JP2012251528A - 多段遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】多段遠心圧縮機において、インペラのハブの背面とシールプレートとの間の風損をなくす。
【解決手段】２段遠心圧縮機（２）は、複合インペラ（１２）と、ケーシング（１１）とを有している。複合インペラ（１２）は、前段インペラ（１３）と前段インペラ（１３）によって圧縮された流体を圧縮するための後段インペラ（１４）とが、両インペラ（１３、１４）のハブ（１３ａ、１４ａ）の背面同士で重ね合わされた形状を有している。ケーシング（１１）は、その内部空間（９）に複合インペラ（１２）を収容している。
【選択図】図２

Description

本発明は、多段遠心圧縮機に関する。

従来より、特許文献１（特開２００９−１８５７１５号公報）や特許文献２（特開２００１−２７１７９７号公報）に示すような、多段遠心圧縮機としての２段遠心圧縮機がある。この２段遠心圧縮機は、主として、前段インペラ及び前段ケーシング等からなる前段遠心圧縮機構と、後段インペラ及び後段ケーシング等からなる後段遠心圧縮機構とを有しており、両圧縮機構間に、モータや軸受が配置されている。

また、特許文献３（特開２００９−２２１９８４号公報）に示す遠心圧縮機では、インペラのハブの背面とケーシングのシールプレートとの間の風損を低減するために、インペラのブレードの形状に工夫がなされている。具体的には、インペラのブレードのトレーリングエッジにおける内端の回転半径が外端の回転半径よりも短くなるように、トレーリングエッジが、インペラのハブの軸心に平行な方向に対して傾斜させるようにしている。

上記特許文献１、２に示すような多段遠心圧縮機では、前段及び後段遠心圧縮機構において、インペラのハブの背面とケーシングのシールプレートとの間の風損が生じる。

このため、前段及び後段遠心圧縮機構において、特許文献３のようなインペラのブレード形状の工夫を行うことが考えられる。すなわち、前段及び後段インペラにおいて、ブレードのトレーリングエッジにおける内端の回転半径が外端の回転半径よりも短くなるように、トレーリングエッジがハブの軸心に平行な方向に対して傾斜させることが考えられる。そして、このようなブレード形状を有するインペラを採用すれば、ハブの背面とシールプレートとの間の風損をある程度低減することができる。

しかし、このようなブレード形状を採用することは、ハブとブレードとの付け根の強度低下を生じさせるおそれがあるため、ブレード形状の工夫によって風損を低減させることには限界がある。また、インペラのブレード形状の工夫だけでは、ハブの背面とシールプレートとの間の風損自体をなくすことはできない。

一方、遠心圧縮機は、大型のヒートポンプ装置において、冷媒の圧縮機として使用されることがある。そして、このような大型のヒートポンプ装置においても、オゾン層破壊や温暖化等の環境問題を考慮して、冷媒として二酸化炭素を使用することが考えられる。

しかし、冷媒として二酸化炭素を使用するヒートポンプ装置において、多段遠心圧縮機を使用すると、冷媒としてフロン等を使用する場合に比べて、二酸化炭素では高速回転が要求され、また、二酸化炭素は密度が大きくなるため、ハブの背面とシールプレートとの間の風損が増大する傾向となることが予想される。

このため、冷媒の圧縮機として遠心圧縮機を使用する大型のヒートポンプ装置において、冷媒として二酸化炭素を使用する場合には、インペラのハブの背面とシールプレートとの間の風損の増大が懸念される。

本発明の課題は、多段遠心圧縮機において、インペラのハブの背面とシールプレートとの間の風損をなくすことにある。

第１の観点にかかる多段遠心圧縮機は、複合インペラと、ケーシングとを有している。複合インペラは、前段インペラと前段インペラによって圧縮された流体を圧縮するための後段インペラとが、両インペラのハブの背面同士で重ね合わされた形状を有している。ケーシングには、前段インペラ用の前段吸込口及び前段吐出口と、後段インペラ用の後段吸込口及び後段吐出口と、前段吸込口、前段吐出口、後段吸込口及び後段吐出口に連通する内部空間と、が形成されている。そして、ケーシングは、その内部空間に複合インペラを収容している。

この多段遠心圧縮機では、上記のような複合インペラを有する構造を採用することによって、シールプレートを省略することができるため、インペラのハブの背面とシールプレートとの間の風損をなくすことができる。

第２の観点にかかる多段遠心圧縮機は、第１の観点にかかる遠心圧縮機において、複合インペラのハブの外周端面とこの外周端面に対向するケーシングの内面との間に、シール部が設けられている。

複合インペラがケーシングの内部空間に収容される構造では、ケーシングの後段側の空間から前段側の空間への流体の漏れがいくらか生じる。

これに対して、この多段遠心圧縮機では、シール部を設けるようにしているため、このような前後段間の流体の漏れを低減することができる。

第３の観点にかかる多段遠心圧縮機は、第１又は第２の観点にかかる多段遠心圧縮機において、流体が二酸化炭素である。

例えば、冷媒として二酸化炭素を使用するヒートポンプ装置において、多段遠心圧縮機を使用すると、冷媒としてフロン等を使用する場合に比べて、二酸化炭素では高速回転が要求され、また、二酸化炭素は密度が大きくなるため、ハブの背面とシールプレートとの間の風損が増大する傾向となる。

これに対して、この多段遠心圧縮機では、上記のように、シールプレートを省略することができるため、インペラのハブの背面とシールプレートとの間の風損をなくすことができ、フロン等を使用する場合に比べて、風損をなくすことによるメリットが大きくなる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、多段遠心圧縮機において、インペラのハブの背面とシールプレートとの間の風損をなくすことができる。

本発明にかかる多段遠心圧縮機としての２段遠心圧縮機が採用された第１実施形態のヒートポンプ装置の概略構成図である。 本発明にかかる２段遠心圧縮機の概略断面図である。 図２のシール部近傍を示す概略拡大断面図である。 本発明にかかる多段遠心圧縮機としての４段遠心圧縮機が採用された第２実施形態のヒートポンプ装置の概略構成図である。 本発明にかかる４段遠心圧縮機の概略断面図である。 本発明にかかる多段遠心圧縮機の他の実施形態を示す図であり、図３に相当する図である。

以下、本発明にかかる多段遠心圧縮機の実施形態について、図面に基づいて説明する。

（１）第１実施形態
＜ヒートポンプ装置の全体構成＞
図１は、本発明にかかる多段遠心圧縮機としての２段遠心圧縮機２が採用された第１実施形態のヒートポンプ装置１の概略構成図である。

ヒートポンプ装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、空調や冷温水の生成を行う装置である。ヒートポンプ装置１は、主として、２段遠心圧縮機２と、放熱器３と、膨張機構４と、蒸発器５とを有しており、これらの機器が接続されることによって冷媒回路を構成している。ここでは、冷媒として二酸化炭素が使用されている。

２段遠心圧縮機２は、蒸発器５の出口に接続された吸入管６と、放熱器３の入口に接続された吐出管７とに接続されており、吸入管６から低圧の冷媒を吸入して２段圧縮した後に吐出管７に高圧の冷媒を吐出する遠心圧縮機である。

放熱器３は、２段遠心圧縮機２において圧縮された高圧の冷媒の放熱を行う熱交換器である。放熱器３における高圧の冷媒の放熱によって、室内空気を加熱して暖房を行ったり、水を加熱して温水を生成するようになっている。

膨張機構４は、放熱器３において放熱した高圧の冷媒を減圧する機構である。

蒸発器５は、膨張機構４において減圧された低圧の冷媒の蒸発を行う熱交換器である。蒸発器５における低圧の冷媒の蒸発によって、室内空気を冷却して冷房を行ったり、水を冷却して冷水を生成するようになっている。

このように、ヒートポンプ装置１は、冷媒として二酸化炭素を使用する蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、空調や冷温水の生成を行う装置であり、圧縮機として２段遠心圧縮機２を使用している。このため、冷媒としてフロン等を使用する場合に比べて、圧縮機の高速回転が要求され、また、冷媒の密度が大きくなっている。例えば、冷媒としてフロンの一種であるＲ１３４ａと二酸化炭素とを同じ温度条件で比較する。ここでは、冷凍サイクルの凝縮温度及び蒸発温度を３０℃及び−１５℃とし、冷凍能力を１００ＵＳＲＴと仮定して二段遠心圧縮機を設計する。そして、Ｒ１３４ａを使用する場合には、冷凍サイクルの低圧が０．１６ＭＰａ、そのときの冷媒密度が８．３ｋｇ／ｍ^３、冷凍サイクルの高圧が０．７７ＭＰａ、そのときの冷媒密度が３６ｋｇ／ｍ^３、回転数が約９０００ｒｐｍとなる。これに対して、二酸化炭素を使用する場合には、冷凍サイクルの低圧が０．２．３ＭＰａ、そのときの冷媒密度が６１ｋｇ／ｍ^３、冷凍サイクルの高圧が７．２ＭＰａ、そのときの冷媒密度が１４９ｋｇ／ｍ^３、回転数が約７００００ｒｐｍとなる。

＜２段遠心圧縮機の構成＞
図２は、２段遠心圧縮機２の概略断面図である。図３は、図２のシール部１５近傍を示す概略拡大断面図である。ここで、複合インペラ１２及び回転軸５２の回転中心Ｏ、回転軸線をＯ−Ｏとし、回転軸線Ｏ−Ｏに沿う方向を軸方向とする。また、複合インペラ１２を構成するハブ１３ａ、１４ａにおいて、ブレード１３ｂ、１４ｂが形成されている面を前面とし、その反対側の面を背面とする。

２段遠心圧縮機２は、主として、圧縮機構１０と、モータ５０とを有している。

モータ５０は、圧縮機構１０を駆動するモータであり、主として、モータケーシング５１と、回転軸５２と、ロータ５３と、ステータ５４とを有している。

モータケーシング５１の内部には、回転軸５２、ロータ５３及びステータ５４を収容する空間が形成されている。

回転軸５２は、モータケーシング５１に固定された第１ラジアル軸受５５及び第２ラジアル軸受５６によって回転自在に支持されている。

回転軸５２の軸方向一端（図２における左端）は、圧縮機構１０側に突出している。回転軸５２の軸方向他端（図２における右端）は、モータケーシング５１に固定されるスラスト軸受５７によって摺動可能に支持されている。

ロータ５３は、第１ラジアル軸受５５と第２ラジアル軸受５６との軸方向間において、回転軸５２と一体回転するように回転軸５２に軸支されている。

ステータ５４は、ロータ５３の外周を囲むように設けられており、モータケーシング５１に回転不能に支持されている。

圧縮機構１０は、２段の遠心式の圧縮機構である。

圧縮機構１０は、主として、圧縮機構ケーシング１１と、複合インペラ１２とを有している。

複合インペラ１２は、主として、前段インペラとしての第１インペラ１３と、後段インペラとしての第２インペラ１４とを有している。

第１インペラ１３は、主として、その前面（図２における左側の面）から背面に向かって拡径する略円錐形状を有するハブ１３ａと、ハブ１３ａの前面に配置された複数のブレード１３ｂとを有している。

第２インペラ１４は、主として、その前面（図２における右側の面）から背面に向かって拡径する略円錐形状を有するハブ１４ａと、ハブ１４ａの前面に配置された複数のブレード１４ｂとを有している。

そして、複合インペラ１２は、第１インペラ１３と第２インペラ１４とが、両インペラ１３、１４のハブ１３ａ、１４ａの背面同士で重ね合わされた形状を有しており、回転軸５２と一体回転するように回転軸５２に軸支されている。複合インペラ１２は、ハブ１３ａ、１４ａの軸方向に延びる回転軸５２回りに回転する。尚、ここで、複合インペラ１２は、第１インペラ１３のハブ１３ａと第２インペラ１４のハブ１４ａとを背面で接合することによって構成されているが、これに限定されるものではなく、第１インペラ１３と第２インペラ１４とを一体に形成したものであってもよい。また、ハブ１３ａとハブ１４ａとは同じ外径を有しており、両者は径方向に段差なく繋がっている。

圧縮機構ケーシング１１には、主として、前段吸込口及び前段吐出口としての第１吸込口１１ａ及び第１吐出口１１ｂと、後段吸込口及び後段吐出口としての第２吸込口２１ａ及び第２吐出口２１ｂと、内部空間９と、が形成されている。

第１吸込口１１ａは、圧縮機構ケーシング１１の軸方向一端（図２における左端）に向かって開口しており、吸入管６に接続されている。

第１吐出口１１ｂは、圧縮機構ケーシング１１の周方向外方（図２における上方）に向かって開口しており、第２吸込口２１ａに連通する中間吐出流路１８に接続されている。

第２吸込口２１ａは、圧縮機構ケーシング１１の軸方向他端（図２における右端）に向かって開口しており、中間吐出流路１８に接続されている。

第２吐出口２１ｂは、圧縮機構ケーシング１１の周方向外端（図２における上端）に向かって開口しており、吐出管７に接続されている。

内部空間９は、複合インペラ１２を回転自在に収容しており、主として、第１前面壁１１ｃと、外周壁１１ｄと、第２前面壁２１ｃと、第１スクロール壁１１ｅと、第２スクロール壁２１ｅとによって形成されている。第１前面壁１１ｃは、複合インペラ１２の軸方向一方側（図２における左側）に配置された第１インペラ１３側の面に対向しており、第１吸込口１１ａに繋がっている。外周壁１１ｄは、複合インペラ１２の外周端面（すなわち、ハブ１３ａ、１４ａの外周端面）に対向している。第２前面壁２１ｃは、複合インペラ１２の軸方向他方側（図２における右側）に配置された第２インペラ１４側の面に対向しており、第２吸込口２１ａに繋がっている。第１スクロール壁１１ｅは、第１前面壁１１ｃ及び外周壁１１ｄのさらに外周側を囲むように配置されており、第１吐出口１１ｂに繋がっている。第２スクロール壁２１ｅは、第２前面壁２１ｃ及び外周壁１１ｄのさらに外周側を囲むように配置されており、第２吐出口２１ｂに繋がっている。内部空間９は、これらの壁１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、２１ｃ、２１ｅによって形成されている。そして、内部空間９は、第１吸込口１１ａ、第１吐出口１１ｂ、第２吸込口２１ａ及び第２吐出口２１ｂに連通している。そして、圧縮機構ケーシング１１は、その内部空間９に複合インペラ１２を収容している。これにより、圧縮機構ケーシング１１の内部空間９は、第１吸込口１１ａ及び第１吐出口１１ｂに対応する第１インペラ１３側の空間９ａと、第２吸込口２１ａ及び第２吐出口２１ｂに対応する第２インペラ１４側の空間９ｂと、に分割されている。

また、複合インペラ１２のハブ１３ａ、１４ａの外周端面とこの外周端面に対向する圧縮機構ケーシング１１の内面（ここでは、外周壁１１ｄ）との間には、シール部１５が設けられている。シール部１５は、複数の溝によって構成されるラビリンスシールからなる。尚、ここでは、ラビリンスシールを構成する溝が、ハブ１３ａ、１４ａの外周端面及び外周壁１１ｄの両方に設けられているが、いずれか一方に設けるようにしてもよい。

この２段遠心圧縮機２では、モータ５０の回転動力によって圧縮機構１０を駆動する。そして、２段遠心圧縮機２では、吸入管６から流体としての低圧の冷媒を空間９ａに吸入して、第１インペラ１３によって圧縮して中間吐出流路１８に中間圧の冷媒を吐出する。そして、２段遠心圧縮機２では、中間吐出流路１８から中間圧の冷媒を空間９ｂに吸入して、第２インペラ１４によって圧縮して吐出管７に高圧の冷媒を吐出するようになっている。

そして、この２段遠心圧縮機２では、上記のような複合インペラ１２を有する構造を採用することによって、従来の２段遠心圧縮機において設けられていたシールプレートを省略することができる。このため、インペラのハブの背面とシールプレートとの間の風損をなくすことができる。ここでは、特に、冷媒として二酸化炭素を使用しており、従来のシールプレートを有する２段遠心圧縮機の構造では、上記のように、高速回転が要求され、また、冷媒密度が大きくなることから、ハブの背面とシールプレートとの間の風損が増大する傾向となるところ、風損をなくすことによるメリットが大きくなっている。

しかも、このような複合インペラ１２が圧縮機構ケーシング１１の内部空間９に収容される構造では、圧縮機構ケーシング１１の後段側の空間９ｂから前段側の空間９ａへの流体としての冷媒の漏れがいくらか生じるところ、この２段遠心圧縮機２では、シール部１５を設けるようにしているため、このような前後段間の冷媒の漏れを低減することができるようになっている。また、ここでは、ハブ１３ａとハブ１４ａとが同じ外径を有することで両者が径方向に段差なく繋がっているため、シール部１５を構成する溝をハブ１３ａ及びハブ１４ａに容易に形成することができる。さらに、ハブ１３ａとハブ１４ａとが径方向に段差なく繋がっていることでハブ１３ａ及びハブ１４ａに対向する外周壁１１ｄについても径方向に段差のないものにすることができるため、シール部１５を構成する溝を外周壁１１ｄに容易に形成することができる。

（２）第２実施形態
＜ヒートポンプ装置の全体構成＞
図４は、本発明にかかる遠心圧縮機としての４段遠心圧縮機１０２が採用された第２実施形態のヒートポンプ装置１０１の概略構成図である。

ヒートポンプ装置１０１は、第１実施形態のヒートポンプ装置１と同様に、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、空調や冷温水の生成を行う装置である。ヒートポンプ装置１０１は、主として、４段遠心圧縮機１０２と、放熱器３と、膨張機構４と、蒸発器５とを有しており、これらの機器が接続されることによって冷媒回路を構成している。ここでは、冷媒として二酸化炭素が使用されている。尚、ヒートポンプ装置１０１は、２段遠心圧縮機２に代えて４段遠心圧縮機１０２を使用する点を除いては、第１実施形態のヒートポンプ装置１と同様の構成であるため、４段遠心圧縮機１０２を除く構成についての説明を省略する。

＜４段遠心圧縮機の構成＞
図５は、４段遠心圧縮機１０２の概略断面図である。ここで、複合インペラ１１２、１３２及び回転軸１５２の回転中心Ｏ、回転軸線をＯ−Ｏとし、回転軸線Ｏ−Ｏに沿う方向を軸方向とする。また、複合インペラ１１２、１３２を構成するハブ１１３ａ、１１４ａ、１３３ａ、１３４ａにおいて、ブレード１１３ｂ、１１４ｂ、１３３ｂ、１３４ｂが形成されている面を前面とし、その反対側の面を背面とする。

４段遠心圧縮機１０２は、主として、第１圧縮機構１１０と、第２圧縮機構１３０と、モータ１５０とを有している。

モータ１５０は、圧縮機構１１０、１３０を駆動するモータであり、主として、モータケーシング１５１と、回転軸１５２と、ロータ５３と、ステータ５４とを有している。

モータケーシング１５１の内部には、回転軸１５２、ロータ５３及びステータ５４を収容する空間が形成されている。ロータ５３及びステータ５４は、第１実施形態の２段遠心圧縮機２のロータ５３及びステータ５４と同様であるため、ここでは説明を省略する。

回転軸１５２は、第１実施形態の２段遠心圧縮機２と同様に、モータケーシング１５１に固定された第１ラジアル軸受５５及び第２ラジアル軸受５６によって回転自在に支持されている。

回転軸１５２の軸方向一端（図５における左端）は、第１圧縮機構１１０側に突出している。回転軸１５２の軸方向他端（図５における右端）は、第２圧縮機構１３０側に突出している。回転軸１５２の第２ラジアル軸受５６の軸方向他端側の部分には、円板状のホイール部１５２ａが設けられている。ホイール部１５２ａは、モータケーシング１５１に固定されるスラスト軸受１５７によって摺動可能に支持されている。

第１圧縮機構１１０及び第２圧縮機構１３０は、第１圧縮機構１１０を第１段及び第２段とし、第２圧縮機構１３０を第３段及び第４段とする４段の遠心式の圧縮機構である。

第１圧縮機構１１０は、主として、第１圧縮機構ケーシング１１１と、第１複合インペラ１１２とを有している。

第１複合インペラ１１２は、主として、前段インペラとしての第１インペラ１１３と、後段インペラとしての第２インペラ１１４とを有している。

第１インペラ１１３は、主として、その前面（図５における左側の面）から背面に向かって拡径する略円錐形状を有するハブ１１３ａと、ハブ１１３ａの前面に配置された複数のブレード１１３ｂとを有している。

第２インペラ１１４は、主として、その前面（図５における右側の面）から背面に向かって拡径する略円錐形状を有するハブ１１４ａと、ハブ１１４ａの前面に配置された複数のブレード１１４ｂとを有している。

そして、第１複合インペラ１１２は、第１インペラ１１３と第２インペラ１１４とが、両インペラ１１３、１１４のハブ１１３ａ、１１４ａの背面同士で重ね合わされた形状を有しており、回転軸１５２と一体回転するように回転軸１５２に軸支されている。複合インペラ１１２は、ハブ１１３ａ、１１４ａの軸方向に延びる回転軸１５２回りに回転する。尚、ここで、第１複合インペラ１１２は、第１インペラ１１３のハブ１１３ａと第２インペラ１１４のハブ１１４ａとを背面で接合することによって構成されているが、これに限定されるものではなく、第１インペラ１１３と第２インペラ１１４とを一体に形成したものであってもよい。また、ここでは、ハブ１１３ａとハブ１１４ａとは同じ外径を有しており、両者は径方向に段差なく繋がっている。

第１圧縮機構ケーシング１１１には、主として、前段吸込口及び前段吐出口としての第１吸込口１１１ａ及び第１吐出口１１１ｂと、後段吸込口及び後段吐出口としての第２吸込口１２１ａ及び第２吐出口１２１ｂと、第１内部空間１１９と、が形成されている。

第１吸込口１１１ａは、第１圧縮機構ケーシング１１１の軸方向一端（図５における左端）に向かって開口しており、吸入管６に接続されている。

第１吐出口１１１ｂは、第１圧縮機構ケーシング１１１の周方向外方（図５における上方）に向かって開口しており、第２吸込口１２１ａに連通する第１中間吐出流路１１８に接続されている。

第２吸込口１２１ａは、第１圧縮機構ケーシング１１１の軸方向他端（図５における右端）に向かって開口しており、中間吐出流路１１８に接続されている。

第２吐出口１２１ｂは、第１圧縮機構ケーシング１１１の周方向外端（図５における上端）に向かって開口しており、第２中間吐出管１０８（図４参照）に接続されている。

第１内部空間１１９は、第１複合インペラ１１２を回転自在に収容しており、主として、第１前面壁１１１ｃと、外周壁１１１ｄと、第２前面壁１２１ｃと、第１スクロール壁１１１ｅと、第２スクロール壁１２１ｅとによって形成されている。第１前面壁１１１ｃは、第１複合インペラ１１２の軸方向一方側（図５における左側）に配置された第１インペラ１１３側の面に対向しており、第１吸込口１１１ａに繋がっている。外周壁１１１ｄは、第１複合インペラ１１２の外周端面（すなわち、ハブ１１３ａ、１１４ａの外周端面）に対向している。第２前面壁１２１ｃは、第１複合インペラ１１２の軸方向他方側（図５における右側）に配置された第２インペラ１１４側の面に対向しており、第２吸込口１２１ａに繋がっている。第１スクロール壁１１１ｅは、第１前面壁１１１ｃ及び外周壁１１１ｄのさらに外周側を囲むように配置されており、第１吐出口１１１ｂに繋がっている。第２スクロール壁１２１ｅは、第２前面壁１２１ｃ及び外周壁１１１ｄのさらに外周側を囲むように配置されており、第２吐出口１２１ｂに繋がっている。第１内部空間１１９は、これらの壁１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、１２１ｃ、１２１ｅによって形成されている。そして、第１内部空間１１９は、第１吸込口１１１ａ、第１吐出口１１１ｂ、第２吸込口１２１ａ及び第２吐出口１２１ｂに連通している。そして、第１圧縮機構ケーシング１１１は、その第１内部空間１１９に第１複合インペラ１１２を収容している。これにより、第１圧縮機構ケーシング１１１の第１内部空間１１９は、第１吸込口１１１ａ及び第１吐出口１１１ｂに対応する第１インペラ１１３側の空間１１９ａと、第２吸込口１２１ａ及び第２吐出口１２１ｂに対応する第２インペラ１１４側の空間１１９ｂと、に分割されている。

また、第１複合インペラ１１２のハブ１１３ａ、１１４ａの外周端面とこの外周端面に対向する第１圧縮機構ケーシング１１１の内面（ここでは、外周壁１１１ｄ）との間には、第１シール部１１５が設けられている。第１シール部１１５は、第１実施形態のシール部１５（図３参照）と同様に、複数の溝によって構成されるラビリンスシールからなる。尚、ここでは、ラビリンスシールを構成する溝が、第１実施形態のシール部１５（図３参照）と同様に、ハブ１１３ａ、１１４ａの外周端面及び外周壁１１１ｄの両方に設けられているが、いずれか一方に設けるようにしてもよい。

第２圧縮機構１３０は、主として、第２圧縮機構ケーシング１３１と、第２複合インペラ１３２とを有している。

第２複合インペラ１３２は、主として、前段インペラとしての第３インペラ１３３と、後段インペラとしての第４インペラ１３４とを有している。

第３インペラ１３３は、主として、その前面（図５における右側の面）から背面に向かって拡径する略円錐形状を有するハブ１３３ａと、ハブ１３３ａの前面に配置された複数のブレード１３３ｂとを有している。

第４インペラ１３４は、主として、その前面（図５における左側の面）から背面に向かって拡径する略円錐形状を有するハブ１３４ａと、ハブ１３４ａの前面に配置された複数のブレード１３４ｂとを有している。

そして、第２複合インペラ１３２は、第３インペラ１３３と第４インペラ１３４とが、両インペラ１３３、１３４のハブ１３３ａ、１３４ａの背面同士で重ね合わされた形状を有しており、回転軸１５２と一体回転するように回転軸１５２に軸支されている。第２複合インペラ１３２は、ハブ１３３ａ、１３４ａの軸方向に延びる回転軸１５２回りに回転する。尚、ここで、第２複合インペラ１３２は、第３インペラ１３３のハブ１３３ａと第４インペラ１３４のハブ１３４ａとを背面で接合することによって構成されているが、これに限定されるものではなく、第３インペラ１３３と第４インペラ１３４とを一体に形成したものであってもよい。また、ここでは、ハブ１３３ａとハブ１３４ａとは同じ外径を有しており、両者は径方向に段差なく繋がっている。

第２圧縮機構ケーシング１３１には、主として、前段吸込口及び前段吐出口としての第３吸込口１３１ａ及び第３吐出口１３１ｂと、後段吸込口及び後段吐出口としての第４吸込口１４１ａ及び第４吐出口１４１ｂと、第２内部空間１３９と、が形成されている。

第３吸込口１３１ａは、第２圧縮機構ケーシング１３１の軸方向一端（図５における右端）に向かって開口しており、第２中間吐出管１０８（図４参照）に接続されている。

第３吐出口１３１ｂは、第２圧縮機構ケーシング１３１の周方向外方（図５における上方）に向かって開口しており、第４吸込口１４１ａに連通する第３中間吐出流路１３８に接続されている。

第４吸込口１４１ａは、第２圧縮機構ケーシング１３１の軸方向他端（図５における左端）に向かって開口しており、第３中間吐出流路１３８に接続されている。

第４吐出口１４１ｂは、第２圧縮機構ケーシング１３１の周方向外端（図５における上端）に向かって開口しており、吐出管７に接続されている。

第２内部空間１３９は、第２複合インペラ１３２を回転自在に収容しており、主として、第３前面壁１３１ｃと、外周壁１３１ｄと、第４前面壁１４１ｃと、第３スクロール壁１３１ｅと、第４スクロール壁１４１ｅとによって形成されている。第３前面壁１３１ｃは、第２複合インペラ１３２の軸方向一方側（図５における右側）に配置された第３インペラ１３３側の面に対向しており、第３吸込口１３１ａに繋がっている。外周壁１３１ｄは、第２複合インペラ１３２の外周端面（すなわち、ハブ１３３ａ、１３４ａの外周端面）に対向している。第４前面壁１４１ｃは、第２複合インペラ１３２の軸方向他方側（図５における左側）に配置された第４インペラ１３４側の面に対向しており、第４吸込口１４１ａに繋がっている。第３スクロール壁１３１ｅは、第３前面壁１３１ｃ及び外周壁１３１ｄのさらに外周側を囲むように配置されており、第３吐出口１３１ｂに繋がっている。第４スクロール壁１４１ｅは、第４前面壁１４１ｃ及び外周壁１３１ｄのさらに外周側を囲むように配置されており、第４吐出口１４１ｂに繋がっている。第２内部空間１３９は、これらの壁１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ、１４１ｃ、１４１ｅによって形成されている。そして、第２内部空間１３９は、第３吸込口１３１ａ、第３吐出口１３１ｂ、第４吸込口１４１ａ及び第４吐出口１４１ｂに連通している。そして、第２圧縮機構ケーシング１３１は、その第２内部空間１３９に第２複合インペラ１３２を収容している。これにより、第２圧縮機構ケーシング１３１の第２内部空間１３９は、第１吸込口１３１ａ及び第１吐出口１３１ｂに対応する第３インペラ１３３側の空間１３９ａと、第４吸込口１４１ａ及び第４吐出口１４１ｂに対応する第４インペラ１３４側の空間１３９ｂと、に分割されている。

また、第２複合インペラ１３２のハブ１３３ａ、１３４ａの外周端面とこの外周端面に対向する第２圧縮機構ケーシング１３１の内面（ここでは、外周壁１３１ｄ）との間には、第２シール部１３５が設けられている。第２シール部１３５は、第１実施形態のシール部１５（図３参照）と同様に、複数の溝によって構成されるラビリンスシールからなる。尚、ここでは、ラビリンスシールを構成する溝が、第１実施形態のシール部１５（図３参照）と同様に、ハブ１３３ａ、１３４ａの外周端面及び外周壁１３１ｄの両方に設けられているが、いずれか一方に設けるようにしてもよい。

この４段遠心圧縮機１０２では、モータ１５０の回転動力によって第１及び第２圧縮機構１１０、１３０を駆動する。そして、４段遠心圧縮機１０２では、吸入管６から流体としての低圧の冷媒を空間１１９ａに吸入して、第１インペラ１１３によって圧縮して第１中間吐出流路１１８に第１の中間圧の冷媒を吐出する。そして、４段遠心圧縮機１０２では、第１中間吐出流路１１８から第１の中間圧の冷媒を空間１１９ｂに吸入して、第２インペラ１１４によって圧縮して第２中間吐出管１０８に第１の中間圧よりも高い第２の中間圧の冷媒を吐出する。そして、４段遠心圧縮機１０２では、第２中間吐出管１０８から第２の中間圧の冷媒を空間１３９ａに吸入して、第３インペラ１３４によって圧縮して第３中間吐出流路１３８に第２の中間圧よりも高い第３の中間圧の冷媒を吐出する。そして、４段遠心圧縮機１０２では、第３中間吐出流路１３８から第３の中間圧の冷媒を空間１３９ｂに吸入して、第４インペラ１３４によって圧縮して吐出管７に高圧の冷媒を吐出するようになっている。

そして、この４段遠心圧縮機１０２では、上記のような複合インペラ１１２、１３２を有する構造を採用することによって、第１実施形態の２段遠心圧縮機２と同様に、シールプレートを省略することができ、インペラのハブの背面とシールプレートとの間の風損をなくすことができる。

しかも、このような複合インペラ１１２、１３２が圧縮機構ケーシング１１１、１３１の内部空間１１９、１３９に収容される構造では、圧縮機構ケーシング１１１、１３１の後段側の空間１１９ｂ、１３９ｂから前段側の空間１１９ａ、１３９ａへの流体としての冷媒の漏れがいくらか生じるところ、この４段遠心圧縮機１０２では、シール部１１５、１３５を設けるようにしているため、第１実施形態の２段遠心圧縮機２と同様に、このような前後段間の冷媒の漏れを低減することができるようになっている。また、ここでは、ハブ１１３ａ、１３３ａとハブ１１４ａ、１３４ａとが同じ外径を有することで両者が径方向に段差なく繋がっているため、第１実施形態の２段遠心圧縮機２と同様に、シール部１１５、１３５を構成する溝を、ハブ１１３ａ、１３３ａやハブ１１４ａ、１３４ａ、外周壁１１１ｄ、１３１ｄに容易に形成することができる。

（３）他の実施形態
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

＜Ａ＞
上記実施形態のヒートポンプ装置では、圧縮機構の複合インペラがモータの回転軸に直結されており、複合インペラがモータと同じ回転数で回転駆動される構成を採用している。しかし、このような構成に限定されるものではなく、複合インペラを高速回転させる場合には、複合インペラとモータとの間に増速機を介在させて、複合インペラがモータの回転数よりも高速で回転駆動する構成を採用してもよい。

＜Ｂ＞
上記実施形態のヒートポンプ装置では、暖房や温水生成、又は、冷房や冷水生成を行う冷媒回路の構成を採用しているが、冷暖房（冷温水生成）の切換運転可能な冷媒回路の構成や、冷暖房（冷温水生成）同時運転が可能な冷媒回路の構成を採用してもよい。

＜Ｃ＞
上記実施形態のヒートポンプ装置では、２段遠心圧縮機や４段遠心圧縮機の各段間が中間吐出管や中間吐出流路によって直接接続された構成を採用している。しかし、このような構成に限定されるものではなく、各段間に中間冷却器を設けたり、冷媒回路にエコノマイザ及びインジェクション管を設けることによって、各段間の冷媒を冷却する構成を採用してもよい。

＜Ｄ＞
上記実施形態のヒートポンプ装置に採用されている２段遠心圧縮機や４段遠心圧縮機では、各複合インペラを構成する前段インペラのハブ外径及びブレード外径と後段インペラのハブ外径及びブレード外径が同じになっている（図２、３、５参照）。しかし、前段インペラのブレード外径と後段インペラのブレード外径とが異なる設計がなされる場合もあり得る。例えば、第１実施形態の２段遠心圧縮機２において、図６に示すように、前段インペラとしての第１インペラ１３のブレード１３ｂの外径と、後段インペラとしての第２インペラ１４のブレード１４ｂの外径とが異なるように設計され、その結果、両ブレード１３ｂ、１４ｂ間に半径差Δｒが生じる場合がある。このような場合であっても、第１インペラ１３のハブ１３ａ及び第２インペラ１４のハブ１４ａについては、外径を同じにして、図６に示すように、シール部１５を容易に形成できるようにするために、両者が径方向に段差なく繋がるようにすることが好ましい。また、ここでは図示を省略するが、第２実施形態の４段遠心圧縮機１０２の複合インペラ１１２、１３２においても、ブレード１１３ｂ、１３３ｂ間、及び／又は、ブレード１１４ｂ、１３４ｂ間に半径差が生じた場合であっても、ハブ１１３ａ、１３３ａの外径を同じにし、及び／又は、ハブ１１４ａ、１３４ａの外径を同じにすることが好ましい。

本発明は、多段遠心圧縮機に対して、広く適用可能である。

２、１０２ 多段遠心圧縮機
９、１１９、１３９ 内部空間
１１、１１１、１３１ 圧縮機ケーシング
１１ａ、１１１ａ、１３１ａ 前段吸込口
１１ｂ、１１１ｂ、１３１ｂ 前段吐出口
１２、１１２、１３２ 複合インペラ
１３、１１３、１３３ 前段インペラ
１３ａ、１４ａ、１１３ａ、１１４ａ、１３３ａ、１３４ａ ハブ
１４、１１４、１３４ 後段インペラ
１５、１１５、１３５ シール部
２１ａ、１２１ａ、１４１ａ 後段吸込口
２１ｂ、１２１ｂ、１４１ｂ 後段吐出口

特開２００９−１８５７１５号公報 特開２００１−２７１７９７号公報 特開２００９−２２１９８４号公報

Claims (3)

1. 前段インペラ（１３、１１３、１３３）と前記前段インペラによって圧縮された流体を圧縮するための後段インペラ（１４、１１４、１３４）とが、前記両インペラのハブ（１３ａ、１４ａ、１１３ａ、１１４ａ、１３３ａ、１３４ａ）の背面同士で重ね合わされた形状を有する複合インペラ（１２、１１２、１３２）と、
   前記前段インペラ用の前段吸込口（１１ａ、１１１ａ、１３１ａ）及び前段吐出口（１１ｂ、１１１ｂ、１３１ｂ）と、前記後段インペラ用の後段吸込口（２１ａ、１２１ａ、１４１ａ）及び後段吐出口（２１ｂ、１２１ｂ、１４１ｂ）と、前記前段吸込口、前記前段吐出口、前記後段吸込口及び前記後段吐出口に連通する内部空間（９、１１９、１３９）と、が形成されており、前記内部空間に前記複合インペラを収容するケーシング（１１、１１１、１３１）と、
   を備えた、多段遠心圧縮機（２、１０２）。
2. 前記複合インペラ（１２、１１２、１３２）のハブ（１３ａ、１４ａ、１１３ａ、１１４ａ、１３３ａ、１３４ａ）の外周端面と前記外周端面に対向する前記ケーシング（１１、１１１、１３１）の内面との間には、シール部（１５、１１５、１３５）が設けられている、
   請求項１に記載の多段遠心圧縮機（２、１０２）。
3. 前記流体は、二酸化炭素である、
   請求項１又は２に記載の多段遠心圧縮機（２、１０２）。

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