JP2014527598A - ターボ圧縮機および使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも２つの圧縮機段を有するラジアルターボ圧縮機に関する。モータ（５）は、圧縮機段のラジアルロータ（１２）を駆動するようになっており、該ラジアルロータ（１２）は、シャフト（１１）上に配置されている。モータ（５）および圧縮機段は、共通ハウジング（２）内に配置されている。媒体は、吸入口（１）を通ってハウジング（２）内に入り、まず、モータ（５）を通り越して流れ、次いで、圧縮されるようになっている。媒体は、排出口（１９）を通ってハウジングから出ることになる。本発明によれば、排出口（１９）は、シャフト（１１）の回転軸に対して軸方向中心に配置されている。

Description

本発明は、少なくとも２つの圧縮機段を有するラジアルターボ圧縮機であって、モータがシャフト上に配置された圧縮機段のラジアルインペラを駆動するようになっており、モータおよび圧縮機段が共通ハウジング内に配置されており、媒体が吸入口を通ってハウジングに入るようになっており、媒体の一部がモータ内を通って導かれ、他の部分がモータのそばを通って流れ、次いで、これらの部分が一緒にされ、圧縮されて、排出口を通ってハウジングから出るようになっている、ラジアルターボ圧縮機に関する。

送風機および圧縮機は、いずれもガスの送達に用いられるものであり、基本的な差は、それらの構造および適用分野である。圧縮機と対照的に、送風機は、高流量をもたらすように設定されており、わずかの圧力上昇しか生じないようになっている。

特許文献１は、空気ポンプとして作動する送風機を記載している。この送風機は、エアマットレス、自転車タイヤ、またはスポーツボールを膨らませるのに用いられるものである。空気は、硬質プラスチックから作製されたハウジング内に配置されたインペラホイールによって送達されるようになっている。

圧縮機は、その名前が示唆するように、ガスを圧縮するように設定されている。このプロセス中および適切な作動条件下において、ガスは、超臨界状態になることもある。本発明によるターボ圧縮機は、好ましくは、二酸化炭素の送達に用いられるものである。圧縮ステップ中、二酸化炭素は、ガス状態から超臨界状態に変換する。何故なら、臨界温度がわずかに３１．０℃にすぎず、臨界圧が７３．８バールと比較的低いからである。二酸化炭素は、圧縮機に入るとき、すでに超臨界状態になっていることもある。ガスおよび超臨界流体の両方を含むために、本発明の文脈では、圧縮される媒体と呼ぶことにする。

独国特許出願公表第６００１６８８６Ｔ２号明細書

圧縮機は、可変容量（displacement）原理または動的（dynamic）原理のいずれかによって作動することができる。可変容量原理の場合、圧縮は、ガス体を閉じ込め、次いで、該ガスが含まれている空間を減少させることによって、達成されることになる。可変容量原理によって作動する圧縮機の例として、往復動ピストン圧縮機および回転ピストン圧縮機が挙げられる。

対照的に、本発明は、動的原理によって作動する圧縮機に関する。動的原理の場合、ガスは、インペラによって強力に加速され、下流のディフーザにおける減速によって圧縮されることになる。動的原理によって作動する圧縮機は、ターボ圧縮機と呼ばれている。

ターボ圧縮機は、２つの主な形式、すなわち、軸流ターボ圧縮機およびラジアルターボ圧縮機のいずれかに該当する。軸流ターボ圧縮機では、ガスは、シャフトと平行の方向において圧縮機を通って流れるようになっている。

本発明は、ラジアルターボ圧縮機に関する。ガスは、圧縮機段のインペラ内に軸方向に流れ、次いで、遠心力によって、ノズルのように狭いインペラ間空間において半径方向外方に加速される。ガスは、インペラの外周においてインペラ間空間から高速度で流出し、ディフューザ内に流入する。従来のラジアルターボ圧縮機の場合、最後の圧縮機段の後、ガスは、回転軸に対して垂直方向に配向した圧力パイプを通って半径方向外方に流出するようになっている。

圧縮機段は、モータによって駆動されるようになっている。電動モータは、ロータおよびステータを備えている。本発明の場合、ロータおよびラジアルインペラは、共通シャフト上に配置されている。

先行技術は、以下の実施形態、すなわち、圧縮機段およびモータが、各々、個々のハウジングによって包囲されており、モータシャフトがモータハウジングを出て、圧縮機段のハウジングに入るようになっている、実施形態を開示している。

対照的に、本発明の場合、モータおよび圧縮機段は、共通のハウジング内に配置されている。ガスは、吸入口を通って、ハウジング内に入る。この圧縮されていない媒体は、最初、モータを通り越して流れ、次いで、圧縮されることになる。圧縮機段を通過した後、媒体は、排出口を通ってハウジングから出ることになる。

従来のラジアルターボ圧縮機の場合、ハウジングは、多くの場合、水平方向に分割されている。組立中に、シャフトは、インペラと一緒にハウジングの下半分に配置されるようになっている。ハウジングの上半分は、吸気パイプおよび圧力パイプを含み、これらのパイプは、ハウジングの上半分に外方に直交して形成されている。次いで、これらの２つの半体は、一緒にされることになる。媒体は、シャフトの回転軸に対して垂直方向外方に突出するパイプを通して供給され、かつ除去されることになる。

ターボ圧縮機は、機械建造物内に組み込まれることが多い。これは、多くの他の装置および機械の配置によって、空間に関する問題を生じることがある。加えて、機械自体および隣接する装置のいずれも損傷させないために、ターボ圧縮機を大きな振動を生じることなく作動させることが保証されねばならない。この目的を達成するために、アキシャル軸受およびラジアル軸受によるロータの高価な取付けが必要である。インペラの軸方向力を補償するために、高価な軸受構造が必要である。

この技術的背景に対して、本ターボ圧縮機は、以下のように、すなわち、小形でかつ安定した構造を有し、排出口をシャフトの回転軸に対して軸方向中心に配置することによって、簡単かつ安価に軸方向力を補償するように、構成されている。

最終的な圧縮機段では、媒体は、最初、ラジアルインペラを通って流れ、次いで、ディフューザ内に案内される。戻りダクトが、媒体を軸方向排気口に送ることになる。

従来のターボ圧縮機と対照的に、媒体は、シャフトに対して半径方向に配置された圧力パイプを通らずに、シャフトの回転軸に対して軸方向に配置された排出口を通って、ハウジングから出るようになっている。ハウジングは、小形の圧力容器であって、その円筒状ケーシングが、どのような邪魔な圧力パイプも有せず、その代わりに、圧力容器の端面に排出口を有する、小形の圧力容器として具体化されている。本発明に用いられる接続フランジは、直交して外方に延在する圧力パイプと比較して、極めて安定している。

シャフトに対して中心に位置する排出口の軸方向配置は、軸方向における媒体の出口圧力がシャフトの出口側端に反力として作用することを意味している。これが、軸方向力を補償することになる。

好ましくは、ターボ圧縮機の吸入口も、シャフトの回転軸に対して軸方向中心に配置されている。従って、円筒状圧力容器として具体化されているハウジングは、ケーシング面にパイプを有していない。媒体の供給および排出のいずれも、円筒状圧力容器の端面を介して行われることになる。端面は、好ましくは、圧力容器のケーシング部に湾曲した基部として形成されている。円形の吸入口は、１つの基部の中心内に差し込まれている。円形排出口は、反対側の基部の中心内に差し込まれている。

前述の圧縮機は、導入される媒体を極めて効率的に圧縮するが、モータ内から著しい量の熱が放出される可能性がある。本発明の１つの目的は、このように生じる排熱を簡単かつ安価に除去することにある。

ターボ圧縮機のインペラは、好ましくは、ロータおよびステータを有する電動モータによって駆動されるようになっている。本発明による圧縮機の実施形態では、媒体は、２つの分流に分割され、媒体の第１の分流は、モータのステータとターボ圧縮機の静止部品との間を通り抜けるように導かれ、第２の分流は、モータ内を通って、特に、モータのロータとステータとの間を通って、送られるようになっている。静止部品は、ハウジング自体であってもよいし、ハウジングに接続された部品であってもよい。導かれた媒体は、熱を吸収し、従って、モータを冷却する働きがある。モータ領域を通過した後、２つの分流は、再び合流し、第１の圧縮機段に入り、該第１の圧縮機段において、媒体が圧縮されることになる。一変更形態では、第２の分流も、モータのステータを通って案内されるようになっていてもよい、この目的のために、対応するダクトが設けられねばならない。

本発明の有利な構成では、軸受、特に、ラジアル軸受およびアキシャル軸受が、モータとインペラとの間に配置されている。この位置での配置によって、媒体がまだ圧縮状態にない間に軸受の過剰な加熱を防ぐことができる。

装置のさらなる冷却のために、表面が圧縮機の個々の部品と媒体との間の熱の伝達を助長するように構成されることが意図されている。この目的のために、部品の表面は、表面積を大きくし、同時に渦の形成を著しく防ぐために、粗面化されるべきである。もし媒体がまだ圧縮されていない時点においてこの伝達が行われるなら、媒体と部品との間の温度差が極めて大きいので、プロセスにとって有利である。

本発明は、熱伝達媒体がポンプによって送給されるヒートポンプでの使用に極めて有利に適用される。モータによって生じた熱は、この熱伝達媒体に供給され、これによって、このような設備の全効率を高めることができる。何故なら、電力が事実上損失しないからである。モータからの排熱は、熱伝達媒体の圧縮時に、直接回収することができる。

有利な一構成例では、ＣＯ_２が熱伝達媒体として用いられる。このガスは、化学的に無害であり、殆どどこでも安価に入手可能である。ヒートポンプに用いられる場合、ＣＯ_２は、物理的な特性が特に良好な効果をもたらすのに適している臨界領域にある状態で用いられるとよい。

本発明のさらなる特徴および利点は、図面を参照して例示的な実施形態の説明を読むことによって、また図面自体から明らかになるだろう。

ターボ圧縮機の軸断面を示す図である。 ターボ圧縮機における媒体の案内経路を示す図である。 圧縮機段の斜視図である。 圧縮機段の軸断面を示す図である。 ハウジングの一部切断斜視図である。 ラジアルインペラの斜視図である。 カバーディスクが省略されたラジアルインペラの斜視図である。

図１は、オイルフリー式ターボ圧縮機の軸断面を示している。該ターボ圧縮機は、例示的な実施形態では、二酸化炭素を送達するように設計されている。二酸化炭素の案内経路は、図２に示されている。以下、これらの図を並行して参照することにする。構成部品は、図１に詳細に示されており、図２は、案内経路を示している。

二酸化炭素は、吸入口１を通ってターボ圧縮機のハウジング２に入る。例示的な実施形態では、二酸化炭素は、吸入口１において、３８バールの圧力および８℃の温度を有している。二酸化炭素流は、２つの分流３，４に分割されるようになっている。

まだ圧縮されていない二酸化炭素は、ターボ圧縮機のモータ５を通り抜けるように流れることになる。モータ５は、電動モータとして具体化されている。モータ５は、基準点において１４１，０００ｒｐｍで回転する２極永久磁石機械である。モータ５は、圧縮機の低圧側に配置されている。モータ５は、ロータ６およびステータ７を備えている。ロータ６の能動部品は、直径方向に磁化された円筒状の固体磁石からなっている。磁石は、その機械的特性のために、封入されている。

ステータ７は、個々の金属プレートから作製されている。溝は、絶縁箔によって銅巻線から絶縁されている。モータ５は、二酸化炭素が通過することによって、冷却されるようになっている。

ロータ６とステータ７との間に間隙が存在している。内側分流３は、ロータ６とステータ７との間のこの間隙を通って流れることになる。摩擦損失を低減させるために、軸方向に取り付けられた浮動スリーブ８が間隙内に挿入されているとよい。内側分流３は、ロータ６と浮動スリーブ８との間およびスリーブ８とステータ７との間を通って導かれ、これによって、熱を除去することになる。スリーブ８とロータ６との間の間隙およびスリーブ８とステータ７との間の間隙が極めて小さいので、圧力損失が生じるが、これは、ターボ圧縮機を設計するときに、考慮されねばならない。

外側分流４は、ステータ７と静止部品９との間を通り抜けるように送られるようになっている。静止部品９は、内側支持構造体である。外側分流４は、ステータ７を冷却することになる。外側分流４は、巻線ヘッドおよび積層コアに沿って送られる。２つの分流３，４間の比率を定めるために、絞り弁が外側分流４の経路内に組み込まれている。３％の内側分流に対する９７％の外側分流４の分割が特に有利であることが分かっている。３％の内側分流によって、ロータ６を略５０℃に冷却することが可能である。

ステータ７は、内側支持構造体に取り付けられている。内側支持構造体は、その一部が、ハウジング２の主フランジ１０に固定されている。

ロータ６の磁石は、シャフト１１内に収容されている。加えて、３つのラジアルインペラ１２が、シャフト１１に固定されている。シャフト１１には、２つのラジアル気体軸受１３および１つのアキシャル気体軸受１４が取り付けられている。ターボ圧縮機は、全体的にオイルフリー（oil free）式である。

両分流３，４は、第１の圧縮機段に入る前に合流するようになっている。二酸化炭素は、３つの圧縮機段において９０バールの圧力に圧縮され、排出口１９から排出されることになる。本発明によれば、排出口１９は、シャフト１１の回転軸に対して軸方向中心に配置されている。出口において、二酸化炭素は、超臨界状態にある。

図３は、互いに前後に配置された３つのラジアルインペラ１２を示している。これらのラジアルインペラ１２は、シャフト１１上に互いに平行に隣り合って配置されている。この場合、これらのラジアルインペラ１２は、閉鎖型ラジアルインペラである。二酸化炭素は、軸方向においてラジアルインペラ１２の入口開口１５に入り、半径方向において出口開口１６から出るようになっている。二酸化炭素は、図示されているように、左から右に向かって、従って、常に同一の軸方向に圧縮されることになる。

図４は、３つの圧縮機段の軸断面を示している。ラジアルインペラ１２の後、二酸化炭素は、ディフューザ１７内に入り、次いで、戻りダクト１８内に流れることになる。運動エネルギーが、ラジアルインペラ１２において二酸化炭素に与えられ、ディフューザ１７において圧力エネルギーに変換されることになる。戻りダクト１８は、二酸化炭素を次の圧縮機段に送る。本発明によれば、最終圧縮機段において、二酸化炭素は、まず、ラジアルインペラ１２を通って、次いで、ディフューザ１７を通って、その後、戻りダクト１８を通って流れ、戻りダクト１８は、二酸化炭素を排出口１９に直接送るようになっている。排出口１９は、シャフト１１の回転軸に対して軸方向中心に配置されている。

図５は、ターボ圧縮機のハウジング２を示している。ハウジング２は、円筒状圧力容器として具体化されている。本発明によれば、ハウジング２は、垂直に分割されている。ハウジング２は、主フランジ１０、吸入側部分２０、および排出側部分２１からなっている。排出側部分２１は、フランジリング２２、管状片２３、および皿形ヘッド２４からなっている。これらの部品は、互いに溶接され、１つの構成部品を形成している。皿形ヘッド２４の中心には、接続片２５が設けられている。接続片２５は、軸方向に突出しており、二酸化炭素用の排出口１９としてのダクトを有している。

ハウジング２の吸入側部分２０は、皿形ヘッド２６を有している。吸入口１は、皿形ヘッド２６の中心においてハウジング２内に差し込まれている。吸入口１および排出口１９は、円筒状ハウジング２の中心を軸方向に通る軸Ａ−Ａ’上に位置している。

主フランジ１０は、組み込まれた部品の全てを支持しており、給電プローブまたは温度プローブのような導出部用の空間をもたらしている。主フランジ１０は、組み込まれた部品の全てを主フランジ１０に固定するときに、その組立のための基本部品としての役割を果たすものである。

図６ａおよび図６ｂは、ラジアルインペラ１２の構造を示している。図６ａは、カバーディスク２７を有する組立状態を示している。図６ｂでは、ラジアルインペラ１２の内側を示すために、カバーディスク２７は、示されていない。ラジアルインペラ１２のブレード２８が、支持体２９上に形成されている。カバーディスク２７は、別に作製され、ブレード２８を有する支持体２９上に配置されるようになっている。カバーディスク２７は、全面にわたって、ブレード２８の上縁に接続されており、従って、ターボ圧縮機が作動しているとき、ブレード２８を有する支持体２９と同じ回転速度で回転することになる。ラジアルインペラ１２は、ハブ３０を介して、シャフト１１に押し付けられるようになっている。

Claims (9)

1. 少なくとも２つの圧縮機段を有するラジアルターボ圧縮機であって、モーター（５）がシャフト（１）上に配置された前記圧縮機段のラジアルインペラ（１２）を駆動するようになっており、前記モータ（５）および前記圧縮機段は、共通ハウジング（２）内に配置されており、媒体が吸入口（１）を通って前記ハウジング（２）内に入るようになっており、排出口（１９）が前記シャフト（１１）の回転軸に対して軸方向中心に配置されている、ラジアルターボ圧縮機において、
   前記媒体は、２つの分流（３，４）に分割されるようになっており、第１の分流（３）は、前記モータ（５）のそばを通って流れ、第２の分流（４）は、前記モータ（５）内を通って、特に、ロータ（６）とステータ（７）との間の間隙を通って送られるようになっており、前記２つの分流（３，４）は、最初の圧縮機段に入る前に合流し、そこで前記媒体は、圧縮され、排出口（１９）を通って前記ハウジング（２）から出るようになっていることを特徴とする、ラジアルターボ圧縮機。
2. 最終の圧縮機段において、前記媒体は、最初、ラジアルインペラ（１２）を通って流れ、次いで、ディフューザ（１７）内に導かれ、この後、戻りダクト（１８）が前記媒体を前記排出口（１９）に直接送るようになっていることを特徴とする、請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 前記吸入口（１）は、前記シャフト（１）の前記回転軸に対して軸方向中心に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のターボ圧縮機。
4. 前記モータ（５）の前記ロータ（６）および前記ラジアルインペラ（１２）は、共通シャフト（１１）上に配置されていることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載のターボ圧縮機。
5. ラジアル軸受（１３）およびアキシャル軸受（１４）が、前記モータ（５）と前記ラジアルインペラ（１２）との間において、前記シャフト（１１）上に配置されており、前記媒体は、前記ラジアル軸受（１３）およびアキシャル軸受（１４）内を通って流れるようになっていることを特徴とする、請求項１〜４の１つに記載のターボ圧縮機。
6. 前記シャフト（１１）の表面および／または前記モータ（５）と前記ラジアルインペラ（１２）との間の領域の表面は、特に表面積の増大によって、熱が構成部品から前記媒体に伝達されるように、作られていることを特徴とする、請求項１〜５の１つに記載のターボ圧縮機。
7. 前記ハウジング（２）は、垂直に分割されていることを特徴とする、請求項１〜６の１つに記載のターボ圧縮機。
8. 請求項１〜７の１つに記載のターボ圧縮機を備えるヒートポンプにおいて、前記モータによって生じた熱が熱伝達媒体に供給されるようになっていることを特徴とする、ヒートポンプ。
9. 前記熱伝達媒体は、前記モータから前記熱を吸収したあと、すぐに圧縮されるようになっていることを特徴とする、請求項８に記載のヒートポンプ。
   

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