JP2000104698A - 圧縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 設置スペースの削減を可能ならしめる圧縮装
置を提供する。 【解決手段】 増速機２のブルギヤ４に噛合するピニオ
ンギヤ５を有するピニオン軸６の端部に１段ターボ圧縮
機の１段インペラ１１ａと２段ターボ圧縮機の２段イン
ペラ１２ａとを直に嵌着し、また上記ブルギヤ４に噛合
するピニオンギヤ７を有するピニオン軸８の端部に３段
ターボ圧縮機の３段インペラ１３ａと膨張タービン１６
のタービンインペラ１６ａとを直に嵌着すれば、圧縮装
置１がコンパクトになるので、その設置スペースの削減
が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動モータで、ま
たは電動モータと蒸気またはガスで駆動されるタービン
の出力とで駆動されるコンパクトな圧縮装置の技術分野
に属する。

【０００２】

【従来の技術】遠心圧縮機と駆動機である膨張タービン
とを組合わせた圧縮装置では、回収した蒸気やガス圧力
で膨張タービンを運転することにより、この圧縮装置を
駆動する動力の一部として活用する技術が知られてい
る。このような従来例１に係る技術では、遠心圧縮機と
膨張タービンとでは、それらの設計点における回転数等
が異なるために、これら遠心圧縮機と膨張タービンとは
別置きされるのが一般的で、遠心圧縮機を回転させる増
速機のブルギヤを回転させる電動モータの出力軸に、減
速機を介して膨張タービンの回転軸を接続することによ
り、この電動モータの駆動力を低減させるように構成さ
れていた。

【０００３】ところが、この従来例１に係る圧縮装置で
は、上記のとおり、ブルギヤを回転させる軸に駆動力を
伝達する電動モータの出力軸に、減速機を介して膨張タ
ービンの回転力を伝達する構成であるために、別途減速
機を用意する必要があるのに加えて、大容量の潤滑油装
置も必要とするため不経済であり、また減速機の機械損
失もあり、それほど大きな動力低減効果が期待できない
という解決すべき課題があった。このような実情に鑑
み、膨張タービンの出力を減速機を介さずに、圧縮機を
回転させる増速機に伝達して電動モータの動力を低減す
るようにした技術が、例えば実公平１−２１１９４号公
報において提案されている。

【０００４】以下、上記従来例２に係る寒冷発生装置
を、その平面図の図９（ａ）と、その正面図の図９
（ｂ）と、その左側面図の図９（ｃ）と、空気のフロー
説明図の図１０とを参照しながら説明する。

【０００５】図９，１０に示す符号１０１は寒冷発生装
置で、この寒冷発生装置１０１は共通台盤１０９の上に
ツインピニオン形増速機１０２と電動機Ｍと膨張タービ
ンＥとが配設されてなる構成になっている。より詳しく
は、上記ツインピニオン形増速機１０２は、ブルギヤ１
０３の両側に２個のピニオン軸１０６，１０７が配さ
れ、上記ブルギヤ１０３のブルギヤ軸１０４に継手１０
５を介して電動機Ｍの出力軸が接続されている。図１０
における下側のピニオン軸１０６の端部には第１段ター
ボ形圧縮機Ｃ₁ と第２段ターボ形圧縮機Ｃ₂ とがそれぞ
れ接続されると共に、図１０における上側のピニオン軸
１０７の一端部には継手１０８を介して、第１段ターボ
形圧縮機Ｃ₁ と第２段ターボ形圧縮機Ｃ₂ との駆動力を
補充する膨張タービンＥが接続されている。第１段ター
ボ形圧縮機Ｃ₁ の入口には空気を供給するダクト１１５
が連通すると共に、この第１段ターボ形圧縮機Ｃ₁ の出
口が管路１１６、第１段冷却器Ｋ₁ および管路１１７を
介して第２段ターボ形圧縮機Ｃ₂ の入口に連通してい
る。さらに、第２段ターボ形圧縮機Ｃ₂ の吐出口１１８
は、管路１１９、第２段冷却器Ｋ₂ 、管路１２４、乾燥
機Ｄおよび管路１２５を介して上記膨張タービンＥのガ
ス入口に連通している。

【０００６】なお、符号１１０は電動機１１１により駆
動されて、共通台盤１０９内に設けられている図示しな
い油タンク内の潤滑油を送るための給油装置の油ポン
プ、符号１１２は油ポンプ１１０から吐出される潤滑油
を濾過する濾過器、符号１１３は油ポンプ１１０から吐
出された潤滑油を冷却する油クーラ、符号１１４は共通
台盤１０９内部に発生するオイルミストから油分を吸収
分離して空気のみ大気中へ放出する排煙ファン、符号１
２０は第２段冷却器Ｋ₂ へのプロセス空気の入口、符号
１２１は第２段冷却器Ｋ₂ からのプロセス空気の出口、
符号１２２は乾燥機Ｄで乾燥されたドライエアの膨張タ
ービンＥへの入口である。

【０００７】以上の説明から良く理解されるように、上
記膨張タービンＥが回転することにより、第１段ターボ
形圧縮機Ｃ₁ と第２段ターボ形圧縮機Ｃ₂ とにより２段
圧縮された圧縮空気が製造される。このようにして回転
される膨張タービンＥの出力が継手１０８を介してピニ
オン軸１０７に伝達され、そして継手１０５を介して軸
１０４、つまりブルギヤ１０３を駆動する電動機Ｍの出
力を低減させる。一方、膨張タービンＥを回転させた後
の圧縮空気は断熱膨張して寒冷を発生し出口１２３から
プロセス空気として吐出され、所要の消費地に送給され
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例２に係る寒
冷発生装置では、膨張タービンがピニオン軸に連結され
ていて、増速機を減速機としての働きをさせる構成であ
る。従って、従来例１に係る圧縮装置のように、タービ
ンの回転力を減速機を介してブルギヤを回転させる電動
モータに伝達する構成でなく、別途減速機を用意する必
要がないので極めて経済的であり、そして減速機の機械
損失もなくなるので、極めて有用である。しかしなが
ら、寒冷発生装置は、上記のとおり、ピニオン軸１０７
と膨張タービンＥとが継手１０８を介して接続されてい
るため、その設置専有面積の省スペース化が不十分で、
さらなる省スペース化が要求されていた。また、ターボ
形圧縮機のインペラの背面側への圧縮空気の漏出や、膨
張タービンのインペラの背面側への蒸気またはガスの漏
出があるため、ターボ形圧縮機の圧縮効率や膨張タービ
ンの出力効率のさらなる向上が期待できないという解決
すべき課題もあった。

【０００９】従って、本発明の目的とするところは、設
置専有面積の削減を可能ならしめると共に、遠心圧縮機
の圧縮効率やタービンの出力効率の向上を可能ならしめ
る圧縮装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１に係る圧縮装置が採用した手段
は、ブルギヤに二つ以上のピニオンギヤが噛合して形成
される増速機を有し、この増速機のピニオンギヤのピニ
オン軸の端部に遠心圧縮機のインペラが直に取付けられ
ると共に、少なくとも一つのピニオン軸の一端にタービ
ンが接続されてなる圧縮装置において、上記タービンの
インペラがピニオン軸の端部に直結されてなることを特
徴とする。

【００１１】本発明の請求項２に係る圧縮装置が採用し
た手段は、請求項１に記載の圧縮装置において、上記遠
心圧縮機のインペラおよび／または上記タービンのイン
ペラの背面側に、上記インペラに作用するスラスト力を
低減するスラスト力低減機構を設けたことを特徴とす
る。

【００１２】本発明の請求項３に係る圧縮装置が採用し
た手段は、請求項２に記載の圧縮装置において、上記ス
ラスト力低減機構が筒状突起にて構成され、この筒状突
起の外周またはこの筒状突起が挿通される背面リングの
内周に、ラビリンスを形成したことを特徴とする。

【００１３】本発明の請求項４に係る圧縮装置が採用し
た手段は、請求項１，２または３のうちの何れか１つの
項に記載の圧縮装置において、上記スラスト力低減機構
よりもピニオンギヤ側寄りのピニオン軸の周囲に軸シー
ル機構を設けたことを特徴とする。

【００１４】本発明の請求項５に係る圧縮装置が採用し
た手段は、請求項４に記載の圧縮装置において、上記タ
ービンのインペラの背面側に配設された軸シール機構
が、気体を抽出する抽気流路と、この抽気流路よりもピ
ニオンギヤ寄りに位置する空気流入路とを備えてなるこ
とを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態１に係
る圧縮装置を、その平面図の図１と、その正面図の図２
と、その左側面図の図３と、その模式的平面断面図の図
４と、その膨張タービン部断面図の図５と、図５のＡ部
拡大図の図６（ａ）、図６（ａ）の変形例を示す図の図
６（ｂ）と、図５のＢ部拡大図の図６（ｃ）とを順次参
照しながら説明する。

【００１６】図１乃至４に示す符号１は、圧縮装置で、
この圧縮装置１は、台盤９の上に後述するツインピニオ
ン形の増速機２と、後述する圧縮機であるターボ圧縮機
と駆動機である膨張タービンとに潤滑油を供給する潤滑
油ユニット１０とが配設されてなる構成になっている。
上記増速機２には、図４に示すように、必要に応じて継
手を介して電動機の出力軸が接続されるために一方が突
出し、ブルギヤ３を備えたブルギヤ軸４と、このブルギ
ヤ３の一方側の下側で噛合するピニオンギヤ５を備えた
後述するピニオン軸６と、他方側の上側で噛合するピニ
オンギヤ７を備えた後述するピニオン軸８とが配設され
ている。

【００１７】上記ピニオン軸６の図４における左側の先
端には１段ターボ圧縮機１１の１段インペラ１１ａが直
に嵌着されると共に、右側の先端には２段ターボ圧縮機
１２の２段インペラ１２ａが直に嵌着されている。ま
た、上記ピニオン軸８の図４における左側の先端には３
段ターボ圧縮機１３の３段インペラ１３ａが直に嵌着さ
れると共に、右側の先端には膨張タービン１６のタービ
ンインペラ１６ａが直に嵌着されている。なお、この膨
張タービン１６は圧力蒸気の流入により運転されるラジ
アルタービンである。

【００１８】上記台盤９の一方の側面側に、図１乃至図
３に示すように、１段冷却器１７が配設されている。こ
の１段冷却器１７には、空気流入管路１９を通して流入
する空気を１段圧縮する１段ターボ圧縮機１１から１段
圧縮空気流出管路２０が連通し、１段ターボ圧縮機１１
で圧縮された１段圧縮空気がこの１段冷却器１７で冷却
されるようになっている。また、この台盤９の他方の側
面側に２段冷却器１８が配設されている。この２段冷却
器１８には、上記１段冷却器１７から２段圧縮用空気流
入管路２１、２段ターボ圧縮機１２を介して２段圧縮空
気流出管路２２が連通しており、２段ターボ圧縮機１２
で圧縮された２段圧縮空気がこの２段冷却器１８で冷却
されるようになっている。さらに、この２段冷却器１８
から３段ターボ圧縮機１３には３段圧縮用空気流入管路
２３が連通しており、上記２段ターボ圧縮機１２で圧縮
されると共に２段冷却器１８で冷却された２段圧縮空気
がこの３段ターボ圧縮機１３により３段圧縮されて３段
圧縮空気流出管路２４を通して流出するようになってい
る。

【００１９】そして、膨張タービン１６のタービンイン
ペラ１６ａの背面側には、後述する構成になるスラスト
力低減機構３０が設けられている。このスラスト力低減
機構は、図５、図６（ａ），（ｂ）に示すように構成さ
れている。即ち、上記タービンインペラ１６ａの背面側
には、上記膨張タービン１６のケーシングに取付けら
れ、上記ピニオン軸８の外径よりも大径のシール用穴を
有する背面リング３１が配設されている。また、タービ
ンインペラ１６ａの背面には、このタービンインペラ１
６ａの外径よりも小径の外径を有し、かつ外周にラビリ
ンス３３が形成されると共に、上記背面リング３１のシ
ール用穴に嵌り込む筒状突起３２が突設されてなる構成
になっている。

【００２０】ところで、筒状突起３２の外径、つまりラ
ビリンス３３の先端の外径は、上記のとおり、タービン
インペラ１６ａの外径よりも小径の外径になるように設
定されている。これは、圧力蒸気の流入によるタービン
インペラ１６ａの回転で生じるピニオンギヤ側向きのス
ラスト力と、タービンインペラ１６ａの背面側に回込ん
だ一部の高圧の圧力蒸気と、筒状突起の内側の空間に均
圧穴を通じて満たされる低圧の圧力蒸気とによるタービ
ンインペラ１６ａ側向きのスラスト力との大小を考慮、
つまりピニオン軸８に生じるスラスト力の低減を考慮し
て設定したものである。また、この実施の形態１の場合
には、タービンインペラ１６ａの背面側に回込んだ圧力
蒸気の漏出がこのスラスト力低減機構３０のラビリンス
３３で防止されると共に、このラビリンス３３を通り抜
けて低圧となった圧力蒸気の漏出がさらに後述する軸シ
ール機構３４で防止されるというように、２段構えで防
止されるように構成されている。

【００２１】上記軸シール機構３４は、この実施の形態
１においては、図６（ｃ）に示すように、ピニオン軸８
に焼嵌め等により一体的に外嵌されたスリーブ３５と、
ケーシングに付設され、このスリーブ３５が貫通する第
１リング部材３６と、第２リング部材３７とにより構成
されている。なお、上記スリーブ３５の外周にはラビリ
ンスが形成されており、第１リング部材３６と、第２リ
ング部材３７との間には抽気流路３８が設けられ、また
第２リング部材３７を貫通して気体流入路３９が設けら
れている。つまり、気体流入路３９から乾燥空気を供給
し、上記第１リング部材３６から漏出する微量の蒸気を
抽気流路３８から乾燥空気と共に外部に放出することに
より、上記第１リング部材３６からピニオンギヤ側方向
への蒸気の流入を遮断するように構成されている。

【００２２】以下、上記構成になる圧縮装置１の作用態
様を説明すると、圧力蒸気の量が十分である場合には、
この圧縮装置１は膨張タービン１６だけの駆動力で安定
運転することができ、また圧力蒸気の量が不十分である
場合には、ブルギヤ軸４に図示しない電動モータの出力
軸を継手を介して接続し、膨張タービン１６または電動
モータのうち、何れか一方を補完駆動源として併用する
ことにより安定運転することができる。そして、この圧
縮装置１によれば、従来例２に係る寒冷発生装置の場合
と同様に、増速機２を減速機としての働きをさせる構成
で別途減速機を用意する必要がないので経済的であり、
さらに減速機の機械損失もなくなるのに加えて、ピニオ
ン軸８の先端に膨張タービン１６のタービンインペラ１
６ａが直に嵌着されているので、従来例２に係る寒冷発
生装置の場合よりもその専有面積を省スペース化するこ
とができる。また、膨張タービン１６のタービンインペ
ラ１６ａの背面側への圧力蒸気の漏出が２段構えで防止
されるため、膨張タービン１６の出力効率のさらなる向
上が可能になる。

【００２３】なお、本実施の形態１において、タービン
インペラ１６ａの背面側にスラスト低減機構となる筒状
突起３２、さらにその外周にラビリンス３３が形成され
てなる構成のものを示したが、本発明はこれに限るもの
でなく、これに準じる構成のものが各段のターボ圧縮機
１１，１２，１３の各段のインペラ１１ａ，１２ａ，１
３ａそれぞれの背面側に形成されていても良い。この場
合には、各段のターボ圧縮機１１，１２，１３の各段の
インペラ１１ａ，１２ａ，１３ａに作用するスラスト力
の低減や、その背面側への圧縮空気の漏出防止が可能に
なる。また、上記スラスト力低減機構３０に設けられる
ラビリンス３３に代え、図６（ｂ）に示すように、筒状
突起３１が挿通される背面リング３１の内周にラビリン
ス３３ａを設けても良い。

【００２４】本発明の実施の形態２に係る圧縮装置を、
その模式的平面外観図の図７（ａ）を参照しながら説明
すると、この圧縮装置１はピニオン軸６の先端に１段タ
ーボ圧縮機１１と２段ターボ圧縮機１２とを取付けると
共に、ピニオン軸８の先端に膨張タービン１４，１４を
取付けたもので、他は上記実施の形態１と全く同構成に
なるものである。

【００２５】この実施の形態２に係る圧縮装置１の場合
は、３段ターボ圧縮機を膨張タービン１６に置換しただ
けの構成であるから、上記実施の形態１と同効である。
ところで、本実施の形態２に係る圧縮装置１は、２台の
膨張タービン１６で駆動する構成であるため、圧力蒸気
の量が少なくても大きな駆動力を得ることができるの
で、電動モータの負荷を低減することができる。

【００２６】本発明の実施の形態３に係る圧縮装置を、
その模式的平面外観図の図７（ｂ）を参照しながら説明
すると、この圧縮装置１はピニオン軸６の先端に１段タ
ーボ圧縮機１１と膨張タービン１６とを取付けると共
に、ピニオン軸８の先端に膨張タービン１６，１６を取
付けた構成になるもので、他は全く同構成である。

【００２７】従って、本実施の形態３に係る圧縮装置１
によると、上記のとおり、３台の膨張タービン１６，１
６，１６で駆動する構成であるため、圧力蒸気の量が少
なくても大きな駆動力が得られるという点で上記実施の
形態２に係る圧縮装置１よりも優れている。

【００２８】本発明の実施の形態４に係る圧縮装置を、
その模式的平面外観図の図８（ａ）と、図８（ａ）のＣ
矢視図の図８（ｂ）とを参照しながら説明すると、ブル
ギヤに噛合するピニオンギヤを有するピニオン軸を３つ
とし、一つのピニオン軸の先端に５段ターボ圧縮機１５
と膨張タービン１６とを取付け、他のピニオン軸の先端
に３段ターボ圧縮機１３と４段ターボ圧縮機１４とを取
付けると共に、もう１つの他のピニオン軸の先端に１段
ターボ圧縮機１１と２段ターボ圧縮機１２とを取付けた
構成にしたものである。つまり、上記実施の形態１に２
台のターボ圧縮機を追加した構成である。

【００２９】従って、本実施の形態４に係る圧縮装置１
によれば、上記実施の形態１と同様に、圧力蒸気の量が
十分である場合には、この圧縮装置１は膨張タービン１
６だけの駆動力で安定運転することができ、また圧力蒸
気または圧力ガスの量が不十分である場合には、図示し
ないブルギヤ軸に電動モータの出力軸を継手を介して接
続し、膨張タービン１６または電動モータのうち、何れ
か一方を補完駆動源として併用することにより安定運転
することができるので、本実施の形態４は上記実施の形
態１と同効である。

【００３０】

【発明の効果】以上のとおり、本発明の請求項１に係る
圧縮装置によれば、タービンのインペラがピニオン軸の
端部に直結されていて、ピニオン軸と膨張タービンとが
継手を介して接続されている従来例２に比較して、その
専有面積が少なくて済むので、従来例２よりも狭いスペ
ースに設置することができる。

【００３１】また、本発明の請求項２に係る圧縮装置に
よれば、請求項１に係る圧縮装置に、さらに遠心圧縮機
のインペラおよび上記タービンのインペラの背面側に、
上記インペラに作用するスラスト力を低減するスラスト
力低減機構を設けたので、上記請求項１に係る圧縮装置
の効果に加えて、軸受部分の負担増加等の不具合を回避
することができる。また、請求項３に係る圧縮装置によ
れば、請求項１または２に係る圧縮装置の効果に加え
て、遠心圧縮機のインペラ背面側への圧縮空気の漏出
や、タービンのインペラの背面側への蒸気の漏出が防止
され、遠心圧縮機の圧縮効率のさらなる向上と、タービ
ンの出力効率のさらなる向上とが可能になるという優れ
た効果がある。

【００３２】また、本発明の請求項４および５に係る圧
縮装置によれば、請求項１，２または３の何れか一つの
項に記載の圧縮機の効果に加えて、圧縮空気の漏出や圧
力上記の漏出を２段構えで防止することになり、より確
実に請求項１，２または３の何れか一つの項に記載の圧
縮機の効果を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る圧縮装置の平面図
である。

【図２】本発明の実施の形態１に係る圧縮装置の正面図
である。

【図３】本発明の実施の形態１に係る圧縮装置の左側面
図である。

【図４】本発明の実施の形態１に係る圧縮装置の模式的
平面断面図である。

【図５】本発明の実施の形態１に係る圧縮装置の膨張タ
ービン部断面図である。

【図６】本発明の実施の形態１に係り、図６（ａ）は図
５のＡ部拡大図、図６（ｂ）は図６（ａ）の変形例を示
す図、図６（ｃ）は図５のＢ部拡大図である。

【図７】図７（ａ）は本発明の実施の形態２に係る圧縮
装置の模式的平面外観図、図７（ｂ）は本発明の実施の
形態３に係る圧縮装置の模式的平面外観図である。

【図８】本発明の実施の形態４に係り、図８（ａ）は圧
縮装置の模式的平面外観図、図８（ｂ）は図８（ａ）の
Ｃ矢視図である。

【図９】従来例２に係り、図９（ａ）は寒冷発生装置の
平面図、図９（ｂ）は寒冷発生装置の正面図、図９
（ｃ）は寒冷発生装置の左側面図である。

【図１０】従来例２に係り、寒冷発生装置の空気のフロ
ー説明図である。

【符号の説明】

１…圧縮装置 ２…増速機 ３…ブルギヤ ４…ブルギヤ軸 ５…ピニオンギヤ ６…ピニオン軸 ７…ピニオンギヤ ８…ピニオン軸 ９…台盤 １０…潤滑油ユニット １１…１段ターボ圧縮機，１１ａ…１段インペラ １２…２段ターボ圧縮機，１２ａ…２段インペラ １３…３段ターボ圧縮機，１３ａ…３段インペラ １４…４段ターボ圧縮機 １５…５段ターボ圧縮機 １６…膨張タービン，１６ａ…タービンインペラ １７…１段冷却器 １８…２段冷却器 １９…空気流入管路 ２０…１段圧縮空気流出管路 ２１…２段圧縮用空気流入管路 ２２…２段圧縮空気流出管路 ２３…３段圧縮用空気流入管路 ２４…３段圧縮空気流出管路 ３０…スラスト力低減機構 ３１…背面リング ３２…筒状突起 ３３，３３ａ…ラビリンス ３４…軸シール機構 ３５…スリーブ ３６…第１リング部材 ３７…第２リング部材 ３８…抽気流路 ３９…気体流入路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ブルギヤに二つ以上のピニオンギヤが噛
   合して形成される増速機を有し、この増速機のピニオン
   ギヤのピニオン軸の端部に遠心圧縮機のインペラが直に
   取付けられると共に、少なくとも一つのピニオン軸の一
   端にタービンが接続されてなる圧縮装置において、上記
   タービンのインペラがピニオン軸の端部に直結されてな
   ることを特徴とする圧縮装置。
2. 【請求項２】 上記遠心圧縮機のインペラおよび／また
   は上記タービンのインペラの背面側に、上記インペラに
   作用するスラスト力を低減するスラスト力低減機構を設
   けたことを特徴とする請求項１に記載の圧縮装置。
3. 【請求項３】 上記スラスト力低減機構が筒状突起にて
   構成され、この筒状突起の外周またはこの筒状突起が挿
   通される背面リングの内周に、ラビリンスを形成したこ
   とを特徴とする請求項２に記載の圧縮装置。
4. 【請求項４】 上記スラスト力低減機構よりもピニオン
   ギヤ側寄りのピニオン軸の周囲に軸シール機構を設けた
   ことを特徴とする請求項１，２または３のうちの何れか
   １つの項に記載の圧縮装置。
5. 【請求項５】 上記タービンのインペラの背面側に配設
   された軸シール機構が、気体を抽出する抽気流路と、こ
   の抽気流路よりもピニオンギヤ寄りに位置する空気流入
   路とを備えてなることを特徴とする請求項４に記載の圧
   縮装置。