JP2018091316A - ターボ機械及びそれを用いたヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】液相の作動流体、回転軸の潤滑液などの液体がケーシングの内部に貯まることに基づく不利益を除去又は減少させてターボ機械の性能を向上させる。
【解決手段】本開示のターボ機械（１００）は、回転軸（４２）、翼車（３０）及びケーシング（７０）を備えている。ケーシング（７０）は、ボリュート（７３）及び舌部（７６）を有する。回転軸（４２）の軸線（Ｏ）に垂直な平面にターボ機械（１００）を正射影することによって得られる投影図において、回転軸（４２）の軸線（Ｏ）を通り、重力方向（Ｇ）に垂直な直線をＸ軸と定義し、舌部（７６）の先端（７６ｔ）を通り、Ｘ軸に平行な直線を第１基準線（Ｈ１）と定義する。Ｘ軸と第１基準線（Ｈ１）との間の距離（Ｄ）が翼車（３０）の半径（ｒ）よりも大きい。
【選択図】図２

Description

本開示は、ターボ機械及びそれを用いたヒートポンプに関する。

ターボ機械は、例えば、作動流体を圧縮するターボ圧縮機又は作動流体を膨張させる膨張タービンとして知られている。

図６Ａは、特許文献１に記載された排気ガスタービンの平面図である。排気ガスタービンは、ケーシング３０１及び動翼３０３を備えている。ケーシング３０１は、ガス入口３０５及びボリュート部３０７を有する。排気ガスは、ガス入口３０５からケーシング３０１に導入され、ボリュート部３０７を通って、動翼３０３に到達する。図６Ａに示す排気ガスタービンの基本構造は、ターボ圧縮機（詳細には遠心圧縮機）の基本構造と概ね同じである。

特開平３−２１７６０２号公報

ターボ機械において、液相の作動流体、回転軸の潤滑液などの液体がケーシングの内部に貯まることがある。このことは、ターボ機械の性能低下の原因となる。

本開示の目的は、液相の作動流体、回転軸の潤滑液などの液体がケーシングの内部に貯まることに基づく不利益を除去又は減少させてターボ機械の性能を向上させることにある。

すなわち、本開示は、
回転軸と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸の軸線の周りを回転することによって常温での飽和蒸気圧が負圧となる作動流体を圧縮又は膨張させる翼車と、
前記翼車を覆っているケーシングと、
を備え、
前記ケーシングは、前記作動流体の流路であるボリュートと、前記ボリュートの一端部と前記ボリュートの他端部とを隔てる壁である舌部とを有し、
前記回転軸の前記軸線に垂直な平面に前記ターボ機械を正射影することによって得られる投影図において、前記回転軸の前記軸線を通り、重力方向に垂直な直線をＸ軸と定義し、前記投影図において、前記舌部の先端を通り、前記Ｘ軸に平行な直線を第１基準線と定義したとき、
前記Ｘ軸と前記第１基準線との間の距離が前記翼車の半径よりも大きい、ターボ機械を提供する。

本開示によれば、液相の作動流体、回転軸の潤滑液などの液体がケーシングの内部に貯まることに基づく不利益を除去又は減少させてターボ機械の性能を向上させることができる。

図１は、本開示の実施形態１にかかるターボ機械の断面図である。 図２は、図１に示すターボ機械の投影図である。 図３は、本開示の実施形態２にかかるターボ機械の投影図である。 図４は、本開示の実施形態３にかかるターボ機械の投影図である。 図５は、ターボ機械を備えたヒートポンプの構成図である。 図６Ａは、特許文献１に記載された排気ガスタービンの平面図である。 図６Ｂは、従来のターボ機械の問題点を説明するための図である。

（本開示の基礎となった知見）
特許文献１に記載された排気ガスタービンの構造には、次の欠点がある。図６Ｂに示すように、ケーシング３０１は舌部３０９を含む。開口部３０５が下側に位置しているとき、ケーシング３０１の内部に液相の作動流体、回転軸の潤滑液などの液体がケーシング３０１の内部に貯まることがある。液相の作動流体、回転軸の潤滑液などの液体は、最大で舌部３０９の先端を通る基準面Ｈの位置まで貯まる。動翼３０３の軸線Ｏから基準面Ｈまでの距離ｄが動翼３０３の半径ｒよりも小さいので（ｄ＜ｒ）、ケーシング３０１の内部に貯まった液体に動翼３０３の一部が浸かる可能性がある。さらに、貯まった液体によって、ボリュート部３０７の一部及びディフューザの一部が閉塞される。この場合、作動流体の流れが大きく乱れ、動翼３０３を回転させるために必要な動力が増加し、ターボ機械の性能が大幅に低下する。

ただし、上記の課題の有無は、作動流体の特性に依存する。

気相の作動流体の密度が液相の作動流体の密度に近い場合、液相の作動流体は、気相の作動流体によって押し流されやすい。そのため、ターボ機械の停止時にケーシングの内部に液相の作動流体が貯まったとしても、ターボ機械の起動後、気相の作動流体の流れによって液相の作動流体が押し流され、ケーシングの内部から取り除かれる。このような働きを持つ作動流体としては、Ｒ１３４ａなどのフロン冷媒が挙げられる。気相のＲ１３４ａの密度に対する液相のＲ１３４ａの密度の比は、約４４倍である。

他方、気相の作動流体の密度が液相の作動流体の密度と大幅に乖離している場合、液相の作動流体は、気相の作動流体によって押し流されにくい。このような作動流体としては、常温での飽和蒸気圧が負圧となる作動流体が挙げられる。例えば、水は、常温での飽和蒸気圧が負圧となる作動流体である。気相の水（水蒸気）の密度に対する液相の水の密度の比は、約５８０００倍である。この値は、Ｒ１３４ａの気相密度に対する液相密度の比（約４４倍）と比べて非常に大きい。

本開示の第１態様にかかるターボ機械は、
回転軸と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸の軸線の周りを回転することによって常温での飽和蒸気圧が負圧となる作動流体を圧縮又は膨張させる翼車と、
前記翼車を覆っているケーシングと、
を備え、
前記ケーシングは、前記作動流体の流路であるボリュートと、前記ボリュートの一端部と前記ボリュートの他端部とを隔てる壁である舌部とを有し、
前記回転軸の前記軸線に垂直な平面に前記ターボ機械を正射影することによって得られる投影図において、前記回転軸の前記軸線を通り、重力方向に垂直な直線をＸ軸と定義し、前記投影図において、前記舌部の先端を通り、前記Ｘ軸に平行な直線を第１基準線と定義したとき、
前記Ｘ軸と前記第１基準線との間の距離が前記翼車の半径よりも大きいものである。

上記の構成によれば、舌部の先端よりも下側の空間に液体が貯まったとしても、Ｘ軸と第１基準線との間の距離が翼車の半径よりも大きいので、貯まった液体に翼車が直接接することを回避できる。そのため、貯まった液体による翼車の流路の閉塞、翼車による液体の撹拌を避けることができる。その結果、ターボ機械の性能が維持される。この効果は、常温での飽和蒸気圧が負圧となる作動流体がターボ機械に使用された場合に特に顕著である。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかるターボ機械の前記投影図において、前記回転軸の前記軸線を通り、前記Ｘ軸に直交する直線をＹ軸と定義し、前記投影図において、前記Ｘ軸及びＹ軸によって区切られた４つの区域を前記回転軸の前記軸線の周りに沿って第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限と定義し、前記Ｘ軸が正のＸ軸と負のＸ軸とを含み、前記Ｙ軸が正のＹ軸と負のＹ軸とを含み、前記ボリュートの前記一端部は、前記ボリュートの前記他端部の流路面積よりも小さい流路面積を有する部分であり、前記投影図において、前記一端部から前記他端部に向かって前記ボリュートを辿ったとき、前記負のＸ軸が前記正のＸ軸よりも先に前記ボリュートと交差しており、前記負のＹ軸は、前記第１基準線と交差する軸であり、前記正のＹ軸は、前記第１基準線と交差しない軸であり、前記正のＸ軸と前記正のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第１象限であり、前記負のＸ軸と前記正のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第２象限であり、前記負のＸ軸と前記負のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第３象限であり、前記正のＸ軸と前記負のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第４象限であり、前記第４象限を前記回転軸の前記軸線の周りにおいて等角度に２等分する直線を第２基準線と定義し、前記第４象限は、前記第２基準線によって区切られた２つの部分を含み、前記２つの部分は、前記回転軸の前記軸線の周りにおいて、前記第１象限に隣り合う第１部分と、前記第３象限に隣り合う第２部分とを含み、前記舌部の少なくとも一部が前記４象限の前記第２部分に存在する。

第２態様によれば、液体が貯まることができる空間をさらに縮小することができる。ケーシングの内部に液相の作動流体などの液体が最大限に貯まったとしても、貯まった液体によって占有されるディフューザの体積は僅かである。したがって、貯まった液体によるディフューザの閉塞をより確実に防ぐことができる。この場合、定常運転時のように、ディフューザを高速かつ大量の作動流体が流れる条件でターボ機械を運転したとき、流路抵抗による動力の増加及び圧力比の低下が効果的に抑制されうる。結果として、優れた性能のターボ機械が提供されうる。

本開示の第３態様において、例えば、第１態様にかかるターボ機械の前記投影図において、前記回転軸の前記軸線を通り、前記Ｘ軸に直交する直線をＹ軸と定義し、前記投影図において、前記Ｘ軸及びＹ軸によって区切られた４つの区域を前記回転軸の前記軸線の周りに沿って第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限と定義したとき、前記Ｘ軸が正のＸ軸と負のＸ軸とを含み、前記Ｙ軸が正のＹ軸と負のＹ軸とを含み、前記ボリュートの前記一端部は、前記ボリュートの前記他端部の流路面積よりも小さい流路面積を有する部分であり、前記投影図において、前記一端部から前記他端部に向かって前記ボリュートを辿ったとき、前記負のＸ軸が前記正のＸ軸よりも先に前記ボリュートと交差しており、前記負のＹ軸は、前記第１基準線と交差する軸であり、前記正のＹ軸は、前記第１基準線と交差しない軸であり、前記正のＸ軸と前記正のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第１象限であり、前記負のＸ軸と前記正のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第２象限であり、前記負のＸ軸と前記負のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第３象限であり、前記正のＸ軸と前記負のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第４象限であり、前記ボリュートの前記他端部は、第１の方向に向かって開口している開口部を含み、前記投影図において、前記開口部の一部が前記第３象限に存在し、前記舌部の全体が前記第３象限に存在している。

第３態様によれば、液体が貯まることができる空間をさらに縮小することができる。ケーシングの内部に液相の作動流体などの液体が最大限に貯まったとしても、貯まった液体がディフューザに殆ど干渉しない。つまり、本実施形態によれば、ケーシングの内部において液体が貯まることができる空間を最小化することができる。貯まった液体によって占有されるボリュートの体積も僅かである。ボリュートの閉塞を極力防止することによって、作動流体の流れの乱れも防止される。特に、定常運転時におけるボリュートの空力性能の低下を防ぐことができる。結果として、優れた性能のターボ機械が提供されうる。

本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかるターボ機械は、前記回転軸を回転可能に支持する軸受をさらに備え、前記軸受が流体潤滑軸受である。第４態様によれば、軸受から潤滑液が漏洩した場合においても、翼車は、ケーシングの内部に貯まった潤滑液に直接接触しない。潤滑液による翼車の流路の閉塞、翼車による潤滑液の撹拌を避けることができる。その結果、ターボ機械の性能が維持される。この効果は、ターボ機械の作動流体を軸受の潤滑液として利用した場合に十分に得られる。

本開示の第５態様にかかるヒートポンプは、
常温での飽和蒸気圧が負圧となる作動流体が流れる経路と、
前記経路上に現われる蒸発器と、
前記経路上に現われる第１〜第４態様のいずれか１つにかかるターボ機械と、
前記経路上に現われる凝縮器と、
を備えたものである。

第５態様によれば、第１態様と同じ効果が得られるので、優れた効率のヒートポンプを提供することができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態のターボ機械１００は、第１ユニット１０１及び第２ユニット１０２を備えている。つまり、本実施形態のターボ機械１００は、１軸２段のターボ機械である。ターボ機械１００は、例えば、遠心圧縮機である。ターボ機械１００が遠心圧縮機であるとき、第１ユニット１０１及び第２ユニット１０２のそれぞれが圧縮機の機能を発揮する。

本実施形態において、第１ユニット１０１の構造は、基本的には、第２ユニット１０２の構造と同じである。そのため、便宜上、第１ユニット１０１と第２ユニット１０２との間の対応する部品に同じ参照符号を付与する。ただし、第１ユニット１０１の構造（寸法、形状など）が第２ユニット１０２の構造と異なっていてもよい。

第１ユニット１０１及び第２ユニット１０２のそれぞれは、回転軸４０、翼車３０、軸受３２及びケーシング７０を備えている。回転軸４０は、第１ユニット１０１及び第２ユニット１０２に共通の部品である。翼車３０は、回転軸４０に固定され、回転軸４０とともに回転軸４０の軸線Ｏの周りを回転することによって作動流体を圧縮又は膨張させる。軸受３２は、回転軸４０を回転可能に支持している。ケーシング７０は、回転軸４０の周方向において翼車３０の周囲に配置されている。翼車３０はケーシング７０によって覆われている。ケーシング７０は、その内部に作動流体の流路を規定している。作動流体の流路には、ディフューザ７２及びボリュート７３が含まれる。ディフューザ７２は、翼車３０とボリュート７３との間の流路である。ボリュート７３は、作動流体の流れ方向に沿って拡大又は縮小する流路面積を有する。

第１ユニット１０１及び第２ユニット１０２のそれぞれは、さらに、電動機５０（又は発電機）、電動機ケーシング５５、軸受ケーシング６０及び連結部材８１を備えている。電動機５０及び電動機ケーシング５５は、第１ユニット１０１及び第２ユニット１０２に共通の部品である。電動機５０は、固定子５０ａ及び回転子５０ｂを含む。固定子５０ａは、電動機ケーシング５５に固定されている。回転子５０ｂは、回転軸４０に固定されている。

回転軸４０の軸線Ｏに平行な方向における回転軸４０の両端部４２は、それぞれ、円錐台の形状を有する部分を含む。回転軸４０の両端部４２が１対の軸受３２によって回転可能に支持されている。

軸線Ｏに平行な方向において、翼車３０は、軸受３２と電動機５０との間で回転軸４０に固定されている。翼車３０は、複数のブレード３１を有する。第１ユニット１０１の翼車３０のブレード３１が軸線Ｏに平行な一方向を向き、第２ユニット１０２の翼車３０のブレード３１が軸線Ｏに平行な他の方向を向くように、１対の翼車３０が回転軸４０に固定されている。

ケーシング７０は、連結部材８１を介して電動機ケーシング５５に固定されている。ケーシング７０は、翼車３０のブレード３１を翼車３０の半径方向外側で取り囲むシュラウド壁７１を有する。ケーシング７０の内部において、ディフューザ７２は、翼車３０の半径方向外側に形成された環状の流路である。ケーシング７０の内部において、ディフューザ７２は、ボリュート７３に連通している。ディフューザ７２は、翼車３０で加速された作動流体の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する機能を有する。ディフューザ７２が部分的に閉塞すると、作動流体の流れの乱れに起因して圧力損失が増加して電動機５０の負荷が増加するだけでなく、静圧の回復が阻害されることによる圧力比の低下を招く。

ケーシング７０の材料は、特に制限されない。ケーシング７０は、典型的には、鉄鋼又は非鉄金属でできている。鉄鋼の例には、鋳鉄及びステンレス鋼が含まれる。非鉄金属の例には、アルミニウム及びチタンが含まれる。例えば、ケーシング７０がステンレス鋼でできている場合、ターボ機械１００の作動流体が水であってもケーシング７０が耐腐食性に優れる。その結果、ターボ機械１００が高い信頼性を有する。また、ケーシング７０がアルミニウムでできている場合、ケーシング７０が鉄鋼でできている場合に比べて、ケーシング７０の重量を大幅に低減することができる。ターボ機械１００においてケーシング７０は比較的大きい部品であるので、ケーシング７０がアルミニウムでできている場合、ターボ機械１００を有利に軽量化することができる。

軸受ケーシング６０は、ケーシング７０に固定されている。軸受ケーシング６０の内部に軸受３２が配置されている。軸受ケーシング７０を介して、軸受３２がケーシング７０に固定されている。

ターボ機械１００が圧縮機であるとき、電動機５０の働きにより、翼車３０が回転軸４０とともに高速で回転する。これにより、翼車３０の前方の作動流体が翼車３０を通過して圧縮される。翼車３０を通過して圧縮された作動流体は、ディフューザ７２及びボリュート７３を通過してケーシング７０の外部に吐出される。第１ユニット１０１で圧縮された作動流体は、第２ユニット１０２に吸い込まれ、さらに圧縮される。

ターボ機械１００の作動流体は特に制限されない。作動流体は、例えば、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／ＪＩＳ Ｚ ８７０３）における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧よりも低い流体である。このような流体としては、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む流体を挙げることができる。「主成分」は、質量比にて最も多く含まれた成分を意味する。作動流体は、典型的には、水である。

図２は、図１に示すターボ機械の投影図であり、翼車、ディフューザ及びボリュートの位置関係を表している。図２に示す投影図は、回転軸４０の軸線Ｏに垂直な平面にターボ機械１００（本実施形態では第１ユニット１０１）を正射影することによって得られる。また、図２に示す投影図は、図１に示す矢印Ａの方向から第１ユニット１０１を観察したときの平面図に対応している。図２に示す投影図において、翼車３０が実線で示され、ディフューザ７２の外縁が実線で示され、ボリュート７３が破線で示されている。ボリュート７３の内側に環状のディフューザ７２があり、ディフューザ７２の内側に翼車３０がある。図１及び図２から理解できるように、回転軸４０の半径方向において、ディフューザ７２は、ボリュート７３にオーバーラップしている。本実施形態において、ボリュート７３は、重力方向Ｇに向かって開口している。「重力方向」は、ターボ機械１００をヒートポンプなどのシステムに設置したときの重力方向を意味する。

図２に示すように、ケーシング７０は、舌部７６及び開口部８０をさらに有する。舌部７６は、ボリュート７３の一端部７８と他端部７９とを隔てる壁である。ボリュート７３の一端部７８は、ボリュート７３の他端部７９の流路面積よりも小さい流路面積を有する部分である。言い換えれば、一端部７８は、ボリュート７３の巻き始め端部である。他端部７９は、ボリュート７３の巻き終わり端部である。ターボ機械１００が圧縮機であるとき、一端部７８が作動流体の流れ方向の上流側にあり、他端部７９が作動流体の流れ方向の下流側にある。ターボ機械１００がタービンであるとき、一端部７８が作動流体の流れ方向の下流側にあり、他端部７９が作動流体の流れ方向の上流側にある。「ボリュート７３の流路面積」は、例えば、ボリュート７３の任意の位置において、断面積が最小となるようにボリュート７３を切断することによって得られた断面におけるボリュート７３の面積を意味する。本実施形態において、ボリュート７３の流路面積は、一端部７８から他端部７９に向かって徐々に拡大している。開口部８０は、ボリュート７３の他端部７９に含まれた部分であり、重力方向Ｇ（第１の方向）に向かって開口している。

舌部７６は、一端部７８と他端部７９との間で作動流体の往来することを禁止している。言い換えれば、舌部７６は、ボリュート７３の一端部７８を流れる作動流体がボリュート７３の他端部７９を流れる作動流体と混ざり合うことを阻止する。他方、舌部７６の先端７６ｔはディフューザ７２に接している。そのため、ディフューザ７２を介して、ボリュート７３の一端部７８は、ボリュート７３の他端部７９に連通している。ケーシング７０の内部における舌部７６の先端７６ｔよりも下側の空間（ボリュート７３の一部及びディフューザ７２の一部）には、液相の作動流体、軸受３２の潤滑液などの液体が貯まる可能性がある。

図２に示す投影図において、以下の通り、Ｘ軸及び第１基準線Ｈ１を定義する。回転軸４０の軸線Ｏを通り、重力方向Ｇに垂直な直線をＸ軸と定義する。舌部７６の先端７６ｔを通り、Ｘ軸に平行な直線を第１基準線Ｈ１と定義する。本実施形態において、Ｘ軸と第１基準線Ｈ１との間の距離Ｄが翼車３０の半径ｒよりも大きい（Ｄ＞ｒ）。距離Ｄは、Ｘ軸から第１基準線Ｈ１までの最短距離を意味する。

上記の構成によれば、舌部７６の先端７６ｔよりも下側の空間に液体が貯まったとしても、Ｘ軸と第１基準線Ｈ１との間の距離Ｄが翼車３０の半径ｒよりも大きいので、貯まった液体に翼車３０が直接接することを回避できる。そのため、貯まった液体による翼車３０の流路（隣り合うブレード３１の間の流路）の閉塞、翼車３０による液体の撹拌を避けることができる。その結果、ターボ機械１００の性能が維持される。この効果は、常温での飽和蒸気圧が負圧となる作動流体がターボ機械１００に使用された場合に特に顕著である。

翼車の半径ｒの最大値は、例えば、Ｄ×０．９９である。もちろん、距離Ｄと翼車３０の半径ｒとの差（Ｄ−ｒ）の範囲は、翼車３０の寸法などに依存するので特に限定されない。

次に、図２に示す投影図において、回転軸４０の軸線Ｏを通り、Ｘ軸に直交する直線をＹ軸と定義する。Ｘ軸は、正のＸ軸（＋Ｘ）と負のＸ軸（−Ｘ）とを含む。Ｙ軸は、正のＹ軸（＋Ｙ）と負のＹ軸（−Ｙ）とを含む。一端部７８から他端部７９に向かってボリュート７３を辿ったとき（図２では時計回り方向）、負のＸ軸が正のＸ軸よりも先にボリュート７３と交差している。図２において、軸線Ｏの右側に正のＸ軸があり、軸線Ｏの左側に負のＸ軸がある。軸線Ｏの下側に負のＹ軸があり、軸線Ｏの上側に正のＹ軸がある。負のＹ軸は、第１基準線Ｈ１と交差する軸である。言い換えれば、負のＹ軸の方向は、鉛直方向に平行な下向きの方向（重力方向）である。正のＹ軸は、第１基準線Ｈ１と交差しない軸である。言い換えれば、正のＹ軸の方向は、鉛直方向に平行な上向きの方向である。

さらに、図２に示す投影図において、Ｘ軸及びＹ軸によって区切られた４つの区域を回転軸４０の軸線Ｏの周りに沿って第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限と定義する。正のＸ軸と正のＹ軸とによって囲まれた区域が第１象限である。負のＸ軸と正のＹ軸とによって囲まれた区域が第２象限である。負のＸ軸と負のＹ軸とによって囲まれた区域が第３象限である。正のＸ軸と負のＹ軸とによって囲まれた区域が第４象限である。

本実施形態によれば、図２に示す投影図において、舌部７６が第４象限に位置している。詳細には、舌部７６の全体が第４象限に位置している。ボリュート７３の開口部８０が第４象限に位置している。詳細には、ボリュート７３の開口部８０の全体が第４象限に位置している。ボリュート７３の他端部７９は、正のＸ軸から負のＹ軸に平行な方向（重力方向）に概ね真っ直ぐに延びている。このような形状のボリュート７３を有するケーシング７０は作製しやすい。

なお、ボリュート７３の開口部８０が重力方向に向かって開口していることは必須ではない。ボリュート７３の開口部８０は、例えば、負のＹ軸を基準（＝０°）として±３０°の範囲に向かって開口していてもよい。

軸受３２は、例えば、流体潤滑軸受である。流体潤滑軸受は、液相の作動流体を潤滑液として利用した軸受でありうる。このような構成によれば、軸受３２から潤滑液である液相の作動流体が漏洩した場合においても、翼車３０は、ケーシング７０の内部に貯まった液相の作動流体に直接接触しない。液相の作動流体による翼車３０の流路の閉塞、翼車３０による液相の作動流体の撹拌を避けることができる。その結果、ターボ機械１００の性能が維持される。

液相の作動流体が潤滑液であることは必須ではない。軸受３２は、作動流体以外の潤滑用の流体を用いた流体潤滑軸受であってもよい。作動流体以外の潤滑用の流体の例はオイルである。この場合にも作動流体が潤滑液である場合と同じ効果が得られる。

（実施形態２）
図３は、本実施形態にかかるターボ機械２００（図１参照）の投影図であり、翼車、ディフューザ及びボリュートの位置関係を表している。図３に示す投影図は、回転軸４０の軸線Ｏに垂直な平面にターボ機械２００（本実施形態では第１ユニット１０１ｂ）を正射影することによって得られる。本実施形態のターボ機械２００の基本構造は、実施形態１で説明したターボ機械１００の基本構造と同じである。本実施形態のターボ機械２００においても、Ｘ軸と第１基準線Ｈ１との間の距離Ｄが翼車３０の半径ｒよりも大きい（Ｄ＞ｒ）。実施形態１のターボ機械１００と本実施形態のターボ機械２００とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。各実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。さらに、技術的に矛盾しない限り、各実施形態は、相互に組み合わされてもよい。

図３に示す投影図において、第４象限を回転軸４０の軸線Ｏの周りにおいて等角度に２等分する直線を第２基準線Ｈ２と定義する。第４象限は、第２基準線Ｈ２によって区切られた２つの部分α１及びα２を含む。詳細には、２つの部分α１及びα２は、回転軸４０の軸線Ｏの周りにおいて、第１象限に隣り合う第１部分α１と、第３象限に隣り合う第２部分α２とを含む。図３に示す投影図において、舌部７６の少なくとも一部が第４象限の第２部分α２に存在する。このような構成によれば、液体が貯まることができる空間をさらに縮小することができる。ケーシング７０の内部に液相の作動流体などの液体が最大限に貯まったとしても、貯まった液体によって占有されるディフューザ７２の体積は僅かである。したがって、貯まった液体によるディフューザ７２の閉塞をより確実に防ぐことができる。この場合、定常運転時のように、ディフューザ７２を高速かつ大量の作動流体が流れる条件でターボ機械２００を運転したとき、流路抵抗による動力の増加及び圧力比の低下が効果的に抑制されうる。結果として、優れた性能のターボ機械２００が提供されうる。

本実施形態では、図３に示す投影図において、舌部７６の全体が第４象限の第２部分α２に存在する。ただし、先端７６ｔを含む舌部７６の一部が第４象限の第２部分α２に存在し、舌部７６の残部が第３象限に存在していてもよい。すなわち、図３に示す投影図において、負のＹ軸が舌部７６に重なっていてもよい。この場合にも上記した効果と同じ効果が得られる。

（実施形態３）
図４は、本実施形態にかかるターボ機械３００（図１参照）の投影図であり、翼車、ディフューザ及びボリュートの位置関係を表している。図４に示す投影図は、回転軸４０の軸線Ｏに垂直な平面にターボ機械３００（本実施形態では第１ユニット１０１ｃ）を正射影することによって得られる。本実施形態のターボ機械３００の基本構造も、実施形態１で説明したターボ機械１００の基本構造と同じである。本実施形態のターボ機械３００においても、Ｘ軸と第１基準線Ｈ１との間の距離Ｄが翼車３０の半径ｒよりも大きい（Ｄ＞ｒ）。

本実施形態によれば、図４に示す投影図において、ボリュート７３の開口部８０の一部が第３象限に存在し、舌部７６の全体が第３象限に存在している。言い換えれば、舌部７６の先端７６ｔが第３象限に存在している。負のＹ軸がボリュート７３の開口部８０に重なっている。本実施形態では、幅方向における開口部８０の中央を負のＹ軸が通っている。このような構成によれば、液体が貯まることができる空間をさらに縮小することができる。ケーシング７０の内部に液相の作動流体などの液体が最大限に貯まったとしても、貯まった液体がディフューザ７２に殆ど干渉しない。つまり、本実施形態によれば、ケーシング７０の内部において液体が貯まることができる空間を最小化することができる。貯まった液体によって占有されるボリュート７３の体積も僅かである。ボリュート７３の閉塞を極力防止することによって、作動流体の流れの乱れも防止される。特に、定常運転時におけるボリュート７３の空力性能の低下を防ぐことができる。結果として、優れた性能のターボ機械２００が提供されうる。

また、鉛直方向における回転軸４０の軸線Ｏの真下にボリュート７３の開口部８０が位置している。仮に、軸受３２から潤滑液が漏洩したとしても、漏洩した潤滑液がボリュート７３に貯まらず、開口部８０からケーシング７０の外部に直接排出される。このことも、上記した効果を増大させる。

（その他）
ターボ機械１００は、様々な観点から変更が可能である。例えば、ターボ機械１００は、作動流体を膨張させることによって動力を生成する膨張機であってもよい。詳細には、ターボ機械１００は、ラジアルタービンであってもよい。この場合においても、先の実施形態で説明した効果と同じ効果が得られる。ターボ機械１００がラジアルタービンであるとき、第１ユニット１０１及び第２ユニット１０２のそれぞれが膨張機の機能を発揮する。電動機５０は、発電機として機能する。ターボ機械１００は、圧縮機と膨張機とが組み合わせられた流体機械であってもよい。そのような流体機械の例は、ターボチャージャである。この場合においても、先の実施形態で説明した効果と同じ効果が得られる。これらは、ターボ機械２００及び３００にも当てはまる。

本開示は、１軸２段のターボ機械に限定されない。ターボ機械の回転軸の数は、１つであってもよく、複数であってもよい。ターボ機械の段数は、１つであってもよく、複数であってもよい。

（ヒートポンプの実施形態）
図５に示すように、本実施形態のヒートポンプ４００は、蒸発器２１、圧縮機１００及び凝縮器２５を備えている。蒸発器２１、圧縮機１００及び凝縮器２５は、冷媒経路２０に配置されている。冷媒経路２０において、蒸発器２１、圧縮機１００及び凝縮器２５は、この順番で並んでいる。蒸発器２１で生成された冷媒蒸気（気相の作動流体）が圧縮機１００を経由して凝縮器２５に供給される。圧縮機１００は、図１〜図４を参照して説明したターボ機械１００，２００又は３００で構成されている。

ヒートポンプ４００は、さらに、中間冷却器２４を備えている。中間冷却器２４は、圧縮機１００の第１ユニット１０１と第２ユニット１０２との間に配置されている。詳細には、中間冷却器２４は、第１ユニット１０１の下方に配置されている。より詳細には、中間冷却器２４の蒸気入口が第１ユニット１０１のケーシング７０の開口部８０よりも下方に位置している。冷媒蒸気は、第１ユニット１０１で圧縮された後、中間冷却器２４で冷却され、第２ユニット１０２でさらに圧縮される。

ヒートポンプ４００は、さらに、散水回路１０、吸熱回路１１及び放熱回路１２を備えている。

散水回路１０は、散水ポンプ１３、流路１０ａ及び流路１０ｂを有する。散水回路１０の両端はそれぞれ蒸発器２１に接続されている。具体的には、流路１０ａの一端が蒸発器２１の下部（液面よりも下の部分）に接続され、流路１０ａの他端が散水ポンプ１３の吸入口に接続されている。流路１０ｂの一端が散水ポンプ１３の吐出口に接続され、流路１０ｂの他端が蒸発器２１の上部に接続されている。

吸熱回路１１は、蒸発器２１で冷却された冷媒液（液相の作動流体）を使用するための回路であり、ポンプ、室内熱交換器などの必要な機器を有している。吸熱回路１１の一部は蒸発器２１の内部に位置している。蒸発器２１の内部において、吸熱回路１１の一部は、冷媒液の液面よりも上に位置していてもよいし、冷媒液の液面よりも下に位置していてもよい。吸熱回路１１には、水、ブラインなどの液相の第１の熱媒体が充填されている。

冷媒液は、散水回路１０を通じて蒸発器２１の上部から散布され、吸熱回路１１を構成する部材（配管）に接触する。これにより、冷媒液と吸熱回路１１の内部の熱媒体との間で熱交換が行われ、冷媒液が蒸発する。吸熱回路１１の内部の熱媒体は、冷媒液の蒸発潜熱によって冷却される。例えば、ヒートポンプ４００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、吸熱回路１１の熱媒体によって室内の空気が冷却される。

中間冷却器２４は、例えば、シェルチューブ熱交換器、フィンチューブ熱交換器などの熱交換器で構成されている。中間冷却器２４は、ヒートポンプ４００の外部から供給された熱媒体（例えば、空気又は水）を使用して冷媒蒸気を冷却するように構成されていてもよいし、冷媒液を使用して冷媒蒸気を冷却するように構成されていてもよい。

放熱回路１２は、凝縮器２５の内部の冷媒から熱を奪うために使用される回路であり、ポンプ、冷却塔などの必要な機器を有している。放熱回路１２の一部は蒸発器２１の内部に位置している。詳細には、凝縮器２５の内部において、放熱回路１２の一部は、冷媒液の液面よりも上に位置している。放熱回路１２には、水、ブラインなどの液相の第２の熱媒体が充填されている。

圧縮機１００の第２ユニット１０２から吐出された高温の冷媒蒸気は、凝縮器２５の内部において、放熱回路１２を構成する部材（配管）に接触する。これにより、冷媒蒸気と放熱回路１２の内部の熱媒体との間で熱交換が行われ、冷媒蒸気が凝縮する。放熱回路１２の内部の熱媒体は、冷媒蒸気の凝縮潜熱によって加熱される。冷媒蒸気によって加熱された熱媒体は、例えば、放熱回路１２の冷却塔（図示せず）において外気又は冷却水によって冷却される。

蒸発器２１は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって形成されている。蒸発器２１は、冷媒液を貯留するとともに、冷媒液を内部で蒸発させる。すなわち、吸熱回路１１から熱を吸収することによって加熱された冷媒液が蒸発器２１の中で沸騰及び蒸発する。本実施形態において、蒸発器２１に貯留された冷媒液は、吸熱回路１１を循環する熱媒体と間接的に接触する。つまり、蒸発器２１に貯留された冷媒液の一部は、吸熱回路１１の熱媒体によって加熱され、飽和状態の冷媒液を加熱するために使用される。

凝縮器２５は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって形成されている。凝縮器２５は、冷媒蒸気を凝縮させるとともに、冷媒蒸気を凝縮させることによって生じた冷媒液を貯留する。本実施形態では、過熱状態の冷媒蒸気が、外部環境に熱を放出することによって冷却された熱媒体に間接的に接触して凝縮する。つまり、冷媒蒸気は、放熱回路１２の熱媒体によって冷却され、凝縮する。

吸熱回路１１には、蒸発器２１に貯留された冷媒液を循環させてもよい。放熱回路１２には、凝縮器２５に貯留された冷媒液を循環させてもよい。

冷媒経路２０は、流路２０ａ〜２０ｅ（配管）を有する。流路２０ａによって蒸発器２１の上部が圧縮機１００の第１ユニット１０１の吸入口に接続されている。流路２０ｂによって第１ユニット１０１の吐出口（ボリュート７３の開口部８０）が中間冷却器２４の蒸気入口に接続されている。流路２０ｃによって中間冷却器２４の蒸気出口が第２ユニット１０２の吸入口に接続されている。流路２０ｄによって第２ユニット１０２の吐出口が凝縮器２５の上部に接続されている。圧縮機１００の第１ユニット１０１は、流路２０ａを通じて蒸発器２１から冷媒蒸気を吸い込み、断熱的に圧縮する。圧縮された冷媒蒸気は、流路２０ｂを通じて中間冷却器２４に流入し、冷却される。冷却された冷媒蒸気は、流路２０ｃを通じて圧縮機１００の第２ユニット１０２に吸入され、さらに断熱的に圧縮される。その後、圧縮された冷媒蒸気は、流路２０ｄを通じて凝縮器２５に供給される。凝縮器２５は、流路２０ｅによって蒸発器２１に接続されている。流路２０ｅを通じて、凝縮器２５から蒸発器２１に冷媒液が戻される。

本明細書に開示された技術は、ターボ機械に有用であり、特に、ヒートポンプのターボ圧縮機に有用である。ターボ圧縮機を備えたヒートポンプは、チラー、ターボ冷凍機及び空気調和装置に利用されうる。本明細書に開示された技術は、ターボチャージャ、タービンなどの他のターボ機械にも適用されうる。タービンの例には、ガスタービン及び蒸気タービンが含まれる。

２０ 冷媒経路
２１ 蒸発器
２５ 凝縮器
３０ 翼車
４０ 回転軸
５０ 電動機
７０ ケーシング
７２ ディフューザ
７３ ボリュート
７６ 舌部
７６ｔ 舌部の先端
７８ ボリュートの一端部
７９ ボリュートの他端部
８０ 開口部
１００，２００，３００ ターボ機械
１０１ 第１ユニット
１０２ 第２ユニット
４００ ヒートポンプ
Ｏ 軸線
Ｈ１ 第１基準線
Ｈ２ 第２基準線

Claims (5)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に固定され、前記回転軸の軸線の周りを回転することによって常温での飽和蒸気圧が負圧となる作動流体を圧縮又は膨張させる翼車と、
   前記翼車を覆っているケーシングと、
   を備え、
   前記ケーシングは、前記作動流体の流路であるボリュートと、前記ボリュートの一端部と前記ボリュートの他端部とを隔てる壁である舌部とを有し、
   前記回転軸の前記軸線に垂直な平面に前記ターボ機械を正射影することによって得られる投影図において、前記回転軸の前記軸線を通り、重力方向に垂直な直線をＸ軸と定義し、前記投影図において、前記舌部の先端を通り、前記Ｘ軸に平行な直線を第１基準線と定義したとき、
   前記Ｘ軸と前記第１基準線との間の距離が前記翼車の半径よりも大きい、ターボ機械。
2. 前記投影図において、前記回転軸の前記軸線を通り、前記Ｘ軸に直交する直線をＹ軸と定義し、
   前記投影図において、前記Ｘ軸及びＹ軸によって区切られた４つの区域を前記回転軸の前記軸線の周りに沿って第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限と定義し、
   前記Ｘ軸が正のＸ軸と負のＸ軸とを含み、前記Ｙ軸が正のＹ軸と負のＹ軸とを含み、
   前記ボリュートの前記一端部は、前記ボリュートの前記他端部の流路面積よりも小さい流路面積を有する部分であり、
   前記投影図において、前記一端部から前記他端部に向かって前記ボリュートを辿ったとき、前記負のＸ軸が前記正のＸ軸よりも先に前記ボリュートと交差しており、
   前記負のＹ軸は、前記第１基準線と交差する軸であり、前記正のＹ軸は、前記第１基準線と交差しない軸であり、
   前記正のＸ軸と前記正のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第１象限であり、前記負のＸ軸と前記正のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第２象限であり、前記負のＸ軸と前記負のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第３象限であり、前記正のＸ軸と前記負のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第４象限であり、
   前記第４象限を前記回転軸の前記軸線の周りにおいて等角度に２等分する直線を第２基準線と定義し、
   前記第４象限は、前記第２基準線によって区切られた２つの部分を含み、
   前記２つの部分は、前記回転軸の前記軸線の周りにおいて、前記第１象限に隣り合う第１部分と、前記第３象限に隣り合う第２部分とを含み、
   前記舌部の少なくとも一部が前記４象限の前記第２部分に存在する、請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記投影図において、前記回転軸の前記軸線を通り、前記Ｘ軸に直交する直線をＹ軸と定義し、
   前記投影図において、前記Ｘ軸及びＹ軸によって区切られた４つの区域を前記回転軸の前記軸線の周りに沿って第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限と定義したとき、
   前記Ｘ軸が正のＸ軸と負のＸ軸とを含み、前記Ｙ軸が正のＹ軸と負のＹ軸とを含み、
   前記ボリュートの前記一端部は、前記ボリュートの前記他端部の流路面積よりも小さい流路面積を有する部分であり、
   前記投影図において、前記一端部から前記他端部に向かって前記ボリュートを辿ったとき、前記負のＸ軸が前記正のＸ軸よりも先に前記ボリュートと交差しており、
   前記負のＹ軸は、前記第１基準線と交差する軸であり、前記正のＹ軸は、前記第１基準線と交差しない軸であり、
   前記正のＸ軸と前記正のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第１象限であり、前記負のＸ軸と前記正のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第２象限であり、前記負のＸ軸と前記負のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第３象限であり、前記正のＸ軸と前記負のＹ軸とによって囲まれた区域が前記第４象限であり、
   前記ボリュートの前記他端部は、第１の方向に向かって開口している開口部を含み、
   前記投影図において、前記開口部の一部が前記第３象限に存在し、前記舌部の全体が前記第３象限に存在している、請求項１に記載のターボ機械。
4. 前記回転軸を回転可能に支持する軸受をさらに備え、
   前記軸受が流体潤滑軸受である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボ機械。
5. 常温での飽和蒸気圧が負圧となる作動流体が流れる経路と、
   前記経路上に現われる蒸発器と、
   前記経路上に現われる請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボ機械と、
   前記経路上に現われる凝縮器と、
   を備えた、ヒートポンプ。

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