JPH11201098A

JPH11201098A - ２段遠心圧縮機

Info

Publication number: JPH11201098A
Application number: JP446598A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Fukushima; 康雄福島; Haruo Miura; 治雄三浦; Hideo Nishida; 秀夫西田; Naohiko Takahashi; 直彦高橋; Kazuki Takahashi; 一樹高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 1999-07-27
Anticipated expiration: 2018-01-13
Also published as: JP3425351B2

Abstract

(57)【要約】【課題】メンテナンスフリーで、冷却水を使用しないコ
ンパクトな構造のターボ圧縮機を提供する。【解決手段】ロータ２の中央部に高周波電動機１のロー
タ部を形成し、ロータの両軸端部には、低圧段羽根車
６、高圧段羽根車７を取付け手多段の遠心圧縮機を構成
し、このロータをラジアル電磁軸受３、４およびスラス
ト電磁軸受５で非接触に保持する。電動機を空冷し、低
圧段及び高圧段から吐出されるガスを中間冷却器１１及
び吐出冷却器１２で、ガス−冷媒液熱交換する。この両
冷却器を流通した冷媒液を、ラジエータ１８で外部空気
と熱交換する。ラジエータ１８の近傍にはファン２０が
設けられ、ファンで吸込んだ外部空気の一部を電動機の
冷却に使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波電動機によ
って直接駆動される２段遠心圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮機で圧縮された高温の吐出ガスを、
閉循環回路内を循環する冷却媒体液と熱交換すること
が、例えば、特開平４−３５０３９２号公報、特公平６
−７２５９８号公報に示されている。そして、冷却媒体
が閉循環路内を循環することにより、圧縮機ユニット装
置の据え付け性、ユニット装置の小型化、冷却水が得ら
れない地域での利便性、水質の悪い地域での利用が可能
になることがこれら公報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記各公報に記載のも
のにおいては、圧縮機は回転型無給油式圧縮機、つま
り、容積型の圧縮機であり、遠心圧縮機のようなターボ
型の圧縮機とは異なっている。ターボ型の圧縮機は比較
的大容量であり、発熱量も容積形圧縮機に比べて数倍以
上である。この大量の発熱を放熱するために空冷式の熱
交換器を用いると、熱交換器容積が莫大になるという不
具合があった。

【０００４】本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなさ
れたものであり、その目的は高周波電動機によって直接
駆動される遠心圧縮機において、長期間のメンテナンス
フリーを実現することにある。本発明の他の目的は、冬
季の低外気温時において冷却水が凍結するような環境、
または、冷却水の供給が不可能な環境においても、圧縮
機で圧縮された吐出ガスを冷却できる遠心圧縮機を実現
することにある。本発明のさらに他の目的は、遠心圧縮
機を冷却する冷却風の流路を改善することにより、冷却
効率を向上させることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第１の特徴は、高速回転可能なロータ軸と、
このロータ軸の中間部に形成した電動機ロータ部と、こ
のロータ軸の両端部に取り付けられた第１、第２の羽根
車と、ロータ軸を回転可能に支持し第１の羽根車と電動
機ロータ部及び第２の羽根車と電動機のロータ部間に配
置した第１、第２のラジアル磁気軸受と、第１のラジア
ル軸受と電動機のロータ部間に配置したスラスト磁気軸
受と、第１、第２の磁気軸受とスラスト軸受とロータと
を収容する電動機ケーシングとを備えた２段圧縮機にお
いて、電動機ケーシングにこの電動機を冷却するための
冷却ジャケットを形成し、第１の羽根車で圧縮されたガ
スを冷却する第１の冷却器と、第２の羽根車で圧縮され
たガスを冷却する第２の冷却器とを設け、ジャケット部
と第１の冷却器と第２の冷却器とを流通する冷媒を冷却
するラジエータとを備えたものである。

【０００６】上記目的を達成するための本発明の第２の
特徴は、高速回転可能なロータ軸と、このロータ軸の中
間部に形成した電動機ロータ部と、このロータ軸の両端
部に取り付けられた第１、第２の羽根車と、ロータ軸を
回転可能に支持し第１の羽根車と電動機ロータ部及び第
２の羽根車と電動機のロータ部間に配置した第１、第２
のラジアル磁気軸受と、第１のラジアル軸受と電動機の
ロータ部間に配置したスラスト磁気軸受と、第１、第２
の磁気軸受とスラスト軸受と前記ロータとを収容する電
動機ケーシングとを備えた２段圧縮機において、電動機
ケーシングにこの電動機を冷却するための冷却ジャケッ
ト部を形成し、第１の羽根車で圧縮されたガスを冷却す
る第１の冷却器と、第２の羽根車で圧縮されたガスを冷
却する第２の冷却器とを設け、ジャケット部と第２の冷
却器とを流通する冷媒を冷却するラジエータとを備えた
ものである。

【０００７】そして好ましくは、ラジエータの近傍にこ
のラジエータ内を流通する冷媒と熱交換する外部空気を
圧縮機に取り込む送風手段を設け、この送風手段が取込
んだ外部空気を電動機ロータ部に導く手段を設ける；ジ
ャケット部と第１の冷却器とラジエータとを冷媒が循環
する閉循環路を備える；ジャケット部と第１の冷却器と
ラジエータと第２の冷却器とを冷媒が循環する閉循環路
を備えるものである。

【０００８】また好ましくは、第２の羽根車で昇圧され
たガスを冷却する第２の冷却器と、ラジエータに送風す
る送風手段とをラジエータの近傍に設け、この第２の冷
却器は内部を流通するガスが送風手段が取り込んだ外部
空気と熱交換する液−ガス熱交換器とするものである。

【０００９】さらに、閉循環路に冷媒を昇圧させるポン
プ手段を設け、このポンプ手段と前記送風手段を同一の
駆動手段で駆動する；第１の冷却器と第２の冷却器とを
収納する冷却ケーシングを電動機ケーシングの下部に設
ける；電動機ケーシングと冷却ケーシングとを一体鋳造
する；第１の冷却器と前記第２の冷却器と分離して収納
するための区画手段を冷却ケーシングに設ける；区画手
段により形成された冷却ケーシングの第２の冷却器の収
納区画にラジエータと送風手段とを配置するようにして
もよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明のいくつかの実施例
を図面を用いて説明する。図１および図２は、本発明に
係る電動機で直接圧縮機羽根車を駆動する遠心圧縮機の
一実施例の縦断面図及び側面図である。遠心圧縮機はパ
ッケージ型の２段圧縮機である。ロータ２の中央部には
高周波電動機１のロータ部が形成されており、ロータ２
の両軸端部には羽根車６、７が装着されている。電動機
１と羽根車６、７との間にはラジアル磁気軸受３、４
が、電動機１とラジアル磁気軸受３との間にはスラスト
磁気軸受５が配設されており、これらの磁気軸受でロー
タ２を非接触に支承している。そして、電動機１、ロー
タ２および各軸受３、４、５は円筒状または２つ割れ状
に形成された電動機ケーシング８に納められている。

【００１１】一方、羽根車６を有する低圧圧縮段は圧縮
機ケーシング１３に、羽根車７を有する高圧圧縮段は圧
縮機ケーシング１４に納められている。この圧縮機ケー
シング１３、１４は、電動機１を収容する電動機ケーシ
ング８に一体的に接続されるとともに、後述する冷却器
ケーシング１５に一体的に接続されている。以上は、圧
縮機ケーシング１３、１４を円筒状に構成した場合であ
るが、圧縮機ケーシング１３、１４の上半部のみを別体
とし、下半部はクーラケーシング１５と一体の構造、例
えば、鋳造品とすることもできる。この場合、部品点数
を低減できる。さらに、電動機ケーシング８をもクーラ
ケーシングと一体の鋳造品とすることもできる。このよ
うにすれば、さらに部品点数を低減できる。なお、図示
しないが電動機ケーシング８、圧縮段ケーシング１３、
１４を円筒状化し、クーラケーシング１５をも一体化し
た鋳造構造とし、この一体化した鋳造物に左右両方の側
から蓋をする形にすることも可能である。この場合、ケ
ーシングの半割れ構造が不要となり、組立精度が向上す
る。

【００１２】高周波電動機１には、銅線や積層鋼板（図
示せず）で発生する熱を除去するためのジャケット部１
６と、このジャケット部１６に冷却冷媒液を導入する取
入れ口１６ａと吐出し口１６ｂとが設けられている。こ
のジャケット部１６を冷却して昇温した冷媒液は後述す
るラジエータ１８で外部空気と熱交換して冷却され、再
びジャケット部１６を冷却する。冷媒液としては、熱交
換器の汚れや腐食などが懸念される環境では、プロピレ
ングリコールを含む冷却媒体液を用いるとよい。また、
この冷媒は寒冷地での使用にも耐えうる利点もある。

【００１３】さらに電動機１には、回転子２の風損やう
ず電流損に起因して発生した熱を放熱するために、外部
から冷却空気を導入している。この冷却空気を導入する
導入孔１７ａを電動機１のほぼ中央部に設け、電動機１
を冷却した後の冷却空気を電動機１に接続された排出管
１７ｂ（図３参照）から放出している。

【００１４】図２は図１のＡ−Ａ矢視図であり、圧縮機
ケーシング１４と冷却器を一体構造化した様子を示して
いる。図２において、冷却器は、圧縮機ケーシング１４
の下方に併置された２つの冷却器用のケーシング、中間
冷却器ケーシング１５ａと吐出冷却器ケーシング１５ｂ
とを備えており、これら両ケーシングから冷却ケーシン
グ１５が構成されている。両ケーシング１５ａ、１５ｂ
内には、中間冷却器ケーシング１５ａ内を流通する冷却
冷媒液用管１１ａ、吐出冷却器１５ｂ内を流通する冷却
冷媒液用管１２ａがそれぞれ複数本、ロータ２の軸にほ
ぼ平行に配設されている。この図２において、吐出冷却
器１２から需要側へ供給されるガスの流れを太い矢印１
９で示す。なお、冷却ケーシングは一つの容器を区画し
た構成であってもよい。

【００１５】図３は、上記実施例に記載した遠心圧縮機
のシステムフロー図であり、圧縮機装置は電動機ジャケ
ット１６、中間冷却器１１、および吐出冷却器１２と冷
却冷媒液の閉循環路とを備えている。閉循環回路内を
流れる冷媒液は、中間冷却器１１内で低圧圧縮段から吐
出される吐出ガスと熱交換して高温になって、ラジエー
タ１８に流入する。冷媒液は、ラジエータ１８において
外部空気と熱交換して低温冷媒となり、液循環ポンプ２
２で昇圧されて再び中間冷却器１１へと戻される。この
閉循環路の途中から分岐して吐出冷却器１２や圧縮機本
体ケーシングに冷媒液を導く管路も設けられている。つ
まり、冷媒液の一部は、中間冷却器１１と液循環ポンプ
２２との間から分岐して流れ、吐出冷却器１２で吐出ガ
スと熱交換し、中間冷却器１１とラジエータ１８との間
に戻される。この閉循環路に設けられた各機器間を連結
配管２３が接続している。連絡配管２３ａは中間冷却器
用連絡配管であり、連絡配管２３ｃは吐出冷却器用連絡
配管であり、連絡配管２３ｂは電動機ケーシングジャケ
ット用連絡配管である。

【００１６】パッケージ型の遠心圧縮機では、ラジエー
タ１８を壁面近傍に配置して外部空気を取入れやすくし
ている。圧縮機内部のラジエータ１８内側には、このラ
ジエータ１８の冷却が促進されるように、ファン２０が
配置されている。なお、ファンの位置はこの位置に限る
ものではなく、ラジエータに外部空気を取入れやすくす
る位置であればよい。ファン２０は回転翼を有するファ
ン本体２０ａと、このファン本体２０ａを囲って設けら
れたファンケーシング２０ｂとを有している。ファンケ
ーシング２０ｂには、ファン本体２０ａが送風する外部
空気の一部を電動機冷却に用いるための連絡空気配管２
１が接続されている。ファン２０を駆動する電動機１９
は、液ポンプ２２にも結合されており、冷媒の輸送と冷
却風の輸送を同時に行えるコンパクトな構造になってい
る。

【００１７】図４に、本発明の他の実施例のシステムフ
ロー図を示す。本実施例が第１の実施例と異なる点は、
高圧圧縮機段の吐出ガスを、空冷の吐出冷却器１２で冷
却するようにしたことである。このため、ラジエータ１
８と吐出冷却器１２とを併置し、その双方から外部空気
を冷却ファン２０が取り入れるようにしている。なお、
ラジエータ１８と吐出冷却器１２配置はこの配置に限る
ものではなく、双方が空冷できる配置であればよい。さ
らに、この場合図２に示したアフタークーラケーシング
１５ｂを利用して、このケーシングにラジエータ１８、
吐出冷却器１２及び冷却ファン２０を収納するようにす
れば、圧縮機装置のコンパクト性を損なうことが無く、
また、装置配置も安定する。さらに、本実施例において
は、冷却用の冷媒液流量を低減することができるので、
液ポンプの動力を低減できる、冷却ファンの動力を低減
できる等の省エネルギー効果がある。また、ラジエータ
を小型化できる効果もある。

【００１８】以上の両実施例において、電磁軸受をも冷
却するようにすることが望ましい。この場合、冷却ファ
ンケーシング２１ｂに接続した接続配管２１から各軸受
３、４、５を冷却する冷却路を分岐させれば、省スペー
スであり構成が簡単になる。また、電動機１を空冷した
後の空気温度は１２０°Ｃにも達するので、この空気を
直接圧縮機外へ放出するのは好ましくない。そこで本実
施例においては、電動機１を冷却した空気を、図示しな
いが圧縮機の吸込み側に設けた圧縮段ケーシング１３へ
戻している。これにより、高温の空気が圧縮機外へ吹き
出して、装置周囲の人に悪影響を及ぼすのを防止でき
る。

【００１９】以上述べたように、本発明の各実施例によ
れば、ターボ圧縮機は高周波電動機を駆動機とし磁気軸
受で支承されているので、完全なオイルレスの圧縮機に
することができる。

【００２０】ところで、オイルレスの圧縮機であって
も、熱交換器に冷却水を使用すると冷却水の汚れによる
目詰まりや冷却水中の不純物に起因する腐食などによ
り、定期的なメンテナンスが不可欠である。また、コン
パクト化のために、熱交換器を圧縮機本体と一体構造と
すると、熱交換器のメンテナンスが煩雑になり、容易で
はない。さらに、寒冷地でターボ圧縮機を使用すると、
冷却水を用いた熱交換器は凍結の懸念がある。さらにま
た、冷却水の供給が不可能または制限される地下や砂漠
地域に用いられる圧縮機または可搬式圧縮機では、冷却
水に変わる熱交換手段が必要である。

【００２１】これらの不便性を、本発明の各実施例によ
って解消できる。つまり、本発明においてはターボ圧縮
機から冷却水を完全に省くことができるので、冷却水の
条件が悪い環境でも容易にターボ圧縮機を使用できる。
さらにターボ圧縮機が備える熱交換器に送風するファン
により、電動機にも送風するので冷却系統が簡素化さ
れ、装置の小型化と冷却効率の向上とが図られる。

【００２２】また、圧縮機を駆動するのに高周波電動機
を用いると、電動機の回転子が高速回転するため回転子
部に風損やうず電流損失が発生する。さらに回転子を支
承する磁気軸受部にも同様の損失が生じる。この損失に
起因する発熱を効果的に放熱するためには、冷却用の空
気を回転部（ロータ）と静止部（ステータ）の隙間に流
通させる必要がある。この冷却用空気として、冷却媒体
液を冷却するラジエータの近傍に設けた冷却ファンが吸
込んだ外部空気を活用した。これにより、圧縮機装置と
しての省エネルギが図られる。

【００２３】なお、上記いずれの実施例においても、圧
縮機の容量は５５〜５００ｋＷであり、その定格回転速
度は５５ｋＷ機で１２００００ＲＰＭ，５００ｋＷ機で
４００００ＲＰＭであり、圧縮機の高速小型化を達成し
ている。これにより、空冷熱交換器の採用を可能にして
いる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、ターボ圧縮機は高周波
電動機を駆動機とし磁気軸受で支承された完全なオイル
レスの圧縮機であるので、メンテナンスフリーを実現で
きる。

【００２５】また、本発明によれば、熱交換器に送風す
るためのファンで発生した風を電動機部にも送風するの
で、小型でコンパクトなターボ圧縮機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧縮機本体の一実施例の縦断面
図。

【図２】図１に示した圧縮機本体の側面図。

【図３】本発明の一実施例のシステムフロー図。

【図４】本発明の他の実施例のシステムフロー図。

【符号の説明】

１…高周波電動機部、２…ロータ、３、４…ラジアル磁
気軸受、５…スラスト磁気軸受、６、７…羽根車、８…
電動機ケーシング、１１ａ…冷却冷媒液用管、１２…吐
出冷却器、１２ａ…吐出冷却器冷却冷媒液管、１３、１
４…圧縮機ケーシング、１５…冷却器ケーシング、１５
ａ…中間冷却器ケーシング、１５ｂ…吐出冷却器ケーシ
ング、１６…ジャケット部、１６ａ…冷却冷媒液取入れ
口、１６ｂ…吐出し口、１７ａ…冷却空気導入孔、１７
ｂ…排出管、１８…ラジエータ、１９…駆動機、２０…
ファン、２０ａ…ファン本体、２０ｂ…ファンケーシン
グ、２１…連絡空気配管、２２…冷却冷媒液循環ポン
プ、２３…連結配管、２３ａ…中間冷却器用連絡配管、
２３ｂ…電動機ケーシングジャケット連絡配管、２３ｃ
…吐出冷却器用連絡配管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋直彦茨城県土浦市神立町603番地株式会社日立製作所土浦工場内 (72)発明者高橋一樹茨城県土浦市神立町603番地株式会社日立製作所土浦工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高速回転可能なロータ軸と、このロータ軸
の中間部に形成した電動機ロータ部と、このロータ軸の
両端部に取り付けられた第１、第２の羽根車と、前記ロ
ータ軸を回転可能に支持し前記第１の羽根車と前記電動
機ロータ部及び第２の羽根車と電動機のロータ部間に配
置した第１、第２のラジアル磁気軸受と、前記第１のラ
ジアル軸受と前記電動機のロータ部間に配置したスラス
ト磁気軸受と、前記第１、第２の磁気軸受とスラスト軸
受と前記ロータとを収容する電動機ケーシングとを備え
た２段圧縮機において、前記電動機ケーシングにこの電動機を冷却するための冷
却ジャケットを形成し、前記第１の羽根車で圧縮された
ガスを冷却する第１の冷却器と、前記第２の羽根車で圧
縮されたガスを冷却する第２の冷却器とを設け、前記ジ
ャケット部と前記第１の冷却器と前記第２の冷却器とを
流通する冷媒を冷却するラジエータとを備えたことを特
徴とする２段遠心圧縮機。
【請求項２】高速回転可能なロータ軸と、このロータ軸
の中間部に形成した電動機ロータ部と、このロータ軸の
両端部に取り付けられた第１、第２の羽根車と、前記ロ
ータ軸を回転可能に支持し前記第１の羽根車と前記電動
機ロータ部及び第２の羽根車と電動機のロータ部間に配
置した第１、第２のラジアル磁気軸受と、前記第１のラ
ジアル軸受と前記電動機のロータ部間に配置したスラス
ト磁気軸受と、前記第１、第２の磁気軸受とスラスト軸
受と前記ロータとを収容する電動機ケーシングとを備え
た２段圧縮機において、前記電動機ケーシングにこの電動機を冷却するための冷
却ジャケット部を形成し、前記第１の羽根車で圧縮され
たガスを冷却する第１の冷却器と、前記第２の羽根車で
圧縮されたガスを冷却する第２の冷却器とを設け、前記
ジャケット部と前記第２の冷却器とを流通する冷媒を冷
却するラジエータとを備えたことを特徴とする２段遠心
圧縮機。
【請求項３】前記ラジエータの近傍にこのラジエータ内
を流通する冷媒と熱交換する外部空気を圧縮機に取り込
む送風手段を設け、この送風手段が取込んだ外部空気を
前記電動機ロータ部に導く手段を設けたことを特徴とす
る請求項１または２に記載の２段遠心圧縮機。
【請求項４】前記ジャケット部と前記第１の冷却器と前
記ラジエータとを冷媒が循環する閉循環路を備えたこと
を特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の
２段遠心圧縮機。
【請求項５】前記ジャケット部と前記第１の冷却器と前
記ラジエータと前記第２の冷却器とを冷媒が循環する閉
循環路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の２段
遠心圧縮機。
【請求項６】前記第２の羽根車で昇圧されたガスを冷却
する第２の冷却器と、前記ラジエータに送風する送風手
段とを前記ラジエータの近傍に設け、この第２の冷却器
は内部を流通するガスが送風手段が取り込んだ外部空気
と熱交換する液−ガス熱交換器であることを特徴とする
請求項２に記載の２段遠心圧縮機。
【請求項７】前記閉循環路に冷媒を昇圧させるポンプ手
段を設け、このポンプ手段と前記送風手段を同一の駆動
手段で駆動することを特徴とする請求項３に記載の２段
遠心圧縮機。
【請求項８】前記第１の冷却器と第２の冷却器とを収納
する冷却ケーシングを前記電動機ケーシングの下部に設
けたことを特徴とする請求項１または２に記載の２段遠
心圧縮機。
【請求項９】前記電動機ケーシングと前記冷却ケーシン
グとを一体鋳造したことを特徴とする請求項８に記載の
２段遠心圧縮機。
【請求項１０】前記第１の冷却器と前記第２の冷却器と
分離して収納するための区画手段を前記冷却ケーシング
に設けたことを特徴とする請求項９に記載の２段遠心圧
縮機。
【請求項１１】前記区画手段により形成された前記冷却
ケーシングの前記第２の冷却器の収納区画に前記ラジエ
ータと前記送風手段とを配置したことを特徴とする請求
項１０に記載の２段遠心圧縮機。