JP6134784B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は電動機一体型の圧縮機または圧縮機を搭載した採ガスシステムの改良に関するものである。

一般に、電動機などの回転電機は回転子と固定子を冷却する必要があり、そのための冷却構造が設けられている。代表的な冷却構造としては、電動機の外表面から周囲の空気などへ放熱する方式がある。また、電動機の内部に冷却媒体を流通させて冷却する方式もある。後者の場合、冷却媒体を外部から取り入れ、冷却後に外部へ放出する開放型と、冷却媒体を電動機内部で循環させながら、循環経路の一部に熱交換器を設けて冷却媒体を冷却する全閉型とに分類される。全閉型の場合、内部の冷却媒体は外部の空気や冷却水などによって冷却される。

上記のような一般的な冷却方式は、電動機の許容温度よりも低温の冷却媒体が容易に利用できることが前提の冷却方式である。当然ながら、電動機の温度は冷却媒体の温度以下には冷却できないため、電動機の設置場所の周囲に低温の冷媒が存在しない環境では、電動機の運転は困難となる。

ガス田の井戸(以下、ガス井)の内部に設置される圧縮機(以下、井内ガス圧縮機)を駆動する電動機は、そうした設置場所の周囲に低温の冷媒が存在しない過酷環境で用いられる。井内ガス圧縮機は、天然ガスの産出量を増加させたり、地下のガス溜の圧力が低下した古いガス田の産出量を回復させる目的で設置される。井内ガス圧縮機はガス溜に近い深度に設置した方がより産出量が増加する。しかし地下では深度が大きくなるほど周囲が高温となるため、電動機の許容温度により設置可能な深度が制限される。現在、一般的には圧縮機の吸込みガス温度は１００℃程度が上限であるが、本来設置したいガス溜付近のガス温度は百数十度前後に達する場合が多く、より高温環境に耐えられる電動機の冷却方式が求められている。

低温の冷媒を得る方法の一つにヒートポンプの利用が考えられる。これを電動機の冷却に用いる方法が、特許文献１に開示されている。本従来技術では、圧縮機と第１の熱交換器と第１の減圧弁と第２の熱交換器からなるヒートポンプにおいて、第１の熱交換器で冷却された冷媒の一部を取り出し第２の減圧弁で減圧した冷媒を用いて、電動機を冷却している。

本従来技術は、ヒートポンプのシステムがまず存在し、ヒートポンプの圧縮機羽根車を駆動する電動機を冷却するために、ヒートポンプの冷媒を利用するものである。上記第１の熱交換器では外部冷媒に対して放熱する。また、上記第２の熱交換器では他の外部冷媒から吸熱している。このようにヒートポンプのシステム内部の冷媒が、外部冷媒（空気や冷却水）と熱交換するのは、ヒートポンプを利用した温水器や空気調和装置の通常の構成である。

特開２０１３−１２７２７４号公報

上記従来技術は、地上に設置する通常のヒートポンプシステムに適用する場合は有効である。しかし、本発明が対象とする井内ガス圧縮機は地下深くに設置するため、周囲には高温の天然ガスしか存在せず、外部冷媒を利用できない。

すなわち本発明の目的は、外部冷媒が得られない環境においても、圧縮機羽根車を駆動する電動機を冷却できる圧縮機や当該圧縮機を用いた採ガスシステムを提供することである。

本発明の圧縮機は、上記課題を解決するために、電動機と、該電動機の回転に伴って回転する羽根車と、該羽根車の下流に形成される主流路及び該主流路から分岐するバイパス流路と、該羽根車の上流に配置されて、該羽根車の上流の気体と前記バイパス流路内の気体とが熱交換する熱交換部と、前記バイパス流路に対して前記熱交換部よりも下流に配置されると共に、前記電動機内と連通する流路内に位置する減圧装置と、を備えることを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明に係る採ガスシステムは、圧縮機と、該圧縮機の動力である電源装置と、該電源装置から前記圧縮機へと電力を供給する電源ケーブルを備え、前記圧縮機は、地下のガス溜から地上へガスを導くガス井内部に設置されることを特徴とする。

本発明によれば、外部冷媒が得られない環境においても、圧縮機羽根車を駆動する電動機を冷却できる圧縮機や当該圧縮機を用いた採ガスシステムを提供することが可能になる。

本発明の圧縮機の第１の実施例の説明図である。 本発明の圧縮機の第２の実施例の説明図である。 本発明の圧縮機の第３の実施例の説明図である。 本発明の圧縮機の第４の実施例の説明図である。 本発明の圧縮機の第５の実施例の説明図である。

以下、実施例を、図面を用いて説明する。尚、下記実施例は本発明の実施態様を限定することを意図する趣旨ではなく、種々の変形などが可能であることは言うまでもない。以下の実施例において、圧縮機は、圧縮された羽根車下流のガスの一部を取り出し、圧縮前の羽根車上流側のガスと熱交換するように構成されている。
圧縮機で圧縮された羽根車下流のガスは圧力が上昇するとともに、断熱圧縮により羽根車上流のガスよりも高温となる。この高温高圧のガスの一部をバイパス流路により羽根車上流側へと導き、熱交換部により羽根車上流のガスと熱交換させる。熱交換部では、高温の圧縮後のガスから、より低温の圧縮前のガスへと放熱される。その結果、バイパス流路で分流した圧縮後のガスの温度は低下する。

また、バイパス流路で分流させるガスの流量は、電動機の冷却に必要な最低限でよい。このため羽根車を通過するガスの流量と比較し、分流させるガスの流量は小さい（例えば、典型的には１割程度以下）。その結果、分流ガスは羽根車上流のガスの温度近くまで冷却することができる。

熱交換部で冷却された分流ガスは高圧であるので、このガスを減圧装置で減圧させることでガス温度を低下させることができる。温度低下幅は、理想的には圧縮機による圧縮の際に生じた温度上昇幅と同程度である。このような構成により、周囲環境、すなわち羽根車上流のガス温度より低温の冷媒ガスを得ることができる。得られた低温のガスで電動機を冷却する。冷却に用いたガスは羽根車上流側へと放出する。

この様な二重の冷却機構を設け、通常のヒートポンプシステムが外部冷媒と熱交換する代わりに、圧縮前後のガスに温度差が生じることを利用して、同一冷媒間で熱交換させている。また、圧縮後のガスの一部だけを圧縮前のガスと熱交換させることで、周囲環境より低温のガスが得られるという効果がある。

尚、当内容は、圧縮機に対しバイパス流路と一つの熱交換部を追加するだけの簡単な構成で実現できるので、ガス井のような限られた空間に設置する上では特に好適となる。

本発明による回転電機の第１の実施例を、図１に基づいて説明する。

本実施例の圧縮機は、原動機として電動機１を備えている。電動機１の回転軸には羽根車２が取り付けられており、この羽根車は電動機の回転に伴って回転する。本実施例では羽根車２は電動機１の回転軸に直結され、或いは一体化されているが、両者の間に変速機構を備える場合を排除するものではない。また、羽根車２は遠心型の例を示しているが、軸流または斜流型の羽根車であってもよい。羽根車２が回転すると、羽根車上流のガス３は羽根車により加圧、圧縮され羽根車下流へ送出される。加圧、圧縮されたガスは主流路４を通って、地上へ向かって圧送される。

以上のような圧縮機の基本構成に対し、本実施例では、羽根車２下流の主流路４からガスの一部を抽出するバイパス流路５を設けている。バイパス流路５により分流したガスは羽根車上流側に設置した熱交換部６に導かれ、羽根車上流側のガス３と熱交換する。熱交換部６より下流のバイパス流路５は電動機１と連通している。またバイパス流路５の熱交換部６より下流側に、減圧装置７を設置してある。減圧装置７は電動機１内と連通する流路内に位置する。減圧装置７は、例えば減圧弁やオリフィスを用いることができる。減圧装置７により減圧されたガスは（断熱）膨張により温度が低下する。この温度が低下したガスを用いて電動機１を冷却する。本実施例では、電動機１内（具体的には、回転子と固定子のギャップ）にガスを流通させ冷却している。冷却の観点からは、電動機１内部を直接冷却する本実施例のような構成が効果的であるが、電動機１の外表面を冷却してもよい。電動機１を冷却したガスは、羽根車の上流側に放出する。

以上のような構成によれば、外部の空気や冷却水などが得られないような環境であっても、周囲よりも温度が低い冷却ガスを得ることができ、電動機の冷却を強化できる。また、圧縮機の機能の一部を利用するので、バイパス流路と熱交換部および減圧装置を付加する簡単な構成により、冷却を強化できる。

尚、本実施例ではバイパス流路を用いた場合について説明したが、主流路４から気体の一部を抽出する分流手段であれば良い。抽出された分流気体が熱交換部で熱交換される。

本発明による回転電機の第２の実施例を、図２に基づいて説明する。本実施例の概略構成は、実施例１と略同じである。重複箇所については説明を省略する。

本実施例では、バイパス流路５内に濾過装置８を備えている。濾過装置は、例えば不織布やスクリーンメッシュなどのフィルタを重ねた構造を用いることができる。

濾過装置８は、バイパス流路５内の熱交換部６よりも下流側に設置することが望ましい。その理由は以下のとおりである。濾過装置にも圧力損失が生じるので、バイパス流路５を流れるガスが濾過装置８を通過する際にも減圧膨張する。このため濾過装置８を熱交換部６よりも上流に設置すると、熱交換する前にガス温度が下降し、熱交換の効率が低下する。従って、濾過装置８は熱交換部６の下流に設置した方が、熱交換部６でより効果的に熱交換できる。

上記のように、濾過装置８では圧力損失が生じるので、部分的に減圧機能を果たすことができる。また、圧力損失の大きさは、例えば濾過装置を構成するフィルタの枚数などで調整することが可能である。そこで、減圧装置７で必要となる減圧量とちょうど等しくなるようにフィルタの圧力損失を調整することによって、減圧装置の機能を兼ねることが可能となる。この場合、減圧装置７を省略できるというメリットがある。勿論、両者を併せて用いることを排除するものではない。

本発明による回転電機の第３の実施例を、図３に基づいて説明する。本実施例の概略構成は、実施例１と略同じである。実施例１と重複する箇所については説明を省略する。

本実施例では、濾過装置としてサイクロンセパレータ９を用いている。サイクロンセパレータは強い旋回流れを作り、ガスより密度が大きい異物を旋回流れの外周部へと移動させ、旋回流れ中心部のガスのみ通過させて異物を取り除く濾過装置の一種である。サイクロンセパレータを濾過装置として用いると、通常のフィルタを用いる濾過装置のように目詰まりの可能性が小さくなり、メンテナンスの手間が少なくできるという利点がある。サイクロンセパレータ９の圧力損失を適切に調整すれば、実施例２で説明したのと同様に減圧装置７と兼用できることは言うまでもない。

本発明による回転電機の第４の実施例を、図４に基づいて説明する。本実施例の概略構成は、実施例１と略同じである。実施例１と重複する箇所については説明を省略する。

本実施例では、バイパス流路５を形成する配管の一部を螺旋状に巻くことにより熱交換部１０を構成している。このような構成によれば、別途、熱交換器などを用いることなく熱交換機能を持たせることができるので、構造を簡略化しコストを低減できる。

尚、本実施例においては羽根車の外周側を覆う外側ケーシング１１に前記配管を螺旋状に巻いた構造により、熱交換部を構成する場合について説明したが、外側ケーシング１１に巻かずに単に配管を螺旋状に巻いた構造を設けることでも良い。但し、本実施例のように外側ケーシングに配管を螺旋状に巻いた構造とすると、配管の構造的な安定性が高まると共に、接触により伝熱面積が大きくなるので、冷却性能を一層向上させることが可能である。また、本実施例では外側ケーシング１１の外周側に配管を巻いた構造を示しているが、外側ケーシング１１の内側に配管を螺旋状に形成し、外側ケーシング１１に溶接やろう付けで固定してもよい。

本発明による回転電機の第５の実施例を、図５に基づいて説明する。

本実施例では、上記実施例１から実施例４で説明した冷却を強化した圧縮機を備えた、天然ガスの採ガスシステムを示している。圧縮機１２は、地下のガス溜から地上へガスを導くガス井１３の内部、地下のガス溜１４の近い深度に設置されている。地表面１５には電源装置１６が設置されている。電源装置１６は、通常の電力系統を利用できる場合には受変電設備であったり、電力系統を利用できない場合にはエンジンやガスタービンを動力とする発電機であったりする。また、電動機の形式に応じた電力変換設備、制御設備が併設される場合もある。電動機の電力は、電源ケーブル１７により電源装置１６から電動機１２へと供給される。本実施例のような構成の採ガスシステムを用いると、従来より高温の深い深度に圧縮機を設置できるので、天然ガスの産出量を増大させることができる。

１ 電動機
２ 羽根車
３ 羽根車上流のガス
４ 羽根車下流のガスの主流路
５ バイパス流路
６ 熱交換部
７ 減圧装置
８ 濾過装置
９ サイクロンセパレータ
１０ 配管を螺旋状に形成した熱交換部
１１ 羽根車の外側ケーシング
１２ 圧縮機
１３ ガス井
１４ ガス溜
１５ 地表面
１６ 電源装置
１７ 電源ケーブル

Claims (2)

1. 電動機と、
   該電動機の回転に伴って回転する羽根車と、
   該羽根車の下流に形成される主流路及び該主流路から分岐するバイパス流路と、
   該羽根車の上流に配置され、該羽根車によって圧縮される前の気体であって該羽根車の上流側にある気体と前記バイパス流路内の気体とが熱交換する熱交換部と、
   前記バイパス流路に対して前記熱交換部よりも下流に配置されると共に、前記電動機内と連通する流路内に位置する減圧装置と、
   前記バイパス流路内に濾過装置とを備え、
   前記濾過装置は前記バイパス流路内の前記熱交換部の下流に配置されることを特徴とする圧縮機。
2. 請求項1に記載の圧縮機であって、前記濾過装置は前記減圧装置を兼ねることを特徴とする圧縮機。

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