(57)【要約】      （修正有）【課題】モータ及びロータの冷却性能の確保及び風損の低減を好適に実現した圧縮機を提供する。【解決手段】第１間隙９１を介して配されたロータ３２及びステータ３４を有する電動モータ３０と、第２間隙と、を備える圧縮機１であって、第１間隙又は第２間隙のどちらかを通る経路に流体が分流可能であり、第１間隙の通風抵抗又は第２間隙の通風抵抗を変更可能な流量調整部３５１、３５２を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１間隙を介して配されたロータ及びステータを有する電動モータと、
第２間隙と、を備える圧縮機であって、
前記第１間隙又は前記第２間隙のどちらかを通る経路に流体が分流可能であり、
前記第１間隙の通風抵抗又は前記第２間隙の通風抵抗を変更可能な流量調整部を有することを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
前記流量調整部は、２つの部材を有し、該２つの部材の相対位置を変更することで通風抵抗を変更可能なことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項３】
前記２つの部材として、軸方向における相対位置を変更可能な第１傾斜リング及び第２傾斜リングを有することを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
【請求項４】
前記２つの部材として、周方向における相対位置を変更可能な第１シャッターリング及び第２シャッターリングを有することを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
【請求項５】
前記電動モータを収容するモータケースと、
前記モータケースを収容するアウターケースと、を有し、
前記第２間隙は、前記モータケースと前記アウターケースとの間隙であり、
前記流量調整部は、前記第２間隙に配されており、
前記２つの部材のうち、一方は前記モータケースに取り付けられ、他方は前記アウターケースに取り付けられ、
前記２つの部材のうち、一方は固定されており、他方は可動であることを特徴とする請求項２乃至４何れか一項に記載の圧縮機。
【請求項６】
前記アウターケースに取り付けられた部材は可動であり、雄ねじ又は雌ねじの一方を有し、
前記アウターケースは、雄ねじ又は雌ねじの他方を有していることを特徴とする請求項５に記載の圧縮機。
【請求項７】
前記流量調整部は、ウォームギアが噛合可能な突起を有する部材を備えることを特徴とする請求項１乃至６何れか一項に記載の圧縮機。
【請求項８】
前記第１間隙に流れる流体量が、当該圧縮機に取り込まれる流体量の５％以上１０％以下になるよう前記流量調整部が調整されていることを特徴とする請求項１乃至７何れか一項に記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス（プロセスガス）を生産する生産プラントでは、地下の天然ガス田に向かう数千メートル長の井戸を掘り、天然ガスを採掘している。
生産プラントの稼動当初は、天然ガス田が持つ自噴圧力によって、地下から地上に向けて天然ガスが井戸を通って噴出する。しかしながら、例えば稼働から暫くすると自噴圧力が減衰していくため、天然ガスの噴出速度が低下して生産性が低下していく。
【０００３】
このため、井戸の中に圧縮機、例えばダウンホール圧縮機を設置して、天然ガスを地上に圧送するという方法が知られている。より天然ガス田に近い場所に圧縮機を設置することが生産効率改善の観点からは好ましいが、地下数千メートルの井戸元は高温であり、圧縮機のモータ等を冷却することが求められる。ダウンホール圧縮機の外径は、井戸径未満とする必要があり、冷却設備を別途設置するには井戸の大径化を招来することから容易ではない。このため、圧縮機内部で冷却を完結することが望まれる。
【０００４】
特許文献１は、一部のガスがモータのステータ巻線２１８を介して流れて、モータ２０４を冷却する構成を開示している（００２３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００９−５１６１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
地下深くのような高温環境下で使用される圧縮機の圧縮性能を確保するには、ロータとステータのギャップに流体流を供給してロータやステータを強制冷却することが望まれる。一方、このように強制冷却を行うと、圧縮機におけるモータ中の損失割合は、鉄損や銅損よりもロータとステータ間の風損が大きくなる。
【０００７】
特許文献１は、ガスの経路を２つにし、その分流比を調整する方法について何ら開示していないため、強制冷却に必要な流体量よりも多くの流体をロータとステータ間に供給し、結果として風損が大きくなる虞がある。また、特許文献１では、地上で用いるためにガスをバイパスする手段をコンプレッサ外部に設置できるスペースが必要であり、井戸の中でこのような構成をとることは容易ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記事情に鑑みてなされた本発明は、第１間隙を介して配されたロータ及びステータを有する電動モータと、第２間隙と、を備える圧縮機であって、前記第１間隙又は前記第２間隙のどちらかを通る経路に流体が分流可能であり、前記第１間隙の通風抵抗又は前記第２間隙の通風抵抗を変更可能な流量調整部を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１の圧縮機の断面図。
【図２】実施例１の圧縮機の電動モータ上流側におけるモータケースとアウターケースとの間の空間を示す図。
【図３】実施例１の圧縮機のモータケースとアウターケースとの間に配された流量調整部の一例としての傾斜リングの断面概略図。
【図４】図３の状態とは異なる相対位置にした傾斜リングの断面概略図。
【図５】実施例１の圧縮機の傾斜リングの他の形状の断面概略図。
【図６】図６の状態とは異なる相対位置にした傾斜リングの断面概略図。
【図７】実施例２の圧縮機の電動モータの上流側の構造を示す図。
【図８】実施例２のシャッターリングの斜視図。
【図９】実施例２のシャッターリングの軸方向視図。
【図１０】実施例２のシャッターリングの軸方向視図。
【図１１】実施例２のシャッターリングの内周側の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例を、添付の図面を参照しつつ説明する。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。
本発明の各種の構成要素は、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】
【００１１】
本実施例に係る圧縮機は、天然ガス田を汲み上げるための井戸中のように、例えば１０００ｍより深い位置の高温環境下に配置されるダウンホール圧縮機である。このような圧縮機のロータやステータの強制冷却に好適な風量は、汲み上げガスの５〜１０%であると見積もられている。本実施例に係る圧縮機は、ロータ及びステータ間に設けられた空隙に流れる流体量が、圧縮機が汲み上げる流体量の一部になるように調整される。好ましくは下限が５％以上、上限が１０％以下になるように調整される。流体量が５％を下回ると、強制冷却が十分に行われず、１０％を上回ると、風損が大きくなる。
【００１２】
図１は本実施例の圧縮機１の断面図である。圧縮機１は、圧縮機１が設置される井戸径と同等外径の長尺円筒形であり、上流部２０、電動モータ３０、動力伝達部４０、ガス圧縮部５０、出口６０からなる。井戸の中での圧縮機１の姿勢は、上流部２０が下側、出口６０が上側（地上側）になる。
【００１３】
［上流部２０］
上流部２０は、上流部シャフト２１と、上流部シャフト２１を支持する上流部軸受け２２と、上流部軸受け２２を固定する上流部ケース２３とを有する。上流部２０には、圧縮機１外部のガスを取り込むガス取込口や、ガス中の異物を除去する異物除去部を設けている。ガス取込口から取り入れられたガスは、電動モータ３０に向かって流れ、後述する第１間隙９１及び第２間隙９２に分流する。ガスの分流比は、流量調整部の調整によって、一例としては後述する第１傾斜リング３５１及び第２傾斜リング３５２の相対位置によって、定められる。
【００１４】
［電動モータ３０］
電動モータ３０は、永久磁石が配された回転自在のロータ３２と、マグネットワイヤや平角線などの巻線３３を巻きつけたステータ３４と、ステータ３４を固定するモータケース３５とを有する。
ロータ３２とステータ３４の間には、流体が流れることができる第１間隙９１が形成されている。ロータ３２は円筒状、ステータ３４は中空円筒状であり、第１間隙９１は軸方向断面が円形状に形成されることになる。巻線３３は、ステータ３４に環状に巻かれており、この環の法線がロータ３２の回転軸に垂直な向きとなっている。
【００１５】
ステータ３４の外径側には、第２間隙９２を介して、後述するアウターケース７０が配されている。アウターケース７０は中空円筒状であり、ステータ３４との間に形成される第２間隙９２は軸方向断面が円形状に形成されることになる。圧縮機１の外部から上流部２０に取り込まれた流体であるガスは、第１間隙９１を通る経路又は第２間隙９２を通る経路に分流して出口６０に流れる。すなわち、取り込まれたガスの一部は第１間隙９１を通り、残部は第２間隙９２を通る。なお、一部が第１間隙、他の一部が第２間隙であっても良い。
【００１６】
このように、本実施例では、ロータ３２の回転軸から外径側に向かうにつれて、ロータ３２、第１間隙９１、ステータ３４、第２間隙９２、アウターケース７０がこの順で位置している。尤も、ロータ３２とステータ３４との位置関係が逆であってもよい。
【００１７】
［動力伝達部４０］
動力伝達部４０は、動力伝達部シャフト４１、動力伝達部シャフト４１を支持する動力伝達部軸受け４２、及び動力伝達部軸受け４２を固定する動力伝達部ケース４３を有する。上流部シャフト２１、ロータ３２、及び動力伝達部シャフト４１は同軸である。
【００１８】
［ガス圧縮部５０］
ガス圧縮部５０は、ガス取込口から導入したガスを昇圧し圧送する主羽根車５１を有する。主羽根車５１には動力伝達部シャフト４１を介して電動モータ３０の駆動力が伝達される。圧送されたガスは、出口６０から圧縮機１外に排出されて地上に向かう。
【００１９】
［アウターケース７０］
アウターケース７０は、上流部ケース２３、モータケース３５、及び動力伝達部ケース４３を収納している。アウターケース７０と上流部ケース２３、モータケース３５、及び動力伝達部ケース４３それぞれとの間には、第２間隙９２が形成されている。上流部２０で圧縮機１内に導入された天然ガス流８０は、上流部２０における上流部ケース２３とアウターケース７０との間の間隙を流れる。このガス流は電動モータ３０におけるモータケース３５とアウターケース７０との間の間隙に流れ込む。
【００２０】
図２は本実施例の圧縮機１の電動モータ３０上流側におけるモータケース３５とアウターケース７０との間の空間を示す図である。アウターケース７０の一部を透視している。
電動モータ３０のロータ３２及びステータ３４より上流の位置におけるモータケース３５には、上流側開口３６１が設けられている。上流側開口３６１は、電動モータ３０におけるモータケース３５とアウターケース７０との間の間隙と、第１間隙９１又はこの上流側とを連通する開口である。これにより、上流部２０から電動モータ３０に流れ込んだガス流は、一部が上流側開口３６１を通過して第１間隙９１を通り、残部またはほかの一部がそのままモータケース３５とアウターケース７０との間の間隙の下流に向かって第２間隙９２を通る。すなわち、電動モータ３０に流れ込む流体に対して、第１間隙９１と第２間隙９２とは流体回路として並列に配置されており、上流側開口３６１より上流側から流れたガスは、これらのどちらかを通る経路に分流する。
【００２１】
第１間隙９１を通過するガス流は、ロータ３２及びステータ３４を主に冷却し、第２間隙９２を通過するガス流は、ステータ３４を主に冷却する。上流部２０から流れてくるガス流を第１間隙９１及び第２間隙９２にそれぞれどの程度の割合流すかは、後述する流量調整部（傾斜リング）の調整によって通風抵抗を変えることで変えることができる。
【００２２】
また、電動モータ３０のロータ３２及びステータ３４より下流の位置におけるモータケース３５には、下流側開口３６２が設けられている。下流側開口３６２は、第１間隙９１又はこの下流側と、モータケース３５及びアウターケース７０の間の間隙とを連通する開口である。これにより、第１間隙９１を通過したガス流は、第２間隙９２を通った後のガス流に合流する。
【００２３】
ガス圧縮部５０は、外径側（アウターケース７０側）からガスを吸入するため、その後、動力伝達部４０の外径側を通過したガス流はガス圧縮部５０の外径側から吸入されて圧縮され、出口６０から地上に向けて送られる。
【００２４】
［流量調整部］
図３，図４は本実施例の圧縮機１のモータケース３５とアウターケース７０との間に配された流量調整部の一例としての傾斜リング３５１，３５２の断面概略図である。モータケース３５には第１傾斜リング３５１が取り付けられており、アウターケース７０には第２傾斜リング３５２が取り付けられている。本実施例の流量調整部は、２つの部材を有しており、これら２つの部材の軸方向における相対位置を調整することで、流量調整部の通風抵抗を調整できる。
【００２５】
流量調整部としては、流体流を第１間隙９１及び第２間隙９２に分流できれば特に制限されず、部材の個数、設置位置（例えば、モータケース３５より内径側に設けられても良い）を適宜設計できる。
なお、モータケース３５の上流側開口部３６１の近傍を図１中に拡大して示している。
【００２６】
傾斜リング３５１，３５２は、上流側開口部３６１より下流側に位置しており、第１傾斜リング３５１及び第２傾斜リング３５２について流体流れの方向（ロータ３２の回転軸の方向）の相対位置を調整することで第１傾斜リング３５１及び第２傾斜リング３５２の間の通風抵抗を変えることができる。これにより、第２間隙９２への通風抵抗を調整できるため、この調整を通じて第１間隙９１への通風抵抗と第２間隙９２への通風抵抗の比を調整できるから、それぞれの間隙９１，９２へのガス量の分流比を調整できる。好ましくは、第１間隙９１へのガス量が、全体の５％以上であると、効果的にロータ３２を冷却できる。また、全体の１０％以下であると、風損が過大になることを抑制できる。
【００２７】
本実施例の第１傾斜リング３５１は、下流に向かうにつれて軸断面（軸方向に垂直な断面における断面積）が増加する。また、第２傾斜リング３５２は、下流に向かうにつれて軸断面が減少する。このようにすることで、第１傾斜リング３５１と第２傾斜リング３５２との軸方向における相対位置を変更することで、通風抵抗を変えることができる。より具体的には、第１傾斜リング３５１の最下流部分と第２傾斜リング３５２の最上流部分とが軸方向位置で同じ位置にある場合（図３）、これらの隙間ｈ２は小さいものとなり、通風抵抗が大きくなる。一方、第１傾斜リング３５１の上流側の部分と第２傾斜リング３５２の上流側部分とが軸方向位置で同じ位置にある場合（図４）、これらの隙間ｈ２は大きいものとなり、通風抵抗が小さくなる。
傾斜リング３５１，３５２の形状はこれに限られず、相対位置を変更することで通風抵抗を調整可能であれば良い。例えば、図５，図６に示すように、第１傾斜リング３５１を下流に向かうにつれて軸断面が減少するようにし、第２傾斜リング３５２を下流に向かうにつれて軸断面が増加するようにしてもよい。このように、第１傾斜リング及び／又は第２傾斜リングの軸断面が上流側と下流側とで異なるようにすることができる。
【００２８】
本実施例では、第１リング３５１はモータケース３５に固定されている一方、第２傾斜リング３５２を軸方向に移動させることができる。具体的には、アウターケース７０の内周と第２傾斜リング３５２の外周それぞれには、雄ねじと雌ねじとが形成されている。アウターケース７０又は第２傾斜リング３５２の一方を他方に対して回転させることで、軸方向について、第２傾斜リング３５２を第１傾斜リング３５１に対して移動させることができる。これにより、図３，図４又は図５，図６に例示するように第１傾斜リング３５１と第２傾斜リング３５２との間の寸法ｈ２を変えることができる。
【００２９】
本実施例では、第２間隙９２側に電動モータ３０に電源を供給するための配線（不図示）を配したり、モータケース３５やアウターケース７０の凹凸を吸収するため、第１間隙９１よりも第２間隙９２の間隙幅の方を大きくしている。このため、第２間隙９２側に傾斜リングを配しやすく、また、最大間隙ｈ１に対する間隙ｈ２の比率を調整しやすい。
【００３０】
第２傾斜リング３５２の位置の調整方法については、たとえば、アウターケース７０の一部を開口して、ウォームギアを第２傾斜リング３５２の雄ねじと噛合させ、外から冶具を使ってウォームギアを回転させることで、第２傾斜リング３５２を移動させるような態様にしても良い。この移動は、例えば、圧縮機１を一旦地上に引き上げてから行うことができる。アウターケース７０に新たに設けた開口は、流量調整後に、耐熱性のポッティング樹脂で埋めるか、あるいはアウターケース７０と同じ材料の金属の蓋を溶接し、アウターケース７０表面に凹凸が生じないようにするとよい。
【００３１】
本実施例の流量制御部は、圧縮機１の駆動によって加えられる程度の力では相対位置が略変化しないように取り付けられている。このため、ダウンホール圧縮機のようにメンテナンスが容易ではない環境に置かれるものであっても、駆動を通じて流量制御部による条件が変化しにくい。
【００３２】
本実施例では、流量調整部を第２間隙９２に配したが、第１間隙９１に配しても良い。すなわち、第１間隙９１又は第２間隙９２の通風抵抗（流量）を調整する流量調整部を有していればよい。
【００３３】
本実施例では、第２間隙９２をモータケース３５とアウターケース７０との間の領域に設けたが、第１間隙９１に分流する流体量を減らせるのであればそれ以外の領域に設けても良い。第２間隙９２は、アウターケース７０の内径側に設けることが、圧縮機１のサイズの観点から好ましい。
【実施例２】
【００３４】
本実施例の構成は、次の点を除き実施例１と同様にできる。本実施例では、傾斜リング３５１，３５２に代えて、流量調整部の別の一例であるシャッターリング３５４，３５５を備えている。傾斜リング３５１，３５２は、軸方向における相対位置を変更することで通風抵抗を調整したが、シャッターリング３５４，３５５は、周方向における相対位置を変更することで通風抵抗を調整できる。
図７は本実施例の圧縮機１の電動モータ３０の上流側の構造を示す図であり、アウターケース７０を一部透視している。図８は本実施例のシャッターリング３５４，３５５の斜視図である。図９，図１０は本実施例のシャッターリング３５４，３５５の軸方向視図である。図８乃至図１０では、第１シャッターリング３５４を白色、第２シャッターリング３５５を黒色で示している。
【００３５】
モータケース３５のうち上流側開口部３６１より下流側位置には第１シャッターリング３５４が固定され、第１シャッターリング３５４の軸方向近傍に第２シャッターリング３５５が配置されている。第２シャッターリング３５５はアウターケース７０に固定されている。
【００３６】
第１シャッターリング３５４及び第２シャッターリング３５５はそれぞれ、円環状であり、径方向について第２間隙９２と同等の幅を有している。シャッターリング３５４，３５５の内径の寸法は、モータケース３５の外径に略等しく、シャッターリング３５４，３５５の外径の寸法は、アウターケース７０の内径に略等しい。すなわち、シャッターリング３５４，３５５の幅はそれぞれ、モータケース３５とアウターケース７０との間隙幅全体に亘っている。
【００３７】
第１シャッターリング３５４は、流体等の物質の通過を妨げる閉塞部３５４１と、通過を妨げない、少なくとも閉塞部３５４１に比しては妨げない開口３５４２とを有する。周方向に沿って、閉塞部３５４１と開口３５４２とは交互に形成されている。
【００３８】
第２シャッターリング３５５も同様に、物質の通過を妨げる閉塞部３５５１と、開口３５５２とを有する。周方向に沿って、閉塞部３５５１と開口３５５２とは交互に形成されている。
【００３９】
シャッターリング３５４，３５５のうち一方の開口３５４２，３５５２の周方向寸法Ｒ１は、シャッターリング３５４，３５５のうち他方の閉塞部３５４１，３５５１の周方向寸法Ｒ２より大きい方が好ましい。すなわち、第１シャッターリング３５４の開口３５４２の周方向寸法は第２シャッターリング３５５の閉塞部３５５１の周方向寸法より大きく、第２シャッターリング３５５の開口３５５２の周方向寸法は第１シャッターリング３５４の閉塞部３５４１の周方向寸法より大きいことが好ましい。このようにすると、シャッターリング３５４，３５５の相対位置に拘らずシャッターリング３５４，３５５の開口３５４２，３５５２同士がどこかで重なった領域Ｒ３ができるため、常にシャッターリング３５４，３５５の間を流体が通過することができる。すなわち、何らかの拍子で第２間隙９２へのガス流が略完全に遮断されることを抑制できる。すなわち、領域Ｒ３の下限値を０よりも大きい値に設定することができる。通風抵抗が過大になることを抑制する観点からは、この下限値の場合に、流体量の８５，８６，８７，８８，８９，又は９０％以上、９０，９１，９２，９３，９４，又は９５％以下が第２間隙に流れるように設計することが好ましい。
【００４０】
本実施例によれば、開口部３５４２，３５５２が重なった領域Ｒ３をガス流は通過できるので、シャッターリング３５４，３５５の周方向の相対位置を変更することで、第２間隙９２への通風抵抗を調整できる。すなわち図９，図１０に例示するように、Ｒ３を変更することで好適な通風抵抗を実現することができる。具体的には、モータケース３５又はアウターケース７０を回転させることで、それぞれに固定されている第１シャッターリング３５４又は第２シャッターリング３５５が回転する。
【００４１】
図１１は第１シャッターリング３５４の内周側の斜視図である。モータケース３５の外径に、周方向に連続する溝（不図示）を好ましくは３６０°又は３６０°以上に亘って設け、第１シャッターリング３５４の内周にこの溝に嵌合可能な突起３５４３を形成しておく。このようにすると、第１シャッターリング３５４をモータケース３５の軸方向に固定し、周方向に可動に取り付けることができる。周方向に移動させるには、第１シャッターリング３５４に周方向の力を加えればよい。これを効果的に行うべく、第１シャッターリング３５４の外周に雄ねじ３５４４を形成している。このようにすると、アウターケース７０の一部を開口し、雄ねじ３５４４に嵌合するウォームギアなどを用いれば、第１シャッターリング３５４を回すことができる。なお、雄ねじ３５４４に代えて雌ねじとしても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・圧縮機
２０・・・上流部
３０・・・モータ部
４０・・・動力伝達部
５０・・・ガス圧縮部
６０・・・出口
２１・・・上流部シャフト
２２・・・上流部軸受け
２３・・・上流部ケース
３２・・・ロータ
３３・・・巻線
３４・・・ステータ
３５・・・モータケース
３５１・・・第１傾斜リング
３５２・・・第２傾斜リング
３５４・・・第１シャッターリング
３５４１・・・閉塞部
３５４２・・・開口
３５４３・・・突起
３５４４・・・雄ねじ
３５５・・・第２シャッターリング
３５５１・・・閉塞部
３５５２・・・開口
３６１・・・上流側開口部
３６２・・・下流側開口部
３７・・・第１間隙
４１・・・動力伝達部シャフト
４２・・・動力伝達部軸受け
４３・・・動力伝達部ケース
５１・・・主羽根車
７０・・・アウターケース
７１・・・アウターケースの雌ねじ
８０・・・天然ガス流
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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