JP4396792B2 - 高速モータ駆動圧縮装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速モータ駆動圧縮装置に係わり、更に詳しくは、電動機のロータ両端にそれぞれインペラを備えた１軸２段高速モータ駆動圧縮機と冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ圧縮機は、レシプロ圧縮機やスクリュウ圧縮機に比較して大容量化、小型化に適しかつオイルフリー化が容易な特徴がある。そのためターボ圧縮機は、工場の空気源、空気分離の原料空気、プロセス関係の空気源等の汎用圧縮機として多用され、更に、ブレイトンサイクルを用いる冷凍機のヘリウムガス等の圧縮にも用いられている。
【０００３】
図２は、従来の２段ターボ圧縮機（１軸２段歯車駆動圧縮機）の構成図であり、図３はその系統図である。図２に示す１軸２段歯車駆動圧縮機は、電動機１、歯車増速機２、同軸２段圧縮機３からなる。同軸２段圧縮機３は、回転軸４の両端にそれぞれ１段インペラ５と２段インペラ６が同軸に設けられ、この回転軸４を歯車増速機２により高速（例えば１０万ｒｐｍ以上）で回転駆動するようになっている。また、図３に示すように、かかる２段ターボ圧縮機は、１段インペラ５で圧縮したガスをインタークーラで中間冷却して２段インペラ６に導き、ここで再圧縮して高圧縮比（例えば汎用圧縮機では８以上）を得るようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の２段ターボ圧縮機（１軸２段歯車駆動圧縮機）は、ガスを圧縮する同軸２段圧縮機３は小型にできるが、電動機１及び歯車増速機２が大型となるため全体としてはかなり大型となる問題点があった。
そのため、図４に示すように、歯車増速機２を省略した圧縮機（以下、「１軸２段高速モータ駆動圧縮機」と呼ぶ）が一部で提案されている。この１軸２段高速モータ駆動圧縮機は、歯車増速機がなく高速電動機のロータ軸の両端にインペラを備えるため、装置全体が小型化できる特徴がある。
【０００５】
しかし、かかる１軸２段高速モータ駆動圧縮機には、その実現のため以下の問題点があった。
（１）２つのインペラの間に電動機が位置するため、電動機の発熱により電動機のロータ軸及び圧縮機ケーシングの熱膨張が避けられない。このロータ軸とケーシングの熱膨張差は、例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度に達するため、インペラとケーシング間に隙間が生じ、この隙間により圧縮機の洩れ損失が過大となって性能（例えば圧縮効率）が大幅に低下してしまう。
（２）高速電動機の回転速度は、モータの強度と軸振動のため限界があり、現状では例えば５万ｒｐｍ前後が限界である。そのためインペラの回転速度は従来（例えば１０万ｒｐｍ以上）より遅くなり、所定の高い圧力比（例えば、汎用圧縮機では圧縮比８前後、冷凍機用では圧縮比２前後）を得るために従来より大径のインペラを必要となる。その結果、インペラの出口幅は一層狭くなり、出口幅に対する隙間が相対的に増加して効率は更に低下してしまう。
一方、コンプレッサとタービンを備え、コンプレッサで圧縮したガスをタービンで断熱膨張させて低温を発生する冷凍機が開示されている（例えば特願平９-３３０３６０号）。このような冷凍機においても、上述した同じ問題点があった。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、電動機の発熱によりロータ軸及びケーシングが熱膨張しても、インペラとケーシング間の隙間を最小限に維持することができ、これにより圧縮機（または膨張機）の洩れ損失を低減し、相対的に低速の電動機を用いて高い圧縮比（または膨張比）を高効率に得ることができる高速モータ駆動圧縮装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、両端に貫通したロータ軸（１１）を有する高速電動機（１２）と、該ロータ軸の両端にそれぞれ取付けられた第１インペラ（１３）及び第２インペラ（１４）と、該第１インペラ及び第２インペラを囲んでそれぞれの圧縮膨張室を構成するケーシング（１６）とを備え、
前記ケーシング（１６）の内面には、第１インペラ（１３）の軸方向外端面と接触して低抵抗で磨滅可能なアブレイダブルシール（１７）が設けられており、
前記第２インペラ（１４）は翼先端部を囲むシュラウド（１５）を有し、該シュラウドの軸方向外端部（１５ａ）が円筒状に形成され、かつ該外端部を隙間を隔てて囲む円筒形内面（１６ａ）がケーシングに設けられており、これにより外端部（１５ａ）と円筒形内面（１６ａ）との隙間を維持したまま第２インペラが、高速電動機（１２）の発熱によるロータ軸及びケーシングの熱膨張差より大きく軸方向に移動可能に構成されている、ことを特徴とする高速モータ駆動圧縮装置が提供される。
【０００８】
上記本発明の構成によれば、第１インペラ（１３）がアブレイダブルインペラであり、このインペラの軸方向外端面と接触して低抵抗で磨滅可能なアブレイダブルシール（１７）がケーシング（１６）の内面に設けられているので、必要な高い圧力比を得るために第１インペラを従来より大径のインペラとしても、インペラとケーシングとを事実上ゼロに近い隙間に維持することができ、第１インペラの洩れ損失を最小限に抑えることができる。また、このアブレイダブルインペラはシュラウドを備えないため、遠心力に耐える大径のインペラを容易に構成することができる。
【０００９】
また、第２インペラ（１４）が翼先端部を囲むシュラウド（１５）を有し、このシュラウドの軸方向外端部（１５ａ）が円筒状に形成され、かつ該外端部を隙間を隔てて囲む円筒形内面（１６ａ）がケーシングに設けられているので、電動機の発熱によりロータ軸及びケーシングが熱膨張しても、外端部（１５ａ）と円筒形内面（１６ａ）との隙間を両者が接触しない最小限に維持し、第２インペラの洩れ損失を最小限に抑えたまま第２インペラを軸方向に移動（熱膨張）させることができる。
従って、電動機の発熱によりロータ軸及びケーシングが熱膨張しても、第１インペラ及び第２インペラの両方の洩れ損失を最小限に抑えることができ、相対的に低速の電動機を用いて高い圧縮比（または膨張比）を高効率に得ることができる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記第１インペラ（１３）は第２インペラ（１４）よりも大径であり、これにより第１インペラ（１３）による圧力比が第２インペラ（１４）よりも高く構成されている。
この構成により、１軸２段高速モータ駆動圧縮機において、２段で必要な高い圧力比を得るために、シュラウドを有するために大径化が比較的困難な２段インペラ（１４）による圧力比を低く設定することができる。
【００１１】
また、前記第１インペラ（１３）の近傍にロータ軸（１１）に作用するスラスト力を支持するスラスト軸受（１８）が設けられる。
この構成により、ロータ軸（１１）の熱膨張による第１インペラ（１３）の軸方向移動を小さくすることができ、インペラとケーシングとを事実上ゼロに近い隙間に維持することができる。
【００１２】
前記シュラウド（１５）の外端部（１５ａ）又はケーシング（１６）の円筒形内面（１６ａ）にラビリンスシールが構成される、ことが好ましい。
ラビリンスシールを構成することにより、シュラウド（１５）とケーシング（１６）の接触を防止しながら、簡単な構造で２段側の洩れ損失を最小限に抑えることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の高速モータ駆動圧縮装置の全体断面図である。この図に示すように、本発明の高速モータ駆動圧縮装置１０は、高速電動機１２、１段インペラ１３及び第２インペラ１４及びケーシング１６からなる。
本発明の高速モータ駆動圧縮装置は、電動機のロータ両端にそれぞれインペラを備えた１軸２段高速モータ駆動圧縮機と、コンプレッサとタービンを同軸に備え、コンプレッサで圧縮したガスをタービンで断熱膨張させて低温を発生す冷凍機の両方に適用できる。図１に示した１軸２段高速モータ駆動圧縮機の場合、第１インペラ１３は、圧縮機の１段インペラであり、第２インペラ１４は、圧縮機の２段インペラである。また、冷凍機の場合は、第１インペラ１３は、圧縮機インペラであり、第２インペラ１４は膨張タービンである。
以下、高速モータ駆動圧縮装置が１軸２段高速モータ駆動圧縮機の場合の場合について説明する。
【００１４】
図１において、高速電動機１２は、好ましくは多相誘導電動機であり、軸心を中心に回転する回転子１２ａ（ロータ）とそのまわりを囲む固定子１２ｂからなる。回転子１２ａの中心軸（ロータ軸１１）は、電動機の両側（この図で上下）に貫通して延び、２つのラジアル軸受１９ａ，１９ｂで回転可能に支持されている。ラジアル軸受１９ａ，１９ｂは、ロータ軸１１を非接触で支持できる磁気軸受又はガス軸受であるのがよい。磁気軸受は、磁石の吸引力又は反発力で軸を浮かせて支持する軸受であり、特に容量の大きい大型の圧縮機に適している。また、ガス軸受は、ガスの動圧又は静圧により軸を浮かせて支持する軸受であり、特に容量の小さい小型の圧縮機に適している。
【００１５】
固定子１２ｂは、例えば図示しない固定子枠内に収められた固定子鉄心と固定子巻線からなる。固定子鉄心には、例えば鉄損を軽減するために薄板を軸方向に積層したものを用いる。また、固定子１２ａの巻線は、鉄心内の溝に納められ、多相電源と接続して回転磁界を作るようになっている。
【００１６】
回転子１２ａは、例えば図示しない積層鉄心（ロータコア）と回転子巻線からなる。回転子巻線は鉄心の溝内に納められる。回転子は、好ましくはかご形回転子であるが、巻線形回転子であってもよい。かご形回転子の場合、回転子溝（ｓｌｏｔ）におのおの１本づつの銅棒を納め、その両端を短絡環（ｅｎｄ ｒｉｎｇ）で接続する。
【００１７】
上述した構成により、固定子１２ｂは、多相電源より交流電力を受けて回転磁界を作り、空隙を介して誘導作用によって回転子１２ａの二次巻線に誘導電流を発生させ、その電流と回転磁界の磁束により回転力（フレミングの左手法則）を生じさせ、回転磁界と同一方向に回転子１２ａを回転させることができる。この場合、高周波電源を用いて回転磁界の回転速度を高速にすることにより、回転子１２ａすなわちロータ軸１１を高速（例えば５万ｒｐｍ以上）で回転駆動することができる。
【００１８】
なお、本発明は、多相誘導電動機に限定されず、多相誘導電動機以外の高速電動機、例えば直流電動機を用いてもよい。
【００１９】
本発明において、１段インペラ１３及び２段インペラ１４は、高速電動機１２のロータ軸１１の両端にそれぞれ取付けられている。また、ケーシング１６は、１段インペラ１３及び２段インペラ１４を囲んでそれぞれの圧縮室２０，２１を構成している。更に、１段インペラ１３及び２段インペラ１４の周囲には、ディフューザ、スクロールケーシングが設けられている。
【００２０】
この構成により、図３と同様に、１段インペラ１３で圧縮したガスをディフューザ、スクロールケーシングを介して、図示しないインタークーラに導き、ここで中間冷却して２段インペラ１４に導き、ここで再圧縮して高圧縮比（例えば汎用圧縮機では８以上）を得るようになっている。この場合、ガスの流れは、矢印１、２、３、４の順となる。なお、インタークーラは必ずしも必須ではなく、これを省略することもできる。
【００２１】
また、本発明において、１段インペラ１３はアブレイダブルインペラである。更に、ケーシング１６の内面には、１段インペラ１３の軸方向外端面（この図で下端面）と接触して低抵抗で磨滅可能なアブレイダブルシール１７が設けられている。このアブレイダブルシール１７は、テフロン系の樹脂、又は銀スプレーであり、アブレイダブルインペラ１３の最下端面をあらかじめ接触させてシール１７を磨滅させて同一形状に加工し、実際の運転状態において、インペラ１３とケーシング１６とを事実上ゼロに近い隙間に維持するようになっている。
【００２２】
また、１段インペラ１３の近傍には、ロータ軸１１に作用するスラスト力を支持するスラスト軸受１８が設けられている。このスラスト力は、１段インペラ１３の背面（図で上面）に作用するガス圧が高いことから常時下向きである。スラスト軸受１８はこのスラスト力に抗して、アブレイダブルインペラ１３の最下端面がケーシング１６のアブレイダブルシール１７と接触しないように軸方向に支持する。このスラスト軸受１８は、ロータ軸１１を非接触で支持できる磁気軸受又はガス軸受であるのがよい。磁気軸受は、磁石の吸引力又は反発力で軸を浮かせて支持する軸受であり、特に容量の大きい大型の圧縮機に適している。また、ガス軸受は、ガスの動圧又は静圧により軸を浮かせて支持する軸受であり、特に容量の小さい小型の圧縮機に適している。
【００２３】
本発明の１軸２段高速モータ駆動圧縮機１０において、２段インペラ１４は翼先端部を囲むシュラウド１５を有する。また、このシュラウド１５の軸方向外端部１５ａが回転軸と同心の円筒状に形成されている。
また、ケーシング１６には、シュラウド１５の軸方向外端部１５ａをわずかな隙間を隔てて囲む円筒形内面１６ａが設けられ、外端部１５ａと円筒形内面１６ａとの隙間を一定に維持したまま２段インペラ１４が軸方向に移動可能に構成されている。この移動量は、電動機の発熱によるロータ軸及びケーシングの熱膨張差より少なくとも大きく設定されている。
【００２４】
更に、図１に示すように、この実施形態では、シュラウド１５の軸方向外端部１５ａに複数のリング状の溝が形成されており、２段側の洩れ損失を最小限に抑えるように、ケーシング１６の円筒形内面１６ａとの間にいわゆるラビリンスシールが構成されている。
なお、ケーシング１６の円筒形内面１６ａにリング状の溝を形成してラビリンスシールを構成してもよく、或いはこの溝なしに、隙間を最小源にしたスキマシールとしてもよい。
【００２５】
また、図１に示すように、この実施形態では、１段インペラ１３を２段インペラ１４よりも大径に構成し、シュラウドを有するために大径化が比較的困難な２段インペラ１４による圧力比を低くために、１段インペラ１３による圧力比を２段インペラ１４よりも高く構成している。例えば、汎用圧縮機で圧縮比８を得るために、１段インペラ１３による圧力比を４とすれば、２段インペラ１４による圧力比を２まで下げることができる。同様に、冷凍機用でヘリウムの圧縮比２を得るために、１段インペラ１３による圧力比を１．６とすれば、２段インペラ１４による圧力比を１．２５まで下げることができる。
【００２６】
上述した本発明の構成によれば、１段インペラ１３がアブレイダブルインペラであり、このインペラ１３の軸方向外端面と接触して低抵抗で磨滅可能なアブレイダブルシール１７がケーシング１６の内面に設けられているので、必要な高い圧力比を得るために１段インペラを従来より大径のインペラとしても、インペラとケーシングとを事実上ゼロに近い隙間に維持することができ、１段側の洩れ損失を最小限に抑えることができる。また、このアブレイダブルインペラはシュラウドを備えないため、遠心力に耐える大径のインペラを容易に構成することができる。
【００２７】
また、２段インペラ１４が翼先端部を囲むシュラウド１５を有し、このシュラウドの軸方向外端部１５ａが円筒状に形成され、かつこの外端部を隙間を隔てて囲む円筒形内面１６ａがケーシング１６に設けられているので、電動機１２の発熱によりロータ軸１１及びケーシング１６が熱膨張しても、シュラウド１５の外端部１５ａとケーシング１６の円筒形内面１６ａとの隙間を両者が接触しない最小限に維持し、２段側の洩れ損失を最小限に抑えたまま２段インペラを軸方向に移動（熱膨張）させることができる。
従って、電動機の発熱によりロータ軸及びケーシングが熱膨張しても、１段側及び２段側の両方の洩れ損失を最小限に抑えることができ、相対的に低速の電動機を用いて高い圧縮比を高効率に得ることができる。
【００２８】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。例えば、上述の例では、１軸２段高速モータ駆動圧縮機について詳述したが、コンプレッサとタービンを備えた冷凍機にも同様に適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の高速モータ駆動圧縮装置は、電動機の発熱によりロータ軸及びケーシングが熱膨張しても、インペラとケーシング間の隙間を最小限に維持することができ、これにより圧縮機（または膨張機）の洩れ損失を低減し、相対的に低速の電動機を用いて高い圧縮比（または膨張比）を高効率に得ることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の高速モータ駆動圧縮装置（１軸２段高速モータ駆動圧縮機）の全体断面図である。
【図２】 従来の２段ターボ圧縮機の構成図である。
【図３】 従来の２段ターボ圧縮機の系統図である。
【図４】 従来の１軸２段高速モータ駆動圧縮機の模式図である。
【符号の説明】
１ 電動機、２ 歯車増速機、３ 同軸２段圧縮機、４ 回転軸、
５ １段インペラ、６ ２段インペラ、
１０ 高速モータ駆動圧縮装置（１軸２段高速モータ駆動圧縮機）、
１１ ロータ軸、
１２ 高速電動機、１２ａ 固定子、１２ｂ 回転子、
１３ 第１インペラ（１段インペラ）、１４ 第２インペラ（２段インペラ）、
１５ シュラウド、１５ａ 軸方向外端部、
１６ ケーシング、１６ａ 円筒形内面、
１７ アブレイダブルシール、１８ スラスト軸受、
１９ａ，１９ｂ ラジアル軸受、２０，２１ 圧縮室

Claims (5)

1. 両端に貫通したロータ軸（１１）を有する高速電動機（１２）と、該ロータ軸の両端にそれぞれ取付けられた第１インペラ（１３）及び第２インペラ（１４）と、該第１インペラ及び第２インペラを囲んでそれぞれの圧縮膨張室を構成するケーシング（１６）とを備え、
   前記ケーシング（１６）の内面には、第１インペラ（１３）の軸方向外端面と接触して低抵抗で磨滅可能なアブレイダブルシール（１７）が設けられており、
   前記第２インペラ（１４）は翼先端部を囲むシュラウド（１５）を有し、該シュラウドの軸方向外端部（１５ａ）が円筒状に形成され、かつ該外端部を隙間を隔てて囲む円筒形内面（１６ａ）がケーシングに設けられており、これにより外端部（１５ａ）と円筒形内面（１６ａ）との隙間を維持したまま第２インペラが、高速電動機（１２）の発熱によるロータ軸及びケーシングの熱膨張差より大きく軸方向に移動可能に構成されている、ことを特徴とする高速モータ駆動圧縮装置。
2. 前記第１インペラ（１３）は第２インペラ（１４）よりも大径であり、これにより第１インペラ（１３）による圧力比が第２インペラ（１４）よりも高く構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の高速モータ駆動圧縮装置。
3. 前記第１インペラ（１３）の近傍にロータ軸（１１）に作用するスラスト力を支持するスラスト軸受（１８）が設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の高速モータ駆動圧縮装置。
4. 前記シュラウド（１５）の外端部（１５ａ）又はケーシング（１６）の円筒形内面（１６ａ）にラビリンスシールが構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の高速モータ駆動圧縮装置。
5. 前記第１インペラ（１３）は、圧縮機の１段インペラであり、前記第２インペラ（１４）は、圧縮機の２段インペラである、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の高速モータ駆動圧縮装置。

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