JP4302529B2 - 動的ロータシステム - Google Patents

Description

本発明は、動的ロータシステムに関し、特に、垂直に配置された液冷式動的ロータおよびモータ／発電機ステーションに関する。

工業用ポンプおよび圧縮機装置は、世界中の炭化水素処理や化学処理、パルプおよび紙、水処理、発電、および下水処理の産業などの流体およびガスの処理産業において一般的である。

従来のポンプおよび圧縮機装置は、典型的に多数の比較的大きい分散した構成要素を含んでいる。複数の段を有するポンプおよび圧縮機装置の一種は、比較的小さい流量で高圧を生じさせるために電気モータによって駆動されている。他の装置は、増速ギアボックスを利用する。複数の段および／またはギアボックスは、約３０００〜３６００ｒｐｍの比較的低速で動作する比較的大きい空冷モータの使用を可能とする。不都合なことに、複数の段および／またはギアボックスによって、複雑さが増すとともに信頼性が減少し、かつ装置がかなり大きくなるおそれがある。そのうえ、大きい空冷モータは、典型的に動作時の騒音が比較的大きい。

他の種類の従来のポンプおよび圧縮機装置は、変速駆動装置を利用する。変速駆動装置は、比較的複雑であり、ポンプに隣接する環境条件から保護する必要がある。従って、変速駆動装置は、ポンプや圧縮機とは離れて環境的に制御された別の空間に配置されている。また、別に離れて配置された制御装置が、分散した装置の構成要素を監視および制御する。分散した装置は、比較的重要である実際的な速度範囲を提供するが、設置が複雑になってしまう。

よって、実際的に制限のない速度範囲を有し、かつ容易に移動可能な小型パッケージ内に設けられた動的ロータシステムを提供することが求められている。

本発明の動的ロータシステムは、垂直支持部が取り付けられた基部を提供する。小型の設置面積が小さい装置が提供されるように、モータ、動的ロータ装置、および制御装置が垂直支持部に取り付けられる。モータは、垂直支持部に沿って実質的に垂直な関係に取り付けられている。動的ロータ装置は、流体を入力から出力へ駆動するようにモータによって作動する遠心ポンプまたは圧縮機であるが、動力回収タービンも本発明の恩恵を受ける。

液冷装置が、制御装置およびモータを所望の作動温度に保つように動作する。液冷装置は、モータに含まれる油装置と熱交換関係に設けられ、両装置の熱的制御をさらに高めるように油装置との間で熱エネルギを分配する。これにより、モータは実際的にあらゆる速度範囲にわたって動作可能となる。

モータは、“動的油ポンプ”として機能する中空シャフトを含む。回転とシャフトの頂部における径方向供給開口部を通過する蒸気とによって、油だめ４２から中空シャフトへの油の流れが生じる。シャフト内で油が上昇すると、油によって誘導ロータの滑りによる熱エネルギが除去される。シャフトの頂部における径方向供給開口部は、ステータの外側のモータハウジングに向かって冷却流体を導くように複数の通路に冷却流体を排出する。これらの通路は、ロータとステータとの間の空隙に油が流入するの防止するような方向および寸法に設けられている。油は、続いて重力の影響下で一組の冷却コイル上を下向きに流れて油だめに戻るように排出される。コイルは、重力式液体戻り部と熱交換関係で配置された液冷装置３２と連通する。モータ内の熱エネルギは、制御装置の余熱を提供するために使用され、これにより、結露や他の環境的異常が最小限に抑えられる。

よって、本発明は、実際的に制限のない速度範囲を有するとともに小型で容易に移動可能なパッケージ内に設けられた一体型の動的ロータシステムを提供する。

図１は、動的ロータシステム１０の概略的な斜視図を示している。動的ロータシステム１０は、一般に基部１２を有し、この基部１２には軸Ａを定める垂直な支持部１４が取り付けられている。設置面積が小さい小型の装置を提供するように、モータ１６、動的ロータ装置１８、および制御装置２０が垂直支持部１４に取り付けられることが好ましい。基部１２は、複数のスロット２４を画成する複数の長手方向部材２２を含み、これらのスロット２４は、フォークリフトなどを受け入れてシステム１０の移動を補助する。垂直支持部１４は、クレーンなどに連結可能な箱形の構造体を構成し、システム１０の運搬をさらに補助する。

図２Ａを参照すると、モータ１６は垂直支持部１４に沿って実質的に垂直に取り付けられている。すなわち、モータ１６は、軸Ａに平行でかつ基部１２に対して実質的に垂直に取り付けられている。

可動取付部２６によって、軸Ａに平行に移動するようにモータ１６が垂直支持部に設置される。垂直支持部に沿った取付部２６の移動によって、モータ１６を動的ロータ装置１８から分離することができる（図２Ｂ参照）。取付部２６は、従来のプーリ、ラチェット、チェーンなどによって垂直支持部１４に沿って移動させて、複数の位置のうちの１つで固定することができる。これにより、モータ１６の保守が単純化されるとともに、動的ロータ装置１８を（符号２８，３０で概略的に示すように）入力および出力から切り離さなくて済む。

動的ロータ装置１８は、基部１２とは反対側で垂直支持部１４に取り付けられている。すなわち、動的ロータ装置１８は、基部１２を基準としてモータ１６の上方に取り付けられている。動的ロータ装置１８は、入力２８から出力３０まで流体を駆動するためにモータによって作動する遠心ポンプまたは圧縮機であることが好ましいが、発電機を駆動する動力回収タービンも本発明の恩恵を受ける。動力回収タービンによって駆動される発電機用途では、図２Ａに示す入力側および出力側が逆転する。

制御装置２０は、モータ１６をあらゆる速度範囲、好ましくは、毎分２０００〜１０００００回転の範囲にわたって動作させる。制御装置２０は、周知の可変周波数駆動装置を含むパワーエレクトロニクス装置である。制御装置２０は、モータ１６の釣合いおもりとなるようにモータ１６の反対側で垂直支持部１４に取り付けられている。

（符号３２で概略的に示した）液冷装置は、制御装置２０とモータ１６とを所望の作動温度に保つように動作する。出力３０は、モータ１６および／または制御装置２０に冷却流体を提供するように補助的に使用することができる。液冷装置３２は、複数の異なる冷却流体によって動作可能であり、または一体の冷却回路とすることができる。液冷装置３２は、モータ１６に含まれる油装置（図３Ａ参照）と熱交換関係に設けられ、両装置の熱的制御をさらに高めるように油装置との間で熱エネルギを分配することが好ましい。このような熱交換は、冷却装置設計の技術的範囲内である。

図３Ａを参照すると、動的ロータ装置１８に取り付けられたモータ１６の断面図が示されている。モータ１６は、垂直に配置されているので、重力式液体戻り部３８（図３Ｃ参照）がモータハウジング４０内に設けられていることが好ましい。重力式液体戻り部３８は、基部１２（図１参照）に隣接してモータハウジング４０の最も低い部分に油だめ４２を含む。

モータ１６は、径方向軸受４６ａ，４６ｂ内で回転するように取り付けられた中空シャフト４４を含む。軸受４６ａ，４６ｂは、回転安定性を得るために３つのローブ（ｔｒｉ−ｌｏｂｅ）を含む複雑な三角形状を有する実質的に円筒形のボアを有することが好ましい。シャフト４４は、固定されたステータ３６内でロータ３４を回転可能に取り付ける。シャフト４４に流入する油の流れを増加させるために、中空シャフト４４の油だめ４２側の端部内に軸方向のベーン４８が配置される。油だめ４２の反対側のシャフト端部５０は、複数の径方向供給開口部５２を含み、これらの供給開口部５２は、密閉ハウジング５５内に配置されたスラストディスク５４に油を導く。径方向の供給開口部５２は、油だめ４２からの油および蒸気のための出口を提供するとともに、好ましくは複数のスラストディスク径方向供給開口部５３を通して油を導く。径方向の供給開口部５２は、ハウジング環状部５７と連通しており、ハウジング環状部５７は複数の通路５６と連通している。軸受４６ａ，４６ｂは、中空シャフト４４に設けられた径方向供給開口部５２を介して加圧された油の供給を受ける。

スラストディスク５４は、径方向軸受４６ｂに隣接して設けられており、スラストディスク５４の外側周辺部に隣接して密閉ハウジング５５を通って設けられた複数の通路５６を通して流体および蒸気が抜き取られる（図３Ｂ参照）。軸受環状部６１が、軸受４６ｂの上面に形成されることが好ましい。軸受環状部６１は、油を収集してスラストディスク５４の始動時の潤滑を行うように通路５６と連通している。環状部５７，６１の組み合わせは、油を収集して始動時に回転部品に直近の潤滑油供給源を提供する。これにより、従来の始動時における潤滑の欠乏による摩擦を実質的に避けることができるので、部品寿命が延長される。断面図では完全に示されていないが、通路５６はハウジング４０に向かって油の流れを外向きに導くように設けられている（図３Ｃ参照）。動的ロータ装置１８への油の流入を防ぐように、シール５９が動的ロータ装置のシャフト６０を中心に取り付けられている。

油スリンガ６２が、スラストディスク５４の反対側で軸受４６ｂに隣接してシャフト４４に取り付けられている。スリンガ６２は、好ましくは円錐台状すなわちコップ様で、かつシャフト４４のスピンダウン（立ち下がり）時に油を収集するように軸受４６ｂに面する開口端６３を有している。

図３Ｃを参照すると、中空シャフト４４は、“動的油ポンプ”として機能する。回転とシャフト４４の頂部における径方向供給開口部５２を通過する蒸気とによって、（矢印ｆで概略的に示された）油だめ４２から中空シャフトへの油の流れが生じる。油だめ４２からの油は、シャフト４４に流入して、回転速度に従ってある垂直高さまで薄い膜として上昇する。シャフトの下端に設けられた軸方向ベーン４８は、おおよそ６０００以上の比較的高速で油の流れを増加させる。油がシャフト内で上昇するにつれて、誘導ロータの滑りによる熱エネルギを除去する。

シャフト４４の端部５０に設けられた径方向供給開口部５２（図３Ｂ参照）は、スラストディスク５４の外側周辺部に隣接してシールハウジング５５内に設けられた複数の通路５６に冷却流体を排出する。通路５６は、ステータ３６の外側のモータハウジング４０に向かって冷却流体を導く。通路５６は、ロータ３４とステータ３６との間の空隙に油が流入するのを防止するような方向および寸法となっていることが好ましい。油は、続いて重力の影響下で一組の冷却コイル５８上を下向きに流れて油だめ４２に排出される。別の一組の冷却コイル６０が、追加でもしくは代わりに油だめ４２内に設けられる。これらのコイル５８，６０は、好ましくは、重力式液体戻り部３８と熱交換関係で配置された液冷装置３２（図２Ａ参照）と連通する。モータ１６内の油の流れにおける熱エネルギは、制御装置２０（図２Ａ参照）の余熱を提供するために使用され、これにより、結露や他の環境的異常が最小限に抑えられる。

ベアリング４６ｂから放出された冷却流体で、モータハウジング４０に到達する充分な速度を有していない冷却流体は、ロータ３４とステータ３６との間の空隙に冷却流体が流入するのを防ぐために油スリンガ６２の開口端６３内に収集される。シャフトのスピンダウン時には、次の始動時にベアリング４６ａ，４６ｂに直近の潤滑を提供するためにスリンガ６２が油で満たされる。

上述の説明は、例示的であり、限定的なものではない。上述の教示に基づいて、本発明の多くの改良および変更が可能である。本発明の好適実施例を開示したが、当業者であれば分かるように、特定の変更も本発明の範囲に含まれる。従って、請求項の範囲内であれば、詳細に説明した以外の方法で本発明を実施することができる。このため、本発明の真の範囲および内容を定めるためには、請求項を検討する必要がある。

本発明に係る動的ロータシステムの斜視図である。 動作位置における図１の動的ロータシステムの概略説明図である。 保守位置における図１の動的ロータシステムの概略説明図である。 本発明に係る動的ロータシステムのモータの部分断面図である。 図３Ａのモータの拡大説明図である。 重力式の油流路を概略的に示すモータの部分断面図である。

Claims (19)

1. 基部と、
   前記基部に取り付けられた垂直支持部と、
   前記垂直支持部に沿って実質的に垂直な関係で取り付けられたモータと、
   前記垂直支持部に沿って実質的に垂直な関係で取り付けられ、かつ前記モータによって駆動可能な動的ロータ装置と、
   前記モータを制御するように動作可能であり、かつ前記モータの釣合いおもりとなるように前記垂直支持部に取り付けられた制御装置と、
   前記制御装置から熱を吸収するように動作可能な液冷装置と、を含み、
   前記液冷装置は、前記モータ内の重力式液体戻り部と熱交換関係に設けられているとともに、前記モータのステータの周囲に設けられた冷却コイルと、前記重力式液体戻り部の油だめに設けられた冷却コイルと、を有しており、
   前記重力式液体戻り部は、中空シャフトを有しており、前記油だめから前記中空シャフトを通って液体が汲み上げられ、この液体は前記モータのステータの周囲に設けられた冷却コイル上を流れて前記油だめに戻ることを特徴とする動的ロータシステム。
2. 前記動的ロータ装置は、前記垂直支持部に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の動的ロータシステム。
3. 前記モータは、前記基部に隣接して取り付けられており、前記動的ロータ装置は、前記基部の反対側で前記モータに取り付けられていることを特徴とする請求項２記載の動的ロータシステム。
4. 前記制御装置は、前記モータの反対側に取り付けられていることを特徴とする請求項２記載の動的ロータシステム。
5. 基部と、
   前記基部に取り付けられた垂直支持部と、
   前記垂直支持部に沿って実質的に垂直な関係で取り付けられたモータと、
   前記垂直支持部に沿って実質的に垂直な関係で取り付けられ、かつ前記モータによって駆動可能な動的ロータ装置と、
   前記モータを制御するように動作可能であり、かつ前記モータの釣合いおもりとなるように前記垂直支持部に取り付けられた制御装置と、
   前記制御装置から熱を吸収するように動作可能な液冷装置と、を含み、
   前記液冷装置は、前記モータ内の重力式液体戻り部と熱交換関係に設けられており、
   前記重力式液体戻り部は、中空シャフトを含み、この中空シャフトは、該中空シャフトの入口に隣接する複数の軸方向ベーンを含むことを特徴とする動的ロータシステム。
6. 前記重力式液体戻り部は、油スリンガを含むことを特徴とする請求項１記載の動的ロータシステム。
7. 基部と、
   前記基部に取り付けられた垂直支持部と、
   前記垂直支持部に沿って実質的に垂直な関係で取り付けられたモータと、
   前記モータと前記垂直支持部とに取り付けられ、かつ該垂直支持部に沿って移動可能である可動取付部と、
   前記垂直支持部に沿って実質的に垂直な関係で取り付けられ、かつ前記モータによって駆動可能な動的ロータ装置と、
   前記モータを制御するように動作可能であり、かつ前記垂直支持部に取り付けられた制御装置と、
   前記制御装置から熱を吸収するように動作可能な液冷装置と、を含むことを特徴とする動的ロータシステム。
8. 前記動的ロータ装置は、遠心ポンプを含むことを特徴とする請求項１記載の動的ロータシステム。
9. 前記動的ロータ装置は、圧縮機を含むことを特徴とする請求項１記載の動的ロータシステム。
10. 前記動的ロータ装置は、動力回収タービンを含むことを特徴とする請求項１記載の動的ロータシステム。
11. 前記モータは、発電機を含むことを特徴とする請求項１０記載の動的ロータシステム。
12. 前記中空シャフトは、軸受内に取り付けられており、前記軸受は、スラストディスクに隣接した軸受環状部を画成し、この軸受環状部は、特定量の潤滑油を保持するように動作可能であることを特徴とする請求項１記載の動的ロータシステム。
13. 前記軸受環状部は、前記中空シャフトに対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項１２記載の動的ロータシステム。
14. 前記中空シャフトと連通する複数の径方向供給開口部が、前記スラストディスクに油を導いていることを特徴とする請求項１２記載の動的ロータシステム。
15. 前記中空シャフトと連通する複数のスラストディスク径方向供給開口部を含み、これらの複数のスラストディスク径方向供給開口部は、特定量の潤滑油を保持するように動作可能なハウジング環状部と連通していることを特徴とする請求項１２記載の動的ロータシステム。
16. 基部と、
    前記基部に取り付けられた垂直支持部と、
    前記垂直支持部に沿って実質的に垂直な関係で取り付けられたモータと、
    前記モータに取り付けられ、かつ該モータによって駆動可能な動的ロータ装置と、
    前記モータを制御するように動作可能であり、かつ前記モータの釣合いおもりとなるように前記垂直支持部に取り付けられた制御装置と、
    前記モータおよび前記制御装置から熱を吸収するように動作可能な液冷装置と、を含み、
    前記液冷装置は、前記モータ内の重力式液体戻り部と熱交換関係に設けられているとともに、前記モータのステータの周囲に設けられた冷却コイルと、前記重力式液体戻り部の油だめに設けられた冷却コイルと、を有しており、
    前記重力式液体戻り部は、中空シャフトを有しており、前記油だめから前記中空シャフトを通って液体が汲み上げられ、この液体は前記モータのステータの周囲に設けられた冷却コイル上を流れて前記油だめに戻ることを特徴とする動的ロータシステム。
17. 前記モータは、前記基部に隣接して取り付けられており、前記動的ロータ装置は、前記基部の反対側で前記モータに取り付けられていることを特徴とする請求項１６記載の動的ロータシステム。
18. 基部と、
    前記基部に取り付けられた垂直支持部と、
    前記垂直支持部に沿って実質的に垂直な関係で取り付けられたモータと、
    前記モータに取り付けられ、かつ該モータによって駆動可能な動的ロータ装置と、
    前記モータを制御するように動作可能であり、かつ前記モータの釣合いおもりとなるように前記垂直支持部に取り付けられた制御装置と、
    前記モータおよび前記制御装置から熱を吸収するように動作可能な液冷装置と、を含み、
    前記液冷装置は、前記モータ内の重力式液体戻り部と熱交換関係に設けられており、
    前記重力式液体戻り部は、中空シャフトを含み、この中空シャフトは、該中空シャフト内に設けられた複数の軸方向ベーンを含むことを特徴とする動的ロータシステム。
19. 前記重力式液体戻り部は、カップ形の油スリンガを含むことを特徴とする請求項１６記載の動的ロータシステム。

Images