JP2009085083A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 循環流路における共鳴音を抑制し、圧縮機から発生する騒音の増加を防止することができる圧縮機を提供する。
【解決手段】 回転軸線を中心に回転駆動される複数枚の羽根と、回転軸線に沿って延び、気体を羽根に導く気体入口部４と、回転軸線を中心とした円周上に配置され、気体入口部４と羽根のシュラウド部とを連通させる循環流路５と、回転軸線を中心とした径方向に延び、循環流路を分割するストラット９と、が設けられ、ストラット９により分割された循環流路５における周方向に沿う方向の長さに基づいて求められる共鳴周波数が、羽根の回転数および前記羽根の枚数に基づいて求められる騒音周波数よりも大きいことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧縮機に関する。

従来、圧縮機の作動範囲を拡大するために、圧縮機のハウジングに、気体の吸気口と、羽根車のシュラウド部との間を連通させる気体の循環流路を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−０２７９３１号公報

しかしながら上述の技術のように単に循環流路を設けると、圧縮機の運転状態によっては、循環流路において共鳴が発生する恐れがあった。つまり、気体を圧縮する羽根の回転により発生する騒音の周波数が、循環流路の共鳴周波数と一致すると共鳴が発生する恐れがあった。このように、循環流路において共鳴が発生すると、圧縮機の運転により発生する騒音が大きくなるという問題があった。

上述の羽根の回転により発生する騒音の周波数は、主に羽根の回転数（Ｎ）と、羽根の枚数（Ｚ）とに基づいて定まるものである。以下では、この騒音をＮＺ騒音と表記する。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、循環流路における共鳴音を抑制し、圧縮機から発生する騒音の増加を防止することができる圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の圧縮機は、回転軸線を中心に回転駆動される複数枚の羽根と、前記回転軸線に沿って延び、気体を前記羽根に導く気体入口部と、前記回転軸線を中心とした円周上に配置され、前記気体入口部と前記羽根のシュラウド部とを連通させる循環流路と、前記回転軸線を中心とした径方向に延び、前記循環流路を分割するストラットと、が設けられ、前記ストラットにより分割された前記循環流路における周方向に沿う方向の長さに基づいて求められる共鳴周波数が、前記羽根の回転数および前記羽根の枚数に基づいて求められる騒音周波数よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、循環流路に係る共鳴周波数が、羽根の回転数および枚数に基づいて求められる騒音周波数、つまりＮＺ騒音の周波数よりも大きいため、循環流路において共鳴の発生を抑制できる。
特に、羽根の回転数を、本発明の圧縮機における羽根の最大回転数とすることで、本発明の圧縮機の全ての運転範囲において、共鳴の発生を抑制することができる。

本発明の圧縮機は、回転軸線を中心に回転駆動される複数枚の羽根と、前記回転軸線に沿って延び、気体を前記羽根に導く気体入口部と、前記回転軸線を内側に含む略筒上に配置され、前記気体入口部と前記羽根のシュラウド部とを連通させる循環流路と、前記回転軸線を中心とした径方向に延び、前記循環流路を分割するストラットと、が設けられ、前記ストラットにより分割された前記それぞれの循環流路における周方向に沿う方向の長さが、前記それぞれの循環流路によって異なることを特徴とする。

本発明によれば、それぞれの循環流路における周方向に沿う方向の長さが異なるため、それぞれの循環流路に係る共鳴周波数が異なることになる。つまり、それぞれの循環流路において共鳴が発生する周波数が異なるため、全ての循環流路において同時に共鳴が発生する場合と比較して、共鳴音の大きさを抑えることができる。

上記発明においては、前記ストラットにおける前記循環流路と対向する面が、曲面から構成されていることが望ましい。

本発明によれば、ストラットにおける循環流路と対向する面が平面から構成されている場合と比較して、上記対向する面が曲面から構成されているため、循環流路に係る共鳴周波数が高くなる。そのため、循環流路に係る共鳴周波数を、ＮＺ騒音の周波数よりも大きくしやすく、循環流路における共鳴の発生を抑制しやすい。

上記発明においては、前記ストラットにおける前記回転軸線を中心とする径方向に沿う方向の長さが、前記回転軸線方向に沿って変化することが望ましい。

本発明によれば、ストラットにおける径方向に沿う方向の長さを、回転軸線方向に沿って変化させることにより、循環流路における径方向に沿う方向の長さも回転軸線方向に沿って変化される。すると、循環流路に係る共鳴周波数も回転軸線方向に沿って変化することになるため、ＮＺ騒音と周波数が一致する循環流路における一部領域でのみ、共鳴が発生することになる。つまり、循環流路における径方向の長さが一定の場合と比較して、共鳴が発生する領域が狭くなるため、発生する共鳴音の大きさを抑えることができる。

本発明の圧縮機によれば、循環流路に係る共鳴周波数が、羽根の回転数および枚数に基づいて求められる騒音周波数、つまりＮＺ騒音の周波数よりも大きいため、循環流路において共鳴の発生を抑制し、圧縮機から発生する騒音の増加を防止することができるという効果を奏する。
本発明の圧縮機によれば、それぞれの循環流路において共鳴が発生する周波数が異なるため、全ての循環流路において同時に共鳴が発生する場合と比較して、共鳴音の大きさを抑え、圧縮機から発生する騒音の増加を防止することができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態について図１および図２を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るターボチャージャのコンプレッサの構成を説明する断面図である。図２は、図１のコンプレッサの構成を説明する平面視図である。
本実施形態では、本願の発明に係る圧縮機を、エンジンなどの内燃機関から排出される排気等により駆動されるターボチャージャのコンプレッサに適用して説明する。
ターボチャージャのコンプレッサ（圧縮機）１には、図１および図２に示すように、外形を構成するケーシング２と、空気を圧縮する羽根車３と、が設けられている。

ケーシング２は、本実施形態のターボチャージャを構成するコンプレッサ１およびタービン（図示せず）の外形を構成するものである。なお、タービンは上述の内燃機関などの排気から回転駆動力を抽出するものであって、抽出した回転駆動力をコンプレッサ１の羽根車３に供給するものである。

ケーシング２には、回転軸線Ｃを中心として回転可能に支持された羽根車３が内部に収納されるとともに、圧縮される前の空気を羽根車３に導く吸気流路（気体入口部）４と、吸気流路４と後述するシュラウド部とを連通させる循環流路５と、が設けられている。
吸気流路４は、回転軸線Ｃと略同軸に延びる円柱状の流路であって、羽根車３の空気流入側に配置される流路である。

循環流路５は、羽根車３の上流側端部を囲むようにケーシング２に形成されたチャンバ６と、チャンバ６とシュラウド部１５とを連通するスリット７と、から構成されている。
チャンバ６は、略円筒状の内周壁８により径方向内側に位置する吸気流路４と仕切られ、さらに、径方向に沿って延び、ケーシング２と内周壁８とを繋ぐストラット９により周方向に隣接するチャンバ６と仕切られている。
本実施形態では、１２本のストラット９が周方向に等間隔に配置されており、ストラット９により分割されるチャンバ６は、略同じ形状とされている。ストラット９におけるチャンバ６と対向する面、つまり周方向を向いた面には、少なくとも一部に平坦な領域が形成されている。つまり、ストラット９と内周壁８との接続部、および、ストラット９とケーシング２との接続部に曲率半径を有するコーナが設けられている場合であっても、両コーナの間には平坦な領域が形成されている。

スリット７は、内周壁８に設けられた切欠きであって、チャンバ６における羽根車３側の端部とシュラウド部１５とを連通するものである。
なお、チャンバ６における羽根車３とは反対側、つまり上流側の端部は、吸気流路４と連通されている。

羽根車３には、回転軸線Ｃを中心に回転駆動されるハブ部１０と、ハブ部１０とともに回転駆動される複数の羽根１１と、が設けられている。
ハブ部１０は、回転軸（図示せず）に取り付けられるとともに、その径方向外側の面に複数の羽根１１が設けられる部材である。

羽根１１は、回転駆動されることにより、吸気流路４から吸い込んだ空気を圧縮するものである。羽根１１の形状としては、公知の形状を用いることができ、特に限定するものではない。
羽根１１には、上流側の縁部である前縁１２と、下流側の縁部である後縁１３と、径方向外側の縁部である外側自由縁１４と、が設けられている。

本実施形態では、羽根車３の径方向外側部分をシュラウド部１５と称し、シュラウド部１５は、具体的には羽根１１を含む部分、特に外側自由縁１４を含む部分のことをいう。

次に、本実施形態の特徴である循環流路５の構成について詳しく説明する。
循環流路５は、その共鳴周波数ｆ_Ｒが、羽根車３の発する所定の騒音の周波数ｆ_ＮＺより高くなるように形状が設定されている。所定の騒音とは、羽根車３の回転数（Ｎ）および羽根１１の枚数（Ｚ）により周波数が定まる騒音であり、いわゆるＮＺ騒音と称される騒音である。

上述の、循環流路５における共鳴周波数ｆ_Ｒは、以下の式（１）により表され、ＮＺ騒音の周波数ｆ_ＮＺは以下の式（２)により表される。
ｆ_Ｒ＝Ｃ／（２Ｌ） ・・・（１）
ｆ_ＮＺ＝ＮＺ／６０ ・・・（２）
ここで、Ｃは音速であり、Ｌは循環流路５のチャンバ６における回転軸線Ｃを中心とした周方向に沿った長さ（以後、周方向長さと表記する。）である。

上述の式（１）および式（２）に基づいて、ＮＺ騒音と共鳴を起こす、つまりｆ_Ｒ＝ｆ_ＮＺとなる循環流路５のチャンバ６の周方向長さＬは、以下の式（３）により表される。
Ｃ／（２Ｌ）＝ＮＺ／６０
Ｌ＝（Ｃ／２）×（６０／ＮＺ）＝３０Ｃ／ＮＺ ・・・（３）

したがって、チャンバ６の周方向長さＬを、上述の式（３）により求められる値よりも短く設定することにより、循環流路５の共鳴周波数ｆ_Ｒを、ＮＺ騒音の周波数ｆ_ＮＺよりも高くすることができる。特に、本実施形態の羽根車３の最高回転数、つまりコンプレッサ１の最高回転数におけるＮＺ騒音の周波数ｆ_ＮＺよりも、循環流路５の共鳴周波数ｆ_Ｒを高くすることで、循環流路５における共鳴の発生を抑制することができる。

本実施形態では、チャンバ６の周方向長さＬは、循環流路５の共鳴周波数ｆ_Ｒがコンプレッサ１の最高回転数に係るＮＺ騒音の周波数ｆ_ＮＺよりも高くなる値に設定されている。

なお、上述の式（１）および(３)は、本実施形態に係る循環流路５の形状に適用される式であり、循環流路５の形状が異なる場合には、別の式、具体的には係数が異なる式が適用される。つまり、上述の式（１）および（３）を一般的に表記すると、それぞれ以下の式（４）および式（５）となる。
ｆ_Ｒ＝ｃ１×Ｃ／Ｌ ・・・（４）
Ｌ＝６０ｃ１×Ｃ／（ＮＺ） ・・・（５）
ここで、ｃ１は循環流路５の形状によって定まる係数である。

次に、上記の構成からなるコンプレッサ１における空気の流れについて説明する。
コンプレッサ１の羽根車３は、図１に示すように、ディフューザ（図示せず）により発生された回転駆動力により、回転軸線Ｃを中心として回転駆動される。空気は吸気流路４を介して羽根車３に引き込まれ、複数の羽根１１の間を流れて主に動圧が昇圧された後、径方向外側に配置されたディフューザ（図示せず）に流入し動圧の一部が静圧に変換される。このように圧力が高められた空気は、内燃機関などに供給される。

この際、コンプレッサ１がサージングを起こす条件に近い条件では、チャンバ６内の圧力が吸気流路４内の圧力よりも高くなる。そのため、空気は図１の点線で示すように、羽根車３のシュラウド部１５からスリット７、チャンバ６、吸気流路４の順に循環する。

一方、コンプレッサ１を流れる空気の流量がサージング条件よりも大きい場合には、チャンバ６内の圧力は吸気流路４内の圧力よりも低くなる。そのため、空気は図１の実線で示すように、吸気流路４からチャンバ６、スリット、シュラウド部１５の順に流れて羽根車３に流入する。

上述のように、コンプレッサ１が運転条件、つまり回転数を変えながら運転されると、ＮＺ騒音の周波数ｆ_ＮＺも回転数の変化に伴い変化する。
しかしながら、循環流路５の共鳴周波数ｆ_Ｒは、ＮＺ騒音の周波数ｆ_ＮＺよりも高く設定されているため、循環流路５においてＮＺ騒音が共鳴することがない。

上記の構成によれば、循環流路５に係る共鳴周波数ｆ_Ｒが、羽根１１の回転数（Ｎ）および枚数（Ｚ）に基づいて求められるＮＺ騒音の周波数ｆ_ＮＺよりも大きいため、循環流路５において共鳴の発生を抑制できる。
特に、羽根１１の回転数（Ｎ）を、本実施形態のコンプレッサ１における羽根１１の最大回転数とすることで、本実施形態のコンプレッサ１の全ての運転範囲において、共鳴の発生を抑制することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図３を参照して説明する。
本実施形態のコンプレッサの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、循環流路の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図３を用いて循環流路の構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図３は、本実施形態に係るコンプレッサの循環流路の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

コンプレッサ（圧縮機）１０１のケーシング２には、図３に示すように、回転軸線Ｃ（図１参照。）を中心として回転可能に支持された羽根車３（図１参照。）が内部に収納されるとともに、圧縮される前の空気を羽根車３に導く吸気流路４と、吸気流路４とシュラウド部１５とを連通させる循環流路１０５と、が設けられている。

循環流路１０５は、羽根車３の上流側端部を囲むようにケーシング２に形成されたチャンバ１０６と、チャンバ１０６とシュラウド部１５とを連通するスリット７（図１参照。）と、から構成されている。
チャンバ１０６は、略円筒状の内周壁８により径方向内側に位置する吸気流路４と仕切られ、さらに、径方向に沿って延び、ケーシング２と内周壁８とを繋ぐストラット１０９により周方向に隣接するチャンバ１０６と仕切られている。

本実施形態では、４本のストラット１０９が周方向に異なる間隔に配置されており、ストラット１０９により分割されるチャンバ１０６も、異なる形状とされている。具体的には、一のストラット１０９を基準（位相が０°）とすると、各ストラット１０９は、基準のストラット１０９から時計回り方向に位相が約５０°の位置と、約１２０°の位置と、約２３０°の位置とにそれぞれ配置されている。

なお、ストラット１０９における周方向を向いた面には、第１の実施形態と同様に、少なくとも一部に平坦な領域が形成されている。

上記の構成からなるコンプレッサ１０１における空気の流れについては、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

次に、上記の構成からなるコンプレッサ１０１における共鳴の抑制について説明する。
本実施形態における循環流路１０５では、ストラット１０９の配置位相が不均等であるため、ストラット１０９により区切られるチャンバ１０６の周方向の長さＬも、それぞれ異なる長さになる。
すると、各循環流路１０５における共鳴周波数ｆ_Ｒも異なる値になり、各循環流路１０５ではそれぞれ異なるコンプレッサ１０１の運転条件、つまり回転数において共鳴が発生する。つまり、それぞれの循環流路１０５において共鳴が発生する周波数ｆ_Ｒが異なるため、全ての循環流路において同時に共鳴が発生する場合と比較して、共鳴音の大きさを抑えることができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図４を参照して説明する。
本実施形態のコンプレッサの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、循環流路の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図４を用いて、循環流路の構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図４は、本実施形態に係るコンプレッサの循環流路の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

コンプレッサ（圧縮機）２０１のケーシング２には、図４に示すように、回転軸線Ｃ（図１参照。）を中心として回転可能に支持された羽根車３（図１参照。）が内部に収納されるとともに、圧縮される前の空気を羽根車３に導く吸気流路４と、吸気流路４とシュラウド部１５とを連通させる循環流路２０５と、が設けられている。

循環流路２０５は、羽根車３の上流側端部を囲むようにケーシング２に形成されたチャンバ２０６と、チャンバ２０６とシュラウド部１５とを連通するスリット７（図１参照。）と、から構成されている。
チャンバ２０６は、略円筒状の内周壁８により径方向内側に位置する吸気流路４と仕切られ、さらに、径方向に沿って延び、ケーシング２と内周壁８とを繋ぐストラット２０９により周方向に隣接するチャンバ２０６と仕切られている。

ストラット２０９における周方向を向いた面は曲面のみで構成されている。つまり、ストラット９と内周壁８との接続部、および、ストラット２０９とケーシング２との接続部に曲率半径を有するコーナが連続しており、両コーナの間に平坦な領域が形成されていない。
このようなストラット２０９により区切られたチャンバ２０６の形状としては、例えば、流路断面が円形や、楕円形の場合を例示することができるが、少なくともストラット２０９の形状が上述のような形状であればよく、特に限定するものではない。

上記の構成からなるコンプレッサ２０１における空気の流れについては、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

次に、上記の構成からなるコンプレッサ２０１における共鳴の抑制について説明する。
本実施形態の循環流路２０５の形状の場合、循環流路２０５に係る共鳴周波数ｆ_Ｒは以下の式（６）で表される。
ｆ_Ｒ＝１．２２Ｃ／Ｌ ・・・（６）

つまり、本実施形態に係る循環流路２０５の共鳴周波数ｆ_Ｒは、同じ条件であれば、第１の実施形態に係る循環流路５の共鳴周波数ｆ_Ｒと比較して、周波数が高くなる。そのため本実施形態に係るコンプレッサ２０１においては、循環流路２０５に係る共鳴周波数ｆ_Ｒを、ＮＺ騒音の周波数ｆ_ＮＺよりも大きくしやすく、循環流路２０５における共鳴の発生を抑制しやすい。

〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について図５を参照して説明する。
本実施形態のコンプレッサの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、循環流路の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図５を用いて循環流路の構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図５は、本実施形態に係るコンプレッサの循環流路の構成を説明する模式図である。図６は、図５の循環流路の構成を説明する部分斜視図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

コンプレッサ（圧縮機）３０１のケーシング２には、図５および図６に示すように、回転軸線Ｃを中心として回転可能に支持された羽根車３が内部に収納されるとともに、圧縮される前の空気を羽根車３に導く吸気流路４と、吸気流路４とシュラウド部１５とを連通させる循環流路３０５と、が設けられている。

循環流路３０５は、羽根車３の上流側端部を囲むようにケーシング２に形成されたチャンバ３０６と、チャンバ３０６とシュラウド部１５とを連通するスリット７と、から構成されている。

チャンバ３０６は、略円筒状の内周壁８により径方向内側に位置する吸気流路４と仕切られ、さらに、径方向に沿って延び、ケーシング２と内周壁８とを繋ぐストラット３０９により周方向に隣接するチャンバ３０６と仕切られている。
チャンバ３０６は、その周方向の長さが、回転軸線Ｃ方向の上流側から下流側（図５の上側から下側）に向かうにしたがって、短くなるように形成されている。言い換えると、ストラット３０９は、その周方向の長さが、回転軸線Ｃ方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、長くなるように形成されている。

なお、チャンバ３０６の周方向の長さは、上述のように、上流側から下流側に向かうにしたがって短くなってもよいし、上流側から下流側に向うにしたがって長くなってもよいし、さらに、上流側から下流側に向かう際に、一端短くなった後に長くなってもよいし、逆に一端長くなった後に短くなってもよく、特に限定するものではない。

上記の構成からなるコンプレッサ３０１における空気の流れについては、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

次に、上記の構成からなるコンプレッサ３０１における共鳴の抑制について説明する。
本実施形態に係る循環流路３０５では、ストラット３０９における径方向の長さを、回転軸線Ｃ方向の上流側から下流側に向かうにしたがって長くすることにより、循環流路３０５のチャンバ３０６における径方向の長さを上流側から下流側に向かって短くしている。
そのため、循環流路３０５に係る共鳴周波数ｆ_Ｒも回転軸線Ｃ方向に沿って変化することになり、循環流路３０５には全体として共通の共鳴周波数ｆ_Ｒを持たないことになる。すると、ＮＺ騒音の周波数ｆ_ＮＺと周波数が一致する循環流路３０５における一部領域でのみ共鳴が発生することになり、循環流路３０５における径方向の長さが一定の場合と比較して、共鳴が発生する領域が狭くなるため、発生する共鳴音の大きさを抑えることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明を遠心式の圧縮機に適用して説明したが、この発明は遠心式の圧縮機に限られることなく、その他斜流式の圧縮機や、軸流式の圧縮機などその他の形式の圧縮機にも適用できるものである。

本発明の第１の実施形態に係るターボチャージャのコンプレッサの構成を説明する断面図である。 図１のコンプレッサの構成を説明する平面視図である。 本発明の第２の実施形態に係るコンプレッサの循環流路の構成を説明する模式図である。 本発明の第３の実施形態に係るコンプレッサの循環流路の構成を説明する模式図である。 本発明の第４の実施形態に係るコンプレッサの循環流路の構成を説明する模式図である。 図５の循環流路の構成を説明する部分斜視図である。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１ コンプレッサ（圧縮機）
４ 吸気流路（気体入口部）
５，１０５，２０５，３０５ 循環流路
９，１０９，２０９，３０９ ストラット
１１ 羽根
Ｃ 回転軸線

Claims (4)

1. 回転軸線を中心に回転駆動される複数枚の羽根と、
   前記回転軸線に沿って延び、気体を前記羽根に導く気体入口部と、
   前記回転軸線を中心とした円周上に配置され、前記気体入口部と前記羽根のシュラウド部とを連通させる循環流路と、
   前記回転軸線を中心とした径方向に延び、前記循環流路を分割するストラットと、
   が設けられ、
   前記ストラットにより分割された前記循環流路における周方向に沿う方向の長さに基づいて求められる共鳴周波数が、前記羽根の回転数および前記羽根の枚数に基づいて求められる騒音周波数よりも大きいことを特徴とする圧縮機。
2. 回転軸線を中心に回転駆動される複数枚の羽根と、
   前記回転軸線に沿って延び、気体を前記羽根に導く気体入口部と、
   前記回転軸線を内側に含む略筒上に配置され、前記気体入口部と前記羽根のシュラウド部とを連通させる循環流路と、
   前記回転軸線を中心とした径方向に延び、前記循環流路を分割するストラットと、
   が設けられ、
   前記ストラットにより分割された前記それぞれの循環流路における周方向に沿う方向の長さが、前記それぞれの循環流路によって異なることを特徴とする圧縮機。
3. 前記ストラットにおける前記循環流路と対向する面が、曲面から構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機。
4. 前記ストラットにおける前記回転軸線を中心とする径方向に沿う方向の長さが、前記回転軸線方向に沿って変化することを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機。

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