JP7037586B2 - 圧縮機械 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提概念部に記載した圧縮機械に関する。

このような形式の圧縮機械は従来技術により既に公知であって、例えば空気またはガスを圧縮するためのコンプレッサとして用いられる。この場合、圧縮機械の軸は、ハウジング内で少なくとも２つのラジアル軸受および１つのアキシャル軸受に軸受けされている。軸は、インペラホイールに結合されていて、このインペラホイールは、圧縮機の場合、軸を介して駆動されるか若しくは回転せしめられ、これに対して発生装置の場合、流動するガスがインペラホイールと作用接続せしめられ、これによって発生装置は、流れを発生させるために軸を駆動する。

さらに、このような形式の圧縮機械の効率は、半径方向および軸方向のギャップ寸法の大きさに依存することが一般的に知られている。ギャップ寸法の大きさは、漏れ、効果的な横断面並びに渦動による損失に影響するので、これによって、圧縮機械の熱力学的効率が影響を受ける。多段式の流体機械の場合、ハウジングと軸との間の熱膨張が、インペラホイールギャップの追加的な増大を生ぜしめ得る。可能な対抗措置として、ハウジングの熱膨張を低減させることが公知である（特許文献１）。

米国特許第４１０１２４２号明細書

請求項１の特徴を有する本発明による圧縮機械は、特別に構成されたハウジングなしでも軸の熱膨張が低減されることによって、簡単かつ効果的な形式で、軸の熱膨張の低減により、発生するエアギャップの変化が圧縮機械の運転範囲に亘って減少されるという点で、効率の改善が可能である、という利点を有している。

具体的には、本発明は、軸の熱膨張を低減させるための手段が、ハウジング内で軸の長手方向に設けられていることを提案する。これにより、この手段は、流体機械の全運転範囲若しくは温度範囲に亘って、エアギャップが軸の比較的高い回転数若しくは負荷においても僅かしか増大若しくは変化しないか、または最良のケースではまったく増大若しくは変化しないように働く。

本発明による圧縮機械の好適な発展形態は、従属請求項に記載されている。

軸の長手方向の熱膨張を低減させるための手段の第１の具体的な実施態様では、前記手段が、ハウジング内に配置された軸に接続されたモータまたは発生装置を冷却するための、第１の手段を含有するように提案されており、この場合、第１の手段が、軸から周囲への放熱を改善する。このような形式の第１の手段は、軸からモータまたは発生装置の方向で周囲への改善された熱伝導を生ぜしめ、これにより、軸の加熱およびひいては膨張が制限される。

前記提案の具体的な発展形態では、第１の手段が、ステータを冷却するための装置を含有するようになっている。この場合、ステータは、一般的な形式で圧縮機械のハウジングの領域内に配置されていて、第１の手段を備えた本発明による構成のために、例えば冷却体を有しており、この冷却体は、空気冷却によって改善された熱影響若しくは周囲への放熱を可能にするために、周囲と作用接続して配置されている。

第１の手段の選択的な若しくはそれとは異なる形態では、第１の手段が、マグネットエレメントからステータへの熱伝導を改善するために、軸に固定されたマグネットエレメントの構造化部および／またはマグネットエレメントと協働する、ステータの表面の構造化部を含有するように提案されてよい。言い換えれば、構造化部は、マグネットエレメントとステータの表面との間のエアギャップを介して、改善された熱の流れを生ぜしめる、という意味である。このような形式の構造化部は一例であって、マイクロ構造化部またはマクロ構造化部の形に限定されずに構成されていてよく、この場合、構造化部の精確な構成は、レイノルズ数およびテイラー数に依存する。

その代わりの実施態様によれば、ハウジング内の長手方向で軸の熱膨張を低減させるための手段が、空気またはガスによって軸を少なくとも間接的に冷却するための第２の手段を含有するようになっていてもよい。

具体的には、第２の手段が、少なくとも１つの圧縮段または駆動段の領域から圧縮されたガスを軸へ供給する供給部を含有するようになっていてよい。これにより、圧縮段または駆動段のインペラホイールに亘って流れるガスの一部が、軸に供給するために用いられ、軸の周囲を冷却しそれによって熱膨張を低減させる。

選択的に、空気力学的な若しくは空気静力学的な軸受において、軸受の領域内で漏れギャップから出るガス若しくは空気が、このガス若しくは空気を軸に供給して軸を冷却するために使用されるようになっていてよい。しかしながら、圧縮機械の別の領域内に発生する漏れ空気若しくは漏れガスが、ハウジング内にガイドされかつ使用されるか若しくは軸を冷却するためにガイドされかつ使用されるようになっていてもよい。

選択的にまたはやはり追加的に、第２の手段は、圧縮されたガスおよび／または漏れ空気および／または漏れガスを、軸によって少なくとも間接的に加熱可能な構成部分へ供給するために構成されているようになっていてもよい。かくして、このような手段によって、同様に、軸と作用接続して配置された構成部分を介して、特に周囲への、加熱された軸の改善された放熱が可能となる。

圧縮機械のステータ若しくはロータの範囲内での改善された放熱を有する圧縮機械の概略図である。 軸の冷却を改善するために若しくは放熱を改善するために漏れ空気若しくは漏れガスが使用される圧縮機械の、同様に著しく簡略化した図である。

本発明のその他の利点、特徴および詳細は、好適な実施例の以下の説明から、並びに図面をもとに明らかである。

同じ要素若しくは同じ機能を有する要素には、図面では同じ符号が付けられている。

図１には、第１の圧縮機械１０が著しく簡略化して示されている。圧縮機械１０は、ガスを圧縮するために用いられ、このために、長手方向軸線１１を中心にして回転可能に支承された軸１２を有しており、この軸１２は一端部で以ってインペラホイール１３を有する圧縮段１５と相対回動不能に結合されている。圧縮段１５若しくはインペラホイール１３は、インペラホイール１３に供給されるか若しくはインペラホイール１３によって吸入されたガスを、第１の圧力ｐ_１から、この第１の圧力ｐ_１よりも大きい第２の圧力ｐ_２に高めるための流体手段として構成されている。圧縮機械１０若しくは圧縮装置はさらに、領域的にのみ示されたハウジング１８を有しており、このハウジング１８内に軸１２が少なくとも領域的に配置されている。さらに、ハウジング１８は、２つのラジアル軸受２０，２２および１つのアキシャル軸受２４を配置するために用いられ、この場合、これらの軸受は空気力学的な若しくは空気静力学的な軸受として構成されている。つまり、これらの軸受は、軸１２とそれぞれの軸受との間の潤滑剤としてガス若しくは空気を用いて作動する。

軸１２の駆動は電動機２６によって行われ、この電動機２６は、例えば軸１２の周面に固定された複数のマグネットエレメント２８を有していて、これらのマグネットエレメント２８は、ハウジング１８の範囲内に配置されたステータ３０と協働する。さらに、マグネットエレメント２８とステータ３０との間に、半径方向で長手方向軸線１１を取り囲む環状のエアギャップ３２としての比較的小さいエアギャップ３２が形成されている。

軸１２の駆動時に、この軸１２は、軸１２と作用接続して配置された構成部分若しくはハウジング１８と同様に、加熱される。例えば、ラジアル軸受２０，２２の範囲内で１０００００回転／分より高い回転数で軸１２が回転する際に、軸１２の加熱を生ぜしめる摩擦熱が発生する。インペラホイール１３若しくは圧縮段１５から軸１２への熱伝導も行われる。何故ならば、圧縮段１５内でのガスの圧縮時に熱が発生するからである。軸１２の加熱は、軸１２の長手方向軸線１１の方向で軸１２の熱膨張を生ぜしめる。これによって、軸１２と軸１２若しくはインペラホイール１３を取り囲む構成部分との間のエアギャップが変化し、このことが、圧縮機械１０の効率の低下を生ぜしめる。

この作用を軽減させるために、圧縮機械１０は第１の手段３４を有しており、この第１の手段３４は、軸１２から周囲への放熱を改善できるようにするために用いられる。第１の手段３４は、ステータ３０と作用接続して配置された（環状の）冷却部材３６を有している。このために、冷却部材３６は、例えば熱伝導接着剤３８を介してステータ３０の外周範囲に接続されていて、ステータ３０に導入された熱エネルギをステータ３０から周囲に放射するために構成されている。例えば、冷却体３６は、ハウジング１８によって分離された構成部分としてまたはハウジング１８内に組み込まれた構成部分として構成されていてよく、やはり、周囲への放射表面を増大するための単なる例として冷却リブ４０を有している。

さらに、第１の手段３４は、特にエアギャップ３２の領域内のステータ３０およびマグネットエレメント２８の表面を増大させるために、マグネットエレメント２８若しくは軸１２の領域内またステータ３０の領域内にも配置された構造化部４２，４４を有している。構造化部４２，４４は、例えばレーザ加工または化学的なエッチングプロセス等によるマイクロ構造化部若しくはマクロ構造化部として構成されてよい。特に構造化部４２，４４は、一方では軸１２からの改善された熱放射、他方ではステータ３０による改善された熱吸収のために役立つ。言い換えれば、これは、構造化部４２，４４が、マグネットエレメント２８と軸１２とステータ３０との間の改善された熱流若しくは減少された熱伝導抵抗を生ぜしめる、という意味である。

図２に示した圧縮機械１０ａは、第２の手段４６が設けられていて、この第２の手段４６が、軸１２のアクティブな冷却を生ぜしめるか、若しくは軸１２と作用接続して配置された、圧縮機械１０ａの構成部分のアクティブな冷却を生ぜしめるという点で、図１に示した圧縮機械１０とは異なっている。従って、例えばインペラホイール１３の範囲内で生ぜしめられた圧縮された空気若しくは圧縮されたガスが、流路４８を介してハウジング１８の内部に導入され、特にマグネットエレメント２８若しくは軸１２とステータ３０との間のエアギャップ３２の領域内に導入されるように構成されている。詳しく図示されていないが、圧縮機械１０ａが追加的に、圧縮機械１０との関連において説明した、軸１２から周囲への放熱を改善するための第１の手段３４を有していれば特に有利である。従って、ガス若しくは空気をインペラホイール１３の範囲から流路４８を介して供給することによって、軸１２のアクティブな冷却が可能となる。

さらに、流路４８を介して追加的にまたは選択的に、インペラホイール１３によって行う代わりに、漏れ空気または漏れガスを圧縮機械１０ａの別の領域から軸１２を冷却するためにハウジング１８内に導入することができる。

さらに、図２の図面によれば、ラジアル軸受２０，２２に、供給管路５０を用いて、空気力学的な若しくは空気静力学的な軸受を運転するために用いられるガス若しくは空気が供給されることが分かる。ラジアル軸受２０，２２の領域から流出する漏れ空気を、少なくとも部分的に、同様に軸１２を冷却するために用いることもできる。これは、バツ印で消された矢印５２によって明らかであり、このバツ印で消された矢印５２は、ラジアル軸受２０から流出した漏れ空気が周囲に放出されるのではなく、例えばマグネットエレメント２８若しくは軸１２とステータ３０との間のエアギャップ３２内に適切に導かれることを示す。

以上記載した圧縮機械１０，１０ａは、本発明の考え方から逸脱することなしに、多様なやり方および形式で変更若しくは改変されてよい。従って、例えば、ラジアル軸受およびアキシャル軸受の機能性を唯一の軸受装置内で統合する軸受装置を使用することが考えられる。さらに、特に圧縮機械１０ａにおいて、圧縮機械１０ａの例えば回転数またはその他の運転パラメータを検出し、これらの運転パラメータをコントロールユニットに供給することが考えられる。次いで、コントロールユニットは、例えば、軸１２を冷却するために用いられる、インペラホイール１３からの漏れ空気または空気の供給を調整する。

１０，１０ａ 圧縮機械
１１ 長手方向軸線
１２ 軸
１３ インペラホイール
１５ 圧縮段
１８ ハウジング
２０，２２ ラジアル軸受
２４ アキシャル軸受
２６ 電動機
２８ マグネットエレメント
３０ ステータ
３２ エアギャップ
３４ 第１の手段
３６ 冷却するための装置、冷却部材、冷却体
３８ 熱伝導接着剤
４０ 冷却リブ
４２，４４ 構造化部
４６ 第２の手段
４８ 流路
５０ 供給管路

Claims (6)

1. 圧縮機械（１０；１０ａ）であって、ハウジング（１８）内で、長手方向軸線（１１）を中心にして回転可能に配置された軸（１２）を有しており、前記軸（１２）が少なくとも２つのラジアル軸受（２０，２２）および１つのアキシャル軸受（２４）内に軸受けされており、前記ラジアル軸受（２０，２２）および／または前記アキシャル軸受（２４）が、空気力学的または空気静力学的な軸受として構成されており、前記軸（１２）が、インペラホイール（１３）を有する圧縮段（１５）または駆動段に少なくとも間接的に接続されている形式のものにおいて、
   前記軸（１２）の外周面に固定されるマグネットエレメント（２８）と、
   前記マグネットエレメント（２８）の外周側の前記ハウジング（１８）内に配置されて前記マグネットエレメント（２８）と協働して前記軸を駆動させるステータ（３０）と、
   を備え、
   前記軸（１２）の熱膨張を低減させるための手段（３４，４６）が、前記ハウジング（１８）内で前記長手方向軸線（１１）の方向に設けられており、
   前記手段は、前記軸（１２）を冷却する第１の手段（３４）を含み、
   前記第１の手段（３４）は、前記ステータ（３０）の前記マグネットエレメント（２８）と対抗する面に設けられて表面積を増大させる構造化部（４２）を含み、
   前記手段が、ガスによって前記軸（１２）を少なくとも間接的に冷却するための第２の手段（４６）を含有し、
   前記圧縮機械（１０ａ）は、前記ラジアル軸受（２０，２２）に空気またはガスを供給する供給管路（５０）を備え、
   前記第２の手段（４６）が、前記供給管路（５０）により供給されて前記ラジアル軸受（２０，２２）の領域内および／または前記アキシャル軸受（２４）の領域内から漏れ出る漏れ空気または漏れガスを前記軸（１２）へ、または前記軸（１２）とステータ（３０）との間のエアギャップ（３２）の領域内へ供給する供給部を含有する、
   ことを特徴とする圧縮機械。
2. 圧縮機械（１０；１０ａ）であって、ハウジング（１８）内で、長手方向軸線（１１）を中心にして回転可能に配置された軸（１２）を有しており、前記軸（１２）が少なくとも２つのラジアル軸受（２０，２２）および１つのアキシャル軸受（２４）内に軸受けされており、前記ラジアル軸受（２０，２２）および／または前記アキシャル軸受（２４）が、空気力学的または空気静力学的な軸受として構成されており、前記軸（１２）が、インペラホイール（１３）を有する圧縮段（１５）または駆動段に少なくとも間接的に接続されている形式のものにおいて、
   前記軸（１２）の外周面に固定されるマグネットエレメント（２８）と、
   前記マグネットエレメント（２８）の外周側の前記ハウジング（１８）内に配置されて前記マグネットエレメント（２８）と協働して前記軸を駆動させるステータ（３０）と、
   を備え、
   前記軸（１２）の熱膨張を低減させるための手段（３４，４６）が、前記ハウジング（１８）内で前記長手方向軸線（１１）の方向に設けられており、
   前記手段は、前記軸（１２）を冷却する第１の手段（３４）を含み、
   前記第１の手段（３４）は、前記ステータ（３０）の前記マグネットエレメント（２８）と対抗する面に設けられて表面積を増大させる構造化部（４２）を含み、
   前記手段が、ガスによって前記軸（１２）を少なくとも間接的に冷却するための第２の手段（４６）を含有し、
   前記圧縮機械（１０ａ）は、前記ラジアル軸受（２０，２２）に空気またはガスを供給する供給管路（５０）を備え、
   前記第２の手段（４６）が、前記供給管路（５０）により供給されて前記圧縮機械（１０；１０ａ）の領域内の前記ラジアル軸受（２０，２２）および／または前記アキシャル軸受（２４）の外側に漏れ出る漏れ空気または漏れガスを前記軸（１２）へ、または前記軸（１２）とステータ（３０）との間のエアギャップ（３２）の領域内へ供給する供給部を含有する、
   ことを特徴とする圧縮機械。
3. 前記第１の手段（３４）が、前記ステータ（３０）の外周面に配置された冷却部材（３６）を含有する
   ことを特徴とする請求項１または２記載の圧縮機械。
4. 前記第１の手段（３４）が、前記マグネットエレメント（２８）から前記ステータ（３０）への熱伝導を改善するために、前記軸（１２）に固定された前記マグネットエレメント（２８）の前記ステータ（３０）と対抗する面に表面積を増大させる構造化部（４４）を含有する
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の圧縮機械。
5. 前記第２の手段（４６）が、少なくとも１つの圧縮段（１５）または駆動段の領域から、圧縮されたガスを前記軸へ供給する供給部を含有する
   ことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧縮機械。
6. 前記圧縮機械（１０；１０ａ）が、ガスのための圧縮装置であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧縮機械。

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