JP2010196706A - ディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】比較的広い作動範囲にわたって良好な圧力回復を行うことができるディフューザを提供する。
【解決手段】本発明は、複数の半径ベーン（１３）を有するディフューザ（３）に関する。ディフューザ（３）の半径方向ベーン（１３）のブレード枚数は、１５〜２０であり、半径方向ベーン（１３）のソリディティは、０．６〜０．８であり、羽根車出口に対する半径方向ベーン（１３）のベーン入口の半径比は、１．５未満である。本発明は、更に、ディフューザ（３）を有する圧縮機（１）に関する。
【選択図】図３

Description

本発明は、遠心圧縮機用のディフューザ、及び、かかるディフューザを有する遠心圧縮機に関する。

ディフューザは、羽根車（インペラ）から出る流体の運動エネルギを静圧に変換する。ディフューザは、理想的には、遠心圧縮機が作動する流れ角の全範囲にわたって良好な圧力回復を行う。ベーン付きディフューザは、優れた圧力回復を行うけれども、これは、限定された作動範囲にわたって行われるに過ぎない。一方、ベーン無しディフューザは、広い作動範囲を有しているけれども、少しの圧力回復を行うに過ぎない。

或る電気器具は、広範囲の負荷及び流量を経験する。例えば、真空掃除機が種々の床面の上で操縦されるとき、真空掃除機は、５〜３５ｌ／ｓ（リットル／秒）の流量を経験する。しかしながら、一般的には、これら電気器具のためのモータ速度は、比較的遅く、典型的には、５０ｋｒｐｍ（×１０³ｒｐｍ）未満である。かかる比較的低い速度では、流量の変化は、流れ角の変化に小さい影響しか及ぼさない。その結果、電気器具は広範囲の流量を経験するけれども、作動範囲は、比較的狭い。しかしながら、モータ技術の進歩は、より小型且つより高速のモータに向けられているので、流れ角に対する流量の影響は、ますます問題になっている。約１００ｋｒｐｍの速度では、流量の小さい変化でさえ、流れ角に比較的大きい変化を及ぼすことがある。従って、比較的広い作動範囲にわたって良好な圧力回復を行うことができるディフューザの要望が高まっている。

可変式幾何学的形状のディフューザは、流れ角に応じて変化する食違い角を有するベーンを採用している。流れの変化に応答してベーンの幾何学的形状を変化させることによって、ディフューザは、広い作動範囲にわたって良好な圧力回復を行うことができる。しかしながら、可変式の幾何学的形状のディフューザは、高価であり、複雑な制御を必要とし、しかも、可動部品の存在により故障しやすい。

第１の側面において、本発明は、複数の半径方向ベーンを有するディフューザであって、半径方向ベーンのブレードの枚数は、１５〜２０であり、半径方向ベーンのソリディティは、０．６〜０．８であり、羽根車出口に対する半径方向ベーンのベーン入口の半径比は、１．５未満であるディフューザを提供する。

この特定の値を選択すれば、ディフューザは、流れ角の比較的広い範囲にわたって、失速を生じさせない正の圧力回復を行う。更に、ベーンの幾何学的形状が固定され、かくして、ディフューザは、幾何学的形状が可変である同等のディフューザよりも安価で頑丈である。比較的広い作動範囲にわたって失速を生じさせない正の圧力回復を行う場合、ディフューザは、理想的には、或る範囲の負荷及び流量の下で作動することが必要とされる高速圧縮機（即ち、８０ｋｒｐｍを超える速度で作動する圧縮機）に用いられるのに適している。

ソリディティは、好ましくは、０．６〜０．８であり、より好ましくは、０．６０〜０．６５である。この特定の値を選択すれば、ディフューザは、約２０°の流れ角の範囲にわたって、失速を生じさせない正の圧力回復を行う。

半径比は、好ましくは、１．２未満であり、より好ましくは１．１である。このことは、よりコンパクトなディフューザを提供する利点を有する。

半径方向ベーンは、理想的には、２次元翼型であり、好ましくは、１．２の揚力係数を有する。このことにより、必要とされる全作動範囲にわたって、正の圧力回復係数を行う。

半径方向ベーンは、有利には、５０°〜６５°の食違い角を有する。この場合、ティフューザは、理想的には、高流量における羽根車の回転速度及びバック掃引(backsweep)速度により５０°〜６５°の流れ角を羽根車出口のところに生じさせる高速圧縮機に用いられるのに適している。

ディフューザは、好ましくは、ハブと、ハブを包囲する周壁と、複数の軸線方向ベーンを有する。半径方向ベーンは、ハブの上面に設けられ、軸線方向ベーンは、ハブと周壁と間を延びる。このことは、軸線方向出口を有するディフューザを提供する利点を有する。更に、軸線方向ベーンは、更なる圧力回復を行う。周壁を有する場合、シュラウドは、ディフューザを覆ってシュラウドの入口とディフューザの出口との間の流体通路を形成するように作られるのがよい。

第２の側面では、本発明は、遠心圧縮機であって、羽根車と、ディフューザとを有し、低流量と高流量の間で作動し、流体が、低流量において、羽根車から第１の流れ角で流出し、高流量において、羽根車から第２の流れ角で流出し、ディフューザは、複数の半径方向ベーンを有し、半径方向ベーンのブレードの枚数は、１５〜２０であり、半径方向ベーンのソリディティは、０．６〜０．８であり、羽根車出口に対する半径方向ベーンのベーン入口の半径比は、１．５未満である遠心圧縮機を提供する。

半径方向ベーンは、好ましくは、高流量における迎え角がゼロになるように選択された食違い角を有する。その結果、正の圧力回復が流量の全範囲にわたって達成される。

有利には、食違い角と第２の流れ角は、実質的に同じである。即ち、食違い角は、第２の流れ角の１〜２°の範囲内にある。食違い角と第２の流れ角の差は、半径比の値に依存する。半径比が減少すると、食違い角と第２の流れ角の差も減少する。

第１の流れ角と第２の流れ角の差は、２０°程度であるのが良い。

低流量と高流量の差は、７ｌ／ｓ程度であるのがよい。実際、圧縮機は、好ましくは、約５ｌ／ｓの低流量と約１２ｌ／ｓの高流量の間で作動する。かくして、圧縮機は、ディフューザが失速を生じさせない正の圧力回復を行う良好な流量範囲を提供する。

羽根車は、低流量と高流量の両方において、８０ｋｒｐｍを超える速度で回転するのがよい。従って、十分な流量を供給するコンパクトな圧縮機が実現される。特に、羽根車は、５０ｍｍ以下の半径を有するのが良い。かかる速度では、流量の変化により、流れ角のかなり大きな変化を生じさせる。それにもかかわらず、ディフューザは、流量の全範囲にわたって、失速を生じさせない正の圧力回復を行う。

有利には、羽根車は、シャフトに取付けられ、シャフトは、ディフューザに軸受カートリッジによって取付けられ、軸受カートリッジは、シャフト及びディフューザに固着される。このことは、羽根車をディフューザに対して正確に整列させる利点を有する。特に、軸受カートリッジは、羽根車とディフューザが同心になるように、ディフューザに取付けられる。

本発明をより容易に理解するために、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を例示として説明する。

本発明による遠心圧縮機の分解図である。 図１の遠心圧縮機の断面図である。 図１及び図２の遠心圧縮機のディフューザの平面図である。

図１及び図２の遠心圧縮機１は、ロータ２と、ディフューザ３と、シュラウド４を有している。

ロータ２は、シャフト５を有し、このシャフト５に、羽根車（インペラ）６と、軸受カートリッジ７が取付けられている。シャフト５の自由端部は、モータ（図示せず）によって駆動される。軸受カートリッジ７は、間隔を隔てた１対の軸受８を有し、１対の軸受８に、ばね９によって予圧が付与され、スリーブ１０によって包囲されている。

ディフューザ３は、ハブ１１と、周壁１２と、複数の半径方向ベーン１３と、複数の軸線方向ベーン１４とを有している。ハブ１１の上面に、中央部分１６と外側環状部１７とを定める段部１５が形成されている。複数の半径方向ベーン１３は、外側環状部１７の周囲で周方向に間隔を隔てた２次元翼型である。周壁１２は、ハブ１１から間隔を隔て且つそれを包囲している。複数の軸線方向ベーン１４は、２次元翼型であり、周壁１２とハブ１１との間を延び、周壁１２をハブ１１に固着させている。半径方向ベーン１３及び軸線方向ベーン１４の細部は、後で詳細に説明される。

ロータ２は、軸受カートリッジ７によってディフューザ３に回転可能に取付けられ、軸受カートリッジ７は、ディフューザ３のハブ１１の中央ボア１８内に固着されている。軸受カートリッジ７は、それが互いに間隔を隔てた１対の軸受８を有する場合、ロータ１０のための良好な支持部を構成する。

シュラウド４は、ベル形状の壁１９を有し、ベル形状の壁１９は、羽根車６とディフューザ３の両方を覆っている。ベル形状の壁１９は、流体入口として使用される中央孔２０と、羽根車６を覆う第１の部分２１と、ディフューザ３を覆う第２の部分２２とを有している。複数の凹部２３が、第２の部分２２の内面の周囲に形成されている。

シュラウド４は、ディフューザ３の周壁１２に接着剤２４によって固着されている。かくして、シュラウド４の入口２０とディフューザ３の軸線方向出口との間の流体通路が形成される。シュラウド４は、半径方向ベーン１３の各々がそれぞれの凹部２３の中に突出するように、ディフューザ３に固着されている。そのようにするとき、羽根車６に対するシュラウド４の位置は、シュラウド４と半径方向ベーン１３との間に半径方向隙間を生じさせることなしに、良好に定められたクリアランスを達成するように調節されるのがよい。

圧縮機１は、５ｌ／ｓ（リットル／秒）の低流量と、１２ｌ／ｓの高流量の間で作動する。低流量において、羽根車６は、約１０４ｋｒｐｍ（×１０³ｒｐｍ）で回転し、流体が羽根車から７７°の流れ角で出る。高流量において、羽根車６は、約８６ｋｒｐｍで回転し、流体が羽根車から５７°の流れ角で出る。後で説明するように、ディフューザ３は、圧縮機１が作動する流量の全範囲にわたって、失速を生じさせない正の圧力回復を行う。その結果、圧縮機１は、必要とされる流量の全範囲にわたって、最適に作動する。

次に、更に図３に示されているディフューザ３に戻ってこれを参照すると、半径方向ベーン１３及び軸線方向ベーン１４の各々は、翼型ＮＡＣＡ６５−（１２Ａ₁₀）１０の輪郭に実質的に一致する輪郭を有し、かくして、１．２の揚力係数を有している。しかしながら、鋭い後縁を有する従来のＮＡＣＡ６５の翼型と異なり、半径方向ベーン１３及び軸線方向ベーン１４の各々の後縁は、食違い角を維持しながら、僅かに厚くされている。後縁を厚くすることにより、鋭い後縁を作ることができない材料及びプロセスを用いて、ディフューザ３を製造することを可能にする。特に、成形プロセス（例えば、圧縮成形又は射出成形）を用いて、ディフューザ３をプラスチック材料（例えば、バルク成形コンパウンド）から製造することができる。

半径方向ベーン１３のブレードの枚数は１６であり、その入口のソリディティ（翼弦／ピッチ）は、０．６２であり、その食違い角は、５７°であり、羽根車出口に対する半径方向ベーン１３のベーン入口の半径比（ｒ３／ｒ２）は、１．１０である。

軸線方向ベーン１４のブレードの枚数は１６であり、その入口のソリディティは、０．６１であり、その食違い角は、２５°であり、その軸線方向長さは、２５．４ｍｍであり、羽根車出口に対する軸線方向ベーン１４の平均ベーン入口の半径比（ｒ５／ｒ２）は、１．４６である。

半径方向ベーン１３のこの構成であれば、ディフューザ３は、５７°〜７７°の流れ角範囲にわたって、失速を生じさせない正の圧力回復を行い、これは、０°〜２０°の迎え角の範囲に対応している。７７°よりも大きい流れ角は、ディフューザに失速を生じさせることがあり、５７°未満の流れ角は、負の圧力回復を生じさせる。従って、ディフューザ３は、流れ角の比較的広い作動範囲にわたって、正の圧力回復を行う。更に、圧力回復係数は、流れ角の上限のところで最も高い。

流れ角の広い作動範囲を有することに加えて、ディフューザ３は、約５５°の流れ角において、最小の圧力損失を有し、これは、約８°の迎え角に対応している。従って、ディフューザ３は、作動範囲のほぼ中心に位置するところで最も効率的である。

従って、ディフューザ３は、圧縮機１が作動する流量の全範囲にわたって、失速を生じさせない正の圧力回復を行う。必要とされる流量の全範囲にわたって最適に作動する場合、圧縮機１は、理想的には、流量の広い範囲にわたって作動する適用例に用いられるのに適している。特に、圧縮機１は、理想的には、真空掃除機に用いられるのに適しており、真空掃除機を種々の床面（例えば、硬い床、ショートパイルカーペット及びロングパイルカーペット）にわたって操縦するとき、真空掃除機は、典型的には、負荷及び流量の広い範囲にわたって作動する。

軸線方向ベーン１４の主要な機能は、ディフューザ３が軸線方向出口を有するように、ハブ１１と周壁１２との間のブリッジを構成することである。それにもかかわらず、軸線方向ベーン１４は、空気流を更に真直ぐにすることによって、少量ではあるが、圧力回復に寄与する。しかしながら、軸線方向ベーン１４は、ディフューザ３の作動範囲に寄与せず、従って、省略されてもよい。実際、ディフューザ３が軸線方向出口を有することは、本質的ではなく、かくして、周壁１２も省略してもよい。

上述した実施形態では、半径方向ベーン１３は、ブレード枚数、ソリディティ、食違い角及び入口半径比について、特定の値を有する。これらの値の特定の選択の結果により、０°〜２０°の迎え角範囲に対応する５３°〜７３°の流れ角範囲にわたって、失速を生じさせない正の圧力回復を生じさせる。しかしながら、次に示すように、失速を生じさせない正の圧力回復を流れ角の比較的広い範囲にわたって生じさせ続けている限り、ブレード枚数、ソリディティ、食違い角及び半径比は、変化してもよい。

作動範囲の著しい変化が無ければ、羽根車出口に対する半径方向ベーン１３のベーン入口の半径比（ｒ３／ｒ２）を変化させてもよい。しかしながら、かかる半径比が増大するとき、ディフューザ３のブレード無し領域が増大し、かくして、迎え角が、小さい量だけ減少する。その結果、０°〜２０°の迎え角を圧縮機１の作動範囲にわたって維持するために、理想的には、半径方向ベーン１３の食違い角を、半径比と一緒に増大させる。例示として、半径比を１．１〜１．５に増大させたとき、０°〜２０°の同じ迎え角を維持するために、理想的には、ブレードの食違い角を約１．５°増大させる。当然のことながら、半径比が増大するとき、ディフューザ３の大きさ、かくして、圧縮機１の大きさが増大する。その結果、半径比は、好ましくは、１．５以下であり、より好ましくは、１．２以下である。従って、コンパクトなディフューザ３及び圧縮機１が実現される。

半径方向ベーン１３のソリディティは、ディフューザ３の作動範囲に、より大きい影響を及ぼす。半径方向ベーン１３のソリディティを増大させることによって、半径方向ベーン１３の翼弦の長さが増大する。翼弦の長さが増大するとき、特に作動範囲の小さい方の角度の端部において、圧力損失が増大する。その結果、作動範囲の小さい方の角度の端部において、圧力回復が負になり、それにより、正の圧力回復を達成する作動範囲が減少する。例えば、半径方向ベーン１３のソリディティを０．６２から１．００に増大させることによって、失速を生じさせない正の圧力回復を達成する作動範囲は、約３°だけ減少するおそれがあり、即ち、迎え角が３°〜２０°になるおそれがある。半径方向ベーン１３が比較的広い作動範囲にわたって失速を生じさせない正の圧力回復を行うために、半径方向ベーン１３のソリディティは、好ましくは、０．６〜０．８であり、より好ましくは、０．６０〜０．６５である。

ブレード枚数を変化させることによっても、半径方向ベーン１３の翼弦の長さが変化する。しかしながら、ソリディティが０．６〜０．８の場合、１５〜２０のブレード枚数は、ディフューザ３の作動範囲にあまり影響を及ぼさない。この範囲を超えてブレード枚数を減少させると、圧力損失を引起こし、それにより、最終的には、正の圧力回復が達成される作動範囲を減少させる。ブレード枚数をこの範囲を超えて増大させると、翼弦の長さがますます短くなり、半径方向ベーンが流体の向きをもはや十分に変えることができない限度に達し、それにより、流体を早期の角度で失速させる。従って、半径方向ベーン１３は、好ましくは、１５〜２０のブレード枚数を有する。

半径方向ベーン１３の食違い角は、羽根車６から高流量で出る流体の流れ角に応じて選択される。特に、食違い角は、半径方向ベーン１３のところにおける流体の迎え角が高流量でゼロになるように選択される。上述した圧縮機１の場合、羽根車６から高流量で出る流体の流れ角は、５７°であり、かくして、半径方向ベーン１３のために５７°の食違い角が選択される。しかしながら、流体が羽根車６から高流量で異なる流れ角で出る場合、半径方向ベーン１３の食違い角はそれに応じて変化してもよい。８０ｋｒｐｍを超える速度の場合、羽根車６の回転速度及びバック掃引速度は、流体が羽根車６から高流量で５０°〜６５°の角度で出る可能性があるようなものである。従って、半径方向ベーン１３の食違い角は、理想的には、５０°〜６５である。

本発明のディフューザは、比較的広い作動範囲にわたって、失速を生じさせない正の圧力回復を行う。このことは、固定式幾何学的形状のベーンを用いて達成され、かくして、ディフューザは、可変式幾何学的形状の同等のディフューザよりも安価で頑丈である。比較的広い作動範囲にわたって失速を生じさせない圧力回復を行う際、ディフューザは、理想的には、或る範囲の負荷及び流量で作動する高速圧縮機（即ち、８０ｋｒｐｍを超える速度で作動する圧縮機）と共に用いられるのに適している。ディフューザを高速圧縮機内に含むことによって、よりコンパクトな圧縮機が実現される。特に、圧縮機が、半径５０ｍｍ以下の羽根車を有するのがよい。この場合、羽根車は比較的小さいけれども、羽根車の比較的大きい回転速度（即ち、８０ｋｒｐｍを超える回転速度）は、それにもかかわらず十分な流量が達成可能であることを意味する。

１ 遠心圧縮機
２ ロータ
３ ディフューザ
４ シュラウド
５ シャフト
６ 羽根車
７ 軸受カートリッジ
８ 軸受
１０ スリーブ
１１ ハブ
１２ 周壁
１３ 半径方向ベーン
１４ 軸線方向ベーン

Claims (15)

1. 複数の半径方向ベーンを有するディフューザであって、
   前記半径方向ベーンのブレードの枚数は、１５〜２０であり、前記半径方向ベーンのソリディティは、０．６〜０．８であり、羽根車出口に対する前記半径方向ベーンのベーン入口の半径比は、１．５未満である、ディフューザ。
2. 前記ソリディティは、０．６０〜０．６５である、請求項１に記載のディフューザ。
3. 前記ブレードの枚数は、１６であり、前記ソリディティは、０．６２である、請求項２に記載のディフューザ。
4. 前記半径比は、１．２未満である、請求項１〜３の何れか１項に記載のディフューザ。
5. 前記ベーンの揚力係数は、１．２である、請求項１〜４の何れか１項に記載のディフューザ。
6. 前記ベーンの食違い角は、５０〜６５°である、請求項１〜５の何れか１項に記載のディフューザ。
7. 更に、ハブと、前記ハブを包囲する周壁と、複数の軸線方向ベーンとを有し、
   前記半径方向ベーンは、前記ハブの上面に設けられ、前記軸線方向ベーンは、前記ハブと前記周壁との間を延びる、請求項１〜６の何れか１項に記載のディフューザ。
8. 前記羽根車出口の半径は、５０ｍｍ以下である、請求項１〜７の何れか１項に記載のディフューザ。
9. 遠心圧縮機であって、
   羽根車と、ディフューザとを有し、低流量と高流量の間で作動し、流体が、前記低流量において、前記羽根車から第１の流れ角で流出し、前記高流量において、前記羽根車から第２の流れ角で流出し、
   ディフューザは、複数の半径方向ベーンを有し、前記半径方向ベーンのブレードの枚数は、１５〜２０であり、前記半径方向ベーンのソリディティは、０．６〜０．８であり、前記半径方向ベーンのベーン入口から羽根車出口までの半径比は、１．５未満である、遠心圧縮機。
10. 前記半径方向ベーンは、前記高流量における迎え角がゼロになるように選択された食違い角を有する、請求項９に記載の遠心圧縮機。
11. 前記食違い角と前記第２の流れ角は、実質的に同じである、請求項１０に記載の遠心圧縮機。
12. 前記第１の流れ角と前記第２の流れ角の差は、約２０°である、請求項９〜１１の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
13. 前記低流量と前記高流量の差は、約７ｌ／ｓである、請求項９〜１２の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
14. 前記羽根車は、前記低流量及び前記高流量の両方において、８０ｋｒｐｍを超える速度で回転する、請求項９〜１３の何れか１項に記載の遠心圧縮機。
15. 前記羽根車の半径は、５０ｍｍ以下である、請求項９〜１４の何れか１項に記載の遠心圧縮機。

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