JP4947405B2 - ターボ圧縮機 - Google Patents
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Description
本発明は、ターボ圧縮機に関し、特に、軸受の寿命を伸ばすと共に回転軸の危険速度を向上させたターボ圧縮機に関するものである。
冷凍機においては、作動流体である冷媒ガスを圧縮して高温高圧の状態にするために遠心圧縮機、いわゆるターボ圧縮機が用いられる。
ところで、圧縮機においては、圧縮比が大きくなると圧縮機の吐出温度が高くなり容積効率が低下する。特に蒸発温度が低くなると圧縮比が大きくなるので、圧縮操作を２段または３段以上に分けて圧縮する場合がある。このように圧縮操作を多段で行うターボ圧縮機を多段ターボ圧縮機という。
ところで、圧縮機においては、圧縮比が大きくなると圧縮機の吐出温度が高くなり容積効率が低下する。特に蒸発温度が低くなると圧縮比が大きくなるので、圧縮操作を２段または３段以上に分けて圧縮する場合がある。このように圧縮操作を多段で行うターボ圧縮機を多段ターボ圧縮機という。
２段ターボ圧縮機の従来技術として、下記特許文献１に開示されたものがあり、その構成を図７に示す。
このターボ圧縮機８０には、ハウジング８１内に回転自在に設けられた回転軸８２に、間隔を置いて第１段遠心インペラ８３と第２段遠心インペラ８４が同一方向に固定されている。
回転軸８２は、第１段遠心インペラ８３と第２段遠心インペラ８４が固定された部分がオーバーハングする状態で、軸方向に離間した位置において軸受Ａと軸受Ｂによって回転自在に支持されている。
軸受Ａはアンギュラ玉軸受を用いた組み合わせアンギュラ玉軸受であり、軸受Ｂは２つのアンギュラ玉軸受を用いた組み合わせアンギュラ玉軸受である。
また、駆動源であるモータ８５の出力軸８６が軸受８７によって回転自在に支持されている。出力軸８６には大歯車８８が固定され、回転軸８２には大歯車８８と噛合する小歯車８９が固定され、これによりモータ８５の出力軸８６の回転力が増速されてから回転軸８２に伝達される。
このように構成されたターボ圧縮機８０では、上流側の第１段遠心インペラ８３で冷媒を圧縮し、その冷媒をさらに第２段遠心インペラ８４に導入して圧縮したのち外部に送出する。
このターボ圧縮機８０には、ハウジング８１内に回転自在に設けられた回転軸８２に、間隔を置いて第１段遠心インペラ８３と第２段遠心インペラ８４が同一方向に固定されている。
回転軸８２は、第１段遠心インペラ８３と第２段遠心インペラ８４が固定された部分がオーバーハングする状態で、軸方向に離間した位置において軸受Ａと軸受Ｂによって回転自在に支持されている。
軸受Ａはアンギュラ玉軸受を用いた組み合わせアンギュラ玉軸受であり、軸受Ｂは２つのアンギュラ玉軸受を用いた組み合わせアンギュラ玉軸受である。
また、駆動源であるモータ８５の出力軸８６が軸受８７によって回転自在に支持されている。出力軸８６には大歯車８８が固定され、回転軸８２には大歯車８８と噛合する小歯車８９が固定され、これによりモータ８５の出力軸８６の回転力が増速されてから回転軸８２に伝達される。
このように構成されたターボ圧縮機８０では、上流側の第１段遠心インペラ８３で冷媒を圧縮し、その冷媒をさらに第２段遠心インペラ８４に導入して圧縮したのち外部に送出する。
また、ターボ圧縮機の回転軸の両端部にインペラを固定し、中央部にモータの出力軸を連結し、回転軸の両端部付近に軸受を配置する構成が、下記特許文献２に開示されている。
圧縮機においては、インペラ前面よりインペラ背面の圧力が高くなり、その圧力差によりインペラには背面側から入口方向にスラスト力が発生する。このため、特許文献１のターボ圧縮機のように、２つのインペラを同方向に配置すると、両インペラに作用するスラスト力が合算され、大きなスラスト力となる。このため、圧縮機の回転軸に作用するスラスト荷重を支持する側の軸受は、支持荷重が大きい分、機械的損失が大きくなり、また、軸受の寿命も短くなるという問題がある。また、軸受の寿命を伸ばすために、配置する軸受の数を増やすと、機械的損失が大きくなるという問題がある。
また、特許文献２のターボ圧縮機では、軸受として、アンギュラ玉軸受を採用している。アンギュラ玉軸受は、ラジアル加重のみならず、スラスト荷重も受けることができるが、両方向のスラスト荷重を受けるためには必ず２つ以上を組み合わせて使用する必要がある。このため、使用する軸受数が多くなり、機械的損失も大きいという問題がある。
また、特許文献２のターボ圧縮機では、軸受として、アンギュラ玉軸受を採用している。アンギュラ玉軸受は、ラジアル加重のみならず、スラスト荷重も受けることができるが、両方向のスラスト荷重を受けるためには必ず２つ以上を組み合わせて使用する必要がある。このため、使用する軸受数が多くなり、機械的損失も大きいという問題がある。
さらに、特許文献１のターボ圧縮機のように、回転軸のオーバーハング部分にインペラを複数取り付けるものでは、回転軸の危険速度を考慮した場合、インペラの軸方向長さを短縮するなどの手段を講じる必要がある。
しかしながら、インペラの軸方向長さを短縮することは圧縮効率の観点から好ましいものとはいえない。
また、特許文献２のターボ圧縮機では、回転軸の両端部付近で支持するため、軸支持部間が長くなり、危険速度が低下するという問題がある。
しかしながら、インペラの軸方向長さを短縮することは圧縮効率の観点から好ましいものとはいえない。
また、特許文献２のターボ圧縮機では、回転軸の両端部付近で支持するため、軸支持部間が長くなり、危険速度が低下するという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、軸受部での機械的損失を少なくして軸受の寿命を伸ばすことができるとともに、インペラの軸方向長さを短縮することなく危険速度を上げることができるターボ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、本発明のターボ圧縮機は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明のターボ圧縮機は、ハウジング内に設けられ駆動源によって回転駆動される回転軸と、該回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記回転軸に軸方向に間隔を置いて配置された第１の遠心インペラ及び第２の遠心インペラと、を備えたターボ圧縮機であって、前記第１の遠心インペラと前記第２の遠心インペラは、互いの背面側が対向する方向に配設されており、前記軸受は、軸方向に離間した２つの支持位置のそれぞれにおいて前記回転軸に作用するラジアル荷重を支持する円筒ころ軸受と、前記回転軸に作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受とからなる、ことを特徴とする。
すなわち、本発明のターボ圧縮機は、ハウジング内に設けられ駆動源によって回転駆動される回転軸と、該回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記回転軸に軸方向に間隔を置いて配置された第１の遠心インペラ及び第２の遠心インペラと、を備えたターボ圧縮機であって、前記第１の遠心インペラと前記第２の遠心インペラは、互いの背面側が対向する方向に配設されており、前記軸受は、軸方向に離間した２つの支持位置のそれぞれにおいて前記回転軸に作用するラジアル荷重を支持する円筒ころ軸受と、前記回転軸に作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受とからなる、ことを特徴とする。
このように、第１の遠心インペラと第２の遠心インペラが互いの背面側が対向する方向に配置されているので、両インペラに作用するスラスト力も相互に反対方向となる。このため、両インペラに作用するスラスト力が相殺・低減され、軸受に作用するスラスト荷重が大幅に低減されるため、軸受部における機械的損失を低減できる。したがって、軸受の寿命を伸ばすことができる。
また、ラジアル荷重とスラスト荷重を支持する軸受を分けたので、それぞれの荷重に応じて損失や寿命などを考慮した最適な軸受を選定することができる。本発明では、上記のようにスラスト荷重が低減されたので、スラスト荷重をスラスト軸受のみにより支持し、ラジアル荷重を支持する軸受は、円筒ころ軸受を採用した。このため、アンギュラ玉軸受のように多くの軸受を組み合わせて使用する必要が無く、使用数を少なくすることができるので、軸受部における機械的損失を低減できる。
また、円筒ころ軸受は、玉軸受よりも大きなラジアル荷重を支持できるので、同じラジアル荷重を支持する場合は、玉軸受よりも軸受を小さくすることができる。
また、ラジアル荷重とスラスト荷重を支持する軸受を分けたので、それぞれの荷重に応じて損失や寿命などを考慮した最適な軸受を選定することができる。本発明では、上記のようにスラスト荷重が低減されたので、スラスト荷重をスラスト軸受のみにより支持し、ラジアル荷重を支持する軸受は、円筒ころ軸受を採用した。このため、アンギュラ玉軸受のように多くの軸受を組み合わせて使用する必要が無く、使用数を少なくすることができるので、軸受部における機械的損失を低減できる。
また、円筒ころ軸受は、玉軸受よりも大きなラジアル荷重を支持できるので、同じラジアル荷重を支持する場合は、玉軸受よりも軸受を小さくすることができる。
また、本発明のターボ圧縮機は、ハウジング内に設けられ駆動源によって回転駆動される回転軸と、該回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記回転軸に軸方向に間隔を置いて配置された第１の遠心インペラ及び第２の遠心インペラと、を備えたターボ圧縮機であって、前記第１の遠心インペラと前記第２の遠心インペラは、互いの背面側が対向する方向に配設されており、前記軸受は、軸方向に離間した２つの支持位置において前記回転軸を支持するものであり且つ少なくとも一方の支持位置を支持するものが深溝玉軸受である、ことを特徴とする。
このように、第１の遠心インペラと第２の遠心インペラが互いの背面側が対向する方向に配置されているので、上述したように、軸受部における機械的損失を低減できる。したがって、軸受の寿命を伸ばすことができる。
また、軸受部におけるスラスト荷重が大幅に低減されること、また、深溝玉軸受を採用することによりアンギュラ玉軸受のように多くの軸受を組み合わせて使用する必要が無いことから、軸受の使用数を少なくすることができるので、軸受部における機械的損失を低減できる。
また、軸受部におけるスラスト荷重が大幅に低減されること、また、深溝玉軸受を採用することによりアンギュラ玉軸受のように多くの軸受を組み合わせて使用する必要が無いことから、軸受の使用数を少なくすることができるので、軸受部における機械的損失を低減できる。
また、上記のターボ圧縮機において、前記回転軸の一端側から前記第１の遠心インペラと前記第２の遠心インペラが順に配置されており、前記回転軸は、前記第２の遠心インペラを基準に前記第１の遠心インペラとは軸方向反対側の部位から駆動力が伝達されるものであり、前記軸受のうち、一方の支持位置を支持する軸受は前記第１の遠心インペラと第２の遠心インペラとの間に配置され、他方の支持位置を支持する軸受は前記第２の遠心インペラを基準に前記第１の遠心インペラとは軸方向反対側に配置されている、ことを特徴とする。
また、本発明のターボ圧縮機は、ハウジング内に設けられ駆動源によって回転駆動される回転軸と、該回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記回転軸に軸方向に間隔を置いて配置された第１の遠心インペラ及び第２の遠心インペラと、を備えたターボ圧縮機であって、前記第１の遠心インペラと前記第２の遠心インペラは、前記回転軸の一端側から順に、互いの背面側が対向する方向に配設され、前記回転軸は、前記第２の遠心インペラを基準に前記第１の遠心インペラとは軸方向反対側の部位から駆動力が伝達されるものであり、前記軸受のうち、一方の支持位置を支持する軸受は前記第１の遠心インペラと第２の遠心インペラとの間に配置され、他方の支持位置を支持する軸受は前記第２の遠心インペラを基準に前記第１の遠心インペラとは軸方向反対側に配置されている、ことを特徴とする。
このように、一方の支持位置を支持する軸受が、第１の遠心インペラと第２の遠心インペラとの間に配置されているので、回転軸のオーバーハング量が減少する。このため、インペラの軸方向長さを短縮することなく、危険速度を上げることができる。また、インペラが挿入される細い軸部分に軸受を配置できるため、回転軸の曲がりを抑制することができ、剛性が上がる。
また、他方の支持位置を支持する軸受は、第２の遠心インペラを基準に第１の遠心インペラとは軸方向反対側に配置されているので、その支持位置における軸部分を太くすることができ、剛性が上がる。
また、他方の支持位置を支持する軸受は、第２の遠心インペラを基準に第１の遠心インペラとは軸方向反対側に配置されているので、その支持位置における軸部分を太くすることができ、剛性が上がる。
また、上記のターボ圧縮機において、前記駆動源から出力される回転駆動力を増速して前記回転軸に伝達する増速機構をさらに備えており、該増速機構は、前記第２の遠心インペラと前記他方の支持位置を支持する軸受との間に配置されている、ことを特徴とする。
このように、増速機構が、第２の遠心インペラと他方の支持位置を支持する軸受との間に配置されているので、増速機構の反力による回転軸の撓みを抑制することができる。
なお、上記「第１の」及び「第２の」とは、２つのもののうち一方と他方を指し示すものであり、したがって、「第１の遠心インペラ」とは、２つの遠心インペラのうち一方の遠心インペラを意味し、「第２の遠心インペラ」とは、２つの遠心インペラのうち他方の遠心インペラを意味する。したがって、以下の説明における「第１段遠心インペラ」は必ずしも上記の第１の遠心インペラを意味するものではなく、また、「第２段遠心インペラ」は必ずしも上記の第２の遠心インペラを意味するものではない。
本発明のターボ圧縮機によれば、軸受部での機械的損失を少なくして軸受の寿命を伸ばすことができるとともに、インペラの軸方向長さを短縮することなく危険速度を上げることができる、という優れた効果が得られる。
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
また、以下では、冷凍機用のターボ圧縮機として本発明を説明するが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、他の産業機械などで使用される、流体を圧縮する遠心型のターボ圧縮機にも適用することができる。
また、以下では、冷凍機用のターボ圧縮機として本発明を説明するが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、他の産業機械などで使用される、流体を圧縮する遠心型のターボ圧縮機にも適用することができる。
［第１段実施形態］
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明のターボ圧縮機を適用したターボ冷凍機１０の冷凍回路構成を示す図である。
図１において、ターボ冷凍機１０は、ターボ圧縮機２０、凝縮器１４、膨張弁１６ａ、１６ｂ、蒸発器１８及びエコノマイザ１９を備える。
ターボ圧縮機１０は、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６を備えた２段ターボ圧縮機であり、上流側の第１段遠心インペラ２３で冷媒ガスを圧縮し、その冷媒ガスをさらに第２段遠心インペラ２６に導入して圧縮した後、凝縮器１４に送出する。
凝縮器１４は、圧縮されて高温高圧となった冷媒ガスを冷却液化して冷媒液にする。
膨張弁１６ａ、１６ｂは、凝縮器とエコノマイザの間、およびエコノマイザと蒸発器との間にそれぞれ配設されており、凝縮器で液化された冷媒液を段階的に減圧する。
エコノマイザ１９は、膨張弁１６ａで減圧された冷媒を一時的に貯留して冷却する。なお、エコノマイザ１９内の冷媒の気相成分は、ターボ圧縮機２０の第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６との間の流路に導入される。
蒸発器１８は、冷媒液をガス化して冷媒ガスにする。蒸発器１８を出た冷媒ガスはターボ圧縮機２０に吸入される。
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明のターボ圧縮機を適用したターボ冷凍機１０の冷凍回路構成を示す図である。
図１において、ターボ冷凍機１０は、ターボ圧縮機２０、凝縮器１４、膨張弁１６ａ、１６ｂ、蒸発器１８及びエコノマイザ１９を備える。
ターボ圧縮機１０は、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６を備えた２段ターボ圧縮機であり、上流側の第１段遠心インペラ２３で冷媒ガスを圧縮し、その冷媒ガスをさらに第２段遠心インペラ２６に導入して圧縮した後、凝縮器１４に送出する。
凝縮器１４は、圧縮されて高温高圧となった冷媒ガスを冷却液化して冷媒液にする。
膨張弁１６ａ、１６ｂは、凝縮器とエコノマイザの間、およびエコノマイザと蒸発器との間にそれぞれ配設されており、凝縮器で液化された冷媒液を段階的に減圧する。
エコノマイザ１９は、膨張弁１６ａで減圧された冷媒を一時的に貯留して冷却する。なお、エコノマイザ１９内の冷媒の気相成分は、ターボ圧縮機２０の第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６との間の流路に導入される。
蒸発器１８は、冷媒液をガス化して冷媒ガスにする。蒸発器１８を出た冷媒ガスはターボ圧縮機２０に吸入される。
図２は、本発明の実施形態にかかるターボ圧縮機２０の構成を示す断面図である。図２に示すように、このターボ圧縮機２０は、圧縮機構２１、モータ６０、増速機構７０などの要素から構成される。
圧縮機構２１は、第１段遠心インペラ２３及びこれを囲む入側ハウジング２４からなる第１段圧縮段２１Ａと、第２段遠心インペラ２６及びこれを囲む出側ハウジング２７からなる第２段圧縮段２１Ｂとを備えている。
入側ハウジング２４と出側ハウジング２７には、後述する軸受５０によって軸心Ｘを中心に回転自在に支持された回転軸２８が設けられている。回転軸２８にはその一端側（図で吸入側）から第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が、軸方向に間隔を置いて、互いの背面側が対向する向きで隣接して配設されている。
入側ハウジング２４と出側ハウジング２７は、互いにボルト等の締結手段によって固定されている。
入側ハウジング２４と出側ハウジング２７には、後述する軸受５０によって軸心Ｘを中心に回転自在に支持された回転軸２８が設けられている。回転軸２８にはその一端側（図で吸入側）から第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が、軸方向に間隔を置いて、互いの背面側が対向する向きで隣接して配設されている。
入側ハウジング２４と出側ハウジング２７は、互いにボルト等の締結手段によって固定されている。
出力軸６１を有するモータ６０が、モータケース６４に収容されている。モータ６０は圧縮機構２１を回転駆動させる駆動源として機能する。
モータケース６４は、上記の出側ハウジング２７に、ボルト等の締結手段によって固定されている。
モータケース６４は、上記の出側ハウジング２７に、ボルト等の締結手段によって固定されている。
増速機構７０は、モータケース６４と出側ハウジング２７とによって形成された空間に内蔵されており、出力軸６１に固定された大歯車７１と、回転軸２８に固定された小歯車７２とから構成されている。なお、小歯車７２は回転軸２８に一体形成されていてもよい。小歯車７２は、回転軸２８における軸方向部位のうち、第２段遠心インペラ２６を基準に第１段遠心インペラ２３とは軸方向反対側の部位に固定されている。すなわち、回転軸２８は、第２段遠心インペラ２６を基準に第１段遠心インペラ２３とは軸方向反対側の部位から駆動力が伝達されるものである。
このように構成された増速機構７０により、モータ６０の出力軸６１の回転力が増速されて、回転軸２８に伝達される。
このように構成された増速機構７０により、モータ６０の出力軸６１の回転力が増速されて、回転軸２８に伝達される。
図３は、図２における圧縮機構２１と増速機構７０の拡大図である。
図３に示すように、入側ハウジング２４には、第１段遠心インペラ２３に冷媒ガスを導入するための吸込口２９ａが形成されている。吸込口２９ａには、吸込み容量を制御するための入口案内翼３０が設けられている。
図３に示すように、入側ハウジング２４には、第１段遠心インペラ２３に冷媒ガスを導入するための吸込口２９ａが形成されている。吸込口２９ａには、吸込み容量を制御するための入口案内翼３０が設けられている。
入側ハウジング２４には、第１段遠心インペラ２３を囲む環状の内側スクロール室３１が形成されている。この内側スクロール室３１と第１段遠心インペラ２３との間には、第１段遠心インペラ２３出口から半径方向外方に延びる環状の入側ディフューザ部３４が形成されており、これにより第１段遠心インペラ２３によって加速されたガスを減速加圧して内側スクロール室３１に導くようになっている。
入側ハウジング２４の背面側（図で左側）には、回転軸２８を貫通させる開口部が形成されている。
入側ハウジング２４の背面側（図で左側）には、回転軸２８を貫通させる開口部が形成されている。
また、入側ハウジング２４には、内側スクロール室３１よりも半径方向外側に位置する外側スクロール室３２が形成されている。
図４は、図３のＡ−Ａ線断面における内側スクロール室３１と外側スクロール室３２の形状を示す図である。この図に示すように、外側スクロール室３２は、内側スクロール室３１の出口部３１ａと連通して、少なくとも部分的に内側スクロール室３１を囲むように周方向に延びて形成されており、本実施形態では、内側スクロール室３１の周りを半周程度囲むように形成されている。
また、図３に示すように、入側ハウジング２４には、外側スクロール室３２の末端部から連通し、出側ハウジング２７側で開口する出口流路３３が形成されている。この出口流路３３は、出側ハウジング２７に設けられた、後述する導入流路４１と連通するように形成されている。
図４は、図３のＡ−Ａ線断面における内側スクロール室３１と外側スクロール室３２の形状を示す図である。この図に示すように、外側スクロール室３２は、内側スクロール室３１の出口部３１ａと連通して、少なくとも部分的に内側スクロール室３１を囲むように周方向に延びて形成されており、本実施形態では、内側スクロール室３１の周りを半周程度囲むように形成されている。
また、図３に示すように、入側ハウジング２４には、外側スクロール室３２の末端部から連通し、出側ハウジング２７側で開口する出口流路３３が形成されている。この出口流路３３は、出側ハウジング２７に設けられた、後述する導入流路４１と連通するように形成されている。
さらに、入側ハウジング２４又は出側ハウジング２７には、第１段遠心インペラ２３と第２段遠インペラの間のガス流路に上記のエコノマイザ１９からの冷媒ガスを供給するためのガス供給口（図示せず）が設けられており、第１段遠心インペラ２３で圧縮した冷媒ガスにエコノマイザ１９からの冷媒ガスを混合して第２段遠心インペラ２６に供給するようになっている。
また、上記の出口流路３３は、鋳物一体構造により、入側ハウジング２４内の他の流路（外側スクロール室３２等）と共に入側ハウジング２４内に一体的に形成されている。
また、上記の出口流路３３は、鋳物一体構造により、入側ハウジング２４内の他の流路（外側スクロール室３２等）と共に入側ハウジング２４内に一体的に形成されている。
図３に示すように、出側ハウジング２７には、導入流路４１と、吸入スクロール室４２と、吸入通路４３が形成されている。
導入流路４１は、上記の出口流路３３と連通するように入側ハウジング２４側で開口し、第１段圧縮段２１Ａからの冷媒ガスを出側ハウジング２７に導入するように形成されている。
吸入スクロール室４２は、回転軸２８の周りを環状に囲み導入流路４１からのガスを周方向に拡大させるように形成されている。
吸入通路４３は、吸入スクロール室４２のガスを、径方向内側に導いた後、第１段遠心インペラ２３の側に方向変更して第２段遠心インペラ２６まで導くように環状に形成されている。
導入流路４１は、上記の出口流路３３と連通するように入側ハウジング２４側で開口し、第１段圧縮段２１Ａからの冷媒ガスを出側ハウジング２７に導入するように形成されている。
吸入スクロール室４２は、回転軸２８の周りを環状に囲み導入流路４１からのガスを周方向に拡大させるように形成されている。
吸入通路４３は、吸入スクロール室４２のガスを、径方向内側に導いた後、第１段遠心インペラ２３の側に方向変更して第２段遠心インペラ２６まで導くように環状に形成されている。
また、出側ハウジング２７には、第２段遠心インペラ２６を囲む環状の出側スクロール室４６が形成されている。この出側スクロール室４６と第２段遠心インペラ２６との間には、第２段遠心インペラ２６出口から半径方向に延びる環状の出側ディフューザ部４７が形成されており、これにより第２段遠心インペラ２６によって加速されたガスを減速加圧して出側スクロール室４６に導くようになっている。
出側ハウジング２７の背面側（図で右側）には、回転軸２８を貫通させる開口部が形成されている。
また、上記の導入流路４１は、鋳物一体構造により、出側ハウジング２７内の他の流路（吸入スクロール室４２等）と共に出側ハウジング２７内に一体的に形成されている。
出側ハウジング２７の背面側（図で右側）には、回転軸２８を貫通させる開口部が形成されている。
また、上記の導入流路４１は、鋳物一体構造により、出側ハウジング２７内の他の流路（吸入スクロール室４２等）と共に出側ハウジング２７内に一体的に形成されている。
なお、上記の出口流路３３及び導入流路４１を、入側ハウジング２４及び出側ハウジング２７とは別構造の配管としてもよいが、本実施形態のように鋳物一体構造とすれば、部品点数および組立作業が減少するためコストを削減できるとともに、最小限の流路構造にできるため、コンパクトになる。
上記の入側ハウジング２４と出側ハウジング２７には、軸心Ｘを中心に回転軸２８を回転自在に支持する軸受５０が内蔵されている。
本実施形態において、軸受５０は、回転軸２８に作用するラジアル荷重とスラスト荷重を別々に支持する軸受からなる。すなわち、軸受５０は、軸方向に離間した２つの支持位置のそれぞれにおいて回転軸２８に作用するラジアル荷重を支持する円筒ころ軸受５１，５２と、回転軸２８に作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受５３とからなる。このスラスト軸受５３は、すべり軸受と転がり軸受のいずれでもよい。
本実施形態において、軸受５０は、回転軸２８に作用するラジアル荷重とスラスト荷重を別々に支持する軸受からなる。すなわち、軸受５０は、軸方向に離間した２つの支持位置のそれぞれにおいて回転軸２８に作用するラジアル荷重を支持する円筒ころ軸受５１，５２と、回転軸２８に作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受５３とからなる。このスラスト軸受５３は、すべり軸受と転がり軸受のいずれでもよい。
この軸受５０のうち、一方の支持位置を支持する円筒ころ軸受５１（以下、「一方の軸受」ともいう）は、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６との間に配置されている。また、この軸受５０のうち、他方の支持位置を支持する円筒ころ軸受５２（以下、「他方の軸受」ともいう）は、第２段遠心インペラ２６を基準に第１段遠心インペラ２３とは軸方向反対側に配置されている。これらの軸受５１，５２，５３には、図示しない給油構造より潤滑油が供給され、その潤滑が確保されるようになっている。
一方の円筒ころ軸受５１は、出側ハウジング２７に設けられた軸受保持部５６に固定されている。
一方の円筒ころ軸受５１は、出側ハウジング２７に設けられた軸受保持部５６に固定されている。
なお、軸受保持部５６は、入側ハウジング２４に設けられてもよい。スラスト軸受５３は、すべり軸受と転がり軸受のいずれでもよい。
また、図３に示すように、本実施形態において増速機構７０は、第２段遠心インペラ２６と他方の軸受５２との間に配置されている。
また、図３に示すように、本実施形態において増速機構７０は、第２段遠心インペラ２６と他方の軸受５２との間に配置されている。
ところで、上記のように本実施形態においては、一方の軸受５１が第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６との間に配置されているが、このような構造は図７に示した従来のターボ圧縮機８０では困難である。
すなわち、従来のターボ圧縮機は、２つのインペラが同一方向に配置されており、その間の回転軸の周りには１段目のインペラから次のインペラの中心付近までにガスを導くリターン流路が設けられているため、軸受の設置スペースを確保するとともに給油構造を設ける等の構造的な制約があり、インペラ間に軸受を配置することは困難である。
これに対し、本発明のターボ圧縮機２０では、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が互いの背面側が対向する方向に配置されており、第１段遠心インペラ２３から第２段遠心インペラ２６にガスを導くための出口流路３３と導入流路４１が両インペラの径方向外側に設けられているため、軸受の設置スペースの確保と給油構造の配設に際しての構造的な制約が少ない。したがって、第１段、第２段遠心インペラ２６間に軸受５１を容易に配置することができる。
すなわち、従来のターボ圧縮機は、２つのインペラが同一方向に配置されており、その間の回転軸の周りには１段目のインペラから次のインペラの中心付近までにガスを導くリターン流路が設けられているため、軸受の設置スペースを確保するとともに給油構造を設ける等の構造的な制約があり、インペラ間に軸受を配置することは困難である。
これに対し、本発明のターボ圧縮機２０では、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が互いの背面側が対向する方向に配置されており、第１段遠心インペラ２３から第２段遠心インペラ２６にガスを導くための出口流路３３と導入流路４１が両インペラの径方向外側に設けられているため、軸受の設置スペースの確保と給油構造の配設に際しての構造的な制約が少ない。したがって、第１段、第２段遠心インペラ２６間に軸受５１を容易に配置することができる。
次に、このように構成されたターボ圧縮機２０の動作について説明する。
上記のターボ冷凍機１０の稼働中、ターボ圧縮機２０では、増速機構によりモータ６０の出力軸６１の回転駆動力が増速されて回転軸２８に伝達され、回転軸２８に固定された第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が回転駆動される。
入側ハウジング２４の吸入口２９ａからは、蒸発器１８からの冷媒ガスが吸入され、第１段遠心インペラ２３により加速される。加速された冷媒ガスは、入側ディフューザ部３４を通過する過程で減速加圧されて内側スクロール室３１、外側スクロール室３２へと順次導入される。
外側スクロール室３２を通過した冷媒ガスは、出口流路３３、導入流路４１を通って入側ハウジング２４から出側ハウジング２７へと移行し、吸入スクロール室４２及び吸入通路４３を通過して第２段遠心インペラ２６へと導入され、加速される。
加速された冷媒ガスは、外側ディフューザ部２７を通過する過程で減速加圧されることにより、さらに高温高圧にされて出側スクロール室４６へ導入された後、図示しない吐出部から吐き出されて上記の凝縮器へ導入される。
上記のターボ冷凍機１０の稼働中、ターボ圧縮機２０では、増速機構によりモータ６０の出力軸６１の回転駆動力が増速されて回転軸２８に伝達され、回転軸２８に固定された第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が回転駆動される。
入側ハウジング２４の吸入口２９ａからは、蒸発器１８からの冷媒ガスが吸入され、第１段遠心インペラ２３により加速される。加速された冷媒ガスは、入側ディフューザ部３４を通過する過程で減速加圧されて内側スクロール室３１、外側スクロール室３２へと順次導入される。
外側スクロール室３２を通過した冷媒ガスは、出口流路３３、導入流路４１を通って入側ハウジング２４から出側ハウジング２７へと移行し、吸入スクロール室４２及び吸入通路４３を通過して第２段遠心インペラ２６へと導入され、加速される。
加速された冷媒ガスは、外側ディフューザ部２７を通過する過程で減速加圧されることにより、さらに高温高圧にされて出側スクロール室４６へ導入された後、図示しない吐出部から吐き出されて上記の凝縮器へ導入される。
次に、本実施形態にかかるターボ圧縮機２０の作用・効果について説明する。
本実施形態にかかるターボ圧縮機２０によれば、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が互いの背面側が対向する方向に配置されているので、両インペラに作用するスラスト力も相互に反対方向となる。このため、両インペラに作用するスラスト力が相殺・低減され、軸受５０に作用するスラスト荷重が大幅に低減されるため、軸受部における機械的損失を低減できる。したがって、軸受５０の寿命を伸ばすことができる。
本実施形態にかかるターボ圧縮機２０によれば、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が互いの背面側が対向する方向に配置されているので、両インペラに作用するスラスト力も相互に反対方向となる。このため、両インペラに作用するスラスト力が相殺・低減され、軸受５０に作用するスラスト荷重が大幅に低減されるため、軸受部における機械的損失を低減できる。したがって、軸受５０の寿命を伸ばすことができる。
また、ラジアル荷重とスラスト荷重を支持する軸受を分けたので、それぞれの荷重に応じて損失や寿命などを考慮した最適な軸受を選定することができる。
本発明では、上記のようにスラスト荷重が低減されたので、スラスト荷重をスラスト軸受のみにより支持し、ラジアル荷重を支持する軸受は、円筒ころ軸受５１，５２を採用した。このため、アンギュラ玉軸受のように多くの軸受を組み合わせて使用する必要が無く、使用数を少なくすることができるので、軸受部の構造をコンパクトにできるとともに、軸受部における機械的損失を低減できる。
また、円筒ころ軸受５１，５２は、玉軸受よりも大きなラジアル荷重を支持できるので、同じラジアル荷重を支持する場合は、玉軸受よりも軸受を小さくすることができる。
本発明では、上記のようにスラスト荷重が低減されたので、スラスト荷重をスラスト軸受のみにより支持し、ラジアル荷重を支持する軸受は、円筒ころ軸受５１，５２を採用した。このため、アンギュラ玉軸受のように多くの軸受を組み合わせて使用する必要が無く、使用数を少なくすることができるので、軸受部の構造をコンパクトにできるとともに、軸受部における機械的損失を低減できる。
また、円筒ころ軸受５１，５２は、玉軸受よりも大きなラジアル荷重を支持できるので、同じラジアル荷重を支持する場合は、玉軸受よりも軸受を小さくすることができる。
また、一方の支持位置を支持する軸受５１が、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６との間に配置されているので、回転軸２８のオーバーハング量が減少する。このため、インペラの軸方向長さを短縮することなく、危険速度を上げることができる。また、インペラが挿入される細い軸部分に軸受を配置できるため、回転軸２８の曲がりを抑制することができ、剛性が上がる。
また、他方の支持位置を支持する軸受は、第２段遠心インペラ２６を基準に第１段遠心インペラ２３とは軸方向反対側に配置されているので、その支持位置における軸部分を太くすることができ、剛性が上がる。
また、増速機構が、第２段遠心インペラ２６と他方の支持位置を支持する軸受との間に配置されているので、増速機構７０の反力による回転軸２８の撓みを抑制することができる。
また、他方の支持位置を支持する軸受は、第２段遠心インペラ２６を基準に第１段遠心インペラ２３とは軸方向反対側に配置されているので、その支持位置における軸部分を太くすることができ、剛性が上がる。
また、増速機構が、第２段遠心インペラ２６と他方の支持位置を支持する軸受との間に配置されているので、増速機構７０の反力による回転軸２８の撓みを抑制することができる。
［第２段実施形態］
以下、本発明の第２段実施形態にかかるターボ圧縮機２０について説明する。
図５は、第２段実施形態にかかるターボ圧縮機２０の構成を示す部分拡大断面図である。
図５に示すように、本実施形態では、軸受５０は、回転軸２８に作用するラジアル荷重とスラスト荷重を共通に支持する軸受であり、軸方向に離間した２つの支持位置のそれぞれにおいて回転軸２８を支持する深溝玉軸受５４，５５からなる。なお、２つの支持位置のいずれか一方を深溝玉軸受とし、他方を他の種類の軸受（例えば、円筒ころ軸受）としてもよい。
以下、本発明の第２段実施形態にかかるターボ圧縮機２０について説明する。
図５は、第２段実施形態にかかるターボ圧縮機２０の構成を示す部分拡大断面図である。
図５に示すように、本実施形態では、軸受５０は、回転軸２８に作用するラジアル荷重とスラスト荷重を共通に支持する軸受であり、軸方向に離間した２つの支持位置のそれぞれにおいて回転軸２８を支持する深溝玉軸受５４，５５からなる。なお、２つの支持位置のいずれか一方を深溝玉軸受とし、他方を他の種類の軸受（例えば、円筒ころ軸受）としてもよい。
この軸受５０のうち、一方の支持位置を支持する深溝玉軸受５４（以下、「一方の深溝玉軸受」ともいう）は、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６との間に配置されている。また、この軸受５０のうち、他方の支持位置を支持する深溝玉軸受５５（以下、「他方の深溝玉軸受」ともいう）は、第２段遠心インペラ２６を基準に第１段遠心インペラ２３とは軸方向反対側に配置されている。これらの軸受５４，５５には、図示しない給油構造より潤滑油が供給され、その潤滑が確保されるようになっている。
また、図５に示すように、本実施形態において増速機構７０は、第１実施形態と同様に、２つの支持位置を支持する深溝玉軸受５４，５５の間に配置されている。
また、図５に示すように、本実施形態において増速機構７０は、第１実施形態と同様に、２つの支持位置を支持する深溝玉軸受５４，５５の間に配置されている。
なお、本実施形態にかかるターボ圧縮機の他の部分の構成は、上述した第１段実施形態と同様である。
本実施形態にかかるターボ圧縮機２０によれば、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が互いの背面側が対向する向きに配置されているので、上述したように、軸受５０に作用するスラスト荷重が大幅に低減されるため、軸受５０における機械的損失を低減できる。
また、軸受５０におけるスラスト荷重が大幅に低減されること、また、深溝玉軸受５４，５５を採用することによりアンギュラ玉軸受のように多くの軸受を組み合わせて使用する必要が無いことから、軸受の使用数を少なくすることができるので、軸受における機械的損失を低減できる。したがって、軸受の寿命を伸ばすことができる。
また、一方の支持位置を支持する深溝玉軸受５４が、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６との間に配置されているので、インペラの軸方向長さを短縮することなく、危険速度を上げることができる。
その他、第１実施形態と共通する部分については、第１実施形態と同様の作用・効果が得られる。
また、軸受５０におけるスラスト荷重が大幅に低減されること、また、深溝玉軸受５４，５５を採用することによりアンギュラ玉軸受のように多くの軸受を組み合わせて使用する必要が無いことから、軸受の使用数を少なくすることができるので、軸受における機械的損失を低減できる。したがって、軸受の寿命を伸ばすことができる。
また、一方の支持位置を支持する深溝玉軸受５４が、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６との間に配置されているので、インペラの軸方向長さを短縮することなく、危険速度を上げることができる。
その他、第１実施形態と共通する部分については、第１実施形態と同様の作用・効果が得られる。
［参考例］
以下、参考例にかかるターボ圧縮機２０について説明する。図６は、参考例にかかるターボ圧縮機２０の構成を示す部分拡大断面図である。
図６に示すように、本参考例において、軸受５０は、軸方向に離間した２つの支持位置のそれぞれにおいて回転軸２８に作用するラジアル荷重を支持する円筒ころ軸受５１，５２と、回転軸２８に作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受５３とからなる。
これらの軸受はいずれも回転軸２８の軸方向部位のうち第２段遠心インペラ２６を基準に第１段遠心インペラ２３の軸方向反対側の部位（この図で、第２段遠心インペラ２６より左側の部位）に配置されている。
また、図６に示すように、本参考例において増速機構７０は、２つの支持位置を支持する円筒ころ軸受５１，５２の間に配置されている。
以下、参考例にかかるターボ圧縮機２０について説明する。図６は、参考例にかかるターボ圧縮機２０の構成を示す部分拡大断面図である。
図６に示すように、本参考例において、軸受５０は、軸方向に離間した２つの支持位置のそれぞれにおいて回転軸２８に作用するラジアル荷重を支持する円筒ころ軸受５１，５２と、回転軸２８に作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受５３とからなる。
これらの軸受はいずれも回転軸２８の軸方向部位のうち第２段遠心インペラ２６を基準に第１段遠心インペラ２３の軸方向反対側の部位（この図で、第２段遠心インペラ２６より左側の部位）に配置されている。
また、図６に示すように、本参考例において増速機構７０は、２つの支持位置を支持する円筒ころ軸受５１，５２の間に配置されている。
本参考例にかかるターボ圧縮機２０の他の部分の構成は、上述した第１実施形態と同様である。
本参考例では、第１実施形態のような、一方の支持位置を支持する軸受が第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６との間に配置されている構成ではないが、本参考例にかかるターボ圧縮機２０においても、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が互いの背面側が対向する向きに配置されているので、上述したように、軸受５０に作用するスラスト荷重が大幅に低減されるため、軸受５０における機械的損失を低減できる。
また、スラスト荷重をスラスト軸受のみにより支持し、ラジアル荷重を支持する軸受は、円筒ころ軸受５１，５２を採用したため、アンギュラ玉軸受のように多くの軸受を組み合わせて使用する必要が無く、使用数を少なくすることができるので、軸受部の構造をコンパクトにできるとともに、軸受部における機械的損失を低減できる。
また、円筒ころ軸受５１，５２は、玉軸受よりも大きなラジアル荷重を支持できるので、同じラジアル荷重を支持する場合は、玉軸受よりも軸受を小さくすることができる。
また、円筒ころ軸受５１，５２は、玉軸受よりも大きなラジアル荷重を支持できるので、同じラジアル荷重を支持する場合は、玉軸受よりも軸受を小さくすることができる。
なお、上記の円筒ころ軸受５１，５２を深溝玉軸受としてもよい。この場合、スラスト軸受５３は省略される。またこの場合においては、第２実施形態において説明した、深溝玉軸受を採用したことにより得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
［その他の参考例］
上記の第１及び第２実施形態では、軸受５０の種類を限定したが、他の参考例として、軸受５０の種類を特に限定せず、軸受以外の他の構成を第１又は第２実施形態と同様のものとしてもよい。この場合、軸受はすべり軸受、転がり軸受、気体軸受、磁気軸受等を採用することができる。
このような他の参考例においても、一方の支持位置を支持する軸受が、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６との間に配置されているので、回転軸２８のオーバーハング量が減少し、インペラの軸方向長さを短縮することなく、危険速度を上げることができるという優れた効果が得られる。
上記の第１及び第２実施形態では、軸受５０の種類を限定したが、他の参考例として、軸受５０の種類を特に限定せず、軸受以外の他の構成を第１又は第２実施形態と同様のものとしてもよい。この場合、軸受はすべり軸受、転がり軸受、気体軸受、磁気軸受等を採用することができる。
このような他の参考例においても、一方の支持位置を支持する軸受が、第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６との間に配置されているので、回転軸２８のオーバーハング量が減少し、インペラの軸方向長さを短縮することなく、危険速度を上げることができるという優れた効果が得られる。
また、上記の第１及び第２の実施形態では、他方の軸受５２及び他方の深溝玉軸受５５が、増速機構７０の小歯車７２の位置を基準に第２段遠心インペラ２６の反対側に配置されていたが、そのような配置に代えて、他方の軸受５２及び他方の深溝玉軸受５５を小歯車７２と第２段遠心インペラ２６との間（例えば、図６に示した「一方の軸受５１」の位置）に配置してもよい。
また、上記の各実施形態では、回転軸２８の駆動力がモータ６０から伝達される側から離れた順に第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が配置されていたが、これとは逆に、回転軸２８の駆動力がモータ６０から伝達される側から順に第１段遠心インペラ２３と第２段遠心インペラ２６が配置される構成であってもよい。すなわち、回転軸２８に駆動力が伝達される部位に対して第１圧縮段２１Ａと第２圧縮段２１Ｂが、上記各実施形態とは逆の配置であってもよい。
以上の各実施形態における説明から明らかなように、本発明のターボ圧縮機によれば、軸受部での機械的損失を少なくして軸受の寿命を伸ばすことができるとともに、インペラの軸方向長さを短縮することなく危険速度を上げることができる、という優れた効果が得られる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
１０ ターボ冷凍機
１４ 凝縮器
１６ａ，１６ｂ
１８ 蒸発器
１９ エコノマイザ
２０ ターボ圧縮機
２１ 圧縮機構
２１Ａ 第１段圧縮段
２１Ｂ 第２段圧縮段
２３ 第１段遠心インペラ
２４ 入側ハウジング
２６ 第２段遠心インペラ
２７ 出側ハウジング
２８ 回転軸
２９ａ 吸込口
３０ 入口案内翼
３１ 内側スクロール室
３２ 外側スクロール室
３３ 出口流路
３４ 入側ディフューザ部
４１ 導入流路
４２ 吸入スクロール室
４３ 吸入通路
４６ 出側スクロール室
４７ 外側ディフューザ部
５０ 軸受
５１、５２ 円筒ころ軸受
５３ スラスト軸受
５４，５５ 深溝玉軸受
５６ 軸受保持部
６０ モータ
６１ 出力軸
６４ モータケース
６６ 軸受
７０ 増速機構
７１ 大歯車
７２ 小歯車
１４ 凝縮器
１６ａ，１６ｂ
１８ 蒸発器
１９ エコノマイザ
２０ ターボ圧縮機
２１ 圧縮機構
２１Ａ 第１段圧縮段
２１Ｂ 第２段圧縮段
２３ 第１段遠心インペラ
２４ 入側ハウジング
２６ 第２段遠心インペラ
２７ 出側ハウジング
２８ 回転軸
２９ａ 吸込口
３０ 入口案内翼
３１ 内側スクロール室
３２ 外側スクロール室
３３ 出口流路
３４ 入側ディフューザ部
４１ 導入流路
４２ 吸入スクロール室
４３ 吸入通路
４６ 出側スクロール室
４７ 外側ディフューザ部
５０ 軸受
５１、５２ 円筒ころ軸受
５３ スラスト軸受
５４，５５ 深溝玉軸受
５６ 軸受保持部
６０ モータ
６１ 出力軸
６４ モータケース
６６ 軸受
７０ 増速機構
７１ 大歯車
７２ 小歯車
Claims (2)
- ハウジング内に設けられ駆動源によって回転駆動される回転軸と、該回転軸を回転自在に支持する円筒ころ軸受と、前記回転軸に軸方向に間隔を置いて配置された第１の遠心インペラ及び第２の遠心インペラと、を備えたターボ圧縮機であって、
前記第１の遠心インペラと前記第２の遠心インペラは、前記回転軸の一端側から順に、互いの背面側が対向する方向に配設され、
前記駆動源から出力される回転駆動力を増速して前記回転軸に伝達する増速機構をさらに備えており、該増速機構により、前記回転軸には、前記第２の遠心インペラを基準に前記第１の遠心インペラとは軸方向反対側の部位から駆動力が伝達されるものであり、
前記円筒ころ軸受のうち、回転軸における一方の支持位置でラジアル荷重を支持する円筒ころ軸受は、前記第１の遠心インペラと第２の遠心インペラとの間に配置され、回転軸における他方の支持位置でラジアル荷重を支持する円筒ころ軸受は、前記増速機構を基準に前記第２の遠心インペラとは軸方向反対側に配置されており、
さらに、前記回転軸に作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受を備える、ことを特徴とするターボ圧縮機。 - ハウジング内に設けられ駆動源によって回転駆動される回転軸と、該回転軸を回転自在に支持する深溝玉軸受と、前記回転軸に軸方向に間隔を置いて配置された第１の遠心インペラ及び第２の遠心インペラと、を備えたターボ圧縮機であって、
前記第１の遠心インペラと前記第２の遠心インペラは、前記回転軸の一端側から順に、互いの背面側が対向する方向に配設され、
前記駆動源から出力される回転駆動力を増速して前記回転軸に伝達する増速機構をさらに備えており、該増速機構により、前記回転軸には、前記第２の遠心インペラを基準に前記第１の遠心インペラとは軸方向反対側の部位から駆動力が伝達されるものであり、
前記深溝玉軸受のうち、回転軸における一方の支持位置でラジアル荷重を支持する深溝玉軸受は、前記第１の遠心インペラと第２の遠心インペラとの間に配置され、回転軸における他方の支持位置でラジアル荷重を支持する深溝玉軸受は、前記増速機構を基準に前記第２の遠心インペラとは軸方向反対側に配置されている、ことを特徴とするターボ圧縮機。
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