JP7204524B2

JP7204524B2 - 圧縮機

Info

Publication number: JP7204524B2
Application number: JP2019031604A
Authority: JP
Inventors: 寛之宮田; 雅博小林; 彰宏中庭
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2023-01-16
Anticipated expiration: 2039-02-25
Also published as: US20200271130A1; EP3699434A1; EP3699434B1; US11448237B2; JP2020133577A

Description

本発明は、圧縮機に関する。

一般的に遠心圧縮機は、回転軸に設けられたインペラと、このインペラを覆うことでインペラとともに流体が流通する流路を画成するケーシングと、を備えている。遠心圧縮機では、ケーシング内に形成された流路を介して外部から供給された流体が、インペラの回転によって圧縮されている。

このような遠心圧縮機において、インペラを回転駆動するモータをケーシング内に内蔵する場合、モータの温度が過度に高くなると、モータの作動効率が低下することがある。また、回転軸を回転自在に支持する軸受をケーシング内に有する場合、軸受の過度な温度上昇によるフリクションロスの増加を抑える必要がある。そのため、モータや軸受を冷却することが望まれている。

例えば、特許文献１には、インペラで圧縮した空気をクーラーで冷却した後にハウジング内のモータに供給する構造が開示されている。特許文献１では、モータを冷却した後の空気は、ロータ軸とハウジングの貫通孔との間に設けたラビリンスシールから、インペラの背面を経由して圧縮機内部に戻している。

特開２００２－６４９５６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたような構造では、モータを冷却した空気は、ラビリンスシールを通るため、圧力損失が大きい。さらに、ラビリンスシールを通り抜けた空気は、圧力が低下している。このため、インペラの背面を経由して、インペラで昇圧された空気に合流させるには、冷却後の空気を昇圧させなければならない場合がある。冷却後の空気を戻すためだけに再度昇圧する場合には、動力損失が生じてしまう。このように、特許文献１に開示された構造では、モータ等の冷却対象部を冷却した空気が流れる過程での損失が大きい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、圧縮機における冷却対象部を冷却しつつ、損失を抑え、圧縮機の効率を高めることが可能な圧縮機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係る圧縮機は、軸線を中心として回転する回転軸と、前記回転軸とともに回転し、吸気した作動流体を圧縮して排出するインペラと、前記回転軸及び前記インペラを覆い、前記インペラから排出された作動流体を前記回転軸の径方向の外側へ導くディフューザが形成されたケーシングと、前記インペラで圧縮された作動流体の少なくとも一部を冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却された前記作動流体を、前記ケーシングの内部に配置された冷却対象部を冷却する冷却流体として前記ケーシング内に供給する冷却流体供給部と、前記冷却対象部を経た前記冷却流体を前記ケーシングの外部に排出し、前記インペラの流出口よりも下流側かつ前記ディフューザよりも上流側に供給する冷却流体循環部と、を備え、前記ケーシングは、前記ディフューザに接続され、前記回転軸の軸線周りの周方向に間隔をあけて複数配置されたノズルを有し、前記冷却流体循環部は、前記ケーシングの外部に排出された前記冷却流体を複数の前記ノズルを介して前記ディフューザに供給する。

このような構成とすることで、冷却流体供給部によりケーシング内に供給される冷却流体によって、ケーシング内の冷却対象部を冷却することができる。冷却対象部を経た冷却流体は、インペラの流出口よりも下流側かつディフューザの上流側に供給される。そのため、インペラで冷却流体を再度昇圧する必要がなく、損失が生じることを抑えることができる。さらに、冷却流体は、インペラの径方向の外側に設けられたディフューザの上流側に戻されている。ディフューザの入口では、ディフューザの出口よりも圧力が低くなっている。そのため、ディフューザを経た位置に戻す場合に比べて、冷却流体を流入させやすくなっている。したがって、冷却に用いられた冷却流体を、ディフューザの上流側に戻すことで、冷却流体を効率良く循環させることができる。したがって、圧縮機における冷却対象部を冷却しつつ、損失を抑え、圧縮機の効率を高めることが可能となる。

このような構成とすることで、複数のノズルを通して冷却流体がディフューザに供給される。その結果、ディフューザでの周方向における作動流体の圧力分布を均一化することができる。

本発明の第二態様に係る圧縮機では、第一態様において、前記ノズルは、前記軸線が延びる軸線方向に対し、前記インペラから吐出される作動流体の流れに沿う方向に傾斜して延びるようにしてもよい。

このような構成とすることで、ノズルから送り出される作動流体が、インペラから吐出される作動流体の流れと干渉することを抑え、損失を抑えることができる。

また、本発明の第三態様に係る圧縮機では、第一態様又は第二態様において、前記周方向に延び、複数の前記ノズルが接続されたチャンバを備え、前記冷却流体循環部は、前記ケーシングの外部に排出された前記冷却流体を、前記チャンバを介して複数の前記ノズルに供給するようにしてもよい。

このような構成とすることで、冷却流体が周方向に連続するチャンバに流れ込むと、チャンバ内で冷却流体の圧力分布が均一化される。その後、チャンバから各ノズルに冷却流体を送り込むことで、ディフューザでの周方向における作動流体の圧力分布を、さらに均一化することができる。

また、本発明の第四態様に係る圧縮機では、第一態様から第三態様の何れか一つにおいて、前記ケーシング内に配置され、前記回転軸を前記軸線周りに回転駆動させるモータをさらに備え、前記冷却流体供給部により前記ケーシング内に供給される前記冷却流体は、前記冷却対象部として前記モータを冷却してもよい。

このような構成とすることで、冷却流体によりモータを冷却し、モータの温度上昇を抑えることができる。モータの温度が上昇すると、モータを構成する磁石（永久磁石）の減磁が生じる。モータの温度上昇を抑えることで、減磁を抑え、モータの出力が低下することを抑えることができる。

また、本発明の第五態様に係る圧縮機では、第四態様において、前記モータの温度変化に相関して変動するパラメータを検出する検出部と、前記検出部における検出結果に基づき、前記ケーシング内に供給される前記冷却流体の流量を調整する流量調整部と、をさらに備えていてもよい。

このような構成とすることで、モータの温度変化に相関して変動するパラメータに基づいて冷却流体の流量を調整し、冷却流体による冷却対象部の冷却度合いを調整することができる。

本発明によれば、圧縮機における冷却対象部を冷却しつつ、損失を抑え、圧縮機の効率を高めることが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る圧縮機の概略構成を示す模式図である。本発明の第二実施形態に係る圧縮機の概略構成を示す模式図である。上記圧縮機において、冷却流体の供給を制御する流れを示すフローチャートである。本発明の第三実施形態に係る圧縮機の概略構成を示す模式図である。上記圧縮機に設けたチャンバ及びノズルを示す拡大断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による圧縮機を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。

《第一実施形態》
図１は、本発明の第一実施形態に係る圧縮機の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の圧縮機１は、複数のインペラ６を備えるモータ一体型の圧縮機である。圧縮機１は、ケーシング２と、軸受３と、回転軸４と、モータ５と、インペラ６と、冷却流体供給部７と、冷却流体循環部８と、を備えている。本実施形態の圧縮機１は、圧縮機１自体よりも上流（前段）や下流（後段）の各種装置と共にプラント等のシステムを構成している。本実施形態の圧縮機１は、一対の圧縮部１０を備えている。一対の圧縮部１０としては、１段目の第一圧縮部１１と、２段目の第二圧縮部１２とである。すなわち、この圧縮機１は、１軸２段の圧縮機として構成されている。

このような圧縮機１においては、１段目の第一圧縮部１１で圧縮された作動流体（プロセスガス）は、昇圧ガスライン１３を経て、２段目の第二圧縮部１２に流入する。昇圧ガスライン１３は、第一圧縮部１１の出口と、第二圧縮部１２の入口とを接続している。この第二圧縮部１２を流通する過程で、作動流体はさらに圧縮されて、高圧の作動流体となる。

ケーシング２は、圧縮機１の外殻を形成している。ケーシング２は、軸受３、回転軸４、モータ５、及びインペラ６を覆っている。

軸受３は、ケーシング２の内部において、水平方向に延びた回転軸４の軸線Ｃの延びる軸線方向Ｄａに間隔をあけて一対が設けられている。軸受３は、ケーシング２に保持されている。本実施形態の軸受３は、ガスが供給されるガス軸受である。軸受３には、第一圧縮部１１により昇圧された作動流体からの抽気が動圧を作用させるために供給される。また、軸受３には、静圧を作用させるために外部のガスや抽気が供給される。軸受３は、短冊状の複数のパッド３２と、これらのパッド３２を保持する軸受ハウジング３１とを備えている。パッド３２は、回転軸４の外表面に沿って湾曲している。軸受ハウジング３１は、ケーシング２の内周面から回転軸４の外表面に向かって突出するように、ケーシング２に一体に設けられている。

回転軸４は、軸線Ｃを中心として回転可能とされている。回転軸４は、一対の軸受３によって、軸線Ｃ周りに回転可能に支持されている。回転軸４は、軸線方向Ｄａにおける軸受３よりも外側かつインペラ６よりも内側で、ケーシング２との間がシール部４０によりシールされている。この回転軸４の両端部は、一対の軸受３よりも、軸線方向Ｄａの両側に突出している。

モータ５は、第一圧縮部１１と第二圧縮部１２との間に配置されている。本実施形態のモータ５は、軸線方向Ｄａにおいて、一対の軸受３の間に配置されている。モータ５は、回転軸４と一体をなすように固定されたモータロータ５１と、モータロータ５１を覆うステータ５２とを有している。モータロータ５１は、軸線Ｃ周りの周方向Ｄｃに間隔をあけて配置された複数の永久磁石（図示無し）を備えている。ステータ５２は、ケーシング２に固定されている。ステータ５２に備えられたコイルに通電すると、ステータ５２に対してモータロータ５１が回転する。これによりモータ５は、回転軸４に回転駆動力を出力し、第一圧縮部１１及び第二圧縮部１２とともに回転軸４の全体を回転させる。

インペラ６は、回転軸４と一体に回転する。インペラ６は、軸受３に対して軸線方向Ｄａに離間した位置で回転軸４に固定されている。本実施形態のインペラ６は、一対の軸受３よりも軸線方向Ｄａの外側で回転軸４に固定されている。具体的には、インペラ６は、回転軸４の両端部に設けられている。本実施形態の圧縮機１では、インペラ６として、第一圧縮部１１に設けられた第一インペラ６Ａと、第二圧縮部１２に設けられた第二インペラ６Ｂとの二つを有している。第二インペラ６Ｂは、第一インペラ６Ａとは軸線方向Ｄａの反対側を向いて配置されている。第二インペラ６Ｂは、第一インペラ６Ａで圧縮された作動流体を圧縮している。各インペラ６は、本実施形態において、ディスク部６１とブレード部６２とを備えた、いわゆるオープンインペラである。

ディスク部６１は、円盤状をなしている。例えば、第一インペラ６Ａのディスク部６１は、軸線方向Ｄａの一方側から軸線方向Ｄａの他方側に向かって、外径が漸次縮径している。つまり、ディスク部６１は、全体として略傘形状をなしている。本実施形態の第一インペラ６Ａでは、軸線方向Ｄａの一方側は、図１において、モータ５に対して第一圧縮部１１が配置されている側である。第一インペラ６Ａでは、軸線方向Ｄａの他方側は、モータ５に対して第二圧縮部１２が配置されている側である。逆に、本実施形態の第二インペラ６Ｂでは、軸線方向Ｄａの一方側は、モータ５に対して第二圧縮部１２が配置されている側である。第二インペラ６Ｂでは、軸線方向Ｄａの他方側は、モータ５に対して第一圧縮部１１が配置されている側である。

ブレード部６２は、ディスク部６１において、軸線方向Ｄａの一方側に設けられている。ブレード部６２は、周方向に間隔を隔てて複数設けられている。

各インペラ６においては、ディスク部６１とブレード部６２とによってインペラ流路６４が形成されている。インペラ流路６４は、作動流体を流入させる流入口６ｉと、作動流体を排出させる流出口６ｏと、を有している。流入口６ｉは、インペラ６の軸線方向Ｄａの一方側かつ径方向Ｄｒの内側に位置している。流入口６ｉは、軸線方向Ｄａの一方側に向かって開口している。流出口６ｏは、インペラ６の軸線方向Ｄａの他方側かつ径方向Ｄｒの外側に位置している。流出口６ｏは、径方向Ｄｒの外側に向かって開口している。

ケーシング２内には、各インペラ６の周囲に、吸気流路６５と、ディフューザ６６と、排気流路６７とが形成されている。吸気流路６５は、ケーシング２の外部と、インペラ６の流入口６ｉとを連通している。ディフューザ６６は、インペラ６の流出口６ｏから径方向Ｄｒの外側に向かって延びている。ディフューザ６６は、軸線Ｃに直交するように直線状をなす流路として形成されている。ディフューザ６６は、インペラ６から排出された作動流体を径方向Ｄｒの外側へ導き、排気流路６７に送っている。ディフューザ６６には、例えばディフューザベーン（図示無し）が設けられている。インペラ６で圧縮された作動流体は、ディフューザ６６を通過することで流速が落とされ、圧力がさらに増加される。排気流路６７は、ディフューザ６６に対して径方向Ｄｒの外側に接続されている。排気流路６７は、軸線Ｃ周りに渦巻き状に伸びている。渦巻き状の排気流路６７に送り込まれた作動流体は、ケーシング２の外部に排出される。第一圧縮部１１に対応する排気流路６７から排出された作動流体は、昇圧ガスライン１３を介して第二圧縮部１２に送られる。第二圧縮部１２に対応する排気流路６７から排出された作動流体は、不図示の配管を介して圧縮機１以外の他の装置に送られる。

冷却流体供給部７は、冷却された作動流体を、ケーシング２の内部に配置された冷却対象部を冷却する冷却流体としてケーシング２の内部に供給する。冷却流体供給部７は、熱交換器７１と、供給管７２と、を備えている。熱交換器７１は、第一インペラ６Ａで圧縮された作動流体を冷却し、冷却流体とする。以下において、熱交換器７１で冷却された作動流体を、冷却流体と称する。本実施形態において、熱交換器７１は、昇圧ガスライン１３に設けられている。熱交換器７１は、第一圧縮部１１の出口（排気流路６７）から吐出され、昇圧ガスライン１３に流れ込んだ作動流体の全てを冷却する。供給管７２は、熱交換器７１で冷却された後の作動流体の一部を、ケーシング２の内部に供給する。本実施形態において、供給管７２は、昇圧ガスライン１３における作動流体の流れ方向において熱交換器７１よりも下流側で、昇圧ガスライン１３から分岐している。供給管７２は、ケーシング２に形成された入口側接続開口２１に接続されている。入口側接続開口２１は、ケーシング２において、モータロータ５１及びステータ５２に対し、軸線Ｃ方向の第一側（第一圧縮部１１側）に形成されている。入口側接続開口２１は、ケーシング２の内部におけるモータロータ５１及びステータ５２が配置された空間に繋がっている。熱交換器７１で冷却された冷却流体の一部は供給管７２に流れ込み、冷却流体の残部は昇圧ガスライン１３を経て第二圧縮部１２に送られる。

供給管７２から入口側接続開口２１を介してケーシング２の内部に供給された冷却流体は、ケーシング２の内部でモータ５を冷却する。つまり、本実施形態では、冷却流体供給部７によりケーシング２の内部に供給された冷却流体は、冷却対象部としてモータ５を冷却している。ケーシング２の内部において、冷却流体は、モータ５を構成するモータロータ５１とステータ５２との隙間を、軸線方向Ｄａに通過する。モータ５では、ステータ５２のコイルに通電されることでコイルが発熱する。冷却流体により、ステータ５２のコイルが冷却され、その温度上昇が抑えられる。

冷却流体循環部８は、モータ５を経た冷却流体をケーシング２の外部に一度排出する。冷却流体循環部８は、排出した冷却流体をインペラ６の流出口６ｏよりも下流側かつディフューザ６６よりも上流側（ディフューザ６６の入口）に供給する。冷却流体循環部８は、排出管８１を有している。排出管８１は、モータ５を冷却した冷却流体を、ケーシング２の内部から外部に排出する。排出管８１は、ケーシング２の外部に排出された冷却流体を、ケーシング２内におけるディフューザ６６の入口に戻している。排出管８１の一端は、ケーシング２に形成された出口側接続開口２２に接続されている。出口側接続開口２２は、ケーシング２において、モータロータ５１及びステータ５２は挟んで入口側接続開口２１とは反対側である軸線Ｃ方向の第二側（第二圧縮部１２側）に形成されている。出口側接続開口２２は、ケーシング２の内部におけるモータロータ５１及びステータ５２が配置された空間に繋がっている。排出管８１の他端は、第一圧縮部１１におけるインペラ６の流出口６ｏとディフューザ６６との間に接続されている。ケーシング２の内部でモータ５を冷却した冷却流体は、出口側接続開口２２から排出管８１に流入し、ディフューザ６６の入口に供給される。

このような圧縮機１では、圧縮すべき作動流体が、第一圧縮部１１における吸気流路６５に供給され、第一インペラ６Ａにおいて圧縮される。第一インペラ６Ａで圧縮された作動流体は、第一圧縮部１１におけるディフューザ６６及び排気流路６７を通り、昇圧ガスライン１３に送られる。昇圧ガスライン１３に流れ込んだ作動流体は、熱交換器７１で冷却され、第二圧縮部１２に導入される。第二圧縮部１２に導入された作動流体は、第二インペラ６Ｂでさらに圧縮される。第二圧縮部１２で圧縮された作動流体は、供給先である所定のプラントに供給される。

また、熱交換器７１で冷却された作動流体の一部が、第二圧縮部１２に送られずに、供給管７２を通して入口側接続開口２１からケーシング２の内部に供給される。ケーシング２の内部を流れる冷却流体によって、モータ５が冷却される。モータ５を冷却した冷却流体は、出口側接続開口２２から排出管８１に流入する。排出管８１に流入することでケーシング２の外部に排出された冷却流体は、ディフューザ６６の入口に供給される。その後、冷却流体は、第一インペラ６Ａにおいて圧縮された作動流体とともに、ディフューザ６６及び排気流路６７を通り、昇圧ガスライン１３に送られる。

上述したような圧縮機１によれば、冷却流体供給部７により、冷却流体を供給することで、ケーシング２の内部のモータ５を冷却することができる。モータ５を経た冷却流体は、第一圧縮部１１における第一インペラ６Ａの流出口６ｏよりも下流側かつディフューザ６６の上流側に戻される。そのため、第一インペラ６Ａで冷却流体を再度昇圧する必要がなく、損失が生じることを抑えることができる。また、冷却流体は、第一インペラ６Ａ側に設けられているシール部４０を通過することなくディフューザ６６の入口に戻されている。そのため、シール部４０を通過することで生じる圧力損失も抑えることができる。

さらに、冷却流体は、第一インペラ６Ａの径方向Ｄｒの外側に設けられたディフューザ６６の入口に戻されている。ディフューザ６６の入口では、ディフューザ６６や排気流路６７を経た作動流体が流通する昇圧ガスライン１３よりも圧力が低くなっている。そのため、排気流路６７や昇圧ガスライン１３のようにディフューザを経た位置に戻す場合に比べて、圧力の低いディフューザ６６の入口の方が冷却流体を流入させやすくなっている。したがって、モータ５の冷却に用いられた冷却流体を、ディフューザ６６の入口に戻すことで、冷却流体を効率良く循環させることができる。これらにより、圧縮機１におけるモータ５を冷却しつつ、損失を抑え、圧縮機の効率を高めることが可能となる。

また、第一インペラ６Ａで圧縮した作動流体を熱交換器７１で冷却することで得た冷却流体によりモータ５を冷却し、モータ５の温度上昇を抑えることができる。モータ５の温度が上昇すると、モータ５を構成する磁石（永久磁石）の減磁が生じる。冷却流体で冷却してモータ５の温度上昇を抑えることで、減磁を抑え、モータ５の出力が低下することを抑えることができる。

《第二実施形態》
次に、本発明の圧縮機の第二実施形態について、図２及び図３を参照して説明する。第二実施形態で示す圧縮機１Ｂは、流量調整部９を備える点が第一実施形態と異なっている。したがって、第二実施形態の説明においては、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに重複説明を省略する。

図２は、本発明の第二実施形態に係る圧縮機の概略構成を示す模式図である。図３は、上記圧縮機において、冷却流体の供給を制御する流れを示すフローチャートである。図２に示すように、第二実施形態の圧縮機１Ｂは、第一実施形態と同様に、複数のインペラ６を備えるモータ一体型の圧縮機である。圧縮機１Ｂは、検出部９１と、流量調整部９とをさらに備えている。

検出部９１は、モータ５の温度変化に相関して変動するパラメータを検出する。本実施形態では、検出部９１は、パラメータとして、ケーシング２の内部でステータ５２のコイルの温度を検出する。

流量調整部９は、検出部９１における検出結果に基づき、ケーシング２の内部に供給される冷却流体の流量を調整する。流量調整部９は、制御弁９２と、コントローラ９３と、を有している。

制御弁９２は、例えば、排出管８１に設けられている。制御弁９２は、その開度を調整することで、排出管８１を流れる冷却流体の流量、すなわちディフューザ６６の入口に供給される冷却流体の流量を調整する。制御弁９２は、ディフューザ６６の入口に供給される冷却流体の流量を調整することで、結果的にケーシング２の内部に供給される冷却流体の流量を調整している。なお、制御弁９２は、供給管７２に設けられていてもよい。

コントローラ９３は、検出部９１における検出結果に基づき、制御弁９２の開度を調整する。コントローラ９３は、検出部９１における検出結果が、予め定めた第一基準値を超えた場合、制御弁９２の開度を大きくする。これにより、ディフューザ６６の入口に供給される冷却流体の流量が増加する。コントローラ９３は、検出部９１における検出結果が、予め定めた第二基準値よりも小さくなった場合、制御弁９２の開度を小さくする。これにより、ディフューザ６６の入口に供給される冷却流体の流量が減少する。本実施形態では、コントローラ９３は、制御弁９２の開度を、例えば、「全開」と「全閉」の２段階で調整するものとする。もちろん、コントローラ９３は、制御弁９２の開度を、３段階以上で調整してもよい。

図３に示すように、コントローラ９３は、圧縮機１Ｂの運転中、所定時間毎に、検出部９１における検出結果を取得する（ステップＳ１）。本実施形態では、コントローラ９３は、検出部９１から、ステータ５２のコイルの温度の検出結果を取得する。

コントローラ９３は、検出部９１における検出結果が、予め定めた第一基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。

検出部９１における検出結果が、予め定めた第一基準値以上であった場合、コントローラ９３は、さらに、その時点での制御弁９２の開度が「全開」状態であるか否かを判断する（ステップＳ３）。

ステップＳ３において、制御弁９２の開度が「全開」状態である場合、コントローラ９３は、制御弁９２の開度をそれ以上大きくできないので、後述のステップＳ８に進む。

ステップＳ３において、制御弁９２の開度が「全開」状態でない場合、コントローラ９３は、制御弁９２の開度を増加させ、「全開」とする（ステップＳ４）。これにより、モータ５の温度が第一基準値以上に高い場合、ケーシング２の内部に供給される冷却流体の流量が増加し、モータ５の冷却度合いが強められる。

ステップＳ２において、検出部９１における検出結果が、予め定めた第一基準値未満であった場合、コントローラ９３は、検出部９１における検出結果が、予め定めた第二基準値以下であるか否かを判断する（ステップＳ５）。なお、第二基準値は、第一基準値よりも小さい（第二基準値＜第一基準値）。

検出部９１における検出結果が、予め定めた第二基準値未満であった場合、コントローラ９３は、さらに、その時点での制御弁９２の開度が「全閉」状態であるか否かを判断する（ステップＳ６）。

ステップＳ６において、制御弁９２の開度が「全閉」状態である場合、コントローラ９３は、制御弁９２の開度をそれ以上小さくできないので、ステップＳ８に進む。

ステップＳ６において、制御弁９２の開度が「全閉」状態でない場合、つまり制御弁９２が開いている場合、コントローラ９３は、制御弁９２の開度を小さくし、「全閉」とする（ステップＳ７）。これにより、モータ５の温度が第二基準値未満であり、十分に温度が低い場合、ケーシング２の内部に供給する冷却流体の流量を減らし、モータ５の冷却度合いを弱める（冷却を停止する）。

この後、コントローラ９３は、圧縮機１の運転が停止されたか否かを判定する（ステップＳ８）。その結果、圧縮機１Ｂの運転が停止されれば、コントローラ９３は、一連の処理を終了する。一方、圧縮機１Ｂの運転が停止されない限り、コントローラ９３は、ステップＳ１に戻り、上記一連の処理を一定時間毎に繰り返す。

上述したような圧縮機１Ｂによれば、上記第一実施形態と同様、冷却流体供給部７により、冷却流体を供給することで、圧縮機１におけるモータ５を冷却しつつ、損失を抑え、圧縮機の効率を高めることが可能となる。

また、圧縮機１Ｂによれば、ステータ５２の温度に基づいて冷却流体の流量を調整し、冷却流体によるモータ５の冷却度合いを調整することができる。モータ５に磁石がモータロータ５１に設けられている場合、モータロータ５１と一体に回転する磁石の温度を直接検出するのは困難である。これに対し、ステータ５２のコイルの温度を検出することで、モータ５の温度（磁石の温度）が推定でき、冷却流体の流量調整を適切に行うことができる。

また、流量調整部９は、モータ５の温度が上昇した場合に、冷却流量の流量を増加させる。これにより、モータ５の回転数や出力が高まり、モータ５の温度が上昇した場合に、磁石を適切に冷却することができる。また、流量調整部９は、モータ５の温度が低下した場合に、ケーシング２の内部に供給する冷却流量の流量を減少させる。これにより、モータ５の回転数や出力が低くなり、モータ５の温度が低下した場合に、ケーシング２の内部に送り込む冷却流体の循環量を必要最小限に抑えることができる。その結果、圧縮機１の効率を無駄に低下させてしまうことを抑えることができる。

なお、上記実施形態では、検出部９１で、モータ５のコイルの温度を検出するようにしたが、これに限らない。検出部９１では、モータ５の温度変化に相関して変動するパラメータが検出されればよい。パラメータとしては、例えば、モータ５の回転数や動力であってもよい。

《第三実施形態》
次に、本発明の圧縮機の第三実施形態について、図４及び図５を参照して説明する。第三実施形態で示す圧縮機は、チャンバ及び複数のノズルを備える点が第一及び第二実施形態と異なっている。したがって、第三実施形態の説明においては、第一及び第二実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに重複説明を省略する。

図４は、本発明の第三実施形態に係る圧縮機の概略構成を示す模式図である。図５は、上記圧縮機に設けたチャンバ及びノズルを示す拡大断面図である。

図４に示すように、第三実施形態の圧縮機１Ｃは、ケーシング２と、軸受３と、回転軸４と、モータ５と、インペラ６と、冷却流体供給部７と、冷却流体循環部８Ｃと、チャンバ８５と、複数のノズル８６と、を備えている。

チャンバ８５及び複数のノズル８６は、ケーシング２Ｃに形成されている。チャンバ８５は、ケーシング２Ｃ内に形成された空間である。チャンバ８５は、軸線方向Ｄａから見た際に、回転軸４を囲む環状をなすように周方向Ｄｃに延びている。チャンバ８５は、接続口２４１によってケーシング２Ｃの外部と連通している。接続口２４１には、排出管８１Ｃの他端（出口側接続開口２２に接続されていない側の端部）が接続されている。

複数のノズル８６は、周方向Ｄｃに等間隔をあけて設けられている。各ノズル８６の一端は、チャンバ８５に連通している。各ノズル８６の他端は、ディフューザ６６に連通している。各ノズル８６は、チャンバ８５から軸線方向Ｄａにおいてディフューザ６６に近づくにしたがって、径方向Ｄｒの外側に向かうように傾斜して延びている。各ノズル８６は、軸線方向Ｄａに対し、作動流体のディフューザ６６内での流れに沿う方向に傾斜して設けられている。つまり、各ノズル８６は、チャンバ８５からディフューザ６６に近づくにしたがって、ディフューザ６６内での作動流体の流れ方向の上流側から下流側に向かうように傾斜している。

出口側接続開口２２から排出管８１Ｃに流入した冷却流体は、接続口２４１からチャンバ８５に流入する。チャンバ８５内に流入した冷却流体は、チャンバ８５内で周方向全体に広がった後に、各ノズル８６に流れ込む。各ノズル８６を通って冷却流体はディフューザ６６に送り込まれる。このようにして、冷却流体循環部８Ｃは、ケーシング２の外部に排出された冷却流体を、第一インペラ６Ａの流出口６ｏよりも下流側かつディフューザ６６の上流側に供給している。

上述したような圧縮機１Ｃによれば、上記第一及び第二実施形態と同様、冷却流体供給部７により冷却流体を供給することで、ケーシング２の内部のモータ５を冷却することができる。モータ５を経た冷却流体は、ディフューザ６６の入口に戻されるので、第一インペラ６Ａで冷却流体を再度昇圧する必要がなく、損失が生じることを抑えることができる。したがって、圧縮機１におけるモータ５を冷却しつつ、損失を抑え、圧縮機１の効率を高めることが可能となる。

また、上述したような圧縮機１Ｃによれば、複数のノズル８６を通して冷却流体がディフューザ６６に送られる。そのため、ディフューザ６６において、戻される冷却流体が周方向Ｄｃの位置によって偏ってしまうことが抑えられる。その結果、ディフューザ６６を流れる作動流体の周方向Ｄｃでの圧力分布を均一化することができる。

さらに、冷却流体循環部８は、ケーシング２の外部に排出された冷却流体を、チャンバ８５を介して複数のノズル８６に供給する。複数のノズル８６に供給される前に、チャンバ８５内で冷却流体の圧力分布が一度均一化される。その後、チャンバ８５から各ノズル８６に冷却流体が送り込まれることで、各ノズル８６に送り込まれる冷却流体の流量を均一化することができる。したがって、ディフューザ６６を流れる作動流体の周方向Ｄｃでの圧力分布を、さらに均一化することができる。

また、ノズル８６は、作動流体の流れに沿う方向に傾斜して設けられている。このような構成とすることで、ノズル８６から送り出される冷却流体が、第一インペラ６Ａから径方向Ｄｒの外側に吐出されるディフューザ６６内の作動流体の流れに干渉することを抑えられ、損失を抑えることができる。

なお、ノズル８６の設置数は、第一インペラ６Ａのブレード部６２の約数又は倍数とならないようにするのが好ましい。これにより、ノズル８６が噴出される冷却流体と第一インペラ６Ａとの共振を抑えることができる。

（実施形態の他の変形例）
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、インペラ６は、本実施形態の圧縮機１、１Ｂ及び１Ｃのように二つ配置されている構成に限定されるものでない。例えば、一つであってもよく、多段遠心圧縮機のように三段以上の複数のインペラ６を有していてもよい。また、インペラ６は、本実施形態のようにオープンインペラに限定されるものではない。インペラ６は、カバーを有するクローズドインペラであってもよい。また、第一圧縮部１１と第二圧縮部１２とでは、異なるタイプのインペラが適用されてもよい。

また、上記各実施形態において、熱交換器７１は、昇圧ガスライン１３に設けられているが、このような配置に限定されるものではない。熱交換器７１は、インペラ６で圧縮された作動流体の少なくとも一部を冷却することができればよい。したがって、熱交換器７１は、例えば、供給管７２に設けられていてもよい。この場合、第一インペラ６Ａで圧縮された作動流体の一部のみが熱交換器７１で冷却あれ、残部はそのまま昇圧ガスライン１３を通して第二圧縮部１２に供給される。さらに、熱交換器７１は、排出管８１に設けられていてもよい。

また、第二実施形態において制御弁９２は、排出管８１に設けられているが、このような配置に限定されるものではない。制御弁９２は、ケーシング２内に供給される冷却流体の流量を調整することが可能な位置に設けられていればよい。したがって、制御弁９２は、昇圧ガスライン１３や供給管７２に設けられていてもよい。

また、上記各実施形態において、ケーシング２の内部に供給した冷却流体の冷却対象部として、モータ５を例示したが、冷却対象部はモータ５に限定されるものではない。ケーシング２の内部に配置された冷却対象部としては、例えば、回転軸４を回転自在に支持する軸受３を冷却対象部としてもよい。さらに、軸受３は、ガス軸受に限らず、磁気軸受等、他の形式であってもよい。加えて、冷却対象部を軸受３とする場合、モータ５をケーシング２に内蔵する構成は必須ではない。つまり、圧縮機は、ケーシング２の外部に別体として設けられてモータによって回転駆動されてもよく、モータ以外の他の駆動源により、回転軸を回転駆動するようにされてもよい。

１、１Ｂ、１Ｃ圧縮機
２、２Ｃケーシング
３軸受
４回転軸
５モータ
６インペラ
６Ａ第一インペラ
６Ｂ第二インペラ
６ｉ流入口
６ｏ流出口
７冷却流体供給部
８、８Ｃ冷却流体循環部
９流量調整部
１０圧縮部
１１第一圧縮部
１２第二圧縮部
１３昇圧ガスライン
２１入口側接続開口
２２出口側接続開口
３１軸受ハウジング
３２パッド
４０シール部
５１モータロータ
５２ステータ
６１ディスク部
６２ブレード部
６４インペラ流路
６６ディフューザ
６７排気流路
７１熱交換器
７２供給管
８１、８１Ｃ排出管
８５チャンバ
８６ノズル
９１検出部
９２制御弁
９３コントローラ
２４１接続口
Ｃ軸線
Ｄａ軸線方向
Ｄｃ周方向
Ｄｒ径方向

Claims

軸線を中心として回転する回転軸と、
前記回転軸とともに回転し、吸気した作動流体を圧縮して排出するインペラと、
前記回転軸及び前記インペラを覆い、前記インペラから排出された作動流体を前記回転軸の径方向の外側へ導くディフューザが形成されたケーシングと、
前記インペラで圧縮された作動流体の少なくとも一部を冷却する熱交換器と、
前記熱交換器で冷却された前記作動流体を、前記ケーシングの内部に配置された冷却対象部を冷却する冷却流体として前記ケーシング内に供給する冷却流体供給部と、
前記冷却対象部を経た前記冷却流体を前記ケーシングの外部に排出し、前記インペラの流出口よりも下流側かつ前記ディフューザよりも上流側に供給する冷却流体循環部と、を備え、
前記ケーシングは、前記ディフューザに接続され、前記回転軸の軸線周りの周方向に間隔をあけて複数配置されたノズルを有し、
前記冷却流体循環部は、前記ケーシングの外部に排出された前記冷却流体を複数の前記ノズルを介して前記ディフューザに供給する圧縮機。
前記ノズルは、前記軸線が延びる軸線方向に対し、前記インペラから吐出される作動流体の流れに沿う方向に傾斜して延びている請求項１に記載の圧縮機。
前記周方向に延び、複数の前記ノズルが接続されたチャンバを備え、
前記冷却流体循環部は、前記ケーシングの外部に排出された前記冷却流体を、前記チャンバを介して複数の前記ノズルに供給する請求項１又は２に記載の圧縮機。
前記ケーシング内に配置され、前記回転軸を前記軸線周りに回転駆動させるモータをさらに備え、
前記冷却流体供給部により前記ケーシング内に供給される前記冷却流体は、前記冷却対象部として前記モータを冷却する請求項１から３の何れか一項に記載の圧縮機。
前記モータの温度変化に相関して変動するパラメータを検出する検出部と、
前記検出部における検出結果に基づき、前記ケーシング内に供給される前記冷却流体の流量を調整する流量調整部と、をさらに備える請求項４に記載の圧縮機。