(57)【要約】【課題】モータを備えるターボ機械に対する新たな熱対策方法を提供する。【解決手段】インペラ２及び該インペラ２を直接回転駆動するモータ３を備えるターボ機械Ｔと、上記モータ３に電力を供給する駆動装置Ｄとを備えるターボ機械システムであって、上記駆動装置Ｄは、ＰＷＭ波形の電圧を生成するインバータ１２と、該インバータ１２と上記モータ３との間に介在されると共に上記ＰＷＭ波形を正弦波状にする正弦波フィルタ１４と、を備える。【選択図】図１
2011055587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラ及び該インペラを直接回転駆動するモータを有するターボ機械と、前記モータに電力を供給する駆動装置とを備えるターボ機械システムであって、
前記駆動装置は、
ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）波形の電圧を生成するインバータと、
該インバータと前記モータとの間に介在されると共に前記ＰＷＭ波形を正弦波状にする正弦波フィルタと、
を備えることを特徴とするターボ機械システム。  
【請求項２】
前記正弦波フィルタは、ローパスフィルタであることを特徴とする請求項１記載のターボ機械システム。
【請求項３】
前記モータは、１万ｒｐｍ以上の回転速度で駆動することを特徴とする請求項１または２記載のターボ機械システム。
【請求項４】
前記モータは、誘導モータであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のターボ機械システム。
【請求項５】
前記モータは、永久磁石モータであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のターボ機械システム。
【請求項６】
前記モータと前記インペラとを接続するシャフトを軸支する軸受を備え、該軸受の潤滑剤としてグリースを用いることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のターボ機械システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インペラ及び該インペラを回転駆動するモータを備えるターボ機械システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ターボ機械としては、特許文献１に記載されているような、インペラとこのインペラを回転駆動するモータとを直結して備えるターボブロワが知られている。
このようなインペラとモータとを直結して備えるターボ機械は、モータの駆動によってインペラが直接回転されることで気体（流体）に対する仕事を行う。具体的には、ターボ機械がターボブロワである場合には、インペラが回転されることによって気体（流体）が圧送される。
【０００３】
このようなターボ機械は、当該ターボ機械を駆動するための駆動装置と共にターボ機械システムを構成しており、駆動装置から供給される電力によって駆動される。
より詳細には、駆動装置がターボ機械のモータに電力（電圧および電流）を供給し、モータが供給された電力の基本周波数に応じた回転数で回転することによって、インペラが直接回転される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２０９８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のようなモータがインペラと直結されたターボ機械では、電力損失によってモータにおいて熱が発生するため、熱対策を施す必要がある。特に、モータによって直接インペラを高速回転させる場合には、モータロータが高速に回転するためモータが小型となり、放熱面積が少なくなるため冷却効果が低下する。さらに高速回転しているロータを冷却する手段が取りづらいため、熱対策が重要となる。
このため、例えば、モータがインペラと直結されたターボ機械では、モータとインペラとを接続するシャフトを軸支する軸受の潤滑剤として粘性の低い潤滑油を使用し、この潤滑剤を冷却液としてモータに撒布することでモータを冷却する方法が用いられる場合がある。
【０００６】
しかしながら、潤滑剤を冷却剤として撒布することで、ブロア内のモータ部の気体には潤滑油が充満してしまう。このため、例えばレーザ発振装置のようにターボブロワから供給される気体に対して高い純度が要求される場合には、当該方法を用いた熱対策では都合が悪い。
このため、モータを備えるターボ機械に対して、従来と異なる熱対策の方法が求められている。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、モータとインペラとが直結されたターボ機械に対する新たな熱対策方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
従来、モータとインペラとが直結されたターボ機械では、インペラを１万ｒｐｍ以上の高速回転させることが求められる。このため、インペラに直結したモータを高速回転させる必要があることから、駆動装置としてインバータが用いられる。このインバータは、より安価なものとするため、ＰＷＭ波形の電圧を出力するＰＷＭインバータが用いられ、モータに電力を供給する。しかしながら、ＰＷＭインバータは、電圧波形に基本周波数以外の多くの高調波成分を含む。そして、モータの発熱量は、供給される電圧に含まれる高調波成分に影響して増大する。特に、モータとインペラとが直結されたターボ機械の場合、モータによって直接インペラを高速回転させるため、モータを回転させる基本周波数が高くなり、高調波成分はさらに高い周波数成分となる。一方、モータステータやロータの電力損失には、鉄損などが含まれており、その鉄損は印加される電圧とその周波数の２乗に比例して増加することが知られている。そのため、より高い周波数となる高調波成分は、鉄損による損失を増大させてしまう。
【０００９】
そして、本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
第１の発明は、インペラ及び該インペラを直接回転駆動するモータを有するターボ機械と、上記モータに電力を供給する駆動装置とを備えるターボ機械システムであって、上記駆動装置が、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）波形の電圧を生成するインバータと、該インバータと上記モータとの間に介在されると共に上記ＰＷＭ波形を正弦波状にする正弦波フィルタと、を備えるという構成を採用する。  
【００１０】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記正弦波フィルタが、ローパスフィルタであるという構成を採用する。
【００１１】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記モータが、１万ｒｐｍ以上の回転速度で駆動するという構成を採用する。
【００１２】
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記モータが、誘導モータであるという構成を採用する。
【００１３】
第５の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記モータが、永久磁石モータであるという構成を採用する。
【００１４】
第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、上記モータと上記インペラとを接続するシャフトを軸支する軸受を備え、該軸受の潤滑剤としてグリースを用いるという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、インバータによって生成されるＰＷＭ状の電圧波形が、正弦波フィルタによって正弦波状にされて高調波成分が除去される。つまり、発熱量の増大に繋がる高調波成分が電力分から除去され、この高調波成分が除去された電力がモータに供給される。この結果、モータの発熱量を抑制することができる。
このように、本発明によれば、従来行われていなかった新たな方法によって、ターボ機械に対する熱対策を講じることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態におけるターボブロワシステムの概略構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態におけるターボブロワシステムが備えるターボブロワの概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態におけるターボブロワシステムの概略構成を示すシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係るターボ機械システムの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
なお、以下の説明においては、ターボ機械システムの一例として、ターボブロワ（ターボ機械）を備えるターボブロワシステムについて説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態のターボブロワシステムＳ１の概略構成を示すシステム構成図である。この図に示すように、本実施形態のターボブロワシステムＳ１は、ターボブロワＴと、駆動装置Ｄとを備えている。
【００１９】
ターボブロワＴは、インペラ及びインペラを直接回転駆動するモータを備え、モータが駆動することによって気体（流体）を圧送するものである。
図２を参照して、当該ターボブロワ１についてより詳しく説明する。図２は、ターボブロワＴの概略構成を示す断面図である。この図に示すように、ターボブロワＴは、ケーシング１と、インペラ２と、モータ３と、シャフト４と、軸受５と、ハーメチックコネクタ６と、水冷ジャケット７とを備えている。
【００２０】
ケーシング１は、ターボブロワＴの外形を形作ると共に、内部に気体の流路や、インペラ２、モータ３、シャフト４及び軸受５等を収容するものである。
このケーシング１の内部には、図２に示すように、インペラ２を収容するインペラ収容空間Ｋ１やモータ３を収容するモータ収容空間Ｋ２が設けられている。また、ケーシング１は、気体を吸入するための吸入口１ａや、気体を排出するための吐出口までなだらかに拡張するスクロール流路１ｂを備えている。そして、インペラ収容空間Ｋ１は、吸入口１ａとスクロール流路１ｂとの間に配置されており、気体の流路の一部とされている。
【００２１】
インペラ２は、インペラ収容空間Ｋ１に収容されて配置され、回転することで吸入口１ａから供給される気体をスクロール流路１ｂに圧送するものである。
【００２２】
モータ３は、インペラ２を回転駆動するものであり、モータ収容空間Ｋ２に収容されている。そして、本実施形態においては、モータ３として誘導モータが用いられている。
このモータ３は、かご型の導電材料（コイル）が内蔵されたモータロータ３ａと、このモータロータ３ａを囲んで配置されるモータステータ３ｂとを備えている。そして、駆動装置Ｄからモータステータ３ｂに電力が供給されることによってモータロータ３ａが回転する。
またモータ３として永久磁石モータを用いて、モータロータ３ａは永久磁石が内蔵されたモータロータ３ａとしても良い。
【００２３】
シャフト４は、モータ３とインペラ２とを接続するものであり、モータ３の動力をインペラ２に伝達する。より詳細には、シャフト４は、図２に示すように、一端がインペラ２と固定された状態でモータロータ３ａに挿通されており、モータロータ３ａの回転と共に回転することによってモータ３の動力をインペラ２に伝達する。
なお、インペラ２とシャフト４との接続方法としては、例えば、ボルト及びナットを用いた接続方法、ネジによる接続方法、焼きばめによる接続方法、溶接による接続方法、一体型化による接続方法等が考えられる。これらのような方法で接続されていることにより、インペラ２は、シャフト４、モータロータ３ａと一体的に回転する。すなわち、インペラ２は、モータ３に対して直結されており、モータ３によって直接回転駆動される。
ボルト及びナットを用いた接続方法は、インペラの中心部に回転軸方向に沿って貫通孔を設け、当該貫通孔にシャフトの一端側を挿通させ、シャフトの先端部を貫通孔開口から突出させ、シャフトの先端部に形成された雄ねじにナットを締結させ、ナットによってインペラ２の先端部を押えることにより、インペラ２をシャフト４に固定するものである。
ネジによる接続方法は、インペラ２とシャフト４とに直接ネジを切る構造である。どちらを雄ネジ、雌ネジとするかは任意である。
一体型化による接続方法は、接合部を作ることなく、一体的にインペラ２とシャフト４とが成形された構造である。
そして、このように締結されたインペラ２とシャフト４とは、モータローラ３ａと一体的に回転する。
【００２４】
軸受５は、シャフト４を直立状態で軸支するものであり、内輪がシャフト４に固定されると共に外輪がケーシング１に固定されている。
なお、図２に示すように、軸受５として、シャフト４のインペラ２寄りを軸支するインペラ側軸受５ａと、シャフト４の地面寄りを軸支する地面側軸受５ｂとが設けられている。そして、地面側軸受５ｂは、ケーシング１に対して摺動可能とされており、予圧バネ８によって上方に付勢されている。このように地面側軸受５ｂが予圧バネ８によって付勢されることによって、軸受５が最適に予圧され、回転時に軸受５（５ａ，５ｂ）内部の玉の挙動を適正な状態に保つことができる。
【００２５】
ハーメチックコネクタ６は、インペラ収容空間Ｋ１及びモータ収容空間Ｋ２を封じきった状態を維持しながらモータ３に対して電力供給を可能とするコネクタであり、外部に露出した状態でケーシング１に固定されている。
なお、本実施形態のターボブロワＴは、レーザ発振装置に搭載され、外気の流入が許されない環境において気体を圧送することを想定している。このため、ハーメチックコネクタ６を用いている。ただし、インペラ収容空間Ｋ１及びモータ収容空間Ｋ２を封じきる必要がない場合には、ハーメチックコネクタ６に替えて通常のコネクタを用いることができる。
【００２６】
水冷ジャケット７は、モータ３周りのケーシング１内に設けられており、冷却水によりモータの冷却を行う。
【００２７】
図１に戻り、駆動装置Ｄは、ターボブロワＴのモータ３に電力を供給するものであり、コンバータ１１と、インバータ１２と、制御装置１３と、正弦波フィルタ１４とを備える。なお、通常は、コンバータ１１とインバータ１２と制御装置１３とがユニット化され、このユニット化された装置をインバータと称する場合が多い。
【００２８】
コンバータ１１は、商用の三相交流電圧などを一度、直流電圧に変換して、出力するものである。
インバータ１２は、制御装置１３の制御の下、コンバータ１１から入力される直流電圧から、図１に示すようにＰＷＭ波形の電圧を生成するものである。このＰＷＭ波形の電圧は、パルス幅が時間とともに変化する矩形波であり、モータを回転させる基本周波数以外の高調波成分を多く含んでいる。
制御装置１３は、インバータ１２を制御することによって、インバータ１２によって生成されるＰＷＭ波形の電圧の波形パターンを、要求されるモータ３の回転数に応じて変化させるものである。
【００２９】
正弦波フィルタ１４は、インバータ１２とモータ３との間に介在され、インバータ１２によって生成されたＰＷＭ波形の電圧を、正弦波状にするものである。
この正弦波フィルタ１４としては、高調波成分を削除するローパスフィルタを用いることができる。なお、正弦波フィルタ１４としては、バンドパスフィルタやバンドエリミネーションフィルタを用いることも可能であるが、回路の単純化及びコストの低減を考慮すると、ローパスフィルタを用いることが好ましい。
そして、正弦波フィルタ１４は、ハーメチックコネクタを介して、モータ３のモータステータ３ｂと電気的に接続されており、正弦波状の電圧をモータステータ３ｂに供給する。
【００３０】
このような構成を有する本実施形態のターボブロワシステムＳ１によれば、インバータ１２が制御装置１３の制御の下に、コンバータ１１から出力された直流電圧からＰＷＭ波形の電圧を生成する。
続いて、正弦波フィルタ１４がＰＷＭ波形の電圧から高調波成分が除去することで正弦波状の電圧を出力する。
そして、正弦波状の電圧がハーメチックコネクタを介してモータステータ３ｂに供給され、これによってモータロータ３ａが回転し、さらにはシャフト４を介してインペラ２が回転駆動される。
【００３１】
このように本実施形態のターボブロワシステムＳ１においては、インバータ１２によって生成される電圧が、正弦波フィルタ１４によって正弦波状にされて高調波成分が除去される。
上述のように、モータとインペラとが直結されたターボ機械の場合、モータによって直接インペラを高速回転させるため、モータを回転させる基本周波数が高くなり、高調波成分はさらに高い周波数成分となる。一方、モータステータやロータの電力損失には、鉄損などが含まれており、その鉄損は印加される電圧とその周波数の２乗に比例して増加することが知られている。そのため、より高い周波数となる高調波成分は、鉄損による損失を増大させてしまう。
このようにモータ３の発熱量は、供給される電圧に含まれる高調波成分に影響して増大する。特に、モータとインペラとが直結されたターボ機械の場合には、その損失が非常に大きく影響する。このため、本実施形態のターボブロワシステムＳ１のように高調波成分が電圧から除去され、この高調波成分が除去された電圧がモータ３に供給されることによって、モータ３の高調波鉄損による電力損失を大きく低減することができ、発熱量を抑制することができる。
このように、本実施形態のターボブロワシステムＳ１によれば、従来行われていなかった新たな方法によって、ターボブロワＴに対する熱対策を講じることができる。
【００３２】
また、本実施形態のターボブロワシステムＳ１においては、モータ３として誘導モータを用いている。誘導モータの場合、モータロータにかご型の導電材料（コイル）が内蔵されており、ロータ部に電気損失を伴うものの、本実施形態によれば、回転に必要な基本周波数成分以外の損失を抑えることができる。
またモータとしては、永久磁石モータを用いることとしても良い。永久磁石モータは、モータロータ３ａ内に電流を通すコイルが存在しないため、モータロータ３ａにおける電力損失がない。このため、モータ自体の発熱量をさらに抑制することが可能となる。
特に、本実施形態のターボブロワシステムにおいては、インペラを１万ｒｐｍ以上の高速回転で駆動している。このような回転速度で駆動する場合、ＰＷＭ波形の電圧に含まれる高調波成分が電力損失に大きく影響する。よって、この回転速度以上で駆動する場合、本実施形態の対策は非常に有効である。
【００３３】
また、上述のように従来行われていなかった新たな熱対策を講じることによって、上述したような軸受の潤滑剤を冷却剤として撒布してモータの冷却を行う必要がなくなる場合がある。このような場合には、軸受の潤滑剤として粘性の高いグリースを用いることが好ましい。
これによって、ターボブロワＴによって圧送される気体の流路に潤滑剤が入り込むことを抑制することができ、気体に潤滑剤が混ざることを抑制することが可能となる。
【００３４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
【００３５】
図３は、本実施形態のターボブロワシステムＳ２の概略構成を示すシステム構成図である。この図に示すように、本実施形態のターボブロワシステムＳ２は、上記第１実施形態のターボブロワシステムＳ１に加えて、冷却ガス供給装置２０と、排気ポンプ２１とを備えている。
【００３６】
また、本実施形態のターボブロワシステムＳ２においては、ターボブロワＴのケーシング１に、モータ収容空間Ｋ２と冷却ガス供給装置２０及び排気ポンプ２１とを接続するための貫通孔１ｃが形成されている。
なお、本実施形態のターボブロワシステムＳ２においては、貫通孔１ｃとして、モータ収容空間Ｋ２の上部に連通する上部貫通孔１ｃａと、モータ収容空間Ｋ２の下部に連通する下部貫通孔１ｃｂとが設けられている。
【００３７】
冷却ガス供給装置２０は、上部貫通孔１ｃａを介して、モータ収容空間Ｋ２の内部に冷却ガスを供給するものである。
排気ポンプ３０は、下部貫通孔１ｃａを介して、モータ収容空間Ｋ２に導入された冷却ガスを排気するものである。
【００３８】
このような構成を有する本実施形態のターボブロワシステムＳ２によれば、モータ収容空間Ｋ２に上方から下方に向かう冷却ガス流れが形成され、このような冷却ガス流れの中にモータ３が配置されることとなる。
このため、本実施形態のターボブロワシステムＳ２によれば、冷却ガスによってモータ３が冷却され、モータ３から発せられる熱量による影響をより低減させることが可能となる。
【００３９】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施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。
【００４０】
例えば、上記実施形態においては、本発明のターボ機械がターボブロワである構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明のターボ機械として、例えばターボポンプ等を用いることも可能である。
【００４１】
また、上記第２実施形態においては、新たな構成として冷却ガス供給装置２０及び排気ポンプ３０を備える構成について説明した。
しかしながら、上記第２実施形態のターボブロワシステムＳ２がレーザ発振装置に搭載される場合には、ターボブロワＴによって圧送される気体がレーザ発信装置の内部において冷却される。このため、この冷却された気体を、上部貫通孔１ｃａを介してモータ収容空間Ｋ２の内部に供給しても良い。また、レーザ発振装置は、上記気体を排気するための排気ポンプを備えるため、当該排気ポンプを上記第２実施形態における排気ポンプ３０として用いることもできる。
【符号の説明】
【００４２】
Ｓ１，Ｓ２……ターボブロワシステム（ターボ機械システム）、Ｔ……ターボブロワ（ターボ機械）、Ｄ……駆動装置、２……インペラ、３……モータ、４……シャフト、５……軸受、１２……インバータ、１４……正弦波フィルタ
【図１】
2011055587.tif 000003
【図２】
2011055587.tif 000004
【図３】
2011055587.tif 000005