JP5631350B2

JP5631350B2 - 圧縮機

Info

Publication number: JP5631350B2
Application number: JP2012072221A
Authority: JP
Inventors: 昌樹弘川; 寛一平井; 信介尾▲崎▼
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: JP2013207864A

Description

本発明は、圧縮機に関するものであり、特にターボ圧縮機の高速モーターの冷却構造に関するものである。

超電導電力ケーブルや超電導変圧器、超電導モーター等の電力機器は、液体窒素温度レベルで動作する高温超電導体を用いたものである。この高温超電導体の冷却には、ヘリウムガスやネオンガスを循環ガス（冷媒ガスともいう）とするブレイトンサイクル冷凍機が利用されている。

このブレイトンサイクル冷凍機の圧縮機には、高速モーターを圧縮機の主軸と一体化したターボ圧縮機が使用される。同様に、ブレイトンサイクル冷凍機のタービンには、高速モーターをタービンの主軸と一体化したターボ膨張機が使用される。

ところで、ブレイトンサイクル冷凍機の循環ガス（冷媒ガス）は、冷凍機の小型化、高効率化を考慮して、０．５ＭＰａ〜３ＭＰａといった大気圧よりもかなり高い圧力で冷凍機の内部に封入されている。また、高温超電導電力機器を冷却するためのブレイトンサイクル冷凍機では、循環ガスの最低温度が液体窒素温度の−１９６℃（７７Ｋ）よりも低い温度レベル、例えば−２１３℃（６０Ｋ）となる。このため、ターボ圧縮機やターボ膨張機の軸受には、非接触で高速回転が可能な磁気軸受や気体軸受が多く用いられている。

一般にターボ圧縮機やターボ膨張機を駆動するモーターを高速回転させると、モーターの銅損や鉄損等による発熱、固定子と回転子とのすき間内の流体摩擦による発熱および気体軸受や磁気軸受の軸受すきま内の流体摩擦による発熱が発生する。また、磁気軸受を用いる場合には、電磁石コイルに電流を流すため、モーターと同様に銅損や鉄損等により発熱する。そして、モーターの回転数が高くなればなるほど、流体摩擦損失による発熱が急激に増加する。

ここで、流体摩擦損失は、流体の密度に比例するため、循環ガスの圧力が高くなれば密度が大きくなり、流体摩擦損失は増加することになる。特に、循環ガスとしてネオンガスを使用する場合には、ネオンガスがヘリウムよりも密度が大きく、しかも高い圧力で封入されているため、密度がさらに大きくなることから、モーターはさらに発熱するという問題があった。

このような高速モーターの発熱による温度上昇を抑制するための冷却方法として、モーターを収納するケーシングの外周部から空気や液体を用いて、モーターケーシングに固定された固定子及びモーターの主軸に固定された回転子を冷却する方法が一般に知られている（例えば、特許文献１及び２を参照）。また、その他の冷却方法として、モーターを収納するケーシング内部に冷却液の通路を形成し、モーターの主軸、固定子及び回転子を更に効率よく冷却する方法が知られている（例えば、特許文献３を参照）。

ところで、特許文献１及び２に開示されたように、モーターを収納するケーシングの外周部からモーターの主軸、固定子及び回転子をケーシングの熱伝導によって冷却する方法において、モーターを効率よく冷却するためには、モーターを収納するケーシング材料の熱伝導率が大きいことが重要である。

例えば、腐食に強いオーステナイト系ステンレス鋼とアルミ合金や銅合金とで熱伝導率を比較すると、オーステナイト系ステンレス鋼の熱伝導率λが１６（Ｗ／ｍ／Ｋ）であるのに対してアルミ合金や銅合金の熱伝導率λはおよそ１２０（Ｗ／ｍ／Ｋ）である。このように、アルミ合金や銅合金の熱伝導率は、オーステナイト系ステンレス鋼よりも７〜８倍も大きいため、モーターを収納するケーシングの材質にアルミ合金や銅合金を用いることで、モーターの温度上昇を低く抑えることができる。

また、モーター固定子をモーターケーシングに固定する方法としては、一般に焼きばめ方式が採用されるが、モーターケーシングの材質としてアルミ合金を用いた場合、鉄系の材料からなるモーター固定子と、アルミ合金からなるモーターケーシングとの間で熱膨張係数が異なる。すなわち、鉄系材料の熱膨張係数（β＝１１〜１３×１０^−６／℃）よりも、アルミ合金の熱膨張係数（β＝２３×１０^−６／℃）や銅合金の熱膨張係数（β＝２０×１０^−６／℃）の方が大きいため、モーターの温度上昇によってモーター固定子とモーターケーシングとの間にすき間が発生し、これが接触熱抵抗となってモーターを効率よく冷却することができないという問題があった。

この問題を解決するために、モーター固定子をアルミ合金で鋳ぐるみすることによってモーターケーシングとの接触熱抵抗をなくす方法が提案されている（例えば、特許文献４を参照）。

ところで、ターボ圧縮機は、圧縮機本体のケーシング内に、回転体であるインペラと該インペラの前面と対向する固定壁を有するシュラウドリングとが収納されている。また、圧縮機本体ケーシングはモーターケーシングに固定されており、前記シュラウドリングは前記圧縮機本体ケーシングに固定されている。一方、インペラは、モーターの主軸端に取り付けられている。そして、インペラの羽根間通路とシュラウドリングの固定壁との間には、シュラウドクリアランスと呼ばれる隙間（一般に０．３〜０．６ｍｍ程度）が設けられている。

しかしながら、モーターを効率よく冷却するために、熱伝導率が大きいアルミ合金や銅合金製のモーターケーシングを用いると、磁性体の鉄系材料で構成されるモーターの主軸との熱膨張係数の違いによって、モーターケーシングと主軸との軸方向の伸び量が異なってしまう。これにより、上述したシュラウドクリアランスが大きくなって、インペラの効率（すなわち、圧縮機の効率）が大きく低下してしまうという問題があった。

したがって、モーターケーシングの外周部に冷却液の冷却通路を形成し、ケーシングの半径方向の熱伝導によってモーター固定子を冷却する場合、ケーシングの材料に熱伝導率の大きいアルミ合金や銅合金を使用することができるのは、主軸の長さが相当短い小型の回転機械か、インペラの効率がそれ程高くない回転機械、もしくは作動流体が液体でモーター内部に作動流体を供給することでモーターの発熱や流体摩擦損失による発熱を除去できるものに限られてしまうという問題があった。

特開２０００−０９７１８６号公報特開２００２−１６８１８４号公報特開２００４−３４３８５７号公報特開平０７−１６３１０７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、高い効率を維持しつつ、モーターを効率よく冷却することが可能な圧縮機を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、中央部に回転子が設けられた主軸と、前記回転子と対向する固定子と、前記主軸を回転可能に保持する軸受と、前記主軸、前記固定子及び前記軸受を収納し、当該固定子を保持するモーターケーシングと、を少なくとも有する高速モーターと、前記主軸の少なくとも一端に設けられたインペラと、前記インペラの前面と対向する固定壁を有するシュラウドリングと、前記インペラ及び前記シュラウドリングを収納し、当該シュラウドリングを保持する圧縮機本体ケーシングと、を少なくとも有する圧縮機本体と、を備え、前記モーターケーシングと前記圧縮機本体ケーシングとが結合された圧縮機であって、前記モーターケーシングと前記固定子との間に、前記主軸及び当該モーターケーシングよりも熱伝導率が大きな材質からなる中空円筒状のリング部材を備え、前記リング部材は、外周面に軸方向端部の一端側から他端側にかけてらせん状の溝部が設けられ、前記外周面と前記モーターケーシングの内周面とが密接するように当該モーターケーシング側に気密に接合されて、前記溝部と前記内周面とから構成される第１冷却流体流路を有し、前記モーターケーシングは、当該外周面に軸方向端部の一端側から他端側にかけて設けられたらせん状の第２冷却流体流路と、当該モーターケーシングの外周面と内周面とを貫通する貫通孔と、を有し、前記貫通孔によって前記第１冷却流体流路と前記第２冷却流体流路とが連通されていることを特徴とする圧縮機である。

請求項１に係る圧縮機によれば、モーターケーシングと固定子との間に外周面に気密に形成された第１冷却流体流路を有する中空円筒状のリング部材（冷却ブッシュ）を備える構成となっている。このように、モーターケーシングの内側に、固定子と接するように冷却用の流路を有するリング部材を設けるため、モーターケーシングの内側から固定子を冷却することができる。また、リング部材の材質は、主軸及びモーターケーシングよりも熱伝導率が大きな材質を用いるため、冷却ブッシュの冷却能力を高めて固定子から効果的に熱を奪い去ることができる。

また、リング部材に、主軸及びモーターケーシングよりも熱伝導率が大きな材質を用いて、冷却機能を担当させるため、主軸及びモーターケーシングには、熱膨張率が低い材質を選択することができる。これにより、主軸とモーターケーシングとの軸方向の伸び量の差を抑制することができるため、インペラの効率を低下させることなく、圧縮機の効率を維持することができる。

また、請求項１に係る発明は、モーターケーシングの外周面に第２冷却流体流路が設けられる構成となっている。これにより、モーターケーシング内に収納されている軸受部等の回転子以外の発熱部を冷却することができる。

また、モーターケーシングの外周面と内周面とを貫通する貫通孔を有し、この貫通孔によって第１及び第２冷却流体流路が連通される構成となっている。これにより、モーターケーシングの内側の第１冷却流体流路に用いた冷却用の流体を第２冷却流体流路に対しても用いることができるため、冷却用流体の使用量の削減と、冷却構造の簡略化を図ることができる。

本発明の圧縮機によれば、高い効率を維持しつつ、モーターを効率よく冷却することが可能となる。

本発明を適用した第１の実施形態である圧縮機の断面図である。第１の実施形態である圧縮機を構成する高速モーター部分の断面図である。高速モーターのモーターケーシングを説明するための図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は拡大側面図である。第１の実施形態である圧縮機に用いる冷却ブッシュの側面図である。第２の実施形態である圧縮機を構成する高速モーター部分の断面図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である圧縮機について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜第１の実施形態＞
先ず、本発明を適用した第１の実施形態である圧縮機の構成について説明する。図１に示すように、本実施形態の圧縮機１は、高速モーター２と、圧縮機本体３（３Ａ，３Ｂ）とを、を備えており、高速モーター２の軸方向の両端に圧縮機本体３Ａ，３Ｂがそれぞれ結合されて、概略構成されている。

高速モーター２は、図１に示すように、その中央部に回転子４ａが設けられた主軸４と、この回転子４ａと対向する固定子５と、主軸４を回転可能に保持する軸受６（６ａ，６ｂ）及び軸受７（７ａ，７ｂ）と、主軸４、固定子５及び軸受６，７を収納するモーターケーシング８と、上記モーターケーシング８と固定子５との間に設けられた冷却ブッシュ（リング部材）９と、を少なくとも備えて構成されている。

主軸４は、図１に示すように、モーターケーシング８内において、軸受６（６ａ，６ｂ）及び軸受７（７ａ，７ｂ）によって回転可能に支持されている。また、主軸４は、軸方向の長さがモーターケーシング８の軸方向長さよりも長くなっており、両端部の一端４Ａ及び他端４Ｂがモーターケーシング８の両端から突き出している。この両端部４Ａ及び４Ｂには、それぞれ後述するインペラ１９Ａ，１９Ｂが固定されている。これにより、主軸４は、高速モーター２の回転主軸であるとともに、圧縮機本体３Ａ及び３Ｂの主軸としての機能を有している。

主軸４は、磁性体の鉄系材料で構成される。また、主軸４の材質は、後述するようにモーターケーシング８の材質と熱膨張係数がほぼ等しいことが好ましい。

回転子４ａは、主軸４の中央部に固定されている。また、固定子５は、回転子４ａの外周を包囲するように設けられている。この固定子５には、軸方向を挟むように界磁コイルが取り付けられており、界磁コイルによる磁界を主軸４に伝えることによって主軸４を回転させるように構成されている。

軸受６（６ａ，６ｂ）及び軸受７（７ａ，７ｂ）は、磁性体の鉄系材料で構成されている。また、軸受６及び軸受７は、主軸４を高速回転で支持可能なものであれば、特に限定されるものではない。このような軸受としては、流体軸受や磁気軸受等が挙げられる。本実施形態では、軸受６（６ａ，６ｂ）がラジアル軸受であり、主軸４の径方向の荷重を受けるようになっている。また、主軸４には軸方向の荷重を受けるためのスラスト板４ｂが設けられており、軸受７（７ａ，７ｂ）がスラスト（アキシャル）軸受となっている。

モーターケーシング８は、図１、図２及び図３（ａ）に示すように、両端にフランジ部８ａ，８ｂを有する中空筒状部材である。このモーターケーシング８は、図１に示すように、内部空間に主軸４、固定子５及び軸受６，７を収納する。また、モーターケーシング８は、冷却ブッシュ９を介して内側に固定子５を保持している。

モーターケーシング８は、鉄系のステンレス鋼で構成されている。また、モーターケーシング８の材質は、上述したように主軸４の材質と熱膨張係数がほぼ等しいことが好ましい。さらに、主軸４とモーターケーシング８とが、同一の材質で構成されていることがより好ましい。

モーターケーシング８の外周面には、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、軸方向端部の一端側（フランジ８ａ側）から他端側（フランジ８ｂ側）にかけて、らせん状の溝部１０が設けられている。また、モーターケーシング８の外周面には、図３（ａ）に示すように、らせん状の溝部１０が設けられている領域を覆うように、中空筒状のキャップ（カバー）部材１１が設けられている。そして、モーターケーシング８の外周面とキャップ部材１１の内周面とが密接されて接合されている。これにより、モーターケーシング８の外周面に、らせん状の溝部１０とキャップ部材１１の内周面とからなる外側冷却流路（第２冷却流体流路）１２が形成される。

ここで、本実施形態では、らせん状の溝部１０は、図１に示すように、軸受７から冷却ブッシュ９と対向する領域に設けられているが、位置及び範囲は特に限定されるものではない。例えば、高速モーター２の運転時に発熱する軸受６ａ及び６ｂに対向する領域に設けても良いし、モーターケーシング８の外周面の一端側（フランジ８ａ側）から他端側（フランジ８ｂ側）の全面に連続するように設けても良い。このように、らせん状の溝部１０（すなわち、外側冷却流路１２）を設けることにより、モーターケーシング８の内側に収納されている発熱個所を効果的に冷却することができる。

モーターケーシング８には、図３（ａ）に示すように、当該モーターケーシング８の外周面と内周面とを貫通する一対の貫通孔１３，１４が設けられている。また、貫通孔１３の外周面側には、冷却液の供給口１５が設けられている。これにより、モーターケーシング８の外側から内側に冷却液を供給可能とされている。

貫通孔１４の外周面側は、らせん状の溝部１０の一方の端部側と連通されている。これにより、モーターケーシング８の内側から外側冷却流路１２に冷却液を供給可能とされている。

キャップ部材１１には、当該キャップ部材１１の外周面と内周面とを貫通する図示略の貫通孔が設けられている。また、図示略の当該貫通孔の外周面側には、冷却液の排出口１６が設けられている。さらに、図示略の該貫通孔の内周面側は、らせん状の溝部１０の他方の端部側と対向するように設けられている。これにより、外側冷却流路１２からキャップ部材１１の外側（すなわち、モーターケーシング８の外側）に冷却液を排出可能とされている。

冷却ブッシュ（リング部材）９は、主軸４及びモーターケーシング８よりも熱伝導率が大きな材質（具体的には、銅合金あるいはアルミ合金）からなる中空円筒状の部材である。この冷却ブッシュ９は、図１に示すように、モーターケーシング８と固定子５との間に、設けられている。具体的には、冷却ブッシュ９は、当該冷却ブッシュ９の外周面とモーターケーシング８の内周面とが密接するように、モーターケーシング８側に接合されている。

ここで、冷却ブッシュ９とモーターケーシング８との接合は、図２に示すように、冷却ブッシュ９をモーターケーシング８の内側に挿入し、冷却ブッシュ９の両端外周面９ａ，９ｂとモーターケーシング８の内周面とを、真空ブレージング（真空ろう付けとも称される）等により接合する。これにより、冷却ブッシュ９の両端外周面９ａ，９ｂの周方向全域において、シール機能を持たせることができる。

また、冷却ブッシュ９の内周面と固定子５の外周面とが接することで、冷却ブッシュ９の内側に固定子５が保持される。具体的には、冷却ブッシュ９の内側に、固定子５が挿入あるいは焼きばめされる。

冷却ブッシュ９の外周面には、図４に示すように、軸方向端部の一端側（端部９ａ側）から他端側（端部９ｂ側）にかけて、らせん状の溝部１７が設けられている。ここで、らせん状の溝部１７の上面は開放されているが、上述したように冷却ブッシュ９をモーターケーシング８の内側に挿入し、当該冷却ブッシュ９の外周面とモーターケーシング８の内周面とが密接するように、モーターケーシング８側に接合することによって、らせん状の溝部１７の上面がモーターケーシング８の内周面によって閉塞される。これにより、冷却ブッシュの外周面に、らせん状の溝部１７とモーターケーシング８の内周面とからなる内側冷却流路（第１冷却流体流路）１８が形成される。

内側冷却流路１８は、他端側（端部９ｂ側）で貫通孔１３と、一端側（端部９ａ側）で貫通孔１４とそれぞれ連通されている。これにより、内側冷却流路（第１冷却流体流路）１８と外側冷却流路（第２冷却流体流路）１２とが連通される。したがって、冷却液を、供給口１５及び貫通孔１３を経て、モーターケーシング８の外側から内側冷却流路１８に供給することができる。また、内側冷却流路１８を流れた後の冷却液を、貫通孔１４を経て、モーターケーシング８の外周面に形成した外側冷却流路１２に供給することができる。さらに、外側冷却流路１２を流れた後の冷却液を、キャップ部材１１に設けられた図示略の貫通孔を経て、冷却液の排出口１６からモーターケーシング８の外側へと排出することができる。

冷却ブッシュ９の軸方向の長さは、特に限定されないが、固定子５とほぼ同等の長さであることが、冷却の観点で好ましい。また、冷却ブッシュ９の外周面に設けるらせん状の溝部１７の範囲も特に限定されるものではない。

本実施形態で適用可能な冷却液は、モーターケーシング８に収納された主軸４、固定子５及び軸受６，７を効果的に冷却可能なものであれば、特に限定されるものではない。このような冷却液としては、具体的には水、エチレングリコールやプロピレングリコールなどの不凍液、油等を挙げることができる。さらに、冷却液に代えて、冷却流体として気体、例えば、窒素、ヘリウム、ネオン等を用いても良い。

圧縮機本体３（３Ａ，３Ｂ）は、図１に示すように、主軸の一端４Ａ（他端４Ｂ）に設けられたインペラ１９（１９Ａ，１９Ｂ）と、インペラ１９の前面１９ａと対向する固定壁２０ａを有するシュラウドリング２０（２０Ａ，２０Ｂ）と、インペラ１９及びシュラウドリング２０を収納し、当該シュラウドリング２０を保持する圧縮機本体ケーシング２１（２１Ａ，２１Ｂ）と、を少なくとも備えて構成されている。圧縮機本体３Ａ及び３Ｂの内部には、ヘリウムやネオン等の循環ガス（冷媒ガス）が封入されている。なお、符号２２（２２Ａ，２２Ｂ）は、インペラ１９（１９Ａ，１９Ｂ）の出口側である。

ここで、圧縮機本体ケーシング２１Ａは、モーターケーシング８のフランジ部８ａでボルト等によって結合されている。また、シュラウドリング２０Ａは、圧縮機本体ケーシング２１Ａに固定されている。したがって、シュラウドリング２０Ａは、圧縮機本体ケーシング２１Ａを介してモーターケーシング８と結合されている。

インペラ１９Ａの前面１９ａとシュラウドリング２０Ａの固定壁２０ａとの間には、シュラウドクリアランスと呼ばれる隙間が設けられている。ここで、インペラ１９Ａは主軸４に固定されており、シュラウドリング２０Ａはモーターケーシング８に間接的に固定されている。このため、高速モーター２を駆動した際、主軸４とモーターケーシング８との軸方向の伸び量に変化が生じると、上記シュラウドクリアランスの値も変化することとなる。

次に、本実施形態の圧縮機１、すなわち高速モーター２を駆動した際の冷却動作について説明する。
図１に示すように、高速モーター２の主軸４が回転を開始すると、圧縮機本体３Ａ及び３Ｂにおいて主軸４の端部４Ａ及び４Ｂに固定されたインペラ１９Ａ及び１９Ｂが高速回転する。このインペラ１９Ａ及び１９Ｂによって、ヘリウムやネオン等の循環ガスが断熱圧縮されるため、インペラ１９Ａ及び１９Ｂの出口側２２Ａ及び２２Ｂの温度が上昇する。具体的には、例えば、３０℃の循環ガスを圧力比１．４程度まで圧縮すると、出口温度は９０℃近くまで上昇する。この時、比較的高温となる主軸４及びモーターケーシング８を熱膨張係数がほぼ等しい材料で構成しているため、軸方向の伸び量の差が抑制される。したがって、シュラウドクリアランスへの影響が少なく、圧縮機１の効率が低下するおそれがない。

また、主軸４の高速回転により、モーターの銅損や鉄損等による発熱、固定子５と回転子４ａとのすき間内の流体摩擦による発熱および軸受６，７の軸受すきま内の流体摩擦による発熱が発生する。これにより、固定子５、回転子４ａ、軸受６ａ，６ｂ、軸受７ａ，７ｂ及び主軸４自体の温度が上昇する。

そこで、本実施形態の圧縮機１では、冷却液を供給口１５から内側冷却流路１８に供給する。冷却液が内側冷却流路１８に沿って流れることで、冷却ブッシュ９全体が冷却される。そして、この冷却ブッシュ９によって、モーターケーシング８の内側から固定子５を直接冷却することができる。なお、冷却ブッシュ９は、銅合金やアルミ合金といった熱膨張係数が大きい材質で形成されているため、より効果的に固定子５を冷却することができる。

次に、内側冷却流路１８を流れた後の冷却液を、貫通孔１４からモーターケーシング８の外周面に形成した外側冷却流路１２に供給する。すなわち、冷却液は、内側冷却流路１８に沿って流れる過程で固定子５から熱を吸収して、モーターケーシング８の外側に排出される。冷却液が外側冷却流路１２に沿って流れることで、モーターケーシング８の内側に配設された軸受７（７ａ，７ｂ）を冷却することができる。

最後に、外側冷却流路１２を流れた後の冷却液を、排出口１６から排出する。すなわち、冷却液は、モーターケーシング８の外周面に設けられた外側冷却流路１２に沿って流れる過程で、モーターケーシング８の内側に収納された軸受７から熱を吸収した後に系外に排出される。

以上説明したように、本実施形態の圧縮機１によれば、モーターケーシング８と固定子５との間に、外側に内側冷却流路（第１冷却流体流路）１８が設けられた中空円筒状の冷却ブッシュ（リング部材）９を備えているため、モーターケーシング８の内側から固定子５を直接冷却することができる。また、冷却ブッシュ９の材質には、主軸４及びモーターケーシング８よりも熱伝導率が大きな銅合金あるいはアルミ合金を用いるため、固定子５から効果的に熱を奪い去ることができる。

また、冷却ブッシュ９に、主軸４及びモーターケーシング８よりも熱伝導率が大きな材質を用いて、冷却機能を担当させるため、主軸４及びモーターケーシング８には、熱膨張係数が大きい材質を選択することができる。これにより、主軸４とモーターケーシング８との軸方向の伸び量の差を抑制することができるため、インペラ１９（１９Ａ，１９Ｂ）の効率を低下させることなく、圧縮機１の効率を維持することができる。

また、本実施形態の圧縮機１によれば、モーターケーシング８の外周面に外側冷却流路（第２冷却流体流路）１２が設けられる構成となっている。これにより、モーターケーシング８の内側に収納されている軸受７等の回転子５以外の発熱部を効果的に冷却することができる。

また、モーターケーシング８の外周面と内周面とを貫通する貫通孔１４を設け、この貫通孔１４によって内側及び外側冷却流路１２，１８が連通される構成となっている。これにより、内側冷却流路１８に用いた冷却液を外側冷却流路１２に用いることができるため、冷却液の使用量を半減することができる。さらに、冷却液の供給配管の本数を半減することができるため、冷却構造の簡略化を図ることができる。

さらに、本実施形態の圧縮機１によれば、主軸４とモーターケーシング８とが、同一の材質、または熱膨張係数がほぼ等しい材料、例えばステンレス鋼で構成されているため、圧縮機１の運転中のこれらの軸方向の伸び量の差を少なくすることができる。これにより、主軸端４Ａ，４Ｂに固定されたインペラ１９（１９Ａ，１８Ｂ）の前面１９ａと、圧縮機本体ケーシング２１（２１Ａ，２１Ｂ）を介してモーターケーシング８と固定されたシュラウドリング２０（２０Ａ，２０Ｂ）の固定壁２０ａと、の間の隙間（シュラウドクリアランス）の変動量を抑制することができるため、圧縮機１として高い効率を維持することができる。

ところで、上述した特許文献３に開示された圧縮機の冷却構造によれば、モーターケーシングの内周面に冷却液の冷却通路を形成することにより、モーター固定子を効率よく冷却できるとされている。また、上記冷却構造では、モーターケーシングの内部に設けた冷却液通路からモーター巻き線端部に直接冷却液を吹き付ける冷却方法が記載されている。しかしながら、ヘリウムやネオンを循環ガスとする冷凍機のターボ圧縮機やターボ膨張機の内部には、これらのガスが封入されている。このため、冷却液を固定子等に吹き付けると冷凍機内部の循環ガスを汚染することとなり、結果として冷凍機の低温部において冷却液が凝固してしまうという問題があった。また、希少で高価なヘリウムやネオンなどの循環ガスが冷却液通路側にリークしてしまい、循環ガスの封入圧力が低下して冷凍機の能力が低下してしまうという問題があった。

これに対して、本実施形態の圧縮機１によれば、モーターケーシング８の内側に冷却ブッシュ９を挿入し、この冷却ブッシュ９の両端外周面９ａ，９ｂとこれに対向するモーターケーシング８の内周面とを真空ブレージング等により接合してシール機能を持たせた構成となっている。これにより、希少で高価なヘリウムやネオンなどの循環ガスが冷却液側（すなわち、内側冷却流路１８内）へリークすることを防止することができる。したがって、循環ガスの封入圧力を低下させることがなく、冷凍機の能力の低下を防ぐことができる。

また、本実施形態の圧縮機１によれば、冷却液の内側及び外側冷却流路１２，１８は、いずれも内側部材と外側部材とが密着して接合された境界に設けられており、内側部材の外周面に設けられたらせん状の溝部１０，１７の上方の開口部が外側部材の内周面によって閉塞されて構成されている。ここで、らせん状の溝部１０，１７は、部材の外周面に形成されるため、部材の内周面に形成する場合と比較して加工が容易である。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明を適用した第２の実施形態について説明する。本実施形態は、モーターケーシングの構成が第１の実施形態のモーターケーシング８と異なるものであり、その他の構成については第１の実施形態と同一であるため、その説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態のモーターケーシング２８は、軸方向の両端に設けられたケーシング部材２８Ａ及び２８Ｂと、軸方向の中央に上記ケーシング部材２８Ａ及び２８Ｂの間に設けられたケーシング部材２８Ｃとから構成されている。

軸方向の両端に設けられたケーシング部材２８Ａ及び２８Ｂは、熱伝導率が小さい材質、また、主軸と同一材質もしくは熱膨張係数がほぼ等しい材質、例えばステンレス鋼製とすることが好ましい。モーターケーシング２８の軸方向の両端に位置するケーシング部材２８Ａ及び２８Ｂは、モーターケーシング２８のインペラ１９Ａ及び１９Ｂに近接しており、高速モーターの駆動によって高温となる。ここで、ケーシング部材２８Ａ及び２８Ｂを熱伝導率が大きい材質、例えば銅合金製やアルミ合金製とすると、熱伝導によってモーターケーシング２８の内側の主軸４や軸受６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂの温度上昇を助長してしまうためである。

これに対して、軸方向の中央に設けられたケーシング部材２８Ｃは、熱伝導率が大きい材質、例えば銅合金製やアルミ合金製とすることが好ましい。ケーシング部材２８Ｃの外側には外側冷却流路１２が設けられており、冷却液と接する構造となっている。ここで、ケーシング部材を熱伝導率が大きい材質とすることにより、冷却液の流れによってケーシング部材２８Ｃが効果的に冷却されることになる。これにより、ケーシング部材２８Ｃを挟んで外側冷却流路１２と対向する位置に設けられるとともに、このケーシング部材２８Ｃの内周面で接触している軸受７ａ，７ｂを効果的に冷却することが可能となる。

ステンレス鋼製のケーシング部材２８Ａ及び２８Ｂと、銅合金製のケーシング部材２８Ｃとは、拡散接合や爆発圧接等によって接合されている。ここで、図５中に示す符号２３ａ，２３ｂが、異種金属の接合面を示している。

ところで、上述したように第１の実施形態で用いるモーターケーシング８は、ステンレス鋼製の単一の部材とされている。これに対して、本実施形態のモーターケーシング２８は、熱伝導率が大きい銅合金製のケーシング部材２８Ｃがケーシングの中央部に配置された構成となっており、モーターケーシング２８全体の軸方向の伸び量が主軸４の伸び量と異なってしまうことが懸念される。

しかしながら、ケーシング部材２８Ｃは、内周面で内側冷却流路１８（さらには冷却ブッシュ９の外周面）と、外周面で外側冷却流路１２と、それぞれ接する構造となっている。ここで、ケーシング部材２８Ｃは熱伝導率が大きい材質であり、冷却液で充満された内側及び外側冷却流路１２及び１８によって効果的に冷却されることになる。したがって、ケーシング部材２８Ｃが銅合金製であっても、ほぼ常温のままであり、定常運転中の熱膨張による軸方向の伸びはわずかである。言い換えると、銅合金製のケーシング部分は冷却されて温度がほとんど上昇しない部分であり、熱膨張による寸法変化を生じることはない。

一方、定常運転中に発熱によって温度が上昇し、高温になるのは、固定子５、軸受６，７及び主軸４であり、熱膨張によって軸方向に伸びる。また、ケーシング部材２８Ｃの両端部に接合したステンレス鋼製のケーシング部材２８Ａ及び２８Ｂの熱膨張係数は、磁性体の鉄系材料で構成された固定子５、軸受６，７及び主軸４とほぼ等しい。

したがって、主軸４の先端に取り付けられたインペラ１９の前面１９ａと固定壁２０ａとのシュラウドクリアランス（図１を参照）は減少する方向となる。このシュラウドクリアランスが減少するほどインペラの効率は向上するため、あらかじめこの減少分を考慮して組立することにより、高性能で、かつ、固定子５及び軸受６，７の温度上昇を抑制することが可能な圧縮機を提供することができる。

なお、銅合金製のケーシング部材２８Ｃの軸方向の範囲は、特に限定されるものではない。熱伝導率が大きな材質からなるケーシング部材２８Ｃと、この内側に挿入される冷却リング９とが、少なくとも一部の領域で対向していれば良い（接触していれば良い）。

以上説明したように、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、モーターケーシング２８の一部に熱伝導率の大きい材質からなるケーシング部材２８Ｃを用いられて構成されている。ケーシング部材２８Ｃは、冷却ブッシュ９と一部で接するように用いられるため、運転中のモーターケーシング２８全体の軸方向の寸法変動は少ない。

また、モーターケーシング２８の内周面には、冷却機能を担う冷却ブッシュ９が接合されており、この冷却ブッシュ９と接するケーシング部材２８Ｃは熱伝導率の大きい材質であるため、効果的に冷却されることとなる（すなわち、冷却ブッシュ９と接する少なくとも一部で接するケーシング部材２８Ｃは冷却ブッシュ９によって冷却されるので、寸法変動が少ない）。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述した第１及び第２の実施形態では、図１に示すように、主軸４の両端４Ａ，４Ｂにそれぞれインペラ１９Ａ，１９Ｂが固定された、高速モーター２の両端に圧縮機本体３Ａ，３Ｂを備えた構成を説明したが、主軸４のいずれか一端にインペラ１９が固定された、圧縮機本体３を１つだけ備えた構成であってもよい。また、圧縮機のかわりに、膨張機としてもよい。

１・・・圧縮機
２・・・高速モーター
３，３Ａ，３Ｂ・・・圧縮機本体
４・・・主軸
４ａ・・・回転子
５・・・固定子
６，６ａ，６ｂ，７，７ａ，７ｂ・・・軸受
８，２８・・・モーターケーシング
９・・・冷却ブッシュ（リング部材）
１０，１７・・・らせん状の溝部
１１・・・キャップ部材
１２・・・外側冷却流路（第２冷却流体流路）
１３，１４・・・貫通孔
１５・・・供給口
１６・・・排出口
１８・・・内側冷却流路（第１冷却流体流路）
１９，１９Ａ，１９Ｂ・・・インペラ
１９ａ・・・前面
２０，２０Ａ，２０Ｂ・・・シュラウドリング
２０ａ・・・固定壁
２１，２１Ａ，２１Ｂ・・・圧縮機本体ケーシング
２２，２２Ａ，２２Ｂ・・・インペラの出口側
２３ａ，２３ｂ・・・異種金属の接合面
２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ・・・ケーシング部材

Claims

中央部に回転子が設けられた主軸と、前記回転子と対向する固定子と、前記主軸を回転可能に保持する軸受と、前記主軸、前記固定子及び前記軸受を収納し、当該固定子を保持するモーターケーシングと、を少なくとも有する高速モーターと、前記主軸の少なくとも一端に設けられたインペラと、前記インペラの前面と対向する固定壁を有するシュラウドリングと、前記インペラ及び前記シュラウドリングを収納し、当該シュラウドリングを保持する圧縮機本体ケーシングと、を少なくとも有する圧縮機本体と、を備え、前記モーターケーシングと前記圧縮機本体ケーシングとが結合された圧縮機であって、
前記モーターケーシングと前記固定子との間に、前記主軸及び当該モーターケーシングよりも熱伝導率が大きな材質からなる中空円筒状のリング部材を備え、
前記リング部材は、外周面に軸方向端部の一端側から他端側にかけてらせん状の溝部が設けられ、前記外周面と前記モーターケーシングの内周面とが密接するように当該モーターケーシング側に気密に接合されて、前記溝部と前記内周面とから構成される第１冷却流体流路を有し、
前記モーターケーシングは、当該外周面に軸方向端部の一端側から他端側にかけて設けられたらせん状の第２冷却流体流路と、
当該モーターケーシングの外周面と内周面とを貫通する貫通孔と、を有し、
前記貫通孔によって前記第１冷却流体流路と前記第２冷却流体流路とが連通されていることを特徴とする圧縮機。