JP2021173256A - ターボ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の周囲の流路における冷媒の圧力分布を周方向について均一にするのに適した技術を提供する。【解決手段】回転軸１は、軸受４によって支持される。供給流路７は、回転軸１の内部に設けられている。供給流路７は、液相状態にある冷媒を潤滑剤として軸受４に供給する。供給流路７は、軸方向流路７１と、少なくとも１つの遠心加圧流路７２と、を含んでいる。軸方向流路７１は、回転軸１の軸方向５１に延びている。遠心加圧流路７２は、軸方向流路から軸受４に向かって延びている。環状溝４２は、軸受４及び回転軸１の少なくとも一方に設けられている。環状溝４２に、遠心加圧流路７２の開口部７２оが面している。【選択図】図２Ａ

Description

本開示は、ターボ圧縮機に関する。

特許文献１は、ターボ圧縮機を開示している。特許文献１のターボ圧縮機は、滑り軸受と、回転軸と、を備えている。滑り軸受は、回転軸を取り囲む軸受面を有している。回転軸は、互いに接続された軸方向流路及び遠心加圧流路を有している。軸方向流路は、開口端を有し、回転軸の中心軸に沿って延びている。遠心加圧流路は、径方向に延びている。潤滑剤は、開口端から軸方向流路に流入し、軸方向流路を流れ、遠心加圧流路を流れ、遠心加圧流路から軸受面へと供給される。

米国特許第３１６３９９９号明細書

本開示は、回転軸の周囲の流路における冷媒の圧力分布を周方向について均一にするのに適した技術を提供する。

本開示は、
冷媒を圧縮するターボ圧縮機であって、
軸受と、
前記軸受によって支持される回転軸と、
液相状態にある前記冷媒を潤滑剤として前記軸受に供給するように前記回転軸の内部に設けられ、前記回転軸の軸方向に延びる軸方向流路と、前記軸方向流路から前記軸受に向かって延びる少なくとも１つの遠心加圧流路と、を含む供給流路と、
前記軸受及び前記回転軸の少なくとも一方に設けられ、前記遠心加圧流路の開口部が面している環状溝と、
を備えた、ターボ圧縮機を提供する。

本開示に係る技術は、回転軸の周囲の流路における冷媒の圧力分布を周方向について均一にするのに適している。

図１は、ターボ圧縮機の断面図である。 図２Ａは、軸受の周辺の拡大断面図である。 図２Ｂは、環状溝の周辺の拡大断面図である。 図２Ｃは、環状溝の周辺の拡大断面図である。 図２Ｄは、環状溝の周辺の拡大断面図である。 図２Ｅは、環状溝の周辺の拡大断面図である。 図２Ｆは、遠心加圧流路を径方向に沿って観察した拡大図である。 図２Ｇは、回転軸と軸受の間の隙間に設けられた流路の断面図である。 図３Ａは、環状溝内部の流れ場を示す概念図である。 図３Ｂは、環状溝内部の圧力分布を示す概念図である。

（本開示の基礎となった知見）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、ターボ圧縮機に関する種々の検討がなされていた。例えば、特許文献１のターボ圧縮機は、滑り軸受と、回転軸と、を備えている。滑り軸受は、回転軸を取り囲む軸受面を有している。回転軸は、互いに接続された軸方向流路及び遠心加圧流路を有している。軸方向流路は、開口端を有し、回転軸の中心軸に沿って延びている。遠心加圧流路は、径方向に延びている。

特許文献１のターボ圧縮機では、潤滑剤は、軸方向流路を流れ、次に、遠心加圧流路を流れ、次に、軸受面に供給される。外部から回転軸に潤滑剤を低圧で供給した場合であっても、潤滑剤が遠心作用により加圧され、軸受面における液膜圧力が増加する。これにより、キャビテーションが軽減される。

しかしながら、特許文献１のターボ圧縮機には、回転軸の周囲の流路における流体の圧力分布を周方向について均一にする観点から、改善の余地がある。

（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係るターボ圧縮機は、
冷媒を圧縮するターボ圧縮機であって、
軸受と、
前記軸受によって支持される回転軸と、
液相状態にある前記冷媒を潤滑剤として前記軸受に供給するように前記回転軸の内部に設けられ、前記回転軸の軸方向に延びる軸方向流路と、前記軸方向流路から前記軸受に向かって延びる少なくとも１つの遠心加圧流路と、を含む供給流路と、
前記軸受及び前記回転軸の少なくとも一方に設けられ、前記遠心加圧流路の開口部が面している環状溝と、
を備える。

第１態様に係る技術は、回転軸の周囲の流路における冷媒の圧力分布を周方向について均一にするのに適している。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係るターボ圧縮機は、
前記軸受と前記回転軸との間に設けられた軸受隙間と、
前記回転軸の径方向に関して前記軸受隙間の寸法よりも大きい寸法を有し、前記環状溝を含む環状隙間と、をさらに備えていてもよく、
前記遠心加圧流路は、前記環状隙間に開口していてもよく、
前記環状隙間は、前記軸受隙間と連通していてもよい。

第２態様によれば、冷媒を、遠心加圧流路と、環状隙間と、軸受隙間と、の順に流すことができる。

本開示の第３態様において、例えば、第２態様に係るターボ圧縮機では、
前記少なくとも１つの遠心加圧流路は、特定遠心加圧流路を含んでいてもよく、
前記特定遠心加圧流路の流路断面積をＳ１と定義し、前記軸方向に平行かつ前記回転軸の中心軸を含む断面における前記環状隙間の断面積をＳ２と定義したとき、
Ｓ２＜Ｓ１の関係が満たされていてもよい。

第３態様は、エロージョンを抑制するのに適している。

本開示の第４態様において、例えば、第２又は第３態様に係るターボ圧縮機では、
前記少なくとも１つの遠心加圧流路は、複数の遠心加圧流路を含んでいてもよく、
前記複数の遠心加圧流路のそれぞれの流路断面積の合計値を前記複数の遠心加圧流路の数で割ることによって得られる値をＳ_AVEと定義し、前記軸方向に平行かつ前記回転軸の中心軸を含む断面における前記環状隙間の断面積をＳ２と定義したとき、
Ｓ２＜Ｓ_AVEの関係が満たされていてもよい。

第４態様は、エロージョンを抑制するのに適している。

本開示の第５態様において、例えば、第２から第４態様のいずれか１つに係るターボ圧縮機では、
前記軸方向に平行かつ前記回転軸の中心軸を含む断面における前記環状隙間の断面積をＳ２と定義し、前記軸受隙間の流路断面積を前記少なくとも１つの遠心加圧流路の数で割ることによって得られる値をＳ３と定義したとき、
Ｓ３＜Ｓ２の関係が満たされていてもよい。

第５態様は、エロージョンを抑制するのに適している。

本開示の第６態様において、例えば、第１から第５態様のいずれか１つに係るターボ圧縮機では、
前記少なくとも１つの遠心加圧流路は、特定遠心加圧流路を含んでいてもよく、
前記環状溝の開口部の前記軸方向に関する寸法をＨＧと定義し、前記特定遠心加圧流路の開口部の前記軸方向に関する寸法をＨＰと定義したとき、
ＨＧ＞ＨＰの関係が満たされていてもよい。

第６態様は、回転軸の周囲の流路における冷媒の圧力分布を周方向について均一にするのに適している。

本開示の第７態様において、例えば、第１から第６態様のいずれか１つに係るターボ圧縮機では、
前記少なくとも１つの遠心加圧流路は、特定遠心加圧流路を含んでいてもよく、
前記環状溝の開口部の前記軸方向に関する寸法をＨＧと定義し、前記特定遠心加圧流路の開口部の前記軸方向に関する寸法をＨＰと定義したとき、
ＨＧ／ＨＰ≦２の関係が満たされていてもよい。

第７態様は、エロージョンを抑制するのに適している。

本開示の第８態様において、例えば、第１から第７態様のいずれか１つに係るターボ圧縮機では、
前記環状溝は、溝面によって規定されていてもよく、
前記溝面は、前記回転軸の周方向に沿って延びる底面と、前記底面から前記回転軸の径方向に沿って延び互いに向かい合う一対の側面と、を含んでいてもよい。

第８態様は、ターボ圧縮機の信頼性を確保するのに適している。

本開示の第９態様において、例えば、第１から第８態様のいずれか１つに係るターボ圧縮機では、
前記軸受に、前記環状溝が設けられていてもよい。

第９態様によれば、回転軸に環状溝を設けることによる回転軸の曲げ固有値の低下を回避できる。

本開示の第１０態様に係る冷凍サイクル装置は、
前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する、第１から第９態様のいずれか１つに係るターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
を備える。

第１０態様によれば、第１態様等の利点を有する冷凍サイクル装置を構成できる。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

以下では、液相状態にある冷媒を、液相冷媒と称することがある。冷媒は、作動流体とも称されうる。

（実施の形態１）
以下、図１から図３Ｂを用いて、実施の形態１を説明する。

［１−１．構成］
［１−１−１．ターボ圧縮機の構成］
図１は、実施の形態１におけるターボ圧縮機１００の断面図である。ターボ圧縮機１００は、回転軸１と、翼車２と、モータ回転子３と、を備えている。回転軸１に、翼車２と、モータ回転子３と、が固定されている。回転軸１と、翼車２と、モータ回転子３とにより、一体となって回転する回転体が構成されている。

翼車２は、例えば、遠心型、斜流型又は軸流型等の速度型の流体機械を構成する翼車である。

図１の例では、ターボ圧縮機１００を用いた冷凍サイクル装置１０１が構成されている。冷凍サイクル装置１０１は、蒸発器８０と、吸入空間９と、ターボ圧縮機１００と、凝縮器９０と、を備えている。冷凍サイクル装置１０１では、冷媒が流れる。

以下、軸方向５１、径方向５２及び周方向５３という用語を用いることがある。軸方向５１は、回転軸１の中心軸Ｏが延びる方向である。径方向５２は、軸方向５１に垂直な方向である。周方向５３は、中心軸Ｏを中心に回転する方向である。

ターボ圧縮機１００は、軸受４と、軸受４ｂと、を備えている。軸方向５１に沿って、翼車２と、軸受４と、モータ回転子３と、軸受４ｂとが、この順に配置されている。

軸受４及び４ｂは、回転軸１を支持する。本実施の形態では、軸受４及び４ｂは、滑り軸受である。

回転軸１の外周面４３は、回転軸１の軸滑り面として機能する。外周面４３を、軸滑り面４３と称することができる。

軸受４及び４ｂは、冷媒が介在した状態で回転軸１の外周面４３と向かい合う軸受面を有する。そして、軸受４及び４ｂは、自身の軸受面と回転軸１の外周面４３との間に液相冷媒が存在した状態で、回転軸１を支持する。

冷媒は、例えば水である。軸受４の端面に、排出空間５が隣接している。排出空間５の内部に、液相冷媒が貯留される。排出空間５に貯留される冷媒の温度は、例えば、１５℃である。排出空間５に貯留された液相冷媒は、排出経路１２を通って凝縮器９０に導かれる。

冷凍サイクル装置１０１は、ポンプ７０を備えている。ポンプ７０は、例えば給水ポンプである。

図２Ａは、本実施の形態における軸受４の周辺の拡大断面図である。図２Ｂでは、図２Ａの一部がさらに拡大されている。回転軸１は、その内部に供給流路７を有している。供給流路７は、軸方向流路７１と、少なくとも１つの遠心加圧流路７２と、を含んでいる。軸方向流路７１は、軸方向５１に沿って延びている。具体的には、軸方向流路７１は、中心軸Ｏに沿って延びている。遠心加圧流路７２は、回転軸１の径方向５２の内側から外側に向かって延びている。遠心加圧流路７２は、軸方向流路７１と、回転軸１と軸受４の間の隙間と、を連通させている。

遠心加圧流路７２の出口すなわち開口部７２оは、軸受４の軸受面４１に面している。軸受面４１は、環状溝４２を規定する溝面４２ｆと、基準面４７と、を含んでいる。遠心加圧流路７２の開口部７２оは、環状溝４２に面している。基準面４７は、溝面４２ｆに接続されている。基準面４７は、軸受４の軸受滑り面として機能する。基準面４７を、軸受滑り面４７と称することができる。

基準面４７と外周面４３との間には、軸受隙間１５が設けられている。換言すると、軸受隙間１５は、軸受滑り面４７と軸滑り面４３との間に設けられている。

本実施の形態では、環状溝４２は、途切れることなく周方向５３に延びることによって、回転軸１をぐるりと取り囲んでいる。本実施の形態では、周方向５３のいずれの部分においても、環状溝４２の軸方向の寸法ＨＧは一定である。また、周方向５３のいずれの部分においても、周方向５３に垂直な断面における環状溝４２の断面形状は一定である。

本実施の形態では、複数の遠心加圧流路７２が、軸方向流路７１から放射状に延びている。そして、それらの遠心加圧流路７２の各々が、１つの環状溝４２に向かって開口している。

以下では、環状隙間４９という用語を用いることがある。環状隙間４９に、遠心加圧流路７２の開口部７２оが開口している。遠心加圧流路７２と、環状隙間４９と、軸受隙間１５とは、この順に連通している。

本実施の形態では、環状隙間４９は、環状溝４２と、基準領域４８と、を含んでいる。図示の例では、環状隙間４９は、環状溝４２と、基準領域４８と、の組み合わせである。

基準領域４８の径方向５２の寸法は、軸受隙間１５の径方向５２の寸法と同じである。環状隙間４９の径方向５２の寸法は、軸受隙間１５の径方向５２の寸法よりも大きい。具体的には、環状隙間４９の径方向５２の寸法は、軸受隙間１５の径方向５２の寸法よりも環状溝４２の分だけ大きい。

［１−２．動作］
以上のように構成された冷凍サイクル装置１０１について、以下、その動作を説明する。

図１に示すように、冷媒は、蒸発器８０において、貯留され、蒸発する。次に、冷媒は、吸入空間９に移動する。次に、冷媒は、翼車２に吸い込まれ、圧縮される。次に、冷媒は、凝縮器９０へ吐出され、凝縮する。次に、凝縮して液相となった冷媒は、蒸発器８０に戻る。冷凍サイクル装置１０１では、このように冷媒が循環する。

ポンプ７０は、凝縮器９０の液相から吸入した液相冷媒を、例えば１気圧まで加圧する。加圧された冷媒は、ターボ圧縮機１００に供給される。ターボ圧縮機１００では、加圧された冷媒は、回転軸１の内部に位置する供給流路７を通じて軸受４及び軸受４ａに供給される。

具体的には、ターボ圧縮機１００では、図２Ａに示すように、ポンプ７０からの液相冷媒は、軸方向流路７１を流れる。次に、冷媒は、遠心加圧流路７２へ入る。遠心加圧流路７２において、冷媒は、回転軸１の回転による遠心作用により加速及び加圧される。このように加速及び加圧された冷媒は、軸受４に、具体的には環状溝４２に供給される。環状溝４２における液相冷媒は、基準面４７と外周面４３との間の軸受隙間１５を通って排出される。

図１から理解されるように、軸方向流路７１を流れる液相冷媒は、遠心加圧流路７２ｂにも入る。遠心加圧流路７２ｂにおいて、冷媒は、回転軸１の回転による遠心作用により加速及び加圧される。このように加速及び加圧された冷媒は、軸受４ｂに供給される。

［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ターボ圧縮機１００は、冷媒を圧縮する。ターボ圧縮機１００は、軸受４と、回転軸１と、供給流路７と、環状溝４２と、を備えている。回転軸１は、軸受４によって支持される。供給流路７は、回転軸１の内部に設けられている。供給流路７は、液相状態にある冷媒を潤滑剤として軸受４に供給する。供給流路７は、軸方向流路７１と、少なくとも１つの遠心加圧流路７２と、を含んでいる。軸方向流路７１は、回転軸１の軸方向５１に延びている。遠心加圧流路７２は、軸方向流路７１から軸受４に向かって延びている。環状溝４２は、軸受４及び回転軸１の少なくとも一方に設けられている。

上記の構成によれば、軸受４と回転軸１との間に液相冷媒が存在しうるため、回転軸１が回転可能である。また、回転軸１の回転による遠心作用により、遠心加圧流路７２を流れる液相冷媒は、加速及び加圧されながら環状溝４２に供給される。環状溝４２に供給された後、液相冷媒は、軸受隙間１５を通って排出される。

遠心作用による加速及び加圧によれば、軸受液膜圧力が増加し、キャビテーションが軽減される。この効果は、軸方向流路７１への冷媒の供給圧力が低い場合に、特に好適に現れうる。

上記の構成によれば、環状溝４２の作用により、遠心加圧流路７２の開口部７２о周辺のみに高圧領域が限られる事態を回避し易い。このことは、回転軸１の周囲の流路における液相冷媒の圧力分布を周方向５３について均一にする観点から有利である。

本実施の形態において、少なくとも１つの遠心加圧流路７２は、特定遠心加圧流路７２を含んでいる。ここで、環状溝４２の開口部４２оの軸方向５１に関する寸法をＨＧと定義し、特定遠心加圧流路７２の開口部７２оの軸方向５１に関する寸法をＨＰと定義する。このとき、寸法ＨＧは、寸法ＨＰよりも大きい。ＨＧ＞ＨＰであることは、回転軸１の周囲の流路における液相冷媒の圧力分布を周方向５３について均一にするのに適している。

上述の特定遠心加圧流路７２は、任意の１つの遠心加圧流路７２を指す。上述の通り、冷媒は、例えば水である。

本実施の形態では、少なくとも１つの遠心加圧流路７２は、複数の遠心加圧流路７２を含む。ここで、環状溝４２の開口部４２оの軸方向５１に関する寸法を、ＨＧと定義する。複数の遠心加圧流路７２のそれぞれの開口部７２оの軸方向５１に関する寸法の合計値を複数の遠心加圧流路７２の数で割ることによって得られる値を、Ｈ_AVEと定義する。このとき、寸法ＨＧは、寸法Ｈ_AVEよりも大きい。ＨＧ＞Ｈ_AVEであることは、回転軸１の周囲の流路における液相冷媒の圧力分布を周方向５３について均一にするのに適している。

本実施の形態では、ターボ圧縮機１００は、軸受隙間１５と、環状隙間４９と、を備えている。軸受隙間１５は、軸受４と回転軸１との間に設けられている。環状隙間４９の径方向５２に関する寸法は、軸受隙間１５の径方向５２に関する寸法よりも大きい。環状隙間４９は、環状溝４２を含んでいる。遠心加圧流路７２は、環状隙間４９に開口している。環状隙間４９は、軸受隙間１５と連通している。このような構成によれば、冷媒を、遠心加圧流路７２と、環状隙間４９と、軸受隙間１５と、の順に流すことができる。

本実施の形態では、遠心加圧流路７２から流出した液相冷媒は、環状溝４２を周方向５３に流れながら、軸受隙間１５へと流出する。環状溝４２内部及びその周辺を液相冷媒が流れる様子と圧力分布を、図３Ａ及び図３Ｂにおいて模式的に示す。具体的には、図３Ａは、本実施の形態における環状溝４２内部の流れ場を示す概念図である。図３Ｂは、本実施の形態における環状溝４２内部の圧力分布を示す概念図である。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、図中の縦長の長方形は、軸方向５１に関して寸法ＨＧを有する環状溝４２を外部より見た展開図である。

図３Ａ及び図３Ｂは、回転軸１が図示上方向から下方向へ回転している状況を表している。回転軸１を基準とすると、周方向５３における図示下方向から上方向に回転する向きに、液相冷媒が流れることになる。

図３Ａでは、液相冷媒の流れが矢印６１により表されている。図３Ａから理解されるように、回転軸１を基準とすると、遠心加圧流路７２から流出した液相冷媒は、環状溝４２において上方に向かう方向から左右に逸れるように放射状に流れ、その後、軸受隙間１５へ吸い込まれる。

環状溝４２では、図３Ｂに示すような圧力分布が生じ得る。

環状溝４２における遠心加圧流路７２の周りから図示上方向に拡がる領域Ｒ１では、液相冷媒の圧力が高い。上述の液相冷媒の放射状の流れにより、液相冷媒は、軸受隙間１５に吸い込まれていく。この吸い込みに際して、液相冷媒の圧力は低下する。そのため、高圧領域Ｒ１の左右の幅は、図示上方向に進むにつれて狭くなる。その狭くなった高圧領域Ｒ１の左右に、液相冷媒の圧力が低い領域Ｒ２が生じる。領域Ｒ２において、キャビテーションが発生しうる。

キャビテーションに由来する気泡は、キャビテーション領域Ｒ２から図示上方向に進行し、高圧領域Ｒ１とキャビテーション領域Ｒ２の間の境界領域Ｒ３に到達しうる。境界領域Ｒ３では、液相冷媒の圧力が高い。このため、キャビテーション領域Ｒ２から境界領域Ｒ３にかけて、液相冷媒の圧力は急増する。圧力の急増により、キャビテーションは急激に消滅する。別の言い方をすると、キャビテーションに由来する気泡が圧壊する。キャビテーションの急激な消滅あるいは気泡の圧壊により、衝撃力が生じうる。このため、境界領域Ｒ３において、エロージョンが発生しうる。

上述のように、環状溝４２は、回転軸１の周囲の流路における液相冷媒の圧力分布を周方向５３について均一にするというメリットをもたらしうる。この均一化作用を得る観点からは、環状溝４２の軸方向５１の寸法ＨＧを大きくすればよいあるいは環状溝４２の断面積を大きくすればよいようにも思われる。しかし、上述のように、環状溝４２には、エロージョンを引き起こしうるというデメリットもある。本発明者らによる検討によれば、寸法ＨＧが大きい場合あるいは環状溝４２の断面積が大きい場合に、回転軸１の外周面４３及び／又は軸受４の軸受面４１にエロージョンが発生し易い。

詳細については今後のさらなる検討を待つ必要があるが、環状溝４２の軸方向５１の寸法ＨＧが大きい場合あるいは環状溝４２の断面積が大きい場合に、環状溝４２の内部にキャビテーション領域Ｒ２と高圧領域Ｒ１が交互に分布し易いと考えられる。そして、この分布が生じると、キャビテーション領域Ｒ２から高圧領域Ｒ１に向かって流れるキャビテーションの気泡が圧力上昇に伴い境界領域Ｒ３で圧壊し、圧壊による衝撃力が発生すると考えられる。このようなメカニズムで境界領域Ｒ３においてエロージョンが発生するという仮定は、本発明者らによる後述の検証実験の結果に整合する。

ターボ圧縮機１００を冷凍サイクル装置１０１に組み込んだ場合、蒸発器８０から、冷媒としての冷媒が、蒸気の状態で蒸気ターボ圧縮機１００に供給されうる。これに由来する蒸気キャビテーションが生じる状況にあっては、上記圧壊及びエロージョンが発生し易いと考えられる。

この点、本実施の形態では、エロージョンを抑制するのに適した構成が採用されている。

具体的には、本実施の形態では、少なくとも１つの遠心加圧流路７２は、特定遠心加圧流路７２を含んでいる。ここで、環状溝４２の開口部４２оの軸方向５１に関する寸法を、ＨＧと定義する。特定遠心加圧流路７２の開口部７２оの軸方向５１に関する寸法を、ＨＰと定義する。このとき、寸法ＨＰに対する寸法ＨＧの比率ＨＧ／ＨＰは、２以下である。この程度に比率ＨＧ／ＨＰが小さいことは、エロージョンを抑制するのに適している。

本実施の形態では、少なくとも１つの遠心加圧流路７２は、複数の遠心加圧流路７２を含んでいる。ここで、環状溝４２の開口部４２оの軸方向５１に関する寸法を、ＨＧと定義する。複数の遠心加圧流路７２のそれぞれの開口部７２оの軸方向５１に関する寸法の合計値を複数の遠心加圧流路７２の数で割ることによって得られる値を、Ｈ_AVEと定義する。このとき、寸法Ｈ_AVEに対する寸法ＨＧの比率ＨＧ／Ｈ_AVEは、２以下である。この程度に比率ＨＧ／Ｈ_AVEが小さいことは、エロージョンを抑制するのに適している。

本実施の形態では、少なくとも１つの遠心加圧流路７２は、特定遠心加圧流路７２を含んでいる。ここで、特定遠心加圧流路７２の流路断面積を、Ｓ１と定義する。軸方向５１に平行かつ回転軸１の中心軸Ｏを含む断面における環状隙間４９の断面積を、Ｓ２と定義する。このとき、面積Ｓ２は、面積Ｓ１よりも小さい。Ｓ２＜Ｓ１であることは、エロージョンを抑制するのに適している。

具体的には、Ｓ２＜Ｓ１である場合、液相冷媒が遠心加圧流路７２から溝４２へと供給されるに際して、流路拡大による液相冷媒の圧力低下が発生し難い。これにより、環状溝４２におけるキャビテーションが抑制され、キャビテーション気泡の圧壊に伴う外周面４３及び／又は軸受面４１のエロージョンが抑制されうると考えられる。

ここで、本実施の形態における、流路断面積Ｓ１について、具体的に説明する。流路断面積Ｓ１は、遠心加圧流路７２の、当該遠心加圧流路７２が延びる方向に垂直な断面の面積である。

図２Ｆは、本実施の形態における遠心加圧流路７２を径方向５２に沿って観察した拡大図である。図２Ｆに示す例では、径方向５２に沿って観察したとき、遠心加圧流路７２は、直径ＨＰの円形状である。そのため、遠心加圧流路７２の流路断面積Ｓ１は、Ｓ１＝π×ＨＰ²／４により与えられる。

本実施の形態では、遠心加圧流路７２は、軸方向流路７１から径方向５２に直線状に延びている。ただし、遠心加圧流路７２は、非直線状に延びていてもよい。一変形例に係る遠心加圧流路７２は、軸方向流路７１からスパイラル状に延びるという態様で、軸方向流路７１から離れていく。この変形例において、「遠心加圧流路７２の、当該遠心加圧流路７２が延びる方向に垂直な断面の面積」という表現における断面は、軸方向流路７１から離れていくにつれて向きが変わっていく。ただし、この変形例においても、「遠心加圧流路７２の、当該遠心加圧流路７２が延びる方向に垂直な断面の面積」を観念できる。

本実施の形態における、面積Ｓ２について、図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら説明する。軸方向５１に平行かつ中心軸Ｏを含む断面における環状溝４２の断面積を、ＳＧと定義する。環状溝４２の開口部４２оの軸方向５１に関する寸法を、ＨＧと定義する。軸受４と回転軸１との間の軸受隙間１５の径方向５２に関する寸法をＷＣと定義する。このとき、面積Ｓ２は、Ｓ２＝ＳＧ＋ＨＧ×ＷＣにより与えられる。

なお、図２Ｂに示す例では、ＨＧは、環状隙間４９の軸方向５１に関する寸法でもあり、また、基準領域４８の軸方向５１に関する寸法でもある。ＨＧ×ＷＣは、軸方向５１に平行かつ中心軸Ｏを含む断面における基準領域４８の断面積である。

回転軸１の外径を、φ１とする。具体的には、径φ１は、外周面４３の直径である。軸受４の内径を、φ２とする。具体的には、径φ２は、基準面４７の直径である。環状溝４２の開口部４２оは、直径φ２の円筒面に含まれていると言える。環状溝４２は、開口部４２оから径方向５２外側に後退した溝面４２ｆによって規定される。断面積ＳＧは、軸方向５１に平行かつ中心軸Ｏを含む断面における、開口部４２оと溝面４２ｆの間の面積である。寸法ＨＧは、上記断面における、開口部４２оの長さである。寸法ＷＣは、上記断面における、外周面４３と基準面４７の間の径方向５２の距離である。具体的には、寸法ＷＣは、ＷＣ＝（φ２−φ１）／２により与えられる。

図２Ｂに示す例では、環状溝４２は、溝面４２ｆによって規定されている。溝面４２ｆは、底面４２ｂと、一対の側面４２ｓと、を含んでいる。底面４２ｂは、回転軸１の周方向５３に沿って延びている。一対の側面４２ｓは、底面４２ｂから、回転軸１の径方向５２に沿って延びている。一対の側面４２ｓは、互いに向かい合っている。このような形状の環状溝４２は、形成し易い。環状溝４２を形成し易いことは、ターボ圧縮機１００を量産するに際して品質バラツキを抑え易いというメリットをもたらしうる。このことは、ターボ圧縮機１００の信頼性を確保する観点から有利である。

図２Ｂに示す例では、環状溝４２が、上記のような底面４２ｂ及び側面４２ｓによって規定されている。このため、環状溝４２の径方向５２の寸法（すなわち深さ）をＷＧとしたとき、面積ＳＧは、ＳＧ＝ＨＧ×ＷＧにより与えられる。よって、面積Ｓ２は、Ｓ２＝ＳＧ＋ＨＧ×ＷＣ＝ＨＧ×（ＷＧ＋ＷＣ）により与えられる。

ただし、環状溝４２の形状は特に限定されない。例えば、回転軸１の中心軸Ｏを含む断面において、溝面４２ｆは、図２Ｃに示すようにＶ字形状を有していてもよく、湾曲形状を有していてもよい。図２Ｃに示すように上記断面において溝面４２ｆがＶ字形状を有している場合は、面積ＳＧは、ＳＧ＝ＨＧ×ＷＧ／２により与えられる。よって、面積Ｓ２は、Ｓ２＝ＳＧ＋ＨＧ×ＷＣ＝ＨＧ×（ＷＧ／２＋ＷＣ）により与えられる。上述の通り、ＷＧは、環状溝４２の径方向５２の寸法すなわち環状溝４２の深さである。

本実施の形態では、少なくとも１つの遠心加圧流路７２は、複数の遠心加圧流路７２を含んでいる。ここで、複数の遠心加圧流路７２のそれぞれの流路断面積の合計値を複数の遠心加圧流路７２の数で割ることによって得られる値をＳ_AVEと定義する。軸方向５１に平行かつ回転軸１の中心軸Ｏを含む断面における環状隙間４９の断面積をＳ２と定義する。このとき、面積Ｓ２は、値Ｓ_AVEよりも小さい。Ｓ２＜Ｓ_AVEであることは、エロージョンを抑制するのに適している。

軸方向５１に平行かつ回転軸１の中心軸Ｏを含む断面における環状隙間４９の断面積を、Ｓ２と定義する。軸受隙間１５の流路断面積を少なくとも１つの遠心加圧流路７２の数で割ることによって得られる値を、Ｓ３と定義する。このとき、本実施の形態では、値Ｓ３は、面積Ｓ２よりも小さい。Ｓ３＜Ｓ２であることは、エロージョンを抑制するのに適している。

軸受隙間１５の流路断面積は、具体的には、軸方向５１に垂直な断面における、軸受隙間１５が構成する流路の面積である。本実施の形態では、軸受隙間１５の流路断面積は、軸方向５１に垂直な断面における基準面４７と外周面４３の間の面積である。この流路断面積は、基準面４７とこの断面の交線によって囲まれた面積から、外周面４３とこの断面の交線によって囲まれた面積を差し引いた差分であるとも言える。値Ｓ３は、この流路断面積を遠心加圧流路７２の数で割った値である。

図２Ｇは、本実施の形態における回転軸１と軸受４の間の隙間に設けられた流路の断面図である。具体的に、図２Ｇの左図は、図２Ａの位置Ｘで切った、軸方向５１に垂直な断面図である。図２Ｇの右図は、図２Ａの位置Ｙで切った、軸方向５１に垂直な断面図である。図２Ｇに示す例では、軸方向５１に垂直な断面において、軸受隙間１５は円環形状を有する。円環形状の内周円の直径は、φ１である。円環形状の外周円の直径は、φ２である。そのため、軸受隙間１５の流路断面積は、π×φ２²／４−π×φ１²／４により与えられる。遠心加圧流路７２の数をｎとしたとき、値Ｓ３は、Ｓ３＝π×（φ２²−φ１²）／（４×ｎ）により与えられる。

図２Ｇに示す例では、ｎ＝４である。ただし、遠心加圧流路７２の数ｎは特に限定されない。

本実施の形態では、軸受４に、環状溝４２が設けられている。この構成によれば、回転軸１に環状溝を設けることによる回転軸１の曲げ固有値の低下を回避できる。

実際に、本実施の形態では、回転軸１における遠心加圧流路７２の開口部７２оが面する部分には、環状溝は設けられていない。具体的には、当該部分は、その周囲の部分と協働して、中心軸Ｏからの距離が等しい円筒面を構成している。

ただし、図２Ｄに示すように、回転軸１に環状溝４２が設けられていてもよい。また、図２Ｅに示すように、軸受４及び回転軸１の両方に環状溝４２が設けられていてもよい。

本実施の形態では、Ｓ３＜Ｓ２＜Ｓ１である。このことは、エロージョンを抑制するのに適している。

本実施の形態では、流路断面積Ｓ１は、遠心加圧流路７２の開口部７２оの面積と同じである。そのため、Ｓ２＜Ｓ１、Ｓ３＜Ｓ２、Ｓ３＜Ｓ２＜Ｓ１等の文脈において、「流路断面積Ｓ１」を「開口部７２оの面積」に置き換えた説明も成立する。

本実施の形態では、冷凍サイクル装置１０１は、蒸発器８０と、ターボ圧縮機１００と、凝縮器９０と、を備える。蒸発器８０は、冷媒を蒸発させる。ターボ圧縮機１００は、蒸発器８０で蒸発した冷媒を圧縮する。凝縮器９０は、ターボ圧縮機１００で圧縮された冷媒を凝縮させる。このような構成では、飽和状態に近い冷媒がターボ圧縮機１００に供給され易く、エロージョンが発生し易い。別の言い方をすると、このような構成では、エロージョンを抑制できるという効果が好適に発揮され易い。

上記の「ターボ圧縮機１００は、蒸発器８０で蒸発した冷媒を圧縮する」及び「凝縮器９０は、ターボ圧縮機１００で圧縮された冷媒を凝縮させる。」という表現について、説明する。これらの表現は、冷凍サイクル装置１０１において圧縮機としてターボ圧縮機１００のみが存在する形態を包含することを意図したものである。さらに、これらの表現は、冷凍サイクル装置１０１において蒸発器８０、複数の圧縮機及び凝縮器９０をこの順に冷媒が循環し、上記複数の圧縮機がターボ圧縮機１００を含む形態も包含することを意図した表現である。

供給ポンプ７０は、他の機器と共有されうる。そのような共有がなされる場合等においては、供給ポンプ７０から軸方向流路７１への冷媒の供給圧力を高くとれないことがある。しかしながら、冷媒の供給圧力を高くとれない場合であっても、本実施の形態によれば、回転軸１における外周面４３及び／又は軸受４における軸受面４１におけるエロージョンが抑制されうる。

［１−４．検証実験］
本発明者らは、Ｓ３＜Ｓ１＜Ｓ２となるように面積Ｓ１、面積Ｓ２及び値Ｓ３を設定したこと以外は図１から図２Ｂと同様の構成を有する、参考形態に係るターボ圧縮機を作製した。参考形態に係るターボ圧縮機を運転すると、視認できるエロージョンが、回転軸の外周面における環状溝と向かい合う部分辺りに生じた。

本発明者らは、Ｓ３＜Ｓ２＜Ｓ１となるように面積Ｓ１、面積Ｓ２及び値Ｓ３を設定することにより、図１から図２Ｂと同様の構成を有する本実施の形態に係るターボ圧縮機１００を作製した。本実施の形態に係るターボ圧縮機１００を運転しても、視認できるエロージョンは生じなかった。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略等を行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

例えば、図１の例では、回転軸１と軸受４２ｂとの間に、隙間が設けられている。回転軸１は、軸方向流路７１からこの隙間に冷媒を導くための遠心加圧流路７２ｂを有している。遠心加圧流路７２ｂは、軸受４２ｂの軸受面に開口している。図１の例では、この軸受面は、環状溝を有していない。ただし、この軸受面が環状溝４２と同様の環状溝を有し、その環状溝に向かって遠心加圧流路７２ｂが開口する形態も採用されうる。また、回転軸１における遠心加圧流路７２ｂの開口部付近に、図２Ｄの環状溝４２と同様の環状溝を設けてもよい。

本開示は、環状溝を有する軸受を備えた冷凍機用ターボ圧縮機に適用可能である。具体的には、水冷媒ターボ冷凍機、ＨＦＯ−１３４ａターボ冷凍機、ＨＦＯ１２３３ｚｄターボ冷凍機等に、本開示は適用可能である。

１ 回転軸
２ 翼車
３ モータ回転子
４、４ｂ 軸受
５ 排出空間
７ 供給流路
９ 吸入空間
１２ 排出経路
１５ 軸受隙間
４１ 軸受面
４２ 環状溝
４２ｆ 溝面
４２ｂ 底面
４２ｓ 側面
４２о 開口部
４３ 外周面（軸滑り面）
４７ 基準面
４８ 基準領域
４９ 環状隙間
５１ 軸方向
５２ 径方向
５３ 周方向
７０ ポンプ
７１ 軸方向流路
７２、７２ｂ 遠心加圧流路
７２о 開口部
８０ 蒸発器
９０ 凝縮器
１００ ターボ圧縮機
１０１ 冷凍サイクル装置
ｍ 開口中心
Ｃ，Ｏ 中心軸
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 領域

Claims (10)

1. 冷媒を圧縮するターボ圧縮機であって、
   軸受と、
   前記軸受によって支持される回転軸と、
   液相状態にある前記冷媒を潤滑剤として前記軸受に供給するように前記回転軸の内部に設けられ、前記回転軸の軸方向に延びる軸方向流路と、前記軸方向流路から前記軸受に向かって延びる少なくとも１つの遠心加圧流路と、を含む供給流路と、
   前記軸受及び前記回転軸の少なくとも一方に設けられ、前記遠心加圧流路の開口部が面している環状溝と、
   を備えた、ターボ圧縮機。
2. 前記軸受と前記回転軸との間に設けられた軸受隙間と、
   前記回転軸の径方向に関して前記軸受隙間の寸法よりも大きい寸法を有し、前記環状溝を含む環状隙間と、をさらに備え、
   前記遠心加圧流路は、前記環状隙間に開口し、
   前記環状隙間は、前記軸受隙間と連通している、
   請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 前記少なくとも１つの遠心加圧流路は、特定遠心加圧流路を含み、
   前記特定遠心加圧流路の流路断面積をＳ１と定義し、前記軸方向に平行かつ前記回転軸の中心軸を含む断面における前記環状隙間の断面積をＳ２と定義したとき、
   Ｓ２＜Ｓ１の関係が満たされる、
   請求項２に記載のターボ圧縮機。
4. 前記少なくとも１つの遠心加圧流路は、複数の遠心加圧流路を含み、
   前記複数の遠心加圧流路のそれぞれの流路断面積の合計値を前記複数の遠心加圧流路の数で割ることによって得られる値をＳ_AVEと定義し、前記軸方向に平行かつ前記回転軸の中心軸を含む断面における前記環状隙間の断面積をＳ２と定義したとき、
   Ｓ２＜Ｓ_AVEの関係が満たされる、
   請求項２又は３に記載のターボ圧縮機。
5. 前記軸方向に平行かつ前記回転軸の中心軸を含む断面における前記環状隙間の断面積をＳ２と定義し、前記軸受隙間の流路断面積を前記少なくとも１つの遠心加圧流路の数で割ることによって得られる値をＳ３と定義したとき、
   Ｓ３＜Ｓ２の関係が満たされる、
   請求項２から４のいずれか一項に記載のターボ圧縮機。
6. 前記少なくとも１つの遠心加圧流路は、特定遠心加圧流路を含み、
   前記環状溝の開口部の前記軸方向に関する寸法をＨＧと定義し、前記特定遠心加圧流路の開口部の前記軸方向に関する寸法をＨＰと定義したとき、
   ＨＧ＞ＨＰの関係が満たされる、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のターボ圧縮機。
7. 前記少なくとも１つの遠心加圧流路は、特定遠心加圧流路を含み、
   前記環状溝の開口部の前記軸方向に関する寸法をＨＧと定義し、前記特定遠心加圧流路の開口部の前記軸方向に関する寸法をＨＰと定義したとき、
   ＨＧ／ＨＰ≦２の関係が満たされる、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のターボ圧縮機。
8. 前記環状溝は、溝面によって規定され、
   前記溝面は、前記回転軸の周方向に沿って延びる底面と、前記底面から前記回転軸の径方向に沿って延び互いに向かい合う一対の側面と、を含む、
   請求項１から７のいずれか一項に記載のターボ圧縮機。
9. 前記軸受に、前記環状溝が設けられている、
   請求項１から８のいずれか一項に記載のターボ圧縮機。
10. 前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する、請求項１から９のいずれか１項に記載のターボ圧縮機と、
    前記ターボ圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
    を備える、
    冷凍サイクル装置。

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