JP2001173590A

JP2001173590A - ターボ形遠心圧縮機

Info

Publication number: JP2001173590A
Application number: JP35547999A
Authority: JP
Inventors: Haruo Miura; 治雄三浦; Hisanori Tani; 尚紀谷; Naohiko Takahashi; 直彦高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、コストダウンと高性能化の両立を図
った、高速モータ直接駆動による遠心圧縮機を提供する
ものである。【解決手段】回転軸の少なくとも一方の端部に羽根車を
取り付けて圧縮機段を形成し、この回転軸の中間部に形
成された電動機部により直接羽根車を高速駆動する遠心
圧縮機において、前記回転軸支持のために、ラジアル軸
受に気体軸受を、スラスト軸受に能動型磁気軸受を使用
する事を特徴とする遠心圧縮機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動機軸に羽根車
を直接取り付けた、直接駆動式の遠心圧縮機に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】工場空気源等に用いられる２段の遠心圧
縮機をコンパクト化するために、電動機軸の両端に羽根
車を取り付け、増速機を介さずに直接羽根車を駆動する
ように構成した遠心圧縮機の例が、特表平8−501367 号
公報に開示されている。この公報に記載されている遠心
圧縮機においては、電動機軸を支持するために、ラジア
ル軸受及びスラスト軸受にティルティングパッドジャー
ナル軸受を採用している。

【０００３】一方、電動機軸の両端に羽根車を取り付
け、増速機を介さずに直接羽根車を駆動するように構成
した遠心圧縮機の例が、特開平10−259796号公報に開示
されている。この公報においては、ラジアル軸受及び、
スラスト軸受に能動型磁気軸受を採用した例が提案され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば上記
特開平10−259796号公報に開示された遠心圧縮機におい
ては、直接駆動式電動機によってオイルフリーは達成さ
れるものの、ラジアル軸受及びスラスト軸受に能動型磁
気軸受を採用しているため、イニシャルコストの面で多
少の難点がある。能動型磁気軸受は構造が複雑であるた
め、製作工程が非常に多くなり、必然的に価格が高くな
る。また、能動型磁気軸受を使用するには、圧縮機本体
とは別に磁気軸受制御盤が必要となるため、それに伴う
コスト増及び、設置面積の増大の問題がある。

【０００５】また、上記特表平8−501367 号公報に開示
されている遠心圧縮機の場合、ラジアル軸受及び、スラ
スト軸受共に気体軸受を採用しているが、スラスト軸受
に気体軸受を採用するに当たっては、いくつかの制約が
出てくる。気体軸受は、磁気軸受と比較した場合コスト
面では有利である。しかし、許容できるスラスト面圧に
関しては磁気軸受の方が大きい。一般に、高速遠心圧縮
機のスラスト軸受は、材料強度の問題からスラストディ
スクの周速に限界がある。ディスク周速を限界以内に抑
えるためには、スラストディスクの外径を小さくする
か、運転回転数を低くすることが考えられる。

【０００６】上記特表平8−501367 号公報に開示されて
いる遠心圧縮機の例は、吐出風量０.２８kg／ｓと記述
されていることから考えると、モータ出力は１００ｋＷ
以下だと考えられる。このようにモータ出力１００ｋＷ
以下の小出力遠心圧縮機の場合は、モータが小形である
ためスラストディスクの外径を大きくせずに、気体軸受
を使用するに十分なスラストディスク面積がとれるた
め、容易に気体軸受を使用することができると考えられ
る。

【０００７】しかし、１００ｋＷを超える機械でスラス
ト軸受に気体軸受を採用しようとした場合、モータが大
きくなり、圧縮機の吐出風量等が増大するにしたがっ
て、スラストディスクの必要面積が増えていく、つまり
外径が大きくなってしまうために、運転回転数を低くし
てディスクの周速を抑えなければならない。このディス
ク周速を抑え、運転回転数を下げるということは、遠心
圧縮機の高効率化のために高速回転が必要であることと
矛盾してしまう。また、回転数を下げることによって周
速を抑えて、かつ吐出圧と吐出流量を確保するために
は、羽根車を大きくするか、羽根車枚数を増やす、例え
ば、一方の軸端に１枚、他方の軸端に２枚設置すること
が必要となる。

【０００８】しかし、羽根車の大きさもスラストディス
クと同様に、周速と材料強度の問題から限定されてしま
う。また、軸端に羽根車を２枚設置すると、ラジアル軸
受端部からのオーバーハング量が大きくなってしまい、
回転軸の危険速度が低下する、つまり曲げ１次の危険速
度が低下することになる。ラジアル軸受として気体軸受
を採用した遠心圧縮機では、運転回転数が曲げ１次の危
険速度を超えることは困難であるので、さらに運転回転
数が低くなってしまう。以上の理由により、スラスト軸
受に気体軸受を採用することは難しいと考える。

【０００９】本発明の目的は、コストダウンと省スペー
ス化の両立を図った、高速モータ直接駆動による遠心圧
縮機を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を踏まえて、
本発明では、ラジアル軸受として気体軸受，スラスト軸
受としては能動型磁気軸受を採用するものである。

【００１１】気体軸受用に用いる流体は、負荷運転時に
は２段吸込み部から抽出した取扱い流体を、無負荷運転
時には吐出冷却器出口から抽出した取扱い流体を使用す
るものである。また、本発明の遠心圧縮機の他にも数台
の圧縮機を工場用等の空気源として用いており、それら
の吐出空気をタンク等に集めている場合には、そのタン
ク後のラインから気体軸受用流体を抽出することもでき
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００１３】本発明の遠心圧縮機の第１の問題は、気体
軸受に使用する流体の確保である。圧縮機吐出流体を気
体軸受に使用する場合、負荷運転時と無負荷運転時の吐
出圧力の違いが問題となる。

【００１４】図１は、本発明の回転軸両端に羽根車を装
着した２段遠心圧縮機の一実施例の概略構造断面図であ
る。本実施例における遠心圧縮機では、１段圧縮機１
ａ，２段圧縮機１ｂとも回転軸心方向端面をヘッドカバ
ー４，５によって軸方向から閉止するとともに、該ヘッ
ドカバーは吸い込み、吐出静止流路壁面をも形成する。
電動機２は回転子６ａと電動機ステータ８から構成され
ている。電動機ステータ８の外周には電動機ステータ８
で発生する銅損，鉄損あるいは、回転子６ａとの間に発
生する風損の一部を冷却するために、冷却ジャケット３
が装着され、該冷却ジャケットは圧縮機ケーシングに保
持されている。

【００１５】また、電動機ステータ８及び、回転子６ａ
間のギャップに冷却用流体を導通するため、回転子冷却
用流体の電動機ケーシング部吹き込み溝１３ａ及び、同
冷却用流体の電動機ステータ部通路１３ｂを設けてい
る。回転軸６は、中央の電動機回転子６ａの他に、両端
に１段羽根車７ａ及び、２段羽根車７ｂを装着してい
る。該回転軸は、ラジアル気体軸受９ａ，９ｂによって
ラジアル方向に、スラスト磁気軸受１０ａ，１０ｂによ
って軸方向に支承され、電動機２により高速回転する。

【００１６】上記ラジアル気体軸受９ａ，９ｂは、ラジ
アル軸受ハウジング１１ａ，１１ｂによって保持され、
気体軸受用流体のハウジング部通路１２ａ，１２ｂより
導通した流体及び、自己生成した流体によって回転軸を
浮上させる、動圧静圧のハイブリッド型気体軸受であ
る。上記スラスト磁気軸受は能動型であり、制御のため
にスラスト磁気軸受用センサ１４を設けている。また、
スラスト軸受にて発生する熱を除去、冷却するために
は、回転子冷却用流体の電動機ケーシング部吹き込み溝
１３ａより導通した冷却用流体及び、気体軸受用流体の
ハウジング部通路１２ｂより導通した冷却用流体を導通
する形状となっている。本実施形態では、ハイブリッド
型気体軸受の例を示したが、静圧気体軸受や動圧気体軸
受でも良いことは言うまでもない。

【００１７】次に、冷却空気及び、気体軸受用流体の吹
き込み方法について述べる。図２は、本発明の遠心圧縮
機の配管フローを表している。一体ケーシング１ａ，１
ｂ，２の中に、羽根車７ａ，７ｂを装着した回転軸６が
ある。１段吸込みノズル１，から吸込まれた流体は、１
段圧縮機で圧縮され、中間冷却器１６で冷却された後、
２段吸込みノズル１７から吸込まれて更に２段圧縮機で
圧縮され、吐出冷却器１８で冷却されてから、逆止弁１
９を通ってプラントへ圧送される。ここで、冷却用流体
及び、気体軸受用流体は、中間冷却器１６から２段吸込
みノズル１７の間から抽出し、フィルタ２０及び、逆止
弁２１を通って気体軸受用流体導通部２２ａ，２２ｂに
接続され、また、電動機冷却孔２３に接続されている。

【００１８】気体軸受用流体は、接続前に減圧弁２６を
通り、規定の圧力まで減圧してから導通する。なお、圧
縮機無負荷運転中時等、放風弁２７が開いている時は、
中間冷却器１６から抽出した流体の圧力が低下してしま
う。このような場合には、冷却用流体及び、気体軸受用
流体は、吐出冷却器１８の後から流体を抽出し、フィル
タ２８及び、ＯＮ／ＯＦＦ弁２９を通って中間冷却器１
６からのラインに接続する。

【００１９】また、吐出冷却器１８から出て逆止弁１９
を通った後の流体を、減圧弁３０及び、フィルタ３１を
通した後電磁弁３２へ導き、吐出圧力が既定値に達した
場合に放風弁２７を開放する。無負荷運転時の冷却用流
体のライン上にあるＯＮ／ＯＦＦ弁２９は、電磁弁３３
によってコントロールされる。

【００２０】また、圧縮機を数台使用し、圧縮機流体を
タンク２４に集めて使用している場合には、気体軸受用
流体をタンク２４より後のラインから抽出し、フィルタ
２５及び、ＯＮ／ＯＦＦ弁３４を通した後に減圧弁２６
へと導通する場合もある。この場合、ＯＮ／ＯＦＦ弁３
４は、電磁弁３５によってコントロールされる。

【００２１】また、上記の冷却用流体及び、気体軸受用
流体は、それぞれフィルタを通してから圧縮機内に導通
しているため、清浄な流体が冷却及び軸受に使用される
ので、圧縮機内部の汚れを防止することができ、メンテ
ナンスフリーが実現できる。

【００２２】また、気体軸受用として吐出流体を採用す
るので、気体軸受用の空気源を別途設置する必要がな
い。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の遠心圧縮機
によれば、ラジアル軸受に気体軸受を採用することで低
コスト化が図られ、スラスト軸受に能動型磁気軸受を採
用することによってスラストディスク外径が小さくな
り、高速運転が可能となるため、要求吐出圧並びに要求
吐出流量が達成できる高効率な遠心圧縮機となる。ま
た、圧縮機内部に汚れが付着する可能性を非常に低めて
いるので、メンテナンス周期の長期化を図っている。さ
らには、電動機直接駆動式で接触部がないため、従来必
要であった接触部を中心としたオーバーホールを長期間
あるいは全く無くす事ができるので、ランニングコスト
の内メンテナンス費用を大幅に低減できるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関わる電動機直接駆動式の遠心圧縮機
の一実施例の概略断面図。

【図２】本発明に関わる電動機直接駆動式の遠心圧縮機
の配管接続フローの一実施例を示す配管接続図。

【図３】本発明に関わる電動機直接駆動式の遠心圧縮機
の配管接続フローの一実施例を示す配管接続図。

【符号の説明】

１…圧縮機、１ａ…１段圧縮機、１ｂ…２段圧縮機、２
…電動機、３…電動機冷却ジャケット、４…圧縮機１段
側ヘッドカバー、４ａ…同ヘッドカバー部分、４ｂ…同
静止流路形成部分、５…圧縮機２段側ヘッドカバー、５
ａ…同ヘッドカバー部分、５ｂ…同静止流路形成部分、
６…回転軸、６ａ…回転子部分、６ｂ…回転軸シャフト
部分、７ａ…１段羽根車、７ｂ…２段羽根車、８…電動
機ステータ、９ａ，９ｂ…ラジアル気体軸受、１０ａ，
１０ｂ…スラスト磁気軸受、11ａ，１１ｂ…ラジアル軸
受ハウジング、１２ａ，１２ｂ…ラジアル気体軸受用圧
縮流体吹き込み孔、１３ａ…回転子冷却用流体の電動機
ケーシング部吹き込み溝、１３ｂ…同冷却用流体の電動
機ステータ部通路、１４…スラスト磁気軸受用センサ、
１５…１段吸込みノズル、１６…中間冷却器、１７…２
段吸込みノズル、１８…吐出冷却器、１９，２１…逆止
弁、２０，２５，２８，３１…フィルタ、２２ａ，２２
ｂ…気体軸受用流体導通部、２３…電動機冷却孔、２
６，３０…減圧弁、２７，２９，３４…ＯＮ／ＯＦＦ
弁、３２，３３，３５…電磁弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋直彦茨城県土浦市神立町603番地株式会社日立製作所土浦事業所内Ｆターム(参考） 3H022 AA01 BA04 BA06 CA01 CA14 CA16 CA50 DA02 DA04 DA09 DA16 DA20 3H033 AA02 BB03 BB06 BB17 BB20 CC01 CC06 DD01 DD13 DD29 DD30 EE03 EE04 EE15 EE16 EE19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸の少なくとも一方の端部に羽根車を
取り付けて圧縮機段を形成し、この回転軸の中間部に形
成された電動機部により直接羽根車を高速駆動する遠心
圧縮機において、前記回転軸支持のために、ラジアル軸
受に気体軸受を、スラスト軸受に能動型磁気軸受を使用
する事を特徴とするターボ形遠心圧縮機。