JP7117458B2 - バランスシールピストン、並びに関連する冷却回路及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一体型モータ圧縮器に関するものであり、より具体的には、スラストバランスシールピストン、冷却回路、並びにそのようなピストンを実現する冷却方法に関する。

図１を参照すると、一体型モータ圧縮器が、モータ圧縮器によって取り扱われるガスに対して緊密である共通のケース２を備え、このケースの中に、電動モータ３と、圧縮器群４、例えば、シャフト９によって担持された１組のインペラ５、６、７及び８を含んだ多段式群と、が配置されている。モータ３は、圧縮器群４のシャフト９に連結されたロータ１０を回転駆動する。軸受１１、１２、１３及び１４は、モータ圧縮器のシャフトラインを支持するために使用されるものであり、スラストバランスシールピストン１５がシャフト９上に装着されている。

モータ圧縮器１は、ガス吸引ライン１６と、吐出ライン１７と、モータ圧縮器の出口から抽出されたガスを冷却するための吸入ライン１８と、を更に備えている。

トルクバランスシールピストン１５は、インペラホイール５、６、７及び８に加えられる吸引圧力と吐出圧力との差圧を補償するためのバランスピストン１９と、圧力損失を発生させることによってシャフトの端部を緊密にするためのバランスピストン１９を取り囲むシール装置２０と、を備えている。

漏洩流は、ピストン１５を軸方向に通過し、吸引ライン１６に接続された漏洩ライン２１によってケース２から排出される。

圧縮器４によって圧縮された、漏洩ライン２１によって収集されたガスは、吸引ライン１６内のガスの温度よりも高い温度にある。

一般に、モータ圧縮器の入口において受容されるガスの温度は、２０～５０℃程度であり、漏洩ガスの温度は、１８０℃程度である。

このため、漏洩ガスは、吸引ライン１６を循環するガスの温度を上昇させて圧縮器４の効率を低下させる。

吐出ライン１７は、圧縮ガスを冷却するために、一般に冷却器２２に接続されている。

冷却器２２から離脱するガスの一部が、冷却ガス受容ライン１８によってケース２の中へと抽出及び注入される。内部的に、このライン１８は、電気モータ３と軸受１１、１２、１３及び１４とを冷却するためにケース２の冷却手段２３に接続されている。

ある変形例では、ホイールから離脱するガスの一部が抽出され、冷却され、次いでケース２に注入される。

冷却器２２の出口又はホイールの出口で抽出された圧縮ガスは、モータ圧縮器１内を再循環し、モータ圧縮器の効率を低下させ、冷却器から離脱するガスの流量を低減する。

したがって、一方ではスラストバランスシールピストンの漏洩流の再循環に関連し、他方ではモータ圧縮器の冷却に関連する欠点を軽減することが提案されている。

上記を考慮すると、第１の態様によれば、一体型モータ圧縮器用のバランスシールピストンが提案され、このバランスシールピストンは、
－モータ圧縮器の圧縮部のホイールに加えられる吸引圧力と吐出圧力との差圧を補償するためにモータ圧縮器のシャフト上に装着されるように設計されたバランスピストンと、
－バランスピストンを取り囲み、圧縮部を緊密にするためにモータ圧縮器のケースに装着されるように設計されたシール装置と、を備えるものである。

本バランスシールピストンはガス抽出ポートを更に備え、抽出ポートの軸方向位置は、抽出されたガスの圧力値が、吐出圧力の値よりも低い所定値に等しくなるように決定される。

有利にも、シール装置は、中心において中空であるディスクを含んだ歯付きラビリンスを備えており、これらのディスクは、隣接する２つのディスクの間に圧力損失を生じさせるように軸方向に沿って分配されており、ガス抽出ポートは隣接する２つのディスクの間に位置している。

好ましくは、シール装置は、ハニカム形状を有するシールを備え、ガス抽出ポートはシールの中心に位置する。

別の態様によれば、
－既に定義されたようなバランスシールピストンと、
－ガス抽出ポートに接続された入口と、出口と、を備えるガス冷却器と、
－軸受とガス冷却器の出口に接続された電気モータとのための冷却手段と、
を備える一体型モータ圧縮器用の冷却回路であって、抽出ポートにおける抽出ガスの圧力値は、ガス冷却器及び冷却手段によって発生する圧力損失の値に少なくとも等しい、冷却回路が提案される。

別の特徴によれば、本冷却回路は、冷却器の出口に接続された入口と、冷却手段に接続された出口と、を有するフィルタを更に備え、抽出ポートにおける抽出ガスの圧力値は、冷却器、冷却手段及びフィルタによって発生する圧力損失の値に少なくとも等しい。

有利にも、本冷却回路は、
－冷却器の出口と冷却手段とに接続された調整弁と、
－電気モータの温度又は軸受の温度を測定するように設計された少なくとも１つの温度センサと、
－調整弁と温度センサとに接続され、調整弁を制御する処理ユニットと、を更に備え、
抽出ポートにおける抽出ガスの圧力値は、冷却器、弁、及び冷却手段によって発生する圧力損失の値に少なくとも等しい。

好ましくは、本回路はしたがって、冷却器の出口に接続された入口と、調整弁に接続された出口と、を有するフィルタを更に備え、抽出ポートにおける抽出ガスの圧力値は、冷却器、調整弁及びフィルタによって発生する圧力損失の値に少なくとも等しい。

別の特徴によれば、本冷却回路は、一方ではモータ圧縮器の吐出ポートに又はホイールの出口に接続され、他方では冷却手段に接続された第２の調整弁を更に備え、第２の調整弁は処理ユニットによって制御される。

第２の態様によれば、一体型モータ圧縮器を冷却する方法であって、調整弁によって冷却手段に注入されるガスの流量は、少なくとも１つの温度センサによって検出される温度が設定値温度に等しくなるように調整される、方法が提案される。

有利にも、少なくとも１つの温度センサによって検出される温度が設定値温度よりも高く、調整弁によって注入されるガスの流量が所定の最大流量に等しいとき、第２の調整弁によって冷却手段に注入されるガスの追加流量は、少なくとも１つの温度センサによって検出される温度が設定値温度に等しくなるように調整される。

本発明の他の特徴及び利点は、単に非限定的な例としてのみ与えられた本発明の実施形態の以下の説明を読むこと、及び図面を参照することによって明らかとなろう。

前述した先行技術のモータ圧縮器である。 モータ圧縮器の第１の実施形態である。 モータ圧縮器の第２の実施形態である。

一体型モータ圧縮器３０の第１の実施形態を示す図２を参照する。

一体型モータ圧縮器３０は、電気モータ３２と圧縮器群３３とが中に配置される共通の緊密ケース３１を備え、圧縮器群３３は、例えば、シャフト３８によって担持された１組のインペラホイール３４、３５、３６及び３７を有する圧縮部を備えている。モータ３２は、圧縮器群３３のシャフト３８に連結されたロータ３９の回転を駆動する。軸受４０、４１、４２及び４３は、モータ圧縮器のシャフトラインと、シャフト３８の一方の端部に装着されたバランスシールピストン４４と、を支持するために使用される。

このピストン４４は、差圧の影響下でモータ圧縮器の圧縮段階に作用する推力の均衡を保つように、また圧縮部の緊密性を確実にするように設計されている。

モータ圧縮器３０は、ガス吸引ポート４５及び圧縮ガス吐出ポート４６と、電動モータ３２の冷却手段４８に接続された冷却ポート４７と、ベアリング４０、４１、４２及び４３と、吸引ポート４５に接続された漏洩ポート４９と、を更に備える。

冷却手段４８は冷却ガスを送達する。

漏洩流は、スラストバランスシールピストン４４を軸方向に通過し、漏洩ポート４９によってケース３１から排出される。

軸受４０、４１、４２及び４３は、モータ圧縮器３０が作動しているときにシャフト３８が支持されるように、電磁軸受を備えてもよい。

バランスシールピストン４４は、圧縮器３３のホイールに加えられる吸引圧力と吐出圧力との差圧を補償するためのバランスピストン５０と、圧力損失を発生させることによってシャフトの端部を緊密にするためのバランスピストン５０を取り囲むシール装置５１と、を備えている。

ピストン４４はガス抽出ポート５２を更に備える。

抽出ポート５２の軸方向位置は、抽出ガスの圧力値が吐出圧力の値よりも低い所定値Ｐｅｘｔに等しくなるように決定される。

シール装置５１は、中心において中空であるディスクを含んだ歯付きラビリンスを備えており、これらのディスクは、隣接する２つのディスクの間に圧力損失を生じさせるように軸方向に沿って分配されており、ガス抽出ポート５２は隣接する２つのディスクの間に位置している。

ある変形例において、シール装置５１は、ハニカム形状を有するシールを備え、ガス抽出ポート５２はシールの中心に位置する。

漏洩ポート４９を通って循環する高温ガスの量は、抽出ポート５２によって抽出されたガスの量だけ減少する。

したがって、吸引ポートにおけるガスの温度は、抽出ポートを有さないスラストバランスシールピストンの場合の温度よりも低い。

モータ圧縮器の効率が改善される。

モータ圧縮器３０は、バランスシールピストン４４と、その１つの入り口が抽出ポート５２に接続され、出口がフィルタ５４の入り口に接続されたガス冷却器５３と、を備える冷却回路を更に備え、フィルタの１つの出口は、冷却手段４９に接続された調整弁５５に接続されている。

冷却器５３は、その入口において循環するガスを冷却する。

冷却回路は、電気モータ３２の温度と軸受４１及び４２の温度とを測定する温度センサ５６、５７、及び５８と、調整弁５５を制御し、温度センサによって送信された温度情報を受信する処理ユニット５９と、を更に備える。

ある変形例では、各軸受が温度センサを備えてもよい。

フィルタ５４は、ガス中に含まれている粒子及び水分を除去するために、出口においてガスを濾過する。

処理ユニット５９は、温度センサ５６、５７、及び５８によって検出される温度が、電気モータ３２及び軸受を劣化させないように選定された設定値温度Ｔｃｏｎｓに等しくなるように、調整弁５５によってモータ圧縮器の冷却回路の中に注入されるガスの流量を調整する。

冷却回路は温度制御ループを備える。

処理ユニット５９は、例えばマイクロプロセッサによって実現される。

これは、温度センサ５６、５７、及び５８によって検出される温度が設定値温度Ｔｃｏｎｓに等しくなるように調整弁５５を制御することが可能な任意の装置であってよい。

抽出ポート５２において抽出されるガス圧力の所定値Ｐｅｘｔ１は、冷却手段４８、冷却器５３、フィルタ５４及び調整弁５５によって発生する圧力損失の値に少なくとも等しい。冷却回路の要素を接続するラインによって発生される圧力損失は、当該要素によって発生する圧力損失と比較して無視できると仮定される。

ある変形例では、冷却回路はフィルタ５４を有さない。抽出ポート５２において抽出されるガス圧力の所定値Ｐｅｘｔ２は、冷却手段４８、冷却器５３、及び調整弁５５によって発生する圧力損失の値に少なくとも等しい。

他の実施形態によれば、冷却回路は弁５５を有さない。抽出ポート５２において抽出されるガス圧力の所定値Ｐｅｘｔ３は、回路がフィルタ５４を含んでいる場合は、所定値Ｐｅｘｔ１から弁５５によって発生する圧力損失の値を引いた値に等しく、あるいは、所定値Ｐｅｘｔ２から弁５５によって発生する圧力損失の値を引いた値に等しい。

冷却手段４８は、４４として参照されるピストンから逃げ出した漏洩ガスを注入する。

その結果、冷却ガスは、吐出ポート４６において、あるいはホイール３４、３５、３６及び３７のうちのいずれにおいても抽出されず、ガスの再循環が低減される。モータ圧縮器の効率が改善される。

ここで、一体型モータ圧縮器３０の第２の実施形態を示す図３を参照する。

以下では、前述した要素と同一の要素は、同じ参照符号によって識別される。

この実施形態は、冷却回路が、１つの入口が吐出ポート４６に接続された第２の冷却器６０と、第２の冷却器６０の出口に接続された第２の調整弁６１と、を更に備えるという点で、第１の実施形態と異なっている。

ある変形例において、第２の冷却器６０の入口は、圧縮部のホイール３４、３５、３６又は３７の出口に接続される。

第２の冷却器６０は、圧縮器３３から離脱するガスを冷却する。

他の実施形態によれば、第２の調整弁６１は、吐出ポート４６に、あるいは圧縮部のホイール３４、３５、３６又は３７の出口に直接接続される。

第２の調整弁６１は、冷却ポート４７に更に接続される。

処理ユニット５９は、温度センサ５６、５７及び５８によって検出された温度が設定値温度Ｔｃｏｎｓよりも高く、第１の調整弁５５によって注入されるガスの流量が所定の最大流量に等しいときに、冷却手段４８内の第２の調整弁によって注入される追加ガスの流量が、温度センサによって検出される温度を、その温度が設定値温度Ｔｃｏｎｓに等しくなるまで低減させるように、第２の調整弁６１を更に制御する。

所定の最大流量は、第１の調整弁５５を通過するガスの最大流量である。

ある変形例において、冷却回路が第１の調整弁５５を含まない場合、処理ユニット５９は、温度センサ５６、５７及び５８によって検出される温度が設定値温度Ｔｃｏｎｓよりも高いときに、冷却手段４８内の第２の調整弁によって注入されるガスの追加流量が、温度センサによって検出される温度を、その温度が設定値温度Ｔｃｏｎｓに等しくなるまで低減させるように、第２の調整弁６１を制御する。

この実施形態では、抽出ポート５２において抽出された漏洩ガス流量が、モータ３２及び軸受を設定温度Ｔｃｏｎｓまで冷却するのに十分ではない場合、追加のガス流が吐出ポート４６において抽出される。

冷却回路の冷却能力が改善される。

吐出ポートにおいて抽出された追加のガス流は、圧縮器３４から離脱するガス流と比較して無視できるため、モータ圧縮器の効率は低下しない。

他の実施形態によれば、モータ圧縮器３０は、そのシャフト上に装着されたいくつかの圧縮部を備えてもよく、各圧縮部は、スラストバランスシールピストンに接続される。

低圧値が最低であるスラストバランスシールピストンは、ガス抽出ポートを備える。

Claims (9)

1. バランスシールピストン（４４）であって、
   モータ圧縮器（３０）の圧縮部のホイール（３４、３５、３６、３７）に加えられる吸引圧力と吐出圧力との差圧を補償するために前記モータ圧縮器（３０）のシャフト（３８）上に装着されるように設計されたバランスピストン（５０）と、
   前記バランスピストン（５０）を取り囲み、前記圧縮部を緊密にするために前記モータ圧縮器（３０）のケース（３１）に装着されるように設計されたシール装置（５１）と、
   ガス抽出ポート（５２）であって、前記ガス抽出ポート（５２）の軸方向位置は、前記ガス抽出ポート（５２）における抽出ガスの圧力値が所定値（Ｐｅｘｔ）に等しくなるように決定される、ガス抽出ポート（５２）と、を備える、一体型モータ圧縮器用のバランスシールピストン（４４）と、
   前記ガス抽出ポート（５２）に接続された入口と、出口と、を備えるガス冷却器（５３）と、
   軸受（４０、４１、４２、４３）と前記ガス冷却器（５３）の前記出口に接続された電気モータ（３２）とのための冷却手段（４８）と、
   を備え、
   前記ガス抽出ポート（５２）における抽出ガスの前記圧力値（Ｐｅｘｔ）は、前記ガス冷却器（５３）及び前記冷却手段（４８）によって発生する圧力損失の値以上の値である、一体型モータ圧縮器用の冷却回路。
2. 前記シール装置（５１）は、中心において中空であるディスクを含んだ歯付きラビリンスを備えており、前記ディスクは、隣接する２つの前記ディスクの間に圧力損失を生じさせるように軸方向に沿って分配されており、前記ガス抽出ポート（５２）は隣接する前記２つのディスクの間に位置している、請求項１に記載の冷却回路。
3. 前記シール装置（５１）は、ハニカム形状を有するシールを備え、前記ガス抽出ポート（５２）は前記シールの中心に位置している、請求項１に記載の冷却回路。
4. 前記ガス冷却器（５３）の前記出口に接続された入口と、前記冷却手段（４８）に接続された出口と、を有するフィルタ（５４）を更に備え、前記ガス抽出ポート（５２）における前記抽出ガスの前記圧力値（Ｐｅｘｔ）は、前記ガス冷却器（５３）、前記冷却手段（４８）及び前記フィルタ（５４）によって発生する前記圧力損失の前記値以上の値である、請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却回路。
5. 前記ガス冷却器（５３）の前記出口と前記冷却手段（４８）とに接続された第１の調整弁（５５）と、
   前記電気モータ（３２）の温度又は前記軸受（４０、４１、４２）の温度を測定するように設計された少なくとも１つの温度センサ（５６、５７、５８）と、
   前記第１の調整弁（５５）と前記温度センサ（５６、５７、５８）とに接続され、前記第１の調整弁（５５）を制御する処理ユニット（５９）と、
   を更に備え、
   前記ガス抽出ポート（５２）における前記抽出ガスの前記圧力値（Ｐｅｘｔ）は、前記ガス冷却器（５３）、前記第１の調整弁（５５）、及び前記冷却手段（４８）によって発生する前記圧力損失の前記値以上の値である、請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却回路。
6. 前記ガス冷却器（５３）の前記出口に接続された入口と、前記第１の調整弁（５５）に接続された出口と、を有するフィルタ（５４）を更に備え、前記ガス抽出ポート（５２）における前記抽出ガスの前記圧力値（Ｐｅｘｔ）は、前記ガス冷却器（５３）、前記第１の調整弁（５５）、前記冷却手段（４８）及び前記フィルタ（５４）によって発生する前記圧力損失の前記値以上の値である、請求項５に記載の冷却回路。
7. 一方では前記モータ圧縮器（３０）の吐出ポート（４６）に又は前記ホイール（３４、３５、３６、３７）の前記出口に接続され、他方では前記冷却手段（４８）に接続された第２の調整弁（６１）を更に備え、前記第２の調整弁（６１）は前記処理ユニット（５９）によって制御される、請求項５又は６に記載の冷却回路。
8. 請求項７に記載の冷却回路を用いて一体型モータ圧縮器を冷却する方法であって、前記温度センサ（５６、５７、５８）によって温度を検出するステップと、前記第１及び第２の調整弁（５５、６１）によって前記冷却手段（４８）に注入されるガスの流量を、前記温度センサ（５６、５７、５８）によって検出される温度が設定値温度（Ｔｃｏｎｓ）に等しくなるように調整するステップを有する、方法。
9. 前記温度センサ（５６、５７、５８）によって検出される温度が前記設定値温度（Ｔｃｏｎｓ）よりも高く、前記第１の調整弁（５５）によって注入されるガスの流量が所定の最大流量に等しいとき、前記第２の調整弁（６１）によって前記冷却手段（４８）に注入されるガスの追加流量を、前記温度センサ（５６、５７、５８）によって検出される温度が前記設定値温度（Ｔｃｏｎｓ）に等しくなるように調整するステップを有する、請求項８に記載の方法。

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