JP2016166536A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト磁気軸受を用いた回転機械において、圧縮機の圧縮効率や膨張タービンのタービン効率を低下せずにスラスト荷重を低減した技術を提供する。
【解決手段】本発明に係る回転機械は、回転軸５に取り付けられてガスを圧縮又は膨張する圧縮機インペラ７又はタービンインペラ１１と、スラスト円板１６と電磁石１７及び電磁石１８を有し、回転軸５を非接触状態で軸方向に支持するスラスト磁気軸受１５と、をケーシング３内に収容してなる回転機械１であって、スラスト円板１５の外周面とケーシング３の内面の隙間を非接触状態でシールするシール部２１と、シール部２１によって区画された空間のうちスラスト方向と反対側となる空間のガスを排出するガス排出部２３を設けたことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スラスト磁気軸受を用いた回転機械に関する。

一般に、スラスト磁気軸受を用いて回転軸を支持した回転機械においては回転軸の軸方向にスラスト荷重が作用し（以下、スラスト荷重が作用する方向をスラスト方向という）、スラスト磁気軸受は回転軸のスラスト方向の位置をセンサで検知し、回転軸に取り付けられたスラスト円板の両側に対向配置された１対のスラスト磁気軸受の電磁石に流れる電流を制御してスラスト荷重を電磁石で支持することで、回転軸のスラスト円板の位置が一定の位置に保持される。

例えば、回転機械の作動時において回転軸の右向きにスラスト荷重が作用する場合、スラスト円板の左側に配置された電磁石に流れる電流を大きく及び／又はスラスト円板の右側に配置された電磁石に流れる電流を小さくすることによって、回転軸の左側にスラスト円板を引きつける磁力を増加してスラスト荷重を支持するように、スラスト磁気軸受の制御回路が組まれている。

したがって、回転機械の作動時にスラスト荷重が作用しても、スラスト磁気軸受のスラスト円板はほぼ一定の位置に保持される。しかしながら、高い雰囲気圧力下で運転されるターボ圧縮機や膨張タービンといった回転機械では大きなスラスト荷重が作用する場合があり、スラスト磁気軸受で支持できる許容スラスト荷重を超えてしまうとスラスト円板の位置を保持できず、スラスト磁気軸受が損傷して回転機械を運転できなくなることがあった。

従来より、スラスト荷重を軽減する技術として、図９に示すようにインぺラの羽根１０３同士の間の円盤部１０５を削り落とし、インペラ背面の受圧面積を小さくすることでインぺラに作用するスラスト荷重を軽減するスキャロップインペラ１０１や、図１０（ａ）に示すようにインぺラ１１１の正面と背面とを連通する小さな穴を複数設けることでインペラ１１１に作用するスラスト荷重を軽減するバランスホール１１７が知られている。例えば、特許文献１には、バランスホールによるスラスト荷重を軽減する技術が記載されている。

特開２００３−３０７１９３号公報

しかしながら、上記のスキャロップインぺラ１０１やバランスホール１１７によるスラスト荷重軽減技術では、インぺラのサイズによって軽減できるスラスト荷重に限度があり、大きなスラスト荷重が作用する場合は、これらの技術を適用することはできない。
また、スキャロップインぺラ１０１のように羽根１０３同士の間の円盤部を削り落としたり、インペラにバランスホール１１７を設けるたりすることによってインぺラの性能が低下し、圧縮機の圧縮効率や膨張タービンのタービン効率が大きく低下するという問題がある。

大きなスラスト荷重が作用する場合、インペラの性能を低下させない他の従来技術としては、図１０（ｂ）に示すような、インペラ１２１の背面側にバランスピストンと呼ばれる円盤１２７（以下、円盤と呼ぶ）を設け、円盤１２７の両側に作用する圧力差を用いてスラスト荷重を軽減させる技術がある（藤本武助著、「新編 流体機械大要」、p.71、養賢堂）。この技術においては、円盤１２７がスラスト荷重を受けて右方向へ移動すると円盤１２７の外周側面に設けたシール部１２９のすきまが大きくなり、円盤１２９の左側の高圧流体がシール部１２９を流れて円盤１２７の右側に移動し、円盤１２７の両側の圧力差は小さくなる。そして、円板１２７両側の圧力差が小さくなることにより、左方向、すなわちインぺラ１２１側へのスラスト荷重が大きくなって円盤１２７が回転軸１２５に沿って左へ移動する。その結果、シール部１２９のすきまが小さくなって、円盤１２７の両側の圧力差は大きくなり、スラスト荷重が軽減されるとともに、シール部１２９のすきまは一定となるように工夫されている。

したがって、バランスピストンを用いた技術においては、円板両側の隙間間隔を調節するために、円盤が左右に移動することになる。前述したように、スラスト磁気軸受ではスラスト円板、すなわち回転軸をスラスト方向の一定の位置に保持するように制御されて移動しないため、スラスト磁気軸受を利用した回転機械に上記の従来技術を適用することは困難であった。

スラスト磁気軸受を利用した従来の回転機械に生じるスラスト荷重を図１１を用いて説明する。図１１に示す冷凍機９１は、回転軸９５の一端側にガス圧縮用の圧縮機インペラ７と、回転軸９５の他端側にガス膨張用のタービンインペラ１１と、スラスト円板１６と電磁石１７及び電磁石１８を備えて回転軸９５を非接触状態で軸方向に支持するスラスト磁気軸受１５と、回転軸９５を非接触状態で半径方向に支持するラジアル磁気軸受１９とをケーシング３内に収容してなるものである。
なお、図１１は模式図であり、ケーシング３の中央に配置されるモーター等は図示が省略されている。

図１１の形態に係る冷凍機９１の動作態様を以下に説明する。
圧縮機インペラ７を一端側に、タービンインペラ１１を他端側に取り付けた回転軸９５は、スラスト円板１６の両側に配置した電磁石１７及び電磁石１８に所定の電流を流してスラスト円板１６を吸引することにより軸方向に対して非接触状態で支持され、さらに、ラジアル磁気軸受１９により半径方向に対して非接触状態で支持される。

回転軸５をモーター（図示なし）によって回転させると、圧縮機吸入口８からガスが吸入され、ガスは圧縮機インペラ７の回転によって圧縮されて圧縮機吐出口９から吐出される。
吐出されたガスは流路２７内を流通し、冷却器２８で冷却された後にタービン吸入口１２に吸入される。吸入されたガスはタービンインペラ１１を回転させながら膨張し、タービン吐出口１３から吐出される。そして、吐出されたガスは流路（図なし）を流通し、再び圧縮機吸入口８へと還流する。
すなわち、ガスは圧縮、冷却及び膨張といった一連の工程を行う冷凍機９１における冷媒であって、これらの一連の工程においてガス温度は低下する。

圧縮機吸入口８から吸入されたガスはその一部が圧縮機インペラ７とケーシング３との隙間から、ケーシング３内の空間に流入する。当該空間の圧力Pc2は圧縮機吐出口９におけるガス圧力とほぼ等しくなる。そのため、圧縮機インペラ７の圧縮機吸入口８側と背面側とで圧力差(Pc2-Pc1)が生じ、該圧力差により圧縮機インペラ７においては背面側から圧縮機吸入口８側に向かって荷重Fcが作用する。

タービンインペラ１１においても同様に、タービン吸入口１２から吸入されたガスはその一部がタービンインペラ１１とケーシング３との隙間から、ケーシング３内のシール部２５とタービンインペラ１１で区画された空間に流入する。当該空間の圧力Pt2はタービン吸入口１２におけるガス圧力とほぼ等しくなるので、タービンインペラ１１の背面側とタービン吐出口１３側とで圧力差(Pt2-Pt1)が生じ、該圧力差によってタービンインペラ１１においては背面側からタービン吐出口１３側に向かって荷重Ftが作用する。

ここで、スラスト円板１６とケーシング３との間にはシール部が存在しないので、スラスト円板１６の圧縮機インペラ７側圧力Pcbとスラスト円板１６のタービンインペラ１１側圧力Ptbは同一となる。従って、スラスト円板１６に対しては、特定方向にスラスト荷重は作用しない。

ここで、圧縮機インペラ７の背面側から圧縮機吸入口８側に向かう荷重Fcの方がタービンインペラ１１の背面側からタービン吐出口１３側に向かう荷重Ftよりも大きい場合、スラスト円板１６の右側から左側に向かう方向にスラスト荷重(=Fc-Ft)が発生する。

該スラスト荷重をスラスト磁気軸受１５によって支持するためには、スラスト円板１６の右側に配置された電磁石１８に流れる電流を大きくしてスラスト円板１６を電磁石１８に吸引する吸引力を大きくし、スラスト円板１６を一定位置に保つ位置制御が必要であった。

しかしながら、電磁石１８に流す電流がある値以上になると電磁石１８の磁束は飽和してしまい、電流をさらに大きくしても電磁石１８による吸引力を増加させることができなくなる。そのため、過大なスラスト荷重が作用する場合には、スラスト円板１６を一定位置に制御することができなくなり、スラスト磁気軸受１５によってスラスト荷重を支持することができなくなった。

本発明はスラスト磁気軸受を用いた回転機械において、圧縮機の圧縮効率や膨張タービンのタービン効率を低下させることなく、スラスト荷重を低減できる技術を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る回転機械は、回転軸に取り付けられてガスを圧縮又は膨張するインペラと、スラスト円板及び電磁石を有し、前記回転軸を非接触状態で軸方向に支持するスラスト磁気軸受と、をケーシング内に収容してなる回転機械であって、前記スラスト円板の外周面と前記ケーシングの内面の隙間を非接触状態でシールするシール部と、該シール部によって区画された空間のうちスラスト方向と反対側となる空間のガスを排出するガス排出部を設けたことを特徴とするものである。

（２）上記（１）のものにおいて、前記スラスト磁気軸受の電磁石に流れる電流値に基づいて、前記ガス排出部から排出するガス量を調整するガス排出量調整手段を設けたことを特徴とするものである。

（３）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記ガス排出部から排出されたガスを前記インペラの吸入側に還流する還流流路を備えたことを特徴とするものである。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記回転機械は、前記回転軸の一端側にガス圧縮用のインペラを有し、前記回転軸の他端側にガス膨張用のインペラを有し、ガスの圧縮と膨張を行うことでガスを冷却する冷凍機であることを特徴とするものである。

（５）上記（３）に記載のものにおいて、前記回転機械は、前記回転軸の一端側にガス圧縮用のインペラを有し、前記回転軸の他端側にガス膨張用のインペラを有し、ガスの圧縮と膨張を行うことでガスを冷却する冷凍機であって、前記還流流路に設けられて該還流流路を冷却する冷却器を備えたことを特徴とするものである。

本発明においては、回転軸に取り付けられてガスを圧縮又は膨張するインペラと、スラスト円板及び電磁石を有し、前記回転軸を非接触状態で軸方向に支持するスラスト磁気軸受と、をケーシング内に収容してなる回転機械であって、前記スラスト円板の外周面と前記ケーシングの内面の隙間を非接触状態でシールするシール部と、該シール部によって区画された空間のうちスラスト方向と反対側となる空間のガスを排出するガス排出部を設けたことにより、スラスト磁気軸受を用いた回転機械においてスラスト荷重を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る回転機械の模式的な系統図である。 本発明に係るシール部の構造を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る回転機械である単段圧縮機の模式的な系統図である。 本発明の実施の形態２に係る回転機械である多段圧縮機の模式的な系統図である。 本発明の実施の形態３に係る回転機械である単段膨張機の模式的な系統図である。 本発明の実施の形態３に係る回転機械である多段圧縮機の模式的な系統図である。 本発明の実施例に係る冷凍機の模式的な系統図である。 本発明の比較例に係る冷凍機の模式的な系統図である。 従来のインペラ形状を示す図である。 従来のスラスト荷重低減方法を説明する図であって、インペラ及びその近傍の断面形状を示す図である。 従来の冷凍機の模式的な系統図である。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係る回転機械について、図１に示す冷凍機１を例として以下に説明する。

図１に示す冷凍機１は、回転軸５の一端側にガス圧縮用の圧縮機インペラ７と、回転軸５の他端側にガス膨張用のタービンインペラ１１と、スラスト円板１６と電磁石１７及び電磁石１８を備えて回転軸５を非接触状態で軸方向に支持するスラスト磁気軸受１５と、回転軸５を非接触状態で回転方向に支持するラジアル磁気軸受１９とをケーシング３内に収容してなるものであって、スラスト円板１６の外周面とケーシング３の内面の隙間にシール部２１を設けると共に、シール部２１によって区画された空間のうちスラスト方向と反対側となる空間のガスを排出するガス排出部２３を設けたことを特徴とするものである。
なお、図１は模式図であり、ケーシング３の中央に配置されるモーター等は図示が省略されている。

本実施の形態に係る冷凍機１の動作態様を以下に説明する。
圧縮機インペラ７を一端側に、タービンインペラ１１を他端側に取り付けた回転軸５は、スラスト円板１６の両側に配置した電磁石１７及び電磁石１８に所定の電流を流してスラスト円板１６を吸引することにより軸方向に対して非接触状態で支持され、さらに、ラジアル磁気軸受１９により半径方向に対して非接触状態で支持される。

回転軸５をモーター（図示なし）によって回転させると、圧縮機吸入口８からガスが吸入され、ガスは圧縮機インペラ７の回転によって圧縮されて圧縮機吐出口９から吐出される。
吐出されたガスは流路２７内を流通し、冷却器２８で冷却された後にタービン吸入口１２に吸入される。吸入されたガスはタービンインペラ１１を回転させながら膨張し、タービン吐出口１３から吐出される。そして、吐出されたガスは流路２９を流通し、再び圧縮機吸入口８へと還流する。
すなわち、ガスは圧縮、冷却及び膨張といった一連の工程を行う冷凍機１における冷媒であって、これらの一連の工程においてガス温度は低下する。

冷凍機１の動作時において、回転軸方向に発生したスラスト荷重を低減できる要因を以下に説明する。
圧縮機吸入口８から吸入されたガスはその一部が圧縮機インペラ７とケーシング３との隙間から、ケーシング３内のスラスト円板１６外周面シール部２１で区画された圧縮機インペラ７側の空間に流入する。当該空間の圧力は圧縮機吐出口９におけるガス圧力とほぼ等しくなるので、圧縮機インペラ７の圧縮機吸入口８側と背面側とで圧力差が生じ、該圧力差により圧縮機インペラ７においては背面側から圧縮機吸入口８側に向かって荷重が作用する。

タービンインペラ１１においても同様に、タービン吸入口１２から吸入されたガスはその一部がタービンインペラ１１とケーシング３との隙間から、ケーシング３内のシール部２５とタービンインペラ１１で区画された空間に流入する。当該空間の圧力はタービン吸入口１２におけるガス圧力とほぼ等しくなるので、タービンインペラ１１の背面側とタービン吐出口１３側とで圧力差が生じ、該圧力差によってタービンインペラ１１においては背面側からタービン吐出口１３側に向かって荷重が作用する。

冷凍機１としては、前述した圧縮機インペラ７に作用する荷重とタービンインペラ１１において作用する荷重が相殺し、その差分にあたる荷重をスラスト磁気軸受１５で制御する必要がある。その荷重の大きさと方向は運転条件によるが、以下では、タービンインペラ１１側から圧縮機インペラ７側に荷重が作用する場合を例に説明する。

そこで本実施の形態に係る冷凍機１においては、スラスト円板１６の外周面シール部２１によって区画されたケーシング３内の空間のうち、スラスト方向と反対側となる空間のガスをガス排出部２３から排出することで冷凍機１の動作時に発生するスラスト荷重を低減する。ガス排出部２３からガスを排出することでスラスト荷重が低減する理由は以下のとおりである。

まず、ガス排出部２３からガスを排出することによって、ケーシング３内で区画された空間のうち、スラスト方向とは反対側の空間（図１中においてスラスト円板１６とシール部２５で囲まれた空間）の圧力が低下する。このとき、スラスト方向側の空間（図１中においてスラスト円板１６左側の空間）はシール部２１によってシールされているため、当該空間の圧力は圧縮機インペラ７で圧縮されたガスの圧力とほぼ等しいままに保たれる。又、スラスト方向と反対側の空間（図１中においてスラスト円板１６右側の空間）はシール部２１とシール部２５によってシールされているため、当該空間圧力を低くすると共に、タービンインペラ１１吸入口１２の圧力を所定の圧力に保つことができる。

前述の通り、冷凍機１全体としては圧縮機インペラ７側に向かう方向にスラスト荷重が作用しているが、スラスト円板１６の圧縮機インペラ７側（図１中において左側）を高くし、とタービンインペラ１１側（図１中において右側）を低くすると、該圧力差によってスラスト方向と反対向きの荷重が発生する。その結果、冷凍機１に作用するスラスト荷重をスラスト円板１６に作用する荷重で相殺することができる。

なお、スラスト円板１６の外周面とケーシング３の内面との隙間をシールするシール部２１、さらに、回転軸５とケーシング３の内面との隙間をシールするシール部２５に関しては、図２に示すような形状のラビリングシール３９が好ましい。シール部２１について具体的に記載すると、スラスト円板１６の外周面に溝を形成したもの（図２（ａ））、ケーシング３の内面に突起を形成したもの（図２（ｂ））、又は、スラスト円板１６の外周面に形成した溝とケーシング３の内面に形成した突起とが互いに接触しないように嵌め合わせたもの（図２（ｃ））などがある。

上記形状のラビリンスシール３９は非接触状態で前記隙間をシールするために、冷凍機１の動作時にガス排出部２３からガスを排出させない場合、ラビリンスシール３９とスラスト円板１６で区画されたケーシング３内の空間に圧力差は生じず、冷凍機１全体に作用するスラスト荷重を低減することができない。

しかし、ガス排出部２３からガスを排出することで、ケーシング３内においてスラスト円板１６を挟んでスラスト方向とは反対方向に圧力が低減する圧力差を設けることが可能となり、冷凍機１に発生するスラスト荷重を低減することが可能となる。

ガス排出部２３によってガスを排出することでケーシング３内のスラスト円板１６を挟んで適切な圧力差を設けてスラスト荷重を低減するためには、ガス排出部２３からのガス排出量を調整するガス排出量調整手段を設置することが望ましい。

ガス排出量調整手段の一例としては、ガス排出部２３からガスを排出するガス排出流路３１に設けた調整弁３５と、スラスト円板１６の両側に設置された電磁石１７及び電磁石１８に流れる電流差を検知し、該電流差が予め定めた所定の範囲内に収まるように調整弁３５の開度を制御する電流制御部３７から成るものが挙げられる。
又は、ガス排出部２３からガスを排出する際のガス圧力を測定する圧力センサと、測定したガス圧力に基づいて電磁石１７及び／又は電磁石１８に流れる電流を制御する電流制御部から成るものでも良い。

スラスト円板１６の外周面シール部２１とシール部２５によって区画されたケーシング３内の空間の圧力を低下させるためにガス排出部２３から排出されたガスは、排出流路３１に接続して流路２９に連結する還流流路３２に設けた冷却器３３を介して冷却された後、再度、圧縮機吸入口８に戻しても良い。

本実施の形態１に係る冷凍機１は、閉ループでガスを循環してガスの温度を極低温まで低下させることが可能であるが、区画されたケーシング３内の空間から排出されたガスを冷却して圧縮機吸入口８に還流することによって、作動流体であるガスを損失することなく冷凍機１を運転することができる。

ガス排出部２３により排出されるガスは、冷凍機１を循環するガスの数％程度であるため、ガスを排出することによる圧縮効率の低下はわずかである。また、数％程度のガスをケーシング３内から排出することにより、スラスト荷重を十分に低減することができる圧力差をスラスト円板の前後に設けることができる。

本実施の形態１では、ガスを圧縮する圧縮機インペラ７と圧縮したガスを膨張させる膨張タービン１１とを一つの回転軸で連結した冷凍機１を例として、スラスト荷重を低減した回転機械を説明したが、以下の実施の形態で述べるように、圧縮機のみまたは膨張タービンのみの回転機械であっても本実施の形態１と同様の原理でスラスト荷重を低減することができる。

［実施の形態２］
本発明の実施形態２に係る回転機械について、図３に示す単段圧縮機４１を例として以下に説明する。なお、図３において、図１と同一又は相当部分には同一の符号を付してある。

図３に示す単段圧縮機４１は、回転軸５に取り付けられてガスを圧縮する圧縮機インペラ７と、スラスト円板１６と電磁石１７及び電磁石１８を有し、回転軸５を非接触状態で軸方向に支持するスラスト磁気軸受１５とをケーシング４３内に収容してなる単段圧縮機４１であって、スラスト円板１６の外周面とケーシング４３の内面の隙間を非接触状態でシールするシール部２１と、シール部２１によって区画されたスラスト方向と反対側となる空間のガスを排出するガス排出部２３を設けたことを特徴とするものである。

本実施の形態２において、単段圧縮機４１の動作時に発生するスラスト荷重を低減する原理は実施の形態１と同様であり、以下、概略を述べる。

圧縮機インペラ７が取り付けられた回転軸５は、スラスト円板１６の両側に配置した電磁石１７及び電磁石１８に所定の電流を流してスラスト円板１６を吸引することによって非接触状態で軸方向に支持する。
回転軸５をモーター４５によって回転させると、単段圧縮機４１の圧縮機吸入口８から吸入したガスが圧縮され、圧縮機吐出口９から高圧のガスが吐出される。このとき、圧縮機インペラ７とケーシング４３との隙間を通ってケーシング４３内にガスの一部が流入する。ケーシング４３と回転軸５の隙間はシール部２５によってシールされているため、ケーシング４３内の圧力は圧縮機吐出口９の圧力とほぼ等しくなる。
その結果、圧縮機吸入口８側と背面側とで圧力差が生じ、該圧力差により圧縮機インペラ７の背面側から圧縮機吸入口８側に向かってスラスト荷重が発生する。

該スラスト荷重は、図３においては、スラスト円板１６に対してスラスト方向とは反対側の電磁石１８に流す電流を大きくして吸引力を増加することによって支持することができる。
しかしながら、電流がある値以上になると電磁石１８の磁束は飽和してしまい、電磁石１８による吸引力をさらに大きくすることができなくなる。そのため、圧縮機インペラ７によって圧縮されたガスによりケーシング４３内の圧力が高くなり過ぎてスラスト荷重が大きくなり過ぎる場合には、スラスト磁気軸受１５によってスラスト荷重を支持することができなくなる。

そこで本実施の形態２に係る単段圧縮機４１においては、実施の形態１と同様に、スラスト円板１６の外周面シール部２１によって区画されたケーシング４３内の空間のうち、スラスト方向と反対側となる空間のガスをガス排出部２３から排出し、スラスト円板１６の圧縮機インペラ７側の空間（図３中において左側）と反対側の空間（図３中において右側）との間に圧力差を設け、該圧力差によってスラスト荷重を低減する。

実施の形態１と同様に、ガス排出部２３によってガスを排出することでケーシング３内のスラスト円板１６を挟んで適切な圧力差を設けてスラスト荷重を低減するためには、ガス排出部２３からのガス排出量を調整するガス排出量調整手段を設置することが望ましい。
ガス排出部２３によってガスを排出することでケーシング４３内のスラスト円板１６を挟んで適切な圧力差を設けてスラスト荷重を低減するためには、実施の形態１と同様、ガス排出部２３からガスを排出するガス排出流路３１に設けた調整弁３５と、電磁石１７及び電磁石１８に流れる電流差に基づいて調整弁３５の開度を調整する電流制御部３７から成るものがある。

上記の説明は、一枚の圧縮機インペラ７によりガスを圧縮する単段圧縮機４１を対象としたものであるが、図４に示すような、複数の圧縮機インペラ７ａ〜７ｃから構成される多段圧縮機５１においても、スラスト荷重を低減することが可能である。

一例として、図４に示す多段圧縮機５１においてスラスト荷重を低減する原理を説明する。なお、図４において、図１又は図３と同一又は相当部分には同一の符号を付し、多段圧縮機５１の１段目、２段目、３段目には添え字ａ、ｂ、ｃをそれぞれ付してある。

多段圧縮機５１は、モーター４５に接続された一つの回転軸５によって３枚の圧縮機インペラ７ａ、７ｂ及び７ｃが同期して回転することで吸入したガスを圧縮するものであって、１段目の圧縮機インペラ７ａの圧縮機吐出口９ａと２段目の圧縮機インペラ７ｂの圧縮機吸入口８ｂとは流路５７ａにより接続され、２段目の圧縮機吐出口９ｂと３段目の圧縮機吸入口８ｃとは流路５７ｂによって接続されている。

１段目の圧縮機吸入口８ａから吸入されたガスは圧縮機インペラ７ａの回転によって圧縮されて圧縮機吐出口９ａから流出する。

流出したガスは、流路５７ａ内を流通し、第１冷却器５９ａで冷却された後に、２段目の圧縮機吸入口８ｂに流入する。
そして、２段目の圧縮機インペラ７ｂの回転によってさらに高圧に圧縮されたガスは圧縮機吐出口９ｂから流出する。

流出したガスは、流路５７ｂ内を流通し、第２冷却器５９ｂで冷却された後、３段目の圧縮機吸入口８ｃに流入する。そして、３段目の圧縮機インペラ７ｃによりガスはさらに高圧まで圧縮され、吐出口９ｃから流出する。流出したガスは、流路５７ｃ内を流通し、第３冷却器５９ｃで冷却された後、吐出される。

多段圧縮機５１の動作時に発生するスラスト荷重は、１段目のスラスト軸受１５ａと２段目のスラスト軸受１５ｂによって支持される。
そして、前述した単段圧縮機４１と同様、多段圧縮機５１に発生したスラスト荷重は、１段目のケーシング５３ａ及び／又は２段目のケーシング５３ｂの内部に流入したガスをガス排出部２３ａ及び／又はガス排出部２３ｂから排出し、スラスト円板１６ａ及び／又はスラスト円板１６ｂを挟んでスラスト方向とは逆方向に圧力差を設けることによって低減することができる。

実施の形態１と同様に、１段目においては調整弁３５ａと電流制御部３７ａから、そして、２段目において調整弁３５ｂと電流制御部３７ｂから成るガス排出量調整手段を設け、１段目及び／又は２段目のケーシング内のうち、スラスト円板を挟んでスラスト方向とは反対側の空間からガスを排出することが望ましい。

１段目の圧縮機を例として、ガス排出量調整手段の動作態様を説明すると、スラスト円板１６ａの両側に設置された電磁石１７ａ及び電磁石１８ａに流れる電流差を検知し、電流制御部３７ａによって該電流差が小さくなるように調整弁３５ａの開度を制御する。

ガス排出量調整手段の他の構成としては、ガス排出部２３ａ及び／又はガス排出部２３ｂからのガス排出の際にガス圧力を測定する圧力センサと、該ガス圧力に基づいてスラスト磁気軸受の電磁石に流れる電流を制御する電流制御部を設けても良い。

さらに、スラスト円板とシール部によって区画されたケーシング内の空間の圧力を低下させるためにガス排出部から排出されたガスは、冷却器を介して冷却された後に、再度、圧縮機インペラの吸入口へと還流流路により還流しても良い。

［実施の形態３］
本発明の実施形態３に係る回転機械について、図５に示す単段膨張タービン６１を例として以下に説明する。なお、図５において、図１と同一又は相当部分には同一の符号を付してある。

図５に示す単段膨張タービン６１は、回転軸５に取り付けられてガスを膨張させるタービンインペラ１１と、スラスト円板１６と電磁石１７及び電磁石１８を有し、回転軸５を非接触状態で軸方向に支持するスラスト磁気軸受１５とをケーシング６３内に収容してなる単段膨張タービン６１であって、スラスト円板１６の外周面とケーシング６３の内面の隙間を非接触状態でシールするシール部２１と、シール部２１によって区画されたスラスト方向と反対側となる空間のガスを排出するガス排出部２３を設けたことを特徴とするものである。

本実施の形態３において、単段膨張タービン６１の動作時に発生するスラスト荷重を低減する原理は実施の形態１又は２と同様であり、以下その概要を述べる。

タービンインペラ１１が取り付けられた回転軸５は、スラスト円板１６の両側に配置した電磁石１７及び電磁石１８に所定の電流を流してスラスト円板１６を吸引することによって非接触状態で軸方向に支持する。

タービン吸入口１２から吸入した高圧のガスによりタービンインペラ１１が回転し、ガスが膨張されてタービンインペラ１１のタービン吐出口１３から低圧のガスが吐出される。このとき、タービンインペラ１１とケーシング６３との隙間を通ってケーシング６３内にガスの一部が流入するため、ケーシング６３内の圧力はタービン吸入口１２の圧力とほぼ等しくなる。
その結果、タービンインペラ１１のタービン吸入口１２側と背面側とで圧力差が生じ、該圧力差によりタービンインペラ１１の背面側からタービン吸入口１２側に向かってスラスト荷重が発生する。

該スラスト荷重は、図５においては、スラスト円板１６に対してスラスト方向とは反対側の電磁石１７に流す電流を大きくして吸引力を増加することによって支持される。
しかしながら、電流がある値以上になると電磁石１７の磁束は飽和してしまい、電磁石１７による吸引力を大きくすることができなくなる。そのため、タービンインペラ１１にて吸入されたガスの圧力が高くスラスト荷重が大き過ぎる場合、スラスト磁気軸受１５によってスラスト荷重を支持することができなくなる。

そこで本実施の形態３に係る単段膨張タービン６１においては、実施の形態１と同様に、スラスト円板１６の外周面シール部２１によって区画されたケーシング６３内の空間のうち、スラスト方向と反対側となる空間のガスをガス排出部２３から排出し、スラスト円板１６のタービンインペラ１１側の空間（図５中において左側）と反対側の空間（図５中において右側）との間に圧力差を設け、該圧力差によってスラスト荷重を低減する。

実施の形態１又は２と同様に、ガス排出部２３によってガスを排出することでケーシング６３内のスラスト円板１６を挟んで適切な圧力差を設けてスラスト荷重を低減するためには、ガス排出部２３からのガス排出量を調整するガス排出量調整手段を設置することが望ましい。
ガス排出部２３によってガスを排出することでケーシング６３内のスラスト円板１６を挟んで適切な圧力差を設けてスラスト荷重を低減するためには、実施の形態１又は２と同様、ガス排出部２３からガスを排出するガス排出流路３１に設けた調整弁３５と、電磁石１７及び電磁石１８に流れる電流差に基づいて調整弁３５の開度を調整する電流制御部３７から成るものがある。

実施の形態２で述べた多段圧縮機５１と同様に、図６に示すような複数のタービンインペラ１１ａ、１１ｂ及び１１ｃから構成される多段膨張タービン７１においても、スラスト荷重を低減することが可能である。
以下、図６に示す多段膨張タービン７１を例として、スラスト荷重を低減する原理を説明する。なお、多段膨張タービン７１の１段目、２段目、３段目には添え字ａ、ｂ、ｃをそれぞれ付してある。

多段膨張タービン７１は、発電機６５に接続された一つの回転軸５によって３枚のタービンインペラ１１ａ、１１ｂ及び１１ｃが同期して回転することで吸入したガスを膨張させるものであって、１段目のタービンインペラ１１ａのタービン吐出口１３ａと２段目のタービン吸入口１２ｂとは流路７７ａにより接続され、２段目のタービン吐出口１３ｂと３段目のタービン吸入口１２ｃとは流路７７ｂによって接続されている。
図６において、２段目のスラスト軸受１５ｂと３段目のスラスト軸受１５ｃによってスラスト荷重が支持されている。

１段目のタービン吸入口１２ａから吸入されたガスはタービンインペラ１１ａを回転させるとともに膨張し、タービン吐出口１３ａから吐出される。
吐出されたガスは、流路７７ａ内を流通し、２段目のタービン吸入口１２ｂに流入する。

そして、２段目のタービンインペラ１１ｂを回転させるとともにさらに低圧まで膨張されたガスはタービン吐出口１３ｂから吐出される。吐出されたガスは、流路７７ｂ内を流通し、３段目のタービン吸入口１２ｃに流入する。そして、３段目のタービンインペラ１１ｃにてガスはさらに低圧まで膨張され、タービン吐出口１３ｃから吐出される。

前述した単段膨張タービン６１と同様、多段膨張タービン７１に発生したスラスト荷重は、２段目のケーシング７３ｂ及び／又は３段目のケーシング７３ｃの内部に流入したガスをガス排出部２３ｂ及び／又はガス排出部２３ｃから排出し、スラスト円板１６ｂ及び／又はスラスト円板１６ｃを挟んでスラスト方向とは逆方向に圧力差を設けることによって低減することができる。

実施の形態１又は２と同様に、ガス排出部２３ｂ及びガス排出部２３ｃによってガスを排出することで適切な圧力差を設けてスラスト荷重を低減するためには、ガス排出部２３ｂ及び／又はガス排出部２３ｃからのガス排出量を調整するガス排出量調整手段を設置することが望ましい。

本発明に係る回転機械におけるスラスト荷重低減効果を確認する実験を行ったので、以下これについて説明する。
実験では、図７に示す冷凍機８１の動作時に発生するスラスト荷重を以下に示す方法により推算した。

まず、圧縮機インペラ７の圧縮機吸込口８側に作用する荷重Fc1は、圧縮機吸込口８におけるガス圧力をPc1、圧縮機インペラ７の内径をDc1とすると、式（１）により算出される。

圧縮機インペラ７のインペラ翼に作用する荷重Fcmは、圧縮機吸込口８側圧力Pc1と圧縮機吐出口９側圧力Pc2との平均圧力をPcm（=(Pc1+Pc2)/2）、圧縮機インペラ７の外径をDc2とすると、式（２）により算出される。

圧縮機インペラ７の背面側から作用する荷重Fc2は、圧縮機インペラ７の背面側圧力、をPc2、回転軸８５の直径をDsとすると、式（３）により算出される。

圧縮機インペラ７の背面側から圧縮機吸入口８側に向かう荷重Fcは、上記Fc1、Fcm及びFc2の合力であり、Fc=Fc2-Fcm-Fc1と表される。

タービンインペラ１１のタービン吐出口１３側から作用する荷重Ft1は、タービン吐出口１１の圧力をPt1、タービンインペラ１３の内径をDt1とすると、式（４）により算出される。

タービンインペラ１１のタービン吐出口１３側からインペラ翼に作用する荷重Ftmは、タービン吸込口１２の圧力Pt2とタービン吐出口１３の圧力Pt1との平均圧力をPtm（=(Pt1+Pt2)/2）、タービンインペラ１１の外径をDt2とすると、式（５）により算出される。

タービンインペラ１１の背面側に作用する荷重Ft2は式（６）により算出される。

タービンインペラ１１の背面側からタービン吐出口１３側に向かう荷重Ftは、上記Ft1、Ftm及びFt2の合力であり、Ft=Ft2-Ftm-Ft1と表される。

さらに、図７に示す冷凍機８１の動作時において、スラスト円板１６を挟んで圧力差を設けるためにスラスト円板１６の外周面とケーシングの内面との間にシール部２１を配置し、さらに、スラスト円板１６右側の空間のガスをガス排出部２３により排出している。そのため、図７においては、スラスト円板１６の左側の圧力Pcbは圧縮機吐出口９における圧力と等しいのに対し、スラスト円板１６の右側の圧力Ptbはタービン吸入口１２における圧力よりも低くなる。その結果、スラスト円板１６を挟んで圧力差が生じ、スラスト円板１６に対して式（７）により算出される荷重Fbが新たに作用する。

以上より、冷凍機８１の動作時に発生するスラスト荷重Fは、式（１）から式（７）で算出される各荷重の合力であり、タービンインペラ１１から圧縮機インペラ７に向かう方向を正とすると、式（８）により算出される。

上記の方法により、冷凍機８１の動作時に作用するスラスト荷重Fを推算した。
同様に、図８に示すような、スラスト円板１６の外周面とケーシング３の内面との間の隙間をシールしていない冷凍機９１の動作時に発生するスラスト荷重Fを比較例として推算した。
比較例においては、スラスト円板１６の右側の空間のガスは排出されないため、スラスト円板の右側の圧力Ptbと左側の圧力Pcbとは同じとなり、スラスト円板１６に作用する荷重Fbは0となった。

表１に、本発明例である冷凍機８１の寸法、動作条件ならびにスラスト荷重の計算結果を示す。

また、表２に、比較例である冷凍機９１の寸法、動作条件ならびにスラスト荷重の計算結果を示す。

表１及び表２の結果より、比較例におけるスラスト荷重Fは2742Nであったのに対し、本発明例ではスラスト円板１６を挟んで圧力差を設けることによってスラスト荷重Fが782Nとなり、冷凍機８１の動作時においてスラスト荷重を約71%軽減できることが実証された。

このように、本発明に係る回転機械を冷凍機に適用した場合においても、スラスト荷重を低減することが可能となったので、圧縮機インペラにてガスをより高い圧力まで圧縮してもスラスト磁気軸受で支持することができ、ガス圧力を高くすることで、冷凍機の熱効率を従来の冷凍機よりも向上させることができる。

１ 冷凍機
３ ケーシング
５ 回転軸
７ 圧縮機インペラ
７ａ 圧縮機インペラ（１段目）
７ｂ 圧縮機インペラ（２段目）
７ｃ 圧縮機インペラ（３段目）
８ 圧縮機吸入口
８ａ 圧縮機吸入口（１段目）
８ｂ 圧縮機吸入口（２段目）
８ｃ 圧縮機吸入口（３段目）
９ 圧縮機吐出口
９ａ 圧縮機吐出口（１段目）
９ｂ 圧縮機吐出口（２段目）
９ｃ 圧縮機吐出口（３段目）
１１ タービンインペラ
１１ａ タービンインペラ（１段目）
１１ｂ タービンインペラ（２段目）
１１ｃ タービンインペラ（３段目）
１２ タービン吸入口
１２ａ タービン吸入口（１段目）
１２ｂ タービン吸入口（２段目）
１２ｃ タービン吸入口（３段目）
１３ タービン吐出口
１３ａ タービン吐出口（１段目）
１３ｂ タービン吐出口（２段目）
１３ｃ タービン吐出口（３段目）
１５ スラスト磁気軸受
１５ａ スラスト磁気軸受（１段目）
１５ｂ スラスト磁気軸受（２段目）
１６ スラスト円板
１６ａ スラスト円板（１段目）
１６ｂ スラスト円板（２段目）
１７、１８ 電磁石
１７ａ、１８ａ 電磁石（１段目）
１７ｂ、１８ｂ 電磁石（２段目）
１７ｃ、１８ｃ 電磁石（３段目）
１９ ラジアル磁気軸受
２１ シール部
２１ａ シール部（１段目）
２１ｂ シール部（２段目）
２１ｃ シール部（３段目）
２３ ガス排出部
２３ａ ガス排出部（１段目）
２３ｂ ガス排出部（２段目）
２３ｃ ガス排出部（３段目）
２５ シール部
２５ａ シール部（１段目）
２５ｂ シール部（２段目）
２５ｃ シール部（３段目）
２８ 冷却器
２９ 流路
３１ ガス排出流路
３１ａ ガス排出流路（１段目）
３１ｂ ガス排出流路（２段目）
３２ 還流流路
３３ 冷却器
３５ 調整弁
３５ａ 調整弁（１段目）
３５ｂ 調整弁（２段目）
３５ｃ 調整弁（３段目）
３７ 電流制御部
３７ａ 電流制御部（１段目）
３７ｂ 電流制御部（２段目）
３９ ラビリンスシール
４１ 単段圧縮機
４３ ケーシング
４５ モーター
５１ 多段圧縮機
５３ａ ケーシング（１段目）
５３ｂ ケーシング（２段目）
５３ｃ ケーシング（２段目）
５７ａ 流路
５７ｂ 流路
５７ｃ 流路
５９ａ 第１冷却器
５９ｂ 第２冷却器
５９ｃ 第３冷却器
６１ 単段膨張タービン
６３ ケーシング
６５ 発電機
７１ 多段膨張タービン
７３ａ ケーシング（１段目）
７３ｂ ケーシング（２段目）
７３ｃ ケーシング（３段目）
８１ 冷凍機（本発明例）
８５ 回転軸
９１ 冷凍機（比較例）
９５ 回転軸
１０１ スキャロップインペラ
１０３ 羽根
１０５ 円盤部
１１１ インペラ
１１３ ケーシング
１１５ 回転軸
１１７ バランスホール
１２１ インペラ
１２３ ケーシング
１２５ 回転軸
１２７ 円盤
１２９ シール部

Claims (5)

1. 回転軸に取り付けられてガスを圧縮又は膨張するインペラと、
   スラスト円板及び電磁石を有し、前記回転軸を非接触状態で軸方向に支持するスラスト磁気軸受と、をケーシング内に収容してなる回転機械であって、
   前記スラスト円板の外周面と前記ケーシングの内面の隙間を非接触状態でシールするシール部と、
   該シール部によって区画された空間のうちスラスト方向と反対側となる空間のガスを排出するガス排出部を設けたことを特徴とする回転機械。
2. 前記スラスト磁気軸受の電磁石に流れる電流値に基づいて、前記ガス排出部から排出するガス量を調整するガス排出量調整手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転機械。
3. 前記ガス排出部から排出されたガスを前記インペラの吸入側に還流する還流流路を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機械。
4. 前記回転機械は、前記回転軸の一端側にガス圧縮用のインペラを有し、前記回転軸の他端側にガス膨張用のインペラを有し、ガスの圧縮と膨張を行うことでガスを冷却する冷凍機であ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回転機械。
5. 前記回転機械は、前記回転軸の一端側にガス圧縮用のインペラを有し、前記回転軸の他端側にガス膨張用のインペラを有し、ガスの圧縮と膨張を行うことでガスを冷却する冷凍機であって、
   前記還流流路に設けられて該還流流路内を流通するガスを冷却する冷却器を備えたことを特徴とする請求項３記載の回転機械。