JP2022155811A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】補助軸受と回転軸とにおいて発生する摩擦熱の影響を緩和する遠心圧縮機を実現する。【解決手段】遠心圧縮機は、回転軸（12）と、回転軸（12）に対して設けられた磁気軸受（16）及び補助軸受（15）とを備える。補助軸受（15）は、内輪（31）、転動体（32）及び外輪（33）を備える。回転軸（12）と内輪（31）との間に隙間が存在し、当該隙間に流体（60）が供給されて流体軸受を構成する。【選択図】図１

Description

本開示は、遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機において、磁気軸受を用いて回転軸を非接触に支持することが公知である。磁気軸受を用いる場合、通常、磁気軸受に加えて補助軸受を設ける。

補助軸受は、例えばボールベアリングであって、内輪及び外輪と、その間に保持される転動体とを含む。磁気軸受の動作中は、浮上する回転軸の外周と、補助軸受の内周とが均等な距離を取るように設定される。磁気軸受が停止した時（タッチダウン時）には、内輪が回転軸に接触して支持し、これによって回転軸と磁気軸受との接触を防止する。

特開２０１７－１９１０４２号公報

タッチダウン時、内輪に回転軸が接触して回転軸が回転すると、内輪と回転軸とにおいて摩擦熱が発生する。摩擦熱は、補助軸受の熱膨張、ひいては損傷の原因となる。

本開示の目的は、補助軸受と回転軸とにおいて発生する摩擦熱の影響を緩和する遠心圧縮機を実現することである。

本開示の第１の態様は、遠心圧縮機を対象とする。遠心圧縮機は、回転軸（12）と、回転軸（12）に対して設けられた磁気軸受（16）及び補助軸受（15）とを備える。補助軸受（15）は、内輪（31）、転動体（32）及び外輪（33）を備える。回転軸（12）と内輪（31）との間に隙間が存在し、当該隙間に流体（60）が供給されて流体軸受を構成する。

第１の態様では、流体軸受が構成されることにより、回転軸（12）と内輪（31）との間の摩擦を軽減でき、また、流体（60）により補助軸受（15）等を冷却することができる。これにより、補助軸受（15）の摩擦熱による損傷を抑制できる。

本開示の第２の態様は、第１の態様において、回転軸（12）は、流体の流路（23）を備え、回転軸（12）と内輪（31）との隙間に、流路（23）から流体（60）が供給されるものである。

第２の態様では、回転軸（12）に設けられた流路（23）から流体を供給することにより、回転軸（12）と内輪（31）との間により確実に流体（60）を供給し、流体軸受を構成することができる。

本開示の第３の態様は、第１又は第２の態様において、遠心ポンプを更に備え、流体（60）は、遠心ポンプにより供給されるものである。

第３の態様では、遠心ポンプを用いて流体（60）を供給し、流体軸受を構成することが具体的に実現される。

本開示の第４の態様は、第１～第３の態様のいずれか１つにおいて、補助軸受（15）を収容するハウジング（34）を備え、外輪（33）とハウジング（34）との間にも隙間が存在するものである。

第４の態様では、熱膨張によって補助軸受（15）が膨張した場合にも、隙間があることで補助軸受（15）等の損傷を抑制することができる。この際、当該隙間にも流体（60）が供給され、ここでも流体軸受が構成され得る。

本開示の第５の態様は、第４の態様において、外輪（33）と前記ハウジング（34）との間には、弾性体を備えないものである。

第５の態様では、弾性体を伴わないことにより、ハウジング（34）及び補助軸受（15）との関係における回転軸（12）の実際の位置を測定することができる。これにより、タッチダウンの発生を正確に判断可能であり、遠心圧縮機の運転範囲を大きくすることができる。

本開示の第６の態様は、第１～第５のいずれか１つにおいて、流体（60）は、冷媒であるものである。

第６の態様では、流体として冷媒を利用することにより上記の効果が具体的に実現される。

図１は、本開示の遠心圧縮機の構成を例示する図である。 図２は、補助軸受及びそこに通された回転軸について示す断面図である。 図３は、図２において、重力により回転軸が下降した状態を示す図である。 図４は、回転軸のキャリブレーションに関して示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。尚、図中において同一又は相当の部分には、同一の符号を付してその説明は省略する場合がある。

（遠心圧縮機）
図１は、本実施形態の遠心圧縮機（10）の構成を例示している。遠心圧縮機（10）は、冷媒回路（図示省略）に設けられて、冷媒を圧縮するように構成されている。この例では、遠心圧縮機（10）は、ケーシング（11）と、回転軸（12）と、羽根車（13）と、ステータ（18）及びロータ（19）を含むモータ（28）と、回転軸（12）を保持するための軸受を備える。

ケーシング（11）は、回転軸（12）、羽根車（13）、モータ（28）等を収容する空間（27）を構成する。軸受は、モータ（28）の両側にそれぞれ１つずつ配置されたラジアル磁気軸受（16）及びスラスト磁気軸受（17）と、補助軸受（15）とを含む。図示は省略するが、遠心圧縮機（10）を駆動するための電源部及び制御するための制御部も備えられている。

回転軸（12）の一端に羽根車（13）が固定され、回転軸（12）の中間部にロータ（19）が配置されている。羽根車（13）は、複数の羽根によって外形が略円錐形状となるように形成され、回転軸（12）に連結されている。羽根車（13）が収容されたインペラ室には、吸入管（25）及び吐出管（24）接続されている。冷媒（流体）を外部からインペラ室に導くために設けられている。吐出管（24）は、インペラ室内で圧縮された高圧の冷媒（流体）を外部へ戻すために設けられている。すなわち、この例では、羽根車（13）とインペラ室とによって圧縮機構が構成されている。

また、軸受として、回転軸（12）をラジアル方向について支持するラジアル磁気軸受（16）と、スラスト方向について支持するスラスト磁気軸受（17）とがモータ（28）の両側にそれぞれ設けられている。いずれも磁気軸受であるから、回転軸（12）を磁気浮上させて非接触に支持する。

更に、モータ（28）に対して羽根車（13）側及び反対側に、それぞれ補助軸受（15）を備える。補助軸受（15）は、ボールベアリング等の転動体を用いた軸受であり、磁気軸受の動作中は回転軸（12）とは接触しない。磁気軸受が停止したとき、補助軸受（15）が回転軸（12）を保持する。このため、補助軸受（15）は、バックアップベアリング又はタッチダウンベアリングとも称する。

また、回転軸（12）には、冷媒通路（23）が設けられている。冷媒通路（23）は、少なくとも補助軸受（15）に対応する箇所において回転軸（12）の外周に伸びており、開口部（23a）が設けられている。補助軸受（15）とは異なる箇所においても、冷媒通路（23）が回転軸（12）の外周に伸びて開口部（23b）が設けられていても良い。

回転軸（12）の冷媒通路（23）に供給された冷媒は、開口部（23a）及び（23b）からケーシング（11）内の空間（27）に吐出される。冷媒は更に空間（27）内を流れ、補助軸受（15）、モータ（28）等を冷却し、ケーシング（11）に設けられた排出口（11a）からケーシング（11）外に排出される。図１において、経路（26）を示している。

また、遠心ポンプ（図示省略）が設けられ、冷媒は遠心ポンプを用いて冷媒通路（23）に供給される。

尚、ここでは冷媒経路（23）から冷媒が供給されると説明しているが、冷媒の代わりに他の流体を用いることも可能である。

（補助軸受）
図２は、補助軸受（15）の横断面を模式的に示す図である。補助軸受（15）には、タッチダウンベアリングであって、回転軸（12）が通される。より具体的には、補助軸受（15）は、ラジアル磁気軸受（16）による浮上制御（回転軸（12）を非接触に支持しようとする制御）が停止した場合に、回転軸（12）に接触して支持する。これにより、回転軸（12）とラジアル磁気軸受（16）とが接触するのを防止することができる。補助軸受（15）は、ラジアル磁気軸受（16）により回転軸（12）が非接触に支持されている際には、回転軸（12）に接触しない。

補助軸受（15）は、内輪（31）と、外輪（32）と、これらの間に配置された複数の転動体（33）を備える。内輪（31）及び外輪（32）は円筒状であり、転動体（33）はこれらの間を転動可能である。転動体（33）は、球体であっても良い。つまり、補助軸受（15）はボールベアリングであっても良い。内輪（31）の内径は回転軸（12）の外径よりも広く、且つ、ラジアル磁気軸受（16）の内径よりも小さい。

図２において、回転軸（12）に設けられた冷媒通路（23）を示している。冷媒通路（23）は、回転軸（12）の中央を長さ方向に伸び、更に、回転軸（12）の半径方向に伸びるように分岐している。破線で示すように、当該半径方向伸びる部分の冷媒通通路（23）は、複数（図２では２つであるが、３つ以上であってもよい）設けられて、回転軸（12）の中心に対して点対称に配置されている。これは、回転軸（12）の重心を断面の外周円の中心に一致させること、冷媒の供給を均等にすること等の点から望ましい。

また、図１では明示していないが、補助軸受（15）はハウジング（34）に収容されている。ハウジング（34）は、補助軸受（15）の外輪（32）囲む円筒状の構成を有し、外輪（32）とハウジング（34）との間には隙間が存在する。

冷媒通路（23）からは冷媒が供給されるが、まず、このような冷媒の供給が無い場合を考える。このとき、ラジアル磁気軸受（16）が動作せず、回転軸（12）が浮上制御されていない状態では、回転軸（12）は重力により下降して内輪（31）の内周に接触する。また、補助軸受（15）自体も下降して、ハウジング（34）の内周に接触する。この状態を図３に示す。

この状態で回転軸（12）が回転した場合も、補助軸受（15）が軸受として機能する。しかし、回転軸（12）と内輪（31）の内周との接触部分において摩擦熱が発生する。また、外輪（32）とハウジング（34）との接触部分においても摩擦熱が発生し得る。このような熱により補助軸受（15）が膨張する。補助軸受（15）が熱膨張し、ハウジング（34）、外輪（32）、転動体（33）、内輪（31）について隙間が０になった場合、補助軸受（15）が損傷する可能性がある。

これに対し、冷媒通路（23）から冷媒を供給することにより、補助軸受（15）を冷却して熱膨張を抑制することができる。

また、冷媒が回転軸（12）と内輪（31）との間の隙間に入ることにより流体軸受を構成し、回転軸（12）と内輪（31）との直接の接触を避けて、摩擦熱の発生を抑制することができる。

更に、外輪（32）とハウジング（34）との間の隙間にも冷媒が入り、この部分についても流体軸受として機能することができる。

補助軸受（15）が前記のように熱膨張することを考慮して、外輪（32）とハウジング（34）との間には隙間が設定されている。しかし、単に隙間があるだけでは重力により補助軸受（15）が下降してハウジング（34）の内周に接してしまう。そこで、従来、外輪（32）とハウジング（34）との隙間に、トレランスリング、Ｏリング等の弾性体を配置して、補助軸受（15）をハウジング（34）の中央付近に保持していた。

これに対し、本実施形態の場合、回転軸（12）の冷媒通路（23）から供給される冷媒により、外輪（32）とハウジング（34）とが接触せず、間隔を開けた状態となる。従って、トレランスリング等の弾性体を配置することは不要となる。

（キャリブレーションに関する効果）
上記のように弾性体が不要となることにより、遠心圧縮機（10）の回転軸（12）に関するキャリブレーションに良好な効果がある。初めに、キャリブレーションについて説明する。

ラジアル磁気軸受（16）は、回転軸（12）が所定の位置に浮上させようとする。回転軸（12）の位置が大きく変動すると、補助軸受（15）に接触してしまう。図３は、回転軸（12）が下方に移動して補助軸受（15）に接触した状態である。例えば電源が遮断されてラジアル磁気軸受（16）が停止した場合と考えて良い。

遠心圧縮機（10）を運転する上で、回転軸（12）の補助軸受（15）に対する接触を検知する必要がある。このために、補助軸受（15）に接触すること無く回転軸（12）が移動できる範囲を予め情報として得ておくことが望ましい。

このような情報を、各部の設計上の寸法から計算することはできる。しかしながら、現実の装置における前記の範囲は、各部品の寸法の公差、製造工程の精度等から、設計上の数値とは必ずしも一致しない。従って、製造された遠心圧縮機（10）において、実際に回転軸（12）が補助軸受（15）と接触する範囲を測定し、この情報を記録する。これが、回転軸（12）位置に関するキャリブレーションである。

図４は、キャリブレーションについて模式的に示す図である。図４において、補助軸受（15）の内輪（31）の内周面（44）と、その内側に挿入された回転軸（12）を示す。回転軸（12）は、ラジアル磁気軸受（16）が備える複数（この例では４つ）のコイル（41a、41b、41c及び41d）により浮上制御される。この際、４つのコイル（41a、41b、41c及び41d）がそれぞれ発生させる電磁力（破線の矢印にて示す）の合力である支持力（42）と、重力（43）とが回転軸（12）に作用する。図４では、右上のコイル（41a）による電磁力が特に大きく、支持力（42）は右上に作用している。支持力（42）と重力（43）との合力が回転軸（12）に対して概ね右向きに作用し、回転軸（12）は図４において右側（９０°と示す付近）にて内輪（31）の内周面（44）に接触している。

尚、コイル（41a、41b、41c及び41d）は、制御部（45）によって制御される。

ここで、図２等に示すように、ハウジング（34）と補助軸受（15）との間には隙間があり、補助軸受（15）はハウジング（34）内で位置を変えることができる。従って、コイル（41a、41b、41c及び41d）により回転軸（12）を移動させると、回転軸（12）に押されて補助軸受（15）も移動する。例えば回転軸（12）が図４において最も右に移動した状態では、回転軸（12）と内輪（31）（内周面（44））とが接触してこれらの隙間が０となると共に、外輪（32）もハウジング（34）と接触してこれらの隙間も０となる。このような補助軸受（15）の移動を含めて、回転軸（12）の可動範囲を測定する。

コイル（41a、41b、41c及び41d）による電磁力を調整することにより、回転軸（12）に作用する支持力（42）を変化させて、内周面（44）に対する回転軸（12）の位置を変化させることができる。例えば、内周面（44）の内側を左回りに回るように、図４における破線の円の位置に移動させることができる（この際、前記の通り回転軸（12）に押されて補助軸受（15）も移動する。しかし、図の複雑化を避けるために、ここでは内周面（44）は移動させていない）。同様にして、回転軸（12）を内周面（44）内において一周させると、回転軸（12）の実際の可動範囲を測定できる。これにより、回転軸（12）と内輪（31）との隙間及び外輪（32）とハウジング（34）との隙間が０となる正確な位置を測定し、ラジアル磁気軸受（16）の制御装置に認識させることができる。制御部（45）は、回転軸（12）の可動範囲を記憶し、遠心圧縮機（10）、特にコイル（41a、41b、41c及び41d）の制御に用いる。

回転軸（12）の実際の可動範囲が認識されると、タッチダウン（回転軸（12）が補助軸受（15）に接触し、ラジアル磁気軸受（16）ではなく補助軸受（15）によって回転軸（12）が支持された状態）の発生を正確に判断することができる。

ここで、ハウジング（34）とのと補助軸受（15）との隙間にトレランスリング等の弾性体を配置している場合、上記と同様にキャリブレーションを行ったとしても、タッチダウン発生が発生する正確な回転軸（12）の位置を知ることはできない。これは、弾性体の変形量は一意には決まらないので、タッチダウン発生と判定するべき回転軸（12）の位置を一意に決めることができないからである。

従って、推定値を用いる必要があり、安全側でタッチダウン発生と判断することになる。つまり、実際のタッチダウン発生時よりも回転軸（12）の位置の変動が小さい段階で、タッチダウン発生と判断される。結果として、サージの発生による回転軸（12）の振動が小さい段階で運転の限界と判断され、遠心圧縮機（10）の運転範囲が小さくなる。

以上に対し、本実施形態では、トレランスリング等の弾性体を用いないことにより、上記の通り正確な回転軸（12）の可動範囲が把握できるので、遠心圧縮機（10）の運転範囲を大きくすることができる。但し、弾性体を用いることを排除するものではない。弾性体を用いる場合にも、回転軸（12）の冷媒通路（23）から冷媒を供給して流体軸受を構成する効果は発揮される。また、外輪（32）とハウジング（34）との間には、弾性体以外についても（つまり、何の部材も）配置されず、単純に隙間となっているのが望ましい。当該隙間に流体（60）が供給される。

また、弾性体の有無によらず、タッチダウン発生時にも補助軸受（15）周辺に冷媒を供給することにより、摩擦熱の発生を緩和し、且つ、冷却することができる。これにより、熱膨張による補助軸受（15）の損傷を抑制し、信頼性を向上できる。

以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。

以上の通り、本開示は遠心圧縮機として有用である。

10 遠心圧縮機
15 補助軸受
16 ラジアル磁気軸受
17 スラスト磁気軸受
23 冷媒通路（流路）
23a 開口部
23b 開口部
31 内輪
32 外輪
33 転動体
34 ハウジング
41a,41b,41c,41d コイル
44 内周面
45 制御部
60 流体

Claims (6)

1. 回転軸（12）と、
   前記回転軸（12）に対して設けられた磁気軸受（16）及び補助軸受（15）とを備え、
   前記補助軸受（15）は、内輪（31）、転動体（32）及び外輪（33）を備え、
   前記回転軸（12）と前記内輪（31）との間に隙間が存在し、当該隙間に流体（60）が供給されて流体軸受を構成することを特徴とする遠心圧縮機。
2. 請求項１において、
   前記回転軸（12）は、前記流体の流路（23）を備え、
   前記回転軸（12）と前記内輪（31）との前記隙間に、前記流路（23）から流体（60）が供給されることを特徴とする遠心圧縮機。
3. 請求項１又は２において、
   遠心ポンプを更に備え、
   前記流体（60）は、前記遠心ポンプにより供給されることを特徴とする遠心圧縮機。
4. 請求項１～３のいずれか１つにおいて、
   前記補助軸受（15）を収容するハウジング（34）を備え
   前記外輪（33）と前記ハウジング（34）との間にも隙間が存在することを特徴とする遠心圧縮機。
5. 請求項４おいて、前記外輪（33）と前記ハウジング（34）との間には、弾性体を備えないことを特徴とする遠心圧縮機。
6. 請求項１～５のいずれか１つにおいて、
   前記流体（60）は、冷媒であることを特徴とする遠心圧縮機。

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