JP6734060B2 - センサ、及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、センサ、及び回転機械に関する。

遠心圧縮機等の回転機械では、回転数を適宜変えることによって出力を調整している。しかしながら、回転数が低い運転領域、すなわち作動流体の流量が小さい運転領域では、旋回失速やサージが発生しやすいことが知られている。流路中におけるこのような旋回失速やサージの発生個所を特定することを目的として、これまでに種々の技術が実用化されている。

このような技術の一例として、下記の特許文献１に記載されたプラズマセンサが知られている。このプラズマセンサは、計測対象となる流体中でプラズマ放電を発生させるプラズマプローブと、流路中の外乱要因によって生じるプラズマの電圧変動を計測する電圧プローブと、を有している。
上記のようなプラズマセンサを回転機械の出口配管等に設置することで、配管中の作動流体に生じる圧力の変動を計測することができる。

特表２０１１−５０３５２７号公報

ところで、上記のような回転機械の流路上における旋回失速の発生個所を特定するためには、作動流体の圧力変動に対する計測機器の応答性を十分に確保することが重要である。このため、計測機器を可能な限り作動流体に近づけて設置することが望ましい。しかしながら、上記特許文献１のプラズマプローブを作動流体の流れの中に曝した場合、プラズマプローブ自体が流れを乱すことで、計測精度に影響を及ぼす可能性がある。

さらに、タービンや圧縮機等の回転機械では作動流体は、計測機器の耐用限界付近まで昇温されることが一般的である。しかしながら、上記特許文献１に記載されたプラズマプローブは、上記のような高温の作動流体に耐えるための措置がなされていないため、適用可能な作動流体の温度範囲が限定的となってしまう。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであって、十分な計測精度と適用温度範囲とを備えるセンサ、及びこれを備える回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の一態様に係るセンサは、流体の物理量を検出する検出部を有するセンサ本体と、前記センサ本体を固定する固定部、回転機械の作動流体が流通する流路の内周面の一部を形成する流路形成面、及び、前記固定部によって固定された前記センサ本体の検出部とともに検出空間を画成する画成面を有し、前記流路形成面と画成面とにわたって貫通孔が形成された第１治具と、を有し、前記流路形成面は、前記流路の前記内周面と連続する曲面形状をなし、前記第１冶具は、前記回転機械に対して着脱可能とされている。

上記の構成によれば、作動流体の物理量は、第１治具における検出空間を介して、センサ本体の検出部によって検出される。ここで、動作中の回転機械では、作動流体の流れに微小な脈動等が生じることが多い。したがって、仮に検出部を作動流体中に直接曝した場合、このような脈動が検出部によって捕捉されてしまうため、十分な計測精度を得ることができない可能性がある。しかしながら、上記のような構成によれば、検出空間内に流入した作動流体の物理量が検出部によって検出されるため、脈動等の影響を受けにくい。これにより、計測精度を十分に確保することができる。
さらに、この検出部は、流路形成面と画成面とを介して作動流体に接するため、作動流体の温度の変動の影響を検出部、及びセンサ本体が直接的に受ける可能性を低減することができる。
加えて、上記の構成によれば、流路形成面が流路の内周面と連続していることから、作動流体の流れを乱すことなく、センサを設置することができる。

本発明の一態様に係るセンサは、前記センサ本体に当接する当接面を有する冷却部と、該冷却部に外部から導かれた冷媒を供給する冷媒供給部と、を備えてもよい。

上記の構成によれば、センサ本体に伝わった熱を、冷却部の当接面を介して冷媒に移動させることができる。すなわち、センサ本体を冷却部によって熱から保護することで、センサの適用温度範囲を広くすることができる。

本発明の一態様に係るセンサでは、前記第１治具に着脱可能に支持されるとともに、前記センサ本体の少なくとも一部を覆う収容部を有する第２治具を備えてもよい。

上記の構成によれば、センサ本体が第２治具の収容部に覆われることで、センサを熱からさらに十分に保護することができる。加えて、第２治具は第１治具に対して着脱可能であることから、流路の内周面の形状に応じて第１治具を交換するのみで、様々な形状の流路にセンサを適用することができる。これにより、センサの汎用性を高めることができる。

本発明の一態様に係る回転機械は、軸線回りに回転するロータと、前記ロータに設けられ、前記軸線方向に間隔を空けて設けられた複数のインペラと、前記ロータの周囲を覆うことで、作動流体が流通する前記流路を形成するケーシングと、前記検出部を前記作動流体中に露出させた状態で前記ケーシングに支持される上記いずれか一態様の前記センサと、を備える。

上記の構成によれば、作動流体の物理量を高精度に計測することが可能であるとともに、適用温度範囲の広いセンサを備えた回転機械を得ることができる。

本発明の一態様に係る回転機械では、前記流路は、前記インペラの径方向外側の端部から、径方向外側に向かって延びるディフューザ通路を有し、前記検出部は、該ディフューザ通路内に連通していてもよい。

上記の構成によれば、センサの検出部がディフューザ通路内に連通していることから、インペラの近傍で流体の物理量を計測することができる。これにより、流体の物理量を、高い応答性と高い精度のもとで計測することができる。

本発明の一態様に係る回転機械では、前記ディフューザ通路の前記軸線方向一方側の壁面は、径方向内側から外側に向かうにしたがって前記軸線の一方側から他方側に向かって湾曲する曲面部を有し、前記検出部は、前記曲面部を介して前記ディフューザ通路内に連通していてもよい。

上記の構成によれば、センサの検出部がディフューザ通路内に連通していることから、インペラのさらに近傍で流体の物理量を計測することができる。これにより、流体の物理量を、さらに高い応答性と精度とのもとで計測することができる。

本発明の一態様に係る回転機械では、前記センサは、前記ディフューザ通路の延びる方向に配置され、前記貫通孔の延びる方向は、前記センサの配置される方向に交差していてもよい。

上記の構成によれば、センサをディフューザ通路に対して直交する方向に配置することなく、流体の物理量を計測することができる。つまり、センサを設けるためのスペースを小さく抑えることができる。

本発明によれば、十分な計測精度と適用温度範囲とを備えるセンサ、及び回転機械を提供することができる。

本発明の第一実施形態から第三実施形態に係る回転機械を軸線に交差する方向から見た断面図である。 本発明の第一実施形態に係る回転機械の要部拡大断面図である。 本発明の第一実施形態に係るセンサを中心軸に交差する方向から見た断面図である。 本発明の第二実施形態に係るセンサを中心軸に交差する方向から見た断面図である。 本発明の第三実施形態に係るセンサを中心軸に交差する方向から見た断面図である。 図５のＶ−Ｖ線における断面図である。 本発明の第四実施形態に係る回転機械を軸線に交差する方向から見た断面図である。 本発明の第四実施形態に係る回転機械の要部拡大断面図である。 本発明の第四実施形態に係るセンサを中心軸に交差する方向から見た断面図である。 本発明の第四実施形態に係る回転機械、及びセンサを軸線方向から見た断面図である。

［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態に係る回転機械１００、及びセンサ１０について図面を参照して説明する。図１に示すように、回転機械１００としての遠心圧縮機１００は、軸線Ｏ回りに回転するロータ１と、このロータ１の周囲を覆うことで流路２を形成するケーシング３と、ロータ１に設けられた複数のインペラ４と、を備えている。さらに、この遠心圧縮機１００には、上記の流路２中を流通する作動流体Ｇの圧力や温度等の物理量を計測（検出）するセンサ１０が設けられている。

ケーシング３は、おおむね軸線Ｏに沿って延びる円筒状をなしている。ロータ１は、このケーシング３の内部を軸線Ｏに沿って貫通するように延びている。軸線Ｏ方向におけるケーシング３の両端部には、それぞれジャーナル軸受５及びスラスト軸受６が設けられている。ロータ１は、これらジャーナル軸受５とスラスト軸受６とによって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。

ケーシング３の軸線Ｏ方向一方側には、外部から作動流体Ｇとしての空気を取り入れるための吸気口７が設けられている。さらに、ケーシング３の軸線Ｏ方向他方側には、ケーシング３内部で圧縮された作動流体Ｇが排気される排気口８が設けられている。

ケーシング３の内側には、これら吸気口７と排気口８とを連通し、縮径と拡径を繰り返す内部空間が形成されている。この内部空間は、複数のインペラ４を収容するとともに、上記の流路２の一部をなしている。なお、以降の説明では、この流路２上における吸気口７が位置する側を上流側と呼び、排気口８が位置する側を下流側と呼ぶ。

さらに、ケーシング３には、センサ１０が挿通されるためのセンサ挿通部３Ｈが開口されている。センサ１０を取り付ける前の状態では、センサ挿通部３Ｈは、ケーシング３の外側と、流路２とを連通している。センサ挿通部３Ｈの内周面には、センサ１０の一部が係合するための係合突起３Ｐが形成されている。この係合突起３Ｐは、センサ挿通部３Ｈの内周面の周方向に延びる円環状をなしている。詳しくは後述するが、このセンサ挿通部３Ｈに設けられたセンサ１０は、流路２内を流通する作動流体Ｇ中に露出される。

ロータ１には、その外周面上で軸線Ｏ方向に間隔を空けて複数（６つ）のインペラ４が設けられている。図２に示すように、それぞれのインペラ４は、軸線Ｏ方向から見て略円形の断面を有するディスク４１と、このディスク４１の上流側の面に設けられた複数の羽根４２と、これら複数の羽根４２を上流側から覆うシュラウド４３と、を有している。

ディスク４１は、軸線Ｏと交差する方向から見て、該軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って、径方向の寸法が次第に拡大するように形成されることで、おおむね円錐状をなしている。

羽根４２は、上記のディスク４１の軸線Ｏ方向における両面のうち、上流側を向く円錐面上で、軸線Ｏを中心として径方向外側に向かって放射状に複数配列されている。より詳しくは、これら羽根４２は、ディスク４１の上流側の面から上流側に向かって立設された薄板によって形成されている。さらに、詳しくは図示しないが、これら複数の羽根４２は、軸線Ｏ方向から見た場合、周方向の一方側から他方側に向かうように湾曲している。

羽根４２の上流側の端縁には、シュラウド４３が設けられている。言い換えると、上記複数の羽根４２は、このシュラウド４３とディスク４１とによっておおむね軸線Ｏ方向から挟持されている。これにより、シュラウド４３、ディスク４１、及び互いに隣り合う一対の羽根４２同士の間には空間が形成される。この空間は、後述する流路２の一部（圧縮通路２２）をなしている。

流路２は、上記のように構成されたインペラ４と、ケーシング３の内部空間をそれぞれ連通する空間である。本実施形態では、１つのインペラ４ごと（１段ごと）に１つの流路２が形成されているものとして説明を行う。すなわち、６段のインペラ４を有する遠心圧縮機１００では、上流側から下流側に向かって連続する６つの流路２が形成されている。

それぞれの流路２は、吸込通路２１と、圧縮通路２２と、ディフューザ通路２３と、リターンベンド通路２４と、リターン通路２５と、を有している。なお、図２は、流路２及びインペラ４のうち、１段目と２段目のインペラ４を主として示している。

１段目のインペラ４では、吸込通路２１は上記の吸気口７と実質的に直接接続されている。この吸込通路２１によって、外部の空気が流路２上の各通路に作動流体Ｇとして取り込まれる。より具体的には、この吸込通路２１は、上流側から下流側に向かうにしたがって、軸線Ｏ方向から径方向外側に向かって次第に湾曲している。

２段目以降のインペラ４における吸込通路２１は、前段（１段目）の流路２におけるリターン通路２５（後述）の下流端と連通されている。すなわち、リターン通路２５を通過した作動流体Ｇは、上記と同様に、軸線Ｏに沿って下流側を向くように、その流れ方向が変更される。

圧縮通路２２は、ディスク４１の上流側の面、シュラウド４３の下流側の面、及び周方向に隣り合う一対の羽根４２によって囲まれた通路である。より詳しくは、この圧縮通路２２は、径方向内側から外側に向かうに従って、その断面積が次第に減少している。これにより、インペラ４が回転している状態で圧縮通路２２中を流通する作動流体Ｇは、徐々に圧縮されて高圧流体となる。

ディフューザ通路２３は、ケーシング３の内周壁の一部であるディフューザ前壁２３Ａと、隔壁部材３１のディフューザ後壁２３Ｂとによって囲まれることで、軸線Ｏの径方向内側から外側に向かって延びる通路である。このディフューザ通路２３における径方向内側の端部は、上記圧縮通路２２の径方向外側の端部に連通されている。

なお、上記の隔壁部材３１は、ケーシング３の内周側に一体に設けられることで、軸線Ｏ方向に隣接する複数のインペラ４同士の間を隔てる部材である。さらに、この隔壁部材３１から見て、ディフューザ通路２３及びインペラ４を挟んで上流側には、同じくケーシング３と一体に設けられた延伸部３２が設けられている。延伸部３２は、ケーシング３の内周面（不図示）から径方向内側に向かって延びる壁部である。

リターンベンド通路２４は、ケーシング３の反転壁３３と、隔壁部材３１の外周壁３１Ａとで囲まれた、湾曲する通路である。リターンベンド通路２４の一端側（上流側）は、上記ディフューザ通路２３に連通され、他端側（下流側）は、リターン通路２５に連通されている。このリターンベンド通路２４は、ディフューザ通路２３を経て、径方向の内側から外側に向かって流通した作動流体Ｇの流れ方向を反転させる。リターンベンド通路２４の中途において、径方向の最も外側に位置する部分は、頂部Ｔとされている。この頂部Ｔの近傍では、リターンベンド通路２４の内壁面は、３次元曲面をなすことで、作動流体Ｇの流動を妨げないようになっている。さらに、頂部Ｔには上記のセンサ挿通部３Ｈが開口しており、この開孔には、後述するセンサ１０が設けられる。

リターン通路２５は、ケーシング３における上記の隔壁部材３１の下流側側壁３１Ｂと、延伸部３２の上流側側壁３２Ａとで囲まれた通路である。リターン通路２５の径方向外側の端部は、上記のリターンベンド通路２４と連通されている。さらに、リターン通路２５の径方向内側の端部は、上述のように後段の流路２における吸込通路２１に連通されている。

さらに、このリターン通路２５中には、複数のリターンベーン５０が設けられている。これらリターンベーン５０は、リターン通路２５中で、軸線Ｏを中心として放射状に配列されている。言い換えると、これらリターンベーン５０は、軸線Ｏの周囲で周方向に間隔を空けて配列されている。具体的には、それぞれのリターンベーン５０は、隔壁部材３１の下流側側壁３１Ｂから、延伸部３２の上流側側壁３２Ａに向かって延びる板材によって形成されている。

続いて、本実施形態に係るセンサ１０について、図１から図３を参照して説明する。センサ１０は、図１に示すように、中心軸Ｏｃに沿って延びる略円柱状をなしている。センサ１０は、ディフューザ通路２３の頂部Ｔに形成されたセンサ挿通部３Ｈに、その中心軸Ｏｃをおおむね軸線Ｏの径方向に沿わせた状態で配置される。

具体的には図３に示すように、このセンサ１０は、空気等の流体（作動流体Ｇ）の物理量を検出するセンサ本体１１と、このセンサ本体１１の先端部（流路２側の端部）に装着される第１治具１２と、該第１治具１２に着脱可能な第２治具１３と、を備えている。

本実施形態で適用されるセンサ本体１１は、おおむね円柱状をなすとともに、その延在中途に径寸法が変わる段差部１１Ｓが形成されている。センサ挿通部３Ｈに挿通された状態において、この段差部１１Ｓよりも径方向外側に位置する部分は大径部１１Ａとされ、この大径部１１Ａよりも径方向内側に位置する部分は小径部１１Ｂとされている。小径部１１Ｂの外周面には螺旋状のねじ部が形成されている。センサ本体１１は、このねじ部を介して後述の第１治具１２に固定される。

センサ本体１１の大径部１１Ａには、上記の検出部１１Ｄによって検出された物理量を電気信号として外部に送出するケーブル１１Ｃが接続されている。さらに、小径部１１Ｂの一方側の端面（軸線Ｏの径方向内側を向く端面）には、検出部１１Ｄが設けられている。この検出部１１Ｄが作動流体Ｇに触れることで、その圧力や温度等の物理量が検出される。（すなわち、センサ本体１１としては、公知の圧力センサや温度センサ等が適宜選択されて用いられる。以下では、特にセンサ本体１１として圧力センサを用いた例について説明する。）

第１治具１２は、上記のセンサ本体１１をケーシング３に対して固定するとともに、検出部１１Ｄを作動流体Ｇの熱や脈動から保護するために設けられる治具である。より詳細には、この第１治具１２は、流路形成面１２Ｂ（後述）を有する円盤状の底部１２Ａと、この底部１２Ａから中心軸Ｏｃ方向に延びる略円筒状の筒部１２Ｃと、を有している。

中心軸Ｏｃ方向における底部１２Ａの両面のうち、流路２側を向く面は、上記のリターンベンド通路２４の一部を形成する流路形成面１２Ｂとされている。すなわち、流路形成面１２Ｂはリターンベンド通路２４の頂部Ｔにおける曲面形状と連続するように３次元的に湾曲している。さらに換言すると、流路形成面１２Ｂと、流路２とは、両者の間に段差や凹凸が形成されないように滑らかに接続されている。

底部１２Ａの両面のうち、流路形成面１２Ｂと反対側の面は、上記センサ本体１１の検出部１１Ｄに対向する画成面１２Ｄとされている。筒部１２Ｃは、この画成面１２Ｄから中心軸Ｏｃの一方側（すなわち、軸線Ｏの径方向外側）に向かって延びている。筒部１２Ｃの内側では、該筒部１２Ｃの内周面と画成面１２Ｄとによって空間が画成されている。この空間は、センサ本体１１の小径部１１Ｂを固定するための固定部１２Ｅとされている。固定部１２Ｅの内周面には、センサ本体１１の小径部１１Ｂに形成されたねじ部に対応する他のねじ部が形成されている。すなわち、これらねじ部同士が噛み合うことで、センサ本体１１が第１治具１２に固定される。

上記のようにセンサ本体１１が第１治具１２に固定された状態において、センサ本体１１の検出部１１Ｄと、第１治具１２の画成面１２Ｄとの間には、一定の容積を有する空間が形成される。この空間は、後述する検出空間Ｖ１とされている。さらに、この検出空間Ｖ１と流路２（リターンベンド通路２４）とは、第１治具１２の底部１２Ａに開孔された貫通孔１２Ｆによって互いに連通されている。すなわち、リターンベンド通路２４中を流通する作動流体Ｇの一部が、この貫通孔１２Ｆを通じて検出空間Ｖ１内に流入した後、一定時間だけ滞留する。検出部１１Ｄはこの検出空間Ｖ１内に滞留した作動流体Ｇを検出対象として、上記のように各種の物理量を検出・計測する。

なお、中心軸Ｏｃ方向から見て、底部１２Ａの外径寸法は上記のセンサ挿通部３Ｈの内径寸法とおおむね同一か、又はわずかに小さく設定されている。一方で、筒部１２Ｃは底部１２Ａよりも小さな外径寸法を有している。これにより、底部１２Ａの径方向外側の端縁が、センサ挿通部３Ｈの内周面に設けられた係合突起３Ｐに係合する。

一方で、上記の筒部１２Ｃの一方側の端縁（軸線Ｏの径方向内側を向く端縁）の外周面にも連結部１２Ｇとしての他のねじ部が形成されている。この連結部１２Ｇを介して、第２治具１３が第１治具１２に連結される。

センサ１０を組立てた状態において、第２治具１３は、第１治具１２から軸線Ｏの径方向外側に向かって延びる筒状に形成されている。この第２治具１３における軸線Ｏの径方向両端部のうち、径方向内側の端部は、上記第１治具１２の連結部１２Ｇのねじ部に対応する他のねじ部が形成されている。これらねじ部同士が噛み合うことによって第１治具１２と第２治具１３とが、軸線Ｏの径方向に互いに連結される。

さらに、第２治具１３の外径寸法、すなわちセンサ１０の中心軸Ｏｃを基準とした場合の第２治具１３の外径寸法は、センサ挿通部３Ｈの内径寸法とおおむね同一か、又はわずかに小さく設定されている。他方で、第２治具１３の内径寸法は、上記のセンサ本体１１における大径部１１Ａの外形寸法よりも大きく設定されている。これにより、第２治具１３の内側の空間は、センサ本体１１（大径部１１Ａ、およびケーブル１１Ｃ）が収容される収容部１２Ｈとされている。この収容部１２Ｈ内で、センサ本体１１は、その外周面と第２治具１３の内周面との間に、中心軸Ｏｃの径方向に一定の間隔を空けた状態で収容される。

また、第２治具１３の外周面には、いずれも中心軸Ｏｃの周方向に延びる２つの凹溝が形成されている。これら２つの凹溝のうち、第１治具１２が連結される側（すなわち、軸線Ｏの径方向内側）に位置する凹溝は、Ｏリング６０を収容する第１凹溝１３１とされている。すなわち、センサ挿通部３Ｈにセンサ１０が挿通された状態において、このＯリング６０によってセンサ挿通部３Ｈ内外の気密が維持される。

さらに、この第１凹溝１３１よりも軸線Ｏの径方向外側に位置する第２凹溝１３２は、組立作業時等にモンキーレンチ等の工具が係合されるために設けられている。

続いて、上記のセンサ１０を遠心圧縮機１００に取り付ける際の手順の一例を説明する。まず、遠心圧縮機１００のケーシング３におけるセンサ挿通部３Ｈに、上記の第１治具１２を取り付ける。具体的には、センサ挿通部３Ｈの流路２側の開口（すなわち、軸線Ｏの径方向内側の端部）から、第１治具１２の筒部１２Ｃを挿入する。このとき、第１治具１２の底部１２Ａとセンサ挿通部３Ｈの係合突起３Ｐとが係合する。

なお、このとき、第１治具１２の固定部１２Ｅには、センサ本体１１が予め固定されている。さらに、センサ本体１１における検出部１１Ｄと、第１治具１２の画成面１２Ｄとの間には、第１シール材６１（金属パッキン等）が設けられることが望ましい。この第１シール材６１としては円環状に形成された銅材などが好適に用いられる。これにより、第１治具１２の流路形成面１２Ｂと流路２の内周面とが滑らかに連続した状態となる。

上記の状態で、図３に示すような第２シール材６２（金属パッキン等）をセンサ挿通部３Ｈの外側の開口（すなわち、軸線Ｏの径方向外側の端部）から挿入することがさらに望ましい。第２シール材６２の外径寸法は、センサ挿通部３Ｈの内径寸法とおおむね同一とされる。一方で、内径寸法は第１治具１２の筒部１２Ｃの外径寸法とおおむね同一とされる。

このような第２シール材６２を設けることにより、係合突起３Ｐの内周面と第１治具１２の筒部１２Ｃの外周面との間の境界面が封止される。

続いて、上記の第２シール材６２が取り付けられた状態で、第２治具１３をセンサ挿通部３Ｈの外側から挿入し、連結部１２Ｇを介して第１治具１２と連結する。これにより、第１治具１２の底部１２Ａと、軸線Ｏの径方向内側における第２治具１３の端面とが、センサ挿通部３Ｈの係合突起３Ｐ、及び第２シール材６２を挟んで対向した状態となる。すなわち、係合突起３Ｐによって第１治具１２、及び第２治具１３の中心軸Ｏｃ方向における固定位置が規定されるとともに、センサ挿通部３Ｈのシール性が確保される。

なお、シール性をさらに高めるために、上記の第１シール材６１、第２シール材６２に加えて、連結部１２Ｇ、固定部１２Ｅ等におけるそれぞれのねじ部に、ゲル状のガスケットや、シールテープを介在させてもよい。

最後に、第２治具１３の外周面と、ケーシング３の外周面上とを、図３に示す継手部７０によって互いに固定する。以上により、センサ１０が遠心圧縮機１００に取り付けられる。なお、詳細は図示しないが、上記の継手部７０によるセンサ１０の固定には、例えばねじ等のように、容易な固定と解除が可能な手段を用いられることが望ましい。これにより、遠心圧縮機１００に対してセンサ１０を着脱自在とすることができる。

続いて、上記遠心圧縮機１００とセンサ１０の動作について説明する。
通常の運転状態にある遠心圧縮機１００では、作動流体Ｇは以下のような挙動を示す。まず、吸込口から流路２内に取り込まれた作動流体Ｇは、１段目の吸込通路２１を経て、インペラ４中の圧縮通路２２に流入する。インペラ４はロータ１の回転に伴って軸線Ｏ回りに回転していることから、圧縮通路２２中の作動流体Ｇには、軸線Ｏから径方向外側に向かう遠心力が付加される。加えて、上記の通り、圧縮通路２２の断面積は径方向外側から内側にかけて次第に減少していることから、作動流体Ｇは徐々に圧縮される。これにより、高圧の作動流体Ｇが、圧縮通路２２から後続のディフューザ通路２３に送り出される。

圧縮通路２２から流れ出た高圧の作動流体Ｇは、その後、ディフューザ通路２３、リターンベンド通路２４、リターン通路２５を順に通過する。以後、２段目以降のインペラ４、及び流路２においても同様の圧縮が加えられる。最終的には、作動流体Ｇは、所望の圧力状態となって排気口８から不図示の外部機器に供給される。

しかしながら、上記のような遠心圧縮機１００では、例えば通常状態よりも回転数が小さい状態では、作動流体Ｇの挙動が不安定になる場合がある。具体的には、作動流体Ｇの旋回失速などが生じることが知られている。このような現象は、遠心圧縮機１００の流路２中で局所的に発生する圧力変動が原因とされる。本実施形態に係る遠心圧縮機１００は、上記のセンサ１０（圧力センサ）を備えていることから、このような作動流体Ｇの圧力変動を容易に検出することができる。

具体的には、流路２中の作動流体Ｇは、第１治具１２の流路形成面１２Ｂに形成された貫通孔１２Ｆを通じて、検出空間Ｖ１に流入する。センサ本体１１の検出部１１Ｄは、この検出空間Ｖ１中の作動流体Ｇの圧力を計測・検出する。センサ本体１１によって検出された圧力値は、電気信号としてケーブル１１Ｃを通じて外部の処理装置等（不図示）に送られる。

特に、図１に示すように、遠心圧縮機１００の各圧縮段（各インペラ４）に対応させて、複数のセンサ１０を取り付けることで、いずれの圧縮段で圧力変動、及びこれに起因する旋回失速が生じたかを、正確に判定することができる。

加えて、上記のセンサ１０が取り付けられるセンサ挿通部３Ｈは、リターンベンド通路２４（流路２）の頂部Ｔに設けられている。この頂部Ｔは、軸線Ｏの径方向において、ケーシング３の外部と最も近接する領域（すなわち、流路２の全領域のうち、軸線Ｏの最も外径側）に位置している。

したがって、ケーシング３の外部から流路２中に向かって、最短の寸法のもとで容易にセンサ１０を到達させることができる。一方で、ケーシング３の外部から検出部１１Ｄまでの寸法が比較的に長い場合、流路２中を流通する作動流体Ｇとケーシング３の外部の空気との温度差により、センサ１０の内側（特に、第２治具１３の内側）では、作動流体Ｇ中の水分が凝縮することで結露が生じる場合がある。このような結露の発生は、センサ１０による計測精度に影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、本実施形態では、センサ１０のおおむね全体がケーシング３内に埋設されるため、結露の原因となる温度差を小さくすることができる。すなわち、センサ１０の計測精度を高めるとともに、適用温度範囲を広く確保することができる。

さらに、頂部Ｔを含むリターンベンド通路２４は、インペラ４の圧縮通路２２のすぐ下流側にあたることから、頂部Ｔではインペラ４による作動流体Ｇの圧縮状態の良否（圧縮比の高低等）が顕在化しやすい。したがって、頂部Ｔにセンサ挿通部３Ｈを設けることによって、高い応答性をもって作動流体Ｇの圧力変動を検出することができる。

加えて、上記のセンサ１０では、センサ本体１１の検出部１１Ｄと、第１治具１２の画成面１２Ｄとの間に、検出空間Ｖ１が形成されている。検出部１１Ｄは、この検出空間Ｖ１内で滞留した作動流体Ｇの圧力を検出する。したがって、流路２中に検出部１１Ｄが直接的に曝されている場合に比して、検出結果にノイズが乗る可能性を小さくすることができる。

また、第１治具１２の流路形成面１２Ｂは、流路２（頂部Ｔ）の内周面に連続するように形成される。これにより、作動流体Ｇの流れを妨げることなく、センサ１０を設置することができる。すなわち、センサ１０自体が流れを乱すことによる計測結果への影響を十分に小さくすることができる。

さらに、上記のセンサ１０は、流路形成面１２Ｂを有する第１治具１２が、第２治具１３に対して着脱可能とされている。したがって、流路２におけるセンサ挿通部３Ｈが設けられる箇所の曲面形状に応じて複数種類の第１治具１２を用意し、必要に応じてこれを付け替えることができる。言い換えると、第２治具１３を共用部品とすることができるため、センサ１０の汎用性を確保することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

例えば、上述の実施形態では、センサ本体１１として圧力センサを採用した例を説明した。しかしながら、流体の物理量を計測することを志向する装置である限りにおいて、センサ本体１１としていかなる装置を採用してもよい。すなわち、圧力センサに替えて、温度センサや流量センサをセンサ本体１１として用いることが可能である。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同一の構成や部材については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
本実施形態では、センサ１０は、センサ本体１１を冷却する冷却部９と、冷却部９に外部の冷媒を供給する冷媒供給部９２と、を備えている。冷却部９の具体例としては、図４に示すように、センサ本体１１の大径部１１Ａの外周面に沿って螺旋状に巻き付けられた管状の水冷ジャケット９１が用いられる。水冷ジャケット９１の表面のうち、螺旋の内周側をなす面は、センサ本体１１の外周面に当接されることで当接面９１Ａをなしている。すなわち、この水冷ジャケット９１は、センサ本体１１と第２治具１３との間の間隙に介在している。

冷媒供給部９２は、水などの冷媒を貯留するタンク９２Ａと、タンク９２Ａ内の冷媒を上記の冷却ジャケット中に圧送するポンプ９２Ｂと、バルブ９２Ｃと、を備えている。冷却ジャケットの両端部は、いずれもタンク９２Ａに接続されている。すなわち、冷却ジャケットとタンク９２Ａは、循環流路を形成している。

バルブ９２Ｃを開放した状態でポンプ９２Ｂを駆動することにより、冷媒は水冷ジャケット９１内を循環する。その結果、水冷ジャケット９１の当接面９１Ａを介してセンサ本体１１が冷却される。

遠心圧縮機１００等の回転機械１００では、作動流体Ｇの熱がセンサ本体１１に及ぶ場合がある。具体的には、流路２からケーシング３、及び第２治具１３を介してセンサ本体１１に熱が伝搬されることが考えられる。このような熱は、センサ本体１１の計測精度に影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、上記のようにセンサ本体１１を冷却することで、センサ本体１１への熱の影響を低減し、計測精度を維持することができる。すなわち、センサ１０の適用される温度範囲をさらに広く確保することができる。

［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について図５と図６を参照して説明する。図５に示すように、本実施形態のセンサ１０は、上記の冷却部９として、第２治具１３の内側でセンサ本体１１に当接するとともに、センサ本体１１のケーブル１１Ｃを外周側から覆う流路ブロック９３を有している。

この流路ブロック９３は、外形視で、センサ本体１１の大径部１１Ａとおおむね同一の外径寸法を有する略円柱状をなしている。流路ブロック９３の内部には、上記の冷媒が流通する複数（２つ）の流路系統Ｐが形成されている。具体的には図６に示すように、この流路系統Ｐは、センサ本体１１の中心軸Ｏｃ方向（ケーブル１１Ｃの延在方向）から見て径方向内側に位置する内側系統Ｐ２と、この内側系統Ｐ２よりも径方向外側に位置する外側系統Ｐ１と、を備えている。

内側系統Ｐ２は、中心軸Ｏｃを中心として放射状に配列された複数対（８対）の流入管Ｐ２１、及び排出管Ｐ２２を有している。図５に示すように、各対の流入管Ｐ２１と排出管Ｐ２２は、流路ブロック９３の一方側（軸線Ｏの径方向内側）で互いに連通されている。すなわち、流入管Ｐ２１によって冷媒供給部９２（タンク９２Ａ）から導かれた冷媒は、上記の連通部分を経た後、排出管Ｐ２２を流通して再びタンク９２Ａに戻る。

外側系統Ｐ１は、上記の内側系統Ｐ２を外側から囲むように、中心軸Ｏｃ方向の断面視で円環状をなしている。この外側系統Ｐ１中でも、上記の冷媒供給部９２から供給された冷媒が循環する。

以上のような構成によれば、外側系統Ｐ１内を流通する冷媒によって、流路ブロック９３の当接面９１Ａを介してセンサ本体１１を冷却することができる。加えて、この流路ブロック９３は、センサ本体１１のうち、特に耐熱保護が要求されるケーブル１１Ｃを囲むように取り付けられる。すなわち、内側系統Ｐ２中を流通する冷媒によって、熱によるケーブル１１Ｃの損傷を回避するとともに、ケーブル１１Ｃを通じて授受されるセンサ本体１１の計測結果（電気信号）の劣化を低減することができる。

なお、本実施形態における流路ブロック９３に加えて、上述の第二実施形態において示した水冷ジャケット９１をセンサ本体１１に併せて設けることも可能である。このような構成によれば、センサ本体１１の外周面、ケーブル１１Ｃがともに冷却されるため、熱によるセンサ１０への影響がさらに低減され、計測精度をさらに高めることができる。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について図７から図１０を参照して説明する。図７に示すように、本実施形態に係るセンサ１０は、回転機械１００における上記のディフューザ通路２３上に設けられている。より詳細には、このセンサ１０は、ディフューザ通路２３中に、検出部１１Ｄを露出させている。ここで、ディフューザ前壁２３Ａのうち、インペラ４の径方向外側の端部に近接する領域は、径方向内側から外側に向かうにしたがって、軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かって湾曲する曲面部２３Ｃとされている。センサ１０では、この曲面部２３Ｃを介して、ディフューザ通路２３と検出部１１Ｄとが連通している。

本実施形態に係るセンサ１０の詳細な構成について説明する。図７に示すように、センサ１０は、回転機械１００の軸線Ｏの径方向に延びるように、ケーシング３の内部（センサ挿通部３Ｈ）に埋設されている。特に、センサ挿通部３Ｈは、ケーシング３の軸線Ｏ方向一方側に設けられた吸気口７と、一段目のディフューザ通路２３との間の領域に設けられている。センサ挿通部３Ｈの軸線Ｏに対する径方向内側には、センサ本体１１の検出部１１Ｄが位置している。一方で、径方向外側の端部は、吸気口７の内側に連通されている。

なお、図８に示すように、センサ挿通部３Ｈのうち、軸線Ｏに対する径方向外側の領域は、吸気口７の壁面におおむね直交する方向の延びることで、屈曲部３０Ｈとされている。センサ挿通部３Ｈのうち、屈曲部３０Ｈを除く領域（すなわち、軸線Ｏの径方向に延びる領域）は、挿通部本体３１Ｈとされている。

センサ１０のケーブル１１Ｃは、センサ挿通部３Ｈから、上記の屈曲部３０Ｈを経て吸気口７内に向かって延びている。具体的には、ケーブル１１Ｃは、吸気口７の壁面に沿って適宜に湾曲した状態で固定されている。さらに、このケーブル１１Ｃには、上記の第一実施形態と同様の、水冷ジャケット９１が取り付けられている。

図９に示すように、本実施形態に係るセンサ１０は、センサ本体１１と、センサ本体１１とディフューザ通路２３内を連通する管状の第１治具１２と、センサ本体１１を保持する第２治具１３と、を備えている。第２治具は、軸線Ｏに対する径方向に延びるように配置されている。第１治具１２は、第２治具１３の延びる方向に交差する方向に延びている。つまり、第１治具１２は、軸線Ｏにおおむね平行に延びている。

第１治具１２の両端部のうち、ディフューザ通路２３側の端部は、ディフューザ通路２３の壁面と面一をなすことで、流路形成面１２Ｂを形成している。言い換えると、この第１治具１２は、ディフューザ通路２３内に突出していない。一方で、第１治具１２の両端部のうち、ディフューザ通路２３と反対側の端部は、画成面１２Ｄとされている。さらに、第１治具１２の内側は、貫通孔１２Ｆとされている。ディフューザ通路２３内の流体は、この貫通孔１２Ｆを通じて、後述の検出空間Ｖ１内に向かって流入する。すなわち、これにより、センサ本体１１の検出部１１Ｄは、ディフューザ通路２３内の作動流体中に露出した状態となる。

第２治具１３は、センサ本体１１の検出部１１Ｄの周囲を覆うことで、検出空間Ｖ１を形成している。本実施形態では、第２治具１３の径方向内側の端部には、この検出空間Ｖ１を外部と隔てる蓋部１３Ｆが取り付けられている。蓋部１３Ｆは、管状の第２治具１３の端部を閉塞する部材である。第２治具１３のうち、この蓋部１３Ｆを除く部分は、第２治具本体１３Ｈとされている。蓋部１３Ｆは、第２治具本体１３Ｈに対して、例えば溶接等によって固定されている。

この構成によれば、センサ１０の検出部１１Ｄがディフューザ通路２３内に露出するように設けられることから、インペラ４のさらに、近傍で流体の物理量（圧力値の変動）を計測することができる。これにより、流体の物理量を、高い応答性と高い精度のもとで計測することができる。

さらに、第１治具１２のディフューザ通路２３側には、流路形成面１２Ｂが形成されている。特に、流路形成面１２Ｂは、ディフューザ通路２３の曲面部２３Ｃに沿って形成されている。これにより、第１治具１２が、ディフューザ通路２３内における作動流体の流れを乱す可能性を低減することができる。

また、上記の構成によれば、センサ１０は、軸線Ｏの径方向に延びるように配置される。つまり、センサ１０をディフューザ通路２３に対して直交する方向に配置することなく、流体の物理量を計測することができる。つまり、センサ１０を設けるためのスペースを小さく抑えることができる。

１…ロータ ２…流路 ３…ケーシング ３Ｈ…センサ挿通部 ３Ｐ…係合突起 ４…インペラ ５…ジャーナル軸受 ６…スラスト軸受 ７…吸気口 ８…排気口 ９…冷却部 １０…センサ １１…センサ本体 １１Ａ…大径部 １１Ｂ…小径部 １１Ｃ…ケーブル １１Ｄ…検出部 １１Ｓ…段差部 １２…第１治具 １２Ａ…底部 １２Ｂ…流路形成面 １２Ｃ…筒部 １２Ｄ…画成面 １２Ｅ…固定部 １２Ｆ…貫通孔 １２Ｇ…連結部 １２Ｈ…収容部 １３…第２治具 １３Ｆ…蓋部 １３Ｈ…第２治具本体 ２１…吸込通路 ２２…圧縮通路 ２３…ディフューザ通路 ２３Ａ…ディフューザ前壁 ２３Ｂ…ディフューザ後壁 ２３Ｃ…曲面部 ２４…リターンベンド通路 ２５…リターン通路 ３０Ｈ…屈曲部 ３１…隔壁部材 ３１Ａ…外周壁 ３１Ｂ…下流側側壁 ３１Ｈ…挿通部本体 ３２…延伸部 ３２Ａ…上流側側壁 ３３…反転壁 ４１…ディスク ４２…羽根 ４３…シュラウド ５０…リターンベーン ６０…Ｏリング ６１…第１シール材 ６２…第２シール材 ７０…継手部 ９１…水冷ジャケット ９１Ａ…当接面 ９２…冷媒供給部 ９２Ａ…タンク ９２Ｂ…ポンプ ９２Ｃ…バルブ ９３…流路ブロック １００…回転機械 １００…遠心圧縮機 １３１…第１凹溝 １３２…第２凹溝 Ｇ…作動流体 Ｏ…軸線 Ｏｃ…中心軸 Ｐ…流路系統 Ｐ１…外側系統 Ｐ２１…流入管 Ｐ２２…排出管 Ｐ２…内側系統 Ｔ…頂部 Ｖ１…検出空間

Claims (7)

1. 流体の物理量を検出する検出部を有するセンサ本体と、
   前記センサ本体を固定する固定部、回転機械の作動流体が流通する流路の内周面の一部を形成する流路形成面、及び、前記固定部によって固定された前記センサ本体の検出部とともに検出空間を画成する画成面を有し、前記流路形成面と画成面とにわたって貫通孔が形成された第１治具と、
   を有し、
   前記流路形成面は、前記流路の前記内周面と連続する曲面形状をなし、
   前記第１冶具は、前記回転機械に対して着脱可能とされているセンサ。
2. 前記センサ本体に当接する当接面を有する冷却部と、
   該冷却部に、外部から導かれた冷媒を供給する冷媒供給部と、
   を備える請求項１に記載のセンサ。
3. 前記第１治具に着脱可能に支持されるとともに、前記センサ本体の少なくとも一部を覆う収容部を有する第２治具を備える請求項１又は２に記載のセンサ。
4. 軸線回りに回転するロータと、
   前記ロータに設けられ、前記軸線方向に間隔を空けて設けられた複数のインペラと、
   前記ロータの周囲を覆うことで、作動流体が流通する前記流路を形成するケーシングと、
   前記検出部を前記作動流体中に露出させた状態で前記ケーシングに支持される請求項１から３のいずれか一項に記載の前記センサと、
   を備える回転機械。
5. 前記流路は、前記インペラの径方向外側の端部から、径方向外側に向かって延びるディフューザ通路を有し、
   前記検出部は、該ディフューザ通路内に連通している請求項４に記載の回転機械。
6. 前記ディフューザ通路の前記軸線方向一方側の壁面は、径方向内側から外側に向かうにしたがって前記軸線の一方側から他方側に向かって湾曲する曲面部を有し、
   前記検出部は、前記曲面部を介して前記ディフューザ通路内に連通している請求項５に記載の回転機械。
7. 前記センサは、前記ディフューザ通路の延びる方向に配置され、
   前記貫通孔の延びる方向は、前記センサの配置される方向に交差している請求項５又は６に記載の回転機械。

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