JP5819590B2 - 軸流圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、軸流圧縮機に関するものである。

従来、圧縮機として、下記特許文献１に開示されているように増速機構を備えたものが知られている。すなわち、電動機の駆動軸と圧縮部の主軸との間に増速機構を介装して電動機の回転数より大なる回転数にて圧縮部を駆動することにより、電動機の回転数を低速としつつ、圧縮部を高速で駆動するようにしている。そして、圧縮部には、半径方向に延出されたディフューザが設けられており、圧縮部の羽根車の作用によって増速されつつ昇圧された作動流体の速度をディフューザによって落とすようにしている。この圧縮機では、ディフューザによって所定の速度まで減速された作動流体が吐出される。

特開２００２−５０９２号公報

前記特許文献１に開示された圧縮機では、小型化を図るには限界があるという問題がある。すなわち、この圧縮機には増速機構が設けられているが、増速機構は、電動機の駆動軸の回転数に対して圧縮部の主軸の回転数を増大させるべく、電動機の回転軸に設けられた第１歯車の径が大きなものとならざるを得ず、しかもこの第１歯車を圧縮部の主軸に設けられた第２歯車を噛み合わせるべく、電動機を圧縮部に対してオフセットして配置しなければならない。このため、圧縮部の径方向の幅が大きくなってしまうという問題があり、この結果として圧縮機としての小型化、特に軸流圧縮機としての小型化を図るには限界がある。また、圧縮部にはディフューザが設けられていて、このディフューザは羽根車に対して径方向に延びるため、この点でも圧縮部の径方向の幅が大きくなってしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、圧縮部から吐出された作動流体を所定流速まで減速させる構成を有しつつ、軸流圧縮機の小型化を図ることである。

前記の目的を達成するため、本発明は、作動流体を圧縮するための軸流圧縮機であって、回転軸を有する電動機と、前記電動機の回転軸に増速機を介することなく接続される駆動軸と、この駆動軸と一体的に回転するロータとを有し、前記駆動軸を駆動することによって作動流体を圧縮する圧縮部と、前記圧縮部の吐出口から吐出された作動流体の流速を低減させるための空間を有する減速部と、を備え、前記電動機の回転軸は、前記駆動軸の吐出口側の端部に接続され、前記減速部は、筒状に形成された外周面部と、前記外周面部の内側に配置されて軸方向に延びる内周面部と、前記外周面部及び前記内周面部の軸方向端部同士を接続する端面部と、を備えて、前記外周面部、前記内周面部及び前記端面部によって形成される筒状の空間によって前記電動機を囲むように配置され、前記筒状の空間には、断面積が次第に拡大するテーパー部と、前記テーパー部の下流側で断面積が一定となっている平行部とが含まれ、前記外周面部には、排出ポートが設けられている軸流圧縮機である。

本発明による軸流圧縮機では、電動機の回転軸に増速機を介することなく圧縮部の駆動軸が接続された構成となっている。このため、電動機を圧縮部に対して径方向に位置ずれした状態で配置させる必要がなく、軸流圧縮機として圧縮部の径方向の幅が大きくなることを防止することができる。しかも、増速機が設けられていないため、この点からも圧縮部の径方向の幅が大きくなることを防止することができる。さらに、前記減速部は、前記駆動軸の軸方向において前記電動機を越えるところまで延びていてもよい。この態様では、減速部が電動機の周囲を駆動軸の軸方向に延びる構成となるので、減速部の空間の容積すなわち作動流体の流速を減速させるための空間の容積を確保しつつ、軸流圧縮機の径方向の幅が大きくなることを防止することができる。

前記圧縮部の駆動軸と前記電動機の回転軸とは、振動減衰部を介して接続されていてもよい。この態様では、電動機が高回転数で駆動される場合でも、回転軸の振動が圧縮部の駆動軸に伝達することを抑制することができる。
前記減速部の前記空間は、前記圧縮部が前記作動流体を圧縮する圧縮空間から導出された作動流体が流れる下流側空間でもよく、前記下流側空間には、軸方向に垂直な断面が円環状であり、かつ断面積が次第に拡大するテーパー部と、軸方向に垂直な断面が円環状であり、かつ断面積が一定となっている平行部とが含まれていてもよい。
前記駆動軸を支持する軸受がハウジングに収められていてもよく、前記ハウジングは、支持部材を介してケーシングに支持されていてもよく、前記支持部材には、潤滑剤を供給及び排出するための給排通路が形成されていてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、圧縮部から吐出された作動流体を所定流速まで減速させる構成を有しつつ、軸流圧縮機の小型化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る軸流圧縮機の概略構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る軸流圧縮機１０は、冷凍機に設けられる圧縮機として構成されるものであり、蒸発器１２及び凝縮器１３を有する冷媒回路１４に設けられている。この軸流圧縮機１０は、蒸発器１２で蒸発した作動流体（冷媒）としての水蒸気を圧縮する。この水蒸気は、比較的低温、低圧の水蒸気である。本実施形態の軸流圧縮機１０で圧縮された作動流体たる水蒸気は、その軸流圧縮機１０の吐出口において、例えば大気圧以下の圧力で１５０℃以下の温度となる。この冷媒回路１４では、軸流圧縮機１０で圧縮された作動流体が凝縮器１３に送られ、凝縮器１３において凝縮される。作動流体が相変化を伴って冷媒回路１４を循環する。そして、蒸発器１２において冷媒が蒸発することにより、２次側熱媒体に冷熱を供給することができる。この２次側熱媒体は、図外の利用側装置に供給されて冷却対象としての室内空気等を冷却する。

軸流圧縮機１０は、作動流体を圧縮する圧縮空間ＣＳを有する圧縮部２０と、圧縮部２０を駆動するための電動機２２と、圧縮空間ＣＳから吐出された作動流体の流速を減速するための減速部２４と、を備えている。軸流圧縮機１０のケーシング２６は、圧縮部２０に配置される円筒状の第１ケース部２７と、圧縮部２０の一端側（上流側）に配置される第２ケース部２８と、圧縮部２０の他端側（下流側）となる減速部２４に配置される第３ケース部２９とを備えている。

圧縮部２０は、第１ケース部２７と、第１ケース部２７内に配置されたロータ３１とを備えている。第１ケース部２７とロータ３１との間の空間が、作動流体を圧縮するための圧縮空間ＣＳとして機能する。この圧縮空間ＣＳは、図１の左側が吸入口ＣＳ１となり、右側が吐出口ＣＳ２となる。したがって、蒸発器１２で蒸発した作動流体は図１の左側の吸入口ＣＳ１を通して圧縮空間ＣＳ内に吸入され、この作動流体は圧縮空間ＣＳ内を図１の左から右に移動するにつれて圧縮されて吐出口ＣＳ２から吐出される。

第１ケース部２７の内周面には、複数の静翼３３が軸方向に間隔をおいて固定されている。この第１ケース部２７は、軸方向が水平になるように設置される。

ロータ３１は、複数の動翼３４と複数のスペーサ３５とを備えている。これらの複数の動翼３４は、静翼３３と交互に位置するように軸方向に間隔をおいて配置されている。スペーサ３５は、円筒状に形成される部材であり、静翼３３の径方向内側に配置されるとともに、隣り合う動翼３４の間にそれぞれ配置されている。図例では、４つの動翼３４と４つのスペーサ３５が設けられた構成を示しているがこれに限られるものではない。

動翼３４は、円筒状のボス部３７と、このボス部３７の周囲に一体的に形成された翼部３８とを備えている。すなわち、動翼３４は、後述するように、何れもアルミニウム製又はアルミニウム合金製であり、１つの素材から削り出して成形した一体成形品である。翼部３８はボス部３７の周方向に複数形成されている。ボス部３７の外周面及び内周面はスペーサ３５の外周面及び内周面と面一の状態となっている。

圧縮部２０は、駆動軸４０と、第１押え部材４１と、第２押え部材４２と、固定部の一例としてのナット４３と、円板状部材４４とを備えている。駆動軸４０は、ロータ軸部４６と、ロータ軸部４６の両端部にそれぞれ配置された２つのエンド軸部４７，４７とを備えている。

ロータ軸部４６は、第１ケース部２７の軸心上に配置されており、第１ケース部２７の軸方向に沿って延びている。ロータ軸部４６の両端部は、軸方向において動翼３４及びスペーサ３５の外側に位置しており、この両端部にはそれぞれ図略の雄ねじ部が設けられている。

第１押え部材４１は、最上流段の動翼３４に接触するように配置され、また第２押え部材４２は、最下流段の動翼３４の外側に位置するスペーサ３５に接触するように配置されている。第１押え部材４１と第２押え部材４２とは、同じ構成の部材であるが、軸方向において逆向きに配設される。

第１押え部材４１は、円板状に形成されており、該押え部材４１，４２には、ロータ軸部４６を挿通させる中央貫通孔が形成されている。第１押え部材４１と動翼３４とが嵌合されることにより、第１押え部材４１の軸心と最上流段の動翼３４の軸心とが一致するようになっている。そして、ボルトによって第１押え部材４１にエンド軸部（第１エンド軸部）４７を固定することにより、エンド軸部４７と第１押え部材４１とが同軸状となる。

第２押え部材４２は最下流段の動翼３４の外側に位置するスペーサ３５に嵌合している。これにより、第２押え部材４２の軸心と最下流側に位置するスペーサ３５の軸心とが一致している。そして、ボルトによって第２押え部材４２にエンド軸部（第２エンド軸部）４７を固定することにより、エンド軸部４７と第２押え部材４２とが同軸状となる。

第１押え部材４１及び第２押え部材４２において、中央貫通孔に挿通されたロータ軸部４６の雄ねじ部にナット４３を螺合することにより、ロータ３１（動翼３４及びスペーサ３５）を挟み込んだ状態でナット４３によって第１押え部材４１及び第２押え部材４２を軸方向の両側から締め付けることができる。ナット４３を螺合する際には、第１押え部材４１及び第２押え部材４２は予め定められたトルク値で締め付けられる。なお、ここでいう「予め定められたトルク値」は、後述するとおり、ロータ３１とロータ軸部４６との線膨張係数の相違、ひいては両者の駆動時の膨張量の相違に基づき、ロータ３１の組み付け時よりも駆動時のほうがナット４３による結合力が増大することを考慮して定められる。これにより、互いに隣り合う動翼３４とスペーサ３５とは互いに嵌合されている。

スペーサ３５及びボス部３７の内径は、ロータ軸部４６の外径よりも十分大きい。このため、スペーサ３５及びボス部３７が繋がって形成される円筒部とロータ軸部４６との間には軸方向に延びる空間が形成されている。この空間すなわちロータ３１の内側空間３１ａには、円板状部材４４が設けられている。スペーサ３５には、円板状部材４４の厚みに対応する幅の凹部が形成されており、この凹部に円板状部材４４の外周部が挿入され、この状態で円板状部材４４とスペーサ３５とがボルトによって締結されている。すなわち、円板状部材４４は動翼３４のボス部３７とスペーサ３５との間に隙間なく挟み込まれている。

円板状部材４４は、ロータ軸部４６に対して垂直になる姿勢で配設されており、その中央部には厚み方向に貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔にはロータ軸部４６が挿通されている。したがって、ロータ軸部４６は、その中間部位の複数個所で円板状部材４４に支持されている。

動翼３４は、何れもアルミニウム製又はアルミニウム合金製であり、またスペーサ３５は、何れもアルミニウム製又はアルミニウム合金製である。言い換えるとロータ３１は、アルミニウム製又はアルミニウム合金製である。一方、ロータ軸部４６はチタン製又はチタン合金製である。したがって、ロータ軸部４６は、アルミニウムよりも低い線膨張係数を有する材質で構成されている。このため、軸流圧縮機１０の駆動時に発生する熱によりロータ３１及びロータ軸部４６が膨張する際には、ロータ軸部４６よりもロータ３１の方がより軸方向に膨張する。

第１押え部材４１及び第２押え部材４２は、ステンレス製又はステンレス合金製である。なお、円板状部材４４は、アルミニウム製又はアルミニウム合金製である。

本実施形態では、最上流段の動翼３４も含めて、動翼３４はアルミニウム製又はアルミニウム合金製となっている。なお、少なくとも最上流段の動翼３４については、陽極酸化被膜処理が施されていてもよい。この場合には、動翼３４の軽量化を図りながら動翼３４のエロージョンを効果的に防止することができる。また、最上流段の動翼３４は、チタン製、チタン合金製、ステンレス製又はステンレス合金製としてもよい。この場合には、エロージョンを防止しつつ最上流段の動翼３４の耐久性を確保することができる。

図１に示すように、両端部のエンド軸部４７，４７は、それぞれ軸受け５５，５５によって支持されており、ロータ軸部４６と同軸上に配置されている。軸受け５５は、エンド軸部４７の主部４７ｃにおいてエンド軸部４７を回転可能に支持する。主部４７ｃはロータ軸部４６と同軸上に延びる部分である。

両軸受け５５，５５は、それぞれハウジング５６，５７に収められている。一端部側の軸受け５５を収納する上流側のハウジング５６は、第２ケース部２８との間に円筒状の空間を形成するように設けられ、この空間は、圧縮空間ＣＳに導入される作動流体が流れる上流側空間ＵＳとなる。一方、他端部側の軸受け５５を収納する下流側のハウジング５７は、第３ケース部２９との間に円筒状の空間を形成するように設けられ、この空間は、圧縮空間ＣＳから導出された作動流体が流れる下流側空間ＤＳとなる。

各ハウジング５６，５７は複数の支持部材５９，５９を介して第２ケース部２８又は第３ケース部２９に支持されている。各支持部材５９は、棒状に形成されるとともに、周方向に放射状に配設されている。支持部材５９，５９は上流側空間ＵＳ及び下流側空間ＤＳに配置されているが、断面が流線形となっていることにより、作動流体の流れを阻害しないようになっている。なお、図例では、下流側空間ＤＳの支持部材５９がハウジング５７の内側まで入り込んだ構成となっているが、このハウジング５７の内側に入り込んでいる部位については棒状に形成されていなくてもよい。

支持部材５９には、潤滑剤を供給及び排出するための給排通路５９ａが形成されている。潤滑剤は、第２ケース部２８及び第３ケース部２９の外部から導入され、この給排通路５９ａの１つを通って軸受け５５に供給され、他の給排通路５９ａを通って軸受け５５から排出される。

吐出口ＣＳ２側のエンド軸部４７は、下流側のハウジング５７内に配置されており、このエンド軸部４７には、振動減衰部の一例としてのフレキシブルカップリング６１を介して電動機２２の回転軸２２ａが接続されている。圧縮部２０の駆動軸４０と電動機２２の回転軸２２ａとが増速機を介することなく接続されているので、電動機２２の回転数とロータ３１の回転数とは同じ回転数となっている。

前記減速部２４は、第３ケース部２９によって形成された下流側空間ＤＳを有している。第３ケース部２９は、第１ケース部２７の軸方向一端部に繋がる外周面部２９ａと、外周面部２９ａの内側に配置されて軸方向に延びる内周面部２９ｂと、外周面部２９ａ及び内周面部２９ｂの軸方向端部同士を接続する端面部２９ｃと、を備えている。

外周面部２９ａは、円筒状に形成されるとともに軸方向の中間部において、吐出口ＣＳ２から遠ざかるにつれて内径が少しずつ大きくなるフレア部２９ｄが形成されている。そして、このフレア部２９ｄから先の部位２９ｅは内径が一定となっている。一方、内周面部２９ｂは、下流側のハウジング５７の端部に接続され、軸方向に沿って外径が一定となっている円筒状に形成されている。したがって、下流側空間ＤＳには、軸方向に垂直な断面が円環状であり、かつ断面積が次第に拡大するテーパー部と、軸方向に垂直な断面が円環状であり、かつ断面積が一定となっている平行部とが含まれている。

少なくともテーパー部は、圧縮部２０によって圧縮された作動流体を減速して圧力回復するディフューザとして機能する。平行部は、テーパー部で減速された流体を集合するコレクタとして機能する。減速部２４では、作動流体がテーパー部で十分に減速されるので、平行部において過大な損失を発生せずに圧力回復することができる。なお、図例では、内周面部２９ｂがハウジング５７と段差状に接続された構成を示しているが、この段差部をなくすようにしてもよい。また内周面部２９ｂは、外周面部２９ａのテーパー部に対応するところがテーパー状に形成されている構成としてもよい。また、平行部の長さ等は、吐出口ＣＳ２から吐出された作動流体の流速をどの程度まで減速するかに応じて適宜選択することができる。

外周面部２９ａにおいて、平行部を構成する部位２９ｅには、排出ポート６５が設けられている。この排出ポート６５には、下流側空間ＤＳ内で減速された作動流体を凝縮器１３に導くための配管が接続されている。

内周面部２９ｂには、ハウジング５７との接続部から径方向内側に延出されるように電動機支持部６６が設けられている。電動機２２は、減速部２４の内周面部２９ｂの内側に配置されるとともに、電動機支持部６６に取り付けられている。

本実施形態に係る軸流圧縮機１０では、電動機２２の回転軸２２ａが回転すると、圧縮部２０の駆動軸４０も同じ回転数で回転し、ロータ３１が軸回りに回転する。これに伴い、上流側空間ＵＳ内の作動流体が吸入口ＣＳ１を通して圧縮空間ＣＳに吸入され、圧縮空間ＣＳ内では作動流体が圧縮されながら図１の右方向に送られ、吐出口ＣＳ２を通して下流側空間ＤＳに吐出される。この作動流体は減速部２４内において減速されるとともに圧力回復し、排出ポート６５を通して排出される。

以上説明したように、本実施形態では、電動機２２の回転軸２２ａに増速機を介することなく圧縮部２０の駆動軸４０が接続された構成となっている。このため、電動機２２を圧縮部２０に対して径方向に位置ずれした状態で配置させる必要がなく、軸流圧縮機１０として圧縮部２０の径方向の幅が大きくなることを防止することができる。しかも、増速機が設けられていないため、この点からも圧縮部２０の径方向の幅が大きくなることを防止することができる。さらに、減速部２４が電動機２２の周囲を駆動軸４０の軸方向に延びる構成としているので、減速部２４の空間の容積すなわち作動流体の流速を減速させるための空間の容積を確保しつつ、軸流圧縮機１０の径方向の幅が大きくなることを防止することができる。特に、本実施形態に係る軸流圧縮機１０は、圧縮される作動流体たる水蒸気が、その軸流圧縮機１０の入り口から吐出口において、例えば大気圧以下の圧力で５℃から１５０℃の範囲の温度、動翼が７段程度の複数段となる場合は、例えば、５℃から２５０℃の範囲の温度の水蒸気を圧縮するためのものであるので、低出力の電動機２２を利用できる。この点からも、圧縮部２０の径方向の幅が大きくなることを防止することもできる。また、軸流圧縮機１０では、軸方向に作動流体が吐出され、減速部２４がその方向に延びる形状となっているため、減速部２４が径方向に曲げられる構成に比べて圧力回復の効率を向上させることができる。

また本実施形態では、圧縮部２０の駆動軸４０と電動機２２の回転軸２２ａとをフレキシブルカップリング６１を介して接続しているので、電動機２２が高回転数で駆動される場合でも、回転軸２２ａの振動が圧縮部２０の駆動軸４０に伝達することを抑制することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、前記実施形態では、冷凍機に用いられる軸流圧縮機１０として構成した例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、軸流圧縮機１０を例えば、冷却水を得るためのチラー、空調装置、濃縮機等に用いられる圧縮機として構成してもよい。

作動流体は、水蒸気に限定されるものではない。例えば、空気、酸素、窒素、炭化水素系のプロセスガス等の種々の流体を作動流体として適用することができる。

また前記実施形態では、ロータ３１が複数の動翼３４を有する構成としたが、これに限られるものではなく、１つの動翼３４を有する構成としてもよい。

また前記実施形態では、フレキシブルカップリング６１を介して電動機２２の回転軸２２ａと圧縮部２０の駆動軸４０とを接続する構成としたが、この構成に限られるものではない。例えば、駆動軸４０と回転軸２２ａとを図略の中間軸を介して接続し、中間軸の軸受けを設けるようにしてもよい。この中間軸によっても回転軸２２ａの振動が駆動軸４０に伝達することを抑制することができるので、この中間軸は振動減衰部として機能する。

また前記実施形態では、振動減衰部を介して電動機２２の回転軸２２ａと圧縮部２０の駆動軸４０とを接続する構成としたが、電動機２２の回転数等によって適宜振動減衰部を省略し、駆動軸４０と回転軸２２ａとを直接接続する構成を採用してもよい。

２０ 圧縮部
２２ 電動機
２２ａ 回転軸
２４ 減速部
３１ ロータ
３４ 動翼
６１ フレキシブルカップリング

Claims (5)

1. 作動流体を圧縮するための軸流圧縮機であって、
   回転軸を有する電動機と、
   前記電動機の回転軸に増速機を介することなく接続される駆動軸と、この駆動軸と一体的に回転するロータとを有し、前記駆動軸を駆動することによって作動流体を圧縮する圧縮部と、
   前記圧縮部の吐出口から吐出された作動流体の流速を低減させるための空間を有する減速部と、を備え、
   前記電動機の回転軸は、前記駆動軸の吐出口側の端部に接続され、
   前記減速部は、筒状に形成された外周面部と、前記外周面部の内側に配置されて軸方向に延びる内周面部と、前記外周面部及び前記内周面部の軸方向端部同士を接続する端面部と、を備えて、前記外周面部、前記内周面部及び前記端面部によって形成される筒状の空間によって前記電動機を囲むように配置され、前記筒状の空間には、断面積が次第に拡大するテーパー部と、前記テーパー部の下流側で断面積が一定となっている平行部とが含まれ、
   前記外周面部には、排出ポートが設けられている軸流圧縮機。
2. 前記減速部は、前記駆動軸の軸方向において前記電動機を越えるところまで延びている請求項１に記載の軸流圧縮機。
3. 前記圧縮部の駆動軸と前記電動機の回転軸とは、振動減衰部を介して接続されている請求項１又は２に記載の軸流圧縮機。
4. 前記減速部の前記空間は、前記圧縮部が前記作動流体を圧縮する圧縮空間から導出された作動流体が流れる下流側空間であり、
   前記下流側空間には、軸方向に垂直な断面が円環状であり、かつ断面積が次第に拡大するテーパー部と、軸方向に垂直な断面が円環状であり、かつ断面積が一定となっている平行部とが含まれている請求項１から３の何れか１項に記載の軸流圧縮機。
5. 前記駆動軸を支持する軸受がハウジングに収められており、
   前記ハウジングは、支持部材を介してケーシングに支持されており、
   前記支持部材には、潤滑剤を供給及び排出するための給排通路が形成されている請求項１から４の何れか１項に記載の軸流圧縮機。

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