JP7375698B2

JP7375698B2 - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP7375698B2
Application number: JP2020123640A
Authority: JP
Inventors: 亮楳山; 芳之中根
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2023-11-08
Anticipated expiration: 2040-07-20
Also published as: KR20220011086A; JP2022020249A; DE102021117650A1; CN113958536B; CN113958536A; US20220018364A1; US11415153B2

Description

この発明は、遠心圧縮機に関する。

例えば、特開２０１８－１６８７０７号公報には、インペラを備える遠心圧縮機が開示されている。この遠心圧縮機におけるインペラは、外周面及び背面を有するハブと、複数の翼と、を有している。ハブには、外周面と背面とを連通させる貫通孔が形成されている。この貫通孔の形成により、インペラの慣性モーメントと、インペラに作用するスラスト荷重と、が低減されている。

特開２０１８－１６８７０７号公報

特開２０１８－１６８７０７号公報に記載される遠心圧縮機では、ハブの外周面に沿って吐出側に向かう気流の一部が貫通孔を通じてインペラの背面側に向かう場合や、インペラが形成する気流の吐出側（ディフューザ等）からインペラの背面とリアハウジングとの隙間及び貫通孔を通じてインペラの外周面に戻る気流が形成される場合がある。この場合、性能（圧力比）が低下したり、インペラの駆動に必要な動力が増大したりする。

本発明の目的は、インペラの慣性モーメント及びインペラに作用するスラスト荷重の低減と、圧力比の低下の抑制と、の双方を達成可能な遠心圧縮機を提供することである。

この発明の一局面に従った遠心圧縮機は、回転軸と、前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、前記回転軸及び前記インペラを収容するケーシングと、を備える遠心圧縮機であって、前記インペラは、前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する形状を有する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有するハブと、前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を有し、前記ケーシングは、前記ハブの前記背面と対向する対向面と、前記対向面から前記インペラに向かって突出する突出部と、を有し、前記ハブには、前記回転軸の径方向において前記突出部と重なり、前記回転軸の軸芯を中心に円環状に延び、前記突出部を収容する収容空間が形成され、前記収容空間は、前記背面から前記外周面に向けて貫通する貫通孔を備え、前記貫通孔は前記ブレードを避けて開口する。

この発明によれば、インペラの慣性モーメント及びインペラに作用するスラスト荷重の低減と、圧力比の低下の抑制と、の双方を達成可能な遠心圧縮機を提供することができる。

本発明の一実施形態の遠心圧縮機の構成を概略的に示す図である。インペラの斜視図である。図２とは異なる角度におけるインペラの斜視図である。インペラ及びリアハウジングの断面を概略的に示す図である。リアハウジングの変形例を概略的に示す断面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、本発明の一実施形態の遠心圧縮機の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、遠心圧縮機１は、インペラ１００と、タービンホイール２００と、回転軸３１０と、モータ３２０と、軸受け３３０と、ケーシング４００と、を備えている。

回転軸３１０は、インペラ１００とタービンホイール２００とを接続している。この回転軸３１０は、モータ３２０により回転駆動される。回転軸３１０は、軸受け３３０で受けられている。なお、モータ３２０は、ロータと、ステータ（図示略）と、を有している。

ケーシング４００は、インペラ１００、タービンホイール２００、回転軸３１０、モータ３２０及び軸受け３３０を収容している。ケーシング４００は、コンプレッサハウジング４１０と、タービンハウジング４２０と、センターハウジング４３０と、を有している。

コンプレッサハウジング４１０は、インペラ１００を収容している。コンプレッサハウジング４１０は、吸込み口４１１と、吐出部４１２と、を有している。コンプレッサハウジング４１０内におけるインペラ１００の吐出側には、ディフューザ（図示略）が設けられている。

タービンハウジング４２０は、タービンホイール２００を収容している。タービンハウジング４２０は、吸込み部４２１と、排出口４２２と、を有している。

センターハウジング４３０は、コンプレッサハウジング４１０とタービンハウジング４２０との間に配置されている。センターハウジング４３０は、モータ３２０と軸受け３３０とを収容している。

センターハウジング４３０は、リアハウジング４４０を有している。すなわち、ケーシング４００は、リアハウジング４４０を備えている。リアハウジング４４０は、インペラ１００の背面側に配置されている。リアハウジング４４０は、インペラ１００と軸受け３３０との間に設けられている。リアハウジング４４０の詳細については、後述する。

インペラ１００は、吸込み口４１１から吸い込まれたガス（例えば空気）を吐出部４１２から吐出させる。インペラ１００は、回転軸３１０に固定されており、軸芯Ａまわりに回転軸３１０と一体回転する。図２及び図３に示されるように、インペラ１００は、ハブ１１０と、複数のブレード１２０と、を備えている。

ハブ１１０は、回転軸３１０に固定されており、軸芯Ａまわりに回転可能である。本実施形態では、軸芯Ａは、回転軸３１０の回転中心軸に相当する。ハブ１１０は、外周面１１２と、背面１１８と、を有している。

外周面１１２は、回転軸３１０（回転中心軸）の一方側（図１における上側）から他方側（図１における下側）に向かうにしたがって次第に拡径する形状を有している。換言すれば、外周面１１２は、吸込み側の端部から吐出側の端部に向かうにしたがって次第に当該外周面１１２の外径が大きくなる形状を有している。外周面１１２は、前記一方側から前記他方側に向かうにしたがって回転軸３１０に近づく向きに凸となるように湾曲する形状を有している。

背面１１８は、軸芯Ａと直交している。背面１１８は、前記他方側（吐出側）に形成されている。背面１１８は、平坦に形成されている。

ハブ１１０には、回転軸３１０の軸芯Ａを中心に円環状に延びる収容空間１１０Ｓが形成されている。収容空間１１０Ｓには、背面１１８から外周面１１２に向けてハブ１１０を貫通する貫通孔ｈが形成されている。貫通孔ｈは、軸芯Ａと平行な方向にハブ１１０を貫通している。貫通孔ｈは、ハブ１１０の外縁部の近傍に形成されることが好ましい。貫通孔ｈは、後述するブレード１２０を避けて開口している。

ハブ１１０の外周面１１２は、内側外周面１１４と、外側外周面１１６と、を有している。

内側外周面１１４は、ハブ１１０の径方向における貫通孔ｈの内側に位置する外周面である。

外側外周面１１６は、径方向における貫通孔ｈの外側に位置する外周面である。本実施形態では、外側外周面１１６は、円環状（リング状）に形成されている。外側外周面１１６の背面１１８は、内側外周面１１４の背面１１８と面一である。

各ブレード１２０は、ハブ１１０の外周面１１２に設けられている。各ブレード１２０は、内側外周面１１４から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。各ブレード１２０は、内側外周面１１４と外側外周面１１６とを繋いでいる。複数のブレード１２０は、複数の第１ブレード１２０Ａと、複数の第２ブレード１２０Ｂと、を有している。

第１ブレード１２０Ａは、内側外周面１１４のうち前記一方側の端部の近傍から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。

第２ブレード１２０Ｂは、内側外周面１１４のうち径方向における中央部から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。

図２～図４に示されるように、各ブレード１２０は、ブレード本体１２２と、内側接続部１２４と、外側接続部１２６と、を有している。

ブレード本体１２２は、内側外周面１１４から外側外周面１１６に至るように延びる形状を有している。ブレード本体１２２は、内側外周面１１４と外側外周面１１６とを繋いでいる。ブレード本体１２２は、ハブ１１０の回転方向に向けて傾倒している。

内側接続部１２４は、ハブ１１０における収容空間１１０Ｓを規定する側面のうち軸芯Ａに近い側の部位１１０ａとブレード本体１２２との境界部に設けられている。内側接続部１２４は、背面１１８から離間するにしたがって軸芯Ａに近づく向きに凸となるように湾曲する形状を有している。

外側接続部１２６は、ハブ１１０における収容空間１１０Ｓを規定する側面のうち軸芯Ａから遠い側の部位１１０ｂとブレード本体１２２との境界部に設けられている。外側接続部１２６は、背面１１８から離間するにしたがって軸芯Ａから離間する向きに凸となるように湾曲する形状を有している。

ここで、リアハウジング４４０について説明する。図４に示されるように、リアハウジング４４０は、対向面４４２と、突出部４４４と、逆流抑制部４４６と、漏れ抑制部４４８と、を有している。

対向面４４２は、インペラ１００の背面１１８と対向している。対向面４４２は、平坦に形成されている。

突出部４４４は、対向面４４２からインペラ１００に向かって突出する形状を有するとともに、収容空間１１０Ｓ内に配置されている。すなわち、突出部４４４は、回転軸３１０の径方向において収容空間１１０Ｓと重なっており、収容空間１１０Ｓに収容されている。突出部４４４は、収容空間１１０Ｓ内の全域にわたって連続的につながる円環状に形成されている。突出部４４４は、対向面４４２に対して直交している。突出部４４４の先端部４４４ａは、径方向における外側（図４における右側）に向かうにしたがって対向面４４２に近づく形状を有している。この先端部４４４ａは、ブレード本体１２２のうち軸芯Ａと平行な方向（図４における上下方向）に先端部４４４ａと対向する部位（内側接続部１２４と外側接続部１２６との間の部位）に倣う形状に形成されてもよい。

逆流抑制部４４６は、インペラ１００が形成する気流の吐出側から、ハブ１１０の背面１１８と対向面４４２との隙間と、ハブ１１０の径方向における突出部４４４の外側面と前記部位１１０ｂとの隙間と、を通じてハブ１１０の外周面１１２に戻る気流が形成されるのを抑制する。本実施形態では、逆流抑制部４４６は、径方向における突出部４４４の外側面に接続されている。

逆流抑制部４４６は、突出部４４４の突出方向（図４における上向き）に沿って間隔を置いて並ぶように配置された複数の逆流抑制要素４４６ａを有している。各逆流抑制要素４４６ａは、ハブ１１０の周方向に沿って延びる形状を有している。各逆流抑制要素４４６ａは、突出部４４４の周方向に沿って当該突出部４４４の全周にわたって連続的につながる円環状に形成されている。

漏れ抑制部４４８は、ハブ１１０の径方向における突出部４４４の内側面と前記部位１１０ａとの隙間を通じてハブ１１０の背面１１８に向かう気流が形成されるのを抑制する。本実施形態では、漏れ抑制部４４８は、径方向における突出部４４４の内側面に接続されている。

漏れ抑制部４４８は、突出部４４４の突出方向に沿って間隔を置いて並ぶように配置された複数の漏れ抑制要素４４８ａを有している。各漏れ抑制要素４４８ａは、ハブ１１０の周方向に沿って延びる形状を有している。各漏れ抑制要素４４８ａは、突出部４４４の周方向に沿って当該突出部４４４の全周にわたって連続的につながる円環状に形成されている。

以上に説明したように、本実施形態の遠心圧縮機１では、インペラ１００の収容空間１１０Ｓ内に突出部４４４が配置されているため、ハブ１１０の外周面１１２に沿って吐出側に向かう気流の一部が貫通孔ｈを通じてハブ１１０の背面１１８側に向かうことや、インペラ１００が形成する気流の吐出側（ディフューザ等）からハブ１１０の背面１１８と対向面４４２との隙間及び貫通孔ｈを通じてハブ１１０の外周面１１２に戻る気流が形成されることが抑制される。よって、この遠心圧縮機１では、インペラ１００の慣性モーメント及びインペラ１００に作用するスラスト荷重の低減と、圧力比の低下の抑制と、の双方が達成される。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、突出部４４４は、環状につながる形状ではなく、ハブ１１０の周方向に沿って間隔を置いて形成されてもよい。

また、全てのブレード１２０は、互いに同じ形状に形成されてもよい。

また、図５に示されるように、突出部４４４の先端部４４４ａは、対向面４４２に向けて窪む形状を有していてもよい。また、逆流抑制部４４６は、対向面４４２のうち軸芯Ａと平行な方向に外側外周面１１６と重なる部位に設けられてもよい。また、漏れ抑制部４４８は、対向面４４２のうち軸芯Ａと平行な方向に内側外周面１１４と重なる部位に設けられてもよい。

［態様］
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

この開示の一局面に従った遠心圧縮機は、回転軸と、前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、前記回転軸及び前記インペラを収容するケーシングと、を備える遠心圧縮機であって、前記インペラは、前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する形状を有する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有するハブと、前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を有し、前記ケーシングは、前記ハブの前記背面と対向する対向面と、前記対向面から前記インペラに向かって突出する突出部と、を有し、前記ハブには、前記回転軸の径方向において前記突出部と重なり、前記回転軸の軸芯を中心に円環状に延び、前記突出部を収容する収容空間が形成され、前記収容空間は、前記背面から前記外周面に向けて前記ハブを貫通する貫通孔を備え、前記貫通孔は前記ブレードを避けて開口する。

この遠心圧縮機では、インペラの収容空間内に突出部が配置されているため、ハブの外周面に沿って吐出側に向かう気流の一部が貫通孔を通じてハブの背面側に向かうことや、インペラが形成する気流の吐出側（ディフューザ等）からハブの背面とリアハウジングとの隙間及び貫通孔を通じてハブの外周面に戻る気流が形成されることが抑制される。よって、この遠心圧縮機では、インペラの慣性モーメント及びインペラに作用するスラスト荷重の低減と、圧力比の低下の抑制と、の双方が達成される。

また、前記突出部は、前記収容空間内の全域にわたって連続的につながる円環状に形成されていることが好ましい。

このようにすれば、圧力比の低下がより確実に抑制される。

また、前記ケーシングは、前記インペラの背面側に配置されるリアハウジングを備え、前記リアハウジングは、前記インペラが形成する気流の吐出側から前記ハブの前記背面と前記対向面との隙間及び前記ハブの径方向における前記突出部の外側面と前記ハブとの隙間を通じて前記ハブの前記外周面に戻る気流が形成されるのを抑制する逆流抑制部をさらに有することが好ましい。

この場合において、前記逆流抑制部は、前記ハブの前記径方向における前記突出部の前記外側面に接続されていることが好ましい。

また、前記逆流抑制部は、前記突出部の突出方向に沿って間隔を置いて並ぶように配置された複数の逆流抑制要素を有し、各前記逆流抑制要素は、前記ハブの周方向に沿って延びる形状を有することが好ましい。

また、前記ケーシングは、前記インペラの背面側に配置されるリアハウジングを備え、前記リアハウジングは、前記ハブの径方向における前記突出部の内側面と前記ハブとの隙間を通じて前記ハブの前記背面に向かう気流が形成されるのを抑制する漏れ抑制部をさらに有することが好ましい。

この場合において、前記漏れ抑制部は、前記ハブの前記径方向における前記突出部の前記内側面に接続されていることが好ましい。

また、前記漏れ抑制部は、前記突出部の突出方向に沿って間隔を置いて並ぶように配置された複数の漏れ抑制要素を有し、各前記漏れ抑制要素は、前記ハブの周方向に沿って延びる形状を有することが好ましい。

また、前記突出部の先端部は、前記対向面に向けて窪む形状を有することが好ましい。

１遠心圧縮機、１００インペラ、１１０ハブ、１１０Ｓ収容空間、１１２外周面、１１４内側外周面、１１６外側外周面、１１８背面、１２０ブレード、１２２ブレード本体、１２４内側接続部、１２６外側接続部、２００タービンホイール、３１０回転軸、３２０モータ、３３０軸受け、４００ケーシング、４１０コンプレッサハウジング、４２０タービンハウジング、４３０センターハウジング、４４０リアハウジング、４４２対向面、４４４突出部、４４４ａ先端部、４４６逆流抑制部、４４６ａ逆流抑制要素、４４８漏れ抑制部、４４８ａ漏れ抑制要素、Ａ軸芯、ｈ貫通孔。

Claims

回転軸と、
前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、
前記回転軸及び前記インペラを収容するケーシングと、を備える遠心圧縮機であって、
前記インペラは、
前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する形状を有する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有するハブと、
前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を有し、
前記ケーシングは、
前記ハブの前記背面と対向する対向面と、
前記対向面から前記インペラに向かって突出する突出部と、を有し、
前記ハブには、前記回転軸の径方向において前記突出部と重なり、前記回転軸の軸芯を中心に円環状に延び、前記突出部を収容する収容空間が形成され、
前記収容空間は、前記背面から前記外周面に向けて前記ハブを貫通する貫通孔を備え、
前記貫通孔は、前記ブレードを避けて開口しており、
前記突出部は、前記背面よりも前記外周面側に向かって突出することによって前記収容空間内に配置されている、遠心圧縮機。
前記突出部は、前記収容空間内の全域にわたって連続的につながる円環状に形成されている、請求項１に記載の遠心圧縮機。
回転軸と、
前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、
前記回転軸及び前記インペラを収容するケーシングと、を備える遠心圧縮機であって、
前記インペラは、
前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する形状を有する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有するハブと、
前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を有し、
前記ケーシングは、
前記ハブの前記背面と対向する対向面と、
前記対向面から前記インペラに向かって突出する突出部と、を有し、
前記ハブには、前記回転軸の径方向において前記突出部と重なり、前記回転軸の軸芯を中心に円環状に延び、前記突出部を収容する収容空間が形成され、
前記収容空間は、前記背面から前記外周面に向けて前記ハブを貫通する貫通孔を備え、
前記貫通孔は、前記ブレードを避けて開口しており、
前記ケーシングは前記インペラの背面側に配置されるリアハウジングを備え、前記リアハウジングは、前記インペラが形成する気流の吐出側から前記ハブの前記背面と前記対向面との隙間及び前記ハブの径方向における前記突出部の外側面と前記ハブとの隙間を通じて前記ハブの前記外周面に戻る気流が形成されるのを抑制する逆流抑制部をさらに有する、遠心圧縮機。
前記逆流抑制部は、前記ハブの前記径方向における前記突出部の前記外側面に接続されている、請求項３に記載の遠心圧縮機。
前記逆流抑制部は、前記突出部の突出方向に沿って間隔を置いて並ぶように配置された複数の逆流抑制要素を有し、
各前記逆流抑制要素は、前記ハブの周方向に沿って延びる形状を有する、請求項４に記載の遠心圧縮機。
回転軸と、
前記回転軸に固定されており前記回転軸と一体回転するインペラと、
前記回転軸及び前記インペラを収容するケーシングと、を備える遠心圧縮機であって、
前記インペラは、
前記回転軸の一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径する形状を有する外周面と、前記他方側に形成された背面と、を有するハブと、
前記ハブの前記外周面に設けられた複数のブレードと、を有し、
前記ケーシングは、
前記ハブの前記背面と対向する対向面と、
前記対向面から前記インペラに向かって突出する突出部と、を有し、
前記ハブには、前記回転軸の径方向において前記突出部と重なり、前記回転軸の軸芯を中心に円環状に延び、前記突出部を収容する収容空間が形成され、
前記収容空間は、前記背面から前記外周面に向けて前記ハブを貫通する貫通孔を備え、
前記貫通孔は、前記ブレードを避けて開口しており、
前記ケーシングは前記インペラの背面側に配置されるリアハウジングを備え、前記リアハウジングは、前記ハブの径方向における前記突出部の内側面と前記ハブとの隙間を通じて前記ハブの前記背面に向かう気流が形成されるのを抑制する漏れ抑制部をさらに有する、遠心圧縮機。
前記漏れ抑制部は、前記ハブの前記径方向における前記突出部の前記内側面に接続されている、請求項６に記載の遠心圧縮機。
前記漏れ抑制部は、前記突出部の突出方向に沿って間隔を置いて並ぶように配置された複数の漏れ抑制要素を有し、
各前記漏れ抑制要素は、前記ハブの周方向に沿って延びる形状を有する、請求項７に記載の遠心圧縮機。
前記突出部の先端部は、前記対向面に向けて窪む形状を有する、請求項１から８のいずれかに記載の遠心圧縮機。