JP2023529681A - コンプレッサ駆動シャフトアセンブリ及びこれを含むコンプレッサ - Google Patents

Abstract

コンプレッサシステムは、コンプレッサハウジングと、コンプレッサハウジング内に回転可能に支持される駆動シャフトとを含む。コンプレッサシステムは、駆動シャフトの回転時に入ってくる冷媒ガスに運動エネルギーを与えるインペラと、駆動シャフトに結合されるスラストディスクと、コンプレッサハウジングに取り付けられる軸受アセンブリとをさらに含む。インペラは、内面を有するインペラ・ボアを含み、スラストディスクは、外側ディスク及びハブを含む。軸受アセンブリは、スラストディスクの外側ディスクを回転可能に支持する。ハブは、インペラ・ボア内に配置され、インペラ・ボアの内面と接触するハブ外面を含む。ハブ外面とインペラ・ボアの内面との間の第１の接触力は、駆動シャフトの回転速度の上昇とともに増大する。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０２０年６月９日に出願した米国非仮特許出願第１６／９４６，１７３号に対する優先権を主張するものであり、この文献の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示の分野は、概して、コンプレッサのための駆動シャフトアセンブリに関し、より具体的には、コンプレッサで使用するためのスラストディスク及びインペラを含む駆動シャフトアセンブリに関する。

Ｒ１３４Ａ等の最近のＣＦＣを含まない商用冷媒組成物は、Ｒ１２等の以前に使用していたＣＦＣ又はＨＣＦＣ冷媒と比較して密度が低いことを特徴とする。その結果、空調システムは、同等量の冷却能力を提供するために、ＣＦＣ又はＨＣＦＣ冷媒と比較して、ＣＦＣを含まないより大量の冷媒組成物を処理しなければならない。大量の冷媒を処理するために、ガスコンプレッサの設計を変更して、冷媒をより高い動作速度で処理する、及び／又はより高い効率で動作させる場合がある。

連続的な動的圧縮を利用する遠心コンプレッサは、容積式圧縮を利用する往復、回転、スクロール、及びスクリュー式コンプレッサ等の他のコンプレッサ設計に対して少なくともいくつかの利点を提供する。遠心コンプレッサには、少なくとも一部の容積式コンプレッサの設計に比べて、振動が少ない、効率が高い、構造がよりコンパクトでこれに伴い重量が軽い、信頼性が高い、磨耗し易い部品点数が少ないためメンテナンスコストが低い等、多くの利点がある。遠心コンプレッサを採用した大容量冷却システムは、駆動シャフトを高回転速度で作動させて動力をモータからインペラに伝達させ、入ってくる冷媒に運動エネルギーを与える。高回転速度の駆動シャフトに関連する課題を軽減するために、遠心コンプレッサは、典型的に、比較的厳しい公差及び高い製造精度を必要とする。さらに、モータ、ポンプ、タービン等の他のタイプの機械システムも、高回転速度で駆動シャフトを作動させる。これらのタイプの回転機械システムに精通している人には知られているように、駆動シャフトに取り付けられる構成要素の緩み及び位置ずれが動作中に発生する可能性があり、不均衡な負荷が発生して振動が発生し、駆動シャフトに周期的な応力負荷がかかり、動作寿命が短くなり、早期故障、特に軸受及びシールの早期故障が発生する可能性がある。

遠心コンプレッサは、駆動シャフトを支持し及びこのシャフトの位置合せを維持する１つ又は複数の軸受アセンブリを含む。典型的な遠心コンプレッサでは、インペラ及びスラストディスク等の構成要素が、例えば圧入又は焼き嵌め等の摩擦嵌め接続を使用して駆動シャフトに個別に結合される。高速で回転する駆動シャフト、インペラ、及びスラストディスクは、回転速度の上昇とともに増大する遠心力を誘発する。遠心力は、回転軸から離れる方向に、半径方向に向けられ、構成要素を駆動シャフトから離れる外側に引っ張り、摩擦嵌め接続を緩める。さらに、構成要素の慣性、特に回転軸から離れる方向に延びる質量の半径方向の分布は、駆動シャフトとの摩擦接続をさらに緩める遠心力に寄与する。接続が緩むと偏心荷重が発生し、取り付けた構成要素の質量中心が駆動シャフトの回転軸と一致しなくなる。偏心負荷の影響は、高回転速度でさらに大きくなり、振動が発生して摩耗が増加し、システムのダウンタイムが増加する可能性がある。

高回転速度の駆動シャフトに取り付けられる構成要素の設計は、駆動シャフトと構成要素との間の摩擦嵌め接続を維持するという進行中の課題を提起する。さらに、高回転動作速度中に駆動シャフトの回転軸と一致する構成要素の重心の位置合せを維持することにより、遠心コンプレッサの構成要素を損傷する可能性のある振動につながる偏心負荷を回避することが容易になる。

この背景技術の段落は、以下で説明及び／又は特許請求に記載される、本開示の様々な態様に関連し得る技術の様々な態様を読者に紹介することを意図している。この議論は、読者に背景技術の情報を提供して、本開示の様々な態様のより良い理解を促すのに役立つと考えられる。従って、これらの記述は、先行技術の承認としてではなく、この先行技術の観点から読むべきであると理解すべきである。

一態様では、コンプレッサシステムは、コンプレッサハウジングと、コンプレッサハウジング内に回転可能に支持される駆動シャフトとを含む。コンプレッサシステムは、駆動シャフトの回転時に入ってくる冷媒ガスに運動エネルギーを与えるインペラと、駆動シャフトに結合されるスラストディスクと、コンプレッサハウジングに取り付けられる軸受アセンブリとをさらに含む。インペラは、内面を有するインペラ・ボアを含み、スラストディスクは、外側ディスク及びハブを含む。軸受アセンブリは、スラストディスクの外側ディスクを回転可能に支持する。ハブは、インペラ・ボア内に配置され、インペラ・ボアの内面と接触するハブ外面を含む。ハブ外面とインペラ・ボアの内面との間の第１の接触力は、駆動シャフトの回転速度の上昇とともに増大する。

別の態様では、コンプレッサのための駆動シャフトアセンブリは、駆動シャフト、駆動シャフトに結合されるスラストディスク、及びスラストディスクに結合されるインペラを含む。スラストディスクは外側ディスク及びハブを含み、ハブはハブ外面を含む。インペラは、内面を有するインペラ・ボアを含む。スラストディスクのハブは、インペラ・ボア内に配置され、ハブ外面はインペラ・ボアの内面と接触する。ハブ外面とインペラ・ボアの内面との間の第１の接触力は、駆動シャフトの回転速度の上昇とともに増大する。

さらに別の態様では、コンプレッサを組み立てる方法は、駆動シャフトをスラストディスクのスラストディスク・ボアに挿入することによって、スラストディスクを駆動シャフトに結合するステップを含む。この方法はさらに、スラストディスクのハブをインペラのインペラ・ボア内に挿入することによって、インペラをスラストディスクに結合させ、それによって、ハブの外面がインペラ・ボアの内面と接触し、ハブ外面とインペラ・ボアの内面との間の第１の接触力は、駆動シャフトの回転速度の上昇とともに増大するステップを含む。この方法はさらに、軸受がスラストディスクの外側ディスクを回転可能に支持するように、軸受をコンプレッサハウジングに取り付けるステップを含む。

上述の態様に関連して言及した特徴の様々な改良が存在する。更なる特徴も、上述した態様に同様に組み込むことができる。これらの改良点及び追加の特徴は、個別に、又は任意の組合せで存在する可能性がある。例えば、例示した実施形態のいずれかに関連して以下で議論する様々な特徴は、単独で、又は任意の組合せで、上記の態様のいずれかに組み込んでもよい。

以下の図は、本開示の様々な態様を示している。
組み立てられたコンプレッサの斜視図である。 図１の線２－２に沿って切り取られたコンプレッサの断面図である。 図２のコンプレッサの一部の拡大断面図である。 駆動シャフトの端部に取り付けられるスラストディスク及びインペラを含むコンプレッサの駆動シャフトアセンブリの断面図である。 図４の駆動シャフトの端部に取り付けられるスラストディスク及びインペラの拡大断面図である。 図５の駆動シャフトの端部に取り付けられるスラストディスク、スラスト軸受、及びインペラの拡大断面図である。 図４のスラストディスク、インペラ、及び駆動シャフトを含む駆動シャフトアセンブリの分解図である。 対応する参照符号は、図面全体に亘って対応する部分を示す。

図１を参照すると、二段冷媒コンプレッサの形態で示されるコンプレッサが全体的に１００で示されている。コンプレッサ１００は、一般に、少なくとも１つの密封されたキャビティを形成するコンプレッサハウジング１０２を含み、そのキャビティ内で、冷媒圧縮の各段階が達成される。コンプレッサ１００は、冷媒蒸気を第１の圧縮段に導入する第１の冷媒入口１１０、第１の冷媒出口１１４、圧縮した冷媒を第１の圧縮段から第２の圧縮段に移送する冷媒移送導管１１２、冷媒蒸気を第２の圧縮段（図１に図示せず）に導入する第２の冷媒入口１１８、及び第２の冷媒出口１２０を含む。冷媒移送導管１１２は、反対側の端部で第１の冷媒出口１１４及び第２の冷媒入口１１８のそれぞれに動作可能に接続される。第２の冷媒出口１２０は、圧縮した冷媒を、第２の圧縮段から、コンプレッサ１００を組み込んだ冷却システムに送る。冷媒移送導管１１２は、必要に応じてコンプレッサ１００において冷媒を追加又は除去するための冷媒ブリード（bleed）１２２をさらに含むことができる。

図２を参照すると、コンプレッサハウジング１０２は、コンプレッサ１００の両端で第１の圧縮段１２４及び第２の圧縮段１２６を取り囲む。第１の圧縮段１２４は、第１の冷媒入口１１０を介して入る流入冷媒ガスに運動エネルギーを与えるように構成された第１段のインペラ１０６を含む。第１段のインペラ１０６によって冷媒に与えられた運動エネルギーは、第１段の入口リング１０１と外側コンプレッサハウジング１０２の部分との間に形成されるディフューザへの移送時に冷媒速度が減速されるにつれて、増大した冷媒圧力（すなわち、圧縮）に変換される。同様に、第２の圧縮段１２６は、第１の圧縮段階１２４から移送され、第２の冷媒入口１１８を介して入る冷媒に運動エネルギーを加えるように構成された第２段のインペラ１１６を含む。第２段のインペラ１１６によって冷媒に与えられるエネルギーは、第２段の入口リング１０３と外側コンプレッサハウジング１０２の第２部分との間に形成されるディフューザへの移送時に冷媒速度が減速されるにつれて、増大した冷媒圧力（すなわち、圧縮）に変換される。圧縮した冷媒は、第２の冷媒出口１２０（図２には図示せず）を介して第２の圧縮段１２６を出る。

第１段のインペラ１０６及び第２段のインペラ１１６は、駆動シャフト軸Ａ_１０４の周りを回転する駆動シャフト１０４の両端で接続される。駆動シャフトは、駆動シャフトの第１の端部１３０から駆動シャフトの第２の端部１３２まで延びており、駆動シャフト軸Ａ_１０４に関して軸対称である。さらに、駆動シャフト軸Ａ_１０４は、駆動シャフト１０４の重心を通って延びる。駆動シャフト１０４は、第１段のインペラ１０６と第２段のインペラ１１６との間に位置付けされたモータ１０８に動作可能に接続され、モータ１０８は駆動シャフト１０４を駆動シャフト軸Ａ_１０４の周りに回転させる。第１段のインペラ１０６及び第２段のインペラ１１６は両方とも駆動シャフト１０４に結合され、第１段のインペラ１０６及び第２段のインペラ１１６は、選択した回転速度で回転し、冷媒を第２の冷媒出口１２０から出る予め選択した圧力まで圧縮するようにする。電気モータを含むがこれに限定されない任意の適切なモータをコンプレッサ１００に組み込むことができる。

図２～図４を参照すると、駆動シャフト１０４は、第１のシャフト部分の半径Ｒ_１３４を有する第１のシャフト部分１３４と、第１のシャフト部分の半径Ｒ_１３４よりも小さい第２のシャフト部分の半径Ｒ_１３６を含む減少した直径を有する第２のシャフト部分１３６とを含む。すなわち、駆動シャフト１０４は、第１段のインペラ１０６に近接して、駆動シャフトの第１の端部１３０に近接するステップダウン機構を含む。第１のシャフト部分１３４は、第１の端面１３８を含み、第２のシャフト部分１３６は、第１の端面１３８の遠位に、駆動シャフトの第１の端部１３０に配置された第２の端面１４０を含む。第２のシャフト部分１３６は、駆動シャフト軸Ａ_１０４に沿って第１の端面１３８と第２の端面１４０との間に延びる第２のシャフト部分長さＬ_１３６を含む。駆動シャフト１０４はさらに、駆動シャフト軸Ａ_１０４に沿って第２の端面１４０からボア長さＬ_１４２まで駆動シャフト１０４内に軸方向内側に延びる止まり穴（blind bore：ブラインド・ボア）１４２を含む。すなわち、止まり穴１４２は、駆動シャフト軸Ａ_１０４と同軸である。いくつかの例示的な実施形態では、ボアの長さＬ_１４２は、第２のシャフト部分Ｌ_１３６の長さと実質的に同じ長さであり得る。ボア１４２は、駆動シャフト軸Ａ_１０４から止まり穴１４２の境界を規定するボア内面１４４まで延びる半径Ｒ_１４２を含む。ボア半径Ｒ_１４２は、第２のシャフト部分の半径Ｒ_１３４よりも小さく、第２のシャフト部分１３６は、ボア内面１４４と第２のシャフト部分の外面１４６との間に延びる厚さＴ_１３６を有する環状壁を含む。ボア１４２は、テーパー付きの端部１４８（図４）と、ボアの内面１４４に規定されるねじ部分とをさらに含む。

図２～図３を参照すると、スラスト軸受アセンブリ２００は、コンプレッサの動作中に（例えば、第１段のインペラ１０６及び／又は第２段のインペラ１１６によって生成されるスラスト力から）駆動シャフト１０４に加えられる軸方向力を支持する。軸方向力は、駆動シャフト軸Ａ_１０４に略平行に向けられる。スラスト軸受アセンブリ２００は、例えばローラ型軸受、流体膜軸受、エアフォイル軸受、及びこれらの組合せを含むがこれらに限定されない、任意の適切な軸受タイプを含むことができる。スラスト軸受アセンブリ２００は、コンプレッサハウジング１０２に結合される軸受ブラケット２０２を含む。軸受ブラケット２０２は、ある距離だけ離間し、且つスラスト軸受アセンブリ２００のスラストディスク２０４の軸方向の両側に配置された第１のプレート２０２ａ及び第２のプレート２０２ｂを含む。第１及び第２のプレート２０２ａ及び２０２ｂは、形状が環状であり、コンプレッサ１００が（図３に示されるように）組み立てられるとき駆動シャフト１０４の少なくとも一部をその中に受け入れる中央開口部（符号なし）を含む。第１及び第２のプレート２０２ａ及び２０２ｂは、例えば圧入接続及び／又は機械的締結を含むがこれらに限定されない、任意の適切な手段を使用してコンプレッサハウジング１０２に結合され得る。第１及び第２のプレート２０２ａ及び２０２ｂのそれぞれは、スラスト軸受アセンブリ２００の軸受を支持及び係合するために、対向する第１のプレート２０２ａ又は第２のプレート２０２ｂに面する内面を含み得る。

図４～図６を参照すると、スラストディスク２０４は、中央ハブ２１６と、このハブ２１６から半径方向外向きに延びる外側ディスク２１０とを含む。スラストディスク２０４、具体的には図示の実施形態におけるハブ２１６は、スラストディスク・ボア２０６を規定し、スラストディスク・ボア２０６の境界を規定するスラストディスク・ボア面２０８を含む。スラストディスク軸Ａ_２０４はスラストディスク２０４の重心を貫いて延び、スラストディスク２０４はスラストディスク軸Ａ_２０４に関して軸対称である。スラストディスク・ボア２０６は、スラストディスク軸Ａ_２０４からスラストディスク・ボア面２０８まで延びる半径Ｒ_２０６を有する。駆動シャフト１０４の第２のシャフト部分１３６は、スラストディスク・ボア２０６に突出してこれを貫いて延びており、スラストディスク軸Ａ_２０４及び駆動シャフト軸Ａ_１０４は一致している。

スラストディスク２０４は、摩擦又は圧入接続によって駆動シャフト１０４に結合される。例えば、スラストディスク・ボア面２０８は、第２のシャフト部分の外面１４６と摩擦係合し、外側ディスク２１０は、駆動シャフト１０４の第１の端面１３８と摩擦係合し、駆動シャフト１０４の回転によって回転をスラストディスク２０４に伝達するようにする。スラストディスク・ボア面２０８は、第２のシャフト部分の外面１４６と、制限されたギャップ又はスペースで、又は全くギャップ又はスペースなしで接触している。さらに、半径Ｒ_２０６は、スラストディスク２０４と駆動シャフト１０４との間に干渉が生じるようなサイズにされる。例示的な実施形態では、スラストディスク２０４等の構成要素は、締まり嵌め及び／又は摩擦嵌めとも呼ばれる圧入によって駆動シャフト１０４に結合される。干渉する２つの部品を圧入組立した後に、２つの部品の合わせ面の間に摩擦が発生する。スラストディスク２０４と駆動シャフト１０４との間の干渉量に基づいて、スラストディスク２０４は、ハンマー又は油圧ラムを使用して駆動シャフト１０４に組み付けられ得る。場合によっては、焼き嵌め技術を使用して構成要素を組み付けることができる。焼き嵌め技術は、焼き嵌めによって結合される構成要素を選択的に加熱及び／又は冷却することによって行われる。いくつかの実施形態では、例えば、スラストディスク２０４が加熱され、スラストディスク・ボア２０６を拡張させ、膨張したスラストディスク・ボア２０６内に第２のシャフト部分１３６を挿入して位置付けできるようにする。その後、スラストディスク・ボア２０６は、スラストディスク２０４の冷却時に収縮し、第２のシャフト部分１３６の周りに縮まる。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の整列機構又は構成要素を使用して、嵌合構成要素を組み立てることができ、これには、例えば、整列（位置合せ）ピン、キー付き（キー溝）機構、又はスラストディスクと駆動シャフトとの間に係合する他の機構が含まれる。

駆動シャフト１０４、第１段のインペラ１０６、及びスラストディスク２０４は、コンプレッサ１００の駆動シャフトアセンブリ２０１の一部である。図示の実施形態では、駆動シャフトアセンブリ２０１は、第２段のインペラ１１６も含む。駆動シャフトアセンブリ２０１は、他の実施形態では、追加の又はより少ない構成要素を含み得る。いくつかの実施形態では、例えば、第２段のインペラ１１６は、第１段のインペラ１０６と同じ方法でスラストディスクによって駆動シャフト１０４の第２の端部１３２に結合され得る。

再び図５を参照すると、外側ディスク２１０は、第１のディスク面２１２と、第１のディスク面２１２からディスク長さＬ_２１０だけ軸方向に離間した対向する第２のディスク面２１４とを含む。ハブ２１６は、第２のディスク面２１４からハブ端面２１８までハブ長さＬ_２１６だけ軸方向に延びる。スラストディスク２０４の全長は、ディスク長さＬ_２１０及びハブ長さＬ_２１６を含む。いくつかの実施形態では、ハブ長さＬ_２１６は、ディスク長さＬ_２１０よりも長い。外側ディスク２１０は、スラストディスク軸Ａ_２０４から外側ディスク２１０の外周面２１９まで測定されたディスク半径Ｒ_２１０を有する。ハブ２１６は、スラストディスク軸Ａ_２０４からハブ２１６の半径方向外面２２０まで測定されたハブ半径Ｒ_２１６を有する。外側ディスク２１０及びハブ２１６は、一体的に、すなわち、鋳造又は積層造形等によって単一部材として形成される。他の実施形態では、外側ディスク２１０及びハブ２１６は、別々に形成され、例えば溶接接続等の任意の適切な手段を使用して結合してもよい。

ハブ半径Ｒ_２１６は、ディスク半径Ｒ_２１０よりも小さい。図示の実施形態では、例えば、ディスク半径Ｒ_２１０は、ハブ半径Ｒ_２１６よりも約２～３倍大きい。他の実施形態では、ディスク半径Ｒ_２１０は、ハブ半径Ｒ_２１６よりも２～３倍大きいか、又は小さくてもよい。さらに、外側ディスク２１０の質量は、ハブ２１６の質量より大きい。遠心力は、質量及び質量の半径方向分布に比例する。従って、外側ディスク２１０に発生する遠心力は、駆動シャフト１０４の高速回転中にハブ２１６に発生する遠心力よりも大きい。いくつかの実施形態では、外側ディスク２１０にかかる遠心力は、ハブ２１６にかかる遠心力よりもはるかに大きい。

スラストディスク・ボア２０６の半径Ｒ_２０６は、第１のシャフト部分１３４の第１の半径Ｒ_１３４（図２）より小さい。第１のディスク面２１２の少なくとも一部が、第１のシャフト部分１３４の第１の端面１３８と接触している。さらに、外側ディスク半径Ｒ_２１０は、外側ディスク２１０の一部が第１のシャフト部分１３４から半径方向外向きに延びるように、第１のシャフト部分半径Ｒ_１３４より大きい。スラストディスク２０４は、スラストディスク軸Ａ_２０４を通る平面の周りのスラストディスク２０４の断面が、第２のシャフト部分１３６の各側に配置された略「Ｌ字形」の外形をもたらすように、成形される。外側ディスク２１０は、外側ディスク２１０の少なくとも一部が軸受ブラケット２０２の第１のプレート２０２ａと第２のプレート２０２ｂとの間に配置されるように、駆動シャフト１０４から離れる方向に延びる。第１のディスク面２１２は、第１のプレート２０２ａに向けて（すなわち、向かい合って）配置され、第２のディスク面２１４は、第２のプレート２０２ｂに向けて（すなわち、向かい合って）配置される。適切な軸受が、第１及び第２のプレート２０２ａ、２０２ｂによって支持され、外側ディスク２１０と回転可能に係合し、それによって、外側ディスク２１０が第１のプレート２０２ａ及び第２のプレート２０２ｂに対して回転できるようにする。

図５～図７を参照すると、第１段のインペラ１０６は、インペラ軸Ａ_１０６に沿ってインペラの第１の端部３０２とインペラの第２の端部３０４との間で長さＬ_１０６に延びる。インペラ軸Ａ_１０６は、インペラ１０６の重心を通って延びる。インペラ１０６は、軸対称である、つまり、インペラ軸Ａ_１０６に関して対称である。インペラ１０６はさらに、インペラの第１の端部３０２からインペラ１０６内に軸方向に延びる第１のインペラ・ボア３０６と、インペラの第２の端部３０４からインペラ１０６内に軸方向に延びる第２のインペラ・ボア３０８とを含む。第１のインペラ・ボア３０６は半径Ｒ_３０６を有しており、第２のインペラ・ボア３０８は半径Ｒ_３０８を有する。半径Ｒ_３０６はＲ_３０８より大きい。第１のインペラ・ボア３０６及び第２のインペラ・ボア３０８は、インペラの第２の端部３０４からインペラの第１の端部３０２までインペラ１０６を完全に通過する開口部を集合的に形成するように配置される。インペラ１０６は、複数の羽根（vane）をさらに含み、シュラウド（shroud：覆い）を含み得る。インペラ１０６は、入ってくる冷媒に運動エネルギーを与えるために使用される任意の適切なタイプの羽根を含むことができる。

第１のインペラ・ボア３０６は、第１のインペラ・ボア３０６の境界を規定するインペラ内面３１０を含む。スラストディスク２０４のハブ２１６は、インペラ軸Ａ_１０６が、スラストディスク軸Ａ_２０４と駆動シャフト軸Ａ_１０４との両方と一致するように、インペラ１０６の第１のインペラ・ボア３０６内に配置される。ハブ２１６は、外面２２０がインペラの内面３１０と最小限のギャップ又はスペースで摩擦接続されるように、第１のインペラ・ボア３０６内に圧入される。いくつかの例示的な実施形態では、ハブ２１６は、焼き嵌め技術を使用して第１のインペラ・ボア３０６と摩擦接続することができる。従って、駆動シャフト１０４の回転は、スラストディスク２０４及びインペラ１０６の回転をもたらす。スラストディスク２０４は、トルクを駆動シャフト１０４からインペラ１０６に伝達し、こうして、インペラ１０６は駆動シャフト１０４に直接取り付けられない。スラストディスク２０４及びインペラ１０６は、スラストディスク２０４及びインペラ１０６の重心が駆動シャフト軸Ａ_１０４と整列するように、駆動シャフト１０４に対して配置される。換言すれば、駆動シャフト軸Ａ_１０４、スラストディスク軸Ａ_２０４、及びインペラ軸Ａ_１０６は全て同軸である。さらに、駆動シャフト１０４、スラストディスク２０４、及びインペラ１０６のアセンブリは、駆動シャフト軸Ａ_１０４に関して軸対称である。

再び図６を参照すると、いくつかの例示的な実施形態では、ハブ２１６は、外側ディスク２１０から延びる第１のハブ部分２１６ａと、第１のハブ部分２１６ａから延びる第２のハブ部分２１６ｂとを含む。第１のハブ部分２１６ａは、第１の外面２２０ａと、スラストディスク・ボア２０６の第１の部分２０６ａを規定する第１の内面２０８ａとを含む。第１のハブ部分２１６ａは、スラストディスク軸Ａ_２０４から第１の内面２０８ａまで測定される内側ハブ半径（図示せず）と、スラストディスク軸Ａ_２０４から第１の外面２２０ａまで測定される外側半径（図示せず）とを有する。第２のハブ部分２１６ｂは、第２の外面２２０ｂと、スラストディスク・ボア２０６の第２の部分２０６ｂを規定する第２の内面２０８ｂとを含む。第２のハブ部分２１６ｂは、スラストディスク軸Ａ_２０４から第２の内面２０８ｂまで測定される内側ハブ半径（図示せず）と、スラストディスクＡ_２０４から第２の外面２２０ｂまで測定される外側半径（図示せず）とを含む。第２のハブ部分２１６ｂの外径は、第１のハブ部分２１６ａの外径よりも小さいので、第１の外面２２０ａとインペラ内面３１０との間の干渉は、第２の外面２２０ｂとインペラ内面３１０との間の干渉と比較してより大きくなる（すなわち、より緊密に嵌合する）。いくつかの実施形態では、第２の外面２２０ｂとインペラ内面３１０との間にクリアランス又はギャップＣ_２があってもよい。例えば、クリアランスＣ_２は、０．１～１ミリメートル（ｍｍ）であり得る。第２のハブ部分２１６ｂの第２の外面２２０ｂは、分解中に駆動シャフト１０４からのスラストディスク２０４の取り外しを容易にすることができるねじ山を含むことができる。

第２のハブ部分２１６ｂの内径は、第１のハブ部分２１６ａの内径より小さくてもよく、それによって、第２の内面２０８ｂは、第１の内面２０８ａと駆動シャフト１０４との間の干渉と比較して、駆動シャフト１０４とのより大きな干渉（すなわち、より緊密な嵌合）を有する。いくつかの実施形態では、第１の内面２０８ａと駆動シャフト１０４との間にクリアランス又はギャップＣ_１があってもよい。例えば、第１の内面２０８ａと駆動シャフト１０４との間のクリアランスＣ_１は、０．１～１（ｍｍ）であり得る。

駆動シャフト１０４、スラストディスク２０４、及びインペラ１０６の回転は、駆動シャフト軸Ａ_１０４に直交する半径方向外向きの遠心力を誘発する。誘発される遠心力は、回転速度の２乗に比例して増加する。遠心力は、回転軸、すなわち駆動シャフト軸Ａ_１０４の周りの質量の半径方向分布に比例する慣性力である。外側ディスク２１０は、ハブ２１６のハブ半径Ｒ_２１６と比較して、より大きな半径Ｒ_２１０を有する。従って、外側ディスク２１０は、ハブ２１６が受ける遠心力と比較して、より大きな遠心力を受ける。外側ディスク２１０にかかる遠心力は、外側ディスク２１０を、駆動シャフト軸Ａ_１０４に直交して、駆動シャフト１０４から離れる半径方向に引っ張る。外側ディスク２１０にかかる遠心力はまた、外側ディスク２１０に近接する第１のハブ部分２１６ａに対して半径方向外向きの力を加える。第１のハブ部分２１６ａに及ぼされる半径方向外向きの力は、第１のハブ部分２１６ａの第１の外面２２０ａに、第１の接触力Ｆ_１と呼ばれるインペラ内面３１０に対する力を加えさせ、それにより、第１の外面２２０ａとインペラ内面３１０との間の摩擦接続（力）を増大させる。第１の接触力Ｆ_１は、駆動シャフト１０４の回転速度の上昇とともに増大し、ハブ２１６とインペラ１０６との間の摩擦接続を維持し、高回転動作速度でインペラ１０６の重心とスラストディスク２０４の重心の位置合せを維持するための十分高い接触力を提供する。

第２のハブ部分２１６ｂにかかる遠心力は、第２のハブ部分２１６ｂを駆動シャフト１０４から半径方向外向きに引っ張る。外側ディスク２１０及び第１のハブ部分２１６ａにかかる遠心力は、第２のハブ部分２１６ｂを、駆動シャフト１０４に向けて半径方向内側方向に僅かに屈曲させることができる。いくつかの実施形態では、第２のハブ部分２１６ｂと駆動シャフト１０４との間の摩擦嵌めは、駆動シャフト１０４の回転速度の上昇とともに減少し得る。第２のハブ部分２１６ｂの第２の内面２０８ｂと駆動シャフト１０４との間の接触力Ｆ_２は、スラストディスク２０４と駆動シャフト１０４との間の摩擦接続、及び駆動シャフト１０４の通常の動作速度でスラストディスク２０４の重心を駆動シャフト軸Ａ_１０４と整列するのを維持するのに十分である。換言すれば、駆動シャフト１０４の回転速度が上昇するにつれて、スラストディスク２０４と駆動シャフト１０４との間の締まり嵌め又は接続は、僅かに減少し、スラストディスク２０４とインペラ１０６との間の接続はより強く（すなわち、よりきつく）なる。スラストディスク２０４と駆動シャフト１０４との間の摩擦嵌め又は接続は、スラストディスク２０４と駆動シャフト１０４との間の滑り又は相対運動を防止し、駆動シャフト１０４からスラストディスク２０４へのトルクの伝達を可能にし、その結果、駆動シャフト１０４からインペラ１０６へのトルクの伝達を可能にする。

インペラ１０６は、第２のインペラ・ボア３０８及び第１のインペラ・ボア３０６を通って駆動シャフト１０４の止まり穴１４２内に延びるねじ３１４をさらに含む。ねじ３１４は、ボア内面１４４に規定されるねじ溝（図示せず）と係合するねじ山を有するねじ部分を含む。ねじ３１４は、インペラの第２の端部３０４と係合するヘッド３１６を含む。ねじ３１４が締め付けられると、ねじ３１４はインペラ１０６をスラストディスク２０４に対して圧縮し、それにより、スラストディスク２０４からインペラへのトルクの伝達を容易にする。より具体的には、ねじ３１４は、インペラの第１の端部３０２をスラストディスク２０４の第２のディスク面２１４と接触させ、それにより外側ディスク２１０の一部を、インペラの第１の端部３０２と駆動シャフト１０４の第１の端面１３８との間で圧縮させる。ねじ３１４を締め付けると、スラストディスク２０４にクランプ力が生じる。ねじ３１４のねじ山は、駆動シャフト１０４の回転によってねじ３１４のねじ山が止まり穴１４２のねじ溝と緩んだり外れたりしないように配置される。

従って、本開示に示される実施形態では、スラストディスク２０４、インペラ１０６、及び駆動シャフト１０４は、構成要素同士の間の摩擦接続又は嵌合が駆動シャフト１０４の回転速度動作で概ね維持されるように配置される。駆動シャフト１０４とスラストディスク２０４との間の摩擦嵌めは、駆動シャフト１０４の回転速度の上昇とともに僅かに減少し得る。駆動シャフト１０４とスラストディスク２０４との間の摩擦嵌め力の減少は、駆動シャフト１０４の回転速度に大きく依存しない。さらに、駆動シャフト１０４の回転速度の上昇は、スラストディスク２０４とインペラ１０６との間の摩擦接続力を増大させる可能性がある。より具体的には、駆動シャフト１０４の回転速度の上昇は、ハブ２１６とインペラ１０６との間の第１の接触力Ｆ_１を増大させ、ハブ２１６と駆動シャフト１０４との間の第２の接触力Ｆ_２を僅かに減少させるだけである。第１及び第２の接触力Ｆ_１、Ｆ_２は、組み立てられた構成要素同士の間の摩擦接続を維持するのに十分である。さらに、部品の組立は、スラストディスク２０４及びインペラ１０６の重心が回転軸と一致し、高回転速度での偏心負荷を制限するようになっている。

説明したシステム及び方法の実施形態は、スラスト軸受アセンブリに関連する従来のシステム及び方法と比較して優れた結果を達成する。スラストディスク、インペラ、及び駆動シャフトアセンブリは、コンプレッサシステムと一致する高回転動作速度での回転構成要素の位置合せの維持を容易にする。駆動シャフトの高い回転動作速度は、スラストディスクとインペラとの間の摩擦嵌め接続（力）を増大させ、スラストディスクと駆動シャフトとの間の摩擦嵌め接続を維持する。いくつかの実施形態では、インペラは駆動シャフトに直接結合されておらず、トルクは駆動シャフトからスラストディスクを介してインペラに伝達される。改良した摩擦嵌め接続により、スラストディスク、インペラ、及び駆動シャフトの重心と回転軸との位置合せが維持される。開示したアセンブリは、典型的に高回転速度で作動する遠心コンプレッサと互換性がある。本明細書に記載の構成要素のアセンブリは、任意のタイプの遠心コンプレッサの設計に組み込むことができる。開示したシステムでの使用に適した遠心コンプレッサの非限定的な例には、単段、二段、及び多段遠心コンプレッサが含まれる。さらに、説明したアセンブリは、高回転速度駆動シャフトに結合されるインペラ及び軸受アセンブリ等の構成要素を有する他の機械システムを含む他の用途によく適している。

コンプレッサシステムの駆動シャフトに取り付けられる既知の軸受システム及びインペラとは異なり、本開示に記載のスラストディスク、インペラ、及び駆動シャフトアセンブリは、構成要素の重心の整列（位置合せ）だけでなく、摩擦嵌め接続の維持を可能にし、駆動シャフトの高い回転動作速度に関係なく、どちらも上記の遠心コンプレッサの実装を成功させる上で重要な要素である。さらに、高速回転により、スラストディスクとインペラの間の摩擦嵌めが向上し、摩擦接続が維持され、駆動シャフトへの偏心負荷が防止される。説明したアセンブリは、構成要素の摩耗を低減しながら、改善した動作寿命をもたらし、それにより回転機械の修理及びダウンタイムに関連するコストを削減することができる。説明したアセンブリは、ＨＶＡＣシステムの冷媒コンプレッサの厳しい動作環境で使用するために、インペラ、スラストディスク、及び駆動シャフトの耐用年数及び耐久性を向上させる拡張機能を提供する。

冷媒コンプレッサ等のコンプレッサシステム及び方法の例示的な実施形態は、上で詳細に説明している。システム及び方法は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されず、むしろ、システム及び方法の構成要素は、本明細書に記載の他の構成要素とは独立して別個に使用され得る。例えば、本明細書に記載のインペラ及びスラストディスクは、ターボチャージャーコンプレッサ等の、冷媒コンプレッサ以外のコンプレッサで使用することができる。

本開示又はその実施形態の要素を紹介するときに、冠詞「１つの（ａ，ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」及び「前記（ｓａｉｄ）」は、１つ又は複数の要素があることを意味することを意図している。「備える、有する、含む（comprising）」、「含む、有する（including）」、「含む（containing）」、及び「有する、含む（having）」という用語は、包括的であることを意図しており、列挙した要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味する。特定の向きを示す用語の使用（例えば、「上部」、「下部」、「側面」等）は、説明の便宜のためであり、説明するアイテムの特定の方向を必要としない。

本開示の範囲から逸脱することなく、上記の構造及び方法に様々な変更を加えることができるので、上記の説明に含まれ、添付の図面に示される全ての事項は、例示として解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈すべきでないことを意図している。

Claims (20)

1. コンプレッサシステムであって、当該コンプレッサシステムは、
   コンプレッサハウジングと、
   該コンプレッサハウジング内に回転可能に支持される駆動シャフトと、
   該駆動シャフトの回転時に入ってくる冷媒ガスに運動エネルギーを与えるインペラであって、内面を有するインペラ・ボアを含むインペラと、
   前記駆動シャフトに結合されるスラストディスクであって、該スラストディスクは外側ディスク及びハブを含み、該ハブは前記インペラ・ボア内に配置され、前記ハブは、前記インペラ・ボアの前記内面と接触するハブ外面を含み、該ハブ外面と前記インペラ・ボアの前記内面との間の第１の接触力が、前記駆動シャフトの回転速度の上昇とともに増大する、スラストディスクと、
   前記コンプレッサハウジングに取り付けられる軸受アセンブリであって、前記スラストディスクの前記外側ディスクを回転可能に支持する軸受アセンブリと、を含む、
   コンプレッサシステム。
2. 前記スラストディスクはスラストディスク・ボアを規定し、前記駆動シャフトは前記スラストディスク・ボア内に圧入される、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
3. 前記スラストディスク・ボアはボア内面を含み、該ボア内面は前記駆動シャフトと接触し、前記ボア内面と前記駆動シャフトとの間の摩擦接続が前記駆動シャフトの回転速度動作中に維持される、請求項２に記載のコンプレッサシステム。
4. 前記ボア内面は、前記外側ディスクに近接する第１のボア内面と、前記外側ディスクから遠位にある第２のボア内面とを含み、第２の接触力が、前記第２のボア内面と前記駆動シャフトとの間にある、請求項３に記載のコンプレッサシステム。
5. 前記ハブ外面は、前記外側ディスクに近接する第１の部分と、前記外側ディスクの遠位にある第２の部分とを含み、前記第１の接触力は、前記ハブ外面の前記第１の部分と前記インペラ・ボアの前記内面との間にある、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
6. 前記駆動シャフトは内側止まり穴を含み、前記内側止まり穴はボアねじ部分を含む、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
7. 前記インペラ・ボア及び前記駆動シャフトの前記内側止まり穴内に配置されたねじを含み、該ねじは、前記ボアねじ部分と螺合するねじ山部分を含む、請求項６に記載のコンプレッサシステム。
8. 前記駆動シャフトの回転は、前記ボアねじ部分と螺合するねじを外さない、請求項７に記載のコンプレッサシステム。
9. 前記外側ディスクは、外側ディスク半径及び外側ディスク慣性モーメントを含み、前記ハブは、ハブ半径及びハブ慣性モーメントを含み、前記外側ディスク半径及び前記外側ディスク慣性モーメントは、前記ハブ半径及び前記ハブ慣性モーメントよりも大きい、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
10. 前記インペラは、前記駆動シャフトに直接結合されていない、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
11. コンプレッサのための駆動シャフトアセンブリであって、当該駆動シャフトアセンブリは、
    駆動シャフトと、
    該駆動シャフトに結合され、外側ディスク及びハブを含むスラストディスクであって、前記ハブはハブ外面を含む、スラストディスクと、
    該スラストディスクに結合されるインペラであって、内面を有するインペラ・ボアを含むインペラと、を含み、
    前記スラストディスクの前記ハブは前記インペラ・ボア内に配置され、前記ハブ外面は前記インペラ・ボアの前記内面と接触しており、前記ハブ外面と前記インペラ・ボアの前記内面との間の第１の接触力が、前記駆動シャフトの回転速度の上昇とともに増大する、
    駆動シャフトアセンブリ。
12. 前記スラストディスクはスラストディスク・ボアを規定し、前記駆動シャフトは前記スラストディスク・ボア内に圧入される、請求項１１に記載の駆動シャフトアセンブリ。
13. 前記スラストディスク・ボアはボア内面を含み、前記ボア内面は前記駆動シャフトと接触しており、前記ボア内面と前記駆動シャフトとの間の摩擦接続が前記駆動シャフトの回転速度動作中に維持される、請求項１２に記載の駆動シャフトアセンブリ。
14. 前記ボア内面は、前記外側ディスクに近接する第１のボア内面部分と、前記外側ディスクの遠位にある第２のボア内面部分とを含み、第２の接触力が、前記第２のボア内面部分と前記駆動シャフトとの間にある、請求項１３に記載の駆動シャフトアセンブリ。
15. 前記ハブ外面は、前記スラストディスクに近接する第１のハブ部分と、前記スラストディスクの遠位にある第２のハブ部分とを含み、前記第１の接触力は、前記ハブ外面の前記第１のハブ部分と前記インペラ・ボアの前記内面との間にある、請求項１１に記載の駆動シャフトアセンブリ。
16. 前記駆動シャフトは内側止まり穴を含み、該内側止まり穴はボアねじ部分を含む、請求項１１に記載の駆動シャフトアセンブリ。
17. 前記インペラ・ボア及び前記駆動シャフトの前記内側止まり穴内に配置されたねじを含み、該ねじは、前記ボアねじ部分と螺合するねじ山部分を含む、請求項１６に記載の駆動シャフトアセンブリ。
18. 前記外側ディスクは、外側ディスク半径及び外側ディスク慣性モーメントを含み、前記ハブは、ハブ半径及びハブ慣性モーメントを含み、前記外側ディスク半径及び前記外側ディスク慣性モーメントは、前記ハブ半径及び前記ハブ慣性モーメントよりも大きい、請求項１１に記載の駆動シャフトアセンブリ。
19. 前記インペラは、前記駆動シャフトに直接結合されていない、請求項１１に記載の駆動シャフトアセンブリ。
20. コンプレッサを組み立てる方法であって、当該方法は、
    駆動シャフトをスラストディスクのスラストディスク・ボアに挿入することによって、前記スラストディスクを前記駆動シャフトに結合するステップと、
    前記スラストディスクのハブをインペラのインペラ・ボア内に挿入することにより、前記インペラを前記スラストディスクに結合し、前記ハブの外面が前記インペラ・ボアの内面と接触し、前記ハブの外面と前記インペラ・ボアの前記内面との間の第１の接触力が、駆動シャフトの回転速度の上昇とともに増大する、ステップと、
    軸受が前記スラストディスクの外側ディスクを回転可能に支持するように、前記軸受をコンプレッサハウジングに取り付けるステップと、を含む、
    方法。
    
    

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