[发明专利]空气循环冷冻冷却系统和其所采用的汽轮机组件

说明书

技术领域

本发明涉及一种空气循环冷冻冷却系统和该系统的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，其采用空气作为制冷剂，用于冷冻仓库、零度以下的低温室、空调等。

背景技术

作为制冷剂采用空气时，其环境保护、安全性的方面好于采用氟、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，在用于可直接吹入构成制冷剂的空气的设施的场合，通过采取省略库内风扇、除霜器等的措施，具有将总成本下降到与已有系统同等的可能性。目前，已从环境方面对制冷剂采用氟的情况进行了限制，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1，非专利文献1)。

另外，人们提到，在-30℃～-60℃的深冷(deep·cold)领域，空气冷却的理论效率大于氟、氨气(非专利文献1)。但是，也记载有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：日本特许第2623202号公报

专利文献2：日本特开平7-91760号公报

专利文献3：日本特开平8-261237号公报

非专利文献1：杂志，ニツケイメカニカル(日经机械)，“空気で空気を冷やす”(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，为了在深冷领域，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。

压缩机、膨胀汽轮机采用像上述那样，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。空气循环冷冻冷却系统中的汽轮机组件的主轴的旋转速度为1分钟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，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2中公开的技术不能解决相对该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的磁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，对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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空气循环冷冻冷却系统和该系统中的空气循环冷冻冷却用汽轮机组件，在该空气循环冷冻冷却系统中，可微小地保持汽轮机组件的各叶轮和外壳之间的间隙，获得稳定的高速旋转，获得较高的压缩和膨胀的效率，并且谋求支承汽轮机组件的主轴的轴承的长期耐久性提高、寿命的提高、谋求系统的可靠性的提高。

本发明的第1方案的空气循环冷冻冷却系统，对流入空气，通过汽轮机组件中的压缩机(离心压缩机)进行压缩和通过上述汽轮机组件中的膨胀汽轮机(半径流汽轮机)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的汽轮机叶轮安装于共同的主轴上，通过轴承以可旋转的方式支承上述主轴，通过电磁铁，支承作用于该主轴上的推力的一部分或全部。