 和圖3D中的(a)， (b)表示壓力均勻機(jī)構(gòu)的變形實(shí)例。在任意的場(chǎng)合，壓力均勻機(jī)構(gòu)通過(guò)簡(jiǎn)單加工而獲得。在圖3B的實(shí)例中，壓力均勻機(jī)構(gòu)81由下述的間隙形成，該 間隙形成于設(shè)置于主軸13的軸承15、 16的內(nèi)圏15a、 16a的接觸 部分的非圓形部81a和內(nèi)圏15a、 16a的內(nèi)徑面之間。非圓形部81a 在本實(shí)例中，為將主軸13的外徑面加工成平坦面的部分，均等地 設(shè)置于圓周方向的3個(gè)部位。非圓形部81a也可為槽狀部分。在圖3C的實(shí)例中，壓力均勻機(jī)構(gòu)81由槽狀的缺口狀部構(gòu)成， 其分別i殳置于作為與軸承15、 16的外圏15b、 16b接觸的部件的 主軸外殼14和軸承外殼23上。在圖3D的實(shí)例中，壓力均勻機(jī)構(gòu)81在傳感器非安裝側(cè)的軸 承15中，為由開設(shè)于主軸外殼14上的軸向的通孔形成的通氣孔， 針對(duì)傳感器18的安裝側(cè)的軸承16,為由開設(shè)于軸承外殼23上的 軸向的通孔形成的通氣孔。在像這些圖3的各圖的實(shí)例那樣，設(shè)置壓力均勻機(jī)構(gòu)81的場(chǎng) 合，軸壽義15的兩側(cè)的幅面的壓力，以及軸承16的兩側(cè)的壓力分 別均等，由此，防止這些軸承15、 16內(nèi)的油脂飛散、干燥。即， 由于在通過(guò)各軸承15、 16支承的主軸13上，設(shè)置高速地旋轉(zhuǎn)的 各葉輪6、 7,故照原樣在兩側(cè)的幅面上產(chǎn)生較大的壓力差，對(duì)于 該壓力差，即使在于各軸承15、 16上設(shè)置密封件的情況下，仍產(chǎn) 生泄漏，導(dǎo)致油脂的飛散、干燥。通過(guò)壓力均勻機(jī)構(gòu)81，防止這 樣的油脂的飛散。另外，壓力均勻機(jī)構(gòu)81也可由設(shè)于主軸31上的通氣孔構(gòu)成。圖4表示還一實(shí)施方式的汽輪機(jī)組件5。在該汽輪機(jī)組件5 中，針對(duì)圖2所示的實(shí)例，在兩側(cè)的軸承15 、 16的附近，設(shè)置油 脂存留部88。該油脂存留部88由凹部形成，該凹部按照與軸承 15、 16的內(nèi)外圈之間的軸承空間相對(duì)的方式設(shè)置于主軸外殼14上，設(shè)置于圓周槽或圓周方向的多個(gè)部位。在各軸承15、 16中， 在油脂存留部88側(cè)沒(méi)有密封件，在其相反側(cè)帶有密封件。在像這樣設(shè)置油脂存留部88的場(chǎng)合，油脂壽命提高，可延長(zhǎng) 汽輪機(jī)組件5的定期檢查的期間。圖5表示又一實(shí)施方式的汽輪機(jī)組件5。在該汽輪機(jī)組件5 中，設(shè)置旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)主軸13的電動(dòng)機(jī)90。該電動(dòng)機(jī)90由按照與電 磁鐵17并列的方式設(shè)置，設(shè)置于主軸外殼14上的定子91和設(shè)置 于主軸13上的轉(zhuǎn)子92構(gòu)成。定子91包括定子線圏91a，轉(zhuǎn)子92 由磁鐵等形成。電動(dòng)機(jī)90的控制通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制器93進(jìn)行。在 圖5所示的汽輪機(jī)組件5中，與圖3的實(shí)例相同，設(shè)置壓力均勻 機(jī)構(gòu)81，與圖4的實(shí)例相同，設(shè)置油脂存留部88。在該汽輪機(jī)組件5中，通過(guò)由膨脹汽輪機(jī)7產(chǎn)生的汽輪機(jī)葉 輪7a的驅(qū)動(dòng)力與電動(dòng)機(jī)90的驅(qū)動(dòng)力，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉輪6a。 由此，即使在沒(méi)有由圖1的鼓風(fēng)機(jī)形成的預(yù)先壓縮機(jī)構(gòu)2的情況 下，仍可進(jìn)行壓縮機(jī)6的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。如上所述，參照附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，但是如果是 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，通過(guò)觀看本說(shuō)明書，容易在當(dāng)然的范圍 內(nèi)，想到各種變更和修正的方案。于是，可解釋為這樣的變更和修正在由權(quán)利要求確定的發(fā)明 的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)，其對(duì)流入空氣依次通過(guò)熱交換器進(jìn)行冷卻，通過(guò)汽輪機(jī)組件的壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，通過(guò)其它的熱交換器進(jìn)行冷卻，通過(guò)上述汽輪機(jī)組件的膨脹汽輪機(jī)進(jìn)行 隔熱膨脹；在上述汽輪機(jī)組件中，上述壓縮機(jī)的壓縮機(jī)葉輪和上述膨脹汽輪機(jī)的汽輪機(jī)葉輪安裝于共同的主軸上，通過(guò)由汽輪機(jī)葉輪產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉輪，上述主軸通過(guò)滾動(dòng)軸承，以可旋轉(zhuǎn)的方式支承，通過(guò)電磁鐵承受作用于該主軸上的推力的一部分或全部，設(shè)置使上述滾動(dòng)軸承的兩端的氣體壓力相等的壓力均勻機(jī)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)，其中，在上 述汽輪機(jī)組件中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子安裝于共同的主軸上，通過(guò)來(lái)自與 上述電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)的電動(dòng)機(jī)定子的磁力、由汽輪機(jī)葉輪產(chǎn)生的 動(dòng)力，使主軸旋轉(zhuǎn)，以驅(qū)動(dòng)上述壓縮機(jī)葉輪。
3. —種汽輪機(jī)組件，該汽輪機(jī)組件采用權(quán)利要求1所述的空氣 循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件，其 中，還在共同的主軸上安裝電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，通過(guò)來(lái)自與上述電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子相對(duì)的電動(dòng)機(jī)定子的磁力、由汽輪機(jī)葉輪產(chǎn)生的動(dòng)力，使主 軸旋轉(zhuǎn)，由此，驅(qū)動(dòng)上述壓縮機(jī)葉輪。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件，其 中，上述壓力均勻機(jī)構(gòu)為設(shè)置于上述主軸的上述滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈 和上述主軸之間的間隙。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件，其 中，上述壓力均勻機(jī)構(gòu)為與上述滾動(dòng)軸承的外圏接觸的部件之間，或設(shè)置于與上述滾動(dòng)軸承的外圈接觸的部件內(nèi)的間隙部。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件，其中，上述壓力均勻機(jī)構(gòu)為開設(shè)于上述主軸內(nèi)的通氣孔。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件，其 中，上述滾動(dòng)軸承是油脂潤(rùn)滑的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件，其 中，在設(shè)置于上述滾動(dòng)軸承周邊的部件內(nèi)部設(shè)置油脂存留部。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件， 其中，設(shè)置抑制壓縮機(jī)和汽輪機(jī)之間的泄漏流量的非接觸密封件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)及空氣循環(huán)冷凍冷卻用汽輪機(jī)組件。該空氣循環(huán)冷凍冷卻系統(tǒng)依次通過(guò)預(yù)先壓縮機(jī)構(gòu)(2)進(jìn)行壓縮，通過(guò)熱交換器(3)進(jìn)行冷卻，通過(guò)汽輪機(jī)組件(5)的壓縮機(jī)(6)進(jìn)行壓縮，通過(guò)另外的熱交換器(8、9)進(jìn)行冷卻，通過(guò)上述汽輪機(jī)組件(5)的膨脹汽輪機(jī)(7)進(jìn)行隔熱膨脹。在汽輪機(jī)組件(5)中，壓縮機(jī)葉輪(6a)和汽輪機(jī)葉輪(7a)安裝于共同的主軸(13)上，通過(guò)由汽輪機(jī)葉輪(7a)產(chǎn)生的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉輪(6a)。主軸(13)通過(guò)滾動(dòng)軸承(15、16)，以可旋轉(zhuǎn)的方式支承，通過(guò)電磁鐵(17)承受作用于主軸(13)上的推力。設(shè)置使?jié)L動(dòng)軸承(15、16)的兩端的氣體壓力相等的壓力均勻機(jī)構(gòu)(81)。
文檔編號(hào)F25B9/06GK101248316SQ20068003061
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2006年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月24日
發(fā)明者中關(guān)嗣人, 尾崎孝美, 山田裕之 申請(qǐng)人:Ntn株式會(huì)社