JP4276177B2 - 圧縮機ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1のプリアンブルに記載の電動モータおよび圧縮機のための共通のハウジングを有する圧縮機ユニットに関する。
このタイプの圧縮機ユニットは、気体を圧縮するための圧縮機ユニットを開示している米国特許第3,960,468号から知られている。圧縮機ユニットは、遠心圧縮機および電動モータを備える。電動モータはステータおよびロータを備え、ロータは圧縮機を駆動する。圧縮機および電動モータは、気体入口および気体出口を備える共通の気密ハウジング内に収容されている。
米国特許第3,960,468号の図1に示す圧縮機ユニットでは、ステータが配置されている空間とロータが配置されている空間の間に薄い仕切りがある。このタイプの仕切りは、圧縮される気体内に存在する腐食性の物質が、それがステータを腐食する可能性のあるステータ空間に到達することができないことを保証する。この公知の仕切りは薄く、高い電気抵抗を有する金属または非導電性の材料から形成されていてもよい。図1からわかるように、公知の仕切りはステータ上で支持されている。
公知の仕切りは様々な欠点を有する。第一に、仕切りは、それ自体に、またステータに摩耗を生じさせることがある。このタイプの摩耗は、仕切りおよびステータが、変動する圧力および/または温度の帰結として互いに対して運動するときに生じる。第二に、公知の仕切りは、ステータ空間とロータ空間の間の高い圧力差を吸収することができない。仕切りが圧力差を吸収することができる程度まで、これは、ステータ上の支持に貢献することができるが、仕切り自体の特性に貢献することはできない。
米国特許第3,960,468号明細書
本発明の目的は、これらの欠点が少なくとも部分的に克服される圧縮機ユニットを提供すること、または有効な代替物を創出することである。
特に、比較的高い圧力差を吸収することができ、それ自体および/またはステータにいかなる摩耗も生じさせない仕切りを備える圧縮機ユニットを提供することが本発明の目的である。
本発明によると、この目的は、請求項1に記載の圧縮機ユニットを用いて達成される。
ステータ空間は、前記圧縮機ユニットの共通のハウジングの、前記ステータを包囲している壁セクションと、気密性の仕切りと、前記圧縮機ユニットのハウジングに気密様式で接続する少なくとも1つの端壁によって画定されている。これによって、圧縮機ユニットのハウジングは、ステータの片側または両側の端壁の機能を果たすようにして形成され得る。気密性の仕切りは、ステータ空間を気体が存在しないように維持するだけでなく、圧縮機内に存在する作動圧力と比較して異なる圧力がステータ空間内に広がり得ることを保証する。気密性の仕切りは、それがステータおよびロータに接触しないよう、ステータとロータの間に自由に延びている。仕切りの方向は、ステータおよび仕切りが、普通ならば摩耗を生じさせることがある、互いの擦れ合いなしで温度変化の影響下で互いに独立して膨張および収縮するという利点を有する。仕切りは、圧縮機の作動圧力から生成される引張り応力の結果生じる仕切りの変形が、ステータおよびロータの両方の隙間を仕切りが維持するのに十分に小さくなるように十分に強い材料製である。
特に、仕切りは少なくとも一部が繊維強化プラスチック製である。この材料は、小さな壁厚へと加工できるが、高い引張り応力下で少量の変形しか受けない。
より具体的には、仕切りはロータ側に耐腐食性の層を備える。この層は、気体自体による、気体中の攻撃性および研磨性の成分による、および/または気体の高い温度による腐食から仕切りを保護する。
変形形態では、仕切りは気密性の層を備え、仕切りの全断面積の一部のみが気密性の材料からなることを可能にする。
仕切りは、有利なことには、腐食しない金属の層を備える。仕切りに金属を使用することは仕切りを気密性にし、この層がロータ側に使用される場合、耐腐食性にする。
変形形態では、仕切りはポリアリールエーテルケトンの層を備える。このグループ由来のポリマーは高温に耐えることができ、擦れに対して耐性があり、摩耗に対して耐性があり、不導電体である。
さらなる実施形態が従属請求項で規定される。
本発明はまた、請求項11に記載の仕切りを製造する方法に関する。この方法では、少なくとも内側層および外側層が、内側殻および外側殻の形態で別個に製造される。内側および外側殻が製造された後、前記内側殻の外径は、同じ圧力および温度の下で、前記外側殻の内径よりも大きい。その後、内側殻を外側殻内に導入することを可能にするために、外側殻の直径が、気体または液体の高い圧力を使用することによって増大させられる。それと同時に、または別法として、前記内側殻の直径が、温度の低下によって一時的に減少させられる。内側殻の外径が外側殻の内径よりも小さくなる程度まで圧力が増大させられ、かつ/または温度が減少させられる。こうして内側殻を外側殻の中に押し込むことが可能となり、その後、圧力および温度が通常レベルに回復させられる。結果として、内側殻が応力により外側殻内で把持されるように、内側殻が膨張しかつ/または外側殻が収縮する。
最後に、本発明は請求項12に記載の圧縮機ユニットの使用法に関する。
図面を参照した本発明による圧縮機ユニットの実施形態の以下の説明で、本発明をより詳細に説明する。
図1に示す圧縮機ユニットは、1つまたは複数の、この場合は3つの圧縮機インペラ3を備えるロータ2と、圧縮機のロータ2を駆動するためのステータ5およびロータ6を有する電動モータ4を有する、たとえばプロセスガスなどの気体を圧縮するための遠心圧縮機1を備える。圧縮機1および電動モータ4は、気体入口8および気体出口9を備える共通の気密ハウジング7内に収容されている。
圧縮機1のロータ2および電動モータ4のロータ6は、単一のユニットを備える共通のロータシャフト10上に配置されている。ロータシャフト10は、ロータシャフト10の端部13および14の近傍にそれぞれ配置された2つの磁気ラジアルベアリング11および12、およびラジアルベアリング11の近傍に配置された磁気アキシャルベアリング15に搭載されている。
圧縮機ユニットは、磁気ベアリング11,12,15および電動モータ4のロータ6を冷却するための冷却システムを備える。この冷却システムは、圧縮機から延び、磁気ベアリング11,12,15へ延びる通路18および19内に分岐している通路16を備える。フィルタ20が、圧縮機から延びる通路16内に組み込まれている。電動モータ4のロータ6および磁気ベアリング11,12,15を冷却するために、圧縮された気体が、通路18および19を介してそれぞれ磁気ベアリング11,15および12に計量された方式で供給されるまで、圧縮機1の中間ステージ内に引き出されて、通路16およびフィルタ20を通過する。冷却気体が、圧縮機ユニットの内部で再び収集され、圧縮機の入口セクションへ通される。
電動モータ4のステータ5は、圧縮機ユニットの内部空間の残りの部分から分離された、圧縮機ユニットのハウジング7のステータ5を包囲している壁セクションと、この壁セクションと隣接し、ステータ5の両方の側面上を半径方向に延びている端壁22.1と、電動モータ4のステータ5とロータ6の間に延びている仕切り22.2とによって画定されるステータ空間21内に収容されている。ステータ空間21は、ポンプ25によって冷却回路26内を循環する気体または液体などの別個の冷却媒体のための供給部23および排出部24を備える。熱交換機27が冷却回路26内には組み込まれている。冷却回路26およびステータ空間21内の圧力は、平均で約4バールである。
隔壁22.2は、炭素繊維で強化されたプラスチック層(炭素強化プラスチック、CRP)22.3およびステンレス鋼またはインコネル、特にインコネル625(図2参照)などの金属層22.4を具備してなる。金属層22.4は、第1の端壁22.1との接続部の位置に補強目的のための蓋リング22.5を形成するために厚みがある。同様に、金属層22.4は、第2の端壁22.1との接続部の位置に止め部22.6を形成するために厚みがある。仕切り22.2と2つの端壁22.1の間の接続部は、2つ以上の圧縮可能な密封リング22.7によって気密にされている。
仕切り22.2が、ステータ5とロータ6の間に自由に延びている、すなわち、仕切り22.2がステータ5およびロータ6からある距離で配置されている。仕切り22.2の半径方向外側の側面とステータ5の間に、隙間またはクリアランス22.8があり、仕切り22.2の軸方向内側の側面とロータ6の間に隙間またはクリアランス22.9がある。
仕切り22.2は、特にCRP層22.3に対してその強度を付与する。この材料は極めて強く、たとえば4mmの壁厚および350mmの仕切り22.2のロータ6周りの直径で150バールを超えて上昇することがある圧縮機圧力の下で0.5mmのオーダーの最大半径方向変形を受ける。ステータ5と仕切り22.2の間のクリアランス22.8がCRPの最大変形よりも大きく選択されている結果、仕切り22.2は、すべての動作条件下でステータ5およびロータ6と離れたままである。また、温度の上昇によって生じる一様でない膨張の結果、仕切り22.2がステータ5に対して運動する場合、それがステータ5と擦れることはない。
CRPまたはその上に配置された保護層は、ステータ空間21内に配置された冷却媒体の化学作用に耐えることが可能である。金属層22.4は、プロセスガスの作用に耐えることが可能であるが、両方の層は、圧縮機で180℃を超えて上昇することがある高温に耐えることができる。金属層22.4がステータ5およびロータ6の位置では極めて薄いものでしかなく、特に1mmのオーダーであるという点で、およびCRP層22.3が、磁気的に高い伝導性を有するという点で、および仕切り22.2の薄い壁厚および小さいクリアランス22.8および22.9のため、ステータ5とロータ6の間の全距離が短いという点で、電気的損失が限界以下となる。
図3は、ロータ31とステータ32の間の仕切り30に対する代替実施形態を示している。このタイプのロータ31およびステータ32は、たとえば図1に示すような圧縮機ユニット内で使用することができる誘導モータをともに形成している。ステータ32は、第1の端壁35、第2の端壁36および仕切り30によってロータ空間34から分離されている別個のステータ空間33内に収容されている。ステータ空間33内に、ポンプ(図示せず)を用いて循環される、たとえば冷却流体などの冷却媒体がある。
仕切り30は、炭素繊維強化された外側エポキシ層39と、耐腐食性ポリマーから形成された内側層40とからなる。このポリマーは、ポリアリールエーテルケトンタイプのものであり、特に、商標名PEEKでも公知である、オキシ-1,4-フェニレン-オキシ-1,4-フェニレン-カルボニル-1,4-フェニレンの繰り返し単位からなる。半径方向外側の層39は、第1の端壁35から第2の端壁36を越えて軸方向に延びている。使用中端壁36を支持する隆起した縁部またはフランジ41が、第2の仕切り36を越えて形成されている。仕切り30は、それぞれ密封リング42および43を用いて端壁35および36に対して気密な方式で閉鎖されている。密封リング42および43の位置に、外側層39の半径方向外側面は、摩耗に対して保護するためのニッケル44,45を備える。したがって、仕切り30は、端壁35および36に対して軸方向に膨張および収縮することができ、ロータ空間34に対するステータ空間33の気密な閉鎖が、密封リング42および43によって保持される。
別法として、仕切り30は、端部リング、またはフランジをその第2の軸方向端部に備えてもよい。この場合、仕切り30の軸方向長さは、与圧の下で仕切り30が端壁35および36に固定されるように選択することができる。この与圧は、仕切り30がシール42および43の位置で端壁35および36に対して移動しないことの結果、生じる圧力および温度の下で膨張しないように選択されてもよい。
炭素繊維強化層39は、ロータ空間34とステータ空間33の間の高い圧力差の下でそれが受ける変形が非常に小さくなり、その結果ロータ31およびステータ32の両方から離れたままとなるように、すなわち、ロータ31と仕切り30の半径方向内側面の間に、およびステータ32と仕切り30の半径方向外側面の間に隙間またはクリアランスが常にあるように十分強いものである。仕切り30の壁厚はこの場合約4mmであり、150バールの大きさのオーダーのロータ空間34内の作動圧力に耐えることができる。ステータ空間33内の圧力はせいぜい約10バールである。使用温度はこの場合、-40℃から180℃まで変動する。
ポリマーPEEKで形成されている内側層40は、腐食に対して耐性があり、高温、および、たとえば天然ガス中で生じるものなどの様々な攻撃性の化学成分の作用に耐えることができる。その低い導電性の点で、耐腐食性のポリマー層40はまた、誘導モータの作用にほとんど影響を及ぼさない。ここに記載した仕切り30は、都合よく、ステータ空間をロータ空間から分離することが望ましいここに示した誘導モータとは異なるタイプの電動モータのために使用することもできる。電動モータは圧縮機以外の装置で使用することもできる。
仕切り30は、金型として機能するマンドレルの周囲に内側層40を付着させることによって製造される。この内側層40のマンドレルへの付着は、たとえば蒸着によって行うことができる。次に、繊維強化プラスチック、特に炭素繊維強化エポキシ樹脂が、内側層40の外側に付着させられる。内側層がマンドレルに付着させられる前に、たとえばアルミニウムなどの離型剤をマンドレルに付着させることが有利である。仕切り30の製造が完了した後、仕切り30がマンドレルから容易に取り外されるように、この離型剤が溶解される。内側層40と外側層39の間の接着性を改善するために、内側層40の外部表面を、外側層39の付着の前に、たとえば薬品賦活によって前処理することが可能である。まず最初に内側層40の周囲にエポキシの薄い層が付着させられることが有利である。この場合、炭素繊維が次にその周囲に巻き付けられる。この繊維は、事前に、同時にまたは後で、エポキシ樹脂を含浸させられるか、またはエポキシ樹脂に浸漬させられる。ここで説明した方法は、都合よく、PEEKなどのポリマー層を備えるべき他の繊維強化プラスチックを製造するために使用することができる。
図示した実施形態の他に、様々な変形形態が可能である。たとえば、圧縮機および電動モータが、この場合、たとえば圧縮機インペラが電動モータの両側に配置される、異なる方式で気密ハウジング内に収容されてもよい。
電動モータのロータのために、圧縮機のためにおよびステータ空間のために、ステータおよびロータの内部冷却などの異なる冷却システムを使用することも可能である。
また、仕切りは、2つより多い、または2つより少ない層からなることができる。1つの層が使用される場合、気密性、耐腐食性であり、かつ強い材料を選択するかまたは接合することが可能である。3つの層の場合、各層の材料は、これらの機能の1つのために特別に選択されてもよい。仕切りと1つまたは2つの端壁が単一部片として形成されること、および仕切り、端壁および圧縮機ハウジングが、たとえば変動する温度条件下での膨張の差によって生じる形状の変化に対処するために、互いに柔軟に接続されることも可能である。
また、たとえばガラスまたはアラミド繊維を備える、様々なタイプの繊維強化材料を、仕切りのために使用することができる。セラミック材料またはその他のプラスチックを、仕切りの耐腐食性の層として使用することもできる。
要約すると、本発明は、電動モータのステータが、仕切りを用いて、圧縮される気体の作用から遮蔽されている圧縮機ユニットを提供する。仕切りとして使用される薄く強い材料が、モータが、単位面積当たりに高い出力を伝達することを可能にする。仕切りおよび/またはステータは、互いに接触しないため、互いに対する相対運動の結果、摩耗しないことになる。したがって電動モータは、ほとんど維持管理を必要とせず、長い耐用寿命を有する。
本発明による圧縮機ユニットの実施形態の概略図である。 ロータとステータの間の仕切りの詳細図である。 代替実施形態によるロータとステータの間の仕切りの詳細図である。
符号の説明
1 遠心圧縮機
2 ロータ
3 インペラ
4 電動モータ
5 ステータ
6 ロータ
7 気密ハウジング
8 気体入口
9 気体出口
10 ロータシャフト
11,12 ラジアルベアリング
13,14 端部
15 アキシャルベアリング
16,18,19 通路
20 フィルタ
21 ステータ空間
22.1 端壁
22.2 仕切り
22.3 プラスチック層
22.4 金属層
22.5 蓋リング
22.6 止め部
22.7 密封リング
22.8,22.9 隙間またはクリアランス
23 供給部
24 排出部
25 ポンプ
26 冷却回路
27 熱交換機
30 仕切り
31 ロータ
32 ステータ
33 ステータ空間
34 ロータ空間
35,36 端壁
39 外側エポキシ層、外側層
40 ポリマー層、内側層
41 縁部またはフランジ
42,43 密封リング
44,45 ニッケル

Claims (12)

  1. 気体を圧縮するための遠心圧縮機(1)と、前記圧縮機(1)を駆動するためのステータ(5)およびロータ(6)を有する電動モータ(4)とを備え、前記圧縮機(1)および前記電動モータ(4)が、気体入口(8)および気体出口(9)を備える共通の気密ハウジング(7)内に収容され、前記ステータ(5)が、前記圧縮機ユニットのハウジング(7)の、前記ステータ(5)を包囲している壁セクションと、前記電動モータ(4)のステータ(5)とロータ(6)の間に延びる気密性の仕切り(22.2)と、前記仕切り(22.2)と前記圧縮機ユニットのハウジング(7)の間に延びる少なくとも1つの端壁(22.1)とによって画定された別個のステータ空間(21)内に収容されている圧縮機ユニットであって、前記仕切り(22.2)が、当該仕切り (22.2) と、前記電動モータ (4) のステータ (5) およびロータ (6) と、の間にクリアランスが存在する状態で延在しており、前記ハウジング(7)の内部で生じる気体の作動圧力の下でそれがステータ(5)およびロータ(6)の隙間を維持するのに十分な高い強度の材料からなることを特徴とする圧縮機ユニット。
  2. 前記仕切り(22.2)の高強度の材料が、繊維強化プラスチック(22.3)を具備してなることを特徴とする請求項1に記載の圧縮機ユニット。
  3. 前記仕切り(22.2)が、前記ロータ側に耐腐食性の層(22.4)を具備してなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧縮機ユニット。
  4. 前記仕切り(22.2)が、気密性の層(22.4)を具備してなることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の圧縮機ユニット。
  5. 前記仕切り(22.2)が、腐食しない金属の層(22.4)を具備してなることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の圧縮機ユニット。
  6. 前記仕切り(30)が、ポリアリールエーテルケトンの層(40)を具備してなることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の圧縮機ユニット。
  7. 前記仕切り(22.2)の壁厚が、中央部よりも端部(22.5,22.6)で大きいことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の圧縮機ユニット。
  8. 前記仕切り(22.2)および前記端壁(22.1)が、1つまたは複数の密封リング(22.7)を用いて気密様式で互いに接続された別個の部品であることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の圧縮機ユニット。
  9. 前記ステータ空間(21)が、冷却媒体を供給および排出するための冷却ユニットとの接続部(23,24)を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の圧縮機ユニット。
  10. 前記仕切り(22.2)が、ロータ側およびステータ側にそれぞれ、別個の内側層(22.4)および外側層(22.3)を備え、少なくとも前記内側層(22.4)が、耐腐食特性を有し、少なくとも1つの層が高い強度を有し、少なくとも1つの層が気密性であることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか一項に記載の圧縮機ユニット。
  11. 前記内側層(22.4)および外側層(22.3)が、内側殻および外側殻の形態で、別個に製造され、
    前記内側殻の外径が、同じ圧力および温度の下で、前記外側殻の内径よりも大きく、
    前記内側殻が前記外側殻内に押し込まれることができるように、前記外側殻の直径が、気体または液体の圧力を用いて一時的に増大させられ、かつ/または、
    前記内側殻の直径が、温度の低下によって一時的に減少させられ、その後、内側殻の温度および圧力が回復させられることを特徴とする請求項10に記載の圧縮機ユニットの仕切り(22.2)を製造するための方法。
  12. 気体を圧縮するための、請求項1ないし請求項10のいずれか一項に記載の圧縮機ユニットの使用法。
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