JP3799121B2

JP3799121B2 - ２段遠心圧縮機

Info

Publication number: JP3799121B2
Application number: JP06608097A
Authority: JP
Inventors: 一樹高橋; 治雄三浦; 秀夫西田; 直彦高橋; 康雄福島
Original assignee: 株式会社日立インダストリイズ
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2017-03-19
Also published as: CN1163672C; CN1195078A; US6196809B1; JPH10259796A; BE1012157A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機軸に圧縮機羽根車を直接取り付けた電動機内蔵型の２段遠心圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工場空気源等に用いられる２段の遠心圧縮機をコンパクト化するために、電動機の両軸端に羽根車を設け、増速機を介さずに直接羽根車を駆動するよう構成した遠心圧縮機の例が、特公平５−３６６４０号公報に開示されている。この公報に記載の遠心圧縮機においては、吐出スクロールを有する圧縮機ケーシングを、電動機ステータや軸受が配置される電動機ケーシングと別体にしている。そして、吐出スクロールの下流側をフランジを介して配管に接続している。さらに、圧縮機段は、第１段と第２段の両段とも軸方向からガスを吸い込む吸込部を有しており、これもフランジを介して吸込配管と接続している。
【０００３】
一方、やはり遠心圧縮機のコンパクト化を目指して、圧縮機ケーシングと中間冷却器、吐出冷却器を一体に構成した遠心圧縮機も提案されており、例えば特開平７−１０３１６２号公報に開示されている。この公報に記載の圧縮機は、低速軸と高速軸の２本の同一高さに配置された平行な回転軸を有しており、これら両軸を歯車増速機を介して接続している。そして、この両軸の中心線を含む水平面で歯車増速機のハウジングが上下２分割されている。分割されたハウジングの中で、下ハウジングは冷却器等と一体形成されており、上ハウジングは取り外し可能に形成されている。さらに、これらハウジングの一端部には電動機を取り付けるフランジが設けられており、このフランジを介して低速軸と電動機の同心を確保している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特公平５−３６６４０号公報に開示された一体型の遠心圧縮機においては、装置のコンパクト化は達成されるものの、圧縮機ケーシングと電動機ケーシングが別体に構成されており、各ケーシングを連結する部品等の部品点数が増加し、これにより組立時に個々の部品の加工誤差と組立誤差が累積し、ステータ内側の軸受保持部等において、ロータとステータ間の同軸度の低下や軸方向の位置精度の低下を生じる恐れがあった。そして、この公報に記載の遠心圧縮機をさらにコンパクト化する等の理由で磁気軸受や側板のない羽根車を用いる場合には、元来ロータとステータ間には厳しい位置管理が必要であるが、相互の位置関係を設定許容範囲内に収めることが困難になる。そこで、組立精度の向上を図るために、嵌め合い部より厳しい嵌合ににしたり、部品間をノックピン等を介して位置固定すれば、組立及び加工時間の増大を招き、コンパクト化による原価の低減、信頼性の向上等の効果が損なわれる。
【０００５】
また、この公報に記載の遠心圧縮機は、各段が有する吐出スクロールの下流側でフランジ結合になっていること、第１段圧縮機だけでなく第２段圧縮機も軸方向吸込でフランジ結合になっていること、圧縮機と冷却器間の配管が複雑な経路をとらざるを得ないこと等のため、羽根車を電動機軸に直接取り付けたにも拘わらず、冷却器までも含めたパッケージ圧縮機の省スペース化のメリットを十分に発揮できていない。なお、圧縮機本体と冷却器とでは運転時の熱変形量が異なるので、熱変形に起因する機密性の低下、それによる漏れの発生の恐れもあった。
【０００６】
さらに、特開平７−１０３１６２号公報に記載の遠心式圧縮機は、歯車増速機を有する２軸式の圧縮機であり、電動機を圧縮機回転軸と同軸上に配置して、歯車増速機を介さずに直接駆動して遠心圧縮機の小型コンパクト化を図ることについては全く考慮されていない。
【０００７】
本発明は上記従来技術の有する課題に鑑みなされたもので、その目的とするところは、電動機軸に羽根車を直接取り付けた遠心圧縮機の組立精度を高めかつ組立を容易にすることにある。
本発明の他の目的は、電動機軸に羽根車を直接取り付けた遠心圧縮機の小型コンパクト化を図ることにある。
本発明のさらに他の目的は、部品点数を減らして小型遠心圧縮機を安価に製造することにある。
本発明のさらに他の目的は、コンパクト化した遠心圧縮機において加工精度の向上が容易な構造を実現することにある。そして、本発明のその他の目的は、以下に述べる記載により明らかになるであろう。
【０００８】
【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本発明の第１の態様は、回転軸の両端部にそれぞれ遠心羽根車を取り付けて２段の圧縮機段を形成し、この回転軸の中間部に形成された電動機部により直接両羽根車を駆動する２段遠心圧縮機において、電動機部を覆うように位置する電動機ケーシングと、圧縮機段を覆うように位置する圧縮機ケーシングとを一体鋳造で構成した一体化ケーシングを備えたものである。そして好ましくは、各圧縮機段間に設けられる中間冷却器と、下流側の圧縮機段のさらに下流に設けられる吐出冷却器との、２つの冷却器のシェルを一体化ケーシングと一体化したものである。
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の第２の態様は、回転軸の両端部にそれぞれ遠心羽根車を取り付けて２段の圧縮機段を形成し、この回転軸の中間部に形成された電動機部により直接両羽根車を駆動する２段遠心圧縮機において、回転軸の軸方向に順に一の圧縮機段を覆うように位置する圧縮機段ケーシング、電動機を覆うように位置する電動機ケーシング、他の圧縮機段を覆うように位置する圧縮機段ケーシングを配置し、回転軸とほぼ平行であってこの回転軸の中心に対して斜め下方に一の圧縮機段と他の圧縮機段間に設けられる中間冷却器を、この中間冷却器とほぼ平行であって回転軸の斜め下方に２つの圧縮機段の何れかに流通する吐出冷却器を位置させ、電動機ケーシングと一の圧縮機段ケーシングと他の圧縮機段ケーシングと中間冷却器のシェルと吐出冷却器のシェルとを一体鋳造した一体化ケーシングを備えたものである。そして好ましくは、中間冷却器と吐出冷却器の各端面にフランジ部を設け、このフランジ部に取り付けられる４枚のエンドカバーの形状を実質的に同一にしたものである。
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の第３の態様は、回転軸の両端部にそれぞれ遠心羽根車を取り付けて２段の圧縮機段を形成し、この回転軸の中間部に形成された電動機部により直接両羽根車を駆動する２段遠心圧縮機において、電動機部及び２段の圧縮機段を覆うように一体化ケーシングを形成し、この一体化ケーシングの斜め下方に中間冷却器部を、この中間冷却器部にほぼ平行に吐出冷却器部をそれぞれ延在させ、２段の圧縮機段の各段と中間冷却器部とを連通する第１及び第２のダクト部と、２段の圧縮機段の中の何れか一方の段と吐出冷却器部とを連通する第３のダクト部とをケーシングは含み、これら第１乃至第３のダクト部は２つの冷却器部の上方であって圧縮機段の下方に位置しているものである。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の第４の態様は、回転軸と、この回転軸の一端部に取り付けた第１段遠心羽根車と、回転軸の他端部に取り付けた第２段遠心羽根車とを有し、回転軸の中間部に形成された電動機部により直接両羽根車を駆動する２段遠心圧縮機において、第１段遠心羽根車を含む第１段圧縮機部と、第２段遠心羽根車を含む第２段圧縮機部と、電動機部とを覆うように一体化ケーシングを形成し、第１段羽根車に流入する作動ガスの流入方向を半径方向外方から回転軸の中心方向とする吸込流路部を形成したものである。
【００１２】
そして好ましくは、第１段圧縮機部の羽根車出口側に、回転軸に平行な断面における断面積が周方向にほぼ均一なコレクタを形成するか、第１段遠心羽根車と第２段遠心羽根車との間の２カ所に回転軸を支承するアキシャル磁気軸受を、この２つのアキシャル磁気軸受間にスラスト磁気軸受を設けるとともに、一体化ケーシングの内周面に周方向にわたる溝を形成し、この溝と各軸受に連通する冷却路を各圧縮機段が有するか、または一体化ケーシングの第１段羽根車側端面を閉塞し、第１段羽根車への吸込流路を形成する第１のヘッドカバー部材と、一体化ケーシングの第２段羽根車側端面を閉塞し、第２段羽根車への吸込流路を形成する第２のヘッドカバー部材とを一体化ケーシングに着脱自在に設けるものである。
【００１３】
また、本発明によれば、電動機直接駆動式遠心圧縮機において、圧縮機ケーシング、電動機ケーシングを含む圧縮機本体の直下に、中間冷却器および吐出冷却器を一体に構成し、かつ、圧縮機本体ケーシングの外周部が冷却器の上面に接する程度まで近づけて配置することで、外形寸法を小型化してもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施例について図面を参照しながら説明する。
図１ないし図９は、本発明の２段遠心圧縮機の第１の実施例に係る図面であり、図１は２段遠心圧縮機の概略外観形状を示す正面図である。また、図２および図３は、それぞれ図１中のＡ矢視およびＢ矢視側面図である。本実施例における２段の遠心圧縮機１では、圧縮機の羽根車を駆動する電動機のステータを保持する電動機ケーシング２と、この電動機ケーシングの左右両側に配置された圧縮機のステータ部を有する第１段圧縮機ケーシング１ａと第２段圧縮機ケーシング１ｂとが一体に構成されている。そして、この一体型のケーシング５０の下方には、中間冷却器３ａおよび吐出冷却器３ｂが配置されている。そして、これら両冷却器３ａ，３ｂのケーシングも電動機ケーシング２と圧縮機ケーシング１ａ、１ｂとを有するケーシング本体５０に一体に形成されている。
【００１５】
ところで、図１のＣ−Ｃ断面である図４に示したように、本発明の２段圧縮機においては電動機の回転軸２０の両端部に第１段及び第２段の遠心羽根車２１ａ、２１ｂが直接取り付けられている。回転軸２０の両羽根車２１ａ、２１ｂの取り付け位置より内側に配設されたラジアル磁気軸受２３ａ、２３ｂにより回転軸２０は回転可能に支承されている。一方、図４において右側に位置する第２段圧縮機側のラジアル軸受２３ｂの軸方向内側には、この２段圧縮機によって発生する軸方向推力を支承可能なアキシャル磁気軸受２４ａ、２４ｂが回転軸２０に設けられたスラストプレートを挟むように配置されている。そして、ラジアル軸受２３ａ、２３ｂはそれぞれベアリングハウジング２８ａ，２８ｂに、アキシャル磁気軸受２４ａ、２４ｂはベアリングホルダ２９ａ，２９ｂにそれぞれ固定されている。
【００１６】
回転軸２０はそのほぼ中央部に電動機ロータ部が取り付けられており、このロータ部に対向して僅かの隙間をもって電動機ステータ２２が配設されている。この電動機ステータ２２は、ステータハウジング３２に保持されており、ステータハウジング３２は電動機ケーシングに保持されている。
【００１７】
回転軸２０の両端部に直接取り付けられた遠心羽根車２１ａ、２１ｂは、シュラウド壁を持たないオープンシュラウド羽根車であり、各羽根車２１ａ、２１ｂのシュラウド面とインナケーシング２５ａ、２５ｂとの間には微少ギャップが形成されている。さらに、羽根車２１ａ、２１ｂは、ナット３３ａ、３３ｂにより回転軸２０に締結されており、回転軸２０から着脱可能に構成されている。
【００１８】
ラジアル磁気軸受２３ａ、２３ｂの軸方向外側には、組立時や圧縮機停止時等の磁気軸受に通電されていない時に、ロータがステータ部やケーシング等と接触するのを防止するために補助軸受３１ａ、３１ｂが配設されている。圧縮機運転時には、回転軸２０は磁気軸受２３ａ、２３ｂにより浮上させられ、これら補助軸受３１ａ、３１ｂと回転軸２０とが接触することなく回転制御される。運転時に補助軸受２３ａ、２３ｂと回転軸２０との間に形成されるギャップは、電動機や磁気軸受２３ａ、２３ｂのエアギャップおよび羽根車のシュラウドギャップより小さい。
【００１９】
次に、圧縮機の作動ガス圧縮系統を説明する。図４で左側に示した第１段圧縮機では、作動ガスは第１段吸込ノズル４から吸い込まれ、整流板２６ａを備えた吸込流路を経て第１段羽根車２１ａで圧縮される。圧縮された作動ガスは、羽根車２１ａの下流側に設けられたディフューザ３８ａで圧力回復した後、コレクタ２７ａでまとめられて第２段圧縮機へと導かれる。ここで、ディフューザ３８ａは吸込流路をも区画するインナーケーシング２５ａとベアリングハウジング２８ａとにより形成されている。このディフューザ３８ａとしては、ディフューザ羽根を有する羽根付きディフューザを用いることが多いが、羽根無しディフューザであってもよい。ディフューザ３８ａの出口径は、羽根車２１ａの外径に対して十分大きく設定されており、羽根車を出た作動ガスの流れが十分減速される。なお、インナーケーシング２５ａは整流板２６ａを介して圧縮機ヘッドカバー１７ａに取り付けられている。このヘッドカバー１７ａを、第１段ケーシング１ａの回転軸側端面にシール部材を介してボルト締めすることにより第１段圧縮機の吸込流路が形成される。
【００２０】
吐出コレクタ２７ａは、上述したインナーケーシング２５ａと第１段圧縮機ケーシング１ａとで形成されている。コレクタ２７ａは、円周方向に流路断面積が変化するスクロールとは異なり流路断面積が円周方向に一定であるから、コレクタ内２７ａでの静圧回復は期待できない。しかし、コレクタ２７ａに流入するガスは、上流のディフューザ３８ａ部で十分に減速されているので、コレクタの断面積を大きくしても、過大な損失を発生せずに流れを減速することが可能である。さらに、コレクタ２７ａ内の流れはスクロール内の流れに比較し、円周方向について静圧の変化が小さく、羽根車等を含む圧縮機ロータに加わる半径方向の流体力が小さく、騒音振動を低く押さえることができる。そして、コレクタを用いると、上記の好ましい諸特性が圧縮機の設計点以外の運転点でも得られるという利点を有する。
【００２１】
コレクタ２７ａに集められた作動ガスは、後述する流路を経て第２段圧縮機の吸込流路に流入する。この第２段圧縮機も第１段圧縮機と同様の構成となっている。すなわち、作動ガスは整流板２６ｂを備えた吸込流路を経て第２段羽根車２１ｂでさらに加圧される。圧縮された作動ガスは、羽根車２１ｂの下流側に設けられたディフューザ３８ｂで圧力回復した後、コレクタ２７ｂでまとめられ吐出冷却器３ｂを経て需要元へと導かれる。ここで、ディフューザ３８ｂは吸込流路をも区画するインナーケーシング２５ｂとベアリングハウジング２８ｂとにより形成されている。また、インナーケーシング２５ｂは整流板２６ｂを介して圧縮機ヘッドカバー１７ｂに取り付けられている。このヘッドカバー１７ｂを、第２段ケーシング１ｂの回転軸側端面にシール部材を介してボルト締めすることにより第２段圧縮機の吸込流路が形成される。ディフューザ３８ｂは羽根付きディフューザでも羽根無しディフューザでもよいことは第１段圧縮機と同様である。
【００２２】
次に、この２段遠心圧縮機における作動ガスの流路及び冷却系統を説明する。第１段吸込ノズル４から吸い込まれた作動ガスは、第１段圧縮機内流路を経て吐出ノズルと中間冷却器への導通配管を兼ねた第１段吐出ダクト５に流入する。吐出ダクト５を流出した作動ガスは、回転軸２０の斜め下方に回転軸２０にほぼ並行に配置された中間冷却器３ａに流入して冷水等と熱交換して冷やされ、第２段吸込ダクト６に流入する。第２段吸込ダクト６に流入した作動ガスは、第２段圧縮機内流路を経て第２段吐出ダクト７へ導かれる。吐出ダクト７を出た作動ガスは、回転軸の斜め下方で中間冷却器３ｂにほぼ平行に配設された吐出冷却器３ｂに流入し、ここで最終需要元の要求する温度に調整された後、吐出冷却器３ｂの側面に設けられた吐出口８から顧客の要求や安全性を考慮して設けられたチェック弁等の補機類を経て需要元へ導かれる。したがって、吐出口８にはこれら補機を接続するためのフランジが形成されている。なお、中間冷却器３ａと吐出冷却器３ｂとはほぼ同じ大きさであり、回転軸２０の中心軸を含む鉛直面に対してほぼ軸対称な形状となっている。
【００２３】
ここで、第１段吸込ノズル４は回転軸に平行なフランジ面を有しており、２段圧縮機の上流側に配設された補機類から導かれた吸込ガス配管とフランジ接続されている。また、吸込ノズル４では、圧縮機の半径方向外方から作動ガスを吸い込み、作動ガスにおいてヘッドを低下させる予旋回の発生を防止している。一方、第１段吐出ダクト５は、第１段圧縮機ケーシング１ａおよび中間冷却器３ａと一体形成されており、第２段吸込ダクト６および第２段吐出ダクト７は、それぞれ中間冷却器３ａおよび吐出冷却器３ｂと一体形成されている。
【００２４】
中間冷却器３ａおよび吐出冷却器３ｂの内部にはそれぞれ熱交換器のネストが収納されており、この熱交換器のネストをそれぞれの冷却器に保持するために第２段圧縮機側の端面には、図３に示すように冷却器ヘッドカバー１５ａ、１５ｂがシール部材を介してそれぞれ取り付けられている。また、両冷却器の第１段圧縮機側の端面には、図２に示すようにシール部材を介してエンドカバー１６ａ，１６ｂが取り付けられている。ここで、ヘッドカバー１５とエンドカバー１６の相対位置は、圧縮機の構造とは無関係である。つまり、第１段圧縮機側にヘッドカバーを配し、第２段圧縮機側にエンドカバーを配しても良い。さらに、冷却器３ａ，３ｂへのヘッドカバー１５とエンドカバー１６の取り付け形状を同一にすれば、同一形状の熱交換器ネストをどちら側からでも取り付け可能になり、組立の自由度が増す。
【００２５】
ところで、中間冷却器３ａと吐出冷却器３ｂとでは、通過風量や必要とされる熱交換量が異なる。従って従来、両冷却器のそれぞれに対し必要でかつ十分な寸法形状にしていた。これに対し本実施例では、両冷却器の寸法を同一にして鋳型をはじめネストやカバー類を共用し、部品製作コストや組立コスト等の原価の低減を可能にしている。
【００２６】
一体に形成されたケーシング５０の電動機ケーシング２部を覆うように箱状の外壁９が、この外壁９の上面にはほぼ矩形状のフランジ部がそれぞれ形成されており、このフランジに端子箱１８が取り付けられている。電動機や磁気軸受等に接続される信号ケーブルや動力ケーブルは、圧縮機ケーシング内に設けられた配線用の空間３０ａ、３０ｂを通して、この端子箱１８へ導かれる。この空間３０ａ、３０ｂをケーブル配線作業を容易にするため、極力広くしている。
【００２７】
以上のように構成した本実施例においては、回転軸方向から電動機の駆動部を含めて圧縮機の組立および分解が可能である。つまり、電動機ケーシング２および圧縮機ケーシング１ａ、１ｂをほぼ円筒状の一体鋳造品としたので、従来の最大径部分で２分割して、各分割面にフランジ面を設けるという手法を用いる必要がない。この場合、ケーシングの内周面をマシニングセンタ等により一貫して加工することができ、製作が容易になり加工精度の向上と製作コストの低減を実現できる。また、この一体ケーシングを用いると、組立時に心出し等の調整作業を低減できる。なお、第１段圧縮機では、吸込ノズル４がケーシング外周面に設けられ、吸込ガスを半径方向から導入しているので、圧縮機本体の側方には各種機器を設置するスペースを確保できる。したがって、通常第１段圧縮機の上流側に設けられる吸込絞り弁や吸込フィルタ等の補機類を圧縮機本体の側方に配設できる。また、羽根車２１ａの清掃等のメンテナンス時には、上記補機類を取り外さなくても、圧縮機ヘッドカバー１７ａおよびこれと一体に取り付けられているインナケーシング２５ａのみを取り外すだけで、羽根車を圧縮機ケーシング内から取り出すことができ、作業の省力化が図られる。
【００２８】
ところで、圧縮機１では、主として電動機ステータ２２における銅損や鉄損と回転体の高速回転による風損に起因して発熱する。また、羽根車で昇圧される過程において作動ガスの温度は約１５０℃まで上昇する。しかしながら、電動機や磁気軸受の使用温度はコイルの絶縁性を確保するため約１２０℃以下に抑える必要がある。そこで、圧縮機１の外部から冷却ガスを圧縮機１の内部に通風する。この冷却ガスの取入口３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄを、電動機ケーシング２および圧縮機ケーシング１ａ、１ｂの外周部に円周方向１カ所づつ設けている。この取入口３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、ケーシングの内周面に円周方向の溝状に形成された冷却ガス分配溝３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄにそれぞれ連通している。冷却ガスは、これらの冷却ガス分配溝３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄから、それぞれ円周方向に複数箇所設けられた冷却ガス供給通路３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄに供給され、上記各発熱部を冷却する。ここで、冷却ガス分配溝３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄを必ずしもケーシング内面側に構成する必要はない。例えば電動機ケーシングに設けた分配溝３５ａを、電動機ステータハウジング３２の外周部に設けても良い。冷却ガスは、上記発熱部付近を冷却した後、それぞれ円周方向に複数箇所設けた排気通路３７ａ、３７ｂ、３７ｃを経て、ケーブル配線用の空間３０ａ、３０ｂに集められ、端子箱１８へと到る。排気口は、壁面９または端子箱１８の１カ所に設ければ十分である。本実施例によれば、冷却ガスの供給および排気に必要な配管の数を必要最小限に抑えることができる。また、排気用の配管として大口径のものを１本設けるだけでよく、排気配管の圧力損失が小さくなり、冷却ガスの供給圧を低下させることができる。
【００２９】
次に、図５から図９を用いて、本実施例に用いる圧縮機１のケーシングの詳細構造を説明する。図５は図２におけるＪ−Ｊ断面図、図６は図１におけるＤ矢視図とＥ矢視図（図の左半がＤ矢視、右半がＥ矢視）、図７は図１におけるＦ矢視図とＧ矢視図（図の左半がＦ矢視、右半がＧ矢視）、図８は図１のＨ矢視図、図９は図１におけるＩ矢視図である。図６および図８、図９中において、インナケーシング２５ａ、２５ｂにより形成される吐出コレクタおよび整流板２６ａ、２６ｂを破線で示している。
【００３０】
圧縮機１にかかるケーシングは、第１段圧縮機ケーシング１ａ、第２段圧縮機ケーシング１ｂ、電動機ケーシング２、中間冷却器ケーシング３ａおよび吐出冷却器ケーシング３ｂを有しており、これらは鋳鉄製で一体鋳造成形されている。そして、この一体ケーシングは横断面における形状がぼ左右対称になっている。
【００３１】
一体構造のケーシングを実現できたことにより、従来必要であった上記各ケーシング間を結合するボルトナット類や配管等の部品が不要となり、大幅に部品点数を削減できる。また、圧縮機本体部の円筒状内面を、一貫して加工することで高い同軸性を確保でき、従来必要であった電動機ケーシングと圧縮機ケーシング間の心出し作業およびノック穴の合わせ加工等が一切不要となる。さらに、ケーシングの構造がほぼ左右対称であるので、鋳造時に鋳型の合わせ面を左右対称軸を含む面にすることができる。すなわち、回転軸２０の中心軸２０と、中間冷却器と吐出冷却器との間を仕切る仕切壁４０と、を含む平面に関して、ほぼ左右対称な鋳型とすることができ、木型および砂型の製作を含め鋳造が容易になる。
【００３２】
一体鋳造ケーシングでは、ケーシング全体の剛性を高くすることができるという長所の他に、鋳鉄を用いているので減衰特性にもすぐれているという長所がある。これら両長所により、圧縮機の低振動化及び低騒音化を実現できる。また、ケーシングの外表面積を小さくできるので、ケーシング外表面からの放射音を低減できる。つまり、従来振動および騒音発生の主要源となっていた歯車増速機等を不要として、ケーシングの一体鋳造を可能にしたことにより、電動機軸に直接羽根車を取り付ける駆動方式の利点を最大限に享受できる。
【００３３】
圧縮機本体のケーシングはほぼ円筒形であり、第１段圧縮機のケーシング１ａの外径が最も大きい。第１段圧縮機は、最大径部において外周面が冷却器３の上面にほぼ接するように配設されている。すなわち、冷却器の上面から圧縮機回転軸までの高さは、圧縮機本体ケーシングの最大外半径にほぼ等しい。このように、圧縮機本体と冷却器を接近して配置すれば、圧縮機本体と冷却器間を連通するガス流路を圧縮機ケーシング及び冷却器シェルが一体となった一体ケーシング中に形成できる。
【００３４】
なお、この様なコンパクトな機器配置は、歯車増速機を持たないこと、および電動機軸に直接羽根車を取り付けることにより初めて実現できたものである。これを上記従来技術と比較すると、従来技術においては歯車増速機の低速歯車の外径が圧縮機ケーシングの外径よりはるかに大きく、低速軸と高速軸を同一高さに配置した場合、圧縮機と冷却器を接近させることが困難になる。本実施例によれば、上述したように装置の小型コンパクト化が極めて容易になる。そして、圧縮機本体と冷却器の接続は従来用いられていたポルト結合等ではなく、一体鋳造品であるから熱変形差に起因して生じる配管接続部からのガス漏れを防止できる。
【００３５】
圧縮機本体ケーシングと冷却器シェルとは一体成形品であり、各段の圧縮機と各冷却器内部との間を作動ガスが流通できるように、第１段吐出ダクト５、第２段吸込ダクト６および第２段吐出ダクト７が一体ケーシングに形成されている。そして、これらのダクトの外壁は圧縮機ケーシングを支えるように作用する。ここで、圧縮機本体と冷却器との間の距離を極力短くして、圧縮機全体を小型化すると共に適宜リブを配置して、十分な剛性を得ている。
【００３６】
本実施例では、ダクト壁面が圧縮機の脚をも兼ねていること、およびダクト用に十分なスペースを確保できないこと、の理由でダクトの形状は流体力学的には必ずしも最適な通路になり得ない。しかしながら、圧縮機の吐出ガスは吐出コレクタ部に到るまでに十分減速されており、ダクト部で発生する損失は比較的少なく、ダクトと脚の兼用による省スペース化の効果が大きい。そして、中間冷却器３ａおよび吐出冷却器３ｂはほぼ断面矩形であり、圧縮機本体の支持体として、十分な剛性および安定性を有している。したがって、冷却器３の下部に新たな台座を設ける必要がなく、コンパクトな２段遠心圧縮機が得られる。なお、鋳型の構造がやや複雑になるが、中間冷却器と吐出冷却器との間を仕切る仕切壁４０を吐出冷却器側に位置をずらせば、吐出冷却器と中間冷却器の容積比を流体力学的に最適な比率にすることができる。この場合、吐出冷却器には余分な容積が無くなり、装置のさらに小型化が可能になる。なお、この例においても２つの冷却器の回転軸に対し直角方向の幅の中心と回転軸の幅方向中心位置を一致させれば、構造的に安定した一体ケーシングが得られる。
【００３７】
電動機ケーシング２は、圧縮機ケーシング１ａ、１ｂと全周では接続されおらず、およそ下側半周でのみ圧縮機ケーシング１ａ，１ｂと一体化されている。電動機ケーシング２と直接は接続されない圧縮機ケーシング１ａ、１ｂの上半部は、箱状の外壁９と接続されている。外壁９は、ケーブル配線用の空間３０ａ、３０ｂと連通した十分広い空間を電動機ケーシングの周囲に有している。上述したように、電動機や磁気軸受のケーブル引き出し部へのアクセスが容易となり、圧縮機組立時における結線作業の能率向上が可能である。
【００３８】
次に、本発明に係る２段遠心圧縮機の第２の実施例を図１０を用いて説明する。本実施例が第１の実施例と相違する点は、第１段圧縮機の作動ガスの吸込方向を回転軸の軸方向にしたことであり、その他の点では図１ないし図９に示した第１の実施例と同様である。すなわち、第２の実施例では、第１段圧縮機の吸込ケーシング３９に、回転軸に垂直なフランジ面を有する吸込ノズル４ｎが形成されている。なお、この第２の実施例においては、圧縮機の回転軸方向前方に吸込絞り弁や吸込フィルタ等の補機を配置する必要がある。
【００３９】
第１段圧縮機の作動ガスを軸方向から吸込むことにより、圧縮機構造がより簡素化され、第１段圧縮機の軸方向長さを短縮できる。そして、第１段羽根車２１ａの上流には長い直管状流路があるので、羽根車２１ａへ流入する作動ガスの流れ分布を改善でき、圧縮機の効率が向上する。なお、２段圧縮機についても、第１段圧縮機と同様に軸方向から作動ガスを吸込むことは可能であることは言うまでもない。
【００４０】
次に、本発明の２段遠心圧縮機の第３の実施例を図１１および図１２を用いて説明する。図１１は、図１におけるＤ矢視図に対応する図であり、図１１において２点鎖線で囲んだ部分のみは、図１におけるＥ矢視に対応する部分である。また、図１２は、図１におけるＨ矢視図に対応する図である。本実施例が第１の実施例と相違する点は、ノズルとダクトの配置であり、その他の点は第１の実施例と同様である。
【００４１】
第１段圧縮機の吐出ガスは吐出ダクト５ｎを通り中間冷却器３ａへ導かれるが、第１の実施例の場合とは逆に、中間冷却器３ａの吐出冷却器３ｂ側の壁面４０ａに沿うように流入する。また、中間冷却器３ａで冷却されたガスは、吐出圧縮機とは接しない側の壁面４１ａに沿って吸込ダクト６ｎへ導かれ、第２段圧縮機１ｂへほぼ半径方向に吸い込まれる。本実施例によれば、第１段圧縮機の吸込ノズル４ｍと吐出流路５ｎとが干渉しないので、第１の実施例とは１８０度向きを変えて中間冷却器３ａ側に吸込ノズル４ｍを配置できる。さらに吐出冷却器３ｂの吐出口８ｎと吸込ノズル４ｍとが干渉しないので、吐出冷却器３ｂの上壁面に吐出口８ｎを配置できる。このほか吸込ノズル４ｍの位置に関しては、冷却器等の構造物と干渉しない範囲で、任意の向きに配置することが可能である。つまり、吸込絞り弁や吸込フィルタ等の補機類の配置には依存するが、その他の点では全く自由に圧縮機全体の機器を配置できるので、よりコンパクトなパッケージ型の２段遠心圧縮機を実現できる。
【００４２】
第１の実施例においては、中間冷却器側の壁面４０ａは中間冷却器３ａで冷却された後のほぼ常温のガスに接しており、吐出冷却器側の壁面４０ｂは第２段圧縮機の高温の吐出ガスに接している。これに対し、本実施例では仕切壁の両表面４０ａ、４０ｂは共に圧縮機の吐出ガスに接しており、仕切壁４０の両表面間の温度差が小さい。したがって、本実施例によれば、仕切壁４０を通じての熱移動量を低減でき、第２段圧縮機の吸込ガス温度が上昇することに起因する効率の低下を抑制できるとともに、仕切壁４０の両表面間の温度差による熱応力の補圧制も低減できる。
【００４３】
次に、図１３を用いて本発明の第４の実施例について説明する。
第１の実施例において圧縮機上部に設けていた箱状の外壁９を上方に延長して、それ自体を端子箱１８として利用している。すなわち端子箱１８も圧縮機ケーシング１ａ、１ｂや電動機ケーシング２と一体鋳造されるので、ボルト類も含め部品点数を減らすことができ、製造コストおよび組立コストを低減できる。本実施例によれば、端子箱１８を圧縮機本体と一体に構成して、上部の蓋４２を取り外すだけでほぼ矩形状の開口部が得られる。したがって、電動機や磁気軸受のケーブル配線作業が容易になる。
【００４４】
以上述べた本発明の第１から第４のいずれの実施例においても、軸受として磁気軸受を用いる例を示したが、滑り軸受や転がり軸受であってもよいことは言うまでもない。要するに、圧縮機ケーシング１ａ、１ｂ、電動機ケーシング２および冷却器３ａ、３ｂ等を一体に構成して、圧縮機のコンパクト化や低騒音、低振動化を実現するものは本発明の範疇に属するものである。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の２段遠心圧縮機によれば、回転軸の中間部に電動機のロータを、この回転軸の両端部に遠心羽根車を取り付けて遠心羽根車を直接電動機で駆動し、電動機部と２段の圧縮機部とを覆う一体化ケーシングを設けたので、増速歯車手段が不要となり、装置が小型コンパクト化する。
【００４６】
また、圧縮機段ケーシングと電動機部ケーシングが一体化されたので、組立工数及び部品点数が減ると共に圧縮機段と電動機部の位置決めが飛躍的に容易になり、原価の低減と信頼性の向上が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２軸遠心圧縮機の第１の実施例の正面図である。
【図２】図１に示した本発明の第１の実施例の側面図である。
【図３】図１に示した本発明の第１の実施例の側面図である。
【図４】図１に示した本発明の第１実施例の縦断面図であり、圧縮機内部の詳細を示す図である。
【図５】図１に示した本発明の第１実施例の縦断面図であり、圧縮機のケーシングの詳細を示す図である。
【図６】図１に示した本発明の第１の実施例の横断面図であり、圧縮機のケーシングの詳細を示す図である。
【図７】図１に示した本発明の第１の実施例の横断面図であり、圧縮機のケーシングの詳細を示す図である。
【図８】図１に示した本発明の第１の実施例の横断面図であり、圧縮機のケーシングの詳細を示す図である。
【図９】図１に示した本発明の第１の実施例の横断面図であり、圧縮機のケーシングの詳細を示す図である。
【図１０】本発明に係る２段遠心圧縮機の第２の実施例の縦断面図であり、圧縮機内部の詳細を示す図である。
【図１１】本発明に係る２段遠心圧縮機の第３の実施例の横断面図であり、圧縮機のケーシングの詳細を示す図である。
【図１２】図１１に示した本発明の第３実施例の横断面図であり、圧縮機のケーシングの詳細を示す図である。
【図１３】本発明に係る２段遠心圧縮機の第４の実施例の正面図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、１ａ…第１段圧縮機ケーシング、
１ｂ…第２段圧縮機ケーシング、２…電動機、
３…冷却器、３ａ…中間冷却器、３ｂ…吐出冷却器、
４、４ｎ、４ｍ…第１段圧縮機吸込ノズル、
５、５ｎ…第１段圧縮機吐出ダクト、６、６ｎ…第２段圧縮機吸込ダクト、
７…第２段圧縮機吐出ダクト、８、８ｎ…吐出冷却器吐出口、９…外壁、
１５…冷却器ヘッドカバー、１５ａ…中間冷却器ヘッドカバー、
１５ｂ…吐出冷却器ヘッドカバー、１６…冷却器エンドカバー、
１６ａ…中間冷却器エンドカバー、１６ｂ…吐出冷却器エンドカバー、
１７…圧縮機ヘッドカバー、１７ａ…第１段圧縮機ヘッドカバー、
１７ｂ…第２段圧縮機ヘッドカバー、１８…端子箱、２０…回転軸、
２１ａ…第１段圧縮機羽根車、２１ｂ…第２段圧縮機羽根車、
２２…電動機ステータ、２３ａ、２３ｂ…ラジアル磁気軸受、
２４ａ、２４ｂ…アキシャル磁気軸受、２５ａ、２５ｂ…インナケーシング、
２６ａ、２６ｂ…整流板、２７ａ、２７ｂ…吐出コレクタ、
２８ａ、２８ｂ…ベアリングハウジング、
２９ａ、２９ｂ…アキシャルベアリングホルダ、
３０ａ、３０ｂ…ケーブル配線用空間、
３１ａ、３１ｂ…補助軸受、３２…電動機ハウジング、
３３ａ、３３ｂ…ナット、
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ…冷却ガス取入口、
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ…冷却ガス分配溝、
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ…冷却ガス供給通路、
３７ａ、３７ｂ、３７ｃ…排気通路、３８ａ、３８ｂ…ディフューザ、
３９…吸込ケーシング、４０、４０ａ、４０ｂ…冷却器仕切壁、
４１、４１ａ、４１ｂ…冷却器壁面、４２…蓋。

Claims

回転軸の両端部にそれぞれ遠心羽根車を取り付けて２段の圧縮機段を形成し、この回転軸の中間部に形成された電動機部により直接両羽根車を駆動する２段遠心圧縮機において、
前記電動機部を覆うように位置する電動機ケーシング部と、前記圧縮機段を覆うように位置する２つの圧縮機ケーシング部と、これら電動機部ケーシング部および圧縮機ケーシング部の下方に位置し、前記回転軸の中心軸を含む鉛直面に対してほぼ同じ大きさでほぼ軸対称である中間冷却器と吐出冷却器とを形成するシェルと、を一体鋳造で構成して１個の一体化したケーシングとし、前記圧縮機段の一方に流入した作動ガスがこの一体化したケーシングから出ることなく吐出冷却器から吐出されるよう前記一体化したケーシングを形成したことを特徴とする２段遠心圧縮機。
前記一方の圧縮機段に吸い込まれた作動ガスが、この圧縮機段で圧縮された後に中間冷却器に流入し、その後他方の圧縮機段で圧縮されて吐出冷却器に流入するよう前記一体化したケーシングを形成したことを特徴とする請求項１に記載の２段遠心圧縮機。
前記２段の圧縮機段の各段と前記中間冷却器とを連通する第１及び第２のダクト部と、前記２段の圧縮機段の中の何れか一方の段と前記吐出冷却器とを連通する第３のダクト部とを前記一体化したケーシングは含み、これら第１乃至第３のダクト部は前記２つの冷却器の上方であって前記圧縮機段の下方に位置していることを特徴とする請求項１に記載の２段遠心圧縮機。
前記一方の圧縮機段が有する遠心羽根車と他方の圧縮機段が有する遠心羽根車との間の２カ所に前記回転軸を支承するアキシャル磁気軸受を、この２つのアキシャル磁気軸受間にスラスト磁気軸受を設けるとともに、前記一体化したケーシングの内周面に周方向にわたる溝を形成し、この溝と前記各軸受に連通する冷却路を前記各圧縮機段が有することを特徴とする請求項１に記載の２段遠心圧縮機。