JP5915147B2 - 遠心圧縮機のインペラ - Google Patents

Description

本発明は、インペラ、特に遠心圧縮機のインペラに関する。

従来より、例えば、特許文献１（特開平９−４２１９４号公報）に開示のように、複数の主翼とその主翼の間に主翼より小さい補助翼を有するインペラが提案されてきた。

ところで、特許文献１に記載のような従来のインペラでは、インペラの回転により大きな音が生じるという問題があった。例えば、遠心圧縮機はインペラを備えるが、インペラの回転により大きな音が発生すると、当該騒音のために遠心圧縮機の用途が限定されることになる。

そこで、本発明の課題は、回転時に発生する音を低減することが可能な遠心圧縮機のインペラを提供することにある。

本発明の発明者は、研究の結果、インペラの回転により吸引及び吐出される流体がインペラの周りのケーシング等の静止構造物に衝突することにより音が発生するところ、従来のインペラでは、翼が等間隔に並んでいるため、インペラからの流体の吐出のタイミングに周期性があり、静止構造物に衝突する流体に周期性がある場合、周期性が無い或いは弱い場合よりも大きな音が発生することを突き止めた。

上記の知見に鑑み、本発明の第１観点に係るインペラは、遠心圧縮機のインペラであって、ハブと、ハブの表面に設けられた複数の主翼と、複数の補助翼とを備える。補助翼は、隣接する２つの主翼の間においてハブの表面にそれぞれ設けられ、主翼より小さい。主翼及び補助翼は、平面視においてハブの回転中心を中心とする円と交わるように配置されている。円上における隣り合う主翼同士の間隔が全て等しい。少なくとも１つの補助翼とそのハブの回転方向に対する後隣に位置する主翼との円上における間隔が、他の補助翼とそのハブの回転方向に対する後隣に位置する主翼との円上における間隔と異なる。ハブの回転中心を挟んで対向する補助翼それぞれの、そのハブの回転方向に対する後隣に位置する主翼との円上における間隔が、同じである。

本発明の第１観点に係るインペラでは、主翼は、等間隔で配置されており、補助翼は、不均一な間隔で配置されている。これにより、インペラからの流体の吐出のタイミングの周期性を弱めることができる。したがって、インペラの回転により発生する音を低減することが可能となる。

また、このインペラでは、回転中心を挟んで対向する補助翼の間隔が同じである。これにより、好適な回転バランスをとることが可能となる。

本発明の第２観点に係るインペラは、第１観点に係るインペラであって、間隔が同じである補助翼が、主翼を挟んで回転方向に２つ以上連続しないように配置されている。間隔は、補助翼とハブの回転方向に対する後隣に位置する主翼との円上における間隔である。

本発明の第２観点に係るインペラでは、間隔が同じである補助翼が、主翼を挟んで回転方向に２つ以上連続しないように配置されているので、補助翼の配置がなるべく偏らないようにすることができる。したがって、補助翼の配置間隔が不均一であっても、好適な回転バランスをとることが可能となる。

本発明の第３観点に係るインペラは、第１観点または第２観点に係るインペラであって、補助翼は、ハブの周縁近傍に配置されている。

本発明の第３観点に係るインペラでは、剥離渦が発生しやすいハブの周縁近傍に補助翼が配置されている。これにより、剥離渦の成長に対する抑制能力を向上することが可能となる。

本発明の第１観点に係るインペラでは、インペラの回転により発生する音を低減することが可能となる。また、好適な回転バランスをとることも可能となる。

本発明の第２観点に係るインペラでは、好適な回転バランスをとることが可能となる。

本発明の第３観点に係るインペラでは、剥離渦の成長に対する抑制能力を向上することが可能となる。

本発明に係る遠心圧縮機が採用された冷凍装置の概略構成図。 単段遠心圧縮機の概略断面図。 インペラを前面から観た平面図（翼については、その基部での切断図）。

以下、本発明に係るインペラを備えた遠心圧縮機が採用されたヒートポンプ装置の一実施形態について、図面に基づいて説明する。

（１）ヒートポンプ装置１の全体構成
図１は、本発明に係る遠心圧縮機の一例である単段遠心圧縮機２が採用されたヒートポンプ装置１の概略構成図である。

ヒートポンプ装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、空調や冷温水の生成を行う装置である。ヒートポンプ装置１は、主として、単段遠心圧縮機２、四路切換弁１５、熱源側熱交換器３、膨張機構４、および、利用側熱交換器５を有しており、これらの機器が接続されることによって冷媒回路を構成している。ここでは、冷媒として二酸化炭素が使用されている。

単段遠心圧縮機２は、利用側熱交換器５から流れ出た冷媒を吸入側に導く吸入管６と、吐出側から熱源側熱交換器３の入口まで伸びている吐出管７と、に接続されており、吸入管６から低圧の冷媒を吸入して圧縮した後に吐出管７に高圧の冷媒を吐出する遠心圧縮機である。

四路切換弁１５は、吐出管７の単段遠心圧縮機２側とは反対側に設けられており、冷媒回路における冷媒流れを切り換えることで冷房運転と暖房運転との切り換えを行う。冷房運転時には、熱源側熱交換器３を冷媒の放熱器として機能させつつ、利用側熱交換器５を冷媒の蒸発器として機能させる。暖房運転時には、利用側熱交換器５を冷媒の放熱器として機能させつつ、熱源側熱交換器３を冷媒の蒸発器として機能させる。なお、熱源側熱交換器３および利用側熱交換器５は、冷媒の放熱器として機能する場合には、空調対象空間の空気を加熱する、および／または、水等の流体を加熱する。なお、熱源側熱交換器３および利用側熱交換器５は、冷媒の蒸発器として機能する場合には、空調対象空間の空気を冷却する、および／または、水等の流体を冷却する。

膨張機構４は、通過する冷媒の圧力を下げる機構である。

このように、ヒートポンプ装置１は、冷媒として二酸化炭素を使用する蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、空調や冷温水の生成を行う装置であり、圧縮機として単段遠心圧縮機２を使用している。

（２）単段遠心圧縮機の構成
図２は、単段遠心圧縮機２の概略断面図である。図３は、インペラを前面（吸入空間側）から観た平面視図である。なお、図３においては、ハブ１２０の表面に付いている主翼１２１及び補助翼１２２については、その基部で切断されている。

ここで、インペラ及び回転軸５２の回転軸線をＯ−Ｏとし、回転軸線Ｏ−Ｏに沿う方向を軸方向又は前後方向とする。なお、回転軸線をＯ−Ｏに近づく方向を径方向内側（回転半径方向の内側）とし、回転軸線をＯ−Ｏから遠ざかる方向を径方向外側（回転半径方向の外側）とする。

単段遠心圧縮機２は、主として、モータ５０と、圧縮機構１０と、を有している。

（２−１）モータ５０
モータ５０は、圧縮機構１０を駆動するモータであり、主として、モータケーシング５１と、回転軸５２と、ロータ５３と、ステータ５４とを有している。

モータケーシング５１の内部には、回転軸５２、ロータ５３及びステータ５４を収容する空間が形成されている。

回転軸５２は、モータケーシング５１に固定された第１ラジアル軸受５５及び第２ラジアル軸受５６によって回転自在に支持されている。回転軸５２の軸方向一端（図２における左端）は、圧縮機構１０側に突出している。回転軸５２の軸方向他端（図２における右端）は、モータケーシング５１に固定されるスラスト軸受５７によって摺動可能に支持されている。

ロータ５３は、軸方向における第１ラジアル軸受５５と第２ラジアル軸受５６との間において、回転軸５２と一体回転するように回転軸５２に軸支されている。

ステータ５４は、ロータ５３の外周を囲むように設けられており、モータケーシング５１に回転不能に支持されている。

（２−２）圧縮機構１０
圧縮機構１０は、単段の遠心式の圧縮機構である。

圧縮機構１０は、主として、圧縮機構ケーシング１１およびインペラ１２とを有している。

（２−２−１）圧縮機構ケーシング１１
圧縮機構ケーシング１１には、主として、吸込口１１ａ、吐出口１１ｂ、インフューザ１１ｄ、シュラウドハウジング１１ｃ、デフューザ１１ｅ、及びスクロール室１１ｆが形成されている。

吸込口１１ａは、圧縮機構ケーシング１１の軸方向一端（図２における左端）に向かって開口しており、吸入管６に接続されている。

吐出口１１ｂは、圧縮機構ケーシング１１の周方向外端（図２における上端）に向かって開口しており、吐出管７に接続されている。

シュラウドハウジング１１ｃは、図２に示すように、吸込口１１ａの下流に形成された空間であり、インペラ１２を回転自在に収容している。吸込口１１ａとシュラウドハウジング１１ｃとの間にある空間は、インフューザ１１ｄと呼ばれるインペラ１２の吸入側空間である。

インペラ１２の吐出側の空間は、デフューザ１１ｅと呼ばれる空間であり、ここで流速が増した状態で吐出された冷媒の速度エネルギが圧力のエネルギに変換される。デフューザ１１ｅの先には、冷媒を整流するためのスクロール室１１ｆが設けられている。

（２−２−２）インペラ１２
インペラ１２は、図３に示すように、主として、ハブ１２０と、ハブ１２０の前面側でかつ径方向外側に配置された複数の翼１２１、１２２を有しており、ハブ１２０の前後方向に延びる回転軸５２を軸心として回転する。

ハブ１２０は、その前方から後方に向けて拡径する略円錐形状を有しており、回転軸５２と一体回転するように回転軸５２に軸支されている。なお、このハブ１２０は、軽量化の観点から、軸周辺部分や外縁部分を除く内側が中空となっていることが好ましい。

ハブ１２０の前面には、主翼１２１と主翼よりも小さい補助翼１２２とが、周方向に交互に並んで、設けられている。これらの主翼１２１及び補助翼１２２は、図２に示すように、いずれもハブ１２０の前面からシュラウドハウジング１１ｃの翼対向壁２２ｂの近傍まで３次元的（特開２０１１―８０４１１の図１参照）に伸びている。主翼１２１及び補助翼１２２は、いずれも、前面視において左巻となるように螺旋状に伸びている。すなわち、主翼１２１及び補助翼１２２は、図３に示すようにハブ１２０の回転中心Ｏからハブ１２０の周縁に向かうにつれて、径方向に拡大しながら、左に旋回するように伸びている。

さらに、主翼１２１及び補助翼１２２は、前面視においてハブ１２０の回転中心Ｏからハブ１２０の周縁に向かうにつれて、左巻きに旋回するようにして形成されている。

なお、各主翼１２１は、それぞれ、ハブ１２０の回転中心Ｏからハブ１２０の周縁まで伸びている。

これに対して、各補助翼１２２は、各主翼１２１の間に配置されており、ハブ１２０の回転中心Ｏとハブ１２０の周縁との中間程度の位置からハブ１２０の周縁まで伸びている。

このインペラ１２は、モータ５０が駆動することで、前面視において左回転することにより、冷媒を吸込口１１ａから吸入し、圧縮して高圧とした後、吐出口１１ｂに向けて吐出する。

この際、各主翼１２１及び補助翼１２２の前方でかつ径方向外側の部分は、インペラ１２が回転することにより、シュラウドハウジング１１ｃの翼対向壁２２ｂの内側近傍を沿うように移動する。これにより、冷媒の流速が増した状態で吐出され、デフューザ１１ｅにおいて速度エネルギが圧力のエネルギに変換されることにより高圧冷媒となる。

（３）インペラ１２の翼の配置
次に、図３を参照しながら、インペラ１２の主翼１２１及び補助翼１２２の配置の間隔について詳しく説明する。

まず、主翼１２１及び補助翼１２２の配置の間隔を定義するにあたり、便宜上、ハブ１２０の回転中心Ｏを中心とし、ハブ１２０の前面上にある円Ｃが存在すると仮定することとする。円Ｃは、全ての主翼１２１及び補助翼１２２の基部と交わる。そこで、以下では、主翼１２１及び補助翼１２２それぞれの間の間隔とは、当該円Ｃ上の間隔を指すこととする。なお、間隔の寸法は、主翼１２１及び補助翼１２２それぞれと円Ｃとの交点同士を結ぶ直線の長さでもよいし、当該交点同士に挟まれた円Ｃの弧の長さ若しくは中心角度でもよい。

図３に示されているインペラ１２は、６つの主翼１２１と、６つの補助翼１２２とを有している。補助翼１２２は、これらの主翼１２１の各２つの間に１つずつ配置されている。インペラ１２の有する主翼１２１同士は、等間隔に配置されている。即ち、各主翼１２１と当該主翼１２１に隣接する主翼１２１との間隔は、全て同じである。具体的には、図３に示されているように、円Ｃ上における隣り合う主翼１２１同士の間隔Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６が全て等しい。

他方、インペラ１２の有する補助翼１２２同士は、等間隔に配置されておらず、間隔は不均一である。具体的には、少なくとも１つの補助翼１２２とそのハブ１２０の回転方向Ｙに対する後隣に位置する主翼１２１との円Ｃ上における間隔が、他の補助翼１２２とそのハブ１２０の回転方向Ｙに対する後隣に位置する主翼１２１との円Ｃ上における間隔と異なる。図３では、各補助翼１２２とそのハブ１２０の回転方向Ｙに対する後隣に位置する主翼１２１との円Ｃ上における間隔が、それぞれα、β、γとして示されている。各補助翼１２２とそのハブ１２０の回転方向Ｙに対する前隣に位置する主翼１２１との円Ｃ上における間隔は、α’、β’、γ’である。図３に示されているようにαは、βより大きく、βは、γより大きい間隔である。他方、α’は、β’より小さく、β’は、γ’よりも小さい間隔である。したがって、補助翼１２２は、等間隔には配置されていない。なお、図３に示されている主翼１２１同士の間隔Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６、及び主翼１２１と補助翼１２２との間隔α、β、γ、α’、β’、γ’は、それぞれ円Ｃ上における主翼１２１同士の間隔及び主翼１２１と補助翼１２２との間隔に比例している。

また、補助翼１２２は、バランスよく回転するように配置されている。具体的には、図３に示されているように、回転方向Ｙに対する後隣の主翼１２１との間隔が同じである補助翼１２２が、主翼１２１を挟んで回転方向Ｙに２つ以上連続しないようになっている。例えば、図３では、補助翼１２２それぞれのその回転方向Ｙに対する後隣の主翼１２１との間隔は、回転方向Ｙにおいて順にα、β、γ、α、β、γとなっており、連続していない。さらに、ハブ１２０の回転中心Ｏを挟んで対向する補助翼１２２それぞれのその回転方向Ｙに対する後隣の主翼１２１との間隔は同じである。即ち、後隣の主翼１２１との間隔がαである補助翼１２２とハブ１２０の回転中心Ｏを挟んで対向する補助翼１２２の後隣の主翼１２１との間隔はαである。後隣の主翼１２１との間隔がβである補助翼１２１とハブ１２０の回転中心Ｏを挟んで対向する補助翼１２２の後隣の主翼１２１との間隔はβである。そして、後隣の主翼１２１との間隔がγである補助翼１２２とハブ１２０の回転中心Ｏを挟んで対向する補助翼１２２の後隣の主翼１２１との間隔はγである。これにより、インペラ１２の回転バランスが取れるようになっている。

なお、補助翼１２２の数が奇数の場合であっても、なるべく補助翼１２２が偏って配置されないようにすることが好ましい。補助翼１２２の配置のみによってはバランスが取れない場合は、ハブ１２０の重心を調節する等を行い、回転バランスが取れるようにすればよい。

また、図３に示されているように、補助翼１２２は、ハブ１２０の周縁近傍に配置されている。ハブ１２０の周縁近傍は、吸い込まれた冷媒が主翼１２１から剥離して渦（剥離渦）を形成しやすい部位であるが、当該周縁近傍に補助翼１２２を設けることにより剥離渦の成長を抑制することが出来る。

（４）特徴
（４−１）
上記実施形態では、主翼１２１は、等間隔に配置されているが、補助翼１２２は、等間隔には配置されていない。即ち、主翼の間隔については、主に性能を考慮して設計することが可能であり、音の軽減については、補助翼の間隔を設計するに当たり考慮されている。これにより、上記実施形態では、インペラ１２の性能を犠牲にせずに、インペラ１２からの冷媒の吐出のタイミングの周期性を弱めることができるようになっている。その結果、インペラ１２の回転により発生する音を低減することが可能となっている。

（４−２）
また、上記実施形態では、補助翼１２２は、バランスよく回転するように配置されている。即ち、回転方向Ｙに対する後隣の主翼１２１との間隔が同じである補助翼１２２が、主翼１２１を挟んで回転方向Ｙに２つ以上連続しないようになっている。即ち、補助翼１２２の配置がなるべく偏らないようにすることができている。これにより、補助翼１２２の配置間隔が不均一であっても、インペラ１２の好適な回転バランスをとることが可能となっている。

（４−３）
また、上記実施形態では、補助翼１２２は、バランスよく回転するように配置されている。即ち、ハブ１２０の回転中心Ｏを挟んで対向する補助翼１２２それぞれのその回転方向Ｙに対する後隣の主翼１２１との間隔は同じである。これにより、補助翼１２２の配置間隔が不均一であっても、インペラ１２の好適な回転バランスをとることが可能となっている。

（４−４）
また、上記実施形態では、補助翼１２２は、剥離渦が発生しやすいハブ１２０の周縁近傍に配置されている。これにより、剥離渦の成長に対する抑制能力を向上することが可能となっている。

本発明に係るインペラは、冷凍装置の遠心圧縮機において特に有用である。

１ 冷凍装置
２ 単段遠心圧縮機（遠心圧縮機）
１２ インペラ
１２０ ハブ
１２１ 主翼
１２２ 補助翼
Ｃ 円
Ｏ 回転中心

特開平９−４２１９４号公報

Claims (3)

1. 遠心圧縮機（２）のインペラ（１２）であって、
   ハブ（１２０）と、
   前記ハブの表面に設けられた複数の主翼（１２１）と、
   隣接する２つの前記主翼の間において前記ハブの表面にそれぞれ設けられ、前記主翼より小さい、複数の補助翼（１２２）と、
   を備え、
   前記主翼及び前記補助翼は、平面視において前記ハブの回転中心（Ｏ）を中心とする円（Ｃ）と交わるように配置され、
   前記円上における隣り合う主翼同士の間隔（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６）が全て等しく、
   少なくとも１つの前記補助翼とその前記ハブの回転方向に対する後隣に位置する主翼との前記円上における間隔（α、β、γ）が、他の前記補助翼とその前記ハブの回転方向に対する後隣に位置する主翼との前記円上における間隔（α、β、γ）と異なり、
   前記ハブの回転中心を挟んで対向する前記補助翼それぞれの、その前記ハブの回転方向に対する後隣に位置する前記主翼との前記円上における間隔が、同じである、
   インペラ（１２）。
2. 前記ハブの回転方向に対する後隣に位置する前記主翼との前記円上における間隔が同じである前記補助翼が、前記主翼を挟んで回転方向に２つ以上連続しないように配置された、
   請求項１に記載のインペラ（１２）。
3. 前記補助翼は、前記ハブの周縁近傍に配置された、
   請求項１または２に記載のインペラ（１２）。

Images