JP7493346B2

JP7493346B2 - 回転機械

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Publication number: JP7493346B2
Application number: JP2020016565A
Authority: JP
Inventors: 雅博小林; 英樹永尾; 寛之宮田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2024-05-31
Anticipated expiration: 2040-02-03
Also published as: US20210239131A1; JP2021124038A; US11560903B2; CN113202565A; EP3859161A1

Description

本開示は、回転機械に関する。

特許文献１には、ケーシング内に、流体を圧縮するインペラを有した圧縮部と、流体を膨張させるインペラを有した膨張部とを、一つの回転軸に設けた構成の回転機械（インテグラル圧縮膨張機）の構成が開示されている。この構成において、回転軸は、一対の軸受により軸線周りに回転自在に支持されている。圧縮部のインペラは、一対の軸受の間で回転軸に固定されている。膨張部のインペラは一枚で、圧縮部のインペラに対し、一対の軸受のうちの一方を挟むように配置されている。つまり、膨張部のインペラは、一対の軸受の間ではなく、一対の軸受の間から外側に外れた位置にオーバーハングするように配置されている。

米国特許出願公開第２０１３／００９１８６９号明細書

ところで、インペラは重量物である。このため、特許文献１に開示されたように、膨張部のインペラが、一対の軸受の間から外側に外れた位置で回転軸に固定された構成では、回転軸のロータダイナミクスが低下する可能性がある。また、特許文献１に開示された膨張部のインペラは一枚であるが、膨張部に複数のインペラが必要となった場合、一対の軸受の間から外側に外れた位置で膨張部のインペラを複数枚設置すると、回転軸のロータダイナミクスがさらに低下し、回転機として成立しない可能性がある。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、回転軸のロータダイナミクスを向上させることが可能な回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る回転機械は、軸線周りに回転する回転軸と、前記回転軸を覆うケーシングと、前記ケーシングに固定され、前記回転軸を前記軸線周りに回転自在に支持する一対のラジアル軸受と、前記ケーシング内で前記軸線の延びる軸線方向における前記一対のラジアル軸受の間に配置され、前記ケーシングの外部から導入された流体を圧縮する圧縮部と、前記ケーシング内で前記軸線方向における前記一対のラジアル軸受の間で前記圧縮部と並んで配置され、前記ケーシングの外部から導入された前記流体を膨張させる膨張部と、前記軸線方向において、前記圧縮部及び前記膨張部に対して前記回転軸の第一端部に近い位置に配置され、前記回転軸を前記軸線方向に支持するスラスト軸受とを備え、前記圧縮部は、前記回転軸に固定されて一体に回転することで内部に流入した前記流体を圧縮する圧縮インペラを備え、前記膨張部は、前記回転軸に固定されて一体に回転することで、内部に流入した前記流体を膨張させる膨張インペラを備え、前記ケーシングは、前記圧縮部において最も圧力の低い前記流体を前記圧縮部に導入させる圧縮部吸込口と、前記圧縮部で圧縮されて前記圧縮部において最も圧力の高い前記流体を前記ケーシングの外部に排出する圧縮部吐出口と、前記膨張部において最も圧力の高い前記流体を前記膨張部に導入させる膨張部吸込口と、前記膨張部で膨張されて前記膨張部において最も圧力の低い前記流体を前記ケーシングの外部に排出する膨張部吐出口とを有し、前記軸線方向において、前記圧縮部吸込口、前記圧縮部吐出口、前記膨張部吸込口、及び前記膨張部吐出口の中で、前記圧縮部吸込口が前記第一端部に最も近い位置に配置され、前記膨張部吐出口が前記回転軸の第二端部に最も近い位置に配置され、前記圧縮部を挟んで前記膨張部の反対側に位置するように配置され、前記回転軸を回転駆動する駆動機をさらに備え、前記駆動機は、前記回転軸の前記軸線方向の前記第一端部に接続され、前記スラスト軸受は、前記軸線方向において、前記第一端部と前記ラジアル軸受との間に配置されている。

本開示の回転機械によれば、回転軸のロータダイナミクスを向上させることが可能となる。

本開示の実施形態に係る回転機械の構成を示す模式図である。本開示の第一の変形例に係る回転機械の構成を示す模式図である。本開示の第二の変形例に係る回転機械の構成を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して、本開示による回転機械を実施するための形態を説明する。しかし、本開示はこの実施形態のみに限定されるものではない。

（回転機械の構成）
以下、本開示の実施形態に係る回転機械について、図１を参照して説明する。図１に示すように、回転機械１は、ガスＧを圧縮する圧縮機（コンプレッサー）として機能する圧縮部５と、ガスＧを膨張させる膨張機（エキスパンダー）として機能する膨張部６と、を備える、いわゆるコンパンダーである。回転機械１は、回転軸２と、ケーシング３と、一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂと、圧縮部５と、膨張部６と、スラスト軸受９を主に備えている。

（ケーシングの構成）
ケーシング３は、回転機械１の外殻を形成している。ケーシング３は、回転軸２の軸線Ｏが延びる軸線方向Ｄａに延びる筒状に形成されている。ケーシング３は、回転軸２の一部、一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂ、圧縮部５、及び膨張部６を覆っている。ケーシング３は、圧縮部吸込口３３と、圧縮部吐出口３４と、膨張部吸込口３５と、膨張部吐出口３６とを有している。

圧縮部吸込口３３は、ケーシング３の外部のガス供給源（不図示）からケーシング３の内部の圧縮部５にガス（流体）Ｇを導入させる入口ノズルである。圧縮部吸込口３３には、圧縮部５において最も圧力の低いガスＧが通過する。圧縮部吐出口３４は、圧縮部５で圧縮されたガスＧをケーシング３の外部に排出する出口ノズルである。圧縮部吐出口３４には、圧縮部５で圧縮されて圧縮部５において最も圧力の高いガスＧが通過する。膨張部吸込口３５は、ガスＧを膨張部６に導入させる入口ノズルである。膨張部吸込口３５には、膨張部６において最も圧力の高いガスＧが通過する。膨張部吐出口３６は、膨張部６で膨張されたガスＧをケーシング３の外部に排出する出口ノズルである。膨張部吐出口３６には、膨張部６で膨張されて膨張部６において最も圧力の低いガスＧが通過する。

本実施形態では、軸線方向Ｄａにおいて、回転軸２の第一端部２ａから回転軸２の第二端部２ｂに向かって、圧縮部吸込口３３、圧縮部吐出口３４、膨張部吸込口３５、及び膨張部吐出口３６の順に並んで配置されている。つまり、軸線方向Ｄａにおいて、圧縮部吸込口３３、圧縮部吐出口３４、膨張部吸込口３５、及び膨張部吐出口３６の中で、圧縮部吸込口３３が回転軸２の第一端部２ａに最も近い位置に配置されている。軸線方向Ｄａにおいて、圧縮部吸込口３３、圧縮部吐出口３４、膨張部吸込口３５、及び膨張部吐出口３６の中で、膨張部吐出口３６が回転軸２の第二端部２ｂに最も近い位置に配置されている。また、圧縮部吸込口３３、圧縮部吐出口３４、膨張部吸込口３５、及び膨張部吐出口３６の中で、軸線方向Ｄａにおいて、圧縮部吐出口３４と膨張部吸込口３５とは最も近い位置に配置されている。

（軸受の構成）
一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂは、ケーシング３に固定されている。一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂは、回転軸２を軸線Ｏ周りに回転自在に支持している。一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂは、ケーシング３内において、軸線方向Ｄａに間隔をあけて一対が配置されている。本開示の実施形態において、ケーシング３内においてラジアル軸受（第一のラジアル軸受）４Ａは、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａ１に配置されている。ラジアル軸受（第二のラジアル軸受）４Ｂは、ケーシング３内において軸線方向Ｄａの第二側Ｄａ２に配置されている。ここで、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａ１とは、軸線方向Ｄａにおいて、回転軸の第二端部２ｂに対して回転軸の第一端部２ａが配置されている側である。また、軸線方向Ｄａの第二側Ｄａ２とは、軸線方向Ｄａにおいて、回転軸２の第一端部２ａに対して回転軸２の第二端部２ｂが配置されている側である。したがって、ラジアル軸受４Ａは、回転軸２の第一端部２ａに近い位置に配置されている。ラジアル軸受４Ｂは、回転軸２の第二端部２ｂに近い位置に配置されている。

スラスト軸受９は、回転軸を軸線方向Ｄａに支持している。スラスト軸受９は、軸線方向Ｄａにおいて、圧縮部５及び膨張部６に対して回転軸の第一端部２ａ又は第二端部２ｂに近い位置に配置されている。本実施形態のスラスト軸受９は、ラジアル軸受４Ａに近い位置に配置されている。具体的には、スラスト軸受９は、軸線方向Ｄａにおいて、第一端部２ａとラジアル軸受４Ａとの間に配置されている。

（回転軸の構成）
回転軸２は、軸線Ｏを中心とする柱状をなして軸線方向Ｄａに延びている。回転軸２は、軸線Ｏを中心として回転可能とされている。回転軸２は、一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂによって、ケーシング３に対して回転可能に支持されている。

（圧縮部の構成）
圧縮部５は、ケーシング３の外部から導入されたガスＧを圧縮する。圧縮部５は、ケーシング３内で軸線方向Ｄａにおける一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの間に配置されている。圧縮部５は、一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの間で、回転軸２の第一端部２ａに寄った位置に配置されている。

（圧縮インペラの構成）
圧縮部５は、内部に流入したガスＧを圧縮させる圧縮インペラ５１を一つ以上備えている。本開示の実施形態において、圧縮部５は、二つの圧縮インペラ５１を備えている。なお、圧縮部５は、三以上の圧縮インペラ５１を備えていてもよい。複数の圧縮インペラ５１は、軸線方向Ｄａに間隔をあけて配置されている。圧縮インペラ５１は、回転軸２に固定されて回転軸２と一体に軸線Ｏ周りに回転する。圧縮インペラ５１は、例えば、ディスク部（不図示）と、ブレード部（図示無し）と、カバー部（図示無し）とを備えた、いわゆるクローズドインペラである。圧縮インペラ５１は、回転軸２と一体に軸線Ｏ周りに回転することで、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａ１から流入したガスＧを、径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏにその流れ方向を転向させながら移送して圧縮する。

このような圧縮部５は、圧縮部吸込口３３を通してケーシング３の外部から吸い込んだガスＧを、各圧縮インペラ５１で圧縮する。圧縮部５において、複数の圧縮インペラ５１を経ることで複数段に圧縮されて高温及び高圧とされたガスＧは、圧縮部吐出口３４からケーシング３の外部に吐出される。

（膨張部の構成）
膨張部６は、ケーシング３の外部から導入したガスＧを膨張させる。膨張部６は、ケーシング３内で軸線方向Ｄａにおける一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの間に配置されている。膨張部６は、圧縮部５に対して軸線方向Ｄａの第二側Ｄａ２に配置されている。膨張部６は、一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの間で、回転軸２の第二端部２ｂに寄った位置に配置されている。圧縮部５と膨張部６との間は、隔離するようにケーシング３によって区切られている。

（膨張インペラの構成）
膨張部６は、内部に流入したガスＧを膨張させる膨張インペラ６１を一つ以上備えている。本開示の実施形態において、膨張部６は、二つの膨張インペラ６１を備えている。なお、膨張部６は、三以上の膨張インペラ６１を備えていてもよい。また、膨張インペラ６１の数は、圧縮インペラ５１と同じであることに限定されるものではない。複数の膨張インペラ６１は、複数の圧縮インペラ５１に対して、軸線方向Ｄａの第二側Ｄａ２に配置されている。複数の膨張インペラ６１は、軸線方向Ｄａに間隔をあけて配置されている。膨張インペラ６１は、回転軸２に固定されている。膨張インペラ６１は、回転軸２と一体に軸線Ｏ周りに回転する。膨張インペラ６１は、例えば、圧縮インペラ５１と同様に、クローズドインペラである。

膨張インペラ６１は、径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏから流入するガスＧを、軸線方向Ｄａの第二側Ｄａ２にその流れ方向を転向させながら移送して膨張させる。このとき、ガスＧが膨張することによって、各膨張インペラ６１に軸線Ｏ周りの回転力が付与される。

このような膨張部６は、膨張部吸込口３５を通してケーシング３の外部から吸い込んだガスＧを、各膨張インペラ６１で膨張させる。膨張部６において、複数の膨張インペラ６１を経ることで複数段に膨張され、低温及び低圧とされたガスＧは、膨張部吐出口３６からケーシング３の外部に吐出される。

（駆動機の構成）
本開示の実施形態において、回転機械１は、駆動機８に接続されている。駆動機８は、回転軸２を軸線Ｏ周りに回転駆動させる。駆動機８は、例えば、モータである。駆動機８は、回転軸２の軸線方向Ｄａの第一端部２ａに接続されている。つまり、駆動機８は、圧縮部５を挟んで膨張部６の反対側に位置するように、回転機械１の隣に配置されている。駆動機８の出力軸８１ａは、ケーシング３の外部で、回転軸２に連結されている。駆動機８を作動させて出力軸８１ａを軸線Ｏ周りに回転させると、回転軸２が出力軸８１ａと一体に軸線Ｏ周りに回転駆動される。

（作用効果）
上記構成の回転機械１では、ケーシング３の外部から導入されたガスＧを圧縮する圧縮部５と、ケーシング３の外部から導入されたガスＧを膨張させる膨張部６と、を、一つのケーシング３内に備えている。このような回転機械１では、圧縮インペラ５１及び膨張インペラ６１は、一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの間のみに配置されている。これにより、一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの外側に重量物であるインペラが配置されず、回転軸２のロータダイナミクスを向上させることができる。

さらに、ケーシング３では、圧縮部吸込口３３、圧縮部吐出口３４、膨張部吸込口３５、及び膨張部吐出口３６の順に軸線方向Ｄａの第一側Ｄａ１から並んで配置されている。さらに、膨張インペラ６１は、ケーシング３内で一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの間で圧縮部５と並んで配置されている。具体的には、圧縮インペラ５１は、ケーシング３内で軸線方向Ｄａの第一側Ｄａ１に寄った位置に配置されて配置されている。また、膨張インペラ６１は、ケーシング３内で軸線方向Ｄａの第二側Ｄａ２に寄った位置に配置されている。つまり、圧縮インペラ５１と膨張インペラ６１とは、軸線方向Ｄａにおいて、互いに反対を向いて配置されている。このような構成では、ガスＧを圧縮することで圧縮インペラ５１に作用する軸線方向Ｄａのスラスト力Ｆｓ１は、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａ１に向かうように生じる。また、ガスＧを膨張させることで膨張インペラ６１に作用する軸線方向Ｄａのスラスト力Ｆｓ２は、軸線方向Ｄａの第二側Ｄａ２に向かうように生じる。その結果、圧縮インペラ５１に作用するスラスト力Ｆｓ１と膨張インペラ６１に作用するスラスト力Ｆｓ２とが、互いに打ち消される。これにより、回転軸２に作用するスラスト力を抑えることができる。

なお、ガスＧを圧縮することで圧縮インペラ５１に作用する軸線方向Ｄａのスラスト力Ｆｓ１と、ガスＧを膨張させることで膨張インペラ６１に作用する軸線方向Ｄａのスラスト力Ｆｓ２とによって、互いに打ち消されない残スラスト力は、ラジアル軸受４Ａ又は４Ｂの近傍に設置したスラスト軸受９にて、その力が抑えられる。

また、膨張部６では、軸線方向Ｄａに間隔をあけて複数の膨張インペラ６１が配置されている。つまり、膨張部６は、多段式のエキスパンダーを構成している。複数の膨張インペラ６１で、ガスＧを徐々に膨張させることで、ガスＧを膨張させる際に生じる損失を抑え、ガスＧを効率良く膨張させることができる。また、膨張部６では、ガスＧが膨張するときのエネルギーによって回転軸２が回転する。このとき、ガスＧを徐々に膨張させることで、そのエネルギーを効率良く回収することができる。

圧縮部５では、軸線方向Ｄａに間隔をあけて複数の圧縮インペラ５１が配置されている。つまり、圧縮部５は、多段式のコンプレッサーを構成している。複数の圧縮インペラ５１で、高圧の吐出圧まで対応することができる。

回転軸２の第一端部２ａに駆動機８が接続されている。これにより、膨張部６でガスＧが膨張するときのエネルギーによって、回転軸２を回転させることができるのに加えて、駆動機８で回転軸２を軸線Ｏ周りに回転駆動させることで、回転軸２の回転駆動力をアシストすることができる。また、駆動機８は、軸線方向Ｄａにおいて、圧縮部５を挟んで膨張部６の反対側に配置される。したがって、圧縮部５に対し、軸線方向Ｄａの第一側Ｄａ１の駆動機８と、軸線方向Ｄａの第二側Ｄａ２の膨張部６とで、回転軸２を軸線Ｏ周りに回転駆動させることになる。これにより、回転軸２への軸線Ｏ周りのねじり方向の応力の大きさを抑えることが可能となる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

例えば、第一の変形例として、図２に示すように、回転機械１は、圧縮部吐出口３４と膨張部吸込口３５とを繋ぐ送給部７をさらに備えていてもよい。

（送給部の構成）
送給部７は、圧縮部５と膨張部６との間に配置されている。送給部７は、ケーシング３内の圧縮部５で圧縮されたガスＧを、膨張部６に送給する。送給部７は、送給ライン７１と、熱交換器７２と、を備えている。

送給ライン７１は、ケーシング３の外部で圧縮部吐出口３４と膨張部吸込口３５とを繋ぐ配管である。ケーシング３内の圧縮部５で圧縮されたガスＧは、圧縮部吐出口３４から送給ライン７１に流れ込む。送給ライン７１に流れ込んだガスＧは、熱交換器７２を経て、膨張部吸込口３５からケーシング３内の膨張部６に供給される。

熱交換器７２は、送給ライン７１に配置されている。熱交換器７２は、送給ライン７１を流れるガスＧの熱を回収可能とされている。具体的には、熱交換器７２は、送給ライン７１を流れるガスＧと、熱媒体（図示無し）との間で熱交換を行う。これにより、熱交換器７２を経たガスＧは、温度が低下し、熱媒体の温度は上昇する。

このような送給部７を配置することで、圧縮部５で圧縮されて膨張部６に送られる前のガスＧの熱を効率良く利用することができる。具体的には、圧縮部５で圧縮されたガスＧを膨張部６に送る送給部７にガスＧの熱を奪う熱交換器７２が配置されている。これにより、圧縮部５で圧縮されて高温となったガスＧの熱を熱交換器７２で奪うことで、ガスＧの熱を有効利用することができる。また、ガスＧの熱を熱交換器７２で回収することで、ガスＧの温度が低下する。温度が低下したガスＧを膨張部６で膨張させることで、ガスＧは、より低温及び低圧となる。したがって、回転機械１を、例えば冷凍機等として有効利用することができる。

なお、上記第一の変形例では、熱交換器７２でガスＧと熱交換することで加熱された熱媒体の用途は、何ら限定するものではない。

また、熱交換器７２で熱が奪われたガスＧを膨張部６で膨張させることで、ガスＧの温度を極低温とすることで、回転機械１を冷凍機として用いる例に言及したが、回転機械１を、さらに他の用途に用いてもよい。

また、ケーシング３の内部にガスＧを供給したり、外部にガスＧを排出する構造は、圧縮部吸込口３３、圧縮部吐出口３４、膨張部吸込口３５、及び膨張部吐出口３６のみであることに限定されるものではない。例えば、回転機械１は、軸線方向Ｄａにおいて、圧縮部吸込口３３と圧縮部吐出口３４との間に、別の吸込口や吐出口を有していてもよい。また、回転機械１は、軸線方向Ｄａにおいて、膨張部吸込口３５と膨張部吐出口３６との間に、別の吸込口や吐出口を有していてもよい。

具体的には、第二の変形例として、図３に示すように、ケーシング３は、圧縮部吸込口３３と圧縮部吐出口３４との間に、第二圧縮部吸込口４１と、第二圧縮部吐出口４２とを有している。第二圧縮部吸込口４１は、圧縮部吸込口３３よりも下流側で、ケーシング３の内部の膨張部６の途中にガスＧを導入させる。第二圧縮部吐出口４２は、第二圧縮部吸込口４１よりも下流側かつ圧縮部吐出口３４よりも上流側で、圧縮されたガスＧを圧縮部５の途中からケーシング３の外部に排出させる。

さらに、ケーシング３は、膨張部吸込口３５と膨張部吐出口３６との間に、第二膨張部吐出口４５と、第二膨張部吸込口４６と、第三膨張部吐出口４７とを有している。第二膨張部吐出口４５は、膨張部吸込口３５よりも下流側で、膨張されたガスＧを膨張部６の途中からケーシング３の外部に排出させる。第二膨張部吸込口４６は、第二膨張部吐出口４５よりも下流側かつ第三膨張部吐出口４７よりも上流側で、ケーシング３の内部の圧縮部５の途中にガスＧを導入させる。第三膨張部吐出口４７は、第二膨張部吸込口４６よりも下流側かつ膨張部吐出口３６よりも上流側で、膨張されたガスＧを膨張部６の途中からケーシング３の外部に排出させる。

また、本実施形態では、圧縮インペラ５１や膨張インペラ６１としてクローズドインペラを例に挙げたがこのような構成に限定されるものではない。例えば、圧縮インペラ５１や膨張インペラ６１は、カバーを有さないオープンインペラであってもよい。また、圧縮インペラ５１や膨張インペラ６１が複数配置されている場合にはクローズドインペラとオープンインペラとが混在していてもよい。

また、スラスト軸受９の配置されている位置は、本実施形態の位置に限定されるものではない。例えば、スラスト軸受９は、軸線方向Ｄａにおいて、ラジアル軸受４Ａと圧縮部５との間に配置されていてもよい。また、スラスト軸受９は、ラジアル軸受４Ｂに近い位置に配置されていてもよい。その際、スラスト軸受９は、ラジアル軸受４Ｂと膨張部６との間や、ラジアル軸受４Ｂと第二端部２ｂとの間に配置されていてもよい。

また、上記実施形態では、回転機械１の各部について、概略的な構成を示したが、その具体的な構成については何ら限定するものではない。

＜付記＞
実施形態に記載の回転機械１は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る回転機械１は、軸線Ｏ周りに回転する回転軸２と、前記回転軸２を覆うケーシング３と、前記ケーシング３に固定され、前記回転軸２を前記軸線Ｏ周りに回転自在に支持する一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂと、前記ケーシング３内で前記軸線Ｏの延びる軸線方向Ｄａにおける前記一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの間に配置され、前記ケーシング３の外部から導入された流体を圧縮する圧縮部５と、前記ケーシング３内で前記軸線方向Ｄａにおける前記一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの間で前記圧縮部５と並んで配置され、前記ケーシング３の外部から導入された前記流体を膨張させる膨張部６と、前記軸線方向Ｄａにおいて、前記圧縮部５及び前記膨張部６に対して前記回転軸２の第一端部２ａ又は第二端部２ｂに近い位置に配置され、前記回転軸２を前記軸線方向Ｄａに支持するスラスト軸受９とを備え、前記圧縮部５は、前記回転軸２に固定されて一体に回転することで内部に流入した前記流体を圧縮する圧縮インペラ５１を備え、前記膨張部６は、前記回転軸２に固定されて一体に回転することで、内部に流入した前記流体を膨張させる膨張インペラ６１を備え、前記ケーシング３は、前記圧縮部５において最も圧力の低い前記流体を前記圧縮部５に導入させる圧縮部吸込口３３と、前記圧縮部５で圧縮されて前記圧縮部５において最も圧力の高い前記流体を前記ケーシング３の外部に排出する圧縮部吐出口３４と、前記膨張部６において最も圧力の高い前記流体を前記膨張部６に導入させる膨張部吸込口３５と、前記膨張部６で膨張されて前記膨張部６において最も圧力の低い前記流体を前記ケーシング３の外部に排出する膨張部吐出口３６とを有し、前記軸線方向Ｄａにおいて、前記圧縮部吸込口３３、前記圧縮部吐出口３４、前記膨張部吸込口３５、及び前記膨張部吐出口３６の中で、前記圧縮部吸込口３３が前記第一端部２ａに最も近い位置に配置され、前記膨張部吐出口３６が前記第二端部２ｂに最も近い位置に配置されている。

このような回転機械１では、圧縮インペラ５１及び膨張インペラ６１は、一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの間のみに配置されている。これにより、一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの外側に重量物であるインペラが配置されず、回転軸２のロータダイナミクスを向上させることができる。さらに、ケーシング３では、圧縮部吸込口３３、圧縮部吐出口３４、膨張部吸込口３５、及び膨張部吐出口３６の順に軸線方向Ｄａにおいて第一端部２ａから並んで配置されている。膨張インペラ６１は、ケーシング３内で一対のラジアル軸受４Ａ及び４Ｂの間で圧縮部５と並んで配置されている。つまり。圧縮インペラ５１と膨張インペラ６１とは、軸線方向Ｄａにおいて、互いに反対を向いて配置されている。このような構成では、流体を圧縮することで圧縮インペラ５１に作用する軸線方向Ｄａのスラスト力Ｆｓ１は、軸線方向Ｄａにおいて第一端部２ａに向かうように生じる。また、流体を膨張させることで膨張インペラ６１に作用する軸線方向Ｄａのスラスト力Ｆｓ２は、軸線方向Ｄａにおいて第二端部２ｂに向かうように生じる。その結果、圧縮インペラ５１に作用するスラスト力Ｆｓ１と膨張インペラ６１に作用するスラスト力Ｆｓ２とが、互いに打ち消される。これにより、回転軸２に作用するスラスト力を抑えることができる。

（２）第２の態様に係る回転機械１は、（１）の回転機械１であって、前記膨張部６は、前記軸線方向Ｄａに間隔をあけて配置された複数の前記膨張インペラ６１を備える。

複数の膨張インペラ６１で、流体を徐々に膨張させることで、流体を膨張させる際に生じる損失を抑え、流体を効率良く膨張させることができる。また、膨張部６では、流体が膨張するときのエネルギーによって回転軸２が回転する。このとき、流体を徐々に膨張させることで、そのエネルギーを効率良く回収することができる。

（３）第３の態様に係る回転機械１は、（１）又は（２）の回転機械１であって、前記圧縮部５は、前記軸線方向Ｄａに間隔をあけて配置された複数の前記圧縮インペラ５１を備える。

複数の圧縮インペラ５１で、高圧の吐出圧まで対応することができる。

（４）第４の態様に係る回転機械１は、（１）から（３）の何れか一つの回転機械１であって、前記圧縮部吐出口３４と前記膨張部吸込口３５とを繋ぐ送給部７をさらに備え、前記送給部７は、前記流体の熱を回収する熱交換器７２を有している。

これにより、圧縮部５で圧縮されて高温となった流体の熱を熱交換器７２で奪うことで、流体の熱を有効利用することができる。また、流体の熱を熱交換器７２で回収することで、流体の温度が低下する。温度が低下された流体を膨張部６で膨張させることで、流体Ｇは、より低温及び圧となる。これにより、回転機械１を、例えば冷凍機等として有効利用することができる。

（５）第５の態様に係る回転機械１は、（１）から（４）の何れか一つの回転機械１であって、前記ケーシング３では、前記軸線方向Ｄａにおいて、前記第一端部２ａから前記第二端部２ｂに向かって、前記圧縮部吸込口３３、前記圧縮部吐出口３４、前記膨張部吸込口３５、及び前記膨張部吐出口３６の順に並んで配置されている。

１…回転機械
２…回転軸
２ａ…第一端部
２ｂ…第二端部
３…ケーシング
４Ａ及び４Ｂ…ラジアル軸受
５…圧縮部
６…膨張部
７…送給部
８…駆動機
９…スラスト軸受
３３…圧縮部吸込口
３４…圧縮部吐出口
３５…膨張部吸込口
３６…膨張部吐出口
５１…圧縮インペラ
６１…膨張インペラ
７１…送給ライン
７２…熱交換器
８１ａ…出力軸
Ｄａ…軸線方向
Ｄａ１…第一側
Ｄａ２…第二側
Ｄｒ…径方向
Ｄｒｏ…外側
Ｆｓ１、Ｆｓ２…スラスト力
Ｇ…ガス（流体）
Ｏ…軸線

Claims

軸線周りに回転する回転軸と、
前記回転軸を覆うケーシングと、
前記ケーシングに固定され、前記回転軸を前記軸線周りに回転自在に支持する一対のラジアル軸受と、
前記ケーシング内で前記軸線の延びる軸線方向における前記一対のラジアル軸受の間に配置され、前記ケーシングの外部から導入された流体を圧縮する圧縮部と、
前記ケーシング内で前記軸線方向における前記一対のラジアル軸受の間で前記圧縮部と並んで配置され、前記ケーシングの外部から導入された前記流体を膨張させる膨張部と、
前記軸線方向において、前記圧縮部及び前記膨張部に対して前記回転軸の第一端部に近い位置に配置され、前記回転軸を前記軸線方向に支持するスラスト軸受とを備え、
前記圧縮部は、前記回転軸に固定されて一体に回転することで内部に流入した前記流体を圧縮する圧縮インペラを備え、
前記膨張部は、前記回転軸に固定されて一体に回転することで、内部に流入した前記流体を膨張させる膨張インペラを備え、
前記ケーシングは、
前記圧縮部において最も圧力の低い前記流体を前記圧縮部に導入させる圧縮部吸込口と、
前記圧縮部で圧縮されて前記圧縮部において最も圧力の高い前記流体を前記ケーシングの外部に排出する圧縮部吐出口と、
前記膨張部において最も圧力の高い前記流体を前記膨張部に導入させる膨張部吸込口と、
前記膨張部で膨張されて前記膨張部において最も圧力の低い前記流体を前記ケーシングの外部に排出する膨張部吐出口とを有し、
前記軸線方向において、前記圧縮部吸込口、前記圧縮部吐出口、前記膨張部吸込口、及び前記膨張部吐出口の中で、前記圧縮部吸込口が前記第一端部に最も近い位置に配置され、前記膨張部吐出口が前記回転軸の第二端部に最も近い位置に配置され、
前記圧縮部を挟んで前記膨張部の反対側に位置するように配置され、前記回転軸を回転駆動する駆動機をさらに備え、
前記駆動機は、前記回転軸の前記軸線方向の前記第一端部に接続され、
前記スラスト軸受は、前記軸線方向において、前記第一端部と前記ラジアル軸受との間に配置されている回転機械。
前記膨張部は、前記軸線方向に間隔をあけて配置された複数の前記膨張インペラを備える請求項１に記載の回転機械。
前記圧縮部は、前記軸線方向に間隔をあけて配置された複数の前記圧縮インペラを備える請求項１又は２に記載の回転機械。
前記圧縮部吐出口と前記膨張部吸込口とを繋ぐ送給部を備え、
前記送給部は、前記流体の熱を回収する熱交換器を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の回転機械。
前記ケーシングでは、前記軸線方向において、前記第一端部から前記第二端部に向かって、前記圧縮部吸込口、前記圧縮部吐出口、前記膨張部吸込口、及び前記膨張部吐出口の順に並んで配置されている請求項１から４のいずれか一項に記載の回転機械。