特開 2022-28991 ターボ圧縮機及び冷凍サイクル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022028991

(43)【公開日】2022-02-17

(54)【発明の名称】ターボ圧縮機及び冷凍サイクル装置

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/056 20060101AFI20220209BHJP

   F04D 29/053 20060101ALI20220209BHJP

   F04D 29/05 20060101ALI20220209BHJP

   F25B 1/053 20060101ALI20220209BHJP

【ＦＩ】

F04D29/056 B

F04D29/053 Z

F04D29/05 Z

F25B1/053 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2018238013

(22)【出願日】2018-12-20

(71)【出願人】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107641

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 耕一

(74)【代理人】

【識別番号】100163463

【弁理士】

【氏名又は名称】西尾 光彦

(72)【発明者】

【氏名】庄山 直芳

(72)【発明者】

【氏名】孫 洪志

(72)【発明者】

【氏名】河野 文紀

(72)【発明者】

【氏名】松井 大

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA14

3H130AB27

3H130AB42

3H130AB62

3H130AB65

3H130AB68

3H130AC11

3H130BA22B

3H130BA22D

3H130BA22E

3H130BA22G

3H130BA24B

3H130BA24D

3H130BA24E

3H130BA24G

3H130BA74B

3H130BA74D

3H130BA74E

3H130BA74G

3H130BA87B

3H130BA87D

3H130BA87E

3H130BA87G

3H130DA02X

3H130DB01Z

3H130DB08Z

3H130DB10Z

3H130DB15X

3H130EA06D

3H130EA07B

3H130EA07C

3H130EA07E

3H130EA07G

(57)【要約】

【課題】回転軸の回転の安定性を高めるのに有利なターボ圧縮機を提供する。
【解決手段】
ターボ圧縮機（１ａ）は、回転軸（１０）と、第一インペラ（２１）と、第二インペラ（２２）と、第一軸受（４１）と、リターン流路（８２ａ）とを備える。第一インペラ（２１）は、第一吸込口（２１ａ）及び第一吐出口（２１ｂ）を有する。第二インペラ（２２）は、第二吸込口（２２ａ）及び第二吐出口（２２ｂ）を有する。第一軸受（４１）は回転軸（１０）を回転可能に支持する。リターン流路（８２ａ）は、第一吐出口（２１ｂ）から第二吸込口（２２ａ）に作動流体を導く。第一吸込口（２１ａ）及び第二吸込口（２２ａ）は同じ向きに開口している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸と、
前記回転軸に固定され、作動流体が吸い込まれる第一吸込口及び前記作動流体が吐出される第一吐出口を有する、第一インペラと、
前記回転軸に固定され、前記作動流体が吸い込まれる第二吸込口及び前記作動流体が吐出される第二吐出口を有する、第二インペラと、
前記回転軸の軸線方向において前記第一インペラと前記第二インペラとの間に配置され、前記回転軸を回転可能に支持する第一軸受と、
前記第一吐出口から前記第二吸込口に前記作動流体を導くリターン流路と、を備え、
前記第一吸込口及び前記第二吸込口は、同じ向きに開口している、
ターボ圧縮機。

【請求項2】

前記軸線方向において前記第一軸受が存在する領域の全ては、前記軸線方向において前記リターン流路が存在する領域と重なっている、請求項１に記載のターボ圧縮機。

【請求項3】

常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する前記作動流体を加速して圧縮する、請求項１又は２に記載のターボ圧縮機。

【請求項4】

前記軸線方向において前記第一軸受よりも前記第一インペラから離れた位置に配置され、前記回転軸を回転可能に支持する第二軸受と、
前記軸線方向において前記第一軸受と前記第二軸受との間で前記回転軸に固定されている回転子を有するモータと、をさらに備え、
請求項１から３のいずれか１項に記載のターボ圧縮機。

【請求項5】

前記第一吸込口及び前記第二吸込口と同じ向きに開口している第三吸込口を有し、前記軸線方向において前記第一軸受から離れた位置に配置され、前記回転軸に固定されている、第三インペラをさらに備え、
前記第二インペラは、前記第一インペラと前記第三インペラとの間に配置され、
前記第三インペラの固定位置における前記回転軸の直径は、前記第二インペラの固定位置における前記回転軸の直径以上である、請求項１から４のいずれか１項に記載のターボ圧縮機。

【請求項6】

前記軸線方向において前記第一軸受よりも前記第一インペラから離れた位置に配置され、前記回転軸を回転可能に支持する第二軸受と、
前記軸線方向において前記第一軸受と前記第二軸受との間で前記回転軸に固定されている回転子を有するモータと、をさらに備え、
前記第三インペラは、前記軸線方向において前記第二インペラと前記回転子との間で固定されている、請求項５に記載のターボ圧縮機。

【請求項7】

気相冷媒を生じさせる蒸発器と、
前記蒸発器で生じた前記気相冷媒を前記作動流体として圧縮する、請求項１から６のいずれか１項に記載のターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機で圧縮された前記気相冷媒を凝縮させる凝縮器と、を備えた、
冷凍サイクル装置。

【請求項8】

前記蒸発器は液相冷媒をその内部に貯留し、
前記凝縮器は液相冷媒をその内部に貯留し、
前記蒸発器に貯留された前記液相冷媒及び前記凝縮器に貯留された前記液相冷媒の少なくとも１つが前記第一軸受に供給される、
請求項７に記載の冷凍サイクル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ターボ圧縮機及び冷凍サイクル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、低圧の冷媒を圧縮するための多段のターボ圧縮機が知られている。

【0003】

図４Ａに示す通り、特許文献１には、ターボ圧縮機２００が記載されている。ターボ圧縮機２００は、ケーシング２２１と、電動機２１３と、回転軸２２５と、転がり軸受２２７と、滑り軸受２２８とを備える。回転軸２２５の一端には２段のインペラ２２３ａ及び２２３ｂが固定されており、インペラ２２３ａ及び２２３ｂは、圧縮通路構造と共に圧縮部２２３を構成している。転がり軸受２２７は、電動機２１３とインペラ２２３ａ及び２２３ｂとの間で回転軸２２５を軸支し、回転軸２２５の他端が滑り軸受２２８によって軸支されている。転がり軸受２２７は、２つのアンギュラ玉軸受２２７ａ及び２２７ｂを有する。滑り軸受２２８において、軸受ボス２２１ｄに軸受メタル２２８ａが圧入されている。電動機２１３は、ステータ２１３Ａと、回転軸２２５に固定されたロータ２１３Ｂとを備える。電動機２１３によって圧縮部２２３が駆動されると、気化冷媒が圧縮部２２３に吸入されて圧縮される。

【0004】

一方、従来、ターボ圧縮機として、リターン流路を有する多段遠心式圧縮機が知られている。例えば、図４Ｂに示す通り、特許文献２には、多段遠心式圧縮機３００が記載されている。多段遠心式圧縮機３００は、１段目の羽根車３０１と、次段羽根車３０４と、ディフューザ３０６と、リターンベーン３０７と、ディフューザベーン３０８と、ステージラビリンス３０９と、回転軸３１０とを備える。多段遠心式圧縮機３００は、ディフューザ３０６からのガス流を次段羽根車３０４へ流入させるリターン流路を有し、リターンベーン３０７がリターン流路に配置されている。図４Ｂにおいて、白抜きの矢印は、ガスの流れの主流を示す。リターン流路は、ガスの速度エネルギーを圧力エネルギーに変えるものである。図４Ｂにおいて、Ｃは、回転軸３１０の軸心である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－１２５４３４号公報

【特許文献2】特開平７－１２７６００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１及び２に記載の技術によれば、例えば、常温（２０℃±１５℃：日本工業規格 JIS Z 8703）において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する気相冷媒等の作動流体を圧縮する場合に、回転軸の回転の安定性を高める余地がある。

【0007】

本開示は、回転軸の回転の安定性を高めるのに有利なターボ圧縮機を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示は、
回転軸と、
前記回転軸に固定され、作動流体が吸い込まれる第一吸込口及び前記作動流体が吐出される第一吐出口を有する、第一インペラと、
前記回転軸に固定され、前記作動流体が吸い込まれる第二吸込口及び前記作動流体が吐出される第二吐出口を有する、第二インペラと、
前記回転軸の軸線方向において前記第一インペラと前記第二インペラとの間に配置され、前記回転軸を回転可能に支持する第一軸受と、
前記第一吐出口から前記第二吸込口に前記作動流体を導くリターン流路と、を備え、
前記第一吸込口及び前記第二吸込口は、同じ向きに開口している、
ターボ圧縮機を提供する。

【発明の効果】

【0009】

上記のターボ圧縮機は、回転軸の回転の安定性を高めるのに有利である。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本開示のターボ圧縮機の一例を示す断面図である。

【図2】図２は、本開示の冷凍サイクル装置の一例を示す構成図である。

【図3】図３は、本開示のターボ圧縮機の別の一例を示す断面図である。

【図4A】図４Ａは、従来のターボ圧縮機を示す断面図である。

【図4B】図４Ｂは、従来の多段遠心式圧縮機を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（本開示の基礎となった知見）
例えば、常温で大気圧以下の飽和蒸気圧を有する作動流体を、リターン流路を有する多段のターボ圧縮機を用いて圧縮することが考えられる。この場合、リターン流路の断面積を大きくする必要がある。なぜなら、このような作動流体はリターン流路を大きな比容積で流れ、リターン流路における作動流体の体積流量が大きいからである。一方、リターン流路の断面積を大きくするためには、回転軸の軸線方向の長さを長くする必要がある。しかし、このことは、回転軸の曲げ剛性に基づく固有振動数を低下させやすい。回転軸の曲げ剛性に基づく固有振動数が低いと、回転軸の曲げ剛性に基づく固有振動数と回転軸の回転数とが近くなって共振が発生し、回転軸を所望の回転数で回転させることが難しくなる。このため、回転軸の曲げ剛性に基づく固有振動数の低下を防止するために、回転軸の軸線方向の長さの延伸を抑えることが望ましい。そこで、本発明者らは、回転軸の軸線方向の長さの延伸を抑えつつリターン流路の断面積を大きくするためのターボ圧縮機の構成について鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者らは、回転軸を回転可能に支持する軸受とリターン流路との所望の配置関係を新たに見出し、本開示のターボ圧縮機を案出した。なお、この知見は、本発明者らの検討に基づくものであり、先行技術として自認するものではない。

【0012】

（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係るターボ圧縮機は、
回転軸と、
前記回転軸に固定され、作動流体が吸い込まれる第一吸込口及び前記作動流体が吐出される第一吐出口を有する、第一インペラと、
前記回転軸に固定され、前記作動流体が吸い込まれる第二吸込口及び前記作動流体が吐出される第二吐出口を有する、第二インペラと、
前記回転軸の軸線方向において前記第一インペラと前記第二インペラとの間に配置され、前記回転軸を回転可能に支持する第一軸受と、
前記第一吐出口から前記第二吸込口に前記作動流体を導くリターン流路と、を備え、
前記第一吸込口及び前記第二吸込口は、同じ向きに開口している。

【0013】

第１態様によれば、第一軸受は、回転軸の軸線方向において第一インペラと第二インペラとの間に配置されているので、回転軸の軸線方向の長さの延伸を抑えつつリターン流路の断面積を大きくしやすい。これにより、回転軸の曲げ剛性に基づく固有振動数の低下を防止できる。このため、第１態様に係るターボ圧縮機は、回転軸の回転の安定性を高めるのに有利である。

【0014】

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係るターボ圧縮機では、前記軸線方向において前記第一軸受が存在する領域の全ては、前記軸線方向において前記リターン流路が存在する領域と重なっている。第２態様によれば、より確実に回転軸の軸線方向の長さの延伸を抑えることができる。

【0015】

本開示の第３態様において、例えば、第１態様又は第２態様に係るターボ圧縮機では、常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する前記作動流体を加速して圧縮してもよい。第３態様によれば、回転軸の回転の安定性が高い状態で、常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する作動流体を圧縮できる。

【0016】

本開示の第４態様において、例えば、第１態様から第３態様に係るターボ圧縮機は、前記軸線方向において前記第一軸受よりも前記第一インペラから離れた位置に配置され、前記回転軸を回転可能に支持する第二軸受と、前記軸線方向において前記第一軸受と前記第二軸受との間で前記回転軸に固定されている回転子を有するモータと、をさらに備えていてもよい。第４態様によれば、モータの回転子が回転軸に固定された状態で、回転軸の回転の安定性を高めることができる。

【0017】

本開示の第５態様において、例えば、第１態様から第４態様に係るターボ圧縮機は、前記第一吸込口及び前記第二吸込口と同じ向きに開口している第三吸込口を有し、前記軸線方向において前記第一軸受から離れた位置に配置され、前記回転軸に固定されている、第三インペラをさらに備えてもよく、前記第二インペラは、前記第一インペラと前記第三インペラとの間に配置されてもよく、前記第三インペラの固定位置における前記回転軸の直径は、前記第二インペラの固定位置における前記回転軸の直径以上であってもよい。第５態様によれば、第三インペラにより高い圧力比での運転を実現しやすい。加えて、第三インペラの固定位置における回転軸の直径が第二インペラの固定位置における回転軸の直径以上であることにより、回転軸の曲げ剛性が高くなりやすい。このため、第５態様によれば、回転軸の曲げ剛性に基づく固有振動数の低下を防止できる。

【0018】

本開示の第６態様において、例えば、第５態様に係るターボ圧縮機は、前記軸線方向において前記第一軸受よりも前記第一インペラから離れた位置に配置され、前記回転軸を回転可能に支持する第二軸受と、前記軸線方向において前記第一軸受と前記第二軸受との間で前記回転軸に固定されている回転子を有するモータと、をさらに備えてもよく、前記第三インペラは、前軸線方向において前記第二インペラと前記回転子との間で固定されていてもよい。第６態様によれば、モータの回転子が回転軸に固定された状態で回転軸の回転の安定性を高めることができる。

【0019】

本開示の第７態様に係る冷凍サイクル装置は、
気相冷媒を生じさせる蒸発器と、
前記蒸発器で生じた前記気相冷媒を前記作動流体として圧縮する、第１態様から第６態様のいずれか１つの態様のターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機で圧縮された前記気相冷媒を凝縮させる凝縮器と、を備える。

【0020】

第７態様によれば、ターボ圧縮機の回転軸の回転の安定性が高い状態で、蒸発器で発生した気相冷媒を圧縮できる。

【0021】

本開示の第８態様において、例えば、第７態様に係る冷凍サイクル装置では、前記蒸発器は液相冷媒をその内部に貯留してもよく、前記凝縮器は液相冷媒をその内部に貯留してもよく、前記蒸発器に貯留された前記液相冷媒及び前記凝縮器に貯留された前記液相冷媒の少なくとも１つが前記第一軸受に供給されてもよい。第８態様によれば、例えば、蒸発器に貯留された液相冷媒及び凝縮器に貯留された液相冷媒の少なくとも１つを第一軸受の潤滑又は冷却に利用できる。

【0022】

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示は以下の実施形態に限定されない。

【0023】

図１に示す通り、ターボ圧縮機１ａは、回転軸１０と、第一インペラ２１と、第二インペラ２２と、第一軸受４１と、リターン流路８２ａとを備えている。第一インペラ２１は、回転軸１０に固定されている。第一インペラ２１は、作動流体が吸い込まれる第一吸込口２１ａ及び作動流体が吐出される第一吐出口２１ｂを有する。第二インペラ２２は、回転軸１０に固定されている。第二インペラ２２は、作動流体が吸い込まれる第二吸込口２２ａ及び作動流体が吐出される第二吐出口２２ｂを有する。第一軸受４１は、回転軸の軸線方向において第一インペラ２１と第二インペラ２２との間に配置され、回転軸１０を回転可能に支持する。なお、第一軸受４１は、回転軸１０を回転可能に支持するために不可欠な部材である。第一軸受４１は、回転軸１０を回転可能に支持するためには不可欠ではないシール部材とはこのような観点で区別される。リターン流路８２ａは、第一吐出口２１ｂから第二吸込口２２ａに作動流体を導く流路である。第一吸込口２１ａ及び第二吸込口２２ａは、同じ向きに開口している。

【0024】

例えば、回転軸１０の軸線方向において第一軸受４１が存在する領域の全ては、回転軸１０の軸線方向においてリターン流路８２ａが存在する領域と重なっている。

【0025】

第一インペラ２１は、例えば、回転軸１０の一方の端部に固定されている。第一軸受４１は、回転軸１０の軸線方向において第一インペラ２１と第二インペラ２２との間に配置されているので、第一インペラ２１が回転軸１０の一方の端部に固定されていても、第一軸受４１を回転可能に支持できる。

【0026】

ターボ圧縮機１ａは、例えば、ケーシング６０を備えており、第一軸受４１は、ケーシング６０に固定されている。ケーシング６０は、静止流路をなす壁面を有し、リターン流路８２ａはケーシング６０の内部に存在する。

【0027】

図１に示す通り、ターボ圧縮機１ａは、例えばモータ７０をさらに備えている。モータ７０は、例えば、回転子７１と、固定子７２とを備えている。回転子７１は、例えば、回転軸１０に固定されている。回転子７１は、望ましくは、回転軸１０の軸線方向において第二インペラ２２よりも第一インペラ２１から離れた位置で回転軸１０に固定されている。換言すると、回転軸１０の軸線方向において、第一インペラ２１、第二インペラ２２、及び回転子７１がこの順番で並んでいる。固定子７２は、例えば、ケーシング６０に固定されている。モータ７０に電力が供給されると、固定子７２によって回転磁界が発生し、回転子７１に回転トルクが発生する。これにより、回転軸１０に固定された第一インペラ２１及び第二インペラ２２が回転する。

【0028】

ターボ圧縮機１ａは、例えば、常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する作動流体を加速して圧縮する。作動流体は、典型的には気相である。このような作動流体として、望ましくは水を使用できる。このような作動流体はリターン流路を大きな比容積で流れやすいので、リターン流路の断面積を大きくする必要性が高い。なお、ターボ圧縮機１ａは、場合によっては、常温において大気圧を超える飽和蒸気圧を有する作動流体を加速して圧縮してもよい。

【0029】

ターボ圧縮機１ａは、例えば、第二軸受４２をさらに備えている。第二軸受４２は、回転軸１０の軸線方向において第一軸受４１よりも第一インペラ２１から離れた位置に配置されている。第二軸受４２は、回転軸１０を回転可能に支持する。モータ７０の回転子７１は、例えば、回転軸１０の軸線方向において第一軸受４１と第二軸受４２との間で回転軸１０に固定されている。回転軸１０の軸線方向における中心は、例えば、第二インペラ２２と回転子７１との間に位置している。

【0030】

回転軸１０は、望ましくは、回転時のアンバランスを最小限に抑えるために、高精度に軸対称な形状を有している。回転子７１は、例えば、焼嵌めによって回転軸１０に固定されている。回転軸１０が高速で回転して遠心力により回転子７１の直径が僅かに拡大しても焼嵌めしろが残るように、回転子７１の焼嵌めにおいて十分に大きな焼嵌めしろが確保されている。回転軸１０の回転数は、例えば、５０００revolutions per minute（ｒｐｍ）から１０００００ｒｐｍである。回転軸１０の材料は、特定の材料に限定されない。回転軸１０の材料は、例えば、ＳＮＣＭ６３０等の高強度の鉄系材料でありうる。

【0031】

例えば、第二インペラ２２の固定位置における回転軸１０の直径は、第一インペラ２１の固定位置における回転軸１０の直径より大きい。この場合、回転軸１０が中央付近において大きな直径を有し、回転軸１０の曲げ剛性に基づく固有振動数が高くなりやすい。このため、回転軸１０の回転の安定性が高くなりやすい。

【0032】

ターボ圧縮機１ａにおいて、第一インペラ２１及び第二インペラ２２は、典型的には、遠心式の圧縮機構を構成している。第一インペラ２１の第一吸込口２１ａをなす部位の外径は、例えば、第一インペラ２１の第一吐出口２１ｂをなす部位の外径よりも小さい。第一吸込口２１ａは、例えば、第一インペラ２１の前方に開口している。第一吐出口２１ｂは、第一インペラ２１の半径方向外側に開口している。第二インペラ２２の第二吸込口２２ａをなす部位の外径は、例えば、第二インペラ２２の第二吐出口２２ｂをなす部位の外径よりも小さい。第二吸込口２２ａは、例えば、第二インペラ２２の前方に開口している。第二吐出口２２ｂは、第二インペラ２２の半径方向外側に開口している。

【0033】

リターン流路８２ａは、例えば、回転軸１０の軸線に垂直な方向において、第一軸受４１の外側に位置する環状の流路である。第一インペラ２１の第一吐出口２１ｂをなす部位の外径は、例えば、第二インペラ２２の第二吸込口２２ａをなす部位の外径よりも小さい。このため、リターン流路８２ａは、回転軸１０の軸線方向において第二インペラ２２に向かって窄むように形成されている。

【0034】

第一吸込口２１ａから吸い込まれた作動流体は、第一インペラ２１によって加速されて、第一吐出口２１ｂから吐出される。その後、作動流体は、リターン流路８２ａを通って、第二吸込口２２ａに吸い込まれ、第二インペラ２２によって加速され、第二吐出口２２ｂから吐出される。これにより、作動流体が圧縮される。ターボ圧縮機１ａには流路８３が接続されており、第二吐出口２２ｂから吐出された作動流体は、流路８３を通ってターボ圧縮機１ａの外部に供給される。

【0035】

第一軸受４１は、回転軸１０を回転可能に支持する限り、特定の軸受に限定されない。第一軸受４１は、例えば、滑り軸受である。第一軸受４１は、例えば、ラジアル支持部４１ａと、スラスト支持部４１ｂとを有する。ラジアル支持部４１ａは、回転軸１０を含む回転体の荷重を半径方向に支持する。スラスト支持部４１ｂは、第一インペラ２１及び第二インペラ２２の回転によって生じるスラスト力を支持する。第一軸受４１が滑り軸受である場合、第一軸受４１を潤滑する流体は潤滑油であってもよいし、作動流体に対し相溶性を示す流体であってもよい。第一軸受４１を潤滑する流体は、望ましくは、作動流体と同一成分の流体であってもよい。第一軸受４１は、玉軸受等の転がり軸受であってもよいし、磁気軸受であってもよい。

【0036】

第二軸受４２は、回転軸１０を回転可能に支持する限り、特定の軸受に限定されない。第二軸受４２は、例えば、滑り軸受である。第二軸受４２は、例えば、ターボ圧縮機１ａの通常運転では、スラスト力を支持しないように構成されている。第二軸受４２は、例えば、回転軸１０の軸線方向において、回転軸１０を含む回転体に対し、回転軸１０の軸線方向における全長の１０００分の１程度又はそれ以上の寸法変化を許容する。これにより、ターボ圧縮機１ａの運転中に回転軸１０の温度上昇により回転軸１０が膨張しても、第二軸受４２は、回転軸１０の膨張に伴う回転軸１０の伸びに対応できる。第二軸受４２は、玉軸受等の転がり軸受であってもよいし、磁気軸受であってもよい。

【0037】

ターボ圧縮機１ａの動作及び作用の一例について説明する。第一インペラ２１の第一吸込口２１ａの前方の空間には、例えば、１ｋＰａの圧力の気相の作動流体が存在している。モータ７０の作動により、回転軸１０が回転すると、回転軸１０と共に第一インペラ２１及び第二インペラ２２が回転する。これにより、第一吸込口２１ａの前方の空間の作動流体は、第一吸込口２１ａを通過して、第一インペラ２１によって加速され、第一吐出口２１ｂから吐出される。これにより、作動流体が圧縮される。第一インペラ２１における作動流体の圧力比は例えば２であり、第一吐出口２１ｂから吐出された作動流体の圧力は２ｋＰａでありうる。第一吐出口２１ｂから吐出された作動流体は、リターン流路８２ａを通って第二吸込口２２ａに吸い込まれる。例えば、作動流体が水蒸気である場合、２ｋＰａの圧力の水蒸気の常温における比体積は６７ｍ³／ｋｇであり、リターン流路８２ａは大きな断面積を必要とする。ターボ圧縮機１ａにおいて、第一軸受４１は、回転軸１０の軸線方向において第一インペラ２１と第二インペラ２２との間に配置されている。このため、回転軸１０は、本来、第一インペラ２１と第二インペラ２２との間に第一軸受４１を配置するための長さを有している。ターボ圧縮機１ａにおいて、第一軸受４１は、回転軸１０の軸線方向においてリターン流路８２ａと重なっているので、回転軸１０の軸線方向の長さの延伸を抑えつつリターン流路８２ａの断面積を大きくしやすい。このため、回転軸１０の曲げ剛性に基づく固有振動数が高くなりやすい。その結果、ターボ圧縮機１ａによれば、回転軸１０の曲げ剛性に基づく固有振動数と回転軸１０の回転数とが近くなって共振が発生することを防止できる。

【0038】

例えば、ターボ圧縮機１ａを用いて冷凍サイクル装置を提供できる。図２に示す通り、冷凍サイクル装置１００は、蒸発器３０と、ターボ圧縮機１ａと、凝縮器５０と、を備えている。蒸発器３０は、気相冷媒を生じさせる。ターボ圧縮機１ａは、蒸発器３０で生じた気相冷媒を作動流体として圧縮する。凝縮器５０は、ターボ圧縮機１ａで圧縮された気相冷媒を凝縮させる。冷凍サイクル装置１００によれば、ターボ圧縮機１ａの回転軸１０の回転の安定性が高い状態で、蒸発器３０で発生した気相冷媒を圧縮できる。冷凍サイクル装置１００は、例えば、空気調和装置として機能させることができる。

【0039】

蒸発器３０は、例えば、液相冷媒をその内部に貯留する。凝縮器５０は、例えば、液相冷媒をその内部に貯留する。冷凍サイクル装置１００において、蒸発器３０に貯留された液相冷媒及び凝縮器に貯留された液相冷媒の少なくとも１つが第一軸受４１に供給される。この場合、例えば、蒸発器３０に貯留された液相冷媒及び凝縮器５０に貯留された液相冷媒の少なくとも１つを第一軸受４１の潤滑又は冷却に利用できる。

【0040】

図２に示す通り、冷凍サイクル装置１００は、例えば、主回路８０と、第一循環回路３１と、第二循環回路５１とを備えている。主回路８０は、蒸発器３０、ターボ圧縮機１ａ、及び凝縮器５０がこの順に接続されている回路である。蒸発器３０の内部空間とターボ圧縮機１ａのケーシング６０の内部空間とが流路８１によって連通している。ターボ圧縮機１ａのケーシング６０の内部空間と凝縮器５０の内部空間とが流路８３によって連通している。凝縮器５０の内部空間と蒸発器３０の内部空間とが流路８４によって連通している。

【0041】

第一循環回路３１は、第一ポンプ３５及び第一熱交換器３３を有する。第一循環回路３１は、蒸発器３０に貯留された液体の作動流体が第一ポンプ３５によって第一熱交換器３３に供給され、第一熱交換器３３で吸熱した作動流体が蒸発器３０に戻るように構成されている。第一循環回路３１において、蒸発器３０と第一ポンプ３５との入口とが流路３１ａによって接続されている。第一ポンプ３５の出口と第一熱交換器３３の入口とが流路３１ｂによって接続されている。第一熱交換器３３の出口と蒸発器３０とが流路３１ｃによって接続されている。

【0042】

第二循環回路５１は、第二ポンプ５５及び第二熱交換器５３を有する。第二循環回路５１は、凝縮器５０に貯留された液体の作動流体が第二ポンプ５５によって第二熱交換器５３に供給され、第二熱交換器５３で放熱した作動流体が凝縮器５０に戻るように構成されている。第二循環回路５１において、凝縮器５０と第二ポンプ５５の入口とが流路５１ａによって接続されている。第二ポンプ５５の出口と第二熱交換器５３の入口とが流路５１ｂによって接続されている。第二熱交換器５３の出口と凝縮器５０とが流路５１ｃによって接続されている。

【0043】

冷凍サイクル装置１００において、例えば、蒸発器３０に貯留されている液相冷媒が第一軸受４１及び第二軸受４２に供給されるべき潤滑液として利用される。冷凍サイクル装置１００において、例えば、凝縮器５０に貯留されている液相冷媒が第一軸受４１及び第二軸受４２に供給されるべき潤滑液として利用されてもよい。第一軸受４１及び第二軸受４２に供給された液相冷媒は、蒸発器３０又は凝縮器５０に戻される。

【0044】

ターボ圧縮機１ａは、様々な観点から変更可能である。例えば、ターボ圧縮機１ａは、図３に示すターボ圧縮機１ｂのように変更されてもよい。ターボ圧縮機１ｂは、特に説明する部分を除き、ターボ圧縮機１ａと同様に構成されている。ターボ圧縮機１ａの構成要素と同一又は対応するターボ圧縮機１ｂの構成要素には、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。ターボ圧縮機１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、ターボ圧縮機１ｂにも当てはまる。

【0045】

図３に示す通り、ターボ圧縮機１ｂは、第三インペラ２３をさらに備えている。第三インペラ２３は、回転軸１０の軸線方向において第一軸受４１から離れた位置に配置され、回転軸１０に固定されている。第二インペラ２２は、第一インペラ２１と第三インペラ２３との間に配置されている。ターボ圧縮機１ｂによれば、第三インペラ２３によって高い圧力比での運転を実現しやすい。加えて、ターボ圧縮機１ｂにおいて、第三インペラ２３の固定位置における回転軸１０の直径は、第二インペラ２２の固定位置における回転軸１０の直径以上である。これにより、回転軸１０は、軸線方向における中央付近において大きな直径を有しやすく、回転軸１０の曲げ剛性が高くなりやすい。その結果、回転軸１０の曲げ剛性に基づく固有振動数の低下を防止でき、回転軸１０の曲げ剛性に基づく固有振動数と回転軸１０の回転数とが近くなって共振が発生することを防止できる。

【0046】

第三インペラ２３は、例えば、回転軸１０の軸線方向において第二インペラ２２と回転子７１との間で回転軸１０に固定されている。この場合、モータ７０の回転子７１が回転軸１０に固定された状態で回転軸１０の回転の安定性を高めることができる。回転軸１０の軸線方向における中心は、例えば、第二インペラ２２と回転子７１との間に位置している。

【0047】

第三インペラ２３は、典型的には、作動流体が吸い込まれる第三吸込口２３ａ及び作動流体が吐出される第三吐出口２３ｂを有する。第三吸込口２３ａは、例えば、第一吸込口２１ａ及び第二吸込口２２ａの開口向きと同じ向きに開口している。第三インペラ２３は、例えば、第一インペラ２１及び第二インペラ２２と共に遠心式の圧縮機構を構成している。第三インペラ２３の第三吸込口２３ａをなす部位の外径は、例えば、第三インペラ２３の第三吐出口２３ｂをなす部位の外径よりも小さい。第三吸込口２３ａは、例えば、第三インペラ２３の前方に開口している。第三吐出口２３ｂは、第三インペラ２３の半径方向外側に開口している。

【0048】

ターボ圧縮機１ｂは、例えば、リターン流路８２ｂをさらに備えている。リターン流路８２ｂは、第二吐出口２２ｂから第三吸込口２３ａに作動流体を導く流路である。これにより、第一インペラ２１及び第二インペラ２２を通過して圧縮された小さい比体積を有する作動流体が第三インペラ２３に導かれる。このため、第三インペラ２３は、第三インペラ２３における作動流体の流路の幅が第一インペラ２１における作動流体の流路の幅よりも狭いように作製されうる。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本開示に係るターボ圧縮機は、回転軸の曲げ剛性に基づく固有振動数の低下に伴う共振を防止でき、空気調和装置、チラー、及び熱サイクル発電システム用のターボ圧縮機の用途に適用できる。

【符号の説明】

【0050】

１ａ、１ｂ ターボ圧縮機
１０ 回転軸
１１ 一方の端部
２１ 第一インペラ
２１ａ 第一吸込口
２１ｂ 第一吐出口
２２ 第二インペラ
２２ａ 第二吸込口
２２ｂ 第二吐出口
２３ 第三インペラ
３０ 蒸発器
４１ 第一軸受
４２ 第二軸受
５０ 凝縮器
７０ モータ
７１ 回転子
８２ａ リターン流路
１００ 冷凍サイクル装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】