JPH09509999A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 インペラロータ段を担持する被動回転軸を有し、該インペラロータ段がそれにスラスト軸受が直接作用するようにされた圧縮機。それにより軸受で発生した熱がインペラ段を介して作動ガスに伝達されるので、該軸受のオーバヒートが防止される。好ましくは、又は別の実施例では、軸の少なくとも一部分が、慣性性能を向上させかつ軸受の冷却を促進するように中空である。

Description

【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、薬品、及び他の敏感な材料を処理する場合、完全に清浄な又は「乾燥」 した、即ち油や他の軸受潤滑剤を全く含まない圧縮空気又は他の作動ガスが供給 されることが望ましい。 これまでに、無潤滑式圧縮機を製造しようとする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非能率的で、多大な動力を使用し、かつ 扱いにくい。 空気圧縮機の市場全体は、それぞれにある範囲の吐出し圧力とある範囲の質量 流量とを組み合わせた多くの性能範囲（performance band）から構成される。 毎秒０．２７kgの質量流量に組み合わされた約８．５バール（bara）の吐出し 圧力は、乾式空気圧縮機の市場範囲（market band）の１つに含まれる。吐出し 圧力は、今日において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 形圧縮機からの質量流量は、要求される質量流量よりはるかに大きい。 その上、公知の油潤滑式のころ又は玉ジャーナル軸受に支持されたターボ形圧 縮機は、所望の性能に要求される高い軸回転速度（一般に５０,０００〜１００, ０００rpm）において使いものにならないくらい非能率的である。従って、この 範囲で運転される公知のターボ形圧縮機は極め て高価で大型かつ非能率的なものになる。 発明の開示 本発明の第１の側面によれば、回転可能な軸と、前記軸を回転させるための駆 動手段と、前記軸上に取り付けられた少なくとも１つのインペラロータ段と、前 記軸に対し設けられたスラスト軸受手段とからなり、該スラスト軸受手段が前記 インペラロータ段に直接作用するように構成された圧縮機が提供される。 これにより、前記スラスト軸受手段において発生した熱をインペラロータ段を 介して圧縮機の作動ガスに直接伝達することが可能になり、それによって前記軸 受手段を冷却しかつオーバーヒートを防止することができる。 本発明の第２の側面によれば、回転可能な軸と、前記軸を回転させるための駆 動手段と、前記軸上に取り付けられた少なくとも１つのインペラロータ段と、前 記軸に対して設けられた軸受手段とからなり、前記回転軸の少なくとも一部分が 実質的に中空である圧縮機が提供される。 これにより、インペラロータ段と軸とを組み合わせた組立体の回転慣性モーメ ントが減少し、それにより前記軸を回転させるのに必要な仕事量が減少し、従っ て効率が改善される。 本発明の第１の側面による圧縮機が本発明の第２の側面による中空軸を備えて いると好都合である。 相対的に高圧のインペラロータ段からの圧縮空気又は作動ガスが、前記軸の中 空部分の内部を通って相対的に低圧の段に向けて環流するようになっていると好 都合である。このために、前記軸の中空部分に連通するブリード通路手段が設け られていると、好都合である。これは、前記軸が効果的に冷却され、その結果更 に前記軸受から熱放散がなされるの で有利である。 前記スラスト軸受手段が前記インペラロータ段に直接作用することにより、前 記軸が回転する時に、前記スラスト軸受と前記インペラロータ段の軸受面（bear ing surface）との間で軸受接触（bearing contact）が生じるように、インペラ ロータ段に直接作用するようになっていると好都合である。 前記軸を高回転速度で、好適には５０,０００〜１００,０００rpmの範囲で回 転させるようにした直接駆動手段が前記圧縮機に設けられていることが好ましい 。従って、前記駆動手段が前記軸上にロータを装着した電動機からなると好都合 である。 望ましくは前記圧縮機が多段式であり、かつ好適には少なくとも２つのインペ ラロータ段からなり、それらが、好適には前記電動機が前記ロータ段の間に位置 するように、前記軸の長手方向に離隔された部分に装着されていると有利である 。前記軸の互いに対向する軸方向の軸力を受持つように少なくとも２つのインペ ラロータ段に直接作用するように、スラスト軸受手段が設けられていると好都合 である。 インペラロータ段の中間にインタークーラ手段が設けられて、圧縮機の効率を 上げるようになっていると好都合である。 前記軸が、その離隔された部分を接続する中間の中空ロータ部分を備える複合 軸からなり、好ましくは前記軸の前記離隔部分がそれぞれインペラ段を担持して いることが望ましい。前記軸の前記中空ロータ部分が磁性材料又は磁化可能な材 料からなると有利である。前記軸のロータ部分を中空にすることにより、前記複 合軸の質量（従って前記軸を中心とする慣性モーメント）が最小に維持される。 前記中空ロータ部分と前記軸の離隔部分とを相関的に固定するために固定手段 が設けられていると、有利である。前記固定手段が、前記中空 ロータ部分及び前記軸の連結された離隔部分の中を通過するタイロッドからなる と、好都合である。 スラスト軸受手段が、インペラ段に作用するように前記軸の両離隔部分に設け られ、互い逆向きの軸方向の前記軸の軸スラストを受けるようになっていること が好ましい。 前記スラスト軸受手段が、前記軸受において発生した熱が前記インペラ段ロー タに伝達されるように、曲記各インペラ段ロータに作用するようになっていると 好都合である。従って、前記スラスト軸受手段及び各インペラが、前記圧縮機が 運転中の時に、熱伝達可能に軸受接触するようになっていると好都合である。 これにより、前記スラスト軸受手段において発生した熱が各インペラに、その 次に前記圧縮機の各インペラ段を通過する作動ガスに、確実に伝達される。次に 、前記ガスは後続のインタークーラ手段内を通過する時に冷却される。 前記圧縮機が、更に前記軸を支持するように設けられ、好適には、自己発生（ self generating）型で空気又は気体潤滑式であると好都合で、かつ望ましくは 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ジャーナル軸受手段を備えると、好都合である 。前記軸受パッドは、等質な（homogenous）セラミック材料のパッドで構成する ことができる。 前記軸に硬化部分又はセラミック面部分が設けられ、それに対して前記ジャー ナル軸受手段の各ティルティングパッドのセラミック軸受面が作用するようにな っていると好都合である。 好適には、前記軸受手段が少なくとも２個のジャーナル軸受からなり、それぞ れが、空気又は気体潤滑されるようになっており、かつそれぞれにセラミック軸 受面が設けられ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と好都合である。別の実施例では、フォイルジャーナ ル軸受を用いることができる。前記ジャーナル軸受が、好ましくは前記電動機の 両端に近接して前記軸の離隔部分を支持するように設けられていることが望まし い。少なくとも１個のジャーナル軸受が、前記電動機の各端部と各インペラロー タ段との中間に設けられていると好都合である。 前記スラスト軸受手段は、前記インペラロータ段に対して作用するティルティ ングパッドを有するスラスト軸受からなると好都合である。前記スラスト軸受が 、自己発生型の空気又は気体潤滑式であり、セラミック軸受面が設けられたパッ ドを有することが望ましい。 前記インペラロータ段が前記軸の両端にオーバーハング（overhung）即ち片持 形に取り付けられていると有利である。各インペラロータ段がそれぞれ圧縮機の インペラ（羽根車）からなり、インタークーラ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。 望ましくは、前記圧縮機が３つの圧縮段からなるように、３個のインペラロー タが設けられる。連続する圧縮段の中間にそれぞれインタークーラ手段が設けら れていると、好都合である。これにより圧縮機の効率が改善される。作動ガスの 各インペラロータへの流れが軸方向であり、かつ好適には電動機の方向であると 、好都合である。 従って、少なくとも２つの前記インペラ段が、各インペラ段への流れが逆向き で、好ましくは対向する向きになるように、相関的に逆の形に設けられているこ とが好ましい。これは、各インペラ段から前記軸に作用する軸スラスト荷重が互 いに相殺される性質があり、それにより前記スラスト軸受手段が受ける軸スラス トが減少するという利点がある。 好ましくは、それぞれにラビリンスシールからなるシール手段が前記 軸に設けられ、前記インペラロータ段から前記電動機及び軸受手段への作動ガス の接近を防止するようになっていると好都合である。 前記電動機が電磁石の又は永久磁石のモータからなり、５０,０００rpm以上、 又はより好適には７０,０００rpm以上の速度で前記軸を回転させるようになって いると、有利である。前記電動機は、好ましくは可変周波電源により制御される 直流モータであることが望ましい。 図面の簡単な説明 以下に、添付図面を参照しつつ、本発明についてその具体的な態様を実施例を 用いて詳細に説明する。 第１図は、圧縮機の概略図である。 第２図は、第１図の圧縮機の一部分を詳細に示す拡大図である。 第３図は、本発明による圧縮機を示す概略図である。 第４図は、第３図の圧縮機の一部分を詳細に示す拡大図である。 発明を実施するための最良の形態 添付図面には、一般にＰＣＴによる国際公開番号ＷＯ９４／０５９１３の明細 書に記載されているような圧縮機が、参照符号１を付して示されている。第１図 及び第２図に示される圧縮機は、構成が大体において類似しかつ好ましい特徴が 説明されているが、本発明による圧縮機の性能の改善が得られるような特定の構 成上の特徴は備えていない。圧縮機１は、ハウジング３内に装着された軸方向の 回転軸を備え、その上にアルミニウム切削インペラロータ４、５、６が装着され ている。 吸気側の第１段のロータ４は、前記軸の一方の端部に片持形に取り付けられ、 これに対し第２及び第３段のロータ５、６は、それぞれ他方の端部に片持形に取 り付けられている。インペラロータ４、５の中間には、 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 けられたステータ２３とを有するブラシレスＤＣモータが配置されている。固体 サイリスタ・ベースのインバータ／コントローラ（図示せず）を用いて、標準的 な４１５Ｖ／５０Hzの電源から可変であるが高周波数の電流を発生させる。前記 高周波電流により前記電動機を、一般に約５０,０００〜１００,０００rpmであ る所望の高運転速度で駆動する（従って、中間歯車を設けることを必要とせずに 軸２を直接駆動する）。軸２と前記駆動機械とを接続する歯車を必要としないの で、動力損失が最小になる。 軸２は、ハウジング３内に、前記電動機の各端部にそれぞれインペラロータ４ 、５に近接して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が前記ハウジング内に、前記軸上に設けられたスラストカラー１１ に作用するように取り付けられている。ジャーナル軸受８、９は、自己発生型で 空気潤滑式の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、可撓ピボット２４上に支持され、かつ前 記軸の軸受面部分に直ぐに隣接して作用するようにしたセラミック軸受曲を備え る。前記軸の軸受面部分は、硬化付着物（deposlt）で被覆して耐摩耗性を向上 させている。 軸受内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は、設計の重 要な特徴である。一般に、高速回転機械に（油潤滑式軸受のような）流体潤滑式 ジャーナル軸受、又は玉若しくはころジャーナル軸受を用いる場合、軸受におけ る摩擦損失の大きさは駆動力の５％乃至１０％の範囲内である。ティルティング パッド自己発生型空気（又は気体）軸受を設けることによって、摩擦損失が駆動 力の約０．５％まで削減される。しかしながら、軸の回転速度が極めて高い（例 えば、空気の質量 流量が０．２７kg／ｓ（bara）で１バールから８．５バール（bara）への圧縮の 場合に８０,０００rpm）ことにより、前記軸受において発生する温度は極めて高 く、それが、空気又は気体潤滑式ティルティングパッド自己発生型ジャーナル軸 受の運転に要求される必然的に小さい軸受と軸との隙間（一般にジャーナル軸受 の場合、０.０７６２mm（０.００３インチ）の直径隙間）が要求されることによ り、軸受／軸材料の膨張について問題を生じさせることがある。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。また、軸２の軸受部分について硬化付着物の面を設けることが、この問題 を解決するのに役立つ。 また、スラスト軸受１０には、セラミック軸受面を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、前記圧縮機 の通常運転時にスラストカラー１１により軸２から伝達される通常のスラスト荷 重を受けるようになっている。パッド１０ｂは、カラー１１の反対側に作用して 、モータ及び軸が通常の運転速度まで「ランナップ」する（立ち上がる）際に逆 向きのスラスト荷重を受ける機能を有する。 効率を上げるために、インタークーラ１５が第１段のインペラ４と第２段のイ ンペラ５との中間に設けられている。第２のインタークーラ１６が、第２段のイ ンペラ５と最終（第３）段のインペラ６との中間に設けられている。作動ガスの 第１段のインペラ４への流れが作動ガスの第２段及び第３段のインペラ５、６へ の流れとは逆向きであることが、前記圧縮機の重要な特徴である。これは、前記 軸に作用する軸スラストを「釣合わせ」て、スラスト軸受１０に作用する通常の 軸スラストを減少させる効果を有する。スラスト軸受１０における軸受損失が、 これにより最小になる。 運転時には、前記電動機を約８０,０００rpmの運転速度まで立ち上げる。次に 、作動ガスが軸方向に第１のインペラ段４内に吸い込まれ、かつダクト１７を介 してインタークーラ１５内に送り出される。前記作動ガスは、インタークーラ１ ５から出てダクト１８に入り、その後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を放射方向に出て、ダクト１９を通過して第２の インタークーラ１６内に入る。インタークーラ１５、１６は概ね同一であるが、 インタークーラ１６は、その縦方向がインタークーラ１５の縦方向に対して９０ 度をなす（即ち、インタークーラ１６の縦方向が第１図の紙面から外に出る向き になる）ように構成されている点が異なる。 作動ガスはダクト２０を介してインタークーラ１６から出て、軸方向に第３（ かつ最終）インペラ段６に入るように向けられる。前記作動ガスは、吐出しダク ト２１を介して放射方向に最終インペラ段６から出る（ダクト２１から吐出され た流れは、第１図の紙面から外に出る向きになる）。 軸受損失の最小化及びインペラロータの段分割中間冷却構造に加えて高速直接 駆動式回転軸の組合せにより、本発明によれば極めて効率的な圧縮機が得られる 。この圧縮機によって、ターボ形圧縮機については例外的であった高吐出し圧力 （通常８．５バール）を比較的低い質量流量（空気の場合、一般に０．２７kg／ ｓ）について達成可能であることから、従来は主にスクリュフィード式圧縮機が 使用されていた用途に小型のターボ機械を用いることが可能になる。 第３図に関して、同図に示される実施例の圧縮機１０１は、第１図及び第２図 に示される構造と、その構成及び動作において概ね類似しており、前記圧縮機の 類似する構成要素を識別するために同様の参照符号が用いられている。 第３図に示す実施例では、第２図に示す実施例の圧縮機のスラストカラー１１ が省略され、かつ１対の離隔されたスラスト軸受２１０ａ、２１０ｂが、第１及 び第２段のインペラ４、５にそれぞれ近接して、軸２にそれぞれ逆向きに作用す る軸力を受けるように設けられている。第１図に示される圧縮機の場合、スラス ト軸受１０において過度の熱が発生し、これが圧縮機の性能及び運転の耐用年数 において効率を低下させることが分かっている。スラストカラー１１及び軸受ア センブリ１０を、それぞれインペラロータ段４、５の概ね平坦な背面に直接作用 するスラスト軸受２１０ａ、２１０ｂで置き換える（第３図の実施例で示される ように）ことにより、オーバヒートの問題が実質的に改善される。スラスト軸受 ２１０ａ、２１０ｂで発生する熱は、各インペラ段ロータ４、５に直接伝達され 、かつその次に各インペラ段ロータの中を流れる作動ガスに伝達される。次に前 記作動ガスは、第１図に示す装置の場合と同様に、各インペラ段ロータの中間に 設けられた各インタークーラ（第３図では図示せず）の中を通過することにより 冷却される。従って、熱は前記スラスト軸受から効果的に放出される。スラスト 軸受２１０ａ、２１０ｂは、ハウジング３５ａ、３５ｂに担持される環状支持リ ング３７ａ、３７ｂにそれぞれ装着された軸受パッド１１０ａ、１１０ｂを備え る。前記パッドは、等質な（homogenous）セラミック材料とすることができ、又 はこれに代えてセラミック軸受面を設けることができる。 また、第３図に示す本発明の実施例は、前記軸が実際は第１の軸部分２ａ（イ ンペラ段ロータ４を担持する）、第２の軸部分２ｂ（インペラ段ロータ５を担持 する）、及び軸部分２ａ、２ｂ問に延在する中間のモータロータ部分７からなる 断面中空の複合軸を備える点において、第１図に示す構成と異なる。軸部分２ａ 、２ｂがモータロータ部分７の両端に結合し、前記複合軸全体が軸方向に延長す るタイロッド２５により一 体に保持されている。第１及び第２の軸部分２ａ、２ｂには、前記軸の軸線が横 断する中空円筒状の空間３１、３２が設けられている。 タイロッド２５には、その長さ方向に沿って、軸部分２ａ、２ｂ及びモータロ ータ部分７の内部の軸方向の穴に接触する複数組の突起４０が周方向に離隔して 設けられている。前記各組の突起４０について、各突起の間に設けた周方向の空 間によって、タイロッド２５付近の領域において前記複合軸の内部の略全長に亘 って空気が流通することができる。圧縮空気即ち作動ガスが相対的に高圧の段５ から（ブリード連絡通路４２を通じて）環流し、前記複合軸の内部をその長さ方 向に沿って相対的に低圧の段４に向けて通過する。内部空間３１、３２において 前記タイロッドに沿って生じる前記空気即ち輸送ガスの移動により、軸部分２ａ 、２ｂ（及び従って軸受２１０ａ、２１０ｂ、１０８、１０９）及びモータロー タ部分７から熱放散が起こる。 更に、軸部分２ａ、２ｂ内に設けられた軸方向の中空円筒状空間により、前記 複合軸のその回転軸を中心とする慣性モーメントが減少し、電磁モータ駆動機構 の効率を向上させる。ジャーナル軸受１０８、１０９が前記軸の両端に設けられ 、かつ各軸部分２ａ、２ｂに作用する軸受１１２を有する。空間３１、３２の存 在により促進されて、前記ジャーナル軸受との軸受接触から前記軸に発生する熱 が、インペラ５、４に直接伝達され、そこで前記圧縮機の作動ガスに伝達される 。前記軸の各端部には、各スラスト軸受２１０ａ、２１０ｂ及びジャーナル軸受 １０８、１０９が、それぞれ共通の単一なハウジング３５ａ、３５ｂ内に設けら れている。第３図及び第４図に示される圧縮機は、第１図に示される圧縮機と略 同一の要領で運転される。各インペラロータ段４、５、６の中間にはインターク ーラ（図示せず）が設けられており、前記圧縮機の中における作動ガスの流れは 、第１図に示される圧縮機に関連して説明し たと実質的に同じである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ)，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 回転可能な軸と、前記軸を回転させるための駆動手段と、前記軸上に取り 付けられた少なくとも１つのインペラロータ段と、前記軸に対し設けられた軸受 手段とからなり、前記軸受手段が、曲記インペラロータ段に直接作用するように 構成されたスラスト軸受手段からなることを特徴とする圧縮機。 ２． 前記スラスト軸受手段と前記インペラロータ段とが、前記軸が運転中の時 に熱伝達可能に軸受接触するようになっていることを特徴とする請求項１記載の 圧縮機。 ３． 前記回転軸の少なくとも一部分が実質的に中空であることを特徴とする請 求項１又は２記載の圧縮機。 ４． 回転可能な軸と、前記軸を回転させるための駆動手段と、前記軸上に取り 付けられた少なくとも１つのインペラロータ段と、前記軸に対して設けられた軸 受手段とからなり、前記回転軸の少なくとも一部分が実質的に中空であることを 特徴とする圧縮機。 ５． 少なくとも２つのインペラロータ段が設けられ、圧縮空気又は作動ガスが 前記ロータ軸の前記中空部分に沿って相対的に高圧の段から相対的に低圧の段に 向けて流れるようになっていることを特徴とする請求項３又は４記載の圧縮機。 ６． 前記軸が、該軸の離隔された部分をその中間で接続するロータ部分を有す る複合軸からなり、前記離隔された部分にそれぞれ軸方向の空間が設けられてい ることを特徴とする請求項３乃至５のいすれか記載の圧縮機。 ７． 前記軸の前記離隔された部分がそれぞれインペラ段を担持していることを 特徴とする請求項６記載の圧縮機。 ８． 前記軸の前記中空部分が磁性材料又は磁化可能な材料からなることを特徴 とする請求項３乃至７のいずれか記載の圧縮機。 ９． 前記駆動手段が電磁駆動手段からなることを特徴とする請求項１乃至８の いずれか記載の圧縮機。 １０． 前記電磁駆動手段が、前記軸上にロータを装着した電動機からなること を特徴とする請求項９記載の圧縮機。 １１． 前記圧縮機が少なくとも２つのインペラロータ段からなる多段式である ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか記載の圧縮機。 １２． スラスト軸受手段が、前記軸の互いに対向する軸方向の軸力を受けるよ うに少なくとも２つのインペラロータ段に直接作用するように設けられているこ とを特徴とする請求項１１記載の圧縮機。 １３． インタークーラ手段が前記インペラロータ段の中間に設けられているこ とを特徴とする請求項１１又は１２記載の圧縮機。 １４． 前記軸を支持するように設けられたジャーナル軸受手段を更に備えるこ とを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか記載の圧縮機。 １５． 前記ジャーナル軸受手段が少なくとも１つのティルティングパッドジャ ーナル軸受からなることを特徴とする請求項１４記載の圧縮機。 １６． 前記軸の両端にインペラロータ段が片持形に装着されていることを特徴 とする請求項１１乃至１５のいずれか記載の圧縮機。 １７． ２つの前記インペラ段が相互に関して逆の形に構成され、それにより前 記各インペラ段への流れが逆向きであることを特徴とする請求項１１乃至１６の いずれか記載の圧縮機。