JP6734296B2 - エアコンプレッサーないし液体ポンプ - Google Patents

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Description

本発明は、エアコンプレッサーないし液体ポンプ、特に、高速エアコンプレッサーないし液体ポンプに関する。これは、フレームを有し、このフレームには、ステーターと、前記ステーターと相互作用して同期式のモーターを形成しシャフトを有するローターと、前記シャフトによって担持される少なくとも1つのタービンと、前記タービンへの流体供給チャネルと、及び圧縮流体のための出口チャネルとがマウントされており、前記ローターの前記シャフトは、第1のベアリング及び第2のベアリングによって前記フレーム上で軸のまわりを回転可能にマウントされている。
このような流体コンプレッサーは、一般的には、ターボコンプレッサー又は遠心コンプレッサーと呼ばれている。これらの流体コンプレッサーは、永久磁石同期式のモーター(ブラシレスモーター)を形成するステーターとローターを備える。このタイプのコンプレッサーは、非常に高速となることができる。例えば、100000〜500000rpmとなることができる。モーターが高速タービンを駆動し、このタービンが流体を圧縮する。流体は、空気、水、気体、冷媒又は他の適切な流体であることができる。これらのコンプレッサーは、圧縮流体を供給するために、多くの工業、医療、製薬、食料、自動車の用途において用いられており、特に、圧縮空気を供給するため、冷凍、暖房又は空調のために用いられている。
これらのコンプレッサーにおいて、モーターシャフトは、2つの軸方向のベアリングによってフレームに回転可能にマウントされる。ベアリングは、ボールベアリングを有することができる。しかし、このようなボールベアリングによって所望の回転速度を得ることは難しい。なぜなら、ボールとボールレースの間に速度の差があるからである。さらに、用いられるボールはセラミックスで作られるが、そのようなベアリングの寿命は、約100時間に抑えられる。なぜなら、回転速度が大きいからである。空力ベアリングのような他のタイプのベアリングも用いることができる。しかし、このタイプのベアリングには、始動時又は速度を変えているときに横断方向に変位してしまい、このことによって、ベアリング要素のレベルにて摩擦が発生してしまうという短所がある。
また、コンプレッサーは、一般的には、潤滑剤によって潤滑される。この短所は、潤滑剤が流体と混じり合って、圧縮流体が潤滑剤によって汚染されてしまうリスクがあることである。このことは、例えば、口に到来する圧縮空気が安全でなければならない歯科用途のような医療用途の場合に、特に、危険である。
最後に、これらのコンプレッサーは、一般的には、非常に大きな規模の設備において用いられており、コンプレッサーは、圧縮流体を必要とする機器から離れている。圧縮流体は、ネットワークにて提供される供給回路によって供給される。一般的には、この供給回路は長く、このことによって、供給回路上で流体が漏れてしまうリスクが発生する。圧縮空気回路における漏れは、圧力の損失をもたらし、このことによって、非常に大きな経済的な損失を発生させてしまう。さらに、圧縮流体を必要とする機器からコンプレッサーまでの距離のために、ネットワークには恒久的に圧力をかけられ続けて、必要に応じて当該機器に対して迅速に反応することができるようにされる。コンプレッサーを継続的に機能させるということは、電気エネルギーの消費が大きいことを意味している。
本発明の目的は、既知の高速コンプレッサーの様々な短所を改善することである。
また、本発明は、潤滑剤を必要とせず圧縮流体を何ら汚染させない高速エアコンプレッサーないし液体ポンプを提供することを目的とする。
このために、本発明は、フレームを有するエアコンプレッサーないし液体ポンプに関し、このフレームには、ステーターと、前記ステーターと相互作用して同期式のモーターを形成しシャフトを有するローターと、前記シャフトによって担持される少なくとも1つのタービンと、前記タービンへの流体供給チャネルと、及び圧縮流体のための出口チャネルとがマウントされており、前記ローターの前記シャフトは、第1のベアリング及び第2のベアリングによって前記フレーム上で軸のまわりを回転可能にマウントされている。
前記第1のベアリングには、前記シャフトの第1の端に設けられ前記シャフトの前記軸にセンタリングされるように配置される第1の球状要素と、及び前記フレームに設けられ、前記シャフトの前記軸にセンタリングされるように配置されたキャップの形態であり、前記第1の球状要素を支持するように設けられる第1のハウジングとがあり、前記第2のベアリングには、前記シャフトの第2の端に設けられ前記シャフトの前記軸にセンタリングされるように配置される第2の球状要素と、及び前記フレームに設けられ、前記シャフトの前記軸にセンタリングされるように配置されたキャップの形態であり、前記第2の球状要素を支持するように設けられる第2のハウジングとがある。
したがって、本発明に係るエアコンプレッサーないし液体ポンプは、圧縮流体を汚染することがある潤滑剤を使用せずに非常に高速に回転することができる。
好ましいことに、前記第1のハウジングは、前記流体供給チャネルにおいて設けることができる。
1つの特に好ましい実施形態によると、前記第1のハウジングは、前記流体供給チャネルにおいて前記シャフトの軸にセンタリングされるように配置されいくつかのブランチによって前記流体供給チャネルの壁上に保持される第1の支持要素にて設けることができ、前記ブランチの間を流体が流れることができる。
好ましいことに、前記第2のハウジングは、前記第1の支持要素の反対側にて、前記シャフトの軸にセンタリングされるように前記フレームにて配置された第2の支持要素にて設けることができる。
好ましい実施形態によると、前記第2の支持要素は、前記フレーム内にて滑るようにマウントすることができ、前記ローターと前記ステーターの間の間隙のばらつきを吸収するように設けられる弾性手段によって前記フレームに接続することができる。
好ましいことに、さらに、実質的に前記ローターの前記シャフトの両側にて少なくとも2つの空力ベアリングが設けられる。
1つの実施形態によると、前記タービンの上流に第1の空力ベアリングが設けることができ、前記第1の空力ベアリングは、前記流体供給チャネルにおいて前記シャフトの前記軸にセンタリングされるように配置されいくつかのブランチによって前記流体供給チャネルの壁上に保持される第3の支持要素によって担持され、前記ブランチの間を流体が流れることができる。
別の実施形態によると、前記タービンに下流に、第1の空力ベアリングが設けることができる。
好ましいことに、前記流体供給チャネルの反対側にて、前記ローターの前記シャフトの端のレベルにて、第2の空力ベアリングが設けることができる。
好ましい実施形態によると、前記ローターの前記シャフトの前記第1の端と前記第2の端の少なくとも一方には、前記シャフトの前記軸にセンタリングされるように配置されたキャップの形態であり前記球状要素を受けるように設けられる第3のハウジングがあることができ、前記球状要素は、前記第3のハウジング内にて自由にマウントされる。
別の実施形態によると、前記球状要素は、前記ローターの前記シャフトの第1の端及び第2の端の少なくとも一方と一体化されていることができる。
添付の図面に示されたもっぱら例としてのみ提供される本発明の実施形態(これに限定されない)についての下記の詳細な説明を読むことで、本発明の目的、利点及び特徴を明確に理解することができるであろう。
本発明に係る高速エアコンプレッサーないし液体ポンプの斜視図である。 図1のコンプレッサーの断面図である。 図2の領域Bの拡大図である。 図2の領域Cの拡大図である。 本発明に係るコンプレッサーを備える機械を概略的に示している。
図1及び2を参照すると、ターボコンプレッサー又は遠心コンプレッサーのタイプの高速エアコンプレッサーないし液体ポンプ1が示されている。エアコンプレッサーは、空気の圧力を大きくするように用いられ、液体ポンプは、水の圧力を大きくするように用いられる。以下の説明において、用語「流体」は、コンプレッサーに関連している場合には空気であり、ポンプに関連している場合には水であることができる。
既知の本質的な形態において、エアコンプレッサーないし液体ポンプ1は、ステーターとローターがマウントされているフレーム2を有する。このステーターとローターは、参照符号4及び5で概略的に示されている。ステーター4及びローター5は、永久磁石同期式の電気モーター(ブラシレスモーター)を形成するように相互作用する。
ローター5は、第1のベアリング7及び第2のベアリング8によって軸Aのまわりに回転可能にフレーム2上でマウントされているシャフト6を有し、第1のベアリング7は、シャフト6の第1の軸方向の端9を支持し、第2のベアリング8は、シャフト6の第2の軸方向の端10を支持するように設けられる。以下、第1及び第2のベアリング7及び8について詳細に説明する。
シャフト6は、第1の軸方向の端9の側に配置されたタービン12を担持している。当然、いくつかのタービンを設けることもできる。
また、エアコンプレッサーないし液体ポンプ1は、タービン12の方向に流体を供給するためのチャネル14と、本体15と、及び圧縮流体のための出口チャネル16とを有し、これらの要素は、フレーム2と一体化されている。
これらのエアコンプレッサーないし液体ポンプの様々な要素は、当業者に知られており、ここでの詳細な説明を必要としない。
本発明によると、第1のベアリング7は、シャフト6の第1の端9において、シャフト6の軸Aにセンタリングされるように配置された第1の球状要素18と、及びフレーム2に設けられ、シャフト6の軸Aにセンタリングされるように配置されたキャップの形態であり、第1の球状要素18を支持するように設けられる第1のハウジング20とを有する。
同様に、第2のベアリング8は、シャフト6の第2の端10において、シャフト6の軸Aにセンタリングされるように配置された第2の球状要素22と、及びフレーム2に設けられ、シャフト6の軸Aにセンタリングされるように配置されたキャップの形態であり、前記第2の球状要素22を支持するように設けられた第2のハウジング24とを有する。
図3にて詳細に示すように、流体供給チャネル14に、第1の球状要素18を支持する第1のハウジング20が設けられる。このために、流体供給チャネル14のシャフト6の軸Aにセンタリングされるように、切断された卵体の形態である第1の支持要素26が配置される。第1のハウジング20は、内側に向いている第1の支持要素26の端に形成された完全な面を有するキャップの形態である。第1のハウジング20を形成するキャップの半径は、第1の球状要素18の半径よりも大きい。第1のハウジング20及び第1の球状要素18の寸法構成は、前記第1の球状要素18が第1のハウジング20の内側に曲がった基礎部に接するようにされる。好ましくは、第1のハウジング20を形成するキャップ及び第1の球状要素18は、前記第1のハウジング20と前記第1の球状要素18の間にて、接線方向にて接触をするように、完全な球面を有する。第1の支持要素26は、3つのブランチ28によって前記流体供給チャネル14の内壁上に保持される(図1を参照)。これらのブランチ28は、流体がエアコンプレッサーないし液体ポンプ1に入ることができるように、互いに離れている。
図示した実施形態によると、シャフト6の第1の軸方向の端9には、キャップの形態であり、完全な面を有する第3のハウジング29がある。これは、シャフト6の軸Aにセンタリングされるように配置されて、第1の球状要素18を受けるように設けられる。この第1の球状要素18は、第3のハウジング29内にて自由にマウントされる。第3のハウジング29を形成するキャップの半径は、第1の球状要素18の半径よりも大きい。第3のハウジング29及び第1の球状要素18の寸法構成は、前記第1の球状要素18が第3のハウジング29の内側に曲がった基礎部に接するようにされる。したがって、第1の球状要素18は、第1及び第3のハウジング20、29を形成する2つのキャップの間で自由にマウントされるボールの形態であり、この第1及び第3のハウジング20、29の間に第1の球状要素18が保持される。好ましくは、第3のハウジング29を形成するキャップ及び第1の球状要素18は、前記第3のハウジング29と前記第1の球状要素18の間にて、接線方向にて接触をするように、完全な球面を有する。第3のハウジング29を形成するキャップの半径は、第1のハウジング20を形成するキャップの半径に対して、同じにすることができ、また、異なるようにすることもできる。
図4にて詳細に示すように、第2の球状要素22を支持する第2のハウジング24は、フレーム2に設けられた第2の支持要素30において、シャフト6の軸Aにセンタリングされるように、第1の支持要素26の反対側に設けられる。第2のハウジング24は、第2の支持要素30において、完全な面を有するキャップの形態で、シャフト6の反対側に形成される。第2のハウジング24を形成するキャップの半径は、第2の球状要素22の半径よりも大きい。第2のハウジング24及び第2の球状要素22の寸法構成は、前記第2の球状要素22が第2のハウジング24の内側に曲がった基礎部に接するようにされる。好ましくは、第2のハウジング24を形成するキャップ及び第2の球状要素22は、前記第2のハウジング24と前記第2の球状要素22の間にて、接線方向にて接触をするように、完全な球面を有する。第2の支持要素30は、フレーム2にて滑るようにマウントされ、フレーム2には、ばねのような弾性手段32によって接続され、これによって、ローター5とステーター4の間の間隙のばらつきを吸収する。
図示した実施形態によると、シャフト6の第2の軸方向の端10には、完全な面を有するキャップの形態であり、シャフト6の軸Aに対してセンタリングされるように配置され、第2の球状要素22を受けるようにされた第4のハウジング34がある。この第2の球状要素22は、前記第4のハウジング34内にて自由にマウントされる。第4のハウジング34を形成するキャップの半径は、第2の球状要素22の半径よりも大きい。第4のハウジング34及び第2の球状要素22の寸法構成は、前記第2の球状要素22が第4のハウジング34の内側に曲がった基礎部に接するようにされる。したがって、第2の球状要素22は、第2及び第4のハウジング24、34を形成する2つのキャップの間にて自由にマウントされるボールの形を有する。この第2及び第4のハウジング24、34の間に、第2の球状要素22が保持される。好ましくは、第4のハウジング34を形成するキャップ及び第2の球状要素22は、前記第4のハウジング34と前記第2の球状要素22の間にて、接線方向にて接触をするように、完全な球面を有する。第4のハウジング34を形成するキャップの半径は、第2のハウジング24を形成するキャップの半径に対して、同じであることができ、また、異なっていることもできる。
図示していない別の変形態様によると、第1の球状要素18は、シャフト6の第1の軸方向の端9と一体化されている。同様に、第2の球状要素22をシャフト6の第2の軸方向の端10と一体化することができる。このために、球状要素18、22に、接着剤を付けたり、シャフト6の端に係合して入れ込んだり、前記シャフト6と一体化したりすることができる。
当該球状要素は、好ましくは、セラミックス材料で作ることができ、又は他の適切な材料で作ることができる。この材料には、滑る効果を与える表面処理を施すことができる(例えば、Teflon(登録商標)のようなポリテトラフルオロエチレンによって作られたコーティング、又は非常に低い摩擦係数を有するように当業者に知られた他の適切なコーティングである)。
好ましいことに、エアコンプレッサーないし液体ポンプ1は、さらに、実質的にローターのシャフト6の両側にて第1及び第2の軸方向の端9及び10の方に向けて設けられた第1及び第2の空力ベアリングを有する。これには、参照符号36及び38を付与して概略的に示している。
図3に示す実施形態によると、第1の空力ベアリング36は、タービン12の上流に設けられる。このために、第1の支持要素26の下流にて、流体供給チャネル14のシャフト6の軸Aにセンタリングされるように配置された中央本体42を有する第3の支持要素40が設けられる。第1の空力ベアリング36は、中央本体42内に収容される。第3の支持要素40は、3つのブランチ44によって前記流体供給チャネル14の内壁上に保持される。これらのブランチ44は、流体がエアコンプレッサーないし液体ポンプ1に入ることができるように、互いに離れている。これらのブランチ44には、第1の空力ベアリング36に空気を供給することを可能にするチャネルがある。
図示しない別の変形態様において、第1の空力ベアリングをタービン12の下流に設けることができる。したがって、第1の空力ベアリング36に空気を供給することを可能にするチャネルをフレーム2にて設けることができ、これによって、アセンブリーの構造を単純化することができる。
第2の空力ベアリング38は、第2の軸方向の端10の近くに、軸方向及び半径方向の保持を確実にするように設けられる。図示していない変形態様によると、低い速度で又は速度が変化しているときに第2の球状要素22を支持するように前記第2の支持要素30を配置することができる電磁気システムに第2の支持要素30を接続して、シャフト6の中央の位置合わせを確実にすることができる。これによって、第2の空力ベアリング38のレベルにおける機能的な軸方向及び半径方向の間隙を確保する。他の場合において、第2の球状要素22から第2の支持要素30を離して第2の球状要素22を自由にするように電磁石システムが設けられる。したがって、空力ベアリング38は、機能的な軸方向及び半径方向の間隙を十分に確実にすることができる。
用いられる空力ベアリングは、当業者に知られており、ここでは詳細な説明を必要としない。空力ベアリングの使用が随意的であることは非常に明白であり、第1及び第2のベアリング7及び8のみを用いることができる。
図5を参照すると、機械50が示されており、この機械50は、当該機械の機能を達成することを可能にする少なくとも1つの機能的要素53と、及び制御ユニット54とを有するメインフレーム52を有する。上記のように、当該機械は、エアコンプレッサーないし液体ポンプ1を有し、このエアコンプレッサーないし液体ポンプ1は、メインフレーム52内にて機械に搭載される。このために、メインフレーム52は、流体供給チャネル14のレベルにて、エアコンプレッサーないし液体ポンプ1に流体を供給するための流体の入口を有する。また、メインフレーム52は、エアコンプレッサーないし液体ポンプ1を離れて機能的要素53に向かう圧縮流体を供給するために設けられる供給回路56を包囲する。
また、メインフレーム52は、圧縮流体貯槽58と、及びエアコンプレッサーないし液体ポンプ1と圧縮流体貯槽58との間に設けられる圧力増量機59とを有する。
また、メインフレーム52は、エアコンプレッサーないし液体ポンプ1の制御ユニット60を有する。これは、エアコンプレッサーないし液体ポンプ1をアクチュエートするために設けられる。制御ユニット54は、制御ユニット60と通信して、機能的要素53によって必要とされるときにのみエアコンプレッサーないし液体ポンプ1をアクチュエートするように設けられる。
好ましくは、エアコンプレッサーないし液体ポンプ1は、機械50において、ローター5のシャフト6の軸Aを鉛直方向に配置して配置される。この鉛直方向の姿勢において、本発明のベアリングは、単一のセンタリングされた球状要素を有し、これによって、ローター5の重量を中央に保持して、シャフト6の変位のリスクを最大限小さくする。したがって、シャフト6が自動的にセンタリングされ、本発明に係るベアリングによって、軸方向及び半径方向の保持が可能になる。さらに、本発明に係るベアリングと、空力ベアリングとを組み合わせて用いることによって、ローター5の始動時や速度の変化時に機能的な半径方向及び軸方向の間隙を保持することができる。
本発明に係るエアコンプレッサーないし液体ポンプによって、100000rpm〜1000000rpmの非常に高速な回転を達成することができる。このように非常に高速であることによって、同じパワーに対してエアコンプレッサーないし液体ポンプの寸法構成を小さくすることができ、これによって、エアコンプレッサーないし液体ポンプを機械のメインフレーム内に搭載することが可能になる。当該機械から、中央ネットワークに属するコンプレッサーへのいずれの接続も、不要となる。したがって、機能的要素への圧縮流体供給回路は、非常に短い。このことによって、漏れのリスクが減り、また、中央ネットワークを通る圧縮流体の輸送の間に発生することがある汚染を回避することができる。また、このことによって、エアコンプレッサーないし液体ポンプの反応時間を非常に速くすることができ、これによって、機能的要素の要求があったときにのみエアコンプレッサーないし液体ポンプを機能させることができる。機能的要素53によって圧縮流体を要求されない場合、このダウンタイム中にエネルギーの消費がないように当該エアコンプレッサーないし液体ポンプ1が止められる。その結果、機械の総合的なエネルギー消費量を減らすことができる。さらに、本発明に係るエアコンプレッサーないし液体ポンプは、潤滑剤なしで機能して、圧縮流体を汚染するリスクがあるような潤滑剤をなくすことができる。
本発明に係るエアコンプレッサーないし液体ポンプは、圧縮流体を供給するために、工業、医療、製薬、食料、自動車の用途のような多くの用途において用いることができる。特に、圧縮空気を供給する用途、冷凍、暖房又は空調の用途において用いることができる。

Claims (8)

  1. フレーム(2)を有するエアコンプレッサーないし液体ポンプ(1)であって、
    このフレーム(2)には、ステーター(4)と、前記ステーター(4)と相互作用して同期式のモーターを形成しシャフト(6)を有するローター(5)と、前記シャフト(6)によって担持される少なくとも1つのタービン(12)と、前記タービン(12)への流体供給チャネル(14)と、及び圧縮流体のための出口チャネル(16)とがマウントされており、
    前記ローター(5)の前記シャフト(6)は、第1のベアリング(7)及び第2のベアリング(8)によって前記フレーム(2)上で軸(A)のまわりを回転可能にマウントされており、
    前記第1のベアリング(7)には、前記シャフトの第1の端(9)に設けられ前記シャフト(6)の前記軸(A)にセンタリングされるように配置される第1の球状要素(18)と、及び前記フレーム(2)に設けられ、前記シャフト(6)の前記軸(A)にセンタリングされるように配置された内側に曲がった基礎部を有するキャップの形態であり、前記第1の球状要素(18)を支持するように設けられる第1のハウジング(20)とがあり、
    前記第2のベアリング(8)には、前記シャフトの第2の端(10)に設けられ前記シャフト(6)の前記軸(A)にセンタリングされるように配置される第2の球状要素(22)と、及び前記フレーム(2)に設けられ、前記シャフト(6)の前記軸(A)にセンタリングされるように配置された内側に曲がった基礎部を有するキャップの形態であり、前記第2の球状要素(22)を支持するように設けられる第2のハウジング(24)とがあり、
    前記第1のハウジング(20)を形成するキャップの半径は、前記第1の球状要素(18)の半径より大きく、該第1の球状要素(18)は前記第1のハウジング(20)の内側に曲がった基礎部と接線方向に接触をなし、
    前記第2のハウジング(24)を形成するキャップの半径は、前記第2の球状要素(22)の半径より大きく、該第2の球状要素(22)は前記第2のハウジング(24)の内側に曲がった基礎部と接線方向に接触をなし、さらに、
    実質的に前記ローター(5)の前記シャフト(6)の両側に、少なくとも2つの空力ベアリング(36、38)が設けられている
    ことを特徴とするエアコンプレッサーないし液体ポンプ。
  2. 前記第1のハウジング(20)は、前記流体供給チャネル(14)に設けられることを特徴とする請求項1に記載のエアコンプレッサーないし液体ポンプ。
  3. 前記第1のハウジング(20)は、前記流体供給チャネル(14)内で前記シャフト(6)の軸(A)にセンタリングされる第1の支持要素(26)に設けられているとともに、該第1の支持要素(26)はいくつかのブランチ(28)によって前記流体供給チャネル(14)の壁上に保持されており、さらに、前記ブランチ(28)の間を流体が流れることができる
    ことを特徴とする請求項2に記載のエアコンプレッサーないし液体ポンプ。
  4. 前記第2のハウジング(24)は第2の支持要素(30)に設けられており、該第2の支持要素(30)は前記シャフト(6)の第2の端(10)に近接した位置で前記シャフト(6)の軸(A)にセンタリングされるように前記フレーム(2)に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のエアコンプレッサーないし液体ポンプ。
  5. 前記第2の支持要素(30)は、前記フレーム(2)内で滑るようにマウントされるとともに、前記ローター(5)と前記ステーター(4)の間の間隙のばらつきを吸収するように設けられる弾性手段(32)を介して前記フレーム(2)に接続されることを特徴とする請求項4に記載のエアコンプレッサーないし液体ポンプ。
  6. 前記タービン(12)の上流に第1の空力ベアリング(36)が設けられ、前記第1の空力ベアリング(36)は、前記流体供給チャネル(14)において前記シャフト(6)の前記軸(A)にセンタリングされるように配置されいくつかのブランチ(44)によって前記流体供給チャネル(14)の壁上に保持される第3の支持要素(40)によって担持され、前記ブランチ(44)の間を流体が流れることができることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のエアコンプレッサーないし液体ポンプ。
  7. 前記タービン(12)の下流に、第1の空力ベアリングが設けられることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のエアコンプレッサーないし液体ポンプ。
  8. 前記流体供給チャネル(14)の反対側において、前記ローター(5)の前記シャフト(6)の端の近くに、第2の空力ベアリング(38)が設けられることを特徴とする請求項のいずれかに記載のエアコンプレッサーないし液体ポンプ。
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