(57)【要約】【課題】【解決手段】偏心した内側のロータ（６）が、液体リングのための外側の共同ロータ（３）にアクスル（８，９）内で支持されており、前記共同ロータのベアリング（１１）が、囲い体に囲まれ、各側部で前記アクスルの外側にあり、前記ベアリング（１１）の各側部には回転リップシール（８２）が配設されており、各リップシールのリップ（８３）は、低速度では前記アクスル（８，９）と当接し、高速では、遠心力により突出されて、前記アクスルから離れ、また、前記共同ロータの側壁とベアリングの囲い体とを通るホール（８１）を介して、液体リング内を回りの囲い体に向って空気が通って、前記ベアリング並びにこれらベアリングのシールに対して差圧が発生されないようにしていることを特徴とする、液体リングコンプレッサー。
2005534843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏心した内側のロータ（６）が、液体リングのための外側の共同ロータ（３）に対向するように、アクスル（８，９）に支持されており、前記共同ロータのベアリング（１１）が、囲い体に囲まれ、各側部で前記アクスルの外側にあり、前記ベアリング（１１）の各側部には回転リップシール（８２）が配設されており、各リップシールのリップ（８３）は、低速度では前記アクスル（８，９）と当接し、高速では、遠心力により突出されて、前記アクスルから離れ、また、前記共同ロータの側壁とベアリングの囲い体とを通るホール（８１）を介して、液体リング内を回りの囲い体に向って空気が通って、前記ベアリング並びにこれらベアリングのシールに対して差圧が発生されないようにしていることを特徴とする、液体リングコンプレッサー。  
【請求項２】
前記ロータ（６）は、外周に複数のセル（６１）を有し、これらセルは、アーク部が中心方向に向って曲げられた半円筒形をしていることを特徴とする請求項１のコンプレッサー。
【請求項３】
前記ロータ（６）のセル（６１）は、ロータの中心部に位置されたコミュテータ（７）に対してシールするための円形の円滑な部分（６３）の丸い側面に形成された径方向のチャンネル開口（６２）を有していることを特徴とする請求項１もしくは２のコンプレッサー。
【請求項４】
圧縮セクター内の前記コミュテータ（７）に形成されたホールから液体が、ローラの前記セル（６１）へと噴射され、前記チャンネル開口（６２）のリムで砕かれることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１のコンプレッサー。
【請求項５】
前記コミュテータ（７）は、側縁に周溝（７１）を有し、これら周溝内に、射出される液体が所定の圧力で、存在し、気体のリークが防止されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１のコンプレッサー。
【請求項６】
前記コミュテータ（７）は、このコミュテータとロータとの間のギャップからのリークの水が、ベアリングのシールを通らないで、液体リングの中に射出されるように、共同ロータのベアリングシールの外側にあることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１のコンプレッサー。
【請求項７】
前記共同ローラのためのベアリング（１１）は、ボールもしくはローラベアリング形式であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１のコンプレッサー。
【請求項８】
前記共同ローラのためのベアリング（１１）は、流圧ダイナミック形式を有するスライドベアリングであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１のコンプレッサー。
【請求項９】
水がインジェクション液体として使用される水で圧縮可能なガス並びにエアーコンプレッサーとしての請求項１ないし８のいずれか１のコンプレッサーの使用。
【請求項１０】
ガスタービンプラントでのコンプレッサーとしての請求項１ないし９のいずれか１のコンプレッサーの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサー、特に、液体リングコンプレッサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
ほとんどのコンプレッサーは、ほぼ断熱プロセスにより、即ち、圧縮工程の間に熱交換をしないで動作する。実際には、例えば、往復コンプレッサーは、多くの熱を放射するけれども、圧縮の間に放射される熱は僅かであり、ほとんどの熱がこの後にか、最終工程で放射される。また、ターボコンプレッサーは、度々、これに非常に近い断熱プロセスを有している。
【０００３】
また、非常にまれではあるが特殊なコンプレッサーのあるものは、等温に非常に近くで、即ち、発生された熱が、連続的に逃がされて、温度が変化しないで保たれるように、動作可能である。これらの例は、水で駆動されるエジェクターと、液体リングコンプレッサーとであり、両者共、真空のもとで度々使用される。オイルインジェクションを備えたスクリューコンプレッサーは、ポリトローブで、即ち、断熱と等温との中間で動作する。
【０００４】
等温プロセスは、断熱よりも供給されるエネルギーが少なくて済む。この差は、図１にダイアグラムで示されているように、圧力差が大きくなるのに従って、急激に大きくなる。この図は、理想気体に対する公式に基づいて空気に対して計算された理論値を示している。臨界点近くではない状態で空気と気体とは、理想に非常に近い性質を示す。
【０００５】
多くの目的に対して、圧縮の後のホットガスは好ましくなく、これからとエネルギー消費とから、等温プロセスは、理論上好ましい。
【０００６】
上記したことにも係わらず、これは、今日では使用されていない。この理由は、既存の等温もしくは近い断熱コンプレッサーが、非常に大きい流圧並びにダイナミックロスを有しているからである。実際の、高い圧力差Ｐ２／Ｐ１と低い圧力高さＰ２−Ｐ１を有する液体コンプレッサーである真空ポンプは、例外である。真空ポンプは、液体リング上を低い周速度で動作することができる。他の問題は、圧縮の間に連続して熱を奪うことができるな技術上のチャレンジにある。
【０００７】
真空内でエジェクターと水リングコンプレッサーとの両方が度々使用されている。エジェクターは、水ジェットでの質量速度を活用している。この水ジェットでは、断面が広がり、この結果、これと共に他の媒体を引き込むことができる。また、このエジェクターは、動的圧力を静的圧力に変換する。しかし、エジェクターシステムは、衝撃や摩擦により、ノズル内で比較的高いポンピングロス
有している。エジェクターは、真空分野以外でも稀に使用されている。従来技術のうちで、水リングコンプレッサーが、本発明に係わるコンプレッサーに一番近い。  
液体リングコンプレッサーは、主構成要素としてインペラーを有している。このインペラーは、遠心力が周囲に対してその場で保たれる水のリングと共に、外側囲み体の中で回転をする。入口が、前記囲い体の端壁の一方もしくは両方での開口として通常は配置され、この開口を通ってインペラーのギャップの中へと気体は引かれる。従って、圧力側での端壁に開口が形成され、ここから圧縮気体が押出される。全ての形式のものは、ロータ内の中心に配設された静止コミュテータを有しており、この入口で排出が急速に生じる。
【０００８】
液体リングコンプレッサーは、エジェクターと同じようにして、水でのエネルギーの変換を生じさせない。水のリングでの静的圧力は、一定を保つ。そして、この水のリングは、ロータの各セル内でビストンとして機能する。一般の液体リングコンプレッサーのための原理が図２に示されている。これでは、液体のリング２３が、静止囲い体２２の中でロータ２１により偏心して回転する。そして、インペラー間のギャップは、回転の一側へと気体を引いて、他側で気体を圧縮する。
【０００９】
水のリングでの静的圧力は、圧縮圧力と同じでなければならない。そうでないと、水は、セルの外へと押圧される。即ち、水のリングは、変形されてしまう。かくして、所定の圧力高さＰ２−Ｐ１が、最小の遠心力を必要としていると仮定される。液体リングコンプレッサーは、通常、比較的高い圧力高さを有しており、このために、真空ポンプよりも高い回転速度を必要としている。
【００１０】
一般的に、摩擦ロスは、速度の増加の二乗で増加し、また、実際には、水リングコンプレッサーは、比較的低い圧力比でさえも、断熱コンプレッサーに関するエネルギーに関するエネルギーのレベルの損失がある。
【００１１】
これら摩擦のロスが無いと、液体リングコンプレッサーは、多くの効果を有している。このコンプレッサーは、簡単であり、比較的高い圧力比に上昇する１つのステージで良い。
【００１２】
回転される水のリングの周りで、これと共に回転する囲い体の場合、流圧摩擦ロスが最小になることが明らかである。かくして、このようなコンプレッサーは、通常の圧力比に対して、ほとんど全部、断熱エネルギー効果を呈する。
【００１３】
実行可能な解決に導くことがない、摩擦の問題を解決するように試みられた外側回転シリンダーが、先に提案されている。米国特許５  １００  ３００並びに米国特許５  ３７０  ５０２は、シリンダーと静止囲い体との間で、液体もしくは気体のフイルム上で浮くシリンダーを備えた液体リングコンプレッサーを開示している。液体のフイルム上で浮くことにより、摩擦の如何なる減少が達成されるかどうか疑問であり、気体では、多分、シリンダーが囲い体に接触しないように、充分なベアリング能力と安定性とを達成することができないであろう。
【００１４】
同じファームからの後者の特許である米国特許５  ３９５  ２１５では、外側の囲い体内のシリンダーのベアリングが提案されている。ここでは、複数のローラが、囲い体の壁内に挿入され、シリンダーは、ローラにより支持されている。これは、ローラが果たすであろう実際の回転速度を実現できるとは見られない。これに続く特許である米国特許５  ６５３  ５８２は、回転シリンダーのための周囲のベアリングとしての流体と、基本的な解決への提示とに戻っている。
【００１５】
米国特許５  ２５１  ５９３は、前の出願として、気体の流入並びに排出のための静止チャンネルと組み合わされた偏心ベアリングを、互いに関連して得るための複雑な問題があることを開示している。この特許は、一側側にある外側回転シリンダーのためのベアリングと、他側側にあるロータとを開示している。ここでは、ロータの開口端近くの静止プレートが、流入並びに排出のためのチャンネルを有している。このようなデザインでは、主として２つの決定的な欠点がある。第１の欠点は、一側側にベアリングがあることであり、これによって、ベアリング負荷が、不均一にかつ著しく高くなる。また、同時に、大きい軸方向のスラスト力が生じる。第２の欠点は、外側の回転シリンダーとプレートとの間との間に道理にかなった気密なシールを達成する問題である。ここで、流入チャンネルと排出チャンネルとは、ロータの開口端内で、円形プレートに配置されている。これでは、気体は、セルからセルへと後方に、更に、静止プレートとロータとの間の環状ギャップを通して外へとリークする。この原理は、実際の目的に対しては、現実的ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
多年に渡っての多くの研究と提案とにも拘らず、機能的な満足させる要求を満たすデザインに達することは明らかにできなかった。かくして、現在では、共同回転ローラを備えた液体リングコンプレッサーは、存在していない。上述された公知文献は、あることが、速度が上述された制限のもとでの、比較的低い圧力のための一般的な真空ポンプとコンプレッサーにおけるような、ロータとコミュニケータとのシステムのための出発点に結び付けられることを、示している。これは、長いベアリング距離と高いベアリング負荷とを生じさせる各側にコミュニケータを備えた比較的広いロータで反映される。外側の共同ロータ内に液体リングを生じさせるコンプレッサーにおいて、幾何学形状は悪くなり、既存のベアリング形式には適さないベアリング関係になるであろう。各側にあるコミュニケータの場合には、ギャップがある４つのセクションを有するようになり、これらギャップで、圧力側の領域からのリークが生じる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係わるコンプレッサーは、液体リングのための共同ロータでの上述された効果を得る液体リングコンプレッサーがいままで達成できなかった問題を解決することを目指している。他の目的は、全コンプレッサーステージで、気体中への新規で非常に効率の良い直接インジェクションを果たす、ほとんど断熱であるコンプレッサーを達成することである。
【００１８】
インジェクション液体としての水は、非常に優れた熱的特性を有し、この特性を生かす気体と共に使用するのが望ましい。しかし、ポンピング等に関しては、共同ロータを備えた液体コンプレッサーのためのデザインは、水と、共同ロータとの間の別個の分離を必要としている。水のインジェクションによるスクリューコンプレッサーの発展から、スクリューの圧力側でのシールの問題が知られている。第１に、水は、アクスル方向に比較的高い圧力を有さなければならないシールに対して潤滑効果がほとんど無いか、低い。更に、水は、非常に狭いギャップであっても容易に通り、特に、高圧である。このような条件下で、本発明に係わるコンプレッサーは、シールの問題をこのための原因を減じることにより、解決することは明白であろう。前述された目的は、請求項により規定されているような本発明に係わる液体リングコンプレッサーにより達成されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図３に示す主構成要件は、２つの囲い体１，２と、２つの共同ロータ（ｃｏ−ｒｏｔｏｒ）３，４と、ロータ６と、ロータアクスル５と、コミュニケータ７と、前記共同ロータ３，４のための２つのベアリング１１と、前記ロータアクスル５のための２つのベアリング１２と、外側並びに内側ベアリング１２のためのアクスル８，９とである。図４には、時計方向での気体排出のための、吸引セクターＩ−ＩＩと、圧縮セクターＩＩ−ＩＩＩと、インジェクションセクターＩＩＩ−Ｉとが示されている。前記セクターＩＩ−ＩＩＩで、液体は、コミュニケータからロータセルの中へと直接にインジェクトされ、これらセクター内で気体の冷却と圧縮とがなされる。
【００２０】
前記共同ロータにより水リングの摩擦が非常に減少されるので、排出体積が、速度のかなりの増加により補償されながら、ロータをかなり狭くすることが可能である。かくして、水リングの内圧は、増加され、コンプレッサーは、非常に高い圧力で吐出させることができる。
【００２１】
短いロータは、気体圧によりほとんど曲げ力を受けないので、一端壁のみで、これのアクスル上にフランジに固定されることがぶき、また、ロータの全幅内で簡単なコミュニケータを有することができる。かくして、２つのリークギャップのみが、コミュニケータとロータとの間に形成される。これらギャップは、圧力側からのリークが、生じるであろう場所にだけ形成される。入口に対して圧力排出から周方向に沿って、特に、回転方向において、ギャップから両側に実際にはリークが生じる。非常に狭いギャップであっても、液体ではない純粋な気体が、比較的少量の吐出と、この結果としての低い効率とのもとで、存在する圧力により、多量にリークすることができるであろう。
【００２２】
前記コミュニケータに向いた内側の、前記ロータ６の面は、これの端面６３の所で円滑になっており、ここには、夫々のセルに対応し、互いに関連した複数のチャンネル開口６２が形成されている。図７a並びに７ｂには、コミュニケータが、側方両端部に形成された一連の溝７１を有していることが示されている。これら溝は、液体チャンネル７４からの液圧の状態のもとで、実際の方向への気体リークを防止している。
【００２３】
本発明に係わる液体リングコンプレッサーは、共同ロータのための水力学ベアリングを有するようにデザインされることができる。これらベアリングは、インジェクションのために使用されたのと同じ液体で潤滑並びに冷却されることができる。必要なアクスルの径と速度とに関する出発点で、しかし、研究の結果、このようなベアリングでの摩擦ロスが非常に高く、共同ロータが有する効果が失われることが判っている。比較的高い圧力においては、さらにベアリングのサイズが大きくなり、前記ベアリングの摩擦ロスが許容でなくなる。
【００２４】
一方、同様の関係が、比較的大きいボールもしくはローラベアリングに対しては許容できるように見える。しかし、この場合には、ベアリングのシールに対する新たな問題が生じる。一体的なシールを有するベアリングは、必要な速度の近くで動作することができず、これを可能にする如何なる静的シールも存在しないか、許容される寿命を達成するであろう。しかし、ラビリンスシールは、接触せず、高速で動作することができるが、如何なる静的シールをも与えない。これらシールは、シールにかかる差圧はないと仮定している。
【００２５】
ベアリングへの差圧を防止するために、共同ロータは、図８に示されるように、ホール８１を介してのコンプレッサーの囲い体への空気に晒される。空圧コンプレッサーにおいて、囲い体は、大気に晒されるか、排出を防ぐための他の気体の圧縮により入口への空気に晒される。かくして、共同ロータのベアリングには差圧が生じない。コミュニケータとロータとの間のギャップからリークする液体をブロックすることは、動作の間、液体リングの中へと突出されることであり、共同ロータのためのベアリングに達することはできないであろう。かくして、デザインは、停止工程の間は静的ベアリングのみを必要とする。ここで、シールに水を跳ね返す危険性は、水リングが、遠心力が生じないことにより崩れるときに、明らかである。一般の水リングコンプレッサーにおいては、ＵＳ４７４７７５２号に開示されているようなリップシールを使用することが知られている。しかし、この場合には、比較的小さい直径と低い周速度とを有する駆動アクスルに対して使用されている。上述されたように、共同ロータに対する速度関係は、摩耗に関して重要になっている。
【００２６】
このために、図８により詳細に示されている、比較的簡単な方法で問題を解決する完全に新規なリップシール８２をデザインすることが必要となっている。このシールは、ベアリング１１の外側リングと共に回転する。リップ８３は、相対的に引き延ばされ、延ばされたところで、始動並びに停止サイクルのもとでは、これは、アクスルと当接して静的にシールしているが、速度並びに遠心力が増したときには、リップは、外側に突出されて、動作の間、間隔ｓｘが発生してアクスルとは接触しない。このことが、図８の断面Ａ並びにＢに示されている。
【００２７】
動作の間に、前記リップが、共同ロータの開口のエッジ並びに壁に位置されており、この結果、比較的小さい移動が生じると、リップは、アクスルとの接触から、接触しなくなるまで、曲がることは、明らかである。これは、度々の始動並びに停止にも係わらず、疲労影響を少なくする。
【００２８】
前記シールは、換言すると、低速では静的であり、高速で動的となるように見える。ここで、この目的は、ベアリングのグリースが飛び出すのを防止することのみである。共同ロータのベアリングは、このシステムでは、これらが空気中で動作されるのと同様の周りとの関係と安全性とを得ている。  
前記ロータのベアリングの直径と、ロータ間のとが問題である。これらは、共同ロータのベアリングアクスルの直径を、図示されているロータのベアリングは、これらの中に挿入されるので、決定している。ロータのベアリングへの負荷は、共同ローラに対するのと同じになる。この負荷に耐えるために、共同ロータに対するアクスルのための与えられる最小の可能性のあるディメンションと同様に、所謂ニードルベアリングが、ロータのために使用される。ロータのベアリングを共同ロータのアクスルの中に組み込む目的と必要性とは、最小のアクスル直径を与える、可能な限り短いベアリング距離を達成することである。このアクスルのためのベアリングにおいて、周速度は、通常の静的シールを可能にし、ベアリングは、オイルにより潤滑されることができる。
【００２９】
ローラ６１のセル内にトラップされた気体のポケットが生じるのを防止するために、図６に示されているように、相殺開口に向っての内方への循環がある。圧縮が見られる、これのセクター内のコミュニケータの外周には、これに囲に沿って、複数のホール７５が形成されている。これらホールは、内方の液体チャンネル７４と連通している。また、この液体チャンネルは、コンプレッサーの吐出圧力とほぼ同じ圧力を有している。これらホール７５を通って、液体は、ロータの夫々のセルの中に直接に射出される。これら射出された液体（ジェット）は、高速かつ高振動でセルの排出チャンネルと入口のリムとにあたり、粉砕され、セル内で液体微粒子（ミスト）に変換される。この微粒子は、水リングの方に飛び出されるけれども、新たに射出された液体により連続して再生される。この結果、外方への流れが生じる。前記ホール７５の密度は、液体と気体との間の差圧の欠陥を補償するように、圧縮セクターの端部に向って増大させることができる。
【００３０】
前記コミュテータは、共同ロータのための１つの静止アクスル８に固定されている。このアクスルは、コミュテータのチャンネルに、気体とインジェクション液体とのための入口並びに排出口を接続している。
【００３１】
本発明に係わるコンプレッサーが、空気以外の気体のために、例えば、冷却システムもしくは石油化学プラントで使用される場合に、インジェクションのための液層での実際の気体を、液リングとして使用するのに有用である。
【００３２】
ターボコンプレッサーに対するよりも必要な期待され、道理に適った低いエネルギーで、本発明に係わるコンプレッサーは、比較的高い圧力関係で動作するガスタービンプラントでのコンプレッサーとして非常に適している。ここからの空気は、ターボコンプレッサーと比較して実際は、冷却されるであろうが、ターボコンプレッサーが排出する熱がタービンのアクスルから奪われて、出力効率を低下させ、かくして、同時に、暖かい空気がタービン排気からの熱の回収を可能にしていないことは、気付く必要がある。本発明のコンプレッサーの使用により、コンプレッサーからの空気は、排気ガスと熱交換されることができ、ほとんど、タービンコンプレッサーの後と同じ温度にほとんど達する。    
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】圧力関係とは独立した原理的なエネルギーの必要性を示す図である。
【図２】液体リングコンプレッサーの原理を概略的に示す図である。
【図３】長手方向に分解された本発明に係わる液体リングコンプレッサーを示す斜視図である。
【図４】図３に示す液体リングコンプレッサーの断面図である。
【図５】組み合わされた液体リングコンプレッサーを示す一部切欠斜視図である。
【図６】ロータを詳しく示す斜視図である。
【図７ａ】コミュニケータを詳しく示す斜視図である。
【図７ｂ】コミュニケータを詳しく示す斜視図である。
【図８】共同ロータのためのベアリングと、シールと、ベアリングの領域での空気流れシステムとを詳細に示す図である。
【図１】
2005534843.tif 000003
【図２】
2005534843.tif 000004
【図３】
2005534843.tif 000005
【図４】
2005534843.tif 000006
【図５】
2005534843.tif 000007
【図６】
2005534843.tif 000008
【図７ａ】
2005534843.tif 000009
【図７ｂ】
2005534843.tif 000010
【図８】
2005534843.tif 000011
【国際調査報告】
2005534843.tif 000012
2005534843.tif 000013
2005534843.tif 000014
2005534843.tif 000015