JPH073238B2 - 渦流形ターボ機械 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、渦流形の真空ポンプ、圧縮機及びタービン
等、羽根車の回転により流体に螺旋運動を与え、この角
運動エネルギを圧力に変換する渦流形ターボ機械の改良
に関するものである。

（従来の技術） 従来より、この種の渦流形ターボ機械としては、例え
ば、実開昭56−76188号公報に開示されているように、
多数の羽根を有する羽根車をハウジング内に回転可能に
配置し、上記羽根車を駆動モータの駆動によって回転さ
せ、流体をハウジングの吸込口より該ハウジング内の主
流路に吸い込み、該主流路内において流体を主流路の軸
方向に螺旋運動させながら移送しつつ圧縮し、吐出口よ
りハウジング外に吐出させるようにしたものが知られて
いる。

この渦流形ターボ機械における羽根車は、第10図に示す
ように、ハブ（ａ）の外周面（ｂ）に多数の羽根（ｃ）
が放射状に延設されて成り、該羽根（ｃ）がハウジング
（ｄ）内の主流路（ｅ）に臨んでいる。そして、上記羽
根（ｃ）は、ハブ（ａ）の前面から後端外周面に亘って
扇状に形成されており、流体は羽根前縁（ｆ）の根元よ
り該羽根（ｃ）に流入し、ハブ外周面（ｂ）の円弧面に
倣って流れ、羽根後縁（ｇ）である外周より流出して再
び羽根前縁（ｆ）の根元より流入することになり、該動
作を繰り返して螺旋運動することになる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述した渦流形ターボ機械において、上
記主流路（ｅ）内には羽根車の羽根（ｃ）を単に臨まし
ているにすぎないため、流体が主流路（ｅ）内でスムー
ズな螺旋運動を行い難く、高角運動エネルギを得ること
ができず、圧力比が低いという問題があった。

そこで、上記主流路（ｅ）内に環状ガイド部材を設け、
流体が該ガイド部材の周囲に沿って螺旋運動するように
することが考えられる。しかしながら、上記ガイド部材
を単に設けるのみでは、ガイド部材の周面で乱流が生じ
たり、更には、流体圧力が出口側で高くなるにも拘ら
ず、圧力状態に対応した主流路（ｅ）の横断面形状が得
ることができないなどの問題がある。その結果、流体が
充分にスムーズな螺旋運動を行わないことになり、圧力
比の上昇が不十分である。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたもので、環状ガイ
ド部材を滑らかな略半長円形断面とし、且つ吐出口に向
って細くすることにより、流体がスムーズな螺旋運動を
して高圧力比を得ることを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明が講じた手段は、第
１図〜第３図に示すように、先ず、流体の吸込口（61）
及び吐出口（62）が開設されると共に、流体の主流路
（24）を形成する中空環状部（23）を有するハウジング
（２）が形成されている。更に、該ハウジング（２）内
には、上記主流路（24）に臨む複数枚の羽根（32），
（32），…が形成されていて、上記吸込口（61）より主
流路（24）に流入した流体を螺旋状に移送しつつ圧縮し
て上記吐出口（62）よりハウジング（２）外に吐出させ
る羽根車（３）が収納されると共に、上記主流路（24）
の略中心軸上には、流体の螺旋移動をガイドする環状ガ
イド部材（４）が配設されて成る渦流形ターボ機械を対
象としている。

そして、上記環状ガイド部材（４）は吸込口（61）側か
ら吐出口（62）側に向って横断面積が漸次縮減するよう
に形成されると共に、該環状ガイド部材（４）は断面形
状において上記羽根（32）の先端に近接して少なくとも
幅長さが羽根（32）の弦長に対応した平坦な内周側面
（4a）とほぼＵ字状の外周側面（4b）とによって略半長
円形に形成されている。加えて、上記内周側面（4a）と
外周側面（4b）とは円弧状の隅角部（4c），（4c）を介
して接続され、該隅角部（4c），（4c）は羽根車（３）
の外径（Ｄ）に対する隅角部（4c）の曲率半径（Ｒ）の
比率（R/D）がほぼ0.02以上になるように設定された構
成としている。

（作用） 上記の構成により、本発明では、羽根車（３）を回転す
ると、流体は吸込口（61）より主流路（24）に吸込ま
れ、該主流路（24）内において、羽根（32）の前縁より
該羽根（32）に流入し、後縁より流出して主流路（24）
内を回転し、再び羽根（32）に流入することになる。そ
して、流体は環状ガイド部材（４）に沿って螺旋運動
し、上記羽根（32）により角運動エネルギを得て回転し
つつ主流路（24）の軸方向に流れ、この螺旋運動により
圧縮されて吐出口（62）よりハウジング（２）外に吐出
される。

（発明の効果） 従って、本発明の渦流形ターボ機械によれば、環状カイ
ド部材（４）を主流路（24）に設けたために、流体がス
ムーズに螺旋運動することになるので、圧縮比を向上さ
せることができる。更に、上記ガイド部材（４）の内周
側面（4a）と外周側面（4b）とを所定の曲率半径を有す
る隅角部（4c），（4c）で接続したため、流体がガイド
部材（４）の周面に沿って乱流等を生起することなくス
ムーズに流れることになるので、螺旋運動をよりスムー
ズに促進させることができ、より圧縮効率を向上させる
ことができる。また、上記ガイド部材（４）の横断面積
を吐出口（62）側で小さくしたために、流体が圧縮され
るに従って主流路（24）の断面積が大きくなり、流体の
流れが円滑になり、更に圧縮効率を向上させることがで
きる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図及び第２図に示すように、（１）は渦流形ターボ
機械としての圧縮ポンプであって、気体等の各種流体を
螺旋状に移送しつつ圧縮して吐出するようにしている。

該圧縮ポンプ（１）はハウジング（２）内に羽根車
（３）が収納されて構成されており、該ハウジング
（２）は、第１図において左右に分割された第１ハウジ
ング部材（21）と第２ハウジング部材（22）とを一体的
に組合わせて形成されている。そして、該両ハウジング
部材（21），（22）は、上記羽根車（３）の両端面を覆
うディスク部（21a），（22a）と、該ディスク部（21
a），（22a）の外周縁に連続形成され、半円弧状の環状
凹部を有する半トーラス部（21b），（22b）とより成
り、該両半トーラス部（21b），（22b）で中空環状部
（23）を形成しており、該中央環状部（23）内が流体の
主流路（24）に構成されている。

上記中空環状部（23）内の主流路（24）には、流体の流
れを案内する環状ガイド部材（４）が配設されると共
に、中空環状部（23）の内周面からガイド部材（４）の
外周面に亘る所定幅のストリッパ部材（５）が設けられ
ていて、上記ガイド部材（４）を支持すると共に、上記
主流路（24）を高圧側と低圧側とに区画している。そし
て、該ストリッパ部材（５）の内周部には上記羽根車
（３）が通る案内路（51）が刳設されており、該ストリ
ッパ部材（５）の一側方（第２図において右側）には第
１ハウジング部材（21）の半トーラス部（21b）に流体
の吸入口（61）が、他側方（第２図において左側）には
第２ハウジング部材（22）の半トーラス部（22b）に流
体の吐出口（62）がそれぞれ開設されていて、該吸込口
（61）から導入された流体と吐出口（62）から吐出され
る流体とがストリッパ部材（５）で合流しないように構
成されている。

更に、上記羽根車（３）は、円板状のハブ（31）の外周
面（31a）に複数枚の羽根（32）が放射状に延設されて
構成されている。該ハブ（31）の両端面は上記両ハウジ
ング部材（21），（22）のディスク部（21a），（22a）
が近接して覆われており、該ハブ（31）の中央部に駆動
軸（７）が連結されている。該駆動軸（７）は上記主流
路（24）及びガイド部材（４）と同心上に位置し、上記
第２ハウジング部材（22）のディスク部（22a）を貫通
し、図示しないが、外端にモータが連結されており、該
モータの駆動により羽根車（３）が回転するように成っ
ている。また、上記ハブ外周面（31a）は、駆動軸
（７）と同心上の円筒面に形成され、上記主流路（24）
外周面の一部を構成している。

上記羽根車（３）の羽根（32）は、第３図に示すよう
に、上記ハブ外周面（31a）より遠心方向に突出して上
記主流路（24）内に臨んでおり、上記ハブ（31）の両端
面に亘って形成されると共に、例えば、所定の反りを有
する翼形翼に形成されている。更に、上記羽根（32）は
前縁（32a），後縁（32b）及び先端（32c）が直線状に
形成されて正面視矩形状に形成され、流体が羽根前縁
（32a）から後縁（32b）に通り抜けると、上記ハブ（3
1）の前面から後面に通り抜けるように成っており、該
羽根（32）の通過時の流れがほぼ軸流流れになり、この
羽根（32）通過時に角運動エネルギが流体に与えられる
ように構成されている。

一方、上記環状ガイド部材（４）は、第４図及び第５図
にも示すように、主流路（24）のほぼ中心軸上に設けら
れており、真直な内周側面（4a）と略Ｕ字状の外周側面
（4b）とによって横断面略半長円形に形成されている。
該内周側面（4a）は上記羽根車（３）の羽根先端（32
c）が近接し、該羽根先端（32c）に倣って横断面におい
て直線状に形成されると共に、幅長さが羽根（32）の弦
長と同一に形成されている。そして、上記内周側面（4
a）の両端は円弧状の隅角部（4c），（4c）を介して上
記外周側面（4b）が接続されており、該隅角部（4c）は
曲率半径（Ｒ）が4mmになるように設定されている。つ
まり、上記隅角部（4c）は羽根車（３）の外径（Ｄ）に
対応して設定され、この羽根車の外径（Ｄ）に対する曲
率半径（Ｒ）の比率（R/D）が0.02以上に設定されてお
り、本実施例では羽根車外径（Ｄ）が150mmであるの
で、隅角部（4c）の曲率半径（Ｒ）が上述の如く3mmよ
りやや大きく設定されている。

更に、上記ガイド部材（４）は横断面積が吸込口（61）
側から吐出口（62）側に向って漸次縮減するように形成
されている。具体的には、第５図（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ）に示すように、短径方向長さ（4Y）が16
mm及び外周側面（4b）の曲率半径（4R）が8mmに設定さ
れると共に、隅角部（4c），（4c）を含めて全周に亘っ
て一定形状に形成される一方、長径方向長さ（4X）は長
円形における長径長さの半分の長さで吸込口（61）側よ
り90度宛進むに従って22mm、20mm,15mm,14mmになるよう
に形成されている。

また、上記ガイド部材（４）の外周側面（4b）には主流
路（24）の軸方向に複数個の支持片（41），（41），…
が所定間隔を存して突設され、該支持片（41），（4
1），…の外端部が上記中空環状部（23）に嵌合され
て、上記ガイド部材（４）が支持されると共に、該ガイ
ド部材（４）と中空環状部（23）との間が主流路（24）
に成っている。

第６図は内周側面（4a′）の幅長さが羽根（32）の弦長
より大きくしたものであり、つまり、短径方向長さを大
きくしたもので、隅角部（4c），（4c）を初めその他の
構成は第５図に示すものと同様である。

次に、この圧縮ポンプ（１）の圧縮動作について説明す
る。

先ず、モータを駆動して駆動軸（７）を回転すると、羽
根車（３）がハウジング（２）内で回転し、各羽根（3
2），（32），…が主流路（24）内を回転移動すること
になる。一方、流体は吸込口（61）よりハウジング
（２）内の主流路（24）に吸込まれ、羽根前後（32a）
より該羽根（32）に流入し、後縁（32b）より流出する
ことになり、この羽根（32）によって流体に角運動エネ
ルギが与えられ、流体はガイド部材（４）の回りを回転
し、再び羽根（32）に流入することになる。そして、流
体は上記回転を繰り返しつつ主流路（24）の軸方向に移
送され、螺旋運動して圧縮され、吐出口（62）よりハウ
ジング（２）に吐出されることになる。

特に、上記ガイド部材（４）は、隅角部（4c）が曲率半
径（Ｒ）を4mmとした円弧状に形成されると共に、横断
面積が吐出口（62）に向って小さくなうようにしてお
り、流体がスムーズに螺旋運動を行うことになる。すな
わち、第７図及び第８図は第３図及び第６図に対応して
隅角部（4d）を鋭利なエッジ状に形成したものであり、
この場合、流体が隅角部（4d）を通り抜けると、第７図
及び第８図（Ａ）に、内周面（4a），（4a′）又は外周
面（4b）において乱流等が生起することになる。この乱
流等により流体の渦流流れが阻害されることになるの
で、上述の如く隅角部（4c）を円弧状に形成している。

そして、第９図は羽根車外径（Ｄ）に対する隅角部（4
c）の曲率半径（Ｒ）の比率（R/D）と締切点での圧力比
（△ｐ）との関係を示しており、この圧力比（△Ｐ）は
比率（R/D）が0.02近傍になると、急激に上昇すること
になり、つまり、乱流等が生じることがなくなり、流体
がスムーズに流れることになる。そこで、本実施例では
曲率半径4mmの隅角部（4c）を形成している。

従って、上記環状ガイド部材（４）を主流路（24）に設
けているので、流体がスムーズに螺旋運動するこにな
り、圧縮比を向上させることができる。更に、上記ガイ
ド部材（４）の内周側面（4a）と外周側面（4b）とを所
定の曲率半径を有する隅角部（4c），（4c）で接続した
ために、流体がガイド部材（４）の周面に沿って乱流等
を生起することなくスムーズに流れることになるので、
螺旋運動をよりスムーズに促進させることができ、より
圧縮効率を向上させることができる。また、上記ガイド
部材（４）の横断面積を吐出口（62）側で小さくしたた
めに、流体が圧縮されるに従って主流路（24）の断面積
が大きくなり、流体の流れが円滑になり、更に圧縮効率
を向上させることができる。

尚、本実施例は圧縮ポンプ（１）について説明したが、
本発明はタービンなど各種の渦流形ターボ機械に適用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第９図は本発明の実施例を示し、第１図は圧縮
ポンプの縦断面図、第２図は第１図II−II線における断
面図である。第３図は主流路の拡大断面図、第４図は環
状ガイド部材の平面図、第５図（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ）はそれぞれ第４図ａ−ａ線、ｂ−ｂ線、
ｃ−ｃ線及びｄ−ｄ線における横断面図、第６図は他の
環状ガイド部材を示す主流路の拡大断面図である。第７
図及び第８図は第３図及び第６図のガイド部材を説明す
るための主流路の拡大断面図、第９図は羽根車外径と隅
角部の曲率半径との比率に対する圧力比の特性図であ
る。第10図は従来の渦流形ターボ機械を示す要部の断面
図である。 （１）……圧縮ポンプ、（２）……ハウジング、（３）
……羽根車、（４）……環状ガイド部材、（4a），（4
a′）……内周側面、（4b）……外周側路面、（4c）…
…隅角部、（５）……ストリッパ部材、（23）……中央
環状部、（24）……主流路、（32）……羽根、（32c）
……先端、（61）……吸込口、（62）……吐出口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭49−41914（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−306297（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−166696（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体の吸込口（61）及び吐出口（62）が開
   設されると共に、流体の主流路（24）を形成する中空環
   状部（23）を有するハウジング（２）と、 該ハウジング（２）内に収納されると共に、上記主流路
   （24）に臨む複数枚の羽根（32），（32），…が形成さ
   れていて、上記吸込口（61）より主流路（24）に流入し
   た流体を螺旋状に移送しつつ圧縮して上記吐出口（62）
   よりハウジング（２）外に吐出される羽根車（３）と、 上記主流路（24）の略中心軸上に配設されていて、流体
   の螺旋移動をガイドする環状ガイド部材（４）とを備え
   た渦流形ターボ機械であって、 上記環状カイド部材（４）は吸入口（61）側から吐出口
   （62）側に向って横断面積が漸次縮減するように形成さ
   れると共に、該環状ガイド部材（４）は断面形状におい
   て上記羽根（32）の先端に近接して少なくとも幅長さが
   羽根（32）の弦長に対応した平坦な内周側面（4a）とほ
   ぼＵ字状の外周側面（4b）とによって略半長円形に形成
   され、 該内周側面（4a）と外周側面（4b）とは円弧状の隅角部
   （4c），（4c）を介して接続され、該隅角部（4c），
   （4c）は羽根車（３）の外径（Ｄ）に対する隅角部（4
   c）の曲率半径（Ｒ）の比率（R/D）がほぼ0.02以上にな
   るように設定されていることを特徴とする渦流形ターボ
   機械。