JP4377695B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は遠心圧縮機に関する。更に詳細には、本発明はツイン（twin）遠心圧縮機に関する。

圧縮機は冷蔵システム、環境制御システム、空調システムなどに用いられている。便宜上、本発明を、特に空調システムに関連して説明する。空調システムにおいては、自動車や家庭用に用いられる小型圧縮機から、産業用空調設備に用いられる数千トンの容量を有する大型圧縮機まで、様々なサイズの圧縮機が用いられている。

現在、冷却システムや空調システムにおいて冷媒として用いられるのは、例えば、環境破壊を引き起こす可能性があるとして知られている冷媒Ｒ１２（即ち、非正規のＣＦＣ冷媒またはＨＣＦＣ冷媒）、あるいはオゾン層に関するモントリオール議定書において西暦２０３０年まで使用が承認されているＲ２２などである。しかし、いずれの冷媒もその使用量を減らしていかなければならない。現在、モントリオール議定書及び国際暖房・換気・空調工業会（ＨＶＡＣ）によって無条件に推奨されている主なＣＦＣフリーの産業用冷媒はＲ１３４Ａである。しかし、Ｒ１３４Ａはその化学構造によって３０％にも上るパフォーマンスロスが起こるため、現存の老朽化または半老朽化した機械（hematic or semi-hematic machine）におけるＣＦＣ冷媒の直接的な代替冷媒としては商業的に不適当である。更に、冷媒Ｒ１３４Ａは、圧縮機における使用を考える場合、機械的軸受用及びその他回転部品または往復部品用の現在入手可能な潤滑剤との化学的相溶性がないため、圧縮機に大幅な機械的変更を行わない限り、現存の圧縮機での使用には基本的に不適当である。

また、現在使われている空調システムの他の問題点は、従来１〜１５０キロワットの容量を有する小型から中型の冷却システムにおいて用いられている往復圧縮機、回転式圧縮機及びスクロール圧縮機は、比較的安価で製造できるが効率が悪い、ということである。スクリュー圧縮機は容量５０〜３００トンの空調システムにおいてより高効率を発揮するが、容量１８０トン以上の空調システムにおいては遠心圧縮機の方がより高効率なので、多くの場合は遠心圧縮機が用いられる。しかし、遠心圧縮機は、回転子からの遠心力によって空気を半径方向に外向きに送り出し固定子へ送り込むことによって空気を圧縮するものであって、高速回転を必要とし、一般に製造及び維持のための費用はスクリュー圧縮機よりはるかに高い。

要約すると、容量１８０トン未満の小型設備の効率は往復圧縮機、回転式圧縮機、スクロール圧縮機及びスクリュー圧縮機の現在の技術によって制限されているということである。遠心圧縮機は小容量のシステムにおいて高効率を発揮するが、高速回転の制限や高コストがその使用の妨げとなっていた。
発明の目的

従って、本発明の一つの目的は、改良された遠心圧縮機を提供することである。
発明の概要

より詳細には、本発明によって提供されるのは、モーターアセンブリー、該モーターアセンブリーの第一端部に取り付けられた第一圧縮機及び該モーターアセンブリーの第二端部に取り付けられた第二圧縮機を包含するツイン圧縮機であって、該モーターアセンブリーが該第一圧縮機及び該第二圧縮機の間に位置し、該第一圧縮機及び該第二圧縮機の各々が第一ステージ羽根車及び第二ステージ羽根車を有する遠心圧縮機であって、第一ステージ羽根車及び第二ステージ羽根車が、該モーターアセンブリーの固定子によって駆動される回転子の端に互いに隣り合うように取り付けられていることを特徴とするツイン圧縮機である。
本発明によって更に提供されるのは、ブラシレスＤＣ永久磁石固定子及び回転子からなる高速電気モーターアセンブリー；該回転子の第一端部に取り付けられた第一遠心圧縮機；及び該回転子の第二端部に取り付けられた第二遠心圧縮機からなるツイン遠心圧縮機であって、第一遠心圧縮機及び第二遠心圧縮機の各々が第一ステージ羽根車及び第二ステージ羽根車を有し、第一遠心圧縮機の第一ステージ羽根車及び第二ステージ羽根車が、モーターアセンブリーのブラシレスＤＣ永久磁石固定子によって駆動されるモーターシャフトの第一端に取り付けられており、第二遠心圧縮機の第一ステージ羽根車及び第二ステージ羽根車が、モーターアセンブリーのブラシレスＤＣ永久磁石固定子によって駆動されるモーターシャフトの第二端に取り付けられていることを特徴とするツイン圧縮機である。
本発明によって更に提供されるのは、高速電気モーターアセンブリーの回転子の第一端に取り付けられた第一圧縮機；及び該回転子の第二端に取り付けられた第二圧縮機を包含するモジュール型冷却システムであって、該第一圧縮機及び該第二圧縮機が各々第一ステージ羽根車及び第二ステージ羽根車を有する遠心圧縮機であって、該第一圧縮機の第一ステージ羽根車及び第二ステージ羽根車が、モーターアセンブリーのブラシレスＤＣ永久磁石固定子によって駆動される該回転子の第一端に取り付けられており、該第二圧縮機の第一ステージ羽根車及び第二ステージ羽根車が、モーターアセンブリーのブラシレスＤＣ永久磁石固定子によって駆動される該回転子の第二端に取り付けられていることを特徴とするモジュール型冷却システムである。

本発明のその他の諸目的、諸利益並びに諸特徴は、添付の図面を参照しながら以下に述べる本発明の諸態様の説明から明らかになる。但し、以下に述べる本発明の諸態様は単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。
発明の詳細な説明

一般的に述べると、本発明は、一つの共通のモーターに取り付けられて一つの駆動装置を共有する複数の圧縮機を包含する遠心圧縮機であって、電磁軸受を用いて高速回転（high ＲＰＭ）でのスラストのバランスがとれるようになっている遠心圧縮機を提供する。

より正確には、添付の図１に示されるように、本発明のツイン遠心圧縮機１０は、ハウジング２２内に収容された電気モーターアセンブリー１２、第一遠心圧縮機１４及び第二遠心圧縮機１８を包含する。

通常、電気モーターアセンブリー１２が第一遠心圧縮機１４及び第二遠心圧縮機１８の間の中央に位置するように、第一遠心圧縮機１４が電気モーターアセンブリー１２の第一端部１６に取り付けられており、第二遠心圧縮機１８が電気モーターアセンブリー１２の第二端部２０に取り付けられている。

電気モーターアセンブリー１２は、ブラシレス（brushless）ＤＣ永久磁石固定子２４及び回転子２６からなる高電気モーターアセンブリーであってもよい。電気モーターアセンブリー１２の第一端部１６においては、回転子２６の第一端２８には第一遠心圧縮機１４が取り付けられており、電気モーターアセンブリー１２の第二端部２０においては、回転子２６の第二端３０には第二遠心圧縮機１８が取り付けられている。

回転子２６は、ネオジム鉄ボロンなど公知の希土類材料の部品からなり、非常に高い電気効率を示し、高速回転を可能にする。電気モーターアセンブリー１２は１５０，０００ｒｐｍ以上もの回転数が可能である。そのような高回転速度により、遠心圧縮機１０は広範囲の圧縮荷重において高効率を発揮する。

ハウジング２２は高温安定性及び高温耐熱性を有する材料からなる。ハウジング２２は、例えば射出成形された合成プラスチック材料、ガラス繊維充填強化材料、アルミニウムやスチールなどの機械加工された材料または鋳造金属から形成することができる。

第一圧縮機１４及び第二圧縮機１８が実質的に同一であり、第一圧縮機１４及び第二圧縮機１８は、用途によって、互いに鏡像関係にあるか、あるいはいずれも多段圧縮機として機能する形状を有することから、説明を簡潔にするために、以下第一圧縮機１４についてのみ詳細に説明する。

第一圧縮機１４は、通常、互いに隣り合わせに取り付けられた２つの圧縮ステージ、すなわち第一ステージ羽根車３２及び第二ステージ羽根車３４を有する。第一ステージ羽根車３２及び第二ステージ羽根車３４は両方とも、電気モーターアセンブリー１２のブラシレスＤＣ永久磁石固定子２４によって駆動される回転子（rotor shaft）２６の第一端２８に取り付けられている。

回転子２６にかかるアキシアル（軸方向）荷重及びラジアル（半径方向）荷重に抵抗するために、アキシアル電磁軸受３６及びラジアル電磁軸受３８が設けられている。ラジアル磁気ベアリングは永久磁石技術を用いる受動／能動型であってもよいし、単なる能動型であってもよい。いずれの場合も、圧縮機に電磁軸受の制御回路を設けることができる。制御回路は当業者に広く知られているものであるので、ここでは詳細な説明はしない。制御回路は、ハウジング２２と一体化した三次元プリント回路板を、軸受の固定部及び回転部に設けられたセンサーと組み合わせた形態であってもよい。そのような制御回路により、固定部に対する回転軸受部の位置を何時でも決定することができ、エラーシグナルを発生することにより、どの角位置における位置ずれも磁気調整におり修正することができる。

圧縮機１０の運転中にシステムの停電が起こった際に能動型磁気軸受を作動させるための電力供給手段を有する圧縮機制御システム（図示しない）を更に設けてもよい。上記電力供給手段は、モーターへの電力供給が切断された際に電気モーターアセンブリー１２を発電機として用いること、あるいは軸受を用いて自立電力供給することを含む。モーター１２及び磁気軸受３６及び３８への電力供給の喪失によって回転子２６が停止した際に軸受荷重に抵抗するためのセラミック製接地軸受（touch down bearings）を設けてもよい。

本発明の二段圧縮機（two-stage compressor）は回転子２６にかかるアキシアル荷重を大幅に釣り合わせる（substantially balanced）ことができるため、アキシアル磁気軸受の必要性が大幅に低減されることが理解されよう。

ガス入口室４０には、第一ステージ羽根車３２への気流を絞るための調整案内羽根４２が収容されている。低荷重条件下では、気流を低減するように案内羽根４２を作動させる。一方、高荷重条件下では、第一ステージ圧縮機１４への気流を増大させるために案内羽根４２を開く。

他の態様として、圧縮機に必要な容量に合うようにモーター速度を調整し、案内羽根４２は、サージングやチョーキングが起こる恐れがある場合、または圧縮機両端の羽根車にかかる荷重が等しくない場合に調節することができる。

図１に示される態様では、複数の案内羽根４２がハウジング２２の入口４０から内側に向かって放射状に伸び、各案内羽根は放射状に延びる軸を中心に回転可能である。各案内羽根はカム及びカムから延びるフィンガーを有しており、フィンガーはハウジング２２が有するコントロールリング４５の対応スロットに係合しており、これにより、コントロールリング４５の回転によって各カムがカムの軸を中心に運動し、案内羽根４２の回転を引き起こす。コントロールリング４５はリニアモターなど（図示しない）によって回転させることができる。

冷媒ガスは、第一ステージ羽根車３２を通過した後、ガス通路４４を通って第二ステージ圧縮機（羽根車）３４の入口に向かう。圧縮機のサイズ及び必要な制御の度合によって、この第二の入口が案内羽根を備えてもよいし備えなくてもよい。

固定子２４とハウジング２２によって複数のモーター冷却チャンネル４６が規定される。モーター冷却チャンネル４６には、冷却回路より導入される液状冷媒、または圧縮機の第二ステージまたは両方のステージを迂回する（by-passing）気体状冷媒を流すことができる。冷媒を冷却剤として用いることにより、モーター熱を冷却回路の凝縮器において放散できるので、効率の良い伝熱システムを提供できる。

本発明の二段圧縮機（two-stage compressor）は入口４０、中間通路４１及び排出通路４３において、それぞれ、圧力変換器４７、４８及び４９が設けられている。圧力変換器４７、４８及び４９は制御ロジックを用いる制御回路を介してモーターの速度を制御するために用いられ、それにより、第二ステージ羽根車３４の先端速度圧が凝縮器内の凝縮圧力よりわずかに高くなるようにし、圧縮機の運転点をサージ点より高いレベルに維持する。

入口室４０内の圧力変換器４９は案内羽根４２の調節を可能にし、それにより圧縮機内を通過するガスの量が制御され、荷重条件に合わせた一定の吸気圧を提供することができる。実際に、荷重が減少するに従い、荷重と運転条件により、圧縮機の速度が低下したり案内羽根４２が閉じたりして、圧縮機内の流速を低下させる。場合によっては、案内羽根４２が、圧縮機の速度がサージ点の寸前まで下がった時にのみ閉まり、案内羽根４２により更なる荷重低減を行うこともある。また、２つの圧縮機が釣合わない場合に案内羽根４２を閉じる必要が生じることもある。

本発明により、様々な容量（例えば５〜２０トン、５０〜２００トン及び２００〜１，０００トン）を有する多段または複式の圧縮機（multiple-stage or multiple-compressors compressors）であって、全ての圧縮機が複数の部品を共有する圧縮機が提供されることを当業者は理解するであろう。例えば、ハウジング２２、軸受３６、３８、及び電気モーターアセンブリー１２は各組のフレームサイズに関して共通であってよいし、軸受の運転台（control platform）、モーターインバータ、圧縮機制御装置、ソフトスターター、総合システムコントロール及び複式圧縮機コントロール（multiple compressor control）は全圧縮機について共通であってよい。従って、容量を変えるために必要な変更項目は、モーターのサイズと出力、及び羽根車や案内羽根などのデザインだけである。

ハウジング、モーター冷却ダクト、ラビリンスや他の内部構造部材は、ゼネラルエレクトリック社の「ＵＬＴＥＭＰ」プラスチック材料やその他の非常に高い剛性を有するガラス繊維充填複合材料を射出成形して得ることができ、また、アルミニウム鋳造によっても得られる。これら内部構造部材は化学的攻撃に影響されず、電気不導体であり、高い耐熱性を有する。

このように説明してきたツイン圧縮機１０は、ツイン冷却圧縮機であってもよいことを当業者は理解するであろう。

図２〜５は、本発明の遠心圧縮機を含むシステムの例を幾つか示している。

図２のシステム２００では、本発明によるツイン遠心圧縮機２０１を、異なる２つの条件下（例えば条件２０４及び条件２０５）で運転している２つのデュアル蒸発器２０２及び２０３、凝縮器２０６及び受液器２０７と組み合わせて用いている。こうして、システム２００により、種々の荷重条件及び種々の吸気温度での運転を可能にする多ゾーン（multiple zoned）システムが提供される。ツイン遠心圧縮機２０１の各圧縮機の速度は必要最大値と合うように調節することができる。案内羽根２０８及び２１０は最小限の荷重でシステム２００の容量を調節することができる。

図３は、本発明によるツイン遠心圧縮機を包含する更なるシステム３００を示している。ツイン遠心圧縮機３０１は２つの凝縮器３０６及び３０７に気体を導入し、得られる凝縮物を凝縮器３０６及び３０７より１つの共通の液ライン３０８を介して２つの蒸発器３０２及び３０３に導入する。このようなシステム３００は、単一の回路を有する同等のシステムと比較して、設備と運転の柔軟性向上及び全体的な省エネルギーが可能となる。

図４のシステム４００では、本発明によるツイン遠心圧縮機が２つの凝縮器４０６及び４０７に気体を導入し、得られる凝縮物を凝縮器４０６及び４０７から液ライン４０８を介して蒸発器４０９に導入する。このようなシステム４００は、単一の凝縮器を有する同等のシステムと比較して、製造と運転の柔軟性向上及び全体的な省エネルギーが可能となる。

図５は、本発明による多段圧縮機５０１を包含するシステム５００を示している。システム５００では、圧縮機の第一組のステージ５０１ａが接続チューブ５１０を介して圧縮機の第二組のステージ５０１ｂに気体を直接導入する。気体は第二組のステージ５０１ｂより凝縮器５０６に導入され、得られる気体の凝縮物は凝縮器５０６より膨張装置（expansion device）５１１を介して蒸発器５０９に導入され、得られる気体は蒸発器５０９から第一組のステージ５０１ａに導入され、こうしてサイクルが完成する。特にフォイル軸受または磁気軸受を用いた場合に、単端型システム（single ended system）では法線力（normal forces）が増大する傾向があるのに対し、このようなシステム５００ではアキシアル圧力を均一にできることを当業者は理解するだろう。

上述より、本発明の圧縮機はモジュール型冷却システムに用いることができるのは明らかである。モジュール型冷却システムは、複数の実質的に同一なモジュール型冷却ユニットを互いに組み合わせて空調システムを形成したものであり、検出した荷重条件により追加圧縮機を始動及び停止する制御ロジックが組み込まれている。

更に、本発明の圧縮機は、磁気軸受またはフォイル軸受などの無給油軸受技術を用いることにより、Ｒ１３４Ａなどの進歩した冷媒を用いることができる。上記無給油軸受技術は非常に高い回転速度を可能にし、標準的な遠心圧縮機と比較して大幅に改良された運転効率を可能にする。

更に本発明の圧縮機は長寿命に必要な強度を発揮する構造を有すると共に、同等の容量を有する圧縮機よりも相当小さいサイズでの製造が可能である。実際に、本発明による圧縮機は、公知の同等容量の圧縮機の半分のサイズと三分の一の重量となることを当業者は理解するであろう。

従って、当業者には明らかになるように、本発明の圧縮機はコンパクトで効果的な圧縮機であって、例えば家庭用途や商業用途に最も有用である。また、本発明の圧縮機は、１つの共通のモーターに取り付けられて１つの駆動装置を共有する２つの別個の圧縮機を用いることによって、高速運転と高信頼性の制御システムとを同時に可能にする。特に、背合わせの羽根車を用いて高速回転でのスラストのバランスを取ることにより、アキシアル電磁軸受にかかる荷重を大幅に低減できる。また、本発明の圧縮機は、高運転条件に必要な要件を満たしながら、製造コストを低減できる。

以上、好ましい態様に参照して本発明を説明したが、本発明の圧縮機は、添付の請求の範囲に定義される本発明の教示から外れることなく改変することができる。

本発明の遠心圧縮機の側面断面図である。 本発明の１つの態様である、図１の遠心圧縮機を含むシステムの概略図である。 本発明の更なる態様である、図１の遠心圧縮機を含むシステムの概略図である。 本発明の他の１つの態様である、図１の遠心圧縮機を含むシステムの概略図である。 本発明の更に他の１つの態様である、図１の遠心圧縮機を含むシステムの概略図である。

Claims (17)

1. モーターアセンブリー、該モーターアセンブリーの第一端部に取り付けられた第一圧縮機及び該モーターアセンブリーの第二端部に取り付けられた第二圧縮機を包含するツイン圧縮機であって、該モーターアセンブリーが該第一圧縮機及び該第二圧縮機の間に位置し、該第一圧縮機及び該第二圧縮機の各々が、該モーターアセンブリーから遠い部位及び近接した部位にそれぞれ位置する入口と出口を有し、且つ、第一ステージ羽根車及び第二ステージ羽根車を有する遠心圧縮機であって、第一ステージ羽根車及び第二ステージ羽根車が、該モーターアセンブリーの固定子によって駆動される回転子の端に互いに隣り合うように取り付けられおり、第一圧縮機と第二圧縮機とが鏡像関係にあり、該第一圧縮機と該第二圧縮機が、圧縮中のガスの通路について相互に独立していることを特徴とするツイン圧縮機。
2. 第一圧縮機及び第二圧縮機が各々多段圧縮機を形成することを特徴とする請求項１に記載のツイン圧縮機。
3. 固定子がブラシレスＤＣ永久磁石固定子であることを特徴とする請求項１に記載のツイン圧縮機。
4. 回転子にかかるアキシアル荷重に抵抗するためのラジアル無給油軸受及びアキシアル無給油軸受を更に包含することを特徴とする請求項１に記載のツイン圧縮機。
5. 回転子が希土類材料からなることを特徴とする請求項１に記載のツイン圧縮機。
6. 更に圧縮機制御システムを包含することを特徴とする請求項１に記載のツイン圧縮機。
7. モーターアセンブリーが高速電気モーターアセンブリーであることを特徴とする請求項１、４、５、６のいずれかに記載のツイン圧縮機。
8. 高温安定性及び高温耐熱性を有する材料からなるハウジングを更に包含することを特徴とする請求項１に記載のツイン圧縮機。
9. 高温安定性及び高温耐熱性を有する材料からなるハウジングを更に包含し、ハウジングが、射出成形された合成プラスチック材料、ガラス繊維充填材料、機械加工された材料及び鋳造金属からなる群より選ばれる材料からなることを特徴とする請求項１に記載のツイン圧縮機。
10. 更に制御回路を包含し、該制御回路が三次元プリント回路、及び軸受の固定部及び回転部に設けられたセンサーからなることを特徴とする請求項１に記載のツイン遠心圧縮機。
11. 該制御回路が電力供給手段を有することを特徴とする請求項１０に記載のツイン遠心圧縮機。
12. 請求項１に記載のツイン圧縮機が、異なる条件下で運転する複数のデュアル蒸発器の間に接続され、且つ凝縮器に接続され、該凝縮器が受液器を介して該複数のデュアル蒸発器に接続されてなることによって種々の荷重条件及び種々の吸気温度での運転を可能にすることを特徴とするシステム。
13. 請求項１に記載のツイン圧縮機が複数の蒸発器の間に接続され、且つ複数の凝縮器に接続され、該複数の凝縮器が一本の共通の液ラインを介して該複数の蒸発器に接続されてなることを特徴とするシステム。
14. 請求項１に記載のツイン圧縮機が蒸発器に接続され、且つ複数の凝縮器に接続され、該複数の凝縮器が液ラインを介して該蒸発器に接続されてなることを特徴とするシステム。
15. 請求項１〜１１のいずれかに記載のツイン圧縮機又は請求項１２〜１４のいずれかに記載のシステムを包含することを特徴とするモジュール型冷却システム。
16. 検出した荷重条件により追加圧縮機を始動及び停止する制御ロジックを更に包含することを特徴とする請求項１５に記載のモジュール型冷却システム。
17. 無給油軸受技術を用いることを特徴とする請求項１５又は１６に記載のモジュール型冷却システム。

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