JP4119815B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機に関するものである。

ガス軸受は、回転体に対向配置される軸受本体を有しており、この軸受本体と回転体との間に気体層を形成して、軸受本体と回転体との間に生じる摩擦抵抗を低減した状態で、回転体の支持を行うものである。
ここで、気体層は、軸受本体外から供給されたガスや周辺雰囲気が、回転体の回転に伴って回転体の周囲に巻き込まれることで、回転体の全周にわたって形成される。
このようなガス軸受としては、例えば、後記の特許文献１に記載されているようなスラストガス軸受がある。

特開平７−２０８４５６号公報（段落［００１５］，及び図１）

しかし、ガス軸受は、気体によって流体潤滑を行うものであるので、液体によって流体潤滑を行う油軸受よりも負荷能力が低い。このため、スラストガス軸受単体では、回転軸に加わるスラスト力を十分に受け止めることができなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、回転軸の支持を良好に行うことができる圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の圧縮機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる圧縮機は、羽根車が装着された回転軸が、ケーシング内に軸受を介して軸線回りに回転可能にして設けられ、該回転軸を駆動装置によって回転駆動することで、前記羽根車を回転させて、前記ケーシング内に取り入れた気体を前記羽根車によって圧縮して送出する圧縮機であって、
前記回転軸の一端側では、該回転軸と前記ケーシング内面との間に形成される隙間が、前記一端側で前記ケーシング外に開放された排気路とされており、
該排気路は、前記回転軸本体と前記ケーシング内面との間に位置する部分の少なくとも一部が、前記回転軸の軸線に対して直交または傾斜した径方向流路とされており、
該径方向流路の内面には、前記回転軸本体の最外周端よりも径方向内側に、前記回転軸の軸線方向に突出する突出部が設けられていて、該突出部によって、前記回転軸本体の最外周端よりも径方向内側に、前記径方向流路の流路断面積が絞られた絞り部が構成されていることを特徴とする。

ここで、圧縮機では、ケーシング内には、羽根車とケーシングとの間から気体が漏洩するか、または羽根車の後段から意図的に供給されることにより、圧縮機の動作中は、ケーシング内の内圧が、ケーシング外よりも高圧に保たれる。
本発明にかかる圧縮機では、ケーシング内の気体は、ケーシングと回転軸との間に形成される排気路を通じてケーシング外に排出される。
この排気路は、少なくとも一部が、回転軸の軸線に対して直交または傾斜した径方向流路とされている。これにより、回転軸が羽根車からスラスト力を受けて軸線方向に移動した場合には、ケーシングの内面と回転軸の表面とのうち、径方向流路を構成する領域同士が近接または離間する。

また、径方向流路の内面には、回転軸の軸線方向に突出する突出部が設けられていて、これによって径方向流路に絞り部が構成されている。このため、回転軸が軸線方向に移動すると、突出部が、径方向流路において突出部に対向する内面に対して、近接または離間することとなり、絞り部における流路断面積が増加または減少する。

絞り部における流路断面積が増加した場合には、排気路を通じた気体の排気量が増加して、排気路の内圧が低下する。このように排気路の内圧が低下すると、径方向流路を構成するケーシング内面と回転軸表面とには、互いを前記軸線方向に沿って相対的に引き付ける向きの力が作用する。

一方、絞り部における流路断面積が減少した場合には、排気路を通じた気体の排気量が減少して、排気路の内圧が上昇する。このように排気路の内圧が上昇すると、径方向流路を構成するケーシング内面と回転軸表面とには、互いを前記軸線方向に沿って相対的に離間させる向きの力が作用する。

ここで、絞り部は、突起部によって構成されているので、突起部が対向する内面と接近して絞り部の流路断面積が絞られても、径方向流路の他の部分では、ケーシング内面と回転軸表面とが離間していて、径方向流路の容積が確保されている。このため、径方向流路を構成するケーシング内面と回転軸表面とに、確実に径方向流路の内圧を作用させることができるようになっている。

このように、回転軸が移動して絞り部の流路断面積が変動すると、回転軸には、絞り部の流路断面積を元に戻そうとする力、言い換えれば回転軸を元の位置に戻そうとする力（復元力）が作用する。
このため、回転軸がスラスト力を受けて軸線方向に移動し始めても、直ちに回転軸が元の位置に戻されて、適正位置に保持される。

また、本発明にかかる圧縮機は、請求項１に記載の圧縮機であって、前記絞り部が、前記回転軸の軸心近傍に設けられていることを特徴とする。

このように構成される圧縮機では、絞り部は、回転軸の軸心近傍に設けられている。
これにより、絞り部を回転軸の軸心から離間した位置に設けた場合に比べて、絞り部の流路断面積が小さくなり、回転軸が軸線方向に移動することで生じる絞り部の流路断面積の変動量も小さくなる。すなわち、絞り部の流路断面積の変動によって回転軸に作用する復元力が小さくなる。
このため、わずかな回転軸の動きに対しては、回転軸を押し戻す向きに作用する力はわずかなものであり、必要以上に回転軸を押し戻してしまうことがないので、回転軸のスラスト方向位置を常に適正に制御することができる。
ここで、このように絞り部を回転軸の軸心近傍に設けた場合にも、回転軸の移動量が大きい場合には、絞り部の流路断面積の変動量もそれに応じて大きくなるので、回転軸は、移動量に相応した力で押し戻される。

本発明にかかる圧縮機は、請求項１または２に記載の圧縮機であって、前記ケーシングには、前記回転軸のスラスト方向の支持を行うスラストガス軸受が設けられていることを特徴とする。

このように構成される圧縮機では、回転軸がスラストガス軸受によっても支持されるので、請求項１または２に記載の構成によっても回転軸に加わるスラスト力を十分に制御しきれなかった場合にも、スラストガス軸受によって、回転軸のスラスト力を確実に受けることができる。
また、請求項１または２に記載の構成によって、回転軸の移動が初期の段階から防止されていて、回転軸に加わるスラスト力が小さくて済むので、油軸受に比べて負荷能力が低いスラストガス軸受によっても、十分にスラスト力を受け止めることができる。

本発明にかかる圧縮機によれば、回転軸にスラスト力が加わっても、回転軸を元の位置に押し戻すことができ、回転軸の支持を良好に行うことができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態に示す圧縮機１は、図１に示すように、ケーシング２と、ケーシング２内に設けられて図示せぬ駆動装置によって回転駆動される回転軸３と、回転軸３に対して同軸にしてかつ相対回転を規制して設けられる羽根車４とを有する遠心圧縮機である。
この圧縮機１は、駆動装置によって回転軸３を回転駆動して、羽根車４を回転させることで、ケーシング２に設けられた吸入部６から圧縮対象のガスを取り入れるとともに、このガスを圧縮して、ケーシング２に設けられた吐出部７から吐出するものである。

回転軸３は、ラジアル軸受１１を介して、軸線回りの回転を許容した状態にしてケーシング２に支持されている。本実施形態では、ラジアル軸受１１として、ラジアルガス軸受を用いている。
回転軸３は、略円柱状の回転軸本体３ａにおいて、羽根車４の吸気側とは反対側に位置する一端３ｂ側に、径方向外側に張り出すバランスディスク１２が同軸にして設けられた構成とされている。

図２に示すように、回転軸３の一端３ｂ側では、回転軸３とケーシング２の内面との間に形成される隙間が、一端３ｂ側でケーシング２外に開放された排気路１３とされている。
排気路１３は、少なくとも一部が回転軸３の軸線に対して直交または傾斜した径方向流路１３ａとされている。
径方向流路１３ａの内面には、回転軸３の軸線方向に突出する突出部１４が設けられていて、突出部１４によって、径方向流路１３ａの流路断面積が絞られた絞り部１５が構成されている。

本実施の形態では、ケーシング２は、回転軸３の一端３ｂの先端面外周部まで回り込むように形成されている。これにより、排気路１３は、バランスディスク１２の外周面からバランスディスク１２の一端３ｂ側の面に沿って、回転軸本体３ａの一端３ｂの先端面外周部までにわたって形成されている。
排気路１３のうち、回転軸本体３ａにおいて他の部分よりも縮径された一端３ｂの先端面外周部とケーシング２との間に位置する領域が、回転軸３の軸線に直交する方向に延びる径方向流路１３ａとされている。
そして、ケーシング２には、回転軸３の一端３ｂの先端面に回り込んだ部分に、回転軸３の一端３ｂの先端面に向けて回転軸３の軸線方向に突出する突出部１４が設けられている。この突出部１４によって、径方向流路１３ａの流路断面積が絞られた絞り部１５が構成されている。

ここで、ケーシング２の内面において、バランスディスク１２の外周面に対向する領域には、外周側ラビリンスフィン１６が設けられている。また、ケーシング２の内面において、バランスディスク１２の基部１２ａの、一端３ｂ側の外周面に対向する領域には、内周側ラビリンスフィン１７が設けられている。
これら外周側、内周側ラビリンスフィン１６，１７は、排気路１３を通じた気体の流れに流通抵抗を付与するものである。

また、図２に示すように、ケーシング２には、回転軸３を支持するスラスト玉軸受１８が設けられている。

このように構成される圧縮機１では、ケーシング２内には、羽根車４とケーシング２との間から気体が漏洩するか、または羽根車４の後段から意図的に供給されることにより、圧縮機１の動作中は、ケーシング２内の内圧が、ケーシング２外よりも高圧に保たれる。
そして、この圧縮機１では、ケーシング２内の気体は、ケーシング２と回転軸３との間に形成される排気路１３を通じてケーシング２外に排出される。

以下、圧縮機１の動作について、図３の概念図を用いて説明する。
排気路１３は、少なくとも一部が、回転軸３の軸線に対して直交または傾斜した径方向流路１３ａとされている。これにより、回転軸３が羽根車４からスラスト力を受けて軸線方向に移動した場合には、ケーシング２の内面と回転軸３の表面とのうち、径方向流路１３ａを構成する領域同士が近接または離間する。

また、径方向流路１３ａの内面には、回転軸３の軸線方向に突出する突出部１４が設けられていて、これによって径方向流路１３ａに絞り部１５が構成されている。このため、回転軸３が軸線方向に移動すると、突出部１４が、径方向流路１３ａにおいて突出部１４に対向する内面に対して、近接または離間することとなる。すなわち、径方向流路１３ａにおいて、突出部１４と突出部１４に対向する内面との距離Ｄが、大きくなるか、または小さくなる。
これにより、絞り部１５における流路断面積が増加または減少する。

絞り部１５における流路断面積が増加した場合には、排気路１３を通じた気体の排気量が増加して、排気路１３の内圧が低下する。このように排気路１３の内圧が低下すると、径方向流路１３ａを構成するケーシング２の内面と回転軸３の表面とには、互いを軸線方向に沿って相対的に引き付ける向きの力が作用する。

一方、絞り部１５における流路断面積が減少した場合には、排気路１３を通じた気体の排気量が減少して、排気路１３の内圧が上昇する。このように排気路１３の内圧が上昇すると、径方向流路１３ａを構成するケーシング２の内面と回転軸３の表面とには、互いを軸線方向に沿って相対的に離間させる向きの力が作用する。

ここで、絞り部１５は、突起部１４によって構成されているので、突起部１４が対向する内面と接近して絞り部１５の流路断面積が絞られても、径方向流路１３ａの他の部分では、ケーシング２の内面と回転軸３の表面とが離間していて、径方向流路１３ａの容積が確保されている。このため、径方向流路１３ａを構成するケーシング２内面と回転軸３の表面とに、確実に径方向流路１３ａの内圧を作用させることができるようになっている。

このように、回転軸３が移動して絞り部１５の流路断面積が変動すると、回転軸３には、絞り部１５の流路断面積を元に戻そうとする力、言い換えれば回転軸３を元の位置に戻そうとする力（復元力）が作用する。
このため、回転軸３がスラスト力を受けて軸線方向に移動し始めても、直ちに回転軸３が元の位置に戻されて、適正位置に保持される。

なお、ケーシング２には、スラスト玉軸受１８が設けられているが、これは回転軸３に非常に大きなスラスト力が加わった際にそのスラスト力を受け止めるためのものであって、回転軸３に加わるスラスト力が通常運転時に生じる程度の大きさである場合には、スラスト玉軸受１８に頼ることなく、回転軸３の支持を良好に行うことができる。

また、本実施の形態では、絞り部１５が、回転軸３の縮径された一端３ｂの外周部に設けられている。すなわち、絞り部１５は、回転軸３の軸心近傍に設けられている。
これにより、絞り部１５を回転軸３の軸心から離間した位置に設けた場合に比べて、絞り部１５の流路断面積が小さくなり、回転軸３が軸線方向に移動することで生じる絞り部１５の流路断面積の変動量も小さくなる。すなわち、絞り部１５の流路断面積の変動によって回転軸３に作用する復元力が小さくなる。
このため、わずかな回転軸３の動きに対しては、回転軸３を押し戻す向きに作用する力はわずかなものであり、必要以上に回転軸３を押し戻してしまうことがないので、回転軸３のスラスト方向位置を常に適正に制御することができる。

ここで、このように絞り部１５を回転軸３の軸心近傍に設けた場合にも、回転軸３の移動量が大きい場合には、絞り部１５の流路断面積の変動量もそれに応じて大きくなるので、回転軸３は、移動量に相応した力で押し戻される。

また、この圧縮機１では、ケーシング２の内面に外周側、内周側ラビリンスフィン１６，１７が設けられていて、これによって排気路１３を通じた気体の流れに流通抵抗が付与されている。
これにより、排気路１３において、外周側ラビリンスフィン１６と内周側ラビリンスフィン１７との間の領域、及び内周側ラビリンスフィン１７と絞り部１５との間の領域内ではそれぞれその内圧の急激な変動が抑制される。
このため、わずかな回転軸３の動きに対しては、回転軸３を押し戻す向きに作用する力はわずかなものとなり、必要以上に回転軸３を押し戻してしまうことがなくなる。

このように、本実施形態にかかる圧縮機１によれば、回転軸３にスラスト力が加わっても、回転軸３を元の位置に押し戻すことができ、回転軸３の支持を良好に行うことができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態にかかる圧縮機２１は、第一実施形態で示した圧縮機１のケーシング２に、回転軸３のスラスト方向の支持を行うスラストガス軸受２２を設けたものである。
具体的には、ケーシング２において、回転軸３のバランスディスク１２の軸線方向の両側に位置して、スラストガス軸受２２の軸受ハウジング２２ａが設けられ、この軸受ハウジング２２ａとバランスディスク１２との間に、図示せぬ作動ガス供給源から作動ガスが供給されるようになっている。

このように構成される圧縮機２１では、回転軸３がスラストガス軸受２２によっても支持されるので、第一実施形態で示した回転軸３の軸線方向位置調整のための構成によっても回転軸に加わるスラスト力を十分に制御しきれなかった場合にも、スラストガス軸受２２によって、回転軸３のスラスト力を確実に受けることができる。
ここで、第一実施形態で示した回転軸３の軸線方向位置調整のための構成によって、回転軸３の移動が初期の段階から防止されていて、回転軸３に加わるスラスト力が小さくて済むので、油軸受に比べて負荷能力が低いスラストガス軸受２２によっても、十分にスラスト力を受け止めることができる。
このため、圧縮機２１にスラスト玉軸受１８やスラスト油軸受を設ける必要がなくなり、油軸受を用いた場合に必要だった潤滑油供給機構が不要となるので、潤滑油補給の手間を省くことができ、メンテナンスが容易となる。

本発明の第一実施形態にかかる圧縮機の構成を示す縦断面図である。 図１の拡大図である。 本発明の第一実施形態にかかる圧縮機の構成及び作用を示す概念図である。 本発明の第二実施形態にかかる圧縮機の構成を概略的に示す縦断面図である。

符号の説明

１，２１ 圧縮機
２ ケーシング
３ 回転軸
３ｂ 一端
４ 羽根車
１１ ラジアル軸受
１３ 排気路
１３ａ 径方向流路
１４ 突出部
１５ 絞り部
２２ スラストガス軸受

Claims (3)

1. 羽根車が装着された回転軸が、ケーシング内に軸受を介して軸線回りに回転可能にして設けられ、該回転軸を駆動装置によって回転駆動することで、前記羽根車を回転させて、前記ケーシング内に取り入れた気体を前記羽根車によって圧縮して送出する圧縮機であって、
   前記回転軸の一端側では、該回転軸と前記ケーシング内面との間に形成される隙間が、前記一端側で前記ケーシング外に開放された排気路とされており、
   該排気路は、前記回転軸本体と前記ケーシング内面との間に位置する部分の少なくとも一部が、前記回転軸の軸線に対して直交または傾斜した径方向流路とされており、
   該径方向流路の内面には、前記回転軸本体の最外周端よりも径方向内側に、前記回転軸の軸線方向に突出する突出部が設けられていて、該突出部によって、前記回転軸本体の最外周端よりも径方向内側に、前記径方向流路の流路断面積が絞られた絞り部が構成されていることを特徴とする圧縮機。
2. 前記絞り部が、前記回転軸の軸心近傍に設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
3. 前記ケーシングには、前記回転軸のスラスト方向の支持を行うスラストガス軸受が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機。

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