JP2002508477A - 超過圧力ガスの生成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明はカイネチック圧縮機による超過圧力ガスの生成方法に関し、該圧縮機は、それと同一の軸（Ａ）に設けられる高速電気機械に連結され、回転速度が２０，０００ｒｐｍを超えるロータ（３）を含む。前記圧縮機は少なくとも２つの圧縮機段（１，２）を備える。前記ロータ（３）の前記軸（Ａ）には、磁気軸受および／または気体軸受が装着され、前記高速電気機械が前記圧縮機の圧縮機段（１，２）に関して軸（Ａ）の中央に配置される。前記ロータ（３）は磁気軸受に少なくとも軸線方向に装着され、ロータ（３）の両端部が少なくとも部分的に該アクシャル磁気軸受の対向面として用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、請求項第１項の前提部においてより厳密に定義付けられた、超過圧
力ガス、特に加圧空気の生成方法に関する。

【０００２】 産業界において、建造物を修復するときなどに加圧空気が必要とされ、その圧
力は典型的には７〜１０ｂａｒのオーダの超過圧力である。この加圧空気を生成
するために、従来からピストンまたはねじ圧縮機が用いられ、これには通常、油
潤滑されている。油霧が混合されている加圧空気から油霧を分離するようにはな
っているが、加圧空気中に少なくとも幾分かの油が残留し、最終的に環境に達す
る。従来のピストンまたはねじ圧縮機は大形かつ重量があり、通常は騒音が激し
い。これらの圧縮機は、メンテナンスも比較的頻繁に必要であり、特に非冷却ね
じ圧縮機は、運転効率がしばしば低い。

【０００３】 カイネチック圧縮機は、従来から必要な空気量が大量の場合だけ、上記の方法
で加圧空気を生成するのに用いられ、それ以外の場合、非常に高い回転速度を用
いる必要があった。オーバードライブギアでは、非常に高い回転速度を生成する
ことは困難であり、オーバードライブギアは高価になり、故障を起こしやすい。

【０００４】 米国特許５，０６５，５９０は、小形高速遠心圧縮機を用いた冷却装置を示し
ている。この圧縮機は電気モータで駆動され、電気モータのロータの軸は圧縮機
段を備えている。圧縮機段間には、中間冷却器が介在される。特許公報によれば
、この圧縮機の軸は玉軸受によって支持される。玉軸受は１点だけ欠点があり、
たとえば、高速で多量の油の潤滑を必要とする。さもなければ軸受内の摩擦によ
って軸受が加熱し、急速に摩耗する原因となる。

【０００５】 国際特許出願 ＷＯ ９４／２９５９７は、遠心式冷却圧縮機を示している。
この圧縮機は、１または複数の圧縮機段と、電気モータと、磁気軸受または気体
軸受などのラジアル軸受で支持される軸とを含んでいる。さらに、前記軸は、軸
線方向位置決め手段を備える。該位置決め手段の機能を制御するために、前記圧
縮機はセンサを備え、該センサを用いて所与の時間におけるロータの位置を検出
できる。

【０００６】 先行技術のカイネチック圧縮機において、電気モータの回転速度は、実質的に
一定に維持できる。圧力と圧縮機の出力とは、調整可能な案内羽根を用いて調整
される。

【０００７】 本発明は、高速技術に基づき、高度に急速回転するカイネチック圧縮機で加圧
空気を生成する装置に実施される方法に関する。ここでの高速技術とは、ロータ
ユニットが直接、高速電気機械に連結されており、高速電気機械にはインバータ
によって生成される必要周波数が供給される。本願の装置はオーバードライブギ
アを備えていないので、非常に高い回転周波数でも問題なく使用することができ
る。好適には、インバータには圧縮機用の制御論理回路が設けられる。

【０００８】 上記の目的を達成するために、本発明に従う方法は、主として添付の請求項１
の特徴部分に示される構成に特徴付けられる。 その他の独立項は、本発明の有利な実施の形態を示す。

【０００９】 以下の明細書において、添付の図面を参照して、本発明がさらに詳細に記述さ
れるであろう。

【００１０】 図に示すように、本発明に従うカイネチック圧縮機は、通常はいわゆる遠心圧
縮機タイプである。なぜならこのタイプの圧縮機は、軸流圧縮機よりもかなり廉
価であるからである。この遠心圧縮機の運転効率は、いわゆる無次元化回転速度
Ｎｓが０．５＜Ｎｓ＜１．１のオーダのときに最高となる。その無次元化回転速
度Ｎｓは、以下のように示される。

【００１１】

【数１】

【００１２】 ここで、ｎは回転速度（１/ｓ）であり、Ｑｖは吸引流量（ｍ³/ｓ）であり、 Δｈｓは空気の圧縮に要するエンタルピの断熱上昇である。この式は、流量が小
さくなると、特定のＮｓ値、すなわち実質的運転効率を得るために必要な回転速
度が高くなることを示している。一方、この式は、圧縮がいくつかの遠心圧縮機
段に分割された場合、必要な回転数が減少し、上式中の段固有のΔｈｓが減少す
ることを示している。

【００１３】 １または複数の遠心圧縮機段の代わりに、いわゆる斜流圧縮機を用いることも
可能である。これらの圧縮機では、圧縮機羽根車の羽根は、軸流と遠心流の両方
を生成するように設計されている。斜流圧縮機の使用はしばしば高い値の出力/ 回転速度をもたらす。動力伝達率を改善するために、有利なことに、第１の圧縮
機羽根車が斜流式になるように配置可能であり、第２および存在し得る第３圧縮
機羽根車をより高い無次元化回転速度Ｎｓで動作するように設定することが可能
である。このような斜流式の解決方法は、無次元化回転速度Ｎｓ＞１．１のとき
に有利である。

【００１４】 上記の種類の加圧空気を生成するとき、圧縮を少なくとも２つの遠心圧縮機段
に分割することが有利である。そうでなければ、遠心圧縮機における相対速度が
とても高くなるので、動力伝達率に影響を与え、さらに、上記の式に示され得る
ように、回転速度が不必要に上昇する。

【００１５】 また、圧縮機全体の電力消費は、段間の圧縮された空気を冷却することによっ
てかなり減少する。

【００１６】 たとえば超過加圧空気０．７ｋｇ/ｓを８．０ｂａｒにする場合、２段遠心圧 縮機において必要回転速度はおよそ７０,０００ｒｐｍであり、3段遠心圧縮機に
おいては、約６０,０００ｒｐｍである。2段遠心圧縮機は最も有利な選択である
。なぜなら、該圧縮機は、１つの軸Ａだけを必要とし、軸Ａは第１端部が第１遠
心圧縮機段１を含み、第２端部が第２遠心圧縮機段２を含み、高速電気機械のロ
ータ３が第１段１および第２段２間で軸Ａに配置されるからである。必要な軸の
出力は約２００ｋＷである。

【００１７】 しかしながら、２００ｋＷ/７０,０００ｒｐｍの必要な出力/回転速度の組み 合わせは、電気機械のための実質的な必要条件であり、従来のかご形誘導電動機
の性能特性に比べると１０倍である。曲げ振動に関して、共通の圧縮機電気機械
ロータ１−３−２は、有利なことに臨界を超えない。なぜなら前記回転速度で臨
界を超えたロータ３を釣合わせて安定させることは費用がかかるからである。し
かしながら、この臨界を超えるという特性は、軸受に磁気軸受が用いられている
場合にはそれほど大きな問題ではない。必要とされる必要条件は、電気機械とし
て、かかるものとして周知であり、銅被覆された大きなロータを備えている高速
かご形誘導電動機を用いることによって満たされる。このような高速モータ構造
は、出願人によるフィンランド特許 ＦＩ−９２１１４に示されており、本発明 に従う圧縮機に有利に適用可能である。高速モータは、ステータに関連して回転
し、導電性を有するロータから構成され、該モータにおいてエアギャップがロー
タとステータとの間に形成される。そのエアギャップの大きさは、以下の式に実
質的に従う。

【００１８】

【数２】

【００１９】 式中、 Ｄｒ＝ロータの外径（ｍｍ） Ｄｓ＝ステータの内径（ｍｍ） ｕ＝周速度（ｍ/ｓ） δ＝エアギャップ（ｍｍ） Ａ＝定数、０．３以上の値、０．７...１．５が有利であり、好ましくは１ Ｂ＝定数、１５０以下の値、５０...１００が有利であり、好ましくは７０ Ｃ＝定数、１２００以下の値、３００...６００が有利であり、好ましくは４０ ０； 単位：ｍ/ｓ/ｍｍ また、本発明に従う高速モーターにおいて、周速度は１００ｍ/ｓを超える。

【００２０】 圧縮機１,２およびロータ３で共有された圧縮機電気機械ロータ１−３−２を 臨界を超えない状態に維持するために、軸のガジオンは相対的に厚くする必要が
ある。したがって、潤滑油を必要とせず、ほとんどメンテナンスを必要としない
気体軸受または磁気軸受を用いることは有利である。

【００２１】 気体または磁気軸受を有し、高速電気機械に基づく上述の２段圧縮機を従来の
解決方法と比較すると、たとえば、以下の有利な点が達成される。すなわち、 １）全く油分のない加圧空気を得ることができ、 ２）小型軽量構造が可能となり、 ３）特別の運転条件下であってさえも充分な運転効率を得ることができ、回転速
度を調節して通常の使用範囲における連続運転を可能とし、 ４）寿命が長くなり、非接触運転によってメンテナンスをほとんど必要としない
。 ５）また、３）に従えば、加圧空気の必要性が通常の使用範囲内であるとき、ま
たは噴出が前記使用範囲よりも少ない加圧空気量で許容されるとき、従来の圧縮
機で必要とされた加圧空気貯蔵タンクは必要ない。

【００２２】 通常の使用範囲内、典型的には定格流において７０〜１００％であれば、上述
のカイネチック圧縮機は使用者によって所望された圧力が維持されるような方法
で、回転速度を変えることによって調節される。所望の流れが前述の下限（７０
％）よりも小さければ、圧縮機は断続負荷で駆動されるか（この場合加圧空気貯
蔵タンクが必要とされる）、または排気弁が必要に応じて開かれる。第３の選択
肢は、圧縮機段１,２の両方に弁を設けることであり、該弁は羽根車の軸流イン ディーサ部８によって圧縮された空気の一部を吸引部に戻して循環させるために
用いることができる。このようにして、圧縮機を、サージを発生させずに、かな
りの小流量で運転するように設定することが可能である。

【００２３】 最後に、上述の高速圧縮機において有利である構造上の解決方法を検討するこ
とができる。ラジアル軸受４としては、図１の実施の形態のような傾斜パッド型
ダイナミック気体軸受、または図２の概略断面図に示されているような能動式磁
気軸受を用いることは有利である。アクシャル軸受５としては、電気機械ロータ
の両端部が対向面６となる能動式磁気軸受を用いることは有利である。このよう
にして、圧縮機のロータの最も高い存在し得る曲げ臨界回転速度を得ることが可
能になる。

【００２４】 能動式磁気軸受４，５を使用するには、位置センサ７を用いる必要がある。前
記位置センサ７は、所与の時間における軸線方向および半径方向の軸の位置を求
めるために用いられる。この情報に基づいて、磁気軸受はかかるものとして知ら
れた方法で、目的位置からの軸の存在し得る偏差が修正されるように調整される
。軸線方向および半径方向の位置を求めるときには、別個の位置センサ、または
両方向の位置を求めることができる１つのセンサを用いることができる。前記位
置センサ７は、前記軸に隣接する磁気軸受に近接して配置される（図２）、また
は第１遠心圧縮機のロータの軸の延長線上に、配置される（図１）。複数の位置
センサを用いる場合、前記した両方の位置に用いることも可能である。このよう
にして、前記軸に隣接して配置される位置センサは、ラジアル軸受を調整するた
めに有利に用いられ、遠心圧縮機の軸の延長線上に設けられた位置センサは、ア
クシャル軸受を調整するために用いられる。

【００２５】 本発明は上記に示された実施の形態にのみ拘束されないことは自明であるが、
添付クレームの範囲内で変更することは可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従う方法を適用する圧縮機および高速電気機械を組み合わせた構成の
縦断面図を示す。

【図２】 本発明に従う方法を適用する圧縮機および高速電気機械を組み合わせた構成に
適用される軸受の断面図を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ， ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，Ｌ Ｕ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ， ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，Ｕ Ｇ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (71)出願人 14845 Ｗｅｓｔ 64ｔｈ Ａｖｅｎｕｅ， Ａｒｖａｄａ，ＣＯ ＵＳＡ Ｆターム(参考） 3H022 AA02 BA03 BA06 CA11 CA16 CA19 CA20 CA50 DA15 3H032 BA03 BA07 5H607 AA04 BB01 BB06 CC05 CC07 FF07 GG01 GG02 GG14 GG17 HH01

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カイネチック圧縮機による超過圧力ガスの生成方法であって、
   該カイネチック圧縮機は、それと同一の軸（Ａ）に設けられる高速電気機械に連
   結され、回転速度が２０，０００ｒｐｍを超えるロータ（３）を含み、ロータ（
   ３）の軸（Ａ）には磁気軸受および／または気体軸受が設けられ、高速電気機械
   は圧縮機の圧縮機段（１，２）に関して軸（Ａ）の中央に配置され、ロータ（３
   ）は磁気軸受に少なくとも軸線方向に装着され、磁気軸受は能動式であるように
   選択される超過圧力ガスの生成方法において、該アクシャル磁気軸受の対向面と
   して、ロータ（３）の両端部が少なくとも部分的に用いられ、高速電気機械とし
   て、被覆された大きなロータを備える高速かご形誘導電動機が用いられ、インバ
   ータによって生成された必要周波数が該高速電気機械に供給されることを特徴と
   する超過圧力ガスの生成方法。
2. 【請求項２】 前記少なくとも１つの圧縮機段（１，２）は、斜流圧縮機とし
   て選択されることを特徴とする請求項１記載の超過圧力ガスの生成方法。
3. 【請求項３】 前記少なくとも１つの圧縮機段（１，２）は、遠心圧縮機とし
   て選択されることを特徴とする請求項１または２記載の超過圧縮ガスの生成方法
   。
4. 【請求項４】 前記ロータ（３）は、曲げ振動に関して臨界を超えずに機能す
   る寸法を有することを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載の超過圧
   力ガスの生成方法。
5. 【請求項５】 前記ロータ（３）は、ラジアル方向磁気軸受に装着されること
   を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載の超過圧力ガスの生成方法。
6. 【請求項６】 前記ロータ（３）は、ラジアル方向気体軸受に装着されること
   を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載の超過圧力ガスの生成方法。
7. 【請求項７】 前記ラジアル気体軸受は、ダイナミック傾斜パッド軸受型が選
   択されることを特徴とする請求項６記載の超過圧力ガスの生成方法。
8. 【請求項８】 前記遠心圧縮機段（１）の軸の延長線上には、位置センサ（７
   ）が配置され、前記アクシャル磁気軸受の機能を制御することを特徴とする請求
   項６または７記載の超過圧力ガスの生成方法。
9. 【請求項９】 前記圧縮機の運転範囲は、１または複数の圧縮機段（１，２）
   に弁を設けることによって拡張され、該弁は羽根車の軸流インデューサ部によっ
   て圧縮された空気の一部を吸引部に戻して循環させるために用いることができる
   ことを特徴とする先行する請求項のうちのいずれかに記載の超過圧力ガスの生成
   方法。