JPS59719B2 - 気体圧縮方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧縮気体或いは圧縮蒸気を供給するための圧
縮システムに関する。

より具体的には、本発明による圧縮システムは、油によ
って全く汚染されていない圧縮気体或いは蒸気を製品と
して供給するために、油を一切使用しないシステムであ
る。

圧縮の過程で生ずる気体或いは蒸気の温度上昇は、圧縮
機を設計する際には常に考慮すべき現象である。

一般には内部に冷却水を循環させるジャケラトを使用し
て、温度を下げ機械が通常に達成することの出来る圧縮
比を高めるようにしている。

回転速度が比較的に高い軸流スクリュー型コンプレッサ
を用いる場合は、充分な速度で熱を除去するジャケット
を設計することは難しくなる。

達する温度が高いということは、このような圧縮機は大
きな回転隙間を持つ必要があることを意味する。

なぜなら、構成部品が異なる熱膨張を示すからである。

その結果生ずる漏れ損失は圧縮機の速度を増すことによ
って減らすことが出来る。

しかしながら、非常に高い速度では空気力学的損失が大
きくなるので、最高運転速度には限りがある。

更に、増速機の使用によって設備の費用が嵩むことにな
り、騒音レベルも高くなる。

これらの問題の解決法の一つは、機械を潤滑するだけで
なく、圧縮気体或いは蒸気と比較すると比較的に冷たく
また単位体積当たりの熱容量が大きくて、圧縮熱を急速
に吸収してしまう油を機械に注入することである。

この油の殆どは、圧縮気体或いは蒸気が圧縮機を離れて
から、圧縮気体或いは蒸気から除去することが出来る。

油を注入することによって圧縮機はより低い温度で運転
するだけでなく、狭い隙間を使用することが出来る。

更に、油は隙間をシールするようにも作用する傾向があ
る。

その結果生ずる漏れ損失の減少は、圧縮機をより低い速
度で高効率で運転出来るので、同期電動機に直接に接続
することが出来ることを意味する。

しかしながら、既に述べたように、油を持ち込むと吐き
出しラインに分離装置を設ける必要が生ずる。

圧縮される媒体の汚染を非常に低いレベルに押さえる必
要がある場合は、このような分離装置は複雑なものとな
り費用が嵩む可能性がある。

冷却油を再使用する必要がある場合は、この流体のため
の別の冷却器がしばしば必要になる。

分離装置は殆ど１００％の油を回収するが、僅かな油は
常に圧縮気体或いは蒸気にとどまることになる。

今日、最少限の油さえ圧縮気体或いは蒸気の中に存在す
ることを許さない例が増加しつつある。

それゆえ、開回路のシステムにおいては、即ち、圧縮気
体或いは蒸気が、閉回路の冷凍のように圧縮機の入口に
再循環されずに、圧縮システムの外部でなんらかの目的
の為に製品として使用されるシステムにおいては、完全
に純粋な圧縮気体或いは蒸気の供給がしばしば必要にな
る。

圧縮機の潤滑の問題に加えて、他に生ずる問題は、１駆
動用の電動機及び駆動軸軸受の潤滑、及び軸受と電動機
の捲線内部に発生する熱の除去である。

油潤滑式の圧縮機の先行技術は、電動機の捲線を冷却す
る為に圧縮機に入る低圧ガスを使用しているが、圧縮さ
れた吐き出しガスはこの目的のためには温度が通常は高
すぎる。

しかしながら、低圧においては、気体密度が低下するた
めに、伝熱係数は、加速的に減少する傾向があり、この
結果、捲線が入口ガスによって冷却される場合でも、電
動機の捲線の温度は高くなる恐れがある。

油注入式の圧縮機の別の先行技術は、電動機の捲線の冷
却に高圧吐き出しガスを利用する。

これは、冷たい油の注入と油の存在によって高められた
熱伝動率がもたらす、より低い吐き出し温度によって可
能になったものである。

このシステムには、低圧入口ガスを用いて冷却を行う時
とは異なり、電動機の捲線の熱が圧縮機内を通るガスの
質量流量に影響しないという利点がある。

しかしながら、油注入式の圧縮機は、純粋な圧縮ガスを
製品として供給する必要のある開回路システムには使用
出来ない。

特公昭３９−２４２６０号公報には、偏心ローター形コ
ンプレッサを用いた閉じたサイクル形の冷凍システムが
記載されているが、このシステムにおいては少量の液体
冷媒が圧縮機の室内に注入されて吐き出しガスを冷却し
、高圧の吐き出しガスは電動機の捲線を冷却するのに使
用される。

しかし、潤滑はケーシング内のオイル・バス内の大量の
油から取られる油を用いてなされるので、微量の油が吐
き出しガスの中に出てくることになる。

先行発明の閉回路冷凍システムにおいては、このことは
問題ではない。

それは、しかしながら、微量の油をも含むことの無い純
粋な気体或いは蒸気を製品として供給する必要のある開
回路システムの問題を解決するものではないことは云う
までも無い。

特公昭４６−６８８９号公報には、一つの閉サイクル冷
凍システムが記載されているが、このシステムにおいて
は、圧縮機自体が、凝縮器から蒸発器に戻る圧縮冷媒の
膨張手段として使用され、この目的の為に、大量の液体
冷媒が圧縮機の吐き出し或いは高圧端から注入され、入
口或いは低圧端＋７で刊行する。

しかしながら、前述のシステムの駆動電動機、駆動軸及
び軸受、及び潤滑及び冷却の構造的な仕組みは全く示さ
れていない。

また、この場合には、開回路システムの製品として圧縮
ガスを供給することなど問題外のことであり、従って、
前述の製品中の微量の油の問題は起こらない。

以上述べたことから、本発明の目的は、圧縮気体或いは
蒸気を製品として供給するための開回路圧ｍシステムを
提供することにあり、このシステムにおいては、今日ま
で達成されえなかった下記の解決が現実のものとなる：
即ち、 １）駆動モータとスクリュー型コンプレッサが、外部の
汚染物質から防護するように密閉することのできる一体
構造のパッケージに組み合わせられる； １１）冷却の為にも潤滑の為にも、どこにも油が使用さ
れていない１ ｉｉｉ ）スクリュー型コンプレッサどモータの捲線だ
けでなく、油を用いていない軸受をも冷却する為の適切
な仕組みになっている； １ｖ）隙間損失を克服する為にねじ回転子を非常な高速
で１駆動する必要は無く、効率よく比較的にゆっくりと
回転させることが出来、渦の為に大きな損失を招くこと
が無い。

本発明によると、気体或いは蒸気を油を用いずに圧縮す
る為の圧縮システムがもたらされ、このシステムは、コ
ンプレッサと軸方向に−ＪｊｌＪになったモータによっ
て駆動される軸流スクリュー型コンプレッサを使用１コ
ンプレツサから吐き出される圧縮気体或いは蒸気は部分
的に凝縮する為に熱交換器を通され、その後に、部分的
に凝縮された気体或いは蒸気は、開回路の即ち圧縮気体
或いハ蒸気がコンプレッサの入口に全く戻されない圧縮
システムから出るが、このシステムにおいては、スクリ
ュー型コンプレッサと駆動モータは共通の・・ウジング
内の、駆動軸が貫通する仕切で分離される二つの室にそ
れぞれ収納され、コンプレッサ低圧入口は、ケーシング
の一端に位置し、コンプレッサ回転子の高圧端は仕切の
近くにあり、圧縮気体或いは蒸気は仕切にある通路を通
ってモータ室に入り、ケーシングのもう一方の端でモー
タ室から出て、圧縮気体或いは蒸気の凝縮分は熱交換器
から抜かれてコンプレッサ回転子の両端の中間点でケー
シングを通ってコンプレッサ室に注入され、注入される
凝縮液の量はコンプレッサを潤滑し且つコンプレッサの
隙間を殆ど満たしてしまい且つコンプレッサの温度を圧
縮される気体或いは蒸気の飽和温度近くに保持するのに
充分なほどあり、コンプレッサ／モータ軸用の無油軸受
は、一つはコンプレッサ入口にいま一つはモータ室に設
け、これによって入口の軸受は流入する低圧気体或いは
蒸気によって冷却され、モータ室内のモータの捲線及び
軸受けの過熱は、圧縮気体或いは蒸気の流れによって、
また、注入される液体の蒸発の冷却作用によって防止さ
れる。

圧縮されている気体或いは蒸気の液相を以下「液体」と
呼ぶ。

圧縮機内の圧力が当該気体或いは蒸気の臨界圧力よりも
低いときには、圧縮機に注入された液体は、まず圧縮機
内の気体或いは蒸気を蒸発によって冷却するように働く
。

これは飽和状態に達するまで続き、その後はそれ以上の
液体は圧縮室の中で安定し隙間のシールに使えるように
なる。

液体の注入速度は高くすることが出来るが、その理由は
、油を使用しないシステムにおいては液体の残余が認容
されることである。

ついでながら、油注入の場合は、全く認められない。

これは、過熱を実質上塔にすることが出来ることを意味
し、その結果、温度は低くなり動力も節約することが出
来る。

従って、適切な液体を隙間の、特に一つの圧縮室と次の
室との間の隙間のシールに使うことが出来る。

これに加えて、液体はローター／ゲート接触部の冷却と
潤滑を行う。

液体は低圧側に向かって移動し、全圧縮過程を通して冷
却を行うが、これとは対照的に、異なる液体を導入する
先行技術においては、このような移動を可能にするには
不充分な量の液体しか導入出来ない。

冷却とシールの為に冷媒液の注入を利用することには、
低い軸受荷重を持つ圧縮機の構成において特別の利点が
あり、油を使用しない軸受を設計することが出来る。

このような軸受は、冷媒液を冷却と荷重の支持の為に使
用することが出来るので、軸受油の供給の必要を無くし
てしまい、その結果、付属機器を省略出来る。

このような装置において、油を用いずに軸受を使用する
と、圧縮機から完全に油を締め出す必要がちる場合は、
動力軸の有効なグランド・シールを行う点で問題が生ず
る。

この理由から、駆動電動機の捲線が圧縮機と同じ・・ウ
ジング（或いはこの・・ウジングの拡張部）に収納され
、被圧縮媒体の雰囲気の中にあって、軸の圧縮機のケー
シングへの貫通部でのグランド・シールの必要を解消し
てしまう構造を採用することが望ましい。

そうすれば、圧縮機及び電動機の回転体は一体に結合し
て一つのローターにすることが出来る。

電動機の捲線からの熱伝達率は、捲線がガスで冷却され
る場合よりも、液体で冷却される場合には、特に液体が
蒸発する場合には大きくなる。

本発明によると、液体は、圧縮機のシールと冷却のため
に供給され吐き出しガスのなかに混じるものの余剰分で
ある。

この場合には、液体は飽和温度で、冷却効果ハこの液体
の蒸発によるものである。

電動機を取り巻く高圧流体がスラスト荷重をもたらす圧
縮機の設計においては、圧縮機と電動機の間の軸受け、
ケーシングの高圧区域と低圧区域との間に便利な仕切を
形成することが出来、これらの区域の間に別個のシール
を設ける必要を無くしてしまう。

スラスト荷重は、それゆえ、ジャーナルの直径に働く圧
力差によって生ずるスラストだけになる。

電動機の捲線が液体との接触によって損傷される恐れの
ある場合には、捲線がケースに収納されるか、或いは液
体が捲線に接触することなしに熱を除去することが出来
るようにする通路を設けた設計を用いることが可能であ
る。

次に本発明の実施例を図面に従って説明する。

先ず第１図では、低圧気体または蒸気がＡからコンプレ
ッサ１０に入り圧縮された気体または蒸気がＢから排出
される。

この蒸気の一部または全部が熱交換器１１で凝縮されて
生じる液はポンプＣによりＤからコンプレッサに噴入さ
れる。

ロータリーコンプレッサは、圧縮室内の低圧ガスポケッ
トをトラップし、排気口が開くまでその体積をあるパー
センテージだけ減らすことにより動作する。

ポケットはついには体積が０になり全てのガスは供給線
に強制的に導かれる。

排気口が開れる時のポケット内圧力はこの機構の高圧側
圧力と同じかまたは近い。

噴射用供給圧力の液を使うことは便利であるが、もし圧
力源が得られれば中間圧力の液が使用できる。

液圧低下は逆流が不可能であり、圧縮室に余分の蒸気が
作られるためこの蒸気を供給圧力に再圧縮する余分の動
力が必要となるので、噴射中の液圧低下を最小にするの
が望ましい。

このため噴射点りは最良の場所に設置され、供給圧力ま
たはそれに近い圧縮室に噴射が行れようにする。

コンプレッサの中には、どれか一つの噴射点が相当の圧
縮範囲で一つの圧縮室と連結しているものがある。

このような場合は、ポンプＣを間けつ動作をしコンプレ
ッサ回転子の回転数と同期するように設計し、液が導入
される圧縮室の圧力が最高値に近づいた時液のパルスを
噴射させることが望ましい。

充分な液がコンプレッサ１０に入っていて回転子隙間が
少しでも液で充満されれば、間隙間の圧力低下により低
圧の圧縮室に向って液移動が起るようになる。

噴射点りは普通単穴であるが、あるいは複数穴にして各
間隙に選択的に液を配分しても良い。

Ｄから入るこの液を成る量だけ予備冷却するのが望まし
い。

コンプレッサを含む冷却回路の高圧部から液を取ること
ができ、もし液を取る部分がコンプレッサよす高い所で
あれば、コンプレッサにはポンプＣは要らなくなる。

場合によっては、液路１２に弁とコンプレッサ排出路１
３の排出パルス周波数に同調して自動的に弁を開く装置
とを設けることが適切である。

圧縮室を吸入穴に連結するそれらの間隙、即ち液漏が体
積ロスを生じる間隙は非常に重要である。

このような間隙の両端圧力差は常に、隣接する二つの圧
縮室間の間隙両端より大きい。

漏洩液は従って、体積効率のロスを生じるのに加えて、
大きい不可逆流圧力低下に従って流れる。

蒸気のかわりに液がこれらの間隙内にある時は、蒸気と
同様に液が圧力差により低圧部へ流入する。

液圧を減らすと伺πかの蒸発あるいは［フラッシング（
ｆｌａｓｈｉｎｇ）Ｊが起る。

このようにして生じたフラッシュガスは体積ロスとなる
。

従って液噴射を使う時はこのような間隙をなるべく小さ
く保つことがやはり重要である。

本発明の特徴は、コンプレッサ１０の温度が低く、つま
り圧縮される気体または蒸気の飽和温度に近く従って臨
界許容範囲をできるだけ小さく保つことである。

間隙を液で充たしてロスが減るかどうかは多くの要因、
例えば圧縮比、液粘度、液の飽和蒸気曲線の形による。

しかし、液噴射を使わない機械では高価になるため間隙
は太きくしなければならないことを思い出す必要がある
。

リショルム・スクリュウコンプレッサの実験では、液噴
射速度が気化冷却に丁度充分な低レベルから、液が間隙
に浸入するのに充分な高速度に上げられて体積効率を５
蟹に改良したことを示す。

この結果はコンプレッサ圧力比２．３対１、動作液に冷
媒Ｒ１２を使って得られた。

本発明による機械の性能を油噴射で作動する類似機械と
比較すると、油噴射機械の体積効率は、冷媒液に比べて
粘度が高いため調整し難い。

しかし、圧縮ガスの単位質量当りの動力から見ると、冷
媒液噴射型では油噴射コンプレッサの数値に非常に近い
数値が圧縮比２：１〜４：１の範囲にわたって得られて
おり、冷媒液噴射型の設計を改良すれば性能を更に改良
できることも予想される。

このような性能改良は、低温の時起こる効率良い圧縮プ
ロセスによるものである。

次に第２図について説明すると、これは第１図のシステ
ムに適する軸流スクリュー型コンプレッサを示す。

コンプレッサ１０と駆動モータ３は縦につながれて共同
ケーシング４内に収納される。

軸機構７はコンプレッサ回転子１（ケート回転子は図示
していない）とモータ回転子２を油不使用型端部軸受８
間に有し、両回転子間のケーシングのコンプレッサ部と
モータ部とを分ける仕切９を軸機構が通る。

低圧蒸気吸入口Ａと排出口Ｂはケーシング４の軸方向の
両端にあり、コンプレッサ回転子の高圧端にあるモータ
室１４はコンプレッサの排出室を形成し、圧縮蒸気は仕
切９０通路５を通りコンプレッサ室高圧端からモータ室
１４に供給される。

熱交換器１１で凝縮された蒸気の液の一部であって、コ
ンプレッサ回転子１とケーシング４間隙を十分に充たし
、且つコンプレッサ１０内の温度を圧縮すべき蒸気の飽
和温度付近に保つのに必要な液量がＤからコンプレッサ
室に噴入されるため、６からモータ室１４への排気は飽
和蒸気と液の混合である。

この排気混合物を浴びたモータ巻線は、コンプレッサ排
気がモータを越えて最終排出口Ｂより排出される前に液
の気化により冷却される。

以上述べられたように、本発明によれば効率の良い湿式
圧縮が可能なコンプレッサと圧縮系統が得られ、機械は
比較的低温に保たれる。

従来の′？頭射コンプレッサは圧縮ガスの飽和温度より
ずっと上で動作し欠点を伴う。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による圧縮機構の系統図、第２図はコン
プレッサの縦断面図である。 １・・・コンプレッサ回転子、２・・・モータ回転子、
３・・・モータ、４・・・ケーシング、１０・・・コン
プレッサ、１１・・・熱交換器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ コンプレッサ１０と同軸上に設けた駆動モータ３に
   よって駆動される軸流スクリュー型コンプレッサを使用
   し、該コンプレッサ出口Ｂから吐き出される圧縮気体又
   は蒸気を熱交換器１１により部分的に凝縮した後、該凝
   縮気体又は蒸気をシステム外部に送出す開回路の圧縮シ
   ステムにおいて、前記コンプレッサ１０と駆動モータ３
   は、共通のケーシング４内の、駆動軸７が貫通する仕切
   ９により分離された２つの室にそれぞれ収納され、前記
   コンプレッサの低圧入口Ａはケーシング４の一端に位置
   し、コンプレッサ回転子１の高圧端は前記仕切９の近く
   にあり、圧縮気体又は蒸気は前記仕切９に設けられた通
   路５を通ってモータ室１４に入シ、ケーシング４の他端
   でモータ室１４から出て熱交換器１１に入り、ここで凝
   縮された気体又は蒸気の液の一部をコンプレッサ回転子
   １の両端の中間点りでケーシング４を貫通してコンプレ
   ッサ１０室内に噴射させ、またこの噴射させる凝縮液の
   量はコンプレッサ１０を潤滑し且つコンプレッサ１０の
   隙間を殆ど満たし且つコンプレッサ１０の温度を圧縮さ
   れる気体又は蒸気の飽和温度付近に保持するのに充分で
   あり、コンプレッサ１０およびモータ３の駆動軸７用の
   無油軸受８のうちの１つは、コンプレッサ１０内の入口
   Ａ付近に、また他の１つはモータ室１４に設け、これに
   より入口側の軸受８が流入する低圧気体又は蒸気によっ
   て冷却されると共に、モータ室１４内のモータ３の捲線
   および軸受８の過熱はコンプレッサ１０からの圧縮気体
   又は蒸気の流れと、コンプレッサ１０内に噴射された凝
   縮液の蒸発による冷却作用によって防止されるようにし
   たことを特徴とする油の不要な気体又は蒸気の開回路圧
   縮システム。