(57)【要約】【課題】プロセスガスを採取するための圧縮機を効果的に冷却できるモータ冷却システムを提供する。【解決手段】本発明のモータ冷却システムＳは、ロータ２とステータ３とを有するモータｍと、モータｍにより駆動されてプロセスガスｇを昇圧する羽根車１とを備え、プロセスガスｇを昇圧して搬送する圧縮機Ｃ１を具備し、ステータ３が内部に設置される筒状のモータフレーム５を備え、モータフレーム５は、モータｍの上流側に第１通風穴９が複数または単数設置されている。【選択図】図４
2019115177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトに固定されるロータとステータとを有するモータと、前記モータにより駆動されてプロセスガスを昇圧する羽根車とを備え、前記プロセスガスを昇圧して搬送する圧縮機を具備し、
前記ステータが内部に設置される筒状のモータフレームを備え、
前記モータフレームは、
前記モータの上流側に第１通風穴が複数または単数設置されている
ことを特徴とするモータ冷却システム。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ冷却システムにおいて、
プロセスガスを採取するための井戸に沿って設けられ内部に前記モータフレームが収容される筒状のケーシングを備え、
前記モータフレームと前記ケーシングとの間の隙間は、
前記第１通風穴より下流の箇所の一部を他の箇所より狭く形成されている
ことを特徴とするモータ冷却システム。
【請求項３】
請求項１に記載のモータ冷却システムにおいて、
プロセスガスを採取するための井戸に沿って設けられ内部に前記モータフレームが収容される筒状のケーシングを備え、
前記ケーシングまたは前記モータフレームの少なくとも何れかは、
前記モータフレームと前記ケーシングとの間の隙間における前記第１通風穴より下流の箇所の一部を狭くする段差を有している
ことを特徴とするモータ冷却システム。
【請求項４】
請求項１に記載のモータ冷却システムにおいて、
前記モータフレームは、
前記モータの下流側に第２通風穴が複数または単数設置されている
ことを特徴とするモータ冷却システム。
【請求項５】
請求項１に記載のモータ冷却システムにおいて、
プロセスガスを採取するための井戸に沿って設けられ内部に前記モータフレームが収容される筒状のケーシングを備え、
前記ケーシングまたは前記モータフレームの少なくとも何れかは、
前記モータフレームと前記ケーシングとの間の隙間の前記第１通風穴より下流の流路にラビリンス形状を有している
ことを特徴とするモータ冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスを生産する上流プラントでは、地下数千メートル下にある天然ガス田から天然ガスを採掘するため、数千メートルの長さの井戸が掘られる。
【０００３】
生産プラントが稼動する当初は、高圧な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。そこで、井戸の掘削当初には、井戸からその高圧で噴出する天然ガスを採取する。しかしながら、生産が進むと、自噴圧力が減衰していくため、天然ガスの生産が低下するという問題が発生する。
【０００４】
そこで、井戸の掘削から時間が経過すると、天然ガスの生産減衰問題を解決すべく、井戸の中のガス田近くに圧縮機を設置して、天然ガスを地上に圧送するという方法がある。より天然ガス田に近い場所に圧縮機を設置することにより、天然ガスが圧縮機で昇圧されることで生産効率が改善する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７―８５７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、地下数千メートルに及ぶ井戸元は、周囲温度が高温である。そのため、採掘用の圧縮機を駆動するモータは、周囲温度が高温で狭く風通しが悪い天然ガス田近く井戸の内部に設置されるため、高温となる。
ここで、井戸掘りに要するコストを低減するため、井戸の内径は小さい。そのため、井戸の内部に圧縮機以外の冷却用の補機を設置するための十分なスペースが存在しない。
【０００７】
このように、補機を設置するための十分なスペースが確保できないため、天然ガス田の天然ガス（プロセスガス）を用いてモータを冷却する必要がある。
そこで、特許文献１には、モータ内にガスを送風してモータを冷却するシステムが記載されている。
【０００８】
しかしながら特許文献１には、モータ内にガスを取り込むために、モータ内にガスを取り込み易くする構造は記載がない。
本発明は上記実状に鑑み創案されたものであり、プロセスガスを採取するための圧縮機を効果的に冷却できるモータ冷却システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明のモータ冷却システムは、ロータとステータとを有するモータと、前記モータにより駆動されてプロセスガスを昇圧する羽根車とを備え、前記プロセスガスを昇圧して搬送する圧縮機を具備し、前記ステータが内部に設置される筒状のモータフレームを備え、前記モータフレームは、前記モータの上流側に第１通風穴が複数または単数設置されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、プロセスガスを採取するための圧縮機を効果的に冷却できるモータ冷却システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】天然ガスを生産する上流プラントを示す断面模式図。
【図２】本発明に係る実施形態の圧縮機を設置したガス圧送システムの全体概略構成を示す断面模式図。
【図３】比較例のガス圧送システムの概略を示す拡大断面図。
【図４】モータの周辺を拡大した拡大断面図。
【図５】通風穴が設置されたモータフレームの斜視図。
【図６】本発明の実施例４に係わる圧縮機のモータフレームとケーシングの間の狭い隙間周辺を拡大した拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
天然ガスを生産する上流プラントにおいて、モータ冷却用の外部補機を用いない圧縮機では、天然ガスを精製する前のプロセスガスを用いてモータの発熱部を直接冷却する必要がある。
【００１３】
そのため、本発明では、プロセスガスを昇圧して搬送する回転機械の一種である圧縮機において、駆動源のモータの高温部をプロセスガスを用いて直接冷却するシステムを採用している。モータの冷却性能を上げるためには、できる限り多くのプロセスガスをモータの高温部に取り込む必要がある。
【００１４】
そこで、本発明では、プロセスガスの一部をモータ内に取り込み、モータの高温部を直接冷却する。
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。
【００１５】
図１は、天然ガスを生産する上流プラントを示す断面模式図である。
天然ガス生産プラントには、天然ガス田２２に通じるように、地面Ｇから地下数千ｍ以上、例えば１０００ｍ 以上の深さをもつ井戸２１が掘削されている。井戸２１は、数ｋｍオーダーの深さであり、深さは例えば１〜２ｋｍに達する。
【００１６】
天然ガス生産プラントの稼動当初は、高圧な天然ガス田２２が持つ自噴圧力によって、天然ガスのプロセスガスｇが地下から地上に向けて井戸２１を通って噴出する（図１の矢印α１）。そこで、井戸２１の掘削当初には、井戸２１を通じて天然ガス田２２の高圧で噴出する天然ガスに精製するプロセスガスｇを採取する。  
その後、天然ガスの生産が進むと、自噴圧力が減衰していくため、プロセスガ  スｇの生産が低下する
【００１７】
図２は、本発明に係る実施形態の圧縮機Ｃを設置したガス圧送システムＳの全体概略構成を示す断面模式図である。図３は、本発明が適用される比較例のガス圧送システムの概略を示す拡大断面図である。
【００１８】
図４に本発明に係る実施形態のガス圧送システムＳのモータｍの周辺を拡大した拡大断面図を示す。
ここで、図３の比較例のガス圧送システムＳ１０と図４〜図６に示す本発明の実施形態に係るガス圧送システムＳの概略構成は同様であるから、同様な構成要素には同じ符号を付して示し、重複する説明は行わない。
【００１９】
そこで、比較例では、図３に示すように、ガス圧送システムＳ１０の圧縮機Ｃが天然ガス田２２（図２参照）近くの井戸２１の内部に設置される。
井戸２１（図２参照）の内部には、ケーシング６が設けられ、ケーシング６の内部にガス圧送システムＳ１０の圧縮機Ｃが設けられている。この場合の圧縮機Ｃの周囲温度は１００〜２００℃の高温状態に達している。
【００２０】
比較例のガス圧送システムＳ１０は、圧縮機Ｃの羽根車１、シャフト２ｊに固定されるロータ２、およびモータステータ３と、吸込流路４が形成されるケーシング６とで構成されている。
【００２１】
ロータ２とモータステータ３とでモータｍが構成されている。なお、ロータ２はマグネットを有しているが、図３および後記の図４、図６では省略している。
ロータ２が固定されるシャフト２ｊの一方側に羽根車１が固定されている。モータステータ３は、円管状または筒状のモータフレーム５の内部に固定されている。
【００２２】
こうして、ロータ２とモータステータ３とは、モータフレーム５に覆われている。羽根車１の近くのロータ２が固定されるシャフト２ｊの一方側とモータフレーム５との間には、軸受２ｊ１が設けられている。なお、シャフト２ｊの他方側とモータフレーム５との間に軸受２ｊ２が設けられている。
【００２３】
モータｍの駆動により、ロータ２が回転して、ロータ２のシャフト２ｊに固定される羽根車１が回転駆動される。
圧縮機Ｃは、羽根車１の回転により、プロセスガスｇを天然ガス田２２（図２参照）に近い上流側の吸込流路４から吸込む。そして、圧縮機Ｃの羽根車１は、その回転によって、吸込んだプロセスガスｇを昇圧して、井戸２１の下流２１ｋ（図３参照）に噴出して圧送する。
【００２４】
この際、図３に示すように、プロセスガスｇは、吸込流路４からケーシング６の内部に流入して、モータフレーム５とケーシング６の間の隙間１２を流れて羽根車１に流入して羽根車１の回転により昇圧される。
この場合、モータｍが磁気力により駆動されるためにそのエネルギによって、モータｍ内部のロータ２とモータステータ３との間の周辺が高温となる。例えば、ロータ２とモータステータ３との間周辺は４００〜５００℃前後の高温となる。
【００２５】
そこで、プロセスガスｇを用いてモータｍの高温部を冷却するため、実施形態の図４に示すように、プロセスガスｇの一部のプロセスガスｇ１をロータ２とモータステータ３との間の隙間であるエアギャップ７に流す。
以下、下記の図４〜図６に示す実施形態は、プロセスガスｇ１をロータ２とモータステータ３との間の隙間であるエアギャップ７に流す構成を開示する。
【００２６】
＜実施例１＞
図４に、本発明の実施形態に係わる実施例１の圧縮機Ｃ１の構造を示す。図５に実施形態のガス圧送システムＳの通風穴９、１０が設置されたモータフレーム５の斜視図を示す。
吸込流路４から流入してきたプロセスガスｇの一部のプロセスガスｇ１をモータｍ内のロータ２とモータステータ３との間のエアギャップ７に流し込む。
【００２７】
そこで、実施例１では、プロセスガスｇの一部のプロセスガスｇ１をモータｍの内部に取り込むために、円管形状または筒形状のモータフレーム５の上流側に、周方向に通風穴９を複数設置している。
【００２８】
図５に示すように、モータフレーム５の一方側に通風穴９が複数設置されている。図５では、モータフレーム５の一方側に矩形状の通風穴９を４つ形成した場合を示す。しかし、通風穴９は、プロセスガスｇ１をロータ２とモータステータ３との間の隙間のエアギャップ７に流すことができれば、その形状および／またはその数は限定されない。
【００２９】
本構造により、図４に示すように、プロセスガスｇが主流プロセスガスｇ０と上流側の通風穴９を通る一部のプロセスガスｇ１と分岐される。そして、分岐された一部のプロセスガスｇ１をモータｍ内のエアギャップ７に流し込むことができる。これにより、ロータ２とモータステータ３との間の周辺を冷却できる。そのため、モータｍの寿命を延伸でき、圧縮機Ｃ１の信頼性を向上できる。
【００３０】
なお、実施例１では通風穴９を複数設置した場合を説明したが、通風穴９を単数設置してもよい。しかし、通風穴９が複数の方が単数の場合よりも、モータｍの内部にプロセスガスｇ１を異なる方向および／または多量に取り込めるので、複数の方がより望ましい。
【００３１】
＜実施例２＞
図３に示すモータフレーム５とケーシング６との隙間１２は例えば５〜１０ｍｍ位である。
ここで、図３に示すように、エアギャップ７は非常に狭い隙間、例えば３ｍｍ程度のため、モータフレーム５に通風穴９を設置しても、プロセスガスｇの一部のプロセスガスｇ１がモータフレーム５の内部に入っても、通常エアギャップ７で跳ね返され、モータフレーム５とケーシング６との間の５〜１０ｍｍ位の隙間１２に流れてしまう。そのため、プロセスガスｇは、通風穴９があっても通風穴９で分岐せず、エアギャップ７にプロセスガスｇの一部のプロセスガスｇ１が流れない。
【００３２】
そこで、実施例２は、図４に示すように、モータｍの内部にプロセスガスｇを取り込むため、主流プロセスガスｇ０が流れるモータフレーム５とケーシング６との隙間１２を、比較例の図３に比べて狭い隙間１２ｉを形成し、圧力損失が高くなる流路構造にしたものである。図４に本発明の実施例２に係わる、圧縮機Ｃ２の構造を示す。
【００３３】
実施例２では、図４に示すように、ケーシング６を内方に突出する凸部６ｔをもつ段差形状に形成する。凸部６ｔは円筒形状のケーシング６から内方に突出す円環形状に形成されている。
【００３４】
これにより、モータフレーム５の円環形状の凸部６ｔとケーシング６との間に狭い隙間流路１２ｉが形成される。隙間流路１２ｉが狭く圧損が高いため、主流プロセスガスｇ０がモータフレーム５とケーシング６との間の隙間流路１２ｉを流れにくくなる。
【００３５】
そのため、モータｍの内部のエアギャップ７にもプロセスガスｇ１が流れ込むようになる。
なお、実施例２では、ケーシング６に内方に突出する凸部６ｔをもつ段差形状を形成する場合を例示したが、ケーシング６に内方に突出する凸部６ｔを設けることなく、モータフレーム５に外方に突出する凸部を設けてもよい。
【００３６】
或いは、ケーシング６に内方に突出する凸部を設けるとともに、モータフレーム５に外方に突出する凸部を設けてもよい。なお、隙間流路１２ｉが狭くなれば、凸部の構成は限定されず任意に選択できる。
【００３７】
＜実施例３＞
図３に示すように、モータフレーム５の他方側とロータ２が固定されるシャフト２ｊの羽根車１の側との間には、軸受２ｊ１が設けられている。そのため、従来構造では、図４に示すエアギャップ７を通った一部のプロセスガスｇ１は流れることができない。そのため、エアギャップ７に流れ込んだ一部のプロセスガスｇ１を再度、主流プロセスガスｇ０に合流させる必要がある。
【００３８】
そこで、図４に示す実施例３は、エアギャップ７を流れた一部のプロセスガスｇ１を、プロセスガスｇから分岐した主流プロセスガスｇ０と再度合流させるため、モータフレーム５の下流側に通風穴１０を設置する。つまり、図５に示すように、円管形状のモータフレーム５の他方側に通風穴１０が周方向に複数設置されている。図５では、円管形状のモータフレーム５の他方側に矩形状の通風穴１０を周方向に４つ設置した場合を示す。なお、通風穴１０は、ロータ２とモータステータ３との間のエアギャップ７から排出したプロセスガスｇ１をモータフレーム５の外部に排出できれば、その形状および／またはその数は限定されない。
【００３９】
これにより、エアギャップ７に流れ込んだ一部のプロセスガスｇ１が、下流側に軸受２ｊ１がある場合にも通風穴１０（図５参照）を通って、主流プロセスガスｇ０に合流する。
【００４０】
本構成により、プロセスガスｇを、通風穴９を介して主流プロセスガスｇ０と通風穴９を通る一部のプロセスガスｇ１とに分岐させる。そして、分岐した一部のプロセスガスｇ１をロータ２とモータステータ３との間のエアギャップ７に流す。その後、プロセスガスｇ１をモータフレーム５の下流側の通風穴１０を介して円滑に主流プロセスガスｇ０に合流させることができる。
【００４１】
従って、円滑に、プロセスガスｇ１により、エアギャップ７周辺のロータ２とモータステータ３とを冷却できる。
なお、実施例３では通風穴１０を複数設置した場合を説明したが、通風穴１０を単数設置してもよい。しかし、通風穴１０が複数の方が単数の場合よりも、モータｍの内部のプロセスガスｇ１を異なる方向および／または多くの量によって外部に排出できるので、より望ましい。
【００４２】
＜実施例４＞
図６に本発明の実施例４に係わる圧縮機Ｃ４の構造を示し、モータフレーム５とケーシング６の間の狭い隙間１２ａ周辺を拡大した拡大断面図を示す。
実施例４は、モータフレーム５とケーシング６の隙間１２を流れる主流プロセスガスｇ０の圧力損失を大きくするため、隙間１２ａの流路構造をラビリンス形状６ｒにしている。
【００４３】
詳細には、実施例４では、モータフレーム５に外方に突出する円環状の突起１３を複数設けている。これにより、モータフレーム５とケーシング６の間の流路は狭い隙間１２ａとなり、ラビリンス流路１４になる。
ラビリンス流路１４は、その流路がつづら折れる構成であり、その突起１３の抵抗で流れが阻害される。すなわち、突起１３の先端での絞り効果と突起１３の間に生ずる渦とによって、主流プロセスガスｇ０の上流側から下流側への流れの抵抗を大きくしている。
【００４４】
このため、主流プロセスガスｇ０がモータフレーム５とケーシング６の間の隙間１２ａを流れにくくなり、より多くのプロセスガスｇが通風路９に分岐して、モータフレーム５の内部に流れ込んでいく。また、突起１３によりモータフレーム５の表面積が大きくなるため、モータｍの冷却効率を上げることもできる。
【００４５】
なお、図６に示す突起１３は断面矩形形状としているが、突起１３の形状は流路を複数の凹凸の円環の形状により流れにくくするラビリンス流路１４であれば、その断面形状は、三角形状など断面矩形形状以外の任意の形状で構わない。
【００４６】
実施例４の構成によれば、モータフレーム５とケーシング６の間の隙間１２ａはラビリンス流路１４であるので、プロセスガスｇを通風路９に誘導でき、プロセスガスｇの通風路9に分岐するプロセスガスｇ１の量を増大できる。そのため、ロータ２とモータステータ３との間のエアギャップ７に、より多くのプロセスガスｇ１を流すことができる。これにより、プロセスガスｇ１によるエアギャップ７周辺の冷却効果を高めることができる。また、突起１３を含むモータフレーム５の表面積が大きくなり、ラビリンス流路１４によって冷却効率を向上できる。
【００４７】
なお、実施例４では、モータフレーム５に外方に突出する円環状の突起１３を設けてラビリンス形状６ｒを形成し、ラビリンス流路１４を構成する場合を例示したが、ケーシング６に内方に突出する円環状の突起を設けてラビリンス形状を形成し、ラビリンス流路１４を構成してもよい。
【００４８】
また、モータフレーム５とケーシング６の両者に同様なラビリンス形状を形成し、ラビリンス流路を設けてもよい。
【００４９】
以上、本実施形態の構成によれば、例えば、１４０℃前後の主流プロセスガスｇ０を用いて、４００〜５００℃前後の高温のロータ２とモータステータ３との間周辺を冷却することで、３００〜１５０℃位まで冷却できる。
【００５０】
また、圧縮機Ｃ１〜Ｃ４の羽根車１で昇圧昇温する前のプロセスガスｇ１を用いてモータｍを冷却するため、モータｍの冷却に必要な外部補機を必要としない。そのため、図４に示すガス圧送システムＳの機器の全体構造を小さくすることができる。
従って、例えば、天然ガスを生産する井戸２１の中に圧縮機Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を設置することが可能となる。
【００５１】
≪その他の実施形態≫
１．前記実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換することが可能である。
【００５２】
２．また、本発明は、特許請求の範囲に記載した範囲内で様々な変形形態、具体的形態が可能であり、説明した実施形態、実施例に限定されない。
【符号の説明】
【００５３】
１      羽根車
２      ロータ
３      モータステータ
５      モータフレーム
６      ケーシング
６ｔ    凸部（段差形状）
６ｒ    ラビリンス形状
ｇ      プロセスガス
ｇ０    主流プロセスガス
ｇ１    プロセスガスの一部
９      通風路（第１通風穴）
１０    通風路（第２通風穴）
１２ｉ    狭い隙間
１２ａ  狭い隙間
１２    隙間
１３    突起
１４    ラビリンス流路
２１    井戸
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４  圧縮機
ｍ、ｍ  モータ
Ｓ      ガス圧送システム（モータ冷却システム）
【図１】
2019115177.tif 000003
【図２】
2019115177.tif 000004
【図３】
2019115177.tif 000005
【図４】
2019115177.tif 000006
【図５】
2019115177.tif 000007
【図６】
2019115177.tif 000008