JP7323844B2 - 低地球温暖化係数（ｇｗｐ）冷媒を使用する遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は概して、低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒を使用する遠心圧縮機に関する。より詳細には、本発明は、チラー回路において低地球温暖化係数（ＧＷＰ冷媒）を使用するために最適化されたインペラを有する遠心圧縮機に関する。

チラーシステムのための冷媒回路は、典型的には、冷凍サイクルの一部として冷媒を圧縮するための圧縮機を有する。圧縮機は、多くの場合、ラジアルコンプレッサまたはターボコンプレッサとも呼ばれる遠心圧縮機である。遠心圧縮機を有する冷却システムは、ときにターボチラーと呼ばれる。ターボチラーシステムにおいては、冷媒は遠心圧縮機において圧縮され、そして熱交換器に送られる。熱交換器では、冷媒と熱交換媒体（液体）との間で熱交換が行われる。この熱交換器は、冷媒がこの熱交換器において凝縮するため、凝縮器と呼ばれる。その結果、熱が冷媒から媒体（液体）に伝導し、したがって媒体が加熱される。凝縮器から出てくる冷媒は、膨張弁によって膨張し、そして、冷媒と熱交換媒体（液体）との間で熱交換が行われる他の熱交換器に送られる。この熱交換器は、冷媒がこの熱交換器において加熱される（蒸発する）ため、蒸発器と呼ばれる。その結果、熱が液体媒体（例えば上述の水）から冷媒へと伝導し、したがって液体が冷却される。その後、蒸発器からの冷媒は、遠心圧縮機に戻され、このサイクルが繰り返される。

従来の遠心圧縮機は基本的に、ケーシングと、（任意選択的な）インレットガイドベーンと、インペラと、ディフューザと、モータと、種々のセンサと、コントローラとを有する。冷媒は、インレットガイドベーン、インペラおよびディフューザを順に流れる。したがって、インレットガイドベーンがインペラのガス吸入口に連結され、そしてディフューザがインペラのガス排出口に連結される。インレットガイドベーンは、インペラ内への冷媒ガス（気体）の流量を制御する。インペラは、モータによって回転するシャフトに取り付けられる。コントローラは、モータ、インレットガイドベーンおよび膨張弁を制御する。モータがシャフトを回転させると、インペラはケーシング内で回転し、遠心圧縮機へと流れている冷媒気体の速度を増加させる。ディフューザは、インペラによって得られる冷媒気体の速度（動圧）を圧力（静圧）へと変換するよう機能する。こうして、従来の遠心圧縮機において冷媒は圧縮される。従来の遠心圧縮機は、一段または二段を有する場合がある。モータは、一以上のインペラを駆動する。

遠心圧縮機のインペラは、冷媒がインペラの吸入側（ガス吸入口）のインレットガイドベーンからインペラの排出側（ガス排出口）のディフューザへと流れるとき、冷媒を案内し加速させるブレードを有する。ブレードの形状を、個別の動作条件と冷媒回路において用いられる冷媒タイプとに応じて最適化しうる。チラーシステムのための遠心圧縮機において用いられるインペラのブレードは、典型的には、二次元（「２Ｄ」）形状である。すなわち、２Ｄインペラのブレード形状は、平面、円柱面または錐面によって定義されており、したがってハブからシュラウドにかけての断面においては線形になる。また、２Ｄインペラは、ブレードの形状が、平面、円柱面または錐面といった特定の形状の面で定義されるため、「ルールド（ruled）」とも呼ばれている。ブレードの形状に課されたこれらの定義または「ルール」のために、２Ｄブレードが適合できる個別の動作条件およびチラーシステムにおいて用いられる冷媒タイプには制約がある。

その形状がルールドではないインペラブレード、つまり、平面、円柱面または錐面といった単純な幾何学的形状によって定義されないインペラブレードは、完全三次元（「３Ｄ」）または完全非線形ブレードと呼ばれる。３Ｄインペラは、ガスタービンにおいて用いられており、例えば特許公報第５４８３０９６号（長尾）を例示できる。

一方、チラーシステムおよび他のＨＶＡＣ用途においては、冷媒の大気中への放出によって引き起こされる環境への影響を低減するために、いわゆる「低地球温暖化係数」（低ＧＷＰ）冷媒へと移行する傾向がある。ＧＷＰは、大気へ放出されたときの温室効果ガスの尺度であり、ＧＷＰが１として定義されるＣＯ_２を基準としている。したがって、ＧＷＰは、冷媒又は他の気体が、地球温暖化に寄与し得る温室効果ガスとして作用する可能性の尺度である。ＧＷＰ率（または「ＧＷＰ値」）が低いほど、冷媒が大気に放出されたときに温室効果ガスとして作用する可能性は低くなる。ＨＶＡＣ用途のための低ＧＷＰ冷媒の例には、Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１２３４ｚｅおよびＲ１２３４ｙｆが含まれる。Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１２３４ｚｅおよびＲ１２３４ｙｆのそれぞれ地球温暖化係数（ＧＷＰ）は、１０未満である。本願において、「低ＧＷＰ冷媒」を、ＧＷＰ値が１０未満である冷媒として定義する。

環境への冷媒材料の影響を低減するために、低地球温暖化係数（「低ＧＷＰ」）であるいくつかの新しい冷媒が、チラーシステムおよび他の冷却用途においてより広く用いられはじめている。ある場合には、既存の冷媒を新しい低ＧＷＰ冷媒に単に置き換えることが可能である。これが可能な場合、新しい冷媒は、古い冷媒の「ドロップイン代用品」ともときに呼ばれる。しかしながら、多くの場合、性能には相反関係がある。例えば、Ｒ１３４ａ（低ＧＷＰ冷媒であるとは考えられていない）の性能係数（ＣＯＰ）を１００、冷却能力（ＣＣ）を１００、と定義することができる。これらの値を、以下に記載する冷媒と比較するベースライン（１００％）値と考えることができる。この定義のもとでは、Ｒ１２３４ｙｆのＣＯＰは９７であり、ＣＣは９４である。Ｒ１２３４ｚｅのＣＯＰは１００であり、ＣＣは７５である。Ｒ１２３３ｚｄのＣＯＰは１０６であるが、ＣＣは２３にすぎない。ＣＯＰおよびＣＣの値は動作条件によって多少変化する場合があることは、本開示から当業者には明らかであろう。また、Ｒ１２３４冷媒は、塩素基（－Ｃｌ）がないのでオゾン破壊性がなく安定である。一方、Ｒ１２３３ｚｄは、オゾン破壊性が非常に低いが、Ｒ１２３４冷媒ほどには可燃性がない。Ｒ１２３３ｚｄの低いＣＣ値を補う一つの方法は、例えば、圧縮機のインペラをより速く回転させて冷却能力をより高めることである。

チョークとサージは、遠心圧縮機が適切な効率で動作することができる動作範囲を制限する要因である。遠心圧縮機におけるチョークとサージの発生にはいくつかの原因がある。チョークは、遠心圧縮機で可能な最大質量流量でまたはそれに近い質量流量で遠心圧縮機が動作する場合に生じる現象である。一方、サージは、遠心圧縮機で可能な最小質量流量でまたはそれに近い質量流量で遠心圧縮機が動作する場合に生じる現象である。遠心圧縮機がチョークまたはサージ条件を招くことなく動作できる動作範囲は、ブレードフロー流路内のフロー分離を最小化することにより広げることができることが分かっている。フロー分離の最小化によって、損失を最小化でき、効率を高めることができる。

このように、遠心圧縮機の効率および動作範囲を最適化するために、チラーシステムおよび他の冷却用途において新しい低ＧＷＰ冷媒を用いるために最適化された遠心圧縮機が必要とされている。既知の技術の状況に鑑み、本発明は、ＨＶＡＣ用途に低ＧＷＰ冷媒を用いるために最適化された、ルールドではない完全に非線形であるインペラを備える遠心圧縮機を提供することを目的とする。数値流体力学（ＣＦＤ）を用いることによって、発明者らは、設計点質量流量だけでなく、より高い質量流量（チョークに近い）およびより低い質量流量（サージに近い）における遠心圧縮機を通るフローをシミュレートした。これにより、遠心圧縮機を、設計点質量流量においてフロー分離をほぼゼロとし、より高い質量流量およびより低い質量流量におけるフロー分離を低減させて設計することができることが分かった。特に、フロー分離を最小化するための方法として、遠心圧縮機のスロート面積（つまりインペラ吸入口の最も狭い領域）の調整と、フロー分離が生じることが分かっている位置におけるブレード曲率の調整と、を用いる。ルールドではない完全に非線形であるインペラブレードを用いることにより、そのブレード曲率を、従来の２Ｄブレードより大きい自由度で調整することができる。具体的には、ハブ側ブレード角度デルタ、シュラウド側ブレード角度デルタ、ハブ側ラップ角度デルタおよびシュラウド側ラップ角度デルタといった特徴を調整できる。このように、インペラブレードの形状を、動作範囲および効率に関して個別の要求がある個別のチラーシステムまたは他のＨＶＡＣ用途において用いられる、特定の低ＧＷＰ冷媒に対して最適化することができる。

より具体的には、本開示の第一面では、ケーシングと、第一インペラと、モータと、を備える低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒を使用する遠心圧縮機を提供する。ケーシングは、第一吸入部と、第一排出部と、を有する。第一インペラは、第一吸入部と第一排出部との間に配置される。第一インペラは、回転軸回りに回転可能なシャフトの第一端部に取り付けられる。第一インペラは、疑似直交断面において完全に非線形である形状を有する複数の第一ブレードを有する。第一インペラのハブ部から第一ブレードのミッドスパン位置への第一ブレードのそれぞれのハブ側ブレード角度デルタは、流れ方向に沿って、第一ブレードの後縁よりも第一ブレードの前縁に近い位置でハブ側ブレード角度デルタが最大となるよう、変化する。モータは、第一インペラを回転させるため、シャフトを回転するよう、ケーシング内に配置される。低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒が、第一吸入部から第一インペラの軸方向に沿ってインペラに吸入され、第一インペラから第一インペラの径方向に第一排出部へと排出されるよう、ケーシングが構成されている。

本開示の第二面では、ケーシングと、第一インペラと、モータと、を備える低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒を使用する遠心圧縮機を提供する。ケーシングは、第一吸入部と、第一排出部と、を有する。第一インペラは、第一吸入部と第一排出部との間に配置される。第一インペラは、回転軸回りに回転可能なシャフトの第一端部に取り付けられる。第一インペラは、疑似直交断面において完全に非線形である形状を有する複数の第一ブレードを有する。第一インペラのハブ部から第一ブレードのミッドスパン位置への第一ブレードのそれぞれのハブ側ラップ角度デルタは、流れ方向に沿って、第一ブレードの後縁よりも第一ブレードの前縁に近い位置でハブ側ラップ角度デルタが最大となるよう、変化する。モータは、第一インペラを回転するためシャフトを回転するよう、ケーシング内に配置される。低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒が、第一吸入部から第一インペラの軸方向に沿ってインペラに吸入され、第一インペラから第一インペラの径方向に第一排出部へと排出されるよう、ケーシングが構成される。

本開示の第三面では、回転軸回りに回転可能なシャフトに取り付けられるインペラを有する遠心圧縮機を含むチラーシステム内の低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒を圧縮する工程を含む冷却方法を提供する。インペラは、疑似直交断面において非線形形状を有する複数のブレードを有する。インペラのハブ部からブレードのミッドスパン位置へのブレードのそれぞれのハブ側ブレード角度デルタは、流れ方向に沿って、ブレードの後縁よりもブレードの前縁に近い位置でハブ側ブレード角度デルタが最大となるよう、変化する。

これらおよび他の目的、特徴、態様、および利点は、添付の図面と組み合わせて、本発明の好ましい態様を開示する以下の説明から当業者に明らかとなろう。

当開示の一部をなす添付の図面を参照しながら以下に説明を行う。

図１は、本発明の一実施形態にかかる遠心圧縮機を有する二段冷却システム（エコノマイザーを有する）を示す概略図である。

図２は、説明の目的で一部を破断して断面で示したクローズ型完全非線形インペラを特徴として有する、第一実施態様かかる図１に示したチラーシステムの遠心圧縮機の斜視図である。

図３は、一部を切断して断面で示した本実施態様にかかる完全非線形インペラの斜視図である。

図４は、完全非線形インペラのブレードの二つの疑似直交断面を示す。

図５は、遠心圧縮機のためのインペラの従来の２Ｄブレードの二つの疑似直交断面を示す。

図６Ａは、本実施態様にかかる完全非線形インペラを示す、インペラの回転軸を含む断面図である。
図６Ｂは、本実施態様にかかる従来の２Ｄインペラを示す、インペラの回転軸を含む断面図である。

図７Ａは、完全非線形インペラの回転軸と平行な方向に沿って見た完全非線形インペラの側面図を示す。
図７Ｂは、シュラウドを取り外した、完全非線形インペラの回転軸と平行な方向に沿って見た完全非線形インペラの側面図を示す。

図８Ａは、従来の２Ｄインペラの回転軸と平行な方向に沿って見た従来の２Ｄインペラの側面図を示す。
図８Ｂは、シュラウドを取り外した、従来の２Ｄインペラの回転軸と平行な方向に沿って見た従来の２Ｄインペラの側面図を示す。

図９Ａ～図９Ｃは、完全非線形インペラの正のレーキ角度を示しており、図９Ａは、レーキ角度がゼロであるインペラの、回転軸に対して垂直な方向に沿って見た図である。
図９Ａ～図９Ｃは、完全非線形インペラの正のレーキ角度を示しており、図９Ｂは、レーキ角度が正である完全非線形インペラの、回転軸に対して垂直な方向に沿って見た図である。
図９Ａ～図９Ｃは、完全非線形インペラの正のレーキ角度を示しており、図９Ｃは、正のレーキ角度を説明する図である。

図１０は、回転軸に垂直な断面内にある完全非線形インペラの断面図である。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、メリジオナル面において長手方向に沿って見た二つの異なる断面における完全非線形ブレードの曲率を示す。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、メリジオナル面において長手方向に沿って見た二つの異なる断面における完全非線形ブレードの曲率を示す。

図１２は、ブレード角度の概念を示す。

図１３は、ラップ角度の概念を示す。

図１４は、ハブからミッドスパンまでの領域において前縁から後縁へとブレード角度デルタがどのように変化するかを示している。

図１５は、ミッドスパンからシュラウドまでの領域において前縁から後縁へとブレード角度デルタがどのように変化するかを示している。

図１６は、ハブからミッドスパンまでの領域において前縁から後縁へとラップ角度デルタがどのように変化するかを示している。

図１７は、ミッドスパンからシュラウドまでの領域において前縁から後縁へとラップ角度デルタがどのように変化するかを示している。

選択的な実施形態を、図面を参照して説明する。以下の本発明にかかる実施形態の説明は単なる例示であって、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義される本発明を限定するものではないことは、本開示から、当業者には明らかであろう。

本発明にかかる遠心圧縮機１０は、循環（ループ）冷媒サイクル（冷媒回路）において低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒を使用するように構成され、特にＨＶＡＣ用途において使用するために構成される。例示の実施態様において、遠心圧縮機１０は、図１に示す冷却（チラー）システムＣＳにおいて用いられる。本実施態様の遠心圧縮機１０は、二段圧縮機である。したがって、図１に示す冷却システムＣＳは二段チラーシステムである。遠心圧縮機１０は、ケーシング１２と、第一インペラ１４（第一インペラ）と、モータ１６とを有する。以下でより詳細に説明する通り、第一段インペラ１４は、疑似直交断面図において完全に非線形である形状を有する複数の第一ブレード（翼状刃）１８を有する。

次に図１を再び参照して、冷却システムＣＳの構成要素を簡単に説明する。冷却システムＣＳは、基本的に、低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒を収容するループ冷却回路を形成するよう互いに直列に接続される、チラーコントローラ２０と、遠心圧縮機１０と、凝縮器２２と、膨張弁またはオリフィス２４と、エコノマイザ２６と、膨張弁またはオリフィス２８と、蒸発器３０と、を有する。冷却システムＣＳを制御するために、種々のセンサ（図示せず）が冷却システムＣＳの回路全体にわたって配置される。センサおよび冷却システムＣＳを制御するためのセンサからの情報の使用は、ここでは詳細には説明／および例示しない。冷却システムＣＳの通常動作の説明は、遠心圧縮機１０の構造と動作に関連することを除いて、簡略化のために省略していることは本開示から当業者には明らかであろう。さらに、冷却システムＣＳのエコノマイザ２６は任意選択的であることは、本開示から当業者には明らかであろう。

例示の冷却システムＣＳの冷却方法は、低地球温暖化係数（「低ＧＷＰ」）冷媒（例えばＲ１２３３ｚｄ、Ｒ１２３４ｚｅ、Ｒ１２３４ｙｆ）を圧縮機１０内で圧縮する工程を含む。そして、圧縮冷媒は、熱が冷媒から媒体（本実施態様においては水）に伝導される凝縮器２２へと送出される。そして、凝縮器２２において冷却された冷媒は、膨張弁２８によって膨張し、蒸発器３０へと送出される。蒸発器３０において、冷媒は、媒体（本実施態様においては水）から熱を吸収し、媒体を冷却する。このように、冷却が行われる。その後、冷媒は遠心圧縮機１０に戻されて、このサイクルが繰り返される。

図１は、本発明にかかる遠心圧縮機１０を用いることができる冷却システムＣＳの一例を単に例示している。遠心圧縮機１０は、二段圧縮機である。なお、遠心圧縮機１０は三つ以上のインペラ（図示せず）を有することもでき、または一段圧縮機とすることもできる。したがって、二段遠心圧縮機１０は、一段圧縮機のすべての部分（パーツ）を有しているだけではなく、追加的な部分（パーツ）をも有している。このことから、二段圧縮に関係する部分（パーツ）および二段圧縮に関係する変形（例えばハウジング形状、シャフト端部形状など）を除いて、二段遠心圧縮機１０の説明および例示は一段圧縮機にも適用されることは本開示から当業者には明らかであろう。これらの点を考慮して、そして簡略化のために、二段圧縮機１０のみをここでは詳細に説明／例示する。

次に図２～図１１を参照して、例示の実施態様にかかる遠心圧縮機１０をより詳細に説明する。上述の通り、本実施形態においては、コンプレッサ１０は二段遠心圧縮機である。遠心圧縮機１０のケーシング１２は、第一段インペラ１４とモータ１６とを収容する。ケーシング１２は、また、第二段インペラ３２（第二インペラ）を収容する。本実施態様においては、第一段インペラ１４および第二段インペラ３２はシュラウドＳを有するクローズインペラであるが、第一段インペラ１４および第二段インペラ３２を開放型（オープンタイプ）インペラとすることもできる。図２に示す通り、モータ１６は、第一段インペラ１４と第二段インペラ３２との間に配置される。ケーシング１２は、低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒を第一段インペラ１４に向かう方向と離れる方向とにそれぞれ案内する、第一吸入部３４と第一排出部３６とを有する。つまり、低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒が、第一吸入部３４から第一段インペラ１４の軸方向に沿って第一インペラ１４に吸入され、第一段インペラ１４から第一インペラ１４の径方向に第一排出部３６へと排出されるよう、ケーシング３０が構成される。第一段インペラ１４は、第一吸入部３４と第一排出部３６との間に配置される。

同様に、ケーシング１２は、冷媒を第二段インペラ３２に向かう方向と離れる方向とにそれぞれ案内する、第二吸入部３８と第二排出部４０とを有する。つまり、低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒が、第二吸入部３８から第二段インペラ３２の軸方向に沿って第二段インペラ３２に吸入され、そして第二段インペラ３２から第二インペラ３２の径方向に第二排出部４０へと排出されるよう、ケーシング１２が構成される。第二段インペラ３２は、第二吸入部３８と第二排出部４０との間に配置される。第二段インペラ３２は、疑似直交断面において完全に非線形である形状を有する複数の第二ブレード４２を有する。

本実施態様において、二段の遠心圧縮機は、ハブが互いに向かい合い、シュラウド（吸入側）が外側に面するよう第一段インペラと第二段インペラとが配置される、いわゆる「背中合わせ（背面と背面とを合わせた姿勢）」タイプの二段遠心圧縮機である。なお、本発明は、背中合わせ配置のインペラに限定されない。例えば、特許請求の発明を、インペラが同じ方向に向いている、つまり、一方のインペラのシュラウドすなわち吸入側が他方のインペラのハブの背面に面する直列（インライン）配置の二段遠心圧縮機に適用することもできる。さらに、特許請求の発明を、三つ以上のインペラをインライン配置する遠心圧縮機に適用することもできる。

ケーシング１２は、さらに、第一段インペラ１４と第二段インペラ３２との間で軸方向に配置されてモータ１６を囲繞するよう構成されるモータ収容部４４を有する。例示の実施態様において、モータ収容部４４は、略円筒形状であり、モータ収容部４４の内部にモータ３８のステータ４６を固定するよう支持する。ステータ４６に加えて、例示の実施態様のモータ１６は、また、ロータリシャフト５０の中央部に装着されるロータ４８を有する。第一段インペラ１６は、回転するシャフト５０の第一端部に取り付けられる。また、第二インペラ３２は、ロータリシャフト５０の第二端部に取り付けられる。ロータリシャフト５０は回転軸Ｘ回りに回転可能である。第一段インペラ１４と第二段インペラ３２とを回転するために、モータ１６はロータリシャフト５０を回転するようケーシング１２内に配置される。

例示の実施態様において、遠心圧縮機１０はさらに、第一吸入部３４と第一段インペラ１４との間に配置される第一段インレットガイドベーン５２と、第一段インペラ１４と第一排出部３６との間に配置される第一ディフューザ／渦形室５４と、を有する。同様に、遠心圧縮機１０は、第二吸入部３８と第二段インペラ３２との間に配置される第二段インレットガイドベーン５６と、第二段インペラ３２と第二排出部４０との間に配置される第二ディフューザ／渦形室５８と、を有する。第一ステージおよび第二ステージは、例示の実施態様においては、インレットガイドベーン５２，５６を有しているが、インレットガイドベーンは任意選択的であり、特許請求の発明は、インレットガイドベーンを有する遠心圧縮機に限定されない。

また、例示の実施態様の遠心圧縮機１０は単一のモータ１６と単一のロータリシャフト５０を有しており、第一段インペラ１４と第二段インペラ３２との両方がロータリシャフト５０に取り付けられているが、本発明を、遠心圧縮機の第一段側および第二段側のそれぞれに対して個別のモータと個別のシャフトとを有する遠心圧縮機に適用することもできる。また、先に記載した通り、本発明を単段圧縮機に適用することもできる。

図２に示す通り、ケーシング１２は、さらに、モータ収容部４４の第一端部に接合するとともに第一段インペラ１４を囲繞する第一端部６０を有する。また、ケーシング１２は、モータ収容部４４の第二端部に接合するとともに第二段インペラ３２を囲繞する第二端部６２を有する。第一端部６０は、第一段インペラ１４の吸入側（軸方向外側）の第一段インペラ１４の直ぐ近傍に配置される第一シュラウドカバー部６４を有する。例示の実施態様において、第一シュラウドカバー部６４は、第一段インペラ１４の吸入側の輪郭に略対応する曲面形状を有する。同様に、第二端部６２は、第二段インペラ３２の吸入側（軸方向外側）の第二段インペラ３２の直ぐ近傍に配置される第二シュラウドカバー部６６を有する。例示の実施態様において、第二シュラウドカバー部６６は、第二段インペラ３２の吸入側の輪郭に略対応する曲面形状を有する。

例示の実施態様の遠心圧縮機１０のロータリシャフト５０は、ケーシング１２に固定して支持される磁気軸受アッセンブリ６８に支持される。磁気軸受アッセンブリ６８は、第一ラジアル磁気軸受７０と、第二ラジアル磁気軸受７２と、アキシャル磁気軸受７４とを有する。アキシャル磁気軸受７４は、スラストディスク７６に作用することにより、ロータリシャフト５０を回転軸Ｘに沿って支持する。アキシャル磁気軸受７４は、ロータリシャフト５０に取り付けられるスラストディスク７６を有する。スラストディスク７６は、回転軸Ｘに垂直な方向にロータリシャフト５０から径方向に延設されており、ロータリシャフト５０に対して固定されている。磁気軸受は、ロータリシャフトを空中に浮揚させるよう磁力を用いるベアリングであり、これにより、ロータリシャフトは非常に低い摩擦で回転できる。ここでは磁気軸受を記載したが、他のタイプや他の形式のベアリングを本発明にかかる遠心圧縮機１０に用いることができることは、本開示から当業者には明らかであろう。

次に図３～図１１を参照して、第一段インペラ１４の形状を説明する。本実施形態においては、第二段インペラ３２も同様の形状を有する。したがって、第二段インペラ３２の詳細な説明は簡略化のため省略する。

先に記載した通り、遠心圧縮機１０の第一段インペラ１４は、形状が疑似直交断面図において完全に非線形である複数の第一ブレード１８を有する。疑似直交断面図は、第一段インペラ１４のメリジオナル面（子午面）と交差する断面内にある図である。メリジオナル面は、円筒座標系のＺ軸が第一段インペラ１４の回転軸Ｘと一致するよう配置された円筒座標系において一定の極角によって定義される平面である。第一ブレード１８は平坦ではないので、一の第一ブレード１８のメリジオナル図（メリジオナル・ビュウ）を、メリジオナル面への第一ブレード１８の射影として定義する。疑似直交断面（クオシオーソゴナル・クロスセクション）は、メリジオナル面に対して垂直でありかつ第一ブレード１８を通る平面内にある部分（セクション）である。例えば、図４における断面（クロスセクション）Ａ－Ａおよび断面（クロスセクション）Ｂ－Ｂを参照されたい。

本実施態様において、図３および図６Ａに示す通り、第一段インペラ１４は、ハブ部Ｈとシュラウド部Ｓとを有するクローズインペラである。複数の第一ブレード１８は、ハブ部Ｈとシュラウド部Ｓとの間に配置される。第一段インペラ１４においては、疑似直交図（クオシオーソゴナル・ビュウ）は、ハブ部Ｈとシュラウド部Ｓと間の曲線の規格化長さにわたって同様な点を接続することにより定義される。図４に示す通り、第一段ブレード１４の疑似直交断面形状は、疑似直交断面Ａ－Ａおよび疑似直交断面Ｂ－Ｂのそれぞれにおいて完全に非線形である。本実施態様においては、第１段ブレード１４のすべての疑似直交断面は非線形形状である。さらに、本実施態様においては、疑似直交断面図における非線形形状の曲率は、ハブ部からシュラウド部へと疑似直交断面図の長さに沿って変化する。特定の設計パラメータによっては、疑似直交断面の断面形状は、曲率方向が変わる変曲点を有する、略Ｃ字状またはＳ字状とすることもできる。完全非線形第１段ブレード１４は、それらの形状が、平面、円柱面、また錐面のような面によって定義されず、個別の設計要求に応じてより自由に変化するので、疑似直交断面において非線形である。

また、図６Ａに示す通り、回転軸Ｘを含む切断平面内にある第一段インペラ１４の断面図において、第一ブレード１８の断面形状は非線形である。さらに、図７Ａおよび図７Ｂに示す通り、第一段インペラ１４の吸入側（つまり、第一段インレットガイドベーン５２に面している側）を回転軸Ｘと平行な方向に沿って見たとき、第一ブレード１８のそれぞれの前縁１８ａは非線形形状である。

図１０に示す通り、本実施態様においては、回転軸に垂直な平面内にある断面図において、第一ブレード１４は非線形形状である。また、本実施態様においては、第一ブレードの軸方向長に沿った回転軸に垂直な平面内にあるすべての任意の断面図において、第一ブレード１４は非線形形状であり、そして、メリジオナル面と交差するすべての任意の疑似直交断面図において、第一ブレード１４は非線形形状である。さらに、本実施態様において、図１１Ａおよび図１１Ｂに示す通り、メリジオナル面において第一ブレード１８を通る長手方向で切断した断面において、第一ブレード１８は非線形断面形状を有する。

対照的に、従来の２Ｄインペラ１００においては、図５に示す疑似直交断面Ｃ－Ｃおよび疑似直交断面Ｄ－Ｄで示す通り、従来の２Ｄインペラ１００のブレード１０２のすべての疑似直交断面は完全に直線形状である。また、図６Ｂに示す通り、回転軸を含む切断平面内にある２Ｄインペラ１００の断面図において、２Ｄブレード１０２の断面形状は直線状である。２Ｄブレードはハブとシュラウドとの間にブレードの厚さの変化のために先細りの形状を有する（テーパ状である）場合もあるが、その断面形状は２Ｄブレードのこれらの断面において線形である。さらに、図８Ａおよび図８Ｂに示す通り、回転軸と平行な方向に沿って見た２Ｄインペラの吸入側の側面図において、２Ｄインペラ１００のブレード１０２の前縁１０２ａは直線状である。２Ｄブレード１０２は、ブレード１０２の形状が平面、円柱面または錐面といった特定の形状の面で定義されるルールドブレードであるので、２Ｄブレード１０２には線形性がある。

本実施形態においては、第一段インペラ１４は鋳造によって形成される。完全非線形状ブレードの複雑な形状のために、従来の切断・機械加工技術を用いた完全非線形状ブレードの製造は難易度が高くなる。本実施態様において、第一ブレード１８の完全非線形設計を正確に再現するために、第一段インペラ１４の第一ブレード１８は、鋳造により形成される。しかしながら、第一段インペラの製造方法は鋳造に限定されない。他の製造方法を用いることもできる。例えば、三次元プリントを用いることもできる。

第一ブレード１８および／または第二ブレード４２のそれぞれのハブ側ブレード角度デルタが、流れ方向において（つまりインペラの吸入口からインペラの排出口へのブレード長さ方向において）、ブレードの後縁よりも前縁に近い位置において最大となる（つまりピークを有する）場合に、低ＧＷＰ冷媒を用いる際に望ましい結果が得られることが分かった。より具体的には、３Ｄインペラブレードのブレード角度は、流れ方向における位置と、ハブからシュラウドへのスパンにわたる位置と、の両方に対して変化する。本願において、「ブレード角度デルタ」を、スパン方向における所定範囲の位置における最大ブレード角度と最小ブレード角度との間に差として定義する。したがって、例えば、ハブからミッドスパンまでの範囲の位置のブレード角度デルタは、流れ方向における任意の位置に対して決定でき、また、ミッドスパンからシュラウドまでの範囲の位置のブレード角度デルタは、流れ方向における任意の位置に対して決定できる。本願において、前者を「ハブ側ブレード角度デルタ」と呼び、後者を「シュラウド側ブレード角度デルタ」と呼ぶ。

こうして、ブレードのそれぞれのハブ側ブレード角度デルタは、前縁に近い位置において最大となる（つまりピークを有する）よう、より好ましくは流れ方向においてブレード長さの１０％から４０％の範囲にある位置において最大となるよう、第一ブレード１８および／または第二ブレード４２を構成することが好ましいことが分かった。ここでは、インペラブレードの前縁を０％と定義し、インペラブレードの後縁を１００％と定義する。また、ハブ側ブレード角度デルタは、ハブ側ブレード角度デルタが最大となる位置において１０～３０度の範囲内にあるときに、優れた性能が得られることが分かった。図１４を参照されたい。

同様に、ブレードのそれぞれのシュラウド側ブレード角度デルタは、前縁に近い位置において最大となる（つまりピークを有する）よう、より好ましくは流れ方向においてブレード長さの１０％から４０％の範囲にある位置において最大となるよう、第一ブレード１８および／または第二ブレード４２を構成することが好ましいことが分かった。ここでは、インペラブレードの前縁を０％と定義し、インペラブレードの後縁を１００％と定義する。また、シュラウド側ブレード角度デルタは、シュラウド側ブレード角度デルタが最大となる位置において、６～１４度の範囲内にあるときに、優れた性能が得られることが分かった。また、シュラウド側ブレード角度デルタは、好ましくは、前縁より後縁に近い位置に第二ピーク値があり、より好ましくは、流れ方向においてブレード長さの７０％から１００％の範囲にある位置に第二ピーク値がある。さらに、シュラウド側ブレード角度デルタが、シュラウド側ブレード角度デルタの第二ピークの位置において、２～８度の範囲内にあるときに、優れた性能が得られることが分かった。図１５を参照されたい。

次に、ブレード角度を、図１２を参照して説明する。図１２は、インペラの回転軸に対して垂直な平面内における断面である。ブレード角度は、式ｔａｎβ＝ｒｄθ／ｄｍによって定義できる。ここで、βはブレード角度であり、ｒは極座標におけるブレードに沿った特定の位置の半径であり、θはそり曲線（キャンバーライン）の接線座標であり、ｍはメリジオナル距離である。ブレード角度βは、メリジオナル面におけるブレードの翼弦（コード）の接面と、回転軸に垂直な平面と、の角度である。図１２においては、ブレード角度βは、翼弦（コード）に接する直線と、メリジオナル面の射影に対応する直線と、の間の角度と見なすことができる。３Ｄブレードにおいては、上で説明した通り、ブレード角度βは、流れ方向における位置と、ハブからシュラウドへのスパンにわたる位置と、の両方に対して変化する。

ブレードのそれぞれのハブ側ラップ角度デルタがブレードの後縁よりも前縁に近い位置において最大となる（つまりピークを有する）ことが好ましいことが分かった。図１６を参照されたい。より好ましくは、ピークのハブ側ラップ角度デルタは、流れ方向においてブレード長さの０から４０％の間に配置される。また、好ましくは、ハブ側ラップ角度デルタは、ハブ側ラップ角度デルタが最大となる位置において、２～１１度の間である。ここで、ラップ角度は、３Ｄインペラの軸方向に沿って見たときの、ハブとシュラウドとの間のブレードの角度の広がりである。図１３における角度θｗを参照されたい。本実施態様において、第一ブレード１８のそれぞれの後縁１８ｂは正のレーキ角度θを有する。図９Ａ～図９Ｃに示す通り、正のレーキ角度とは、第一ブレード１８の後縁１８ｂが、ハブ部Ｈからシュラウド部Ｓに向かって第一段インペラ１４の回転方向に傾斜していることを意味する。すなわち、図９Ｃに示す通り、後縁１８ｂがシュラウドＳに接合する部分が、後縁１８ｂがハブＨに接合する部分に対して第一段インペラ１４の回転方向にオフセットされ、回転軸Ｘから後縁１８ｂがシュラウドＳに接合する部分までの径方向線が、回転軸Ｘから後縁１８ｂがハブＨに接合する部分までの径方向線との間にレーキ角度θをなしている場合には、正のレーキ角度が存在する。このオフセットは「スタッキング」とも呼ばれる。二次的なフローを抑制し、インペラから出ていくフローをより均一化できるという点で、正のレーキ角度には利点があることが分かった。したがって、完全非線形のブレード形状と正のレーキ角度を組み合わせることによって、本実施態様の第一段インペラ１４は、高いレベルの性能を達成することができる。例えば、ＨＶＡＣ用途において低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒とともに使用する場合に、広い動作範囲と高い効率を達成できる。
＜用語の概括的な説明＞

本発明の範囲の理解において、ここで用いられる用語「備える」およびその派生語は、記載された特徴、要素、コンポーネント、群、構成要素、および／またはステップが有ることを明記しているオープンエンドの用語を意味するのであって、記載されていない特徴、要素、コンポーネント、群、構成要素、および／またはステップが有ることを排除するものではない。上記は、用語「有する」、「含む」およびそれらの派生語など同様の意味を持つ語にも当てはまる。また、単数形的に用いられる用語「部分(パート／パーツ)」、「区域」、「部／部分（ポーション）」、「部材」あるいは「要素」は、単一のパートあるいは複数のパーツの２つの意味を持ちうる。

コンポーネント、装置の区域あるいは部分を説明するためにここで用いられる語「構成される」は、所望の機能を実現するように構築される（コンストラクトされる）かつ／またはプログラムされる、ハードウェアおよび／またはソフトウェアを含む。

ここでは、「ほぼ」、「およそ」、「約」といった程度を示す用語は、最終結果が大きく変わらないような、妥当な変形の条件の変更量を意味するものとして用いる。

本発明の説明のために実施例が選択されたに過ぎず、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱することがない範囲で、種々の変更、変形ができることは、本開示から当業者には明らかであろう。互いと直接的に連結あるいは接触するよう示した構成要素は、それらの間に中間構造体を有することができる。一つの要素の機能は二つによって達成することができ、またその逆の場合も同様である。一の態様の構造および機能を他の態様に適用することもできる。すべての利点が必ずしも同時に特定の態様にもたらされる必要はない。先行技術から区別されるそれぞれの特徴は、それ単独として、あるいは他の特徴と組み合わせとして、そのような特徴により実施される構造的あるいは機能的思想を含む出願人によるさらなる発明の内容として付帯的に考慮されるものとする。このように、前述の本発明にかかる実施例の説明は単なる例示であって、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって決められる本発明を限定するものではないことは、本開示から当業者には明らかであろう。

ここで用いられる、「垂直方向」、「上」、「下」、「上側」、「下側」、「高い」、「低い」、「上方」、「下方」、「上向き」、「下向き」、「最上部」、「底部」、「側面図」および「平面図」同じく他の同様な方向を示す用語は、構成要素またはシステム全体が設置された状態における方向を示す。したがって、遠心圧縮機、インペラおよび冷却システムのための冷却回路を説明するために用いる方向を示すこれらの用語は、一般的に設置された状態における冷却システムに対して相対的な意味で解釈される。

また、ここで用いる語「低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒」は、チラーシステムの冷媒回路において使用するに適しておりＣＯ_２気体を基準とする地球の温暖化に寄与する可能性が低いあらゆる冷媒または冷媒の混合物をいう。本願では、冷媒Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１２３４ｚｅおよびＲ１２３４ｆｙを、低ＧＷＰ冷媒の例として挙げている。なお、冷却分野における通常の知識を有する者には、本発明がこれらの冷媒に限定されないことは理解されよう。

また、語「第一」および「第二」を種々のコンポーネントを説明するためにここで用いたが、これらのコンポーネントはこれらの語によって限定されないことは理解されよう。これらの語は、一のコンポーネントを他のものと区別するために単に用いられる。したがって、例えば、本発明の教示から逸脱することなく、上で説明した第一コンポーネントを第二コンポーネントと呼ぶことも、またその逆もできる。ここで用いる語「取り付けられる」または「取り付ける」には、ある要素を他の要素に取り付けることによりある要素を他の要素に直接的に付ける構成と、ある要素を他の要素に取り付ける代わりに一または複数の中間部材に取り付けることである要素を他の要素に間接的に付ける構成と、ある要素を他の要素と一体である、つまり、ある要素が本質的に他の要素の一部である構成と、が含まれる。この定義は、また、例えば、「接合」「接続」「連結」「装着」「接着」「固定」またそれらの派生語など同様の意味を持つ語にも当てはまる。

Claims (20)

1. 第一吸入部と第一排出部とを有するケーシングと、
   前記第一吸入部と前記第一排出部との間に配置され、回転軸回りに回転可能なシャフトの第一端部に取り付けられる第一インペラであって、前記第一インペラは、疑似直交断面において完全に非線形である形状を有する複数の第一ブレードを有しており、前記第一インペラのハブ部から前記第一ブレードのミッドスパン位置への前記第一ブレードのそれぞれのハブ側ブレード角度デルタは、流れ方向に沿って、前記第一ブレードの後縁よりも前記第一ブレードの前縁に近い位置で前記ハブ側ブレード角度デルタが最大となるよう、変化している第一インペラと、
   前記第一インペラを回転させるため前記シャフトを回転するよう、前記ケーシング内に配置されるモータと、
   を備える、低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒を使用する遠心圧縮機であって、
   低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒が、前記第一吸入部から前記第一インペラの軸方向に沿って前記第一インペラに吸入され、前記第一インペラから前記第一インペラの径方向に前記第一排出部へと排出されるよう、前記ケーシングが構成されている、
   遠心圧縮機。
2. 前記ハブ側ブレード角度デルタが最大となる前記位置は、前記前縁を０％、前記後縁を１００％と定義したとき、前記流れ方向における前記第一ブレードのブレード長さの１０％から４０％の範囲にある、
   請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記ハブ側ブレード角度デルタは、前記ハブ側ブレード角度デルタが最大となる前記位置において、１０～３０度の範囲内にある、
   請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記ハブ部から前記ミッドスパン位置への前記第一ブレードのそれぞれのハブ側ラップ角度デルタは、流れ方向に沿って、前記後縁よりも前記前縁に近い位置で前記ハブ側ラップ角度デルタが最大となるよう変化している、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
5. 前記第一インペラの前記吸入側を前記回転軸と平行な方向に沿って見たとき、前記第一ブレードのそれぞれの前記前縁は非線形形状を有する、
   請求項４に記載の遠心圧縮機。
6. 前記第一インペラは、前記ハブ部とシュラウド部とを有するクローズインペラであり、
   前記第一ブレードは前記ハブ部と前記シュラウド部との間に配置されており、
   前記ミッドスパン位置から前記シュラウド部への前記第一ブレードのそれぞれのシュラウド側ブレード角度デルタは、前記流れ方向に沿って、前記第一ブレードの前記後縁よりも前記第一ブレードの前記前縁に近い位置で前記シュラウド側ブレード角度デルタが最大となるよう、変化している、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
7. 前記シュラウド側ブレード角度デルタは、前記前縁よりも前記後縁の近くに位置する第二ピークを有しており、
   前記第二ピークは前記最大シュラウド側ブレード角度デルタより小さい、
   請求項６に記載の遠心圧縮機。
8. 前記シュラウド側ブレード角度デルタが最大となる前記位置は、前記前縁を０％、前記後縁を１００％と定義したとき、前記流れ方向における前記第一ブレードのブレード長さの１０％から４０％の範囲に位置する、
   請求項６または７に記載の遠心圧縮機。
9. 前記シュラウド側ブレード角度デルタは、前記シュラウド側ブレード角度デルタが最大となる前記位置において、６～１４度の範囲内にある、
   請求項６～８のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
10. 前記ミッドスパン位置から前記シュラウド部への前記第一ブレードのそれぞれのシュラウド側ラップ角度デルタは、流れ方向に沿って、前記後縁よりも前記前縁に近い位置で前記シュラウド側ラップ角度デルタが最大となるよう、変化している、
    請求項６～９のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
11. 前記第一ブレードのそれぞれの後縁は正のレーキ角度を有する、
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
12. 前記シャフトに取り付けられる第二インペラを更に備え、
    前記第二インペラは、前記ケーシングの第二吸入部と第二排出部との間に配置されており、
    前記第二インペラは、疑似直交断面において非線形形状を有する複数の第二ブレードを有しており、
    前記第二インペラのハブ部から前記第二ブレードのミッドスパン位置への前記第二ブレードのそれぞれのハブ側ブレード角度デルタは、流れ方向に沿って、前記第二ブレードの後縁よりも前記第二ブレードの前縁に近い位置で前記ハブ側ブレード角度デルタが最大となるよう、変化している、
    請求項１～１１のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
13. 前記第一インペラの背面と前記第二インペラの背面とを合わせた姿勢で配置されており、前記モータが前記第一インペラと前記第二インペラとの間に配置されている、
    請求項１２に記載の遠心圧縮機。
14. 第一吸入部と第一排出部とを有するケーシングと、
    前記第一吸入部と前記第一排出部との間に配置され、回転軸回りに回転可能なシャフトの第一端部に取り付けられる第一インペラであって、前記第一インペラは疑似直交断面において完全に非線形である形状を有する複数の第一ブレードを有しており、前記第一インペラのハブ部から前記第一ブレードのミッドスパン位置への前記第一ブレードのそれぞれのハブ側ラップ角度デルタは、流れ方向に沿って、前記第一ブレードの後縁よりも前記第一ブレードの前縁に近い位置で前記ハブ側ラップ角度デルタが最大となるよう、変化している第一インペラと、
    前記第一インペラを回転させるため前記シャフトを回転するよう、前記ケーシング内に配置されるモータと、
    を備える低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒を使用する遠心圧縮機であって、
    低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒が、前記第一吸入部から前記第一インペラの軸方向に沿って前記第一インペラに吸入され、前記第一インペラから前記第一インペラの径方向に前記第一排出部へと排出されるよう、前記ケーシングが構成されている、
    遠心圧縮機。
15. 前記ハブ側ラップ角度デルタが最大となる前記位置は、前記前縁を０％、前記後縁を１００％と定義したとき、前記流れ方向における前記第一ブレードのブレード長さの１０％から４０％の範囲にある、
    請求項１４に記載の遠心圧縮機。
16. 前記ハブ側ラップ角度デルタは、前記ハブ側ラップ角度デルタが最大となる前記位置において、２～１１度の範囲内にある、
    請求項１４または１５に記載の遠心圧縮機。
17. 回転軸回りに回転可能なシャフトに取り付けられるインペラを有する遠心圧縮機を含むチラーシステム内で低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒を圧縮する工程を含む冷却方法であって、
    前記インペラは、疑似直交断面において非線形形状を有する複数のブレードを有しており、前記インペラのハブ部から前記ブレードのミッドスパン位置への前記ブレードのそれぞれのハブ側ブレード角度デルタは、流れ方向に沿って、前記ブレードの後縁よりも前記ブレードの前縁に近い位置で前記ハブ側ブレード角度デルタが最大となるよう、変化している方法。
18. 前記インペラは、ハブ部とシュラウド部とを有するクローズインペラであり、
    前記ブレードは、前記ハブ部と前記シュラウド部との間に配置されている、
    請求項１７に記載の方法。
19. 前記疑似直交断面における前記非線形形状の曲率は、前記疑似直交断面の長さに沿って前記ハブ部から前記シュラウド部へと変化する、
    請求項１８に記載の方法。
20. 請求項１～１６のいずれかに記載の圧縮機と、
    凝縮器と、
    膨張弁と、
    蒸発器と、
    循環路を形成するよう前記圧縮機と前記凝縮器と前記膨張弁と前記蒸発器とを接続する配管と、を備える冷媒回路であって、
    前記冷媒回路は、低地球温暖化係数（ＧＷＰ）冷媒を収容している、
    冷媒回路。

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