(57)【要約】【課題】本発明は、汲み上げられる天然ガスを用いてその内部を冷却する遠心圧縮機を提供する。例えば、本発明は、汲み上げた天然ガスを用いて、電動モータを冷却するダウンホール圧縮機を提供する。【解決手段】本発明の遠心圧縮機は、シャフトと共に回転するロータとロータの外周側に設置されるステータとを有する密閉型の電動モータと、ステータの外周側に設置される第一流路と、シャフトの中空部に設置される第二流路と、汲み上げる流体を第一流路と第二流路とに分流するロート状部材からなる分流部と、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトと共に回転するロータと前記ロータの外周側に設置されるステータとを有する密閉型の電動モータと、前記ステータの外周側に設置される第一流路と、前記シャフトの中空部に設置される第二流路と、汲み上げる流体を前記第一流路と前記第二流路とに分流するロート状部材からなる分流部と、を有することを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
前記ロート状部材は、内径が前記流体の流れ方向に沿って小さくなる斜面と、その中央部に中央孔と、を有することを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記ロート状部材は、内径が前記流体の流れ方向に沿って小さくなる斜面と、外側が前記流体の流れ方向に添って大きくなる斜面と、その中央部に中央孔と、を有することを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記ロート状部材は、内側傾斜面に少なくとも１本以上の溝を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の遠心圧縮機。
【請求項５】
前記溝は、前記中央部から放射状に形成されることを特徴とする請求項４に記載の遠心圧縮機。
【請求項６】
前記中央孔と前記第二流路との間の位置に、前記中央孔から流入する流体を前記第一流路へ導入する流路を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の遠心圧縮機。
【請求項７】
前記第二流路の端部の位置に、前記第一流路から流入する流体と前記第二流路から流入する流体と、が合流する流路を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機に関する
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特開２０１１−２０２５６６号公報（特許文献１）がある。この公報には、電動遠心圧縮機が記載されている。そして、この公報には、冷却風が、筐体に設けられた冷却流路からベアリングシャフトのガイド孔に供給され、さらにテンションシャフトの第２孔部を通ってテンションシャフトの空間部に導入されていることが記載され、冷却風は、空間部に沿ってテンションシャフトの軸方向に流通して、テンションシャフトを冷却した後、テンションシャフトの第１孔部からスクロールの内部に排出されていることが記載されている。
【０００３】
また、本技術分野の背景技術として、特開平１０−２４６１９６号公報（特許文献２）がある。この公報には、主軸の回転によって排気を行なうターボ分子ポンプにおいて、主軸には軸方向に延びる中空部が形成され、中空部に冷却流体を流すための冷却流路が設けられていることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２０２５６６号公報
【特許文献２】特開平１０−２４６１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１及び前記特許文献２には、電動遠心圧縮機やターボ分子ポンプを冷却することが記載されている。しかし、前記特許文献１及び前記特許文献２に記載される電動遠心圧縮機やターボ分子ポンプは、汲み上げられる流体を用いて冷却するものではない。
【０００６】
そこで、本発明は、汲み上げられる流体を用いてその内部を冷却する遠心圧縮機を提供する。例えば、本発明は、汲み上げた天然ガスを用いて、電動モータを冷却するダウンホール圧縮機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の遠心圧縮機は、シャフトと共に回転するロータとロータの外周側に設置されるステータとを有する密閉型の電動モータと、ステータの外周側に設置される第一流路と、シャフトの中空部に設置される第二流路と、汲み上げる流体を第一流路と第二流路とに分流するロート状部材からなる分流部と、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、汲み上げられる天然ガスを用いてその内部を冷却する遠心圧縮機を提供することができる。例えば、本発明によれば、汲み上げた天然ガスを用いて、電動モータを冷却するダウンホール圧縮機を提供することができる。
【０００９】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施例のダンホール圧縮機を説明する断面図である。
【図２】図１で示したダウンホール圧縮機の入口付近の一部（Ａ部分）を拡大した説明図である。
【図３】図１で示したダウンホール圧縮機の出口付近の一部（Ｂ部分）を拡大した説明図である。
【図４】図１で示したダウンホール圧縮機の分流部付近を拡大した説明図である。
【図５】図１で示したダウンホール圧縮機のほぼ中央部のＣ−Ｃ部分の断面を拡大した説明図である。
【図６】他の実施例のダウンホール圧縮機の分流部を拡大した説明図である。
【図７】他の実施例のダウンホール圧縮機の分流部を拡大した説明図である。
【図８】他の実施例のダウンホール圧縮機の分流部を拡大した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施例を、図面を用いて説明する。なお、同様の構成要素には同様の符号を付し、また、同一の説明は繰り返さない。また、各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、例えば、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、或る構成要素の一部が他の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本実施例のダンホール圧縮機を説明する断面図である。
【００１３】
本実施例では、本発明の遠心圧縮機の代表例として、ダウンホール圧縮機１を使用して説明する。すなわち、本実施例で記載するダウンホール圧縮機１は、天然ガス（プロセスガス）を生産する生産プラントで使用されるものである。
【００１４】
この生産プラントでは、地下の天然ガス田に向かう数千メートルの長さの井戸を掘り、天然ガスを採掘している。生産プラントの稼動当初は、天然ガス田が自ら有する自噴圧力によって、地下から地上に向けて、天然ガスを、井戸を通して噴出する。しかし、稼働から暫くすると自噴圧力が減衰し、天然ガスの噴出速度が低下し、生産性が低下する。
【００１５】
このため、井戸の中に、ダウンホール圧縮機１を設置して、天然ガスを地上に強制的に圧送する。
【００１６】
つまり、本実施例で記載するダンホール圧縮機１は、地下の天然ガス田に向かう井戸に設置されるものであり、自噴圧力が減衰した天然ガスを地上に強制的に圧送するものである。
【００１７】
ダンホール圧縮機１は、流体（本実施例では「天然ガス」を用いて説明する。）を汲み上げる入口１０と、汲み上げた天然ガスを分流する分流部２０と、分流部２０に設置され、汲み上げた天然ガスを分流する機能を有するロート状部材２１と、天然ガスを汲み上げるための電動モータ３０と、電動モータ３０を構成するロータ３２、巻線３３、及びステータ３４等と、汲み上げた天然ガスを圧縮するガス圧縮部５０と、汲み上げた天然ガスを排出する出口６０と、電動モータ３０を密閉するインナーケース１０１と、インナーケース１０１の外側を覆うアウターケース１０２と、ロータ３２を支持するアキシャル軸受け１０４ａ及びジャーナル軸受け１０４ｂと、汲み上げた天然ガスを流す第一流路１０５と、汲み上げた天然ガスを流す第二流路１０６と、を有する。
【００１８】
すなわち、本実施例で記載するダウンホール圧縮機１は、シャフト１０３と共に回転するロータ３２とロータ３２の外周側に設置されるステータ３４とを有する密閉型の電動モータ３０と、ステータ３４の外周側に設置される第一流路１０５と、シャフト１０３の中空部に設置される第二流路１０６と、汲み上げた天然ガスを第一流路１０５と第二流路１０６とに分流するロート状部材２１からなる分流部２０と、を有するものである。
【００１９】
なお、図１に示す矢印は、汲み上げガス流８０を示す。汲み上げガス流８０とは、汲み上げた天然ガスの流れを示すものであり、ダンホール圧縮機１の内部を冷却しつつ、入口１０から出口６０へ流れる様子を示すものである。
【００２０】
ダウンホール圧縮機１は、天然ガスを汲み上げるため、例えば直径が約２０ｃｍ〜３０ｃｍの井戸の中に設置され、例えば数千ｍの深い位置の高温環境下に設置される。
【００２１】
また、ダウンホール圧縮機１の外径は、既設井戸の直径未満とする必要があり、例えば水冷設備等の冷却設備を別途設置するには井戸の大径化工事が必要となってしまう。このため、本実施例で記載するダウンホール圧縮機１はその内部を、例えば水冷設備等の冷却設備を別途設置することなく、汲み上げた天然ガスを使用して冷却する。
【００２２】
さらには、約２０ｃｍ〜３０ｃｍという小さい外径で、高い圧縮性能を得るには、ダウンホール圧縮機１に使用される電動モータ３０を高速回転（数万ｒｐｍ以上）させる必要があり、電動モータ３０はロータ３２とステータ３４との間の風損が大きくなるため、ロータ３２もステータ３４も冷却する必要がある。
【００２３】
本実施例では、このような条件下で使用されるダウンホール圧縮機１のロータ３２やステータ３４を冷却するために、汲み上げた天然ガスを使用する。汲み上げた天然ガスには、油や水が液滴として重量割合が最大７５％程度含まれているため、この液滴を効率よく冷却に用いている。つまり、本実施例では、汲み上げた天然ガスを用いて、ダウンホール圧縮機１の発熱部分である電動モータ３０を冷却する。
【００２４】
本実施例では、汲み上げた天然ガスを、ダウンホール圧縮機１のロータ３２やステータ３４が構成する電動モータ３０の冷却に使用するため、汲み上げた天然ガスを分流する分流部２０に設置された汲み上げた天然ガスを分流する機能を有するロート状部材２１が設置される。
【００２５】
ダウンホール圧縮機１は、ダウンホール圧縮機１が設置される井戸の直径と同等の外径の長尺円筒形であり、井戸の中でのダウンホール圧縮機１の姿勢は、入口１０が下側（天然ガス田側）、出口６０が上側（地上側）になる。
【００２６】
電動モータ３０は、シャフト１０３と一体で共に回転するロータ３２、インナーケース１０１に固定され、ロータ３２の外周側に設置されるステータ３４、ステータ３４に磁場を発生させる巻線３３等により構成される。なお、電動モータ３０は、汲み上げた天然ガスとは接触しない密閉型の電動モータ３０である。
【００２７】
なお、電動モータ３０への通電により、シャフト１０３が回転し、ガス圧縮部５０の主羽根車５１に動力を伝える。電動モータ３０への通電により、シャフト１０３、および主羽根車５１が回転し、天然ガスは入口１０より出口６０へ圧送される。
【００２８】
シャフト１０３は、電動モータ３０を貫通して下流側（出口６０側）と上流側（入口１０側）に延長され、上流側と下流側とで、それぞれ一対のアキシャル軸受け１０４ａとジャーナル軸受け１０４ｂとで支持される。
【００２９】
ステータ３４とアキシャル軸受け１０４ａ及びジャーナル軸受け１０４ｂとは、インナーケース１０１に固定される。
【００３０】
インナーケース１０１の外側に、インナーケース１０１の外側を覆うアウターケース１０２が設置され、インナーケース１０１とアウターケース１０２との間隙が第一流路１０５になる。また、シャフト１０３には、軸中心（シャフト１０３の中心）を貫通する中空部が設置される。このシャフト１０３に設置される中空部が第二流路１０６となる。
【００３１】
つまり、電動モータ３０の駆動により、ガス圧縮部５０が作動し、天然ガスを汲み上げる。汲み上げた天然ガスは、入口１０を通り、分流部２０により、ステータ３４の外周側であってインナーケース１０１の外周側に設置される第一流路１０５とシャフト１０３の中空部に設置される第二流路１０６とに分流される。この際、汲み上げた天然ガスを分流する分流部２０のロート状部材２１が機能する。第一流路１０５と第二流路１０６とに分流された天然ガスは、その後、出口６０から排出される。
【００３２】
図２は、図１で示したダウンホール圧縮機の入口付近の一部（Ａ部分）を拡大したものである。
【００３３】
シャフト１０３には、軸中心（シャフト１０３の中心部分）を貫通する中空部１０３ａが設置される。また、インナーケース１０１とシャフト１０３との間には、ラビリンスシール１０１ａが設置される。
【００３４】
ロート状部材２１を通った天然ガスは、ロート状部材２１の中央孔２１ａを通り、その後、中空部１０３ａが形成される第二流路１０６と、第一流路１０５へ向かう流路１０５ｃとに分かれて流れる。
【００３５】
すなわち、中央孔２１ａと第二流路１０６との間の位置に、中央孔２１ａから流入する天然ガスを第一流路１０５へ導入する流路１０５ｃを有する。
【００３６】
図３は、図１で示したダウンホール圧縮機の出口付近の一部（Ｂ部分）を拡大したものである。
【００３７】
シャフト１０３には、軸中心（シャフト１０３の中心部分）を貫通する中空部１０３ａが設置される。また、インナーケース１０１とシャフト１０３との間には、ラビリンスシール１０１aが設置される。
【００３８】
中空部１０３ａを通った天然ガスは、中空部１０３ａの出口部を通り、その後、ガス圧縮部３０への流路へと向かう。この際、中空部１０３ａは、入口側（ロート状部材２１側）は開いているが、出口側は終端栓１０３ｂで閉じられている。このため、中空部１０３ａを通った天然ガスは、中空部１０３ａの出口部を通った後、ガス圧縮部３０への流路へと向かうように分かれて流れる。
【００３９】
また、第一流路１０５を通った天然ガスは、第二流路１０６を通った天然ガスと、合流し、その後、ガス圧縮部３０への流路へと向かう。
【００４０】
すなわち、第二流路１０６の端部の位置に、第一流路１０５から流入する天然ガスと第二流路１０６から流入する天然ガスとが合流する流路１０７を有する。
【００４１】
つまり、中空部１０３ａの終端栓１０３ｂの手前であって、インナーケース１０１の外側の部分より、軸中心から径方向へ向かって流路１０７が設置される。中空部１０３ａが形成される第二流路１０６と第一流路１０５とを流れる天然ガスは、流入する天然ガスが合流する流路１０７で合流し、第一流路１０５を流れる天然ガスと第二流路１０６を流れる天然ガスとは、ガス圧縮部５０の手前で連通する。
【００４２】
また、図２及び図３に示すように、シャフト１０３は、ラビリンスシール１０１ａを介してインナーケース１０１に固定される。つまり、上流側及び下流側に設置されるアキシャル軸受け１０４ａ及びジャーナル軸受け１０４ｂを含む領域内、すなわち、インナーケース１０１の内側は、汲み上げた天然ガスより密閉される。
【００４３】
汲み上げた天然ガスには、油や水が液滴として混入し、さらには、硫化水素などの腐食成分も含まれる可能性がるため、電動モータ３０を密閉化する。
【００４４】
なお、本実施例で記載する天然ガスには、不純物が混入されていることは言うまでもない。また、本実施例で記載する分流とは、天然ガスの流れる方向が複数に分かれることを意味する。
【００４５】
また、図２及び図３に示す矢印も、汲み上げガス流８０を示すものである。
【００４６】
図４は、図１で示したダウンホール圧縮機の分流部付近を拡大した説明図である。
【００４７】
入口１０の直後に分流部２０が設置される。分流部２０のロート状部材２１は、第一流路１０５と第二流路１０６とに汲み上げた天然ガスを分流する。
【００４８】
ロート状部材２１の外側傾斜面２１ｂは、アウターケース１０２の傾斜面１０２ｂとほぼ一定の間隙１０２ｃになるように設置される。この間隙１０２ｃは、第一流路１０５に連通する。つまり、ロート状部材２１の外側傾斜面２１ｂは、外径が天然ガスの流れ方向に添って大きくなる。
【００４９】
ロート状部材２１の中央部の中央孔２１ａの中心軸とシャフト１０３の中空孔１０３ａ（第二流路１０６）の中心軸とは、概略一致し、中央孔２１ａと中空孔１０３ａとは、間隙１０３ｄをもって対面する。間隙１０３ｄは、第一流路１０５と第二流路１０６とに連通する。つまり、間隙１０３ｄは、ロート状部材２１の中央孔２１ａを通った天然ガスが、第一流路１０５へ向かう流路１０５ｃである。
【００５０】
なお、本実施例では、中央孔２１ａの径と中空孔１０３ａ（第二流路１０６）の径とはほぼ同じである。
【００５１】
ロート状部材２１の内側傾斜面２１ｃは、内径が天然ガスの流れ方向に沿って小さくなる。
【００５２】
入口１０から汲み上げた天然ガスのうち、傍流ガスは、ロート状部材２１の内側傾斜面２１ｃを沿い、間隙１０２ｃを通って第一流路１０５へ流れる。
【００５３】
一方、主流ガスは、ロート状部材２１の内側傾斜面２１ｃに衝突する。天然ガスに含まれる液滴（液体）は、液膜となり、中央孔２１ａから吐出される。また、ロート状部材２１の内側傾斜面２１ｃに衝突しない気体と液体とが混合している天然ガス物も、中央孔２１ａから吐出される。
【００５４】
運動量の大きい液体は、主に第二流路１０６に導入され、運動量の小さい気体の一部は、間隙１０３ｄ（流路１０５ｃ）を通り、第一流路１０５に導入される。
【００５５】
液体は気体より密度や熱伝導率が大きく、冷却効果が高いため、第二流路１０６に液体の割合が大きい天然ガスを導入し、第一流路１０５に液体の割合が小さい天然ガスを導入する。これにより、効率よく電動モータ３０を冷却することができる。
【００５６】
本実施例で記載するロート状部材２１により、液滴（液体）が混入した天然ガスは、気体成分が多い第一流体と、液体成分が多い第二流体とに分離できる。
【００５７】
第一流体（気体成分が多い）より第二流体（液体成分が多い）のほうが、冷却性能が高いため、発熱源との接触面積が大きい第一流路１０５へ第一流体を、発熱源との接触面積が小さい第二流路１０６へ第二流体を導入することで、ステータ３４側からもロータ３２側からも十分に冷却できる。
【００５８】
また、図４に示す矢印も、汲み上げガス流８０を示すものである。
【００５９】
図５は、図１で示したダウンホール圧縮機のほぼ中央部のＣ−Ｃ部分の断面を拡大した説明図である。
【００６０】
本実施例で記載するダウンホール圧縮機１は、磁石（永久磁石）３５を使用するが、磁石のない電動モータであってもよい。
【００６１】
電動モータ３０の発熱は、通電によるロータ３２及びステータ３４の鉄損失、巻線３３に発生する銅損失、軸受け（アキシャル軸受け１０４ａやジャーナル軸受け１０４ｂ）の摩擦による機械損失、ステータ３４とロータ３２との間の（ステータ３４とロータ３２との間隙３６に発生する）摩擦による風損失、磁石３５の損失などがある。
【００６２】
これらの損失を第一流路１０５と第二流路１０６とを通過する天然ガスを使用して冷却する。第一流路１０５は、アウターケース１０２とインナーケース１０１との間隙に形成され、インナーケース１０１の外周に形成されるドーナッツ状の流路である。この流路に天然ガスを流通させ、発熱源であるステータ３４を外側から冷却する。第二流路１０６は、中心部に形成され、円状の断面形状を有する発熱源であるロータ３２を内側から冷却する。
【００６３】
一般的に、円筒状物体を外側から冷却すると、冷却媒体との接触面積を大きくとれるが、内側からの冷却では冷却媒体との接触面積を大きくとれない。
【００６４】
本実施例では、入口１０の近傍にロート状部材２１を設置することにより、液滴（液体）が混入した汲み上げた天然ガスを、気体が主な成分の流れと液体が主な成分の流れとに分流し、ステータ３４を外周から冷却する第一流路１０５には気体が主な成分の流れを、ロータ３２を内側から冷却する第二流路１０６には液体が主な成分の流れを導入する。これにより、深い過酷な環境に設置された電動モータを搭載したダウンホール圧縮機１であっても、効率的に冷却することができる。
【００６５】
つまり、本実施例では、電動モータ３０の内部を密閉化し、ステータ３４の外周に第一流路１０５を、ロータ３２の内周に第二流路１０６を設置し、入口１０の直後にロート状部材２１を設置し、気体成分が多い第一流体と、液体成分が多い第二流体とに分流し、第一流体は第一流路へ、第二流体は第二流路へ導入する。
【実施例２】
【００６６】
図６は、他の実施例のダウンホール圧縮機の分流部を拡大した説明図である。
【００６７】
本実施例では、実施例１で記載したロート状部材２１の内側傾斜面２１ｃに、細い溝２１ｄを中央部から放射状に少なくとも１本以上（好ましくは複数本）形成する。このように構成することで、内側傾斜面２１ｃで生成された液膜が細い溝２１ｄに入り、表面張力により細い溝２１ｄの内部にトラップされ、中央孔２１aへ効率よく導くことができる。なお、細い溝２１ｄの断面は、Ｖ字状、Ｕ字状、矩形状であってもよい。
【実施例３】
【００６８】
図７は、他の実施例のダウンホール圧縮機の分流部を拡大した説明図である。
【００６９】
本実施例では、ロート状部材２１をアウターケース１０２と一体化し、ロート状部材２１の外側傾斜面をなくし、内側傾斜面２１ｃのみとする。このように構成することで、外側傾斜面から第一流路１０５へ流れる液滴（液体）をなくし、液滴（液体）を内側傾斜面２１ｃで着実に液膜化し、第二流路１０６へ導入することで、第二流路１０６の冷却効果をより高めることができる。
【００７０】
なお、中央孔２１ａの径は、中空孔１０３ａ（第二流路１０６）の径より大きいことが好ましい。
【実施例４】
【００７１】
図８は、他の実施例のダウンホール圧縮機の分流部を拡大した説明図である。
【００７２】
本実施例では、実施例３で記載したロート状部材２１の内側傾斜面２１ｃに、細い溝２１ｄを中央部から放射状に少なくとも１本以上（好ましくは複数本）形成する。このように構成することで、内側傾斜面２１ｃで生成された液膜が細い溝２１ｄに入り、表面張力により細い溝２１ｄの内部にトラップされ、中央孔２１aへ効率よく導くことができる。なお、細い溝２１ｄの断面は、Ｖ字状、Ｕ字状、矩形状であってもよい。
【００７３】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されることはない。
【符号の説明】
【００７４】
１  ダウンホール圧縮機
１０  入口
２０  分流部
２１  ロート状部材
２１ａ  中央孔
３０  電動モータ
３２  ロータ
３３  巻線
３４  ステータ
５０  ガス圧縮部
５１  主羽根車
６０  出口
８０  汲み上げガス流
１０１  インナーケース
１０１ａ  ラビリンスシール
１０２  アウターケース
１０３  シャフト
１０３ａ  中空部
１０３ｂ  終端栓
１０４ａ  アキシャル軸受け
１０４ｂ  ジャーナル軸受け
１０５  第一流路
１０６  第二流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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