JPS6354155B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はコンプレツサ及び特に冷却及び低温ポ
ンプ作用のための高い圧力比及び／又は低い流量
を要求するコンプレツサに関する。

高い圧力比及び非常に低い流量が要求される、
低温学と器械使用または制御のための気体力学と
冷却の応用とにおいて、ポンプ作用はコンプレツ
サを往復運動させることによつて行われてきた
が、これらのコンプレツサに関連する大きさと重
さと油汚染との問題の故に、二者択一的ポンプ作
用の解決法が探されてきた。

最近、液体ヘリウムの生産における低温効率用
多段遠心コンプレツサが発達してきた。関係する
低流量の故に、各ユニツトの寸法は非常に小さい
ので高い回転速度（200000rpm迄）が得られる。
工業用に広く利用され得るいかなる適当なモータ
も存在せず、このようなモータを開発することは
困難であることがわかつている。

軸流タービン機構によつて部分的な負荷の必要
を満たす便利な手段はフローを環状区分的に制限
するためのものであつた。回転翼はフローの被制
限区域に入ると流体の供給部から切離されて、そ
れによつて動翼が非流動区域に出入する際に生じ
る乱流に基く断熱効率のかなりの低下を犠牲にし
て全流量及び動力を減じる。

しかしながらこのことは動力制御の便利で簡単
な方法を提供し、これに対する効率の低下は異論
のない不利益である。

再生及び再入型の空気力学的コンプレツサ（後
者は英国特許第1420600号、回転翼型コンプレツ
サに開示されている）はアウトレツトフローすな
わち出口における圧力流体とインレツトフローす
なわち入口における流体とを分離するために区分
的にインレツトフローとアウトレツトフローを遮
断する遮断区域を利用し、再入コンプレツサ中で
は、回転翼配列すなわち配列された動翼を通るフ
ローの通路を分離するためにもまた区分的な遮断
区域を利用する。インレツトフローをアウトレツ
トフローから分けるために単一の分流器を用いる
再生コンプレツサにおいて、動圧力ヘツドは回転
翼配列とその周囲のケーシングとの間のフリーフ
ローシステムすなわち空間中に生じる。再生すべ
き流体が非流動静止分流器区域から流出する際、
回転翼配列の内部で再生すべき流体の流れが単一
の分流器によつて妨げられ騒音を発生した。これ
は分流器の導入部の流体が実質的に単一の分流器
によつて絞られるためにこの型の器械から生ずる
低効率と圧力上昇の大部分が引き起こされた。

また試験された再入コンプレツサの一形状にお
いては、回転翼を通る７つのフローの通過がかつ
てフローの通過を分流する６個の“分流器
（splitters）”とアウトレツトフローからインレツ
トフローを分離する１個の“分流器”が設けられ
ていた。このコンプレツサにおいては、コンプレ
ツサは予期された計画的流体の流れも要求される
圧力上昇も生じさせないことがわかつた。このよ
うに、再生及び再入型のコンプレツサにおける静
止区分的なフロー分流器間のフローを停止するこ
との効果は、フローの再生に要する時間のため
に、次の開通路中でフローを消失させることであ
ることを経験が示している。

本発明の目的はコンプレツサの翼へのインレツ
ト流体フローを、翼の内部で流体フローの停止を
引き起すことなく、アウトレツトフローから効果
的に分離するような配列を提供することである。

本発明によれば前記目的は、動翼と、この動翼
を包囲し、この動翼の軸と同心に配置された環状
のケーシングと、この環状のケーシングによつて
規定される環状空間を、前記動翼が位置する第１
の通路及び第１の通路の前記動翼の後縁側の一端
と第１の通路の前記動翼の前縁側の他端とを連結
する第２の通路に分割すべく、前記ケーシングの
内部に前記動翼の軸と同心に配置された環状の隔
壁と、前記環状空間に流体を供給すべく前記ケー
シングに設けられた入口と、前記環状空間から圧
力流体を排出すべく前記ケーシングに設けられた
出口と、前記第１及び第２の通路において前記出
口から前記入口に向う加圧流体の流れを阻止すべ
く、出口と入口との間であつて前記動翼が出口か
ら入口に向う領域において前記第１及び第２の通
路に設けられ、加圧流体の流路を形成する少なく
ともひとつのチヤンバを構成し、弓状の形状を有
し前記動翼の回転方向に対して交差しかつ前記動
翼に近接する少なくともふたつの遮蔽板からなる
阻止手段とからなる軸流ロータリーコンプレツサ
によつて達成される。

本発明は軸流ロータリーコンプレツサを含んで
おり、このコンプレツサは、上流静止羽根の列と
下流静止羽根の列との間に、回転用に周辺部の囲
りに配置された多数の羽根を備えたロータを有
し、ロータ翼の付近には少くとも一つの流体イン
レツトダクトと、もう一つの周囲を囲んで間隔を
とつた流体アウトレツトダクトと、流体インレツ
トダクト及び流体アウトレツトダクト間に配置さ
れた阻止手段としてのフロー分流器とを有してお
り、このコンプレツサにおいて、フロー分流器
は、翼がフロー分流器を通過する際にロータ翼を
通る連続的流体フローが存在する如きロータ翼の
通路を横断する環状流体流路を備える少くとも一
つのチヤンバを含む。従つて再生コンプレツサに
おいては、フロー分流器はインレツトフローダク
ト及びアウトレツトフローダクト間に備えられ
て、力学的に作用するフロー分流器によつてこれ
らのフローを分離し、再入コンプレツサの場合、
流体はダクトで送られてロータ翼の相異なる周囲
の部分を通過する複数の通過を生じさせ、羽根を
通る各フローの通過は力学的フロー分流器によつ
て分離され得る。

フロー分流器はロータの一部の周囲を囲んで配
置された複数個の相隣接するチヤンバによつて形
成され得る。各チヤンバはこの場合環状流体流路
用のダクトを定める。

好ましくは環状流体流路は弓形のループを含
み、このループはロータの翼を横切り、このルー
プの軸は一般にロータの接線である。一つの形状
においては、フロー分流器内の、このまたは各ダ
クトの上流及び下流端はロータ翼からフロー分流
器のダクトの下流端内に排出される流体はダクト
を通つてダクトの上流端に至り、またロータ翼を
経てダクトの下流端に戻る閉ループ内を流れるよ
うに配置されている。

好ましくはフロー分流器内に環状流体流路を定
める各チヤンバ壁は静止羽根によつて導かれたフ
ローと類似の方法でロータ翼を通過する流体フロ
ーを導くように形成された軸方向に延びた仕切壁
を有する。このようにして、ロータ翼を通る流体
フローの流線は、ロータ翼の流体通過区域中にお
ける如くフロー分流器内部において同じものであ
る。

もう一つの形状においては、フロー分流器内の
各ダクトの端はダクトの下流端がダクトの上流端
に関してオフセツトされて流体フローのあらかじ
め定められた部分に対してフロー分流器を通つて
擬似らせん状の通路を提供するように形成され配
置され得る。仕切のオフセツトの程度は、従つて
フロー分流器を通つて擬似らせん状通路に従うフ
ローの量を決定する。

このように付加的ならせん状ダクトフローを供
給することによつて、フロー分流器内に生じるエ
ンタルピーはらせん状フローによつて除去されて
回転翼によつて移されるものを補う。仕切壁とダ
クト領域との分離はフロー分流器の低圧側に向か
つて増大し得て、低圧側に向かう流体の増大する
密度を補償する。

本発明を次に下記の図面を参照して説明する
が、これらは本発明の説明用のものであつて、本
発明を限定するものではない。

第１図及び第２図は軸流ロータリーコンプレツ
サ（再入型）の一つの図式的配列を示す。より完
全には英国特許明細書第1420600号に記述されて
いる。

コンプレツサはロータ１を含み、このロータは
その周辺部の周囲にわたつて配置された複数個の
径方向に向いたエーロフオイル区分ロータ翼２を
備えており、ロータ１はそのシヤフト４上のフラ
ンジ３に接続されたモータによつて回転される。
ロータ翼２は上流静止羽根の列６と下流静止羽根
の列７との間でロータ翼通路として公知の空間５
中で作動し、静止羽根の両方の列はロータ１の周
囲の環状アパーチヤ８内に配置される。ロータ翼
通路５の周囲に配置されたトロイド状空間９は外
部ケース壁１０及び内壁１１によつて形成され、
この内壁から静止羽根６及び７が延びる。ロータ
翼通路５はロータ１の両側でトロイド状空間９内
に開いている。流体源からの低圧流体は、流体入
口ダクト１２を経てロータ翼通路５に流れ込み、
この通路でロータ１によつて圧縮され、ロータ翼
通路５を去ると、圧縮された流体はトロイド状空
間９に入る。トロイド状空間は圧縮された流体フ
ローがそれを通つてロータ翼通路５の、角をなし
て分離された区分に流れるように配置され、ここ
で液体はロータ翼２を通る第一の通路で再び圧縮
される。

コンプレツサのアウトレツトダクトに移る前に
流体を数回再圧縮するように環状アパーチヤ８の
周囲に複数個の類似のトロイド状通路空間９を備
える。分離トロイド状空間９はロータ翼通路５の
上流側の側壁１３とロータ翼通路５の下流側の側
壁１４とによつて分離される。側壁１３及び１４
は相対的にオフセツトされており、流体がインレ
ツトアパーチヤに入り、ロータ翼通路５を通過
し、次にトロイド状空間のアパーチヤ１６に入つ
てからロータ１の外側で隣接のインレツトアパー
チヤ１７に導かれるように配置されている。この
ようにロータ翼通路を通る各流路を分離する必要
がある。

第３図及び第４図はアウトレツト流体流路から
ロータ翼へのインレツト流体路をコンプレツサか
ら分離するための力学的フロー分流器の一つの図
式的配列を示す。フロー分流器はロータ翼２の外
側に配置された部分トロイド状ラビリンス１８で
あつて、第３図に断面図で示す如く両端で通路５
に接続した一連の弓形ダクト１９を形成する。フ
ロー分流器はコンプレツサからインレツト１２と
アウトレツト２０の間のコンプレツサの限られた
周囲の部分に及ぶ。

ロータ翼２を横切るロータ１の周囲のラビリン
スフロー分流器１８は多数の径方向に向かつて周
囲に配置された仕切によつて分割され、上流静止
羽根６に隣接する仕切が２１、下流静止羽根７に
隣接する仕切が２２である。仕切り２２をロータ
１の回転方向２３に仕切２１に関して移動させ
る。仕切り２１及び２２はロータ１の周囲の環状
アパーチヤ８を複数の相次いで配列された弓形流
路２４に分割し、各流路はロータ翼２の列の一部
を横切る。各仕切２１は上流静止羽根６の列から
弓形ダクト１９に延び、延長されて次に続く仕切
２２を接合し、この仕切２２は同様に下流静止羽
根７の列から弓形ダクト１９に延び、延長された
仕切２１及び２２はラビリンスフロー分流器１８
の内壁２５及び外壁２６間の全高を占める。上流
仕切２１及びその弓形の形状に関係する下流仕切
２２の移動は、フロー分流器中のロータ翼通路の
内部の流体の流線がロータ翼通路の他の流体通過
部分における形状と類似の形状である如きもので
ある。図示された如く、弓形流路２４は各々がラ
ビリンス１８の相次ぐチヤンバ２７−３１の内部
に同じアパーチヤを有する。

再入コンプレツサへの導入は収束インレツト１
２によつて準備され、インレツト１２はラビリン
スフロー分流器１８の外壁の外側に延長し、イン
レツト１２の壁３２はフランジ３３で終り、この
フランジ３３に低圧流体源が接続され得る。ロー
タ翼２を通る第一の通過後、流体は下流静止羽根
の列７を通過して第一トロイド状空間９内の流路
３２に入り、この空間を通つて上流静止羽根の列
を経るロータ翼通路５の上流側の第二の通過また
は部分に戻り、ロータ翼通路の第二の通過部分は
第一の通過に隣接している。多数の流路がこのよ
うに備えられ、各々がロータ翼通路５の下流側か
ら上流側に導く。最後の流路３５の下流で流体は
末広がりのアウトレツト通路２０に入り、この通
路はラビリンスフロー分流器の外壁の外側に延
び、この通路の壁３０は高圧流体シンクに接続す
るためにフランジ３７を伴つて形成される。

使用中、ロータ翼２の列を第４図に示す如く左
から右に駆動し、この際、低圧源からのヘリウム
ガスの如き流体は収束入口１２を通つてコンプレ
ツサに入り次に上流静止羽根の列６を通過してロ
ータ翼２の列によつて横切られるロータ翼通路５
の中に入る。流体は次に下流静止羽根の列７を通
過し、多数の再入によつて圧縮された後、ロータ
翼通路５を通過し、高圧でインレツト２０に移行
する。高圧流体のいくらかがラビリンスフロー分
流器１８の第一チヤンバに入り、この分流器が下
流静止羽根７から上流静止羽根６に導く。この流
体は回転翼によつてチヤンバ２７内の流路２４の
周囲の循環に押しやられる。この流体の循環する
フローのいくらかは次に第一チヤンバ２７から第
二チヤンバ２８に通過し、順次、いくらかの流体
が相次いでラビリンスフロー分流器１８のすべて
のチヤンバを通つて循環する。

力学的ラビリンスフロー分流器の配列は、コン
プレツサアウトレツト２０への流体の流れからイ
ンレツト１２からの流体フローを分離して、高圧
及び低圧間の勾配は第２図に示す如き流れを導く
ラビリンスチヤンバ２７−３１によつて確保され
る。高圧及び低圧通路間のフローは分流器内に圧
力勾配を設けるために必要な漏れだけであり、従
つて高圧通路から低圧通路へ翼によつて繰越され
た流体は、翼中で流体が膨張して、高圧から低圧
に移行する。しかしながら、回転翼が分流器区域
を通過する際回転翼によつて流体が圧縮されエネ
ルギが再循環された流体について連続的に消耗さ
れるであろうから、流体の圧力が高圧から低圧に
移行するに際し発生するエンタルピーが再循環さ
れた流体によつて全て消耗されないことを確保す
ることが必要である。もしコンプレツサの圧力比
が比較的低いならば、分流器内部のラビリンスチ
ヤンバの個数は小さくすることができ、繰越フロ
ーに関するエンタルピーの発生が低いという結果
になる。

このようにして熱は流体によつて効果的に除去
され得る。しかしながら、もしコンプレツサが高
圧力比用に設計されるならば、そして高圧及び低
圧間の漏れ率（それぞれアウトレツト及びインレ
ツト）が含まれるべきであるならば、高圧と低圧
との圧力比が大きいのでラビリンスチヤンバの個
数の増大が必要になるであろうし、必要とされる
エンタルピーの増大が同じ繰越フローに対して生
じるであろう。この状態に応じるために、例えば
第４図に示される如くフローの通過は下流のラビ
リンス分流器の仕切２２をそれらの上流のラビリ
ンス２１に関して“オフセツトする”ことによつ
て回転翼によつて当該チヤンバへ供給される圧縮
後の流体をオフセツトしない場合に比べて増加さ
せ得て、それによつて翼の周囲に連続的らせん状
フローダクトを供給し、断面領域を低圧端に向か
つて増大し、膨張する流体の密度の減少を補償す
る。

第５図はラビリンスフロー分流器の変更された
配列を示す。上流ラビリンス仕切２１はラビリン
スを通る流体通路３８に関する際に下流ラビリン
ス仕切２２からオフセツトされるように形成され
配置される。オフセツト３９はフローの量を決定
するように選択され、このフローはフロー分流器
の相次ぐラビリンスチヤンバ４１−４５を通つて
らせん状路４０を流れてフロー区域４６中に現わ
れ、ロータ翼２によつて繰越されたフローを補
い、分流器区域内に生じるエンタルピーが回転翼
によつて繰越されるフローによつて除去し得るエ
ンタルピーを超過する場合にその余分のエンタル
ピーを吸収する。ラビリンス仕切のピツチはチヤ
ンバ４１内の高圧端からチヤンバ４５内の低圧端
まで増大し、流体の密度の減少を補償する。発生
したエンタルピー及び補足的らせん状路のフロー
はコンプレツサ全体にわたる効率におけるロスの
一因となり、それ故にこの効率とラビリンス漏れ
との間の均衡は圧縮機設計の要件として必要であ
る。

第３図及び第４図並びに第３図及び第５図の組
合せにおいて示される力学的ラビリンスフロー分
流器の配列は従来の静的分流器の配列における如
く流れを実質的に停止することによつて課せられ
る厳しい不利益なしに、入口と出口とにおける異
なる圧力の二つ以上のフロー通路を分流器によつ
て分離し、確保する装置を提供する。この原理
は、従来の再生コンプレツサに応用し得るが、再
入型コンプレツサの著しい特徴であつて、この再
入型コンプレツサの場合アウトレツトフローから
インレツトを分離する必要に加えて、回路翼を通
過する各区分のフロー通路は設定されたフローの
パターンの破壊を避けるために類似の注意を要求
する。設計段階においては、高い圧力比設計にお
ける補足的らせん状ダクトのフローを最小に保つ
ことが試みられるべきである。なぜならばこのフ
ローが直接のロスを表わすからである。

しかしながら、繰越されたフローは、膨張の際
は低圧に下がるから全部失われるのではなく、動
作は翼上で行われ、従つてこのフローが部分的に
回収される。

フロー分流器中のラビリンスチヤンバの個数は
諸図を参照して記述された二具体例については５
個として示す。この個数は本発明の単なる説明で
あつて圧縮機の要求される応用例に適するいかな
る適切な個数をも選択し得る。

而して本発明になる軸流ロータリーコンプレツ
サでは前述の如く、前記ケーシングの内部に前記
動翼の軸と同心に配置された環状の隔壁が前記環
状のケーシングによつて規定される環状空間を動
翼が位置する第１の通路と、この第１の通路の前
記動翼の後縁側の一端と前記第１の通路の前記動
翼の前縁側の他端とを連絡する第２の通路とに分
割するが故に、前記動翼によつて加圧された流体
を前記動翼の後縁側から前記第２の通路を介して
前記動翼の前縁側に円滑に循環させて再加圧させ
圧力流体を効率よく生成し得、弓形の形状を有す
る少なくともふたつの遮蔽板から構成された少な
くともひとつのチヤンバからなる阻止手段が、前
記出口と前記入口との間であつて前記動翼が出口
から入口に向う領域において前記第１及び第２の
通路に設けられているが故に、出口側の流体が入
口側へ流出することを阻止し出口側の流体の圧力
を維持して出口側と入口側とを分離し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は公知の再入軸流コンプレツ
サの軸に垂直な及び軸を含む断面図、第３図は本
発明による再入コンプレツサのフロー分流器の図
式的部分断面図、第４図は第３図のフロー分流器
の発展された図、第５図は第３図のフロー分流器
の更に発達した配列の発展された図である。 １……ロータ翼、６，７……静止羽根、１８…
…フロー分流器、１９……ダクト、２４……環状
流体流路、２７−３１，４１−４５……チヤン
バ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 動翼と、この動翼を包囲し、この動翼の軸と
   同心に配置された環状のケーシングと、この環状
   のケーシングによつて規定される環状空間を、前
   記動翼が位置する第１の通路及び第１の通路の前
   記動翼の後縁側の一端と第１の通路の前記動翼の
   前縁側の他端とを連結する第２の通路に分割すべ
   く、前記ケーシングの内部に前記動翼の軸と同心
   に配置された環状の隔壁と、前記環状空間に流体
   を供給すべく前記ケーシングに設けられた入口
   と、前記環状空間から圧力流体を排出すべく前記
   ケーシングに設けられた出口と、前記第１及び第
   ２の通路において前記出口から前記入口に向う加
   圧流体の流れを阻止すべく、出口と入口との間で
   あつて前記動翼が出口から入口に向う領域におい
   て前記第１及び第２の通路に設けられ、加圧流体
   の流路を形成する少なくともひとつのチヤンバを
   構成し、弓形の形状を有し前記動翼の回転方向に
   対して交差しかつ前記動翼に近接する少なくとも
   ふたつの遮蔽板からなる阻止手段とからなる軸流
   ロータリーコンプレツサ。 ２ 前記チヤンバは前記流体が前記入口から前記
   出口へ流れる領域における圧力流体の流路と類似
   する流路を前記動翼が形成するように配置されて
   いる特許請求の範囲第１項に記載の軸流ロータリ
   ーコンプレツサ。 ３ 前記チヤンバは前記第１の通路の前記動翼の
   後縁側から噴出される流体が前記第２の通路を介
   して前記動翼の前縁側に到りそして前記動翼の後
   縁側に戻るように配置されている特許請求の範囲
   第１項又は第２項に記載の軸流ロータリーコンプ
   レツサ。 ４ 前記遮蔽手段は複数のチヤンバからなり、こ
   の複数のチヤンバがチヤンバを通る擬似らせん状
   流体の流路を備えるべく、前記動翼の後縁側が前
   記動翼の前縁側に関してオフセツトされるように
   形成され配置されている特許請求の範囲第１項か
   ら第３項までのいずれかに記載の軸流ロータリー
   コンプレツサ。 ５ 前記チヤンバの領域が前記出口から前記入口
   へ向つて増大されている特許請求の範囲第１項か
   ら第４項までのいずれかに記載の軸流ロータリー
   コンプレツサ。