JP2012251529A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機において、インペラのディスクの背面とシールプレートとの間の隙間を通じてインペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減する効果が十分に得られるようにする。
【解決手段】遠心圧縮機（２）は、インペラ（１２）と、ケーシング（１１）とを有している。ケーシング（１１）は、インペラ（１２）のディスク（１２ａ）の背面に対向するシールプレート（１１ｆ）と、シールプレート（１１ｆ）の内周側に配置されたシール部（１３）と、を有する。ケーシング（１１）のインペラ（１２）が収容された空間（１１ｃ）の流体の圧力は、シール部（１３）を通じて連通する空間（Ｓａ）の圧力よりも高くなっており、ディスク（１２ａ）の背面には、インペラ（１１）の回転方向に対して後傾した案内羽根（１４）が設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、遠心圧縮機、特に、遠心圧縮機におけるインペラのディスクの背面とケーシングのシールプレートとの間の隙間を通じて、インペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減するための構成に関する。

従来より、特許文献１（特開昭５９−２２６２９９号公報）に示すような、遠心圧縮機がある。この遠心圧縮機では、インペラのディスクの背面に対向するケーシング面（ケーシングのシールプレート）に、複数のフィンを設けた構成が採用されている。これにより、インペラのディスクの背面とケーシングのシールプレートとの間の隙間を通じてインペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れを制限するようにしている。

また、特許文献２（特開平７−３３２２８３号公報）に示す多段遠心圧縮機では、前段側のインペラのディスクの背面に、インペラの回転方向接線に対して負の角度を持つ案内羽根を設けた構成が採用されている。これにより、前段側のインペラのディスクの背面とディスクの背面に対向するケーシングの静止流路（シールプレート）との間の隙間を通じて前段側のインペラの内周側から外周側に向かう後段側からの流体の漏れ流れを制限するようにしている。

遠心圧縮機では、運転効率を向上させるという観点で、インペラのディスクの背面とケーシングのシールプレートとの間の隙間を通じて、インペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減することが特に重要である。

しかし、上記特許文献１に示す構成では、複数のフィンがケーシングのシールプレートに対して静止している。このため、インペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減する効果が十分ではない。また、上記特許文献２に示す構成では、案内羽根がインペラの外周側から内周側のシール部に向かうように流体を案内する。このため、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れを増大させることになり、インペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減する効果を得ることはできない。

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は、冷媒の動作圧力が高い。このため、遠心圧縮機を冷媒の圧縮機として使用すると、冷媒としてフロン等を使用する場合に比べて、インペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れが増大する傾向に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、インペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れの増大が懸念される。

本発明の課題は、遠心圧縮機において、インペラのディスクの背面とシールプレートとの間の隙間を通じて、インペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減する効果が十分に得られるようにすることにある。

第１の観点にかかる遠心圧縮機は、インペラと、ケーシングとを有している。インペラは、ディスクの前面に配置された複数のブレードを有しており、ディスクの前後方向に延びる回転軸回りに回転する。ケーシングは、ディスクの背面に対向するシールプレートと、シールプレートの内周側に配置されたシール部と、を有しており、内部にインペラを回転自在に収容する。そして、ケーシングのインペラが収容された空間の流体の圧力は、シール部を通じてケーシングのインペラが収容された空間と連通する空間の圧力よりも高くなっており、ディスクの背面には、インペラの回転方向に対して後傾した案内羽根が設けられている。

この遠心圧縮機では、ディスクの背面にインペラの回転方向に対して後傾した案内羽根を設けた構造を採用することによって、ディスクの背面とシールプレートとの間の隙間において、内周側から外周側へ圧力勾配が形成される。これにより、シール部のケーシングのインペラが収容された空間側とシール部を挟んで反対側の空間側との間の圧力差を小さくすることができ、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減する効果を十分に得ることができる。

第２の観点にかかる遠心圧縮機は、第１の観点にかかる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、遠心圧縮機を冷媒の圧縮機として使用する場合には、流体（すなわち、二酸化炭素）の動作圧力が高くなる。このため、インペラのディスクの背面とシールプレートとの間の隙間を通じてインペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れが増大しやすい傾向にある。

これに対して、この遠心圧縮機では、上記のように、ケーシング内部から外部への流体の漏れ流れを低減する効果が十分に得ることができるため、フロン等の動作圧力が低い流体を使用する場合に比べて、漏れ流れを低減す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、遠心圧縮機においてインペラのディスクの背面とシールプレートとの間の隙間を通じてインペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減する効果を十分に得ることができる。

本発明にかかる遠心圧縮機としての単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。 本発明にかかる単段遠心圧縮機の概略断面図である。 図２のインペラ及び圧縮機構ケーシングのシールプレート近傍を示す概略拡大断面図である。 図３のＩ−Ｉ断面図である。 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２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。

以下、本発明にかかる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、本発明にかかる遠心圧縮機としての単段遠心圧縮機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、単段遠心圧縮機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。

単段遠心圧縮機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、単段遠心圧縮機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、圧縮機として単段遠心圧縮機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、冷媒の動作圧力が高くなっている。例えば、冷媒としてフロンの一種であるＲ１３４ａを使用する場合には、冷凍サイクルの低圧が約０．２９ＭＰａ（蒸発温度０℃）であり、冷凍サイクルの高圧が約０．７７ＭＰａ（凝縮温度３０℃）である。これに対して、冷媒と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約３．５ＭＰａ（蒸発温度０℃）となり、冷凍サイクルの高圧が約７．２ＭＰａ（凝縮温度３０℃）となる。

＜単段遠心圧縮機の構成＞
図２は、単段遠心圧縮機２の概略断面図である。図３は、図２のインペラ１２及び圧縮機構ケーシング１１のシールプレート１１ｆ近傍を示す概略拡大断面図である。図４は、図３のＩ−Ｉ断面図である。ここで、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又は前後方向とする。また、インペラ１２のディスク１２ａにおいて、ブレード１２ｂ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。

単段遠心圧縮機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Ｓａが形成されている。モータケーシング５１には、ロータ５３及びステータ５４を収容する空間Ｓａと冷媒回路とを連通させるための冷却管入口５１ａ及び冷却管出口５１ｂとが形成されている。冷却管入口５１ａには、膨張機構４によって減圧された後の低圧の冷媒を冷媒回路から分岐させる冷却管９ａが接続されている（図１参照）。冷却管出口５１ａには、モータケーシング５１の内部空間Ｓａを通過した低圧の冷媒を吸入管６に戻す冷却管９ｂが接続されている（図１参照）。これにより、モータケーシング５１の内部空間Ｓａの圧力は、冷凍サイクルにおける低圧になっており、この低圧の冷媒によって、ロータ５３及びステータ５４が冷却されるようになっている。

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、単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、インペラ１２とを有している。

圧縮機構ケーシング１１には、主として、吸込口１１ａと、吐出口１１ｂと、内部空間１１ｃとが形成されている。

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。

吐出口１１ｂ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１１ｃは、インペラ１２を回転自在に収容しており、主として、前面壁１１ｄと、外周壁１１ｅと、シールプレートとしての背面壁１１ｆと、スクロール壁１１ｇとによって形成されている。前面壁１１ｄは、インペラ１２の前面に対向しており、吸込口１１ａに繋がっている。外周壁１１ｅは、インペラ１２の外周端面に対向している。シールプレート１１ｆは、インペラ１２の背面に対向しており、その内周端面が回転軸５２の外周面近傍まで延びている。スクロール壁１１ｇは、前面壁１１ｄ及び外周壁１１ｅのさらに外周側を囲むように配置されており、吐出口１１ｂに繋がっている。内部空間１１ｃは、これらの壁１１ｄ〜１１ｇによって形成されている。シールプレート１１ｆの内周側には、シール部１３が配置されている。シール部１３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。

インペラ１２は、主として、ディスク１２ａと、ディスク１２ａの前面に配置された複数のブレード１２ｂとを有しており、ディスク１２ａの前後方向に延びる回転軸５２回りに回転する。

ディスク１２ａは、その前面から背面に向かって拡径する略円錐形状を有しており、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。ディスク１２ａの外周端面は、外周壁１１ｅに対向しており、ディスク１２ａの背面は、シールプレート１１ｆに対向している。

このように、単段遠心圧縮機２は、モータ５０の回転動力によって圧縮機構１０を駆動し、流体としての冷媒を単段圧縮する遠心圧縮機である。そして、圧縮機構ケーシング１１の内部（すなわち、内部空間１１ｃのインペラ１２の外周側の部分）の冷媒の圧力は、単段遠心圧縮機２の運転中において、圧縮機構ケーシング１１の外部の雰囲気圧力（ここでは、シール部１３を通じて連通しているモータケーシング５１の内部の圧力）よりも高くなる。このため、単段遠心圧縮機２では、上記のように、シールプレート１１ｆの内周側にシール部１３が設けられており、インペラ１２のディスク１２ａの背面と圧縮機構ケーシング１１のシールプレート１１ｆとの間の隙間を通じてインペラ１２の外周側から内周側のシール部１３に向かい、圧縮機ケーシング１１のインペラ１２が収容された内部空間１１ｃからシール部１３を通じて連通する空間（ここでは、モータケーシング５１の内部空間Ｓａ）へ漏れ出る冷媒の漏れ流れを低減しようとしている。

しかし、シール部１３だけでは、冷媒の漏れ流れを低減する効果が十分ではなく、特に、ここでは、冷媒として二酸化炭素を使用しておりフロン等を使用する場合よりも動作圧力が高くなるため、圧縮機構ケーシング１１の内部空間１１ｃの冷媒の圧力とモータケーシング５１の内部空間Ｓａとの圧力差（ここでは、冷凍サイクルにおける高低圧差に相当）が非常に大きくなり、冷媒の漏れ流れが増大しやすい傾向になっている。例えば、冷媒としてフロンの一種であるＲ１３４ａを使用する場合には、冷凍サイクルの低圧が約０．２９ＭＰａ（蒸発温度０℃）であり、冷凍サイクルの高圧が約０．７７ＭＰａ（凝縮温度３０℃）であることから、圧力差が約０．４８ＭＰａであるが、冷媒と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約３．５ＭＰａ（蒸発温度０℃）となり、冷凍サイクルの高圧が約７．２ＭＰａ（凝縮温度３０℃）となるため、圧力差が約３．７ＭＰａとなる。

そこで、単段遠心圧縮機２では、インペラ１２のディスク１２ａの背面にインペラ１２の回転方向Ｘに対して後傾した案内羽根１４を設けるようにしている。すなわち、案内羽根１４は、その外周縁に対して内周縁が回転方向Ｘの前方に位置するように傾斜している。さらに言い換えれば、案内羽根１４は、回転方向Ｘの接線に対して正の角度を持つように傾斜している（図４参照）。ここでは、案内羽根１４は、８つ設けられている。尚、案内羽根１４の数は、８つに限定されない。

このような案内羽根１４によって、単段遠心圧縮機２では、ディスク１２ａの背面とシールプレート１１ｆとの間の隙間において、内周側から外周側へ圧力勾配が形成される。これにより、シール部１３の圧縮機構ケーシング１１のインペラ１２が収容された内部空間１１ｃ側とシール部１３を挟んで反対側の空間（ここでは、モータケーシング５１の内部空間Ｓａ）側との間の圧力差を小さくすることができ、圧縮機ケーシング１１のインペラ１２が収容された内部空間１１ｃからシール部１３を通じて連通する空間（ここでは、モータケーシング５１の内部空間Ｓａ）へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減する効果を十分に得ることができる。ここでは、特に、冷媒として二酸化炭素を使用しており冷媒の漏れ流れが増大しやすい傾向になっていることから、漏れ流れを低減するメリットが大きくなっている。

（２）第２実施形態
＜ヒートポンプ装置の全体構成＞
図５は、本発明にかかる遠心圧縮機としての２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、２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、単段遠心圧縮機２に代えて２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、２段遠心圧縮機１０２を除く構成についての説明を省略する。

＜２段遠心圧縮機の構成＞
図６は、２段遠心圧縮機１０２の概略断面図である。ここで、第１インペラ１１２、第２インペラ１２２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又は前後方向とする。また、第１インペラ１１２のディスク１１２ａ及び第２インペラ１２２のディスク１２２ａにおいて、ブレード１１２ｂ及びブレード１２２ｂ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１０２は、主として、第１圧縮機構１１０と、第２圧縮機構１２０と、モータ１５０とを有している。

モータ１５０は、第１圧縮機構１１０及び第２圧縮機構１２０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Ｓａが形成されている。ロータ５３、ステータ５４、冷却管入口５１ａ、及び、冷却管出口５１ｂは、第１実施形態の単段遠心圧縮機２のロータ５３、ステータ５４、冷却管入口５１ａ、及び、冷却管出口５１ｂと同様であるため、ここでは説明を省略する。また、冷却管入口５１ａ及び冷却管出口５１ｂに接続される冷媒管９ａ、９ｂ（図５参照）も、第１実施形態の冷媒管９ａ、９ｂ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実施形態の単段遠心圧縮機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６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６における右端）は、第２圧縮機構１２０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１２０は、第１圧縮機構１１０を第１段とし、第２圧縮機構１２０を第２段とする２段の遠心式の圧縮機構である。

第１圧縮機構１１０は、吸入管６から低圧の冷媒を吸入して圧縮した後に第２圧縮機構１２０に中間圧の冷媒を吐出する。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インペラ１１２とを有している。

第１圧縮機構ケーシング１１１には、主として、第１吸込口１１１ａと、第１吐出口１１１ｂと、第１内部空間１１１ｃ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６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の周方向外端（図６における上端）に向かって開口しており、第２圧縮機構１２０の第２吸込口１２１ａに連通する中間吐出管１０８（図５参照）に接続されている。

第１内部空間１１１ｃは、第１インペラ１１２を回転自在に収容しており、主として、前面壁１１１ｄと、外周壁１１１ｅと、シールプレートとしての背面壁１１１ｆと、スクロール壁１１１ｇとによって形成されている。前面壁１１１ｄは、第１インペラ１１２の前面に対向しており、第１吸込口１１１ａに繋がっている。外周壁１１１ｅは、第１インペラ１１２の外周端面に対向している。シールプレート１１１ｆは、第１インペラ１１２の背面に対向しており、その内周端面が回転軸１５２の外周面近傍まで延びている。スクロール壁１１１ｇは、前面壁１１１ｄ及び外周壁１１１ｅ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１内部空間１１１ｃは、これらの壁１１１ｄ〜１１１ｇによって形成されている。シールプレート１１１ｆの内周側には、第１シール部１１３が配置されている。第１シール部１１３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。

第１インペラ１１２は、主として、ディスク１１２ａと、ディスク１１２ａの前面に配置された複数のブレード１１２ｂとを有しており、ディスク１１２ａの前後方向に延びる回転軸１５２回りに回転する。

ディスク１１２ａは、その前面から背面に向かって拡径する略円錐形状を有しており、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。ディスク１１２ａの外周端面は、外周壁１１１ｅに対向しており、ディスク１１２ａの背面は、シールプレート１１１ｆに対向している。

第２圧縮機構１２０は、中間吐出管１０８から中間圧の冷媒を吸入して圧縮した後に吐出管７に高圧の冷媒を吐出する。第２圧縮機構１２０は、主として、第２圧縮機構ケーシング１２１と、第２インペラ１２２とを有している。

第２圧縮機構ケーシング１２１には、主として、第２吸込口１２１ａと、第２吐出口１２１ｂと、第２内部空間１２１ｃとが形成されている。

第２吸込口１２１ａは、第２圧縮機構ケーシング１２１の軸方向一端（図６における右端）に向かって開口しており、中間吐出管１０８（図５参照）に接続されている。

第２吐出口１２１ｂは、第２圧縮機構ケーシング１２１の周方向外端（図６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１２１ｃは、第２インペラ１２２を回転自在に収容しており、主として、前面壁１２１ｄと、外周壁１２１ｅと、シールプレートとしての背面壁１２１ｆと、スクロール壁１２１ｇとによって形成されている。前面壁１２１ｄは、第２インペラ１２２の前面に対向しており、第２吸込口１２１ａに繋がっている。外周壁１２１ｅは、第２インペラ１２２の外周端面に対向している。シールプレート１２１ｆは、第２インペラ１２２の背面に対向しており、その内周端面が回転軸１５２の外周面近傍まで延びている。スクロール壁１２１ｇは、前面壁１２１ｄ及び外周壁１２１ｅ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２内部空間１２１ｃは、これらの壁１２１ｄ〜１２１ｇによって形成されている。シールプレート１２１ｆの内周側には、第２シール部１２３が配置されている。第２シール部１２３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。

第２インペラ１２２は、主として、ディスク１２２ａと、ディスク１２２ａの前面に配置された複数のブレード１２２ｂとを有しており、ディスク１２２ａの前後方向に延びる回転軸１５２回りに回転する。

ディスク１２２ａは、その前面から背面に向かって拡径する略円錐形状を有しており、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。ディスク１２２ａの外周端面は、外周壁１２１ｅに対向しており、ディスク１２２ａの背面は、シールプレート１２１ｆに対向している。

このように、２段遠心圧縮機１０２は、モータ１５０の回転動力によって圧縮機構１１０、１２０を駆動し、流体としての冷媒を２段圧縮する遠心圧縮機である。そして、圧縮機構ケーシング１１１、１２１の内部（すなわち、内部空間１１１ｃ、１２１ｃのインペラ１１２、１２２の外周側の部分）の冷媒の圧力は、２段遠心圧縮機１０２の運転中において、圧縮機構ケーシング１１１、１２１の外部の雰囲気圧力（ここでは、シール部１１３、１２３を通じて連通しているモータケーシング１５１の内部の圧力）よりも高くなる。このため、２段遠心圧縮機１０２では、第１実施形態の単段遠心圧縮機２と同様に、シールプレート１１１ｆ、１２１ｆの内周側にシール部１１３、１２３を設けて、インペラ１１２、１２２の外周側から内周側のシール部１１３、１２３に向かい、圧縮機ケーシング１１１、１２１のインペラ１１２、１２２が収容された内部空間１１１ｃ、１２１ｃからシール部１１３、１２３を通じて連通する空間（ここでは、モータケーシング１５１の内部空間Ｓａ）へ漏れ出る冷媒の漏れ流れを低減しようとしている。

しかし、シール部１１３、１２３だけでは、冷媒の漏れ流れを低減する効果が十分ではなく、特に、ここでは、冷媒として二酸化炭素を使用しているため、冷媒の漏れ流れが増大しやすい傾向になっている。

そこで、２段遠心圧縮機１０２では、第１実施形態の単段遠心圧縮機２と同様に、インペラ１１２、１２２のディスク１１２ａ、１２２ａの背面にインペラ１１２、１２２の回転方向Ｘ（図４参照）に対して後傾した案内羽根１１４、１２４を設けるようにしている。

このような案内羽根１１４、１２４によって、２段遠心圧縮機１０２では、第１実施形態の単段遠心圧縮機２と同様に、圧縮機ケーシング１１１、１２１のインペラ１１２、１２２が収容された内部空間１１１ｃ、１２１ｃからシール部１１３、１２３を通じて連通する空間（ここでは、モータケーシング１５１の内部空間Ｓａ）へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減する効果を十分に得ることができる。

（３）第３実施形態
＜ヒートポンプ装置の全体構成＞
図７は、本発明にかかる遠心圧縮機としての４段遠心圧縮機２０２が採用された第３実施形態のヒートポンプ装置２０１の概略構成図である。

ヒートポンプ装置２０１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２０１は、主として、４段遠心圧縮機２０２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２０１は、単段遠心圧縮機２に代えて４段遠心圧縮機２０２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２０２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８は、４段遠心圧縮機２０２の概略断面図である。ここで、第１インペラ２１２、第２インペラ２２２、第３インペラ２３２、第４インペラ２４２及び回転軸２５２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又は前後方向とする。また、第１インペラ２１２のディスク２１２ａ、第２インペラ２２２のディスク２２２ａ、第３インペラ２３２のディスク２３２ａ及び第４インペラ２４２のディスク２４２ａにおいて、ブレード２１２ｂ、ブレード２２２ｂ、ブレード２３２ｂ及びブレード２４２ｂ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２０２は、主として、第１圧縮機構２１０と、第２圧縮機構２２０と、第３圧縮機構２３０と、第４圧縮機構２４０と、モータ２５０とを有している。

モータ２５０は、第１圧縮機構２１０、第２圧縮機構２２０、第３圧縮機構２３０及び第４圧縮機構２４０を駆動するモータであり、主として、モータケーシング２５１と、回転軸２５２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２５１の内部には、回転軸２５２、ロータ５３及びステータ５４を収容する空間Ｓａが形成されている。ロータ５３、ステータ５４、冷却管入口５１ａ、及び、冷却管出口５１ｂは、第１実施形態の単段遠心圧縮機２のロータ５３、ステータ５４、冷却管入口５１ａ、及び、冷却管出口５１ｂと同様であるため、ここでは説明を省略する。また、冷却管入口５１ａ及び冷却管出口５１ｂに接続される冷媒管９ａ、９ｂ（図７参照）も、第１実施形態の冷媒管９ａ、９ｂと同様であるため、ここでは説明を省略する。

回転軸２５２は、第１実施形態の単段遠心圧縮機２と同様に、モータケーシング２５１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２５２の軸方向一端（図８における左端）は、第１及び第２圧縮機構２１０、２２０側に突出している。回転軸２５２の軸方向他端（図８における右端）は、第３及び第４圧縮機構２３０、２４０側に突出している。回転軸２５２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２５２ａが設けられている。ホイール部２５２ａは、モータケーシング２５１に固定されるスラスト軸受２５７によって摺動可能に支持されている。

第１圧縮機構２１０、第２圧縮機構２２０、第３圧縮機構２３０及び第４圧縮機構２４０は、第１圧縮機構２１０を第１段とし、第２圧縮機構２２０を第２段とし、第３圧縮機構２３０を第３段とし、第４圧縮機構２４０を第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２１０は、図８における最も左側に配置されており、吸入管６から低圧の冷媒を吸入して圧縮した後に第２圧縮機構２２０に中間圧の冷媒を吐出する。第１圧縮機構２１０は、主として、第１圧縮機構ケーシング２１１と、第１インペラ２１２とを有している。

第１圧縮機構ケーシング２１１には、主として、第１吸込口２１１ａと、第１内部空間２１１ｃとが形成されている。

第１吸込口２１１ａは、第１圧縮機構ケーシング２１１の軸方向一端（図８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内部空間２１１ｃは、第１インペラ２１２を回転自在に収容しており、主として、前面壁２１１ｄと、外周壁２１１ｅと、シールプレートとしての背面壁２１１ｆとによって形成されている。前面壁２１１ｄは、第１インペラ２１２の前面に対向しており、第１吸込口２１１ａに繋がっている。外周壁２１１ｅは、第１インペラ２１２の外周端面に対向している。シールプレート２１１ｆは、第１インペラ２１２の背面に対向しており、その内周端面が回転軸２５２の外周面近傍まで延びている。第１内部空間２１１ｃは、これらの壁２１１ｄ〜２１１ｆによって形成されている。シールプレート２１１ｆの内周側には、第１シール部２１３が配置されている。第１シール部２１３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。第１内部空間２１１ｃには、前面壁２１１ｄ及び外周壁２１１ｅから連続するように第１中間吐出流路２１８が連通している。第１中間吐出流路２１８は、第２圧縮機構２２０の第２吸込口２２１ａに連通している。

第１インペラ２１２は、主として、ディスク２１２ａと、ディスク２１２ａの前面に配置された複数のブレード２１２ｂとを有しており、ディスク２１２ａの前後方向に延びる回転軸２５２回りに回転する。

ディスク２１２ａは、その前面から背面に向かって拡径する略円錐形状を有しており、回転軸２５２と一体回転するように回転軸２５２に軸支されている。ディスク２１２ａの外周端面は、外周壁２１１ｅに対向しており、ディスク２１２ａの背面は、シールプレート２１１ｆに対向している。

第２圧縮機構２２０は、図８における第１圧縮機構２１０の右側に配置されており、第１中間吐出流路２１８から中間圧の冷媒を吸入して圧縮した後に第３圧縮機構２３０に中間圧の冷媒を吐出する。第２圧縮機構２２０は、主として、第２圧縮機構ケーシング２２１と、第２インペラ２２２とを有している。

第２圧縮機構ケーシング２２１には、主として、第２吸込口２２１ａと、第２吐出口２２１ｂと、第２内部空間２２１ｃとが形成されている。

第２吸込口２２１ａは、第２圧縮機構ケーシング２２１の軸方向一端（図８における左端）に向かって開口しており、第１中間吐出流路２１８に連通している。

第２吐出口２２１ｂは、第２圧縮機構ケーシング２２１の周方向外端（図８における上端）に向かって開口しており、第３圧縮機構２３０の第３吸込口２３１ａに連通する第２中間吐出管２０８（図７参照）に接続されている。

第２内部空間２２１ｃは、第２インペラ２２２を回転自在に収容しており、主として、前面壁２２１ｄと、外周壁２２１ｅと、シールプレートとしての背面壁２２１ｆと、スクロール壁２２１ｇとによって形成されている。前面壁２２１ｄは、第２インペラ２２２の前面に対向しており、第２吸込口２２１ａに繋がっている。外周壁２２１ｅは、第２インペラ２２２の外周端面に対向している。シールプレート２２１ｆは、第２インペラ２２２の背面に対向しており、その内周端面が回転軸２５２の外周面近傍まで延びている。スクロール壁２２１ｇは、前面壁２２１ｄ及び外周壁２２１ｅ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２２１ｂに繋がっている。第２内部空間２２１ｃは、これらの壁２２１ｄ〜２２１ｇによって形成されている。シールプレート２２１ｆの内周側には、第２シール部２２３が配置されている。第２シール部２２３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。

第２インペラ２２２は、主として、ディスク２２２ａと、ディスク２２２ａの前面に配置された複数のブレード２２２ｂとを有しており、ディスク２２２ａの前後方向に延びる回転軸２５２回りに回転する。

ディスク２２２ａは、その前面から背面に向かって拡径する略円錐形状を有しており、回転軸２５２と一体回転するように回転軸２５２に軸支されている。ディスク２２２ａの外周端面は、外周壁２２１ｅに対向しており、ディスク２２２ａの背面は、シールプレート２２１ｆに対向している。

第３圧縮機構２３０は、図８における最も右側に配置されており、第２中間吐出管２０８から中間圧の冷媒を吸入して圧縮した後に第４圧縮機構２４０に中間圧の冷媒を吐出する。第３圧縮機構２３０は、主として、第３圧縮機構ケーシング２３１と、第３インペラ２３２とを有している。

第３圧縮機構ケーシング２３１には、主として、第３吸込口２３１ａと、第３内部空間２３１ｃとが形成されている。

第３吸込口２３１ａは、第３圧縮機構ケーシング２３１の軸方向一端（図８における右端）に向かって開口しており、第２中間吐出管２０８に接続されている。

第３内部空間２３１ｃは、第３インペラ２３２を回転自在に収容しており、主として、前面壁２３１ｄと、外周壁２３１ｅと、シールプレートとしての背面壁２３１ｆとによって形成されている。前面壁２３１ｄは、第３インペラ２３２の前面に対向しており、第３吸込口２３１ａに繋がっている。外周壁２３１ｅは、第３インペラ２３２の外周端面に対向している。シールプレート２３１ｆは、第３インペラ２３２の背面に対向しており、その内周端面が回転軸２５２の外周面近傍まで延びている。第３内部空間２３１ｃは、これらの壁２３１ｄ〜２３１ｆによって形成されている。シールプレート２３１ｆの内周側には、第３シール部２３３が配置されている。第３シール部２３３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。第３内部空間２３１ｃには、前面壁２３１ｄ及び外周壁２３１ｅから連続するように第３中間吐出流路２３８が連通している。第３中間吐出流路２３８は、第４圧縮機構２４０の第２吸込口２４１ａに連通している。

第３インペラ２３２は、主として、ディスク２３２ａと、ディスク２３２ａの前面に配置された複数のブレード２３２ｂとを有しており、ディスク２３２ａの前後方向に延びる回転軸２５２回りに回転する。

ディスク２３２ａは、その前面から背面に向かって拡径する略円錐形状を有しており、回転軸２５２と一体回転するように回転軸２５２に軸支されている。ディスク２３２ａの外周端面は、外周壁２３１ｅに対向しており、ディスク２３２ａの背面は、シールプレート２３１ｆに対向している。

第４圧縮機構２４０は、図８における第３圧縮機構２３０の左側に配置されており、第３中間吐出流路２３８から中間圧の冷媒を吸入して圧縮した後に吐出管７に高圧の冷媒を吐出する。第４圧縮機構２４０は、主として、第４圧縮機構ケーシング２４１と、第４インペラ２４２とを有している。

第４圧縮機構ケーシング２４１には、主として、第４吸込口２４１ａと、第４吐出口２４１ｂと、第４内部空間２４１ｃとが形成されている。

第４吸込口２４１ａは、第４圧縮機構ケーシング２４１の軸方向一端（図８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２３８に連通している。

第４吐出口２４１ｂは、第４圧縮機構ケーシング２４１の周方向外端（図８における上端）に向かって開口しており、吐出管７（図７参照）に接続されている。

第４内部空間２４１ｃは、第４インペラ２４２を回転自在に収容しており、主として、前面壁２４１ｄと、外周壁２４１ｅと、シールプレートとしての背面壁２４１ｆと、スクロール壁２４１ｇとによって形成されている。前面壁２４１ｄは、第４インペラ２４２の前面に対向しており、第４吸込口２４１ａに繋がっている。外周壁２４１ｅは、第４インペラ２４２の外周端面に対向している。シールプレート２４１ｆは、第４インペラ２４２の背面に対向しており、その内周端面が回転軸２５２の外周面近傍まで延びている。スクロール壁２４１ｇは、前面壁２４１ｄ及び外周壁２４１ｅ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２４１ｂに繋がっている。第４内部空間２４１ｃは、これらの壁２４１ｄ〜２４１ｇによって形成されている。シールプレート２４１ｆの内周側には、第４シール部２４３が配置されている。第４シール部２４３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。

第４インペラ２４２は、主として、ディスク２４２ａと、ディスク２４２ａの前面に配置された複数のブレード２４２ｂとを有しており、ディスク２４２ａの前後方向に延びる回転軸２５２回りに回転する。

ディスク２４２ａは、その前面から背面に向かって拡径する略円錐形状を有しており、回転軸２５２と一体回転するように回転軸２５２に軸支されている。ディスク２４２ａの外周端面は、外周壁２４１ｅに対向しており、ディスク２４２ａの背面は、シールプレート２４１ｆに対向している。

このように、４段遠心圧縮機２０２は、モータ２５０の回転動力によって圧縮機構２１０、２２０、２３０、２４０を駆動し、流体としての冷媒を４段圧縮する遠心圧縮機である。そして、圧縮機構ケーシング２２１、２４１の内部（すなわち、内部空間２２１ｃ、２４１ｃのインペラ２２２、２４２の外周側の部分）の冷媒の圧力は、４段遠心圧縮機２０２の運転中において、圧縮機構ケーシング２２１、２４１の外部の雰囲気圧力（ここでは、シール部２２３、２４３を通じて連通しているモータケーシング２５１の内部の圧力）よりも高くなる。このため、４段遠心圧縮機２０２では、第１実施形態の単段遠心圧縮機２と同様に、シールプレート２２１ｆ、２４１ｆの内周側にシール部２２３、２４３を設けて、インペラ２２２、２４２の外周側から内周側のシール部２２３、２４３に向かい、圧縮機ケーシング２２１、２４１のインペラ２２２、２４２が収容された内部空間２２１ｃ、２４１ｃからシール部２２３、２４３を通じて連通する空間（ここでは、モータケーシング２５１の内部空間Ｓａ）へ漏れ出る冷媒の漏れ流れを低減しようとしている。

しかし、シール部２２３、２４３だけでは、冷媒の漏れ流れを低減する効果が十分ではなく、特に、ここでは、冷媒として二酸化炭素を使用しているため、冷媒の漏れ流れが増大しやすい傾向になっている。

そこで、４段遠心圧縮機２０２では、第１実施形態の単段遠心圧縮機２と同様に、インペラ２２２、２４２のディスク２２２ａ、２４２ａの背面にインペラ２２２、２４２の回転方向Ｘ（図４参照）に対して後傾した案内羽根２２４、２４４を設けるようにしている。

このような案内羽根２２４、２４４によって、４段遠心圧縮機２０２では、第１実施形態の単段遠心圧縮機２と同様に、圧縮機ケーシング２２１、２４１のインペラ２２２、２４２が収容された内部空間２２１ｃ、２４１ｃからシール部２２３、２４３を通じて連通する空間（ここでは、モータケーシング２５１の内部空間Ｓａ）へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減する効果を十分に得ることができる。

（４）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、遠心圧縮機として、単段、２段又は４段遠心圧縮機を採用しているが、これに限定されるものではなく、３段や５段、６段の遠心圧縮機を採用してもよい。

＜Ｂ＞
上記実施形態のヒートポンプ装置では、圧縮機構のインペラがモータの回転軸に直結されており、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、インペラを高速回転させる場合には、インペラとモータとの間に増速機を介在させて、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。

＜Ｃ＞
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。

＜Ｄ＞
上記第２及び第３実施形態のヒートポンプ装置では、２段遠心圧縮機や４段遠心圧縮機の各圧縮機構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、各圧縮機構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、各圧縮機構間の冷媒を冷却する構成を採用してもよい。

本発明は、遠心圧縮機におけるインペラのディスクの背面とケーシングのシールプレートとの間の隙間を通じてインペラの外周側から内周側のシール部に向かい、ケーシングのインペラが収容された空間からシール部を通じて連通する空間へ漏れ出る流体の漏れ流れを低減するための構成に対して、広く適用可能である。

２、１０２、２０２ 遠心圧縮機
１１、１１１、１２１、２２１、２４１ 圧縮機構ケーシング
１１ｆ、１１１ｆ、１２１ｆ、２２１ｆ、２４１ｆ シールプレート
１２、１１２、１２２、２２２、２４２ インペラ
１２ａ、１１２ａ、１２２ａ、２２２ａ、２４２ａ ディスク
１２ｂ、１１２ｂ、１２２ｂ、２２２ｂ、２４２ｂ ブレード
１３、１１３、１２３、２２３、２４３ シール部
１４、１１４、１２４、２２４、２４４ 案内羽根
５２、１５２、２５２ 回転軸
１１ｃ、１１１ｃ、１２１ｃ、２２１ｃ、２４１ｃ インペラが収容された空間
Ｓａ インペラが収容された空間と連通する空間

特開昭５９−２２６２９９号公報 特開平７−３３２２８３号公報

Claims (2)

1. ディスク（１２ａ、１１２ａ、１２２ａ、２２２ａ、２４２ａ）の前面に配置された複数のブレード（１２ｂ、１１２ｂ、１２２ｂ、２２２ｂ、２４２ｂ）を有しており、前記ディスクの前後方向に延びる回転軸（５２、１５２、２５２）回りに回転するインペラ（１２、１１２、１２２、２２２、２４２）と、
   前記ディスクの背面に対向するシールプレート（１１ｆ、１１１ｆ、１２１ｆ、２２１ｆ、２４１ｆ）と、前記シールプレートの内周側に配置されたシール部（１３、１１３、１２３、２２３、２４３）と、を有しており、内部に前記インペラを回転自在に収容するケーシング（１１、１１１、１２１、２２１、２４１）とを備え、
   前記ケーシングの前記インペラが収容された空間（１１ｃ、１１１ｃ、１２１ｃ、２２１ｃ、２４１ｃ）の流体の圧力は、前記シール部を通じて前記ケーシングの前記インペラが収容された空間と連通する空間（Ｓａ）の圧力よりも高くなっており、
   前記ディスクの背面には、前記インペラの回転方向に対して後傾した案内羽根（１４、１１４、１２４、２２４、２４４）が設けられている、
   遠心圧縮機（２、１０２、２０２）。
2. 前記流体は、二酸化炭素である、
   請求項１に記載の遠心圧縮機（２、１０２、２０２）。

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