JP2004044576A

JP2004044576A - コンプレッサ

Info

Publication number: JP2004044576A
Application number: JP2003052591A
Authority: JP
Inventors: Gary Mcdonald; ガリー・マクドナルド
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2002-07-13
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-02-12
Also published as: GB2391265A; US20040009061A1; GB0216346D0

Abstract

【課題】簡単な構成で、流体通路２を流れる流体の量に影響されることなく、効率が高く、サージ域の小さなコンプレッサとすること。
【解決手段】流体の流入通路２を、流入通路２の外周に配置した整流翼８が配置された外周部分４と、整流翼８の内側の整流翼８がない内側部分５に区画し、流体が内側部分５の流入を制御するバルブ９を内側部分５に配置した。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の圧縮を行うコンプレッサ、特に遠心式コンプレッサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に知られた遠心コンプレッサは、円筒型形状をした流入通路と、この流入通路と直交方向に延びる渦巻き状の排出通路とを有している。排出通路は、その内壁の形状を漸進的に変化させた部分を持つのが一般的である。インペラーは、シャフトに取り付けられ、流入通路と排出通路との間に位置している。インペラーのシャフトは流入通路の軸方向に延びており、外部の駆動力、例えば排気ガスの流れで回転するタービンロータによって回転し、インペラーを回転させる。インペラーの表面（流入通路に面した部分）には、インペラーの回転時に流入通路の流体を圧縮し排出通路に送り込むための複数の翼が凸条に形成されている。
【０００３】
遠心コンプレッサは、低流量の場合には効率が悪くなる問題があり、これを改善するために、流入通路を流れる流体の角度を調節することで低流量の場合でも効率が向上することが知られている。具体的には、流体がインペラーに到達する前に、流体にインペラーの回転方向と同じ方向の回転を与えることで効率が向上することが知られている。
【０００４】
流入通路を流れる流体の角度を調整するひとつの方法として、流入通路にインペラーに向かって流れる流体の流れを調節する複数のベーンを取り付けることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第６０３９５３４号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した従来の技術では、以下に示すような問題がある。
【０００７】
複数のベーンがそれぞれの回転軸を中心に連動して回転させることができるので、流入通路の流量に応じて流体の流れ方向を調整できる反面、その構成が非常に複雑となる。
【０００８】
更に、多数のベーンを流入通路に配置することで流入通路の有効断面積を小さくしてしまうので、必要となる流体を確保するために流入通路の径を大きくするなど、コンプレッサハウジングの小型化ができない。
【０００９】
そこで本発明は、上記問題点を解決すべく、簡易な構成で、流入通路の有効断面積を確保しつつ、効率の面でも劣ることのないコンプレッサを提供することを技術的課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、流体の流入通路と排出通路とを有するハウジングと、ハウジング内に収容され前記流入通路と排出通路との間に位置するインペラーと、流入通路の内壁に沿って固定配置される整流翼と、前記整流翼の内側に配置され整流翼の内側の空間を開放又は閉鎖するバルブとからコンプレッサを構成した。
【００１１】
請求項１の構成によれば、流入通路の内壁に沿って固定配置された整流翼が配置され、整流翼の部分を通過する流体がインペラーに向かって適切な回転を与えられる。一方、整流翼の内側には整流翼の内側の空間を開放又は閉鎖するバルブが配置され、バルブを閉鎖することで流入通路を流れる流体を整流翼の配置された空間を通して流体の流れに回転を与えたり、バルブを開放することで整流翼の配置されていない空間に流体を流すことを許容したり、流入通路内の流体の流れを選択することができる。
【００１２】
請求項２の発明は、整流翼に記流入通路の軸方向に対して所望の曲率を有した彎曲部分を形成したことである。
【００１３】
請求項２の発明によれば、整流翼を彎曲させることで、整流翼を通過する流体に所望の回転を与えることができる。
【００１４】
請求項３の発明は、整流翼を、流体の流入通路の軸方向に延びるスリーブに支持させたことである。
【００１５】
請求項３の発明によれば、整流翼の取り付けが容易となり、更に、整流翼の部分に流す流体と整流翼の内側の空間に流す流体を区分することができ、流体の流れを容易にコントロールし得る。
【００１６】
請求項４の発明は、バルブを整流翼よりも流入通路の上流側に配置させたことである。
【００１７】
請求項４の発明によれば、バルブを開閉させるための手段が整流翼と干渉することなく配置することができ、加えて、バルブを閉鎖した際にスリーブの内径とバルブによって閉じられた空間を小さくすることができ、流体の流れを滞留させることなく整流翼の部分に流体を流し得る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコンプレッサの実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示す遠心コンプレッサはハウジング１、流体の流入通路２、渦巻き状のボリュート（排出通路）１１を有す。円筒型のスリーブ３は、流入通路２内に軸方向に取り付けられ、流入通路２を外周部分４と内周部分５に区分している。スリーブ３の配置された部分の流入通路２の形状（内周壁）は、スリーブ３を囲むように円筒形状となっている。この部分の流入通路の内径は、スリーブ３の内径の約√２倍となっており、外周部分４の断面積と内周部分５の断面積が等しくなるように形成されている。
【００１９】
インペラー６は、図示しないシャフトに固定されており、流入通路２の下流端に配置されている。ボリュート１１は、インペラー６の外周に、略円筒形状の流入通路２の径方向に渦巻き状に形成されている。インペラー６の表面（流体通路２に対抗する面）には、複数の翼６１が流体通路２に向かって凸条に突出している。それぞれの翼６１は、周知のインペラーと同様に適宜の曲線に沿って彎曲している。シャフトが図示しない駆動源からの駆動力によって回転することでインペラーが回転し、流体通路２の流体（例えば、空気）がインペラー６側に吸引され、ボリュート１１へ吐出される。
【００２０】
ハウジング１に形成された流入通路２は、スリーブ３の配置される円筒部分から、インペラー６に向かって径が徐々に小さくなっており、円筒カラー７が取り付けられるインペラー６の手前で最小径となる先細り部分７１を有する。この先細り部分７１の径は、スリーブ３の内径（つまり、内周部分５の径）と等しくなっており、吸入される流体は最大流量となった場合でも、内周部分５を通過する流体は圧縮されたり、乱されたりすることなく円筒カラー７を通過することができる。
【００２１】
図３に拡大図を示すように、スリーブ３の外側表面には合計１８個の翼８がスリーブ３の軸方向に一体となるように形成されている。図３から明らかなように、それぞれの翼８はスリーブ３の軸方向に対して彎曲している。翼８は流入通路２の外周部分４に配置され、翼８が彎曲していることにより外周部分４を流れる流体の流れにプレ・スワールを与えることができる。プレ・スワールの回転方向は、インペラー６が図示しないシャフトと共に回転する回転方向と同方向となるように翼８の彎曲方向が設定されている。
【００２２】
図１、図２に示すように、流体通路２の内側部分５には、内側部分５を閉鎖可能なバルブ９が配置している。バルブ９はシャフト１０に対し相対回転不能に取り付けられ、図示しない駆動源（モータなど）でシャフト１０を回転させることによって、流体通路２の内側部分５を閉鎖又は連通させる。なお、シャフト１０は、スリーブ３とハウジング１を貫通しており、駆動源はハウジング１の外側に取り付けられる。シャフト１０は、スリーブ３に取り付けられた翼８と干渉することのないように、流体通路２の内側部分５の上流側に配置されている。また、図１において、バルブ９の閉鎖状態を実線で示し、バブル９の開放（内側部分５の連通状態）を破線で示している。
【００２３】
図４では、流体通路２を流れる流体量とプレ・スワールによる流体の回転角度の違いによって、コンプレッサの効率を変化させていく様子を示している。この試験における流体は空気を用いており、インペラー６の回転速度は一定として測定した。流体の回転角度は、翼８の彎曲の大きさで決定される。図４において、彎曲の大きさは角度で示され、スリーブ３の軸方向と翼８の下流側（インペラー６側）の端部における接線との相対的な角度を０度、５０度、７０度とした場合のコンプレッサの効率を示している。図４から明らかなように、流体通路２を流れる空気の流量が大きいとき、特に空気の流量が７０ｇ／ｓ以上の流量のときには、０度（翼８の彎曲がなく、プレ・スワールによる流体の回転がない状態）の効率が最も高い。一方、彎曲が０度の翼８を用いると流量が６０ｇ／ｓ以下の場合は、翼８の彎曲を５０度、７０度とすることでコンプレッサ効率を高めることができる。図４に示した試験結果は、流体通路２を流れる空気の量が少ないときにはプレ・スワールの角度を大きくするため翼８の彎曲を大きくし、流体通路２を流れる空気の量が多いときにはプレ・スワールの角度を小さくするため翼８の彎曲を小さくすることが望ましいことを明確に示している。
【００２４】
図５では、流体通路２を流れる流体量の変化に応じて、１００ｋ回転から１６０ｋ回転に回転数をそれぞれ固定した場合に、プレ・スワールによる流体の回転角度が圧力比を変化させていく様子を示している。図５から明らかなように、流体の回転角度を７０度に設定すると、５０度や０度に設定した場合に比べ、空気が低流量であっても圧力比を発生させることができ、サージ域を減少することができることが明らかである。
【００２５】
図４と図５に示した試験結果に基づき、図１乃至図３に示した実施の形態の作動について説明する。
【００２６】
それぞれの試験結果は、流体通路２を流れる空気の流れが低流量の場合にプレ・スワールによる流体の回転角度が大きくなることが好ましく、流体通路２を流れる空気の流れが多い場合にプレ・スワールによる流体の回転角度が小さくなることが好ましい。これを達成するため、図１乃至図３に示した実施の形態においては、流体の流量が６０ｇ／ｓ未満の場合には、シャフト１０を駆動させてバルブ９を閉鎖する。これによって、流体通路２を流れる流体の全てが外周部分４を流れるようにし、流体がインペラー６に到達する前に彎曲した翼８によってプレ・スワールを発生させるようにする。一方、流体の流量が６０ｇ／ｓ以上となった場合には、シャフト１０を駆動させてバルブ９を開放する。これによって、流体通路２を流れる流体の大部分が内周部分５を流れるようにし、プレ・スワールを発生させないようにする。
【００２７】
このようにバルブ９の開閉のみをコントロールすることによって、流体の流量に影響することなく、コンプレッサの効率が高い部分のみを使用することができると共に、サージ域を減らすことが可能となる。
【００２８】
以上、本実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、シャフト１０の両端をハウジング１で支える必要はなく、シャフト１０の一方の片のみをハウジング１で支えることも可能である。また、本実施の形態においては、流体通路２を流れる流量が６０ｍ／ｓを境にバルブ９の開閉を制御しているが、この値については、流体通路２を形成するハウジング１の径とスリーブ３の内径との比、流体の種類、インペラー６の形状などに応じて適宜設定されるものである。更に、本実施の形態においては、バルブ９を全閉又は全閉に制御しているが、シャフト１０の回転を流体の流量に比例してリニアに制御することも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によると、整流翼の内側の空間に配置したバルブを開閉することによって流入通路を流れる流体が、整流翼によってプレ・スワールを発生させるか否かをコントロールできるので非常に簡単な構成で、コンプレッサ効率が高く、且つサージ域が少ないコンプレッサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における遠心コンプレッサの断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のスリーブ及び整流翼の斜視図である。
【図４】図１の遠心コンプレッサのインペラーが同じ速度で回転した場合の異なった整流翼の角度でプレ・スワールを発生させた効率を示すグラフである。
【図５】図１の遠心コンプレッサのインペラーが同じ速度で回転した場合の異なった整流翼の角度でプレ・スワールを発生させた圧縮比を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・ハウジング
２・・・流入通路
６・・・インペラー
８・・・翼（整流翼）
９・・・バルブ

Claims

流体の流入通路と排出通路とを有するハウジングと、
該ハウジング内に収容され前記流入通路と前記排出通路との間に位置するインペラーと、
前記流入通路の内壁に沿って固定配置される整流翼と、
該整流翼の内側に配置され前記整流翼の内側の空間を開放又は閉鎖するバルブとからなるコンプレッサ。
前記整流翼は、前記流入通路の軸方向に対して所望の曲率を有した彎曲部分を備えていることを特徴とする、請求項１記載のコンプレッサ。
前記整流翼は、前記流体の流入通路の軸方向に延びるスリーブに支持されていることを特徴とする、請求項２記載のコンプレッサ。
前記バルブは、前記整流翼よりも前記流入通路の上流側に配置されていることを特徴とする、請求項３に記載のコンプレッサ。