特許 5920937 ターボコンプレッサーを制御する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5920937

(24)【登録日】2016年4月22日

(45)【発行日】2016年5月18日

(54)【発明の名称】ターボコンプレッサーを制御する方法

(51)【国際特許分類】

   F02C 9/20 20060101AFI20160428BHJP

   F02C 1/02 20060101ALI20160428BHJP

   F02C 6/00 20060101ALI20160428BHJP

   F02C 7/06 20060101ALI20160428BHJP

   F02C 7/143 20060101ALI20160428BHJP

   F02C 7/18 20060101ALI20160428BHJP

   F01D 25/12 20060101ALI20160428BHJP

   F01D 25/16 20060101ALI20160428BHJP

【ＦＩ】

   F02C9/20

   F02C1/02

   F02C6/00 B

   F02C7/06 Z

   F02C7/143

   F02C7/18 Z

   F01D25/12 E

   F01D25/16 A

   F01D25/16 C

【請求項の数】12

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2013-519120(P2013-519120)

(86)(22)【出願日】2011年7月4日

(65)【公表番号】特表2013-531175(P2013-531175A)

(43)【公表日】2013年8月1日

(86)【国際出願番号】FI2011050631

(87)【国際公開番号】WO2012007638

(87)【国際公開日】20120119

【審査請求日】2014年6月30日

(31)【優先権主張番号】20105800

(32)【優先日】2010年7月13日

(33)【優先権主張国】FI

(73)【特許権者】

【識別番号】513009543

【氏名又は名称】タンターボ オサケ ユキチュア

(74)【代理人】

【識別番号】100134832

【弁理士】

【氏名又は名称】瀧野 文雄

(74)【代理人】

【識別番号】100060690

【弁理士】

【氏名又は名称】瀧野 秀雄

(74)【代理人】

【識別番号】100070002

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 隆夫

(74)【代理人】

【識別番号】100165308

【弁理士】

【氏名又は名称】津田 俊明

(74)【代理人】

【識別番号】100110733

【弁理士】

【氏名又は名称】鳥野 正司

(72)【発明者】

【氏名】アラメアキ、ヤルモ

(72)【発明者】

【氏名】ライネ、キモ

(72)【発明者】

【氏名】エリックソン、ケネス

(72)【発明者】

【氏名】タンタリ、ユハ

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−１１９３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０５７４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０７７７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０９１７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２８６０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５２７５１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０５４３２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−１１５８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０００７８７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭５９−０２９７９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０８２４２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ１／００−１５／１２

２３／００−２５／３６

Ｆ０２Ｃ１／００−９／５８

Ｆ２３Ｒ３／００−７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも第１冷却器（３ａ、３ｂ）と、
少なくとも第１ステージターボコンプレッサー（１ａ）と、
第２ステージターボコンプレッサー（１ｂ）と、
アクチュエータ（１０）に供給される気体の圧力を上げるために、少なくとも１つのステージターボコンプレッサー（１ａ、１ｂ）を回転させる軸（５ａ）と、
タービン（２）と、
前記タービン（２）への圧縮気体の流量を調整する制御バルブ（４）と、を備え、
前記第１ステージターボコンプレッサー（１ａ）が、前記第１ステージターボコンプレッサーで圧縮される気体を前記第１冷却器（３ａ、３ｂ）に送る気体の排出口（１ｃ）、を有し、前記第２ステージターボコンプレッサー（１ｂ）が、取入口（１ｄ）を有するアクチュエータ（１０）であって、
前記第１冷却器（３ａ）が、前記第１ステージターボコンプレッサー（１ａ）の前記排出口（１ｃ）と前記第２ステージターボコンプレッサー（１ｂ）の前記取入口（１ｄ）との間に接続される、アクチュエータにおいて、
前記アクチュエータ（１０）は、前記軸（５ａ）を回転させるモータ（５）をさらに有し、
前記アクチュエータ（１０）が、前記タービン（２）を通じて流れる気体を用いて、前記ターボコンプレッサーのモータ（５）又は補助装置の少なくとも１つが冷却されるように、構成されている
ことを特徴とするアクチュエータ。

【請求項2】

前記タービン（２）が、前記軸（５ａ）に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。

【請求項3】

前記アクチュエータ（１０）が、前記軸（５ａ）に接続される発電機（９）をさらに有する
ことを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。

【請求項4】

前記アクチュエータ（１０）が、前記タービン（２）と接続する動力伝達に設けられる発電機（９）、をさらに有する
ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。

【請求項5】

前記制御バルブ（４）が、前記第１冷却器（３ａ）から前記タービン（２）に気体を送るために、設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。

【請求項6】

前記アクチュエータ（１０）が、気体の排出口（１ｃ）を備えた少なくとも第１ステージターボコンプレッサー（１ａ）と、気体の取入口（１ｄ）および気体の排出口（１ｅ）を備えた第２ステージコンプレッサーと、前記第１ステージターボコンプレッサーの排出口（１ｃ）と前記第２ステージターボコンプレッサーの取入口（１ｄ）との間に接続される第１冷却器（３ａ）と、前記第２ステージターボコンプレッサーの排出口（１ｅ）と前記アクチュエータの排出口（７）との間に接続される第２冷却器（３ｂ）と、を有する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。

【請求項7】

前記制御バルブ（４）が、前記第２冷却器（３ｂ）から前記タービン（２）に気体を送るために、設けられている
ことを特徴とする請求項５に記載のアクチュエータ。

【請求項8】

前記モータ（５）が、高速モータである
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のアクチュエータ。

【請求項9】

前記タービン（２）および／または前記モータ（５）の軸受が、空気軸受、気体軸受、または、空気または気体の軸受と磁気軸受との組み合わせの軸受で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のアクチュエータ。

【請求項10】

前記アクチェータ（１０）が、前記タービン（２）と前記制御バルブ（４）との間に接続される冷却器（３ｃ）をさらに有する
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のアクチュエータ。

【請求項11】

少なくとも第１冷却器（３ａ、３ｂ）と、
圧縮される気体を前記第１冷却器（３ａ、３ｂ）に送る排出口（１ｃ）を備えた少なくとも第１ターボコンプレッサー（１ａ）と、
気体の取入口（１ｄ）を備えた第２ターボコンプレッサー（１ｂ）と、
タービン（２）と、
前記タービン（２）への圧縮気体の流量を調整する制御バルブ（４）と、
少なくとも１つのターボコンプレッサー（１ａ、１ｂ）に接続され、かつ、アクチュエータに供給される気体の圧力を上げるために回転する軸（５ａ）と、を有し、
前記第１ターボコンプレッサーで圧縮される気体が、前記第１冷却器（３ａ）を介して前記第１ターボコンプレッサー（１ａ）の前記排出口（１ｃ）から前記第２ターボコンプレッサー（１ｂ）の前記取入口（１ｄ）まで提供される、アクチュエータ（１０）を制御する方法であって、
前記軸（５ａ）を回転させるために、モータ（５）を使用する工程と、
前記ターボコンプレッサーの前記モータ（５）又は補助装置の少なくとも１つを冷却するために、前記タービン（２）を通じて流れる気体を使用する工程と、を有する
ことを特徴とするアクチュエータを制御する方法。

【請求項12】

少なくとも第１冷却器（３ａ、３ｂ）と、
少なくとも第１ステージターボコンプレッサー（１ａ）と、
第２ステージターボコンプレッサー（１ｂ）と、
アクチュエータに供給される気体の圧力を上げるために、前記少なくとも１つのステージターボコンプレッサー（１ａ、１ｂ）を回転させる軸（５ａ）と
タービン（２）と、
前記タービンへの圧縮気体の流量を調整する制御バルブと、を備え、
前記１ステージターボコンプレッサーが、前記第１ステージターボコンプレッサー（１ａ）で圧縮される気体を前記第１冷却器（３ａ、３ｂ）に送る気体の排出口（１ｃ）、を有し、前記第２ステージターボコンプレッサー（１ｂ）が、取入口（１ｄ）を有するアクチュエータ（１０）の制御システムであって、
前記制御システムが、前記軸（５ａ）を回転させるモータ（５）をさらに有し、
前記制御システムが、前記タービン（２）を通じて流れる気体を用いて、前記ターボコンプレッサーのモータ（５）又は補助装置の少なくとも１つを冷却するように、構成されている
ことを特徴とするアクチュエータの制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アクチュエータ、特にターボコンプレッサーを制御するシステムおよび方法に関する。また、本発明は、少なくとも１つのターボコンプレッサーと、アクチュエータに供給される気体の圧力を上げるために、前記少なくとも１つのターボコンプレッサーを回転させる軸と、を有するアクチュエータに関する。ターボコンプレッサーには、圧縮気体を少なくとも１つの冷却器に送る排出口が設けられている。本発明のアクチュエータは、ターボ車輪の刃が高速で回転し、それにより気体の圧力を上げるターボ式コンプレッサーに関する。この圧力の上昇は、１つ以上のステージ（stage）で行われる。

【背景技術】

【0002】

容積式コンプレッサーおよび動的コンプレッサーの２種類のコンプレッサーが、主に知られている。容積式コンプレッサーは、例えば、スクリューコンプレッサー、ピストンコンプレッサー、ベーンコンプレッサーなどを含む。また、容積式コンプレッサーは、静的コンプレッサーと呼ばれている。動的コンプレッサーは、遠心タイプと軸流タイプとに分けられ、それぞれ、遠心コンプレッサーと軸流コンプレッサーと呼ばれている。動的コンプレッサーでは、空気が、その後圧力に変えられる高い運動エネルギーで提供される。また、動的コンプレッサーは、ターボコンプレッサーとも呼ばれている。

【0003】

ターボコンプレッサーを制御するための公知の方法としては、ターボコンプレッサーによって生成される空気量および圧力上昇が、特に、ターボコンプレッサーの空気入口に取り付けられる案内羽根によって、動翼輪の下側に取り付けられるディフューザー羽根によって、アクチュエータの回転速度を変化させることによって、圧力側から吸い込み側へ空気の一部を再循環することによって、または、バルブを介してプロセスから外に圧縮空気を吹き出すことによって、調整される。

【0004】

燃焼機関およびそれらターボドライブ（turbo drives）に関連するターボコンプレッサーを調整する公知の方法は、この分野の技術文献で公開されている。例えば、ターボコンプレッサー製造会社の出版物、特許文献１、特許文献２などで開示されている。

【0005】

ターボコンプレッサーを制御する公知の方法において、いくつかの欠点がある。例えば、従来のターボコンプレッサーを制御する方法は、スクリューコンプレッサーの容量制御の範囲と比べると、容量制御の狭い範囲を有することである。また、従来のターボコンプレッサーを制御する方法を用いたとき、例えば、必要とされる気体が変動するので、スクリューコンプレッサーの効率と比較すると、プロセスおよびアクチュエータの総合効率が低い。

【0006】

特許文献１で開示されている制御方法は、特に、燃料機関においてターボコンプレッサーの失速を防ぎ、ターボコンプレッサーでオイルレス圧縮空気（oilless compressed air）を生成しないように、構成されている。

【0007】

また、特許文献２に開示されている発明では、タービンによって圧力を生成する方法が、１つのコンプレッサーユニットでタービンユニットを一体化することにより、行われている。１つのコンプレッサーユニットは、それ自体知られているターボチャージャー構造に対応している。他のコンプレッサーユニットは、それら自身の別々のモータユニットを有している。それらモータユニットは、増速装置を備えることができるが、備えていなくてもよい。特許文献２による方法では、余分な空気／気体、言い換えると、プロセスにおいて一時的に必要とされていない空気／気体が、１つのコンプレッサーユニットで必要とされる軸出力を提供するために、連続的にタービンに導かれる。このため、この方法では、コンプレッサーユニットの動作点、例えば、効率や回転速度を変更することなく、広い調節範囲で圧縮空気の生成を調整することができない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００８−２８６０３９号公報

【特許文献2】ＷＯ１９９９０４９２２２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

そこで、この特許出願に関する本発明の目的は、ターボコンプレッサーを制御する従来の方法における上述の欠点を解決することである。また、気体量を生成する方法およびその方法の制御システムの改善を提供することである。本発明の装置は、さらに広い動作速度によって達成される出力調整（output adjustment）を補うために用いられることができる。動作速度が、場合によってはゼロ出力まで下がって用いることが可能である。また、同時に、本発明の装置は、タービンホイールにおける気体膨張で生成されるエネルギーをプロセスに戻すことによって、エネルギー消費を減らすことができる。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の有利な実施形態における装置は、すでに圧縮された気体が、バルブを通じてタービンホイールに導かれ、その気体が膨張したときに、タービンホイールを用いてタービンを回転させて、気体を圧縮するために必要とされる一部のエネルギーを戻すような方法で、動作する。

【0011】

タービンホイールは、発電機、ターボホイール、または、発電機とターボホイールとの組み合わせを回転させるために、気体を圧縮する１つ以上のターボホイールと同じ軸、または、別の軸に配置することができる。

【0012】

多段ターボコンプレッサーでは、タービンホイールの気体が、さまざまなステージから供給されることができる。例えば、冷却器間の上流や下流、および、冷却器後の上流や下流から気体を供給することができる。

【0013】

また、本発明の装置は、単段式実施（single-stage implementation）および多段式実施（multistage implementation）の両方で、ターボコンプレッサーと同じハウジングに組み込むことができる。

【0014】

具体的には、本発明のアクチュエータが、主にタービンと制御バルブをさらに有する。制御バルブによって、ターボコンプレッサーで生成されるタービンへの圧縮気体の流量が、制御される。

【0015】

本発明の方法は、アクチュエータが、タービンおよび制御バルブをさらに有していることが、主に特徴である。この方法では、ターボコンプレッサーで生成されるタービンへの圧縮気体の流量が、制御バルブによって制御される。

【0016】

本発明の制御システムは、制御システムが、タービンおよび制御バルブをさらに有していることが、主に特徴である。この制御バルブによって、ターボコンプレッサーで生成されるタービンへの圧縮気体の流量が、制御される。

【0017】

本発明のアクチュエータでは、一定の回転速度で、または、アクチュエータの効率または送出し圧力が実質的に妨げられないような範囲まで回転速度を変化させることによって、調整が行われる。圧力が、プロセスにおいて増加し始めたとき、つまり、気体の必要性が減ったとき、ターボコンプレッサーで異なるステージの間に設けられたバルブ、または、異なるステージの後に設けられたバルブが、開かれる。空気の流れの一部は、ターボコンプレッサーに一体化されるタービンユニットや別のタービンユニットのようなアクチュエータに案内される。このため、タービンユニットが、ターボコンプレッサーと同じ軸に取り付けられた場合、モータで必要とされる動力が、減少する。タービンユニットが、別々の発電機軸に取り付けられている場合には、タービンユニットで回転する発電機が、プロセスに電力を回復するために、用いられることができる。

【0018】

本発明と特許文献１との最も重要な違いは、ターボコンプレッサーの動作で必要とされる軸出力を生み出す余分なプロセスの空気／気体の利用である。

【0019】

本発明による方法では、ターボコンプレッサーを通る気体量が、ほとんど一定である。この動作は、最良の効率範囲でいつも行われることができる。特許文献１で開示されている方法では、タービンを通して循環する余分な空気／気体が、コンプレッサーユニットに戻ってくる。このため、コンプレッサーを通じて流れる空気／気体の量（および、コンプレッサーの回転速度）が、プロセスが調整される際に常に変化されるので、その結果、コンプレッサーは、最適な効率範囲でほとんど動作しない。

【0020】

また、特許文献２と比較すると、本発明における方法は、特に、プロセスで一時的に必要とされていないタービンへの余分な空気／気体の運搬を調節することができる点で、有利である。したがって、ターボコンプレッサーユニットの動作点を変更する必要がなく、広い調整範囲で圧縮空気の出力を調整することが可能である。

【0021】

以下に、添付の図面を参照して更に詳細に本発明を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1A】縮小図で本発明の好ましい実施形態に係る制御システムを示す。

【図1B】縮小図で本発明の第２の有利な実施形態に係る装置を示す。

【図1C】縮小図で本発明の第３の有利な実施形態に係る装置を示す。

【図1D】縮小図で本発明の第４の有利な実施形態に係る装置を示す。

【図2】本発明の有利な実施形態に係る装置における制御特性曲線を示す。

【図3】本発明を適用することができるプロセスシステムを示す

【図4】フローチャートで本発明の好ましい実施形態に係る方法を示す。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１は、縮小図でアクチュエータ１０を制御する本発明の有利な実施形態に係る制御システムを示す。アクチュエータ１０は、例えば、モータ５と、そのモータ５の軸５ａに関連して設けられるターボコンプレッサー１ａ、１ｂと、を有するターボコンプレッサーである。それらターボコンプレッサー１ａ、１ｂは、羽根車などであってもよく、その回転動作が、空気または他の気体圧力の上昇を生む。つまり、気体が、より小さな体積に圧縮される。また、ターボコンプレッサー１０は、１つ以上の冷却器３ａ、３ｂを有している。冷却器３ａ、３ｂは、圧縮空気システムにおけるコンプレッサー１ａ、１ｂの間に接続されている。さらに、ターボコンプレッサー１０は、タービン２と、制御バルブ４と、を有する。また、ターボコンプレッサー１０には、空気または気体をターボコンプレッサー１０に運ぶための取入口６と、それに応じて、ターボコンプレッサー１０から外に、例えば、プロセス１１に、圧縮空気を運ぶための排出口７とが、設けられている。また、タービン２は、タービン２から空気または気体を排出するための排出口８を備えることができる。

【0024】

図４のフローチャートを参照して、図１に係るシステムの動作を以下に記載する。空気または他の気体は、取入口６を通じてターボコンプレッサー１０に供給される。空気または他の気体は、取入口６から第１ステージターボコンプレッサー１ａに運ばれる（図４のブロック４０１）。また、モータ５の軸５ａの回転動作は、ターボコンプレッサー１ａ、１ｂの回転を生み出す。このため、ターボコンプレッサー１ａ、１ｂの羽根車の動作は、気体の圧力および温度を上げる（ブロック４０２）。圧縮気体は、気体の温度を下げるために、第１ステージターボコンプレッサーの排出口１ｃおよび流路を通して第１冷却器３ａに導かれる（ブロック４０３）。第１冷却器３ａから、気体は、例えば、取入口１ｄを通じて第２ステージターボコンプレッサー１ｂに運ばれる（ブロック４０４）。第２ステージターボコンプレッサー１ｂの羽根車は、また、モータ軸５ａに関連する。モータ軸５ａの回転動作は、動翼輪の回転を生み出し、さらに気体圧力を増加させる。第２ステージターボコンプレッサー１ｂから、圧縮気体は、例えば、排出口１ｅを通じて、気体温度を下げるために第２冷却器３ｂに導かれる（ブロック４０５）。第２冷却器３ｂから、圧縮気体は、排出口７を通じて、例えば、プロセス１１に導かれる（ブロック４０６）。

【0025】

プロセス１１で圧力が上昇し始めている状態では、すなわち、プロセス１１における気体要求が減少する状態では、制御バルブ４が、ターボプロセッサー１０の気体の一部をタービン２に案内することに用いられる（ブロック４０７）。図１Ａに示されている装置では、タービン２に流れる気体は、タービン２がモータ５における動力供給の必要性を減らす効果を有する。つまり、タービン２が、気体を圧縮するために必要とされるエネルギーの一部をモータ軸５ａに戻す。タービンに導かれた気体の一部は、タービンの排出口８を通じて、例えば、大気中に送られたり、ターボコンプレッサーの取入口６に戻したりすることができる。

【0026】

プロセス１１の圧力が低下し始めたとき、制御バルブ４を閉方向に調整することができる、または、全体的に閉じることができる。このため、タービン２に導かれる気体量は減少する、あるいは、タービンへの気体の供給が停止される。再度、調整の必要がある場合には、制御バルブ４を用いて上述の方法で行うことができる。このように、気体の一部をタービン２に案内することにより、モータ５の回転速度を調整することに加えて、動力制御と同時にシステムの効率を調整することができる。

【0027】

調整中、モータ軸５ａの回転速度を変更することは、全く必要ない。あるいは、ターボコンプレッサー１０の効率または送出し圧力が、実質的に減らされないような範囲で、モータ軸５ａの回転速度が変更されるだけである。

【0028】

上述のステップは、必要に応じて、繰り返すことができる。

【0029】

図１Ａに示す実施形態では、タービン２が、コンプレッサー１ａ、１ｂと同じ軸に設けられている。この軸は、有利なモータ軸５ａであるが、モータ軸５ａと接続する動力伝達である他の軸であってもよい。また、図１Ａの配置では、発電機が、タービン２およびターボコンプレッサー１ａ、１ｂを接続する軸に結合されるような方法で、実施されることができ、特に、気体がタービン２を回転させるために利用される状況で、電力が生成される。この電力は、例えば、モータ５やプロセス１１（図３）に供給されることができる。

【0030】

図１Ｂは、本発明の他の有利な実施形態に係る制御システムを示す。図１Ａの実施形態との違いは、主に、タービン２がモータ軸５ａに接続されていないことであるが、それは別の要素として実施される。したがって、タービン２は、発電機９を回転させるために設けられている。このため、気体の一部が、制御バルブ４を通じてタービン２に導かれる状態では、タービン２の回転運動は、発電機でモータ５に供給される電力を発生させる効果を有する。これは、他のエネルギー源からモータ５で必要とされる電力量を減らす。

【0031】

図１Ｃは、本発明の第３の有利な実施形態に係る制御システムを示す。図１Ａの実施形態との違いは、主に、タービン２に供給される気体が、冷却器３ｃで冷却されることである。このため、タービン２から出力される気体の温度が、冷却器３ｃを用いていない場合よりも、低くすることができる。また、制御バルブ４の排出口とタービン２の取入口との間に冷却器を設けることにより、冷却器３ｂが、図１Ｂに示されている実施形態で実行されることができることは明らかである。

【0032】

図１Ｄは、本発明の第４の有利な実施形態に係る制御システムを示す。図１Ｂの実施形態との違いは、主に、タービン２が、発電機に接続されておらず、第１ステージターボコンプレッサー１ａに接続されていることである。つまり、タービン２は、第１ステージターボコンプレッサー１ａを回転させるために、設けられている。したがって、気体の一部が、制御バルブ４を通じてタービン２に導かれる状況では、タービン２の回転動作が、第１ステージターボコンプレッサー１ａの動翼輪を回転させる。第１ステージターボコンプレッサー１ａは、入ってくる気体の圧力を上げる。ある実施形態では、動力が、モータ５とタービン２の両方から第１ステージターボコンプレッサー１ａに送られることができる。そのような組み合わせた動力送信配置は、ギアシステムなどを必要とする。ギアシステムなどによって、２つの異なる動力源から送られる動力は、制御される方法で、第１ステージターボコンプレッサー１ａに送ることができる。

【0033】

上述の記載から分かるように、本発明の制御システムは、従来よりも優れ、かつ、より広い範囲で調整を達成するために、用いることができる。

【0034】

２つのステージターボコンプレッサーが、上述の実施形態で適用されたが、２つのステージ以上、例えば、３つ、４つのステージであってもよいのは明らかである。

【0035】

図２は、制御特性曲線の例を示す。横軸が体積流量であり、縦軸が圧力である。体積流量の値Ｘは、予測値（projected value）（１００％）を示し、圧力値Ｙは、対応する目標圧力を示す。曲線Ａは、モータの回転速度ｎ₀で、従来のターボコンプレッサーシステムの特性曲線（体積流量と圧力の比率）を示す。曲線Ａは、モータの回転速度ｎ₀で、従来のターボコンプレッサーシステムの特性曲線（体積流量と圧力の比率）を示す。曲線Ｂは、回転速度ｎ₀よりも速い所定の最大回転速度ｎ₁で、従来のシステムの特性曲線を示す。曲線Ｃは、回転速度ｎ₀よりも遅い所定の最小回転速度ｎ₁で、従来のシステムの特性曲線を示す。文字Ｚは、本発明のシステムによって達成されることができる体積流量／圧力の比率を示す。モータ軸５ａの対応する回転速度は、ｎ_-1である。従来の装置では、回転速度ｎの調整が、１００％の予測値より低いほんの少しのパーセントだけで、体積流量を減らすために用いられることができる。本発明の方法では、ほとんど回転速度を減らすことなく、予測値の半分より低い値を達成することが可能である。有利な実施形態では、予測値の約２０％の値さえも達成することができる。したがって、本発明では、優れた効率が達成される。

【0036】

ある有利な実施形態では、予想圧力値が、６〜１０バール［ｂａｒ］の順番にすることができるが、これより高い、例えば、１３バールにしてもよい。また、予想圧力値をこれより低く、例えば、１バール以下にしてもよい。

【0037】

本発明は、とても広い動力範囲での使用に適している。ターボコンプレッサー１０の電力は、例えば、１００ｋＷ〜１ＭＷの間でもよい。また、その電力を、１００ｋＷよりも低くしたり、１ＭＷより高くしたりすることもできる。

【0038】

図３は、プロセス１１のさらに他の実施形態を示す。本発明のアクチュエータを用いることができる。プロセス１１は、圧縮気体が必要とされる任意の制御対象（process）である。プロセス１１またはターボコンプレッサー１０の排出口７には、例えば、プロセッサ１１に供給される気体の圧力を測定する圧力センサ１２などが設けられている。圧力センサ１２で得られた測定データは、制御ユニット１３に送られる。制御ユニットは、例えば、制御バルブ４を調整する必要がある場合、測定データを基準値と比較して、その比較に基づいて決定することができる。圧力が、基準値を上回った場合には、制御ユニット１３は、制御バルブ４を開かなければならない情報を、制御バルブ４の制御手段４ａに送る。ある実施形態では、制御ユニット１３は、制御バルブ４の位置の変化をもたらす電圧などの信号を直接生成してもよい。このような場合、制御バルブの制御手段４ａは、必要ではない。

【0039】

一方、圧力が、所定の限界値まで下がった場合には、制御ユニット１３は、タービン２への気体の流量を減らしたり、全体的に気体の流量を抑えたりする気体の閉方向に、制御バルブ４を制御することができる。

【0040】

また、制御バルブ４は、開閉位置以外の他の位置に設けられていてもよい。状況に応じて、タービン２へ導かれる気体量が、最大値と最小値との中間ぐらいであってもよい。

【0041】

上述の実施形態では、気体が、第２ステージターボコンプレッサー１ｂの下流でタービン２に供給されたが、多段ターボコンプレッサーにおいて、気体が、さまざまなステージから供給されることができる。例えば、冷却器１ａ、１ｂの間の上流や下流、または、冷却器１ａ、１ｂ後の上流や下流で気体を供給することができる。

【0042】

また、本発明の装置は、単段式実施および多段式実施の両方で、ターボコンプレッサーと同じハウジングに組み込むことができる。

【0043】

ある実施形態では、タービン２のユニットを通じて流れる気体のすべて、または、気体の一部が、ターボコンプレッサーのモータ５、補助装置、および／または、ターボコンプレッサー１０で生成される気体を冷却するために、利用されることができる。

【0044】

本発明のある実施形態では、コンプレッサー１ａおよびタービン２の調整が、高速技術を利用することによって実行される。アクチュエータの周辺速度は、一般的に１００ｍ／ｓ以上である。例えば、高速モータをモータ５として用いることができる。

【0045】

本発明のある実施形態では、コンプレッサー１ａ、１ｂの軸受、タービン２の軸受、および／または、モータ５の軸受は、空気軸受、気体軸受、空気または気体軸受と磁気軸受との組み合わせのハイブリッド軸受などで、実行されることができる。

【0046】

本発明は、上述に記載した実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

【符号の説明】

【0047】

１ａ、１ｂ ターボコンプレッサー
１ｃ、１ｅ、７ 排出口
１ｄ、６ 取入口
２ タービン
３ａ、３ｂ 冷却器
４ 制御バルブ
５ モータ
５ａ 軸
１０ アクチュエータ

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2】

【図3】

【図4】