JP2012154204A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく部分負荷運転できる遠心圧縮機を提供することを課題とする。
【解決手段】羽根車８と、羽根車８の外周に形成されるディフューザ９と、ディフューザ９に接続されるリターン流路１２と、を有してなる段を少なくとも１つ備え、羽根車８の回転で流体を圧縮する遠心圧縮機１とする。そして、互いに対向するシュラウド側壁面１０ａとハブ側壁面１１ａの間の空間としてディフューザ９が形成され、ディフューザ９の流路面積が、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで略一定になるように、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂに向かって、シュラウド側壁面１０ａとハブ側壁面１１ａの間隔が狭まっていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ターボ冷凍機用の遠心圧縮機に係り、特にディフューザを備えた遠心圧縮機に関する。

空調用機器等に用いられるターボ冷凍機は、冷媒の圧縮及び膨張を利用した冷凍サイクルを原理とする冷凍装置であり、遠心圧縮機（ターボ冷凍機用遠心圧縮機）で動力を消費して冷媒を圧縮し、蒸発器で被冷却物の熱を吸収して凝縮器で吸収した熱を排熱することで、低温から高温へ熱輸送している。

このような遠心圧縮機の運転状態は、定格運転（１００％出力）と、それ以外の部分負荷運転（低出力）と、に大別され、一般的に定格運転のときに効率及び出力が最大になるように設計される。
しかしながら、例えば空調用機器の使用環境の変化などによって運転条件が逐次変化し、遠心圧縮機が部分負荷運転される状況もあるため、部分負荷運転であっても、安定し、かつ、効率よく動作する遠心圧縮機が求められている。

例えば特許文献１には、羽根車の下流に備わる羽根無しディフューザと、厚翼を用いた羽根車を組み合わせて旋回失速の発生を防止するとともに高効率を達成する遠心圧縮機が開示されている。
また、例えば特許文献２には、ディフューザ部の軸方向に沿う幅寸法を、羽根車から送り出される冷媒の入口に対して外周側の出口を大きくして効率を向上させる遠心圧縮機（ターボ形圧縮機）が開示されている。
また、例えば特許文献３には、流体の出口部にテーパ状に通路部を狭めた出口側絞り部を設け、圧力損失を小さくして流れの剥離を抑えて効率を向上させる遠心圧縮機（ターボ圧縮機）のディフューザが開示されている。

特開２０１０−１８５１号公報 特開２００２−５０８９号公報 特開平３−１５７００号公報

しかしながら、特許文献１〜３に開示される遠心圧縮機（ターボ型圧縮機、ターボ圧縮機）は、定格運転されるときに最も効率よく最高出力が得られるように構成され、部分負荷運転されるときの効率については考慮されていない。
したがって、従来開示されている遠心圧縮機は、部分負荷運転されるときに効率が低下する場合がある。

そこで、本発明は、効率よく部分負荷運転できる遠心圧縮機を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、羽根車と、前記羽根車の外周に形成されるディフューザと、前記ディフューザを流れた流体を次段の前記羽根車に導くリターン流路と、を有してなる段を少なくとも１つ備え、前記羽根車の回転で前記流体を圧縮する遠心圧縮機であって、前記ディフューザの流路面積が、当該ディフューザの入口部から当該ディフューザの出口部まで略一定に形成されていることを特徴とする。

本発明によると、効率よく部分負荷運転できる遠心圧縮機を提供できる。

本実施形態に係る遠心圧縮機を備える冷凍装置の構成図である。 冷凍装置を流れる冷媒の状態線図である。 遠心圧縮機の子午面における断面図である。 ディフューザ及びリターン流路の断面図である。 ディフューザ入口部からディフューザ出口部までの流路面積の変化を示すグラフである。 ディフューザにおける冷媒流速のハブ側壁面の側からシュラウド側壁面の側までの分布を示すグラフである。 ディフューザにおける流れ角のハブ側壁面の側からシュラウド側壁面の側までの分布を示すグラフである。 ディフューザ及びリターン流路における流量損失を示すグラフである。 ディフューザにおけるシュラウド側壁面の形状を示す断面図である。 リターン流路に備わる上流ガイドベーン及び下流ガイドベーンを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係る遠心圧縮機１は、例えば、図１に示すように構成される冷凍装置１００に備わっている。
冷凍装置１００は、被冷却物（例えば水）の熱を冷媒となる流体（例えば蒸気）で吸収して被冷却物を冷却する装置であり、モータ６によって駆動される遠心圧縮機１で圧縮された気体状の冷媒が凝縮器２で冷却されて凝縮し、過冷却液の状態になる。そして、蒸発器５で蒸発（気化）するときに被冷却物から気化熱を吸収して被冷却物を冷却する。

冷凍装置１００において遠心圧縮機１に導入される直前の冷媒は、図１、図２に示すように、状態ＳＴ１（圧力：Ｐ_１、エンタルピ：Ｈ_１）の気体であり、遠心圧縮機１で断熱圧縮されて状態ＳＴ２、ＳＴ３を経由して状態ＳＴ４（圧力：Ｐ_２、エンタルピ：Ｈ_２）になる。冷媒は遠心圧縮機１によって断熱圧縮されるため、状態ＳＴ４の冷媒は、圧力、エンタルピともに状態ＳＴ２より高くなる。すなわち、「Ｐ_２＞Ｐ_１」、「Ｈ_２＞Ｈ_１」である。

なお、本実施形態における遠心圧縮機１は２段式とし、状態ＳＴ２は１段目から吐出された冷媒の状態（圧力：Ｐ_ｅｃｏ、エンタルピ：Ｈ_１’）とする。また、状態ＳＴ３は２段目に導入される冷媒の状態（圧力：Ｐ_ｅｃｏ、エンタルピ：Ｈ_１’’）であり、エンタルピが微小に低下（Ｈ_１’→Ｈ_１’’）している。これは、後記するようにエンタルピの低いフラッシュ蒸気がエコノマイザ４から導入されるためである。
また、状態ＳＴ２、ＳＴ３の圧力（Ｐ_ｅｃｏ）は、エコノマイザ４で発生するフラッシュ蒸気の圧力となる。

遠心圧縮機１で圧縮されて状態ＳＴ４となった冷媒は凝縮器２に導入され、圧力（Ｐ_２）を維持したままエンタルピがＨ_３まで低下して過冷却液に凝縮されて状態ＳＴ５（圧力：Ｐ_２、エンタルピ：Ｈ_３（Ｈ_３＜Ｈ_１））になる。

そして、凝縮器２で凝縮された冷媒は、状態ＳＴ５のまま受液器３を通過し、エコノマイザ４に導入される。状態ＳＴ５の冷媒はエコノマイザ４でエンタルピが一定（Ｈ_３）のままＰ_ｅｃｏまで減圧され（状態ＳＴ６）、フラッシュ蒸気と高圧液に分離される。
高圧液は、エンタルピがＨ_４まで低下した状態ＳＴ８（圧力：Ｐ_ｅｃｏ、エンタルピ：Ｈ_４）となり、さらに絞り膨張されて、エンタルピが一定のまま圧力Ｐ_１まで減圧し、状態ＳＴ９（圧力：Ｐ_１、エンタルピ：Ｈ_４）になる。

そしてエコノマイザ４から吐出された冷媒は蒸発器５に導入され、被冷却物の熱を気化熱として吸収して蒸発（気化）する。このときに、エンタルピがＨ_１まで上昇して状態ＳＴ１（圧力：Ｐ_１、エンタルピ：Ｈ_１）になって遠心圧縮機１に導入される。
なお、エコノマイザ４で発生したフラッシュ蒸気は、圧力がＰ_ｅｃｏのままエンタルピが上昇して状態ＳＴ７の状態になり、遠心圧縮機１の１段目と２段目の間に戻される。

本実施形態に係る冷媒は、図２に示すように状態遷移しながら、図１に示す冷凍装置１００を循環し、遠心圧縮機１で圧縮されて蒸発器５で気化して被冷却物を冷却する。

そして、本実施形態に係る冷凍装置１００に備わって冷媒を断熱圧縮する遠心圧縮機１は、例えば図３に示すように、２段式のターボ型遠心圧縮機であり、１段目の羽根車８の吸込口８ａの上流にはインレットガイドベーン１５が備わっている。
インレットガイドベーン１５は、遠心圧縮機１に冷媒を導入する導管に備わる可動弁であり、導管の開度を調節して冷凍装置１００を流通する冷媒の流量を設定する機能を有する。そのため図示しない制御装置によって制御される。

遠心圧縮機１の１段は、モータ６（図１参照）の回転駆動力で回転する回転軸７にほぼ等間隔で取り付けられる羽根車８の１つと、羽根車８の流出口８ｂに連通するように羽根車８の外周に形成されるディフューザ９と、ディフューザ９と次段の羽根車８の吸込口８ａを連結し、ディフューザ９を流れた冷媒を次段の羽根車８の吸込口８ａに導くリターン流路１２と、を含んで構成される。また、リターン流路１２には、冷媒の流れを整流する固定ガイドベーン１３が設置されている。さらに、最終段（本実施形態では２段目）の羽根車８の流出口８ｂには、冷媒の動圧を静圧に変換しながら冷媒を遠心圧縮機１の外部に排出するスクロール１４が接続されている。
固定ガイドベーン１３は、遠心圧縮機１が定格運転されるときに、リターン流路１２を流れる冷媒の流れ角を羽根車８の吸込口８ａにおける入口角と一致させる機能を有する。

以下、ディフューザ９の羽根車８側の端部（開口部）をディフューザ入口部９ａ、ディフューザ９のリターン流路１２側の端部（開口部）をディフューザ出口部９ｂと称する。また、ディフューザ９は、ディフューザ入口部９ａの側を上流、ディフューザ出口部９ｂの側を下流とする。さらに、リターン流路１２はディフューザ９の側を上流、次段の羽根車８の側を下流とする。

ディフューザ９及びリターン流路１２は、回転軸７の回転中心ＣＬを中心として回転軸７の径方向に広がる空間であり、遠心圧縮機１の筐体の外側を構成するシュラウド１０と、回転軸７を固定するハブ１１と、の間の空間として、ともに回転軸７の径方向に広がる壁状に形成されて互いに対向するシュラウド側壁面１０ａ（第１壁面）とハブ側壁面１１ａ（第２壁面）とに挟まれて形成される。
そして、本実施形態においては、ハブ側壁面１１ａは回転軸７の軸方向と直交する平面（垂直面）として形成される。以下、ディフューザ９におけるシュラウド側壁面１０ａとハブ側壁面１１ａの間隔をディフューザ幅と称する。

また、図４に示すように、ディフューザ入口部９ａにおけるシュラウド側壁面１０ａとハブ側壁面１１ａの間隔をディフューザ入口幅とし、ディフューザ出口部９ｂにおけるシュラウド側壁面１０ａとハブ側壁面１１ａの間隔をディフューザ出口幅とする。本実施形態においては、ディフューザ入口幅が「Ｗ_ＩＮ」、ディフューザ出口幅が「Ｗ_ＯＵＴ」のディフューザ９とする。

ディフューザ入口部９ａは、ディフューザ９の羽根車８側の開口部であって、回転軸７の回転中心ＣＬを中心とする所定の半径で、羽根車８の外周に沿って１周に亘って開口している。そして、回転軸７の回転中心ＣＬを中心とするディフューザ入口部９ａの半径をディフューザ入口外径と称し、その値を「Ｒ_ＩＮ」とする。なお、ディフューザ入口外径は、羽根車８の外径と略等しくなる。

また、ディフューザ出口部９ｂは、ディフューザ９のリターン流路１２側の開口部であって、回転軸７の回転中心ＣＬを中心とする所定の半径でディフューザ入口部９ａと同心円状に１周に亘って開口している。そして、回転軸７の回転中心ＣＬを中心とするディフューザ出口部９ｂの半径をディフューザ出口外径と称し、その値を「Ｒ_ＯＵＴ」とする。
ディフューザ出口部９ｂは、ディフューザ入口部９ａのさらに外周、つまり、ディフューザ入口部９ａより回転軸７の回転中心ＣＬから離れた位置に形成され、ディフューザ出口外径はディフューザ入口外径より大きくなる。すなわち、「Ｒ_ＯＵＴ＞Ｒ_ＩＮ」となる。

このように、ディフューザ入口部９ａは、回転軸７の回転中心ＣＬを中心として、ディフューザ入口外径が「Ｒ_ＩＮ」で羽根車８の外周に沿って１周に亘って開口する開口部であり、羽根車８の外周に沿ったディフューザ入口部９ａの長さ（以下、入口周長と称する）は、「２×Ｒ_ＩＮ×π」で示される。πは円周率である。
また、ディフューザ入口幅が、ディフューザ入口部９ａの全周に亘って一定（Ｗ_ＩＮ）の場合、入口周長にディフューザ入口幅を積算すると、ディフューザ入口部９ａの開口面積とすることができる。
このように算出されるディフューザ９の開口面積は、ディフューザ９における冷媒の流路を形成する開口面積であって、本実施形態において冷媒の流路（ディフューザ９）の流路面積と称する。そして、ディフューザ入口部９ａにおける流路面積を入口部流路面積と称し、その値を「Ｓｄ_ＩＮ」とすると、入口部流路面積「Ｓｄ_ＩＮ」は次式（１）で示される。
Ｓｄ_ＩＮ＝２×Ｒ_ＩＮ×π×Ｗ_ＩＮ ・・・（１）

同様に、ディフューザ出口部９ｂにおける開口面積（流路面積）を出口部流路面積と称し、その値を「Ｓｄ_ＯＵＴ」とすると、出口部流路面積「Ｓｄ_ＯＵＴ」は次式（２）で示される。
Ｓｄ_ＯＵＴ＝２×Ｒ_ＯＵＴ×π×Ｗ_ＯＵＴ ・・・（２）

また、図４に示すように、ディフューザ９において、回転軸７の回転中心ＣＬを中心とする半径（以下、ディフューザ半径と称する）が「Ｒ_Ａ」（但し、Ｒ_ＯＵＴ＞Ｒ_Ａ＞Ｒ_ＩＮ）となる任意の位置（中間部Ａ）における、回転軸７の周方向に沿った長さ（周長）は、「２×Ｒ_Ａ×π」であり、中間部Ａにおけるディフューザ幅を「Ｗ_Ａ」とすると、任意の中間部Ａにおける流路面積（値を「Ｓｄ_Ａ」とする）は、次式（３）で示される。
Ｓｄ_Ａ＝２×Ｒ_Ａ×π×Ｗ_Ａ ・・・（３）
ちなみに、入口部流路面積は、式（３）におけるディフューザ半径「Ｒ_Ａ」をディフューザ入口外径「Ｒ_ＩＮ」、ディフューザ幅「Ｗ_Ａ」をディフューザ入口幅「Ｗ_ＩＮ」に置き換えた値である。同様に、出口部流路面積は、式（３）におけるディフューザ半径「Ｒ_Ａ」をディフューザ出口外径「Ｒ_ＯＵＴ」、ディフューザ幅「Ｗ_Ａ」をディフューザ出口幅「Ｗ_ＯＵＴ」に置き換えた値である。

従来、ディフューザ９（図３参照）においては、シュラウド側壁面１０ａ（図３参照）もハブ側壁面１１ａ（図３参照）と同様に回転軸７（図３参照）の軸方向と直交する平面（垂直面）で形成され、シュラウド側壁面１０ａとハブ側壁面１１ａが略平行になるため、ディフューザ入口部９ａ（図３参照）からディフューザ出口部９ｂ（図３参照）まで、ディフューザ幅（式（３）における「Ｗ_Ａ」）が一定になる。したがって、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで、ディフューザ半径（式（３）における「Ｒ_Ａ」）が長くなるのにしたがって、式（３）で示される流路面積が増大する。例えば、図５に破線（従来例）で示されるように、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで流路面積が増大する。

また、遠心圧縮機１（図３参照）が部分負荷運転される場合、羽根車８（図３参照）の回転によって加速、昇圧された冷媒がディフューザ９（図３参照）を流れるとき、図６に破線（従来例）で示すように、ディフューザ入口部９ａにおいて、シュラウド側壁面１０ａ（図３参照）の側とハブ側壁面１１ａ（図３参照）の側で冷媒の流速（以下、冷媒流速と称する）に差が生じ、ハブ側壁面１１ａの側における冷媒流速が、シュラウド側壁面１０ａの側における冷媒流速より遅くなるような流速分布となる。このように、ハブ側壁面１１ａの側の冷媒流速がシュラウド側壁面１０ａの側の冷媒流速より遅くなる冷媒の流れを偏流と称する。

遠心圧縮機１（図３参照）は、定格運転されるときに偏流が小さくなるように設計され、定格運転されるときは偏流が小さくなるが、遠心圧縮機１が部分負荷運転されるときは偏流が大きくなる。そして、偏流によってハブ側壁面１１ａ（図３参照）の側で冷媒流速が低下すると、ハブ側壁面１１ａの側に壁面境界層が発達して減速損失が発生する。

さらに、ディフューザ９（図３参照）を流れる間に冷媒流速は低下するが、特に遠心圧縮機１（図３参照）が部分負荷運転される場合、シュラウド側壁面１０ａ（図３参照）の側に比べて冷媒流速の遅いハブ側壁面１１ａ（図３参照）の側では、シュラウド側壁面１０ａの側より大きく冷媒流速が低下する。そして、シュラウド側壁面１０ａ側とハブ側壁面１１ａ側の冷媒流速の差がディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂに向かって大きくなる。つまり、ディフューザ９の任意の中間部Ａで、ディフューザ入口部９ａより偏流が大きくなる。
そして、遠心圧縮機１の部分負荷運転によって冷媒流速が大きく低下するハブ側壁面１１ａの側には、壁面境界層の発達による損失（減速損失）が発生する。したがって、ディフューザ９における偏流を小さく抑える構成が好ましい。

また、ディフューザ９（図３参照）における偏流が大きくなると、シュラウド側壁面１０ａ（図３参照）の側からハブ側壁面１１ａ（図３参照）の側に向かって、図７に破線（従来例）で示すように流れ角が減少し、この流れ角の減少にともなって、シュラウド側壁面１０ａの側とハブ側壁面１１ａの側の間に冷媒の主流の方向と異なった方向の流れ（２次流れ）が発生する。
このような２次流れは、主流と混合するときに損失（混合損失）を発生するため、２次流れの発生を抑制する構成が好ましい。

そこで、本実施形態は、ディフューザ入口部９ａ（図３参照）からディフューザ出口部９ｂ（図３参照）まで、流路面積が略一定となるディフューザ９（図３参照）を備える遠心圧縮機１（図３参照）とする。
前記したように、従来のディフューザ９の流路面積は、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂに向かって、ディフューザ半径の増加にともなって増大する。したがって、本実施形態に係る遠心圧縮機１は、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂに向かってディフューザ幅が狭くなる構成とし、ディフューザ半径の増加に伴う流路面積の増大をディフューザ幅の減少で吸収して流路面積が略一定になるように構成する。

ディフューザ９（図３参照）における流路面積がディフューザ入口部９ａ（図３参照）からディフューザ出口部９ｂ（図３参照）まで略一定の場合、ハブ側壁面１１ａ（図３参照）の側に比べて速い冷媒流速でシュラウド側壁面１０ａ（図３参照）の側を流れる冷媒がハブ側壁面１１ａの側に拡散する流量が、ディフューザ出口部９ｂに向かって流路面積が広がる場合に比べて多くなる。つまり、流路面積がディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで一定の場合、シュラウド側壁面１０ａの側を流れる高速の冷媒がハブ側壁面１１ａの側に向かって多く拡散され、その結果としてハブ側壁面１１ａの側を流れる冷媒の冷媒流速が高くなり、ディフューザ９における偏流が小さくなる。

前記したように本実施形態では、ディフューザ入口部９ａ（図３参照）からディフューザ出口部９ｂ（図３参照）に向かってディフューザ幅が狭くなる構成とする。
例えば、ディフューザ入口部９ａにおける入口部流路面積「Ｓｄ_ＩＮ」は、「２×Ｒ_ＩＮ×π×Ｗ_ＩＮ」であり、ディフューザ出口部９ｂにおける出口部流路面積「Ｓｄ_ＯＵＴ」は、「２×Ｒ_ＯＵＴ×π×Ｗ_ＯＵＴ」である。
したがって、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまでの流路面積の増加率「Ｓｄ_ＯＵＴ／Ｓｄ_ＩＮ」は、「（２×Ｒ_ＯＵＴ×π×Ｗ_ＯＵＴ）／（２×Ｒ_ＩＮ×π×Ｗ_ＩＮ）」である。

ディフューザ入口部９ａ（図３参照）からディフューザ出口部９ｂ（図３参照）まで流路面積が一定の場合、流路面積の増加率は「１」であり、「（２×Ｒ_ＯＵＴ×π×Ｗ_ＯＵＴ）／（２×Ｒ_ＩＮ×π×Ｗ_ＩＮ）＝１」となる。
したがって、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで流路面積を一定にするためには、ディフューザ出口部９ｂにおけるディフューザ出口幅「Ｗ_ＯＵＴ」が、ディフューザ入口幅「Ｗ_ＩＮ」の「Ｒ_ＩＮ／Ｒ_ＯＵＴ」倍に縮小されていればよい。

また、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで流路面積が一定の場合、図４に示す任意の中間部Ａ（ディフューザ半径：Ｒ_Ａ）におけるディフューザ幅「Ｗ_Ａ」は、次式（４）で示される。
Ｗ_Ａ＝（Ｒ_ＩＮ／Ｒ_Ａ）×Ｗ_ＩＮ ・・・（４）
つまり、中間部Ａは、ディフューザ半径（Ｒ_Ａ）がディフューザ入口外径（Ｒ_ＩＮ）の「Ｒ_Ａ／Ｒ_ＩＮ」倍の点であり、ディフューザ入口幅「Ｗ_ＩＮ」を「Ｒ_ＩＮ／Ｒ_Ａ」倍に縮小して、中間部Ａにおける流路面積を入口部流路面積「Ｓｄ_ＩＮ」と等しくする。

ちなみに、ディフューザ入口幅「Ｗ_ＩＮ」は、式（４）におけるディフューザ半径「Ｒ_Ａ」をディフューザ入口外径「Ｒ_ＩＮ」に置き換えた値であり、ディフューザ出口幅「Ｗ_ＯＵＴ」は、式（４）におけるディフューザ半径「Ｒ_Ａ」をディフューザ出口外径「Ｒ_ＯＵＴ」に置き換えた値である。

そして、中間部Ａがディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで移動する間の各位置、つまり、ディフューザ半径「Ｒ_Ａ」がディフューザ入口外径「Ｒ_ＩＮ」からディフューザ出口外径「Ｒ_ＯＵＴ」まで変化するときの各位置において、式（４）で算出されるディフューザ幅となるディフューザ９とする。
つまり、本実施形態に係る遠心圧縮機１のディフューザ９は、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂに向かって、ディフューザ幅が「Ｒ_ＩＮ／Ｒ_ＯＵＴ」の割合で減少するように構成される。

この構成によって、図５に実線（本実施例）で示すように、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで流路面積が一定になる。
そして、図６に実線（本実施例）で示すように、シュラウド側壁面１０ａの側とハブ側壁面１１ａの側の冷媒流速の差が、ディフューザ入口部９ａと、ディフューザ９（図３参照）の任意の位置（例えば、中間部Ａ）と、でほぼ一定になるという効果、つまり、遠心圧縮機１（図３参照）が部分負荷運転される場合であっても偏流が小さくなるという効果を奏する。
このことによって、ディフューザ９におけるハブ側壁面１１ａの側の冷媒流速の低下が抑制されて壁面境界層の発達が抑制され、遠心圧縮機１が部分負荷運転される場合の減速損失が軽減される。

また、図７に実線（本実施例）で示すようにシュラウド側壁面１０ａの側からハブ側壁面１１ａの側に向かう流れ角の減少が小さくなる。このことは２次流れが小さくなることを示し、２次流れによる混合損失が軽減される。

このように、ディフューザ入口部９ａ（図３参照）からディフューザ出口部９ｂ（図３参照）まで流路面積が一定のディフューザ９（図３参照）では、減速損失及び混合損失がともに軽減されることによって、特に、遠心圧縮機１（図３参照）が部分負荷運転される場合の流量損失が改善される。具体的に、図８に示すように、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまでディフューザ幅が一定に構成されるディフューザ９の流量損失（破線：従来例）に比べ、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂに向かって流路面積が一定の、本実施形態に係るディフューザ９では、流量損失を小さくできる（実線：本実施例）。

さらに、ディフューザ９における偏流が小さくなることによって、リターン流路１２に設置される固定ガイドベーン１３（図３参照）への流入条件が改善され、リターン流路１２における流量損失が改善される。
つまり、ディフューザ９からリターン流路１２に流入するときの冷媒の偏流が小さくなる。そして、図８に示すように、リターン流路１２における流量損失を、従来の形状のディフューザ９を備える場合（破線：従来例）に比べ、実線（本実施例）で示すように小さくできる。

また、ディフューザ入口部９ａ（図３参照）からディフューザ出口部９ｂ（図３参照）まで一定の流路面積となるディフューザ９（図３参照）を有する、本実施形態に係る遠心圧縮機１（図３参照）では、図８に示すようにディフューザ９及びリターン流路１２における流量損失が、定格運転時（図８に「Ｒ」で示す流量のとき）を含む全域で改善される。
つまり、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで一定の流路面積となるディフューザ９を有する遠心圧縮機１は、定格運転される場合であっても、ディフューザ９におけるハブ側壁面１１ａ（図３参照）の側での冷媒流速の低下、及び、シュラウド側壁面１０ａ（図３参照）からハブ側壁面１１ａに向かう流れ角の変化をともに抑制でき、遠心圧縮機１が定格運転される場合のディフューザ９における減速損失、及び、混合損失を軽減できる。

このように、本実施形態に係る遠心圧縮機１（図３参照）は、ディフューザ入口部９ａ（図３参照）からディフューザ出口部９ｂ（図３参照）に向かって、流路面積が一定になるようにディフューザ幅が減少するディフューザ９（図３参照）を備える。
この構成によって、ディフューザ９及びリターン流路１２（図３参照）の流量損失を軽減することができ、例えば部分負荷運転される遠心圧縮機１の効率を向上できる。

なお、ディフューザ９の任意の中間部Ａにおけるディフューザ幅は前記した式（４）で示され、式（４）におけるディフューザ半径「Ｒ_Ａ」がディフューザ入口外径「Ｒ_ＩＮ」からディフューザ出口外径「Ｒ_ＯＵＴ」まで変化するようにディフューザ幅「Ｗ_Ａ」を設定すると、ディフューザ幅「Ｗ_Ａ」は、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで、図９に実線で示すように曲線状に変化する。
つまり、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまでシュラウド側壁面１０ａはディフューザ９側が凸になるように湾曲した曲面になり、シュラウド１０の製造時にシュラウド側壁面１０ａを曲面に加工する必要がある。
換言すると、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまでディフューザ９の流路面積が精度よく一定になるためには、シュラウド側壁面１０ａがディフューザ９側が凸になる曲面で形成されることが必要になる。しかしながら、このことによって、シュラウド１０の製造コストが高くなる。

そこで、例えば、ディフューザ入口幅が「Ｗ_ＩＮ」の場合、ディフューザ出口幅を「Ｗ_ＯＵＴ＝Ｗ_ＩＮ×（Ｒ_ＩＮ／Ｒ_ＯＵＴ）」とし、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂに向かって、ディフューザ幅が「Ｗ_ＩＮ」から「Ｗ_ＩＮ×（Ｒ_ＩＮ／Ｒ_ＯＵＴ）」まで、図９に破線で示すように直線的に減少する構成としてもよい。
この構成によると、例えば、平面で形成されるシュラウド側壁面１０ａを、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂに向かってディフューザ幅が減少するように、回転軸７（図４参照）の軸方向と直交する平面に対して傾斜する傾斜面とすることで、ディフューザ９の流路面積をディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで略一定にすることができる。
この場合、シュラウド側壁面１０ａを曲面に加工する必要がなくなり、シュラウド１０の製造コストを低く抑えることができる。
つまり、シュラウド側壁面１０ａが曲面で形成されて、ディフューザ９の流路面積がディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで一定である構成に加え、シュラウド側壁面１０ａが平面で形成されて回転軸７の軸方向と直交する平面に対して傾斜し、ディフューザ９の流路面積がディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで略一定である構成としてもよい。

例えば、シュラウド側壁面１０ａが平面で形成されて回転軸７（図４参照）の軸方向と直交する平面に対して傾斜する構成の場合、図９に破線で示すようにディフューザ幅はディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂに向かって直線的に減少することから、任意の中間部Ａにおいて、ディフューザ幅「Ｗ_ＡＦ」とディフューザ半径「Ｒ_Ａ」の関係は、次式（５）で示される。
Ｒ_Ａ＝αＷ_ＡＦ＋β ・・・（５）
なお、α及びβは所定の係数である。

ディフューザ入口部９ａではディフューザ入口幅が「Ｗ_ＩＮ」、ディフューザ入口外径が「Ｒ_ＩＮ」であり、ディフューザ出口部９ｂではディフューザ出口幅が「Ｗ_ＯＵＴ」、ディフューザ出口外径が「Ｒ_ＯＵＴ」であることから、所定の係数α及びβは、それぞれ次式（６Ａ）、（６Ｂ）のように求められる。
α＝（Ｒ_ＩＮ−Ｒ_ＯＵＴ）／（Ｗ_ＩＮ−Ｗ_ＯＵＴ） ・・・（６Ａ）
β＝Ｒ_ＩＮ−（（Ｒ_ＩＮ−Ｒ_ＯＵＴ）／（Ｗ_ＩＮ−Ｗ_ＯＵＴ））×Ｗ_ＩＮ・・・（６Ｂ）

式（５）より、中間部Ａにおけるディフューザ幅は、「（Ｒ_Ａ−β）／α」で算出され、式６Ａ、６Ｂで示されるα、βを代入すると、シュラウド側壁面１０ａが平面の場合の任意の中間部Ａにおけるディフューザ幅「Ｗ_ＡＦ」は、次式（７）で示される。なお、ディフューザ出口幅は、「（Ｒ_ＩＮ／Ｒ_ＯＵＴ）×Ｗ_ＩＮ」とした。
Ｗ_ＡＦ＝Ｗ_ＩＮ×（Ｒ_ＩＮ＋Ｒ_ＯＵＴ−Ｒ_Ａ）／Ｒ_ＯＵＴ ・・・（７）

一方、例えばシュラウド側壁面１０ａが曲面で形成されてディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで流路面積が一定の場合、任意の中間部Ａのディフューザ幅「Ｗ_Ａ」は前記した式（４）で示される。
中間部Ａにおける流路面積Ｓｄ_Ａは、式（３）で示されることから、シュラウド側壁面１０ａが平面の傾斜面で形成される場合、式（７）で示されるディフューザ幅「Ｗ_ＡＦ」を式（４）で示されるディフューザ幅「Ｗ_Ａ」で除した割合だけ、ディフューザ９の流路面積が一定の場合に比べて変化することになる。ディフューザ９の流路面積の変化量を「ΔＳ」とすると、ディフューザ９の流路面積の変化量「ΔＳ」は、次式（８）で示される。
ΔＳ＝Ｗ_ＡＦ／Ｗ_Ａ
＝（（Ｒ_ＩＮ＋Ｒ_ＯＵＴ−Ｒ_Ａ）／Ｒ_ＯＵＴ）／（Ｒ_ＩＮ／Ｒ_Ａ））
＝Ｒ_Ａ×（Ｒ_ＩＮ＋Ｒ_ＯＵＴ−Ｒ_Ａ）／（Ｒ_ＩＮ×Ｒ_ＯＵＴ） ・・・（８）

式（８）は中間部Ａのディフューザ半径「Ｒ_Ａ」の二次式であり、ディフューザ半径「Ｒ_Ａ」が「（Ｒ_ＩＮ＋Ｒ_ＯＵＴ）／２」のとき、つまり、ディフューザ入口部９ａとディフューザ出口部９ｂの中央において、流路面積の変化量「ΔＳ」が最大になることがわかる。換言すると、シュラウド側壁面１０ａが平面の傾斜面で形成される場合は、ディフューザ入口部９ａとディフューザ出口部９ｂの中央において流路面積が最大になる。
そして、流路面積の変化量「ΔＳ」の最大値「ΔＳ_ＭＡＸ」は、次式（９）で示される。
ΔＳ_ＭＡＸ＝（Ｒ_ＩＮ＋Ｒ_ＯＵＴ）^２／（４×Ｒ_ＩＮ×Ｒ_ＯＵＴ） ・・・（９）

ディフューザ出口外径がディフューザ入口外径の「Ｋ倍」、つまり、「Ｒ_ＯＵＴ＝Ｋ・Ｒ_ＩＮ」とすると、式（９）は次式（１０）のように示される。
ΔＳ_ＭＡＸ＝（Ｋ＋１）^２／４Ｋ ・・・（１０）

例えば、ディフューザ出口外径がディフューザ入口外径の１．５倍の場合、「Ｋ＝１．５」となり、流路面積の変化量の最大値は「１．０４２」となる。このことは、ディフューザ９の長さ（ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまでの距離）がディフューザ入口外径「Ｒ_ＩＮ」の０．５倍に相当する長さの場合、シュラウド側壁面１０ａが平面の傾斜面で形成されると、シュラウド側壁面１０ａが曲面で形成されてディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで流路面積が一定になる場合に比べて、流路面積が最大で「４．２％」変化することを示す。
このように、シュラウド側壁面１０ａが平面の傾斜面で形成される場合、ディフューザ９の長さに応じて流路面積が変化することがわかる。
そして、本実施形態においては、式（１０）で示される流路面積の変化量の最大値「ΔＳ_ＭＡＸ」が所定値以内（例えば、１０％以内）であれば、前記したように、ディフューザ９における壁面境界層の発達の抑制による減速損失の軽減効果、及び２次流れの抑制による混合損失の軽減効果が得られることが実験等によって明らかになった。

つまり、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで、流路面積の変化が所定値以内（例えば、１０％以内）で変化するとき、ディフューザ９の流路面積がディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで略一定とすることができる。

以上のように、本実施形態に係る遠心圧縮機１（図３参照）は、部分負荷運転される場合であっても、ディフューザ９（図３参照）に発生する壁面境界層の発達を抑制することができ、減速損失を軽減できる。また、ディフューザ９における２次流れの発生を抑制することができ、混合損失を軽減できる。したがって、遠心圧縮機１は、部分負荷運転される場合であってもディフューザ９における流量損失を軽減することができ、効率よく部分負荷運転できる。
さらに、遠心圧縮機１が定格運転される場合の流量損失も軽減できる。

なお、本発明は発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、図１０に示すように、リターン流路１２に、１つの固定ガイドベーン１３（図３参照）の代わりに２つのガイドベーン（上流ガイドベーン１９、下流ガイドベーン２０）が配設される構成であってもよい。上流ガイドベーン１９は、リターン流路１２において下流ガイドベーン２０の上流、すなわち、ディフューザ９側に設置される。
そして、上流ガイドベーン１９は、固定される固定ガイドベーン（固定翼）であり、下流ガイドベーン２０は、次段の羽根車８へ流入する冷媒の流れ角を調節可能に駆動装置２１で駆動される可動ガイドベーン（可動翼）である構成が好ましい。
この構成によると、羽根車８の吸込口８ａにおける入口角と冷媒の流れ角とを好適に一致させることができ、冷媒が羽根車８に流入するときの流量損失を軽減できる。

図３に示すようにリターン流路１２に備わる固定ガイドベーン１３は、遠心圧縮機１が定格運転される場合に、リターン流路１２を流れる冷媒の流れ角と、羽根車８の吸込口８ａにおける入口角を好適に一致させることができる。
しかしながら遠心圧縮機１が部分負荷運転される場合、リターン流路１２を流れる冷媒の流量が減少してリターン流路１２を流れる冷媒の流れ角と羽根車８の吸込口８ａにおける入口角が一致せず、冷媒が羽根車８に流入するときに流量損失が発生することがある。
したがって、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで流路面積が一定（略一定）のディフューザ９で流量損失が軽減されてもリターン流路１２で流量損失が発生し、ディフューザ９で流量損失が軽減する効果が薄れてしまう場合がある。

そこで、リターン流路１２における冷媒の流れ角を変更可能な下流ガイドベーン２０を備え、リターン流路１２を流れる冷媒の流れ角と、羽根車８の吸込口８ａにおける入口角を、リターン流路１２を流れる冷媒の流量によらず常に略一致させる構成とする。

下流ガイドベーン２０は、例えば、リターン流路１２におけるシュラウド側壁面１０ａに垂直な回転軸２１ａを回転中心として回転駆動（動作）し、リターン流路１２を流れる冷媒の流れ角を変更可能に構成される。
そして回転軸２１ａは、駆動装置２１によって回転駆動される。
例えば、駆動装置２１は、図示しない流量計が検出するリターン流路１２における冷媒の流量に基づいて、予め設定されているマップデータ等を参照し、流量計が検出する流量に対応する羽根車８の吸込口８ａにおける入口角を決定する。さらに、リターン流路１２における冷媒の流れ角が、決定した入口角と略一致するように下流ガイドベーン２０を動作させる構成とすればよい。

この構成によって、羽根車８の吸込口８ａにおける入口角と、リターン流路１２を流れる冷媒の流れ角と、を常に略一致させることができる。したがって、遠心圧縮機１が部分負荷運転される場合にリターン流路１２を流れる冷媒の流量に対応して、リターン流路１２における冷媒の流れ角を、羽根車８の吸込口８ａにおける入口角と略一致させることができ、冷媒が羽根車８に流入するときの流量損失を軽減できる。

さらに、流路面積が一定（略一定）のディフューザ９を備えることによって、遠心圧縮機１が部分負荷運転している場合であってもディフューザ９からリターン流路１２に流入するときの冷媒の偏流が小さくなり、遠心圧縮機１が定格運転しているときと近い状態にすることができる。したがって、遠心圧縮機１が部分負荷運転している場合であっても、下流ガイドベーン２０の動作によって、遠心圧縮機１が定格運転しているときと同程度の精度で、羽根車８の吸込口８ａにおける入口角とリターン流路１２における冷媒の流れ角を一致させることができ、遠心圧縮機１が部分負荷運転しているときに冷媒が羽根車８に流入するときの流量損失を効果的に軽減できる。
したがって、効率よく部分負荷運転できる遠心圧縮機１とすることができる。

また、本実施形態においては、図３に示すように、ディフューザ９においてハブ側壁面１１ａが回転軸７の軸方向と直交する平面（垂直面）として形成され、シュラウド側壁面１０ａがハブ側壁面１１ａに対して傾斜して（又は曲面で形成され）、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまでディフューザ９の流路面積を略一定にする構成としたが、この構成に限定されるものではない。

例えば、シュラウド側壁面１０ａが回転軸７の軸方向と直交する平面（垂直面）として形成され、ハブ側壁面１１ａがシュラウド側壁面１０ａに対して傾斜して（又は曲面で形成され）、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまでディフューザ９の流路面積を略一定（一定）にする構成であってもよい。又は、回転軸７の軸方向と直交する平面に対してシュラウド側壁面１０ａとハブ側壁面１１ａがともに傾斜してディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまでディフューザ９の流路面積を略一定にする構成であってもよいし、シュラウド側壁面１０ａとハブ側壁面１１ａがともに曲面で形成されてディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまでディフューザ９の流路面積を一定（略一定）にする構成であってもよい。

また、本実施形態においては、図３に示すように２段式の遠心圧縮機１としたが、羽根車８と、ディフューザ９と、リターン流路１２と、を有してなる段が３つ以上備わる３段以上の遠心圧縮機（図示せず）にも本発明を適用できる。
この場合、全てのディフューザ９において、ディフューザ入口部９ａからディフューザ出口部９ｂまで、流路面積が一定（略一定）となる構成とすればよい。

１ 遠心圧縮機
７ 回転軸
８ 羽根車
９ ディフューザ
９ａ ディフューザ入口部（ディフューザの入口部）
９ｂ ディフューザ出口部（ディフューザの出口部）
１０ シュラウド
１０ａ シュラウド側壁面（第１壁面）
１１ ハブ
１１ａ ハブ側壁面（第２壁面）
１２ リターン流路
１９ 上流ガイドベーン（固定ガイドベーン）
２０ 下流ガイドベーン（可動ガイドベーン）

Claims (4)

1. 羽根車と、
   前記羽根車の外周に形成されるディフューザと、
   前記ディフューザを流れた流体を次段の前記羽根車に導くリターン流路と、を有してなる段を少なくとも１つ備え、前記羽根車の回転で前記流体を圧縮する遠心圧縮機であって、
   前記ディフューザの流路面積が、当該ディフューザの入口部から当該ディフューザの出口部まで略一定に形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 外装を形成するシュラウドに形成される第１壁面と、前記羽根車が取り付けられる回転軸を支持するハブに形成される第２壁面と、が互いに対向した間の空間として前記ディフューザが形成され、
   前記流路面積が略一定になるように、前記入口部から前記出口部に向かって、前記第１壁面と前記第２壁面の間隔が狭まっ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. 平面で形成される前記第１壁面と、平面で形成される前記第２壁面と、の少なくとも一方が、前記入口部から前記出口部に向かって、前記回転軸の軸方向と直交する平面に対して傾斜していることを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記リターン流路に、
   上流側に配置された固定翼からなる固定ガイドベーンと、
   下流側に配置され、前記次段の羽根車に流れ込む前記流体の流れ角を変更可能な可動翼からなる可動ガイドベーンと、を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。

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