JP2016176350A - 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、ロータ３１と隙間３３を空けてロータ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、ロータ３１とステータ３２との間に形成された隙間３３に配置され、ステータ３２に対して相対回転不能に設けられて軸線Ｏの方向に延び、ロータ３１に向かって開口して冷却用流体ＲＦを噴出可能な噴出口６ａが形成された流体供給部材６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、前記ロータと前記ステータとの間に形成された前記隙間に配置され、前記ステータに対して相対回転不能に設けられてロータの回転軸線の方向に延び、前記ロータに向かって開口して冷却用流体を噴出可能な噴出口が形成された流体供給部材と、を備えている。

このような圧縮機システムによれば、冷却用流体の噴出口が形成された流体供給部材を別途で設けることで、ロータとの間で熱交換を行う前の低温の冷却用流体を、常に噴出口に供給することができる。このため、噴出口からは常に低温の冷却用流体をロータに噴出することができ、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、前記流体供給部材における前記噴出口は、前記ロータの回転方向の前方側に向かって前記冷却用流体を噴射可能に形成されていてもよい。

ロータは回転しているため、噴出口からの冷却用流体をこのロータの回転方向の前方に向けて噴出することで、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、前記流体供給部材には、前記軸線の方向に間隔をあけて複数の前記噴出口が形成されているとともに、前記軸線の方向に延びてこれら複数の前記噴出口に連通して外部からの前記冷却用流体が前記軸線の一方側から流入可能な連通孔が形成されていてもよい。

このように連通孔を通じて軸線の方向に並ぶ複数の噴出口に冷却用流体を供給することで、ロータの外面に対して軸線の方向にわたってまんべんなく冷却用流体を噴出することができる。よって、ロータの冷却効率をさらに向上することができる。

また、上記の圧縮機システムにおける前記流体供給部材では、前記連通孔を流通する前記冷却用流体の流通方向の下流側に位置する前記噴出口の方が、上流側に位置する前記噴出口に比べて開口径が大きくなっていてもよい。

冷却用流体が連通孔を流通する際には、下流に向かうにつれて圧力損失が大きくなる。ここで、下流側の方が噴出口の開口径が大きくなっていることで、下流側でも十分な流量の冷却用流体をロータへ向けて噴出することができる。よって、ロータの冷却効率をさらに向上することができる。

また、上記の圧縮機システムにおける前記流体供給部材では、前記流体供給部材の前記噴出口は、前記軸線の方向及び前記ロータの周方向に間隔をあけて複数形成され、前記流体供給部材には、前記連通孔を流通する前記冷却用流体の流通方向の下流側に位置する前記噴出口の方が、上流側に位置する前記噴出口に比べて、前記周方向により多く形成されていてもよい。

このように下流側で噴出口の数量を多くすることで、圧力損失が大きくなる下流側で十分な流量の冷却用流体をロータへ向けて噴出することができる。よって、ロータの冷却効率をさらに向上することができる。

上記の圧縮機システムによれば、冷却用流体を噴出可能な噴出口が形成された流体供給用部材を設けることで、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を説明する模式図であって、図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第一実施形態の第一変形例における圧縮機システムの要部を説明する模式図である。 本発明の第一実施形態の第二変形例における圧縮機システムの要部を説明する模式図である。 本発明の第一実施形態の第三変形例における圧縮機システムの要部を説明する模式図である。 本発明の第一実施形態の第三変形例における圧縮機システムを説明する模式図であって、図５のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第二実施形態における圧縮機システムを説明する模式図であって、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面での断面図である。 本発明の第三実施形態における圧縮機システムの要部を説明する模式図である。 本発明の第三実施形態の変形例における圧縮機システムの要部を説明する模式図である。

＜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流体供給部材６とを備えている。

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を中心とした環状をなす隙間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。

流体供給部材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、流体供給部材６は軸線Ｏを中心とした円筒状をなしている。

流体供給部材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。

流体供給部材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の方向を向く両端面に軸線Ｏの方向に対向するように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に流体供給部材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。

また、流体供給部材６には、ロータ３１に向かって開口して冷却用流体ＲＦを噴出可能な噴出口６ａが、軸線Ｏの方向に間隔をあけて複数形成されている。
さらに、図２に示すように、噴出口６ａは、周方向にも間隔をあけて複数形成されている。本実施形態では、噴出口６ａは、冷却用流体ＲＦを径方向内側に向かって径方向に真っ直ぐに噴出可能となっている。
また噴出口６ａは、径方向内側から流体供給部材６を見た際に、千鳥状に配置されてもよいし、格子状に配置されていてもよい。

この流体供給部材６には、軸線Ｏの方向に並ぶ複数の噴出口６ａに連通して外部からの冷却用流体ＲＦが軸線Ｏに沿って流通可能であり、軸線Ｏの方向に延びる連通孔６ｂがさらに形成されている。連通孔６ｂには、例えばケーシング５に設けられた不図示の流体供給流路等によって冷却用流体ＲＦが供給されて、さらに連通孔６ｂを介して噴出口６ａに供給される。

冷却用流体ＲＦとしては、シール部材５１からモータ３側に漏れ出た圧縮流体ＣＦの一部である漏れ流れや、外部から導入された冷却媒体や、圧縮機２からの抽気等、様々な流体を用いることが可能である。そして本実施形態では、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が連通孔６ｂに流入する。

以上説明した本実施形態の圧縮機システム１によると、噴出口６ａが形成された流体供給部材６を別途で設けることで、ケーシング５の外部からロータ３１との間で熱交換を行う前の、より低温の冷却用流体ＲＦを、連通孔６ｂを通じて噴出口６ａに常に供給することができる。このため、噴出口６ａからは、常に低温の冷却用流体ＲＦをロータに噴出することができ、ロータ３１の冷却効率を向上でき、その結果、モータを効率的に冷却することができる。

さらに、連通孔６ｂを通じて軸線Ｏの方向に並ぶ複数の噴出口６ａに冷却用流体ＲＦを供給することで、ロータ３１の外面に対して軸線Ｏの方向にわたってまんべんなく冷却用流体ＲＦを噴出することができる。よって、ロータ３１の冷却効率をさらに向上することができる。

ここで、本実施形態では図３に示すように、流体供給部材６に連通孔６ｂを形成せず、かつ、噴出口６ａが流体供給部材６を径方向に貫通するように噴出口６ａを形成してもよい。この場合、ステータ３２と流体供給部材６との間に形成された隙間３３ａに冷却用流体ＲＦを供給することで、噴出口６ａからロータ３１に向けて冷却用流体ＲＦを噴出可能となる。

さらに、本実施形態では、図４に示すように、連通孔６ｂを流通する冷却用流体ＲＦの流通方向の下流側（軸線Ｏの方向の他方側）に位置する噴出口６ａの方が、上流側に位置する噴出口６ａに比べて開口径が大きくなっていてもよい。

ここで、冷却用流体ＲＦが連通孔６ｂを流通する際には、流通方向の下流側に向かうにつれて圧力損失が大きくなる。下流側の方が噴出口６ａの開口径が大きくなっていることで、このような圧力損失に関わらず、下流側でも十分な流量の冷却用流体ＲＦをロータ３１へ向けて噴出することができる。よって、ロータ３１の冷却効率をさらに向上することができる。

また、本実施形態では、図５及び図６に示すように、連通孔６ｂを流通する冷却用流体ＲＦの流通方向の下流側に位置する噴出口６ａ（図６）の方が、上流側に位置する噴出口６ａ(図２参照)に比べて周方向に、より多く形成されていてもよい。即ち、下流側に位置する噴出口６ａの方が、上流側の噴出口６ａに比べて、周方向の形成間隔（ピッチ）が狭くなっていてもよい。

このように下流側で噴出口６ａの形成ピッチを小さくすることで、圧力損失が大きくなる下流側でも十分な流量の冷却用流体ＲＦをロータ３１へ向けて噴出することができる。よって、ロータ３１の冷却効率をさらに向上することができる。

＜第二実施形態＞
次に、図７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では、第一実施形態と流体供給部材６６が異なっている。

流体供給部材６６における複数の噴出口６６ａは連通孔６６ｂに連通しており、かつ、ロータ３１の回転方向ＲＤの前方ＲＤ１側に向かって冷却用流体ＲＦを噴射可能となるように形成されている。即ち、噴出口６６ａの中心軸Ｏ２の延長線が、ロータ３１を通過するように、噴出口６６ａが形成されている。

ロータ３１は回転方向ＲＤに回転しているため、噴出口６６ａから噴出される冷却用流体ＲＦを回転方向ＲＤの前方ＲＤ１に向けて噴出することで、回転するロータ３１の外面の進む方向に冷却用流体ＲＦの流通方向を沿わせることが可能となる。この結果、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る。従って、ロータ３１の冷却効率をさらに向上できる。

＜第三実施形態＞
次に、図８を参照して第三実施形態の圧縮機システム７１について説明する。
第三実施形態においては第一実施形態及び第二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７１では、第一実施形態及び第二実施形態と流体供給部材７６が異なっている。

流体供給部材７６は、軸線Ｏの方向に二分割されて設けられている。即ち、圧縮機システム７１には、軸線Ｏの方向の一方側に第一流体供給部材７６Ａが設けられ、軸線Ｏの方向の他方側に第二流体供給部材７６Ｂが設けられている。

第一流体供給部材７６Ａ及び第二流体供給部材７６Ｂは、それぞれ軸線Ｏを中心とした円筒状をなしている。またこれら第一流体供給部材７６Ａ及び第二流体供給部材７６Ｂ同士は、軸線Ｏの方向に隙間をあけて設けられ、それぞれが支持部材１０によってケーシング５に固定されている。

そして、第一流体供給部材７６Ａには、軸線Ｏの方向の一方側から冷却用流体ＲＦが連通孔７６ｂに供給され、第二流体供給部材７６Ｂには、軸線Ｏの方向の他方側から冷却用流体ＲＦが連通孔７６ｂに供給される。そして、噴出口７６ａからロータ３１に向けて冷却用流体ＲＦが噴出される。

以上説明した本実施形態の圧縮機システム７１では、ロータ３１との間で熱交換を行う前の、より低温の冷却用流体ＲＦを連通孔７６ｂに常に供給でき、噴出口７６ａから噴出することができるため、ロータ３１の冷却効率を向上できる。その結果、モータを効率的に冷却することができる。

ここで本実施形態では、図９に示すように、第一実施形態と同様の一つの流体供給部材６の連通孔６ｂの中途位置（例えば流体供給部材６における軸線Ｏの方向の中央位置）に、連通孔６ｂを閉塞する栓８０を設けるとともに、冷却用流体ＲＦを連通孔６ｂに軸線Ｏの方向の両側から供給してもよい。この場合にも、ロータ３１との間で熱交換を行う前の、より低温の冷却用流体ＲＦを噴出口６ａに常に供給し、冷却用流体ＲＦを噴出口６ａから噴出することができ、ロータ３１の冷却効率を向上できる。その結果、モータを効率的に冷却することができる。

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、連通孔６ａ（６６ａ、７６ａ）の数量は、特に限定されず、一つのみが形成されてもよい。

また、ロータ３１とステータ３２とが径方向に対向する位置での発熱量が大きくなるため、噴出口６ａ（６６ａ、７６ａ）は、ロータ３１とステータ３２とが径方向に対向する対向領域に少なくとも形成されているとよい。

流体供給部材６（６６、７６）の形状も上述の場合に限定されない。例えば、隙間３３に配置された平板状をなす部材であってもよい。

また、支持部材１０は上述の場合に限定されない。即ち、流体供給部材６（６６、７６）をロータ３１とステータ３２との間の隙間３３に保持可能であればよい。例えば、ステータ３２に流体供給部材６（６６、７６）を直接固定してもよい。

また、上述の各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。

１…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…流体供給部材
６ａ…噴出口
６ｂ…連通孔
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
３３ａ…隙間
４１…ジャーナル軸受
４２…スラスト軸受
５１…シール部材
Ｆ…流体
ＣＦ…圧縮流体
ＲＦ…冷却用流体
Ｏ…軸線
６１…圧縮機システム
６６…流体供給部材
６６ａ…噴出口
６６ｂ…噴出口
Ｏ２…中心軸
ＲＤ…回転方向
ＲＤ１…前方
７１…圧縮機システム
７６…流体供給部材
７６ａ…噴出口
７６ｂ…連通孔
７６Ａ…第一流体供給部材
７６Ｂ…第二流体供給部材
８０…栓

Claims (5)

1. 軸線回りに回転するロータと、前記ロータと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、
   前記ロータと前記ステータとの間に形成された前記隙間に配置され、前記ステータに対して相対回転不能に設けられてロータの回転軸線の方向に延び、前記ロータに向かって開口して冷却用流体を噴出可能な噴出口が形成された流体供給部材と、
   を備える圧縮機システム。
2. 前記流体供給部材における前記噴出口は、前記ロータの回転方向の前方側に向かって前記冷却用流体を噴射可能に形成されている請求項１に記載の圧縮機システム。
3. 前記流体供給部材には、前記軸線の方向に間隔をあけて複数の前記噴出口が形成されているとともに、前記軸線の方向に延びてこれら複数の前記噴出口に連通して外部からの前記冷却用流体が前記軸線の一方側から流入可能な連通孔が形成されている請求項１又は２に記載の圧縮機システム。
4. 前記流体供給部材では、前記連通孔を流通する前記冷却用流体の流通方向の下流側に位置する前記噴出口の方が、上流側に位置する前記噴出口に比べて開口径が大きくなっている請求項３に記載の圧縮機システム。
5. 前記流体供給部材の前記噴出口は、前記軸線の方向及び前記ロータの周方向に間隔をあけて複数形成され、
   前記流体供給部材には、前記連通孔を流通する前記冷却用流体の流通方向の下流側に位置する前記噴出口の方が、上流側に位置する前記噴出口に比べて、前記周方向により多く形成されている請求項３又は４に記載の圧縮機システム。

Images