JP2003065286A

JP2003065286A - オイルフリーコンプレッサ

Info

Publication number: JP2003065286A
Application number: JP2002216669A
Authority: JP
Inventors: Hooshang Heshmat; ヘシュマットフーシャン; Michael J Tomaszewski; ジェイ、トーマスゼウスキーマイケル
Original assignee: Mohawk Innovative Tech Inc
Current assignee: Mohawk Innovative Tech Inc
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2003-03-05
Also published as: DE10232100A1; KR20030010524A

Abstract

(57)【要約】【課題】高速度電気モータ駆動式オイルフリーコンプ
レッサを提供する。【解決手段】ハウジング２０と、ハウジング内に回転
可能に取り付けられたシャフト１２と、シャフトに一体
的に連結された少なくとも１つのコンプレッサホイール
１４を有するコンプレッサ１０と、シャフトに一体的に
連結され、コンプレッサを直接駆動するロータ１６を有
する電気モータ１８と、シャフトのための少なくとも１
つのオイルフリーのエアまたはプロセス流体で潤滑され
る流体力学箔ベアリング２６、２８が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、コンプレッサ、
特に、遠心コンプレッサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第５，１０２，３０５号明細書
に記載されているように、遠心コンプレッサシステム
は、タービンによって駆動される。同明細書に記載され
ているターボ機械は、シャフト、タービン、およびシャ
フトの両端のコンプレッサホイールを含む一体のセラミ
ック回転組立体を有する。シャフトはプロセス流体また
は周囲空気で冷却される流体フィム箔ベアリングによっ
て回転可能に支持される。この特許明細書で箔ベアリン
グが使用されている理由は、セラミックシャフトに使用
されるとき、オイル潤滑ホール、またはジャーナルベア
リングの潤滑剤のコーティングの問題があるからであ
る。コンプレッサ／タービン、またはポンプ／タービ
ン、一体の永久磁石モータ／ゼネレータ、および通常の
ボールタイプベアリングが記載されている米国特許第
５，８９９，６７３号明細書のものも重要である。

【０００３】遠心コンプレッサシステムもギヤによって
コンプレッサホイールに連結された電気モータによって
所望のコンプレッサ運転速度が得られるよう駆動され
る。そのギヤおよび通常のオイル潤滑ベアリングに潤滑
のためのオイルの流れが要求される。

【０００４】小型から中型のプラントの場合、大きいパ
ワー密度および効率が要求され、その機械は小型であ
り、静かに運転され、メンテナンスの要求度が低いよう
にすべきである。これらの要件は、電気モータ駆動方式
に適合する。所望のコンプレッサの効率を得るには、高
い速度が必要である。高速度電気モータでコンプレッサ
を直接駆動することが、１９９８年、インディアナ州
１４１７のウエストラファイエットプーデュ、１９
９８国際コンプレッサ会議でのブロンダンなどの”市販
ＨＶＡＣシステムのための高速度直接駆動遠心コンプレ
ッサ”、１９９８年、テキサス州、カレッジステーショ
ン、テキサスＡ＆Ｍユニバーシティー、ターボマシ
ネリー教室、ツエンティセブンターボマシナリーシス
ポジウムでのギロンなどの”コンプレッサを直接駆動す
る高速度インダクションモータの実験”、１９９４年、
ＳＡＥペーパー９４１１４８でのゴッチリッチなどの”
潤滑フリー遠心コンプレッサ”、１９９５年、ＡＳＭ
Ｅ、ＩＥＣＥＣペーパーｎｏ．ＣＴ‐３９でのガイな
どの”高速度低流量遠心コンプレッサの設計および実験
研究”、１９９９年、会報第３４アニュアルＩＥＥＥ
アプリケーション会議でのスーングなどの”市販遠心
コンプレッサのための新しい高速度インダクションモー
タ”および米国特許第５，９２４，８４７号に明細書に
記載されている。これらは、磁石ベアリングを使用する
ものである。しかしながら、磁石ベアリングは高価であ
り、バックアップベアリングが要求され、複雑である。

【０００５】エアコンプレッサの前述した目的は、冷媒
コンプレッサの望ましい目的でもある。しかしながら、
最近使用されている環境安全冷媒は、オイルの汚染に弱
い。さらに、すべての適用において、潤滑にオイルを使
用すると、機械構造および作用が複雑化され、たとえ
ば、汚染が生じ、シールが必要であり、種々のメンテナ
ンスが要求される。さらに、潤滑のためのギヤ、シー
ル、ポンプなどを使用すると、効率が低下する。さら
に、磁石ベアリングは二段流れ（例えば、冷媒システム
にみられる）を処理することができない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
の目的は、高速度電気モータ駆動式オイルフリーコンプ
レッサを提供することにある。

【０００７】他の目的は、信頼性があり、効率的であ
り、高いパワー密度をもち、小型であり、静かに運転さ
れ、メンテナンスの必要性が小さいコンプレッサを提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このコンプレッサを提供
するため、この発明によれば、電気モータのロータおよ
び１つまたはそれ以上のコンプレッサホイールがシャフ
トに一体的に連結され、シャフトは少なくとも１つのオ
イルフリーのエアまたはプロセス流体で潤滑される流体
力学箔ベアリングによって支持される。

【０００９】以下、この発明の実施例を説明する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１および図２を参照すると、一
対のコンプレッサホイール１４が両端で一体的に連結さ
れたシャフト１２を有する遠心二段コンプレッサ１０が
示されており、高速度電気モータ１８（ステータ２２を
有する）のロータ１６もそれに一体的に連結されてい
る。符号２４は電力を電源４２からモータ１８に供給す
る電線である。コンプレッサホイール１４およびモータ
ロータ１６が一体的に連結された回転シャフト１２が、
ハウジング２０内に適宜に回転可能に取り付けられてい
る（後述する）。コンプレッサホイールおよびモータロ
ータはシャフトに一体的に連結されており、オイルが要
求されるギヤは除去されている。

【００１１】ここで、２つの部品を互いに連結すること
に関する用語”一体”または”一体的”は、２つの部品
が各コンプレッサホイールおよびシャフトのための図１
および図２の材料の単片で製造されていることを意味す
るだけではなく、溶接またはねじ連結および／または締
まりばめなどによって、２つの部品を直接連結し、ギヤ
などの中間部品のない一体組立体が形成されるようにす
ることも含む。したがって、コンプレッサホイール１４
およびモータロータ１６が、シャフト１２に一体的に連
結され、コンプレッサホイール１４はモータ１８によっ
て直接駆動され（したがって、その間のギヤはない）、
モータロータ１６と同一の速度で回転し、ホイール１４
およびシャフト１２は材料の同一片で製造され、モータ
ロータ１６はシャフト１２に適宜組み合わされている。

【００１２】二段コンプレッサが示されているが、コン
プレッサ１０は一段のものであってもよく（１つのコン
プレッサホイール）、二段以上のものであってもよい。
図３に示されているように、コンプレッサは直列の複数
の段のもので、各段の出力が次の段に入力され、最後の
段の出力がコンプレッサから取り出されるようにしても
よく、コンプレッサは互いに平行の段のものであっても
よい。モータ１８はモータ／ゼネレータであってもよ
い。

【００１３】小型ないし中型のコンプレッサ（３〜１０
０ｋｗレンジ）は、所望の効率を得るためのおよそ６
０，０００〜１００，０００ｒｐｍの高速度レンジをも
つ。したがって、モータは高速度モータでなければなら
ず、オイルを使用するギヤを使用することはできないた
め、それは要求される運転速度を達成することができる
ものでなければならない。このコンプレッサに使用する
ことができるブラシレス直流などの高速度モータは、イ
ンダクション、永久磁石のもの、およびスイッチドリラ
クタンスタイプのものを含む。

【００１４】この発明の好ましい実施例によれば、モー
タ１８はインダクションモータである。インダクション
モータは比較的安価であり、組立が容易であり、簡単で
あり、タイプラインコンプレッサなどの大型の機械に適
する。さらに、永久磁石はコンプレッサシステムへの一
体性（組立性）を悪化させる大きいネガティブスチフネ
スをもち、箔ベアリング上のゼロ負荷を生じさせ、シス
テムの不安定性を生じさせる。通常のスイッチドリラク
タンスモータは電流を迅速に切り換えることができず、
所望の高速度を得ることができない。インダクションモ
ータにこれらのネガティブスチフネスまたは電流の切り
換えの問題はない。適当なインダクションモータはたと
えば、ドイツ国のリベラッチのカーボで市販されている
ＥＶ９０モータエレメントである。適当なコンプレッサ
ホイールはたとえば、ベルモントのホワイトリバー
ジャンクションのコンセプツＥＴＩインコーポレイテッ
ドで市販されている。

【００１５】インダクションモータ１８に電力を所望の
高速度に等しい周波数で供給せねばならないため、通常
の周波数コンバータ４０が常時６０サイクルの電流を電
源４２から所望のロータ速度に等しい所望の高い周波数
に変換し、それをワイヤ２４に通し、モータ１８に送
る。適当な周波数コンバータはたとえば、バージニアの
ロートンのスピンデルで市販されている高速モータ駆動
装置である。

【００１６】潤滑システムに要求されるギヤ、ポンプ、
シールなどは、除去され、オイルの汚染がないという利
点が得られるだけではなく、高い効率が得られる。シャ
フト１２のためのバックアップベアリングの必要のない
信頼性のある安価のオイルフリーベアリングを提供し、
小型で信頼性があり、効率的であり、パワー密度が高
く、静かに運転することができ、メンテナンスの必要性
が低いオイルフリーコンプレッサを実現し、冷媒システ
ムにみられるような二段の流れを適宜使用することがで
きるようにするため、この発明によれば、シャフト１２
のためのラジアルおよびスラストベアリング２６、２８
はエアまたはプロセス流体で潤滑される流体力学箔ベア
リングである。

【００１７】適当なジャーナルおよびスラスト流体力学
箔ベアリングの例が、米国特許第６，１５８，８９３号
および同第５，９６１，２１７号明細書に記載されてい
る。箔ベアリングはコンプライアンス性構造エレメント
にエアまたはプロセス流体で潤滑される流体力学（自己
発生フィルム）要素を組み合わせたもので、スチフネス
およびダンピングをシステムに与える。コンプライアン
ス性サポートは、１つまたはそれ以上の波形状バンプ箔
であってもよく、これは大きいフレキシビリティを与
え、特定のシステムのための動的特性を得ることができ
る。単まは多トップ箔によって付加的フレキシビリティ
が保たれる。速度が増大したとき、コンプライアンス性
構造によって箔が半径方向外側に（ラジアルベアリング
に対し）押され、収れんウエッジが形成される。増大す
る速度および負荷によってこの収れんウエッジが顕著化
され、これによって負荷容量が増大する。コンプライア
ンス性箔はそれ自体をロータの遠心および熱的成長およ
びベアリングハウジングの熱的および機械的変形に容易
に適合させる。

【００１８】このような流体力学箔ベアリングは二段の
流れ（ガス内の液体のスラッジを含む混合された液体お
よびガス）を処理することができ、冷媒コンプレツサの
ための望ましいベアリングである。このような流体力学
箔ベアリングは冷媒、または他のプロセス流体、または
エアを潤滑に使用することができ、オイルフリーであ
る。それは高い速度で（３０，０００ｒｐｍから優に１
００，０００ｒｐｍを越える）極低温から高温までの種
々の運転環境で極めて効果的に作用することができ、パ
ワー損失が極めて小さく、衝撃負荷下で良好な性能を示
し（１９９２年、摩擦学の薄いフィルムに対する第１９
リーズ‐リオンシンポジウム‐マイクロメータからナノ
メータ、リーズ、ＵＫ．Ｄ．ドウセンなどの版、エルシ
ルバー、第５５９〜５７５ページのヘッシュメットなど
の”コンポライアンス性箔ベアリングテクノロジーおよ
びその高速ターボ機械への適用”）、極めて長い寿命を
もつ。このようなベアリングは６８９ＭＰａを越える面
積負荷容量をもち（１９９４年、摩擦学のＡＳＭＥジャ
ーナル第１１６巻第７６〜８２ページのヘッシュメット
などの”自己作用コンポライアンス性箔ジャーナルベア
リングの構造的ダンピング”）、そのダンピング特性
は、第１システムの曲げ臨界速度以上の作用を得ること
ができる（１９９９年、ＡＳＭＥプレプリントＮｏ．９
９‐ＴＲＩＢ‐４８のヘッシュメットの”曲げ臨界モー
ドを越える箔ベアリングの作用”）。したがって、コン
プレッサを超臨界ロータで作用させることができる。し
たがって、エアまたはプロセス流体で潤滑される流体力
学箔ベアリングが、高速度モータで駆動されるコンプレ
ッサに設けられ、この発明によれば、冷凍および他のコ
ンプレッサのための望ましい信頼性、効率、高いパワー
密度、小さいサイズ、静粛性および低いメンテナンス性
が提供される。

【００１９】この発明のコンプレッサの個々の要素を図
面に示されてるものとは、異なるよう配置してもよい。
たとえば、オルタネータ／モータをシャフトの一端に配
置してもよく、図４に示されているように、１つまたは
それ以上の段のコンプレッサ（１つまたはそれ以上のコ
ンプレッサホイール）をシャフトの他端に配置してもよ
い。

【００２０】図３に他の実施例のコンプレッサ１００が
示されており、これはシャフト１１２、その両端の一対
のコンプレッサホイール１１４、ロータ１１６およびス
テータ１２２を有するモータ１１８および、ラジアルお
よびスラストベアリング１２６、１２８を有し、それが
すべてハウジング１２０内に組み立てられており、これ
らの部品は次の点を除き、図１および図２の実施例のシ
ャフト１２、コンプレッサホイール１４、モータ１８、
ベアリング２６、２８、およびハウジング２０と同様の
ものである。図１および図２のコンプレッサと異なり、
シャフト１１２およびコンプレッサホイール１１４は後
述するように互いに連結された個別の要素であるが、す
でに定義したように、それらは一体的に連結されてい
る。図３に示されているように、シャフト１１２の左端
部は拡大された直径をもち、その先端は減少された直径
のノブまたは突出部１５０を有し、これはシャフト１１
２の他端と同一の直径であり、同一の大きさのコンプレ
ッサホイールを各先端に取り付けることができる。ねじ
孔１５２および端ぐり１５４がシャフト１１２の拡大さ
れた左端の中央に設けられている。同様のねじ孔１５２
がシャフト１１２の他端に設けられている。コンプレッ
サホイール１１４はその中央に軸方向にのびる孔１５
６、その外端の端ぐり１５８、および半径方向に整合さ
せるための内端の端ぐり１６６を有する。ノブ１５０が
一方のコンプレッサホイール１１４の端ぐり１６６内に
収容され、シャフト１１２の他端が他方のコンプレッサ
ホイール１１４の端ぐり１６６内に収容され、その間に
締まりばめが形成されており、遠心力が増大するとき、
半径方向位置を維持することができ、高速度でも部品が
分離しないようにすることができる。

【００２１】タイボルトまたはスタッド１６０、１６２
がコンプレッサホイールの孔１５６内に収容され、シャ
フトの孔１５２にねじ合わされている。スタッド１６０
の内部１６４（シャフト１１２にねじ合わされる部分）
は減少した直径をもち、これによって肩部が形成され、
これが端ぐり１５４によって形成される肩部に係合し、
シャフト１１２を軸方向に正確に整合させることができ
る。パイロットナット１６８（ワッシャ１７０ととも
に）が各スタッド１６０、１６２の外端に収容され、軸
方向予負荷を与えることができ、ナット１６８の減少し
た直径の部分１７２が端ぐり１５８内に収容されてい
る。

【００２２】コンプレッサシステム１００は圧力を最大
化することができるよう直列に接続され、一方のコンプ
レッサ段への低い圧力の入り口が符号１２９で示されて
おり、チューブまたは線１３３によって示されているよ
うに、出口または高い圧力の排出口１３０が他方のコン
プレッサ段の入口１３１に接続され、他方のコンプレッ
サ段からの排出口１３２は適宜の位置に接続され、これ
によって効果的作用が達成される。望まれる場合、シス
テム１００をコンプレッサ段に平行に接続し、容量出力
を最大化してもよく、各段が電源から供給されるものを
受け、効果的作用が得られる位置に排出するようにして
もよい。したがって、図４のコンプレッサを直列または
並列に接続することができる。

【００２３】図４にこの発明の他の実施例２００が示さ
れており、これはシャフト２１２、二段コンプレッサホ
イール２１４、ロータ２１６およびステータ２２２を有
するモータ２１８、およびラジアルおよびスラストベア
リング２２６、２２８を有し、それがすべてハウジング
２２０内に組み立てられており、これらの部品は次の点
を除き、図３の実施例のシャフト１１２、コンプレッサ
ホイール１１４、モータ１１８、ベアリング１２６、１
２８、およびハウジング１２０と同様のものである。こ
の実施例では、両方のコンプレッサ段がシャフト２１２
の同一端に配置されており、それは互いに一体の両方の
段を提供するよう形成された単一のホイールからなる。
望まれた場合、ねじ連結または溶接によって適宜連結さ
れた一対のコンプレッサホイールによって、二段を提供
してもよい。ハウジング２２０は二段のための出口２３
０、２３２を提供するよう形成されており、第１ハウジ
ング部分２８０がシャフトおよびモータ、およびベアリ
ング、および内側段に設けられ、第２ハウジング部分２
８２は外側段に設けられ、部分２８０、２８２はねじま
たは溶接などの適宜の手段によって連結されている。

【００２４】図３のコンプレッサと同様、シャフトは減
少された直径のノブまたは突出部２５０をもつ拡大され
た端部を有し、ねじ孔２５２が端ぐり２５４とともにそ
の一端の中央に設けられている。単一のコンプレッサホ
イール２１４は軸方向にのびる孔２５６および外端の端
ぐり２５８および半径方向に整合させるための内端の端
ぐり２６６を有する。図３のコンプレッサ１００と同
様、ノブ２５０が端ぐり２６６に収容され、その間に締
まりばめが形成され、遠心力が増大するとき、半径方向
位置が維持され、高い速度でも部品は分離しない。

【００２５】タイボルトまたはスタッド２６０がコンプ
レッサホイールの孔２５６内に収容され、シャフトの孔
２５２にねじ合わされている。スタッド２６０の内部２
６４（シャフト２１２にねじ合わされる部分）は減少し
た直径をもち、これによって肩部が形成され、これが端
ぐり２５４によって形成された肩部に係合し、シャフト
２１２を軸方向に正確に整合させることができる。パイ
ロットナット２６８（ワッシャ２７０とともに）がスタ
ッド２６０の外端に設けられ、軸方向予負荷を与え、ナ
ット２６８の減少した直径の部分２７２が端ぐり２５８
内に収容されている。スタッド２８４がシャフト２１２
の外端の中央にねじ合わされ、ナット２８６およびワッ
シャ２８８がそれに設けられ、ロータ２１６の位置を維
持し、軸方向予負荷を提供する。

【００２６】この発明には、種々の変形例が考えられ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を具体化したコンプレッサシステムの
縦断面図である。

【図２】図１の２−２線に沿った断面図である。

【図３】他の実施例の縦断面図である。

【図４】他の実施例の縦断面図である。

【符号の説明】

１０コンプレッサ１２シャフト１４コンプレッサホイール１６ロータ１８モータ２０ハウジング２２ステータ２４ワイヤ２６、２８ラジアルおよびスラストベアリング４０周波数コンバータ４２電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マイケルジェイ、トーマスゼウスキーアメリカ合衆国、ニューヨーク州 12304、スケネクタディー、コンソールロード 383 Ｆターム(参考） 3H022 AA02 BA03 BA06 CA01 CA14 DA07 DA16 3J012 AB07 AB12 BB01 BB02 CB10 DB05 EB07 FB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングと、前記ハウジング内に回転
可能に取り付けられたシャフトと、前記シャフトに一体
的に連結された少なくとも１つのコンプレッサホイール
を有するコンプレッサと、前記シャフトに一体的に連結
され、前記コンプレッサを直接駆動するロータを有する
電気モータと、前記シャフトのための少なくとも１つの
オイルフリーのエアまたはプロセス流体で潤滑される流
体力学箔ベアリングとからなるオイルフリーコンプレッ
サ装置。
【請求項２】前記コンプレッサは冷媒コンプレッサで
あることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ装
置。
【請求項３】前記モータはインダクションモータであ
ることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ装
置。
【請求項４】さらに、電力を前記モータに高い周波数
で供給する周波数コンバータを備えたことを特徴とする
請求項３に記載のコンプレッサ装置。
【請求項５】前記コンプレッサは前記シャフトの両端
に連結された一対の前記コンプレッサホイールを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ装置。
【請求項６】前記コンプレッサは複数のコンプレッサ
段を提供するよう形成された単一のコンプレッサホイー
ルを有することを特徴とする請求項１に記載のコンプレ
ッサ装置。
【請求項７】前記コンプレッサホイールが前記シャフ
トに締まりばめされており、前記コンプレッサ装置は前
記コンプレッサホイールを前記シャフトに連結するため
の締め付け具を有することを特徴とする請求項１に記載
のコンプレッサ装置。
【請求項８】前記少なくとも１つの箔ベアリングは箔
スラストベアリングおよび箔ラジアルベアリングからな
ることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ装
置。