JP2013207864A - Compressor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compressor which efficiently cools a motor while maintaining high efficiency.SOLUTION: A compressor 1 includes a hollow cylindrical shaped cooling bush (a ring member) 9 which is made of a material having heat conductivity larger than those of a main shaft 4 and a motor casing 8 and arranged between the motor casing 8 and a stator 5. In the cooling bush 9, a spiral shaped groove is provided on an outer peripheral surface from one end side of axial end parts to the other end side of them. The cooling bush 9 is hermetically joined to the motor casing 8 side so that the outer peripheral surface closely contacts with an inner peripheral surface of the motor casing 8 and has an inner cooling passage (a first cooling fluid passage) 18 formed by the groove and the inner peripheral surface.

Description

本発明は、圧縮機に関するものであり、特にターボ圧縮機の高速モーターの冷却構造に関するものである。   The present invention relates to a compressor, and more particularly to a cooling structure for a high-speed motor of a turbo compressor.

超電導電力ケーブルや超電導変圧器、超電導モーター等の電力機器は、液体窒素温度レベルで動作する高温超電導体を用いたものである。この高温超電導体の冷却には、ヘリウムガスやネオンガスを循環ガス(冷媒ガスともいう)とするブレイトンサイクル冷凍機が利用されている。   Power devices such as superconducting power cables, superconducting transformers, and superconducting motors use high temperature superconductors that operate at liquid nitrogen temperature levels. For cooling the high-temperature superconductor, a Brayton cycle refrigerator using helium gas or neon gas as a circulating gas (also referred to as refrigerant gas) is used.

このブレイトンサイクル冷凍機の圧縮機には、高速モーターを圧縮機の主軸と一体化したターボ圧縮機が使用される。同様に、ブレイトンサイクル冷凍機のタービンには、高速モーターをタービンの主軸と一体化したターボ膨張機が使用される。   As a compressor of this Brayton cycle refrigerator, a turbo compressor in which a high-speed motor is integrated with a main shaft of the compressor is used. Similarly, a turbo expander in which a high-speed motor is integrated with a main shaft of a turbine is used for a turbine of a Brayton cycle refrigerator.

ところで、ブレイトンサイクル冷凍機の循環ガス(冷媒ガス)は、冷凍機の小型化、高効率化を考慮して、0.5MPa〜3MPaといった大気圧よりもかなり高い圧力で冷凍機の内部に封入されている。また、高温超電導電力機器を冷却するためのブレイトンサイクル冷凍機では、循環ガスの最低温度が液体窒素温度の−196℃(77K)よりも低い温度レベル、例えば−213℃(60K)となる。このため、ターボ圧縮機やターボ膨張機の軸受には、非接触で高速回転が可能な磁気軸受や気体軸受が多く用いられている。   By the way, the circulating gas (refrigerant gas) of the Brayton cycle refrigerator is sealed in the refrigerator at a pressure considerably higher than the atmospheric pressure of 0.5 MPa to 3 MPa in consideration of downsizing and high efficiency of the refrigerator. ing. In the Brayton cycle refrigerator for cooling the high-temperature superconducting power equipment, the minimum temperature of the circulating gas is lower than the liquid nitrogen temperature of −196 ° C. (77 K), for example, −213 ° C. (60 K). For this reason, magnetic bearings and gas bearings that can rotate at high speed without contact are often used as bearings for turbo compressors and turbo expanders.

一般にターボ圧縮機やターボ膨張機を駆動するモーターを高速回転させると、モーターの銅損や鉄損等による発熱、固定子と回転子とのすき間内の流体摩擦による発熱および気体軸受や磁気軸受の軸受すきま内の流体摩擦による発熱が発生する。また、磁気軸受を用いる場合には、電磁石コイルに電流を流すため、モーターと同様に銅損や鉄損等により発熱する。そして、モーターの回転数が高くなればなるほど、流体摩擦損失による発熱が急激に増加する。   In general, when a motor that drives a turbo compressor or turbo expander is rotated at high speed, heat generation due to copper loss or iron loss of the motor, heat generation due to fluid friction in the gap between the stator and rotor, and gas bearings or magnetic bearings Heat is generated due to fluid friction in the bearing clearance. In addition, when a magnetic bearing is used, since current flows through the electromagnet coil, heat is generated due to copper loss, iron loss, and the like as in the motor. And as the number of rotations of the motor increases, heat generation due to fluid friction loss increases rapidly.

ここで、流体摩擦損失は、流体の密度に比例するため、循環ガスの圧力が高くなれば密度が大きくなり、流体摩擦損失は増加することになる。特に、循環ガスとしてネオンガスを使用する場合には、ネオンガスがヘリウムよりも密度が大きく、しかも高い圧力で封入されているため、密度がさらに大きくなることから、モーターはさらに発熱するという問題があった。   Here, the fluid friction loss is proportional to the density of the fluid. Therefore, if the pressure of the circulating gas increases, the density increases and the fluid friction loss increases. In particular, when neon gas is used as the circulating gas, the density of the neon gas is higher than that of helium and is sealed at a higher pressure. .

このような高速モーターの発熱による温度上昇を抑制するための冷却方法として、モーターを収納するケーシングの外周部から空気や液体を用いて、モーターケーシングに固定された固定子及びモーターの主軸に固定された回転子を冷却する方法が一般に知られている(例えば、特許文献1及び2を参照)。また、その他の冷却方法として、モーターを収納するケーシング内部に冷却液の通路を形成し、モーターの主軸、固定子及び回転子を更に効率よく冷却する方法が知られている(例えば、特許文献3を参照)。   As a cooling method for suppressing the temperature rise due to heat generated by such a high-speed motor, air or liquid is used from the outer periphery of the casing housing the motor, and the stator is fixed to the motor casing and the motor spindle. In general, a method for cooling the rotor is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2). As another cooling method, there is known a method in which a coolant passage is formed inside a casing for housing a motor to cool the main shaft, stator and rotor of the motor more efficiently (for example, Patent Document 3). See).

ところで、特許文献1及び2に開示されたように、モーターを収納するケーシングの外周部からモーターの主軸、固定子及び回転子をケーシングの熱伝導によって冷却する方法において、モーターを効率よく冷却するためには、モーターを収納するケーシング材料の熱伝導率が大きいことが重要である。   Incidentally, as disclosed in Patent Documents 1 and 2, in the method of cooling the main shaft, stator and rotor of the motor from the outer peripheral portion of the casing housing the motor by heat conduction of the casing, the motor is efficiently cooled. For this, it is important that the casing material that houses the motor has a high thermal conductivity.

例えば、腐食に強いオーステナイト系ステンレス鋼とアルミ合金や銅合金とで熱伝導率を比較すると、オーステナイト系ステンレス鋼の熱伝導率λが16(W/m/K)であるのに対してアルミ合金や銅合金の熱伝導率λはおよそ120(W/m/K)である。このように、アルミ合金や銅合金の熱伝導率は、オーステナイト系ステンレス鋼よりも7〜8倍も大きいため、モーターを収納するケーシングの材質にアルミ合金や銅合金を用いることで、モーターの温度上昇を低く抑えることができる。   For example, when comparing the thermal conductivity of austenitic stainless steel, which is resistant to corrosion, and aluminum alloy or copper alloy, the thermal conductivity λ of austenitic stainless steel is 16 (W / m / K). The thermal conductivity λ of copper alloy is approximately 120 (W / m / K). Thus, since the thermal conductivity of aluminum alloy and copper alloy is 7 to 8 times larger than that of austenitic stainless steel, the temperature of the motor can be increased by using aluminum alloy or copper alloy as the casing material for housing the motor. The rise can be kept low.

また、モーター固定子をモーターケーシングに固定する方法としては、一般に焼きばめ方式が採用されるが、モーターケーシングの材質としてアルミ合金を用いた場合、鉄系の材料からなるモーター固定子と、アルミ合金からなるモーターケーシングとの間で熱膨張係数が異なる。すなわち、鉄系材料の熱膨張係数(β=11〜13×10−6/℃)よりも、アルミ合金の熱膨張係数(β=23×10−6/℃)や銅合金の熱膨張係数(β=20×10−6/℃)の方が大きいため、モーターの温度上昇によってモーター固定子とモーターケーシングとの間にすき間が発生し、これが接触熱抵抗となってモーターを効率よく冷却することができないという問題があった。 Moreover, as a method of fixing the motor stator to the motor casing, a shrink fitting method is generally adopted. However, when an aluminum alloy is used as the material of the motor casing, the motor stator made of an iron-based material and aluminum The coefficient of thermal expansion differs between the motor casing made of an alloy. That is, the thermal expansion coefficient of an aluminum alloy (β = 23 × 10 −6 / ° C.) and the thermal expansion coefficient of a copper alloy (β = 11 × 13 −6 / ° C.) (β = 20 × 10 −6 / ° C) is larger, so that a gap is generated between the motor stator and the motor casing due to the temperature rise of the motor, which acts as a contact thermal resistance to cool the motor efficiently. There was a problem that could not.

この問題を解決するために、モーター固定子をアルミ合金で鋳ぐるみすることによってモーターケーシングとの接触熱抵抗をなくす方法が提案されている(例えば、特許文献4を参照)。   In order to solve this problem, a method of eliminating contact thermal resistance with the motor casing by casting the motor stator with an aluminum alloy has been proposed (see, for example, Patent Document 4).

ところで、ターボ圧縮機は、圧縮機本体のケーシング内に、回転体であるインペラと該インペラの前面と対向する固定壁を有するシュラウドリングとが収納されている。また、圧縮機本体ケーシングはモーターケーシングに固定されており、前記シュラウドリングは前記圧縮機本体ケーシングに固定されている。一方、インペラは、モーターの主軸端に取り付けられている。そして、インペラの羽根間通路とシュラウドリングの固定壁との間には、シュラウドクリアランスと呼ばれる隙間(一般に0.3〜0.6mm程度)が設けられている。   By the way, in the turbo compressor, an impeller as a rotating body and a shroud ring having a fixed wall facing the front surface of the impeller are housed in a casing of the compressor body. The compressor body casing is fixed to the motor casing, and the shroud ring is fixed to the compressor body casing. On the other hand, the impeller is attached to the spindle end of the motor. A gap (generally about 0.3 to 0.6 mm) called a shroud clearance is provided between the impeller blade passage and the shroud ring fixed wall.

しかしながら、モーターを効率よく冷却するために、熱伝導率が大きいアルミ合金や銅合金製のモーターケーシングを用いると、磁性体の鉄系材料で構成されるモーターの主軸との熱膨張係数の違いによって、モーターケーシングと主軸との軸方向の伸び量が異なってしまう。これにより、上述したシュラウドクリアランスが大きくなって、インペラの効率(すなわち、圧縮機の効率)が大きく低下してしまうという問題があった。   However, in order to efficiently cool the motor, if a motor casing made of aluminum alloy or copper alloy with high thermal conductivity is used, due to the difference in thermal expansion coefficient from the main spindle of the motor made of magnetic iron-based material The axial extension amounts of the motor casing and the main shaft are different. As a result, the above-described shroud clearance is increased, and there has been a problem that the efficiency of the impeller (that is, the efficiency of the compressor) is greatly reduced.

したがって、モーターケーシングの外周部に冷却液の冷却通路を形成し、ケーシングの半径方向の熱伝導によってモーター固定子を冷却する場合、ケーシングの材料に熱伝導率の大きいアルミ合金や銅合金を使用することができるのは、主軸の長さが相当短い小型の回転機械か、インペラの効率がそれ程高くない回転機械、もしくは作動流体が液体でモーター内部に作動流体を供給することでモーターの発熱や流体摩擦損失による発熱を除去できるものに限られてしまうという問題があった。   Therefore, when the cooling passage of the coolant is formed on the outer periphery of the motor casing and the motor stator is cooled by heat conduction in the radial direction of the casing, aluminum alloy or copper alloy having high thermal conductivity is used as the casing material. It can be a small rotating machine with a very short spindle length, a rotating machine where the impeller efficiency is not so high, or the working fluid is liquid and the working fluid is supplied to the inside of the motor to generate heat and fluid from the motor. There is a problem that the heat generation due to friction loss is limited to that which can be removed.

特開2000−097186号公報JP 2000-097186 A 特開2002−168184号公報JP 2002-168184 A 特開2004−343857号公報JP 2004-343857 A 特開平07−163107号公報JP 07-163107 A

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、高い効率を維持しつつ、モーターを効率よく冷却することが可能な圧縮機を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It aims at providing the compressor which can cool a motor efficiently, maintaining high efficiency.

請求項1に係る発明は、中央部に回転子が設けられた主軸と、前記回転子と対向する固定子と、前記主軸を回転可能に保持する軸受と、前記主軸、前記固定子及び前記軸受を収納し、当該固定子を保持するモーターケーシングと、を少なくとも有する高速モーターと、前記主軸の少なくとも一端に設けられたインペラと、前記インペラの前面と対向する固定壁を有するシュラウドリングと、前記インペラ及び前記シュラウドリングを収納し、当該シュラウドリングを保持する圧縮機本体ケーシングと、を少なくとも有する圧縮機本体と、を備え、前記モーターケーシングと前記圧縮機本体ケーシングとが結合された圧縮機であって、前記モーターケーシングと前記固定子との間に、前記主軸及び当該モーターケーシングよりも熱伝導率が大きな材質からなる中空円筒状のリング部材を備え、前記リング部材は、外周面に軸方向端部の一端側から他端側にかけてらせん状の溝部が設けられ、前記外周面と前記モーターケーシングの内周面とが密接するように当該モーターケーシング側に気密に接合されて、前記溝部と前記内周面とから構成される第1冷却流体流路を有することを特徴とする圧縮機である。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a main shaft provided with a rotor at a central portion, a stator facing the rotor, a bearing that rotatably holds the main shaft, the main shaft, the stator, and the bearing. A high-speed motor having at least a motor casing that holds the stator, an impeller provided on at least one end of the main shaft, a shroud ring having a fixing wall facing the front surface of the impeller, and the impeller And a compressor body having at least a compressor body casing that houses the shroud ring and holds the shroud ring, and the motor casing and the compressor body casing are coupled to each other. The thermal conductivity between the motor casing and the stator is larger than that of the main shaft and the motor casing. A hollow cylindrical ring member made of a material is provided, and the ring member is provided with a spiral groove portion from one end side to the other end side of the axial end portion on the outer peripheral surface, and the outer peripheral surface and the inner periphery of the motor casing It is a compressor characterized by having a first cooling fluid flow path which is airtightly joined to the motor casing side so as to be in close contact with the surface, and which is constituted by the groove and the inner peripheral surface.

請求項1に係る圧縮機によれば、モーターケーシングと固定子との間に外周面に気密に形成された第1冷却流体流路を有する中空円筒状のリング部材(冷却ブッシュ)を備える構成となっている。このように、モーターケーシングの内側に、固定子と接するように冷却用の流路を有するリング部材を設けるため、モーターケーシングの内側から固定子を冷却することができる。また、リング部材の材質は、主軸及びモーターケーシングよりも熱伝導率が大きな材質を用いるため、冷却ブッシュの冷却能力を高めて固定子から効果的に熱を奪い去ることができる。   According to the compressor according to claim 1, the structure includes a hollow cylindrical ring member (cooling bush) having a first cooling fluid passage formed airtight on the outer peripheral surface between the motor casing and the stator. It has become. Thus, since the ring member having the cooling flow path is provided inside the motor casing so as to be in contact with the stator, the stator can be cooled from the inside of the motor casing. Moreover, since the material of the ring member is a material having a higher thermal conductivity than that of the main shaft and the motor casing, the cooling ability of the cooling bush can be increased and heat can be effectively removed from the stator.

また、リング部材に、主軸及びモーターケーシングよりも熱伝導率が大きな材質を用いて、冷却機能を担当させるため、主軸及びモーターケーシングには、熱膨張率が低い材質を選択することができる。これにより、主軸とモーターケーシングとの軸方向の伸び量の差を抑制することができるため、インペラの効率を低下させることなく、圧縮機の効率を維持することができる。   In addition, since the ring member is made of a material having a higher thermal conductivity than that of the main shaft and the motor casing and takes charge of the cooling function, a material having a low coefficient of thermal expansion can be selected for the main shaft and the motor casing. Thereby, since the difference in the axial extension amount between the main shaft and the motor casing can be suppressed, the efficiency of the compressor can be maintained without reducing the efficiency of the impeller.

請求項2に係る発明は、前記モーターケーシングが、当該外周面に軸方向端部の一端側から他端側にかけて設けられたらせん状の第2冷却流体流路と、当該モーターケーシングの外周面と内周面とを貫通する貫通孔と、を有し、前記貫通孔によって前記第1冷却流体流路と前記第2冷却流体流路とが連通されていることを特徴とする請求項1に記載の圧縮機である。   According to a second aspect of the present invention, the motor casing is provided on the outer peripheral surface from the one end side of the axial end portion to the other end side of the spiral second cooling fluid channel, the outer peripheral surface of the motor casing, The first cooling fluid channel and the second cooling fluid channel are communicated with each other through the through hole, and the first cooling fluid channel and the second cooling fluid channel communicate with each other. This is a compressor.

請求項2に係る圧縮機によれば、モーターケーシングの外周面に第2冷却流体流路が設けられる構成となっている。これにより、モーターケーシング内に収納されている軸受部等の回転子以外の発熱部を冷却することができる。   According to the compressor which concerns on Claim 2, it has the structure by which a 2nd cooling fluid flow path is provided in the outer peripheral surface of a motor casing. Thereby, heat generating parts other than rotors, such as a bearing part accommodated in the motor casing, can be cooled.

また、モーターケーシングの外周面と内周面とを貫通する貫通孔を有し、この貫通孔によって第1及び第2冷却流体流路が連通される構成となっている。これにより、モーターケーシングの内側の第1冷却流体流路に用いた冷却用の流体を第2冷却流体流路に対しても用いることができるため、冷却用流体の使用量の削減と、冷却構造の簡略化を図ることができる。   Moreover, it has the through-hole which penetrates the outer peripheral surface and inner peripheral surface of a motor casing, and becomes a structure by which a 1st and 2nd cooling fluid flow path is connected by this through-hole. Thereby, since the cooling fluid used for the first cooling fluid channel inside the motor casing can be used also for the second cooling fluid channel, the amount of cooling fluid used can be reduced, and the cooling structure Can be simplified.

請求項3に係る発明は、前記主軸と前記モーターケーシングとが、同一の材質もしくは熱膨張係数がほぼ等しい材質で構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧縮機である。   The invention according to claim 3 is the compressor according to claim 1 or 2, wherein the main shaft and the motor casing are made of the same material or a material having substantially the same thermal expansion coefficient. .

請求項3に係る圧縮機によれば、主軸とモーターケーシングとが、同一の材質もしくは熱膨張係数がほぼ等しい材質で構成されているため、圧縮機の運転中のこれらの寸法変動の差を少なくすることができる。これにより、主軸端に固定されたインペラの前面と、圧縮機本体ケーシングを介してモーターケーシングに固定されたシュラウドリングの固定壁と、の間の隙間(シュラウドクリアランス)も維持されるため、圧縮機として高い効率を維持することができる。   According to the compressor of the third aspect, since the main shaft and the motor casing are made of the same material or a material having substantially the same thermal expansion coefficient, the difference in these dimensional fluctuations during the operation of the compressor is reduced. can do. Thereby, since the clearance (shroud clearance) between the front surface of the impeller fixed to the main shaft end and the fixed wall of the shroud ring fixed to the motor casing via the compressor body casing is also maintained, the compressor High efficiency can be maintained.

請求項4に係る発明は、前記モーターケーシングが、前記リング部材と接する少なくとも一部の領域が、当該モーターケーシングの他の領域を構成する材質よりも熱伝導率が大きな材質から構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の圧縮機である。   According to a fourth aspect of the present invention, at least a part of the motor casing that is in contact with the ring member is made of a material having a higher thermal conductivity than a material that constitutes another region of the motor casing. It is a compressor as described in any one of Claims 1 thru | or 3 characterized by these.

請求項4に係る圧縮機によれば、モーターケーシングの一部の領域に熱伝導率の大きい材質を用いて構成されている。熱伝導率の大きい材質からなる領域は、リング部材(冷却ブッシュ)と一部で接するように設けられるため、運転中のモーターケーシングの軸方向の寸法変動は少ない。また、モーターケーシングの内周面には、冷却機能を担うリング部材が接合されており、このリング部材と接する領域は熱伝導率の大きい材質であるため、リング部材によって効果的に冷却されることとなる(すなわち、リング部材と接する少なくとも一部の領域はリング部材によって冷却されるので、寸法変動が少ない)。さらに、当該一部の領域の外側に第2冷却流体流路が存在する場合には、外側からも冷却されることになる。したがって、モーターケーシングの当該一部の領域には、熱伝導率の大きい材質を用いることができる。   According to the compressor which concerns on Claim 4, it is comprised using the material with big heat conductivity in the one part area | region of a motor casing. Since the region made of a material having a high thermal conductivity is provided so as to partially contact the ring member (cooling bush), there is little dimensional variation in the axial direction of the motor casing during operation. In addition, a ring member that bears a cooling function is joined to the inner peripheral surface of the motor casing, and since the region in contact with the ring member is made of a material having a high thermal conductivity, it is effectively cooled by the ring member. (I.e., at least a part of the region in contact with the ring member is cooled by the ring member, so that the dimensional variation is small). Further, when the second cooling fluid channel exists outside the partial area, the cooling is performed from the outside. Therefore, a material having high thermal conductivity can be used for the partial region of the motor casing.

本発明の圧縮機によれば、高い効率を維持しつつ、モーターを効率よく冷却することが可能となる。   According to the compressor of the present invention, the motor can be efficiently cooled while maintaining high efficiency.

本発明を適用した第1の実施形態である圧縮機の断面図である。It is sectional drawing of the compressor which is 1st Embodiment to which this invention is applied. 第1の実施形態である圧縮機を構成する高速モーター部分の断面図である。It is sectional drawing of the high-speed motor part which comprises the compressor which is 1st Embodiment. 高速モーターのモーターケーシングを説明するための図で、(a)は断面図、(b)は拡大側面図である。It is a figure for demonstrating the motor casing of a high-speed motor, (a) is sectional drawing, (b) is an enlarged side view. 第1の実施形態である圧縮機に用いる冷却ブッシュの側面図である。It is a side view of the cooling bush used for the compressor which is a 1st embodiment. 第2の実施形態である圧縮機を構成する高速モーター部分の断面図である。It is sectional drawing of the high-speed motor part which comprises the compressor which is 2nd Embodiment.

以下、本発明を適用した一実施形態である圧縮機について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。   Hereinafter, a compressor according to an embodiment to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent.

<第1の実施形態>
先ず、本発明を適用した第1の実施形態である圧縮機の構成について説明する。図1に示すように、本実施形態の圧縮機1は、高速モーター2と、圧縮機本体3(3A,3B)とを、を備えており、高速モーター2の軸方向の両端に圧縮機本体3A,3Bがそれぞれ結合されて、概略構成されている。
<First Embodiment>
First, the structure of the compressor which is 1st Embodiment to which this invention is applied is demonstrated. As shown in FIG. 1, the compressor 1 of this embodiment includes a high-speed motor 2 and a compressor main body 3 (3 </ b> A, 3 </ b> B), and a compressor main body at both axial ends of the high-speed motor 2. 3A and 3B are combined to form a schematic structure.

高速モーター2は、図1に示すように、その中央部に回転子4aが設けられた主軸4と、この回転子4aと対向する固定子5と、主軸4を回転可能に保持する軸受6(6a,6b)及び軸受7(7a,7b)と、主軸4、固定子5及び軸受6,7を収納するモーターケーシング8と、上記モーターケーシング8と固定子5との間に設けられた冷却ブッシュ(リング部材)9と、を少なくとも備えて構成されている。   As shown in FIG. 1, the high-speed motor 2 includes a main shaft 4 provided with a rotor 4a at the center thereof, a stator 5 opposed to the rotor 4a, and a bearing 6 that rotatably holds the main shaft 4. 6a, 6b) and the bearing 7 (7a, 7b), the motor casing 8 that houses the main shaft 4, the stator 5, and the bearings 6, 7, and the cooling bush provided between the motor casing 8 and the stator 5. (Ring member) 9 and at least.

主軸4は、図1に示すように、モーターケーシング8内において、軸受6(6a,6b)及び軸受7(7a,7b)によって回転可能に支持されている。また、主軸4は、軸方向の長さがモーターケーシング8の軸方向長さよりも長くなっており、両端部の一端4A及び他端4Bがモーターケーシング8の両端から突き出している。この両端部4A及び4Bには、それぞれ後述するインペラ19A,19Bが固定されている。これにより、主軸4は、高速モーター2の回転主軸であるとともに、圧縮機本体3A及び3Bの主軸としての機能を有している。   As shown in FIG. 1, the main shaft 4 is rotatably supported in a motor casing 8 by bearings 6 (6a, 6b) and bearings 7 (7a, 7b). Further, the main shaft 4 has an axial length longer than the axial length of the motor casing 8, and one end 4 </ b> A and the other end 4 </ b> B of both ends protrude from both ends of the motor casing 8. Impellers 19A and 19B, which will be described later, are fixed to the both ends 4A and 4B, respectively. Thereby, the main shaft 4 has a function as a main shaft of the compressor main bodies 3A and 3B as well as a rotation main shaft of the high-speed motor 2.

主軸4は、磁性体の鉄系材料で構成される。また、主軸4の材質は、後述するようにモーターケーシング8の材質と熱膨張係数がほぼ等しいことが好ましい。   The main shaft 4 is made of a magnetic iron-based material. The material of the main shaft 4 is preferably substantially the same as the material of the motor casing 8 as will be described later.

回転子4aは、主軸4の中央部に固定されている。また、固定子5は、回転子4aの外周を包囲するように設けられている。この固定子5には、軸方向を挟むように界磁コイルが取り付けられており、界磁コイルによる磁界を主軸4に伝えることによって主軸4を回転させるように構成されている。   The rotor 4 a is fixed to the central portion of the main shaft 4. The stator 5 is provided so as to surround the outer periphery of the rotor 4a. A field coil is attached to the stator 5 so as to sandwich the axial direction, and the main shaft 4 is rotated by transmitting a magnetic field generated by the field coil to the main shaft 4.

軸受6(6a,6b)及び軸受7(7a,7b)は、磁性体の鉄系材料で構成されている。また、軸受6及び軸受7は、主軸4を高速回転で支持可能なものであれば、特に限定されるものではない。このような軸受としては、流体軸受や磁気軸受等が挙げられる。本実施形態では、軸受6(6a,6b)がラジアル軸受であり、主軸4の径方向の荷重を受けるようになっている。また、主軸4には軸方向の荷重を受けるためのスラスト板4bが設けられており、軸受7(7a,7b)がスラスト(アキシャル)軸受となっている。   The bearing 6 (6a, 6b) and the bearing 7 (7a, 7b) are made of a magnetic iron-based material. The bearing 6 and the bearing 7 are not particularly limited as long as they can support the main shaft 4 at high speed. Examples of such a bearing include a fluid bearing and a magnetic bearing. In the present embodiment, the bearing 6 (6a, 6b) is a radial bearing, and receives a load in the radial direction of the main shaft 4. The main shaft 4 is provided with a thrust plate 4b for receiving an axial load, and the bearings 7 (7a, 7b) are thrust (axial) bearings.

モーターケーシング8は、図1、図2及び図3(a)に示すように、両端にフランジ部8a,8bを有する中空筒状部材である。このモーターケーシング8は、図1に示すように、内部空間に主軸4、固定子5及び軸受6,7を収納する。また、モーターケーシング8は、冷却ブッシュ9を介して内側に固定子5を保持している。   As shown in FIGS. 1, 2 and 3A, the motor casing 8 is a hollow cylindrical member having flange portions 8a and 8b at both ends. As shown in FIG. 1, the motor casing 8 houses the main shaft 4, the stator 5, and the bearings 6 and 7 in an internal space. The motor casing 8 holds the stator 5 on the inner side through the cooling bush 9.

モーターケーシング8は、鉄系のステンレス鋼で構成されている。また、モーターケーシング8の材質は、上述したように主軸4の材質と熱膨張係数がほぼ等しいことが好ましい。さらに、主軸4とモーターケーシング8とが、同一の材質で構成されていることがより好ましい。   The motor casing 8 is made of iron-based stainless steel. The material of the motor casing 8 is preferably substantially the same as the material of the main shaft 4 as described above. Furthermore, it is more preferable that the main shaft 4 and the motor casing 8 are made of the same material.

モーターケーシング8の外周面には、図3(a)及び図3(b)に示すように、軸方向端部の一端側(フランジ8a側)から他端側(フランジ8b側)にかけて、らせん状の溝部10が設けられている。また、モーターケーシング8の外周面には、図3(a)に示すように、らせん状の溝部10が設けられている領域を覆うように、中空筒状のキャップ(カバー)部材11が設けられている。そして、モーターケーシング8の外周面とキャップ部材11の内周面とが密接されて接合されている。これにより、モーターケーシング8の外周面に、らせん状の溝部10とキャップ部材11の内周面とからなる外側冷却流路(第2冷却流体流路)12が形成される。   As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the outer surface of the motor casing 8 spirals from one end side (flange 8a side) to the other end side (flange 8b side) of the axial end. The groove portion 10 is provided. Further, as shown in FIG. 3A, a hollow cylindrical cap (cover) member 11 is provided on the outer peripheral surface of the motor casing 8 so as to cover an area where the spiral groove 10 is provided. ing. The outer peripheral surface of the motor casing 8 and the inner peripheral surface of the cap member 11 are in close contact with each other. As a result, an outer cooling channel (second cooling fluid channel) 12 composed of the spiral groove 10 and the inner peripheral surface of the cap member 11 is formed on the outer peripheral surface of the motor casing 8.

ここで、本実施形態では、らせん状の溝部10は、図1に示すように、軸受7から冷却ブッシュ9と対向する領域に設けられているが、位置及び範囲は特に限定されるものではない。例えば、高速モーター2の運転時に発熱する軸受6a及び6bに対向する領域に設けても良いし、モーターケーシング8の外周面の一端側(フランジ8a側)から他端側(フランジ8b側)の全面に連続するように設けても良い。このように、らせん状の溝部10(すなわち、外側冷却流路12)を設けることにより、モーターケーシング8の内側に収納されている発熱個所を効果的に冷却することができる。   Here, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the spiral groove 10 is provided in a region facing the cooling bush 9 from the bearing 7, but the position and range are not particularly limited. . For example, it may be provided in a region facing the bearings 6a and 6b that generate heat during operation of the high-speed motor 2, or the entire surface from one end side (flange 8a side) to the other end side (flange 8b side) of the outer peripheral surface of the motor casing 8. You may provide so that it may continue. As described above, by providing the spiral groove 10 (that is, the outer cooling flow path 12), the heat generating portion housed inside the motor casing 8 can be effectively cooled.

モーターケーシング8には、図3(a)に示すように、当該モーターケーシング8の外周面と内周面とを貫通する一対の貫通孔13,14が設けられている。また、貫通孔13の外周面側には、冷却液の供給口15が設けられている。これにより、モーターケーシング8の外側から内側に冷却液を供給可能とされている。   As shown in FIG. 3A, the motor casing 8 is provided with a pair of through holes 13 and 14 that penetrates the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the motor casing 8. A coolant supply port 15 is provided on the outer peripheral surface side of the through hole 13. Thereby, the coolant can be supplied from the outside to the inside of the motor casing 8.

貫通孔14の外周面側は、らせん状の溝部10の一方の端部側と連通されている。これにより、モーターケーシング8の内側から外側冷却流路12に冷却液を供給可能とされている。   The outer peripheral surface side of the through hole 14 communicates with one end side of the spiral groove 10. Thereby, the coolant can be supplied from the inside of the motor casing 8 to the outer cooling flow path 12.

キャップ部材11には、当該キャップ部材11の外周面と内周面とを貫通する図示略の貫通孔が設けられている。また、図示略の当該貫通孔の外周面側には、冷却液の排出口16が設けられている。さらに、図示略の該貫通孔の内周面側は、らせん状の溝部10の他方の端部側と対向するように設けられている。これにより、外側冷却流路12からキャップ部材11の外側(すなわち、モーターケーシング8の外側)に冷却液を排出可能とされている。   The cap member 11 is provided with a through hole (not shown) that penetrates the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the cap member 11. A coolant discharge port 16 is provided on the outer peripheral surface side of the through hole (not shown). Further, the inner peripheral surface side of the through hole (not shown) is provided so as to face the other end side of the spiral groove 10. Thereby, the coolant can be discharged from the outer cooling flow path 12 to the outside of the cap member 11 (that is, outside of the motor casing 8).

冷却ブッシュ(リング部材)9は、主軸4及びモーターケーシング8よりも熱伝導率が大きな材質(具体的には、銅合金あるいはアルミ合金)からなる中空円筒状の部材である。この冷却ブッシュ9は、図1に示すように、モーターケーシング8と固定子5との間に、設けられている。具体的には、冷却ブッシュ9は、当該冷却ブッシュ9の外周面とモーターケーシング8の内周面とが密接するように、モーターケーシング8側に接合されている。   The cooling bush (ring member) 9 is a hollow cylindrical member made of a material (specifically, copper alloy or aluminum alloy) having a higher thermal conductivity than the main shaft 4 and the motor casing 8. The cooling bush 9 is provided between the motor casing 8 and the stator 5 as shown in FIG. Specifically, the cooling bush 9 is joined to the motor casing 8 side so that the outer peripheral surface of the cooling bush 9 and the inner peripheral surface of the motor casing 8 are in close contact.

ここで、冷却ブッシュ9とモーターケーシング8との接合は、図2に示すように、冷却ブッシュ9をモーターケーシング8の内側に挿入し、冷却ブッシュ9の両端外周面9a,9bとモーターケーシング8の内周面とを、真空ブレージング(真空ろう付けとも称される)等により接合する。これにより、冷却ブッシュ9の両端外周面9a,9bの周方向全域において、シール機能を持たせることができる。   Here, as shown in FIG. 2, the cooling bush 9 and the motor casing 8 are joined by inserting the cooling bush 9 inside the motor casing 8, and the outer peripheral surfaces 9 a and 9 b of both ends of the cooling bush 9 and the motor casing 8. The inner peripheral surface is joined by vacuum brazing (also called vacuum brazing) or the like. Thereby, a sealing function can be provided in the circumferential direction whole region of both-ends outer peripheral surface 9a, 9b of the cooling bush 9. FIG.

また、冷却ブッシュ9の内周面と固定子5の外周面とが接することで、冷却ブッシュ9の内側に固定子5が保持される。具体的には、冷却ブッシュ9の内側に、固定子5が挿入あるいは焼きばめされる。   Further, the stator 5 is held inside the cooling bush 9 by contacting the inner peripheral surface of the cooling bush 9 with the outer peripheral surface of the stator 5. Specifically, the stator 5 is inserted or shrink-fitted inside the cooling bush 9.

冷却ブッシュ9の外周面には、図4に示すように、軸方向端部の一端側(端部9a側)から他端側(端部9b側)にかけて、らせん状の溝部17が設けられている。ここで、らせん状の溝部17の上面は開放されているが、上述したように冷却ブッシュ9をモーターケーシング8の内側に挿入し、当該冷却ブッシュ9の外周面とモーターケーシング8の内周面とが密接するように、モーターケーシング8側に接合することによって、らせん状の溝部17の上面がモーターケーシング8の内周面によって閉塞される。これにより、冷却ブッシュの外周面に、らせん状の溝部17とモーターケーシング8の内周面とからなる内側冷却流路(第1冷却流体流路)18が形成される。   As shown in FIG. 4, a spiral groove 17 is provided on the outer peripheral surface of the cooling bush 9 from one end side (end portion 9a side) to the other end side (end portion 9b side) of the axial end portion. Yes. Here, although the upper surface of the spiral groove portion 17 is open, the cooling bush 9 is inserted into the motor casing 8 as described above, and the outer peripheral surface of the cooling bush 9 and the inner peripheral surface of the motor casing 8 are Are joined to the motor casing 8 side so that the upper surface of the spiral groove portion 17 is closed by the inner peripheral surface of the motor casing 8. As a result, an inner cooling channel (first cooling fluid channel) 18 composed of the spiral groove portion 17 and the inner peripheral surface of the motor casing 8 is formed on the outer peripheral surface of the cooling bush.

内側冷却流路18は、他端側(端部9b側)で貫通孔13と、一端側(端部9a側)で貫通孔14とそれぞれ連通されている。これにより、内側冷却流路(第1冷却流体流路)18と外側冷却流路(第2冷却流体流路)12とが連通される。したがって、冷却液を、供給口15及び貫通孔13を経て、モーターケーシング8の外側から内側冷却流路18に供給することができる。また、内側冷却流路18を流れた後の冷却液を、貫通孔14を経て、モーターケーシング8の外周面に形成した外側冷却流路12に供給することができる。さらに、外側冷却流路12を流れた後の冷却液を、キャップ部材11に設けられた図示略の貫通孔を経て、冷却液の排出口16からモーターケーシング8の外側へと排出することができる。   The inner cooling flow path 18 communicates with the through hole 13 on the other end side (end portion 9b side) and the through hole 14 on one end side (end portion 9a side). Thereby, the inner cooling flow path (first cooling fluid flow path) 18 and the outer cooling flow path (second cooling fluid flow path) 12 are communicated. Therefore, the coolant can be supplied to the inner cooling flow path 18 from the outside of the motor casing 8 through the supply port 15 and the through hole 13. Further, the coolant after flowing through the inner cooling flow path 18 can be supplied to the outer cooling flow path 12 formed on the outer peripheral surface of the motor casing 8 through the through hole 14. Further, the coolant after flowing through the outer cooling flow path 12 can be discharged from the coolant discharge port 16 to the outside of the motor casing 8 through a through hole (not shown) provided in the cap member 11. .

冷却ブッシュ9の軸方向の長さは、特に限定されないが、固定子5とほぼ同等の長さであることが、冷却の観点で好ましい。また、冷却ブッシュ9の外周面に設けるらせん状の溝部17の範囲も特に限定されるものではない。   The length of the cooling bush 9 in the axial direction is not particularly limited, but is preferably substantially the same as the length of the stator 5 from the viewpoint of cooling. Further, the range of the spiral groove portion 17 provided on the outer peripheral surface of the cooling bush 9 is not particularly limited.

本実施形態で適用可能な冷却液は、モーターケーシング8に収納された主軸4、固定子5及び軸受6,7を効果的に冷却可能なものであれば、特に限定されるものではない。このような冷却液としては、具体的には水、エチレングリコールやプロピレングリコールなどの不凍液、油等を挙げることができる。さらに、冷却液に代えて、冷却流体として気体、例えば、窒素、ヘリウム、ネオン等を用いても良い。   The coolant that can be applied in the present embodiment is not particularly limited as long as it can effectively cool the main shaft 4, the stator 5, and the bearings 6 and 7 housed in the motor casing 8. Specific examples of such a coolant include water, antifreeze such as ethylene glycol and propylene glycol, and oil. Furthermore, instead of the coolant, a gas such as nitrogen, helium, neon, or the like may be used as the cooling fluid.

圧縮機本体3(3A,3B)は、図1に示すように、主軸の一端4A(他端4B)に設けられたインペラ19(19A,19B)と、インペラ19の前面19aと対向する固定壁20aを有するシュラウドリング20(20A,20B)と、インペラ19及びシュラウドリング20を収納し、当該シュラウドリング20を保持する圧縮機本体ケーシング21(21A,21B)と、を少なくとも備えて構成されている。圧縮機本体3A及び3Bの内部には、ヘリウムやネオン等の循環ガス(冷媒ガス)が封入されている。なお、符号22(22A,22B)は、インペラ19(19A,19B)の出口側である。   As shown in FIG. 1, the compressor body 3 (3 </ b> A, 3 </ b> B) includes an impeller 19 (19 </ b> A, 19 </ b> B) provided at one end 4 </ b> A (the other end 4 </ b> B) of the main shaft and a fixed wall facing the front surface 19 a of the impeller 19. The shroud ring 20 (20A, 20B) having 20a, and the compressor main body casing 21 (21A, 21B) that houses the impeller 19 and the shroud ring 20 and holds the shroud ring 20 are provided. . Circulating gas (refrigerant gas) such as helium or neon is sealed inside the compressor main bodies 3A and 3B. In addition, the code | symbol 22 (22A, 22B) is an exit side of the impeller 19 (19A, 19B).

ここで、圧縮機本体ケーシング21Aは、モーターケーシング8のフランジ部8aでボルト等によって結合されている。また、シュラウドリング20Aは、圧縮機本体ケーシング21Aに固定されている。したがって、シュラウドリング20Aは、圧縮機本体ケーシング21Aを介してモーターケーシング8と結合されている。   Here, the compressor main body casing 21 </ b> A is coupled by a bolt or the like at the flange portion 8 a of the motor casing 8. The shroud ring 20A is fixed to the compressor body casing 21A. Therefore, the shroud ring 20A is coupled to the motor casing 8 via the compressor body casing 21A.

インペラ19Aの前面19aとシュラウドリング20Aの固定壁20aとの間には、シュラウドクリアランスと呼ばれる隙間が設けられている。ここで、インペラ19Aは主軸4に固定されており、シュラウドリング20Aはモーターケーシング8に間接的に固定されている。このため、高速モーター2を駆動した際、主軸4とモーターケーシング8との軸方向の伸び量に変化が生じると、上記シュラウドクリアランスの値も変化することとなる。   A gap called a shroud clearance is provided between the front surface 19a of the impeller 19A and the fixed wall 20a of the shroud ring 20A. Here, the impeller 19 </ b> A is fixed to the main shaft 4, and the shroud ring 20 </ b> A is indirectly fixed to the motor casing 8. For this reason, when the high-speed motor 2 is driven and the axial extension between the main shaft 4 and the motor casing 8 changes, the value of the shroud clearance also changes.

次に、本実施形態の圧縮機1、すなわち高速モーター2を駆動した際の冷却動作について説明する。
図1に示すように、高速モーター2の主軸4が回転を開始すると、圧縮機本体3A及び3Bにおいて主軸4の端部4A及び4Bに固定されたインペラ19A及び19Bが高速回転する。このインペラ19A及び19Bによって、ヘリウムやネオン等の循環ガスが断熱圧縮されるため、インペラ19A及び19Bの出口側22A及び22Bの温度が上昇する。具体的には、例えば、30℃の循環ガスを圧力比1.4程度まで圧縮すると、出口温度は90℃近くまで上昇する。この時、比較的高温となる主軸4及びモーターケーシング8を熱膨張係数がほぼ等しい材料で構成しているため、軸方向の伸び量の差が抑制される。したがって、シュラウドクリアランスへの影響が少なく、圧縮機1の効率が低下するおそれがない。
Next, the cooling operation when the compressor 1 of this embodiment, that is, the high-speed motor 2 is driven will be described.
As shown in FIG. 1, when the main shaft 4 of the high-speed motor 2 starts rotating, the impellers 19A and 19B fixed to the end portions 4A and 4B of the main shaft 4 in the compressor main bodies 3A and 3B rotate at high speed. The impellers 19A and 19B adiabatically compress the circulating gas such as helium and neon, so that the temperatures of the outlet sides 22A and 22B of the impellers 19A and 19B rise. Specifically, for example, when the circulating gas at 30 ° C. is compressed to a pressure ratio of about 1.4, the outlet temperature rises to near 90 ° C. At this time, since the main shaft 4 and the motor casing 8 that are relatively high in temperature are made of materials having substantially the same thermal expansion coefficient, the difference in the amount of elongation in the axial direction is suppressed. Therefore, there is little influence on the shroud clearance, and there is no possibility that the efficiency of the compressor 1 is lowered.

また、主軸4の高速回転により、モーターの銅損や鉄損等による発熱、固定子5と回転子4aとのすき間内の流体摩擦による発熱および軸受6,7の軸受すきま内の流体摩擦による発熱が発生する。これにより、固定子5、回転子4a、軸受6a,6b、軸受7a,7b及び主軸4自体の温度が上昇する。   Further, due to high-speed rotation of the main shaft 4, heat generation due to motor copper loss, iron loss, etc., heat generation due to fluid friction in the gap between the stator 5 and the rotor 4a, and heat generation due to fluid friction in the bearing clearances of the bearings 6 and 7 are achieved. Occurs. Thereby, the temperature of the stator 5, the rotor 4a, the bearings 6a and 6b, the bearings 7a and 7b, and the main shaft 4 itself increases.

そこで、本実施形態の圧縮機1では、冷却液を供給口15から内側冷却流路18に供給する。冷却液が内側冷却流路18に沿って流れることで、冷却ブッシュ9全体が冷却される。そして、この冷却ブッシュ9によって、モーターケーシング8の内側から固定子5を直接冷却することができる。なお、冷却ブッシュ9は、銅合金やアルミ合金といった熱膨張係数が大きい材質で形成されているため、より効果的に固定子5を冷却することができる。   Therefore, in the compressor 1 of this embodiment, the coolant is supplied from the supply port 15 to the inner cooling flow path 18. As the coolant flows along the inner cooling flow path 18, the entire cooling bush 9 is cooled. The stator 5 can be directly cooled from the inside of the motor casing 8 by the cooling bush 9. In addition, since the cooling bush 9 is formed of a material having a large thermal expansion coefficient such as a copper alloy or an aluminum alloy, the stator 5 can be cooled more effectively.

次に、内側冷却流路18を流れた後の冷却液を、貫通孔14からモーターケーシング8の外周面に形成した外側冷却流路12に供給する。すなわち、冷却液は、内側冷却流路18に沿って流れる過程で固定子5から熱を吸収して、モーターケーシング8の外側に排出される。冷却液が外側冷却流路12に沿って流れることで、モーターケーシング8の内側に配設された軸受7(7a,7b)を冷却することができる。   Next, the coolant after flowing through the inner cooling channel 18 is supplied from the through hole 14 to the outer cooling channel 12 formed on the outer peripheral surface of the motor casing 8. That is, the cooling liquid absorbs heat from the stator 5 in the process of flowing along the inner cooling flow path 18 and is discharged to the outside of the motor casing 8. When the coolant flows along the outer cooling flow path 12, the bearing 7 (7 a, 7 b) disposed inside the motor casing 8 can be cooled.

最後に、外側冷却流路12を流れた後の冷却液を、排出口16から排出する。すなわち、冷却液は、モーターケーシング8の外周面に設けられた外側冷却流路12に沿って流れる過程で、モーターケーシング8の内側に収納された軸受7から熱を吸収した後に系外に排出される。   Finally, the coolant after flowing through the outer cooling flow path 12 is discharged from the discharge port 16. That is, in the process of flowing along the outer cooling flow path 12 provided on the outer peripheral surface of the motor casing 8, the coolant absorbs heat from the bearing 7 housed inside the motor casing 8 and is then discharged outside the system. The

以上説明したように、本実施形態の圧縮機1によれば、モーターケーシング8と固定子5との間に、外側に内側冷却流路(第1冷却流体流路)18が設けられた中空円筒状の冷却ブッシュ(リング部材)9を備えているため、モーターケーシング8の内側から固定子5を直接冷却することができる。また、冷却ブッシュ9の材質には、主軸4及びモーターケーシング8よりも熱伝導率が大きな銅合金あるいはアルミ合金を用いるため、固定子5から効果的に熱を奪い去ることができる。   As described above, according to the compressor 1 of the present embodiment, the hollow cylinder in which the inner cooling flow path (first cooling fluid flow path) 18 is provided on the outer side between the motor casing 8 and the stator 5. Therefore, the stator 5 can be directly cooled from the inside of the motor casing 8. Further, since the cooling bush 9 is made of a copper alloy or an aluminum alloy having a thermal conductivity higher than that of the main shaft 4 and the motor casing 8, heat can be effectively removed from the stator 5.

また、冷却ブッシュ9に、主軸4及びモーターケーシング8よりも熱伝導率が大きな材質を用いて、冷却機能を担当させるため、主軸4及びモーターケーシング8には、熱膨張係数が大きい材質を選択することができる。これにより、主軸4とモーターケーシング8との軸方向の伸び量の差を抑制することができるため、インペラ19(19A,19B)の効率を低下させることなく、圧縮機1の効率を維持することができる。   Further, since the cooling bush 9 is made of a material having a higher thermal conductivity than the main shaft 4 and the motor casing 8 and is responsible for the cooling function, a material having a large thermal expansion coefficient is selected for the main shaft 4 and the motor casing 8. be able to. Thereby, since the difference in the amount of elongation in the axial direction between the main shaft 4 and the motor casing 8 can be suppressed, the efficiency of the compressor 1 can be maintained without reducing the efficiency of the impeller 19 (19A, 19B). Can do.

また、本実施形態の圧縮機1によれば、モーターケーシング8の外周面に外側冷却流路(第2冷却流体流路)12が設けられる構成となっている。これにより、モーターケーシング8の内側に収納されている軸受7等の回転子5以外の発熱部を効果的に冷却することができる。   Further, according to the compressor 1 of the present embodiment, the outer cooling flow path (second cooling fluid flow path) 12 is provided on the outer peripheral surface of the motor casing 8. Thereby, heat generating parts other than the rotor 5 such as the bearing 7 accommodated inside the motor casing 8 can be effectively cooled.

また、モーターケーシング8の外周面と内周面とを貫通する貫通孔14を設け、この貫通孔14によって内側及び外側冷却流路12,18が連通される構成となっている。これにより、内側冷却流路18に用いた冷却液を外側冷却流路12に用いることができるため、冷却液の使用量を半減することができる。さらに、冷却液の供給配管の本数を半減することができるため、冷却構造の簡略化を図ることができる。   In addition, a through hole 14 that penetrates the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the motor casing 8 is provided, and the inner and outer cooling passages 12 and 18 are communicated with each other through the through hole 14. Thereby, since the cooling liquid used for the inner side cooling flow path 18 can be used for the outer side cooling flow path 12, the usage-amount of a cooling liquid can be halved. Furthermore, since the number of coolant supply pipes can be halved, the cooling structure can be simplified.

さらに、本実施形態の圧縮機1によれば、主軸4とモーターケーシング8とが、同一の材質、または熱膨張係数がほぼ等しい材料、例えばステンレス鋼で構成されているため、圧縮機1の運転中のこれらの軸方向の伸び量の差を少なくすることができる。これにより、主軸端4A,4Bに固定されたインペラ19(19A,18B)の前面19aと、圧縮機本体ケーシング21(21A,21B)を介してモーターケーシング8と固定されたシュラウドリング20(20A,20B)の固定壁20aと、の間の隙間(シュラウドクリアランス)の変動量を抑制することができるため、圧縮機1として高い効率を維持することができる。   Furthermore, according to the compressor 1 of this embodiment, since the main shaft 4 and the motor casing 8 are made of the same material or a material having substantially the same thermal expansion coefficient, for example, stainless steel, the operation of the compressor 1 is performed. The difference in the amount of elongation in the axial direction can be reduced. Thereby, the front surface 19a of the impeller 19 (19A, 18B) fixed to the spindle end 4A, 4B and the shroud ring 20 (20A, 20B) fixed to the motor casing 8 via the compressor body casing 21 (21A, 21B). 20B), the amount of change in the gap (shroud clearance) between the fixed wall 20a and the fixed wall 20a can be suppressed, so that the compressor 1 can maintain high efficiency.

ところで、上述した特許文献3に開示された圧縮機の冷却構造によれば、モーターケーシングの内周面に冷却液の冷却通路を形成することにより、モーター固定子を効率よく冷却できるとされている。また、上記冷却構造では、モーターケーシングの内部に設けた冷却液通路からモーター巻き線端部に直接冷却液を吹き付ける冷却方法が記載されている。しかしながら、ヘリウムやネオンを循環ガスとする冷凍機のターボ圧縮機やターボ膨張機の内部には、これらのガスが封入されている。このため、冷却液を固定子等に吹き付けると冷凍機内部の循環ガスを汚染することとなり、結果として冷凍機の低温部において冷却液が凝固してしまうという問題があった。また、希少で高価なヘリウムやネオンなどの循環ガスが冷却液通路側にリークしてしまい、循環ガスの封入圧力が低下して冷凍機の能力が低下してしまうという問題があった。   By the way, according to the compressor cooling structure disclosed in Patent Document 3 described above, the motor stator can be efficiently cooled by forming a cooling liquid cooling passage on the inner peripheral surface of the motor casing. . In the cooling structure, a cooling method is described in which the coolant is sprayed directly from the coolant passage provided inside the motor casing to the end portion of the motor winding. However, these gases are enclosed in a turbo compressor or a turbo expander of a refrigerator that uses helium or neon as a circulating gas. For this reason, when the cooling liquid is sprayed on the stator or the like, the circulating gas inside the refrigerator is contaminated, and as a result, there is a problem that the cooling liquid is solidified in the low temperature portion of the refrigerator. In addition, rare and expensive circulating gases such as helium and neon leak to the coolant passage side, and there is a problem in that the circulating gas sealing pressure is lowered and the capacity of the refrigerator is lowered.

これに対して、本実施形態の圧縮機1によれば、モーターケーシング8の内側に冷却ブッシュ9を挿入し、この冷却ブッシュ9の両端外周面9a,9bとこれに対向するモーターケーシング8の内周面とを真空ブレージング等により接合してシール機能を持たせた構成となっている。これにより、希少で高価なヘリウムやネオンなどの循環ガスが冷却液側(すなわち、内側冷却流路18内)へリークすることを防止することができる。したがって、循環ガスの封入圧力を低下させることがなく、冷凍機の能力の低下を防ぐことができる。   On the other hand, according to the compressor 1 of the present embodiment, the cooling bush 9 is inserted inside the motor casing 8, and both the outer peripheral surfaces 9 a and 9 b of the cooling bush 9 and the inside of the motor casing 8 facing this are arranged. The peripheral surface is joined by vacuum brazing or the like to provide a sealing function. Thereby, it is possible to prevent a rare and expensive circulating gas such as helium or neon from leaking to the coolant side (that is, inside the inner cooling flow path 18). Therefore, it is possible to prevent a reduction in the capacity of the refrigerator without reducing the sealed pressure of the circulating gas.

また、本実施形態の圧縮機1によれば、冷却液の内側及び外側冷却流路12,18は、いずれも内側部材と外側部材とが密着して接合された境界に設けられており、内側部材の外周面に設けられたらせん状の溝部10,17の上方の開口部が外側部材の内周面によって閉塞されて構成されている。ここで、らせん状の溝部10,17は、部材の外周面に形成されるため、部材の内周面に形成する場合と比較して加工が容易である。   Further, according to the compressor 1 of the present embodiment, both the inner and outer cooling flow paths 12 and 18 of the coolant are provided at the boundary where the inner member and the outer member are in close contact with each other. Openings above the spiral grooves 10 and 17 provided on the outer peripheral surface of the member are closed by the inner peripheral surface of the outer member. Here, since the spiral groove portions 10 and 17 are formed on the outer peripheral surface of the member, the processing is easy as compared with the case where the spiral groove portions 10 and 17 are formed on the inner peripheral surface of the member.

<第2の実施形態>
次に、本発明を適用した第2の実施形態について説明する。本実施形態は、モーターケーシングの構成が第1の実施形態のモーターケーシング8と異なるものであり、その他の構成については第1の実施形態と同一であるため、その説明を省略する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment to which the present invention is applied will be described. In the present embodiment, the configuration of the motor casing is different from that of the motor casing 8 of the first embodiment, and the other configurations are the same as those of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

図5に示すように、本実施形態のモーターケーシング28は、軸方向の両端に設けられたケーシング部材28A及び28Bと、軸方向の中央に上記ケーシング部材28A及び28Bの間に設けられたケーシング部材28Cとから構成されている。   As shown in FIG. 5, the motor casing 28 of the present embodiment includes casing members 28A and 28B provided at both ends in the axial direction, and a casing member provided between the casing members 28A and 28B in the center in the axial direction. 28C.

軸方向の両端に設けられたケーシング部材28A及び28Bは、熱伝導率が小さい材質、また、主軸と同一材質もしくは熱膨張係数がほぼ等しい材質、例えばステンレス鋼製とすることが好ましい。モーターケーシング28の軸方向の両端に位置するケーシング部材28A及び28Bは、モーターケーシング28のインペラ19A及び19Bに近接しており、高速モーターの駆動によって高温となる。ここで、ケーシング部材28A及び28Bを熱伝導率が大きい材質、例えば銅合金製やアルミ合金製とすると、熱伝導によってモーターケーシング28の内側の主軸4や軸受6a,6b,7a,7bの温度上昇を助長してしまうためである。   The casing members 28A and 28B provided at both ends in the axial direction are preferably made of a material having a low thermal conductivity and the same material as the main shaft or a material having substantially the same thermal expansion coefficient, for example, stainless steel. Casing members 28A and 28B located at both ends of motor casing 28 in the axial direction are close to impellers 19A and 19B of motor casing 28, and become high temperature by driving a high-speed motor. Here, if the casing members 28A and 28B are made of a material having a high thermal conductivity, for example, a copper alloy or an aluminum alloy, the temperature rise of the main shaft 4 and the bearings 6a, 6b, 7a, 7b inside the motor casing 28 due to the heat conduction. It is because it will promote.

これに対して、軸方向の中央に設けられたケーシング部材28Cは、熱伝導率が大きい材質、例えば銅合金製やアルミ合金製とすることが好ましい。ケーシング部材28Cの外側には外側冷却流路12が設けられており、冷却液と接する構造となっている。ここで、ケーシング部材を熱伝導率が大きい材質とすることにより、冷却液の流れによってケーシング部材28Cが効果的に冷却されることになる。これにより、ケーシング部材28Cを挟んで外側冷却流路12と対向する位置に設けられるとともに、このケーシング部材28Cの内周面で接触している軸受7a,7bを効果的に冷却することが可能となる。   On the other hand, the casing member 28C provided at the center in the axial direction is preferably made of a material having high thermal conductivity, for example, copper alloy or aluminum alloy. An outer cooling channel 12 is provided outside the casing member 28C, and has a structure in contact with the coolant. Here, the casing member 28C is effectively cooled by the flow of the coolant by making the casing member a material having a high thermal conductivity. Thereby, while being provided in the position which opposes the outer side cooling flow path 12 on both sides of the casing member 28C, it becomes possible to cool effectively the bearings 7a and 7b which are contacting in the inner peripheral surface of this casing member 28C. Become.

ステンレス鋼製のケーシング部材28A及び28Bと、銅合金製のケーシング部材28Cとは、拡散接合や爆発圧接等によって接合されている。ここで、図5中に示す符号23a,23bが、異種金属の接合面を示している。   The stainless steel casing members 28A and 28B and the copper alloy casing member 28C are joined by diffusion welding, explosive pressure welding, or the like. Here, reference numerals 23a and 23b shown in FIG. 5 indicate the joining surfaces of different metals.

ところで、上述したように第1の実施形態で用いるモーターケーシング8は、ステンレス鋼製の単一の部材とされている。これに対して、本実施形態のモーターケーシング28は、熱伝導率が大きい銅合金製のケーシング部材28Cがケーシングの中央部に配置された構成となっており、モーターケーシング28全体の軸方向の伸び量が主軸4の伸び量と異なってしまうことが懸念される。   By the way, as mentioned above, the motor casing 8 used in the first embodiment is a single member made of stainless steel. On the other hand, the motor casing 28 of this embodiment has a configuration in which a casing member 28C made of a copper alloy having a high thermal conductivity is arranged in the central portion of the casing, and the motor casing 28 as a whole extends in the axial direction. There is a concern that the amount differs from the amount of elongation of the main shaft 4.

しかしながら、ケーシング部材28Cは、内周面で内側冷却流路18(さらには冷却ブッシュ9の外周面)と、外周面で外側冷却流路12と、それぞれ接する構造となっている。ここで、ケーシング部材28Cは熱伝導率が大きい材質であり、冷却液で充満された内側及び外側冷却流路12及び18によって効果的に冷却されることになる。したがって、ケーシング部材28Cが銅合金製であっても、ほぼ常温のままであり、定常運転中の熱膨張による軸方向の伸びはわずかである。言い換えると、銅合金製のケーシング部分は冷却されて温度がほとんど上昇しない部分であり、熱膨張による寸法変化を生じることはない。   However, the casing member 28C has a structure in which the inner peripheral surface is in contact with the inner cooling flow path 18 (and the outer peripheral surface of the cooling bush 9) and the outer peripheral surface is in contact with the outer cooling flow path 12. Here, the casing member 28C is made of a material having a high thermal conductivity, and is effectively cooled by the inner and outer cooling channels 12 and 18 filled with the coolant. Therefore, even if the casing member 28C is made of a copper alloy, it remains at substantially room temperature, and the axial extension due to thermal expansion during steady operation is slight. In other words, the casing portion made of copper alloy is a portion that is cooled and hardly rises in temperature, and does not cause a dimensional change due to thermal expansion.

一方、定常運転中に発熱によって温度が上昇し、高温になるのは、固定子5、軸受6,7及び主軸4であり、熱膨張によって軸方向に伸びる。また、ケーシング部材28Cの両端部に接合したステンレス鋼製のケーシング部材28A及び28Bの熱膨張係数は、磁性体の鉄系材料で構成された固定子5、軸受6,7及び主軸4とほぼ等しい。   On the other hand, it is the stator 5, the bearings 6, 7 and the main shaft 4 that rise in temperature due to heat generation during steady operation and reach a high temperature, and extends in the axial direction due to thermal expansion. Further, the thermal expansion coefficients of the stainless steel casing members 28A and 28B joined to both ends of the casing member 28C are substantially equal to those of the stator 5, the bearings 6 and 7 and the main shaft 4 made of a magnetic iron-based material. .

したがって、主軸4の先端に取り付けられたインペラ19の前面19aと固定壁20aとのシュラウドクリアランス(図1を参照)は減少する方向となる。このシュラウドクリアランスが減少するほどインペラの効率は向上するため、あらかじめこの減少分を考慮して組立することにより、高性能で、かつ、固定子5及び軸受6,7の温度上昇を抑制することが可能な圧縮機を提供することができる。   Therefore, the shroud clearance (see FIG. 1) between the front surface 19a of the impeller 19 attached to the tip end of the main shaft 4 and the fixed wall 20a decreases. As the shroud clearance decreases, the impeller efficiency improves. Therefore, by assembling in advance in consideration of the decrease, it is possible to suppress the temperature rise of the stator 5 and the bearings 6 and 7 with high performance. Possible compressors can be provided.

なお、銅合金製のケーシング部材28Cの軸方向の範囲は、特に限定されるものではない。熱伝導率が大きな材質からなるケーシング部材28Cと、この内側に挿入される冷却リング9とが、少なくとも一部の領域で対向していれば良い(接触していれば良い)。   The axial range of the copper alloy casing member 28C is not particularly limited. The casing member 28C made of a material having a high thermal conductivity and the cooling ring 9 inserted inside the casing member 28C only need to face each other in at least a part of the region (they should be in contact).

以上説明したように、本実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、モーターケーシング28の一部に熱伝導率の大きい材質からなるケーシング部材28Cを用いられて構成されている。ケーシング部材28Cは、冷却ブッシュ9と一部で接するように用いられるため、運転中のモーターケーシング28全体の軸方向の寸法変動は少ない。   As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, according to the present embodiment, the casing member 28 </ b> C made of a material having a high thermal conductivity is used for a part of the motor casing 28. Since the casing member 28C is used so as to partially contact the cooling bush 9, there is little dimensional variation in the axial direction of the entire motor casing 28 during operation.

また、モーターケーシング28の内周面には、冷却機能を担う冷却ブッシュ9が接合されており、この冷却ブッシュ9と接するケーシング部材28Cは熱伝導率の大きい材質であるため、効果的に冷却されることとなる(すなわち、冷却ブッシュ9と接する少なくとも一部で接するケーシング部材28Cは冷却ブッシュ9によって冷却されるので、寸法変動が少ない)。   In addition, a cooling bush 9 that bears a cooling function is joined to the inner peripheral surface of the motor casing 28, and the casing member 28C in contact with the cooling bush 9 is made of a material having a high thermal conductivity, so that it is effectively cooled. In other words, the casing member 28 </ b> C that contacts at least a part of the cooling bush 9 is cooled by the cooling bush 9, so that the dimensional variation is small.

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述した第1及び第2の実施形態では、図1に示すように、主軸4の両端4A,4Bにそれぞれインペラ19A,19Bが固定された、高速モーター2の両端に圧縮機本体3A,3Bを備えた構成を説明したが、主軸4のいずれか一端にインペラ19が固定された、圧縮機本体3を1つだけ備えた構成であってもよい。また、圧縮機のかわりに、膨張機としてもよい。   The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the first and second embodiments described above, as shown in FIG. 1, the compressor bodies 3 </ b> A and 3 </ b> A are attached to both ends of the high-speed motor 2 in which the impellers 19 </ b> A and 19 </ b> B are respectively fixed to both ends 4 </ b> A and 4 </ b> B of the main shaft 4. Although the structure provided with 3B was demonstrated, the structure provided with only one compressor main body 3 with which the impeller 19 was fixed to either one end of the main shaft 4 may be sufficient. Moreover, it is good also as an expander instead of a compressor.

1・・・圧縮機
2・・・高速モーター
3,3A,3B・・・圧縮機本体
4・・・主軸
4a・・・回転子
5・・・固定子
6,6a,6b,7,7a,7b・・・軸受
8,28・・・モーターケーシング
9・・・冷却ブッシュ(リング部材)
10,17・・・らせん状の溝部
11・・・キャップ部材
12・・・外側冷却流路(第2冷却流体流路)
13,14・・・貫通孔
15・・・供給口
16・・・排出口
18・・・内側冷却流路(第1冷却流体流路)
19,19A,19B・・・インペラ
19a・・・前面
20,20A,20B・・・シュラウドリング
20a・・・固定壁
21,21A,21B・・・圧縮機本体ケーシング
22,22A,22B・・・インペラの出口側
23a,23b・・・異種金属の接合面
28A,28B,28C・・・ケーシング部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Compressor 2 ... High-speed motor 3, 3A, 3B ... Compressor main body 4 ... Main shaft 4a ... Rotor 5 ... Stator 6, 6a, 6b, 7, 7a, 7b ... Bearing 8, 28 ... Motor casing 9 ... Cooling bush (ring member)
10, 17 ... spiral groove 11 ... cap member 12 ... outer cooling channel (second cooling fluid channel)
13, 14 ... Through hole 15 ... Supply port 16 ... Discharge port 18 ... Inner cooling channel (first cooling fluid channel)
19, 19A, 19B ... impeller 19a ... front surface 20, 20A, 20B ... shroud ring 20a ... fixed wall 21, 21A, 21B ... compressor body casing 22, 22A, 22B ... Impeller outlet side 23a, 23b ... Joint surfaces 28A, 28B, 28C of different metals

Claims (4)

中央部に回転子が設けられた主軸と、前記回転子と対向する固定子と、前記主軸を回転可能に保持する軸受と、前記主軸、前記固定子及び前記軸受を収納し、当該固定子を保持するモーターケーシングと、を少なくとも有する高速モーターと、前記主軸の少なくとも一端に設けられたインペラと、前記インペラの前面と対向する固定壁を有するシュラウドリングと、前記インペラ及び前記シュラウドリングを収納し、当該シュラウドリングを保持する圧縮機本体ケーシングと、を少なくとも有する圧縮機本体と、を備え、前記モーターケーシングと前記圧縮機本体ケーシングとが結合された圧縮機であって、
前記モーターケーシングと前記固定子との間に、前記主軸及び当該モーターケーシングよりも熱伝導率が大きな材質からなる中空円筒状のリング部材を備え、
前記リング部材は、外周面に軸方向端部の一端側から他端側にかけてらせん状の溝部が設けられ、前記外周面と前記モーターケーシングの内周面とが密接するように当該モーターケーシング側に気密に接合されて、前記溝部と前記内周面とから構成される第1冷却流体流路を有することを特徴とする圧縮機。
A main shaft provided with a rotor in the center, a stator facing the rotor, a bearing for rotatably holding the main shaft, the main shaft, the stator and the bearing are housed, and the stator is A high-speed motor having at least a motor casing to be held; an impeller provided at at least one end of the main shaft; a shroud ring having a fixed wall facing the front surface of the impeller; and the impeller and the shroud ring are housed. A compressor body having at least a compressor body casing for holding the shroud ring, the compressor having the motor casing and the compressor body casing coupled to each other,
Between the motor casing and the stator, provided with a hollow cylindrical ring member made of a material having a larger thermal conductivity than the main shaft and the motor casing,
The ring member is provided with a spiral groove on the outer peripheral surface from one end side to the other end side of the axial end portion, and the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the motor casing are in close contact with each other on the motor casing side. A compressor characterized in that it has a first cooling fluid flow path which is airtightly joined and is constituted by the groove and the inner peripheral surface.
前記モーターケーシングは、当該外周面に軸方向端部の一端側から他端側にかけて設けられたらせん状の第2冷却流体流路と、
当該モーターケーシングの外周面と内周面とを貫通する貫通孔と、を有し、
前記貫通孔によって前記第1冷却流体流路と前記第2冷却流体流路とが連通されていることを特徴とする請求項1に記載の圧縮機。
The motor casing has a spiral second cooling fluid flow path provided on the outer peripheral surface from one end side to the other end side of the axial end portion;
A through hole penetrating the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the motor casing,
The compressor according to claim 1, wherein the first cooling fluid channel and the second cooling fluid channel are communicated with each other through the through hole.
前記主軸と前記モーターケーシングとが、同一の材質もしくは熱膨張係数がほぼ等しい材質で構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧縮機。   The compressor according to claim 1 or 2, wherein the main shaft and the motor casing are made of the same material or a material having substantially the same thermal expansion coefficient. 前記モーターケーシングは、前記リング部材と接する少なくとも一部の領域が、当該モーターケーシングの他の領域を構成する材質よりも熱伝導率が大きな材質から構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の圧縮機。   2. The motor casing according to claim 1, wherein at least a part of the region in contact with the ring member is made of a material having a higher thermal conductivity than a material constituting another region of the motor casing. 4. The compressor according to any one of 3.
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