JP2013506074A - ディフューザ - Google Patents

Abstract

接線方向および軸方向の速度成分の両方を有する流体の流れを方向付けるように配置された略環状の領域を含む流路を有するディフューザ。
【選択図】図１

Description

本発明はディフューザに関する。例えば、軸方向に増加する環状の流れエリアと、接線方向および軸方向の成分を有し流れ案内部材によって規定される通路と、を有するディフューザに関する。

一般的なラジアル（または遠心）コンプレッサ（またはポンプ）は、典型的にはタービンまたは電気モーターによって駆動される、空気等の軸方向に流れる流入流体をそらして圧力を上昇させる略径方向の複数の羽根を備えるローターを有する。しばしば、流体の流れを減速させるとともに流体の流れの運動エネルギーを圧力上昇に変換するため、囲い壁の内面における径方向‐接線方向羽根の間の通路の形でディフューザが設けられる。このような公知の装置にあっては、ローターから離れる流体は、略接線方向の速度成分と、典型的には接線方向の速度成分の２分の１から４分の１の間の値の径方向の速度成分と、を有する。

図９ａおよび図９ｂは、軸方向ディフューザ（不図示）、複数の径方向‐接線方向羽根１００１を含むラジアルディフューザ１０００、および、複数のローター羽根１００３を含むローター１００２を有する、公知のラジアル（または遠心）コンプレッサを示す。衝撃損失、および周方向における静圧の過剰な変動を抑制するため、ローター羽根１００３の先端１００５と径方向‐接線方向羽根１００１の先端との間に、径方向に広がった明確な隙間または羽根のない隙間１００４がある。この羽根のない隙間１００４は、ローター羽根１００３から離れる一様でない空気の流れに対し、径方向‐接線方向ディフューザ羽根１００１の間の通路１００６に入り、その後、軸方向ディフューザへと移動する前、速度を安定させるとともに一様にするための時間を与える。このタイプのデザインは、コンプレッサをよりコンパクトにするために使用されるが、羽根のない隙間１００４およびラジアルディフューザ１０００の径方向‐接線方向羽根１００１の範囲内で減速された後、流れを軸方向に変えることができるだけである。

参照することによってここに組み込まれるＷＯ２００５／０２４２４２は、上で示された径方向‐接線方向ディフューザ羽根のタイプとともに使用するローターを開示している。ローターは、ローター羽根が、上で述べられた従来の機械よりも大体一桁ほど大きな、径方向に対する接線方向の速度の高い比を有するローター出口流を生み出すような、低比速度コンプレッサで使用されてもよい。しかしながら、従来の機械の公知の径方向‐接線方向ディフューザは、このようなローターによって生み出される比較的低い半径方向の流れの成分を効果的に使っていない。

本発明の目的は、従来技術の問題を少なくともある程度緩和することである。

本発明は、特許請求の範囲に提示されている。本発明の第１の特徴によれば、軸方向に伸びるとともに実質的に連続した入口領域の増加する断面積、および、流れ案内領域の実質的に連続した通路は、有利に、比較的低い径方向の速度成分および比較的高い接線方向の速度成分を有する流体の流れを提供し、絶対速度を低下させるとともに軸下流方向で圧力を増加させる。このことによって、ディフューザの直径および長さの減少が図られる。

接線方向の成分および方向性のある成分を有する通路は、有利に、比較的低い径方向の速度成分および比較的高い接線方向の速度成分を有する流体の流れを提供し、絶対速度を低下させるとともに軸下流方向で圧力を増加させる。このことによって、ディフューザの直径および長さの減少が図られる。

本発明の第２の特徴によれば、ローターの周囲に径方向に隣接して設けられ下流方向に断面積が増加する入口領域、および、流れ案内部材によって規定されるとともに接線方向および軸方向の成分を有する実質的に連続した通路を含む流れ案内領域は、有利に、流体の流れの径方向の速度成分の減少および軸方向の速度成分の増加をもたらす。このことによって、ディフューザの直径および長さの減少が図られ、環状の流れエリアのまわりで一定の流れの状態が生み出され、その結果、騒音および振動が低減されて流れの安定性が改善される。

本発明の第３の特徴によれば、円錐形状を形作るように積み重ねられたディフューザ段階は、有利に、ディフューザ組立品の直径および長さを減少させる。

本発明の好ましい実施形態は、例を用いて、添付の図を参照しつつ、より具体的に説明される。

内筒および外部ケーシングを有するディフューザを含むラジアル（遠心）コンプレッサ組立品の一部切り取った斜視図である。 図１のラジアル（遠心）コンプレッサの断面図である。 図１および図２のディフューザの内筒の一部切り取った斜視図である。 図１および図２のディフューザの外部ケーシングの略円筒形状の流れ案内部の一部切り取った斜視図である。 図１および図２のディフューザの外部ケーシングのチャンバー部の一部切り取った斜視図である。 ローターに対してそれぞれ逆方向のディフューザおよびモーターの断面図である。 複数の段階分けされたディフューザおよびモーターの断面図である。 複数の異なる大きさの段階分けされたディフューザおよびモーターの断面図である。 ローターを有する従来技術のラジアル（遠心）コンプレッサの断面図を示す。 図９ａのローターをより詳しく示す。

概説すると、実施形態では、ディフューザは、比較的小さな径方向の速度成分と比較的大きな接線方向の速度成分とを有する流れを供給する、限定されないが上述の図９ａおよび９ｂのローターのようなローターを有するコンプレッサ（又は他の装置）での使用に適している。

ディフューザは、入口端部と出口端部との間に延びる流路を有する。流路は、例えば、接線方向または円周方向、および軸方向の両方の速度成分を有する流れを方向付けして流れの絶対速度を減少させるとともに静圧を上昇させるように配置された、途切れないまたは実質的に連続したうず巻線状またはつる巻線状の流れ案内部材によって規定される、軸方向に伸びる実質的に連続した流れが円滑になる領域を、一つ以上の通路の上流に、例えば軸方向に伸びるうず巻線またはつる巻線の形で含む。流れは、ローターを離れると、比較的非常に大きな接線方向の成分と比較的小さな径方向の成分とを有する。すなわち、流れが、径方向断面において鋭く径方向‐軸方向に曲がっているように見える箇所のまわりを移動するとき、ガスの流路の曲率半径が実際には非常に大きく、例えば比較的拘束されることなく主に接線方向から軸方向‐接線方向へと方向が変わるため、大きな圧力損失を生じさせることなくそのことが可能である。ディフューザ３００は、このようにして、ローターによって生み出される比較的小さな径方向の流れの速度成分を効果的に利用する。ディフューザ３００は、このことを、軸方向および接線方向の速度成分を有する流れを方向付けることによって達成するので、ディフューザ３００は、従来技術の径方向‐接線方向羽根を必要とせず、従って、コンプレッサが組み込まれた回転動力機械（ｒｏｔｏｄｙｎａｍｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ）の直径を小さくできる。さらに、入口端部は、流れを効果的に拡散させる拡大エリアを軸方向に提供する。

図１を参照すると、径方向（遠心）コンプレッサ組立品１００は、複数の前方に曲がったローター羽根２０１を含むローター２００、内筒４００と外部ケーシング５００とを含むディフューザ３００、モーター６００、および、付加的なモーターの冷却が必要な場所で使用されるヒートシンク７００を有する。

ディフューザ３００の内筒４００および外部ケーシング５００は、鋼から機械加工され、第１の端部４０１、５０２、および第２の端部４０２、５５２のそれぞれを有する。外部ケーシング５００、内筒４００、ヒートシンク７００、モーター６００、およびローター２００は、共通の前後軸Ｘ−Ｘ’について同軸に配置される。モーター６００はヒートシンク７００に収容され、ヒートシンク７００は内筒４００に収容され、内筒４００は外部ケーシング５００に収容される。

また図２および３を参照して、内筒４００の円筒壁は、内側曲面４０３および外側曲面４０４を有し、第１および第２の端部４０１、４０２の間で軸方向に厚みが変化する。

第１の端部４０１は、先細りになっており、略凹形状の面４０７を有する、凹んで内側に垂れ下がった輪４０６によって規定される、縁４０５で終わる。輪４０６は、中心孔４０８を含み、内筒４００の第２の端部４０２に向かって軸方向に伸びる。

第１および第２の面４１０、４１１を有する内側に垂れ下がった取付フランジ４０９が、輪４０６に隣接している。取付フランジ４０９は、中心孔４１２を含み、内筒４００の第２の端部４０２に向かって輪４０６から軸方向に伸びる。取付フランジ４０９は、さらに、締結ボルト（不図示）を受ける複数の孔４１３を含む。

内筒４００の第２の端部４０２は、締結ボルト（不図示）を受けるための複数の孔４１５を有する、径方向に突出した接続フランジ４１４で終わる。内筒４００の円筒壁の径方向突出部４１６は、接続フランジ４１４に隣接し、外側曲面４０４から外側に伸びるとともに第１の端部４０１に向かって軸方向に伸びる。径方向突出部４１６は、Ｏリング（不図示）を受けるための円周溝４１７を含む。

発明の特徴の作用に関する側面について考慮すると、外側曲面４０４の略平坦で平滑な部分４１８は、第２の端部４０２までのおよそ６分の１のところまで縁４０５から伸びる。６つの等間隔に離隔した径方向に突出した流れ案内部材４１９は、外側曲面４０４から外側に伸びる。各流れ案内部材４１９は、さらに、外側曲面４０４の外周のまわりに部分的に伸びて、略平坦で平滑または実質的に連続した部分４１８から第２の端部４０２に向かって、接線方向および軸方向の成分を有する方向に伸びるうず巻またはつる巻き形状を形作る。

示された実施形態では、流れ案内部材４１９は、従って、それらの間に、各々が入口８０１および出口８０２を有する、６つのうず巻線状の流れ通路８００を規定する。流れ案内部材４１９は、各うず巻線状の流れ通路８００がその入口８０１と出口８０２との間で広くなり、それによって、下流に向かう軸方向において各流れ通路８００の断面積が増加するように、互いに離隔し、下流に向かう軸方向において外側に先細になっている。後述するように、流れ案内部材４１９およびうず巻線状の流れ通路８００は、必要に応じていくつでも設けることができる。

図示される実施形態では、通路８００は、前後軸Ｘ−Ｘ’について、およそ７０°〜８０°の間の入口角度を有する。案内部材４１９、従って、通路８００は、実質的に連続している。つまり、それらは、例えば６０°またはそれ以上の円弧角度（すなわち連続的な部分が外周または前後軸Ｘ−Ｘ’のまわりで伸びている角度）にわたって連続的である。従って、通路８００は、流れを効果的に拡散させる。

略円筒形状で細長いモーター６００は、第１および第２の端部６０２、６０３の各々、ならびに外側曲面６０４を含むハウジング６０１を有する。ハウジング６０１の直径は、内筒４００の取付フランジ４０９の孔４１２の直径とほぼ等しい。モーター６００は、さらに、第１の端部６０２から伸びる駆動軸６０５を含む。

略円筒形状で細長いヒートシンク７００は、モーターを冷却するためにあり、また、第１および第２の端部の各々７０１、７０２、ならびに、モーターハウジング６０１の外側曲面６０４に合うように形作られた内側曲面７０４を規定している、径方向に配置された複数の冷却フィン７０３を有する。第２の端部７０２では、フィン７０３が、さらに、径方向に伸びて、締結ボルト（不図示）を受けるため４つの角部の各々に孔７０７を備える略矩形の取付フランジ７０６を規定している。

ヒートシンク７００は、ヒートシンク７００の第１の端部７０１と取付フランジ４０９の第２の面４１１との間に、軸方向の隙間が存在するように、共通のＸ−Ｘ’軸について同軸に内筒４００内に配置される。ヒートシンク７００の径方向に配置されたフィン７０３の外径は、内筒４００の内径より小さいため、フィン７０３の先端と内筒４００の内側曲面４０３との間に径方向の隙間がある。

モーターハウジング６０１の第２の端部６０３が、ヒートシンク７００に収まり、モーターハウジング６０１の第１の端部６０２が、取付フランジ４０９の孔４１２を通じてヒートシンク７００の第１の端部７０１を越えて突出するように、モーターハウジング６０１の外側曲面６０４の一部は、ヒートシンク７００の内側曲面７０４に受け止められとともに接触する。

凹んだ輪４０６は、輪４０６および取付フランジ４０９の第１の面４１０に隣接するとともに当接したモーターフランジディスク６０６を収める。モーターフランジディスク６０６は、モーターハウジング６０１の第１の端部６０２に当接してモーター６００の軸方向への動きを抑える階段状の部分６０７を有する。モーターフランジディスク６０６は、さらに、モーターフランジディスク６０６と輪４０６との間でガスを密封するためのＯリング（不図示）を受けるための円周溝６０８を含む。

モーター駆動軸６０５は、モーターフランジディスク６０６および輪４０６の孔４０８を通過して伸び、外部ケーシング５００の第１の端部５０２の辺りで終わる。効果的な空気力学の原理を応用した形状を有するローター留め具６０９が、モーター駆動軸６０５の末端に取り外し可能に取り付けられており、外部ケーシング５００の第１の端部５０２を越えて軸方向に伸びている。

ローター２００は、複数の前方に曲がったローター羽根２０１を含む第１の面２０３、および略凸状の第２のまたは後方の面２０４を有する、ローターディスク２０２を含む。ローターディスク２０２は、さらに、モーター駆動軸６０５を受けるための中心孔２０５を含む。ローターディスク２０２は、ねじ込み継手によって取り外し可能にモーター駆動軸６０５に取り付けられている。ローターディスク２０２は、第１の面２０３の中央部に当接するローター留め具６０９、および第２の面２０４の中央部に当接するモーターフランジディスク６０６によって、軸方向の動きを抑えられる。略凸状の第２の面２０４は、輪４０６の略凹状の面４０７に合うように形作られ、面２０４、４０７の間に小さな隙間がある。

一の実施形態において、ローター１００２は、図９ｂに示されるものであり、不安定問題を生じさせることなく、径方向の速度が接線方向の速度に対して極めて低くなるような流れを減少させる、非常に厚い羽根１００３を有する。半径方向の速度Ｃ_ｍ２に対する接線方向の速度Ｃ_θ２の比（Ｃ_θ２：Ｃ_ｍ２）は、慣用的設計のための限界を一桁超えた２５：１までとすることができる。流れは、ローター１００２を離れると、半径方向ではなく基本的に接線方向であり、従って、流れが径方向断面において鋭く径方向‐軸方向に曲がっているように見える箇所のまわりを移動するとき、ガスの曲率半径が実際には非常に大きく、そのため、大きな損失を生じさせることなくそのことが可能である。このようなローター１００２は、前方に湾曲するとともに部分的に入り込んだ羽根１００３を有する。すなわち、羽根１００３は、回転方向に出るように曲がっている。特に、前方への湾曲は、大きく前方に曲がった流れ通路から結果として得られる出口流れが、コンプレッサ羽根１００３の先端の速度より大きな接線方向の速度を有するように、ローター１００２の回転方向で広範囲にわたって接線方向に向かって曲がっている。ローター羽根１００３は、中実または中空であることが可能で、流れの方向に凹状の前面１００７と、曲率の増加した凹状の後面１００８と、を含み、流れの方向と別の方向を指す略Ｄ形状の外形を形作る。羽根１００３は、結果として、ローターのスペースの容量のかなりの割合を占め、前面および後面１００７、１００８の間に「デッドスペース」が規定される。前面１００７は、径方向の最も内側の入口領域で、略接線方向かつ流れ方向に曲げられ、また、約１８０°曲がって、半径方向外側の最も出口側の領域で略接線方向に再び伸びる。隣接する羽根１００３の反対側の後面１００８は、それらの間に、略接線方向に出る略一定の幅の曲がった流れの通路を提供するように形作られている。羽根の具体的な形状／羽根１００３の容積は、圧縮されるガスおよびローター速度に依存し、個々のケースで最適化され得る。出口の羽根の角度は、充分な前進速度が与えられ、その結果、脈動効果を最小限に抑えてコンプレッサの通路の流れを再び合流させるならば、ローター１００２の半径に対し、好ましくは２０°〜９０°（接線方向）の間である。

ローター密封リング６１０は、第１の面６１１に対して垂直に突出する複数の環状同心リブ６１２を含む第１の面６１１、および略平坦な第２の面６１３を有する。ローター密封リング６１０は、第２の面６１３が軸方向に小さな隙間を空けてローター羽根２０１に隣接し、同心リブ６１２が外部ケーシング５００の第１の端部５０２へ軸方向に突出するように、リップ４０５から内側に垂れ下がっている。

図４および図５も参照すると、外部ケーシング５００は、軸流ガイド５０１として以下で述べる略円筒形状の流れ案内部と、ボリュート５５１として以下で述べるその下流のチャンバー部と、を有する。

軸流ガイド５０１は、共通のＸ−Ｘ’軸について、内筒４００の一部のまわりに同軸に配置されている。軸流ガイド５０１は、第１または上流端部５０２、第２または下流端部５０３、ならびに、内側および外側曲面５０４、５０５をそれぞれ有する円筒壁を、それぞれ有する。複数の孔５０９が、締結ボルト（不図示）を受けるために、円筒壁の内部に軸方向に伸びる。内側曲面５０４は、流れ案内部材４１９に当接し、それによって閉じて、環状の通路である流れ通路８００を完全に規定する。

第１の端部５０２は、先細りになっており、また、凹んで内側に垂れ下がるとともに先細りになっている閉鎖フランジ５０７によって規定される縁５０６で終わる。閉鎖フランジ５０７は、中心孔５０８を含み、外部ケーシング５００の第２の端部５５２に向かって軸方向に広がる。閉鎖フランジ５０７は、さらに、Ｏリング（不図示）を受けるための円周溝５１０を有する。

内側に垂れ下がるとともに先細りになっている閉鎖フランジ５０７は、縁４０５に隣接して配置され、流れ入口ダクト８０３として以下で述べる隙間を規定する。先細りになった第１の端部５０２は、内側曲面５０４および略平坦で平滑な部分４１８によって境界がつけられた、軸対称で軸方向に第２の端部５０３に向かって末広がりの、以下で環状の流れの入口８０４として述べる、環状流路を規定する。

軸流ガイド５０１の第２の端部５０３は、外側に伸び締結ボルト（不図示）を受けるための複数の孔５１２を含む径方向に突出した相フランジ５１１で終わる。相フランジ５１１は、さらに、Ｏリング（不図示）を受けるための円周溝５１３を含む。

ボリュート５５１は、共通のＸ−Ｘ’軸について、内筒４００の一部のまわりに同軸に配置される。ボリュート５５１は、第１および第２の端部５５３、５５２をそれぞれ有する。外側に伸びて軸流ガイド５０１の第２の端部５０３の相フランジ５１１の直径と等しい直径となった径方向に突出した相フランジ５５４で、第１の端部５５３は終わる。相フランジ５５４は、締結ボルト（不図示）を受けるための複数の孔５５５を含み、各孔５５５、５１２を通るボルトによって、軸流ガイド５０１の第２の端部５０３の相フランジ５１１に取り外し可能に取り付けられる。円周溝５１３内のＯリング（不図示）は、相フランジ５５４、５１１の間でガスを密封する。

外側に伸びて内筒４００の接続フランジ４１４の直径と等しい直径となった径方向に突出した接続フランジ５５６で、ボリュート５５１の第２の端部５５２は終わる。接続フランジ５５６は、締結ボルト（不図示）を受けるための複数の孔５５７を含み、各孔５５７、４１５を通るボルトによって、内筒４００の接続フランジ４１４に取り外し可能に取り付けられる。

（断面が）略Ｕ字形状をした半径方向に突出した流路部５５８は、ボリュート５５１の相フランジ５５４および接続フランジ５５６へと伸びて相フランジ５５４と接続フランジ５５６との間の流路５６１を規定する第１および第２のフランジ部５５９、５６０のそれぞれを有し、またボリュート壁を規定する。流路部５５８は、外側に伸びており、縁５０６における半径を越えるとともにボリュート５５１の外周まわりで変化する半径を有する。従って、流路５６１の断面は、ボリュート５５１の外周まわりで変化する。

流路部５５８の第２のフランジ部５６０は、内筒４００の円筒壁の径方向に突出した部分４１６に当接する。円周溝４１７内のＯリング（不図示）は、第２のフランジ部５６０と径方向に突出した部分４１６との間でガスを密封する。

ボリュート５５１は、さらに、流路５６１から略接線方向に伸び、縁５０６より外側に突出する、流れ排出のための流管５６２を含む。流管５６２は、略末広がりの円錐形状の断面へと変化する略矩形の断面を有する。流管５６２は、締結ボルト（不図示）を受けるための複数の孔５６４を有する接続フランジ５６３で終わる。

遮蔽板５１４（図１参照）は、中心孔５１５、および締結ボルト（不図示）を受けるための複数の孔５１６を有する。遮蔽板５１４は、遮蔽板５１４の孔５１６を通って軸流ガイド５０１の円筒壁の孔５０９に入るボルトによって、外部ケーシング５００の閉鎖フランジ５０７に取り外し可能に取り付けられる。円周溝５１０内のＯリング（不図示）は、遮蔽板５１４と閉鎖フランジ５０７との間でガスを密封する。さらに、遮蔽板５１４は、ローター密封リング６１０の第１の面６１１の同心リブ６１２に当接し、それによって、密封された流路をローターディスク２０２の中央部に構成する。

従って、上流または入口の第１の端部４０１、５０２、内筒４００の下流または出口の第２の端部４０２、５５２、および外部ケーシング５００のそれぞれの間で伸びる流路が規定される。上述のことから、流路が４つの明確に区別される流れの領域を含むことは明らかである。第１の流れの領域は、流れ入口ダクト８０３でローター羽根２０１（または１００３、図９ａ、９ｂ）に隣接して略径方向に広がっている。この領域は、ローター羽根２０１（または１００３、図９ａ、９ｂ）を離れる空気の比較的大きな接線方向の速度成分および小さな径方向の速度成分に関連する。径方向の近接のため、例えば径方向に伸びた流路を必要とすることなく、例えばローターの先端に使用可能な隙間を開けるだけで、内筒４００の内側曲面４０３（または壁）は、有利に、流体の流れの径方向の速度成分を減少させ、軸方向の速度成分を増加させる。このことによって、ディフューザの直径および長さが減少する。さらに、第１の流れの領域の面積が、軸下流方向に径方向に増加し、拡大する領域を提供することが分かる。さらに、または代わりに、壁４０３が径方向外側に傾斜する。さらに、または代わりに、軸方向の出口エリアが、ローターの出口の円筒形状のエリアより小さくなり、好ましくは著しく小さくなる。これは、結果として得られる軸方向の速度が依然として低いため大きな圧力損失を生じさせることなく比較的低い半径方向の高さの通路へと軸方向に流れを変えることができるような、小さい径方向および軸方向の速度を生み出すタイプのコンプレッサローターと調和する。

第２の流れの領域は、略軸方向に伸び、環状の流れの入口８０４で、流れ入口ダクト８０３から複数のうず巻線状流れ通路８００の入口８０１または流入／上流端部へ、流路の略平坦で平滑な部分４１８に沿って末広がりに伸びている。この領域は、優勢な接線方向および軸方向の速度成分に関連する。

第３の流れの領域は、内筒４００の第２の端部４０２に向かって軸方向に断面積が増加するとともに複数の出口８０２で終わる、略軸方向および接線方向／周方向に伸びる、複数のうず巻線状またはつる巻線状の通路８００を有する、環状の空間に位置する。この領域は、優勢な接線方向および軸方向の速度成分に関連する。

第４の流れの領域は、断面が変化するボリュート５５１の円周流路５６１、および略末広がりの接線方向の出口流管５６２に位置する。この領域は、優勢な接線方向および径方向の速度成分に関連する。

使用時、モーター６００の駆動軸６０５は回転し、中心で空気を吸い込みローター羽根２０１に送るローターディスク２０２を回す。ローター羽根２０１は、空気を加速させ、比較的小さい径方向の速度成分および大きな接線方向の速度成分で、空気を入口ダクト８０３に送る。

流れの径方向の速度成分は、環状の流れの入口８０４を部分的に規定しローター羽根２０１の先端にごく近接した内側曲面５０４によって、当初の値のごくわずか（またはゼロ）まで減少させられる。流れは、小さな軸方向の流れ成分で略円周状の通路に従って進むように、環状の流れの入口８０４によって軸方向に案内される。従って、流れは、末広がりの環状の流れの入口８０４に沿って通過し、そうしている間に、大体減速させられる。環状の流れの入口８０４は軸対称であるため、流れは、そこで、ローター２００の角度位置にかかわらず一定の状態となる。

その後、流れは、略平坦で平滑な環状の流れの入口８０４の外周のまわりで減少するとともに大いに安定させられた絶対速度で、流れ案内部材４１９に実質的に平行な方向に、うず巻線状の流れ通路８００の入口８０１に入る。うず巻線状の流れ通路８００の断面積が軸方向に増加するため、流れが通路８００に沿って通過する間に、流れの絶対速度はさらに減少する。

次に、減速した流れは、うず巻線状の流れ通路８００の出口８０２を離れ、流路５６１に入り、静圧がかなり増加する。流れの絶対速度は、流れが流路５６１の拡大する断面を通過し、略末広がりの流管５６２を通ってディフューザから出る間に、さらに小さくなる。

従って、ディフューザ３００は、ディフューザに沿って環状の流れエリアを通じて大きな曲率半径をガスの流れに提供し、大きな圧力損失を生じさせることなく流れの速度を低下させるとともに静圧を増加させることによって、ローターによって生み出された比較的小さい径方向の流れ成分を効果的に利用する。このことは、有利に、ディフューザに沿って一定で安定した流れの状態をもたらし、その結果、騒音および振動を減らす。さらに、ディフューザ３００は、このことを、軸方向の速度成分を有する流れを方向付けることによって達成するので、従来技術の径方向‐接線方向ディフューザ羽根を必要としない。従って、回転動力機械の直径が小さくてもよく、それによって、よりコンパクトな機械の可能性を与える。

本発明の一実施形態では、ディフューザは、モーターのまわりに配置されない。図６を参照して、例えば上述のタイプのローターが、モーター６００の駆動軸６０５に取り付けられる。空気の流れの方向がモーター６００からほぼ離れるように、ディフューザ３００は、モーター６００に隣接しながらも軸方向に離隔して配置される。

本発明の他の実施形態では、外側曲面４０４の平坦で平滑な部分４１８は、縁４０５から、第２の端部４０２までの距離の約６分の１以外の距離の所まで伸びている。

本発明の一実施形態では、内筒４００および外部ケーシング５００のうちの一方または両方のうちの少なくとも一部が、流路の断面積が軸方向に増加するような略円錐形状である。

本発明の実施形態では、複数のディフューザが、互いつながって一連のディフューザの段階を構成する。図７を参照すると、ディフューザ組立品３０１は、連続してつながった、各入口３１１、３２１、３３１および各出口３１２、３２２、３３２を備える、同様の略円錐形状のディフューザ３１０、３２０、３３０の３つの段階を有する。各ディフューザ３１０、３２０、３３０は、各ローター羽根２１１、２２１、２３１を有する各ローター２１０、２２０、２３０に関連する。ローター２１０、２２０、２３０、は、モーター６３０に取り付けられた共通の駆動軸６２０に備え付けられる。

使用時、流れは、第１のローター羽根２１１（または１００３、図９ａ、９ｂ）から第１のディフューザ３１０の入口３１１へ通過し、第１のディフューザ３１０の出口３１２を離れ、その結果、上述のように絶対速度が減少するとともに静圧が増加する。その後、流れは第２のローター羽根２２１（または１００３、図９ａ、９ｂ）へ移動しそこから第２のディフューザ３２０の入口３２１へ通過し、第２のディフューザ３２０の出口３２２を離れ、その結果、さらに絶対速度が減少するとともに静圧が増加する。その後、流れは第３のローター羽根２３１（または１００３、図９ａ、９ｂ）へ移動しそこから第３のディフューザ３３０の入口３３１へ通過し、第３のディフューザ３３０の出口３３２を離れ、その結果、なお一層、絶対速度が減少するとともに静圧が増加する。

ディフューザ３００は、駆動軸６２０の軸Ｚ−Ｚ’に対して斜めに配置され、コンパクトであるように、段階分けされた組立品の全長を小さくする略円錐の形状を形作る。

図８を参照して、他の実施形態では、３つの同様の略円筒形状のディフューザの段階３４０、３５０、３６０は、軸方向に次第に小さくなるとともに同軸に積み重なり、従ってディフューザ組立品の直径および長さが減少する。３つのディフューザの段階が示されるが、この原理は、異なる数の積み重ねられた段階に適用可能である。

他の実施形態（不図示）では、段階分けされたディフューザ３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０は、似ておらず、例えば、略円錐形状のディフューザと略円筒形状のディフューザとを組み合わせたものである。

本発明の実施形態では、内筒４００および外部ケーシング５００を含む上述の様々な構成要素が、アルミニウムもしくはチタン等の金属、もしくはそれらの合金、プラスチック、または当業者にとって自明な他の適した材料から形成される。さらに、寸法もしくは相対的な寸法は、必要に応じて変えることができる。

本発明の実施形態では、内筒４００および外部ケーシング５００を含む、上述の様々な構成要素の作製方法は、一つ以上の、機械加工、鋳造、ラピッドプロトタイピング、射出成形、成形、溶接、接着、機械的締結、または当業者にとって自明な他の適した手段を含む。

本発明の他の実施形態は、流れ案内部材４１９およびうず巻線状の流れ通路８００をいくらでも望むだけ含む。

本発明の実施形態では、環状の流れの入口８０４の少なくとも一部は、一定の断面、または軸方向に収束する。

本発明の実施形態は、様々な回転動力機械および適当なコンプレッサに適し、比較的大きな接線方向の速度成分を有するものに限定されず、例えばポンプを含む。

ディフューザは、低い比速度のローターを備えたポンプとともに使用するのに適する。一般に、圧力上昇が高い場合、ポンプは低比速度として分類され、特許請求の範囲に記載されたディフューザが有効である。一つの潜在的な用途は、ポンプの直径が非常に制限されたときの井戸からの石油のくみ上げである。

本発明の実施形態は、空気以外のガスを含む流体とともに使用するのに適する。

本発明の他の実施形態では、電気モーターが、タービンに置き換えられ、ローターを駆動する動力を供給する。

Claims (22)

1. 軸方向に伸びる実質的に連続した入口領域を入口側の軸端部に有し、前記入口領域は軸下流方向に断面積が増加する、流れエリアと、
   出口側の軸端部に向かって伸びる流れ案内部材によって規定されるとともに接線方向および軸方向の成分を有する実質的に連続した通路を含む、流れ案内領域と、
   を有する、回転動力機械のためのディフューザ。
2. 内壁および外壁を有し、前記外壁は、前記内壁と同軸であり、当該内壁との間に環状の流れエリアを規定し、当該環状の空間は前記流れ案内領域または流れエリアを含む、請求項１に記載のディフューザ。
3. 前記内壁および前記外壁のうちの少なくとも一方は、略円筒形状または円錐形状である、請求項２に記載のディフューザ。
4. 前記外壁は、前記内壁の少なくとも一部を収容する、請求項２または請求項３に記載のディフューザ。
5. 前記入口側の軸端部は、径方向に配置された入口ダクトを含む、請求項１〜請求項４のうちのいずれか１つに記載のディフューザ。
6. 前記通路は、略うず巻線状またはつる巻線状である、請求項１〜請求項５のうちのいずれか１つに記載のディフューザ。
7. 前記通路は、一定の断面積を有する、請求項１〜請求項６のうちのいずれか１つに記載のディフューザ。
8. 前記通路の少なくとも一部は、軸方向に末広がりまたは収束する、請求項１〜請求項７のうちのいずれか１つに記載のディフューザ。
9. 前記通路は、前記ディフューザの前後軸に対し７０°〜８０°の間の入口角度を有する、請求項１〜請求項８のうちのいずれか１つに記載のディフューザ。
10. 前記流れ案内部材が、前記ディフューザの前後軸について６０°〜９０°の円弧角度にわたって連続的である、請求項１〜請求項９のうちのいずれか１つに記載のディフューザ。
11. 前記出口側の軸端部に向かって伸びる前記流れ案内部材の間で規定される、各々が接線方向および軸方向の成分を有する実質的に連続した複数の通路を含む、請求項１〜請求項１０のうちのいずれか１つに記載のディフューザ。
12. 軸下流方向に断面積が増加する流入端部を有する流れエリアを含む、回転動力機械のためのディフューザ。
13. 出口側の軸端部に向かって伸びる流れ案内部材によって規定されるとともに接線方向および軸方向の成分を有する通路を含む、流れエリアを有する、回転動力機械のためのディフューザ。
14. 軸方向に伸びる実質的に連続した入口領域を入口側の軸端部に有する流れエリアを含み、前記入口領域は軸下流方向に断面積が増加する、回転動力機械のためのディフューザ。
15. 出口側の軸端部に向かって伸びる流れ案内部材によって規定されるとともに接線方向および軸方向の成分を有する実質的に連続した通路を含む、流れ案内領域を有する、回転動力機械のためのディフューザ。
16. ローターおよびディフューザを有する回転動力機械であって、
    前記ディフューザは、
    前記ローターの周囲に径方向に隣接して設けられ軸下流方向に断面積が増加する入口領域を、入口側の軸端部に有する流れエリアと、
    内壁および当該内壁と同軸で当該内壁との間に環状の流れエリアを規定する外壁と、
    出口側の軸端部に向かって伸びる流れ案内部材によって規定されるとともに接線方向および軸方向の成分を有する実質的に連続した通路を含む、流れ案内領域と、を有する、回転動力機械。
17. 前記ローターは、径方向の速度に対する接線方向の速度の比が少なくとも１０である流れを供給するように構成されている、請求項１６に記載の回転動力機械。
18. 添付の図１〜８に示されるとともにこれらを参照して説明されたものと実質的に同様に構成され配置されたディフューザ。
19. 請求項１〜１８のうちのいずれか１つに記載のディフューザを有する、コンプレッサ。
20. 請求項１〜１９のうちのいずれか１つに記載のディフューザを有する、ポンプ。
21. 請求項１〜２０のうちのいずれか１つに記載のディフューザを有する、回転動力機械。
22. 積み重ねられて円錐形状を形作る複数のディフューザ段階を含む、請求項１６に記載の回転動力機械。