专利名称：空气循环冷冻冷却用汽轮机组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空气循环冷冻冷却系统用汽轮机组件，其以 空气作为制冷剂，用于冷冻仓库、零度以下的低温室等以及空调。
背景技术：
在制冷剂采用空气时，其环境保护或安全性的方面好于采用 氟或氨气等的场合，但是，其在能量效率的特性方面是不够的。 然而，像冷冻仓库等那样，在用于可直接吹入作为制冷剂的空气 的设施的场合，通过采取省略库内风扇或溶冰器等的措施，具有 将总成本下降到与已有系统平齐的可能性。目前，已从环境方面， 对制冷剂采用氟的方面进行了限制，另外，即使采用其它的制冷 剂用气体，人们仍希望尽可能地避免它。由此，在上述那样的用 途中，人们提出将空气用作制冷剂的空气循环冷冻冷却系统(比 如，专利文献l，非专利文献l)。另外，人们提到，在-30。C一60。C的深冷(f < 一7' m—/v K) 区域，空气冷却的理论效率大于等于氟和氨气(非专利文献1)。但 是，为了获得上述空气冷却的理论效率，只有在具有最佳设计的 周边装置的情况下才会成立。周边装置为压缩机、膨胀汽轮机等。作为压缩机、膨胀汽轮机，采用压缩机叶轮和膨胀汽轮机叶 轮安装于共同的主轴上的汽轮机组件(专利文献1,非专利文献1)。另外，作为处理工艺气体的汽轮机压缩机，提出有下述的磁 轴承式汽轮机压缩机，其中，在主轴的一端安装汽轮机叶轮，在其另 一 端安装压缩机叶轮，通过由电磁铁的电流控制的轴颈和推 力轴承支承上述主轴(专利文献2)。
此外，人们提出有汽轮机发动机的方案，但是，为了避免作 用于主轴支承用的滚动轴承上的推力荷载导致轴承寿命的缩短， 人们提出通过推力磁轴承，减小作用于滚动轴承上的推力荷载的 方案(专利文献3)。
专利文献1:曰本专利第2623202号文献
专利文献2:日本特开平7-91760号文献
专利文献3:日本特开平8-261237号文献
非专利文献1:杂志，二 y亇O力二力少(日经机械)，《空 気"C空気^冷々卞》(用空气冷却空气)，1995年11月13日发行， No.467,第46~52页
像前述那样，作为空气循环冷冻冷却系统，为了在深冷区域 获得高效率的空气冷却的理论效率，必须要求最佳设计的压缩机、 膨胀汽轮机。
作为压缩机、膨胀汽轮机采用像上述那样，采用压缩机叶轮 和膨胀汽轮机叶轮安装于共同的主轴上的汽轮机组件。该汽轮机 组件可通过膨胀汽轮机产生的动力驱动压缩机叶轮，提高空气循 环冷冻机的效率。
但是，为了获得实用的效率，必须微小地保持各叶轮和外壳 的间隙。该间隙的变化构成稳定的高速旋转的妨碍，导致效率的 降低。
另外，通过作用于压缩机叶轮、汽轮机叶轮上的空气，在主 轴上作用推力，在支承主轴的轴承上施加推力荷载。空气循环冷 冻冷却汽轮机组件中的汽轮机组件的主轴的旋转速度在1分钟内 为8万 10万转，与普通的用途的轴承相比较，为非常高的速度。由此，上述这样的推力荷载导致支承主轴的轴承的长期耐久性降 低，寿命降低，使空气循环冷冻冷却用汽轮机组件的可靠性降低。 无法消除这样的轴承的长期耐久性的课题，则空气循环冷冻冷却 用汽轮机组件的实用化，进而空气循环冷冻冷却系统的实用化难 以实现。但是，上述专利文献1,非专利文献1中公开的技术并不 是致力于解决有关高速旋转下的推力荷载的负荷的轴承的长期耐 久性的降低。
在像专利文献2的》兹轴承式汽轮机压缩机那样，通过由磁轴 承形成的轴颈轴承和推力轴承支承主轴的类型的场合，轴颈轴承 没有轴向的限制功能。由此，如果具有轴颈轴承的控制的不稳定 因素等，则难以保持上述叶轮和外壳之间的微小间隙，进行稳定 的高速旋转。在磁轴承的场合，还具有电源停止时的接触问题。
此外，在空气循环冷冻冷却用汽轮机组件中，在通过轴承以 可旋转的方式支承主轴，通过检测作用于上述主轴上的推力的传 感器的输出，借助电磁铁支承作用于该主轴上的推力的一部分或 全部的场合，如果作用于该主轴上的推力的检测精度低，则具有 不能够有效降低向轴承上的推力，轴承的长期耐久性无法确保的 问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空气循环冷冻冷却用汽轮机组 件，其中，在保持叶轮的微小间隙的同时，实现稳定的高速旋转， 以低价格谋求支承主轴的轴承的长期耐久性的提高、寿命的延长、 可靠性的提高。
本发明的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件包括压缩机和膨胀 汽轮机，上述压缩机的压缩机叶轮与上述膨胀汽轮机的汽轮机叶轮安装于共同的主轴上，通过由汽轮机叶轮产生的动力驱动压缩 机叶轮，或者在安装有上述压缩机叶轮和汽轮机叶轮的共同的主 轴上安装电动机转子，通过该电动机和汽轮机叶轮，使上述主轴 旋转，以使上述压缩机叶轮旋转。该汽轮机组件还通过轴承以可 旋转的方式支承上述主轴，通过检测作用于上述主轴上的推力的 传感器的输出，借助电磁铁支承作用于该主轴上的推力的一部分 或全部。上述传感器设置于上述轴承的附近的静止侧，在上述传感器 中，通过按压力使特性产生变化，该特性变化以可电子方式检测 的传感元件围绕主轴轴心而沿圆周方向并列地设置，根据该多个 传感元件的输出检测上述推力，介设于上述滚动轴承的外圈和支 承该外圏的主轴外壳之间。最好，上述滚动轴承为深槽球轴承等 的这样的具有外圏之间的轴向位置的保持功能的类型。上述滚动 轴承也可为角接触球轴承。上述方案的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件适用于下述的空 气循环冷冻冷却系统，比如，其对流入空气依次通过预先压缩机 构进行压缩，通过热交换器进行冷却，通过汽轮机组件中的压缩 机进行压缩，通过另外的热交换器进行冷却，通过上述汽轮机组 件中的膨胀汽轮机进行隔热膨胀。在此场合，按照下述方式使用，该方式为通过压缩机进行压缩而实现温度上升，通过上述热交 换器冷却的空气通过其它的热交换器冷却，导向膨胀汽轮机，通 过隔热膨胀而冷却到目标温度，比如，-30°C~-60°C的极低温度， 将其排出，以便通过热交换器即使以较高的温度的介质，仍可以 良好的效率对构成冷却介质的空气进行热交换。在此场合的汽轮机组件中，由于压缩机叶轮和上述膨胀汽轮 机的汽轮机叶轮安装于共同的主轴上，通过由汽轮机叶轮产生的动力驱动压缩机叶轮，故动力源是不需要的，可通过紧凑的方案， 以良好的效率进行冷却。
在本发明的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件中，除此以外， 也可进行电动机驱动。比如，也可适用于下述的空气循环冷冻冷 却系统，其对流入空气，依次通过热交换器进行冷却，通过汽轮 机组件的压缩机进行压缩，通过另外的热交换器进行冷却，通过 上述汽轮机组件的膨胀汽轮机进行隔热膨胀，在上述汽轮机组件 中，上述压缩机的压缩机叶轮和上述膨胀汽轮机中的汽轮机叶轮 与电动机转子安装于共同于主轴上，通过与上述电动机相对的电 动机定子的磁力，使主轴旋转，由此，驱动上述压缩机叶轮。
在设置电动机、驱动主轴的场合，不必在压缩机的前级，设 置鼓风机等的预先压缩机构。
为了确保这种汽轮机组件的压缩、膨胀的效率，必须微小地 保持各叶轮和外壳之间的间隙。在空气循环冷冻冷却系统中，该 效率确保是重要的。对此，由于本发明的空气循环冷冻冷却用汽 轮机组件通过滚动轴承而支承叶轮的主轴，故通过滚动轴承所具 有的轴向位置的限制功能，以某种程度限制主轴位置，可以一定 的微小程度保持各叶轮和外壳的微'J 、间隙。
但是，在汽轮机组件的主轴上，通过作用于各叶轮上的空气 的压力等作用有推力。另外，在空气冷却系统所采用的汽轮机组
件中，形成在1分钟内比如8万~10万转的非常高速的旋转。由此， 如果在以旋转方式支承主轴的滚动轴承上作用上述推力，则主轴 的长期耐久性降低。
在本发明中，由于通过电磁铁支承上述推力，故可通过非接 触方式抑制扭矩的增加，同时，可减轻作用于主轴支承用的滚动 轴承的推力。在该场合，由于设置检测通过上述压缩机和膨胀汽轮机内的空气而作用于上述主轴上的推力的传感器、对应于该传 感器的输出控制上述电磁铁的支承力的控制器，故可对应于该轴 承类型，在最适合于推力的状态使用滚动轴承。由此，保持各叶 轮的适合的间隙，获得主轴的稳定的高速旋转，并且滚动轴承的 长期耐久性提高，寿命提高。由于主轴支承用的滚动轴承的长期 耐久性提高，故作为空气循环冷冻冷却用汽轮机组件的整体，进 而空气循环冷冻冷却系统的整体的可靠性提高。像这样，由于构 成空气冷却系统的薄弱环节的汽轮机组件的主轴轴承的稳定的高 速旋转、长期耐久性、可靠性提高，故空气循环冷冻冷却系统可 投入实际应用。上述滚动轴承也可设置于主轴外壳的上述压缩机叶轮的附 近、上述汽轮机叶轮的附近。在该场合，由于对主轴的两端进行 支承，故可进行更进一步稳定的高速旋转。在上述传感器中，通过按压力使特性发生变化，其特性变化 以可电子方式#T测的传感元件围绕主轴轴心沿圆周方向并列地设 置，根据该多个传感元件的输出检测上述推力。该传感器介于上 述滚动轴承的外圏和支承该外圈的主轴外壳之间。通过沿圆周方向设置多个传感元件，不产生倾斜，可检测作 用于滚动轴承的外圈和主轴外壳之间的推力。另外，可通过采用 多个传感元件，对作用于圆周方向的多个部位的力进行平均处理，对其进行;险测。上述多个传感元件也可介设于上述主轴贯通的两个环状的部 件之间。通过将传感元件介设于两个环状的部件之间，可将多个 传感元件作为一体的传感器而处理，装配性良好。更具体地说，上述传感器也可通过检测围绕主轴轴心而沿圆 周方向并列设置的多个》兹致伸缩部件或超磁致伸缩部件的导磁率，才全测推力。上述多个,兹致伸缩部件或超磁致伸缩部件也可夹 持在由软质石兹性材料形成的两个》兹轭部件之间。也可在上述两个 磁轭部件之间，设置其长度以微小程度小于上述磁致伸缩部件或 超磁致伸缩部件的、由软质磁性材料形成的第2磁轭部件。如果传感元件采用》兹致伸缩部件或超磁致伸缩部件，则按压 力的检测精度良好。另外，如果采用上述第2磁轭部件，则磁路的磁阻变小，传感器的灵敏度提高。由于通过使上述第2磁轭部件的长度以微小程度小于上述万兹致伸缩部件或超磁致伸缩部件， 所检测的推力的全部作用于》兹致伸缩部件或超磁致伸缩部件上， 故按压力的检测精度良好。另外，也可在上述磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件的端面上， 直接紧密贴合地设置沿其厚度方向着磁的永久磁铁，该磁致伸缩 部件或超》兹致伸缩部件和永久》兹铁夹4争于由软质材料形成的两个 石兹扼部件之间。同样在该场合，也可在上述两个》兹轭部件之间，设置第2磁轭部件，其长度以微小程度小于上述磁致伸缩部件或 超磁致伸缩部件和上述永久磁铁重合的长度，该第2磁轭部件由 软质材料形成。如果采用永久磁铁可提供偏置磁场，可选择磁致伸缩部件或 超磁致伸缩部件的导磁率的变化较大的部位，将其用于检测，可 提高检测灵敏度。由于通过使上述第2磁轭部件的长度以微小程 度小于上述磁致伸缩部件或超》兹致伸缩部件和永久磁4失重合的长 度，所检测的推力的全部作用于磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件， 故按压力的检测精度良好。也可在通过;f企测上述多个》兹致伸缩部件或超/f兹致伸缩部件的 导磁率，检测推力的传感器场合，上述传感器围绕磁致伸缩部件 或超磁致伸缩部件，设置传感器线圈，通过测定上述传感器线圏的电感，检测上述导磁率。在此场合，也可设多个上述传感器线 圈，该多个传感器线圈串联，对上述各传感器线圈的输出进行平 均处理。也可在此场合，上述传感器线圈以及上述》兹致伸缩部件 或超磁致伸缩部件分别为偶数个，流过接近的各传感器线圏的电 流 为相互相反的方向。在通过检测传感器线圏的电感而进行检测的方案的场合，可 以良好的精度检测导磁率的变化。另外，设置多个上述传感器线 圈，对它们的输出进行平均处理，由此，可以良好的精度检测推 力。另外，通过将该多个传感器线圈串联，在连接的全部的传感 器线圏的两端之间，连接相当于各传感器线圈的电感的总值的电 感，通过检测整体的电感变化，对各传感器线圈的电感进行平均 处理，具有简单地谋求平均处理的特长。另外，上述磁致伸缩部 件或超磁致伸缩部件分别为偶数个，流过接近的各传感器线圈的 电流为相互相反的方向，可使基本共同的石兹通通过上述f兹致伸缩 部件或超磁致伸缩部件，可使各传感器线圈的电感特性相同，由 此，以良好的精度进行纟全测。也可在通过检测上述多个磁致伸缩部件或超f兹致伸缩部件的 导磁率，检测推力的传感器场合，上述传感器采用上述传感器线 圈的电感和单独设置的电容器的共振，根据伴随该电感的变化而 改变的共振频率的变化，测定上述电感变化。如果根据共振频率的变化测定上述电感变化，则可以良好的 精度检测导磁率的变化。也可在通过测上述多个^f兹致伸缩部件或超》兹致伸缩部件的 导磁率，检测推力的传感器的场合，上述传感器在上述传感器线 圏的一端，以一定频率输入一定振幅的电压的传送波，采用上述 传感器线圏的电感和单独设置的电容器的共振，根据伴随上述电感的变化而改变的上述传感器线圈的另 一 端的电压振幅，测定上 述电感变化。同样在该方案的场合，可以良好的精度检测导磁率 的变化。也可在通过检测多个J兹致伸缩部件或超磁致伸缩部件的导》兹 率，检测推力的传感器的场合，上述传感器除了设置上述传感器 线圈以外，还围绕磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件而设置励石兹线 圏，在上述励^兹线圈中，以一定频率，流过一定振幅的励^兹电流， -险测在上述传感器线圏中励^磁的电压，由此测定推力。在该方案的场合，通过控制流过励磁线圏的电流，可将相对 荷载变化的磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件的导磁率变化点设定 在最佳点，可以良好的精度检测导磁率的变化。也可在通过#全测多个-兹致伸缩部件或超i兹致伸缩部件的导f兹 率，检测推力的传感器的场合，上述传感器采用霍尔传感器检测 伴随上述》兹致伸缩部件或超磁致伸缩部件的导》兹率的变化而改变 的磁通密度，由此，测定推力。由于通过霍尔传感器从外部连接 直流电源的方式，模拟输出环境的磁通密度，故可筒单而低价格 地测定。也可在上述各方案的传感器中，在上述传感器线圈或上述磁 致伸缩部件或超磁致伸缩部件的周边设置温度传感器，设置通过 该温度传感器的输出，对上述电感的测定结果或上述导磁率的测 定结果进行补正的机构。通过进行温度补正，进行精度良好的检测。另外，上述传感器也可检测多个压敏电阻元件的电阻值变化。 也可这样形成，即，上述多个压敏电阻体并联，对上述压每丈电阻 的电阻值进行平均化处理。如果采用压敏电阻元件，则可以通过 简单的传感器电路，进行推力的检测。另外，通过多个压敏电阻体并联连接，可以对通过简单的电 路方案所测定的推力进行平均化处理，进行低成本、精度良好的 检测。同样在采用压敏电阻元件的传感器的场合，也可在上述压敏 电阻元件的周边设置温度传感器，设置通过上述温度传感器的输 出，对上述压敏电阻元件的电阻值进行补正的机构。通过该温度 补偿，检测精度提高。另外，上述传感器也可为下述的结构，在该结构中，按照使 向压敏电阻元件的作用面的压力均勻的方式，在其与对压敏电阻 元件施加压力的另外的部件之间，夹持弹性体。通过夹持弹性体， 在压壽丈电阻元件的压每文部均等地作用压力，可减小局部地作用压 力的测定误差。上述传感器除了上述各实例以外，还可由多个变形仪传感器 构成。也可在变形仪传感器的周边设置温度传感器，设置通过该 温度传感器的输出，对上述变形仪传感器的变形量测定值进行补 正的机构。同样在采用变形仪传感器的场合，能以简单的方案、 良好的精度进行推力的检测。上述传感器也可采用位移检测传感器代替采用通过按压力使 特性变化，且其特性变化可以电子方式检测的传感元件的类型。 该位移检测传感器也可为石兹式。即使在采用位移检测传感器的情 况下，仍可进行推力的检测。在本发明中，上述传感器也可设置于上述滚动轴承的附近。 在将传感器设置于滚动轴承的附近的场合，可直接测定作用于构 成问题的滚动轴承上的推力，其测定精度良好，可进行精密的推 力的控制。由此，保持各叶轮的适合的间隙，获得主轴的稳定的高速旋转，并且获得滚动轴承的长期耐久性的提高、寿命的提高。由于 主轴支承用的滚动轴承的长期耐久性提高，故作为空气循环冷冻 冷却用汽轮机组件的整体，进而空气循环冷冻冷却系统的整体的 可靠性提高。像这样，由于构成空气循环冷冻冷却系统的薄弱环 节的汽轮机组件的主轴轴承的稳定的高速旋转、长期耐久性、可 靠性提高，故空气循环冷冻冷却系统可投入实际应用。也可在本发明的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件中，上述传 感器直接或经由其它的部件而介设于上述滚动轴承的外圏与支承 该外圏的主轴外壳之间。通过将传感器介设于滚动轴承的外圈和主轴外壳之间，可通 过简单的方案，以良好的精度测定作用于滚动轴承的主轴的推力。在此场合，也可这样形成，即，上述滚动轴承的外圈在固定 状态嵌合的轴承外壳以可沿轴向移动的方式嵌合于开设于主轴外 壳上的内径孔中，上述传感器介设于上述轴承外壳的幅面与固定 于上述主轴外壳或该主轴外壳上的部件之间。像这样，轴承外壳可移动，在轴承外壳和主轴外壳之间设置 传感器，可将轴承外壳的较宽幅面用于传感器的配置，即使在外 圏的径向厚度小的情况下，仍可设置较大的传感器，提高测定的 灵敏度和精度。也可在上述传感器中，外加第1弹簧部件的预压。测定介设 于部件之间的力的传感器一般不能够检测反向的力，如果施加预 压，则检测预压量的偏差，即使为正反方向中的任意的方向的反 力，仍可进行检测。上述第1弹簧部件的预压也可为通过上述压缩机和膨胀汽轮 机内的空气，作用于上述主轴上的平均的推力以上的值。通过施加平均的推力以上的预压，即使在以该预压量为基准，检测正反任意的方向的推力的情况下，仍可充分地获得可检测的 力的范围。另外，第1弹簧部件的预压也可为上述平均的推力程度。 也可在本发明的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件中设置多个 上述滚动轴承，在其中一个滚动轴承的附近设置上述传感器，其 它的滚动轴承按照可沿轴向移动的方式设置于主轴外壳上，并且通过第2弹簧部件弹性地支承。其它的滚动轴承通过第2弹簧部件弹性地支承，由此，可在 轴承上作用适合的预压。进而，由此以良好的精度保持主轴的轴 向位置，并且通过上述传感器以良好的精度进行推力的检测。上述第2弹簧部件介设于上述其它的滚动轴承的外圈与上述 主轴外壳之间，或固定上述其它的滚动轴承的外圈的部件与主轴 外壳之间，或上述滚动轴承的内圈与上述主轴之间。即使在介设 于这些中的任意的部位的情况下，也可通过简单的方案设置第2 弹簧部件。在设置上述第1弹簧部件和第2弹簧部件的场合，上述第2 弹簧部件的弹簧常数小于上述第1弹簧部件。如果第2弹簧部件的弹簧常数大于第1弹簧部件，则在主轴 上作用过大的推力的场合，对两者的轴承作用过大的预压。通过 减小第2弹簧部件的弹簧常数，避免在另一轴承上作用该过大的 预压，获得稳定的旋转性能，同时，可对传感器施加正反两个方 向的推力检测的预压。在本发明中，也可在上述主轴上设置多个由强磁性体形成的 法兰状的推力板，按照与各法兰的两侧的幅面相对的方式，上述 电磁铁也可以设置于设置上述轴承的主轴外壳上。在汽轮机组件中，在空气压力的推力大的场合，想增加推力板的直径，增加电磁铁的力。但是，在高速旋转的场合，具有因 离心力而破坏的危险，在增加推力板的直径的方面，具有界限。 在推力板为多个的场合，不会产生离心力的破坏的问题，可提高 对推力的7 、受力。在设置多个推力板的场合，也可将上述电磁铁沿圓周方向并 列，分割为多个。电磁铁为分割形式，由此，即使具有多个推力 板，仍容易进行装配。分割为多个的相应的电磁铁的极数、尺寸、内置的线圈的匝 数也可相同。通过使这些极数、尺寸、ffi数相同，可在全周上作 用均匀的电磁力，可釆用与已分割的相应的电磁铁相同的结构， 谋求生产性和装配性的提高。
从以附图为参考的下述合适的实施例的说明，会更加清楚地 理解本发明。但是，实施例和附图用于图示和说明，不应用于确 定本发明的范围。本发明的范围通过附加的权利要求确定。在附 图中，多个附图中的同一部件标号表示同一部分。图1为采用本发明的第1实施方式的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件的空气循环冷冻冷却系统的系统图；图2为本发明的第1实施方式的空气循环冷冻冷却用汽轮机 组件的剖一见图；图3为第2实施方式的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件的剖 视图；图4为第3实施方式的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件的剖 视图；图5为第4实施方式的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件的剖视图；图6为第5实施方式的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件的剖 视图；图7(A)、 (B)为表示上述各实施方式的汽轮机组件所采用的传 感器的 一 个实例的主视图和其中的VII-VII线的剖视图；图8(A)、 (B)为表示上述各实施方式的汽轮机组件所采用的传 感器的第1变形实例的主视图和其中的VIII-VIII线的剖视图；图9(A)、 (B)为上述传感器的第2变形实例的主视图和其中的 IX-IX线的剖视图；图IO(A)、 (B)为上述传感器的 的X-X线的剖视图；图ll(A)、 (B)为上述传感器的 的XI-XI线的剖视图；图12(A)、 (B)为上述传感器的 的XII-XII线的剖视图；图U(A)、 (B)为上述传感器的 的XIII-XIII向牙见图；图14(A)、 (B)为上述传感器的 的XIV-XIV向视图；图15(A)、 (B)为上述传感器的 的XV-XV向视图；图16为表示上迷各实施方式的汽轮机组件所采用的传感器电 路的 一 个实例的方框图；图17为表示上述传感器电路的第1变形实例的方框图；图18(A)、 (B)为上述传感器电路的力和电感之间的关系的曲 线图，以及力与传感器输出之间的关系的曲线图；第3变形实例的主视图和其中 第4变形实例的主视图和其中 第5变形实例的主视图和其中 第6变形实例的剖视图和其中 第7变形实例的剖视图和其中 第8变形实例的剖视图和其中图19为表示上述传感器电路的第2变形实例的方框图；图20(A)、 (B)为表示上述传感器电路的力与电阻之间的关系的曲线图，以及力与传感器输出之间的关系的曲线图；图21为表示上述传感器电路的第3变形实例的方框图；图22为表示上述传感器电路的力和传感器输出之间的关系的曲线图；图23为表示上述传感器电路的第4变形实例的方框图；图24为表示上述各实施方式的汽轮机组件所釆用的控制器的 一个实例的方框图；图25(A)、 (B)分别为第6实施方式的空气循环冷冻冷却用汽 轮机组件的纵向剖视图和其电磁铁的横向剖视图；图26为第7实施方式的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件的剖 视图。
具体实施方式
下面通过图l和图2，对本发明的第1实施方式进行说明。图 1表示空气循环冷冻冷却系统的整体的结构。该空气冷却系统为直 接将冷冻库等的被冷却空间10的空气作为制冷剂而冷却的系统， 具有从分别开口于被冷却空间IO的空气的取入口 la延伸到排出 口 lb的空气循环通路l。在该空气循环通路l中，依次设置预先 压缩机构2、第1热交换器3、除湿器4、空气循环冷冻冷却用汽 轮机组件5的压缩机6 、第2热交换器8 、中间热交换器9与上述 汽轮机组件5的膨胀汽轮机7。中间热交换器9在上述空气循环通 路l的内部，在取入口 la的附近的流入空气，与通过后级的压缩 机而升温、通过第2热交换器8冷却的空气之间进行热交换，取 入口 la的附近的空气通过热交换器芯体9a的内部。预先压缩机构2由鼓风机等形成，通过电动机2a驱动。第l 热交换器3和第2热交换器8分别具有使冷却介质循环的热交换 器芯体3a、 8a,在热交换器芯体3a、 8a内的水等的冷却介质和空 气循环通路1的空气之间进行热交换。各热交换器芯体3a、 8a通 过管与冷却塔11连接，通过热交换升温的冷却介质通过冷却塔11冷却。该空气循环冷冻冷却系统为将被冷却空间10保持在0°C -60°C程度的系统，0°C ~-60°C程度的 一个气压的空气从被冷却空 间10流入空气循环通路1的取入口 la。另外，在下面给出的温度 和气压的数值为大致的目标的一个实例。流入取入口 la中的空气 通过中间热交换器9，用于空气循环通路1中的后级的空气的冷 却，升温至30。C。该升温的空气处于一个气压的状态，但是，通 过预先压缩机构2压缩到1.4气压，通过该压缩升温至70°C 。由 于第1热交换器3可对升温的7(TC的空气进行冷却为好，故即使 为常温程度的冷水，仍可以良好的效率进行冷却，冷却到40。C。 除湿器4为了防止空气循环通路1内的空气的水分因在后级的向 水点下的冷却而冻结，产生空气循环通路1的堵塞或膨胀汽轮机7 卡住的等的情况，对通路内的空气进行除湿处理。除湿后的4CTC、 1.4气压的空气通过汽轮机组件5的压缩机6 压缩到1.8气压，在通过该压缩升温到70。C程度的状态通过第2 热交换器8冷却到40°C 。该4(TC的空气通过中间热交换器9，通 过来自^皮冷却空间10的-30。C的空气冷却到-20。C 。对于气压，维 持在从压缩机6排出的1.8气压。通过中间热交换器9冷却到-2(TC的空气通过汽轮机组件5的 膨胀汽轮机7隔热膨胀冷却到-55。C ，从排出口 lb排到被冷却空 间10中。该空气循环冷冻冷却系统进行这样的冷冻循环。图2表示空气循环冷冻冷却用汽轮机组件5的具体实例。该汽轮机组件5包括离心压缩机6和辐流式膨胀汽轮机7，压缩机6 的压缩机叶轮6a和膨胀汽轮机7的汽轮机叶轮7a分别安装于主 轴13的两端。另外，借助由汽轮机叶轮7a产生的动力，驱动压 缩机叶轮6a,未设置另外的驱动源。另外，也可像比如，在后面说明的图26的实例那样，压缩机 6的压缩机叶轮6a、膨胀汽轮机7的汽轮机叶轮7a和电动机转子 92安装于共同的主轴13上，通过电动机90和膨胀汽轮机7的驱 动力驱动主轴13。在设置电动机90而驱动主轴13的场合，不必 在压缩机6的前级设置鼓风机等的预先压缩机构2(图1)。压缩机6具有通过微小的间隙dl而与压缩机叶轮6a面对的 外壳6b，通过压缩机叶專仑6a对从中心部的吸入口 6c沿轴向吸入 的空气进行压缩，将该空气从外周部的出口(图中未示出)，像由箭 头6d所示的那样排出。膨胀汽轮机7具有通过微小的间隙d2而与汽轮机叶轮7a面 对的外壳7b,通过汽轮才几叶轮7a对从外周部如由箭头7c所示的 那样吸入的空气进行隔热膨胀，从中心部的排出口 7d沿轴向排出。该汽轮机组件5相对径向，通过多个轴承15、 16支承主轴13, 通过电磁铁17承受作用于主轴13上的推力。该汽轮机组件5包 括检测通过压缩机6和膨胀汽轮机7内的空气作用于主轴13上的 推力的传感器18;控制器19,该控制器19对应于该传感器18的 输出，控制上述电磁铁17的支承力。该电磁铁17按照以非接触 方式与设置于主轴13的中间的由强磁性体形成的法兰状的推力板 13a的两个面面对的方式，设置于主轴外壳14中。支承主轴13的轴承15、 16为滚动轴承，具有轴向位置的限 制功能，比如，采用深槽球轴承。在深槽球轴承的场合，具有两个方向的推力支承功能，具有将内外圈的轴向位置返回到中立位置的作用。该两个轴承15、 16分别设置于主轴外壳14的压缩机 叶轮6a和汽轮机叶轮7a的附近。主轴13构成带有台阶部的轴，其具有中间部的较大直径部 13b,与两端部的较小直径部13c。在两侧的轴承15、 16中，该内 圈15a、 16a在压配合的状态与较小直径部13c嵌合，其中一个幅 面与较大直径部13b和较小直径部13c之间的台阶面卡合。在主轴外壳14的两侧的轴承15、 16的各叶轮6a、 7a侧的部 分，内径面按照接近主轴13的直径形成，在该内径面形成非接触 密封件21、 22。该非接触密封件21、 22为迷宫式密封件，其中， 在主轴外壳14的内径面，沿轴向并列地形成多个圓周槽。上述传感器18设置于汽轮机叶轮7a侧的轴承16的附近的静 止侧，即，主轴外壳14侧。在附近设置有上述传感器18的轴承 16中，其外圏16b在固定状态与轴承外壳23内部嵌合。轴承外壳 23呈环状形成，在一端与轴承16的外圈16b的幅面卡合的内凸缘 23a,沿轴向可移动地与设置于主轴外壳14上的内径孔24嵌合。 上述内凸缘23a设置于轴向的中间侧端。传感器18介设于安装于主轴外壳14上的轴承外壳23的内凸 缘23a侧的幅面、作为固定于主轴外壳14上的部件的 一 个电磁铁 17之间。另外，通过第1弹簧部件25,对传感器18附加预压。 第1弹簧部件25接纳于设置于主轴外壳14上的接纳凹部内，沿 轴向使轴承16的外圈16b偏置，通过外圈16b和轴岸义外壳23，对 传感器18预先施加压力。第1弹簧部件25比如由设置于围绕主 轴13的圆周方向的多个部位的螺旋弹簧等构成。由于通过按压力检测推力的传感器18还可对朝向主轴13的 轴向的任意的方向的移动进行检测，故第l弹簧部件25的预压为在汽轮机组件5的通常的运转状态下作用于主轴13的平均的推力 以上的值。传感器18的非设置侧的轴承15按照相对主轴外壳14,可沿 轴向移动的方式设置，并且通过第2弹簧部件26弹性支承。在本 实例中，轴承15的外圈15b以可沿轴向移动的方式与主轴外壳14 的内径面嵌合，第2弹簧部件26介设于外圏15b和主轴外壳14 之间。第2弹簧部件26按照与内圈15a的幅面所卡合的主轴13 的台阶面面对的方式，使外圏15b偏置，对轴承15施加预压。第 2弹簧部件26由设置于围绕主轴13的圆周方向的多个部位的螺旋 弹簧等构成，分别接纳于设置于主轴外壳14上的接纳凹部的内部。 第2弹簧部件26的弹簧常数小于第1弹簧部件25。本方案的汽轮机组件5按照下述方式使用，该方式为在图1 所示的空气循环冷冻冷却系统中，通过压缩机6压缩，使其温度 上升，用热交换器8、 9冷却的空气通过膨胀汽轮机7，借助隔热 膨胀冷却到目标温度，比如，-30°(3~-601:程度的极低温度，将其 排出，以便能够通过热交换器8、 9以良好的效率对形成冷却介质 的空气进行热交换。由于在该汽轮机组件5中，压缩机叶轮6a和汽轮机叶轮7a 安装于共同的主轴13上，通过由汽轮机叶轮7a产生的动力，驱 动压缩机叶轮6a,故动力源是不需要的，可通过紧凑的方案，有 效地冷却。为了确保该汽轮机组件5的压缩、膨胀的效率，必须以微小 方式保持各叶轮6a、 7a与外壳6b、 7b的间隙dl 、 d2。在空气循 环冷冻冷却系统中，该效率确保是重要的。对此，通过滚动式的 轴承15、 16支承主轴13，故可通过滚动轴承所具有的轴向位置的 限制功能，以某种程度限制主轴13的轴向位置，将各叶轮6a、 7a与外壳6b、 7b之间的微小间隙dl 、 d2保持一定。但是，在汽轮机组件5中的主轴13上，因作用于各叶轮6a、 7a上的空气的压力等作用有推力。另外，在空气循环冷冻冷却系 统所采用的汽轮机组件5中，在1分钟内实现比如8万 10万转的 非常高速的旋转。由此，如果在旋转支承主轴13的滚动轴承15、 16上作用有上述推力，则轴承15、 16的长期耐久性降低。由于本实施方式通过电磁铁17支承上述推力，故可在以非接 触的方式抑制转矩的增加，同时减轻作用于主轴13的支承用的滚 动轴承15、 16上的推力。在此场合，由于设置检测通过压缩机6 和膨胀汽轮机7内的空气，作用于主轴13上的推力的传感器18; 对应于该传感器18的输出，控制上述电磁铁17的支承力的控制 器19，故可对应于该轴承类型，在最适合于推力的状态，使用滚 动轴承15、 16。特别是由于传感器18设置于轴承16的附近，故可直接测定 作用于成为问题的轴承16上的推力，其测定精度良好，可进行精 密的推力的控制。由此，保持各叶轮6a、 7a的适合的间隙dl、 d2，获得主轴 13的稳定的高速旋转，并且使轴承15、 16的长期耐久性提高，寿 命提高。由于轴承15、 16的长期耐久性提高，故作为空气循环冷 冻冷却用汽轮机组件5的整体，进而作为空气循环冷冻冷却系统 的整体的可靠性提高。由于像这样，构成空气循环冷冻冷却系统 的薄弱环节的汽轮机组件5的主轴轴承15、16的稳定的高速旋转、 长期耐久性、可靠性提高，故空气循环冷冻冷却系统可投入实际 应用。由于各轴承15、 16设置于压缩机叶轮6a的附近和汽轮机叶 轮7a的附近，支承主轴13的两端，故可进行更进一步稳定的高速旋转。另外，由滚动轴承形成的轴承15通过第2弹簧部件26 弹性地支承，施加适合的预压，故主轴13的轴向位置稳定，更加 确实维持各叶轮6a、 7a的微小间隙dl、 d2,获得更加稳定的高速 旋转。由于在各轴承15、 16的端部侧的主轴13和主轴外壳14之间， 设置由迷宫式密封件构成的非接触密封件21、 22,故防止通过轴 承15、 16内部等，空气泄漏到压缩机6和膨胀汽轮机7之间的情 况。由于在压缩机6的内部和膨胀汽轮机7的内部气压差大，故 经由各轴承15、 16的内部或各轴承15、 16的内外圏15a、 16a与 主轴13或主轴外壳14嵌合的面，产生空气的泄漏。这样的空气 的泄漏导致压缩机6、膨胀汽轮机7的效率的降低，另外，在通过 轴承15、 16的内部的空气将轴承15、 16内的润滑剂干燥或产生 灰尘时，具有污染轴承15、 16的内部，使耐久性降低的危险。这 样的效率的降低，以及轴承15、 16的污损通过上述非接触密封件 21、 22防止。由于传感器18施加预压，故即使仅仅进行按压力的检测，同 样在沿主轴13的轴向的任意方向移动的场合，仍可进行检测。即， 在为通过按压力进行检测的传感器的场合，在按压力为反向的场 合，不能进行检测，但是，通过施加预压，在反向的推力的场合， 通过因作用于传感器18上的按压力减小，可以进行检测。由于对传感器18进行预压的第1弹簧部件25的弹簧常数大 于对轴承15、 16进4亍预压的第2弹簧部件26,故即使对轴承15、 16进行预压，仍可进行传感器18的预压的正反两个方向的检测。图3以后的各图表示本发明的其它的各实施方式，或传感器 18的详细情况等。在图3以后的各实例中，除了特别说明的事项 以外，方案、效果均与图2的实例相同，对应部分采用同 一标号，省略重复的说明。图3表示本发明的第2实施方式。在本实例中，在图2的实 例中，改变各弹簧部件25、 26和传感器18的配置。在本实例中， 固定汽轮机叶轮7a侧的轴承16的轴承外壳23在轴端侧具有内凸 缘23a,在轴承外壳23的内凸缘23a侧的幅面和与其面对的主轴 外壳14的侧面之间，设置传感器18。第1弹簧部件25设置于轴承16的外圈16a和电磁铁17之间， 经由外圈16a和轴承外壳23的内凸缘23a，对传感器18进行预压。 第2弹簧部件26介设于压缩机叶轮6a侧的轴承15的外圏15b与 电^f兹铁17之间，对上述轴承15进行预压。于是，在轴承15、 16 中产生的接触角的方向为与图2的实例相反的方向。在该方案的场合，在图2的实例中，传感器18的配置和弹簧 部件25、 26的预压的方向是相反的，但是，同样在本实例中，传 感器18设置于轴承16的附近，可直接检测作用于该轴承16的推 力。另外，获得通过图2的实例说明的各作用效果。在图4的第3实施方式为，传感器非设置侧的轴承15的外圈 15b固定于独立于主轴外壳14与另外的轴承外壳27的内周的类 型。轴承外壳27具有分别与外圏15b的两側的幅面卡合的内凸缘， 以可轴向移动的方式嵌合于设置在主轴外壳14上的内径孔28的 内部。第2弹簧部件26经由轴承外壳27,对外圈15b施加预压。在图5的第4实施方式为针对图4所示的实例，固定传感器 非设置侧的轴承15的夕卜圏15b的轴 K外壳27通过两个板簧29， 支承于主轴外壳14上的类型。板簧29为对轴承5进行预压的第 2弹簧部件。在该方案的场合，由于板簧29兼作支承轴承外壳27的机构 和轴承l5、 16的预压机构，故形成简单的方案。板簧29为板状，但是，即使在作为平面方向的径向的刚性高，进行这样的板簧29 的支承的情况下，仍可进行轴承15的确实的支承。另外，板簧29 为沿轴向相互分离的两片部件的原因在于作用力矩荷载通过一片 难以实现轴承15的稳定的支承。图6的第5实施方式为，针对图2的实例，对传感器非设置 侧的轴承15施加预压的第2弹簧部件26设置于旋转侧的实例。 在本实例中，在内圏15a的幅面和与该幅面面对的主轴13的台阶 面之间，设置第2弹簧部件26。图7(A)、 (B)表示图2所示的实施方式所采用的传感器18的 具体实例。在该传感器18中，通过由软质磁性材料形成的两个磁 轭部件32夹持磁致伸縮部件31,在各磁致伸缩部件31的外周设 置检测其导磁率的线圈33。磁轭部件32为具有主轴贯通孔32a 的环状的板件，在圆周方向的多个部位设置上述磁致伸缩部件31 和线圈33的组。上述f兹致伸缩部件31也可为超磁致伸縮部件。磁致伸缩部件31最好设置两个以上，以便防止倾斜，特别是 最好设置三个以上。在本实例中，沿圆周方向均等地设置四个。如果采用该方案的传感器18，则流过线圈33的电流的磁通如 图中的箭头所示。如果通过作用于图2的轴承16上的推力，在图 7的^兹轭部件32之间作用压力，则磁致伸缩部件31的导磁率变化， 电感变化。通过线圈33检测该电感变化，可根据该;险测值检测上 述推力。如果磁致伸缩部件3 1像该图那样，围绕主轴轴心而设置多个， 则防止石兹轭部件32的倾斜，进行推力的稳定的;f全测。如果》兹致伸 缩部件31为三个以上，倾斜更加稳定。另外，通过比如，各线圈 33按照与相邻的线圈33串联的方式连接等的措施，可对作用于磁 轭部件32的全周的推力平均处理，进行检测。在图7的传感器18中，也可像图8的第1变形实例那样，在 两个磁轭部件32之间，设置其长度以微小程度比磁致伸缩部件31 小的由软质材料形成的第2磁扼部件34。第2磁轭部件34呈比如 与上述两个f兹轭部件32相同的环状，具有各线圈33以一定间隙 嵌合的线圈接纳孔34a。第2磁轭部件34重合地固定于比如，两 个中的一个^兹轭部件32上。上述磁致伸缩部件31也可为超磁致 伸缩部件。上述微小长度的不同造成的间隙d34可为荷载不直接 作用于两个^兹轭部件32之间的尺寸，比如，为从数十微米到数百 微米的间隙尺寸。通过像上述那样设置第2磁轭部件34,线圏33的磁路的磁阻 减小，传感器18的灵敏度提高。图9表示针对图8所示的传感器18，不但设置检测磁致伸缩 部件31的导磁率的线圈33，而且设置提供用于传送该线圈33的 信号的传送波的励磁线圈35的第2变形实例。在图10的第3变形实例中，在图7所示的传感器18中，在 磁致伸缩部件31的端面上，直接紧密贴合地设置沿其厚度方向着 磁的永久磁铁36。这些磁致伸缩部件31和永久磁铁36夹于由软 质材料形成的两个》兹辄部件32之间。在像这样设置永久i兹《失36的场合，可施加偏置》兹场。由此， 可选择磁致伸缩部件31的磁化曲线的导磁率的变化大的部位，用 于检测，可提高检测灵敏度。或者，也可采用导磁率的变化的直 线性优良的部位，谋求控制的简化。在图11的第4变形实例中，针对设置图IO所示的永久磁铁 36的传感器18,与图8的实例相同设置第2》兹辄部件34。在图12所示的第5变形实例中的传感器18 ，与图10的实例 相同，在磁致伸缩部件31的端面上，直接紧密贴合地设置沿其厚度方向着》兹的永久》兹铁36，该i兹致伸缩部件31和永久》兹铁36夹 在由软质材料形成的两个磁轭部件32之间的圆周方向的多个部 位。但是，在本实例中，作为检测磁致伸缩部件31的导磁率的机 构，代替线圈而设置霍尔元件37。该霍尔元件37设置于沿圓周方 向并列的各磁致伸缩部件31之间。这些霍尔元件37安装于局部 地设在一个磁辄部件32的相对面上的第2磁扼部件34A的前端， 接近另 一磁轭部件32。在该方案的场合，磁致伸缩部件31的导磁率的变化为磁回路 的磁阻的变化，造成通过霍尔元件37的磁通密度的变化，作为霍 尔元件37的输出的变化而检测。同样在本实例中，由于设置永久 》兹4夹36,故通过偏置-兹场，可将/磁致伸缩部件31的导,兹率的变化 造成的霍尔元件37的输出变化增加的部位用于检测，可提高灵敏 度。在图13所示的第6变形实例的传感器18中，在两个磁辄部 件32之间的圓周方向的多个部位，介设有压敏电阻元件39。按照 位于压敏电阻元件39的周边，在磁轭部件32上安装温度传感器 40，通过温度传感器40的输出，对压敏电阻元件39的电阻值进 行补正。如果采用该方案的传感器18，通过作用于两个磁扼部件32 之间的力F,压敏电阻元件39的电阻值变化。通过检测该电阻值 的变化，可纟全测作用于两个》兹扼部件32之间的力F,可纟企测图2 所示的汽轮机组件5中的主轴13的推力。图14所示的第7变形实例的传感器18为下述的结构，其中， 在图13的传感器结构的压敏电阻元件39和磁轭部件32之间，插 入弹性体45。通过夹持弹性体45,在压敏电阻元件39的压敏部 均等地作用压力，可通过局部施加压力，减小测定误差。在图1 5所示的第8变形实例的传感器1 8中，在两个磁辄部件32之间设置与这些磁轭部件32同心的盘簧41,在该盘簧41 的圆周方向的多个部位，贴有变形仪43。在本实例中，按照位于 变形仪43的周边的方式，在磁轭部件32上设置温度传感器40, 通过该温度传感器40的输出，对变形仪43的电阻值进行补正。如果采用该方案的传感器18,通过作用于两个磁轭部件32 之间的力F，盘簧41发生挠曲，该挠曲造成变形仪43的电阻值的 变化。变形仪43的电阻值的变化作为变形仪放大器的输出变化而 检测。图16~图24分别表示上述各传感器18的传感器电路和传感器 输出的实例。图16表示像图7所示的传感器18等那样，设置线圈33的传 感器18的场合的传感器电路50的一个实例。该传感器电路50通 过传送波发生电路51，产生振幅一定、频率一定的传送波，通过 电容器Co将传送波送给线圈33。线圈33与电容器C一起，构成 并列共振电路，该并列共振电路的输出与振幅检测电路52连接。在上述共振电路中，如果输入由ei表示，输出由eo表示，则 其传递函数eo/ei的值伴随输入频率f而变化。如果线圈33的电 感由L表示，电容器Cl的电容由C表示，则上述传递函数eo/ei 的峰值为1/(2ttVIZ)。由于像上述那样，磁致伸缩部件31(图7) 的导磁率伴随力F而变化，故对应于该变化，线圈33的电感L的 值改变。于是，通过传送波发生电路51,外加振幅一定、频率一 定的传送波的电压，使上述共振电路振荡，这样规定频率的传递 函数eo/ei的值伴随力L的变化，即电感L的变化而改变。振幅检 测电路52检测该传递函数eo/ei的变化，构成传感器输出Vo。在像图7的实例那样设置多个线圈33的场合，传感器电路50也可针对各个线圈33而设置，但是，还可像图17所示的第1变 形实例那样，将各线圈33串联，通过一个传感器电路50检测。 另外，接近的各线圏33的缠绕方向的各个方向不同。通过像这样， 将线圈33串联，对作用于与各线圈33相对应的磁致伸缩部件31 的力进行平均处理，作为传感器输出Vo而取出。在该图16、图17的传感器电路50中，作用于磁致伸缩部件 31的力F和电感L之间的关系，以及上述力F和传感器输出Vo 之间的关系像图18(A)、 (B)所示的那样。在该场合，沿反向作用 力为对i兹致伸缩部件31施加压力的相对部与磁致伸缩部件31离 开，并且，由于无法检测，像该图那样施加初始预压量，由此， 即使在上述推力沿正反任意的方向作用的情况下，仍可通过初始 预压量时的传感器输出的有限差，检测推力。图19、图20表示采用图13的压敏电阻元件39的传感器18 的传感器电路53的第2变形实例。在该传感器电路53中，压敏 电阻元件39和固定电阻Rl的串联电路与电源61连接，从作为该 串联电路的中间的压l丈电阻元件39和固定电阻Rl之间的连4妻点 取出传感器输出Vo。在压敏电阻元件39中，像图20(A)所示的那样，伴随所施加 的力F的增加，电阻R减小。于是，上述串联电路的分压电阻比 增加，像图20(B)那样，随着力F的增加传感器输出Vo增加。沿反向作用力是指对压敏电阻元件39施加压力的相对部与压 敏电阻元件39离开，并且，压敏电阻元件39无法测定反力，但 是，像图20(A)、 (B)所示的那样，施加初始预压量，由此，该初 始预压量时的传感器输出的有差分，力F沿正反任意的方向作用， 即使在该情况下仍可进行测定。图21表示采用图13的压敏电阻元件39的传感器18的传感器电路54的第3变形实例。在该传感器电路54中，将运算放大 器0P1的反转输入端子和输出端子之间连接固定电阻R',压敏电 阻元件39的一端与反转输入端子连接，在另 一端施加一定电压V。在该传感器电^各54中，如果压敏电阻元件39的电阻为R, 则传感器输出Vo为-R'/Rx Vi。于是，像图22所示的那样，传感 器输出Vo伴随作用于压敏电阻元件39的力F的增加而增加。在像图13的实例那样，设置多个压敏电阻元件39的场合， 也可针对每个压敏电阻元件39设置传感器电路54,另外，还可像 图23的第4变形实例那样，将各压敏电阻元件39并联，连接于 运算放大器0P1和电源之间，通过一个传感器电路50检测。在此 场合，对作用于各位置的压敏电阻元件39上的力F进行平均处理， 出现在传感器输出Vo中。图24表示图2所示的控制器19的具体结构实例。该控制器 19为比如，针对图13的各压敏电阻元件39而设置传感器电路53 的场合的实例。各传感器电路53中所示出的带有括号的符号为区 分四个传感器电路53的符号。该图的传感器电路53也可为相对 图7的线圏33的传感器电路50等。各传感器电路53的输出通过均化电路55，进行算术平均处 理，通过在基准值设定机构56中设定的基准值和比较部57进行 比较，取其偏差。基准值为比如，相当于预压设定量的值。另夕卜， 比如，图13的温度传感器40的检测值经由温度检测电路58输入 到传感器补正量运算电路59中，通过该传感器补正量运算电路 59,输出与温度相对应的补正值。该补正值通过上述比较部57与 上述偏差进行加法运算。温度补正后的上述偏差通过PID补偿电路60进行对应于汽轮 机组件5而适当设定的比例、微分、积分动作的处理。PID补偿电路60的输出通过二极管61、 62,输入驱动各方向 的电磁铁17b 172的电源电路63、 64中。电磁铁17!、 172为与图 2所示的推力板13a面对的一对电磁铁17，仅仅作用有吸引力， 由此，预先通过二极管61、 62确定电流的方向，有选择地驱动两 个电-兹铁17!、 172。图25表示第6实施方式的汽轮机组件5。在该传感器组件5 中，针对图2所示的实例设置多个推力板13a,其由设置于主轴 13上的强磁性体形成。电磁铁17按照与各推力板13a的两个面面 对的方式，设置于主轴外壳14中。各电磁铁17像该图(B)所示的那样，分割为沿圆周方向并列 的多个电磁铁分割体17A、 17B。各电磁铁分割体17A、 17B分别 具有线圈17a和磁轭。通过该分割，可在设置多个推力板13a的 同时，进行装配。在该方案的场合，获得下述的作用。即，在汽轮机组件5中， 在空气压力的推力较大的场合，增加推力板13a的直径，增加电 磁铁17的力。但是，在高速旋转的场合，具有因离心力而破坏的 危险，增加推力板13a的直径受到限制。像图25的实例那样，在推力板13a为多个的场合，不产生离 心力造成的破坏的问题，可提高相对推力的支承力。图26表示第7实施方式的汽轮机组件5。在该汽轮机组件5 中，设置旋转驱动主轴13的电动机90。该电动机90由按照与电 磁铁17并列的方式设置，以设置于主轴外壳14上的定子91和设 置于主轴13上的转子92构成。定子91包括定子线圈91a，转子 92由磁铁等形成。电动机90的控制通过电动机控制器93进行。在该汽轮机组件5中，通过由膨胀汽轮机7产生的汽轮机叶 轮7a的驱动力与电动机90的驱动力，旋转驱动压缩机叶轮6a。由此，即使在没有由图1的鼓风机形成的预压缩机构2的情况下， 仍可进行压缩机6的旋转驱动。如上所述，参照附图，对优选实施例进行说明，但是如果是 本领域的普通技术人员，阅读本说明书之后，显而易见地容易想 到各种改变和修改的方案。于是，这样的改变和修改解释为由权利要求确定的发明的范 围内。
权利要求
1.一种空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其包括压缩机和膨胀汽轮机，上述压缩机的压缩机叶轮与上述膨胀汽轮机的汽轮机叶轮安装于共同的主轴上，通过由汽轮机叶轮产生的动力驱动压缩机叶轮，或者在安装有上述压缩机叶轮和汽轮机叶轮的共同的主轴上安装电动机转子，通过该电动机使上述主轴旋转，以使上述压缩机叶轮旋转；上述传感器设置于上述轴承的附近的静止侧，在上述传感器中，通过按压力使特性发生变化，该特性变化以可电子方式检测的传感元件围绕主轴轴心而沿圆周方向并列地设置，根据该多个传感元件的输出检测上述推力，该传感器介设于上述滚动轴承的外圈和支承上述外圈的主轴外壳之间。
2. 根据权利要求1所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其 中，上述传感器通过检测沿围绕主轴轴心的圆周方向并列设置的 多个磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件的导磁率，检测推力。
3. 根据权利要求2所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其 中，上述多个磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件夹持在由软质》兹性 材料形成的两个》兹扼部件之间。
4. 根据权利要求3所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其 中，在上述两个磁轭部件之间设置第2磁轭部件，其长度以微小 程度小于上述磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件，该第2磁轭部件 由软质磁性材料形成。
5. 根据权利要求2所迷的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其 中，在上述磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件的端面上，直接紧密 贴合地设置沿其厚度方向着^ 兹的永久,兹铁，该磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件和永久磁铁夹持于由软质材料形成的两个磁轭部件 之间。
6. 根据权利要求5所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其 中，在上述两个磁轭部件之间设置第2磁轭部件，其长度以微小 程度小于上述；兹致伸缩部件或超磁致伸缩部件和上述永久》兹铁重 合的长度，该第2磁轭部件由软质磁性材料形成。
7. 根据权利要求1所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其 中，上述传感器围绕磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件设置传感器 线圏，通过测定上述传感器线圏的电感，4全测上述》兹致伸缩部件 或超磁致伸缩部件的导》兹率。
8. 根据权利要求7所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其 中，设置多个上述传感器，该多个传感器的传感器线圈串联，对 上述各传感器线圏的输出进行平均处理。
9. 根据权利要求8所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其 中，上述传感器线圈与上述磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件分别 为偶数个，流过接近的各传感器线圈的电流为相互相反的方向。
10. 根据权利要求7所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，上述传感器采用上述传感器线圈的电感和单独设置的电容 器的共振，根据伴随上述电感的变化而改变的共振频率的变化， 测定上述电感变化。
11. 根据权利要求7所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，上述传感器除了设置上述传感器线圈以外，还围绕磁致伸 缩部件或超磁致伸缩部件而设置励磁线圈，在上述励石兹线圈中， 以一定频率流过一定振幅的交流励磁电流，4全测在上述传感器线 圈中励磁的电压，由此，测定推力。
12. 根据权利要求2所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其中，上述传感器采用霍尔传感器，检测伴随上述磁致伸缩部件 或超》兹致伸缩部件的导》兹率的变化而改变的》兹通密度，由此，测 定推力。
13. 根据权利要求1所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，上述传感器围绕磁致伸缩部件或超磁致伸缩部件，设置传 感器线圈，通过测定上述传感器线圏的电感，检测上述磁致伸缩 部件或超》兹致伸缩部件的导磁率，在上述》兹致伸缩部件或超》兹致 伸缩部件的周边设置温度传感器，设置通过该温度传感器的输出， 对上述电感的测定结果或上述导磁率的测定结果进行补正的机 构。
14. 根据权利要求1所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其中，上述传感器检测多个压敏电阻元件的电阻值变化。
15. 根据权利要求14所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，通过上述多个压敏电阻元件进行检测值的平均化处理。
16. 根据权利要求14所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，在上述压敏电阻元件的周边设置温度传感器，设置通过上 述温度传感器的输出，对上述压敏电阻元件的电阻值进行补正的 机构。
17. 根据权利要求14所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，设置按照在上述压敏电阻元件上的力的作用面的压力均匀 的方式夹持弹性体的机构。
18. 根据权利要求1所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，上述传感器由多个变形仪传感器构成。
19. 根据权利要求18所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，在上述变形仪传感器的周边设置温度传感器，设置通过该 温度传感器的输出，对上述变形仪传感器的变形量测定值进行补正的机构。
20. 根据权利要求1所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其中，上述传感器采用位移检测传感器代替采用通过按压力使特 性发生变化且其特性变化以可电子方式检测的传感元件的类型。
21. 根据权利要求20所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，上述位移检测传感器为磁式。
22. 根据权利要求1所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，的外圈与支承该外圈的主轴外壳之间。
23. 根据权利要求22所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，上述滚动轴承的外圈在固定状态嵌合的轴承外壳以可沿轴 向移动的方式嵌合于开设于主轴外壳上的内径孔中，上述传感器 介设于上述轴承外壳的幅面与固定于上述主轴外壳或该主轴外壳 上的部件之间。
24. 根据权利要求1所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，在上述传感器中外加第1弹簧部件的预压。
25 .根据权利要求24所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，上述第1弹簧部件的预压为通过上述压缩机和膨胀汽轮机 内的空气作用于上述主轴上的平均的推力以上的值。
26. 根据权利要求22所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，设置多个上述滚动轴承，在其中一个滚动轴承的附近设置 上述传感器，其它的滚动轴承按照可沿轴向移动的方式设置于主 轴外壳上，并且通过第2弹簧部件弹性地支承。
27. 根据权利要求26所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，上述第2弹簧部件介设于上述其它的滚动轴承的外圈与上 述主轴外壳之间，或固定上述其它的滚动轴承的外圈的部件与上述主轴外壳之间，或上述滚动轴承的内圏与上述主轴之间。
28. 根据权利要求26所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，在上述传感器中，外加第1弹簧部件的预压，上述第2弹 簧部件的弹簧常数小于上述第1弹簧部件。
29. 根据权利要求1所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，在上述主轴上设置多个由强磁性体形成的法兰状的推力板， 按照与各推力板的两侧的幅面相对的方式，上述电磁铁设置于主 轴外壳上。
30. 根据权利要求29所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，上述电磁铁分割为沿圆周方向并列的多个。
31. 根据权利要求30所述的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件， 其中，分割为多个的相应的电磁铁的极数、尺寸、内置的线圈的 匝数相同。
全文摘要
本发明涉及一种空气循环冷冻冷却用汽轮机组件。压缩机叶轮(6a)和汽轮机叶轮(7a)分别安装于主轴(13)的两端，通过汽轮机叶轮(7a)产生的动力驱动压缩机叶轮(6a)。主轴(13)通过滚动轴承(15、16)相对径向而支承。作用于主轴(13)上的推力通过电磁铁(17)而支承。设置检测通过压缩机(6)和膨胀汽轮机(7)内的空气，作用于主轴(13)上的推力的传感器(18)。在该传感器(18)中，通过按压力使特性发生变化，该特性变化以可电子方式检测的传感元件围绕主轴轴心的周围沿圆周方向并列而设置。传感器(18)根据该多个传感元件的输出，检测上述推力。
文档编号F16C39/00GK101248317SQ20068003091
公开日2008年8月20日 申请日期2006年8月23日 优先权日2005年8月25日
发明者中关嗣人, 尾崎孝美, 山田裕之 申请人:Ntn株式会社