JP4551664B2 - ノイズ減衰化ガス圧縮装置および方法 - Google Patents

Description

本発明はノイズ減衰化ガス圧縮装置および方法に関し、詳細には、回転する羽根車によって生じる音響エネルギーを減衰化するガス圧縮装置および方法に関する。

遠心力を利用したコンプレッサーのようなガス圧縮装置がガスの圧縮または加圧を含む種々の応用のために種々の工業で広く使用されている。コンプレッサーのこのタイプはガスを圧縮するために比較的高速でケーシング内で回転する羽根車を使用する（特許文献１〜特許文献１１）。

米国特許第４,１０６,５８７号 米国特許第４,４２１,４５５号 米国特許第４,４３３,７５１号 米国特許第４,５３１,３６２号 米国特許第４,７４３,１６１号 米国特許第４,８５８,７２１号 米国特許第４,９３０,９７９号 米国特許第４,９３２,８３５号 米国特許第５,３４０,２７５号 米国特許第５,９７９,５９３号 米国特許第６,１９６,７８９号

しかしながら、このタイプの典型的なコンプレッサーは、回転する羽根車によって少なくとも部分的に生ずる比較的高いノズルレベルを発生させる。これは明らかに困ったことであり、また、振動および構造的欠陥を引き起こし得るという欠点があった。

本発明はガスを圧縮する際にノイズが発生するという以上に述べた問題点を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、ガス圧縮をする際に発生するノイズを減衰化することができるノイズ減衰化ガス圧縮装置および方法を提供することである。

第２の目的はガスを圧縮する際に発生するノイズを減衰させることによって、振動を抑制し、構造的な欠陥の防止を図ることができるノイズ減衰化ガス圧縮装置および方法を提供することである。

以上の技術的課題を解決するために、第１の発明は、ガスを受け入れる吸引口をもつケーシングと、前記ケーシング内に設けられ前記吸引口からガスを受け入れかつ前記ガスを圧縮する羽根車と、前記ケーシングの壁に設けられたプレートと、前記プレートに形成され前記羽根車により生じた音響エネルギーを減衰させる共鳴器列を形成し、その深さが前記プレートに沿って変化する少なくとも１列のセルとを有するガス圧縮装置である。

第２の発明は、前記プレートは環状であり、各セルの深さが前記プレートの外径部分から内径部分にかけて変化するガス圧縮装置である。

第３の発明は、第１のセル列が前記プレートの１表面から延び、第２のセル列が前記プレートの前記反対表面から延び、前記第１のセル列の各セルの大きさは、前記第２のセル列の各セルの大きさよりも大きいガス圧縮装置である。

第４の発明は、前記第２のセル列における前記セルは、前記第１のセル列にあるセルにまで延びているガス圧縮装置である。

第５の発明は、前記セルは、前記プレートに形成された孔の形状をもち、前記第１のセル列の各孔の径は、前記第２のセル列の前記孔の径よりも大きいガス圧縮装置である。

第６の発明は、前記第１のセル列の１のセルは、前記第２のセル列の複数のセルと連通しているガス圧縮装置である。

第７の発明は、前記プレートは、環状であり、各セルの深さは、前記プレートの外径部分から内径部分にわたって変化するガス圧縮装置である。

第８の発明は、前記第１のセル列の各セルの前記深さは、前記プレートの外径部分から内径部分にわたって次第に減少するガス圧縮装置である。

第９の発明は、前記第２のセル列の各セルの前記深さは、前記プレートの外径部分から内径部分にわたって次第に減少するガス圧縮装置である。

第１０の発明は、前記プレートの前記厚さは、前記プレートの外径部分から内径部分にわたって次第に増加するガス圧縮装置である。

第１１の発明は、前記第１および第２のセル列の各セルの前記深さは、前記プレートの外径部分から内径部分にわたって次第に増加するガス圧縮装置である。

第１２の発明は、拡散チャネルが前記ケーシング内に形成され、前記第１のセル列は前記拡散チャネルに面する前記プレートの前記表面から延びているガス圧縮装置である。

第１３の発明は、拡散チャネルが前記ケーシング内に形成され、前記プレートは、前記拡散チャネルを囲むケーシング内にある壁内に設けられたガス圧縮装置である。

第１４の発明は、拡散チャネルが前記ケーシング内に形成され、渦形室が、前記拡散チャネルから圧縮されたガスを受け入れるために前記拡散チャネルと連通して前記ケーシング内に形成されたガス圧縮装置である。

第１５の発明は、前記セルの個数および大きさは、前記装置に関連する音響エネルギーの前記主要なノイズ成分を減衰化するよう形成および配置されているガス圧縮装置である。

第１６の発明は、前記共鳴器は、ヘルムホルツ共鳴器または四分の一波長共鳴器のいずれかであるガス圧縮装置である。

第１７の発明は、ケーシングの吸引口にガスを導入し、前記ケーシング内で前記ガスを圧縮し、および前記ケーシング内のプレートに形成した少なくとも１のセル列を形成して、圧縮の工程の間に形成された音響エネルギーを減衰させる共鳴器列を形成し、そのセルの深さは、前記プレートに沿って変化する工程からなるガス圧縮方法である。

第１８の発明は、前記プレートは環状であり、各セルの前記深さは、前記プレートの外径部分から内径部分にかけて変化するガス圧縮方法である。

第１９の発明は、第１のセル列が前記プレートの１表面から延び、第２のセル列が前記プレートの前記反対表面から前記第１のセル列にまで延び、前記第１のセル列の各セルの大きさは、前記第２のセル列の各セルの大きさよりも大きいガス圧縮方法である。

第２０の発明は、前記第２のセル列の前記セルは、前記第１のセル列の前記セルにまで延びるガス圧縮方法である。

第２１の発明は、前記セルは、前記プレートに形成された孔の形状を有し、前記第１のセル列の各前記孔の径は、前記第２のセル列の前記孔の径よりも大きいガス圧縮方法である。

第２２の発明は、前記第１のセル列の１のセルは、前記第２のセル列の複数のセルと連通しているガス圧縮方法である。

第２３の発明は、前記プレートは環状であり、各セルの前記深さは、前記プレートの外径部分から内径部分にかけて変化しているガス圧縮方法である。

第２４の発明は、前記第１のセル列の各セルの前記深さは、前記プレートの前記外径部分から前記内径部分にかけて次第に減少するガス圧縮方法である。

第２５の発明は、前記第２のセル列の各セルの深さは、前記プレートの外径部分から内径部分にかけて次第に増加するガス圧縮方法である。

第２６の発明は、前記プレートの前記厚さは、前記プレートの外径部分から前記内径部分にかけて次第に増加するガス圧縮方法である。

第２７の発明は、前記第１および第２のセル列の各前記セルは、前記プレートの外径部分から内径部分にかけて次第に増加するガス圧縮方法である。

第２８の発明は、圧縮された前記ガスを前記ケーシング内にある渦形室にまで到達させて、前記圧縮ガスを吐出するガス圧縮方法である。

第２９の発明は、前記セルの前記個数および大きさは、前記方法に関連する音響エネルギーの前記主要ノイズ成分を減衰化させるように形成されかつ配置されているガス圧縮方法である。

第３０の発明は、前記共鳴器は、ヘルムホルツ共鳴器または四分の一波長共鳴器のいずれかであるガス圧縮方法である。

本発明によれば、ガス圧縮の際に発生するノイズを低下させ、かつ該ノイズを低下させることによって振動を抑制し構造的な欠陥の防止を図ることができる。

続いて、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。該説明は特に指定のない限り本発明に制限するものと解釈してはならない。

図１は、遠心力利用のコンプレッサーのような、高圧のガス圧縮装置の一部を示す。そのガス圧縮装置は、圧縮されるべき流体を受け入れる吸引口１０ａをもつケーシング１０、および空洞中での回転のために設けられた羽根車１２を収容する羽根車用空洞１０ｂを有している。駆動軸（図示せず）は、吸引口１０ａを通って前記ケーシング１０に導入されたガスに速度圧を与えるのに十分な高速で前記羽根車１２を回転させると理解すべきである。前記ケーシング１０は完全に前記駆動軸の周りに広がっており前記ケーシングの上部のみが図１に描かれている。

前記羽根車１２は、前記駆動軸の周りに軸対称に配列されかつ複数の羽根車通路１２ｂを囲む複数の羽根車翼１２ａ（その１つが図示されている）を有している。前記羽根車翼１２ａの遠心性の動作および前記ケーシング１０の設計に起因して、前記吸引口１０ａから前記羽根車通路１２ｂに導入されるガスは比較的高圧に圧縮された後、拡散通路またはチャネルに吐出される。その拡散通路またはチャネルは、前記羽根車用空洞１０ｂから外向きの半径方向に延びて、前記ケーシング１０内の２つの環状の対向する内壁１０ｃ、１０ｄの間に囲まれている。前記チャネル１４が前記羽根車１２から前記高圧ガスを受け入れた後、そのガスは前記ケーシング１０に形成されて前記チャネルと連通する渦形室または収集機１６に到達する。前記チャネル１４は、前記ガスの前記速度圧を静的な圧力に変換する機能を有し、前記渦形室１６はその圧縮されたガスを前記ケーシングの吐出口（図示せず）につなげる。公知のラビリンス・シール、スラスト・ベアリング、チルトパッド・ベアリングおよび他の同様の製品が前記ケーシング１０内に設けられており、それらは従来通りなので図示し又は記述していない。

環状のプレート２０が内壁１０ｃに形成した窪みまたは溝内に設けられている。図１に示すように前記プレートの上部のみが示されている。図２においてより詳細に示すように、複数の比較的大径のセルまたは開口部であって、図２にはそのうちの３個が示され符号３４ａ，３４ｂ，３４ｃによって表示されているものが、前記プレート２０の１表面を貫通するように形成されている。

また、複数列の比較的小径のセルまたは開口部であって、その３個が符号３６ａ，３６ｂ，３６ｃで表示されているものが、前記プレートの前記反対表面を貫通して形成されている。前記列３６ａ内の各セルは、前記セル３４ａの底で、底に達しまたは終端となり、前記列３６ａの各セルの深さと結合した前記セル３４ａの深さは、前記プレート２０の全体の厚さにまで延びている。前記列３６ｂは、前記セル３４ｂと連通し、前記列３６ｃは、同様な態様で、前記セル３４ｃと連通している。各列３６ａ，３６ｂ，３６ｃにおけるセルの個数は応用によって変化しうるものであり、それらは、それらの対応するセル３４ａ，３４ｂ，３４ｃに関して各々不規則に設けられ、代わりに、それらは、均一の分布をもつ任意のパターンに形成することもできる。

前記セル３４ａ，３４ｂ，３４ｃおよび前記列３６ａ，３６ｂ，３６ｃの前記セルは、前記プレート２０の対応する前記反対表面を貫通する孔を通って、逆孔を開けることによるような任意の従来の態様で形成されることができる。図１に示すように、前記セル３４ａ，３４ｂ，３６ｃは、前記ケーシング１０に形成された上述した溝の底壁によって覆われ、前記列３６ａ，３６ｂ，３６ｃの開放端は、前記拡散チャネル１４と連通している。

図２においてより詳細に示されているように、前記プレート２０の深さまたは厚さは、その全領域において一定であり、前記セル３４ａ，３４ｂ，３４ｃおよび列３６ａ，３６ｂ，３６ｃの各深さは、前記プレート２０に関し、その半径方向に変化する。特に、前記セル３４ａ，３４ｂ，３４ｃの深さは、前記プレート２０の外径部分（図２に示されているように上側部分である）から前記プレートの内径部分にかけて次第に減少する。したがって、前記列３６ａ，３６ｂ，３６ｃのセルの深さは、前記プレート２０の外径部分から内径部分にまで次第に増加する。

図２には、３個の大径のセル３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，および小径のセルの列３６ａ，３６ｂ，３６ｃのみが示されて記述されているけれども、追加のセルが前記環状のプレート２０の全表面の周りに広がるように設けられていることを理解すべきである。

使用するには、ガスが前記ケーシング１０の前記吸引口１０ａにまで導入され、前記羽根車１２が比較的高い回転速度で駆動されて、図１の矢印で示すように、前記ガスを前記吸引口１０ａ、前記羽根車用空洞１０ｂおよび前記チャネル１４を通過するように強いる。前記羽根車翼１２ａの遠心性の動作に起因して、前記ガスは、比較的高い圧力に圧縮される。前記チャネル１４は、前記ガスの速度圧を静的な圧力に変換する機能をもち、圧縮された前記ガスは、前記チャネル１４から前記渦形室１６を通って吐出のために前記ケーシング１０の前記吐出口にまで達する。

前記列３６ａ，３６ｂ，３６ｃのセルが前記セル３４ａ，３４ｂ，３４ｃを前記拡散チャネル１４に接続しているという事実に起因して、前記セルの全ては、集合的に、四分の一波長共鳴器またはヘルムホルツ共鳴器のどちらかの音響共鳴器列として、または、従来の共鳴理論にしたがって機能している。これは、羽根車１２の高速回転によっておよび前記ケーシング中にある拡散翼との相互作用によって引き起こされた前記ケーシング１０内に生じた音波を顕著に減衰させ、そして、これは、前記ノイズが前記プレート２０を迂回して異なる通路を通過するという可能性を除去し、または少なくとも最小化する。

さらに、前記羽根車翼１２ａの通過振動数または他の高周波数で通常生ずる前記主要なノイズ成分は、セル３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，および列３６ａ，３６ｂ，３６ｃにあるセルと同調することによって効果的に低減することができ、最大の音響減衰が、前記通過振動数または他の高周波数あたりで生じる。これは、前記セル３４ａ，３４ｂ，３４ｃの体積、および／または、各列３６ａ，３６ｂ，３６ｃにあるセルの横断面領域の体積、個数、および深さを変化させることによって達成することができる。また、主要ノイズ成分の振動数が、前記羽根車１２の速度に応じて変化するという事実を仮定すると、より大きな各セル３４ａ，３４ｂ，３４ｃごとの各列３６ａ，３６ｂ，３６ｃにあるセルの個数は、各々、空間的に前記プレート２０を横切って変化し得て、ノイズは比較的広い振動数帯において減衰する。したがって、定速度の装置のみならず可変速装置においても、ノイズは効果的および効率的に減衰させることができる。

加えて、前記プレートに一体的設計として、前記プレート上へのセル３４ａ，３４ｂ，３４ｃのセルおよび前記列３６ａ，３６ｂ，３６ｃにあるセルによって形成された前記音響共鳴器の採用は、機械的または熱的負荷を被った際に変形が僅かなまたは全くない比較的強い構造を保護しまたは維持する。その結果、この音響共鳴器は、前記ガス圧縮装置の空気力学的動作に悪影響を及ぼさない。

前記プレート２０の他の例が、図３に示され、全体として符号４０で表示している。そのプレート４０は、前記プレート２０と同様な態様でかつ同じ位置に設けられ、前記プレートの上側部分が図３に示されている。前記プレート４０の深さ、または厚さは、前記プレートの外径部分（図３に示されるように上側部分である）から前記プレートの内径部分にかけて次第に減少する。

複数の比較的大径のセルまたは開口部であって、そのうちの３個が図３に示され符号４４ａ，４４ｂ，４４ｃによって表示されているものは、前記プレート４０の１表面を貫いて形成されている。また、複数の比較的小径のセルまたは開口部の複数の列であって、そのうちの３個が示され符号４６ａ，４６ｂ，４６ｃによって表示されているものは、前記プレートの前記反対表面を貫いて形成されている。

前記列４６ａの各セルは、前記セル４４ａの底で、底に達しまたは終端し、前記列４６ａの各セルの深さと結合した前記セル４４ａの深さは、前記プレート４０の対応する部分の全厚さにまで延びている。前記列４６ｂは、前記セル４４ｂと連通し、前記列４６ｃは、同一の態様で、前記セル４４ｃと連通している。各列４６ａ，４６ｂ，４６ｃにおけるセルの個数はその応用に応じて変化し、セル４６ａ，４６ｂ，４６ｃは、対応するセル４４ａ，４４ｂ，４４ｃに関して不規則に各々設けられ、または、代わりに、均一の分布をもつ任意のパターンに形成することができる。

前記セル４４ａ，４４ｂ，４４ｃ、および前記列４６ａ，４６ｂ，４６ｃのセルは、前記プレート４０の対応する前記反対表面を通して逆孔を空けるような従来の方法で形成される。図２の前記プレート２０の場合のように、前記セル４４ａ，４４ｂ，４４ｃは、前記ケーシング１０に置かれた場合には、前記ケーシング１０に形成された上述の溝の底壁によって塞がれ、前記列４６ａ，４６ｂ，４６ｃのセルの開口端は、前記拡散チャネル１４と連通している。

前記セル４４ａ，４４ｂ，４４ｃ、および前記列４６ａ，４６ｂ，４６ｃの前記セルの各深さは、前記プレートの外径部分（図３に示されているように上側部分である）から前記プレートの内径にかけて前記プレート４０の厚さに応じて増加する。

３個の比較的大径のセル４４ａ，４４ｂ，４４ｃおよび小径のセルの３個の列４６ａ，４６ｂ，４６ｃのみが、図３の実施の形態に関して示されかつ記述されているけれども、これらは前記環状のプレート４０の全表面にまで広がっていることを理解すべきである。

したがって、前記プレート４０は、前記プレート２０と同じ態様で前記ケーシング１０に設けられる場合には、前記プレート２０に関して上述した利点のすべてを有している。

（変形例および等価例）
前記セル３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ、および前記列３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，４６ａ，４６ｂ，４６ｃを形成する特定された技術は上述の説明から変更可能である。例えば、前記セルがこれらの各プレートに設けられた一体のライナーを形成することができる。

前記セル３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃおよび前記列３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，４６ａ，４６ｂ，４６ｃの前記相対的な大きさ、形状、個数およびパターンは変更可能である。

上述の設計は、遠心力利用のコンプレッサーとして用いる場合に限定されず、空気力学的効果が可動翼によって達成される他のガス圧縮装置にも等しく応用可能である。

前記プレート２０，４０は、上述したように前記羽根車の軸の周囲３６０度に広げることができる。または、それは、３６０度よりも小さい角度の大きさに広がるセグメントに形成されることも可能である。

上述した空間的な言及、例えば、「底」、「内」、「外」、「側」、「外径」、「内径」等は、図示の目的のためのものであって、前記構造における特別な方向または位置を限定するものではない。

他の改良、変更、および置換えが、前記開示において意図されているので、添付された請求の範囲は、広くかつ本発明の領域と一致するように解釈するのが適当である。

本発明に係るノイズ減衰化ガス圧縮装置および方法は、ガスの圧縮または加圧を含む種々の用途のために種々の工業で広く利用することができる。

本発明の実施の形態に係る音響的減衰を伴うガス圧縮装置の一部断面図である。 図１の装置のプレート（基板）の拡大断面図である。 図２のプレートに類似する他の実施の形態に係るプレートを示す図である。

符号の説明

１０ ケーシング
１０ａ 吸引口
１０ｂ 羽根車用空洞
１０ｃ，１０ｄ 内壁
１２ 羽根車
１２ａ 羽根車翼
１２ｂ 羽根車通路
１４ チャネル
１６ 渦形室
２０ プレート
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ セル（列）（比較的大径）
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ セル（列）（比較的小径）
４０ プレート
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ セル（列）（比較的大径）
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ セル（列）（比較的小径）

Claims (16)

1. ガスを受け入れる吸引口をもつケーシングと、前記ケーシング内に設けられ前記吸引口からガスを受け入れかつ前記ガスを圧縮する羽根車と、前記ケーシング内の拡散チャネルを囲む前記ケーシングの壁に設けられた環状のプレートと、前記プレートに形成され前記羽根車により生じた音響エネルギーを減衰させる共鳴器列を形成し、その深さが前記プレートの外径部分から内径部分に沿って変化する第1のセル列および第2のセル列とを有するとともに、
   前記第１のセル列が前記プレートの１表面から延び、前記第２のセル列が前記プレートの前記反対表面から延び、かつ前記第２のセル列における前記セルは、前記第１のセル列にあるセルにまで延び、前記第１のセル列の各セルの大きさは、前記第２のセル列の各セルの大きさよりも大きく、前記第１のセル列の各セルの前記深さが、前記プレートの外径部分から内径部分にわたって次第に減少し、前記第２のセル列の各セルの前記深さが、次第に増加するガス圧縮装置。
2. 前記セルは、前記プレートに形成された孔の形状をもち、前記第１のセル列の各孔の径は、前記第２のセル列の前記孔の径よりも大きい請求項１に記載のガス圧縮装置。
3. 前記第１のセル列の１のセルは、前記第２のセル列の複数のセルと連通している請求項１に記載のガス圧縮装置。
4. 前記プレートの厚さは、前記プレートの外径部分から内径部分にわたって次第に減少する請求項１に記載のガス圧縮装置。
5. 前記第１および第２のセル列の各セルの前記結合した深さは、前記プレートの外径部分から内径部分にわたって次第に減少する請求項１に記載のガス圧縮装置。
6. 前記第１のセル列は前記拡散チャネルに面する前記プレートの前記表面から延びている請求項１に記載のガス圧縮装置。
7. 渦形室が、前記拡散チャネルから圧縮されたガスを受け入れるために前記拡散チャネルと連通して前記ケーシング内に形成された請求項１に記載のガス圧縮装置。
8. 前記セルの個数および大きさは、前記装置に関連する音響エネルギーの主要なノイズ成分を減衰化するよう形成および配置されている請求項１に記載のガス圧縮装置。
9. 前記共鳴器は、ヘルムホルツ共鳴器または四分の一波長共鳴器のいずれかである請求項１に記載のガス圧縮装置。
10. 請求項1に記載の装置を使用し、ガス圧縮を行なうガス圧縮方法。
11. 請求項1に記載の前記装置の前記セルは、前記プレートに形成された孔の形状を有し、前記第１のセル列の各前記孔の径は、前記第２のセル列の前記孔の径よりも大きい請求項１０に記載のガス圧縮方法。
12. 請求項1に記載の前記装置の前記第１のセル列の１のセルは、前記第２のセル列の複数のセルと連通している請求項１１に記載のガス圧縮方法。
13. 請求項1に記載の前記装置の前記プレートの厚さは、前記プレートの外径部分から前記内径部分にかけて次第に減少する請求項１０に記載のガス圧縮方法。
14. 請求項1に記載の前記装置の前記第１および第２のセル列の各セルの前記結合した深さは、前記プレートの外径部分から内径部分にかけて次第に減少する請求項１３に記載のガス圧縮方法。
15. 請求項1に記載の前記装置の前記セルの個数および大きさは、前記方法に関連する音響エネルギーの主要なノイズ成分を減衰化させるように形成されかつ配置されている請求項１０に記載のガス圧縮方法。
16. 請求項1に記載の前記装置の前記共鳴器は、ヘルムホルツ共鳴器または四分の一波長共鳴器のいずれかである請求項１０に記載のガス圧縮方法。

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