JP6780362B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の圧縮機が知られている。この圧縮機は、インペラの回転軸を回転させるモータと、回転軸を非接触で支持する磁気軸受部とを備えている。また、磁気軸受部は、回転軸に設けられたアキシャルディスク部と、アキシャルディスク部を軸方向に挟んで配置された一対の電磁石とを備えている。この圧縮機では、変位センサで検知された変位に基づいて、回転軸を吸引する電磁石の吸引力が調整され、回転軸の位置が一定に制御される。

特開2014-43834号公報

磁気軸受部においては、電磁石に要求される吸引力が大きくなると必要な電流が大きくなる。そうすると、電磁石の容量を大きくするのみならず、電流供給用のアンプや電源ユニット等の付帯の装置の容量も大きくする必要があり、圧縮機全体の製造コストアップの要因になってしまう。よって、磁気軸受部の電磁石に必要とされる電流を可能な限り小さくすることが望まれる。

本発明は、磁気軸受部の電磁石の必要な容量を低減することができる圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の圧縮機は、インペラと、インペラの回転軸と、回転軸に設けられたアキシャルディスク部と、アキシャルディスク部をスラスト方向に挟んで配置されアキシャルディスク部を互いに反対の方向に磁気吸引する一対の電磁石と、を有し、回転軸をスラスト方向に支持する磁気軸受部と、を備え、一対の電磁石のうち、インペラの回転によって発生するガススラスト力に対抗する方向にアキシャルディスク部を磁気吸引する一方の電磁石を第１電磁石とし、他方の電磁石を第２電磁石としたときに、運転中におけるアキシャルディスク部と第１電磁石とのギャップが、アキシャルディスク部と第２電磁石とのギャップよりも小さくなるように設定されている。

本発明の圧縮機は、回転軸の所定の制御基準点の位置を一定に維持するように、第１及び第２電磁石の磁気吸引力を操作する制御部を備え、アキシャルディスク部は、スラスト方向において、第１電磁石と制御基準点との間に位置するようにしてもよい。

本発明によれば、圧縮機の磁気軸受部の電磁石の必要な容量を低減することができる。

本実施形態の圧縮機を模式的に示す断面図である。 シャフトの位置制御に必要な構成要素を模式的に示す図である。 （ａ）は、運転中における電磁石とアキシャルディスク部との位置関係を示す図であり、（ｂ）は、運転前における電磁石とアキシャルディスク部との位置関係を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る圧縮機の実施形態について詳細に説明する。

図１に示される圧縮機１は、直列式の２段圧縮機であり、ガスを圧縮する第１コンプレッサ部３ａと、第１コンプレッサ部３ａで圧縮されたガスを更に圧縮する第２コンプレッサ部３ｂと、を備えている。第１コンプレッサ部３ａの第１インペラ５ａと第２コンプレッサ部３ｂの第２インペラ５ｂとはシャフト６（回転軸）を介して連結されており、第１インペラ５ａはシャフト６の一端に設けられ、第２インペラ５ｂはシャフト６の他端に設けられている。第１インペラ５ａ、第２インペラ５ｂ及びシャフト６が一体となって圧縮機１のハウジング７内で回転軸線Ａ周りに回転する。

以下の説明において、単に「軸方向」、「周方向」、「径方向」というときは、それぞれ、シャフト６の回転軸方向、シャフト６の回転周方向、シャフト６の回転径方向を意味するものとする。また、以下の説明において「右方向」、「左方向」などの語を用いる場合には、図１の右左に対応させて、第１インペラ５ａ側を左側、第２インペラ５ｂ側を右側とする。

圧縮機１のハウジング７は、第１インペラ５ａを内部に収容する第１ハウジング７ａと、第２インペラ５ｂを内部に収容する第２ハウジング７ｂと、第１ハウジング７ａと第２ハウジング７ｂとの間に配置されたシャフトハウジング７ｃとを備えている。第１ハウジング７ａには、第１インペラ５ａを周方向に囲む第１スクロール９ａが形成されている。同様に、第２ハウジング７ｂには、第２インペラ５ｂを周方向に囲む第２スクロール９ｂが形成されている。シャフトハウジング７ｃの内部にはシャフト６が収容されている。

シャフトハウジング７ｃの内部には、シャフト６を回転させるモータ部１３が当該シャフト６の周囲に設けられている。モータ部１３は、シャフト６に固定されたロータ１３ｒと、シャフトハウジング７ｃに固定されたステータ１３ｓとを備えている。ステータ１３ｓのモータコイルに電流が供給されることにより、ロータ１３ｒ及びシャフト６が回転し、第１インペラ５ａ及び第２インペラ５ｂが回転する。このように、圧縮機１は、モータ部１３の回転力が第１インペラ５ａ及び第２インペラ５ｂに直接伝達されるダイレクトドライブ方式の圧縮機である。

第１ハウジング７ａの吸気口１５ａから軸方向に流入したガスは、回転する第１インペラ５ａで径方向に加速された後、第１スクロール９ａにより減速され昇圧される。第１スクロール９ａから送出されたガスは、接続配管（図示せず）を経由して第２ハウジング７ｂの吸気口１５ｂから軸方向に導入される。上記接続配管の途中にはガスを冷却するクーラが設けられてもよい。吸気口１５ｂから導入されたガスは、回転する第２インペラ５ｂで径方向に加速され、第２スクロール９ｂで減速され昇圧される。このように、圧縮機１は、第１インペラ５ａを含む第１コンプレッサ部３ａと、第２インペラ５ｂを含む第２コンプレッサ部３ｂと、によって２段階でガスを圧縮する。

シャフトハウジング７ｃの内部には、シャフト６を径方向に支持する２つのラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂと、シャフト６を軸方向に支持する１つのスラスト磁気軸受部２１と、が設けられている。ラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂは、モータ部１３を間に挟んで第１インペラ５ａ側と第２インペラ５ｂ側とに配置されている。ラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂは、径方向への磁気吸引力によってシャフト６の径方向の位置を規制し、シャフト６を非接触で径方向に支持する。

スラスト磁気軸受部２１は、軸方向において、モータ部１３とラジアル磁気軸受部１９ａとの間に配置されている。スラスト磁気軸受部２１は、シャフト６から径方向に張出すように鍔状に設けられた円板状のアキシャルディスク部２３と、アキシャルディスク部２３を軸方向に挟む一対の電磁石２５ａ，２５ｂと、を備えている。電磁石２５ａ（第１電磁石）は、磁力によってアキシャルディスク部２３を第１コンプレッサ部３ａ側に吸引する。電磁石２５ｂ（第２電磁石）は、磁力によってアキシャルディスク部２３を第２コンプレッサ部３ｂ側に吸引する。そして、電磁石２５ａによる吸引力と電磁石２５ｂによる吸引力とが制御されることで、アキシャルディスク部２３及びシャフト６の軸方向の位置が維持され、シャフト６はスラスト磁気軸受部２１によって非接触で軸方向に支持される。

また、シャフトハウジング７ｃ内において、ラジアル磁気軸受部１９ａと第１インペラ５ａとの間には、タッチダウン軸受２９ａが設けられており、ラジアル磁気軸受部１９ｂと第２インペラ５ｂとの間には、タッチダウン軸受２９ｂが設けられている。タッチダウン軸受２９ａ，２９ｂは、通常時にはシャフト６と非接触であり、ラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂに不具合が発生した場合に、非常用のシャフト６の軸受として機能する。タッチダウン軸受２９ａ，２９ｂには、玉軸受などが採用される。

続いて、図１〜図３を参照しながら、制御装置３７（制御部）及びスラスト磁気軸受部２１によるシャフト６の軸方向の位置制御について更に詳細に説明する。図２は、この位置制御に関係する構成要素を模式的に示す図であり、図３は、電磁石２５ａ，２５ｂとアキシャルディスク部２３との位置関係を示す図である。また、図２に示される各符号の意味は次の通りである。
Ｑａ：電磁石２５ａがアキシャルディスク部２３に対して発生する左向きの磁気吸引力
Ｑｂ：電磁石２５ｂがアキシャルディスク部２３に対して発生する右向きの磁気吸引力
Ｇａ：電磁石２５ａとアキシャルディスク部２３とのギャップ（間隙）
Ｇｂ：電磁石２５ｂとアキシャルディスク部２３とのギャップ（間隙）
Ｉａ：制御装置３７から電磁石２５ａに供給される駆動電流
Ｉｂ：制御装置３７から電磁石２５ｂに供給される駆動電流
なお、電磁石２５ａ，２５ｂは、例えば、図３に示されるように、コイル２５ｈとコア２５ｊとを有している。この場合、厳密には、図３に示されるように、コア２５ｊの先端面とアキシャルディスク部２３の面との間の距離がギャップＧａ，Ｇｂに相当する。

シャフト６の軸方向の位置制御を行うために、圧縮機１は、変位センサ３３ａ，３３ｂを備えている。変位センサ３３ａはモータ部１３の左側に配置され、変位センサ３３ｂはモータ部１３の右側に配置されている。変位センサ３３ａ，３３ｂは、シャフト６の軸方向の変位を検知する。例えば、変位センサ３３ａ，３３ｂとしては、シャフト６の外周面に設けられたセンサターゲット３６ａ，３６ｂの位置を非接触で検知する方式のものを用いてもよい。

制御装置３７は、センサターゲット３６ａの軸方向の変位を示す変位信号を変位センサ３３ａから取得すると共に、センサターゲット３６ｂの軸方向の変位を示す変位信号を変位センサ３３ｂから取得する。また、制御装置３７は、電磁石２５ａ，２５ｂへの供給電流を操作することで、電磁石２５ａ，２５ｂの磁気吸引力を操作することができる。

制御装置３７は、２つの変位センサ３３ａ，３３ｂから取得した変位信号に基づく所定の演算により、シャフト６上に設定された所定の制御基準点４１の軸方向の変位を算出する。例えば、制御基準点４１がセンサターゲット３６ａとセンサターゲット３６ｂとの中点に設定されている場合には、制御装置３７は、センサターゲット３６ａの変位とセンサターゲット３６ｂの変位とを平均して制御基準点４１の軸方向の変位を算出することができる。そして、制御装置３７は、得られた制御基準点４１の変位に基づき、当該制御基準点４１の変位をゼロにするように、電磁石２５ａ，２５ｂへの供給電流を操作する。すなわち、圧縮機１の運転中においては、制御基準点４１の軸方向の位置をハウジング７に対して一定に維持するようなフィードバック制御が実行される。シャフト６上の制御基準点４１は、運転中において、ハウジング７に対し軸方向で不動の点となる。

なお、制御基準点４１は、シャフト６の位置制御を実行するための位置制御プログラムにおいて、シャフト６上の任意の位置に設定することができる仮想の点である。例えば、制御装置３７は、センサターゲット３６ａの変位とセンサターゲット３６ｂの変位とのそれぞれに所定の重みを付与する加重平均によって、任意の位置に設定された制御基準点４１の軸方向の変位を算出することができる。

ここで、インペラ５ａ，５ｂの回転によってシャフト６に発生するガススラスト力について説明する。回転するインペラ５ａは、軸方向に右向きにガスを吸入し径方向外側に向けて加速する。このガスからの反作用によって、インペラ５ａは左向きのスラスト力Ｆａを受ける。同様の原理によりインペラ５ｂは右向きのスラスト力Ｆｂを受ける。そして、シャフト６には、上記のスラスト力Ｆａとスラスト力Ｆｂとの合力が、ガススラスト力Ｆとして作用する。例えば、圧縮機１の場合、第２コンプレッサ部３ｂによるガスの圧力比が、第１コンプレッサ部３ａによるガスの圧力比よりも高く、Ｆｂ＞Ｆａであるものとする。従ってこの場合、圧縮機１では、シャフト６に作用するガススラスト力Ｆは右向きである。

上記の右向きのガススラスト力Ｆに釣合わせるために、スラスト磁気軸受部２１では、電磁石２５ａの磁気吸引力Ｑａと、電磁石２５ｂの磁気吸引力Ｑｂと、の関係を、Ｑａ＞Ｑｂとする必要がある。すなわち、ガススラスト力Ｆに対抗する方向にアキシャルディスク部２３を磁気吸引する電磁石２５ａの磁気吸引力Ｑａを、他方の電磁石２５ｂの磁気吸引力Ｑｂよりも大きくする必要がある。

ここで、電磁石が対象物に対して発生する磁気吸引力は、電磁石と対象物とのギャップの２乗に反比例する。この知見に基づいて、圧縮機１では、図３（ａ）に示されるように、運転中（例えば、定格運転中）において、ギャップＧａがギャップＧｂよりも小さくなるように設定されている。すなわち、運転中において、アキシャルディスク部２３が電磁石２５ｂよりも電磁石２５ａに寄った位置で回転する。

具体的には、運転中のシャフト６の制御基準点４１が変位ゼロのときに、アキシャルディスク部２３が電磁石２５ｂよりも電磁石２５ａに寄った位置に配置されるような位置関係で、制御基準点４１、変位センサ３３ａ，３３ｂ、電磁石２５ａ，２５ｂ、及びアキシャルディスク部２３の位置関係が設定される。なお、運転中においては、回転時の風損によってインペラ５ａ，５ｂ及びシャフト６が高温になり熱膨張するので、上記の位置関係の設定には、熱膨張によりシャフト６が軸方向に伸長することも考慮に含まれている。また、当然ながら、シャフト６が熱膨張した場合にアキシャルディスク部２３が電磁石２５ａに接触しないように設定されている。なお、図３（ｂ）に示されるように、運転前（シャフト６が回転していないとき）においては、ギャップＧａとギャップＧｂとが等しくなるようにしてもよい。

運転中において、ギャップＧａがギャップＧｂよりも小さくなることによる作用効果について説明する。ギャップＧａとギャップＧｂとを等しくする運転に比較して、ギャップＧａが小さくなることにより、電磁石２５ａが磁気吸引力Ｑａを発生させるために必要な電流Ｉａを低減することができる。その一方で、電磁石２５ｂが発生すべき磁気吸引力Ｑｂはもともと比較的小さいため、ギャップＧｂが大きくなったことに起因して必要となる電流Ｉｂの増加も比較的小さい。また、ギャップＧａがギャップＧｂよりも小さい場合には、ギャップＧａとギャップＧｂとが等しい場合に比較して、電流Ｉａと電流Ｉｂとの合計を小さくすることもできる。

以上により、運転中においてギャップＧａをギャップＧｂよりも小さくする構成によれば、電流Ｉａ、電流Ｉｂの何れも極端に大きくする必要がなく、よって、電磁石２５ａ，２５ｂの電流の容量を何れも極端に大きくする必要がない。従って、電磁石２５ａ，２５ｂへの電流供給に係るアンプや電源ユニットの容量も削減することができ、その結果、圧縮機１の製造コストを削減することができる。また、前述の通り、電流Ｉａ、電流Ｉｂの何れも極端に大きくする必要がないことから、スラスト磁気軸受部２１及び圧縮機１の消費電力やランニングコストも低減される。

また、圧縮機１では、図２に示される通り、アキシャルディスク部２３が、軸方向において、電磁石２５ａと制御基準点４１との間に位置するといった位置関係がある。このような位置関係により得られる作用効果について説明する。

運転中においてシャフト６が熱膨張した場合には、ハウジング７に対して不動である制御基準点４１を中心としてシャフト６が左右に伸長することになる。そして、アキシャルディスク部２３は、上記熱膨張に起因して、制御基準点４１から離れ電磁石２５ａに近づく方向（左方向）に移動する。すなわち、運転中のアキシャルディスク部２３は、運転前（熱膨張が発生していないとき）に比較して、電磁石２５ａに寄った位置に移動することになる。従って、運転前にはギャップＧａとギャップＧｂとが等しく、運転中にはギャップＧａがギャップＧｂよりも小さくなる、といった現象を、シャフト６の熱膨張を利用して自動的に発生させる設定が可能になる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。例えば、実施形態では、本発明を２段圧縮機に適用しているが、本発明は、１段圧縮機や３段以上の多段圧縮機にも適用可能である。また、アキシャルディスク部２３は円板状に限られず、電磁石２５ａ，２５ｂからの軸方向成分の吸引力を受ける形状であればよい。

１ 圧縮機
５ａ、５ｂ インペラ
６ シャフト（回転軸）
２１ スラスト磁気軸受部
２３ アキシャルディスク部
２５ａ 電磁石（第１電磁石）
２５ｂ 電磁石（第２電磁石）
３７ 制御装置（制御部）
４１ 制御基準点
Ｇａ、Ｇｂ ギャップ
Ｆ ガススラスト力

Claims (2)

1. インペラと、
   前記インペラの回転軸と、
   前記回転軸に設けられたアキシャルディスク部と、前記アキシャルディスク部をスラスト方向に挟んで配置され前記アキシャルディスク部を互いに反対の方向に磁気吸引する一対の電磁石と、を有し、前記回転軸をスラスト方向に支持する磁気軸受部と、
   運転中に前記回転軸の所定の制御基準点の位置を一定に維持するように、前記一対の電磁石の磁気吸引力を操作する制御部と、を備え、
   前記一対の電磁石のうち、前記インペラの回転によって発生するガススラスト力に対抗する方向に前記アキシャルディスク部を磁気吸引する一方の電磁石を第１電磁石とし、他方の電磁石を第２電磁石としたときに、
   運転中における前記アキシャルディスク部と前記第１電磁石とのギャップが、前記アキシャルディスク部と前記第２電磁石とのギャップよりも小さくなるように前記制御基準点と前記アキシャルディスクとの位置関係が設定されている、圧縮機。
2. 前記アキシャルディスク部は、前記スラスト方向において、前記第１電磁石と前記制御基準点との間に位置する、請求項１に記載の圧縮機。

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