JP2019178654A - ターボ圧縮機およびこれを備えたターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトの軸方向長さを短縮でき、シャフトの回転に伴う回転振れを抑制し、装置の小型化を実現できるターボ圧縮機およびこれを備えたターボ冷凍機を提供する。【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮部と、圧縮部を回転軸線Ｘ回りに駆動するシャフト１５と、回転軸線Ｘ回りに等角度間隔に複数のティース部３４が形成された鉄心部３２、及び、複数のティース部３４のそれぞれに巻装された複数のコイル３６が設けられ、挿通されたシャフト１５を非接触に支持する磁気軸受３０Ａと、シャフト１５が挿通される補助軸受と、シャフト１５の変位を検出する変位センサ５０とを備えるターボ圧縮機であって、変位センサ５０は、隣り合うコイル３６の間に設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、ターボ圧縮機およびこれを備えたターボ冷凍機に関する。

ターボ圧縮機においては、圧縮機構を回転駆動するシャフトを回転自在に支持するために、転がり軸受などの接触型軸受を採用する場合がある。この場合、軸受の潤滑油系統設置による構造の複雑化や、軸受の摩擦による機械損失の懸念がある。

このため、潤滑油系統の省略や機械損失の低減を目的として、転がり軸受に代えて、非接触型軸受とされる磁気軸受を採用することがある。

磁気軸受を用いた流体機械の構造として、例えば、特許文献１の図３に開示されているような構造がある。この構造によれば、磁気軸受の両側に補助軸受および変位センサが軸部の軸線方向に沿って設置されている。

特開２００２−２１８７０８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている構造においては、磁気軸受、補助軸および変位センサが軸部の軸線方向に沿ってそれぞれ離間して設置されているため、これらの構成要素が軸方向に亘って広範囲を占有している。このため、軸部を長く設計する必要があり、軸部の回転に伴う回転振れが発生する可能性がある。また、流体機械が大型化される可能性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、シャフトの軸方向長さを短縮でき、シャフトの回転に伴う回転振れを抑制し、装置の小型化を実現できるターボ圧縮機およびこれを備えたターボ冷凍機の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のターボ圧縮機およびこれを備えたターボ冷凍機は以下の手段を採用する。
即ち、本発明の一態様に係るターボ圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮部と、前記圧縮部を回転軸線回りに駆動するシャフトと、前記回転軸線回りに等角度間隔に複数のティース部が形成された鉄心部、及び、複数の前記ティース部のそれぞれに巻装された複数のコイルが設けられ、挿通された前記シャフトを非接触に支持する磁気軸受と、前記シャフトが挿通される補助軸受と、前記シャフトの変位を検出する変位センサとを備えるターボ圧縮機であって、前記変位センサは、隣り合う前記コイルの間に設けられている。

本態様のターボ圧縮機において、変位センサは、隣り合うコイルの間に設けられている。この構成によれば、磁気軸受の鉄心部内に変位センサを収容することができるので、例えば、磁気軸受と変位センサとをシャフトの軸方向に沿って離間して設けた場合と比べて、これらの構成要素がシャフトの軸方向において占有する部分を縮小することができる。これにより、シャフトの軸方向長さを短縮できたり磁気軸受同士の距離を短縮できたりするので、ターボ圧縮機の使用時、シャフトの回転に伴う回転振れが抑制される。また、ターボ圧縮機の小型化を実現することができる。

また、本発明の一態様に係るターボ圧縮機において、前記補助軸受は、前記鉄心部に取り付けられた軸受箱に収容されている。

本態様のターボ圧縮機の構成によれば、補助軸受が収容される軸受箱が磁気軸受の鉄心部に取り付けられているので、磁気軸受と補助軸受との距離を短縮することができる。これにより、シャフトの軸方向長さを短縮できたり磁気軸受同士の距離を短縮できたりする。

また、本発明の一態様に係るターボ圧縮機において、前記補助軸受は、前記鉄心部と同一の材料によって形成された軸受箱に収容されている。

本態様のターボ圧縮機の構成によれば、磁気軸受の鉄心部と補助軸受が収容される軸受箱とが同一の材料によって形成されているので、補助軸受と軸受箱が温度変化した場合の補助軸受と軸受箱と間の隙間の変化を抑制することができ、補助軸受と軸受箱と間の隙間が仕様計画値の範囲からはずれることを防止することができる。

また、本発明の一態様に係るターボ圧縮機は、前記変位センサに向けてガス冷媒を流す冷却流路が備えられている。

本態様のターボ圧縮機の構成によれば、冷却流路によってガス冷媒を変位センサに向けて流すことで、ガス冷媒によって変位センサを冷却することができる。このため、仮に、コイルなどの発熱により変位センサに熱的な影響を及ぼす可能性がある場合でも、変位センサの温度上昇を抑制することができ、変位センサの温度上昇による計測誤差の増大を防止することができる。

また、本発明の一態様に係るターボ冷凍機は、前述のターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮した冷媒を膨張させる膨張機構と、該膨張機構で膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えている。

本発明に係るターボ圧縮機およびこれを備えたターボ冷凍機によれば、シャフトの軸方向長さを短縮でき、シャフトの回転に伴う回転振れを抑制し、装置の小型化を実現できる。

本発明の一実施形態に係るターボ圧縮機を備えるターボ冷凍機の冷媒回路の例を示した図である。 本発明の一実施形態に係るターボ圧縮機の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るターボ圧縮機に備えられている磁気軸受周辺の構造を拡大して示した図である。 図３の切断線Ｉ−Ｉにおける断面図を示した図である。 図３の切断線ＩＩ−ＩＩにおける断面図を示した図である。 発明の一実施形態に係るターボ圧縮機を備えるターボ冷凍機の冷媒回路の他の例を示した図である。 本発明の一実施形態に係るターボ圧縮機の変形例の縦断面図である。 図７の切断線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図を示した図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るターボ圧縮機について説明する。

図１に示すように、ターボ圧縮機１は、ターボ冷凍機の冷媒回路３を構成する機器のひとつである。冷媒回路３は、ターボ圧縮機１と、ターボ圧縮機１で圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器７０と、凝縮器７０で凝縮した冷媒を膨張させる膨張弁７４と、膨張弁７４で膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器７６とを具備している。ターボ圧縮機１は、蒸発器７６にて蒸発された低圧のガス冷媒を圧縮することで高温高圧のガス冷媒にするものである。

図２に示すように、ターボ圧縮機１は、その外殻を形成するケーシング１０と、複数のインペラ１２Ａを有する圧縮部１２と、電動機１４と、シャフト１５と、ラジアル磁気軸受（磁気軸受）３０Ａ，３０Ｂと、複数の補助軸受４０と、スラスト磁気軸受４４と、変位センサ５０とを具備して構成されている。

ケーシング１０の内部は、隔壁１０Ａによって電動機室１１Ａと圧縮室１１Ｂとに区画されており、電動機室１１Ａには、電動機１４、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂ、補助軸受４０、変位センサ５０、スラスト磁気軸受４４等が収容され、圧縮室１１Ｂには、複数のインペラ１２Ａを有する圧縮部１２が収容されている。また、シャフト１５は、回転軸線Ｘ方向（図２で示す左右方向）に延在しており、隔壁１０Ａを貫通することで電動機室１１Ａと圧縮室１１Ｂとに亘ってケーシング１０に収容されている。

電動機１４は、ケーシング１０の内周面に固定されたステータ１４Ａと、シャフト１５の外周面に固定され、ステータ１４Ａの内周側で回転軸線Ｘ周りに回転するロータ１４Ｂとを具備して構成されている。

シャフト１５は、前述したように、隔壁１０Ａを貫通することで電動機室１１Ａと圧縮室１１Ｂとに亘って設置されており、その一端が圧縮室１１Ｂ側に突入している。そして、圧縮室１１Ｂ側の一端に複数のインペラ１２Ａが回転軸線Ｘ周りに一体回転するように取り付けられることで圧縮部１２が構成されている。

ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂのうちラジアル磁気軸受３０Ｂは、電動機１４と隔壁１０Ａとの間に設置され、ラジアル磁気軸受３０Ａは、電動機１４に対してラジアル磁気軸受３０Ｂとは反対側に設置されている。また、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂは、ケーシング１０に接続された磁気軸受支持構造２０Ａ，２０Ｂにそれぞれ支持されることで、ケーシング１０に対して固定支持されている。これらのラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂに通電することで、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂはシャフト１５を回転軸線Ｘ周りに回転自在に非接触支持する。また、スラスト磁気軸受４４は、シャフト１５の他端（圧縮部１２と反対側の端部）に設けられた円板状のスラストプレートを挟んで設けられており、シャフト１５の回転軸線Ｘ方向への動きを非接触に制限している。

また、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂとは別に、複数の補助軸受４０が設けられている。補助軸受４０は、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂ、スラスト磁気軸受４４への通電を停止した際に非接触支持機能が消失したラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂ、スラスト磁気軸受４４に代わってシャフト１５を支持する、いわゆるタッチダウン軸受である。ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂ、スラスト磁気軸受４４によってシャフト１５が非接触支持されているときは、補助軸受４０もシャフト１５に対しては非接触とされる。このとき、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂとシャフト１５との軸受すきまに対して、補助軸受４０とシャフト１５との軸受すきまは小さく設定されている。これにより、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂ、スラスト磁気軸受４４に代わって補助軸受４０によってシャフト１５を支持したとしても、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂ、スラスト磁気軸受４４とシャフト１５との軸受すきまは残るので、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂ、スラスト磁気軸受４４の破損が回避される。

また、ケーシング１０には、シャフト１５の半径方向の変位を計測する変位センサ５０が収容されており、回転しているシャフト１５の振れ周りを監視している。

次に、ラジアル磁気軸受３０Ａの構造、変位センサ５０の配置、および補助軸受４０の支持構造について説明する。

図３に示すように、ラジアル磁気軸受３０Ａは、積層鋼板状の鉄心部３２と、コイル３６とを具備して構成される。図４に示すように、鉄心部３２の内周側には、シャフト１５が挿通される。また、鉄心部３２の内周側には、挿通されたシャフト１５の回転軸線Ｘ周りにおいて等角度間隔に複数個のティース部３４が形成されている。なお、図４では６個のティース部３４が形成されているが、これは６個に限定するものではなく、５個以下であっても良いし、７個以上であっても良い。

それぞれのティース部３４には、コイル３６が巻装されている。このコイル３６に通電することでティース部３４に磁力が発生して、シャフト１５をその磁力によって非接触支持する。

本実施形態のターボ圧縮機１におけるラジアル磁気軸受３０Ａにおいて、変位センサ５０は、隣り合うコイル３６の間に設置されている。これは、周方向に隣り合うコイル３６の間に空間が生じることに着目して、その空間の変位センサ５０を収容したものである。つまり、変位センサ５０は、シャフト１５の回転軸線Ｘ方向において、鉄心部３２からはみ出ることなく収容されている（図２参照）。

図３に示すように、補助軸受４０は、その外輪の外周面を、鉄心部３２に対して取り付けられ、回転軸線Ｘに延在する厚肉円筒状の軸受箱４２の内周面に嵌め合されて設置されている。前述したように、シャフト１５は、補助軸受４０に対して所定の軸受すきまを設けて補助軸受４０に挿通されている（図５参照）。なお、図３では２個の補助軸受４０が軸受箱４２に設置されているが、これは２個に限定するものではなく、１個であっても良いし、３個以上であっても良い。

軸受箱４２と鉄心部３２とは、締結部材５２によって固定されている。締結部材５２は、軸受箱４２と鉄心部３２とを貫通する、回転軸線Ｘ方向に延在した棒状の部材とされている。締結部材５２としては、例えば、リベットがある。図４および図５では８本のリベットによって固定されているが、これは８本に限定するものではなく、７本以下であっても良いし、９本以上であっても良い。なお、軸受箱４２は、鉄心部３２と同一の材料としても良い。

ここまで、ラジアル磁気軸受３０Ａとその周辺の構造について説明したが、ラジアル磁気軸受３０Ｂもラジアル磁気軸受３０Ａと同様の構造であるため、ここではその説明を省略する。

次に、図に示す冷却流路２２Ａ，２２Ｂについて説明する。
隣り合うコイル３６間に設置された変位センサ５０に向けて変位センサ５０を冷却するための機構として、本実施形態のターボ圧縮機１においては、図２に示すような冷却流路２２Ａ，２２Ｂを設けた。

冷却流路２２Ａ，２２Ｂは、ケーシング１０と磁気軸受支持構造２０Ａ，２０Ｂとに亘って形成された細く長い流路とされている。冷却流路２２Ａ，２２Ｂのケーシング１０側の一端は、ケーシング１０（ターボ圧縮機１）の外部と連通している。また、冷却流路２２Ａ，２２Ｂの他端は、変位センサ５０に向けられて形成されている。冷却流路２２Ａ，２２Ｂの一端に、外部から冷却用のガスを供給することで、冷却流路２２Ａ，２２Ｂを介して、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂに収容されたそれぞれの変位センサ５０の回転軸線Ｘ方向に交差する面、より具体的には直交する面に向けて、冷却流路２２Ａ，２２Ｂの他端から冷却用のガスを噴射できる。

図１に示すように、冷却流路２２Ａ，２２Ｂの一端に供給する冷却用のガスは、ターボ圧縮機１が設置されるターボ冷凍機の冷媒回路３を構成する凝縮器７０の気相部を供給元とすることができる。凝縮器７０の気相部から取り出された冷却用のガスは、供給経路２４を介して冷却流路２２Ａ，２２Ｂに導かれる。また、図６に示すように、冷却流路２２Ａ，２２Ｂの一端に供給する冷却用のガスは、ターボ圧縮機１が設置されるターボ冷凍機の冷媒回路３’を構成する中間冷却器７２の気相部を供給元としても良い。中間冷却器７２の気相部から取り出された冷却用のガスは、供給経路２４’を介して冷却流路２２Ａ，２２Ｂに導かれる。

なお、冷却流路２２Ａ，２２Ｂの変形例として、図７に示すような冷却流路２２Ａ’，２２Ｂ’を形成しても良い。冷却流路２２Ａ’，２２Ｂ’は、冷却流路２２Ａ，２２Ｂ（図２参照）のように変位センサ５０の回転軸線Ｘ方向に交差する面、より具体的には直交する面に向けて冷却用のガスを噴射するのではなく、図８に示すように、変位センサ５０のシャフト１５に対向している面とは反対側の面に向けて、すなわち鉄心部３２の外周側から内周側に向けて冷却用のガスを噴射できる。

なお、図２や図７で示した冷却流路２２Ａ，２２Ｂ，２２Ａ’，２２Ｂ’は飽くまでも例であって、冷却流路は、ターボ圧縮機１の外部から変位センサ５０に向けて冷却用のガスを流すことができるように構成されている流路であれば良い。

本実施形態においては、以下の効果を奏する。
変位センサ５０は、隣り合うコイル３６の間に設置されている。この構成によれば、鉄心部３２の内部に変位センサ５０を収容することができるので、例えば、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂと変位センサ５０とをシャフト１５の回転軸線Ｘ方向に沿って離間して設けた場合と比べて、これらの構成要素がシャフト１５の回転軸線Ｘ方向において占有する部分を縮小することができる。これにより、シャフト１５の回転軸線Ｘ方向の長さを短縮できたり、ラジアル磁気軸受３０Ａとラジアル磁気軸受３０Ｂと間の距離を短縮できたりするので、ターボ圧縮機１の運転時、シャフト１５の回転に伴う回転振れが抑制される。また、ターボ圧縮機１の小型化を実現することができる。

また、補助軸受４０が収容される軸受箱４２がラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂの鉄心部３２に取り付けられているので、ラジアル磁気軸受３０Ａ，３０Ｂと補助軸受４０との距離を短縮することができる。これにより、更に、シャフト１５の回転軸線Ｘ方向の長さを短縮できたり、ラジアル磁気軸受３０Ａとラジアル磁気軸受３０Ｂと間の距離を短縮できたりする。

また、冷却流路２２Ａ，２２Ｂ，２２Ａ’，２２Ｂ’を介してガス冷媒を変位センサ５０に向けて噴射することで、ガス冷媒によって変位センサ５０を冷却することができる。このため、仮に、コイル３６などの発熱により変位センサ５０に熱的な影響を及ぼす可能性がある場合でも、変位センサ５０の温度上昇を抑制することができ、変位センサ５０の温度上昇による計測誤差の増大を防止することができる。

１ ターボ圧縮機
３，３’ 冷媒回路
１０ ケーシング
１０Ａ 隔壁
１１Ａ 電動機室
１１Ｂ 圧縮室
１２ 圧縮部
１２Ａ インペラ
１４ 電動機
１４Ａ ステータ
１４Ｂ ロータ
１５ シャフト
２０Ａ，２０Ｂ 磁気軸受支持構造
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ａ’，２２Ｂ’ 冷却流路
３０Ａ，３０Ｂ ラジアル磁気軸受（磁気軸受）
３２ 鉄心部
３４ ティース部
３６ コイル
４０ 補助軸受
４２ 軸受箱
４４ スラスト磁気軸受
５０ 変位センサ
５２ 締結部材
Ｘ 回転軸線

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮する圧縮部と、
   前記圧縮部を回転軸線回りに駆動するシャフトと、
   前記回転軸線回りに等角度間隔に複数のティース部が形成された鉄心部、及び、複数の前記ティース部のそれぞれに巻装された複数のコイルが設けられ、挿通された前記シャフトを非接触に支持する磁気軸受と、
   前記シャフトが挿通される補助軸受と、
   前記シャフトの変位を検出する変位センサと、
   を備え、
   前記変位センサは、隣り合う前記コイルの間に設けられているターボ圧縮機。
2. 前記補助軸受は、前記鉄心部に取り付けられた軸受箱に収容されている請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 前記補助軸受は、前記鉄心部と同一の材料によって形成された軸受箱に収容されている請求項２に記載のターボ圧縮機。
4. 前記変位センサに向けてガス冷媒を流す冷却流路が備えられている請求項１乃至３のいずれかに記載のターボ圧縮機。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のターボ圧縮機と、
   前記ターボ圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器で凝縮した冷媒を膨張させる膨張機構と、
   該膨張機構で膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   を備えたターボ冷凍機。

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