JP2016176347A - 圧縮機システム - Google Patents

Abstract

【課題】モータを効率的に冷却することが可能な圧縮機システムを提供する。
【解決手段】軸線Ｏ回りに回転するロータ３１と、冷却用流体ＲＦが軸線Ｏに沿って流通可能な隙間３３をロータ３１と空けてロータ３１の外周側に配置されたステータ３２とを有するモータ３と、ロータ３１とともに回転することで圧縮流体ＣＦを生成する圧縮機２と、ステータ３２からロータ３１に向かって延びるようにステータ３２に対して相対回転不能に設けられ、ステータ３２とロータ３１との間に形成された隙間３３を周方向に複数の空間Ｓに区画する複数の仕切り部材６と、複数の空間Ｓのうちの二つの空間で、軸線Ｏの方向の互いに異なる側から、冷却用流体ＲＦを流入可能とする流体導入部７と、を備える圧縮機システム１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機システムに関する。

モータと圧縮機とが一体となっている圧縮機システムは、空気やガス等の気体を圧縮する圧縮機と、圧縮機を駆動させるモータとを有している。圧縮機システムでは、圧縮機のケーシングから延在する回転軸と、モータのケーシングから同様に延在するモータの回転軸とが接続され、モータの回転が圧縮機に伝達される。このモータ及び圧縮機の回転軸は、複数の軸受により支持されることで安定して回転する。

このような圧縮機システムは、例えば、非特許文献１のような海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）や、非特許文献２のような浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用される。海底生産システムに使用される際には、圧縮機システムは、海底に設置され、海底から数千ｍの深さまで掘削した生産井から原油や天然ガス等が混在した生産流体を海上に送り出している。また、浮体式海洋石油貯蔵設備に使用される際には、圧縮機システムは、船舶等の海上設備に設置されている。

三菱重工技報 Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．５ Ｐ３１０−Ｐ３１３ Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ／Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１４ Ｐ１８−Ｐ２４

ところで、圧縮機システムのモータでは、ロータが高速で回転することで、ロータとステータとの間で発熱し、ロータが高温となってしまう。ロータが高温となると、モータの効率が低下してしまう可能性や、モータの寿命が短くなってしまう可能性があり、ロータを冷却する必要がある。

しかしながら、ロータの軸線方向の一方から他方に向かって単にステータとロータとの間の隙間に冷却媒体を流通させてロータを冷却する場合には、流通している途中で冷却媒体が温まってしまい、効率的にロータを冷却することが難しい。

本発明は、上記要望を解決するためになされたものであって、モータを効率的に冷却することが可能な圧縮機システムを提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様に係る圧縮機システムは、軸線回りに回転するロータと、前記ロータと冷却用流体が前記軸線に沿って流通可能な隙間を空けて該ロータの外周側に配置されたステータとを有するモータと、前記ロータとともに回転することで圧縮流体を生成する圧縮機と、前記ステータから前記ロータに向かって延びるように前記ステータに対して相対回転不能に設けられ、前記ステータと前記ロータとの間に形成された前記隙間を周方向に複数の空間に区画する複数の仕切り部材と、前記複数の空間のうちの少なくとも二つの空間で、前記軸線の方向の互いに異なる側から、前記冷却用流体を流入可能とする流体導入部と、を備えている。

このような圧縮機システムによれば、仕切り部材によってロータとステータとの間の隙間を周方向に区画して形成された複数の空間の各々で、異なる側から冷却用空気が流入する。従って、これら空間には、軸線の方向に互いに反対方向に冷却用流体が流通する。冷却用流体は、ロータと熱交換を行いつつ流通するため、冷却用流体の流通方向の下流側での冷却用流体の温度は、上流側の温度に比べて高温となっている。しかしながら、周方向に並ぶ複数の空間同士で冷却用流体の流通方向が反対方向となっており、複数の空間に対してロータは相対回転しているため、例えば仕切り部材における軸線の方向の端部の位置（ある一つの空間における上流側及び下流側の位置）では、ロータには高温となった冷却用空気と低温の冷却用空気とが交互に接触することになる。従って、ある空間における下流側の位置で冷却用空気が高温となっても、この高温の冷却空気が常にロータの同じ位置に接触することがなくなり、軸線の方向にわたってロータを効率的に冷却することができる。

また、上記の圧縮機システムでは、前記仕切り部材は板状をなし、前記冷却用流体の流通方向の上流側を向き、かつ、下流側に向かうに従って前記軸線に対して前記ロータの回転方向の前方に傾斜する案内面を有していてもよい。

このような案内面によって、冷却用流体を案内することで、冷却用流体には、下流側に向かうに従って回転方向の前方に向かう旋回成分が付与される。従って、回転するロータの外面の進む方向に冷却用流体の流通方向を沿うようにでき、冷却用流体がロータの外面と接触することで冷却用流体が急加速されて生じるせん断による発熱量を抑えることができる。従って、ロータの冷却効率を向上できる。

また、上記の圧縮機システムでは、前記仕切り部材は前記冷却用流体の流通方向の下流側に向かうに従って前記ロータの回転方向の前方に向かって延びる螺旋板状をなす部材であり、前記案内面は、前記螺旋板状をなす部材における前記冷却用流体の流通方向の上流側を向く面であってもよい。

このように仕切り部材に螺旋板状をなす部材を用いることで、冷却用流体に下流側に向かうに従って回転方向の前方に向かう旋回成分を効果的に付与することができる。冷却用流体がロータの外面と接触することで冷却用流体が急加速されて生じるせん断による発熱量を抑えることができ、ロータの冷却効率を向上できる。

また、上記の圧縮機システムでは、前記仕切り部材は、少なくとも前記ロータと前記ステータとが前記ロータの径方向に対向する領域に設けられていてもよい。

このような領域に仕切り部材が設けられることで、最も発熱量が大きくなるロータとステータとの対向領域で、冷却用流体によって効果的な冷却を行うことができる。

上記の圧縮機システムによれば、冷却用流体をロータとステータとの間の隙間で異なる方向に冷却用流体を流通させることで、モータを効率的に冷却することができる。

本発明の第一実施形態における圧縮機システムを説明する模式図である。 本発明の第一実施形態における圧縮機システムの要部を示す断面図であって、図１のＡ−Ａ断面を示す図である。 本発明の第一実施形態における圧縮機システムの流体導入部を示す斜視図である。 本発明の第二実施形態における圧縮機システムの要部を示す断面図であって、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面での断面図である。 本発明の実施形態の変形例の要部を示す断面図であって、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面での断面図である。

＜第一実施形態＞
以下、本発明に係る第一実施形態について図１を参照して説明する。
圧縮機システム１は、海洋油ガス田開発方式の一つである海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）に使用されて海底に設けられたり、浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用されて海上に設けられたりする。圧縮機システム１は、海底数百から数千ｍに存在する油ガス田の生産井から採取された油・ガス等の生産流体（以下、単に流体Ｆとする）を圧送する。

圧縮機システム１は、軸線Ｏの方向（図１の左右方向）に延在するシャフト２１を有する圧縮機２と、シャフト２１に直接的に接続されるロータ３１を有するモータ３と、シャフト２１を支持する軸受部４と、モータ３と圧縮機２とを収容するケーシング５と、ロータ３１の外周側に配置された仕切り部材６とを備えている。また、圧縮機システム１は、仕切り部材６における軸線Ｏの方向を向く両端面に軸線Ｏの方向に対向するように設けられた流体導入部７を備えている。

圧縮機２は、ケーシング５内に収容され、ロータ３１とともにシャフト２１が軸線Ｏ回りに回転することで流体Ｆを圧縮して圧縮流体ＣＦを生成する。本実施形態の圧縮機２は、軸線Ｏの方向に延在するシャフト２１と、シャフト２１に固定されたインペラ２２と、インペラ２２を収容するハウジング２３とを有している。

シャフト２１は、軸線Ｏ方向に延在する回転軸であり、軸線Ｏ回りに回転可能にケーシング５に支持されている。シャフト２１は、ハウジング２３を貫通しており、両端がハウジング２３から延出している。シャフト２１は、後述するケーシング５内において軸線Ｏ方向に延在している。

インペラ２２は、シャフト２１とともに回転し、インペラ２２内部を通過する流体Ｆを圧縮して圧縮流体ＣＦを生成する。
ハウジング２３は、圧縮機２の外装部品であり、インペラ２２を内部に収容している。ハウジング２３は、ケーシング５内に収容されている。

モータ３は、圧縮機２に対して軸線Ｏの方向に間隔を空けてケーシング５内に収容されている。モータ３は、シャフト２１と一体をなすように固定されたロータ３１と、ロータ３１の外周側に配置されるステータ３２とを有している。

ロータ３１は、シャフト２１と一体となって軸線Ｏ回りに回転可能とされている。ロータ３１は、圧縮機２のシャフト２１に対してギア等を介さずに一体となって回転するように、シャフト２１の外周側に直接固定されている。ロータ３１は、ステータ３２が回転磁界を生成することによって誘導電流が流れる回転子鉄心（不図示）を有している。

ステータ３２は、ロータ３１を外周側から覆うように、ロータ３１に対して軸線Ｏを中心とした環状の隙間３３を径方向に空けて設けられている。ステータ３２は、ロータ３１の周方向に沿って複数配置された固定子鉄心（不図示）と、固定子鉄心に巻回された固定子巻線（不図示）とを有している。ステータ３２は、外部から電流が流れることで回転磁場を生成してロータ３１を回転させる。ステータ３２は、ケーシング５内でケーシング５に固定されている。

軸受部４は、ケーシング５に収容され、シャフト２１を回転可能に支持する。本実施形態の軸受部４は、複数のジャーナル軸受４１及びスラスト軸受４２を備えている。

ジャーナル軸受４１は、シャフト２１に対して径方向に作用する荷重を支持する。ジャーナル軸受４１は、軸線Ｏの方向からモータ３及び圧縮機２を挟み込むようにシャフト２１における軸線Ｏの方向の両端に配置されている。ジャーナル軸受４１は、圧縮機２が設けられた領域とモータ３が設けられた領域との間であって、後述するシール部材５１よりもモータ３側にも配置されている。

スラスト軸受４２は、シャフト２１に形成されたスラストカラー２１ａを介して、シャフト２１に対して軸線Ｏの方向に作用する荷重を支持する。スラスト軸受４２は、圧縮機２が設けられた領域とモータ３が設けられた領域との間であって、後述するシール部材５１よりも圧縮機２側に配置されている。

ケーシング５は、圧縮機２とモータ３とを内部に収容している。ケーシング５は、軸線Ｏに沿った円筒形状をなしている。ケーシング５の内面は、軸線Ｏ方向の圧縮機２とモータ３との間でシャフト２１に向かって突出している。この突出した部分には、圧縮機２が設けられた領域とモータ３が設けられた領域との間をシールするシール部材５１が設けられている。

仕切り部材６は、ロータ３１とステータ３２との間の環状の隙間３３に配置されて、ロータ３１とステータ３２とに非接触の状態で設けられている。具体的には、仕切り部材６はステータ３２に対して相対回転不能となるように、ケーシング５に固定されている。例えば、ケーシング５にはステータ３２の軸線Ｏの方向の両側で径方向内側に突出するように支持部材１０が設けられ、この支持部材１０に仕切り部材６が固定されている。支持部材１０は、軸線Ｏを中心とした環状をなしてもよいし、周方向の一部で径方向内側に突出する柱状をなしてもよく、形状は限定されない。

仕切り部材６は、より具体的には図２に示すように、周方向に隙間３３を複数の空間Ｓに区画するように、支持部材１０から径方向内側に突出するように延びるとともに、隙間３３に軸線Ｏの方向の全域にわたって延びる平板状をなしている。また本実施形態では、周方向に１８０度離れた位置に二箇所に仕切り部材６が設けられている。これにより、隙間３３は二つの空間Ｓ１、Ｓ２に区画されている。

仕切り部材６には、例えば金属、セラミックス、樹脂等の有機材料等、様々な材料を用いることができる。

ここで、ロータ３１とステータ３２との間の隙間３３では、冷却用流体ＲＦが軸線Ｏの方向に沿って流通可能となっている。冷却用流体ＲＦは、例えば、圧縮機２からの圧縮流体ＣＦのうちの一部がシール部材５１から漏れ出た漏れ流れや、ケーシング５の外部から導入された冷却媒体や圧縮機２からの抽気を用いることができる。

流体導入部７は、空間Ｓ１と空間Ｓ２とで軸線Ｏの方向の互いに異なる側から、冷却用流体ＲＦを流入可能としている。即ち、空間Ｓ１には、軸線Ｏの方向の一方側となる圧縮機２側から冷却用流体ＲＦが流入し、空間Ｓ２には、軸線Ｏの方向の他方側から冷却用流体ＲＦが流入する。

より具体的には、図３に示すように、流体導入部７は、例えば支持部材１０と一体に設けられたマニホールドである。即ち、空間Ｓ１における軸線Ｏの方向の一方側の開口(流入口Ｓ１ａ)を覆う半円板状をなす湾曲流路部８と、湾曲流路部８の中途位置（周方向のちょうど中央部）から径方向の外側に突出する突出流路部９とを有している。

湾曲流路部８には、流入口Ｓ１ａを向く面の周方向の略全域にわたって開口する湾曲流路８ａが形成されている。

突出流路部９には、湾曲流路部８に連通するとともに径方向外側に開口する突出流路９ａが形成されている。

突出流路９ａには冷却用流体ＲＦが導入され、湾曲流路８ａを通じて流入口Ｓ１ａから空間Ｓ１内に冷却用流体ＲＦが流入可能となっている。

ここで、本実施形態では、仕切り部材６における軸線Ｏの方向の他方側にも同様に、空間Ｓ１における軸線Ｏの方向の他方側の開口（流出口Ｓ１ｂ）を覆う湾曲流路部８と、湾曲流路部８の中途位置（周方向のちょうど中央部）から径方向の外側に突出する突出流路部９とを有する流体導入部７と同様の形状をなす流体導出部７Ａが設けられている。この流体導出部７Ａによって、空間Ｓ１を流通した後の冷却用流体ＲＦが、突出流路部９から流出可能となっている。

同様に、空間Ｓ２における軸線Ｏの方向の他方側の開口となる流入口Ｓ２ａを覆うように流体導入部７が設けられ、空間Ｓ２における軸線Ｏの方向の一方側の開口となる流出口Ｓ２ｂを覆うように流体導出部７Ａが設けられている。

以上説明した本実施形態の圧縮機システム１によると、仕切り部材６によってロータ３１とステータ３２との間の隙間３３を周方向に区画して形成された空間Ｓ１、Ｓ２の各々で、軸線Ｏの方向の異なる側から冷却用流体ＲＦが流入する。従って、これら空間Ｓ１、Ｓ２では、互いに反対方向に冷却用流体ＲＦが流通する。

ここで、冷却用流体ＲＦは、ロータ３１と熱交換を行いつつ隙間３３を流通するため、各空間Ｓ１、Ｓ２での下流側での冷却用流体ＲＦの温度は、上流側の温度に比べて高温となっている。しかし本実施形態では、周方向に並ぶ複数の空間Ｓ１、Ｓ２同士で、冷却用流体ＲＦの流通方向が反対方向となっており、複数の空間Ｓ１、Ｓ２に対してロータ３１は相対回転している。

このため、空間Ｓ１、Ｓ２の下流側では、ロータ３１の外面には高温となった冷却用流体ＲＦと低温の冷却用流体ＲＦとが交互に接触することになる。このため、空間Ｓ１、Ｓ２の下流側で冷却用流体ＲＦが高温となっても、この高温となった冷却用流体ＲＦが、常に同じ位置でロータ３１に接触してしまうことを避けることができる。従って、軸線Ｏの方向にわたって、ロータ３１を効率的に冷却することができ、モータ３を効率的に冷却することができる。

＜第二実施形態＞
次に、図４を参照して第二実施形態の圧縮機システム６１について説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第二実施形態の圧縮機システム６１は、第一実施形態と仕切り部材６６が異なっている。

図４に示すように、仕切り部材６６は、軸線Ｏに対して傾斜して設けられている。より具体的には、仕切り部材６６は平板状をなし、流入口Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）側を向く端面は径方向に延びるとともに冷却用流体ＲＦの流通方向の下流側に向かうに従って周方向に、ロータ３１の回転方向ＲＤの一方ＲＤ１に向かうように延びている。即ち、仕切り部材６６は、冷却用流体ＲＦの流通方向の上流側を向き、かつ、下流側に向かうに従って軸線Ｏに対してロータ３１の回転方向ＲＤの前方ＲＤ１に傾斜する案内面６６ａを有している。

以上説明した本実施形態の圧縮機システム６１では、仕切り部材６６の案内面６６ａによって、空間Ｓ１、Ｓ２内で冷却用流体ＲＦを案内することで、冷却用流体ＲＦには、下流側に向かうに従って回転方向ＲＤの前方ＲＤ１に向かう旋回成分が付与される。従って、回転するロータ３１の外面の進む方向に、冷却用流体ＲＦの流通方向を沿うようにして冷却用流体ＲＦを流通させることができる。よって、冷却用流体ＲＦがロータ３１の外面と接触することで、冷却用流体ＲＦが急加速されて生じるせん断による発熱量を抑えることができ、ロータ３１の冷却効率を向上できる。

ここで、図５に示すように、本実施形態の圧縮機システム６１では、仕切り部材６６Ａは、例えば冷却用流体ＲＦの流通方向の下流側に向かうに従って、ロータ３１の回転方向ＲＤの前方ＲＤ１に向かって延びる螺旋板状をなす部材であってもよい。このように螺旋状をなす部材によっても、冷却用流体ＲＦに下流側に向かうに従って回転方向ＲＤの前方ＲＤ１に向かう旋回成分を効果的に付与することができ、冷却用流体ＲＦが急加速された際に生じるせん断による発熱量を抑えることができ、ロータ３１の冷却効率を向上できる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

例えば、仕切り部材６、６６、６６Ａは、ロータ３１とステータ３２とが径方向に対向する領域に少なくとも配置されていればよい。また、仕切り部材６、６６、６６Ａをステータ３２に直接固定してもよい。

また、仕切り部材６、６６、６６Ａには熱伝導率の高い金属材料を用いることで、空間Ｓ１と空間Ｓ２との間での熱交換を促進し、ロータ３１の冷却を均一化してもよい。

また、仕切り部材６、６６、６６Ａの数量は上述の場合に限定されず、少なくとも二つ以上設けられていてもよい。また、周方向に不等間隔に設けられていてもよい。三つ以上の仕切り部材６、６６、６６Ａを設けた場合、周方向に隣接する空間Ｓ同士で冷却用流体ＲＦの流通方向が異なっているとよいが、これに限定されない。即ち、少なくとも二つの空間で、冷却用流体ＲＦの流通方向が異なっていればよい。

また、例えば仕切り部材６（６６、６６Ａ）の肉厚を、下流側に向かって大きくすることで、上流側から下流側に向かって空間Ｓ１、Ｓ２の軸線に直交する断面での流路断面積を小さくしていくことが可能である。この場合、冷却用流体ＲＦの流速を下流側で増大させることができるため、熱交換を行って、より高温となった冷却用流体ＲＦによっても、ロータ３１との間での熱伝達を促進でき、ロータ３１との熱交換を効果的に行うことが可能となる。

１、６１…圧縮機システム
２…圧縮機
３…モータ
４…軸受部
５…ケーシング
６、６６、６６Ａ…仕切り部材
７…流体導入部
７Ａ…流体導出部
８…湾曲流路部
８ａ…湾曲流路
９…突出流路部
９ａ…突出流路
１０…支持部材
２１…シャフト
２２…インペラ
２３…ハウジング
３１…ロータ
３２…ステータ
３３…隙間
４１…ジャーナル軸受
４２…スラスト軸受
５１…シール部材
６６ａ…案内面
Ｆ…流体
ＣＦ…圧縮流体
ＲＦ…冷却用流体
Ｏ…軸線
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２…空間
Ｓ１ａ、Ｓ２ａ…流入口
Ｓ１ｂ、ｓ２ｂ…流出口
ＲＤ…回転方向
ＲＤ１…前方

Claims (4)

1. 軸線回りに回転するロータと、冷却用流体が前記軸線に沿って流通可能な隙間を前記ロータと空けて該ロータの外周側に配置されたステータとを有するモータと、前記ロータとともに回転することで圧縮流体を生成する圧縮機と、
   前記ステータから前記ロータに向かって延びるように前記ステータに対して相対回転不能に設けられ、前記ステータと前記ロータとの間に形成された前記隙間を周方向に複数の空間に区画する複数の仕切り部材と、
   前記複数の空間のうちの少なくとも二つの空間で、前記軸線の方向の互いに異なる側から、前記冷却用流体を流入可能とする流体導入部と、
   を備える圧縮機システム。
2. 前記仕切り部材は板状をなし、前記冷却用流体の流通方向の上流側を向き、かつ、下流側に向かうに従って前記軸線に対して前記ロータの回転方向の前方に傾斜する案内面を有している請求項１に記載の圧縮機システム。
3. 前記仕切り部材は前記冷却用流体の流通方向の下流側に向かうに従って前記ロータの回転方向の前方に向かって延びる螺旋板状をなす部材であり、
   前記案内面は、前記螺旋板状をなす部材における前記冷却用流体の流通方向の上流側を向く面である請求項２に記載の圧縮機システム。
4. 前記仕切り部材は、少なくとも前記ロータと前記ステータとが前記ロータの径方向に対向する領域に設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機システム。

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