(57)【要約】【課題】液分が混入するウェットガスを加圧する動作環境下で、流入したウェットガスを液とガスに分離し、ロータの冷却効率を向上させる圧縮機を提供する。【解決手段】本発明の圧縮機１は、流入する流体１０１を液１０２と気体１０３とに分離するセパレータ１９と、羽根１６が回転して流体１０１を圧縮する羽根車１７と、羽根車１７の上流に設置されるモータ１５と、モータ１５で回転駆動されるロータ１２内部に設けられ、液１０２が通過する流路１８とを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入する流体を液と気体とに分離するセパレータと、
前記流体を羽根が回転して圧縮する羽根車と、
前記羽根車の上流に設置されるモータと、
前記モータで回転駆動されるロータの内部に設けられ、前記液が通過する流路と備える
ことを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載の圧縮機において、
前記羽根車と共有する同一の前記ロータによって駆動し、前記液を前記流路を通過させて輸送するポンプを備える
ことを特徴とする圧縮機。
【請求項３】
請求項１に記載の圧縮機において、
前記セパレータは、前記液を前記流路に導くように分離する
ことを特徴とする圧縮機。
【請求項４】
請求項１に記載の圧縮機において、
前記セパレータは、前記液を前記流体の上流側に分離するとともに、前記気体を前記流体の下流側に分離する
ことを特徴とする圧縮機。
【請求項５】
請求項１に記載の圧縮機において、
前記セパレータの上流側にタンクを備え、
前記セパレータは、前記液を前記流体の上流側に分離するとともに、前記気体を前記流体の下流側に分離する
ことを特徴とする圧縮機。
【請求項６】
請求項１に記載の圧縮機において、
前記セパレータは、前記羽根車の下流側に配置され、
前記セパレータの上流側に前記流体を上方に案内する第１ガイドベーンを備える
ことを特徴とする圧縮機。
【請求項７】
請求項１に記載の圧縮機において、
前記圧縮機の外郭を形成するケーシングと、
前記流路と連通して、前記ケーシングの第１排出孔を通して前記液を前記ケーシングの外部へ排出する第２排出孔を有する第２ガイドベーンとを
備えることを特徴とする圧縮機。
【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】
近年、化石燃料に対する需要の増加と採掘技術の発展に伴い、在来型ガス田から非在来型ガス田へ開発がシフトしつつある。そのため、例えば大深水やガス田直下といった苛酷環境に圧縮機を設置する必要が生じている。
大深水においては、数百メートルの海底に圧縮機を設置し、地中の天然ガスの貯留層から天然ガスを圧送する方法(サブシー圧縮機)が検討されている。
【０００３】
また、ガス田直下においては、地下数千メートルのガス井内部に圧縮機を投入し、井戸の底部で天然ガスを圧縮して地上まで送り出す方法が提唱され、そのための圧縮機（ダウンホール圧縮機）の研究開発が行われている。
【０００４】
ガス田の開発当初には、地下の圧力が高いが、天然ガスを採取するにつれて内部の圧力が下がっていく。ガス田の地下の圧力が高い間は天然ガスを地上まで自噴させることができるが、圧力が限界以下に低下すると天然ガガスを自噴させることができなくなる。そのため、従来は圧力が下がったガス井は枯渇したものとされていた。
【０００５】
しかし、地下の圧力が天然ガスを自噴させるには不十分なレベルに低下した後でも、ガス田の内部にはまだ相当量の天然ガスが残っている。そこで、ダウンホール圧縮機を適用しガス田直下の圧力をブーストすることで、ガス田の生産能力を回復することが可能であると考えられている。
【０００６】
以上説明したサブシー圧縮機やダウンホール圧縮機はガス田の底部あるいはガス田直下に設置されるため、作動環境が非常に厳しい。たとえば、一般的に天然ガスを産出するガス田で使用される圧縮機の作動流体には天然ガスだけでなく、水やコンデンセートと呼ばれる軽質液状炭化水素が含まれた液分が混入する動作環境(ウェットガス環境)下にあることが特徴として挙げられる。また、ダウンホール環境下で運転する圧縮機は、高温条件に晒されるため、モータの冷却不良が課題となる。従来技術では、ウェットガスをそのままモータへ導き冷却する方式が一般的であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１７−１１０５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、下記のように、ダウンホール環境で運転されるモータは回転速度が非常に速いため圧損が大きく、エアギャップ(ロータとステータの間隙)に十分なガスを導くことができない。
【０００９】
図７は、従来の圧縮機２０１の縦断面図である。
羽根車２１７は、羽根２１６を有している。
モータ２１５による羽根車２１７の回転により吸込口２１１ｉから吸入した作動流体は、羽根車２１７の回転作用により増速、昇圧され下流２１１ｕへと導かれる。
【００１０】
圧縮機２０１は液分が混入するウェットガス１０１の動作環境で稼動した場合、気液が混じったウェットガス１０１はモータ２１５内部のロータ２１２とステータ２１３間のエアギャップ２１４を通過し、発熱体であるロータ２１２とステータ２１３を同時に冷却する。しかしながら、ダウンホール環境で運転されるモータ１５は、ウェットガス１０１を大きく昇圧する必要から回転速度が非常に速い。そのため、ウェットガス１０１の圧損が大きく、エアギャップ１４に十分なウェットガス１０１を導くことができず、ロータ２１２の冷却不足が課題となっている。
【００１１】
一般的な圧縮機２０１のロータ２１２の冷却効率を向上させる構造に関するものとして特許文献1が挙げられる。
本発明は上記実状に鑑み創案されたものであり、液分が混入するウェットガスを加圧する動作環境下で、流入したウェットガスを液とガスに分離し、ロータの冷却効率を向上させる圧縮機の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するため、本発明の圧縮機は、流入する流体を液と気体とに分離するセパレータと、羽根が回転して前記流体を圧縮する羽根車と、前記羽根車の上流に設置されるモータと、前記モータで回転駆動されるロータ内部に設けられ、前記液が通過する流路とを備えている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、液分が混入するウェットガスを加圧する動作環境下で、流入したウェットガスを液とガスに分離し、ロータの冷却効率を向上させる圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧縮機の設置状態を示す模式的断面図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る圧縮機の縦断面図。
【図３】第１実施形態の変形例１の圧縮機の縦断面図。
【図４】（ａ）は第１実施形態の変形例２の圧縮機の縦断面図、（ｂ）はガイドベーンを外側から見た模式図。
【図５】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る圧縮機の縦断面図、（ｂ）は上流側ガイドベーンを外側から見た模式図、（ｃ）は下流側ガイドベーンを外側から見た模式図。
【図６】（ａ）は本発明の第２実施形態の変形例に係る圧縮機の縦断面図、（ｂ）は上流側ガイドベーンを外側から見た模式図、（ｃ）は下流側ガイドベーンを外側から見た模式図。
【図７】従来の圧縮機の縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明は、特に天然ガスを産出するガス田等で使用される圧縮機に係る。
【００１６】
具体的には、本発明は、液分が混入する流体を加圧する動作環境で稼動する圧縮機において、該圧縮機に流入した流体を液とガスとに分離し、分離した液をロータの内部に導き、ロータの冷却効率を向上させるものである。
【００１７】
＜＜第１実施形態＞＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧縮機１の設置状態を示す模式的断面図である。
ガス田Ｇｔにガス井Ｇｉを掘削した当初はガス田Ｇｔの地下の圧力が高く圧縮機１を設置することなく、天然ガス（１０１）を、ガス井Ｇｉを通して地上まで自噴させることができる。ところが、時間が経過すると地下の圧力が自噴の限界以下に低下し、天然ガスを自噴させることができなくなる。
【００１８】
しかし、地下の圧力が限界以下に低下した後も、ガス田Ｇｔの内部にはまだ相当量の天然ガス（１０１）が残っている。
そこで、図１に示すように、第１実施形態の圧縮機１をガス田Ｇｔの直下に設置し、ブーストすることでガス田Ｇｔの生産能力を回復している。
【００１９】
図２は本発明の第１実施形態に係る圧縮機１の縦断面図である。
第１実施形態の圧縮機１はターボ型圧縮機が採用されている。
【００２０】
圧縮機１は、ケーシング１１で外郭が形成されている。
圧縮機１は、ケーシング１１の内部に、吸込口１１ｉから下流（図２の上側）に向けて、順にセパレータ１９、モータ１５、および羽根車１７を具備している。
【００２１】
つまり、セパレータ１９がモータ１５、羽根車１７の上流側に設けられている。
セパレータ１９は吸込口１１ｉから流入するウェットガス１０１（図２の矢印α１１）を中央側の液１０２と外周部側のガス１０３とに分離する。
【００２２】
モータ１５は、ロータ１２とステータ１３とを有している。ロータ１２は、磁石（図示せず）がステータ１３に対向して設けられている。
ロータ１２とステータ１３との間には、隙間であるエアギャップ１４が設けられている。ステータ１３とケーシング１１との間には、隙間であるギャップ１１ｇが設けられている。
【００２３】
ロータ１２の中心部には、貫通孔の冷却流路１８が設けられている。
羽根車１７は、回転することでガス１０３を昇圧する羽根１６を有している。羽根１６は、モータ１５により回転駆動するロータ１２に保持され、羽根車１７の円周方向にほぼ等間隔で設けられている。
【００２４】
＜圧縮機１の動作＞
圧縮機１の動作について説明する。
【００２５】
図２に示すように、吸込口１１ｉから流入（図２のα１１）する気液が混じったウェットガス１０１は、セパレータ１９において液１０２とガス１０３に分離される。例えば、膜分離技術等を用いて、ウェットガス１０１に含まれる液１０２はロータ１２の中心部の冷却流路１８近くに導かれる。一方、ウェットガス１０１に含まれるガス１０３は、ステータ１３、エアギャップ１４およびギャップ１１ｇに向けて導かれる。
【００２６】
こうして、ガス１０３は、ギャップ１１ｇを流れる（図２のα１３）とともに、エアギャップ１４を流れる（図２のα１４）。
そのため、ガス１０３の圧損が大きくエアギャップ１４に十分なガス１０３が導かれないとしても、冷却流路１８を通過する液１０２（図２のα１２）によりロータ１２は確実に冷却される。
【００２７】
ギャップ１１ｇおよびエアギャップ１４を通過したガス１０３は羽根車１７に流入し、羽根車１７により下流に輸送される（図２のα１５）。
【００２８】
＜変形例１＞
図３は、第１実施形態の変形例１の圧縮機１Ａの縦断面図である。
変形例１の圧縮機１Ａは、羽根車１７の下流に一体にポンプ２０が形成されている。ポンプ２０の吸込口２０ｉはロータ１２の冷却流路１８に連通している。
【００２９】
圧縮機１Ａでは、羽根車１７の背面（下流側）に羽根車１７と同一のロータ１２に設置された羽根車２０ｈをもつポンプ２０を設けている。これにより、ロータ１２の冷却流路１８を通過する液１０２はポンプ２０の羽根車２０ｈの回転によって汲み上げられ（図３の矢印α２２）、液１０２の冷却流路１８での輸送が促進される（図３の矢印α２１）。これにより、液１０２が効率的に冷却流路１８の内部を輸送され、ロータ１２の冷却が促進される。
【００３０】
＜変形例２＞
図４（ａ）は、第１実施形態の変形例２の圧縮機１Ｂの縦断面図であり、図４（ｂ）は、ガイドベーン２２を外側から見た模式図である。
変形例２の圧縮機１Ｂでは、羽根車１７の下流側に翼形状のガイドベーン２２を設けている。ガイドベーン２２は、分離されたガス１０３を上方に案内している。
【００３１】
ガイドベーン２２の内部には排出孔２２ｋが形成され、排出孔２２ｋに連続して、排出流路２１がケーシング１１に設置されている。
本構成により、セパレータ１９で分離された液１０２は、ロータ１２の中心の冷却流路１８を通ってポンプ２０に流入する（図４の矢印α３１）。ポンプ２０に流入した液１０２は、ガイドベーン２２の内部の排出孔２２ｋと排出流路２１を通過して排出される（図４の矢印α３２）。
【００３２】
一方、セパレータ１９で分離されたガス１０３は、ロータ１２とステータ１３との間のエアギャップ１４を通過する（図４の矢印α３３）とともに、ステータ１３とケーシング１１との間のギャップ１１ｇを通過し（図４の矢印α３４）、羽根車１７に流入する。そして、ガス１０３は、羽根車１７で昇圧され（図４の矢印α３５）、下流に流れる（図４の矢印α３６）。
【００３３】
羽根車１７の下流側に設けたガイドベーン２２の内部に排出孔２２ｋを設置するとともにケーシング１１に排出流路２１を設置することで、ポンプ２０により輸送された液１０２はケーシング１１の外部へ排出される。また、羽根車１７によって昇圧されたガス１０３はガイドベーン２２により旋回成分が取り除かれる。そのため、ガス１０３の昇圧エネルギを圧縮機１の下流のガス１０３に効率よく導くことが可能となる。
【００３４】
上記構成によれば、セパレータ１９を用いることで、ロータ１２を冷却する液１０２を分離できる。
また、液分の液１０２が混入する動作環境で稼動する圧縮機１において、圧縮機１に流入したウェットガス１０１を液１０２とガス１０３に分離する。ウェットガス１０１から分離された液１０２が冷却流路１８を通過することでロータ１２を冷却できる。
【００３５】
そこで、分離した液分の液１０２をロータ１２の内部の冷却流路１８に導き、ロータ１２の冷却効率を向上できる。
従って、例えば、ダウンホール環境下で運転する、あるいは高温条件に晒される圧縮機１において、外部冷却装置などを用いることなくロータ１２の冷却効率を向上できる。
【００３６】
＜＜第２実施形態＞＞
図５（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る圧縮機２の縦断面図であり、図５（ｂ）は、上流側ガイドベーン２２ａを外側から見た模式図であり、図５（ｃ）は、下流側ガイドベーン２２ｂを外側から見た模式図である。
【００３７】
図５（ａ）に示すように、第２実施形態の圧縮機２は、セパレータ２９を羽根車１７の下流側に設けたものである。
第２実施形態の圧縮機２は、ターボ型圧縮機が採用されている。
【００３８】
圧縮機２は、ケーシング１１の内部に、上流側ガイドベーン２２ａ、モータ１５、羽根車１７、タンク２３、下流側ガイドベーン２２ｂ、およびセパレータ２９が設置されている。
モータ１５は、ロータ１２とステータ１３とを有している。モータ１５の上流に翼形状の上流側ガイドベーン２２ａが設置されている。
【００３９】
図５（ｂ）に示すように、ケーシング１１の上流側ガイドベーン２２ａの内部には、排出孔２２ａ１が形成され、ケーシング１１に形成された外部に連通する貫通孔の排出流路２１に連通している。
圧縮機２は、モータ１５によって回転駆動するロータ１２に保持され、羽根車１７の円周方向にほぼ等間隔で設けられた羽根１６をもつ羽根車１７を有している。
【００４０】
羽根車１７の下流（図５（ａ）の上側）には、気液分離するセパレータ２９が設置されている。セパレータ２９は、ウェットガス１０１を、上流側にガス１０３を分離する（図５（ａ）の矢印α４６）とともに、下流側に液１０２を分離する（図５（ａ）の矢印α４７）。
【００４１】
セパレータ２９の上流には、セパレータ２９で分離された液１０２を貯留する略円錐台形状の貯溜部をもつタンク２３が設けられている。
セパレータ２９の上流側に翼形状の下流側ガイドベーン２２ｂを設けている。これにより、羽根車１７で形成されるウェットガス１０１の旋回成分を無くし、ウェットガス１０１にセパレータ２９に送る圧力を効果的に付与できる。
【００４２】
＜圧縮機２の動作＞
圧縮機２の動作について説明する。
圧縮機２では、気液が混じったウェットガス１０１が羽根車１７の羽根１６の回転により昇圧され下流側へ（図５（ａ）の上側）導かれる（図５（ａ）の矢印α４１〜α４４）。
【００４３】
具体的には、ケーシング１１の吸込口１１ｉから流入したウェットガス１０１はガイドベーン２２ａの間を通過する（図５（ａ）の矢印α４１）。そして、ウェットガス１０１は、ステータ１３とケーシング１１との間のギャップ１１ｇを通過する流れ（図５（ａ）の矢印α４２）と、ロータ１２とステータ１３との間のエアギャップ１４を通過する流れ（図５（ａ）の矢印α４３）とに分かれる。
【００４４】
ギャップ１１ｇを通過したウェットガス１０１とエアギャップ１４を通過したウェットガス１０１とは、羽根車１７に流入して（図５（ａ）の矢印α４４）昇圧される。
羽根車１７で昇圧されたウェットガス１０１は、下流側ガイドベーン２２ｂの間を通ってセパレータ２９に流入する（図５（ａ）の矢印α４５）。この際、羽根車１７から出たウェットガス１０１は下流側ガイドベーン２２ｂにより旋回成分が除かれる。
【００４５】
そして、セパレータ２９において、ウェットガス１０１は液１０２とガス１０３に分離される。セパレータ２９において例えば膜分離技術、コアレッサ、メッシュデミスタ等を用いて分離された液１０２はタンク２３に一旦貯め置かれる（図５（ａ）の矢印α４７）。
【００４６】
その後、タンク２３の液１０２は、ロータ１２の中心に設けた冷却流路１８に導かれ（図５（ａ）の矢印α４８）、上流側ガイドベーン２２ａの排出孔２２ａ１とケーシング１１の排出流路２１を流れて圧縮機１の外部へ排出される（図５（ａ）の矢印α４９ａ）。
【００４７】
一方、セパレータ２９で分離されたガス１０３は圧縮機２の下流へ導かれる（図５（ａ）の矢印α４６）。
上記構成によれば、セパレータ２９の上流側にタンク２３を備え、セパレータ２９は、液１０２をウェットガス１０１の上流側に分離するとともに、ガス１０３をウェットガス１０１の下流側に分離する。これにより、冷却流路１８に流す前の液１０２をタンク２３に貯留できる。
【００４８】
また、ケーシング１１の長手方向において排出流路２１の近傍に上流側ガイドベーン２２ａを備えることで、上流側ガイドベーン２２ａの排出孔２２ａ１を通して、液１０２を排出流路２１から円滑に排出できる。
また、セパレータ２９は、液１０２をウェットガス１０１の上流側に分離するとともに、ガス１０３をウェットガス１０１の下流側に分離する。これにより、液１０２をロータ１２の冷却に用いることができる。
【００４９】
そのため、ウェットガス１０１の圧損が大きくエアギャップ１４に十分なウェットガス１０１が導かれないとしても、冷却流路１８を通過する液１０２によりロータ１２は確実に冷却される。
【００５０】
＜変形例＞
図６（ａ）は、本発明の第２実施形態の変形例に係る圧縮機２Ｈの縦断面図であり、（ｂ）は上流側ガイドベーン２２ａを外側から見た模式図、（ｃ）は下流側ガイドベーン２２ｂを外側から見た模式図である。
変形例の圧縮機２Ｈは、冷却流路１８の下流部にポンプ３０を設け、冷却流路１８を通過する液１０２の流れを促進した構成である。
【００５１】
その他の構成は、第２実施形態と同様である。
変形例の圧縮機２Ｈは、一方の羽根車１７と同一のロータ１２の他方端、つまり冷却流路１８の下流部に、流路が冷却流路１８に連続するようにポンプ３０を羽根車１７と対向するように設置している。
【００５２】
さらに、ポンプ３０の外周側に液１０２の旋回成分を無くすべく、上流側ガイドベーン２２ａを設置している。そして、上流側ガイドベーン２２ａの内部には、ケーシング１１の排出流路２１に連通する排出孔２２ａ１を形成している。冷却流路１８を流れた１０２は、上流側ガイドベーン２２ａの排出孔２２ａ１とケーシング１１の排出流路２１とを流れて、排出される。
【００５３】
これにより、モータ１５でロータ１２を回転駆動することで、ポンプ３０の羽根車３０ｈが回転し、冷却流路１８を通過する液１０２の流れを制御できる。
ポンプ３０により、ロータ１２の中心に設けた冷却流路１８を通過する液１０２を効率的に輸送し、ロータ１２の冷却を促進させることができる。そして、ポンプ３０により輸送された液１０２は、ポンプ３０の外周側に位置する排出孔２２ａ１と排出流路２１を通過してケーシング１１の外部へ排出される。
【００５４】
変形例によれば、液１０２はポンプ３０により輸送され、効率的に冷却流路１８を流すことができる。そのため、ロータ１２の冷却をより効果的に行うことができる。
【００５５】
＜＜その他の実施形態＞＞
１．なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１、１Ａ、１Ｂ、２、２Ｈ  圧縮機
１１    ケーシング
１２    ロータ
１５    モータ
１６    羽根
１７    羽根車
１８    冷却流路（流路）
１９、２９  セパレータ
２０、３０  ポンプ
２１    排出流路（第１排出孔）
２２ａ  第２ガイドベーン
２２ｂ  第１ガイドベーン
２２ａ１、２２ｋ  排出孔（第２排出孔）
２３    タンク
１０１  ウェットガス（流体）
１０２  液
１０３  ガス（気体）
【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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