JP2013245672A - 装置温度制御システムおよびその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械における熱に敏感な構成部品を、最適な温度範囲に保ち、動作効率を向上する。
【解決手段】固定子４４、回転子軸４８を含む回転子４２を備えたモータ１８、モータに回転可能に連結され、圧縮機軸５８を備えた圧縮機１６と、モータおよび圧縮機を収容し、圧縮機に対して流体を流通可能に連結されて流体３０をハウジングへ流すようにした吸入管路２８を備えたハウジング２０と、ハウジングに対して流体を流通可能に連結した温度制御組立体とを備える。温度制御組立体は、回転子軸および圧縮機軸の少なくとも１つに連結され、圧縮機の上流で吸入管路と流れ連通し、流体を吸入管路から流して、モータおよび圧縮機を通過させる流体移送部７２と、ハウジングに連結され、流体移送部と連通し、モータを通して流体を流すようにモータに連通して連結された第１排出口９４を具備する。
【選択図】図１

Description

本開示は、電気機械に関し、特に、電気機械の温度制御に用いる方法およびシステムに関する。

一体型モータ駆動圧縮機等の電気機械は、動作時に、電気的損失および機械的損失により発熱する。一体型モータ駆動圧縮機のモータおよび圧縮機における各構成部品には、温度を許容動作範囲内に保つために、温度制御が必要である。例えば、モータが過度に高温となると、モータ軸受の故障、および／または、固定子巻線の絶縁、電源コネクタ、もしくは機器の使用に対する悪影響を生じることがある。一方、電気機械における熱に敏感な構成部品を、最適な温度範囲に保つと、動作効率が向上するとともに耐用年数が延びる。

電動駆動方式は、機械駆動方式（すなわち、ガスタービン）よりも、動作の柔軟性（例えば、速度が変化しても一定のトルクが得られる）、保守性、初期費用および運用費用の低さ、効率向上、環境適合性の点で、有利となりうる。さらに、電気駆動方式は機械駆動方式よりも、一般に構成が単純で、一般に設置面積が少なく、温度制御システムに組み込みやすく、変速機が不要となり、ならびに／または、機械駆動方式よりもエネルギー効率および信頼性が高くなる。

少なくとも、ある種の既知の電気機械においては、モータと圧縮機とに個別の冷却システムを設けた温度制御システムが、用いられている。しかし、冷却システムが複数あると、製造、設置、動作および／または維持費用が増加することになる。さらに、少なくとも一部の既知の電動駆動方式において、圧縮機構成部品および駆動構成部品は、圧縮機からの高圧気体で冷却される。しかし、モータ冷却を冷却する必要上、部分的あるいは全体的に加圧された圧縮機からの気体が、かなりの分量送出されてしまうと、圧縮効率が低下したり、余分な応力がかかるだけでなく、振動が発生したり、圧縮機構成部品の疲労が生じることになる。場合によっては、圧縮機から得られる流体の圧力が冷却用流体に必要な圧力よりも遥かに高いことがあり、減速しなければならず、これは、効率の低下を意味する。さらに、場合によっては、移送される流体には、有害な構成物質や不純物が連行されていることがあり、使用されている各構成部品の耐用年数に悪影響を及ぼす。

米国特許出願公開第２０１０／０２３２９８４号明細書

一態様では、電気機械が提供される。電気機械は、固定子、回転子および回転子軸を備えたモータを備えている。圧縮機は、モータに回転可能に連結されており、圧縮機軸を備えている。さらに、本装置は、モータおよび圧縮機を収容するハウジングを備えている。ハウジングは、圧縮機と流れ連通する吸入管路を備えている。吸入管路は、流体をハウジング内へ流すように構成されている。温度制御システム組立体は、ハウジングに流れ連通して連結される。温度制御システム組立体は、回転子軸および圧縮機軸の少なくとも１つに連結され、圧縮機の上流で吸入管路と流れ連通している流体移送部を、備えている。流体移送部は、流体を吸入管路から流して、モータおよび圧縮機の少なくとも１つを通過させるように構成されている。さらに、温度制御システム組立体は、ハウジングに連結され、流体移送部と流れ連通する分配ヘッダを備えている。分配ヘッダは、モータを通して流体を流すようにモータに流れ連通して連結された第１排出口を備えている。

他の態様では、電気機械を冷却するために用いる温度制御システムがある。システムは、モータ部および圧縮機部を含むハウジングを備えている。モータ部と圧縮機部とは、流れ連通して構成されている。さらに、本システムは、ハウジングに連結された温度制御システムを備え、モータ部に連結された吸入口を備え、モータ部および圧縮機部に連結された分配ヘッダを備えている。流体移送部は、モータ部に連結され、流体を吸入口からモータ部および分配ヘッダ内へ流すように構成されている。

さらに別の態様では、モータ、圧縮機および吸入管路を備えた電気機械の動作方法が、提供される。本方法は、流体を、吸入管路から、モータ周りに配置されたモータ部および圧縮機周りに配置された圧縮機部を含むハウジング内へと流す。流体は、モータ部内でモータを通過し、圧縮機部内で圧縮機を通過する。本方法は、モータ部および圧縮機部と流れ連通する分配ヘッダ内に流体を流した後、ハウジングから排出する。

電気機械に用いる温度制御システムの一例を示す概略断面図である。 電気機械に用いる温度制御システムの他の例を示す概略断面図である。 電気機械に用いる温度制御システムの他の例を示す概略断面図である。 電気機械に用いる温度制御システムの他の例を示す概略断面図である。 電気機械に用いる温度制御システムの他の例を示す概略断面図である。 一体型モータ圧縮機電気機械における温度制御システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。

図１は、電気機械１２に用いる温度制御システム１０の一例を示す概略断面図である。例示的な実施形態において、装置１２は、一体型モータ圧縮機組立体１４を備えている。温度制御システム１０は、組立体１４における温度に敏感な構成部品を冷却および／または加熱する等、温度制御に役立つものである。例示的な実施形態において、装置１２は、電動モータ１８に対して回転可能に連結された多段式圧縮機１６を備えている。

温度制御システム１０は、モータ１８や圧縮機１６を密閉格納する単一かつ共通のハウジング２０を備え、気密圧力容器を構成している。例示的な実施形態において、モータ１８および圧縮機１６における固定構成部品は、ハウジング２０内に固定されている。モータ１８は、ハウジング２０におけるモータ部２２内に配置され、圧縮機１６は、ハウジング２０における圧縮機部２４内に配置されている。ハウジング２０は、圧縮機部２４に流れ連通して連結された圧縮機吸入口２６を備えている。また、圧縮機吸入口２６は、吸入管路２８にも連通しており、該管路は、初期圧力にて圧縮性流体３０を収容した流体供給部２９に、連通している。流体供給部２９は、収容タンク、処理または分配管路、天然ガス井等の構造を含むが、それに限定されるものではない。流体３０としては、気体、空気、あるいは他の様々な圧縮性気体状媒体があるが、それに限定されるものではない。例示的な実施形態において、流体３０は、「天然ガス」と称する可燃気体の混合物を含む。流体３０は、様々な鉱物資源から直接得られたものでもよいし、技術的、生物学的、あるいは化学的工程により生産されたものでもよい。

また、例示的な実施形態において、温度制御システム１０は、ハウジング２０に連結された圧縮機端部片３２を備えている。端部片３２により、圧縮機１６をハウジング２０に挿入した後、圧縮機１６を組立体１４内に容易に封入することができる。この端部は、圧縮機排出管路３６に流れ連通して連結された圧縮機排出口３４を含む。圧縮機排出管路３６は、他のシステム（図示せず）および／または流体供給部２９に連結されていてもよい。さらに、モータ端部カバー３８は、ハウジング２０に連結されている。モータ１８をハウジング２０に挿入した後、端部カバー３８により、モータ１８を組立体１４内に封入することができる。図に示すように、ハウジング２０は、モータ１８および圧縮機１６を封入し、モータ部２２および圧縮機部２４内および両者間に流体を流通させる内側部分４０を画定している。本実施形態において、ハウジング２０は、着脱可能な側面カバー３２，３８の一方または双方とともに構築可能であり、組み立ておよび保守に便利である。あるいは、ハウジング２０は、水平分割構造等、他の構造（図示せず）を含んでもよいが、それに限定されるものではない。

モータ１６は、透磁材からなる回転子４２と、回転子４２に連結された複数の永久磁石（図示せず）と、回転子４２および固定子４４間に間隙４６を画定するように配置された固定子４４とを備えている。永久磁石は、回転子４２の周囲に磁界を誘導する。固定子４４に電力が供給されると、モータ１６内に電磁界が誘導される。間隙４６により、回転子４２と固定子４４との磁気的結合が促進され、回転子４２を回転させるトルクが発生する。あるいは、モータ１６は、回転子４２と固定子４４との電磁的結合をもたらす任意の構成をとることとしてもよい。

軸４８は、回転子４２を貫いて延び、モータ回転軸５０を画定している。モータ軸５０が、ハウジング２０、回転子４２および固定子４４の中心軸であってもよい。回転子４２が回転することによって軸４８が駆動されるように、軸４８を回転子４２に固定してもよい。あるいは同様に、軸４８が回転することによって、回転子４２が駆動されてもよい。軸受５２は、ハウジング２０内で軸４８を支持する。例示的な実施形態において、軸受５２は、駆動対向端モータ軸受５４と、駆動端モータ軸受５６とを備えている。あるいは、軸受５２（図示せず）は、個別の筐体内に収容されて、システム１０において他の構成部品に干渉することなく、交換可能となっていてもよい。

圧縮機１６は、回転子４２に連結された回転可能な圧縮機軸５８を備えている。例示的な実施形態において、軸連結器６０は、回転子軸４８を圧縮機軸５８に回転可能に連結するように構成されている。連結器６０は、回転連結構成部品（図示せず）を備えている。連結器６０は、任意の機械式接触連結器（図示せず）を含んでいてもよく、非接触式電磁連結器（図示せず）を含んでいてもよい。あるいは、回転子軸４８および圧縮機軸５８を一体とし（図示せず）、結合構成部品を用いずに構成してもよい。回転子軸４８および圧縮機軸５８は、モータ回転軸５０を中心として回転可能である。例示的な実施形態において、圧縮機１６は、圧縮機の各段６２を備えている。あるいは、圧縮機１６は、一段のみであってもよい（図示せず）。圧縮機軸５８は、ラジアル軸受６４，６６およびスラスト軸受６８により支持されている。圧縮機部２４内でのラジアル軸受６４，６６およびスラスト軸受６８の配置は、設計要件に応じて様々であってよい。ここで、軸受６４，６６，６８は、圧縮機部２４に対向配置されてもよく、個別のハウジング（図示せず）内に封入されていてもよい。

例示的な実施形態において、温度制御システム１０は、温度制御組立体７０および流体移送部７２を備えている。温度制御組立体７０は、供給管路７６と、帰還管路７８と、ハウジング２０に連結されるとともに供給管路７６および帰還管路７８と流れ連通する分配ヘッダ８０とを、備えている。図１に示すように、軸４８および軸受５４，５６と組み合わされたモータ１８と、軸連結器６０と、軸５８および軸受６４，６６，６８と組み合わされた圧縮機１６とは、分配ヘッダ８０と流れ連通する。

供給管路７６、帰還管路７８および分配ヘッダ８０は、ハウジング２０に連結され、ハウジング２０の内側部分４０と流れ連通する。特に、供給管路７６は、吸入管路２８およびモータ端部カバー３８と流れ連通して連結される。特に、供給管路７６は、吸入口２６から上流で吸入管路２８と流れ連通して連結される。帰還管路７８は、ハウジング２０および吸入管路２８と流れ連通して連結される。帰還管路７８が吸入管路２８に連結されている部分は、供給管路７６が吸入管路２８に連結されている部分の下流側である。管路７６，７８は、金属、ゴム、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、あるいは、移送される流体３０および組立体１４の位置に関連した所定の動作パラメータが得られる任意の材質で構成することができる。管路７６，７８の寸法は、初期充填がしやすいように、そして以後、ハウジング２０内で流体圧力を所定の動作圧力に維持しやすいように、画定されている。

例示的な実施形態において、供給管路７６には、調節弁等の流量調節器８２が設けられている。ただし、調節弁に限定されるものではなく、これは、例えば、所定の開放位置に調節される絞り型弁であり、流体供給部２９からハウジング２０を通じて、流体３０を所定の流量で流すとともに、ハウジング２０を所定の加圧率とすることができる。流量調節器８２は、ニードル弁であってもよいが、それに限定されるものではない。本明細書で説明した温度制御システム１０の機能を実現するものであれば、他の型の調節弁も利用可能である。さらに、流量調節器８２は、流量調節オリフィスを含んでいてもよい。

モータ端部カバー３８には、流体供給路８４が設けられている。この供給路は、供給管路７６と流れ連通して連結されたモータ端部カバー３８内に、画定されている。流体供給路８４の寸法は、初期充填がしやすくなるように、そして以後、ハウジング２０内の流体圧力を所定の動作圧力に維持しやすいように、画定されている。また、通路８４により、流体移送部７２に最適な吸入流パターンを形成することができ、ハウジング２０の加圧率を、所定の加圧率に制御することができる。

帰還管路７８には、モータ帰還管路部８６および圧縮機帰還管路部８８が、設けられている。モータ帰還管路部８６は、モータ部２２、そして吸入管路２８に流れ連通して連結される。モータ帰還管路部８６には、ハウジング２０および吸入管路２８間に位置する流量調節器９０が、設けられている。圧縮機帰還管路部８８は、圧縮機部２４および吸入管路２８に流れ連通して連結される。圧縮機帰還管路部８８には、ハウジング２０および吸入管路２８間に位置する流量調節器９２が、設けられている。モータ帰還管路８６および圧縮機帰還管路８８は、吸入管路２８における供給管路７６の下流かつ吸入口２６の上流の部分に、連通している。モータ帰還管路８６および圧縮機帰還管路８８を通じて帰還した流体３０は、吸入管路２８内で流体３０と混合し、制御システム１０の閉鎖系温度作用に寄与することができる。

分配ヘッダ８０には、第１排出口９４と、第２排出口９６と、第１排出口９４および第２排出口９６間の分配管９８とが、設けられている。あるいは、分配ヘッダ８０には、単一または３つ以上の排出口が、ハウジング２０と流れ連通する。例示的な実施形態において、分配ヘッダ８０は、ハウジング２０の外部に構成されている。あるいは、分配ヘッダ８０は、ハウジング２０内に配置されてもよい。特に、分配ヘッダ８０は、モータ部２２および圧縮機部２４の少なくともいずれかの中に、配置されてもよい。

第１の排出口９４は、ハウジング２０に連結され、モータ部２２と流れ連通する。特に、第１排出口９４は、軸連結器６０近傍でモータ部２２と流れ連通する。分配ヘッダ８０には、第１排出口９４および分配管９８間に位置する流量調節器１００が、設けられている。第２排出口９６は、ハウジング２０に連結され、圧縮機部２４と流れ連通する。第２排出口９６は、駆動対向端圧縮機軸受６４近傍で圧縮機部２４と流れ連通する。さらに、分配ヘッダ８０には、第２排出口９６および分配管９８間に位置する流量調節器１０２が、設けられている。流量調節器８２，９０，９２，１００，１０２は、手動および／または電気的に制御されている。例示的な実施形態において、制御部１０４は、制御回路１０６を通じて流量調節器に連結され、流量調節器が電気的動作を容易にするようにしている。説明を簡潔にするため、図１に、流量調節器９２を制御部１０４に接続する制御回路１０６を示す。任意の型の制御部１０４を利用することができ、この制御部は、中央処理装置またはマイクロプロセッサ等であるが、これらに限定されるものではない、この制御部により、温度制御システム１０および電気機械１２が、本明細書に説明するように動作可能である。

流体移送部７２は、回転子軸４８および圧縮機軸５８の少なくとも一方に連結されている。例示的な実施形態において、流体移送部７２は、ファンであり、モータ軸４８の対向駆動端部に連結されて、回転子軸４８とともに回転する。流体移送部７２の寸法および配置は、吸入管路２８から供給管路７６を通じて、ハウジング２０、モータ部２２および圧縮機部２４内へと、流体が流れやすいように設定され、その中の熱に敏感な構成部品の温度制御ができるようになっている。さらに、流体移送部７２の寸法および配置は、分配ヘッダ８０内に流体が流れやすいように、設定されている。あるいは、流体移送部７２は、ポンプ、圧縮機、またはハウジング２０内で移送される流体３０に関連した所定のパラメータを実現する任意の装置を備えてもよいが、それらに限定されるものではない。さらに、流体移送部７２は、ハウジング２０の内側部分４０における所定の動作パラメータが得られる任意の箇所に、配置されてもよい。他の実施形態においては（図示せず）、流体移送部７２は、圧縮機軸５８に連結されている。流体移送部７２を低圧縮比として、圧縮機１６およびモータ１８を流体が流れるようにすると、既知の圧縮機（図示せず）の内部または下流から得られた高圧気体の一部を、圧縮機構成部品の温度制御に流用するよりも、経済的である。

動作時に、温度制御システム１０が移送する流体３０は、図１の矢印で示すように、少なくともモータ１８、連結器６０および圧縮機１６、そしてこれに伴う軸４８，５８および軸受５４，５６，６４，６６，６８の温度制御ができるように、利用されている。固定子４４に電力を供給してモータ１８を始動する前に、ハウジング２０には、流体３０が満たされ、吸入管路２８の圧力と実質的に同等の圧力が得られる。さらに、モータ部２２および圧縮機部２４は流体３０で満たされ、実質的に圧力平衡にもなる。

動作時に、電源（図示せず）は、多相交流電流を、所定の電圧および周波数で固定子４４に供給している。固定子４４において、回転する電磁界が発生する。任意の速度において、発生した磁界の相対強度は、電源が供給する電圧に比例する。固定子４４において誘導された電磁界が回転するにつれ、回転子４２の磁界は、間隙４６を通して、固定子４４の電磁界と相互作用する。両磁界の相互作用により、トルクが発生して、その後、回転子４２および回転子軸４８が回転する。圧縮機軸５８は、連結器６０を介して圧縮機１６を駆動する。

回転子４２および／または回転子軸４８の回転の結果として、圧縮機吸入口２６内に生じた低い吸入圧力により、流体３０は、流体供給部２９から吸入管路２８へと流れる。流体３０の一部は圧縮機１６へと流れ、その圧力は必要な値まで上昇する。圧縮機１６内での圧縮過程において、流体３０は加熱される。圧縮機１６からの加熱流体３０は、圧縮機排出口３４および圧縮機排出管路３６を通じて排出される。圧縮機排出管路３６から排出された流体３０は、流体供給部２９へと再循環することができる。

動作時に、流体３０の一部は、対応する矢印が示すように、吸入管路２８から供給管路７６を経て、モータ端部カバー３８へと流れる。流体３０は、モータ部２２、圧縮機部２４および分配ヘッダ８０を経て流れ、その後、帰還管路７８を通じて吸入口２６へと流れる。特に、モータ１８に電力が供給されて回転子４２が回転すると、流体移送部７２は、通路８４がモータ部２２に流れ連通して連結される領域近傍に、局所的な低圧領域を形成するとともに、モータ部２２内に、局所的な高圧領域を形成する。流体３０は、流体移送部７２により、吸入管路２８から供給管路７６を経て通路８４へと流れる。さらに、流体３０は、モータ部２２内へ、そして、モータ駆動対向端軸受５４、モータ１８およびモータ駆動端軸受５６へと流れる。流体３０は、モータ部２２を通過することで、モータ１８および軸受５６，５８から熱を除去する。モータ部２２からの加熱流体３０は、モータ帰還管路８６を通って排出され、ここで、加熱流体３０は、吸入管路２８内の流体３０と混合する。

流体移送部７２によって移送された流体３０の一部は、分配ヘッダ８０へと流れ、第１排出口９４および第２排出口９６少なくとも一方を通過する。流体３０の一部は、ヘッダ８０から第１排出口９４を通ってモータ部２２内に流入する。特に、流体３０の一部は、連結器６０、モータ駆動端軸受５６および駆動対向端圧縮機軸受６６へと流れる。流体３０は、第１排出口９４を通過することで、連結器６０、モータ軸受５６および圧縮機軸受６６から熱を除去する。流体３０のうちの一定部分は、連結器６０を収容したハウジング２０から、軸受５６を通って、モータ帰還管路８６を通過し、ここで、加熱流体３０は、吸入管路２８内の流体３０と混合する。流体３０の他の部分は、軸連結器６０から圧縮機軸受６６を通って、圧縮機１６の吸入流と混合する。

流体３０の一部は、ヘッダ８０を通過して第２排出口９６から圧縮機１６内へ流入し、駆動対向端圧縮機軸受６４およびスラスト軸受６８を通過する。流体３０は、第２排出口９６を通過することで、軸受６４，６８から熱を除去する。軸受６４，６８からの加熱流体３０は、圧縮機帰還管路８８を通過し、ここで、吸入管路２８内の流体３０と混合する。制御部１０４および流量調節器を調節することにより、温度制御システム１０の様々な領域で、温度範囲、回転速度およびモータ負荷において、流体の供給を最適化することができる。

温度制御システム１０の動作時に、流体移送部７２は回転子軸４８に連結され、低圧の流体３０は、圧縮機１６の上流の吸入管路２８から取り出され、ここで、流体移送部７２により流体の圧力が上昇し、圧縮冷却流体３０の流れは、モータ部２２および圧縮機部２４内の様々な構成部品へと向かい、所定範囲内の温度を同時に維持することができる。温度制御システム１０は、加圧流体の同一の供給源と、モータ部２２および圧縮機部２４に位置する様々なサブシステムへの、同一の流体供給部２９とを用いる。ここで、加圧流体の供給源、すなわち、流体移送部７２は回転子軸４８に連結されている。モータ部２２および圧縮機部２４を冷却する単一の温度制御システム１０を用いることにより、費用が低減する。さらに、流体移送部７２に圧縮されて流体３０が流れるのに先立ち、流体が加熱されるが、その程度は最小限である。これは、流体移送部７２と、分配ヘッダ８０へ流れる流体３０との温度上昇が、ファン等の流体移送部７２の低圧縮比により、そして、流体３０に連結された各構成部品の設計により、許容できる程度低く抑えられるためである。

また、流体３０に対して適切な加熱量を供給するときに、温度制御システム１０は、モータ部２２および／または圧縮機部２４を加熱するために利用することができる。例えば、モータ１８および／または圧縮機１６の各構成部品には、一体型モータ圧縮機組立体１４の低温始動前に予熱すること、および／または診断検査を実施することが、必要になることもある。

図２は、他の温度制御システム１０８の概略断面図である。なお、図２において、同一の参照番号は、既述の同一構成部品を示すために使用される。さらに、モータ１８は、少なくとも１つの磁気軸受５６を備えており、この軸受は、モータ回転子軸４８に連結され、回転子軸４８を支持している。また、圧縮機１６は、少なくとも１つの磁気軸受６６を備えており、この軸受は、圧縮機軸５８に連結され、圧縮機軸５８を支持している。磁気軸受５６は、シール１１０によって、モータの内部空間から密閉されている。磁気軸受６６は、シール１１２によって、圧縮機の内部空間から密閉されている。本例において、シール１１０，１１２は、非接触ラビリンスシール１３０を含み、軸受５６，６６が動作しやすくなっている。

磁気軸受５６，６６により、モータ回転子軸４８および圧縮機軸５８の半径方向の位置決めができる。例示的な実施形態において、磁気軸受５６，６６は、アクティブ型磁気軸受として構成されている。より具体的には、制御サブシステム（図示せず）は、磁気軸受５６，６６と連携して用いられ、任意の時点において、固定構成部品（図示せず）に対して、回転軸受構成部品（図示せず）の半径方向位置を画定し、磁気を調整して、任意の所与の角度位置でずれがあればそれを修正することができる。磁気軸受５６，６６により、例としてのモータ１８および圧縮機１６に対応したモータ回転子軸４８および圧縮機軸５８は、高速で動作することができる。あるいは、非磁気軸受（図示せず）が用いられてもよい。この非磁気軸受は、ローラ軸受であってもよく、例えば、所定のパラメータが得られるものであるが、これに限定されるものではない。また、振動および摩擦損失を低減させるものでもよいが、これに限定されるものではない。磁気軸受の故障時に回転子軸４８および／または圧縮機軸５８を半径方向に支持する助けとなるように、少なくとも１つのランダウン軸受（図示せず）が、モータ１８および／または圧縮機１６内に配置されてもよい。さらに、モータ軸４８および圧縮機軸５８のスラスト方向の影響を緩和する助けとなるように、少なくとも１つのスラスト軸受６８が、圧縮機１６に連結されてもよい。

例示的な実施形態において、分配ヘッダ８０の第１排出口９４は、モータ吸入口１１４と流れ連通する。ヘッダ８０の排出口９５は、圧縮機吸入口１１６と流れ連通する。さらに、分配ヘッダ８０は、モータ吸入口１１４および分配管９８間に流量調節器１１８を備え、圧縮機吸入口１１６および分配管９８間に流量調節器１２０を備えている。さらに、帰還管路７８は、吸入管路２８と流れ連通する第１帰還管路１２２および第２帰還管路１２４を含む。例示的な実施形態において、第１帰還管路１２２は、ハウジング２０および吸入管路２８間に、流量調節器１２６を含む。一方、第２帰還管路１２４は、ハウジング１６および吸入管路２８間に、流量調節器１２８を含む。

動作中、流体３０は、上述のように、分配ヘッダ８０に流入して通過する。流体３０の一部は、モータ吸入口１１４を通過して、ハウジング２０に流入する。特に、流体３０は、磁気軸受５６およびシール１１０間のハウジング２０に流入し、ここに非接触ラビリンスシール１３０が嵌合している。流体３０は、ラビリンスシール１３０を通過して流出し、ハウジング２０内で軸受５６および連結器６０を通過して、軸受５６および連結器６０を冷却することができる。ラビリンス１３０を通過した加熱流体３０は、モータ１８からの加熱流体３０と混合し、第１帰還管路１２２を通過してハウジング２０から流出する。軸受５６および連結器６０からの加熱流体３０は、第２帰還管路１２４を通過する。ここで、加熱流体３０は、吸入管路２８において流体３０と混合し、圧縮機吸入口２６へ送出される。

流体３０の一部は、分配ヘッダ８０の排出口９５を通過し、圧縮機吸入口１１６へ、そしてハウジング２０に流入する。特に、流体３０は、磁気軸受６０およびシール１１２間のハウジング２０に流入する。シールには、非接触ラビリンスシール１３０が嵌合している。流体３０は、ラビリンス１３０を通過してハウジング２０に流入し、軸受６６および連結器６０を通過して、軸受６６および連結器６０を冷却することができる。軸受６６および連結器６０からの加熱流体３０は、第２帰還管路１２４を通過する。ここで、加熱流体３０は、吸入管路２８において流体と混合し、圧縮機吸入口２６へ送出される。動作時に、流量調節器１１８，１２０，１２６，１２８は、温度制御回路１６６を介して制御部１０４に連結され、流体の流量を調節することができる。

図３は、他の流体システム１３２の概略断面図である。なお、図３において、同一の参照番号は、既述の同一構成部品を示すために使用される。上述のように、流体システム１３２は、吸入管路２８と、供給管路７６と、帰還管路７８と、ハウジング２０に連結され供給管路７６および帰還管路７８と流れ連通する分配ヘッダ８０とを備えている。さらに、流体システム１３２は、熱交換器１３４、調節器１３６、流量調節器１３８、熱交換帰還管路１４０およびフィルタ１４２を備えている。

供給管路７６、帰還管路７８および分配ヘッダ８０は、ハウジング２０に連結され、ハウジング２０の内側部分４０と流れ連通する。さらに、供給管路７６は、吸入管路２８およびモータ端部カバー３８と流れ連通する。流量調節器８２は、供給管路７６およびモータ端部カバー３８間の吸入管路２８に連結されている。通常動作時には、流量調節器２８は開放する。フィルタ１４２は、供給管路７６に流れ連通して連結される。フィルタ１４２は、流体３０に含まれる汚染物質がハウジング２０内に流入することを、抑制および／または防止するように構成されている。供給管路７６は、吸入口１４４を介し、圧縮機部２４に流れ連通して連結される。

帰還管路７８は、ハウジング２０および供給管路７６に流れ連通して連結される。管路７６，７８は、金属、ゴム、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、または、移送される流体および組立体１４の位置に対応した所定の動作パラメータが得られる任意の材料により、製作されてもよい。管路７６，７８の寸法は、初期充填がしやすいように、そして以後、ハウジング２０内で流体圧力を所定の動作圧力に維持しやすいように、画定されている。

帰還管路７８は、モータ帰還管路８６および圧縮機帰還管路８８を含む。モータ帰還管路８６は、モータ部２２および供給管路７６に流れ連通して連結される。モータ帰還管路８６は、ハウジング２０および供給管路７６間に位置する流量調節器９０を備えている。圧縮機帰還管路８８は、圧縮機部２４および熱交換器１３４に流れ連通して連結される。圧縮機帰還管路８８には、ハウジング２０および熱交換器１３４間に位置する流量調節器９２が、設けられている。

分配ヘッダ８０は、第１排出口９４、第２排出口９６および第３排出口９７、ならびに第１および第２排出口９４，９６間に位置する分配管９８を、備えている。例示的な実施形態において、分配ヘッダ８０の第１排出口９４は、モータ吸入口１１４を含み、第３排出口９７は、圧縮機吸入口１１６を含む。さらに、分配ヘッダ８０は、モータ吸入口１１４および分配管９８間の流量調節器１１８を備えており、圧縮機吸入口１１６および分配管９８間の流量調節器１２０を備えている。さらに、温度制御システム１０は、ハウジング２０に連結され圧縮機吸入口１１６と流れ連通する流れ方向器１０１を、備えている。流れ方向器１０１は、流体３０が圧縮機吸入口１１６から、軸受６６および連結器６０の少なくとも１つを通過するように、構成されている。流れ方向器１０１は、流体３０をヘッダ８０から軸受６６および連結器６０に向けるように構成されている。これは、圧縮機吸入口１６６が、圧縮機１６の高圧領域近傍に位置しているためである。例示的な実施形態において、流れ方向器１０１は、非接触式シールおよび／または接触式シールを含むラビリンスシール等のシールを備えているが、これに限定されるものではない。温度制御システム１０および電気機械１２が本明細書に説明するように機能可能な、流体を流通させるあらゆる構造を利用することができる。

熱交換器１３４は、ハウジング２０に連結され、モータ部２２と流れ連通する。例示的な実施形態において、熱交換器１３４は、圧縮機帰還管路８８と流れ連通する。さらに、熱交換器１３４は、帰還管路１４０と流れ連通する。調節器１３６は、熱交換器１３４と流れ連通する。調節器１３６は、モータ温度および圧縮機温度等（これに限定されるものではない）、所定の動作特性に基づき、制御部１０４によって制御される。熱交換器帰還管路１４０は、供給管路７６に連結され、モータ端部カバー３８を通じて、モータ部２２と流れ連通する。帰還管路１４０は、逆止弁等の流量調節器１３８を備えているが、これに限定されるものではない。この逆止弁は、流体の流量を所定の値に維持するとともに、ハウジング２０を所定の加圧率に維持できるように構成されている。システム１０の通常動作時に、流量調節器１３８は、常時閉であり、流体が熱交換器１３４から他のシステム（図示せず）に流れるようになっている。

例示的な実施形態において、熱交換器１３４は、ハウジング２０から所定の距離に位置しており、熱交換器１３４からハウジング２０外部の環境１４８へと、熱伝導しやすくなっている。あるいは、熱交換器１３４の構成（図示せず）は、ハウジング２０に接して配置された熱交換器１３４、ならびに／または、ハウジング２０の一部および／もしくはハウジング２０の内部と一体に構成された熱交換器１３４を含むが、これに限定されるものではない。熱交換器１３４は、環境１４８内に配置されてもよい。ここで、ハウジング２０の外部温度、またはハウジング２０内の流体３０の温度については、上述のような例示的な実施形態の方法および装置を利用した伝導による有効な熱伝達が、完全には実現していなくともよい。

動作時に、流体３０は、吸入管路２８から供給管路７６へと流れる。通常動作時に流量調節器８２は、常時開であり、流体３０が供給管路７６から通路８４を通過するようになっており、流体移送部７２と流れ連通する。上述のように、流体３０は、モータ部、圧縮機部および分配ヘッダ８０へと流入して通過する。流体３０の一部は、モータ吸入口１１４を経て、モータ部２２へ流入し、圧縮機吸入口１１６および圧縮機部２４を通過する。さらに、流体３０の一部は、第２排出口９６を通過して、圧縮機部２４に流入する。例示的な実施形態において、流体３０は、供給管路７６を通じてハウジング２０を通過し、上記例示的な実施形態同様、モータ部２２および／または圧縮機部２４から熱が除去され、流体３０は、熱交換器１３４を通過する。ここで、熱は、流体３０からハウジング２０外部の環境１４８へと伝達される。

電気機械１２の始動および／または他の電気機械（図示せず）を電気機械１２と連携するように追加する等の他の動作の際、電気機械１２において、流体３０の温度が上昇すべき場合もある。流体の温度を上昇させている間、制御部１０４は、常時開の流量調節器８２を閉鎖するとともに、常時閉の流量調節器１３８を開放するように、構成されている。流体３０は、熱交換器１３４から、熱交換帰還管路１４０を経て、供給管路７６へ流れた後、流体移送部７２へ流れてハウジング２０を通過する。

図４は、電気機械１５２に用いる他の流体温度制御システム１５０の概略断面図である。なお、図４において、同一の参照番号は、既述の同一構成部品を示すために使用される。さらに、上述のように、流体システム１５０は、供給管路７６、帰還管路７８、分配ヘッダ８０および圧縮機排出管路３６を備えている。例示的な実施形態において、電気機械１５２は、第１圧縮機１５４および第２圧縮機１５６等、モータ１８と対向する側に配置された複数の圧縮機１６を備えているが、それに限定されるものではない。第１および第２圧縮機１５４，１５６は、ハウジング２０内において、モータ１８と流れ連通する。連結器６０は、第１および第２圧縮機１５４，１５６をモータ軸４８に連結するように構成されている。電気機械１５２が、単一のモータ１８により駆動される２つの圧縮機１５４，１５６を具備することにより、既知の圧縮機（図示せず）よりも、軸方向の力を低減するとともに、流量を増加することができる。流体システム１５０は、モータ軸４８に連結されたファン等の流体移送部７２を備えているが、それに限定されるものではない。流体移送部７２は、電気機械１５２、第１および第２圧縮機１５４，１５６、対応する軸受（図示せず）ならびに連結器６０に、流体３０を流すように構成されている。

図５は、電気機械１６０に用いる他の流体温度制御システム１５８の概略断面図である。なお、図５では、同一の参照番号は、図４で既述の同一構成部品を示すために使用される。電気機械１５４において、連結器６０は、周囲の環境１４８に露出しており、連結器６０からの熱伝達を促進している。

図６は、例えば装置１２（図１に示す）等の電気モータに駆動される圧縮機を動作させる熱制御に適用する方法２００の一例を示すフローチャートである。方法２００は、流体３０（図１に示す）等の流体を、吸入管路２８等の装置の低圧側から、例えばハウジング２０（図１に示す）等のハウジングへと流すこと２１０を含む。ハウジングは、例えばモータ１８（図１に示す）等のモータ周りに配置されたモータ部２２（図１に示す）等のモータ部および、例えば圧縮機１８（図１に示す）等の圧縮機周りに配置された圧縮機部２４（図１に示す）等の圧縮機部を含む。例えば流体３０（図１に示す）等の流体は、冷却ファン７２（図１に示す）等、モータまたは／および圧縮機軸に機械的に連結された流体移送部により圧縮されて、モータ部内にてモータを通過して流れ、圧縮機部内を流れる２２０。方法２００は、流体を、分配ヘッダ８０（図１に示す）等の分配ヘッダ内の軸受５４，５６，６６，６８および軸連結器６０（図１に示す）（これに限定されるものではない）等、モータおよび圧縮機内の温度に敏感な構成部品を通過して、流すこと２３０を含む。分配ヘッダは、温度に敏感な構成部品の位置に対して、流体を流通可能に連結されている。さらに、方法２００は、固定子巻線、電気接続プラグおよびリング（これに限定されるものではない）等の熱に敏感な構成部品、回転子および固定子間の空気間隙を通過するように、流体を流すことを含む。そして、流体は、ハウジングから排出されて圧縮機の吸入口へと流れる。排出された流体は、吸入管路２８における圧縮機の上流部分で、流体と混合する。例示的な実施形態において、流体３０は、熱交換器１３４（図３に示す）等の熱交換器を通過して排出される。

本明細書で説明した実施形態により、電気機械の熱に対処する一体型温度制御システムが提供される。電気機械は、タービン部および電機部を具備するターボ発電機と、電機回転子に回転可能に連結されたタービン回転子を格納するハウジングとを、備えてもよい。流体移送部は、タービンおよび／または電機回転子に回転可能に連結されてもよい。温度制御システムは、冷却および／または加熱等、装置のモータ部および圧縮機部の熱に対処する。ここで、モータ部および圧縮機部は、流体を流通可能に連結されている。温度制御システムは、単一の加圧流体供給源および単一の供給源組立体を備えて、様々な構成部品ならびに／またはモータ部および圧縮機部を具備したサブシステムの熱に対処することもできる。システムは、装置の低圧部側かつ圧縮機の上流から流体を流し、単一で一体型の温度制御組立体を用いて、モータ部および圧縮機部の熱伝達を促進している。温度制御システムは、モータ部および圧縮機部内の様々な位置への流体供給を最適化するための流体制御部を、備えている。流量調節器は、弁およびフローオリフィスであってもよいが、これに限定されるものではない。電気機械が本明細書に説明したように動作可能となるような、あらゆる種類の弁やオリフィスを、利用することができる。本明細書で説明した温度制御システムは、効率性、信頼性を提供するとともに、維持費用を低減し、稼働停止を少なくする。

電気機械および温度制御システムの各構成部品を製作するのに用いる材料に対応するパラメータは、伝導により熱伝達しやすいように十分な熱伝達特性があり、動作時の歪みおよび腐食を抑制するのに十分な強度および耐食性をもたせてあるが、これに限定されるものではない。組立体および流体システムを製作するのに用いる材料に対応した特性には、動作時の壁面の歪みおよび腐食を抑制するのに十分な強度および耐食性があり、動的条件下で上述のように圧力を均一化させるのに十分な柔軟性があるが、これに限定されるものではない。また、伝導によって熱伝達しやすい特性があってもよい。組立体および流体システムは、金属、プラスチックおよびセラミック複合体等の材料から製作することもできるが、それに限定されるものではない。

本明細書で説明した本実施形態では、流体移送部としてモータ軸を用いることにより、冷却および熱散逸性を高めるファン等の軸駆動流体移送部が提供される。軸に装着したファンは、吸入流体の流れを一部分岐させて圧縮機吸入系へ戻すこととともに、モータ、圧縮機、モータと圧縮機との間の軸受および連結器において、熱伝達を促すように構成されている。さらに、所定の動作特性のファンを用いることにより、ファンは、最高の効率性能かつ最低限のノイズで動作できるように、少なくともモータの抵抗に基づいて選択可能である。良好な冷却および熱散逸下では、モータは、高効率となって供給する動力が増大する。このように、モータ出力動力は増大し、電気的損失および機械的摩擦損失は少なくなる。ファンの性能は、その動作特性に依存している。したがって、ファンは、効率、流量およびノイズという点で、最高の性能となるように設計されている。

温度制御システムを用いたシステムおよび方法の例示的な実施形態は、詳細に上述したとおりである。本システムおよび方法は、本明細書で説明した具体的実施形態に限定されるものではなく、システムの各構成部品および／または方法の各ステップは、個別に利用されたり、本明細書で説明した他の構成部品および／またはステップから独立して利用されたりしてもよい。また、各構成部品および方法の各ステップは、他の構成部品および／または方法の他のステップと組み合わせて利用可能である。様々な実施形態の具体的特徴について、図示したものもあれば図示していないものもある。これは、単に説明の便宜のためである。図面のあらゆる特徴は、他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照され、および／または、請求の範囲に記載されている。

ここに記述した説明では、最適の形態を含めて本発明を開示するため、また当業者が本発明を任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに組み込まれた任意の方法の実施を含めて、実施可能にするために、例を用いている。本発明において特許される範囲は、特許請求の範囲により規定され、当業者が想到する他の例を含みうる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異なることのない構造的要素がある場合や、特許請求の範囲の文言とわずかに異なる均等な構造的要素がある場合にも、特許請求の範囲に含まれることが意図されている。

１０ 温度制御システム
１２ 電気機械
１４ モータ圧縮機組立体
１６ 圧縮機
１８ モータ
２０ ハウジング
２２ モータ部
２４ 圧縮機部
２６ 吸入口
２８ 吸入管路
２９ 流体供給部
３０ 流体
３２ 圧縮機端部
３４ 圧縮機排出口
３６ 圧縮機排出管路
３８ モータ端部カバー
４０ 内側部分
４２ 回転子
４４ 固定子
４６ 間隙
４８ 回転子軸
５０ 回転軸
５２ モータ軸受
５４ 外部駆動端モータ軸受
５６ 駆動端モータ軸受
５８ 圧縮機軸
６０ 連結器
６１ 軸受
６２ 段
６４ 外部駆動端圧縮機軸受
６６ 駆動端圧縮機軸受
６８ スラスト軸受
７０ 流体移送組立体
７２ 流体移送部
７４ 配管系
７６ 供給管
７８ 帰還管
８０ 分配ヘッダ
８２ 供給弁
８４ 供給路
８６ モータ帰還管
８８ 圧縮機帰還管
９０ モータ帰還弁
９２ 圧縮機帰還弁
９４ 第１排出口
９６ 第２排出口
９７ 第３排出口
９８ 分配管
１００ 第１吸入弁
１０１ 流れ方向器
１０２ 第２吸入弁
１０４ 制御部
１０６ 回路
１０８ 流体システム
１１０ モータ磁気軸受
１１２ 連結器磁気軸受
１１４ モータ吸入口
１１６ 圧縮機吸入口
１１８ モータ吸入弁
１２０ 圧縮機吸入弁
１２２ 第１帰還管
１２４ 第２帰還管
１２６ 第１帰還弁
１２８ 第２帰還弁
１３０ ラビリンスシール
１３２ 流体システム
１３４ 熱交換器
１３６ 調節器
１３８ 逆止弁
１４０ 熱交換帰還管
１４２ フィルタ
１４４ 吸入口
１４６ 流量調節器
１４８ 環境
１５０ 流体システム
１５２ 電気機械
１５４ 第１圧縮機
１５６ 第２圧縮機
１５８ 温度制御システム
１６０ 電気機械

Claims (10)

1. 固定子（４４）、および回転子軸（４８）を含む回転子（４２）を備えたモータ（１８）、
   前記モータに回転可能に連結され、圧縮機軸（５８）を備えた圧縮機（１６）と、
   前記モータおよび前記圧縮機を収容するとともに、前記圧縮機に対して流体を流通可能に連結されて流体（３０）をハウジングへ流すように構成された吸入管路（２８）を備えたハウジング（２０）と、
   前記ハウジングに流れ連通して連結された温度制御組立体と
   を備え、前記温度制御組立体が、
   前記回転子軸および前記圧縮機軸の少なくとも１つに連結され、前記圧縮機の上流で吸入管路と流れ連通し、流体を前記吸入管路から流して、前記モータおよび前記圧縮機の少なくとも１つを通過させる流体移送部（７２）と、
   前記ハウジングに連結され、前記流体移送部と流れ連通し、前記モータを通して流体を流すように前記モータに流れ連通して連結された第１排出口（９４）を具備した分配ヘッダとを備えた、電気機械。
2. 前記ハウジング（２０）は、前記吸入管路（２８）に流れ連通して連結された帰還管路（７８）を備えた請求項１記載の電気機械。
3. モータ（１８）対向駆動端軸受（５６）と、前記回転子軸（４８）に連結されたモータ駆動端軸受とを、さらに備え、前記流体移送部（７２）は、流体（３０）を、前記モータ軸受（５２）、前記回転子（４２）および前記固定子（４４）の少なくとも１つを通過するように流すように構成されている請求項１記載の電気機械。
4. 前記分配ヘッダと流れ連通する前記回転子軸（４８）および前記圧縮機軸に連結された軸連結器（６０）を、さらに備えた請求項１記載の電気機械。
5. 前記圧縮機軸（５８）に連結された圧縮機（１６）対向駆動端軸受（５６）を備え、前記第１排出口（９４）は、流体（３０）が前記圧縮機軸受、前記軸連結器（６０）および前記圧縮機の少なくとも１つを通過するように流すように構成される請求項４記載の電気機械。
6. 前記回転子軸（４８）に連結され、前記第１排出口（９４）と流れ連通するモータ軸受（５２）と、前記圧縮機軸（５８）に連結され、前記第１排出口（９４）と流れ連通する圧縮機（１６）対向駆動端軸受（５６）とを、さらに備えた請求項１記載の電気機械。
7. 前記圧縮機（１６）に流れ連通して連結され、流体（３０）を前記圧縮機を通過するように流す第２排出口（９６）を、さらに備えた請求項１記載の電気機械。
8. 前記温度制御組立体は、排出管路（３４）と、該排出管路に対して前記ハウジング（２０）および前記流体移送部（７２）間に連結された熱交換器（１３４）とを、備えた請求項１記載の電気機械。
9. 前記熱交換器（１３４）は、前記流体移送部（７２）と流れ連通する請求項８記載の電気機械。
10. 前記吸入管路（２８）に連結され、前記流体移送部（７２）と流れ連通する前記ハウジング（２０）に連結された、常時開の弁と、前記熱交換器（１３４）に連結され、前記流体移送部と流れ連通する前記ハウジングに連結された、常時閉の弁とを、さらに備えた請求項８記載の電気機械。