【発明の詳細な説明】
圧縮機
技術分野
本発明は圧縮機に関する。
背景技術
食品、製薬材料及び他の敏感な材料を処理する際には、絶対的に清浄な又は「
乾燥（ドライ）」状態の、即ち全く油や他の軸受潤滑剤を含まない圧縮空気又は
他の作動ガスの供給源を備えることが望ましい。
従来、無潤滑式の圧縮機を製造するために多くの試みがなされているが、乾式
ねじ圧縮機のような構造は高価で効率が悪く、多大な動力を要するとともに、取
扱いが面倒である。
空気圧縮機の市場全体は、それぞれある範囲の吐出し圧力とある範囲の質量流
量との組合せからなる様々な性能範囲（performance band）から構成されている
。
約８．５バール（bara）の吐出し圧力と毎秒０．２７kgの質量流量との組合せ
は、乾式空気圧縮機の１つの市場範囲（market band）の中に含まれている。吐
出し圧力は、現在では容易に適合させることができるが、この種の従来のターボ
圧縮機の質量流量は、要求される質量流量より遙かに大きい。
更に、公知の油潤滑式ジャーナルころ軸受またはジャーナル玉軸受に取り付け
られたターボ圧縮機は、所望の性能を発揮するために必要とされる高速の軸回転
速度（一般に５０，０００〜１００，０００ｒｐｍ）に於いてとても使用できな
い程に効率が悪いものである。この範囲で運
転される公知のターボ圧縮機は、従って非常に高価で大型で非能率的である。
発明の開示
本発明によれば、（ａ）回転軸と、（ｂ）前記回転軸を回転させるための、前
記回転軸上に取り付けられたロータを有する電動機からなる駆動手段と、（ｃ）
前記回転軸の長手方向に離隔された位置に、前記離隔位置の間に前記電動機が配
置されるように取り付けられた少なくとも２つのインペラロータ段と、（ｄ）前
記インペラロータ段の中間に設けられた中間冷却手段と、（ｅ）自己生成型で空
気又は気体潤滑されるように構成され、かつセラミック軸受面を設けた軸受パッ
ドを有する少なくとも１個のティルティングパッドジャーナル軸受からなる、前
記回転軸について設けられた軸受手段とからなることを特徴とする圧縮機が提供
される。
前記軸受パッドは、セラミック材料からなる同質のパッドで構成することがで
きる。
前記軸受手段の各ティルティングパッドの前記セラミック軸受面が作用する硬
化即ちセラミック面部分が前記回転軸に設けられていると好都合である。
好適には、前記軸受手段が、それぞれ空気又は気体で潤滑されるように構成さ
れ、かつそれぞれセラミック軸受支持面を設けた軸受パッドを有するティルティ
ングパッドジャーナル軸受である少なくとも２個のジャーナル軸受から構成され
る。前記ジャーナル軸受が、前記回転軸を離隔された位置で、好適には前記電動
機の両端近傍に於いて支持するように設けられていることが望ましい。前記電動
機の各端部と各インペラロータ段との中間に少なくとも１個のジャーナル軸受が
設けられていると
好都合である。
更に、前記回転軸が少なくとも１個のスラスト軸受によって支持されると好都
合であり、またこれが自己生成型（self generating）空気又は気体軸受である
と好都合である。このようなスラスト軸受は、前記回転軸（又はその上に設けら
れたスラストカラー）の硬化部分又はセラミック表面処理部分に対して働くティ
ルティングパッドからなると好都合である。前記スラスト軸受が、互いに軸線方
向逆向きに作用する軸スラストを打ち消すように配設されていると好都合である
。
好適には、前記インペラロータ段が前記回転軸の両端に装着されている。各イ
ンペラロータ段がそれぞれ圧縮機インペラからなり、中間冷却手段が前記インペ
ラロータ段の中間に連通するように接続されていると好都合である。
圧縮機が３つの圧縮段からなるように、３個のインペラロータが設けられてい
ることが望ましい。各中間冷却手段が、連続する圧縮段の中間に設けられている
と好都合である。これによって、圧縮機の効率が改善される。各インペラロータ
への作動ガスの流れが軸方向であり、かつ好適には前記電動機の方向であると好
都合である。
従って、好適には互いに、各インペラ段への流れが逆方向であるように、少な
くとも２つの前記インペラ段が相互に逆の形に配設されていると好都合である。
これは、各インペラ段によって回転軸に加わる軸方向のスラスト荷重が互いに相
殺し合う傾向があり、それによってスラスト軸受が受ける軸スラストが減少する
という利点がある。
前記インペラロータ段から前記電動機及び軸受手段に前記作動ガスが接近する
のを防止するために、好適にはそれぞれラビリンスシールからなるシール手段が
前記回転軸に設けられていると好都合である。
前記電動機が電磁石型又は永久磁石型電動機からなり、前記回転軸を
好適には５０，０００r.p.m.以上の速度で、より好適には７０，０００r.p.m.以
上の速度で回転させるように構成されていると有利である。前記電動機が直流モ
ータであり、可変周波数発振器によって制御されることか望ましい。
図面の簡単な説明
以下に、添付図面を参照しつつ特定の実施例を用いて本発明を詳細に説明する
。
第１図は、本発明による圧縮機を概略的に示す図である。
第２図は、第１図の圧縮機の部分拡大図である。
発明を実施するための最良の形態
添付図面には、参照符号１を付して圧縮機が示されている。圧縮機１は、ハウ
ジング３内に取り付けられた軸方向の回転軸２からなり、その上に機械加工され
たアルミニウム製インペラロータ４、５、６が取り付けられている。
前記回転軸の一方の端部には、第１段の吸気用ロータ４が装着され、他方の端
部には第２段及び第３段のロータ５、６かそれぞれ装着されている。インペラロ
ータ４と５との中間には、回転軸２上に取り付けられた永久磁石からなるロータ
７と、前記ハウジング内に取り付けられたスペータ２３とを有するブラシレスＤ
．Ｃ．モータが配置されている。半導体サイリスタを用いたインバータ／コント
ローラ（図示せず）を用いて、標準の４１５Ｖ／５０Ｈｚ電源から高周波数の可
変電流を発生させる。高周波数電流によって前記電動機を、一般に約５０，００
０〜１００，０００r.p.m.である所望の高運転速度で駆動する（従って、中間に
歯車機構を設けることなく回転軸２を直接駆動する）。回転軸２を駆動
手段に連結する歯車機構を全く必要としないので、動力の損失が最小になる。
回転軸２はハウジング３内に、それぞれインペラロータ４、５に近接する前記
電動機の各端部に設けられたジャーナル軸受８、９に支持されている。また、ス
ラスト軸受１０が、前記回転軸上に設けられたスラストカラー１１に働くように
前記ハウジング内に取り付けられている。ジャーナル軸受８、９は、自己生成型
の空気潤滑式ティルティングパッドジャーナル軸受からなる。各ジャーナル軸受
８、９のティルティングパッド１２は、可撓性を有するピボット軸２４上に支持
され、かつセラミック軸受面１３が、前記回転軸の軸受面直近部分に働くように
設けられている。前記回転軸の軸受面部分は、耐摩耗性を増すために硬化デポジ
ットで被覆されている。
設計上の重要な特徴は、軸受の摩擦損失を最小にして圧縮機の効率を最大にす
ることである。一般に、（油潤滑式軸受のような）流体潤滑式ジャーナル軸受又
はジャーナル玉軸受若しくはジャーナルころ軸受を高速回転機械に用いる場合に
は、軸受における摩擦損失が駆動動力の５％乃至１０％の範囲である。ティルテ
ィングパッド自己生成型空気（又は気体）軸受を設けることによって、摩擦損失
を駆動動力の約０．５％に低減させることができる。しかしながら、軸回転速度
が極めて高い（例えば、空気の質量流量が０．２７ｋｇ／ｓに於いて１バール乃
至８．５バールの圧力で８０，０００r.p.m.）という事実から、軸受に発生する
熱は非常に高く、空気又は気体潤滑式ティルティングパッド自己生成型ジャーナ
ル軸受に必要とされる軸受と軸との隙間が必然的に狭い（一般にジャーナル軸受
について直径の隙間が０．０７６ミリメートル（０．００３インチ）である）た
めに、軸受／軸材料の膨張という問題を生じる虞れがある。この問題は、ティル
ティングパッド１２の軸受面にセラ
ミック材料を用いることによって解消される。回転軸２の軸受部分に硬化デポジ
ット面を設けることも、この問題を解消するのに役立つ。
また、スラスト軸受１０には、セラミック軸受面設けたティルティングパッド
スラスト部材１０ａ，１０ｂが設けられている。パッド１０ａは、圧縮機の正常
運転時にスラストカラー１１によって回転軸２から伝達される正常なスラスト荷
重を受けるように構成されている。パッド１０ｂは、カラー１１の反対側に作用
し、モータ及び回転軸か正常な運転速度に「加速」（run up）する際の逆スラス
ト荷重を受けるように作用する。
効率を上げるために、第１段のインペラ４と第２段のインペラ５との中間に中
間冷却器１５が設けられている。第２段のインペラ５と最終段（第３段）のイン
ペラ６との中間に第２の中間冷却器１６が設けられている。第１段のインペラ４
への作動ガスの流れが第２段及び第３段のインペラ５、６への作動ガスの流れに
対して逆方向であることは、圧縮機の重要な特徴である。これは、回転軸に働く
軸スラストを「バランス」させ、かつスラスト軸受１０に加わる通常の軸スラス
トを低減させる効果を有する。従って、スラスト軸受１０に於ける軸受損失は最
小になる。
運転時には、前記電動機を約８０，０００r.p.m.の運転速度まで加速する。次
に、作動ガスを軸方向に第１インペラ段４内に吸い込み、かつダクト１７を介し
て中間冷却器１５内に送り込む。前記作動ガスは、中間冷却器１５を出てダクト
１８に入り、次に軸方向に通過して第２インペラ段５に入る。前記作動流体は、
インペラ５を出て放射方向にダクト１９を通過して第２中間冷却器１６内に入る
。中間冷却器１５及び１６は、中間冷却器１６がその長手方向を中間冷却器１５
の長手方向に対して９０度の角度に配置されている（即ち、中間冷却器１６の長
手方向が第１図の平而に対して垂直をなす）点を除いて、実質的に同一である。
作動ガスは、ダクト２０を介して中間冷却器１６を出ると、軸方向に第３（即
ち最終）インペラ段６に入るように送られる。前記作動ガスは、排気ダクト２１
を介して放射方向に最終のインペラ段６を出る（ダクト２１からの排気の流れは
第１図の平而に対して垂直である）。
軸受損失の最小化及びインペラロータの分割段中間冷却構造と共に直接駆動式
の高速回転軸の組み合わせによって、本発明によれば極めて効率の高い圧縮機が
得られる。この圧縮機によって、ターボ圧縮機の場合と異なり、比較的低い質量
流量（空気について一般に０．２７ｋｇ／ｓ）で高い吐出し圧力（一般に８．５
バール）を達成できることから、従来は主にスクリューフィード型圧縮機によっ
て行われていた用途に使用可能な小型のターボ機械を提供することができる。Detailed Description of the Invention
Compressor
Technical field
The present invention relates to compressors.
Background technology
When processing foods, pharmaceuticals and other sensitive materials, be absolutely clean or
Compressed air in the "dry" state, that is, without any oil or other bearing lubricants or
It is desirable to have a source of other working gases.
Although many attempts have been made in the past to manufacture a non-lubricated compressor,
A structure like a screw compressor is expensive and inefficient, requires a lot of power, and
It is troublesome to handle.
The entire market for air compressors has a range of discharge pressures and a range of mass flows.
Consists of various performance bands consisting of combinations with quantities
.
Combining a discharge pressure of about 8.5 bar with a mass flow rate of 0.27 kg per second
Is included in one market band of dry air compressors. Vomiting
The delivery pressure can now easily be adapted, but this type of conventional turbo
The mass flow rate of the compressor is much higher than the required mass flow rate.
In addition, it is mounted on a known oil lubricated journal roller bearing or journal ball bearing.
The turbo compressor is designed to deliver the high speed shaft rotation required to achieve the desired performance.
Very unusable at speeds (typically 50,000-100,000 rpm)
It is very inefficient. Luck in this range
Known turbo compressors that are tumbled are therefore very expensive, bulky and inefficient.
Disclosure of the invention
According to the invention, (a) a rotary shaft, and (b) a front for rotating the rotary shaft,
Drive means comprising an electric motor having a rotor mounted on the rotary shaft; and (c)
The electric motor is arranged at a position separated in the longitudinal direction of the rotating shaft between the separated positions.
At least two impeller rotor stages mounted so as to be placed; and (d) front
The intermediate cooling means provided in the middle of the impeller rotor stage, and (e) a self-generated empty
Bearing packs designed to be air or gas lubricated and provided with ceramic bearing surfaces
Consisting of at least one tilting pad journal bearing with
Provided is a compressor characterized by comprising bearing means provided for the rotating shaft.
Is done.
The bearing pad may be a homogeneous pad made of a ceramic material.
Wear.
Hardness on which the ceramic bearing surface of each tilting pad of the bearing means acts.
Conveniently, a ceramic or ceramic surface portion is provided on the rotary shaft.
Preferably, the bearing means are each configured to be lubricated with air or gas, respectively.
And bearing bearings each provided with a ceramic bearing support surface
Is composed of at least two journal bearings which are
It The journal bearing is preferably located at a position separated from the rotary shaft by the electric motor.
It is desirable to be provided so as to support near both ends of the machine. The electric
At least one journal bearing intermediate each end of the machine and each impeller rotor stage
When provided
It is convenient.
Further, it is preferable that the rotary shaft is supported by at least one thrust bearing.
And this is a self-generating air or gas bearing
It is convenient. Such thrust bearings may be installed on the rotary shaft (or on the rotary shaft).
Applied to the hardened portion of the thrust color) or the ceramic surface treated portion.
Conveniently it consists of a rutting pad. The thrust bearings are axial with respect to each other.
Conveniently, it is arranged so as to cancel the axial thrust acting in the opposite direction.
.
Preferably, the impeller rotor stages are mounted on both ends of the rotary shaft. Each a
Each of the impeller rotor stages comprises a compressor impeller, and the intercooling means is the impeller.
Conveniently, it is connected in communication with the middle of the Larotor stage.
Three impeller rotors are provided so that the compressor consists of three compression stages.
Is desirable. Each intermediate cooling means is provided in the middle of successive compression stages
It is convenient. This improves the efficiency of the compressor. Each impeller rotor
The flow of the working gas to the shaft is in the axial direction, and preferably in the direction of the electric motor.
It is convenient.
Therefore, it is preferable that the flow to each impeller stage is opposite to each other, so that
Conveniently, at least two said impeller stages are arranged in a mutually inverted manner.
This is because the axial thrust loads applied to the rotating shaft by the impeller stages are mutually
Tend to kill each other, which reduces the axial thrust experienced by the thrust bearing
There is an advantage.
The working gas approaches from the impeller rotor stage to the electric motor and bearing means.
In order to prevent the
Conveniently it is provided on the rotary shaft.
The electric motor is an electromagnet type or permanent magnet type electric motor, and the rotating shaft is
The speed is preferably 50,000 r.p.m. or higher, and more preferably 70,000 r.p.m. or lower.
Advantageously, it is arranged to rotate at the above speed. The motor is a direct current
It is desirable that it is controlled by a variable frequency oscillator.
Brief description of the drawings
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings by using specific embodiments.
.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a compressor according to the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged view of the compressor shown in FIG.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the accompanying drawings, a compressor is indicated by reference numeral 1. Compressor 1 howe
Consists of an axial rotary shaft 2 mounted in a ging 3 and machined on it
Aluminum impeller rotors 4, 5 and 6 are attached.
A first stage intake rotor 4 is attached to one end of the rotary shaft and the other end is attached to the other end.
The second stage and the third stage rotors 5 and 6 are mounted on the section. Impeller
A rotor made of a permanent magnet mounted on the rotating shaft 2 is provided between the rotors 4 and 5.
7 and a brusher D having a spacer 23 mounted in the housing
． C. The motor is located. Inverter / control using semiconductor thyristor
Use a roller (not shown) to drive high frequencies from a standard 415V / 50Hz power supply.
Generate a variable current. High frequency currents drive the motor, typically about 50,000
Drive at the desired high operating speed of 0-100,000 r.p.m.
The rotary shaft 2 is directly driven without providing a gear mechanism). Drives rotating shaft 2
Power loss is minimized because no gear mechanism is required to connect to the means.
The rotating shaft 2 is located in the housing 3 and is in proximity to the impeller rotors 4 and 5, respectively.
It is supported by journal bearings 8 and 9 provided at each end of the electric motor. In addition,
The thrust bearing 10 acts on the thrust collar 11 provided on the rotary shaft.
It is mounted in the housing. Journal bearings 8 and 9 are self-generated
Consisting of air lubricated tilting pad journal bearings. Each journal bearing
The tilting pads 12 of 8, 9 are supported on a flexible pivot shaft 24.
And so that the ceramic bearing surface 13 acts on the portion of the rotary shaft in the vicinity of the bearing surface.
It is provided. The bearing surface portion of the rotary shaft has a hardened deposit to increase wear resistance.
It is covered with a hood.
An important design feature is to minimize bearing friction loss and maximize compressor efficiency.
Is Rukoto. Generally, fluid lubricated journal bearings (such as oil lubricated bearings) or
When using journal ball bearings or journal roller bearings in high-speed rotating machinery
The friction loss in the bearing is in the range of 5% to 10% of the driving power. Tilte
Friction loss by installing a self-generated air (or gas) bearing
Can be reduced to about 0.5% of the driving power. However, the shaft rotation speed
Is extremely high (for example, when the mass flow rate of air is 0.27 kg / s, 1 bar
Generated in the bearing from the fact that at pressures up to 8.5 bar 80,000 r.p.m.)
Very high heat, air or gas lubricated tilting pad self-generated journal
The required clearance between the bearing and the shaft for a bearing is inevitably narrow (generally journal bearings
About 0.076 millimeters (0.003 inches) in diameter clearance)
This can lead to problems of bearing / shaft material expansion. This issue is Till
The bearing pad 12
It is solved by using the Mick material. Hardened deposit on the bearing of rotating shaft 2.
Providing a mounting surface also helps eliminate this problem.
Further, the thrust bearing 10 includes a tilting pad provided on a ceramic bearing surface.
Thrust members 10a and 10b are provided. The pad 10a is a normal compressor
Normal thrust load transmitted from the rotary shaft 2 by the thrust collar 11 during operation
It is configured to receive weight. Pad 10b acts on the opposite side of collar 11.
However, the reverse thrust when "run up" the motor and rotating shaft to the normal operating speed
Acts to receive the load.
In order to improve efficiency, the middle of the first stage impeller 4 and the second stage impeller 5
An intercooler 15 is provided. The second stage impeller 5 and the last stage (third stage) impeller
A second intercooler 16 is provided in the middle of the propeller 6. 1st stage impeller 4
To the second and third stage impellers 5 and 6
The opposite direction is an important feature of compressors. It works on the axis of rotation
A normal axial thrust that "balances" the axial thrust and adds to the thrust bearing 10.
Has the effect of reducing the noise. Therefore, the bearing loss in the thrust bearing 10 is the maximum.
Get smaller.
In operation, the motor is accelerated to a running speed of about 80,000 r.p.m .. Next
And sucks the working gas axially into the first impeller stage 4 and through the duct 17.
And send it into the intercooler 15. The working gas exits the intercooler 15 and ducts.
18 and then pass axially into the second impeller stage 5. The working fluid is
Exit the impeller 5 and radially pass through the duct 19 into the second intercooler 16.
. The intercoolers 15 and 16 are the same as the intercooler 16 in the longitudinal direction.
Is arranged at an angle of 90 degrees with respect to the longitudinal direction of the intercooler 16 (that is, the length of the intercooler 16).
Except that the hand direction is perpendicular to the plane of FIG. 1).
Upon exiting the intercooler 16 via the duct 20, the working gas is axially moved to a third (immediately)
(Final) Sent to enter the impeller stage 6. The working gas is discharged through the exhaust duct 21.
Exit the final impeller stage 6 in the radial direction via (the exhaust flow from the duct 21 is
(Perpendicular to the metaphor of FIG. 1).
Direct drive with minimized bearing loss and split stage intercooling structure of impeller rotor
According to the present invention, a highly efficient compressor can be obtained by combining the high-speed rotating shafts of
can get. This compressor allows a relatively low mass, unlike the turbo compressor.
High discharge pressure (typically 8.5) at flow rate (typically 0.27 kg / s for air)
Since it is possible to achieve the above (burl), conventionally, mainly by the screw feed type compressor.
It is possible to provide a small-sized turbomachine that can be used for applications that have been carried out.
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(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，
ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ
Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ
，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，
ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，
ＣＡ，ＣＨ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｈ
Ｕ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＧ
，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，
ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ，ＶＮ─────────────────────────────────────────────────── ───
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(81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE,
DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LU, M
C, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG
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, MN, MW, NL, NO, NZ, PL, PT, RO,
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