特開 2024-146896 遠心圧縮機

(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】P2024146896

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】遠心圧縮機

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/30 20060101AFI20241004BHJP

   F04D 29/16 20060101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

F04D29/30 A

F04D29/16

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024055206

(22)【出願日】2024-03-29

(31)【優先権主張番号】P 2023058713

(32)【優先日】2023-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000002853

【氏名又は名称】ダイキン工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】河内谷 佑季

(72)【発明者】

【氏名】西村 公佑

(72)【発明者】

【氏名】田中 孝一

(72)【発明者】

【氏名】岩田 有弘

(72)【発明者】

【氏名】福田 大悟

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA14

3H130AB27

3H130AB47

3H130AC11

3H130BA53A

3H130BA53C

3H130CA06

3H130CB01

3H130CB06

3H130DB03Z

3H130DB08Z

3H130DB10Z

3H130EA07A

3H130EA07C

3H130EA08A

3H130EA08C

3H130EB05C

(57)【要約】

【課題】翼の先端とケーシングとの間の隙間における漏れ流れを抑制すること。
【解決手段】遠心圧縮機１０は、ハブ１２１、及び、ハブ１２１の外周に設けられた翼１２２を有する、オープン型式のインペラ１２Ａ，１２Ｂと、インペラ１２Ａ，１２Ｂに連結された駆動軸１３と、駆動軸１３を支持する軸受１４Ａ，１４Ｂと、インペラ１２Ａ，１２Ｂを覆うケーシング１１と、を備え、軸受１４Ａ，１４Ｂに対する駆動軸１３の径方向の可動範囲は、軸受１４Ａ，１４Ｂに対する駆動軸１３の軸方向の可動範囲よりも大きく、翼１２２のガス入口側の外周縁１２３ａとケーシング１１の内壁１５との間の第１隙間ｔ１は、翼１２２のガス出口側の外周縁１２３ｂとケーシング１１の内壁１５との間の第２隙間ｔ２よりも大きい。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ハブ、及び、ハブの外周に設けられた翼を有する、オープン型式のインペラと、
前記インペラに連結された回転軸と、
前記回転軸を支持する軸受と、
前記インペラを覆うケーシングと、を備え、
前記軸受に対する前記回転軸の径方向の可動範囲は、前記軸受に対する前記回転軸の軸方向の可動範囲よりも大きく、
前記翼のガス入口側の外周縁と前記ケーシングの内壁との間の第１隙間は、前記翼のガス出口側の外周縁と前記ケーシングの内壁との間の第２隙間よりも大きい遠心圧縮機。

【請求項2】

前記翼の翼角度の最小点は、前記翼の後半部分に存在する請求項１に記載の遠心圧縮機。

【請求項3】

前記翼角度の最小点は、子午面長さｍに対して、０．６ｍ以上、１．０ｍ以下の位置に存在する請求項２に記載の遠心圧縮機。

【請求項4】

子午面長さｍの方向に対して垂直な方向で、前記翼に沿う方向をスパン方向とし、
前記スパン方向における、前記ハブの外周面から前記翼の外周縁までの長さをスパン長さｓとしたとき、
前記スパン長さｓに対して０．５ｓ以上の位置において、前記翼角度の最小点は、前記翼の後半部分に存在する請求項２に記載の遠心圧縮機。

【請求項5】

前記スパン長さｓに対して、０．９ｓ以上の位置において、前記翼角度の最小点は、前記翼の後半部分に存在する請求項４に記載の遠心圧縮機。

【請求項6】

前記軸受は、空気軸受又はフォイル軸受又は制御型磁気軸受又は転がり軸受又はすべり軸受である請求項１～５の何れか一項に記載の遠心圧縮機。

【請求項7】

前記軸受は制御型磁気軸受であり、
前記制御型磁気軸受は、前記回転軸の径方向におけるタッチダウンまでの距離が、前記回転軸の軸方向におけるタッチダウンまでの距離より大きくなるように、前記回転軸の位置を制御する、請求項６に記載の遠心圧縮機。

【請求項8】

前記第１隙間の距離は、前記第２隙間の２倍以上の距離である、請求項１～５の何れか一項に記載の遠心圧縮機。

【請求項9】

前記インペラの回転数は３００００ｒｐｍ以上である、請求項１～５の何れか一項に記載の遠心圧縮機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、遠心圧縮機に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば空気調和装置に適用される冷凍機は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を備える。特許文献１では、圧縮機として、遠心圧縮機が開示されている。特許文献１に記載の遠心圧縮機は、ハブ及び翼を有するロータと、ロータを囲繞するケーシングと、を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１８／１４６７５２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

遠心圧縮機の運転時に、翼の先端とケーシングとの間の隙間を通じて、高圧側から低圧側へ気体が流れる漏れ流れが生じる。この漏れ流れにより遠心圧縮機の運転効率が低下する。本開示は、翼の先端とケーシングとの間の隙間における漏れ流れを抑制することが可能な遠心圧縮機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様に係る遠心圧縮機は、ハブ、及び、ハブの外周に設けられた翼を有する、オープン型式のインペラと、インペラに連結された回転軸と、回転軸を支持する軸受と、インペラを覆うケーシングと、を備え、軸受に対する回転軸の径方向の可動範囲は、軸受に対する回転軸の軸方向の可動範囲よりも大きく、翼のガス入口側の外周縁とケーシングの内壁との間の第１隙間は、翼のガス出口側の外周縁とケーシングの内壁との間の第２隙間よりも大きい。

【0006】

本態様の遠心圧縮機では、翼のガス出口側の外周縁とケーシングの内壁との間の第２隙間は、翼のガス入口側の外周縁とケーシングの内壁との間の第１隙間より狭い。この遠心圧縮機では、ガスの流れ方向において、圧力が高い方である出口側に、圧力が低い方である入口側の第１隙間より狭い第２隙間が形成されている。これにより、圧力が高い出口側において、翼の外周縁とケーシングとの間の隙間における漏れ流れを抑制することができる。

【0007】

本開示の一態様に係る遠心圧縮機において、翼の翼角度の最小点は、翼の後半部分に存在する。

【0008】

本態様の遠心圧縮機では、翼角度が最小点となる位置において、翼負荷が高くなる。翼負荷が高い部分では、翼の正圧面と負圧面との圧力差が大きくなる。本態様の遠心圧縮機では、翼の後半部分において、翼の正圧面と負圧面との圧力差が大きくなる。

【0009】

本開示の一態様に係る遠心圧縮機において、翼角度の最小点は、子午面長さｍに対して、０．６ｍ以上、１．０ｍ以下の位置に存在する。

【0010】

なお、「子午面長さ」とは、子午面（回転軸線に沿った断面において、翼形状を当該回転軸線の周りに回転投影した形状を重ね合わせた図）上で規定される長さである。

【0011】

本開示の一態様に係る遠心圧縮機において、子午面長さｍの方向に対して垂直な方向で、翼に沿う方向をスパン方向とし、スパン方向における、ハブの外周面から翼の外周縁までの長さをスパン長さｓとしたとき、スパン長さｓに対して０．５ｓ以上の位置において、翼角度の最小点は、翼の後半部分に存在してもよい。

【0012】

本開示の一態様に係る遠心圧縮機において、スパン長さｓに対して、０．９ｓ以上の位置において、前記翼角度の最小点は、前記翼の後半部分に存在してもよい。

【0013】

本開示の一態様に係る遠心圧縮機において、空気軸受又はフォイル軸受又は制御型磁気軸受又は転がり軸受又はすべり軸受でもよい。

【0014】

本開示の一態様に係る遠心圧縮機において、軸受は制御型磁気軸受であり、制御型磁気軸受は、回転軸の径方向におけるタッチダウンまでの距離が、回転軸の軸方向におけるタッチダウンまでの距離より大きくなるように、回転軸の位置を制御することができる。

【0015】

本開示の一態様に係る遠心圧縮機において、第１隙間の距離は、前記第２隙間の２倍以上の距離でもよい。

【0016】

本開示の一態様に係る遠心圧縮機において、インペラの回転数は３００００ｒｐｍ以上でもよい。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】一実施形態に係る遠心圧縮機を備える冷凍機を示す概略図である。

【図2】一実施形態に係る遠心圧縮機を示す概略図である。

【図3】インペラの側面図である。

【図4】インペラの外周縁とケーシングの内壁との間の隙間を示す縦断面図である。

【図5】子午面長さと翼角度との関係を示すグラフである。

【図6】インペラの外周縁及び子午面長さを示す図である。

【図7】子午面長さと静圧係数との関係を示すグラフである。

【図8】子午面長さと静圧との関係を示すグラフである。

【図9】一実施形態に係る遠心圧縮機を示す概略図である。

【図10】回転軸線Ｃ１に沿った断面において、翼形状を当該回転軸線Ｃ１の周りに回転投影した形状を重ね合わせた図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

添付図面を参照しながら、本発明の限定的でない実施例について説明する。なお、添付図面では同一又は対応する部材又は部品には同一又は対応する参照符号が付される。また、以下では同一又は対応する部材又は部品の重複する説明を省略する。また、図面では部材又は部品は必ずしも縮尺通りには描かれていない。従って、当業者は、以下の限定的でない実施例を参照して具体的な寸法を任意に決定できる。また、以下の実施例は発明を限定するものではなく例示するものである。また、実施例に記述される特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0019】

［実施形態に係る冷凍機の概要］
図１を参照して、実施形態に係る遠心圧縮機を備える冷凍機１００について説明する。図１に示される冷凍機１００は、例えば、空気調和装置、冷凍機器、及び冷蔵機器に利用される。冷凍機１００は、その他の機器に利用されてもよい。冷凍機１００は冷凍サイクルを実行する。冷凍機１００の冷凍サイクルは、蒸気圧縮式冷凍サイクルである。冷凍機１００は、遠心圧縮機１０、凝縮器２０、膨張弁３０、及び蒸発器４０を備える。遠心圧縮機１０は、ターボ圧縮機である。

【0020】

冷凍機１００の作動流体である冷媒は、特に限定されない。遠心圧縮機１０は、冷媒ガスを圧縮する。凝縮器２０は、遠心圧縮機１０によって圧縮された冷媒ガスを凝縮する。膨張弁３０は、凝縮器２０によって凝縮された冷媒を膨張させる。蒸発器４０は、膨張弁３０によって膨張された冷媒を蒸発させる。蒸発器４０で蒸発した冷媒ガスは、遠心圧縮機１０に吸入される。

【0021】

遠心圧縮機１０は、冷媒ガスを可逆断熱圧縮する。凝縮器２０に供給された冷媒ガスは、定圧で放熱して液化する。液化した冷媒は、膨張弁３０でエンタルピ一定で不可逆膨張して、冷媒の一部が蒸発する。冷媒は、蒸発器４０において定圧で吸熱する。

【0022】

冷凍機１００は、冷媒が流れる配管Ｌ１１～Ｌ１４を備える。配管Ｌ１１は、蒸発器４０と遠心圧縮機１０とを接続する吸入配管である。配管Ｌ１２は、遠心圧縮機１０と凝縮器２０とを接続する。配管Ｌ１３は、凝縮器２０と膨張弁３０とを接続する。配管Ｌ１４は、膨張弁３０と蒸発器４０と接続する。

【0023】

冷媒ガスは、配管Ｌ１１を流れて、遠心圧縮機１０に吸入される。遠心圧縮機１０で圧縮された冷媒ガスは、配管Ｌ１２を流れて、凝縮器２０に供給される。凝縮器２０で液化した冷媒液は、配管Ｌ１３を流れて、膨張弁３０に流入する。膨張弁３０で膨張した冷媒は、配管Ｌ１４を流れて、蒸発器４０に供給される。蒸発器４０で吸熱した冷媒ガスは、配管Ｌ１１を流れて、遠心圧縮機１０に供給される。

【0024】

［遠心圧縮機］
次に遠心圧縮機１０について説明する。遠心圧縮機１０は、例えば２段圧縮機である。遠心圧縮機１０は単段圧縮機でもよい。図２に示されるように、遠心圧縮機１０は、ケーシング１１、インペラ１２Ａ，１２Ｂ、駆動軸１３、軸受１４Ａ，１４Ｂ、及びモータ５０を備える。ケーシング１１は、インペラ１２Ａ，１２Ｂ、駆動軸１３、軸受１４Ａ，１４Ｂ、及びモータ５０を収容する。遠心圧縮機１０は、インペラ１２Ａ，１２Ｂの背面同士が向かい合うバックトゥバック構造を有する。図９に示されるように、遠心圧縮機１０は、インペラ１２Ａ，１２Ｂが同じ向きで連結されているインライン構造を有していてもよい。

【0025】

ケーシング１１は、インペラ１２Ａを収容する圧縮室１１ａと、インペラ１２Ｂを収容する圧縮室１１ｂと、モータ５０を収容するモータ室１１ｃと、を有する。遠心圧縮機１０は、圧縮室１１ａと圧縮室１１ｂとを接続する配管Ｌ１１Ｂを備える。配管Ｌ１１Ｂは、低圧側の圧縮室１１ａから吐出された冷媒ガスを、高圧側の圧縮室１１ｂに供給する配管である。

【0026】

［駆動軸］
インペラ１２Ａ，１２Ｂは、駆動軸１３の両端部に設けられている。インペラ１２Ａは、駆動軸１３の一端に設けられ、インペラ１２Ｂは、駆動軸１３の他端に設けられている。インペラ１２Ａ，１２Ｂは、駆動軸１３の軸方向に離れて配置されている。駆動軸１３は、モータ５０の回転軸を含む。モータ５０の回転軸は、駆動軸１３において、インペラ１２Ａとインペラ１２Ｂとの間の部分を含む。

【0027】

［軸受］
軸受１４Ａ，１４Ｂは、駆動軸１３を回転可能に支持する。軸受１４Ａ，１４Ｂは、ケーシング１１に固定されている。軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃは、ラジアル軸受及びスラスト軸受である。遠心圧縮機１０は、複数の軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃを備える。軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃは、例えばオイルレス軸受である。軸受１４Ａ，１４Ｂは、すべり軸受でもよく、転がり軸受でもよい。軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃは、静圧軸受でもよい。オイルレス軸受は、潤滑油の供給を必要としない軸受である。オイルレス軸受としては、例えば、気体軸受、空気軸受、フォイル軸受、及び磁気軸受がある。

【0028】

軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃは、空気軸受でもよい。空気軸受は、静圧軸受の一種であり、駆動軸１３と、軸受面との間に圧縮空気を吹き込んで、空気圧で駆動軸１３を浮かせ荷重を支持することができる。軸受１４Ａ，１４Ｂは、駆動軸１３と、軸受面との間に圧縮ガスを吹き込んで、駆動軸１３を浮かせる気体軸受でもよい。気体軸受は、圧縮ガスとして冷媒ガスを駆動軸１３に吹き付けて浮かせるものでもよい。

【0029】

軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃは、空気動圧軸受の一種であるフォイル軸受でもよい。フォイル軸受は、軸受面として薄膜（フォイル）を有する。薄膜は曲げに対して低い剛性を有し、かつ、可撓性を有する。フォイル軸受は、フォイルのたわみを許容して荷重を支持する。駆動軸１３の回転時には、駆動軸１３とフォイルである軸受面との間に流体膜（空気膜）が形成される。フォイル軸受は、フォイル及び流体膜を用いて駆動軸１３を支持する。フォイル軸受は、フォイルの可撓性により、駆動軸１３の回転速度、駆動軸１３の荷重、駆動軸１３の周囲の温度、及びその他の運転条件に応じた軸受隙間を形成できる。

【0030】

軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃは、磁気の吸引力又は反発力を利用して回転軸を支持する磁気軸受でもよい。軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃは、制御型磁気軸受（Active Magnetic Bearing : AMB）でもよい。制御型磁気軸受において、例えば軸受１４Ａ,１４Ｂがラジアル磁気軸受であり、軸受１４Ｃがスラスト磁気軸受でもよい。ラジアル磁気軸受は、駆動軸１３の周囲に配置された電磁石を含む。電磁石は鉄心及びコイルを有する。スラスト磁気軸受は、駆動軸１３から径方向外側に張り出すアキシャルディスク、及び、軸方向においてアキシャルディスクに対向するように配置された電磁石を含む。

【0031】

軸受１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの種類、位置、及び数量は、上記のものに限定されない。遠心圧縮機１０は、タッチダウン軸受を備えていてもよい。タッチダウン軸受は、補助軸受又はバックアップ軸受とも呼ばれる。タッチダウン軸受は、駆動軸１３の可動範囲を制限する。タッチダウン軸受は、駆動軸１３の径方向における可動範囲を制限できる。タッチダウン軸受は、駆動軸１３の軸方向における可動範囲を制限できる。タッチダウン軸受は、ステータとロータとが接触しないようにすることができる。タッチダウン軸受は、磁気軸受が通電されていない状態において、駆動軸１３を支持できる。

【0032】

制御型磁気軸受は、駆動軸１３の径方向におけるタッチダウンまでの距離が、駆動軸１３の軸方向におけるタッチダウンまでの距離より大きくなるように、駆動軸１３の位置を制御できる。タッチダウンまでの距離とは、駆動軸１３がタッチダウン軸受に接触するまでの距離でもよい。タッチダウンまでの距離は、駆動軸１３の可動範囲でもよい。タッチダウンまでの距離は、駆動軸１３の最大の可動範囲でもよい。

【0033】

遠心圧縮機１０は、駆動軸１３の可動範囲を制御可能な制御部７０を備えていてもよい。制御部７０は、制御型磁気軸受である軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃのコイルに供給される電流を制御することができる。制御部７０は、コイルに供給される電流を制御することにより、駆動軸１３の径方向における可動範囲及び軸方向における可動範囲を制御できる。制御部７０は、駆動軸１３の径方向における可動範囲が、駆動軸１３の軸方向における可動範囲よりも大きくなるように、駆動軸１３の位置を制御できる。

【0034】

［モータ］
モータ５０は、遠心圧縮機１０の駆動源である。モータ５０は、回転子５１及び固定子５２を有する。回転子５１は、駆動軸１３に固定され、駆動軸１３と共に回転する。固定子５２は、ケーシング１１に固定され、回転子５１の周囲に配置されている。

【0035】

冷凍機１００は、インバータ６０を備える。インバータ６０は、モータ５０の回転数を制御する。インバータ６０は、モータ５０の運転周波数を制御するコントローラである。インペラ１２Ａ，１２Ｂ及び駆動軸１３の回転数は、３００００ｒｐｍ以上でもよい。インバータ６０は、モータ５０の運転周波数を制御することにより、インペラ１２Ａ，１２Ｂ及び駆動軸１３の回転数を変更できる。

【0036】

遠心圧縮機１０のインペラ１２Ａ，１２Ｂは、モータ５０による回転駆動力を受けて回転する。インペラ１２Ａ，１２Ｂが回転することにより、冷媒ガスが圧縮される。インペラ１２Ａは、低圧側のインペラであり、インペラ１２Ｂは、高圧側のインペラである。インペラ１２Ａによって圧縮された冷媒ガスは、インペラ１２Ｂに供給される。インペラ１２Ｂは、インペラ１２Ａから排出された冷媒ガスをさらに圧縮する。

【0037】

［制御部］
制御部７０は、ＣＰＵ７１、及び記憶部７２を備える。ＣＰＵ（Center Processing Unit）７１は、冷凍機１００における全体の処理を司る。ＣＰＵ７１は、インバータ６０を介して、モータ５０の回転数を制御できる。ＣＰＵ７１は、膨張弁３０の開閉動作を制御できる。

【0038】

記憶部７２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）７３及びＲＡＭ（Random Access Memory）７４を含む。ＲＯＭ７３には、ＣＰＵ７１に制御処理を実行させるための各種プログラムの他、冷凍機１００における動作に必要な各種データ等が記憶されている。ＲＡＭ７４は、各種センサから取得したデータ等を一時的に記憶できる。

【0039】

［インペラ］
次に、インペラ１２Ａについて説明する。インペラ１２Ａは、図３に示されるように、ハブ１２１及びハブ１２１の外周に設けられた翼１２２を有する。ハブ１２１は、駆動軸１３の端部に連結されている。

【0040】

ハブ１２１は、その前方から後方に向けて拡径する略円錐形状を有する。ハブ１２１は、駆動軸１３と一体回転する。ハブ１２１は、軽量化の観点から、軸周辺部分や外縁部分を除く内側が中空となっていてもよい。

【0041】

翼１２２は、ハブ１２１の外周面から径方向外側に張り出す。翼１２２は、ハブ１２１の外周面に沿って、らせん状に配置されている。インペラ１２Ｂは、インペラ１２Ａと同様であり、ここでの説明は省略する。

【0042】

［駆動軸の可動範囲］
次に、駆動軸１３の可動範囲について説明する。遠心圧縮機１０において、駆動軸１３の径方向における可動範囲は、駆動軸１３の軸方向における可動範囲よりも大きい。軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃに対する駆動軸１３の径方向における可動範囲は、軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃに対する駆動軸１３の軸方向における可動範囲より大きい。例えば、駆動軸１３の可動範囲は、駆動軸１３の実際の可動範囲でもよく、駆動軸１３に連結されたインペラ１２Ａ，１２Ｂの可動範囲でもよい。駆動軸１３の可動範囲は、駆動軸１３に固定された回転子５１の可動範囲でもよい。駆動軸１３の可動範囲は、任意の１箇所の可動範囲でもよく、複数の箇所の平均値でもよい。

【0043】

［インペラの翼とケーシングの内壁との間の隙間］
次に、図４を参照して、インペラ１２Ａ，１２Ｂの翼１２２とケーシング１１の内壁１５との間の隙間について説明する。図４は、インペラ１２Ａ，１２Ｂの外周縁１２３とケーシング１１の内壁１５との間の隙間を示す縦断面図であり、インペラ１２Ａ，１２Ｂの子午断面を含む。

【0044】

翼１２２のガス入口側の外周縁１２３ａとケーシング１１の内壁１５との間の翼端隙間ｔ１は、翼１２２のガス出口側の外周縁１２３ｂとケーシング１１の内壁１５との間の翼端隙間ｔ２よりも大きい。翼端隙間ｔ１は、第１隙間の一例である。翼端隙間ｔ２は、第２隙間の一例である。

【0045】

外周縁１２３ａ，１２３ｂは、翼１２２の先端である。外周縁１２３ａ，１２３ｂは、インペラ１２Ａ，１２Ｂの径方向において、ハブ１２１の外周面から離れている。外周縁１２３ａ，１２３ｂは、インペラ１２Ａ，１２Ｂの径方向における端部である。

【0046】

ガス入口側は、ハブ１２１の小径側であり、ガス出口側は、ハブ１２１の大径側である。ハブ１２１の小径側は、駆動軸１３の軸方向において、モータ５０から遠い側であり、ハブ１２１の大径側は、駆動軸１３の軸方向において、モータ５０に近い側である。

【0047】

ガス入口側の翼端隙間ｔ１は、ガス出口側の翼端隙間ｔ２の２倍以上の距離もよい。ガス入口側の翼端隙間ｔ１は、ガス入口に近い前縁１２２ａの位置における翼端隙間でもよく、軸方向において前縁１２２ａよりも後方の位置における翼端隙間でもよい。翼端隙間ｔ１は、翼端隙間が最大となる位置でもよい。翼端隙間は、インペラ１２Ａ，１２Ｂの軸方向に沿う切断面において、外周縁１２３の形状を示す曲線と、ケーシング１１の内壁１５の形状を示す曲線との距離でもよい。例えば、翼端隙間は、外周縁１２３の形状を示す曲線に対する法線に沿う長さでもよい。

【0048】

ガス出口側の翼端隙間ｔ２は、ガス出口に近い後縁１２２ｂの位置における翼端隙間でもよく、軸方向において後縁１２２ｂよりも前方の位置における翼端隙間でもよい。ガス出口側の翼端隙間ｔ２は、翼端隙間が最小となる位置でもよい。ガス出口側の翼端隙間ｔ２は、後述する子午面長さｍに対して、０．５ｍ以上１．０ｍ以下の位置における翼端隙間でもよい。なお、０．５ｍ、１．０ｍは、それぞれ、子午面長さｍの０．５倍、１．０倍の長さを意味する。翼端隙間ｔ２は、子午面長さｍに対して、０．６ｍ以上１．０ｍ以下の位置における翼端隙間でもよく、０．７５ｍ以上０．９５ｍ以下の位置における翼端隙間でもよい。翼端隙間ｔ２は、子午面長さｍに対して、例えば０．８ｍの位置における翼端隙間でもよく、子午面長さｍに対して、例えば０．９ｍの位置における翼端隙間でもよい。

【0049】

［子午面長さと翼角度との関係］
次に、子午面長さと翼角度との関係について説明する。図５は、子午面長さと翼角度との関係を示すグラフである。図５では、横軸に正規化された子午面長さを示し、縦軸に翼角度を示す。「子午面長さ」とは、子午面（回転軸線Ｃ１に沿った断面において、翼形状を当該回転軸線Ｃ１の周りに回転投影した形状を重ね合わせた図、図１０参照）上で規定される長さである。回転軸線Ｃ１は、駆動軸１３の回転軸線であり、インペラ１２Ａ，１２Ｂの回転軸線である。翼形状とは、翼１２２の外周縁に沿う形状である。

【0050】

また、図５に示す横軸では、子午面長さの全長を「ｍ」とした場合の割合（正規化された値）が示されている。「０」は、ガス入口側の端部における子午面長さｍの０倍に相当する長さであり、翼１２２の前縁１２２ａの位置であり、「１」は、ガス出口側の端部であり、翼１２２の後縁１２２ｂの位置における子午面長さｍの１倍に相当する長さである。以下の図６～図９においても同様である。

【0051】

翼１２２の翼角度βの最小点βｍｉｎは、翼１２２の子午面長さｍにおける後半部分に存在する位置での翼角度の値である。子午面長さｍにおける後半部分とは、０．５ｍ以上１．０ｍ以下の部分である。翼角度βの最小点βｍｉｎは、０．６ｍ以上、１．０ｍ以下の位置でもよい。翼角度βの最小点βｍｉｎは、０．７５ｍ以上、０．９５ｍ以下の位置でもよい。翼角度βの最小点βｍｉｎは、例えば０．８ｍでもよく、０．９ｍでもよい。

【0052】

翼角度βは、次式（１）によって示される。

【0053】

ｔａｎβ＝ｒｄθ／ｄｍ・・・（１）
図６に示されるように、「ｒ」は、インペラ１２Ａ，１２Ｂの回転軸線（軸心）Ｃ１から翼１２２の外周縁１２３までの径方向における長さである。「θ」は、回転軸線Ｃ１に沿って見たときの、外周縁１２３ａと回転軸線Ｃ１とを結ぶ径方向線分と、外周縁１２３上の任意の点Ｊと回転軸線Ｃ１とを結ぶ径方向線分との間の角度である。「ｍ」は子午面長さである。

【0054】

［子午面長さと静圧係数及び静圧との関係］
図７は、子午面長さと静圧係数との関係を示すグラフである。図７では、横軸に正規化された子午面長さｍを示し、縦軸に静圧係数を示す。図７では、翼１２２の正圧面の静圧係数Ｐ１及び翼１２２の負圧面の静圧係数Ｐ２を示す。図８は、子午面長さと静圧との関係である静圧分布を示すグラフである。図８では、横軸に正規化された子午面長さｍを示し、縦軸に静圧を示す。図８では、翼１２２の正圧面の静圧Ｐ３及び翼１２２の負圧面の静圧Ｐ４を示す。

【0055】

図７に示されるように、インペラ１２Ａ，１２Ｂでは、横軸の値が約０．８５のときに、ΔＰ１（＝Ｐ１－Ｐ２）が最大となる。また、図８に示されるように、インペラ１２Ａ，１２Ｂでは、横軸の値が約０．８５のときに、ΔＰ２（＝Ｐ３－Ｐ４）が最大となる。翼端隙間が大きい部分（横軸の値が０付近）でΔＰ１及びΔＰ２が小さく、翼端隙間が小さい部分（横軸の値が０．８５付近）でΔＰ１及びΔＰ２が大きくなるため、翼端漏れ損失を低減できる。

【0056】

［スパン方向Ｓ］
次にスパン方向Ｓについて説明する。図１０は、回転軸線Ｃ１に沿った断面において、翼形状を当該回転軸線Ｃ１の周りに回転投影した形状を重ね合わせた図である。スパン方向Ｓは、子午面長さｍに沿う方向に対して直交する方向であり、翼１２２に沿う方向である。「スパン長さｓ」は、スパン方向Ｓにおいて、ハブ１２１の外周面１２４から翼１２２の外周縁１２３までの長さである。スパン方向Ｓにおいて、スパン長さｓが０である位置は、ハブ１２１の外周面１２４上の位置である。スパン方向Ｓにおいて、スパン長さｓが１である位置は、外周縁１２３上の位置である。スパン方向Ｓにおいて、スパン長さｓが０．５ｓである位置は、ハブ１２１の外周面１２４と外周縁１２３の中間位置である。スパン長さｓが０．５ｓを越える位置は、０．５ｓの位置よりも外周縁１２３に近い位置である。

【0057】

［スパン長さｓと翼角度の最小点との関係］
上述したように、翼１２２の翼角度βの最小点βｍｉｎは、翼１２２の子午面長さｍにおける後半部分に存在する。翼角度βの最小点βｍｉｎは、スパン長さｓに対して０．５ｓ以上の位置に存在する。翼角度βの最小点βｍｉｎは、スパン長さｓに対して０．９ｓ以上の位置に存在していてもよい。

【0058】

［遠心圧縮機の動作］
再び図１を参照し、遠心圧縮機１０の動作について説明する。遠心圧縮機１０の運転時には、モータ５０は、通電状態である。モータ５０に電力が供給されて、駆動軸１３は回転駆動される。駆動軸１３が回転することにより、インペラ１２Ａ，１２Ｂが回転する。

【0059】

インペラ１２Ａが回転することにより、冷媒ガスは配管Ｌ１１から圧縮室１１ａに流入する。圧縮室１１ａ内の冷媒ガスは、インペラ１２Ａの回転によって圧縮されて昇圧される。圧縮室１１ａ流入した冷媒ガスは、例えば中間圧まで圧縮される。中間圧まで圧縮された冷媒ガスは、配管Ｌ１１Ｂを通り、インペラ１２Ｂに供給される。

【0060】

配管Ｌ１１Ｂ内の冷媒ガスは、インペラ１２Ｂの回転に伴って、圧縮室１１ｂに吸い込まれる。圧縮室１１ｂ内の冷媒ガスは、インペラ１２Ｂの回転によって圧縮されて昇圧される。圧縮後の冷媒ガスは、配管Ｌ１２の内部に吐出される。遠心圧縮機１０から吐出された冷媒ガスは、配管Ｌ１２の内部を流れて、凝縮器２０に流入する。

【0061】

［実施形態に係る遠心圧縮機の作用効果］
遠心圧縮機１０は、図３に示されるように、ハブ１２１、及び、ハブ１２１の外周に設けられた翼１２２を有する、オープン型式のインペラ１２Ａ，１２Ｂと、図１に示されるように、インペラ１２Ａ，１２Ｂに連結された駆動軸１３と、駆動軸１３を支持する軸受１４Ａ，１４Ｂと、インペラ１２Ａ，１２Ｂを覆うケーシング１１と、を備え、軸受１４Ａ，１４Ｂに対する駆動軸１３の径方向の可動範囲は、軸受１４Ａ，１４Ｂに対する駆動軸１３の可動範囲よりも大きく、図４に示されるように、翼１２２のガス入口側の外周縁１２３ａとケーシング１１の内壁１５との間の翼端隙間ｔ１（第１隙間）は、翼１２２のガス出口側の外周縁１２３ｂとケーシング１１の内壁１５との間の翼端隙間ｔ２（第２隙間）よりも大きい。

【0062】

本態様の遠心圧縮機１０では、翼１２２のガス出口側の外周縁１２３ｂとケーシング１１の内壁１５との間の翼端隙間ｔ２は、翼１２２のガス入口側の外周縁１２３ａとケーシング１１の内壁１５との間の翼端隙間ｔ１より狭い。この遠心圧縮機１０では、ガスの流れ方向において、圧力が高い方である出口側に、圧力が低い方である入口側の翼端隙間ｔ１より狭い翼端隙間ｔ２が形成されている。これにより、圧力が高い出口側において、翼１２２の外周縁１２３ｂとケーシング１１の内壁１５との間の翼端隙間ｔ２における漏れ流れを抑制することができる。遠心圧縮機１０では、翼端漏れを抑制することにより、遠心圧縮機１０における運転効率の低下を抑制することができる。

【0063】

遠心圧縮機１０において、翼１２２の翼角度βの最小点は、翼１２２の子午面長さｍにおける後半部分に存在する。このような遠心圧縮機１０では、翼負荷分布が後半負荷型のインペラを備える圧縮機を実現できる。遠心圧縮機１０では、ガス入口側における外周縁１２３ａとケーシング１１との接触を抑制することができると共に、翼端隙間における漏れ流れの発生を低減することができる。遠心圧縮機１０では、入口翼端の接触回避と翼端漏れ損失の低減の両立を図ることができる。

【0064】

遠心圧縮機１０では、ガス入口側の翼端隙間ｔ１が大きいことにより、負圧面側の流体の剥離を抑制することができ、サージングの発生を抑制することができる。また、インペラ１２Ａ，１２Ｂは、オープンインペラであるので、クローズドインペラと比較して加工が容易である。

【0065】

遠心圧縮機１０では、翼角度βが最小点となる位置において、翼負荷が高くなる。翼負荷が高い部分では、翼１２２の正圧面と負圧面との圧力差が大きくなる。本態様の遠心圧縮機１０では、翼１２２の後半部分において、翼１２２の正圧面と負圧面との圧力差が大きくなる。正圧面は、翼１２２の厚さ方向に対向する面のうち、圧力が高い方の面であり、負圧面は、圧力が低い方の面である。

【0066】

遠心圧縮機１０において、翼角度βの最小点は、子午面長さｍに対して、０．６ｍ以上、１．０ｍ以下の位置に存在する。

【0067】

遠心圧縮機１０において、子午面長さｍの方向に対して垂直な方向で、翼１２２に沿う方向をスパン方向Ｓとし、スパン方向Ｓにおける、ハブ１２１の外周面１２４から翼１２２の外周縁１２３までの長さをスパン長さｓとしたとき、スパン長さｓに対して０．５ｓ以上の位置において、翼角度βの最小点は、翼１２２の後半部分に存在する。この構成の遠心圧縮機１０によれば、翼１２２の正圧面と負圧面との圧力差が大きくなる位置がスパン方向Ｓにおいて、スパン長さ０．５ｓ以上の位置に存在することになる。このような遠心圧縮機１０において、翼１２２の先端とケーシングとの間の隙間における漏れ流れを抑制することができる。その結果、遠心圧縮機１０における運転効率の低下を抑制することができる。

【0068】

また、遠心圧縮機１０において、スパン長さｓに対して、０．９ｓ以上の位置において、翼角度βの最小点は、翼１２２の後半部分に存在していてもよい。

【0069】

遠心圧縮機１０において、軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃは空気軸受でもよい。遠心圧縮機１０において、軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃはフォイル軸受でもよい。遠心圧縮機１０において、軸受１４Ａ，１４Ｂは制御型磁気軸受でもよい。このような軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃを備える遠心圧縮機１０によれば、高速で回転する駆動軸１３を支持することができる。軸受１４Ａ，１４Ｂによれば、軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃのメンテナンスを軽減できる。

【0070】

遠心圧縮機１０において、制御型磁気軸受である軸受１４Ａ，１４Ｂ,１４Ｃは、駆動軸１３の径方向におけるタッチダウンまでの距離が、駆動軸１３の軸方向におけるタッチダウンまでの距離より大きくなるように、駆動軸１３の位置を制御することができる。

【0071】

遠心圧縮機１０では、インペラ１２Ａ，１２Ｂの回転数は３００００ｒｐｍ以上でもよい。遠心圧縮機１０は、高速回転を必要とするハイヘッドのインペラを備える圧縮機として利用できる。遠心圧縮機１０において、インペラ１２Ａ，１２Ｂの回転数は、３００００ｒｐｍ未満でもよい。

【0072】

このような遠心圧縮機１０では、従来と比較して大きな非定常振動を許容することができる。遠心圧縮機１０では、インペラ１２Ａ，１２Ｂの非定常振動を許容できる。遠心圧縮機１０は、例えば空冷高圧ターボ圧縮機として使用できる。遠心圧縮機１０は、小容量の圧縮機として利用できる。従来の遠心圧縮機は、大容量の低差圧用に利用されることが多いが、本態様の遠心圧縮機１０は、小容量の高差圧用の圧縮機として利用可能である。

【0073】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳説した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態に制限されることはない。上述した実施形態は、本発明の範囲を逸脱することなしに、種々の変形、置換等が適用され得る。また、別々に説明された特徴は、技術的な矛盾が生じない限り、組み合わせが可能である。

【0074】

上記の実施形態では、遠心圧縮機１０を備える冷凍機１００について例示しているが、遠心圧縮機１０は、冷凍機１００以外の用途に適用できる。遠心圧縮機１０の内部流体は、冷媒に限定されない。

【0075】

本発明の一態様は、以下のとおりでもよい。

【0076】

＜１＞
ハブ、及び、ハブの外周に設けられた翼を有する、オープン型式のインペラと、
前記インペラに連結された回転軸と、
前記回転軸を支持する軸受と、
前記インペラを覆うケーシングと、を備え、
前記軸受に対する前記回転軸の径方向の可動範囲は、前記軸受に対する前記回転軸の軸方向の可動範囲よりも大きく、
前記翼のガス入口側の外周縁と前記ケーシングの内壁との間の第１隙間は、前記翼のガス出口側の外周縁と前記ケーシングの内壁との間の第２隙間よりも大きい遠心圧縮機。

【0077】

＜２＞
前記翼の翼角度の最小点は、前記翼の後半部分に存在する上記＜１＞に記載の遠心圧縮機。

【0078】

＜３＞
前記翼角度の最小点は、子午面長さｍに対して、０．６ｍ以上、１．０ｍ以下の位置に存在する上記＜２＞に記載の遠心圧縮機。

【0079】

＜４＞
子午面長さｍの方向に対して垂直な方向で、前記翼に沿う方向をスパン方向とし、
前記スパン方向における、前記ハブの外周面から前記翼の外周縁までの長さをスパン長さｓとしたとき、
前記スパン長さｓに対して０．５ｓ以上の位置において、前記翼角度の最小点は、前記翼の後半部分に存在する上記＜２＞又は＜３＞に記載の遠心圧縮機。

【0080】

＜５＞
前記スパン長さｓに対して、０．９ｓ以上の位置において、前記翼角度の最小点は、前記翼の後半部分に存在する上記＜４＞に記載の遠心圧縮機。

【0081】

＜６＞
前記軸受は、空気軸受又はフォイル軸受又は制御型磁気軸受又は転がり軸受又はすべり軸受である上記＜１＞～＜５＞の何れか一つに記載の遠心圧縮機。

【0082】

＜７＞
前記軸受は制御型磁気軸受であり、
前記制御型磁気軸受は、前記回転軸の径方向におけるタッチダウンまでの距離が、前記回転軸の軸方向におけるタッチダウンまでの距離より大きくなるように、前記回転軸の位置を制御する、上記＜６＞に記載の遠心圧縮機。

【0083】

＜８＞
前記第１隙間の距離は、前記第２隙間の２倍以上の距離である、上記＜１＞～＜７＞の何れか一つに記載の遠心圧縮機。

【0084】

＜９＞
前記インペラの回転数は３００００ｒｐｍ以上である、上記＜１＞～＜８＞の何れか一つに記載の遠心圧縮機。

【符号の説明】

【0085】

１０ 遠心圧縮機
１２Ａ，１２Ｂ インペラ
１３ 駆動軸（回転軸）
１４Ａ，１４Ｂ 軸受（空気軸受、フォイル軸受、制御型磁気軸受）
１５ 内壁
１２１ ハブ
１２２ 翼
ｔ１ 翼端隙間（第１隙間）
ｔ２ 翼端隙間（第２隙間）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2024-09-02

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ハブ、及び、ハブの外周に設けられた翼を有する、オープン型式のインペラと、
前記インペラに連結された回転軸と、
前記回転軸を支持する軸受と、
前記インペラを覆うケーシングと、を備え、
前記翼のガス入口側の外周縁と前記ケーシングの内壁との間の第１隙間は、前記翼のガス出口側の外周縁と前記ケーシングの内壁との間の第２隙間よりも大きく、
前記軸受に対する前記回転軸の径方向の可動範囲は、前記軸受に対する前記回転軸の軸方向の可動範囲よりも大きく、
前記軸受は、前記回転軸の径方向におけるタッチダウンまでの距離が、前記回転軸の軸方向におけるタッチダウンまでの距離より大きくなるように、前記回転軸の位置を制御する遠心圧縮機。

【請求項2】

前記翼の翼角度の最小点は、前記翼の後半部分に存在する請求項１に記載の遠心圧縮機。

【請求項3】

前記翼角度の最小点は、子午面長さｍに対して、０．６ｍ以上、１．０ｍ以下の位置に存在する請求項２に記載の遠心圧縮機。

【請求項4】

子午面長さｍの方向に対して垂直な方向で、前記翼に沿う方向をスパン方向とし、
前記スパン方向における、前記ハブの外周面から前記翼の外周縁までの長さをスパン長さｓとしたとき、
前記スパン長さｓに対して０．５ｓ以上の位置において、前記翼角度の最小点は、前記翼の後半部分に存在する請求項２に記載の遠心圧縮機。

【請求項5】

前記スパン長さｓに対して、０．９ｓ以上の位置において、前記翼角度の最小点は、前記翼の後半部分に存在する請求項４に記載の遠心圧縮機。

【請求項6】

前記軸受は、空気軸受又はフォイル軸受又は制御型磁気軸受又は転がり軸受又はすべり
軸受である請求項１～５の何れか一項に記載の遠心圧縮機。

【請求項7】

前記第１隙間の距離は、前記第２隙間の２倍以上の距離である、請求項１～５の何れか一項に記載の遠心圧縮機。

【請求項8】

前記インペラの回転数は３００００ｒｐｍ以上である、請求項１～５の何れか一項に記載の遠心圧縮機。