(57)【要約】【課題】シャフトを確実に支持することができる圧縮ユニットを提供する。【解決手段】圧縮ユニット１００は、軸線方向に延びるシャフト１と、該シャフト１の前記軸線方向一方側に固定されるロータ２２が、ステータ２１との磁気的な相互作用により回転することで前記シャフト１を回転させる電動機２と、前記シャフト１の前記軸線方向他方側に固定されるインペラ３１が、前記シャフト１とともに回転することで流体を圧縮する圧縮機３と、前記電動機２と前記圧縮機３との間に配置され、前記圧縮機３に圧縮された流体によって前記シャフト１を支持する静圧ガス軸受５とを備えることを特徴とする。【選択図】図１
2014126038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に延びるシャフトと、
該シャフトの前記軸線方向一方側に固定されるロータが、ステータとの磁気的な相互作用により回転することで前記シャフトを回転させる電動機と、
前記シャフトの前記軸線方向他方側に固定されるインペラが、前記シャフトとともに回転することで流体を圧縮する圧縮機と、
前記電動機と前記圧縮機との間に配置され、前記圧縮機に圧縮された流体によって前記シャフトを支持する静圧ガス軸受とを備えることを特徴とする圧縮ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の圧縮ユニットにおいて、
前記電動機の前記軸線方向一方側及び前記圧縮機の前記他方側に配置され、前記シャフトを支持する一対の磁気軸受をさらに備えることを特徴とする圧縮ユニット。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧縮ユニットにおいて、
圧縮された流体を前記静圧ガス軸受に供給する圧縮タンクをさらに備えることを特徴とする圧縮ユニット。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧縮ユニットにおいて、
前記シャフトは、前記電動機側に配される第一シャフト部及び前記圧縮機側に配される第二シャフト部を有し、
前記第一シャフト部と前記第二シャフト部とを連結するリジットカップリングをさらに備えることを特徴とする圧縮ユニット。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧縮ユニットにおいて、
前記電動機の前記軸線方向一方側及び前記圧縮機の前記軸線方向他方側に配置され、前記圧縮機に圧縮された流体によって前記シャフトを支持する一対の静圧ガス軸受をさらに備えることを特徴とする圧縮ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機とモータとが一体とされたモータ圧縮機として、圧縮機と、圧縮機に直結された電気モータと、圧縮機の回転子と電気モータの回転子とを支持する３つのラジアル磁気軸受とを有するものが提案されている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
このようなモータ圧縮機では、電気モータにおける回転子の回転にともない電気モータに直結された圧縮機の回転子が回転し、圧縮機が圧縮したプロセスガスを生成する。ここで、ラジアル磁気軸受は、例えばシャフトの周囲に配された電磁石の電磁力によりシャフトが安定して回転できるように支持している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１８２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の特許文献１に記載のモータ圧縮機では、ラジアル磁気軸受は、圧縮機の回転子及び電動モータの回転子を支持する支持剛性が低いため、これらの回転子を確実に支持することができないという問題点がある。
一方、支持剛性を高めようとすると、電磁石に電流を流す電力供給装置等を大きして、ロータに生じる誘導電流を大きくする必要があり、設備が大型化してしまうとう問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、設備を大型化することなく、シャフトを確実に支持することができる圧縮ユニットを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る圧縮ユニットは、軸線方向に延びるシャフトと、該シャフトの前記軸線方向一方側に固定されるロータが、ステータとの磁気的な相互作用により回転することで前記シャフトを回転させる電動機と、前記シャフトの前記軸線方向他方側に固定されるインペラが、前記シャフトとともに回転することで流体を圧縮する圧縮機と、前記電動機と前記圧縮機との間に配置され、前記圧縮機に圧縮された流体によって前記シャフトを支持する静圧ガス軸受とを備えることを特徴とする。
【０００８】
このような圧縮ユニットでは、シャフトと静圧ガス軸受との間に形成される周方向の空間部に圧縮された流体が供給され、この圧縮された流体により形成される流体層の圧力（静圧）によりシャフトが周方向から支持される。よって、空間部の体積を小さくすることで静圧を大きくしてシャフトの支持力を高めることができるため、シャフトを確実に支持することができる。
また、静圧ガス軸受で使用する圧縮された流体は、圧縮機で生成したものを利用することができるため、圧縮ユニット自体を大型化する必要がない。
【０００９】
また、本発明に係る圧縮ユニットは、前記電動機の前記軸線方向一方側及び前記圧縮機の前記他方側に配置され、前記シャフトを支持する一対の磁気軸受をさらに備えていてもよい。
【００１０】
このような圧縮ユニットでは、シャフトが回転し始めた当初は、磁気軸受がシャフトの一方側及び他方側を支持することができる。
【００１１】
また、本発明に係る圧縮ユニットは、圧縮された流体を前記静圧ガス軸受に供給する圧縮タンクをさらに備えていてもよい。
【００１２】
このような圧縮ユニットでは、例えば圧縮機が駆動する前においては、圧縮タンクから静圧ガス軸受に圧縮された流体が供給される。よって、圧縮機からの圧縮された流体の供給がない場合でも、静圧ガス軸受はシャフトを確実に支持することができる。
【００１３】
また、本発明に係る圧縮ユニットは、前記シャフトは、前記電動機側に配される第一シャフト部及び前記圧縮機側に配される第二シャフト部を有し、前記第一シャフト部と前記第二シャフト部とを連結するリジットカップリングをさらに備えていてもよい。
【００１４】
このような圧縮ユニットでは、第一シャフト部と第二シャフト部とは剛性の高いリジットカップリングで連結されているため、第一シャフトに働くトルクを高い応答性をもって第二シャフトを介して電動機に伝達することができる。
【００１５】
また、本発明に係る圧縮ユニットは、前記電動機の前記軸線方向一方側及び前記圧縮機の前記軸線方向他方側に配置され、前記圧縮機に圧縮された流体によって前記シャフトを支持する一対の静圧ガス軸受をさらに備えていてもよい。
【００１６】
このような圧縮ユニットでは、シャフトの両側及び電動機と圧縮機との間に設けられた３つの静圧ガス軸受で、シャフトをバランスよく且つ確実に支持することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る圧縮ユニットによれば、静圧ガス軸受は、シャフトと静圧軸受との間に形成される空間部の体積を小さくすることで静圧を大きくしてシャフトの支持力を高めることができるため、設備を大きくすることがなく、シャフトを確実に支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧縮ユニットの構成を説明する模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る圧縮ユニットを構成する静圧ガス軸受の（ａ）正面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る圧縮ユニットについて説明する。
なお、本実施形態に係る圧縮ユニットは、例えば、海洋上にてガス・石油生成を行う船舶に搭載、あるいは海底に設置されるものである。
【００２０】
図１に示すように、圧縮ユニット１００は、軸線方向に延びるシャフト１と、シャフト１の軸線方向一方側に固定されるロータ２２を有する電動機２と、シャフト１の軸線方向他方側に設けられた圧縮機３と、シャフト１を支持する磁気軸受４及び静圧ガス軸受５と、静圧ガス軸受５に圧縮された流体（以下、圧縮流体とする）を供給する圧縮タンク６とを備えている。
なお、本実施形態では、軸線方向をＸ−Ｙ方向とし、軸線方向一方側を図１に示すＸ側とし、軸線方向他方側を図１に示すＹ側とする。
【００２１】
シャフト１は、電動機２側に配される第一シャフト部１１と、圧縮機３側に配される第二シャフト部１２とを有している。これら第一シャフト部１１と第二シャフト部１２とは、リジットカップリング１３により連結されている。
【００２２】
リジットカップリング１３は、その内部に第一シャフト部１１のＹ側の端部及び第二シャフト部１２のＸ側の端部を収容するとともに、互いを強固に連結している。
なお、本実施形態では第一シャフト部１１と第二シャフト部１２とは、リジットカップリング１３により連結されているが、第一シャフト部１１と第二シャフト部１２とを直接接続した一体型構造であっても良い。
【００２３】
電動機２は、ステータ２１と、Ｘ−Ｙ方向に延びる第一シャフト部１１と一体に設けられたロータ２２とを有している。
【００２４】
ステータ２１は、ロータ２２の周方向に配設され、例えばロータ２２の周方向に沿って複数配された固定子鉄心（不図示）と、固定子鉄心に巻回された固定子巻線（不図示）とを有している。
【００２５】
ロータ２２は、Ｘ−Ｙ方向に延びる第一シャフト部１１の周方向に設けられ、例えば、第一シャフト部１１の周方向に離間して複数配設され、Ｘ−Ｙ方向に向かって延びる複数の回転子鉄心（不図示）を有している。
【００２６】
この電動機２では、外部から供給された電流がステータ２１に流れると、ステータ２１の周りに回転磁界が発生する。これにより、ステータ２１とロータ２２との磁気的な相互作用によりロータ２２に誘導電流が生じて、ロータ２２は第一シャフト部１１とともに軸線回りに回転する。
【００２７】
圧縮機３は、Ｘ−Ｙ方向に延びる第二シャフト部１２の外周面に固定されたインペラ３１を有している。インペラ３１は、第二シャフト部１２とともに回転し、インペラ３１内部を通過する流体を遠心力により圧縮・加圧して圧縮流体を生成する。
【００２８】
磁気軸受４は、シャフト１におけるＸ側及びＹ側に配置されている。本実施形態では、第一シャフト部１１における電動機２のＸ側の端部及び第二シャフト部１２圧縮機３のＹ側の端部に配置されている。
【００２９】
磁気軸受４は、例えば第一シャフト部１１及び第二シャフト部１２のそれぞれの周囲に配された複数の電磁石（不図示）を有し、この電磁石の電磁力により第一シャフト部１１及び第二シャフト部１２に対して径方向に作用する荷重を支持する。
【００３０】
静圧ガス軸受５は、シャフト１における電動機２と圧縮機３との間に配置されている。本実施形態では、第一シャフト部１１における電動機２のＹ側に配置されている。
なお、静圧ガス軸受５は，第二シャフト部１２における圧縮機３のＸ側に配置されていてもよい。
【００３１】
また、図２に示すように、静圧ガス軸受５は、Ｘ−Ｙ方向と直交する断面においてその中央に貫通孔５１がＸ−Ｙ方向に形成された円筒状の部材である。この貫通孔５１に、第一シャフト部１１が配されている。
【００３２】
静圧ガス軸受５の外周側には、流体を供給する流体供給路５２が形成されている。また、静圧ガス軸受５には、流体供給路５２と連通するとともに、Ｘ−Ｙ方向と直交する断面視で環状であって、Ｘ−Ｙ方向に延びる環状流路５３が形成されている。さらに、静圧ガス軸受５には、環状流路５３から貫通孔５１まで径方向に延びる流体吹出口５４が複数形成されている。
【００３３】
本実施形態では、流体吹出口５４は、Ｘ−Ｙ方向に離間して３列形成され、それぞれの列毎に周方向に離間して６個形成されている。
【００３４】
図１に示すように、圧縮タンク６は、初期状態において、外部から供給された圧縮流体を静圧ガス軸受５に供給する。また、圧縮タンク６と圧縮機３とは、管路６０で接続されている。これにより、圧縮機３の作動後には、圧縮機３で生成された圧縮流体が管路６０を通って、圧縮タンク６に供給させる。
【００３５】
また、圧縮機３には外部から流体が供給される流体供給管６１が接続されている。さらに、圧縮機３には圧縮流体が排出される流体排出管６２が接続されている。
【００３６】
この流体排出管６２と静圧ガス軸受５の流体供給路５２（図１参照。以下同じ。）とは、開閉弁６３を介して管路６４で接続されている。また、静圧ガス軸受５の流体供給路５２と圧縮タンク６とは、開閉弁６５を介して管路６６で接続されている。
【００３７】
静圧ガス軸受５と流体供給管６１とは、電動機２のステータ２１を通過するようにして管路６７で接続されている。
【００３８】
上記のように構成された電動機２、圧縮機３、静圧ガス軸受５、磁気軸受４及び圧縮タンク６は、第一シャフト部１１及び第二シャフト部１２を介して一体とされてケーシング７の内部に収容されている。
【００３９】
次に、上記のように構成された圧縮ユニット１００の動作について説明する。
【００４０】
電動機２に、外部から電力が供給されるとステータ２１に回転磁界が発生する。これにより、ステータ２１とロータ２２との磁気的な相互作用によりロータ２２に誘導電流が生じて、ロータ２２は第一シャフト部１１とともに軸線回りに回転する。
【００４１】
圧縮機３では、第一シャフト部１１とリジットカップリング１３で連結された第二シャフト部１２の回転にともない、第二シャフト部１２に固定されたインペラ３１が回転する。また、流体供給管６１から圧縮機３の内部に導入された流体は、インペラ３１を通過することで、遠心力により圧縮・加圧され圧縮流体が生成される。この圧縮流体は、流体排出管６２、流体排出管６２に接続された管路６４及び管路６４に接続された流体供給路５２を通って、静圧ガス軸受５に導入される。このように、圧縮機３に存在する圧縮流体を利用して静圧ガス軸受５を作用させることが可能となる。
【００４２】
静圧ガス軸受５では、圧縮流体が流体供給路５２に接続された環状流路５３を通り、環状流路５３に接続された流体吹出口５４から、径方向内側に向かって噴出される。
【００４３】
これにより、静圧ガス軸受５は、貫通孔５１に配された第一シャフト部１１を、噴出された圧縮流体で形成される流体層から第一シャフト部１１に作用する圧力（静圧）により支持する。このように、静圧ガス軸受５は、圧縮機３から供給された圧縮流体に基づいて、第一シャフト部１１を支持することができるとともに、第一シャフト部１１及び第一シャフト部１１とリジットカップリング１３で連結された第二シャフト部１２を高速回転させることができる。
【００４４】
このように構成された圧縮ユニット１００では、第一シャフト部１１と静圧ガス軸受５との間に形成される周方向の空間部に圧縮流体が供給され、空間部に形成される圧縮流体の流体層により第一シャフト部１１が支持される。
一方、例えば一般的な磁気軸受では、シャフトの周囲に配された電磁石の電磁力によりシャフトが支持される。よって、磁気軸受ではシャフトの支持力を高めるようとすると、電流を流す電力供給装置等を大きして、ロータに生じる誘導電流を大きくする必要がある。
これに対して、静圧ガス軸受５では空間部の体積を小さくすることで静圧を大きくして、第一シャフト部１１を支持する支持力を高めることができる。したがって、設備を大きくすることがなく、第一シャフト部１１を確実に支持することができる。
【００４５】
静圧ガス軸受５で使用する圧縮流体は、圧縮機３で生成したものを利用することができるため、圧縮ユニット１００自体を大型化する必要がなく、コストを抑えることができる。
【００４６】
さらに、上記のように、静圧ガス軸受５の第一シャフト部１１に対する支持剛性が高いため、第一シャフト部１１及び第一シャフト部１１とリジットカップリング１３で連結された第二シャフト部１２の危険速度を高速にすることができる。一般に、シャフト１の回転数は危険速度の２倍以内とされているため、危険速度が高速になればシャフト１を高速で回転させることができる。
よって、シャフト１が高速で回転するにともない、圧縮機３で生成する圧縮流体の圧力を高圧化することができるため、圧縮流体の生成効率を向上させることができる。また、従来の圧縮機３と比較すると、圧縮機３の台数を抑えて同圧、同量の圧縮流体を生成することができる。さらに、インペラ３１を小型化して、従来と同圧、同量の圧縮流体を生成することができるため、圧縮ユニット１００全体の設備の小型化を図ることができる。
【００４７】
また、シャフト１が回転し始めた当初は磁気軸受４が第一シャフト部１１のＸ側の端部及び第二シャフト部１２のＹ側の端部を支持することができるため、第一シャフト部１１及び第二シャフト部１２支持することができる。
【００４８】
また、例えば圧縮機３が駆動する前においては、圧縮タンク６から管路６６を介して静圧ガス軸受５に圧縮流体が供給される。よって、圧縮機３から圧縮流体の供給がない場合でも、静圧ガス軸受５はシャフト１を確実に支持することができる。
【００４９】
また，起動時に圧縮タンク６内の圧縮流体が消費されるとともに、圧縮機３が作動すると、圧縮機３で生成される圧縮流体が管路６０を通って圧縮タンク６に再充填される。よって、圧縮タンク６に外部から圧縮流体を再充填する必要がないため、作業性を良好とすることができる。
【００５０】
また、第一シャフト部１１と第二シャフト部１２とは剛性の高いリジットカップリング１３で連結されているため、第一シャフト部１１に働くトルクを高い応答性をもって第二シャフト部１２を介して電動機２に伝達することができる。
【００５１】
また、静圧ガス軸受５で使用された流体は、管路６７を通って電動機２のステータ２１に供給される。よって、この流体によりステータ２１を冷却することができるため、電動機２を確実に冷却することができる。
【００５２】
さらに、電動機２を冷却した流体は管路６７を通って流体供給路５２に戻されるため、流体を有効的に活用して、ランニングコストを抑えることができる。
【００５３】
また、圧縮機３で生成される圧縮流体に発火性があれば、静圧ガス軸受５を耐火性材料で形成することにより、安全性を確保することができる。さらに、圧縮流体に腐食性があれば、静圧ガス軸受５を耐腐食性材料で形成することにより、耐久性を確保することができる。
【００５４】
なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５５】
例えば、上記の実施形態においては、静圧ガス軸受５がシャフト１に対して１個設けられている場合を説明したが、本発明はこれに限られず、複数個備えていてもよい。例えば、第一シャフト部１１のＸ側の端部及び第二シャフト部１２のＹ側の端部にそれぞれ設けられていれば、シャフト１を両端から確実に支持することができる。また、緊急時等電気の流通が停止した場合であっても、静圧ガス軸受５でシャフト１を支持することができ、重大な破損を防ぐことが可能となる。
【００５６】
また、上記の実施形態においては、磁気軸受４、圧縮タンク６を備える場合を説明したが、本発明はこれに限られず、磁気軸受４、圧縮タンク６を省略してもよい。
【００５７】
また、静圧ガス軸受５における圧縮流体を供給する部分の形状としては、本実施形態では、環状流路５３から複数の流体吹出口５４が分岐する構成を説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、静圧ガス軸受の外周面から内周面に向かって径方向に、複数の流体供給路が形成され、流体供給路の先端部の径が小さく形成され、先端部の径方向内側より圧縮流体を供給する構成であってもよい。また、この変形例として、静圧ガス軸受の外周面から内周面に向かって径方向に、複数の流体供給路が形成され、流体供給路の途中部分の径が小さく形成され、途中部分よりも先端側の径が途中部分の径よりも大きく形成されていてもよい。
【００５８】
また、本実施形態では、シャフト１におけるＸ側及びＹ側に磁気軸受４が配置されている。しかし、本発明はこれに限られず、シャフト１におけるＸ側及びＹ側に磁気軸受４を設けずに、静圧ガス軸受５を設けてもよい。この場合には、シャフト１の両側及び電動機２と圧縮機３との間に設けられた３つの静圧ガス軸受５で、シャフト１をバランスよく且つ確実に支持することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１００…圧縮ユニット
１…シャフト
２…電動機
３…圧縮機
５…静圧ガス軸受
６…圧縮タンク
１１…第一シャフト部
１２…第二シャフト部
１３…リジットカップリング
２１…ステータ
２２…ロータ
【図１】
2014126038.tif 000003
【図２】
2014126038.tif 000004