特表 2024-538082 膨張器－圧縮器システムの磁気軸受用の閉ループ冷却流体回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-18

(54)【発明の名称】膨張器－圧縮器システムの磁気軸受用の閉ループ冷却流体回路

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/058 20060101AFI20241010BHJP

   F04D 29/58 20060101ALI20241010BHJP

   F04D 29/08 20060101ALI20241010BHJP

   F16C 32/04 20060101ALI20241010BHJP

【ＦＩ】

F04D29/058

F04D29/58 M

F04D29/08 F

F16C32/04 Z

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024522165

(86)(22)【出願日】2022-10-12

(85)【翻訳文提出日】2024-04-11

(86)【国際出願番号】 EP2022025471

(87)【国際公開番号】W WO2023066518

(87)【国際公開日】2023-04-27

(31)【優先権主張番号】102021000026741

(32)【優先日】2021-10-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517029381

【氏名又は名称】ヌオーヴォ・ピニォーネ・テクノロジー・ソチエタ・レスポンサビリタ・リミタータ

【氏名又は名称原語表記】Ｎｕｏｖｏ Ｐｉｇｎｏｎｅ Ｔｅｃｎｏｌｏｇｉｅ Ｓ．Ｒ．Ｌ．

(74)【代理人】

【識別番号】110002871

【氏名又は名称】弁理士法人坂本国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】オルティス ネリ，マッシミリアーノ

(72)【発明者】

【氏名】カンジョリ，フランチェスコ

(72)【発明者】

【氏名】ビリオッティ，ダビデ

(72)【発明者】

【氏名】フィオラバンティ，ドゥッチオ

【テーマコード（参考）】

3H130

3J102

【Ｆターム（参考）】

3H130AA12

3H130AB27

3H130AB42

3H130AC30

3H130BA33E

3H130CA21

3H130DA02X

3H130DB08X

3H130DB10X

3H130DC02X

3H130DG01X

3H130DG07X

3H130DJ01X

3H130EC16E

3J102AA01

3J102BA03

3J102BA17

3J102BA18

3J102CA07

3J102DA02

3J102DA03

3J102GA06

3J102GA08

3J102GA10

3J102GA13

3J102GA20

(57)【要約】

【解決手段】 膨張器（７００）と、圧縮器（９００）と、膨張器（７００）と圧縮器（９００）とを機械的に結合するケーシング（６００）内に配置されたシャフト（８００）とを備える膨張器－圧縮器システム（１０００）であって、膨張器－圧縮器システム（１００）が、ケーシング（６００）の内側に位置決めされ、シャフト（８００）に作用するように配置された磁気軸受（５００、５１０、５２０）を更に備える。磁気軸受（５００、５１０、５２０）は、冷却流体の環境への放出を回避し、１つの磁気軸受（５００、５１０、５２０）を冷却するのに必要な冷却流体の量を低減するために、閉ループ構成で配置された冷却流体回路（１１１０）によって冷却される。膨張器－圧縮器システム（１００）は、シャフト（８００）における冷却流体回路（１１１０、２１１０）へのプロセスガスの漏れを回避するために、シャフト（８００）の第１の端部及び／又はシャフト（８００）の第２の端部の周りでケーシング（６００）に配置された少なくとも１つのドライガスシール（３１０、３２０）を更に備えている。冷却流体回路は、冷却流体を循環させるための、ケーシング（６００）の内部及び／又は外部にあってもよいポンプ又はブロワ（１１２）と、冷却流体から熱を除去するための、ケーシング（６００）の外部にある熱交換器（１１１）とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）であって、
－プロセスガスを膨張させるように構成された膨張器（７００）と、
－プロセスガスを圧縮するように構成された圧縮器（９００）と、
－前記膨張器（７００）と前記圧縮器（９００）とを機械的に結合するシャフト（８００）と、
－少なくとも前記シャフト（８００）を収容するケーシング（６００）と、
－前記シャフト（８００）の第１の端部及び／又は前記シャフト（８００）の第２の端部の周りで前記ケーシング（６００）に配置された少なくとも１つのドライガスシール（３１０、３２０）と、
－前記シャフト（８００）に作用する少なくとも１つの磁気軸受（５００、５１０、５２０）と、
－冷却流体の循環を通じて前記少なくとも１つの磁気軸受（５００、５１０、５２０）を冷却するための冷却流体回路（１１１０、２１１０）であって、前記冷却流体から熱を除去するように構成された熱交換器（１１１）を備える、冷却流体回路と、を備え、
前記ドライガスシール（３１０、３２０）が、前記シャフト（８００）における前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）へのプロセスガスの漏れを回避するように構成され、
前記少なくとも１つのドライガスシール（３１０、３２０）が、固定リング及び回転リングを備え、
前記固定リングが、前記ケーシング（６００）に機械的に結合されており、
前記回転リングが、前記シャフト（８００）に機械的に結合されており、
前記少なくとも１つの磁気軸受（５００、５１０、５２０）が、前記ケーシング（６００）の内側に配置されており、
前記熱交換器（１１１）が、前記内側ケーシング（６００）の外側に位置決めされており、
前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）が、閉ループ構成で配置されている、膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【請求項2】

前記膨張器（７００）が、好ましくは前記シャフト（８００）の第１の端部に配置され、前記圧縮器（９００）が、好ましくは前記シャフト（８００）の第２の端部に配置され、
前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）が、前記冷却流体を循環させるように構成されたポンプ又はブロワ（１１２、２１００）を備え、
前記少なくとも１つの磁気軸受（５００、５１０、５２０）が、好ましくは前記膨張器（７００）と前記圧縮器（９００）との間に配置されており、
前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）が、前記冷却流体が前記ケーシング（６００）に入り、前記少なくとも１つの磁気軸受（５００、５１０、５２０）を冷却し、前記ケーシング（６００）から出て、前記熱交換器（１１１）によって冷却され、前記ケーシング（６００）に戻るように構成されている、請求項１に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【請求項3】

前記少なくとも１つの磁気軸受が、好ましくは前記膨張器（７００）及び前記圧縮器（９００）に対して実質的に中心に前記シャフト（８００）上に配置された軸方向スラスト磁気軸受（５００）である、請求項１に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【請求項4】

前記磁気軸受が、好ましくは前記シャフト（８００）の第１の端部セクション及び／又は前記シャフト（８００）の第２の端部セクションにおいて、前記シャフト（８００）上に配置されたラジアル磁気軸受（５１０、５２０）である、請求項１に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【請求項5】

前記軸方向スラスト磁気軸受（５００）が、スラストディスク（５１００、６１００）であって、
－前記スラストディスク（５１００）の少なくとも第１の側（５００１）、好ましくは前記スラストディスク（５１００）の両側（５００１、５００２）の複数の溝（５１５１）、
並びに／あるいは
－前記スラストディスク（６１００）の外周（５１１４）にある複数のブレード（６２５２）を有する、スラストディスク（５１００、６１００）を備え、
前記溝（５１５１）及び／又は前記ブレード（６２５２）が、前記冷却流体回路（２１１０）内で前記冷却流体を循環させるように構成され、それによって、前記軸方向スラスト磁気軸受が、前記ポンプ又はブロワを前記ケーシング（６００）の内部で一体化する、請求項３に記載の膨張器－圧縮器システム（２０００）。

【請求項6】

前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）が、少なくとも２つの磁気軸受（５００、５１０、５２０）を連続して冷却するように構成されている、請求項１に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【請求項7】

前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）が、少なくとも２つの磁気軸受（５００、５１０、５２０）を並列に冷却するように構成されている、請求項１に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【請求項8】

前記ポンプ又はブロワ（１１２）が、前記ケーシング（６００）の外側に配置されている、請求項２に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００）。

【請求項9】

前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）が弁（１１４）を更に備え
前記弁（１１４）が冷却流体入口に流体結合されており、
前記弁（１１４）が、前記冷却流体を前記冷却流体入口から前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）に選択的に供給するように構成されている、請求項１に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【請求項10】

前記システムが、
－前記シャフト（８００）の中心セクションにおいて前記シャフト（８００）に作用するように配置された、前記ケーシング（６００）の内側に位置決めされた軸方向スラスト磁気軸受（５００）と、
－前記シャフト（８００）の第１の端部セクションにおいて前記シャフト（８００）に作用するように配置された、前記ケーシング（６００）の内側に位置決めされた第１のラジアル磁気軸受（５１０）と、
－前記シャフト（８００）の第２の端部セクションにおいて前記シャフト（８００）に作用するように配置された、前記ケーシング（６００）の内側に位置決めされた第２のラジアル磁気軸受（５２０）と、を備え、
前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）が、前記冷却流体が
－第１の側で部分的に、且つ第２の側で部分的に前記ケーシング（６００）に入り、
－前記第１のラジアル磁気軸受（５１０）及び前記第２のラジアル磁気軸受（５２０）を冷却し、
－前記軸方向スラスト磁気軸受（５００）を冷却し、
－もっぱら中心領域において前記ケーシング（６００）から出る、
ように配置されている、請求項１に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【請求項11】

前記ケーシング（６００）が、中心内部チャンバ（６２０）を備え、
前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）が、前記冷却流体が、
－前記軸方向スラスト磁気軸受（５００）から出て、
－前記中心内部チャンバ（６２０）を通って流れ、
－中心内部チャンバ（６２０）から出る、
ように配置されている、請求項１０に記載の膨張器－圧縮器システム。

【請求項12】

前記ケーシング（６００）が、第１の側の内部チャンバ（６２１）及び第２の側の内部チャンバ（６２２）を備え、
前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）が、前記冷却流体の第１の部分が前記第１のラジアル磁気軸受（５１０）を冷却する前に前記第１の側の内部チャンバ（６２１）を通って流れるように配置され、
前記冷却流体回路が、前記冷却流体の第２の部分が前記第２のラジアル磁気軸受（５２０）を冷却する前に前記第２の側の内部チャンバ（６２２）を通って流れるように配置されている、
請求項１０に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【請求項13】

前記システムが回転体軸受（４１０、４２０）を備え、前記回転体が好ましくはセラミック材料であり、
前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）が、前記冷却流体が回転体軸受（４１０、４２０）を通って流れるように配置されている、
請求項１に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【請求項14】

前記ドライガスシール（３１０、３２０）が、プロセスガスの流れを通して第１の側にシーリングを提供し、且つ、シールガス、特に窒素ガスの流れを通して第２の側にシーリングを提供するように構成されている、請求項１に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【請求項15】

前記冷却流体回路（１１１０、２１１０）がベント（１１３）、特に較正されたオリフィスを更に備え、前記ベント（１１３）が、前記冷却流体回路から流体を排出するように構成されており、前記冷却流体回路内の流体が、前記少なくとも１つのドライガスシール（３１０、３２０）から部分的に来る、請求項１に記載の膨張器－圧縮器システム（１０００、２０００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示される主題は、システムの１つ又は複数の磁気軸受を冷却するための冷却流体回路を備える膨張器－圧縮器システムに関する。

【背景技術】

【0002】

磁気軸受は、非常に低く予測可能な摩擦、並びに無潤滑及び真空中で動作する能力を含むいくつかの利点により、磁気軸受が設置された機械のロータの位置を制御するために主に使用される。典型的には、磁気軸受は、圧縮器、タービン、ポンプ、モータ、及び発電機などの産業機械において使用される。

【0003】

特に、磁気軸受は、能動型磁気軸受（＝ＡＭＢ）又は受動型磁気軸受（＝ＰＭＢ）とすることができる。受動型磁気軸受は、磁気浮上を発生させるために永久磁石を使用する。しかしながら、受動型磁気軸受は設計が困難である。その結果、ほとんどの磁気軸受は能動型磁気軸受である。

【0004】

一般に、能動型磁気軸受は、典型的にはシャフトに結合されるロータの周りに配置されたいくつかの電磁石を有するステータを有する電磁システムである。ステータの電磁石は、ステータに対するロータの位置を維持するために、ロータに引力を発生させる。

【0005】

能動型磁気軸受を使用する圧縮器又は膨張器などの回転機械がよく知られている。例えば、国際特許出願第ＷＯ２０１７０５０４４５Ａ１号は、能動型磁気軸受と、磁気軸受内の熱を放散するための（開ループ構成の）冷却システムとが設けられたターボ機械システム、特にタービン段を開示している。いわゆる「機器空気」は、汚染物質（水分及び微粒子など）を含まない圧縮空気の極めて清浄な供給物であり、典型的には容易に調達可能であり、工業プラント（例えば、空気圧機器又は弁作動用）で利用可能であり、冷却システム内の冷却流体として使用することができる。機器空気は、低温で冷却システムに入り、磁気軸受を冷却し、次いで、より高温で排出される。

【0006】

しかしながら、できるだけ少ない冷却流体を消費することが望ましい。欧州特許出願第ＥＰ３４５０７０１Ａ１号から、ターボ機械システム、特に圧縮器又はポンプ又はタービン又はターボエキスパンダの能動型磁気軸受を冷却するための閉ループ構成の冷却システムが知られている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

既知の冷却システムが、冷却流体を循環させるために、回転機械のシャフト（機械のケーシングの外側）に設置された外部ブロワ又は追加のインペラを含むことに留意されたい。

【0008】

少なくとも１つの磁気軸受と、冷却流体の消費量が少ない、少なくとも１つの磁気軸受を冷却するための冷却流体回路とを有する膨張器－圧縮器システムを有することが望ましい。

【0009】

一態様によれば、本明細書に開示される主題は、プロセスガス（同じプロセスガスであっても、異なるプロセスガスであってもよい）で動作する膨張器及び圧縮器と、膨張器及び圧縮器を機械的に結合し、ケーシングの内部に配置されるシャフトとを有する膨張器－圧縮器システムに関する。膨張器－圧縮器システムは、シャフトに作用するように配置された磁気軸受と、閉ループ構成で配置され、冷却流体の循環によって磁気軸受を冷却するように構成された冷却流体回路とを更に有する。冷却流体回路は、冷却流体から熱を除去するように構成された熱交換器を備える。磁気軸受はケーシングの内側に配置され、熱交換器はケーシングの外側に配置される。膨張器－圧縮器システムは、冷却流体回路へのプロセスガスの漏れを回避するように構成された少なくとも１つのドライガスシール（＝ＤＧＳ）、好ましくは２つのドライガスシールを更に有する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

本発明の開示される実施形態、及びそれに付随する利点の多くについて、添付図面に関連して考慮される場合、以下の発明を実施するための形態を参照することによってそれらがより良好に理解されるため、完全な理解が容易に得られるであろう。

【図1】図１は、革新的な膨張器－圧縮器システムの第１の実施形態の簡略化された断面図であり、冷却流体回路の外部部分が強調されている。

【図2】図２は、革新的な膨張器－圧縮器システムの第２の実施形態の簡略化された断面図であり、冷却流体回路の外部部分が強調されている。

【図3】図３は、革新的な膨張器－圧縮器システムの簡略化された断面図であり、冷却流体回路の内部部分が部分的に強調されている。

【図4】図４は、図３の冷却流体回路の内部部分の一部の詳細な断面図である。

【図5】図５は、図２の革新的な膨張器－圧縮器システムのスラスト磁気軸受の第１の実施形態を示す図である。

【図6】図６は、図２の革新的な膨張器－圧縮器システムのスラスト磁気軸受の第２の実施形態を示す図である。

【図7】図７は、革新的な膨張器－圧縮器システム、例えば、図１のシステム又は図２のシステムにおいて使用され得るドライガスシールの実施形態の詳細な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本明細書に開示される主題は、革新的な膨張器－圧縮器システム、すなわち、典型的には、共通シャフトによって接続され、少なくともプロセス流体を処理するように構成され、少なくとも１つの磁気軸受を有する圧縮器及び膨張器に関する。磁気軸受は、すなわち、回転部品を固定部品からわずかに離間させて保つ対向磁石のおかげで妨げられない回転を可能にするデバイスである。革新的な膨張器－圧縮器システムには冷却流体回路が設けられており、この冷却流体回路には、作動中に加熱される傾向がある磁気軸受を冷却するために冷却流体が流れる。冷却流体回路は、流体を再循環させ、その流体の環境への放出を回避するために閉ループ構成で配置され、したがって、磁気軸受を冷却するのに必要な冷却流体の量を低減する。膨張器－圧縮器システムは、冷却流体回路へのプロセスガスの漏れを回避するように構成された少なくとも１つのドライガスシール（＝ＤＧＳ）、好ましくは２つのドライガスシールを更に備えている。冷却流体回路は、冷却流体回路内で冷却流体を循環させるためのポンプ又はブロワと、冷却流体から熱を除去するための熱交換器とを備え、それにより、冷却流体が、膨張器－圧縮器システムのケーシングに入り、磁気軸受を冷却し、ケーシングから出て、熱交換器によって冷却され、次いでケーシングに戻るようになっている。冷却流体回路は、冷却流体を冷却流体回路に選択的に供給するための弁と、冷却流体回路において漏出したガスを除去するためのベントとを更に備える。

【0012】

次に、本開示の実施形態を詳述し、その例が図面に例示される。各例は、本開示を限定するものではなく、本開示の説明として提供するものである。実際には、本開示の範囲又は趣旨から逸脱しない限り、本開示に様々な修正及び変形を加えることができるということが、当業者には明らかであろう。以下の説明では、同じ又は類似の機能を実行する要素を示すために、実施形態の図の説明のために類似の参照番号が使用される。更に、説明を明確にするために、いくつかの参照符号は、すべての図において繰り返されない場合がある。

【0013】

図１及び図２には、革新的な膨張器－圧縮器システムの２つの実施形態が概略的に示されている。革新的な膨張器－圧縮器システムは、図１の参照番号１０００及び図２の参照番号２０００で一般的に示される。図３では、冷却流体回路の内部部分が強調されており、図１と図２との両方の実施形態の冷却流体回路に適用される。

【0014】

典型的には、図１、図２、及び図３を非限定的に参照すると、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、プロセスガスを膨張させるように構成された膨張器７００と、プロセスガスを圧縮するように構成された圧縮器９００と、膨張器７００と圧縮器９００とを互いに機械的に結合するシャフト８００とを有する。膨張器７００はシャフト８００の第１の端部に配置され、圧縮器９００はシャフト８００の第２の端部に配置される。膨張されるプロセスガス（膨張器プロセスガス）と圧縮されるプロセスガス（圧縮器プロセスガス）とは、同じプロセスガスであってもよいし、異なるプロセスガスであってもよいことに留意されたい。

【0015】

膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、少なくともシャフト８００を収容するケーシング６００を更に有する。膨張器７００及び圧縮器９００がケーシング６００に収容されていないことに留意されたい。特に、ケーシング６００は、ケーシング６００の内部にある機械的構成要素及び流体を周囲の環境から、例えば膨張器７００及び圧縮器９００から隔離するように構成されている。換言すると、圧縮器９００及び膨張器７００は、ケーシング６００の外部に位置している。

【0016】

図１、図２、及び図３を考慮すると、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、シャフト８００に作用するように配置された少なくとも１つの磁気軸受を更に備える。これらの図では、３つの磁気軸受５００、５１０、５２０が示されている。図に示す好ましい実施形態によれば、膨張器－圧縮器システムには、シャフト８００上に、好ましくは膨張器７００及び圧縮器９００に対して実質的に中心に配置された軸方向スラスト磁気軸受５００が設けられている。特に、軸方向スラスト磁気軸受５００は、シャフト８００の中心セクションにおいてシャフト８００に作用するように配置される。膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、好ましくはシャフト８００の第１の端部セクション及びシャフト８００の第２の端部セクションにおいてシャフト８００上に配置されたラジアル磁気軸受、好ましくは２つのラジアル磁気軸受５１０及び５２０を更に備える。特に、シャフト８００の端部セクションは、シャフト８００の第１の端部又は第２の端部におけるセクションである。

【0017】

有利には、磁気軸受５００、５１０、５２０は、ケーシング６００と機械的に結合されたか一体化されたステータ、及び／又はシャフト８００と機械的に結合されたか一体化されたロータを有する。例えば、図４に示すように、ラジアル磁気軸受５１０及び５２０のステータ５２２－１及び５２２－２と、軸方向スラスト磁気軸受５００のステータ５１２－１及び５１２－２は、ケーシング６００のセクション６１０に結合されている。特に、ケーシング６００のセクション６１０は、ケーシング６００の内部セクションである。有利には、半ラジアル磁気軸受５１０及び５２０はまた、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００のシャフト８００に結合された回転リング５２４－１及び５２４－２を有し、且つ／又は、軸方向スラスト磁気軸受５００は、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００のシャフト８００に結合された（回転）スラストディスク１１００、２１００を有する。

【0018】

好ましい実施形態（例えば、図３参照）によれば、第１のラジアル磁気軸受５１０は、膨張器７００とスラスト磁気軸受５００との間に配置され、第２のラジアル磁気軸受５２０は、圧縮器９００とスラスト磁気軸受５００との間に配置される。換言すると、磁気軸受５００、５１０、５２０は、シャフト８００の第１の端部と第２の端部との間で、ケーシング６００の内側に配置される。

【0019】

有利には、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、回転体軸受を更に備える。好ましくは、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、２つの回転体軸受４１０及び４２０を備え、第１の回転体軸受４１０は膨張器７００と第１のラジアル磁気軸受５１０との間に配置されており、第２の回転体軸受４２０は圧縮器９００と第２のラジアル磁気軸受５２０との間に配置されている。好ましくは、回転体はセラミック材料で作られる。回転体軸受は、典型的には、磁気軸受上の負荷がそれらの能力を超える場合、又は磁気軸受システムの故障の場合に使用されるが、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００の通常動作中には使用されないことに留意されたい。実際、これらの回転体軸受の寿命は、セラミック回転体が急速に摩耗してサイズが小さくなる可能性があるので、時間的に非常に限られている。換言すると、回転体軸受は、典型的には、システムの安全軸受として機能する。

【0020】

以下から明らかになるように、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、シャフトの第１の端部及び／又はシャフトの第２の端部の周りのケーシングに配置された少なくとも１つのドライガスシール３１０、３２０を更に備える。好ましくは、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、２つのドライガスシール３１０及び３２０を有し、第１のドライガスシール３１０は、シャフト８００の第１の端部の周りのケーシング６００に、特に膨張器７００とラジアル磁気軸受５１０との間に、より好ましくは膨張器７００と第１の回転体軸受４１０との間に配置され、第２のドライガスシール３２０は、シャフト８００の第２の端部の周りのケーシング６００に、特に圧縮器９００とラジアル磁気軸受５２０との間に、より好ましくは圧縮器９００と第２の回転体軸受４２０との間に配置される。有利には、ドライガスシール３１０及び３２０は、ドライガスシールの第１の側、特に膨張器７００又は圧縮器９００に向かう第１の側で、プロセスガス、特に膨張器プロセスガス又は圧縮器プロセスガスの流れを通して、且つ、ドライガスシールの第２の側、特にケーシング６００の内側に向かう第２の側で、シールガス、特に窒素ガスの流れを通して、ケーシング６００内のシーリングを提供するように構成されている。

【0021】

図１、図２、及び図３を非限定的に参照すると、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、少なくとも１つの磁気軸受、好ましくはすべての磁気軸受５００、５１０、５２０を冷却するように配置された冷却流体回路１１１０、２１１０をも備える。冷却流体回路１１１０、２１１０は、冷却流体を循環させるように構成されたポンプ又はブロワを備える（例えば、図１の第１の実施形態の要素１１２及び図２の第２の実施形態の要素２１００がこの機能を有する）。冷却流体回路１１１０、２１１０はまた、ケーシング６００の外側に配置され、冷却流体回路１１１０、２１１０の冷却流体から熱を除去するように構成された熱交換器１１１を備える。冷却流体回路１１１０、２１１０は、冷却流体がケーシング６００に入り、磁気軸受５００、５１０、５２０（場合によっては他の構成要素）のうちの少なくとも１つを冷却し、ケーシング６００から出て、熱交換器１１１によって冷却され、ケーシング６００に戻るように、閉ループ構成で配置される。

【0022】

図１に示される第１の実施形態によれば、ポンプ又はブロワ１１２は、冷却流体にポンプ効果を提供するように構成されている。換言すると、ブロワ１１２は、冷却流体回路１１１０内の冷却流体をポンプするように構成されている。有利には、ブロワ１１２は、ケーシング６００の外側に配置される。より有利には、ブロワ１１２は、熱交換器１１１の下流に配置される。更により有利には、ブロワ１１２は、専用モータ、特に電気モータによって動力供給される。

【0023】

図２に示す第２の実施形態によれば、軸方向スラスト磁気軸受５００はスラストディスク２１００を備えており、このスラストディスク２１００は、スラストディスク２１００の少なくとも第１の側２００１、好ましくはスラストディスク２１００の両方の側２００１、２００２の複数の溝、及び／又はスラストディスク２１００の外周の複数のブレードを有する。溝及び／又はブレードは、冷却流体にポンプ効果をもたらすように構成されている。換言すると、溝及び／又はブレードは、軸方向スラスト磁気軸受がポンプ又はブロワをケーシング６００の内部に統合するように、冷却流体回路２１１０内で冷却流体を循環させるように構成されている。

【0024】

図示されていない他の実施形態によれば、内部のポンプ又はブロワと、外部のポンプ又はブロワとの両方があってもよい。

【0025】

図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂには、本開示による革新的な膨張器－圧縮器システム２０００のスラストディスク２１００（図２参照）の２つの実施形態が概略的に示されている。

【0026】

図５Ａ及び図５Ｂは、限定ではなく例として、流体をポンプするように構成された複数の溝を備える、５１００とラベルが付されたスラストディスクの第１の実施形態を部分的に示す。図５Ａは、スラストディスク５１００の正面概略図であり、図５Ｂは、点線Ｄに沿って取られた図５Ａのスラストディスク５１００の概略断面図である。

【0027】

図６Ａ及び図６Ｂは、限定ではなく例として、流体をポンプするように構成された複数の溝を備える、６１００とラベルが付されたスラストディスクの第２の実施形態を部分的に示す。図６Ａは、スラストディスク６１００の正面概略図であり、図６Ｂは、点線Ｄに沿って取られた図６Ａのスラストディスク６１００の概略断面図である。

【0028】

第１の実施形態によれば、スラストディスク５１００の少なくとも第１の側５００１は、軸方向スラスト磁気軸受５００のスラストディスク５１００の回転の結果として流体をポンプするように構成された複数の溝５１５１－１を備える。好ましい実施形態（図５Ｂ参照）では、スラストディスク５１００は、第１の側５００１の複数の溝５１５１－１と、第２の側５００２の複数の溝５１５１－２とを備え、溝５１５１－１及び５１５１－２は、スラスト磁気軸受５００のスラストディスク５１００の回転の結果として流体をポンプするように構成されている。

【0029】

有利には、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、溝５１５１は、スラストディスク５１００の内周５１１２の周りのエリアからスラストディスク５１００の外周５１１４の周りのエリアまで延在する。具体的には、溝５１５１は、スラストディスク５１００の内周５１１２の周りのエリアからスラストディスク５１００の外周５１１４の周りのエリアまで連続して延在する。

【0030】

有利には、溝５１５１は湾曲形状である。より有利には、溝５１５１は、冷却流体が従うことができる優先方向を画定するように構成されている。溝５１５１の幅及び／又は深さは一定でなくてもよいことに留意されたい。例えば、内周５１１２の周りのエリアの幅が外周５１１４の周りのエリアの幅よりも大きくてもよい。有利には、スラストディスク５１００が第１の側５００１と第２の側５００２との両方に溝５１５１を有する場合、溝５１５１の幾何学的形状は、好ましくは、スラストディスク５１００の第１の側５００１と第２の側５００２との両方で同じである。

【0031】

有利には、冷却流体は、軸方向スラスト磁気軸受５００を冷却するために軸方向スラスト磁気軸受５００に入る。特に、冷却流体は、スラストディスク５１００上を内周５１１２の周りのエリアから外周５１１４の周りのエリアに流れる。より有利には、スラストディスク５１００上を流れる流体の大部分は、溝５１５１によって画定される優先方向に流れるように構成されている。換言すると、流体は溝５１５１に沿って流れるように案内され、これにより、シャフト８００の回転によるスラストディスク５１００の回転により、溝５１５１が冷却流体をポンプするように構成されている。溝５１５１に沿って流れる冷却流体のみがスラストディスク５１００のポンプ作用を受け、溝５１５１の外側を流れる冷却流体はポンプ作用を受けないことに留意されたい。

【0032】

図６に示す第２の実施形態によれば、スラストディスク６１００は、軸方向スラスト磁気軸受５００のスラストディスク６１００の回転の結果として流体をポンプするように構成された複数のブレード６２５２を外周６２１４に備える。ブレード６２５２は、ディスクの機械加工によってスラストディスク６１００から直接得ることができるか、溶接又は接合によってスラストディスク６２００に取り付けることができる。ブレード６２５２がスラストディスク６１００上に取り付けられる場合、それらはスラストディスク６１００の材料とは異なる材料で作られ得ることに留意されたい。例えば、ブレード６２５２は、複合材料で作られてもよい。ブレード６２５２を接合により追加する場合には、公知の接合を用いることができることにも留意されたい。好ましくは、ブレード６２５２は、蟻継ぎ結合によってスラストディスク６１００に取り付けられる。

【0033】

有利には、ブレード６２５２はスラストディスク６１００よりも小さい。特に、ブレード６２５２の高さは、スラストディスク６１００の直径（外周６２１４で測定される）の５～１５％の範囲であってもよい。有利には、ブレード６２５２の幅は、スラストディスク６１００の厚さ以下である。好ましくは、ブレード６２５２の幅は、スラストディスク６１００の厚さの７０～１００％である。

【0034】

ブレード６２５２が、例えば、流体に対するポンプ効果をより効果的にするため、及び／又はスラストディスク出口で流体を収集するのを助けるために、２つの凹部を有するブレードプロファイルを有することができることに留意されたい。特に、ブレード６２５２は、第１の側６００１に向かって配向された第１の凹面と、第２の側６００２に向かって配向された第２の凹面とを有してもよい。好ましくは、ブレード６２５２の第１及び第２の凹面は、ブレードプロファイルの中心リッジを形成する。

【0035】

上記で説明したように、図１、図２及び図３を非限定的に参照すると、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、冷却流体が流れる冷却流体回路１１１０、２１１０を有する。具体的には、冷却流体回路１１１０、２１１０は、例えば、ケーシング６００の外側の冷却流体回路１１１０、２１１０の一部をケーシング６００の第１の側の内部チャンバ６２１及び第２の側の内部チャンバ６２２と流体接続する２つのフランジを通して、冷却流体が部分的に第１の側で、且つ部分的に第２の側でケーシング６００に入るように配置される。有利には、第１の側の内部チャンバ６２１は、膨張器７００が位置するケーシングの第１の端部で、特にドライガスシール３１０と回転体軸受４１０との間に配置され、第２の側の内部チャンバ６２２は、圧縮器９００が位置するケーシングの第２の端部で、特にドライガスシール３２０と回転体軸受４２０との間に配置される。

【0036】

例えば図１及び図２（図４も参照）に示す好ましい実施形態によれば、冷却流体回路１１１０、２１１０は、２つのラジアル磁気軸受５１０、５２０を並列に冷却するように構成されている。特に、冷却流体は、ケーシング６００内に流入し、ラジアル磁気軸受５１０、５２０を並列に冷却し、特に、磁気軸受５１０、５２０のステータ５２２とロータ５２４との間の間隙内を流れる。例えば、冷却流体は、第１の側の内部チャンバ６２１及び第２の側の内部チャンバ６２２からラジアル軸受５１０及び５２０に流れ、最初に回転体軸受４１０及び４２０を通過し、次にシャフト８００とケーシング６００のセクション６１０（ラジアル軸受５１０及び５２０を含む）との間の間隙を通過する。

【0037】

特に、冷却流体の第１の部分は側の内部チャンバ６２１に入り、冷却流体の第２の部分は第２の側の内部チャンバ６２２に入る。有利には、冷却流体の第１の部分及び第２の部分は、実質的に同じ流量を有する。より有利には、冷却流体の第１の部分及び第２の部分の流量は、冷却流体中を循環する全流量の半分に実質的に等しい。

【0038】

冷却流体が間隙を通過してラジアル磁気軸受５１０、５２０を冷却すると、冷却流体は軸方向スラスト磁気軸受５００に到達する。特に、軸方向スラスト磁気軸受５００は、スラストディスク１１００、２１００の第１の側１００１、２００１における第１の入口１０１－１から冷却流体の第１の部分を受け取り、スラストディスク１１００、２１００の第２の側１００２、２００２における第２の入口１０１－２から冷却流体の第２の部分を受け取り、それにより、冷却流体の第１の部分がスラストディスク１１００、２１００の第１の側１００１、２００１、特にスラストディスク１１００、２１００の第１の半体を冷却するように構成され、且つ、冷却流体の第２の部分が、スラストディスク１１００、２１００の第２の側１００２、２００２、特にスラストディスク１１００、２１００の第２の半体を冷却するように配置されるようになっている。有利には、軸方向スラスト磁気軸受５００は、冷却流体が第１の入口１０１－１及び第２の入口１０１－２を通って軸方向スラスト磁気軸受５００に入り、ケーシング６００のセクション６１０（ステータ５１２を含む）とスラストディスク１１００、２１００との間の間隙を通過し、出口１０２を通って軸方向スラスト磁気軸受５００を出るように配置されている。

【0039】

例えば図１及び図２に示す好ましい実施形態によれば、冷却流体回路１１１０、２１１０は、少なくとも２つの磁気軸受５１０、５２０を直列に冷却するように構成されている（例えば、軸受５００及び５１０、並びに軸受５００及び５２０－軸受５１０と軸受５２０とが並列にも冷却されることに留意されたい）。例えば、図３を非限定的に参照すると、冷却流体回路１１１０、２１１０は、最初にラジアル磁気軸受５１０を冷却し、次に軸方向スラスト磁気軸受５００を冷却するように構成されている。有利には、冷却流体回路１１１０、２１１０は、最初にラジアル磁気軸受５２０を冷却し、次に軸方向スラスト磁気軸受５００を冷却するようにも構成されている。

【0040】

図３及び図４を考慮すると、冷却流体回路１１１０、２１１０の冷却流体は、軸方向スラスト磁気軸受１１００、２１００を冷却した後、もっぱら中心領域においてケーシング６００から出る。特に、ケーシング６００は中心内部チャンバ６２０を備え、冷却流体回路１１１０、２１１０は、冷却流体が軸方向スラスト磁気軸受５００から、特に出口１０２において流出し、中心内部チャンバ６２０を通って流れ、中心内部チャンバ６２０から、特にケーシング６００の外側の冷却流体回路１１１０、２１１０の部分を中心内部チャンバ６２０と流体接続するフランジを通って流出するように配置される。好ましくは、冷却流体は、軸方向スラスト磁気軸受５００及び／又はケーシング６００の出口１０２から半径方向に出る。

【0041】

図１及び図２を非限定的に参照すると、冷却流体回路１１１０、２１１０は、例えば冷却流体貯蔵部からの冷却流体入口に流体結合された弁１１４を更に備える。特に、弁１１４は、冷却流体を冷却流体入口から冷却流体回路１１１０、２１１０に選択的に供給するように構成され、冷却流体は、弁１１４が開かれると冷却流体回路１１１０、２１１０に入り、一方、冷却流体入口と冷却流体回路１１１０、２１１０とは、弁１１４が閉じられると分離される（すなわち、冷却流体は、弁１１４が閉じられると冷却流体回路１１１０、２１１０に入ることができない）。有利には、弁１１４はほとんどの時間閉じられている。

【0042】

有利には、冷却流体は機器空気又は窒素又は他の不活性ガスである。ケーシング６００に入る冷却流体の温度と、ケーシング６００から出る冷却流体の温度とが異なることにも留意されたい。特に、ケーシング６００に入る冷却流体の温度は、ケーシング６００から出る冷却流体の温度よりも低い。例えば、ケーシング６００に入る冷却流体の温度とケーシング６００から出る冷却流体の温度との間の差は、２０℃～５０℃の範囲であってもよい。

【0043】

既に説明したように、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、少なくとも１つのドライガスシール（＝ＤＧＳ）、好ましくは２つのドライガスシール３１０及び３２０（例えば図７参照）を備え得る。典型的には、ドライガスシールは、ガス漏れを防止するために回転機械に適用される。少なくとも１つのドライガスシール３１０及び３２０は、膨張器７００又は圧縮器９００から冷却流体回路１１１０及び２１１０へのプロセスガスの漏れを防止するように構成されている。特に、ドライガスシール３１０及び３２０は、シャフトの回転を可能にするために必要とされる機械的間隙（例えば、図１及び図２参照）に起因してシャフト８００において発生し得る冷却流体回路１１１０及び２１１０へのプロセスガスの漏れを回避するように構成されている。有利には、ドライガスシール３１０及び３２０がシャフト８００の周りに配置される。

【0044】

図７を考慮すると、ドライガスシール３１０及び／又は３２０は、概念的に３つのセクションに分割することができ、各セクションは、固定リング３０６及び回転リング３０５を備え、回転リング３０５は、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００のシャフト８００に機械的に結合され、固定リング３０６は、ケーシング６００に結合される。有利には、第１のセクション３０１は、膨張器７００又は圧縮器９００に配置され、第３のセクション３０３は、第１の側の内部チャンバ６２１又は第２の側の内部チャンバ６２２に配置され、第２のセクション３０２は、第１のセクション３０１と第３のセクション３０３との間に配置される。有利には、第１のセクション３０１は入口３０１－１を有し、プロセスガス、特に膨張器プロセスガス又は圧縮器プロセスガスが、このガスが固定リング３０６を回転リング３０５から分離させる流体力学的力を発生させるような方法で注入される。好ましくは、ケーシング６００は、入口３０１－１に接続されたプロセスガスの通過のための専用ダクトを有する。有利には、第２のセクション３０２は入口３０２－１を有し、ここでシールガス、好ましくは窒素の第１の注入が注入される。好ましくは、ケーシング６００は、入口３０２－１に接続されたシールガスの通過のための専用ダクトを有する。図７に示すように（第２のセクション３０２の黒い矢印を参照）、第２のセクション３０２のシールガスの一部は、第１のセクション３０１に漏れ、プロセスガスと混合する可能性がある。有利には、第１のセクション３０１はまた、出口３０１－２を有し、プロセスガスとシールガスとの混合ガスは、この出口を通って出ることができる。有利には、第３のセクション３０３は入口３０３－１を有し、ここでシールガス、好ましくは窒素の第２の注入が注入される。好ましくは、ケーシング６００は、入口３０３－１に接続されたシールガスの通過のための専用ダクトを有する。図７に概略的且つ部分的に示すように（第３のセクション３０３の黒い矢印を参照）、第３のセクション３０３のシールガスの一部は、冷却流体回路１１１０、２１１０に漏れる可能性がある。第２のセクション３０２のシールガスの一部が第３のセクション３０３に漏れる可能性があることにも留意されたい。有利には、第３のセクション３０３はまた、出口３０３－２を有し、シールガスがこの出口を通って出ることができる。図７の右側には、省略されたドライガスシール３１０、３２０の一部が存在することに留意されたい。この部分は、本明細書で開示される主題に関連しない構成要素を含んでもよく、又は図７の左側の部分と同様であってもよい。

【0045】

換言すると、ドライガスシール３１０及び３２０は、ケーシング６００の内側、特に冷却流体回路１１１０、２１１０内へのプロセスガスの漏れを防止する。しかしながら、シールガスのごく一部、例えば１ Ｎｌ／分が冷却流体回路１１１０、２１１０内に漏れる可能性がある。

【0046】

冷却流体回路１１１０、２１１０の加圧を回避するために、膨張器－圧縮器システム１０００、２０００は、有利には、冷却流体回路１１１０、２１１０から流体を排出するように、特にドライガスシール３１０及び３２０から部分的に来る流体を排出するように構成されたベント１１３、特に較正オリフィスを更に備える。換言すると、冷却流体回路１１１０及び２１１０内では、冷却流体と、ドライガスシール３１０及び３２０から冷却流体回路１１１０、２１１０へのシールガスの漏れである少量の余分な流体とを循環させることができる。有利には、オリフィスは、ベント１１３によって排出される流体の量が、冷却流体回路１１１０、２１１０内の漏れである余分な流体の量に等しくなるように較正される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】