JPH06280770A - 低温ガス圧縮機用電動機の冷却方法 - Google Patents

低温ガス圧縮機用電動機の冷却方法

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JPH06280770A
JPH06280770A JP6583893A JP6583893A JPH06280770A JP H06280770 A JPH06280770 A JP H06280770A JP 6583893 A JP6583893 A JP 6583893A JP 6583893 A JP6583893 A JP 6583893A JP H06280770 A JPH06280770 A JP H06280770A
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大策 加藤
Shuko Saji
脩好 佐治
Hiroshi Oya
博志 大矢
Hiroshi Asakura
啓 朝倉
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 インペラとケーシングの隙間で発生する粘性
に起因する発熱が低温ガスに流入するのを防ぎ、かつ電
動機の回転子を介して低温ガスに流入する熱を低減し
て、圧縮機の効率を向上させることができる低温ガス圧
縮用電動機の冷却方法を提供する。 【構成】 インペラ3の背面と電動機内部とを連通する
低温ガス流入口10と、インペラと反対側の電動機内部
と外部とを連通する低温ガス流出口12と、電動機のイ
ンペラ側に回転子に近接して設けられた温度センサー8
とを備え、圧縮した低温ガスをインペラの背面から電動
機内部に流入させ、流入した低温ガスを電動機の回転子
に沿って流し、流入直後の低温ガスの温度を温度センサ
ーにより計測し、その計測温度を所定の一定温度に維持
するように、電動機から排出する低温ガスの流量を制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、低温ガス用圧縮機に係
わり、更に詳しくは、ヘリウムガス用ターボ圧縮機に関
する。
【0002】
【従来の技術】ヘリウムガスを圧縮するためにターボ圧
縮機が用いられ、圧縮機のインペラに電動機が直結さ
れ、このインペラの高速回転により、例えば約80K
(約−193℃)の低温ヘリウムガスが圧縮され、約1
20K(約−153℃)まで昇温する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】かかるターボ圧縮機を
運転すると、鉄損、銅損、風損等により電動機が発熱
し、放置すると電動機が過熱して破損するおそれがあ
る。従って、従来から電動機の冷却のために、例えば空
気冷却、油冷却、等の手段が用いられていた。空気冷却
は、電動機の外部に冷却フィンを設け、この冷却フィン
を介して電動機内部の熱を放熱させる手段であり、一方
油冷却は、電動機の内部にミスト状の油を流し、軸受等
の冷却と併用して内部を冷却する手段であるが、両者と
も、放熱熱量が小さく、電動機を十分冷却できず、か
つ、低温ガスの圧縮用に用いると電動機から低温ガスに
熱が流入し低温ガスの圧縮性能を阻害する問題点があっ
た。更に、電動機の冷却手段として、液化ガス冷却、低
温ガス冷却、等の手段が提案されていた。液化ガス冷却
は、電動機のケーシング部に冷却用ジャケットを設け、
ここに液化窒素等の液化ガスを導入して冷却する手段で
あり、一方低温ガス冷却は、圧縮機で圧縮した低温ガス
の一部を電動機内部に流して冷却する手段であり、両者
とも、電動機を十分に冷却することはできるが、インペ
ラ部で発生し圧縮ガスに流入する熱量が依然として大き
い問題点があった。すなわち、インペラの回転によりイ
ンペラ背面とケーシングとの隙間でガスの粘性に基づく
発熱があり、この熱が圧縮した低温ガスに流入するため
圧縮機の効率が低下する問題点があった。また、電動機
が十分に冷却されても回転子の温度は依然として冷却ガ
スよりも相当に高い(例えば温度差300℃)ので、回
転子を介して冷却ガスに熱が流入し、圧縮機の効率が低
下する問題点があった。更に、従来の低温ガス冷却で
は、低温ガスが無駄に消費されるため、電動機の冷却に
より圧縮機の効率が低下する問題点があった。本発明
は、かかる問題点を解決するために創案されたものであ
る。すなわち、本発明の目的は、インペラとケーシング
の隙間で発生する粘性に起因する発熱が低温ガスに流入
するのを防ぎ、かつ電動機の回転子を介して低温ガスに
流入する熱を低減して、圧縮機の効率を向上させること
ができる低温ガス圧縮用電動機の冷却方法を提供するこ
とにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、低温ガ
ス圧縮機を駆動する低温ガス圧縮機用電動機の冷却方法
であって、インペラの背面と電動機内部とを連通する低
温ガス流入口と、インペラと反対側の電動機内部と外部
とを連通する低温ガス流出口と、電動機のインペラ側に
回転子に近接して設けられた温度センサーとを備え、圧
縮した低温ガスをインペラの背面から電動機内部に流入
させ、流入した低温ガスを電動機の回転子に沿って流
し、流入直後の低温ガスの温度を温度センサーにより計
測し、その計測温度を所定の一定温度に維持するよう
に、電動機から排出する低温ガスの流量を制御する、こ
とを特徴とする低温ガス圧縮機用電動機の冷却方法が提
供される。本発明の好ましい実施例によれば、電動機か
ら排出された低温ガスを、前記低温ガス圧縮機に吸入さ
せる、ことが好ましい。
【0005】
【作用】上記、本発明の方法によれば、圧縮した低温ガ
スの一部をインペラの背面から電動機内部に流入させる
ので、インペラの回転によりインペラ背面とケーシング
との隙間でガスの粘性に基づく発熱があっても、この熱
は圧縮した低温ガスに流入せずに電動機内部に流入する
ため、圧縮機の効率は低下しない。また、流入した低温
ガスは、電動機に比べ依然として相当低温であり、電動
機を十分冷却することができる。更に、流入した低温ガ
スを電動機の回転子に沿って流し、流入直後の低温ガス
の温度を温度センサーにより計測し、その計測温度を所
定の一定温度に維持するように、電動機から排出する低
温ガスの流量を制御するので、インペラが取り付けられ
た回転子の温度を十分低温に冷却することができ、回転
子を介して冷却ガスに流入する熱量を低減し、圧縮機の
効率を向上させることができる。また、本発明の好まし
い実施例によれば、冷却に必要な量だけの低温ガスを電
動機から排出し、かつこの低温ガスを再び低温ガス圧縮
機に吸入させるので、低温ガスが無駄に消費されず、圧
縮機の効率を高く維持することができる。
【0006】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図1は、ヘリウムガスを圧縮する低温ガ
ス圧縮機の全体断面図である。この図において、電動機
は回転軸、すなわち回転子1を備え、この回転子1が密
閉したケーシング2の内部に回転自在に設けられ、その
先端(図で左端)に低温ガスを圧縮するインペラ3が取
り付けられている。低温ガスは、ヘリウムガスであり、
インペラ3の高速回転により、例えば約80K(約−1
93℃)の低温ヘリウムガスが約120K(約−153
℃)の温度まで圧縮される。
【0007】図1において、回転子1は、2つのラジア
ル軸受4により半径方向に支持されている。このラジア
ル軸受4は、回転子1を無接触で支持する磁気軸受であ
るのが良い。更に、インペラ3に作用する軸方向力を支
持するようにスラスト軸受を備えるのが良い。また、回
転子1のまわりを電動機の固定子6が無接触に囲み、固
定子6の磁界により回転子1を回転させるようになって
いる。かかる構成により、固定子6に高周波電源(例え
ば1667Hz)を印加することにより、回転子1を例
えば10万rpmの高速で回転させることができる。
【0008】低温ガス圧縮機は、更に、インペラ3の背
面と電動機内部とを連通する低温ガス流入口10と、イ
ンペラ3と反対側の電動機内部と外部とを連通する低温
ガス流出口12と、電動機のインペラ側に回転子に近接
して設けられた温度センサー8とを備えている。この温
度センサー8は接触型温度センサー、例えば熱電対であ
り、回転子1の表面を流れる低温ガスの温度を計測する
ように取り付けられている。かかる構成により圧縮され
た低温ガスをインペラ3の背面から電動機内部に流入さ
せ、流入した低温ガスを電動機の回転子1に沿って流
し、流入直後の低温ガスの温度を温度センサー8により
計測することができる。また、電動機のケーシング2に
は、固定子6を囲むように冷却ジャケット(図示せず)
を設けるのが良い。
【0009】更に、この低温ガス流出口12と低温ガス
圧縮機の吸入側とを連結するガスライン14が設けら
れ、このガスライン14には流量を調節するための流量
調節弁16が取り付けられている。また、流量調節弁1
6を制御する制御器18が設けられ、この制御器18に
は温度センサー8の出力が伝達され、その計測温度を所
定の一定温度に維持するように、電動機から排出する低
温ガスの流量を制御するようになっている。かかる構成
により、流入直後の低温ガスの温度を所定の一定温度に
維持するように、回転子1に沿って流れ電動機から排出
される低温ガスの流量を制御することができる。
【0010】上述した電動機は以下のように運転する。
すなわち、本発明によれば、圧縮した低温ガスをインペ
ラ3の背面から低温ガス流入口10を通して電動機内部
に流入させ、流入した低温ガスを電動機の回転子1に沿
って流し、流入直後の低温ガスの温度を温度センサー8
により計測し、その計測温度を所定の一定温度に維持す
るように、流量調節弁16及び制御器18により電動機
から排出する低温ガスの流量を制御する。これにより、
インペラ3の回転によりインペラ背面とケーシング2と
の隙間でガスの粘性に基づく発熱があっても、この熱は
圧縮した低温ガスに流入せずに電動機内部に流入するた
め、圧縮機の効率は低下しない。また、流入した低温ガ
スは、電動機に比べ依然として相当低温であり、電動機
を十分冷却することができる。また、インペラ3が取り
付けられた回転子1の温度を十分低温に冷却することが
でき、回転子1を介して冷却ガスに流入する熱量を低減
し、圧縮機の効率を向上させることができる。また、電
動機の低温ガス流出口12から排出された低温ガスは、
ガスライン14を介して低温ガス圧縮機に吸入させるの
が良い。これにより、低温ガスが無駄に消費されず、圧
縮機の効率を高く維持することができる。
【0011】電動機のケーシング2に設けられた冷却ジ
ャケットには、液化窒素を導入するのが良い。これによ
り、低温ガス流入口10を通して流す低温ガスの流量を
更に低減することができる。
【0012】次に冷却条件を説明する。電動機の起動時
には、回転子1の温度は一般に大気温度付近或いは零下
数十度の程度の軽度の低温(停止直後に運転再開の場
合)であるため、冷却はあまり必要がない。従って、起
動時には、電動機ケーシング、回転子共に冷却しなくて
もよい。電動機の昇降速時には、回転数の3乗に比例し
た負荷が電動機に作用し、この負荷にほぼ比例した発熱
が生ずるので、冷却が必要となる。この発熱特性と、ジ
ャケット〜固定子間の伝熱特性を考慮して、ケーシング
をまず冷却し定格の80%程度の回転数となってから回
転子の冷却を開始するのがよい。これにより制御を簡略
化することができる。なお、回転子1は低温のヘリウム
ガスによって直接冷却されるので、時定数は極めて短
く、短時間で冷却することができる。電動機が高速回転
する定常時には、ケーシング冷却と回転子冷却とを併用
し、回転子の平均温度を常温に保つために上述した制御
を行うのがよい。
【0013】
【発明の効果】上述したように、本発明の方法によれ
ば、圧縮した低温ガスの一部をインペラの背面から電動
機内部に流入させるので、インペラの回転によりインペ
ラ背面とケーシングとの隙間でガスの粘性に基づく発熱
があっても、この熱は圧縮した低温ガスに流入せずに電
動機内部に流入するため、圧縮機の効率は低下しない。
また、流入した低温ガスは、電動機に比べ依然として相
当低温であり、電動機を十分冷却することができる。更
に、流入した低温ガスを電動機の回転子に沿って流し、
流入直後の低温ガスの温度を温度センサーにより計測
し、その計測温度を所定の一定温度に維持するように、
電動機から排出する低温ガスの流量を制御するので、イ
ンペラが取り付けられた回転子の温度を十分低温に冷却
することができ、回転子を介して冷却ガスに流入する熱
量を低減し、圧縮機の効率を向上させることができる。
また、本発明の好ましい実施例によれば、冷却に必要な
量だけの低温ガスを電動機から排出し、かつこの低温ガ
スを再び低温ガス圧縮機に吸入させるので、低温ガスが
無駄に消費されず、圧縮機の効率を高く維持することが
できる。
【0014】従って、本発明により、インペラとケーシ
ングの隙間で発生する粘性に起因する発熱が低温ガスに
流入するのを防ぎ、かつ電動機の回転子を介して低温ガ
スに流入する熱を低減して、圧縮機の効率を向上させる
ことができる優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法を実施するための低温ガス圧縮機
の全体断面図である。
【符号の説明】
1 回転子 2 ケーシング 3 インペラ 4 ラジアル軸受 6 固定子 8 温度センサー 10 低温ガス流入口 12 低温ガス流出口 14 ガスライン 16 流量調節弁 18 制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 朝倉 啓 東京都江東区豊洲3丁目2番16号 石川島 播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 低温ガス圧縮機を駆動する低温ガス圧縮
    機用電動機の冷却方法であって、 インペラの背面と電動機内部とを連通する低温ガス流入
    口と、インペラと反対側の電動機内部と外部とを連通す
    る低温ガス流出口と、電動機のインペラ側に回転子に近
    接して設けられた温度センサーとを備え、 圧縮した低温ガスをインペラの背面から電動機内部に流
    入させ、流入した低温ガスを電動機の回転子に沿って流
    し、流入直後の低温ガスの温度を温度センサーにより計
    測し、その計測温度を所定の一定温度に維持するよう
    に、電動機から排出する低温ガスの流量を制御する、こ
    とを特徴とする低温ガス圧縮機用電動機の冷却方法。
  2. 【請求項2】 電動機から排出された低温ガスを、前記
    低温ガス圧縮機に吸入させる、ことを特徴とする請求項
    1に記載の低温ガス圧縮機用電動機の冷却方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002064956A (ja) * 2000-08-14 2002-02-28 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 高速回転電動機とその冷却方法
JP2004060686A (ja) * 2002-07-25 2004-02-26 Koyo Seiko Co Ltd 磁気軸受装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002064956A (ja) * 2000-08-14 2002-02-28 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 高速回転電動機とその冷却方法
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