JP7287001B2 - 回転機械 - Google Patents

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Description

本開示は、回転機械に関する。
従来、回転機械の一例として、モータを備えた遠心圧縮機が知られている。特許文献1に記載された遠心圧縮機は、ハウジングのモータ収容室にモータが収容されている。モータが駆動されると、シャフトに設けられたインペラが回転する。インペラの回転により、インペラの正面側からハウジング内に空気が吸入される。吸入空気は、ディフューザおよびスクロール流路で圧縮される。
上記の遠心圧縮機には、インペラの背面側に冷却ファンが設けられている。冷却ファンは、シャフトと一体に回転する。冷却ファンが回転すると、モータ収容室内に空気が吸入され、モータが冷却される。
特開2017-166330号公報
上記の遠心圧縮機によれば、シャフトに冷却ファンが設けられる。高精度が要求される回転部品の追加は、加工、組み立て、バランス修正など、工数の増加をもたらすという課題がある。
本開示の目的は、工数を削減可能な回転機械を提供することである。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る回転機械は、インペラが設けられるシャフトと、シャフトに設けられるモータと、インペラが収容されるインペラ収容部、および、インペラ収容部よりも前記インペラの径方向外方に位置するスクロール流路を有するインペラハウジングと、モータが収容されるモータ収容室を有するモータハウジングと、インペラハウジングに設けられ、スクロール流路よりもインペラの径方向外方に位置し、インペラの回転方向に離隔して設けられる複数の第1取付部と、モータハウジングに設けられ、第1取付部に対してシャフトの軸方向に対向する複数の第2取付部と、インペラハウジングおよびモータハウジングに設けられ、モータ収容室に一端が開口し、インペラ収容部のうちインペラよりも上流側に他端が開口し、一部がインペラの回転方向に隣り合う第1取付部の間に位置する連通路と、を備える。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る回転機械は、インペラが設けられるシャフトと、シャフトに設けられるモータと、インペラが収容されるインペラ収容部、インペラ収容部よりもインペラの径方向外方に位置するスクロール流路、および、モータが収容されるモータ収容室を有するハウジングと、ハウジングのうちスクロール流路よりもインペラの径方向内側に設けられ、モータ収容室に一端が開口し、インペラ収容部のうちインペラよりも上流側に他端が開口する連通路と、を備える。
また、ハウジングに設けられ、インペラ収容部とスクロール流路とを繋ぐディフューザ通路と、ディフューザ通路に設けられ、内部に連通路の一部が形成された区画壁部と、を備えてもよい。
また、ハウジングに設けられ、インペラ収容部とスクロール流路とを繋ぐディフューザ通路と、ディフューザ通路に設けられ、連通路を構成する通路が内部に設けられるベーンと、を備えてもよい。
本開示によれば、工数を削減することが可能となる。
本実施形態に係る遠心圧縮機の概略断面図である。 図1におけるII-II線断面図である。 第1変形例に係る遠心圧縮機の概略断面図である。 図3におけるIV-IV線断面図である。 第2変形例を説明する図である。 第3変形例を説明する図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
図1は、本実施形態に係る遠心圧縮機1の概略断面図である。図2は、図1におけるII-II線断面図である。図1に示すように、遠心圧縮機1は、回転体3を備える。回転体3は、シャフト3aと、シャフト3aの先端に設けられるインペラ3bとを含む。回転体3は、ハウジング5に収容される。ハウジング5は、インペラハウジング5Aおよびモータハウジング5Bを有する。
インペラハウジング5Aは、平面形状が略円形の本体部7を備える。本体部7の中心には、インペラ収容部7aが形成されている。インペラ収容部7aは、インペラハウジング5Aの正面側(図1の左側)に開口する穴である。インペラ収容部7aは、インペラハウジング5Aの正面に吸入口7a1を開口させている。インペラ3bは、複数の羽根3baを有している。インペラ3bは、羽根3baのリーディングエッジLEを吸入口7a1側に臨ませた状態で、インペラ収容部7aに収容される。インペラ収容部7aの底面7bは、インペラ3bの背面に対向する。底面7bには、シャフト3aが挿通される挿通孔7cが形成されている。挿通孔7cは、回転体3の回転軸方向(以下、単に軸方向と言う)に貫通する。
本体部7(ハウジング5)には、回転体3の回転軸を中心として、回転体3の回転方向(以下、単に回転方向もしくは周方向と言う)に延在する環状のスクロール流路9が形成される。スクロール流路9は、インペラ収容部7aよりもインペラ3bの径方向(以下、単に径方向と言う)外方に設けられる。本体部7には、インペラ収容部7aとスクロール流路9とを繋ぐディフューザ通路11が設けられる。ディフューザ通路11は、径方向内方がインペラ収容部7aに接続され、径方向外方がスクロール流路9に接続される。インペラ3bが回転すると、インペラ3bの正面側からインペラ収容部7aに空気が吸入される。インペラ収容部7aに吸入された空気は、ディフューザ通路11およびスクロール流路9で昇圧される。昇圧された空気は、スクロール流路9に接続される不図示の配管を介してハウジング5の外部に導かれる。
モータハウジング5Bは、略円筒形状の円筒部13と、円筒部13に連続する拡径部15とを備える。円筒部13は、インペラハウジング5Aの本体部7よりも径が小さい。円筒部13の外周面には、複数のフィン13aが形成されている。拡径部15は、円筒部13におけるインペラハウジング5A側の一端から径方向外方に延在する。拡径部15の外径は、インペラハウジング5Aの本体部7の外径とほぼ等しい。
図2に示すように、インペラハウジング5Aは、本体部7から径方向外方に突出する第1取付部7dが設けられている。第1取付部7dは、本体部7のうち、モータハウジング5B側の端部に設けられる。第1取付部7dは、回転方向に離隔して複数設けられている。ここでは、4つの第1取付部7dが周方向に等間隔に配されている。
また、モータハウジング5Bの拡径部15には、第1取付部7dに対して軸方向に対向する第2取付部15aを備える。第2取付部15aは、拡径部15から径方向外方に突出する。第2取付部15aは、第1取付部7dと同様、周方向に等間隔で4つ設けられている。第1取付部7dおよび第2取付部15aには、軸方向に貫通する貫通孔17が形成されている。貫通孔17には、第1取付部7dから第2取付部15aまで取付部材19が挿通される。ここでは、取付部材19がボルトで構成され、インペラハウジング5Aおよびモータハウジング5Bが取付部材19によってボルト締結されている。
なお、インペラハウジング5Aおよびモータハウジング5Bは、ボルトに限らず、例えば、Gカップリング等、他の部材で互いに取り付けられてもよい。また、インペラハウジング5Aおよびモータハウジング5Bは、互いに溶接あるいは溶着されてもよい。
図1に示すように、モータハウジング5Bには、モータ収容室21が形成されている。モータ収容室21は、モータハウジング5Bの円筒部13および拡径部15の内周面と、インペラハウジング5Aの本体部7とに囲繞された空間である。モータ収容室21は、インペラハウジング5A側において、挿通孔7cと連通する。モータ収容室21のうち、インペラハウジング5Aと反対側(図1の右側)は開放されている。
モータハウジング5Bのモータ収容室21には、回転体3のシャフト3aが挿通されている。シャフト3aは、モータ収容室21を一端から他端まで貫通する。モータ収容室21には、シャフト3aの少なくとも一部が収容されていると言える。モータ収容室21には、一対のラジアル軸受23が設けられる。一対のラジアル軸受23は、軸方向に離隔して配され、回転体3(シャフト3a)を軸支する。なお、ラジアル軸受23は、転がり軸受でもよいし、すべり軸受でもよい。
シャフト3aには、ロータ3cが設けられる。ロータ3cは、モータ収容室21内に位置する。ロータ3cは、一対のラジアル軸受23の間に位置している。モータ収容室21には、ロータ3cと径方向に対向する位置に電磁コイル25が配される。電磁コイル25とロータ3cとの間には、僅かな隙間が形成されている。
ロータ3cは、電磁コイル25に囲繞されている。電磁コイル25には、不図示の配線が接続されている。電磁コイル25が通電されると、電磁コイル25とロータ3cとの間に磁力が発生し、ロータ3cと一体に回転体3が回転する。モータMは、ロータ3cおよび電磁コイル25を含んで構成される。つまり、ロータ3cおよび電磁コイル25は、回転体3の回転動力を発生させるモータ構成部品である。モータMは、モータ収容室21に収容される。
円筒部13のうち、インペラハウジング5Aと反対側の端部には、スラストユニット27が設けられている。スラストユニット27は、円筒部13の端部に取り付けられる。スラストユニット27は、回転体3のスラスト荷重を受ける。スラストユニット27の径は、円筒部13の内径よりも小さい。そのため、円筒部13とスラストユニット27との間には、開口部29が形成される。開口部29は、円筒部13とスラストユニット27との間に形成される径方向の隙間であり、環状に形成される。モータ収容室21は、開口部29により、インペラハウジング5Aと反対側が外部に開放されている。
モータ収容室21の内周面には、大内径部21aが形成されている。大内径部21aは、拡径部15の径方向内側に位置している。大内径部21aの内径は、円筒部13の内径よりも大きい。拡径部15のうち、インペラハウジング5A側の端部には、段差面15bが形成されている。段差面15bは、拡径部15のインペラハウジング5A側の端面15cよりも、インペラハウジング5Aから軸方向に離隔する。段差面15bは、大内径部21aから径方向外方に延在する。
インペラハウジング5Aの本体部7のうち、モータハウジング5Bに対向する底面7eには、環状底面7fが形成されている。環状底面7fは、底面7eよりもスクロール流路9側に窪んでおり、環状に延在する。環状底面7fの径方向外方の端部は、段差面15bの径方向外方の端部と一致している。環状底面7fの径方向内側の端部は、大内径部21aの内周面よりも径方向内側に位置している。環状底面7fと段差面15bとは、軸方向に離隔して対向している。環状底面7fと段差面15bとの間に、環状隙間31が形成される。底面7e(環状底面7f)により、インペラ収容部7aとモータ収容室21とが仕切られる。すなわち、底面7e(環状底面7f)は、インペラ収容部7aとモータ収容室21とを仕切る隔壁と言える。
インペラハウジング5Aの本体部7には、連通路33が形成されている。ここでは、連通路33が、周方向に互いに離隔して4つ設けられている(図2参照)。ただし、連通路33の数は1つ以上であればよく、その数は限定されるものではない。
連通路33は、軸方向延在部33aと、径方向延在部33bとを含む。連通路33の一部である軸方向延在部33aは、スクロール流路9よりも径方向外方に位置する。軸方向延在部33aは、環状底面7f(環状隙間31、モータ収容室21)に一端が開口する。軸方向延在部33aは、環状底面7fに形成される開口から軸方向に延在する。環状底面7fは、モータ収容室21のうち、モータMよりもインペラ3b側に位置する。したがって、連通路33は、モータ収容室21のうちモータMよりもインペラ3b側に一端が開口している。なお、連通路33は、モータMよりも、開口部29側に一端が開口してもよい。ただし、モータ収容室21のうち、モータMを構成する少なくとも一部の部品よりもインペラ3b側に一端が開口するとよい。
径方向延在部33bは、一端が軸方向延在部33aに連続し、他端がインペラ収容部7aに開口する。径方向延在部33bは、スクロール流路9よりも、モータ収容室21と反対側に形成されている。径方向延在部33bは、径方向に延在している。インペラ収容部7aにおける径方向延在部33bの開口は、インペラ3b(リーディングエッジLE)よりもモータ収容室21と反対側に開口する。つまり、径方向延在部33bの開口は、インペラ収容部7aのうち、インペラ3bと吸入口7a1との間に位置している。吸入口7a1は、インペラ収容部7aへの空気の取り入れ口となる。したがって、連通路33は、モータ収容室21に一端が開口し、インペラ収容部7aのうちインペラ3bよりも上流側に他端が開口することとなる。
図2に示すように、軸方向延在部33aは、回転方向に隣り合う第1取付部7dの間(の周方向位置)に位置する。第1取付部7dと軸方向延在部33aとが回転方向にずれた位置に設けられるので、両者が干渉することがない。したがって、軸方向延在部33aよりも径方向外側の本体部7の外径は、第1取付部7dおよび第2取付部15aの最大外径より小さくなる。ここでは、軸方向延在部33aは、インペラ3bの回転方向に等間隔で配されている。なお、ここでは、連通路33の断面形状が円形であるが、連通路33の断面形状は楕円形であってもよいし、周方向に長さを有する長孔であってもよい。
本実施形態の遠心圧縮機1によれば、電磁コイル25が通電されると、ロータ3cと一体にインペラ3bが回転する。インペラ3bの回転により、インペラ3bの正面側からインペラ収容部7aに空気が吸入される。インペラ収容部7aに吸入された空気は、ディフューザ通路11およびスクロール流路9で昇圧された後に、ハウジング5の外部に導かれる。
また、インペラ収容部7aに空気が吸入されると、インペラ収容部7aのうち、インペラ3bの正面側の内周面近傍に負圧が生じる。モータ収容室21は、インペラハウジング5A側が、連通路33を介して、インペラ収容部7aに連通している。モータ収容室21のうち、インペラハウジング5Aと反対側には、開口部29が設けられている。インペラ3bの正面側に生じる負圧により、開口部29からモータ収容室21に空気が吸入される。モータ収容室21に導かれた空気により、回転体3、モータMおよびラジアル軸受23を含むモータ収容室21内の各部品が冷却される。
モータ収容室21に収容された各部品を冷却した空気は、環状隙間31および連通路33を介して、インペラ収容部7aに吸入される。連通路33からインペラ収容部7aに吸入された空気は、吸入口7a1からインペラ収容部7aに吸入された空気と合流して、ディフューザ通路11に導かれる。
以上のように、遠心圧縮機1によれば、連通路33により、冷却用の外気がモータ収容室21に導入される。したがって、従来のファンのように、モータMを冷却するための追加部品が不要となり、加工、組み立て、バランス修正など、従来に比べて工数を削減することができる。また、部品点数の削減により、遠心圧縮機1の回転軸方向のサイズが小さくなり、軽量化およびコストダウンが実現される。
上記実施形態では、連通路33の一部が、スクロール流路9の径方向外方に位置する。これにより、後述のスクロール流路9の径方向内方に連通路33が設けられる場合に比べて、ディフューザ通路11およびスクロール流路9を流通する空気の主流に生じる影響を低減することができる。
図3は、第1変形例に係る遠心圧縮機100の概略断面図である。図4は、図3におけるIV-IV線断面図である。第1変形例の遠心圧縮機100は、上記の実施形態の遠心圧縮機1の連通路33に代えて、連通路53を備える。この第1変形例は、連通路53を備える点が上記実施形態と異なり、その他の基本構成は上記実施形態と同じである。したがって、ここでは、上記実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図3に示すように、ハウジング5(インペラハウジング5A)には、インペラ収容部7aと、インペラ収容部7aよりも径方向外方に位置するスクロール流路9とが設けられる。第1変形例の連通路53は、スクロール流路9よりも径方向内側に設けられる。より詳細には、連通路53は、軸方向延在部53aおよび径方向延在部53bを備える。軸方向延在部53aは、インペラ収容部7aとスクロール流路9との間に位置し、軸方向に延在する。軸方向延在部53aの一端は、モータ収容室21に開口する。
径方向延在部53bは、一端がインペラ収容部7aに開口し、他端が軸方向延在部53aに連続している。インペラ収容部7aにおける径方向延在部53bの開口は、インペラ3b(リーディングエッジLE)と吸入口7a1との間に位置している。つまり、連通路53は、モータ収容室21に一端が開口し、インペラ収容部7aのうちインペラ3bよりも上流側に他端が開口する。図3に示すように、連通路53は、その全体がスクロール流路9よりも径方向内側に位置している。
ハウジング5(インペラハウジング5A)には、インペラ収容部7aとスクロール流路9とを繋ぐディフューザ通路11が設けられる。ディフューザ通路11は、本体部7のうち、軸方向に対向する対向壁面11a、11bによって区画形成されている。ディフューザ通路11には、対向壁面11aから対向壁面11bまで延在する区画壁部55が設けられる。区画壁部55は、本体部7と一体成形され、軸方向に延在する。
図4に示すように、区画壁部55は、周方向に離隔して複数設けられる。ここでは、ディフューザ通路11に4つの区画壁部55が等間隔に配されている。区画壁部55は、シャフト3aの軸方向に直交する断面の形状が円形である。区画壁部55には、軸方向に貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔は、連通路53の一部を構成する。つまり、区画壁部55の内部には、連通路53の一部が形成されている。これにより、連通路53は、ディフューザ通路11と仕切られた状態で、ディフューザ通路11と交差する。
第1変形例の遠心圧縮機100によれば、スクロール流路9よりも径方向内側に連通路53が設けられる。したがって、ハウジング5の小型化が実現される。なお、区画壁部55(連通路53)の数は限定されるものではない。また、ディフューザ通路11における区画壁部55(連通路53)の位置は特に限定されない。ただし、ディフューザ通路11に導かれる空気は、スクロール流路9側、すなわちディフューザ通路11の径方向外方ほど流速が低下する。したがって、区画壁部55は、ディフューザ通路11のうちスクロール流路9側に設けた方が、主流の圧力損失を抑制することができる。
なお、第1変形例では、スクロール流路9よりも径方向内側に連通路53が設けられる例として、連通路53がディフューザ通路11と交差する場合について説明した。しかしながら、例えば、連通路53は、インペラ収容部7aのうち、インペラ3bの外周端とディフューザ通路11との間に設けられてもよい。
図5は、第2変形例を説明する図である。この第2変形例は、上記の区画壁部55に代えてベーン57が設けられる点、および、連通路53の数が第1変形例と異なる。したがって、ここでは、ベーン57の構成について説明し、上記第1変形例と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。ベーン57は、周方向に離隔して複数設けられる。ここでは、ディフューザ通路11に8つのベーン57が等間隔に配されている。ベーン57は、シャフト3aの軸方向に直交する断面の形状が略楕円形状である。
具体的には、ベーン57は、前面57aおよび背面57bを備える。前面57aおよび背面57bは湾曲している。ベーン57の前面57aおよび背面57bは、インペラ3bの径方向に対して傾斜している。隣り合うベーン57の間に形成される隙間は、径方向外側ほど広くなる。ベーン57には、軸方向に貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔は、連通路53の一部を構成する。つまり、ベーン57の内部には、連通路53の一部が形成されている。これにより、連通路53は、ディフューザ通路11と仕切られた状態で、ディフューザ通路11と交差する。ベーン57により、インペラ収容部7aからスクロール流路9に向かう空気の流れが整流され、主流の圧力損失が一層低減される。
図6は、第3変形例を説明する図である。第3変形例では、上記の実施形態の連通路33が、本体部7に形成されていない。インペラハウジング5Aは、本体部7から径方向に突出する複数の第1取付部7dを備える。第1取付部7dは、周方向に離隔して複数設けられている。上記のように、モータハウジング5Bには、第1取付部7dに対して軸方向に対向する複数の第2取付部15aが設けられている。第1取付部7dおよび第2取付部15aの貫通孔17に挿通される取付部材19により、インペラハウジング5Aおよびモータハウジング5Bが締結される。
ハウジング5(インペラハウジング5A)の外周には、円筒形状のカバー部材61が設けられる。カバー部材61の内周には、本体部7の第1取付部7dが接触している。回転方向に隣り合う第1取付部7dの間には、カバー部材61の内周面と、本体部7の外周面との間に空隙が形成される。第3変形例では、カバー部材61の内周面と、本体部7の外周面との間に形成される空隙が連通路63(軸方向延在部)として機能する。なお、詳しい説明は省略するが、本体部7には、連通路63を構成する径方向延在部が設けられる。この径方向延在部は、本体部7の外周面、すなわち、カバー部材61の内周面と、本体部7の外周面との間に形成される空隙に開口する。これにより、連通路63は、モータ収容室21に一端が開口し、インペラ収容部7aのうちインペラ3bよりも上流側に他端が開口する。
この第3変形例においても、上記実施形態と同様に、第1取付部7dが、スクロール流路9よりも径方向外方に位置している。そして、連通路63の一部は、回転方向に隣り合う第1取付部7dの間に位置することとなる。
以上、添付図面を参照しながら本開示の一実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
上記実施形態では、ハウジング5に連通路33が形成されるが、連通路は、例えば、ゴムホースのような可撓性の配管部材で構成されてもよい。この場合、例えば、ハウジング5の外周面に、モータ収容室21に連通する開口と、インペラ収容部7aに連通する開口とが形成される。そして、モータ収容室21およびインペラ収容部7aの開口に、配管部材が取り付けられる。この場合、連通路の流路幅が調整しやすい。ハウジング5に連通路33が形成される場合に比べて、製造が容易となり、製造コストを削減することができる。さらには、装置全体の軽量化も実現可能である。
上記実施形態では、回転機械の一例として、遠心圧縮機1について説明した。しかしながら、本開示の技術は、遠心圧縮機1に限らず、モータMを備える回転機械に広く適用可能である。
上記実施形態では、インペラ収容部7aを備えるインペラハウジング5Aと、モータ収容室21を備えるモータハウジング5Bによってハウジング5が構成される。しかしながら、インペラ収容部とモータ収容室とが1つのハウジングに形成されてもよい。
本開示は、回転機械に利用することができる。
1 遠心圧縮機
3a シャフト
3b インペラ
5 ハウジング
5A インペラハウジング
5B モータハウジング
7a インペラ収容部
7d 第1取付部
9 スクロール流路
11 ディフューザ通路
15a 第2取付部
21 モータ収容室
33、53、63 連通路
55 区画壁部
57 ベーン
M モータ

Claims (4)

  1. インペラが設けられるシャフトと、
    前記シャフトに設けられるモータと、
    前記インペラが収容されるインペラ収容部、および、前記インペラ収容部よりも前記インペラの径方向外方に位置するスクロール流路を有するインペラハウジングと、
    前記モータが収容されるモータ収容室を有するモータハウジングと、
    前記インペラハウジングに設けられ、前記スクロール流路よりも前記インペラの径方向外方に位置し、前記インペラの回転方向に離隔して設けられる複数の第1取付部と、
    前記モータハウジングに設けられ、前記第1取付部に対して前記シャフトの軸方向に対向する複数の第2取付部と、
    前記インペラハウジングおよび前記モータハウジングに設けられ、前記モータ収容室に一端が開口し、前記インペラ収容部のうち前記インペラよりも上流側に他端が開口し、一部が前記インペラの回転方向に隣り合う前記第1取付部の間に位置する連通路と、
    を備える回転機械。
  2. インペラが設けられるシャフトと、
    前記シャフトに設けられるモータと、
    前記インペラが収容されるインペラ収容部、前記インペラ収容部よりも前記インペラの径方向外方に位置するスクロール流路、および、前記モータが収容されるモータ収容室を有するハウジングと、
    前記ハウジングのうち前記スクロール流路よりも前記インペラの径方向内側に設けられ、前記モータ収容室に一端が開口し、前記インペラ収容部のうち前記インペラよりも上流側に他端が開口する連通路と、
    を備える回転機械。
  3. 前記ハウジングに設けられ、前記インペラ収容部と前記スクロール流路とを繋ぐディフューザ通路と、
    前記ディフューザ通路に設けられ、内部に前記連通路の一部が形成された区画壁部と、
    を備える請求項に記載の回転機械。
  4. 前記ハウジングに設けられ、前記インペラ収容部と前記スクロール流路とを繋ぐディフューザ通路と、
    前記ディフューザ通路に設けられ、前記連通路を構成する通路が内部に設けられるベーンと、
    を備える請求項に記載の回転機械。
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