JP4168032B2 - ターボ圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ圧縮機に係り、特に、インペラとシュラウドとの間で発生する流動損失を抑制するために、構造を改善したターボ圧縮機に関する。

一般に、ターボ圧縮機は、駆動モーターと、駆動モーターの駆動力によって回転するインペラと、インペラの羽根と離隔して配置されたシュラウドとを含んでおり、シュラウドに受容されて回転するインペラによる遠心力によって冷媒のようなガスを吸入及び圧縮する。

一般に、駆動モーターは、モーター室に固定された固定子と、固定子の内側に回転可能に設けられた回転子と、を含む。また、回転子は、回転軸によってインペラと一体に結合されてインペラを回転させる。

図１ないし図３は、従来のターボ圧縮機に設けられたインペラ及びシュラウドの断面図及び斜視図である。図面に示すように、従来のターボ圧縮機は、駆動モーター（図示せず）と一体に結合されて回転する回転軸１０５と、回転軸１０５と結合されて回転するインペラ１４０と、インペラを受容しインペラ１４０の外側に離隔して配置されたシュラウド１６０と、シュラウド１６０の一側と連結されてインペラ１４０にガスを吸入させるガス吸入部１４５と、シュラウド１６０の他側と連結されてインペラ１４０から排出されたガスの運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザ１４７と、を含む。

インペラ１４０は、回転軸１０５と結合されたインペラ本体１４１及びシュラウド１６０と離隔間隙１６５をおいてインペラ本体１４１に形成された多くの羽根１４３を有する。

シュラウド１６０には、インペラ１４０によってガス吸入部１４５からディフューザ１４７にガスが排出される流動（ｃ）に対して、ガスがディフューザ１４７から相対的に圧力の低いガス吸入部１４５方向に離隔間隙１６５を通じて逆流する現象が発生し、このような逆流現象を抑制するために逆流防止溝１６１が設けられる。

逆流防止溝１６１は、シュラウド１６０の内周面にインペラ１４０の回転方向に沿って環状に相互に離隔されるように複数が設けられる。すなわち逆流防止溝１６１は、シュラウド１６０の内周面にインペラ１４０の回転軸を中心にして相互に異なる直径の環形溝として形成される。

これによって、従来のターボ圧縮機は、図１に示すように、シュラウド１６０に複数の逆流防止溝１６１を設けることによって、シュラウド１６０の内周面に沿ってディフューザ１４７からガス吸入部１４５方向に逆流するガスを受容してガスが逆流（ａ）することを抑制することができる。

また、図３に示すように、インペラ１４０の回転方向及び羽根１４３の間の通路の形状によって排出されるガスの速度及び摩擦等が異なり、このような速度の差及び摩擦等によってインペラ１４０の各羽根１４３の両側には相互に異なる圧力が分布することになる。また、このような羽根１４３の両側の圧力差によってシュラウド１６０と羽根１４３との間の間隙１６５を通じて羽根１４３の一側から他側に羽根１４３に対して横方向に流動する漏れ流動（ｂ）が発生する。また、このような漏れ流動（ｂ）は、ガスの排出流動（ｃ）方向に対して横方向に進行することによって近接する他の羽根１４３まで影響を及ぼしてガスの排出流動を妨害することになって圧縮効率が低下する要因となる。

しかし、従来のターボ圧縮機は、シュラウドに設けられた複数の逆流防止溝によってディフューザでガス吸入部方向に発生するガスの逆流を抑制することができるが、漏れ流動を抑制することができる抑制手段が設けられておらず圧縮効率が低下してしまう問題がある。すなわち漏れ流動は、インペラの回転方向に進行するので、インペラの回転方向に形成された逆流防止溝では抑制することができない。これによって、ガスの逆流だけでなく、漏れ流動を抑制することによって圧縮効率を増加させることができる方案が要求される。

本発明の目的は、圧縮効率を増加させることができるターボ圧縮機を提供することである。

前記目的を達成するために本発明によるターボ圧縮機は、駆動モーターと、前記駆動モーターによって回転するインペラと、前記インペラにガスが吸入されるように設けられたガス吸入部及び前記インペラからガスが排出されるように設けられたガス排出部と、を備えたターボ圧縮機において、前記ガス吸入部と前記ガス排出部との間に、前記インペラの羽根と離隔して設けられたシュラウドと；前記シュラウドに前記インペラの回転方向に前記ガス排出部を向いて傾斜配置された複数のチャネルと；を含むことを特徴とする。

ここで、前記複数のチャネルは、前記ガス排出部と近接する前記シュラウドのガス排出部の領域に設けられることが好ましい。

相互に近接する前記各チャネルは、ガス排出方向に離隔して重畳されることが好ましい。

前記各チャネルは、曲線形に設けられることが好ましい。

前記ガス吸入部と前記複数のチャネルとの間に、前記シュラウドに前記インペラの回転方向に沿って配置された少なくとも一つの補助チャネルをさらに含むことが好ましい。

前記チャネル及び前記補助チャネルは、前記シュラウドに陥没形成されることが好ましい。

上述したように、本発明によれば、ガスの逆流現象だけでなくガスの漏洩逆流現象を抑制して圧縮効率を増加させることができる。

以下、多様な実施形態において、同一の構成を有する構成に対しては同一の符号を付して代表的に第１実施形態を説明し、それ以外の実施形態では第１実施形態と異なる構成要所だけについて説明する。

以下、添付した図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

図４ないし図７に示すように、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機１は、モーターケーシング１０に装着された駆動モーター２０と、駆動モーター２０と回転軸５で連結されて回転する第１インペラ(impeller)４０及び第２インペラ２０と、第１インペラ４０及び第２インペラ５０を受容し第１インペラ４０及び第２インペラ５０の外側に離隔して配置された一対のシュラウド６０と、各シュラウド６０の一側と連結されて第１インペラ４０及び第２インペラ５０に冷媒のようなガスを吸入させるように設けられた第１ガス吸入部４５及び第２ガス吸入部５５と、シュラウド６０の他側と連結されて第１インペラ４０及び第２インペラ５０から排出されたガスの運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するガス排出部のような第１ディフューザ４７及び第２ディフューザ５７と、第１ディフューザ４７から排出されたガスを第２ガス吸入口５５に送達するために第１ディフューザ４７と第２ガス吸入部５５との間に設けられたガス連結部４８と、を含む。また、第２ディフューザ５７には、圧縮されたガスを吐出するためのガス吐出口５８が設けられる。

モーターケーシング１０は、駆動モーター２０及び回転軸５を受容する所定の受容空間を形成し、一側に駆動モーター２０を冷却するための冷却ガスが吸入されるように設けられた冷却ガス吸入口１１と、他側に吸入口１１から吸入された冷却ガスが駆動モーター２０を冷却した後に排出されるように設けられた冷却ガス排出口１３と、を有する。また、モーターケーシング１０の両側は、回転軸５と結合されて回転軸５を支持する。また、モーターケーシング１０と回転軸５とが結合される地点には、圧縮されたガスがモーターケーシング１０の内部に流入することを防止するようにシーリング部材１５が設けられる。

回転軸５は、その両側にそれぞれ第１インペラ４０及び第２インペラ５０が結合され、その中央領域は、後述する駆動モーター２０の回転子３１と一体に結合されて回転することになる。また、回転軸５は、普通に高速で回転するので回転軸５を軸方向に支持するスラストベアリング１７と回転軸５を半径方向に支持するラジアルベアリング１９と結合されることが好ましい。

駆動モーター２０は、モーターケーシング１０に一体に結合される固定子(stator)２１と、固定子２１の内側に所定の距離をおいて離隔されて回転可能に挿入された回転子(rotor)３１と、を含む。

固定子２１は、その内側に回転子３１を受容することができるように、回転子受容部２７が形成された円筒形態の固定子コア２３と、固定子コア２３に結合された数多くの巻線コイル２５と、を含む。

回転子３１は、円筒状に形成されて固定子２１の回転子受容部２７に所定の距離が離隔されて挿入される。また、回転子３１は、薄板形態のコア片が数多く積層されてできた回転子コア３３と、回転子コア３３に設けられた各コア片を支持する固定部材３５と、を含む。また、回転子３１の回転子コア３３の中央領域には回転軸５が一体に結合されて回転可能になる。

第１インペラ４０及び第１インペラ４０を受容するシュラウド６０と、第２インペラ５０及び第２インペラ５０を受容するシュラウド６０と、が対称構造を有するので、以下では、その代表として第１インペラ４０及び第１インペラ４０を受容するシュラウド６０について説明する。

第１インペラ４０は、回転軸５と結合されたインペラ本体４１と、シュラウド６０と離隔して間隔６５をおいてインペラ本体４１に形成された複数の羽根４３と、を有する。

インペラ本体４１は、円錐状に形成されることが好ましく、その一側に回転軸５が挿入されて一体で回転可能に設けられることが好ましい。

複数の羽根４３は、インペラ本体４１の他側に等間隔で設けられる。また、各羽根４３は、第１ガス吸入部４５から容易にガスを吸入して第１ディフューザ４７に排出するように屈曲形成されることが好ましい。しかし、このような複数の羽根は、インペラ本体４１の他側に等間隔をおいて屈曲させず直線状に設けることもできる。

シュラウド６０は、第１ガス吸入部４５とガス排出部である第１ディフューザ４７との間に第１インペラ４７の羽根４３と離隔されて設けられる。また、シュラウド６０には、後述するガスの逆流現象及び後述するガスの漏れ流動現象を抑制するように第１インペラ４０の回転方向に第１ディフューザ４７を向いて傾斜配置された複数のチャネル６１が設けられる。

ガスの逆流現象は、図５に示すように、ガスが相対的に圧力の高い第１ディフューザ４７からシュラウド６０に沿って相対的に圧力の低い第１ガス吸入部４５方向へ圧力差によって逆流（Ａ）する現象である。このようなガスの逆流現象は、第１インペラ４０によって第１ガス吸入部４５から第１ディフューザ４７に排出されるガスの流動（Ｃ）を妨害するので圧縮効率を低下させる要因となる。また、第１インペラ４０に設けられた各羽根４３の両側は第１インペラ４０の回転方向に沿って排出されるガスの速度及び摩擦等が異なり、このような速度の差及び摩擦等によって各羽根４３の両側には相互に異なる圧力が分布する。また、このような羽根４３の両側の圧力差によってシュラウド６０と羽根４３との間の間隙６５を通じて羽根４３の一側から他側に羽根４３の横方向に流動する漏れ流動（Ｂ）現象が発生する。また、このようなガスの漏れ流動現象は、ガスの排出方向（Ｃ）の横方向に近接する他の羽根４３まで進行するのでガス排出の流動を妨害して圧縮効率を低下させる要因となる。

複数のチャネル６１は、第１ディフューザ４７と近接するシュラウド６０のガス排出領域６０ａに設けられることが好ましい。すなわち、複数のチャネル６１は、第１ガス吸入部４５と近接するシュラウド６０のガス吸入領域６０ｂではない第１ディフューザ４７と近接するガス排出領域６０ａに設けられることが好ましい。これはガスの逆流現象及びガスの漏れ流動現象がシュラウド６０のガス排出領域６０ａに強く現れるのである。しかし、複数のチャネル６１は、第１ディフューザ４７と近接するシュラウド６０のガス排出領域６０ａだけでなくガス吸入領域６０ｂを含んだシュラウド６０の内周面の全体に設けることもできる。

また、相互に近接した各チャネル６１は、ガス排出方向（Ｃ）に離隔されるように重畳されることが好ましい。すなわち、図６に示すように、各チャネル６１は、チャネル６１の両側の端部領域でガスの逆流現象及びガスの漏れ流動現象を効果的に抑制するため重畳されるように設けられることが好ましい。

また、各チャネル６１は、曲線形に設けられることが好ましい。すなわち、図６に示すように、各チャネル６１は、ガスが排出される方向（Ｃ）に円弧形状を有するように設けられることが好ましい。これは、第１インペラ４０の羽根の両側で発生するガスの漏れ流動（Ｂ）を複数のチャネル６１を通じて第１ディフューザ４７に容易に排出するためである。

また、複数のチャネル６１は、シュラウド６０の内周面で陥没形成されることが好ましい。また、各チャネル６１は、四角形断面を有するように形成されることが好ましいが、半円形状等に形成することもできる。また、各チャネル６１の幅は、ガスの逆流現象及びガスの漏れ流動現象を抑制することができる程度に設定されることが好ましく、シュラウド６０及び第１インペラ４０の大きさと、第１インペラ４０の回転速度等に従って異なってもよい。

このような構成によって、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機１の第１インペラ４０及びシュラウド６０の作動過程は次の通りとなる。

まず、駆動モーター２０に電圧が印加されて駆動モーター２０が回転軸５を回転させる。これによって、回転軸５と一体で第１インペラ４０が回転し、この第１インペラ４０の回転によって第１ガス吸入部４５からガスが第１インペラ４０に吸入されて第１ディフューザ４７に排出される。この時、図５に示すように、第１ディフューザ４７及び第１ガス吸入部４５の圧力差によって第１ディフューザ４７から第１ガス吸入部４５に逆流（Ａ）するガスはチャネル６１によって受容されて進行が抑制される。また、図７に示すように、第１インペラ４０の羽根４３の両側の圧力差によって発生するガスの漏れ流動（Ｃ）は、それぞれチャネル６１に受容されて各チャネル６１の長手方向に沿って第１ディフューザ４７を進行することによって、ガスの排出方向（Ｃ）の横方向に続いて進行することを抑制することができる。

これによって、本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機は、シュラウドにインペラの回転方向にディフューザを向いて傾斜配置された複数のチャネルを設けることによって、ガスの逆流現象だけでなくガスの漏れ流動現象を抑制して圧縮効率を増加させることができる。

図８は、本発明の第２実施形態によるターボ圧縮機のシュラウドの斜視図である。図面に示すように、第２実施形態は、シュラウド６０に第１ガス吸入部４５と複数のチャネル６１との間で第１インペラ４０の回転方向に沿って配置された少なくとも一つの補助チャネル６３をさらに含むことが差異である。

補助チャネル６３は、ガスの排出方向（Ｃ）を基準にしてチャネル６１が設けられたシュラウド６０の前方に第１インペラ４０の回転方向に沿って環形状に相互に離隔されるように複数が設けられることが好ましい。すなわち、補助チャネル６３は、シュラウド６０のガス排出領域６０ａに設けられたチャネル６１の前方であるシュラウド６０のガス吸入領域６０ｂに設けられる。また、補助チャネル６３は、シュラウド６０の内周面に第１インペラ４０の回転軸を中心にして相互に異なる直径を有するように陥没形成されることが好ましい。

これによって、本発明の第２実施形態によるターボ圧縮機は、シュラウド６０に補助チャネル６３を設けることによって、ガス逆流現象によって第１ディフューザ４７から第１ガス吸入部４５に逆流するガスがチャネル６１を通過して続いて進行する場合、チャネル６１を通過して続いて進行するガスの逆流を抑制することができる。

前述の実施形態では、チャネル６１及び補助チャネル６３が第１インペラ４０及び第１インペラ４０を受容するシュラウド６０に適用される場合を説明したが、第２インペラ５０及び第２インペラ５０を受容するシュラウド６０に同一に適用することができる。

以上、説明したように、本発明によると、ガスの逆流現象だけでなく、ガスの漏れ流動現象を抑制することによって圧縮効率を増加させることができる。

従来のターボ圧縮機に設けられたインペラ及びシュラウドの断面図である。 図１のターボ圧縮機に設けられたインペラの斜視図である。 図１のターボ圧縮機に設けられたシュラウドの斜視図である。 本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機の概略的な断面図である。 図４のターボ圧縮機の部分拡大断面図である。 図４のターボ圧縮機のシュラウドの斜視図である。 本発明の第１実施形態によるターボ圧縮機のインペラ及びチャネルに対するガスの作動斜視図である。 本発明の第２実施形態によるターボ圧縮機のシュラウドの斜視図である。

符号の説明

１ ターボ圧縮機
５ 回転軸
１０ モーターケーシング
１１ 吸入口
１３ 排出口
１５ シーリング部材
２０ 駆動モーター
２１ 固定子
２３ 固定子コア
２５ 巻線コイル
３１ 回転子
３３ 回転子コア
４０ 第１インペラ
４１ インペラ本体
４３ 羽根
４５ 第１ガス吸入部
４７ 第１ディフューザ
４８ ガス連結部
５０ 第２インペラ
５５ 第２ガス吸入部
５７ 第２ディフューザ
５８ ガス吐出口
６０ シュラウド
６１ チャネル
６５ 間隙

Claims (5)

1. 駆動モーターと、前記駆動モーターによって回転するインペラと、前記インペラにガスが吸入されるように設けられたガス吸入部及び前記インペラからガスが排出されるように設けられたガス排出部と、を備えたターボ圧縮機において、
   前記ガス吸入部と前記ガス排出部との間に、前記インペラの羽根と離隔して設けられたシュラウドと；
   前記シュラウドに前記インペラの回転方向に前記ガス排出部を向いて傾斜配置された複数の円弧形状のチャネルと；
   を含み、
   複数の前記円弧形状のチャネルは、前記シュラウドの半径方向に隣接するもの同士の入口側の端部と出口側の端部とが、前記シュラウドの半径方向に重なり合うように配置されていることを特徴とするターボ圧縮機。
2. 前記複数のチャネルは、前記ガス排出部と近接する前記シュラウドのガス排出部の領域に設けられることを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 前記複数のチャネルのそれぞれは、ガス排出方向に離隔して重畳されることを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。
4. 前記ガス吸入部と前記複数のチャネルとの間に、前記シュラウドに前記インペラの回転方向に沿って配置された少なくとも一つの補助チャネルをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。
5. 前記チャネル及び前記補助チャネルは、前記シュラウドに陥没形成されることを特徴とする請求項４に記載のターボ圧縮機。

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