特許 6288886 圧縮機システム

(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】6288886

(24)【登録日】2018年2月16日

(45)【発行日】2018年3月7日

(54)【発明の名称】圧縮機システム

(51)【国際特許分類】

   F04D 25/16 20060101AFI20180226BHJP

   F04D 17/12 20060101ALI20180226BHJP

【ＦＩ】

   F04D25/16

   F04D17/12

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-548493(P2016-548493)

(86)(22)【出願日】2014年9月18日

(86)【国際出願番号】JP2014074696

(87)【国際公開番号】WO2016042639

(87)【国際公開日】20160324

【審査請求日】2016年11月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】310010564

【氏名又は名称】三菱重工コンプレッサ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100126893

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(72)【発明者】

【氏名】小林 雅博

(72)【発明者】

【氏名】毛利 靖

(72)【発明者】

【氏名】畑谷 岳志

【審査官】 松浦 久夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０４５４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５２７５１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２４６１９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−００５４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２４６２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公昭４７−０１１９４７（ＪＰ，Ｙ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｄ ２５／１６

Ｆ０４Ｂ ４１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転駆動される第一出力軸と、前記第一出力軸と同じ回転数となるように回転駆動される第二出力軸とを有する駆動機と、
前記第一出力軸の回転が伝達され、作動流体を圧縮する第一圧縮機と、
前記第二出力軸の回転が伝達され、作動流体を圧縮する第二圧縮機と、
前記第一出力軸の回転数を増加させて前記第一圧縮機に伝達させ、増加させた回転数を変化可能とする可変速増速機と、
前記第二出力軸の回転数を増加させて前記第二圧縮機に伝達させ、増加させた回転数を一定とする一定速増速機とを備え、
前記第一圧縮機は、低圧側圧縮機であり、
前記第二圧縮機は、高圧側圧縮機である圧縮機システム。

【請求項2】

回転駆動される第一出力軸と、前記第一出力軸と同じ回転数となるように回転駆動される第二出力軸とを有する駆動機と、
前記第一出力軸の回転が伝達され、作動流体を圧縮する第一圧縮機と、
前記第二出力軸の回転が伝達され、作動流体を圧縮する第二圧縮機と、
前記第一出力軸の回転数を増加させて前記第一圧縮機に伝達させ、増加させた回転数を変化可能とする可変速増速機と、
前記第二出力軸の回転数を増加させて前記第二圧縮機に伝達させ、増加させた回転数を一定とする一定速増速機とを備え、
前記第二圧縮機は、回転することで前記作動流体を圧縮するインペラの周速をマッハ数０．８以下として運転される圧縮機システム。

【請求項3】

前記第二圧縮機は、回転することで前記作動流体を圧縮するインペラの周速をマッハ数０．８以下として運転される請求項１に記載の圧縮機システム。

【請求項4】

前記第二圧縮機は、回転することで前記作動流体を圧縮するインペラを少なくとも六枚有する請求項２または請求項３に記載の圧縮機システム。

【請求項5】

前記駆動機から前記第二圧縮機へ伝達されるヘッドが、前記第一圧縮機へ伝達されるヘッドと前記第二圧縮機へ伝達されるヘッドとを合わせた前記駆動機から伝達される全ヘッドの６０％以上を占める請求項１から４のいずれか一項に記載の圧縮機システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、１つの駆動機で複数の圧縮機を駆動する圧縮機システムに関する。

【背景技術】

【0002】

各種の動力源として用いられる圧縮流体を生成する軸流圧縮機や遠心圧縮機等の圧縮機には、駆動機（モータ）によって駆動されるものがある（例えば特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０００−５０５５２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、１台の駆動機に、増速機または減速機を介して高圧側の圧縮機と低圧側の圧縮機とを直列に連結し、駆動機によりこれら２台の圧縮機を駆動する圧縮機システムがある。そして、このような圧縮機システムでは、高圧側の圧縮機および低圧側の圧縮機から送り出される作動流体の出口圧力を一定とした状態で、広い運転範囲で運転を行いたいという要望がある。

【0005】

この発明は、１台の駆動機で複数台の圧縮機を駆動する構成において、出口圧力を一定とする運転を行う場合であっても、より広い運転条件範囲を確保し、安定した運転を行うことのできる圧縮機システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明に係る第一態様によれば、圧縮機システムは、回転駆動される第一出力軸と、前記第一出力軸と同じ回転数となるように回転駆動される第二出力軸とを有する駆動機と、前記第一出力軸の回転が伝達され、作動流体を圧縮する第一圧縮機と、前記第二出力軸の回転が伝達され、作動流体を圧縮する第二圧縮機と、前記第一出力軸の回転数を増加させて前記第一圧縮機に伝達させ、増加させた回転数を変化可能とする可変速増速機と、前記第二出力軸の回転数を増加させて前記第二圧縮機に伝達させ、増加させた回転数を一定とする一定速増速機とを備え、前記第一圧縮機は、低圧側圧縮機であり、前記第二圧縮機は、高圧側圧縮機である。

【0007】

上記構成によれば、出口圧力を一定に維持するように運転させる際に、広い運転範囲で圧縮機システムを運転することができる。

【0009】

上記構成によれば、圧縮機システムの出口圧力の低下を抑えることができ、運転範囲を広げながら出力を安定して保つことができる。

【0010】

この発明に係る第三態様によれば、圧縮機システムは、第一または第二態様の圧縮機システムにおいて、前記第二圧縮機は、回転することで前記作動流体を圧縮するインペラの周速をマッハ数０．８以下として運転されるようにしてもよい。

【0011】

この発明に係る第四態様によれば、圧縮機システムは、第三態様の圧縮機システムにおいて、前記第二圧縮機は、回転することで前記作動流体を圧縮するインペラを少なくとも六枚有するようにしてもよい。

【0012】

上記構成によれば、第二圧縮機は、第一圧縮機に比べてフラットで広い運転範囲を有することができる。

【0013】

この発明に係る第五態様によれば、圧縮機システムは、前記駆動機から前記第二圧縮機へ伝達されるヘッドが、前記第一圧縮機へ伝達されるヘッドと前記第二圧縮機へ伝達されるヘッドとを合わせた前記駆動機から伝達される全ヘッドの６０％以上を占めるようにしてもよい。

【0014】

上記構成によれば、第一圧縮機で流量を調整した場合に、変動を極力抑えて安定した運転が行うことができる。

【発明の効果】

【0015】

上述した圧縮機システムによれば、第一圧縮機の回転数を可変とし、第二圧縮機の回転数を一定とすることで、１台の駆動機で複数台の圧縮機を駆動する構成において、出口圧力を一定とする運転を行う場合であっても、より広い運転条件範囲を確保し、安定した運転を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】この発明の実施形態における圧縮機システムの概略構成を示す図である。

【図2】この発明の実施形態に高圧側圧縮機に配置された複数のインペラを説明する図である。

【図3】この発明の実施形態における低圧側圧縮機及び高圧側圧縮機に用いられるインペラを説明する図である。

【図4A】この発明の実施形態における圧縮機システムの低圧側圧縮機における流量とヘッドとの関係を示す図である。

【図4B】この発明の実施形態における圧縮機システムの高圧側圧縮機における流量とヘッドとの関係を示す図である。

【図4C】この発明の実施形態における圧縮機システムにおける流量と出口圧力との関係を示す図である。

【図5】この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例の概略構成を示す図である。

【図6A】この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例の低圧側圧縮機における流量とヘッドとの関係を示す図である。

【図6B】この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例の高圧側圧縮機における流量とヘッドとの関係を示す図である。

【図6C】この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例における流量と出口圧力との関係を示す図である。

【図7】この発明の実施形態における圧縮機システムの他の比較検討例の概略構成を示す図である。

【図8A】この発明の実施形態における圧縮機システムの他の比較検討例の低圧側圧縮機における流量とヘッドとの関係を示す図である。

【図8B】この発明の実施形態における圧縮機システムの他の比較検討例の高圧側圧縮機における流量とヘッドとの関係を示す図である。

【図8C】この発明の実施形態における圧縮機システムの他の比較検討例における流量と出口圧力との関係を示す図である。

【図9A】９この発明の実施例における圧縮機システムの低圧側圧縮機における質量流量とヘッドとの関係を示す図である。

【図9B】９この発明の実施例における圧縮機システムの高圧側圧縮機における質量流量とヘッドとの関係を示す図である。

【図9C】９この発明の実施例における圧縮機システムの質量流量と、低圧側圧縮機及び高圧側圧縮機のそれぞれのヘッドとの関係をまとめた状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１は、この発明の実施形態における圧縮機システムの概略構成を示す図である。図２は、この発明の実施形態に高圧側圧縮機に配置された複数のインペラを説明する図である。図３は、この発明の実施形態における低圧側圧縮機及び高圧側圧縮機に用いられるインペラを説明する図である。図４Ａは、この発明の実施形態における圧縮機システムの低圧側圧縮機における流量とヘッドとの関係を示す図である。図４Ｂは、この発明の実施形態における圧縮機システムの高圧側圧縮機における流量とヘッドとの関係を示す図である。図４Ｃは、この発明の実施形態における圧縮機システムにおける流量と出口圧力との関係を示す図である。

【0018】

図１に示すように、本実施形態の圧縮機システム１０は、駆動機１１と、低圧側圧縮機（第一圧縮機）１２と、高圧側圧縮機（第二圧縮機）１３と、可変速増速機１４と、一定速増速機１５と、を備えている。

【0019】

駆動機１１は、増速機または減速機を介して二台の圧縮機を直列に連結して同時に駆動させる。駆動機１１は、回転駆動される第一出力軸１１ａと、第一出力軸１１ａと同じ回転数となるように回転駆動される第二出力軸１１ｂとを有する。本実施形態の駆動機１１は、電動モータであり、常に一定速で第一出力軸１１ａ及び第二出力軸１１ｂを駆動する。駆動機１１は、第一出力軸１１ａと、第二出力軸１１ｂとを同軸上に配置している。第一出力軸１１ａは、駆動機１１の本体を挟んで第二出力軸１１ｂと反対側に配置されている。

【0020】

低圧側圧縮機１２は、駆動機１１の一方の出力軸である第一出力軸１１ａの回転が伝達されて駆動される。本実施形態の低圧側圧縮機１２は、外部から取り込んだ作動流体を圧縮し、高圧側圧縮機１３の入口側に送給する。

【0021】

高圧側圧縮機１３は、駆動機１１の他方の出力軸である第二出力軸１１ｂの回転が伝達されて駆動される。高圧側圧縮機１３は、低圧側圧縮機１２よりも高い圧力で作動流体を圧縮する。本実施形態の高圧側圧縮機１３は、低圧側圧縮機１２で圧縮された作動流体をさらに圧縮する。高圧側圧縮機１３は、低圧側圧縮機１２を介することで、二段階にわたって圧縮された作動流体を使用するプロセス側へと供給される。

【0022】

可変速増速機１４は、第一出力軸１１ａの回転数を増加させて低圧側圧縮機１２に伝達させる。可変速増速機１４は、増加させた回転数を変化可能とされている。本実施形態の可変速増速機１４は、低圧側圧縮機１２の回転軸１２ａに接続されている。本実施形態の可変速増速機１４は、増速比が可変である。例えば、可変速増速機１４は、駆動機１１が一定速で運転されると、第一出力軸１１ａの回転数を増速させた後の回転数である定格出力時の回転数を１００％とした場合に、例えば、１０５％から７０％程度の範囲内で変化させ、低圧側圧縮機１２に伝達することが可能とされている。

【0023】

一定速増速機１５は、第二出力軸１１ｂの回転数を増加させて高圧側圧縮機１３に伝達させる。本実施形態の一定速増速機１５は、高圧側圧縮機１３の回転軸１３ａに接続されている。一定速増速機１５は、増加させた回転数を一定に維持する。つまり、本実施形態の一定速増速機１５は、増速比が固定である。例えば一定速増速機１５は、第一出力軸１１ａの回転数を定格出力時の回転数である１００％まで増加させ、高圧側圧縮機１３に伝達する。

【0024】

本実施形態の低圧側圧縮機１２及び高圧側圧縮機１３は、可変速増速機１４や一定速増速機１５に接続された回転軸１２ａ、１３ａに、複数のインペラ２０が並んで取り付けられている。

【0025】

具体的には、低圧側圧縮機１２及び高圧側圧縮機１３では、複数のインペラ２０が回転軸１２ａ、１３ａの延びる軸方向に間隔を空けて複数並んで配置されて不図示のケーシングの内部に収容されている。例えば、本実施形態の高圧側圧縮機１３では、図２に示すように、作動流体が流入する軸方向の最も一方側（図２における紙面左側）の最前段に配置される第一段インペラ２１から、作動流体が流出する軸方向の最も他方側（図２における紙面右側）の最後段に配置される第６段インペラ２６までの六枚のインペラ２１、２２、２３、２４、２５、２６を有している。

【0026】

図３に示すように、各々のインペラ２１、２２、２３、２４、２５、２６は、略円盤状のディスク３０と、ディスク３０の表面に立ち上がるように放射状に取り付けられて周方向に並んだ複数のブレード４０と、複数のブレード４０を周方向に覆うように取り付けられたカバー５０とを有する。
なお、各々のインペラ２１、２２、２３、２４、２５、２６のいずれか、またはすべては、カバー５０を有していないオープンインペラであってもよい。

【0027】

また、一定速の一定速増速機１５を介して運転される高圧側圧縮機１３は、流量の変動に対し、ヘッド性能が広い運転範囲で変動の少ないフラットな特性を得ることようにすることが好ましい。例えば、本実施形態の高圧側圧縮機１３では、インペラ２０の周速を可能な限り抑えることが好ましい。具体的には、本実施形態の高圧側圧縮機１３では、インペラ２０の周速をマッハ数０．８以下として運転されるように、一定速増速機１５で増速させる定格出力時の回転数を調整することが好ましい。

【0028】

流量の変動に対し、ヘッド性能が広い運転範囲で変動の少ないフラットな特性を得る他の構成としては、例えば、本実施形態の高圧側圧縮機１３では、インペラ２０の枚数を極力増やすことが好ましい。具体的には、本実施形態の高圧側圧縮機１３では、インペラ２０の枚数を一つの回転軸１３ａに対して少なくとも六枚以上とすることが好ましい。

【0029】

また、本実施形態の圧縮機システム１０では、低圧側圧縮機１２と高圧側圧縮機１３とに対して、駆動機１１から伝達されるヘッドを均等に配分するのではなく、一定速で回転される高圧側圧縮機１３へ伝達されるヘッドが低圧側圧縮機１２へ伝達されるヘッドに対して大きくなるように駆動機１１から供給することが好ましい。本実施形態では、高圧側圧縮機１３へ伝達されるヘッドは、低圧側圧縮機１２へ伝達されるヘッドと高圧側圧縮機１３へ伝達されるヘッドとを合わせた駆動機１１から伝達される圧縮機システム１０としての全ヘッドに対して６０％以上を占めることが好ましい。

【0030】

このような圧縮機システム１０では、図４Ａに示すように、低圧側圧縮機１２は、可変速増速機１４における増速比を変動させることで、回転数を可変として運転することができる。本実施形態では、低圧側圧縮機１２は、可変速増速機１４における増速比を変動させることによって、定格出力に対して例えば７０％〜１００％とした回転数で運転されている。

【0031】

図４Ａは、低圧側圧縮機１２を、定格出力に対して例えば７０％〜１００％とした回転数で運転した場合の、作動流体の流量と、低圧側圧縮機１２におけるヘッドとの関係である。この図４Ａに示すように、低圧側圧縮機１２は、サージラインＬｓ以下の範囲で、７０％のラインＬ１と、１００％のラインＬ２との間で運転した場合、流量と入口側と出口側との圧力差であるヘッドとの関係は、所定の領域を有する範囲Ｄ１のようになる。

【0032】

また、図４Ｂに示すように、高圧側圧縮機１３は、一定速増速機１５の増速比が固定であるので、一定の回転数で運転される。高圧側圧縮機１３は、圧縮機システム１０における出力（出口圧力）を高く保つために、なるべく定格出力に近い回転数で運転するのが好ましい。本実施形態では、高圧側圧縮機１３は、例えば定格出力に対して１００％の回転数で運転されている。

【0033】

図４Ｂは、高圧側圧縮機１３を、定格出力に対して例えば１００％とした回転数で運転した場合の、作動流体の流量と、高圧側圧縮機１３におけるヘッドとの関係である。この図４Ｂに示すように、高圧側圧縮機１３は、サージラインＬｓ以下の範囲で、１００％のラインＬ３上で運転した場合、流量と入口側と出口側との圧力差であるヘッドとの関係は、ライン状に示される範囲Ｄ２のようになる。

【0034】

圧縮機システム１０においては、上記のような低圧側圧縮機１２および高圧側圧縮機１３で圧縮した作動流体を、プロセス側に出力する。このとき、低圧側圧縮機１２を図４Ａに示した範囲Ｄ１で運転し、高圧側圧縮機１３を図４Ｂに示した範囲Ｄ２で運転すると、圧縮機システム１０から出力される作動流体の流量と出口圧力との関係は、図４Ｃに示す範囲Ｄ３となる。そのため、圧縮機システム１０において、出口圧力を一定の圧力Ｐ１に維持しようとすると、範囲Ｄ３と圧力Ｐ１とが重なり合うラインが運転範囲Ｄ３ａとなる。

【0035】

ここで、仮に、低圧側圧縮機１２側の増速機を一定速とした場合や駆動機１１を可変とした場合との比較を行う。

【0036】

（比較検討例１）
図５は、この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例１の概略構成を示す図である。図６Ａは、この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例１の低圧側圧縮機１２における流量とヘッドとの関係を示す図である。図６Ｂは、この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例１の高圧側圧縮機１３における流量とヘッドとの関係を示す図である。図６Ｃは、この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例１における流量と出口圧力との関係を示す図である。

【0037】

図５に示すように、比較検討例１としての圧縮機システム１Ａは、図１に示した本実施形態の構成と同様に、駆動機１１と、低圧側圧縮機１２と、高圧側圧縮機１３と、一定速増速機１５と、を備える。圧縮機システム１Ａは、可変速増速機１４に代えて、駆動機１１と低圧側圧縮機１２との間に、増速比が固定の一定速増速機４を備える。

【0038】

このような構成の圧縮機システム１Ａでは、図６Ａに示すように、一定速増速機４の増速比が固定であるので、一定の回転数で運転される。例えば、低圧側圧縮機１２は、サージラインＬｓ以下の範囲で、定格出力に対して例えば１００％の回転数で運転すると、流量と入口側と出口側との圧力差であるヘッドとの関係は、１００％のラインＬ１１上でライン状に示される範囲Ｄ１１のようになる。

【0039】

また、図６Ｂに示すように、高圧側圧縮機１３は、一定速増速機１５の増速比が固定であるので、一定の回転数で運転される。例えば、高圧側圧縮機１３は、サージラインＬｓ以下の範囲で、例えば１００％の定格出力の回転数で運転すると、１００％のラインＬ１２上で、流量と入口側と出口側との圧力差であるヘッドとの関係は、ライン状に示される範囲Ｄ１２に示すようになる。

【0040】

このとき、低圧側圧縮機１２を図６Ａに示した範囲Ｄ１１で運転し、高圧側圧縮機１３を図６Ｂに示した範囲Ｄ１２で運転すると、圧縮機システム１Ａから出力される作動流体の流量と出口圧力との関係は、図６Ｃに示す範囲Ｄ１３となる。

【0041】

そのため、図６Ｃに示すように、圧縮機システム１Ａとしては、出口圧力を一定の圧力Ｐ１に維持しようとすると、範囲Ｄ１３と圧力Ｐ１とが重なり合う運転点Ｄ１３ａのみで運転することとなってしまう。このように、駆動機１１、低圧側圧縮機１２、高圧側圧縮機１３を一定の回転数のみで運転する圧縮機システム１Ａでは、出口圧力を一定の圧力Ｐ１に維持しようとすると、運転範囲が運転点Ｄ１３ａの一点のみとなる。

【0042】

（比較検討例２）
図７は、この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例２の概略構成を示す図である。図８Ａは、この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例２の低圧側圧縮機における流量とヘッドとの関係を示す図である。図８Ｂは、この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例２の高圧側圧縮機における流量とヘッドとの関係を示す図である。図８Ｃは、この発明の実施形態における圧縮機システムの比較検討例２における流量と出口圧力との関係を示す図である。

【0043】

図７に示すように、比較検討例２としての圧縮機システム１Ｂは、可変速モータからなる可変速駆動機２と、低圧側圧縮機１２と、高圧側圧縮機１３と、増速比が固定の一定速増速機４，１５と、を備える。

【0044】

このような圧縮機システム１Ｂでは、可変速モータからなる可変速駆動機２の回転数を変動させることで、低圧側圧縮機１２と高圧側圧縮機１３の回転数を同期して変化させる。

【0045】

このような構成の圧縮機システム１Ｂでは、図８Ａに示すように、低圧側圧縮機１２は、可変速駆動機２の回転数の変動により、定格出力に対して例えば７０％〜１００％とした回転数で運転することができる。図８Ａは、低圧側圧縮機１２を、サージラインＬｓ以下の範囲で、定格出力に対して例えば７０％〜１００％とした回転数で運転した場合の、作動流体の流量と、低圧側圧縮機１２におけるヘッドとの関係である。低圧側圧縮機１２における流量と入口側と出口側との圧力差であるヘッドとの関係は、７０％のラインＬ２１と、１００％のラインＬ２２との間で、所定の領域を有する範囲Ｄ２１のようになる。

【0046】

一方、圧縮機システム１Ｂでは、図８Ｂに示すように、高圧側圧縮機１３は、可変速駆動機２の回転数の変動によりサージラインＬｓ以下の範囲で、定格出力に対して例えば７０％〜１００％とした回転数で運転することができる。図８Ｂは、高圧側圧縮機１３は、定格出力に対して例えば７０％〜１００％とした回転数で運転した場合の、作動流体の流量と、低圧側圧縮機１２におけるヘッドとの関係である。高圧圧縮機１３における流量と入口側と出口側との圧力差であるヘッドとの関係は、７０％のラインＬ３１と、１００％のラインＬ３２との間で、所定の領域を有する範囲Ｄ２２のようになる。

【0047】

圧縮機システム１Ｂにおいては、低圧側圧縮機１２を図８Ａに示した範囲Ｄ２１で運転し、高圧側圧縮機１３を図８Ｂに示した範囲Ｄ２２で運転すると、圧縮機システム１Ｂから出力される作動流体の流量と出口圧力との関係は、図８Ｃに示すような範囲Ｄ２３となる。
このような圧縮機システム１Ｂにおいて、出口圧力を一定の圧力Ｐ１に維持しようとすると、範囲Ｄ２３と圧力Ｐ１とが重なり合うラインが運転範囲Ｄ２３ａとなる。

【0048】

（実施形態の圧縮機システム１０と比較検討例１，２との比較）
図６Ｃに示すように、駆動機１１、一定速増速機４，１５を一定速とした比較検討例１の圧縮機システム１Ａでは、出口圧力を一定の圧力Ｐ１に維持しようとすると、１点の運転点Ｄ１３ａのみでしか運転を行うことができない。しかしながら、高圧側圧縮機１３および低圧側圧縮機１２から供給される作動流体を使用するプロセス側の状況によっては負荷が生じて、流量などの運転条件が変動することがある。この変動が生じると、出口圧力を一定に維持することができずに、運転点Ｄ１３ａから外れてしまう。したがって、圧縮機システム１Ａでは、そもそもプロセス側の要求に応じて一定の出口圧力に保ったまま安定して運転することが難しい。

【0049】

一方、図８Ｃに示すように、可変速駆動機２を可変速とした比較検討例２の圧縮機システム１Ｂでは、出口圧力を一定の圧力Ｐ１に維持しようとすると、運転範囲Ｄ２３ａの範囲内で運転することが可能である。しかし、流量を調整するために可変速駆動機２の回転数を変化させると、低圧側圧縮機１２と高圧側圧縮機１３の双方の回転数が変化して出口圧力が大きく変化してしまう。特に、定格出力に対して例えば７０％程度まで回転数を落とした場合には、低圧側圧縮機１２及び高圧側圧縮機１３のヘッドが共に低下する。その結果、圧縮機システム１Ｂの出口圧力は大きく低下してしまう。したがって、出口圧力をプロセス側の要求に応じて一定の値に保ったまま運転できる上記の運転範囲Ｄ２３ａは、後述する圧縮機システム１０の運転範囲Ｄ３ａと比較して狭くなってしまう。

【0050】

これらの比較検討例１、２に対し、図４Ｃに示すように、駆動機１１を一定速とし、低圧側圧縮機１２の増速機を可変速増速機１４とした本実施形態の圧縮機システム１０では、範囲Ｄ３内で運転することができる。この構成では、流量を調整するために可変速増速機１４の増速比を変化させても、高圧側圧縮機１３の回転数は変わらない。そのため、高圧側圧縮機１３は、回転数を保ったまま、少ない流量の作動流体を圧縮することができ、ヘッドを増加させることができる。したがって、出口圧力をプロセス側の要求に応じて一定の値に保ったまま運転できる運転範囲を、より広い運転範囲Ｄ３ａとすることができる。

【0051】

具体的には、上記比較検討例２の圧縮機システム１Ｂと、本実施形態の圧縮機システム１０とで、上記範囲Ｄ２３，Ｄ３で運転を行っている状態で、単純に回転数を変動させた場合を例に挙げて説明する。

【0052】

図８Ａ，図８Ｂ、図８Ｃに示すように、比較検討例２の圧縮機システム１Ｂでは、１００％の回転数で運転を行っている状態から７０％の回転数に移行させると、運転点ＡＬ１１、ＡＨ１１から、プロセス抵抗線Ｒに沿って運転点ＡＬ１２，ＡＨ１２に低圧側圧縮機１２，高圧側圧縮機１３の運転状態がともに推移する。このように、比較検討例２の圧縮機システム１Ｂでは、低圧側圧縮機１２とともに、高圧側圧縮機１３でもヘッドが低下するため、圧縮機システム１Ｂの出口圧力が大きく低下してしまう。

【0053】

これに対し、本実施形態の圧縮機システム１０では、図４Ａ，図４Ｂに示すように、１００％の回転数で運転を行っている状態から７０％の回転数に移行させると、低圧側圧縮機１２では、運転状態が運転点ＡＬ１からプロセス抵抗線Ｒに沿って運転点ＡＬ２に推移する。一方、高圧側圧縮機１３では、回転数は１００％の回転数を維持しているため、１００％のラインＬ３上で推移する。具体的には、低圧側圧縮機１２で回転数が変化して流量が低下することで、ラインＬ３上で運転点ＡＨ１から運転点ＡＨ２に移行し、ヘッドは増加する。これにより、圧縮機システム１０としての出口圧力が大きく低下するのを防ぐことができる。

【0054】

したがって、このような構成によれば、高圧側圧縮機１３を一定回転数で駆動しながら、低圧側圧縮機１２の回転数を可変速増速機１４で変動させることにより、出口圧力を一定に維持するように運転させる際に、広い運転範囲Ｄ３ａで圧縮機システム１０を運転することができる。したがって、出口圧力を一定とする運転を行う場合であっても、より広い運転範囲Ｄ３ａを確保し、安定した運転を行うことが可能となる。

【0055】

また、低圧側圧縮機１２の回転数を変動させた上で、高圧側圧縮機１３の回転数を一定に保つことによって、圧縮機システム１０の出口圧力の低下を抑えることができ、運転範囲を広げながら出力を安定して保つことができる。

【0056】

さらに、一定速増速機１５を介して運転される高圧側圧縮機１３によるヘッドが、全ヘッドの６０％以上を占めるようにすることで、低圧側圧縮機１２で流量を調整した場合に、変動を極力抑えて安定した運転が行うことができる。

【0057】

また、一定速増速機１５を介して運転される高圧側圧縮機１３は、インペラ２０の周速をマッハ数０．８以下としたり、インペラ２０の枚数を六枚（六段）以上としたりすることで、低圧側圧縮機１２に比べてフラットで広い運転範囲を有することができる。

【0058】

（実施例）
以下、実施例によって本発明の実施形態を詳細に説明するが、本発明の実施形態は以下の記載によって限定されない。

【0059】

図９Ａは、この発明の実施例における圧縮機システムの低圧側圧縮機における質量流量とヘッドとの関係を示す図である。図９Ｂは、この発明の実施例における圧縮機システムの高圧側圧縮機における質量流量とヘッドとの関係を示す図である。図９Ｃは、この発明の実施例における圧縮機システムの質量流量と、低圧側圧縮機及び高圧側圧縮機のそれぞれのヘッドとの関係をまとめた状態を示す図である。

【0060】

実施例の圧縮機システムでは、図９Ａに示すように、低圧側圧縮機は、駆動機の回転数の変動により、定格出力に対して７５％〜１０５％とした回転数で運転することができる。図９Ａは、低圧側圧縮機を、サージラインＬｓ以下の範囲で、定格出力に対して例えば７５％〜１０５％とした回転数で運転した場合の、作動流体の質量流量と、低圧側圧縮機におけるヘッドとの関係である。

【0061】

また、図９Ｂに示すように、高圧側圧縮機は、一定速増速機の増速比が固定であるので、一定の回転数で運転される。本実施例では、高圧側圧縮機は、定格出力に対して１００％の回転数で運転されている。図９Ｂは、高圧側圧縮機を、定格出力に対して１００％とした回転数で運転した場合の、作動流体の質量流量と、高圧側圧縮機におけるヘッドとの関係である。

【0062】

ここで、図９Ｃは、質量流量に対する低圧側圧縮機のヘッドと高圧側圧縮機のヘッドとのそれぞれの関係をまとめた状態を示している。具体的には、図９Ｃは、低圧側圧縮機の作動流体の質量流量とヘッドとの関係を示す図９Ａに、横軸である質量流量の値を合わせるように、高圧側圧縮機の作動流体の質量流量とヘッドとの関係を占めす図９Ｂを反転させて重ねた図である。

【0063】

図９Ｃに示すように、実施例の圧縮機システムにおいては、例えば、圧縮機システムの出口圧力がある一定値のままであるとして、圧縮機システム全体のヘッドを各質量流量に対し、一律の４１０００［ｋｇ−ｍ／ｋｇ］と仮定すると、圧縮機システム全体のヘッドを４１０００［ｋｇ−ｍ／ｋｇ］で一定に保つ運転ラインＬｅが得られる。

【0064】

このような圧縮機システムでは、例えば、低圧側圧縮機の回転数を１００％から９０％に落とすと、ヘッドが約１５０００［ｋｇ−ｍ／ｋｇ］から約１３０００［ｋｇ−ｍ／ｋｇ］まで低下する。この際、圧縮機システムの質量流量は、約２７０００［ｋｇ／ｈ］から約２００００［ｋｇ／ｈ］まで低下してしまう。ところが、質量流量が約２００００［ｋｇ／ｈ］まで低下することで、高圧側圧縮機のヘッドは、約２６０００［ｋｇ−ｍ／ｋｇ］から約２８０００［ｋｇ−ｍ／ｋｇ］まで増加する。

【0065】

つまり、実施例の圧縮機システムは、この運転ラインＬｅ上で運転することで、低圧側圧縮機で回転数が変化して質量流量が低下することでヘッドが低下しても、高圧側圧縮機によって低下した分のヘッドを増加させることができる。これにより、圧縮機システム全体としては、低圧側圧縮機の回転数を変化させることで運転範囲を広げながら、出口圧力の低下が抑制することができ、出口圧力を４１０００［ｋｇ−ｍ／ｋｇ］のままで一定に保って運転できる。

【0066】

したがって、実施例の圧縮機システムでは、図９Ｃに示すように運転範囲を約１５０００［ｋｇ／ｈ］から約２８０００［ｋｇ／ｈ］までの広い領域とすることができる。

【0067】

また、実施例の圧縮システムが示すように、回転数が一定のまま運転される高圧側圧縮機のヘッドは、圧縮機システム全体のヘッドの６０％となっている。具体的には、本実施例の圧縮機システムで出口圧力を４１０００［ｋｇ−ｍ／ｋｇ］に保ったまま運転する際の最大質量流量は、運転範囲より約２８０００［ｋｇ／ｈ］である。この際の高圧側圧縮機のヘッドは、図９Ｃより、約２４６００［ｋｇ−ｍ／ｋｇ］となる。したがって、回転数が一定のまま運転される高圧側圧縮機のヘッドは、圧縮機システム全体のヘッドの６０％を占めていることが分かる。

【0068】

（その他の実施形態）
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、設計変更可能である。
例えば、上記実施形態では、低圧側圧縮機１２の回転数を、可変速増速機１４で可変とする構成としたが、低圧側圧縮機１２に代えて、高圧側圧縮機１３に可変速増速機１４を備え、高圧側圧縮機１３の回転数を可変としても良い。

【0069】

また、上記実施形態では、低圧側圧縮機１２側に可変速増速機１４を備え、高圧側圧縮機１３に一定速増速機１５を備えるようにしたが、少なくとも一方を、増速機ではなく減速機としてもよい。

【0070】

また、１台の駆動機１１で低圧側圧縮機１２および高圧側圧縮機１３を駆動する構成において、低圧側圧縮機１２および高圧側圧縮機１３の一方のみの回転数を可変とするには、圧縮機の入り口にＩＧＶ（Ｉｎｌｅｔ Ｇｕｉｄｅ Ｖａｎｅ）を用いることも可能である。しかし、本実施形態の構成によれば、ＩＧＶのみを設けた場合に比べて、計画運転点ばかりでなく、計画運転点以外の運転域で運転効率を向上させながら、より広い運転範囲を得ることができる。

【産業上の利用可能性】

【0071】

駆動機で第一圧縮機および第二圧縮機を駆動する圧縮機システムにおいて、第一圧縮機と駆動機の間に可変速増速機を設け、第二圧縮機と駆動機との間に一定速増速機を設けることで、より広い運転条件範囲を確保し、安定した運転を行うことができる。

【符号の説明】

【0072】

１０ 圧縮機システム
１１ 駆動機
１１ａ 第一出力軸
１１ｂ 第二出力軸
１２ 低圧側圧縮機（第一圧縮機）
１３ 高圧側圧縮機（第二圧縮機）
１２ａ、１３ａ 回転軸
１４ 可変速増速機
１５ 一定速増速機
２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６ インペラ
３０ ディスク
４０ ブレード
５０ カバー
２ 可変速駆動機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図9C】