JP2006063895A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 主軸方向での小型化を維持しつつ、各ディフューザベーンを回動させることができるディフューザベーン駆動機構を備えた遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】 ディフューザベーン駆動機構は、主軸と同軸状で主軸回りに回動可能に支持されるとともに主軸と平行で各ディフューザベーン１４に対応した突起軸３２ｂを有するリング状のウォームホイール３２と、ウォームホイール３２に噛合して軸回転可能に支持された円筒ウォーム３３と、円筒ウォーム３３を正逆両方に軸回転させる駆動モータ３７と、各ディフューザベーン１４の支軸３１に各々連結されるとともにウォームホイール３２の突起軸３２ｂに係合した長穴３４ａを有する補助部材３４と、より成る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主軸と共に軸回転する羽根車により、流体を軸方向から吸入して圧縮しながら遠心方向へ吐出する遠心圧縮機に関する。

図４に示すように、従来一般の遠心圧縮機１は、複数の部材が組み合わされて成るケーシング２により外形が構成され、このケーシング２内で軸回転可能に支持された主軸に羽根車１０、２０が一体的に取り付けられている。ここでは、２段の羽根車１０、２０を備えた２段圧縮方式の遠心圧縮機を示している。第１段、第２段の羽根車１０、２０は、それぞれ複数枚のインペラ１１、２１を有し、主軸と共に軸回転することで、軸方向から流体を吸入し、インペラ１１、２１からの揚力及び遠心力によってその流体を圧縮しながら遠心方向へ吐出するものである。

第１段の羽根車１０から吐出された圧縮流体は、第１段の遠心方向流路１２を通じて主軸から遠ざかる方向へ一旦流れ、次いで反転し向心方向流路１３を通じて第２段の羽根車２０へ導かれ、この羽根車２０を通じて更に圧縮される。第２段の羽根車２０から吐出された流体は、第２段の遠心方向流路２２を通じて再び主軸から遠ざかる方向へ流れ、そのまま吐出口から機外へ吐出される。ここでの第１段の遠心方向流路１２、向心方向流路１３や、第２段の遠心方向流路２２は、ケーシング２により形成される。

ここで、第１段の遠心方向流路１２、向心方向流路１３や、第２段の遠心方向流路２２は、流通する流体の運動エネルギを圧力エネルギに変換するというディフューザの機能を担うものであって、特に高性能の遠心圧縮機を実現する観点から、第１段、第２段の遠心方向流路１２、２２内には、それぞれ第１段、第２段のディフューザベーン１４、２４が複数配設され、第１段の向心方向流路１３内には、固定のベーン１５が複数配設されている。更に近年では、圧縮機から吐出される流体の流量すなわち羽根車の回転数が変動しても、各ディフューザベーン１４、２４が流通流体に対しての圧力損失（部分負荷）の要因とならないように、各ディフューザベーン１４、２４を適正な角度に調整し得る工夫が施されている。例えば、各ディフューザベーン１４、２４がそれぞれ主軸と平行な支軸を中心に回動可能に支持されており、その回動の駆動力はリンク機構を介して伝達されるようになっている（例えば特許文献１参照）。
特開昭５５−４０２４２号公報

しかし、上記した従来の遠心圧縮機１では、各ディフューザベーン１４、２４を回動させるためのディフューザベーン駆動機構がリンク機構であるため、その機構の構造そのものが極めて複雑であり、その機構を収容するのに過大なスペースを必要とする。特にケーシング２における２段目以降には、前段の向心方向流路（図４では第１段の向心方向流路１３）の存在によりそもそも余剰のスペースが小さく、主軸方向へ拡大しない限りリンク機構の収容は困難である。つまり、遠心圧縮機１そのものの主軸方向への大型化を招く。ちなみに、主軸が長くなると、運転中に不用意な振動が誘発されるという弊害を伴う。

そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、主軸方向での小型化を維持しつつ、各ディフューザベーンを回動させることができるディフューザベーン駆動機構を備えた遠心圧縮機を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明による遠心圧縮機は、主軸と共に軸回転し流体を軸方向から吸入して遠心方向へ吐出する羽根車と、この羽根車からの吐出流体の遠心方向流路内に配設され各々主軸と平行な支軸を中心に回動可能に支持された複数のディフューザベーンと、これらの各ディフューザベーンを回動させるディフューザベーン駆動機構と、を備えた遠心圧縮機において、以下の点を特徴とする。

ディフューザベーン駆動機構は、主軸と同軸状で主軸回りに回動可能に支持されるとともに各支軸と平行で各ディフューザベーンに対応した突起軸を有するリング状のウォームホイールと、このウォームホイールに噛合して軸回転可能に支持された円筒ウォームと、この円筒ウォームを正逆両方に軸回転させる駆動モータと、各ディフューザベーンの支軸に各々連結されるとともにウォームホイールの突起軸に係合した長穴を有する補助部材と、より成る。これにより、駆動モータの駆動に伴って円筒ウォームが軸回転し、これとともにウォームホイールが主軸回りに回動する。その際、各突起軸もウォームホイールと一体に回動するため、各突起軸に各長穴で係合した各補助部材が各支軸を中心に回動し、これと一体に各ディフューザベーンも各支軸を中心に回動するようになる。このようなディフューザベーン駆動機構では、駆動力の主伝達がウォームギヤでなされることから、リンク機構と比較して、主軸方向での収容スペースを抑えることができる。

ここで実用性を踏まえ、各ディフューザベーンの配置を一律にした上で、これらの回動角度を一律に調整できるように、各ディフューザベーンの各支軸が主軸を中心とした同一円周上に等間隔で設けられ、ウォームホイールの各突起軸が主軸を中心としつつ各支軸とは異なる同一円周上に等間隔で設けられていることが好ましい。

また、円滑なウォームホイールの回動を実現する観点から、ウォームホイールを支持しながら主軸回りに回動可能に案内するためのウォームホイール案内部材が、主軸を中心とした同一円周上に等間隔で複数設けられていることが好ましい。

また、安定したウォームホイールの回動を実現する観点から、円筒ウォームが主軸を中心とした同一円周上に等間隔で複数設けられていることが好ましい。

また、遠心方向流路内での各ディフューザベーンの機能を最大限に発揮できるように、各ディフューザベーンにおける軸方向の前後縁がアブレダブル材で被覆されていて、この前後縁と、遠心方向流路を形成する壁面とが、各ディフューザベーンの回動に伴って摺動するようになっているとよい。

そして、羽根車を複数段で備え、前段の羽根車から吐出された吐出流体がその前段の遠心方向流路、向心方向流路を順に経た後、次段の羽根車に吸入される複数段圧縮方式の遠心圧縮機の場合、部品コストを低減する観点から、各段の円筒ウォームが共同の駆動モータによって軸回転されるようになっていることが好ましい。

同様の観点から、羽根車を２段で備え、第１段の羽根車から吐出された吐出流体がその第１段の遠心方向流路、向心方向流路を順に経た後、第２段の羽根車に吸入される２段圧縮方式の遠心圧縮機の場合は、第１段の向心方向流路と第２段の遠心方向流路との間に共同のウォームホイールが配設され、第１段のディフューザベーンの支軸が第１段の向心方向流路内に配設された固定のベーンの内部を貫通することが好ましい。

本発明の遠心圧縮機によれば、ディフューザベーン駆動機構を収容するための主軸方向でのスペースが抑えられることから、遠心圧縮機そのものの主軸方向での小型化を維持することが可能になる。勿論、そのディフューザベーン駆動機構によって各ディフューザベーンを回動させることもできる。

以下に、本発明の遠心圧縮機の実施形態について図面を参照しながら詳述する。先ず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態の遠心圧縮機の要部を示す縦断面図、図２はその遠心圧縮機の要部を示す横断面図である。なお、図中で図４と同じ名称で同じ機能を果たす部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。後述する第２、第３実施形態においても同様とする。

図１及び図２に示すように、第１段の遠心方向流路１２内に配設された各第１段のディフューザベーン１４は、それぞれ主軸と平行な支軸３１を介してケーシング２に対し支持されていて、各支軸３１を中心に回動可能になっている。ここでの各支軸３１は、主軸を中心とした同一円周上に等間隔で設けられている。

一方ケーシング２には、第１段の遠心方向流路１２の近傍すなわち各第１段のディフューザベーン１４における各支軸３１の近傍に、主軸と同軸状の環状空間３が形成されており、この環状空間３内には、各第１段のディフューザベーン１４を回動させるための第１段のディフューザベーン駆動機構の構成要素であるウォームホイール３２、円筒ウォーム３３、及び補助部材３４が収容されている。

ウォームホイール３２は、主軸と同軸状でリング状のものであって、その外周上の等間隔な４個所において、ケーシング２に対して固定のガイド３５（図２では２個所を図示）で支持され、これにより主軸回りに回動可能に案内されるようになっている。また、ウォームホイール３２の外周の一部には、円筒ウォーム３３と噛合する歯部３２ａが取り付けられている。更に、ウォームホイール３２の一端面には、各第１段のディフューザベーン１４と対応した位置に、各支軸３１と平行な突起軸３２ｂが突設されている。ここでの各突起軸３２ｂは、主軸を中心としつつ各支軸３１の配置径よりも若干大きい程度の径の同一円周上に等間隔で設けられている。

円筒ウォーム３３は、ウォームホイール３２の歯部３２ａと噛合しつつ、主軸すなわちウォームホイール３２の回動軸とは直角な回転軸を有するように、ケーシング２に対して固定の軸受３６で軸回転可能に支持されている。そして、この円筒ウォーム３３は、ケーシング２の外面に取り付けられた駆動モータ３７の出力軸に連結軸３８を介して直結されていて、駆動モータ３７の出力軸の正逆方向の軸回転に応じて正逆両方に軸回転するようになっている。

補助部材３４は、各第１段のディフューザベーン１４の支軸３１に各々連結されたものであって、ウォームホイール３２の各突起軸３２ｂに係合する長穴３４ａを有している。

これと同様に、第２段の遠心方向流路２２内に配設された各第２段のディフューザベーン２４は、それぞれ主軸と平行な支軸４１を介してケーシング２に対し支持されていて、各支軸４１を中心に回動可能になっている。ここでの各支軸４１も、主軸を中心とした同一円周上に等間隔で設けられている。

一方ケーシング２には、第１段の向心方向流路１５と第２段の遠心方向流路２２との間であって各第２段のディフューザベーン２４における各支軸４１の近傍に、主軸と同軸状の環状空間４が形成されており、この環状空間４内には、各第２段のディフューザベーン２４を回動させるための第２段のディフューザベーン駆動機構の構成要素であるウォームホイール４２、円筒ウォーム４３、及び補助部材４４が収容されている。

ウォームホイール４２は、主軸と同軸状でリング状のものであって、その外周上の等間隔な４個所において、ケーシング２に対して固定のガイド４５（図２では２個所を図示）で支持され、これにより主軸回りに回動可能に案内されるようになっている。また、ウォームホイール４２の外周の一部には、円筒ウォーム４３と噛合する歯部４２ａが取り付けられている。更に、ウォームホイール４２の一端面には、各第２段のディフューザベーン２４と対応した位置に、各支軸４１と平行な突起軸４２ｂが突設されている。ここでの各突起軸４２ｂも、主軸を中心としつつ各支軸４１の配置径よりも若干大きい程度の径の同一円周上に等間隔で設けられている。

円筒ウォーム４３は、ウォームホイール４２の歯部４２ａと噛合しつつ、主軸すなわちウォームホイール４２の回動軸とは直角な回転軸を有するように、ケーシング２に対して固定の軸受４６で軸回転可能に支持されている。そして、この円筒ウォーム４３は、ケーシング２の外面に取り付けられた駆動モータ４７の出力軸に連結軸４８を介して直結されていて、駆動モータ４７の出力軸の正逆方向の軸回転に応じて正逆両方に軸回転するようになっている。

補助部材４４は、各第２段のディフューザベーン２４の支軸４１に各々連結されたものであって、ウォームホイール４２の各突起軸４２ｂに係合する長穴４４ａを有している。

このような構成にすると、駆動モータ３７、４７の駆動に伴って円筒ウォーム３３、４３が軸回転し、これとともにウォームホイール３２、４２が主軸回りに回動する。その際、各突起軸３２ｂ、４２ｂもウォームホイール３２、４２と一体に回動するため、各突起軸３２ｂ、４２ｂに各長穴３４ａ、４４ａで係合した各補助部材３４、４４が各支軸３１、４１を中心に回動する。これにより、各補助部材３４、４４と一体に各第１段、第２段のディフューザベーン１４、２４も各支軸３１、４１を中心に回動するようになる。このような第１段、第２段のディフューザベーン駆動機構では、駆動力の主伝達がウォームギヤでなされることから、リンク機構と比較して、主軸方向での収容スペースを抑えることができ、遠心圧縮機１そのものの主軸方向での小型化を維持することが可能になる。

また、各第１段のディフューザベーン１４の各支軸３１が主軸を中心とした同一円周上に等間隔で設けられ、ウォームホイール３２の各突起軸３２ｂが主軸を中心としつつ各支軸３１とは異なる同一円周上に等間隔で設けられているため、各第１段のディフューザベーン１４の配置が一律であるとともに、これらの回動角度も一律になる。そうすると、各第１段のディフューザベーン１４による第１段の遠心方向流路１２内の流通流体の流れが均一になり、実用性に優れたものとなる。勿論、各第２段のディフューザベーン２４にまつわる構成も同様であるため、第２段の遠心方向流路２２内の流通流体の流れも均一になる。

また、ウォームホイール３２、４２を支持しながら主軸回りに回動可能に案内するウォームホイール案内部材としてのガイド３５、４５が、主軸を中心とした同一円周上に等間隔で設けられているため、ウォームホイール３２、４２を均等に案内でき、その回動を円滑に行える。これは、ガイド３５、４５を等間隔な２個所以上に設置することで実現が可能である。

また、各第１段、第２段のディフューザベーン１４、２４を回動させるための各第１段、第２段のディフューザベーン駆動機構が互いに独立していることから、各駆動モータ３７、４７の出力（軸回転の角度）を個別に制御することで、各第１段、第２段のディフューザベーン１４、２４の回動角度を互いに個別に調整できる点で有効である。一般には、各第１段、第２段のディフューザベーン１４、２４に要求される適正な回動角度は、互いに異なるからである。

ところで、１つのウォームホイール３２、４２に対して円筒ウォーム３３、４３が１つであると、円筒ウォーム３３、４３からウォームホイール３２、４２への駆動力伝達の際に、その応力がウォームホイール３２、４２の外周の１個所に集中するため、ウォームホイール３２、４２が不用意に歪んでしまうおそれがあり、結果として、ウォームホイール３２、４２の回動に支障を来たす可能性がある。そこで、ウォームホイール３２、４２の安定した回動を実現すべく、応力集中を分散させる目的で、１つのウォームホイール３２、４２に対し、複数の円筒ウォーム３３、４３、及びこれと対になる歯部３２ａ、４２ａを周方向に等間隔で設けることが好ましい。

また、各支軸３１、４１を中心とした各ディフューザベーン１４、２４の回動を円滑に行おうとして、各ディフューザベーン１４、２４における軸方向の前後縁と、遠心方向流路１２、２２を形成する壁面との隙間を大きく確保した場合、その隙間にも流体が流通するため、遠心方向流路１２、２２内での各ディフューザベーン１４、２４の機能が損なわれてしまうおそれがある。そこで、その隙間を抑えつつ各ディフューザベーン１４、２４の円滑な回動を確保する目的で、遠心圧縮機１の組立時に、各ディフューザベーン１４、２４の前後縁を予めアブレダブル材（例えばフッ素系樹脂）で被覆しておき、この前後縁と、遠心方向流路１２、２２を形成する壁面とを接触状態で組み付けるとよい。これにより、各ディフューザベーン１４、２４の回動に伴って、この前後縁と、遠心方向流路１２、２２を形成する壁面とが、アブレダブル材を介在して隙間なく円滑に摺動できるため、遠心方向流路１２、２２内での流通流体が確実に各ディフューザベーン１４、２４を経ることになって各ディフューザベーン１４、２４の機能が最大限に発揮されるし、各ディフューザベーン１４、２４の回動も円滑に行える。

なお、本実施形態では、羽根車を２段で備える２段圧縮方式の圧縮機を例に挙げて説明したが、羽根車を１段で備える単段方式のものや、羽根車を２段以上で備える複数段圧縮方式のものにも適用が可能である。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本第２実施形態の特徴は、羽根車を複数段で備えた複数段圧縮方式の遠心圧縮機を前提とし、第１実施形態を変形して部品コストの低減を図った点にある。

本実施形態では、各第１段、第２段のディフューザベーン駆動機構の構成要素である各円筒ウォーム３３、４３を１つの共同の駆動モータからの出力によって共に軸回転させるようになっている。具体的には、第１実施形態での各駆動モータ３７、４７のうちの一方、例えば第１段専用の駆動モータ３７を排除した上で、残りの駆動モータ４７の出力軸に、第１段の円筒ウォーム３３の連結軸３８が第１段の歯車群を介して接続され、同様に第２段の円筒ウォーム４３の連結軸４８が第２段の歯車群を介して接続されている。

このような構成にしても、各ディフューザベーン１４、２４を回動させることができる。しかも、第１実施形態と比較して駆動モータの数を削減できるため、高価な部品である駆動モータのコスト低減が可能になる。但し、各第１段、第２段のディフューザベーン１４、２４が１つの駆動モータからの駆動力によってそれぞれ適正な回動角度になるように、第１段と第２段相互の関係において、歯車群による回転比や、ウォームギヤの回転比や、ウォームホイール３２、４２の径や、各支軸３１、４１の配置径と各突起軸３２ｂ、４２ｂの配置径等を設定しておくことが重要である。

なお、本実施形態では、羽根車を２段で備える２段圧縮方式の圧縮機を例に挙げて説明したが、羽根車を２段以上で備える複数段圧縮方式のものにも適用が可能である。

次に、本発明の第３実施形態について、図３を参照しながら説明する。本第３実施形態の特徴は、羽根車を２段で備えた２段圧縮方式の遠心圧縮機を前提とし、第２実施形態と同様の観点から、第１実施形態を変形して部品コストの低減を図った点にある。

図３に示すように、本実施形態では、各第１段、第２段のディフューザベーン駆動機構の構成要素である各補助部材３４、４４を１つの共同のウォームホイールからの出力によって共に回動させるようになっている。具体的には、第１実施形態での第１段専用のウォームホイール３２、及びこれを駆動させるための円筒ウォーム３３、駆動モータ３７等を排除した上で、各第１段のディフューザベーン１４の支軸３１が、第１段の向心方向流路１３内の固定のベーン１５を貫通しつつ、第２段の環状空間４内まで延出しており、この環状空間４内において、それらの各支軸３１にそれぞれ第１段の補助部材３４が連結されている。また、第２段のウォームホイール４２の他端面に第１段の突起軸３２ｂが突設されており、これらの各突起軸３２ｂに各第１段の補助部材３４の長穴３４ａが係合している。

このような構成にしても、第２の駆動モータ４７からの駆動力が第２段のウォームホイール４２に伝達されるため、各ディフューザベーン１４、２４を回動させることができる。しかも、第１実施形態と比較してウォームホイール、円筒ウォーム、駆動モータ等の数を削減できるため、部品コストの低減が可能になる。但し、各第１段、第２段のディフューザベーン１４、２４が１つの駆動モータからの駆動力によってそれぞれ適正な回動角度になるように、第１段と第２段相互の関係において、各支軸３１、４１の配置径と各突起軸３２ｂ、４２ｂの配置径等を設定しておくことが重要である。

その他本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明は、遠心圧縮機に有用である。

本発明の第１実施形態の遠心圧縮機の要部を示す縦断面図である。 第１実施形態の遠心圧縮機の要部を示す横断面図である。 本発明の第３実施形態の遠心圧縮機の要部を示す縦断面図である。 従来の遠心圧縮機の一例を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ ケーシング
３、４ 環状空間
１０、２０ 羽根車
１１、２１ インペラ
１２、２２ 遠心方向流路
１３ 向心方向流路
１４、２４ ディフューザベーン
１５ 固定のベーン
３１、４１ 支軸
３２、４２ ウォームホイール
３２ａ、４２ａ 歯部
３２ｂ、４２ｂ 突起軸
３３、４３ 円筒ウォーム
３４、４４ 補助部材
３４ａ、４４ａ 長穴
３５、４５ ガイド
３６、４６ 軸受
３７、４７ 駆動モータ
３８、４８ 連結軸

Claims (7)

1. 主軸と共に軸回転し流体を軸方向から吸入して遠心方向へ吐出する羽根車と、この羽根車からの吐出流体の遠心方向流路内に配設され各々主軸と平行な支軸を中心に回動可能に支持された複数のディフューザベーンと、これらの各ディフューザベーンを回動させるディフューザベーン駆動機構と、を備えた遠心圧縮機において、
   ディフューザベーン駆動機構は、主軸と同軸状で主軸回りに回動可能に支持されるとともに各支軸と平行で各ディフューザベーンに対応した突起軸を有するリング状のウォームホイールと、このウォームホイールに噛合して軸回転可能に支持された円筒ウォームと、この円筒ウォームを正逆両方に軸回転させる駆動モータと、各ディフューザベーンの支軸に各々連結されるとともにウォームホイールの突起軸に係合した長穴を有する補助部材と、より成ることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 各ディフューザベーンの各支軸が主軸を中心とした同一円周上に等間隔で設けられ、ウォームホイールの各突起軸が主軸を中心としつつ各支軸とは異なる同一円周上に等間隔で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. ウォームホイールを支持しながら主軸回りに回動可能に案内するためのウォームホイール案内部材が、主軸を中心とした同一円周上に等間隔で複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
4. 円筒ウォームが主軸を中心とした同一円周上に等間隔で複数設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の遠心圧縮機。
5. 各ディフューザベーンにおける軸方向の前後縁がアブレダブル材で被覆されていて、この前後縁と、遠心方向流路を形成する壁面とが、各ディフューザベーンの回動に伴って摺動することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の遠心圧縮機。
6. 羽根車を複数段で備え、前段の羽根車から吐出された吐出流体がその前段の遠心方向流路、向心方向流路を順に経た後、次段の羽根車に吸入される請求項１から５のいずれかに記載の遠心圧縮機であって、
   各段の円筒ウォームが共同の駆動モータによって軸回転されることを特徴とする遠心圧縮機。
7. 羽根車を２段で備え、第１段の羽根車から吐出された吐出流体がその第１段の遠心方向流路、向心方向流路を順に経た後、第２段の羽根車に吸入される請求項１から５のいずれかに記載の遠心圧縮機であって、
   第１段の向心方向流路と第２段の遠心方向流路との間に共同のウォームホイールが配設され、第１段のディフューザベーンの支軸が第１段の向心方向流路内に配設された固定のベーンの内部を貫通することを特徴とする遠心圧縮機。

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