JP6512434B2

JP6512434B2 - ターボ機械

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Publication number: JP6512434B2
Application number: JP2015080052A
Authority: JP
Inventors: 直芳庄山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2035-04-09
Also published as: CN105003302A; US20150300193A1; EP2942530A1; EP2942530B1; JP2015212544A; US9863272B2; JP2019094907A; CN105003302B

Description

本開示は、ターボ機械に関する。

従来、ターボ機械は、翼車の両面に生じる差圧に伴う軸方向荷重（スラスト荷重）を支持するスラスト軸受と、半径方向荷重（ラジアル荷重）を支持するラジアル軸受とをそれぞれ個別に備えている。また、ターボ機械は、スラスト荷重及びラジアル荷重を支持するアンギュラ玉軸受を備えていることもある。また、回転軸の軸受として、テーパー状の軸受が知られている。

特許文献１には、図９に示すように、タービン３０２、回転軸３０３、コンプレッサホイール３０４、カラー３０６、軸受３０７ａ、及び軸受３０７ｂを備えたターボチャージャ３００が記載されている。回転軸３０３には、回転軸３０３の中間部からタービン３０２側へ径が徐々に大きくなるテーパー部３０５が形成されている。カラー３０６は、回転軸３０３の中間部からコンプレッサホイール３０４側へかけて徐々に径が拡大するテーパー状の形状を有する。カラー３０６は、回転軸３０３に固着されている。軸受３０７ａは、テーパー部３０５に対応してテーパー部３０５よりわずかに大径のテーパー状の軸受である。軸受３０７ｂは、カラー３０６に対応してカラー３０６よりわずかに大径のテーパー状の軸受である。

軸受３０７ａ及び軸受３０７ｂは、静圧気体軸受である。圧縮気体がテーパー部３０５及びカラー３０６の周囲に供給される。これにより、テーパー部３０５及びカラー３０６はそれぞれ軸受３０７ａ及び軸受３０７ｂから浮き上がり、回転軸３０３が軸受３０７ａ及び軸受３０７ｂとの間に摩擦を生じることなく回転する。気体の圧力はテーパー部３０５のテーパー面及びカラー３０６のテーパー面に対して垂直に作用し、気体の圧力は、ラジアル方向だけでなくスラスト方向にも働く。このため、ターボチャージャ３００において、スラスト軸受が不要である。

特許文献２には、図１０に示すように、回転軸５０１、軸受部材５０３、軸受部材５０４、空気軸受５０６、空気軸受５０７、流路５０８、及び流路５０９を備えた空気軸受装置５００が記載されている。空気軸受５０６は、回転軸５０１と軸受部材５０３との間に形成されている。空気軸受５０７は、回転軸５０１と軸受部材５０４との間に形成されている。軸受部材５０３に流路５０８が設けられており、軸受部材５０４に流路５０９が設けられている。加圧空気が流路５０８から空気軸受５０６に供給される。また、加圧空気が流路５０９から空気軸受５０７に供給される。空気軸受５０６及び空気軸受５０７は、テーパー状に形成され、空気軸受５０６の大径側及び空気軸受５０７の大径側が互いに向かい合っている。なお、特許文献２において、空気軸受装置５００と回転軸５０１に取り付けられるべき翼車との位置関係は定かではない。

特開昭６２−１３８１６号公報特開昭５８−１９６３１９号公報

特許文献１に記載のターボチャージャ３００によれば、回転軸３０３が回転するときのターボチャージャ３００の振動特性について改良の余地を有する。そこで、本開示は、良好な振動特性を有するターボ機械を提供する。

本開示は、
常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を作動流体として用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける低圧面を含む第一翼車と、
前記第一翼車の前記低圧面側に配置され、前記回転軸を支持する第一軸受と、
前記第一翼車を挟んで前記第一軸受と反対側で前記回転軸を支持する第二軸受と、を備え、
前記回転軸は、少なくとも前記第一軸受によって支持されている領域において前記第一翼車の低圧面に向かって拡大する直径を有する第一テーパー部を含み、
前記第一軸受は、前記第一翼車の低圧面に向かって直径が拡大する第一支持面を有して前記第一テーパー部を支持し、
前記第一軸受、前記第一翼車、及び前記第二軸受が前記回転軸の長さ方向に沿ってこの順に配置されている、
ターボ機械を提供する。

上記のターボ機械は、良好な振動特性を有する。

第１実施形態の一例に係るターボ機械の断面図第１実施形態の別の例に係るターボ機械の断面図第２実施形態の一例に係るターボ機械の断面図第２実施形態の別の例に係るターボ機械の断面図第１変形例に係る第一テーパー部及び第一軸受の断面図第１変形例に係る第二テーパー部及び第二軸受の断面図第１変形例の効果を説明するグラフ第２変形例に係る第一テーパー部及び第一軸受の断面図第２変形例に係る第二テーパー部及び第二軸受の断面図第３変形例に係る第一テーパー部及び第一軸受の断面図第３変形例に係る第二テーパー部及び第二軸受の断面図従来のターボチャージャを示す断面図従来の空気軸受装置を示す断面図

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）で飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）である作動流体が用いられ、吐出される作動流体の圧力が負圧であるターボ機械を検討した。その結果、以下の知見を得た。
作動流体として常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いる冷凍サイクル装置では、作動流体として常温での飽和蒸気圧が正圧である冷媒を用いる冷凍サイクル装置に比して、ターボ機械においてより高い圧力比を実現することが要求される。そのため、ターボ機械は回転体の回転数として極めて高い回転数が必要になる。また、これに起因してターボ機械において、共振による異常振動が生じ易くなる。本発明者らは、鋭意検討したところ、軸方向の回転体の質量分布を重心位置から近い位置に偏らせ、回転体の曲げ固有振動数を増大させることで、回転体の曲げ固有振動数を定格回転数よりも高くし、これにより共振による異常振動を抑制できることを見出した。
上記知見に基づき、本発明者らは、以下に説明する各態様の発明を想到するに至った。

本開示の第１態様にかかるターボ機械は、
常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を作動流体として用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける低圧面を含む第一翼車と、
前記第一翼車の前記低圧面側に配置され、前記回転軸を支持する第一軸受と、
前記第一翼車を挟んで前記第一軸受と反対側で前記回転軸を支持する第二軸受と、を備え、
前記回転軸は、少なくとも前記第一軸受によって支持されている領域において前記第一翼車の低圧面に向かって拡大する直径を有する第一テーパー部を含み、
前記第一軸受は、前記第一翼車の低圧面に向かって直径が拡大する第一支持面を有して前記第一テーパー部を支持し、
前記第一軸受、前記第一翼車、及び前記第二軸受が前記回転軸の長さ方向に沿ってこの順に配置されている、ものである。

第１態様によれば、第一軸受及び第二軸受によって、比較的大きな質量を有する第一翼車が挟まれている。このため、回転軸を含む回転体の質量分布が重心位置から離れた位置に偏ることが抑制される。これにより、回転軸を含む回転体の曲げ固有振動数が比較的高く、回転軸が高速で回転しても共振による異常振動が発生しにくい。その結果、第１態様に係るターボ機械は良好な振動特性を有する。

また、第１態様によれば、第一軸受が第一テーパー部を支持するための第一支持面を有し、第一軸受が第一翼車の低圧面側に配置されている。第一テーパー部の直径は第一翼車に向かって拡大している。このため、回転軸の中央部分における断面積が比較的大きくなるように回転軸を形成できる。これにより、回転軸を含む回転体の曲げ固有振動数が比較的高く、回転軸が高速で回転しても共振による異常振動が発生しにくい。さらに、第１態様によれば、第一軸受が第一翼車の低圧面側に配置されているので、第一翼車から第一軸受へ向かう向きのスラスト荷重を第一軸受によって支持できる。

また、第１態様によれば、作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いている。
前述の通り、作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合、ターボ機械は前記インペラの回転数として高い回転数が必要になる。また、これに起因してターボ機械において、共振による異常振動が生じ易くなる。これに対して、第１態様のターボ機械は、作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いつつ、共振による異常振動を抑制することができる。
さらに、作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合、そのターボ機械が高圧力比（例えば、圧力比２以上）のターボ圧縮機であっても、発生するスラスト荷重は非常に小さい。そのため、第１態様によれば、回転により生じるスラスト荷重を第一テーパー部を支持するための第一支持面を有する第一軸受（例えば、テーパーすべり軸受）単独で支持することができる。このように、第１態様は、スラスト軸受及びラジアル軸受をそれぞれ別個に備えたターボ機械に比して、装置構成が簡素である点で優れている。

本開示の第１態様は、特許文献１に開示のターボチャージャに比して、以下の点で優れている。
特許文献１に記載されたターボチャージャ５００によれば、回転軸３０３の径が回転軸３０３の中央部分で最も細く、回転軸３０３の先端にコンプレッサホイール３０４が取り付けられている。このため、回転軸３０３及びコンプレッサホイール３０４を含む回転体の曲げ固有振動数が低く、回転軸３０３が高速で回転するときに共振による異常振動が回転軸３０３に発生する可能性がある。
これに対し、本開示のターボ機械によると、上述の通り、第一テーパー部の直径は第一翼車に向かって拡大している。このため、回転軸の中央部分における断面積が比較的大きくなるように回転軸を形成できる。これにより、回転軸を含む回転体の曲げ固有振動数が比較的高く、回転軸が高速で回転しても共振による異常振動が発生しにくい。
さらに、特許文献１に開示のターボチャージャ５００は、その構成上、回転軸３０３又はケーシングを少なくとも２分割することが必要となる。そのため、これに起因して、剛性が不足したり、振動が発生する等の課題が生じることが予測される。これに対して、第１態様のターボ機械は、このような課題が生じない点で優れている。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかるターボ機械は、前記回転軸に固定された第二翼車をさらに備え、前記第一軸受、前記第一翼車、前記第二翼車、及び前記第二軸受が前記回転軸の長さ方向に沿ってこの順に配置されていてもよい。第２態様によれば、ターボ機械が、例えばターボ圧縮機である場合、二段圧縮により圧縮効率が向上し高い圧力比を達成できる。

本開示の第３態様において、例えば、第２態様にかかるターボ機械の前記第二翼車における、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面は、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に高い圧力を受ける面よりも、前記第二軸受に近くしてもよい。第３態様によれば、第一翼車によって発生するスラスト荷重と第二翼車によって発生するスラスト荷重とが反対向きとなるので、これらが相殺される。これにより、ターボ機械が、例えばターボ圧縮機である場合、運転可能な圧力比の範囲が広がる。

本開示の第４態様において、第２態様にかかるターボ機械の前記第二翼車における、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に高い圧力を受ける面は、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面よりも、前記第二軸受に近くしてもよい。第４態様によれば、第一翼車と第二翼車との間の作動流体の流路が短くなり、ターボ機械を小型化できる。

本開示の第５態様において、第１態様〜第４態様のいずれか１つにかかるターボ機械の前記第一支持面によって形成されたテーパー穴の中心軸線に対する前記第一支持面の傾斜角は、前記回転軸の中心軸線に対する前記第一テーパー部の傾斜角よりも大きくしてもよい。第５態様によれば、回転軸の軸方向において、第一支持面と第一テーパー部との間の潤滑剤にかかる圧力がばらつくことを防止できる。このため、軸受負荷の空間的なばらつきを防止して軸受負荷容量を増加させることができる。

本開示の第６態様において、第１態様〜第５態様のいずれか１つのターボ機械にかかる前記第一軸受は、前記第一支持面に潤滑剤を供給するための第一供給孔を有していてもよい。第６態様によれば、第一支持面に潤滑剤を供給でき、潤滑剤の枯渇による焼き付きを防止できる。

本開示の第７態様において、第６態様にかかるターボ機械の前記第一供給孔は、前記第一テーパー部の直径が最大となる端部よりも前記第一テーパー部の直径が最小となる端部に近い位置に設けられていてもよい。第７態様によれば、潤滑剤の圧力が比較的小さい第一テーパー部の小径側に潤滑剤による静圧効果を優先的に付与できる。これにより、第一軸受全体の軸受負荷容量が増加する。

本開示の第８態様において、第６態様又は第７態様にかかるターボ機械の前記第一軸受は、前記第一支持面の全部又は一部を形成する第一多孔質部材を備えていてもよい。第８態様によれば、第一軸受において、潤滑剤の温度又は圧力の空間的なばらつきを抑制できる。

本開示の第９態様において、第１態様〜第８態様のいずれか１つにかかるターボ機械の前記回転軸が重力方向に延びており、前記第一翼車における、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面は、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に高い圧力を受ける面よりも、前記重力方向の上向きに位置していてもよい。第９態様によれば、回転軸の回転によって発生するスラスト荷重を、回転軸を含む回転体に働く重力によって相殺できる。これにより、ターボ機械が、例えばターボ圧縮機である場合、運転可能な圧力比の範囲が広がる。

本開示の第１０態様において、第１態様〜第９態様のいずれか１つにかかるターボ機械の前記第二軸受に対応する位置に、前記第一翼車に向かって拡大する直径を有する第二テーパー部を有し、前記第二軸受は、前記第一翼車に向かって直径が拡大する第二支持面を有して前記第二テーパー部を支持してもよい。第１０態様によれば、第一翼車から第一軸受へ向かう向きと反対向きのスラスト荷重を第二軸受によって支持できる。

本開示の第１１態様において、第１０態様にかかるターボ機械の前記第二支持面によって形成されたテーパー穴の中心軸線に対する前記第二支持面の傾斜角が前記回転軸の中心軸線に対する前記第二テーパー部の傾斜角よりも大きくしてもよい。第１１態様によれば、回転軸の軸方向において、第二支持面と第二テーパー部との間の潤滑剤にかかる圧力がばらつくことを防止できる。このため、軸受負荷の空間的なばらつきを防止して軸受負荷容量を増加させることができる。

本開示の第１２態様において、第１０態様又は第１１態様にかかるターボ機械の前記第二軸受は、前記第二支持面に潤滑剤を供給するための第二供給孔を有してもよい。第１２態様によれば、第二支持面に潤滑剤を供給でき、潤滑剤の枯渇による焼き付きを防止できる。

本開示の第１３態様において、第１２態様にかかるターボ機械の前記第二供給孔は、前記第二テーパー部の直径が最大となる端部よりも前記第二テーパー部の直径が最小となる端部に近い位置に設けられていてもよい。第１３態様によれば、潤滑剤の圧力が比較的小さい第二テーパー部の小径側に潤滑剤による静圧効果を優先的に付与できる。これにより、第二軸受全体の軸受負荷容量が増加する。

本開示の第１４態様において、第１２態様又は第１３態様にかかるターボ機械の前記第二軸受は、前記第二支持面の全部又は一部を形成する第二多孔質部材を備えていてもよい。第１４態様によれば、第二軸受において、潤滑剤の温度又は圧力の空間的なばらつきを抑制できる。

本開示の第１５態様にかかるターボ機械は、
常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける低圧面及び前記低圧面に対向する高圧面を有し、前記低圧面と前記高圧面との圧力差により生ずる力を前記高圧面から前記低圧面に向けて生じさせる第一翼車と、
前記第一翼車の低圧面側において前記回転軸を支持する第一軸受と、を具備し、
前記第一翼車及び前記回転軸を含めた回転体の重心は、前記第一翼車の高圧側に位置し、
前記回転軸は、前記第一翼車の低圧面側において前記第一翼車の低圧面に向かって拡大する直径の第一テーパー部を有し、
前記第一軸受は、前記第一テーパー部を支持し、前記第一翼車の低圧面に向かって拡大する直径の第一支持面を有する、ものである。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示はこれらによって限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、ターボ機械１００ａは、回転軸４と、第一翼車３ａと、第一軸受１と、第二軸受２とを備えている。ターボ機械１００ａは、例えば、ターボ圧縮機である。第一翼車３ａは、回転軸４に固定されている。また、第一翼車３ａは、低圧面３１を含む。低圧面３１は、第一翼車３ａの軸方向の両面のうち、回転軸４が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面である。第一軸受１は、第一翼車３ａの低圧面３１側に配置されている。また、第一軸受１は回転軸４を支持するための軸受である。第一軸受１は、第一翼車３ａの作動流体が供給される側で、回転軸４の先端付近を支持している。第二軸受２は、第一軸受１と共に第一翼車３ａを挟むように配置されている。第二軸受２は、回転軸４を支持するための軸受である。第二軸受２は、第一翼車３ａの低圧面３１とは反対側に配置されている。回転軸４は、第一翼車３ａに向かって拡大する直径を有する第一テーパー部４１を含む。第一テーパー部４１は、第一翼車３ａの低圧面３１側に形成されている。第一軸受１は、第一テーパー部４１を支持するための第一支持面１１を有する。

ターボ機械１００ａは、ケーシング５及びモータ６をさらに備える。第一翼車３ａとモータ６とは、回転軸４によって連結されている。第二軸受２は、モータ６よりも第一翼車３ａから遠い位置に配置されている。第一翼車３ａの外周側にはケーシング５によって吐出流路７１が形成されている。モータ６が駆動されることによって、回転軸４と共に第一翼車３ａが高速で回転する。これにより、第一翼車３ａの前方（図１における第一翼車３ａの左側）から第一翼車３ａに向かって作動流体が流れる。作動流体は回転している第一翼車３ａによって加速され、かつ、加圧され、吐出流路７１を通ってターボ機械１００ａから吐出される。このとき、図１における第一翼車３ａの左側の面は作動流体の吸込圧力を受け、第一翼車３ａの右側の面は作動流体の吐出圧力にほぼ等しい圧力を受ける。すなわち、低圧面３１は、回転軸４が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける。このため、第一翼車３ａの軸方向の両面で差圧が生じ、この差圧により回転軸４及び第一翼車３ａを含む回転体に、図１の左方向へのスラスト荷重が発生する。第一軸受１は、例えば、すべり軸受として構成されており、第一支持面１１と第１テーパー部４１との間には潤滑剤が含まれている。第一支持面１１によって、第一テーパー部４１よりもわずかに大きい径を有するテーパー穴が形成されている。すなわち、第一支持面１１によって第一翼車３ａに向かって穴径が拡大するテーパー穴が形成されている。これにより、発生したスラスト荷重が支持される。

ターボ機械１００ａにおいては、第一軸受１及び第二軸受２によって、比較的大きな質量を有する第一翼車３ａが挟まれている。このため、回転軸４及び第一翼車３ａを含む回転体の質量分布が重心位置から遠く離れた位置に偏ることが抑制され、回転体の曲げ固有振動数が低下することが抑制される。これにより、回転軸４及び第一翼車３ａを含む回転体の曲げ固有振動数を回転体の回転数よりも十分に高くできる。このため、回転体の回転数と、回転体の曲げ固有振動数とが近接しないため、回転軸４が高速で回転しても共振による異常振動が発生しにくい。その結果、ターボ機械１００ａが良好な振動特性を有する。

回転体の曲げ固有振動数は回転軸の断面積が大きい程増加し、特に曲げ１次振動モードにおける「腹」に相当する回転軸の中央部分の断面積が回転体の曲げ固有振動数に最も大きく影響する。第一軸受１が第一テーパー部４１を支持するための第一支持面１１を有し、第一軸受１が第一翼車３ａの低圧面３１側に配置されている。第一テーパー部４１の直径は第一翼車３ａに向かって拡大している。このため、回転軸４の中央部分における断面積が比較的大きくなるように回転軸４を形成できる。これにより、回転軸４及び第一翼車３ａを含む回転体の曲げ固有振動数が比較的高く、回転軸４が高速で回転しても共振による異常振動が発生しにくい。その結果、ターボ機械１００ａが良好な振動特性を有する。

回転軸４及び第二軸受２は、図２に示すように構成されていてもよい。ターボ機械１００ｂは、回転軸４及び第二軸受２が図２に示すように構成されている点以外は、ターボ機械１００ａと同様に構成されている。ターボ機械１００ｂにおいて、回転軸４は、第二テーパー部４２を含む。第二テーパー部４２は、第一翼車３ａに向かって拡大する直径を有している。また、第二軸受２は、第二テーパー部４２を支持するための第二支持面２１を有する。第二軸受２は、例えば、すべり軸受として構成されている。第二支持面２１によって、第二テーパー部４２よりもわずかに大きい径を有するテーパー穴が形成されている。第二支持面２１と第２テーパー部４２との間には潤滑剤が含まれている。

回転軸４及び第一翼車３ａを含む回転体が高速で回転するとき、回転体の質量特性のアンバランス又は作動流体の非対称な流体力に起因して振動荷重が発生することがある。この振動荷重の軸方向の荷重が大きいと回転軸４及び第一翼車３ａを含む回転体のスラスト荷重が第一翼車３ａから第一軸受１へ向かう向きとは逆向きにかかることがある。このようなスラスト荷重を第二軸受２によって支持できる。

ターボ機械１００ｂにおいて、第二軸受２は、第一軸受１と第二軸受２との間に回転軸４の軸方向の中心が位置するように配置されている。これにより、回転軸４の中央部分の断面積が小さくなることを防止できる。なお、回転軸４が、例えば、ユニバーサルジョイントによって別の回転軸に連結されていても、回転軸４を含む回転体の曲げ振動は別の回転軸によってはほとんど影響を受けない。このため、この場合、回転軸４に連結された別の回転軸を無視して、回転軸４の軸方向の中心が定められる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るターボ機械１００ｃ及びターボ機械１００ｄについて説明する。第２実施形態に係るターボ機械１００ｃ及びターボ機械１００ｄは、特に説明する場合を除き、ターボ機械１００ａと同様に構成されている。ターボ機械１００ａと同一又は対応するターボ機械１００ｃ及びターボ機械１００ｄの構成要素には、ターボ機械１００ａと同一の符号を付し、詳細な説明を省略することがある。第１実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、本実施形態にも適用される。

ターボ機械１００ｃは、第二翼車３ｂをさらに備えている。第二翼車３ｂは回転軸４に固定されている。第一軸受１及び第二軸受２は、第一翼車３ａ及び第二翼車３ｂを挟むように配置されている。ここで、第二軸受２は、ターボ機械１００ｂの第二軸受２と同様に構成されており、これに伴い、回転軸４は、第二テーパー部４２を含む。第二翼車３ｂは、低圧面１３１及び高圧面１３２を含む。低圧面１３１は、回転軸４が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける、第二翼車３ｂの面である。高圧面１３２は、低圧面１３１と反対側の面である。第二翼車３ｂの外周側にはケーシング５によって吐出流路７３が形成されている。また、ターボ機械１００ｃは、吐出流路７１と第二翼車３ｂの低圧面１３１側の空間を連通させる接続流路７２を備える。ターボ機械１００ｃは、例えば、ターボ圧縮機である。第一翼車３ａによって加圧された作動流体は、吐出流路７１及び接続流路７２を通って第二翼車３ｂへ吸い込まれる。作動流体は回転している第二翼車３ｂによって加速され、かつ、加圧され、吐出流路７３を通ってターボ機械１００ｃから吐出される。このように、作動流体は、第一翼車３ａ及び第二翼車３ｂによって二段圧縮されるので、圧縮効率が向上し、高い圧力比を達成できる。

第二翼車３ｂは、低圧面１３１と反対側の面（高圧面１３２）が第一翼車３ａを向くように、回転軸４に固定されている。第二翼車３ｂが回転すると、図３における第二翼車３ｂの右側の面は作動流体の吸込圧力を受け、第一翼車３ａの左側の面は作動流体の吐出圧力にほぼ等しい圧力を受ける。このため、第二翼車３ｂの回転により、図３の右方向へのスラスト荷重が発生する。すなわち、第一翼車３ａの回転により発生するスラスト荷重の向きと第二翼車３ｂの回転により発生するスラスト荷重の向きとが逆である。このため、これらのスラスト荷重が互いに相殺されるので、ターボ機械１００ｃの運転可能な圧力比の範囲が広い。

図４に示すターボ機械１００ｄのように、第二翼車３ｂは、低圧面１３１が第一翼車３ａを向くように、回転軸４に固定されていてもよい。この場合、第一翼車３ａと第二翼車３ｂとの間の作動流体の流路（接続流路７２）を短くできる。これにより、ターボ機械１００ｄがターボ機械１００ｃに比べて小型化されている。

＜変形例＞
第１実施形態に係るターボ機械１００ａ及びターボ機械１００ｂ並びに第２実施形態に係るターボ機械１００ｃ及びターボ機械１００ｄは様々な観点から変更が可能である。以下に、ターボ機械１００ａ〜１００ｄの変形例について説明する。なお、以下の変形例に係る構成要素のうち、ターボ機械１００ａ〜１００ｄと同一又は対応する構成要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略することがある。

（第１変形例）
第一軸受１の支持面１１及び第二軸受２の支持面２１は、それぞれ、図５Ａ及び図５Ｂに示すように形成されていてもよい。第一支持面１１は、第一支持面１１によって形成されたテーパー穴の中心軸線Ｑ１に対する第一支持面１１の傾斜角θ₂が回転軸４の中心軸線Ｐに対する第一テーパー部４１の傾斜角θ₁よりも大きいように形成されている。また、第二支持面２１は、第二支持面２１によって形成されたテーパー穴の中心軸線Ｑ２に対する第二支持面２１の傾斜角θ₄が回転軸４の中心軸線Ｐに対する第二テーパー部４２の傾斜角θ₃よりも大きいように形成されている。この場合、傾斜角θ₂の傾斜角θ₁に対する比（θ₂／θ₁）は、例えば、１．０００１〜１．０１である。また、傾斜角θ₄の傾斜角θ₃に対する比（θ₄／θ₃）は、例えば、１．０００１〜１．０１である。

潤滑剤によって潤滑されている軸受と軸との潤滑の状態は以下のゾンマーフェルト数によって評価できる。ここで、μは潤滑剤の粘性係数[Ｐａ・ｓ]を、Ｎは軸の回転速度[ｓ^-1]を、Ｐは負荷面圧（負荷荷重／子午面断面積）[Ｐａ]を、Ｒは軸の半径[ｍ]を、ｃは軸受と軸との半径隙間[ｍ]をそれぞれ意味する。
ゾンマーフェルト数＝（μＮ／Ｐ）×（Ｒ／ｃ）²

図６は、第一支持面１１と第一テーパー部４１との間の潤滑剤の圧力と、第一支持面１１が形成するテーパー穴の穴径が最小となる第一支持面１１の最小径端部から軸方向への距離との関係を示す。ゾンマーフェルト数が低いと潤滑剤にかかる圧力は低い。第一テーパー部４１の大径部分の半径は第一テーパー部４１の小径部分の半径より大きいので、傾斜角θ₁と傾斜角θ₂が等しいと、潤滑剤の圧力は図６の破線に示すように第一テーパー部４１の大径側でより高くなる。このため、軸受負荷が第一テーパー部４１の大径側に偏ってしまう。これに対し、上記のように、傾斜角θ₁と傾斜角θ₂との関係が定められていれば、第一テーパー部４１の軸方向においてゾンマーフェルト数のばらつきが少なくなる。このため、第一テーパー部４１の軸方向における潤滑剤の圧力分布のばらつきが図６の実線で示すように小さくなる。これにより、軸受負荷容量を増加させることができる。このことは、傾斜角θ₃と傾斜角θ₄との関係にもあてはまる。

中心軸線Ｑ１に沿って第一軸受１を切断したときの第一支持面１１の稜線を延長して得られる仮想的な交点を交点１と定義する。また、中心軸線Ｐに沿って第一テーパー部４１を切断したときの第一テーパー部４１の稜線を延長して得られる仮想的な交点を交点２と定義する。第一テーパー部４１の軸方向においてゾンマーフェルト数のばらつきをより少なくするために、第一支持面１１は、交点１と交点２とが一致するように形成されていることが望ましい。このことは、第二支持面２１と第二テーパー部４２との関係についてもあてはまる。

（第２変形例）
図７Ａに示すように、第一軸受１は、第一支持面１１に潤滑剤を供給するための第一供給孔１２を有してもよい。これにより、第一支持面１１に潤滑剤を供給でき、潤滑剤の枯渇による焼き付きを防止できる。また、高圧の潤滑剤が第一供給孔１２を通って供給されることによって、静圧効果による回転軸４を含む回転体の支持力が得られる。回転軸４が回転することによって生じる動圧効果による支持力だけでなく、静圧効果による支持力も加わるので、回転軸４が停止している場合でも回転軸４を浮き上がらせることができる。これにより、回転軸４の回転が停止したときに第一軸受１及び回転軸４のすべり面の損耗を非常に低く抑えることが出来る。静圧効果による支持力は、第一支持面１１に垂直に作用するので、半径方向の支持力成分だけでなく、軸方向の支持力成分も有する。このため、軸方向の軸受負荷容量を増加させることができる。

また、図７Ａに示すように、第一供給孔１２は、第一テーパー部４１の直径が最大となる端部よりも第一テーパー部４１の直径が最小となる端部に近いことが望ましい。これにより、潤滑剤の圧力が比較的小さい第一テーパー部４１の小径側に潤滑剤による静圧効果を優先的に付与できる。このため、第一軸受１全体の軸受負荷容量が増加する。

図７Ｂに示すように、第二軸受２は、第二支持面２１に潤滑剤を供給するための第二供給孔２２を有してもよい。また、第二供給孔２２は、第二テーパー部４２の直径が最大となる端部よりも第二テーパー部４２の直径が最小となる端部に近いことが望ましい。これにより、第二軸受２においても、上記の効果が得られる。

（第３変形例）
図８Ａに示すように、第一軸受１は、第一供給孔１２を有していることに加えて、第一支持面１１の全部又は一部を形成する第一多孔質部材１３を備えていてもよい。また、図８Ｂに示すように、第二軸受２は、第二供給孔２２を有していることに加えて、第二支持面２１の全部又は一部を形成する第二多孔質部材２３を備えていてもよい。第一多孔質部材１３及び第二多孔質部材２３は、例えば、焼結金属、成長鋳鉄、又は合成樹脂などの多孔質材料によってできている。第一供給孔１２の数が１つ又は少数であると、第一供給孔１２の近傍における潤滑剤の温度又は圧力と、第一供給孔１２から離れた位置における潤滑剤の温度又は圧力とが異なることがある。これにより、回転軸４の回転が不安定となる可能性がある。このことは、第二供給孔２２の数が１つ又は少数である場合にもあてはまる。第一支持面１１の全部又は一部が第一多孔質部材１３によって形成されていると、第一軸受１において、潤滑剤の温度又は圧力の空間的なばらつきを抑制できる。また、第二支持面２１の全部又は一部が第二多孔質部材２３によって形成されていると、第二軸受２において、潤滑剤の温度又は圧力の空間的なばらつきを抑制できる。

（その他の変形例）
回転軸４は、水平方向に延びていてもよいし、鉛直方向に延びていてもよい。回転軸４が鉛直方向に延びている場合、第一翼車３ａは、回転軸４の回転によって発生するスラスト荷重が鉛直方向と反対方向に作用するように回転軸４に固定されていることが望ましい。この場合、回転軸４の回転によって発生するスラスト荷重を、回転軸４及び第一翼車３ａを含む回転体に働く重力によって相殺できる。これにより、ターボ機械の運転可能な圧力比の範囲が広がる。

本開示は、ターボ冷凍機、業務用空調などの空調製品に利用できる冷凍サイクル装置の圧縮機に有用である。

１第一軸受
２第二軸受
３ａ第一翼車
３ｂ第二翼車
４回転軸
１１第一支持面
１２第一供給孔
１３第一多孔質部材
２１第二支持面
２２第二供給孔
２３第二多孔質部材
３１低圧面
４１第一テーパー部
４２第二テーパー部
１００ａ〜１００ｄターボ機械

Claims

常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を作動流体として用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸が回転するときに作動流体によって相対的に低い圧力を受ける低圧面を含む第一翼車と、
前記第一翼車の前記低圧面側に配置され、前記回転軸を支持する第一軸受と、
前記第一翼車を挟んで前記第一軸受と反対側で前記回転軸を支持する第二軸受と、を備え、
前記回転軸は、少なくとも前記第一軸受によって支持されている領域において前記第一翼車の低圧面に向かって拡大する直径を有する第一テーパー部を含み、
前記第一軸受は、前記第一翼車の低圧面に向かって直径が拡大する第一支持面を有して前記第一テーパー部を支持し、
前記第一軸受、前記第一翼車、及び前記第二軸受が前記回転軸の長さ方向に沿ってこの順に配置されている、
ターボ機械。
前記回転軸に固定された第二翼車をさらに備え、
前記第一軸受、前記第一翼車、前記第二翼車、及び前記第二軸受が前記回転軸の長さ方向に沿ってこの順に配置されている、請求項１に記載のターボ機械。
前記第二翼車における、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面は、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に高い圧力を受ける面よりも、前記第二軸受に近い、請求項２に記載のターボ機械。
前記第二翼車における、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に高い圧力を受ける面は、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面よりも、前記第二軸受に近い、請求項２に記載のターボ機械。
前記第一支持面によって形成されたテーパー穴の中心軸線に対する前記第一支持面の傾斜角は、前記回転軸の中心軸線に対する前記第一テーパー部の傾斜角よりも大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボ機械。
前記第一軸受は、第一供給孔を有し且つ前記第一供給孔を介して前記第一支持面に潤滑剤を供給する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボ機械。
前記第一供給孔は、前記第一テーパー部の直径が最大となる端部よりも前記第一テーパー部の直径が最小となる端部に近い位置に設けられている、請求項６に記載のターボ機械。
前記第一軸受は、前記第一支持面の全部又は一部を形成する第一多孔質部材を備える、請求項６又は７に記載のターボ機械。
前記回転軸が重力方向に延びており、
前記第一翼車における、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に低い圧力を受ける面は、前記回転軸が回転するときに前記作動流体によって相対的に高い圧力を受ける面よりも、前記重力方向の上向きに位置する、請求項１〜８のいずれか１項に記載のターボ機械。
前記回転軸は、前記第二軸受に対応する位置に、前記第一翼車に向かって拡大する直径を有する第二テーパー部を有し、
前記第二軸受は、前記第一翼車に向かって直径が拡大する第二支持面を有して前記第二テーパー部を支持する、請求項１〜９のいずれか１項に記載のターボ機械。
前記第二支持面によって形成されたテーパー穴の中心軸線に対する前記第二支持面の傾斜角が前記回転軸の中心軸線に対する前記第二テーパー部の傾斜角よりも大きい、請求項１０に記載のターボ機械。
前記第二軸受は、第二供給孔を有し且つ前記第二供給孔を介して前記第二支持面に潤滑剤を供給する、請求項１０又は１１に記載のターボ機械。
前記第二供給孔は、前記第二テーパー部の直径が最大となる端部よりも前記第二テーパー部の直径が最小となる端部に近い位置に設けられている、請求項１２に記載のターボ機械。
前記第二軸受は、前記第二支持面の全部又は一部を形成する第二多孔質部材を備える、請求項１２又は１３に記載のターボ機械。